(57)【要約】【課題】ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像の解析によって、非破壊で簡易に透明導電膜の光学的、電気的異方性を定量化できる解析方法を提供する。【解決手段】ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を二値化し、この二値化画像をフーリエ変換して得られるパワースペクトル画像からワイヤー状導電性フィラーの配向分布を求める。この配向分布を用いて、直線偏光を入射した場合の透過率の方位角依存性を計算する。別途、作成しておいた透過率とシート抵抗のマスターカーブを用いて、上記で算出した任意方位角の透過率から同方向のシート抵抗を得るワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法。【選択図】図８
2019113497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を二値化し、この二値化画像をフーリエ変換して得られるパワースペクトル画像からワイヤー状導電性フィラーの配向分布を求め、この配向分布を用いて直線偏光を入射した場合の透過率の方位角依存性を計算して光学的異方性を得るワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法。
【請求項２】
予め作成しておいたワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の透過率とシート抵抗のマスターカーブを用いて、請求項１に記載の透過率の方位角依存性から任意方位角の透過率を用いて同方向のシート抵抗を得るワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のワイヤー状導電性フィラーが、銀ナノワイヤーであるワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の透明導電膜が、銀ナノワイヤーがポリマーで固定化されているフィルムであるワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
透明導電膜としてはＩＴＯ（Indium tin oxide）が広く一般に使用されている。しかし、Ｉｎｄｉｕｍ（インジウム）には資源枯渇や、フレキシブルディスプレイ等の屈曲性を要求される用途に適用した場合に割れ易い等の問題が指摘されている。
このため、安価で屈曲性に優れるＩＴＯ代替の透明導電膜が望まれている。ＩＴＯ代替の透明導電膜としては、カーボンナノチューブや有機導電体等も候補と目されている。
しかし、例えば、タッチパネル用途で要求される透過率＞９０％、シート抵抗＜１００オーム／ｓｑを満たす材料は、現在のところ銀ナノワイヤーによるネットワークに限られている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１２９１７６号公報
【特許文献２】特開２０１３−１６６８７０号公報
【特許文献３】特開２０１６−００６９０１号公報
【特許文献４】特開２０１２−００２５４７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】紙パルプ技術タイムス，48(11),1-5(2005)
【非特許文献２】A research journal on sustainable utilization of forest bioresources, Volume 21, Issue No.2, 253-259(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
メタルナノワイヤーによるネットワークは、メタルナノワイヤーの分散液をダイコート、スリットコート、スピンコート等の方法で製膜できるため、製造コストが安価なメリットある。しかしながら、上記の製造方法では製膜条件によってメタルナノワイヤーの向きがランダムではなく、ある程度、配向し易い傾向がある。
この結果、メタルナノワイヤーの配向に起因した光学的、電気的な異方性が発現する。ここで記す光学的異方性とは、直線偏光を入射した場合の透過率が直線偏光の電場ベクトルの方向に依存することを意味する。電気的異方性とは、シート抵抗や電気伝導度が平面内の方向に依存することを意味する。
しかしながら、光学的、電気的異方性が存在しても、その異方性を加味して透明導電膜を適用したデバイスを設計すれば問題はない。重要なのは異方性の定量測定にある。電気配線の設計で重要なシート抵抗の異方性は、従来では実際に任意方位角方向に配線を形成して、その抵抗を測定しなければならなく煩雑であった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を解析することによって、非破壊で簡易に透明導電膜の光学的、電気的異方性を定量化できる解析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意研究した結果、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像の解析によって、ワイヤー状導電性フィラーの配向分布を求め、さらに、配向分布から直線偏光を入射した場合の任意方位角の透過率及びシート抵抗を得る解析方法を見出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、［１］ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を二値化し、この二値化画像をフーリエ変換して得られるパワースペクトル画像からワイヤー状導電性フィラーの配向分布を求め、この配向分布を用いて直線偏光を入射した場合の透過率の方位角依存性を計算して光学的異方性を得るワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法である。
また、本発明は、［２］予め作成しておいたワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の透過率とシート抵抗のマスターカーブを用いて、上記［１］に記載の透過率の方位角依存性から任意方位角の透過率を用いて同方向のシート抵抗を得るワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法である。
【０００８】
また、本発明は、［３］上記［１］又は［２］に記載のワイヤー状導電性フィラーが、銀ナノワイヤーであるワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法である。
さらに、本発明は、［４］上記［１］〜［３］のいずれか一項に記載の透明導電膜が、銀ナノワイヤーがポリマーで固定化されているフィルムであるワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の光学的、電気的異方性の解析方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を二値化し、フーリエ変換して得られるパワースペクトル画像からワイヤー状導電性フィラーの配向分布を求め、この配向分布を用いて直線偏光を入射した場合の透過率の方位角依存性を計算して光学的異方性を得ることができる。また、わざわざ任意方位角方向に配線を形成してシート抵抗を測定しなくても、予め、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の透過率とシート抵抗のマスターカーブを作成しておくと、透明導電膜の任意方位角方向のシート抵抗を非破壊で得ることのできる簡便な解析方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】銀ナノワイヤーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像である。
【図２】透明導電膜のモルフォロジー画像である図１を二値化した二値化画像である。
【図３】二値化画像である図２をフーリエ変換して得られるパワースペクトル画像である。
【図４】パワースペクトル画像である図３の配向分布の極座標表示である。
【図５】図４の線分の角度データとして表示した配向分布である。
【図６】図５にVon Mises（フォン・ミーゼス）分布で近似した曲線を重ねた配向分布である。
【図７】ワイヤー１本の配置と直線偏光の電場ベクトルの関係を示した図である。
【図８】透明導電膜全体の方位角と透過率の関係である。
【図９】本検討に用いたナノワイヤーを含有する透明導電膜での透過率とシート抵抗の関係（マスターカーブ）である。
【図１０】マスターカーブを用いた透過率からのシート抵抗の推定を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明では、まず、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を準備する。モルフォロジー画像とは、ワイヤー状導電性フィラーの平面上での分散状態が分かる画像を意味し、高倍率で撮影した光学式顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ: Scanning Electron Microscope）等で撮影した画像を意味する。光学式顕微鏡の場合は、暗視野モードで撮影すると、ワイヤーの明瞭な像が得られ好ましい。図１に光学式顕微鏡で測定した銀ナノワイヤーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を示す。
上記のモルフォロジー画像をデジタル処理するため、カラー又はグレースケール画像を白と黒に二値化した画像に変換することが好ましい。ワイヤー状導電性フィラーをポリマーで固定化した場合、ワイヤー状導電性フィラーは白色、それ以外の非ワイヤー状導電性フィラー領域は黒色の画像となる。図２に、図１を二値化した画像を示す。
【００１２】
次に、ワイヤー状導電性フィラーの配向分布を得るために、上記の二値化画像をフーリエ変換してパワースペクトル画像を得る。図３に、図２のパワースペクトルを示す。パワースペクトル画像は元の画像の周期性を表しており、中心から周辺への各方位角方向における濃淡の起伏が、その方位角方向でワイヤーを横切る強度を表している。
そこで各方位角方向へ配向しているワイヤーの存在割合、すなわち、配向分布を得るため、パワースペクトルの各方位角方向におけるフーリエ係数の振幅の平均値を算出する。図３のパワースペクトルの平均振幅の極座標表示を図４に示す。
ここまでの解析方法は新規なものではなく、特許文献４、非特許文献１、２等に記載されている。
【００１３】
ワイヤーの配向は、ベクトルではなく線分なので、０〜１８０°の範囲の配向分布の方が分かり易い。そこで、図４の極座標表示を０〜１８０°の範囲の配向分布とする。ここで、ワイヤーの長軸が配向している方位角とパワースペクトルの平均振幅が作る配向分布は相互に直交しているので、極座標表示に対してワイヤーの配向分布は９０°回転させればよい。図４の極座標表示を線分データとして表示した配向分布に変換した図５を示す。
【００１４】
さらに、以下で配向分布が光学・電気特性に及ぼす影響を解析するため、上記の配向分布のデータを数式化することが好ましい。配向分布は円周状の方向統計なので、線分の角度データを近似可能なVon Mises（フォン・ミーゼス）分布で数式化した。配向分布を表すVon Mises分布は（式１）で表され、Ｉ０は、０次の変形ベッセル関数（式２）、θは平面座標系の方位角、μは配向の平均方向、κは集中度を表す。
また、線分の角度データなのでθ、μ、κの範囲は（式３）となり、μ、κは図５の配向分布に式１をフィッティングさせることで求めることができる。
【００１５】
【数１】
2019113497.tif 000003
【００１６】
図５の配向分布をVon Mises分布で近似した曲線を重ねて図６に示す。
次に、図７に示すように、１本のワイヤーに対して直線偏光を入射した場合の透過率を、ワイヤーの長軸の向きと直線偏光の電場ベクトルとの方位角差の関数として求める。算出方法は、例えば、ジョーンズ行列を用いると容易に求めることができる。ここではワイヤーの長軸をθ回転した場合の出射光の電場を記述すると、式４となる。
【００１７】
【数２】
2019113497.tif 000004
ここで
【００１８】
【数３】
2019113497.tif 000005
は入射光である直線偏光のジョーンズベクトルを表す。
【００１９】
【数４】
2019113497.tif 000006
は、１本のワイヤーのジョーンズ行列を表し、直交方向、すなわち、ワイヤーの長軸方向と短軸方向でそれぞれ消衰係数がｋ１、ｋ２と異なる。この時、光の波長λはワイヤーの長軸、又は、短軸に起因する吸収がある波長であると以下のように単純化できる。すなわち、銀ナノワイヤーでは、長軸に起因する光吸収は近赤外領域にあり、短軸に起因する局在プラズモン吸収は近紫外（３８０ｎｍ）にあって、直交している。すなわち、波長として近赤外領域を選ぶと、銀ナノワイヤーの長軸方向では吸収が大きいが、短軸方向では無視できるため、ｋ１＝ｋ１（長軸と平行な方向の消衰係数）、ｋ２＝０（長軸と直交する方向の消衰係数）とできる。
また、
【００２０】
【数５】
2019113497.tif 000007
は、角度θの回転演算子、
【００２１】
【数６】
2019113497.tif 000008
は、出射光の電場のジョーンズベクトルである。
（式４）を展開し、透過率 Ｉ を求めると（式５）になる。ここでαは吸光度を表す。
【００２２】
【数７】
2019113497.tif 000009
式５から、透過率は光の電場ベクトルとワイヤーが平行な方位角の吸光度α1にｃｏｓ２θを乗じた形となる。
上述はワイヤーが１本の場合だが、透明導電膜中のワイヤーは先に数式化したVon Mises分布で複数存在している。したがって、透明導電膜全体の透過率は、配向分布にｃｏｓ２θを乗じ、θを０〜πで積分した形となる。さらに、透明導電膜全体の方位角と直線偏光の電場ベクトルとの角度がμなので、透明導電膜全体の透過率の方位角依存性 Ｉ（μ）は式６となる。ここで透明導電膜全体の方位角は光学主軸を０°と定義する。
【００２３】
【数８】
2019113497.tif 000010
但し、βは比例係数であり、任意方位角で測定した透過率と同じ方位角で算出した式６の値を一致させるための比例係数である。図８に任意方位角、ここでは１０°間隔で測定した２１００ｎｍでの透過率と式６で算出した透過率を示す。図８では直線偏光は０°、比例係数βは０°での値を用いて算出した。測定した透過率と算出した透過率は、ほぼ一致しており、モルフォロジー画像と、どこか一つの方位角に直線偏光を照射した際の透過率があれば、任意方位角での透過率、すなわち、光学的異方性が得られることが分かる。
【００２４】
一方、メタルナノワイヤーによるネットワークでは、透過率とシート抵抗の間には相関関係があり、マスターカーブが描ける。すなわち、同じワイヤーを用いて、導入量が異なる透明導電膜の透過率とシート抵抗の関係をプロットすると、一本の曲線が描ける。図９に、直径が４０ｎｍ、全長が３０μｍの銀ナノワイヤーからなるネットワークの波長が２１００ｎｍでの透過率とシート抵抗のマスターカーブを示す。図９中のドットは実測値で点線はマスターカーブである。
本発明者は、透過率は入射光が無偏光の場合だけでなく、電場ベクトルが任意方位角である直線偏光での透過率、同方位角方向のシート抵抗であっても上記のマスターカーブに乗ることを明らかにした。したがって、任意方位角の直線偏光における透過率が分かれば、上記のマスターカーブを用いて同方位角方向のシート抵抗を算出することができる。
以上のことから、モルフォロジー画像と、どこか一つの方向での直線偏光を照射した際の透過率があれば、任意方位角方向のシート抵抗を算出できることを見出した。
【実施例】
【００２５】
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
ある程度の配向分布を有する、直径が４０ｎｍ、全長が３０μｍの銀ナノワイヤーからなるネットワークのモルフォロジー画像を図１に示す。図２は、図１の二値化画像を示す。図３は、図２をフーリエ変換したパワースペクトル画像を示す。図４は、図３の各方位角方向におけるフーリエ係数の振幅の平均値による配向分布の極座標表示を示す。図５は、図４の線分の角度データとして表示した配向分布を示す。図６は、図５にVon Mises分布で近似した曲線を重ねた配向分布を点線で示す。図８は、透明導電膜全体の方位角と透過率の関係を示す。この時、透過率は波長が２１００ｎｍでの値である。図９は、直径が４０ｎｍ、全長が３０μｍの銀ナノワイヤーを用いて、作製した導入量が異なる透明導電膜の透過率（波長２１００ｎｍ）とシート抵抗の関係をプロットしたマスターカーブである。透過率は無偏光だけではなく、任意方位角でのデータも含み、シート抵抗も同方位角での実測したシート抵抗である。いずれのプロットとも一つのマスターカーブで表されることが分かる。
図１のモルフォロジー画像と一つの方位角（たとえば０°）の偏光透過率があれば、図８の任意方位角の透過率、すなわち、光学的異方性が得られる。さらに、例えば、透明導電膜全体の光学主軸に対して方位角が２０°での透過率は図８より、９４．１％と分かる。また、同方位角でのシート抵抗は図１０より５０Ω／ｓｑと分かる。
【００２６】
上記のように本発明では、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜のモルフォロジー画像を二値化し、フーリエ変換して得られるパワースペクトル画像からワイヤー状導電性フィラーの配向分布を求め、この配向分布を用いて直線偏光を入射した場合の透過率の方位角依存性を計算して光学的異方性を得ることができる。そして、予め、ワイヤー状導電性フィラーを含有する透明導電膜の透過率とシート抵抗のマスターカーブを作成しておくと、透明導電膜の任意方位角方向のシート抵抗を非破壊で得ることができる。
【図１】
2019113497.tif 000011
【図２】
2019113497.tif 000012
【図３】
2019113497.tif 000013
【図４】
2019113497.tif 000014
【図５】
2019113497.tif 000015
【図６】
2019113497.tif 000016
【図７】
2019113497.tif 000017
【図８】
2019113497.tif 000018
【図９】
2019113497.tif 000019
【図１０】
2019113497.tif 000020