柔性透明導電膜說一說這個關鍵

柔性電子崛起的產業趨勢已日趨明朗，柔性顯示器、柔性照明、柔性太陽能電池、柔性傳感器等產品已經逐漸從實驗室走向市場。在這產業趨勢之下，具有可撓性、高光穿透度、高導電度的軟性透明導電膜是許多柔性光電產品的基礎。 因此，柔性透明導電膜將會成為柔性光電產品的戰略性材料。

本文從透明導電膜的特性探討具潛力的柔性透明導電膜技術，闡述各技術發展現況，并從材料特性、量產技術與商品產業化進展分析各種技術的發展趨勢。期盼在柔性電子崛起之際，產業能夠在材料、制程、設備有所布局，掌握柔性電子的龐大商機。

透明導電膜為光電產品基礎

光電產品都需要光的穿透與電的傳導，因此透明導電膜是光電產品的基礎，平面顯示器、觸控面板、太陽能電池、電子紙、OLED照明等光電產品都須要用到透明導電膜。

市調機構Research and Markets 2017年發布的市場調查指出，預估全球透明導電膜的市場從2017到2026年平均年成長率超過9%，不管是從光電產品的產業鏈或是市場規模來評量， 透明導電膜都是光電產業不可忽視的重要材料。

「透明度」與「導電度」在物理上是兩個互相掣肘的特性，「透明度」代表可見光可以穿透介質的多寡，而「導電度」代表介質傳導載子(Carrier，包括電子與電洞)的多寡，與載子濃度有關。

在光學性質上，載子可視為處于一種電漿狀態，與光的交互作用很強，當入射光的頻率小于材料載子之電漿頻率(Plasma Frequency)時，入射光會被反射，因此，材料的載子電漿頻率在光譜的位置是可見光波段(380nm~ 760nm)是否能夠穿透的決定因素。

一般金屬薄膜的電漿頻率在紫外光區，所以可見光無法穿透金屬，這是金屬在可見光區呈現不透明光學性質的原因，而金屬氧化物的電漿頻率落在紅外光區，因此可見光區的光線可以透過金屬氧化物，呈現透明狀態。

但是，金屬氧化物能隙(Energy Band Gap)太大，載子的濃度有限，導致金屬氧化物的導電度很差。 從材料的物理特性來看，「透明度」與「導電度」是難以兩全的特性，開發一個同時具有高導電度與高光穿透率的材料相對困難。

降低金屬材料厚度是增加光線穿透度的一個方法，惟金屬薄膜厚度太薄，加工不易，例如以蒸鍍方式成膜會形成島狀不連續的生長；另一方面也因為膜厚較薄，在空氣中容易有氧化的現象產生，造成電阻值劇變，薄膜穩定性差，不利于后續加工應用。

提升金屬氧化物的載子濃度以增加其導電度是透明導電膜的另一個方向。氧化物材料穩定，薄膜成膜性佳。 可以利用摻雜(Doping)或是制造缺陷增加載子的濃度來提高導電度，是透明導電膜的理想材料。

如摻雜的氧化錫、氧化鋅等都具有高透明、高導電的特性，其中又以氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)應用*為廣泛。ITO導電度佳，可見光透光率高，同時成膜技術與后續蝕刻圖案化制程都成熟可靠，是目前透明導電膜主要的材料。

ITO透明導電膜雖然應用非常廣泛，但ITO屬于脆性的陶瓷材料，容易受力脆裂。

從柔性電子對可撓性的功能需求來看，受力彎曲碎裂的特性使ITO在柔性電子組件應用上碰到瓶頸，具有可撓特性，取代ITO透明導電膜的產品必是未來柔性光電產品的基礎材料，是柔性光電產品的戰略物資。

柔性透明導電膜需求上揚，制造材料多元化

近年來，柔性電子產品已逐漸商品化，柔性顯示器、柔性照明到柔性傳感器、柔性太陽能電池等技術發展日新月異，這些柔性產品都促使軟性透明導電膜的需求日益殷切。

依據Touch Display Research 2015年的報告，非ITO透明導電膜之市場需求將逐漸地上升(圖1)。

圖1 Touch Display Research預測非ITO透明導電膜市場規模

預計2018年，取代ITO的透明導電膜市場高達40億美元的產值；到2022年時，將超過百億美元。

如此龐大的市場規模主要來自柔性觸控、柔性顯示器、柔性太陽能電池與其他柔性電子組件在未來幾年蓬勃發展，造成市場對柔性透明導電膜需求的結果。

雖然學理上一種材料同時具有高光穿透率、高導電率與可撓曲特性比較困難，但透過材料設計如金屬薄膜、氧化物/薄金屬/氧化物(Dielectric/thin Metal/Dielectric, DMD)復合材料結構、 摻雜具共軛鍵的有機導電高分子(Organic Conductive Polymer)；具導電性的導電碳材如石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT)；或是設計肉眼看不到網格的結構如金屬網格( Metal Mesh)、金屬網絡(Metal Web)，都可制成軟性透明導電膜(圖2)。

圖2 各種具潛力之軟性透明導電膜技術

以下就回顧這些技術目前的研發成果。

• 金屬薄膜

降低金屬材料厚度可以增加光線的穿透度，但是金屬薄膜厚度太薄時，材料穩定性差，容易氧化，造成電阻值劇變。

日本TDK以薄銀合金來取代銀金屬，并且以上下保護層來克服金屬薄膜穩定性問題。

如圖3所示，獨特的Ag-Stacked Film在9 Ω/sq的電阻下仍有高達90%的穿透率。

圖3 TDK可撓性質的銀合金軟性透明導電膜結構

降低氧化物的厚度到奈米等級可改善氧化物的脆性，然而厚度降低必然也會降低導電度，將導電度優良的金屬薄膜夾到氧化物中，就有機會在一定的可撓度下，維持可應用的光穿透率與導電度。DMD結構材料尚包括ZnS/Ag/WO3；MoOx/Au/MoOx。

這些DMD結構特別適用于需要能階匹配的組件，如迭層結構的OLED與太陽能電池，可藉由氧化物的選擇做能階匹配，以增加組件光電轉換效率。

金屬薄膜與DMD結構都需要復雜的真空制程，制造成本比ITO來得高，比較適用于高附加價值的光電產品。

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