CN101165883B - 利用导电分散剂的透明碳纳米管电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用导电分散剂的透明碳纳米管(CNT)电极。该透明CNT电极包括透明基底和形成在透明基底的表面上的CNT薄膜，其中，CNT薄膜由包含CNT和掺杂的分散剂的CNT组合物形成。本发明还公开了一种该透明CNT电极的制造方法。该透明CNT电极显示出优异的导电性，可以通过室温湿法工艺按照经济且简单的方式制造该透明CNT电极，并且该透明CNT电极可应用于柔性显示器。该透明CTN电极可用于制造需要具有透光性和导电性的各种装置，包括图像传感器、太阳能电池、液晶显示器、有机电致发光(EL)显示器和触摸屏面板。

Description

利用导电分散剂的透明碳纳米管电极及其制造方法
本申请要求于2006年10月17日提交的第10-2006-0100726号韩国专利申请的优先权，该申请的内容通过引用完全包含于此。
技术领域
本发明涉及一种包含导电分散剂的透明碳纳米管(CNT)电极及其制造方法。更具体地讲，本发明涉及一种包括透明基底和形成在该透明基底的表面上的CNT薄膜的透明CNT电极及一种该透明CNT电极的制造方法，其中，CNT薄膜包含碳纳米管(CNT)和掺杂的分散剂。本发明的透明CNT电极可以通过湿法工艺(wet process)来制造，具有优异的导电性，并可应用于柔性显示器。
背景技术
现在，具有透明基底和形成在透明基底上的导电膜的透明电极广泛地用于制造需要具有透光性和导电性的各种装置，这些装置包括图像传感器、太阳能电池、液晶显示器、有机电致发光(EL)显示器和触摸屏面板。
因为氧化铟锡(ITO)表现出在玻璃基底上形成薄膜的强烈倾向并显示出优异的透光性和导电性，所以ITO电极在用作透明基底的电极方面居主导地位。利用真空沉积设备来制造ITO电极。具体地讲，由于通过溅射技术使膜具有优异的特性，所以可以使用溅射设备。然而，通过溅射技术制造透明电极需要200℃或更高的，有时是400℃或者更高的高处理温度。因此，溅射技术不适于制造需要透明电极的柔性显示器。此外，在柔性显示器中使用非柔性的ITO电极导致薄层电阻(sheet resistance)增大和耐久性差，这对柔性显示器来讲构成问题。
为了解决这些问题，正在积极地进行广泛的探讨，以研究基于作为形成在透明基底上的导电膜的材料的碳纳米管(CNT)的透明电极的应用。
碳纳米管(CNT)是由碳原子制成的管状材料，在这些碳原子中，一个碳原子按照基于六边形的蜂窝结构的形式键合到其它相邻的碳原子。CNT是高度各向异性的，具有各种结构(例如单壁结构、双壁结构、多壁结构和绳索形(即螺旋形)结构)，并具有处于纳米(1×10-9米)范围的极小的直径。公知的是，CNT具有优异的机械性能、良好的电学选择性、优良的场发射性能、高效的氢存储性能等。具体地讲，由于CNT的高导电率，所以CNT可以有利地用于形成导电膜。可以通过包括放电、热解、激光沉积、等离子体化学气相沉积、热化学气相沉积或电解的公知方法来合成CNT。
为了形成导电膜，必须将CNT分散在适合的分散介质中。然而，由于表面引力，具体地讲，由于被称作范德华引力的分子间力，所以CNT倾向于聚集，其中，CNT具有大约950meV/nm的范德华引力。由于CNT的这种聚集阻碍了能够提高CNT的机械强度和导电性的三维网络的形成，因此有必要将CNT分散在适合的分散介质中。
由于大多数有机分散剂表现为绝缘体，所以利用有机分散剂形成的CNT薄膜通常显示出差的导电性。为了从CNT膜中去除可作为绝缘体的残余的有机材料，已经作出了各种努力。例如，在利用将CNT和有机材料分散在水中来形成CNT膜之后，通过将形成的膜浸在水中来去除该膜中的有机材料(Nano letters 2005，Vol.5，No.4，pp.757-760)。然而，这种方法在从CNT膜中完全去除有机材料和确保再现性方面存在困难。
此外，虽然为了形成导电膜可以将CNT充分地分散在导电分散剂中，但是因为导电分散剂围绕CNT的表面且导电分散剂的导电率比CNT的导电率低得多，所以导电膜的导电率的劣化不可避免。
发明内容
因此，考虑到现有技术的问题，本发明提供了一种可应用到柔性显示器并具有提高的导电率的透明CNT电极。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于制造该透明CNT电极的方法。
在实施例中，提供了一种透明CNT电极，该透明CNT电极包括透明基底和形成在透明基底的表面上的CNT薄膜，其中，CNT薄膜由包含CNT和掺杂的分散剂的CNT组合物形成。
在另一实施例中，所述基底可以是包括玻璃基底或石英基底的透明无机基底，或者可以是柔性透明基底，所述柔性透明基底由从由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙撑砜、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、丙烯酸树脂、烯烃-马来酰亚胺共聚物和降冰片烯树脂组成的组中选择的材料制成。
在本发明的又一实施例中，CNT组合物中使用的CNT选自于由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、绳索形碳纳米管及它们的组合组成的组。
在本发明的另一实施例中，掺杂的分散剂可以是导电分散剂。导电分散剂可具有包括头部和一个尾部或者两个尾部的结构，所述头部包含对CNT具有高的亲合力的芳香环，所述两个尾部相同或者不同，所述尾部对分散介质具有亲合力。
在实施例中，一种用于制造透明CNT电极的方法包括：(a)制备包含CNT和导电分散剂的CNT组合物；(b)利用CNT组合物在透明基底的表面上形成包含导电分散剂的CNT薄膜；(c)对CNT薄膜中包含的导电分散剂进行掺杂。
在另一实施例中，步骤(c)可包括以下子步骤：i)用掺杂剂溶液对形成在透明基底上的CNT薄膜进行掺杂；ii)清洗掉残留在CNT薄膜中的多余的掺杂剂；iii)干燥掺杂的CNT薄膜。
在本发明的选择性的实施例中，可以利用碘、溴、氯、一氯化碘、三氯化碘或一溴化碘的气化来完成步骤(c)。
附图说明
通过结合附图的下面的详细描述，本发明的以上和其它特征及其它优点将被更清楚地理解，在附图中：
图1是根据实施例的示例性透明CNT电极的示意性剖视图；
图2是示出示例1中制造的示例性透明CNT电极的表面的扫描电子显微照片(SEM)；
图3a是示出为了制造本发明的示例1和示例2中的示例性透明CNT电极，在对CNT薄膜进行掺杂的过程中将CNT薄膜浸在不同的掺杂剂溶液中的状态的照片；图3b是示出为了制造示例1和示例2中的示例性透明CNT电极，在对CNT薄膜进行掺杂的过程中清洗CNT薄膜的状态的照片；
图4是示出示例3中制造的示例性透明CNT电极根据掺杂剂溶液的浓度和掺杂时间的掺杂效果的曲线图；
图5是示出示例4中制造的示例性透明CNT电极相对于变化的透明CNT电极的透射率值的掺杂效果的曲线图。
具体实施方式
现在，将参照附图更详细地描述本发明。
应该理解的是，当元件被称作在另一元件“上”时，它可以直接在另一元件上，或者在该元件和另一元件之间可存在中间元件。相反，当元件被称作“设置在”或“形成在”另一元件上时，除非另外说明，否则这些元件被理解为彼此至少部分地接触。
在这里使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不意在限制本发明。如在这里使用的，除非上下文另外清楚地表明，否则单数形式意在包括复数形式。术语“第一”、“第二”等的使用并不意味着任何具体的顺序，而是包括这样的术语以对单个元件进行标识。还应该理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，说明存在所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件，而不排除存在或者添加一个或多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还应理解的是，除非在这里清楚地定义，否则术语(例如在通用词典中定义的术语)应该被解释为具有与它们在本公开和相关技术的环境中的意思一致的意思，并且将不以理想的或过于正式的意思来解释它们。
在附图中，附图中相同的标号表示相同的元件，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。
在一方面中，透明CNT电极包括透明基底和形成在透明基底上的CNT薄膜。CNT薄膜包含碳纳米管(CNT)和掺杂的分散剂。在透明CNT电极中使用掺杂的分散剂(具体地讲，掺杂的导电分散剂)有利于CNT之间电荷的迁移，从而获得透明CNT电极的优异的导电性，并且不存在透光率的任何劣化。另外，由于可以通过湿法工艺在室温下制造本发明的透明CNT电极，所以本发明的透明CNT电极可以应用于柔性基底。因此，该透明CNT电极在广泛范围的应用中是有益的。
图1是根据实施例的透明CNT电极的示意性剖视图。
如图1所示，本发明的透明CNT电极包括透明基底10和设置在透明基底10的表面上的CNT薄膜20，其中，CNT薄膜20包含CNT21和掺杂的分散剂22。
透明CNT电极中使用的透明基底10可以是任何类型的透明基底，只要它是透明的，所述透明基底的具体示例包括透明无机基底(例如玻璃基底和石英基底)以及柔性透明基底(例如塑料基底)。用于柔性透明基底的适合的材料的示例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙撑砜(polyethylene sulfone)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、丙烯酸树脂、烯烃-马来酰亚胺共聚物和降冰片烯树脂。这些材料可以单独使用，或者可以组合起来使用。
只要不削弱本发明的优点，构成CNT薄膜的CNT组合物中的CNT 21就不受具体限制。具体地讲，可以从由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、绳索形碳纳米管及它们的组合组成的组中选择CNT 21。在期望使用单壁碳纳米管的情况下，在使用之前可通过化学分离工艺选择性地分离金属性碳纳米管。
用于分散CNT的分散剂不受具体限制。在实施例中，分散剂可以是导电分散剂。导电分散剂可具有由头部(head)与一个尾部(tail)或两个尾部组成的结构，所述头部包含对CNT具有高的亲合力的芳香环，所述两个尾部相同或者不同，所述尾部对分散介质具有亲合力。
更具体地讲，导电分散剂可以是具有这样的结构的化合物，在该结构中，从由式1表示的组中选择的头部取代有一个尾部或者两个尾部，所述两个尾部相同或不相同，且所述尾部选自于由式2表示的组：
[Ar-(×)a]e  (1)
其中，Ar为C6芳香基团或者为包含从硫(S)、氮(N)或氧(O)中选择的至少一种杂原子的C4-C5杂芳香基团，
X为NH-或CH＝CH-，
a为0或1，
l为从5至60的整数；
Figure 2007101625077_8
YOb
Figure 2007101625077_9
m
Figure 2007101625077_10
CH2
Figure 2007101625077_11
nZ  (2)
其中，Y选自于由取代和未取代的C1-C10亚烷基、取代和未取代的C1-C10亚链烯基(alkenylene group)、取代和未取代的C1-C10亚炔基(alkynylenegroup)以及取代和未取代的C6-C20芳基亚烷基(arylalkylene group)组成的组，
Z选自于由-H、-CH3、-OH、羧酸及其盐、磺酸及其盐以及磷酸及其盐组成的组，
b为0或1，
m为从1至9的整数，
n为从0至9的整数。
导电分散剂还可以是聚3，4-乙撑二氧噻吩(poly(3，4-ethylenedioxythiophene))。在实施例中，分散剂的头部是聚噻吩。
分散剂以掺杂的状态存在。通常，CNT薄膜中包含的CNT的表面被分散剂围绕。由于分散剂的导电率比CNT的导电率低，所以分散剂用作CNT之间的绝缘体，导致CNT薄膜的总的导电率降低。
在透明CNT电极中使用掺杂的分散剂有利于CNT之间电荷的迁移，从而获得CNT薄膜的提高的导电性。下面将更详细地解释导致导电性提高的机理。
导电分散剂具有与导电聚合物的组成相同的组成。根据使用的CNT和分散介质，控制导电分散剂的分子量，并将一个或两个官能团(对应于分散剂的尾部)引入到导电分散剂中。导电分散剂具有与导电聚合物的基本特性相似的基本特性。即，导电聚合物具有单键和双键交替地重复的共轭结构，且通常显示出绝缘体(或半导体)的性质。然而，当对导电聚合物进行化学处理(即，掺杂)时，它的性质从绝缘体(或半导体)的性质变为导体(或半导体)的性质。这种化学处理(即，掺杂)使得导电聚合物的连续的碳原子之间的各个键具有大约一个半键(即，键级为大约1.5)，而不是共轭结构中的交替地重复的单键(键级为1)和双键(键级为2)，使得导电聚合物的电子密度离域，从而有利于电子的分子内迁移和分子间迁移。例如，下面的结构式1示出了当聚噻吩聚合物被掺杂时用作载荷子的极化子和双极化子的状态。
结构式1：
Figure S2007101625077D00071
极化子    双极化子
在本发明的透明CNT电极中执行上述功能的掺杂剂的类型不受具体地限制。p型掺杂剂(电子受体)或n型掺杂剂(电子供体)可用作所述掺杂剂。
可使用的适合的p型掺杂剂的具体示例包括但不限于：路易斯酸，例如PF5、AsF5、SbF5、ClO4 -、BF4 -、BF3、BCl3、BBr3、SO3、NO2(SbF6)、NO(SbCl6)或NO2(BF4)；质子酸，例如H2SO4、HClO4、HNO3、FSO3H或CF3SO3H；过渡金属卤化物，例如FeCl3、MoCl5、WCl5、SnCl4、MoF5、RuF5、TaBr5和SnI4；贵金属卤化物，例如AuCl3和HAuCl4；或者有机材料，例如苯醌、四氯苯醌、四氰基醌二甲烷或二氯二氰基苯醌。在本发明中可使用的适合的n型掺杂剂的具体示例包括但不限于：碱金属，例如Li、Na、K或Cs；或者烷基铵离子，例如四乙基铵离子或四丁基铵离子。
CNT和分散剂可以按照1∶0.005至1∶100的重量比混合，但是不限于此。如果使用的分散剂的量小于该范围中限定的下限，则不能达到CNT的最佳分散效果。同时，如果使用的分散剂的量超过该范围限定的上限，则CNT的高导电率有可能会降低，导致不利的影响。
本领域技术人员可根据期望的应用和需要来适当地确定CNT薄膜的透射率。例如，为了将CNT薄膜用作透明电极，期望的是，调节CNT薄膜的可见光透射率，使得在CNT薄膜的厚度为大约150nm的情况下，波长为550nm或600nm的可见光的透射率为60％或更高，优选地为75％或更高。
使用掺杂的分散剂的CNT透明电极显示出优异的导电性，可应用于包括柔性基底的不同种类的基底，且在广泛范围的应用(例如，作为诸如图像传感器、太阳能电池、液晶显示器、有机电致发光(EL)显示器或触摸屏面板的装置的透明电极)中是有益的。
本领域技术人员还可根据期望的应用和需要来适当地确定包括CNT薄膜和透明基底的结构的透射率。例如，为了将CNT薄膜和透明基底用作透明电极，期望的是，在CNT薄膜的厚度为大约150nm且透明基底的厚度为大约150μm的情况下，包括CNT薄膜和透明基底的结构对波长为大约550nm或600nm的可见光具有60％或更高的透射率，优选地具有75％或更高的透射率。
在另一方面中，本发明涉及一种用于制造透明CNT电极的方法。该方法包括：(a)制备用于形成CNT薄膜的CNT组合物，(b)利用CNT组合物在透明基底的表面上形成包含导电分散剂的CNT薄膜，(c)用掺杂剂溶液对形成在透明基底上的CNT薄膜进行掺杂，以对CNT薄膜中包含的导电分散剂进行掺杂。
各个步骤中使用的材料如上所述。下面将给出所述方法的各个步骤的更详细的解释。
步骤(a)：制备用于形成CNT薄膜的CNT组合物。
首先，将分散剂溶解在分散介质中，以制备分散剂溶液，其中，所述分散介质选自于有机溶剂、水和它们的混合物。CNT和分散剂溶液用于制备CNT组合物。
可用于制备CNT组合物的分散介质包括但不限于有机溶剂、水、两种或更多种有机溶剂的混合物以及水和至少一种极性有机溶剂(例如含有羟基的有机溶剂)的混合物。
可以使用本领域中常用的任何有机溶剂。适合的有机溶剂的示例包括醇、酮、乙二醇、乙二醇醚、乙二醇醚乙酸酯、乙酸酯和萜品醇。这些有机溶剂可以单独使用，或者可以组合起来使用。
在实施例中，基于分散剂和分散介质的总重量，分散剂溶液中的分散剂的浓度按重量计可以在大约0.000025％至大约50％的范围内，基于CNT和分散剂溶液的总重量，CNT按重量计以大约0.005％至大约1％的量存在于CNT组合物中。根据薄膜的形成方式，可以使用另一溶剂，以稀释CNT组合物中的CNT。
步骤(b)：利用CNT组合物在透明基底上形成包含导电分散剂的CNT薄膜。
在该步骤中，利用步骤(a)中制备的CNT组合物在透明基底的表面上形成包含导电分散剂的CNT薄膜。
可通过常用的涂覆技术例如旋转涂覆、喷涂、过滤或条形涂覆(bar coating)沉积CNT组合物，来实现在透明基底的表面上形成CNT薄膜。在实施例中，根据溶液的特性和期望的应用，可以选择适合的涂覆技术。
在沉积CNT组合物之前，可通过传统的工艺对透明基底的表面进行预处理，所述传统的工艺例如为O2等离子体处理，但是不限于O2等离子体处理。
根据期望的应用和需要，本领域技术人员可以适当地确定CNT薄膜的透射率。例如，为了将CNT薄膜用在透明电极中，期望的是，调节CNT薄膜的可见光透射率，使得在CNT薄膜的厚度为大约150nm的情况下，波长为550nm或600nm的可见光的透射率为60％或更高，优选地为75％或更高。
根据期望的应用和需要，本领域技术人员可以适当地确定包括CNT薄膜和透明基底的CNT薄膜电极结构的透射率。为了将CNT薄膜和透明基底用作透明电极，期望的是，在CNT薄膜的厚度为150nm且透明基底的厚度为大约150μm的情况下，CNT薄膜和透明基底对波长为大约550nm或600nm的可见光的透射率为60％或更高，优选地为75％或更高。
步骤(c)：对CNT薄膜中包含的导电分散剂进行掺杂。
在该步骤中，利用掺杂剂溶液对CNT薄膜中包含的分散剂进行掺杂，以提高CNT薄膜的导电率。
可通过化学工艺(例如溶液工艺或气相(vapor)工艺)来执行对分散剂的掺杂。
在实施例中，按照溶液工艺，步骤(c)可包括以下子步骤：i)用掺杂剂溶液对形成在透明基底上的CNT薄膜进行掺杂；ii)清洗掉残留在CNT薄膜中的掺杂剂；iii)干燥掺杂的CNT薄膜。
可通过常用的掺杂技术例如浸渍、旋转涂覆或喷射来完成所述掺杂。例如，通过将CNT薄膜在掺杂剂溶液中浸渍特定的时间，优选地浸渍大约10分钟至大约24小时，并通过本领域公知的技术清洗掺杂的CNT薄膜，以去除残留在CNT薄膜中的掺杂剂，来完成通过溶液工艺对导电分散剂的掺杂。例如，在实施例中，通过将掺杂的CNT薄膜在硝基甲烷中浸渍大约10分钟至大约24小时，来执行所述清洗。
随后，通过常用的干燥技术干燥清洗过的CNT薄膜，从而完成对导电分散剂的掺杂。此时，优选地在80℃下干燥2小时继而在室温下干燥6小时，来执行所述干燥。根据掺杂剂溶液中存在的溶剂来适当地调节和控制干燥时间和干燥温度。
在另一实施例中，按照气相工艺，可通过将其上形成有CNT薄膜的透明基底放置在反应器中，采用从碘(I2)、溴(Br2)、氯(Cl2)、一氯化碘(ICl)、三氯化碘(ICl3)或一溴化碘(IBr)中选择的卤素气体填充反应器，并将透明基底暴露于卤素气体大约1小时或更长时间，来实现步骤(c)，但是不限于这种工序。
在下文中，将参照下面的示例更详细地解释本发明。然而，给出这些示例用于举例说明的目的，且这些示例不应被解释为限制本发明的范围。
示例
示例1
i)形成CNT薄膜
将20mg的由式3表示的导电分散剂溶解在20ml水中，然后向该溶液中加入20g的由弧光放电工艺合成的纯化SWCNT(单壁碳纳米管)(GradeASP-100F，ILJIN Nanotech Co.，Ltd.)。
Figure S2007101625077D00101
对于式(3)的导电分散剂，Z选自于由-H、-CH3、-OH、羧酸及其盐、磺酸及其盐以及磷酸及其盐组成的组，n为整数。对于该示例1，式(3)中的Z为钠的磺酸盐类，以提供如在这里使用的具有式(4)的示例性导电分散剂。
Figure S2007101625077D00102
如在这里使用的式(4)的导电分散剂具有10,000(n＝37)的分子量。将所述混合物在声波浴(sonic bath)中分散10小时，在10,000rpm下离心处理10分钟，从而制备出CNT组合物。
对这样制备的CNT组合物进行过滤处理，以在作为透明基底的透明聚酯膜上形成CNT层，然后将CNT层在60℃下干燥2小时。测量所得结构的可见光透射率，在CNT膜的厚度为大约150nm且透明聚酯基底的厚度为大约150μm的情况下，对600nm的可见光的透射率为77％。
ii)对CNT薄膜进行掺杂
将所得结构在0.25M的作为掺杂剂的2,3-二氯-5,6-二氰基对苯醌(DDQ，2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone)的硝基甲烷溶液中浸渍4小时，然后在硝基甲烷中清洗12小时，以去除残留在CNT薄膜中的掺杂剂。然后，将经过清洗的结构在80℃下干燥2小时，继而在室温下干燥6小时，从而制造出透明CNT电极。
示例2
除了采用0.1M的三氯化金(AuCl3)的硝基甲烷溶液作为掺杂剂溶液之外，按照与示例1的步骤i)的方式相同的方式来制造透明CNT电极。
对按照与示例l的步骤i)的方式相同的方式制造的没有掺杂(即，掺杂之前)的透明CNT电极测量薄层电阻，并对在示例1和示例2中制造的掺杂之后的透明CNT电极测量薄层电阻，结果的对比示出在表1中。通过扫描电子显微镜(SEM)观察示例l中制造的透明CNT电极的表面(图2)
表1
    透明CNT电极<sup>a</sup>     薄层电阻(Ω/sq.)     相对值(％)
    掺杂之前     817     100
    掺杂之后    示例1示例2     394111     48.2713.59
a在CNT薄膜的厚度为150nm且透明聚酯基底的厚度为150gm的情况下，测量的CNT电极对600nm的可见光的透射率为77％。
对透明电极的物理性质的评价。
(1)透射率的测量
在CNT薄膜的厚度为150nm且透明基底的厚度为150μm的情况下，采用紫外-可见分光光度计来测量由CNT薄膜和透明基底组成的透明电极结构的透射率。
(2)薄层电阻的测量
采用四点探针确定透明电极的薄层电阻(Ω/sq.)。
从表1的结果可以看出，掺杂之后测量的透明CNT电极的薄层电阻值与掺杂之前测量的透明CNT电极的薄层电阻值相比减小了大于大约50％且小于大约90％的量。从所述结果可以确定，当透明CNT电极用作诸如图像传感器、太阳能电池和液晶显示器的装置的透明电极时，可以使所述装置在期望的柔性、透明度和导电率方面具有优异性能。
示例3
除了通过旋转涂覆在采用O2等离子体处理的各个聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上形成CNT薄膜之外，按照与示例1中的方式相同的方式制造透明CNT电极。在CNT薄膜的厚度为150nm且PET膜的厚度为150μm的情况下，这样制造的CNT电极对600nm的可见光的透射率为79.51％。利用透明CNT电极来分析根据掺杂剂溶液浓度和掺杂剂渗透时间的效果。此时，采用具有不同浓度(0.01M和0.1M)的三氯化金(AuCl3)的硝基甲烷溶液作为掺杂剂溶液，执行不同时间(10分钟、20分钟、30分钟、1小时和4小时)的浸渍，通过用硝基甲烷漂洗(rinse)3次并在漂洗溶液中浸渍1小时来执行清洗。在室温下过夜干燥清洗后的结构。通过示例1中描述的工序测量透明CNT电极的透射率和薄层电阻，结果示出在图4和表2中。
表2
 掺杂剂   掺杂时间   透射率<sup>b</sup>(％)   薄层电阻(Ω/sq.)   相对薄层电阻(Rs)值(与基准的百分比)
 基准(无掺杂)   X   79.51   2061.15   100
 0.01M的AuCl<sub>3</sub>   10分钟20分钟30分钟1小时4小时   84.7683.5683.9084.9685.38   416.76423.56425.82439.41346.55   2021212117
 0.1M的AuCl<sub>3</sub>   10分钟20分钟30分钟1小时4小时   86.4886.3188.1885.7786.57   265.01249.15226.50194.79131.37   13121196
b在CNT薄膜的厚度为150nm且透明聚酯基底的厚度为150μm的情况下，在600nm下测量。
示例4
除了改变CNT的含量(content)，采用0.1M的三氯化金(AuCl3)的硝基甲烷溶液作为掺杂剂溶液，并通过旋转涂覆在采用O2等离子体处理的各个PET膜上形成CNT薄膜之外，按照与示例1中的方式相同的方式制造具有不同透射率值的六个透明CNT电极。利用透明CNT电极来分析相对于变化的透射率值的掺杂效果。通过示例1中描述的工序测量透明电极的透射率(％T)和薄层电阻(Rs)，结果示出在图5中。
在透射率值的整个范围内，根据以上方法制造的透明CNT电极的薄层电阻值平均减小了大于60％，而与透明电极结构的透射率的变化无关。
虽然已经为了举例说明的目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离如权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，可以作出各种修改和变化。因此，这些修改和变化意图落在权利要求的范围内。
从上述描述清楚的是，根据本发明的透明CNT电极，利用掺杂的分散剂显著地提高了CNT薄膜的导电率。因此，本发明的透明CNT电极在广泛范围的应用(例如，作为装置的透明电极)中是有益的。另外，可以通过室温湿法工艺按照简单的方式制造本发明的透明CNT电极，而不涉及需要昂贵的真空设备的溅射工艺，这在制造成本和制造工艺方面是有效的，且本发明的透明CNT电极显示出优异的性能，例如高透射率和低电阻。
此外，本发明的透明电极可以用作柔性显示器(例如作为下一代显示器而正备受关注的显示器)的柔性透明电极。

Claims (15)

1.一种透明碳纳米管电极，包括透明基底和形成在透明基底的表面上的碳纳米管薄膜，其中，碳纳米管薄膜由包括碳纳米管和掺杂的分散剂的碳纳米管组合物形成，
掺杂的分散剂是掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂的分散剂，其中，p型掺杂剂选自于由路易斯酸、质子酸、过渡金属卤化物、贵金属卤化物和有机材料组成的组，n型掺杂剂选自于由碱金属和烷基铵离子组成的组，
所述路易斯酸包括PF5、AsF5、SbF5、ClO4 -、BF4 -、BF3、BCl3、BBr3、SO3、NO2(SbF6)、NO(SbCl6)或NO2(BF4)，所述质子酸包括H2SO4、HClO4、HNO3、FSO3H或CF3SO3H，所述过渡金属卤化物包括FeCl3、MoCl5、WCl5、SnCl4、MoF5、RuF5、TaBr5或SnI4，所述贵金属卤化物包括AuCl3或HAuCl4，所述有机材料包括苯醌、四氯苯醌、四氰基醌二甲烷或二氯二氰基苯醌，所述碱金属包括Li、Na、K或Cs，所述烷基铵离子包括四乙基铵离子或四丁基铵离子。
2.如权利要求1所述的透明碳纳米管电极，其中，透明基底是从玻璃基底或石英基底中选择的透明无机基底，或者是由从由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙撑砜、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、丙烯酸树脂、烯烃-马来酰亚胺共聚物和降冰片烯树脂组成的组中选择的材料制成的柔性透明基底。
3.如权利要求1所述的透明碳纳米管电极，其中，从由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、绳索形碳纳米管及它们的组合组成的组中选择碳纳米管。
4.如权利要求3所述的透明碳纳米管电极，其中，单壁碳纳米管是金属性碳纳米管。
5.如权利要求1所述的透明碳纳米管电极，其中，掺杂的分散剂是导电分散剂。
6.如权利要求5所述的透明碳纳米管电极，其中，导电分散剂是聚3，4-乙撑二氧噻吩、或者是具有这样的结构的化合物，在所述结构中，从由式1表示的组中选择的头部取代有一个尾部或两个尾部，所述两个尾部相同或不相同，且所述尾部选自于由式2表示的组：
[Ar-(X)a]l    式1
其中，Ar为C6芳香基团或者为包含从硫、氮或氧中选择的至少一种杂原子的C4-C5杂芳香基团，
X为NH-或CH＝CH-，
a为0或1，
l为从5至60的整数；
Figure FSB00000075686100021
式2
其中，Y选自于由取代和未取代的C1-C10亚烷基、取代和未取代的C1-C10亚链烯基、取代和未取代的C1-C10亚炔基以及取代和未取代的C6-C20芳基亚烷基组成的组，
Z选自于由-H、-CH3、-OH、羧酸及其盐、磺酸及其盐以及磷酸及其盐组成的组，
b为0或1，
m为从1至9的整数，
n为从0至9的整数。
7.如权利要求1所述的透明碳纳米管电极，其中，碳纳米管和掺杂的分散剂按照1∶0.005至1∶100的重量比混合。
8.如权利要求1所述的透明碳纳米管电极，其中，在碳纳米管薄膜的厚度为150nm的情况下测量，碳纳米管薄膜对波长为550nm或600nm的可见光具有60％或更高的透射率。
9.一种用于制造透明碳纳米管电极的方法，所述方法包括：
(a)制备包含碳纳米管和导电分散剂的碳纳米管组合物；
(b)利用碳纳米管组合物在透明基底的表面上形成碳纳米管薄膜；
(c)对碳纳米管薄膜中包含的导电分散剂进行掺杂，
其中，采用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂分散剂，其中，p型掺杂剂选自于由路易斯酸、质子酸、过渡金属卤化物、贵金属卤化物和有机材料组成的组，n型掺杂剂选自于由碱金属和烷基铵离子组成的组，
所述路易斯酸包括PF5、AsF5、SbF5、ClO4 -、BF4 -、BF3、BCl3、BBr3、SO3、NO2(SbF6)、NO(SbCl6)或NO2(BF4)，所述质子酸包括H2SO4、HClO4、HNO3、FSO3H或CF3SO3H，所述过渡金属卤化物包括FeCl3、MoCl5、WCl5、SnCl4、MoF5、RuF5、TaBr5或SnI4，所述贵金属卤化物包括AuCl3或HAuCl4，所述有机材料包括苯醌、四氯苯醌、四氰基醌二甲烷或二氯二氰基苯醌，所述碱金属包括Li、Na、K或Cs，所述烷基铵离子包括四乙基铵离子或四丁基铵离子。
10.如权利要求9所述的方法，其中，步骤(c)包括以下子步骤：i)用掺杂剂溶液对形成在透明基底的表面上的碳纳米管薄膜进行掺杂；ii)清洗掉残留在碳纳米管薄膜中的掺杂剂；iii)干燥掺杂的碳纳米管薄膜。
11.如权利要求9所述的方法，其中，碳纳米管组合物包含碳纳米管和分散剂溶液，分散剂溶液包含分散介质中的分散剂，分散介质选自于有机溶剂、水或它们的混合物。
12.如权利要求11所述的方法，其中，按照1∶0.005至1∶100的重量比混合碳纳米管和掺杂的导电分散剂。
13.如权利要求9所述的方法，其中，分散剂是聚3，4-乙撑二氧噻吩、或者是具有这样的结构的化合物，在所述结构中，从由式1表示的组中选择的头部取代有一个尾部或者两个尾部，所述两个尾部相同或不相同，且所述尾部选自于由式2表示的组：
[Ar-(X)a]l    式1
其中，Ar为C6芳香基团或者为包含从硫、氮或氧中选择的至少一种杂原子的C4-C5杂芳香基团，
X为NH-或CH＝CH-，
a为0或1，
l为从5至60的整数；
Figure FSB00000075686100031
式2
其中，Y选自于由取代和未取代的C1-C10亚烷基、取代和未取代的C1-C10亚链烯基、取代和未取代的C1-C10亚炔基以及取代和未取代的C6-C20芳基亚烷基组成的组，
Z选自于由-H、-CH3、-OH、羧酸及其盐、磺酸及其盐以及磷酸及其盐组成的组，
b为0或1，
m为从1至9的整数，
n为从0至9的整数。
14.如权利要求9所述的方法，其中，通过旋转涂覆、喷涂、过滤或条形涂覆形成碳纳米管薄膜。
15.一种用于制造透明碳纳米管电极的方法，所述方法包括：
(a)制备包含碳纳米管和导电分散剂的碳纳米管组合物；
(b)利用碳纳米管组合物在透明基底的表面上形成碳纳米管薄膜；
(c)对碳纳米管薄膜中包含的导电分散剂进行掺杂，
其中，利用碘、溴、氯、一氯化碘、三氯化碘或一溴化碘的气化通过气相工艺执行所述掺杂。
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