DE102011013654A1

DE102011013654A1 - Leitende Polymerzusammensetzung und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102011013654A1
Application number: DE102011013654.1A
Authority: DE
Inventors: Yong Hyun Jin; Youn Soo Kim; Ji Soo Lee
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2014-02-06
Also published as: KR20120089107A; US20120193584A1; JP2012158736A

Abstract

Es wird hier eine leitende Polymerzusammensetzung offenbart, die Folgendes enthält: ein mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotiertes leitendes Polymer und ein Lösungsmittel. Die leitende Polymerzusammensetzung ist vorteilhaft, weil PCS (Polyzellulosesulfonat) als Dotierstoff verwendet wird, die Vernetzungsdichte eines leitenden Polymers steigt, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Stabilität der leitenden Polymerzusammensetzung verbessert werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der am 1. Februar 2011 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2011-0010271 mit dem Titel „Conductive polymer composition and manufacturing method thereof” [Leitende Polymerzusammensetzung und Herstellungsverfahren dafür], die hierdurch unter Bezugnahme in ihrer Gänze in diese Anmeldung aufgenommen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leitende Polymerzusammensetzung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Die Entwicklung von Hilfscomputereinrichtungen hat zusammen mit dem Fortschritt von Computern stattgefunden, die Digitaltechnologie verwenden. PCs, tragbare Sender und andere persönliche Informationsverarbeitungsvorrichtungen führen die Verarbeitung von Text und Grafiken unter Verwendung von Eingabeeinrichtungen wie etwa Tastaturen, Mäusen und dergleichen aus.
Da Computer jedoch allmählich für verschiedene Zwecke verwendet werden, während die Informationsgesellschaft schnelle Fortschritte macht, gibt es ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, Computer über Tastaturen und Mäuse als die Eingabeeinrichtungen effizient zu bedienen. Deshalb existiert eine zunehmende Nachfrage an der Entwicklung einer Eingabeeinrichtung, die eine einfache Struktur besitzt und keine fehlerhaften Operationen verursacht und die von Benutzern zum leichten Eingeben von Informationen und Daten verwendet werden kann.
Weiterhin müssen Eingabeeinrichtungen zusätzlich zur allgemeinen Funktionalität hohe Zuverlässigkeit, hohe Dauerhaftigkeit, hohe Innovativität und hohe Bearbeitbarkeit aufweisen. Um diese Zwecke zu bewerkstelligen, wurde als eine Eingabeeinrichtung ein Touchpanel entwickelt, das Informationen wie etwa Text, Grafiken und dergleichen eingeben kann.
Das Touchpanel ist an Bilddisplayvorrichtungen wie etwa Flachbildschirmen, einschließlich elektronischen Notebooks, Flüssigkristalldisplays (LCDs), Plasmabildschirmen (PDPs), Elektrolumineszenzschirmen usw., und Katodenstrahlröhren (CRTs) angebracht und wird dazu verwendet, Benutzer in die Lage zu versetzen, gewünschte Informationen auszuwählen, während sie eine Bilddisplayvorrichtung betrachten.
Touchpanels werden in resistive Touchpanels, kapazitive Touchpanels, elektromagnetische Touchpanels, Touchpanels vom AOW-Typ (akustische Oberflächenwellen) und Infrarot-Touchpanels klassifiziert. Diese verschiedenan Arten von Touchpanels werden in Elektronikprodukten unter Berücksichtigung des Problems der Signalverstärkung, den Auflösungsunterschieden, der Schwierigkeit beim Design und Bearbeitungstechniken, von optischen Charakteristika, elektrischen Charakteristika, mechanischen Charakteristika, Umweltbeständigkeitscharakteristika, Eingabecharakteristika, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit verwendet. Unter diesen Touchpanels sind resistive Touchpanels derzeitig die am breitesten verwendeten.
Resistive Touchpanels sind derart konfiguriert, dass eine obere und untere transparente Elektrode durch einen Abstandhalter voneinander beabstandet sind und durch Drücken in Kontakt miteinander gebracht werden. Wenn ein mit einer oberen transparenten Elektrode versehener oberer leitender Film durch ein Eingabemittel wie etwa einen Finger, einen Stift oder dergleichen gedrückt wird, kommunizieren die obere und untere transparente Elektrode elektronisch miteinander, und die der Widerstandsänderung zuzuschreibende Spannungsänderung an diesem Punkt wird von einer Steuereinheit erkannt, wodurch Kontaktkoordinaten erkannt werden. Zu resistiven Touchpanels zählen digitale resistive Touchpanels und analoge resistive Touchpanels.
Kapazitive Touchpanels sind so konfiguriert, dass ein mit einer ersten transparenten Elektrode ausgestatteter oberer leitender Film und ein mit einer zweiten transparenten Elektrode ausgestatteter unterer leitender Film voneinander beabstandet sind und ein Isolator zwischen dem oberen leitenden Film und dem unteren leitenden Film angeordnet ist, damit die erste transparente Elektrode und die zweite transparente Elektrode nicht miteinander in Kontakt kommen können.
Weiterhin ist jeder des oberen und unteren transparenten Films mit einer Elektrodenverdrahtung ausgestattet, die mit jeder der ersten und zweiten transparenten Elektrode verbunden ist. Die Elektrodenverdrahtung dient dazu, die durch Drücken des Touchpanels unter Verwendung eines Eingabemittels induzierte Kapazitätsänderung zu einer Steuereinheit zu übertragen.
Herkömmlicherweise werden transparente Elektroden aus Indium-Zinnoxid (ITO – Indium Tin Oxide) hergestellt, doch erfolgt gegenwärtig aktive Forschung über ein leitendes Polymer als ein alternatives Material von ITO. Ein derartiges leitendes Polymer ist vorteilhaft, weil es exzellente Flexibilität aufweist und sein Beschichtungsprozess einfach ist. Wegen dieses Vorteils wird erwartet, dass ein leitendes Polymer als eine essentielle Komponente von flexiblen Displays der nächsten Generation sowie Touchpanels erhebliche Aufmerksamkeit auf sich ziehen wird.
Ein derartiges leitendes Polymer ist jedoch problematisch, weil es im Vergleich zu ITO eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit von 0,1 S/cm–100 S/cm besitzt. Weiterhin sind herkömmliche leitende Polymere problematisch, weil ihre Anordnung bei Erhitzung unregelmäßig wird, so dass sich ihre elektrische Leitfähigkeit stark ändert wodurch sich ihre Stabilität verschlechtert.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde dementsprechend erdacht, um die obenerwähnten Probleme zu lösen, und die vorliegende Erfindung soll eine leitende Polymerzusammensetzung einschließlich eines mit Polyzellulosesulfonat (PCS) dotierten leitenden Polymers und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitstellen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine leitende Polymerzusammensetzung bereit, die Folgendes enthält:
ein Lösungsmittel; und
ein mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotiertes leitendes Polymer, dargestellt durch Formel 1 unten: [Formel 1]
wobei n eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist.
Hierbei kann die leitende Polymerzusammensetzung 0,1–50 Gew.-% des mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierten leitenden Polymers und 50–99,9 Gew.-% des Lösungsmittels enthalten.
Weiterhin kann das mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierte leitende Polymer ein beliebiges sein ausgewählt unter einem polythiophenbasierten leitenden Polymer, einem polypyrrolbasierten leitenden Polymer, einem polyphenylenbasierten leitenden Polymer, einem polyanilinbasierten leitenden Polymer und einem polyacetylenbasierten leitenden Polymer.
Weiterhin kann das polythiophenbasierte leitende Polymer Polytheylendioxythiophen/Polyzellulosesulfonat (PEDOT/PCS) sein.
Weiterhin kann das Lösungsmittel ein beliebiges sein ausgewählt unter Wasser, aliphatischen Alkoholen, aliphatischen Ketonen, aliphatischen Carboxylsäureestern, aliphatischen Carboxylsäureamiden, aromatischen Kohlenwasserstoffen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Acetonitril, aliphatischen Sulfoxiden und Mischungen davon.
Weiterhin kann die leitende Polymerzusammensetzung einen sekundären Dotierstoff enthalten.
Weiterhin kann der sekundäre Dotierstoff ein beliebiges polares Lösungsmittel sein ausgewählt aus Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidon (NMP), N,N-Dimethylformamid (DMF) und N-Dimethylacetimid (DMA) und Mischungen davon.
Weiterhin kann die leitende Polymerzusammensetzung ein Bindemittel enthalten.
Weiterhin kann das Bindemittel ein beliebiges sein ausgewählt unter einem Acrylbindemittel, einem Epoxidbindemittel, einem Esterbindemittel, einem Urethanbindemittel, einem Etherbindemittel, einem Carboxylbindemittel, einem Amidbindemittel und Mischungen davon.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung bereit, das Folgendes beinhaltet: Herstellen einer leitenden Polymer-Monomer-Lösung mit einem leitenden Polymer-Monomer, PCS (Polyzellulosesulfonat) und einem Lösungsmittel; und Polymerisieren der leitenden Polymer-Monomer-Lösung.
Hierbei kann das Polymerisieren der leitenden Polymer-Monomer-Lösung durch Oxidationspolymerisation unter Verwendung eines Oxidans durchgeführt werden.
Weiterhin kann die leitende Polymer-Monomer-Lösung 0,1–50 Gew.-% des leitenden Polymer-Monomers, 0,01–10 Gew.-% des PCS (Polyzellulosesulfonat) und 40–99 Gew.-% des Lösungsmittel enthalten.
Weiterhin kann das leitende Polymer-Monomer ein beliebiges sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thiophen, Anilin, Pyrrol, Acetylen, Phenylen und Derivaten davon.
Weiterhin kann das leitende Polymer-Monomer 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) sein.
Weiterhin kann das Lösungsmittel ein beliebiges sein ausgewählt unter Wasser, aliphatischen Alkoholen, aliphatischen Ketonen, aliphatischen Carboxylsäureestern, aliphatischen Carboxylsäureamiden, aromatischen Kohlenwasserstoffen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Acetonitril, aliphatischen Sulfoxiden und Mischungen davon.
Verschiedene Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Die in der vorliegenden Spezifikation und den vorliegenden Ansprüchen verwendeten Ausdrücke und Wörter sollen nicht so ausgelegt werden, als wenn sie auf typische Bedeutungen oder Wörterbuchdefinitionen beschränkt sind, sondern sollen so ausgelegt werden, dass sie Bedeutungen und Konzepte haben, die für den technischen Schutzbereich der vorliegenden Erfindung relevant sind auf der Basis der Regel, gemäß derer ein Erfinder das Konzept des Ausdrucks entsprechend definieren kann, um das beste Verfahren zu beschreiben, das er für das Ausführen der Erfindung kennt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher verstanden werden. Es zeigen:
1 eine Ansicht, die eine Struktur von PCS (Polyzellulosesulfonat) zeigt;
2 eine Ansicht, die die Änderung der Struktur von PCS (Polyzellulosesulfonat) zeigt, wenn sich PCS in Wasser löst; und
3 eine Ansicht, die die chemische Reaktion des Polymerisierens von EDOT (leitendem Polymer-Monomer) durch Dotieren von EDOT mit PCS (Polyzellulosesulfonat) zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher verstehen. Durch die beiliegenden Zeichnungen hinweg werden die gleichen Bezugszahlen verwendet, um die gleichen oder ähnliche Komponenten zu bezeichnen, und redundante Beschreibungen davon entfallen. Weiterhin wird bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn bestimmt ist, dass die ausführliche Beschreibung des verwandten Stands der Technik den Kern der vorliegenden Erfindung verdunkeln würde, die Beschreibung davon entfallen.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die vorliegende Erfindung stellt eine leitende Polymerzusammensetzung bereit, die ein mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotiertes leitendes Polymer und ein Lösungsmittel enthält. Bei der leitenden Polymerzusammensetzung nimmt die Vernetzungsdichte eines leitenden Polymers zu, da PCS (Polyzellulosesulfonat) als Dotierstoff verwendet wird, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Stabilität der leitenden Polymerzusammensetzung verbessert wird. Im Folgenden wird die leitende Polymerzusammensetzung in Abhängigkeit von ihren Bestandteilen ausführlich beschrieben.
Zuerst besitzt ein leitendes Polymer, das ein Polymer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von einem π-Elektron pro Kohlenstoffatom ist, eine Molmasse von etwa 10.000 oder mehr. Ein leitendes Polymer ist vorteilhaft, da es leichter ist als Indium-Zinnoxid (ITO), das üblicherweise zum Herstellen von transparenten Elektroden verwendet wird, und weil es zum Ausbilden eines hochflexiblen Dünnfilms verwendet werden kann.
Ein Dotierstoff ist ein Material, das als ein Ladungsträger zum Liefern einer elektrischen Ladung an einen Teil eines π-Orbitals und Entfernen einer elektrischen Ladung davon dient. Ein Dotierstoff wird im Allgemeinen zugesetzt, um einem leitenden Polymer elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Ein Prozess des Herstellens eines Ladungsträgers durch Hinzufügen eines Dotierstoffs zu einem leitenden Polymer wird als Dotieren” bezeichnet. Konkret wird ein Prozess des Lieferns einer elektrischen Ladung an ein leitendes Polymer als „Reduktionsdotieren (Dotieren vom n-Typ)” bezeichnet, und ein Prozess zum Entfernen einer elektrischen Ladung von einem leitenden Polymer wird als „Oxidationsdotieren (Dotieren vom p-Typ)” bezeichnet.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein leitendes Polymer mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotiert, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Stabilität der leitenden Polymerzusammensetzung verbessert werden. In diesem Fall ist als ein Dotierstoff verwendetes PCS (Polyzellulosesulfonat) ein weißes oder hellgelbes Material mit einer Struktur von 1. Wenn sich PCS in Wasser löst, wie in 2 gezeigt, dissoziiert das Natriumion (Na⁺) und gleichzeitig wird das Wasserstoffion (H⁺) kovalent mit einer Sulfonatgruppe unter Bildung einer Sulfonsäuregruppe gebondet. Im Folgenden wird das Prinzip des Verbesserns der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Stabilität durch Dotieren eines leitenden Polymers mit PCS (Polyzellulosesulfonat) anhand eines Beispiels ausführlich beschrieben.
Wenn, wie in 3 gezeigt, das leitende Polymer-Monomer EDOT oxidationspolymerisiert wird, werden das Kation von PEDOT und das Sulfonatanion von PCS durch elektrische Kraft aneinander angezogen, wodurch eine lange Kette entsteht. Da in diesem Fall PCS eine Hydroxygruppe (OH^–) enthält, wird die Vernetzungsdichte von leitenden Polymerketten durch die Wasserstoffbindung zwischen PCS-Molekülen vergrößert. Deshalb nimmt der Abstand zwischen leitenden Polymeren (PEDOT) ab, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung verbessert wird. Da die Vernetzungsdichte der leitenden Polymerketten groß ist, nimmt zudem die Stabilität der Molekülstruktur des leitenden Polymers zu, so dass die leitenden Polymerketten nicht so stark verformt werden, wodurch die elektrischen Charakteristika der leitenden Polymerzusammensetzung beibehalten werden. Dabei können die Effekte der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Stabilität durch das Dotieren von PCS (Polyzellulosesulfonat) auch auf ein anderes leitendes Polymer genauso gut wie auf das exemplifizierte PEDOT angewendet werden.
Hierbei ist das mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierte leitende Polymer ein beliebiges ausgewählt aus einem polythiophenbasierten leitenden Polymer, einem polypyrrolbasierten leitenden Polymer, einem polyphenylenbasierten leitenden Polymer, einem polyanilinbasierten leitenden Polymer und einem polyacetylenbasierten leitenden Polymer.
In diesem Fall ist das polythiophenbasierte leitende Polymer Polytheylendioxythiophen/Polyzellulosesulfonat (PEDOT/PCS). PEDOT/PCS ist deshalb vorteilhaft, weil es hohe elektrische Leitfähigkeit, thermische Stabilität und Transparenz besitzt.
Bei der leitenden Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist das mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierte leitende Polymer in einer Menge von 0,1–50 Gew.-%, bevorzugt 1–3 Gew.-%, enthalten. Wenn die Menge des mit PCS dotierten leitenden Polymers unter 0,1 Gew.-% liegt, ist es schwierig, eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einem Oberflächenwiderstand von 1 kΩ/☐ oder weniger zu realisieren. Wenn weiterhin die Menge davon über 50 Gew.-% liegt, nimmt die Menge leitender Polymere mit Einfärbbarkeit zu, wodurch die Transmittanz einer transparenten Elektrode verschlechtert wird.
Danach wird ein Lösungsmittel zugesetzt, um das leitende Polymer in einer Lösung zu dispergieren. Das Lösungsmittel kann ein beliebiges sein ausgewählt unter Wasser, aliphatischen Alkoholen, aliphatischen Ketonen, aliphatischen Carboxylsäureestern, aliphatischen Carboxylsäureamiden, aromatischen Kohlenwasserstoffen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Acetonitril, aliphatischen Sulfoxiden und Mischungen davon. Das Lösungsmittel ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Bei der leitenden Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist das Lösungsmittel in einer Menge von 50–99,9 Gew.-%, bevorzugt 60–99 Gew.-%, enthalten. Das Lösungsmittel wird zugesetzt, um das leitende Polymer in einer Lösung zu dispergieren. Wenn die Menge des Lösungsmittels unter 50 Gew.-% liegt, nimmt die Dispergierbarkeit des leitenden Polymers in dem Lösungsmittel ab. Wenn die Menge davon über 99,9 Gew.-% liegt, nimmt weiterhin die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung ab.
Die leitende Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen sekundären Dotierstoff enthalten. Der sekundäre Dotierstoff liefert einen Abschirmeffekt zwischen einem leitenden Polymer und PCS, damit PCS mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit von einem leitenden Polymer beabstandet ist, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung verbessert wird. Der sekundäre Dotierstoff bleibt nicht als ein Dotierstoff bestehen, weil er bewirkt, dass sich das leitende Polymer strukturell ändert, es besitzt aber den gleichen Dotiereffekt wie ein Dotierstoff.
Der sekundäre Dotierstoff kann eine organische Verbindung sein, die Sauerstoff und Stickstoff enthält. Der sekundäre Dotierstoff kann eine ethergruppenhaltige Verbindung, eine carbonylgruppenhaltige Verbindung, ein polares Lösungsmittel und eine Mischung davon sein.
Diethylenglykolmonoethylether oder dergleichen wird als die ethergruppenhaltige Verbindung verwendet. Isoforon, Propylencarbonat, Cyclohexanon, Butyrolacton oder dergleichen wird als die carbonylgruppenhaltige Verbindung verwendet.
In diesem Fall kann bevorzugt ein polares Lösungsmittel als der sekundäre Dotierstoff verwendet werden. Das polare Lösungsmittel ist vorteilhaft, da es die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung stark verbessert. Das polare Lösungsmittel kann Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidon (NMP), N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Dimethylacetimid (DMA) und eine Mischung davon sein.
Bei der leitenden Polymerzusammensetzung ist der sekundäre Dotierstoff in einer Menge von 0,5–15 Gew.-%, bevorzugt 1,5–5 Gew.-%, enthalten. Wenn die Menge des sekundären Dotierstoffs unter 0,5 Gew.-% liegt, ist der Effekt der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung ungenügend. Wenn weiterhin die Menge davon über 15 Gew.-% liegt, existiert der Effekt der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit davon nicht, wodurch der sekundäre Dotierstoff vergeudet wird.
Die leitende Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann weiterhin ein Bindemittel enthalten. Das Bindemittel dient dazu, die Haftfähigkeit zwischen der leitenden Polymerzusammensetzung und einem Substrat zu verbessern. Das Bindemittel kann ein beliebiges sein ausgewählt unter einem Acrylbindemittel, einem Epoxidbindemittel, einem Esterbindemittel, einem Urethanbindemittel, einem Etherbindemittel, einem Carboxylbindemittel, einem Amidbindemittel und Mischungen davon.
In diesem Fall ist das Bindemittel in einer Menge von 0,5–10 Gew.-%, bevorzugt 2–8 Gew.-%, enthalten. Wenn die Menge des Bindemittels unter 0,5 Gew.-% liegt, ist der Effekt der Verbesserung der Haftfähigkeit ungenügend. Wenn weiterhin die Menge davon über 10 Gew-% liegt, ist das Verhältnis des Bindemittels zu dem leitenden Polymer relativ vergrößert, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung abnimmt.
Die leitende Polymerzusammensetzung kann weiterhin ein anderes Additiv wie etwa einen Dispersionsstabilisator, ein Tensid oder dergleichen zusätzlich zu dem Bindemittel enthalten.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung bereit, das Folgendes beinhaltet: Herstellen einer leitenden Polymer-Monomer-Lösung mit einem leitenden Polymer-Monomer, PCS (Polyzellulosesulfonat) und einem Lösungsmittel; und Polymerisieren der leitenden Polymer-Monomer-Lösung. Wenn bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die leitende Polymer-Monomer-Lösung in ein leitendes Polymer polymerisiert wird, wird das leitende Polymer unter Verwendung von PCS (Polyzellulosesulfonat) als Dotierstoff dotiert, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Stabilität der leitenden Polymerzusammensetzung verbessert werden. Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung durch Prozesse ausführlich beschrieben. Eine die obige Beschreibung überlappende Beschreibung entfällt oder wird kurz erwähnt.
Zuerst wird eine leitende Polymer-Monomerlösung, die ein leitendes Polymer-Monomer, PCS (Polyzellulosesulfonat) und ein Lösungsmittel enthält, hergestellt. Hier kann das leitende Polymer-Monomer Thiophen, Anilin, Pyrrol, Acetylen, Phenylen oder ein Derivat davon sein. Bevorzugt kann das leitende Polymer-Monomer 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) sein. Das durch Polymerisieren des leitenden Polymer-Monomers (EDOT) erhaltene Polyethylendioxythiophen (PEDOT) ist vorteilhaft, weil es eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Transparenz besitzt.
In diesem Fall ist das leitende Polymer-Monomer in der leitenden Polymer-Monomer-Lösung in einer Menge von 0,1–50 Gew.-%, bevorzugt 1–3 Gew.-%, enthalten. Wenn die Menge des leitenden Polymer-Monomers unter 0,1 Gew.-% liegt, wird die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Polymerzusammensetzung niedrig. Wenn die Menge davon über 50 Gew.-% liegt, wird die Transmittanz der leitenden Polymerzusammensetzung niedrig, und die Verarbeitbarkeit davon wird schlecht.
Weiterhin wird PCS (Polyzellulosesulfonat) als ein Dotierstoff zugesetzt. Da bei der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt des Polymerisierens des leitenden Polymer-Monomers PCS (Polyzellulosesulfonat) als ein Dotierstoff verwendet wird, kann ein mit PCS dotiertes leitendes Polymer hergestellt werden. Das mit PCS dotierte leitende Polymer besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit eines Oberflächenwiderstands von 500 Ω/☐ oder weniger und besitzt eine hohe Stabilität gegenüber Hitze, weil seine Molekülstruktur durch Hitze geringfügig geändert wird.
In diesem Fall ist das PCS (Polyzellulosesulfonat) in der leitenden Polymer-Monomer-Lösung in einer Menge von 0,01–10 Gew.-%, bevorzugt 0,1–3 Gew.-%, enthalten. Wenn die Menge des PCS unter 0,01 Gew.-% liegt, wird der Dotiereffekt des leitenden Polymers niedrig. Wenn weiter die Menge davon über 10 Gew.-% liegt, ist der Effekt der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des leitenden Polymers aufgrund des Zusatzes des PCS ungenügend.
Weiterhin dient ein Lösungsmittel dazu, das leitende Polymer-Monomer und PCS aufzulösen, um sie zu dispergieren. Das Lösungsmittel ist in der leitenden Polymer-Monomer-Lösung in einer Menge von 40–99 Gew.-% enthalten.
Danach wird die leitende Polymer-Monomer-Lösung polymerisiert. Ein mit PCS dotiertes leitendes Polymer kann durch Polymerisieren der leitenden Polymer-Monomer-Lösung erhalten werden. Die leitende Polymer-Monomer-Lösung wird durch chemische Polymerisation, elektrochemische Polymerisation, thermische Polymerisation, Fotopolymerisation oder dergleichen hergestellt.
Es wird hier bevorzugt, dass die Polymerisation der leitenden Polymer-Monomer-Lösung durch Oxidationspolymerisation von chemischer Polymerisation durchgeführt wird. Eine Oxidationspolymerisation ist vorteilhaft, weil sie mit geringen Kosten und auf einfache Weise durchgeführt werden kann. Bei der Oxidationspolymerisation wird der leitenden Polymer-Monomer-Lösung ein Oxidans wie Ammoniumperoxydisulfat (APS), Chlorwasserstoffsäure (HCl) oder Lewis-Säure zugesetzt, damit das leitende Polymer-Monomer oxidiert werden kann, so dass es leicht polymerisiert wird, und dann wird das oxidierte leitende Polymer-Monomer zu einem leitenden Polymer polymerisiert. In diesem Fall wird das Oxidans in einer Menge von 0,0001–4 mol auf der Basis von 1 mol des leitenden Polymer-Monomers zugesetzt.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Beispiel 1
Wasser als Lösungsmittel, 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) als ein leitendes Polymer-Monomer und PCS (Polyzellulosesulfonat) als ein Dotierstoff wurden in eine runde 100-ml-Reaktionskammer gegeben und dann gerührt und mit Ultraschall behandelt, um eine leitende Polymer-Monomer-Lösung herzustellen. In diesem Fall enthält die hergestellte leitende Polymer-Monomer-Lösung 69,7 Gew.-% Wasser, 30 Gew.-% EDOT und 0,3 Gew.-% PCS. Danach wurden 14,08 mmol Fe₂(SO₄)₃5H₂O als Oxidans der leitenden Polymer-Monomer-Lösung zugesetzt, und dann wurde die leitende Polymer-Monomer-Lösung 3 Stunden lang bei 25°C oxidationspolymerisiert, um eine leitende Polymerzusammensetzung herzustellen. Diese leitende Polymerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgebracht und dann 2 Minuten lang in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um einen leitenden Film auszubilden.
Beispiel 2
Eine leitende Polymerzusammensetzung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass eine leitende Polymer-Monomer-Lösung 69,3 Gew.-% Wasser, 30 Gew.-% EDOT und 0,7 Gew.-% PCS enthält.
Diese leitende Polymerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgebracht und dann 2 Minuten lang in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um einen leitenden Film auszubilden.
Beispiel 3
Eine leitende Polymerzusammensetzung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass eine leitende Polymer-Monomer-Lösung 69,1 Gew.-% Wasser, 30 Gew.-% EDOT und 0,9 Gew.-% PCS enthält.
Diese leitende Polymerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgebracht und dann 2 Minuten lang in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um einen leitenden Film auszubilden.
Beispiel 4
Eine leitende Polymerzusammensetzung wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass eine leitende Polymer-Monomer-Lösung 68,8 Gew.-% Wasser, 30 Gew.-% EDOT und 1,2 Gew.-% PCS enthält.
Diese leitende Polymerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgebracht und dann 2 Minuten lang in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um einen leitenden Film auszubilden.
Vergleichsbeispiel 1
Eine leitende Polymerzusammensetzung wird auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass anstelle von Polyzellulosesulfonat (PCS) Polystyrolsulfonat (PSS) als Dotierstoff verwendet wird und dass eine leitende Polymer-Monomer-Lösung 69,7 Gew.-% Wasser, 30 Gew.-% EDOT und 0,3 Gew.-% PSS enthält.
Diese leitende Polymerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgebracht und dann 2 Minuten lang in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um einen leitenden Film auszubilden.
Vergleichsbeispiel 2
Eine leitende Polymerzusammensetzung wird auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass anstelle von Polyzellulosesulfonat (PCS) Polystyrolsulfonat (PSS) als Dotierstoff verwendet wird und dass eine leitende Polymer-Monomer-Lösung 69,3 Gew.-% Wasser, 30 Gew.-% EDOT und 0,7 Gew.-% PSS enthält.
Diese leitende Polymerzusammensetzung wurde auf ein Substrat aufgebracht und dann 2 Minuten lang in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um einen leitenden Film auszubilden.
Testbeispiel

Die Oberflächenwiderstände der aus den leitenden Polymerzusammensetzungen der Beispiele 1 bis 4 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 ausgebildeten leitenden Filme vor und nach der Wärmebehandlung wurden evaluiert. Die Oberflächenwiderstände davon wurden unter Verwendung eines Loresta EP MCP-T360 von Mitsubishi Chemical Corporation evaluiert. Die Wärmebehandlung wurde 30 Minuten lang in einem Ofen bei 150°C ausgeführt. [Tabelle 1]

	Vor der Wärmebehandlung		Nach der Wärmebehandlung
	Oberflächenwiderstand (Ω/☐)	Streugrad (%)	Oberflächenwiderstand (Ω/☐)	Streugrad (%)
Bsp. 1	157,0	6,4	163,8	12,2
Bsp. 2	181,0	7,9	199,1	12,6
Bsp. 3	195,3	7,5	211,4	12,5
Bsp. 4	238,5	8,1	251,3	12,8
Vgl.-Bsp. 1	212,8	15,0	224,0	33,5
Vgl.-Bsp. 2	265,2	15,5	278,8	33,7

Anhand der in Tabelle 1 oben angegebenen Ergebnisse ist zu erkennen, dass das mit PCS dotierte leitende Polymer (PEDOT/PCS) eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das mit PSS dotierte leitende Polymer (PEDOT/PSS) besitzt, weil der Oberflächenwiderstand des leitenden Polymers (PEDOT/PCS) unter dem des leitenden Polymers (PEDOT/PSS) liegt. Weiterhin ist ersichtlich, dass PEDOT/PCS eine ausgezeichnete thermische Stabilität besitzt, weil der Streugrad der Oberflächenwiderstandswerte von PEDOT/PCS niedrig ist.
Da wie oben beschrieben gemäß der vorliegenden Erfindung ein leitendes Polymer mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotiert wird, wird seine Vernetzungsdichte hoch, wodurch seine elektrische Leitfähigkeit verbessert wird.
Da weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung die das mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierte leitende Polymer enthaltende leitende Polymerzusammensetzung eine hohe strukturelle Stabilität besitzt, wird seine elektrische Leitfähigkeit durch Hitze nicht stark verändert.
Wenngleich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Veranschaulichungszwecken offenbart wurden, versteht der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, Zusätze und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich und Gedanken der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen offenbart, abzuweichen. Einfache Modifikationen, Zusätze und Substitutionen der vorliegenden Erfindung gehören zu dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, und der spezifische Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche klar definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2011-0010271 [0001]

Claims

Leitende Polymerzusammensetzung, die Folgendes umfasst: ein Lösungsmittel; und ein mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotiertes leitendes Polymer, dargestellt durch Formel 1 unten: <Formel 1>
wobei n eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung 0,1–50 Gew.-% des mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierten leitenden Polymers und 50–99,9 Gew.-% des Lösungsmittels umfasst.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das mit PCS (Polyzellulosesulfonat) dotierte leitende Polymer ein beliebiges ist ausgewählt aus einem polythiophenbasierten leitenden Polymer, einem polypyrrolbasierten leitenden Polymer, einem polyphenylenbasierten leitenden Polymer, einem polyanilinbasierten leitenden Polymer und einem polyacetylenbasierten leitenden Polymer.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 3, wobei das polythiophenbasierte leitende Polymer Polytheylendioxythiophen/Polyzellulosesulfonat (PEDOT/PCS) ist.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel ein beliebiges ist ausgewählt unter Wasser, aliphatischen Alkoholen, aliphatischen Ketonen, aliphatischen Carboxylsäureestern, aliphatischen Carboxylsäureamiden, aromatischen Kohlenwasserstoffen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Acetonitril, aliphatischen Sulfoxiden und Mischungen davon.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen sekundären Dotierstoff.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 6, wobei der sekundäre Dotierstoff ein beliebiges polares Lösungsmittel ist, ausgewählt aus Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidon (NMP), N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Dimethylacetimid (DMA), N-Dimethylacetimid und Mischungen davon.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Bindemittel.
Leitende Polymerzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei das Bindemittel ein beliebiges ist ausgewählt unter einem Acrylbindemittel, einem Epoxidbindemittel, einem Esterbindemittel, einem Urethanbindemittel, einem Etherbindemittel, einem Carboxylbindemittel, einem Amidbindemittel und Mischungen davon.
Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung, die Folgendes umfasst: Herstellen einer leitenden Polymer-Monomer-Lösung mit einem leitenden Polymer-Monomer, PCS (Polyzellulosesulfonat) und einem Lösungsmittel; und Polymerisieren der leitenden Polymer-Monomer-Lösung.
Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das Polymerisieren der leitenden Polymer-Monomer-Lösung durch Oxidationspolymerisation unter Verwendung eines Oxidans durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei die leitende Polymer-Monomer-Lösung 0,1–50 Gew.-% des leitenden Polymer-Monomers, 0,01–10 Gew.-% des PCS (Polyzellulosesulfonat) und 40–99 Gew.-% des Lösungsmittels umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das leitende Polymer-Monomer ein beliebiges ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Thiophen, Anilin, Pyrrol, Acetylen, Phenylen und Derivaten davon.
Verfahren zum Herstellen einer leitenden Polymerzusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das leitende Polymer-Monomer 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) ist.
Verfahren zum Herstellen eines leitenden Polymers nach Anspruch 10, wobei das Lösungsmittel ein beliebiges ist ausgewählt unter Wasser, aliphatischen Alkoholen, aliphatischen Ketonen, aliphatischen Carboxylsäureestern, aliphatischen Carboxylsäureamiden, aromatischen Kohlenwasserstoffen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Acetonitril, aliphatischen Sulfoxiden und Mischungen davon.