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柔性透明导电膜的产业化进展及技术趋势

导读: 本文从透明导电膜的特性探讨具潜力的柔性透明导电膜技术,阐述各技术发展现况,并从材料特性、量产技术与商品产业化进展分析各种技术的发展趋势。期盼在柔性电子崛起之际,产业能够在材料、制程、设备有所布局,掌握柔性电子的庞大商机。

柔性电子崛起的产业趋势已日趋明朗,柔性显示器、柔性照明、柔性太阳能电池、柔性传感器等产品已经逐渐从实验室走向市场。在这产业趋势之下,具有可挠性、高光穿透度、高导电度的软性透明导电膜是许多柔性光电产品的基础。 因此,柔性透明导电膜将会成为柔性光电产品的战略性材料。

本文从透明导电膜的特性探讨具潜力的柔性透明导电膜技术,阐述各技术发展现况,并从材料特性、量产技术与商品产业化进展分析各种技术的发展趋势。期盼在柔性电子崛起之际,产业能够在材料、制程、设备有所布局,掌握柔性电子的庞大商机。

透明导电膜为光电产品基础

光电产品都需要光的穿透与电的传导,因此透明导电膜是光电产品的基础,平面显示器、触控面板、太阳能电池、电子纸OLED照明等光电产品都须要用到透明导电膜。

市调机构Research and Markets 2017年发布的市场调查指出,预估全球透明导电膜的市场从2017到2026年平均年成长率超过9%,不管是从光电产品的产业链或是市场规模来评量, 透明导电膜都是光电产业不可忽视的重要材料。

透明度与导电度在物理上是两个互相掣肘的特性,透明度代表可见光可以穿透介质的多寡,而导电度代表介质传导载子(Carrier,包括电子与电洞)的多寡,与载子浓度有关。

在光学性质上,载子可视为处于一种电浆状态,与光的交互作用很强,当入射光的频率小于材料载子之电浆频率(Plasma Frequency)时,入射光会被反射,因此,材料的载子电浆频率在光谱的位置是可见光波段(380nm~ 760nm)是否能够穿透的决定因素。

一般金属薄膜的电浆频率在紫外光区,所以可见光无法穿透金属,这是金属在可见光区呈现不透明光学性质的原因,而金属氧化物的电浆频率落在红外光区,因此可见光区的光线可以透过金属氧化物,呈现透明状态。

但是,金属氧化物能隙(Energy Band Gap)太大,载子的浓度有限,导致金属氧化物的导电度很差。 从材料的物理特性来看,透明度与导电度是难以两全的特性,开发一个同时具有高导电度与高光穿透率的材料相对困难。

降低金属材料厚度是增加光线穿透度的一个方法,惟金属薄膜厚度太薄,加工不易,例如以蒸镀方式成膜会形成岛状不连续的生长;另一方面也因为膜厚较薄,在空气中容易有氧化的现象产生,造成电阻值剧变,薄膜稳定性差,不利于后续加工应用。

提升金属氧化物的载子浓度以增加其导电度是透明导电膜的另一个方向。 氧化物材料稳定,薄膜成膜性佳。 可以利用掺杂(Doping)或是制造缺陷增加载子的浓度来提高导电度,是透明导电膜的理想材料。

如掺杂的氧化锡、氧化锌等都具有高透明、高导电的特性,其中又以氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)应用最为广泛。 ITO导电度佳,可见光透光率高,同时成膜技术与后续蚀刻图案化制程都成熟可靠,是目前透明导电膜主要的材料。

ITO透明导电膜虽然应用非常广泛,但ITO属于脆性的陶瓷材料,容易受力脆裂。

从柔性电子对可挠性的功能需求来看,受力弯曲碎裂的特性使ITO在柔性电子组件应用上碰到瓶颈,具有可挠特性,取代ITO透明导电膜的产品必是未来柔性光电产品的基础材料,是柔性光电产品的战略物资。

柔性透明导电膜需求上扬,制造材料多元化

近年来,柔性电子产品已逐渐商品化,柔性显示器、柔性照明到柔性传感器、柔性太阳能电池等技术发展日新月异,这些柔性产品都促使软性透明导电膜的需求日益殷切。

依据Touch Display Research 2015年的报告,非ITO透明导电膜之市场需求将逐渐地上升(图1)。

图1 Touch Display Research预测非ITO透明导电膜市场规模

预计2018年,取代ITO的透明导电膜市场高达40亿美元的产值;到2022年时,将超过百亿美元。

如此庞大的市场规模主要来自柔性触控、柔性显示器、柔性太阳能电池与其他柔性电子组件在未来几年蓬勃发展,造成市场对柔性透明导电膜需求的结果。

虽然学理上一种材料同时具有高光穿透率、高导电率与可挠曲特性比较困难,但透过材料设计如金属薄膜、氧化物/薄金属/氧化物(Dielectric/thin Metal/Dielectric, DMD)复合材料结构、 掺杂具共轭键的有机导电高分子(Organic Conductive Polymer);具导电性的导电碳材如石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT);或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格( Metal Mesh)、金属网络(Metal Web),都可制成软性透明导电膜(图2)。

图2 各种具潜力之软性透明导电膜技术

以下就回顾这些技术目前的研发成果。

金属薄膜

降低金属材料厚度可以增加光线的穿透度,但是金属薄膜厚度太薄时,材料稳定性差,容易氧化,造成电阻值剧变。

日本TDK以薄银合金来取代银金属,并且以上下保护层来克服金属薄膜稳定性问题。

如图3所示,独特的Ag-Stacked Film在9 Ω/sq的电阻下仍有高达90%的穿透率。

图3 TDK可挠性质的银合金软性透明导电膜结构

降低氧化物的厚度到奈米等级可改善氧化物的脆性,然而厚度降低必然也会降低导电度,将导电度极佳的金属薄膜夹到氧化物中,就有机会在一定的可挠度下,维持可应用的光穿透率与导电度。DMD结构材料尚包括ZnS/Ag/WO3;MoOx/Au/MoOx。

这些DMD结构特别适用于需要能阶匹配的组件,如迭层结构的OLED与太阳能电池,可藉由氧化物的选择做能阶匹配,以增加组件光电转换效率。

金属薄膜与DMD结构都需要复杂的真空制程,制造成本比ITO来得高,比较适用于高附加价值的光电产品。

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