Five Opportunities For Ito Replacement

NanoMarkets

thin film | organic | printable | electronics www.nanomarkets.net

           

Five Opportunities for  ITO Replacement 

 

A NanoMarkets White Paper 

  ©NanoMarkets, LC | PO Box 3840 | Glen Allen, VA 23058 | TEL: 804-270-7010 | FAX: 804-270-7017

 

NanoMarkets

thin film | organic | printable | electronics www.nanomarkets.net

    The following paper was drawn from the NanoMarkets report, The Future of ITO:  Transparent Conductor and ITO Replacement Markets 

Five Opportunities for ITO Replacement There  is  a  market  for  low‐performance  transparent  conductors  that  Indium  Tin  Oxide  or  Page | 2  ITO  only  marginally  competes  in.  This  market  consists  primarily  in  certain  conductive  coatings.  For  example,  tin  oxide  is  used  in  large  amounts  as  an  IR  protective  coating  for  architectural  glass.  However,  when  this  low  end  of  the  transparent  conductor  market  is  excluded,  the  analysis  above  would  tend  to  suggest  that  everything  in  the  transparent  conductor business would seem likely to be dominated by ITO for some time to come and  that  there  will  be  few  new  opportunities  unless  one  happens  to  be  in  the  ITO  business  already and can simply climb up the growth curve with everyone else. Or if one happens to  have a revolutionary new way to extract indium and/or process it into ITO products.    However, as firms in the transparent conductor business—including some with materials  offerings that do not involve ITO—are quickly beginning to realize, this static view of the  transparent  conductor  market  is  not  accurate.  There  are  five  key  opportunities  in  which  transparent conductors are used and in which ITO doesn’t quite meet the necessary specs.    In the first two of these opportunities—touch‐screen displays and flexible displays—ITO is  limited by its tendency to crack or break. In the third opportunity—printable electronics— ITO is limited by the ability of the industry to turn ITO into a high‐performance conductive  ink. In the fourth of these opportunities—solid‐state lighting—ITO has been widely used as  a transparent conductor for electroluminescent (EL) lighting for quite some time, but it is  an open question as to whether it would be the transparent conductor of choice for the  emerging area of OLED lighting. Finally, there is thin film photovoltaics, an area where ITO  has never really established a presence and there may be better materials to do the job.    Flexible displays, OLED lighting and printed electronics have a certain niche‐like character  at  the  present  time.  This  will  change;  both  areas  have  the  potential  to  generate  quite  sizeable amounts of transparent conductor demand in the future. Thin‐film photovoltaics  is  only  just  emerging  from  a  niche  status.  Touch‐screen  displays  are  already  a  large  and  growing market. All four areas are generating a demand for transparent conductors that  have different characteristics than ITO classic can provide.    ITO and touch screens: Touch screens are a technology that has done well in the past few  years  and  seems  to  have  plenty  of  potential  for  the  future.  As  this  report  was  being  written, Microsoft’s Bill Gates made a speech in which he profiled what he considered to  be  the  hottest  technologies  in  the  computing  and  networking  business;  touch‐screen  displays were among them.   

©NanoMarkets, LC | PO Box 3840 | Glen Allen, VA 23058 | TEL: 804-270-7010 | FAX: 804-270-7017

 

NanoMarkets

thin film | organic | printable | electronics www.nanomarkets.net

    Touch‐screen displays are now widely used on smart phones/PDAs, although not on all of  them  and  a few  optimists  believe  that  by  late  in  the  next  decade,  touch  displays  will  be  used in as many as 40 percent of cell phones. (Our projections are more modest.) Touch‐ screen  displays  are  already  common  on  a  wide  variety  of  industrial  handheld  devices  ranging from ATMs and supermarket checkouts to the handheld device that one uses to  sign for packages delivered by UPS. And recently, one of the top selling video games has  Page | 3  been Nintendo’s DS, which is equipped with a touch screen.    Touch  screens  fall  into  three  categories.  The  vast  majority  are  resistive  touch  screens.  These  typically  contain  ITO‐on‐plastic‐foil  separated  by  a  spacer.  When  the  screen  is  touched, contact between the two ITO layers produces an electrical effect that is sent to a  controller. Capacitive touch screens are also in use and also use ITO‐coated substrates. In  this  case,  the  material  acts  as  a  sensor  that  detects  disturbances  in  the  capacitive  field  cause by contact. The final category of touch screens consist of a variety of technologies  that in some cases are barely out of the lab and are often aimed at the very high end of  the touch‐screen market.    Because of existing size and the expected growth of the touch‐screen market as a whole,  there are obviously considerable opportunities for ITO and its replacements in this market,  especially since the ITO used in the touch subsystem would be in addition to that used for  the display itself. Much of the interest is currently focused on the resistive display sector,  where  there  seems  to  be  a  need  for  a  material  that  can  perform  reasonably  well  as  a  transparent conductor, but which can stand more of a beating than can regular ITO.    Resistive touch displays behave well enough; as is witnessed by their widespread use. But  after a lot of use, micro‐cracking of the ITO layer gradually makes them less sensitive. This  matters  a  great  deal  in  a  commercial  environment  where  touch  screens  are  in  constant  use.  This  is  an  area  where  we  believe  ITO  is  in  danger  of  losing  market  share  quite  fast.  Commercial touch screens using PEDOT instead of ITO have already been built and sold by  Fujitsu. And resistive touch screens represent the market that is being actively targeted by  every firm with a conductive transparent nanomaterial. In talking with firms that have ITO  replacement products about where they planned to use their materials, inevitably touch  screens came up first.    As  is  typical  with  applications  to  which  new  technology  firms  have  attributed  a  considerable  amount  of  significance,  there  is  a  strong  likelihood  that  the  issues  in  this  market  are  being  oversold.  For  a  start,  many  of  the  consumer  products  in  which  touch  screens are used simply do not see enough use for ITO to be especially problematic. The  obvious  example  would  be  in  a  cell  phone;  a  product  that  is  replaced  every  year  to  18  months. Perhaps a similar comment could be made about video games. It is really in the  commercial  sphere—where  touch  screens  are  used  in  ATMs,  courier  devices,  etc.—that  problems arise. And these represent quite small volumes when compared to cell phones  and  the  like.  It  should  also  be  realized  that  large  touch  screens—the  kind  used  in  kiosks  ©NanoMarkets, LC | PO Box 3840 | Glen Allen, VA 23058 | TEL: 804-270-7010 | FAX: 804-270-7017

 

NanoMarkets

thin film | organic | printable | electronics www.nanomarkets.net

    and  which  could  potentially  use  a  lot  of  ITO—are  quite  rare.  Finally,  firms  that  are  interested  in  providing  materials  that  are  intended  as  replacements  for  ITO,  tend  to  downplay  the  possibility  that  touch  displays  other  than  resistive  touch  screens  will  be  widely used. They stress that these displays currently are barely out of the lab or—if they  are—have  poor  manufacturing  yields.  However,  these  are  issues  that  tend  to  disappear  Page | 4  over time.    Flexible displays: Like touch screens, flexible displays are another hot topic in the display  industry. They have been talked about for many years and are now being commercialized.  This  year—2008—  seems  as  if  it  will  be  the  first  year  in  which  such  displays  will  be  commercially available. The term flexible display could actually refer to two things; either  a  display  that  is  created  on  a  flexible  substrate  for  the  purposes  of  facilitating  R2R  processes,  or  one  that  is  intrinsically  flexible;  that  can  actually  be  flexed  or  rolled/up  by  the display’s ultimate owner. For the purposes of this report we are principally interested  in  the  latter.  ITO‐coated  plastic  is  routinely  used  in  R2R  processes  and  cracking  is  not  a  major issue here. Where there is a potential problem does seem to arise in displays that  are  actually  being  flexed  constantly;  this  is  the  flexible  display  equivalent  of  the  touch  screen display that is constantly being poked with a pen.    This type of issue has not mattered much in the past, since the “flexible display” or rollable  display was a fanciful idea. During 2008, Plastic  Logic, Polymer Vision and perhaps other  firms, are planning to offer “rollable” displays. The demand for such displays is expected to  be motivated by mobile users who would like to carry around bigger displays than would  be  permitted  if  the  display  used  a  rigid  glass  substrate.  Most  of  the  planned  rollable  displays are still quite small. But the concept could be extended to larger displays; perhaps  first to presentation displays that could be easily carried by businesspeople on the move.  The ultimate would be a large roll‐up television display. This is actually envisioned as part  of  the  hardware  necessary  for  next‐generation  television  and  it  would  use  a  lot  of  transparent conducting material, but all this lies a long way in the future.    Indeed, because the fairly futuristic aspect of flexible displays has meant that many firms  offering  transparent  conductors  that  are  alternatives  to  ITO  have  not  treated  this  opportunity all that seriously. In fact, it was not even mentioned by a few such firms that  we interviewed for this study. One reason is that the opportunity at present is quite tiny.  More importantly, no one really knows if this is a concept that will take off commercially.  The opportunity in the touch‐screen business—which also calls for transparent conducting  materials with high physical resiliency—looks so much more attractive right now.    Lighting: EL lighting is a technology that has been around for a long time. It can easily be  created on flexible substrates with screen printing and frequently uses ITO as a conductor.  However,  this  kind  of  solid‐state  lighting  has  a  limited  future.  While  widely  used  in  automobiles and for certain kinds of signage and architectural lighting, its performance— especially  with  regard  to  brightness  measures—  more  or  less  keeps  it  out  of  the  huge  ©NanoMarkets, LC | PO Box 3840 | Glen Allen, VA 23058 | TEL: 804-270-7010 | FAX: 804-270-7017

 

NanoMarkets

thin film | organic | printable | electronics www.nanomarkets.net

    general‐illumination market. In the past few years, the big hope for solid‐state lighting has  rested in the high‐brightness LED (HB‐LED) and the attention of researchers is now turning  to OLEDs, which also offer brightness, as well as printability and the ability to be fabricated  on  a  flexible  substrate.  Government  funding  for  OLED  lighting  has  been  available  in  the  U.S., Europe and Japan and the area has attracted interest from a number of OLED makers  Page | 5  who have grown tired of waiting for AM OLED display market to take off.    The  unsuitability  of  ITO  for  this  type  of  application,  in  part,  is  exactly  the  same  story  as  with flexible displays; ITO does not do that well on a flexible substrate. However, unlike in  the case of the rollable display, the idea with flexible lighting is not to constantly roll and  unroll  them.  So  ITO  may  be  a  better  bet  here.  Nonetheless,  ITO  is  far  from  a  perfect  fit  with  OLED  lighting.  Apart  from  purely  technical  issues,  the  idea  of  OLED  lighting  as  an  environmentally friendly lighting technology does not entirely fit with ITO; a material that  is sourced from Chinese zinc mines.    In  any  case,  some  research  work  on  OLED  lighting  is  exploring  other  avenues,  and  the  European  OLLA  project  has  used  PEDOT  to  create  an  “ITO‐less  lamp.”  As  an  organic  material  itself,  PEDOT  seems  especially  suitable  for  taking  up  the  opportunity  to  supply  novel  electrode  materials  in  the  OLED  lighting  space.  The  firm  most  associated  with  this  activity  has  been  H.C.  Starck  which  has  actively  promoted  this  application  for  its  PEDOT  material. Another firm with a potential role in this area is Agfa.    Printable electronics: In the past four or five years, there has been an increasing interest  in  using  printing  equipment  to  create  electronic  devices  and  subsystems.  While  screen  printing has been used for many decades for certain processes in the electronics industry,  the  new  wave  of  interest  in  printing  is  aimed  at  creating  much  more  sophisticated  systems.  To  date,  printing  has  been used for  all  or  part  of  the  manufacturing  process to  create displays, RFID tags, sensors, batteries, photovoltaic panels, etc.    In  the  proverbial  perfect  world,  manufacturers  sold  on  the  idea  of  printable  electronics  would  like  to  be  able  to  fabricate  complete  devices  using  printing.  It  seems  that,  as  a  practical  matter,  for  the  foreseeable  future,  most  “printed”  electronics  will  involve  fabrication  techniques  other  than  printing  at  some  layer  of  the  device.  Certainly,  the  transparent  conducting  layer  is  one  area  where  printing  is  not  carried  out  to  any  great  extent at the present time, suggesting that there is an opportunity for creating transparent  conducting inks.    As  it  happens,  ITO  inks  have  been  around  for  some  time,  but  have  generally  underperformed conventional ITO. This is also true of most of the other materials that can  or  have  been  used  as  transparent  conductive  inks.  These  materials  mainly  consist  of  PEDOT  and  nanotube  inks,  such  as  those  developed  by  Eikos.  While  the  performance  of  these inks is not stellar, the focus on creating inks and dispersions is much greater in the  non‐ITO part of the transparent conductor market than in the ITO part. This is presumably  ©NanoMarkets, LC | PO Box 3840 | Glen Allen, VA 23058 | TEL: 804-270-7010 | FAX: 804-270-7017

 

NanoMarkets

thin film | organic | printable | electronics www.nanomarkets.net

    because  turning  materials  into  inks  is  another  way  to  distinguish  the  product  in  the  marketplace.    Thin‐film photovoltaics: From the perspective of firms marketing novel materials for use  as transparent conductors, both flexible displays and printed electronics are attractive in  that  they  are  already  businesses  that  have  made a  commitment  to  using  new  materials.  Page | 6  For this reason, they are likely to be more open than the conventional FPD market, which  is conservative about replacing ITO.  Much the same thing can be said about the thin‐film  PV market. In this market, a growing number of firms are producing solar panels based on  a  select  few  photoactive  materials,  including  amorphous  silicon,  cadmium  telluride,  CIS/CIGS and a variety of organic materials. CIS/CIGS, in particular, has attracted particular  attention, since it has many of the virtues of thin film PV—lightweight, low cost, ability to  be  created  on  a  flexible  substrate,  etc.—while  at  the  same  time  offering  conversion  efficiencies that are not much lower than conventional (i.e., crystalline silicon) PV.    Thin‐film PV is fairly fluid at the present time in terms of cell and panel designs. However,  there seems to be a broad based need for transparent conductors for front contacts in the  application. TCOs other than ITO have been widely used for this application, although ITO  would certainly be applicable. TFPV is an area that some transparent conductor firms are  looking  at  seriously.  This  interest  is  being  sparked  by  the  apparently  very  high‐growth  potential  of  the  area  as  a  whole.  But  it  is  not  seen  as  having  the  same  potential  as  the  touch‐screen  business.  This  may  be  because  commodity  TCOs  seem  to  be  adequate  for  much of this market, which doesn’t seem to leave room for a value‐added/higher margin  material  as  is  usually  pitched  towards  the  display  industry  by  transparent  conductor  makers. That said, an interesting little niche may be found for organic conductors in the  nascent organic‐PV space.  PEDOT is already sold into this market for HIL (Hole Injection  Layer) applications.    For information on how to obtain a full copy of the NanoMarkets report,  The Future of  ITO:  Transparent  Conductor  and  ITO  Replacement  Markets,  please  contact  our  offices  at  (804)  270‐7010  or  via  email  at  [email protected]  or  by  visiting  our  website  at  www.nanomarkets.net.     

©NanoMarkets, LC | PO Box 3840 | Glen Allen, VA 23058 | TEL: 804-270-7010 | FAX: 804-270-7017