CN103365004A - 透明导电层、具有该透明导电层的cf基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种透明导电层、具有该透明导电层的CF基板及其制备方法，所述透明导电层由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□；可以代替现有的ITO透明导电层，且机械强度和柔韧性更好。具有石墨烯透明导电层的CF基板，利用石墨烯透明导电层代替ITO透明导电层应用于CF基板中，以得到穿透高、柔韧性良好的电极或静电导出层，其应用于液晶显示面板中，可以增强液晶面板的穿透率，减少背光的使用。所述具有石墨烯透明导电层的CF基板的制备方法采用CVD法将石墨烯形成在生长基板上，然后转印至CF基板本体上，工艺简单，成本较低。

Description

透明导电层、具有该透明导电层的CF基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及液晶显示领域，特别涉及一种石墨烯透明导电层、具有该透明导电层的CF基板及其制备方法。
背景技术
目前，普遍使用的透明导电材料为混合金属氧化物透明导电材料，例如氧化铟锡（ITO）、氧化铟锌（IZO）、铝掺杂氧化锌（AZO）。其中用得最多的是ITO透明导电材料，其透光率达到90%，但由于其中铟元素是稀贵金属，且ITO薄膜的生产需要高真空度及较高温度，同时获得的ITO薄膜较脆，不易制成柔性电极，限制了ITO透明导电材料的进一步发展。
近年来，研究发现，石墨烯（graphene）是一种单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的碳质新材料，石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料，其可以通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）法、微机械分离法、取向附生法等方法制备。由于石墨烯导电率可与ITO媲美，透光率可达97%，且石墨烯的机械强度和柔韧性都比ITO透明导电材料优良，故而石墨烯完全可以替代ITO制作透明导电电极或导电层；进一步的，CVD法制备石墨烯时生产成本低，不需要高温、高压，且所制得的石墨烯转印至基板上做透明电极或透明导电层的工艺已经日趋成熟，在柔性显示上相对ITO透明导电材料来说具有更广阔的发展前景。
由此可见，有必要制备一种各项参数合适的石墨烯透明导电层，代替ITO透明导电层应用于液晶显示器的CF基板中，以得到穿透高、柔韧性良好的石墨烯透明导电层电极，可以对应增强使用所述石墨烯透明导电材料的CF基板的液晶显示面板的穿透率，减少背光的使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯透明导电层，可以代替现有的混合金属氧化物透明导电层，且机械强度和柔韧性更好。
本发明的另一目的在于提供一种具有石墨烯透明导电层的CF基板，其使用石墨烯透明导电层代替ITO透明导电层应用于液晶显示器的CF基板中，以得到穿透高、柔韧性良好的石墨烯透明导电层电极或静电导出层，使其用于液晶显示面板中，可以增强液晶面板的穿透率，减少背光的使用。
本发明的又一目的在于提供一种具有石墨烯透明导电层的CF基板的制备方法，操作简单，工艺条件容易实现，所制得的具有石墨烯透明导电层的CF基板，具有穿透高、柔韧性良好的优势。
为实现上述目的，本发明提供一种透明导电层，由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。
本发明还提供一种CF基板，包括：CF基板本体、及形成于CF基板本体上的透明导电层，所述透明导电层由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。
所述CF基板本体包括玻璃基板及形成于玻璃基板上的色阻层，该色阻层包括阵列排布的数个像素单元及位于该些像素单元外围的黑色矩阵。
所述透明导电层位于所述色阻层上。
所述透明导电层与色阻层分别位于玻璃基板的两侧。
本发明还提供一种CF基板的制备方法，包括如下步骤：
步骤11、将生长基板置于化学气相沉积法反应器内，通入碳源气体和载气气体的混合气体，在900-1120℃、40Pa-5000KPa的条件下反应1-60min，在生长基板上形成石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□；
步骤12、在石墨烯薄膜上涂布转移介质层，得到转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体；
步骤13、将所述转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体浸渍于生长基板腐蚀液中，除去生长基板，得到转移介质层/石墨烯薄膜结合体；
步骤14、提供CF基板本体，所述CF基板本体包括玻璃基板及形成于玻璃基板上的色阻层；
步骤15、将所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体上，在室温下转印，得到转移介质层/石墨烯薄膜/CF基板本体结合体；
步骤16、将所述转移介质层/石墨烯薄膜/CF基板本体结合体放入转移介质层去除溶剂中清洗，除去转移介质层，在CF基板本体上形成石墨烯薄膜，即在CF基板本体上形成透明导电层。
所述步骤15中，所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体的色阻层上；所述步骤16中，透明导电层形成于所述CF基板本体的色阻层上。
所述步骤15中，所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体的玻璃基板上；所述步骤16中，透明导电层形成于所述CF基板本体的玻璃基板上。
所述碳源气体为甲烷、乙烯、或乙炔；所述载气气体为氢气或氢气与氩气的混合气体；所述生长基板为Ni、Cu或Ru制备的金属箔；所述生长基板腐蚀液为FeCl3溶液或酸溶液；所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基丙烯酰胺。
所述碳源气体为甲烷；所述载气气体为氢气；所述生长基板为Cu箔，所述铜箔的纯度≥99%；所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯；所述生长基板腐蚀液为0.1-1.5mol/LFeCl3溶液；所述转移介质层去除溶剂为丙酮酒精溶液。
本发明的有益效果：本发明的由石墨烯制成的透明导电层，导电率可与由ITO制成的透明导电层相媲美，由石墨烯制成的透明导电层的透光率可达97%，且本发明的由石墨烯制成的透明导电层的机械强度和柔韧性都比由ITO制成的透明导电层优良，更适合应用于有机发光二极管基板等柔性基板领域，且使用CVD法制备石墨烯透明导电层时，操作简单，工艺条件容易实现，故而成本更低。将所述石墨烯透明导电层应用于液晶显示领域，制得具有石墨烯透明导电层的CF基板，由于使用透光性能、机械强度和柔韧性更好的石墨烯透明导电层代替ITO透明导电层，因此该具有石墨烯透明导电层的CF基板应用于液晶显示面板中，可以增强液晶面板的穿透率，减少背光的使用；且本发明所述具有石墨烯透明导电层的CF基板的制备方法采用CVD法将石墨烯薄膜形成在生长基板上，然后转印至CF基板本体上，工艺简单，成本较低。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
附图中，
图1为本发明透明导电层的结构示意图；
图2为本发明透明导电层的制备方法流程图；
图3为本发明CF基板第一优选实施例的结构示意图；
图4为本发明CF基板第二优选实施例的结构示意图；
图5为本发明CF基板的制备方法流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
请参阅图1及图2，本发明提供一种透明导电层20，由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。该透明导电层20具有良好的导电性能和透光性能，完全可以代替现有的由氧化铟锡（ITO）制成的透明导电层应用于触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等领域，且，由石墨烯制成的透明导电层20的机械强度和柔韧性更优，更适合应用于柔性基板领域。
所述透明导电层20使用化学气相沉积法制备，操作简单，工艺条件容易实现，成本更低，具体的，请参阅图2，所述透明导电层20的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将生长基板置于化学气相沉积法反应器内，通入碳源气体和载气气体的混合气体，在900-1120℃、40Pa-5000KPa的条件下反应1-60min，在生长基板上形成石墨烯薄膜。
所述生长基板由镍（Ni）、铜（Cu）或钌（Ru）制得，优选为Ni、Cu或Ru制备的金属箔，生长基板材料不同则碳源气体和载气气体有所不同，本实施例中生长基板为Cu箔，且所述铜箔的纯度≥99%。
所述碳源气体主要为烃类，碳源决定化学气相沉积法的生长温度，本方法中碳源气体优选甲烷、乙烯、或乙炔，在本实施例中碳源气体为甲烷。
所述载气气体为氢气或氢气与氩气的混合气体，在本实施例中所述载气气体为氢气。
通过所述碳源气体在生长基板表面高温分解生长石墨烯，对于Ni等具有较高溶碳量的金属生长基板，碳源在裂解时产生的碳原子在高温时渗入金属生长基板内，在降温时再从其内部析出成核，进而生产成石墨烯薄膜；对于Cu等具有较低溶碳量的金属生长基板，高温下气态碳源裂解生产的碳原子吸附于金属表面，进而成核生长成“石墨烯岛”，并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。CVD法制备时，所形成的石墨烯薄膜质量很高，且可实现大面积生长。
步骤2，在石墨烯薄膜上涂布转移介质层，得到转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体。
所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚二甲基丙烯酰胺（PDMA）。在本实施例中所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯。
对于仅有数纳米厚度的石墨烯薄膜而言，其宏观强度低，转移过程极易破损，所述转移介质的使用，能够保证石墨烯薄膜在转移后结构完整、无破损；且对石墨烯薄膜无污染。
步骤3，将所述转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体浸渍于生长基板腐蚀液中，除去生长基板，得到转移介质层/石墨烯薄膜结合体。
生长基板腐蚀液视生长基板的不同而有所不同，通常为FeCl3溶液（腐蚀Cu生长基板等）、酸溶液（腐蚀Ni生长基板等）等；在本实施例中所述生长基板腐蚀液为0.1-1.5mol/L的FeCl3溶液；其能够腐蚀铜箔，实现石墨烯薄膜与生长基板的分离。
步骤4，将所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于基片上，在室温下转印，得到转移介质层/石墨烯薄膜/基片结合体。
所述基片可以是待设置导电电极或导电层的CF基板本体、玻璃基板、塑料基板等；其可根据需要进行选择。
步骤5，将所述转移介质层/石墨烯薄膜/基片结合体放入转移介质层去除溶剂中清洗，除去转移介质层，即在基片上得到透明导电层20。
所述转移介质层去除溶剂为能够除去转移介质层且不伤害和污染石墨烯薄膜的溶剂，其可根据石墨烯和转移介质层自身材料的性质进行合理选择。由于丙酮酒精溶液能够有效清除聚甲基丙烯酸甲酯，且不会对石墨烯薄膜造成伤害和污染，故而本实施例中所述转移介质层去除溶剂为丙酮酒精溶液。
请参阅图3，将所述透明导电层20应用于液晶显示面板的CF基板中，作为电极，得到本发明使用石墨烯透明导电材料的CF基板第一优选实施例，其具体包括：CF基板本体40、及形成于CF基板本体40上的透明导电层20，所述透明导电层20由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。
所述CF基板本体40包括玻璃基板42及形成于玻璃基板42上的色阻层44，所述玻璃基板42为高纯无碱玻璃，该色阻层44包括阵列排布的数个像素单元及位于该些像素单元外围的黑色矩阵。
在本实施例中，所述透明导电层20形成于所述色阻层44上，作为液晶显示面板的公共电极，与TFT基板（未图示）上的像素电极（未图示）形成电场以驱动液晶分子转动。此时所述CF基板通常为高清显示模式中的CF基板；然而也不仅仅局限于此，其还可以是需要设置透明导电电极的其它显示模式中的CF基板。
请参阅图4，为本发明CF基板第二优选实施例的结构示意图，在本实施例中，所述透明导电层20与色阻层44分别形成于玻璃基板42的两侧，所述透明导电层20作为静电导出层，以将液晶显示面板中的静电导出，延长液晶显示面板的使用寿命。且，使用ITO层作为静电导出层时需要在ITO表面贴一层保护膜来保护该ITO静电导出层，而本发明中的使用石墨烯透明导电层20制得的静电导出层则不需要贴保护层，降低生产成本。
当透明导电层20作为静电导出层时，所述CF基板通常为平面转换（In-Plane Switching，IPS）显示模式中的CF基板、或边界电场切换（Fringe FieldSwitching，FFS）显示模式中的CF基板。然而也不仅仅局限于这两种显示模式中的CF基板，也可以是需要贴附静电导出层的其它显示模式中的CF基板。
请参阅图5，本发明还提供一种CF基板的制备方法，包括以下步骤：
步骤11、将生长基板置于化学气相沉积法反应器内，通入碳源气体和载气气体的混合气体，在900-1120℃、40Pa-5000KPa的条件下反应1-60min，在生长基板上形成石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。
所述生长基板由镍（Ni）、铜（Cu）或钌（Ru）制得，优选为Ni、Cu或Ru制备的金属箔，生长基板材料不同则碳源气体和载气气体有所不同，本实施例中生长基板为Cu箔，且所述铜箔的纯度≥99%。
所述碳源气体主要为烃类，碳源决定化学气相沉积法的生长温度，本方法中碳源气体优选甲烷、乙烯、或乙炔，在本实施例中碳源气体为甲烷。
所述载气气体为氢气或氢气与氩气的混合气体，在本实施例中所述载气气体为氢气。
通过所述碳源气体在生长基板表面高温分解生长石墨烯，对于Ni等具有较高溶碳量的金属生长基板，碳源在裂解时产生的碳原子在高温时渗入金属生长基板内，在降温时再从其内部析出成核，进而生产成石墨烯薄膜；对于Cu等具有较低溶碳量的金属生长基板，高温下气态碳源裂解生产的碳原子吸附于金属表面，进而成核生长成“石墨烯岛”，并通过“石墨烯岛”的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。CVD法制备时，所形成的石墨烯薄膜质量很高，且可实现大面积生长。
步骤12、在石墨烯薄膜上涂布转移介质层，得到转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体。
所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基丙烯酰胺。在本实施例中所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯。
对于仅有数纳米厚度的石墨烯薄膜而言，其宏观强度低，转移过程极易破损，所述转移介质的使用，能够保证石墨烯薄膜在转移后结构完整、无破损；且对石墨烯薄膜无污染。
步骤13、将所述转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体浸渍于生长基板腐蚀液中，除去生长基板，得到转移介质层/石墨烯薄膜结合体。
生长基板腐蚀液视生长基板的不同而有所不同，通常为FeCl3溶液（腐蚀Cu生长基板等）、酸溶液（腐蚀Ni生长基板等）等；在本实施例中所述生长基板腐蚀液为0.1-1.5mol/L的FeCl3溶液；其能够腐蚀铜箔，实现石墨烯薄膜与生长基板的分离。
步骤14、提供CF基板本体40，所述CF基板本体40包括玻璃基板42及形成于玻璃基板42上的色阻层44。
具体地，通过清洗、涂布、前烘烤、曝光、显影、后烘烤等黄光制程将色阻层44形成于玻璃基板一面，所述色阻层44包括阵列排布的数个像素单元及位于该些像素单元外围的黑色矩阵。
步骤15、将所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体40上，在在室温下转印，得到转移介质层/石墨烯薄膜/CF基板本体结合体。
具体地，根据所述CF基板本体42的具体需求（视所制得的CF基板应用的显示模式而定），可将所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体40的色阻层44上（如图3所示），作为液晶显示面板的公共电极；还可以将所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体40的玻璃基板42上（如图4所示），作为静电导出层。
步骤16、将所述转移介质层/石墨烯薄膜/CF基板本体结合体放入转移介质层去除溶剂中清洗，除去转移介质层，在CF基板本体40上形成石墨烯薄膜，即在CF基板本体40上形成透明导电层20。
所述转移介质层去除溶剂为能够除去转移介质层且不伤害和污染石墨烯薄膜的溶剂，其可根据石墨烯和转移介质层自身材料的性质进行合理选择。由于丙酮酒精溶液能够有效清除聚甲基丙烯酸甲酯，且不会对石墨烯薄膜造成伤害和污染，故而本实施例中所述转移介质层去除溶剂为丙酮酒精溶液。
具体地，根据步骤15的具体操作方式，所述透明导电层20形成于所述色阻层44上，则作为液晶显示面板的公共电极，与TFT基板（未图示）上的像素电极（未图示）形成电场以驱动液晶分子转动；此时所述CF基板通常为高清显示模式中的CF基板；然而也不仅仅局限于此，其还可以是需要设置透明导电电极的其它显示模式中的CF基板。
若透明导电层20与色组层44分别形成于玻璃基板42的两侧，则所述透明导电层20作为静电导出层，以将液晶显示面板中的静电导出，延长液晶显示面板的使用寿命。且，使用ITO层作为静电导出层时需要在ITO表面贴一层保护膜来保护该ITO静电导出层，而本发明中的使用石墨烯透明导电层20制得的静电导出层则不需要贴保护层，降低生产成本。当透明导电层20作为静电导出层时，所述CF基板通常为平面转换（In-Plane Switching，IPS）显示模式中的CF基板、或边界电场切换（Fringe Field Switching，FFS）显示模式中的CF基板。然而也不仅仅局限于这两种显示模式中的CF基板，也可以是需要贴附静电导出层的其它显示模式中的CF基板。
综上所述，本发明的由石墨烯制成的透明导电层，导电率可与由ITO制成的透明导电层相媲美，由石墨烯制成的透明导电层的透光率可达97%，且本发明的由石墨烯制成的透明导电层的机械强度和柔韧性都比由ITO制成的透明导电层优良，更适合应用于有机发光二极管基板等柔性基板领域，且使用CVD法制备石墨烯透明导电层时，操作简单，工艺条件容易实现，故而成本更低。将所述石墨烯透明导电层应用于液晶显示领域，制得具有石墨烯透明导电层的CF基板，由于使用透光性能、机械强度和柔韧性更好的石墨烯透明导电层代替ITO透明导电层，因此该具有石墨烯透明导电层的CF基板应用于液晶显示面板中，可以增强液晶面板的穿透率，减少背光的使用；且本发明所述具有石墨烯透明导电层的CF基板的制备方法采用CVD法将石墨烯薄膜形成在生长基板上，然后转印至CF基板本体上，工艺简单，成本较低。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种透明导电层，其特征在于，由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。
2.一种CF基板，其特征在于，包括：CF基板本体（40）、及形成于CF基板本体（40）上的透明导电层（20），所述透明导电层（20）由石墨烯透明导电材料制成，呈薄膜状，其厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□。
3.如权利要求2所述的CF基板，其特征在于，所述CF基板本体（40）包括玻璃基板（42）及形成于玻璃基板（42）上的色阻层（44），该色阻层（44）包括阵列排布的数个像素单元及位于该些像素单元外围的黑色矩阵。
4.如权利要求3所述的CF基板，其特征在于，所述透明导电层（20）位于所述色阻层（44）上。
5.如权利要求3所述的CF基板，其特征在于，所述透明导电层（20）与色阻层（44）分别位于玻璃基板（42）的两侧。
6.一种CF基板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤11、将生长基板置于化学气相沉积法反应器内，通入碳源气体和载气气体的混合气体，在900-1120℃、40Pa-5000KPa的条件下反应1-60min，在生长基板上形成石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜厚度为0.36nm-10nm，可见光区穿透率为80-97%，面电阻为30-500Ω/□；
步骤12、在石墨烯薄膜上涂布转移介质层，得到转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体；
步骤13、将所述转移介质层/石墨烯薄膜/生长基板结合体浸渍于生长基板腐蚀液中，除去生长基板，得到转移介质层/石墨烯薄膜结合体；
步骤14、提供CF基板本体（40），所述CF基板本体（40）包括玻璃基板（42）及形成于玻璃基板（42）上的色阻层（44）；
步骤15、将所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体（40）上，在室温下转印，得到转移介质层/石墨烯薄膜/CF基板本体结合体；
步骤16、将所述转移介质层/石墨烯薄膜/CF基板本体结合体放入转移介质层去除溶剂中清洗，除去转移介质层，在CF基板本体（40）上形成石墨烯薄膜，即在CF基板本体（40）上形成透明导电层。
7.如权利要求6所述的CF基板的制备方法，其特征在于，所述步骤15中，所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体（40）的色阻层（44）上；所述步骤16中，透明导电层（20）形成于所述CF基板本体（40）的色阻层（44）上。
8.如权利要求6所述的CF基板的制备方法，其特征在于，所述步骤15中，所述转移介质层/石墨烯薄膜结合体置于CF基板本体（40）的玻璃基板（42）上；所述步骤16中，透明导电层（20）形成于所述CF基板本体（40）的玻璃基板（42）上。
9.如权利要求6所述的CF基板的制备方法，其特征在于，所述碳源气体为甲烷、乙烯、或乙炔；所述载气气体为氢气或氢气与氩气的混合气体；所述生长基板为Ni、Cu或Ru制备的金属箔；所述生长基板腐蚀液为FeCl3溶液或酸溶液；所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基丙烯酰胺。
10.如权利要求9所述的CF基板的制备方法，其特征在于，所述碳源气体为甲烷；所述载气气体为氢气；所述生长基板为Cu箔，所述铜箔的纯度≥99%；所述转移介质层为聚甲基丙烯酸甲酯；所述生长基板腐蚀液为0.1-1.5mol/LFeCl3溶液；所述转移介质层去除溶剂为丙酮酒精溶液。
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