TWI641483B - 可撓導電結構與可撓電子裝置 - Google Patents

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本發明提供之可撓導電結構，包括：聚呋喃二酸乙二酯層；以及導電層，位於聚呋喃二酸乙二酯層上，其中導電層包括交錯的多個金屬奈米線，且金屬奈米線的分佈密度介於0.1mg/cm2至5mg/cm2之間。上述可撓導電結構可用於可撓電子裝置。

Description

可撓導電結構與可撓電子裝置
本發明關於可撓導電結構。
目前普遍應用於可撓電子裝置的基材，主要為聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚萘二甲酸(polyethylene naphthalate，PEN)、或聚醯亞胺(polyimide，PI)等塑膠基材。PET基材因其機械強度、耐化學穩定性及價格競爭優勢等優點，已普遍應用於各種工業產品。然而PET基材之阻氣性不足，而影響可撓電子裝置的長期穩定性。綜上所述，目前亟需阻氣性較佳的可撓基材以用於可撓電子裝置。
本發明一實施例提供之可撓導電結構，包括：聚呋喃二酸乙二酯層；以及導電層，位於聚呋喃二酸乙二酯層上，其中導電層包括交錯的多個金屬奈米線，且金屬奈米線的分佈密度介於0.1mg/cm2至5mg/cm2之間。
本發明一實施例提供之可撓電子裝置，包括上述之可撓導電結構。
第1圖係本發明實施例中，PEF層與可撓導電結構的透光度比較。
第2圖係本發明一實施例中，彎曲-回復循環多次後的導電層片電阻。
聚呋喃二酸乙二酯(poly(ethylene furanoate)，PEF)的阻水氣滲透效果是PET的2倍，阻氧效果則是PET的10倍，大幅提高於電子裝置的應用潛力。目前生質能材料的應用還是在於傳統塑膠材料，鮮少有人應用在可撓電子裝置上。由於PEF優異的機械性質、阻氣能力、以及與金屬奈米線的吸附能力，可進一步用於可撓電子裝置。
本發明一實施例提供之可撓導電結構，包括：PEF層；以及導電層，位於PEF層上。導電層包括交錯的多個金屬奈米線，且金屬奈米線的分佈密度介於0.1mg/cm2至5mg/cm2之間。若金屬奈米線的分佈密度過低，則導電層的導電效果不佳。若金屬奈米線的分佈密度過高，則會降低可撓導電結構的透光度。在一實施例中，導電層的厚度介於50nm至150nm之間。若導電層的厚度過小，則導電層的導電效果不佳。若導電層的厚度過大，則會降低可撓導電結構的透光度。
上述金屬奈米線的材質可為金、銀、銅、鋁、其他合適的導電金屬、上述之合金、或上述之組合。在一實施例中，金屬奈米線為銀線。金屬奈米線的平均直徑可介於55nm至75nm之間，且平均長度可介於20微米至40微米之間。若金屬奈米線的直徑及/或長度過大，則導電層粗糙度上升且銀線 分布密度下降。若金屬奈米線的直徑及/或長度過小，則需使用大量銀線以維持其導電度，導致銀線分布密度過高。在一實施例中，更包括導電高分子覆蓋金屬奈米線，以降低表面粗糙度。在一實施例中，導電高分子可為聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸複合物(PEDOT：PSS)、聚乙炔(Polyacetylene)、聚苯胺(polyaniline)或聚噻吩(polythiophene)。在本發明一實施例中，係將金屬奈米線分散於溶劑中，再將分散液塗佈至PEF層上，乾燥後以得金屬奈米線的導電層。在一些實施例中，上述分散製程可添加界面活性劑以避免金屬奈米線聚集(aggregation)。
在一實施例中，PEF層之厚度介於1微米至100微米之間。若PEF層之厚度過薄，則基材易變形或破損，進而導致元件損壞。若PEF層之厚度過厚，則可撓性及透光度下降。在一實施例中，PEF層的PEF其重均分子量介於20000至100000之間。
上述可撓導電結構的透光度介於65%至95%之間。若透光度過低，則元件透明度下降，將導致光電元件(如太陽能電池)效能大幅降低。上述導電層的片電阻可介於10Ω/□至200Ω/□之間。若導電層的片電阻過大，則無法有效導電而失去導電層的功用。
在一實施例中，可撓電子裝置可包括上述之可撓導電結構如電晶體或太陽能電池。舉例來說，可取上述可撓導電結構之導電層作為閘極。接著形成高分子介電層如甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯苯酚、或聚苯乙烯於導電層上，以作為閘極介電層。接著可形成高分子半導體層如PSeDPP(J.Mater.Chem., 2012,22,2120-2128)、聚(3-己基噻吩)(購自Sigma-Aldrich)、或PBTTT-C14(購自Sigma-Aldrich)於閘極介電層上，再形成源極/汲極如金屬或合金於高分子半導體層上，即可形成底閘極的薄膜電晶體。在另一實施例中，可取上述可撓導電結構之導電層作為源極與汲極，其圖案化方式可為光微影，或者在形成導電層時即塗佈成圖案。接著形成半導體層於源極與汲極之間與之上，再形成閘極介電層於半導體層上。接著形成閘極於半導體層上，即形成頂閘極的薄膜電晶體。
在另一實施例中，上述可撓導電結構的導電層可作為太陽能電池的正極與負極中至少一者，且正極與負極之間可夾設光電轉換層。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
實施例
實施例1
以六氟異丙醇(購自ALDRICH)溶解PEF(分子量Mn~20,000g/mol，以呋喃二甲酸二甲酯與乙二醇透過鈦觸媒催化轉酯化法聚合而成，呋喃二甲酸二甲酯透過果糖轉化法合成，而乙二醇購自友和公司)，以配成40mg/ml的PEF溶液。將十八烷基三氯矽烷(OTS)修飾後的晶圓泡入150微升的PEF溶液中，加熱至45℃並維持12小時，以形成厚度30微米的PEF層於晶圓上。上述PEF層的UV-可見光光譜如第1圖所示。
取20mg之銀奈米線(購自ZHEJIANG KECHUANG ADVANCED MATERIALS Co.,LTD之AW060-L)及10mL之異丙醇混合後，形成銀奈米線濃度為2mg/mL的銀奈米線分散液。旋轉塗佈(1000rpm，60秒)上述銀奈米線分散液塗佈至PEF層上，乾燥後形成銀奈米線的導電層於PEF層上。加熱上述導電層至120℃並退火1小時。自晶圓上取下導電層與PEF層，即得可撓導電結構。上述可撓導電結構的UV-可見光光譜如第1圖所示。上述導電層的片電阻為140Ω/□。以膠帶黏著上述導電層，未發現銀奈米線自PEF層脫落而黏著於膠帶上，顯見銀奈米線與PEF層之間具有優異的接著性。
實施例2
與實施例1類似，差別在於銀奈米線分散液的銀奈米線濃度為3mg/mL。此實施例形成之可撓導電結構的UV-可見光光譜如第1圖所示。上述導電層的片電阻為90Ω/□。以膠帶黏著上述導電層，未發現銀奈米線自PEF層脫落而黏著於膠帶上，顯見銀奈米線具有優異的接著性。
實施例3
與實施例1類似，差別在於銀奈米線分散液的銀奈米線濃度為4mg/mL。此實施例形成之可撓導電結構的UV-可見光光譜如第1圖所示。上述導電層的片電阻為45Ω/□。以膠帶黏著上述導電層，未發現銀奈米線自PEF層脫落而黏著於膠帶上，顯見銀奈米線具有優異的接著性。
由實施例1-3可知，銀奈米線分散液的銀線濃度越高，導電層的銀奈米線分佈密度越大、導電層的片電阻越小、且可撓導電結構的透光度越低。換言之，需在導電層的導電度 與可撓導電結構的透光度之間取得平衡。此外，上述退火製程(120℃)可進一步增加PEF基材與導電層的接著性，使銀奈米線更不易脫落。
實施例4
取實施例1之可撓導電結構，進行不同次數的彎曲-回復循環後，量測導電層的片電阻。如第2圖所示。彎曲-回復循環500次後，導電層的片電阻變化小於5%，且外觀無明顯改變。
取實施例1之可撓導電結構，其中銀奈米線的導電層作為閘極。接著在銀奈米線的導電層上，旋轉塗佈(1000rpm，60秒)介電高分子層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，購自友和之SKU-200336)的溶液(70mg/mL)。之後加熱PMMA層至120℃以退火1小時，完成厚度100nm的閘極介電層。
接著在PMMA的閘極介電層上，旋轉塗佈(1000rpm，60秒)高分子半導體PSeDPP(J.Mater.Chem.,2012,22,2120-2128)的無水氯苯溶液(10mg/mL)。之後加熱PSeDPP層至120℃以退火1小時，完成厚度50nm的高分子半導體層。
接著將PSeDPP層緊貼蔭罩(Shadow mask)後，以1A/s的速率蒸鍍100nm厚的黃金至PSeDPP層上，形成厚度80奈米的源極與汲極。上述源極與汲極之間隔有矩形空間。矩形空間的寬度為50微米(源極與汲極相隔的距離)，長度為1000微米。至此形成底閘極的電晶體結構。上述電晶體的電荷遷移率可達0.04cm2/Vs，電流開關比可達10,000以上，且驅動之臨界電壓(threshold voltage)為約-4V。由上述可知，可撓導電結構之導電層(交錯的銀奈米線)適用於製備電晶體。
比較例1
取實施例1中銀奈米線濃度為2mg/mL的銀奈米線分散液，旋轉塗佈(1000rpm，60秒)至PET層(購自友和之UR-PET001-IEA)上，乾燥後形成銀奈米線的導電層於PET層上。加熱上述導電層至120℃並退火1小時。自晶圓上取下導電層與PET層，即得可撓導電結構。以膠帶黏著上述導電層，銀奈米線自PET層脫落而黏著於膠帶上，顯見銀奈米線與PET層之間的接著性不佳。
比較例2
取實施例1中銀奈米線濃度為2mg/mL的銀奈米線分散液，旋轉塗佈(1000rpm，60秒)至PEN層(購自友和之UR-PEN001-IEA)上，乾燥後形成銀奈米線的導電層於PEN層上。加熱上述導電層至120℃並退火1小時。自晶圓上取下導電層與PEN層，即得可撓導電結構。以膠帶黏著上述導電層，銀奈米線自PEN層脫落而黏著於膠帶上，顯見銀奈米線與PEN層之間的接著性不佳。
比較例3
取實施例1中銀奈米線濃度為2mg/mL的銀奈米線分散液，旋轉塗佈(1000rpm，60秒)至PI層(購自台灣達邁公司)上，乾燥後形成銀奈米線的導電層於PI層上。加熱上述導電層至120℃並退火1小時。自晶圓上取下導電層與PI層，即得可撓導電結構。以膠帶黏著上述導電層，銀奈米線自PI層脫落而黏著於膠帶上，顯見銀奈米線與PI層之間的接著性不佳。由比較例1至3可知，並非所有的可撓基材均適於形成銀奈米線的導電層 於其上。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種可撓導電結構，包括：一聚呋喃二酸乙二酯層；以及一導電層，位於該聚呋喃二酸乙二酯層上，其中該導電層包括交錯的多個金屬奈米線，且該些金屬奈米線的分佈密度介於0.1mg/cm2至5mg/cm2之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構，其中該導電層的厚度介於50nm至150nm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構，其中該些金屬奈米線的平均直徑介於55nm至75nm之間，且平均長度介於20微米至40微米之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構，更包括一導電高分子覆蓋該些金屬奈米線。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構，其中該聚呋喃二酸乙二酯層之厚度介於1微米至100微米之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構，其中聚呋喃二酸乙二酯層的聚呋喃二酸乙二酯其重均分子量介於20000至100000之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構，其透光度介於65%至95%之間。
  8. 如申請轉利範圍第1項所述之可撓導電結構，其中該導電層的片電阻介於10Ω/□至200Ω/□之間。
  9. 一種可撓電子裝置，包括申請專利範圍第1項所述之可撓導電結構。
  10. 如申請專利範圍第9項所述可撓電子裝置，包括電晶體或太陽能電池。
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