JP6227012B2

JP6227012B2 - 静電容量式タッチセンサーの電極構造体を形成する方法

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Publication number: JP6227012B2
Application number: JP2015558542A
Authority: JP
Inventors: ユッククワァンチャン; リオカミーノプリート
Original assignee: エム−ソルヴ・リミテッド
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: WO2014128441A1; JP2016518252A; CN105073334B; US20150375341A1; EP2958705A1; TWI648669B; CN105073334A; GB201303074D0; EP2958705B1; TW201439873A; US10421157B2; GB2511064A; KR20150122179A

Description

本発明は静電容量式タッチセンサー(capacitive touch sensor)の電極構造体(electrode structure)を形成する方法及びその方法を実行する装置に関する。

スマートフォン、ＭＰ３プレーヤー、ＰＤＡ、タブレット、ＵｌｔｒａｂｏｏｋＰＣ、ＡＩＯＰＣ等のデバイスに静電容量式タッチセンサーを組み込む必要性がある。こうしたデバイスは、一般に、背後に透明の静電容量式センサーが結合されているガラス又はプラスチックで作られた透明の前面カバーを有する。多くの場合、静電容量式センサーは、反対側にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等(indium thin oxide)の透明導電（ＴＣ）材料(transparent conductive material)が適用されパターニングされて送信電極（Ｔｘ）層及び受信電極（Ｒｘ）層が形成されているプラスチック又はガラス等の透明の材料から作られた基板から構成される。代替的には、基板に適用されている単一のＴＣ層から構成される単層センサー(single layer sensor)を用いることが可能であり、このＴＣ層は適切にパターニングされ組み込まれて別々にアドレス可能(addressable:位置決め）なＴｘ構造体及びＲｘ構造体を形成する。

カバー／タッチセンサー組立体は、通常は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）で構成されるディスプレイモジュールに取り付けられる。こうした構成により、好ましくない程に厚く重いカバー／センサー／ディスプレイモジュールとなる。厚さ及び重量を低減するために、静電容量式タッチセンサーをカバーの上に直接形成するか、又はタッチセンサーを何らかの方法でＬＣＤ内に統合することが望ましい。

ＬＣＤに集積される二層センサーは２つのタイプが可能である。すなわち、「オンセル」(on-cell)タイプと「インセル」(in-cell)タイプである。「オンセル」タイプにおいて、センサーはＬＣＤ組立体の上部に形成される。「インセル」タイプにおいて、センサーのＴｘ層及びＲｘ層はＬＣＤ構造体内の様々な場所に位置づけられる。

１つの事例において、Ｔｘ電極及びＲｘ電極はガラス基板の反対側に位置するＴＣ層内に形成され、このガラス基板はカラーフィルター（ＣＦ）組立体を担持しＬＣＤの上側基板を形成する。ＣＦは有機ＲＧＢ材料のストライプで作られ、この有機ＲＧＢ材料のストライプはブラックマトリックス（ＢＭ）構造体内に堆積され有機平坦化（ＯＰ）層(organic planarizing)でオーバーコーティングされている。Ｔｘ電極を形成するＴＣはＣＦ上のＯＰ層の上部に堆積され、Ｒｘ電極を形成するＴＣはガラス基板の背後面上に直接堆積される。

別の事例において、Ｔｘ電極はＬＣＤ内深くに埋め込まれ、ＴＦＴと同じ面内のＬＣＤの下部電極を形成するＴＣ層内に形成される。この事例の場合、Ｒｘ電極はＣＦを担持する基板の２つの面の一方又は他方上のＴＣ層内に形成される。

Ｔｘ電極がＣＦ基板上に置かれＬＣＤの上部電極を形成する場合、ＴｘのパターニングはＬＣＤを組み立てる前に実行されなければならないが、一方、Ｒｘ電極のパターニングはＬＣＤを組み立てる前又は後に行うことが可能である。Ｔｘ電極が下部ＬＣＤ電極に結合されＲｘ電極がＣＦ基板の一方又は他方上にある場合、このＲｘ層に対して、ＬＣＤを組み立てる前又は後のいずれかにパターニングを行うことが可能である。

したがって、インセル型二層センサー(in-cell dual layer sensors)に対して、Ｔｘ電極パターン又はＲｘ電極パターンをガラス基板上のＲＧＢＣＦ構造体の上部の有機パッシベーション（ＯＰ）層上にあるＴＣ層内に形成するか、又はＲｘ電極を背後面上にＣＦ構造体があるガラス基板上のＴＣ層内に形成する必要がある。

双方の事例において、ＴＣ層内に電極構造体を形成する通常の方法はレジスト露光及びＴＣの化学エッチングに基づくマルチステップのリソグラフィー工程(lithographic process)を含む。こうしたリソグラフィー工程は複雑であり、特にＬＣＤが組み立てられた後に実行されるとき、欠陥を生じさせる。レーザーアブレーション(laser ablation)を用いてＴＣ層内に電極パターンを形成することが望ましいが、標準のレーザー構成が用いられる場合、ＴＣが準備されるガラス基板の下の様々な層はレーザーアブレーション工程中に損傷を受ける重大なリスクが存在する。

したがって、本発明はレーザーアブレーションを用いて、ガラス基板の下部のいずれの層にも重大な損傷を与えることなくガラス基板の上部にあるＴＣ層内に電極構造体を形成することができる、改良された方法を提供しようとするものである。

本発明の第１の態様によると、パルス固体レーザー(pulsed solid state layer)を用いた直描レーザースクライブ工程(direct write laser scribing process)によって、透明の非導電層でオーバーコーティング(over-coated)されたカラーフィルター層と第２の透明導電層とが第２の面上にあるガラス基板の第１の面上にある第１の透明導電層内に静電容量式タッチセンサーの電極構造体を形成する方法であって、レーザー波長及びパルス長は、
ｉ）波長は２５７ｎｍ〜２６６ｎｍの範囲内、
ｉｉ）パルス長は５０ｆｓ〜５０ｎｓの範囲内、
であるように選択され、それにより、前記ガラス基板の前記第２の面上の前記カラーフィルター層、前記透明の非導電層又は前記第２の透明導電層へ実質的に損傷を与えることなく前記第１の透明導電層内に溝を形成して前記第１の透明導電層の、各溝の互いに対向する側の領域を電気的に分離する方法が提供される。

本発明の第２の態様によると、上記の方法を実行するように構成される装置が提供され、該装置は、透明の非導電層でオーバーコーティングされたカラーフィルター層と第２の透明導電層とが第２の面上にあるガラス基板の第１の面上にある第１の透明導電層内に静電容量式タッチセンサーの電極構造体を直描レーザースクライブするように構成されるパルスレーザーソースを備え、該レーザーソースは、
ｉ）波長は２５７ｎｍ〜２６６ｎｍの範囲内、
ｉｉ）パルス長は５０ｆｓ〜５０ｎｓの範囲内、
であるような波長及びパルス長を提供するように構成される。

本発明の他の好ましい、オプションの特徴は、以下の説明及び本明細書の従属請求項から明らかになるであろう。

本明細書において用いられるとき、「ガラス」という用語はＬＣＤの基板として用いるのに十分平坦、平滑及び不浸透性である材料、例えば、幾つかの既知のタッチセンサーパネルにおいて用いられるような、例えばプラスチック材料を含むと理解されたい。一方、ＬＣＤスクリーンに従来から用いられるようなガラスは遠紫外線（ＤＵＶ）(deep ultra-violet)領域において強力に吸収するので、好ましい材料である。

本発明を、ここで、添付図面を参照して、単に例として更に説明する。

既知のＬＣＤ及びＣＦの組立体の断面図である。既知のＣＦユニットの断面図である。既知のオンセルタイプの集積されたタッチパネル／ＣＦ／ＬＣＤ組立体の断面図である。既知の第１のインセルタイプの集積されたタッチパネル／ＣＦ／ＬＣＤ組立体の断面図である。既知の第２のインセルタイプの集積されたタッチパネル／ＣＦ／ＬＣＤ組立体の断面図である。本発明の第１の態様に係る方法の１つの実施形態による、図４又は図５に示されているようなインセルモジュールの透明導電層内に電極構造体を提供するための溝の形成を示す図である。図６に示す方法を実行するための、本発明の第２の態様に係る装置の好ましい実施形態の概略斜視図である。

図１は既知の１つのタイプのＬＣＤ/ＣＦモジュールの構造を示している。液晶材料層１は第１の（下側）面においてＴＦＴデバイス３及び第１のＴＣ層４でコーティングされた第１のガラス基板２と境界を接し、第２の（上側）面においてＣＦ層６及び第２のＴＣ層７でコーティングされた第２のガラス基板５と境界を接する。バックライトユニット８は偏光されていない光を放出し、この偏光されていない光は第１の偏光板９を通過し、ＬＣＤ/ＣＦモジュールを含む全ての層を通って第２の偏光板１０を通って現れる。いくつかの他のＬＣＤ/ＣＦモジュール構造体が存在する。ＣＦ層をＬＣＤ層の手前、例えば、第１の偏光板とバックライトとの間に置くことが可能である。ＬＣＤ構造体を反転させてＴＦＴ層をＬＣＤの上側にし、ＣＦ層を上部又は下部に置くことも可能である。

図２は通常の既知のＣＦ及び基板の詳細を示している。ガラス基板５はその第１の面に形成されたＲＧＢＣＦ層を有する。ＣＦ層はＲＧＢ材料の局所化された領域の交互のストライプ１１、１２及び１３又は２次元アレイから構成され、それぞれＬＣＤ内の線又はＬＣＤ内の個々のピクセルに対応している。ＲＧＢ材料のストライプはブラックマトリックス（ＢＭ）材料１４の領域によって分離されて視認コントラストを向上させる。通常、マルチステップのリソグラフィー工程を用いて、こうしたＲＧＢ及びＢＭ構造体を形成する。

薄い透明の非導電有機平坦化（ＯＰ）層(thin transparent non-oconducting organic planarizing (OP) layer)１５がＲＧＢ/ＢＭ層に適用されて平滑な上部表面を形成する。この層は、通常、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はアクリルを用いて形成される。ＴＣ層７が有機層１５の上部に堆積される。

図３は既知の１つのタイプのオンセル型静電容量式タッチセンサーモジュールの構造を示している。ガラス又は透明のプラスチック基板１６はＴＣ層１７及び１８が基板の反対側に堆積されている。下側ＴＣ層１７はパターニングされてセンサーＴｘ層を形成し、上側ＴＣ層１８はパターニングされてセンサーＲｘ層を形成する。次に、センサー組立体はガラス基板２及び５の間に組み立てられたＬＣＤ/ＣＦモジュールに位置合わせされるとともに、そのモジュールに取り付けられる。

図４は既知の１つのタイプのインセル型静電容量式タッチセンサーモジュールの構造を示している。第１のＴＣ層１９はＣＦ層を支持するガラス基板５の第１の（上側）面上に堆積され、適切なパターニングの後、Ｒｘ層を形成する。第２のＴＣ層７はガラス基板５の第２の面上のＣＦ層６上に準備されるＯＰ層１５を覆い、適切なパターニングの後、センサーＴｘ層を形成する。上側偏光板及びバックライトユニットは図面から省かれている。

本発明は、レーザーアブレーションによってこうしたデバイス内のＣＦガラス基板の第１の面上のＲｘ層をパターニングすることに関する。この特別なインセルセンサーモジュール構造体の場合、こうしたＲｘ層のレーザーパターニングはＬＣＤ組立ての前又は後のいずれかに行われる。Ｒｘ層のパターニングがＬＣＤ組立ての前に実行される場合、後続のステップにおいて、ＣＦ基板５は下側ＬＣＤ基板２及び液体材料１で満たされたＬＣＤに位置合わせされ取り付けられる。

図５は既知の別のタイプのインセル型静電容量式タッチセンサーモジュールの構造を示している。この場合、第１のＴＣ層１９はガラス基板５の第１の面上に堆積され、Ｒｘ層を形成し、ＴＦＴを支持する第２のガラス基板２上に置かれた第２のＴＣ層４はセンサーＴｘ層を形成する。上側偏光板及びバックライトユニットは図面から省かれている。

本発明は、レーザーアブレーションによってこうしたデバイス内の第１のガラス基板の第１の（上側）面上のＲｘ層をパターニングすることにも関する。この特別なインセルセンサーモジュール構造体の場合、こうしたＲｘ層のレーザーパターニングはＬＣＤ組立ての前又は後のいずれかに行われる。Ｒｘ層のパターニングがＬＣＤ組立ての前に実行される場合、後続のステップにおいて、ＣＦガラス基板５は下側ＬＣＤ基板２及び液体材料１で満たされたＬＣＤに位置合わせされ取り付けられる。

図６は本発明の第１の態様に係る、背後の面上にはＲＧＢ/ＢＭ、ＯＰ及びＴＣ材料の層があるＣＦガラス基板５の第１の（上側）面上のＴＣ層１９内のパターンを形成するための好ましい方法を示している。パルスレーザービーム２０がＴＣ層１９の表面に照射され、その表面からレーザーアブレーションによって材料を除去してＴＣ層１９内に溝２１のパターンを形成するように、表面にわたって移動される。レーザービーム２０は、溝２１にわたって電気的導通が存在しないが基板の背後面上のＲＧＢ材料１１、１２及び１３、ＢＭ材料１４、有機層１５又は下側ＴＣ層７に損傷を与えないように溝２１内の全てのＴＣ材料を除去するように構成される。

用いられるレーザーは５０ｎｓ未満、好ましくは５０ｐｓ未満の持続時間を有するパルスを放出するパルスタイプである。レーザー動作は遠紫外線（ＤＵＶ）領域である。ＵＶ域〜ＩＲ域（すなわち、３５１ｎｍ〜１０７０ｎｍ）での動作は、これらの波長においてＴＣ層は最小の吸収性を有し、ＲＧＢＣＦの部材はかなりの吸収性を有するので望ましくない。

用いられるパルスレーザーは、例えば、
１０ｎｓの公称出力パルス長(nominal output pulse length)を有し、２６６ｎｍにて動作するレーザー
１５ｐｓの公称出力パルス長を有し、２６６ｎｍにて動作するレーザー
１０ｎｓの公称出力パルス長を有し、２６３ｎｍにて動作するレーザー
１５０ｆｓの公称出力パルス長を有し、２６２ｎｍにて動作するレーザー
１０ｐｓの公称出力パルス長を有し、２５７．５ｎｍにて動作するレーザー
のうちの１つから選択することができる。

０．５ｐｓ〜２００ｎｓの範囲のパルス長を有するＵＶレーザー、可視光レーザー及びＩＲレーザーは、下方にあるＣＦ材料へ損傷を与えるので適していないことがわかる。一方、より短い波長、すなわち２６６ｎｍ、２６３ｎｍ、２６２ｎｍ又は２５７．５ｎｍが用いられる場合、ＴＣ層における吸収性がより高い（したがって、下方にある層に対してより多くの保護を提供する）ので、満足のいく結果を達成可能である。

一般に、より短いパルス長が好ましい。なぜならば、ＴＣ層及び下方にある有機層は例えば１００ｎｍ以下と非常に薄い可能性があり、そのため熱的な損傷を受けやすいからである。パルス長が短いほど、レーザーパルスからの熱エネルギーが隣接する領域、特に下方にある層に拡散する時間が短い。

レーザー波長及びパルス長は、レーザースクライブ(laser scribing)工程が透明導電層内に溝を形成し、この溝が各溝の互いに対向する側にあるＴＣ層の領域を電気的に分離するように選択され、このことが、実質的にガラス基板の背後面上の透明の非導電層又はカラーフィルター層へ損傷を与えることなく行われる必要があることは理解されたい。これによって、ＴＣ層に一連の溝を形成して、その層内に電極構造体を形成することが可能である。通常、溝は５μｍ〜３０μｍの範囲の幅を有するが、より広い溝も可能である。

したがって本発明は、ガラス基板の下方にある非導電層、及び／又はガラス基板の下方にあるカラーフィルター層、及び／又はガラス基板の下方にある第２のＴＣ層への熱的損傷を発生させる危険性がある場合に、直描レーザースクライブによってガラス基板上に準備された透明導電（ＴＣ）層内に電極構造体を形成することに関する。

この危険性は、第１のＴＣ層をアブレーションするのに必要とされるパルスのエネルギー密度とガラス基板の下方にある層へ損傷を与えかねないパルスのエネルギー密度との間の差異がほんの僅かであるときに生じる。上記で特定したレーザーのタイプ、波長及びパルス長を用いてこの問題を回避する。このプロセスの「ウィンドウ(window)」が非常に小さい状況では、トップハットプロファイル(top-hat profile)を有するレーザービームを準備して、下方にある層への熱的損傷のリスクを更に低減することも可能である。一方、ガラス基板はレーザービームのエネルギーのうちのいくらかを吸収するので、一般に、こうしたことは必要とされない。

図７は、上記で説明したレーザーパターニング工程を実行するように構成された１つの形式の装置の概略斜視図を示している。レーザー２２はレーザービーム２０を放射し、レーザービーム２０は反射鏡２３、２３´を介して２次元スキャナーユニット２４に向けられる。スキャナーを出たビームはｆシータ(f-theta)レンズ２５によってガラス基板２６の表面上に集光され、ｆシータレンズ２５はステージ上に搭載され、それにより方向Ｘ及び方向Ｙに移動可能である。ガラス基板２６はその上側面上にＴＣを有し、背後面上は（上記で説明したように）ＲＧＢＣＦ層、有機層及び上部ＴＣ層によって覆われている。基板２６が固定されている状態で、スキャナー２４はビームを基板２６のサブ領域２７にわたって移動させて、タッチセンサー電極構造体を形成するのに必要とされる分離溝をＴＣ層内に形成する。各サブ領域２７が完了した後、基板２６は新たなサブ領域２７にステップし、工程を繰り返す。この「ステップアンドスキャン」(step and scan)工程はガラス基板２６の全てがパターニングされるまで繰り返される。サブ領域２７は小型デバイス（スマートフォン等）用のタッチセンサー全体であることも可能であり、又はより大きなデバイス（タブレット及びＰＣ等）用のより大きなタッチセンサーのほんの一部分である場合もある。後者の場合、サブ領域を合わせて「縫合」して、タッチセンサーの電極構造体を形成する必要がある。

本装置の動作は、レーザー及びレーザーの動きを制御して説明したスキャン工程を実行するように構成されるコンピューター等の制御手段の制御下にあることが好ましい。

上記で説明した静電容量式タッチセンサーレーザーパターニング(capacitive touch sensor laser patterning)工程は、後に他の基板に位置合わせされ取り付けられて完全なＬＣＤを形成する１つ又は複数のＣＦデバイスを各々が含む基板上で実行することが可能であり、代替的に、レーザーパターニングは既にＬＣＤに組み立てられたＣＦ基板上で実行することができる。完全なＬＣＤモジュールに組み立てる前又は後のいずれかに個々の部材をレーザーパターニングすることも可能である。

上記で説明した工程の主要な態様は以下の通りである。
１）第２の（背後の）面が透明の有機層及び第２のＴＣ層でオーバーコーティングされているＲＧＢ／ＢＭカラーフィルター層であるガラス基板の第１の面上の第１のＴＣ層内にパターンを形成すること。
２）パターンが二層静電容量式タッチセンサー用のＲｘ電極を形成する。
３）第１のＴＣ層がパターニングされて、狭い溝の直描レーザーアブレーションによってセンサー電極構造体が形成される。
４）レーザースクライブ工程によってＴＣ材料が溝から完全に除去されるが、ガラス基板の背後面上のＲＧＢ層、ＢＭ層、有機層及び／又は第２のＴＣ層への損傷は生じない（又は、最少である）。
５）レーザーはＤＵＶ領域で動作し、５０ｎｓ未満の持続時間、好ましくは５０ｐｓ未満の持続時間を有するパルスを放射するパルスタイプのものである。

こうした工程は、タッチセンサーの電極構造体を形成する既知の工程とは異なる。特に、レーザースクライブは既知のリソグラフィーによる方法を上回る有意の利点を有する。本工程ははるかに効率的である。すなわち、より迅速に実行することが可能であり、リソグラフィーによる工程より非常に良好な産出量(yield)を有し、より容易に適用することが可能である。したがって、上記工程はインセルタッチセンサーの電極構造体を形成する既知のリソグラフィーによる方法を上回る相当な利点を提供する。

Claims

透明の非導電層と第２の透明導電層でオーバーコーティングされたカラーフィルター層が第２の面上に設けられているガラス基板の第１の面上にある第１の透明導電層内に静電容量式タッチセンサーの電極構造体を形成する方法であって、
前記第１の透明導電層が前記ガラス基板の前記第１の面上に設けられ、かつ、前記透明の非導電層と前記第２の透明導電層でオーバーコーティングされた前記カラーフィルター層は前記ガラス基板の前記第２の面上に供される状態で、パルス固体レーザー(pulsed solid state laser)を用いて直描レーザースクライブ工程(direct write laser scribing process)を前記第１の透明導電層に施すことによって当該電極構造体を形成する工程であって、
レーザー波長及びパルス長は、
ｉ）波長は２５７ｎｍ〜２６６ｎｍの範囲内、
ｉｉ）パルス長は５０ｆｓ〜５０ｎｓの範囲内、
であるように選択され、それにより、前記ガラス基板の前記第２の面上の前記カラーフィルター層、前記透明の非導電層又は前記第２の透明導電層へ実質的に損傷を与えることなく、前記第１の透明導電層内に溝が形成されて、各溝の対向する側にある前記第１の透明導電層の領域が電気的に分離される、方法。
前記パルス長は５０ｐｓ以下である、請求項１に記載の方法。
前記レーザー波長は２５７．５ｎｍ又は２６６ｎｍのうちの１つから選択される、請求項１又は２に記載の方法。
前記電極構造体は送信電極構造体及び受信電極構造体の双方を含む、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記透明の非導電層が前記カラーフィルター層を覆う平坦化層を形成し、前記第２の透明導電層は前記平坦化層を覆うように供される、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記タッチセンサーを用いて、該センサーの上方に透明カバーと、該センサーの下方にディスプレイモジュールとを有する組立体の一部分を形成する、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記レーザービームは前記第１の透明導電層の第１のサブ領域にわたってスキャンし、次に前記第１の透明導電層の別のサブ領域にステップし、そのサブ領域にわたってスキャンするように構成され、この工程は必要な前記領域がスキャンされるまで繰り返される、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の方法。
形成される前記センサーは複数の前記サブ領域を含む、請求項７に記載の方法。