专家视点 | 浅析具潜力的柔性透明导电膜

光电产品都需要光的穿透与电的传导，因此透明导电膜是光电产品的基础，平面显示器、触控面板、太阳能电池、电子纸、OLED照明等光电产品都须要用到透明导电膜。

「透明度」与「导电度」在物理上是两个互相掣肘的特性，「透明度」代表可见光可以穿透介质的多寡，而「导电度」代表介质传导载子(Carrier，包括电子与电洞)的多寡，与载子浓度有关。

在光学性质上，载子可视为处于一种电浆状态，与光的交互作用很强，当入射光的频率小于材料载子之电浆频率(Plasma Frequency)时，入射光会被反射，因此，材料的载子电浆频率在光谱的位置是可见光波段(380nm~ 760nm)是否能够穿透的决定因素。

一般金属薄膜的电浆频率在紫外光区，所以可见光无法穿透金属，这是金属在可见光区呈现不透明光学性质的原因，而金属氧化物的电浆频率落在红外光区，因此可见光区的光线可以透过金属氧化物，呈现透明状态。

但是，金属氧化物能隙(Energy Band Gap)太大，载子的浓度有限，导致金属氧化物的导电度很差。从材料的物理特性来看，「透明度」与「导电度」是难以两全的特性，开发一个同时具有高导电度与高光穿透率的材料相对困难。

降低金属材料厚度是增加光线穿透度的一个方法，惟金属薄膜厚度太薄，加工不易，例如以蒸镀方式成膜会形成岛状不连续的生长；另一方面也因为膜厚较薄，在空气中容易有氧化的现象产生，造成电阻值剧变，薄膜稳定性差，不利于后续加工应用。

提升金属氧化物的载子浓度以增加其导电度是透明导电膜的另一个方向。氧化物材料稳定，薄膜成膜性佳。可以利用掺杂(Doping)或是制造缺陷增加载子的浓度来提高导电度，是透明导电膜的理想材料。

如掺杂的氧化锡、氧化锌等都具有高透明、高导电的特性，其中又以氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)应用*为广泛。ITO导电度佳，可见光透光率高，同时成膜技术与后续蚀刻图案化制程都成熟可靠，是目前透明导电膜主要的材料。

ITO透明导电膜虽然应用非常广泛，但ITO属于脆性的陶瓷材料，容易受力脆裂。

从柔性电子对可挠性的功能需求来看，受力弯曲碎裂的特性使ITO在柔性电子组件应用上碰到瓶颈，具有可挠特性，取代ITO透明导电膜的产品必是未来柔性光电产品的基础材料，是柔性光电产品的战略物资。

预计取代ITO的透明导电膜市场到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)、纳米碳管(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。

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。

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，如图所示。

由上图可以发现，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，石墨烯与纳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。

导电高分子与金属网格、金属网络可以达到此规格，而10Ω/sq以下，就只有金属网格与金属网络可以符合。其中纳米银线网络在100Ω/sq以下，甚至更低都能显现出优异的特性，这是由于银的导电特性**，少量的纳米银线即可达到低电阻与高穿透度的光电特性。