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用「閃電」鍍製觸控螢幕的導電膜

文/劉珈均

工研院機械與系統所的團隊研發「大氣電漿鍍膜技術」,能在大氣常壓下鍍製透明導電膜,為目前已知唯一能常壓進行製程並達到商用品質的技術,此技術也曾獲得「R&D百大科技獎」與「華爾街日報科技創新獎(TIA)」。

手指滑過手機或平板電腦時,因為螢幕下面那層透明導電薄膜,機器才得以「感知」碰觸、執行功能。現在觸控面板常用ITO(Indium Tin Oxide,銦錫氧化物)作為透明導電材料,透明導電膜兩項主要的性能指標為電阻和透光率,ITO符合低電阻與高可見光穿透率,此外還具有良好的化學穩定性和熱穩定性、基材黏著性佳、利於圖形加工等優點。因此,在眾多可作為透明電極的材料中,ITO成為主流,應用也相當廣泛,觸控面板、太陽電池、液晶、電漿顯示器等光電產品皆可見ITO。

業務組長周大鑫博士說,研發初衷是為了節能,希望開發低耗能的光電產業鍍膜技術。現在鍍膜的製程為達到高品質,須在真空環境下進行,為了維持真空度,即便不鍍膜,真空設備也要持續運行,相當耗能;另一方面,銦是稀有金屬,主要出產自中國,來源不穩定,常有價格波動問題。隨著近年導入非銦材料取代ITO薄膜的議題亦趨熱門,團隊也研究導入非貴重金屬材料鍍製透明導電膜,降低製造成本與風險。

大氣電漿鍍膜技術的計畫主持人、工研院機械所業務組長周大鑫博士。

大氣電漿鍍膜技術的計畫主持人、工研院機械所業務組長周大鑫博士。

相較於傳統真空環境製程,團隊的「大氣電漿鍍膜技術」省了一半以上的電力,也節省了60%的設備空間。大氣電漿製程最大缺點是材料出了噴嘴、碰到大氣便容易碰撞產生結晶,團隊技術的巧思在於「電漿噴嘴」(又稱電漿頭或電漿產生器)裡電極與氣流場特殊設計,在局部區域裡產生高密度的電弧。

團隊設計電漿噴嘴,使其電漿密度夠高,得以完整解離材料,透過氣流帶下來,讓材料順利覆在基板上形成一層薄膜。「有點像大自然現象的閃電,我們可以讓電弧產生的數量最多,產生的能量高,範圍也大。」周大鑫說,模組也整合電源供應器設計,控制電極的放電頻率,達到足夠溫度。

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機械所團隊開發的大氣鍍膜機器。電漿噴嘴的電漿密度夠高,完整解離氧化鋅,透過氣流帶下來,讓材料順利覆在基板上形成一層薄膜。

機械所團隊開發的大氣鍍膜機器。電漿噴嘴的電漿密度夠高,完整解離氧化鋅,透過氣流帶下來,讓材料順利覆在基板上形成一層薄膜。

「傳統也有大氣電漿技術,但能量沒像我們這麼高,所以只能做些表面清潔的工作。」周大鑫說,團隊的電漿密度高,得以完整解離材料,所以可在大氣條件下作鍍膜製程,甚至鍍製透明導電膜。高能量密度的電漿讓不同材料組合變得可行,團隊改以氧化鋅為鍍製材料,鍍出來的透明導電薄膜片電阻小於100 ohm/square,透明度90%以上,相當於市售的ITO薄膜水準。團隊計算過,觸控面板大約有三四成的成本都花在那透明導電膜,而用氧化鋅搭配大氣電漿技術,成本可降低為一成。(此為三年前的數據,現在透明導電膜成本較低了。)

團隊成員將玻璃基板放至鍍膜機並示範操作,此機器為線型鍍膜,鍍製疏水的功能性薄膜。

團隊成員將玻璃基板放至鍍膜機並示範操作,此機器為線型鍍膜,鍍製疏水的功能性薄膜。

大氣電漿鍍膜還可局部鍍製,讓製程環保許多。傳統上,若要局部鍍膜,得先全面鍍上一層,再用「黃光微影製程」去除不要的地方,過程中會產生許多化學廢液,新技術省下了這過程,避免了化學材料汙染。

談及研發過程,周大鑫說,一開始大家聽到開發在非真空環境鍍膜技術的點子都覺得挑戰太大,難以達成。2008年計畫最初執行的那半年,團隊也果真鍍不出來,因為解離不完全,材料從噴嘴出來後接觸空氣立即結晶,在基板上覆上一層顆粒狀粉末,變成「一盤散沙」而不是融合成一層薄膜。後來調整電極模組設計、調整材料配方,隔年才成功鍍膜,再經兩三年改良製程,才鍍出透明導電膜。

不同的功能性薄膜的製程有差異,但概念與設備大致相同,只是更換材料組成。因此,此技術除了用於製作觸控面板的透明導電薄膜,作為ITO的替代品,也可以跨產業,用於其他功能性鍍膜製程,如表面抗污、疏水、親水等,除了硬材質的玻璃或塑膠產品表面鍍膜,周大鑫也期望未來延伸至軟性材基材元件,應用於穿戴式設備。

研發大氣電漿鍍膜技術的團隊。

研發大氣電漿鍍膜技術的團隊。

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