霧を用いて透明導電性薄膜をエコに製造 ニコンと東北大学の共同研究

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(a)開発したITOナノ粒子 (b)ITOナノ粒子を原料とした水分散液

ニコンと東北大学多元物質科学研究所は2021年5月20日、水に安定的に分散するITOナノ粒子を独自に開発し、有機溶媒を用いないカーボンニュートラルに貢献する成膜方法「ミストデポジション法」による透明導電性薄膜の製造に成功したと発表した。

スマートフォンなどの表示デバイスに使用されている透明導電性薄膜は、従来、スパッタ法やインク塗布法などで製造されてきた。今回発表されたミストデポジション法を使った製造法は、ナノ粒子を含む霧を用い、常温/常圧という環境に優しい条件の下で基板上にナノ粒子を緻密に堆積させることができる。また別途開発したITOナノ粒子の水分散液を用いて透明導電性薄膜を製造したところ、常圧下、低温熱処理(150℃)の条件で、実用的なフレキシブルフィルムが得られたという。

プリンタブルエレクトロニクスの分野においては、ITOを大気環境下で低温成膜することが難しいため、代替材料としてAgナノワイヤ―などの開発/利用が検討されているが、貴金属を用いるため高価であることに加え、エレクトロマイグレーションなどによる劣化が課題となっていた。

今回の共同研究では、ナノ粒子の形状制御に着目し、ソルボサーマル合成法で表面に突起形状を設ける粒子設計により、粒子の親水性を向上させた。従来品と比べ、長期間安定した高水分散性ITOナノ粒子の開発に成功した。これにより、ITOナノ粒子を原料とした塗布溶液は、有機溶剤や界面活性剤などの高温処理や高抵抗率化の原因となる添加物を加えずに、水系のインクを作製できるようになった。これまでの粒子では必要だった高温での溶剤や界面活性剤除去が不要になったことで、一般的な樹脂フィルムが利用できる150℃以下の低温でかつ大気圧下で低抵抗な透明導電膜の製造が可能となった。

大気圧成膜法の一つであり、原料溶液に数MHzの超音波を印加して霧化させ生成したミスト状の原料を、ガスで搬送する気液混合プロセスの成膜法であるミストデポジション法と組み合わせ、PEN基板上に150℃の低温で比抵抗9.0×10-3 Ω・cmの膜を得られたという。

ミスト成膜法の概略図(a.基板上におけるナノ粒子ミストの挙動、b.装置の全体図)

PENフィルム上に成膜したナノ粒子膜の断面観察結果を見ると、突起形状を有するITOナノ粒子膜は、その分散性と形態的な特徴によって稠密に配置していることが判明した。これらの特徴から、界面活性剤を含む市販品のITOナノ粒子膜に対して3桁、東北大学開発の従来粒子膜と比較して1桁程度低い抵抗値となる。現時点でナノ粒子インクを用いて成膜したITO薄膜としては最も低抵抗なITO膜で、真空成膜法での薄膜に迫る値だという。

ITOナノ粒子膜の断面観察画像(a.従来のITOナノ粒子、b.開発したITOナノ粒子)

フレキシブルな液晶パネルなどの製法の一つである「Roll to Roll」工法の研究を進めているニコンは、同工法で用いる装置本体やその周辺技術について、社外の研究機関とも共同で研究や開発を行っている。東北大学多元物質科学研究所との共同研究もその一環であり、今回の発表はRoll to Roll工法の実現に近づく大きな成果といえる。

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