UniBoss能否顛覆液晶和觸摸屏導(dǎo)電材料ITO？

根據(jù)DisplaySearch的估算，現(xiàn)有觸摸屏市場規(guī)模達到了130億美元。根據(jù)nanomarkets的估算，2012年整個透明導(dǎo)電材料市場大約在39億美元左右。沒有人會懷疑觸摸屏未來巨大的發(fā)展空間，智能手機和平板電腦進一步的普及，WIN8的推出，引領(lǐng)電腦向觸摸屏的發(fā)展，觸摸屏在其他領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用，都推動著觸摸屏產(chǎn)業(yè)未來快速的發(fā)展。ITO主導(dǎo)了現(xiàn)有液晶顯示器和觸摸屏的透明電極，尚未出現(xiàn)能夠大規(guī)模商業(yè)化的可替代材料，但因為ITO自身缺陷阻礙著觸摸屏的進一步發(fā)展。下文將簡要介紹ITO的工藝技術(shù)以及未來可能取代ITO的技術(shù)。

一、ITO

ITO是Indium Tin Oxides的縮寫，即摻錫氧化銦。是透明導(dǎo)電氧化物TCOs的一種，由于最好的導(dǎo)電性和透明性的組合性能，成為最主要的透明導(dǎo)電材料，主要應(yīng)用于液晶顯示器，觸摸屏，太陽能薄膜電池，照明用有機EL元件等領(lǐng)域。

氧化銦，只吸收紫外光，不吸收可見光，因此達到“透明”的表現(xiàn)。摻錫，雖然會損失透光度，但可以提高導(dǎo)電能力。因此，透光度和導(dǎo)電性是兩個相互牽制的指標。

ITO原料，ITO粉，稱為ITO靶材。將ITO靶材沉積到PET基板上，就形成ITO導(dǎo)電薄膜；將ITO靶材沉積到玻璃基板上，就形成ITO導(dǎo)電玻璃。

現(xiàn)在發(fā)展最成熟，使用最多的ITO沉積工藝是磁控濺射法，即用高能粒子轟擊靶材，使靶材中的原子濺射出來，沉積在基底表面形成薄膜的方法。比其他真空蒸發(fā)、熱解噴涂、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠等方法效果都要好。

ITO薄膜的導(dǎo)電性能，不僅與ITO薄膜材料的組成（包括錫含量和氧含量）有關(guān)，同時與制備ITO薄膜時的工藝條件（包括沉積時的基片溫度、濺射電壓等）有關(guān)。

1、主要應(yīng)用

在液晶顯示器和觸摸屏領(lǐng)域，由于對顯示效果和傳感響應(yīng)很高的要求，ITO主導(dǎo)了現(xiàn)有液晶顯示器和觸摸屏的透明電極，特別是在觸摸屏領(lǐng)域。隨著液晶顯示器的普及，和最近幾年智能手機和平板電腦的快速發(fā)展，對ITO的需求也隨之快速增長。

1.1、液晶顯示器

液晶顯示器主要使用ITO導(dǎo)電玻璃。

液晶顯示器之所以能顯示特定的圖形，主要是將導(dǎo)電玻璃上的透明電極蝕刻制成特定形狀的電極，在這些電極上加適當電壓信號后，使具有偶極矩的液晶分子在電場作用下特定的方面排列，進而顯示出與電極波長相對應(yīng)的圖形。目前液晶顯示器的透明電極以ITO的透光率和導(dǎo)電性能最好，而且容易在酸液中蝕刻出微細圖形。

1.2、觸摸屏

無論是電阻式觸摸屏還是電容式觸摸屏，工作面都是基于ITO涂層。

電阻式觸摸屏，當表面被觸摸時向下彎曲，并使得下面隔開的兩層ITO涂層能夠相互接觸并在該點連通電路，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器。

表面電容觸摸屏只采用單層的ITO，當手指觸摸屏表面時，就會有一定量的電荷轉(zhuǎn)移到人體。為了恢復(fù)這些電荷損失，電荷從屏幕的四角補充進來，各方向補充的電荷量和觸摸點的距離成比例，由此推算出觸摸點的位置。

有IPHONE引領(lǐng)的投射電容觸摸屏采用多層ITO層，形成矩陣式分布，以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當手指觸碰屏幕時，可通過X、Y軸的掃描，檢測到觸碰位置電容的變化，進而計算出手指之所在。基于此種架構(gòu)，投射電容可以做到多點觸控操作。

2、ITO的缺陷

2.1、主要成分銦，價格昂貴。銦是稀有金屬，在地殼中的分布量比較小，又很分散，主要以微量存在于錫石和閃鋅礦中，而且絕大多數(shù)的銦儲量在中國。隨著液晶顯示器和觸摸屏產(chǎn)品的普及，銦的價格已經(jīng)上漲數(shù)倍。生產(chǎn)ITO導(dǎo)電材料占超過70%的銦消費量。由于稀缺性和中國政府對產(chǎn)量的限制，未來銦的價格繼續(xù)面臨上漲壓力。

銦過去20年的價格走勢圖：

2.2、沉積工藝必須在真空環(huán)境下，而且需要昂貴的真空沉積設(shè)備，并且維護成本高。

2.3、沉積過程中只有不到30%的ITO靶材被濺射到基板上，剩余的都被濺射到室壁上，造成原料的極大浪費。

2.4、ITO相對較高的電阻率，隨著屏幕尺寸的增大，電阻會不斷變大，影響屏幕亮度和傳感器響應(yīng)性。而且隨著電極數(shù)的增加，邊框布線部分的面積也會增大。在較大尺寸觸摸屏上，雖然可以利用在長邊傳感器電極的兩端取出布線電極等方法來應(yīng)對，但都大大增加了工藝難度和成本。

2.5、ITO比較脆，尺寸變大后，加工的難度也會隨之增加。而且由于缺乏柔韌性， 不易彎曲，不適合應(yīng)用于柔性觸摸屏。

3、現(xiàn)有ITO的改進

3.1、工藝的改進

現(xiàn)有的其他工藝，都達不到濺散方法同樣的效果。但如果未來工藝技術(shù)的改善，特別是如果能夠使用印刷工藝大批量生產(chǎn)，將有機會大幅降低成本。ITO墨水已經(jīng)出現(xiàn)了一段時間，但并未被廣泛使用，而且只有很少數(shù)公司在研究這個領(lǐng)域。如果能使用納米粒子墨水印刷ITO，將大大提高ITO的使用效率，而且可以允許濕式鍍膜(Wet Coating)，在較低的溫度下完成，無需昂貴的設(shè)備。

3.2、材料的改善：

用其他的材料和ITO混合

Sigma Technologies研發(fā)了一種用導(dǎo)電性高分子粘合劑結(jié)合ITO和銀納米片的墨水，聲稱比傳統(tǒng)納米銀有更好的導(dǎo)電性。

摻鋅氧化銦（IZO），大約10年前由日本公司Idemitsu研發(fā)出來，聲稱比結(jié)晶ITO更容易蝕刻，同時比ITO有更低的電阻率，也可以被沉積在未加熱的基板上。另外2個是摻銻氧化銦（IAO）和摻銻ITO(IATO)。雖然有著很好的透明度和電阻率，但都至少90%成分還是銦。

無論是工藝的改進，還是材料的改善，都繞不開銦。但不排除未來銦提煉工藝的進步和更多含銦礦的發(fā)現(xiàn)。

二、替代

業(yè)界一直在研發(fā)可替代ITO的材料，例如其他透明導(dǎo)電氧化物，導(dǎo)電性高分子材料，納米材料，金屬網(wǎng)等。

在太陽能薄膜電池領(lǐng)域，由于成本在產(chǎn)品競爭中的重要性，其他兩種透明導(dǎo)電氧化物FTO和和ZNO，雖然導(dǎo)電性能不如ITO，但成本更低。而且由于太陽能薄膜電池對膜層表面并不要求均勻光滑，而是有一定的凹凸，來提高對透射光的散射能力（即霧度），F(xiàn)TO和ZNO比ITO有更好的光散射能力，加上激光刻蝕比ITO更容易，因此逐漸取代ITO在陽能薄膜電池領(lǐng)域的應(yīng)用。[!--empirenews.page--]

但在液晶顯示器和觸摸屏領(lǐng)域，至今尚未出現(xiàn)能夠規(guī)模量產(chǎn)商業(yè)化的可替代材料。特別是在觸摸屏領(lǐng)域，由智能手機，平板電腦等引領(lǐng)的觸摸屏產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展，大尺寸觸摸屏的制造成本，和柔性觸摸屏的應(yīng)用，都受到ITO特性的制約。

1、UniBoss

UniPixel公司的UniBoss技術(shù)，是采用銅線網(wǎng)，將銅做到5微米（人的頭發(fā)大約是40-120微米），因為線寬在5微米或以下的話，人肉眼就看不到了，這樣銅網(wǎng)就可以達到所謂的“透明”。

UniBoss使用卷對卷(Roll-to-Roll) 的精密壓印(Embossing)工藝。

卷對卷(Roll-to-Roll)生產(chǎn)工藝，即卷帶式生產(chǎn)方法，近似于印刷報紙，相對于傳統(tǒng)批量單張式生產(chǎn)方式(Sheet-to-Sheet)，生產(chǎn)速度更快，流程更少，節(jié)省勞動力，因此成本更低。但需要材料比較柔軟，已應(yīng)用于RFID設(shè)備和太陽能薄膜電池等的生產(chǎn)上?？祵幍娜嵝訵illow玻璃，也采用卷對卷(Roll-to-Roll)生產(chǎn)工藝。

精密壓印(Embossing)，是將滾輪圓周表面上的特征形狀直接壓印在軟板的表面，由于只印在需要的地方，因此不會造成原料的浪費。

UniBoss技術(shù)，就是用卷對卷的生產(chǎn)方式將觸摸電路以5微米線寬的網(wǎng)狀圖案壓印到薄膜上，然后借助特殊的催化墨水將銅沉積到電路薄膜上。技術(shù)的難度，一是如何實現(xiàn)制作的工藝，二是如何確保制作過程的成品率，和最終產(chǎn)品的可靠性和壽命。

1.1、UniBoss技術(shù)的優(yōu)勢：

①銅相對于ITO 易采購、成本低、易加工。

②銅的化學(xué)穩(wěn)定性更強，所以有更好的耐用性。

③銅的導(dǎo)電性比ITO好很多，銅網(wǎng)狀圖案方式與ITO薄膜相比，可將電阻值減小一位數(shù)以上，因此可以使電池有更長的待機時間。更重要的是，更適合應(yīng)用在大尺寸觸摸屏上。

④銅可以任意彎曲，雖然銅網(wǎng)在彎折時，網(wǎng)間隔會隨之有所變大或變小，但電阻值變化不大。這種出色的可彎折性可應(yīng)用于柔性觸摸面板。

⑤公司聲稱UniBoss的卷對卷(Roll-to-Roll)工藝，可以在常溫下操作，而且生產(chǎn)工藝從傳統(tǒng)ITO的41道減少為低于10道工序，大大降低了成本，和縮短了供應(yīng)鏈。

⑥精密壓印(Embossing)方法，不會浪費材料，節(jié)約了成本。

⑦UniBoss薄膜可以切割成不同尺寸和形式。

1.2、商業(yè)化進程：

2012年2月，UniPixel公司和Texas Instruments簽署備忘錄，合作開發(fā)整合UniBoss傳感器和Texas Instruments控制器的觸摸模組。Texas Instruments是世界上最大的觸摸控制芯片生產(chǎn)商之一。此外合作的觸摸控制芯片生產(chǎn)商還包括Synaptics等。

2012年11月，UniPixel和N-trig合作，在 N-trig的DuoSense觸摸筆和其他觸摸輸入技術(shù)上使用UniBoss薄膜，該公司聲稱已經(jīng)做出整合UniBoss觸屏薄膜和N-trig的DuoSense控制器的功能原型，表現(xiàn)比使用ITO薄膜在觸摸靈敏度和筆的精度上有顯著提升。

2012年12月，UniPixel公司和一家大型PC生產(chǎn)商簽署授權(quán)協(xié)議，PC廠商提供資金來建設(shè)產(chǎn)能，但沒有披露PC廠商的名字和協(xié)議細節(jié)。UniPixel公司計劃每月生產(chǎn)100萬平方英尺的UniBoss薄膜給這家廠商。UniPixel公司已經(jīng)在2013Q1財報確認了來自這家PC廠商的第一筆500萬美元收入。有傳言這家大型PC廠商是DELL，但未經(jīng)公司和DELL官方證實。

UniPixel公司CEO Reed Killion在2013Q1電話會議上表示，已經(jīng)將50個初級測試樣品寄給合作PC廠商。ODM廠商將生產(chǎn)出50個成品樣品，然后單獨或安裝到NOTEBOOK上進行壽命，環(huán)境等的測試。ODM廠商大約需要4-6周的時間生產(chǎn)出樣品，加速壽命測試大約需要20-60天，取決于他們?nèi)绾螠y試。使用UniBoss的新款Notebook將在9月上市。

電話會議上，Killion同時表示公司已經(jīng)和一家“生態(tài)系統(tǒng)”的公司簽署了授權(quán)協(xié)議，同樣沒有披露名字和協(xié)議細節(jié)，但表示授權(quán)費用將用來建造另一條每月100萬平方英尺的生產(chǎn)線。

Reed Killion表示，該公司這種商業(yè)模式，通過給合作伙伴優(yōu)惠的價格和約定的產(chǎn)量來換得建造生產(chǎn)設(shè)備的資金，不會造成股權(quán)稀釋或者產(chǎn)生債務(wù)，提升了股東價值。并且可以利用合作廠商的供應(yīng)鏈，制造和運營的優(yōu)勢，讓公司能夠較快的提高產(chǎn)量，滿足需求。

2013年4月，UniPixel公司和柯達簽署了制造以及供應(yīng)鏈協(xié)議，在柯達Rochester總部建造產(chǎn)能。但柯達表示并不是排它協(xié)議，這可以讓柯達和其他公司簽署類似的協(xié)議。初始投入2400萬美元，包括建2個印刷生產(chǎn)線和15個電鍍生產(chǎn)線。UniPixel公司表示，預(yù)計將在6月完成設(shè)備安裝，7或8月完成調(diào)試。

2013年4月，UniPixel公司被邀請參加了在北京舉行的英特爾與合作廠商關(guān)于觸摸技術(shù)的會議。

Reed Killion在2013Q1電話會議上表示，已經(jīng)達到每月6萬平方英尺的產(chǎn)能，正在努力在6月底達到每月20萬平方英尺，9月達到每月70萬平方英尺，2014年1月達到每月130萬平方英尺，2014年底達到每月1000萬平方英尺的產(chǎn)能。

Reed Killion表示UniBoss產(chǎn)品的毛利率在50%左右。他在回答分析師提問時，曾表示”公司計劃每月生產(chǎn)一百萬平方英尺給這家廠商，生產(chǎn)一百萬平方英尺大約花費我們1100萬美元”。由此推算UniBoss產(chǎn)品售價每平方英尺大約在20美元左右。

如果UniBoss薄膜以每平方英尺20美元的價格出售，以IPHONE4的尺寸來計算，每部手機大約需要2美元，而根據(jù)MDB的研究報告，ITO大約在4.05美元。隨著尺寸的增大，ITO的傳感器成本會不斷增加，因此越大的尺寸，UniBoss的成本優(yōu)勢越大。

2、金屬網(wǎng)替代方案

Atmel也推出了利用銅網(wǎng)代替ITO的觸摸傳感器Xsense。Atmel是生產(chǎn)微控制器的廠商，Xsense的銅網(wǎng)技術(shù)是使用CIT的Fine Line Technology，CIT正是起訴UniPixel侵權(quán)的公司。

Xsense獲得了2013年CES嵌入式技術(shù)類的創(chuàng)新獎。該公司表示，華碩的部分新款平板電腦將使用Xsense傳感器。

Xsense和UniBoss不同的地方在于，CIT的技術(shù)在制作網(wǎng)格圖案時，使用的是光刻法（Photolithography），光刻法是利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到所襯底上。而UniBoss使用的是壓印(Embossing)的方法，是直接壓印出圖案。UniPixel管理層表示，Embossing工藝只在需要的地方添加原料，而且需要的工序比光刻法少，因此成本更低。[!--empirenews.page--]

但由于原料PET價格較便宜，到底成本能低多少，由于ATML沒有公布售價，所以無法得知。而且光刻法的工藝比較成熟，在半導(dǎo)體器件制造中應(yīng)用廣泛。答案需要等到產(chǎn)品真正商業(yè)化后，來解答。

3、富士

富士研發(fā)的觸摸屏也采用金屬網(wǎng)來代替ITO，但富士使用的是銀。在PET薄膜上涂布鹵化銀層，直接曝光后顯影并定影，然后利用銀線制作網(wǎng)狀圖案。鹵化銀（silver halide）是攝影設(shè)備的感光材料，所以富士對其很熟悉。富士聲稱可以達到很低的電阻率，和ITO相似的透光率，而且成本很低。富士已經(jīng)開始部分供貨。

4、其他透明導(dǎo)電氧化物TCOs

由于銦較高的價格，其他TCOs的成本比ITO低，例如FTO和ZNO已應(yīng)用于太陽能薄膜電池領(lǐng)域。

摻鋁的ZNO是AZO， 摻鎵的ZNO是GZO，具備了近似ITO的特性。但和ITO一樣，電阻率相對較高，比較脆，不易彎曲。而且沉積方法和ITO相同，都不高效。

5、光學(xué)技術(shù)

光學(xué)技術(shù)是用LED光去檢測觸摸動作，因此不僅手指，手套，筆等都可以去操作，而且靈敏度較高，已應(yīng)用于電子閱讀器。但需要在屏幕周圍設(shè)置凸起的遮光板來隱藏較厚的LED，因此應(yīng)用于智能手機等的難度較大，而且目前的技術(shù)不能識別超過4個以上的觸摸點。更大的可能是擴展在例如汽車，打印機等領(lǐng)域的應(yīng)用。

Neonode公司聲稱，他們已經(jīng)解決了凸起遮光板的問題，并接近實現(xiàn)5點觸控，而且一家中國公司深圳威富集團將使用公司的技術(shù)生產(chǎn)智能手機和平板電腦，但效果如何，不得而知。

此外研發(fā)該技術(shù)的公司還包括瑞典的Flatfrog，Intel在去年給Flatfrog投資了2500萬美元，研發(fā)主要用于教育，醫(yī)療，游戲等大型觸摸屏技術(shù)，同時研發(fā)用于較小設(shè)備的可能。

6、導(dǎo)電性高分子材料

由于是塑料，所以相對于ITO，價格便宜很多，可彎曲，而且容易印刷。目前受關(guān)注度最高的是PEDOT：PSS材料，PEDOT：PSS的透光率較好，但電阻率相對較高，化學(xué)穩(wěn)定性相對較差。因此，更有可能應(yīng)用在低端商品領(lǐng)域，而不是顯示器和觸摸屏。Heraeus和Agfa公司是PEDOT：PSS材料領(lǐng)先的研發(fā)者，Heraeus在2012年finetech展會上，展示了和柯達共同制作的使用PEDOT：PSS材料的觸控面板。

7、銀納米線

銀的導(dǎo)電性能比銅還要好，而且可以彎曲，可以使用印刷工藝，比ITO便宜。只是隨著銀納米線密度的提高，即所含銀納米線數(shù)量的增加，雖然導(dǎo)電性會提升，但霧度也隨之增加。

LG去年推出的23英寸觸屏一體機V325，已經(jīng)采用了Cambrios公司研發(fā)的ClearOhm銀納米線涂層材料。

Cambrios和LG表示，ClearOhm銀納米線涂層材料，相對于ITO，原料更便宜，使用卷對卷工藝，生產(chǎn)成本更低，導(dǎo)電性能更高，可彎曲，能夠使觸屏面板更輕，更薄。

此外主要研發(fā)銀納米線的還有Carestream公司。

8、碳納米管（CNT）

研發(fā)CNT的主要公司有Unidym，Eikos和Canatu，Unidym公司曾和三星展開合作，在e-paper和LCD上演示過產(chǎn)品。

碳納米管發(fā)現(xiàn)于1991年，隨后引起了物理科學(xué)和材料科學(xué)界的極大關(guān)注，由于身具各種優(yōu)異性質(zhì)，例如硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性；強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7；出色的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通常可達銅的1萬倍。

碳納米管最大的問題是難以實現(xiàn)批量的生產(chǎn)，自身性質(zhì)太豐富，手性角變化一下就是一種不同的碳納米管，而且可以在金屬性和半導(dǎo)體性之間變換。燒一堆樣品出來里面各種性質(zhì)的納米管都可能存在，甚至連非管狀碳納米材料都有，所以遲遲沒有得到廣泛應(yīng)用。

9、石墨烯

石墨烯，2004年才被首次發(fā)現(xiàn)。石墨烯即為“單層石墨片”， 就是一層石墨（六角型排列的碳原子），是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元，而碳納米管是由石墨烯卷曲而成的圓筒結(jié)構(gòu)。碳納米管是碳的一維晶體結(jié)構(gòu)，而石墨烯僅由單碳原子層構(gòu)成，是真正意義上的二維晶體結(jié)構(gòu)。石墨烯結(jié)構(gòu)比碳納米管簡單許多，而且非常穩(wěn)定，同時具有比碳納米管更優(yōu)異的特性。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，也是強度最大的材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石。常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 ·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。

石墨烯的問題在于，被發(fā)現(xiàn)時間不長，還未被完全的理解，還不成熟，而且價格昂貴，真正商業(yè)化還需要一段時間，三星已經(jīng)在研發(fā)以石墨烯為材料的觸摸屏。