indio - Luces del Norte de Pekín Co., Ltd.

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 16838 (2015) Citar este artículo

6151 Accesos

55 citas

Detalles de métricas

Presentamos un electrodo de malla multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O libre de indio y rentable desarrollado mediante pulverización catódica rollo a rollo a temperatura ambiente como una alternativa viable a los electrodos ITO para la producción rentable de paneles de pantalla táctil flexibles de área grande (TSP). Mediante el uso de una capa intermedia de Cu metálico de baja resistividad y una estructura de malla estampada, obtuvimos electrodos de malla multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O con una baja resistencia de lámina de 15,1 ohmios/cuadrado y una alta transmitancia óptica del 89 %, así como una buena flexibilidad mecánica. Los resultados de las pruebas de flexión exterior/interior mostraron que el electrodo de malla Cu2O/Cu/Cu2O tenía una flexibilidad mecánica superior a la de las películas ITO convencionales. Utilizando los electrodos de malla multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O con patrón de diamante, demostramos con éxito los TSPS del tipo película-película flexible y los TSP rígidos del tipo película-película de vidrio. Los TSP con electrodo de malla Cu2O/Cu/Cu2O se usaron para realizar funciones de acercar/alejar y escritura multitáctil, lo que indica que estos electrodos son electrodos transparentes rentables prometedores para sustituir a los electrodos ITO convencionales en TSP flexibles de gran área.

Los paneles de pantalla táctil (TSP) se han considerado componentes clave en dispositivos de información tales como teléfonos celulares móviles, sistemas de navegación, pantallas planas informativas y tabletas móviles. Entre los diversos tipos de TSP, los TSP de tipo capacitivo son los más utilizados en los dispositivos móviles de información debido a su capacidad para funciones multitáctiles y multitarea, así como a su fácil proceso de fabricación. Sin embargo, con la aparición de los teléfonos celulares móviles flexibles y las pantallas planas curvas, se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar TSP flexibles de tipo capacitivo1,2. Para realizar TSP flexibles de alto rendimiento, es importante desarrollar electrodos transparentes y flexibles de alta calidad porque la función multitáctil o la velocidad táctil de los TSP, así como su transparencia, dependen de manera crítica de la resistencia de la lámina y la transparencia óptica de sus electrodos transparentes. . Aunque las películas de óxido de indio y estaño (ITO) se usan más comúnmente como electrodos transparentes en TSP de tipo resistivo o capacitivo debido a su alta transparencia y conductividad, existen problemas críticos que hacen que el uso de ITO no sea práctico en TSP flexibles rentables, incluidos la alta resistencia laminar de las películas delgadas de ITO, la escasez de recursos de indio y, por lo tanto, el alto costo de ITO y las malas propiedades mecánicas de las películas de ITO3,4,5. Para reemplazar las películas ITO convencionales de alto costo, se han investigado varios materiales de electrodos transparentes para su uso como electrodos transparentes rentables en TSP, incluida la red de nanotubos de carbono (CNT), la película de grafeno y la película de polímero conductor6,7,8,9,10. Sin embargo, estos electrodos transparentes solo han dado un rendimiento modesto en los TSP debido a la resistencia laminar relativamente alta de los CNT o el grafeno y la inestabilidad de los polímeros conductores. Además, las redes de percolación de nanocables metálicos (NW) y los electrodos de rejilla metálica basados en Ag o Cu también se han investigado intensamente debido a su baja resistividad y flexibilidad superior11,12,13,14,15,16. Sin embargo, la mala adhesión de las redes de Ag NW, su topografía no uniforme, su fácil degradación y su inestabilidad frente a la electricidad estática es un problema crítico para los electrodos de red de Ag NW14. En el caso de los electrodos de rejilla de metal (Ag o Cu), la resistividad es muy baja (2,0–4,2 × 10−5 Ohm-cm), pero el uso de metal altamente reflectante genera problemas de visibilidad17,18. Aunque Kim et al. informaron la baja resistencia de lámina (6,197 ohmios/cuadrado) y la alta transmitancia (90,65 %) de la malla de nido de abeja de Cu cubierta por una película de ZnO dopada con Al, la alta reflectividad de la malla metálica de Cu sigue siendo un problema para usar como electrodos transparentes para TSP19. Recientemente, los electrodos multicapa de óxido-metal-óxido (OMO) han surgido como electrodos transparentes prometedores para diodos emisores de luz orgánicos flexibles, células solares orgánicas flexibles, TSP flexibles, dispositivos de memoria flexibles y transistores de película delgada de óxido flexible debido a su baja resistividad, alta transmitancia y buena flexibilidad por su baja resistividad, alta transparencia y flexibilidad mecánica20,21,22,23,24,25,26,27. Sin embargo, las películas multicapa OMO como ITO/Ag/ITO, IZO/Ag/IZO e IZTO/Ag/IZTO aún contienen los elementos de alto costo de indio y plata. Aunque estos electrodos OMO basados en Ag se han explorado ampliamente debido a la muy baja resistividad causada por la capa intermedia de Ag y la alta transmitancia causada por el efecto antirreflectante de la estructura dieléctrica/metálica/dieléctrica, no ha habido informes sobre el uso de malla. -multicapas OMO modeladas como electrodos transparentes y flexibles para TSP flexibles. En particular, el desarrollo de multicapas OMO basadas en Cu sin indio de estructura de malla es imperativo para sustituir las multicapas OMO convencionales basadas en ITO o Ag de alto costo para permitir TSP de tipo capacitivo flexibles y rentables.

En este trabajo, investigamos las propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas de electrodos multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O con patrón de malla cultivados mediante pulverización catódica de rollo a rollo (RTR) y patrón húmedo basado en RTR a temperatura ambiente. Al modelar en húmedo la multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O como una estructura de malla de tipo diamante, fabricamos un electrodo de malla transparente de Cu2O/Cu/Cu2O con una resistencia de lámina de 38 ohmios/cuadrado y una transmitancia óptica del 90 %. Hasta donde sabemos, este es el primer informe sobre el uso del electrodo de malla multicapa OMO basado en Cu para TSP flexibles. Los TSP flexibles de tipo capacitivo con rejilla multicapa Cu2O/Cu/Cu2O se operaron con éxito, demostrando así la posibilidad de utilizar electrodos de malla Cu2O/Cu/Cu2O rentables para reemplazar los electrodos ITO convencionales de alto costo o los electrodos OMO basados en Ag.

La figura 1a ilustra esquemáticamente el proceso de pulverización catódica RTR continuo que se utiliza para depositar la capa inferior de Cu2O, la capa intermedia de Cu y la película superior de Cu2O sobre un sustrato de PET flexible sin romper el vacío. Usando un sistema de pulverización catódica RTR a escala piloto (Figura S1), la multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O se depositó sobre un sustrato de PET de 250 mm de ancho mediante el uso de un objetivo metálico de Cu rectangular bajo un ambiente de Ar/O2 para las capas de Cu2O y un ambiente de Ar para el capa intermedia de Cu. Para simplificar, en lo sucesivo nos referiremos a las películas multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O como películas OCO. La figura 1b muestra la película multicapa de OCO de color marrón-negro resultante; tenía una resistencia laminar muy baja de 0,2 Ω/cuadrado y una resistividad de 5,9 × 10−5 Ω-cm antes del patrón de malla. La Figura 1c muestra una imagen de microscopio óptico de los electrodos de malla OCO superiores e inferiores combinados que tienen patrones en forma de diamante; estos electrodos combinados se utilizaron para fabricar TSP flexibles. A diferencia del color negro de las películas multicapa de OCO depositadas en la Fig. 1b, los electrodos de OCO con patrón de malla eran muy transparentes debido a su rejilla de malla muy delgada, que tenía aproximadamente 5 μm de ancho. La Figura 1d muestra TSP flexible con electrodos de malla OCO transparente. Si se quitara el vidrio protector superior, los TSP podrían funcionar como TSP flexibles porque las películas de OCO/PET superior e inferior tenían una buena flexibilidad (Fig. 1d, izquierda).

(a) Ilustración esquemática del proceso de pulverización catódica RTR continuo utilizado para fabricar películas multicapa de Cu2O/Cu/Cu2O sobre un sustrato de PET. (b) Imagen del electrodo multicapa Cu2O/Cu/Cu2O marrón-negro antes del patrón de malla. (c) Imagen de microscopio óptico de electrodos de malla de Cu2O/Cu/Cu2O superiores e inferiores combinados. ( d ) Imagen de TSP flexibles que utilizan electrodos de malla superior e inferior con patrón de diamante de un ancho de línea de 5 μm y un espaciado de 450 μm, antes y después de la fijación del cubreobjetos.

La Figura 2a ilustra esquemáticamente el proceso de creación de patrones de malla de películas multicapa de OCO pulverizadas con RTR mediante el uso de un sistema de grabado en húmedo basado en RTR (Figura S2). Mediante el recubrimiento RTR de una capa de fotorresistencia líquida (LPR) y la exposición a los rayos UV de las películas LPR/OCO/PET con enmascaramiento positivo, diseñamos con éxito películas multicapa de OCO con estructura de malla de varios anchos de línea de cuadrícula de malla de 5 a 11 μm (Fig. 2b). Debido al color oscuro de la capa de Cu2O, no hubo brillo del electrodo de malla de OCO, a diferencia de los electrodos de malla metálica de Ag o Cu. La imagen inferior de la Figura 2b muestra claramente la alta transparencia de las películas OCO con patrón de malla para todos los anchos de línea por debajo de 11 μm. La pulverización catódica RTR continua y el proceso de grabado en húmedo basado en RTR de las películas multicapa OCO indican que el proceso de fabricación del electrodo de rejilla multicapa OCO es muy compatible con el proceso de fabricación actual del electrodo ITO.

( a ) Ilustración esquemática del proceso de patrón de malla utilizado para formar películas multicapa de OCO de varios anchos de línea de rejilla de malla. ( b ) Imágenes de microscopio de las mallas multicapa OCO de varios anchos de línea e imágenes que demuestran la transparencia de los electrodos de malla OCO.

La Figura 3a muestra los resultados de la medición de Hall obtenidos a partir de electrodos multicapa OCO con patrón de malla de varios anchos de línea. La resistencia laminar y la resistividad de los electrodos de malla OCO disminuyeron significativamente a medida que el ancho de la línea aumentó de 5 a 11 μm. El electrodo de malla OCO de 11 μm de ancho de línea tuvo la resistencia de hoja más baja de 15,1 Ω/cuadrado y la resistividad de 6,8 × 10−4 Ω-cm, debido a la presencia de la capa intermedia de Cu metálico. Sin embargo, en comparación con las películas de OCO depositadas antes del patrón en húmedo, los electrodos de OCO con patrón de malla mostraron una mayor resistividad y resistencia de lámina porque la mayor parte de la capa de Cu se eliminó mediante el proceso de grabado en húmedo para aumentar la transparencia de la multicapa de OCO. Aunque la resistividad de los electrodos de OCO con patrón de malla fue mayor que la de las rejillas metálicas de Ag o Cu debido a la presencia de una capa semiconductora superior e inferior de Cu2O en la multicapa de OCO, la resistencia de la lámina fue aceptable para la fabricación de TSP flexibles de área grande por encima de 40 pulgadas1,17,18,19. Suponiendo que la resistencia total del electrodo de malla OCO se puede representar simplemente como resistencias acopladas en paralelo de las capas inferiores de Cu2O, Cu y superior de Cu2O (Fig. 3b). Es probable que la ruta de conducción principal en este electrodo multicapa OCO sea la capa intermedia de Cu metálico, similar a los electrodos multicapa OMO informados anteriormente20,21,22. Para dilucidar la contribución eléctrica de la capa de Cu en la multicapa de OCO depositada, se extrajeron la resistencia de la hoja y la resistividad de la capa delgada de Cu insertada utilizando las siguientes ecuaciones (1) y (2).

( a ) Resistencia de lámina y resistividad de electrodos de malla multicapa OCO versus sus anchos de línea de cuadrícula. ( b ) Circuito esquemático del electrodo de malla multicapa OCO. ( c ) Transmitancia óptica y ( d ) reflectancia de electrodos de malla multicapa OCO que tienen varios anchos de línea. ( e ) Comparación de transmitancias ópticas de varios electrodos transparentes con el electrodo de malla OCO. ( f ) Perfil de profundidad XPS de multicapa OCO.

donde, el Rtotal, RCu2O y RCu son la resistencia laminar de la multicapa, Cu2O y Cu, respectivamente. Asimismo, t y ρ son el espesor y la resistividad de las películas. Suponiendo que el Rtotal de la multicapa de OCO tal como se depositó resultó de la resistencia de las capas individuales de Cu2O inferior (RB-ITO: 34.53 Ohm-cm), la capa de Cu (RCu) y las capas superiores de Cu2O (RT-ITO) acopladas en paralelo como se muestra en el recuadro de la Fig. 3b, es posible calcular la resistividad de la capa intermedia de Cu. Se encontró que la resistividad calculada de la capa intermedia de Cu insertada era de 3,0 × 10-6 ohmios-cm, que es un poco más alta que la del Cu a granel (1,7 × 10-6 ohmios-cm). Por lo tanto, fue evidente que la inserción de la capa de Cu disminuyó significativamente la resistencia total de la lámina y la resistividad del electrodo multicapa OCO. Por lo tanto, las propiedades eléctricas del electrodo de malla OCO se verían afectadas principalmente por las propiedades eléctricas de la capa intermedia de Cu. La figura 3c, d muestra la transmitancia óptica y la reflexión de los electrodos OCO con patrón de malla en el sustrato de PET frente a su ancho de línea. La Tabla 1 resume las propiedades ópticas de los electrodos OCO con patrón de malla. Aunque la transmitancia óptica de estos electrodos OCO disminuyó ligeramente con el aumento del ancho de la rejilla de malla, todos los electrodos de malla multicapa OCO mostraron una alta transmitancia óptica en la región de longitud de onda visible, suficiente para su uso en la fabricación de TSP flexibles y de gran área. Los electrodos OCO con patrón de malla mostraron una transmitancia máxima del 90 % a 550 nm y una transmitancia promedio del 89 % en el rango de longitud de onda visible de 380 a 780 nm. Cabe destacar que la transmitancia óptica de los electrodos de malla multicapa OCO es muy constante en todo el rango visible. En general, los electrodos multicapa OMO transparentes muestran una transmitancia significativamente reducida en la región del IR cercano debido a la severa reflexión de la capa intermedia de metal20,21. Sin embargo, el electrodo multicapa OCO con patrón de malla mostró una alta transmitancia NIR a pesar de que contenía una capa de metal Cu. La figura 3d muestra los espectros de reflectancia obtenidos de un electrodo de malla OCO estampado y una multicapa de OCO depositada. Como era de esperar en función de los resultados de la transmitancia óptica, todos los electrodos multicapa de OCO con patrón de malla mostraron una reflexión baja del 8 %, mucho más baja que la reflexión del 28,5 % de las películas de OCO sin patrón (Fig. 1b). El reflejo de las películas de OCO sin patrón depositadas podría atribuirse al reflejo de la capa intermedia de Cu. En general, la alta reflexión de la capa metálica de Ag, Al o Cu provocó el brillo de los electrodos de la rejilla metálica. Sin embargo, la baja reflexión de la multicapa OCO modelada causada por la capa negra de Cu2O indicó que no hay destellos de los electrodos OCO a diferencia de los electrodos de rejilla metálicos Ag o Cu convencionales. En función de las resistencias de lámina y las transmitancias promedio de los electrodos de malla OCO, se puede determinar el ancho de rejilla de malla óptimo para obtener un electrodo de malla OCO de alta calidad. La cifra de mérito (T10/Rsheet) del electrodo de malla multicapa OCO se calculó en función de la transmitancia óptica promedio (T) y la resistencia de la lámina (Rsheet)28. La cifra máxima de mérito (18,6 × 10−3 Ω−1) se obtuvo para la rejilla de malla OCO con un ancho de línea de 11 μm. Esto es comparable a la cifra de mérito informada anteriormente de 24,7 × 10−3 Ω−1 para una capa de ITO/Ag/ITO cultivada en un sustrato de vidrio20. La Figura 3e compara la transmitancia óptica del electrodo de rejilla de malla OCO con varios otros electrodos transparentes; grafeno transferido, red de nanocables Ag, polímero conductor (PEDOT:PSS) e ITO/vidrio cristalino. A una longitud de onda de 550 nm, el electrodo OCO con patrón de malla mostró una transmitancia óptica más alta que los cuatro de comparación. La Figura 3f muestra un perfil de profundidad de XPS obtenido de un electrodo OCO cultivado en un sustrato de PET, que muestra claramente su composición simple de los elementos rentables de cobre y oxígeno. El perfil de profundidad XPS muestra claramente que la capa superior individual de Cu2O, la capa intermedia de Cu y la capa inferior de Cu2O estaban bien definidas en el PET, sin reacción interfacial entre las capas de Cu y Cu2O. Las capas inferior y superior de Cu2O eran simétricas, lo que indica que estas capas tenían el mismo grosor y composición debido al control exacto sobre el proceso de pulverización RTR. La energía de enlace de Cu 2p1/2 (951,5 eV) y 2p3/2 (931,7 eV) indicó que el reactivo RTR pulverizado desde el objetivo de metal Cu bajo el ambiente de Ar/O2 era la fase de óxido cuproso (Cu2O), según lo confirmado por XPS y Exámenes de difracción de rayos X (Figura S3)29,30,31,32,33.

La microestructura del electrodo OCO con patrón de malla se examinó mediante dispersión de rayos X sincrotrón (XRS) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). La Figura 4a muestra los gráficos XRS de sincrotrón obtenidos de un electrodo multicapa de OCO en un sustrato de PET, incluidos los picos cristalinos de Cu2O (111), (200) y (220), así como los picos de Cu (111) y (200). La fase cristalina de las películas de Cu2O era el óxido cuproso, que es la fase favorecida durante la pulverización catódica reactiva de Cu en una atmósfera de oxígeno31,32,33. El Cu reactivo pulverizado podría formar dos óxidos diferentes, como el óxido cuproso (Cu2O) y el óxido cúprico (CuO), dependiendo de la relación de flujo de oxígeno: Debido a la baja relación de flujo de oxígeno durante la pulverización RTR, el Cu reactivo pulverizado formó un óxido cuproso en el sustrato de PET a pesar de que se preparó a temperatura ambiente. La Figura 4b muestra imágenes TEM de sección transversal de un electrodo multicapa OCO; Estas imágenes muestran claramente las capas inferiores bien definidas de Cu2O (150 nm), Cu (150 nm) y Cu2O superior (150 nm), sin capas de interfaz, como se esperaba según los resultados del perfil de profundidad XPS. Estas interfaces nítidas indicaron que no hubo reacción interfacial o formación de una capa de óxido interfacial entre las capas de Cu2O y Cu, lo que se atribuyó al uso de un proceso de pulverización catódica RTR continuo sin romper el vacío. Las estructuras simétricas de las capas superior e inferior de Cu2O indicaron que el espesor del Cu2O se calibró con precisión mediante el control de la velocidad de laminación durante la pulverización RTR. Un patrón de transformada rápida de Fourier (FFT) en el recuadro de la Fig. 4b mostró un círculo débil y puntos fuertes, que se atribuyeron a las capas policristalinas de Cu2O y Cu31,32,33,34,35. La figura 4c es una imagen HRTEM obtenida de la capa superior de Cu2O (T-Cu2O). Como era de esperar en base a la gráfica XRS, la capa de T-Cu2O eran policristalinos con las orientaciones preferidas (111) y (200). Aunque la capa de T-Cu2O se bombardeó a temperatura ambiente, mostró una estructura policristalina bien desarrollada. La región brillante en la Fig. 4c mostró claramente la existencia de una fase Cu2O cristalina preferida (111) en la capa T-Cu2O. El patrón de FFT en el recuadro de la Fig. 4c también mostró puntos y círculos fuertes, lo que indica una fase cuprosa de Cu2O policristalina con orientaciones preferidas (111) y (200). la figura 4d es una imagen HRTEM obtenida de la interfaz entre la capa intermedia de T-Cu2O y Cu; esta imagen muestra la interfaz bien definida entre la capa metálica de Cu y la capa semiconductora de Cu2O (indicada por una línea discontinua en la figura), atribuida al proceso de pulverización catódica RTR a temperatura ambiente llevado a cabo sin romper el vacío. Como se discutió por Alford et al. la capa metálica en una multicapa OMO actúa como fuente de electrones para la capa de óxido; por lo tanto, la capa intermedia de Cu, que estaba en buen contacto con la capa de Cu2O, podría proporcionar electrones y aumentar la concentración de portadores de la capa de Cu2O27.

( a ) Diagrama de dispersión de rayos X de sincrotrón del electrodo multicapa OCO. ( b ) Imagen TEM de sección transversal del electrodo multicapa OCO con inserción de patrón FFT. (c–d) Imágenes HRTEM obtenidas de la capa superior de Cu2O y la región interfacial superior de Cu2O/Cu.

La Figura 5a muestra los resultados de las pruebas de flexión exterior/interior de películas multicapa de OCO para varios radios de flexión exterior/interior. El cambio en la resistencia del electrodo multicapa OCO que resulta de la flexión se puede expresar como (R-R0)/R0, donde R0 es la resistencia inicial medida y R es la resistencia medida bajo la flexión del sustrato22,26. El panel superior de la Fig. 5 muestra imágenes de los pasos de prueba de flexión exterior/interior con radio de flexión decreciente. Los resultados de la prueba de flexión exterior en la Fig. 5a mostraron que la multicapa de OCO tenía una resistencia constante hasta que el radio de flexión alcanzó los 7 mm. Con base en la siguiente ecuación, podemos calcular la tensión máxima para la película multicapa de OCO curvada con un radio de curvatura decreciente22,26.

( a ) Resultados de la prueba de flexión exterior e interior del electrodo OCO en sustrato de PET flexible para varios radios de flexión. Inserto de películas OCO/PET ilustradas bajo doblado exterior e interior. Los paneles superiores muestran los pasos de doblado exterior e interior de las películas de OCO/PET. (b) Ensayo dinámico de fatiga exterior e interior que comprende 10.000 ciclos a un radio de flexión constante de 10 mm.

Aquí, dOCO y dPET son los espesores de la multicapa de OCO y el sustrato de PET, respectivamente. Doblar una película de OCO de 450 nm de espesor sobre un sustrato de PET de 125 μm de espesor hasta un radio de curvatura de 7 mm dio como resultado una deformación máxima de 0,95 %. La disminución adicional del radio de curvatura exterior aumentó rápidamente en el cambio de resistencia debido a la formación y propagación de grietas en la capa superior de Cu2O. En las pruebas de flexión interior, la resistencia medida de la película multicapa de OCO fue constante hasta que la muestra se dobló hasta un radio de flexión interior de 2 mm (el límite de flexión); en estos radios, la multicapa OCO experimentó la tensión máxima de 3,12%. Aunque las películas de OCO se delaminaron del sustrato de PET o se formaron muchas grietas en las películas de OCO bajo esta condición, el cambio de resistencia fue muy pequeño. Bajo tensión de compresión, la película de OCO flexible se mantuvo funcional a pesar de la deslaminación local de la capa o la formación de grietas, debido a la superposición de capas agrietadas o deslaminadas. Sin embargo, cuando se aplicó la flexión exterior, las películas de OCO estaban bajo tensión de tracción, como se muestra en el recuadro de la Fig. 5a. Debido a esta tensión de tracción, se formaron y propagaron grietas. Por lo tanto, las grietas aislaron la multicapa de OCO y aumentaron el cambio de resistencia cuando se doblaba severamente por debajo del radio de curvatura de 7 mm. La Figura 5b muestra los resultados de las pruebas dinámicas de flexión exterior e interior de la muestra de electrodo de malla multicapa OCO optimizada con ciclos de flexión crecientes en un radio de flexión interior fijo de 10 mm. El radio de curvatura de 10 mm es un grado aceptable de curvatura para su aplicación en TSP flexibles. Ambas pruebas dinámicas de fatiga por flexión exterior no mostraron cambios en la resistencia (ΔR) después de 10 000 ciclos de flexión, lo que demuestra la flexibilidad superior de la multicapa OCO. Esta flexibilidad superior se puede atribuir a la alta resistencia a la falla por deformación de la capa intermedia de Cu metálico entre las capas de Cu2O12.

La figura 6a muestra la estructura esquemática de los TSP de tipo película de vidrio (GFF) con electrodos de malla OCO superior e inferior en forma de diamante. Al aplicar películas adhesivas transparentes ópticas (OCA), las películas de electrodos de malla OCO superiores podrían unirse al electrodo de malla OCO inferior. La figura 6b muestra una imagen de las películas superiores de OCO/PET, la película inferior de OCO/PET y las películas combinadas de OCO/OCA/OCO con malla en forma de diamante de 5 μm de ancho de línea que se utilizan para fabricar TSP. Al conectar los TSP de tipo GFF al software, pudimos operar el TSP en función del electrodo de malla multicapa OCO con diseño de diamante (Figura S4). La Figura 6c muestra las funciones de acercamiento y alejamiento del TSP flexible fabricado en base al electrodo de malla multicapa OCO con diseño de diamante. En general, el TSP de tipo GFF funcionaba mediante la detección exacta de las coordenadas XY y las características de linealidad. Los TSP con electrodos de malla OCO en forma de diamante también se operaron sin cubierta protectora de vidrio, lo que indica la posibilidad de TSP flexibles basados en electrodos de malla OCO. La Figura 6d muestra la función de escritura multitáctil del TSP con una capa de cubierta de vidrio. El TSP con el electrodo de malla multicapa OCO con diseño de diamante se utilizó con éxito para realizar funciones de acercamiento, alejamiento y escritura multitáctil. Esto demostró que el electrodo de malla multicapa OCO con patrón de diamante, que tiene baja resistencia de lámina y alta transmitancia óptica, así como buena flexibilidad mecánica, es un electrodo transparente, flexible y rentable prometedor para sustituir los electrodos ITO convencionales en TSP flexibles de gran área.

( a ) Estructura esquemática de TSP tipo GFF con electrodos de rejilla multicapa superior e inferior basados en película OCA. (b) Imagen de OCO/PET inferior, OCO/PET superior y electrodo de malla OCO fusionado con un ancho de línea de rejilla de 5 μm, utilizado para la fabricación de TSP tipo GFF. ( c ) Función de acercamiento y alejamiento de TSP flexibles tipo GFF fabricados en un electrodo de malla multicapa OCO con patrón de diamante. (d) Las funciones de escritura multitáctil y escritura de un solo toque del TSP con una capa de cubierta de vidrio.

En resumen, desarrollamos un método para fabricar electrodos de malla multicapa OCO libres de indio y rentables mediante pulverización catódica RTR a temperatura ambiente; estos electrodos OCO son una alternativa viable a los electrodos ITO o los electrodos OMO para la producción de bajo costo de TSP flexibles. Al utilizar la baja resistividad de la capa de Cu metálico y la estructura de malla estampada, obtuvimos electrodos de malla multicapa OCO altamente transparentes con baja resistencia de lámina. Se encontró que las propiedades eléctricas y ópticas sintonizables de los electrodos de malla multicapa OCO se vieron afectadas por el ancho de la línea de malla. Los resultados de las pruebas de flexión exterior/interior mostraron que el electrodo de malla OCO tenía una flexibilidad mecánica superior a la de las películas ITO convencionales. Mediante el uso de un electrodo de malla multicapa OCO con patrón de diamante, demostramos con éxito el funcionamiento de los TSP flexibles, incluidas las funciones de acercar/alejar y la escritura multitáctil; esto indicó que los electrodos de malla OCO son prometedores como sustitutos de los electrodos ITO convencionales en TSP flexibles de gran área.

Las películas multicapa de OCO se pulverizaron continuamente sobre un sustrato de PET de 250 mm de ancho (Kimoto Ltd., Japón) a temperatura ambiente mediante el uso de un sistema de pulverización RTR a escala piloto especialmente diseñado (Figura S1). Antes de la pulverización catódica de la capa inferior de Cu2O, la superficie del sustrato de PET se pretrató por medio de la irradiación con un haz de iones de Ar que funcionaba con una potencia pulsada de CC de 1,2 kW; esto eliminó la contaminación orgánica y mejoró la adhesión entre la capa inferior de Cu2O y el sustrato de PET. Después de este tratamiento iónico, la capa inferior de Cu2O de 150 nm de espesor se bombardeó reactivamente sobre el sustrato de PET utilizando un objetivo de Cu (460 mm × 130 mm); las condiciones de operación utilizadas fueron potencia DC de 2,2 kW, presión de trabajo de 3 mTorr, caudal de Ar/O2 de 400/120 sccm y velocidad de rodadura de 0,4 m/min. Después de la pulverización catódica de la capa inferior de Cu2O, se pulverizó directamente una capa de Cu de 150 nm de espesor sobre el Cu2O inferior a una potencia de CC constante de 2,2 kW, una presión de trabajo de 3 mTorr, un caudal de Ar de 450 sccm y una velocidad de rodadura de 0,4 m/ mín. Finalmente, la capa superior de Cu2O se bombardeó sobre la capa de Cu utilizando condiciones idénticas a las utilizadas para la capa inferior de Cu2O y sin romper el vacío.

La resistencia laminar y la resistividad de los electrodos de malla multicapa OCO se midieron por medio de mediciones Hall (HL5500PC, fuerza 0,32 T, tecnología óptica Accent) a temperatura ambiente. La transmitancia óptica del electrodo de malla multicapa OCO se midió mediante espectrometría UV/visible (Lambda 35) realizada en el rango espectral de 220 a 1600 nm. Las propiedades estructurales del electrodo multicapa OCO se analizaron mediante dispersión de rayos X de sincrotrón realizada en la línea de haz GI-WAXS de la fuente de luz Pohang. Las microestructuras y las estructuras interfaciales de los electrodos de malla multicapa OCO optimizados se examinaron mediante microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM). Las imágenes FFT se obtuvieron de una muestra HREM de sección transversal preparada por medio de molienda de haz de iones de enfoque (FIB). Además, las propiedades interfaciales de los electrodos de malla multicapa OCO optimizados se analizaron mediante el uso de perfiles de profundidad de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Las propiedades mecánicas de las multicapas de OCO se evaluaron utilizando un sistema de doblado interior/exterior especialmente diseñado. La prueba de flexión exterior indujo tensiones de tracción en la película, mientras que la prueba de flexión interior indujo tensión de compresión. Además, se llevaron a cabo pruebas de flexión de fatiga dinámica utilizando una máquina de prueba de flexión cíclica diseñada en laboratorio, operada a la frecuencia de 0,5 Hz durante 10.000 ciclos. Las resistencias de las multicapas de OCO se midieron a lo largo de la flexión cíclica.

Para el patrón de malla de las películas de OCO, se revistió una capa de fotorresistencia líquida (LPR) sobre las películas multicapa de OCO pulverizadas con RTR mediante el uso de un sistema comercial de revestimiento con troquel de ranura (DKT Ltd., Corea). Luego, las películas de OCO recubiertas con LPR pasaron por una cámara de calentamiento por medio de movimientos de rodillos de desenrollado y rebobinado (Figura S5). Las películas multicapa de OCO pulverizadas con RTR se modelaron utilizando un sistema de modelado húmedo (Figura S2). Las películas multicapa de OCO recubiertas con LPR se expusieron a la luz ultravioleta mediante el uso de una máscara de rejilla positiva. Las películas multicapa de OCO expuestas a los rayos UV se modelaron con un revelador de tipo spray utilizando una solución de revelado (EN-DT238E: hidróxido de tetrametilamonio al 3 %, tensioactivo al 2 %, agua desionizada al 95 %). Las películas multicapa de OCO estampadas se grabaron posteriormente mediante un sistema de grabado en húmedo de tipo spray utilizando una solución de grabado (0,5 % de FeCl3 en agua desionizada). Las películas de OCO grabadas en húmedo se decaparon con un sistema de decapado tipo rociador utilizando una solución de decapado (EN-S800Mo: éteres de glicol al 10 %, gluconato de sodio al 10 %, EDTA al 10 %, surfactante al 5 %, agua desionizada al 65 %). Finalmente, las películas multicapa de OCO despojadas se limpiaron mediante un sistema de enjuague tipo rociador usando agua desionizada. Los electrodos de malla multicapa OCO con diseño de diamante resultantes se usaron para fabricar TSP flexibles de tipo película y TSP rígidos de tipo GFF. Las películas OCO/PET superior e inferior OCO/PET se unieron entre sí usando una película OCA. Las películas de OCO/PET/OCA/OCO/PET resultantes se conectaron a una placa de circuito impreso flexible mediante la unión del patrón de metal y el FPCB a una película conductora anisotrópica (Figura S4). Al unir una cubierta de vidrio a las películas superiores de OCO/PET, pudimos fabricar los TSP rígidos tipo GFF. Finalmente, el FPCB se conectó a un controlador IC.

Cómo citar este artículo: Kim, D.-J. et al. Electrodos de malla de Cu2O/Cu/Cu2O flexibles, altamente transparentes y libres de indio para paneles de pantalla táctil flexibles. ciencia Rep. 5, 16838; doi: 10.1038/srep16838 (2015).

Bae, SK et al. Producción rollo a rollo de películas de grafeno de 30 pulgadas para electrodos transparentes. Naturaleza Nanotecnología 5, 574 (2010).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Lee, J. et al. Nanosoldadura a temperatura ambiente de una red de nanocables de metal muy larga mediante la unión asistida por polímeros conductores para una aplicación de panel táctil flexible. Adv. Función Mate. 23, 4171 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Lee, JH et al. Síntesis de nanocables de Ag muy largos y su aplicación en un panel táctil de electrodos de metal altamente transparente, conductivo y flexible. Nanoescala 4, 6408 (2012).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Kumar A. & Zhou, C. La carrera para reemplazar el óxido de indio dopado con estaño: ¿qué material ganará? ACS Nano 4, 11 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Jeong, CW, Nair, P., Khan, M., Lundstrom, M. y Alam, MA Perspectivas de películas de grafeno policristalino dopadas con nanocables para electrodos ultratransparentes y altamente conductores. Nano Lett. 11, 5020 (2011).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Kim, KS et al. Crecimiento de patrones a gran escala de películas de grafeno para electrodos transparentes estirables. Naturaleza 457, 706 (2009).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Lee, J., Novoselov, KS & Shin, HS Interacción entre metal y grafeno: dependencia del número de capas de grafeno. ACS Nano 5, 608 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Feng, C. et al. Películas conductoras flexibles, estirables y transparentes hechas de nanotubos de carbono superalineados. Adv. Función Mate. 20, 885 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Chen, R. et al. Red de nanocables de plata envueltos en grafeno co-percolador para electrodos conductores transparentes, altamente estables y de alto rendimiento. Adv. Función Mate. 23, 5150 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Ishikawa, FN et al. Electrónica transparente basada en nanotubos de carbono alineados impresos por transferencia sobre sustratos rígidos y flexibles. ACS Nano 3, 73 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Xu, F. & Zhu, Y. Conductores de nanocables de plata altamente conductivos y estirables. Adv. Mate. 24, 5117 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Kang, M.-G., Park, H.-J., Ahn, SH & Guo, LJ Electrodo de malla de nanoalambre de Cu transparente sobre sustratos flexibles fabricados mediante impresión por transferencia y su aplicación en células solares orgánicas. Sol. Materia Energética. Sol. Celdas 94, 1179 (2010).

Artículo CAS Google Académico

De, S. et al. Redes de nanocables de plata como películas conductoras, transparentes y flexibles: proporciones extremadamente altas de CC a conductividad óptica. ACS Nano 3, 1767 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Hu, L., Kim, HS, Lee, JY, Peumans, P. y Cui, Y. Recubrimiento escalable y propiedades de electrodos de nanocables de plata transparentes y flexibles. ACS Nano 4, 2955 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Lee, Y. et al., Electrodos de nanofibras metálicas direccionables individualmente por posición para electrónica de área grande. Materiales Avanzados 26, 8010 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Parque, JH et al. Electrodo de Rejilla Metálica Flexible y Transparente Preparado por Ensamblaje Evaporativo. Interfaces y materiales aplicados de ACS 6, 12380 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Kang, MG, Kim, MS, Kim, JS & Guo, LJ Células solares orgánicas que utilizan electrodos metálicos transparentes nanoimpresos. Adv. Mate. 20, 4408 (2008).

Artículo CAS Google Académico

Tvingstedt, K. & Inganas, O. Rejillas de electrodos para dispositivos fotovoltaicos orgánicos sin ITO. Adv. Mate. 19, 2893 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Kim, W.-K. et al. Malla Cu para electrodo conductivo transparente flexible, Sci. Rep. 5, 10715 (2015).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Jeong, JA & Kim, HK Electrodo multicapa ITO-Ag-ITO de baja resistencia y alta transparencia que utiliza resonancia de plasmón superficial de la capa de Ag para células solares orgánicas de heterounión en masa. Sol. Materia Energética. Sol. Celdas 93, 1801 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Park, HK, Kang, JW, Na, SI, Kim, DY y Kim, HK Características de los electrodos multicapa GZO/Ag/GZO y AZO/Ag/AZO sin indio cultivados mediante pulverización catódica de CC de doble objetivo a temperatura ambiente a bajo costo fotovoltaica orgánica. Sol. Materia Energética. Sol. Células 93, 1994 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Seo, KW, Lee, JH, Kim, HJ, Na, SI y Kim, HK Películas de InTiO/nanoalambre de Ag/InTiO altamente transparentes y flexibles para células solares orgánicas flexibles. aplicación física Letón. 105, 031911 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kim, A., Won, YL, Woo, KH, Kim, CH y Moon, JH Electrodo compuesto de ZnO/nanoalambre de Ag/ZnO altamente transparente y de baja resistencia para células solares de película delgada. ACS Nano 7, 1081 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Lim, JW & Kim, HK Electrodo multicapa IZO/Ag/IZO/Ag flexible cultivado en un sustrato de tereftalato de polietileno mediante pulverización catódica de rollo a rollo. Nano. Res. Letón. 7, 67 (2012).

Artículo Google Académico

Jeong, JA, Kim, HK, Koo, HY & Kim, TW Estudio de microscopía electrónica de transmisión de la degradación en películas multicapa transparentes de óxido de indio y estaño/Ag/óxido de indio y estaño. aplicación física Letón. 103, 011902 (2013).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Lee, JH, Shin, HS, Noh, YJ, Na, SI y Kim, HK Pintado con pincel de electrodos transparentes PEDOT/nanocable Ag/PEDOT multicapa para células solares orgánicas flexibles. Sol. Materia Energética. Sol. Celdas 114, 15 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Indluru A. & Alford, TL Efecto del espesor de Ag sobre el transporte eléctrico y las propiedades ópticas de las multicapas de óxido de indio y estaño-Ag-óxido de indio y estaño. Aplicación J. física 105, 123528 (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Haacke, G. Nueva figura de mérito para conductores transparentes. Aplicación J. física 47, 4086 (1976).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Tahir, D. & Tougaard, S. Propiedades electrónicas y ópticas de Cu, CuO y Cu2O estudiadas por espectroscopia electrónica. J. Phys: Cond. Mate. 24, 175002 (2012).

ANUNCIOS Google Académico

Espinos, JP et al. Efectos de interfaz para Cu, CuO y Cu2O depositados en SiO2 y ZrO2 Determinación XPS del estado de valencia del cobre en catalizadores de Cu/SiO2 y Cu/ZrO2. J. física. Química B 106, 6921 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Balamurugan, B. & Mehta, BR Propiedades ópticas y estructurales de películas delgadas de óxido de cobre nanocristalino preparadas por evaporación reactiva activada. Películas sólidas finas 396, 90 (2001).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Ogwn, AA et al. La influencia de la potencia de rf y el caudal de oxígeno durante la deposición en la transmitancia óptica de películas delgadas de óxido de cobre preparadas por pulverización catódica con magnetrón reactivo. J. física. D: aplicación física 38, 266 (2005).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Pierson, JF, Thobor-Keck, A. & Billard, A. Películas de paramelaconita y tenorita de cuprita depositadas por pulverización catódica con magnetrón reactivo. aplicación Sur. ciencia 210, 359 (2003).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Tsiranovits, CH, Antonopoulos, JG & Stoemenos, J. Sobre el crecimiento de películas de óxido cuproso. Películas Sólidas Delgadas 71, 133 (1980).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Drobny VF & Pulfrey, DL Propiedades de películas delgadas de óxido de cobre pulverizadas reactivamente. Películas Sólidas Delgadas 61, 89 (1979).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Wanger, CDR, Davis, WW, Moulder, JF & Muilenberg, GE Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, División Física Electrónica de Perkin Elmer Corporation, Minnesota (1979).

Descargar referencias

Los autores agradecen el apoyo financiero de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología (NRF 2015R1A2A2A01002415) y el apoyo parcial de Samsung Displays. LIMITADO.

Departamento de Ingeniería de Materiales Avanzados para Información y Electrónica, Universidad Kyung Hee, 1 Seocheon, Yongin, Gyeonggi-do, 446-701, República de Corea

Dong-Ju Kim, Hyo-Joong Kim, Ki-Won Seo y Han-Ki Kim

Samsung Display, OLED R&D Center, Yongin, 446-711, Gyeonggi-do, República de Corea

Ki-Hyun Kim y Tae-Wong Kim

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

D.-JK y H.-KK diseñaron el estudio y los experimentos. D.-JK fabricó películas multicapa de OCO mediante pulverización catódica RTR y fabricó paneles táctiles flexibles. D.-JK, HJK, K.-WS, K.-HK y T.-WK realizaron mediciones de propiedades eléctricas, ópticas, estructurales y mecánicas. D.-JK y H.-KK escribieron el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener el permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Reimpresiones y permisos

Kim, DJ., Kim, HJ., Seo, KW. et al. Electrodos de malla de Cu2O/Cu/Cu2O flexibles, altamente transparentes y libres de indio para paneles de pantalla táctil flexibles. Informe científico 5, 16838 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16838

Descargar cita

Recibido: 30 julio 2015

Aceptado: 21 de octubre de 2015

Publicado: 19 noviembre 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16838

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Informes científicos (2020)

Transacciones de Materiales Eléctricos y Electrónicos (2019)

Transacciones de Materiales Eléctricos y Electrónicos (2018)

npj Electrónica flexible (2017)

Revista de ciencia de materiales: materiales en electrónica (2017)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.