軟性電子中替代ITO之透明導電材料：材料世界網

『透明導電材料』在顯示器與太陽能產業中，具有十分重要的地位，尤其是在當前元件軟性化的開發領域中，更是主宰了元件的成敗關鍵。一般而言，透明導電材料需要至少小於1×10^-3 Ω-cm等級的電阻率，以及可見光穿透率大於80%以上的材料，比較具有應用價值。常見的材料主要是n-type的金屬氧化物，藉由結構中的氧原子的空缺及其他離子或化合物的摻雜達成高導電的效果。其中ITO (Tin doped Indium Oxide)由於有較佳的導電性，一直是目前面板產業中幾乎無法被取代的唯一選擇。但由於ITO中的In金屬蘊藏有限，使得近來靶材成本不斷上升，而引起其他透明導電材料如AZO、GZO、FTO等研究的投入，尤其是在太陽能電池產業中，幾乎已經取代了ITO的使用。

然而，技術發展進入軟性應用時，透明導電材料的需求，就不只是『透明』及『導電』兩項條件就可以滿足，還必須加上『可撓』或『耐撓』的機械性質。同時兼顧光學、電性及機械性質等三項要求的材料，目前而言，可說是沒有，不過可以看出幾個可能的方向，可以給後續的研究者繼續發展。

TCO/金屬複合層
由於單獨使用透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxides, TCO)的電極在撓曲之後會產生碎裂，且伴隨著電阻值上升，以ITO為例(如圖一所示)，在撓曲10⁵次之後電阻值大幅攀升。

圖一、(a) ITO薄膜經10⁵次捲曲(D=1.5 inch)後碎裂的情形；(b)ITO薄膜電阻值隨撓曲次數而攀升

為了延續製程且兼顧透光性，TCO的部分無法被輕易的拋棄，補救措施便是加入金屬層。金屬雖然具有較好的延展性及可撓性，但是光學穿透度都不太高，所以藉助金屬的高導電度降低TCO薄膜的厚度，同時搭配金屬的延展性減少因碎裂產生的電阻上升。常見的結構是將金屬夾在兩層的TCO之間，TCO/Metal/TCO的結構或許可以兼顧撓取性及導電度，但是在整體可見光區的光學穿透率卻不一致，且平均都在80%以下。此外，雖然利用金屬層強化可撓性，不過畢竟結構中還是存在有易碎的TCO層，整體導電層的撓曲性依舊籠罩著可靠度的陰影。

導電高分子
有鑒於TCO的機械不安定性，另一種利用導電高分子取代ITO作為電極材料的研究便開始在軟性顯示器的領域中發酵。導電高分子的發展由來已久，主要且常見的導電高分子為poly(acetylene)系列、poly(thiophen)系列、poly(aniline)系列以及polypyrrole系列四種，如圖二所示。

其中poly(acetylene)為最早被發現具導電性質的高分子，其發現者還因此獲得2000年的諾貝爾化學獎。不過由於其低穩定性，再加上其單體為可燃性氣體，加工不易，所以應用上較為侷限。而常見的PEDOT其實是poly(thiophen)的衍生物。

圖二、常見導電高分子材料結構

雖然以上的四類高分子具有導電的共軛結構，不過單純的使用這些材料，並不足以提供小於10^-3 Ω-cm等級的電阻率，所以一般都會進行摻雜來提升導電能力。

由於導電高分子具有先天上可撓性的優勢，以具代表性的H.C.Starck公司的Baytron P系列的PEDOT/PSS為例，其電阻值幾乎不會隨撓曲次數而增加。所以只要能強化導電度，即使穿透度較低一些，都十分有機會可以取代ITO。根據這樣的想法，許多藉由不同溶劑或溫度控制的改善方法分別被提出，有效地將導電度從1~10(S/cm)提升至約300~600(S/cm)。雖然比起ITO的1000~6000(S/cm)而言，尚有一段差距，但是已經達到可以應用於OLED，且與ITO在發光效率上的表現相當接近(如圖三)。除此之外，PEDOT/PSS的折射率約為1.4~1.6，與玻璃(~1.5)相仿，比起ITO的高折射率(1.8~2.1)，可以大幅減少因全反射而產生的正向出光損失。

不過，PEDOT/PSS還有一些問題待解決，例如離子溶出擴散或酸性過強會腐蝕其他材料，甚至降低OLED的發光效率。還有傳統曝光顯影的電極圖案化方法，會因為溶劑的使用而影響導電度，所以必須選擇較為昂貴的電漿蝕刻或是技術較不成熟的噴墨式製程(如圖四所示)，使得薄膜平坦度、元件效能及量產應用上受到侷限。

圖三、分別以ITO與PEDOT/PSS為陽極在RGB各光色OLED中發光效率的比較

圖四、以噴墨方式將PEDOT噴進事先以曝光顯影做好的Pixel凹槽內，膜後的不均勻程度