世界初・マイクロサイズのメッシュ構造で硬いITO透明電極をフレキシブル化

材料自体の柔軟性に頼らない新手法、他の電子デバイスへの応用に期待

本研究のポイント

  • ITOは透明電極として汎用性が高かったが、硬い材料であり、フレキシブル化が課題だった
  • 簡易なプロセスによるマイクロサイズのメッシュ構造のパターニングより、ITOをフレキシブル化する手法を開発
  • ITOをはじめ他の金属酸化物系電極への応用が高くフレキシブル電子デバイスの重要な基盤技術となることが期待

早稲田大学理工学術院の庄子習一(しょうじしゅういち)教授、先進理工学研究科博士後期課程2年桑江博之(くわえひろゆき)助手、先進理工学研究科修士課程1年の坂本暁祐(さかもとこうすけ)氏、早稲田大学ナノ・ライフ創新研究機構の水野潤(みずのじゅん)研究院教授らの研究チームは、マイクロサイズのメッシュ構造を設けることで従来困難であった硬い酸化インジウムスズ(ITO)※1透明電極のフレキシブル化に世界で初めて成功しました。

フレキシブル電子デバイスの発展に伴い、透明電極のフレキシブル化に対する要求が高まってきています。これまで様々なフレキシブル透明電極が報告されてきましたが、他に比べ物性面で優れるITO透明電極のフレキシブル化は困難でした。硬い材料であるITOをフレキシブル化するためには、複雑なプロセスや特殊なナノ構造が必要とされていました。

本研究グループは、単純なフォトリソグラフィとエッチングにより、ITOにマイクロサイズのメッシュ構造をパターニングすることで、ITOのフレキシブル化を実現しました。この構造により、屈曲時にITOにかかる応力を緩和し、発生したクラックの伝搬抑制を行うことで、通常のITOと比較して抵抗値上昇率を1/1000以下に抑制することに成功しました(1000回屈曲時)。また、液体有機ELデバイスを用いたデバイス内駆動実験においても、未屈曲時とほぼ同等の電気特性が得られ、その有用性が確認されました。提案したフレキシブル化技術により、材料自身の柔軟性を活かした従来のフレキシブル電極と異なり、ITOのような硬い材料であってもフレキシブル化することを可能としました。

本研究成果は、ITOをはじめ他の金属酸化物系電極への応用が高く期待され、フレキシブル電子デバイス発展の重要な基盤技術となると考えられます。

本成果の詳細は、2018年2月12日発行の英国Nature Publishing Groupのオンライン科学雑誌『Scientific Reports』に掲載されました。

 (1)これまでの研究で分かっていたこと

有機ELに代表されるフレキシブル電子デバイスはSociety 5.0で実現される社会において、広く注目が集まっています。そのようなフレキシブル電子デバイスを構成する重要な要素として、フレキシブル透明電極があります。フレキシブル性や光透過率はもちろんのこと、高い化学・物理的耐性や優れた電気特性(導電性、仕事関数)などを有した電極が要求されています。これまで、金属やポリマーなどの“材料由来の柔軟性を向上させたフレキシブル電極”が数多く報告されてきました。しかし従来報告された技術では、フレキシブル透明電極に求められる全ての特性を満たすものは実現できていませんでした。一方で、酸化インジウムスズ(ITO)は高い光透過率、高い化学・物理的耐性、優れた電気伝導性、正孔注入に適した仕事関数を持つことから透明電極として広く用いられてきました。その為、ITOをフレキシブル化しようと様々な研究がなされてきましたが、“硬い材料であるITO”をフレキシブル化する為にはいずれも複雑な作製プロセスや特殊なナノ構造を必要としていました。

(2) 今回の研究で新たに実現しようとしたこと

一般的なフレキシブル基板上に成膜されたITOに、マイクロサイズのメッシュ構造をパターニングするだけで、ITOをフレキシブル化する手法を提案しました。シンプルなメッシュ構造の為、従来の技術とは異なり、フォトリソグラフィとエッチングという簡易なプロセスによって構造を形成できます。提案するフレキシブルITOでは、メッシュ構造を設けることで、屈曲時にITOにかかる応力を緩和し、また発生したクラックの伝搬を停止させることでITOにフレキシブル性を付与することが可能であることが明らかになりました(図1)。このように簡易な作製プロセスかつ構造によって、硬い材料であるITOのフレキシブル化が可能であることを世界で初めて示しました。

図1 メッシュ構造を用いたフレキシブルITO電極のコンセプト図

(3) そのために用いた独自の手法

これまでにもメッシュ構造を用いたフレキシブル電極は多く報告されてきました。それのフレキシブル性は材料自体に起因するものであり、メッシュ構造は透過度の向上や強度の確保を目的として用いられてきました。しかし、今回提案するメッシュパターンITOでは、以下の2つの原理によりフレキシブル性を実現しました。(1)メッシュ構造を設けることで、屈曲時にITOに発生する応力をメッシュ構造開口部(ITOがない箇所)のフレキシブル基板に逃がす機構(2)ITOにクラックが発生した際にメッシュ構造によってクラックの伝搬を抑制する機構。以上2つの機構の相乗効果によって、ITOのような硬い材料のフレキシブル化を可能としました。

(4) 今回の研究で得られた結果及び知見

通常のITO電極を1000回屈曲させると抵抗値がおよそ1700倍に上昇しました。今回、当研究グループが提案したメッシュパターンITOでは、抵抗値上昇率を通常のITO電極の1/1000以下に抑制することに成功しました(図2)。このことから今回我々が提案した簡易な作製プロセスでメッシュ構造をITO上に設けるフレキシブル化手法は、非常に効果的であることが示されました。また、メッシュ形状の影響について検討を行うと、従来のフレキシブル電極で多く用いられてきたハチの巣構造が、ITOのフレキシブル化においては最も効果が低いことが判明しました。これは、フレキシブル化の原理が、従来のものと、本提案では異なることに起因すると考えます。

また、メッシュパターンITOをフレキシブル光源として期待されるマイクロ流体有機EL※2に用いた際の影響についても検討しました。電極を屈曲後も、デバイスの安定した駆動が確認されました(図3)。以上より、今回提案したメッシュ構造を用いたITOのフレキシブル化技術が高い有用性を持つことが明らかになりました。

図2 メッシュ構造の有無によるITO電極の屈曲回数と抵抗値上昇率の関係

図3 メッシュパターンITO電極を用いた液体有機ELの特性

(5) 研究の波及効果や社会的影響

本フレキシブル化手法は、材料自体の柔軟性を用いたものではないため、ITOだけに限らず、これまでフレキシブル化が困難であった他の金属酸化物系電極への応用が高く期待されます。また、化学・物理的に安定であるITO電極をフレキシブル化できたことで、プロセス上の制限がなくなり新しいフレキシブル電子デバイスの可能性が見込まれます。加えて、従来フレキシブル化する段階で必要であった電極材料変更の影響評価が、本研究の成果によって省略でき、関連分野の研究に大きな影響を与える可能性があります。その為、提案する技術は、今後さらに求められるフレキシブル電子デバイス発展の重要な基盤技術となると考えられます。

(6) 今後の課題

今後フレキシブル電子デバイスへの応用に向けて、フレキシブル性に加え、光学特性の観点からもメッシュ構造の最適化を検討することで、さらなる性能の向上をはかっていきます。

(7) 100字程度の概要

硬い材料として知られているITO透明電極にマイクロサイズのメッシュ構造を設けるだけで、フレキシブル化することに世界で初めて成功しました。本構造は、簡易なプロセスによって形成できるため、フレキシブル電子デバイス発展の重要な技術となることが期待されます。

(8) 用語説明

  • ※1 ITO
    酸化インジウムスズ(Indium tin oxide)。酸化インジウムに数%の酸化スズを添加した化合物であり、その電気・光学特性、並びに高い耐性などから透明電極として広く用いられています。
  • ※2 マイクロ流体有機EL
    2013年に当研究グループが提唱した液体有機半導体を用いた発光デバイス。マイクロ流路による流体制御技術を用いることで、集積化ならびにオンデマンドな液体制御を可能とした。

(9) 論文情報

※液体有機半導体は日産化学工業株式会社より提供されました。
※本研究は文部科学省の科学研究費補助金の基板研究(A)16H02349およびナノテクノロジープラットフォームサポートプロジェクト、早稲田大学アーリーバードプログラムにより助成されたものです。

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