1 2014/11/27 A-STEP 発新技術説明会 紙抄きでつくる フレキシブルペーパー電子デバイス 大阪大学産業科学研究所 セルロースナノファイバー材料分野 特任助教古賀大尚
2 フレキシブルエレクトロニクス Flexible electronics 次世代電子デバイスのキーワードは フレキシブル 基板はガラスから プラスチック へ
3 ナノセルロースでつくる透明な紙 Transparent paper made from nanocellulose 樹木 パルプ ( 通常の紙の原料 ) 機械処理 セルロースナノファイバー 幅数 10 μm 1.5kV 250 100 μm 従来の白い紙 幅 4-15 nm!! 0.3 wt%, 40 ml 吸引濾過 20 min 次世代の透明な紙 ホットプレス 110 C, 1 MPa, 20 min 密度 : 1.42 g/cm 3 厚さ : 20 μm 光透過率 : 85%@550 nm 熱膨張率 : 8 ppm/k
4 透明な紙を用いるペーパーエレクトロニクス Transparent paper electronics M. Nogi et al., Appl. Phys. Lett., 102, 181911 (2013) 薄い 軽い 柔軟安い 植物 100% + 透明
5 新技術 1 フレキシブル透明導電紙 Flexible, transparent and conductive paper Koga H., et al., NPG Asia Mater., 6, e93 (2014) 透明な紙 をフレキシブル透明基板として 抄紙技術 を導電ナノ材料の均一塗布技術として応用 AgNW: 銀ナノワイヤ CNT: カーボンナノチューブ
6 抄紙プロセスによる透明導電紙の調製 Preparation of transparent conductive paper by a papermaking process 1 透明な紙 2 導電ネットワークの順に 2 段階濾過 セルロースナノファイバー水懸濁液 (0.35 wt%, 40 ml) 銀ナノワイヤ (AgNW) 水懸濁液 or カーボンナノチューブ (CNT) 水懸濁液 吸引濾過 吸引濾過 20 min 20 min
7 抄紙プロセスによる透明導電紙の調製 Preparation of transparent conductive paper by a papermaking process 圧搾乾燥 1 MPa 110 C 20 min AgNW or CNT をロスなく透明な紙基板上に担持 透明紙基板と AgNW or CNT 導電層を one-pot で調製
8 透明導電紙 Transparent conductive paper CNT 透明導電紙 透明な紙 AgNW 透明導電紙
Transmittance (%) at λ = 550 nm 光透過率 ( 透明性 ) vs シート抵抗 ( 導電性 ) Optical transmittance vs Sheet resistance 基板をリファレンスにして AgNW ネットワークのみを議論 100 90 80 70 60 50 AgNW 40 10 0 10 1 10 2 10 3 Sheet resistance (Ω sq -1 ) Nanopaper Filtration Bar coat Spin coat PET film Drop coat Bar coat Spin coat 10 Ω/ 比較で光透過率が約 20% 高い クリアなディスプレイ 低消費電力 濾過塗布 ( 抄紙 ) 法により従来法を大きく上回る透明導電性を達成 9
Transmittance (%) at λ = 550 nm 光透過率 ( 透明性 ) vs シート抵抗 ( 導電性 ) Optical transmittance vs Sheet resistance 基板をリファレンスにして CNT ネットワークのみを議論 100 90 80 70 60 50 CNT 40 10 2 10 3 10 4 Sheet resistance (Ω sq -1 ) Nanopaper Filtration PET film Drop coat 濾過塗布 ( 抄紙 ) 法により従来法を大きく上回る透明導電性を達成 10
推定機構 Putative mechanism AgNW networks on a PET film 従来塗布法 10 μm 900 Ω/ @87%T 基板上での滞留や蒸発といった溶媒の挙動に影響を受け導電ネットワークが偏在 不均一化 11
推定機構 Putative mechanism AgNW network on a transparent paper 濾過塗布 ( 抄紙 ) 法 10 μm 抵抗値 75 分の 1!! 12 Ω/ @88%T 多孔質な紙基板の垂直方向に濾過脱水 均質な導電ネットワークを形成 12
13 導電ナノ材料の透明な紙基板への密着性 Adhesion property of conductive nanomaterials on a transparent paper AgNW network on a PET film AgNW network on a transparent paper 1 μm 1 μm 銀ナノワイヤが透明な紙表面に埋め込まれている
14 導電ナノ材料の透明な紙基板への密着性 Adhesion property of conductive nanomaterials on a transparent paper AgNW@ nanopaper CNT@ nanopaper AgNW@ PET film CNT@ Relative resistance 5 4 3 2 PET film テープ剥離しない! 1 AgNW@nanopaper AgNW@PET film CNT@nanopaper CNT@PET film 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Peeling test cycle 透明な紙基板上の導電材料は高い密着性を示す
透明導電紙のフレキシビリティ Flexibility of transparent conductive paper 折り畳んでも OK! 素手で掴んでも OK! AgNW@nanopaper ペーパークラフトも可能! CNT@nanopaper 15
16 電子ペーパー応用 e-paper PEDOT/PSS + 2 V - 0 V 電気に応答して可逆的に色変化紙からつくられた真の電子ペーパー
17 電子ペーパー応用 e-paper 倍速 電子ブックも紙でつくる!
新技術 2 蓄電紙 Energy-storage paper 還元型 GO/ パルプ紙 ( 電極 ) 紙 ( セパレータ ) GO: 酸化グラフェン 岡山大仁科准教授提供 http://nisina-materials.com/company/ 接着 一体化 還元型 GO/ パルプ紙 ( 電極 ) 1.0 Current density: 0.5 A/g アピールポイント 軽量, 柔軟, 大容量 Roll-to-Roll 製造可能 紙と鉛筆から調製可能 All-paper 蓄電デバイス Potential (V) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 充放電曲線 300 F/g 活性炭電極の約 10 倍!! 0 200 400 600 800 10001200 Time (s) 18
新技術 3 デジタル情報を記憶する紙 Ultra flexible non-volatile paper memory (ReRAM) 上 下電極間にはさんだ紙内部における可逆的な Ag 導電パスの形成と解消をデジタル情報記録に利用 [0] [1] 紙 先端レベルのメモリ機能 ON/OFF 比 10 6 以上 0.5 V 以下の低電圧駆動曲率半径 0.3 mm まで折り曲げ可 文字ではなく電気で記録する紙へ : パラダイムシフトフレキシブル!! Nagashima K., Koga H., et al., Sci. Rep., 4, 5532 (2014) 19
20 実用化に向けた課題 透明導電膜 蓄電デバイス メモリなど 各部品のインテグレーション デバイス試作と動作デモンストレーション
21 企業への期待 新しい製紙産業の開拓 製紙関連企業 先端電子機器への応用 製造関連企業
22 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 導電性繊維の製造方法 シート状電極の製造方法 導電性繊維 及びシート状電極 出願番号 : 特願 2014-106142 出願人 : 大阪大学 岡山大学 発明者 : 古賀大尚 菅沼克昭 能木雅也 外村英嗣 仁科勇太
23 お問い合わせ先 大阪大学 産学連携本部総合企画推進部 TEL 06-6879-4206 FAX 06-6879-4206 e-mail contact@uic.osaka-u.ac.jp