汽车智能表面必须了解的7种透明导电电极材料介绍

透明导电电极是太阳能电池、液晶显示器、发光二极管以及触摸屏等各种光电设备的重要组成部分,在汽车内饰智能表面、车载显示触摸屏中应用广泛,随着汽车智能化发展,需求增长迅速。

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图 透明导电电极材料应用于车载触控显示

目前使用最广泛的透明导电材料是氧化铟锡(ITO),但是贵金属铟的有限储备和ITO的脆性阻碍了其在柔性电子器件中的应用和可持续发展,开发替代ITO的新型透明导电材料成为柔性电子器件发展的首要任务。因此,除了ITO以外,透明导电材料还有导电聚合物PEDOT、金属网格、碳纳米棒、纳米银线、石墨烯等。

一、ITO

氧化铟锡(Tin-doped Indium Oxide或者Indium Tin Oxide、ITO)是氧化铟中(In2O3)含有少量(SnO2)的复合氧化物,通常质量比为90% In2O3,10% SnO2。

ITO由于具有较低的电阻和较高的透光率,成为目前主流的触控电极材料,广泛应用于液晶显示屏、太阳电池和触控面板等光电产品。但是ITO材料因其物料的易脆性,造成阻抗稳定性不佳,无法顺利切入大尺寸、可挠曲的面板市场。

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图 ITO导电膜 图片来自中国兴业新材料官网

二、PEDOT

PEDOT是EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物,PEDOT具有分子结构简单、能隙小、电导率高等特点,被广泛用作有机薄膜太阳能电池材料、OLED材料、电致变色材料、透明电极材料等领域的研究,也是当前市场上触摸开关的主要透明电极材料。

与其他导电聚合物相比,PEDOT还有以下这些优点:导电性好、透明度高、稳定性好、易于加工。目前,以PEDOT为功能材料的产品产业化的有比利时爱克发材料(Agfa Materials)、德国贺利氏。

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三、Metalmesh

金属网格是利用银、铜等金属材料或氧化物,在PET等塑胶薄膜上所形成的金属网格图案。

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金属网格金属网格理论最低面阻值可达0.1欧姆/平方英寸,并且具备电磁遮蔽功能而降低讯号干扰,其优点是原料成本低、可弯折性好,可用于柔性器件。但是受限于印刷制作的工艺水平,其所制得的触控感测器图样的金属线宽较粗,通常大于5um,这样会导致在高像素下(通常大于200ppi)莫瑞干涉波纹非常明显。因此,金属网格更适合应用在分辨率不高、使用距离较远的台式机、笔记本电脑和电视等产品上。

如果薄膜中金属网格图样的线宽能够大幅度下降,则能有效的降低金属网格技术中的莫瑞干涉的问题,特别是如果金属网格图样的线宽下降到1um左右,则该技术制成的薄膜同样可以搭载在高分辨率的智能设备上。

目前具备相对成熟的MetalMesh技术的有欧菲科技、苏大维格、松下电子、KURZ(子公司PolyIC)、大赛璐、富士、郡是等。

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图 采用PolyIC生产的PolyTC传感器技术的汽车内饰环境照明,传感器由薄的聚酯载体箔上的金属网格组成 图片来自网络

四、碳纳米管

碳纳米管(CNT,carbonnanotube)是由单层或多层之石墨层,卷曲成直径1纳米至50纳米间的中空柱状体,主要分成多层碳纳米管(multi-wallnanotubes,MWNT)及单层碳纳米管(single-wallnanotubes,SWNT)两种型式。单壁碳纳米管(SWCNT)具有良好的导电性、高结构稳定性、高柔韧性、低折射率和低雾度等优异的光、电、力学性能,因而被认为是新型透明导电材料的理想候选。

在电性上,SWNT又可依直径与旋度(chirality)之差异再区分为金属性与半导体性,了解到其电阻率分别约为5.1×10-6(与金属铜相当)及1×10-4Ω-m(与锗相当);在触控面板技术的应用上,当然以电阻率低且透光率高的金属性单层碳纳米管为主。

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图 碳纳米管结构示意图 图片来自网络

五、碳纳米棒(碳纳米芽)

在纳米技术中,碳纳米芽是一种将碳纳米管和球状富勒烯(均为碳的同素异形体)结合在同一结构中,形成附着在管上的“ 芽 ”的材料。碳纳米芽在2006年被发现并合成。

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图 几种稳定的碳纳米芽结构的计算机模型 图片来自网络

NanoBud具有可调电导率,高强度,低密度,高热稳定性和机械稳定性以及传统碳纳米管的高导电性和导热性,但具有高反应性,低功函数和化学功能性,如富勒烯。此外,它们已被证明是比传统纳米管更优越的场发射器,并且具有额外的好处,即它们不需要为此目的而对齐。这使得NanoBuds®成为各种应用的理想选择。且由于富勒烯和纳米管的曲率,几乎任何表面都可能被转化为具有触摸感测能力的表面。

CANATU的主要产品是可用于3D拉伸的碳纳米棒导电薄膜(CNB™ Films),其核心技术与材料便是下图这个类似于水龙头开关的碳纳米棒(Carbon NanoBud®)。

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图 Carbon NanoBud®模型图

Canatu开发和生产创新型3D可塑型和可伸缩的碳纳米棒(CNB™)薄膜和触摸传感器,碳纳米棒(CNB™)薄膜可以集成到塑料、玻璃、纺织品或皮革中,做成3D触摸式显示器、智能开关和其他直观的用户体验,可实现汽车内饰的3D形触摸表面,以及用于灯光和ADAS传感器的3D形状加热器。

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图 CANATU CNB™ Films 应用于汽车触控开关

六、纳米银线

纳米银线(SNW,silver nanowire)是直径在纳米(10-9m)尺度的(纵向没有限制)的金属一维结构。纳米银线的直径小,在250nm以下,在可见光范围下的透光性高,同时,银具有高导电性和稳定性,可运用在触控感测导电图型结构的制程中,作为ITO透明导电膜的替代方案。

同时,纳米银线具有优异的耐曲挠性,为实现柔性、可弯折LED显示、触摸屏等提供了可能。

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图 透明柔性导电材料纳米银线的制备流程 来源大连大学的孙晶教授课题组

七、石墨烯

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,具有超高的电子电导率、理想的电容储能和对光透明的特性,同时柔性可折叠,在构筑高性能透明导电薄膜(TCE)和柔性透明超级电容方面等方面具有很大潜力,可用于汽车电子、智能穿戴、目前主要应用领域是穿戴设备上。

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图 石墨烯车载触控屏应用产品实例 图片来自常州二维碳素科技股份有限公司官网

智能时代,汽车触控开关取代传统按键开关是大势所趋,但触控开关要做的还有很多:比如说当前最重要的做好反馈,防止误操作。技术的进步需要主机厂、方案设计、零部件供应商、材料企业等的共同努力。

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江耀贵

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