キーワード:
ITO代替/インジウム問題/結晶構造/光学特性/導電性/有機EL透明導電膜/インジウムベース透明電極/ZnO系透明導電膜/化学的安定性/省・脱インジウム/ITOナノインク/酸化インジウムベース多元系酸化物/薄膜太陽電池/応用展開
刊行にあたって
透明導電膜は、応用面において1970年代後半から薄膜太陽電池用透明電極、1980年代からフラットパネルディスプレイ用及びタッチパネル用透明電極として集中的に研究開発され、現在、これらの用途で広く実用されている。透明導電膜用材料としては、NESA膜を始めとして透明導電性金属酸化物(TCO)半導体薄膜が使用され、1950年代からSnO2系、1970年代からIn2O3系、1980年代からZnO系、そして1990年代から多元系TCOが、成膜技術の発展と相まって研究開発されている。また、このような市場の求める材料技術や成膜技術の研究開発に立脚する透明導電膜の進化を解説する書籍として、1999年に最新実用技術にフォーカスした「透明導電膜の新展開」(澤田豊監修、シーエムシー出版)が出版されている。2002年には続編として「透明導電膜の新展開II」(澤田豊監修、シーエムシー出版)、2008年にはITOとその代替材料開発にフォーカスした「透明導電膜の新展開III」(南内嗣監修、シーエムシー出版)が出版された。
一方、2000年代後半からのナノテクノロジーの台頭に加えて脱レアアース及びフレキシブル化等の要請もあり、本来透明でない材料を利用する新規な透明電極の研究開発が始まっている。すなわち、実用化されている透明電極はITO薄膜を始めとする薄膜形状が主流であるが、特定用途に適合する特性(性能)を実現する各種材料を利用した多様な形状の材料技術が開発されている。その結果、応用面の多様化のみならず学際的な透明導電膜の新しい展開を予期させる、多くの新しい材料技術及び成膜技術が研究開発されている。例えば、金属粒子、特に銀ナノ粒子の開発及びこの粒子を利用する透明導電パターン形成技術の進展が注目され、塗布技術や印刷技術を使用した透明電極形成技術が実用段階にある。更に、炭素系のグラフェンの透明導電膜への応用が注目され、積層膜の塗布技術及び単層膜の成膜技術と転写形成技術も実用段階にある。CNTの透明導電膜への応用も着実に進展している。また、フレキシブル化の可能なタッチパネル、有機を含む薄膜太陽電池及び有機EL(OLED)では、上述のフレキシブル透明導電膜材料に加えて透明導電性有機薄膜を利用するフレキシブル透明電極に対するニーズも高まっている。今後、高価な真空系を使用しない、塗布法のような安価で多様な形成技術が利用可能になるだろう。応用面では、iPadやスマートフォンの出現によるディスプレイと一体化するタッチパネルにおいて機能や耐久性の劇的な進化が実現されている。また、昨年の3月11日の東日本大震災がもたらした電力供給問題に端を発した太陽電池発電に対する大きな期待、並びに省エネルギー技術の取り組みの一環としての冷暖房効率を高める調光窓(スマートウィンドー)の利用が再認識されている。これらの用途における透明導電膜の需要の劇的な増大が期待されている。以上のように透明導電膜分野では、現在、材料技術及び成膜技術の双方において画期的で多様な展開が進行しつつあり、併せて有機ELや薄膜太陽電池用透明電極への応用に対して最適なTCO透明導電膜の開発が急務である。
そこで、前版「透明導電膜の新展開III」から3年以上が経過して、最近の透明導電膜分野における新しい展開に鑑みて「透明導電膜の新展開IV」の出版が企画された。監修に当たっては本シリーズの趣旨に沿って透明導電膜に関係する最先端技術、並びに実際に直面している重要な問題点にフォーカスした内容を取り上げるよう努力をした積りである。しかし、当初の企画が先行及び同時進行するシーエムシー出版の他の企画と重なる部分があり、それらの部分に関しては調整、割愛させて頂いた。
最後になりましたが、ご多忙にもかかわらず本書の執筆を快く引き受けて下さった著者の皆様に深く感謝申し上げます。
2012年10月
金沢工業大学 南 内嗣
<普及版の刊行にあたって>
本書は2008年に『透明導電膜の新展開Ⅲ-ITOと』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。
シーエムシー出版 編集部
著者一覧
田中昭代 九州大学大学院
平田美由紀 九州大学大学院
大前和幸 慶應義塾大学
矢作政隆 日鉱金属(株)
中澤弘実 岩手大学大学院
浮島禎之 (株)アルバック
清田淳也 (株)アルバック
小川倉一 三容真空工業(株)
宇都野太 出光興産(株)
澤田 豊 東京工芸大学
村松淳司 東北大学
蟹江澄志 東北大学
佐藤王高 DOWAエレクトロニクス(株)
大沢正人 (株)アルバック
油橋信宏 (株)アルバック
林 茂雄 (株)アルバック
小田正明 (株)アルバック
内海健太郎 東ソー(株)
尾山卓司 旭硝子(株)
櫛屋勝巳 昭和シェル石油(株)
山本哲也 高知工科大学
藤田貴史 ナガセケムテックス(株)
一杉太郎 東北大学
鯉田 崇 (独)産業技術総合研究所
内田孝幸 東京工芸大学
岩岡啓明 ジオマテック(株)
鈴木晶雄 大阪産業大学
仁木 栄 (独)産業技術総合研究所
松原浩司 (独)産業技術総合研究所
反保衆志 (独)産業技術総合研究所
柴田 肇 (独)産業技術総合研究所
中原 健 ローム(株)
重里有三 青山学院大学
今 真人 青山学院大学
執筆者の所属表記は、2008年当時のものを使用しております。
目次 + クリックで目次を表示
第1章 材料技術、製膜技術及びプロセス適合化技術 南 内嗣
1 はじめに
2 材料開発と製膜技術
3 ITO代替技術開発の現状
3.1 インジウム問題
3.2 代替材料開発
4 おわりに
【第2編 インジウムベース透明電極の現状と問題点】
第2章 インジウム化合物の毒性とITO取り扱い上の注意 田中昭代 平田美由紀 大前和幸
1 はじめに
2 実験動物におけるインジウムの影響
3 ヒトにおけるインジウムの影響
4 インジウムによる健康障害の予防と対策
5 おわりに
第3章 In2O3系とZnO系の比較的検討 矢作政隆
1 ITO(In2O3-SnO2)代替材料のニーズとIn資源問題
2 ITOとZnO系透明導電体の基本的性質の比較
2.1 化学的安定性の比較
2.1.1 平衡状態図の比較
2.1.2 ターゲットの焼結プロセスにおける安定性
2.1.3 フィルムの化学的・電気化学的安定性
2.2 点欠陥構造
2.3 フィルムの微構造と抵抗率
3 今後の展開
第4章 In2O3系透明導電膜
1 ITOの基本特性 中澤弘実
1.1 はじめに
1.2 ITO(In2O3)の構造
1.3 ITO(In2O3)の導電性,透明性の起源
1.3.1 導電性
1.3.2 透明性
1.4 ITO(In2O3)の基本的な電子輸送機構
1.5 実用的なITO膜の基本特性
1.5.1 結晶構造,結晶性の成膜温度依存性
1.5.2 表面形状
1.5.3 伝導特性
1.5.4 光学特性
1.6 まとめと今後の課題
2 有機EL用透明導電膜 浮島禎之
2.1 はじめに
2.2 透明導電膜全般
2.2.1 透明導電膜の種類
2.2.2 透明導電膜の作製方法
2.2.3 低抵抗化技術(低電圧スパッタ法)
2.3 有機EL用透明導電膜
2.3.1 有機ELとは
2.3.2 有機EL用透明導電膜に要求される特性
2.3.3 表面平滑ITO(Super ITO)膜の作製法
2.3.4 対向スパッタ法
2.3.5 In-Zn-O系透明導電膜
2.4 おわりに
3 スパッタ法を用いたLCD用ITO膜の作製技術 清田淳也
3.1 はじめに
3.2 各種LCDにおける透明導電膜の要求特性と生産装置
3.3 TN, STN用透明導電膜の形成方法-低抵抗ITO膜の形成
3.4 低抵抗ITO/カラーフィルター成膜技術
3.5 TFT画素用透明導電膜の成膜技術
3.5.1 H2O添加による非晶質ITO膜
3.5.2 In-Zn-O系非晶質透明導電膜
3.6 おわりに
4 PDP用ITO薄膜 小川倉一
4.1 はじめに
4.2 透明導電材料と薄膜作製法
4.2.1 透明導電膜材料
4.2.2 透明導電薄膜作製方法
4.3 高品質ITO薄膜作製例と諸特性
4.3.1 低電圧マグネトロンスパッタ法によるITO薄膜の作製例
4.3.2 低エネルギーイオンプレーティングによるITO薄膜
4.3.3 低温プロセスによるITO薄膜の比較
4.4 今後の課題とまとめ
5 アモルファスIn2O3-ZnO系薄膜 宇都野 太
5.1 はじめに
5.2 In2O3-ZnO透明導電膜の特徴
5.2.1 電気特性
5.2.2 エッチング特性
5.2.3 アモルファスIn2O3-ZnO系薄膜の構造
5.3 In2O3-ZnOの成膜特性
5.3.1 In2O3-ZnOの成膜方法
5.3.2 In2O3-ZnOのスパッタリング特性
5.3.3 In2O3-ZnOターゲットの特徴
5.4 新規デバイスへの展開
6 酸化インジウムに対するスズおよび亜鉛以外の不純物添加 澤田 豊
6.1 はじめに-スズ添加が最適という判断の経緯
6.2 酸化インジウム薄膜に対する+4価金属イオンの添加
6.2.1 チタン添加酸化インジウム薄膜
6.2.2 ジルコニウム添加酸化インジウム薄膜
6.2.3 セリウム添加酸化インジウム薄膜
6.3 酸化インジウム単結晶および焼結体に対する+4価金属イオンの添加
6.3.1 酸化インジウム単結晶に対する+4価金属イオンの添加
6.3.2 酸化インジウム焼結体における+4価金属イオンの添加
6.4 +4価金属イオン添加に関するまとめ
6.5 その他のイオンの添加
6.6 アモルファス酸化インジウムにおけるイオン添加
6.7 おわりに
【第3編 インジウム使用量削減の可能性】
第5章 ITOインク
1 ITOナノインクの新合成法と新薄膜化技術 村松淳司 蟹江澄志 佐藤王高
1.1 はじめに
1.2 従来法
1.3 液相法単分散粒子合成
1.4 ゲル-ゾル法
1.5 単分散ITO粒子合成
1.6 今後の指針
2 ITO透明導電膜形成用インクの開発とその特性 大沢正人、油橋信宏、林茂雄、小田正明
2.1 はじめに
2.2 ITO透明導電膜形成用インク
2.3 インク(塗布型材料)に用いるナノ粒子
2.4 ナノ粒子の作製法
2.5 ガス中蒸発法と独立分散ナノ粒子
2.6 独立分散ITOナノ粒子インク(ITOナノメタルインク)
2.7 インクジェット法によるITOパターンの形成
2.8 おわりに
第6章 In2O3ベース多元系酸化物透明導電膜
1 In2O3-SnO2系透明導電膜における電気光学特性のSnO2量依存性 内海健太郎
1.1 はじめに
1.2 評価方法
1.3 電気特性
1.3.1 導電機構
1.3.2 酸素分圧依存性
1.3.3 SnO2量依存性
1.4 光学特性
1.4.1 多結晶膜
1.4.2 非晶質膜
1.5 結晶性
1.6 耐候性
1.6.1 耐熱安定性
1.6.2 耐湿安定性
1.7 まとめ
2 Zn-In-Sn-O系 南内嗣
2.1 はじめに
2.2 Zn-In-O系
2.3 In-Sn-O系
2.4 Zn-In-Sn-O系
2.5 おわりに
第4編 【インジウム未使用代替材料の可能性】
第7章 薄膜太陽電池用透明導電膜
1 Si系薄膜太陽電池用の透明導電膜 尾山卓司
1.1 はじめに
1.2 Si系薄膜太陽電池の構造と透明導電膜に要求される特性
1.3 透明導電膜の現状
1.3.1 SnO2:F
1.3.2 ZnO系透明導電膜
1.4 今後の課題
2 CIS系薄膜太陽電池用の透明導電膜 櫛屋勝巳
2.1 はじめに—CIS系薄膜太陽電池用透明導電膜
2.2 CIS系薄膜太陽電池用透明導電膜の開発の歴史
2.3 CIS系薄膜太陽電池の透明導電膜窓層開発の現状
2.3.1 CIS系光吸収層のバンドギャップ構造に最適なn型ZnO膜の開発
2.3.2 高抵抗バッファ層の材質に最適なn型ZnO膜の開発
2.3.3 インターコネクト部を有する集積型構造に最適なn型ZnO膜の開発
2.3.4 量産性のあるn型ZnO膜製膜法の開発
2.4 まとめ—CIS系薄膜太陽電池の透明導電膜の解決すべき課題
第8章 LCD用ZnO系透明電極
1 マグネトロンスパッタ製膜と不純物共添加 南内嗣
1.1 ITO透明電極形成の現状
1.2 ZnO系透明導電膜の特徴
1.3 ZnO系透明電極形成の問題点
1.4 抵抗率分布の改善
1.5 安定性と不純物共添加効果
1.5.1 耐湿安定性
1.5.2 不純物共添加効果
2 アークプラズマ蒸着製膜とZnO薄膜性能 山本哲也
2.1 はじめに
2.2 イオンプレーティング法とは
2.2.1 イオンが基板・薄膜に及ぼす影響
2.2.2 他の製膜法との比較
2.3 反応性プラズマ蒸着法(RPD:Reactive Plasma Deposition)
2.3.1 アーク放電
2.3.2 蒸発源
2.3.3 基板温度
2.3.4 反応性プラズマ蒸着法によるZnO薄膜構造の特徴
2.4 ガリウム添加酸化亜鉛薄膜の特性
2.4.1 薄膜構造の膜厚依存性とその制御
2.4.2 電気特性
2.4.3 光学特性
2.5 おわりに
第5編 【新しい応用展開の可能性】
第9章 有機系透明導電膜 藤田貴史
1 はじめに
2 透明導電膜の現状
2.1 ITOを取り巻く現状
2.2 透明導電性材料
2.3 ITOフィルムと導電性ポリマーの比較
2.3.1 原料
2.3.2 成膜
2.3.3 特性
2.4 π共役系導電性ポリマー
3 PEDOT/PSS
3.1 ポリチオフェン系導電性ポリマー(PEDOT/PSS)の特性
3.2 PEDOT/PSSの導電性の向上
4 透明電極用デナトロンフィルム
4.1 代表グレードの特徴
4.2 ITOスパッタフィルムとの比較
5 パターニング
5.1 リフトオフ法を応用した方法
5.2 感光性デナトロン
6 用途展開
7 おわりに
第10章 TiO2系透明導電体 一杉太郎
1 はじめに
2 アモルファス成膜時の酸素分圧の重要性—シード層の導入
3 シード層の導入
3.1 アナターゼの結晶性向上
3.2 結晶化温度の低下
4 光学的特性
5 さらなる低抵抗化と低温プロセスに向けて
6 おわりに
第11章 近赤外線透過高移動度透明導電膜 鯉田崇
1 はじめに
2 透明導電膜の近赤外領域の光学特性と電気特性の関係
3 近赤外透過高移動度透明導電膜の材料開発
3.1 材料開発方法
3.2 金属原子添加による高移動度化
3.2.1 Ti、Zr、Sn添加In2O3エピタキシャル薄膜の電気特性比較
3.2.2 ガラス基板上Zr添加In2O3多結晶薄膜の電気特性
3.3 水素原子添加および固相結晶化による高移動度化
4 おわりに
第12章 有機EL用透明電極
1 有機EL用透明電極 内田孝幸
1.1 はじめに
1.1.1 透明導電膜
1.1.2 有機EL素子の市場の動向
1.1.3 有機EL素子のための透明導電膜
1.2 有機EL素子のための透明導電膜
1.2.1 ボトムエミッション用TCO基板
1.2.2 トップエミッション用TCO
1.3 まとめ
2 有機EL用ITO膜-平坦化ITOの成膜技術 岩岡啓明
2.1 有機ELの特徴と透明電極に求められる性能
2.1.1 有機ELの特徴
2.1.2 有機EL用透明電極に求められる性能
2.2 PVD法により成膜したITOの性能
2.2.1 成膜装置の構成
2.2.2 構造的特性の比較
2.2.3 電気的、光学的特性の比較
2.2.4 エッチングレート・耐久性の比較
2.2.5 各成膜方法におけるメリット・デメリット
2.3 平坦化ITOの成膜技術
2.3.1 アニール処理による結晶化
2.3.2 ドーパント濃度・物質の最適化
2.3.3 成膜パラメータの最適化
第13章 ZnO系透明導電膜の新しい応用展開
1 PLD法による高性能透明導電膜 鈴木晶雄
1.1 はじめに
1.2 高性能なZnO系透明導電膜が得られるPLD(パルスレーザー堆積)法
1.3 PLD法によるZnO系透明導電膜の作製
1.3.1 極めて低い抵抗率(10-5Ω・cmオーダー)を達成したAZO透明導電膜
1.3.2 超薄膜領域(膜厚50nm以下)のAZO透明導電膜で低抵抗率と平坦化を達成
1.3.3 低温(室温〜90℃)有機基板上の低抵抗なAZOおよびGZO透明導電膜
1.3.4 ITO(インジウム)の使用を大幅に削減したAZO透明導電膜とITOを積層させて作製したハイブリッド透明導電膜
1.4 まとめ
2 ZnO透明導電膜の新機能 仁木栄、松原浩司、反保衆志、柴田肇
2.1 はじめに
2.2 次世代の透明導電膜への要求
2.3 ZnO系透明導電膜の製膜と赤外吸収
2.4 バンドエンジニアリング
2.5 まとめ
3 ZnO系透明導電膜のLEDへの応用 中原健
3.1 はじめに
3.2 LEDと透明導電物質
3.3 透明導電材料としてのZnO
3.4 ZnO透明導電膜成長方法とLEDへの応用
3.5 開発した透明電極の実力
3.6 今後の展開と他用途への応用
4 反応性スパッタによる高速成膜 重里有三、今真人
4.1 スパッタ成膜法
4.2 反応性パルスマグネトロンスパッタ法(アーキングの抑制)
4.3 プラズマ発光強度制御法とインピーダンス制御法(遷移領域の制御)
4.4 遷移領域におけるAZOの安定成膜
4.4.1 DMS成膜装置
4.4.2 DMSプラズマ発光強度制御法
4.4.3 DMSインピーダンス制御法
4.4.4 ユニポーラパルススパッタ法
4.5 まとめ
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