透明导电银膜光电性能及研究概况

MaterialSciences材料科学,2019,9(7),708-716PublishedOnlineJuly2019inHans.://doi.org/10.12677/ms.2019.97089文章引用:吕德涛,孙继伟,李克训,许晓丽.文章透明导电银膜光电性能及研究概况[J].材料科学,2019,9(7):708-716.DOI:10.12677/ms.2019.97089OptoelectricPropertiesandResearchSituationofSilverTransparentConductiveFilmDetaoLv1*,JiweiSun1,KexunLi2,XiaoliXu1*133thInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,TaiyuanShanxi2ShanxiKeyLaboratoryofElectromagneticMaterialandTechnology,TaiyuanShanxiReceived:July3rd,2019;accepted:July18th,2019;published:July25th,2019AbstractWiththerapiddevelopmentofintelligentelectronicproducts,findinganewlow-costtransparentconductivefilmtoreplaceITOfilmhasbecomearesearchhotspot.Duetothehighcarriercon-centration,highdeformationelongationandoxidationresistance,thesilvermeshfilmandsilvernanowiresfilmhavebroadapplicationprospectsinmanyfieldssuchasmicroelectronicandtouchscreens.Inrecentyears,silvermeshfilmandsilvernanowiresfilmhavebeenstudiedwidelybe-causeoftheoptoelectronicproperties.Thestructure,preparationmethods,optoelectronicprop-ertiesandcurrentsituationofthetwosilvertransparentconductivefilmsareintroduced.Thestructuredesignofsilvermeshfilmisillustratedinthispaper,thecharacteristicsandapplicationscenariosofdifferentmeshstructuresarealsoexplained.Finally,wetestedthetransmittance,squareresistanceandelectromagneticshieldingeffectivenessofthetwosilvertransparentcon-ductivefilms.Theexperimentalresultsshowthattheoptoelectronicpropertyofthesilvermeshfilmpreparedbynanoimprintmethodisbetter,meanwhilethenanoimprinttechnologyisself-controllable.KeywordsSilverMeshFilm,SilverNanowiresFilm,Nanoimprint,ElectromagneticShielding,Transparent透明导电银膜光电性能及研究概况吕德涛1*，孙继伟1，李克训2，许晓丽1*1中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原2电磁防护材料及技术山西省重点实验室，山西太原*通讯作者。吕德涛等DOI:10.12677/ms.2019.97089709材料科学收稿日期：2019年7月3日；录用日期：2019年7月18日；发布日期：2019年7月25日摘要伴随着智能电子商品的迅猛发展，寻求一种新的成本低廉的透明导电薄膜来替代ITO薄膜已成为人们的研究热点。网栅银膜和纳米银线薄膜(AgNWs)由于高载流子浓度、高变形伸长率和耐氧化的特点，在微电子、触控等许多领域有广阔的应用前景，成为近年来广泛研究的多功能材料之一。本文介绍了两种透明导电银膜的薄膜结构、制备工艺、光电性能及发展现状，说明了网栅银膜的图形结构设计及不同网栅结构的特点及应用场景，测试对比了两种透明导电银膜的透光率、方阻、电磁屏蔽效能。结果显示纳米压印工艺制备的网栅银膜光电性能最优异，同时该技术自主可控。关键词网栅银膜，纳米银线薄膜，纳米压印，电磁屏蔽，透明Copyright©2019byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言随着电子信息技术的发展，越来越多的透明导电薄膜被开发利用，透明导电薄膜在各种元器件包括在电子通讯、新能源、探测器等方面得到越来越多的应用。目前常规的透明导电薄膜是ITO膜，ITO，既掺锡氧化铟(indiumtinoxide)，是一种n型半导体材料，具有高电导率、可见光透过率、表面硬度和化学稳定性，是液晶显示器、触摸屏、太阳能电池中最常用的薄膜材料，但屏幕尺寸越大所需的处理数据量也会增加，从而对阻抗值的要求也随之提高，当尺寸大到14吋以上时，ITO的使用受限。ITO的替代材料如metalmesh、纳米银线、碳纳米管、石墨烯等受到重视。石墨烯处于研发阶段，距离量产还有很远的距离，碳纳米管工艺化量产技术尚未完善，其支撑的薄膜产品导电性还不能大到ITO薄膜的水平，而高电导率、低阻抗[1]、具有一定拉伸延展性的银膜在2016年后快速发展且较为成熟，在大尺寸屏幕中已经有大到70%的占有率。目前性能稳定的银膜共有两种，根据制备工艺不同，分别为网栅银膜、纳米银线薄膜。本文从制备工艺、薄膜结构、光电性能三个方面介绍两种银膜。2.网栅银膜网栅银膜是利用银在PET基底上通过压制、刻蚀等工艺所形成的导电金属网格膜。主要性能优势有：1)周期结构可设计。得益于激光刻蚀工艺的发展，可在掩模板或PET等基材上制作各类屏蔽效能仿真设计的微纳图形结构，与传统丝网编制的正方形、菱形结构相比，金属网栅图形结构更加丰富[2]，有正方形、菱形、六边形、砖墙图形、蛾眼图形、无规则图形等。2)表面方阻低，可达0.1Ω/□，且老化试验后，方阻1Ω/□。3)屏蔽效能高。同等体积下Ag膜载流子密度远高于ITO膜，高频电磁干扰场在Ag膜表面形成的涡流更容易被卸载[3]。4)网栅线径细，可做到3~5μm。细线径可有效解决与显示屏像素点间距的干涉，从而避免莫尔条纹，另外人眼可辨识线径约6μm，与23μm丝径的金属丝网相比，使用网栅银膜的加固显示屏有更高的分辨率和显示效果。OpenAccess吕德涛等DOI:10.12677/ms.2019.97089710材料科学网栅银膜可根据光学及电磁屏蔽性能要求，通过CST、HFSS等软件可仿真设计网栅线径、间距、高度，获得不同结构的具有调节光波、电磁波传播路径的周期图形，目前常用的网栅银膜周期图形如图1所示。Figure1.Differentstructuresofmetalmesh.(a)squareelementstructure;(b)hexagonalelementstructure;(c)randommeshelementstructure;(d)motheyeelementstructure图1.金属网栅的不同结构。(a)正方形单元结构；(b)六边形单元结构；(c)随机网格单元结构；(d)蛾眼单元结构图1中为四种不同结构的金属网栅周期图形，图1(a)为正方形结构，是最早研制并使用的图形，是模仿编制类型的金属丝网周期结构而研发的第一代图形，但该图形的网栅银膜在显示屏上使用时需要调角解决与显示屏像素点间距的干涉条纹。图1(b)为六边形结构，六边形结构比正方形结构力学构架更稳定，具有较强的变形伸长率，适用于曲面观察窗，但在显示屏上使用时，由于六边形具有3条平行边，其干涉条纹更难解决，适用的角度范围更小。图1(c)为随机网格结构，由不同大小、形状的四边形、五边形、六边形组成，主要解决了网栅与显示屏像素点间距的干涉问题，即在使用中任意角度都可获得良好的视觉效果，另外力学结构介于正方形和六边形之间，也具有一定的拉伸延展性，该图形结构由于使用方便，已逐渐取代正方形和六边形结构。图1(d)为亚波长的蛾眼结构，可以通过优化设计改变亚波长微结构不同的结构参数组合使其等效成任意折射率的薄膜，理论上锥形结构的亚波长微纳抗反射结构可以很好实现折射率渐变特性，形成有效的陷光结构，并使宽光谱、大角度入射的增透性问题也能得到较好的解决；而在纵横比小时，蛾眼结构的等效折射率渐变特性更接近线性变化，从而提高减反效果[4][5]。根据制作工艺，网栅银膜分为卤化银曝光工艺、激光刻蚀工艺和纳米压印工艺。卤化银曝光工艺出现最早，日本富士基于胶片生产经验，改造了AgBr涂布生产线，最早批量化生产网栅银膜，目前市场占有量约2/5，而激光刻蚀工艺和纳米压印工艺出现较晚，激光刻蚀工艺与卤化银曝光工艺相比，膜层附着力强，但成本及效率未有改善，纳米压印工艺区别于卤化银曝光工艺和激光刻蚀工艺，是加法工艺，成本较低，且工艺成熟，发展迅猛。吕德涛等DOI:10.12677/ms.2019.97089711材料科学2.1.卤化银曝光法卤化银曝光工艺是在PET基底上先涂覆一层AgBr，由于AgBr遇光分解成Ag和Br，通过光刻掩模板的透光部分曝光可在PET基底上形成网格图案的银膜，在经过洗银工序，清洗残存的Br，最后进行热处理，工艺流程如图2所示。Figure2.Schematicdiagramofsilverhalideexposureprocess图2.卤化银曝光工艺示意图该工艺是减法工艺，通过曝光显影技术去除多余遮光部位，只留下网栅图案。该法制备的银线位于PET表面，易刮擦，且由于银线是AgBr分解而成，其致密性较差，耐盐雾腐蚀能力差。目前日本企业富士和郡是主要采用该工艺，国内的乐凯基于胶片生产基础也有卤化银曝光工艺线。2.2.激光刻蚀法激光刻蚀工艺是通过蒸镀、印刷等工艺在PET基材上形成一层银膜，在银膜表面涂覆光刻胶，由于光刻胶具有光化学敏感性，通过掩模板光照引起曝光区域的光刻胶发生化学反应，再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶，后者称为负性光刻胶)，使掩模板上的图形被复制到PET基材上[6]，激光刻蚀制备网栅银膜工艺流程如图3所示。激光刻蚀工艺也是减法工艺，需要刻蚀掉约90%的Ag，有可能存在刻蚀漏洞，造成局部Ag膜残留，且成本较高，但由于Ag是通过蒸镀、印刷等工艺制备的，其附着力强且厚度不受限制，因此可形成厚度/线径1的膜层，形成波导结构，因此屏蔽效能高[7]。美国ATMEL公司、OPTERA公司、3M公司主要采用该工艺，产品主要用于触摸屏行业。2.3.纳米压印法纳米压印工艺全流程是紫外光固化纳米压印，首先将设计好的网栅图形用光刻机制作到镍模板上，再将PET基材进行清洗，将紫外光致固化胶(例如TSR-820，是一种用于三维光成型环氧树脂基UV固化的聚合物)涂敷在PET基材上，当镍模板压向液体胶并停止后，可用UV光对其进行曝光照射