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ITO FILM材料

 甘苦-人生 2012-09-07

近年來,由于薄膜應(yīng)用材料的發(fā)展,與ITO玻璃一樣,ITO FILM也越來越多的應(yīng)用到了電子信息材料上,比如說應(yīng)用在LCD、OLED顯示器基板上,觸摸屏上探測(cè)電極上,顯示器模組的電磁屏蔽上等等。如何在這些產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程中,合理使用ITO FILM材料,也慢慢為電子制造行業(yè)所重視。

我們知道,ITO FILM與ITO玻璃在產(chǎn)品制造生產(chǎn)過程中的區(qū)別在于,ITO FILM在正式上生產(chǎn)線使用之前,要預(yù)先進(jìn)行一道調(diào)質(zhì)處理工序,也就是很多觸摸屏廠家俗稱的“ITO FILM老化”工序。為什么ITO FILM要預(yù)先進(jìn)行一道這樣的調(diào)質(zhì)處理“ITO FILM老化”工序,而ITO玻璃就不用呢,這就要從它們所用的基材不同說起了。

一、為什么要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理:
目前最常用到的ITO FILM的基材,是一層在上面進(jìn)行過硬化層涂布處理過的PET膜,它的材質(zhì)是polyethylene terephthalate,中文名叫聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯,簡(jiǎn)稱PET,它在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能,長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)120℃,電絕緣性優(yōu)良,甚至在高溫高頻下,其電性能仍較好,抗蠕變性,耐疲勞性,耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性都很好。它有個(gè)特點(diǎn)是耐電暈性較差,所以可以在其表面進(jìn)行金屬鍍膜二次加工,從而使得進(jìn)行金屬鍍膜二次加工后的PET,廣泛應(yīng)用于包裝業(yè)、電子電器、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑、汽車等領(lǐng)域。

PET的熱變形溫度是(1.8MPa) 224℃,熔點(diǎn) 254℃,所以很易于加工成應(yīng)用薄膜材料。
為了更好的應(yīng)用在電子產(chǎn)品上,PET膜上一般都要再涂布一層聚丙烯酸酯類的硬化層,也就是俗稱的壓加力涂層或加硬層,讓PET膜表面的硬度能達(dá)到2H以上,讓它更耐磨擦,更難被劃傷。這種壓加力的特性是熱變型溫度≥78℃,熱軟化溫度≥105℃。

生產(chǎn)中使用的ITO玻璃是一種浮法玻璃,是以硅酸鹽為材料,經(jīng)1300℃高溫爐溶融成液體,流經(jīng)錫水表面成型的平板玻璃。

這里說的ITO 是一種N型氧化物半導(dǎo)體-氧化銦錫,ITO薄膜即銦錫氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜,通常有兩個(gè)性能指標(biāo):電阻率和透光率,
在氧化物導(dǎo)電膜中,以摻Sn的In2O3(ITO)膜的透過率最高和導(dǎo)電性能最好,而且容易在酸液中蝕刻出細(xì)微的圖形。其中透過率以達(dá)90%以上,ITO中其透過率和阻值分別由In2O3與Sn2O3之比例來控制,通常Sn2O3:In2O3=1:9。

ITO玻璃和ITO FILM基材上所鍍的ITO鍍層,是用磁控濺射沉積上去的。其中鍍膜的溫度是影響ITO膜透光性和電阻率的最明顯因素,當(dāng)鍍膜溫度在100℃以下時(shí),膜層中多數(shù)是一些低價(jià)的銦錫氧化物,透光性較低,阻值也很高。隨著鍍膜溫度升高,薄膜的結(jié)晶越趨完美使載流子遷移率有所提高,而光線透過率明顯升高,阻值也相應(yīng)降低,當(dāng)溫度達(dá)到380℃附近時(shí),光線透過率達(dá)到最高。
對(duì)于ITO平板玻璃來說,完全可以用最好的溫度條件來進(jìn)行ITO鍍膜,因?yàn)槠桨宀AУ娜刍瘻囟仍谇Ф纫陨?,所?80℃最優(yōu)鍍膜條件對(duì)玻璃基板沒什么影響。

可是另外一種以PET為原料基材中,不但其本身的熱變形溫度只有224℃,并且其上面涂布的壓加力層的熱變形溫度僅為78℃。為了不在鍍ITO膜層時(shí)不破壞和影響PET膜基材的性能,鍍膜溫度一定要嚴(yán)格的控制的80℃以下,這就造成了ITO膜層的結(jié)晶度不夠,光線透過率低,電阻阻值偏高并且不穩(wěn)定。

PET材料在提練合成過程中,一定會(huì)有一些雜質(zhì)摻雜在里面,PET合成的過程,是一個(gè)小分子物質(zhì)在化學(xué)鍵的作用下鏈接形成大分子的過程,這個(gè)過程中肯定有些未充分反應(yīng)的小分子物質(zhì)附在大分子鏈上。PET膜在空氣存放過程中,因PET膜層里面所含的微量雜質(zhì),會(huì)吸收空氣中的氣體和水份,并不斷水解其中部分沒聚合完全的水分子物質(zhì)。這些雜質(zhì)、氣體、水份,和未聚合完全的水分子水解后生成的物質(zhì),會(huì)在高溫中析出或重新聚合與結(jié)晶,讓PET FILM產(chǎn)生不一致的形變或性能變化,造成PET FILM上的圖形尺寸變化。
二、調(diào)質(zhì)處理的原理:
PET材料雖然擁有很好的尺寸穩(wěn)定性,但在制成PET薄膜的過程中,合成的PET大分子物質(zhì)經(jīng)過擠塑和拉伸,原來融熔狀態(tài)下自由伸展的分子團(tuán)被迫在拉伸方向進(jìn)行形變,以薄膜的厚度尺寸要求,所以內(nèi)部聚集了部分內(nèi)應(yīng)力,這些內(nèi)應(yīng)力如果受到溫度上升的變化,也會(huì)因溫度升高,PET內(nèi)部分子活動(dòng)能力增強(qiáng)而釋放出來,在釋放的過程中,多數(shù)的PET大分子會(huì)在拉伸方向進(jìn)行分子間距縮小調(diào)整,而非拉伸方向的部分分子支鏈會(huì)伸展到拉伸方向收縮后所形成的空間里面來。這一系列的變化,也將改變PET薄膜的外形尺寸。
PET上的ITO層,是鍍膜溫度在80℃以下鍍覆的,膜層中多數(shù)是一些低價(jià)的銦錫氧化物,這些低價(jià)的銦錫氧化物,在高溫環(huán)境下或富氧環(huán)境下,還會(huì)繼續(xù)與氧氣反應(yīng),形成高價(jià)的銦錫氧化物,重新再次結(jié)晶。

所以,為了穩(wěn)定ITO FILM的性能,要對(duì)ITO FILM進(jìn)行加熱處理,預(yù)先進(jìn)行一道調(diào)質(zhì)處理“ITO FILM老化”工序。在加熱處理過程中,PET薄膜里面的雜質(zhì)所吸收的氣體與水分將會(huì)析出,小分子物質(zhì)水解后的產(chǎn)物,會(huì)重新脫水形成小分子物質(zhì),未完全聚合的小分子物質(zhì)、重新脫水后形成的小分子物質(zhì),薄膜拉伸過程中所斷裂的分子支鏈和短分子鏈,將會(huì)重新排列到自由伸展的大分子長(zhǎng)鏈上,讓整個(gè)PET薄膜內(nèi)部分子穩(wěn)定下來,這樣,PET膜的外形尺寸也穩(wěn)定下來了,大大減少了以后溫度變化對(duì)PET外形尺寸帶來的劇烈變化。而且在富氧的條件下,或加溫過程中,ITO層非結(jié)晶的低價(jià)銦錫氧化物再次與氧反應(yīng)成高價(jià)銦錫氧化物重新結(jié)晶,所得到的結(jié)晶ITO層在以后使用過程中,只要溫度不超過目前的加溫溫度,也比原非結(jié)晶狀態(tài)的ITO層化學(xué)物理性能更加穩(wěn)定。
三、如何進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理:
在加溫調(diào)質(zhì)處理過程中,首先要把溫度升到PET上的涂布的壓加力熱變形溫度,完全釋放和消除壓加力層的氣體、水份和內(nèi)應(yīng)力,同時(shí)PET本身基材中的水份、氣體和雜質(zhì),也通過壓加力和ITO層的分子間隙釋放部分出來。

第二步是加熱到壓加力的熱軟化溫度,這個(gè)溫度下,讓壓加力先均勻軟化,減少后面繼續(xù)加熱過程中PET在熱收縮變形的時(shí)候,因壓加力的抵抗產(chǎn)生變形阻力,因各部分收縮不一致引起翹曲。同時(shí)也讓部分基材中水解的物質(zhì)分解并把水分完全汽化釋放。
第三步是加熱溫度設(shè)定到后續(xù)加工工序中所采用的最高加熱溫度,加了更加均勻和消除設(shè)備誤差,一般這個(gè)設(shè)定溫度還要在后續(xù)工工序中所采用的最高加熱溫度的基礎(chǔ)上,再增加10~15℃,這樣,不管以后你再怎么加熱,都不會(huì)讓ITO FILM再產(chǎn)生過多的形變了。當(dāng)然這個(gè)溫度最好不要超過180℃,因?yàn)樵谶@個(gè)溫度下,壓加力材料會(huì)迅速劣化,并且有可能顏色會(huì)變黃,透過率也會(huì)下降。對(duì)于使用在不同場(chǎng)合下的復(fù)合薄膜來說,中間的光學(xué)膠層也屬于壓加力酸類,過高的溫度更容易使這些光學(xué)膠層性能劣化,因而一般建議溫度設(shè)在120~140℃之間,為了得到更好的調(diào)質(zhì)效果,調(diào)質(zhì)時(shí)間會(huì)相應(yīng)的延長(zhǎng)一倍時(shí)間左右。

在溫度超過120℃以后,PET基材里的水份和氣體幾乎可以完全從基材中排出,而那些水解后的小分子會(huì)重新轉(zhuǎn)化為小分子狀態(tài),并在化學(xué)鍵的作用下,慢慢鏈接到已經(jīng)聚合的大分子鏈上去。原來在薄膜拉伸過程中受物理作用力被拉伸或擠壓的化學(xué)鍵,則會(huì)在化學(xué)鍵端的原子吸收熱能后,運(yùn)動(dòng)到最合適的位置,讓原子兩邊的化學(xué)鍵力平衡。這樣,使得整個(gè)PET基材中的化學(xué)分子更加安定,從而得到更穩(wěn)定的外形尺寸和更高的透過率,并消除部分光學(xué)上的偏振現(xiàn)象,減光膜層之間的光學(xué)干涉。

這個(gè)時(shí)候,ITO層的水份和氣體也會(huì)釋放出來,而且里面被水和二氧化碳形成碳酸所化學(xué)腐蝕的部分,也會(huì)受熱分解,重新形成ITO晶體,低價(jià)氧化銦錫分子,也會(huì)繼續(xù)跟空氣中的氧氣反應(yīng),形成更高價(jià)的氧化銦錫物質(zhì)。在受熱過程中,氧化銦錫物質(zhì)沉積過程中散亂的原子在吸收熱能后,慢慢運(yùn)動(dòng)到各最小位能的晶格頂點(diǎn)位置上,進(jìn)行結(jié)晶。而里面的一些雜質(zhì)則會(huì)被擠壓到晶粒邊緣,與相關(guān)晶格建立更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

第四步是進(jìn)行紫外線臭氧活化ITO層,利用低壓石英汞燈,產(chǎn)生254和185nm范圍的紫外線,臭氧和等離子氧氣產(chǎn)生,低價(jià)的銦錫氧化物和離子氧原子反應(yīng)形成高價(jià)的銦錫氧化物。在這過程中,還可以對(duì)ITO表面進(jìn)行清洗,有機(jī)污染物分子在吸收254nm波長(zhǎng)紫外線后被激發(fā)或分解。激發(fā)的有機(jī)污染物可以和離子氧原子反應(yīng)形成氣體,比如CO2,H2O等,再由抽風(fēng)系統(tǒng)抽取排走。


四、調(diào)質(zhì)處理過程中應(yīng)注意的問題:
ITO FILM在調(diào)質(zhì)處理過程中,除了要有能得到加熱平穩(wěn)均勻的調(diào)質(zhì)處理設(shè)備外,基板的承托和放置方式也是主要的考量范圍。目前業(yè)界有兩種傾向模式,一種是為了繼續(xù)與ITO 玻璃一樣的工治具,同時(shí)也得到更穩(wěn)妥的處理效果,認(rèn)為應(yīng)該直接把ITO FILM按ITO平板玻璃尺寸裁切后,繼續(xù)放在玻璃基板上加熱,這樣一方向可能象處理ITO平板玻璃一樣處理ITO FILM材料和承托玻璃基板,更有利于優(yōu)化超凈車間管理外,另一方面,由于玻璃基板有一定的貯熱作用,可以讓ITO FILM調(diào)質(zhì)處理過程中,各個(gè)部分的加熱和降溫過程更加平穩(wěn)均勻。另一種傾向認(rèn)為加熱速度的快慢直接影響生產(chǎn)效率,而玻璃制品容易產(chǎn)生玻璃碎,而且裝載ITO平板玻璃的治具也不利于ITO FILM的取放,更容易折傷和劃傷ITO FILM,主張直接把ITO FILM放在加工平整的金屬板上,利用金屬板傳熱速度快的特性,提高生產(chǎn)效率。并且把這些金屬板做成可以掀起的臺(tái)車層架方式,ITO FILM直接平放在金屬承托板上,ITO FILM和金屬板的接觸面不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的位置移動(dòng),所以能最大限度的防止ITO FILM在取放過程中被折傷和表面被劃傷的情況發(fā)生。
因?yàn)閴杭恿Φ臒彳浕瘻囟戎挥?05℃,小于調(diào)質(zhì)處理的最高溫度,所以在沒有保護(hù)的情況下,要避免涂布?jí)杭恿Φ哪且幻妫苯臃旁诔型邪迳线M(jìn)行加熱,把承托板上的不平整,熱轉(zhuǎn)移到ITO FILM的壓加力層上,造成外觀不良。

總的來說,ITO FILM的調(diào)質(zhì)處理工藝,就是一個(gè)排除ITO FILM中所含水份、氣體,進(jìn)一步調(diào)整基材內(nèi)部的原子位置和分子結(jié)構(gòu),消除各種材料內(nèi)部的和各種材料相互之間的物理應(yīng)力,在后續(xù)的生產(chǎn)加工過程中和產(chǎn)品使用過程中,得到更穩(wěn)定的物理尺寸、化學(xué)性能。

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