DE19507413A1 - Leitfähige Beschichtungen - Google Patents

Leitfähige Beschichtungen

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Alexander Dipl Chem Dr Karbach
Bavo Muys
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Rolf Dipl Chem Dr Wehrmann
Andreas Dipl Phys Dr Elschner
Ralf Dipl Chem Dr Dujardin
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Description

Auf dem Elektronikgebiet werden z. B. für LCD-Displays elektrisch leitfähige, transparente Elektroden benötigt. Bisher werden für diese Anwendungen meist mit Metalloxiden bedampfte Gläser oder Kunststoffolien verwendet. Besonders gute Eigenschaften haben ITO = Indium Zinnoxid bedampfte bzw. besputterte Materialien. Der Oberflächenwiderstand der ITO-Schichten liegt in der Größenord­ nung von < 500 Ω/).
Die Herstellung solcher Schichten durch Aufsputtern im Vakuum ist sehr auf­ wendig. Es besteht daher ein Bedarf an einem Material, das die Herstellung transparenter, gut leitfähiger Beschichtungen mit einfachen Auftragstechniken er­ möglicht.
Die Herstellung leitfähiger Beschichtungen auf Basis organischer leitfähiger Materialien ist prinzipiell bekannt. So sind z. B. Beschichtungen aus Polypyrrol (EP-A 302 304) oder Polythiophenderivaten (EP-A 440 957) beschrieben. Diese Beschichtungen können mit einfachen Beschichtungsverfahren hergestellt werden, sind aber für viele Einsatzgebiete nicht leitfähig bzw. transparent genug.
Gegenstand der Erfindung sind Mischungen von
  • A) neutralen Polythiophenen der wiederkehrenden Struktureinheit der Formel (I), in der R₁ und R₂ voneinander für Wasserstoff oder eine C1-4-Alkylgruppe stehen oder zusammen einen gegebenenfalls substituierten C1-4-Alkylenrest, vorzugsweise einen gegebenenfalls durch Alkylgruppen substituier­ ten Methylen-, einen gegebenenfalls durch C1-12-Alkyl- oder Phenylgruppen substituierten Ethylen-1,2-Rest oder einen Cycloh­ exylen-1,2-Rest bilden, und
  • B) Di- oder Polyhydroxy- und/oder Carbonsäuregruppen oder Amid- bzw. Lactamgruppen enthaltende organische Verbindungen.
Diese Mischungen können als dünne Schichten auf Substrate aufgebracht und durch Trocknen und Tempern in transparente und elektrisch leitende Schichten überführt werden.
Geeignete Di- oder Polyhydroxy- und/oder Carbonsäure- oder Amidgruppen ent­ haltende organische Verbindungen entsprechen der Formel (II)
in der
n und m unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 20, bevorzugt von 2 bis 8 und
R einen linearen, verzweigten oder cyclischen Alkylenrest mit 2 bis 20 C-Atomen oder einen gegebenenfalls substituierten Arylenrest mit 6 bis 14 C-Atomen oder einen heterocyclischen Rest mit 4 bis 10 C-Atomen oder einen Zuckerrest bzw. Zuckeralkoholrest und
X -OH oder -NYZ bedeuten, wobei Y und Z unabhängig voneinander Wasserstoff oder Alkyl bedeuten.
Geeignete Lactamgruppen enthaltende organische Verbindungen sind z. B. N- Methylpyrrolidon, Pyrrolidon, Caprolactam, N-Methylcaprolactam, N-Octylpyrro­ lidon.
Bevorzugte Reste R leiten sich vom Furangerüst bzw. Pyrangerüst ab.
Besonders bevorzugte organische Verbindungen der Formel (II) sind:
Zucker und Zuckerderivate wie Saccharose, Glucose, Fructose, Lactose,
Zuckeralkohole wie Sorbit, Mannit,
Furanderivate wie 2-Furancarbonsäure, 3-Furancarbonsäure,
Alkohole wie Ethylenglykol, Glycerin, Di- bzw. Triethylenglykol.
Als Lösungsmittel für die erfindungsgemäße Polythiophen-Dispersionen kommen neben Wasser auch andere protische Lösungsmittel in Betracht, z. B. niedere Alkohole wie Methanol, Ethanol und Isopropanol sowie Mischungen von Wasser mit niederen Alkoholen und andere mit Wasser mischbaren organischen Lösungs­ mittel wie Aceton.
Die mittleren Teilchendurchmesser der Dispersionspartikel können bis 10 µm erreichen, bevorzugt bis 3 µm und ganz besonders bevorzugt bis 1 µm.
Die Polythiophene der wiederkehrenden Struktureinheit der Formel (I) sind bekannt (vgl. EP-A 440 958 und 339 340). Die Herstellung der erfindungs­ gemäßen Dispersionen bzw. Lösungen ist in EP-A 440 957 und DE-OS 42 11 459 beschrieben.
Die Polythiophene werden in der Dispersion bzw. Lösung bevorzugt in katio­ nischer Form, wie sie z. B. durch Behandlung der neutralen Thiophene mit Oxida­ tionsmitteln erhalten werden, eingesetzt. Übliche Oxidationsmittel wie Kaliumperoxodisulfat werden für die Oxidation verwendet. Durch die Oxidation erhalten die Polythiophene positive Ladungen, die in den Formeln nicht dargestellt sind, da ihre Zahl und ihre Position nicht einwandfrei feststellbar sind.
Die Zahl der wiederkehrenden Struktureinheiten der Formel (I) ist im allgemeinen < 5.
Die erfindungsgemäßen Polythiophen-Dispersionen bzw. Lösungen enthalten, be­ zogen auf die Summe aus Polythiophenkationen und Polyanionen, d. h. bezogen auf den gesamten Feststoffgehalt der Lösung, 1 bis 100.000 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 1.000 Gew.-%, der Hydroxy- bzw. Carbonsäuregruppen enthaltenden Verbin­ dungen der Formel (II). Verbindungen der Formel (II), die in Wasser löslich sind, werden bevorzugt verwendet.
Den erfindungsgemäßen Beschichtungslösungen können zusätzlich organische, polymere Bindemittel und/oder organische, niedermolekulare Vernetzungsmittel zugegeben werden. Entsprechende Bindemittel sind z. B. in der EP-A 564 911 beschrieben.
Besonders zur Herstellung haftfester Schichten auf Glas können den erfindungs­ gemäßen Beschichtungslösungen Epoxysilane, wie in der EP-A 564 911 beschrieben, zugesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen können nach bekannten Verfahren, z. B. durch Aufsprühen, Aufrakeln, Tauchen, Aufbringen mit Walzenantragssystemen, Druckverfahren wie Tiefdruck, Siebdruck, Vorhanggießen hergestellt und bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen bis 300°C, bevorzugt bis 200°C getrock­ net werden.
An die Trocknung bei Temperaturen unter 100°C kann sich eine separate Tem­ perung und bei Trocknungstemperaturen oberhalb 100°C eine kombinierte Tempe­ rung der erfindungsgemäßen Schichten zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit anschließen. Diese Temperung wird bei Temperaturen von 100°C bis 400°C, be­ vorzugt bis 250°C durchgeführt. Die Dauer der Temperung liegt zwischen 0,5 bis 3600 Sekunden, bevorzugt 1 bis 90 Sekunden.
Die Dicke der erfindungsgemäßen Beschichtungen ist je nach Einsatzzweck und Anforderungen an Transparenz und Leitfähigkeit 0,025 bis 250 µm, bevorzugt 0,05 bis 10 µm; der Oberflächenwiderstand üblicherweise 0,1 bis 2000 Ω/, bevorzugt 1 bis 300 Ω/.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen werden auf Gebieten, die gute elektrische Leitfähigkeiten erfordern, eingesetzt, z. B. als Elektrode in Elektrolumineszenz­ anzeigen, in LCD-Anzeigen, in Feststoffelektrolytkondensatoren, zur Abscheidung von Metallen wie Kupfer Nickel, z. B. bei der Leiterplattenfertigung, in Solar­ zellen, in elektrochromen Anzeigen oder zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung bzw. zur Ableitung elektrischer Ladungen z. B. auf Bildröhren oder als Antikorrosionsbeschichtung auf Metallen, zur Herstellung von Touch Screens. Weitere Einsatzgebiete sind bilderzeugende Systeme, z. B. Silberhalogenid­ fotografie, trockene Bildsysteme, Elektrofotografie.
Die leitfähigen Schichten können gegebenenfalls mit weiteren Schichten, z. B. UV härtenden oder organischen bzw. anorganischen Kratzfestbeschichtungen be­ schichtet werden.
Die erfindungsgemäßen Schichten können auf organische und auf anorganische Trägermaterialien aufgebracht werden. Geeignete anorganische Trägermaterialien sind z. B. Glas, Oxide bzw. oxidische oder nicht oxidische Keramiken wie Alumi­ niumoxid, Siliciumnitrid. Geeignete organische Trägermaterialien sind z. B. Folien oder andere Formkörper aus reinen organischen Polymeren, Copolymeren oder Mi­ schungen von z. B. Polycarbonat, Polystyrol, Polyacrylaten, Polyestern wie Poly­ ethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyamiden, Polyimiden, gegebenenfalls glasfaserverstärkten Epoxidharzen, Cellulosederivaten wie Cellulosetriacetat, Polyolefinen wie Polyethylen, Polypropylen.
Gegenstand der Erfindung sind weiterhin elektrolumineszierende Anordnungen, die als transparente und leitfähige Schicht bzw. Elektrode die erfindungsgemäßen Polythiophen-Dispersionen aufweisen.
Die erfindungsgemäßen elektrolumineszierenden Anordnungen bestehen aus einer oberen und einer unteren Elektrode, zwischen die eine elektrolumineszierende Schicht und gegebenenfalls weitere Hilfsschichten, z. B. ladungsinjizierende Schichten, eingefügt werden, und sind dadurch gekennzeichnet, daß sie als Elektrode eine leitfähige Schicht aus den erfindungsgemäßen Polythiophen- Mischungen aufweisen.
Die elektrolumineszierende Anordnung kann eine oder mehrere Elektroden ent­ halten, deren leitfähige Schicht die oben genannten Polythiophen-Dispersionen aufweisen. Die leitfähige Schicht ist vorzugsweise transparent.
Beim Aufbau der elektrolumineszierenden Anordnungen kann die leitfähige Schicht an unterschiedlichen Stellen integriert werden. So kann die leitfähige Schicht als transparente und leitfähige Elektrode zwischen einem transparenten Substrat und einer elektrolumineszierenden Schicht aufgebracht sein.
Dazu wird bei den erfindungsgemäßen Systemen die erfindungsgemäßen Mischungen auf einem geeigneten Substrat als Film verteilt.
Als Substrat sind transparente Träger wie Glas oder Kunststoff-Folien (z. B. Polyester, wie Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat, Polycarbonat, Polyacrylat, Polysulfon, Polyimid-Folie) geeignet.
Die erfindungsgemäße Polythiophen-Mischung wird durch Techniken wie Spincoaten, Casting, Rakeln, Drucken, Vorhanggießen etc. auf dem Substrat gleichmäßig verteilt.
Nach Trocknen des Films kann das so beschichtete Substrat einer Temperatur von 150-250°C für mindestens 1 sec, in der Regel 30 sec ausgesetzt werden. Dieser Temperschritt führt zu einer Erhöhung der Schichtleitfähigkeit.
Die Dicke der transparenten leitfähigen Elektrode beträgt 5 nm bis mehrere µm, vorzugsweise 10 nm bis 1500 nm.
Auf diese leitfähige transparente Elektrode wird eine elektrolumineszierende Schicht als dünner Film aufgebracht. Die z. B. in EP-A 443 861 beschriebenen Substanzen können als elektrolumineszierende Substanzen verwendet werden.
Nach dem Trocknen der El-Schicht wird diese mit einer Gegenelektrode ausgerüstet. Diese besteht aus einer leitfähigen Substanz, die transparent sein kann. Vorzugsweise eignen sich Metalle wie Al, Au, Ag, etc. oder deren Legierungen und Oxide, die durch Techniken wie Aufdampfen, Aufsputtern, Platinierung aufzubringen sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung wird durch zwei elektrische Zuführungen (z. B. Metalldrähte) mit den beiden Elektroden in Kontakt gebracht.
Die Anordnungen emittieren beim Anlegen einer Gleichspannung im Bereich von 2 bis 100 Volt Licht der Wellenlänge von 400 bis 700 nm. Sie zeigen im Bereich von 400 bis 700 nm Photolumineszenz.
Die elektrolumineszierende Schicht kann eine oder mehrere elektrooptisch aktive Substanzen enthalten. Sie enthält gegebenenfalls weiterhin übliche Zusätze wie inerte Binder, ladungsträgertransportierende Substanzen. Ladungsträgertranspor­ tierende Substanzen erhöhen die Elektrolumineszintensität und reduzieren die Einsatzspannungen.
Als inerte Binder werden vorzugsweise löslich transparente Polymere wie z. B. Polycarbonate, Polystyrol und Copolymere des Polystyrols wie SAN, Polysulfone, Polyacrylate, Polyvinylcarbazol, Vinylacetat- und Vinylalkoholpolymere und -copolymere usw. eingesetzt.
Zwischen den elektrolumineszierenden Systemen und den Elektroden können zusätzlich eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein. Diese Zwischenschichten - ladungsträgertransportierende Substanzen - sind bekannt (z. B. aus Appl. Phys. Lett. 57 (1990) 531) und werden dort als HTL (hole transport lay) und als ETL (elektron transport layer) bezeichnet.
Die leitfähigen Schichten können ebenfalls als transparente und leitfähige Elektrode in Form einer Deckschicht auf einer elektrolumineszierenden Schicht aufgebracht sein.
In Gegensatz zu der vorher beschriebenen Anordnung, bei der sich die erfindungsgemäße Mischung zwischen einer elektrolumineszierender Schicht und einem transparentem Träger befindet, kann die erfindungsgemäße Substanz auch als Deckelelektrode eingesetzt werden.
Bei dieser Anwendung befindet sich die elektrolumineszierende Substanz auf einem leitfähigen oder leitfähigbeschichtetem Träger. Dies können z. B. Metallplatten oder Metallbedampfungen sein. Die erfindungsgemäße Substanz wird analog der oben beschriebenen Art auf die elektrolumineszierende Schicht aufgebracht.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß auf diese Weise auch elektro­ lumineszierende Schichten, die bei der Herstellung einer großen Wärmebelastung ausgesetzt sind, mit einer einfach applizierbaren, transparenten und leitfähigen Elektrode versehen werden können.
Beispiel: Leuchtplatten aus Leuchtstoffemails auf Basis von ZnS.
Die erfindungsgemäßen Mischungen können weiterhin als ladungstransportierende Zwischenschicht in polymeren Leuchtdioden eingesetzt werden. Durch diese Zwischenschicht wird die Effizienz der Anordnungen erhöht.
Die erfindungsgemäße Mischung wird in oben beschriebener Art als Zwischen­ schicht aufgebracht. Die Zwischenschicht kann sich befinden:
  • - zwischen der transparenten leitfähigen Elektrode und der elektro­ lumineszierenden Polymerschicht,
  • - zwischen der elektrolumineszierenden Polymerschicht und der Deck­ elektrode.
Die Dicke der Zwischenschicht beträgt etwa 3-200 nm, in der Regel 10 nm-100 nm, besonders bevorzugt ca. 10 nm.
Beispiele A) Herstellung der 3,4-Polyethylendioxythiophenlösung
20 g freie Polystyrolsulfonsäure (Mn ca. 40000) 13,0 g Kaliumperoxodisulfat und 50 mg Eisen(III)-sulfat werden unter Rühren in 2000 ml Wasser vorgelegt. Unter Rühren werden 5,6 g 3,4-Ethylendioxythiophen zugegeben. Die Lösung wird 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend werden 100 g Anionenaustauscher (Handelsprodukt Bayer AG Lewatit MP 62) und 100 g Kationenaustauscher (Handelsprodukt Bayer AG Lewatit S 100), beide wasserfeucht, zugegeben und 8 Stunden gerührt.
Die Ionenaustauscher werden durch Filtration entfernt. Es wird eine Lösung mit einem Feststoffgehalt von ca. 1,2 Gew.% erhalten, die gebrauchsfertig ist.
Beispiel 1
Es werden jeweils 10,0 g der Lösung nach Beispiel A mit 10 g Isopropanol und den in der Tabelle angegebenen Mengen Sorbit und 3-Glycidoxypropyltrimethoxy­ silan (Handelsprodukt A 187 Union Carbide) gemischt. Die Mischung wird auf Glasplatten aufgetragen und an der Luft getrocknet (ca. 400 mg /m² trocken).
An den getrockneten Schichten wird der Oberflächenwiderstand bestimmt. Anschließend werden die beschichteten Glasplatten für 90 Sekunden auf eine 200°C heiße Heizplatte gelegt und nach dem Abkühlen der Oberflächenwider­ stand erneut bestimmt.
Tabelle
Aus der Tabelle wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren zu deutlich besser leitfähigen Beschichtungen führt, als die 3,4-Polyethylendioxythiophen­ lösung ohne Zusätze und Temperung.
Beispiel 2 Elektrolumineszierende Anordnung B) Herstellung der Beschichtungslösung
In 50 g der Lösung A werden unter Rühren 3,0 g Sorbit gelöst. Anschließend werden unter Rühren 50 g Isopropanol zugetropft und 0,5 g Glycidoxy­ propyltrimethoxysilan (A 187 Handelsprodukt der Union Carbide) zugegegeben.
C) Herstellung der 3,4-Polyethylendioxythiophenelektrode
Die Lösung B wird auf einen Glasobjektträger (20 × 30 mm²) gegeben. Das Substrat wird anschließend 10 s lang bei 500 U/min mit einer Lackschleuder rotiert. Das mit dem Film beschichtete Substrat wird 60 s lang auf eine 180°C heiße Heizplatte gelegt. Der Oberflächenwiderstand reduziert sich dabei auf 80 Ω/. Die Schichtdicke des Films beträgt 1,3 µm. Der Film ist im sichtbaren Spektralbereich transparent.
Auf diese Schicht wird anschließend das elektrolumineszierende Polymer aufgebracht.
D) Aufbringen einer elektrolumineszierenden Schicht auf die 3,4-Polyethylen­ dioxythiophenelektrode
Als elektrolumineszierendes Material wird das aus der Literatur bekannte MEH- PPV (Methoxy-Ethylenhexyloxy-Phenylenvinylen) eingesetzt. Eine 0,75-%ige Lösung des Polymers in Chloroform wird 10 sec lang bei 2 000 U/min mit einer Lackschleuder auf der mit dem Polythiphen beschichteten Substrat aus Beispiel 2 C) verteilt. Der 130 nm dicke Polymerfilm wird anschließend mit Al- Punktkontakten bedampft.
E) Betrieb der flexiblen Polymer-Leuchtdiode
Wird der Pluskontakt einer Spannungsquelle mit der PEDT-Schicht verbunden und der Minuskontakt mit dem Al, so fließt durch das elektrolumineszierende Polymer ein Strom. Gleichzeitig tritt Elektrolumineszenz auf. Die Leuchtintensität ist proportional zum Diodenstrom und nimmt mit steigender Spannung zu.

Claims (6)

1. Mischungen aus
  • A) neutralen Polythiophenen der wiederkehrenden Struktureinheit der Formel (I), in der R₁ und R₂ voneinander für Wasserstoff oder eine C1-4-Alkylgruppe stehen oder zusammen einen ggf. substituierten C1-4-Alky­ lenrest, vorzugsweise einen ggf. durch Alkylgruppen substituierten Methylen-, einen ggf. durch C1-12-Alkyl- oder Phenylgruppen substituierten Ethylen-1,2-Rest oder einen Cyclohexylen-1,2-Rest bilden, und
  • B) Di- oder Polyhydroxy- und/oder Carbonsäuregruppen oder Amid- bzw. Lactamgruppen enthaltenden organischen Verbindungen.
2. Mischungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß B) eine orga­ nische Verbindung der Formel (II) ist, in der
n und m unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 20, und
R einen linearen, verzweigten oder cyclischen Alkylrest mit 2 bis 20 C-Atomen oder einen gegebenenfalls substituierten Arylrest mit 6 bis 14 C-Atomen oder einen heterocyclischen Rest mit 4 bis 10 C- Atomen oder einen Zuckerrest oder Zuckeralkoholrest und
X -OH oder -NYZ bedeuten, wobei Y, Z unabhängig voneinander Wasserstoff oder Alkyl bedeuten.
3. Verwendung der erfindungsgemäßen Dispersionen nach Anspruch 1 zur Herstellung leitfähiger Beschichtungen.
4. Leitfähige Beschichtungen aus Dispersionen gemäß Anspruch 1, die zur Erhöhung der Leitfähigkeit getempert worden sind.
5. Leitfähige Beschichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenwiderstand < 300 Ω/ ist.
6. Elektrolumineszierende Anordnung, bestehend aus einer oberen und einer unteren Elektrode, zwischen die eine elektrolumineszierende Schicht und gegebenenfalls weitere Hilfsschichten eingefügt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Elektrode eine leitfähige Schicht, hergestellt aus Mischungen gemäß Anspruch 2, verwendet wird.
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