JP6058715B2 - ポリマー基材上の耐久性透明電極 - Google Patents
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Description
本願発明は、透明電極に関し、さらに詳細にはポリマー基材上の耐久性透明電極に関するものである。
一般に、透明な伝導性酸化物は透明電極のグループに分類される。これらの透明な伝導性酸化物は、一般に、伝導性及び透明性の一方又は双方により定義される。これらの電極は、静電気防止コーティング、タッチ・スクリーン、フレキシブル・ディスプレイ、電子発光デバイス、エレクトロクロミック・システム、太陽電池及びエネルギー効率の良い窓等に幅広く応用されている。それぞれの応用には、通常一定の伝導性及び透明性が要求される。厳しい環境下で用いられる場合には、透明な伝導性酸化物の構造的及び機能的完全性を確保するというより厳しい要求が課せられることがある。
静電気防止コーティング、タッチ・スクリーン、フレキシブル・ディスプレイ等の開発において、耐久性透明電極の処理に関連した技術が鍵となっている。これら全ての応用は、透明電極の優れた電気的、光学的及び機械的特性に依存する。
酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の薄膜は最も一般的な透明電極の一つであり、スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、電子線蒸着、反応性蒸着及びパルスレーザー堆積を用いることによりポリエステルやポリカーボネート等のポリマー基材上に処理される。このような手法は、通常高い温度でのアニールや紫外線レーザープロセスを要求するため、ポリマー基材にダメージを与え、特にポリマーが芳香族系である場合には構造及び色の変化を引き起こす。さらには、圧縮内部応力が発生し、ＩＴＯ薄膜に容易に引張亀裂を生じさせる。
一態様によれば、伝導性材料組成物が提供される。該伝導性材料組成物は、表面（１０４）が第１の官能基を含むナノコンダクター（１００）と、少なくとも第１の官能基と第２の官能基を含む分散剤とを含むことを特徴とする。
他の一態様によれば、ポリマー基材に用いるためのナノコンダクター（１００）を処理する方法が提供される。該方法は、変性ナノコンダクターを形成するために第１の官能基をナノコンダクターの表面（１０４）上に導入し（１２）、伝導性材料組成物を形成するために、少なくとも第１の官能基及び第２の官能基を含む分散剤を変性ナノコンダクターと混合する（１４）ことを含み、変性ナノコンダクターの表面の第１の官能基が分散剤と反応することを特徴とする。
以下に記載される実施形態は透明電極に関し、より詳細には、ポリマー基材上に透明電極を処理するために利用する組成物及びプロセスに関する。このような電極の例としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、アンチモン添加酸化スズ（Ｓｂ−ＳｎＯ２）等の透明な伝導性酸化物がある。他の例としては、グラフェンのシート、炭素ナノチューブ、銀、銅、金、ニッケル、又はこれらの複合体がある。このような電極は表面上で変性され（即ち、機能化され）、化学的にポリマー基材に結合される。さらにはここで述べるように、電極はナノメーターのディメンションを有することが好ましい。このようなディメンションを有する電極は、一般的にここで述べるようなナノコンダクターであり、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロッド、ナノベルト、ナノリボン及びナノ粒子を含む。これらの電極は、スピンコーティング、スプレー、浸漬コーティング、スクリーン印刷又はインクジェット印刷によって、ポリマー基材上に塗られる。
ここで述べるプロセスは、基材に透明電極を塗るための処理に着目したものであり、特にポリマー基材に塗るプロセスに関する。後述するように、少なくとも一つの先行技術の欠点に対応している。特に透明電極の薄膜がポリマー基材上に塗られる場合、むき出しの電極は応力及び張力のためにラックが生じる傾向がある。特定の用途では、薄膜全体が基材から剥がれてしまうことがある。
一実施例において、透明電極の良好な耐久性は、電極をポリマー基材に結合する、透明電極及び分散剤の間の強固な共有結合によるものである。この化学結合は、例え２つの組成（透明電極及びポリマー基材）が異なる機械的、物理的及び化学的特性を有していても、効果的に透明電極材料とポリマー基材とを結びつけ、透明電極システムの良好な持続性を確保する。
当実施例のさらなる利点は、透明電極に関する製造コストを削減することにある。特に、本開示に係る透明電極は単純な化学手法を用いて処理され、高真空装置やプロセスを用いない。透明電極もまたグラファイト等の安価な材料でよい。このような材料の併合は現在の薄膜堆積技術とは大きく異なり、前述のようなコストの抑制に寄与する。
一実施例において、本開示はポリマー基材に用いるためのナノコンダクター（１００）を処理する方法に関する。図６はこのプロセスを説明するフローチャート１０である。特に、電極は、変性ナノコンダクターを形成するために第１の官能基をナノコンダクターの表面上に導入することにより処理される（１２）。該変性ナノコンダクターは、伝導性材料組成物を形成するために、好ましくは昇温状態で、分散剤と混合される（１４）。該分散剤は、少なくとも２官能性であり、少なくとも第１の官能基及び第２の官能基を含む。混合において、変性ナノコンダクターの表面の官能基が分散剤、とりわけ、分散剤上の官能基と反応する。最終的な混合物は伝導性材料組成物であり、樹脂、ペースト又はインクである。
そして、伝導性材料組成物はポリマー基材に塗られる。反応せずに残った分散剤上の官能基は、ポリマー基材と化学的に反応して共有結合を形成する。この化学結合は電極とポリマー基材とを効果的に結合し、良好な持続性を確保する。
他の実施例において、本開示は伝導性材料組成物に関する。伝導性材料組成物は統合製品を形成するためにポリマー基材に塗られる。伝導性材料組成物は、電極、分散剤、及び随意で溶剤を含む。
一般的に、電極は、透明な伝導性酸化物、炭素電極、金属及びこれらの組み合わせからなる。透明な伝導性酸化物（ＴＣＯｓ）としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、アンチモン添加酸化スズ（Ｓｂ−ＳｎＯ２）及びこれらの組み合わせがある。炭素電極の例としては、グラフェンのシート、炭素ナノチューブがある。金属電極は、銀、銅、ニッケル、金、又はこれらの組み合わせがある。一般的に、ＴＣＯｓ及び炭素電極の伝導性は１０−４Ωｃｍ程度である。銀、銅及び金は典型的な優れた金属電極であり、ＴＣＯｓ及び炭素電極の約１００−１０００倍の範囲の伝導性を有する。
本開示の組成物及び方法において、上記電極は単独或いは他の電極と組み合わせて用いられてもよい。先述の伝導性材料の複合体（即ち、２つあるいはそれ以上の組み合わせ）は、上記の伝導性材料を単独で用いた場合と比べて伝導性及び透明性を改良することができる。全ての伝導性材料がナノメーターの大きさで使用できる。一般的に、このようなディメンションを有する電極は、特に限定されないが、ここで述べるようなナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロッド、ナノベルト、ナノリボン及びナノ粒子等を含むナノコンダクターである。以上のように、「電極」はナノコンダクターを含む。
先述のように、電極の表面上に官能基を導入するために、電極が変性される。適切な官能基としては、特に限定されないが、ヒドロキシル（ＯＨ）、アミン（ＮＨ２）、メルカプト（ＳＨ）、カルボキシル（ＣＯＯＨ）、塩化スルホニル（ＳＯ２Ｃｌ）、ビニル（−Ｃ＝Ｃ）、アクリレート（Ｃ＝Ｃ−Ｃ＝Ｏ）、エポキシ基、エステル、及びこれらの組み合わせ等が挙げられる。
例えば、一実施形態において、電極は透明伝導性酸化物（ＴＣＯ）であり、官能基はヒドロキシル基である。ヒドロキシル基は、図１に示すような、電極の表面を洗浄するプロセスにより、ＴＣＯ電極の表面上に導入されてもよい。
特に、図１に示されるように、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の伝導性材料を含むナノワイヤ電極１００は、脱イオン水、メタノール、イソプロピルアルコール及びアセトン中で、続けて超音波洗浄される。一実施形態において、連続した超音波洗浄のステップは、それぞれ１０分程度ずつ行われる。超音波洗浄の後、電極は空気中で乾燥され、室温において約５分酸素プラズマ１０２にさらされる。具体例としては、酸素プラズマの照射は、酸素圧力約２００ｍｔｏｒｒ、約３０Ｗのプラズマ出力において行われる。次いで、電極１００は０．０５Ｍの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液中に約５分間浸され、多量のイオン水で完全に洗浄されて空気流で乾燥される。このプロセスの完了後、ＩＴＯナノワイヤ１００の表面１０４はヒドロキシル基１０６を有している。
他の実施形態では、電極１００は透明な伝導性酸化物及び官能基はアクリレート１５４である。この例においては、図５に示すように、８０℃の温度で一晩、アクリレート試薬１４４に電極１００をさらすことにより、アクリレート官能基１５４は電極の表面１０４上に導入される。他の官能基もまた、同様の技術で電極の表面上に導入される。
表面上の第１の官能基の導入によりＴＣＯ電極の表面が変性された後、該官能基を異なる一つ又は複数の官能基へ変換することにより、変性した表面はさらに随意で変性されてもよい。このような追加の官能基の例としては、特に限定されないが、アクリレート、エポキシ基、エステル、アミン、メルカプト基、塩化スルホニル、ビニル及びカルボキシル基等が挙げられる。第１の官能基を一つ又は複数の追加の官能基に変換するのはいかなる適切な方法であってもよい。これは、例えば、電極の表面上の第１の官能基を一つ又は複数の反応剤を用いて反応させる。
このような反応の具体例が図１に示されている。具体的には、図１からわかるように、第１の官能基がヒドロキシル基１０６の場合、表面１０４上にヒドロキシル基１０６を有する電極１００は、フタルイミド１２０やアジリジン１２２、又は他のアミドあるいはポリイミド（図示せず）等の反応剤と結合する。反応の結果、電極１００の表面１０４上のヒドロキシル基１０６はアミン（ＮＨ２）基１３０に変換される。あるいは、電極１００の表面１０４上のヒドロキシル基１０６は、僅かに高い温度で、エステル１４０、アミド、ポリカーボネート、又はポリイミド（図示せず）等の反応剤と反応してヒドロキシル基１０６をカルボキシル基１５０に変換する。あるいは、電極１００の表面１０４上のヒドロキシル基１０６は、僅かに高い温度で、エポキシ１４２と反応してヒドロキシル基１０６をアクリレート基１５２に変換する。他の適切な反応もまた利用される。これらの反応は一般的な化学変化であり、当業者によって容易に成されうる。この反応はＴＣＯ電極１００の表面１０４を好ましい官能基に変性させる簡易な方法を提供する。
他の実施形態において、電極はグラフェンのような炭素電極であってもよい。官能基は、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）および硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を用いたグラファイトの酸化によって、このような電極上に導入されてもよい。この酸化に続いて洗浄プロセスを行うことにより、グラフェンの表面上にヒドロキシル基、エポキシ、及びカルボキシル官能基が生じる。これは図２に示されている。
表面への第１の官能基の導入によって炭素電極の表面が変性した後、該官能基を異なる一つ又は複数の官能基へ変換することにより、変性した表面はさらに随意で変性されてもよい。このような追加の官能基の例としては、特に限定されないが、アクリレート、エポキシ基、エステル、アミン、メルカプト基、塩化スルホニル、ビニル及びカルボキシル基等が挙げられる。第１の官能基の一つ又は複数の追加の官能基への変換は、いかなる適切な方法で行ってもよい。これは、例えば、上記のＴＣＯ電極のように、電極の表面上の第１の官能基を一つ又は複数の反応剤を用いて反応させる。
官能基を導入することにより電極の表面が変性された後、変性された電極は伝導性材料組成物を形成するために、分散剤、あるいは随意で溶剤と混合される。一般的には、伝導性材料組成物は、約０．５重量％から約９０重量％の電極を含み、約１０重量％から約９０重量％の分散剤を含む。伝導性材料組成物中に存在する電極及び分散剤の的確な量は、特定の用途や、製造された製品の伝導性及び透明性の要件に依存する。
本開示の組成物及び方法に用いられる分散剤は、伝導性材料組成物中での電極の分散を助ける。さらには、先述のように、分散剤はポリマー基材に電極が化学的に結合するための架橋としても働き、電極及びポリマー基材は完全に併合される。この化学結合は、分散剤上に存在する官能基を介して成される。特に、分散剤は少なくとも、２官能性であり、少なくとも第１の官能基及び第２の官能基を含む。分散剤が変性された電極と混合されたとき、例えば、僅かに高い温度で一晩放置したとき、電極の表面の官能基は分散剤と、とりわけ、分散剤上の官能基の一つと反応する。この反応は、安定して、よく分散した、樹脂、ペースト又はインクといった伝導性材料組成物を提供する。さらなる変性電極上のオリゴマー化は、分散剤中の電極の分散性を向上させる。伝導性材料組成物は、例えば、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリウレタン、ポリイミド（ＰＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリベンゾチアゾール（ＰＢＴ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＸ）、ポリサルフォン、エポキシ、又は関連したシステム等の基材に塗られる。組成物の基材への塗布において、反応せずに残った分散剤上の官能基は、ポリマー基材と化学的に反応して共有結合を形成する。この化学結合は電極とポリマー基材とを効果的に結合し、良好な持続性を確保する。官能基及びポリマー基材が相溶性である場合には、電極上の官能基がポリマー基材上に直接結合してもよい。
分散剤は、少なくとも２官能性の、即ち、少なくとも第１の官能基と第２の官能基とを含む、いかなる置換又は非置換の脂肪族化合物又は芳香族化合物でよい。分散剤上の第１及び第２の官能基は、同じものであってもよいし、それぞれ異なる官能基であってもよい。分散剤上の第１及び第２の官能基が同じである場合、好ましくは、一つの基は電極と反応する間に保護される。この保護は、伝導性材料をポリマー基材に塗る前に取り除かれる。
例えば、一実施形態において、分散剤は次の構造を有する。
Ｒ２−Ｒ１−Ｒ３
Ｒ２−Ｒ１−Ｒ３
Ｒ１は置換又は非置換の脂肪族又は芳香族ヒドロカルビレン基であり、Ｒ２及びＲ３はそれぞれ、塩化アセチル、カルボキシル、エステル、イソシアネート、ビニル、アクリレート、アミン、アルデヒド及びヒドロキシルからなる群より選択される官能基である。特定の非限定的な分散剤の適例を図３及び４に示す。ここで示される特定の分散剤の例は限定的に解釈されるものではなく、本開示の範囲を逸脱することなく変更されてもよい。
先述のように、伝導性材料組成物はさらに、随意で溶剤を含んでいてもよい。この場合、伝導性材料組成物は約０．１重量％から約９５重量％の溶剤を含む。用いられる溶剤の具体的な量は組成物の形態（例えば、インク、ペースト、樹脂）に依存する。メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、Ｎ−ジメチルホルムアミド、２−イソプロポキシエタノール、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、アセトン、エチレングリコール、２−メトキシエタノール、トルエン、キシレン、ベンゼン、トリエチルアミン、及びこれらの組み合わせ等の、種々の溶剤を用いることができる。典型的には、伝導性材料組成物を形成する、僅かに高い温度における電極と分散剤との反応の前に、溶剤が電極及び分散剤と結合する。
先述のように、伝導性材料組成物は、樹脂、ペースト又はインクの形態で作成されてもよい。組成物は、スピンコーティング、スプレー、浸漬コーティング、スクリーン印刷又はインクジェット印刷等のあらゆる適切な方法によって、ポリマー基材上に塗られる。
上記の処理方法によって得られるのは、ポリマー基材上の透明電極の処理のための伝導性材料組成物である。該伝導性材料組成物は、電極、分散剤、及び随意で溶剤を含む。電極に関しては、伝導性材料組成物は、一般的に透明な伝導性酸化物電極であり、特に限定されないが、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、アンチモン添加酸化スズ（Ｓｂ−ＳｎＯ２）、グラフェンのシート、炭素ナノチューブ等の炭素電極、及び、銀、銅、ニッケル及び金等の金属電極のうちの一つあるいは複数である。電極は、ナノコンダクターであり、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロッド、ナノベルト、ナノリボン及びナノ粒子、あるいは他のナノスケール・ディメンションを有する形態であってよい。
上記の実施形態は次世代透明電極の記述である。ここで述べた材料及びプロセスは、すぐに様々な製造ライン及び製造プロセスへ適用することができ、その一方で、上記の実施形態と併合されたシステムをより堅牢で耐久性のあるものにすることができる。
上記の材料及びプロセスは透明電極をナノスケール・ディメンションに利用することができる。結果として、内部応力が生じず、クラックが電極組成物内に導入されない。先述のように、プロセスはナノ電極（例えば、透明電極）の表面を変性し、共有結合によって電極をポリマー・マトリクスに併合させる。このようなプロセスを用いることにより、電極はマトリクス構造内に包含される。以上に述べたプロセス及び方法の様々な組み合わせの結果として、伝導性層には良好な耐久性及び堅牢性が付与される。
様々な特定の実施形態によって本発明を記述したが、当業者であれば、本特許請求の精神及び範囲において、本発明が変更されることを理解する。
Claims (12)
- 電気伝導性材料組成物を形成するための方法であって、
変性ナノコンダクター（１００）を形成するために、第１の官能基をナノコンダクター（１００）の表面（１０４）上に導入することと、
前記変性ナノコンダクター（１００）と、分散剤とを混合することとを含み、
前記分散剤は少なくとも第２の官能基と第３の官能基を有し、混合中に前記変性ナノコンダクター（１００）の表面（１０４）上の第１の官能基が前記分散剤と反応して第２の官能基又は第３の官能基と共有結合を形成し、
前記分散剤は、Ｒ２−Ｒ１−Ｒ３の構造を有し、Ｒ１は置換又は非置換の脂肪族又は芳香族ヒドロカルビレン基であり、Ｒ２及びＲ３は、塩化アセチル、カルボキシル、エステル、イソシアネート、ビニル、アクリレート、アミン、アルデヒド及びヒドロキシルからなる群より独立に選択される官能基であり、
前記電気伝導性材料組成物はポリマー基材に塗られるためのものであって、反応せずに残った前記分散剤上の官能基は、前記ポリマー基材と化学的に反応して共有結合を形成する、方法。 - 前記ナノコンダクター（１００）が透明な伝導性酸化物、カーボンコンダクター、金属及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記透明な伝導性酸化物が酸化インジウムスズ、ドープ酸化亜鉛、酸化カドミウム、アンチモン添加酸化スズ及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
- 前記カーボンコンダクターがグラフェン、炭素、ナノチューブ及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
- 前記金属が銀、銅、ニッケル、金及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２に記載の方法。
- 前記電気伝導性材料組成物が０．５重量％から９０重量％の前記変性ナノコンダクター（１００）を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記電気伝導性材料組成物が溶剤を更に含む、請求項１に記載の方法。
- 前記溶剤がメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、Ｎ−ジメチルホルムアミド、２−イソプロポキシエタノール、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、アセトン、エチレングリコール、２−メトキシエタノール、トルエン、キシレン、ベンゼン、トリエチルアミン、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項７に記載の方法。
- 前記電気伝導性材料組成物が０．１重量％から９５重量％の溶剤を含む、請求項７に記載の方法。
- 前記電気伝導性材料組成物が１０重量％から９０重量％の分散剤を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記変性ナノコンダクター（１００）の表面（１０４）の前記第１の官能基がヒドロキシル、アクリレート、エポキシ基、エステル、アミン、メルカプト、塩化スルホニル、ビニル及びカルボキシル基からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記電気伝導性材料組成物がペースト又はインクである、請求項１に記載の方法。
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