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。
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。
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。
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
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６０４ 上部透明電極
Claims (6)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 請求項５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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