紙抄きでつくる フレキシブルペーパー電子デバイス...transparent paper...
TRANSCRIPT
1
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
紙抄きでつくる
フレキシブルペーパー電子デバイス
2014/11/27 A-STEP発 新技術説明会
2
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
フレキシブルエレクトロニクス Flexible electronics
3
ナノセルロースでつくる透明な紙 Transparent paper made from nanocellulose
セルロースナノファイバー樹木
1.5kV ×250 100 μm
パルプ(通常の紙の原料) 機械処理
幅 4-15 nm!! 幅 数10 μm
密度: 1.42 g/cm3
厚さ: 20 μm
光透過率: 85%@550 nm
熱膨張率: 8 ppm/K
ホットプレス110°C, 1 MPa, 20 min
0.3 wt%, 40 mL 吸引濾過20 min 次世代の透明な紙
従来の白い紙
4
薄い・軽い・柔軟 安い・植物100%
+ 透明
M. Nogi et al., Appl. Phys. Lett., 102, 181911 (2013)
透明な紙を用いるペーパーエレクトロニクス Transparent paper electronics
5
新技術① フレキシブル透明導電紙 Flexible, transparent and conductive paper
「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
Koga H., et al., NPG Asia Mater., 6, e93 (2014)
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
吸引濾過
20 min
セルロースナノファイバー水懸濁液 （0.35 wt%, 40 mL）
吸引濾過
20 min
カーボンナノチューブ (CNT)水懸濁液
銀ナノワイヤ (AgNW)水懸濁液
or
①透明な紙 ②導電ネットワークの順に2段階濾過
7
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
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
8
透明導電紙 Transparent conductive paper
CNT透明導電紙
AgNW透明導電紙 透明な紙
9
100 101 102 103
Tra
nsm
itta
nce (
%)
40
50
60
70
80
90
100
Sheet resistance (Ω sq-1)
AgNW
Nanopaper
Filtration
Bar coat
Spin coat
PET film
Drop coat
Bar coat
Spin coat
at λ
= 5
50 n
m
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
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 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
10
102 103 104
Tra
nsm
itta
nce
(%
)
40
50
60
70
80
90
100
Sheet resistance (Ω sq-1)
CNT
Nanopaper
Filtration
PET film
Drop coat
at λ
= 5
50 n
m
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
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
11
推定機構 Putative mechanism
AgNW networks on a PET film
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
【従来塗布法】
12
推定機構 Putative mechanism
10 μm
AgNW network on a transparent paper
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
【濾過塗布（抄紙）法】
12 Ω/□@88%T
抵抗値75分の1!!
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
1 μm
AgNW network on a PET film AgNW network on a transparent paper
銀ナノワイヤが透明な紙表面に埋め込まれている
1 μm
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
Peeling test cycle
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Re
lati
ve
re
sis
tan
ce
1
2
3
4
5AgNW@nanopaper
AgNW@PET film
CNT@nanopaper
CNT@PET film
AgNW@
nanopaper
AgNW@
PET film
CNT@
nanopaper
CNT@
PET film テープ剥離しない!
透明な紙基板上の導電材料は高い密着性を示す
15
透明導電紙のフレキシビリティ Flexibility of transparent conductive paper
CNT@nanopaper
AgNW@nanopaper
折り畳んでもOK !
素手で掴んでもOK !
ペーパークラフトも可能！
16
電子ペーパー応用 e-paper
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
PEDOT/PSS
＋
－
17
電子ペーパー応用 e-paper
倍速
電子ブックも紙でつくる！
18
接着・一体化
還元型GO/パルプ紙(電極)
還元型GO/パルプ紙(電極)
紙(セパレータ)
Time (s)
0 200 400 600 800 10001200
Po
ten
tia
l (V
)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0Current density: 0.5 A/g
充放電曲線
300 F/g
活性炭電極の約10倍!!
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
GO:酸化グラフェン
岡山大 仁科准教授提供 http://nisina-materials.com/company/
新技術② 蓄電紙 Energy-storage paper
19
紙
先端レベルのメモリ機能 ON/OFF比 106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!!
[0] [1]
※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
新技術③ デジタル情報を記憶する紙 Ultra flexible non-volatile paper memory (ReRAM)
Nagashima K., Koga H., et al., Sci. Rep., 4, 5532 (2014)
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
