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银奈米线替代ITO技术剖析
技术特性与成本结构比较

【作者: Sriram Peruvemba】2013年11月26日 星期二

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触控萤幕无所不在,已成为多数消费电子产品最普遍的输入介面。几经市场验证,触控萤幕方便容易,使用者凭直觉操作即可。因为这些触控萤幕大多采用投射式电容(projected-capacitance)技术,所以需要高品质的透明导电体,以提供更丰富的使用者经​​验。


基本上,萤幕的尺寸和相关应用决定了对透明导电体的要求条件。通常投射式电容触控萤幕需要的导电体材质必须具高透光性,以便产生好的视觉效果;也需要高导电性,让萤幕传输反应快;此外,透明导电体还要更薄、更轻,才能使得成品轻盈美观。对触控萤幕制造商来说,透明导电体最重要的是能提供更低廉的拥有成本,以利降低终端价格,造福消费者。


但这些要求条件随着多数新式应用正在发生改变,不管是桌上型电脑、All-in-One、笔记型电脑到行动电话都是一样。追求更高的导电性变成趋势之一,譬如电阻值要比100/sq 小才行,因为唯有如此,最新产品的触控萤幕反应才会更快,消费者才能享受更好的使用经验。


又如 23 吋大型触控萤幕的应用,为了能满足 10 根手指触点的即时控制反应,更高的导电性就变得十分重要。其他像是笔记型电脑等的移动式电子装置,触控萤幕必须更轻、更薄、更耐用,所以大量需求正朝向透明导电体与塑胶薄膜的结合应用,而非传统玻璃基材。


可挠式面板的研发成功,也造成透明导电体必须要能满足非平面的设计,能弯能卷变成最新的要求条件。更重要的是,消费电子产品的价格持续创下水平,已达到大众可接受的价格范围,因此透明导电体的成本也必须跟上脚步才是。


ITO可行替代技术

当今透明导电体技术多采用铟钖气化物(ITO),其中主要成分包含了铟(Indium)稀土金属。近年来不同电子装置的市场成长,特别像是电视、手机的显示器或是太阳能电池等方面,ITO都扮演着重要的角色。 ITO透明导电体的制程必须是在真空室里,利用气相沉积(vapor deposition)流程将ITO溅镀(sputter)至目标基材上。完成后,该镀膜基材(通常是玻璃)再经过化学蚀刻(etch)得到图样,形成用在触控萤幕上的透明导电体。


在众多ITO替代技术中,银奈米线(Ag NW)的商品化进展相当快。它是由结晶银构成,因为直径仅有几十个奈米、长度为几十个微米,所以长宽比(aspect ratio)极高。当涂在塑胶(通常是PET)基材上时,银奈米线会形成一层渗流网络(percolated network),透明且具高导电性。图一显示这些单结晶银奈米线如何相互交叠,利用银的金属特性,成为导电极佳的网络。该涂层薄膜除了可以像ITO一样,经过化学蚀刻(etch)得到图样(pattern)之外,也可以在室?下透过雷射仪器得到图样。



图一 : 银奈米线分布零散,自然形成渗流网络(上图);该涂层薄膜可经过化学蚀刻及雷射得到图样(下图)
图一 : 银奈米线分布零散,自然形成渗流网络(上图);该涂层薄膜可经过化学蚀刻及雷射得到图样(下图)

银奈米线和 ITO 比较

近年来市场由 ITO 独占鳌头。制造商明了 ITO 技术成熟,有的工厂甚至已投资数百万元美金添置气相沉积设备和溅镀仪器设备;这些工厂每年计算设备折旧,对 ITO 相关制造程序了若指掌。虽然 ITO 透光效果没有银奈米线好,也无法提供低电阻值,但 ITO 通常应用于传统小尺寸触控萤幕,所以没问题。 ITO 材料稳定、品质一致,肉眼几乎看不到图样等好处。


透射性与片电阻值

因此,与 ITO 相比,银奈米线具有高透射性和低片电阻数的优势。特别是笔记型电脑和All-In-One 电脑,两者均采用电容式触控萤幕,因此高透射率(高于90﹪)必须要搭配低阻抗性(低于80/sq),这样十根手指才能同时产生触控作用,创造最佳的使用者经​​验。


图二显示银奈米线、 ITO 以及其他新技术做成导电膜(on film)的比较。一般 ITO 导电膜的片电阻值超过 120/sq 以上 ;若低于这个范围,则通常 ITO 会以玻璃(on glass)为基材。这是因为摄氐几百度的黏合?度(annealing temperature)对 ITO 贴附的塑胶基材来说太高了,因此塑胶基材只能限制在较低导电的应用。


ITO 导电玻璃可用在需要较高导电特性的应用,通常只要将较厚的ITO 沉积在玻璃基材上即可得到高导电性,但因为沉积厚层ITO 要花得时间较长,所以玻璃结构的技术通常产量会比塑胶基材来得少;加上传统玻璃比较厚重,也会造成电子产品的体积较大。因此,OEM 通常倾向选择以塑胶为基材的透明导电体。


此外,有折射率匹配(index matched)处理的 ITO 透明导电膜,其透射率高达 98% ,适合如手机的小尺寸触控萤幕应用,因为这些小尺寸应用通常不见得一定要低电阻值。


ClearOhm涂层材料是一种含有悬浮银奈米线的墨水,?度大约维持在摄氐100度即可将该材质涂在塑胶薄膜上,远比塑胶软化的?度还低。若要降低片电阻值,只要在相同速度下加厚 ClearOhm 墨水的涂层效果即可,所以生产速率不受影响。从图二我们也可以看出,同样做成透明导电膜,ClearOhm 与品质最好等级的ITO 相较之下,仍有更好的透射率;同样是超过95% 的光透射率的情况下, ClearOhm 的片电阻值远比ITO 小很多。



图二 : 不同导电体(ClearOhm,、ITO 和其他新技术)的光透射率和片电阻值比较
图二 : 不同导电体(ClearOhm,、ITO 和其他新技术)的光透射率和片电阻值比较

光透射率愈高表示面板的亮度愈高,这是因为触控感应器本身不会阻碍光线。同理,具有较高透射率的透明导电体也表示每次充电后,该移动装置的电池续航力就能维持较久的时间。


为此,我们可以利用三种光学测试,从视觉上来检视透明导电体:莫列波纹(Moire)、图样可见度(pattern visibility)、雾化(haze)现象。 ClearOhm 和 ITO 技术在光学视觉的表现均佳,两者不会发生莫列波纹效果。与金属网(metal mesh)相较,ITO 产生图样可见的情况并不高,而 ClearOhm 则几乎没有图样可见度问题,这是因为银奈米线分布零散随意的缘故。但 ClearOhm 和 ITO 技术都一样会产生雾化问题,两者之透明导电膜有差不多的雾值(haze values​​),而且雾化情况也都比 ITO 导电玻璃(on glass)严重多。


重量和厚度也是触控萤幕应用时主要考量的因素。重量愈轻的透明导电体能让平板电脑和笔记型电脑愈方便携带,这是因为消费电子产品的体积和质量变小,设计上就能更轻巧耐用。此外,厚度减少也代表时尚设计,更赏心悦目。当触控萤幕的片电阻值需要低于 100/sq 时,ITO 技术无法应用在塑胶基材,因此厂商会以玻璃基材来制造触控感应器,但厚度高达 0.6 毫米。采用 ClearOhm 技术做成透明导电膜,厚度则仅介于 0.2 毫米 和 0.4 毫米间。


同样地,以传统玻璃为基材的 ITO 感应器会比以塑胶薄膜为基材的 ClearOhm 重很多。一般来说,采用 ClearOhm 技术的感应器在重量和厚度上都比 ITO 少了约40%。


可挠式透明导电体

许多厂商为了满足携带方便、坚固和特殊设计等市场需求,早已开始寻求不同的显示器和触控萤幕技术。特别是 OLED 和电子纸,正锁定新型移动电子产品市场,以满足触控萤幕技术必须也要具备可挠、轻薄和坚固耐用等特性的最新市场应用。您可以想像摔不破的可挠式手机、折叠后能塞进口袋的十吋平板电脑;或者想像从笔中拉出一面卷在其中的面板,甚至是非方形的柱子和建筑物外观由笔记本大小的萤幕包覆、或整面都萤幕的应用情境,类似的应用已逐渐成真。而只有具备可挠、能弯、可卷曲特性的触控萤幕才能让这些想像一一实现。


因为陶质的关系,ITO本身易碎。虽然可以微微弯曲,但若应用在上述产品时会破裂,ITO将失去透明导电体的功能。



图三 : 结合ClearOhm 技术的可挠式触控屏幕
图三 : 结合ClearOhm 技术的可挠式触控屏幕

银奈米线已常涂在可挠式和可卷曲的面板,经过厂商测试,也证实了银奈米线材质可成功通过100,000次约3毫米的弯折结果。以塑胶薄膜为基材的触控感应器,在使用ClearOhm 透明导电体后,变得可挠耐操。不但如此,许多以玻璃为基材的硬式面板,像是用在电脑、手机、All-In-One 的萤幕,也都结合了软性的ClearOhm 透明导电体。虽然玻璃面板本身并无可挠曲的能力,但使用ClearOhm 的透明导电体可以减轻重量和降低厚度。


成本结构比较

我们可从三方面来比较成本,分别是基材涂层所使用的仪器设备、材质图样化以及触控萤幕所构成的材料堆层(material stack)的成本。以下为各方面成本的检?。


1. 仪器设备

首先,ITO 涂层所使用的仪器包括真空沉积用的设备,投资金额需要数百万美金。 ITO透明导电体的产量会因为每次导电性(或片电组值)要求的不同而改变,例如 75/sq ITO 的涂层产量是 300/sq ITO 的近四倍。


银奈米线材质则是以溶剂涂层的方式,大幅降低前置设备的投资,每一生产线的产能不受导电性或片电阻值的改变而影响。因为卷​​对卷制程的缘故,采用 银奈米线涂层材料能快速扩充产线,增加产能。生产流程更有效率,不但材料使用率提高,也不会像 ITO 沉积过程一样,产生大量废弃物。


2. 材质图样化

其次,若采用光照或是湿式蚀刻等图样化的方法, 银奈米线和 ITO 的成本都一样。但若采用室?雷射的图样过程,银奈米线成本则极具竞争优势。雷射图样的成本大约是光照图样的四分之一,除了设备成本较低外,不会用到光阻剂(photo resist)、蚀刻剂(etchants)、剥离液(strippers)等耗材,因为用不到化学药剂,所以也不会有废弃物处理的问题。


雷射图样产量高,生产品质近似高端的光照制程;雷射应用在 银奈米线 涂层的导电膜上不需太多电力,而且图样品质好,有极佳的光学性能。相反地​​,若雷射用在 ITO 导电膜上,因为 ITO 需要更多电力或更长时间才能形成图样,因此基材容易受损,而且肉眼可能是看得到图样,这是市场无法接受的。


3. 材料叠层

最后,不同的材料堆层组合(stack configuration)是会改变堆层成本或是单位成本。与 ITO 相比之下,银奈米线具有更多的堆层组合可能性,而且每个组合都能提供最佳的成本选择。有些组合的制程步骤较少,如银奈米线整合在干膜光阻(Dry Film Resist)材质上就是最佳例子(银奈米线只需5个步骤,但传统ITO 则需要15个步骤) 。


其他堆层组合像是单片式薄膜(One Film Solution:OFS),就是因为省掉光学胶(OCA)而能进一步减少成本的另一范例。银是世界上最好的导电体,比 ITO 高出 大约100 倍以上;从材料使用量来看,每一片触控萤幕使用的银量因此会比铟量少很多。


结论

与 ITO 相比,采用银奈米线的透明导电体有许多明显的优势。这些优势不但造就新颖的设计成果,并促进投资新建银奈米线为主的透明导电体工厂。很多使用 ITO 技术的工厂设备早已开始折旧,显示 ITO 仅短期能独占市场。


无错,触控萤幕未来将会更透明、反应更快、并能考虑更多独特设计如可挠式装置的发展空间。最重要的是,触控萤幕的成本会更低。


有触控真好(It’s good to be in touch)!


(作者目前担任美国 Cambrios Technologies 公司行销长,在加入该公司前,曾担任 E Ink 元太科技公司行销长。)


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