CN101945710B - 具有填充材料的透明导电涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制品,所述制品包含由至少部分结合的纳米颗粒形成的导电迹线的网图案,所述迹线限定了对光线透明的并且含有透明填充材料的任意形状的网格。在一个实施方式中,填充材料是导电性的,诸如金属氧化物或导电聚合物。在另一个实施方式中,填充材料是可用于将所述网络从一个基板转移至另一个基板的粘合剂。还公开了形成所述制品的方法,其中,在有机相中含有纳米颗粒、在水相中含有所述填充材料的乳液被涂布到基板上。干燥所述乳液,纳米颗粒自我组装以形成迹线,将填充材料沉积在所述网格中。还公开了电致发光器件,其中,本发明的制品在所述器件中形成透明电极。

Description

具有填充材料的透明导电涂层
相关申请案
本申请依据35 U.S.C.§119(e)要求享有2007年12月20日提交的美国临时申请第61/015,483号的优先权,该临时申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及透明导电涂层,该透明导电涂层包含由至少部分结合的纳米颗粒形成的导电迹线的图案,所述迹线限定了对光线透明的任意形状的网格。更具体地,本发明涉及透明导电涂层,其由从来自涂布的乳液的纳米颗粒自组装成为导电迹线而形成,所述导电迹线限定了对光透明的任意形状的网格。包含像透明电极的此类透明导电涂层的电致发光器件也包括在本发明的范围内。本发明还描述了涂料组合物和形成透明导电涂层的方法。
背景技术
透明导电涂层可用于各种电子器件。这些涂层提供许多功能,诸如电磁(EMI)屏蔽和静电消除,并且它们可在广泛的应用中用作传输光的导电层和电极。此类应用包括但不限于触摸屏、无线电子板、光生伏打器件、导电纺织品和纤维、有机发光二极管(OLED)、电致发光器件、和电泳显示器诸如电子纸。
透明导电涂层诸如US20050214480和WO2006/35735中描述的那些通过从乳液涂布到基板表面并且变干的导电纳米颗粒的自组装形成。纳米颗粒自组装成为任意形状的网格构成的网状导电图案,所述网格对光是透明的并且用光学显微镜可观察到。此类涂层经常需要其它性质,诸如在涂层网格内的导电性、结构强化、减反射性等以便使涂层适合进一步加工或具体的产品应用。
发明内容
本发明涉及通过在所述涂层的网格内放置某些透明的填充材料来为上述透明涂料提供增强的或附加的功能。
本发明涉及包含导电迹线的网状图案的制品,所述导电迹线由至少部分结合的纳米颗粒形成,所述迹线限定了通常对光透明的任意形状的网格,其中,用透明填充材料至少部分填充至少一部分所述网格。所述填充材料可以是导电的、半导电的或不导电的。
导电性填充材料的电阻通常为102-108欧姆/□。导电性填充材料的例子包括金属氧化物诸如氧化铟锡(ITO)、氧化锑锡(ATO)和导电聚合物诸如PEDOT、PEDOT:PSS、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯、或它们的衍生物或混合物。导电性填充材料还可以包含低密度基质或金属纳米颗粒或纳米线阵列。导电性填充材料可用于某些电子器件诸如电致发光器件、OLED显示器和薄膜光生伏打器件以便使得透明导电涂层的导电性平稳并将电荷传输到所述网格的中心。
在一些器件诸如太阳能电池和OLED显示器中,半导电性材料诸如量子点、硅、锗、化合物无机半导体、或有机半导体也是有用的填充材料。一些材料诸如碳纳米管可以根据材料本身用作导电和半导电的填充材料。
不导电的或绝缘的填充材料也可以用于赋予制品某些物理性质或帮助进一步加工和转换,诸如将制品从一个基板转移至另一个基板。用于赋予制品物理性质的非导电性材料的例子包括减反射材料,诸如玻璃料、玻璃球、氮化硅、一氧化硅或二氧化硅、或二氧化钛。其它减反射填料可以包括低折射率聚合物和/或可以聚合形成低折射率聚合物的单体和低聚物。可以使用给予抗磨擦性、防潮性、防氧或紫外线保护的其它填充材料。用作粘合剂的填充材料(包括环氧树脂)可以用于帮助制品与器件的其它基板或层叠合。
通常所述制品的至少一个表面上具有基板。对于所述基板,最初在其上形成所述透明导电涂层或者所述涂层在形成后转移到基板上。因为制品本身是挠性的,所以,当承载在挠性的基板上时,它可以用于形成挠性的器件诸如挠性的光生伏打器件和挠性的电致发光器件,
在一个实施方式中,填充材料完全填充所述网格并延伸到向网格的上方。对于设计成为制品提供防氧、防潮或防磨损的填充材料,这是有用的。希望对于为制品提供平坦的或光滑的表面的填充材料,这也是可取的。在其它应用中,对于用于将制品从一个基板转移至另一个基板的粘合性填充材料或是设计成使制品的表面变得光滑的填充材料,这也是可取的。
在另一个实施方式中,填充材料填充网格的程度低于网格的顶部或与网格顶部相平。这对于导电性填充材料或利用它们的减反射性的填料可能是有用的。
本发明的另一个实施方式是电致发光器件,其包含本发明的制品作为透明电极,还包括通常用于电致发光器件的其它层,包括磷光体层、介电层和反电极,所述反电极通常是不透明的或部分不透明的。
本发明的另一个方面涉及包含乳液的液体涂料组合物,所述乳液具有包含导电纳米颗粒的连续相和包含填充材料的非连续相,当把所述乳液涂布到基板上时,会形成包含迹线的网状图案的透明导电涂层,所述迹线由至少部分结合的纳米颗粒形成并限定了任意形状的通常对光透明的网格,其中,至少部分一网格被填充材料填充。在一个优选的实施方式中,所述连续相包含与水不混溶的溶剂,所述非连续相包含水或水可混溶的溶剂。用于所述乳液的优选的纳米颗粒包括银、铜、碳、石墨、或它们的混合物或合金。优选的填充材料包括导电聚合物诸如PEDOT、PEDOT:PSS、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯、或它们的衍生物或混合物。
本发明的另一个方面涉及形成本发明的制品的方法,包括将上述在乳液非连续相中含有填充材料的液体涂料组合物施涂到基板表面并且干燥所述涂料组合物。优选地,通过烧结以进一步连接纳米颗粒并增强导电性来进一步加工所述制品。可以通过将制品从基板上取下并转移至另一块基板或产品的组件上来进一步加工制品。
形成制品的方法的另一个实施方式包括以下步骤:(a)将包含含有导电纳米颗粒的连续相的液体乳液施涂在基板表面;(b)干燥所述乳液,随后形成包含迹线的网状图案的透明导电涂层,所述迹线由至少部分结合的纳米颗粒形成并限定了任意形状的通常对光透明的网格,(c)在至少部分涂层的网格中施加透明填充材料。在该方法的优选的实施方式中,填充材料是通过湿法涂布施加到透明涂层上的粘合剂。所述粘合剂随后可用于进一步的加工中以便粘合涂层与第二基板。对于使第一基板剥离以便使制品显露光滑的表面而不具有最初显露的制品的表面轮廓,这是特别有用的。
本发明的其它方面将在以下附图和详细描述中说明。
附图简述
图1显示本发明的制品,其中,所述涂层的网格用填充材料填充。
图2显示网格中的填充材料延伸至涂层的迹线以上的制品。
图3是生产本发明的制品的方法的直观图,所述制品的形式为简单的光生伏打电池。
图4显示简单电致发光器件,本发明的制品在其中形成透明电极。
图5是实施例1的电致发光器件的照片。
图6是实施例3的电致发光器件的照片。
图7是实施例4的电致发光器件的照片。
图8是实施例5的电致发光器件的照片。
图9是转移至第二基板上后具有粘合性填料的透明导电涂层的扫描电子显微照片,当从与样品平面接近平行的角度成像时,可见所得平坦化的/光滑的表面。
优选实施方式的具体描述
现在参考图1,该图是形成于一基板上的本发明的制品的简化图解,所述基板使该制品适合用作光生伏打器件中的透明前电极。基板100是半导体层100,在其下侧表面102上形成了电极104。
在基板100的表面106上形成透明导体涂层(“TCC”)层108,其包含导电迹线112的图案110,所述迹线由至少部分结合的纳米颗粒的聚集体形成。此类迹线限定通常不含纳米颗粒的网格114,这些网格通常是对光透明的。如本文中使用的,术语“纳米颗粒”指小到足以分散在液体中以致它们可以被涂布并形成均匀的涂层的细颗粒。这通常包括平均粒径小于约3微米的颗粒。优选地,所述平均粒径小于1微米,最优地,所述颗粒的至少一个尺寸在小于0.1微米的所谓“纳米”尺寸范围内。
如以下参考图3更详细地描述的,采用纳米颗粒包含在连续相中的液体乳液形成TCC层108。在一个优选的实施方式中,连续相蒸发得比非连续相更快,通过以受控的方式使乳液液滴聚结而发生非连续相网格的生长。乳液的干燥产生图案110,所述图案110包含被迹线112围绕的独立的光传输网格114,所述迹线112传输的光大大少于光传输网格114传输的光。网格114和外周迹线112产生的图案具有网状特征,这一点用光学显微镜可观察到。
在一个优选的实施方式中,在油包水乳液沉积后形成图案110,其中所述连续相包含分散着纳米颗粒的有机溶剂,所述非连续相包含水或水可混溶的溶剂。乳液干燥时,可溶解于乳液的有机相中的物质可以被引入迹线112中,例如玻璃前体,以提高接触电阻。而且,在干燥乳液时,可以向迹线112中引入对乳液界面(限定乳液的水相和油相之间的过渡层的区域)具有亲合力的物质。可溶解或分散在乳液的水相中的物质,诸如以下描述的某些填充材料将沉积在网格114内。
所述纳米颗粒可以由选自(但不限于)银、金、铂、钯、镍、钴、铜或它们的任意组合的导电金属或金属的混合物包括金属合金组成。合适的金属纳米颗粒包括银、银-铜合金、银-钯或其它银合金、或被称为冶金化学工艺(MCP)的方法产生的金属或金属合金,所述冶金化学工艺(MCP)在美国专利第5,476,535号(“产生高纯度超细金属粉末的方法”(″Method of Producing High PurityUltra-Fine Metal Powder″))和PCT申请WO 2004/000491 A2(“生产高纯度金属纳米粉末的方法和由此产生的纳米粉末”(″Method of Producing High PurityUltra-Fine Metal Powder″))中有描述。所述纳米颗粒可以是涂覆的或非涂覆的并且可以是团聚的或非团聚的。
导电纳米颗粒还可以由金属氧化物、金属盐、导电聚合物、碳衍生物诸如炭黑、石墨、富勒烯或其它碳同素异形体组成。还可以采用以上颗粒的前体或组合。
导电纳米颗粒通常(但不是一定必须)成为导电网络的迹线112的一部分。除了上述导电颗粒,迹线112还可以包括其它附加的导电材料,诸如金属氧化物(例如ATO或ITO)或导电聚合物或它们的组合。可以以各种形式提供这些附加的导电材料,例如但不限于颗粒、溶液或胶凝颗粒。
在申请人/受让人专利公开US20050215689和WO2006135735中描述了上文所述的一类乳液和它们用于制备导电迹线112的的用途,其公开内容通过引用结合于此。通常,迹线112的宽度小于40微米,高度小于20微米并且平均网格直径小于1000微米,在一些情况下则更小得多,例如约5微米。通常,对于许多应用,由于被迹线112遮蔽而不接受入射光的基板100的全部表面106的百分率优选地不高于15%,虽然在其它应用中可以高达50%或更多。而且,迹线112可以提供纹理和减反射特征。
TCC层108的网格14用光透射填充材料115填充。填充材料115填充网格的程度可以低于或等于形成网格的迹线112的顶部,如图1中所示,或者,填充材料可以完全填充网格并且延伸至网格以上,如图2中所示。选择取决于所选的填充材料,填充材料需要的功能和在网格中形成填充材料的方法。
填充材料115可以是导电性的,由此为全部涂层的导电性提供更好的同质性或均一性并使电荷迁移至网格的中心变得更容易。导电性填料的电阻通常为102-108欧姆/□。合适的导电性填充材料通常是形成连续薄膜的物质诸如透明金属氧化物,例如氧化铟锡、或氧化锑锡、或导电聚合物、或它们的组合。导电性填充材料还可以包括其它导电物质,诸如但不限于碳纳米管。或者,可以使用少量导电纳米颗粒或纳米棒,诸如银纳米颗粒或银纳米线。在一个优选的实施方式中,导电性填充材料是导电聚合物诸如PEDOT、PEDOT:PSS、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯、或它们的衍生物或混合物。
已经发现,如果本身作为一层存在,那么导电性填充材料诸如PEDOT:PSS或合适的导电性氧化物当沉积在基板上时得到约大于102欧姆/□的较高的表面电阻。通过将导电聚合物置于网格114中,如果仅透明导电聚合物用于形成透明导电层的话,结合的膜的表面电阻将显著减小。如以下电致发光器件的情况中所示的,通过在TCC的网格中包括诸如ATO的填充材料,器件的整体亮度相对于无填充材料的器件显著增强。
作为导电性的替代或补充,填料115还可以用于提供其它功能,诸如机械保护,特别是抗磨损或抗刮擦保护,以及防潮、防氧、防紫外辐射或其它环境攻击的保护。填充材料还可以用于提供减反射性,例子包括玻璃料、玻璃球、氮化硅、一氧化硅或二氧化硅、二氧化钛或氧化锌。作为例子,使用简单的技术如喷雾或化学蒸气沉积,或通过向乳液的水相加入水溶性TiO2纳米颗粒、或纳米棒、或纳米线,可以使TiO2减反射涂层沉积在几百纳米厚的层中。形成此类减反射涂层的其它方法是向乳液的水相中加入前体,诸如乙酸锌、硝酸锌、异丙氧化钛,以便在热处理后直接形成减反射层。提供这些功能的填充材料不必并且通常也不是导电性的。
填充材料115还可以是半导体材料,诸如硅、锗、化合物无机半导体、有机半导体或量子点。这些填充材料在一些器件诸如太阳能电池中提供用途。
填充材料115还可以是高介电常数材料,诸如常规电解质应用中使用的那些材料。这些材料为整个网格和网络结构提供更均匀的外加场/电流。
导电性和非导电性填充材料可以用于产生光滑的位于迹线112高度处的整体表面116。例如,可以施加导电性或非导电性透明材料诸如导电性聚合物,以便填充网格114并使网格114变得光滑,并且帮助器件内的或到达/离开器件的电荷传导。在一个优选的实施方式中,TCC层的粗糙度≤5微米、优选地小于2.5微米、更优地小于0.5微米、最优地小于0.15微米(150纳米)。TCC层的光滑度在某些器件诸如高质量OLED显示器的生产中可能是重要的。
填料115也可以是“胶合剂”或压敏粘合剂(PSA)或热敏粘合剂,它们将在TCC层的顶部附着或叠合附加的层(聚合物、基板等)。这可以除去最初基板(TCC在上面形成),由此暴露TCC层的光滑侧,这在随后的器件构建中或在帮助转移至更理想的基板以便用于具体的产品应用中可能是需要的。环氧粘合剂或紫外线可固化丙烯酸类粘合剂是粘合性填充材料的例子。
填料115还可以是“硬涂层”或“抗眩光”涂料或类似于显示器膜中使用的其它涂料。它也可以是偏光镜。它还可以是抗静电材料或抗污材料。还可以使用选择性吸收和发射光或以上情况的组合的材料。
图1的制品可以是自立式的或可以形成于或位于挠性的或刚性的基板上。该基板可以是刚性的或挠性的,并且可以由诸如但不限于聚合的、纸质、陶瓷、玻璃、硅、氧化物、半导体或层压材料的材料构造成。用于许多产品应用的优选的基板是聚酯膜,特别是基于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的聚酯膜。
由导电迹线112形成的图案110在烧结后通常具有0.005欧姆/□至20欧姆/□、优选地小于50欧姆/□、更优地小于20欧姆/□、最优地小于或等于10欧姆/□的表面电阻。表面电阻可能由于随后所述图案的电镀而减小。
TCC层108特别适合用于需要传输电磁光谱的可见、NIR、IR和/或UV区的器件。术语“光传输”在本文中与术语“透明的”可交换使用,指至少30%、优选地至少50%、更优地至少70%的光透射。对于需要传输可见光的应用,在400nm至700nm的波长范围内测量透射比,更具体地,可以在550nm处进行测量。
现在参考图2,该图是本发明的另一件制品的简化图解,该制品类似于图1中所示的制品,除了填充材料215延伸至迹线212顶部以上。填充材料215使迹线的粗糙面变得平滑,并且,如上所述,可以是使迹线212与器件层的另一基板粘合的粘合性材料。
与图1的器件的情况相同,图2中显示的器件可以自立式或可以形成于或位于挠性的或刚性的基板上。该器件形成时可以具有平坦的表面或弯曲的表面。基板可以具有粗糙的表面和/或非平坦的表面。
现在参考图3,图3是制造诸如图1和图2中显示的制品的方法的简化图。如在图3中所看到的,提供一个基板组合件或多个基板组合件302。
基板组合件302可以是挠性的或刚性的,诸如玻璃、纸、陶瓷和织物。此类基板可以包括聚合物,诸如聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、它们的共聚物或混合物。基板302可以具有平坦的表面或弯曲的表面,所述表面可以是光滑的或粗糙的。
为了改善某些性质,可以预处理基板并/或基板可以具有初始涂层,该初始涂层在涂布TCC配制物之前施涂到基板上。例如,基板可以具有底涂层以便改善TCC涂料粘合,或基板可以具有为了提供机械防刮擦性和机械防损伤性而施加的机械硬涂层。
可以实施预处理以便例如清洁表面或通过物理方法或化学方法来改变表面。此类方法包括但不限于电晕处理、等离子体处理、UV-曝光处理、激光处理、辉光放电处理、微波处理、火焰处理、化学蚀刻、机械蚀刻或印刷。此类处理可以应用于洁净的基板或膜供应商已经施加底涂层、初始涂层或以其它方式对基板表面进行预处理的基板。
预处理步骤可以在即将进行随后的涂布、印刷和沉积步骤之前离线地或在线地实施。基板的此类物理处理可以通过分批过程设备或连续涂布设备、以小实验室规模或更大的工业规模(包括卷到卷工艺)来进行。
基板组合件302被提供至乳液涂布站306。在乳液涂布站306处,乳液307被施涂于基板组合件302的表面310。
乳液307优选地是如上所述的油包水乳液,该乳液的有机相中分散着导电纳米颗粒,水相中具有填充材料诸如PEDOT:PSS。通过机械搅拌、球磨混合以及通过均质器或超声混合可以完成颗粒与希望的溶剂的混合以便形成分散体。
在乳液涂布站306,可以通过任意合适的技术来施涂乳液307,所述技术诸如模头式涂布、棒式涂布、丝网印刷、喷墨印刷、旋涂、浸涂、喷涂、凹版印刷、辊涂和刮涂。在乳液涂布站906,可以采用实验室规模的过程或工业过程、利用单程或多程涂布设备。乳液307应该被施涂到基板组合件302的表面310以便提供1至200微米、更优地5至200微米的湿乳液厚度。
本发明的一个具体特征是,实施对表面施涂乳液的步骤时,涂布设备不直接接触所述表面。例如,使用刀隙涂布机、气刀涂布机、逗号式(comma)涂布机、狭缝模头涂布机或幕涂机进行涂布时,涂布设备不需要直接接触基板表面310。这与通常涉及与基板的直接接触的丝网印刷、凹版印刷和棒式涂布相反。当使用非接触印刷技术时,基板表面310上存在的精密的或灵敏的特征比较不容易毁坏或变形。
将乳液307施涂到表面310上后,在施加或不施加高于环境的温度的情况下,溶剂从乳液307中蒸发,如引用号312所显示的。优选地,剩余涂层在约室温至约850℃的温度范围内烧结,如引用号314所显示的,由此在表面310上提供TCC层320。烧结优选地在环境大气压下进行。
替代地或附加地,可以在诱导烧结过程的化学试剂的存在下进行引用号314处显示的所有或部分烧结过程。合适的化学试剂的例子包括甲醛或酸,诸如甲酸、乙酸和盐酸。所述化学试剂可以是沉积的颗粒曝露于其中的蒸气或液体的形式。或者,此类化学试剂可以在沉积前包括在含有纳米颗粒的组合物中,或在所述颗粒沉积在基板上之后将此类化学试剂沉积在纳米颗粒上。
所述方法还可以包括烧结后处理步骤,如引用号316处显示的,其中,电极层920可以进一步烧结、退火,或者使用热、激光、UV、酸或其它处理因素并/或通过曝露于化学试剂诸如金属盐、碱或离子液体,以其它方式进行后处理。处理过的TCC层320可以用水或其它化学洗涤溶液诸如酸性溶液、丙酮或其它合适的液体进行洗涤。涂层的后处理可以通过分批过程设备或连续涂布设备、以小实验室规模或更大的工业规模(包括卷到卷工艺)来进行。
TCC层320的特征是烧结后的表面电阻为0.005欧姆/□至5kΩ/sq、优选地小于50欧姆/□、更优地小于20欧姆/□、最优地小于或等于10欧姆/□。使用诸如电镀技术可以进一步减小TCC层320的表面电阻。
以下也是所述方法的一个具体特征,TCC层320的形成可以采用最高约350℃的温度下的低温沉积和处理方法。低温液体相加工可以以较低的成本来进行,特别是在大规模表面上形成TCC层320并且使用热敏基板诸如某些聚合基板的时候。
以下也是所述方法的一个具体特征,TCC层320的形成可以控制以便获得不同的网格尺寸并且调节网格尺寸以便获得对于具体器件来说最佳的性能。以下实施例1-5中显示了形成TCC之前在基板上使用底涂层以便控制网格尺寸的例子。
如图3中所示的,作为在单步过程中施涂乳液配制物中的填充材料可供选择的方法,填充材料可以在涂层形成后通过常规方法来施加,所述常规方法诸如从溶液中沉积、用上述的任意方法进行涂布、和直接印刷例如喷墨或卷到卷印刷。根据被施加的填充材料,可以使用其它沉积和特征形成方法,例如气相沉积、平板印刷、光刻法、蚀刻、溶解、真空升华、真空蒸发致金属沉积、溅射、离子轰击、电镀、化学镀、激光制作布线图、激光消融或上述的组合。
在TCC移除站322,从基板组合件302移除TCC层320,形成分离的或自立式的TCC层326。可以通过物理方法诸如刮、剥、小刀分离、或漂浮,或者化学方法诸如脱离剂的溶解或加热来完成基板组合件302与TCC层320的分离。脱离剂或脱离层的存在或不存在粘合剂也可以用于实现电极层320的移除。
该方法还可以包括如引用号328显示的变形步骤,其中,TCC层326被拉长或发生变形以致改变导电迹线图案内光传输区域的形状。例如,拉长可以定向并增大图案内网格的纵横比,如图案340所示。
具有图案320或340的分离的TCC层326可以被转移至另一基板330诸如半导体组合件,以便随后用作光生伏打器件。半导体基板组合件330包括半导体基板331,类似于图1和2中显示的半导体基板100和200,上面已经形成TCC层333。可以如以上关于引用号316所述的,按引用号336处所示地实施其它处理步骤。
以下的描述以及实施例1-5将进一步说明并例举用作电致发光器件中的透明电极的本发明的制品。
电致发光器件采用电源(通常由AC电压提供)以便在磷光体层中产生变化的电场,这导致磷光体发光。磷光体通常是在特征波长下发出磷光,由此发射特定颜色的光的粉末。通常选择磷光体的粒度以便提供高的光发射效率。(参考:杜邦出版物L-1233,06/00,“杜邦LuxPrint电致发光油墨的加工指南””Processing Guide for DuPont LuxPrint Electroluminescent Inks”)
本发明的制品可以用于各种电致发光器件和应用中,包括但不限于发光二极管(包括OLED和聚-LED)、电子纸、户外照明和车辆内部照明。此类器件可以是挠性的或刚性的。
电致发光器件包括多个层,例如,此类器件可以包括但不限于以下各层:基板、透明导电电极层、磷光体层、介电层(或“绝缘”层)和反电极,所述反电极通常(但不是必须地)至少是部分不透明的。或者,器件可以组装成使得基板与反电极相邻。
图4中显示了适合用作电致发光器件的一部分的结构的实施方式,所述结构包括作为光传输导电电极的本文所述类型的透明导电涂层。在图4中,TCC层置于基板上,然后磷光体层至于TCC层顶部,随后介电层位于磷光体层上,然后反电极置于介电层顶部。还可以将包封保护层置于反电极层上。TCC层和磷光体层之间的介电层也可以包括在此类结构中。介电层一般的功能包括平均电场、防止器件短路、防止物质扩散入磷光体层、更有效地传送施加的电场、和反射光线。
优选的用于电致发光器件的填充材料是透明导电材料。特别优选透明金属氧化物,诸如氧化铟锡(ITO)和氧化锑锡和导电聚合物诸如PEDOT、PEDOT/PSS、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯、或它们的衍生物或混合物。可以以各种形式提供这些填充材料,例如但不限于颗粒、溶液或胶凝颗粒。它们可以通过任意已知的方法诸如但不限于溅射或从溶液中沉积来施加。施加填充材料的最优选的方法,特别是在导电聚合物的情况下,是将材料包括在乳液的水相中并在单步过程中涂布TCC层和填料。或者,可以将聚合物的前体诸如单体、低聚物和聚合物嵌段包括在配制物中然后在下一步中在涂布后原位聚合。
在透明导电电极层和磷光体层之间可以存在附加的介电层。任选地,在第一透明导电电极层顶部也可以沉积或存在附加的透明导电层。此类层可以进一步提供使其下方的层变光滑的功能。器件中还可以存在用于提供机械或环境保护的附加层,特别是在器件最外层上,例如在与基板相反的器件的一侧包含包封材料的附加层。
对于电致发光器件,透明导电电极层的表面电阻通常小于400欧姆/□、优选地小于250phm/sq、更优地小于100欧姆/□。该层的光透射(“透明度”)通常大于75%。伴随本文中描述的技术,所述技术使用具有网状图案的透明导电电极,所述网状图案具有被导电图案线分离的光传输网格区,表面电阻通常小于50欧姆/□、优选地小于10phm/sq,通常还能获得≤5欧姆/□的层表面电阻。由此可以消除在透明电极上印刷银汇流条的需要。这些表面电阻值可以与ITO的表面电阻相比,所述ITO的表面电阻一般大于60欧姆/□。
在一个优选的实施方式中,TCC电极的网状图案中的光传输网格的平均尺寸与磷光体层中的磷光体颗粒的大小相似,即,网格尺寸优选地小于或等于磷光体颗粒的平均大小的约3倍,更优地小于或等于磷光体颗粒大小的两倍。这种尺寸比率对于使磷光体颗粒被电极之间产生的电场激发是有利的。在TCC网格被透明导电填充材料填充的情况下,网格尺寸的影响可能较不显著。
根据本发明制备的电致发光器件还包括介电层。该层可以由商业丝网印刷厚膜糊料诸如杜邦公司(Dupont)的Luxprint 8153形成。合适的电介质可以包括但不限于钛酸钡、锆钛酸铅或铌酸铅。
EL器件的磷光体层包括磷光体颗粒,该磷光体颗粒在具备高强度交变电场时是发光的并且具有白色、绿色-蓝色、黄色-绿色或其它颜色。此类颗粒由供应商和生产商提供,诸如但不限于杜邦(DuPont)、艾奇逊(Acheson)、东芝(Toshiba)或西尔维尼亚(Sylvania)。它们可以由许多原料诸如锌、钙、镁、铝、硅、或各种稀土金属或过渡金属化合物或其组合的氧化物、硫化物、硒化物、卤化物或硅酸盐制成。这些材料可以包括但不限于金属氧化物、金属卤化物、金属硫属化物、或它们的组合,诸如金属氧代-卤化物、金属硅酸盐、金属硼酸盐、金属磷酸盐、金属铝酸盐和金属硫化物。可以从相同的清单中选择活化剂并将其加入基质材料以便延长发光时间。或者,可以使用猝灭材料诸如镍来熄灭余辉并缩短衰变时间。磷光体材料的具体例子包括但不限于硫化锌、硫化锌银、硫化钙、铕活化的钇氧化物-硫化物、铝酸锶。磷光体颗粒可以被包封起来以防止受环境因素诸如湿气影响,或者它们可以是非包封的。磷光体颗粒通常具有约0.05微米至约50微米的平均标称尺寸、优选地具有约10微米至约40微米的平均标称尺寸。也可以代替或结合上述磷光体颗粒类型,使用其它发光材料诸如发光聚合物。磷光体颗粒和发光材料包括薄膜发光材料和发光聚合物,如US7361413(该文献通过引用结合于此)中所述的那些,也可以用于本发明的磷光体层。
通常,电场与施加的电压成正比并且与电极分隔距离成反比。因此,通过提高电压或最大程度减小电极之间的总层厚可以增加亮度。
EL器件的第二电极通常是不透明的或部分不透明的。它可以完全覆盖或部分覆盖层区域。第二电极可以通过用任意已知的方法使导电油墨沉积来形成,所述任意已知的方法诸如但不限于喷墨打印、丝网印刷、溅射或涂布。所述油墨可以包括导电碳或银或它们的组合。丝网印刷的银汇流条是本领域中已知的,通常与碳涂料结合用于第二电极。在一个优选的实施方式中,导电油墨包括纳米银颗粒,例如西马纳米技术(Cima Nanotech)市售IJ242-54油墨。
在EL器件中可以提供包封层以便防止湿气或气体进入或出于安全或绝缘的目的。挠性器件的透明侧上的包封层可以由诸如但不限于阻挡膜或聚合材料的材料构成。这些材料以及玻璃和其它坚硬的透明隔离材料可以用于为非挠性的器件提供阻挡层。对于器件的非透明侧,所述材料可以是任意合适的隔离材料。包封层可以包括UV-可固化的成分诸如UV-活化的低聚物、单体和光引发剂。
而且,电致发光器件需要电源。电源可以是直流电的(DC)或交流电的(AC)。优选所述电源是30-200V、50-1000Hz的AC,例如80-120V和400Hz的AC电压源或标准110V 60Hz电源。
用于本文中所述任意器件的复合器件可以是挠性的或刚的,并且可以在可测量的性质方面表征,所述可测量的性质诸如但不限于照亮面积(例如面积、形状、覆盖百分率)、亮度(或“发光度”或“明亮度”,通常测量单位为英尺朗伯fL或每平方米的坎德拉cd/m2)、照度、作为时间函数的亮度、电流、电容、功率消耗、效率(例如以流明/瓦特表示)、层粘附力、功率消耗、生热、振动和抗冲击性。亮度性质通常相对对照样,例如ITO对照样进行测量。
本发明的一个具体特征是可以生产面积大于60cm2、甚至大于1m2、大于2m2的较大的EL器件,具体地归功于所述电极材料的低表面电阻。而且,使用本发明的透明导电电极,无需不同的汇流条也能在该尺寸的器件的宽度和长度上获得大致相同的亮度。
出于提供电致发光器件的电极的目的进行的透明导电涂层的沉积包括以下步骤:选择配制物的组分、混合所选分散组分、由所述分散体制备乳液、将所得配制物涂布在所选的基板上达到所需的湿厚度,然后干燥所述涂料以除去溶剂。
组分的混合可以通过任意已知的方法来完成,诸如但不限于机械搅拌、球磨混合、均化器或超声混合设备。对每种配制物,可优化混合顺序、时间和温度。
可以在制备后、储存期间、涂布之前和涂布过程中测试TCC配制物并表征各种性质。此类测试可以包括但不限于粒径分布、粘度、金属负载、表面张力、稳定性和沉淀。该方法还可以包括储存涂料中间体或最终配制物直到使用它们和在沉积前加热并/或混合。优选分散体和乳液的平均粒径在使用前的储存过程中保持稳定。
所述乳液可以通过分批涂布或连续涂布设备和方法直接涂布到所选的基板上。将被涂布的基板可以如上所述进行预处理。
本发明的涂布和设备组装阶段可以通过分批或连续方法、以小实验室规模或更大的工业规模(包括卷到卷工艺)来进行。涂料的沉积可以通过本领域中已知的任意印刷或涂布技术来实施,所述任意已知技术诸如但不限于喷墨打印、丝网印刷和棒刮涂。通过涂布进行的沉积可以通过接触或非接触涂布来实现,诸如使用手动涂布机、浸涂机、旋涂机、喷涂机、刮条涂布机、逗号式涂布机、模头涂布机、狭缝模头涂布机、凹版涂布机、辊涂机、反转辊式涂布机、刮刀式涂布机、刮板式涂布机、棒式涂布机、挤涂机、幕涂机、或任意其它涂布或测量设备。涂布可以包括单程或多程工序。湿涂层厚度优选地小于100微米、更优地小于60微米。
在本发明的一个实施方式中,涂布过程包括使含有透明导电材料诸如导电聚合物或金属氧化物的单层电极沉积在光传输网格区内。在一个优选的实施方式中,在单步单罐式过程中使得用于涂布的材料全部沉积,以便提供在光传输网格区内包括透明导电材料的透明导电层。
在用TCC涂料配制物涂布基板或底层后,通过蒸发例如通过在室内条件下干燥或通过热处理除去溶剂。如果在配制物中使用UV-固化组分,那么,随后使已涂布的配制物曝露于UV灯下以进行聚合、固化和/或固定。
然后,可通过例如热、激光、微波、紫外线或化学接触步骤或它们的组合进一步实施用于固化、烧结、图案化、粘附或其它性质改善的涂布后处理步骤。还可以实施涂布后洗涤步骤,例如用水和/或其它化学洗涤溶液诸如但不限于酸性溶液、丙酮或其它有机溶剂进行洗涤的步骤。还可以使用诸如电镀技术减小TCC层的表面电阻。
涂层的后处理可以通过分批过程设备或连续涂布设备、以小实验室规模或更大的工业规模(包括卷到卷工艺)来进行。
TCC配制物沉积在预定EL器件的基板或另一个适当的层上后,可以就各种可测量的性质表征所得透明电极层,所述可测量的性质包括但不限于干膜厚度、表面上的均一性、表面电阻、体积电阻率、表面能、粘附力、平均网格尺寸、网格尺寸分布、线高、线厚、透光率、雾度、耐候性、拉伸、挠性、承受扭转的能力、弯曲、疲劳度和抗刮、抗磨损、抗轧、抗压或抗其它机械作用的性质。
器件的附加层或特征,包括诸如磷光体层、介电层或反电极之类的层可以通过各种技术进行沉积。这些技术包括但不限于通过上述任意方法进行印刷或涂布、或溅射、从溶液沉积、气相沉积、平版印刷、蚀刻、溶解、真空升华、真空蒸发沉积、离子轰击、电镀、化学镀、激光图案化、激光消融或上述技术的组合。这些方法可以包括给定材料的单次或多次操作。附加层或附加特征可以通过分批过程设备或连续涂布设备、以小实验室规模或更大的工业规模(包括卷到卷工艺)来施加。一般,当施加层时,要避免诸如针孔之类的缺陷。
实施例
我们将通过以下非限制性实施例进一步说明本发明。所报道的实施例1-5的电致发光器件的亮度值是相对80欧姆/□ITO对照样品的百分率(位于PET上得ITO,Cat.# TMOx-80-ST504-7,SKC,韩国)。
比较实施例1:无填充材料的EL器件(41微米网格尺寸)
根据US2005/0215689中所述的方法制备具有以下配方的透明导电涂层。
  材料   重量百分率
  Byk 410   0.24
  Span 60   0.14
  苯胺   0.08
  聚氰胺树脂(Cymel)303   0.07
  K-flex XM307   0.21
  Nacure2501   0.25
  环己酮   4.32
  甲苯   63.00
  P204   3.43
  水相(0.02%Byk-384水溶液)   28.27
  总计   100%
基板是光学级PET基板(Skyrol SH34,SKC,韩国)。组装挠性的EL器件,使得磷光体层(E80-01 EL糊料,Mobichem,以色列)位于膜的TCC涂层侧的顶部,随后是介电层(D80-01电介质糊剂,Mobichem,以色列)和反电极(EL 16,Acheson)。所得EL器件由图4示意性地表示,不同之处是TCC层不包括填充材料。
当与100V AC 400Hz电源连接时,器件被照亮,如图5中所示。以下表1中给出TCC涂膜的性质和所选的所得EL器件的性质。TCC电极层的平均网格尺寸是41μm,相对于ITO对照样的器件的亮度是41.3%。
比较实施例2:无填充材料的EL器件(202微米网格尺寸)
根据US2005/0215689中所述的方法制备具有以下配方的透明导电涂层。
  材料   重量百分率
  Byk 410   0.28
  Span 60   0.16
  苯胺   0.09
  聚氰胺树脂(Cymel)303   0.08
  K-flex XM307   0.24
  Nacure 2501   0.29
  环己酮   5.04
  甲苯   56.84
  P204   4.00
  水相(0.02%Byk-384水溶液)   32.98
  总计   100%
基板是得自托拉伊工业(Toray Industries)的光学级PET膜(Toray LumirrorU46),其涂布了由0.28重量%聚[二甲基硅氧烷-共-[3-(2-(2-羟乙氧基)乙氧基)丙基]甲基硅氧烷](Aldrich目录号480320)和0.60重量%Synperonic NP30(Fluka目录号86209)的丙酮溶液组成的底涂层。通过手动震摇混合材料。沿基板材料的8.5”×11”样品的一边沉积约3ml材料,并使用绕线棒沿膜下拉沉积的材料以便产生标称12微米厚(湿)涂料。在室温和房间湿度条件下使样品干燥约1分钟。TCC层的平均网格尺寸是202μm。该部分用于组装与实施例1具有相同总体结构的EL器件,亮度是(相对ITO对照样)20.3%。该亮度明显小于实施例1中器件的亮度。实施例1的较小的平均网格尺寸大约与磷光体颗粒的大小相同,然而,该实施例的较大的网格尺寸大于或等于平均磷光体尺寸的4倍。
实施例3:具有ATO填充材料的EL器件
实施例2中使用的TCC涂层和基板用于组装另一种挠性的EL器件,其中,ATO糊剂(AT 80-01清洁导电糊料(Clear conductive paste),Mobichem,以色列)被涂布在TCC涂层上,湿厚度达到25-30μm。由此,用ATO填充光传输网格。干燥后,放置磷光体层,随后是介电层和反电极。所得EL器件由图4示意性地表示。
当与100V AC 400Hz电源连接时,器件被照亮,如图6中所示。以下表1实施例3部分给出TCC涂膜的性质和所选的所得EL器件的性质。TCC电极层的平均网格尺寸是202μm,相对ITO对照样的器件的亮度是71.7%。该亮度值相对实施例1和实施例2的样品是一种改善。
实施例4:具有ATO填充材料的EL器件(204微米网格尺寸)
在光学级PET基板上制备具有与实施例2中相同配方的透明导电涂层材料,所述PET基板首先如实施例2中所述地用底涂层进行处理。用该涂膜组装挠性的EL器件,在膜的TCC涂层侧的顶部涂布ATO溶液,使湿厚度达到15-17μm。ATO材料至少部分填充TCC图案的光传输网格区。干燥后,放置磷光体层,随后是介电层和反电极。所得EL器件也由图4示意性地表示。
当与100V AC 400Hz电源连接时,器件被照亮,如图7中所示。以下表1实施例4部分给出TCC涂膜的性质和所选的所得EL器件的性质。TCC电极层的平均网格尺寸是204μm,相对ITO对照样的器件的亮度是87.7%。该亮度值相对实施例1、2和3的样品是一种改进。
实施例5:具有PEDOT:PSS填充材料的EL器件(56微米网格尺寸)
  材料   重量百分率
  Byk 410   0.15
  Disperyk 106   0.06
  Span 60   0.18
  十二烷基硫酸钠   0.02
  苯胺   0.10
  2-氨基-1-丁醇   0.15
  聚氰胺树脂(Cymel)1168   0.20
  K-flex 148   0.13
  Nacure 2501   0.20
  甲基环己烷   8.7
  甲苯   52.0
  环己酮   3.9
  水   16.1
  Baytron-P(PEDOT:PSS溶液)   16.1
  银纳米粉末(Cima NanoTech P204)   2.1
  总计   100%
在单个步骤中制备以下乳液配制物(水、十二烷基硫酸钠和Baytron组分位于水相中)并涂布在PET基板(Skyrol SH34、SKC、韩国)上以便形成TCC电极层,其中,光传输网格区含有PEDOT:PSS导电聚合物。然后,组装挠性EL器件,在TCC涂层的顶部安排磷光体层,随后是介电层和反电极。所得EL器件由图4示意性地表示。
当与100V AC 400Hz电源连接时,器件被照亮,如图9中所示。以下表1实施例5部分给出TCC涂膜的性质和所选的所得EL器件的性质。该实施例的TCC电极层的平均网格尺寸是56μm,器件的亮度是62.6%,相是对实施例1和2的改进。
表1:实施例1-5的TCC层和EL器件的性质。
Figure BPA00001204948500191
*所报道的亮度水平是相对于80欧姆/□ITO对照样品(Cat.#TMOx-80-ST504-7,SKC,韩国)。ND=未测定
实施例6(转移TCC涂层)
根据以下方法在一个基板上制备透明导电涂层,用绝缘的/粘合性材料填充所述涂层,并转移至另一个基板上,露出基本上平坦的表面。
使用4密耳厚的聚对苯二甲酸乙二酯(Toray Lumirror U46)的基板。
在基板上沉积底涂层。所述底涂料由0.28重量%聚[二甲基硅氧烷-共-[3-(2-(2-羟乙氧基)乙氧基)丙基]甲基硅氧烷](Aldrich目录号480320)和0.60重量%Synperonic NP30(Fluka目录号86209)的丙酮溶液组成。通过手动震摇混合材料。沿基板材料的8.5”×11”样品的一边沉积约3ml材料,并使用绕线棒沿膜下拉沉积的材料以便产生标称12微米厚(湿)涂料。在室温和房间湿度条件下使样品干燥约1分钟。
通过使用超声分散系统彻底混合以下材料来制备乳液。
 组分   %
 Byk 410   0.282%
 Span 60   0.161%
 环己酮   5.073%
 苯胺   0.093%
 甲苯   57.167%
 银纳米颗粒(Cima Nano Tech P204)   4.025%
 水相   33.199%
 总计   100%
上表中的水相体系本身由0.02重量% BYK 348的水溶液组成。
沿基板材料的8.5”×11”样品的一边沉积约3ml材料,所述基板已如上所述涂布底涂料,并使用绕线棒沿膜下拉沉积的材料以便产生标称30微米厚(湿)涂料。在室温和房间湿度条件下使样品干燥约90秒。随后将其放置于150℃的烤箱中,时间2分钟。
在此阶段,PET基板上的透明导电膜形成。随后的步骤实现膜的填充和转移。
使用Mayer棒#10将LUV04的溶液(Today′s Suntech,Taiwan)(由丙烯酸单类体和光引发剂组成的32.17%的固体的乙酸乙酯溶液,用于在PET上制备硬涂层)施涂到U46第二基板上。在实验室通风橱中干燥来自该涂层的溶剂,之后,在150℃加热该涂布的基板30秒。
使用Prolam Photo 6辊式层压机将LUV04涂布的基板和透明导电网基板叠合在一起。层压条件是:130℃,层压机速度6。层压的样品随后在254nm波长的UV灯下固化5分钟。UV固化后,用手手动剥离膜。透明导电涂层被转移至LUV04涂布的基板上,图案的网格中填充了粘合性材料。将该转移的膜再次置于UV灯下,时间为5分钟,以便完成LUV04组分的聚合。然后,将样品浸没在1M的HCl溶液中1-2分钟,用去离子水洗涤并在150℃干燥2分钟。被转移的样品的表面电阻为4-10Ω/D。所有样品在胶带试验以及用钢笔刮划后,电阻都没有显示出变化。
具有的图9中显示了被转移至不同基板上的透明导电材料的扫描电子显微照片,该透明导电材料具有用粘合剂组成的填料。

Claims (30)

1.一种包括基板和所述基板上透明导电层的制品,
其中,所述透明导电层包含导电迹线的网状图案的制品,所述导电迹线由至少部分结合的纳米颗粒形成,所述迹线限定了透光的任意形状的网格,
其中,用透明填充材料至少部分地填充至少一部分所述网格,和
其中,所述透明导电层的表面粗糙度≤5微米。
2.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料是导电性的。
3.如权利要求2所述的制品,其特征在于,所述填充材料的电阻为102-108欧姆/□。
4.如权利要求2所述的制品,其特征在于,所述填充材料包含金属氧化物。
5.如权利要求4所述的制品,其特征在于,所述金属氧化物是氧化铟锡或氧化锑锡。
6.如权利要求2所述的制品,其特征在于,所述填充材料包含导电聚合物。
7.如权利要求6所述的制品,其特征在于,所述导电聚合物包括PEDOT、PEDOT:PSS、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯、或者它们的衍生物或混合物。
8.如权利要求2所述的制品,其特征在于,所述填充材料包含碳纳米管、或者金属纳米颗粒或纳米线的低密度基质或阵列。
9.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料是非导电性的或半导电性的。
10.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料是高介电常数材料。
11.如权利要求9所述的制品,其特征在于,所述填充材料包含减反射性材料。
12.如权利要求11所述的制品,其特征在于,所述减反射性材料包括玻璃料、硝酸硅、一氧化硅、二氧化钛或氧化锌。
13.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料是粘合剂。
14.如权利要求13所述的制品,其特征在于,所述粘合剂包括环氧树脂或UV可固化的丙烯酸酯。
15.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料是耐磨损性的、抗刮性的、防潮性的、或它们的任意组合。
16.如权利要求1所述的制品,其特征在于,还包括至少一个覆盖制品的一个表面的基板层。
17.如权利要求16所述的制品,其特征在于,所述制品是挠性的。
18.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料完全填充所述网格并延伸至所述网格上方。
19.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述填充材料填充网格的程度低于或等于网格的顶部。
20.一种电致发光器件,其包含权利要求1所述的制品、磷光体层、介电层和反电极。
21.一种形成制品的方法,包括:
a.将包含含有导电纳米颗粒的连续相的液体乳液施涂在第一基板表面;
b.干燥所述乳液,由此形成包含迹线的网状图案的透明导电涂层,所述迹线由至少部分结合的纳米颗粒形成并限定了任意形状的透光的网格,其中,至少一部分所述网格被填充材料填充;
c.施加透明填充材料以至少部分地填充所述涂层的至少一部分网格。
22.如权利要求21所述的方法,其特征在于,所述填充材料是粘合剂。
23.如权利要求22所述的方法,其特征在于,它还包括将第二基板粘合到制品的与接触粘合剂的第一基板相反的一侧。
24.如权利要求23所述的方法,其特征在于,它还包括从制品上移去所述第一基板的步骤。
25.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述透明导电层的表面粗糙度≤2.5微米。
26.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述透明导电层的表面粗糙度≤0.5微米。
27.如权利要求1所述的制品,其特征在于,所述透明导电层的表面粗糙度≤0.15微米。
28.如权利要求21所述的方法,其特征在于,所述透明填充材料是粘合剂,所述方法包括:
i.提供其表面用所述粘合剂涂覆的第二基板;
ii.使第二基板的用粘合剂涂覆的表面与透明导电涂层接触,形成层压物,和
iii.去除第一基板,用粘合剂至少部分填充所述透明涂层的至少一部分网格。
29.如权利要求21所述的方法,其特征在于,所述填充材料是导电性的。
30.如权利要求21所述的方法,其特征在于,所述填充材料是耐磨损性的、抗刮性的、防潮性的、或它们的任意组合。
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