JP5390526B2 - スプレーコーティングを用いたカーボンナノチューブ導電膜およびその製造方法 - Google Patents

スプレーコーティングを用いたカーボンナノチューブ導電膜およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、スプレーコーティングを用いたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明導電膜およびその製造方法に係り、さらに詳しくは、基質にカーボンナノチューブ溶液をスプレーコーティングするときにパターンの模様を調節することにより伝導性および透過性が改善された、スプレーパターンを含むカーボンナノチューブ透明導電膜およびその製造方法に関する。
カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）は、チューブ状に配列された複数の炭素原子からなる。炭素原子はハチの巣状と同様の六角格子に配列されている。チューブの直径がナノメートルスケールと同じ程度に極めて小さく、特有の電気化学的特性を示す。
カーボンナノチューブは、優れた機械的特性、電気的選択性、および優れた電界放出特性を有する。また、カーボンナノチューブは、炭素原子の配列によって半導体の性質を有し、その直径によってエネルギーギャップが変わるため、電子分野、生命工学分野、医薬分野などで注目されている。そして、カーボンナノチューブの電気的性質は、現在知られている他の素材とは比較できないほど画期的である。このようなカーボンナノチューブを基板にコートすることにより薄い導電膜をプラスチックまたはガラス基板に形成すると、この基板は、可視光線領域において高い透過度および伝導性を示すので、透明電極としての使用が可能である。このようなカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明電極は、現在、電界放出ディスプレー（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、フラットパネルディスプレー（ＦＰＤ：Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）またはタッチパネルなどの透明電極として使用されているＩＴＯ(Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ)透明電極の代替物質として注目を集めている。
特に、プラスチック基板にコートされたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明電極は、金属酸化物薄膜であるＩＴＯ透明電極に比べて外部衝撃または応力に対しても安定であって、膜を折ったり撓んだりしたときにも電気的特性が変わらないという利点を持っているので、次世代ディスプレーとして注目を集めているフレキシブルディスプレー用透明電極として研究されている。
カーボンナノチューブを透明電極に用いるためには、分散したカーボンナノチューブ溶液を一定の基質にコートしなければならない。このようなコーティング方法としては、スプレーコーティング、ディップコーティング、スピンコーティング、ロールコーティングなどが知られている。米国特許第７，１１８，６９３号明細書および米国特許第７，０６０，２４１号明細書に開示されたコーティング方法は、基質にコーティング液をコートするために一般的に使用されているコーティング方法に関する。
コートされたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の透過性および伝導性を最適化するために、使用されるカーボンナノチューブの種類を選定し、伝導性を高めるための添加剤を加える方法、および基質にコートされる厚さを調節する方法などを使用している。
ところが、これまで知られている上述した方法を適用するとしても、得られたカーボンナノチューブ透明導電膜は満足すべき透過性および伝導性を持っていないため、改善の余地が多い。
米国特許第７，１１８，６９３号明細書 米国特許第７，０６０，２４１号明細書
本発明は、スプレーコーティング方法でコートされる基質に作り出された一定の模様のパターンを用いることにより透過性および伝導性が改善された、カーボンナノチューブ透明導電膜、およびその製造方法を提供しようとする。
本発明のある観点によれば、少なくとも一部分が互いに連結された複数のループパターンを有するカーボンナノチューブ透明導電膜を提供する。
本発明の他の観点によれば、カーボンナノチューブ、分散剤および溶媒を混合および分散してコーティング溶液を準備する段階と、基質上に前記コーティング溶液を０．０５〜６０ｋｇｆ／ｃｍ２の噴射圧力でスプレーし、これを乾燥させる段階とを含む、カーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法を提供する。
本発明の追加の特徴は、以下の説明に記載されており、また、一部は説明から明らかになり、あるいは本発明の実施によって習得され得る。
本発明によれば、スプレーコーティングによって形成された、少なくとも一部分が互いに連結された複数のループパターンを有することにより、透過性および伝導性が非常に改善された、カーボンナノチューブ透明導電膜を得ることができる。このようなカーボンナノチューブ透明導電膜は、透明電極に非常に適した透過性および面抵抗特性を持っている。また、スプレー方法によるパターン形成は、自発的に形成される現象を用いたもので、多段階の前処理を要求する一般的なパターン方法とは異なり、工程が簡単であって商業的に有用である。
本発明の一実施形態に係る環状のループパターンを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明導電膜の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例１に係るカーボンナノチューブ透明導電膜の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例２に係るカーボンナノチューブ透明導電膜の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の比較例１に係るカーボンナノチューブ透明導電膜の走査型電子顕微鏡写真である。
以下、本発明をより詳細に説明する。
透明電極の透明性および伝導性を維持することが可能なカーボンナノチューブ透明導電膜は、透明電極に活用することができる。前記透明電極の透明性および伝導性を維持するためには、次の条件を満足しなければならない。
一つ目は、伝導性物質としてのカーボンナノチューブが互いに切れることなく連結されていなければならない。電極の基本的な役割は電気が流れるようにすることなので、電気が流れるようにする物質、すなわち、カーボンナノチューブが切れることなく連結されていなければならない。例えば、広い面積に電気が流れるようにするためには、伝導性物質としてのカーボンナノチューブが全面積にわたって連結されていなければならない。これを満足する最も容易な方法は、基質全体を伝導性物質で塗布させることである。ところが、このようなコーティング方法によれば、伝導性の向上に効果があるかは分からないが、透明電極の別の条件である透過度の側面で特性低下をもたらすおそれがある。
二つ目は、透過性を高めるために、基質全体または部分に伝導性物質のカーボンナノチューブを出来る限り薄くコートしなければならない。
上述した２つの特性を満たすために、本実施形態では、スプレーコーティング方式を用いて少なくとも一部分が互いに連結された複数のループパターンが形成された、カーボンナノチューブ透明導電膜を形成する。前記ループパターンは、光学顕微鏡または走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて確認可能である。
本実施形態で使用されるループパターンのループは、多様な形状を有し、好ましくは楕円形または円形である。
本実施形態で使用されたスプレーコーティング方法は、微粒子を一定の圧力で基質に噴射させることにより、微粒子の蒸発を誘導し、このような過程で微粒子の蒸発による一定の模様のパターン、すなわち環状のループパターンを得ることができる。特に、環状のループパターン、例えばそのパターンが中空のコーヒーリング(ｃｏｆｆｅｅ ｒｉｎｇ)タイプで得られるとき、高透過性および低面抵抗性の透明電極を得ることができる。
本実施形態で使用される用語「コーヒーリング」は、ある微粒子の分散している液体が蒸発することにより得られるパターンをいい、その模様がまるでコーヒーを零したときに生ずる円形と似ていることに由来した名である。これは、液体とは蒸発速度の異なる物質が液滴に混合されているとき、外縁部の液体が蒸発しながら液滴内の液体がその空の空間を占めながら外方へ動き、その中に含まれていた粒子の大部分が液滴の縁部に片寄って生ずるパターンである。
本実施形態では、因子（ｐａｒａｍｅｔｅｒ）、例えばスプレーコーティング溶液の噴射圧力や、カーボンナノチューブ透明導電膜が形成される基質の温度などを調節することにより、一定のサイズと形態を有する環状のループパターン、例えばコーヒーリングパターンの模様を得ることができ、コートされた全面にわたってカーボンナノチューブが切れることなく連結されて透明性の高いカーボンナノチューブ透明電極を形成することができる。
図１は本発明の一実施形態に係る環状のループパターンを説明するためのもので、本発明のループパターンは、図１に示した環状に限定されない。
図１を参照すると、本実施形態によって形成されたカーボンナノチューブ透明導電膜には、複数の環状のループパターンが形成される。この際、前記ループは互いに連結されており、図１に示すように、ループ同士が互いに連結されて重なり合い部分が現れる。また、ループ内の空間はコーティング液で充填されていない。図１において、ループの内部に充填された面積部分Ｂを示したが、これは説明のために追加された部分であり、本実施形態のループパターンでは実際ループの内部がＢのように全部が充填されることなく一部のみが充填される。このようにループ同士が互いに連結されながらループの内部が完全に充填されず、一部の空の空間Ａを維持することにより、優れた伝導性および透過性を得ることができる。もしループパターンの内部に、重なり合った他のループパターン以外に、充填される空間が多くなると、カーボンナノチューブ透明導電膜の透過性が低下して好ましくない。
このように本発明の一実施形態に係る環状のループパターンにおいて、前記ループは、内部の一部のみが充填される、あるいは内部が完全には充填されないことが好ましい。
図１において、ｄはループの厚さを示し、ｂはループの外径を示す。ループパターンのサイズはｂおよびｄによって決定される。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ透明導電膜において、ループパターンのサイズは、スプレーコーティングの際に使用されるノズル、噴射圧力などによって異なるが、好ましくは、ループパターンの直径（外径）は０．１〜１２０μｍであり、前記ループパターンの厚さｄは０．０１〜５μｍである。
もしループパターンの直径が前記範囲を超過すれば、透明導電膜の面抵抗の均一度が低下し、もしループパターンの直径が前記範囲未満であれば、点のような小さいループになるので透過度が低下して好ましくない。
また、ループパターンの厚さが前記範囲未満であれば、透明導電膜を構成するカーボンナノチューブの含量が減少して透明導電膜の伝導性が低下して好ましくない。
図２は本発明の一実施形態によって形成されたカーボンナノチューブ透明導電膜の走査型電子顕微鏡写真である。図２を参照すると、環状のループパターンが形成され、これらループ同士の重なり合いを実際に確認することができ、またループ同士が重なり合った領域以外の空間は充填されていない状態で残っていることが分かる。また、ループパターンの厚さが約３μｍであり、ループの直径が約４０μｍであることが分かる。
以下、本実施形態に係るカーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法を説明する。
まず、カーボンナノチューブ、分散剤および溶媒を混合および分散する。
前記カーボンナノチューブは、単一壁カーボンナノチューブ（ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）、二重壁カーボンナノチューブ（ｄｏｕｂｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）、多重壁カーボンナノチューブ（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）、多発型カーボンナノチューブ、またはこれらの組み合わせであるが、必ずしもこれに限定されるのではない。
前記分散剤としては、カーボンナノチューブを水などの溶媒で分散させることができるものであればいずれも使用可能であり、具体的な例として、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ（Ｓｉｇｍａ社）、Ｔｗｅｅｎ２０(Ｐｏｌｙｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｓｏｒｂｉｔａｎ Ｍｏｎｏｏｌｅａｔｅ)、ＣＴＡＢ(Ｃｅｔｙｌ Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｂｒｏｍｉｄｅ)を挙げることができる。そして、分散剤の含量はカーボンナノチューブの１重量部を基準として０．１〜１００００重量部であることが好ましく、特に０．１〜５００重量部であることが好ましい。
前記溶媒としては、水、エタノール、メタノール、イソプロパノール、１，２−ジクロロベンゼン、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、アセトン、またはその混合物などを使用し、溶媒の含量は、カーボンナノチューブの１重量部を基準として１０〜８００００重量部であることが好ましい。
その後、前記分散した結果物をコーティング溶液として準備する。
前記コーティング溶液におけるカーボンナノチューブの含量は、コーティング溶液の総重量１００の重量部に対して０．０１〜２０重量部であることが好ましい。
もしカーボンナノチューブの含量が０．０１重量部未満であれば、このようなコーティング溶液を用いて形成されたループパターンの厚さが非常に薄く形成されあるいは切れて透明電極の伝導性が低下し、カーボンナノチューブの含量が２０重量部を超過すれば、ループパターンのループ内が部分的に充填されて蒸発時間が長くかかり、パターンの形状が不規則的に変化しながら透明電極の透過度を低下させるので、好ましくない。
次いで、基質上に前記コーティング溶液をスプレーコーティングし、これを乾燥させる。
本実施形態で使用するスプレーコーティングは、一般的なスプレーコーティング装備と超音波噴霧器などを使用することが可能である。そして、スプレーコーティングに使用されるノズルは、単一流体、二流体、およびこれらの混合型などの多様な形態であってもよい。
本実施形態のスプレー工程で溶媒を蒸発させるための装置を採用してもよい。このために、発熱板を使用することができ、コーティング溶液の蒸発のためにコーティング面の下、上、側面などに熱を加えることができる。
前記基質を加熱させる温度は、加熱処理された基質の温度と同一であり、５０〜３００℃の範囲で使用される溶媒の効率的な蒸発のために調節しなければならず、コートされる基質の種類によっても異なる。もし基質の加熱温度が非常に低ければ、溶媒の蒸発が遅く起こり、コーヒーリングタイプのループパターンが破れてしまう。また、もし基質の加熱温度が３００℃を超過すれば、溶媒の蒸発速度が速くなり、あるいは基質の特性に影響するおそれがある。
本実施形態のスプレー工程で使用される基材は、ガラス、ポリマーフィルム、メンブレインなどが好ましいが、必ずしもこれに限定されるのではない。平面形態の基材には均一にコートできる。
前記ポリマーフィルムの具体的な例としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどがある。
本実施形態に使用されるコーティング溶液の噴射圧力は０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２〜６０ｋｇｆ／ｃｍ２であることが好ましい。もしコーティング溶液の噴射圧力が６０ｋｇｆ／ｃｍ２を超過すれば、噴射された液滴が基質に接するとき、ループパターンが形成されず、様々な不規則形態で破れてしまう。それ故に、パターンが互いに連結されず、結果として透明電極製造の後に面抵抗値が上昇する。
これに対し、スプレー噴射圧力が０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２未満であれば、噴射が良好に行われず、生成される液滴が大きくなってコーティングが難しくなる。したがって、溶液が基質に接するとき、噴射されるときの圧力が維持されるようにするためには、噴射されるスプレーノズルと基質間の距離を適切に調節しなければならない。安定なパターン形成のために、基質とノズル間の距離を少なくとも１〜１００ｃｍ以上とすることが好ましい。
本発明の一実施形態によれば、前記製造過程によって得たカーボンナノチューブ導電膜は、面抵抗が２０ｋΩ／□以下、特に１０ｋΩ／□〜２０Ω／□であり、透過度は６０％以上、特に６０〜９８％であって、伝導度と透明特性に非常に優れる。
上述した特性を持っているので、本実施形態のカーボンナノチューブ導電膜は、ＩＴＯ透明電極を代替して各種画像表示装置の透明電極として非常に有用である。
以下、本発明は下記実施例を挙げてより詳細に説明する。下記の実施例は本発明を限定するものではない。
（実施例１）
３．０ｍｇの単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）と１．５ｍｇのＳＤＳ分散剤を２００ｍＬの蒸留水に均一に混合した。これを超音波分散器（Ｂａｔｈ Ｓｏｎｉｃａｔｏｒ Ｂｒａｎｓｏｎ ５５１０ ４０ｋＨｚ １３５ｗ）を用いて１時間分散させてコーティング溶液として使用した。
基質としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを使用し、これを７０℃で加熱された発熱板上に置き、この基質に実験用スプレー装置（Ａｎｅｓｔ Ｉｗａｔａ Ｗ−１００）を用いてコーティング溶液でスプレーコーティングし、これを乾燥させてカーボンナノチューブ透明導電膜を形成した。この噴射圧力は５ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
前記過程によって得たカーボンナノチューブ透明導電膜を顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ ＢＸ５１）を用いて２００倍に拡大して観察し、図３に示した。そして、前記過程によって得たカーボンナノチューブ透明導電電の面抵抗および透過度を測定し、下記表１に示した。
図３を参照すると、スプレー過程で現れるパターンが互いに重なり合いながら全体的に連結されて電気的な流れが可能になる。よって、内部が一部空いている環状のループパターンで透過性の高い透明電極を製造することができる。
（実施例２）
３．０ｍｇの単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、１．５ｍｇのＳＤＳ分散剤および２００ｍＬの蒸留水を攪拌してよく混合した。これを超音波分散器（Ｂａｔｈ Ｂｏｎｉｃａｔｏｒ Ｂｒａｎｓｏｎ ５５１０ ４０ｋＨｚ １３５Ｗ）を用いて１時間分散させてコーティング溶液として使用した。
基質としてＰＥＴフィルムを使用し、このフィルムを温度７０℃の発熱板にのせて加熱した。超音波噴霧器（三星電子）を用いて、溶液を１ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で噴射しながら、準備された基質にスプレーコーティングを施した後、これを乾燥させてカーボンナノチューブ透明導電膜を形成した。
本実施例に係るカーボンナノチューブ透明導電膜を顕微鏡によって２００倍に拡大して観察し、図４に示した。そして、前記過程によって得たカーボンナノチューブ透明導電膜の面抵抗および透過度を測定し、下記表１に示した。
図４を参照すると、ループパターンは、図１と同様に、ループの内部が部分的に充填されていない環状のループパターンが重なり合った形態であることを確認することができた。
（比較例１）
３．０ｍｇの単一壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、１．５ｍｇのＳＤＳ分散剤および２００ｍＬの蒸留水を攪拌してこれを均一に混合した。この混合物を超音波分散器（ｂａｔｈ ｓｏｎｉｃａｔｏｒ Ｂｒａｎｓｏｎ ５５１０ ４９ｋＨｚ １３５Ｗ）を用いて１時間分散させた後、コーティング溶液として使用した。
基質としてＰＥＴフィルムを使用し、基質をのせた発熱板の温度を実施例１と同様に７０℃に固定した。準備された基質に実験用スプレー装置（Ａｎｅｓｔ Ｉｗａｔａ Ｗ−１００）を用いて溶液をスプレーコーティングした後、カーボンナノチューブ透明導電膜を形成した。この際、コーティング溶液の噴射圧力は７５ｋｇｆ／ｃｍ２とした。
前記過程によって得たカーボンナノチューブ透明導電膜を顕微鏡によって２００倍に拡大して観察し、その写真は図５に示した。そして、前記過程によって得たカーボンナノチューブ透明導電膜の面抵抗および透過度を測定し、下記表１に示した。
図５を参照すると、実施例１と同一の条件で噴射圧力を高めたときに現れるコーティングパターンが確認できる。噴射圧力が強ければ、一定の円形パターンではなく、不規則的な模様にパターンが破れて現れる。そして、下記表１に示すように、互いに連結された部分が見えて面抵抗値が大幅高くはならないが、内部が充填された形態のパターンにより透過度値が低くなる。
実施例１、２および比較例１によるカーボンナノチューブ透明導電膜を形成するためのスプレー条件と、それぞれの場合に応じて形成されたカーボンナノチューブ透明導電膜からなる透明電極の面抵抗および透過度を調査し、下記表１に示した。
Figure 0005390526
表１から分かるように、実施例１〜２によれば、カーボンナノチューブ透明導電膜は、ループパターンを示し、面抵抗および透過度特性にも優れている。
これに対し、比較例１によれば、カーボンナノチューブ透明導電膜は、不規則的な模様を示し、面抵抗特性には優れるが、透過度特性が低下して好ましくない。
当業者に明白なように、種々の変更または修正が本発明の精神と範囲から逸脱することなく可能である。よって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物の範疇内に属する前記変更または修正をカバーするものである。

Claims (8)

  1. 複数のループパターンからなるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明導電膜であって、前記ループパターンは、基質上にコーティング溶液を０．０５〜６０ｋｇｆ／ｃｍ ２ の圧力でスプレーし、前記コーティングされた基質を乾燥させることによって形成され、前記コーティング溶液は、カーボンナノチューブ、分散剤および溶媒を混合および分散して準備され、複数のループは少なくとも一部分が互いに連結され、前記ループの厚さは０．１〜５μｍであり、その外径は１０〜１２０μｍである、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明導電膜。
  2. 前記ループは、カーボンナノチューブで内部の一部のみが充填されており又は内部が空いていることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブ透明導電膜。
  3. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明導電膜の製造方法であって、前記ＣＮＴ透明導電膜は、その表面にループパターンを有し、複数のループは少なくとも一部分が互いに連結され、前記ループの厚さは０．１〜５μｍであり、その外径は１０〜１２０μｍであり、その方法が、
    カーボンナノチューブ、分散剤および溶媒を混合および分散してコーティング溶液を準備する段階と、
    基質上に前記コーティング溶液を０．０５〜６０ｋｇｆ／ｃｍ２の噴射圧力でスプレーし、これを乾燥させる段階と、を含むことを特徴とする、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）透明導電膜の製造方法。
  4. 前記スプレーおよび乾燥段階において、前記基質が５０〜３００℃の温度で加熱されることを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法。
  5. 前記コーティング溶液中の前記カーボンナノチューブの含量が前記コーティング溶液の１００重量部に対して０．０１〜２０重量部であることを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法。
  6. 前記溶媒の含量が前記カーボンナノチューブの１重量部に対して１００〜８００００重量部であることを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法。
  7. 前記基質が、ガラス、ポリマー膜、およびセラミックフィルムよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法。
  8. 前記溶媒が、水、エタノール、メタノール、イソプロパノール、１，２−ジクロロベンゼン、クロロホルム、ジメチルホルムアミドおよびアセトンよりなる群から選ばれることを特徴とする、請求項３に記載のカーボンナノチューブ透明導電膜の製造方法。
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