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從液晶面板、觸控螢幕到電子紙、太陽能電池，ITO*曾 被廣泛用作透明電極材料。目 前，替代ITO的新型透明電極材料正逐步走向實用化。其原因在於新材料具有可輕鬆彎曲、有助於降低成本以及光線透過率高等特點。新材料已開始應用於觸控螢 幕，電子紙也成為繼觸控螢幕之後的又一應用領域。在不遠的將來，新材料的應用範圍還有望向太陽能電池及液晶面板領域擴展。最近，已有廠商開始在部分用途中 採用新材料來替代原來的ITO（圖1、圖2）。
*ITO是在氧化銦（In2O3）中添加氧化錫（SnO2）而形成的化合物。英文名稱為Indium Tin Oxide。
普 利司通採用導電性高分子材料替代ITO製作透明電極，並試製出了電子紙，于2009年6月進行了發佈。「我們打算用印刷技術以極低成本來製造又薄又 輕且彎曲時也不會破裂的電子紙。但採用現行的ITO材料，存在過度彎曲時容易破裂的危險」（普利司通）。現行ITO材料無法應用於印刷技術。因此，普利司 通對能夠用印刷技術成膜的、可彎曲的新型透明電極材料進行了各種嘗試。「雖然目前在特性上還不夠充分，但兩年後有望達到實用水準。我們將儘快實現在產品中 的應用」（普利司通）。
紛紛在觸控螢幕中採用新材料
儘管尚未正式發佈，但已有廠商開始在產品上採用新材料作為透明電極。觸控螢幕就是其中之一。據TDK介紹，該公司使用塗佈法成膜的ITO（以下稱塗佈型ITO）製成了ITO薄膜「FLECLEAR」，並且「已得到部分觸控螢幕產品的採用」（該公司）。
實際上，對ITO進行替換的行動今後在觸控螢幕領域有可能迅速推進。觸控螢幕大廠商日本寫真印刷將採用在溶液中摻入微小Ag絲的透明導電性墨水（Ag絲墨）作為投影型靜電容式*觸控螢幕的透明電極材料。雖然應用於產品的具體時間尚未公佈，但日本寫真印刷正在為此與美國風險企業Cambrios Technologies共同開發Ag絲墨。
* 投影型靜電容方式是觸摸感測器使用的檢測方式之一，被稱作Projected Capacitive Type。已被iPhone等採用。通過在印刷線路板及透明薄膜上形成電極圖案，對手指接近而產生的電極間的靜電變化進行檢測。此外，靜電容方式還有表面 型（Surface Capacitive Type）。
新型透明電極材料與原來的ITO相比，光線透過率等特性出色，可輕鬆彎曲，能夠以更低成本進行製造。發揮這些特點的用途不僅僅是觸控螢幕及電子紙。在太陽能電池及液晶面板等領域也有可能獲得良好效果。
其中，在太陽能電池領域，新型透明電極材料的採用今後有望順利推進。太陽能電池有多種方式，利用ITO的是薄膜矽太陽能電池等。
太 陽能電池「要求使用透射率高且方塊電阻值低的透明電極」（產業技術綜合研究所太陽能發電研究中心矽新材料小組研究員鯉田崇）。原因是便於提高太陽能 電池的轉換效率。透射率越高，到達太陽能電池光吸收層的光線量就越多。方塊電阻值越低，就越能夠高效利用由光電轉換產生的電流。
但是要實現在液晶面板領域中的應用，新型透明電極材料也許還需等上很長一段時間。原因是要跨越的門檻較高。尤其是在大螢幕液晶電視等使用的52吋及65吋等液晶面板中，實現起來更非易事。
這 是因為必須要滿足大尺寸玻璃底板的要求。在液晶面板行業，使用第十代玻璃底板的大尺寸面板已于2009年內開始生產。當然，這些液晶面板所使用的 ITO，其靶材也達到了第十代玻璃底板的要求，而且還在為提高液晶面板成品率而不斷優化。在這種情況下，缺乏實際業績的新材料短期內很難替代現有的 ITO。對新材料而言，今後要做到的是，在證實通過印刷技術等能夠大幅降低成本的基礎上，建立面向大尺寸面板的大規模生產體制。在完成這些工作之後，新型 透明電極材料替代ITO便指日可待了（圖4）。（未完待續，記者：根津 禎）
已實用化或正以實用化為目標進行開發的新材料主要有5種。除了前面提到的塗佈型ITO、Ag絲墨及導電性高分子之外，還有ZnO及Ag絲。
這些材料具有的共同特點大致有四：①柔軟及彎曲性出色，②色調好，③易降低成本，④形成透明電極的基材選擇自由度高（表1）。
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| 表1：ITO薄膜與新型透明電極材料的比較 數值均為代表性數值。新型透明電極材料中，在實際產品上採用的時間按早晚排列。各材料的優點標為綠色。（點擊放大） |
① 中提到的柔軟性及彎曲性越出色，就越能適用於具有曲面的立體形狀以及自由彎曲的用途。可實現多次觸摸也不易破裂的觸控螢幕，以及可彎曲的電子紙。而 已有的ITO存在過度彎曲時存在發生破裂的危險。比如，「厚度約100μm的ITO薄膜，不會破裂的極限是曲率半徑為6mm左右」（日本觸控螢幕研究所代 表董事社長三谷雄二）。
而新材料不同，5種材料均顯示出了超過已有ITO的柔軟性及彎曲性。比如，Cambrios公司的Ag絲墨「即使在半徑為4mm的圓棒上纏繞多少圈也不會發生破裂」（Cambrios銷售代理商住友商事）。
色調好
②中提到的色調好的特點是指接近無色。換句話說，就是光透射率因波長不同而引起的變化較少，透射光譜幾乎為平坦狀態。越是無色就越容易在螢幕上忠實再現顏色。
被 觸控螢幕用得最多的要屬以樹脂為基材的ITO薄膜，其透射率在500n～550nm以下的波長區域時會下降，看上去顯黃色或茶色。其原因在於，為了 防止薄膜受熱劣化，將ITO的成膜溫度控制在了低達數十℃的水準。在數十℃的溫度環境下進行ITO成膜時，ITO不會完全結晶化，而呈現非晶質狀態。因為 ITO的結晶化溫度高達200℃左右。非晶化的ITO難以透射藍色等短波長的光。結果就是看上去顯黃色。
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| 圖5：在短波長一側透射率較高的ZnO ZnO與ITO相比，其在短波長區域的光透射率較高。圖中列出了吉奧馬科技在PET上成膜的、注入Ga的ZnO（GZO）與原來的ITO進行全光線透射率比較的結果。（本圖由《日經電子》根據吉奧馬科技的資料製成） |
目標是成本減至ITO的一半
③中提及的與已有ITO相比，新材料易於降低成本的理由改變了製造方法及材料。5種新材料的製造方法大致可分為兩種。一種是基於印刷技術的濕式工藝，另一種是以濺鍍為代表的乾式工藝。
可用濕式工藝成膜的是塗佈型ITO、Ag絲墨、導電性高分子及Ag絲。均可利用印刷技術輕鬆降低製造成本。比如，利用印刷技術製造Ag絲的大日本印刷表示，其「目標是將成本減至ITO薄膜的一半」。
利 用乾式工藝製造的是ZnO。ZnO在利用濺鍍這一點上與已有ITO相同。不過，由於可在常溫下成膜，因此與在數十℃以上高溫下成膜的ITO相比，可 輕鬆降低製造成本。另外，從原料來看，ZnO所使用的Zn，其產量要高於ITO所使用的In，因此還可降低材料成本。「某製造裝置廠商在推算後表示，可將 成本降低至ITO的約一半」（日本高知工科大學綜合研究所材料設計中心負責人山本哲也教授）注1）。
注1）不過，也有材料成本比ITO高的情況。比如TDK的塗佈型ITO薄膜，其ITO的膜厚達到1μm，是普通ITO的25～50倍。因此材料成本會上升。
基材的選擇性高
④中提及的成膜基材的選擇無限制的優點，可應用於在光學特性出色的特殊基材上成膜，可用於要求高畫質的觸控螢幕及電子紙等。
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| 圖6：可輕鬆提高透射率的塗佈型ITO TDK利用塗佈型ITO研製出ITO薄膜「FLECLEAR」，可實現產品化的性能指標範圍較大（a）。因為採用的是固定ITO微粒子後再使之轉印並黏合 在基材上的方法（b）。由於與利用濺鍍法製造的原有ITO薄膜相比層數較少，因此可輕鬆提高透射率。（本圖由《日經電子》根據TDK的資料製成）（點擊放 大） |
注2）製造方法如下。首先在薄膜上塗佈用有機黏合劑固定的ITO微粒子。然後再以卷到卷方式將薄膜上的ITO轉印到基材上進行成膜。由於是在常溫下進行成膜，所以基材與ITO膜之間不會產生很強的熱應力，ITO不易發生破裂。因此還可在較厚基材上塗佈。
前面提到的①～④是5種新材料都具有的共同特點。而在形成透明電極後的光透射率和方塊電阻值方面，5種新材料間卻存在著特性上的差異。
一般而言，光線透射率與方塊電阻值存在此消彼長的關係。為了降低方塊電阻而加厚導電膜的話，光線就會很難透過，透射率會隨之下降。相反，為了提高光線透射率而減薄導電膜的話，方塊電阻值就會上升。
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| 圖7：將Ag絲摻入溶液中以確保導電性 Cambrios公司的透明電極材料通過在溶液（墨水）中摻入直徑為nm級的Ag絲，獲得了導電性。該公司首先致力的是觸控螢幕用途。（照片由Cambrios公司提供） |
5種新材料中方塊電阻值最低的是Ag絲。從可見光區域的光透射率達到80％以上的產品來看，大日本印刷的品種可實現0.1Ω/□、富士軟片的品種可實現0.2Ω/□的極低方塊電阻（圖8）。這一方塊電阻值水準相當於已有ITO薄膜的1/10以下注2）。Ag絲以外的其他新材料的方塊電阻值幾乎與已有ITO為同等程度。（未完待續，記者：根津 禎）
注2）製造方法如下。首先在薄膜上塗佈用有機黏合劑固定的ITO微粒子。然後以卷到卷方式將薄膜上的ITO轉印到基材上進行成膜。由於是在常溫下進行成膜，所以基材與ITO膜之間不會產生很強的熱應力，ITO不易發生破裂。因此還可在較厚基材上塗佈。
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| 圖8：印刷Ag絲用作透明電極 還有廠商嘗試用Ag絲在薄膜上印刷圖案來作為透電極使用。這些廠商包括大日本印刷和富士軟片。設想用於觸控螢幕、電子紙及太陽能電池等廣泛用途。（照片中（a）為大日本印刷的示例） |
在新材料中，光透射率及方塊電阻值等特性「最近獲得迅速改善」（眾多技術人員）的是導電性高分子。其中，PEDOT（聚乙撐二氧噻吩）類導電性高分子的特性近幾年更是得到大幅提高注A-1）。
隨 著性能的提高，導電性高分子被實際應用於電子器件試製用途的事例也在增加。比如，普利司通在2009年6月發表的電子紙試製品上就採用了PEDOT 類高分子（圖A-1）。該公司此次採用導電性高子的理由是在可使用印刷技術且彎曲性出色的材料中，「該材料可在某種程度上同時確保高透射率和低方塊電阻 值」（普利司通）。
注A-1）三洋電機與東京工業大學教授山本隆一組成的研究小組于2009年3月共同試製完成了導電率高達 1200S/cm以上的PEDOT類導電性高分 子。使用該高分子製造厚度為120nm的透明導電膜後顯示，方塊電阻值僅為約68Ω/□。不過，波長550nm的光的透射率只有約75％，尚未達到實用水 準。山梨大學研究所醫學工學綜合研究部的嚴虎等人則于2009年5月試製出了同時確保了透明性和導電性的PEDOT類導電性高分子。方塊電阻值在可瞄準觸 控螢幕用途的244Ω/□時，全光線透射率達到了與ITO薄膜相當的約89％。
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| 圖A-1：利用導電性高分子試製的電子紙 普利司通試製出了透明電極採用導電性高分子的電子紙（a）。採用的導電性高分子不僅波長500nm以下的光的透射率比ITO出色，而且透射率不管波長如何 均為基本固定狀態（b）。方塊電阻值為300～400Ω/□，波長550nm的光的透射率為86％，達到了實用水準（c）。（本圖由《日經電子》根據普利 司通的資料製成）（點擊放大） |
普 利司通採用的導電性高分子的方塊電阻值為300～400Ω/□，全光線透射率為86％。在該公司採用「電子粉流體」的電子紙（粒子移動型）上，「足 以工作」（普利司通）。這是因為只在切換顯示時才流過電流，導電性要求示並不高的緣故。試製的電子紙的解析度為82dpi，「與目前正在面向價格標籤用途 進行量產的電子紙為同等程度」（普利司通）。
普利司通預計導電性分子的特性今後還將進一步提高，「方塊電阻值遲早會降至與ITO匹敵的數Ω/□水準」。該公司表示已經獲得了透射率為86％、方塊電阻值為200Ω/□的導電性高分子。（全文完，記者：根津 禎）
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