銀奈米線：取代ITO的最佳導電體
- 張琳一
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觸控螢幕已廣泛應用在許多電子產品上，舉凡平板電腦、手機、全球定位系統(GPS)，或是互動式資訊機台(kiosk)和銷售點終端機(POS)等電子裝置，觸控螢幕提供使用者最直覺的操作介面。加上微軟Windows 8的推波助瀾，無論是筆記型、桌上型還是All-In-One等電腦，具備觸控螢幕的功能變得愈來愈普遍。大部分的觸控螢幕是利用投射式電容(projected-capacitance)方式，因此需要高品質的透明導電體，才能確保更佳的使用者經驗。
目前市面上大多採用以銦錫氧化物(ITO)為主的透明導電體技術，而銦(Indium)稀土金屬是其中的重要成分，多半來自大陸。這種透明導電體製程昂貴，必須在真空環境下執行氣相沉積(vapor deposition)，才能將ITO濺鍍(sputter)到基材上。這些基材通常為玻璃材質，再經過化學蝕刻後，形成透明導電體所需圖樣。
ClearOhm透明導電體
Cambrios公司研發的專利ClearOhm塗佈(coating)材料，是種含有懸浮銀奈米線的墨水，目前已成為取代ITO的首要技術。銀奈米線的直徑只有數十奈米，而長度也僅為幾十微米，所以當塗佈於塑膠基材如PET時，銀奈米線會相互交疊以形成網絡，如圖一所示。這種網絡不但導電性強，透明度也很高，這是因為銀奈米線具有極高的長寬比(aspect ratio)，形成的網絡密度空隙大而能讓光線穿越其間，所以具有高透射率(transmission)的效果。
觸控螢幕對透明導電體的需求
不同應用或不同尺寸的觸控螢幕對透明導電體會產生不同的要求條件。一般觸控螢幕需要透光性高的導電材質，以提供清晰的視覺效果；導電性要強，如此才能讓觸控反應快速。透明導電體還要又輕又薄，以利創造輕盈美觀的終端產品。此外，成本要低廉也是十分重要的條件。
然而，這些需求隨著時間也會不斷演變。當今的製造商尋求導電性要低於100(/sq 的片電阻值，因為唯有如此高的導電性材質，才能製造反應快速的觸控螢幕，讓消費者在操作最新產品時能享受更好的使用經驗。譬如23吋的大型螢幕，高導電性的觸控技術是必備條件，因為這樣才能執行10根手指觸控的快速反應力。
其他像是移動式電子裝置如筆記型電腦和智慧型手機，它們需要薄膜式的透明導電體來設計更輕薄耐用的觸控螢幕。而可撓式面板的開發成功，也促使透明導電體必須同時具備能彎能捲的條件。更重要的則是透明導電體成本問題，其價格必須降低到大量的電子產品都能導入觸控螢幕的水準才行。
透射率和導電性
特別是筆記型和All-In-One電腦的電容式觸控螢幕，必須具備高透射率(大於90%)和低電阻值(小於80(/sq)的重要成分要素，才能提供消費者10指觸控的最佳使用經驗。較高的透射率同時表示觸控感應器阻礙光線透射的比例較少，因此相關移動裝置電池一旦充完電後，會有更持久的續航力。
一旦片電阻值必須少於120(/sq，這時的ITO就僅能以玻璃(on glass)為基材，這是因為ITO所需的黏合溫度(annealing temperature)太高，會導致塑膠基材的融化。若要增加導電性，加厚玻璃基材上的ITO即可，只是沉積厚層的ITO需要花較長的時間，因而造成產量減少。
圖二則是根據ClearOhm透明導電體的光透射率大小，比較與有折射率匹配層(index matching layers)和無折射率匹配處理的ITO導電體之間的差異性。而就ITO兩者間的比較，有折射率匹配層的ITO會增加光線的透射率。市面經過折射率匹配處理的ITO透明導電膜可產生98%以上的透射率，適合如手機等的小尺寸觸控螢幕應用，因為較低的電阻值對這些小尺寸螢幕來說並非絕對必要。
相較之下，ClearOhm墨水在攝氏100度左右仍能在塑膠基材上進行塗佈，這是因為攝氏100度遠低於軟化塑膠所需的溫度。而且利用ClearOhm技術生產透明導電膜時，生產速率不受片電阻值改變的影響。若要降低片電阻值，產品設計人員只需要在相同速度下塗佈厚層的ClearOhm墨水即可，所以透明導電膜的產量不會因而改變。從圖二可看出，ClearOhm所提供的透射率比最好等級的ITO還高；另外，在同樣都能提供95%以上的透射率的前題，使用ClearOhm的片電阻值比ITO明顯地低很多。
圖樣可見度和莫列波紋
ClearOhm和ITO一樣，兩者技術均能提供極佳的視覺特性。雖然ITO的圖樣可見度(pattern visibility)不高，但ClearOhm技術幾乎是沒有圖樣可見度的問題，而且也不會產生莫列波紋(moire)，這些優勢乃是拜銀奈米線具隨意分布特性之賜。
但是，採用金屬網(metal mesh)技術的另一種透明導電體則易遭受圖樣可見度和莫列波紋的嚴重問題。當金屬網的圖樣與顯示器畫素的圖樣發生衝突時，圖樣間就會互相干擾；加上連續網狀的剛體結構(rigid structure)緣故，金屬網的圖樣用肉眼是看得見的。此外，金屬網產生的莫列波紋效應雖有解決方法，但任何方法都會徒增OEM和ODM廠商的負擔，其中包括設計與畫素結構不同的導電體圖樣所需的額外時間成本。
重量和厚度
市面上的平板電腦和筆記型電腦愈變愈輕便，而All-In-One電腦也愈變愈流線、愈來愈有美學設計感。這些趨勢帶動了組成元件的輕薄化外，也同時要求組成元件要變得更堅固耐用。
既然ITO導電膜技術無法滿足低於100(/sq的要求，廠商通常會改用玻璃為基材，做成厚度約0.6毫米的玻璃感應器，不但脆弱而且厚重。相較之下，利用ClearOhm技術做成的透明導電膜厚度僅介於0.2和0.4毫米之間，而且重量也比ITO做成的感應器少了約40%。這些均屬ClearOhm提供透明導電膜的優勢範疇。
可撓、可彎和可捲的觸控螢幕
可撓性則是觸控螢幕應用的下一個大趨勢。可撓式觸控螢幕不但提升未來產品的可攜帶性和耐用程度，同時也提供設計者發展獨特創意的空間。想像可撓式手機落地後而螢幕卻不破碎、或是10吋平板電腦折疊後能塞進口袋、甚至於圓柱牆或建築物的外觀以顯示器完全環抱方式來設計。像這樣的產品已開始付諸實現，也趨使觸控螢幕具備可撓、彎曲和捲曲等特性需求的開發方向。
ITO屬陶質成份，具易碎特性。雖能稍微彎曲，但真正可撓式的應用卻超過了ITO本身的能力，會造成材質破裂而失去透明導電體的功能。而ClearOhm墨水則不同，它已成功地塗佈在一些可撓式和可捲式面板之經驗案例。經過廠商測試證實，ClearOhm順利通過10萬次的3毫米半徑的彎折考驗。
整體擁有成本
銀的導電性居世界之冠，是ITO的100倍以上。若做成同一觸控螢幕時，銀所需的使用量也比銦少得很多。
在儀器設備的投資方面，ClearOhm比ITO更具成本優勢。ITO的塗佈技術需要真空沈積用的設備，動不動就要數百萬美元的投資，而且ITO透明導電膜的產量會受到不同導電性需求而改變。舉例來說，片電阻值為50(/sq的ITO塗佈產量是200(/sq的4倍之多。ClearOhm則採溶液塗佈的方法，事前所需的投資金額極低，而且產能不會根據導電性(或片電阻值)不同需求而受影響。因為採用捲對捲的製程，使用ClearOhm技術能增加效率，而且很容易地就能擴大產線。另外，ClearOhm不會像ITO的沈積過程一樣，會產生大量的廢棄物。
無論是光照圖樣法或是濕式蝕刻圖樣法，採用ClearOhm技術和採用ITO技術的成本都是一樣。但若是室溫雷射圖樣法，ClearOhm就較具成本競爭力。雷射圖樣法不但產量高，生產品質更是近似高階的光照圖樣法，但成本卻只有光照圖樣法的4分之1左右。雷射圖樣法所需的設備成本不高，也不用光阻劑(photo resist)、蝕刻劑(etchants)、剝離液(strippers)等耗材；因為用不到化學藥劑，所以不會有廢棄物處理的問題。
同時，ClearOhm透明導電膜在雷射圖樣時不需要太多電力，但產出的光學效能極佳。雷射圖樣法則不適用於ITO透明導電膜，因為ITO需要更多電力或更長時間來形成圖樣，容易造成透明導電膜受損，而且肉眼可能看得出圖樣，這樣的可視性會影響市場的接受度。因此，整體來說，使用ClearOhm技術的觸控螢幕會比使用ITO的成本還低。不同情況下，ClearOhm成本從「稍微便宜」到「非常便宜」的範圍都有。
結論
ITO已獨佔市場多年，相信未來仍持續會有不小的市佔率。畢竟ITO是市場驗證過的技術，廠商了解如何掌握，所以許多公司做了不少相關投資，有些甚至已投入數億美元在建置氣相沉積和濺鍍用的工廠設備。
雖然ITO具備穩定和規格一致的特性，但其效能僅能發揮在小尺寸觸控螢幕上。這是因為ITO透明導電膜不適用於低片電阻值的需求，而且它的光透射率也不及ClearOhm。
對於新建的工廠以及新一代的觸控螢幕應用來說，ClearOhm在成本和成效上都能提供顯著的競爭優勢，這包括大尺寸裝置和可撓式面板等方面的應用。幾經市面上消費性電子產品的整合應用後，銀奈米線的可行性已獲得證實與肯定：它不但能提供較低廉的製造成本和單價成本，而且容易複製，能快速擴大產線。
加上ClearOhm技術是利用捲對捲方式來製造透明導電體，所以有利於需要高產能和簡化流程的新型生產設備。同時，ClearOhm滿足了OEM和ODM廠商對透明導電體「要輕、要薄、要可撓」的需求，藉此凸顯新一代觸控螢幕裝置無懈可擊的表現能力。
關於作者
Sriram Peruvemba目前擔任美國Cambrios Technologies公司行銷長，負責管理國際行銷、應用工程和事業開發等部門。他擁有25年的電子產業經驗，在加入該公司前，曾擔任E Ink元太科技公司行銷長，負責電子紙和LCD事業部門國際行銷；也曾任於夏普公司(Sharp Corp.)、平達科技公司(Planar Systems)、TFS Inc等公司，擔任資深經理級要職。Sriram Peruvemba目前同時擔任香港商捷比達公司(YFYJupiter)執行顧問。
(本文由Cambrios Technologies公司行銷長Sriram Peruvemba提供，記者張琳一整理)
