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觸控ITO替代方案的明日之星
新市場推動新技術抬頭

【作者: 丁于珊】   2013年10月29日 星期二

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近幾年來,智慧手機、平板電腦風靡全球,觸控已成為最自然的人機介面。各種技術當中,以電阻式及電容市占有大部分市場,電容式觸控更在2011年市占率超越電阻式觸控,而ITO(銦錫氧化物)透明導電感測材料的應用需求更因觸控面板火紅而跟著水漲船高,幾乎占盡電容式觸控所有市場。


事實上,透明導電膜市場商機龐大,且持續在成長當中,預計2015年可望達到50億美元的市場規模,其應用領域也非常廣,包括觸控螢幕、軟性顯示器、LCD面板OLED照明、太陽能電池等,而目前又以ITO獨佔此市場。


觸控應用拓展 ITO現瓶頸

然而,在觸控面板上,隨著Windows 8的發布,觸控應用朝向更多方面拓展,筆電、AIO、甚至大到數位看板也都加入觸控功能;加上近來智慧手錶等穿戴式裝置熱潮興起,讓可撓式觸控顯示器的需求不斷增加,這些中大尺寸面板或可撓式等應用因ITO本身材料條件的限制,面臨一些難以解決的技術挑戰,也讓面板廠商傷透腦筋。



圖一 : 隨著觸控應用朝向更多方面拓展,ITO 卻因本身材料條件的限制,面臨一些難以解決的技術挑戰
圖一 : 隨著觸控應用朝向更多方面拓展,ITO 卻因本身材料條件的限制,面臨一些難以解決的技術挑戰

以Windows 8觸控輕薄筆電為例,當螢幕來到13吋以上的中大尺寸後,為了不造成片電阻過高而影響觸控靈敏度,另一方面又為了不讓螢幕顯得過厚而重,OGS成為首選方案之一,其夾帶著低成本及輕薄的優勢,積極布局觸控筆電市場。


不過,OGS在大尺寸應用上,貼合良率一直是還未解決的問題,但若採用薄膜技術又會面臨ITO尺寸越大阻抗越嚴重的問題,導致在大尺寸面板性能上較為不佳。其次,若採用OPS(One Plastic Solution)方案在製程上又會遇到ITO濺鍍程序溫度過高(約300℃),導致塑膠變形不透明的問題,這些都讓ITO不適用於中大尺寸的應用。


也因為這些問題,雖然ITO目前仍然獨佔市場,但在中大尺寸面板上一直有著技術挑戰,且其易脆的特性,也不利於軟性面板市場的發展。為了解決ITO帶來的難題,尋求能夠取代ITO的新興材料已是勢在必行,Cambrios執行長John LeMoncheck就指出,不論是銦材料未來將面臨短缺、ITO在中大尺寸面板的片電阻過高及成本問題、或是軟性面板需求等,都顯現了尋找取代ITO材料的必要性。


ITO商用化替代方案一一浮現

目前浮出檯面的ITO替代方案包括銀奈米線(Silver nanowires;Ag NW)、金屬網格(Metal mesh)、碳奈米管、導電高分子等,而就現況而言,以奈米銀線及金屬網格的表現似乎最能夠在短期內成為替代ITO的商品化技術。


奈米銀線強力進入市場

透明導電膜市場極大,不少廠商也都注意到這個龐大的商機,紛紛積極投入一些獨門技術的開發,例如Cambrios。Cambrios選擇電組特性較好的奈米銀線作為材料,開發出奈米銀薄膜(film)和奈米銀墨水(Ink)方案,稱為ClearOhm。


Cambrios亞太區業務副總姚欣仁指出,銦礦屬稀有金屬,目前蘊藏量最大地區為大陸,約佔全球58%,中國為避免過度開採,出口有限,因此價格容易受到波動,相較之下,銀的開採不受管制,在價格上相對穩定。


ClearOhm為Cambrios的主力產品,可藉由液態形式當作塗料,塗佈於塑膠或玻璃介質上,且可採用低溫塗佈(Coating)製程,解決了ITO的高溫濺鍍塗佈製程在OPS上會遇到塑膠變形的問題;而銀奈米線可撓性佳,導電性也不會有太大影響,正好滿足市場對於可撓性面板的需求,讓ClearOhm在應用上具有更大的空間。


金屬工業研究發展中心光電系統組副組長翁敏航指出,目前ITO不易被取代的最大問題在於其蝕刻方式已經非常成熟,因此電極圖案化(Patterning)能力很好,是其他材料所不易替代的優勢。不過,姚欣仁表示,ClearOhm能夠採用既有ITO圖案化程序,其方案可採用黃光、雷射、印刷等製程技術,既定的ITO圖樣皆可轉移,觸控廠商不需為了不同材料改變製程,解決此問題。


姚欣仁指出,在成本上,ClearOhm的材料成本與ITO差異不大,相較下的優勢在於反應速度快、比ITO具有更高的導電性、更好的透光性(可達到92%,ITO為90%),且因採用薄膜型方案,比起玻璃也較為輕薄。



圖二 : ClearOhm的優勢在於反應速度快、比ITO具有更高的導電性、更好的透光性且價格便宜。
圖二 : ClearOhm的優勢在於反應速度快、比ITO具有更高的導電性、更好的透光性且價格便宜。

更重要的是,由於不需像ITO必須投資大量的成本在真空設備等資產上,因此在組合成本上相對較低,目前其成本已可低於ITO,讓ClearOhm在軟性、非平面性等應用上有很大的機會,並且尺寸越大越具成本優勢。以同樣表面阻抗而言,姚欣仁指出,Cambrios的Ag NW方案與ITO價差約為10-15%。


ClearOhm的確解決了不少ITO遇到的難題。看好這樣的技術,Gartner日前在「2013年觸控和手勢控制領域最酷供應商」報告中,將其評選為「最酷供應商」,並且指出比起ITO在成本、良率、原料取得、導電度等特性上都更具有競爭力,三星也投注了500萬美元的資金。如此看來,ClearOhm確實擁有一定的市場發展潛力。


目前宸鴻、友達等都已開始與Cambrios合作,市面上也已經可以看到由ClearOhm技術所做出來的商品,例如華為的Ascend、NEC的MEDIAS X兩款手機、LG 23吋V325 AIO PC以及GVision的15吋POS觸控螢幕都是採用了其方案。


不過,真正大量的應用仍未出現,最大的挑戰還是來自於製程良率及通過環境測試檢驗的現實問題。在製程上,由於銀奈米線的結構稀疏,在蝕刻過程可能造成感測線斷裂的問題,讓出品良率受到影響;對於大尺寸的應用來說,則仍面臨片電阻值過高的問題。



圖三
圖三

金屬網格力戰大尺寸市場

另一項同樣被認為具有替代ITO市場發展潛力的技術為金屬網格(Metal mesh)。金屬網格具有價格便宜以及導電性佳的特性,較為知名的廠商有Atmel。Atmel的XSense是Metal Mesh的一個代表方案,Atmel將其稱為FLM(Fine-line Metal),華碩最新推出的7吋MemoPad即採用此技術替代ITO感測層。


Xsense是採用極細的銅金屬線來替代ITO,為了不讓金屬線不被肉眼看到,且不會遮光,此銅線必須做到5-10μm的線寬,這會讓電容感測變得相當困難,也是一般觸控IC難以滿足的感測要求,這相對也突顯了Atmel觸控IC在感測能力上的優勢。


除了Atmel,日本廠商富士也採用Metal Mesh,不同之處在於富士使用的是銀。富士將鹵化銀層塗布在PET基材上,經過曝光、顯影、定影等程序,再利用銀線來製作網狀圖案。富士表示,其技術能夠達到極低片電阻值,且透光率可與ITO相似,成本當然也較ITO低。日商凸版印刷也開發了網格銅膜和以網格銅膜為感測器的觸控面板,其中銅線的幅寬只有5μm,是以蝕刻製成。


不過,Metal Mesh有一項極為重要的問題必須解決,其網格結構會在顯示器上造成莫瑞效應(Moire effect),讓同尺寸面板在不同解析度時(如1080p, 900p or 768p等),會出現不同的視覺波紋效應,客製化挑戰不小。另一個問題為,銅或銀金屬線並不透明,除非極細,否則容易被肉眼所見。姚欣仁指出,儘管價格便宜,但消費者是否能接受,還待市場來證實。


新勢力崛起 Cima展現出色性能

為此,另外一家廠商,Cima NanoTech提出類似於Metal Mesh的新興技術SANTE film,SANT不僅能因應現今大尺寸、多點觸控顯示器的要求,對於ITO無法觸及的可撓式顯示器市場也能夠滿足。Cima NanoTech 執行長Jon Brodd指出,相較於銀奈米線,SANTE技術可達到極低電阻且高透光率,其特性反而較為接近金屬網格那一端,但卻又有著金屬網格較難達到的高透光率。



圖四 : Cima NanoTech的SANTE技術強調高透光率極和低表面電組
圖四 : Cima NanoTech的SANTE技術強調高透光率極和低表面電組

SANTE技術原理是將銀奈米分子以捲對捲(Roll to Roll)連續式濕式涂佈在PET基材上,所有銀奈米分子可自行組成微米大小的導電網路,在觸控光學膜的表面形成不規則網紋,因此不會有莫瑞波紋的問題。同時,SANTE可提供? 25Ω/sq的超低表面電阻,擁有超高的導電性,也滿足對透光率的要求。



圖五 : SANTE技術的銀奈米分子可自行組成微米大小的導電網路,在觸控光學膜的表面形成不規則網紋,因此不會有莫瑞波紋的問題。
圖五 : SANTE技術的銀奈米分子可自行組成微米大小的導電網路,在觸控光學膜的表面形成不規則網紋,因此不會有莫瑞波紋的問題。

Jon Brodd表示,SANTE所強調的,即是在高導電度的同時,又能夠達到88%的高透光率。此外,SANTE關鍵的優勢在於其材料特性能夠如紋身貼紙般,轉貼至塑膠膜或玻璃基板上,在軟性顯示器上有更多元化的應用。Jon Brodd指出,其表面低阻抗性與可彎曲撓曲性是一般 ITO flim所無法達到的特性。


在製程與成本考量上,面對業界對於新技術必須要汰換舊有設備的疑慮,Cima NanoTech資深業務開發經理劉軒耘指出,SANTE能夠融入原本的ITO製程,無需添購新設備或汰換舊有設備,降低導入新技術的門檻,也減少成本支出。


結論

綜上所述,目前浮上檯面的商用化ITO替代技術為銀奈米線和Metal Mesh,而市場需求則來自中大尺寸的觸控面板及可撓式的應用。不過,這些ITO替代技術所面臨的最大挑戰,仍在於提出更多成功賣到市場的Design Win實績來證實自己的「替代性」。其市場的成長是可預期的,但成長的速度看來還有待觀察。


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