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柔性透明导电膜的产业化进展及技术趋势

2018-05-10 10:45
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金属网(Metal Network)

人眼对于线条的鉴别度约在6um左右,因此线径小于6um金属网可布成裸眼看不到金属线的透明导电膜。 由于金属的导电性极佳,只要少量的金属材料即可布成高导电薄膜,是极具潜力的技术。

金属网薄膜可以利用蚀刻、网印形成图案可控制的金属网格(Metal Mesh),也可以利用金属粒聚集或是奈米金属线交织成图案不定型的金属网络(Metal Web)。

金属网格(Metal Mesh)

蚀刻的铜金属网格是一个成熟的产品,过去电浆显示器(Plasma Display)就应用铜金属网格作电磁遮蔽(EMI)。

以传统曝光、显影、蚀刻等黄光制程的金属网格透明导电膜已经商品化,并且应用到触控面板产业。 利用Cu2O/Cu/Cu2O结构,学者Kim发表线宽7um、格距450um的金属网格透明导电膜,在电阻15.1Ω/sq时穿透率可达89%。

有别于黄光的蚀刻制程,直接在基板印制网格的制程更多样。 日本富士胶卷(Fujifilm)开发银盐曝光技术,首先在基板上面进行溴化银涂布,然后经过曝光、洗银等程序制出网格图案,再以化学增厚制作银金属网格。

或是利用精密网印(Direct Printing Technology, DPT)印制20um线宽的银网,片电阻0.5~1.6Ω/sq,光穿透率达78%~88%。 日本Komura-Tech以凹版转印(Gravure Offset)印制达5um线宽的透明导电膜。

也有学者以喷墨印刷方式直接印出网格,面阻值达0.3Ω/sq。 印刷法制程最大的挑战在于大面积范围,印制5um以下的线宽颇具挑战。

此外、不管用哪一种印刷法,奈米金属浆料都要经过烧结才能形成导电性佳的网格,高分子柔性基板耐热能力差,烧结时奈米金属极易氧化等都是须克服的问题。

雷射烧结可以同时达到网格图案化与高温烧结的目的,可用铜奈米粒子雷射烧结,或以奈米银粒子雷射烧结,分别制出铜金属网格、与银金属网格如(图7)。 其中银金属网格之片电阻在30Ω/sq以下,光穿透率大于85%。

图7 雷射烧结之铜金属网格与银金属网格

金属网络(Metal Web)

相对于经过设计,并透过制程成形的金属网格,自然形成的金属网络可省略图案化制程,却可以达到形成导电网络的目的。

利用悬浮液干燥时固体会聚集形成咖啡环(Coffee Ring)的效应,适当的悬浮液干燥成膜后可以自序组装(Self Alignment)自然形成金属网络;利用奈米金属线交错也可以形成导电金属网络,分述如下。

悬浮液干燥时固体会聚集形成环称为咖啡环效应,奈米银经过特殊的墨水设计,可以在液体挥发干燥后让奈米银自动形成网络,而省去印刷图案化的制程。

学者Tokuno巧妙的利用气泡破裂自动形成奈米银线聚集网络,经过烧结可以形成面电阻6.2Ω/sq,穿透度达84%的透明导电膜(图8),美国Cima Nano Tech也利用类似的原理制作透明导电膜。 图9即为使用该公司开发特殊墨水形成的金属网络。

图8 奈米银线成膜时自动聚集成网络而成透明导电膜

图9 美国Cima Nano Tech以奈米银自动聚集成金属网络

另一种金属网络是由奈米金属线所组成,奈米金属线非常纤细,肉眼无法察觉线的存在,奈米金属线交织的金属网络,可形成导电度极佳的透明导电膜。

利用奈米金属线的搭接形成的金属网络(图10) ,制造工序更简单,成本更低廉。

以化学法合成奈米铜线,学者Guo发表在51.5Ω/sq下,光穿透度可达到93.1%的透明导电膜;银的导电度比铜好,少量奈米银线即可交织成高导电度,高穿透率的透明导电膜。

另名学者Jia发表电阻21Ω/sq,光穿透度达93%的软性透明导电膜,其优越的可挠性与触控面板的展示如图11所示。

图10 奈米银线搭接交错的金属网络

图11 可挠度极佳的软性奈米银线透明导电膜与触控面板的展示

大面积奈米银线透明导电膜连续生产的技术已日臻成熟,研究人员以连续卷对卷的狭缝涂布(Slot-die Coating),制出400mm幅宽的柔性奈米银线透明导电膜,面电阻30Ω/sq时,光穿透度可达90%。

惟奈米银线高长径比的材料特性,使得涂布均匀度难以控制,因此开发能够掌控均匀度的制程与设备是奈米银线透明导电膜产品产业化的关键之一。

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