本質型導電高分子水溶液經過旋轉塗佈及乾燥後,可於基材上形成均勻導電薄膜,具有高導電性、高穩定性、易於加工,以及綠色環保等優點,為因應不同的塗佈與印刷工藝,可以開發特殊的油墨配方,廣泛應用在不同的領域。目前已商品化的產品有抗靜電塗料、防腐蝕塗料,以及固態電容等;此外,發光二極體、太陽電池、軟性電子元件,以及透明導電膜等亦在研究開發中,特別是以本質型導電高分子為透明導電膜,取代ITO於電阻式觸控面板的應用,不論在成本、加工性或耐用度上都優於現有材料,未來應有大幅發展的空間。
抗靜電及導電高分子材料技術簡介
塑膠材料絕大部分為碳氫化合物所構成,由於沒有如金屬般的自由電子可導通,因此其表面電阻通常介於1012~1019 Ω/sq,相對於表面電阻僅約10-1~10-5Ω/sq的金屬算是標準的絕緣體,極易在高分子表面產生電荷聚集,為了使塑膠材料能具有導電性質,目前廠商以複合型(Extrinsic)與本質型(Intrinsic)導電高分子的開發居多。其中,複合型導電高分子材料係於樹脂材料中添加金屬或導電碳黑,藉由導電顆粒聚集形成導電網絡來提升高分子材料的導電性;而本質型導電高分子則是一種共軛性導電高分子,其高分子主鏈結構係由交替的單鍵− 雙鍵共軛鍵結而成,可經由化學或電化學的方式加以摻雜,形成電洞或電子傳導載子,因而產生介於半導體及金屬導體之間的高導電度。
導電性塑膠產品的製造技術可分為表面成膜與混練兩大類,根據不同的導電規格需求,可採行不同的製作方法。如圖一所示,通常混練的技術係以金屬粉末或導電級碳黑為樹脂添加劑,以形成複合型導電塑膠材料,達成絕佳導電及抗靜電效果,主要應用在導電膠(<103Ω/sq)、電磁波遮蔽(101~104 Ω/sq)及靜電消散(106~1012 Ω/sq)等領域。不過,添加導電碳黑容易因析出粒子而污染電子元件,而金屬粉末價格昂貴且有毒性物質污染之疑慮。考慮另一種做法係以蒸鍍、塗佈、電鍍方式,將導體材料成膜在塑膠基材表面,此法不但可以獲致表面較高導電度,且可以保持塑膠基材原來的機械強度等性質,因此用途較為廣泛,若產品要求高透明度,則多採用此種表面成膜之方式,來達成靜電防護/導電的效果。其中蒸鍍及電鍍方式有成本昂貴的缺點,而塗佈抗靜電劑具有製程簡易及成本低廉的優點,但一般抗靜電劑(例如四級胺鹽、胺類化合物、磷酸酯類、烷乙氧類、脂肪酯類、脂肪胺類,以及醇類衍生物等)之表面阻抗仍高,若產品經由碰撞或多次沖洗,抗靜電劑常會因此脫落,而失去靜電防護的功效,且容易受到外在濕度影響,應用市場深受限制。採用本質型導電高分子做為長效性抗靜電/導電材料是另一種選擇,不但具有高透明度、高導電性、高穩定性及易於加工等特性,亦可與一般塑膠混練,已成為抗靜電及導電性材料的重點發展方向。
圖一、抗靜電及導電高分子材料技術種類
透明性導電高分子材料之應用潛力
採用本質型導電高分子做為抗靜電薄膜材料,因具有優良抗靜電性、耐久不易變質、無粒子粉塵產生等產品特點,可符合先進高階面板、光電及半導體廠的高規格需求,做為各種電子/光電產品、感光膠片,以及PCB-wafer之抗靜電保護膜。在電子及光電元件之透明電極應用方面,銦錫氧化物(Indium Tin Oxide; ITO)為目前業者普遍使用在平面顯示器、太陽電池及觸控面板等產品之透明導電薄膜材料。除了價格昂貴及材料來源日益匱乏之外,由於觸控面板在使用的過程中,必須經常性彎曲透明導電薄膜,使兩張薄膜能夠接觸在一起,經長時間不斷地對透明導電薄膜施予壓力後(圖四),ITO在軟性基材上經由重複觸碰敲擊將產生老化,甚至會因彎曲成弧狀而造成微觀的裂縫。如圖五所示,當彎曲半徑達約8 mm,ITO薄膜片電阻(Sheet Resistance)急速升高,且當應力移除時,片電阻無法完全回復,而在彎曲半徑為8 mm情況下,其片電阻在彎曲次數達10次便開始上升。然而,本質型導電高分子PEDOT:PSS在彎曲半徑小於8 mm時,PEDOT:PSS片電阻則仍維持不變,且在彎曲半徑為8 mm情況下,其片電阻在彎曲次數達數萬次時仍維持不變。由此顯示,採用價格便宜且耐彎曲的本質型導電高分子,以取代ITO應用在觸控面板、軟性顯示器、電子紙、發光二極體及太陽電池,可改善傳統使用ITO易脆及價格昂貴之缺點,成為未來產品開發之重要趨勢。
圖五、ITO與PEDOT:PSS性能比較:(a)彎曲半徑對片電阻的影響;(b)在彎曲半徑為8 mm情況下,彎曲次數對片電阻的影響
透明性導電高分子薄膜材料技術
PEDOT:PSS是目前幾個可商業化生產的導電高分子中,唯一在導電度、安定性及透明度都能與ITO透明導電膜競爭的材料,雖然表面阻抗及導電度目前仍不及ITO膜,但已可達到電阻式觸控面板要求,且具有價格競爭優勢(表四),因此採用PEDOT:PSS做為高透明性耐彎曲導電薄膜,成為國內外業者積極研發之重點方向…以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文
作者:黃桂武/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌288期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9009