透明电极新材料

1透明电极导入新材料 （一）：以可弯曲及低成本优势替代ITO 从液晶面板、触摸屏到电子纸、太阳能电池，ITO*曾被广泛用作透明电极材料。 目前，替代ITO的新型透明电极材料正逐步走向实用化。其原因在于新材料具有可轻松弯曲、有助于降低成本以及光线透过率高等特点。新材料已开始应用于触摸屏，电子纸也成为继触摸屏之后的又一应用领域。 在不远的将来，新材料的应用范围还有望向太阳能电池及液晶面板领域扩展。最近，已有厂商开始在部分用途中采用新材料来替代原来的ITO（图1）（图2）。

图1：将新型透明电极材料作为提高产品附加值、降低产品成本的撒手锏通过用新型透明电极材料来替代现有的ITO，可使电子器件提高特性、降低成本。触摸屏的话可提高光的透射率，获得清晰的图像。（照片由大日本印刷提供） 2

图2：透明电极被应用于广泛领域透明电极被应用于触摸屏、电子纸、薄膜硅太阳能电池、有机EL元件等多种电子器件。（本图由《日经电子》制成，（b）依据的是普利司通的资料，（c）依据的是产业技术综合研究所的资料） *ITO是在氧化铟（In2O3）中添加氧化锡（SnO2）而形成的化合物。英文名称为Indium Tin Oxide。 普利司通采用导电性高分子材料替代ITO制作透明电极，并试制出了电子纸，于2009年6月进行了发布。“我们打算用印刷技术以极低成本来制造又薄又轻且弯曲时也不会破裂的电子纸。但采用现行的ITO材料，存在过度弯曲时容易破裂的危险”（普利司通）。现行ITO材料无法应用于印刷技术。因此，普利司通对能够用印刷技术成膜的、可弯曲的新型透明电极材料进行了各种尝试。“虽然目前在特性上还不够充分，但两年后有望达到实用水平。我们将尽快实现在产品中的应用”（普利司通）。 n 纷纷在触摸屏中采用新材料 尽管尚未正式发布，但已有厂商开始在产品上采用新材料作为透明电极。触摸屏就是其中之一。据TDK介绍，该公司使用涂布法成膜的ITO（以下称涂布型ITO）制成了ITO薄膜“FLECLEAR”，并且“已得到部分触摸屏产品的采用”（该公司）。 实际上，对ITO进行替换的行动今后在触摸屏领域有可能迅速推进。触摸屏大厂商日本写真印刷将采用在溶液中掺入微小Ag丝的透明导电性墨水（Ag丝墨）作为投影型静电容量式*触摸屏的透明电极材料。虽然应用于产品的具体时间尚未公布，但日本写真印刷正在为此与美国风险企业Cambrios Technologies共同开发Ag丝墨。 3

*投影型静电容量方式是触摸传感器使用的检测方式之一，被称作Projected Capacitive Type。已被iPhone等采用。通过在印刷线路板及透明薄膜上形成电极图案，对手指接近而产生的电极间的静电变化进行检测。此外，静电容量方式还有表面型（Surface Capacitive Type）。 （二）：向薄膜硅太阳能电池扩展 新型透明电极材料与原来的ITO相比，光线透过率等特性出色，可轻松弯曲，能够以更低成本进行制造。发挥这些特点的用途不仅仅是触摸屏及电子纸。在太阳能电池及液晶面板等领域也有可能获得良好效果。 其中，在太阳能电池领域，新型透明电极材料的采用今后有望顺利推进。太阳能电池有多种方式，利用ITO的是薄膜硅太阳能电池等。 太阳能电池“要求使用透射率高且方块电阻值低的透明电极”（产业技术综合研究所太阳能发电研究中心硅新材料小组研究员鲤田崇）。原因是便于提高太阳能电池的转换效率。透射率越高，到达太阳能电池光吸收层的光线量就越多。方块电阻值越低，就越能够高效利用由光电转换产生的电流。 但是要实现在液晶面板领域中的应用，新型透明电极材料也许还需等上很长一段时间。原因是要跨越的门槛较高。尤其是在大屏幕液晶电视等使用的52英寸及65英寸等液晶面板中，实现起来更非易事。 这是因为必须要满足大尺寸玻璃底板的要求。在液晶面板行业，使用第十代玻璃底板的大尺寸面板已于2009年内开始生产。当然，这些液晶面板所使用的ITO，其靶材也达到了第十代玻璃底板的要求，而且还在为提高液晶面板成品率而不断优化。在这种情况下，缺乏实际业绩的新材料短期内很难替代现有的ITO。对新材料而言，今后要做到的是，在证实通过印刷技术等能够大幅降低成本的基础上，建立面向大尺寸面板的大规模生产体制。在完成这些工作之后，新型透明电极材料替代ITO便指日可待了（图3）。 4

（三）：新材料有5种 已实用化或正以实用化为目标进行开发的新材料主要有5种。除了前面提到的涂布型ITO、Ag丝墨及导电性高分子之外，还有ZnO及Ag丝。 这些材料具有的共同特点大致有四：①柔软及弯曲性出色，②色调好，③易降低成本，④形成透明电极的基材选择自由度高（表1）。

表1：ITO薄膜与新型透明电极材料的比较数值均为代表性数值。新型透明电极材料中，在实际产品上采用的时间按早晚排列。各材料的优点标为绿色。 ①中提到的柔软性及弯曲性越出色，就越能适用于具有曲面的立体形状以及自由弯曲的用途。可实现多次触摸也不易破裂的触摸屏，以及可弯曲的电子纸。而已有的ITO存在过度弯曲时存在发生破裂的危险。比如，“厚度约100μm的ITO薄膜，不会破裂的极限是曲率半径为6mm左右”（日本触摸屏研究所代表董事社长三谷雄二）。 而新材料不同，5种材料均显示出了超过已有ITO的柔软性及弯曲性。比如，Cambrios公司的Ag丝墨“即使在半径为4mm的圆棒上缠绕多少圈也不会发生破裂”（Cambrios销售代理商住友商事）。 n 色调好 ②中提到的色调好的特点是指接近无色。换句话说，就是光透射率因波长不同而引起的变化较少，透射光谱几乎为平坦状态。越是无色就越容易在显示屏上忠实再现颜色。 被触摸屏用得最多的要属以树脂为基材的ITO薄膜，其透射率在500n～550nm以下的波长区域时会下降，看上去显黄色或茶色。其原因在于，为了防止薄膜受热劣化，将ITO的成膜温度控制在了低达数十℃的水平。在数十℃的温度环境下进行ITO成膜时，ITO不会完全结晶化，而呈现非晶质状态。因为ITO的结晶化温度高达200℃左右。非晶化的ITO难以透射蓝色等短波长的光。结果就是看上去显黄色。 而5种新材料中除导电性高分子外，其他4种均为近无色状态。比如，ZnO与ITO相比，其在短波长区域的透射率较高（图4）。导电性高分子因材料各异而特性稍有不同，大多发淡蓝色。尽管如此，与ITO薄膜相比，导电性高分子的情况仍在不断改善，已在550nm以下波长区域实现较高光透射率。 5

图4：在短波长一侧透射率较高的ZnO。 ZnO与ITO相比，其在短波长区域的光透射率较高。图中列出了吉奥马科技在PET上成膜的、注入Ga的ZnO（GZO）与原来的ITO进行全光线透射率比较的结果。（本图由《日经电子》根据吉奥马科技的资料制成） n 目标是成本减至ITO的一半 ③中提及的与已有ITO相比，新材料易于降低成本的理由改变了制造方法及材料。5种新材料的制造方法大致可分为两种。一种是基于印刷技术的湿式工艺，另一种是以溅射为代表的干式工艺。 可用湿式工艺成膜的是涂布型ITO、Ag丝墨、导电性高分子及Ag丝。均可利用印刷技术轻松降低制造成本。比如，利用印刷技术制造Ag丝的大日本印刷表示，其“目标是将成本减至ITO薄膜的一半”。 利用干式工艺制造的是ZnO。ZnO在利用溅射这一点上与已有ITO相同。不过，由于可在常温下成膜，因此与在数十℃以上高温下成膜的ITO相比，可轻松降低制造成本。另外，从原料来看，ZnO所使用的Zn，其产量要高于ITO所使用的In，因此还可降低材料成本。“某制造装置厂商在推算后表示，可将成本降低至ITO的约一半”（日本高知工科大学综合研究所材料设计中心负责人山本哲也教授）注1）。 注1）不过，也有材料成本比ITO高的情况。比如TDK的涂布型ITO薄膜，其ITO的膜厚达到1μm，是普通ITO的25～50倍。因此材料成本会上升。 n 基材的选择性高 ④中提及的成膜基材的选择无限制的优点，可应用于在光学特性出色的特殊基材上成膜，可用于要求高画质的触摸屏及电子纸等。 6 图5：可轻松提高透射率的涂布型ITO TDK利用涂布型ITO研制出ITO薄膜“FLECLEAR”，可实现产品化的性能指标范围较大（a）。因为采用的是固定ITO微粒子后再使之转印并粘合在基材上的方法（b）。由于与利用溅射法制造的原有ITO薄膜相比层数较少，因此可轻松提高透射率。（本图由《日经电子》根据TDK的资料制成）（点击放大） TDK的涂型ITO被触摸屏产品采用就得益于这一优点（图5）。从已有ITO薄膜来看，其基材即薄膜的厚度为300μ～400μm以下，而TDK的塗布型ITO在厚达1～10cm的基材上也可形成。能够在较厚基材上形成ITO膜是因为可在常温下成膜注2）。在变更基材时，只需改换对ITO层和基材进行接合的粘合层材料即可。 注2）制造方法如下。首先在薄膜上涂布用有机粘合剂固定的ITO微粒子。然后再以卷到卷方式将薄膜上的ITO转印到基材上进行成膜。由于是在常温下进行成膜，所以基材与ITO膜之间不会产生很强的热应力，ITO不易发生破裂。因此还可在较厚基材上涂布。 （四）：实现高透射率和低电阻 前面提到的①～④是5种新材料都具有的共同特点。而在形成透明电极后的光透射率和方块电阻值方面，5种新材料间却存在着特性上的差异。 7

一般而言，光线透射率与方块电阻值存在此消彼长的关系。为了降低方块电阻而加厚导电膜的话，光线就会很难透过，透射率会随之下降。相反，为了提高光线透射率而减薄导电膜的话，方块电阻值就会上升。 5种新材料可实现与已有ITO同等或以上的高透射率及低方块电阻值。其中，透射率尤其高的是Ag丝墨（图6）。从Cambrios公司涂布有Ag丝墨的薄膜产品来看，方块电阻值为250Ω/□的品种，其全光线透射率高达91％以上。而普通ITO薄膜的话，在同等程度的方块电阻值下，其全光线透射率仅为88％左右。要想实现超过90％的透射率，就必须使用防反射膜等，成本会因此而上升。而Ag丝以外的其他新材料在250～300Ω/□时的透射率与已有ITO为同等程度。

图6：将Ag丝掺入溶液中以确保导电性 Cambrios公司的透明电极材料通过在溶液（墨水）中掺入直径为nm级的Ag丝，获得了导电性。该公司首先致力的是触摸屏用途。（照片由Cambrios公司提供） 5种新材料中方块电阻值最低的是Ag丝。从可视光区域的光透射率达到80％以上的产品来看，大日本印刷的品种可实现0.1Ω/□、富士胶片的品种可实现0.2Ω/□的极低方块电阻（图7）。这一方块电阻值水平相当于已有ITO薄膜的1/10以下注2）。Ag丝以外的其他新材料的方块电阻值几乎与已有ITO为同等程度。 注2）制造方法如下。首先在薄膜上涂布用有机粘合剂固定的ITO微粒子。然后以卷到卷方式将薄膜上的ITO转印到基材上进行成膜。由于是在常温下进行成膜，所以基材与ITO膜之间不会产生很强的热应力，ITO不易发生破裂。因此还可在较厚基材上涂布。