ITO导电玻璃的特性及原理

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 ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上,利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡(俗称ITO)膜加工制作成的。液晶显示器专用ITO导电玻璃,还会在镀ITO层之前,镀上一层二氧化硅阻挡层,以阻止基片玻璃上的钠离子向盒内液晶里扩散。高档液晶显示器专用ITO玻璃在溅镀ITO层之前基片玻璃还要进行抛光处理,以得到更均匀的显示控制。液晶显示器专用ITO玻璃基板一般属超浮法玻璃,所有的镀膜面为玻璃的浮法锡面。因此,最终的液晶显示器都会沿浮法方向,规律的出现波纹不平整情况。

在溅镀ITO层时,不同的靶材与玻璃间,在不同的温度和运动方式下,所得到的ITO层会有不同的特性。一些厂家的玻璃ITO层常常表面光洁度要低一些,更容易出现“麻点”现象;有些厂家的玻璃ITO层会出现高蚀间隔带,ITO层在蚀刻时,更容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;另一些厂家的玻璃ITO层则会出现微晶沟缝。

ITO导电层的特性:

ITO膜层的主要成份是氧化铟锡。在厚度只有几千埃的情况下,氧化铟透过率高,氧化锡导电能力强,液晶显示器所用的ITO玻璃正是一种具有高透过率的导电玻璃。由于ITO具有很强的吸水性,所以会吸收空气中的水份和二氧化碳并产生化学反应而变质,俗称“霉变”,因此在存放时要防潮。

ITO层在活性正价离子溶液中易产生离子置换反应,形成其它导电和透过率不佳的反应物质,所以在加工过程中,尽量避免长时间放在活性正价离子溶液中。

ITO层由很多细小的晶粒组成,晶粒在加温过程中会裂变变小,从而增加更多晶界,电子突破晶界时会损耗一定的能量,所以ITO导电玻璃的ITO层在600度以下会随着温度的升高,电阻也增大。

ITO导电玻璃的分类:

ITO导电玻璃按电阻分,分为高电阻玻璃(电阻在150~500欧姆)、普通玻璃(电阻在60~150欧姆)、低电阻玻璃(电阻小于60欧姆)。高电阻玻璃一般用于静电防护、触控屏幕制作用;普通玻璃一般用于TN类液晶显示器和电子抗干扰;低电阻玻璃一般用于STN液晶显示器和透明线路板。

ITO导电玻璃按尺寸分,有14”x14”、14”x16”、20”x24”等规格;按厚度分,有2.0mm、1.1mm、0.7mm、0.55mm、0.4mm、0.3mm等规格,厚度在0.5mm以下的主要用于STN液晶显示器产品。

ITO导电玻璃按平整度分,分为抛光玻璃和普通玻璃。

透明导电氧化物薄膜主要包括In、Zn、Sb和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料,具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性。透明导电薄膜以掺锡氧化铟(IndiumTinOxide,ITO)为代表,广泛地应用于平板显示、太阳能电池、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。平板显示器市场广阔,被认为具有比半导体产业更高的增长率,特别是液晶显示器(LCD)具有体积小、重量轻、能耗低、无辐射、无闪烁、抗电磁干扰等特点,广泛应用于笔记本电脑、台式电脑、各类监视器、数字彩电和手机等电子产品,以全球显示器市场来看,LCD产值远高于其他显示器。透明导电薄膜是简单液晶显示器的三大主要材料之一,随着LCD产业的发展,市场对ITO透明导电膜的需求也随之急剧增大。

ITO薄膜的制备方法多样,研究较多的制备方法为磁控溅射法,另外还有真空蒸发法、化学气相沉积法、喷涂法、溶胶-凝胶法等方法。其中,溶胶-凝胶法的优点是生产设备简单、工艺过程温度低,易实现制备多组元且掺杂均匀的材料。

采用溶胶-凝胶法制备ITO薄膜多以铟、锡的有机醇盐为前驱物。以铟、锡的无机盐为前驱物,采用溶胶-凝胶法制备的ITO薄膜,比以有机醇盐为前驱物的溶胶-凝胶法制备成本低,该方法制备ITO薄膜具有生产设备简单、成本低的优势。本文以氯化铟和氯化锡为前驱物,采用溶胶-凝胶法制备ITO薄膜,探索以铟、锡的无机盐为前驱物制备ITO薄膜的方法。

液晶显示器现已成为技术密集,资金密集型高新技术产业,透明导电玻璃则是LCD的三大主要材料之一。液晶显示器之所以能显示特定的图形,就是利用导电玻璃上的透明导电电膜,经蚀刻制成特定形状的电极,上下导电玻璃制成液晶盒后,在这些电极上加适当电压信号,使具有偶极矩的液晶分子在电场作用下特定的方面排列,仅而显示出与电极波长相对应的图形。

在氧化物导电膜中,以掺Sn的In2O3(ITO)膜的透过率最高和导电性能最好,而且容易在酸液中蚀刻出微细的图形。其透过率已达90%以上,ITO中其透过率和阻值分别由In2O3与Sn2O3之比例来控制,通常SnO2:In2O3=1:9。

ITO是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡,ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜,通常有两回事个主要的性能指针:电阻率和光透过率。

目前ITO膜层之电阻率一般在510-4左右,最好可达510-5,已接近金属的电阻率,在实际应用时,常以方块电阻来表征ITO的导电性能,其透过率则可达90%以上,ITO膜之透过率和阻值分别由In2O3与Sn2O3之比例控制,增加氧化锢比例则可提高ITO之透过率,通常Sn2O3:In2O3=1:9,因为氧化锡之厚度超过200Å时,通常透明度已不够好---虽然导电性能很好。

如用是电流平行流经ITO脱层的情形,其中d为膜厚,I为电流,L1为在电流方向上膜厚层长度,L2为在垂直于电流方向上的膜层长主,当电流流过方形导电膜时,该层电阻R=PL1/dL2式中P为导电膜之电阻率,对于给定膜层,P和d可视为定值,P/d,当L1=L2时,怒火正方形膜层,无论方块大小如何,其电阻均为定值P/d,此即方块电阻定义:R□=P/d,式中R□单位为:奥姆/□(Ω/□),由此可所出方块电阻与IOT膜层电阻率P和ITO膜厚d有关且ITO膜阻值越低,膜厚越大。

目前在高档STN液晶显示屏中所用ITO玻璃,其R□可达10Ω/□左右,膜厚为100-200um,而一般低档TN产品的ITO玻璃R□为100-300Ω/□,膜厚为20-30um。

在进行LCD走线设计时,由ITO阻计算方式,可知影响ITO阻值有如下因素:

1、ITO玻璃之方块电阻

要确保走线电阻小,应酬让ITO玻璃方块电阻小,因为R□=P/d,则必须选P小,d适当大些的材料。

2、L1/L2

L1/L2即走线在平行电流方向与垂直电流方向上的长度比,在R□一定时,要保证走线电阻值小,就要让L1/L2小,当L1一定时,只有增大L2,也说法是在设计时,走线应尽可能加宽;而当L2一定时,L1就要小,即走线宽度一定时,细线应尽可能短。

3、在LCD显示屏设计当中,不仅要考虑走线布对ITO阻值的影响,还要考虑生产工艺对ITO阻值的影响,以便选择适当方块电阻的ITO玻璃,以便设计到制作的全面控制,生产高对比的LCD产品,这时高占空比及COG产品无为重要,如ITO膜厚的均匀性,因为ITO的耙材及工艺的为稳定,会使同样长度与宽度的ITO阻值发生变化,如目标值为10Ω时,其R□范围在8-12Ω之间,所以在生产中要使用ITO膜厚均匀的导电玻璃,以减少电阻的变化,其次为ITO玻璃的耐高温时性,酸碱性,因为通常LCD生产工艺中要使用高温烘烤及各种酸碱液的浸泡,而一般在300°C30min的环境中,会使R□增大2-3倍,而在10wt%NaOH5min及6wt%HCL2min(60°C)下也会增到1。1倍左右,由此可知,在生产工艺中不宜采用高温生产及酸碱的长时清洗,若无法避免,则应尽量在低温下进行并尽量缩短动作时间。

4、由于在液晶显示器中,ITO方块电阻等效于电路图中的分压电阻,其阻值大小直接影响电路两端电压的大小,即方块电阻越大,LCD值电压越大。有数据表明,ITO之方块电阻由100Ω/□降至60Ω/□。(CellGap为6um)左右,Vth值会降低0。03V左右。