匯聚“透光性”與“導(dǎo)電性”的透明導(dǎo)電薄膜

趙秀萍 李妍

透明導(dǎo)電薄膜的概述

透明導(dǎo)電薄膜是指在可見光范圍內(nèi)具有高透光性、具有金屬一般高的導(dǎo)電性以及在紅外范圍內(nèi)高反射性的一類薄膜，其禁帶寬度大于3ev，可見光范圍的平均透過率大于80%，并且電阻率小于0.001？/cm。日常生活中，提及透明往往聯(lián)想到水、玻璃等導(dǎo)電性差的物質(zhì)；而對于高導(dǎo)電性物質(zhì)，通常是金屬等一系列透明性極差的物質(zhì)。透明性和導(dǎo)電性如矛盾一般對立統(tǒng)一的出現(xiàn)在透明導(dǎo)電薄膜中，這一有效的結(jié)合使得透明導(dǎo)電薄膜從最初的發(fā)明到近年來的發(fā)展一直得到極高的關(guān)注。

透明導(dǎo)電薄膜材質(zhì)種類繁多，主要包括金屬膜系、金屬氧化膜系、透明氧化膜系、高分子膜系其他化合物膜系以及多層復(fù)合膜系等。在這其中金屬膜系和金屬氧化物膜系這兩種材質(zhì)研究較深，使用范圍較廣。氧化銦錫是金屬氧化膜系中的代表，其在薄膜晶體管、太陽能電池透明電極以及發(fā)光顯示器等眾多領(lǐng)域具占有重要的組成部分，也由于其特性使得在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中增長了經(jīng)濟效益。但是氧化銦錫由于資源的稀缺使得制備成本高，對大量的生產(chǎn)生活的使用造成了困擾，也由于其自身的脆性限制了在柔性設(shè)備中的使用。氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜尤其是氧化鋅鋁透明導(dǎo)電薄膜在制備成本上大大降低，特別是其環(huán)保性、在空氣中材料性能的穩(wěn)定性強，正在逐步替代氧化銦錫。除此以外，石墨烯薄膜、碳納米等基材的薄膜也開發(fā)適用之中。

由于材質(zhì)的不斷更新，薄膜的厚度在不斷變薄，但是對于透明導(dǎo)電薄膜其導(dǎo)電性能不可忽視。因此，具有一定網(wǎng)格形狀透明導(dǎo)電薄膜，其網(wǎng)格形狀的設(shè)計需要通過實驗進一步探究。

透明導(dǎo)電薄膜的常用制備方法

當(dāng)前制備透明導(dǎo)電薄膜的方法主要有溶膠一凝膠法、化學(xué)氣相沉積、真空蒸發(fā)沉積、磁控濺射法、噴霧熱解法等多種方法，其中制備氧化銦錫中經(jīng)濟效益較好的有溶膠—凝膠法、磁控濺射法等。

本文主要針對以聚對苯二甲酸乙二醇酯基質(zhì)，其上的金屬網(wǎng)格是通過納米壓印光刻技術(shù)完成的，除此之外還可以選擇噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷來完成金屬網(wǎng)格的印刷。在利用透明導(dǎo)電薄膜性能時，金屬網(wǎng)格的印刷極為關(guān)鍵。對于金屬網(wǎng)格的印刷一方面要探究其網(wǎng)格形狀對于金屬的網(wǎng)格的影響，另一方面還要考慮印刷網(wǎng)格形狀時對于其導(dǎo)電性的影響。

透明導(dǎo)電薄膜印刷設(shè)計

1.印刷工藝參數(shù)的選擇

①網(wǎng)紋輥的線數(shù)選擇

在通過柔印方式印刷透明導(dǎo)電薄膜中，網(wǎng)紋輥的線數(shù)選擇與金屬網(wǎng)格的垂直方向和水平方向印刷的導(dǎo)電線的電阻選擇有關(guān)。綜合以上考慮，300線/英寸的網(wǎng)紋輥，其樣本具有更好的性能從而在生產(chǎn)實踐中被廣泛的使用。

②印刷壓力參數(shù)的選擇

金屬網(wǎng)格的印刷壓力參數(shù)是根據(jù)沿水平方向的直線進行探究的。通過結(jié)合金屬網(wǎng)格線在最佳燒結(jié)溫度以及燒結(jié)時間的確定，我們可以得知金屬網(wǎng)格線最佳的燒結(jié)溫度為120℃以及最佳的燒結(jié)時間為30分鐘。根據(jù)透明導(dǎo)電薄膜在不同印刷壓力下，導(dǎo)電率的不同從而可以進一步確認印刷中的最佳印刷壓力。通過分別測試在100N、125N和150N三種印刷壓力下的導(dǎo)電線的電阻值，得出在150N時印刷壓力時導(dǎo)電線的阻值低于其他二者，因此印刷最佳壓力應(yīng)為150N。

2.金屬網(wǎng)格形狀的設(shè)計及理論分析

①透明導(dǎo)電薄膜的金屬網(wǎng)格的導(dǎo)電性是有復(fù)雜的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)和大面積的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來決定的，因此導(dǎo)電性能不僅與串并聯(lián)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)更與網(wǎng)格數(shù)目的多少休戚相關(guān)。針對金屬網(wǎng)格的形狀主要討論三角形、四邊形以及六邊形的網(wǎng)格形狀。通過將以上三種形狀的網(wǎng)格統(tǒng)一邊長的方法，可以得出六邊形的金屬網(wǎng)格的透光性高，而三角形金屬網(wǎng)格的透光性最低。因此，可以進一步得出透光率和網(wǎng)格形狀的面積與邊長的比值有關(guān)。即面積與邊長比值越高的形狀，即六邊形金屬網(wǎng)格，透光性能越好，滿足透明導(dǎo)電薄膜的較好的透光性能。

在考慮邊長的同時應(yīng)考慮到增加線寬時，不同金屬網(wǎng)格形狀之間的透光率變化。對于不同類型的網(wǎng)格形狀，透光率下降速度不同，然而六邊形網(wǎng)格線寬度隨著增加而透光率下降的緩慢?？梢钥闯?，這一特點對生產(chǎn)過程中的適宜性利益。

因此，無論是從邊長的變化還是線寬的變化，六邊形金屬網(wǎng)格相比于三角形和四邊形都具有顯著的優(yōu)勢。

②網(wǎng)格模設(shè)計

為了避免透明導(dǎo)電薄膜中由于基本網(wǎng)格數(shù)目引起的透光性能和導(dǎo)電性能的變化，因此，網(wǎng)格膜設(shè)計為2cm×2cm。在相同的透光率下，六邊形的網(wǎng)格的線長度是最短的，這種現(xiàn)象說明了降低整體的電阻六邊形是最合適的形狀。

3.透明導(dǎo)電薄膜制作

在實際印刷中，三種網(wǎng)格形狀在線寬上有不同程度的增加，尤其在54微米的時候有一個顯著的增加。因此，實際三種網(wǎng)格形狀的透光性應(yīng)低于理論值。在三種網(wǎng)格薄膜中，六邊形的金屬網(wǎng)格具有較小的電阻值，三角形具有較高的電阻值，四邊形的電阻值處于中間。

在透明導(dǎo)電薄膜中，透光性能和導(dǎo)電性能是其基本衡量參數(shù)。因此，為了進一步綜合探究透明導(dǎo)電薄膜性能，我們引入品質(zhì)因數(shù)Q，將其定義為透光率和電阻值之比。根據(jù)實驗，我們可以得到六邊形金屬網(wǎng)格的品質(zhì)因數(shù)Q是最高的，而三角形金屬網(wǎng)格的品質(zhì)因數(shù)Q是最差的。在試驗中不難發(fā)現(xiàn)，三種形狀的金屬網(wǎng)格的透光率在實際中的值十分接近，進一步說決定品質(zhì)因數(shù)Q的主要因素是電阻R的值。

進一步得出結(jié)論，六邊形金屬網(wǎng)格不僅具有形狀本身有一定的優(yōu)勢，透明性和導(dǎo)電性，但也顯示出更多的可行性與實用的優(yōu)點適合柔性版印刷。

未來的發(fā)展前景

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于身邊資源的利用效率不斷追求高效化，透明導(dǎo)電薄膜的相關(guān)技術(shù)也處在進一步完善當(dāng)中。透明導(dǎo)電薄膜由于其自身將良好的導(dǎo)電性能和透光性能的緊密結(jié)合廣泛地生產(chǎn)實踐中使用，使得人們對于其性能要求不斷提高，比如電阻率可以更加低，光的透光率更加高，薄膜在空氣中性能狀態(tài)穩(wěn)定，耐堿耐腐蝕性強，成本更為低廉等多種要求。

國內(nèi)，透明導(dǎo)電薄膜相關(guān)技術(shù)也不斷在發(fā)展研究之中，但是相比于國外的一些國家依舊有很長的一段路程需要探索。相信在科技碰觸發(fā)展的未來，國內(nèi)的透明導(dǎo)電薄膜無論是靶材的選取還是技術(shù)革新的速度，都會有更為深遠的發(fā)展。