柔軟な電子機器の開発に有望な透明導電フィルム

研究者たちは、ナノパターン化された銀を基にした新しいタイプの透明導電電極膜の大規模製造を実証しました。スマートフォンのタッチスクリーンやフラットパネルテレビは、透明電極を使用してタッチを検出し、各ピクセルの色を迅速に切り替えます。銀は、現在この電極を作るために使用されている材料よりも脆くなく、化学的に耐性があるため、この新しい膜は柔軟なスクリーンや電子機器での使用において、高性能で長持ちするオプションを提供できる可能性があります。銀を基にした膜は、窓や屋根、さらには個人用デバイスに設置できる柔軟なソーラーパネルの実現にも寄与する可能性があります。

『Optical Materials Express』誌では、研究者たちは直径10センチメートルのガラスディスク上で透明導電薄膜を製造したことを報告しています。実験的な測定値と非常に一致する理論的な推定に基づいて、薄膜電極が既存の柔軟なディスプレイやタッチスクリーンに使用されているものよりも大幅に優れた性能を発揮できると計算しました。

「私たちが使用した製造方法は非常に再現性が高く、透明性と導電性の特性の間で調整可能なトレードオフを持つ化学的に安定した構造を作り出します」と、南デンマーク大学の第一著者であるジェス・リネットは述べています。「これは、デバイスが高い透明性を必要とし、導電性が低くても良い場合、膜の厚さを変えることで調整可能であることを意味します。」

研究者たちは、コロイドリソグラフィーという手法を使用して、光を通す孔を持ちながら電気を通す銀のナノパターンを作成しました。この新しい透明電極膜は、柔軟なディスプレイやタッチスクリーンだけでなく、ソーラーパネルにも有用です。

柔軟な代替品の模索

現在の多くの透明電極は、インジウムスズ酸化物（ITO）で作られており、最大92％の透明度を示すことができます — これはガラスに匹敵します。透明度が非常に高いにもかかわらず、ITO薄膜は再現性のある性能を実現するために慎重に処理する必要があり、柔軟な電子機器やディスプレイで使用するには脆すぎます。これらの欠点から、研究者たちはITOの代替物を模索しています。

金、銀、プラチナなどの貴金属の耐腐食性は、柔軟な基板とともに使用できる長持ちし、化学的に耐性のある電極を作成するための有望なITOの代替品となります。しかし、これまでのところ、貴金属の透明導電膜は表面の粗さが大きく、膜と他の層とのインターフェースが平坦でないため、性能が低下することがありました。透明導電膜はカーボンナノチューブを使用して作成することもできますが、これらの膜は現在すべての用途に対して十分な導電性を示さず、ナノチューブが重なり合うことで表面の粗さを引き起こす傾向もあります。

新しい研究では、研究者たちはコロイドリソグラフィーという手法を使用して、透明導電性の銀薄膜を作成しました。まず、均一なサイズの密に詰められたプラスチックナノ粒子の単層で10センチメートルのウェハーをコーティングし、マスキング層またはテンプレートを作成しました。その後、これらのコーティングされたウェハーをプラズマオーブンに入れ、粒子を均等に縮小しました。マスキング層に銀の薄膜を堆積すると、銀は粒子の間隙に入り込みました。粒子を溶解すると、光が通過する蜂の巣のような正確な穴のパターンが残り、電気的に導電性で光学的に透明な膜が得られました。

透明性と導電性のバランス

研究者たちは、自分たちの大規模製造方法を使用して、80％の透過率を維持しながら、電気的なシート抵抗を10オーム/平方以下に保つ銀の透明電極を作成できることを示しました — これは、同等の透明度を持つカーボンナノチューブベースの膜に報告されているものの約十分の一です。電気的抵抗が低いほど、電極は電荷をより効率的に伝導します。

「私たちの研究の最も新しい点は、透明性と導電性の両方の特性を理論的に分析し、実測結果と良く一致することを考慮した点です。製造の問題は通常、新しい材料から最良の理論的な性能を引き出すことを難しくします。私たちは実験で遭遇したことを報告し、将来の性能に影響を与える可能性のある問題を避けたり最小限に抑えたりするための対策を考案したいと考えました。」

研究者たちは、コロイドリソグラフィーが化学的に安定した透明導電薄膜を製造でき、さまざまな用途に有用であることを示す結果であると述べています。