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柔性透明导电膜的产业化进展及技术趋势

2018-05-10 10:45
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导电高分子

具共轭键的高分子材料,电子在π键结受到的束缚较小,在适当的掺杂下可以增加载子的浓度,成为导电高分子。

具可挠特性的导电高分子薄膜是采用涂布方式成膜,加工成本低廉,是软性透明导电膜理想的材料。

掺杂樟脑磺酸(Camphorsulfonic Acid, CSA)的聚苯胺(Polyaniline, PANI)、采用微乳胶聚合法制成奈米球聚吡咯(Polypyrrole, PPY)、掺杂AuCl3的聚3-己基噻吩(Poly(3 -hexylthiophene, P3HT)与掺杂聚苯乙烯磺酸(Polystyrene Sulfonate, PSS)的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 都可以形成柔性透明导电膜,其中已经商品化的PEDOT:PSS材料在透明导电膜的应用研究最为广泛。

经过添加二甲基亚(Dimethyl Sulfoxide, DMSO)与含氟接口活性剂修饰的PEDOT:PSS,Vosgueritchian研发出46Ω/sq的电阻,82%的穿透率的软性透明导电膜。

另外,也有以甲磺酸(Methanesulfonic Acid, MSA)处理的方式,例如有学者发表在50Ω/sq的电阻之下,92%光穿透率的膜层制作技术;或是控制PEDOT:PSS分子的排列研制出创记录的17Ω/sq, 穿透率高达97.2%的膜层。

导电高分子透明导电膜是以涂布方式成膜,具有生产成本的优势,只是导电高分子材料的稳定性较差,在UV照射下,共轭键结容易断裂产生自由基导致材料不可逆的破坏,使导电度下降。

此外,掺杂材料一般为带电的离子,容易吸收水分造成导电薄膜的电阻变异。 虽然目前有许多增加导电性高分子稳定性方法在开发中,但目前仍无法实际取代ITO的应用。

导电性碳材

碳是多采多姿的材料,碳的同素异形体可以有极佳的绝缘特性如钻石膜,也可以有极佳的导电特性如石墨烯,端视碳的键结而异。

导电性的碳材有石墨、奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT)与石墨烯等(Graphene)。

其中奈米碳管、石墨烯具有一定的导电度,小于可见光波长的奈米级尺度结构,能够有高光穿透度与可挠的特性,具有应用于柔性透明导电膜的潜力。

奈米碳管

奈米碳管是由碳原子组成的管状结构材料,有单层壁(Single Wall CNT, SWCNT)与多层壁结构(Multi-wall CNT, MWCNT),奈米碳管经过适当的化学处理或是掺杂可以使奈米碳管具有高导电特性。

应用这些纤维状、具有导电性的奈米碳管交错搭接即可形成导电的网络。

有学者以干式转移法,直接转移高温成长高质量的SWCNT到柔性基板形成在110Ω/sq下,光穿透率达90%的导电膜。

若以较低成本的涂布法形成透明导电膜,则就比较难达到直接转移法的光电特性,这是因为CNT间凡德瓦力强,在液体中容易形成聚集成CNT捆束(Bundle),要制成可涂布的悬浮液须要在液体中加入一些使CNT均匀分散的添加剂, 这些添加剂会影响膜的光电特性。

以非离子型界面活性剂为分散剂,学者Woong利用旋转涂布法制得59Ω/sq下,光穿透率达71%之薄膜;另一学者Kim则以羟丙基纤维素(Hydroxypropylcellulose)混和SWCNT调制成刮刀涂布浆料, 涂布后再经过脉冲光后处理,制得柔性透明导电膜,在68Ω/sq时,光穿透率达89%。

图4为适用于工业生产柔性CNT透明导电膜制程示意图,其中,墨水分散、涂布成膜与后处理是CNT透明导电膜产业化的三大关键技术。

图4 软性CNT透明导电膜制程示意图

石墨烯

石墨烯是本世纪最受瞩目的材料之一,从2004年盖姆(Andre Geim)与诺沃谢洛夫(Konstantin Novoselov)成功地从高定向热解石墨分离出单层石墨烯材料后,石墨烯便以其二维特殊结构的高导电度特性受到瞩目, 透明导电膜的应用自然成为研究开发的项目。

与CNT相类似,直接干式转移石墨烯薄膜与调制成墨水涂布是两个透明导电膜成膜的方法。

利用高温CVD制程与适当的掺杂可以制出在150Ω/sq时,光穿透率达87%的石墨烯透明导电膜,惟高分子的柔性基板无法承受CVD高温制程。

日本Sony开发转移法来克服此问题,利用在铜箔基板上成长高质量石墨烯,再转移到PET薄膜上,然后将铜溶解掉而得到柔性石墨烯透明导电膜(图5)。 只是这种连续转移制程的成本高,产业化生产比较复杂困难。

图5 SONY运用开发转移法制作软性石墨烯透明导电膜

石墨烯涂布制程与CNT相似,都是墨水调制、涂布成膜、除去添加物与后处理。 由于石墨烯片状结构,因凡德瓦力造成的聚集比CNT更严重,使得石墨烯在液体中分散比CNT更困难。

因此石墨烯的分散技术开发,是柔性石墨烯透明导电膜制程中的关键。

研究人员利用石墨悬浮液直接转移分散到水/酒精溶液中,剥离石墨烯,制得石墨烯墨水(图6),是避开石墨烯分散困难的方法。

图6 石墨液相剥离法制作可涂布的石墨烯墨水

此外、氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)因为具有较多的极性氧键结,比较容易制成稳定的墨水,有助于涂布成膜制程,只是氧化石墨烯在涂布后尚需将其还原成导电石墨烯薄膜,较温和的还原制程则仍在开发中。

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