JP2004341488A - 透明な電極を備えた基板および該基板を含む装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極を有する透明な基板で、任意の角度で前記基板を観察する使用者に対して電極の輪郭が見えない基板を提供すること。
【解決手段】透明な電極を有する基板が、厚さｅ₁および屈折率ｎ₁の透明な導電性材料の薄膜（１）が堆積している透明な材料から形成され、前記薄膜は、１組の電極（１ａ）が形成され、その輪郭（８）により絶縁性空間（３）の範囲が定められるように構造化されており、かつ、導電性材料および誘電性材料のそれぞれの厚さが前記材料の屈折率の値に逆比例し、また前記誘電性材料はくぼみまたはビードのいずれをも電極の輪郭（８）部に形成しないように、絶縁性空間（３）は厚さｅ₂および屈折率ｎ₂の透明な誘電性材料で満たされている。硬い被覆層（７）を基板（５）と電極との間に配置することができ、保護層（９）を加えることができる。電極を有する基板は、１枚だけのマスクによるＵＶ照射によって得られる。
【選択図】図５

Description

本発明の主題は、可視光の波長範囲において使用者がその構造および配置を認めることができない透明な電極を備える少なくとも１つの面を有する透明な基板である。

本発明は、透明な電極を有する１つまたは複数の基板を含む装置で、電極がなんらかの制御機能またはエネルギー収集機能を有する装置に関し、より詳細には、本発明は、使用者が、電極の構造や配置によって妨げられることなくディスプレイ上の情報を読み取ることができなければならないエレクトロニクス装置のディスプレイ上に配置されたこの種の装置に関する。

本発明はさらに、電極を任意の透明な基板に非常に正確に構造化する方法、および電極を事実上見えなくするように電極間の光学的補償を行う方法に関する。

できる限り離し、かつ、特に計時器具の場合には、エレクトロニクス装置の美的性質を損なわない電極で技術的インターフェースを構成させた様々な解決法が既に提案されている。例えば、米国特許第４，２２８，５３４号、欧州特許第０６７４２４７号および欧州特許第１２０７４３９号に非限定的な様式で記載されるように、時間機能または他の機能を容量効果または抵抗効果によって制御するために接触感応性電極をガラスの内側面に有する先行技術の腕時計がある。また、例えば、国際特許出願公開ＷＯ９３／１９４７９に記載されるように、電源を構成する光電池セルを形成させるために、あるいは、国際特許出願公開ＷＯ９９／３２９４５に記載されるように、透明な状態になったり、または下にあるダイアルに表示される情報に対して補足的にか、それとは異なる情報を要求に応じて表示するための状態になったりする液晶セルを形成させるために、活性な材料を間に挟んだ透明な電極を有する２つの基板から形成されるセルにガラスを置き換えたり、またガラスにそのようなセルを加えることができる。

透明な電導性酸化物（ＴＣＯ）、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、Ｉｎ₂Ｏ₃、およびアンチモンがドープされたＳｎＯ₂などが、電極を製造するために先行技術では使用されているが、これらは導電性であり、また可視光範囲において透明である。これらの材料は、スプレー塗布、蒸発、ソル−ゲル技術、および化学的気相成長（ＣＶＤ）技術、特に光誘導（レーザー利用）化学的気相成長（ＬＩＣＶＤ）技術などのこの分野で知られている非常に多数の技術のいずれかを使用して、透明な基板または中間層に、直接、５０ｎｍから１００ｎｍの厚さに堆積させられる。電極の構造に関して、先行技術で使用されている様々な方法では、ＵＶレーザーを照射することによるゾル−ゲル薄膜の局所化された結晶化によって、または連続したＴＣＯ薄膜に化学的エッチングもしくは十分なフルエンスのＵＶ線を照射することによる局所化された除去のいずれかを加えることによって、そのいずれかでＴＣＯを堆積させているとき、電極の輪郭に対応する少なくとも１つのマスクが用いられる。透明な基板（ガラスまたはプラスチックの材料）の性質は、使用されることになるプロセスの選択に対して技術的および経済的な観点から明らかに極めて重要である。例えば、ＵＶレーザーによるゾル−ゲル薄膜の局所化された結晶化は、これには光熱プロセスが伴うので、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ）の基板に適用することができない。

垂直に入射したとき、屈折率ｎ₁のＴＣＯと屈折率ｎ₀の基板を通過する光線、または基板のみを通過する光線は屈折されず、したがって、電極は目に見えない。他方で、斜めに入射したとき、ｎ₀とｎ₁の値は異なるので、光路が変化し、その結果、電極の輪郭が目に見える。自明なことではあるが、ｎ₁に近い屈折率ｎ₂を有する非電導性の充填材料でこの間隙を満たせばよい。これらの材料は、一般には、ＳｉＯ₂またはＴｉＯ₂などの非電導性の透明な酸化物（ＮＣＴＯ）である。様々な方法が、この目的を達成するために用いられている。しかしながら、下記で説明されるように、このような充填材料は、ビードを充填領域の外側に形成させたり、または光線の進路を変化させやすいくぼみを形成させることがあり、このため、電極の輪郭がより見えやすくなるので、それらの方法は満足できるものではない。
米国特許第４，２２８，５３４号 欧州特許第０６７４２４７号 欧州特許第１２０７４３９号 国際特許出願公開ＷＯ９３／１９４７９ 国際特許出願公開ＷＯ９９／３２９４５ Ｗａｇｎｅｒ Ｅ．（ＳＴＩ、Ｍｉｃｒｏ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００３、ＥＰＦＬ：Ｌａｕｓａｎｎｅ）

本発明は、電極を有する透明な基板で、あらゆる角度で基板を観察する使用者に対して電極の輪郭が見えない基板を提供する。

この目的のために、本発明は透明な電極を有する基板であって、厚さｅ₁および屈折率ｎ₁の透明な導電性材料の薄膜が表面に形成されている屈折率ｎ₀の透明な材料から形成されている。この薄膜は、厚さｅ₂および屈折率ｎ₂の透明な誘電性材料で満たされるようにされた絶縁性空間で周辺が区切られた輪郭を有する１組の電極が形成されるように構造化される。本基板は、導電性材料と誘電性材料のそれぞれの厚さが前記材料の屈折率の値に逆比例し、それらの接合部においてくぼみまたはビードのいずれをも形成しないことを特徴とする。

透明な導電性材料は、好ましくは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、Ｉｎ₂Ｏ₃、またはＳｂドープＳｎＯ₃などの透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）である。誘電性材料は、好ましくは、ＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂などの非電導性の透明な酸化物（ＮＣＴＯ）である。

基板の基礎となる透明な材料は、ガラス、またはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）もしくはポリカーボネート（ＰＣ）などの透明なプラスチック材料でよい。プラスチック材料の場合、ＳｉＯ₂を含む樹脂などの硬い透明な材料の中間層が基板とＴＣＯ薄膜との間に配置されることが望ましい。

本明細書中上記に記載されるような基板は、例えば、基板をエレクトロニクス装置に取り付けるために取り扱っているときの機械的な作用から、または基板が液晶セルもしくは光電池セルの閉鎖プレートを構成するならば化学的な作用から基板を保護するために薄膜でさらに被覆されてもよい。透明な電極を有する前記基板を得る方法は、本質的には、下記のステップ：
ＴＣＯの連続した薄膜で事前に被覆された基板を、ＵＶ線に対して透明な窓と、ガスの入口と、そのガスをポンプで排出させる出口とを有する閉じた閉鎖容器に入れるステップ；
閉鎖容器の窓から、ＴＣＯ中に形成される絶縁性空間に対応し、ＵＶ線に透明な部分を有するマスクを通して、ＵＶ光源による第１の照射を行うステップであって、ＵＶ線の特性が、照射領域のＴＣＯを除去し、かつ前記絶縁性空間を形成するために、ＴＣＯの性質と厚さの関数として調節されているステップ；
ＮＣＴＯの前駆体ガスを閉鎖容器に導入し、そして同じＵＶ光源および同じマスクを使用して、第２の照射を行うステップであって、放射線の特性が厚さｅ₂の堆積物を絶縁性空間に生じさせるためにＮＣＴＯの性質に合わせられているステップ；および
前駆体ガスをポンプで排出し、透明な電極を有する基板を閉鎖容器から取り出すステップ
を有する。

ＵＶ線の光源は、レーザー、例えば、短いパルスを放射する２４８ｎｍエキシマ・レーザーまたは長いパルスを放射する３０８ｎｍエキシマ・レーザーであり、ＵＶ線の特性は、フルエンス、周波数、パルス数であり、これらのパラメーターはすべて、下記の詳細な説明で明らかになるように、基板を劣化させることなくＴＣＯを除くために、そしてＮＣＴＯ堆積物の厚さを制御するために極めて重要である。

本発明の他の特徴および利点が、例示的かつ非限定的な例として示される下記の説明から、そして添付された図面を参照して明らかになる。

図１Ａおよび図１Ｂは、例えば、Ｗａｇｎｅｒ Ｅ．（ＳＴＩ、Ｍｉｃｒｏ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００３、ＥＰＦＬ：Ｌａｕｓａｎｎｅ）によって記載されたような光誘導化学的気相成長（ＬＩＣＶＤ：light-induced chemical vapour deposition）技術を使用する先行技術の方法を概略的に示す。図１Ａに示される最初のステップにおいて、透明な基板５が閉鎖容器（示されず）に置かれ、この中に、前駆体ガス（例えば、Ｓｎ（ＣＨ₃）₄またはＳｎＣｌ₄）が、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）であるＳｎＯ₂の薄膜を堆積させるために導入される。この堆積は第１のマスク１５を通して照射するＬＩＣＶＤプロセスによって行われる。このマスクは、得られる電極の形状に対応する領域がＵＶ線に対して透明である。電極は絶縁性空間３によって分離される。

図１Ｂに示される次のステップで、ＵＶ線に対して透明な窓が第１のマスクの窓に対して相補的である第２のマスク１７によって第１のマスク１５が置き換えられる。図１Ｃには、これらの２つのマスクが厳密に相補的な様式で重ならなかった場合に生じる欠陥例が示されている。ＮＣＴＯのビードまたはくぼみのいずれかが生じ、それによって光路が局所的に変化し、したがって、電極の輪郭のいくつかの部分が目に見えるようになる。

同じタイプの欠陥が、広く知られているリフト・オフ技術を使用して絶縁性空間３をＮＣＴＯで満たすたときにも生じることがある。その場合、ビード４が、図２に示されるように、絶縁性空間３の両端で生じる。

本発明によって、電極を肉眼に対して実際上見えなくするために完全な光学的補償をどのようにするかが、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを参照して本明細書中下記に記載される。

図３には、ＵＶ線のレーザー光源２０、レーザービームのサイズを縮小して、そのフルエンス（流束量）を増大させるための集光レンズ２３と発散レンズ２４を含む光学系、ＵＶ線に対して透明な領域１８を有するマスク１７、そして閉鎖容器１２を本質的に含む装置が概略的に示されている。閉鎖容器１２は、ＵＶ線に対して透明である窓１３、前駆体ガスのための入口１４、その前駆体ガスをポンプで排出させる出口１６を有する。閉鎖容器１２は、前駆体ガスのためのベクトル・ガスに対する別の入口（示されず）を設けてもよい。基板１０が閉鎖容器１２の内部に置かれる。この例では、基板１０は、ＴＣＯ薄膜１で既に被覆されている透明な基体５を含んでいる。自明なことではあるが、序文で示されたように、このＴＣＯ薄膜を、ＬＩＣＶＤプロセスを使用して閉鎖容器１２において直接形成させることも可能である。しかし、これはあまり経済的でない。

ＵＶ線の光源は、エキシマ・レーザー、例えば、１.９×２.４ｃｍ²の矩形ビームで、パルスあたり１５０ｍＪの最大エネルギーの長い（２５０ｎｓ）パルスを放射するＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）レーザー、または１.５×４ｃｍ²の矩形ビームで、パルスあたり１８０ｍＪの最大エネルギーの短い（２０ｎｓ）パルスを放射するＫｒＦ（２４８ｎｍ）レーザーである。自明なことではあるが、他のレーザーを使用することができる。

図４Ａには、例として、厚さｅ₁＝７０ｎｍの連続したＩＴＯ薄膜１が堆積しているガラス基板５が示される。基板は閉鎖容器１２に置かれ、長いパルスを放射する３０８ｎｍエキシマ・レーザーによって放射されるＵＶ線でマスク１７を介して露光される。図４Ｂに示される最初のステップにおいて、マスク１７の透明な空間１８に対応する絶縁性空間３のＩＴＯを除去するために、レーザー２０からのビーム２１の特性は、３００ｍＪ／ｃｍ²以上のフルエンス、１４０ｍＪ／ｃｍ²、５Ｈｚで５００パルスが得られるように調節される。図４Ｃに示される次のステップにおいて、Ｗａｇｎｅｒ Ｅ．（同上）によって示される条件のもとでＴｉＯ₂を堆積させる前駆体ガスを構成している９７％の濃度のチタンテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ：titanium tetraisopropoxide）が同じマスク１７を正確に保持したまま、そして基板１０を動かすことなく、閉鎖容器１２に導入され、そしてＩＴＯの厚さｅ₁に実質的に等しい厚さｅ₂のＴｉＯ₂を得るために、２０Ｈｚで４０００パルスで、６０ｍＪ／ｃｍ²にフルエンスが調節される。述べられた堆積条件のもとで、ＴｉＯ₂は２.０５の測定された屈折率ｎ₂を有し、これは、２の値を有するＩＴＯの屈折率ｎ₁と実質的に同じである。この堆積中、前駆体ガスの分圧を調節し、より均一な堆積物を生じさせるために、好ましくは、酸素、窒素、または酸素と窒素の混合物などのベクトル・ガスも閉鎖容器１２に導入される。この例において、ＩＴＯの除去またはＴｉＯ₂の堆積のいずれかによって前記材料の劣化に対する限界フルエンスを越えないならば、ガラス基板を、ＰＭＭＡなどのプラスチック材料の基板で置き換えることができる。

しかしながら、図５Ａ〜図５Ｅを参照して説明され、図５Ａ（各層の厚さは正確な比率ではない）に示されるように、約７０μｍの厚さのＩＴＯ薄膜が堆積する硬い透明な中間層７（硬い被覆層）を少なくとも２０μｍの厚さにＰＭＭＡ担体に堆積させることが好ましいことが分かった。この中間層は、これもまたＰＭＭＡよりも大きい劣化限界フルエンスを有しなければならないが、例としてあげると、ＳｉＯ₂に基づく樹脂である。中間層もまた、機械的機能、すなわち、ＩＴＯ層の接着を改善し、かつ温度の上昇によって引き起こされるＰＭＭＡの変形が生じた場合に劣化されないという機能を有する。図５Ｂには、絶縁性空間３によって隔てられる電極１ａが配置された後の基板５が示される。この例では、ＩＴＯ薄膜の除去が、８０ｍＪ／ｃｍ²のフルエンスおよび５Ｈｚで１０パルスの短いパルスを放射する２４８ｎｍエキシマ・レーザーを使用して行われる。図５Ｃに示されるステップでは、ＴｉＯ₂の堆積が、最初の例の場合と同じ条件下、しかし、５Ｈｚで１００００パルスの６ｍＪ／ｃｍ²のフルエンスを得るために変更されたレーザー特性により始まっている。図５Ｄには、ＴｉＯ₂の堆積が終了したときの同じ基板が示される。マスク１７または基板１０のいずれもが移動しないこの方法により、ビード４またはくぼみ６のいずれをも形成しないＴｉＯ₂堆積物が得られ、これにより、電極１ａが事実上見えなくなることを理解することができる。

図５Ｅには、基板１０が閉鎖容器１２に留まり、動かされないままで、しかし、マスク１７が、透明な電極を有する基板に対して必要とされる輪郭に対応するマスクによって置き換えられる随意的に使用されるステップが示される。その場合、例えば、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂からなる薄膜である保護薄膜９を堆積させるための前駆体ガスが、再度ではあるが、レーザーの特性を変更して閉鎖容器１２に導入される。保護薄膜は反射防止性を有するように改変され得る。薄膜９は、選択的に、電極１ａの接点１１の領域を定める。

この第２の例において、ＰＭＭＡを、ポリカーボネート（ＰＣ）などの他の透明なプラスチック材料によって置き換えることができ、そして、その場合、レーザービームの特性が必要な場合には適合化されることは自明である。

これまでに記載されてきた、透明な電極を有する基板は、多くの用途、すなわち、タッチ・スクリーン、液晶セルまたは光電池セルに対する適用だけでなく、本発明の範囲から逸脱せず、かつ当業者には自明である他の適用をも有する。

先行技術の方法、および電極を有する得られる基板を示す図である。 別の先行技術の方法によって得られる、電極を有する別の基板を示す図である。 透明な電極を有する本発明による基板を製造するための装置を示す概略図である。 透明な電極を有する本発明による基板を製造するための各ステップを示す図である。 透明な電極を有する本発明による別の基板を製造するための各ステップを示す図である。

符号の説明

１…透明な導電性酸化物の薄膜、１ａ…電極、３…絶縁性空間、４…ビード、５、１０…基板、６…くぼみ、７…中間層、９…保護薄膜、１１…接点領域、１２…閉鎖容器、１３…ＵＶ線に対して透明な窓、１４…ガス入口、１５、１７…マスク、１６…ガス出口、１８…ＵＶ線に対して透明な領域、２０…レーザー光源、２３…集光レンズ、２４…発散レンズ

Claims (19)

1. 透明な電極を有し、厚さｅ₁、屈折率ｎ₁の透明な導電性材料の薄膜（１）が堆積されている透明な材料から形成される基板であって、前記薄膜（１）は、１組の電極（１ａ）が形成され、電極の輪郭（８）により絶縁性空間（３）が定められるように構造化され、前記電極（１ａ）は、エレクトロニクス装置に接続される接点領域（１１）を基板（５）の縁部近くに有する基板であって、導電性材料と誘電性材料のそれぞれの厚さが前記材料の屈折率の値に逆比例するように、かつ前記誘電性材料はくぼみまたはビードのいずれをも電極の輪郭（８）部に形成しないように、絶縁性空間（３）が厚さｅ₂と屈折率ｎ₂の透明な誘電性材料で満たされていることを特徴とする基板。
2. 追加の硬い透明な非電導性材料の均一な厚さの層（７）が基板（５）と電極（１ａ）との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 硬い中間層（７）はＳｉＯ₂を含み、かつ厚さが少なくとも２０μｍである樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載の基板。
4. 基板（５）がポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）とポリカーボネート（ＰＣ）から選択されるプラスチック材料から作製されることを特徴とする請求項２に記載の基板。
5. 電極（１ａ）と絶縁性空間を満たす誘電性材料とが反射防止性を有する保護薄膜（９）でさらに覆われることを特徴とする請求項１に記載の基板。
6. 保護薄膜（９）は電極（１ａ）の接点領域（１１）を覆わないことを特徴とする請求項５に記載の基板。
7. 電極（１ａ）を形成する透明な導電性材料が、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、Ｉｎ₂Ｏ₃、およびＳｂドープＳｎＯ₂から選択される透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）であることを特徴とする請求項１に記載の基板。
8. 電極（１ａ）の間の空間（３）を満たす誘電性材料が、ＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂から選択される非電導性の透明な酸化物（ＮＣＴＯ）であることを特徴とする請求項１に記載の基板。
9. 透明な導電性材料の厚さｅ₁が５０ｎｍから１００ｎｍであり、好ましくは６５ｎｍから７５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の基板。
10. 前記基板が関連するエレクトロニクス装置を制御するための容量性または抵抗性のタッチ・スクリーンを構成することを特徴とする請求項１に記載の基板。
11. 前記基板がエレクトロニクス装置に関連する液晶ディスプレー・セルまたは光電池セルの少なくとも１つの閉鎖プレートを構成することを特徴とする請求項１に記載の基板。
12. 厚さｅ₁および屈折率ｎ₁の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）の電極（１ａ）が構造化されている透明な電極を有し、電極（１ａ）の間の誘電性空間（３）が厚さｅ₂および屈折率ｎ₂の非電導性の透明な材料（ＮＣＴＯ）で満たされる基板を製造する方法であって、
    硬い透明な材料の中間層（７）の上に堆積させられることもあるＴＣＯの連続した薄膜（１）で事前に被覆された基板（５）を、ＵＶ線に対して透明な窓（１３）と、ガスの入口（１４）と、前記ガスをポンプで排出する出口（１５）とを有する閉じた閉鎖容器（１２）に入れるステップ；
    閉鎖容器（１２）の窓（１３）から、誘電性空間（３）に対応するＵＶ線に対して透明な部分（１８）を有するマスク（１７）を介してＵＶ光源による第１の照射を行うステップであって、そのＵＶ線の特性が、ＴＣＯの照射領域を除去し、かつ誘電性空間（３）を形成させるためにＴＣＯの性質と厚さの関数として調節されているステップ；
    ＮＣＴＯの前駆体ガスを閉鎖容器（１２）に導入し、同じＵＶ光源と同じマスク（１７）を使用して、第２の照射を行うステップであって、厚さｅ₂の堆積物を誘電性空間（３）に生成するために、ＵＶ線の特性をＮＣＴＯの性質に合わせるステップ；および
    前駆体ガスをポンプで排出し、透明な電極を有する基板を閉鎖容器（１２）から取り出すステップ
    を含むことを特徴とする方法。
13. ＴＣＯおよびＮＣＴＯの厚さがそれらの屈折率に逆比例するように、第１の照射および第２の照射のフルエンスおよび周波数が調節されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前駆体ガスはベクトル・ガスと同時に閉鎖容器（１２）に導入されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 同じＵＶ光源を使用するが、電極を構造化するために使用したマスクを透明な電極を形成した基板の必要とする表面に対応するマスクで置き換え、電極（１ａ）の接点領域（１１）を露出したままにして、反射防止性を有することもある保護薄膜（９）を別の前駆体ガスで堆積させる、追加のステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. ＵＶ光源が、短いパルスを放射する２４８ｎｍエキシマ・レーザー、または長いパルスを放射する３０８ｎｍエキシマ・レーザーであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. ＴＣＯは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、Ｉｎ₂Ｏ₃、およびＳｂドープＳｎＯ₂から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. ＮＣＴＯはＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
19. ＴｉＯ₂がチタンテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ）前駆体ガスから得られることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
    

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