JP5184856B2 - Ｐ―ｎ接合素子及びその製造方法、ｐ−ｎ接合素子を利用するダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、Ｐ―Ｎ接合素子及びその製造方法に係り、特に有機複合材料を含むＰ―Ｎ接合素子及びその製造方法、該Ｐ−Ｎ接合を利用する有機ダイオードに関する。
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は１９９１年に飯島澄男によって発見され、２１世紀で重要な新素材の１つであると期待されている。ＣＮＴは機械・電気・熱特性に優れていることから、エレクトロニクス、バイオ、エネルギー、複合材料等、広範な分野での応用が期待されている。特に、ＣＮＴをフィラーとした高分子複合材料（ＣＮＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ複合材料）の機械、熱、電気特性の向上を目指し研究が盛んに行われている。ＣＮＴを含むポリマー複合材料には、電磁波遮蔽・吸収や帯電防止などの特徴がある。
半導体は、現在のテクノロジを牽引していく。有機半導体の研究はその最新のトピックとして注目されている。有機半導体は、半導体の特性を有する有機材料であり、無機材料に比べて、軽量、大面積、フレキシブル、印刷可能などの特徴があるから、電子ペーパーやフレキシブル・ディスプレイなどのユニークな用途が拓けると期待されている。それには、耐久性や寿命など、有機物が本来抱える課題を克服する、高い材料技術が不可欠である。現在、有機半導体を使った有機ダイオードの開発が活発化している。
しかし、有機半導体はシリコン半導体に比べて、電気性能が低下し、キャリア移動度が小さく、キャリア密度が低いという欠点がある。
前記問題を解決するために、本発明は有機複合材料を含むＰ−Ｎ結合素子及びその製造方法、該Ｐ−Ｎ結合素子を利用する有機ダイオードを提供する。
本発明に係るＰ−Ｎ結合素子は、Ｐ型有機複合層と、Ｎ型有機複合層と、を備える。前記Ｎ型有機複合層は、第一ポリマー及び該第一ポリマーに混合される複数の導電粒子を含む。前記Ｐ型有機複合層は、第二ポリマー及び該第二ポリマーに混合される複数のカーボンナノチューブを含む。
前記Ｎ型有機複合層の第一ポリマー及び前記Ｐ型有機複合層の第二ポリマーは、同じ材料又は異なる材料からなる。
前記第一ポリマー及び前記第二ポリマーは、ポリエチレン・グリコール、ポリエステル、シリカゲル、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種である。
前記導電粒子は、酸化亜鉛であることが好ましい。
前記導電粒子の含有量を３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％にすることが好ましい。前記カーボンナノチューブの含有量を０．０１ｗｔ％〜３０ｗｔ％にすることが好ましい。
本発明のＰ−Ｎ結合素子の製造方法は、基板を提供するステップと、第二ポリマー及び複数のカーボンナノチューブを混合して前記基板に塗布して、Ｐ型有機複合層を形成するステップと、第一ポリマー及び複数の導電粒子を混合して前記Ｐ型有機複合層に塗布して、Ｎ型有機複合層を形成するステップと、前記基板を除去するステップと、を含む。
前記Ｐ型有機複合層を形成するステップにおいて、前記カーボンナノチューブを純化する工程を行うことが好ましい。
本発明の有機ダイオードは、陰極電極と、陽極電極と、前記陰極電極及び前記陽極電極の間に設置されたＰ−Ｎ結合素子と、を含む。前記Ｐ−Ｎ結合素子は、Ｐ型有機複合層と、Ｎ型有機複合層と、を備える。前記Ｎ型有機複合層は、第一ポリマー及び該第一ポリマーに混合される複数の導電粒子を含む。前記Ｐ型有機複合層は、第二ポリマー及び該第二ポリマーに混合される複数のカーボンナノチューブを含む。
前記陰極電極及び前記陽極電極は、導電金属である金からなることが好ましい。
従来技術と比べて、本発明のＰ−Ｎ結合素子は、無機材料の特徴である高電子密度及び高電子移動度を有し、且つ、軽型及び柔軟性という有機材料の特性も有する。また、本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子は、カーボンナノチューブを含むので、その熱伝導、電気伝導及び機械性能が高くなる。また、本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子は、簡単な塗布又は印刷の工程により製造されるので、大規模の生産ができ、コストが低くなる。さらに、本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子を利用する有機ダイオードは、良好な整流性能を有する。
以下、図面を参照して、本発明に係るＰ−Ｎ結合素子及びその製造方法について説明する。
（実施例１）
図１を参照すると、本実施例に係るＰ−Ｎ結合素子１０は、Ｎ型有機複合層（伝導電子が多数キャリアである）１２と、Ｐ型有機複合層（正孔が多数キャリアである）１４と、を含む。前記Ｎ型有機複合層１２は、第一ポリマー材料１２２と、該第一ポリマー材料１２２に均一に分布されている複数の導電粒子１２４と、を含む。前記Ｐ型有機複合層１４は、第二ポリマー材料１４２と、該第二ポリマー材料１４２に均一に分布されている複数のカーボンナノチューブ１４４と、を含む。前記Ｎ型有機複合層１２及び前記Ｐ型有機複合層１４は、それぞれ厚さが数μｍ〜０．２ｍｍにされる。前記第一ポリマー材料１２２及び前記第二ポリマー材料１４２としては、同じ材料でも異なる材料でも利用されることができる。前記第一ポリマー材料１２２及び前記第二ポリマー材料１４２は、ポリエチレン・グリコール、ポリエステル、シリカゲル、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤などのいずれか一種である。
図１を参照すると、本実施例に係るＰ−Ｎ結合素子１０は、Ｎ型有機複合層（伝導電子が多数キャリアである）１２と、Ｐ型有機複合層（正孔が多数キャリアである）１４と、を含む。前記Ｎ型有機複合層１２は、第一ポリマー材料１２２と、該第一ポリマー材料１２２に均一に分布されている複数の導電粒子１２４と、を含む。前記Ｐ型有機複合層１４は、第二ポリマー材料１４２と、該第二ポリマー材料１４２に均一に分布されている複数のカーボンナノチューブ１４４と、を含む。前記Ｎ型有機複合層１２及び前記Ｐ型有機複合層１４は、それぞれ厚さが数μｍ〜０．２ｍｍにされる。前記第一ポリマー材料１２２及び前記第二ポリマー材料１４２としては、同じ材料でも異なる材料でも利用されることができる。前記第一ポリマー材料１２２及び前記第二ポリマー材料１４２は、ポリエチレン・グリコール、ポリエステル、シリカゲル、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤などのいずれか一種である。
前記Ｐ型有機複合層１４に分布されているカーボンナノチューブ１４４は、長さが２００ｎｍ〜２０μｍ、直径が０．５ｎｍ〜２００ｎｍにすることができる。本実施例において、長さが１０μｍ、直径が１０ｎｍであるカーボンナノチューブ１４４が利用される。また、前記カーボンナノチューブ１４４に代えて、フラーレン炭素、カーボンブラック粒子、カーボンファイバーなどのいずれか一種が利用されることもできる。
前記Ｐ型有機複合層１４において、前記カーボンナノチューブ１４４の含有量を０．０１ｗｔ％〜３０ｗｔ％にするか、０．１ｗｔ％〜４ｗｔ％にすることが好ましい。本実施例においては、前記カーボンナノチューブ１４４の含有量が１ｗｔ％である。前記カーボンナノチューブ１４４の含有量が０．０１ｗｔ％以下にされる場合、前記Ｐ型有機複合層１４はほとんど導電できず、絶縁体のようになる。前記カーボンナノチューブ１４４の含有量が３０ｗｔ％以上にされる場合、前記Ｐ型有機複合層１４は導電体として利用することができる。
前記Ｎ型有機複合層１２に分布されている前記導電粒子１２４としては、いずれの電子導電性の材料でも利用することができる。前記導電粒子１２４の含有量は、該導電粒子の材料特性によって異なる。。本実施例において、前記導電粒子１２４として酸化亜鉛が利用され、該酸化亜鉛の含有量が３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％程度に設定されることができる。
前記Ｎ型有機複合層１２に分布されている前記導電粒子１２４として、高電子密度及び高電子移動度を有する無機導電材料が利用できるので、前記Ｎ型有機複合層１２は、無機材料の特徴である高電子密度及び高電子移動度を有する。また、前記Ｎ型有機複合層１２は、ポリマー材料を含むので、軽型及び柔軟性という有機材料の特性も有する。前記Ｐ型有機複合層１４に分布されている前記カーボンナノチューブ１４４は、多くの正孔を提供することができるので、前記Ｐ型有機複合層１４に正孔が高密度に形成され、該正孔の移動度が高くなることができる。また、カーボンナノチューブが良好な熱伝導性及び機械性能を有するので、前記Ｐ型有機複合層１４の導電性能が高くなり、前記Ｐ−Ｎ結合素子１０の機械性能が高くなることができる。
次に、図２を参照して、本実施例に係るＰ−Ｎ結合素子１０の製造方法について詳しく説明する。
第一ステップでは、基材（図示せず）を提供する。該基材は、ガラス、石英、シリコン、金属又はアルミナのいずれか一種からなる。
第二ステップでは、第二ポリマー材料と複数のカーボンナノチューブとを混合して、前記基材に塗布する。所定の比例で前記第二ポリマー材料及び前記複数のカーボンナノチューブを混合してペースト状の有機混合物が得られ、該ペースト状の有機混合物に少量の硬化剤を添加して前記基材に塗布する。前記ペースト状の有機混合物を硬化させた後、Ｐ型有機複合層を形成する。本実施例において、前記第二ポリマーはシリカゲルであり、前記硬化剤はテトラエチルシランである。また、前記複数のカーボンナノチューブの含有量は、０．１ｗｔ％〜４ｗｔ％に設定することが好ましい。
さらに、前記Ｐ型有機複合層の導電性を高めるために、前記複数のカーボンナノチューブ及び前記第二ポリマー材料を混合する前に、金属性のカーボンナノチューブ及び無定形炭素を除去するための純化工程をさらに行うことができる。例えば、カーボンナノチューブと酸化性の酸とを１：５〜１：１００の比率で混合して、超音波又は回流の条件で０．５〜１００時間処理してから、前記酸化性の酸を除去し、前記カーボンナノチューブを水で洗浄して乾燥させる。または、前記酸化性の酸及び前記カーボンナノチューブを混合して加熱し、１〜１０分間沸騰させてから、前記混合物を洗浄して濾過させて、純なカーボンナノチューブを形成することもできる。前記酸化性の酸は、濃硫酸、濃硝酸又はその混合物のいずれか一種である。
ボールミル粉砕方法又は超音波加工方法により、前記複数のカーボンナノチューブ及び前記第二ポリマーを均一に混合させることができる。本実施例において、ボールミル粉砕方法によれば、前記複数のカーボンナノチューブ及びシリカゲルのプレポリマーをボールミル粉砕機に入れて、４時間加工して、ペースト状の混合物を形成する。超音波加工方法によれば、石油エーテルを溶剤としてシリカゲルを混合してなるシリカゲルのプレポリマーを、０．５〜４時間超音波処理を行って、ペースト状の混合物を形成する。ボールミル粉砕方法又は超音波加工方法によるペースト状の混合物に、少量の硬化剤を添加し、硬化剤が混合された前記ペースト状の混合物を前記基材に塗布する。前記ペースト状の混合物の塗布方法は、回転塗布法、散布法、印刷法、圧縮成型法、注入法などのいずれか一種である。前記ペースト状の混合物を硬化させた後、Ｐ型有機複合層を形成する。該Ｐ型有機複合層の厚さは、数μｍ〜０．２ｍｍにするか、１０μｍにすることが好ましい。
第三ステップでは、所定の比例で、複数の導電粒子及び第一ポリマー材料を混合して、前記硬化されたＰ型有機複合層に塗布して、Ｎ型有機複合層を形成する。
前記Ｎ型有機複合層の製造方法は、前記Ｐ型有機複合層の製造方法と類似する。所定の比率で前記第一ポリマー材料及び前記複数の導電粒子を混合してペースト状の混合物を形成し、且つ該ペースト状の混合物に少量の硬化剤を添加して前記Ｐ型有機複合層に均一に塗布する。次に、前記有機複合ペーストを硬化させて、前記Ｐ型有機複合層にＮ型有機複合層を形成する。
前記Ｎ型有機複合層の厚さは、数μｍ〜０．２ｍｍにするか、１０μｍにすることが好ましい。本実施例において、前記導電粒子は酸化亜鉛であり、該導電粒子の質量比は３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％にする。前記導電粒子としては、酸化亜鉛の以外に、いずれの導電粒子が利用されることができる。
第四ステップでは、前記基材を前記Ｐ型の有機複合層から剥離して、有機材料を含むＰ−Ｎ結合素子を形成する。
本発明に係るＰ型有機複合層及びＮ型有機複合層は、塗布工程によって結合されるので、Ｐ型有機複合層がＮ型有機複合層に密着され、Ｐ−Ｎ結合素子の安定性が高くなる。
なお、前記ステップ２及び前記ステップ３の順序が交換可能であると理解することができる。
（実施例２）
図３を参照すると、本実施例に係るＰ−Ｎ結合素子２０を利用する有機ダイオード３０は、陰極電極３２と、陽極電極３４と、該陰極電極３２及び該陽極電極３４の間に設置されたＰ−Ｎ結合素子２０と、を含む。前記Ｐ−Ｎ結合素子２０は、Ｐ型有機複合層２４と、Ｎ型有機複合層２２と、を含む。本実施例のＰ−Ｎ結合素子２０は、実施例１のＰ−Ｎ結合素子１０と同じであるが、前記Ｐ−Ｎ結合素子２０の製造方法も、前記Ｐ−Ｎ結合素子１０の製造方法と同じである。
図３を参照すると、本実施例に係るＰ−Ｎ結合素子２０を利用する有機ダイオード３０は、陰極電極３２と、陽極電極３４と、該陰極電極３２及び該陽極電極３４の間に設置されたＰ−Ｎ結合素子２０と、を含む。前記Ｐ−Ｎ結合素子２０は、Ｐ型有機複合層２４と、Ｎ型有機複合層２２と、を含む。本実施例のＰ−Ｎ結合素子２０は、実施例１のＰ−Ｎ結合素子１０と同じであるが、前記Ｐ−Ｎ結合素子２０の製造方法も、前記Ｐ−Ｎ結合素子１０の製造方法と同じである。
前記有機ダイオード３０の製造方法は、次の工程を備える。まず、前記Ｐ−Ｎ結合素子２０のＮ型有機複合層２２に導電性金属（例えば、金である）をめっきして陰極電極３２を形成する。これにより、前記陰極電極３２と前記Ｎ型有機複合層２２との間にオーム接触を形成させることができる。同様に、前記Ｐ型の有機複合物２２に導電性金属（例えば、金である）をめっきして陽極電極３４を形成する。前記陰極電極３２及び前記陽極電極３４は、導電性の金属又は導電性合金である。前記陰極電極３２及び前記陽極電極３４の形成方法は、例えば、真空蒸着法などの堆積方法を用いることができる。図４に示したように、本実施例の有機ダイオード３０は、１Ｖ〜４Ｖ電圧の条件で、優れた整流性能がある。
なお、前記有機ダイオード３０は、次の工程により製造される。まず、基材（図示せず）に陽極電極３４を形成する。次に、前記陽極電極３４にＰ型有機複合層２４を塗布し、該Ｐ型の有機複合物２４にＮ型有機複合層２２を塗布する。次に、該Ｎ型有機複合層２２に陰極電極３２を形成する。最後、前記基材を除去して、有機ダイオード３０を形成する。ここで、前記Ｐ型有機複合層及び前記Ｎ型有機複合層の製造方法及び塗布方法は、実施例１に記述した方法と同じである。前記陰極電極３２及び前記陽極電極３４は、上述の方法により形成されることができる。
本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子は、簡単な塗布又は印刷の工程により製造されるので、大規模の生産ができ、コストが低くなる。また、本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子は、有機材料が基質材料として利用されるので、軽量及び柔軟という優れた点がある。さらに、本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子はカーボンナノチューブを有するので、その熱伝導、電気伝導及び機械性能が高くなる。従って、本発明の有機Ｐ−Ｎ結合素子を利用する有機ダイオードは、良好な整流性能がある。
１０ Ｐ−Ｎ結合素子
１２ Ｎ型有機複合層
１２２ 第一ポリマー
１２４ 導電粒子
１４ Ｐ型有機複合層
１４２ 第二ポリマー
１４４ カーボンナノチューブ
２０ Ｐ−Ｎ結合素子
２２ Ｎ型有機複合層
２４ Ｐ型有機複合層
３０ 有機ダイオード
３２ 陰極電極
３４ 陽極電極
１２ Ｎ型有機複合層
１２２ 第一ポリマー
１２４ 導電粒子
１４ Ｐ型有機複合層
１４２ 第二ポリマー
１４４ カーボンナノチューブ
２０ Ｐ−Ｎ結合素子
２２ Ｎ型有機複合層
２４ Ｐ型有機複合層
３０ 有機ダイオード
３２ 陰極電極
３４ 陽極電極
Claims (8)
- Ｐ型有機複合層と、Ｎ型有機複合層と、を備えるＰ−Ｎ結合素子において、
前記Ｎ型有機複合層は、第一ポリマー及び該第一ポリマーに混合される複数の導電粒子を含み、
前記Ｐ型有機複合層は、第二ポリマー及び該第二ポリマーに混合される複数のカーボンナノチューブを含み、
前記第一ポリマー及び前記第二ポリマーは、ポリエチレン・グリコール、ポリエステル、シリカゲル、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種であることを特徴とするＰ−Ｎ結合素子。 - 前記Ｎ型有機複合層の第一ポリマー及び前記Ｐ型有機複合層の第二ポリマーは、同じ材料又は異なる材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のＰ−Ｎ結合素子。
- 前記導電粒子は、酸化亜鉛であることを特徴とする、請求項１に記載のＰ−Ｎ結合素子。
- 前記導電粒子の含有量が３０ｗｔ％〜５０ｗｔ％であり、
前記カーボンナノチューブの含有量が０．０１ｗｔ％〜３０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＰ−Ｎ結合素子。 - 基板を提供するステップと、
第二ポリマー及び複数のカーボンナノチューブを混合して前記基板に塗布して、Ｐ型有機複合層を形成するステップと、
第一ポリマー及び複数の導電粒子を混合して前記Ｐ型有機複合層に塗布して、Ｎ型有機複合層を形成するステップと、
前記基板を除去するステップと、
を含むＰ−Ｎ結合素子の製造方法であって、前記第一ポリマー及び前記第二ポリマーは、ポリエチレン・グリコール、ポリエステル、シリカゲル、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種であることを特徴とするＰ−Ｎ結合素子の製造方法。 - 前記Ｐ型有機複合層を形成するステップにおいて、前記カーボンナノチューブを純化する工程を行うことを特徴とする、請求項５に記載のＰ−Ｎ結合素子の製造方法。
- 陰極電極と、陽極電極と、前記陰極電極及び前記陽極電極の間に設置されるＰ−Ｎ結合素子と、を含む有機ダイオードにおいて、
前記Ｐ−Ｎ結合素子は、Ｐ型有機複合層と、Ｎ型有機複合層と、を備え、
前記Ｎ型有機複合層は、第一ポリマー及び該第一ポリマーに混合される複数の導電粒子を含み、
前記Ｐ型有機複合層は、第二ポリマー及び該第二ポリマーに混合される複数のカーボンナノチューブを含み、
前記第一ポリマー及び前記第二ポリマーは、ポリエチレン・グリコール、ポリエステル、シリカゲル、エポキシ樹脂、嫌気性接着剤、アクリル接着剤のいずれか一種であることを特徴とする有機ダイオード。 - 前記陰極電極及び前記陽極電極は、導電金属である金からなることを特徴とする、請求項７に記載の有機ダイオード。
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