JP6786644B2 - 銀ナノワイヤを含む組成物のパターニング - Google Patents

銀ナノワイヤを含む組成物のパターニング Download PDF

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Description

本発明は、層構造を製造する方法、この方法によって得られる層構造、層構造、層構造の使用、電子部品および有機化合物の使用に関する。
ポリオールプロセスによる金属ナノワイヤ、特に銀ナノワイヤの製造は周知であり、例えば、特許文献1、特許文献2および特許文献3に開示されている。ポリオールは、溶媒として、および銀塩、最も顕著には硝酸銀のための還元剤として使用され、さらにポリビニルピロリドンおよびハロゲン化物などの分散剤が存在する。異方性ワイヤが10:1から1000:1またはそれ以上のアスペクト比で形成されるように成分は選択される。
基板上への銀ナノワイヤの堆積により、低いシート抵抗および高い透明度で導電性膜が生じる。それらはガラスおよびフレキシブル基板上に堆積されてもよい。それ故、銀ナノワイヤはITO(=インジウムスズ酸化物層)などの確立された透明導電体に対する代替である。
ITO層と同様に導電層(銀ナノワイヤに基づくものを含む)のパターン形成を可能にする必要性が大いに存在する。本明細書および本明細書以下で言及する「パターニング」は、導電層のサブ領域または複数のサブ領域が、導電性を少なくとも部分的に減少し、好ましくは完全に除去する任意の手段を指す。
銀ナノワイヤに基づいてパターン形成された層を製造するための1つの可能性は、特定の印刷法によるパターン形成手段においてこれらの構造を表面上に適用することである。印刷ペーストの使用に加えて、銀ナノワイヤからパターン形成されたコーティングを製造するための別の可能性は、最初に銀ナノワイヤの均一でパターン形成されていないコーティングを製造し、続いてコーティングされた基板を水で洗浄し、それにより銀ナノワイヤをそれぞれの領域から除去することによってパターン形成することである。結果として、一部の領域において銀ナノワイヤでコーティングされ、一部の領域においてコーティングを全く含まない、パターン形成された構造が得られる。銀ナノワイヤコーティングは光学特性に対する影響を有するので、特定の領域におけるこのコーティングの除去により、パターン形成された構造内に不均質な光学特性が生じ、これはタッチスクリーンなどの多くの用途において望ましくない。
特許文献4は、銀ナノワイヤの堆積および構造化のためのプロセスを記載している。銀ナノワイヤは水分散液から堆積され、続いて、得られた層は、塩化物またはヨウ化物などのハロゲン化物、およびFeCl、CuCl、HNO、HまたはOなどの酸化剤を含むエッチング溶液を使用してエッチングされ得る。特許文献4の例に使用されるエッチング溶液はKMnOなどの酸化剤をさらに含んでいた。得られたエッチング膜は、シート抵抗がほとんどまたは全く変化していないエッチングされていない領域と比較してシート抵抗の増加を示す。しかしながら、このプロセスの不都合な点は、FeCl、CuCl、HNO、HまたはKMnOなどのエッチング物質がコーティングの色を決定的に損ない、コーティングの外観に対して悪影響を与えることである。
特許文献5は、高度に透明で、高導電性の膜を製造するために使用され得るPEDOT:PSSおよび銀ナノワイヤを含有する組成物を記載している。ポリマーの存在により、滑らかな膜を生じる。しかしながら、構造化法はこのような混合物に利用可能ではない。
独国特許出願第10 2010 017706号 米国特許第7,585,349号 国際公開第2008/073143号 国際公開第2011/106438号 米国特許第2012/0104374号
本発明の目的は、銀ナノワイヤに基づいた導電層のパターニングと関連する従来技術から起こる不都合な点を克服することであった。
特に、本発明の目的は、従来技術から知られている概念と比べて、シート抵抗の顕著な相違が、パターニングの視覚的外観に影響を与えずに、エッチング領域とエッチングされていない領域との間で達成され得る、銀ナノワイヤに基づいた導電層をパターニングするための方法を提供することであった。特に、このプロセスは、透明で構造化された導電層の製造を可能にするはずであり、一部の領域(すなわちエッチングされていない領域)は好ましくは250Ω/スクエア以下の表面抵抗によって特徴付けられ、他の領域(すなわちエッチングされた領域)は、少なくとも1×10Ω/スクエアの表面抵抗によって特徴付けられ、これらの領域の間の色差は可能な限り小さい。
これらの目的を達成するための寄与は、層構造を製造する方法であって、
i)少なくとも銀ナノワイヤおよび溶媒を含む組成物で基板をコーティングするステップと、
ii)前記溶媒を少なくとも部分的に除去し、それによって導電層でコーティングされた基板を得るステップであって、前記導電層は少なくとも前記銀ナノワイヤを含む、ステップと、
iii)前記導電層の選択領域をエッチング組成物と接触させ、それによって前記選択領域における前記導電層の導電率を減少させるステップであって、前記エッチング組成物は、塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物、次亜塩素酸塩を含有する化合物、次亜臭素酸塩を含有する化合物またはこれらの化合物の少なくとも2つの混合物を含む、ステップと
を含む、方法によってなされる。
かなり驚くべきことに、このことについて同様に有益には、銀ナノワイヤを含むコーティングが、塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物、次亜塩素酸塩を含有する化合物、次亜臭素酸塩を含有する化合物またはこれらの化合物の少なくとも2つの混合物でエッチングされる場合、エッチングされた面とエッチングされていない面との間の表面抵抗の有意差によって特徴付けられるだけでなく、非常に均質な光学的外観によっても特徴付けられる、パターン形成された構造が得られ得ることが見出された。
ステップi)において、基板は少なくとも銀ナノワイヤおよび溶媒を含む組成物でコーティングされる。
「少なくとも銀ナノワイヤおよび溶媒を含む組成物で基板をコーティングするステップ」という用語は、組成物を基板上に直接適用するステップと、組成物を、基板上にコーティングされ得る中間層に適用するステップの両方を包含する。
特にこれに関して基板としてプラスチック膜が好ましく、最も特に好ましくは透明プラスチック膜であり、これは、通常、5〜5000μmの範囲、特に好ましくは10〜2500μmの範囲、最も好ましくは25〜1000μmの範囲の厚さを有する。このようなプラスチック膜は、例えば、ポリカーボネートなどのポリマー、例えば、PETおよびPEN(ポリエチレンテレフタレートおよびポリエチレンナフタレンジカルボキシレート)などのポリエステル、コポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレンまたは環状ポリオレフィンまたは環状オレフィンコポリマー(COC)、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、水素化スチレンポリマーまたは水素化スチレンコポリマーに基づいてもよい。プラスチック材料に加えて、例えばITO層(インジウムスズ酸化物層)などの、特に金属または金属酸化物に基づいた基板もまた、基板として適している。ガラスもまた、基板として好ましい。
この基板は少なくとも銀ナノワイヤおよび溶媒を含む組成物でコーティングされる。基板の表面は、表面の極性を改良し、それにより湿潤性および化学親和性を改良するために、例えば、プライマーによる処理、コロナ処理、火炎処理、フッ化処理またはプラズマ処理によって組成物を適用する前に前処理されてもよい。
ステップi)に使用される組成物中の好ましい銀ナノワイヤは、1μm〜200μmの長さ、20nm〜1300nmの直径および少なくとも5のアスペクト比(長さ/直径)を有する。
ステップi)に使用される組成物中の銀ナノワイヤは当該分野において公知の方法によって調製できる。特に、銀ナノワイヤは、ポリオール(例えばエチレングリコール)およびポリ(ビニルピロリドン)の存在下で銀塩(例えば硝酸銀)の溶液相還元によって合成できる。均質のサイズの銀ナノワイヤの大規模製造は、例えば、Xia,Yら、Chem.Mater.(2002)、14、4736−4745およびXia,Yら、Nanoletters(2003)3(7)、955−960に記載されている方法に従って調製できる。
ステップi)に使用される銀ナノワイヤの好ましい実施形態によれば、これらのナノワイヤは、独国特許出願第10 2010 017 706号に開示されている方法により製造される。この方法は、
a)反応混合物を準備するステップであって、前記反応混合物は、
ポリオールと、
銀表面上に吸着される有機化学物質と、
ハロゲン化物を形成する化学物質および/または擬ハロゲン化物を形成する化学物質であって、前記ハロゲン化物を形成する化学物質は、ハロゲン化物であるCl、Brおよび/またはIのうちの1つの塩であり、前記擬ハロゲン化物を形成する化学物質は、擬ハロゲン化物であるSCN、CN、OCNおよび/またはCNOのうちの1つの塩である、ハロゲン化物を形成する化学物質および/または擬ハロゲン化物を形成する化学物質と、
臭素、ヨウ素、バナジウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される酸化還元対を形成する化学物質と、
反応混合物の総重量に基づいて好ましくは少なくとも0.5wt%の量の銀塩と
を含む、ステップと、
b)前記反応混合物を、反応の間、少なくとも100℃の温度に加熱するステップと
を含む。
銀ナノワイヤを製造するためのこの方法の好ましい実施形態は、独国特許出願第10 2010 017 706号が好ましい実施形態として記載しているそれらの実施形態である。これに関して以下が特に好ましい。
− ポリオールは、好ましくは、エチレングリコール、テトラエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、ジプロピレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオールおよび2,3−ブタンジオールからなる群から選択される。
− 銀表面上に吸着される有機化学物質は、好ましくは、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)およびそれらの様々なグレート(分子量)ならびにそれらのポリマーのコポリマーからなる群から選択される。
本発明による方法の好ましい実施形態によれば、ステップi)に使用される組成物は、スルホン化ポリマーをさらに含む。
ステップi)に使用される組成物中のスルホン化ポリマーは、スルホン酸基またはスルホネート基を含む任意のポリマーであってもよい。好ましいスルホン化ポリマーは、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(sPEEK)、好ましくは、国際公開第2011/113612号に開示されているもの、またはポリアルキレン骨格を有し、スルホン酸基もしくはスルホネート基を有するポリマーを含む。
ポリアルキレン骨格を有し、スルホン酸基またはスルホネート基を有する好ましいポリマーは、ポリスチレンなどのポリアルキレン骨格を有するポリマーのスルホン化によって、または任意にスルホン酸基(またはスルホネート基)を有さないエチレン性不飽和モノマーと一緒にスルホン酸基(またはその塩)を有するエチレン性不飽和モノマーの重合によって得られ得る。スルホン酸基またはスルホネート基を有するエチレン性不飽和モノマーの例は、置換または非置換エチレンスルホン酸化合物、例えばビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸塩、アリルスルホン酸、アリルスルホン酸塩、メタリルスルホン酸、メタリルスルホン酸塩、4−スルホブチルメタクリレート、4−スルホブチルメタクリレート塩、メタリルオキシベンゼンスルホン酸、メタリルオキシベンゼンスルホン酸塩、アリルオキシベンゼンスルホン酸およびアリルオキシベンゼンスルホン酸塩、置換または非置換スチレンスルホン酸化合物、例えばスチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸塩、−メチルスチレンスルホン酸およびメチルスチレンスルホン酸塩、置換アクリルアミドスルホン酸化合物、例えばアクリルアミド−t−ブチルスルホン酸、アクリルアミド−t−ブチルスルホン酸塩、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸および2−アクリルアミド−2−メチルプロパン−スルホン酸塩、置換または非置換シクロビニレンスルホン酸化合物、例えばシクロブテン−3−スルホン酸およびシクロブテン−3−スルホン酸塩ならびに置換または非置換ブタジエンスルホン酸化合物、例えばイソプレンスルホン酸、イソプレンスルホン酸塩、1,3−ブタジエン−1−スルホン酸、1,3−ブタジエン−1−スルホン酸塩、1−メチル−1,3−ブタジエン−2−スルホン酸、1−メチル−1,3−ブタジエン−3−スルホン酸塩、1−メチル−1,3−ブタジエン−4−スルホン酸および1−メチル−1,3−ブタジエン−4−スルホン酸塩である。
スルホン酸基またはスルホネート基を有するこれらのモノマーは、例えば、エチレン、プロペン、1−ブテン、2−ブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、スチレン、p−メチルスチレン、p−エチルスチレン、p−ブチルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、p−メトキシスチレン、2−ビニルナフタレン、6−メチル−2−ビニル−ナフタレン、1−ビニルイミダゾール、ビニルピリジン、酢酸ビニル、アクリルアルデヒド、アクリロニトリル、N−ビニル−2−ピロリドン、アクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸イソオクチル、アクリル酸イソノニルブチル、アクリル酸アリル、メタクリル酸エチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸メトキシエチル、アクリル酸メトキシブチル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸エステル、アクリロイルモルホリン、ビニルアミン、N,N−ジメチルビニルアミン、N,N−ジエチルビニルアミン、N,N−ジブチルビニルアミン、N,N−ジ−t−ブチルビニルアミン、N,N−ジフェニルビニルアミン、N−ビニルカルバゾール、ビニルアルコール、塩化ビニル、フッ化ビニル、ビニルエーテル、シクロプロペン、シクロブテン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、2−メチルシクロヘキセン、ビニルフェノール、1,3−ブタジエン、1−メチル−1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、1,4−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,2−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、1−オクチル−1,3−ブタジエン、2−オクチル−1,3−ブタジエン、1−フェニル−1,3−ブタジエン、2−フェニル−1,3−ブタジエン、1−ヒドロキシ−1,3−ブタジエン、2−ヒドロキシ−1,3−ブタジエン、アクリル酸アリル、アクリルアミドアリル、ジビニルエーテル、o−ジビニルベンゼン、m−ジビニルベンゼンおよびp−ジビニルベンゼンなどのモノマーと共重合されてもよい。
特に好ましいスルホン化ポリマーは、少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%、さらにより好ましくは少なくとも100%のスルホン化度を有する、ポリスチレンスルホン酸(PSS)ならびにスチレンとスチレンスルホン酸のコポリマーであり、ポリスチレンスルホン酸の使用が最も好ましい。
スルホン化ポリマー、好ましくはポリスチレンスルホン酸の分子量(M)は、好ましくは1000〜2000000、特に好ましくは2000〜500000である。分子量は較正基準として定義された分子量のポリスチレンスルホン酸を使用するゲル浸透クロマトグラフィーによって決定される。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は公知の方法によって産生され得る(例えば、Houben Weyl、Methoden der organischen Chemie、Vol.E20 Makromolekulare Stoffe、Part2、(1987)、p.1141 ff.を参照のこと)。
ステップi)に使用される組成物中の銀ナノワイヤ対スルホン化ポリマー(銀ナノワイヤ:スルホン化ポリマー)の重量比は、好ましくは50:1〜1:50の範囲、より好ましくは25:1〜1:25の範囲、最も好ましくは10:1〜1:10の範囲である。ステップi)に使用される組成物中のスルホネートポリマーの濃度は、好ましくは0.1〜10wt%の範囲、より好ましくは0.2〜4wt%の範囲である。
ステップi)に使用される組成物中の溶媒は、水、有機溶媒、例えばメタノール、エタノール、1−プロパノールもしくは2−プロパノール、またはこれらの有機溶媒の混合物もしくは水とこれらの有機溶媒の1つであってもよく、溶媒として水の使用が特に好ましい。ステップi)に使用される組成物はまた、銀ナノワイヤを調製するための使用されている溶媒の特定の残留物を含んでもよい。
本発明に係る方法の特に好ましい実施形態によれば、ステップi)に使用される組成物はさらなる成分としてスルホン化ポリマーを含むだけでなく、ポリチオフェン、ポリピロールまたはポリアニリンなどの導電性ポリマーも含み、ポリチオフェンが特に好ましい。
好ましいポリチオフェンは、式(I)のものであり、
Figure 0006786644
式中、
およびRは互いに独立して、各々、H、任意に置換されたC−C18アルキル基または任意に置換されたC−C18アルコキシ基を示し、RおよびRは一緒に、任意に置換されたC−Cアルキレン基(ここで、1つ以上のC原子は、OまたはSから選択される1つ以上の同一または異なるヘテロ原子と置きかえられてもよい)、好ましくはC−Cジオキシアルキレン基、任意に置換されたC−Cオキシチアアルキレン基または任意に置換されたC−Cジチアアルキレン基または任意に置換されたC−Cアルキリデン基(ここで、任意に少なくとも1つのC原子はOまたはSから選択されるヘテロ原子と置きかえられる)を示す。
本発明に係る方法の特に好ましい実施形態において、一般式(I−a)および/または一般式(I−b):
Figure 0006786644
の繰り返し単位を含むポリチオフェンが好ましい。
本発明の文脈において、「ポリ」という接頭辞は、1つより多い同一または異なる繰り返し単位がポリチオフェンに含まれることを意味すると理解される。ポリチオフェンは一般式(I)の全部でn個の繰り返し単位を含み、nは2〜2000、好ましくは2〜100の整数であってもよい。ポリチオフェン内の一般式(I)の繰り返し単位は、各場合、同一であっても、異なっていてもよい。各場合、一般式(I)の同一の繰り返し単位を含むポリチオフェンが好ましい。
ポリチオフェンは好ましくは、各々、末端基にHを有する。
特に好ましい実施形態において、ポリチオフェンは、ポリ(3,4−エチレン−ジオキシチオフェン)(PEDOT)、ポリ(3,4−エチレンオキシチアチオフェン)またはポリ(チエノ−[3,4−b]チオフェン)であり、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)が最も好ましい。
ポリチオフェンは好ましくはカチオンであり、ここで「カチオン」はポリチオフェン主鎖に位置する電荷のみに関する。RおよびR基における置換基に応じて、ポリチオフェンは構造単位において正電荷および負電荷を有してもよく、正電荷はポリチオフェン主鎖に位置し、負電荷は任意にR基においてスルホネートまたはカルボキシレート基に置換される。
ポリチオフェン主鎖の正電荷は、任意にRおよびR基に存在する陰性基によって部分的または完全に飽和であってもよい。全体的に考慮して、ポリチオフェンは、これらの場合、カチオン、中性またはさらにアニオンであってもよい。それにも関わらず、本発明の文脈において、それらは全てカチオン性ポリチオフェンとみなされる。なぜならポリチオフェン主鎖における正電荷が決定的であるからである。正電荷は式に表されない。なぜならそれらはメソメリー的に(mesomerically)非局在化されるかである。しかしながら、正電荷の数は少なくとも1かつ多くともnであり、ここでnはポリチオフェン内の全ての繰り返し(同一または異なる)の総数である。
しかしながら、本発明によれば、ポリチオフェン主鎖における正電荷がスルホン化ポリマーのスルホネート基により補償されることが特に好ましい。この文脈において、導電性ポリマーはポリチオフェンおよびスルホン化ポリマーから形成される錯体の形態で存在することが特に好ましく、導電性ポリマーはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)であり、スルホン化ポリマーはポリスチレンスルホン酸であり、これらの成分はPEDOT/PSS錯体の形態で存在することが最も好ましい。このようなPEDOT/PSS錯体は、例えば、Elschnerら:「PEDOT Principles and Applications of an Intrinsically Conductive Polymer」、CRC Press(2011)の第9章に詳細に記載されているようにポリスチレンスルホン酸の存在下で3,4−エチレンジオキシチオフェンを酸化的に重合することによって得られ得る。
これらの錯体におけるポリチオフェン対スルホン化ポリマーの重量比、好ましくはPEDOT対PSS(PEDOT:PSS)の重量比は、好ましくは1:0.3〜1:100の範囲、特に1:1〜1:40の範囲、特に好ましくは1:2〜1:20の範囲、非常に好ましくは1:2〜1:15の範囲である。
ステップi)に使用される組成物は添加剤をさらに含んでもよい。適切な添加剤は、例えば導電性を増加させる化合物、例えばエーテル基を含む化合物、例えばテトラヒドロフラン、ラクトン基を含む化合物、例えばブチロラクトン、バレロラクトン、アミド基またはラクタム基を含む化合物、例えばカプロラクタム、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、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)、糖または糖誘導体、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/またはジ−もしくはポリアルコール、例えばエチレングリコール、グリセロールまたはジ−もしくはトリエチレングリコールである。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、エチレングリコール、ジメチルスルホキシドまたはソルビトールが特に好ましくは、導電性を増加させる添加剤として使用される。
ポリ酢酸ビニル、ポリカーボネート、ポリビニルブチラール、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸アミド、ポリメタクリル酸エステル、ポリメタクリル酸アミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、シリコーン、エポキシ樹脂、スチレン/アクリレートコポリマー、酢酸ビニル/アクリレートコポリマーおよびエチレン/酢酸ビニルコポリマー、ポリビニルアルコールまたはセルロースなどの1つ以上の結合剤も、組成物への添加剤として加えられてもよい。使用される場合、ポリマー結合剤の割合は、通常、組成物の総重量に対して0.1〜90wt%、好ましくは0.5〜30wt%、最も特に好ましくは0.5〜10wt%の範囲である。
塩基または酸が、例えば、pHを調整するために組成物への添加剤として加えられてもよい。この文脈において、分散系の膜形成に悪影響を与えない化合物が好ましく、例えば塩基の2−(ジメチルアミノ)エタノール、2,2’−イミノジエタノールまたは2,2’2’’−ニトリロトリエタノールである。
さらに、陰イオン界面活性剤などの表面活性剤、例えばアルキルフェニルスルホン酸および塩、パラフィンスルホネート、アルコールスルホネート、エーテルスルホネート、スルホスクシネート、リン酸エステル、アルキルエーテルカルボン酸またはカルボキシレート、陽イオン界面活性剤、例えば第四級アルキルアンモニウム塩、非イオン性界面活性剤、例えば直鎖アルコールエトキシレート、オキソアルコールエトキシレート、アルキルフェノールエトキシレートまたはアルキルポリグルコシドが添加剤として使用されてもよい。
本発明に係る方法の好ましい実施形態のステップi)に使用される組成物(すなわちステップi)に使用される組成物がスルホン化ポリマーをさらに含む実施形態)は、好ましくは、独国特許出願公開第10 2010 017 706号に開示される方法によって得られる分散系の形態で銀ナノワイヤを、溶液または分散系の形態で存在していてもよいスルホン化ポリマーと一緒に簡単に混合することによって得られ得る。スルホン化ポリマーが、上記の導電性ポリマーとの錯体の形態で適用される場合、ステップi)に使用される組成物は、銀ナノワイヤを含む分散系とそれらの錯体、好ましくはPEDOT/PSS分散系、例えばClevios PH1000を含む分散系とを一緒に簡単に混合することによって得られ得る。
ステップi)に使用される組成物は、0.5μm〜250μmの湿潤膜厚、好ましくは2μm〜50μmの湿潤膜厚で公知の方法によって、例えば、スピンコーティング、浸漬、注ぎ込み、滴下(ドロップオン)、注入、噴霧、へら付け、拡散または印刷、例えばインクジェット、スクリーン、インタリオ、オフセットまたはパッド印刷によって基板に適用されてもよい。
本発明に係る方法のステップii)において、溶媒の少なくとも一部は除去され、それによって導電層でコーティングされる基板を得、その導電層は少なくとも銀ナノワイヤおよびスルホン化ポリマー(ステップi)に使用される組成物がスルホン化ポリマーをさらに含む場合)を含み、前記除去は好ましくは簡単な蒸留によって実施される。
ステップii)において得られる導電層の厚さは、好ましくは1nm〜50μm、特に好ましくは1nm〜5μmの範囲、最も好ましくは10nm〜500nmの範囲である。
本発明に係る方法のステップiii)において、導電層の選択領域はエッチング組成物と接触され、それによってこれらの選択領域における導電層の導電率が減少する。
本発明に係る方法の好ましい実施形態によれば、エッチング組成物は、塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物、次亜塩素酸塩を含有する化合物、例えば次亜塩素酸ナトリウムもしくは次亜塩素酸カリウム、次亜臭素酸塩を含有する化合物、例えば次亜臭素酸ナトリウムもしくは次亜臭素酸カリウム、またはこれらの化合物の少なくとも2つの混合物を含む。これらの化合物は、以下で「エッチング化合物」と呼ばれる。
「塩素、臭素またはヨウ素を放出できる」という語句は、好ましくは、本発明によれば、溶媒の添加後、好ましくは水の添加後、Cl、HOCl、OClもしくはこれらの塩素化合物の少なくとも2つの混合物の形態で塩素、またはBr、HOBr、OBrもしくはこれらの臭素化合物の少なくとも2つの混合物の形態で臭素、またはI、HIO、IOもしくはこれらのヨウ素化合物の少なくとも2つの混合物の形態でヨウ素を放出する有機化合物を意味すると理解される。
本発明に係る特に好ましい、塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物は、少なくとも1つの構造要素(II)
Figure 0006786644
(式中、
Halは、塩素、臭素またはヨウ素からなる群から選択されるハロゲンであるが、好ましくは塩素または臭素を示し、
Yは、N、SおよびPから選択されるが、好ましくはNを示し、
およびXは、同じであっても、異なっていてもよく、各々は、ハロゲン、好ましくは塩素または臭素、炭素原子または硫黄原子を示し、1つ以上のさらなる原子が任意にXおよびXに結合されてもよい)
を含む有機化合物である。XおよびXに結合するさらなる原子の数はXおよびXの共有原子価に依存する。
本発明に係る方法の第1の特定の実施形態によれば、塩素または臭素を放出できる有機化合物は少なくとも2つの構造要素(III)を含み、その構造要素(III)において、Halは塩素原子または臭素原子を示し、Yは窒素を示し、少なくとも2つの構造要素(III)においてそれらは任意に互いに異なっていてもよい。この文脈において、方法の第1の変形例によれば、塩素または臭素を放出できる有機化合物は構造要素(III)
Figure 0006786644
(式中、塩素原子または臭素原子は窒素原子の少なくとも2つに結合される)
を含むことが最も特に好ましい。これらの有機化合物の中で、ナトリウムジクロロジイソシアヌレート、ナトリウムジブロモジイソシアヌレート、トリブロモイソシアヌル酸およびトリクロロイソシアヌル酸が特に好ましい。
本発明に係る方法のこの第1の特定の実施形態の第2の方法の変形例によれば、塩素または臭素を放出できる有機化合物は、構造要素(IV)
Figure 0006786644
(式中、塩素原子または臭素原子は2つの窒素原子に結合し、RおよびRは同じであっても、異なっていてもよく、水素原子またはC−Cアルキル基、特にメチル基またはエチル基を示す)
を含むことが好ましい。
これに関して、塩素または臭素を放出できる特に好ましい有機化合物は、ブロモ−3−クロロ−5,5−ジメチルヒダントイン、1−クロロ−3−ブロモ−5,5−ジメチルヒダントイン、1,3−ジクロロ−5,5−ジメチルヒダントインおよび1,3−ジブロモ−5,5−ジメチルヒダントインからなる群から選択される。
本発明に係る方法の第2の特定の実施形態によれば、塩素または臭素を放出できる有機化合物は正確に1つの構造要素(II)を含む。この場合もまた、Yは好ましくはNを示す。
本発明に係る方法のこの第2の特定の実施形態の第1の方法の変形例によれば、塩素または臭素を放出できる有機化合物はN−クロロスクシンイミドまたはN−ブロモスクシンイミドである。
本発明に係る方法のこの第2の特定の実施形態の第2の方法の変形例によれば、塩素または臭素を放出できる有機化合物は、構造要素(V)
Figure 0006786644
(式中、塩素原子または臭素原子は窒素原子に結合し、R、R、RおよびRは同じであっても、異なっていてもよく、水素原子またはC−Cアルキル基を示し、任意に臭素または塩素で置換されてもよい)
を含む。これに関して、3−ブロモ−5−クロロメチル−2−オキサゾリジノン、3−クロロ−5−クロロメチル−2−オキサゾリジノン、3−ブロモ−5−ブロモメチル−2−オキサゾリジノンおよび3−クロロ−5−ブロモメチル−2−オキサゾリジノンが、適切な有機化合物の例として挙げられ得る。
さらに、本発明に係る方法の第2の特定の実施形態に従って塩素または臭素を放出できる有機化合物は、例えば、ハラゾン、N,N−ジクロロスルホンアミド、N−クロロ−N−アルキルスルホンアミドまたはN−ブロモ−N−アルキルスルホンアミドであってもよく、ここで、アルキル基は、C−Cアルキル基、特に好ましくはメチル基またはエチル基である。
また、本発明に係る方法の第3の特定の実施形態に従って塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機エッチング化合物として適切なものは、5−クロロ−2−メチル−4−イソチアゾリン−3−オン、4,5−ジクロロ−2−N−オクチル−4−イソチアゾリン−3−オン、ブロモ−2−ニトロ−1,3−プロパンジオール(BNPD)、2,2−ジブロモ−3−ニトリロプロピオンアミド、ジブロモニトロエチルプロピオネート、ジブロモニトロエチルホルメート、ナトリウム−N−クロロ−(4−メチルベンゼン)スルホンアミドまたはテトラグリシンヒドロペリオダイド(tetraglycine hydroperiodide)からなる群から選択される有機化合物である。
ステップiii)に使用されるエッチング組成物は、エッチング化合物が溶解または分散されている、好ましくは水溶液または分散系である。これに関して、水溶液または分散系は、1〜12の範囲で25℃にて決定されたpHを有することが特に好ましい。
エッチング組成物、特に好ましくは水溶液または分散系は、各場合、エッチング組成物の総重量に対して、好ましくは0.1〜50wt%の範囲、特に好ましくは0.5〜35wt%の範囲、最も好ましくは1〜20wt%の範囲の濃度でエッチング化合物を含む。
ステップiii)における導電層とエッチング組成物との接触は、好ましくは、導電層をエッチング組成物に浸漬することによって、または導電層をエッチング組成物で印刷することによって行われる。適切なパターニングを確保するために、導電層は、それが再び引き出される前、またはエッチング組成物が再び除去される前に、約1秒〜30分、特に好ましくは約30秒〜15分、最も好ましくは約1〜5分の間、エッチング組成物、好ましくは水溶液または分散系と接触したままである。導電層と接触している間、エッチング組成物の温度は、好ましくは、10〜40℃の範囲、特に好ましくは20〜30℃の範囲であり、室温(25℃)でのエッチング組成物の使用が最も好ましい。
層構造の導電層の一部のみをパターニングの目的のためにエッチング組成物と接触させるための様々な方法が適切である。最も簡単な場合、パターニングは、層構造の一部のみをエッチング組成物に浸漬し、それに応じて、導電層の一部のみがエッチング組成物と接触することによって達成され得る。しかしながら、また、エッチング組成物を、例えば、層構造上の導電層の特定の領域のみに印刷することによって適用することも想定できる。層構造を覆うことができ、カットアウトを有するテンプレートの使用も想定でき、それを介してエッチング組成物は導電層の特定の領域と接触できる。さらに、パターニングをもたらすフォトリソグラフィーを使用することもできる。
本発明に係る方法は、さらなるステップとして、
iv)エッチング組成物と接触させた導電層を洗浄するステップ
を含んでもよく、洗浄は好ましくは、層構造を溶媒、例えば水中に浸漬することによって行われ、この後に乾燥ステップが行われてもよい。
本発明に係る方法において、導電層とエッチング組成物との接触は、エッチング組成物と接触する領域内の導電層における銀ナノワイヤの直径が、多くとも50%、特に好ましくは多くとも25%、最も好ましくは多くとも10%減少するような条件下で行われることがさらに好ましい。
導入部分に記載されている目的を達成することに対する寄与はまた、上記の本発明に係る方法によって得られる層構造によってなされる。
導入部分に記載されている目的を達成することに対する寄与はまた、基板と基板の上部に導電層を含む層構造によってなされ、導電層は少なくとも銀ナノワイヤを含み、層構造は、
A)基板の上部の導電層が表面抵抗Rを有する少なくとも1つの領域Aと、
B)基板上の導電層が、Rより少なくとも10倍、好ましくは少なくとも100倍、さらにより好ましくは少なくとも1000倍、さらにより好ましくは少なくとも10,000倍、最も好ましくは少なくとも100,000倍高い表面抵抗を有する少なくとも1つの領域Bと
を含み、色差Δ領域A領域Bは、多くとも4.5、特に好ましくは多くとも3.0、最も好ましくは多くとも1.5である。色差Δ領域A領域Bは、以下のように計算される:
Figure 0006786644
領域A、a 領域Aおよびb 領域Aは、それぞれ、領域AのL色空間のL、aおよびb値であり、L 領域B、a 領域Bおよびb 領域Bは、それぞれ、領域BのL色空間のL、aおよびb値である。
好ましい基板および銀ナノワイヤは、本発明に係る上記の方法に関して既に述べられているこれらの基板および銀ナノワイヤである。また、導電層の厚さは好ましくは、本発明に係る方法に関して好ましい膜厚として上記の導電層の厚さに対応する。
本発明に係る層構造の好ましい実施形態によれば、導電層はさらにスルホン化ポリマーを含み、本発明に係る上記の方法に関して既に述べられているこれらのスルホン化ポリマーが好ましい。さらに、本発明に係る層構造における導電層は、本発明に係る方法に関して上記したように導電性ポリマー、好ましくはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)をさらに含んでもよく、それらは好ましくは、スルホン化ポリマーとの錯体の形態、好ましくはPEDOT/PSS錯体の形態で存在する。
本発明に係る層構造に関して、領域AおよびBは、幾何学的形状、好ましくは円、矩形または三角形からなる群から選択される幾何学的形状を有することがさらに好ましい。これに関して、領域AおよびBは回路設計を一緒に形成することが特に好ましい。これに関して、領域AおよびBの各々は、少なくとも0.00001mm、好ましくは少なくとも0.0001mm、さらにより好ましくは少なくとも0.001mm、さらにより好ましくは少なくとも0.01mm、さらにより好ましくは少なくとも0.1mm、さらにより好ましくは少なくとも1mm、最も好ましくは少なくとも10mmの表面積を有することがさらに好ましい。
導入部分に記載されている目的を達成することに対する寄与はまた、電子部品、特に有機発光ダイオード、有機太陽電池もしくはコンデンサを製造するため、タッチパネルもしくはタッチスクリーンを製造するため、または帯電防止塗料を製造するために、本発明に係る方法によって得られる層構造、本発明に係る層構造の使用によってなされる。
導入部分に記載されている目的を達成することに対する寄与はまた、本発明に係る方法によって得られる層構造または本発明に係る層構造を含む、有機発光ダイオード、有機太陽電池もしくはコンデンサなどの電子部品によって、またはタッチパネルもしくはタッチスクリーンによってなされる。
導入部分に記載されている目的を達成することに対する寄与はまた、少なくとも銀ナノワイヤ、好ましくは少なくとも銀ナノワイヤおよびスルホン化ポリマー、より好ましくは少なくとも銀ナノワイヤおよびPEDOT/PSS複合体を含む導電層を処理するために、次亜塩素酸塩を含有する化合物、次亜臭素酸塩を含有する化合物またはこれらの化合物の少なくとも2つの混合物の塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物の使用によってなされる。本発明に係る方法に関連して好ましい有機化合物として上記に既に述べられている有機化合物は、塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物として、次亜塩素酸塩を含有する化合物として、または次亜臭素酸塩を含有する化合物として好ましい。
ここで、本発明を図面、試験方法および非限定的な例を参照して、より詳細に記載する。
本発明に係る層構造1、例えば一般的な形態の帯電防止膜の構造の断面を示す。基板2上に、表面抵抗Rを有する領域3およびRより少なくとも10倍高い表面抵抗を有する領域4を含むコーティングが適用される。 上記と同じ層構造1を示す。
試験方法
表面抵抗の決定
この決定は、例えば、米国特許第6,943,571B1号に記載されているいわゆる4点プローブ測定によって実施した。この値はΩ/スクエアで与える。
色値L、aおよびbならびに透過率の決定
コーティングされたPET膜の透過スペクトルの測定を、Perkin Elmer製のLambda 900 2チャネル分光光度計で実施する。この機器は15cm球形光度計を備え、測定は球で実施し、散乱光の干渉が検出されないことを確実にする。したがって、透過率についてここで提示されている値はまた、散乱光も含むか、またはこのために透過率は1−吸収である。
スペクトルを、5nmステップにおいて320nm〜780nmのスペクトルの可視範囲で記録した。参照ビームにおいて試料はないので、スペクトルを空気に対して記録する。
175μmの膜厚を有する基板Melinex 506膜を使用するので、コーティングされていない基板の最初の透過率を基準として測定する。続いてコーティングされた基板を測定した。
スペクトルから、試料の標準的な色値Y(輝度)を、10°−アブサーバー(abserver)および光タイプD65に基づいてDIN5033に従って算出した。内部透過率を、以下のようにコーティングを有さない基板(Y)に対するコーティングを有する基板(Y)の輝度の割合から算出した:
内部透過率はY/Y×100パーセントに対応する。
以下の透過率は、簡便さの目的のために、内部透過率を意味する。
機器製造業者によって供給されたソフトウェアWinColバージョン1.2を使用して、透視スペクトルの色評価を行った。ここで、380nm〜780nmの波長範囲の透過スペクトルのCIE三刺激値(標準的な色値)X、YおよびZを、ASTM308−94aおよびDIN503に従って算出する。標準的な色値からCIELAB座標L、aおよびbをASTM 308−94aおよびDIN 5033に従って算出する。
実施例1
銀ナノワイヤ(AgNW)は、例えば、国際公開第2012/022332号に記載されているポリオール合成を使用して合成した。得られた混合物の50gを130mLのアセトンと混合した。混合物を30分間撹拌した。上清溶液を捨て、沈殿物を得る。
沈殿物を20gの水と混合し、振盪する。次いで混合物を遠心分離する(2500rpm/20分)。上清を再び捨てる。水と混合し、振盪、遠心分離および沈殿を4回繰り返す。
実施例2
透明導電性コーティングのために銀ナノワイヤを有する配合物Clevios pH1000を調製する。2.77gの銀ナノワイヤ(重量測定により2.7%の銀含有量、75mgの銀)を、5.71gの水、7.85gのClevious pH1000(86mgのPEDOT/PSS、Heraeus Precious Metals GmbH & Co.KG、Leverkusen)、0.755gのジメチルスルホキシド(DMSO、ACS試薬、Sigma Aldrich、Munich)および50μLのTriton X100(Sigma Aldrich、Munich)と混合した。配合物は、6μmの湿潤膜厚ドクターブレード(Erichsen K Hand Coater 602)を使用してMelinex 506膜(Putz GmbH+Co.Folien KG.Taunusstein)でコーティングした。コーティングを120℃にて5分間乾燥させた。
実施例3
実施例2からのコーティングされた膜を約5×10cmの小片に切断した。ストライプの下半分を、異なる水ベースのエッチング溶液中に2分間浸漬し、続いて水浴中で1分間リンスし、120℃で5分間乾燥させた。表面抵抗率を4点プローブ技法による処理の前後に測定した。結果を表1にまとめる。
Figure 0006786644
b座標系の色座標を、膜のエッチングした未処理の小片で決定した。相違(ΔL、ΔaおよびΔb)を表2に示す。
Figure 0006786644
さらに、膜のエッチングした未処理の小片の透過率(Y D65/10°値)を測定した。結果を表3に示す。
Figure 0006786644
表1、2および3に示される結果から見られ得るように、銀ナノワイヤを含有する導電層をエッチングするためにジクロロイソシアヌル酸などの塩素を放出できる有機化合物を使用すると、エッチング領域(表2および3を参照)の光学特性に顕著に影響を与えずに表面抵抗(表1を参照)の注目すべき減少が導かれる。CuCl、HNO、HまたはKMnOのいずれかなどの銀ナノワイヤを含む導電層をエッチングするための従来技術のエッチング化合物を使用すると、光学特性の顕著な劣化(表2および3のKMnOについて見られ得る)または表面抵抗の比較的低い減少(表1のCuCl、HNOおよびHについて見られ得る)が導かれる。
実施例4
ジクロロイソシアヌル酸の10%溶液でエッチングされた膜を、2または4日間、85℃および85%湿度にて気候キャビネットに保存し、表面抵抗率を再び測定した。全ての試料について、エッチング部分の表面抵抗率は検出できなかった(>1×10Ω/スクエア)。

Claims (8)

  1. 層構造を製造する方法であって、
    i)少なくとも銀ナノワイヤ、導電性ポリマー、スルホン化ポリマーおよび溶媒を含み、前記導電性ポリマーはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)であり、前記スルホン化ポリマーはポリスチレンスルホン酸(PSS)であり、前記PEDOTおよび前記PSSがPEDOT/PSS複合体の形態で存在する組成物で基板をコーティングするステップと、
    ii)前記溶媒を少なくとも部分的に除去し、それによって導電層でコーティングされた基板を得るステップであって、前記導電層は少なくとも前記銀ナノワイヤおよび前記PEDOT/PSS複合体を含む、ステップと、
    iii)前記導電層の選択領域をエッチング組成物と接触させ、それによって前記選択領域における前記導電層の導電率を減少させるステップであって、前記エッチング組成物は、塩素をHOClの形態で放出できる有機化合物を含む、ステップと
    を含み、
    塩素をHOClの形態で放出できる前記有機化合物は、ナトリウムジクロロイソシアヌレートおよびトリクロロイソシアヌル酸を含む群から選択される、方法。
  2. ステップi)に使用される前記組成物中の前記銀ナノワイヤは、1μm〜200μmの長さ、20nm〜1,300nmの直径および少なくとも5のアスペクト比(長さ/直径)を有する、請求項1に記載の方法。
  3. ステップi)に使用される前記組成物中の前記銀ナノワイヤは、
    a)反応混合物を準備するステップであって、前記反応混合物は、
    ポリオールと、
    銀表面上に吸着される有機化学物質と、
    ハロゲン化物を形成する化学物質および/または擬ハロゲン化物を形成する化学物質であって、前記ハロゲン化物を形成する化学物質は、ハロゲン化物であるCl、Brおよび/またはIのうちの1つの塩であり、前記擬ハロゲン化物を形成する化学物質は、擬ハロゲン化物であるSCN、CN、OCNおよび/またはCNOのうちの1つの塩である、ハロゲン化物を形成する化学物質および/または擬ハロゲン化物を形成する化学物質と、
    臭素、ヨウ素、バナジウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される酸化還元対を形成する化学物質と、
    銀塩と
    を含む、ステップと、
    b)前記反応混合物を、反応の間、少なくとも100℃の温度に加熱するステップと
    を含むステップによって得られる、請求項1または2に記載の方法。
  4. ステップiii)に使用される前記エッチング組成物は、前記エッチング組成物の総重量に対して0.01〜50wt%の範囲の濃度で、塩素、臭素またはヨウ素を放出できる有機化合物を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記導電層の前記エッチング組成物との接触は、前記導電層を前記エッチング組成物に浸漬することによって、または前記導電層を前記エッチング組成物で印刷することによって実施される、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記方法は、さらなるステップとして、
    iv)前記エッチング組成物と接触させた前記導電層を洗浄するステップ
    を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  7. ステップiii)において前記エッチング組成物と接触する前記選択領域の表面抵抗が、ステップii)で提供される前記層の表面抵抗よりも少なくとも10倍高く、
    ステップiii)において前記エッチング組成物と接触する前記選択領域と、ステップii)における前記導電層と、の色差ΔEが多くても4.5である、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  8. 少なくとも銀ナノワイヤとPEDOT/PSS複合体を含む導電層を処理するための、塩素をHOClの形態で放出できる有機化合物の使用であって、
    塩素をHOClの形態で放出できる前記有機化合物は、ナトリウムジクロロイソシアヌレートおよびトリクロロイソシアヌル酸を含む群から選択される、使用。
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