在电子纸、柔性显示器及柔性太阳能电池领域,透明电极除原有的性能外,还需要具备抗弯性和抗拉伸性。面向上述用途的透明导电薄膜的开发竞争逐步进入量产阶段。
东丽2012年2月发布了用于双层碳纳米管(CNT)电子纸的透明导电薄膜量产技术。由此,基本实现了电子纸用透明导电薄膜用于实际时所需要的90%的光透射率、以及500Ω以下的表面电阻值。该产品现已开始向部分厂商样品供货,预定2012年度内开始量产。东丽表示,“希望能在电子纸透明导电薄膜市场上获得较大的份额”。
只给CNT外层增加极性
双层CNT的形状是直径不同的两根CNT以同轴的形式圈套在一起的状态。直径约为3nm。与单层CNT相比,即使进行多种加工,性能也不易受损,导电性等也比多层CNT出色。
此次东丽通过只让双层CNT的外层带有极性,全球首次开发出了能够防止凝聚问题出现的透明导电薄膜量产技术(图1)。透明导电薄膜是让双层CNT分布在溶液中形成弥散,然后在常压状态下,涂布在PET薄膜上形成的。
图1:带电、防止凝聚
东丽将双层CNT的外层稍微带电,防止了此前遇到的凝聚问题,实现了高效弥散。 虽然CNT以前就作为透明导电薄膜材料备受关注,但由于无法解决CNT聚集成团的凝聚问题,因此未能达到薄膜等用途所要求的表面电阻值及光透射率(图2)。东丽的双层CNT由于解决了凝聚问题,所以拥有较其他CNT更为出色的特性。
图2:CNT的透明导电性大幅提高
作为透明导电薄膜材料,对东丽的双层CNT与其他CNT进行了比较。东丽的双层CNT在光透射率和导电性上占优势。根据东丽资料制图。 东丽的双层CNT采用“催化剂担载气相沉积法”工艺制造。该工艺以金属粒子为催化剂,首先使这些粒子均匀分散并固定在载体上,然后通过喷射碳化氢在催化剂上生成双层CNT。与其他竞争公司大多没有采用载体的气相沉积法和电弧放电法相比,具有设备投资成本低、制造温度容许范围大等优点。东丽介绍说,采用该工艺制造的双层CNT的纯度高达“90%以上”。
是电子纸的最强候补?
透明电极此前一般采用铟(In)与锡(Sn)的氧化物ITO,但大多是在玻璃上成膜形成的。如果在柔性薄膜上对ITO进行成膜,就会出现弯曲或者拉伸时导电性大幅降低的问题。同时,稀有金属In在确保稳定供应方面也存在问题。
因此,作为替代技术,多家公司纷纷提出了采用CNT、金属纳米粒子及导电性树脂等材料的多种技术(图3)。
图3:双层CNT成为电子纸的有力候补
根据东丽与本刊资料,对东丽的开发品与其他透明导电薄膜的特性作了比较(a)。相比低表面电阻值(高导电率),电子纸更注重高光透射率,因此双层CNT薄膜成为有力候补(b)。 东丽认为,此次开发的双层CNT薄膜最适合注重光透射率的电子纸。理由是:在保持较高的光透射率的情况下,仍能凭借较低的表面电阻值(即高导电率)来获得与其他薄膜相当的特性。
而且,双层CNT薄膜的耐弯曲性和耐拉伸性也大幅高于ITO薄膜及金属纳米粒子薄膜,同时在无色方面,也优于金属纳米粒子薄膜和导电性树脂PEDOT/PSS薄膜。
注)PEDOT/PSS=3,4-乙烯二氧噻吩/聚4苯乙烯磺酸钠。
金属纳米粒子方面,住友大阪水泥采用铜粒子作为布线材料。该公司正在开发光透射率为81%时、表面电阻值还不到0.1Ω/□的超低电阻薄膜。东丽也在与美国Cambrios公司联合开发采用银纳米粒子的导电性薄膜。东丽介绍说,“金属纳米粒子技术主要面向需要高导电性的用途。不过,当降低纳米粒子的密度,以便提高光透射率、用于电子纸时,就会出现凝聚现象,无法顺利使用”。而且,PEDOT/PSS“在耐湿热方面还有问题”。
看来,这些透明导电薄膜的实现技术,有必要根据不同用途来区别对待。(记者:野泽 哲生,《日经电子》)
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