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可撓性電子產品 推進軟性透明導電膜材料需求

  • DIGITIMES企劃
友達旗下的軟性AMOLED屏幕材料樣品,已可做到小幅撓曲仍可正常顯示。AUO

可撓性電子產品需求越來越高,包含顯示器、照明、太陽能電池等,都已將實驗室的樣品轉成商品化用途,具有可撓性、高光源穿透效果、高導電度透明導電膜應用多元,也能為新穎電子產品創造更多賣點。

新產品設計不管是為了輕便攜帶還是彈性應用需求,需導入軟性或可撓性機構設計時,往往會受限關鍵材料特性而無法擴展新穎的軟性應用目的,尤其是大面積的顯示屏幕設計, 若有軟性透明導電膜組構的顯示器元件,將可解決軟性電子產品的設計限制,本篇將著重討論幾種透明導電膜的發展現況。

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可撓性AMOLED軟性顯示屏,已有量產技術,因應軟性電子產品應用設計需求。BOE

AMOLED顯示器為多層結構,透過導電薄膜架構可以開發可撓性的軟性顯示屏,未來應用多元。Samsung

透明導電膜已是光電產品重點元件

多數電子產品,如光電方面的製造產品,都會需要如透過光的穿透和電訊號傳導進行,尤其是透明導電膜更是如平面顯示器、電子紙顯示器、OLED顯示器、觸控顯示器、太陽能電池板等光電產品,其中透明導電膜都產品架構裡的關鍵零組件。

透明導電膜設計方案,最大兩個關鍵即「導電度」與「透明度」兩項重點指標,基本上導電度提升勢必影響材料透明度表現,而材料透明度提升也會相對導致導電度下滑問題,對導電度指標觀察,其實是材料介質的傳導電子與電洞能力表現;透明度則是可見光穿透材料的實際表現效用。

若就材料的光學特性觀察,一般金屬材料的薄膜,因為其電漿頻率在紫外光區塊,所以可見光無法穿透,這也是為什麼金屬薄膜可見光無法穿透的原因,若改採金屬氧化物的導電薄膜材料,因為金屬氧化物的電漿頻率在紅外線區塊,可見光是可以穿透金屬氧化物,形成類似透明狀的狀態。

實際上,金屬氧化物的傳導能階較高,導電的載子數量有限,若在目前使用金屬氧化物薄膜發展透明導電膜的思路下發展材料,才會有透明度與導電度無法兩邊都兼具的狀態限制。

增加透光率、導電率  為發展元件重點

而降低導電薄膜的金屬材料厚度,雖然是增加光線穿透率的做法,但實際上金屬薄膜的厚度過薄也會導致加工難度增加,例如,採行金屬蒸鍍方式形成金屬薄膜會產出不連續狀態,影響實際線路導電的效用,另較薄的金屬薄膜處理層也會因為在空氣中較容易產生氧化問題,造成導電薄膜的電阻值過高,製品穩定性差與後期再加工應用不易,影響其應用效益。

另一個思路是提升金屬氧化物的載子濃度,進而提升材料的導電特性,比如說,氧化物以成膜性好與材料穩定方向優化,可以應用摻雜或刻意產出缺陷讓載子可提升材料導電特性,例如摻雜氧化錫、氧化鋅,都能讓氧化物薄膜材料可達到高透明度、高導電特性。

摻雜方案中以ITO(Indium Tin Oxide)氧化銦錫應用最多,ITO不僅導電性佳,在可見光透明度表現都相當不錯,相關製程成熟,製品可靠度高,是目前應用的主流材料。

ITO材料應用廣泛  材料抗撓曲特性仍待優化

即便ITO透明材料用途廣泛,為目前主流透明薄膜重點材料,但實際上ITO的材料特性較容易受撓曲應力而出現脆裂,可撓性的表現雖可達到彎曲效果,但受力還是會有脆裂的材料物理限制,這也會讓用來發展可撓性、軟性電子產品的使用領域因此受限。

如前述,即便ITO導電薄膜仍是使用大宗,但其無法克服的材料限制,也衍生多元材料的新需求,對於非ITO的透明導電膜應用市場也逐漸攀高中,即便在物理、化學觀察材料同時能兼顧光穿透效率與高導電率的條件相對困難,甚至還要達到可撓曲的效用,實際上仍可經營複合材料架構設計來進行因應。

例如使用金屬薄膜、DMD複合材料結構(Dielectric/thin Metal/Dielectric)、有機導電高分子(Organic Conductive Polymer)、導電碳材(如石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube))、金屬網格(Metal Mesh)、金屬網絡(Metal Web)等技術方案達成目的。

金屬薄膜透明導電膜

導電薄膜討論中,金屬薄膜為最容易理解的機制,金屬薄膜為降低金屬材料厚度,使其可增加光的穿透度表現,但實際上金屬薄膜厚度太薄將導致材料穩定性變動大、易出現金屬膜氧化問題,材料廠商則利用複合材料工法改善,例如Ag-Stacked Transparent Conductive Film採用薄銀合金作為金屬層,同時搭配上 / 下保護層改善金屬薄膜穩定性表現,可達到問題。

Ag-Stacked Transparent Conductive Film的概念為將原有氧化物的厚度減至極薄,而為改善期物理特性,氧化物薄化後再將高度導電能力的金屬薄膜整合氧化物改善電性,為維持結構上的可撓曲特性,再搭配材料上下貼合,在兼具導電特性前提維持極佳的材料可撓曲表現。

導電高分子透明導電膜

另一個方向是在成膜過程中,摻雜可增加載子濃度高分子材料,成為導電高分子狀態,因為可撓性的導電高分子薄膜製程處理僅簡易的塗布成膜加工,加工成本相對低廉,也是透明可撓性高的導電膜成本效益極佳的材料選擇。但需注意的是,導電高分子薄膜即便有成本優勢,但實際上導電高分子材料穩定性較差,材料在經由UV照射會導致材料產出不可逆的破壞效用,降低材料的導電電性。

導電性碳材透明導電膜

新的導電薄膜會嘗試導入碳元素來改善導電電性,例如導入石墨烯(Graphene)、石墨、奈米碳管(Carbon Nanotube)等,其中奈米碳管、石墨烯本身即具備導電特性,材料可小於可見光的奈米級結構,能兼具高光穿透度與材料可撓特性、同時兼具導電膜應用能力。

金屬網(Metal Network)透明導電膜

金屬網製作的透明導電膜也是新興方案之一,因為人眼對於線條辨識狀態約在6µm左右,只要透明薄膜的線材線徑小於6µm的金屬網狀態,即可建構裸視無法辨識的透明導電薄膜效用,因為導電材質本身即為高度導通能力的金屬線,因此導電電性表現極佳,僅需少量的金屬材料便可大量生產高度導電特性的薄膜,未來技術應用領域可期待。

從金屬網概念出發,金屬網格(Metal Mesh)則是應用蝕刻技術下的產物,金屬網格為以曝光、顯影、蝕刻等黃光製程程序產製的金屬網格透明導電膜,利用蝕刻技術加工的銅金屬網格已是相當成熟的材料科技,例如電漿顯示器(Plasma Display)即使用銅金屬網格製作電磁遮蔽(EMI)處理。

也有部分方案為利用噴墨印刷方式,直接以列印方式產出網格型態,至於印刷方案製程最大的挑戰為大面積製作的難度,因為印製5µm以下的線寬本身極具挑戰性,印製完成還需經過燒結程序形成導電性佳的網格效果,但因為高分子材料的可撓性基板本身的耐熱能力有限,燒結處理程序時原有的奈米金屬反而易產生氧化問題,導致導通能力下滑,這些都是必須處理的問題。

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