柔性透明導(dǎo)電膜說一說這個(gè)關(guān)鍵
柔性電子崛起的產(chǎn)業(yè)趨勢已日趨明??，柔性顯示器、柔性照明、柔性太陽能電池、柔性傳感器等產(chǎn)品已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向市場。在這產(chǎn)業(yè)趨勢之下，具有可撓性、高光穿透度、高導(dǎo)電度的軟性透明導(dǎo)電膜是許多柔性光電產(chǎn)品的基礎(chǔ)。 因此，柔性透明導(dǎo)電膜將會(huì)成為柔性光電產(chǎn)品的戰(zhàn)略性材料。
本文從透明導(dǎo)電膜的特性探討具潛力的柔性透明導(dǎo)電膜技術(shù)，闡述各技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況，并從材料特性、量產(chǎn)技術(shù)與商品產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展分析各種技術(shù)的發(fā)展趨勢。期盼在柔性電子崛起之際，產(chǎn)業(yè)能夠在材料、制程、設(shè)備有所布局，掌握柔性電子的龐大商機(jī)。
透明導(dǎo)電膜為光電產(chǎn)品基礎(chǔ)
光電產(chǎn)品都需要光的穿透與電的傳導(dǎo)，因此透明導(dǎo)電膜是光電產(chǎn)品的基礎(chǔ)，平面顯示器、觸控面板、太陽能電池、電子紙、OLED照明等光電產(chǎn)品都須要用到透明導(dǎo)電膜。
市調(diào)機(jī)構(gòu)Research and Markets 2017年發(fā)布的市場調(diào)查指出，預(yù)估全球透明導(dǎo)電膜的市場從2017到2026年平均年成長率超過9%，不管是從光電產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈或是市場規(guī)模來評(píng)量， 透明導(dǎo)電膜都是光電產(chǎn)業(yè)不可忽視的重要材料。
「透明度」與「導(dǎo)電度」在物理上是兩個(gè)互相掣肘的特性，「透明度」代表可見光可以穿透介質(zhì)的多寡，而「導(dǎo)電度」代表介質(zhì)傳導(dǎo)載子(Carrier，包括電子與電洞)的多寡，與載子濃度有關(guān)。
在光學(xué)性質(zhì)上，載子可視為處于一種電漿狀態(tài)，與光的交互作用很強(qiáng)，當(dāng)入射光的頻率小于材料載子之電漿頻率(Plasma Frequency)時(shí)，入射光會(huì)被反射，因此，材料的載子電漿頻率在光譜的位置是可見光波段(380nm~ 760nm)是否能夠穿透的決定因素。
一般金屬薄膜的電漿頻率在紫外光區(qū)，所以可見光無法穿透金屬，這是金屬在可見光區(qū)呈現(xiàn)不透明光學(xué)性質(zhì)的原因，而金屬氧化物的電漿頻率落在紅外光區(qū)，因此可見光區(qū)的光線可以透過金屬氧化物，呈現(xiàn)透明狀態(tài)。
但是，金屬氧化物能隙(Energy Band Gap)太大，載子的濃度有限，導(dǎo)致金屬氧化物的導(dǎo)電度很差。 從材料的物理特性來看，「透明度」與「導(dǎo)電度」是難以兩全的特性，開發(fā)一個(gè)同時(shí)具有高導(dǎo)電度與高光穿透率的材料相對(duì)困難。
降低金屬材料厚度是增加光線穿透度的一個(gè)方法，惟金屬薄膜厚度太薄，加工不易，例如以蒸鍍方式成膜會(huì)形成島狀不連續(xù)的生長；另一方面也因?yàn)槟ず褫^薄，在空氣中容易有氧化的現(xiàn)象產(chǎn)生，造成電阻值劇變，薄膜穩(wěn)定性差，不利于后續(xù)加工應(yīng)用。
提升金屬氧化物的載子濃度以增加其導(dǎo)電度是透明導(dǎo)電膜的另一個(gè)方向。氧化物材料穩(wěn)定，薄膜成膜性佳。 可以利用摻雜(Doping)或是制造缺陷增加載子的濃度來提高導(dǎo)電度，是透明導(dǎo)電膜的理想材料。
如摻雜的氧化錫、氧化鋅等都具有高透明、高導(dǎo)電的特性，其中又以氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)應(yīng)用*為廣泛。ITO導(dǎo)電度佳，可見光透光率高，同時(shí)成膜技術(shù)與后續(xù)蝕刻圖案化制程都成熟可靠，是目前透明導(dǎo)電膜主要的材料。
ITO透明導(dǎo)電膜雖然應(yīng)用非常廣泛，但I(xiàn)TO屬于脆性的陶瓷材料，容易受力脆裂。
從柔性電子對(duì)可撓性的功能需求來看，受力彎曲碎裂的特性使ITO在柔性電子組件應(yīng)用上碰到瓶頸，具有可撓特性，取代ITO透明導(dǎo)電膜的產(chǎn)品必是未來柔性光電產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料，是柔性光電產(chǎn)品的戰(zhàn)略物資。
柔性透明導(dǎo)電膜需求上揚(yáng)，制造材料多元化
近年來，柔性電子產(chǎn)品已逐漸商品化，柔性顯示器、柔性照明到柔性傳感器、柔性太陽能電池等技術(shù)發(fā)展日新月異，這些柔性產(chǎn)品都促使軟性透明導(dǎo)電膜的需求日益殷切。
依據(jù)Touch Display Research 2015年的報(bào)告，非ITO透明導(dǎo)電膜之市場需求將逐漸地上升(圖1)。
圖1 Touch Display Research預(yù)測非ITO透明導(dǎo)電膜市場規(guī)模
預(yù)計(jì)2018年，取代ITO的透明導(dǎo)電膜市場高達(dá)40億美元的產(chǎn)值；到2022年時(shí)，將超過百億美元。
如此龐大的市場規(guī)模主要來自柔性觸控、柔性顯示器、柔性太陽能電池與其他柔性電子組件在未來幾年蓬勃發(fā)展，造成市場對(duì)柔性透明導(dǎo)電膜需求的結(jié)果。
雖然學(xué)理??一種材料同時(shí)具有高光穿透率、高導(dǎo)電率與可撓曲特性比較困難，但透過材料設(shè)計(jì)如金屬薄膜、氧化物/薄金屬/氧化物(Dielectric/thin Metal/Dielectric, DMD)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、 摻雜具共軛鍵的有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic Conductive Polymer)；具導(dǎo)電性的導(dǎo)電碳材如石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT)；或是設(shè)計(jì)肉眼看不到網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)如金屬網(wǎng)格( Metal Mesh)、金屬網(wǎng)絡(luò)(Metal Web)，都可制成軟性透明導(dǎo)電膜(圖2)。
圖2 各種具潛力之軟性透明導(dǎo)電膜技術(shù)
以下就回顧這些技術(shù)目前的研發(fā)成果。
降低金屬材料厚度可以增加光線的穿透度，但是金屬薄膜厚度太薄時(shí)，材料穩(wěn)定性差，容易氧化，造成電阻值劇變。
日本TDK以薄銀合金來取代銀金屬，并且以上下保護(hù)層來克服金屬薄膜穩(wěn)定性問題。
如圖3所示，獨(dú)特的Ag-Stacked Film在9 Ω/sq的電阻下仍有高達(dá)90%的穿透率。
圖3 TDK可撓性質(zhì)的銀合金軟性透明導(dǎo)電膜結(jié)構(gòu)
降低氧化物的厚度到奈米等級(jí)可改善氧化物的脆性，然而厚度降低必然也會(huì)降低導(dǎo)電度，將導(dǎo)電度優(yōu)良的金屬薄膜夾到氧化物中，就有機(jī)會(huì)在一定的可撓度下，維持可應(yīng)用的光穿透率與導(dǎo)電度。DMD結(jié)構(gòu)材料尚包括ZnS/Ag/WO3；MoOx/Au/MoOx。
這些DMD結(jié)構(gòu)特別適用于需要能階匹配的組件，如迭層結(jié)構(gòu)的OLED與太陽能電池，可藉由氧化物的選擇做能階匹配，以增加組件光電轉(zhuǎn)換效率。
金屬薄膜與DMD結(jié)構(gòu)都需要復(fù)雜的真空制程，制造成本比ITO來得高，比較適用于高附加價(jià)值的光電產(chǎn)品。
上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件?的高科技企業(yè)，公司成立２００５年，專業(yè)的光電鍍膜公司，公司產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系，能夠制備各種超高性能光學(xué)薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating, 激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框等。
