TWI460462B - 導電性抗反射薄膜 - Google Patents
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Description
本發明係關於抗反射透明導電性薄膜的形成方法。
高分子模製材料被廣泛用於製造許多種材料，包括例如各種不同的顯示裝置，並且，其通常希望和/或必需提供一層抗反射層或具紋理的表面來抑制反射光，以能確保令人滿意的能見度。已有各種不同方法用來產生這種抗反射層，並且提供由具有不同折射率之介電質所構成的多層式薄膜。
抗反射膜薄膜改善了透射性及對比，這是因為它們限制了顯示器被周圍的光線飽和。藉由改善顯示器的亮度，抗反射薄膜可以協助降低功率需求並且因而延長電池壽命。除此之外，最小的反射可以確保觀看者能夠更容易閱讀螢幕，甚至於是在明亮的條件之下。當需要將功率需求最小化時，PDA及行動電話的移動式彩色顯示器之亮度、對比及可閱讀性的改善就變的很重要。
除了要透明之外，顯示器薄膜還有一項要求是希望能夠導電。這通常是為了抗靜電的需求或者是要導入電磁干擾(EMI)遮蔽效果。氧化銦錫(ITO)是透明導電材料的一個例子，並且也是能夠讓平面顯示器(監視器、電視..等)發揮功能的材料之一。當被濺鍍到固體基板上形成薄層時，其扮演透明導電薄膜的角色。
已發現ITO塗層在顯示器及光學塗料工業中可做為透明導電體的許多應用。ITO像玻璃一樣透光，但跟玻
璃不一樣的是，它能夠導電，因此能夠携帶電流。ITO薄膜被用於許多種電子裝置中，如液晶顯示器(LCD)及電漿電視螢幕。近年來，ITO也被用於做為光伏電池(通常被稱為太陽能電池)上的導電性塗料。ITO的加工條件相當重要，因為它們會明顯影響薄膜導電性。關鍵在於要能在維持可見光光譜內透明度的同時，也能提高導電性。由於自由載體的緣故，導電性導致了紅外線的吸收。
ITO等透明導電材料的使用問題在於：因為ITO有非常高的折射率，ITO塗層是高度反射的，其限縮了可視性。此外，高反射性意味著自支撐膜的低穿透性，其結果就呈現於顯示器的低亮度。因此，對於觀看者的舒適性及顯示器的亮度(功率需求)而言，對ITO層的要求具有很重要的意義。
已有研究提出多種方法，藉由多層塗層來避免這種問題，以提供部分的抗反射功能。然而，這些多層塗層通常會與金屬氧化物混合，以提供不同折射率的薄層，使整個結構調整成能提供最適化的反射及穿透特性。這是一種昂貴且耗時的方法。因此，希望能提供一種透明導電性氧化物塗層(如ITO塗層)之製法，其本身就具有抗反射性，而不需要其它的薄層。
本發明的目的之一為使得透明導電性氧化物材料抗反射。
本發明的另一個目的是使得透明導電性氧化物材料
抗反射而不需其它薄層。
本發明還有另一個目的是提供一種更簡單的方法以在基板上配置一層透明導電性抗反射層。
為此，本發明主要係關於一種將透明導電性薄膜施用於其內具有所需紋理之高分子基板的方法，此方法的步驟包括：a)提供具有內部配置紋理的高分子材料；以及b)將透明導電性氧化物材料共形地施用於高分子材料，以在其上產生一種共形的透明導電性薄膜；其中此種共形的透明導電性薄膜具有的紋理與高分子材料的紋理對應，並且其中該紋理具有的週期不大於可見光波長，因此該共形透明導電性薄膜是抗反射的。
本發明係關於在高分子材料表面上形成的一種抗反射層(抗反射薄膜)，其可降低在可見光範圍內的反射；其製造方法，以及接著在其上沈積的一種透明導電性薄膜。
氧化銦是透明陶瓷材料的一個例子，並且雖然是一種半導體，但它不是特殊的導電材料，因為它缺乏自由電子。一般係藉由摻雜具有比基材多一個電子之類似元素的方式來添加電子。因此，在氧化銦的例子中，氧化銦被摻雜了錫(通常約5-10%)，並且變成可導電且維持透明度。其它透明導電性材料包括金屬氧化物以及摻雜了一或多種金屬的金屬氧化物。此類金屬氧化物及經摻雜
的金屬氧化物的實例包括經摻雜的氧化銦、氧化錫、經摻雜的氧化錫、氧化鋅、氧化鋁鋅、經摻雜的氧化鋅、氧化釕及經摻雜的氧化釕，以上僅為舉例而非侷限。較佳的透明導電性材料為摻雜錫的氧化銦，亦被稱為氧化銦錫(ITO)。
ITO可以藉由包括真空塗布或濺鍍之物理氣相沈積的方式來施用於各種玻璃和塑膠基板上，以製成用於電磁相容性(EMC)及抗靜電用途之透明導電層。半導體一詞係包括跨越週期表鄰近金屬/絕緣體邊界所發生的元素或元素的化合物。雖然矽和鍺是經常用於微電子的半導體，也包含如GaAs及InSb之類材料的各種不同化合物半導體，其係由跨越金屬/絕緣體邊界之元素所形成，其在可見光光譜中，一般並非透明的。然而，也有許多種氧化物半導體(如銦、錫或鋅的氧化物)在可見光光譜中是透明的，並且其中以氧化銦最常用於工業用途。
電子能夠應答電場或磁場的速度是有上限的。ITO中的電子密度無法像金屬一樣高，這代表應答的極限是在ITO的紅外線光譜中。結果使得ITO在可見光光譜內為透明，但是在紅外線光譜內則是變成導電(因而反射/吸收)。這表示，當它在紅外線區域及以下的頻率之下為導電，並且在可見光的頻率之下為絕緣。因此，ITO在可見光之下為透明的，但是在EMC遮蔽及抗靜電用途感興趣的頻率之下仍能導電。
ITO的塗層一般係藉由物理氣相沈積法來沈積，較佳為包括蒸發和濺鍍技術之真空塗布，並且真空腔的大
小控制了可被塗布基板的大小。為了在大面積上得到均勻的塗層，較佳係使用濺鍍方法。濺鍍源提供了寬的直線型ITO源，並且結合了線性移動，產生良好的均勻塗層。
然而，如前所述，使用如ITO之類的透明導電材料會產生問題，因為ITO的折射率非常高，此類的ITO塗層是高度反射的，其將限制了可視性。因此，希望能提供一種方法，使得ITO塗層本身抗反射。
包括”蛾眼”塗層及多孔性氧化鋁薄膜的奈米結構可藉由表面調製的方式產生抗反射，因而得到一種梯度折射率的塗層。
蛾眼(或是次波長)塗層已被開發，以用來滿足抗反射表面愈來愈高性能的要求。蛾眼的表面係被錐形隆凸的陣列所包覆，這些隆凸大約200奈米高且相隔大約200奈米。因此，蛾眼結構可以讓均一折射率的材料創造出有效的梯度折射率薄膜，並且有各種不同的方法用來製造此種蛾眼結構。
人類的肉眼無法看到奈米結構，而奈米結構常被用來調整光學系統中的光線，以改善亮度、調整視角及提供優異的抗眩光及抗反射特性。因此，另一種用來達成適當抗反射表面的方法就包括了使用含有此種奈米結構的薄膜。例如，多孔的氧化鋁結構可被用來產生一種模製的抗反射高分子材料，如同Hubbard等人之共同審理中的美國專利申請案12/834,180所述，其內容經由引用而完整併入本文參照。使用此類奈米結構可讓PDA、手
機、GPS導航系統及其它類似裝置的使用者在最小反射的情況下更容易的看清楚它們的螢幕，即使是在明亮的狀況下。
本發明之發明人已確定，如果它能夠施用於ITO薄層，則同樣能發揮梯度折射率的效果。雖然無法精確的建構出自支撐ITO薄層，本發明之發明人已發現，如果可以濺鍍ITO薄層或者是共形地施用於已有的抗反射奈米結構上，接著就可以把梯度折射率結構轉移至ITO，同時又能維持ITO的導電性及透明性。因此，共形地施用的ITO薄層具有抗反射特性，並且呈現出比平坦ITO塗層還要更高的透射性，因而可以獲得更明亮的顯示器，其具有改良的觀看特性。
基於此，在一個較佳實施實例中，本發明主要係關於將透明導電性薄膜施用於其內具有所需紋理之高分子基板的方法，此方法的步驟包括：a)提供內部配置紋理的高分子材料；以及b)將透明導電性材料共形地施用於高分子材料，以在其上產生共形的透明導電性薄膜；其中該共形的透明導電性薄膜具有的紋理與高分子材料的紋理對應，並且其中該紋理具有的週期不大於可見光波長，因此該共形透明導電性薄膜是抗反射的。
具有內部配置紋理的高分子材料可包括如上所述的蛾眼結構或奈米結構。能產生抗反射塗層的其它適合結構也可以用於本發明，並且對於習於本技術領域者而言已為習知。
在一個實施實例中，將高分子材料模製，以在其內產生所需之紋理，在操作本發明時，可以使用各種不同的模製方法。其中有一種適合用於模製高分子材料使其內部產生紋理的方法係描述於Hubbard等人之共同審理中的美國專利申請案12/834,180，此方法的步驟包括：a)提供內部具有複數個分散圓柱形孔洞的多孔性氧化鋁母片，該複數個圓柱形孔洞對應於要在高分子模製材料表面產生的投影；b)將高分子模製材料置放於透明薄膜及多孔性氧化鋁母片之間；以及c)施加機械壓力，將多孔氧化鋁母片軋輥至高分子模製材料中，其中給予高分子模製材料的紋理包括對應於多孔氧化鋁母片之圓柱形孔洞的投影。
在此實施實例中，多孔性氧化鋁母片可藉由包括以下步驟的方法來製備：a)在鋁基板上進行第一階段陽極化；b)氧化物蝕刻該氧化鋁基板；c)進行第二階段陽極化；以及d)進行擴孔處理，其中圓柱形孔洞在多孔性氧化鋁母片中產生。
在依照本文所述方法所製得之模製品方面，可以產生一種具紋理的高分子材料，如感光樹脂片或其它類似材料，其在表面上具有顯微圖案。之後，可以將ITO或其它透明導電性氧化物材料共形地施用於感光樹脂片的
圖案表面上，使得ITO層也同樣抗反射。這種共形的透明導電性薄膜具有的紋理與高分子材料的紋理對應，並且該紋理具有的週期不大於可見光波長，因此該共形透明導電性薄膜是抗反射的。
或者是，提供給高分子材料的紋理可包含一種蛾眼結構，並且ITO或其它透明導電性氧化物材料可以共形地施用於分子材料的圖案表面上。
高分子材料較佳係至少大致上為透明，並且具有充分的機械強度。適合用於形成高分子材料的材料包括丙烯酸酯樹脂，如聚甲基丙烯酸甲酯樹脂、聚甲基丙烯酸乙酯樹脂及甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸丁酯共聚物；聚烯烴樹脂，如聚丙烯樹脂、聚甲基戊烯樹脂及環狀聚烯烴聚合物；熱塑性聚酯樹脂，如聚碳酸酯樹脂、聚對酞酸乙二酯樹脂和聚萘二甲酸乙二酯樹脂；熱塑性樹脂，如聚醯胺樹脂、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚醚碸樹脂、聚碸樹脂、纖維素樹脂、氯乙烯樹脂、聚醚醚酮樹脂及聚胺基甲酸酯樹脂。除了高分子材料之外，透明材料也可以是玻璃。
在一個較佳實施實例中，高分子材料為可利用光化輻射來硬化的感光性樹脂。在此實施實例中，光化輻射可硬化組成物係填充於依上述方式所製得的模製品及透明片之間，並且藉由將感光性樹脂曝露於光化輻射的情況下來使之硬化，接著再脫模。可以用習於本技術領域者所知的各種不同方式將可硬化組成物填充於模製品及透明片之間。例如，由軋輥將光化輻射可硬化組成物進
料至模製品和透明片之間，該組成物可能包覆於模製品之上，並且接著與透明片積層，或者是可以使用壓力和/或熱將多孔氧化鋁表面軋入感光性樹脂中。
或者是，將模製品的所需紋理或立體結構翻印在光化輻射可硬化組成物上，接著使之脫模，並且藉由曝露於光化輻射而使之硬化。
在上述任一種方法中，組成物可以在脫模之後再次曝露於光化輻射之下。光化輻射源的特定實例包括可見光源、UV光源、電子束、電漿及紅外線光源，並且這些皆為習於本技術領域者所熟知。
高分子材料的厚度必需能滿足用途及所需的物理性質。通常，高分子材料的厚度是在約0.01至約1毫米的範圍內，更佳是在約0.05至約0.25毫米的範圍內。
本發明之輻射敏化或感光樹脂組成物包括感光性樹脂，包括例如，丙烯酸酯樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂、氯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、酚樹脂、環氧樹脂及聚胺基甲酸酯樹脂，其皆與適當的光起始劑(如過氧化苯甲醯)一起結合。也可以使用其它適合之樹脂與光起始劑的組合，並且這些一般為習於本技術領域者所熟知。有一種適合的感光樹脂為感光丙烯酸樹脂組成物。感光樹脂組成物較佳是還包含可聚合單體或寡聚物。也可以將其它添加劑添加至感光樹脂組成物中，包括，例如，抗靜電劑、脫模劑以及用來改善抗沾黏性質的氟化合物，這些都只是舉例而非加以侷限。
以光化能量進行照射，例如，以中壓水銀燈照射。
雖然對於光照射能量的數量大小沒有特別的限制，只要光化能量的射線能夠使組成物硬化即可，該能量較佳為100至10,000毫焦耳/平方公分。
在一個實施實例中，高分子材料所需的紋理(亦即立體結構)具有不大於可見光波長的短週期，其係少於約400奈米。週期大於400奈米將會造成可見光散射，因此不適合用於光學用途，如抗反射薄膜。因此，共形地施用之透明導電性材料也是具有少於400奈米的短週期。
當ITO塗層的厚度增加時，塗層變的更為導電，然而其穿透率卻下降，並且塗層的可撓性也降低。此外，當塗層的厚度增加時，成本也會上升，因為要使用更多的材料及更長的加工時間。因此，為了有效使用ITO及得到最適化的功能，必須儘可能使用最薄的塗層來達到所需的表面電阻係數。
然而，因為奈米結構塗層的表面積遠大於平面塗層的表面積，既定數量的ITO可以產生明顯較薄的塗層，其可能會折衷ITO層的導電性。因此，必需塗布更多的ITO來達成所需的導電性。較厚的塗層可能會開始填入奈米結構，並且限制了抗反射的光學增益。為此理由，必需決定ITO或其它透明導電性氧化物所必需的用量，以決定要產生具有足夠附加價值之抗反射/穿透率優點的ITO適合數量，來補償使用額外塗料所需的額外成本。
ITO塗層厚度的一般範圍是在約10奈米至高達約1微米的範圍內，較佳是50至500奈米。薄層厚度少於
10奈米將會變的不連續，然而若薄層厚度大於約1微米，則會變的吸收、緊壓且昂貴。厚度範圍也會對表面電阻係數有影響。因此，共形地施用ITO薄層的厚度較佳是在約10奈米至約750奈米的範圍內，更佳是在約50奈米至約500奈米的範圍內。同時也希望該塗層至少能夠實質均勻地施用於具紋理的高分子材料表面上，而使得共形地施用的塗層能夠在整個被塗布表面上具有幾乎相同的厚度。
具紋理之ITO層的表面電阻係數可以在約10 Ω/sq至數千個Ω/sq之間變動，其使得ITO塗層適合用於許多種EMC遮蔽及抗靜電用途。在一個較佳實施實例中，具紋理之ITO層所呈現的表面電阻係數是在約200 Ω/sq至約600 Ω/sq之間，更佳的表面電阻係數是在約300 Ω/sq至約500Ω/sq之間。
當ITO被製造的比較厚時，可見光穿透率也會下降。依本文所述方式製造的具紋理之ITO層較佳係具有大於約90%的穿透率，更佳係大於約93%，並且最佳係大於約95%。
製備兩種樣品。第一組樣品包括蛾眼奈米結構薄膜，並且第二組薄膜係包括Hubbard等人之共同審理中的美國專利申請案12/834,180所闡述的多孔性氧化鋁薄膜，這些題材經由引用而完整併入本文參照。這兩組薄膜皆以濺鍍方式塗有各種不同厚度的ITO，並且將總透
光度(TLT/%)的結果顯示如下：
以ITO來濺鍍蛾眼奈米結構薄膜，並且製備成表面電阻係數為300 Ω/sq(較厚)及500 Ω/sq(較薄)，其總透光度(TLT/%)的結果顯示如下：
這些實施例說明了由於奈米結構塗層而提升的透光度。
Claims (14)
- 一種將透明導電性薄膜施用於其內具有紋理之高分子基板的方法，此方法的步驟包括：a)提供內部配置紋理的高分子材料；以及b)將透明導電性材料共形地施用於高分子材料，以在其上產生共形的透明導電性薄膜；其中該共形的透明導電性薄膜具有的紋理與高分子材料的紋理對應，並且其中該紋理具有的週期不大於可見光波長，因此該共形透明導電性薄膜是抗反射的，其中高分子材料被模製以在其內產生紋理，此方法的步驟包括：1)提供內部具有複數個分散孔洞的多孔性氧化鋁母片，該複數個孔洞對應於要在高分子模製材料表面產生的投影；2)將高分子模製材料置放於透明薄膜及多孔性氧化鋁母片之間；以及3)施加機械壓力，將多孔氧化鋁母片軋輥至高分子模製材料中，其中給予高分子模製材料的紋理包括對應於多孔氧化鋁母片之孔洞的投影。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中多孔性氧化鋁母片係藉由包括以下步驟的方法來製備：a)在鋁基板上進行第一階段陽極化；b)氧化物蝕刻該氧化鋁基板； c)進行第二階段陽極化；以及d)進行擴孔處理，其中孔洞在多孔性氧化鋁母片中產生。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中透明導電性材料係選自由氧化銦、氧化銦錫、經摻雜的氧化銦、氧化錫、經摻雜的氧化錫、氧化鋅、氧化鋁鋅、經摻雜的氧化鋅、氧化釕及經摻雜的氧化釕所構成之群組。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中透明導電性材料為氧化銦錫。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中透明導電性材料係藉由物理氣相沈積來施用於高分子材料。
- 如申請專利範圍第5項之方法，其中透明導電性材料係藉由濺鍍來施用於高分子材料。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中透明導電性薄膜的厚度係在約10奈米和約1微米之間。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中提供給高分子材料的紋理包括蛾眼結構。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中高分子材料為透明的。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中高分子材料包括選自由丙烯酸酯樹脂、甲基丙烯酸酯樹脂、聚烯烴樹脂、熱塑性聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚醚碸樹脂、聚碸樹脂、纖維素樹脂、氯乙烯樹脂、聚醚醚酮樹脂及聚胺基甲酸酯樹脂所構成群組的一種材料。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中具紋理之透明導電性薄膜的表面電阻係數是在約100和約600Ω/sq之間。
- 如申請專利範圍第11項之方法，其中具紋理之透明導電性薄膜的表面電阻係數是在約300和約500Ω/sq之間。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中具紋理之透明導電性薄膜的可見光穿透率約大於90%。
- 如申請專利範圍第13項之方法，其中具紋理之透明導電性薄膜的可見光穿透率約大於93%。
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