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PEDOTの材料物性とデバイス応用    
[コードNo.12STA078]

■監修/ 奥崎秀典(山梨大学)
■体裁/ A4判上製本 405ページ
■発行/ 2012年3月5日 S&T出版(株)
■定価/ 64,800円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-86428-038-9
 
PEDOT研究者のための「バイブル」発刊!
実験条件も詳細解説。自信を持っておすすめします!

著者

白川英樹 
奥崎秀典山梨大学
清水真三重大学
八谷巌三重大学
西長亨首都大学東京
伊與田正彦首都大学東京
石井哲也石原薬品(株)
跡部真人横浜国立大学
中林康治東京工業大学
後藤博正筑波大学
二森茂樹(独)物質・材料研究機構
須賀健雄早稲田大学
西出宏之早稲田大学
杉原良介テイカ(株)
堀井辰衛山梨大学
樋川英江山梨大学
湯浅真東京理科大学
井手博史アクゾノーベル(株)
藤本幸司慶應義塾大学
白鳥世明慶應義塾大学
藤田静雄京都大学
池之上卓己京都大学
臼井博明東京農工大学
井原孝東亞合成(株)
高松誠一技術研究組合BEANS研究所
湯本建法山梨大学
伊藤寿浩(独)産業技術総合研究所
小野田光宣兵庫県立大学
西澤松彦東北大学
藤田貴史ナガセケムテックス(株)
望月雄太山梨大学
大西賢日本航空電子工業(株)
長田貴弘(独)物質・材料研究機構
李悦忱山梨大学
米山直樹山梨大学
高野琢(財)高輝度光科学研究センター
増永啓康(財)高輝度光科学研究センター
藤原明比古(財)高輝度光科学研究センター
佐々木孝彦東北大学
山下将嗣(独)理化学研究所
元祐昌廣東京理科大学
佐々木順彦アルプス電気(株)
石川明生ヘレウス(株)
板東徹出光テクノファイン(株)
村上敏行日本ケミコン(株)
厳虎鄭州大学
大森裕大阪大学
松下哲士京都大学
鄭龍洙京都大学
赤木和夫京都大学
青木純名古屋工業大学
陳偉成名古屋工業大学
西井雅之(株)ブリヂストン
宮坂力桐蔭横浜大学
岸直希名古屋工業大学
曽我哲夫名古屋工業大学
辻井敬亘京都大学
吉岡優京都大学
馬場暁新潟大学
石井修山形大学
興雄司九州大学
関根淳(独)理化学研究所
Hsiao-hua Yu(独)理化学研究所
高木悟史山梨大学
日紫喜文也山梨大学
下村武史東京農工大学
佐光貞樹(独)物質・材料研究機構
伊藤耕三東京大学
池田雅史山梨大学
木村睦信州大学
戸嶋直樹山口東京理科大学
廣木一亮津山工業高等専門学校

書籍趣旨

 数ある芳香族共役系高分子の中で、本書が取り上げるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)は最も成功した導電性高分子である。その理由はドープしたPEDOT が極めて高い電気伝導度をもつばかりでなく、可視光領域での吸光係数が比較的小さいためにその薄膜は透明性に優れていること、とりわけ安定性に優れている点にある。優れた性質に基づく多彩の応用例は、本書に寄せられた多くの研究者・技術者による研究成果が如実に表していると言える。その一方で、PEDOT は有機溶媒に不溶であり、モノマーから直接薄膜状に重合するのが困難である点など克服すべき課題は多い。今後の更なる発展を願っている。
(白川 英樹 巻頭言より抜粋)

 白川英樹名誉教授(筑波大)、A.G. MacDiarmid 教授(ペンシルベニア大)、A.J. Heeger 教授(カリフォルニア大)の「導電性高分子の発見と開発」による2000 年ノーベル化学賞受賞は、有機エレクトロニクスやプラスチック・エレクトロニクスという新分野を拓いた。中でもPEDOT は最も成功した導電性高分子の一つであり、帯電防止材や固体電解コンデンサ、有機EL のホール注入層に広く用いられており、最近ではITO 代替材料としてタッチパネルやディスプレイ、太陽電池に不可欠な透明電極への応用が期待されている。特にPEDOT/PSSはコロイド水分散液として市販されており、ウェット・プロセスや印刷技術によるパターン形成や素子作製が可能なことから、プリンテッド・エレクトロニクス材料として注目を集めている。日本におけるPEDOT 研究のアクティビティは高く、基礎物性からデバイス応用までその裾野は広い。しかしながら、PEDOT の基礎的な材料物性から最先端のデバイス応用までを網羅した書籍は国内においてこれまでなかった。 本書はPEDOT をできるだけ広い視野から眺め理解することを目的に、さまざまな分野で活躍されている先生方にご執筆いただいた。本書がPEDOT 研究の入門書としてお役に立てればこの上ない喜びである。
(監修者/奥崎秀典 はじめにより抜粋)

目次

巻頭言
第1章PEDOTの化学構造と基礎物性
1EDOTの重合
1.1電解酸化重合
1.2In situ重合
2化学構造
2.1光吸収スペクトル
2.2結晶構造
3電気特性
3.1電導度
3.2キャリア輸送特性
3.3キャリア密度と移動度
第2章合成・重合法
第1節EDOTの効率的な合成法
1従来のEDOTの合成法
2効率的なEDOTの合成法
第2節可溶性置換基をもつ3,4-ジオキシチオフェンオリゴマーの合成と基礎物性
1中性オリゴマーの合成
1.1両末端に置換基をもつEDOTオリゴマーの合成
1.2ジヘキシルProDOTのオリゴマーの合成
2中性オリゴマーの性質
2.1構造
2.2酸化還元電位
3p-ドープ状態モデルとしてのカチオン種の性質
3.1光物性と電子構造の関係
3.2磁気的性質と電子構造−πダイマー形成と不均化
第3節EDOTの合成と市場動向
1EDOTの基本情報
2EDOTの合成方法
3EDOTの市場動向
第4節超音波乳化法を用いたEDOTナノエマルション溶液の創成と電解重合への応用
1EDOT乳化液の電解重合
2反応メカニズムの解明
3透明導電性高分子フィルムの創成
3.1透明導電性膜材の開発動向
3.2タンデム式超音波乳化法を利用したEDOTモノマー透明ナノエマルション溶液の創成
3.3タンデム式超音波乳化液より得られたPEDOT膜の物性評価
第5節PEDOTの電解重合における磁場効果
1電解重合
2エレクトロクロミズム
3液晶電解液を用いたPEDOTの電解合成
4光学活性
5光学活性エレクトロクロミズム
6PEDOTのコレステリック液晶中での電解重合
7液晶中でのPEDOTの電解合成
8光学的異方性
9繰り返し特性
10磁場中での液晶の配向メカニズム
第6節EDOTの気相重合
1気相酸化重合の特徴
2気相酸化重合の重合機構
2.1酸化剤の種類と効果
2.2塩基添加の重要性
2.3重合温度など他の要因
3気相重合PEDOTの伝導機構
3.1導電性とドーパント(対アニオン)
3.2導電特性の温度依存性
3.3気相重合時の温度と導電特性
4気相重合PEDOTの応用
第7節酸化重合法で重合したPEDOTについて
1有機スルホン酸鉄(テイカトロンAF)を用いた導電性高分子の重合例
2テイカトロンの特徴
2.1有機スルホン酸と鉄のモル比について
2.2ドーパントの違いについて
3重合のポイント
3.1重合温度と湿度
3.2洗浄について
第8節PEDOT/PSSディスパージョンの合成
1EDOTの酸化重合
2二次構造
2.1ポリイオンコンプレックス
2.2協同効果
3組成の異なるPEDOT/PSSディスパージョンの合成と電導度評価
3.1コロイド粒径(三次構造)
3.2ゼータ電位
3.3電導度
第9節超臨界二酸化炭素(scCO2)環境におけるPEDOTナノ粒子の合成とその利用
1scCO2環境におけるPEDOTナノ粒子の合成
2PEDOTナノ粒子を利用したインクジェット印刷による薄膜化
第10節PSSの性質と用途
1PSSの合成方法
2PSSの特徴と性質
2.1熱安定性
2.2帯電防止性
3PSSの使用用途
4PSSならびにそのコポリマーの種類
第3章塗布・パターニング・製膜
第1節交互吸着(LBL)法によるPEDOT-PSS膜の作製
1交互吸着法による薄膜形成
1.1交互吸着法の特徴
1.2薄膜の膜厚と構造制御
2交互吸着法による導電性薄膜の形成
2.1導電性高分子による多層膜の作製
2.2交互吸着法による透明導電膜と太陽電池電極への応用
2.2.1酸・有機溶媒による処理
2.2.2金属塩による処理
2.2.3透明導電性フィルムの耐久性
2.2.4導電膜による色素増感太陽電池用対極
2.3連続製膜
2.3.1Roll-to-Roll方式による導電性フィルム
2.3.2スプレー法による導電性薄膜の作製
第2節超音波噴霧ミストデポジション法によるPEDOT/PSS薄膜の作製
1超音波噴霧ミストデポジション法とは
2有機薄膜の成膜過程
3PEDOT/PSS薄膜の特性
4PEDOT/PSS薄膜のデバイス応用
第3節エレクトロスプレー法によるPEDOT/PSS薄膜の作製
1エレクトロスプレー法
2PEDOT/PSSのエレクトロスプレー
2.1スプレー液の調整
2.2膜のモフォロジー
2.3膜の赤外吸収特性
2.4膜の電気化学的特性
第4節フォトエッチング法及びスクリーン印刷法によるPEDOT/PSSパターニング
1フォトエッチング法
1.1フォトレジスト クリアイマージュTRPシリーズと現像液 クリアイマージュTRP-Dシリーズ
1.2エッチング液 クリアイマージュTTE-Cシリーズ
1.3剥離液 クリアイマージュTRP-Sシリーズ
1.4フォトエッチング法の工程
1.5パターニング後の導電性と透過率
1.6高精細のパターニング
2スクリーン印刷法(エッチングインク法)
第5節パリレンピールオフ法を用いたPEDOT:PSSパターニング
1パリレンピールオフ法を用いたPEDOT:PSSのパターニング原理
2PEDOT:PSSのパリレンピールオフ法によるパターニングの評価
2.1ガラス転移温度とパターニング成功率の関係
2.2パターニング精度
2.3導電性の変化
2.4パターニング例
3結論
第6節ラインパターニング法によるPEDOT/PSSのパターニング
1ラインパターニング法
2抵抗・コンデンサ
3高分子分散型液晶ディスプレイ
4プッシュスイッチ
5ショットキーダイオード
6ショットキーゲート型有機トランジスタ
第7節ダイコーティングによるPEDOT:PSSの成膜
1PEDOT:PSSのファイバー上へのダイコーティング法の原理
2ダイコーティング法を用いたファイバー上へのPEDOT:PSS電極形成実験
2.1センサ用PEDOT:PSS電極の要求仕様
2.2PEDOT:PSS電極形成用ダイコーティングシステムの詳細
2.3ダイス径変化によるシート抵抗の制御実験
2.4搬送速度と膜質の関係を調べる実験
第8節PEDOT/PVA複合膜の作製
1電解重合法
2電解重合反応の機構
3PPy/PVA複合膜
4PEDOT/PVA複合膜
第9節ハイドロゲル表面へのPEDOTパターンの電析技術
1PEDOT電極による細胞・組織への電気刺激
2ハイドロゲル基板
3ハイドロゲル基板へのPEDOTパターンの作製
4応用例:動く細胞アッセイチップ
第10節PEDOT/PSSを用いた透明導電性コーティング材の開発とウエットプロセスによる成膜
1PEDOT/PSS
1.1PEDOT/PSSの特性
1.2PEDOT/PSSを利用したコーティング材の調製
2透明導電性コーティング剤 「デナトロン」
2.1デナトロンのグレードについて
2.1.1帯電防止グレード
2.1.2高導電グレード
2.2基材適応性
3ウエットプロセスによる成膜
3.1PEDOT/PSSのウエットコーティング法
3.2PEDOT/PSSを含有するコーティング材の取り扱い
3.2.1コーティング材の希釈
3.2.2不純物混入の影響
3.3パターニング
3.3.1スクリーンペースト
第4章電気特性改善と各種影響因子
第1節高次構造制御によるPEDOT/PSSの高導電化
1溶媒による電導度向上
2X線回折(XRD)による結晶構造解析
3X線光電子分光(XPS)による組成分析
4原子間力顕微鏡(AFM)によるモルフォロジー観察
5電導度の温度依存性とキャリア輸送特性
6メカニズム
第2節PEDOT膜の電導度におけるpHの効果
1PEDOT/PSSの中和滴定曲線
2紫外可視近赤外(UV-vis-NIR)吸収スペクトル
3四探針法による電導度測定
4原子間力顕微鏡(AFM)によるモルフォロジーと電流像
5X線回折(XRD)による結晶構造解析
第3節高分子電解質の分散性・配向性制御によるPEDOT/PSS膜の導電特性の向上
1添加剤による配向性制御
2表面修飾による配向性制御
2.1基板表面修飾によるPEDOT/PSS膜の配向性の制御による導電性向上
2.2交互吸着膜による導電性向上
第4節UV-オゾンクリーニングのPEDOT/PSS薄膜の電気特性への影響
第5節伸縮性を有するPEDOT/PSSフィルム
1PEDOT/PSS
2PEDOT/PSS/Araフィルムの作製と引張特性
3電気電導度
4熱重量変化と熱機械特性
5高次構造およびモルフォロジー
第5章評価
第1節PEDOT/PSSの走査トンネル顕微鏡(STM)観察
1走査トンネル顕微鏡(STM)の実験方法
2STMによるPEDOT/PSSの表面観察
第2節高輝度放射光施設SPring-8を利用したPEDOT/PSSのエックス線構造解析
1放射光を利用した高分子・ソフトマター材料の構造評価
2SAXS測定によるPEDOT/PSS水溶液中のミセル構造解析
3WAXS測定によるPEDOT/PSS薄膜構造解析
第3節テラヘルツ及び赤外-紫外分光法を用いたPEDOT:PSSキャリア輸送特性の非破壊評価
1THz分光法を用いたキャリア輸送特性評価
2赤外−紫外分光法によるキャリア輸送特性評価
3PEDOT:PSS薄膜キャリア移動度の非破壊評価
第4節強制レイリー散乱法によるPEDOT/PSS膜における温度伝導率の非接触測定
1強制レイリー散乱法を用いた温度伝導率測定システム
2PEDOT-PSS自立膜
3測定結果
3.1PEDOT-PSS自立膜の温度伝導率
3.22次ドーピングによる電気伝導率と温度伝導率の関係
第5節PEDOT/PSSの導電率向上をもたらす極性溶媒添加効果の分子軌道法による解析
1分子軌道法シミュレーション
1.1使用した分子軌道法シミュレーションソフト
1.2PEDOT/PSSのモデル分子
2極性溶媒添加の効果
2.1PEDOT/PSS導電のメカニズム
2.2極性溶媒添加の効果
第6章応用における技術ポイントと要求特性
第1節応用動向
1EDOT (3,4エチレンジオキシチオフェン)
1.1EDOT の開発
1.2EDOTの主な用途
2PEDOT/PSS
2.1PEDOT/PSSの開発
2.2PEDOT/PSSの用途拡大を支える特性
2.3PEDOT/PSSの応用展開への課題
2.4PEDOT/PSSの応用動向
第2節帯電防止
1帯電防止とは
2帯電防止フィルム・シート
2.1概要
2.2保護フィルム
2.3剥離フィルム(リリースフィルム)
2.4導電トレイ
3エルコートTMの特徴
3.1一般物性
3.2表面抵抗測定時の留意点
3.2.1表面抵抗と体積固有抵抗
3.2.2表面抵抗測定時の印加電圧
4帯電防止分野の今後の展開
第3節アルミ巻回型導電性高分子コンデンサ
1電解コンデンサの陰極材料の歴史
2アルミ巻回型導電性高分子コンデンサの構造
3アルミ巻回型導電性高分子コンデンサに求められる性能
4各種コンデンサで適用される導電性高分子とその形成方法
5アルミ巻回型コンデンサ特性を引き出す導電性高分子PEDOTの機能と必要な物性
第4節ITO代替PEDOT/PSS薄膜の開発とタッチパネルへの応用
1導電性高分子
2PEDOT/PSSの「一次粒子単層膜」
3高導電性と高透明性の両立
4タッチパネルへの応用
第5節ディスプレイ・表示素子
〔1〕有機EL
1透明電極としての高導電性有機材料PEDOT:PSSの特性
2有機EL素子の発光特性
3スターバースト系低分子層挿入による発光面の改善
4溶液プロセスで発光層を成膜した素子作製と発光特性
5今後の展開
〔2〕キラリティと液晶性を有するPEDOT誘導体の合成とエレクトロクロミック特性
1異方性エレクトロクロミズムと円偏光二色性を示す液晶性PEDOT誘導体
1.1ポリマーの構造と合成
1.2ポリマーの分子量と分散度
1.3ポリマーの熱的性質
1.4ポリマーの光学的性質
1.5ポリマーの可逆的なエレクトロクロミズム
1.6直線偏光蛍光特性
1.7ポリマーへのキラル誘起と円偏光二色性スペクトル
2電気化学的な酸化還元による共重合型キラルPEDOT誘導体のキラリティおよびエレクトロクロミズムの制御
2.1電解重合
2.2モノマーの合成と重合
2.3ポリマーの特性評価
2.4ポリマーフィルムの分光電気化学
2.5ポリマーフィルムの円偏光二色性スペクトル
2.6ポリマーフィルムの形態
2.7電気化学的酸化還元過程のメカニズム
2.8キラルネマチック液晶(N*-LC)の調製
2.9不斉反応場における重合
2.10ポリマーフィルムの光学的性質
2.11ポリマーフィルムの形態と顕微鏡像
〔3〕電気化学発光素子へのPEDOT/PSS層の導入効果
1電気化学発光素子とは
2電気化学発光素子の作製
3PEDOT/PSS層の導入効果
4イオン液体を添加した電気化学発光素子に対するPEDOT/PSS膜の導入効果
〔4〕PEDOT/PSS を電極材料に用いたフレキシブル電子ペーパーの開発
1PEDOT/PSS電極からなるフレキシブル電子ペーパーの開発
1.1透明導電性高分子とその電気光学特性について
1.2透明導電性高分子のパターニング加工
1.3PEDOT/PSS 電極からなるフレキシブル電子ペーパーの表示特性
2印刷法による PEDOT/PSS 電極の直接形成とフレキシブル電子ペーパーへの適用
3まとめ
第6節太陽電池
〔1〕PEDOT誘導体の色素増感太陽電池への応用
1色素増感太陽電池を構成する素材と機能
2ポリチオフェン系高分子の色素増感太陽電池への応用
3光増感剤としてのポリチオフェン系ポリマー
4対極用触媒としてのポリチオフェン系ポリマー
5色素増感太陽電池のプラスチックフィルム化とモジュール製作
〔2〕PEDOT:PSS/SWCNT正孔輸送層を用いた有機薄膜太陽電池の特性改善
1有機薄膜太陽電池におけるPEDOT:PSS正孔輸送層の役割
2特性改善したPEDOT:PSS正孔輸送層を用いた有機薄膜太陽電池
3PEDOT:PSS/SWCNT正孔輸送層を用いた有機薄膜太陽電池
〔3〕濃厚ポリマーブラシ型PEDOT/PSS薄膜の合成と光電変換デバイスへの応用
1濃厚ポリマーブラシとは
2PSSR濃厚ブラシの合成
3濃厚ポリマーブラシ場での化学酸化重合と脱保護によるPEDOT/PSS薄膜の合成
4有機薄膜太陽電池セルへの応用
第7節センサ
〔1〕PEDOTの表面プラズモン共鳴を用いたセンサ
1表面プラズモン共鳴法
2電気化学−表面プラズモン共鳴分光法によるPEDOT超薄膜の評価の例
2.1PEDOT薄膜電界重合のその場測定評価
2.2PEDOT薄膜のドーピング−脱ドーピングによる誘電率変化の評価
2.3電気化学−表面プラズモン増強フォトルミネッセンス測定
3バイオ・化学センサへの応用例
〔2〕PEDOT/PSS被覆磁性リボンを用いたワイヤレス湿度センサ
1PEDOT/PSS被覆磁性リボンを用いた湿度センシング
1.1素子構造
1.2素子作製法
1.3特性評価法
1.4湿度センシング特性
〔3〕PEDOT/PSSのインクジェットによる有機波長選択型光センサ
1狭帯域増感PEDOT/PSS膜
2単層バルクへテロフォトダイオード
3三層フォトダイオードによる信号改善
4最後に
〔4〕PEDOTを用いたバイオセンサ
1PEDOT導電性バイオインターフェイス
2PEDOTナノ構造によるデバイス
3シグナル増幅材料としてのPEDOT
第8節アクチュエータ
〔1〕フィルムアクチュエータ
1実験
2フィルムの特性
2.1比表面積
2.2水蒸気吸着特性
3アクチュエータ特性
3.1電気収縮挙動
3.2収縮応力と体積仕事容量
3.3直動アクチュエータ(ポリマッスル)
〔2〕高強度ヒドロゲルアクチュエータ用電極
1実験
1.1高強度ヒドロゲルの合成と力学特性
1.2導電性高分子電極の作製
1.3高強度ヒドロゲルの電場応答特性
2結果と考察
2.1高強度ヒドロゲルの引張特性
2.2高強度ヒドロゲルの電場応答特性
〔3〕イオン液体/エラストマーゲルアクチュエータ用電極
1実験
1.1イオン液体/ポリウレタンゲルの合成
1.2力学特性
1.3導電性高分子電極の作製
1.4電場応答特性
1.5電気特性
2結果と考察
2.1IL/PUゲルの合成と力学特性
2.2アクチュエータ特性
2.3メカニズム
第9節繊維
〔1〕PEDOTナノファイバー
1PEDOTナノファイバーの作製法
2PEDOTナノファイバーの導電性
3PEDOTナノファイバーの1本の導電性
4PEDOTナノファイバーのセンサー利用
〔2〕PEDOT/PSSマイクロファイバー
1マイクロファイバーの作製
1.1ウェットスピニング
1.2モルフォロジーと電導度
2マイクロファイバーの高導電化
2.1エチレングリコール(EG)処理
2.2構造変化
2.3キャリア輸送特性
2.4力学特性
〔3〕ポリビニルアルコールとPEDOT:PSSとの混合湿式紡糸による導電性高分子繊維
1分散液の粘度
2凝固浴中での溶媒除去速度
第10節PEDOT/PSSの熱電特性
1熱電変換とその応用
1.1熱電変換の原理
1.2熱電変換の特徴と応用例
1.3有機熱電変換材料
2熱電変換材料に要求される性能
2.1無次元性能指数
2.2導電率
2.3熱伝導率
2.4ゼーベック係数
3PEDOT/PSSの熱電変換材料としての特性
3.1PEDOT/PSSとその類縁体
3.2PEDOT/PSSのハイブリッド材料
第11節PEDOTを用いた透明フィルムスピーカーと化学教育
1教育と導電性高分子
1.1理科離れ
1.2一般向け化学実験教室
1.3導電性高分子の化学実験教室
2PEDOTを用いた透明フィルムスピーカーの構造と原理
2.1透明フィルムスピーカーの構造と原理
3PEDOTを用いた透明フィルムスピーカーの製法
3.1PEDOT薄膜電極の作製
3.2補助電極の取り付け
3.3オーディオプレーヤーとの接続
4PEDOT薄膜電極についての考察
4.1透明薄膜電極に用いる導電性高分子
4.2洗浄とドーパントの効果
5PEDOTを用いた実験教室の教育効果



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