有机玻璃表面透明导电薄膜制备方法研究

王保松

（江苏金陵机械制造总厂,江苏南京211100）

摘  要：对有机玻璃表面透明导电膜的结构、制备工艺和特性进行了研究，通过金属氧化物复合薄膜的膜系结构设计，采用磁控溅射镀膜方法和最佳工艺参数的控制，完成了有机玻璃镀膜样片的制备。通过镀膜样片特性检测，结果表明：沉积时间60s、厚度5nm的情况为最佳金膜沉积参数；镀膜试验样片方块电阻为8Ω/□，可见光波段的平均透过率达到70%，具有较好的电导、光学和环境适应综合特性指标。

关键词：透明导电膜；方块电阻；透过率

Study on Preparation of transparentconductive thin film on the Plexiglas’s surface

WANG Bao-song

(Jinling machine factory ofJiangsu province, Nanjing 211100, CHN)

Abstract:

The structure,preparation and properties of transparent conductive film on the Plexiglas’s surface have beenstudied. The samples of coating on Plexiglas were prepared using magnetronsputtering method and the optimum parameters, through the metal oxidefilm-based composite designing. By coating sample characteristics, and theresults showed that: deposition time of 60s, the optimum thickness 5nm is goldfilm deposition parameters; the test piece sheet resistance of coating is 8Ω/□, the average transmissionof visible light is 70%, and expressed the good conductivity, optical andenvironmental adaptation comprehensive performance index.

Key words: transparentconductive thin film; Sheet resistance; transmission

  

有机玻璃在屏幕保护、发光显示、控制面板和遮光导光板等光学电子器件方面具有广泛的应用。为满足不同的光电特性要求，往往需要在有机玻璃表面镀制不同功能的膜层，而透明导电薄膜是其中重要的一类。透明导电薄膜是把光学透明特性与导电性能复合在一起的光电材料，该类膜层既有高导电性，又在可见光范围内有很高的透光性，且在红外光范围有很高的反射性，在光电产业中有着广阔的应用前景^[1]。文献^[2]中高劲松等利用射频磁控溅射技术在有机玻璃表面上一次完成表面活化、ITO膜制备、SiO₂减反射膜制备过程，对有机玻璃表面膜导电性能及光学进行了研究。国内北京航空材料研究院和北方涂料工业设计研究院探讨了有机玻璃透明导电膜配套用底涂和面涂体系，研制出适用于有机玻璃导电膜的底涂层和面涂层^[3]。本文采用射频反应磁控溅射方法在有机玻璃表面上进行金属型透明导电膜的制备，并对薄膜的透光和导电特性进行了测试，对薄膜特性进行了分析和评估。 

1  材料特性 

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）俗称有机玻璃，具有高透明度，有机玻璃软化温度较低，透光率达92%，且有极佳的耐候性，耐酸，耐碱，并兼具良好的表面硬度与光泽。加工可塑性大，可制成各种所需要的形状与产品。

无机物类透明导电膜有：金属膜、氧化物以及其他化合物膜；其中以氧化物膜占主导作用。透明导电薄膜的质量主要体现在其可见光区的透射率、电阻率、结构和表面形貌。透明导电薄膜的电学和光学性能强烈依赖于薄膜的显微结构、各种成分的化学计量比、杂质的种类和浓度^[1]。电导特性影响着膜层的电磁屏蔽性能，对于金属膜层的电磁屏蔽作用而言，其对电磁波的衰减主要有两种方式：一是通过不同方向上的电磁反射降低电磁回波信号，二是吸收电磁波信号接地将其消除屏蔽掉。而直接影响电磁屏蔽特性优略的因素有两点：金属膜层的连续性和低电阻率^[4]。薄膜的制备方法与技术对透明导电薄膜的性能有着极为重要的影响。制备透明导电薄膜的方法很多，几乎所有制备薄膜的方法都可以采用。

2  薄膜设计 

对于增透膜的设计，当光线穿过一组由不同折射系数（n）组成的膜系时,两组反射光的光程差△为入射光波的半波长的奇数倍时就发生干涉相消。如1图所示，在B点发生干涉相消而抵消掉了反射光，从而达到了增透的目的。单层增透膜的条件^[5]是：                 

在所有金属材料里面，金的电阻率是最低的，是导电特性的最佳材料。金膜的设计厚度为5 nm～20 nm，增加厚度将降低光学透过率。金膜电导特性方面，主要保证膜层的连续性，需要通过工艺手段控制以实现。金与有机玻璃在结构和材料特性方面差别较大，决定了二者之间结合力偏差，为此需要在中间增加过渡层，设计中增加一层SiO₂，厚度为十几个纳米。金膜外层与外界大气环境接触，再镀制一层晶态Al₂O₃膜来实现保护作用。

除了电学特性以外，光学指标也是膜层的一个重要指标，需要达到光学透过率指标。对于金属膜层而言，如果需要电导特性好，则要增加膜层厚度，但会降低光学透射率；如果需要增加光学透光率，则要降低膜层厚度，随之电阻率就会增加，电磁特性与光学特性是一对矛盾。所采取的措施是在金膜下层增加透明导电半导体膜层，在保证光学指标的前提下，进一步降低电阻率。膜层结构为。

3  薄膜镀制 

3.1 实验材料

薄膜沉积材料：高纯铝靶直径Ф49mm，厚度3mm；单晶硅靶直径为Ф49mm，厚度为3mm；高纯ITO陶瓷靶材，直径Ф49mm，厚度3mm，In₂O₃/SnO₂为9：1（wt）；单晶硅靶直径为Ф49mm，厚度为3mm；高纯氩气；高纯氧气。

薄膜衬底材料：PMMA有机玻璃。

其它实验材料：丙酮、无水乙醇、去离子水。

3.2 实验过程

按照先前设计的膜系结构PMMA/SiO₂/ITO/Au/Al₂O₃/Air，采用磁控溅射镀膜系统在PMMA有机玻璃上进行薄膜的制备。沉积过程和步骤为：准备清洗工作→真空准备→基片清洗→预溅射沉积→薄膜镀制→镀膜完成。本底真空度优于6.0×10-4Pa，沉积气压0.5Pa，溅射功率100W，加热温度常温。为了研究Au薄膜在ITO表面的成膜情况，文中制备了四组样品来进行相应的研究，溅射Au的时间分别为0S，20S，60S，120S，通过溅射膜层电学特性检测分析确定最终金属层厚度。

4  性能参数测试与试验考核 

对四件有机玻璃实验样件的电学特性和光学特性进行了重点分析和讨论。方块电阻是衡量薄膜导电能力的一个主要参数，它不仅可以反映扩散层杂质总量的多少以及导电层的质量，也可以反映半导体外延层晶格的完整性情况。对于导电薄膜，通常采用测量薄膜的方块电阻来对薄膜的连续性进行相应的研究，文中采用Vander Pauw四电极法[6]测量所制备的复合薄膜的方块电阻，该方法对样片的要求为片状且满足以下要求：（1）触点必须位于圆周上；（2）触点要充分小；（3）样品的厚度要均匀；（4）样品的表面均匀并且没有单独的孔洞。样片的方块电阻如图2所示。

从图中可以看出，膜层本身的方块电阻可以达到近28Ω/□,而经过20s沉积Au之后，所形成的复合薄膜的方块电阻只有微小的下降，判断此时沉积在ITO表面的金颗还只是以岛状出现在薄膜的表面，还没有形成连续的薄膜，此时金颗之间还只是通过隧道电流的方式进行导电。在经过60s的沉积之后，方块电阻有了比较明显的下降，经过120s的沉积之后下降的更加明显，可以判断出在经过60s的沉积之后，薄膜就已经连续成膜，根据需要，将沉积的最佳时间定为60s，此时所沉积的薄膜厚度约为5nm。对沉积复合薄膜样片进行了光学性能的测试，其可见光波段的透过率如图3所示。从图中数据看出复合薄膜在可见光波段的平均透过率达到70%，获得较好的光学性能。

对有机玻璃镀膜样件的膜层质量、电磁特性、光学特性、热学特性和环境适应性能进行了综合试验测试，验证膜层性能和质量。膜层性能达到设定指标和GJB 2485-1995《光学膜层通用规范》[7]试验项目要求，测试项目见表1。

表1样件指标和环境试验检测项目

 

5  结论 

本文对有机玻璃表面透明导电膜进行了研究，分析了有机玻璃和透明导电膜的特性，设计了过渡层\半导体\金\氧化物保护层的膜系结构，采用磁控溅射镀膜系统在有机玻璃样片上制备了薄膜。有机玻璃镀膜样片不同沉积时间的方块电阻检测结果表明：经过60s的沉积之后，薄膜连续成膜，沉积薄膜厚度5nm为最佳沉积厚度，方块电阻为8Ω/□。对沉积复合薄膜样片进行了光学性能的测试，复合薄膜在可见光波段的平均透过率达到70%，获得较好的光学性能。

文章发表于《现代涂料与涂装》2016年第7期