TW201328458A - 使用半透明主圓柱體於可撓性基材上形成微細導電線之光圖案化 - Google Patents

使用半透明主圓柱體於可撓性基材上形成微細導電線之光圖案化 Download PDF

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Abstract

一種方法包括將主壓紋輥形成為具有預定圖案、將可撓性未經圖案化基材以催化劑塗層塗佈，及使用該主壓紋輥在該經塗佈基材中形成對應圖案以從而形成經圖案化基材。該方法亦可包括以無電方式電鍍該經圖案化基材。

Description

使用半透明主圓柱體於可撓性基材上形成微細導電線之光圖案化 【相關申請案的交互參照】
本申請案主張2011年10月19日申請且名為「Using Roll-to-Roll Photo-Patterning Method Using a Translucent Cylindrical Master that Allows the Formation of High Definition,Microscopic Conductive Lines on a Polymer or Metal Flexible Substrate」之美國臨時專利申請案第61/548,909號的優先權，該臨時專利申請案係以引用之方式併入本文中。
Gartner預料觸控式螢幕(在智慧型電話及中距型電話中)在2010年於世界範圍內幾乎增長97%而接近363百萬個單元。到2013年時，觸控式螢幕被預期占世界範圍內銷售之所有行動裝置的58%且在北美及西歐市場上大於80%。其他市場分析家預料到，到2015年時，多達50億個智慧型電話可投入運轉。另外，新型平板電腦(諸如，Apple iPad及Samsung Galaxy Tab)正在快速地為消費者所接受。Apple被預期在2011年銷售30至40百萬個iPad，且Samsung Galaxy Tab自其在2010年11月發行以來已銷售1百萬個以上單元。
電阻性及電容性觸控式螢幕技術需要既透明又導電以起作用之材料。當前，氧化銦錫(ITO)為最廣泛地用於觸控式螢幕感測器應用之金屬氧化物，此係因為ITO光學上透明且為相當好之導體。ITO通常用以製造用於液晶顯示器、平板顯示器、觸控式面板、太陽電池板及飛行器擋風玻璃之透明導電塗層。在電阻性觸控式螢幕中，當使用者用手指或手寫筆來觸碰該螢幕時，ITO膜經推動成接觸ITO玻璃而產生電壓信號，電壓信號允許處理器計算觸碰事件之座標(X及Y)且處理對觸碰點之適當回應。
儘管ITO為成熟且廣泛使用之技術，但ITO並不理想。ITO之主要問題為銦之有限供應及上升成本。供應問題係由於銦為稀土金屬且受到中國政府幾乎獨佔式地控制之事實而加劇。與ITO相關聯之其他缺點涉及昂貴且繁重之氣相沈積製造程序。該材料自身易碎且缺乏可撓性，且相比於銅，銦為相對不良導體。結果，歷時十年以上的時間，研究者已花費數百萬美元來搜尋更好且更具成本效益之替代物。用以尋找透明導體之此等研究努力中之一些已包括使用諸如碳奈米管導電塗層、薄金屬膜、導電聚合物(ICP)及氧化鋁鋅(AZO)之材料。迄今，所有此等材料皆已示範相對於ITO之顯著劣勢且當前並非商業可行選項。
除了ITO元素之限制以外，觸控式感測器中之電極圖案亦可僅以某些尺寸或解析度予以印刷，具體言之，當前印刷技術僅支援高於25微米之電極圖案結構。
在一些具體實例中，在對UV波長透明的空心圓柱之外部表面上，塗佈及圖案化薄材料層(用雷射或其他光微影方法)。經圖案化層對圓柱內所含有之UV光源不透明。當圓柱輥經置放成接觸捲軸式膜(隨著膜經過)時，膜上之UV敏感塗層由來自圓柱內之UV光源曝露至圖案。膜之經曝露區域中之無電催化劑因而為在金屬化程序期間吸引無電金屬的膜之表面之唯一部分。
在一具體實例中，一種方法可包括將主壓紋輥形成為具有預定圖案、將可撓性未經圖案化基材以催化劑塗層塗佈，及使用該主壓紋輥在該經塗佈基材中形成對應圖案以從而形成經圖案化基材。該方法亦可包括以無電方式電鍍該經圖案化基材。
在另一具體實例中，一種方法可包括將圓柱體結構塗佈有紫外光不透明塗層、在該塗層中雷射蝕刻複數個凹槽以形成具有凹槽及凸起線之預定圖案之主壓紋輥，及將可撓性未經圖案化基材以催化劑塗層塗佈。該方法亦可包括抵靠該催化劑塗層來旋轉該主壓紋輥以在該經塗佈基材中形成對應於該主壓紋輥之該等凹槽及該等線之圖案，及以無電方式電鍍該經圖案化基材。
為了詳細地描述本發明之例示性具體實例，現在將參看隨附圖式。
註記及命名法
某些術語貫穿以下描述及申請專利範圍用以指代特定 系統組件。熟習此項技術者應瞭解，公司可藉由不同名稱來指代一組件。此文件不意欲區分在名稱而非功能方面不同之組件。在以下論述中且在申請專利範圍中，術語「包括」及「包含」係以開放式方式而使用，且因此應被解譯為意謂「包括但不限於……」。又，術語「耦接」意欲意謂間接或直接電連接。因此，若第一裝置耦接至第二裝置，則彼連接可藉由直接電連接，或藉由經由其他裝置及連接之間接電連接。
術語「約」或「大致」意謂加或減10%。
以下論述係針對本發明之各種具體實例。儘管此等具體實例中之一或多者可較佳，但所揭示具體實例不應被解釋為或以其他方式用作限制包括申請專利範圍的本發明之範疇。另外，熟習此項技術者應理解，以下描述具有廣泛應用，且任何具體實例之論述僅意謂例示彼具體實例，且不意欲暗示包括申請專利範圍的本發明之範疇限於彼具體實例。
描述一種形成壓紋輥之技術之實例。使用(例如)雷射蝕刻技術將壓紋輥形成為在壓紋輥之外部表面上包含圖案。接著使用壓紋輥以在可撓性基材上形成特定圖案(例如，形成於該輥自身上之圖案之相反影像)。一般而言，將基材塗佈有催化劑材料。接著使用經先前形成之壓紋輥以在催化劑材料中壓印特定圖案。將經壓印催化劑材料電鍍(較佳地以無電方式)有導電材料且接著清潔經壓印催化劑材料。
主壓紋輥形成
以下論述解釋可如何形成壓紋輥。圖1展示空心圓柱結構100之端視圖。在一些具體實例中，圓柱結構係由對紫外(UV)光半透明之材料形成。此材料在之合適實例為石英，但亦可使用其他材料。圓柱結構100亦經塗佈有黑色抗蝕劑塗層104。黑色抗蝕劑塗層較佳地不為光阻劑，而為在一旦被圖案化時就對UV光不透明之材料。黑色抗蝕劑塗層104充當熱能層且遍及圓柱結構100達數微米之厚度。合適黑色抗蝕劑材料之實例包括正性或負性抗蝕劑，有機或無機顏料已被添加至該抗蝕劑中以致使其不透明。可藉由浸漬塗佈技術、噴射塗佈技術或環式塗佈技術來塗覆抗蝕劑。具有黑色抗蝕劑104層之圓柱結構100可具有在約3吋至24吋之範圍內之直徑(d)。在一些具體實例中，黑色抗蝕劑塗層104之合適厚度介於0.5微米與25微米之間。
圖2說明如何將圖案蝕刻至黑色抗蝕劑塗層104中之應用200。在圖2之實例中，雷射202雕刻抗蝕劑塗層以在橫向方向上(亦即，沿著圓柱之縱向方向)引起細凸起經圖案化線204。雷射202可發射任何合適波長之光，且在一些具體實例中發射綠色雷射束。在圖2中，雷射束在黑色抗蝕劑塗層104塗層上將細經圖案化線20橫向地雕刻直至約2微米之解析度。在一些具體實例中，圓柱結構100旋轉(例如，1 rpm至500 rpm)且雷射與圓柱旋轉同步地接通及關斷，使得可製造任何形狀或定向之線及圖案。在其 他具體實例中，雷射202可在非移動圓柱上蝕刻經曝露區206(例如，凹槽)，接著，該圓柱相對於該雷射旋轉大致為經圖案化線之寬度。雷射再次沿著圓柱之長度之若干部分或全部向下蝕刻另一經曝露區206，且該程序重複直至在圓柱之周邊周圍蝕刻所有所要經曝露區為止。因此，黑色抗蝕劑塗層104在雷射束接觸之位置處被曝露及蝕刻掉，從而在黑色抗蝕劑塗層104上形成經曝露區206。所得圖案可具有任何形狀。對於低於10微米之高解析度經圖案化線，較佳地使用綠色雷射202束。在約280 nm至約980 nm之波長內，用於在橫向方向上之雷射202應用之功率可在約1 mW至約1000 mW之範圍內。一般而言，如上文所提及，可使用任何合適波長雷射。
圖3展示在「加工方向」(例如，圓柱旋轉之方向-在此狀況下為順時針方向)上之雷射應用300。來自雷射202之光束在加工方向(或與轉鼓之順時針方向旋轉相同之方向)上沿圓周將細經圖案化線204雕刻直至約2微米之解析度。在其他具體實例中，取決於該線之頻率及大小，細經圖案化線204可相對於橫向軸線(圖2)或圓形橫截面(圖3)具有0度及90度之某一角度以達成避免疊紋光學效應介於17度至22度之間的目標控制。在約280 nm至約980 nm之波長內，且較佳地在約400 nm至500 nm之波長(綠色)中，用於在加工方向上之雷射202應用之功率可在約1 mW至約1000 mW之範圍內。在此具體實例中，圓柱可以1至10,000轉/分(rpm)之速度而旋轉。
圖4描繪在橫向方向上之雷射應用200之後的主壓紋輥400之端視圖。在圖4中，黑色抗蝕劑塗層104之經曝露區206在主壓紋輥400之表面上形成細經圖案化線204。取決於應用，細經圖案化線204之間的經曝露區206之距離(d)可在約1微米至50微米(或更大)之範圍內。細經圖案化線204之高度(h)及寬度(w)可分別在約0.5微米至25微米及2微米至10微米之範圍內(取決於應用或圖案)。
在一些具體實例中，壓紋輥可恰好在黑色抗蝕劑塗層104下方經塗佈有鋁塗層以在蝕刻程序期間保護圓柱結構100免於磨損。一旦黑色抗蝕劑塗層104被圖案化，就可使用光蝕刻方法以選擇性地移除經曝露區206中之鋁塗層。接著，可移除剩餘黑色抗蝕劑104，從而引起具有以對應於黑色抗蝕劑塗層104在被雷射蝕刻之後的圖案之圖案而形成之鋁經圖案化線的圓柱。
在主壓紋輥400之中心中，可置放UV光源402以通過半透明石英材料102發射UV輻射404以用於稍後在該程序中進行催化劑化學活化。在可使用主壓紋輥400之前，首先將未經圖案化基材塗佈有催化劑。下文描述塗佈程序。
塗佈程序
圖5展示將催化劑塗層材料502塗覆至可撓性未經圖案化基材504上之塗層塗覆系統500。系統500包括槽模式塗佈模組506及乾燥模組508(較佳地為熱乾燥模組)。圖5所描繪之程序在槽模式塗佈模組506接受可撓性未經圖案 化基材504之未繞捲筒510時開始。一般而言，可用於可撓性未經圖案化基材504之材料包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜、其他聚合物膜、金屬、紙、玻璃，等等。用於可撓性未經圖案化基材504之合適材料之特定實例可包括DuPont/Teijin Melinex 454及Dupont/Teijin Melinex ST505，後者為針對涉及熱處理之程序而特殊地設計之熱穩定膜。對於高清晰度應用，可撓性未經圖案化基材504膜之表面較佳地微細光滑，其中厚度係在12微米至250微米之範圍內。
在圖5中，槽模式塗佈模組506藉由壓力或重力來擠出催化劑塗層材料502且擠壓至捲動或移動之可撓性未經圖案化基材504上而遍及可撓性未經圖案化基材504形成具有(例如)在14奈米至10微米之範圍內之厚度的精確等形催化劑塗層502。可用於催化劑塗層502之材料可包括丙烯酸類、胺基甲酸酯及聚合物之組合。具體言之，催化劑塗層502可由以下各者構成：丙烯酸元素，其濃度為約80重量%至90重量%且可得自尤其諸如Satomer、Radcuer及Double Bond之商業提供者；光引發劑元素，其濃度為約5重量%至10重量%，其係由Ciba Gelby供應；及醋酸鈀元素，其濃度在約0.1重量%變至15重量%之範圍內，其中約6重量%至8重量%為較佳操作範圍。
塗佈程序可以10(呎/分(fpm))直至1000 fpm之速度而運行，其中目標控制在一些具體實例中介於300 fpm與400 fpm之間，此情形允許對黏度且因此對催化劑塗層502 之厚度之更準確控制。
在其他具體實例中，可撓性未經圖案化基材504之未繞捲筒510可由另一供應形式之可撓性未經圖案化基材504替換以供塗佈。舉例而言，可撓性未經圖案化基材504可被供應為平坦薄片，在此狀況下，可實施薄片饋送器機構。在另一實例中，可撓性未經圖案化基材504可以扇折形式(例如，類似於電腦用紙之摺疊有孔堆疊)被供應，其中可撓性未經圖案化基材504被呈現為經週期性地摺疊以形成鋸齒形圖案之實質上平坦薄片。在其他具體實例中，可在塗覆催化劑塗層502之前清潔可撓性未經圖案化基材504。此外，在其他實施中，可將催化劑塗層502噴射、捲動、刷塗或以其他方式沈積至可撓性未經圖案化基材504上。
在塗佈程序之後，在圖5中，在頂部上具有催化劑塗層502之可撓性未經圖案化基材504較佳地傳遞通過乾燥模組508，在該乾燥模組中，在約50℃至180℃之較佳溫度範圍內施加熱輻射歷時約300秒之時期，但在其他具體實例中，溫度及時間可不同。在一些實施中，熱乾燥模組508可乾燥或部分地乾燥、加熱、固化或以其他方式處理塗覆至可撓性未經圖案化基材504之催化劑塗層502。乾燥模組可包括UV輻射源以促進固化程序。此外，在其他具體實例中，藉由至少部分地乾燥或固化催化劑塗層502，該催化劑塗層可變得接合至可撓性未經圖案化基材504。
微結構壓紋
圖6說明使用主壓紋輥400以在催化劑塗層502中形成所要圖案。圖6說明微結構壓紋系統600之實例。系統600之各種組件包括主壓紋輥400、電鍍槽602、清潔槽604及乾燥模組606。壓紋程序在主壓紋輥400接受如上文所描述的經形成有催化劑塗層502之可撓性未經圖案化基材504之未繞捲筒608時開始。隨著主壓紋輥400在可撓性未經圖案化基材504之頂部上遍及催化劑塗層502而捲動，微結構圖案610經按壓成接觸或近緊密地接觸催化劑塗層502。同時，在壓紋程序期間，主壓紋輥400之中心處之UV光源402通過圓柱之透明石英102材料發射UV輻射404且活化催化劑塗層502上已由UV輻射404曝光之區。因而，壓紋程序同時地在催化劑塗層502上雕刻微結構圖案610且活化催化劑塗層502上之特定區而形成準備好加以電鍍之經圖案化催化劑電鍍前驅體結構612(下文所描述)。壓紋程序之速度可在約50 fpm至300 fpm之範圍內，其中介於50 fpm與100 fpm之間的速度較佳。為了適當地活化催化劑塗層502區，壓紋程序之速度較佳地匹配於UV輻射404之流入，其中目標強度係在約0.5 mW/cm2至約50 mW/cm2之範圍內，且波長為約280 nm至約980 nm。壓紋程序較佳地具有50 FPM至1000 FPM且在一些具體實例中介於200 FPM與300 FPM之間的速度。
無電電鍍
當經圖案化催化劑電鍍前驅體結構612被浸沒至在介於約20℃與90℃之間的溫度範圍(例如，80℃)下含有呈 液態之銅(或其他合適金屬)的電鍍槽602中時，該程序如圖6所描繪而繼續。此無電電鍍程序不要求施加電流且僅電鍍先前藉由在壓紋程序期間曝露至UV輻射404而活化之催化劑電鍍前驅體結構612，從而形成電鍍式電極圖案結構614。在其他具體實例中，使用鎳作為電鍍金屬。銅電鍍浴可包括諸如硼氫化物或次磷酸鹽之還原試劑，該等試劑致使發生電鍍。取決於腹板之速度且根據應用，沈積速率通常為10奈米/分且在約0.001微米至約100微米之厚度內。相比於歸因於缺少電場之電鍍，電鍍厚度傾向於均一。儘管無電電鍍相比於電解電鍍通常更耗時，但無電電鍍良好地適合於具有複雜幾何形狀及/或許多精細特徵之部件。
在電鍍程序之後，在圖6中，電鍍式電極圖案結構614係藉由浸沒至在室溫下含有水之清潔槽604中予以清潔且由乾燥模組606經由以較佳地為約20呎/分之流動速率且在室溫下施加空氣予以乾燥。在另一具體實例中，可在乾燥步驟之後添加圖案噴射中的在介於20℃與30℃之間的室溫下之鈍化步驟以防止銅與水之間的任何危險或不當化學反應。
最終產品膜
圖7展示在橫向方向上具有電鍍式電極圖案結構614之最終產品膜的側視圖。可撓性未經圖案化基材504之厚度(h1)可自約10微米變化至約250微米，而剩餘催化劑塗層502加電鍍式電極圖案結構614之厚度(h2)可具有約150奈米至5微米之範圍，其中150奈米為用於電鍍之 最小厚度。在圖7之實例中，電鍍式電極圖案結構614之寬度(w)可自約0.5微米變化至約25微米，其中3微米至5微米為用以自讀取距離達成透明效應之最佳範圍。取決於顯示器之解析度，電鍍式電極圖案結構614之間的間距(d)可自1微米變化至約5毫米。取決於應用，電鍍式電極圖案結構614之電阻率可自約0.0015微歐姆變化至約500歐姆。上文所描述之方法產生在+/-1微米之範圍內的電鍍式電極圖案結構614之寬度之方差。
在一些具體實例中，在對UV波長透明的空心圓柱之外部表面上，塗佈及圖案化薄材料層(用雷射或其他光微影方法)。經圖案化層對圓柱內所含有之UV光源不透明。當圓柱輥經置放成接觸捲軸式膜(隨著膜經過)時，膜上之UV敏感塗層由來自圓柱內之UV光源曝露至圖案。膜之經曝露區域中之無電催化劑因而為在金屬化程序期間吸引無電金屬的膜之表面之唯一部分。
在其他具體實例中，使用與上文所描述之圓柱相同的空心經圖案化圓柱，然而，圖案為反向圖案。在此狀況下，UV源曝露至膜之無需金屬之區域。存在活化催化劑所需要之UV劑量範圍。當UV曝光超過此範圍時，則催化劑會「中毒」且不會吸引無電金屬。此方法具有整個膜表面之均一曝光，伴隨著不應含有任何金屬之區域之過度曝光。
在又其他具體實例中，在同一步驟中執行壓紋及UV圖案化之組合。在此狀況下，以一深度創制圓柱之外部上之經圖案化層。將膜塗佈有未經固化樹脂(經包括有無電催 化劑之UV可固化樹脂)。當抵靠空心壓紋圓柱來上推膜時，經由經圖案化「通道」(或其他圖案)之UV曝光不僅將樹脂固化成彼3D形狀，而且活化樹脂內所含有之催化劑。存在用以移除未經固化樹脂之後續「清潔」步驟。接著，經由與先前步驟中相同的無電金屬化步驟來運行膜。
以上論述意謂說明本發明之原理及各種具體實例。對於熟習此項技術者，一旦充分地瞭解以上揭示內容，眾多變化及修改就將變得顯而易見。意欲將以下申請專利範圍解釋為涵蓋所有此等變化及修改。
圖1說明半透明石英圓柱之結構，其中黑色抗蝕劑塗層塗佈於該結構周圍；圖2描繪由雷射裝置在橫向方向上執行的薄微結構圖案於半透明石英圓柱結構上之雕刻；圖3描繪由雷射裝置在加工方向上執行的薄微結構圖案於半透明石英圓柱結構上之雕刻；圖4為在橫向方向上具有經雕刻微結構圖案之主壓紋輥的俯視圖；圖5說明包含槽模式塗佈模組及乾燥模組之捲軸式塗層塗覆系統；圖6描繪在頂部上具有催化劑塗層之可撓性膜上雕刻細圖案線且因此印刷或電鍍可為任何形狀之導電電極細線的微結構壓紋系統；及圖7為在頂部上具有最終微細電鍍式電極圖案之可撓 性膜基材的側視圖。
100‧‧‧空心圓柱結構
102‧‧‧半透明石英材料/透明石英
104‧‧‧黑色抗蝕劑塗層/黑色抗蝕劑

Claims (16)

  1. 一種方法，其包含：將主壓紋輥形成為具有預定圖案；將可撓性未經圖案化基材以催化劑塗層塗佈；使用該主壓紋輥在該經塗佈基材中形成對應圖案以從而形成經圖案化基材；及以無電方式電鍍該經圖案化基材。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該對應圖案包含相對於該可撓性未經圖案化基材來捲動該主壓紋輥。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該主壓紋輥包含自圓柱體基材蝕刻掉外部抗蝕劑塗層之部分。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中形成該主壓紋輥包含使用雷射以蝕刻該外部抗蝕劑層之部分。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該催化劑塗層材料包含丙烯酸類、胺基甲酸酯及聚合物中之任何一或多者。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該主壓紋輥包含在外部抗蝕劑層中形成沿著該輥之縱向方向而延伸之凹槽。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該主壓紋輥包含在該輥上之外部抗蝕劑層中沿圓周形成凹槽。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該主壓紋輥包含將該輥之在外部抗蝕劑塗層與圓柱體基材之間的至少一部分塗佈有鋁。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中形成該主壓紋輥 包含光蝕刻該鋁之未由該外部抗蝕劑塗層覆蓋之部分。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成該主壓紋輥包含移除該外部抗蝕劑塗層，從而留下該鋁之未被光蝕刻掉之彼等部分。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基材包含聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜、金屬、紙及玻璃中之任何一或多者。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中以無電方式電鍍該經圖案化基材包含將紫外光施加至該基材以選擇性地致使該基材之僅一些區域吸引無電金屬。
  13. 一種產品，其係根據如申請專利範圍第1項之方法而製成。
  14. 一種方法，其包含：將圓柱體結構以紫外光不透明塗層塗佈；在該塗層中雷射蝕刻複數個凹槽以形成具有凹槽及凸起線之預定圖案之主壓紋輥；將可撓性未經圖案化基材以催化劑塗層塗佈；抵靠該催化劑塗層來旋轉該主壓紋輥以在該經塗佈基材中形成對應於該主壓紋輥之該等凹槽及該等線之圖案；及以無電方式電鍍該經圖案化基材。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中雷射包含在沿著該圓柱體結構之長尺寸而延伸之方向上形成該等凹槽。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中雷射包含在該 圓柱體結構上之圓周定向上形成該等凹槽。
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