汽車智能內飾重要的透明導電高分子材料PEDOT介紹

2021-01-14 智能汽車俱樂部

背景:汽車內飾智能表面是裝飾性表面(鋁、木材、塑料或織物材料)和電子系統的整合,包括觸摸感應、照明/氛圍燈、表面激活可振動等等,而這些功能的實現,都需要導電材料的參與,透明導電材料是智能表面中最核心的材料之一。

PEDOT是EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩單體)的聚合物,分子結構式見右圖。PEDOT具有分子結構簡單、能隙小、電導率高等特點,被廣泛用作有機薄膜太陽能電池材料、OLED材料、電致變色材料、透明電極材料等領域的研究。

與其他導電聚合物相比,PEDOT還有以下這些優點:

(1) 導電率高

用旋塗或者澆鑄成膜得到的PEDOT其電導率能達到550S/cm,用氣相聚合法得到的聚合物更是達到1000S/cm以上;

(2) 氧化狀態下具有很高的穩定性

在120℃下保持1000h,其電導率基本不變;

(3) 氧化狀態下是透明的

這是它在電子器件方面得到廣泛應用的一個重要因素。

但PEDOT本身為不溶性聚合物限制了其應用。隨後,採用一種水溶性的高分子電解質聚苯乙烯磺酸(PSS)摻雜解決了PEDOT的加工問題,獲得的PEDOT/PSS膜具有高電導率、高機械強度、高可見光透射率和優越的穩定性等。此後,PEDOT應用領域得到了快速發展,尤其是以PEDOT為基材而開發出來的新材料、新工藝、新元件等得到了充分發展。


PEDOT:PSS的發展歷史

德國拜耳公司在1988年首先合成出了聚噻吩的衍生物聚乙烯二氧噻吩, 即PEDOT,它以3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)為單體,它具有導電率高、環境穩定性好等特點引起了科學家們的廣泛興趣。

2001年左右,拜耳將其Baytron®導電聚合體業務賣給了H.C.Starck,商品名改為Clevios;

2009年3月,Clevios業務集團成為了一家獨立的法律實體,但仍在H.C.Starck旗下;

2010年第1季度,Agfa與Clevios籤訂交叉許可協議;

2010年9月2日,H.C.Starck宣布將Clevios出售給Heraeus;

目前,Heraeus仍將Clevios視為一個獨立的部門.


PEDOT和PEDOT:PSS的微觀結構和導電性


首先,我們先了解下PEDOT:PSS的化學與微觀結構。如圖1所示,PEDOT: PSS由於兩個聚電解質的緊密結合,具有複雜的結構。在水溶液中,PEDOT的一部分與PSS束緊密相連。這些束在水中形成凝膠顆粒的膠體。粒子中心為PEDOT富集區,外圍是親水PSS富集區。因此,PEDOT:PSS的沉積和乾燥形成了具有豐富PEDOT內核和豐富PSS外殼的片狀顆粒。薄膜的形貌和電導率在很大程度上受到加工方法和配方中包含的任何其他添加劑(通常稱為二次摻雜劑)的影響。如PEDOT:PSS經硫酸處理後的電導率高達4380 S cm-1,而沒有任何二次摻雜的導電率<10 S cm-1。PEDOT的電導率僅與溫度有微弱的依賴關係。然而,對於PEDOT:PSS,導電率隨溫度、導熱率和熱穩定性變化而變化,且高度依賴於薄膜的化學成分和形貌。


圖1 PEDOT:PSS的化學結構及其水中分散後的微觀結構示意圖


普利司通、德國世泰科、日本旭化成FINECHEM、日本山梨大學、三洋電機、東京工業大學等都在相關的領域開展了研究工作。目前,以PEDOT為功能材料的產品產業化的有比利時愛克發材料(Agfa Materials)、德國賀利氏。



比利時愛克發公司(Agfa)的OrgaCon系列的PEDOT導電油墨產品有:

活性成分為PEDOT:PSS的 Orgacon® EL-P 3040

活性成分為PEDOT:PSS的 Orgacon® P 3042

活性成分為PEDOT:PSS的 Orgacon® EL-P 6010 (雙固化:熱固化和UV固化)


上圖為:以Agfa公司的Orgacon產品作為電極材料的柔性OLED


ORGACON™ 透明導電絲網印刷油墨


Orgacon EL-P 系列絲網印刷油墨基於高分子導電聚合物PEDOT/PSS,能通過絲網印刷的方式形成透明導電的圖案,從實地塊到100 微米的細線都可實現。適用的基材包括PET, PC, PMMA, PI 和玻璃等柔性基材和剛性基材。EL-P 系列絲網印刷油墨具有優異的柔軟性和透明電極形成性,適用於電致發光冷光源(EL),電容式觸控感應器和薄膜開關等領域。

視頻:透明導電材料Orgacon - PEDOT

視頻:以Orgacon為電極材料的電容式觸摸傳感器


特性



賀利氏顯示與半導體材料部旗下品牌的Clevios™ PEDOT:PSS系列產品涵蓋各種抗靜電以及高導電應用材料。


Clevios™PEDOT:PSS導電聚合物


通過摻雜工藝從本徵導電聚合物,如聚苯胺、聚吡咯、聚氧噻吩的共軛 π 軌道上除去一個電子後,這些材料便具有了導電性。導電性由沿聚合物主鏈進行的電子離域效應產生 - 因此用術語「合成金屬」表示。三十年來,導電聚合物成為一項被深入研究的課題。Alan Heeger、AlanMacDiarmid和Hideki Shirakawa因「發現、研發導電聚合物」而獲得2000年度諾貝爾化學獎。

Clevios™PEDOT:PSS 是一種含有聚陰離子的替代型聚噻吩離子鍵聚合物複合物,也是迄今為止一種在商用產品中發現的導電性最高的材料:可達到1000 S/cm。我們可提供以下形式的產品:用於原位聚合的單體產品、水基分散體產品、或者與溶劑和添加劑混合的即用型配方材料。


Clevios™具有什麼特性?


Clevios™ 指各種單體、催化劑(氧化劑)、聚合物系列產品以及這些產品的專用配方材料(用於形成導電性聚合物薄塗層)。

導電聚合物(最高可達 1000 S/cm)

良好的化學穩定性

透明(厚度100nm 時, 最高可達 90%)

易於使用聚合物分散體或原位聚合

操作安全

可根據特定應用要求提供定製產品

良好的熱/紫外線穩定性

工業規模產品

 

賀利氏利用PEDOT,商標名稱 Clevios™,研發出特性出色的最新一代導電聚合物:導電性好、透明度高、穩定性好、易於加工。

賀利氏公司的導電聚合物Clevios™具有許多應用領域,如電容器、防靜電處理、導電透明薄膜、新型顯示器OLED、觸控螢幕、有機太陽能和印刷電子等等。

CLEVIOS™PEDOT:PSS 材料為我們打開通向全新應用領域的大門。只要您需要一種可以象液體一樣易於使用的透明電極,就請考慮使用我們的 CLEVIOS™ 聚合物材料。CLEVIOS™分散體及配方材料可通過不同的工藝技術形成塗層,如塗覆、噴塗或甚至在塑料和玻璃基材上印刷。塗好的溼膜可在80-130℃之間的中等溫度範圍內乾燥。幹膜無需進一步熱處理就可直接使用。所形成膜的表面電阻率變化範圍大,從能夠抗靜電(10E8 歐姆/平方)到高導電性(200歐姆/平方),且具有超過85%的高透光率。但是,CLEVIOS™ 分散體不僅可覆蓋扁平基材,還可在多孔的鉭和鋁電容器上形成塗層。液態導電聚合物可穿過整個電容器結構,可實現良好的電氣接觸。


智能時代,汽車觸控開關取代傳統按鍵開關是大勢所趨,但觸控開關要做的還有很多:比如說當前最重要的做好反饋,防止誤操作。技術的進步需要主機廠、方案設計、零部件供應商、材料企業等的共同努力,現艾邦建有汽車觸控開關微信交流群,吉利、比亞迪、長城、長安、東風、延鋒、莫仕、賽普拉斯等企業均已加入,歡迎產業鏈上下遊的朋友入群探討,共謀進步。



活動推薦:邀請函:第二屆汽車內飾智能表面高峰論壇(7月18~19 日,上海)



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