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柔性透明導(dǎo)電膜的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展及技術(shù)趨勢

2019-11-22 來源:新電子和網(wǎng)絡(luò)

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中玻網(wǎng)】柔性電子崛起的產(chǎn)業(yè)趨勢已日趨明朗,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)逐漸從實驗室走向市場。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。

  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)機構(gòu)Research and Markets 2017年發(fā)布的市場調(diào)查指出,預(yù)估大部分國家透明導(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,當(dāng)入射光的頻率小于材料載子之電漿頻率(Plasma Frequency)時,入射光會被反射,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)一個同時具有高導(dǎo)電度與高光穿透率的材料相對困難。

  降低金屬材料厚度是增加光線穿透度的一個方法,惟金屬薄膜厚度太薄,加工不易,例如以蒸鍍方式成膜會形成島狀不連續(xù)的生長;另一方面也因為膜厚較薄,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)電膜的另一個方向。氧化物材料穩(wěn)定,薄膜成膜性佳??梢岳脫诫s(Doping)或是制造缺點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)用廣泛。ITO導(dǎo)電度佳,可見光透光率高,同時成膜技術(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

  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年的報告,非ITO透明導(dǎo)電膜之市場需求將逐漸地上升(圖1)。

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  預(yù)計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,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,造成市場對柔性透明導(dǎo)電膜需求的結(jié)果。

  雖然學(xué)理上一種材料同時具有高光穿透率、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)、摻雜具共軛鍵的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系導(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)。

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  研發(fā)成果

  金屬薄膜

  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,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。

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