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銀奈米線替代ITO技術剖析
技術特性與成本結構比較

【作者: Sriram Peruvemba】   2013年11月26日 星期二

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觸控螢幕無所不在,已成為多數消費電子產品最普遍的輸入介面。幾經市場驗證,觸控螢幕方便容易,使用者憑直覺操作即可。因為這些觸控螢幕大多採用投射式電容(projected-capacitance)技術,所以需要高品質的透明導電體,以提供更豐富的使用者經驗。


基本上,螢幕的尺寸和相關應用決定了對透明導電體的要求條件。通常投射式電容觸控螢幕需要的導電體材質必須具高透光性,以便產生好的視覺效果;也需要高導電性,讓螢幕傳輸反應快;此外,透明導電體還要更薄、更輕,才能使得成品輕盈美觀。對觸控螢幕製造商來說,透明導電體最重要的是能提供更低廉的擁有成本,以利降低終端價格,造福消費者。


但這些要求條件隨著多數新式應用正在發生改變,不管是桌上型電腦、All-in-One、筆記型電腦到行動電話都是一樣。追求更高的導電性變成趨勢之一,譬如電阻值要比 100/sq 小才行,因為唯有如此,最新產品的觸控螢幕反應才會更快,消費者才能享受更好的使用經驗。


又如 23 吋大型觸控螢幕的應用,為了能滿足 10 根手指觸點的即時控制反應,更高的導電性就變得十分重要。其他像是筆記型電腦等的移動式電子裝置,觸控螢幕必須更輕、更薄、更耐用,所以大量需求正朝向透明導電體與塑膠薄膜的結合應用,而非傳統玻璃基材。


可撓式面板的研發成功,也造成透明導電體必須要能滿足非平面的設計,能彎能捲變成最新的要求條件。更重要的是,消費電子產品的價格持續創下水平,已達到大眾可接受的價格範圍,因此透明導電體的成本也必須跟上腳步才是。


ITO可行替代技術

當今透明導電體技術多採用銦鍚氣化物(ITO),其中主要成分包含了銦(Indium)稀土金屬。近年來不同電子裝置的市場成長,特別像是電視、手機的顯示器或是太陽能電池等方面,ITO都扮演著重要的角色。ITO透明導電體的製程必須是在真空室裏,利用氣相沉積(vapor deposition)流程將ITO濺鍍(sputter)至目標基材上。完成後,該鍍膜基材(通常是玻璃)再經過化學蝕刻(etch)得到圖樣,形成用在觸控螢幕上的透明導電體。


在眾多ITO替代技術中,銀奈米線(Ag NW)的商品化進展相當快。它是由結晶銀構成,因為直徑僅有幾十個奈米、長度為幾十個微米,所以長寬比(aspect ratio)極高。當塗在塑膠(通常是PET)基材上時,銀奈米線會形成一層滲流網絡(percolated network),透明且具高導電性。圖一顯示這些單結晶銀奈米線如何相互交疊,利用銀的金屬特性,成為導電極佳的網絡。該塗層薄膜除了可以像ITO一樣,經過化學蝕刻(etch)得到圖樣(pattern)之外,也可以在室?下透過雷射儀器得到圖樣。



圖一 : 銀奈米線分佈零散,自然形成滲流網絡(上圖);該塗層薄膜可經過化學蝕刻及雷射得到圖樣(下圖)
圖一 : 銀奈米線分佈零散,自然形成滲流網絡(上圖);該塗層薄膜可經過化學蝕刻及雷射得到圖樣(下圖)

銀奈米線和 ITO 比較

近年來市場由 ITO 獨佔鰲頭。製造商明瞭 ITO 技術成熟,有的工廠甚至已投資數百萬元美金添置氣相沉積設備和濺鍍儀器設備;這些工廠每年計算設備折舊,對 ITO 相關製造程序瞭若指掌。雖然 ITO 透光效果沒有銀奈米線好,也無法提供低電阻值,但 ITO 通常應用於傳統小尺寸觸控螢幕,所以沒問題。ITO 材料穩定、品質一致,肉眼幾乎看不到圖樣等好處。


透射性與片電阻值

因此,與 ITO 相比,銀奈米線具有高透射性和低片電阻數的優勢。特別是筆記型電腦和 All-In-One 電腦,兩者均採用電容式觸控螢幕,因此高透射率(高於90﹪)必須要搭配低阻抗性(低於80/sq),這樣十根手指才能同時產生觸控作用,創造最佳的使用者經驗。


圖二顯示銀奈米線、 ITO 以及其他新技術做成導電膜(on film)的比較。一般 ITO 導電膜的片電阻值超過 120/sq 以上 ;若低於這個範圍,則通常 ITO 會以玻璃(on glass)為基材。這是因為攝氐幾百度的黏合?度(annealing temperature)對 ITO 貼附的塑膠基材來說太高了,因此塑膠基材只能限制在較低導電的應用。


ITO 導電玻璃可用在需要較高導電特性的應用,通常只要將較厚的 ITO 沉積在玻璃基材上即可得到高導電性,但因為沉積厚層 ITO 要花得時間較長,所以玻璃結構的技術通常產量會比塑膠基材來得少;加上傳統玻璃比較厚重,也會造成電子產品的體積較大。因此,OEM 通常傾向選擇以塑膠為基材的透明導電體。


此外,有折射率匹配(index matched)處理的 ITO 透明導電膜,其透射率高達 98% ,適合如手機的小尺寸觸控螢幕應用,因為這些小尺寸應用通常不見得一定要低電阻值。


ClearOhm塗層材料是一種含有懸浮銀奈米線的墨水,?度大約維持在攝氐100度即可將該材質塗在塑膠薄膜上,遠比塑膠軟化的?度還低。若要降低片電阻值,只要在相同速度下加厚 ClearOhm 墨水的塗層效果即可,所以生產速率不受影響。從圖二我們也可以看出,同樣做成透明導電膜,ClearOhm 與品質最好等級的 ITO 相較之下,仍有更好的透射率;同樣是超過 95% 的光透射率的情況下,ClearOhm 的片電阻值遠比 ITO 小很多。



圖二 : 不同導電體(ClearOhm,、ITO 和其他新技術)的光透射率和片電阻值比較
圖二 : 不同導電體(ClearOhm,、ITO 和其他新技術)的光透射率和片電阻值比較

光透射率愈高表示面板的亮度愈高,這是因為觸控感應器本身不會阻礙光線。同理,具有較高透射率的透明導電體也表示每次充電後,該移動裝置的電池續航力就能維持較久的時間。


為此,我們可以利用三種光學測試,從視覺上來檢視透明導電體:莫列波紋(Moire)、圖樣可見度(pattern visibility)、霧化(haze)現象。ClearOhm 和 ITO 技術在光學視覺的表現均佳,兩者不會發生莫列波紋效果。與金屬網(metal mesh)相較,ITO 產生圖樣可見的情況並不高,而 ClearOhm 則幾乎沒有圖樣可見度問題,這是因為銀奈米線分佈零散隨意的緣故。但 ClearOhm 和 ITO 技術都一樣會產生霧化問題,兩者之透明導電膜有差不多的霧值(haze values),而且霧化情況也都比 ITO 導電玻璃(on glass)嚴重多。


重量和厚度也是觸控螢幕應用時主要考量的因素。重量愈輕的透明導電體能讓平板電腦和筆記型電腦愈方便攜帶,這是因為消費電子產品的體積和質量變小,設計上就能更輕巧耐用。此外,厚度減少也代表時尚設計,更賞心悅目。當觸控螢幕的片電阻值需要低於 100/sq 時,ITO 技術無法應用在塑膠基材,因此廠商會以玻璃基材來製造觸控感應器,但厚度高達 0.6 毫米。採用 ClearOhm 技術做成透明導電膜,厚度則僅介於 0.2 毫米 和 0.4 毫米間。


同樣地,以傳統玻璃為基材的 ITO 感應器會比以塑膠薄膜為基材的 ClearOhm 重很多。一般來說,採用 ClearOhm 技術的感應器在重量和厚度上都比 ITO 少了約40%。


可撓式透明導電體

許多廠商為了滿足攜帶方便、堅固和特殊設計等市場需求,早已開始尋求不同的顯示器和觸控螢幕技術。特別是 OLED 和電子紙,正鎖定新型移動電子產品市場,以滿足觸控螢幕技術必須也要具備可撓、輕薄和堅固耐用等特性的最新市場應用。您可以想像摔不破的可撓式手機、折疊後能塞進口袋的十吋平板電腦;或者想像從筆中拉出一面捲在其中的面板,甚至是非方形的柱子和建築物外觀由筆記本大小的螢幕包覆、或整面都螢幕的應用情境,類似的應用已逐漸成真。而只有具備可撓、能彎、可捲曲特性的觸控螢幕才能讓這些想像一一實現。


因為陶質的關係,ITO本身易碎。雖然可以微微彎曲,但若應用在上述產品時會破裂,ITO將失去透明導電體的功能。



圖三 : 結合ClearOhm 技術的可撓式觸控螢幕
圖三 : 結合ClearOhm 技術的可撓式觸控螢幕

銀奈米線已常塗在可撓式和可捲曲的面板,經過廠商測試,也證實了銀奈米線材質可成功通過100,000次約3毫米的彎折結果。以塑膠薄膜為基材的觸控感應器,在使用ClearOhm 透明導電體後,變得可撓耐操。不但如此,許多以玻璃為基材的硬式面板,像是用在電腦、手機、All-In-One 的螢幕,也都結合了軟性的ClearOhm 透明導電體。雖然玻璃面板本身並無可撓曲的能力,但使用ClearOhm 的透明導電體可以減輕重量和降低厚度。


成本結構比較

我們可從三方面來比較成本,分別是基材塗層所使用的儀器設備、材質圖樣化以及觸控螢幕所構成的材料堆層(material stack)的成本。以下為各方面成本的檢?。


1. 儀器設備

首先,ITO 塗層所使用的儀器包括真空沈積用的設備,投資金額需要數百萬美金。ITO透明導電體的產量會因為每次導電性(或片電組值)要求的不同而改變,例如 75/sq ITO 的塗層產量是 300/sq ITO 的近四倍。


銀奈米線材質則是以溶劑塗層的方式,大幅降低前置設備的投資,每一生產線的產能不受導電性或片電阻值的改變而影響。因為捲對捲製程的緣故,採用 銀奈米線塗層材料能快速擴充產線,增加產能。生產流程更有效率,不但材料使用率提高,也不會像 ITO 沈積過程一樣,產生大量廢棄物。


2. 材質圖樣化

其次,若採用光照或是濕式蝕刻等圖樣化的方法, 銀奈米線和 ITO 的成本都一樣。但若採用室?雷射的圖樣過程,銀奈米線成本則極具競爭優勢。雷射圖樣的成本大約是光照圖樣的四分之一,除了設備成本較低外,不會用到光阻劑(photo resist)、蝕刻劑(etchants)、剝離液(strippers)等耗材,因為用不到化學藥劑,所以也不會有廢棄物處理的問題。


雷射圖樣產量高,生產品質近似高端的光照製程;雷射應用在 銀奈米線 塗層的導電膜上不需太多電力,而且圖樣品質好,有極佳的光學性能。相反地,若雷射用在 ITO 導電膜上,因為 ITO 需要更多電力或更長時間才能形成圖樣,因此基材容易受損,而且肉眼可能是看得到圖樣,這是市場無法接受的。


3. 材料堆層

最後,不同的材料堆層組合(stack configuration)是會改變堆層成本或是單位成本。與 ITO 相比之下,銀奈米線具有更多的堆層組合可能性,而且每個組合都能提供最佳的成本選擇。有些組合的製程步驟較少,如 銀奈米線整合在乾膜光阻(Dry Film Resist)材質上就是最佳例子(銀奈米線只需5個步驟,但傳統 ITO 則需要15個步驟)。


其他堆層組合像是單片式薄膜(One Film Solution:OFS),就是因為省掉光學膠(OCA)而能進一步減少成本的另一範例。銀是世界上最好的導電體,比 ITO 高出 大約100 倍以上;從材料使用量來看,每一片觸控螢幕使用的銀量因此會比銦量少很多。


結論

與 ITO 相比,採用銀奈米線的透明導電體有許多明顯的優勢。這些優勢不但造就新穎的設計成果,並促進投資新建銀奈米線為主的透明導電體工廠。很多使用 ITO 技術的工廠設備早已開始折舊,顯示 ITO 僅短期能獨佔市場。


無錯,觸控螢幕未來將會更透明、反應更快、並能考慮更多獨特設計如可撓式裝置的發展空間。最重要的是,觸控螢幕的成本會更低。


有觸控真好(It’s good to be in touch)!


(作者目前擔任美國 Cambrios Technologies 公司行銷長,在加入該公司前,曾擔任 E Ink 元太科技公司行銷長。)


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