JP2011505059A - リフトオフプロセスによる導電性ポリマー層の構造化 - Google Patents
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Abstract
本発明は、リフトオフプロセスによって導電性の構造化されたポリマー層を製造するためのプロセス、およびこのプロセスによって製造される導電性の構造化されたポリマー層に関する。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本発明は、リフトオフ(Lift−off)プロセスによって導電性の構造化されたポリマー層を製造するためのプロセス、およびこのプロセスによって製造される導電性の構造化されたポリマー層に関する。
過去数年において、導電性ポリマーは、改善された特性のプロファイルのため経済的重要性を獲得した。一方で電気伝導率を増加させることおよび他方で環境の影響に対する化学的安定性を改善することで、多くの新しい応用例が開発されることが可能となった。例えば、導電性ポリマーは、コンデンサまたはセンサにおける帯電防止層、透明電極、正孔注入層、対電極としての増加する成功例とともに使用されつつある。
導電性ポリマーが使用されるかまたは使用できると考えられる多くの応用例のために、この導電性ポリマー層を構造化することが必要である。ポリマー層の構造化は、その層が担体、例えばフィルムまたはガラスプレートの面積全体にわたって均一に堆積されるのではなく、むしろ互いから空間的に分離し、従って互いから電気的に絶縁されている個々の分節、例えば個々の導体トラック(Leiterbahnen)からなるということを意味すると理解される。従って、難題は、これらの三次元的な横方向の構造を、最大の空間分解能で支持体上に付与することである。これは、導電性ポリマーが層として存在する領域およびポリマーが存在しない領域が互いにシャープに境界を分けるということを意味する。これらの領域の境界で生じるステップは、空間分解能を決定する。これは、2つのパラメータ、ステップ高さhおよびステップ幅bによって特徴付けることができる。ステップ高さは、当該ポリマー層の厚さに対応し、典型的に30nm<h<10μmである。ステップ幅は、当該ポリマー層の幅に対応し、20μm未満のステップ幅b、好ましくはb<5μmが多くの応用例のために必要である。これらとしては、例えば、有機発光ダイオード「OLED」(非特許文献1)用の電極または有機電界効果トランジスタ「OFET」(非特許文献2)用の電極が挙げられ、これらの電極はわずかμmだけ互いに離されている。
導電性ポリマーを横方向に構造化された態様で担体に付与するために、種々の印刷プロセスが現在開発されている。特に適切であると考えられる印刷プロセスとしては、インクジェット印刷、スクリーン印刷、フレキソ印刷、パッド印刷、オフセット印刷およびグラビア印刷(非特許文献3)が挙げられる。これらの印刷プロセスは確立されており、適切な印刷用インキの堆積において有用であることが見出されている。しかしながら、これらの印刷技術は主に印刷された画像を視覚化するために開発されたため、それらの横方向の分解は肉眼の分離のシャープさに限定され、すなわちこの場合のステップ幅は典型的にb>20μmである。
しかしながら、導電性ポリマーの多くの興味深い応用例のために、20μm未満のステップ幅bが必要とされる。とりわけ、数ある構造の中でもとりわけ、電界効果トランジスタが完全にポリマーから構築される、見出し「Polymer Elektronik(ポリマーエレクトロニクス)」の下で論じられる構造は、確立された印刷技術が現在提供することができるよりも著しく微細な構造を必要とする。
さらに、上に列挙された確立された印刷プロセスは、堆積されたインキまたは染料がしばしば不均一でかつ微視的な粗さを有する表面を有する、印刷された画像につながる。例えば、スクリーン印刷、フレキソ印刷、パッド印刷、オフセット印刷およびグラビア印刷は、本質的に高粘度インキを必要とし、この高粘度インキは乾燥の間もはや十分には流れることができず、従って粗い表面を形成する。しかしながら、平均粗さRa>5nmを有する導電性ポリマー層の粗い表面は,とりわけOLEDまたはOFETでは所望されない。なぜなら、この場合、それらは電気的短絡につながる可能性があるからである。インクジェット印刷の場合は、対照的に、良好な流れ性を有する低粘度インキが使用されるが、この場合はいわゆる「coffee−drop effect(コーヒーの染み効果)」(非特許文献4)が、堆積された液滴の周縁の層厚さは中央よりも著しく高いという効果につながる。この効果は、均一な導電性ポリマー層(面積または線など)の生成を、同様に困難にする。
高い空間分解能を有し、すなわち20μm未満のステップ幅bを有しポリマー表面が滑らかである、すなわち平均粗さRaが5nm未満である構造として導電性ポリマーを堆積する1つの手段は、特許文献1に記載されている。この場合、スピンコーターによって付与される導電性ポリマーの均一層は、レーザー光線によって構造化される。エキシマレーザーまたはNd:YAGレーザーのレーザー光線は、当該ポリマーが除去される必要がある部位にわたって導かれ、適切な部位の有機層を破壊する(レーザーアブレーション)。このプロセスは、現在は、ガラス基体からポリマー層を除去するためにのみ使用されており、そのプロセスは遅く、かつレーザーの購入費用および運転費用のため費用がかかるという欠点を有する。さらなる欠点は、このポリマーの取り除かれた断片が隣接するポリマー層の表面上に堆積し、すなわちそれを汚染し、そしてこれらの断片が当該導電性ポリマーの電気特性および表面特性を変える可能性があるということである。導電性ポリマーの所望の除去の過程において基体材料も同時に取り除かれるため、高分子基体、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上での導電性ポリマーのレーザーアブレーションは、苦労してようやく制御することができるということも同様に欠点である。レーザー構造化における分解能は、そのレーザー光線の焦点制御性(Fokussierbarkeit)までに限定され、そしてそれは1〜5μmである。
特許文献2は、フォトリソグラフィによる導電性ポリマーの構造化を記載する。この場合、ポジ型フォトレジスト層が導電性ポリマー層に付与され、シャドーマスクを介して露光される。このフォトレジストは、露光された部位で現像剤を用いて除去することができ、従ってその下の導電性ポリマー層を露出させることができる。次にこの導電性ポリマー層は、それを適切な溶媒の中に置くことによって除去することができる。所望の導電性ポリマー構造は、その上の不溶性のフォトレジストを大面積のUV照射、いわゆる全面露光(Flurbelichtung)によって可溶化し、その後の洗い流しによって現像剤を用いて除去される。このプロセスは以下の欠点を有する:当該導電性ポリマー層はこのフォトレジストと直接接触する、すなわちこのフォトレジストは当該導電性ポリマー層を汚染する可能性があり、従ってその電子特性、例えば仕事関数を変える可能性がある。さらなる欠点は、この全面露光は光酸化によって当該導電性ポリマーを永久的に損傷させる可能性があり、従って電気伝導率は低下するということである。
導電性ポリマーを構造化するさらなる方法がHohnholz、OkuzakiおよびMacDiarmidによって記載されている(非特許文献5)。この方法では、ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホン酸(PEDOT/PSS)は、レーザープリンタによって焼かれたトナーのパターンを予め備えたフィルムに、この導電性ポリマーを付与することにより、構造化される。トルエンまたはアセトンの中でのトナーの除去は、その上のPEDOT/PSS層も同様に取り除くが、当該導電性ポリマーはトナーをまったく含有しないフィルムの領域上に残る。この方法は単純であるが、そのトナー粒子の粒状度に起因して、50μmを超えるステップ幅bを有する粗い構造のみしか成し遂げることができないという欠点を有する。
Dong、Zhong、ChiおよびFuchsは、非特許文献6において、導電性ポリマーを構造化することができる別のアプローチを記載している。ここで用いられるプロセスは、フォトリソグラフィから公知のリフトオフ加工のプロセスである(非特許文献7を参照、図1参照)。このプロセスでは、ポジ型フォトレジストが最初に基体に付与され、導電性ポリマーが後でその表面を覆わないことになる地点で電子線に露光される。次いで、露光されていないフォトレジストは、溶媒を用いて除去される。次いで、露光されたフォトレジストは熱硬化され、その結果、それは後で所望される構造のネガを形成する。次いでピロールまたはアニリンが、酸化剤FeCl3の存在下で、溶液からスピンコーティングにより薄膜として付与され、その基体上で完結するまで重合される。この膜は、その硬化されたフォトレジスト上、およびそのフォトレジストが取り除かれたその基体上の地点の両方に存在する。次いで、トルエンまたはアセトンの中で洗い流すことによって、この硬化されたフォトレジストを再び除去することができ、その結果、その上の導電性ポリマーの層も除去される。トルエンまたはアセトンに不溶性の導電性ポリマーは、このフォトレジストが取り除かれた地点でその基体上に付着したまま留まる。このリフトオフプロセスは、1μm未満のステップ幅を有する導電性ポリマーの構造を成し遂げるために使用することができる。しかしながら、記載されたプロセスの欠点は、当該導電性ポリマーはその基体上でその場で(in−situ)重合される必要があり、すなわち化学反応がその基体上で進行し、このことは、高レベルの複雑さを伴わずには工業規模で実行することはできないということである。その場で(in−situ)重合された層はさらに、中程度に滑らかな表面しか形成しない、およびその張力のために剥げ落ちる傾向があるという欠点を有する。
このように、導電性ポリマーが溶液または分散液から基体上に堆積することができ、導電性ポリマー層の構造が高い横方向の空間分解能を生じ、かつ導電性ポリマー層の表面が滑らかである、導電性の構造化されたポリマー層を製造するためのプロセスについてのニーズが依然としてあった。加えて、例えば電界効果トランジスタまたはセンサの製造のために、高電気伝導率ポリマー、すなわちσ>100S/cmの電気伝導率を有するポリマーを構造化するためのプロセスに対するニーズがあった。ここで、隣接する電極の間隔dは、できるだけ小さくなければならず、dは500μm未満であることが好ましい。
Organic Light Emitting Devices、Joseph Shinar編、2004年、Springer−Verlag
Organic Electronics、Hagen Klauk編、2006年、Wiley−VCH、3頁以降
Organic Electronics、Hagen Klauk編、2006年、Wiley−VCH、297頁以降
Tekin,Emine;de Gans,Berend−Jan;Schubert,Ulrich S.、Journal of Materials Chemistry、2004年、第14巻、第17号、2627−2632頁
Hohnholz、OkuzakiおよびMacDiarmid 、「Plastic Electronic Devices Through Line Patterning of Conducting Polymers」、Advanced Materials、2005年、第15巻、51−56頁
Dong, Zhong、ChiおよびFuchs、「Patterning of Conducting Polymers Based on a Random Copolymer Strategy: Toward the Facile Fabrication of Nanosensors Exclusively Based on Polymers」、Advanced Materials、2005年、第17巻、2736−2741頁
「Lithographic Processes」、MicroChemicals GmbHからの冊子、2005年
それゆえ、導電性ポリマーを溶液または分散液から基体へ堆積させることができ、その導電性ポリマー層の構造が高い横方向の空間分解能を生じ、そしてその導電性ポリマー層の表面が滑らかである導電性の構造化されたポリマー層を製造するためのプロセスを提供することが本発明の目的であった。高電気伝導率ポリマー、すなわちσ>100S/cmの電気伝導率を有するポリマーを構造化するためのプロセスを提供することが本発明のさらなる目的であった。
驚くべきことに、本発明において、上述の条件を満たす導電性の構造化されたポリマー層が、リフトオフプロセスを使用して、そしてポリカチオンとしての少なくとも1つの導電性ポリマーおよび少なくとも1つのポリアニオンを基体に付与することによって製造できるということが見出された。
それゆえ本発明は、リフトオフプロセスを使用して導電性の構造化されたポリマー層を製造するためのプロセスであって、ポリカチオンとしての少なくとも1つの導電性ポリマーおよび1000〜100000g/molの範囲内の平均分子量Mwを有する少なくとも1つのポリアニオンが基体に付与されることを特徴とするプロセスを提供する。
これに関して、当該リフトオフプロセスは図1に示される工程を含む。このプロセスは、5μm未満のステップ幅bを有する構造体を生成するために使用することができる。
本発明に関しては、ポリカチオンとしての導電性ポリマーは、任意に置換されたポリチオフェン、ポリアニリンまたはポリピロールであってもよい。これらの導電性ポリマーのうちの2以上の混合物がポリカチオンとして使用されることも、その場合に当てはまる。
好ましい実施形態では、当該ポリカチオンは、一般式(I)の繰り返し単位
(式中、
Aは、任意に置換されたC1〜C5−アルキレンラジカル、好ましくは任意に置換されたC2〜C3−アルキレンラジカルであり、
YはOまたはSであり、
Rは、直鎖状もしくは分枝状の、任意に置換されたC1〜C18−アルキルラジカル、好ましくは直鎖状もしくは分枝状の、任意に置換されたC1〜C14−アルキルラジカル、任意に置換されたC5〜C12−シクロアルキルラジカル、任意に置換されたC6〜C14−アリールラジカル、任意に置換されたC7〜C18−アラルキルラジカル、任意に置換されたC1〜C4−ヒドロキシアルキルラジカルまたはヒドロキシルラジカルであり、
xは、0〜8の整数、好ましくは0、1または2、より好ましくは0または1であり、
複数のRラジカルがAに結合されている場合、このRラジカルは同じであってもよいし異なっていてもよい)
を含む任意に置換されたポリチオフェンである。
Aは、任意に置換されたC1〜C5−アルキレンラジカル、好ましくは任意に置換されたC2〜C3−アルキレンラジカルであり、
YはOまたはSであり、
Rは、直鎖状もしくは分枝状の、任意に置換されたC1〜C18−アルキルラジカル、好ましくは直鎖状もしくは分枝状の、任意に置換されたC1〜C14−アルキルラジカル、任意に置換されたC5〜C12−シクロアルキルラジカル、任意に置換されたC6〜C14−アリールラジカル、任意に置換されたC7〜C18−アラルキルラジカル、任意に置換されたC1〜C4−ヒドロキシアルキルラジカルまたはヒドロキシルラジカルであり、
xは、0〜8の整数、好ましくは0、1または2、より好ましくは0または1であり、
複数のRラジカルがAに結合されている場合、このRラジカルは同じであってもよいし異なっていてもよい)
を含む任意に置換されたポリチオフェンである。
一般式(I)は、置換基RがアルキレンラジカルAにx回結合することができるというように理解されるべきである。
さらなる好ましい実施形態では、当該ポリカチオンは、一般式(I−a)および/または一般式(I−b)の繰り返し単位
(式中、Rおよびxは、各々、上で定義されたとおりである)を含むポリチオフェンであってもよい。
本発明に関しては、接頭辞「ポリ」は、複数の同じまたは異なる繰り返し単位が当該ポリチオフェンの中に含まれるということを意味すると理解される。当該ポリチオフェンは全部でn個の一般式(I)の繰り返し単位を含み、ここでnは2〜2000、好ましくは2〜100の整数であってよい。一般式(I)の繰り返し単位は、ポリチオフェン内で各々、同じであってもよいし異なっていてもよい。各々が同一の一般式(I)の繰り返し単位を含むポリチオフェンが好ましい。
末端基に、当該ポリチオフェンは、各々Hを有することが好ましい。
特に好ましい実施形態では、当該ポリカチオンはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)またはポリ(3,4−エチレンオキシチアチオフェン)、すなわち式(I−aa)または(I−ba)の繰り返し単位から形成されるホモポリチオフェンである。
さらに特に好ましい実施形態では、当該ポリカチオンは式(I−aa)および(I−ba)の繰り返し単位から形成される共重合体である。
本発明に関しては、C1〜C5−アルキレンラジカルAは、メチレン、エチレン、n−プロピレン、n−ブチレンまたはn−ペンチレンであり、本発明に関しては、C1〜C18−アルキルは、直鎖状もしくは分枝状のC1〜C18−アルキルラジカル、例えばメチル、エチル、n−またはイソプロピル、n−、iso−、sec−またはtert−ブチル、n−ペンチル、1−メチルブチル、2−メチルブチル、3−メチルブチル、1−エチルプロピル、1,1−ジメチルプロピル、1,2−ジメチルプロピル、2,2−ジメチルプロピル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−ノニル、n−デシル、n−ウンデシル、n−ドデシル、n−トリデシル、n−テトラデシル、n−ヘキサデシルまたはn−オクタデシルを表し、C5〜C12−シクロアルキルは、C5〜C12−シクロアルキルラジカル、例えばシクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニルまたはシクロデシルを表し、C6〜C14−アリールラジカルは、例えば、フェニルまたはナフチルを表し、そしてC7〜C18−アラルキルはC7〜C18−アラルキルラジカル、例えばベンジル、o−、m−、p−トリル、2,3−、2,4−、2,5−、2,6−、3,4−、3,5−キシリルまたはメシチルを表す。本発明に関しては、C1〜C4−ヒドロキシアルキルラジカルは、1つのヒドロキシル基を有する上記のC1〜C4−アルキルラジカルを表す。
上記の一覧は、本発明を例として記載する役割を果たすが、排他的なものであるとみなされるべきではない。上記のラジカルの可能な任意のさらなる置換基としては、多くの有機基、例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、ハロゲン、エーテル、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、スルホネート、アミノ、アルデヒド、ケト、カルボン酸エステル、カルボン酸、カーボネート、カルボキシレート、シアノ、アルキルシランおよびアルコキシシラン基、ならびにカルボキシルアミド基が挙げられる。
当該ポリカチオン、特にポリチオフェンはカチオン性である。「カチオン性」は、単にこのポリチオフェン骨格上に存在する電荷のみを指す。Rラジカルの置換基に依存して、当該ポリチオフェンは正電荷および負電荷をその構造単位の中に有することができ、この正電荷は当該ポリチオフェン骨格上に存在し、負電荷は任意に、スルホネート基またはカルボキシレート基によって置換されたRラジカル上に存在する。当該ポリチオフェン骨格の正電荷は、Rラジカルに任意に存在するいずれかのアニオン性基によって部分的にまたは完全に飽和されていてもよい。全体的に見ると、このポリチオフェンは、これらの場合にはカチオン性であってもよく、電荷を帯びていなくてもよく、またはアニオン性でさえあってもよい。とはいうものの、本発明に関しては、それらは、すべてカチオン性ポリチオフェンであると考えられる。なぜなら、このポリチオフェン骨格上の正電荷が非常に重要だからである。この正電荷は、上記式の中には示されていない。なぜなら、それらの正確な数および位置は明確に特定できないからである。しかしながら正電荷の数は、少なくとも1であり、多くともnである(nは、このポリチオフェン内のすべての(同じまたは異なる)繰り返し単位の総数である)。
いずれかのスルホネートまたはカルボキシレート置換された、従って負に帯電したRラジカルによってこの正電荷が打ち消されていない限りでは、この正電荷を打ち消すために、このポリカチオンまたはカチオン性ポリチオフェンは対イオンとしてアニオンを必要とする。
有用な対イオンは、本願明細書中で以降、ポリアニオンとも呼ばれる高分子アニオンであることが好ましい。
適切なポリアニオンとしては、例えばポリアクリル酸、ポリメタクリル酸またはポリマレイン酸などの高分子カルボン酸のアニオン、またはポリスチレンスルホン酸およびポリビニルスルホン酸などの高分子スルホン酸のアニオンが挙げられる。これらのポリカルボン酸およびポリスルホン酸は、ビニルカルボン酸およびビニルスルホン酸と他の重合性単量体(アクリル酸エステルおよびスチレンなど)とのコポリマーであってもよい。これらは、例えば、SO3 −M+またはCOO−M+基(式中、M+は、例えば、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+またはNH4 +、好ましくはH+、Na+またはK+である)を含む部分的にフッ素化されたかまたはペルフルオロ化されていてもよい。
特に好ましい高分子アニオンは、ポリスチレンスルホン酸(PSS)のアニオンである。
電荷補償のために対イオンとしてのアニオンを含むカチオン性ポリチオフェンは、当該技術分野においてポリチオフェン/(ポリ)アニオン錯体とも呼ばれることが多い。
本発明の特に好ましい実施形態では、当該ポリカチオンは3,4−(エチレンジオキシチオフェン)であり、当該ポリアニオンはポリスチレンスルホン酸アニオンである。
このポリアニオンを提供するポリ酸の平均分子量Mw(重量平均)は、好ましくは20000〜70000g/molの範囲、より好ましくは30000〜60000g/molの範囲にある。このポリ酸またはそのアルカリ塩は市販されており、例えばポリスチレンスルホン酸およびポリアクリル酸などは、公知の方法(例えばHouben Weyl、Methoden der organischen Chemie、第E20巻、Makromolekulare Stoffe、第2部、(1987)、1141頁以下参照)を使用して製造することができる。
この平均分子量Mwは、溶離液としてのリン酸緩衝液およびMCXカラムの組み合わせを使用して、水系ゲル透過クロマトグラフィ(GPC)によって測定される。検出は、この場合は、RI検出器によって行われる。そのシグナルは、ポリスチレンスルホン酸校正を使用して25℃で評価される。
なおさらに好ましい実施形態では、少なくとも1つのポリカチオンおよび少なくとも1つのポリアニオンを含む導電性ポリマー層は、分散液または溶液の形態で基体に付与することができる。この導電性ポリマー層を付与するための適切なプロセスの例は、スピンコーティング、ドクターブレードコーティング、浸漬コーティングおよび噴霧コーティング、または印刷プロセス(インクジェット印刷、オフセット印刷、グラビア印刷およびフレキソ印刷など)などのプロセスであり、スピンコーティングが好ましい。
適切な基体は、ガラス、シリコンウェーハ、紙およびポリマーフィルム(ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリスルホンまたはポリイミドのフィルムなど)である。
付与された導電性ポリマー層は、典型的にはRa<5nmの平均の表面粗さを有する均一な層を形成する。この値は、原子間力顕微鏡(デジタル・インスツルメンツ(Digital Instruments))によって1μm2の面積にわたって測定することができる。この層の電気伝導率は、好ましくはσ=500S/cmである。この値は、測定された表面抵抗率Rsqおよび層厚さdから、σ=(Rsq・d)−1に従って算出することができる。この目的のために、2つの平行なAg電極がその層の上へと蒸着され、それらの間の電気抵抗Rが測定される。表面抵抗率についてはRsq=R W/L(式中、Lは電極間隔であり、Wは電極の長さである)である。層厚さdは、触針式表面形状測定装置(Tencor 500)を用いてこのポリマー層の中の擦過痕のレベルで測定される。
本発明に関しては、当該分散液または溶液は、水系またはアルコール性であってもよい。「アルコール性」は、水およびアルコール(1種または複数種)を含む混合物が使用されるということを意味すると理解される。適切なアルコールは、例えば、メタノール、エタノール、i−プロパノールおよびブタノールなどの脂肪族アルコールである。これらの分散液または溶液は、さらに少なくとも1つの高分子結合剤を含んでもよい。適切な結合剤は、高分子有機結合剤、例えばポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリ酪酸ビニル、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸エステル、ポリメタクリルアミド、ポリアクリロニトリル、スチレン/アクリルエステル、酢酸ビニル/アクリルエステルおよびエチレン/酢酸ビニルコポリマー、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またはセルロース誘導体である。高分子結合剤の固形分含量は、0〜3重量パーセント(重量%)、好ましくは0〜1重量%である。
この分散液または溶液は、さらに、接着促進剤、例えば有機官能性シランまたはその加水分解生成物、例えば3−グリシドオキシプロピルトリアルコキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシランまたはオクチルトリエトキシシランを含んでもよい。
上述の分散液または溶液の電気伝導率を高めるために、本発明に関しては、ジメチルスルホキシドなどの電気伝導率向上剤をそれら分散液または溶液に加えることが可能である。しかしながら、欧州特許第0686662号明細書に、またはOuyangら、Polymer、45(2004)、8443−8450頁によって開示される他の電気伝導率向上剤も、本発明に関する電気伝導率向上剤として使用することができる。適切な電気伝導率向上剤は、特に、エーテル基を含有する化合物(例えばテトラヒドロフラン)、ラクトン基を含有する化合物(γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなど)、アミドまたはラクタム基を含有する化合物(カプロラクタム、N−メチルカプロラクタム、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチルホルムアミド、N−メチルホルムアニリド、N−メチルピロリドン(NMP)、N−オクチルピロリドン、ピロリドンなど)、スルホンおよびスルホキシド(例えばスルホラン(テトラメチレンスルホン)、ジメチルスルホキシド(DMSO))、糖類または糖類誘導体(例えばスクロース、グルコース、フルクトース、ラクトース)、糖アルコール(例えばソルビトール、マンニトール)、フラン誘導体(例えば2−フランカルボン酸、3−フランカルボン酸)、および/または二価アルコールまたはポリアルコール(例えばエチレングリコール、グリセロール、ジエチレングリコールまたはトリエチレングリコール)である。電気伝導率向上性添加剤として、テトラヒドロフラン、N−メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシドまたはソルビトールを使用することが特に好ましい。
本発明に関しては、当該ポリカチオン(1種または複数種)およびポリアニオン(1種または複数種)は、1:2〜1:7、好ましくは1:2.5〜1:6.5、より好ましくは1:3〜1:6の重量比で存在してもよい。このポリカチオンの重量は、この場合は、単量体は完全に重合で変換されると仮定して、使用される単量体の初期重量に対応する。
本発明はさらに、本発明に係るプロセスによって製造される導電性の構造化されたポリマー層を提供する。本発明に係るプロセスによって製造されるこの導電性ポリマー層のステップ幅bは、好ましくは5μm未満、より好ましくは1μm未満である。成し遂げられるステップ幅は、触針式表面形状測定装置(Tencor 500)を用いて測定することができる。本発明に係るプロセスによって製造される構造化された導電性ポリマー層のステップは5μm未満の幅bを有する。この幅はこの触針式表面形状測定装置の横方向の分解能に相当するため、真のステップ幅は現実には5μm未満でさえあるということが想定できる。
以下の実施例は、本発明を単に具体例によって例証する働きをするが、決して限定として解釈されるべきではない。
(実施例1)
50mm×50mmのサイズのガラス基体を、まずアセトンで、次いで超音波浴の中でMucasol溶液で、最後にUV/オゾン反応器(UPV,Inc.;PR−100)の中で清浄にした。次いで、AZ 1512 HS フォトレジスト(マイクロケミカルズ(MicroChemicals GmbH))を、蓋を開けて200rev/sec2の加速での、1000rpmで30秒間のスピンコーター(カール・シュス(Carl Suess)、RC8)を用いるスピンコーティングによりこのガラス基体に付与した。生成した膜を最初にホットプレート上で100℃で3分間乾燥し、次いで乾燥機の中で115℃で30分間乾燥した。乾燥後、層厚さdは2.8μmであった(図1−1を参照)。このフォトレジストをコーティングした基体を、幅100〜400μmの凹部を有する厚さ50μmのニッケル膜からなるシャドーマスクで覆い、そしてフォトレジスト照射装置(ワルター・レメン(Walter Lemmen)、クロイツヴェルトハイム(Kreuzwertheim)から入手、Aktina E)の中で80秒間、UV光に露光した。その後この基体を、1部のAZ 351B(マイクロケミカル(MicroChemicals GmbH))および3部の水からなる現像剤溶液の中へ、撹拌しながら120秒間入れた(図1−2および図1−3を参照)。そのとき、予めシャドーマスクを介して露光された領域をフォトレジストを有しない状態に、および陰にされた領域をフォトレジストで覆われた状態に残す構造化されたフォトレジストでこのガラス基体は覆われた。このフォトレジスト構造体の高さプロファイルを図2−1に概略的に示す。
50mm×50mmのサイズのガラス基体を、まずアセトンで、次いで超音波浴の中でMucasol溶液で、最後にUV/オゾン反応器(UPV,Inc.;PR−100)の中で清浄にした。次いで、AZ 1512 HS フォトレジスト(マイクロケミカルズ(MicroChemicals GmbH))を、蓋を開けて200rev/sec2の加速での、1000rpmで30秒間のスピンコーター(カール・シュス(Carl Suess)、RC8)を用いるスピンコーティングによりこのガラス基体に付与した。生成した膜を最初にホットプレート上で100℃で3分間乾燥し、次いで乾燥機の中で115℃で30分間乾燥した。乾燥後、層厚さdは2.8μmであった(図1−1を参照)。このフォトレジストをコーティングした基体を、幅100〜400μmの凹部を有する厚さ50μmのニッケル膜からなるシャドーマスクで覆い、そしてフォトレジスト照射装置(ワルター・レメン(Walter Lemmen)、クロイツヴェルトハイム(Kreuzwertheim)から入手、Aktina E)の中で80秒間、UV光に露光した。その後この基体を、1部のAZ 351B(マイクロケミカル(MicroChemicals GmbH))および3部の水からなる現像剤溶液の中へ、撹拌しながら120秒間入れた(図1−2および図1−3を参照)。そのとき、予めシャドーマスクを介して露光された領域をフォトレジストを有しない状態に、および陰にされた領域をフォトレジストで覆われた状態に残す構造化されたフォトレジストでこのガラス基体は覆われた。このフォトレジスト構造体の高さプロファイルを図2−1に概略的に示す。
(実施例2)
PEDOT:PSS分散液を、公知のプロセスにより水溶液中で調製した(L.Groenendaal、F.Jonas、D.Freitag、H.PielartzikおよびJ.R.Reynolds、Adv.Mater. 12(2000)481−494)。
PEDOT:PSS分散液を、公知のプロセスにより水溶液中で調製した(L.Groenendaal、F.Jonas、D.Freitag、H.PielartzikおよびJ.R.Reynolds、Adv.Mater. 12(2000)481−494)。
撹拌機および内部温度計を備えた2lの3つ口フラスコに、最初に895.2gの脱イオン水および490000g/molの重量平均Mwおよび5.52重量%の固形分含量を有するポリスチレンスルホン酸水溶液323gを加えた。この分子量は、水系ゲル透過クロマトグラフィ(GPC)によって測定した。この溶液を0.075gの硫酸鉄(III)と混合した。反応温度を20〜25℃に保った。2.97gの3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDT;Baytron(登録商標) M、エイチ・シー・スタルク(H.C.Starck GmbH))を、撹拌しながら加えた。溶液をさらに30分間撹拌した。その後、6.9gの過硫酸ナトリウムを加え、この溶液をさらに24時間撹拌した。この反応が完結すると、60gのカチオン交換体(Lewatit S100 H、ランクセス(Lanxess AG))および80gのアニオン交換体(Lewatit MP 62、ランクセス(Lanxess AG))を加えることにより無機塩を除去し、この溶液をさらに2時間撹拌した。その後、このイオン交換体を濾別した。この溶液の中のPSSに対するPEDOTの重量比は1:6であった。このフォトレジスト表面のより良好な濡れを得るために、3滴のフッ素系界面活性剤溶液(F09108 Zonyl FSN、フッ素化界面活性剤10%水溶液;ABCR GmbH)を、10mlの上記PEDOT:PSS溶液に加えた。この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で850rpmで30秒間、実施例1からのフォトレジストで構造化した基体の上へとスピンコーティングし、次いでホットプレート上で130℃で15分間乾燥した。このようにして得られた層は、このガラス表面のフォトレジストがコーティングされた領域およびコーティングされていない領域の両方を均一に覆った。層厚さdは100nmであり、電気伝導率σは2.2mS/cmであった。この層をアセトン中で洗い流すことで、架橋されたフォトレジストを完全に溶解させた。架橋されたフォトレジストが茶色がかった黄色の固有の色を有するため、この溶解プロセスを視覚的にモニターすることが可能であった。このフォトレジスト上に存在するPEDOT/PSS層は同時には取り除かれず、むしろ、それは粘着性のはがれやすい(loose)薄膜としてこの基体に残った。これは、図2−3に示されるように、取り除かれた領域と残りの領域との間の明確に認識できる境界がなく、広範性の高さプロファイルで明らかになった。図1−5に示されるようなこの導電性ポリマー層の所望のリフトオフは、このように起こらなかった。
実施例3(本発明)
方法は実施例2と同様であったが、今回は、EDTの重合において、47000g/molの重量平均Mwを有するPSSを使用したことが異なっていた。実施例2におけるように、この溶液中のPEDOT:PSSの重量比は同様に1:6であった。この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で、500rpmでの30秒間のスピンコーティングによって塗布した。層厚さdは100nmであり、電気伝導率σは17mS/cmであった。実施例2とは対照的に、この層をアセトンの中で洗い流すと、架橋されたフォトレジスト上のポリマー層をこの架橋されたフォトレジストと一緒に取り除くことが可能であった。対照的に、このPEDOT:PSS層は、この基体上に付着したまま留まった。残っている領域と取り除かれた領域との間の移行はシャープであった。なぜなら、高さプロファイルにおけるここで形成されたステップは、b<5μmという狭いステップ幅を呈するからである(図2−2を参照)。このように、この導電性ポリマー層のリフトオフプロセスは、成功裏に実施できた。
方法は実施例2と同様であったが、今回は、EDTの重合において、47000g/molの重量平均Mwを有するPSSを使用したことが異なっていた。実施例2におけるように、この溶液中のPEDOT:PSSの重量比は同様に1:6であった。この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で、500rpmでの30秒間のスピンコーティングによって塗布した。層厚さdは100nmであり、電気伝導率σは17mS/cmであった。実施例2とは対照的に、この層をアセトンの中で洗い流すと、架橋されたフォトレジスト上のポリマー層をこの架橋されたフォトレジストと一緒に取り除くことが可能であった。対照的に、このPEDOT:PSS層は、この基体上に付着したまま留まった。残っている領域と取り除かれた領域との間の移行はシャープであった。なぜなら、高さプロファイルにおけるここで形成されたステップは、b<5μmという狭いステップ幅を呈するからである(図2−2を参照)。このように、この導電性ポリマー層のリフトオフプロセスは、成功裏に実施できた。
実施例2および実施例3を比較すると示されるように、このPSSの平均分子量Mwは、リフトオフプロセスによる当該導電性ポリマー層の構造化が成功するかどうかに対して大きな影響を及ぼす。この構造化は、使用したPEDOT:PSS分散液が、短鎖PSSと呼ぶ、<100000g/molの平均分子量Mwを有するPSSを有する場合は、成功する。これに対する理由は、この短鎖PSSを使用することで、この導電性ポリマー層の破断強度が、この導電性ポリマー層を取り除くことができるのに十分に低くなることである可能性がある。
(実施例4)
撹拌機および内部温度計を備えた2lの3つ口フラスコに、最初に868gの脱イオン水および450000g/molの重量平均Mwおよび3.8重量%の固形分含量を有するポリスチレンスルホン酸水溶液330gを加えた。この分子量は、水系ゲル透過クロマトグラフィ(GPC)によって測定した。この溶液を0.075gの硫酸鉄(III)と混合した。反応温度を20〜25℃に保った。5.1gの3,4−エチレンジオキシチオフェンを、撹拌しながら加えた。この溶液を30分間撹拌した。その後、9.5gの過硫酸ナトリウムを加え、この溶液をさらに24時間撹拌した。この反応が完結すると、120gのカチオン交換体(Lewatit S100 H、ランクセス(Lanxess AG))および80mlのアニオン交換体(Lewatit MP 62、ランクセス(Lanxess AG))を加えることにより無機塩を除去し、この溶液をさらに2時間撹拌した。このイオン交換体を濾別した。この溶液の中のPSSに対するPEDOTの重量比は1:2.5であった。
撹拌機および内部温度計を備えた2lの3つ口フラスコに、最初に868gの脱イオン水および450000g/molの重量平均Mwおよび3.8重量%の固形分含量を有するポリスチレンスルホン酸水溶液330gを加えた。この分子量は、水系ゲル透過クロマトグラフィ(GPC)によって測定した。この溶液を0.075gの硫酸鉄(III)と混合した。反応温度を20〜25℃に保った。5.1gの3,4−エチレンジオキシチオフェンを、撹拌しながら加えた。この溶液を30分間撹拌した。その後、9.5gの過硫酸ナトリウムを加え、この溶液をさらに24時間撹拌した。この反応が完結すると、120gのカチオン交換体(Lewatit S100 H、ランクセス(Lanxess AG))および80mlのアニオン交換体(Lewatit MP 62、ランクセス(Lanxess AG))を加えることにより無機塩を除去し、この溶液をさらに2時間撹拌した。このイオン交換体を濾別した。この溶液の中のPSSに対するPEDOTの重量比は1:2.5であった。
得られたPEDOT:PSS分散液を高圧ホモジナイザーを用いて900bar(90MPa)の圧力で5回ホモジナイズし、次いで95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
この混合物を、実施例1からのフォトレジストで構造化した基体の上へと分散させた。この上澄み溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で1200rpmで30秒間にわたって振り落とした。得られた層を、ホットプレート上で130℃で10分間乾燥した。層厚さdは80nmであり、電気伝導率σは350S/cmであった。
この層をアセトン中で洗い流すことで、架橋されたフォトレジストを完全に溶解させた。架橋されたフォトレジストの茶色がかった黄色の固有の色のため、この溶解プロセスを視覚的にモニターすることが可能であった。しかしながら、これもまた、このフォトレジスト上に存在するPEDOT/PSS層を取り除かず、むしろ、それは粘着性のはがれやすい(loose)薄膜としてこの基体に残る。図1−5に示されるような所望のリフトオフは、このように起こらなかった。
実施例5(本発明)
方法は実施例4と同様であったが、重合において、49000g/molの重量平均Mwを有するポリスチレンスルホン酸を使用したことが異なっていた。このPSSポリマーに対するPEDOTの重量比は、実施例4におけるように、1:2.5であった。
方法は実施例4と同様であったが、重合において、49000g/molの重量平均Mwを有するポリスチレンスルホン酸を使用したことが異なっていた。このPSSポリマーに対するPEDOTの重量比は、実施例4におけるように、1:2.5であった。
このPEDOT:PSS分散液を高圧ホモジナイザーを用いて900bar(90MPa)の圧力で5回ホモジナイズし、次いで95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
この混合物を、実施例1からのフォトレジストで構造化した基体の上へと分散させた。この上澄み溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で1500rpmで30秒間にわたって振り落とした。得られた層をホットプレート上で、130℃で10分間乾燥した。層厚さdは760nmであり、電気伝導率σは390S/cmであった。
この層をアセトン中で洗い流すことで、架橋されたフォトレジストを完全に溶解させた。架橋されたフォトレジストの茶色がかった黄色の固有の色のため、この溶解プロセスを視覚的にモニターすることが可能であった。これは、いくつかの場所でこのフォトレジスト上に存在するPEDOT/PSS層を取り除いた。図1−5に示されるような所望のリフトオフは、こうして部分的に起こった。
実施例6(本発明)
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:3に対応するように、この混合物を作製し、その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:3に対応するように、この混合物を作製し、その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で1500rpmで30秒間にわたって振り落とした。その後、この層を、ホットプレート上で130℃で15分間乾燥した。層厚さdは76nmであり、電気伝導率σは360S/cmであった。
実施例5とは対照的に、リフトオフによってこの混合物を完全に除去することが可能であった。
実施例7(本発明)
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:3.5に対応するように、この混合物を作製した。その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:3.5に対応するように、この混合物を作製した。その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で1100rpmで30秒間にわたって振り落とした。その後、この層を、ホットプレート上で130℃で15分間乾燥した。層厚さdは77nmであり、電気伝導率σは310S/cmであった。
実施例5とは対照的に、リフトオフによってこの混合物を完全に除去することが可能であった。
実施例8(本発明)
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:4に対応するように、この混合物を作製した。その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:4に対応するように、この混合物を作製した。その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で1100rpmで30秒間にわたって振り落とした。その後、この層を、ホットプレート上で130℃で15分間乾燥した。層厚さdは77nmであり、電気伝導率σは290S/cmであった。
実施例5とは対照的に、リフトオフによってこの混合物を完全に除去することが可能であった。
実施例9(本発明)
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:4.5に対応するように、この混合物を作製した。その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
実施例5に従って製造した分散液をさらなるポリスチレンスルホン酸で希釈した。この目的のために使用したPSSは、49000g/molの重量平均Mwを有していた。この分散液中のPSSに対するPEDOTの比が1:4.5に対応するように、この混合物を作製した。その後、95gのこの溶液を5gのジメチルスルホキシドと混合した。
この溶液を、蓋を開けて200rev/sec2の加速度で、1000rpmで30秒間にわたって振り落とした。その後、この層を、ホットプレート上で130℃で15分間乾燥した。層厚さdは77nmであり、電気伝導率σは260S/cmであった。
Claims (10)
- リフトオフプロセスを使用して導電性の構造化されたポリマー層を製造するためのプロセスであって、ポリカチオンとしての少なくとも1つの導電性ポリマーおよび1000〜100000g/molの範囲内の平均分子量Mwを有する少なくとも1つのポリアニオンが基体に付与されることを特徴とする、プロセス。
- 前記ポリカチオンが、任意に置換されたポリチオフェン、ポリアニリンまたはポリピロールであってもよいことを特徴とする、請求項1に記載のプロセス。
- 前記ポリカチオンが、一般式(I)の繰り返し単位を含む任意に置換されたポリチオフェン
Aは、任意に置換されたC1〜C5−アルキレンラジカルであり、
Rは、直鎖状もしくは分枝状の、任意に置換されたC1〜C18−アルキルラジカル、任意に置換されたC5〜C12−シクロアルキルラジカル、任意に置換されたC6〜C14−アリールラジカル、任意に置換されたC7〜C18−アラルキルラジカル、任意に置換されたC1〜C4−ヒドロキシアルキルラジカルまたはヒドロキシルラジカルであり、
xは0〜8の整数であり、
複数のRラジカルがAに結合されている場合、それらは同じであってもよいし異なっていてもよい)
であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のプロセス。 - 前記ポリアニオンが高分子カルボン酸または高分子スルホン酸のアニオンであることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記ポリアニオンの平均分子量Mwが20000〜70000g/molの範囲にあることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記ポリアニオンに対する前記ポリカチオンの重量比が1:2〜1:7であることを特徴とする、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記導電性ポリマー層が溶液からまたは分散液から付与されることを特徴とする、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のプロセス。
- 電気伝導率向上剤が添加されることを特徴とする、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のプロセス。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のプロセスに従って製造される導電性の構造化されたポリマー層。
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