説明

透明導電膜の形成方法

【課題】透明導電膜を低コストかつ高効率で作製することができ、基板の大面積化への対応も容易な透明導電膜の形成方法を提供する。
【解決手段】本発明の透明導電膜の形成方法は、酸化インジウム錫化合物からなるITO粒子を含有する導電性インク(Ink)を、その表面に所定のパターンのインク保持部が形成されたフレキソ印刷版11に保持させる工程と、このフレキソ印刷版11に、絶縁透光性基板10を密着させ、上記インク保持部に保持された導電性インクを基板10の所定位置に転写する工程と、この転写後に上記転写された導電性インクを加熱して、絶縁透光性基板10上に、所定パターンの透明導電膜を形成する工程と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、透光性基板上に酸化インジウム錫化合物からなる透明導電膜を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
光を透過させる透明導電膜は、薄膜太陽電池,化合物太陽電池等の透明電極、液晶表示素子,有機EL素子等の画素電極や、電磁波シールド材,赤外線反射膜等の分野で広く使用されている。この透明導電膜としては、錫(スズ)をドープした酸化インジウム錫化合物(ITO)からなる導電性被膜(以下、ITO透明導電膜)が、優れた透明性と電気特性から、最も広く利用されている。
【0003】
従来、上記ITO透明導電膜の成膜には、蒸着法,スパッタ法(スパッタリング)や、イオンプレーティング法等が用いられている(特許文献1,2を参照)。また、得られたITO透明導電膜は、その透明導電膜上に、所定パターンのエッチングレジストを形成した後、ウェットエッチングあるいはドライエッチング等により、上記レジストから露出する、不要な透明導電膜部位を除去し、所要の電極パターンに加工されている(特許文献3,4を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−141947号公報
【特許文献2】特開2004−247685号公報
【特許文献3】特開平7−153332号公報
【特許文献4】特開2001−313283号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記のようなITO透明導電膜の形成方法は、成膜時に真空プロセス(真空容器や真空チャンバー等)を使用するため、装置が大がかりで設備費が高価なうえ、基板以外の部分に付着する材料や、エッチングで除去する材料等、原料の無駄が多く、生産性が低いという問題があった。
【0006】
また、上記蒸着法,スパッタ法等によるITO透明導電膜の成膜は、基板が広くなると、その中央部と周縁部で上記導電膜の膜厚がばらついてしまい、基板の大面積化に対応するのが難しいという欠点もある。そのため、面積の広い基板に対応できる、透明導電膜の形成方法が望まれている。
【0007】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、透明導電膜を低コストかつ高効率で作製することができ、基板の大面積化への対応も容易な透明導電膜の形成方法の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の目的を達成するため、本発明は、絶縁透光性基板の上に透明導電膜を形成する方法であって、酸化インジウム錫化合物からなるITO粒子を含有する導電性インクを、その表面に所定のパターンのインク保持部が形成されたフレキソ印刷版に保持させる工程と、このフレキソ印刷版に、絶縁透光性基板を密着させ、上記インク保持部に保持された導電性インクを上記基板の所定位置に転写する工程と、この転写後に上記転写された導電性インクを加熱して、上記絶縁透光性基板上に、所定パターンの透明導電膜を形成する工程と、を備える透明導電膜の形成方法を要旨とする。
【0009】
すなわち、本発明者らは、前記大がかりな真空系装置を必要とする従来の方法に代えて、手軽な方法で前記課題を解決することができないかと思考を重ね、印刷によりそれを実現できないかと着想した。そして、印刷について工夫を重ね、その結果、可視光透過率に優れるITO粒子を含有する導電性インクを用い、フレキソ印刷手法により、基板の表面上に薄膜状の所定パターンの透明導電膜(透明導電層)を形成することによって、透明電極に適した特性の透明導電膜を作製できることを見出し、本発明に到達した。
【発明の効果】
【0010】
本発明の透明導電膜の形成方法は、ITO粒子を含有する導電性インクを、その表面に所定のパターンのインク保持部が形成されたフレキソ印刷版に保持させ、このインク保持部に保持された導電性インクを、絶縁透光性基板上に転写した後、上記転写された導電性インクを加熱して透明導電膜にすることにより、どのような大きさや形状の基板でも、その表面に所定パターンのITO透明導電膜(透明電極)を、高速かつ効率的に形成することができる。
【0011】
また、本発明の透明導電膜の形成方法は、蒸着法,スパッタ法等のような大がかりな真空装置を必要としないことから、基板の大面積化へも容易に対応できる。しかも、所要外の領域に不必要な導電性インクが転写されないため、原料やエネルギー等を無駄にすることなく、低コストで、透明電極に適したITO透明導電膜を形成することができるという利点がある。
【0012】
さらに、本発明の形成方法において、導電性インク中のITO粒子の平均粒径が、1〜500nmであるものは、上記フレキソ印刷法で透明導電膜を形成した場合、薄膜でありながら表面荒れが少なく、フラットで均一な透明電極を形成できる。
【0013】
そして、本発明の形成方法において、そのなかでも、上記導電性インクの粘度が0.5〜500mPa・sに調整されている場合は、平滑で均一なITO透明導電膜を、効率よく製造することができる。しかも、この導電性インクの粘度は、上記フレキソ印刷法に適したものであることから、この導電性インクの使用量、ひいてはこのインクに含まれる材料(ITO粒子)の使用量が削減され、この透明導電膜を利用する製品のコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】(a)〜(e)は、本発明の実施形態の透明導電膜を透明電極として用いた薄膜太陽電池の作製方法を説明する図である。
【図2】導電性インクの塗布に用いるフレキソ印刷機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
つぎに、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて詳しく説明する。
【0016】
この実施形態においては、本発明の透明導電膜を、薄膜太陽電池(薄膜半導体太陽電池)の透明電極として形成した例を用いて説明する。図1(a)〜(e)は、本発明の実施形態における薄膜太陽電池の作製方法を説明する図である。なお、図1において、符号1は透明導電膜(透明電極層)、2は光電変換層、3は裏面電極層、10はガラス等の絶縁透光性基板である。
【0017】
上記実施形態における薄膜太陽電池の作製は、まず、図1(a)に示すように、基板10の表面に、フレキソ印刷機(図2参照)を用いて、酸化インジウム錫化合物(ITO)を含有する導電性インク(以下、ITOインク)を塗布した後、図1(b)のように、上記ITOインク中の溶媒を蒸発させて、透明導電膜(透明電極層)1を形成する。ついで、図1(c)に示すように、上記透明電極層1の上に、スパッタ法等を用いて光電変換層2を積層し、その上に、図1(d),図1(e)のように、裏面電極層3を積層することにより行われる。このように、上記透明電極層1が、ITOインクとフレキソ印刷版とを用いたフレキソ印刷法により塗布され、このインク中の溶媒を蒸発・揮散させることにより形成されていることが、本実施形態における透明電極層(透明導電膜)形成の特徴である。
【0018】
つぎに、上記透明導電膜の形成および薄膜太陽電池の作製について、詳細に説明する。
1)絶縁透光性基板の準備
まず、絶縁透光性基板10を準備する。この基板10としては、例えば厚さ0.5〜10mm程度の板ガラスをあげることができる。なお、この絶縁透光性基板10の表面(透明電極形成面側)には、後の処理で形成される被膜の密着性を向上させるためのプラズマ処理や研磨処理等の表面処理を予め施しておいてもよい。
【0019】
2)透明電極層の形成工程
ついで、酸化インジウム錫化合物からなるITO粒子を、有機溶剤(溶媒)に分散・溶解させた導電性インク(ITOインク)を準備し、これをフレキソ印刷機を用いて、上記絶縁透光性基板10上に塗布する。図2は、上記基板10上に導電性インクを塗布するためのフレキソ印刷機の概略構成図である。なお、図2中の符号11は印刷版、12は版胴、13はアニロックスロール、14は移動ステージ、15はスキージ、16はインクタンクを示す。
【0020】
上記フレキソ印刷機を用いたITOインクの塗布は、図2に示すように、上記ITOインク(Ink)を、その表面に所定のパターンのインク保持部が形成されたフレキソ印刷版11に保持させる工程と、このフレキソ印刷版11に基板10を密着させ、上記インク保持部に保持されたITOインクを、この基板10上の所定位置に転写する工程と、を含む。
【0021】
使用するITOインクとしては、酸化インジウム錫化合物からなるITO粒子(平均粒径:1〜500nm)を主成分とし、溶媒として、アルコール系または脂肪族炭化水素系有機溶剤を用いたインク(粘度0.5〜500mPa・s)が使用される。ここで、インクの主成分とは、成膜後の被膜において主たる機能を発揮する成分のことをいい、溶媒等の希釈成分や、樹脂等のバインダ成分を除く趣旨である。また、上記ITO粒子は、その粒子形状が球状,フレーク状,針状等のITO粉末であり、加熱(焼成あるいは成膜)前の平均粒径(または平均円相当径)が、1〜500nmの範囲内にあるものである。
【0022】
なお、上記ITO粒子の平均粒径は、動的光散乱粒子解析装置を用いて光子相関分光法により測定されたものである。ITO粒子の平均粒径が500nmを超える場合は、均一で低電気抵抗な透明導電膜を形成できない傾向がみられる。また、上記ITOインクには、必要に応じて分散剤,レベリング剤,消泡剤,酸化防止剤等の各種助剤を添加してもよい。さらには、有機・無機系の充填剤を適宜添加してもよい。
【0023】
上記印刷に用いるフレキソ印刷版11には、その1インチあたりの解像度が100〜1270線/2.54cmの印刷版が用いられ、その表面(インク保持面)には、微細な凹凸を有するインク保持部が形成されている。そして、このインク保持部には、単位面積あたり約0.1〜50ml/m2のITOインクを保持できるようになっている。
【0024】
なお、上記フレキソ印刷版11の解像度が100線/2.54cm未満の場合は、この版の表面に形成されるインク保持部の1区画(凸部等で囲まれた領域)あたりのインク保持量が多くなり過ぎ、基板10への転写時に印刷むらが生じる傾向がみられる。また、逆に、フレキソ印刷版の解像度が1270線/2.54cmを超える場合は、インクの転写効率が低下し、生産効率が下がる傾向がみられる。
【0025】
また、用いるフレキソ印刷版11は、上記ITOインクの溶媒に使用されるアルコール系または脂肪族炭化水素系有機溶剤に対する耐膨潤性を考慮して、ポリブタジエン系アクリレートまたはポリエステル系アクリレートを主骨格としたプレポリマー,アクリレートオリゴマー,アクリレートモノマーと、光重合禁止剤,光重合開始剤等の混合物(感光性樹脂組成物)から構成され、そのショアA硬度は、40〜70°の範囲内に設定されている。
【0026】
上記フレキソ印刷版11のショアA硬度が40°未満の場合は、版が上記基板10に対して柔らか過ぎて短時間ですり減ってしまい、高精細な印刷を維持できない傾向がみられる。また、逆に、フレキソ印刷版11のショアA硬度が70°を超えた場合は、上記基板10の表面や配線等を傷つけてしまう傾向がみられる。
【0027】
そして、上記フレキソ印刷版11は、上記ITOインクの溶媒に対する膨潤度が低いほど好ましく、例えば、上記アルコール系有機溶剤に対する膨潤率(体積変化率)が6.5〜10%、上記脂肪族炭化水素系有機溶剤に対する膨潤率(体積変化率)が3〜10%であることが望ましい。
【0028】
上記のようなフレキソ印刷版11を用いたITOインク(Ink)の塗布形成方法は、基本的には、通常のフレキソ印刷と同様の手順で行われる。まず、図2のように、インクタンク16から供給されたITOインクを、アニロックスロール13を介してフレキソ印刷版11に供給し、このフレキソ印刷版11の表面に形成された所定パターンのインク保持部に、所定量のITOインクを保持させる(インク保持工程)。
【0029】
つぎに、このフレキソ印刷版11を版胴12とともに回転させつつ、移動ステージ14上に載置された基板10を同期して移動させ、この基板10を上記フレキソ印刷版11に密着(キスタッチ)させることにより、上記インク保持部保持されたITOインクが、図1(a)のように、所要量、この基板10上の所定位置に転写される(インク転写工程)。
【0030】
その後、上記ITOインクが転写された後の基板10を、オーブン等を用いて、80〜300℃で1〜180分程度加熱することにより、上記インク中の溶剤等が蒸発・揮散してITO粒子が焼成(成膜)され、図1(b)のように、基板10上に透明電極層1が形成される。
【0031】
3)光電変換層の形成工程
つぎに、上記透明電極層1の上に、図1(c)に示すように、スパッタ法等を用いて光電変換層2を積層する。この光電変換層2は、単結晶シリコン,多結晶シリコン,単結晶ゲルマニウム,微結晶シリコン等の結晶系、あるいは、アモルファス(非結晶)シリコン等のアモルファス系、GaAs,InP,CdS,CdTe,CuInSe2等の化合物半導体を用いて積層形成されており、その内部は、pn接合,pin接合,ヘテロ接合,ショットキー型,多重接合型等を構成する多層構造(図示省略)となっている。なお、層厚(膜厚)の好適な例としては、例えば、pn接合の場合は200〜400μm、pin接合の場合は100nm〜5μmがあげられる。
【0032】
4)裏面電極層の形成工程
ついで、上記光電変換層2の上に、さらに裏面電極層3を積層する。この裏面電極層3は、Ag(銀),Al(アルミニウム),Cu(銅)等の金属粒子を含有する導電性インクを用いて、図1(d)に示すように、上記透明電極層1と同様のフレキソ印刷手法により光電変換層2上に転写(印刷)される。なお、上記金属として、Ag(銀),Al(アルミニウム),Cu(銅)が使用されているのは、上記絶縁透光性基板10側から入射した光を反射し、薄膜太陽電池の短絡電流値を上げるためであり、本実施形態においては、なかでもAg(銀)が好適に使用される。
【0033】
また、使用される裏面電極用導電性インクとしては、上記金属粒子として、平均粒径0.5〜300nmの銀粒子を含有する、ナノ銀導電性インクが好適に用いられる。このナノ銀導電性インクは、上記平均粒径の銀粒子のほかに、バインダとしての樹脂と、これらの分散溶媒となる炭化水素系溶剤とから構成されている。なお、上記ナノ銀導電性インクは、その粘度が0.5〜1000mPa・sとなるように調整されている。
【0034】
そして、上記ナノ銀導電性インクが転写された後の基板10を、オーブン等の乾燥機に投入して加熱焼成(200〜300℃,30〜60分間)することにより、上記導電性インク中の溶剤等が蒸発するとともに、上記インク中の銀粒子が焼成されて、図1(e)のような、裏面電極層3となる光反射性の導電膜が形成される。
【0035】
上記の方法により、本実施形態では、透明電極層1として、膜厚50〜250nm(表面粗さRa:10〜150nm)で、この透明電極層1の体積抵抗値が1.0×10-4Ω・cm以下、可視光透過率が90%以上の、薄膜太陽電池に適した透明導電膜を製造することができた。
【0036】
このように、フレキソ印刷法を用いた透明電極層1(透明導電膜)の形成方法によれば、従来の蒸着法やスパッタ法等のような大がかりな真空装置を使用せず、必要な部位にのみ、ITOインクを無駄なく高速で転写・印刷することができる。そのため、この実施形態における透明導電膜の形成方法は、上記薄膜太陽電池用の透明電極を、効率よく作製することができ、これにより、薄膜太陽電池全体の製造コストを低減することが可能になる。
【0037】
また、この実施形態における透明導電膜の形成方法は、上記真空装置を使用しないことに加え、その印刷(転写)面積やパターンを、上記フレキソ印刷版11を交換するだけで簡単に変更することができる。そのため、この実施形態における透明導電膜の形成方法は、基板10の大きさや形状の変更に容易に対応できるという利点がある。しかも、上記蒸着法,スパッタ法等よりも、連続法による製造が容易という点で優れている。
【0038】
なお、本実施形態における透明導電膜の形成方法は、薄膜太陽電池の透明電極を例に説明したが、化合物太陽電池等の透明電極、液晶表示素子,有機EL素子等の画素電極、電磁波シールド材や赤外線反射膜等、高い透光性を必要とする透明導電膜を作製する際にも適用可能である。また、これらに適用した場合も、上記薄膜太陽電池の場合と同様の効果が得られることは勿論である。
【0039】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【0040】
この実施例においては、ITOインクを用いてフレキソ印刷により作製した薄膜太陽電池用透明電極[実施例1]と、従来のスパッタリングにより作製した薄膜太陽電池用透明電極[比較例1]とを用いて、これらの透明電極の体積抵抗値(比抵抗:Ω・cm),可視光透過率(%:500nm時)、密着性等を比較した。
【0041】
実施例1の薄膜太陽電池用透明電極には、以下の導電性インク(ITOインク)と基板を使用した。
〔ITOインク〕
奥野製薬工業社製 ナノディスパー(登録商標)
成分:ITO粒子−粒径40〜60nm(平均粒径:50nm)
バインダ樹脂−ポリチタノカルボシラン
溶剤・希釈剤−エチレングリコール
固形分:19.4wt%以上
粘度:23.9〜24.6mPa・s
〔基板〕
素ガラス 倉本製作所社製 厚さ−0.7mm
【0042】
また、実施例1の作製に用いたフレキソ印刷機は、以下の加工条件で使用した。(フレキソ印刷の概略構成は図2を参照。)
〔フレキソ印刷機〕
MTテック社製 FC−33S
〔フレキソ印刷版〕
コムラテック社製−上記実施形態で詳細を記載したフレキソ印刷版を使用。
版厚み−2.25mm 600線/2.54cm 開口率5〜10%
硬度:40〜70度(ショアA硬度)
インク溶剤(エチレングリコール)に対する膨潤率:0.5〜10%(重量変化率)
印刷用インク保持部のインク保持量:4ml/m2(調整幅:1〜5ml/m2
〔アニロックスロール〕
300〜400線/2.54cm(100〜600線/2.54cm)
セル容量(セル容積):8ml/m2(調整幅:1.5〜50ml/m2
【0043】
〔フレキソ印刷条件〕
・印刷速度(印刷ステージ移動量):25m/分
・アニロックスロール速度:200rpm
・アニロックスロール−印刷版間 ニップ幅:8mm(調整幅:4〜8mm)
・印刷版−基板間 ニップ幅:10mm(調整幅:8〜12mm)
・印刷チャンバーの環境(雰囲気)
温度:15〜30℃ 湿度:40〜70%RH
・印刷後の乾燥条件
予備乾燥:温度:80〜150℃ 時間:30秒〜5分
本焼成:温度:150〜300℃ 時間:20分〜180分
【0044】
[実施例1]
上記の加工条件にて、フレキソ印刷機により、ITOインクを、ガラス基板上に印刷転写し、80℃×5分間予備乾燥させた後、本焼成(70℃→300℃へ30分で昇温)を行って、膜厚0.21μmの薄膜太陽電池用透明電極(層)を得た。
【0045】
[比較例1]
一般的なスパッタ装置を用いて、ガラス基板上に、従来品と同様のITOの薄膜層(膜厚0.15μm)を形成した。
【0046】
以上の実施例1および比較例1のサンプルを用いて、薄膜太陽電池用透明電極の物性比較を行なった。
【0047】
〔体積抵抗値(比抵抗)〕
デジタルマルチメーター(アドバンテスト社製 R6551)を用いて、四端子法にて抵抗値を測定した。また、電子顕微鏡(日本電子社製 JSM−5500)を用いて断面を観察し、ITO粒子により形成された層の厚みを測定して、これらの測定値から体積抵抗値(比抵抗)を算出した。
【0048】
〔密着性〕
JIS K 5400−8.5(JIS D 0202)碁盤目試験に準じて評価した。カットの間隔は1mmで、導電膜をカット後、粘着テープを付着させてから1分後に、テープの端を持って塗膜面に直角に、瞬間的にひきはがし、その剥離状態を目視にて評価した。なお、粘着テープは、セロハンテープCT−12(ニチバン社製)を用いた。
評価基準:
基板からの剥離が全く認められない。 − ○
基板からの剥離が部分的に認められる。 − △
基板からの剥離が全体的に認められる。 − ×
【0049】
〔透過率〕
島津製作所社製 紫外可視近赤外分光光度計 UV−3600を用いて、500nmの光の透過率(ガラス基板越し)を測定した。なお、ガラス基板の透過率はブランクとして別途測定し、測定結果を較正した。
【0050】
以上の試験結果を「表1」に示す。
【表1】

【0051】
上記のように、本発明の透明導電膜の形成方法により、従来のスパッタ法で形成された透明電極(透明導電膜)と同等の性能を有する薄膜太陽電池用透明電極を、高効率で作製することができた。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明の透明導電膜の形成方法は、薄膜太陽電池,化合物太陽電池等の透明電極、液晶表示素子,有機EL素子等の画素電極や、電磁波シールド材,赤外線反射膜等、透明性と電気特性の両立を要求される透明電極に広く適用することができる。
【符号の説明】
【0053】
10 基板
11 フレキソ印刷版

【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁透光性基板の上に透明導電膜を形成する方法であって、酸化インジウム錫化合物からなるITO粒子を含有する導電性インクを、その表面に所定のパターンのインク保持部が形成されたフレキソ印刷版に保持させる工程と、このフレキソ印刷版に、絶縁透光性基板を密着させ、上記インク保持部に保持された導電性インクを上記基板の所定位置に転写する工程と、この転写後に上記転写された導電性インクを加熱して、上記絶縁透光性基板上に、所定パターンの透明導電膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする透明導電膜の形成方法。
【請求項2】
上記導電性インク中のITO粒子の平均粒径が、1〜500nmである請求項1記載の透明導電膜の形成方法。
【請求項3】
上記導電性インクの粘度が0.5〜500mPa・sに調整されている請求項1または2記載の透明導電膜の形成方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2012−124076(P2012−124076A)
【公開日】平成24年6月28日(2012.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−275039(P2010−275039)
【出願日】平成22年12月9日(2010.12.9)
【出願人】(594101226)株式会社コムラテック (11)
【Fターム(参考)】