导电材料和膜的基本性能

各种导电材料在导电膜制备方面，均有应用。

金属材料一般为金、银、铜等导体材料，主要用于电极和导线。对于现代涂布复合工艺而言，导电材料多选用导电纳米涂布液，包括纳米颗粒和纳米线等。纳米粒子除了具有良好的导电性外，还可以烧结成薄膜或导线。通过静电纺丝技术大规模生产银纳米颗粒覆盖的橡胶纤维的电路，在100%拉力下，导电性达到2200S·cm-1。

以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料压电特性出色，有望在柔性电子传感器领域获得应用。

碳材料方面，碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%。石墨烯轻薄透明，导电导热性好，利用多壁碳纳米管和银复合并通过涂布复合方式得到的导电聚合物传感器，拉伸140%导电性仍然高达20S·cm-1，在碳纳米管和石墨烯的综合应用上，已经制备了可以高度拉伸的透明场效应晶体管，存在褶皱的氧化铝介电层，在超过一千次20%幅度的拉伸—舒张循环下，没有漏极电流变化。天津工大耿宏章团队，将快速喷涂与酸处理以及棒涂法与酸处理技术相结合，大面积快速制备碳纳米管柔性透明导电薄膜，在保持高透光率的前提下，提高柔性碳纳米管导电薄膜的导电性能，降低面电阻，降低成本。

光电产品都需要光的穿透与电的传导，因此透明导电膜是光电产品的基础，平面显示器、触控面板、太阳能电池、电子纸、PDLC调光玻璃、OLED照明等光电产品都需要用到透明导电膜。

国际市场研究机构Research and Markets在2017年市场调查中指出，预估全球透明导电膜的市场从2017到2026年平均年成长率超过9%，不管是从光电产品的产业链或是市场规模来评量，透明导电膜都是光电产业不可忽视的重要材料。

透光率与导电性互相掣肘，透光率代表可见光可以穿透介质的多寡，而导电性代表介质传导载子（Carrier，包括电子与空穴）的多寡，与载子浓度有关。

在光学性质上，载子可视为处于一种等离子状态，与光的交互作用很强，当入射光的频率小于材料载子之等离子频率（Plasma Frequency）时，入射光会被反射，因此，材料的载子等离子频率在光谱的位置是可见光波段（380～760nm）是否能够穿透的决定因素。

金属薄膜的等离子频率在紫外光区，所以可见光无法穿透金属，这是金属在可见光区呈现不透明光学性质的原因，而金属氧化物的等离子频率落在红外光区，因此可见光区的光线，可以透过金属氧化物，呈现透明状态。

但是，金属氧化物能隙（Energy Band Gap）太大，载流子的浓度有限，导致金属氧化物的导电性很差。

降低金属材料厚度是增加光线穿透的一个方法，唯金属薄膜厚度太薄，加工不易，如以蒸镀方式成膜会形成岛状不连续的生长；另外也因为膜厚较薄，在空气中容易有氧化的现象产生，造成电阻值剧变，不利于后续应用。(www.xing528.com)

提升金属氧化物的载流子浓度以增加其导电性，是透明导电膜的另一个方向。氧化物稳定，成膜性好，通过掺杂（Doping）或是制造缺陷增加载流子的浓度来提高其导电性，是透明导电膜的选择之一。

掺杂的氧化锡、氧化锌等，都具有高透明、高导电特性，氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）应用最为广泛。ITO导电好，可见光透光率高，成膜技术与后续蚀刻图案化制备工艺都成熟可靠，并因此成为透明导电膜主要的材料。

从柔性电子对可挠性需求来看，受力弯曲碎裂的特性，使ITO在柔性电子组件应用上遇到瓶颈，具有可挠特性，取代ITO透明导电膜的产品，会是未来柔性光电产品的基础材料，非ITO透明导电膜之市场需求将逐渐地上升。

虽然单一材料同时具有高透光率、高导电率与可挠曲特性比较困难，但透过材料设计，如金属薄膜、一电介质/薄金属/电介质Dielectric/thin Metal/Dielectric，DMD）复合材料结构、掺杂具共轭键的导电高分子（Organic Conductive Polymer）；具导电性的导电碳材如石墨烯（Graphene）、纳米碳管（Carbon NanoTube，CNT）；或是金属网格（Metal Mesh）、金属网络（Metal Web），都可制成柔性透明导电膜（图5-22）。

图5-22　潜在的柔性透明导电膜材料

鉴于导电膜透光性能要求，新型导电膜，特别是透明导电膜涂层导电材料，大多突出纳米尺度效应。预期ITO替代材料主要有石墨烯、导电高分子、纳米碳管、金属网格、纳米银线等（图5-23）。

图5-23　ITO及其替代物质透光率和导电性能对比

金属网格成本低，导电性好，但透光率偏低、显示屏图像容易受到干扰形成摩尔纹缺陷。银纳米线导电膜生产工艺简单、损耗少，透光性、柔韧性和图像清晰度更好。