2013年1月29日

リリース概要

独立行政法人産業技術総合研究所(以下、産総研)の技術移転ベンチャーの株式会社SIJテクノロジ(本社:東京都千代田区、代表取締役:村田和広)と、国立大学法人大阪大学産業科学研究所の竹谷純一教授および岡本敏宏准教授は、有機トランジスタ※2の性能を大きく左右し、有機半導体※1薄膜の結晶性を向上させる、超微細インクジェット※3 ※4(スーパーインクジェット:SIJ)を使った高性能有機半導体薄膜の塗布技術の開発に成功しました。今後、更なる材料の探索と塗布条件の最適化を図り、大面積の有機半導体アレイなどへ応用していく予定です。

なお、1月30日~2月1日東京ビッグサイトで行われる「nano tech2013」および「Printable Electronics 2013」に出展します。

 

成果のポイント

・阪大が開発した結晶性有機半導体材料と、SIJテクノロジのスーパーインクジェットを利用
・超微細インクジェットで塗布する事で、結晶の方位がそろった高品質な有機半導体結晶薄膜を高速形成
・形成された有機半導体結晶薄膜上に有機トランジスタ構造を作成
・結晶性を高めるための熱処理を行う事なく、3.8Vcm2/Vsの高移動度を実現
・開発技術は局所的に結晶方位を制御した微細塗布が可能
・特許出願済み

 

研究開発の背景

近年、プリンテッドエレクトロニクス※5あるいはフレキシブルエレクトロニクス※6の実現に向けて、有機半導体材料や、それを使った有機トランジスタの開発が盛んに行われています。しかしながら、有機半導体は、一般にはシリコン等の無機半導体に比べキャリア移動度が劣ると言われています。これは、有機分子の配向方向がバラバラな多結晶状態や結晶性の無いアモルファス状態である事が原因とされています。実際に、有機単結晶を用いた移動度の測定結果においては、無機半導体に匹敵するような高い移動度の報告もある事から、結晶性が高く方位のそろった有機半導体薄膜を形成する方法が求められていました。

従来、配向した有機薄膜を得る方法として、インクジェットで貧溶媒を滴下する方法が報告されていますが、溶媒の乾燥までに時間がかかること、また事前のパターニングが必要で局所的な塗布に限界があるなどの問題がありました。

 

開発技術

今回開発した技術は、従来の1/1000以下の超微細液滴を吐出可能な超微細インクジェット技術(スーパーインクジェット:SIJ)を用いて、有機半導体の溶液を吐出し、基板上の液滴の量を精密に制御する事で、方向のそろった単結晶の薄膜を効率よく作成することに成功しました。

結晶の大きさ・方位は、インクの出し方、塗布方向の制御等によって調節が可能であり、高速で高品位の超薄膜を形成することが可能です。

しかも、非常に限られた領域に局所的に高品位結晶を形成できる事から、高価な有機半導体材料の使用量を格段に減らす事もでき、省資源、低コスト化にも寄与します。また、得られる薄膜が非常に薄く微細な領域のため、フレキシブル基板上に形成した場合でも、割れ等の問題も生じにくく高い適合性を持つと考えられます。

本技術によって、作られた高品位の有機半導体結晶を用いてトランジスタを形成したところ、従来の真空プロセスで作られた多結晶状態の結晶を使って作成したデバイスに比べ、およそ5倍のパフォーマンスが確認されました。(図は、電荷量に対する伝導率と規格化したゲート電圧の平方に対する規格化した電流で表示しています。)

 

本技術の有効性と今後の予定

・本成果は、微小な領域に結晶の方位を制御して、高品位の有機半導体の薄膜を選択的に形成可能な技術です
・本成果を用いれば、高性能な有機トランジスタが効率よく作成できる事になり、液晶や、有機ELディスプレイ、電子ペーパーや、大面積センサ等への応用が期待されます
・今後、更なる材料の探索、塗布条件の最適化を図り、大面積の有機トランジスタ作成プロセスの確立を目指します

 

参考情報

nano tech 2013
主催:株式会社 ICSコンベンションデザイン
nano tech 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議は、最先端のモノづくりに欠かすことのできない基盤技術「ナノテクノロジー」に関する世界最大の展示会です。2013年は第12回目の開催となり、InterAqua、ASTEC、SURTECH、Convertech JAPAN、先進印刷技術展、新機能性材料展、Printable Electronicsの他、試作・受託加工展、Neo Ceramicsを新たに加え、計12展示会の同時開催を通じて、あらゆるMarket Placeをカバーし、ここから最先端技術と製品のビジネスマッチングが行われます。(URL:http://www.nanotech.com

Printable Electronics 2013
主催:株式会社 加工技術研究会 / 共催:株式会社 ICSコンベンションデザイン
スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、インクジェットといった印刷プロセスで電子回路を形成するプリンタブルエレクトロニクスは、フレキシブルなデバイスや、量産プロセスの効率化などを実現できる技術として、世界規模で研究が進められているホットな分野です。対象とする製品も、プリント配線板(FPC)に始まり、トランジスタ、太陽電池、有機ELなど拡がりを見せています。プリンタブルエレクトロニクス展では、印刷・製版技術、乾燥・硬化技術、Roll to Roll、導電性インク・ペースト、ナノ材料など、プロセス技術から材料までをカバーします。(URL:http://www.printable-electronics.com

 

参考図

図1 有機溶剤に溶かした有機半導体溶液を、基板上に滴下し、乾燥後の状態を観察した光学顕微鏡写真。
液滴のサイズが大きく、様々な場所に結晶核が有り、多数の結晶が見られる。

図2 SIJで描画した有機半導体結晶薄膜(幅約10μm)
描画に伴い、一方向に乾燥固化するために、方位のそろった単結晶的な高品位な結晶が成長する。

図3 市販型研究開発用スーパーインクジェット装置(サブフェムトインクジェット加工装置)


図4 作成した有機薄膜トランジスタ(TFT)の模式図


図5 作成した有機トランジスタの電気特性


図6 従来の蒸着法で作成した有機トランジスタとの比較
左:線形領域、右:飽和領域(横軸は、キャパシタンスでそれぞれ規格化)

 

用語解説

※1 有機半導体
有機半導体は、電子や正孔(ホール)という電荷が分子から分子へ飛び移りながら移動する(ホッピング電動と呼ばれる。)が、分子の整列の仕方によってその移動速度が大きく変わってくる事が知られている。有機半導体の移動度は、通常無機半導体に比べて数桁劣ると言われているが、単結晶など高品位の有機半導体は、無機半導体に近い値を持つと言うデータもあり、結晶性の高い有機半導体薄膜を得る事が重要である。

※2 有機トランジスタ
電気の通り道の部分に有機半導体を使った薄膜トランジスタ。通常トランジスタと言えば、結晶シリコン、あるいはアモルファスシリコンを使った物や最近ではIGZOなどの無機半導体が実用化されている。有機トランジスタのメリットは、作成プロセス温度が低温である事。溶液の塗布や印刷などで形成できるため、従来の無機半導体のように単結晶インゴットの引き上げや、真空装置による結晶成長などが必要なく、大面積にも比較的安いコストでトランジスタ回路が形成できる点である。

※3 インクジェット
デジタルデータに基づいて、ノズルからインクを吐出しながら画像等を形成する技術。家庭用のプリンターとして広く普及している。圧電体でインク室の体積を変化させ、機械的圧力でインクを吐出するピエゾ方式と、流路内に設けたヒーターで、流路内に泡を発生させその圧力により吐出させるサーマル方式(キヤノンのバブルジェットが有名)が主流の方式である。家庭用ではサーマル方式が、工業用にはピエゾ方式が多く用いられており、生成される液滴のサイズは、どちらの方式でも、1ピコリットル:pL(ピコは10のマイナス12乗)程度が下限となっている。1pLの液滴は、直径が約12.5μmである。このサイズは、人間の目の可視限界(20μm程度と言われている)程度でありドキュメントや写真印刷には充分に高精細であるが電子産業応用を考えた場合には不十分であった。

※4 スーパーインクジェット
(独)産業技術総合研究所で開発された超微細な液滴を吐出可能なインクジェット技術である。従来技術の1/1000以下のサブフェムトリットル:fL(フェムトは10のマイナス15乗)の微細な液滴を吐出する事ができる技術である。サブフェムトリットルの液滴は、着弾径で1μ以下を達成する事ができる。金属超微粒子や、各種のナノ材料、高分子、有機分子、生体材料など多くの材料をインクとして扱う事ができる。吐出可能なインクの粘度範囲も幅広いという特徴を持つ。

※5 プリンテッドエレクトロニクス(またはプリンタブルエレクトロニクス)
印刷によって作成される電子素子や、基板、それらの製品等をさしてプリンテッドエレクトロニクスと呼ぶ。従来のプロセスが、高価な真空装置や、メッキや、エッチング等ウエットプロセスを多用するのに対し、常温大気中で、印刷装置等により物作りを行うのが特長で、従来は困難で高コストになりがちな、大面積やフレキシブルなデバイスに特に向いていると言われている。

※6 フレキシブルエレクトロニクス
紙のように薄い基板上に、ディスプレイやセンサ等電子デバイスを作成する電子産業分野。ロール状に丸めたり、折り畳んだりする等、従来の固い基板上に形成することでは、実現が不可能な、大面積で可搬性に優れたエレクトロニクスの実現を目指している。

※7 微少液滴の乾燥性
スーパーインクジェットで吐出するような超微少量の液滴は、体積に対して表面積の割合が非常に大きくなるため、通常よりも溶剤の乾燥速度が速くなる。このため、加熱や紫外線の照射等の固化手段を用いることなく、インクから直接立体構造の形成を行うことが可能になる。

 

参考URL

http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/index.html

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