透明导电膜，你真的了解吗？
透明导电膜（Transparent Conductive Oxide，TCO）是在可见光范围内具有高透明率具有导电特性的一种薄膜，为晶粒尺寸数百纳米的多晶层，主要用于光电器件如液晶显示器的透明电极、触摸屏、薄膜太阳能电池的透明电极等。
上述透光度和导电性是两个相互牵制的指标，一般来讲，导电性提高，透光度就会下降，反之也一样。
目前常见的透明导电薄膜包括ITO（Indium Tin Oxides锡掺杂三氧化铟）、GZO（Gallium Zinc Oxides镓掺杂氧化锌）、AZO(Aluminum Zinc Oxides铝掺杂氧化锌)等，这些氧化物只吸收紫外光，不吸收可见光，是“透明”的导电膜。
透明导电膜材料的研究起步于19世纪末，当时是在光电导材料上涂上很薄的金属薄膜；到了1950年，第二种透明导电膜In2O3被制成，ITO导电膜开始在透明导电膜方面得到普遍应用；在最近20年里，透明导电膜应用主要以ITO材料为主，而在制程上以磁控溅镀工艺为主。
透光度和导电性：鱼与熊掌不可兼得
透明导电膜的性能指标主要有两个：透光度和导电性。
以目前透明导电膜的主流材料——ITO导电膜为例，影响ITO薄膜导电性能的几个因素包括：ITO薄膜的面电阻（γ）、膜厚（d）和电阻率（ρ），这三者之间的相互关系是：γ=ρ/d，即为了获得不同面电阻的ITO薄膜，实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。
从上述公式可以看到，ITO薄膜的导电性要好（即面电阻值要低），在电阻率一定的情况下（电阻率是制备工艺的关键，难度较大），膜厚要增加，这样会导致ITO薄膜的透光性能下降，反之亦然。
所以，ITO薄膜电阻率的大小是ITO薄膜制备工艺的关键，要获得好的透光度和导电性，就需要尽量小的电阻率（ρ）。
影响电阻率（ρ）大小的因素主要包括载流子浓度、载流子迁移率等，载流子浓度或载流子迁移率越大，薄膜的电阻率就越小。
在控制条件上，载流子浓度可以通过调节ITO沉积材料的锡含量和氧含量来实现，而载流子迁移率则与ITO薄膜的结晶状态、晶体结构等相关，可以通过调节薄膜沉积时的沉积温度、溅射电压和成膜条件等来实现。
透明导电膜的应用
透明导电膜下游应用非常广泛，主要用于光电器件如液晶显示器的透明电极、触摸屏、薄膜太阳能电池的透明电极等领域。
根据NanoMarket在2010年的预测，仅液晶显示器的透明电极、触摸屏、薄膜太阳能电池的透明电极等高端应用对透明导电膜的需求到2017年将达到5亿平方米，透明导电膜的市场将由2010年的24亿美元增长到2017年的76亿美元，年均复合增长率为17.9%，而整个透明导电膜的市场规模则远超百亿美元规模。
液晶显示器的透明电极：液晶显示器之所以能显示特定的图形，主要是将导电玻璃上的透明导电膜蚀刻制成特定形状的电极，在这些电极上加适当电压信号后，使具有偶极矩的液晶分子在电场作用下特定的方面排列，进而显示出与电极波长相对应的图形。
目前液晶显示器的透明电极以ITO膜的透光率和导电性能最好，而且容易在酸液中蚀刻出微细图形。
触摸屏是最近几年透明导电膜发展最大的动力来源，由于进入门槛低、灵敏度差、使用寿命短，电阻触摸屏走向衰落已成定局，目前性能更优的投射式电容屏是主流。
透明导电膜在太阳能领域的应用主用用于薄膜太阳能电池的透明电极，有别于LCD中以ITO为主要的透明电极材料，太阳能电池的透明电极材料是以氧化锡（SnO2）或氧化锌（ZnO）为主，主要基于太阳能电池和LCD在制程和材料特性需求上有所不同。
透明导电膜市场需求的三个维度
目前ITO导电膜主要用于液晶显示器的透明电极、触摸屏（TP）及薄膜太阳能电池的电极等领域，虽然产品下游应用领域非常广泛，但我们认为目前ITO导电膜的需求增量主要来自下游触摸屏行业的发展，伴随最近几年触摸屏行业需求的爆发性增长，上游ITO导电膜的需求也随之快速增长。
而根据NanoMarket在2010年的预测，上述高端应用对透明导电膜的需求到2017年将达到5亿平方米，透明导电膜的市场将由2010年的24亿美元增长到2017年的76亿美元，年均复合增长率为17.9%，整个透明导电膜的市场规模远超百亿美元规模。
新型透明导电膜
依据Touch Display Research在2015年的报告得知，非ITO透明导电膜之市场将逐渐地上升，其趋势如图所示。
预计在2018年取代ITO的透明导电膜市场高达40亿美元的规模；当到2022年时，则将超过百亿美元，此庞大的市场规模主要来自软性触控、软性显示器、软性太阳能电池与其他软性电子元件未来几年蓬勃发展的趋势。
Touch Display Research预测非ITO透明导电膜市场趋势图
GZO透明导电膜
Ga掺杂ZnO(GZO)透明导电薄膜可以用于各种电子器件，例如太阳能电池、平板显示器、光伏器件等，是最有前景的透明导电氧化物(TCO)之一。
去年4月20日，化学工业日报就提到，中家制造所展开柔性GZO（镓添加酸化亚铅）透明导电薄膜的商业应用。
GZO透明导电膜
ZnO基薄膜
目前，ZnO基薄膜的研究进展迅速，材料性能已可与ITO相比拟，从原料看，ZnO使用的是Zn，其产量远高于ITO所使用的In，材料成本低。
ZnO基导电膜中以AZO薄膜的研究最为广泛，它的突出优势是原料易得，制造成本低廉，无毒，易于实现掺杂，且在等离子体中稳定性好，因而有可能成为ITO的替代产品。
另外，GZO与ITO同为无机材料，电阻值、光穿透率表现相近，且价格极具吸引力，也是目前被看好的替代方案之一。
业界如台湾工研院已携手台湾设备厂启动GZO薄膜试产，可将厚度仅0.1毫米(mm)的GZO涂布于玻璃上，并将锁定软性背板，推行与卷对卷(Roll to Roll )制程相容的解决方案，目前主要还是良率的问题。
导电高分子
随着性能的不断提高，导电高分子材料被不断用于电子器件的生产当中，其能用印刷技术制造，且能应用在弯曲性电子产品上。
在众多导电高分子材料中，目前受关注度最高的是PEDOT（聚乙撑二氧噻吩），像普利司通（Bridgestone）2009年发布的电子纸试制品上就采用了PEDOT类高分子，科研人员特别是日本研究机构一致在致力于PEDOT类导电高分子的研究，目前唯一的难点在于如何同时确保透光性和导电性。
碳纳米管
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能，是纳米的延伸技术，包括纳米Ag线技术、石墨烯薄膜等等。
目前在纳米Ag线技术较成熟的以美商康世医疗(Carestream Advanced Materials)的FLEXX透明导电薄膜为主，具备高挠曲性、低阻值、高透光率等优势，能作为取代ITO导体材料，还有一些厂商尝试利用纳米印刷技术将Ag丝在薄膜上印刷图案来作为透明电极使用，这些厂商包括大日本印刷和富士胶片。
韩国三星集团联合一些科研机构在2010年用石墨烯薄膜制做了30英寸的柔性透明电极。
来源：薄膜新材网整合
运营：小施
你可能会喜欢的
上周TOP5文章