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透明导电薄膜PET材料

发布时间:2011-09-22 08:36

透明导电薄膜PET材料

真正进行透明导电薄膜PET材料的研究工作还是19世纪末,当时是在光电导的材料上获得很薄的金属薄膜。经历一段很长时间后的第二次世界大战期间,关于透明导电材料的研究才进入一个新的时期,于是开发了由宽禁带的n型简并半导体SnO2材料,主要应用于飞机的除冰窗户玻璃。在1950年,第二种透明半导体氧化物In2O3首次被制成,特别是在In2O3里掺入锡以后,使这种材料在透明导电薄膜PET方面得到了普遍的应用,并具有广阔的应用前景。 ??掺锡氧化铟(即Indium Tin Oxide, 简称ITO)材料是一种n型半导体材料,由于具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和化学稳定性,因此它是液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、电致发光显示器( EL/OLED)、触摸屏(Touch Panel)、太阳能电池以及其它电子仪表的透明电极最常用的材料。

1. ITO薄膜的基本性能

(1)、ITO薄膜的基本性能

ITO(In2O3:SnO2=9:1)的微观结构,In2O3里掺入Sn后,Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而以SnO2的形式存在,因为In2O3中的In元素是三价,形成SnO2时将贡献一个电子到导带上,同时在一定的缺氧状态下产生氧空穴,形成1020至1021cm-3的载流子浓度和10至30cm2/vs的迁移率。这个机理提供了在10-4Ω.cm数量级的低薄膜电阻率,所以ITO薄膜具有半导体的导电性能。ITO是一种宽能带薄膜材料,其带隙为3.5-4.3ev。紫外光区产生禁带的励起吸收阈值为3.75ev,相当于330nm的波长,因此紫外光区ITO薄膜的光穿透率极低。同时近红外区由于载流子的等离子体振动现象而产生反射,所以近红外区ITO薄膜的光透过率也是很低的,但可见光区ITO薄膜的透过率非常好。由以上分析可以看出,由于材料本身特定的物理化学性能,ITO薄膜具有良好的导电性和可见光区较高的光透过率。

(2)、影响ITO薄膜导电性能的几个因素

ITO薄膜的面电阻(R□)、膜厚(d)和电阻率三者之间是相互关联的,下面给出了这三者之间的计算公式。即 R□=ρ/ d (1)由公式(1)可以看出,为了获得不同面电阻(R□)的ITO薄膜,实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。一般来讲,制备ITO薄膜时要得到不同的膜层厚度比较容易,可以通过调节薄膜沉积时的沉积速率和沉积的时间来制取所需要膜层的厚度,并通过相应的工艺方法和手段能进行精确的膜层厚度和均匀性控制。而ITO薄膜的电阻率的大小则是ITO薄膜制备工艺的关键,电阻率也是衡量ITO薄膜性能的一项重要指标。公式(2)给出了影响薄膜电阻率的几种主要因素 ρ=m*/ne2τ (2) ??式(2)中,n、τ分别表示载流子浓度和载流子迁移率。当n、τ越大,薄膜的电阻率就越小,反之亦然。而载流子浓度(n)与ITO薄膜材料的组成有关,即组成ITO薄膜本身的锡含量和氧含量有关,为了得到较高的载流子浓度(n)可以通过调节ITO沉积材料的锡含量和氧含量来实现;而载流子迁移率(τ)则与ITO薄膜的结晶状态、晶体结构和薄膜的缺陷密度有关, 为了得到较高的载流子迁移率(τ)可以合理的调节薄膜沉积时的沉积温度、溅射电压和成膜的条件等因素。所以从ITO薄膜的制备工艺上来讲,ITO薄膜的电阻率不仅与ITO薄膜材料的组成(包括锡含量和氧含量)有关,同时与制备ITO薄膜时的工艺条件(包括沉积时的基片温度、溅射电压等)有关。有大量的科技文献和实验分析了ITO薄膜的电阻率与ITO材料中的Sn、O2元素的含量,以及ITO薄膜制备时的基片温度等工艺条件之间的关系,因此本文中不再熬述。

2.ITO薄膜制成设备在国内的发展 ??

在国内,ITO薄膜设备的制造和发展是20世纪80年代开始的,主要是一些单体式的真空镀膜设备,由于ITO工艺和制成方法的限制,因此产品品质较差、产量较小,当时的产品主要用作普通的透明电极和太阳能电池等方面。20世纪90年代初,随着LCD器件的飞速发展,对ITO薄膜产品的需求量也是急剧的增加,国内部分厂家纷纷开始从国外引进一系列整厂ITO镀膜生产线,但由于进口设备的价格昂贵,技术服务不方便等因素,使许多厂商还是望而却步。我国充分利用自身的技术优势和合理的整合各个方面的外部资源,开始了ITO薄膜工艺的开发和设备的研制,先后研制和推出了四代大型平板显示ITO薄膜生产线不但满足了市场的需要,同时也进一步推动了ITO薄膜技术在中国的发展。 ??

80年代末,中国诞生了第一条TN-LCD用ITO连续镀膜生产线。该生产线采用的工艺路线是将铟锡合金材料利用直流磁控溅射的原理沉积到基片的表面,并进行高温氧化处理,将铟锡合金薄膜转换成所需的ITO薄膜。这种生产线的特点是设备的产能较低,质量较差,工艺调节复杂。 ??90年代中期,随着国内LCD产业的发展,对ITO产品的需求量增大的同时,对产品的质量有了新的要求,因此出现了第二代ITO镀膜生产线。该生产线不仅产量比第一代生产线有了大幅度的提升,同时由于直接采用ITO陶瓷靶材沉积ITO薄膜,并兼容了射频磁控溅射沉积SiO2薄膜的工艺,使该生产线无论从产品的质量上、还是工艺可控性等方面与第一代生产线相比均有了质的飞跃。 ? ??

随着反射式LCD,增透式LCD、LCOS图影机背投电视等显示器件的发展,对ITO薄膜产品提出了新的要求,SiO2/ITO两层膜结构的ITO薄膜材料满足不了使用的需要,而比须采用多层复合膜系已达到产品的高反射性、或高透过率等光学性能要求。豪威公司积累多年的设计开发经验,推出了第四代大型多层薄膜生产线。该生产线由15个真空室组成,采用全分子泵无油真空系统、使用了RF/MF/DC三种磁控溅射工艺、通过PEM/PCV进行工艺气体的控制。该生产线具有连续沉积五层薄膜的能力,主要能生产以下一些膜系的薄膜:

1) Al/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2

2) ITO/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2

3) ITO/Ag/ITO(OLED用)

4) 其它多层膜产品 ??

随着PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起,相应材料的制成设备也应运而生。由于触摸式产品工作原理的特殊性,其所需的ITO薄膜必须是在柔性材料(PET)上制成的,薄膜的沉积温度不能太高(小于120℃),同时要求ITO膜层较薄、面电阻高而且均匀,所以对ITO薄膜的沉积工艺提出了严格的要求。