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ITO薄膜替代技術的發展現狀 —— 評析納米銀線與金屬網格材料技術之優劣

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時間:2018-05-17來源: 點擊:100次

摘要:

作者:北京大學信息科學技術學院教授 段曉輝
  ITO,即摻錫氧化銦(Indium Tin Oxide)。它是液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器(PDP)、電致發光顯示器(EL/OLED)、觸摸屏(Touch Panel)、太陽能電池以及其他電子儀表的透明電極最常用的薄膜材料。
  未來移動終端、可穿戴設備、智能家電等產品,對觸摸麵板的有著強勁需求,同時隨著觸控麵板大尺寸化、低價化,以及傳統ITO薄膜不能用於可彎曲應用,導電性及透光率等本質問題不易克服等因素,眾麵板廠商紛紛開始研究ITO的替代品,包括納米銀線、金屬網格、納米碳管以及石墨烯等材料。
  新材料技術應用可以從智能手機的常用麵板尺寸一路延伸到20英寸以上的設備,而且其阻值,延伸性,彎曲性均優於ITO薄膜。雖然,新材料技術在短時間內無法全麵取代ITO薄膜,但是新材料技術有著巨大的優勢,而且從市場反應上來看,應用新材料技術生產的薄膜產品所占的比重在逐年提高。目前,石墨烯扔處於研發階段,距離量產還有很遠的距離。納米碳管工業化量產技術尚未完善,其製成的薄膜產品導電性還不能達到普通ITO薄膜的水平。因而,從技術發展與市場應用綜合評價,金屬網格與納米銀線技術將是近期新興觸控技術的兩大主角。
  金屬網格(Metal Mesh)技術利用銀,銅等金屬材料或者氧化物等易於得到且價格低廉的原料,在PET等塑膠薄膜上壓製所形成的導電金屬網格圖案。其理論的最低電阻值可達到0.1歐姆/平方英寸,而且就有良好的電磁幹擾屏蔽效果。但是受限於印刷製作的工藝水平,其所製得的觸控感測器圖樣的金屬線寬較粗,通常大於5um,這樣會導致在高像素下(通常大於200ppi)莫瑞幹涉波紋非常明顯。莫瑞幹涉指數碼產品顯示屏中像素,光學膜片以及觸控導電的金屬圖案,在水平和垂直方向上,規則對齊的像素和物體的精細規則圖案重疊式稍有偏差,則會出現的幹擾波紋圖案。由於莫瑞幹涉的存在,金屬網格技術製成的薄膜產品不適用在高分辨率智能手機,平板電腦等高分辨率的產品上,僅僅適用於觀測距離較遠的顯示器屏幕,例如台式一體機器,筆記本電腦,智能電視等。
  如果薄膜中金屬網格圖樣的線寬能夠大幅度下降,則能有效的降低金屬網格技術中的莫瑞幹涉的問題,特別是如果金屬網格圖樣的線寬下降到1um左右,則該技術製成的薄膜同樣可以搭載在高分辨率的智能設備上。目前韓國三星公司利用微細線寬和圖樣化(Patterning)技術,將金屬網格圖樣的線寬由原來的5um~6um,縮減到3um左右。然而,欲將線寬大幅縮減並非易事,傳統的壓製印刷工藝無法滿足要求,需要采用黃光製程工藝,製作成本會大幅增加,而且會浪費原材料;過細的金屬線寬易在外力擠壓時斷裂;網格的阻值升高,對下遊的控製IC芯片提出更高的靈敏度要求。因此,目前金屬網格技術如何在降低成本的同時,滿足多場景的下遊應用是一個難點,還需整個產業鏈進一步發展完善才行。

  納米銀線(SNW,silvernano wire)技術,是將納米銀線墨水材料塗抹在塑膠或者玻璃基板上,然後利用鐳射光刻技術,刻畫製成具有納米級別銀線導電網絡圖案的透明的導電薄膜。由於其特殊的製成物理機製,納米銀線的線寬的直徑非常小,約為50nm,遠小於1um,因而不存在莫瑞幹涉的問題,可以應用在各種尺寸的顯示屏幕上。另外,由於線寬較小,銀線技術製成的導電薄膜相比於金屬網格技術製成的薄膜可以達到更高的透光率,例如3M公司采用微印壓法製成的薄膜產品可以達到89%透光率。再次,納米銀線薄膜相比於金屬網格薄膜具有較小的彎曲半徑,且在彎曲時電阻變化率較小,應用在具有曲麵顯示的設備,例如智能手表,手環等上的時候,更具有優勢。

 在薄膜上,金屬網格中可以反射可見光的金屬線總體麵積不大;而納米銀線並非是網格狀而是呈現不規則的分布,沾滿整個玻璃基板表麵。相比較而言,納米銀線薄膜會有更嚴重的漫反射,既霧度(Haze)問題。屏幕的霧度問題會導致在室外場景光線照射的情況下,屏幕反射光強烈,嚴重的時候會使得用戶看不清屏幕。但是可以采用一些技術手段降低光漫射,解決霧度問題。例如日產化工公司開發出了在納米銀線薄膜上塗布可降低霧度的高折射率材料,有效將霧度值降低。另外,黑化納米銀線表麵、減少反光強度、粗糙化納米銀線的表麵等技術,也可以有效改善霧度的問題。
  金屬網格技術因為采用普通的銀,銅等金屬材料或者氧化物等作為原始材料采用傳統的印壓法製作薄膜麵板,其原材料和製作成本都很低,但是這樣的產品卻有不可克服的莫瑞幹涉問題,應用受到限製。如果要降低金屬網格中金屬的線寬,需要更改製成工藝,成本會隨之增加,而且會有易斷線等問題。相比較金屬網格技術,納米銀線技術采用的是成型的納米銀線墨水材料,這些納米銀線供應材料掌握在少數例如Cambrioses Technologies公司手上,原材料的成本較高一些,但是製成工藝簡單,采用印刷製程快速生產大麵積的觸控麵板,整體的成本並不高,隨著大規模的生產,成本會進一步的降低。
  因此,綜合比較,納米銀線技術比金屬網格技術更有優勢。就目前市場而言,也已經分化出兩大技術陣營。其中納米銀線陣營中,台灣麵板供應商TPK公司是主打納米銀線技術的廠商,並且結合上遊的納米銀線材料供應商Cambrioses Technologies公司,以及生產工藝公司日本寫真成立一家子公司,專注於拓展納米銀線技術的研發,應用和製造。TPK公司預計在2014第二季度實現納米銀線薄膜的量產出貨。
  金屬網格技術陣營則加入的公司較多,例如蘇大維格和歐菲光,韓國三星等都由參與研發和製造。但是相比較於金屬網格陣營,納米銀線陣營的各個公司都在也內屬於龍頭企業,業務專業能力強,上中下遊產業鏈結合緊密。
  此外,據媒體報道,蘋果(Apple)公司吸引大家關注的明星產品iWatch將采用TPK公司的納米銀線薄膜技術,證明了納米銀線產品確實具有明顯的技術優勢和產業鏈的穩定性。


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