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导电薄膜ITO的应用、缺陷和替代材料

2022-04-11 16:19来源:蒂姆(北京)新材料科技有限公司作者:蒂姆(北京)新材料科技有限公司
文章附图

ITO 是Indium Tin Oxides的缩写,即掺锡氧化铟。是透明导电氧化物TCOs的一种,由于最好的导电性和透明性的组合性能,成为最主要的透明导电材料,主要应用于液晶显示器,触摸屏,太阳能薄膜电池,照明用有机EL元件等领域。

氧化铟,只吸收紫外光,不吸收可见光,因此达到“透明”的表现。掺锡,虽然会损失透光度,但可以提高导电能力。因此,透光度和导电性是两个相互牵制的指标。

  ITO原料,ITO粉,称为ITO靶材。将ITO靶材沉积到PET基板上,就形成ITO导电薄膜;将ITO靶材沉积到玻璃基板上,就形成ITO导电玻璃。

  现在发展最成熟,使用最多的ITO沉积工艺是磁控溅射法,即用高能粒子轰击靶材,使靶材中的原子溅射出来,沉积在基底表面形成薄膜的方法。比其他真空蒸发、热解喷涂、化学气相沉积、溶胶-凝胶等方法效果都要好。

ITO薄膜的导电性能,不仅与ITO薄膜材料的组成(包括锡含量和氧含量)有关,同时与制备ITO薄膜时的工艺条件(包括沉积时的基片温度、溅射电压等)有关。

  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,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。

主要应用:

  在液晶显示器和触摸屏领域,由于对显示效果和传感响应很高的要求,ITO主导了现有液晶显示器和触摸屏的透明电极,特别是在触摸屏领域。

  随着液晶显示器的普及,和最近几年智能手机和平板电脑的快速发展,对ITO的需求也随之快速增长。

液晶显示器:

  液晶显示器主要使用ITO导电玻璃。

  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电极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:

  无论是电阻式触摸屏还是电容式触摸屏,工作面都是基于ITO涂层。

  电阻式触摸屏,当表面被触摸时向下弯曲,并使得下面隔开的两层ITO涂层能够相互接触并在该点连通电路,电阻发生变化,在X和Y两个方向上产生信号,然后送触摸屏控制器。

  表面电容触摸屏只采用单层的ITO,当手指触摸屏表面时,就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失,电荷从屏幕的四角补充进来,各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例,由此推算出触摸点的位置。

  有IPHONE引领的投射电容触摸屏采用多层ITO层,形成矩阵式分布,以X轴、Y轴交叉分布做为电容矩阵,当手指触碰屏幕时,可通过X、Y轴的扫描,检测到触碰位置电容的变化,进而计算出手指之所在。基于此种架构,投射电容可以做到多点触控操作。

ITO的缺陷:

  1.主要成分铟,价格昂贵。铟是稀有金属,在地壳中的分布量比较小,又很分散,主要以微量存在于锡石和闪锌矿中,而且绝大多数的铟储量在中国。随着液晶显示器和触摸屏产品的普及,铟的价格已经上涨数倍。生产ITO导电材料占超过70%的铟消费量。由于稀缺性和中国政府对产量的限制,未来铟的价格继续面临上涨压力。

2.沉积工艺必须在真空环境下,而且需要昂贵的真空沉积设备,并且维护成本高。

  3.沉积过程中只有不到30%的ITO靶材被溅射到基板上,剩余的都被溅射到室壁上,造成原料的极大浪费。

  4. ITO相对较高的电阻率,随着屏幕尺寸的增大,电阻会不断变大,影响屏幕亮度和传感器响应性。而且随着电极数的增加,边框布线部分的面积也会增大。在较大尺寸触摸屏上,虽然可以利用在长边传感器电极的两端取出布线电极等方法来应对,但都大大增加了工艺难度和成本。

  5.ITO比较脆,尺寸变大后,加工的难度也会随之增加。而且由于缺乏柔韧性, 不易弯曲,不适合应用于柔性触摸屏。

替代:

  业界一直在研发可替代ITO的材料,例如其他透明导电氧化物,导电性高分子材料,纳米材料,金属网等。

  在太阳能薄膜电池领域,由于成本在产品竞争中的重要性,其他两种透明导电氧化物FTO和和ZNO,虽然导电性能不如ITO,但成本更低。而且由于太阳能薄膜电池对膜层表面并不要求均匀光滑,而是有一定的凹凸,来提高对透射光的散射能力(即雾度),FTO和ZNO比ITO有更好的光散射能力,加上激光刻蚀比ITO更容易,因此逐渐取代ITO在阳能薄膜电池领域的应用。

  但在液晶显示器和触摸屏领域,至今尚未出现能够规模量产商业化的可替代材料。特别是在触摸屏领域,由智能手机,平板电脑等引领的触摸屏产业快速的发展,大尺寸触摸屏的制造成本,和柔性触摸屏的应用,都受到ITO特性的制约。


ITO 靶材 (4).jpg

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