TW202202819A

TW202202819A - 薄膜感測器及觸控顯示器

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Publication number: TW202202819A
Application number: TW109123602A
Authority: TW
Inventors: 丁紫君; 陳煌; 徐雲國; 蔡利煌; 呂力得
Original assignee: 大陸商宸美（廈門）光電有限公司
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2022-01-16
Also published as: TWI747376B

Abstract

一種薄膜感測器，包含一基材、一金屬奈米線層及一光學膠層。該金屬奈米線層形成於該基材上，並且包含相互間隔排列的多個電極線。該光學膠層形成於該金屬奈米線層上，並且匹配該金屬奈米線層，以在高溫高濕(65℃/90%RH/DC 5V/240小時)的耐候試驗下，該電極線的線阻變化率小於10%，並且相鄰的兩個該電極線之間的絕緣阻抗大於300MΩ。藉此能夠提高該薄膜感測器的可靠性。

Description

薄膜感測器及觸控顯示器

本發明是有關於一種薄膜感測器及觸控顯示器，特別是指一種含有金屬奈米線的薄膜感測器及觸控顯示器。

近年來觸控螢幕廣泛應用於各類電子產品，尤其行動通訊產品大多使用觸控螢幕，而且為了方便攜帶，更進一步發展出可折疊的觸控螢幕。

一般用於顯示面板的透明導電材料為氧化銦錫(簡稱ITO)，但是ITO薄膜容易碎而不能撓曲，在可攜式電子產品的應用上較為受限。因此，發展替代ITO的可撓曲透明導電薄膜為本技術領域的重點項目之一。

目前替代ITO的材料發展較為成熟的一種是金屬奈米線(Metal Nanowires)，將含有金屬奈米線的塗層圖案化可形成導電線路，並可進一步形成薄膜感測器。然而，現有的含有金屬奈米線的薄膜感測器在某些使用環境下，導電線路容易發生開路或短路的現象，導致產品功能失效。故，提供一種具有可提高可靠性的金屬奈米線薄膜感測器為目前研發的課題。

因此，本發明提供一種能夠提高可靠性的薄膜感測器。

於是，本發明薄膜感測器在一些實施態樣中，是包含一基材、一金屬奈米線層及一光學膠層。該金屬奈米線層形成於該基材上，並且包含相互間隔排列的多個電極線。該光學膠層形成於該金屬奈米線層上，並且匹配該金屬奈米線層，以在高溫高濕(65℃/90%RH/DC 5V/240小時)的耐候試驗下，該電極線的線阻變化率小於10%，並且相鄰的兩個該電極線之間的絕緣阻抗大於300MΩ。

在一些實施態樣中，該光學膠層選自以下光學膠材料製成：非紫外光固化之壓克力膠系及橡膠系，其中由該非紫外光固化之壓克力膠系材料製成之光學膠層具有介電常數(頻率100KHz)小於4、吸水率(WA%)小於0.3且水氣穿透率(38℃/90%RH)小於400g/m² /day之性質；由該橡膠系材料製成之光學膠層具有介電常數(頻率100KHz)小於4、吸水率(WA%)小於0.3且水氣穿透率(38℃/90%RH)小於100g/m² /day之性質。

在一些實施態樣中，該光學膠層的厚度介於25至250微米。

在一些實施態樣中，該金屬奈米線層進一步包括多個填充於該等電極線之間的絕緣部。

在一些實施態樣中，該金屬奈米線層是在圖案化形成該等電極線之後再形成該絕緣部的結構層。

在一些實施態樣中，該薄膜感測器還包含一保護層，形成於該金屬奈米線層上，並且該光學膠層形成於該保護層上。

在一些實施態樣中，該保護層具有介電常數(頻率100KHz)小於4及水氣穿透率(38℃/90%RH)小於12g/m² /day之性質。

在一些實施態樣中，該保護層的厚度介於0.2至10微米。

在一些實施態樣中，相鄰的兩個該電極線之間的線距介於10至50微米。

此外，本發明提供一種含有前述能夠提高可靠性的薄膜感測器之觸控顯示器。

本發明觸控顯示器在一些實施態樣中，是包含一顯示模組及前述薄膜感測器。

在一些實施態樣中，該觸控顯示器更包含一黏著層，設置於該顯示模組及該薄膜感測器之間，該薄膜感測器通過該黏著層來貼合該顯示模組。

在一些實施態樣中，該薄膜感測器貼合於該顯示模組的一封裝基板、一偏光板或一電極承載基板。

在一些實施態樣中，該基材是作為該顯示模組的一封裝基板、一偏光板或一電極承載基板的基材。

本發明至少具有以下功效：本發明薄膜感測器藉由匹配金屬奈米線層的光學膠層的設計，使得在高溫高濕(65℃/90%RH/DC 5V/240小時)的耐候試驗下，金屬奈米線層的電極線的線阻變化率小於10%，並且相鄰的兩個電極線之間的絕緣阻抗大於300MΩ，整體能夠提高薄膜感測器的可靠性。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。文中所提及的“上”、“下”等位置詞僅指當前指定視圖的相對位置，而非絕對位置。此外，除非內文中有所特別限定，否則“形成(或設置)於......上”用詞所代表的態樣可包含直接形成及間接形成的不同態樣。

參閱圖1，是本發明薄膜感測器的一實施例的剖面示意圖。薄膜感測器1包含：一基材11、一金屬奈米線層12及一光學膠層13。金屬奈米線層12形成於基材11上，並且包含多個相互間隔排列的電極線121，其中相鄰的兩個電極線121之間的線距介於約10微米至50微米之間，例如可以是10微米、15微米、20微米、25微米、30微米或50微米。光學膠層13形成於金屬奈米線層12上，除了提供貼合功能之外，還用來提高薄膜感測器1的可靠性。更具體來講，光學膠層13是匹配金屬奈米線層12，以在高溫高濕(High Temperature and High Humidity，HTHH)(65℃/90%RH/DC 5V/240小時)的耐候試驗下，讓電極線121的線阻變化率小於10%，並且相鄰的兩個電極線121之間的絕緣阻抗大於300MΩ。其中，因金屬奈米線層12的金屬離子會產生遷移，因此光學膠層13需匹配金屬奈米線層12來設置，以有效減少金屬離子遷移的產生。反觀其他採用傳統導電材料層(例如ITO)的感測器，因不會有金屬離子遷移的問題，因此在光學膠的設置上不需也不會特別與導電材料層進行匹配。換言之，光學膠層13與金屬奈米線層12匹配，係指光學膠層13所選用的光學膠性質是配合金屬奈米線層12的金屬奈米線材質，以控制水含量保持在金屬離子的電解臨界值以下，以有效減少金屬離子遷移的產生。此外，補充說明的是，相鄰的兩個電極線121之間的線距也可能影響因金屬離子遷移導致產品功能失效的機率，線距越小會使得測試環境越嚴苛，本實施例之薄膜感測器1在相鄰的兩個電極線121之間的線距介於10微米至50微米之間仍可符合上述耐候試驗下的規格。

在一些實施例中，光學膠層13的厚度可為介於25至250微米，較佳地是介於50至150微米。光學膠層13的材料可選自以下光學膠材料：非紫外光固化之壓克力膠系及橡膠系，其中由該非紫外光固化之壓克力膠系材料製成之光學膠層13具有介電常數(頻率100KHz)小於4(優選小於3)、吸水率(WA%)小於0.3(優選小於0.25)且水氣穿透率(38℃/90%RH)小於400g/m² /day之性質，亦即在溫度38℃、相對濕度90%的環境下量測的水氣穿透率(Water vapor transmission rate，簡稱WVTR)小於每天(24小時)每平方公尺400克；由該橡膠系材料製成之光學膠層13具有介電常數(頻率100KHz)小於4(優選小於3)、吸水率(WA%)小於0.3(優選小於0.25)且水氣穿透率(38℃/90%RH)小於100g/m² /day之性質。在一實施例中，光學膠層13優選是採用橡膠系材料製成的光學膠。

在本實施例中，金屬奈米線層12更包含填充於電極線121之間的絕緣部122。以下進一步說明金屬奈米線層12的製程。

在一些實施例中，金屬奈米線層12是以含有金屬奈米線之分散液或漿料經塗佈、乾燥/固化成型及圖案化步驟等步驟所形成。所述塗佈步驟例如但不限於：網版印刷、噴頭塗佈、滾輪塗佈等製程；在一種實施例中，可採用捲對捲(roll to roll)製程將含有金屬奈米線之分散液或漿料塗佈於連續供應的基材之表面。所述具有金屬奈米線之分散液可為溶劑，如水、醇、酮、醚、烴或芳族溶劑(苯、甲苯、二甲苯等等)；上述分散液亦可包含添加劑、介面活性劑或黏合劑，例如羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)、2-羥乙基纖維素(hydroxyethyl Cellulose，HEC)、羥基丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methylcellulose，HPMC) 、磺酸酯、硫酸酯、二磺酸鹽、磺基琥珀酸酯、磷酸酯或含氟界面活性劑等等。而所述的金屬奈米線(metal nanowires)層，例如可為奈米銀線(silver nanowires)層、奈米金線(gold nanowires)層或奈米銅線(copper nanowires)層所構成；更詳細的說，本文所用之「金屬奈米線(metal nanowires)」可以是元素金屬之金屬線、金屬合金之金屬線及其等之組合，其中所含金屬奈米線之數量，並不影響本發明所主張的保護範圍；且單一金屬奈米線之至少一個截面尺寸(即截面的直徑)小於500 nm，較佳小於100 nm，且更佳小於50 nm；而本發明所稱之為“線(wire)”的金屬奈米結構，主要具有高的縱橫比，例如介於10至 100,000之間，更詳細的說，金屬奈米線之縱橫比(長度：截面之直徑)可大於10，較佳大於50，且更佳大於100；金屬奈米線可以為任何金屬，包括(但不限於)銀、金、銅、鎳及鍍金之銀。而其他用語，諸如絲(silk)、纖維(fiber)、管(tube)等若同樣具有上述的尺寸及高縱橫比，亦為本發明所涵蓋之範疇。

在部分實施方式中，金屬奈米線可以是奈米銀線(Silver nanowires)或奈米銀纖維(Silver nanofibers)，其可以具有平均約20至100奈米的直徑，平均約20至100微米的長度，較佳為平均約20至70奈米的直徑，平均約20至70微米的長度(即縱橫比為1000)。於部分實施方式中，金屬奈米線的直徑可介於70奈米至80奈米，而長度約8微米。

所述固化/乾燥步驟主要是讓溶劑等物質被揮發，使得金屬奈米線以隨機的方式分布於基材的表面；較佳的，金屬奈米線會固著於基材之表面上而不至脫落而形成所述的金屬奈米線層12，且金屬奈米線可彼此接觸以提供連續電流路徑，進而形成一導電網路(conductive network)。

此外，前述的金屬奈米線可進一步進行後處理以提高其導電度，此後處理可為包括如加熱、電漿、電暈放電、UV臭氧或壓力之過程步驟。例如，在固化形成金屬奈米線層12之步驟後，可利用滾輪施加壓力於其上，在一實施例中，可藉由一或多個滾輪向金屬奈米線層12施加50至3400 psi之壓力，較佳為可施加100至1000 psi、200至800 psi或300至500 psi之壓力。於部分實施方式中，可同時進行加熱與壓力之後處理；詳言之，所形成之金屬奈米線可經由如上文所述之一或多個滾輪施加壓力，並同時加熱，例如由滾輪施加之壓力為10至500 psi，較佳為40至100 psi；同時將滾輪加熱至約70℃與200℃之間，較佳至約100℃與175℃之間，其可提高金屬奈米線層12的導電度。於部分實施方式中，金屬奈米線較佳可暴露於還原劑中進行後處理，例如包含奈米銀線的金屬奈米線較佳可暴露於銀還原劑中進行後處理，銀還原劑包括硼氫化物，如硼氫化鈉；硼氮化合物，如二甲基胺基硼烷(DMAB)；或氣體還原劑，諸如氫氣(H2)。而所述的暴露時間約10秒至約30分鐘，較佳約1分鐘至約10分鐘。而上述施加壓力之步驟可依實際的需求實施在適當的步驟中。

所述的圖案化步驟可例如在固化後的金屬奈米線層12上進行曝光/顯影(即熟知的微影製程)及蝕刻。在一實施方式中，金屬奈米線層12較佳地具有以下特性：可見光(例如波長介於約400nm-700nm)之光穿透率(Transmission)可大於約80%，且表面電阻率(surface resistance)在約10至1000歐姆/平方(ohm/square)之間；較佳地，金屬奈米線層12的可見光(例如波長介於約400nm-700nm)之光穿透率(Transmission)大於約85％，且表面電阻率(surface resistance)在約50至500歐姆/平方(ohm/square)之間。

在本實施例中，金屬奈米線層12的絕緣部122是在圖案化形成電極線121之後，再經由塗布聚合物於電極線121之間並固化而成的一底塗層(Overcoat，OC)，通過絕緣部122的設置，讓金屬奈米線層12之結構層可進一步維持相鄰的電極線121之間較佳的電性絕緣。絕緣部122的材料可以例如是：聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸酯、聚碳酸酯、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、聚亞苯基、聚苯醚、聚氨酯、環氧樹脂、聚胺基甲酸酯、聚矽烷、聚矽氧、聚(矽-丙烯酸)等等。

在一些實施例中，適用於基材11的材料以透明材料較佳，可以是一可撓式透明基材，材料可例如選自：聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚醯亞胺(polyimide，PI)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚氯乙烯(polyvinyl Chloride，PVC) 、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、環烯烴聚合物(cyclo-olefin polymers，COP)等等。

在本實施例中，薄膜感測器1進一步包含一保護層(Passivation Layer)14，形成於金屬奈米線層12及光學膠層13之間，具體來講，保護層14可形成於金屬奈米線層12的表面，並且光學膠層13再形成於保護層14的表面，使得保護層14分別與金屬奈米線層12及光學膠層13直接接觸。在另一實施方式中，保護層14在與金屬奈米線層12之間或者在與光學膠層13之間亦可進一步設置設計所需的光學層、功能層等疊層，在此並非為本揭示所限制。此外，保護層14具有以下性質：介電常數(頻率100KHz)小於4(優選小於3)，亦即在頻率100KHz測量的介電常數小於4，及水氣穿透率(38℃/90%RH)小於12g/m² /day。保護層14的厚度可介於0.2至10微米，較佳地是介於2.5至6.5微米。保護層14的適用的材料可例如乾膜、光阻、油墨等，其中油墨在一實施例可例如是採用烘烤型絕緣油墨且該絕緣油墨的烘烤溫度小於110℃，在此並非本揭示所限制。藉由保護層14的設計，以進一步阻隔水汽，提高薄膜感測器1在高溫高濕環境中的可靠性。

將完成的樣品在溫度65℃且相對溼度90%的高溫高濕環境中以5V的直流電通電測試，測試結果整理如下表1，其中：

實驗例1是以圖1實施例之結構中，沒有設置保護層14的結構來作為樣品；

實驗例2是以圖1實施例之結構中，設置包含有光學膠層13及保護層14的結構來作為樣品；

比較例1是以圖1實施例之結構中，沒有設置保護層14和光學膠層13的結構來作為樣品；

比較例2是以圖1實施例之結構中，沒有設置光學膠層13的結構作為樣品。

表1

	測試時間(小時)	電性結果
實驗例1	240	正常
實驗例2	500	正常
比較例1	12	失效
比較例2	72	失效

由表1所示的測試結果可知，實驗例1、2為具有光學膠層13的樣品相較於比較例1、2不具有光學膠層的樣品，在高溫高濕的環境中實驗例1、2的可靠性明顯優於比較例1、2，亦即，本揭露的薄膜感測器1藉由光學膠層13的設計能有效提高可靠性的驗證結果。進一步地，由實驗例2可知，薄膜感測器1中若由光學膠層13再加上保護層14的疊構設計，則更可大幅提高可靠性。

請參考圖2，是本發明觸控顯示器的一實施例的剖面示意圖。本實施例的觸控顯示器100包含薄膜感測器1、一顯示模組2及一黏著層3，其中薄膜感測器1可例如採用圖1之實施例所揭示的薄膜感測器1之結構，相關結構及材料內容在此就不再加以贅述。顯示模組2可例如是有機發光二極體顯示模組(OLED)、液晶顯示模組(LCD)等。此外，由於本實施例的薄膜感測器1是採用柔性較佳的金屬奈米線層12來作為觸控電極，為了讓觸控顯示器100實現可彎折的效果，顯示模組2也可以是採用可撓式顯示模組。黏著層3設置於薄膜感測器1和顯示模組2之間。

本實施例的薄膜感測器1整合於顯示模組2，具體是設置於顯示模組2上，並通過黏著層3來與顯示模組2進行貼合，其中，薄膜感測器1可貼合於顯示模組2的封裝基板、偏光板或電極承載基板等任一結構層，在此並非本揭示所限制。在一些實施方式中，為了進一步達到薄型化的效果，薄膜感測器1的基材11可以直接是作為顯示模組2中的封裝基板、偏光板或電極承載基板等結構層的基材，讓薄膜感測器1的金屬奈米線層12是直接形成於顯示模組2中的任一結構層之基材的表面。

綜上所述，本發明薄膜感測器1藉由匹配金屬奈米線層12的光學膠層13的設計，使得在高溫高濕(65℃/90%RH/DC 5V/240小時)的耐候試驗下，電極線121的線阻變化率小於10%，並且相鄰的兩個電極線121之間的絕緣阻抗大於300MΩ，整體能夠提高薄膜感測器1的可靠性。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:薄膜感測器 11:基材 12:金屬奈米線層 121:電極線 122:絕緣部 13:光學膠層 14:保護層 2:顯示模組 3:黏著層 100:觸控顯示器

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明薄膜感測器的一實施例的剖面示意圖；及圖2是本發明觸控顯示裝置的一實施例的剖面示意圖。

1:薄膜感測器

11:基材

12:金屬奈米線層

121:電極線

122:絕緣部

13:光學膠層

14:保護層

Claims

一種薄膜感測器，包含：一基材；一金屬奈米線層，形成於該基材上，並且包含相互間隔排列的多個電極線；及一光學膠層，形成於該金屬奈米線層上，並且匹配該金屬奈米線層，以在高溫高濕(65℃/90%RH/DC 5V/240小時)的耐候試驗下，該電極線的線阻變化率小於10%，並且相鄰的兩個該電極線之間的絕緣阻抗大於300MΩ。
如請求項1所述薄膜感測器，其中，該光學膠層選自以下光學膠材料製成：非紫外光固化之壓克力膠系及橡膠系，其中由該非紫外光固化之壓克力膠系材料製成之光學膠層具有介電常數(頻率100KHz)小於4、吸水率(WA%)小於0.3且水氣穿透率(38℃/90%RH)小於400g/m² /day之性質；由該橡膠系材料製成之光學膠層具有介電常數(頻率100KHz)小於4、吸水率(WA%)小於0.3且水氣穿透率(38℃/90%RH)小於100g/m² /day之性質。
如請求項2所述薄膜感測器，其中，該光學膠層的厚度介於25至250微米。
如請求項1所述薄膜感測器，其中，該金屬奈米線層進一步包括多個填充於該等電極線之間的絕緣部。
如請求項4所述薄膜感測器，其中，該金屬奈米線層是在圖案化形成該等電極線之後再形成該絕緣部的結構層。
如請求項1所述薄膜感測器，還包含一保護層，形成於該金屬奈米線層上，並且該光學膠層形成於該保護層上。
如請求項6所述薄膜感測器，其中，該保護層具有介電常數(頻率100KHz)小於4及水氣穿透率(38℃/90%RH)小於12g/m² /day之性質。
如請求項6所述薄膜感測器，其中，該保護層的厚度介於0.2至10微米。
如請求項1所述薄膜感測器，其中，相鄰的兩個該電極線之間的線距介於10至50微米。
一種觸控顯示器，包含：一顯示模組；以及一如請求項1~9任一項所述薄膜感測器，整合於該顯示模組。
如請求項10所述觸控顯示器，更包含一黏著層，設置於該顯示模組及該薄膜感測器之間，該薄膜感測器通過該黏著層來貼合該顯示模組。
如請求項11所述觸控顯示器，其中，該薄膜感測器貼合於該顯示模組的一封裝基板、一偏光板或一電極承載基板。
如請求項10所述觸控顯示器，其中，該基材是作為該顯示模組的一封裝基板、一偏光板或一電極承載基板的基材。