CN103959402A - 利用半透明圆柱形母版在柔性基材上形成微观传导线的光致图案化 - Google Patents

利用半透明圆柱形母版在柔性基材上形成微观传导线的光致图案化 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种方法，该方法包括形成母版压花辊以具有预定的图案；为柔性的未图案化基材涂覆催化剂涂覆层；以及使用母版压花辊在被涂覆的基材中形成对应图案，从而形成图案化的基材。方法还可以包括无电敷镀图案化的基材。

Description

利用半透明圆柱形母版在柔性基材上形成微观传导线的光致图案化
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年10月19日提交的题为“使用辊对辊光致图案化方法、使用允许形成高清晰度的半透明圆柱形母版在聚合物或金属柔性基材上形成微观传导线(Using Roll-to-Roll Photo-Patterning MethodUsing a Translucent Cylindrical Master that Allows the Formation of HighDefinition,Microscopic Conductive Lines on a Polymer or Metal FlexibleSubstrate)”的美国临时专利申请No.61/548,909的优先权，该申请据此通过引用并入本文。
背景技术
Gartner预期在2010年在世界范围内触摸屏(在智能电话和中频电话中)增长几乎97％，接近363百万单位。直到2013年，预期触摸屏占全世界销售的所有移动装置的58％且在北美和西欧市场中超过80％。其它市场分析预期直到2015年，存在多达50亿投入运转中的智能电话。此外，新的平板电脑(比如Apple iPad和Samsung Galary Tab)正吸引消费者的快速接受。预期Apple在2011年销售30至40百万iPad且Samsung Galary Tab自从在2010年的11月发布以来已经销售了超过1百万单位。
电阻式和电容式触摸屏技术需要是透明的且具传导功能的材料。铟锡氧化物(ITO)目前是触摸屏传感器应用最广泛使用的金属氧化物，因为其是光学透明的且是合宜的导体。ITO通常用于制造用于液晶显示器、平板显示器、触摸面板、太阳能面板和飞机风挡的透明传导性涂层。在电阻式触摸屏中，当用户用手指或触针触摸屏幕时，ITO膜被推成与ITO玻璃接触，产生允许处理器计算触摸事件的坐标系(X和Y)并处理触摸点的合适响应的电压信号。
尽管ITO是成熟的且广泛使用的技术，但是其是不理想的。ITO的主要问题是有限的供应和铟的升高的成本。供应问题由于铟是稀土金属且几乎受中国政府专门控制的事实而加剧。与ITO有关的其它缺点与昂贵的且麻烦的蒸气沉积制造过程有关。材料本身是易碎的且缺乏柔性，并且与铜相比，铟是较差的导体。结果是，历时超过10年，研究者已经花费几百万美金来寻求更好且更成本有效的替代方案。发现透明导体的这些研究努力中的一些已经包括使用诸如碳纳米管传导涂层、薄金属膜、传导性聚合物(ICP)和铝锌氧化物(AZO)的材料。迄今为止，这些材料中的所有已经证明对于ITO是明显不利的且不是目前商业可行的选择。
除ITO成分的限制之外，触摸传感器中的电极图案可仅在某些尺寸或分辨率下被印刷，尤其是，目前的印刷技术仅支持超过25微米的电极图案结构。
发明内容
在某些实施方式中，在对UV波长透明的中空圆柱体的外表面上，薄材料层被涂覆且图案化(利用激光或其它照相平板印刷术方法)。图案化的层对在圆柱体内被包含的UV光源是不透明的。当圆柱体辊被置于与卷-卷膜(随着其穿过)接触，膜上的UV敏感涂覆层通过来自圆柱体内的UV光源而暴露于图案。在膜的暴露区域中的无电催化剂随后只是膜的表面的在金属化过程期间吸引无电金属的一部分。
在一种实施方式中，方法可包括形成母版压花辊以具有预定的图案；为柔性的未图案化基材涂覆催化剂涂覆层；以及使用母版压花辊在被涂覆的基材中形成对应图案，从而形成图案化的基材。该方法还可以包括无电敷镀图案化的基材。
在另一种实施方式中，方法可包括为圆柱形结构涂覆不透紫外光的涂层；在涂层中激光蚀刻多个凹槽以形成具有预定的凹槽和突起线的图案的母版压花辊；以及为柔性的未图案化基材涂覆催化剂涂覆层。该方法还可以包括使母版压花辊抵靠催化剂涂覆层旋转以在被涂覆的基材中形成与母版压花辊的所述凹槽和突起线对应的图案；以及无电敷镀图案化的基材。
附图说明
对于本发明的示范性实施方式的详细描述，现在参考附图，在附图中：
图1示出具有围绕结构涂覆的黑抗蚀剂涂层的半透明石英圆柱体的结构；
图2描述了在横向方向上通过激光设备执行的在半透明石英圆柱体结构上刻划细微结构图案；
图3描述了在机器方向上通过激光设备执行的在半透明石英圆柱体结构上刻划细微结构图案；
图4是在横向方向上具有刻划的微结构图案的母版压花辊的俯视图；
图5示出包括狭缝式模头涂覆模块和干燥模块的辊到辊涂覆施用系统；
图6描述了在顶部具有催化剂涂覆层的柔性膜上刻划细图案线并因此印刷或敷镀能够是任何形状的传导性电极细线的微结构压花系统；以及
图7是在顶部具有最终微观敷镀电极图案的柔性膜基材的侧视图。
符号和命名
在下面的描述和权利要求中使用某些术语来指示特定系统部件。如本领域技术人员将理解的，伴随物可通过不同的名字指一个部件。该文件不意图在名字不同而不是功能不同的部件之间进行区分。在以下论述和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式形式使用且因此应被解释为指“包括但不限于…”。而且，术语“联接”或“联接”意图指间接或直接电连接。因此，如果第一装置联接到第二装置，该连接可通过直接电连接或通过经由其它装置和连接件的间接电连接。
术语“约”或“近似”指加或减10％。
具体实施方式
以下论述涉及本发明的各种实施方式。尽管这些实施方式中的一个或多个可能是优选的，但是公开的实施方式不应被理解为或以其它方式用作限制本公开(包括权利要求)的范围。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有宽的应用，且任何实施方式的论述仅意味着是该实施方式的示范，而不意图暗示本公开(包括权利要求)的范围限于该实施方式。
描述了形成压花辊的技术的示例。使用例如激光蚀刻技术形成压花辊以包括在其外表面上的图案。压花辊随后用于在柔性基材上形成特定图案(例如，在辊自身上形成的图案的反向图案)。通常，基材用催化剂材料涂覆。之前形成的压花辊随后用于在催化剂材料中压印特定图案。压印的催化剂材料用传导性材料敷镀(优选以无电方式)并且随后清洁。
母版压花辊形成
以下论述解释可如何形成压花辊。图1显示了中空圆柱体结构100的端视图。在某些实施方式，圆柱体结构由透紫外(UV)光的材料形成。这种材料的合适示例是石英，但是也可以使用其它材料。圆柱体结构100也用黑抗蚀剂涂层104涂覆。黑抗蚀剂涂层优选地不是光致抗蚀剂，而是一旦被图案化后就不透UV光的材料。黑抗蚀剂涂层104作为热能层且在圆柱体结构100上达到微米厚度。合适的黑抗蚀剂材料的示例包括正或负抗蚀剂，有机或无机颜料被加入正或负抗蚀剂内以使其不透明。可以通过浸涂、喷涂或环涂技术来施用抗蚀剂。具有黑抗蚀剂涂层104的圆柱体结构100可以具有范围从约3至24英寸的直径(d)。在某些实施方式中，黑抗蚀剂涂层104的合适厚度在0.5和25微米之间。
图2示出如何将图案蚀刻到黑抗蚀剂涂层104内的施用200。在图2的示例中，激光器202刻划抗蚀剂涂层以在横向方向(即，沿圆柱体的长度方向)产生细的突起的图案化线204。激光器202可以发射任何合适的波长的光，且在某些实施方式中，发射绿光激光束。在图2中，激光束在黑抗蚀剂涂层104上横向地刻划细的图案化线204，直到约2微米的分辨率。在某些实施方式中，圆柱体结构100被旋转(比如，1至500rpm)且激光器与圆柱体旋转同步地打开和关闭使得可以做出任何形状或取向的线和图案。在其它实施方式中，激光器202可以在不移动的圆柱体上蚀刻暴露的区域206(比如，凹槽)，然后圆柱体相对于激光器旋转近似图案化线的宽度。激光器再次蚀刻另一暴露的区域206，直到圆柱体的某些或整个长度且该过程重复直到所有期望的暴露的区域围绕圆柱体的周边被蚀刻。因此，黑抗蚀剂涂层104在激光束接触的位置处被暴露且被蚀刻掉，从而在黑抗蚀剂涂层104上形成暴露的区域206。所得到的图案可以是任何形状。对于低于10微米的高分辨率图案化线，优选地采用绿光激光器202光束。在横向方向上用于激光器202施用的功率可以在约1mW至约1000mW的范围，在约280nm至约980nm的波长内。通常，如上面提到的，可以使用任何合适波长的激光器。
图3显示了在“机器方向”(比如，圆柱体旋转方向—在该情形中顺时针)的激光施用300。来自激光器202的光束在机器方向(或者与筒的顺时针旋转相同的方向)上周向地刻划细的图案化线204，直到约2微米的分辨率。在其它实施方式中，细的图案化线204可以具有相对于横向轴线从0到90度的一定角度(图2)或者圆形横截面(图3)，具有目标控制以避免在17至22度之间的波纹光学效果，取决于频率和线尺寸。在机器方向上激光器202施用所用的功率可在约1mW至约1000mW的范围，在约280nm至约980nm的波长内，且优选地在400nm至500nm波长(绿光)。在该实施方式中，圆柱体可以以每分钟1至10,000转的速度(rpm)旋转。
图4描述了在横向方向上进行激光施用200之后母版压花辊400的端视图。在图4中，黑抗蚀剂涂层104的暴露的区域206在母版压花辊400的表面上形成细的图案化线204。根据应用，暴露的区域206在细的图案化线204之间的距离(d)可以在约1至50微米(或更多)的范围内。细的图案化线204的高度(h)和宽度(w)可以分别在约0.5微米至25微米和2微米至10微米的范围内(取决于应用或图案)。
在某些实施方式中，压花辊可以仅在黑抗蚀剂涂层104下面涂覆有铝涂覆层以保护圆柱体结构100在蚀刻过程期间免受磨损。一旦黑抗蚀剂涂层104被图案化，可以利用光蚀刻方法选择性地移除暴露的区域206中的铝涂覆层。然后，可以移除其余的黑抗蚀剂104，从而产生具有铝图案化线的圆柱体，所述铝图案化线以对应于在黑抗蚀剂涂层104被激光蚀刻之后黑抗蚀剂涂层104的图案的图案形成。
在母版压花辊400的中心，可以放置UV光源402以穿过半透明石英材料102发射UV辐射404，用于稍后在该过程中进行催化剂化学活化。在使用母版压花辊400之前，首先利用催化剂涂覆未图案化的基材。下面描述涂覆过程。
涂覆过程
图5显示了将催化剂涂覆材料502施用到柔性的未图案化基材504上的涂覆施用系统500。系统500包括狭缝式模头涂覆模块506和干燥模块508(优选地为热干燥模块)。图5中描述的过程在狭缝式模头涂覆模块506接受柔性的未图案化基材504的解开的卷510时开始。通常，可用于柔性的未图案化基材504的材料包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜、其它聚合物膜、金属、纸、玻璃等。用于柔性的未图案化基材504的合适材料的具体示例可以包括DuPont/Teijin Melinex454和DuPont/Teijin Melinex ST505，后者是为涉及热处理的过程而专门设计的热稳定膜。对于高分辨率应用，柔性的未图案化基材504膜的表面优选地是在显微镜下平滑的，具有12至250微米范围内的厚度。
在图5中，狭缝式模头涂覆模块506通过压力或重力挤出催化剂涂覆材料502并挤压到滚动的或移动的柔性的未图案化基材504上，形成具有一定厚度(例如具有在14纳米至10微米范围的厚度)的精确的适形的催化剂涂覆层502。可用于催化剂涂层502的材料可包括丙烯酸系、聚氨酯和聚合物的组合。具体地，催化剂涂层502可包括：约80％至90％的重量浓度范围内的丙烯酸系成分，且其可从商业提供者比如Satomer、Radcuer和Double Bond等获得；由Ciba Gelby供应的约5％至10％的重量浓度范围内的光引发剂成分；以及范围在约0.1％至15％范围的重量浓度范围内的乙酸钯成分，约6％至8％是优选的操作范围。
涂覆过程可以按从10(每分钟英尺(fpm)直到1000fpm)的速度运行，在某些实施方式中，目标控制在300和400fpm之间，这允许更精确地控制催化剂涂覆层502的粘度及其厚度。
在某些实施方式中，柔性的未图案化基材504的解开的卷510可以由用于涂覆的柔性的未图案化基材504的另一供应形式替代。例如，柔性的未图案化基材504可以作为平的片材供应，在该情形中，片材供给机构可以被采用。在另一示例中，柔性的未图案化基材504可以按折叠式复印页形式供应(比如，像折叠的、穿孔的计算机纸堆)，其中柔性的未图案化基材504作为周期地被折叠以形成锯齿形图案的大体平的片材给出。在其它实施方式中，柔性的未图案化基材504可以在施用催化剂涂覆层502之前被清洁。而且，在其它实施方式中，催化剂涂覆层502可以被喷涂、滚涂、刷涂或以其它方式沉积到柔性的未图案化基材504上。
在涂覆过程之后，在图5中，在顶部具有催化剂涂层502的柔性的未图案化基材504优选地穿过干燥模块508，在此处，在约50℃至约180℃的优选温度范围内施用热辐射持续约300秒的时间段，尽管在其它实施方式中温度和时间可以是不同的。在某些实施中，热干燥模块508可以干燥或部分地干燥、加热、固化或以其它方式处理被施用到柔性的未图案化基材504的催化剂涂层502。干燥模块可以包括UV辐射源以有助于固化过程。此外，在其它实施方式中，通过至少部分地干燥或固化催化剂涂层502，其可以变得被结合到柔性的未图案化基材504。
微结构压花
图6示出使用母版压花辊400在催化剂涂覆层502中形成期望的图案。图6示出微结构压花系统600的示例。系统600的各种部件包括母版压花辊400、敷镀槽602、清洁槽604和干燥模块606。压花过程在母版压花辊400接受具有如上面描述的在其上形成的催化剂涂覆层502的柔性的未图案化基材504的解开的卷608时开始。随着母版压花辊400在柔性的未图案化基材504顶部的催化剂涂覆层502上滚动，微结构图案610被压入而与催化剂涂层502接触或几乎密切接触。同时，在压花过程期间，在母版压花辊400的中心的UV光源402通过圆柱体的透明石英102材料发射UV辐射404并活化已经由UV辐射404照射的催化剂涂层502上的区域。因此，压花过程同时在催化剂涂覆层502上刻划微结构图案610和活化催化剂涂覆层502上的特定区域，形成准备要被敷镀(下面描述)的图案化催化剂电敷镀前体结构612。压花过程的速度可以在约50fpm至300fpm的范围内，50和100fpm之间的速度是优选的。对于催化剂涂层502区域的合适活化，压花过程的速度优选地匹配UV辐射404的流入，目标强度在约0.5mW/cm2至约50mW/cm2的范围，且波长在约280nm至约980nm。压花过程优选地具有50FPM至1000FPM的速度，且在某些实施方式中，在200和300FPM之间。
无电敷镀
该过程如图6中描述的当图案化的催化剂电敷镀前体结构612被浸没在包含在约20℃和90℃之间的温度范围(比如，80℃)下在液体状态的铜(或其它合适金属)的敷镀槽602内时继续。该无电敷镀过程不需要施用电流且仅对之前在压花过程期间由受到UV辐射404而活化的催化剂电敷镀前体结构612进行敷镀，从而形成敷镀的电极图案结构614。在其它实施方式中，镍用作敷镀金属。铜敷镀浴可以包括还原剂比如氢硼化物或次亚磷酸盐，其引起敷镀发生。取决于料片的速度和根据应用，沉积率通常为每分钟10nm且在约0.001微米至约100微米的厚度内。与电镀相比，由于不存在电场，敷镀厚度往往是均匀的。尽管无电敷镀通常比电解敷镀更耗时，但是无电敷镀非常适合于具有复杂几何结构和/或许多微细特征的部件。
在敷镀过程之后，在图6中，被敷镀的电极图案结构614通过被浸没在包含室温下的水的清洁槽604而被清洁且通过使干燥模块606以优选地约20英尺/分钟的流速且在室温下施用空气来进行干燥。在另一实施方式中，可以在干燥步骤之后增加在20℃和30℃之间的室温下以图案喷射方式的钝化步骤以防止铜和水之间任何危险的或不期望的化学反应。
最终的产品膜
图7显示了具有在横向方向上的敷镀的电极图案结构614的侧视图。柔性的未图案化基材504的厚度(h1)可以在约10微米至约250微米内变化，而其余的催化剂涂层502加敷镀的电极图案结构614的厚度(h2)可以具有约150纳米至5微米的范围，150纳米是用于敷镀的最小厚度。在图7的示例中敷镀的电极图案结构614的宽度(W)可以在约0.5微米至约25微米的范围，其中3至5微米是从读取距离来看实现透明效果的最佳范围。敷镀的电极图案结构614之间的间距(d)可以在1微米至约5毫米的范围，取决于显示器的分辨率。敷镀电极图案结构614的电阻率可以在约0.0015微欧姆至约500欧姆的范围，取决于应用。上述方法产生敷镀电极图案结构614的宽度在+/-1微米范围的差异。
在某些实施方式中，在对UV波长透明的中空圆柱体的外表面上，薄材料层被涂覆且图案化(利用激光或其它照相平板印刷术方法)。图案化层对包含在圆柱体内的UV光源是不透明的。当圆柱体辊被置于与卷-卷膜接触(随着其穿过时)，膜上的UV敏感涂覆层通过来自圆柱体内的UV光源而暴露于图案。在膜的暴露区域中的无电催化剂随后仅是膜的表面的在金属化过程期间吸引无电金属的一部分。
在其它实施方式中，使用与上面描述相同的中空图案化圆柱体，然而，图案是倒置的。在该情形中，UV源暴露于不期望金属的膜的区域。存在活化催化剂所需的UV剂量的范围。当UV照射超过该范围时，则催化剂“中毒”且不吸引无电金属。该方法使整个膜表面照射均匀，然后是不应包含任何金属的区域的过度曝光。
在又一实施方式中，在同一步骤中执行压花和UV图案化的组合。在该情形中，在圆柱体外侧的图案化层以一定深度产生。膜被涂覆有未固化的树脂(包含无电催化剂的UV可固化树脂)。当膜被推动抵靠中空压花圆柱体时，通过图案化“通道”(或其它图案)的UV照射不仅以该3D形状固化树脂，而且活化其内包含的催化剂。随后存在“清洁”步骤以移除未固化的树脂。然后，使膜通过同一无电金属化步骤，如之前步骤中的。
上述讨论意味着本发明原理和各种实施方式的示例。一旦上述公开被完全理解，许多改变和修改将对本领域技术人员变得明显。意图是，所附权利要求应被理解为包含所有这样的改变和修改。

Claims (16)

1.一种方法，其包括：
形成母版压花辊以具有预定的图案；
为柔性的未图案化基材涂覆催化剂涂覆层；
使用所述母版压花辊在被涂覆的基材中形成对应图案，从而形成图案化的基材；以及
无电敷镀图案化的基材。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成对应图案包括使所述母版压花辊相对于所述柔性的未图案化基材滚动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成母版压花辊包括从圆柱形基材蚀刻掉外抗蚀剂涂层的一部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中形成母版压花辊包括使用激光蚀刻所述外抗蚀剂层的一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂涂覆材料包括丙烯酸系、聚氨酯和聚合物中的任何一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成母版压花辊包括在外抗蚀剂层中形成沿所述辊的长度方向延伸的凹槽。
7.根据权利要求1所述的方法，其中形成母版压花辊包括在所述辊上的外抗蚀剂层中周向地形成凹槽。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成母版压花辊包括用铝在外抗蚀剂涂层和圆柱形基材之间涂覆所述辊的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成母版压花辊包括光蚀刻未由所述外抗蚀剂涂层覆盖的铝部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中形成母版压花辊包括移除所述外抗蚀剂涂层，从而留下没有被光蚀刻掉的铝部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基材包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜、金属、纸和玻璃中的任何一种或多种。
12.根据权利要求1所述的方法，其中无电敷镀图案化的基材包括向所述基材施用紫外光以选择性地引起所述基材的仅某些区域吸引无电金属。
13.根据权利要求1所述的方法制造的产品。
14.一种方法，其包括：
为圆柱形结构涂覆不透紫外光的涂层；
在所述涂层中激光蚀刻多个凹槽以形成具有预定的凹槽和突起线的图案的母版压花辊；
为柔性的未图案化基材涂覆催化剂涂覆层；
使所述母版压花辊抵靠所述催化剂涂覆层旋转以在被涂覆的基材中形成与所述母版压花辊的所述凹槽和突起线对应的图案；以及
无电敷镀图案化的基材。
15.根据权利要求14所述的方法，其中激光蚀刻包括在沿所述圆柱形结构的长尺寸延伸的方向上形成凹槽。
16.根据权利要求14所述的方法，其中激光蚀刻包括在圆柱形结构上以周向取向形成凹槽。
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