JPWO2011102350A1 - 透明導電膜の製造方法及び透明導電膜、それを用いた素子、透明導電基板並びにそれを用いたデバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 低コストかつ簡便な透明導電膜の製造方法である塗布法によって、特に300℃未満の低温加熱で形成される優れた透明性と高い導電性を兼ね備え、かつ膜強度に優れる透明導電膜、及びこの透明導電膜の製造方法を提供する。【解決手段】 基板上に有機金属化合物を含む塗布膜を形成する塗布工程、前記塗布膜から乾燥塗布膜を形成する乾燥工程、前記乾燥塗布膜を加熱しながらエネルギー線照射して無機膜を形成する加熱エネルギー線照射工程、必要に応じて、加熱還元工程の各工程を経て形成される透明導電膜の製造方法であって、前記加熱エネルギー線照射工程が、乾燥塗布膜を露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で、300℃未満の加熱温度に加熱しながら、エネルギー線照射を行い、乾燥塗布膜に含まれる有機成分を除去することで金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成する透明導電膜の製造方法である。【選択図】 図3

Description

本発明は、透明導電膜及びその透明導電膜の製造方法に関する。
詳しくは、ガラスやプラスチック等の基板上に塗布法(ウェットコーティング法)を用い、特に300℃未満の低温加熱によって形成された、透明性と導電性を兼ね備え、かつ膜強度に優れる透明導電膜の製造方法、及び、その透明導電膜の製造方法によって得られた透明導電膜に関する。更に、その透明導電膜を用いた素子及び透明導電基板、並びにその透明導電基板を用いたデバイスに関するものである。
液晶ディスプレイ、エレクトロルミネッセンス、プラズマディスプレイ等の表示素子用透明電極、タッチパネル、太陽電池等の透明電極、熱線反射、電磁波シールド、帯電防止、防曇等の機能性コーティングに用いられる透明導電膜の形成材料として、導電性酸化物である錫ドープ酸化インジウム(Indium Tin Oxide、以下、「ITO」と表記する場合がある)が知られている。
このITOからなる透明導電膜(ITO膜)の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法等の蒸着法(気相法)が広く用いられている。これらの方法は、透明性と導電性に優れた均一な透明導電膜(ITO膜)を基板上に形成することができる。
しかしながら、これに使用する膜形成装置は真空容器をベースとするため非常に高価であり、また基板成膜毎に製造装置内の成分ガス圧を精密に制御しなければならないため、製造コストと量産性に問題がある。
この問題を解決する製造方法として、インジウム化合物と錫化合物を溶剤に溶解させた透明導電膜形成用塗布液を用いて、基板上に塗布する方法(以下、「塗布法」または「ウェットコーティング法」と表記する場合がある)が検討されている。
この塗布方法では、透明導電膜形成用塗布液の基板上への塗布、乾燥、焼成という簡素な製造工程で透明導電膜(ITO膜)を形成するもので、その塗布液の基板上への塗布法には、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンサ印刷法、スリットコート法、ダイコート法、ドクターブレードコート法、ワイヤーバーコート法、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法等が知られている。
このような塗布法に用いられる塗布液として、インジウム化合物及び錫化合物を含む塗布液が、従来種々開発されており、例えば、ハロゲンイオンまたはカルボキシル基を含む硝酸インジウムとアルキル硝酸錫の混合液(例えば、特許文献1参照)、アルコキシル基などを含む有機インジウム化合物と有機錫化合物の混合物(例えば、特許文献2参照)、硝酸インジウムと有機錫化合物の混合物(例えば、特許文献3参照)、硝酸インジウム、硝酸錫等の無機化合物混合物(例えば、特許文献4参照)、ジカルボン酸硝酸インジウムなどの有機硝酸インジウムとアルキル硝酸錫などの有機硝酸錫の混合物(例えば、特許文献5参照)、アセチルアセトンを配位した有機インジウム錯体と錫錯体からなる有機化合物混合溶液(例えば、特許文献6、特許文献7、特許文献8参照)が開示されている。
これらの従来知られている塗布液の多くはインジウムや錫の硝酸塩、ハロゲン化物からなる有機または無機化合物、あるいは金属アルコキシドなどの有機金属化合物等が用いられている。
しかし、硝酸塩やハロゲン化物を用いた塗布液は、焼成時に窒素酸化物や塩素などの腐食性ガスが発生するため、設備腐食や環境汚染を生ずるといった問題があり、また、金属アルコキシドを用いた塗布液では、原料が加水分解し易いため、塗布液の安定性に問題がある。また、上記特許文献に記載された有機金属化合物を用いた塗布液の多くは、基板に対する濡れ性が悪く、不均一膜が形成され易いといった問題もあった。
そこで、これらの問題点を改良した塗布液として、アセチルアセトンインジウム(正式名称:トリス(アセチルアセトナト)インジウム:In(C)、アセチルアセトン錫(正式名称:ジ−n−ブチル ビス(2,4−ペンタンジオナト)錫:[Sn(C(C])、ヒドロキシプロピルセルロース、アルキルフェノール及び/またはアルケニルフェノールと二塩基酸エステル及び/または酢酸ベンジルを含有する透明導電膜形成用塗布液(例えば、特許文献9参照)が開示されている。
この塗布液は、アセチルアセトンインジウム、アセチルアセトン錫の混合溶液にヒドロキシプロピルセルロースを含有させることによって塗布液の基板に対する濡れ性を改善すると同時に、粘性剤であるヒドロキシプロピルセルロースの含有量によって塗布液の粘度を調整し、スピンコート、スプレーコート、ディップコート、スクリーン印刷、ワイヤーバーコート等の各種塗布法の採用を可能にするものである。
また、スピンコート用の改良塗布液として、アセチルアセトンインジウム、オクチル酸インジウム等の有機インジウム化合物と、アセチルアセトン錫、オクチル酸錫等の有機錫と、有機溶剤とを含み、その有機溶剤にアルキルフェノール及び/またはアルケニルフェノールを溶解したアセチルアセトン溶液、アルキルフェノール及び/またはアルケニルフェノールを溶解したアセチルアセトン溶液をアルコールで希釈した液を用いる透明導電膜形成用塗布液(例えば、特許文献10参照)が開示されている。
この塗布液は、低粘度であり、スピンコートのほかスプレーコート、ディップコートにも使用可能である。
更に、塗布法において、得られる透明導電膜の性能向上を目的として、上述のような透明導電膜形成用塗布液を基板上に塗布、乾燥、焼成するという単純な成膜工程に、紫外線照射等を組み合わせる試みも行なわれており、例えば、透明導電膜形成用塗布液を塗布して乾燥する際に高圧水銀ランプやメタルハライドランプの紫外線を照射して均質で緻密な乾燥塗布膜を得、該乾燥塗布膜を500℃程度の高温で焼成する方法(特許文献11参照)や、500℃以上の高温焼成(熱分解)で得られた透明導電膜に紫外線を照射する方法(特許文献12参照)が提案されている。しかし、これらの方法でも膜の低抵抗化は充分ではなく、また焼成して得られた透明導電膜への紫外線の照射で一旦低下した抵抗も大気中保管により再度上昇する傾向がある。
そこで、低抵抗、かつ、抵抗安定性に優れる透明導電膜を得るため、インジウム化合物と錫化合物を含む透明導電膜形成用塗布液を基板に塗布し、その後300℃以下の予備加熱による乾燥中、あるいは乾燥後に、例えば低圧水銀灯を用いた200nm以下の波長の紫外線照射を行い、更に非酸化性雰囲気下で300℃以上(好ましくは400℃以上)で焼成する方法(特許文献13参照)が提案されている。
また、透明基板上に透明導電膜形成用塗布液を塗布・乾燥した後、酸素雰囲気中で焼成し、更に真空中で焼成して透明導電膜を得る方法(特許文献14参照)が提案されており、それによれば、酸素雰囲気中で焼成を行うことで、焼成温度を180℃まで低下でき、また、上記酸素雰囲気中での焼成中に水銀ランプの紫外線を照射することで低抵抗化を図ることが可能となるとなっている。
しかし、「水銀ランプの紫外線」がどの波長の紫外線を指すものかが定かでなく、また、その照射による効果についても述べられておらず明らかではない。更に、上記焼成温度を180℃まで低下できる根拠や具体例も示されておらず、加えて、180℃の焼成温度で得られた透明導電膜の膜特性(透過率、抵抗値)も全く記載されていない。したがって、この方法における低い温度での焼成中の紫外線照射については、その条件、得られる効果共に不明であり、その実用性については疑問であり、また実行面での課題が多いと言わざるをえない。
ところで、酸化インジウム等の導電性酸化物を主成分とする導電性酸化物膜は、このITO膜に代表される透明電極等の用途に加え、近年では、薄膜トランジスタのチャネル活性層として注目され、盛んに研究が行われてきている。
これまで、一般的に、電界効果型の薄膜トランジスタ(TFT)のチャネル活性層としては、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン等の薄膜が用いられてきたが、アモルファスシリコンは、キャリア移動度が低く、薄膜トランジスタ素子としての特性も十分とは言えなかった。
そこで、各種導電性酸化物膜をチャネル活性層に用いて薄膜トランジスタ素子の特性向上等の試みが、多く提案されている。例えば、ZnOを主成分として用いた透明導電性酸化物多結晶薄膜をチャネル層に用いた透明な薄膜トランジスタ(特許文献15、および特許文献16)、In−Ga−Zn−O系からなる透明アモルファス酸化物半導体膜(a−IGZO)をチャネル活性層に用いた薄膜トランジスタ(非特許文献1)、Ga−Zn−O系やGa−Sn−O系からなる非単結晶酸化物半導体を活性層として用いた薄膜トランジスタ(特許文献17)、In−Ga−Zn−O系(InGaZnO)からなる非単結晶酸化物半導体をチャネル活性層として用いた薄膜トランジスタ(特許文献18)、In−Ga−Zn−Sn−O系(SnをドープしたInGaZnO)からなる非単結晶酸化物半導体をチャネル活性層として用いた薄膜トランジスタ(特許文献19)、ZnO、SnO、Inのいずれか1種以上からなるアモルファス酸化物半導体をチャネル活性層として利用する薄膜トランジスタ(特許文献20)、等が開示されている。
しかしながら、上述の薄膜トランジスタにおける導電性酸化物膜の形成(特許文献16を除く、特許文献15、特許文献17〜20、非特許文献1)は、全てスパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)、電子ビーム蒸着法などの蒸着法(気相法)を用いて行われており、塗布法は用いられていない。また、特許文献17では、酢酸亜鉛をイソプロパノールに懸濁した塗布液を用いてZnOからなるチャネル活性層を形成しているが、塗布液を塗布した後、空気中または酸素雰囲気中で600〜900℃という高温焼成を必要としている。
以上のように、薄膜トランジスタのチャネル活性層に適した良質な導電性酸化物膜(酸化物半導体膜)を、塗布法を用いて比較的低温の焼成温度で得ることは困難であった。
特開昭57−138708号公報 特開昭61−26679号公報 特開平4−255768号公報 特開昭57−36714号公報 特開昭57−212268号公報 特公昭63−25448号公報 特公平2−20706号公報 特公昭63−19046号公報 特開平6−203658号公報 特開平6−325637号公報 特公昭60−19610号公報 特開昭63−314714号公報 特開平11−60278号公報 特開2001−106567号公報 特開2002−76356号公報 特開2001−244464号公報 特開2007−123698号公報 特開2007−123700号公報 特開2007−123699号公報 特開2007−201366号公報
K.Nomura et.al,Nature,2004、Vol.432,p.488−492
しかしながら、以上のような各種透明導電膜形成用塗布液を基板上に塗布、乾燥、焼成して形成する透明導電膜の製造方法は、そのほとんどが、透明導電膜形成用塗布液の塗布・乾燥後に高温焼成(例えば400℃以上)が必要であり、300℃未満の低温加熱処理で、良好な膜特性を有する透明導電膜を得ることはできなかった。しかも、高温焼成(例えば400℃以上)で得られた透明導電膜も、その導電性や抵抗値経時安定性が十分優れているとは言えなかった。
ところで、前述の300℃未満の低温焼成で透明導電膜が得られるという方法では、酸素雰囲気中での焼成が必要であり、材料面を含めて加熱処理装置への制約が大きいという課題がある。それと同時に、実用性について疑問があり、実行面で多くの課題が想定される。
従って、製造プロセスで低温加熱(300℃未満)しか行えない各種デバイス(例えば、液晶ディスプレイやタッチパネル等)の透明電極形成に利用するには、透明性や導電性に優れる透明導電膜を300℃未満の低温加熱処理で形成する方法が要望されていた。
さらに、薄膜トランジスタ素子のチャネル活性層としての導電性酸化物膜(酸化物半導体膜)の形成に利用するには、キャリア移動度が高くなるように、緻密度の高い透明導電膜(酸化物半導体膜)を300℃未満の低温加熱処理で形成する方法が要望されていた。
本発明は、このような状況に鑑み、低コストかつ簡便な透明導電膜の製造方法である塗布法を用いて、300℃未満の低温加熱で形成される良好な透明性と高い導電性を兼ね備えた膜強度に優れる透明導電膜、及び300℃以上の高温加熱で形成された場合においても良好な透明性と高い導電性と優れた膜強度、抵抗安定性を兼ね備えた透明導電膜、並びにこれらの透明導電膜の製造方法、それを用いた素子、透明導電基板、その透明導電基板を用いたデバイスを提供することを目的とする。
このような課題に対し、発明者らは、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物を主成分として含有する透明導電膜形成用塗布液を耐熱性基板上に塗布、乾燥、加熱処理して得られる酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上を主成分とする透明導電膜の製造方法について鋭意研究を重ねた結果、塗布、乾燥後の乾燥塗布膜に露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下(すなわち、水蒸気含有量が低い酸素含有雰囲気下)で加熱しながらエネルギー線照射すると300℃未満の加熱温度でも乾燥塗布膜の分解並びに燃焼が生じて膜の無機化が進行すると同時に、膜の緻密化も大幅に促進されて、導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層の膜構造が得られ、良好な透明性と高い導電性を兼ね備え、且つ膜強度にも優れる透明導電膜が得られることを見出したものである。
更に、発明者らは、塗布、乾燥後の乾燥塗布膜に露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下(すなわち、水蒸気含有量が低い酸素含有雰囲気下)で加熱しながらエネルギー線照射すると、300℃以上600℃以下の高温加熱で形成された場合においても、乾燥塗布膜の分解並びに燃焼が生じて膜の無機化が進行すると同時に、膜の緻密化も大幅に促進されて、導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層の膜構造が得られ、良好な透明性と優れた膜強度を有し、かつより高い導電性と優れた抵抗安定性を兼ね備えた透明導電膜が得られることも見出し、本発明の完成に至ったものである。
すなわち、本発明の第1の発明は、主成分として有機金属化合物を含有する透明導電膜形成用塗布液を、基板上に塗布して塗布膜を形成する塗布工程、前記塗布膜を乾燥して乾燥塗布膜を形成する乾燥工程、前記乾燥塗布膜に加熱しながらエネルギー線照射して、金属酸化物である無機成分を主成分とする無機膜を形成する加熱エネルギー線照射工程の各工程を経て形成される、透明導電膜の製造方法であって、前記加熱エネルギー線照射工程が、前記乾燥工程で形成された有機金属化合物を主成分とする前記乾燥塗布膜を、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら、エネルギー線照射を行い、前記乾燥塗布膜に含まれる有機成分を分解または燃焼、或いは分解並びに燃焼により除去することで金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成する工程であり、さらに、その有機金属化合物が有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上からなり、その金属酸化物が酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第2の発明は、主成分として有機金属化合物及びドーパント用有機金属化合物を含有する透明導電膜形成用塗布液を、基板上に塗布して塗布膜を形成する塗布工程、前記塗布膜を乾燥して乾燥塗布膜を形成する乾燥工程、前記乾燥塗布膜に加熱しながらエネルギー線を照射して、ドーパント金属化合物を含む金属酸化物である無機成分を主成分とする無機膜を形成する加熱エネルギー線照射工程の各工程を経て形成される、透明導電膜の製造方法であって、前記加熱エネルギー線照射工程が、前記乾燥工程で形成された有機金属化合物及びドーパント用有機金属化合物を主成分とする前記乾燥塗布膜を、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら、エネルギー線照射を行い、前記乾燥塗布膜に含まれる有機成分を分解または燃焼、或いは分解並びに燃焼により除去することでドーパント金属化合物を含む金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成する工程であり、さらに、その有機金属化合物が有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上からなり、その金属酸化物が酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第3の発明は、第2の発明における前記有機金属化合物及びドーパント用有機金属化合物の含有割合が、有機金属化合物:ドーパント用有機金属化合物のモル比換算で、99.9:0.1〜66.7:33.3の範囲であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第4の発明は、第2及び第3の発明における前記有機金属化合物が、有機インジウム化合物であって、前記ドーパント用有機金属化合物が、有機錫化合物、有機チタン化合物、有機ゲルマニウム化合物、有機亜鉛化合物、有機タングステン化合物、有機ジルコニウム化合物、有機タンタル化合物、有機ニオブ化合物、有機ハフニウム化合物、有機バナジウム化合物のいずれか1種以上であり、前記ドーパント金属化合物が、酸化錫、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化バナジウムのいずれか1種以上であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
また、本発明の第5の発明は、第2及び第3の発明における前記有機金属化合物が、有機錫化合物であって、前記ドーパント用有機金属化合物が、有機インジウム化合物、有機アンチモン化合物、有機リン化合物のいずれか1種以上であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第6の発明は、第2及び第3の発明における前記有機金属化合物が、有機亜鉛化合物であって、前記ドーパント用有機金属化合物が、有機アルミニウム化合物、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物のいずれか1種以上であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第7の発明は、第1及び第2の発明における前記加熱エネルギー線照射工程が、エネルギー線をパターン形状に照射するエネルギー線照射を行い、パターン形状を有する導電性酸化物微粒子層を形成する工程であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
また、本発明の第8の発明は、第1から第7の発明における前記酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射に続いて、中性雰囲気または還元性雰囲気下で、600℃以下の加熱温度で加熱することを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第9の発明は、第1から第7の発明における前記酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射に続いて、中性雰囲気または還元性雰囲気下で、300℃未満の加熱温度で加熱することを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第10の発明は、第8及び第9の発明における前記中性雰囲気が、窒素ガス、不活性ガスのいずれか1種以上、または前記還元性雰囲気が、水素ガス若しくは前記中性雰囲気に水素ガス或いは有機溶剤蒸気の少なくとも1種以上が含まれた雰囲気であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第11の発明は、第8及び第9の発明における前記中性雰囲気または還元性雰囲気下で、300℃未満の加熱温度で加熱する還元処理を施す際に、エネルギー線照射を行うことを特徴とする第7または8の発明に記載の透明導電膜の製造方法である。
本発明の第12の発明は、第1から第11の発明における前記酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射が、酸素含有雰囲気下で、100〜250℃の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第13の発明は、第1から第12の発明における前記酸素含有雰囲気の露点温度が−30℃以下であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第14の発明は、第1から第13の発明における前記エネルギー線照射が、少なくとも200nm以下の波長を主要成分の一つとして含む紫外線の照射であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第15の発明は、第14の発明における前記少なくとも200nm以下の波長を主要成分の一つとして含む紫外線の照射が、低圧水銀ランプ、アマルガムランプ、エキシマランプのいずれかから放射される紫外線の照射であることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第16の発明は、第1から第15の発明における前記有機インジウム化合物が、アセチルアセトンインジウムであることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第17の発明は、第1及び第2の発明における前記塗布工程における透明導電膜形成用塗布液の基板上への塗布方法が、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンサ印刷法、スリットコート法、ダイコート法、ドクターブレードコート法、ワイヤーバーコート法、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法のいずれかであることを特徴とする透明導電膜の製造方法である。
本発明の第18の発明は、第1〜第17の発明のいずれかに記載の透明導電膜の製造方法で得られたことを特徴とする透明導電膜である。
本発明の第19の発明は、導電性酸化物微粒子層を備える素子において、その導電性酸化物微粒子層が、第18の発明に記載の透明導電膜であることを特徴とする素子である。
本発明の第20の発明は、第18の発明における前記素子が、前記導電性酸化物微粒子層を、薄膜トランジスタのチャネル活性層として用いる薄膜トランジスタであることを特徴とする。
本発明の第21の発明は、基板上に透明導電膜を備える透明導電基板において、その透明導電膜が、第18の発明に記載の透明導電膜であることを特徴とする透明導電基板である。
本発明の第22の発明は、透明電極を備えるデバイスにおいて、前記透明電極が、第21の発明に記載の透明導電基板であることを特徴とする。
本発明の第23の発明は、第22の発明における前記デバイスが、発光デバイス、発電デバイス、表示デバイス、入力デバイスから選ばれた1種であることを特徴とする。
本発明の透明導電膜の製造方法によれば、金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を、塗布法を用いて300℃未満の低温加熱で簡便かつ低コストに形成できる。そして、得られた透明導電膜は、優れた透明性と高い導電性を兼ね備え、かつ膜強度に優れる。
また、本発明において、塗布法を用いて300℃以上600℃以下の高温加熱で形成された場合であっても、金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を簡便かつ低コストに形成できる。そして、得られた透明導電膜は、良好な透明性と優れた膜強度を有し、かつより高い導電性と優れた抵抗安定性を兼ね備えている。
そのため、この透明導電膜を基板上に形成した透明導電基板は、LED素子、エレクトロルミネッセンスランプ(エレクトロルミネッセンス素子)、フィールドエミッションランプ等の発光デバイス、太陽電池等の発電デバイス、液晶ディスプレイ(液晶素子)、エレクトロルミネッセンスディスプレイ(エレクトロルミネッセンス素子)、プラズマディスプレイ、電子ペーパー素子等の表示デバイス、及びタッチパネル等の入力デバイス等に好適である。
加えて、金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層は、その緻密度が高いため、キャリア移動度を高めることが可能であり、薄膜トランジスタのチャネル活性層としての導電性酸化物膜(所謂、酸化物半導体膜)にも好適である。
空気中の飽和水蒸気含有量(体積%)と露点温度(℃)の関係を示す図である。 従来の塗布法による透明導電膜製造工程における加熱エネルギー線照射工程の一例を示す模式図である。 本発明に係る塗布法による透明導電膜製造工程における加熱エネルギー線照射工程の他の一例を示す模式図である。 本発明に係る塗布法による透明導電膜の製造工程フロー(低露点温度の酸素含有雰囲気下で加熱エネルギー線照射工程を実施)の一例を示す図である。 本発明に係る塗布法による透明導電膜の製造工程フロー(低露点温度の酸素含有雰囲気下で加熱エネルギー線照射工程を実施)の他の一例を示す図である。 実施例7及び比較例11に係る無機膜、及び透明導電膜の膜厚を示す図である。 実施例7及び比較例11に係る透明導電膜の表面抵抗値を示す図である。 実施例7及び比較例11に係る透明導電膜の比抵抗を示す図である。 実施例7及び比較例11に係る透明導電膜の結晶子サイズを示す図である。 塗布法による透明導電膜の製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程は未実施)の一例を示す図である。 従来の塗布法による透明導電膜製造工程における(加熱エネルギー線照射工程は未実施)焼成工程の一例を示す模式図である。 従来の塗布法による透明導電膜の製造工程フロー(高露点温度の酸素含有雰囲気下で加熱エネルギー線照射工程を実施)の一例を示す図である。 塗布法による透明導電膜の製造工程フロー(高露点温度の酸素含有雰囲気下で加熱エネルギー線照射工程を実施)の他の一例を示す図である。 従来の塗布法による透明導電膜の製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程は未実施)の一例を示す図である。 本発明の実施例3、4及び比較例5〜8に係る透明導電膜の大気中放置における表面抵抗値の経時変化を示す図である。 本発明の実施例9及び比較例12に係る透明導電膜の大気中放置における表面抵抗値の経時変化を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、有機金属化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液を、基板上に塗布、乾燥、加熱エネルギー線照射して形成される透明導電膜の製造方法において、300℃未満の加熱温度でも膜の分解並びに燃焼が生じて無機化が進行し、金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成するため、透明性と導電性に優れる透明導電膜が得られる。
更に、本発明では、上記と同様の透明導電膜の製造方法において、300℃以上の高温加熱を行った場合でも、金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子がより緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成でき、良好な透明性と優れた膜強度を有し、かつより高い導電性と優れた抵抗安定性を兼ね備える透明導電膜が得られる。
[透明導電膜構造]
先ず、透明導電膜構造を説明する。
以下では、錫をドープした酸化インジウム(ITO)の透明導電膜を例に挙げて説明するが、酸化インジウム以外の、酸化錫や酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜に関しても同じように行うことができる。更に、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上を主要成分とするInGaZnO等の各種アモルファス導電性酸化物膜(酸化物半導体膜)に関しても同様である。
例えば、スパッタリング法等の気相成長法を用いてITOからなる透明導電膜を形成した場合、通常ITO結晶粒が粒界を介して配列した膜構造である多結晶のITO膜構造となり、膜構造においてITO微粒子はほとんど観察されない。
また、有機インジウム化合物と有機錫化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液を基板上に塗布・乾燥した後、例えば400℃以上で高温焼成する塗布法で形成されるITOからなる透明導電膜では、通常ITO微粒子同士が結合した膜構造を有しており、ITO微粒子の粒子径やITO微粒子間に存在する空隙の大きさは、加熱処理条件などで異なるが、少なからず開空隙(オープンポア)を有するITO微粒子で構成される透明導電膜となることが知られている。
そして、この400℃以上の高温焼成する塗布法で形成されたITO微粒子同士が結合した透明導電膜は、その導電機構が、ITO微粒子の接触部分(結合部分)を介在するものであることから、ITO微粒子同士が微小面積で接触するために起こると考えられる接触部分での導電性低下、開空隙を通して大気中の酸素や水蒸気が膜内に進入しITO微粒子同士の接触を劣化させるために起こると考えられる大気曝露における導電性の経時劣化、ITO微粒子が粗に充填しているために起こると考えられる膜強度の低下などを生じる。
したがって、上記導電性酸化物微粒子を緻密に充填させると同時に、導電性酸化物微粒子の結晶成長を促進させて、開空隙(オープンポア)が少なく緻密で、かつ導電性酸化物微粒子同士の接触が強化された酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上を主成分とする導電性酸化物微粒子層を有する膜構造を形成して、透明導電膜の導電性の向上を図り、膜強度の向上も達成すると同時に、導電性の経時劣化を大きく抑制することが重要である。
そこで、本発明においては、前述の透明導電膜形成用塗布液を用いた塗布法において、その乾燥塗布膜に露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で加熱エネルギー線照射を施すことで、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上を主成分とする、緻密な導電性酸化物微粒子層を形成するものである。
[透明導電膜形成用塗布液]
次に、本発明で用いられる透明導電膜形成用塗布液について詳細する。
本発明では、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物(以下、「主有機金属化合物」と記載することがある。)を主成分とする透明導電膜形成用塗布液を用いて、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上を主成分とする透明導電膜を形成するが、一般に、透明導電膜の導電性は高い方が望ましく、そのような場合には酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛という主成分となる酸化物にそれ以外の金属化合物、主として金属酸化物をドーピングすることで導電性を向上させる。即ち、ドーパント金属化合物を含む酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上を導電性酸化物として用いれば、透明導電膜の導電性が向上する。
これは、ドーパント金属化合物が導電性酸化物において、キャリアとしての電子の濃度(キャリア密度)を高める働きがあるからである。
その具体的なドーピングの方法としては、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液に、ドーパント用有機金属化合物を所定量配合する方法がある。
まず、有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液について、以下に説明する。
本発明で用いる有機インジウム化合物には、アセチルアセトンインジウム(正式名称:トリス(アセチルアセトナト)インジウム)[In(C]、2−エチルヘキサン酸インジウム、蟻酸インジウム、インジウムアルコキシド等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機インジウム化合物であれば良い。これらの中でもアセチルアセトンインジウムは有機溶剤への溶解性が高く、単純な大気中加熱でも200〜250℃程度の温度で分解・燃焼(酸化)して酸化物となり、エネルギー線照射(波長200nm以下の紫外線照射)と併用すれば上記温度よりも更に低温で分解・燃焼(酸化)して酸化物となるため好ましい。
次に、導電性を向上させるドーパント用有機金属化合物としては、有機錫化合物、有機チタン化合物、有機ゲルマニウム化合物、有機亜鉛化合物、有機タングステン化合物、有機ジルコニウム化合物、有機タンタル化合物、有機ニオブ化合物、有機ハフニウム化合物、有機バナジウム化合物のいずれか1種以上が好ましい。
なお、透明導電膜を適用するデバイスによっては導電性がある程度低い(抵抗値が高い)ことが必要とされる場合もあるため、透明導電膜形成用塗布液へのドーパント用有機金属化合物の添加は、用途に応じて適宜実施すればよい。
ドーパント用有機金属化合物の有機錫化合物(化合物中の錫の価数は2価、4価にこだわらない)としては、例えば、アセチルアセトン錫(正式名称:ジ−n−ブチル ビス(2,4−ペンタンジオナト)錫、[Sn(C(C]、オクチル酸錫、2−エチルヘキサン酸錫、酢酸錫(II)[Sn(CHCOO)]、酢酸錫(IV)[Sn(CHCOO)]、ジ−n−ブチル錫ジアセテート[Sn(C(CHCOO)] 、蟻酸錫、錫アルコキシドとしての錫−tert−ブトキシド[Sn(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機錫化合物であれば良い。これらの中でも、アセチルアセトン錫は、比較的安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機チタン化合物としては、例えば、チタンアセチルアセトン錯体としてのアセチルアセトンチタン(正式名称:チタンジ−n−ブトキシド ビス(2,4−ペンタンジオネート)[Ti(CO)(C] )、チタニル(IV)アセチルアセトネート[(C)4TiO]、チタンジイソプロポキシド ビス(2,4−ペンタンジオネート)[C1636Ti]等や、チタンアルコキシドとしてのチタンテトラエトキシド[Ti(CO)]、チタン(IV)−tert−ブトキシド[Ti(CO)]、チタンテトラ−n−ブトキシド[Ti(CO)]、チタンテトライソプロポキシド[Ti(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機チタン化合物であれば良い。これらの中でも、アセチルアセトンチタン、チタンテトラ−n−ブトキシド、チタンテトライソプロポシドは、安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機ゲルマニウム化合物としては、例えば、ゲルマニウムアルコキシドとしてのゲルマニウムテトラエトキシド[Ge(CO)]、ゲルマニウムテトラ−n−ブトキシド[Ge(CO)]、ゲルマニウムテトライソプロポキシド[Ge(CO)]等や、β−カルボキシエチルゲルマニウムオキシド[(GeCHCHCOOH)]、テトラエチルゲルマニウム[Ge(C]、テトラブチルゲルマニウム[Ge(C]、トリブチルゲルマニウム[Ge(C]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機ゲルマニウム化合物であれば良い。これらの中でも、ゲルマニウムテトラエトキシド、ゲルマニウムテトラ−n−ブトキシド、ゲルマニウムテトライソプロポキシドは、比較的安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機亜鉛化合物としては、例えば、亜鉛アセチルアセトン錯体としてのアセチルアセトン亜鉛(正式名称:亜鉛−2,4−ペンタンジオネート)[Zn(C]、亜鉛−2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオネート[Zn(C1119]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機亜鉛化合物であれば良い。これらの中でも、アセチルアセトン亜鉛は、安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機タングステン化合物としては、例えば、タングステンアルコキシドとしてのタングステン(V)エトキシド[W(CO)]、タングステン(VI)エトキシド[W(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機タングステン化合物であれば良い。
ドーパント用有機金属化合物の有機ジルコニウム化合物としては、例えば、ジルコニウムアセチルアセトン錯体としてのジルコニウム ジ−n−ブトキシド ビス(2,4−ペンタンジオネート)[Zr(CO)(C])、アセチルアセトンジルコニウム(正式名称:ジルコニウム−2,4−ペンタンジオネート)[Zr(C]、ジルコニウムアルコキシドとしてのジルコニウムエトキシド[Zr(CO)]、ジルコニウム−n−プロポキシド[Zr(CO)]、ジルコニウムイソプロポキシド[Zr(CO)]、ジルコニウム−n−ブトキシド[Zr(CO)]、ジルコニウム−tert−ブトキシド[Zr(CO)]、ジルコニウム−2−メチル−2−ブトキシド[Zr(C11O)]、ジルコニウム−2−メトキシメチル−2−プロポキシド[Zr(C11]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機ジルコニウム化合物であれば良い。これらの中でも、ジルコニウム−n−プロポキシド、ジルコニウム−n−ブトキシドは、比較的安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機タンタル化合物としては、例えば、タンタルアセチルアセトン錯体としてのタンタル(V)テトラエトキシド−ペンタンジオネート[Ta(C)(OC]、タンタルアルコキシドとしてのタンタルメトキシド[Ta(CHO)]、タンタルエトキシド[Ta(CO)]、タンタルイソプロポキシド[Ta(CO)]、タンタル−n−ブトキシド[Ta(CO)]、テトラエトキシアセチルアセトナトタンタル[Ta(CO)(C)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機タンタル化合物であれば良い。
ドーパント用有機金属化合物の有機ニオブ化合物としては、例えば、ニオブアルコキシドとしてのニオブエトキシド[Nb(CO)]、ニオブ−n−ブトキシド[Nb(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機ニオブ化合物であれば良い。
ドーパント用有機金属化合物の有機ハフニウム化合物としては、例えば、ハフニウムアセチルアセトン錯体としてのハフニウム ジ−n−ブトキシド ビス(2,4−ペンタンジオネート)[Hf(CO)(C]、アセチルアセトンハフニウム(正式名称:ハフニウム−2,4−ペンタンジオネート)[Hf(C]、ハフニウムアルコキシドとしてのハフニウムエトキシド[Hf(CO)]、ハフニウム−n−ブトキシド[Hf(CO)]、ハフニウム−tert−ブトキシド[Hf(CO)]、ハフニウム(VI)イソプロポキシドモノイソプロピレート[Hf(CO)(COH)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機ハフニウム化合物であれば良い。これらの中でも、ハフニウム−n−ブトキシドは、比較的安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機バナジウム化合物としては、例えば、バナジウムアセチルアセトン錯体としてのバナジウム(IV)オキサイドビス−2,4−ペンタンジオネート[VO(C]、アセチルアセトンバナジウム(正式名称:バナジウム(III)−2,4−ペンタンジオネート)[V(C]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機バナジウム化合物であれば良い。
次に、有機錫化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液についても以下に説明する。
本発明で用いる有機錫化合物には、有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液の説明で述べた有機錫化合物を用いることができ、導電性を向上させるドーパント用有機金属化合物としては、有機インジウム化合物、有機アンチモン化合物、有機リン化合物のいずれか1種以上が好ましい。
ドーパント用有機金属化合物としての有機インジウム化合物には、先に有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液の説明で述べた有機インジウム化合物を用いれば良い。
ドーパント用有機金属化合物の有機アンチモン化合物としては、例えば、酢酸アンチモン(III)[Sb(CHCOO)]、アンチモンアルコキシドとしてのアンチモン(III)エトキシド[Sb(CO)]、アンチモン(III)−n−ブトキシド[Sb(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、焼成時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機アンチモン化合物であれば良い。これらの中でも、アンチモン(III)−n−ブトキシドは、比較的安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機リン化合物としては、例えば、トリエチルフォスフェイト[PO(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、焼成時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機リン化合物であれば良い。
更に、有機亜鉛化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液についても以下に説明する。
本発明で用いる有機亜鉛化合物には、有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液の説明で述べた有機亜鉛化合物を用いることができ、導電性を向上させるドーパント用有機金属化合物としては、有機アルミニウム化合物、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物のいずれか1種以上が好ましい。
ドーパント用有機金属化合物としての有機インジウム化合物には、先に有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液の説明で述べた有機インジウム化合物を用いれば良い。
ドーパント用有機金属化合物の有機アルミニウム化合物としては、アルミニウムアセチルアセトン錯体としてのアセチルアセトンアルミニウム(アルミニウム−2,4−ペンタンジオネート)[Al(C]、アルミニウムアルコキシドとしてのアルミニウムエトキシド[Al(CO)]、アルミニウム−n−ブトキシド[Al(CO)]、アルミニウム−tert−ブトキシド[Al(CO)]、アルミニウムイソプロポキシド[Al(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、焼成時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機アルミニウム化合物であれば良い。これらの中でも、アセチルアセトンアルミニウム、アルミニウム−n−ブトキシドは、比較的安価で入手し易いので好ましい。
ドーパント用有機金属化合物の有機ガリウム化合物としては、ガリウムアセチルアセトン錯体としてのアセチルアセトンガリウム(ガリウム−2,4−ペンタンジオネート)[Ga(C]、ガリウムアルコキシドとしてのガリウムエトキシド[Ga(CO)]等が挙げられるが、基本的には、溶剤に溶解し、焼成時において塩素ガスや窒素酸化物ガスなどの有害ガスが発生せずに酸化物に分解する有機ガリウム化合物であれば良い。
透明導電膜形成用塗布液における有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物(主有機金属化合物)、または該有機金属化合物とドーパント用有機金属化合物は、基板上に透明導電膜を形成させるための主たる化合物原料であり、その合計含有量は1〜30重量%の範囲であることが好ましく、更に好ましくは5〜20重量%とするのが良い。その合計含有量が1重量%未満であると膜厚の薄い透明導電膜しか得られなくなるため十分な導電性が得られない。また、30重量%より多いと透明導電膜形成用塗布液中の有機金属化合物が析出し易くなって塗布液の安定性が低下したり、得られる透明導電膜が厚くなり過ぎて亀裂(クラック)が発生したりして導電性が損なわれる場合がある。
また、透明導電膜形成用塗布液にドーパント用有機金属化合物を配合する場合(高い導電性を得ようとする場合)には、有機金属化合物(主有機金属化合物)とドーパント用有機金属化合物の含有割合は、有機金属化合物(主有機金属化合物):ドーパント用有機金属化合物のモル比換算で99.9:0.1〜66.7:33.3が好ましい。詳しくは、有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液においてドーパント用有機金属化合物として有機亜鉛化合物を用いる場合を除いて、有機金属化合物(主有機金属化合物):ドーパント用有機金属化合物のモル比換算で99.9:0.1〜87:13が良く、好ましくは99:1〜91:9である。
なお、有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液において、有機亜鉛化合物をドーピング用有機金属化合物して用いる場合には、有機金属化合物(主有機金属化合物):ドーパント用有機金属化合物のモル比換算で95:5〜66.7:33.3が良く、好ましくは91:9〜71:29である。
ここで、上記モル比は、有機金属化合物(主有機金属化合物)とドーパント用有機金属化合物のそれぞれの金属成分のモル比を指している。したがって、ドーパント用有機金属化合物の1分子中に金属元素が2個含まれている場合は、ドーパント用有機金属化合物1モルに対しドーパント用の金属元素は2モルとして換算する。
なお、透明導電膜を適用するデバイスによっては、透明導電膜に対して、必ずしも高い導電性を必要とせず、逆に高い抵抗値が要求されることもある。そのような場合には、高抵抗の透明導電膜を得る目的で、あえて上記透明導電膜形成用塗布液にドーパント用有機金属化合物を配合せずに用いることができる。
一方、このモル比範囲を外れてドーパント用有機金属化合物が少なくても、或いは、多すぎても、透明導電膜のキャリア密度が減少して透明導電膜の導電性が急激に悪化する場合があり、また、上記モル比範囲を外れてドーパント用有機金属化合物が多い場合には、導電性酸化物微粒子の結晶成長が進みにくくなって導電性が悪化する場合があるため好ましくない。
また、透明導電膜形成用塗布液には、必要に応じて有機バインダーを添加することができる。有機バインダーを加えると、基板に対する濡れ性が改善されると同時に、塗布液の粘度調整を行うことができるため、透明導電膜形成用塗布液の成膜性が大幅に改善される。上記有機バインダーは加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において燃焼や分解する材料が好ましく、このような材料として、セルロース誘導体、アクリル樹脂等が有効である。
有機バインダーに用いられるセルロース誘導体としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース 、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース 、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース 、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、ニトロセルロース等が挙げられるが、これらの中でもヒドロキシプロピルセルロース(以下、「HPC」と表記する場合がある)が好ましい。
HPCを用いれば、5重量%以下の含有量で十分な濡れ性が得られると同時に、大幅な粘度調整を行うことができる。またHPCの燃焼開始温度は単純な大気中加熱だと300℃程度だが、エネルギー線照射(例えば、波長200nm以下の紫外線照射)と併用すれば300℃未満の加熱温度でも分解・燃焼するので、生成する導電性粒子の粒成長を阻害せず、導電性が良好な透明導電膜を作製することができる。HPCの含有量が5重量%より多くなると、ゲル状になって塗布液中に残留し易くなり、極めて多孔質の透明導電膜を形成して透明性や導電性が著しく損なわれる。
ここで、セルロース誘導体として、例えばHPCの代わりにエチルセルロースを用いた場合には、HPCを用いた場合よりも塗布液の粘度が低く設定できるが、高粘度塗布液が好適であるスクリーン印刷法等ではパターン印刷性が若干低下する。
ところで、ニトロセルロースは、分解性は優れているが、加熱エネルギー線照射時、あるいはその後の加熱処理時において有害な窒素酸化物ガスの発生があり、加熱処理炉の劣化や排ガス処理に問題を生じる場合がある。以上のように、使用するセルロース誘導体は、状況に応じて適宜選択する必要がある。
また、アクリル樹脂としては、比較的低温で燃焼するアクリル樹脂が好ましい。
透明導電膜形成用塗布液に用いる溶剤としては、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物等の有機金属化合物や各種ドーパント用有機金属化合物を溶解できるものが適している。例えば、アセチルアセトンインジウム、アセチルアセトン亜鉛、アセチルアセトンバナジウム等のアセチルアセトン錯体を高濃度で溶解できるアルキルフェノール及び/またはアルケニルフェノールと二塩基酸エステル、あるいはアルキルフェノール及び/またはアルケニルフェノールと酢酸ベンジル、またはこれらの混合溶液を用いるのが好ましい。アルキルフェノール及びアルケニルフェノールとしては、クレゾール類、キシレノール、エチルフェノール、p−tert−ブチルフェノール、オクチルフェノール、ノニルフェノール、カシューナット殻液[3ペンタデカデシールフェノール]等が挙げられ、二塩基酸エステル(例えば二塩基酸ジメチル、二塩基酸ジエチル等)としては、コハク酸エステル、グルタル酸エステル、アジピン酸エステル、マロン酸エステル、フタル酸エステル等が用いられる。
更に、塗布液の粘度を低下さたり、塗布性を改善させるために透明導電膜形成用塗布液に配合する溶剤としては、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物等の有機金属化合物、ドーパント用有機金属化合物、及び有機バインダーとしてのセルロース誘導体及び/またはアクリル樹脂を溶解させた溶液と相溶性があれば良く、水、メタノール(MA)、エタノール(EA)、1−プロパノール(NPA)、イソプロパノール(IPA)、ブタノール、ペンタノール、ベンジルアルコール、ジアセトンアルコール(DAA)等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、シクロヘキサノン、アセチルアセトン(2、4−ペンタンジオン)、イソホロン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、ギ酸アミル、酢酸イソアミル、プロピオン酸ブチル、酪酸イソプロピル、酪酸エチル、酪酸ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、オキシ酢酸メチル、オキシ酢酸エチル、オキシ酢酸ブチル、メトキシ酢酸メチル、メトキシ酢酸エチル、メトキシ酢酸ブチル、エトキシ酢酸メチル、エトキシ酢酸エチル、3−オキシプロピオン酸メチル、3−オキシプロピオン酸エチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、2−オキシプロピオン酸メチル、2−オキシプロピオン酸エチル、2−オキシプロピオン酸プロピル、2−メトキシプロピオン酸メチル、2−メトキシプロピオン酸エチル、2−メトキシプロピオン酸プロピル、2−エトキシプロピオン酸メチル、2−エトキシプロピオン酸エチル、2−オキシ−2−メチルプロピオン酸メチル、2−オキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、2−メトキシ−2−メチルプロピオン酸メチル、2−エトキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、ピルビン酸プロピル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、2−オキソブタン酸メチル、2−オキソブタン酸エチル等のエステル系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル(MCS)、エチレングリコールモノエチルエーテル(ECS)、エチレングリコールイソプロピルエーテル(IPC)、エチレングリコールモノブチルエーテル(BCS)、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテル(PGM)、プロピレングリコールエチルエーテル(PE)、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート(PGM−AC)、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート(PE−AC)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル等のグリコール誘導体、トルエン、キシレン、メシチレン、ドデシルベンゼン等のベンゼン誘導体、ホルムアミド(FA)、N−メチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォキシド(DMSO)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、γ−ブチロラクトン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1、3−ブチレングリコール、ペンタメチレングリコール、1、3−オクチレングリコール、テトラヒドロフラン(THF)、クロロホルム、ミネラルスピリッツ、ターピネオール等、及びこれらのいくつかの混合液が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
塗布液の安定性や成膜性を考慮すると、使用する溶剤としては、メチルエチルケトン(MEK)、シクロヘキサノン、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGM)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、γ−ブチロラクトン等が好ましい。
本発明で用いる透明導電膜形成用塗布液は、上記有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物、必要に応じて上記各種ドーパント用有機金属化合物のいずれか1種以上、更に、必要に応じて有機バインダーを加えた混合物を溶剤に加熱溶解させることによって製造する。
加熱溶解は、通常、加熱温度を60〜200℃とし、0.5〜12時間攪拌することにより行われる。加熱温度が60℃よりも低いと十分に溶解せず、例えば、有機インジウム化合物を主成分とする透明導電膜形成用塗布液であれば、アセチルアセトンインジウム等の金属化合物の析出分離が起って塗布液の安定性が低下してしまい、200℃よりも高いと溶剤の蒸発が顕著となり塗布液の組成が変化してしまうので好ましくない。
透明導電膜形成用塗布液の粘度は、上記有機バインダーの分子量や含有量、溶剤の種類によって調整することができるので、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンサ印刷法、スリットコート法、ダイコート法、ドクターブレードコート法、ワイヤーバーコート法、スピンコート法、スプレーコート法等の各種塗布法のそれぞれに適した粘度に調整して対応することができる。
高粘度(5000〜50000mPa・s程度)の塗布液は、高分子量の有機バインダーを5重量%以下、好ましくは2〜4重量%含有させることで作製でき、低粘度(5〜500mPa・s程度)は、低分子量の有機バインダーを5重量%以下、好ましくは0.1〜2重量%含有させ、かつ低粘度の希釈用溶剤で希釈することで作製できる。また、中粘度(500〜5000mPa・s)の塗布液は、高粘度の塗布液と低粘度の塗布液を混合することで作製できる。
[透明導電膜の製造方法]
本発明の透明導電膜の製造方法について詳細する。
本発明の透明導電膜は、透明導電膜形成用塗布液を基板上に塗布して塗布膜を形成する塗布工程、その塗布膜を乾燥して乾燥塗布膜を形成する乾燥工程、その乾燥塗布膜を加熱しながらエネルギー線照射して無機膜を形成する加熱エネルギー線照射工程、必要に応じて、還元処理工程の各工程を経て形成される。
(a)塗布工程
基板上への透明導電膜形成用塗布液の塗布は、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンサ印刷法、スリットコート法、ダイコート法、ドクターブレードコート法、ワイヤーバーコート法、スピンコート法、スプレーコート法等の各種塗布法を用いて塗布される。これらの塗布は、クリーンルーム等のように清浄でかつ温度や湿度が管理された雰囲気下で行うことが好ましい。温度は室温(25℃程度)、湿度は40〜60%RHが一般的である。
上記基板としては、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機基板や、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ナイロン、ポリエーテルスルホン(PES)、ウレタン、シクロオレフィン樹脂(ゼオノア[日本ゼオン製]やアートン[JSR製]等)、フッ素系樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド(PI)等の樹脂基板(プラスチックフィルム)を用いることができる。
なお、基板に樹脂基板(プラスチックフィルム)を用いる場合は、後述する加熱エネルギー線照射工程で、樹脂基板表面が劣化して透明導電膜と樹脂基板の密着性が低下する恐れがあるため、予め樹脂基板の透明導電膜を形成する面に紫外線カットの薄膜コーティング(酸化チタン、酸化セリウム等)を施しておくことが望ましい。上記紫外線カットの薄膜コーティングは、塗布液を用いたウェットコーティング法でも良いし、スパッタリング等の蒸着法(気相法)でも良い。
(b)乾燥工程
この乾燥工程では、透明導電膜形成用塗布液を塗布した基板を、通常大気中80〜180℃で1〜30分間、好ましくは2〜10分間保持して塗布膜の乾燥を行って、乾燥塗布膜を作製する。乾燥条件(温度、時間)は、用いる基板の種類や透明導電膜形成用塗布液の塗布厚さ等によって、適宜選択すればよく、上記乾燥条件に限定される訳ではない。ただし、生産性を考慮すれば、乾燥時間は、得られる乾燥塗布膜の膜質が悪化しない必要最低限度に短縮することが望ましい。
また、乾燥温度は、用いる基板の耐熱温度以下であることが必要で、例えば、上記PENフィルムであれば(乾燥時間にもよるが)200℃程度以下に設定する必要がある。なお、必要に応じて、大気中乾燥に代えて、減圧乾燥(到達圧力:通常1kPa以下)を適用することも可能である。減圧乾燥では、塗布された透明導電膜形成用塗布液中の溶剤が、減圧下で強制的に除去されて乾燥が進行するため、大気中乾燥に比べてより低温での乾燥が可能となるため、耐熱性や耐溶剤性に乏しい素材からなる基板を用いる場合に有用である。
この乾燥塗布膜は、透明導電膜形成用塗布液から前述の有機溶剤が揮発除去されたものであって、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物、(ドーパント用有機金属化合物)、有機バインダー等の有機系成分で構成されている。
(c)加熱エネルギー線照射工程
本発明の加熱エネルギー線照射工程は、従来の通常の大気中(高露点温度の高湿度の空気)で加熱しながら紫外線等のエネルギー線照射を施す方法(図2参照)の代わりに、上記乾燥工程で得られた乾燥塗布膜に、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で加熱しながらエネルギー線を照射している。このような露点温度等の雰囲気制御を伴うエネルギー線照射を行うためには、図3に示すように、エネルギー線を放射するエネルギー線照射ランプ4(例えば、紫外線照射ランプ)の直下に、合成石英板(波長200nm以下の紫外線の透過率が高い)の紫外線照射窓5を有する照射ボックスが配置され、その照射ボックス内にホットプレート等の基板の加熱装置1を設置した構造が必要である。
ところで、エネルギー線照射ランプからは、通常、紫外線等のエネルギー線以外に熱線も放出されるため、例えば加熱温度が40〜50℃程度と低い場合には必ずしも上記ホットプレート等の加熱装置は必要ない。言い換えれば、ホットプレート等の加熱装置で加熱しなくても、エネルギー線照射ランプからの熱線照射によって、基板は少なくとも40〜50℃程度まで加熱されることになる。
上記露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射によって、乾燥塗布膜中の有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物、あるいはドーパント用有機金属化合物を含んだ上記有機金属化合物、および有機バインダー等の有機系成分の分解・燃焼(酸化)による無機化と緻密化が進むため、無機成分、すなわち導電性酸化物からなる無機膜、より詳細には、導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層としての透明導電膜を得ている。
なお、酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射が施され、かつ後述の還元処理が施されていない、無機成分を主成分とする膜を、特に「無機膜」と記載して、「透明導電膜」と区別して用いることがある。
すなわち、加熱エネルギー線照射工程において、例えば加熱温度300℃未満の範囲で、エネルギー線照射量が多くなってくる、つまり、エネルギー線照射時間が長くなってくると、乾燥塗布膜中の有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上の有機金属化合物(ドーパント用有機金属化合物を含有する物も含む)は、徐々に分解・燃焼(酸化)されて、まずアモルファス状態(ここでは、X線回折で求めた結晶子サイズ=3nm以下の非常に微細な粒子の状態を称する)の導電性酸化物への変換が生じ、その後加熱エネルギー線照射工程の加熱温度よりも加熱温度を300℃未満の範囲内で一層上昇させるか、加熱エネルギー線照射工程の加熱温度のままであってもエネルギー線照射時間が長くなると、上記導電性酸化物の結晶化が起き、更に結晶成長して導電性酸化物微粒子となり最終的な透明導電膜の構成状態となる。
一方、有機バインダーも同様に、加熱エネルギー線照射工程の酸素含有雰囲気下でのエネルギー線照射により徐々に分解・燃焼(酸化)するが、主に二酸化炭素(CO)に転化されて雰囲気中に揮散して膜中から消失していく。これは、有機バインダーの種類にもよるが、例えば前述のHPCであれば250℃未満に加熱しながらエネルギー線照射すればほぼ消失する。このため、最終的には透明導電膜中にはほとんど残留しない。
なお、加熱エネルギー線照射工程の初期段階、具体的には、エネルギー線照度にもよるが、エネルギー線照射時間が数十秒〜3分程度の段階までは、上記アモルファス状態の導電性酸化物間に有機バインダーが均一に介在して結晶化を抑制しているが、更に上記したように300℃未満の範囲内で加熱温度を高めるか、エネルギー線照射時間を長くしていくと有機バインダー成分が消失していって上記導電性酸化物の結晶化が起こるものと考えられる。
以上のように、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射によって乾燥塗布膜の有機成分が徐々に分解・燃焼(酸化)して、膜の無機化が進行し、かつ緻密化も促進されるため、膜の厚みも徐々に低下していく。例えば、厚み700nmの乾燥塗布膜が、上記酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射によって、最終的に厚み150nm程度の無機膜に変化する。
ここで、無機膜の厚みが数100nm〜1μm程度になってくると、1回の塗布、乾燥、加熱エネルギー線照射工程によって無機膜を形成しようとすると、膜厚が厚すぎて無機膜にクラックが生じたり、無機膜の基板との密着性が悪化する恐れがあり、このような場合には、塗布・乾燥・加熱エネルギー線照射工程を複数回繰り返して積層した無機膜を得れば、上述のような問題を生ずることなく、次工程のプラズマ処理工程に進むことができる。例えば、厚み150nm程度の無機膜を、上述のように6回積層すれば、厚み900nmの積層した無機膜を得ることができる。
なお、加熱エネルギー線照射工程における加熱温度は、300℃未満が良く、好ましくは40〜250℃、より好ましくは、100〜200℃、更に好ましくは100〜150℃の範囲である。300℃以上だと、エネルギー線照射前にエネルギー線照射を施す乾燥塗布膜の熱分解が始まるため、膜の緻密化が阻害されるため好ましくない。また、40℃未満は、全く実用的でないとは言えないが、加熱エネルギー線照射による乾燥塗布膜の無機化や緻密化の速度が低下することに十分注意する必要がある。
ここで、加熱エネルギー線照射工程におけるエネルギー線照射は、乾燥塗布膜の全面に施しても良いし、乾燥塗布膜のある特定部分だけにパターン形状に施しても良い。この場合、エネルギー線照射を施した部分だけで上述した膜の無機化や緻密化が進行するため、パターン形状を有する導電性酸化物微粒子層を形成することができる。
なお、導電性酸化物微粒子層が形成されなかった乾燥塗布膜部分(エネルギー線が照射されなかった乾燥塗布膜部分)の除去が必要な場合は、その部分は無機化していないため、乾燥塗布膜を溶解可能な有機溶剤で溶解して除去することができる。一方で、無機化した導電性酸化物微粒子層部分は有機溶剤に全く溶解しないため、導電性酸化物微粒子層部分だけを基板上に残すことが可能となる。
上記乾燥塗布膜の溶解性に優れる有機溶剤としては、例えば、メチルエチルケトン(MEK)、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、シクロヘキサノン、アセチルアセトン(2、4−ペンタンジオン)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルフォキシド(DMSO)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。
ここで、上記加熱エネルギー線照射工程に用いるエネルギー線照射は、少なくとも200nm以下の波長を主要成分の一つとして含む紫外線の照射であることが望ましく、より具体的には、低圧水銀ランプ、アマルガムランプ、エキシマランプのいずれかから放射される紫外線の照射が好ましい。紫外線の照射量は、波長200nm以下の光の照度:2mW/cm以上、好ましくは4mW/cm以上で、照射時間は、1分間以上、好ましくは2分間以上、更に好ましくは4分間以上が良い。照射時間が短すぎると、エネルギー線照射の効果(無機化、緻密化)が不十分となり、また、逆に長くなり過ぎると(例えば60分間を超える長時間)、生産性(処理効率)が著しく低下する一方で、エネルギー線照射の効果(無機化、緻密化)は途中でほぼ飽和してしまうため好ましいとは言えない。
この紫外線の照射量は、基板とランプとの距離(照射距離)、照射時間、またはランプの出力によって適宜調整できる。このランプを用いた基板全面へのエネルギー線照射では、例えば直管状のランプを並行に配列させて照射しても良いし、グリッド型ランプの面光源を用いても良い。
以下、波長200nm以下の光を放射可能な低圧水銀ランプとエキシマランプについて詳細に説明するが、本発明の加熱エネルギー線照射工程では、使用上の制約が少なく、加熱処理と併用した場合にランプへの加熱の影響を小さくできる低圧水銀ランプを用いることがより好ましい。
アマルガムランプは、低圧水銀ランプが一般に石英ガラス管内にアルゴンガスと水銀を封入するのに対し、水銀と特殊希少金属の合金であるアマルガム合金を封入することで、低圧水銀ランプと比べて、2〜3倍程度の高出力化を可能としたもので、出力波長特性はほぼ低圧水銀ランプと同じなため、詳細説明は省略する。当然のことながら、アマルガムランプも、低圧水銀ランプと同様に、本発明の加熱エネルギー線照射工程では、使用上の制約が少なく、加熱処理と併用した場合にランプへの加熱の影響を小さくできるため好ましい。
ただし、紫外線の吸収を伴わない窒素ガス等を冷却ガスとしてランプを冷却する特殊な装置を用いる事も可能で、そのような場合はこの限りでない。
低圧水銀ランプは、185nmと254nmの波長の紫外線を放射し、例えば空気中では、下記化1に示す反応式(1)〜(3)のように185nmの光は酸素を分解してオゾンを生成し、更に、そのオゾンを254nmの光がms(ミリ秒)単位の速さで分解して、高エネルギーの活性原子状酸素O(D)を生成する。これと同時に185nmの光(フォトンエネルギー:647kJ/mol)、及び254nmの光(フォトンエネルギー:472kJ/mol)は有機物の化学結合を切断し、その化学結合が切断された有機物にオゾンや活性原子状酸素が作用して、最終的に有機物を水や炭酸ガスに酸化分解・揮発させると考えられる。その有効照射距離は0〜20mm(臨界照射距離は200mm)と比較的長い照射距離が確保できる。
Figure 2011102350
一方、エキシマランプ(キセノンエキシマランプ)は、172nmの波長の紫外線を放射し、例えば空気中では、低圧水銀ランプと異なり、下記化2の反応式(4)に示す高エネルギーの活性原子状酸素O(D)を直接生成できるという特徴がある(反応式(4)の解離には波長175nm以下が必要なので、低圧水銀ランプの185nmの光ではこの解離は起きない)。また、反応式(5)によりオゾンを生成し、反応式(6)によっても活性原子状酸素を生成できる。なお、反応式(6)は2次反応であり、主たる活性原子状酸素の生成は反応式(4)によると考えられる。
更に、フォトンのエネルギーが696kJ/molと大きいので有機物の結合を切る能力が高いという利点もある(ほとんどの有機物の分子結合エネルギーより高いため分子結合が切れる確率が高くなる)。ただし、172nmの光は、低圧水銀ランプの185nmの光に比べて酸素の吸収係数が約100倍も大きく、酸素に強く吸収されるため、上記オゾンや高エネルギーの活性原子状酸素は、ランプ表面近傍でしか酸化反応が起こせず、大気中での有効照射距離が0〜3mm(臨界照射距離は8mm)と極端に短くなる欠点がある。
Figure 2011102350
上記酸素含有雰囲気ガスは、空気、または酸素ガス、あるいは、酸素ガスと中性雰囲気ガス(窒素)・不活性ガス(アルゴン、ヘリウム等)の混合ガスが挙げられるが、安価で入手しやすい空気が好ましい。
さらに、その酸素含有雰囲気ガスとしては、露点温度の低い、即ち水蒸気含有量の少ない酸素含有雰囲気(参考として、図1に、空気中の飽和水蒸気含有量(体積%)と露点温度(℃)の関係を示す。)であることが好ましい。
このような露点温度の低い酸素含有雰囲気を用いると、加熱エネルギー線照射工程における膜の無機化の過程で、導電性酸化物の結晶化、並びに結晶成長が抑制され、非常に微細な導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層の膜構造を得ることができる。なお、導電性酸化物微粒子が緻密に充填するメカニズムに関しては、必ずしも明らかではないが、以下のように考えることができる。
すなわち、少なくとも加熱エネルギー線照射工程での無機化で生じた導電性酸化物の結晶化が始まる時点までは、導電性酸化物間に有機バインダーが均一に介在した膜構造が維持される。この膜構造が有機物質である有機バインダーの作用で柔軟性を有して基板と垂直方向への膜の収縮(緻密化)を可能とするため、露点温度の低い空気雰囲気下で昇温して焼成した場合は、有機バインダーが消失するぎりぎりまで導電性酸化物の結晶化が抑制されて収縮可能な膜構造を取ることができ、膜の緻密化につながるものと推測される。
ここで、加熱エネルギー線照射工程で無機化が生じる温度(加熱エネルギー線照射工程の加熱温度)が300℃未満(好ましくは250℃以下)と、エネルギー線照射を伴わない加熱処理だけの場合に無機化が生じる温度(通常300℃以上)に比べて低いことも、上記導電性酸化物の結晶化の抑制には有効であり、膜の緻密化を一層促進しているものと思われる。
なお、この露点温度の低い、即ち水蒸気含有量の少ない空気雰囲気下において導電性酸化物の結晶化、並びに結晶成長が抑制される理由は明らかではないが、例えば、空気雰囲気中の水蒸気が、
(1)導電性酸化物間に介在している有機バインダー成分の熱分解・燃焼(酸化)の促進作用を有する、
(2)導電性酸化物自体の結晶化、並びに結晶成長を促進する作用を有する、
等が考えられる。
この露点温度の低い酸素含有雰囲気ガスの露点温度は、好ましくは−10℃以下、より好ましくは−20℃以下、更に好ましくは−30℃以下、最も好ましくは−40℃以下である。
露点温度が−10℃を越えると、加熱エネルギー線照射工程での膜の無機化による非常に微細な導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層の形成過程において、有機バインダーがまだ多く残留している段階で水蒸気が導電性酸化物の結晶化、並びに結晶成長を促進する。そのため、導電性酸化物間に有機バインダーが均一に介在した膜垂直方向に収縮可能な膜構造が破壊されて、導電性酸化物微粒子同士が固着し動けなくなり、膜の緻密化が阻害される。こうなると、最終的に得られる透明導電膜の導電性、膜強度、及び抵抗安定性等が低下するため好ましくない。
次に、加熱エネルギー線照射工程で、必要に応じて加熱処理装置を用いる場合には、その加熱処理装置としてホットプレート、遠赤外線加熱装置等が挙げられるが、これらに限定される訳ではない。ただし、前述のように、加熱エネルギー線照射工程における、湿度が低い、すなわち露点温度が低い空気等の雰囲気を用いる場合に加え、以下に述べる本発明の中性雰囲気または還元性雰囲気を用いる場合にも、上記加熱処理装置には加熱処理雰囲気の制御が可能であることが求められ、その場合にも外界と遮断して雰囲気制御が可能なボックス内にホットプレート等の基板の加熱装置1を設置する構造が必要となる。もちろん、この場合においても、前述の図3に示す構造の装置をそのまま用いることが可能である。
(d)還元処理工程
還元処理工程は、上記酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射に引き続き、必要に応じ、中性雰囲気または還元性雰囲気下での加熱処理を行って、導電性酸化物微粒子の還元処理により導電性酸化物微粒子中に酸素空孔を形成する工程である。上記還元処理は導電性酸化物微粒子を金属成分まで還元する程強いものではなく、導電性酸化物に酸素欠損(酸素空孔)を形成する程度の比較的弱い還元処理である。還元処理は、導電性酸化物微粒子中に生じた酸素空孔がキャリア電子を生成してキャリア濃度を増加させ、透明導電膜の導電性を向上させるため好ましい処理である。
なお、上記還元処理は、膜中に形成された酸素空孔が導電性酸化物微粒子の成分元素(インジウム、酸素等)を拡散しやすくするため、上記酸素含有雰囲気ガス中の加熱エネルギー線照射による導電性酸化物微粒子同士の結晶成長促進よりも、より強い促進効果を有しており、上記透明導電膜の導電性向上だけでなく、導電性の安定化、経時変化抑制にも有効である点からも好ましい。
この中性雰囲気は、窒素ガス、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスのいずれか1種以上からなる。一方、還元性雰囲気は、水素ガスまたはその中性雰囲気に水素または有機溶剤蒸気(例えば、メタノール等の有機ガス)の少なくとも1種以上が含まれる雰囲気などが挙げられるが、緻密に充填した導電性酸化物微粒子から酸素原子を奪い酸素空孔を形成して導電キャリア濃度を高めることができれば良く、これらに限定されない。但し、還元性が強すぎる雰囲気だと還元が進みすぎて導電キャリア濃度を高くなり過ぎて可視光線領域に吸収が生じて膜が黒化し、可視光線透過率が低下する場合があるため、好ましくない。
上記還元処理工程において、窒素ガスや不活性ガスに水素ガス0.1〜7%(体積%)を含有させた雰囲気は、大気に漏洩しても爆発の恐れがなく、好ましい。特に、窒素ガスや不活性ガスに水素ガス1〜3%(体積%)を含有させた雰囲気は、還元処理工程の加熱温度が高い場合(例えば500〜600℃程度)に、上記膜の黒化が起こり難いという点でも好ましい雰囲気である。
なお、上記中性雰囲気または還元性雰囲気下での加熱処理(還元処理)を行う際に、前述の加熱エネルギー線照射工程で用いた紫外線等のエネルギー線を照射してもよい。例えば、エネルギー線照射に低圧水銀ランプを用いた場合には、加熱エネルギー線照射工程で得られた導電性酸化物微粒子からなる無機膜に対して、低圧水銀ランプの185nm(フォトンエネルギー:647kJ/mol)と254nm(フォトンエネルギー:472kJ/mol)の波長の紫外線が照射されるため、単に中性雰囲気または還元性雰囲気下で加熱処理した場合に比べて、導電性酸化物微粒子同士の結晶成長を促進でき、また、導電性酸化物微粒子中に酸素空孔を形成しやすくなるため、透明導電膜の導電性向上に有効である。
還元処理工程の加熱条件は、エネルギー線照射を併用しない場合は、加熱温度が150℃以上、600℃以下、より好ましくは300〜550℃の温度で5〜120分間、より好ましくは15〜60分間である。なお、前述の導電性酸化物微粒子同士の結晶成長をより促進させるという観点からすると、加熱温度は350〜550℃が望ましい。
150℃よりも低い加熱温度では、導電性酸化物微粒子に酸素空孔が十分に形成できず、キャリア濃度の増加による透明導電膜の導電性向上が期待できない。600℃を超えるとソーダライムガラスや無アルカリガラス等の一般的なガラス基板が高温で歪むため、好ましいとはいえない。
一方、エネルギー線照射を併用した場合の還元処理工程の加熱条件は、加熱温度が120℃以上、300℃未満、より好ましくは150℃以上300℃未満の温度で5〜120分間、より好ましくは15〜60分間である。なお、前述の導電性酸化物微粒子同士の結晶成長をより促進させるという観点からすると、加熱温度は200℃以上300℃未満が望ましい。
120℃よりも低い加熱温度では、導電性酸化物微粒子に酸素空孔が十分に形成できず、キャリア濃度の増加による透明導電膜の導電性向上が期待できない。300℃以上だと、加熱による導電性酸化物微粒子同士の結晶成長の促進効果が、エネルギー線照射による結晶成長の促進効果よりも、大きくなってくるため、エネルギー線照射を加熱処理と併用させる意味自体がなくなってくる。
なお、酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射(加熱エネルギー線照射工程)、及び中性雰囲気または還元性雰囲気下の加熱処理(還元処理工程)は、連続して行うことができる。即ち、乾燥塗布膜が形成された基板の加熱エネルギー線照射において、例えば、空気中で基板温度を300℃未満としてエネルギー線照射した後、エネルギー線照射を止めるか、あるいはそのままエネルギー線照射を続けながら、その温度を還元処理の加熱温度となるように調節し、雰囲気だけを空気から、中性雰囲気または還元性雰囲気に切替えればよい。
前述のように、還元処理工程では、導電性酸化物に酸素空孔を形成してキャリア濃度を増加させる働きに加え、酸素空孔の存在により透明導電膜の構成元素を移動し易くして結晶成長を促進する働きも有しているため、適用する条件によっては、透明導電膜の強度や導電性を一層向上できる場合がある。
ここで、本発明の透明導電膜の製造工程を、図4、および図5に判りやすくまとめた。図4は、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射工程に引き続き中性雰囲気または還元性雰囲気下で加熱しながら還元処理を施す方法、図5は、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下での加熱エネルギー線照射工程に引き続き中性雰囲気または還元性雰囲気下で加熱エネルギー線照射を併用した還元処理を施す方法、をそれぞれ示している。
次に、本発明の透明導電膜が適用される薄膜トランジスタ素子について説明する。
薄膜トランジスタ素子(TFT素子)には、例えば、コプレナー型構造やスタガード型構造の電界効果トランジスタ素子が挙げられ、詳細は割愛するが、いずれの構造においても、基板上にソース/ドレイン電極、ゲート絶縁膜、チャネル活性層、ゲート電極を備えた素子である。
薄膜トランジスタ素子は、後述するアクティブマトリクス方式の液晶ディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイ等のディスプレイやイメージセンサーのドライバ素子として使用されている。
前述の通り、これまで薄膜トランジスタ素子のチャネル活性層には、アモルファスシリコンが広く用いられているが、アモルファスシリコンはキャリア移動度が低く、また連続駆動時の特性が不安定という欠点があるため、アモルファスシリコンよりも良好な素子特性(高い移動度、低い閾値電圧、高いオン−オフ比、低いS値、ノーマリーオフ等)を目指し、In−Ga−Zn−O系(InGaZnO)等のアモルファス導電性酸化物(酸化物半導体)をチャネル活性層に適用する試みが進んでいる。
本発明で得られる透明導電膜は、金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が極めて緻密に充填した(非晶質の)導電性酸化物微粒子層となるため、例えば薄膜トランジスタのチャネル活性層に適用可能な上記InGaZnO等のアモルファス導電性酸化物層(酸化物半導体層)を、300℃未満の低温加熱で形成することができる。
次に、本発明の透明導電膜、透明導電基板が適用されるデバイスについて説明する。
このようなデバイスとしては、LED素子、エレクトロルミネッセンスランプ(エレクトロルミネッセンス素子)、フィールドエミッションランプ等の発光デバイス、太陽電池等の発電デバイス、液晶ディスプレイ(液晶素子)、エレクトロルミネッセンスディスプレイ(エレクトロルミネッセンス素子)、プラズマディスプレイ、電子ペーパー素子等の表示デバイス、及びタッチパネル等の入力デバイス等が挙げられ、本発明の透明導電膜、透明導電基板はこれらの透明電極に好適である。
以下、幾つかのデバイスについて説明する。
ここで、発光デバイスとしてのエレクトロルミネッセンス素子には、有機発光材料を用いる有機EL素子と、無機発光材料を用いる無機EL素子があり、近年では有機EL素子が脚光を浴びている。
この有機EL素子は、液晶表示素子と違って自発光素子であり、低電圧駆動で高輝度が得られるためディスプレイ等の表示装置として期待されている。有機EL素子にも低分子型と高分子型があり、例えば高分子型の構造は、アノード電極層としての透明導電膜上に、ポリチオフェン誘導体等の導電性高分子から成る正孔注入層(ホール注入層)、有機発光層(塗布により形成される高分子発光層)、カソード電極層[発光層への電子注入性の良い、仕事関数の低いマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)等の金属層]、ガスバリアコーティング層(あるいは金属やガラスでの封止処理)を順次形成したものである。上記ガスバリアコーティング層は、有機EL素子の劣化を防止するために必要とされ、酸素バリア及び水蒸気バリアが求められるが、例えば、水蒸気に関しては、水蒸気透過率=10−5g/m/day程度以下の非常に高いバリア性能が要求されており、有機EL素子(デバイス)内部は外部から完全に封止された構造となっている。
ここで、有機EL素子の透明電極としての透明導電膜には高い膜平坦性(例えば、中心線平均粗(Ra:Roughness average)=2〜3nm以下、最大高さ(Rmax:Roughness maximum)=20〜30nm以下)が求められるが、本発明の透明導電膜は、基板に塗布された透明導電膜形成用塗布液が有する極めて平坦な液体表面が、乾燥塗布膜の表面を経て、最終的に無機膜の表面となるため、非常に高い膜平坦性(例えば、中心線平均粗Ra=0.5〜1.0nm、最大高さRmax=5〜10nm)を有している。
発電デバイスとしての太陽電池は、太陽光線を電気エネルギーに変換する発電素子で、また太陽電池はシリコン太陽電池(薄膜型、微結晶型、結晶型)、CIS太陽電池(銅−インジウム−セレン薄膜)、CIGS太陽電池(銅−インジウム−ガリウム−セレン薄膜)、色素増感型太陽電池等があり、例えば、シリコン太陽電池は、透明基板上に透明電極、半導体発電層(シリコン)、金属電極を順次形成したものである。
表示デバイスとしての液晶素子は、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant)およびPC(Personal Computer)等のディスプレイに広く用いられている非発光型の電子表示素子であり、単純マトリクス方式(パッシブマトリックス方式)とアクティブマトリクス方式がある。画質や応答スピードの点ではアクティブマトリクス方式が優れている。その基本構造は、液晶を透明電極(本発明の透明導電膜が対応する)で挟み込み、電圧駆動で液晶分子を配向させて表示を行う構造体で、実際の素子は、透明電極に加え、カラーフィルター、位相差フィルム、偏光フィルム等を更に積層して用いられている。
また、別のタイプの液晶素子には、窓等の光シャッター等に用いられている高分子分散型液晶素子(以下PDLC素子と略称)やポリマーネットワーク液晶素子(以下PNLC素子と略称)も含まれる。いずれもその基本構造は、上述のように、液晶層を電極(少なくとも一方は透明電極で、本発明の透明導電膜が対応する)で挟み込み、電圧駆動で液晶分子を配向させて、液晶層の透明/不透明の外観変化を生じさせる構造体であるが、上記液晶表示素子と異なり、実際の素子において、位相差フィルム、偏光フィルムを必要とせず、素子の構造を単純にできるという特徴がある。
ところで、PDLC素子は、高分子樹脂マトリックス中にマイクロカプセル化した液晶が分散した構造を採り、一方PNLC素子は、樹脂の網目状ネットワークの網目の部分に液晶が充填した構造を採っている。一般には、PDLC素子は液晶層の樹脂含有割合が高いため数十V以上(例えば、80V程度)の交流駆動電圧が必要なのに対し、液晶層の樹脂含有割合を低くできるPNLC素子は数〜15V程度の交流電圧で駆動できる特徴がある。
なお、上記液晶素子の表示安定性を確保するためには、液晶への水蒸気の混入を防止する必要があり、例えば、水蒸気透過率=0.01g/m/day以下が要求されており、液晶素子(デバイス)内部は外部から完全に封止された構造となっている。
表示デバイスとしての電子ペーパー素子は、自らは発光しない非発光型の電子表示素子であり、電源を切っても表示がそのまま残るメモリ効果を備え、文字表示のためのディスプレイとして期待されている。
この表示方式には、電気泳動法により着色粒子を電極間の液体中を移動させる電気泳動方式、二色性を有する粒子を電場で回転させることにより着色させるツイストボール方式、例えばコレステリック液晶を透明電極で挟み込んで表示を行う液晶方式、着色粒子(トナー)や電子粉流体(Quick Response Liquid Powder)が、空気中を移動させて表示を行う粉体系方式、電気化学的な酸化・還元作用に基づき発色を行うエレクトロクロミック方式、電気化学的な酸化・還元により金属を析出・溶解させ、これに伴う色の変化で表示を行うエレクトロデポジション方式等が開発されている。これらいずれの方式においても、表示層が透明導電膜(透明電極)と対向電極とではさみ込まれた構造を有している。
なお、これらの各種方式の電子ペーパー素子において、その表示安定性を確保するためには、表示層への水蒸気の混入を防止する必要があり、方式にもよるが、例えば、水蒸気透過率=0.01〜0.1g/m/dayが要求されており、電子ペーパー素子(デバイス)内部は外部から完全に封止された構造となっている。
タッチパネルは、位置入力素子であり、抵抗方式や静電容量方式等がある。
例えば、抵抗方式タッチパネルでは、座標を検出するための座標検出用抵抗膜として2枚の透明導電基板がドット状の透明スペーサーを介して貼り合わされている構造を有している。透明導電基板には打点耐久性が必要とされ、透明導電膜はクラックが生じないようなフレキシビリティが求められる。また、静電容量方式では解像度のアップにより、透明導電膜の一層の導電性向上が求められている。
以上の発光デバイス、発電デバイス、表示デバイス、入力デバイス等のいずれにおいてもデバイスの特性向上が求められており、本発明に係る透明導電膜、及び透明導電基板をそれらの透明電極に適用することで、デバイスの基本特性が一層向上可能となるために、例えばデバイスの省エネ化や小型化等にも大きく貢献することができるものである。
以下、実施例を用いて本発明を詳細するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、本文中の水素−窒素混合ガスの「%」は、「体積%」を示している。
[溶解液A液の作製]
アセチルアセトンインジウム(正式名称:トリス(アセチルアセトナト)インジウム)[In(C](分子量=412.15)40g、p−tert−ブチルフェノール42g、二塩基酸エステル(デュポンジャパン製)14g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)4gを混合し、130℃に加温して90分間攪拌して溶解させ、次に、得られた溶解液25g、シクロヘキサノン25g、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGM)10g、メチルエチルケトン(MEK)40gを混合して均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトンインジウムとヒドロキシプロピルセルロースを含有する溶解液(A液)を作製した。
[溶解液B液の作製]
アセチルアセトン錫(正式名称:ジ−n−ブチル ビス(2,4−ペンタンジオナト)錫[Sn(C(C](分子量=431.14)40g、p−tert−ブチルフェノール42g、二塩基酸エステル(デュポンジャパン製)14g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)4gを混合し、130℃に加温して90分間攪拌して溶解させ、得られた溶解液25g、シクロヘキサノン25g、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGM)10g、メチルエチルケトン(MEK)40gを混合して均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトン錫とヒドロキシプロピルセルロースを含有する溶解液(B液)を作製した。
[塗布液の作製]
作製したA液9.1gとB液0.9gを均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトンインジウムとアセチルアセトン錫を合計で10重量%、ヒドロキシプロピルセルロースを1重量%含有する透明導電膜形成用塗布液を作製した。
[透明導電膜の作製]
次に、透明導電膜の作製は、この透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理は未実施)に基づいて行った。
すなわち、まず、上記透明導電膜形成用塗布液を、25℃の無アルカリガラス基板(10cm×10cm×0.7mm厚さ;可視光線透過率=91.2%、ヘイズ値=0.26%)上の全面にスピンコーティング(500rpm×60sec)した後、大気中180℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:700nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−50℃の空気中200℃に昇温(昇温速度:40℃/分)し、露点温度−50℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら200℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:170nm)した。なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−50℃の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
次いで(後述の図11の模式図に示すように)、エネルギー線照射を行なわずに還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で230℃で60分間加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例1に係る透明導電膜(膜厚:155nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の表面抵抗、ヘイズ値及び可視光線透過率、透明導電膜厚、比抵抗、結晶子サイズ、鉛筆硬度の諸特性を測定し、その結果を表2に示す。
さらに、実施例1の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に5〜10nm程度のITO微粒子と3nm以下のITO微粒子(アモルファス状微結晶)が混在して成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
なお、このZコントラスト像は、高角環状暗視野(high−angle annular dark field:HAADF) 像であって、電子が試料を透過する際に大きな角度で散乱された非弾性散乱電子を円環状の検出器で検出し画像化したもので、検出強度は原子番号の2乗に比例している。
透明導電膜の表面抵抗は、三菱化学株式会社製の表面抵抗計:ロレスタAP(MCP−T400)を用い測定した。
ヘイズ値と可視光線透過率は、日本電色株式会社製のヘイズメーター(NDH5000)を用い、JIS K7136(ヘイズ値測定方法を規定している)、JISK7361−1(透過率測定方法を規定している)に基づいて測定した。
膜厚は、KLA−TencorCorporation製の触針式膜厚計(Alpha−StepIQ)を用いて測定した。
結晶子サイズは、X線回折測定を行い、酸化インジウム(In)の(222)ピークについて、Scherrer法により求めた。
鉛筆硬度は、JIS K5400に基づいて測定した。
なお、可視光線透過率及びヘイズ値は、透明導電膜だけの値であり、それぞれ下記数1及び数2により求めた。
Figure 2011102350
Figure 2011102350
[溶解液C液の作製]
アセチルアセトンインジウム:In(C(分子量=412.15)40g、p−tert−ブチルフェノール43.5g、二塩基酸エステル(デュポンジャパン製)14.5g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)2gを混合し、130℃に加温して90分間攪拌して溶解させ、次に、得られた溶解液25g、シクロヘキサノン25g、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGM)10g、メチルエチルケトン(MEK)40gを混合して均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトンインジウムとヒドロキシプロピルセルロースを含有する溶解液(C液)を作製した。
[溶解液D液の作製]
アセチルアセトン錫(正式名称:ジ−n−ブチル ビス(2,4−ペンタンジオナト)錫[Sn(C(C](分子量=431.14)40g、p−tert−ブチルフェノール43.5g、二塩基酸エステル(デュポンジャパン製)14.5g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)1gを混合し、130℃に加温して90分間攪拌して溶解させ、得られた溶解液25g、シクロヘキサノン25g、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGM)10g、メチルエチルケトン(MEK)40gを混合して均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトン錫とヒドロキシプロピルセルロースを含有する溶解液(D液)を作製した。
[塗布液の作製]
作製したC液9.1gとD液0.9gを均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトンインジウムとアセチルアセトン錫を合計で10重量%、ヒドロキシプロピルセルロースを0.5重量%含有する透明導電膜形成用塗布液を作製した。
[透明導電膜の作製]
次に、透明導電膜の作製は、この透明導電膜形成用塗布液を用い、図5に示す製造工程フローに基づいて行った。
すなわち、まず、上記透明導電膜形成用塗布液を、25℃の無アルカリガラス基板(10cm×10cm×0.7mm厚さ;可視光線透過率=91.2%、ヘイズ値=0.26%)上の全面にスピンコーティング(750rpm×60sec)した後、大気中150℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−50℃の空気中150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)し、露点温度−50℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら150℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:115nm)した。
次に、装置構成はそのままで、雰囲気を露点温度−50℃の低湿度空気から1%水素−99%窒素に切替えた後、200℃に昇温(昇温速度:40℃/分)し、上記低圧水銀ランプ4によるエネルギー線照射を行いながら、還元性雰囲気下での加熱処理(還元処理)として、1%水素−99%窒素下で200℃で60分間の還元処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例2に係る透明導電膜(膜厚:105nm)を作製した。なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−50℃の低湿度空気、および1%水素−99%窒素)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、実施例2の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に3nm以下のITO微粒子(アモルファス状微結晶)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
透明導電膜の作製は、実施例2で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理を実施)に基づいて行った。
すなわち、実施例2と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−60℃の空気中150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)して、露点温度−60℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら150℃に保持した状態で低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:110nm)した。なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−50℃の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
次に(後述の図11の模式図に示すように)、エネルギー線照射を行なわずに露点温度−60℃の低湿度空気中での加熱処理として、500℃で15分間(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で500℃で15分間加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例3に係る透明導電膜(膜厚:76nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、実施例3の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
透明導電膜の作製は、実施例2で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理は未実施)に基づいて行った。
すなわち、実施例3において、加熱エネルギー線照射後に、加熱エネルギー線照射を行わない露点温度−60℃の低湿度空気中での加熱処理(500℃で15分間)を施さず、次に(後述の図11の模式図に示すように)、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で500℃で15分間加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例4に係る透明導電膜(膜厚:81nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、実施例4の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
[塗布液の作製]
アセチルアセトン錫(正式名称:ジ−n−ブチル ビス(2,4−ペンタンジオナト)錫[Sn(C(C](分子量=431.14)9.9g、アンチモン(III)−n−ブトキシド[Sb(CO)](分子量=341.08)0.1g、p−tert−ブチルフェノール10.5g、二塩基酸エステル(デュポンジャパン製)3.5g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)1g、アセチルアセトン75gを混合し、120℃に加温しながら120分間攪拌して均一になるまで良く溶解し、アセチルアセトン錫とアンチモン(III)−n−ブトキシドを合計で10重量%、ヒドロキシプロピルセルロースを1重量%含有する透明導電膜形成用塗布液を作製した。
[透明導電膜の作製]
透明導電膜の作製は、この透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理は未実施)に基づいて行った。
すなわち、まず、この透明導電膜形成用塗布液を、25℃のソーダライムガラス基板(10cm×10cm×厚み3mm;ヘイズ値=0.26%、可視光透過率=91.1%)上の全面にスピンコーティング(500rpm×60sec)した後、大気中180℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:約300nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−40℃の空気中150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)し、露点温度−40℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら150℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:80nm)した。なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−40℃の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
次に(後述の図11の模式図に示すように)、エネルギー線照射を行なわずに露点温度−40℃の低湿度空気中での加熱処理として、500℃で15分間(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で500℃で15分間加熱処理を行なってドーパントの酸化アンチモンを含んだ酸化錫(SnO)を主成分とする実施例5に係る透明導電膜(膜厚:60nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、次に作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
なお、実施例5の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に5〜10nm程度のATO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
[溶解液E液の作製]
アセチルアセトン亜鉛(正式名称:亜鉛−2,4−ペンタンジオネート)[Zn(C](分子量=263.59)10g、γ−ブチロラクトン49.99g、アセチルアセトン38g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)2g、界面活性剤0.01gを混合し、120℃に加温しながら90分間攪拌して均一になるまで良く溶解し、アセチルアセトン亜鉛とヒドロキシプロピルセルロースを含有する溶解液(E液)を作製した。
[溶解液F液の作製]
アセチルアセトンアルミニウム(正式名称:アルミニウム−2,4−ペンタンジオネート)[Al(C](分子量=324.29)10g、p−tert−ブチルフェノール28.5g、二塩基酸エステル(デュポンジャパン製)9.5g、アセチルアセトン49.99g、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)2g、界面活性剤0.01gを混合し、120℃に加温しながら90分間攪拌して均一になるまで良く溶解し、アセチルアセトンアルミニウムとヒドロキシプロピルセルロースを含有する溶解液(F液)を作製した。
[塗布液の作製]
作製したE液9.5gとF液0.5gを均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトン亜鉛とアセチルアセトンアルミニウムを合計で10重量%、ヒドロキシプロピルセルロースを2重量%含有する透明導電膜形成用塗布液を作製した。
[透明導電膜の作製]
透明導電膜の作製は、この透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理は未実施)に基づいて行った。
すなわち、まず、この透明導電膜形成用塗布液を、25℃のソーダライムガラス基板(10cm×10cm×厚み3mm;ヘイズ値=0.26%、可視光透過率=91.1%)上の全面にスピンコーティング(500rpm×60sec)した後、大気中180℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:約560nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−40℃の空気中150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)し、露点温度−40℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら150℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を10分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:180nm)した。なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−40℃の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
次に(後述の図11の模式図に示すように)、エネルギー線照射を行なわずに露点温度−40℃の低湿度空気中での加熱処理として、500℃で15分間(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で500℃で15分間加熱処理を行なってドーパントの酸化アルミニウム(Al)を含んだ酸化亜鉛(ZnO)(すなわちAZO)を主成分とする実施例6に係る透明導電膜(膜厚:140nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
なお、実施例6の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のAZO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
[塗布液の作製]
実施例2で作製したC液9.5gとD液0.5gを均一になるまで良く攪拌し、アセチルアセトンインジウムとアセチルアセトン錫を合計で10重量%、ヒドロキシプロピルセルロースを0.5重量%含有する透明導電膜形成用塗布液を作製した。
[透明導電膜の作製]
次に、透明導電膜の作製は、この透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フローに基づいて行った。
すなわち、まず、上記透明導電膜形成用塗布液を、25℃の無アルカリガラス基板(10cm×10cm×0.7mm厚さ;可視光線透過率=91.2%、ヘイズ値=0.26%)上の全面にスピンコーティング(750rpm×60sec)した後、大気中150℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:415nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、−10℃、−15℃、−30℃、−50℃の各種露点温度を有する空気中150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)し、続けて、それぞれの露点温度の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら150℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進して金属酸化物を主成分とする各種無機膜を得た。この各種無機膜の膜厚を図6に示す。なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(−10℃、−15℃、−30℃、−50℃の各種露点温度の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
次に(後述の図11の模式図に示すように)、雰囲気を、−10℃、−15℃、−30℃、−50℃の各種露点温度の低湿度空気から、露点温度−60℃の低湿度空気に切替えて、エネルギー線照射を行なわない露点温度−60℃の低湿度空気中での加熱処理として、280℃で30分間(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速=約0.045m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、3%水素−97%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で280℃で60分間加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例7に係る各種透明導電膜を作製した。
上記−10℃、−15℃、−30℃、−50℃の各種露点温度を有する空気雰囲気は、露点温度20℃の空気と露点温度−60℃の空気をそれぞれ所定の流量で供給し、よく混合して得ている。
各種透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と各種無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した各種透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。なお、各種透明導電膜の膜厚、表面抵抗、比抵抗、結晶子サイズについては、その結果をまとめたものを、それぞれ図6、図7、図8、図9に示す。
さらに、実施例7の各種透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
透明導電膜の作製は、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理を実施)に基づいて行った。
すなわち、まず、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を、25℃の無アルカリガラス基板(10cm×10cm×0.7mm厚さ;可視光線透過率=91.2%、ヘイズ値=0.26%)上の全面にスピンコーティング(1000rpm×60sec)した後、大気中150℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:約540nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−55℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら、加熱装置(ホットプレート)による加熱を行わずに、低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:160nm)した。
なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm2、185nmの光の推定照度:約5mW/cm2であった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−55℃の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。上記低圧水銀ランプ4の加熱エネルギー線照射において、加熱エネルギー線中の熱線により基板温度は約40℃まで上昇した。
次に(後述の図11の模式図に示すように)、エネルギー線照射を行なわずに露点温度−55℃の低湿度空気中での加熱処理として、250℃で30分間(5リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速=約0.075m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、3%水素−97%窒素(5リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.075m/秒)下で250℃で30分間加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例8に係る透明導電膜(膜厚:90nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、実施例3の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に3nm以下のITO微粒子(アモルファス状微結晶)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
透明導電膜の作製は、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理を実施)に基づいて行った。
すなわち、まず、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を、25℃の無アルカリガラス基板(10cm×10cm×0.7mm厚さ;可視光線透過率=91.2%、ヘイズ値=0.26%)上の全面にスピンコーティング(1000rpm×60sec)した後、大気中150℃で10分間乾燥して乾燥塗布膜3(膜厚:約540nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た。この乾燥塗布膜を有する基板を、図3の模式図に示すように、露点温度−55℃の空気中150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)して、露点温度−55℃の低湿度空気を紫外線照射窓5(合成石英板;厚さ2mm)と基板2との間に供給しながら150℃に保持した状態で低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)と緻密化を促進(この段階での膜厚:108nm)した。
なお、低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(露点温度−55℃の低湿度空気)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
次に(後述の図11の模式図に示すように)、エネルギー線照射を行なわずに露点温度−55℃の低湿度空気中での加熱処理として、290℃で30分間(5リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.075m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(5リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.075m/秒)下で290℃で30分間加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする実施例9に係る透明導電膜(膜厚:86nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、実施例9の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に3nm以下のITO微粒子(アモルファス状微結晶)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。
(比較例1)
透明導電膜の作製は、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図10に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程なし)に基づいて行った。
実施例1と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:700nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、200℃に加熱して低圧水銀ランプを20分間照射する加熱エネルギー線照射工程を行わず、図11の模式図に示すように、単に露点温度−50℃の空気中(低湿度の空気雰囲気中)で200℃で20分間の加熱処理を施し、次いで、エネルギー線照射を行わずに還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で、230℃の温度で60分間の加熱処理を行って比較例1に係る透明絶縁膜(膜厚:600nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例1の透明絶縁膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、膜の無機化はほとんど進んでおらず、導電性酸化物微粒子は観察されなかった。
(比較例2)
透明導電膜の作製は、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図12に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理は未実施)に基づいて行った。
実施例1と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:700nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、図2の模式図に示すように、200℃に昇温(昇温速度:40℃/分)し、通常の大気中(露点温度18℃)で200℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射(低圧水銀ランプ4と基板2との距離、即ち照射距離:20mm、254nmの光の照度:約17mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cm、基板2と低圧水銀ランプ4間を流れる空気[通常の大気雰囲気;露点温度18℃]の平均流速=約0.2m/秒)を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)を促進(この段階での膜厚:205nm)し、次いで、図11の模式図に示すように、エネルギー線照射を行わずに還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で、230℃の温度で60分間の加熱処理を行って比較例2に係る透明導電膜(膜厚:185nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例2の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に3nm以下のITO微粒子(アモルファス状微結晶)から成る導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例3)
透明導電膜の作製は、実施例2で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図10に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程なし)に基づいて行った。
実施例2と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、150℃に加熱して低圧水銀ランプを20分間照射する加熱エネルギー線照射工程を行わず、図11の模式図に示すように、単に露点温度−50℃の空気中150℃で20分間の加熱処理を施し、次いで、エネルギー線照射を行わずに還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で、200℃の温度で60分間の加熱処理を行って比較例3に係る透明絶縁膜(膜厚:330nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例2の透明絶縁膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、膜の無機化はほとんど進んでおらず、導電性酸化物微粒子は観察されなかった。
(比較例4)
透明導電膜の作製は、実施例2で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図13に示す製造工程フローに基づいて行った。
実施例2と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、図2の模式図に示すように、150℃に昇温(昇温速度:30℃/分)し、通常の大気中(露点温度18℃)で150℃に加熱したままで低圧水銀ランプ4を20分間照射する加熱エネルギー線照射(低圧水銀ランプ4と基板2との距離、即ち照射距離:20mm、254nmの光の照度:約17mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cm、基板2と低圧水銀ランプ4間を流れる空気[通常の大気雰囲気;露点温度18℃]の平均流速:約0.2m/秒)を施して乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)を促進(この段階での膜厚:137nm)した。
次に、図3の模式図に示すような装置構成に変え、雰囲気を通常の大気(露点温度18℃)から1%水素−99%窒素に切替えた後、200℃に昇温(昇温速度:40℃/分)し、上記低圧水銀ランプによるエネルギー線照射を行いながら、還元性雰囲気下での加熱処理(還元処理)として、1%水素−99%窒素下で、200℃の温度で60分間の還元処理を行ない、ドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例4に係る透明導電膜(膜厚:125nm)を作製した。
なお、上記還元処理における低圧水銀ランプ4と基板2との距離(照射距離)は10.5mmで、254nmの光の照度:約20mW/cm、185nmの光の推定照度:約5mW/cmであった。更に、基板2と紫外線照射窓5の間隔は3.5mmでその間を流れる雰囲気ガス(1%水素−99%窒素)の平均流速は約0.29m/秒)であった。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例4の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に3nm以下のITO微粒子(アモルファス状微結晶)から成る導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例5)
透明導電膜の作製は、実施例3で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図14に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程なし)に基づいて行った。
すなわち、実施例3と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、150℃に加熱して低圧水銀ランプを20分間照射する加熱エネルギー線照射工程を行わず、図11の模式図に示すように、単に通常の大気中(露点温度11℃)での加熱処理として、500℃で15分間(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で、500℃の温度で15分間の加熱処理を行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例5に係る透明導電膜(膜厚:105nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例5の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nmのITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例6)
透明導電膜の作製は、実施例3で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図10に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程なし)に基づいて行った。
すなわち、実施例3と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、150℃に加熱して低圧水銀ランプを20分間照射する加熱エネルギー線照射工程を行わず、図11の模式図に示すように、単に露点温度−60℃の低湿度空気中での加熱処理として、500℃の温度で15分間(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(3リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.045m/秒)下で、500℃の温度で15分間の加熱処理を行なって、ドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例6に係る透明導電膜(膜厚:85nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例6の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nmのITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例7)
透明導電膜の作製は、実施例3で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図12に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理を実施)に基づいて行った。
すなわち、実施例3と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、加熱エネルギー線照射工程において、露点温度−60℃の低湿度空気の代わりに高湿度の空気[通常の大気;露点温度11℃]を用い、乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)を促進(この段階での膜厚:132nm)した。これ以外は、実施例3と同様に行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例7に係る透明導電膜(膜厚:90nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例7の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例8)
透明導電膜の作製は、実施例4で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図12に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理は未実施)に基づいて行った。
すなわち、実施例4と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約380nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、加熱エネルギー線照射工程において、露点温度−60℃の低湿度空気の代わりに高湿度の空気[通常の大気;露点温度11℃]を用い、乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)を促進(この段階での膜厚:132nm)した。これ以外は、実施例4と同様に行なってドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例8に係る透明導電膜(膜厚:92nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例8の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例9)
透明導電膜の作製は、実施例5で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図12に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理を実施)に基づいて行った。
すなわち、実施例5と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約300nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、加熱エネルギー線照射工程において、露点温度−40℃の低湿度空気の代わりに高湿度の空気[通常の大気;露点温度15℃]を用い、乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)を促進(この段階での膜厚:100nm)した。次に、エネルギー線照射を行なわず空気中での500℃で15分間の加熱処理において、露点温度−40℃の低湿度空気の代わりに高湿度の空気[通常の大気;露点温度15℃]を用いた以外は実施例5と同様に行なって、ドーパントの酸化アンチモンを含んだ酸化錫(SnO)を主成分とする比較例9に係る透明導電膜(膜厚:75nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と無機膜の膜厚を表1に示す。また、次に作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
なお、比較例9の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に5〜10nm程度のATO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例10)
透明導電膜の作製は、実施例6で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図12に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程と還元処理工程の間の加熱処理を実施)に基づいて行った。
すなわち、実施例6と同様の、乾燥塗布膜(膜厚:約560nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、加熱エネルギー線照射工程において、露点温度−40℃の低湿度空気の代わりに高湿度の空気[通常の大気;露点温度15℃]を用い、乾燥塗布膜3の無機化(有機成分の分解または燃焼)を促進(この段階での膜厚:220nm)した。次に、エネルギー線照射を行なわず空気中での500℃で15分間の加熱処理において、露点温度−40℃の低湿度空気の代わりに高湿度の空気[通常の大気;露点温度15℃]を用いた以外は実施例5と同様に行なって、ドーパントの酸化アルミニウム(Al)を含んだ酸化亜鉛(ZnO)(すなわちAZO)を主成分とする比較例10に係る透明導電膜(膜厚:170nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜の厚み、を表1に示す。また、次に作製した透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
なお、比較例10の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のAZO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が緻密に充填し、かつ、それらの導電性酸化物微粒子同士の結晶方位がそろった領域(配向した領域)が隣接した特殊な構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例11)
[透明導電膜の作製]
透明導電膜の作製は、実施例7の透明導電膜形成用塗布液を用い、図4に示す製造工程フローに基づいて行った。
すなわち、実施例7で、−10℃、−15℃、−30℃、−50℃の各種露点温度の低湿度空気の代わりに、20℃、5℃、−5℃の各種露点温度を有する高湿度空気を用いた以外は実施例7と同様にして成膜を行い、ドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例11に係る各種透明導電膜を作製した。
なお、上記20℃、5℃、−5℃の各種露点温度を有する空気雰囲気は、露点温度20℃の空気と露点温度−60℃の空気をそれぞれ所定の流量で供給し、よく混合して得ている。
各種透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜と各種無機膜の膜厚を表1に示す。また、作製した各種透明導電膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。なお、各種透明導電膜の膜厚、表面抵抗、比抵抗、結晶子サイズについては、その結果をまとめたものを、それぞれ図6、図7、図8、図9に示す。
更に、比較例11の各種透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nm程度のITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が充填した構造の導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
(比較例12)
透明導電膜の作製は、実施例1で用いた透明導電膜形成用塗布液を用い、図10に示す製造工程フロー(加熱エネルギー線照射工程なし)に基づいて行った。
すなわち、実施例9と同様の、乾燥塗布膜乾燥塗布膜3(膜厚:約540nm、表面抵抗値:>1×1013Ω/□(絶縁))を得た後、150℃に加熱して低圧水銀ランプを20分間照射する加熱エネルギー線照射工程を行わず、図11の模式図に示すように、単に露点温度−55℃の低湿度空気中での加熱処理として、290℃で30分間(5リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速=約0.075m/秒)、引き続いて、還元性雰囲気下での加熱処理として、1%水素−99%窒素(5リッター/分供給;基板2上のガスの平均流速:約0.075m/秒)下で、290℃の温度で30分間の加熱処理を行なって、ドーパントの酸化錫(SnO)を含んだ酸化インジウム(In)を主成分とする比較例12に係る透明導電膜(膜厚:95nm)を作製した。
透明導電膜の製造工程条件、及び乾燥塗布膜の膜厚を表1に示す。また、作製した透明絶縁膜の諸特性を実施例1と同様に測定し、その結果を表2に示す。
さらに、比較例12の透明導電膜の断面を透過電子顕微鏡で観察したところ、その透過電子顕微鏡写真(TEM像)、及びZコントラスト像から、透明導電膜が、主に20〜30nmのITO微粒子(微結晶粒子)から成る導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層で構成されていることが判った。ただし、その導電性酸化物微粒子層は、加熱エネルギー線照射工程で露点温度の低い空気を用いて得られる導電性酸化物微粒子層に比べ、緻密度合いが低いものであった。
Figure 2011102350
Figure 2011102350
さらに、透明導電膜の抵抗値の安定性の評価を実施例3、4および比較例5〜8について行い、その結果を図15に示す。
この抵抗値の安定性の評価は、実施例3、4に係る透明導電膜を有する透明導電基板、及び比較例5〜8の透明導電膜を有する透明導電基板を、温度23〜25℃、相対湿度50〜70%の室内(大気中)に約2週間放置した場合の表面抵抗値の経時変化を調査することで表わしたものである。
また、透明導電膜の抵抗値の安定性の評価を実施例9および比較例12について行い、その結果を図16に示す。
この抵抗値の安定性の評価は、実施例9に係る透明導電膜を有する透明導電基板、及び比較例12の透明導電膜を有する透明導電基板を、温度23〜25℃、相対湿度50〜70%の室内(大気中)に約5週間放置した場合の表面抵抗値の経時変化を調査することで表わしたものである。
表1の実施例1と比較例1、2、実施例2と比較例3、4をそれぞれ比べると、実施例1、2では、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施しているため、膜の無機化が進行して導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層が形成され、かつその導電性酸化物微粒子層の形成過程(無機化)において緻密化が促進されて、導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を有する透明導電膜となり、膜強度(鉛筆硬度)に優れるのに対して、比較例1、3では、加熱エネルギー線照射工程を施していないため膜の無機化がほとんど進行せず、緻密化していない透明絶縁膜となり、膜強度(鉛筆硬度)が著しく低いことがわかる。
また、比較例2、4では、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施しているため、膜の無機化は進行して導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層が形成されるものの、その導電性酸化物微粒子層の形成過程(無機化)において緻密化が促進されず、導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層を有する透明導電膜は、その膜強度(鉛筆硬度)が著しく低いことがわかる。
更に、表1の実施例3、4、5、6と比較例5、7、8、9、10を比べると、いずれも還元処理工程での加熱条件が500℃で15分間(1体積%水素−99体積%窒素雰囲気)であるが、実施例3、4、5、6では、還元処理工程の前に低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施しているため、膜の無機化が進行して導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層が形成され、かつその導電性酸化物微粒子層の形成過程(無機化)において緻密化が促進され、導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を有する透明導電膜となり、膜強度(鉛筆硬度)に優れる。
これに対して、比較例5では還元処理工程の前に高露点温度の空気雰囲気中での加熱処理を施しているため、また比較例7、8、9、10では、還元処理工程の前に、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施しているため、膜の無機化は進行して導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層が形成されるものの、その導電性酸化物微粒子層の形成過程(無機化)において緻密化が促進されず、導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層を有する透明導電膜は、その膜強度(鉛筆硬度)が著しく低いことがわかる。
表1の実施例7と比較例11を比べると、実施例7では、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施しているため、膜の無機化が進行して導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層が形成され、かつその導電性酸化物微粒子層の形成過程(無機化)において緻密化が促進されて、導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を有する透明導電膜となり、膜強度(鉛筆硬度)に優れるのに対して、比較例11では、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施しているため、膜の無機化は進行して導電性酸化物微粒子からなる導電性酸化物微粒子層が形成されるものの、その導電性酸化物微粒子層の形成過程(無機化)において緻密化が促進されず、導電性酸化物微粒子が充填した導電性酸化物微粒子層を有する透明導電膜は、その膜強度(鉛筆硬度)が著しく低いことがわかる。
また、実施例1、2と比較例1〜4を比べると、いずれも乾燥工程後の加熱処理が150〜200℃で20分間(空気雰囲気)と200〜230℃で60分間(1体積%水素−99体積%窒素雰囲気)であるが、低露点温度(−50℃、−60℃)の空気雰囲気中で加熱エネルギー線照射を施した実施例1、2が、800〜1300Ω/□(オーム・パー・スクエアと読む)という低抵抗の透明導電膜が得られているのに対して、高露点温度(18℃、11℃)の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施している比較例2、4は、5〜6×10Ω/□という高抵抗の透明導電膜であり、加熱エネルギー線照射工程を施していない比較例1、3、は、1013Ω/□以上という透明絶縁膜であることがわかる。
実施例3、4と比較例5〜8を比べると、いずれも還元処理工程での加熱条件が、500℃で60分間(1体積%水素−99体積%窒素雰囲気)であるが、還元処理工程の前に、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例3、4が、80〜90Ω/□(オーム・パー・スクエアと読む)という低抵抗で、かつ大気中放置での抵抗値安定性に優れた透明導電膜が得られているのに対して、還元処理工程の前に加熱エネルギー線照射工程を施していない比較例5、6、及び、還元処理工程の前に、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施した比較例7、8は、120〜295Ω/□と導電性に劣ると共に、大気中放置での抵抗値安定性にも劣る透明導電膜であることがわかる。
また、実施例5、6と比較例9、10を比べると、いずれも還元処理工程での加熱条件が、500℃で60分間(1体積%水素−99体積%窒素雰囲気)であるが、還元処理工程の前に、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例5、6が、3500〜9800Ω/□(オーム・パー・スクエアと読む)という比較的低抵抗の透明導電膜が得られているのに対して、還元処理工程の前に、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施した比較例9、10は、4〜6×10Ω/□と導電性に劣る透明導電膜であることがわかる。
更に、実施例7と比較例11を比べると、いずれも加熱処理が280℃の温度で30分間(空気雰囲気)の条件、還元処理が280℃の温度で60分間(3体積%水素−97体積%窒素雰囲気)の条件であるが、加熱処理の前に、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例7が、220〜300Ω/□(オーム・パー・スクエアと読む)という比較的低抵抗の透明導電膜が得られているのに対して、還元処理工程の前に、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射工程を施した比較例11は、400〜550Ω/□と導電性に劣る透明導電膜であることがわかる。
また、実施例1、2と比較例1〜4を比べると、加熱エネルギー線照射を低露点温度の空気雰囲気中で施した実施例1、2の無機膜の膜厚がそれぞれ170nm、115nmと、加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいるのに対し、高露点温度の空気雰囲気中で施した比較例2、4の無機膜の膜厚は、それぞれ205nm、137nmと加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいないことがわかる。このことから、加熱エネルギー線照射工程での乾燥塗布膜の無機化において、緻密な無機膜を得るためには、低露点温度の空気雰囲気中で加熱エネルギー線照射を行うことが極めて有効であることがわかる。
そして、上記無機膜に還元処理を施すことで最終的に得られる透明導電膜については、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例1、2の無機化した透明導電膜が、その膜厚がそれぞれ155nm、105nmと緻密化しているのに対し、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した比較例2、4の無機化した透明導電膜は、その膜厚がそれぞれ185nm、125nmと緻密化していないことがわかる。更に、加熱エネルギー線照射工程を施していない比較例1、3は無機化が不十分な透明絶縁膜で、それらの膜厚はそれぞれ600nm、330nmと厚く全く緻密化していないことがわかる。
また、実施例3、4と比較例5、7、8を比べると、加熱エネルギー線照射を低露点温度の空気雰囲気中で施した実施例3、4の無機膜の膜厚が110nmと、加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいるのに対し、高露点温度の空気雰囲気中で施した比較例7、8の無機膜の膜厚は、132nmと加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいないことがわかる。このことから、加熱エネルギー線照射工程での乾燥塗布膜の無機化において、緻密な無機膜を得るためには、低露点温度の空気雰囲気中で加熱エネルギー線照射を行うことが極めて有効であることがわかる。
そして、上記無機膜に還元処理を施すことで最終的に得られる透明導電膜については、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例3、4の無機化した透明導電膜が、その膜厚がそれぞれ76nm、81nmと緻密化しているのに対し、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した比較例7、8の無機化した透明導電膜は、その膜厚がそれぞれ90nm、92nmと緻密化していないことがわかる。更に、加熱エネルギー線照射工程を施していない比較例5の無機化した透明導電膜の膜厚は105nmと緻密化していないことがわかる。
更に、実施例5、6と比較例9、10を比べると、加熱エネルギー線照射を低露点温度の空気雰囲気中で施した実施例5、6の無機膜の膜厚がそれぞれ80nm、180nmと、加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいるのに対し、高露点温度の空気雰囲気中で施した比較例9、10の無機膜の膜厚は、それぞれ100nm、220nmと、加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいないことがわかる。このことから、加熱エネルギー線照射工程での乾燥塗布膜の無機化において、緻密な無機膜を得るためには、低露点温度の空気雰囲気中で加熱エネルギー線照射を行うことが極めて有効であることがわかる。
そして、上記無機膜に還元処理を施すことで最終的に得られる透明導電膜については、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例5、6の無機化した透明導電膜が、その膜厚がそれぞれ60nm、140nmと緻密化しているのに対し、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した比較例9、10の無機化した透明導電膜は、その膜厚がそれぞれ75nm、170nmと緻密化していないこともわかる。
また、実施例7と比較例11を比べると、加熱エネルギー線照射を低露点温度の空気雰囲気中で施した実施例7の各種無機膜の膜厚が120〜130nmと、加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいるのに対し、高露点温度の空気雰囲気中で施した比較例11の各種無機膜の膜厚は、135〜150nmと、加熱エネルギー線照射工程における無機化の過程で膜の緻密化が進んでいないことがわかる。このことから、加熱エネルギー線照射工程での乾燥塗布膜の無機化において、緻密な無機膜を得るためには、低露点温度の空気雰囲気中で加熱エネルギー線照射を行うことが極めて有効であることがわかる。
そして、上記無機膜に還元処理を施すことで最終的に得られる透明導電膜については、低露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した実施例7の無機化した各種透明導電膜が、その膜厚が100〜107nmと緻密化しているのに対し、高露点温度の空気雰囲気中での加熱エネルギー線照射を施した比較例11の無機化した各種透明導電膜は、その膜厚が110〜120nmと緻密化していないこともわかる。
実施例9と比較例12を比べると、いずれも加熱処理が、290℃の温度で30分間(空気雰囲気)の条件、還元処理が290℃の温度で30分間(1体積%水素−99体積%窒素雰囲気)の条件であるが、加熱処理の前に、低露点温度の空気雰囲気中で加熱エネルギー線照射を施した実施例9が、190Ω/□(オーム・パー・スクエアと読む)という低抵抗で、かつ大気中放置での抵抗値安定性に優れた透明導電膜が得られているのに対し、加熱処理の前に加熱エネルギー線照射工程を施していない比較例12は、240Ω/□と導電性に劣ると共に、大気中放置での抵抗値安定性にも劣る透明導電膜であることがわかる。
本発明による透明導電膜は、安価な各種塗布方法を用い、特に300℃未満の低温加熱で、基板上へ簡便かつ低コストに形成することが可能であり、得られる透明導電膜は、優れた透明性と高い導電性を兼ね備え、かつ膜強度に優れているため、この透明導電膜を耐熱性基板上に形成した透明導電基板は、LED素子、エレクトロルミネッセンスランプ(エレクトロルミネッセンス素子)、フィールドエミッションランプ等の発光デバイス、太陽電池等の発電デバイス、液晶ディスプレイ(液晶素子)、エレクトロルミネッセンスディスプレイ(エレクトロルミネッセンス素子)、プラズマディスプレイ、電子ペーパー素子等の表示デバイス、タッチパネル等の入力デバイス等の透明電極等への利用が期待できる。
1 加熱装置(ホットプレート等)
2 基板
3 塗布法により形成された透明導電膜形成用塗布液の乾燥塗布膜
4 エネルギー線照射ランプ(紫外線照射ランプ)
5 紫外線照射窓(合成石英板等)

Claims (23)

  1. 主成分として有機金属化合物を含有する透明導電膜形成用塗布液を、基板上に塗布して塗布膜を形成する塗布工程、前記塗布膜を乾燥して乾燥塗布膜を形成する乾燥工程、前記乾燥塗布膜に加熱しながらエネルギー線照射して、金属酸化物である無機成分を主成分とする無機膜を形成する加熱エネルギー線照射工程の各工程を経て形成される、透明導電膜の製造方法であって、
    前記加熱エネルギー線照射工程が、前記乾燥工程で形成された有機金属化合物を主成分とする前記乾燥塗布膜を、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら、エネルギー線照射を行い、前記乾燥塗布膜に含まれる有機成分を分解または燃焼、或いは分解並びに燃焼により除去することで金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成する工程、
    前記有機金属化合物が、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上からなり、
    前記金属酸化物が、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上であること、
    を特徴とする透明導電膜の製造方法。
  2. 主成分として有機金属化合物及びドーパント用有機金属化合物を含有する透明導電膜形成用塗布液を、基板上に塗布して塗布膜を形成する塗布工程、前記塗布膜を乾燥して乾燥塗布膜を形成する乾燥工程、前記乾燥塗布膜に加熱しながらエネルギー線を照射して、ドーパント金属化合物を含む金属酸化物である無機成分を主成分とする無機膜を形成する加熱エネルギー線照射工程の各工程を経て形成される、透明導電膜の製造方法であって、
    前記加熱エネルギー線照射工程が、前記乾燥工程で形成された有機金属化合物及びドーパント用有機金属化合物を主成分とする前記乾燥塗布膜を、露点温度−10℃以下の酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら、エネルギー線照射を行い、前記乾燥塗布膜に含まれる有機成分を分解または燃焼、或いは分解並びに燃焼により除去することでドーパント金属化合物を含む金属酸化物を主成分とする導電性酸化物微粒子が緻密に充填した導電性酸化物微粒子層を形成する工程、
    前記有機金属化合物が、有機インジウム化合物、有機錫化合物、有機亜鉛化合物のいずれか1種以上からなり、
    前記金属酸化物が、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれか1種以上であること、
    を特徴とする透明導電膜の製造方法。
  3. 前記有機金属化合物及びドーパント用有機金属化合物の含有割合が、有機金属化合物:ドーパント用有機金属化合物のモル比換算で、99.9:0.1〜66.7:33.3の範囲であることを特徴とする請求項2記載の透明導電膜の製造方法。
  4. 前記有機金属化合物が、有機インジウム化合物からなり、
    前記ドーパント用有機金属化合物が、有機錫化合物、有機チタン化合物、有機ゲルマニウム化合物、有機亜鉛化合物、有機タングステン化合物、有機ジルコニウム化合物、有機タンタル化合物、有機ニオブ化合物、有機ハフニウム化合物、有機バナジウム化合物のいずれか1種以上であり、前記ドーパント金属化合物が、酸化錫、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化バナジウムのいずれか1種以上であることを特徴とする請求項2または3記載の透明導電膜の製造方法。
  5. 前記有機金属化合物が、有機錫化合物からなり、
    前記ドーパント用有機金属化合物が、有機インジウム化合物、有機アンチモン化合物、有機リン化合物のいずれか1種以上であることを特徴とする請求項2または3記載の透明導電膜の製造方法。
  6. 前記有機金属化合物が有機亜鉛化合物からなり、
    前記ドーパント用有機金属化合物が、有機アルミニウム化合物、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物のいずれか1種以上であることを特徴とする請求項2または3記載の透明導電膜の製造方法。
  7. 前記加熱エネルギー線照射工程が、エネルギー線をパターン形状に照射するエネルギー線照射を行い、パターン形状を有する導電性酸化物微粒子層を形成する工程であることを特徴とする請求項1または2記載の透明導電膜の製造方法。
  8. 前記酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射に続いて、中性雰囲気または還元性雰囲気下で、600℃以下の加熱温度で加熱する還元処理を施すことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法。
  9. 前記酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射に続いて、中性雰囲気または還元性雰囲気下で、300℃未満の加熱温度で加熱する還元処理を施すことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法。
  10. 前記中性雰囲気が、窒素ガス、不活性ガスのいずれか1種以上、または前記還元性雰囲気が、水素ガス若しくは前記中性雰囲気に水素ガス或いは有機溶剤蒸気の少なくとも1種以上が含まれた雰囲気であることを特徴とする請求項8または9記載の透明導電膜の製造方法。
  11. 前記中性雰囲気または還元性雰囲気下で、300℃未満の加熱温度で加熱する還元処理を施す際に、エネルギー線照射を行うことを特徴とする請求項8または9記載の透明導電膜の製造方法。
  12. 前記酸素含有雰囲気下で300℃未満の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射が、酸素含有雰囲気下で、100〜250℃の加熱温度に加熱しながら行うエネルギー線照射であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法。
  13. 前記酸素含有雰囲気の露点温度が−30℃以下であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法。
  14. 前記エネルギー線照射が、少なくとも200nm以下の波長を主要成分の一つとして含む紫外線の照射であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法。
  15. 前記少なくとも200nm以下の波長を主要成分の一つとして含む紫外線の照射が、低圧水銀ランプ、アマルガムランプ、エキシマランプのいずれかから放射される紫外線の照射であることを特徴とする請求項14に記載の透明導電膜の製造方法。
  16. 前記有機インジウム化合物が、アセチルアセトンインジウムであることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法。
  17. 前記塗布工程における透明導電膜形成用塗布液の基板上への塗布方法が、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンサ印刷法、スリットコート法、ダイコート法、ドクターブレードコート法、ワイヤーバーコート法、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法のいずれかであることを特徴とする請求項1または2記載の透明導電膜の製造方法。
  18. 請求項1〜17のいずれか1項に記載の透明導電膜の製造方法で得られたことを特徴とする透明導電膜。
  19. 導電性酸化物微粒子層を備える素子において、
    前記導電性酸化物微粒子層が、請求項18記載の透明導電膜であることを特徴とする素子。
  20. 前記素子が、前記導電性酸化物微粒子層を、薄膜トランジスタのチャネル活性層として用いる薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項19記載の素子。
  21. 基板上に透明導電膜を備える透明導電基板において、
    前記透明導電膜が、請求項18記載の透明導電膜であることを特徴とする透明導電基板。
  22. 透明電極を備えるデバイスにおいて、
    前記透明電極が、請求項21記載の透明導電基板であることを特徴とするデバイス。
  23. 前記デバイスが、発光デバイス、発電デバイス、表示デバイス、入力デバイスから選ばれた1種であることを特徴とする請求項22記載のデバイス。
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