柔性透明导电膜需求上扬，制造材料多元化

近年来，柔性电子产品已逐渐商品化，柔性显示器、柔性照明到柔性传感器、柔性太阳能电池等技术发展日新月异，这些柔性产品都促使软性透明导电膜的需求日益殷切。

依据Touch Display Research 2015年的报告，非ITO透明导电膜之市场需求将逐渐地上升(图1)。 

图1 Touch Display Research预测非ITO透明导电膜市场规模

预计2018年，取代ITO的透明导电膜市场高达40亿美元的产值；到2022年时，将超过百亿美元。

如此庞大的市场规模主要来自柔性触控、柔性显示器、柔性太阳能电池与其他柔性电子组件在未来几年蓬勃发展，造成市场对柔性透明导电膜需求的结果。

虽然学理上一种材料同时具有高光穿透率、高导电率与可挠曲特性比较困难，但透过材料设计如金属薄膜、氧化物/薄金属/氧化物(Dielectric/thin Metal/Dielectric, DMD)复合材料结构、 掺杂具共轭键的有机导电高分子(Organic Conductive Polymer)；具导电性的导电碳材如石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT)；或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格( Metal Mesh)、金属网络(Metal Web)，都可制成软性透明导电膜(图2)。 

图2 各种具潜力之软性透明导电膜技术

以下就回顾这些技术目前的研发成果。

金属薄膜

降低金属材料厚度可以增加光线的穿透度，但是金属薄膜厚度太薄时，材料稳定性差，容易氧化，造成电阻值剧变。

日本TDK以薄银合金来取代银金属，并且以上下保护层来克服金属薄膜稳定性问题。

如图3所示，独特的Ag-Stacked Film在9 Ω/sq的电阻下仍有高达90%的穿透率。

图3 TDK可挠性质的银合金软性透明导电膜结构

降低氧化物的厚度到奈米等级可改善氧化物的脆性，然而厚度降低必然也会降低导电度，将导电度优良的金属薄膜夹到氧化物中，就有机会在一定的可挠度下，维持可应用的光穿透率与导电度。DMD结构材料尚包括ZnS/Ag/WO3；MoOx/Au/MoOx。

这些DMD结构特别适用于需要能阶匹配的组件，如迭层结构的OLED与太阳能电池，可藉由氧化物的选择做能阶匹配，以增加组件光电转换效率。

金属薄膜与DMD结构都需要复杂的真空制程，制造成本比ITO来得高，比较适用于高附加价值的光电产品。

若以较低成本的涂布法形成透明导电膜，则就比较难达到直接转移法的光电特性，这是因为CNT间凡德瓦力强，在液体中容易形成聚集成CNT捆束(Bundle)，要制成可涂布的悬浮液须要在液体中加入一些使CNT均匀分散的添加剂， 这些添加剂会影响膜的光电特性。

以非离子型界面活性剂为分散剂，学者Woong利用旋转涂布法制得59Ω/sq下，光穿透率达71%之薄膜；另一学者Kim则以羟丙基纤维素(Hydroxypropylcellulose)混和SWCNT调制成刮刀涂布浆料， 涂布后再经过脉冲光后处理，制得柔性透明导电膜，在68Ω/sq时，光穿透率达89%。

图4为适用于工业生产柔性CNT透明导电膜制程示意图，其中，墨水分散、涂布成膜与后处理是CNT透明导电膜产业化的三大关键技术。

图4 软性CNT透明导电膜制程示意图

石墨烯

石墨烯是本世纪*受瞩目的材料之一，从2004年盖姆(Andre Geim)与诺沃谢洛夫(Konstantin Novoselov)成功地从高定向热解石墨分离出单层石墨烯材料后，石墨烯便以其二维特殊结构的高导电度特性受到瞩目， 透明导电膜的应用自然成为研究开发的项目。 

与CNT相类似，直接干式转移石墨烯薄膜与调制成墨水涂布是两个透明导电膜成膜的方法。

利用高温CVD制程与适当的掺杂可以制出在150Ω/sq时，光穿透率达87%的石墨烯透明导电膜，惟高分子的柔性基板无法承受CVD高温制程。

日本Sony开发转移法来克服此问题，利用在铜箔基板上成长高质量石墨烯，再转移到PET薄膜上，然后将铜溶解掉而得到柔性石墨烯透明导电膜(图5)。 只是这种连续转移制程的成本高，产业化生产比较复杂困难。

图5 SONY运用开发转移法制作软性石墨烯透明导电膜

石墨烯涂布制程与CNT相似，都是墨水调制、涂布成膜、除去添加物与后处理。 由于石墨烯片状结构，因凡德瓦力造成的聚集比CNT更严重，使得石墨烯在液体中分散比CNT更困难。

因此石墨烯的分散技术开发，是柔性石墨烯透明导电膜制程中的关键。 

研究人员利用石墨悬浮液直接转移分散到水/酒精溶液中，剥离石墨烯，制得石墨烯墨水(图6)，是避开石墨烯分散困难的方法。

图6 石墨液相剥离法制作可涂布的石墨烯墨水

此外、氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)因为具有较多的极性氧键结，比较容易制成稳定的墨水，有助于涂布成膜制程，只是氧化石墨烯在涂布后尚需将其还原成导电石墨烯薄膜，较温和的还原制程则仍在开发中。

金属网(Metal Network)

人眼对于线条的鉴别度约在6um左右，因此线径小于6um金属网可布成裸眼看不到金属线的透明导电膜。 由于金属的导电性优良，只要少量的金属材料即可布成高导电薄膜，是**潜力的技术。

另一种金属网络是由奈米金属线所组成，奈米金属线非常纤细，肉眼无法察觉线的存在，奈米金属线交织的金属网络，可形成导电度优良的透明导电膜。 

利用奈米金属线的搭接形成的金属网络(图10) ，制造工序更简单，成本更低廉。

以化学法合成奈米铜线，学者Guo发表在51.5Ω/sq下，光穿透度可达到93.1%的透明导电膜；银的导电度比铜好，少量奈米银线即可交织成高导电度，高穿透率的透明导电膜。 

另名学者Jia发表电阻21Ω/sq，光穿透度达93%的软性透明导电膜，其优越的可挠性与触控面板的展示如图11所示。

图10 奈米银线搭接交错的金属网络

图11 可挠度优良的软性奈米银线透明导电膜与触控面板的展示

大面积奈米银线透明导电膜连续生产的技术已日臻成熟，研究人员以连续卷对卷的狭缝涂布(Slot-die Coating)，制出400mm幅宽的柔性奈米银线透明导电膜，面电阻30Ω/sq时，光穿透度可达90%。 

惟奈米银线高长径比的材料特性，使得涂布均匀度难以控制，因此开发能够掌控均匀度的制程与设备是奈米银线透明导电膜产品产业化的关键之一。

柔性透明导电膜技术发展三大趋势

综观以上几种柔性透明导电膜技术发展，在可挠、光穿透、导电三大特性都有一定的开发成果，以下就从材料特性、量产制程、技术成熟度探讨其未来发展。

材料特性

导电度与光穿透度是柔性透明导电膜*重要的光电特性，高导电度下仍然能维持高光穿透度是产品发展的趋势。

为比较前述几种柔性透明导电膜技术，笔者以近几年各研究单位发表的面电阻与光穿透度成果来评价各种柔性透明导电膜技术，如图12所示。

图12 以面电阻与光穿透度来做评价各种软性透明导电膜技术

由该图可以发现，若以光穿透度大于80%为规格，在电阻大于100Ω/sq，上述各技术都能达到需求；但是到100Ω/sq以下时，石墨烯与奈米碳管就必须以真空法成长，再以转移技术成膜方能达到需求。

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