光電顯示用透明導電膜及玻璃(ITO)的原理

2020-11-22 電子產品世界

ITO導電玻璃是在鈉鈣基或矽硼基基片玻璃的基礎上,利用磁控濺射的方法鍍上一層氧化銦錫(俗稱ITO)膜加工製作成的。液晶顯示器專用ITO導電玻璃,還會在鍍ITO層之前,鍍上一層二氧化矽阻擋層,以阻止基片玻璃上的鈉離子向盒內液晶裡擴散。高檔液晶顯示器專用ITO玻璃在濺鍍ITO層之前基片玻璃還要進行拋光處理,以得到更均勻的顯示控制。液晶顯示器專用ITO玻璃基板一般屬超浮法玻璃,所有的鍍膜面為玻璃的浮法錫面。因此,最終的液晶顯示器都會沿浮法方向,規律的出現波紋不平整情況。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/168007.htm

在濺鍍ITO層時,不同的靶材與玻璃間,在不同的溫度和運動方式下,所得到的ITO層會有不同的特性。一些廠家的玻璃ITO層常常表面光潔度要低一些,更容易出現「麻點」現象;有些廠家的玻璃ITO層會出現高蝕間隔帶,ITO層在蝕刻時,更容易出現直線放射型的缺劃或電阻偏高帶;另一些廠家的玻璃ITO層則會出現微晶溝縫。

ITO導電層的特性:

ITO膜層的主要成份是氧化銦錫。在厚度只有幾千埃的情況下,氧化銦透過率高,氧化錫導電能力強,液晶顯示器所用的ITO玻璃正是一種具有高透過率的導電玻璃。由於ITO具有很強的吸水性,所以會吸收空氣中的水份和二氧化碳並產生化學反應而變質,俗稱「黴變」,因此在存放時要防潮。

ITO層在活性正價離子溶液中易產生離子置換反應,形成其它導電和透過率不佳的反應物質,所以在加工過程中,儘量避免長時間放在活性正價離子溶液中。

ITO層由很多細小的晶粒組成,晶粒在加溫過程中會裂變變小,從而增加更多晶界,電子突破晶界時會損耗一定的能量,所以ITO導電玻璃的ITO層在600度以下會隨著溫度的升高,電阻也增大。

ITO導電玻璃的分類:

ITO導電玻璃按電阻分,分為高電阻玻璃(電阻在150~500歐姆)、普通玻璃(電阻在60~150歐姆)、低電阻玻璃(電阻小於60歐姆)。高電阻玻璃一般用於靜電防護、觸控屏幕製作用;普通玻璃一般用於TN類液晶顯示器和電子抗幹擾;低電阻玻璃一般用於STN液晶顯示器和透明線路板。

ITO導電玻璃按尺寸分,有14」x14」、14」x16」、20」x24」等規格;按厚度分,有2.0mm、1.1mm、0.7mm、0.55mm、0.4mm、0.3mm等規格,厚度在0.5mm以下的主要用於STN液晶顯示器產品。

ITO導電玻璃按平整度分,分為拋光玻璃和普通玻璃。

透明導電氧化物薄膜主要包括In、Zn、Sb和Cd的氧化物及其複合多元氧化物薄膜材料,具有禁帶寬、可見光譜區光透射率高和電阻率低等特性。透明導電薄膜以摻錫氧化銦(IndiumTinOxide,ITO)為代表,廣泛地應用於平板顯示、太陽能電池、特殊功能窗口塗層及其他光電器件領域。平板顯示器市場廣闊,被認為具有比半導體產業更高的增長率,特別是液晶顯示器(LCD)具有體積小、重量輕、能耗低、無輻射、無閃爍、抗電磁幹擾等特點,廣泛應用於筆記本電腦、桌上型電腦、各類監視器、數字彩電和手機等電子產品,以全球顯示器市場來看,LCD產值遠高於其他顯示器。透明導電薄膜是簡單液晶顯示器的三大主要材料之一,隨著LCD產業的發展,市場對ITO透明導電膜的需求也隨之急劇增大。

ITO薄膜的製備方法多樣,研究較多的製備方法為磁控濺射法,另外還有真空蒸發法、化學氣相沉積法、噴塗法、溶膠-凝膠法等方法。其中,溶膠-凝膠法的優點是生產設備簡單、工藝過程溫度低,易實現製備多組元且摻雜均勻的材料。

採用溶膠-凝膠法製備ITO薄膜多以銦、錫的有機醇鹽為前驅物。以銦、錫的無機鹽為前驅物,採用溶膠-凝膠法製備的ITO薄膜,比以有機醇鹽為前驅物的溶膠-凝膠法製備成本低,該方法製備ITO薄膜具有生產設備簡單、成本低的優勢。本文以氯化銦和氯化錫為前驅物,採用溶膠-凝膠法製備ITO薄膜,探索以銦、錫的無機鹽為前驅物製備ITO薄膜的方法。

液晶顯示器現已成為技術密集,資金密集型高新技術產業,透明導電玻璃則是LCD的三大主要材料之一。液晶顯示器之所以能顯示特定的圖形,就是利用導電玻璃上的透明導電電膜,經蝕刻製成特定形狀的電極,上下導電玻璃製成液晶盒後,在這些電極上加適當電壓信號,使具有偶極矩的液晶分子在電場作用下特定的方面排列,僅而顯示出與電極波長相對應的圖形。

在氧化物導電膜中,以摻Sn的In2O3(ITO)膜的透過率最高和導電性能最好,而且容易在酸液中蝕刻出微細的圖形。其透過率已達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SnO2:In2O3=1:9。

ITO是一種N型氧化物半導體-氧化銦錫,ITO薄膜即銦錫氧化物半導體透明導電膜,通常有兩回事個主要的性能指針:電阻率和光透過率。

目前ITO膜層之電阻率一般在510-4左右,最好可達510-5,已接近金屬的電阻率,在實際應用時,常以方塊電阻來表徵ITO的導電性能,其透過率則可達90%以上,ITO膜之透過率和阻值分別由In2O3與Sn2O3之比例控制,增加氧化錮比例則可提高ITO之透過率,通常Sn2O3:In2O3=1:9,因為氧化錫之厚度超過200Å時,通常透明度已不夠好---雖然導電性能很好。

如用是電流平行流經ITO脫層的情形,其中d為膜厚,I為電流,L1為在電流方向上膜厚層長度,L2為在垂直於電流方向上的膜層長主,當電流流過方形導電膜時,該層電阻R=PL1/dL2式中P為導電膜之電阻率,對於給定膜層,P和d可視為定值,P/d,當L1=L2時,怒火正方形膜層,無論方塊大小如何,其電阻均為定值P/d,此即方塊電阻定義:R□=P/d,式中R□單位為:奧姆/□(Ω/□),由此可所出方塊電阻與IOT膜層電阻率P和ITO膜厚d有關且ITO膜阻值越低,膜厚越大。

目前在高檔STN液晶顯示屏中所用ITO玻璃,其R□可達10Ω/□左右,膜厚為100-200um,而一般低檔TN產品的ITO玻璃R□為100-300Ω/□,膜厚為20-30um。

在進行LCD走線設計時,由ITO阻計算方式,可知影響ITO阻值有如下因素:

1、ITO玻璃之方塊電阻

要確保走線電阻小,應酬讓ITO玻璃方塊電阻小,因為R□=P/d,則必須選P小,d適當大些的材料。

2、L1/L2

L1/L2即走線在平行電流方向與垂直電流方向上的長度比,在R□一定時,要保證走線電阻值小,就要讓L1/L2小,當L1一定時,只有增大L2,也說法是在設計時,走線應儘可能加寬;而當L2一定時,L1就要小,即走線寬度一定時,細線應儘可能短。

3、在LCD顯示屏設計當中,不僅要考慮走線布對ITO阻值的影響,還要考慮生產工藝對ITO阻值的影響,以便選擇適當方塊電阻的ITO玻璃,以便設計到製作的全面控制,生產高對比的LCD產品,這時高佔空比及COG產品無為重要,如ITO膜厚的均勻性,因為ITO的耙材及工藝的為穩定,會使同樣長度與寬度的ITO阻值發生變化,如目標值為10Ω時,其R□範圍在8-12Ω之間,所以在生產中要使用ITO膜厚均勻的導電玻璃,以減少電阻的變化,其次為ITO玻璃的耐高溫時性,酸鹼性,因為通常LCD生產工藝中要使用高溫烘烤及各種酸鹼液的浸泡,而一般在300°C30min的環境中,會使R□增大2-3倍,而在10wt%NaOH5min及6wt%HCL2min(60°C)下也會增到1。1倍左右,由此可知,在生產工藝中不宜採用高溫生產及酸鹼的長時清洗,若無法避免,則應儘量在低溫下進行並儘量縮短動作時間。

4、由於在液晶顯示器中,ITO方塊電阻等效於電路圖中的分壓電阻,其阻值大小直接影響電路兩端電壓的大小,即方塊電阻越大,LCD值電壓越大。有數據表明,ITO之方塊電阻由100Ω/□降至60Ω/□。(CellGap為6um)左右,Vth值會降低0。03V左右。

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