CN1309318A - 具有透明导电薄膜的触摸屏基材 - Google Patents

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Abstract

一种透明触摸屏基材,包括透明基材以及附着其上的透明导电金属氧化物薄膜,该薄膜包含作为三种金属元素的锌、铟和锡并在酸中可溶。薄膜优选地包含以所有金属计的40%到65%原子含量的锌,及包含以原子含量计的锡量的0.25到1.3倍的铟。薄膜厚度优选地从100到160nm。本发明的触摸屏基材具有三种特性:较高的光透射率;在形成透明电极过程中通过酸蚀刻容易加工;以及透明导电薄膜具有从500到5,000Ω的中度表面电阻。

Description

具有透明导电薄膜的触摸屏基材
本发明涉及一种透明的触摸屏基材以及采用该基材的透明触摸屏。
在液晶显示器中用作透明电极的含有占总重3％到10％的氧化锡的氧化铟(以下称为ITO)被广泛用于形成在透明触摸屏的透明基材上的透明电极，因为它是透明的，并可以在电极成形过程中容易地加工。透明导电氧化锡薄膜由于其满意的透明性也被用作触摸屏的透明电极。
用在液晶显示器中的透明导电ITO薄膜的组成被设计为：薄膜具有尽可能低的电阻(电阻率)。由此，传统的透明导电薄膜具有的问题为：其电阻象以后将描述的那么低，以致于该薄膜不适于用作透明触摸屏的电极，在透明触摸屏中，电极需要具有中度的表面电阻。
已经做了各种尝试，形成具有减小厚度的透明导电ITO薄膜以便赋予其中度的表面电阻。但是，为了使透明导电ITO薄膜具有所需的中度的表面电阻，其厚度必须减小至约10nm或更小。带来的问题是，如此被减小的厚度导致由于薄膜附着条件的不稳定、在加工过程中加热的过程不同等，难于获得具有满意的再现能力的电阻值。
此外，在附着有具有在如此小厚度范围内的厚度的透明导电ITO薄膜的基材内的光的透射率很大程度上取决于薄膜的厚度，如图5所示，这是由于薄膜的折射率(在550nm波长处大约2.0)。因此，具有这种透明导电薄膜的基材具有的问题为难于稳定地获得给定的透射率，并且在透明基材不覆盖区域和覆盖有透明导电薄膜的透明基材的覆盖区域之间透射率有很大的不同。由于这种不同，采用这种传统的基材的产品具有的缺点为：覆盖有透明电极的区域很容易被看出来。
为了避免或克服上述问题的技术被公知为：通过调整ITO薄膜的厚度以便得到大约138nm的光学厚度(折射率n和薄膜实际厚度d的乘积；nd)来获得高透射率，该厚度为可见光区域的中心波长550nm的半波长度(1/2)λ(λ=550nm)(见图5)。但是，具有如此等于半波长度的光学厚度的ITO薄膜和由此获得的高透射率由于薄膜小的电阻率而具有减小的电阻值。因此，由这种技术制造的透明触摸屏具有的问题为：在其开启状态时流经屏的电流量很大，导致耗能增加。
另一方面，在使用氧化锡作为透明电极的情况下，由于氧化锡具有比ITO薄膜高的电阻率，可以获得用于触摸屏的透明电极所需的中度的表面电阻。但是，具有的问题是：在电极成形过程中极难加工氧化锡薄膜，并且具体地说，难于使用氧化锡薄膜加工具有精确触摸开关功能的触摸屏。
本发明致力于克服用作触摸屏基材的透明导电薄膜的ITO薄膜和氧化锡薄膜的上述问题。
于是，本发明的目的是提供一种同时具有以下特性的透明导电薄膜：
1)具有高透射率；以及
2)能够容易地在电极成形中对其加工。
本发明的另一个目的为提供一种具有透明导电薄膜的基材，该导电薄膜还具有：
3)适于得到节能型触摸屏的表面电阻值。
本发明提供了一种透明触摸屏基材，包括：透明基材以及其上附着的透明导电金属氧化物薄膜，该薄膜包含锌、铟和锡作为金属元素，并且在酸中可溶。
根据本发明的透明导电薄膜为由氧化锌、氧化铟和氧化锡构成的金属氧化物的混合物，其中每一种在波长550nm处具有大约2.0的折射率，或者其由一种合成氧化物构成，该氧化物包括这些金属氧化物。因此，根据本发明的透明导电金属氧化物薄膜，在550nm的波长处具有大约2.0的折射率。
在根据本发明的透明导电金属氧化物薄膜中，氧化锌为一种酸可溶成份并且用作调整薄膜的电阻率。氧化铟为一种酸可溶成份并且与锡一起起作用以减小薄膜的电阻率。氧化锡为改善薄膜的抗磨损并且改善其对包括碱的化学制品的耐性。
在本发明的触摸屏基材的优选实施例中，透明导电金属氧化物薄膜具有从100nm到160nm的厚度。
当根据本发明的具有如上所示的折射率的透明导电薄膜附着在550nm处具有大约1.5的折射率的玻璃板的一侧时，穿过透明导电薄膜和玻璃板二者的光的透射率随薄膜的厚度的变化如图5所示。
根据本发明的这个实施例，由于从图5中清楚地看出透射率为90％那么高，不担心黑屏显示。这种透明导电薄膜的光学厚度大致与设计波长λ的一半相对应。通过在从110nm到150nm的范围内调整透明导电薄膜的厚度，穿过透明导电薄膜和玻璃板二者的光的透射率与玻璃板单独的透射率相近(92％)。
在本发明的触摸屏基材的另一个实施例中，透明导电金属氧化物薄膜包含以全部金属原子计的40％到65％量的锌，并且包含以原子数量计的锡总量的0.25到1.3倍的铟。
超过65％的锌原子含量是不适合的，在于这种薄膜具有过高的电阻率并且随锌含量的增加薄膜的抗碱性能突然下降。此外，具有如此高含量的锌的金属氧化物薄膜不适合，也在于这种薄膜在加热时，例如，在覆盖有树脂薄膜的过程中，电阻显著上升，并产生热电阻。另一方面，以所有金属计，含量低于40％原子含量的锌不适合，在于这种薄膜具有过低的电阻率。
超过1.3倍的锡原子含量的铟原子是不适合的，在于薄膜不仅具有了减少的电阻率，而且也降低了抗磨损性。由于太高的铟含量因用作附着薄膜的原材料的成本太高而在收益的角度来说也是不适合的。此外，这种太高含量的铟易于导致通过喷镀在基材上稳定附着具有给定电阻的薄膜。另一方面，在薄膜中少于锡原子的0.25倍的铟原子含量是不适合的，在于薄膜酸可溶性减小并且这使在短时间内完成电极成形加工是不可能的。
根据上述的实施例，透明导电薄膜可以被调整以便具有大致从500到5,000Ω的表面电阻。透明导电薄膜的表面电阻低于500Ω是不适合的，在于当都附着有透明导电薄膜的两个透明基材被放置以便导电薄膜彼此面对以构成触摸屏时，那么在相对的透明导电薄膜相接触(在开启状态)时的电流流量较大，导致能耗增加。另一方面，超过5,000Ω的透明导电薄膜的表面电阻是不适合的，在于相对的导电薄膜的接触导致不稳定的电连接。
即，根据如上所述的实施例，透明导电薄膜不仅能够具有与玻璃板相等的透射率，而且能够得到节能型触摸屏产品以及使开关的开关操作无失败地进行。
优选地，调整在根据本发明的透明导电金属氧化物薄膜中的氧化锌、氧化铟和氧化锡的含量，以便薄膜具有从5×10-3到75×10-3Ωcm的电阻率。
在本发明的触摸屏基材的另一个实施例中，透明基材为玻璃板。虽然玻璃板在成份上不特别限制，但更优选地是具有碱石灰硅酸盐成份的浮法玻璃板(折射率，1.52)。
本发明还提供了一种采用如上所述的玻璃基透明触摸屏基材的电阻性薄膜型透明触摸屏。由于透明电极具有高透射率，这种电阻性薄膜型透明触摸屏具有满意的显示质量。此外，通过调整透明电极的面积到一给定值，触摸屏能够成为节能型，并且开关操作能够无失败地进行。
图1是本发明的透明触摸屏基材的一实施例的剖面图。
图2说明在根据本发明的透明导电薄膜内三种金属元素，即锌、铟和锡的含量的优选的范围的示意图。
图3是本发明的透明触摸屏的一实施例的重要部分的剖面图。
图4是说明本发明的透明触摸屏在“通”状态的示意图。
图5示出了具有550nm波长的光在根据本发明的透明导电薄膜内的透射率与薄膜厚度的关系。
图1是本发明的透明触摸屏基材的一实施例的剖面图。该透明触摸屏基材1包括一透明基材3以及设置在基材3一侧上的透明导电金属氧化物薄膜2。透明基材可以是玻璃板或树脂板。玻璃板在成份上没有特别的限制且可以与窗户玻璃一样具有碱石灰硅酸盐成份或具有硼硅酸盐玻璃成份，等等。在使用含有大量苏打的玻璃的情况下，在其上可形成一层防碱溶薄膜，如二氧化硅薄膜。树脂板的例子包括由树脂如丙烯酸类、聚酯、聚碳酸脂、聚丙烯以及聚乙烯等制成板。
根据本发明的透明导电薄膜包括作为酸可溶成份的氧化锌和氧化铟以及作为防酸可溶成份的氧化锡。通过适当地选择这三种成份的比例，可以赋予透明的导电薄膜令人满意的蚀刻的加工性能。当这种薄膜用光致抗蚀剂遮掩，以便只盖住要被剩下作为电极的区域，然后被遮掩的薄膜用蚀刻剂处理，随后电极可以在相对短的时间内被形成。该蚀刻剂为液态盐酸溶液。
图2为一示意图，其中由氧化锌、氧化铟和氧化锡构成的根据本发明的透明导电薄膜的成份以在三成份系统中各金属之间的原子比例的形式示出。在示例1到6中获得的各成份的位置由实心圆标识，而在示例7到10中获得的各成份的位置由叉符号标识。
氧化锌是使透明导电薄膜可溶于酸中的成份并被用来调整薄膜的电阻率。氧化铟是使透明导电薄膜可溶于酸中的成份并与锡一起起作用以减小薄膜的电阻率。氧化锡是改善薄膜抗磨损性的成份。从获得具有降低的电阻率的薄膜的观点，优选地，采用在图2中所示的区域A之内的组成并靠近铟顶点(铟100％)。从获得具有增强的抗磨损性和抗酸或碱性能的薄膜的观点，优选地，采用在区域A之内的组成并靠近锡的顶点。氧化锌作用是调整薄膜的电阻率以使其值适用于用在透明触摸屏的透明导电薄膜。
根据本发明的透明导电薄膜可以通过公知的技术如阴极真空喷镀、蒸汽沉积或CVD来附着在基材的表面。在这些技术中，阴极真空喷镀是优选的，这在于该技术不需要在高温加热基材并且可以将薄膜平整地附着在树脂板上。在通过阴极真空喷镀使薄膜附着在基材上的情况下，由烧结精细粉末化的氧化锌、氧化铟和氧化锡混合物得到的氧化物混合物可以被用作屏极(target)以在利用屏极的微弱导电率的同时用DC辉光放电来进行喷镀。
图3示出了本发明的透明触摸屏的一实施例。这个触摸屏包括：根据本发明得到的透明触摸屏基材1，其具有根据本发明的透明导电金属氧化物薄膜2；以及一具有透明导电薄膜4的树脂板5。透明触摸屏基材1和树脂板5被设置成透明导电薄膜2和4彼此相对。根据本发明的基材1被固定以便用玻璃垫片6将其彼此分隔在大约150μm的距离处。
图4示出了在工作状态的本发明的透明触摸屏。树脂板5在箭头所示的方向被手指按压时，树脂板5随即变形并且在树脂板5上形成的透明导电薄膜(透明电极)4与形成在玻璃板3上的透明导电薄膜(透明电极)2相接触。结果，触摸屏处于“通”的状态，电流流过电极。当手指从树脂板5离开时，随即树脂板5回复其初始形状且触摸屏进入“断”状态。通过调整透明电极2以便获得包括氧化锌、氧化铟及氧化锡的三种成份的混合物以及获得从500到5,000Ω的表面电阻，在本发明的触摸屏中，在其“通”状态流过屏的电流量可以被减小，并且，基于用来建立“通”状态的按压操作，可以使电极接通而不会失败。此外，由于在保持表面电阻在该范围内的同时可以增大其透射率，触摸屏具有满意的显示质量。
参照实施例和对比例，将在以下详细说明本发明。在每个实施例和对比例中，采用具有碱石灰硅酸盐成份浮法玻璃板(厚度：1.1mm；在550nm下的玻璃板单独的透射率：92％)作为透明基材。在以下条件下，由DC喷镀附着透明导电薄膜。
附着条件：
1)在附着期间玻璃板的温度：300℃。
2)喷镀屏极：通过冷压，压实表1中所示的由氧化锌、氧化铟和氧化锡构成的混合物粉并烧结该压坯获得的屏极。
3)用来喷镀的大气：压力，0.4Pa；具有1％体积浓度的氧气的氩/氧混合气。
覆膜的评价方法：
1)表面电阻
表面电阻由四极法测量，电阻率从表面电阻的值计算出来并且薄膜的厚度用接触探针型轮廓曲线仪测得。基于以下标准，以表面电阻评价每个基材是否适于用作电阻性薄膜型触摸屏基材。
◎：从500到5,000Ω(具有节能效果并且能够使开关操作无失败地进行)。
○：不低于200Ω但在500Ω以下(具有较差的节能效果但是能够使开关操作无失败地进行)。
△：超过5,000Ω但不高于10,000Ω(具有节能效果但是开关操作的确定性被降低)。
×：低于200Ω(需要大量的电流，导致耗能大，尽管能够使开关操作无失败地执行)。
2)透射率
在550nm波长处的透射率由商用的旋光计测量。基于以下标准，以从其获得的电阻性薄膜型触摸屏的显示质量和透射率之间的关系来评价覆膜的玻璃板。
○：触摸屏几乎与玻璃板具有相同的透射率。
△：触摸屏的透射率略低于玻璃板。
×：触摸屏的透射率远低于玻璃板。
3)电极成形的加工性能
样品浸入被加热到40℃的蚀刻剂中，并且检测被蚀刻移去的薄膜的状态，该蚀刻剂为盐酸和水(体积比1∶1)混合溶液。基于与附着在对比例1中的ITO薄膜相比较来评价加工性能。
◎：薄膜可以在与ITO所需的相同的短时间内由蚀刻移去。
○：薄膜在稍比ITO所需的时间长的时间内由蚀刻移去。
×：薄膜不能在5分钟内由蚀刻移去。
实施例1
ZnO、In2O3、SnO2的粉末化试剂用一臼彼此以一定比例混合以得到表1所示的组成。这些粉末混合物被冷压而压成坯，并且压坯被烧结以获得喷镀屏极。该烧结的屏极被用于由DC磁控管喷镀而在玻璃板上附着薄膜，其在一时间段内进行，以获得表1所示的薄膜厚度。结果，可以获得一具有透明导电薄膜的基材，其具有1,600Ω/□的表面电阻及94％的透射率。换句话说，该覆膜基材在保留了理想的电阻值的同时非常透明。
实施例2到6
除了屏极的成分改变以外，使透明导电薄膜附着在玻璃板上的方式与实施例1的相同。如表1中所示，这样获得的样品分别具有在从500到5,000Ω范围内的中度的表面电阻以及90％或更高的透射率。在实施例1到6中获得的样品各自融合了高透射率、中度的表面电阻以及在电极成形中的满意的加工性能，并为根据本发明的基材的特别优选的样品。在综合评价中这些样品被评级为◎。
实施例7到10
除了屏极的成分改变以外，使透明导电薄膜附着在玻璃板上的方式与实施例1的相同。如表1中所示，这样获得的样品各自具有91％的透射率。但是，从实施例7、9和10中获得的样品的表面电阻分别为320Ω、220Ω和390Ω，其比上面示出的中度电阻范围的下限稍低。可以发现，虽然在节能方面效果稍差，但可以无失败地有效进行开/关操作。另一方面，实施例8中获得的样品具有92％的透射率，其不低于玻璃的透射率，并具有9,800Ω的表面电阻，其比上面示出的中度电阻范围的上限稍高。但是，这个样品能够确保在实际应用中，在透明电极接触时电连接。此外，这些实施例都具有电极成形的满意的加工性能。因此，在综合评价中，在实施例7到10中获得的样品被评级为○。
对比例1
进行与实施例1相同的过程，除了商业上可用的In2O3和SnO2粉末的粉末混合物作为屏极。从而，具有130nm厚度的ITO薄膜被附着在玻璃板上。获得的样品具有91％的透射率，但是具有23Ω那么低的表面电阻。因此，这个样品不适于用作节能型透明触摸屏的基材。
对比例2
除了厚度改变外(减小到20nm)，以与对比例1相同方式，ITO薄膜被附着在玻璃板上。获得的样品的评价结果示于表1中。这个样品具有150Ω那么低的表面电阻并且具有比单独的玻璃板低的透射率。当用于触摸屏时，这个样品被认为是引起显示质量下降的基材。
对比例3
除了SnO2粉末被用作屏极以及通过高频喷镀进行薄膜附着以外，进行与实施例1相同的步骤。从而，具有130nm厚度的氧化锡薄膜被附着在玻璃板上。获得的样品具有90％高的透射率以及550Ω的满意的表面电阻，但是，这种透明导电薄膜不能被蚀刻，且基本不能在电极成形中被加工。
表1
    薄膜成份(原子比)Zn/      In/Zn+In+Sn    Sn 薄膜厚度(mm) 表面电阻(Ω) 电阻率(×10-3Ωcm) 透射率550nm(％) 电极成形中的加工性能 综合评价
 (实施例)
1  0.5       1.0     130  1600   ◎    (21) 91    ○     ◎     ◎
2  0.65      1.3     130  2500   ◎    (33) 91    ○     ◎     ◎
3  0.4       0.5     130  610    ◎    (7.9) 92    ○     ◎     ◎
4  0.5       0.25     130  3900   ◎    (51) 92    ○     ◎     ◎
5  0.6       0.7     130  5000   ◎    (65) 91    ○     ◎     ◎
6  0.45      1.2     130  500    ◎    (5.4) 90    ○     ◎     ◎
7  0.35      1.0     130  320    ○    (4.2) 91    ○     ◎     ○
8  0.7       0.5     130  9800   △    (127) 90    ○     ○     ○
9  0.45      1.5     130  220    ○    (2.9) 90    ○     ○     ○
10  0.4       0.2     130  390    ○    (5.1) 91    ○     △     ○
(对比例)
1  0         9.8     130  23     ×    (3.0) 91    ○     ◎     ×
2  0         9.8     20  150    ×    (3.0) 85    ×     ◎     ×
3  0         0     130  550    ○    (7.2) 90    ○ 不能蚀刻     ×
注：对比例1和2的薄膜为ITO薄膜并且对比例3的薄膜是氧化锡薄膜。
上面给出的实施例和对比例表面，包含作为金属元素的锌、铟和锡的透明导电金属氧化物薄膜当其用于透明触摸屏基材时，具有较高的透射率以及满意的电极成形的加工性能。此外，由于该薄膜具有中度的表面电阻，它们在节能和稳定开启方面是高效的。结果示出采用本发明的基材的电阻性薄膜型触摸屏(触摸开关)具有满意的显示质量，并可无失败地开关操作。这种触摸屏被认为是节能型触摸屏。
除了上述金属氧化物外，根据本发明的透明导电薄膜可包含一种或多种金属氧化物，而不是上述的三种金属氧化物，只要这种可选成份的存在不会抵销本发明的目的。
本发明的透明触摸屏基材具有较高的透射率及满意的用液体酸溶液电极成形的蚀刻加工性能，由于附着在透明基材上的透明导电薄膜为由包含锌、铟和锡作为金属元素的三成份系统构成的酸可溶金属氧化薄膜。由此，可以获得具有满意的显示质量的透明触摸屏。
另外，通过调整在透明导电薄膜中的锌、铟和锡这三种成份的含量以使其值在相应的给定的范围内，透明导电薄膜能够被制成具有中度的表面电阻。因此，不仅电阻性薄膜型透明触摸屏可以为节能型，其中在其开启状态下，在屏内流动的电流量较小，并且其的开/关的开关操作可以无失败地稳定地进行。

Claims (5)

1．一种透明触摸屏基材，包括透明基材以及附着其上的透明导电金属氧化物薄膜，该薄膜含有作为金属元素的锌、铟和锡，并且在酸中可溶。
2．如权利要求1所述的透明触摸屏基材，其特征在于，透明导电金属氧化物薄膜具有从100nm到160nm的厚度。
3．如权利要求1所述的透明触摸屏基材，其中，透明导电金属氧化物薄膜含有基于所有金属的原子的40％到65％的锌并且包含以原子为基础的锡量的0.25到1.3倍量的铟。
4．如权利要求1所述的透明触摸屏基材，其中，透明基材是玻璃板。
5．一种电阻性薄膜型透明触摸屏，具有两个基材，其中之一是如权利要求4所述的透明触摸屏基材。
CNB011045620A 2000-02-18 2001-02-16 具有透明导电薄膜的触摸屏基材 Expired - Lifetime CN1144085C (zh)

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