氧化铟锡:触摸屏的幕后功臣

摘要

近些年,触摸屏越来越广泛地被应用于电子产品,除了智能手机和平板电脑,在定位导航系统、自动柜员机等仪器设备上也能见到它的身影。不同于传统的键盘、鼠标等输入方式,只需要用手指在触摸屏上轻轻地点击或者移动,我们就可以方便地完成各种操作,因此触摸屏能够让用户更加方便快捷地使用电子设备,也使得许多电子产品更加轻便小巧。不过,许多朋友可能不知道,触摸屏技术的实现离不开一种重要的物质,它就是我今天要介绍的氧化铟锡(indium tin oxide,简称ITO)。

Touch screen

近些年,触摸屏越来越广泛地被应用于电子产品,除了智能手机和平板电脑,在定位导航系统、自动柜员机等仪器设备上也能见到它的身影。不同于传统的键盘、鼠标等输入方式,只需要用手指在触摸屏上轻轻地点击或者移动,我们就可以方便地完成各种操作,因此触摸屏能够让用户更加方便快捷地使用电子设备,也使得许多电子产品更加轻便小巧。不过,许多朋友可能不知道,触摸屏技术的实现离不开一种重要的物质,它就是我今天要介绍的氧化铟锡(indium tin oxide,简称ITO)。

为什么说氧化铟锡对于触摸屏来说至关重要呢?要回答这个问题,我们先要简单了解一点触摸屏的工作原理。触摸屏的实现方式有许多种,但最主要的电阻式和电容式,都是依赖手指或者其他物体接触屏幕时引发的电信号变化来工作的。

我们先来看看电阻式触摸屏。从图1我们可以看到,触摸屏的上层是一块透明的塑料,下层是一块玻璃(也可以是塑料)。上层塑料材料的下表面和下层玻璃的上表面各有一薄层导电物质,而塑料和玻璃之间被许多点状的绝缘材料分开;因此在没有外力触碰的时候,这两层导电物质是不发生接触的。一旦我们用手指轻轻点击上层的塑料,它就会受力变形,两层导电物质也就发生了接触,整个电路的电流就发生了变化。再通过一系列精心设计的电路,电流的变化转变为数字信号。这样,通过手指的点击,我们就可以在电子设备上完成操作。

Figure1

图1 电阻式和电容式触摸屏的基本结构

电容式触摸屏的构造与电阻式触摸屏相似,但测量的不再是电阻和电流的变化,而是电容的变化。大家都知道,把两块平行的导体用绝缘体分隔开,就得到了一个最简单的电容,可以储存一定量的电荷。当我们把两块涂有导电物质的玻璃或者塑料用绝缘材料隔开,并让两层导电物质相对时,就形成了这样的电容。由于人体也是导体,用手指去接触其中一块玻璃,就会在手指和玻璃上的导电物质之间形成一个新的电容。这样一来,触摸屏本身的带电量就发生了变化,这种变化也可以被转化为相应的数字信号,进而完成相应的操作。

Figure2

图2 电阻式与电容式触摸屏的基本工作原理。左图选自参考文献[1],右图选自参考文献[2]

当然了,无论是电阻式还是电容式的触摸屏,我们这里介绍的只是最基本的工作原理,实际上构造要更加复杂。不这里有一个非常关键的问题:玻璃和绝大多数塑料都是绝缘体,要让触摸屏正常工作,我们必须像前面提到的那样,在它们的表面覆盖上一层导电的物质。有人可能会说,在玻璃或者塑料上面贴一层铝箔或者粘一块铜板不就行了?这样确实能解决导电的问题,可整个触摸屏也因此变得不再透明,即便它能够正常工作,也没有任何的应用价值。因此,要让触摸屏正常工作,我们必须找到一种既能保证良好的导电性,本身又必须足够透明的材料。

触摸屏的这个特殊要求给科学家出了一道不小的难题。不过幸运的是,经过不断的探索,科学家们最终发现了一些金属氧化物能够同时满足导电和透明这两个条件,而氧化铟锡又是其中的佼佼者。单从名字上看,氧化铟锡是铟、锡和氧这三种元素组成的化合物,但实际上它是三氧化二铟和二氧化锡这两种氧化物按照一定比例混合得到的,二氧化锡一般占到总重量的10%。从生产商那里得到的氧化铟锡一般是白色、灰色或者黄色的粉末,但是将它涂在玻璃或者塑料的表面,就可以得到透明的薄膜(图3)。薄膜的厚度不超过几百纳米(一纳米是一米的十亿分之一)时,可以保证80%甚至更多的可见光透过,因此不会对玻璃或者塑料的透光性造成很大影响。与此同时,这层氧化铟锡薄膜的导电能力很强,电阻率可以低达万分之一欧姆·米。[3]透光性和导电性的完美结合,使得氧化铟锡成为生产触摸屏的不二选择。

Figure3

图3 左:氧化铟锡的固体。右:镀有氧化铟锡的玻璃。图片引自参考文献[4]

除了触摸屏,其他许多电子产品同样离不开氧化铟锡。例如液晶显示屏,就是将液晶材料夹在两块透明电极之间,当施加电压时,液晶分子的排列会发生变化,从而影响光在液晶材料中的传播,造成色彩的变化。显然,这种透明电极只能依靠在玻璃表面镀上一层氧化铟锡来实现。另一个比较典型的例子是太阳能电池,它的两个电极中的一个必须透明,才能使得光照射进太阳能电池并被转化成电能,于是氧化铟锡又派上用场了。

虽然氧化铟锡近乎完美地集导电和透明这两个性质于一体,科学家们却已经开始着手寻找它的替代物了,这又是为什么呢?首先,铟是一种非常稀有的元素,它在地壳中的含量仅比银略多一些,而且它在地壳中很分散,因此可利用的资源并不是非常丰富。有人甚至预测,再过十几年,地球上的铟将被开采殆尽。在电子工业飞速发展的今天,氧化铟锡资源的短缺愈发显得突出。其次,目前将氧化铟锡覆盖到玻璃或者高分子材料表面,主要使用真空蒸镀技术,这种技术需要造价不菲的仪器设备,而且生产效率并不理想。短缺的资源加上昂贵的生产成本,使得氧化铟锡的价格近年来节节攀升,势必影响到电子产品的成本。氧化铟锡还有一个致命的缺点,它比较硬而脆,缺乏延展性,受到外力很容易出现裂缝,这可能会影响到电子产品的使用寿命。

正是由于氧化铟锡的这些缺点,近些年来,研究人员一直致力于寻找它的替代材料。其中有两类替代材料特别引人瞩目,其中一种是导电高分子。一般的高分子材料都是绝缘体,但是有一些高分子由于结构特殊,能够具有一定的导电性。另一种就是近年来非常热门的石墨烯。大家都知道,石墨的结构就像是一摞纸,每一张“纸”都是碳原子互相连接形成的层状结构。如果我们把这一摞“纸”打散,能得到单独一层层状结构,这种非常薄的材料就被称为石墨烯。和氧化铟锡一样,导电高分子和石墨烯也同时具备良好的导电性和透光性。这两种材料主要是由碳、氢、氧这些常见元素组成,在资源上几乎可以说是“取之不尽,用之不竭”。

不过它们的优点远不止这些。首先,导电高分子和石墨烯加工起来都方便许多,不需要昂贵的真空蒸镀设备。我们可以把它们溶解或者分散在水或其他液体中,再像印刷书本那样把这种“墨水”覆盖到玻璃或者塑料的表面。其次,导电高分子和石墨烯都具有非常好的延展性,可以经受相当程度的弯曲、折叠或者挤压而不会破裂,这是氧化铟锡望尘莫及的。用它们代替氧化铟锡有助于实现所谓的柔性电子产品(flexible electronics),这将是一项革命性的突破。也许在不远的将来,我们的智能手机将不再是放在口袋或者书包里,而是直接缝在衣服上;而平板电脑或者电子书阅读器则可以像手绢一样,用的时候打开,不用的时候叠起来。

无论是导电高分子还是石墨烯,抑或是其它替代氧化铟锡的材料,目前都还不同程度地存在一些问题需要解决。不过,随着科技的不断进步,在不远的将来,氧化铟锡这种为我们的电子产品立下过汗马功劳的材料,也许真的要退出我们的视线。当然,我们大可不必为它的离去而感到悲伤:“旧的不去,新的不来”,氧化铟锡被新型透明导电材料取代之日,也就是我们手中的电子产品更新换代之时。

参考文献

[1] http://www.screentekinc.com/resource-center/touch-screens.shtml

[2] http://www.edn.com/design/consumer/4363795/A-magic-touch-The-concept-s-sound-but-implementation-options-abound

[3] P. P. Edwards, A. Porch, M. O. Jones, D. V. Morgan and R. M. Perks, “Basic Materials Physics of Transparent Conducting Oxides”, Dalton Transanction

[4] http://users.ox.ac.uk/~iclb0195/Group/research.shtml

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