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谁能替代ITO薄膜? 触控面板四种新兴材料大对比

发布时间:2017-10-19

  随着触控面板大尺寸化、低价化的需求,以及ITO薄膜不适用于可挠式显示器应用、导电性及透光率等本质问题不易克服等,众厂商纷纷开始研究ITO替代品,包括纳米银线、金属网格、碳纳米管以及石墨烯等材料,其中以纳米银线和金属网格的发展较为成熟。

  金属网格(metal mesh)技术发展概况

  金属网格是利用银、铜等金属材料或氧化物,在PET等塑胶薄膜上所形成的金属网格图案。其理论最低面阻值可达0.1欧姆/□,并且具备电磁遮蔽功能而降低讯号干扰;但其所制得的触控感测器图形线幅稍粗(特别是线幅超过5μm以上)致莫瑞干涉波纹非常明显,仅适用于观测距离较远的显示屏。

  据了解,较早发展的日本企业是富士和郡是,都是在2009年起开始生产金属网格薄膜并之后提供触控面板业者使用。

  富士和郡是是直接供应触控感测器甚至模组,以协助终端业者降低进入的技术门槛。

  除此两家之外,美国企业Atmel虽提供触控IC至透明导电膜的解决方案,但因技术发展较晚,且在生产过程屡因制程问题而影响其出货。

  而大陆企业受Atmel发展结果的影响,于是企图同时强化研发与制造能力,以获得完整的解决方案。

  金属网格的基础技术主要可分为三种,第一为直接以金属油墨加以网印;第二为先于PET薄膜上涂布整面金属,再透过黄光微影制程,洗去多余成分而产生网格;第三的技术和第二类似,只是将其中的金属改成溴化银,利用化学还原成银。

  原本生产银盐胶卷的富士就是采用第三种方法,并成为全球金属网格薄膜的龙头业者,而其他业者,例如郡是及大陆厂家都是采用第一种技术,Atmel则是使用第二种技术。

  另外也有独自开发其他技术的,例如日本企业阿基里斯(Achilles),但尚未实用化。

  金属网格的量产讯息

  2013年上半年,台湾厂家华硕7寸平板电脑、大陆厂家联想NB等率先采用金属网格;大陆厂家华为、日本厂家恩益禧(NEC)智能手机也先后加入,特别是后者采用金属蒸镀技术来制作。

  再者,2013年也有搭载薄膜触控制程的GFF方案或MetalMesh技术机种陆续推出。

  虽然MetalMesh因为投入的厂商多,在市场中具话题性,而且价格也不贵,但至今MetalMesh却尚未被真正地大量生产。

  诚如SuperC_Touch总经理李祥宇所指出,其问题在于未达足够的光穿透率,图形化形成细线的过程中必须拿掉95%~99%的触控感应涂层面积,导致触控讯号降低20~100倍,现今触控IC难以支援;

  其二,为了让眼睛看不到,金属线幅必须小于5微米,而采用黄光显影制程或精密印刷技术,但两者费用偏高。

  因此,欲使低于5微米金属线幅不断裂、解决金属反射问题、材料氧化等,都让金属网格技术备受考验。

  纳米银线(SNW,silver nano wire)技术发展概况

  纳米银线是透明导电材料,纳米银线的直径小,在250nm以下,在可见光范围下的透光性高,同时,银具有高导电性和稳定性,可运用在触控感测导电图型结构的制程中,作为ITO透明导电膜的替代方案。

  目前的触控式屏幕使用ITO薄膜大多色偏而发黄,而采用纳米银线为新材料可实现几乎无色的状态。

  在制造方法上,原来的ITO制程使用真空工艺,而纳米银线油墨则能够用涂布法成膜,因此可以低成本制造;再者,现有ITO薄膜无法抗弯曲,而纳米银线则可轻松弯曲,匹配未来挠性器件的发展需要。

  据了解,当触控面板尺寸大到14或15.6英寸以上时,ITO的使用限制就会更加明显。

  在CTIMES举办的2013第四届触控论坛中,厂商Cambrios的大中华区总监JeffreyChen指出,MetalMesh及纳米银线两者可量产度及成熟度应该相差不远。

  “但如何架构完整的供应链,将是触控厂商在使用新材料与技术时,非常慎重考虑的一点,”Jeffrey说。目前ITO的替代技术中以纳米银线的量产化进度最快,有利于市占与价格降低。

  有关纳米银线的量产信息

  宸鸿与厂商Cambrios合作开发纳米银线触控技术已经超过3年,其中,日本企业写真印刷加入此一阵营,将引进塑胶薄膜触控制程与卷对卷生产技术进一步整合,一同制定纳米银线触控技术的产业规格与研发,开发出更具有价格竞争力的产品。该阵营于2014年4月陆续量产纳米银线触控面板,规划月产能约200万片,初期锁定聚焦于5~7寸的移动终端。

  日立化成,其纳米银线材料来源为美国CambriosTechnology公司,其产品结构是先在基材上湿式涂布一层纳米银线,在其上涂布感光剂(TransparentConductiveTransferFilm,TCTF),然后透过黄光制程,进行曝光及硷性显影而形成所需电路图案,很适合中大尺寸之触控面板。

  国内做纳米银线的知名企业还有合肥微晶、诺菲纳米和珠海纳金。

  其中合肥微晶成立于2013年,由浙江南洋科技股份有限公司投资。

  诺菲纳米则成立于2012年,2014年10月份已经开始量产,至今月产能已达10万平米。从纳米银线材料的合成与提纯,涂布墨水的配制,到膜材的涂布,全部由诺菲自主完成。

  今年6月,珠海纳金科技有限公司自主研发的直径为25纳米、30纳米的纳米级银线也将于今年下半年在珠海正式投产,而以纳米银线这一新材料为基础研发的透明导电薄膜也有望实现年10万平方米量产。

  目前市场上已陆续可看到采用纳米银线技术的产品,如华为Sprint、LG及联想AIO、GVISION的POSMonitor等。

  碳纳米管(CNT,carbon nano tube)技术发展概况

  碳纳米管(carbonnanotube)是由单层或多层之石墨层,卷曲成直径1纳米至50纳米间的中空柱状体,主要分成多层碳纳米管(multi-wallnanotubes,MWNT)及单层碳纳米管(single-wallnanotubes,SWNT)两种型式。

  CNT导电性质随CNT结构之不同而有很大差异;在电性上,SWNT又可依直径与旋度(chirality)之差异再区分为金属性与半导体性,了解到其电阻率分别约为5.1x10-6(与金属铜相当)及1x10-4Ω-m(与锗相当);在触控面板技术的应用上,当然以电阻率低且透光率高的金属性单层碳纳米管为主。

  石墨烯薄膜(Graphene film)发展概况

  石墨烯透明导电膜的大面积和规模化制备在近年也取得了长足的进步。

  2010 年,三星联合成均馆大学采用化学气相沉积法,制备出了30 英寸的单层石墨烯薄膜,重复转移得到4 层石墨烯薄膜,其透光率为90%,方块电阻为30 Ω/□。

  为提升石墨烯薄膜的产能,日本索尼公司设计出卷对卷化学气相沉积装备,在1000 ℃的温度下,通过支撑辊轴通电时铜箔受热可制备长度100 m 以上的石墨烯薄膜。

  中科院重庆绿色智能技术研究院致力于大面积石墨烯规模化制备技术及量产装备的开发,相关成果转化建立的重庆墨希科技有限公司,其生产线可实现年产100 万平方米石墨烯薄膜,并在超薄柔性触控屏等领域开展了应用探索。

  在石墨烯透明导电膜的应用方面,我国企业在技术开发与产业化的探索较为突出。

  例如,常州二维碳素科技有限公司攻克了石墨烯触控产品的关键技术,其子公司的石墨烯触控产品在智能穿戴、车载触控等领域开展了应用示范。

  重庆墨希科技有限公司开展了石墨烯触控屏手机、石墨烯触控屏电子阅读器的量产与销售,年收入约为数千万元规模。

  深圳烯旺科技有限公司聚焦于石墨烯电热膜,并在医疗健康与节能环保领域开展了应用。

  虽然石墨烯透明导电膜的制备和应用取得了一定的进展,但该领域总体上尚处于产业化的初期。