Transparent und flexibel ITO-Folien für Touchscreens

Touchscreens enthalten transparente Elektrodenmaterialien, insbesondere Folien mit Indium-Zinnoxid-Beschichtung (ITO). Sie müssen entsprechend flexibel, transparent und gleitfähig sein, dafür sind verschiedene Beschichtungsprozesse nötig.

Früher traf man auf Touchscreens hauptsächlich in stationären Terminals, etwa von Fahrkartenautomaten, Geldautomaten oder Supermarktkassen. Heute begegnet man ihnen auf Schritt und Tritt: in Smartphones, Navigationsgeräten, Digitalkameras und anderer mobiler Elektronik. Die Vorteile liegen für Entwickler und Hersteller klar auf der Hand.

Es werden kaum noch Gerätetasten benötigt, es steht mehr Platz für ein größeres Display zur Verfügung und die Bedienoberfläche ist flexibel konfigurierbar. Touchscreen-Technologien weisen eine Gemeinsamkeit auf: Es werden transparente Elektroden-materialien verwendet, insbesondere Folien mit Indium-Zinnoxid-Beschichtung (ITO), um zu erkennen, wo und wie der Bildschirm berührt wird.

Die neuen transparenten, elektrisch leitenden ITO-Folien der Serie »Fleclear« von TDK sollen die erforderliche Flexibilität, Transparenz und Gleitfähigkeit bieten, um leistungsstarke Touchscreens und Touchpanels für ein breites Anwendungsspektrum zu entwickeln. Weit verbreitet sind resistive und kapazitive Touchscreens, um den Druckpunkt auf der Bildschirmoberfläche zu ermitteln. Allerdings weist jede Technologie ganz spezifische Vor- und Nachteile auf.

Ein resistiver Touchscreen besteht aus zwei dünnen, transparenten, elektrisch leitenden Widerstandsschichten, die nur durch einen geringen Abstand voneinander getrennt sind. Übt ein Finger oder ein Stift Druck auf die Folie aus, berühren sich beide elek-trisch leitfähigen Folien, und es fließt elektrischer Strom. Über die Spannungsänderung lässt sich die Druckposition bestimmen.

Bedingt durch die hohe Druckempfindlichkeit kann auch mit einem Stift geschrieben werden und angesichts des unkomplizierten Aufbaus ist diese Lösung verhältnismäßig kostengünstig. Allerdings eignen sich resistive Touchscreens nicht für Multitouch-Anwendungen, wie sie heute in High-End-Geräten üblich sind. Deshalb werden sie häufig in kleinen und mittleren Geräten wie Navigationssystemen und Spielekonsolen eingesetzt.

Kapazitive Touchscreens dagegen stellen die vorherrschende Technologie für anspruchsvollere Benutzeroberflächen dar. Insbesondere PCT-Systeme (Projected Capacitive Touchscreens) bieten den großen Vorteil, dass sie die breite Palette moderner Multitouch-Aktionen unterstützen, beispielsweise das Vergrößern und Verkleinern des Displayinhalts oder das Drehen von Bildern mit zwei Fingern - Funktionen, die für heutige Smartphones und Tablet-PCs selbstverständlich sind.

Der PCT-Touchscreen nutzt zwei transparente Elektrodenschichten, von denen eine in Richtung der X-Achse und die andere in Y-Richtung ausgerichtet ist. So wird ein Elektrodenraster gebildet (Bild 1), durch das sich bei Berührung der Oberfläche die elektrostatische Kapazität an jedem einzelnen Schnittpunkt des Rasters äußerst präzise messen lässt.

Unterschiedliche Beschichtungsprozesse

Folien mit einer Beschichtung aus Indium-Zinnoxid (ITO) repräsentieren den Stand der technischen Entwicklung von transparenten Elektrodenschichten, wie sie in Touchscreens eingesetzt werden. ITO enthält fünf bis zehn Prozent Zinnoxid und besitzt im sichtbaren Lichtspektrum eine mit Glas vergleichbare Transparenz sowie etwa die gleiche Leitfähigkeit wie Eisen. TDK bietet drei Arten von ITO-Folien an, die das Unternehmen für unterschiedliche Touchscreen-Anwendungen und Herstelleranforderungen entwickelt hat:

  • »Fleclear« mit Sputter-Beschichtung für High-End-Touchscreens mit besten optischen und elektrischen Leistungsparametern,
  • »Fleclear« mit Nassbeschichtung für temperaturempfindliche und flexible Trägermaterialien sowie
  • »Fleclear«-Folienrollen zur Übertragung von ITO-Beschichtungen auf Substrate.

Die für Touchscreens von Smartphones und Tablet-PCs verwendeten Folien müssen jedoch zwei sich widersprechende Eigenschaften unter einen Hut bringen: eine möglichst große Lichtdurchlässigkeit und einen möglichst kleinen Schichtwiderstand. Die Problematik besteht darin, dass sich der Schichtwiderstand erhöht, je dünner die ITO-Schicht ausgeführt wird, um die Gesamt-Lichtdurchlässigkeit zu verbessern.

Anders herum sinkt die Gesamt-Lichtdurchlässigkeit, wenn die ITO-Schicht dicker hergestellt wird, um den Schichtwiderstand zu verringern. Um dieses Problem zu lösen, beschichtet TDK die Folien in einem als Kathodenzerstäubung oder Sputter genannten physikalischen Aufdampfverfahren. Dieser Prozess optimiert die Dichte der sich auf der PET-Folie ablagernden ITO-Kristalle (Bild 2). So wird ein niedriger Schichtwiderstand von 150 Ω/sq und eine Gesamt-Lichtdurchlässigkeit von 92 Prozent erreicht.

Zudem besitzen Fleclear-Folien optische Anpassungsschichten zwischen der ITO-Schicht und dem Trägermaterial, um so die Entspiegelung (Antireflexion) zu verbessern und die Farbe abzustimmen (Bild 3). Obwohl die ITO-Schicht transparent ist, weist sie einen leicht gelblichen Farbstich auf. Die optischen Anpassungsschichten haben die Aufgabe, die ITO-Schicht farblos und transparent erscheinen zu lassen. Der gewünschte Farbton wird durch die unterschiedlichen Dicken dieser einzelnen Schichten erzielt. Damit eignen sich die Folien von TDK für Touchscreens mit anspruchsvollen Bedienoberflächen.

ITO-Folien für flexible Materialien

ITO-Folien mit Sputter-Beschichtung sind für High-End-Anwendungen in Touchscreens von Smartphones und Tablet-PCs optimiert. Indessen ist dieses Verfahren nicht für alle Materialien und Anwendungen geeignet. Aufgrund der beim Sputtern herrschenden hohen Temperaturen erweist sich das Beschichten von dicken Kunststoffsubstraten und von Materialien mit einem niedrigen Wärmewiderstand sowie einer geringen Formbeständigkeit als problematisch. Zudem ist für flexible Materialien eine ITO-Schicht mit Sputter-Beschichtung zu spröde.

TDK hat daher basierend auf seinen Erfahrungen bei der Fertigung magnetischer Aufzeichnungsmedien eine ITO-Nassbeschichtung entwickelt. Damit lassen sich ITO-Teilchen gleichmäßig auf das Trägermaterial aufbringen, ohne dabei die hohen Prozesstemperaturen des Sputter-Verfahrens nutzen zu müssen. Die nassbeschichteten Fleclear-Folien besitzen eine Struktur aus drei Schichten (ITO-Teilchenschicht, Klebeschicht und Trägermaterial; Bild 4).

Die Klebeschicht verringert die mechanische Belastung der ITO-Schicht und macht diese Folien flexibel, sodass sie ein sehr stabiles Widerstandsverhalten bei Biegung aufweisen. Wenn sie beispielsweise um einen Stab mit einem Durchmesser von 10 mm gewickelt wird, erhöht sich der Schichtwiderstand um nur fünf Prozent. Ein weiterer Vorteil von ITO-Folien der Fleclear-Serie besteht darin, dass Kunden damit auch eine ITO-Schicht direkt auf verschiedene Trägermaterialien aufbringen können. Sie sind auch als Folienrolle mit Trennschicht erhältlich, damit der Kunde die Beschichtung selbst vornehmen kann.

Es ist zudem möglich, farbtransparente leitende Schichten auf vielfältige Weise einzufärben, indem die Klebeschichten mit Pigmenten versetzt werden. Dank ihrer dreischichtigen Struktur zeichnet sich die nassbeschichtete ITO-Folie durch eine besonders hohe Gleitfähigkeit aus - ein sehr wichtiges Kriterium bei Anwendungen, die häufiges Schreiben mit einem Stift erfordern. Die von TDK für die Produktion der Folien eingesetzten Technologien sind nicht nur auf Indium-Zinnoxid (ITO) sondern in Zukunft auch auf weitere transparente, leitende Materialien anwendbar.

Über den Autor:

Michael Chinn ist im Bereich Sales Communication Industry bei TDK Electronics Europe.

Produkt
mit Sputter-Beschichtung
mit Nassbeschichtung
TypRolle, BlattRolle, Rolle mit Trennschicht
Anfangsschichtwiderstand [Ω/sq]150600
Gesamt-Lichtdurchlässigkeit [%]9288
Opazität [%]
0,5
1,0
Widerstandsänderung beim Biegen [%]
-
5
Tabelle: Technische Daten der transparenten, elektrisch leitenden »Fleclear«-ITO-Folie von TDK