TW201442042A - 雙面雷射圖案化之薄膜基材 - Google Patents

雙面雷射圖案化之薄膜基材 Download PDF

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Abstract

本文揭示適合於藉由雷射剝蝕來圖案化之雙面透明導電膜。

Description

雙面雷射圖案化之薄膜基材
本發明係關於透明導體、圖案化該等透明導體之方法及其應用。
透明導體係指在高透射率表面或基材上塗佈之薄導電膜。透明導體可經製造成具有表面導電性,同時維持合理的光學透明度。此類表面導電透明導體廣泛用作平面液晶顯示器、觸控面板、電致發光裝置及薄膜光伏打電池中之透明電極;用作抗靜電層;及用作電磁波屏蔽層。
目前,真空沈積之金屬氧化物(諸如氧化銦錫(ITO))為用於向介電質表面(諸如玻璃及聚合物膜)提供光學透明度及導電性之工業標準材料。然而,金屬氧化物膜在彎曲或經受其他物理應力期間易碎且易於損壞。其亦需要高沈積溫度及/或高退火溫度以達成高導電性水準。此外,真空沈積製程並不有助於形成圖案及電路。此通常導致需要高成本的圖案化製程(諸如光微影術)。另外,金屬氧化物膜傾向於難以恰當地黏附至易於吸附水分之某些基材(諸如塑膠及有機基材(例如聚碳酸酯))上。因此在此等可撓性基材上塗覆金屬氧化物膜嚴重受限。
近年來,在平板顯示器中傾向於用嵌入於基質(該基質為絕緣或 導電的)中之互連金屬奈米結構(例如銀奈米線)的複合材料來取代目前工業標準透明導電ITO膜。通常,藉由首先在基材上塗佈包括金屬奈米線、視情況選用之黏合劑及揮發性液體載劑之塗佈溶液來形成透明導電膜。視情況選用之黏合劑在移除油墨組合物之揮發性組分後提供基質。與黏合劑之存在無關,在沈積奈米結構之後,可進一步塗佈外塗層。外塗層通常包含一或多種聚合物或樹脂材料。所得透明導電膜之薄層電阻可與ITO膜之薄層電阻相當或更優越。
基於奈米結構之塗佈技術尤其適用於在大面積可撓性基材上產生穩固電子元件。參見Cambrios Technologies Corporation名下之美國專利第8,049,333號、第8,094,247號、第8,018,568號、第8,174,667號及第8,018,563號,其以全文引用之方式併入本文中。用於形成基於奈米結構之薄膜的基於溶液之形式亦與現有塗佈及層疊技術相容。因此,可將外塗層、底塗層、黏著層及/或保護層之額外薄膜在高產量製程中整合以用於形成包括基於奈米結構之透明導體的光學堆疊。
此項技術中仍需要以低成本且高產量之製程來圖案化透明導體。
本文描述透明導體及圖案化該等透明導體之方法。
一個實施例提供一種雙面透明導電膜,其包含:光束阻擋基材,該光束阻擋基材具有第一表面及與該第一表面相對之第二表面;第一導電層,該第一導電層安置在該第一表面上,該第一導電層包含第一複數個導電奈米結構;第二導電層,該第二導電層安置在該第二表面上,該第二導電層包含第二複數個導電奈米結構,其中該光束阻擋基材能夠阻擋波長在180nm-1mm範圍內之雷射光束。
在各種實施例中,視用於圖案化之雷射類型而定,光束阻擋基材為UV阻擋基材(阻擋波長在180-400nm範圍內)或IR阻擋基材(阻擋 波長在700nm-1mm範圍內)。
另一個實施例提供一種雙面透明導電膜,其包含:第一基材;第一奈米結構導電層,該第一奈米結構導電層安置在該第一透明基材上;第二基材;第二奈米結構導電層,該第二奈米結構導電層安置在該第二透明基材上;及光束阻擋黏著層,該光束阻擋黏著層安置在第一基材與第二基材之間,該光束阻擋黏著層與該第一奈米結構導電層在該第一基材之相對側,且該光束阻擋黏著層與該第二奈米結構導電層在該第二基材之相對側,其中該光束阻擋黏著層能夠阻擋波長在180nm-1mm範圍內之雷射光束。
在各種實施例中,視用於圖案化之雷射類型而定,光束阻擋黏著層為UV阻擋黏著層(阻擋波長在180-400nm範圍內)或IR阻擋黏著層(阻擋波長在700nm-1mm範圍內)。
另一個實施例提供一種用於雙面圖案化之方法,其包含:提供雙面透明導電膜,其在第一導電層與第二導電層之間安置有至少一個光束阻擋層;用第一雷射光束來雷射圖案化該第一導電層;及用第二雷射光束來雷射圖案化該第二導電層,其中雷射圖案化包含將該第一雷射光束導引至該第一導電層之預定區域,及將該第二雷射光束導引至該第二導電層之預定區域,藉此在該第一及第二導電層中獨立地產生絕緣區域。
10‧‧‧雙面透明導電膜
12‧‧‧UV阻擋或IR阻擋基材/光束阻擋基材
16‧‧‧第一表面
18‧‧‧第二表面
20‧‧‧第一導電層
24‧‧‧第二導電層
26‧‧‧雷射光束源/第一雷射光束
26'‧‧‧雷射光束源/第二雷射光束
30‧‧‧雙面透明導電膜
32‧‧‧基材
36‧‧‧第一表面
38‧‧‧第二表面
40‧‧‧第一光束阻擋塗層
44‧‧‧第二光束阻擋塗層
100‧‧‧雙面透明導電膜
200‧‧‧第一奈米結構導電層
220‧‧‧第一基材
230‧‧‧第二基材
240‧‧‧第二奈米結構導電層
250‧‧‧光束阻擋黏著層
300‧‧‧雙面透明導電膜
320‧‧‧第一光束阻擋塗層
340‧‧‧第二光束阻擋塗層
在圖式中,相同參考數字標識類似元件。圖式中元件之尺寸及相對位置不必按比例繪製。舉例而言,各種元件之形狀及角度不按比例繪製,且此等元件中之一些經任意放大並定位以改善圖式可理解性。此外,所繪製元件之特定形狀並不意欲傳達關於特定元件之實際形狀的任何資訊,而僅僅出於在圖式中容易辨識而加以選擇。
圖1展示其中雙面透明導電膜包含光束阻擋基材的一個實施例。
圖2顯示兩種光束阻擋基材之吸收譜。
圖3展示其中雙面透明導體包含額外之光束阻擋塗層的一個實施例。
圖4展示其中雙面透明導體包含光束阻擋黏著層的另一個實施例。
圖5展示其中雙面透明導體包含額外光束阻擋塗層的另一個實施例。
本文描述透明導體及圖案化該等透明導體之方法。經圖案化之透明導體尤其適合作為多種裝置中之透明電極,該等裝置包括(但不限於)顯示裝置(例如觸控螢幕、液晶顯示器、電漿顯示面板及其類似物)、電致發光裝置(諸如OLED裝置)及光伏打電池。
如本文所用,「圖案化」廣泛地指產生由基材表面上之電絕緣區域來定界之導電特徵(例如線或跡線)的方法。圖案不必具有重複或規則特徵;事實上,圖案可簡單地為其中任一導電特徵(例如導電線)由一或多個絕緣區域而與另一個導電特徵電隔絕的配置。
儘管如此,經圖案化之透明導體的許多應用需要具有實質上相同之寬度且有規律地間隔之導電線。舉例而言,經有規律地圖案化之導電膜為觸控面板之組成部分。觸控面板為整合在電子顯示器上之交互式輸入裝置,其允許使用者藉由觸摸螢幕來輸入指令。使用兩個相對的經圖案化之透明導電膜來偵測觸摸式輸入位置之座標。當觸摸觸控面板時,在觸摸式輸入位置處偵測到電壓之較小變化。
一般而言,首先藉由將塗佈溶液塗佈在基材上來製備無規分佈並互連之導電奈米結構的透明導電薄膜或網狀結構。可藉由在預定區域中移除導電奈米結構以產生絕緣區域來圖案化薄膜。殘餘導電奈米 結構因此以預定圖案配置。
對於某些應用(例如觸控螢幕)而言,尤其需要圖案具有低可見度或不可見,亦即導電特徵及絕緣區域具有實質上相同之視覺外觀。因此,作為移除導電奈米結構以產生絕緣區域之替代方案,可藉由使將變為絕緣之區域中的導電奈米結構變為不導電的來達成圖案化。更特定言之,圖案化步驟可產生其中奈米結構具有結構缺陷(諸如刻痕及破損)且不可再形成導電網狀結構的絕緣區域。然而,殘餘奈米結構之存在(儘管不能形成導電路徑)得到與導電特徵之外觀類似的視覺外觀。參見美國專利第8,018,568號,同前文獻。
化學蝕刻及後續洗滌有效地完全或部分移除奈米結構以產生絕緣區域。參見美國專利第8,094,247號,同前文獻。
與涉及化學品之濕式蝕刻製程相反,雷射剝蝕為乾式蝕刻製程。雷射剝蝕使用雷射脈衝(例如紫外(UV)、可見光(VIS)或紅外(IR)範圍內之輻射)在不使用遮罩或化學品之情況下直接產生圖案。已顯示雷射剝蝕有效地在基於銀奈米線之透明導體中產生分離的低可見度導電圖案。參見「Laser Patterning of Silver Nanowire」,T.Pothoven,Information Display,9(12),20-24,(2012),其藉此以全文引用之方式併入本文中。在吸收雷射脈衝之區域中的銀奈米線變為部分或完全汽化,或以其他方式在結構上經熱破壞,藉此導致導電性損失。
表1顯示多種雷射及其在UV(最短)至IR(最長)範圍內之相應波長。
對於某些透明導體組態,雷射剝蝕可能遇到生產限制。舉例而言,在生產觸控面板中,可在兩個基材上形成兩個經圖案化之導電層,在該兩個基材之間定位有分隔機構。亦可在單一基材之任一側形成各導電層,以使得單個基材既支撐導電層亦充當分隔層。如本文所用,雙面透明導電層包括第一透明導電層、第二透明導電層及安置於其間之至少一個透明基材。因為基材必須為透明的,故用於圖案化基材一側之第一導電層的雷射輻射可通過基材且影響基材相對側之第二導電層的導電性。
因此,本文描述呈雙面薄膜構造之兩個透明導電層,其中該兩個透明導電層可獨立地藉由雷射剝蝕來圖案化。特定言之,所產生之圖案不受串擾。換言之,圖案化一個導電層對圖案化位於透明基材之相對側的另一導電層不具任何影響。雙面結構及圖案化該雙面結構之方法尤其適合用於圖案化用於觸控螢幕之透明電極。
特定言之,本文採用安置在兩個透明導電層之間的雷射光束阻擋層。雷射光束阻擋層充當障壁層以阻擋或衰減圖案化一個透明導電層之雷射光束,以避免其以可能足以造成結構損壞之能量到達另一透明導電層。
雷射光束阻擋層(亦稱為「光束阻擋層」)包含阻擋或吸收雷射光束之特定波長同時實質上透射可見光範圍(400-700nm)內之所有光的物質。出於切實可行之目的,光束阻擋層可較佳為UV阻擋層或IR阻擋層,分別用於UV雷射(180-400nm)及IR雷射(700nm-1mm)。
應理解,雖然光束阻擋層可能能夠以各種效率阻擋一系列波長,但重要之波長為用於雷射剝蝕之波長,其一般為雷射光束之特徵性極窄能帶。
導電層之圖案化在導電區域之間產生導電性相對較低或不導電之區域或線,以使該等導電區域彼此電隔絕。藉由雷射剝蝕來圖案化雙面透明導電層達成以下三個目標:(1)電圖案化第一導電層,其中使用第一雷射將雷射光束入射於該第一導電層上;(2)同時避免以來自圖案化第一導電層之第一雷射的光束電圖案化基材相對表面上之第二導電層;及(3)使由於能量吸收過程所導致的對基材之任何損壞最小。
光束阻擋層之併入必需允許同時達成目標(2)及(3),其在一定程度上為相對立的。若允許通過基材隨後經基材相對側之第二導電層吸收之能量不足,則該第二導電層將以與第一導電層相同之圖案變得電隔絕。另一方面,若經基材吸收之能量過多,則基材可能受損壞。特定言之,若基本上吸收所有能量,則此亦意味著大部分能量在接近入射表面處之薄層中吸收(根據比爾定律(Beer's law))。
此等競爭性需求可藉由以下舉措來獲得最佳平衡:(1)在接近對於第一導電層之剝蝕閾值的情況下操作雷射,例如在剝蝕閾值以上10%-20%的功率位準下;及(2)將光束吸收劑以充足量均勻地分佈在整個基材中,以使得雷射功率在其到達基材之相對表面時降低至剝蝕閾值以下10%-20%。以此方式,達成避免串擾之目的,且基材僅必需吸收相對較少部分之入射功率(約20%-40%)。此外,根據比爾定律, 在整個基材膜中連續地吸收能量,但在接近入射表面處吸收最強烈。藉由選擇基材之厚度及光學密度以使得僅吸收20%-40%之總光束能量,吸收在整個基材厚度中相對均勻地發生。相對比而言,若吸收接近100%之光束,則因此不僅所吸收之總功率更多,且在接近入射表面處之吸收(每單元體積之能量)將集中得多且高得多。
因此,在一些實施例中,光束阻擋層可有效阻擋100%之雷射光束。然而,在某些實施例中,可能宜僅阻擋一部分雷射光束,因為吸收過多能量可能損壞光束阻擋層。另一方面,應注意確保充分阻擋或衰減能量,以使得可到達另一透明導電膜之任何能量不足以造成任何結構損壞(例如在剝蝕閾值以下至少10%-20%)。在各種實施例中,光束阻擋層應阻擋至少10%-20%的用於雷射剝蝕之光束,以避免串擾。在其他實施例中,光束阻擋層應阻擋不超過20%-50%、30%-50%或40%-50%的用於雷射剝蝕之光束,以使損壞基材之可能性最小。
光束阻擋層之厚度在光束阻擋效率中起作用。對於指定濃度之光束阻擋劑,光束阻擋層愈厚,光束阻擋層所具有之能力愈強。對於指定量之總能量吸收(例如50%阻擋),若基材較厚且吸收物質之濃度及光學吸光度相應較低,則每單元體積之能量吸收將較低。
在各種實施例中,光束阻擋層可為經特定設計以用於阻擋雷射光束之障壁層。在其他實施例中,光束阻擋層可以發揮雙重功能,即作為障壁層以及作為支撐透明導電膜之基材。雙面透明薄膜構造中光束阻擋層之位置不受特定限制,只要其安置在第一與第二透明導電膜之間即可。
光束阻擋層可為單層或多層構造。在多層構造中,不必該多層構造中之每一層均具有光束阻擋特性。事實上,作為整體來評估光束阻擋層之光束阻擋能力。在多層構造中,可由光學清澈的黏著劑來將層黏合在一起,該光學清澈的黏著劑本身可具光束阻擋性。
如圖1中所示,一個實施例提供雙面透明導電膜(10),其包含光束阻擋層,例如具有第一表面(16)及與第一表面(16)相對之第二表面(18)的UV阻擋或IR阻擋基材(12);第一導電層(20),該第一導電層安置在第一表面(16)上,該第一導電層包含第一複數個導電奈米結構(未圖示);第二導電層(24),該第二導電層安置在第二表面(18)上,該第二導電層包含第二複數個導電奈米結構(未圖示)。
亦如圖1中所示,兩個雷射光束源(26)及(26')安置於透明膜(10)之任一側。其較佳在UV範圍或IR範圍內發射,且因此能夠獨立地且同時在第一導電層(20)及第二導電層(24)上產生圖案而不受串擾。因此,另一個實施例提供一種用於雙面圖案化之方法,其包含:提供雙面透明導電膜(10);用第一雷射光束(26)來雷射圖案化第一導電層(20);及用第二雷射光束(26')來雷射圖案化第二導電層(24),其中將該第一雷射光束導引至該第一導電層之預定區域,且將該第二雷射光束導引至該第二導電層之預定區域,藉此在該第一及第二導電層中獨立地產生絕緣區域。
導電層(20)及(24)之圖案化可同時或依序進行。若依序使用,則雷射光束(26)及(26')可為同一雷射。有利地,光束阻擋基材(12)之存在衰減剝蝕第一導電層(20)之後的第一雷射光束(26)。因為阻止第一雷射光束(26)以足以進行剝蝕之充足能量到達第二導電層(24)(亦即在剝蝕閾值以下),所以雷射光束(26)對導電層(24)之非所需剝蝕得以避免。類似地,光束阻擋基材(12)在阻止第二雷射光束(26')以進行剝蝕之充足能量到達第一導電層(20)(亦即在剝蝕閾值以下)中具有相同效果。
在一個特定實施例中,光束阻擋層為UV阻擋層,且雙面透明導電膜欲藉由用UV光進行雷射剝蝕來加以圖案化。UV阻擋基材能夠吸收用於圖案化導電膜之波長下的一部分(例如至少20%)UV光但實質上 透射所有可見光波長(>85%)。
通常,UV阻擋層由包含一或多種UV吸收劑之聚合物或樹脂材料形成。UV吸收劑可以化學或共價方式連接至聚合物之分子框架。或者,UV吸收劑可與聚合物層摻合或塗佈於聚合物層上。UV阻擋基材較佳為20至250μm厚。
例示性UV吸收基材為來自Teijin DuPont Films之名稱為「HB3-50」的50μm厚之聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜。另一例示性UV吸收基材為來自DuPont Teijin之名稱為XST6758的125μm厚之PET膜。此兩種類型之PET膜的透射譜顯示在圖2中,且使用Konica Minolta CM5分光光度計獲得。
UV吸收基材通常出於保護其自身或其他材料不受太陽UV輻射損壞的目的來調配,太陽UV輻射通常限定為由約400nm以下之波長組成。阻擋長於400nm之波長造成材料之黃色外觀。因此,出於保護目的,大多數UV吸收膜在約400nm以上具有極高透射率,而一處於400nm以下透射率即急劇截止至接近零(亦即接近100% UV衰減)。
然而,對於本發明而言,可能需要使用UV吸收程度低得多(亦即在UV區中截止急劇程度較小)的基材。舉例而言,若使用365nm雷射來圖案化,則可能需要365nm下之總UV衰減為約20%-50%(與接近100%形成對比)。因此,在各種實施例中,本文所用之UV阻擋層含有之UV吸收劑的濃度比典型或商業UV吸收PET低得多。
UV吸收基材亦可藉由使用UV吸收光學清澈的黏著劑(OCA)(諸如3MTM之8172PCL)將兩種非UV吸收膜層合在一起來產生。以下進一步詳細描述UV吸收劑及基材。
可經由基於溶液之方法來將第一及第二導電層塗佈在UV阻擋基材上,如Cambrios Technologies Corporation名下之美國公開申請案第2011/0174190號中所描述,其以全文引用之方式併入本文中。或者, 可經由膜轉移方法來將第一及第二導電層層合在UV阻擋基材上,如Cambrios Technologies Corporation名下之美國公開申請案2013/0105770中所描述,其以全文引用之方式併入本文中。
在另一個特定實施例中,作為上述UV雷射之替代,光束阻擋基材(12)為用於紅外(IR)雷射之IR阻擋層。IR阻擋層應吸收用於雷射剝蝕之IR光的波長。IR阻擋層包含一或多種IR阻擋劑或IR吸收劑。IR阻擋劑或IR吸收劑之實例包括例如IR染料,本文進一步詳細論述該等IR染料。
如在UV阻擋層中,IR阻擋層可能宜僅吸收雷射光束之一部分,以避免損壞IR阻擋層同時確保充分阻擋能力,在某些實施例中,IR阻擋層吸收至少10%、20%或25%、或20%-50%之IR雷射光束。
圖3顯示另一個實施例,其中光束阻擋塗層提供雷射衰減。更特定言之,雙面透明導電膜(30)包含基材(32),該基材具有第一表面(36)及與第一表面(36)相對之第二表面(38);第一光束阻擋塗層(40),該第一光束阻擋塗層安置在第一表面(36)上;第一導電層(20),該第一導電層安置在第一光束阻擋塗層(40)上,第一導電層(20)包含第一複數個導電奈米結構(未圖示);第二光束阻擋塗層(44),該第二光束阻擋塗層安置在第二表面(38)上;及第二導電層(24),該第二導電層安置在該第二光束阻擋塗層上(該第二導電層包含第二複數個導電奈米結構(未圖示)。光束阻擋塗層(40)及(44)在圖案化期間提供雷射衰減。基材(32)本身可具光束阻擋性,類似於圖1之光束阻擋基材(12)。
如本文所定義,光束阻擋塗層為一或多種光束阻擋劑之薄膜。因此,如同光束阻擋基材,光束阻擋塗層對可見光為透明的,而吸收UV光或IR光。光束阻擋劑可調配為塗佈溶液且塗佈在基材上。
圖1及圖3之雙面透明導電膜可進一步包含外塗層或其他保護層。
圖4展示另一個實施例。在圖4中,雙面透明導電膜(100)包含:第一基材(220);第一奈米結構導電層(200),該第一奈米結構導電層安置在該第一透明基材上;第二基材(230);第二奈米結構導電層(240),該第二奈米結構導電層安置在第二透明基材(230)上;及光束阻擋黏著層(250),該光束阻擋黏著層安置在第一基材(220)與第二基材(230)之間,光束阻擋黏著層(250)及第一奈米結構導電層(200)處於第一基材(220)之相對兩側,且光束阻擋黏著層(250)及第二奈米結構導電層(240)處於第二基材(230)之相對兩側。
在一個實施例中,光束阻擋黏著層(250)在可見光範圍內為透明的,但吸收UV光。適合之UV阻擋黏著劑之一個實例由3M Corporation以名稱「8172PCL」製造。UV阻擋黏著劑(250)較佳為25至50μm厚,但可大於或小於較佳範圍。在此實施例中,UV阻擋黏著劑(250)在來自雷射源(26)之雷射光束剝蝕導電層(200)之後但在到達層240之前衰減該雷射光束,藉此避免對導電層(240)之非所需剝蝕。類似地,光束阻擋黏著劑250在來自雷射源(26')之光束剝蝕導電層(240)之後但在以足以剝蝕第二導電層(200)之充足能量到達導電層(200)之前衰減該光束,藉此避免對導電層(200)之非所需剝蝕。
在另一個實施例中,光束阻擋黏著層(250)為IR阻擋層,且雙面透明導電膜欲藉由用IR光束進行雷射剝蝕來加以圖案化。IR阻擋層包含一或多種IR阻擋劑或IR吸收劑。IR阻擋劑或IR吸收劑之實例包括例如IR染料,本文進一步詳細論述該等IR染料。
若需要額外或增強之衰減,則基材(220)及(230)本身亦可為光束阻擋基材。
可進一步包括額外光束阻擋塗層來增強雷射衰減。圖5顯示雙面透明導電膜(300),其在其他方面類似圖4之雙面膜,但進一步包含第一光束阻擋塗層(320),該第一光束阻擋塗層插入在第一導電層(200)與第一基材(220)之間;及第二光束阻擋塗層(340),該第二光束阻擋塗層插入在第二導電層(240)與第二基材(230)之間。
應注意,視用於圖案化之雷射類型而定,圖1、圖3、圖4及圖5中顯示之任一組態的光束阻擋層可為UV阻擋層或IR阻擋層。
以下進一步詳細描述所主張之透明導電膜的各種成分。
UV阻擋劑
UV阻擋劑(亦稱為「UV吸收劑」)為能夠吸收UV光之化合物或部分。其可為有機或無機物質。有機UV吸收劑可基於水楊酸酯、基於二苯甲酮、基於苯并三唑、基於三嗪、基於苯并三嗪、基於經取代之丙烯腈。
UV阻擋劑之特定實例包括(但不限於)2-(2-羥基苯基)-苯并三唑(BTZ)、2-羥基苯基-s-三嗪或2-羥基-二苯甲酮。
UV吸收劑之商業來源包括以商標名Tinuvin®(由巴斯夫)出售的基於苯并噻唑及基於三嗪之試劑、或以商標名Chimassor®(由BASF)出售的基於二苯甲酮之試劑。
UV阻擋劑可與樹脂以物理方式組合以調配為塗佈溶液,該塗佈溶液可塗佈在表面上以提供UV阻擋塗層或黏著層。
UV阻擋劑亦可經由加成聚合(亦即藉由與含有雙鍵之基團(諸如乙烯基、丙烯醯基或甲基丙烯醯基)或醇羥基、胺基、羧基、環氧基、異氰酸酯基或其類似基團反應)來與聚合物以化學或共價方式組合。或者,UV阻擋劑可共聚合或接枝至熱塑性樹脂(諸如丙烯酸系樹脂)上。UV阻擋劑亦可分散在樹脂層中。
在各種實施例中,兩種或兩種以上UV阻擋劑可經組合以提供較 寬範圍之雷射光束的衰減。
IR阻擋劑
IR阻擋劑能夠在IR區域中吸收,且可選自各種IR染料。IR染料通常為具有芳環結構及/或金屬組分之複雜有機化合物。許多IR染料為可自商業供應商(例如Sigma-Aldrich)購得。
視用於雷射剝蝕之雷射的波長而定,適合之IR染料可基於其在IR區域中之吸收(λmax)來選擇。例示性IR染料如下:碘化1,1',3,3,3',3'-六甲基吲哚三羰菁(740nm)、碘化1,1'-二乙基-4,4'-二羰菁(814nm)、1,4,8,11,15,18,22,25-八丁氧基-29H,31H-酞菁(762nm)、2,11,20,29-四第三丁基-2,3-萘酞菁(784nm)、2,3-萘酞菁(712nm)、碘化3,3'-二乙基噻三羰菁(765nm)、5,9,14,18,23,27,32,36-八丁氧基-2,3-萘酞菁(867nm)、氯化1,8,15,22-肆(苯硫基)-29H,31H-酞菁鋁(759nm)、氯化2,9,16,23-肆(苯硫基)-29H,31H-酞菁鋁(725nm)、2,3-萘酞菁鈷(II)(731nm)、1,4,8,11,15,18,22,25-八丁氧基-29H,31H-酞菁銅(II)(740nm)、5,9,14,18,23,27,32,36-八丁氧基-2,3-萘酞菁銅(II)(853nm)、酞菁錳(II)(727nm)、氯化酞菁錳(III)(726nm)、1,4,8,11,15,18,22,25-八丁氧基-29H,31H-酞菁鎳(II)(743nm)、5,9,14,18,23,27,32,36-八丁氧基-2,3-萘酞菁鎳(II)(848nm)。
更長IR範圍中之IR吸收劑包括例如可自Sigma-Aldrich以名稱IR-1061染料、IR-1051染料、IR-1050染料、IR-1048染料購得之彼等IR吸收劑,其中數字後綴指示最大吸收波長。雷射剝蝕之常用IR波長為1064nm。因此,在此波長內及其周圍吸收之IR染料為適合之IR吸收劑。
導電奈米結構
如本文所用,「導電奈米結構」一般係指導電性奈米尺寸結構,其至少一個尺寸(亦即寬度或直徑)小於500nm;更通常小於100nm或 50nm。在各種實施例中,奈米結構之寬度或直徑在10至40nm、20至40nm、5至20nm、10至30nm、40至60nm、50至70nm範圍內。
一種界定指定奈米結構之幾何結構的方式為藉由其「縱橫比」,「縱橫比」係指該奈米結構之長度與寬度(或直徑)之比。在較佳實施例中,奈米結構之形狀具有各向異性(亦即縱橫比≠1)。各向異性奈米結構通常沿其長度具有縱向軸線。例示性各向異性奈米結構包括奈米線(縱橫比為至少10且更通常為至少50之固體奈米結構)、奈米棒(縱橫比小於10之固體奈米結構)及奈米管(空心奈米結構)。
縱向各向異性奈米結構(例如奈米線)之長度超過500nm,或超過1μm,或超過10μm。在各種實施例中,奈米結構之長度在5至30μm範圍內,或15至50μm、25至75μm、30至60μm、40至80μm、或50至100μm範圍內。
導電奈米結構通常為金屬材料的,包括元素金屬(例如過渡金屬)或金屬化合物(例如金屬氧化物)。金屬材料亦可為雙金屬材料或金屬合金,其包含兩種或兩種以上類型之金屬。適合之金屬包括(但不限於)銀、金、銅、鎳、鍍金之銀、鉑及鈀。應注意儘管本發明主要描述奈米線(例如銀奈米線),但可同樣採用以上定義內之任何奈米結構。
通常,導電奈米結構為縱橫比在10至100,000範圍內之金屬奈米線。較大縱橫比可有利於獲得透明導體層,因為其可使得能夠形成較有效之導電網狀結構同時允許較低總線密度以得到高透明度。換言之,當使用高縱橫比之導電奈米線時,達成導電網狀結構的奈米線之密度可低至足以使該導電網狀結構為實質上透明的。
可藉由此項技術中已知之方法來製備金屬奈米線。特定言之,可在多元醇(例如乙二醇)及聚(乙烯基吡咯啶酮)存在下,經由銀鹽(例如硝酸銀)之溶液相還原來合成銀奈米線。大規模生產的具有均一尺 寸之銀奈米線可根據本發明受讓人Cambrios Technologies Corporation名下的美國公開申請案第2008/0210052號、第2011/0024159號、第2011/0045272號及第2011/0048170號中描述之方法來製備及純化。
奈米結構導電層
「奈米結構導電層」或「導電層」為互連導電奈米結構(例如金屬奈米線)之導電網狀結構,其提供透明導體之導電介質。因為導電性係藉由自一個金屬奈米結構向另一個金屬奈米結構進行電荷滲透而達成的,故在導電網狀結構中必需存在充足金屬奈米線,以達到電學滲透閾值且變為導電的。奈米結構導電層之表面導電性與其表面電阻率成反比,表面電阻率有時稱為薄層電阻,其可藉由此項技術中已知之方法來量測。如本文所用,「導電性(electrically conductive)」或簡言之「導電(conductive)」對應於不超過104Ω/□,或更通常不超過1,000Ω/□,或更通常不超過500Ω/□,或更通常不超過200Ω/□之表面電阻率。表面電阻率視互連導電奈米結構之以下因素而定,諸如縱橫比、對準程度、聚結程度及電阻率。
在某些實施例中,導電奈米結構可在無黏合劑的情況下在基材上形成導電網狀結構。在其他實施例中,可存在黏合劑以促進奈米結構與基材之黏著。適合之黏合劑包括光學清澈聚合物,該等光學透明聚合物包括(但不限於):聚丙烯酸系物(諸如聚甲基丙烯酸酯(例如聚(甲基丙烯酸甲酯))、聚丙烯酸酯及聚丙烯腈)、聚乙烯醇、聚酯(例如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸酯及聚碳酸酯)、具有高度芳香性之聚合物(諸如酚醛樹脂或甲酚-甲醛(Novolacs®)、聚苯乙烯、聚乙烯基甲苯、聚乙烯基二甲苯、聚醯亞胺、聚醯胺、聚醯胺醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚硫化物、聚碸、聚苯及聚苯醚)、聚胺基甲酸酯(PU)、環氧樹脂、聚烯烴(例如聚丙烯、聚甲基戊烯及環狀烯烴)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、纖維素系物、聚矽氧及其他含矽 聚合物(例如聚倍半矽氧及聚矽烷)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙酸酯、聚降冰片烯、合成橡膠(例如EPR、SBR、EPDM)、以及氟聚合物(例如聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯(TFE)或聚六氟丙烯)、氟烯烴與烴類烯烴之共聚物(例如Lumiflon®)及非晶形氟碳聚合物或共聚物(例如Asahi Glass Co.之CYTOP®或Du Pont之Teflon® AF)。其他適合之黏合劑包括羧甲基纖維素(CMC)、2-羥基乙基纖維素(HEC)、羥基丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素(MC)、聚乙烯醇(PVA)、三丙二醇(TPG)及三仙膠(xanthan gum,XG)。
通常,可藉由包括光透射率及混濁度之參數來定量式確定透明導體(亦即非導電基材上之導電網狀結構)的光學透明度或清澈度。「光透射率(Light transmission/light transmissivity)」係指透射穿過介質之入射光的百分比。在各種實施例中,導電層之光透射率為至少80%,且可高達98%。效能增強層(諸如黏著層、抗反射層或防眩層)可進一步促使降低透明導體之總光透射率。在各種實施例中,透明導體之光透射率(T%)可為至少50%、至少60%、至少70%或至少80%,且可高達至少91%至92%、或至少95%。
混濁度(H%)為光散射之量度。其係指自入射光分離且在透射期間散射的光之量的百分比。不同於光透射率(其基本上為介質之特性),混濁度常常為生產關注點,且通常由表面粗糙度及介質中之嵌入粒子或組成異質性造成。通常,導電膜之混濁度可明顯受奈米結構之直徑影響。直徑較大之奈米結構(例如較厚之奈米線)通常與較高之混濁度相關。在各種實施例中,透明導體之混濁度不超過10%,不超過8%或不超過5%,且可低至不超過2%,不超過1%或不超過0.5%,或不超過0.25%。
基材
基材係指上面塗佈或層合有金屬奈米結構之非導電材料。基材 可為剛性或可撓性的。基材可為清澈或不透明的。適合之剛性基材包括例如玻璃、聚碳酸酯、丙烯酸系物及其類似物。適合之可撓性基材包括(但不限於):聚酯(例如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸酯及聚碳酸酯)、聚烯烴(例如線性、分枝及環狀聚烯烴)、聚乙烯(例如聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯縮醛、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯及其類似物)、纖維素酯基質(例如三乙酸纖維素、乙酸纖維素)、聚碸(諸如聚醚碸)、聚醯亞胺、聚矽氧及其他習知聚合物膜。適合之基材的其他實例可見於例如美國專利第6,975,067號。
除非另外說明,否則基材在可見光範圍(亦即390nm-900nm)內為實質上透明的(透射率>85%)。UV阻擋基材可進一步包含嵌入基材之厚度中或塗佈在基材之表面上的UV阻擋劑。UV阻擋基材透射可見光,且吸收波長在10nm-390nm範圍內之一部分光,且更具體言之,吸收在用於圖案化導電塗層之光束波長下的光。類似地,IR阻擋基材透射可見光,且吸收波長在700nm-1mm範圍內之一部分光,且更具體言之,吸收在用於圖案化導電膜之IR光束波長下的光。
基材可為單層或多層層合物構造。
塗佈組合物
藉由將含有奈米結構之塗佈組合物塗佈在非導電基材上來製備本發明之經圖案化透明導體。為形成塗佈組合物,通常將金屬奈米線分散在揮發性液體中以促進塗佈製程。應理解,如本文所用,可使用其中金屬奈米線可形成穩定分散液的任何非腐蝕性揮發性液體。較佳地,將金屬奈米線分散於水、醇、酮、醚、烴或芳族溶劑(苯、甲苯、二甲苯等)中。更佳地,液體為揮發性的,且其沸點不超過200℃,不超過150℃或不超過100℃。
另外,金屬奈米線分散液可含有添加劑及黏合劑以控制黏度、腐蝕、黏著及奈米線分散。適合之添加劑及黏合劑的實例包括(但不 限於):羧甲基纖維素(CMC)、2-羥基乙基纖維素(HEC)、羥基丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素(MC)、聚乙烯醇(PVA)、三丙二醇(TPG)及三仙膠(XG),及界面活性劑(諸如乙氧基化物、烷氧基化物、環氧乙烷及環氧丙烷)及其共聚物、磺酸鹽、硫酸鹽、二磺酸鹽、磺基丁二酸酯、磷酸酯,及氟界面活性劑(例如DuPont之Zonyl®)。
在一個實例中,奈米線分散液(或「油墨」)包括以重量計0.0025%至0.1%界面活性劑(例如對於Zonyl® FSO-100,較佳範圍為0.0025%至0.05%)、0.02%至4%黏度改質劑(例如對於HPMC較佳範圍為0.02%至0.5%)、94.5%至99.0%溶劑及0.05%至1.4%金屬奈米線。適合之界面活性劑的代表性實例包括Zonyl® FSN、Zonyl® FSO、Zonyl® FSH、Triton(x100、x114、x45)、Dynol(604、607)、正十二烷基b-D-麥芽糖苷及Novek。適合之黏度改質劑的實例包括羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素、三仙膠、聚乙烯醇、羧甲基纖維素及羥基乙基纖維素。適合之溶劑的實例包括水及異丙醇。
分散液中之奈米線濃度會影響或決定奈米線網狀結構層之參數,諸如厚度、導電性(包括表面導電性)、光學透明度及機械特性。可調整溶劑之百分比以提供奈米線在分散液中之所需濃度。然而,在較佳實施例中,其他成分之相對比率可保持相同。特定言之,界面活性劑與黏度改質劑之比率較佳在約80至約0.01範圍內;黏度改質劑與金屬奈米線之比率較佳在約5至約0.000625範圍內;且金屬奈米線與界面活性劑之比率較佳在約560至約5範圍內。視所用之基材及塗覆方法而定,可調節分散液組分之比率。奈米線分散液之較佳黏度範圍為約1至100cP。
在塗佈之後,藉由蒸發來移除揮發性液體。可藉由加熱(例如烘烤)來加速蒸發。所得奈米線網狀結構層可能需要後處理以使其具有導電性。此後處理可為如下所述的涉及暴露於熱、電漿、電暈放電、 UV-臭氧或壓力之製程步驟。
適合之塗佈組合物的實例描述於本發明受讓人Cambrios Technologies Corporation名下的美國公開申請案第2007/0074316號、第2009/0283304號、第2009/0223703號及第2012/0104374號中。
藉由例如薄片塗佈、捲繞塗佈(web-coating)、印刷及層合來將塗佈組合物塗佈在基材上以提供透明導體。用於自導電奈米結構製造透明導體之其他資訊揭示於例如Cambrios Technologies Corporation名下之美國公開申請案第2008/0143906號及第2007/0074316號中。
可組合上述各種實施例以提供另外之實施例。本說明書中所提及及/或申請資料表單中所列出之所有美國專利、美國專利申請公開案、美國專利申請案、外國專利、外國專利申請案及非專利出版物均以全文引用之方式併入本文中。必要時可修改該等實施例之態樣以採用各種專利、申請案及公開案之概念來提供又另外之實施例。
可鑒於以上詳細描述來對實施例進行此等及其他改變。一般而言,在以下申請專利範圍中,所用術語不應解釋為將申請專利範圍限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例,而應解釋為包括所有可能實施例以及授予該申請專利範圍的等效物之全部範疇。相應地,申請專利範圍不受揭示內容的限制。
10‧‧‧雙面透明導電膜
12‧‧‧UV阻擋或IR阻擋基材/光束阻擋基材
16‧‧‧第一表面
18‧‧‧第二表面
20‧‧‧第一導電層
24‧‧‧第二導電層
26‧‧‧雷射光束源/第一雷射光束
26'‧‧‧雷射光束源/第二雷射光束

Claims (24)

  1. 一種雙面透明導電膜,其包含:光束阻擋基材,該光束阻擋基材具有第一表面及與該第一表面相對之第二表面;第一導電層,該第一導電層安置在該第一表面上,該第一導電層包含第一複數個導電奈米結構;第二導電層,該第二導電層安置在該第二表面上,該第二導電層包含第二複數個導電奈米結構,其中該光束阻擋基材能夠阻擋波長在180nm-1mm範圍內之雷射光束。
  2. 如請求項1之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋基材能夠透射可見光(400-700nm)。
  3. 如請求項1或2之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋基材包含一或多種光束阻擋劑。
  4. 如請求項1或2之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋基材阻擋IR光。
  5. 如請求項4之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋基材為包含一或多種IR染料之IR阻擋層。
  6. 如請求項1或2之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋基材阻擋UV光。
  7. 如請求項6之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋基材包含一或多種包含選自以下之化學部分的UV阻擋劑:水楊酸酯、二苯甲酮、苯并三唑、噻嗪、苯并三嗪及經取代之丙烯腈。
  8. 如前述請求項1或2之雙面透明導電膜,其中該等導電奈米結構為金屬奈米線。
  9. 如前述請求項6之雙面透明導電膜,其中該UV阻擋基材為包含 UV阻擋劑之聚對苯二甲酸乙二酯膜。
  10. 如前述請求項1或2之雙面透明導電膜,其進一步包含:第一光束阻擋塗層,該第一光束阻擋塗層插入在該第一導電層與該光束阻擋基材之間;及第二光束阻擋塗層,該第二光束阻擋塗層插入在該第二導電層與該光束阻擋基材之間。
  11. 如請求項10之雙面透明導電膜,其中該第一光束阻擋塗層及/或該第二光束阻擋塗層包含一或多種光束阻擋劑。
  12. 一種雙面透明導電膜,其包含:第一基材;第一導電層,該導電層安置在該第一透明基材上,該第一導電層包括第一複數個導電奈米結構;第二基材;第二導電層,該導電層安置在該第二透明基材上,該第二導電層包括第二複數個導電奈米結構;及光束阻擋黏著層,該光束阻擋黏著層安置在該第一基材與該第二基材之間,該光束阻擋黏著層與該第一奈米結構導電層處於該第一基材之相對兩側,且該光束阻擋黏著層與該第二奈米結構導電層處於該第二基材之相對兩側,其中該光束阻擋黏著層能夠阻擋波長在180nm-1mm範圍內之雷射光束。
  13. 如請求項12之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋黏著層阻擋IR光(700nm-1mm)。
  14. 如請求項12或13之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋黏著層為包含一或多種IR染料之IR阻擋層。
  15. 如請求項12之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋黏著層阻擋UV光(180-400nm)。
  16. 如請求項15之雙面透明導電膜,其中該光束阻擋黏著層包含一或多種包含選自以下之化學部分的UV阻擋劑:水楊酸酯、二苯甲酮、苯并三唑、噻嗪、苯并三嗪及經取代之丙烯腈。
  17. 如請求項12、13、15或16中任一項之雙面透明導電膜,其進一步包含:第一光束阻擋塗層,該第一光束阻擋塗層插入在該第一導電層與該第一基材之間;及第二光束阻擋塗層,該第二光束阻擋塗層插入在該第二導電層與該第二基材之間。
  18. 如請求項17之雙面透明導電膜,其中該第一光束阻擋塗層及該第二光束阻擋塗層具UV阻擋性。
  19. 如請求項17之雙面透明導電膜,其中該第一光束阻擋塗層及該第二光束阻擋塗層具IR阻擋性。
  20. 如請求項12、13、15或16中任一項之雙面透明導電膜,其中該第一基材及該第二基材中之至少一者具IR阻擋性或UV阻擋性。
  21. 一種用於雙面圖案化之方法,其包括:提供如請求項1或12之雙面透明導電膜;用第一雷射光束來雷射圖案化該第一導電層;及用第二雷射光束來雷射圖案化該第二導電層,其中雷射圖案化包括將該第一雷射光束導引至該第一導電層之預定區域,及將該第二雷射光束導引至該第二導電層之預定區域,藉此在該第一及第二導電層中獨立地產生絕緣區域。
  22. 如請求項21之方法,其中雷射圖案化該第一導電層及雷射圖案化該第二導電層同時進行。
  23. 如請求項21之方法,其中雷射圖案化該第一導電層及雷射圖案化該第二導電層依序進行。
  24. 如請求項21之方法,其中該光束阻擋基材或光束阻擋黏著層阻擋20%至50%之該第一雷射光束能量或該第二雷射光束能量。
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