CN1624609A - 具有不可见电极的透明基板及结合其的器件 - Google Patents
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Abstract
一种具有不可见电极的透明基板及结合其的器件。所述电极(7)和所述接触区(15)的结构设置在透明导电氧化物(TCO)膜中，所述氧化物膜淀积在可以覆盖有中间膜(3)的透明支持物(1)上，而由电介质间隔(9)隔离，所述间隔(9)由通过UV照射获得的、并穿过所述TCO膜的纳米裂纹(11)形成。所述电极(7)和所述电介质间隔(9)上可以覆盖有保护膜(13)。
Description
技术领域
本发明涉及至少在一面具有透明电极的透明基板，所述电极的结构是这样，它们的轮廓对于在可见光波长范围内的观察者是不可见的。
本发明还涉及这样的器件，一般为电子装置，包括一个或多个具有不可见电极的透明基板，其中，所述电极具有命令器或电能控制器的功能，本发明尤其涉及一种设置在电子装置的显示器上的器件，在所述装置上可以从所述显示器读取数据，而不受所述电极的结构和设置的干扰。
本发明还涉及一种方法，用于经济和高精度地将电极设置在任何透明电极上，而在电极之间提供光学补偿以使它们的轮廓不可见。
背景技术
已经提出方案，使由设置在显示器和观察者之间的电极形成的界面保持尽可能地周到，并避免破坏电子装置的美观，尤其在钟表的情况下。例如，公知的是，在手表中，玻璃的内面包括电极，所述电极通过电容性或电阻性效应可以触摸控制时间或跟时间无关的功能，如在美国专利4,228,534和欧洲专利0 674 247、1 207 439中以非限制方式所公开的。所述玻璃还可以用由两个具有透明电极的基板形成的单元代替或完成，所述基板之间放置有活性材料，例如以形成光电单元，所述光电单元形成能源，如在WO专利93/19479中所述，或者形成液晶单元，其可以具有透明状态、或用于显示对在数字盘上的显示的补充的数据或与其不同的数据的状态，如在WO专利99/32945中所述。
为形成电极，以已知的方式使用透明导电氧化物(TCO)，即，在可见范围中的既是良导体又透明的材料，例如锡和铟的氧化物、掺杂锑的In2O3或SnO2。透明导电聚合物也可以用作构成电极的导电膜，所述聚合物是具有共轭双键的有机组分，其导电性可以通过化学或电化学掺杂得到提高。所述聚合物可以是例如聚乙炔或聚苯胺，如Ormecon。这些在50到100nm量级的膜，通过大量已知技术，直接设置在透明基板上或中间层上，所述技术例如阴极溅镀、蒸发、溶胶-凝胶技术、以及化学气相淀积(CVD)，其中激光辅助化学气相淀积(LICVD)是受关注的。
关于构成电极，也有各种已知的方法，所述方法利用至少对应于电极的轮廓的掩模，或者通过用UV激光照射使溶胶-凝较膜局部结晶而淀积TCO、或者通过在连续TCO膜上进行化学蚀刻或用具有充分通量的UV激光照射局部消除。所述透明基板、玻璃或塑料的性质，从技术和经济的观点来看，对于将应用的工艺的选择，显然是决定性的因素。通过UV激光使溶胶-凝较膜局部结晶很难应用在例如塑料基板，如PMMA中，因为所述过程是光热反应过程。
而且，在选择性蚀刻方法中使用的腐蚀性很强的化学组分，将损坏所述基板或夹在所述基板和TCO膜之间的中间层，从而，无论用什么方法填充电极之间的不导电间隔，该不导电间隔仍然可以被肉眼看到，这些不导电间隔可以被肉眼看到的还一个原因是，如果需要分别为蚀刻和填充使用两个互补掩模，则难于在填充所述间隔时不形成偏移光线的凸起或凹陷。
为了克服上述缺点，在本申请人的欧洲专利申请03005615.4中提出了一种方法，其在此引用作为参考，所述方法是使用应用激光照射的单个掩模，所述激光照射的特征(通量、脉冲数、频率)根据用于两个连续步骤的两个不同模式进行调节。第一步是完全消除在不导电间隔中的TCO，第二步是在所述间隔中淀积具有合适的折射率和厚度的材料。实际上，明显地，只有通过除去在隔离两个电极的间隔中的任何导电材料，才可以使靠近的两个电极电绝缘。
然而，意外的是，已发现在不除去TCO的情况下，可以使导电性降低到足以使两个靠近的电极能够电绝缘的程度，这样可以保持初始的光学性质，从而无论从哪个角度观测由透明基板承载的所述电极，都可以使所述电极的轮廓不可见。
发明内容
本发明因此涉及具有不可见电极的透明基板，包括其上淀积有透明导电膜的透明支持物，其中电极的结构是，具有被不导电间隔隔开的轮廓。所述基板的特征在于，位于所述不导电间隔上的导电膜包括纳米裂纹或裂缝，大部分裂纹穿过导电膜的整个厚度，断开相邻电极之间的导电性，而不以肉眼可见的方式改变光学路径。这些裂纹或裂缝的边缘最多分开几微米，而不会被观察者看到，所述观察者在近距离观测下(20-30cm)，其视觉灵敏度不能使其分辨出小于1/10毫米的物体。
所述导电膜可以是透明导电氧化物(TCO)，还可以是透明导电聚合物。然而，在下文中将主要参考TCO，这是用于制造透明电极的最常见的产品。
在一个优选实施例中，优选地，一旦淀积TCO膜，所述透明支持物则覆盖上硬透明不导电材料(硬涂层)的膜，该膜有助于形成纳米裂纹。
根据另一个优选实施例，在构成电极后，基板的全部表面，即，电极和不导电间隔，可以除电极的接触区以外，都覆盖上保护膜，所述膜还可以具有增透性，该膜有助于长时间稳固纳米裂纹。
通过激光源的UV照射获得TCO膜中的纳米裂纹。为了实现这点，所述方法包括以下步骤：
将所述基板放置到具有进气管和泵排气管的密封室中，所述基板由支持物和TCO膜形成，所述TCO膜可以淀积在中间层上；
在UV照射源和所述基板之间插入包括对UV照射透明的窗口的掩模，所述窗口模拟了希望的所述不导电间隔的轮廓；以及
根据用于形成基板的材料、所述材料的厚度以及对发光源的选择的作用，调节照射的特征，在TCO膜上形成纳米裂纹而不除去物质。
关于所述源的选择，优选地使用脉冲受激准分子激光器，其主要在紫外范围发光，其作用已知为进行光致消除或标记。其可以是例如具有短脉冲(20ns)的受激准分子KrF(λ＝248nm)，或者是具有长脉冲(250ns)的受激准分子XeF(λ＝308nm)。“照射特征”指通量、脉冲数及其频率。
必须在下限和上限之间对这些特征进行调节，其中，在所述下限，可以观测到裂纹，但是没有充分的降低导电性，在所述上限，导致对TCO膜的消除，使电极的轮廓可见，假设电极之间的通常的绝缘间隔是几十毫米的量级。显然，如上述欧洲专利申请03005615.4所述，可以用透明电介质材料填充这些间隔，从而可以获得光学补偿。
根据本发明的方法则具有不需要上述步骤的优点，从而更经济。所述方法也不需要在给定所述TCO膜的特定特征(折射率和厚度)的情况下，困难地选择具有适于获得满意的光学补偿的折射率和厚度的电介质材料。
在构成电极后，有利的是，仍然将基板放置在密封室中，用另一个掩模代替上述掩模，通过在所述密封室中引入前体气体，所述另一个掩模的UV透明窗口可以在整个基板上淀积透明保护膜，即，电极和不导电间隔，可以除电极的接触区以外。优选地，使用性质和厚度可以产生增透性的材料形成保护膜。该膜还具有长时间稳固所述纳米裂纹的优点。
从而，可以在上文提到的所有应用中使用具有不可见电极的透明基板，所述透明基板对现有技术中的已知产品提供较高质量的透明性和均匀性。
附图说明
下面参考附图，通过对说明性的和非限制性的示例的描述，将会看到本发明的其它特征和优点，其中：
图1是获得根据本发明的具有不可见电极的透明基板的器件的示意图；
图2和3示出了第一实施例的制造步骤；
图4、5和6示出了第二实施例的制造步骤；
图7示出了用于进行电测量的装配图；
图8示出了根据本发明的具有纳米裂纹的电介质区；
图9对应于图8中在UV照射特征不充分时的情况；
图10对应于图8中在UV照射特征相反地过剩时的情况；
图11是参考图8的纳米裂纹的AFM图。
具体实施方式
图1示意地示出了这样的器件，它主要包括：由激光源形成的UV照射源14、一种光学系统，包括用于减少激光束的截面以增加其通量的凸透镜16和凹透镜18、包括UV照射透明区12的掩模10、以及密封室2。密封室2包括对UV照射透明的窗口8、进气管4以及泵排气管6。密封室2还可以包括对前体气体的媒介气体(vector gas)的附加的进气管(未示出)。密封室2中放置有基板，在该示例中，所述基板包括已经覆盖有TCO膜5的透明基底。当然也可以直接在密封室2中形成TCO膜，例如通过LICVD，但由于其能量损耗将增大到100倍，其在经济上受到较少关注，。
UV照射源由受激准分子激光器产生，例如具有长脉冲(250ns)的XeF激光器(308nm)，其提供的最大能量是150mJ/脉冲，矩形光束为1.9×2.5cm2；或者具有短脉冲(20ns)的KrF激光器(280nm)，其提供的最大能量是180mJ/脉冲，矩形光束为1.5×4cm2。当然还可以使用其它激光器，例如三倍频或四倍频Nd:YAG激光器，如果他们的特征能适合所希望的目的。
图2和图3示出了最简单的实施例，其中由透明材料形成的支持物1覆盖有连续TCO膜，例如锡和铟的氧化物(ITO)，在该示例中，其厚度为70nm。当然可以使用其它TCO，例如掺杂有Sb的In2O3或SnO2，并可以具有不同的厚度，例如可以在50和100nm之间，优选地在65和75nm之间。如图3所示，经过密封室2中的UV照射后，纳米裂纹11穿过ITO膜，并使电极7和接触区15电隔离，从而形成不导电间隔9。为了得到这些裂纹而不消除在这些电间隔9中的ITO，必须将UV照射的特征调节到一定范围内，从而纳米裂纹的深度可以充分地断开导电性，以使相邻的电极电绝缘，并不因此导致对ITO膜的消除，这在对应图4到6在第二实施例中将作更详细的说明。
图4示出了由支持物1形成的基板，在该示例中，支持物1由PMMA形成，其上淀积有硬不导电透明材料(硬涂层)的中间层3。该中间层保护PMMA，并有助于在形成纳米裂纹后稳固ITO基底，其由例如结合SiO2的树脂形成，厚度在20μm的数量级上。该基板被放置到密封室2中，然后，通过掩膜10受到来自源14的UV照射。在下文的示例中，所述源由具有长脉冲(250ns)的XeF受激准分子激光器(λ＝308nm)形成，其照度特征为5Hz 20个脉冲，照射面积为3×4nm2，而同时变化所述通量。
图5示意性地示出了纳米裂纹11的形成，所述纳米裂纹产生隔离电极7和接触区15的不导电间隔9。
图6示出一个可选步骤，其中基板仍保留在密封室2中，但是其中由另一个掩模代替掩模10，所述另一个掩模的照射透明窗口限定上述透明基板的有效轮廓。然后，通过进气管4将前体气体引入密封室，从而在重新调节UV照射特征时淀积保护膜13。膜13由例如均匀厚度的SiO2和TiO2的淀积形成，其厚度可以改变使其具有增透性。另外，一方面，膜13还可以使纳米裂纹11长时间稳固，另一方面，膜13通过填充纳米裂纹之间的间隔使电极更加不可见。
图7到11以例子示出了如何调节UV照射特征。在改变通量时使用了三个相同的样品，所述样品包括厚度为20μm、其上淀积有70nm厚的ITO膜的中间层，用具有5Hz20个脉冲的308nm的长脉冲受激准分子激光器照射3×4mm的表面。
图7所示的电路图示出了用于测量在照射区中的样品的电气特征的安装设置。发电器17向电路传输1.77伏的正弦电压，所述电路包括串联的可以在2.2kΩ和570kΩ之间校准的电阻器19和样品部分23，其中通过用伏特表21测量电阻器19(Rech.＝(Vgen.-V)/I)两端的电压，可以导出在0.7mA到0.2μA之间的电流值。如图8所示，“样品部分”23取自于分别在纳米裂纹的两侧的、距离为0.3到0.5mm的两点之间。还可以使用环形端点(未示出)，即柔化的触点，以防止端点破坏ITO膜。
当样品还没有受到UV照射，端点之间的电阻是180Ω，通过样品的电流是1.5mA，校准电阻为670Ω。
图8示出了在受到具有上述特征并且通量为65mJ/cm2的激光束照射后，在放大率大约为15的反射型显微镜下观察到的图像。可以看到，纳米裂纹的数量很多。通过进行与对未照射样品进行的相同的电测量，其中测量端点之间的距离相同，得出所述交流电不再是可测的(＜＜0.2μA)，这意味着，位于裂纹11两侧的ITO点得到了充分的电绝缘。
这由图11所示的通过纳米裂纹的AFM成像证实。可以看到，纳米裂纹最大的深度为75nm，即，所述裂纹的底部非常轻微地渗入绝缘硬涂层3，从而纳米裂纹较深处的两边大约电气分开70nm。还可以看到，在上部，纳米裂纹11的最大宽度大约是500nm的量级，即，肉眼完全观测不到的极小宽度。
使第二样品受到同样的、只是通量更低，即60mJ/cm2的照射，也得到了裂纹，如图9所示，但是在电气特征方面有些微小变化。初始电阻为670Ω，观测到端点间的电阻是800Ω，及电流是1.19mA，意味着，裂纹中仍然存在显著的导电性。通过AFM成图(未示出)，可以实际确定，裂纹的最大深度是66nm，即在裂纹底部仍然保留了导电联结。
相反地，通过参考图10，可以看到，通过将65mJ/cm2的通量增加到70mJ/cm2，形成其中除去了充分宽度的ITO膜的区22，从而使隔离所述电极的所述区变为肉眼可见的。电极的导电性显然得到断开，但是然后必须进行例如根据在上述欧洲专利03005615.4中提出的方法的补充制造步骤，以获得光学补偿。
显而易见，本领域的技术人员可以根据TCO膜的性质、以及甚至中间层的性质及其各自的厚度，根据所用激光源定义UV照射特征，从而找到在对导电性的断开不充分的下限和TCO膜被撕去的上限之间的位置。
从而，当照射区的表面积是1×4mm2、通量是85mJ/cm2时，可以在与参考图8所描述的相同的测量条件下，获得相同的关于导电性的结果。
通过利用248nm短脉冲激光器，也可以获得与图8相同的结果，其中样品为2×8mm2，所述激光器具有5Hz 50个脉冲，并且通量为50mJ/cm2。
根据使用的激光源，不限于受激准分子激光器，本领域的技术人员可以容易地通过一些初步的努力，确定用于不除去物质、但充分地断开电极间的导电性地形成纳米裂纹的最佳条件。
Claims (17)
1.具有不可见电极的透明基板，包括透明支持物(1)，其上淀积有透明导电膜(5)，其中电极(7)及其接触区(15)的结构为，其轮廓被不导电间隔(9)分开，所述透明基板的特征在于，位于所述不导电间隔(9)的位置上的导电膜(5)包括纳米裂纹(11)，用于断开相邻电极间的导电性，而不以肉眼可见的方式改变光线路径。
2.根据权利要求1的基板，其特征在于，所述透明导电膜(5)是透明导电氧化物，选自于包括锡和铟的氧化物(ITO)、掺杂Sb的In2O3以及SnO2的组。
3.根据权利要求1的基板，其特征在于，所述透明导电膜(5)是选自于聚乙炔和聚苯胺中的具有共轭双键的掺杂导电聚合物。
4.根据权利要求1的基板，其特征在于，所述支持物(1)和所述导电膜(5)之间夹有由透明不导电硬材料或硬涂层形成的中间层(3)。
5.根据权利要求4的基板，其特征在于，所述中间层(3)由结合SiO2的树脂形成，其厚度至少是20μm。
6.根据权利要求1的基板，其特征在于，大部分所述纳米裂纹(11)穿过所述整个导电膜。
7.根据权利要求2的基板，其特征在于，所述导电膜(5)是厚度在50到100nm之间、优选在65到75nm之间的ITO膜。
8.根据权利要求1的基板，其特征在于，所述支持物(1)由选自于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)的材料形成。
9.根据以上权利要求之一的基板，其特征在于，所述电极(7)和所述不导电间隔(9)上还覆盖有还可以具有增透性的保护膜(13)。
10.根据权利要求9的基板，其特征在于，所述保护膜(13)不覆盖所述电极(7)的所述接触区(15)。
11.根据权利要求1的基板，其特征在于，所述基板形成用于集成电子装置中的触摸型控制屏。
12.根据权利要求1的基板，其特征在于，所述基板形成至少一个闭合板，用于电子装置的液晶显示单元或光电单元中。
13.一种制造具有不可见电极的透明基板的方法，所述基板包括透明支持物(1)，其上淀积有透明导电膜(5)，其中，电极(7)的结构为，其轮廓由不导电间隔(9)隔离，由照射源(14)对所述基板进行UV照射，所述方法的特征在于以下步骤：
将所述基板放置到具有进气管(4)和泵排气管(6)的密封室(2)中，所述基板由所述支持物(1)和所述导电膜(5)形成，所述导电膜(5)可以淀积在由透明不导电硬材料形成的中间层(3)上；
在所述UV照射源(14)和所述基板之间插入包括对UV照射透明的窗口(12)的掩模(10)，所述窗口对应于不导电介质(9)；以及
根据用于所述基板的材料和所述发光源(14)的选择，调节UV照射的特征，导致在所述照射区的所述导电膜(5)中产生纳米裂纹，而不除去任何物质。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，其还包括用相同的UV源(14)、但是用另一种掩模代替所述掩模(10)从前体气体淀积可以增透的导电膜(13)的步骤，所述另一种掩模对应透明基板的希望有效的表面，而使所述电极(7)的所述接触区(15)可见。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述透明导电膜(5)是选自于包括锡和铟的氧化物(ITO)、掺杂Sb的In2O3以及SnO2的组中的透明导电氧化物(TOC)。
16.根据权利要求13的方法，其特征在于所述透明导电膜(5)是选自于聚乙炔和聚苯胺中的掺杂导电聚合物。
17.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述源(14)由选自于XeF长脉冲激光器和KrF短脉冲激光器中的受激准分子激光器形成。
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