JP6404064B2 - 透明導電性フィルム及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、透明フィルム基板上に透明電極層が形成された透明導電性フィルムに関する。

タッチパネルやディスプレイなどに用いられる透明電極は、ガラスや高分子フィルム上に形成されるが、近年は製品の軽量化、薄型化の要望から高分子フィルム上に透明電極層が形成された透明導電性フィルム（透明電極付き基板）が注目されている。また、タッチパネルディスプレイは大型化する傾向にあるため、低抵抗な透明電極が求められている。これまで、透明電極を低抵抗にするため、非晶質の透明電極層を熱処理することで結晶化を促進し、低抵抗化する技術が用いられてきた。しかしながら、ガラス基板と異なり、高分子フィルム上の透明電極層は、そのフィルムの耐熱性の問題から２００℃以下の熱処理に限られ、結晶化の促進が困難である。さらに、フィルムからの有機成分などのアウトガスにより結晶化が阻害される。そのため、これらの問題に対応しつつ、結晶化を促進するために、特許文献１に記載のように基板と透明電極層の間に下地層を設ける手法が用いられる。

ところで、最近、透明電極付き基板を常温常圧環境下で長期間保管した場合に電気特性が低下してしまう現象が起き得ることが確認された。これは、非晶質の透明電極層が常温常圧環境下において熱力学的に安定な結晶質に転移し、意図せずに電気特性が変化する現象である。元々非晶質が結晶質に変化することは知られているが、このような常温常圧環境での結晶化はこれまで知られていなかった課題であり、その後のデバイス作製プロセスにおいて、透明電極層の応力により、基板からの剥離や変形を引き起こす可能性があり、特に、基板がフィルムやプラスチックなどの軟質の材料の場合には問題が生じ得る。

上記の「熱処理時の結晶化促進」と「常温常圧時の結晶化抑制」は、相反する特性と考えられるが、より高性能な製品では同時に要求される。このような課題に対して、例えば、特許文献２には、ＺｎＯ中にＳｉなどの元素を含有する下地層を設け、高光透過率で膜の表面に凹凸が少ない低比抵抗の酸化インジウム・スズ複合酸化物（ＩＴＯ）からなる透明電極層を作製する技術が記載され、特許文献３には、金属化合物からなる下地層を用いて、ＩＴＯからなる透明電極層の耐屈曲性を向上させる技術が記載され、特許文献４には、ＺｎＯ製膜時に窒素を導入し、ＺｎＯＮからなる下地層を作製することで直上のＺｎＯからなる透明電極層の結晶性を改善する技術が記載されている。しかし、いずれの文献も前述の「熱処理時の結晶化促進」と「常温常圧時の結晶化抑制」を同時に解決するものではない。

特開２０１２−１１４０７０号公報 特開２０００−１０８２４４号公報 ＷＯ２００６−０１９１８４号公報 ＷＯ２０１２−０２６５９９号公報

そこで、本発明は、ＩＴＯからなる透明電極層の下層として形成する下地層を改良し、熱処理による結晶化促進能を維持しつつ、常温結晶化抑制機能を付与した透明電極層を提供することを目的とする。

本発明は、透明フィルム基板上に主成分が酸化亜鉛である下地層とインジウム・スズ複合酸化物からなる透明電極層とを順に有し、前記下地層が１〜２０質量％の酸化珪素と、窒素とを含有する透明導電性フィルムである。

また、下地層の膜厚は０より大きく１５ｎｍ以下が好ましく、下地層の５５０ｎｍにおける屈折率は１．７〜１．９が好ましく、窒素量は０．１〜５質量％が好ましい。

また、本発明の透明導電性フィルムの製造方法は、透明フィルム基板に透明電極層を積層する前に、酸化亜鉛を主成分とし、酸化珪素を１〜２０質量％含有する酸化物下地層をスパッタリング製膜する工程を有し、下地層を製膜する際の窒素ガス雰囲気は５．９×１０−５Ｐａ以上である。

本発明によれば、熱処理後の結晶化促進および低抵抗化の実現のみならず、常温環境での意図せぬ結晶化を抑制することが可能となり、品質が安定した透明電極付基板を提供することができる。

一実施形態における透明電極付き基板の模式断面図である。 透明電極層を複数回に分けて製膜した透明電極付き基板の模式断面図である。

［透明電極付き基板の構成］
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、透明フィルム基板１０上に下地層２０、さらにその上に透明電極層３０を形成した透明電極付き基板を示している。透明電極層３０は図２に示すように３１と３２のような複数層の構成で形成されていても良い。透明フィルム基板１０と下地層２０との間にコーティング層が設けられてもよい。透明フィルム基板１０を構成する透明フィルムは、少なくとも可視光領域において無色透明であるものが好ましい。

下地層２０は、酸化亜鉛を主成分とする無機化合物であり、窒素の他、酸化珪素を１〜２０質量％を含んでおり、酸化珪素の含有量は５〜２０質量％が好ましい。酸化亜鉛に対する酸化珪素の含有量を増加させると、下地層の屈折率は酸化珪素の屈折率１．５に近づくため下地層の屈折率は低下する。上記範囲で酸化珪素の含有量を変化させると、屈折率は１．７〜１．９の範囲で調整可能で、反射率の低減による非視認性が向上する。下地層２０が窒素を含まない場合は光学的な観点では良好になる傾向があるが、後述のように、透明電極層３０の常温結晶化の抑制が不十分になる場合がある。

下地層２０の膜厚は０より大きく１５ｎｍ以内であることが好ましく、さらには２〜１０ｎｍが好まく、特に好ましいのは２〜５ｎｍである。膜厚を厚くすると透過率の悪化が懸念され、薄すぎると下地層としての結晶化促進能を十分に発揮できない。下地層２０には透明フィルム基板１０からの炭素原子、水分子などの透明電極層３０の結晶化阻害成分の拡散抑制の役割があり、この役割を満たすためには上記膜厚範囲が好ましい。

下地層２０の形成にはスパッタリング法が好適に用いられる。スパッタリング法では、マグネトロンスパッタリング法が特に好ましい。マグネトロンスパッタリング時のマグネットの磁場強度は７００〜１３００ガウスが好ましく、これにより極端なエロージョンによるスパッタターゲットの利用効率低下を抑制し、かつ良質な下地層２０の形成が可能となる。これは、磁場強度を大きくすることで、放電電圧を下げることが可能となるためであり、下地層２０の形成を透明フィルム基板１０に対して低ダメージで行うことができる。スパッタリングに用いる電源には制限が無く、直流電源や交流電源などをターゲット材料にあわせて選択できる。放電電圧は装置や電源の種類に依るが、良好な下地層２０を形成するためには−１００〜−３５０Ｖ程度が好ましく、さらには、−１８０〜−３００Ｖ程度がより好ましい。

本発明では、下地層２０を製膜する真空槽中の圧力を一旦１×１０^−３Ｐａ以下とし、次いで不活性ガス及び酸素等の反応性ガスを０．１〜１Ｐａとなるまで導入しておき、次いで、導入される不活性ガスとしてアルゴン（Ａｒ）、反応性ガスとして酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）を用いることで、下地層を形成できる。

反応性ガスとして窒素を導入することで、下地層２０中に窒素が取り込まれ、これにより、透明電極層形成後に熱処理を行うことで、下地層とＩＴＯ層界面付近の窒素原子がＩＴＯ層に混入し、ＩＴＯの結晶化を阻害することで結晶化速度が遅くなると考えられる。すなわち常温結晶化抑制の効果が期待される。窒素を含有するＩＴＯ膜のホール移動度が窒素を含有していないＩＴＯ膜に比べ大きくなることは、例えば、特開２０１４−１４８７３４号公報などで知られているが、本願発明においても、下地層に窒素が含まれる場合と含まれない場合におけるそれぞれのホール移動度は３１ｃｍ^２／Ｖｓと２７ｃｍ^２／Ｖｓであり、特開２０１４−１４８７３４号公報と同様の傾向が見られ、ＩＴＯ層への窒素の混入が推定される。

透明電極層３０は酸化インジウムを８７．５重量％〜９９．０重量％含有することが好ましい。酸化インジウムの含有量は９０重量％〜９５重量％であることがより好ましい。結晶質の透明電極層は、膜中にキャリア密度を持たせて導電性を付与するためのドープ不純物を含有する。このようなドープ不純物としては、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン又は酸化タングステンが好ましい。透明電極層３０を低抵抗かつ高透過率とする観点から、透明電極層３０の膜厚は１５ｎｍ〜３０ｎｍが好ましく、１７ｎｍ〜２７ｎｍがより好ましく、２０ｎｍ〜２５ｎｍがさらに好ましい。

なお、透明電極層と下地層の膜厚の合計は、５０ｎｍ未満が好ましく、１〜２０ｎｍがさらに好ましく、２〜１６ｎｍが最も好ましい。

透明電極層３０は、１４０℃３０分の熱処理後の抵抗率が３．５×１０^−４Ωｃｍ以下であることが好ましい。また、結晶質透明電極層３０の表面抵抗は、１７０Ω／□以下であることが好ましく、１５０Ω／□以下であることがより好ましい。透明電極層が低抵抗であれば、静電容量方式タッチパネルの応答速度向上や、有機ＥＬ照明の面内輝度の均一性向上、各種光学デバイスの省消費電力化等に寄与し得る。

透明電極層３０の形成方法は、生産性の観点からスパッタリング法が好ましく、中でもマグネトロンスパッタリング法が好ましい。

［透明電極付き基板の製造方法］
以下、本発明の好ましい実施の形態について、透明電極付き基板の製造方法に沿って説明する。本発明の製造方法では、透明フィルム上にハードコートなど透明誘電体層を備える透明フィルム基板１０が用いられる（基板準備工程）。透明電極層はスパッタリング法により形成され（製膜工程）、その後、透明電極層が結晶化される（結晶化工程）。一般に、酸化インジウムを主成分とする非晶質の透明電極層を結晶化するためには、１５０℃６０分程度の加熱処理を実施する。

（基板準備工程）
透明フィルム基板１０を構成する透明フィルムは、少なくとも可視光領域で無色透明であり、透明電極層形成温度における耐熱性を有していれば、その材料は特に限定されない。透明フィルムの材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフテレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル系樹脂、シクロオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられる。中でも、ポリエステル系樹脂が好ましく、ポリエチレンテレフタレートが特に好ましく用いられる。

透明フィルム基板１０の厚みは特に限定されないが、１０μｍ〜４００μｍが好ましく、２０μｍ〜２００μｍがより好ましい。透明フィルム基板１０の片面または両面にハードコート層等の機能性層が形成されたものであってもよい。透明フィルム基板に適度な耐久性と柔軟性を持たせるためには、ハードコート層の厚みは１〜１０μｍが好ましく、３〜８μｍがより好ましく、５〜８μｍがさらに好ましい。ハードコート層の材料は特に制限されず、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂等を、塗布・硬化させたもの等を適宜に用いることができる。

（製膜工程）
透明フィルム基板１０の透明下地層２０上に、スパッタリング法により透明電極層３０が形成される。

スパッタ製膜は、製膜室内に、アルゴン等の不活性ガスおよび酸素ガスを含むキャリアガスが導入されながら行われる。導入ガスは、アルゴンと酸素の混合ガスが好ましい。アルゴンと酸素は、所定の混合比のガスを予め用意しても良いし、それぞれのガスを流量制御装置（マスフローコントローラ）により流量を制御した後に混合しても良い。なお、混合ガスには、本発明の機能を損なわない限りにおいて、その他のガスが含まれていてもよい。製膜室内の圧力（全圧）は、０．１Ｐａ〜１．０Ｐａが好ましく、０．１５Ｐａ〜０．８Ｐａがより好ましい。

本発明において、下地層２０形成時のアルゴン分圧は１．０×１０^−３Ｐａ、酸素分圧は４．０×１０^−１Ｐａ以下であることが好ましい。また、所望の常温結晶化抑制効果を得るためには、Ｎ_２分圧は５．９×１０^−５Ｐａ以上であることが好ましく、５．９×１０^−５Ｐａ〜１．３×１０^−３Ｐａであることがより好ましく、１．０×１０^−４Ｐａ〜５．０×１０^−４Ｐａが最も好ましい。Ｎ _２ 分圧が５．９×１０ ^−５ Ｐａ〜１．３×１０ ^−３ Ｐａであれば、膜中に０．１質量％〜５質量％の窒素原子が含まれ好ましく、透明電極層の熱処理時の結晶化促進と常温常圧時の結晶化抑制を同時に解決することに資する。１．３×１０^−３Ｐａ以上になると、下地層中に過剰の窒素が取り込まれる。また、５．９×１０^−５Ｐａ以下であると常温結晶化抑制効果の影響がほとんど期待できない。

透明電極層３０形成時の製膜室内の酸素分圧は、１．０×１０^−３Ｐａ〜５．０×１０^−２Ｐａであることが好ましく、３．０×１０^−３Ｐａ〜４．０×１０^−２Ｐａであることがより好ましい。以下の表１にはスパッタリング製膜時の真空装置内の雰囲気として、四重極質量分析計で測定した値を示す。

（結晶化工程）
非晶質の透明電極層が形成された基板は結晶化工程に供される。結晶化工程では、当該基板が１２０〜１７０℃に加熱される。

膜中に酸素を十分に取り込み、結晶化時間を短縮するためには、結晶化は大気中等の酸素含有雰囲気下で行われることが好ましい。真空中や不活性ガス雰囲気下でも結晶化は進行するが、低酸素濃度雰囲気下では、酸素雰囲気下に比べて結晶化に長時間を要する傾向がある。

巻回体のまま結晶化が行われる場合、透明電極層形成後の基板をそのまま常温・常圧環境に置くか、加熱室等で養生（静置）すればよい。ロール・トゥ・ロールで結晶化を行わう場合、基板が搬送されながら加熱炉内に導入されて加熱が行われた後、再びロール状に巻回される。なお、室温で結晶化が行われる場合も、透明電極層を酸素と接触させて結晶化を促進させる等の目的で、ロール・トゥ・ロール法が採用されてもよい。

［透明電極付き基板の用途］
本発明の透明電極付き基板は、ディスプレイや発光素子、光電変換素子等の透明電極として用いることができ、タッチパネル用の透明電極として好適に用いられる。中でも、透明電極層が低抵抗であることから、静電容量方式タッチパネルに好ましく用いられる。

タッチパネルの形成においては、透明電極付き基板上に、導電性インクやペーストが塗布されて、熱処理されることで、引き廻し回路用配線としての集電極が形成される。加熱処理の方法は特に限定されず、オーブンやＩＲヒータ等による加熱方法が挙げられる。加熱処理の温度・時間は、導電性ペーストが透明電極に付着する温度・時間を考慮して適宜に設定される。例えば、オーブンによる加熱であれば１２０〜１５０℃で３０〜６０分、ＩＲヒータによる加熱であれば１５０℃で５分等の例が挙げられる。なお、引き廻し回路用配線の形成方法は、上記に限定されず、ドライコーティング法によって形成されてもよい。また、フォトリソグラフィによって引き廻し回路用配線が形成されることで、配線の細線化が可能である。

以下に、表１を参照しながら実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

透明電極層の表面抵抗は、三菱化学社製低抵抗率計ロレスタＧＰＭＣＰ‐Ｔ７１０を用いて四探針圧接測定により測定した。透明電極付き基板の全光線透過率は、日本電色工業社製ヘイズメーターＮＤＨ−５０００を用いた。
［実施例１］
（下地層２０の製膜）
酸化亜鉛（酸化珪素含量２重量％）をターゲットとして用い、アルゴンガス２５０ｓｃｃｍに対し窒素ガスを２ｓｃｃｍ導入し、製膜室内圧力０．３Ｐａ、基板温度３０℃、パワー密度３．０Ｗ／ｃｍ^２の条件で行った。

（透明電極層の製膜）
インラインで酸化インジウム・スズ（酸化スズ含量１０重量％）をターゲットとして用い、アルゴンガス２５０ｓｃｃｍに対し酸素ガス３ｓｃｃｍ導入し、製膜室内圧力０．３Ｐａ、基板温度３０℃、パワー密度３．０Ｗ／ｃｍ^２の条件で行った。

（熱処理による結晶化工程）
この透明電極付き基板を１４０℃で熱処理した。顕微鏡観察によってほぼ完全に結晶化していることが確認された。

（常温結晶化の評価）
製膜したフィルムを２５℃・５０％ＲＨの環境に９０日間静置し、その時のシート抵抗を測定することで評価した。シート抵抗が低下していることと結晶化が進んでいることを等価とした。

（結晶化時間の測定）
加熱前の透明電極付き基板の透明電極層３０側の面の向かい合う２辺に平行電極を取り付けた。この際、電極間距離と電極を取り付けた辺の長さとを等しくすることにより、抵抗値からシート抵抗を読み取れるようにした。平行電極を取り付けた状態で、透明導電フィルムを１４０℃のオーブンに投入し、シート抵抗の経時変化を測定した。抵抗の時間変化が無くなった時の抵抗値（完全結晶化時の抵抗値）とのシート抵抗の差が２Ω／□以内になった時間を、結晶化完了時間とした。

［実施例２］
下地層２０の製膜において、アルゴンガス２５０ｓｃｃｍに対し窒素ガスを１０ｓｃｃｍ導入し製膜を行った以外は、実施例１と同じ条件で実施例２の透明導電性フィルムを製作した。

［実施例３］
下地層２０の製膜において、アルゴンガス２５０ｓｃｃｍに対し窒素ガスを１００ｓｃｃｍ導入し製膜を行った以外は、実施例１と同じ条件で実施例３の透明導電性フィルムを製作した。

［実施例４］
下地層２０の製膜において、酸化亜鉛（酸化珪素含量５重量％）をターゲットとして用い、アルゴンガス５００ｓｃｃｍに対し酸素ガスを３ｓｃｃｍ、窒素ガスを１０ｓｃｃｍ導入し、透明電極層３０製膜時に酸化スズ含量７重量％の酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）をターゲットとして用い製膜を行った以外は、実施例１と同じ条件で実施例４の透明導電性フィルムを製作した。

［実施例５］
下地層２０の製膜において、アルゴンガス５００ｓｃｃｍに対し酸素ガスを３ｓｃｃｍ、窒素ガスを１００ｓｃｃｍ導入し製膜を行った以外は、実施例４と同じ条件で実施例５の透明導電性フィルムを製作した。

［比較例１］
下地層２０の製膜において、窒素導入をせず製膜を行った以外は実施例１と同じ条件で比較例１の透明導電性フィルムを製作した。

［比較例２］
下地層２０を製膜せずに、透明フィルム基板１０上に直接透明電極層３０を製膜した以外は実施例１と同じ条件で比較例２の透明導電性フィルムを製作した。

［比較例３］
透明フィルム基板１０上に透明電極層を３ｎｍ製膜し、その上に実施例１と同じ条件で透明電極層３０を製膜して比較例３の透明導電性フィルムを製作した。

［比較例４］
下地層２０の代わりに、ターゲットとして珪素の単結晶を用い、アルゴンガス１００ｓｃｃｍに対して酸素ガスを２０ｓｃｃｍ導入し、膜厚３ｎｍで製膜を行った以外は実施例１と同じ条件で比較例４の透明導電性フィルムを製作した。

［比較例５］
下地層２０の製膜において、窒素導入をせず製膜を行った以外は実施例４と同じ条件で比較例５の透明導電性フィルムを製作した。

各層の構成、結果、各水準の特性を表１に示す。９０日経過後のシート抵抗が１８０Ω／□以上維持しているものを良好とした。また、１４０℃で３０分加熱後のシート抵抗が１３０Ω／□以下のものを良好とした。

表１の実施例１〜５の結果より、下地層に窒素を含有する膜とすることで、熱処理後の低抵抗化と常温結晶化の抑制の両方を同時に満たすことが可能となることを見出した。実施例では、９０日静置後のシート抵抗の低下度合いが小さいことから、常温結晶化はほぼ抑制されていると考えられ、良好な透明電極付き基板を作製できた。

一方、比較例５のように、酸化亜鉛に酸化珪素を５重量％添加したターゲットを下地層として用い、窒素環境化で製膜しなかった場合には、常温結晶化が抑制できなかった。この原因は定かではないが、酸化珪素の含有量が透明電極薄膜の結晶化に影響しており、珪素の含有量が多いことで結晶化が促進されたためであると推測される。そのため、酸化珪素を５重量％以上添加する膜では常温結晶化条件を満たすには、実施例４、５ように下地層に窒素を含有する膜とすることが好ましい。また、比較例３、４のように、下地層２０をＩＴＯや酸化珪素とした場合にも常温結晶化が抑制できない。比較例２では、常温結晶化しないが熱処理によってもシート抵抗が低下しないという結果となった。

１０：透明フィルム基板
２０：下地層
３０：透明電極層
３１、３２：透明電極層を構成する層

Claims (6)

1. 透明フィルム基板上に、主成分が酸化亜鉛である下地層と、インジウム−スズ複合酸化物からなる透明電極層とを順に有し、
   前記下地層は、１〜２０質量％の酸化珪素と、窒素とを含有することを特徴とする透明導電性フィルム。
2. 前記下地層の膜厚が０より大きく１５ｎｍ以下である請求項１に記載の透明導電性フィルム。
3. 前記下地層の窒素含有量が０．１〜５質量％である請求項１又は２に記載の透明導電性フィルム。
4. 前記下地層の５５０ｎｍにおける屈折率が１．７〜１．９である請求項１〜３のいずれかに記載の透明導電性フィルム。
5. 前記下地層の酸化珪素含有量が５〜２０質量％である請求項１〜４のいずれかに記載の透明導電性フィルム。
6. 透明フィルム基板に透明電極層を製膜する透明導電性フィルムの製造方法において、
   前記透明フィルム基板に前記透明電極層を積層する前に、
   酸化亜鉛を主成分とし、酸化珪素を１〜２０質量％含有する酸化物下地層を、反応性ガスとして窒素を用いてスパッタリング製膜する工程を有することを特徴とする透明導電性フィルムの製造方法。