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

【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(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(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(shí)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?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(diǎn)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(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）。

　　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(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(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）。

　　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(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。