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Die Erfindung betrifft berührungssensitive Elemente, die auch als optisches Anzeigeelement allein oder mit der berührungssensitiven Funktionalität genutzt werden können. Solche Elemente werden üblicherweise auch als Touchscreen oder Display bezeichnet. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für diese Elemente.
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Displays in Kombination mit Touch Fähigkeiten gewinnen zunehmend an Bedeutung. Sie eliminieren die Notwendigkeit der Integration von gesonderten Tastenelementen und stellen eine Art Verknüpfung eines Eingabeinstrumentes mit einem Anzeigeinstrument dar. Sie werden auf vielen Gebieten eingesetzt, wie dies beispielsweise in der Telekommunikation, aber auch bei Haushaltsgeräten oder anderen elektronischen Geräten, der Fall ist.
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Häufig wird in einer Anzeige mindestens ein LCD-Element, als Lichtquelle genutzt. Verfügt diese Anzeige auch über sensorische Fähigkeiten, bei denen ein Kontakt oder eine Berührung ein Steuersignal auslösen kann, wurde häufig eine Folie mit kapazitiven Leiterstrukturen im System integriert. Zum Schutz eines solchen „Touch Sensors” wird eine Abdeckscheibe aus Glas oder Kunststoff zur Abdeckung benutzt. Für die Erfassung von Berührungen werden außerdem Folien genutzt, die unterhalb einer Abdeckung angebracht sind und über die es möglich ist, einen elektrischen Kontakt zu anderen elektrischen oder elektronischen Komponenten herzustellen. Dies kann auch ortsaufgelöst erfolgen. Dabei kann mindestens ein berührungssensitives Element durch eine Berührung oder einen Kontakt mit der Oberfläche der Abdeckung aktiviert werden.
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Solche „Touch Panele” sind oft mehrlagige funktionale Systeme. Dabei ist mindestens ein berührungssensitives Element (Touch Sensor) mit der Abdeckung durch Laminierung mit einem Transferkleber permanent verbunden.
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Berührungssensitive Sensorelemente sind in der Regel dünne optisch transparente Folien, die mit feinsten Leiterbahnen versehen sind. Als Folienmatreial wird häufig PET eingesetzt. Die elektrischen Leiterstrukturen können kundenspezifisch je nach Anwendungsfall realisiert werden. Die Folien werden üblicherweise im Rolle zu Rolle Verfahren hergestellt. Die Montage dieser Folien kann ebenfalls im Rolle zu Rolle Verfahren oder nach erfolgter Vereinzelung in diskontinuierlichen Prozessen durchgeführt werden.
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Berührungssensitive Sensorelemente werden häufig mit dünnen Glasträgern als Abdeckung laminiert. Dabei sind die mechanische Beständigkeit und der dem Glas immanent gegebene Feuchtigkeitsschutz vorteilhaft. Glas ist ein anorganisches Material mit hervorragenden Sperrfunktionen gegen Feuchtigkeit und die Permeation anderer Komponenten. Nachteilig dabei sind aber die Beschränkung auf ebene Oberflächen und potentieller Glasbruch wegen der Sprödheit des Glases. Außerdem ist die Verarbeitung bei der Herstellung aufwändig und die Flexibilität begrenzt.
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Es gibt daher zunehmend die Bestrebung Polymerabdeckungen einzusetzen. Diese haben den Vorteil, dass Sie in verschiedensten Geometrien relativ einfach herzustellen sind. Dadurch können Radien bzw. Wölbungen ausgebildet werden. Des Weiteren kann durch die Ausführung der Abdeckscheibe aus optisch transparenten Kunststoffen neben der „Freiform” auch die Sicherheit speziell im Automobil- und Heimbereich verbessert werden. Polymerkomponenten sind aufgrund ihrer im Mittel um 60% geringeren physikalischen Dichte außerdem leichter als Glas, was insbesondere in mobilen Anwendungen vorteilhaft ist.
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Die Brucheigenschaften von Glas können eliminiert werden, indem eine äußere Abdeckung aus einem bruchzähen optisch transparenten Polymer gefertigt wird. Hierfür geeignete Polymere sind z. B. PMMA, PC und PC. Die Auswahl des eingesetzten Kunststoffs kann unter Berücksichtigung der jeweiligen Anwendung und den dabei auftretenden Bedingungen erfolgen.
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Polymere weisen jedoch gegenüber dem Glas einen wesentlichen Nachteil auf. Sie verfügen nicht über analoge Barrierefunktionen wie das Glas. So kann eine Permeation unter bestimmten Bedingungen nicht ausreichend verhindert werden, so dass insbesondere Gase durch eine Kunststoffabdeckung permeieren und dann hinter der Abdeckung angeordnete Elemente nachteilig beeinflussen können, was insbesondere bei Wasser bzw. Wasserdampf kritisch ist.
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Zum Beispiel ist PMMA dafür bekannt, dass es sogar Wassermoleküle einbauen kann. Dies führt unter anderem zu dem Problem, dass sich bei Temperaturen unter 0°C, durch Gefrieren der Wassermoleküle eine große Volumenänderung einstellt und Eiskristalle gebildet werden können, die z. B. an der Grenzfläche zwischen Substrat und Folie den Verbund lokal aufsprengen können.
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Problematisch sind auch wechselnde Umgebungsbedingungen und hier insbesondere ein Wechsel der Temperaturen und ggf. auch ein Wechsel der Luftfeuchtigkeit, was zu erhöhter Permeation bzw. Kondensationseffekten führen kann.
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Durch eine Abdeckung permeierendes Wasser/Wasserdampf kann den optischen Eindruck durch Verringerung der optischen Transparenz beeinträchtigen oder gar zu elektrischen Kurzschlüssen führen, die wiederum bis zum total Ausfall der Funktionalität führen können.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils der Polymere wurde vorgeschlagen, eine Barriereschicht einzuführen. Die Barriereschicht hat insbesondere die Aufgabe, eine hinreichend gute Dampfsperre gegen Feuchtigkeit zu bilden und soll die Ansammlung von Feuchtigkeit an der Grenzfläche zwischen Substrat/Abdeckung und Folie erschweren. Grundsätzlich sind hierfür verschiedenste Ansätze möglich, je nach Güte der erforderlichen Wasserdampfbarriere.
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Aus der Verpackungsindustrie ist der Einsatz von wenigen Nanometer dicken Aluminiumschichten oder mehrschichtiger Folienlaminate, z. B. aus gestrecktem Polypropylen (BOPP) u. a., bekannt. Eine metallische Barriereschicht beeinträchtigt jedoch die optische Transparenz des Displays signifikant und scheidet damit aus. BOPP u. a. wiederum lassen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften (v. a. Polarität) nur schwer mit PMMA oder PC laminieren. Die Anforderungen an die Wasserdampfbarriere im Bereich gedruckter/folienbasierter Elektronik liegen zwischen 10–3 und 2 × 10–1 g/(cm2 × d), während die genannten Substratmaterialien Permeationsraten von ca. 2,6 (PMMA) bzw. 6,5 × 100 (PC) g/(cm2 × d) erreichen. Eine für folienbasierte Elektronik hinreichend gute Barriere lässt sich laut Literatur z. B. mit 1–2 keramischen Dünnschichten erzielen, die jedoch einen Hochvakuumbedampfungsprozess erfordern. Schichtbasierte Lösungen, die im Vakuum appliziert werden müssen, rufen hohe Anlagen-, bzw. Prozesskosten hervor.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine Ausbildung berührungssensitiver Elemente und/oder optischer Anzeigeelemente mit einer Abdeckung aus einem optisch transparenten Kunststoff anzugeben, die kostengünstig und flexibel herstellbar sind und bei denen ein verbesserter Schutz insbesondere gegen das Eindringen von Wasser bzw. Wasserdampf gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 bezeichneten Merkmalen gelöst. Das Herstellungsverfahren erfolgt gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Ein berührungssensitives Element und/oder optisches Anzeigeelement ist dabei so ausgebildet, dass mindestens ein berührungssensitives Sensorelement und/oder ein elektrisches oder elektronisches optisches Anzeigeelement mittels eines Haftvermittlers oder einer an zwei gegenüberliegend angeordneten mit einem Haftvermittler versehenen Folie an einem optisch transparenten Kunststoffsubstrat, als Abdeckung befestigt ist. Die Oberfläche des Kunststoffsubstrates, die mit Haftvermittler im Kontakt steht, ist mit einer über die gesamte Fläche ausgebildeten optisch transparenten Barriereschicht versehen. Die Barriereschicht bildet eine Permeationssperre gegenüber durch den Kunststoff permeierendem Wasser oder Wasserdampf und ist aus einem anorganisch-organischen Kompositmaterial (anorganischen organischen Hybridpolymer, z. B. Ormocere) gebildet. Dieses wird über Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen, z. B. ausgehend von modifizierten Siliziumalkoxiden erhalten. Die Technologie der Herstellung beruht auf einer Weiterentwicklung des klassischen Sol-Gel-Prozesses. Hierbei werden organische und anorganische Gruppen über Silane verbunden. Durch die Kondensationsprozesse erhält man ein dreidimensionales Netzwerk mit einem organisch modifizierten anorganischen Gerüst, dessen Eigenschaften, je nach Art des organischen Restes, von ihm bestimmt werden können. Die kontrollierbaren Phasendimensionen der anorganisch-organischen Komponenten liegen in der Regel im Molekular- bis Nanometerbereich (ca. 1–100 nm). Derart kleine Phasendimensionen ermöglichen, dass die Barriereschicht optisch transparent sein kann.
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Der Feststoffgehalt im Sol kann ca. 20% bis über 90% betragen, wobei bis zu 80% auf nanoskalige Partikel oberflächenmodifizierter Metalloxide entfallen. Die anorganische Phase der Barriereschicht kann hierbei aus Oxiden, Hydroxiden, Nitriden oder Mischungen dieser Spezies gebildet werden. Als Metallionen kommen beispielsweise Silizium, Aluminium, Titan, Yttrium, Zirkonium, Niob, Hafnium, Tantal oder ein Vertreter der Lanthanide infrage.
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Die organische Phase der Barriereschicht kann aus unterschiedlich funktionalisierten Silanen aufgebaut werden, beispielsweise mit Acrylat-, Epoxid-, Urethangruppen oder Silikonen.
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Das Kunststoffsubstrat kann neben den bereits erwähnten Polymeren PMMA und PC auch aus PET, Plexiglas, Polyurethan oder COC hergestellt sein.
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Die Barriereschicht soll dabei nasschemisch auf der Oberfläche des Kunststoffsubstrats ausgebildet werden, die in Richtung eines oder mehrerer berührungssensitiver Sensorelemente(s) und/oder eines oder mehrerer optischer Anzeigeelemente(s) weist. Sie sollte dabei eine vollflächig geschlossene Schicht bilden, die keine Fehlstellen aufweist und möglichst über die Fläche eine ausreichende Schichtdicke aufweist, die die erforderliche Barrierefunktion erfüllen kann. Das Sol-Gel kann mit einem Lösungsmittel verdünnt, auf die entsprechende Oberfläche des die Abdeckung bildenden Kunststoffsubstrats appliziert werden. Die Zugabe des Lösungsmittels dient der Einstellung einer geeigneten Viskosität, um einen gleichmäßigen Auftrag zu erhalten. Nach dem Auftrag kann das Sol-Gel ausgehärtet werden, was bevorzugt durch einen Energieeintrag erreicht werden sollte. Das Komposit soll nach dem Aushärten optisch transparent sein. Die optische Transparenz kann dabei im gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts oder auch in einem engeren Wellenlängenbereich daraus gegeben sein. Im letztgenannten Fall kann ein gewünschter farblicher Eindruck erreicht werden. Die erreichte optische Transparenz sollte mindestens 50% innerhalb des jeweiligen Wellenlängenbereichs betragen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines nasschemisch applizierbaren, hochtransparenten acrylatfunktionalisierten Silans mit anorganischer AlOOH-Phase erwiesen. Es kann beispielsweise eine Formulierung mit einem Anteil von mindestens 20 Vol.-% Feststoffanteil eingesetzt werden. Mit dem Polymer können 1 Vol.-%–5 Vol.-% eines radikalischen Photoinitiators, z. B. aus α-Hydroxyketonen, α-Aminoketonen, α-Bis-Acyl-Phosphinoxiden oder Benzophenonen (bzw. Mischungen derselben) eingesetzt werden. Je nach Applikationsverfahren kann die daraus entstehende Mischung mit unterschiedlich langkettigen Alkoholen (z. B. Ethanol, Isopropanol, Buthanol, 1-Methoxy-2-propanol u. a.) zur Einstellung einer geeigneten Viskosität verdünnt und zusätzlich mit vorzugsweise nichtionischen Tensiden (z. B. Natriumlaurylsulfat, Laurylpyridiniumchlorid, Polyoxyethylenoleylethern) versetzt werden, um einen gleichmäßigen Auftrag sowie eine adäquate, möglichst über die Fläche homogene Schichtdicke einzustellen. Der Auftrag des organisch-anorganischen Hybridsols mit ggf. weiteren organischen Komponenten kann, z. B. über Aufschleudern (Spin Coating), Fluten (Flow Coating), Sprühen (Spray Coating) oder Tauchen (Dip Coating) erfolgen. Nach kurzer Ablüftung, bei der überschüssige Lösungsmittel entfernt werden, kann die eigentliche Aushärtung/Trocknung des für die Barriereschicht eingesetzten Sol-Gels, beispielsweise durch Bestrahlung, insbesondere mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts erfolgen. Die spektrale Empfindlichkeit des eingesetzten Photoinitiators bestimmt die erforderliche Lichtquelle und dementsprechend auch den erforderlichen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, die beim Aushärten des Sols sinnvollerweise eingesetzt werden kann. Die erreichbare Bestrahlungsleistung der Lichtquelle kann dabei die erforderliche Dosierung des Photoinitiators im Sol definieren. Es kann bevorzugt mit einer Quecksilbermitteldruckstrahlungsquelle eine Gesamtbestrahlungsdosis von 2 J/cm2–4 J/cm2 bestrahlt werden.
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Anstelle eines Photoinitiators kann auch ein thermisch angeregtes Radikal, z. B. ein sogenannter „Lewis-Säure” Katalysator zur Vernetzung/Aushärtung des Sols für die Barriereschicht eingesetzt werden.
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Nach Vernetzung und Aushärtung kann eine optisch transparente Schicht mit ausreichender Barrierewirkung, deren Schichtdicke je nach geforderter Anwendung variieren kann, erhalten werden. Typische Schichtdicken bei Aufschleudern der Barriereschicht liegen im Bereich zwischen 5 μm–10 μm. Die Erfahrungen zeigen, dass diese Schichtdicken ausreichen, um die gewünschte Barriereeigenschaft zu erzielen.
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Für einen möglichen Aufbau erfindungsgemäßer Elemente kann für die Abdeckung ein Substrat aus PMMA als selbsttragendes Element eingesetzt werden. Dieses Substrat kann z. B. mittels Heißprägen oder Kunststoffspritzgießen in verschiedenster Geometrie und Dimensionierung angepasst an die vorgesehene Applikation hergestellt werden.
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Auf mindestens einer Oberfläche dieses Substrats wird die Barriereschicht ausgebildet. Diese Oberfläche sollte auf der Seite, die in Richtung berührungssensitiver Sensorelemente und/oder optischer Anzeigeelemente weist, angeordnet sein.
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Auf die äußere Oberfläche der Barriereschicht kann eine sogenannte Transferfolie, die beidseitig mit einem Haftvermittler versehen ist, auflaminiert werden. Auf die dann nach außen weisende Oberfläche, also die Oberfläche, die nicht mit der Barriereschicht stoffschlüssig verbunden worden ist, kann dann mittels des Haftvermittlers, der auf dieser Oberfläche vorhanden ist, mindestens ein berührungssensitives Sensorelement und/oder mindestens ein elektronisches optisches Anzeigeelement (z. B. LED, LCD) auflaminiert und somit verbunden werden. Ein so erhaltenes selbsttragendes Bauteil kann dann mit Hilfe bekannter Techniken und Technologien an einem Finalprodukt montiert werden.
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Das die Abdeckung bildende Kunststoffsubstrat kann neben der funktionalen Seite zusätzlich noch ästhetische Anforderungen erfüllen. Dazu können zum Beispiel durch Bedruckung gewisser Bereiche eine Abdeckung der Elektronikkomponenten und eine Verdeckung einer Einhausung erreicht werden. Der Aufdruck sollte dabei auf der Oberfläche der Barriereschicht erfolgen und sich auf Bereiche beschränken, bei denen die eigentliche Nutzung nicht beeinträchtigt (Ablesen der Anzeige, Bedienung u. a.) wird.
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Allgemein soll bei der Herstellung so vorgegangen werden, dass auf eine Oberfläche eines Kunststoffsubstrats, das die Abdeckung bildet, eine Barrierschicht ausgebildet wird, indem ein optisch transparentes Sol mit geeigneter Viskosität, das anorganische und organische Phasen enthält, aufgetragen und anschließend eine Trocknung und/oder Aushärtung desselben durchgeführt wird. Auf die Oberfläche der Barriereschicht, die dem Kunststoffsubstrat abgewandt ist, wird ein Haftvermittler aufgetragen oder eine beidseitig mit einem Haftvermittler versehene Folie dort auflaminiert, nachfolgend wird mittels des Haftvermittlers mindestens ein berührungssensitives Element und/oder ein elektronisches optisches Anzeigeelement stoffschlüssig an der dem Kunststoffsubstrat abgewandten Oberfläche stoffschlüssig verbunden. Der Einsatz einer beidseitig mit Haftvermittler versehenen Folie bietet sich insbesondere bei Elementen mit berührungssensitiven Sensorelementen an. Bei elektronischen optischen Anzeigeelementen kann eine einfache Schicht eines Haftvermittlers ausreichend sein.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
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Thermoplastisches PMMA-Material wird aufgeschmolzen und im Heißprägeprozess zu einer 0,5 mm–2 mm dicken planparallelen Platte oder Scheibe geformt. Selbige bildet nach Abkühlung das Substrat zur weiteren Prozessierung.
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Das Substrat wird auf einem Drehteller einer Spin Coating Anlage aufgenommen und das Sol-Gel für die Ausbildung der späteren Barriereschicht wird im Zentrum des PMMA Substrates aufgebracht. Über eine kontrollierte Drehbewegung wird die gleichmäßige Benetzung/Belackung auf der Oberfläche des Substrats Trägermaterials erreicht.
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Zuvor wurde das Sol-Gel aus acrylatgruppenhaltigen Silanen und AlOOH-Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße zwischen 1 nm–100 nm in seiner Viskosität so eingestellt, dass ein konstanter Schichtdickenverlauf auf dem Substrat erzielt werden kann. Die Partikel waren mit einem Anteil von ca. 20 Vol.-% im verdünnten Sol enthalten.
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Nach der Beschichtung verweilt das Substrat für einen definierten Zeitraum von wenigen Minuten, zum Abdampfen der Lösungsmittel, unter einem Abzug. Zur Erzielung der finalen Barriereeigenschaften wird das Substrat mit der Barriereschicht für einige Sekunden mit einem Quecksilbermitteldruckstrahler bei ca. 55 mW/cm2 bestrahlt, was zur vollständigen Aushärtung/Trockung derselben führt. Die Schichtdicke der ausgehärteten Barriereschicht liegt im Bereich von 5 μm–10 μm. Im nächsten Schritt wird das Substrat mit der Barriereschicht in eine Siebdruckanlage überführt, wo ein opaquer (z. B. schwarzer) Rahmen sowie ggf. sonstige Gestaltungselemente aufgedruckt werden.
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Anschließend kann bei Bedarf mittels CNC Bearbeitung die gewünschte Außenkontur des späteren Displays aus dem Substrat geschnitten werden. Nach erfolgtem Zuschnitt wird die haftvermittelnde Transferkleberschicht, die eine beidseitig mit Haftvermittler versehene Folie ist, aufgewalzt und der Schutzliner, auf der der Barriereschicht abgewandten Oberfläche entfernt. Schlussendlich wird die eigentliche Sensorfolie mittels dieser nun frei liegenden Haftvermittlerschicht auflaminiert.