ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СЛОЙ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
ELECTRICAL FUNCTIONAL LAYER, METHOD OF ITS MANUFACTURING AND APPLICATION

Изобретение относится к электрическому функциональному слою, в частности слоистому телу, а также к способу изготовления и к его применениям.
Для изготовления управляемых посредством прикосновения резистивных сенсорных экранов необходимы прозрачные проводящие и при необходимости также структурированные функциональные слои, которые до настоящего времени изготавливались из прозрачного ITO (оксид индия-олова). В резистивных сенсорных экранах два противолежащих проводящих слоя приводят за счет нажатия (прикосновения в определенном месте) в соединение, и посредством определения сопротивления идентифицируют точку нажатия. Поскольку эти сенсорные экраны всегда связаны с лежащим позади изображением (дисплеем и/или графикой), то требуется высокая светопроницаемость, а для определения точки нажатия - достаточная проводимость. До настоящего времени эти слоистые тела изготавливались из ITO, например, на синтетической пленке.
Недостатком известных электрических функциональных слоев из ITO является то, что материал является очень дорогим, при этом можно оптимизировать либо прозрачность, либо электрическую проводимость. Кроме того, резистивные сенсорные экраны с обычными слоями из ITO могут реализовывать лишь функцию «одного прикосновения», т.е. может всегда измеряться лишь одна координата x и y, поскольку блок управления может всегда обрабатывать лишь один сигнал или одно положение.
Поэтому задачей данного изобретения является создание электрического функционального слоя, который имеет более высокую прозрачность и одновременно более высокую электрическую проводимость и преодолевает недостатки уровня техники, а также создание способов его изготовления, которые экономичны и пригодны для массового производства.
Эта задача решена с помощью предмета настоящей заявки, раскрытого в описании, на фигурах и в формуле изобретения.
В соответствии с этим предметом настоящего изобретения является электрический функциональный слой, в котором проводящие, непрозрачные дорожки с толщиной в диапазоне от 2 нм до 5 мкм расположены параллельно поверхности прозрачного носителя с образованием узора так, что в узоре реализовано расстояние между проводящими дорожками, которое обеспечивает поверхностную проводимость электрического функционального слоя при одновременной прозрачности для человеческого глаза. Кроме того, предметом изобретения является способ изготовления прозрачного и электрически проводящего функционального слоя, при этом на прозрачной подложке создают электрически проводящие, непрозрачные дорожки за счет структурированного нанесения, покрытия и последующего структурирования, тиснения и/или с помощью печати. Наконец, предметом изобретения является применение функционального слоя, согласно изобретению, в резистивном сенсорном экране.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, ширина непрозрачных проводящих дорожек лежит в диапазоне между 1 мкм и 40 мкм, предпочтительно между 5 и 25 мкм.
Термином «проводящий» здесь обозначается, как правило, электрически проводящий материал. Таким образом, проводящие дорожки в данном случае всегда являются по меньшей мере электрически проводящими дорожками.
В одном варианте выполнения узор сегментирован на функциональном слое, при этом ширина сегмента лежит, например, в диапазоне от 500 мкм до 15 мм, предпочтительно от 1 мм до 3 мм.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, расстояние между проводящими дорожками лежит в диапазоне от 10 мкм до 5 мм, предпочтительно от 300 мкм до 1 мм. Когда расстояние между проводящими дорожками лежит в этом диапазоне, то, с одной стороны, предотвращаются заметные эффекты дифракции и, с другой стороны, не видны отдельно зоны узора, поскольку разделение лежит ниже предела разрешения человеческого глаза без вспомогательных средств.
Расстояние между сегментами лежит в диапазоне от 10 мкм до 2 мм, предпочтительно от 100 мкм до 1 мм.
Толщина проводящих дорожек, которые были бы видны на прозрачном несущем слое в виде выступа при достаточно высоком разрешении в поперечном сечении или на виде сбоку, лежит в диапазоне 2 нм - 5 мкм, предпочтительно в диапазоне от 3 нм до 5 мкм, особенно предпочтительно между 40 нм и 1 мкм.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, материалом проводящей дорожки является, например, металл, предпочтительно медь или серебро. Необязательно все проводящие дорожки выполнены из одинакового материала, так, при образовании узора один слой проводящих дорожек может быть из другого материала, нежели лежащий над ним слой, образующий узор вместе с нижним слоем.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, узор из проводящих дорожек соединен с помощью прозрачного и, как правило, очень тонкого, при известных условиях также плохо, но при этом полностью проводящего слоя. При этом узор из проводящих дорожек может быть заделан в слой, или слой соединяет лишь проводящие дорожки электрическим проводящим образом так, что получается сплошная и проводящая поверхность. Этот слой состоит из прозрачного, электрически проводящего материала, например из оксида индия-цинка (ITO), другого оксида металла, такого как оксид цинка, или из материала на органической основе, таком как PEDOT (полиэтилендиокситиофен) (с любым легированием), из наполненного наночастицами материала или других материалов, которые являются прозрачными и электрически проводящими. Этот слой предпочтительно очень тонкий, например толщина слоя может лежать в диапазоне от 5 до 500 нм, предпочтительно от 10 до 100 нм.
Другим вариантом выполнения согласно изобретению является электрический функциональный слой с двумя, предпочтительно противолежащими соединительными электродами, в котором по меньшей мере две проводящие дорожки расположены параллельно поверхности прозрачного носителя и между соединительными электродами так, что они соединяют соединительные электроды друг с другом таким образом, что узор, созданный с помощью проводящих дорожек, имеет расстояние между проводящими дорожками, которое обеспечивает проводимость электрического функционального слоя при одновременной прозрачности для человеческого глаза.
Прозрачный носитель предпочтительно, но необязательно, является прозрачной пленкой, в частности гибкой пленкой и совсем предпочтительно - синтетической пленкой, например пленкой из полиолефина, такого как полиэтилен (РЕ), полипропилен (РР), поливинилхлорид (PVC), полистирол (PS), полиэстер (РЕ) и/или поликарбонат (PC).
Гибкие носители имеют то преимущество, что на них можно выполнять печать в непрерывном процессе производства, например, с помощью способа рулонной печати. Прозрачный носитель может быть также электрическим функциональным слоем, согласно изобретению, или же другим прозрачным и проводящим слоем, например, из ITO, другого оксида металла, такого как оксид цинка, или из материала на органической основе, такого как PEDOT (с любым легированием), из наполненного наночастицами материала или других материалов, которые являются прозрачными и электрически проводящими.
Проводящие дорожки могут быть из любого электрически проводящего материала или смеси нескольких материалов. Например, дорожки выполнены из металла, в частности из серебра, меди, золота, алюминия и т.д., и/или из сплава или проводящей пасты, а также из другого проводящего материала, например органического соединения с подвижными носителями заряда, такими как полианилин, политиофен и другие. Все материалы могут быть, естественно, легированы. При этом следует снова упомянуть, что при образовании узора проводящие дорожки могут быть из различных материалов.
Соединительные электроды могут быть также выполнены из всех обычных для электродов материалов. В частности, соединительные электроды выполнены предпочтительно из меди и/или серебра.
Соединительные электроды и/или проводящие дорожки могут быть еще снабжены контактными усилениями, которые служат для лучшей передачи сигналов. Они могут быть выполнены, например, из проводникового серебра или сажистого углерода (Carbon Black).
Проводящие дорожки предпочтительно с рисунками высокого разрешения наносятся на прозрачный носитель. Проводящие дорожки, как правило, непрозрачны или лишь полупрозрачны, так что прозрачность, которую эти структуры на прозрачном носителе имеют для человеческого глаза, достигается с помощью структур с высоким разрешением, а не с помощью прозрачности самого проводящего материала.
При этом особенно важно, что предотвращаются, возможно, возникающие, например, при подкладывании дисплея, эффекты муара. Эффектом муара называют оптическое явление, при котором появляются не имеющиеся линии за счет наложения друг на друга нескольких узоров. Оно возникает, в частности, при одинаковых узорах и/или при периодически повторяющихся узорах. При применении сенсорных экранов эффекты муара могут возникать за счет наложения пиксельной матрицы дисплея и вышележащего проводящего узора, согласно изобретению. Поэтому предпочтительно предотвращается образование параллельных прямых линий при структурировании проводящих дорожек.
Так, при нанесении проводящих дорожек на прозрачный носитель выбирают узоры, не имеющие периодичности, так что исключаются или по меньшей мере сильно ограничиваются наложения с образованием эффекта муара.
Кроме того, нежелательному эффекту муара противодействуют тем, что, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, отказываются от прямых линий и выбирают волнистые и/или зигзагообразные линии, например, с апериодической или случайной структурной последовательностью.
Предпочтительные варианты выполнения образуют, например, узоры, содержащие:
- параллельные проводящие дорожки;
- непараллельные проводящие дорожки для предотвращения муара; а также
- волнистые, зигзагообразные проводящие дорожки, как показано на фигурах.
Для изготовления проводящих дорожек можно использовать различные способы, например дорожки можно выполнять посредством печати, тиснения, офсетной печати или т.п.
Кроме того, можно создавать структурирование также посредством печати с помощью проводящей пасты, содержащей, например, металл, и/или сплав, и/или углерод в электрически проводящей модификации. Можно также наносить органические проводящие материалы соответствующими дорожками посредством простой печати.
В одном варианте выполнения изобретения применяется прозрачный электрически проводящий функциональный слой для изготовления резистивного мультисенсорного экрана, при этом на прозрачном функциональном слое имеются отдельные плоскостные проводящие сегменты с проводящими рисунками, которые выполнены с возможностью отдельного считывания и/или отдельного контактирования. Сегменты отличаются тем, что они обеспечивают возможность отдельного контактирования.
Отдельные сегменты могут иметь любую форму, например они могут иметь также форму полос. Разделение на сегменты предпочтительно продолжается и/или отображается также при контактировании соединительных электродов, так что здесь также в отношении мультисенсорных экранов выполняется соответствующее разделение мест соединения на сегменты.
В варианте выполнения изобретения, в котором дополнительно к соединительным электродам предусмотрены также контактные усилители, они также сегментированы в соответствующих мультисенсорных устройствах, т.е. выполнены, например, в виде полос, так что активирование одного сегмента всегда может считываться также в виде отдельного, дополнительно усиленного сигнала.
Нанесение на поверхность прозрачного носителя проводящих дорожек может изменяться в определенном диапазоне, например, с помощью нанесения на 20% поверхности за счет выбора соответственно тонкой проводящей дорожки и соответствующей структуры можно создать функциональный слой, все еще являющийся прозрачным для человеческого глаза. Предпочтительно степень покрытия поверхности лежит в диапазоне от 3 до 15%, в частности меньше 10%.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании выбранных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1а и 1b - равномерные узоры из проводящих дорожек;
фиг. 2а и 2b - неравномерные узоры;
фиг. 3 - поперечный разрез конструкции электрического функционального слоя;
фиг. 4 - электрический функциональный слой с несколькими слоями;
фиг. 5 - электрический функциональный слой с соединительными электродами;
фиг. 6 - поперечный разрез электрического функционального слоя с соединительными электродами;
фиг. 7 - два электрических функциональных слоя, согласно фиг.5, разделенных с помощью распорок;
фиг. 8 - пример выполнения с сегментированными проводящими зонами;
фиг. 9 - штабель электрических функциональных слоев с сегментированными проводящими зонами с различными растрами;
фиг. 10 - штабель электрических функциональных слоев с сегментированными проводящими зонами с одинаковыми растрами;
фиг. 11 - угол пленки из электрического функционального слоя, согласно примеру выполнения на фиг. 10, с контактным усилением.
На фиг. 1а и 1b показаны примеры узоров из проводящих дорожек 1 на прозрачном носителе (не виден, поскольку прозрачный!).
На фиг. 2а и 2b показаны примеры узоров, как на фиг. 1, однако здесь для предотвращения муара ни одна из электрически проводящих дорожек не параллельна другой дорожке.
На фиг. 3 показан поперечный разрез с прозрачной подложкой 2, которая является прозрачной пленкой, обычно применяемой для подложек, но которая может быть также прозрачным, электрически проводящим слоем соответствующей толщины. На нее нанесен узор из проводящих дорожек 1.
На фиг. 4 показан тот же поперечный разрез, что и на фиг. 3, однако наряду с проводящими дорожками 1 и подложкой 2 имеется еще прозрачный тонкий дополнительный слой 3, который обеспечивает поверхностную проводимость в обычных подложках, и другой дополнительный слой 4 на задней стороне подложки 2, который является, например, противоотражательным слоем.
На фиг. 5 показано, как можно выбрать расположение проводящих дорожек относительно соединительных электродов таким образом, чтобы все пути тока в узоре были одинаково сильно нагружены. При этом, в частности, предотвращается расположение проводящих дорожек параллельно соединительным электродам.
При этом предпочтительно, когда, например, на прямоугольной поверхности, на которой находятся соединительные электроды 6 на двух противоположных сторонах, не предусмотрены проходящие параллельно кромкам соединительных электродов 6 проводящие дорожки 1, поскольку они в этом случае также во включенном состоянии остаются практически обесточенными. Напротив, в этом случае простой решетчатый узор проходит, как показано здесь, предпочтительно так, что проводящие дорожки расположены под углом 45° относительно кромок и, например, под углом 90° относительно друг друга. Это приводит, например, вместо узора в клетку к узору в виде ромбов. В этом случае в ромбе все пути тока во включенном состоянии одинаково нагружены, и проводимость образованного таким образом прозрачного функционального слоя выше, чем при одинаковом нанесении функционального слоя с узором в клетку, проходящим вертикально и горизонтально относительно кромок, т.е. также относительно соединительных электродов 6, поскольку в последнем случае используется лишь половина путей тока.
Из всех точек 5 пересечения при узоре, согласно фиг. 5, ток может протекать равномерно.
На фиг. 6 показан пример выполнения, согласно фиг. 5, в поперечном разрезе. При этом показана конструкция, согласно фиг. 4, с проводящими дорожками 1, подложкой 2, проводящим дополнительным слоем 3 и слоем 4 на задней стороне. Однако дополнительно к изображению, согласно фиг. 4, показаны еще соединительные электроды 6.
На фиг. 7 показана конструкция из двух электрических функциональных слоев, согласно изобретению, например, для применения в качестве прозрачного резистивного сенсорного поля, при этом два функциональных слоя 8, таких как, например, показаны на фиг. 5, наложены друг на друга и соединены с распорками 7 таким образом, что при нажатии образуется короткое замыкание, которое можно оценивать в качестве сигнала. Распорки 7 называются также распорными точками 7 (Spacer Dots).
При прикосновении к сенсорному экрану в одном месте соприкасаются там оба функциональных слоя и либо возникает электрический контакт, либо изменяется сопротивление. За счет сопротивления контакта в каждом месте возникает различное напряжение. Изменение напряжения можно использовать для определения координат x и y.
На фиг. 8 сегментированный электрический функциональный слой 10, в котором отдельные электрически проводящие сегменты 9 расположены на определенном сегментном расстоянии относительно друг друга на прозрачной подложке (не видна, поскольку прозрачная!). Отдельные сегменты 9 имеют каждый контактный усилитель 12 к соединительным электродам (здесь не изображены). Как показано, отдельные сегменты выполнены с возможностью электрического соединения по отдельности.
Для изготовления данного сенсорного экрана отдельные электрические функциональные слои могут быть созданы, например, на раздельных подложках. На последующей стадии процесса затем верхние стороны соединяют и/или ламинируют.
На фиг. 9 показан вид, аналогичный фиг. 7, однако один из обоих электрических функциональных слоев 8, согласно фиг. 5, заменен сегментированным функциональным слоем 10, согласно фиг. 8. Второй электрический функциональный слой является функциональным слоем 8, согласно фиг. 5, который не сегментирован. На данной фигуре также показаны распорки 7.
На фиг. 10 показан вид, как на фиг. 9, однако при этом оба функциональных слоя сегментированы. Оба функциональных слоя вновь отделены друг от друга распорками 7. За счет контактных усилителей 12 обеспечивается возможность управления по отдельности всеми сегментами.
Наконец, на фиг. 11 показан тот же вариант выполнения, что и на фиг. 10, однако с возможностью электрического соединения лишь на одной стороне.
Указанные здесь диапазоны для ширины проводящих дорожек, для расстояния между проводящими дорожками, для ширины сегментов и расстояния между сегментами в вариантах выполнения мультисенсорного экрана могут быть средними значениями совокупности.
Принципиально узор выбирается так, чтобы, возможно, все имеющиеся проводящие дорожки нагружались, возможно, более равномерно при приложении напряжения. В узорах, которые образуют точки пересечения, проводящие дорожки предпочтительно располагают так, что проводящие дорожки пересекаются таким образом, что ток протекает равномерно в обоих направлениях от пересечений проводящих дорожек. Это реализуется, например, в узоре в косую клетку, в котором линии проходят под углом 45° относительно соединительных электродов на кромках.
Прозрачный функциональный слой предпочтительно выполнен с распорными точками (Spacer dots) так, что обеспечивается возможность их использования в сенсорном экране. В случае резистивного сенсорного экрана оба или же один из обоих проводящих слоев может быть заменен проводящим функциональным слоем, согласно изобретению. Возможна комбинация с обычным слоем из ITO.
Прозрачный функциональный слой можно применять, например, в сенсорных экранах. Для сенсорных экранов имеются различные технологии, при этом область резистивных сенсорных экранов имеет большую долю на рынке.
Резистивные сенсорные экраны содержат, как правило, два противолежащих проводящих, до настоящего времени в большинстве случаев получаемых из ITO, объекта из слоистого материала а (слой x и y), которые управляются с помощью неизменного постоянного напряжения. Внутри объекта из слоистого материала находятся распорки, так называемые распорные точки (Spacer Dots), которые обеспечивают разделение двух слоев. Распорные точки (Spacer Dots) имеют, как правило, диаметр меньше 20 мкм, от 0,1 до 5 мкм, от 0,2 до 2 мкм и, в частности, от 0,3 до 0,5 мкм.
В простейшем случае для изготовления сенсорных экранов обычные слои из ITO заменяются структурированным прозрачным проводящим функциональным слоем с высоким разрешением, описание которого приведено выше, остальная конструкция и сборка сенсорного экрана остается без изменения.
За счет сегментирования структуры и/или узора прозрачного проводящего функционального слоя можно впервые получать также резистивные мультисенсорные экраны, т.е. можно одновременно определять и считывать несколько положений x и y.
Для этого выбирается компоновка, которая разделена на различные участки сегментов, каждый из которых контактируется отдельно и тем самым могут считываться по отдельности. При этом может быть выбрано различное расстояние между сегментами, и предпочтительно оно выбирается во взаимосвязи с шириной растра структуры.
Однако данное изобретение пригодно также для применений, как например, прозрачные электроды в солнечных элементах или в целом в фотоактивных элементах, в органических светодиодах (например, также освещении с помощью органических светодиодов), в сенсорных экранах, нагревателях в стеклах (например, в переднем стекле автомобиля, в не запотевающих зеркалах и т.д.).
За счет данного раскрытого изобретения впервые возможно изготовление с помощью процесса печати тонких проводящих электрических функциональных слоев, предназначенных для применения в резистивных сенсорных экранах. Например, при покрытии 5% и достаточной проводимости функциональный слой все еще является на 95% прозрачным для глаза человека.