用于在透明衬底相对两侧上的涂层内形成图案的方法和装置的制造方法
用于在透明衬底相对两侧上的涂层内形成图案的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于在透明衬底相对两侧上的涂层内形成图案的方法和装置，特备是双层电容式触摸传感器的制造方法和装置，以及由该方法制成的产品。
【背景技术】
[0002]将具有多点触摸功能的电容式触摸传感器包含在手持设备(例如智能手机、MP3播放器、PDA (个人数字助理)和平板PC (电脑)等)中的需求非常强烈。这种设备常常具有由玻璃或塑料制成的前透明盖板，双层透明电容式传感器被结合到前透明盖板的后面。这种布置可能导致盖/传感器模块过厚且过重，因此，需要尽可能地减小双层传感器的厚度，同时仍然保持良好的投射触摸性能。传感器的合适厚度是0.2_或更小。
[0003]双层传感器领域的现有技术一般包括在分别独立的衬底上制造发射(Tx)和接收(Rx)电极层，然后将它们层压在一起。用于传感器的两个衬底一般由塑料制成。在这种情况下，制造总体厚度为0.2mm或更小的层压双层传感器需要使用厚度为大约0.075mm或0.05mm的聚合物衬底，而这难以实现。
[0004]双层传感器领域的其他现有技术包括在单个透明衬底的相对两面上沉积两层相似的透明导电(TC)层，然后，在使用激光直写刻图在层内形成Tx和Rx电极。然而，这种工序受限于最小衬底厚度，因为随着玻璃衬底的厚度小于约0.4mm，激光束对一侧上TC进行刻图将损坏另一侧上TC的问题变得非常严重。
[0005]一般使用光刻工艺对双层触摸传感器的TC层进行刻图，该工艺包含抗蚀剂的应用、通过掩膜曝光、抗蚀剂显影、TC层的化学刻蚀和最终的抗蚀剂剥离。这种对每个需要刻图的材料层必须重复的多步骤工序具有与其相关的高成本，因为需要大量资本的设备和需求大量的化学制品。造成高成本的一个主要因素就是对于每个传感器设计，需要刻图的每一层都需要特别昂贵的掩膜。激光直写刻图克服了所有这些缺陷。因此，存在使用激光刻图工艺但同时能够在单个薄衬底上制造双层传感器的强烈愿望。两层被提供在衬底的相对两侧上，因此两层都被曝光(而不是被另外的层覆盖并因此被夹在两层之间)。
[0006]本发明目的在于解决上述问题，通过提供一种对衬底的相对两侧上的涂层进行激光直写刻图的方法和设备，当在第二涂层形成图案时不会对第一涂层造成明显的损坏。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种在透明衬底相对两侧的涂层内通过激光直写刻图形成图案的方法，衬底在其相对两侧上具有第一和第二面，该方法包括步骤:
[0008]a)在衬底的第一侧上提供第一透明涂层，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；
[0009]b)将衬底安装在工作台上或将衬底定位在夹具上；
[0010]c)使用第一激光束通过激光烧蚀在第一透明涂层内形成第一图案；
[0011]d)在形成所述第一图案之后，在衬底的第二侧上提供第二透明涂层，第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性(modificat1n)阈值能量密度的材料构成；
[0012]使用第二激光束通过激光烧蚀或改性在第二透明涂层内形成第二图案，第二激光束的能量密度低于第一激光束的能量密度，使得第二透明涂层的烧蚀不会对第一透明涂层造成明显的损坏。
[0013]根据发明的第二方面，提供一种装置，所述装置用于在提供在透明衬底的相对两侧上的第一和第二透明涂层内通过激光直写刻图形成图案，衬底在其相对两面上具有第一和第二侧，所述装置包括:
[0014]工作台或夹具，衬底能够被安装在工作台上或被定位在夹具上；
[0015]第一激光源，被设置为提供第一激光束，用于在衬底的第一侧上的第一透明涂层内通过激光烧蚀形成第一图案；和
[0016]第二激光源，被设置为提供第二激光束，以在衬底的第二侧上的第二透明涂层内通过激光烧蚀或改性形成第二图案，
[0017]第二激光束的能量密度小于第一激光束的能量密度，使得第二透明涂层的烧蚀不会对第一透明涂层造成明显的损坏。
[0018]发明还涉及这样一种装置，该装置与透明衬底结合，透明衬底在其第一侧上具有第一透明涂层，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；以及在衬底的第二侧上具有第二透明涂层，第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。
[0019]发明进一步涉及一种用于执行如上详细说明的方法的如上详细说明的装置的使用。
[0020]根据发明进一步的方面，提供一种由如上描述的方法所形成的产品，所述产品包括具有第一和第二图案的透明衬底，所述第一和第二图案在衬底第一和第二侧上的第一和第二透明导电涂层内通过激光直写刻图形成，第一和第二涂层由不同材料构成，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成，而第二涂层由相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。
[0021]本发明因此能够对薄衬底的相对两侧上的涂层进行激光直写刻图，且当在衬底另一侧的第二涂层内通过激光直写刻图形成图案时不会对第一涂层造成明显的损坏。在进行激光刻图时，这两个涂层均是暴露的，使得它们在激光烧蚀期间能自由膨胀并蒸发。它们烧蚀的特性因此不同于被夹在其他层之间的层(因此是不能自由膨胀)的烧蚀特性。由这样叠压的层所施加的反压力趋于大幅提高烧蚀阈值。
[0022]术语“衬底”具有其常规含义，即它是提供基底的初始层，其他材料能够被沉积在该基底上(用于后续刻图等)。在此文中，“薄衬底”为透明的单层衬底，且当具有类似于用于在第一涂层内形成图案所使用的激光的能量密度的激光被用于在第二涂层内(在同一衬底的相对侧上)形成图形时，其厚度不足以保护第一涂层(在衬底的第一侧上)，然而该厚度使得衬底可以作为其他材料能被沉积在其上的基底。
[0023]衬底优选地具有至少0.05mm且小于0.5mm的厚度，并优选小于0.2mm。
[0024]发明其他优选的和可选的特征将从本说明书所附的权利要求和以下的描述中为显而易见的。
【附图说明】
[0025]现仅通过实施例并参考附图对本发明进行进一步描述，其中:
[0026]图1显示了在其每侧上具有涂层的已知衬底的横截面视图；
[0027]图2A和2B为典型地可提供在衬底每侧涂层内的已知电极图案的示意图；
[0028]图3为如图1所示的已知衬底在涂层内电极图案形成之后的横截面视图；
[0029]图4A-4D为图解根据本发明实施例的衬底在其相对两侧的涂层内图案形成各阶段的横截面视图；
[0030]图5为在执行根据本发明方法中使用的装置的一种形式的侧视图；
[0031]图6为图解相对于衬底移动该装置的一种方式的示意性立体图；
[0032]图7为图解相对于衬底移动该装置的另一种方式的示意性立体图；
[0033]图8A和8B为执行根据本发明方法的装置的其他形式的示意图；
[0034]图9为可用于本发明某些实施例中的转移膜的横截面视图；
[0035]图10A-10D为图解衬底在其相对两侧的涂层内图案形成各阶段的横截面视图，其中在方法中使用了图9的转移膜；
[0036]图11为用于执行图10A-10D所示各阶段的装置的示意图；
[0037]图12为用于执行类似于图4所图解的方法的生产线的示意图；和
[0038]图13为用于执行类似于图10所图解的方法的生产线的示意图。
【具体实施方式】
[0039]本发明具体参照其在双层电容式触摸传感器面板的电极的制造中的使用进行描述，但其也可以用于需要在透明衬底相对两侧上暴露的涂层内形成图案的其他应用中。
[0040]图1显示了用于典型的双层投射式电容触摸面板的衬底I的横截面。衬底I是透明的，且可以是刚性的并由玻璃或其他无机透明材料(如二氧化硅)制成，或者可以是弹性的并由聚合物制成(例如聚酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或亚克力(PMMA))。虽然衬底具有使得其可被安装在用于加工的工作台(stage)上的厚度，但是衬 底I的厚度一般为零点几毫米。如上所述，衬底优选地为至少0.05mm厚，但典型地小于0.5mm厚，且在优选的例子中小于0.2mm厚。既透明又导电的材料的薄层2和3被施加到衬底I的两侧上。这些层2和3通常由无机氧化物制成，例如铟锡氧化物(ITO)、二氧化锡(Sn02)、氧化锌(ZnO)或其他氧化物，在该例中，它们被称为TCOs(透明导电氧化物(transparent conductive oxides))。可通过物理气相沉积法(PVD)来施加这样的材料，但是也可以使用其他方法。也可使用基于有机材料或纳米粒子材料的其他透明导电层，这种层典型地通过印刷类工序来施加，但是仍可使用其他方法。通用术语透明导电(TC)材料被用于指所有适合的透明导体。典型TC层厚度在30nm至几个10nm的范围内。用在触摸面板的TC层的薄层电阻通常在每平方10 Ω到每平方数个100 Ω的范围内。在整个可见区域的TC光传输一般大于85%且常常大于 90%o
[0041]图2A和B显示了用于形成普通类型的双层投射式电容触摸面板的电极结构类型。这两个示意图显示了透明衬底I的相对两面的平面图。在相对两侧上的TC层2和3由穿进衬底表面的TC层内的裂缝6和7分成数个独立的线性平行电极4和5。这些电绝缘裂缝可通过包含化学或等离子刻蚀的光刻工艺制成，或者优选地通过激光划线制成。理想地，裂缝足够窄以使眼睛难以识别。衬底一个面上的电极在正交于相对面上的那些电极的方向上布置以形成电容传感器的发射电极(Tx)和接收电极(Rx)组。用于手持设备的触摸面板一般是长方形的且通常具有达到约80x 120mm的尺寸。用于笔记本电脑的触摸面板的尺寸基本上更大，在尺寸上典型地达到250mm X 150mm。TC层内电极的宽度从Rx电极的大约Imm到Tx电极的数个_变化。电极布局可能比图2所示的更复杂，但是一般而言，它们总是由某些类型的正交X-Y阵列构成。
[0042]当然，为了监测由于触摸面板表面上的触摸事件而引起的电极之间的电容变化，有必要对每个X电极和Y电极的至少一个端部提供电连接，然而这种电极连接方法是众所周知的，因而不作进一步的描述。
[0043]图3显示了用于电容式传感器的衬底在电极形成之后的横截面视图。电绝缘凹槽6形成于第一 TC层2内以产生绝缘电极带4。以同样的方式，电绝缘凹槽7形成于第二 TC层3内以产生绝缘电极带5，绝缘电极带5通常正交于第一 TC层2上的那些绝缘电极带。
[0044]为了可靠地在薄的衬底上通过光刻方法制造这样的双层传感器需要很多加工步骤，包括用于衬底双侧的抗蚀剂的应用、图案曝光、抗蚀挤显影、TC刻蚀和抗蚀剂剥离。为了简化这些工序，激光频繁地被使用以通过烧蚀衬底的TC材料在TC层内直接形成凹槽。在一侧上具有单个TC层的衬底上，这种激光烧蚀加工操作很好，但是对于两侧都具有相同的TC层的衬底，第一 TC层的选择性刻图不会使第一侧激光对第二 TC层造成损坏(或者第二 TC层的选择性刻图不会对第一 TC层造成损坏)是困难的，除非衬底相对厚(例如大于0.7mm)或激光波长短(例如355nm或更短)。这两个要求都是不期望的，厚的传感器使包含该传感器在内的设备将增加其无法接受的重量和厚度，而短波长激光的使用不但昂贵且可能导致衬底表面的损坏。
[0045]因此，如上所述，对于在如此薄的透明衬底的相对两侧上暴露的涂层内选择性的形成Tx和Rx电极结构，需要可靠的基于激光的工序。
[0046]图4显示了本发明优选的方法中的工序步骤。开始点为如图4A所示的在第一侧被涂覆有第一 TC层2的薄衬底I。如上所表明的，为了形成薄的传感器，衬底也需要是薄的。优选地，衬底具有0.5mm或更小的厚度，并且优选地具有0.2mm或更小的厚度。
[0047]第一 TC层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成，例如大于约0.5J/cm2。适合该后者的TC材料为铟锡氧化物(ITO)。这种TC材料通过诸如溅射的PVD工序很容易地应用于玻璃和塑料衬底。对于沉积在玻璃或塑料衬底上的ITO和其他TCOs，烧蚀阈值能量密度通常在0.5至0.7J/cm2的范围内。典型地，在衬底为了激光加工被安装在工作台上之前施加第一 TC层，但是也可以在衬底被支撑在工作台上时施加第一 TC层。
[0048]图4B显示了下一步骤，在此步骤，来自脉冲激光器的光束8被用于通过激光烧蚀工序在第一 TC层2上形成电绝缘凹槽以在衬底I的第一侧上产生所需的电极结构。工作于红外(IR)区域(例如在波长约1064nm)的脉冲二极管泵浦固态(DPSS)激光器被优选地用于从玻璃和塑料衬底去除ITO或类似的TC材料。激光束8能被直接地聚焦在衬底I第一侧上的第一 TC层2上，或者选择性地，光束8’可被引导朝向衬底I的第二侧并穿过衬底I以从后部与第一 TC层2相互作用。第一激光束具有足够的能量密度以烧蚀第一涂层，例如用于如上描述的第一涂层的0.5J/cm2或更高的能量密度。
[0049]图4C显示了下一步骤，其中，衬底I被翻转并且第二 TC材料由溶液被施加到第二侧上，例如通过使用喷头10的喷射工序。第二 TC材料具有的用于烧蚀该TC材料或分裂该TC材料以使其不再导电的激光能量密度阈值低于用于烧蚀第一 TC材料的激光能量密度阈值。典型地，用于烧蚀TC材料或用于分裂TC材料的激光能量密度阈值将小于约0.5J/cm2。因此，第二透明涂层的激光烧蚀或改性能量密度阈值小于第一透明涂层的激光能量密度阈值。用于两个涂层的阈值之差应足以通过激光烧蚀或改性在第二涂层内形成图案而不会对第一涂层造成明显的损坏。在实践中，较高能量密度的至少20%的差异是必须的且优选地至少40%的差异。
[0050]用于第二 TC的合适材料是纳米材料，例如银或其他金属纳米线(NWs)、碳纳米管(CNTs)、碳纳米芽(CNBs)、石墨烯或其他纳米粒子。也可以使用具有用于烧蚀或改性的合适低能量密度的其他TC材料，例如有机层(例如，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)或PED0T)。
[0051]图4D显示最后步骤，其中，来自第二激光器的激光束11被用于在第二 TC层3内产生电绝缘区域12。电绝缘可以通过沿光束路径第二 TC的烧蚀去除或者在TC层3内纳米粒子的分裂以使在激光路径一侧的TC材料与激光路径另一侧的TC材料电绝缘。理想地，第二激光器与第一激光器的类型和波长相类似，但是也可使用可替代的激光器类型，例如DPSS或工作于可见光区域(例如532nm或约532nm)的光纤激光器。激光束11可被直接地聚焦在衬底I的第二侧上的第二 TC层3上，或者可选地，光束11’可被引导朝向衬底I的第一侧且穿过第一 TC层2和衬底I以从后部与第二 TC层3相互作用。第二激光束具有足够的能量密度以烧蚀(或改性)第二涂层但是不能高到对第一涂层造成明显的损坏，例如，用于如上描述的第一和第二涂层的0.5J/cm2或更小的能量密度。
[0052]如图4B和4D所显示，两个TC层2、3的外表面在激光烧蚀步骤期间是暴露的，也就是两个表面中的任何一个表面不被另外的层覆盖。
[0053]一种优选的布置使用IR脉冲激光器用于对第一和第二 TC层进行刻图。另一种优选的布置使用IR激光器用于对衬底的第一侧的第一 TC层进行刻图并且使用工作于可见光区域(例如532nm或515nm)的脉冲激光器对第二侧上的第二 TC层进行刻图。
[0054]除了上述提到的那些材料以外的其他材料，只要它们具有足够的激光烧蚀/改性阈值能量密度的差异就可以被用于形成第一和第二涂层。一般地，两个层由不同类型的材料(如描述的例子中的)构成，但是在某些情况下，它们由类似的材料构成(例如两层都可由纳米材料构成，但具有不同的激光烧蚀/改性阈值能量密度)。
[0055]图5显示了用于执行所描述方法的一种形式的装置的侧视图，以在第一和第二 TC层内形成裂缝以在其内产生电极结构。激光束13通过透镜14被聚焦在衬底表面上的小光斑15以通过烧蚀直接去除材料或改性TC材料。如图中通过双箭头所指示的，光束通过2D扫描单元16在衬底的区域上移动以产生所需要的凹槽图案来限定Tx或Rx电极。
[0056]图6显示了使用图5所 示的激光器的布置如何加工玻璃或聚合物片衬底17以制造多个电容式触摸面板。衬底17包括多个触摸面板18 (在此例中为20的阵列)且被安装在XY工作台上。衬底17在整个顶侧被涂覆有第一 TC层。脉冲激光器19发射光束13，光束13经镜子20和20’被引导至扫描仪和透镜单元14。衬底17被定位在工作台上以便面板18中的一个在扫描仪和激光器之下，扫描仪被操作以在整个或部分面板18上对第一 TC层进行刻图。工作台随后在X和Y方向步进以移动衬底以使该面板18的另一个区域或另一个面板18被定位在扫描仪下。此操作进行至衬底I上的所有传感器面板18均被刻图。衬底I然后被移走且第二 TC被喷射到其第二侧上，接着衬底I被重新放置在XY工作台上且对准适合的基准标记以使第一侧和第二侧图案相互对齐(register)。第二侧TC随后以与第一侧同样的“步进和扫描”模式被刻图，但是使用较低的脉冲激光能量密度(如上所描述的)以便该工序不会对前步形成的第一 TC层造成明显的损坏。
[0057]图7显示了当衬底为连续卷材(continuous web)形式时的一种替代布置来制造这种双层传感器。在其顶侧具有TC层的卷材材料21在X方向从第一滚筒22逐渐地向第二滚筒23移动。卷材21沿着X方向的移动可以是连续的或者间断的。为了沿X方向精准移动，最好将一段卷材材料21向下吸附在线性工作台上移动的夹具24上。脉冲激光器19发射经镜子20和20’引向扫描仪和透镜单元14的光束13。扫描仪14被安装在使其能在Y方向移动的线性工作台上。扫描仪和在夹具上的衬底通过X和Y工作台被定位以便传感器面板18中的一个被定位在扫描仪和激光器的下面，并且扫描仪被操作以在整个或部分该面板区域上对第一 TC层进行刻图。扫描仪随后在Y方向上移动以便面板的另一个区域或者另一个传感器面板被定位在扫描仪的下方。此操作进行到衬底上的所有传感器面板横跨卷材宽度均已被刻图，接着卷材在X方向前进以暴露待被刻图的卷材的新区域。如果扫描仪可以在X和Y两个方向移动而卷材保持静止，可实现扫描仪关于卷材的相对移动的一种可替代方式。在第二 TC层被应用到衬底的第二侧上之后，重复这些步骤以在其内形成第二图案。
[0058]图8A显示了类似于图7所示装置的示意性侧视图。包含衬底的卷材材料31从第一滚筒32退卷，其中在衬底的第一侧具有第一 TC层。第一激光器用于对第一 TC层(在退卷卷材的底面)进行刻图，第二 TC层例如通过喷射被施加到卷材材料的第二(上)侧，第二激光器用于对第二 TC层进行刻图并且卷材材料随后被重绕到第二滚筒33上。在两次激光器刻图步骤期间，如关于图7所描述的，卷材材料被安装至线性工作台上(或者被安装至夹具上并且激光器在X和Y方向移动)。
[0059]图SB显示类似图8A的设备的示意性侧视图，在图中第二 TC层通过转移膜(后面进一步关于图9和10进行描述)被施加。图SB显示从第一滚筒35退卷的卷材材料34，在转移膜37从薄片轧辊38和39施加在其上后，重绕到第二滚筒36上。
[0060]图9显示了能将第二 TC层施加至衬底的转移膜的横截面视图。转移膜包括:承载膜50，粘合层51 (典型地约5微米厚)，粘合层之上为典型地厚度小于10nm的纳米线(NW)层52，以及最后为可移除的保护层53 (例如合适的塑料膜)。合适的转移膜可从日立化成(Hitachi Chemical)公司获得。
[0061]该转移膜能使NW层52施加到衬底上而不需要气相沉积那样的真空工序。而是，将NW层52 (连同粘合层51和保护层53)从承载膜50移除，然后直接施加到衬底上(使用粘合层51将NW层粘贴其上)，接着剥离保护层。
[0062]粘合层因此形成衬底和NW层之间的介电层，然后可通过如前面描述的方法中的激光烧蚀对NW层进行刻图。
[0063]这种改进后的工序步骤示于图1OA至1D中。图1OA显示了具有第一 TC层62的衬底61，第一 TC层62被提供在衬底61的第一面上。然后，如图1OB所示，利用来自上方的激光束68或者来自下方的穿过衬底61的激光束68’，通过激光烧蚀在TC层62内形成凹槽69 ο
[0064]然后，在衬底的第二面上，通过如上描述的转移膜提供NW层形式的第二 TC层65。第二 TC层65经如图1OC所示的粘合剂的层64被固定至第二面。
[0065]最后，如图1OD所示，利用来自上方的激光束67或者来自下方的穿过衬底61(以及第一 TC层和粘合层64)的激光束67’，通过激光烧蚀在NW层65内形成凹槽或改性条。
[0066]图11更详细地图解了在设置的卷轴到卷轴上执行时(类似图SB所示的)用于将转移膜应用到衬底的方法。在此情形下，薄膜玻璃(TFG)或者PET衬底71与其上的由铟锡氧化物(ITO)构成的第一 TC层一起被使用。TFG层典型地可具有约0.1mm的厚度。ITO层在TFG膜的底面并被激光刻图以形成所需的下电极结构(在图11中未示出)。转移膜(例如图9所示)从滚筒72退卷，承载膜50被移除并卷绕到滚筒73上。转移膜然后穿过层压机74以被施加到衬底71的第二面上，并且之后通过UV固化阶段对将NW层52粘贴到衬底71上的粘合剂51进行固化。然后，将保护膜53从NW层上移除并将其卷绕到滚筒76上。然后，对NW层进行激光刻图以形成上电极结构(在图11中未示出)。
[0067]所得的层压板包括:TFG (或PET)衬底，在衬底第一面上的ITO的第一 TC层和通过粘合层粘结到衬底第二面的NW层形式的第二 TC层。在衬底经过层压阶段之前对第一 TC层进行激光刻图，并且在移除保护层53之后对第二 TC层进行激光刻图。
[0068]图12为执行方法的生产线的示意图，该方法包括类似图4所示的那些阶段。步骤80:将衬底从第一滚筒退卷，该衬底具有施加到其第一面上的第一 TC层；步骤81:喷墨或丝网印刷机将金属(通常是AgGg))施加到第一 TC层的特定区域以形成传感器连接焊盘和母线；步骤82:在固化阶段固化Ag墨；步骤83:然后，将一段衬底定位在第一夹具上，此时，对第一 TC层/Ag进行激光刻图，衬底然后由轧辊84进行翻转；步骤85:将NW材料喷射到衬底的第二面上以形成第二 TC层；步骤86:固化NW层；步骤87:喷墨或丝网印刷机将Ag焊盘或母线结构施加到第二TC层；步骤88:Ag墨被固化；步骤89:然后，一段衬底被定位在第二夹具上，此时，对第二 TC层/Ag进行激光刻图；步骤90:从衬底切割传感器部件并将其转移至传送机、堆栈(stack)或盒中(切割可以由机械设备进行，但优选的是激光切割)；步骤91:将衬底重绕到第二滚筒上。如果需要，步骤90可由另外的、单独的工具完成，并且轧辊84也可被其后伴随有退卷单元的重绕单元替代。
[0069]图13为执行方法的生产线的示意图，该方法包括类似于图10所示的那些阶段。步骤92:将衬底从第一滚筒退卷，该衬底具有施加到其第一面的第一 TC层；步骤93:喷墨或丝网印刷机将金属(通常为AgGg))施加到第一 TC(典型地为ΙΤ0)层顶部的特定区域以形成传感器连接焊盘和母线；步骤94:在固化阶段Ag墨被固化；步骤95:然后，一段衬底被定位在第一夹具上，此时，对第一 TC层/银进行激光刻图；步骤96:使用例如图11所示装置通过转移膜将NW层施加到第二面上；步骤97:喷墨或丝网印刷机将Ag焊盘或母线结构施加至NW层；步骤98:固化Ag墨；步骤99:然后，将一段衬底定位在第二夹具上，此时，对第二 TC层/Ag进行激光刻图；步骤100:从衬底切割传感器部件并将其转移至传送机、堆栈或盒中(切割可以由机械设备进行，但优选的是激光切割)；步骤101:将衬底重绕到第二滚筒上。
[0070]上面所描述的用于在由玻璃或塑料制成的单个薄透明衬底上制造双层电容式触摸传感器的方法具有如下关键特征:
[0071]I)在衬底的第一侧上提供第一透明导电(TC)材料，第一 TC材料具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度；
[0072]2)第一脉冲激光被用于通过烧蚀TC材料移除来对第一 TC层进行刻图，以通过从所述第一侧直接聚焦到第一 TC层上的激光或通过从衬底第二 侧、穿过衬底且从后部引导至第一侧的TC层上的激光来形成传感器的Tx或Rx电极；
[0073]3)第二 TC材料层被喷射到(或不然被施加到)衬底的第二侧上，第二 TC材料优选为纳米材料并具有相对低的用于烧蚀移除或改性的激光阈值能量密度；
[0074]4)第二脉冲激光被用于烧蚀或改性第二 TC层以形成传感器的Tx或Rx电极，而不会对第一 TC层造成任何明显的损坏；第二激光的波长与第一激光的波长相似或不同；第二激光直接聚焦在第二侧的第二 TC层上或者第二激光从衬底的第一侧被引导，通过第一 TC层并穿过衬底从后部与第二侧上的第二 TC层相互作用；
[0075]5)当使用第一和第二激光器以在第一和第二透明涂层内形成电极结构时，第一和第二透明涂层均是暴露的，即不被另外的层或涂层覆盖。
[0076]以上描述的方法因而提供了一种制造“盖板集成”的双层电容式触摸传感器面板的改进方法，能够取代化学刻蚀工序在薄衬底的两侧进行电极图案的激光直写，因此减少或避免了以上描述的问题，并从而简化了这种面板的制作工序以及降低了其成本。
【主权项】
1.一种在透明衬底相对两侧的涂层内形成图案的方法，所述衬底在其相对两侧具有第一和第二面，该方法通过激光直写刻图形成图案，包括步骤: a)在所述衬底的第一侧上提供第一透明涂层，该第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成； b)将所述衬底安装在工作台上或将所述衬底定位在夹具上； c)使用第一激光束通过激光烧蚀在所述第一透明涂层内形成第一图案； d)在形成所述第一图案之后，在所述衬底的第二侧上提供第二透明涂层，所述第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成； e)使用第二激光束通过激光烧蚀或改性在所述第二透明涂层内形成第二图案，所述第二激光束的能量密度低于所述第一激光束的能量密度，使得所述第二透明涂层的烧蚀不会对所述第一透明涂层造成明显的损坏。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底具有至少0.05mm并小于0.5mm的厚度，优选小于0.2mm。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一涂层具有至少0.5J/cm2的激光烧蚀阈值能量密度。4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述第一涂层包括无机氧化物材料。5.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一激光束具有0.5J/cm2或更高的能量密度。6.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一激光束为具有波长在红外区域的脉冲激光束。7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一激光束从所述衬底的第二侧穿过所述衬底被引导至所述衬底的第一侧上的所述第一涂层。8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二涂层具有小于0.5J/cm2的激光烧蚀或改性阈值能量密度。9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二涂层包括纳米材料。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述纳米材料选自如下:金属纳米线、碳纳米管、碳纳米芽、石墨稀及其他纳米粒子。11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二激光束具有0.5J/cm2或更低的能量密度。12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二激光束为脉冲激光束，该脉冲激光束的波长与所述第一激光束的波长相似。13.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，所述第二激光束为脉冲激光束，该脉冲激光束的波长与所述第一激光束的波长不同。14.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二激光束从所述衬底的第一侧穿过所述第一涂层及所述衬底被引导至所述衬底的第二侧上的所述第二涂层。15.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一和/或第二图案由穿过所述第一和/或第二涂层的一系列凹槽形成，该一系列凹槽将涂层位于凹槽两侧的部分电绝缘。16.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二图案包括一条或多条在所述第二涂层内的改性材料线，该一条或多条线将涂层位于线两侧的部分电绝缘。17.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一和第二图案形成传感器的Tx和Rx电极。18.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一透明涂层在所述衬底被安装在工作台上或定位在夹具上之前被施加到所述衬底上。19.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述衬底为连续卷材的形式，所述连续卷材在所述第一和第二透明涂层的激光刻图之前从第一滚筒退卷，且之后被重绕到第二滚筒上。20.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二透明涂层通过转移膜被施加到所述衬底的第二面上。21.如权利要求20所述的方法，其中，所述方法包括用于固化粘合剂层的固化步骤，所述粘合剂层将所述第二透明涂层粘贴至所述衬底的第二面上。22.—种装置，所述装置用于在提供在透明衬底的相对两侧上的第一和第二透明涂层内通过激光直写刻图形成图案，所述衬底在其相对两面上具有第一和第二侧，所述装置包括: 工作台或者夹具，所述衬底能够被安装在该工作台上或被定位在该夹具上； 第一激光源，被设置为提供第一激光束，用于在所述衬底的第一侧上的第一透明涂层内通过激光烧蚀形成第一图案；和 第二激光源，被设置为提供第二激光束，以在所述衬底的第二侧上的第二透明涂层内通过激光烧蚀或改性形成第二图案， 所述第二激光束的能量密度小于所述第一激光束的能量密度，使得所述第二透明涂层的烧蚀不会对所述第一透明涂层造成明显的损坏。23.如权利要求22所述的装置，其中，所述衬底为连续卷材的形式，所述装置包括第一滚筒，所述连续卷材在形成第一激光图案之前从第一滚筒退卷；和第二滚筒，所述连续卷材在形成第二激光图案之后被重绕到第二滚筒上。24.如权利要求23所述的装置，其中，所述装置包括第一夹具，在形成所述第一激光图案时，成段的所述连续卷材能够被定位在所述第一夹具上；和第二夹具，在形成所述第二激光图案时，成段的所述连续卷材能够被定位在所述第二夹具上。25.如权利要求24所述的装置，其中，所述装置与透明衬底结合，所述透明衬底在其第一侧上具有第一透明涂层，所述第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；以及在所述衬底的第二侧上具有第二透明涂层，所述第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。26.一种由权利要求1所述的方法形成的产品，包括具有第一和第二图案的透明衬底，所述第一和第二图案在所述衬底的第一和第二侧上的第一和第二透明导电涂层内通过激光直写刻图形成，所述第一和第二涂层由不同材料构成，所述第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成，而所述第二涂层由相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。27.如权利要求26所述的产品，其中，所述第一涂层包括无机氧化物材料，且所述第二涂层包括纳米材料。28.如权利要求27所述的产品，其中，所述第一涂层包括铟锡氧化物(ITO)，且所述第二涂层包括银纳米线材料。29.如权利要求26、27或28所述的产品，所述产品形成双层电容式触摸传感器的部件。30.如权利要求22所述的装置执行如权利要求1所述的方法的应用。
【专利摘要】一种在透明衬底相对两侧的涂层内形成图案的方法，该方法通过激光直写刻图形成图案，包括步骤：a)在衬底的第一侧上提供第一透明涂层，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；b)将衬底安装在工作台上或将衬底定位在夹具上；c)使用第一激光束通过激光烧蚀在第一透明涂层内形成第一图案；d)在形成所述第一图案之后，在衬底的第二侧上提供第二透明涂层，第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成；使用第二激光束通过激光烧蚀或改性在第二透明涂层内形成第二图案，第二激光束的能量密度低于第一激光束的能量密度，使得第二透明涂层的烧蚀不会对第一透明涂层造成明显的损坏。还描述了一种执行该方法的装置以及由该方法所形成的产品。
【IPC分类】B23K26/362, B23K26/70
【公开号】CN104903045
【申请号】CN201480004070
【发明人】陈旭钧
【申请人】万佳雷射有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年1月9日
【公告号】EP2948267A1, WO2014114908A1
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于在透明衬底相对两侧上的涂层内形成图案的方法和装置，特备是双层电容式触摸传感器的制造方法和装置，以及由该方法制成的产品。
【背景技术】
[0002]将具有多点触摸功能的电容式触摸传感器包含在手持设备(例如智能手机、MP3播放器、PDA (个人数字助理)和平板PC (电脑)等)中的需求非常强烈。这种设备常常具有由玻璃或塑料制成的前透明盖板，双层透明电容式传感器被结合到前透明盖板的后面。这种布置可能导致盖/传感器模块过厚且过重，因此，需要尽可能地减小双层传感器的厚度，同时仍然保持良好的投射触摸性能。传感器的合适厚度是0.2_或更小。
[0003]双层传感器领域的现有技术一般包括在分别独立的衬底上制造发射(Tx)和接收(Rx)电极层，然后将它们层压在一起。用于传感器的两个衬底一般由塑料制成。在这种情况下，制造总体厚度为0.2mm或更小的层压双层传感器需要使用厚度为大约0.075mm或0.05mm的聚合物衬底，而这难以实现。
[0004]双层传感器领域的其他现有技术包括在单个透明衬底的相对两面上沉积两层相似的透明导电(TC)层，然后，在使用激光直写刻图在层内形成Tx和Rx电极。然而，这种工序受限于最小衬底厚度，因为随着玻璃衬底的厚度小于约0.4mm，激光束对一侧上TC进行刻图将损坏另一侧上TC的问题变得非常严重。
[0005]一般使用光刻工艺对双层触摸传感器的TC层进行刻图，该工艺包含抗蚀剂的应用、通过掩膜曝光、抗蚀剂显影、TC层的化学刻蚀和最终的抗蚀剂剥离。这种对每个需要刻图的材料层必须重复的多步骤工序具有与其相关的高成本，因为需要大量资本的设备和需求大量的化学制品。造成高成本的一个主要因素就是对于每个传感器设计，需要刻图的每一层都需要特别昂贵的掩膜。激光直写刻图克服了所有这些缺陷。因此，存在使用激光刻图工艺但同时能够在单个薄衬底上制造双层传感器的强烈愿望。两层被提供在衬底的相对两侧上，因此两层都被曝光(而不是被另外的层覆盖并因此被夹在两层之间)。
[0006]本发明目的在于解决上述问题，通过提供一种对衬底的相对两侧上的涂层进行激光直写刻图的方法和设备，当在第二涂层形成图案时不会对第一涂层造成明显的损坏。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种在透明衬底相对两侧的涂层内通过激光直写刻图形成图案的方法，衬底在其相对两侧上具有第一和第二面，该方法包括步骤:
[0008]a)在衬底的第一侧上提供第一透明涂层，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；
[0009]b)将衬底安装在工作台上或将衬底定位在夹具上；
[0010]c)使用第一激光束通过激光烧蚀在第一透明涂层内形成第一图案；
[0011]d)在形成所述第一图案之后，在衬底的第二侧上提供第二透明涂层，第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性(modificat1n)阈值能量密度的材料构成；
[0012]使用第二激光束通过激光烧蚀或改性在第二透明涂层内形成第二图案，第二激光束的能量密度低于第一激光束的能量密度，使得第二透明涂层的烧蚀不会对第一透明涂层造成明显的损坏。
[0013]根据发明的第二方面，提供一种装置，所述装置用于在提供在透明衬底的相对两侧上的第一和第二透明涂层内通过激光直写刻图形成图案，衬底在其相对两面上具有第一和第二侧，所述装置包括:
[0014]工作台或夹具，衬底能够被安装在工作台上或被定位在夹具上；
[0015]第一激光源，被设置为提供第一激光束，用于在衬底的第一侧上的第一透明涂层内通过激光烧蚀形成第一图案；和
[0016]第二激光源，被设置为提供第二激光束，以在衬底的第二侧上的第二透明涂层内通过激光烧蚀或改性形成第二图案，
[0017]第二激光束的能量密度小于第一激光束的能量密度，使得第二透明涂层的烧蚀不会对第一透明涂层造成明显的损坏。
[0018]发明还涉及这样一种装置，该装置与透明衬底结合，透明衬底在其第一侧上具有第一透明涂层，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；以及在衬底的第二侧上具有第二透明涂层，第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。
[0019]发明进一步涉及一种用于执行如上详细说明的方法的如上详细说明的装置的使用。
[0020]根据发明进一步的方面，提供一种由如上描述的方法所形成的产品，所述产品包括具有第一和第二图案的透明衬底，所述第一和第二图案在衬底第一和第二侧上的第一和第二透明导电涂层内通过激光直写刻图形成，第一和第二涂层由不同材料构成，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成，而第二涂层由相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。
[0021]本发明因此能够对薄衬底的相对两侧上的涂层进行激光直写刻图，且当在衬底另一侧的第二涂层内通过激光直写刻图形成图案时不会对第一涂层造成明显的损坏。在进行激光刻图时，这两个涂层均是暴露的，使得它们在激光烧蚀期间能自由膨胀并蒸发。它们烧蚀的特性因此不同于被夹在其他层之间的层(因此是不能自由膨胀)的烧蚀特性。由这样叠压的层所施加的反压力趋于大幅提高烧蚀阈值。
[0022]术语“衬底”具有其常规含义，即它是提供基底的初始层，其他材料能够被沉积在该基底上(用于后续刻图等)。在此文中，“薄衬底”为透明的单层衬底，且当具有类似于用于在第一涂层内形成图案所使用的激光的能量密度的激光被用于在第二涂层内(在同一衬底的相对侧上)形成图形时，其厚度不足以保护第一涂层(在衬底的第一侧上)，然而该厚度使得衬底可以作为其他材料能被沉积在其上的基底。
[0023]衬底优选地具有至少0.05mm且小于0.5mm的厚度，并优选小于0.2mm。
[0024]发明其他优选的和可选的特征将从本说明书所附的权利要求和以下的描述中为显而易见的。
【附图说明】
[0025]现仅通过实施例并参考附图对本发明进行进一步描述，其中:
[0026]图1显示了在其每侧上具有涂层的已知衬底的横截面视图；
[0027]图2A和2B为典型地可提供在衬底每侧涂层内的已知电极图案的示意图；
[0028]图3为如图1所示的已知衬底在涂层内电极图案形成之后的横截面视图；
[0029]图4A-4D为图解根据本发明实施例的衬底在其相对两侧的涂层内图案形成各阶段的横截面视图；
[0030]图5为在执行根据本发明方法中使用的装置的一种形式的侧视图；
[0031]图6为图解相对于衬底移动该装置的一种方式的示意性立体图；
[0032]图7为图解相对于衬底移动该装置的另一种方式的示意性立体图；
[0033]图8A和8B为执行根据本发明方法的装置的其他形式的示意图；
[0034]图9为可用于本发明某些实施例中的转移膜的横截面视图；
[0035]图10A-10D为图解衬底在其相对两侧的涂层内图案形成各阶段的横截面视图，其中在方法中使用了图9的转移膜；
[0036]图11为用于执行图10A-10D所示各阶段的装置的示意图；
[0037]图12为用于执行类似于图4所图解的方法的生产线的示意图；和
[0038]图13为用于执行类似于图10所图解的方法的生产线的示意图。
【具体实施方式】
[0039]本发明具体参照其在双层电容式触摸传感器面板的电极的制造中的使用进行描述，但其也可以用于需要在透明衬底相对两侧上暴露的涂层内形成图案的其他应用中。
[0040]图1显示了用于典型的双层投射式电容触摸面板的衬底I的横截面。衬底I是透明的，且可以是刚性的并由玻璃或其他无机透明材料(如二氧化硅)制成，或者可以是弹性的并由聚合物制成(例如聚酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或亚克力(PMMA))。虽然衬底具有使得其可被安装在用于加工的工作台(stage)上的厚度，但是衬 底I的厚度一般为零点几毫米。如上所述，衬底优选地为至少0.05mm厚，但典型地小于0.5mm厚，且在优选的例子中小于0.2mm厚。既透明又导电的材料的薄层2和3被施加到衬底I的两侧上。这些层2和3通常由无机氧化物制成，例如铟锡氧化物(ITO)、二氧化锡(Sn02)、氧化锌(ZnO)或其他氧化物，在该例中，它们被称为TCOs(透明导电氧化物(transparent conductive oxides))。可通过物理气相沉积法(PVD)来施加这样的材料，但是也可以使用其他方法。也可使用基于有机材料或纳米粒子材料的其他透明导电层，这种层典型地通过印刷类工序来施加，但是仍可使用其他方法。通用术语透明导电(TC)材料被用于指所有适合的透明导体。典型TC层厚度在30nm至几个10nm的范围内。用在触摸面板的TC层的薄层电阻通常在每平方10 Ω到每平方数个100 Ω的范围内。在整个可见区域的TC光传输一般大于85%且常常大于 90%o
[0041]图2A和B显示了用于形成普通类型的双层投射式电容触摸面板的电极结构类型。这两个示意图显示了透明衬底I的相对两面的平面图。在相对两侧上的TC层2和3由穿进衬底表面的TC层内的裂缝6和7分成数个独立的线性平行电极4和5。这些电绝缘裂缝可通过包含化学或等离子刻蚀的光刻工艺制成，或者优选地通过激光划线制成。理想地，裂缝足够窄以使眼睛难以识别。衬底一个面上的电极在正交于相对面上的那些电极的方向上布置以形成电容传感器的发射电极(Tx)和接收电极(Rx)组。用于手持设备的触摸面板一般是长方形的且通常具有达到约80x 120mm的尺寸。用于笔记本电脑的触摸面板的尺寸基本上更大，在尺寸上典型地达到250mm X 150mm。TC层内电极的宽度从Rx电极的大约Imm到Tx电极的数个_变化。电极布局可能比图2所示的更复杂，但是一般而言，它们总是由某些类型的正交X-Y阵列构成。
[0042]当然，为了监测由于触摸面板表面上的触摸事件而引起的电极之间的电容变化，有必要对每个X电极和Y电极的至少一个端部提供电连接，然而这种电极连接方法是众所周知的，因而不作进一步的描述。
[0043]图3显示了用于电容式传感器的衬底在电极形成之后的横截面视图。电绝缘凹槽6形成于第一 TC层2内以产生绝缘电极带4。以同样的方式，电绝缘凹槽7形成于第二 TC层3内以产生绝缘电极带5，绝缘电极带5通常正交于第一 TC层2上的那些绝缘电极带。
[0044]为了可靠地在薄的衬底上通过光刻方法制造这样的双层传感器需要很多加工步骤，包括用于衬底双侧的抗蚀剂的应用、图案曝光、抗蚀挤显影、TC刻蚀和抗蚀剂剥离。为了简化这些工序，激光频繁地被使用以通过烧蚀衬底的TC材料在TC层内直接形成凹槽。在一侧上具有单个TC层的衬底上，这种激光烧蚀加工操作很好，但是对于两侧都具有相同的TC层的衬底，第一 TC层的选择性刻图不会使第一侧激光对第二 TC层造成损坏(或者第二 TC层的选择性刻图不会对第一 TC层造成损坏)是困难的，除非衬底相对厚(例如大于0.7mm)或激光波长短(例如355nm或更短)。这两个要求都是不期望的，厚的传感器使包含该传感器在内的设备将增加其无法接受的重量和厚度，而短波长激光的使用不但昂贵且可能导致衬底表面的损坏。
[0045]因此，如上所述，对于在如此薄的透明衬底的相对两侧上暴露的涂层内选择性的形成Tx和Rx电极结构，需要可靠的基于激光的工序。
[0046]图4显示了本发明优选的方法中的工序步骤。开始点为如图4A所示的在第一侧被涂覆有第一 TC层2的薄衬底I。如上所表明的，为了形成薄的传感器，衬底也需要是薄的。优选地，衬底具有0.5mm或更小的厚度，并且优选地具有0.2mm或更小的厚度。
[0047]第一 TC层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成，例如大于约0.5J/cm2。适合该后者的TC材料为铟锡氧化物(ITO)。这种TC材料通过诸如溅射的PVD工序很容易地应用于玻璃和塑料衬底。对于沉积在玻璃或塑料衬底上的ITO和其他TCOs，烧蚀阈值能量密度通常在0.5至0.7J/cm2的范围内。典型地，在衬底为了激光加工被安装在工作台上之前施加第一 TC层，但是也可以在衬底被支撑在工作台上时施加第一 TC层。
[0048]图4B显示了下一步骤，在此步骤，来自脉冲激光器的光束8被用于通过激光烧蚀工序在第一 TC层2上形成电绝缘凹槽以在衬底I的第一侧上产生所需的电极结构。工作于红外(IR)区域(例如在波长约1064nm)的脉冲二极管泵浦固态(DPSS)激光器被优选地用于从玻璃和塑料衬底去除ITO或类似的TC材料。激光束8能被直接地聚焦在衬底I第一侧上的第一 TC层2上，或者选择性地，光束8’可被引导朝向衬底I的第二侧并穿过衬底I以从后部与第一 TC层2相互作用。第一激光束具有足够的能量密度以烧蚀第一涂层，例如用于如上描述的第一涂层的0.5J/cm2或更高的能量密度。
[0049]图4C显示了下一步骤，其中，衬底I被翻转并且第二 TC材料由溶液被施加到第二侧上，例如通过使用喷头10的喷射工序。第二 TC材料具有的用于烧蚀该TC材料或分裂该TC材料以使其不再导电的激光能量密度阈值低于用于烧蚀第一 TC材料的激光能量密度阈值。典型地，用于烧蚀TC材料或用于分裂TC材料的激光能量密度阈值将小于约0.5J/cm2。因此，第二透明涂层的激光烧蚀或改性能量密度阈值小于第一透明涂层的激光能量密度阈值。用于两个涂层的阈值之差应足以通过激光烧蚀或改性在第二涂层内形成图案而不会对第一涂层造成明显的损坏。在实践中，较高能量密度的至少20%的差异是必须的且优选地至少40%的差异。
[0050]用于第二 TC的合适材料是纳米材料，例如银或其他金属纳米线(NWs)、碳纳米管(CNTs)、碳纳米芽(CNBs)、石墨烯或其他纳米粒子。也可以使用具有用于烧蚀或改性的合适低能量密度的其他TC材料，例如有机层(例如，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)或PED0T)。
[0051]图4D显示最后步骤，其中，来自第二激光器的激光束11被用于在第二 TC层3内产生电绝缘区域12。电绝缘可以通过沿光束路径第二 TC的烧蚀去除或者在TC层3内纳米粒子的分裂以使在激光路径一侧的TC材料与激光路径另一侧的TC材料电绝缘。理想地，第二激光器与第一激光器的类型和波长相类似，但是也可使用可替代的激光器类型，例如DPSS或工作于可见光区域(例如532nm或约532nm)的光纤激光器。激光束11可被直接地聚焦在衬底I的第二侧上的第二 TC层3上，或者可选地，光束11’可被引导朝向衬底I的第一侧且穿过第一 TC层2和衬底I以从后部与第二 TC层3相互作用。第二激光束具有足够的能量密度以烧蚀(或改性)第二涂层但是不能高到对第一涂层造成明显的损坏，例如，用于如上描述的第一和第二涂层的0.5J/cm2或更小的能量密度。
[0052]如图4B和4D所显示，两个TC层2、3的外表面在激光烧蚀步骤期间是暴露的，也就是两个表面中的任何一个表面不被另外的层覆盖。
[0053]一种优选的布置使用IR脉冲激光器用于对第一和第二 TC层进行刻图。另一种优选的布置使用IR激光器用于对衬底的第一侧的第一 TC层进行刻图并且使用工作于可见光区域(例如532nm或515nm)的脉冲激光器对第二侧上的第二 TC层进行刻图。
[0054]除了上述提到的那些材料以外的其他材料，只要它们具有足够的激光烧蚀/改性阈值能量密度的差异就可以被用于形成第一和第二涂层。一般地，两个层由不同类型的材料(如描述的例子中的)构成，但是在某些情况下，它们由类似的材料构成(例如两层都可由纳米材料构成，但具有不同的激光烧蚀/改性阈值能量密度)。
[0055]图5显示了用于执行所描述方法的一种形式的装置的侧视图，以在第一和第二 TC层内形成裂缝以在其内产生电极结构。激光束13通过透镜14被聚焦在衬底表面上的小光斑15以通过烧蚀直接去除材料或改性TC材料。如图中通过双箭头所指示的，光束通过2D扫描单元16在衬底的区域上移动以产生所需要的凹槽图案来限定Tx或Rx电极。
[0056]图6显示了使用图5所 示的激光器的布置如何加工玻璃或聚合物片衬底17以制造多个电容式触摸面板。衬底17包括多个触摸面板18 (在此例中为20的阵列)且被安装在XY工作台上。衬底17在整个顶侧被涂覆有第一 TC层。脉冲激光器19发射光束13，光束13经镜子20和20’被引导至扫描仪和透镜单元14。衬底17被定位在工作台上以便面板18中的一个在扫描仪和激光器之下，扫描仪被操作以在整个或部分面板18上对第一 TC层进行刻图。工作台随后在X和Y方向步进以移动衬底以使该面板18的另一个区域或另一个面板18被定位在扫描仪下。此操作进行至衬底I上的所有传感器面板18均被刻图。衬底I然后被移走且第二 TC被喷射到其第二侧上，接着衬底I被重新放置在XY工作台上且对准适合的基准标记以使第一侧和第二侧图案相互对齐(register)。第二侧TC随后以与第一侧同样的“步进和扫描”模式被刻图，但是使用较低的脉冲激光能量密度(如上所描述的)以便该工序不会对前步形成的第一 TC层造成明显的损坏。
[0057]图7显示了当衬底为连续卷材(continuous web)形式时的一种替代布置来制造这种双层传感器。在其顶侧具有TC层的卷材材料21在X方向从第一滚筒22逐渐地向第二滚筒23移动。卷材21沿着X方向的移动可以是连续的或者间断的。为了沿X方向精准移动，最好将一段卷材材料21向下吸附在线性工作台上移动的夹具24上。脉冲激光器19发射经镜子20和20’引向扫描仪和透镜单元14的光束13。扫描仪14被安装在使其能在Y方向移动的线性工作台上。扫描仪和在夹具上的衬底通过X和Y工作台被定位以便传感器面板18中的一个被定位在扫描仪和激光器的下面，并且扫描仪被操作以在整个或部分该面板区域上对第一 TC层进行刻图。扫描仪随后在Y方向上移动以便面板的另一个区域或者另一个传感器面板被定位在扫描仪的下方。此操作进行到衬底上的所有传感器面板横跨卷材宽度均已被刻图，接着卷材在X方向前进以暴露待被刻图的卷材的新区域。如果扫描仪可以在X和Y两个方向移动而卷材保持静止，可实现扫描仪关于卷材的相对移动的一种可替代方式。在第二 TC层被应用到衬底的第二侧上之后，重复这些步骤以在其内形成第二图案。
[0058]图8A显示了类似于图7所示装置的示意性侧视图。包含衬底的卷材材料31从第一滚筒32退卷，其中在衬底的第一侧具有第一 TC层。第一激光器用于对第一 TC层(在退卷卷材的底面)进行刻图，第二 TC层例如通过喷射被施加到卷材材料的第二(上)侧，第二激光器用于对第二 TC层进行刻图并且卷材材料随后被重绕到第二滚筒33上。在两次激光器刻图步骤期间，如关于图7所描述的，卷材材料被安装至线性工作台上(或者被安装至夹具上并且激光器在X和Y方向移动)。
[0059]图SB显示类似图8A的设备的示意性侧视图，在图中第二 TC层通过转移膜(后面进一步关于图9和10进行描述)被施加。图SB显示从第一滚筒35退卷的卷材材料34，在转移膜37从薄片轧辊38和39施加在其上后，重绕到第二滚筒36上。
[0060]图9显示了能将第二 TC层施加至衬底的转移膜的横截面视图。转移膜包括:承载膜50，粘合层51 (典型地约5微米厚)，粘合层之上为典型地厚度小于10nm的纳米线(NW)层52，以及最后为可移除的保护层53 (例如合适的塑料膜)。合适的转移膜可从日立化成(Hitachi Chemical)公司获得。
[0061]该转移膜能使NW层52施加到衬底上而不需要气相沉积那样的真空工序。而是，将NW层52 (连同粘合层51和保护层53)从承载膜50移除，然后直接施加到衬底上(使用粘合层51将NW层粘贴其上)，接着剥离保护层。
[0062]粘合层因此形成衬底和NW层之间的介电层，然后可通过如前面描述的方法中的激光烧蚀对NW层进行刻图。
[0063]这种改进后的工序步骤示于图1OA至1D中。图1OA显示了具有第一 TC层62的衬底61，第一 TC层62被提供在衬底61的第一面上。然后，如图1OB所示，利用来自上方的激光束68或者来自下方的穿过衬底61的激光束68’，通过激光烧蚀在TC层62内形成凹槽69 ο
[0064]然后，在衬底的第二面上，通过如上描述的转移膜提供NW层形式的第二 TC层65。第二 TC层65经如图1OC所示的粘合剂的层64被固定至第二面。
[0065]最后，如图1OD所示，利用来自上方的激光束67或者来自下方的穿过衬底61(以及第一 TC层和粘合层64)的激光束67’，通过激光烧蚀在NW层65内形成凹槽或改性条。
[0066]图11更详细地图解了在设置的卷轴到卷轴上执行时(类似图SB所示的)用于将转移膜应用到衬底的方法。在此情形下，薄膜玻璃(TFG)或者PET衬底71与其上的由铟锡氧化物(ITO)构成的第一 TC层一起被使用。TFG层典型地可具有约0.1mm的厚度。ITO层在TFG膜的底面并被激光刻图以形成所需的下电极结构(在图11中未示出)。转移膜(例如图9所示)从滚筒72退卷，承载膜50被移除并卷绕到滚筒73上。转移膜然后穿过层压机74以被施加到衬底71的第二面上，并且之后通过UV固化阶段对将NW层52粘贴到衬底71上的粘合剂51进行固化。然后，将保护膜53从NW层上移除并将其卷绕到滚筒76上。然后，对NW层进行激光刻图以形成上电极结构(在图11中未示出)。
[0067]所得的层压板包括:TFG (或PET)衬底，在衬底第一面上的ITO的第一 TC层和通过粘合层粘结到衬底第二面的NW层形式的第二 TC层。在衬底经过层压阶段之前对第一 TC层进行激光刻图，并且在移除保护层53之后对第二 TC层进行激光刻图。
[0068]图12为执行方法的生产线的示意图，该方法包括类似图4所示的那些阶段。步骤80:将衬底从第一滚筒退卷，该衬底具有施加到其第一面上的第一 TC层；步骤81:喷墨或丝网印刷机将金属(通常是AgGg))施加到第一 TC层的特定区域以形成传感器连接焊盘和母线；步骤82:在固化阶段固化Ag墨；步骤83:然后，将一段衬底定位在第一夹具上，此时，对第一 TC层/Ag进行激光刻图，衬底然后由轧辊84进行翻转；步骤85:将NW材料喷射到衬底的第二面上以形成第二 TC层；步骤86:固化NW层；步骤87:喷墨或丝网印刷机将Ag焊盘或母线结构施加到第二TC层；步骤88:Ag墨被固化；步骤89:然后，一段衬底被定位在第二夹具上，此时，对第二 TC层/Ag进行激光刻图；步骤90:从衬底切割传感器部件并将其转移至传送机、堆栈(stack)或盒中(切割可以由机械设备进行，但优选的是激光切割)；步骤91:将衬底重绕到第二滚筒上。如果需要，步骤90可由另外的、单独的工具完成，并且轧辊84也可被其后伴随有退卷单元的重绕单元替代。
[0069]图13为执行方法的生产线的示意图，该方法包括类似于图10所示的那些阶段。步骤92:将衬底从第一滚筒退卷，该衬底具有施加到其第一面的第一 TC层；步骤93:喷墨或丝网印刷机将金属(通常为AgGg))施加到第一 TC(典型地为ΙΤ0)层顶部的特定区域以形成传感器连接焊盘和母线；步骤94:在固化阶段Ag墨被固化；步骤95:然后，一段衬底被定位在第一夹具上，此时，对第一 TC层/银进行激光刻图；步骤96:使用例如图11所示装置通过转移膜将NW层施加到第二面上；步骤97:喷墨或丝网印刷机将Ag焊盘或母线结构施加至NW层；步骤98:固化Ag墨；步骤99:然后，将一段衬底定位在第二夹具上，此时，对第二 TC层/Ag进行激光刻图；步骤100:从衬底切割传感器部件并将其转移至传送机、堆栈或盒中(切割可以由机械设备进行，但优选的是激光切割)；步骤101:将衬底重绕到第二滚筒上。
[0070]上面所描述的用于在由玻璃或塑料制成的单个薄透明衬底上制造双层电容式触摸传感器的方法具有如下关键特征:
[0071]I)在衬底的第一侧上提供第一透明导电(TC)材料，第一 TC材料具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度；
[0072]2)第一脉冲激光被用于通过烧蚀TC材料移除来对第一 TC层进行刻图，以通过从所述第一侧直接聚焦到第一 TC层上的激光或通过从衬底第二 侧、穿过衬底且从后部引导至第一侧的TC层上的激光来形成传感器的Tx或Rx电极；
[0073]3)第二 TC材料层被喷射到(或不然被施加到)衬底的第二侧上，第二 TC材料优选为纳米材料并具有相对低的用于烧蚀移除或改性的激光阈值能量密度；
[0074]4)第二脉冲激光被用于烧蚀或改性第二 TC层以形成传感器的Tx或Rx电极，而不会对第一 TC层造成任何明显的损坏；第二激光的波长与第一激光的波长相似或不同；第二激光直接聚焦在第二侧的第二 TC层上或者第二激光从衬底的第一侧被引导，通过第一 TC层并穿过衬底从后部与第二侧上的第二 TC层相互作用；
[0075]5)当使用第一和第二激光器以在第一和第二透明涂层内形成电极结构时，第一和第二透明涂层均是暴露的，即不被另外的层或涂层覆盖。
[0076]以上描述的方法因而提供了一种制造“盖板集成”的双层电容式触摸传感器面板的改进方法，能够取代化学刻蚀工序在薄衬底的两侧进行电极图案的激光直写，因此减少或避免了以上描述的问题，并从而简化了这种面板的制作工序以及降低了其成本。
【主权项】
1.一种在透明衬底相对两侧的涂层内形成图案的方法，所述衬底在其相对两侧具有第一和第二面，该方法通过激光直写刻图形成图案，包括步骤: a)在所述衬底的第一侧上提供第一透明涂层，该第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成； b)将所述衬底安装在工作台上或将所述衬底定位在夹具上； c)使用第一激光束通过激光烧蚀在所述第一透明涂层内形成第一图案； d)在形成所述第一图案之后，在所述衬底的第二侧上提供第二透明涂层，所述第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成； e)使用第二激光束通过激光烧蚀或改性在所述第二透明涂层内形成第二图案，所述第二激光束的能量密度低于所述第一激光束的能量密度，使得所述第二透明涂层的烧蚀不会对所述第一透明涂层造成明显的损坏。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底具有至少0.05mm并小于0.5mm的厚度，优选小于0.2mm。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一涂层具有至少0.5J/cm2的激光烧蚀阈值能量密度。4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述第一涂层包括无机氧化物材料。5.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一激光束具有0.5J/cm2或更高的能量密度。6.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一激光束为具有波长在红外区域的脉冲激光束。7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一激光束从所述衬底的第二侧穿过所述衬底被引导至所述衬底的第一侧上的所述第一涂层。8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二涂层具有小于0.5J/cm2的激光烧蚀或改性阈值能量密度。9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二涂层包括纳米材料。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述纳米材料选自如下:金属纳米线、碳纳米管、碳纳米芽、石墨稀及其他纳米粒子。11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二激光束具有0.5J/cm2或更低的能量密度。12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二激光束为脉冲激光束，该脉冲激光束的波长与所述第一激光束的波长相似。13.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，所述第二激光束为脉冲激光束，该脉冲激光束的波长与所述第一激光束的波长不同。14.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二激光束从所述衬底的第一侧穿过所述第一涂层及所述衬底被引导至所述衬底的第二侧上的所述第二涂层。15.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一和/或第二图案由穿过所述第一和/或第二涂层的一系列凹槽形成，该一系列凹槽将涂层位于凹槽两侧的部分电绝缘。16.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二图案包括一条或多条在所述第二涂层内的改性材料线，该一条或多条线将涂层位于线两侧的部分电绝缘。17.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一和第二图案形成传感器的Tx和Rx电极。18.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第一透明涂层在所述衬底被安装在工作台上或定位在夹具上之前被施加到所述衬底上。19.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述衬底为连续卷材的形式，所述连续卷材在所述第一和第二透明涂层的激光刻图之前从第一滚筒退卷，且之后被重绕到第二滚筒上。20.如前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述第二透明涂层通过转移膜被施加到所述衬底的第二面上。21.如权利要求20所述的方法，其中，所述方法包括用于固化粘合剂层的固化步骤，所述粘合剂层将所述第二透明涂层粘贴至所述衬底的第二面上。22.—种装置，所述装置用于在提供在透明衬底的相对两侧上的第一和第二透明涂层内通过激光直写刻图形成图案，所述衬底在其相对两面上具有第一和第二侧，所述装置包括: 工作台或者夹具，所述衬底能够被安装在该工作台上或被定位在该夹具上； 第一激光源，被设置为提供第一激光束，用于在所述衬底的第一侧上的第一透明涂层内通过激光烧蚀形成第一图案；和 第二激光源，被设置为提供第二激光束，以在所述衬底的第二侧上的第二透明涂层内通过激光烧蚀或改性形成第二图案， 所述第二激光束的能量密度小于所述第一激光束的能量密度，使得所述第二透明涂层的烧蚀不会对所述第一透明涂层造成明显的损坏。23.如权利要求22所述的装置，其中，所述衬底为连续卷材的形式，所述装置包括第一滚筒，所述连续卷材在形成第一激光图案之前从第一滚筒退卷；和第二滚筒，所述连续卷材在形成第二激光图案之后被重绕到第二滚筒上。24.如权利要求23所述的装置，其中，所述装置包括第一夹具，在形成所述第一激光图案时，成段的所述连续卷材能够被定位在所述第一夹具上；和第二夹具，在形成所述第二激光图案时，成段的所述连续卷材能够被定位在所述第二夹具上。25.如权利要求24所述的装置，其中，所述装置与透明衬底结合，所述透明衬底在其第一侧上具有第一透明涂层，所述第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；以及在所述衬底的第二侧上具有第二透明涂层，所述第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。26.一种由权利要求1所述的方法形成的产品，包括具有第一和第二图案的透明衬底，所述第一和第二图案在所述衬底的第一和第二侧上的第一和第二透明导电涂层内通过激光直写刻图形成，所述第一和第二涂层由不同材料构成，所述第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成，而所述第二涂层由相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成。27.如权利要求26所述的产品，其中，所述第一涂层包括无机氧化物材料，且所述第二涂层包括纳米材料。28.如权利要求27所述的产品，其中，所述第一涂层包括铟锡氧化物(ITO)，且所述第二涂层包括银纳米线材料。29.如权利要求26、27或28所述的产品，所述产品形成双层电容式触摸传感器的部件。30.如权利要求22所述的装置执行如权利要求1所述的方法的应用。
【专利摘要】一种在透明衬底相对两侧的涂层内形成图案的方法，该方法通过激光直写刻图形成图案，包括步骤：a)在衬底的第一侧上提供第一透明涂层，第一涂层由具有相对高的激光烧蚀阈值能量密度的材料构成；b)将衬底安装在工作台上或将衬底定位在夹具上；c)使用第一激光束通过激光烧蚀在第一透明涂层内形成第一图案；d)在形成所述第一图案之后，在衬底的第二侧上提供第二透明涂层，第二涂层由具有相对低的激光烧蚀或改性阈值能量密度的材料构成；使用第二激光束通过激光烧蚀或改性在第二透明涂层内形成第二图案，第二激光束的能量密度低于第一激光束的能量密度，使得第二透明涂层的烧蚀不会对第一透明涂层造成明显的损坏。还描述了一种执行该方法的装置以及由该方法所形成的产品。
【IPC分类】B23K26/362, B23K26/70
【公开号】CN104903045
【申请号】CN201480004070
【发明人】陈旭钧
【申请人】万佳雷射有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年1月9日
【公告号】EP2948267A1, WO2014114908A1
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