JP5380161B2 - 透明導電性膜およびそれを用いた電子デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、グラフェンを用いた透明導電性膜と、それを用いたフラットパネルディスプレイ装置などの電子デバイスに関する。
透明導電性膜として、従来ITO(Indium Tin Oxide)が広く用いられてきた(例えば特許文献1参照)。ITOは酸化スズに5〜10wt%の酸化インジウムを混合した物質である。ITOにおいては、インジウムが希少金属であることから、それに替わる透明導電性膜の開発が必要であった。
特開平6−172995号公報
本発明の目的は、従来のITOが希少金属インジウムを使用しているのに対し、希少金属を用いず、炭素元素により透明導電性膜を実現することにある。
すなわち、本発明の透明導電性膜は、グラフェン小片が互いに重なり合った多層構造を形成し、前記グラフェン小片の平均サイズが50nm以上であり、層数が1層以上9層以下であり、抵抗率が1×10 -6 Ωm以下、550nmの光に対する透過率が80%以上である
本発明によれば、希少金属を用いることなく、炭素のみで透明導電性膜およびそれを用いた電子デバイスを実現することができる。
本発明の課題を解決するための手段の説明図。 本発明の課題を解決するための手段の説明図。 本発明の第1の実施例の説明図。 本発明の第2の実施例の説明図。 本発明の第3の実施例の説明図。 本発明の第4の実施例の説明図。
本発明を図1および図2を用いて説明する。
図1にはグラフェンの電気伝導性を計算するためのモデルを示す。一辺の長さがL[μm]の正方形のグラフェン小片が、半分ずつ重なりながら、左から右への伝導チャンネルを形成すると仮定する。図1には、このようなチャネルが3本並行に形成されたモデルを示す。図1の構造により、1μm角の配線を形成した場合の電気抵抗率[Ωm]を計算する。グラフェン小片同士の接触抵抗Rggは、グラファイト間の界面抵抗をrcggとすると、以下の式で与えられる。
Figure 0005380161
このRggが直列に2/L個繋がって一つのチャネルを形成し、さらに1/L個のチャネルが並列になっているので、1μm角の電気抵抗Rtは次式で与えられる。
Figure 0005380161
さらに、Rtに配線の断面積を掛けて、長さで割ることにより、配線の電気抵抗率を求めることができる。ただし、上記の計算では、グラフェン自身の抵抗は、接触抵抗に比較して十分小さいため無視し、rcgg=10Ωμm2として計算した。また、グラフェン一層の膜厚を0.34nmとした。
以上がグラフェン層が2層の場合の計算式である。グラフェン層が9層の場合のRtは、チャネルが縦方向に8層並列になると考えられるので、式(2)を1/8倍することにより求めることができる。以上の計算結果を図2に示す。
グラフェンの光吸収は波長550nmにおいて、2.3%である。従って、2層の場合の光透過率は95.5%、9層の場合の光透過率は81.1%である。市販のITO(Indium Tin Oxide)膜の光透過率は80%で、電気抵抗率が1.5×10-6[Ωm]であることから、グラフェン小片サイズを50nm以上に大きくすることができれば、ITOの代替としての性能を実現できると考えられる。
以上より、50nm角以上の大きさのグラフェン小片9層を積層することにより、ITOと同等の性能である、透過率80%、電気抵抗率1.0×10-6[Ωm]を実現できる。
以下、本発明の一実施例を説明する。
本発明の第1の実施例を図3を用いて説明する。グラフェン小片301が互いに重なり合った多層構造を形成している。これにより、電気抵抗率の低い透明膜を実現することができる。グラフェン小片は様々な形状をしており、一様ではない。そこで、グラフェン小片の最も長い対角線と最も短い対角線の長さを足して2で割った値を平均サイズと定義する。グラフェン小片の平均サイズは、その薄膜を基板から剥がしとり、透過電子顕微項で観察することができる。あるいは、基板についたままの状態で、走査型トンネル顕微鏡で観察することも可能である。
このグラフェン透明電極の電気抵抗率は、グラフェン小片の平均サイズに依存し、平均サイズが大きくなるほど、電気抵抗率が小さくなる。また、透過率はグラフェン小片の層数に依存する。層数が少ないほど、透過率が高い。ITOの特性である電気抵抗率1.0×10-6[Ωm]以下、550nmの光に対する透過率80%以上を実現するためには、グラフェン小片サイズが50nm以上であり、層数が9層以下とする必要がある。
このようなグラフェン透明導電性膜は、アセチレンガスを原料とした気相成長法により、ガラス基板表面に製膜することが可能である。ガラス基板を反応管に設置し、550℃に加熱して、アセチレンガスを導入することにより、ガラス基板表面全面に、グラフェン透明導電性膜を製膜することができる。グラフェンの層数はアセチレンガスの流量と成長時間を調整することにより制御可能である。たとえば、アセチレンガスの流量を0.5sccm、成長時間を10分とすることで、層数7のグラフェン透明導電性膜を製膜することができた。気相成長法の原料ガスには、アセチレン以外に、いかなる炭化水素ガスを用いることが可能である。また、成長温度は400℃以上であればグラフェン透明導電性膜を製膜することが可能である。
上記以外に、ポリビニルアルコールを揮発性溶媒で薄めた溶液をガラス基板にスピンナー塗布し、その後、窒素など不活性ガス雰囲気下500℃で熱処理することにより、同様のグラフェン透明導電性膜を製膜することが可能である。熱処理温度は400℃以上であれば、基板の熱耐性ぎりぎりの高い温度で処理した方が、電気抵抗率の低いグラフェン透明導電性膜を得ることができる。塗布する材料としては、ポリビニルアルコール以外に、ポリビニルクロライド,ポリビニルピロリドン,ポリアクリルアミド,ポリエチレンテレフタレート,ヒドロキシルプロピルセルロースを用いることが可能である。塗布方法は、スピンナー塗布以外に、浸漬法,印刷法等のいかなる方法を用いることも可能である。また、基板としては、400℃の熱耐性のあるプラスチック基板等のいかなる基板を用いることも可能である。
本発明の第2の実施例を図4を用いて説明する。図4には、本発明のグラフェン透明導電性膜を用いた液晶ディスプレイ装置の原理図を示す。液晶ディスプレイ装置は、横方向の配線となる下部透明電極402を形成した下部ガラス基板と、縦方向の配線となる上部透明電極404、およびカラーフィルタ405を形成した上部ガラス基板406の間に液晶403が挟まれた構造となっている。下部からバックライト407を照射し、上部ガラス基板406側に、画像を表示する装置である。この液晶ディスプレイ装置において、下部透明電極402および上部透明電極404に、本発明のグラフェン透明導電性膜を使用した。このグラフェン透明導電性膜の電気抵抗率は1.0×10-6[Ωm]、550nmの光に対する透過率80%であり、この構成により、液晶ディスプレイ装置を実現することができた。液晶ディスプレイ装置以外に、有機発光ディスプレイ,無機発光ディスプレイ等のあらゆるフラットパネルディスプレイにおいても、本発明のグラフェン透明導電性膜を用いて、ディスプレイ装置を実現することが可能である。
本発明の第3の実施例を図5を用いて説明する。図5には、本発明のグラフェン透明導電性膜を用いたタッチパネルを示す。タッチパネルは、横方向の配線となる下部透明電極502を形成した下部基板501と、縦報告の配線となる上部透明電極504を形成した上部基板503が対峙した構造になっている。下部透明電極502と上部透明電極504は、スペーサ等により、一定の間隔隔てて対峙しており、上部基板503の上からタッチした場合に、その部分の下部透明電極502と上部透明電極504が接触することにより、タッチ部位の位置を検出する装置である。このタッチパネルにおいて、下部透明電極502および上部透明電極504に、本発明のグラフェン透明導電性膜を使用した。このグラフェン透明導電性膜の電気抵抗率は1.0×10-6[Ωm]、550nmの光に対する透過率80%であり、この構成により、タッチパネルを実現することができた。
本発明の第4の実施例を図6を用いて説明する。図6には、本発明のグラフェン透明導電性膜を用いた太陽電池を示す。太陽電池は、下部電極602を形成した下部基板601と上部透明電極604を形成した上部基板605の間に、光を吸収して電気を発生させる光吸収層603が挟まれた構造となっている。この太陽電池において、上部透明電極604に、本発明のグラフェン透明導電性膜を使用した。このグラフェン透明導電性膜の電気抵抗率は1.0×10-6[Ωm]、550nmの光に対する透過率80%であり、この構成により、太陽電池を実現することができた。
301 グラフェン小片
401 下部ガラス基板
402,502 下部透明電極
403 液晶
404,504 上部透明電極
405 カラーフィルタ
406 上部ガラス基板
407 バックライト
501,601 下部基板
503,605 上部基板
602 下部電極
603 光吸収層
604 上部透明電極

Claims (6)

  1. グラフェン小片が互いに重なり合った多層構造を形成し、
    前記グラフェン小片の最も長い対角線と最も短い対角線の長さの和の半分である平均サイズが50nm以上であり、
    層数が1層以上9層以下であり、
    抵抗率が1×10-6Ωm以下、550nmの光に対する透過率が80%以上であることを特徴とする透明導電性膜。
  2. 400℃以上の成長温度で炭化水素ガスを用いた気相成長法により製膜したことを特徴とする請求項1に記載の透明導電性膜。
  3. ポリビニルアルコール,ポリビニルクロライド,ポリビニルピロリドン,ポリアクリルアミド,ポリエチレンテレフタレート及びヒドロキシルプロピルセルロースから選ばれる少なくとも1種を基板表面に塗布した後、400℃以上の温度で不活性ガス雰囲気下で熱処理することにより製膜したことを特徴とする請求項1に記載の透明導電性膜。
  4. ガラス基板あるいはプラスチック基板上に製膜したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の透明導電性膜。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の透明導電性膜を用いた電子デバイス。
  6. 請求項に記載の前記電子デバイスが、フラットパネルディスプレイ装置,タッチパネル,太陽電池であることを特徴とする電子デバイス。
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