● 文/根津 禎
從液晶面板、觸摸屏到電子紙、太陽能電池，ITO曾被廣泛用作透明電極材料。目前，替代ITO的新型透明電極材料正逐步走向實用化。其原因在于新材料具有可輕松彎曲、有助于降低成本以及光線透過率高等特點。新材料已開始應用于觸摸屏，電子紙也成為繼觸摸屏之后的又一應用領域。在不遠的將來，新材料的應用范圍還有望向太陽能電池及液晶面板領域擴展。最近，已有廠商開始在部分用途中采用新材料來替代原來的ITO（圖1、圖2）。
普利司通采用導電性高分子材料替代ITO制作透明電極，并試制出了電子紙，于2009年6月進行了發布?！拔覀兇蛩阌糜∷⒓夹g以極低成本來制造又薄又輕且彎曲時也不會破裂的電子紙。但采用現行的ITO材料，存在過度彎曲時容易破裂的危險”（普利司通）?，F行ITO材料無法應用于印刷技術。因此，普利司通對能夠用印刷技術成膜的、可彎曲的新型透明電極材料進行了各種嘗試。“雖然目前在特性上還不夠充分，但兩年后有望達到實用水平。我們將盡快實現在產品中的應用”（普利司通）。
一、紛紛在觸摸屏中采用新材料
盡管尚未正式發布，但已有廠商開始在產品上采用新材料作為透明電極。觸摸屏就是其中之一。據TDK介紹，該公司使用涂布法成膜的ITO（以下稱涂布型ITO）制成了ITO薄膜“FLECLEAR”，并且“已得到部分觸摸屏產品的采用”（該公司）。
實際上，對ITO進行替換的行動今后在觸摸屏領域有可能迅速推進。觸摸屏大廠商日本寫真印刷將采用在溶液中摻入微小Ag絲的透明導電性墨水（Ag絲墨）作為投影型靜電容量式*觸摸屏的透明電極材料。雖然應用于產品的具體時間尚未公布，但日本寫真印刷正在為此與美國風險企業Cambrios Technologies共同開發Ag絲墨。
*投影型靜電容量方式是觸摸傳感器使用的檢測方式之一，被稱作Projected Capacitive Type。已被iPhone等采用。通過在印刷線路板及透明薄膜上形成電極圖案，對手指接近而產生的電極間的靜電變化進行檢測。此外，靜電容量方式還有表面型（Surface Capacitive Type）。
決定采用新材料的日本寫真印刷設定了多個目標。首先是以低成本制造可更忠實表現影像色調的、幾乎無色的觸摸屏。目前的觸摸屏用ITO薄膜大多發黃，而采用新材料的話便可實現幾乎無色的狀態。在制造方法上，原來的ITO使用真空工藝，而Ag絲墨則能夠用涂布法成膜。因此有望以低成本進行制造(圖3)。
現有ITO有諸多課題。比如用于觸摸屏則存在透射率等課題。觸摸屏用ITO薄膜要想使全光透射率達到90％以上，就必須使用防反射膜。而用于電子紙的話則存在過度彎曲時容易破裂的危險。
日本寫真印刷的另一目標是實現能夠粘貼在曲面上的三維觸摸屏?，F有ITO的抗彎曲性不足，而Ag絲墨則可輕松彎曲。
另外，阿爾卑斯電氣打算在該公司的觸摸屏上采用ZnO類透明電極來替代ITO，目前正在大力進行研發。ZnO可高效透射ITO難以透射的短波長光線，使屏幕更清晰。此外，阿爾卑斯與普利斯通及日本寫真印刷一樣，對ZnO類透明電極的柔軟性及彎曲性出色這一點也寄予了厚望。
二、向薄膜硅太陽能電池擴展
新型透明電極材料與原來的ITO相比，光線透過率等特性出色，可輕松彎曲，能夠以更低成本進行制造。發揮這些特點的用途不僅僅是觸摸屏及電子紙。在太陽能電池及液晶面板等領域也有可能獲得良好效果。
其中，在太陽能電池領域，新型透明電極材料的采用今后有望順利推進。太陽能電池有多種方式，利用ITO的是薄膜硅太陽能電池等。
太陽能電池“要求使用透射率高且方塊電阻值低的透明電極”（產業技術綜合研究所太陽能發電研究中心硅新材料小組研究員鯉田崇）。原因是便于提高太陽能電池的轉換效率。透射率越高，到達太陽能電池光吸收層的光線量就越多。方塊電阻值越低，就越能夠高效利用由光電轉換產生的電流。
但是要實現在液晶面板領域中的應用，新型透明電極材料也許還需等上很長一段時間。原因是要跨越的門檻較高。尤其是在大屏幕液晶電視等使用的52英寸及65英寸等液晶面板中，實現起來更非易事。
這是因為必須要滿足大尺寸玻璃底板的要求。在液晶面板行業，使用第十代玻璃底板的大尺寸面板已于2009年內開始生產。當然，這些液晶面板所使用的ITO，其靶材也達到了第十代玻璃底板的要求，而且還在為提高液晶面板成品率而不斷優化。在這種情況下，缺乏實際業績的新材料短期內很難替代現有的ITO。對新材料而言，今后要做到的是，在證實通過印刷技術等能夠大幅降低成本的基礎上，建立面向大尺寸面板的大規模生產體制。在完成這些工作之后，新型透明電極材料替代ITO便指日可待了（圖4）。
三、新材料有五種
已實用化或正以實用化為目標進行開發的新材料主要有5種。除了前面提到的涂布型ITO、Ag絲墨及導電性高分子之外，還有ZnO及Ag絲。這些材料具有的共同特點大致有四：①柔軟及彎曲性出色，②色調好，③易降低成本，④形成透明電極的基材選擇自由度高(表1)。
1、柔軟及彎曲性出色
柔軟性及彎曲性越出色，就越能適用于具有曲面的立體形狀以及自由彎曲的用途?？蓪崿F多次觸摸也不易破裂的觸摸屏，以及可彎曲的電子紙。而已有的ITO存在過度彎曲時存在發生破裂的危險。比如，“厚度約100μm的ITO薄膜，不會破裂的極限是曲率半徑為6mm左右”（日本觸摸屏研究所代表董事社長三谷雄二）。
而新材料不同，5種材料均顯示出了超過已有ITO的柔軟性及彎曲性。比如，Cambrios公司的Ag絲墨“即使在半徑為4mm的圓棒上纏繞多少圈也不會發生破裂”（Cambrios銷售代理商住友商事）。
2、色調好
色調好的特點是指接近無色。換句話說，就是光透射率因波長不同而引起的變化較少，透射光譜幾乎為平坦狀態。越是無色就越容易在顯示屏上忠實再現顏色。
被觸摸屏用得最多的要屬以樹脂為基材的ITO薄膜，其透射率在500n～550nm以下的波長區域時會下降，看上去顯黃色或茶色。其原因在于，為了防止薄膜受熱劣化，將ITO的成膜溫度控制在了低達數十℃的水平。在數十℃的溫度環境下進行ITO成膜時，ITO不會完全結晶化，而呈現非晶質狀態。因為ITO的結晶化溫度高達200℃左右。非晶化的ITO難以透射藍色等短波長的光。結果就是看上去顯黃色。
ZnO與ITO相比，其在短波長區域的光透射率較高。圖中列出了吉奧馬科技在PET上成膜的、注入Ga的ZnO（GZO）與原來的ITO進行全光線透射率比較的結果。(本圖由《日經電子》根據吉奧馬科技的資料制成)
而5種新材料中除導電性高分子外，其他4種均為近無色狀態。比如，ZnO與ITO相比，其在短波長區域的透射率較高（圖5）。導電性高分子因材料各異而特性稍有不同，大多發淡藍色。盡管如此，與ITO薄膜相比，導電性高分子的情況仍在不斷改善，已在550nm以下波長區域實現較高光透射率。
3、目標是成本減至ITO的一半
與已有ITO相比，新材料易于降低成本的理由改變了制造方法及材料。5種新材料的制造方法大致可分為兩種。一種是基于印刷技術的濕式工藝，另一種是以濺射為代表的干式工藝。
可用濕式工藝成膜的是涂布型ITO、Ag絲墨、導電性高分子及Ag絲。均可利用印刷技術輕松降低制造成本。比如，利用印刷技術制造Ag絲的大日本印刷表示，其“目標是將成本減至ITO薄膜的一半”。
利用干式工藝制造的是ZnO。ZnO在利用濺射這一點上與已有ITO相同。不過，由于可在常溫下成膜，因此與在數十℃以上高溫下成膜的ITO相比，可輕松降低制造成本。另外，從原料來看，ZnO所使用的Zn，其產量要高于ITO所使用的In，因此還可降低材料成本?！澳持圃煅b置廠商在推算后表示，可將成本降低至ITO的約一半”（日本高知工科大學綜合研究所材料設計中心負責人山本哲也教授）。不過，也有材料成本比ITO高的情況。比如TDK的涂布型ITO薄膜，其ITO的膜厚達到1μm，是普通ITO的25～50倍。因此材料成本會上升。
4、基材的選擇性高
?、芑牡倪x擇性高是成膜基材的選擇無限制的優點，可應用于在光學特性出色的特殊基材上成膜，可用于要求高畫質的觸摸屏及電子紙等。
TDK的涂型ITO被觸摸屏產品采用就得益于這一優點（圖6）。從已有ITO薄膜來看，其基材即薄膜的厚度為300μ～400μm以下，而TDK的塗布型ITO在厚達1～10cm的基材上也可形成。能夠在較厚基材上形成ITO膜是因為可在常溫下成膜注。在變更基材時，只需改換對ITO層和基材進行接合的粘合層材料即可。
四、實現高透射率和低電阻
前面提到的①～④是5種新材料都具有的共同特點。而在形成透明電極后的光透射率和方塊電阻值方面，5種新材料間卻存在著特性上的差異。
一般而言，光線透射率與方塊電阻值存在此消彼長的關系。為了降低方塊電阻而加厚導電膜的話，光線就會很難透過，透射率會隨之下降。相反，為了提高光線透射率而減薄導電膜的話，方塊電阻值就會上升。
5種新材料可實現與已有ITO同等或以上的高透射率及低方塊電阻值。其中，透射率尤其高的是Ag絲墨（圖7）。從Cambrios公司涂布有Ag絲墨的薄膜產品來看，方塊電阻值為250Ω/□的品種，其全光線透射率高達91％以上。而普通ITO薄膜的話，在同等程度的方塊電阻值下，其全光線透射率僅為88％左右。要想實現超過90％的透射率，就必須使用防反射膜等，成本會因此而上升。而Ag絲以外的其他新材料在250～300Ω/□時的透射率與已有ITO為同等程度。
5種新材料中方塊電阻值最低的是Ag絲。從可視光區域的光透射率達到80％以上的產品來看，大日本印刷的品種可實現0.1Ω/□、富士膠片的品種可實現0.2Ω/□的極低方塊電阻（圖8）。這一方塊電阻值水平相當于已有ITO薄膜的1/10以下注2）。Ag絲以外的其他新材料的方塊電阻值幾乎與已有ITO為同等程度。
五、特性迅速改善的導電性高分子
在新材料中，光透射率及方塊電阻值等特性“最近獲得迅速改善”（眾多技術人員）的是導電性高分子。其中，PEDOT（聚乙撐二氧噻吩）類導電性高分子的特性近幾年更是得到大幅提高注A-1）。
隨著性能的提高，導電性高分子被實際應用于電子器件試制用途的事例也在增加。比如，普利司通在2009年6月發表的電子紙試制品上就采用了PEDOT類高分子（圖A-1）。該公司此次采用導電性高子的理由是在可使用印刷技術且彎曲性出色的材料中，“該材料可在某種程度上同時確保高透射率和低方塊電阻值”（普利司通）。
注A-1）三洋電機與東京工業大學教授山本隆一組成的研究小組于2009年3月共同試制完成了導電率高達1200S/cm以上的PEDOT類導電性高分子。使用該高分子制造厚度為120nm的透明導電膜后顯示，方塊電阻值僅為約68Ω/□。不過，波長550nm的光的透射率只有約75％，尚未達到實用水平。山梨大學研究生院醫學工學綜合研究部的嚴虎等人則于2009年5月試制出了同時確保了透明性和導電性的PEDOT類導電性高分子。方塊電阻值在可瞄準觸摸屏用途的244Ω/□時，全光線透射率達到了與ITO薄膜相當的約89％。
普利司通采用的導電性高分子的方塊電阻值為300～400Ω/□，全光線透射率為86％。在該公司采用“電子粉流體”的電子紙（粒子移動型）上，“足以工作”（普利司通）。這是因為只在切換顯示時才流過電流，導電性要求示并不高的緣故。試制的電子紙的分辨率為82dpi，“與目前正在面向價格標簽用途進行量產的電子紙為同等程度”（普利司通）。
普利司通預計導電性分子的特性今后還將進一步提高，“方塊電阻值遲早會降至與ITO匹敵的數Ω/□水平”。該公司表示已經獲得了透射率為86％、方塊電阻值為200Ω/□的導電性高分子。
(本文來源：日經BP社)
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