專利名稱：高透過率柔性透明導電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可廣泛應(yīng)用于觸摸屏液晶顯示屏、電致發(fā)光顯示器、太陽能電池、 薄膜晶體管、有機和無機半導體激光器、隔熱節(jié)能玻璃等技術(shù)領(lǐng)域的高透過率柔性透明導 電薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，對于透明導電薄膜，世界上廣泛采用的是摻錫(Sn)的氧化銦(In2O3)薄膜 (簡稱ΙΤ0)，制作工藝與制作設(shè)備已得到長足的發(fā)展。但是，這種膜層結(jié)構(gòu)比較單一，使得 制成的膜層透過率較低，致使在光學級器件的應(yīng)用中有制約性。本發(fā)明高透過率柔性透明導電薄膜是在PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、 ACRYLIC(亞克力)、PC(聚碳酸酯)等柔性襯底上形成的一種對可見光透明并且可以導電 的薄膜。作為優(yōu)良的光電信息材料，本發(fā)明透明導電薄膜在可見光范圍內(nèi)具有很高的透光 性以及很低的電阻率。這些優(yōu)良的特性使其在觸摸屏液晶顯示屏、電致發(fā)光顯示器、太陽能 電池、薄膜晶體管、有機和無機半導體激光器、隔熱節(jié)能玻璃等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述不足之處提供一種透過率高、導電性能優(yōu)良的，特別適 用于各種觸摸屏器件的新型柔性透明導電薄膜，以提高目前ITO透明導電薄膜的透過率和 電阻率性能，能使觸摸屏器件的光電性能和穩(wěn)定性等得到顯著提高。本發(fā)明透明導電膜(又稱ITO薄膜)的主要成分有In2O3,其禁帶寬度為3. 75 4. OeV,所以In2O3是透光性較好的材料，其導電不是依靠本征激發(fā)而是依靠附加能級上 的電子和空穴激發(fā)。ITO薄膜實際上是一種高簡并的η型半導體，因為摻錫和形成氧 空位分布于材料中從而使其導電粒子_載流子密度ne大大增加，電阻率δ e急劇下降 (7X10 Ω ^cm),電導率很接近于金屬導體。Sn4+與In3+的半徑相近，于是Sn4+容易置換部 分In3+。易變價的Sn4+俘獲一個電子而變成Sn4+*e即Sn3+而保持電中性。這個電子與Sn4+ 的聯(lián)系是弱束縛的，是載流子來源之一。另一方面，在還原處理ITO膜時，In2O3中的部分氧 離子(02_)脫離原晶格，留下的電子使部分銦離子(In3+)變?yōu)榈蛢r的(In+)。這樣可獲得高 電導率高透光率的ITO膜。同時采用不同折射率的3102/5102膜層和它進行疊加，從而使得 整個膜層透光率增加。本發(fā)明的透明導電薄膜是在主體材料氧化銦(In2O3)中摻雜有金屬錫(Sn)元素所 構(gòu)成的銦錫氧化物(In2O3和SnO2),還含有部分金屬In與Sn，簡稱為ΙΤ0。本發(fā)明是膜系為 IT0/SI02/SI02/ 襯底材料 /SI02/SI02 或 SI02/IT0/SI02/SI02/ 襯底材料 /SI02/SI02 的多膜 層結(jié)構(gòu)。該ITO中Sn與In元素兩者在ITO中的質(zhì)量百分含量為78. 9% 85. 4%，Sn與 In元素的質(zhì)量比為40 49 60 51，薄膜厚度范圍為5nm 300nm。Sn與In元素兩者占整體膜層(除了襯底材料)的質(zhì)量百分比為0. 1 % 30%。本發(fā)明透明導電薄膜的中Sn與In元素在ITO中的質(zhì)量百分含量為優(yōu)選為79% 81 %。薄膜厚度范圍優(yōu)選為5nm 60nm，最優(yōu)選為15nm 30nm。上述透明導電薄膜的制備方法是采用真空直流和中頻磁控濺射方法獲得所述的 透明導電薄膜，其特征在于具體步驟如下a.將襯底材料放入真空室中，并抽真空至室內(nèi)壓強低于5. OX 10_3Pa(優(yōu)選 3. 0 ΧΙΟ—1 4. OX I(T1Pa),然后對襯底材料采用> 700ev離子能量(優(yōu)選900 IlOOev)
進行轟擊；b.向真空室充入氧氣和氬氣，控制真空室內(nèi)壓強為2. OX ICT1 5. OX ICT1Pa(優(yōu) 選 3. OXKT1 4. OXl(T1Pa)；c.在襯底材料的正面和背面同時使用中頻反應(yīng)濺射的方式，各濺射兩層SiO2制得 SiO2膜層，每層厚度為1 15nm;d.采用磁控濺射的方式在SiO2膜層上同時濺射金屬In與Sn ；其中，5102膜層溫度 為-10 20°C (優(yōu)選0°C )，濺射功率是直流500 1500瓦(優(yōu)選500 800瓦)，金屬In 的濺射速率為0. 2 3. 5nm/s (優(yōu)選濺射速率為1. 5 2. 5nm/s)，Sn的濺射速率為0. 01 lnm/s (優(yōu)選濺射速率為0. 05 0. 5nm/s)，制得透明導電薄膜；或者將In2O3與SnO2均勻混合，燒結(jié)成靶材，采用該靶材以濺射的的方式沉積在 SiO2膜層上，制得透明導電薄膜；其中，SiO2膜層溫度為-10 20°C (優(yōu)選0°C )，濺射功率 是直流500 1500瓦(優(yōu)選500 800瓦)，濺射速率為0. 04 3nm/s (優(yōu)選濺射速率為 1. 5 2. 5nm/s)。在采用該靶材以直流磁控濺射過程中，少量In2O3與SnO2會被還原成In 與Sn。上述步驟“d”中在濺射金屬In與Sn或者濺射In2O3與SnO2燒結(jié)成的靶材后，再 疊加濺射一層SiO2,厚度為1 15nm。本發(fā)明的高透過率柔性透明導電薄膜可以沉積在各種柔性以及透明或非透明襯 底材料上，例如PET、亞克力、PC、塑料或有機玻璃等，優(yōu)選PET。制備工藝可采用高真空直 流磁控濺射、中頻磁控濺射、離子濺射或脈沖激光沉積等技術(shù)，優(yōu)選采用真空直流和中頻 磁控濺射方法獲得所述的透明導電薄膜。本發(fā)明透明導電薄膜在制備過程中的基本技術(shù) 要求是制備前真空度高于5X10_3Pa。制備時的工作氣體為氧氣和氬氣，工作真空度為 2 X KT1Pa 5 X KT1Pa ；制備時襯底不進行加熱。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)與傳統(tǒng)的其他透明導電薄膜相比，本發(fā)明采用一定的銦、錫比例及多層的膜層 疊加的結(jié)構(gòu)制備的高透過率柔性透明導電薄膜，具有較高的可見光透過率(可見光最大透 過率可高達98%)、良好的導電性能以及優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和成膜牢固性。另外，所使用的 Si和摻雜元素Sn來源易得，成本低廉。2)與傳統(tǒng)的商業(yè)ITO薄膜相比，本發(fā)明所制備的透明導電透明導電薄膜與有機 層之間具有良好的界面接觸，使常見的有機光電器件如觸摸屏的光線透過效率得以有效提 高，光電性能顯著改善。另外，本發(fā)明薄膜均勻性士5%，觸摸壽命可高達1000萬次。


圖1為本發(fā)明實施例1 (樣品B)中制備得到的透明導電薄膜的透射光譜。 圖中表明該透明 導電薄膜在可見光譜區(qū)的最高透過率達到98 %，平均紅外透過率超過80%。
具體實施例方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1
采用沈陽福深真空設(shè)備有限公司設(shè)計制造的卷對卷真空鍍膜機，利用直流磁控濺 射和中頻磁控濺射方法制備本發(fā)明多膜層柔性透明導電薄膜，四個樣品A、B、C和D具體制 備步驟如下a.將襯底材料放入真空室中，并將真空室抽真空至室內(nèi)壓強低于5. OX 10_3Pa，然 后對襯底進行離子源轟擊，轟擊能量> 700ev ；b.向真空室充入氧氣和氬氣，充入真空室內(nèi)的氧氣和氬氣純度為99. 999%，充入 氧氣和氬氣之后，控制真空室內(nèi)壓強為2 X KT1Pa 5 X KT1Pa范圍之內(nèi)，采用真空計與質(zhì)量 流量計對充入真空室的氧氣和氬氣進行真空度的實時監(jiān)控；c.為避免襯底表面成分對ITO成膜特性的影響以及提高器件的透過率，先在襯底 上利用卷繞鍍膜機在襯底正面和背面同時使用中頻反應(yīng)濺射的方式，各濺射兩層SiO2制得 SiO2膜層，厚度為1 15nm；d.在SiO2上再用直流磁控濺射的方法沉積一層ITO膜層(采用直流磁控濺射的 方式在SiO2膜層上同時濺射金屬In與Sn，其中，SiO2膜層溫度為_10 20°C，濺射功率是 直流500 1500瓦，金屬In的濺射速率為0. 2 3nm/s，Sn的濺射速率為0. 01 lnm/s)， 制得透明導電薄膜。D樣品在濺射金屬In與Sn后，再疊加濺射一層SiO2,厚度為lnm。ITO薄膜的透射光譜采用UNICO分光光度計測量薄膜的元素成分采用 GENESIS2000XMS60S (EDAX INC) X射線光電子能譜儀測量。ITO薄膜中Sn與In的質(zhì)量比為40 49 60 51。表1給出了透明導電薄膜 A、B、C和D的具體實驗數(shù)據(jù)及薄膜的性能參數(shù)。實施例2步驟“a” “b” “C”同實施例1，步驟“d”為采用純度為99. 99%的In2O3粉末與純 度為99. 99%的SnO2粉末均勻混合，采用常規(guī)的熱等靜壓法燒結(jié)成靶材，采用該靶材以直流 磁控濺射的技術(shù)沉積薄膜；其中，襯底溫度為-10 20°C，濺射功率是直流500 1500瓦， 濺射速率為0. 04 3nm/s。H樣品在濺射靶材后，再疊加濺射一層SiO2,厚度為lnm。該ITO薄膜的面電阻達到10 15 Ω / 口，平均可見光透過率高于90%。四個樣品 Ε、F、G和H具體采用的實驗數(shù)據(jù)和制備得到的透明導電薄膜的性能參數(shù)如表2所示
權(quán)利要求
一種高透過率柔性透明導電薄膜，其特征在于該透明導電薄膜的膜系為ITO/SiO2/SiO2/襯底材料/SiO2/SiO2或SiO2/ITO/SiO2/SiO2/襯底材料/SiO2/SiO2的多膜層結(jié)構(gòu)，ITO為銦錫氧化物In2O3與SnO2和金屬In與Sn，其中，Sn與In元素兩者在ITO中的質(zhì)量百分含量為78.9％～85.4％，Sn與In元素的質(zhì)量比為40～49∶60～51，薄膜厚度范圍為5nm～300nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明導電薄膜，其特征在于該透明導電薄膜的中Sn與In元 素在IT0中的質(zhì)量百分含量為79% 81%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明導電薄膜，其特征在于所述的薄膜厚度為5nm 60nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明導電薄膜，其特征在于所述的襯底材料為PET、亞克力、 PC、塑料或有機玻璃。
5.一種權(quán)利要求1所述的透明導電薄膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下a.將襯底材料放入真空室中，并抽真空至室內(nèi)壓強低于5.OX 10_3Pa，然后對襯底材料 采用> 700ev離子能量進行轟擊；b.向真空室充入氧氣和氬氣，控制真空室內(nèi)壓強為2.OX 1CT1 5. OX lC^Pa ；c.在襯底材料的正面和背面同時使用中頻反應(yīng)濺射的方式，各濺射兩層Si02制得Si02 膜層，每層厚度為1 15nm;d.采用磁控濺射的方式在Si02膜層上同時濺射金屬In與Sn;其中，5102膜層溫度 為-10 20°C，濺射功率是直流500 1500瓦，金屬In的濺射速率為0. 2 3. 5nm/s, Sn 的濺射速率為0. 01 lnm/s，制得透明導電薄膜；或者將ln203與Sn02均勻混合，燒結(jié)成靶材，采用該靶材以濺射的的方式沉積在Si02膜 層上，制得透明導電薄膜；其中，Si02膜層溫度為-10 20°C，濺射功率是直流500 1500 瓦，濺射速率為0. 04 3nm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透明導電薄膜的制備方法，其特征在于所述的步驟“d”在濺 射金屬In與Sn或者濺射ln203與Sn02燒結(jié)成的靶材后，再疊加濺射一層Si02，厚度為1 15nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透明導電薄膜的制備方法，其特征在于所述的襯底為PET、亞 克力、PC、塑料或有機玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透明導電薄膜的制備方法，其特征在于所述的步驟“d”中濺 射功率是直流500 800瓦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高透過率柔性透明導電薄膜及其制備方法，其特征在于該透明導電薄膜的膜系為ITO/SiO2/SiO2/襯底材料/SiO2/SiO2或SiO2/ITO/SiO2/SiO2/襯底材料/SiO2/SiO2的多膜層結(jié)構(gòu)，主體材料ITO為In2O3與SnO2和金屬In與Sn，其中，Sn與In元素在ITO中的質(zhì)量百分含量為78.9％～85.4％，Sn與In元素的質(zhì)量比為40～49∶60～51，薄膜厚度范圍為5nm～300nm。本發(fā)明薄膜成膜牢固，具有良好的導電性和可見光透明性，可應(yīng)用于觸摸屏液晶顯示屏、電致發(fā)光顯示器、太陽能電池、薄膜晶體管、有機和無機半導體激光器、隔熱節(jié)能玻璃領(lǐng)域。
文檔編號H01B13/00GK101866708SQ201010162968
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者曹俊, 朱殿榮, 李俊, 賴勇建 申請人:江蘇康力電子科技有限公司