專利名稱：導(dǎo)電膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及導(dǎo)體，更具體而言，本發(fā)明涉及透明導(dǎo)電膜及其方法。
背景技術(shù)：
各種材料已被用于透明導(dǎo)體(入射到其上的光至少有一些(如果不是大部分)能從其中通過的導(dǎo)體)。此類導(dǎo)體用于(例如)光電器件、顯示器和觸摸屏。用于這些器件的一種材料是摻雜錫的氧化銦(ΙΤ0)。然而，ITO較昂貴，制備可能非常昂貴，并且還可能變脆。其它材料由于各種特點(例如實施成本高且難度大)或性能不足(例如透明度不足、電導(dǎo)率不足以及相關(guān)的得失方面的考慮)而難以實施。這些以及其他問題仍然是各種使用或者受益于透明導(dǎo)電膜的方法、器件和系統(tǒng)面臨的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個方面涉及包括透明導(dǎo)電膜的器件、方法和系統(tǒng)，所述透明導(dǎo)電膜解決了包括上述問題在內(nèi)的難題。

根據(jù)一個不例性實施方式，透明導(dǎo)電膜包括有機基材層和嵌入該有機基材層的無機納米絲網(wǎng)。所述嵌入的網(wǎng)可在各種電子器件(例如使用或受益于透明膜中的導(dǎo)電材料的電子器件)中實施。另一個示例性實施方式涉及形成透明導(dǎo)電膜的方法。將無機納米絲網(wǎng)引入至聚合物中，例如通過沉積或者使所述網(wǎng)與所述聚合物發(fā)生接觸。這樣，所述納米絲網(wǎng)就嵌在所述聚合物中。各種實施方式涉及形成納米絲網(wǎng)/聚合物復(fù)合膜，其中所述聚合物用于提供膜，該膜具有與(例如)所述納米絲網(wǎng)的表面相比較平滑的表面。其它實施方式涉及包含納米絲網(wǎng)/聚合物膜的一個或多個方面的器件。此類實施方式可涉及光電器件、光伏器件、觸摸屏、太陽能電池和有機發(fā)光顯示器中的一種或多種。其它實施方式涉及制造包含納米絲網(wǎng)/聚合物膜的器件的方法。此類方法可適用于(例如)形成光電器件、光伏器件、觸摸屏、太陽能電池或基于有機的發(fā)光顯不器。以上概述并不是用來描述本發(fā)明的各個實施方式或者每個實現(xiàn)形式。以下附圖和詳述更具體地舉例說明了各種實施方式。附圖簡要說明
通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的各種實施方式所作的詳細說明，可以更全面地理解本發(fā)明的內(nèi)容，其中:

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式進行制造的納米絲網(wǎng)型器件，并且其中:圖1A顯示了對其施涂納米絲懸浮液的玻璃基材；圖1B顯示了基材上的納米絲網(wǎng)；圖1C顯示了放置了納米絲網(wǎng)的基材，該基材用于嵌入玻璃或PET基材上的PEDOT: PSS材料中；以及圖1D顯示了嵌入材料層中的納米絲網(wǎng)；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施方式，納米絲網(wǎng)型器件的操作特性的曲線圖；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的其它示例性實施方式，在基材中嵌入至不同程度的納米絲；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施方式，含有基于納米絲網(wǎng)的透明導(dǎo)電層的薄膜太陽能電池器件；以及圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施方式，含有基于納米絲網(wǎng)的透明導(dǎo)電層的觸摸屏器件。雖然本發(fā)明可具有各種修改和替代形式，但其細節(jié)通過舉例的方式呈現(xiàn)在附圖中，并將進行詳細描述。但應(yīng)當理解，其意圖并不是將本發(fā)明限制于所述的特定實施方式。相反，本發(fā)明涵蓋落在本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改形式、等同形式和替代形式，包括權(quán)利要求書所限定的各個方面。
具體實施例方式本發(fā)明涉及如本文所述的透明和半透明導(dǎo)體。雖然本發(fā)明未必限于此，但通過借助此背景和其他背景討論各種實施例可理解本發(fā)明的各個方面。以下討論以及作為本專利文件的組成部分的“附錄”中的討論描述了各種示例性實施方式，這些示例性實施方式不構(gòu)成對其它相關(guān)實施方式和/或本文主題的限制。各種示例性實施方式涉及溶液處理的(solution-processed)透明導(dǎo)體,該導(dǎo)體可在撓性基材上實施。一些實施方式涉及溶液處理的復(fù)合材料，該材料用于形成光電器件中使用的透明導(dǎo)體。對于這些應(yīng)用，所述溶液處理的復(fù)合材料可用于使用了氧化銦錫材料作為導(dǎo)體的器件中。盡管可用于各種實施方式，在此我們發(fā)現(xiàn)，銀納米絲的形貌(由于其與表面粗糙度相關(guān))對器件性能可能有很強的負效應(yīng)。因此，各種實施方式涉及通過將納米絲網(wǎng)膜嵌入至聚合物(例如導(dǎo)電聚合物)膜或其他類型的膜中來對與納米絲網(wǎng)膜對應(yīng)的表面粗糙度進行控制或平滑，或涉及形成具有理想的表面特性的包括納米絲的膜。該方法可用于(例如)設(shè)定或改善所述膜的電導(dǎo)率或其它性質(zhì)。在許多實施方式中，所得的納米絲網(wǎng)/聚合物膜的表面粗糙度遠小于該納米絲網(wǎng)的表面粗糙度。例如，對于直徑為50-100納米的納米絲的膜，相當小的表面粗糙度指的是表面粗糙度約為5-30納米RMS (均方根)，或小于約20納米RMS。對于該納米絲直徑范圍，并非相當小的表面粗糙度是50納米RMS。
如本文所述，可使用各種方法中的一種或多種將納米絲嵌入。在一些實施方式中，在以下條件下使納米絲嵌入:在該絲網(wǎng)中，絲之間的結(jié)使其緊密接觸并熔合在一起，從而使復(fù)合材料的薄層電阻與該絲網(wǎng)發(fā)生嵌入之前的電阻相比有所降低。在某些實施方式中，絲網(wǎng)中的絲之間的結(jié)被引導(dǎo)離開頂表面并且向下進入下方膜，降低了表面粗糙度(例如，下方膜用于填充納米絲之間的間隙)。下方膜使所述納米絲網(wǎng)機械錨定，抑制小剪切力引起的絲的脫離或變動，這可進一步用于促進高溫處理，所述高溫處理不可用于易受機械擾動影響的網(wǎng)。嵌入壓力可用于控制膜的霧度，所述霧度與表面粗糙度成正比(例如，較粗糙的膜具有較高的霧度，所述霧度可使從膜中通過的光發(fā)生散射)。結(jié)合各個示例性實施方式，首先形成納米絲網(wǎng)，該絲網(wǎng)與聚合物分開，以設(shè)置所述納米絲網(wǎng)的連通(connectivity)特性。該方法可用于改善相對于(例如)該網(wǎng)的所得性能的網(wǎng)連通性。然后將該納米絲網(wǎng)嵌入聚合物中，對于給定的透明度，得到具有所需薄層電阻的無機-有機復(fù)合結(jié)構(gòu)。此方法可用于形成經(jīng)輥到輥制備的撓性有機光伏(OPV)電池，該電池可用于各種剛性和撓性薄膜太陽能電池和顯示器。其它實施方式涉及嵌入至基材中的納米絲網(wǎng)，該基材具有較高的折射率介質(zhì)，以進一步擴大光譜范圍至紅外區(qū)，在該光譜范圍內(nèi)該絲網(wǎng)是透明的。這種可能包括將網(wǎng)嵌入的步驟的方法可通過使用所述基材以有效“縮小”入射光的波長來進行，并且該方法可用于實現(xiàn)較長的波長擠過納米絲之間的孔。在許多實施方式中，相對于待嵌入至聚合物膜中的納米絲網(wǎng)的特性來設(shè)置該聚合物膜的厚度，以實現(xiàn)所得膜的電導(dǎo)率和厚度。例如，通過使用厚度約等于或大于納米絲網(wǎng)的厚度的聚合物(該納米絲網(wǎng)待嵌入至該聚合物中)，可形成具有所需電導(dǎo)率同時保持了較薄偵愐的所得納米絲網(wǎng)/聚合物膜(例如，為了解決“附錄”中所述的粗糙度問題)。在一些實施方式中，設(shè)置所述膜的厚度以實現(xiàn)所需/目標電導(dǎo)率特性，并(從設(shè)計的角度來看)可增加該厚度以實現(xiàn)該特性。在各實施方式的內(nèi)容中，術(shù)語“透明”應(yīng)理解為與至少一些光通過有關(guān)的特性。例如，不同的透明材料(根據(jù)不同的實施方式)具有不同的透明度水平，所述透明度的范圍可為使30-100 %的從該材料上入射的光通過。在許多光電實施方式中，如可由應(yīng)用決定，透明導(dǎo)體使約60-90%從該導(dǎo)體上入射的光通過。結(jié)合各個示例性實施方式，溶液處理的膜包括銀納米絲網(wǎng)，將該銀納米絲網(wǎng)層壓并轉(zhuǎn)移至薄的溶液處理的聚合物膜中，以形成具有透明度特性的復(fù)合導(dǎo)電膜。所述網(wǎng)的層壓可用于獲得平滑的表面。在一些實施方式中，這些膜可用于太陽能電池和顯示器應(yīng)用，并且在實施上(例如在顯示器的操作中)具有機械撓性。在一些實施方式中，溶液處理的廉價撓性透明電極被用于涉及氧化銦錫(ITO)膜的應(yīng)用。此類應(yīng)用包括光電器件。本文所述的透明電極膜可用于代替這些ITO膜。使用這些膜可制造高品質(zhì)器件，并實現(xiàn)在所有指標方面都與ITO性能相當，同時成本更低廉且機械性質(zhì)得到改進。根據(jù)不同的示例性實施方式，各種不同類型的撓性材料或其組合可用于支撐納米絲網(wǎng)，例如銀納米絲網(wǎng)。許多實施方式中使用聚合物膜，并且所述聚合物膜可包括(例如)聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸鹽/酯)(PED0T:PSS)和聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，結(jié)合一個或多個示例性實施方式，這些聚合物是可使用的聚合物的示例性類型。在某些實施方式中，使用具有類似特性的其它聚合物、基于聚合物的組合或非聚合物膜。因此，各方面涉及具有一種或多種以下特性的膜:在光波長為400-800納米的可見光譜范圍內(nèi)的光學透明度；在小的(例如約I毫米)彎曲半徑下可機械彎曲并且無裂紋；100-300兆帕的本體機械壓痕硬度；在厚度為100-500納米的基材上形成薄膜的可控沉積特性；以及最高達約60，OOOpsi的可機械壓縮性。在一些實施方式中，撓性顯示器和/或觸摸屏類型的器件包括如本文所述的嵌入的網(wǎng)，以及用于檢測該網(wǎng)彎曲特性的處理電路。例如，通過檢測電學特性或電學特性中的變化，該器件可檢測在所述膜的特定位置上的彎曲。該信息用于各種方法中的一種或多種方法，例如控制撓性器件上顯示的圖像，或處理在彎曲處和/或鄰近彎曲處接收的觸摸輸入。根據(jù)各個示例性實施方式，本文所述的納米絲網(wǎng)可結(jié)合許多不同類型的器件進行實施。使用本文所述的材料和/或方法可形成以下器件:例如，薄膜太陽能電池、顯示器(例如LCD、有機發(fā)光顯示器、電泳顯示器)、觸摸屏(例如電容型或電阻型)、防霧器件(例如在汽車和航空擋風玻璃中)以及撓性平板照明(例如使用蒸發(fā)的和/或印刷的白色有機發(fā)光二極管)。使用各種方法中的一種或多種方法形成基于納米絲的聚合物膜，所述方法可包括結(jié)合作為基礎(chǔ)的臨時專利申請中提交的“附錄”中所展示和描述的一種或多種方法中的一些方面(或全部)，并且這些是本專利文件的組成部分。其它實施方式涉及用于形成一層或多層此類膜的不同的納米絲沉積或連接方法。一些應(yīng)用涉及納米絲轉(zhuǎn)移法，而其它應(yīng)用涉及滴鑄法或噴涂法，其中在聚合物表面上形成和/或放置納米絲，然后將其嵌入至適當?shù)奈恢?。例如，與上述“附錄”中所述的各種實施方式相比，其它實施方式涉及在下方(例如聚合物)結(jié)構(gòu)形成后沉積納米絲，然后通過按壓或其它方式處理該納米絲，從而將該納米絲嵌入至所述下方結(jié)構(gòu)中，或者通過其它方式使所述納米絲與所述下方結(jié)構(gòu)連接。其它應(yīng)用涉及使用其它基材代替基于聚合物的膜，或者除了使用基于聚合物的膜外還使用其它基材，例如包括玻璃或可用于特定應(yīng)用的其它材料的基材。在其它實施方式中，使用以下方法中的一種或多種將納米絲沉積在下方基于聚合物的膜上:電化學沉積、氣相沉積或溶液沉積。結(jié)合其它示例性實施方式，使用納米絲網(wǎng)和聚合物膜復(fù)合材料形成有機光伏電池、撓性顯示器和/或觸摸屏的透明電極。在一些實施方式中，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有和/或其特征為比氧化銦錫至少高4倍的屈服應(yīng)變，從而得到穩(wěn)固的撓性光伏器件。在各種上下文中，術(shù)語“屈服應(yīng)變”通常指的是一個點或一種條件，在該點或該條件下塑性變形開始，例如在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中發(fā)生彈性彎曲(例如，測得的電阻率的變化作為塑性變形或斷裂的指示)。在下表中，顯示了與一種或多種示例性實施方式有關(guān)的各種溶液處理的透明導(dǎo)體以及在兩種不同基材上的ITO的示例性特性。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，其包含: 有機基材層；以及 無機納米絲網(wǎng)，該無機納米絲網(wǎng)嵌入在所述有機基材層中，該嵌入了納米絲網(wǎng)的有機基材層被配置并設(shè)置用來形成導(dǎo)電膜。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于， 所述無機納米絲網(wǎng)包括多個銀納米絲，所述銀納米絲的直徑與所述網(wǎng)中的其它銀納米絲的直徑相差至少約40納米； 所述有機基材層和無機納米絲網(wǎng)形成膜，該膜的RMS表面粗糙度小于約20納米。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述有機基材層和所述無機納米絲網(wǎng)形成有機-無機復(fù)合導(dǎo)電膜，該膜的表面粗糙度值比所述無機納米絲網(wǎng)在嵌入所述有機基材層之前的表面粗糙度至少低25%。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述有機基材層的厚度至少約為所述無機納米絲網(wǎng)的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述無機納米絲網(wǎng)和有機基材層形成膜，該膜使得至少70%的入射到該膜上的光通過。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述有機基材層是具有高折射率的聚合物，該聚合物用來將光譜范圍擴大至紅外區(qū)，在該光譜范圍內(nèi)所述無機納米絲網(wǎng)是透明的。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述有機基材層包括具有高折射率的聚合物，對于入射光波長太長 而不能通過所述納米絲網(wǎng)中的開口的情況，該聚合物用來改變該入射光的波長，以允許所述光能夠通過所述無機納米絲網(wǎng)中的開口。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，將所述導(dǎo)電膜配置成具有這樣的電導(dǎo)率值，該電導(dǎo)率值在以下范圍的彎曲應(yīng)力下約為常數(shù):從無彎曲應(yīng)力至約四倍于這樣的彎曲應(yīng)力，在該彎曲應(yīng)力下與所述導(dǎo)電膜尺寸相當?shù)难趸熷a膜具有塑性變形。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，至少25%的所述納米絲網(wǎng)嵌入至所述有機基材層中。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述有機基材層填充了所述納米絲網(wǎng)中的納米絲之間的間隙，將部分的所述納米絲網(wǎng)電連接，并且所述表面的RMS粗糙度約小于發(fā)生嵌入之前的所述納米絲的RMS粗糙度的一半。
11.一種器件，其包含: 有機基材層； 導(dǎo)電膜: 嵌入所述有機基材層中的多個電極，各電極包括在所述有機基材層中嵌入一定深度的無機納米絲網(wǎng)，在該深度所述有機基材層和所述無機納米絲網(wǎng)形成所述導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜的表面粗糙度值比所述無機納米絲網(wǎng)在嵌入所述有機基材層之前的表面粗糙度至少低25% ； 所述有機基材層的一部分，該部分也嵌入在所述有機基材層中，并且位于所述網(wǎng)內(nèi)的間隙之間，該部分被配制并設(shè)置用來電連接所述網(wǎng)的各部分；以及 用來通過所述有機基材層控制圖像顯示的顯示電路。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述有機基材層和嵌入的電極形成觸摸屏，該觸摸屏用來提供所述屏上存在觸摸及其位置的輸出指示。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，邏輯電路用來 檢測所述膜中的彎曲，該檢測響應(yīng)于所述多個電極中的至少一個電極的電學特性，以及 基于所檢測的彎曲控制圖像顯示。
14.一種形成透明導(dǎo)電膜的方法，該方法包括將無機納米絲網(wǎng)引入至有機基材層，將所述無機納米絲網(wǎng)嵌入所述有機基材層中，并且通過使用嵌有所述網(wǎng)的有機基材層形成透明導(dǎo)電膜。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括根據(jù)待嵌入所述有機基材層中的所述無機納米絲網(wǎng)的厚度特征來選擇所述有機基材層的厚度，以及形成厚度為所選擇的厚度的有機基材層，并且形成透明導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜的RMS表面粗糙度遠小于所述無機納米絲網(wǎng)的RMS表面粗糙度。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括嵌入無機納米絲網(wǎng)，該無機納米絲網(wǎng)含有多個銀納米絲，所述銀納米絲的直徑與所述網(wǎng)中的其它銀納米絲的直徑相差至少約40納米；以及形成含有所述無機納米絲網(wǎng)的復(fù)合膜，該復(fù)合膜的RMS表面粗糙度小于約20納米。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括對于給定的透明度優(yōu)化所述透明導(dǎo)電膜的薄層電阻，以及嵌入如上形成的納米絲網(wǎng)，并通過該有機基材層使所述無機納米絲網(wǎng)中的納米絲電連接。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括通過以下步驟形成所述無機納米絲網(wǎng): 對于待使用所述透明導(dǎo)電膜的特定應(yīng)用，選擇所述透明導(dǎo)電膜的透明度；以及 在將所述無機納米絲網(wǎng)嵌入之前，根據(jù)所選擇的透明度，形成所述納米絲網(wǎng)，以實現(xiàn)所選擇的透明度和設(shè)定的薄層電阻值。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括將所述無機納米絲網(wǎng)嵌入至所述有機基材層中，以形成有機-無機化合物導(dǎo)電膜，該膜的表面粗糙度值比所述無機納米絲網(wǎng)在嵌入所述有機基材層之前的表 面粗糙度至少低25%。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述引入步驟包括將無機納米絲網(wǎng)引入至具有高折射率的有機聚合物中，以設(shè)置所述透明導(dǎo)電膜，從而在入射光的波長太長而不能通過所述納米絲網(wǎng)中的開口的情況下，改變所述入射光的波長，以允許該入射光通過所述無機納米絲網(wǎng)中的開口。
全文摘要
本發(fā)明描述了具有透明度特性的導(dǎo)電膜及相關(guān)器件。根據(jù)各種示例性實施方式，透明導(dǎo)電膜包括嵌入在有機基材層中的無機納米絲網(wǎng)。所述嵌入可涉及，例如，將所述納米絲網(wǎng)的大部分或基本上全部嵌入至所述有機基材層中，以促進該合并的納米絲網(wǎng)-聚合物的所得表面粗糙度小于該網(wǎng)單獨的(例如，或以其他方式嵌入的)表面粗糙度，并進而促進所需的電導(dǎo)率特性。
文檔編號G02F1/1343GK103154812SQ201180047476
公開日2013年6月12日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者W·蓋納, P·波伊曼斯 申請人:小利蘭·斯坦福大學托管委員會