透明導電薄膜技術趨勢與應用(上)

 

刊登日期:2014/6/20
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目前透明導電薄膜在太陽能、平面顯示器與觸控面板三大產業有非常高的需求量外,還包含了其他新開發的市場應用如智慧節能窗(Switch Glazing)、靜電防護膜(ESD)以及表面感測器(Sensor)等,都一再顯示透明導電薄膜在光電產品上的應用潛力。國外電子產業市場分析單位IDTechEx也表示,未來透明導電薄膜的市場規模於2016年將成長至20億美元,在2022年可達29億美元(圖一),各種資訊均說明了透明導電薄膜的前景極度被看好。

透明導電材料
早期透明導電薄膜材料(Transparent Conducting Oxide; TCO)分為兩大類,第一類為薄金屬膜,包含金、銀、鉑、銅、鋁、鉻、鈀、銠等金屬,其厚度小於10 nm時,均有某種程度的可見光穿透度,然而其缺點為光的吸收度大、硬度低、穩定性差(圖三)。


圖三、不同金屬薄膜在可見光範圍之穿透度

合成TCO薄膜材料於玻璃基板從早期1940年代開始的噴霧熱裂解法(Spray Pyrolysis)與化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition; CVD),到1970年代利用真空蒸鍍(Evaporation)與濺鍍(Sputtering)方式,直到1980年代磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)的開發,可使用低溫成膜製程,使其在玻璃及塑膠基板均能達到低片阻值、高穿透率之ITO薄膜。ITO為氧化銦中摻混(Doping)少量的錫而組成,使錫原子取代氧化銦結構中部分的銦原子,其整體結構組成還是以氧化銦(In2O3)為主,組成在In2O3/SnO2 = 90/10時,有最低的電阻比及最高的光穿透率(@550 nm),如圖四所示。

未來新型透明導電薄膜
由於ITO有前述之缺點,各種可能取代ITO做為透明導電膜的材料開發成為現今光電產業的重要課題。圖五為各種透明導電薄膜材料之市場預估,可以發現ITO到2019年仍然佔有大量的市場產值,主要是因為技術成熟,相關廠商不會輕易放棄原有的製造產線,在原物料的藏量與價格沒有大幅波動下,除非新型透明導電材料有價格或特性上的巨大優勢,否則ITO的市場仍然會穩定成長。金屬氧化物半導體於透明導電膜的應用除了ITO之外,還包含了ATO(Antimony Doped Tin Oxide)與FTO(Fluorine Doped Tin Oxide),以及以ZnO為母材所組成之透明導電材料。由於鋅金屬較銦產量豐富、價格低廉,同時較無毒性且比ITO容易蝕刻,近年來成為備受矚目的透明導電材料。但因純ZnO的電阻過高,當環境溫度高於150˚C以上,其電性的穩定度不佳,而為了得到低電阻,可分別混摻Al、Ga、In而形成AZO(Aluminum Doped Zinc Oxide)、GZO(Gallium Doped Zinc Oxide)和IZO(Indium Doped Zinc Oxide),進而提升導電度。目前以AZO最被廣泛研究,已經在平板顯示器和薄膜太陽電池獲得應用,其原因為摻雜原料價格便宜(Al相對於其他材料便宜很多),且可獲得極低的片電阻(10 Ω/□以下)和可見光區域良好的透光率。表一為針對現行各種主流TCO金屬氧化材料之特性比較,可依不同應用需求使用。

銀奈米線可在溶液中合成,再以塗佈的方式將其沉積在透明基材上,形成隨機的導電網狀結構,圖九為工研院材化所自行開發之奈米銀線微結構圖。此薄膜穿透度可達90%以上、片阻值小於10 Ω/□,非常有利於做為透明電極的替代材料。透過銀奈米線沉積密度可控制薄膜之片阻值與穿透度,可依照載具需求做調控取捨……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖九、工研院材化所自行開發之奈米銀線

作者:蕭暐翰、邱俊毅、邱國展/工研院材化所
本文節錄自「工業材料雜誌330期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11889 


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