80、ITO替代材料：绝缘-金属-绝缘层的研究与应用

IMI层在柔性显示中的应用研究

熬夜协会会长

于 2025-10-27 16:39:46 发布

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分类专栏：解密视觉显示的科技密码文章标签： IMI层 ITO替代材料柔性显示

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ITO替代材料：绝缘-金属-绝缘层的研究与应用

1. IMI层在柔性显示领域的优势

在柔性显示领域，绝缘 - 金属 - 绝缘（IMI）层替代传统透明导电氧化物（TCOs）展现出了一定优势。传统TCOs是脆性材料，而IMI叠层由于引入了韧性金属层，具有一定的柔韧性。弯曲实验表明，与ITO相比，IMI薄膜的电学性能稳定性更优。例如，对于PET（100mm）/ITO（100nm）结构，弯曲至半径为6mm后，薄层电阻会大幅增加；而IMI层（PET（100mm）/ITO（35nm）/Ag（8 - 12nm）/ITO（35nm））即使经过1000多次弯曲循环，薄层电阻也不会有明显下降。

2. 绝缘 - 金属 - 绝缘层的材料特性

2.1 薄膜沉积难题

从根本上讲，在绝缘基板上沉积非常薄的金属层相当困难。因为金属中存在金属键，而介电层由离子键和共价键结合，所以金属层和介电层之间仅靠范德华力来稳定界面。这导致薄金属层通常倾向于岛状生长，因此需要采用特殊技术，如引入促进银层异质外延生长的ZnO籽晶层。

2.2 优化界面性能的方法

另一种优化界面性能的方法是在银层和氧化物层之间引入薄的亚化学计量氧化物或过渡金属层。特别是NiCr和NiCrOx层，由于金属的不同氧化态有助于实现从银的金属键到氧化物层的离子键或共价键的平滑过渡，因此在这方面很有用。

2.3 银膜性能

在IMI层中使用的厚度约为8 - 15nm的银膜，其性能远非理想。这是因为层厚度接近渗流阈值，并且在晶界和薄膜界面会发生散射。对于典型的12nm厚度的银膜，电阻率约为3.5 - 3.8mΩcm，而室温下银的体电阻率仅为1.5mΩcm。

以下是银电阻率与银膜厚度关系的表格：
| t - Ag (XRR) [nm] | Ag电阻率 [μΩcm] |
| — | — |
| 2.5 | - |
| 5 | - |
| 10 | - |
| 15 | - |
| 20 | - |
| 25 | - |
| 30 | - |
| 35 | - |
| 40 | - |
| 3.0 | - |
| 3.5 | - |
| 4.0 | - |
| 4.5 | - |
| 5.0 | - |

3. IMI基TCO薄膜的生产技术

3.1 大面积IMI层的制造方法

用于显示应用的大面积IMI层的工业制造可以通过在刚性基板上的在线溅射工艺或使用卷对卷卷材涂层的磁控溅射来实现。在这两种情况下，大面积磁控溅射都是多层薄膜沉积过程的关键技术。过去曾使用过平面磁控溅射，但它存在靶材侵蚀不均匀和颗粒污染等问题，如今几乎都使用可旋转磁控管。

3.2 玻璃涂层

对于用于显示应用的玻璃上的IMI涂层，从大面积玻璃涂层的工艺转移以及垂直在线TCO涂层的机械技术知识的结合是很直接的。可以使用垂直涂层设备或水平溅射涂层机来实现低缺陷密度。

3.3 聚合物基板涂层

对于聚合物卷材上的IMI涂层，也实现了类似的技术组合。从传统的包装卷材涂层开始，在20世纪90年代后期逐渐转向用于抗反射目的的精细光学层。在此基础上，将IMI概念引入PDP低辐射涂层是很自然的。

3.4 IMI层的图案化

用IMI层替代ITO薄膜不仅需要均匀薄膜具有正确的性能，还需要适当的精细图案化技术。为湿法化学ITO图案化开发的标准蚀刻技术需要针对IMI层图案化进行修改，也可以使用红外激光干法蚀刻（即激光烧蚀）等技术进行精细图案化。

以下是IMI层生产技术的流程图：

graph LR
    A[大面积IMI层制造] --> B[刚性基板在线溅射工艺]
    A --> C[卷对卷卷材涂层磁控溅射]
    B --> D[平面磁控溅射（过去）]
    B --> E[可旋转磁控管（现在）]
    C --> E
    F[玻璃涂层] --> G[垂直涂层设备]
    F --> H[水平溅射涂层机]
    I[聚合物基板涂层] --> J[传统包装卷材涂层]
    J --> K[精细光学层（抗反射）]
    K --> L[IMI概念引入PDP低辐射涂层]
    M[IMI层图案化] --> N[修改标准蚀刻技术]
    M --> O[激光烧蚀]

4. IMI薄膜在显示设备中的应用

4.1 LCD显示应用

4.1.1 STN - LCD

用于个人数字助理（PDA）应用的聚合物基板上的无源矩阵LCD显示器的发展，推动了IMI薄膜作为透明电极的应用。在聚合物卷材上，IMI薄膜在最大透射率为83%时，薄层电阻率约为8Ω/□，而传统ITO层在类似透射率下的薄层电阻率约为60Ω/□。STN - LCD显示器需要低电阻电极，标准ITO需要约500nm的厚度才能满足要求，因此人们进行了大量工作，用包含一层或两层银的IMI叠层替代ITO薄膜。基于ITO和银的双IMI薄膜具有良好的电学性能，而无定形TCO（如IZO薄膜）改善了精细图案化，但这些层在玻璃清洗过程中化学稳定性不足，引入ITO覆盖层可以改善这一问题。

4.1.2 无源和有源矩阵LCD的彩色滤光片

在LCD中，彩色滤光片用作对电极。滤光片由有机染料组成，通常在染料层上沉积均匀的TCO涂层（一般是ITO）。由于ITO沉积过程中的工艺温度必须低于约200°C，因此人们对在室温下沉积的基于IMI的层替代在加热基板上的ITO沉积过程很感兴趣。

4.2 PDP显示器中的低辐射滤光片

等离子显示面板（PDPs）利用等离子体放电的光发射来激活磷光体以发出可见光。然而，等离子体放电也会发出不需要的近红外辐射，这会干扰无线通信系统，并且对人体有害。此外，裸屏的色域并不理想，而PDP低辐射滤光片可以解决电磁干扰屏蔽和颜色校正这两个问题。

典型的PDP滤光片设置如下：
- 由一块钢化玻璃板组成，该玻璃板可以通过层压或直接溅射涂覆抗反射（AR）和低辐射（Low - E）薄膜。
- 以层压AR和IMI涂覆的卷材为例，低辐射IMI薄膜的薄层电阻率约为1.1Ω/□（适用于B类家用PDP），可以屏蔽不需要的红外辐射，使用这种涂层可实现约45dB的红外辐射衰减。
- 还可以使用染料涂层进行进一步的颜色校正。

以下是PDP低辐射滤光片的结构示意图：

graph LR
    A[钢化玻璃板] --> B[层压AR和IMI涂覆卷材]
    B --> C[低辐射IMI薄膜（屏蔽红外）]
    B --> D[染料涂层（颜色校正）]

4.3 IMI层用于OLED显示器和OLED背光源

OLED是电流驱动的设备，因此对低欧姆电极的要求比LCD更为严格。此外，表面平整度对于防止短路和电迁移非常重要。在实验室规模上已经讨论了几种设备。例如，发现Ag:Ti合金有助于最小化层的表面粗糙度。

5. 挑战与展望

IMI层在以合理的透射率实现低薄层电阻率且成本较低方面具有吸引人的特性。该技术也能很好地适用于柔性显示器、OLED和卷对卷加工。然而，仍然存在一些问题：
- 金属层易受腐蚀 ：金属层对腐蚀攻击的脆弱性增加，这可能会影响IMI层的长期稳定性和性能。
- 缺乏工业标准图案化工艺 ：目前还没有用于薄膜图案化的工业标准工艺，这限制了IMI层的大规模生产和应用。

由于这些问题，到目前为止，IMI层尚未进入有源矩阵液晶显示器（AM - LCD）的大众市场。此外，与ITO相比，IMI层有限的光学透射率也是一个影响因素。

6. 总结

用IMI层替代均匀的TCO薄膜为低成本、高性能的设计概念开辟了有吸引力的途径。在一定程度上，图案化和耐腐蚀稳定性等问题已经得到解决。然而，由于这些层叠结构的复杂性，情况并不理想，还需要进一步的开发工作。未来，随着技术的不断进步和问题的逐步解决，IMI层有望在显示领域得到更广泛的应用。

以下是IMI层相关内容的总结流程图：

graph LR
    A[IMI层特性] --> B[低薄层电阻率、合理透射率、低成本]
    A --> C[适用于柔性显示、OLED、卷对卷加工]
    D[面临挑战] --> E[金属层易腐蚀]
    D --> F[缺乏图案化标准工艺]
    D --> G[光学透射率有限]
    H[发展现状] --> I[部分问题解决]
    H --> J[未进入AM - LCD大众市场]
    K[未来展望] --> L[持续开发解决问题]
    K --> M[有望广泛应用]
    B --> H
    C --> H
    E --> D
    F --> D
    G --> D
    I --> K
    J --> K