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金属网格/奈米银线崛起 ITO替代材料渐热

2018-01-02 14:35:00 责任编辑:志凌伟业 2

  新一代的铟锡氧化物(ITO)取代材料在这一两年蔚为风潮,除了各种材料的涌现外,有些触控面板厂也已经开始导入这些材料,甚至是相关的新制程。表面上看起来或许是仅是新材料的取用,但实际上却有可能造成将来供应链的质变。新材料之所以会在这个时间点提出,并不单只是有新的材料竞争者想要加入赛局, 而且也是因为ITO在一些应用上确实走到了极限。

  突破ITO大尺寸应用挑战 低阻抗/可挠性材料受瞩目

  除了液晶面板外,电阻式与投射式电容触控面板(Touch Module)应该是ITO重要的应用。比较触控感测器(Touch Sensor)和显示面板之间的置放关系,有些是围绕着显示面板置放感应器(像是光学式或是声波式);而有些是因为感应器不透明而必须放在显示面板之下 (像是电磁感应式);另外,有些则是放在显示面板之上,如外挂式的投射式电容就属于后者。正因为如此,投射式电容的感测器(也就是感应电极)必须看起来是 透明的,否则就会影响下方显示面板的可视性。ITO就是以其兼具良好的透光性(Optical Transmission)和导电性而成为感测器材料。

  日本是全世界重要的ITO靶材生产地,然而ITO材料中的铟(Indium)却必须仰赖中国大陆的生产。铟的产能与地球内剩馀储存量,一度成为ITO是 否得以持续使用的攻防战重点,也显示出产业对新材料的期望;但是,至今仍然没有一个共识可以肯定铟产能会在短中期内出现短缺。在2014年7月初,铟的材 料价格约在4,970元人民币左右,甚至高于同期间的银材料价格(4,295元人民币)。然而,在过去一年内,铟的价格其实起起伏伏、变动明显,如果真的 短缺,价格应该一路攀升,显示高低起伏应该是意味着产能与市场之间的拉锯与调节。

  外挂式投射式电容的透明电极,必须同时满足透光性和导电性两个条件。导电性在较大尺寸的触控区应用时更显得重要;表面阻抗值(Sheet Resistance)如果太高,除了感测电极功耗增加外,控制晶 片有可能推起来更为费力,因而影响触控灵敏度。ITO本身是很好的导电材料,但是做为感测电极时必须先依附于薄膜或是玻璃上。在进行感测图形化 (Sensor Patterning)制程之前,ITO通常以磁控溅镀(Magnetron Sputtering)方式沉积于薄膜(通常是PET材料)或是玻璃上。

  欲得到较低阻抗值的方法,就是让ITO层的沉积厚度增加,但是厚度一增加却会影响透光性;另外,薄膜于溅镀过程中的耐受性较差,因此也无法取得较大的厚度;相对而言,玻璃的耐受性较好,自然阻抗值也可以降低,不过玻璃的厚重程度较差。

  ITO薄膜目前主流规格约在150欧姆(Ω)/单位面积的阻抗值,对于10寸以下的触控区已经足够,但是到了笔记型电脑的尺寸或是20寸以上,就显得吃力;同时,当触控区成为曲面或是可挠式时,ITO的易脆性容易造成阻抗值急遽升高,阻抗稳定性将变得很差。

  因此,要成为ITO取代材料的规格关键,其实就是能够解决上述的问题,包含具有高导电性,并且能够应用在任何基板与任何尺寸上;除了有低表面阻抗值外,也要能维持良好的透光性;再者,该材料要能够具有可挠性,阻抗值与感测电极的稳定性可以适应非平面触控区。

  先进制程加持 金属网格/奈米银线崛起

  除了ITO与其他的无机透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)外,目前触控面板产业出现的取代材料约有五种:金属网格(Metal Mesh)、奈米银线(Sliver Nanowires)、奈米碳管(Carbon Nanotube)、导电高分子(Intrinsically Conductive Polymer)与石墨烯(Graphene)。前三者是目前已经有实际量产与出货的取代材料(表1)。

  


  然而,从触控面板厂的选用与布局来看,金属网格与奈米银线拥有较多的支持者,特别是前者。这两种材料都是金属(银或是铜),其导电性都比ITO更好,很 容易在可接受的透光度下,轻易达到100欧姆、甚至50欧姆以下的表面阻抗值。金属并不像ITO本身就是透明材料,因此必须以网格状或是散乱的丝状来提高 透光度,例如,假设在一个感测器的基板表面上,材料占有10%的面积,那么就会有90%的面积可供光线直接穿透基板,也就是说可以达到90%的透光度(如 果基板的透光度忽略不计)。

  金属网格与奈米银线在低表面阻抗值上有明显超越ITO的优势,但更重要的是两者均支援可挠性与非平面的触控 区,而且不会有剧烈的阻抗值变化;而在大于30寸对角线的投射式电容触控区应用上,两者的表面阻抗值更为理想,特别是金属网格,其网格图桉具有一致性、连 贯性与延伸性,因此在形成较大尺寸的感测图桉时,线路与图桉的均匀度比较容易控制。

  相对而言,奈米银线目前的制程是先以湿式涂布(Wet Coating)于薄膜上,均匀度的控制尤其重要。不像金属网格的连贯性,每个奈米银线都是单独个体,导电性是透过银线之间的交错、重叠来达成,如果银线散布的均匀性不佳,那么阻抗值均匀度就会受影响,甚至断线。

  另一方面,金属网格也有若干缺点,特别是反光与摩尔纹(Moire Effect)的问题。目前金属网格的单一线宽约在4微米(μm)左右,若太宽便须要在网格线表面做黑化(Blacking)处理,以减少反光,但这样又会造成显示面板在视觉上太黯澹的观看经验;此外,而摩尔纹效应的降低必须仰赖图桉设计(如菱形、蜂巢状与不规格形状),并且与显示面板的参数(如Black Matrix与Pixel Pitch)进行协调。

  不过,金属网格与奈米银线的缺点,并非是在原理上无法解决的问题,在未来都有机会透过制程的精进逐步克服。之所以让触控面板厂选择这些取代材料的原因,除了材料本身在关键规格的优异性外,制程也是一项重要因素。

  以奈米银线来说,可以相容既有的低温黄光设备,因此触控面板厂在设备的投资与折旧摊提上会较为划算;而在前置的湿式涂布制程上,其材料浪费的程度也会比原先ITO溅镀方式来得好。

  至于金属网格,部分厂商提出了「加法制程(Additive Process)」以取代「减法制程(Subtractive Process)」,后者典型的例子就是雷射蚀刻(Laser Etching)和黄光制程。黄光制程是先将材料沉积到基板上,再透过精密的曝光、显影与去光阻等步骤,留下所要的感测图桉与线路(Traces),并且 蚀刻掉不要的材料。前者像是欧菲光、乐金(LG)Innotek的奈米压印(Imprinting)制程,利用滚轮压模将感测图桉与线路一次制作于基板 上,不须要蚀刻掉材料。

  其他的加法制程还有工研院提出的凹版印刷(Gravure Printing)法,与UniPixel的电镀法(Metal Plating)。这些新一代的制程,要完全取代成熟的ITO供应链与黄光制程,还需要一些时间。

  扩大应用/制程优势 新兴材料取代ITO可期

  一般在判断新材料的导入机会时,常用的标准普遍为材料成本,但是成本常常只是个结果,而不是导致的原因。以面板产业来看,相对于电浆技术,液晶面板的 结构、组件实在过于复杂,自然成本应该要比较高;但是就供应链的充沛性、众多上下游厂商的投入,以及应用端市场的成长时机等因素下,液晶面板价格不断滑 落,其所造成的影响,不只是消灭了电浆面板,目前还紧紧地压制住有机发光二极体(AMOLED)。

  因此,上述ITO取代材料的规格优势仅是张入场券,在透过触控面板厂商的投入、制程的精进,并且能够在主流应用市场取得一席之地后,渗透率就会逐渐提升;接着,就会有更多的上下游厂商投入,致使成本不断下滑,使得新材料更具竞争力。

  目前以ITO为基础的供应链与生态体系,其实相当充沛与稳固,而且对最大的应用端市场(中小尺寸的手机与平板电脑)来说,除非铟的价格飙升,否则ITO的王座并不是那么容易被挑战。

  新材料的机会主要有两个方向:第一是规格特性,第二是领导厂商的投入。前者可从更大尺寸与非平面触控区的应用来切入,这两个利基点都是ITO表现不佳的 地方,更能突显新材料的优势和价值;后者则是要依靠像是宸鸿、欧菲光等领导厂商,透过在制程的改进与成熟化后,将新材料导入主流的应用,提供给客户不同选 择,并且逐渐建立其信心。