Conductivity Improvement of PEDOT/PSS and Its Application to Electric Devices

Abstract

The electrical conductivity of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly (4-styrenesulfonate) (PEDOT/ PSS) was significantly improved by two orders of magnitude upon addition of ethylene glycol (EG). It was found that the EG was crucially important for (i) crystallization of PEDOT molecules, (ii) removal of the insulating PSS from the surface of the PEDOT/PSS particles, which improved both intra-and inter-particle transfer of charge carriers. Furthermore, Schottky diode, field-effect transistor, microfiber, and soft actuator were fabricated utilizing the highly conductive PEDOT/PSS by means of line patterning, wet-spinning, and cast techniques, respectively. KEYWORDS : PEDOT/PSS, conductive polymer, line patterning, microfiber, soft actuator 1．は じ め に 導電性高分子や有機半導体を用いた電子素子の研究開 発は，軽量でフレキシブル，安価なプラスチック・エレ クトロニクスという新分野を拓いた 1, 2) 。現在，溶媒に 可溶で安定な導電性高分子材料の開発も盛んに行われて おり，プリンテッド・エレクトロニクスへの応用が期待 されている。これまで，ポリピロールやポリアニリン， ポリチオフェン等さまざまな導電性高分子とその誘導体 について系統的な研究を行ってきたが 3∼6) ，本稿では Poly（3,4-ethylenedioxythiophene） /poly（4-styrenesulfo-nate） （PEDOT/PSS）について，これまで得られた知見 を中心に紹介する。 PEDOT/PSS は代表的な導電性高分子であり，高い導 電性と透明性，優れた耐熱性と安定性を有することか ら，帯電防止材や固体電解コンデンサ，有機 EL のホー ル注入層などに幅広く用いられている。PEDOT ならび に PSS は Fig. 1 に示すようなモノマー配列（一次構造） から成り，静電相互作用によるポリイオンコンプレック ス（二次構造）を形成している。これがコロイド粒子 （三次構造）として水分散することから，ウェットプロ セスを用いた固体（四次構造）への成形加工が可能とな る。し か し，PEDOT/PSS の 電 導 度 は 数 S/cm と 低 く 7, 8) ，塗布膜やフィルムの抵抗値が高いことから，電 子デバイスへの応用は困難であった。 2．高導電化とメカニズム 興味深いことに，エチレングリコール（EG）を 3% 添加するだけで PEDOT/PSS フィルムの電導度が 3 から 430 S/cm と 100 倍以上向上することが明らかになった （Fig. 2） 9, 10) 。EG 濃度がさらに増加すると電導度は逆に 低下し，これがフィルムの作製方法や基板の種類に依存 しないことがわかった。同様の効果はジメチルスルホキ シド 11) やグリセリン，ソルビトール 12) ，ポリエチレング リコール 13) 等についても確認されている。XRD 測定よ り，pristine フィルムではハローが観察されたことから