多点式的差值技术特点了时尚时代的风格，对于金属的透明导电氧化物的要求，也与一般光电产品上的应用不同，对于高片定位、高像素率、低色等 以及删除菱形形格等的需要，涂层增强透明导电涂层涂层的表面涂层更重要，触摸涂层种类的介绍以及涂层导电性涂层表面涂层的透明涂层-涂层涂层（氧化铟锡，ITO） 薄膜的特性、电性与光性的分析。

高品质透明表面涂层技术简介

生活中随处可见的手机面板（Touch Panel）如智能手机、平板电脑、便利商店内的多媒体商务机（Multi-Media Kiosk, MMK,如7-ELEVEN的ibon、全家的FamiPort莱莱的） Life-ET等）、柜员机（ATM）、车站自动售票机、数位机、汽车用全球卫星定位系统（GPS）、自动液晶电视（LCD TV）、医疗器材以及电动乐器等消费性电子资讯产品领域，尤其在2007年(Apple)发表的iPhone、iPod Touch等皆采用了屏幕苹果，其多点特点(Multi-Touch)的输入方式，鼓动新时代的市场，其磁带面板的市场需求一段时间成长快速，让喜欢不再是一个遥不可及的高科技产品，采用了面部表情并加入了「人机介面」的设计理念，一次面对的人机沟通的问题，对于使用的人者说，在输入文字上，不需要键盘不用再学习拼音的方式，更不需要资料如何使用滑鼠，以最直接的方式利用接触控制与机器互动进行输入与采集取，加速输出进入的速度与效率并没有深入了解或不具备电脑人技能的简单地进行数据交流，使遥控面板成为未来的技术产品之一。

     再生面板的种类多样，上分为电阻式、表面电容式、导电电容式、地面声波式、光学红外线（红外线）式、电磁感应式等，目前以探寻式的市占率最高，投射电容式应用在智能型手机及平板电脑上，占属于高阶应用市率直追方式，重要的感应式或电容式但触摸面板，透明导电氧化物（TCO）都经过了相当的角色，以目前的情况为准采用氧化锡锡(Indium TinOxide, ITO)作为透明导电涂层，其主要成分为氧化锌(In2O3) 掺杂氧化锡(SnO2) 都是In2O3/SnO2=90/10，此时ITO的寻找率最低且最好的，ITO除了应用在液晶面板，还有更多应用在平板显示器（平板显示器）、太阳能电池（太阳能电池）、发光二极体（发光二极管，LED）等光电元件上，因此TCO的性与电性以及是否化，价格的目标，目标光都可以成为目前研究的目标，目前的铝矿可以发现ITO的TCO有氧化锌(ZnO:Al,AZO)、氧化锌锌（ZnO：Ga，GZO）以及氧化锡氟（SnO：F，FTO）等，其他各种新型透明导电氧化物材料如导电性聚合物（PEDOT）、纳米碳管（CarbonNanoTube，CNT）、金属银奈米线、ITO奈米粒子、含碳的镁镁(Mg(OH)2：C)及石墨烯(grapheme)等经常被开发应用，使TCO有更多的目标。

     本文将介绍各种不同的触摸面板的技术，目前流行的最常使用在触摸式触摸表面的透明涂层-ITO薄膜的导电性和光性的提升。

触控面板的种类

     触控面板的技术大致可分电阻式、表面电容式、投射电容式、表面音波式、光学(红外线)式、电磁感应式等，前三种技术较适用于体积轻巧的消费性电子上，全球触控面板市占率以电阻式最高，其次为电容式触控面板，投射电容式的触控面板市占率逐渐攀升中。各类触控面板特性如表1所示。

1.电阻式触控面板
     目前市面上以电阻式的触控面板为主，其主要组成为ITO导电膜材(ITO Film)及ITO导电玻璃(ITO Glass)，中间以绝缘的间隔球(Spacer)来隔开，加上排线、控制IC等，如图1所示，其ITO薄膜的片电阻值需求为400~500Ω/□。其原理为当ITO Film受到外力的压迫使ITO Film和ITO Glass接触时导通而传递讯号，经由测量X轴与Y轴电压变化换算出对应的触碰位置，电阻式的技术可以利用线数来增加解析度，但线数增加其处理运算资料也相对增加，使处理器的负担变重，目前有4线、5线、6线和8线的版本。

     由于电阻式的技术需要某种程度的外力压迫才能启动，这样的触控是机械式的动作，对于ITO Film会有变形磨损的现象产生，尤其某些特定位置为经常性的触碰，造成过度使用磨损，使ITO Film产生裂痕减低导电率，使电阻式触控面板较其他触控技术的使用寿命短，各种正在发展的电阻式的技术如表2。

2.表面电容式触控面板
     表面电容式的技术主要是要克服使用电阻式不耐刮的特性，在结构最外层上多了硬化处理层(Hard Coat)，硬度达到3H以上，第二层为ITO薄膜，在玻璃表面建立均匀电场，利用感应人体所造成的微弱电流变化的方式来达到触控的目的，最下层的ITO薄膜作用为遮蔽功能(EMI)避免受到显示模组的电磁干扰，以维持触控面板的正常工作。其工作原理为在第二层的ITO薄膜的四个角落电极施加相同电压，整个面板会形成均匀电位，此时电流不会流动，当手指接触到面板时，就会产生电容耦合，吸引走微弱的电流而产生电位降，越靠近接触点的电极电流值越大，各个电极的电位降与接触点位置成比例关系，量测来自四个电极的电流的比率，就可计算出被感应的位置(如图2)。

3.投射电容式触控面板
     投射电容式触控面板的结构及上视图如图3，由上而下，上盖基板可以为玻璃或是压克力(PMMA)，利用光学胶(Optical ClearAdhesive, OCA)与下面排列成菱形格状的ITO薄膜的感测基板结合，使其可应用在多点式触控技术，让投射电容式技术成为知名度最高的触控方式，更带动了整体触控面板产业的成长。感测基板的两个方向ITO薄膜图案位于基板的同一面，其背面再镀屏蔽的ITO薄膜，在投射电容式触控面板中，可以使用一片玻璃基板，将两个ITO薄膜镀在基板的同一面，或是使用两片玻璃基板或是玻璃基板及膜材(Film)，上面各镀有一层ITO薄膜，然后将蚀刻后的透ITO薄膜图案对贴而成。投射电容式触控面板所使用的ITO薄膜，其片电阻值约为200~400Ω/□，膜厚约为20 ~80 nm。

4.表面音波式触控面板(不需使用透明导电薄膜)
     表面音波式触控面板主要是为了改善电容式触控面板容易受杂讯和静电干扰的缺点而产生的，面板的主要构造为玻璃，位于面板的四个角落有发射器及接收器，位于四边的反射器则负责产生驻波图样，在触控面板中间区域形成一个均匀的声波力场，当手指接触萤幕时，利用声波碰到软性介质时，能量被吸收的特性来做触碰定位。

5.光学(红外线)式触控面板(不需使用透明导电薄膜)
     光学式(红外线)触控面板是利用光遮断的工作方式来做触碰的辨别，结构由四周围的红外线发射器和接收器所组成，形成红外线矩阵式排列，当不透明物遮断了光线，就可以定位(X, Y)的位置，其透光率高，反应速度快，准确性好，其缺点为受限于红外线LED颗数造成解析度不足，另外光学影像式触控面板是利用感光元件及红外线LED在面板的上缘两端来读取影像讯号，当有触碰时，感光元件会接收到阴影，藉由运算将阴影的座标计算出来，改善了红外线式的缺点，提高解析度，并维持反应速度快及准确性好的优点，有利于大尺寸触控面板的应用。

透明导电氧化物-氧化铟锡(IndiumTin Oxide, ITO)介绍

     透明导电薄膜分为薄金属材料与金属的透明导电氧化物两大类，其物理机制是不同的，极薄的金属薄膜是透明的，但是会形成岛状不连续的金属膜造成容易氧化的现象，使电阻率升高且对环境的稳定性低，因此在光电元件中，大部分都是使用金属的透明导电氧化物。在光性方面，为了要在可见光区是透明的，金属的透明导电氧化物的能隙宽度必须要大于3eV，在电性方面，金属的透明导电氧化物的导电性主要来自于带电的载子(载子浓度)以及可移动的路径(迁移率)，载子的来源有二，一是与半导体相同的掺杂方式产生载子，二是非化学计量比(Nonstoichiometric)金属氧化物是由氧原子不足或是过多的氧原子来产生，氧原子不足通常称为氧空缺(Vacancy)，透明导电薄膜的掺杂与矽(Si)掺杂磷(P)为n型半导体及掺杂硼(B)为p型半导体相同，藉由比原有离子多一价或少一价来造成电子或电洞；而迁移率是由电子轨域重叠(原子种类及晶体结构)、晶格缺陷及晶体内的散射来决定。因此要得到导电性好、透明度高的金属透明导电氧化物，必须要适当的控制金属膜的氧化状态、掺杂离子的浓度及其金属氧化物键结状况。

     目前触控面板所使用的TCO以ITO薄膜为主，ITO薄膜主要是将锡(Sn)掺杂进氧化铟(In2O3)，因此先从In2O3的结构来了解，In2O3是立方铁锰矿结(CubicbixbyiteStructure)如图4所示[1]，黑球与灰球分别代表b site以及d site的铟离子，分别表示两种In离子与氧的配位情况[2]，白球则为氧离子，完整的一个单位晶胞(Unit Cell)含有16组In2O3，各有8个b site以及24个d site的In，外围配位着6个氧离子。共含有80个原子，晶格常数为1.0117nm，是一种复杂且对称性低的晶体结构。 In2O3薄膜是由氧空缺而导电，每个氧空缺留下两个配位电子给In，形成自由电子[3,4]，在室温下的载子浓度约为1018~1019cm-3，这样未掺杂的In2O3薄膜，如果在高温加热下，氧空缺会因氧化而减少使导电性遽降。

     经由掺杂而使得离子被取代而释放出电子，可解决In2O3氧化造成导电性下降的现象，并且可提高载子浓度，Sn是最好的有效掺杂，每个Sn4+取代In3+伴随着一个自由电子(In5s)的产生，当Sn掺杂量约为5~10%时，载子浓度约为1020~1021cm-3，使电阻率达到10-4 Ω-cm等级。由于有Sn的外加掺杂，所以使得晶格常数比In2O3有所增大，晶格常数的大小与Sn掺杂量以及制程参数有关。当掺杂量过高时，会促使间隙氧原子、无效的掺杂或是中性错合物的产生，而使迁移率下降。 In2O3的能带模型如图5所示，In：3d10 及O2-：2p6形成价带，而In：5s形成导带，掺杂的Sn在导带下方形成一个施主能阶，当Sn浓度够高时，施主能阶就会进入导带，形成简并半导体，使能隙变小，ITO薄膜的能隙为3.5~4.3 eV，电浆频率在近红外光范围，因此在红外光的部分为高反射，可见光波段高穿透，而紫外光的部分则有高吸收的特性。

     在非结晶的ITO薄膜中，掺杂的Sn原子无法贡献出有效的自由电子，只有在结晶的时候Sn才能够正确的取代In原子[5,6]，要使得Sn原子成为有效掺杂可经由退火的方法，让非结晶ITO薄膜得到能量产生结晶，除了可提高有效掺杂率，也可因为结晶结构而提升载子的迁移率。一般来说，使用直流(DC)溅镀或射频(RF)溅镀的ITO薄膜，其电阻率可以达到2×10-4 Ω-cm，平均穿透率大于85%，控制ITO薄膜良窳的溅镀参数为溅镀源种类、溅镀功率、真空度、充氧量、温度或是退火温度。

触控面板电性性质提升

     触控面板的应用，必须同时解决光性以及电性的问题，在电性方面，主要还是取决于ITO薄膜的制程方式，由于要保持高穿透率及节省材料成本，ITO的膜厚有越来越薄的趋势，当膜厚变薄之后(<100nm)，透明导电膜的一些特性也与一般膜厚(低片电阻值)时不同，且室温制镀的ITO薄膜也较容易图案化，图6为室温制镀的ITO薄膜膜厚与电性的关系，当薄的ITO薄膜随着厚度的增加其膜层结构亦趋于完整，使得电阻率与片电阻降低，迁移率与载子浓度升高，结果与文献相符[1,8-10]，其结晶性如图7所示，当膜厚到达71nm之后，电性的表现趋于达到稳定的数值，电阻率约为4.23×10-4 Ω-cm、载子浓度为9.32×1020 cm-3、迁移率为59.8 cm2/V-s及片电阻值为59.8Ω/□。

     将不同厚度的ITO薄膜在一般250℃的大气环境下退火30min，片电阻值与电阻率仍然是随着膜厚的增加而下降，骤降的表现从膜厚大于28nm时最为明显，由图8可知当膜厚为28nm时已经开始有结晶的产生，使得整个电性变好，但在膜厚小于28nm时，并不会因为退火而提升电性，使得触控面板的电性无法藉由一般250℃的大气退火而改善。

     图9与10为薄的ITO薄膜退火后的片电阻及载子浓度的比较，膜厚为71nm的ITO薄膜在进行大气退火之后片电阻值随着退火温度有上升的趋势，是因为大气退火的环境中的氧气填补了ITO薄膜的氧空缺以及掺杂Sn原子与氧结合为中性化合物而降低载子浓度，造成片电阻随着退火温度越高而上升，但对于6nm与20nm的ITO薄膜却有不一样的现象，因为ITO薄膜层极薄，因此大气退火过程中其氧空缺的填补较快且其能量不足以让ITO薄膜结晶让Sn原子有效掺杂，因此在200℃、250℃的大气退火后其载子浓度下降的情形会比71nm来的强烈，造成片电阻与电阻率的急遽上升。图11与12为膜厚6nm与20nm的大气退火XRD图，6nm及20nm的ITO薄膜在经历350℃及300℃的退火后，ITO薄膜从非晶转变为结晶，此时Sn原子有效取代In，释放出自由电子，此时载子浓度上升使片电阻值下降。因此薄的ITO薄膜在大气退火的条件下，需要更高的退火温度才能结晶使电性变好，同时在结晶之后也会提升穿透率。

触控面板光学性质提升

     在光学方面，高穿透率是重要的课题之一，有效的控制ITO薄膜氧化程度将有助于穿透率的提升，太好的氧化程度会使ITO薄膜不导电，其次便是利用光学薄膜干涉的方式，造成抗反射(Anti Reflected Coating, AR)的效果，达到整体模组穿透率上升，此外调整色差也是非常重要，色差主要是利用CIE L*a*b*来计算，L*表示颜色的亮度，a*是红/绿色(a*负值为绿色，正值为红色)，b*是黄/蓝色(b*负值为蓝色，正值为黄色)，由于ITO薄膜的特性，在触控面板上以b*作为色差的评比。

     电阻式触控面板的整体穿透率取决于上方ITO Film与下方ITO Glass的穿透率，利用高低折射率材料相互堆叠，造成AR的效果，提高穿透率。图13为穿透率提升的抗反射膜结构。假设ITO薄膜厚为30nm，A结构为无抗反射膜设计之结构，其平均穿透率为86.5%，B结构有抗反射膜设计，其平均穿透率为90.9%，整体平均穿透率提升4.4%，b*由3.10降到-0.27，使本来偏黄的ITO变成无色偏蓝，降低了色差，穿透光谱图形如图14。

     在投射电容式触控面板的穿透率上，除了高穿透率之外，由于投射电容式触控面板使用菱形格状的ITO薄膜来作为感测元件以达到多点触控的应用，造成外观上菱形格之间没有ITO薄膜的间隔变得明显，此时便着重在于消除整个模组可见的棱形格纹，所谓的消除并不是移除，而是利用光学薄膜干涉的方式，将棱形格纹变的不明显，因此要靠高低折射率材料相互堆叠的AR，经由光学设计来消除此现象，同时满足AR及消除菱形格纹，图15为投射电容式触控面板的结构，可了解有ITO薄膜及没有ITO薄膜穿过的穿透率在结构上的不同。

     由于电性决定了ITO薄膜的厚度，因此在此结构下，玻璃及ITO薄膜膜厚是不能调整的，可调整的是高低折射率材料的膜厚，利用光学模拟的方式来了解此两层材料厚度对于整体特性的影响，首先固定高折射率材料的膜厚为H1，调整低折射率材料的膜厚(L1, L2, L3, L4)，膜厚L1
     其次则是固定低折射率材料的膜厚为L2，调整低折射率材料的膜厚(0, H1, H2,H3)，膜厚0

透明导电氧化电极技术的未来趋势

       触控面板的市场已成为兵家必争之地，智慧型手机与平板电脑的厂商无不将触控面板变为其标准配备，而金属的透明导电氧化物的特性更是影响整体的效能，ITO薄膜越薄(低30nm)其所需的退火温度越高，才能达到良好的电性及光性，此外利用光学干涉的方式，高低折射率材料相互堆叠的AR，消除整个模组可见的棱形格纹，使棱形格纹变的不明显，同时满足AR及消除菱形格纹。除了本文所述之ITO薄膜之外，AZO、GZO、FTO、导电性高分子、奈米碳管、金属银奈米线、ITO奈米粒子、含碳的氢氧化镁及石墨烯等新型透明导电薄膜材料的开发更是突飞猛进，相信不久的将来更便利的产品将会问世，科技也会有更卓越的成长。

备注   引述国立中央大学能源所助理教授/郭倩丞、国立中央大学光电系硕士/刘金让、国立中央大学光电系教授/李正中