2.2.1 感测材料的发展

触控显示技术的飞速发展，对ITO透明导电膜的各项技术性能和制程提出了更高的要求。同时ITO在大尺寸与柔性显示应用中的局限，也催生了许多可替代ITO的感测材料。

1.ITO导电膜技术

ITO凭借其较高的可见光波段透光率（＞90%）、相对较低的电阻率（10-4～10-3Ω·cm）、空气环境下稳定的化学性质、良好的机械耐磨性，成为触控屏透明导电薄膜的主流材料。典型ITO触控屏结构如图2-6所示。ITO成膜工艺较成熟，应用于触控感应电路最主要的问题是工艺制程与材料本身易脆的特性。另外，ITO在PET基体上镀膜时，太厚则需要考虑PET薄膜耐受性，太薄则无法降低表面阻抗。ITO材料具有易脆性，且表面电阻相对较大，传统制程无法顺利切入大尺寸、柔性显示产品。近年来兴起的金属网格（Metal Mesh）与银纳米线具有较好的导电性与可挠性，有逐步取代ITO的趋势。

ITO柔性应用一般把ITO成膜在柔性基板上。通常柔性基板由有机材料构成，透光率低于常规玻璃基板，镀ITO后导致透光率进一步下降。为避免影响整体性能，制备柔性ITO导电膜的透光率不宜太低，需在86%以上。另外，表面硬度特性关系着触控屏的耐用度，若表面硬度不佳，柔性基板表面易受到破坏，进而影响ITO膜的均匀性，使触控屏无法精确地计算接触位置。一般柔性基板的表面硬度至少要求3H以上。此外，柔性ITO基板耐湿、耐热性及尺寸稳定性的要求，也会影响进一步制成触控屏之后正常工作的温度条件范围，这些特性在测试条件下均需要达到一定的标准，如表2-7所示。

ITO广泛应用于电阻屏和电容屏中，触控屏尺寸的增大，对ITO膜的低方阻性能提出了更高的要求。电阻式触控屏的ITO膜厚一般在20nm左右，方块电阻在200～500Ω/□（换算为电阻率为6×10-4～1×10-3Ω·cm）。如果膜厚在20nm以下，则耐久性不足。投射电容式触控屏的方块电阻由早期的255Ω/□降到175Ω/□左右，相应地，ITO成膜温度在300℃甚至更高。PET基材的ITO膜片，耐热能力不足，量产品的方块电阻一般在140Ω/□左右，投射电容式触控屏尺寸超过5英寸信号检测就很困难。采用可耐250℃以上的透明PI或同等能力的耐热基材，可以获得方块电阻在100Ω/□左右的ITO膜片。

随着面板尺寸的增大，ITO电极或感测器的长度相应增大。如果控制IC要求的端子间电阻不变，ITO膜所需的片电阻会随之降低。如果片电阻不够低，也不能增加ITO膜厚来弥补，因为ITO膜太厚会大幅降低透光率，而且会使ITO膜的刻蚀图案明显可见。淡化ITO膜的刻蚀图案的方法有：在ITO膜和基板之间追加光学调整层，提高透光率；在ITO中混入其他材料，减少其折射率；尝试不同的图案形状；降低ITO膜的厚度（电阻增大）来提高透光率，并且用控制器来调整触摸感测器的灵敏度；选择合适的光学胶等材料。

消影ITO玻璃是通过在ITO膜和玻璃之间镀上一层IM膜（INDEX MATCH层），使ITO玻璃在刻蚀制作电容屏线路之后，透过可见光波长500～650nm范围内，ITO层蚀刻前后反射率△R%＜0.5%，减少ITO区域和非ITO区域的视觉反差，使得电容屏ITO刻蚀线条变淡，线路的图案在正常光下看不见，变为可起到消除图案效果的IM+ITO玻璃。IM（Nb₂O₅/SiO₂）+ITO根据ITO阻值不同，IM层厚度也需要做不同的调整。目前常用的消影ITO阻值为80～120Ω/□，ITO膜厚范围为20～27nm。如图2-7所示，消影ITO的玻璃透光率增加、反射率减小，具有AR膜功能。减少ITO区域和刻蚀后非ITO区域的视觉反差，使得电容屏ITO刻蚀线条变淡，提高视觉效果。

2.ITO替代导电膜技术

一种材料若要取代另一种既有材料，技术规格是最基本的要求，同时也要关注工艺与供应链的成熟度。ITO取代材料要求具有良好的导电性能与透光性能。除此之外，从供应链来看，包含原始材料、成膜与图案蚀刻工艺都必须获得触控屏厂商的认可，能够对终端应用产生明显的价值。这些新材料多数可以达到较低的方阻值，尤其是对10英寸以上的触控屏应用最能产生显著价值。

作为触控感测线路，新材料的导电性能将直接影响到触控响应时间及触控检测的灵敏度。对于10英寸及以上尺寸产品，触控感测线路的面阻值需要维持在150Ω/□以下。而对目前主流的投射电容式触控显示技术而言，触控线路通常处于显示屏的上方，因而要求新材料需要保持良好的透光性能，以保障显示的画面品质，通常情况下，应至少保证80%～85%的透光率。

从目前研究进展看，ITO新取代材料主要集中在5种技术：金属网格技术（Metal Mesh）、银纳米线技术（Silver Nanowire）、碳纳米管技术（Carbon Nanotube）、导电聚合物技术（PEDOT：PSS）和石墨烯技术（Graphene）。其中，金属网格与银纳米线是触控屏厂商目前最主要采用的两种新一代传感器电极材料。这几种透明导电材料的阻抗与成本关系如图2-8所示。新一代的ITO取代材料除透光率与导电性规格要能超越ITO外，镀膜工艺与结构特性也是考虑的重点。多数的取代材料都已经不再使用溅射工艺，而改以湿式涂布，而且配合软性或曲面感应线路，载板也不再是问题。

金属网格图案具有一致性、连贯性与延伸性，因此在形成较大尺寸的感测图案时，在线路与图案的均匀度控制方面具有优势，如图2-9所示。相对而言，银纳米线目前的制程是先以湿式涂布于薄膜上，均匀度的控制尤其重要。由于不具备金属网格的连贯性，每根银纳米线都是单独的个体，导电性通过银线之间的交错、重叠实现，若银线分布的均匀性不佳，阻抗值的均匀度就会受影响，甚至会出现断路。金属网格的缺点主要在于反光与摩尔纹问题。目前，金属网格可以顺利生产的单一线宽在3μm左右；过宽则需要在网格线表面做黑化（Blacking）处理，减少反光，但是这样又会导致显示面板在视觉上太黯淡。而网格线如果过细，对有些加成法制程来说，工艺难度则相对提高许多。对目前显示面板像素动辄超过300ppi的智能手机来说，比较理想的网格线宽在2μm左右。

银纳米线是透明导电材料，其直径在250nm以下，典型银纳米线微观形貌图及银纳米线网络如图2-10所示。银纳米线在可见光频率范围内的透光率高。同时，银具有高导电性和稳定性，可作为ITO透明导电膜的替代方案，运用在触控感测导电图形结构的制程中。目前的触控式屏幕使用ITO薄膜大多色偏而发黄，而采用银纳米线为新材料便可实现几乎无色的状态。在制造方法上，ITO制程使用真空工艺，而银纳米线油墨则能够用涂布法成膜，因此可以低成本制造；再者，现有ITO薄膜难以弯曲，而银纳米线易于弯曲，可匹配未来柔性显示器件的发展需要。由于传统采用低温ITO生产的G/F/F式触控屏，单位面积阻值固定，因此传感器的灵敏度会随着面积增加而下降，成为大尺寸G/F/F式触控屏良率难以提升的关键。为此，G/F/F式触控屏制造商展开了低阻值的银纳米线与高温ITO G/F/F式触控屏部署，以期提高大尺寸G/F/F式触控屏良率。

碳纳米管是具有高理论电导率的碳纳米圆柱管，其透射电镜形貌如图2-11所示。厚度在10～100nm的薄膜具有很高的透光率和导电性，可以用来替代ITO电极。碳纳米管和ITO膜相比有如下几大优势：首先，原材料比较便宜，目前碳纳米管薄膜已实现低成本、大面积批量制备，而ITO必须镀膜，工艺制程成本及原料成本较高；其次，碳纳米管将拉膜平铺于透明的基底上，利用薄膜本身各向异性的结构成形，没有ITO的光刻刻蚀等化学工艺环节，制作过程比较环保；最后，碳纳米管的机械性非常好，可任意弯曲和折叠，甚至铺完膜之后再热成型，把它变成二维或三维结构，也不会损坏。机械性好是碳纳米管能够应用在异形、弧形产品的基础，这使得碳纳米管在智能穿戴、柔性、异形等触控产品应用领域比较有优势。而一般的ITO镀膜机械性较差，弯曲变形时薄膜易破裂。

石墨烯具有很好的物理性能，单层石墨烯对可见光的吸收率只有2.3%，透光率好；理论电阻率很低，甚至比铜/银电阻率还要低；电子迁移率高，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，相对ITO材料高几个数量级。石墨烯原材料成本远低于ITO材料，基底材料成本（PET/Glass）比重很高，石墨烯触控屏Sensor加工工序相对简单，可进一步降低模组成本。柔性是石墨烯的重要特性，其弯折性能主要取决于基底PET材料的弯折极限。

聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）是在高导电高分子中具有潜力的一种新的材料。PEDOT：PSS可以呈现稳定的悬浮液态，该悬浮液可以在玻璃基底或柔性基底上形成一种淡蓝色的透明导电薄膜。此种薄膜不仅易于加工，同时还具有良好的机械性能、较高的透光性、耐热、绿色环保等优点。但原始薄膜电导率低于1S/cm，所以需要找到合适方法来提高它的电导率。使用有机酸、无机酸、表面活性剂和盐溶液对PEDOT：PSS进行预处理或薄膜的后期处理，可以使PEDOT：PSS薄膜电导率提高2～3个数量级。

金属网格、银纳米线、石墨烯、碳纳米管和PEDOT等新型透明导电材料性能比较见表2-8。