三、碳纳米管(CNT,carbonnanotube)技术发展概况
碳纳米管(carbonnanotube)是由单层或多层之石墨层,卷曲成直径1纳米至50纳米间的中空柱状体,主要分成多层碳纳米管(multi-wallnanotubes,MWNT)及单层碳纳米管(single-wallnanotubes,SWNT)两种型式。CNT导电性质随CNT结构之不同而有很大差异;在电性上,SWNT又可依直径与旋度(chirality)之差异再区分为金属性与半导体性,其电阻率分别约为5.1x10-6(与金属铜相当)及1x10-4Ω-m(与锗相当);在触控面板技术的应用上,当然以电阻率低且透光率高的金属性单层碳纳米管为主。
碳纳米管透明导电膜的制程包含了一系列的工艺,由碳纳米管的成长开始,经过碳管纯化、分散液与涂布液的配制、薄膜涂布、图案化与应用制程开发,每一个步骤都对碳纳米管透明导电膜的产品性能影响甚巨。控制CNT透明导电膜特性之因素大致包括CNT本质导电度、管径与网络形貌等,但目前技术并无法独立评估各因素之影响程度。
过去以碳纳米管作为触控面板用透明导电膜的尝试,以亚洲厂商为主,例如日厂东丽(Toray)、台厂远东新世纪以及韩厂三星电子等,但均因导电性不如其他ITO代替品、靶材成本较高、以及制程稳定度不足等缺陷而始终无法量产。
近期,鸿海投资的识骅科技因具有量产触控面板成功的实绩而引人嘱目。鸿海和国内清华大学早在2002年就开始合作研发碳纳米管,并成立北京清华-富士康奈米研究中心。用于触控面板的碳纳米管是从化学气相沉积设备(chemicalvapordeposition)中所形成碳纳米管,利用每根碳纳米管之间的凡德瓦尔力拉伸成薄膜,因为单层的厚度极薄而光透过率不差,且拉伸成膜中的每根首尾相接的碳纳米管间可以直接电性连接,所以是CNT材料的翘楚,然而,尽管材料技术掌握了,却还是迟至2010年在台投资成立识骅科技(大陆同期另成立富纳源创公司)之后,才真正展开碳纳米管做为透明导电膜的生产。
目前国内的富纳源创公司满载月产能约150万片(以手机应用计),实际产品则以手机应用为主,而主要客户为华为等大陆主要智能手机大厂,不过目前仍处于初期导入阶段,先行导入1~2个机种测试市场水温。
四、石墨烯(graphene)技术发展概况
石墨烯(graphene)是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维平面材料,石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,常温下其理论电子迁移率超过15000cm2/V·s,而理论电阻率只约10-6Ω·cm,因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的透明导电膜。
作为用于多种用途的透明导电膜,光透射率在理论上为97.5%;但在此条件下,所制成的实体薄膜电阻值仍高而距离触控面板所需的规格仍远。
在石墨烯的研究开发领域,韩国企业一直处于全球领先地位。韩国GrapheneSquare公司开发出大面积石墨烯薄膜的制造装置,并在2012年春季开始销售日本等国家。韩国三星电子也极力发展大面积石墨烯薄膜技术,以匹配可挠性OLED显示屏,然而,因为石墨烯薄膜触控面板与OLED显示屏一样,都因为成本太高而仅少量供货试水温,距离可以大量生产的阶段仍远。关于石墨烯制成实体薄膜的薄膜电阻值,TPK所制作的产品当光透射率为87%时,薄膜电阻值为500-/,虽然还稍微有些大,但已较过去薄膜电阻值却在1k-/.左右有所进展。同时长谷川正在考虑与导电性较高的金属纳米网片(MeshSheet)等组合使用(hybrid)来解决薄膜电阻值高的问题。
小结:现行新兴触控技术方案以SNW及MetalMesh较具优势
不论过去是玻璃电容或是薄膜电容为主的厂商,走向新材料与技术是一必然的发展趋势,理由在于,新材料与技术可以从手机尺寸一路用到20寸以上,其阻抗值、延展性与可挠性均优于ITO薄膜,特别是在配合可穿戴设备的曲面玻璃设计上,显得重要;再者,新材料可以补填OGS不足之处,OGS将感应层与保护玻璃2合1后,虽然可以更显轻薄,但触控面板元件变成产品外观件后,其不同机种间的共用性就大幅降低,其存料管理对手机这种机种繁多、产品生命周期又短的产品地来说,更显得严苛。因此,新材料技术有机会成为新一代的薄膜式电容,虽然不致在短时间内全面取代ITO薄膜,但是取代比重却会逐年提高。根据IHS资料,ITO目前在触控面板透明导电薄膜市场仍有95%左右的市占率,不过到2017年底前,替代性技术如金属网格、纳米银线等市占总和很可能来到34%,ITO的市占则会掉到66%。
综观目前,石墨烯则仍处于研发阶段,距能够量产的程度仍相当遥远,而碳纳米管从成长至分散成膜各阶段之能量也未完善,CNT在导电特性尚不易达到ITO的规格等级。基此,本文认为就技术发展持续推演来看,金属网格与纳米银线将是近期新兴触控技术的两大核心主角。