评析纳米银线与金属网格材料技术之优劣

作者: 段晓辉教授     时间:2014-05-07     ?#20174;冢?#21271;京大学信息科学技术学院    总点击:
【导读】:新材料技术应用可以从智能手机的常用面板尺寸一路延伸到20英寸以上?#32435;?#22791;,而其阻值,延伸性,弯曲性均优于ITO薄膜。新材料技术在短时间内无法全面取代ITO薄膜,但新材料技术有巨大的优势,而且从市场反应上来看,应用新材料技术生产的薄膜产品所占的比重在逐年提高。

  ITO,即掺锡氧化铟(Indium Tin Oxide)。它?#19988;?#26230;显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、电?#36335;?#20809;显示器(EL/OLED)、触摸屏(Touch Panel)、太阳能电池以及其他电子仪表的透明电极最常用的薄膜材料。

  未来移动终端、可穿戴设备、智能家电等产品,对触摸面板的有着强劲需求,同时随着触控面板大尺寸化、低价化,以及传统ITO薄膜不能用于可弯曲应用,导电性及透光率等本质问题不易克服等因素,众面板厂商纷纷开始研究ITO的替代品,包括纳米银线、金属网格、纳米碳管以及石墨烯等材料。

  新材料技术应用可以从智能手机的常用面板尺寸一路延伸到20英寸以上?#32435;?#22791;,而且其阻值,延伸性,弯曲性均优于ITO薄膜。虽然,新材料技术在短时间内无法全面取代ITO薄膜,但是新材料技术有着巨大的优势,而且从市场反应上来看,应用新材料技术生产的薄膜产品所占的比重在逐年提高。目前,石墨烯扔处于研发阶段,距离量产还有很远的距离。纳米碳管工业化量产技术尚未完善,其制成的薄膜产品导电性还不能达到普通ITO薄膜的水平。因而,从技术发展与市场应?#31859;?#21512;评价,金属网格与纳米银线技术将是近期新兴触控技术的两大主角。

  金属网格(Metal Mesh)技术利用银,铜等金属材料或者氧化物等易于得到且价格低廉的原料,在PET?#20154;?#33014;薄膜上压制所形成的导电金属网格图案。其理论的最低电阻值可达到0.1欧姆/平方英寸,而且就有良好的电磁干扰屏蔽效果。但是受限于印刷制作的工艺水平,其所制得的触控感测器图样的金属线宽较粗,通常大于5um,这样会导致在高像素下(通常大于200ppi)莫瑞干涉波?#21697;?#24120;明显。莫瑞干涉指数码产品显示屏中像素,光学膜片以及触控导电的金属图案,在水?#33014;?#22402;直方向上,规则对齐的像素和物体的精细规则图案重叠式稍有偏差,则会出现的干扰波纹图案。由于莫瑞干涉的存在,金属网格技术制成的薄膜产品不适用在高分辨率智能手机,平板电?#32536;?#39640;分辨率的产品上,仅仅适用于观测距离?#26174;?#30340;显示器屏幕,例如台式一体机器,?#22987;?#26412;电脑,智能电视?#21462;?/p>

  如果薄膜中金属网格图样的线宽能够大幅度下降,则能有效的降低金属网格技术中的莫瑞干涉的问题,特别是如果金属网格图样的线宽下降到1um左右,则该技术制成的薄膜同样可以搭载在高分辨率的智能设备上。目前韩国三星公司利用微细线宽和图样化(Patterning)技术,将金属网格图样的线宽由原来的5um~6um,缩减到3um左右。然而,欲将线宽大幅缩减并?#19988;资攏?#20256;统的压制印刷工艺无法满足要求,需要采用黄光制程工艺,制作成本会大幅增加,而?#19968;?#28010;费原材料?#36824;?#32454;的金属线宽易在外力挤压时断裂;网格的阻值升高,对下游的控制IC芯片提出更高的灵敏度要求。因此,目前金属网格技术如何在降低成本的同时,满足多场景的下游应用是一个难点,还需整个产业链进一步发展完善才行。

  纳米银线(SNW,silvernano wire)技术,是将纳米银线墨水材料涂抹在塑胶或者玻璃基板上,然后利用镭射光刻技术,刻画制成具有纳米级别银线导电网络图案的透明的导电薄膜。由于其特殊的制成物理机制,纳米银线的线宽的?#26412;?#38750;常小,约为50nm,远小于1um,因而不存在莫瑞干涉的问题,可以应用在各种尺寸的显示屏幕上。另外,由于线宽较小,银线技术制成的导电薄膜相比于金属网格技术制成的薄膜可以达到更高的透光率,例如3M公司采用微印压法制成的薄膜产品可以达到89%透光?#30465;?#20877;次,纳米银线薄膜相比于金属网格薄膜具有较小的弯曲半径,?#20197;?#24367;曲时电阻变化?#24335;?#23567;,应用在具有曲面显示?#32435;?#22791;,例如智能手表,手环等上的时候,更具有优势。

  在薄膜上,金属网格中可以反射可见光的金属线总体面积不大;而纳米银线并非是网格状而是呈现不规则的分布,沾满整个玻璃基板表面。相比较而言,纳米银线薄膜会有更严重的漫反射,既雾度(Haze)问题。屏幕的雾度问题会导致在室外场景光线照射的情况下,屏幕反射光强烈,严重的时候会使得用户看不清屏幕。但是可以采用一些技术手段降低光漫射,解决雾度问题。例如日产化工公?#31350;?#21457;出了在纳米银线薄膜上涂布可降低雾度的高折射率材料,有效将雾度?#21040;?#20302;。另外,黑化纳米银线表面、减少反光强?#21462;?#31895;糙化纳米银线的表面等技术,也可以有效?#32435;?#38654;度的问题。

  金属网格技术因为采用普通的银,铜等金属材料或者氧化物等作为原始材料采用传统的印压法制作薄膜面板,其原材料和制作成本都很低,但是这样的产品?#20174;?#19981;可克服的莫瑞干涉问题,应用受到限制。如果要降低金属网格中金属的线宽,需要更改制成工艺,成本会随之增加,而?#19968;?#26377;易断线等问题。相比较金属网格技术,纳米银线技术采用的是?#23578;?#30340;纳米银线墨水材料,这些纳米银线供应材料掌握在少数例如Cambrios Technologies公司手上,原材料的成本较高一些,但是制成工?#21344;?#21333;,采用印刷制程快速生产大面积的触控面板,整体的成本并不高,随着大规模?#32435;?#20135;,成本会进一步的降低。

  因此,综合比较,纳米银线技术比金属网格技术更有优势。就目前市场而言,也已经分化出两大技术阵营。其中纳米银线阵营中,台湾面板供应商TPK公司是主打纳米银线技术的厂商,并且结合上游的纳米银线材料供应商Cambrios Technologies公司,以及生产工?#23637;?#21496;日本写真成立一家子公司,专注于拓展纳米银线技术的研发,应用和制造。TPK公司预计在2014第二季度实现纳米银线薄膜的量产出货。

  金属网格技术阵营则加入的公司较多,例如苏大维格和欧菲光,韩国三星等都由参与研发和制造。但是相比较于金属网格阵营,纳米银线阵营的各个公司都在?#26448;?#23646;于龙?#33778;?#19994;,业务专业能力强,上中下游产业链结合紧密。

  此外,据媒体报道,?#36824;ˋpple)公司吸引大家关注的明星产品iWatch将采用TPK公司的纳米银线薄膜技术,证明了纳米银线产品确实具有明显的技术优势和产业链的稳定性。


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