汽车智能表面所用7种透明导电电极材料

时间：2021-02-27

当今时代，从基本上人人都有的智能手机到电饭煲、冰箱、空调等新品家电，触控这一人机交互方式已基本**市场。而在以严格严谨、安全至上的汽车产品上，触控开关、中控大屏这些科技产品业已成为一种必然趋势。

谈到触控，则不得不提其核心材料——透明导电电极。这种材料是太阳能电池、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。透明导电电极一般会被加工成透明薄膜产品使用，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。

图大陆集团推出的车载3D触控显示屏概念产品

目前使用较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。

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。

图 ITO导电膜图片来自中国兴业新材料官网

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**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：善仁新材科技有限公司，比利时爱克发材料(Agfa Materials)、德国贺利氏。

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。

金属网格金属网格理论较低面阻值可达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）、善仁新材科技、富士、SHAREX等。

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

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5.1x10-6(与金属铜相当)及1x10-4Ω-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。

图碳纳米管结构示意图图片来自网络

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。

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®）。

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。

图 CANATU CNB™ Films 应用于汽车触控开关

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。

图透明柔性导电材料纳米银线的制备流程来源善仁新材料

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**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**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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