CN101495303A

CN101495303A - 透明多层膜及其制造方法以及液体透镜

Info

Publication number: CN101495303A
Application number: CNA2007800279304A
Authority: CN
Inventors: 桐田科; 河嶋利孝
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2009-07-29
Also published as: US20090303605A1; JP2007313764A; WO2007139029A1

Abstract

公开了一种制造透明多层膜的方法，该方法使得能够容易地形成透明多层膜而不改变靶材。还公开了一种通过此种方法形成的透明多层膜，以及使用此种透明多层膜的液体透镜。具体地，通过在不存在反应气体或存在反应气体的情形下使用溅射气体溅射由包含Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂之一的ZnO制成的靶(3)而在基底上形成透明导电膜，随后通过在存在反应气体的情形下使用溅射气体溅射靶而在透明导电膜上形成透明绝缘膜，从而形成透明多层膜。

Description

透明多层膜及其制造方法以及液体透镜

技术领域

本发明涉及一种透明多层膜、该透明多层膜的制造方法以及包括该透明多层膜的液体透镜。

背景技术

迄今，已经提出了可以用于实现可变焦点而不机械移动透镜的技术。在这些技术中，使用电润湿效应的液体透镜受到了关注(例如，参看PCT公开No.99/18456、日本未审专利申请公开No.2002-162506以及Bruno Berge，No mechanical components，The possibility of liquid lenses，which will bemass-produced soon，Nikkei Electronics，Nikkei Inc.，October 24，2005，pp.129-135(Bruno Berge著，《没有机械部件、即将大规模制造的液体透镜的可能性》，日经电子，日经新闻社，2005年10月24日，页码：129-135))。

这种液体透镜的结构，例如，从顶部开始包括基底(base)101/电极102/水溶液103/油104/绝缘膜105/电极106/基底107。通过在电极102和电极106之间施加电压来改变水溶液103和油104之间的界面形状，执行用于改变焦点的驱动。

这里，在液体透镜中，绝缘膜105/电极106/基底107的结构通过单独的工艺来制备，即，通过溅射法在基底107上沉积金属膜或透明导电膜作为电极106，并随后通过蒸发法在电极106上沉积膜厚为几微米的绝缘膜105，因此，多层膜的制造是复杂的。

另外，在传统液体透镜中，必须施加几十伏或更大的电压以执行用于改变焦点的驱动。因此，在这种液体透镜用于各种类型的光学装置的情况中，特别是在使用大量的小液体透镜的情况中，其应用是困难的，并且期望施加的电压减小。

本发明是鉴于上述相关技术中的问题而做出的。本发明的目的是提供一种制造透明多层膜的方法，这种方法能够不改变靶材而容易地沉积透明多层膜，以及提供一种通过制造透明多层膜的方法形成的透明多层膜及包括该透明多层膜的液体透镜。

发明内容

为了解决以上问题所提供的权利要求1的发明是一种制造透明多层膜的方法，特征在于：通过在不存在反应气体或存在反应气体的情形下使用溅射气体溅射由包含Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂中任一种的ZnO制成的靶而在基底上沉积透明导电膜，随后通过在存在反应气体的情形下使用溅射气体溅射靶而在透明导电膜上沉积透明绝缘膜，从而形成透明多层膜。

另外，为了解决以上问题所提供的权利要求2的发明是一种制造透明多层膜的方法，特征在于，在权利要求1的发明中，靶的Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂中任一种的含量为10重量百分比或更小。

另外，为了解决以上问题所提供的权利要求3的发明是一种制造透明多层膜的方法，特征在于，在权利要求1的发明中，透明绝缘膜的膜厚为1μm或更小。

另外，为了解决以上问题所提供的权利要求4的发明是一种制造透明多层膜的方法，特征在于，在权利要求1的发明中，透明绝缘膜的电阻值通过改变反应气体对溅射气体的流量比来调节。

为了解决以上问题所提供的权利要求5的发明是一种透明多层膜，特征在于，透明导电膜和透明绝缘膜通过根据权利要求1到4中任一项的制造透明多层膜的方法顺次层叠在基底上。

为了解决以上问题所提供的权利要求6的发明是一种液体透镜，特征在于，油和水溶液被根据权利要求5的透明多层膜以及包括电极的构件密封，使得透明绝缘膜位于内侧，并且，通过在电极和透明导电膜之间施加电压，透明绝缘膜上的水溶液和油之间的界面形状被改变。

根据本发明的制造透明多层膜的方法，可以在一个溅射沉积步骤中使用单个靶而不改变靶材来容易地沉积透明多层膜。

根据本发明的透明多层膜，可以提供适合液体透镜的透明多层膜。

根据本发明的液体透镜，提供具有高介电常数和小膜厚的透明多层膜，因此该液体透镜可以在低电压下被驱动。

附图说明

图1是示出在进行根据本发明制造透明多层膜的方法时使用的溅射装置的结构的示意图。

图2是示出根据本发明的透明多层膜的结构的截面图。

图3是示出根据本发明的液体透镜的结构的截面图。

图4是示出在没有电压施加到透明导电膜和电极之间的情况中界面张力状态的示意图。

图5是示出在电压施加到透明导电膜和电极之间的情况中界面张力状态的示意图。

图6是示出传统透明多层膜结构的截面图。

图7是示出实例1的反应气体流量比和电阻率之间关系的图。

图8是示出实例2的反应气体流量比和电阻率之间关系的图。

图9是示出当使用透明多层膜来进行耐受电压测量时的连接结构的图。

图10是示出透明多层膜的耐受电压测量结果的图。

图11是示出透明多层膜的耐受电压测量结果的图。

具体实施方式

现在将会描述根据本发明的制造透明多层膜的方法。

如图1所示，溅射装置是DC溅射装置，支持基板11的基板支架2和支持靶3的靶支架4设置在腔1中并彼此面对以施加电压到基板11和靶3之间。具体地，基板11通过基板支架2接地，靶3通过靶支架4连接到直流电源5，而相对基板11的地电势的预定的负电压从直流电源5施加到靶3。

另外，溅射装置包括作为腔1中的排气系统的排气泵6。此外，作为供气系统，溅射装置包括Ar气筒7、O₂气筒8和气管9，在气管9中从气筒7和8供给的气体在中游(midstream)混合，并且气管9将混合气体导入腔1中。各气体的流量比以及混合气体的流量由Ar气流量控制器7a和O₂气流量控制器8a控制，Ar气流量控制器7a和O₂气流量控制器8a都提供在气管9上，并且混合气体从处理气体入口9a被引入腔1中。

当使用该溅射装置在基板11上沉积透明多层膜时，该工艺根据以下工序执行。

(S11)在基板支架2上设置基板11。

这里，基板11是透明玻璃基板或者由聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate，PEN)、聚醚砜(polyethersulfone，PES)和聚烯烃(PO)中任一种的制成的透明树脂基板，该基板具有清洁的表面。

(S12)在靶支架4上设置靶3。

这里，靶3是由包含Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂中的任一种的ZnO制成的靶(即AZO靶、GZO靶和SZO靶中的任一种)，并且靶3中的Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂中的任一种的含量优选为10重量百分比或更小，例如，优选在1.0到10.0重量百分比的范围内。

(S13)使用排气泵6来将腔1排气以处于真空状态。

(S14)随后，包含预定量的从Ar气筒7和O₂气筒8供给的气体的混合气体从处理气体入口9a被引入腔1，同时继续排气，从而腔1中的气氛处于恒定压强(例如0.1到1.0Pa)。这里，调节混合气体的流量比(sccm)(反应气体流量比(O₂/Ar))以使得要沉积的透明膜具有预定或者更小的电阻值，以表现导电性(例如，在AZO靶的情况中为0.2％)。可选地，可以仅将Ar气引入腔1而不引入O₂气。

(S15)随后，DC电压从直流电源5施加到靶3和基板11之间以在气氛气体(O₂+Ar，或Ar)中产生辉光放电，从而形成等离子态P。

(S16)从直流电源5供给电功率(例如，0.1到7.8W/cm²)以开始溅射，并且基于靶成分的透明导电膜12形成在基板22上(在完成沉积之后)。

(S17)随后，包含预定量的从Ar气筒7和O₂气筒8供给的气体的混合气体从处理气体入口9a被引入腔1，同时继续排气，从而腔1中的气氛处于恒定压强(例如0.1到1.0Pa)。这里，调节混合气体的流量比(sccm)(反应气体流量比(O₂/Ar))以使得要沉积的透明膜具有预定的电阻值以表现绝缘性质。即，通过调节反应气体流量比和供给的电功率而将过量的氧结合到膜中，确保了绝缘性质。反应气体流量比为2％或更小是足够的，例如，在AZO靶的情况中为1.3％。

(S18)随后，DC电压从直流电源5施加到靶3和基板11之间以在气氛气体(O₂+Ar)中产生辉光放电，从而形成等离子态P。

(S19)电功率(例如，0.1到7.8W/cm²)从直流电源5供给以开始溅射，并且基于靶成分的透明绝缘膜13形成在透明导电膜12上以完成透明多层膜。

可选地，作为制造透明多层膜的另一种方法，在上述步骤S16中的沉积开始以后，在逐渐增大反应气体流量比(O₂/Ar)的同时执行溅射沉积以形成梯度膜，在该梯度膜中电阻值在膜厚方向逐渐改变。

在此情况中，透明导电膜和透明绝缘膜之间的界面不出现，因此改善了粘合性。

图2示出通过上述方法形成的透明多层膜的截面结构。

本发明的透明多层膜是具有多层结构的光学膜，其中透明导电膜12和透明绝缘膜13提供在基板11上。

如上所述，透明导电膜12是基于靶3的成分的透明膜，例如，电阻率在1.0×10^-3到1.0×10^-2(Ω·cm)的范围内，而波长在380到780nm范围内的透射光的平均吸收率为3％或更小。另外，透明导电膜12的膜厚在20到200nm的范围内。

如上所述，透明绝缘膜13是基于已经用于形成透明导电膜12的靶3的成分的透明膜，例如，电阻率在1.0×10⁺²到1.0×10⁺⁷(Ω·cm)的范围内，而波长在380到780nm范围内的透射光的平均吸收率为3％或更小。另外，透明绝缘膜13的膜厚为1μm或更小，并优选在200到600nm的范围内。

接着，将会描述本发明的液体透镜。

图3是示出本发明的液体透镜的结构的截面图。在图3中，液体透镜20的光轴在竖直方向延伸，而光从图中的上方入射到液体透镜20的基底21上并从基底27出射。

本发明的液体透镜20具有这样的结构，其中油24和水溶液23被本发明的透明多层膜(透明导电膜12和透明绝缘膜13)以及包括电极22的构件(基底21和电极22)密封，该透明多层膜提供在中心具有凹陷的透明基底27上，从而透明绝缘膜13位于内侧。通过施加电压到电极22和透明导电膜12之间，透明绝缘膜13上的水溶液23和油24之间界面的形状改变，并且入射光被会聚或发散，然后出射。

基底21和27都是透明玻璃基板或者由聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚砜(PES)和聚烯烃(PO)中任一种的制成的透明树脂基板。

另外，透明导电膜12和透明绝缘膜13通过上述制造透明多层膜的方法形成在基底27上，并且透明绝缘膜13与水溶液23和油24接触。此外，电极22提供在基底21和透明绝缘膜13之间以密封水溶液23和油24。另外，电源28连接到透明导电膜12和电极22，从而预定电压施加到透明导电膜12和电极22之间。

具有相同比重和不同折射率并且彼此不混合(彼此不可溶)的液体被选作水溶液23和油24。例如，水溶液23是通过将水和乙醇以预定比例混合并进一步添加预定量的NaCl而制备的电解质溶液(具有导电性或极性的液体)，其在室温下比重为1.06且折射率为1.38；而油24是在室温下比重为1.06且折射率为1.49的无色透明硅油(silicone oil)。

当水溶液23和油24被密封时，首先，油24滴到基底27凹陷中的透明绝缘膜13上，而密封区剩余的空间随后由水溶液23填充。从而，水溶液23和油24各自独立存在而不彼此混合以形成界面25。

图4和5示出液体透镜20的驱动原理。图4示出在没有电压施加到透明导电膜12和电极22之间的情况中透明绝缘膜13/油24/水溶液23的各界面的张力状态，而图5示出在电压施加到透明导电膜12和电极22之间的情况中的状态。

在液体透镜20内部，在透明绝缘膜13/油24/水溶液23中产生三个界面张力。即，该三个界面张力是透明绝缘膜13和水溶液23之间的张力(SW)、油24和水溶液23之间的张力(OW)以及透明绝缘膜13和油24之间的张力(SO)。这里，这些张力分别由γ_SW、γ_OW和γ_SO表示。

在没有电压施加到透明导电膜12和电极22之间的情况中，在三个界面张力以及透明绝缘膜13和油24之间的接触角(θ)之间满足由以下来自称作Young-Laplace方程的公式表示的关系，并且界面25的形状根据该关系确定(图4)。

cosθ＝(γ_SW-γ_SO)/γ_OW

在电压施加到透明导电膜12和电极22之间的情况中，界面25的形状通过电润湿效应改变。即，通过施加电压，电荷产生在透明绝缘膜13和水溶液23之间的界面。从而，由以下公式表示的压强∏沿透明绝缘膜13和油24之间张力(SO)的方向施加。

∏＝1/2(ε·ε0/d)V²

(这里，ε代表绝缘部分的介电常数，ε₀代表真空介电常数，d代表绝缘部分的厚度，而V代表施加的电压。)

因此，在此情况中，在三个界面张力以及透明绝缘膜13和油24之间的接触角(θ)之间满足由以下公式表示的关系。接触角θ与没有电压施加的情况相比增大，因此界面25的形状改变。此外，改变的程度可以通过改变电压来控制。

cosθ＝(γ_SW-γ_SO)/γ_OW-1/2(ε·ε₀/d)V²……(1)

如上所述，液体透镜20的焦距可以通过改变具有不同折射率的水溶液23和油24之间的界面25的形状来改变，另外，焦距可以通过施加电压来控制。

另外，与传统液体透镜相比，本发明的液体透镜表现出卓越的性能。

例如，在传统液体透镜中，代替本发明的透明多层膜，层叠通过溅射法或蒸发法沉积氧化铟锡(ITO)而形成在基底27上的电极膜92以及通过蒸发聚对二甲苯(parylene)(由Parylene Japan Inc.制造，parylene C或paryleneN)而形成在电极膜92上以具有几微米厚度的绝缘膜93(图6)。

这里，当如传统液体透镜使用由聚对二甲苯制成的绝缘膜93(膜厚：2μm，介电常数：2.65)的情况与本发明的在液体透镜20中使用通过用ZnO-2wt％Al₂O₃靶形成的透明绝缘膜13(膜厚：100nm，介电常数：8.7)的情况相比时，绝缘膜的膜厚有20倍的差异，而绝缘膜的介电常数有3.28倍的差异。即，根据以上公式(1)，在本发明的液体透镜20中，施加的电压可以是传统液体透镜的1/65.6。例如，如果施加到传统液体透镜的电压在40到100V的范围内，则在本发明的液体透镜20中，施加的电压可以减小到4.93到12.35V。

实例

以下将会描述为了验证本发明而进行的实例。

(实例1)

使用图1所示的溅射装置在以下条件下制备透明膜样品。

基板11：玻璃基板

靶3：ZnO-2wt％Al₂O₃

供给的电功率：0.1到7.8W/cm²

反应气体流量比(O₂/Ar)：0(％)到1.6(％)

注意(反应气体流量比)＝(O₂气流量)/{(O₂气流量)+(Ar气流量)}×100(％)。

透明膜的膜厚：100nm

图7示出制备的样品的电阻率的测量结果。

根据本结果，观察到电阻率相对于反应气体流量比成比例增大的趋势。根据本结果，例如，通过在0.2％的反应气体流量比下形成透明导电膜12，并随后在1.3％的反应气体流量比下使用相同的靶3形成透明绝缘膜13，可以获得本发明的透明多层膜。

(实例2)

使用图1所示的溅射装置在以下条件下制备透明膜样品。

基板11：玻璃基板(面积：9cm²)

靶3：ZnO-2wt％SiO₂

供给的电功率：100到400W

反应气体流量比(O₂/Ar)：0(％)到0.5(％)

透明膜的膜厚：100nm

图8示出制备的样品的电阻率的测量结果。

根据本结果，观察到电阻率相对于反应气体流量比成比例增大的趋势。此外，观察到电阻率相对于供给的电功率成比例减小的趋势。

(实例3)

通过本发明的制造透明多层膜的方法在以下条件下制备透明多层膜样品。注意玻璃基板用作基板11。

(1)透明导电膜12

靶3：ZnO-2wt％Al₂O₃

反应气体流量比(O₂/Ar)：0.2(％)

膜厚：100nm

(2)透明绝缘膜13

靶3：ZnO-2wt％Al₂O₃

反应气体流量比(O₂/Ar)：1.3(％)

膜厚：200nm

使用制备的样品来进行耐受电压评价。具体地，如图9所示，透明多层膜样品连接到源表(source meter)，电压施加到与透明导电膜12接触的探针并在0到60V的范围内改变电压，测量这时流经与透明绝缘膜13上的电解质溶液接触的探针的电流值。

图10示出这些结果。另外，图11示出当使用其中省略了透明多层膜样品结构中的透明绝缘膜13而只形成透明导电膜12的样品来进行类似的耐受电压测量时的结果。

与其中仅形成透明导电膜12的样品的结果(图11)相比，透明多层膜样品不显示欧姆反应，并且证实了与具有传统结构的产品(图6所示的包括由聚对二甲苯制成的绝缘膜的多层膜)的耐受电压特性相等的耐受电压特性。

此外，制备了包括在本实例条件下制备的透明多层膜的液体透镜。该液体透镜的焦距可以通过施加电压而可变地控制。

Claims

1.一种制造透明多层膜的方法，特征在于，通过在不存在反应气体或存在反应气体的情形下使用溅射气体溅射由包含Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂中任一种的ZnO制成的靶而在基底上沉积透明导电膜，随后通过在存在反应气体的情形下使用溅射气体溅射所述靶而在所述透明导电膜上沉积透明绝缘膜，从而形成透明多层膜。

2.如权利要求1所述的制造透明多层膜的方法，特征在于，所述靶的Al₂O₃、Ga₂O₃和SiO₂中任一种的含量为10重量百分比或更小。

3.如权利要求1所述的制造透明多层膜的方法，特征在于，所述透明绝缘膜的膜厚为1μm或更小。

4.如权利要求1所述的制造透明多层膜的方法，特征在于，所述透明绝缘膜的电阻值通过改变所述反应气体对所述溅射气体的流量比来调节。

5.一种透明多层膜，特征在于，透明导电膜和透明绝缘膜通过如权利要求1到4中任一项所述的制造透明多层膜的方法顺次层叠在基底上。

6.一种液体透镜，特征在于，油和水溶液被如权利要求5所述的透明多层膜以及包括电极的构件密封，所述透明绝缘膜位于内侧，并且，通过在所述电极和所述透明导电膜之间施加电压，所述透明绝缘膜上的所述水溶液和所述油之间的界面形状被改变。