多點式的觸控技術引領了觸控時代的來臨，對於金屬的透明導電氧化物的要求，也與一般在光電產品上的應用有所不同，對於高片電阻、高穿透率、低色差以及消除菱形格等的需求，使得提升透明導電氧化電極的品質顯得更重要，本文針對觸控面板種類的介紹以及投射電容式觸控面板的透明導電電極-氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)薄膜的特性、電性與光性的分析。 高品質透明導電氧化電極技術簡介      生活中隨處可見的觸控面板(Touch Panel)如智慧型手機、平板電腦、便利商店內的多媒體事務機(Multi-Media Kiosk, MMK,如7-ELEVEN的ibon、全家的FamiPort及萊爾富的Life-ET等)、自動櫃員機(ATM)、車站自動售票機、數位相機、車用全球衛星定位系統(GPS)、液晶電視(LCD TV)、醫療器材以及電動遊樂器等消費性電子資訊產品領域，尤其在2007年蘋果(Apple)發表的iPhone、iPod Touch等皆採用觸控面板，其強調多點觸控(Multi-Touch)的輸入方式，鼓動新一代的市場需求，其觸控面板的市場近幾年來成長快速，讓觸控面板不再是一個遙不可及的高科技產品，採用觸控面板並加入「人機介面」之設計概念，大幅度的降低了人機溝通的問題，對於使用者而言，在輸入文字上，不需要鍵盤也不用再學習拼音的方式，更不需要知道如何使用滑鼠移動，以最直接的方式利用接觸控制與機器互動進行資料輸入與擷取，加速輸出入的速度與效率並吸引原本不熟悉或不具有電腦技能的人能簡單地進行資料交流，使觸控面板成為未來不可或缺的技術產品之一。      觸控面板的種類大致上分為電阻式、表面電容式、投射電容式、表面音波式、光學(紅外線)式、電磁感應式等，目前以電阻式的市占率最高，投射電容式應用在智慧型手機及平板電腦上，雖屬於高階應用但市占率直追電阻式，不論電阻式或電容式觸控面板，透明導電氧化物(TransparentConductive Oxide, TCO)都扮演了相當重要的角色，目前以採用氧化銦錫(Indium TinOxide, ITO)作為透明導電電極為主，其主要成分為氧化銦(In2O3)摻雜氧化錫(SnO2)一般都是選擇In2O3/SnO2=90/10，此時ITO電阻率最低且透明度最佳，ITO除了應用在觸控面板，還有更多應用在平面顯示器(FlatPanel Display)、太陽能電池(Solar cell)、發光二極體(Light Emitting Diode, LED)等光電元件上，因此TCO的光性與電性以及是否容易圖案化，價格的競爭力，都成為目前研究的目標，目前市面上常見可取代ITO的TCO有氧化鋅鋁(ZnO：Al, AZO)、氧化鋅鎵(ZnO：Ga, GZO)以及氧化錫氟(SnO2：F,FTO)等，其他各種新型透明導電氧化物材料如導電性高分子(PEDOT)、奈米碳管(CarbonNanoTube, CNT)、金屬銀奈米線、ITO奈米粒子、含碳的氫氧化鎂(Mg(OH)2：C)及石墨烯(grapheme)等逐漸被開發應用，使TCO有更多的選擇性。      本文將介紹各種觸控面板的技術，進而討論目前最常使用在投射電容式觸控面板的透明導電電極-ITO薄膜的特性以及在電性及光性的提升。 觸控面板的種類      觸控面板的技術大致可分電阻式、表面電容式、投射電容式、表面音波式、光學(紅外線)式、電磁感應式等，前三種技術較適用於體積輕巧的消費性電子上，全球觸控面板市佔率以電阻式最高，其次為電容式觸控面板，投射電容式的觸控面板市佔率逐漸攀升中。各類觸控面板特性如表1所示。 1.電阻式觸控面板      目前市面上以電阻式的觸控面板為主，其主要組成為ITO導電膜材(ITO Film)及ITO導電玻璃(ITO Glass)，中間以絕緣的間隔球(Spacer)來隔開，加上排線、控制IC等，如圖1所示，其ITO薄膜的片電阻值需求為400~500Ω/□。其原理為當ITO Film受到外力的壓迫使ITO Film和ITO Glass接觸時導通而傳遞訊號，經由測量X軸與Y軸電壓變化換算出對應的觸碰位置，電阻式的技術可以利用線數來增加解析度，但線數增加其處理運算資料也相對增加，使處理器的負擔變重，目前有4線、5線、6線和8線的版本。      由於電阻式的技術需要某種程度的外力壓迫才能啟動，這樣的觸控是機械式的動作，對於ITO Film會有變形磨損的現象產生，尤其某些特定位置為經常性的觸碰，造成過度使用磨損，使ITO Film產生裂痕減低導電率，使電阻式觸控面板較其他觸控技術的使用壽命短，各種正在發展的電阻式的技術如表2。 2.表面電容式觸控面板      表面電容式的技術主要是要克服使用電阻式不耐刮的特性，在結構最外層上多了硬化處理層(Hard Coat)，硬度達到3H以上，第二層為ITO薄膜，在玻璃表面建立均勻電場，利用感應人體所造成的微弱電流變化的方式來達到觸控的目的，最下層的ITO薄膜作用為遮蔽功能(EMI)避免受到顯示模組的電磁干擾，以維持觸控面板的正常工作。其工作原理為在第二層的ITO薄膜的四個角落電極施加相同電壓，整個面板會形成均勻電位，此時電流不會流動，當手指接觸到面板時，就會產生電容耦合，吸引走微弱的電流而產生電位降，越靠近接觸點的電極電流值越大，各個電極的電位降與接觸點位置成比例關係，量測來自四個電極的電流的比率，就可計算出被感應的位置(如圖2)。 3.投射電容式觸控面板      投射電容式觸控面板的結構及上視圖如圖3，由上而下，上蓋基板可以為玻璃或是壓克力(PMMA)，利用光學膠(Optical ClearAdhesive, OCA)與下面排列成菱形格狀的ITO薄膜的感測基板結合，使其可應用在多點式觸控技術，讓投射電容式技術成為知名度最高的觸控方式，更帶動了整體觸控面板產業的成長。感測基板的兩個方向ITO薄膜圖案位於基板的同一面，其背面再鍍屏蔽的ITO薄膜，在投射電容式觸控面板中，可以使用一片玻璃基板，將兩個ITO薄膜鍍在基板的同一面，或是使用兩片玻璃基板或是玻璃基板及膜材(Film)，上面各鍍有一層ITO薄膜，然後將蝕刻後的透ITO薄膜圖案對貼而成。投射電容式觸控面板所使用的ITO薄膜，其片電阻值約為200~400Ω/□，膜厚約為20 ~80 nm。 4.表面音波式觸控面板(不需使用透明導電薄膜)      表面音波式觸控面板主要是為了改善電容式觸控面板容易受雜訊和靜電干擾的缺點而產生的，面板的主要構造為玻璃，位於面板的四個角落有發射器及接收器，位於四邊的反射器則負責產生駐波圖樣，在觸控面板中間區域形成一個均勻的聲波力場，當手指接觸螢幕時，利用聲波碰到軟性介質時，能量被吸收的特性來做觸碰定位。 5.光學(紅外線)式觸控面板(不需使用透明導電薄膜)      光學式(紅外線)觸控面板是利用光遮斷的工作方式來做觸碰的辨別，結構由四周圍的紅外線發射器和接收器所組成，形成紅外線矩陣式排列，當不透明物遮斷了光線，就可以定位(X, Y)的位置，其透光率高，反應速度快，準確性好，其缺點為受限於紅外線LED顆數造成解析度不足，另外光學影像式觸控面板是利用感光元件及紅外線LED在面板的上緣兩端來讀取影像訊號，當有觸碰時，感光元件會接收到陰影，藉由運算將陰影的座標計算出來，改善了紅外線式的缺點，提高解析度，並維持反應速度快及準確性好的優點，有利於大尺寸觸控面板的應用。 透明導電氧化物-氧化銦錫(IndiumTin Oxide, ITO)介紹      透明導電薄膜分為薄金屬材料與金屬的透明導電氧化物兩大類，其物理機制是不同的，極薄的金屬薄膜是透明的，但是會形成島狀不連續的金屬膜造成容易氧化的現象，使電阻率升高且對環境的穩定性低，因此在光電元件中，大部分都是使用金屬的透明導電氧化物。在光性方面，為了要在可見光區是透明的，金屬的透明導電氧化物的能隙寬度必須要大於3eV，在電性方面，金屬的透明導電氧化物的導電性主要來自於帶電的載子(載子濃度)以及可移動的路徑(遷移率)，載子的來源有二，一是與半導體相同的摻雜方式產生載子，二是非化學計量比(Nonstoichiometric)金屬氧化物是由氧原子不足或是過多的氧原子來產生，氧原子不足通常稱為氧空缺(Vacancy)，透明導電薄膜的摻雜與矽(Si)摻雜磷(P)為n型半導體及摻雜硼(B)為p型半導體相同，藉由比原有離子多一價或少一價來造成電子或電洞；而遷移率是由電子軌域重疊(原子種類及晶體結構)、晶格缺陷及晶體內的散射來決定。因此要得到導電性好、透明度高的金屬透明導電氧化物，必須要適當的控制金屬膜的氧化狀態、摻雜離子的濃度及其金屬氧化物鍵結狀況。      目前觸控面板所使用的TCO以ITO薄膜為主，ITO薄膜主要是將錫(Sn)摻雜進氧化銦(In2O3)，因此先從In2O3的結構來了解，In2O3是立方鐵錳礦結(CubicbixbyiteStructure)如圖4所示[1]，黑球與灰球分別代表b site以及d site的銦離子，分別表示兩種In離子與氧的配位情況[2]，白球則為氧離子，完整的一個單位晶胞(Unit Cell)含有16組In2O3，各有8個b site以及24個d site的In，外圍配位著6個氧離子。共含有80個原子，晶格常數為1.0117nm，是一種複雜且對稱性低的晶體結構。In2O3薄膜是由氧空缺而導電，每個氧空缺留下兩個配位電子給In，形成自由電子[3,4]，在室溫下的載子濃度約為1018~1019cm-3，這樣未摻雜的In2O3薄膜，如果在高溫加熱下，氧空缺會因氧化而減少使導電性遽降。      經由摻雜而使得離子被取代而釋放出電子，可解決In2O3氧化造成導電性下降的現象，並且可提高載子濃度，Sn是最好的有效摻雜，每個Sn4+取代In3+伴隨著一個自由電子(In5s)的產生，當Sn摻雜量約為5~10%時，載子濃度約為1020~1021cm-3，使電阻率達到10-4 Ω-cm等級。由於有Sn的外加摻雜，所以使得晶格常數比In2O3有所增大，晶格常數的大小與Sn摻雜量以及製程參數有關。當摻雜量過高時，會促使間隙氧原子、無效的摻雜或是中性錯合物的產生，而使遷移率下降。In2O3的能帶模型如圖5所示，In：3d10 及O2-：2p6形成價帶，而In：5s形成導帶，摻雜的Sn在導帶下方形成一個施主能階，當Sn濃度夠高時，施主能階就會進入導帶，形成簡併半導體，使能隙變小，ITO薄膜的能隙為3.5~4.3 eV，電漿頻率在近紅外光範圍，因此在紅外光的部分為高反射，可見光波段高穿透，而紫外光的部分則有高吸收的特性。      在非結晶的ITO薄膜中，摻雜的Sn原子無法貢獻出有效的自由電子，只有在結晶的時候Sn才能夠正確的取代In原子[5,6]，要使得Sn原子成為有效摻雜可經由退火的方法，讓非結晶ITO薄膜得到能量產生結晶，除了可提高有效摻雜率，也可因為結晶結構而提升載子的遷移率。一般來說，使用直流(DC)濺鍍或射頻(RF)濺鍍的ITO薄膜，其電阻率可以達到2×10-4 Ω-cm，平均穿透率大於85%，控制ITO薄膜良窳的濺鍍參數為濺鍍源種類、濺鍍功率、真空度、充氧量、溫度或是退火溫度。 觸控面板電性性質提升      觸控面板的應用，必須同時解決光性以及電性的問題，在電性方面，主要還是取決於ITO薄膜的製程方式，由於要保持高穿透率及節省材料成本，ITO的膜厚有越來越薄的趨勢，當膜厚變薄之後(      將不同厚度的ITO薄膜在一般250℃的大氣環境下退火30min，片電阻值與電阻率仍然是隨著膜厚的增加而下降，驟降的表現從膜厚大於28nm時最為明顯，由圖8可知當膜厚為28nm時已經開始有結晶的產生，使得整個電性變好，但在膜厚小於28nm時，並不會因為退火而提升電性，使得觸控面板的電性無法藉由一般250℃的大氣退火而改善。      圖9與10為薄的ITO薄膜退火後的片電阻及載子濃度的比較，膜厚為71nm的ITO薄膜在進行大氣退火之後片電阻值隨著退火溫度有上升的趨勢，是因為大氣退火的環境中的氧氣填補了ITO薄膜的氧空缺以及摻雜Sn原子與氧結合為中性化合物而降低載子濃度，造成片電阻隨著退火溫度越高而上升，但對於6nm與20nm的ITO薄膜卻有不一樣的現象，因為ITO薄膜層極薄，因此大氣退火過程中其氧空缺的填補較快且其能量不足以讓ITO薄膜結晶讓Sn原子有效摻雜，因此在200℃、250℃的大氣退火後其載子濃度下降的情形會比71nm來的強烈，造成片電阻與電阻率的急遽上升。圖11與12為膜厚6nm與20nm的大氣退火XRD圖，6nm及20nm的ITO薄膜在經歷350℃及300℃的退火後，ITO薄膜從非晶轉變為結晶，此時Sn原子有效取代In，釋放出自由電子，此時載子濃度上升使片電阻值下降。因此薄的ITO薄膜在大氣退火的條件下，需要更高的退火溫度才能結晶使電性變好，同時在結晶之後也會提升穿透率。 觸控面板光學性質提升      在光學方面，高穿透率是重要的課題之一，有效的控制ITO薄膜氧化程度將有助於穿透率的提升，太好的氧化程度會使ITO薄膜不導電，其次便是利用光學薄膜干涉的方式，造成抗反射(Anti Reflected Coating, AR)的效果，達到整體模組穿透率上升，此外調整色差也是非常重要，色差主要是利用CIE L*a*b*來計算，L*表示顏色的亮度，a*是紅/綠色(a*負值為綠色，正值為紅色)，b*是黃/藍色(b*負值為藍色，正值為黃色)，由於ITO薄膜的特性，在觸控面板上以b*作為色差的評比。      電阻式觸控面板的整體穿透率取決於上方ITO Film與下方ITO Glass的穿透率，利用高低折射率材料相互堆疊，造成AR的效果，提高穿透率。圖13為穿透率提升的抗反射膜結構。假設ITO薄膜厚為30nm，A結構為無抗反射膜設計之結構，其平均穿透率為86.5%，B結構有抗反射膜設計，其平均穿透率為90.9%，整體平均穿透率提升4.4%，b*由3.10降到-0.27，使本來偏黃的ITO變成無色偏藍，降低了色差，穿透光譜圖形如圖14。      在投射電容式觸控面板的穿透率上，除了高穿透率之外，由於投射電容式觸控面板使用菱形格狀的ITO薄膜來作為感測元件以達到多點觸控的應用，造成外觀上菱形格之間沒有ITO薄膜的間隔變得明顯，此時便著重在於消除整個模組可見的稜形格紋，所謂的消除並不是移除，而是利用光學薄膜干涉的方式，將稜形格紋變的不明顯，因此要靠高低折射率材料相互堆疊的AR，經由光學設計來消除此現象，同時滿足AR及消除菱形格紋，圖15為投射電容式觸控面板的結構，可了解有ITO薄膜及沒有ITO薄膜穿過的穿透率在結構上的不同。      由於電性決定了ITO薄膜的厚度，因此在此結構下，玻璃及ITO薄膜膜厚是不能調整的，可調整的是高低折射率材料的膜厚，利用光學模擬的方式來了解此兩層材料厚度對於整體特性的影響，首先固定高折射率材料的膜厚為H1，調整低折射率材料的膜厚(L1, L2, L3, L4)，膜厚L1      其次則是固定低折射率材料的膜厚為L2，調整低折射率材料的膜厚(0, H1, H2,H3)，膜厚0 透明導電氧化電極技術的未來趨勢        觸控面板的市場已成為兵家必爭之地，智慧型手機與平板電腦的廠商無不將觸控面板變為其標準配備，而金屬的透明導電氧化物的特性更是影響整體的效能，ITO薄膜越薄(低30nm)其所需的退火溫度越高，才能達到良好的電性及光性，此外利用光學干涉的方式，高低折射率材料相互堆疊的AR，消除整個模組可見的稜形格紋，使稜形格紋變的不明顯，同時滿足AR及消除菱形格紋。除了本文所述之ITO薄膜之外，AZO、GZO、FTO、導電性高分子、奈米碳管、金屬銀奈米線、ITO奈米粒子、含碳的氫氧化鎂及石墨烯等新型透明導電薄膜材料的開發更是突飛猛進，相信不久的將來更便利的產品將會問世，科技也會有更卓越的成長。 備註   引述國立中央大學能源所助理教授/郭倩丞、國立中央大學光電系碩士/劉金讓、國立中央大學光電系教授/李正中