JP2006252775A - ディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第1の電極3と第2の電極4よりなる一対の電極間に有機半導体層2を設け、該有機半導体層に、絶縁層5を介して第3の電極6を設けてなる構造を備え、一対の電極間に有機半導体層が発光する範囲内で電圧を印加すると共に第3の電極に電圧を印加することにより発光を制御する有機トランジスタを基板上に複数個配列してなる発光基板と、発光基板の発光面と相対する位置に光学的フィルターを配置してなるディスプレイ装置において、有機半導体層が発光する領域が細長形状となるように前記一対の電極を構成するとともに、それに対応して前記光学的フィルターの形状を細長形状とした。
【選択図】 図1
Description
一般に平板型のディスプレイ装置においては、液晶、有機EL、電気泳動などを利用した素子を用いて表示媒体を形成している。またこうした表示媒体では画面輝度の均一性や画面書き換え速度などを確保するために、画像駆動素子として薄膜トランジスタ(TFT)により構成されたアクティブ駆動素子を用いる技術が主流になっている。ここでTFT素子は、通常、ガラス基板上に、主にa−Si(アモルファスシリコン)、p−Si(ポリシリコン)などの半導体薄膜や、ソース、ドレイン、ゲート電極などの金属薄膜を順次形成、積層していくことにより製造される。このTFT素子を用いるフラットパネルディスプレイの製造には通常、CVD、スパッタリングなどの真空系設備や高温処理工程を要する薄膜形成工程に加え、精度の高いフォトリソグラフ工程が必要とされ、設備コスト、ランニングコストの負荷が非常に大きい。さらに、近年のディスプレイの大画面化のニーズに伴い、製造に伴うコスト増大量は非常に膨大なものとなっている。
近年、従来のTFT素子のデメリットを補う技術として、有機半導体材料を用いた有機TFT素子の研究開発が盛んに進められている(特許文献1、非特許文献1等参照)。この有機TFT素子は低温プロセスで製造可能であるため、重量があり且つ割れやすい従来のガラス基板に代えて、軽く、割れにくい樹脂基板を用いることができ、さらに、樹脂フィルムを支持体として用いたフレキシブルなディスプレイが実現できると言われている(非特許文献2参照)。また、大気圧下で、印刷や塗布などのウェットプロセスで製造できる有機半導体材料を用いることで、生産性に優れ、非常に低コストのディスプレイが実現できる。
一方でこのような有機半導体材料を用いた有機TFT素子の研究成果の一環として、発光型トランジスタの報告もなされている(非特許文献3参照)。これを使用すれば、従来のように表示媒体と画像駆動素子を別々に形成することなく、両者を一体化した新規な構成のディスプレイが実現できる可能性がある。
また第2の目的は、このようなディスプレイ装置をカラー表示した場合に高品位な表示を行うことができるようにすることにある。
さらに第3の目的は、このようなこのようなディスプレイ装置を安定して機能させるための新規な構成を提案することにある。
また第4の目的は、このようなこのようなディスプレイ装置を安定して機能させるための他の新規な構成を提案することにある。
さらに第5の目的は、このようなこのようなディスプレイ装置を安定して機能させるためのさらに他の新規な構成を提案することにある。
また第6の目的は、このようなこのようなディスプレイ装置を安定して機能させるためのさらに他の新規な構成を提案することにある。
第2に、前記細長形状の発光領域を3つ隣接配置することによりほぼ正方形形状の発光領域となるように個々の発光領域を細長形状とし、それに対応した前記光学的フィルターを3つ隣接配置することによりほぼ正方形形状をなすように光学的フィルター1つの形状を細長形状とした光学的フィルターであって、該光学的フィルターには3色分のフィルターが配置されるとともに、その3色分のフィルター領域でほぼ正方形形状の領域を形成した。
さらに第3に、上記第1もしくは第2に記載のディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層するとともに該積層物を、真空気密状態に配した。
また第4に、上記第1もしくは第2に記載のディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層するとともに該積層物を、不活性ガス雰囲気中に配した。
さらに第5に、上記第1もしくは第2に記載のディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層し、前記有機半導体層が発光する領域を真空気密状態にした。
また第6に、上記第1もしくは第2に記載のディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層し、前記有機半導体層が発光する領域を不活性ガス雰囲気中に配した。
請求項2の発明によれば、このようなディスプレイ装置において、前記細長形状の発光領域は隣接する3つの領域でほぼ正方形形状の発光領域となるような個々の発光領域の細長形状とし、それに対応した前記光学的フィルターも隣接する3つの領域でほぼ正方形形状の領域となるようにその1つの形状を細長形状とした光学的フィルターであって、該光学的フィルターには3色分のフィルターが配置されるとともに、その3色分のフィルター領域でほぼ正方形形状の領域を形成してなるようにしたので、上記効果に加え、高品位な表示を行うことができるカラーディスプレイ装置を提案できた。
請求項3の発明によれば、このようなディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層するとともに該積層物を、真空気密状態に配したので、上記効果に加え、素子機能が安定して発現できるようになった。
請求項4の発明によれば、このようなディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層するとともに該積層物を、不活性ガス雰囲気中に配したので、上記効果に加え、素子機能が安定して発現できるようになった。
請求項5の発明によれば、このようなディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層し、前記有機半導体層が発光する領域を真空気密状態にしたので、上記効果に加え、素子機能が安定して発現できるようになるとともに、構成を単純化することができた。
請求項6の発明によれば、このようなディスプレイ装置において、前記発光基板とフィルターを積層し、前記有機半導体層が発光する領域を不活性ガス雰囲気中に配したので、上記効果に加え、素子機能が安定して発現できるようになるとともに、構成を単純化することができた。
図1はトップゲート型の発光型有機薄膜トランジスタ素子における層構成例を示し、支持体1を構成する基板あるいはシート上に有機半導体層2を積層形成し、さらに有機半導体層2に電気的に接続する第1の電極としてのソース電極3及び第2の電極としてのドレイン電極4を所定の配置、所定の間隔を隔てて配置し、この一対の電極3、4間に相当する領域に、ゲート絶縁層5を介して第3の電極としてのゲート電極6を有するものである。換言すれば、有機半導体層2の上面とソース電極3及びドレイン電極4を覆うようにゲート絶縁層5を配置し、更にゲート絶縁層5の上面の適所(ソース電極3とドレイン電極4間に相当する位置)にゲート電極6を配置した構成を備えている。そして、ソース電極3及びドレイン電極4の間に有機半導体層2が発光する範囲内で電圧を印加し、さらにゲート電極6に電圧を印加することにより、発光を制御するようにしている。
ここで支持体1を構成する基板材料として後述するような透光性材料を用いることにより、支持体1側から外部(図1の矢印Aの方向)に光を取り出すことが可能となる。
あるいは、これも材料等を後述するが、ゲート絶縁層5ならびにゲート電極6を透光性材料とすることにより、ゲート電極6側から外部(図1の矢印Bの方向)に光を取り出すことが可能となる。
ここで、支持体1を構成する基板材料として後述するような透光性材料を用いることにより、またゲート電極6ならびにゲート絶縁層5も、後述するような透光性材料とすることにより、支持体1側から外部に(図2の矢印Aの方向)光を取り出すことが可能となる。
あるいは、酸化ケイ素等の透光性材料によって素子保護層7を形成、封止構造とすることにより、図2の矢印Bの方向に光を取り出すことが可能となる。なお後述するように、このような有機トランジスタ全体を、真空気密状態にしたり、あるいは不活性ガス雰囲気中に配置するような形で封止を行うような場合には、ここで示した素子保護層7はなくてもよい。
そして、ソース電極3及びドレイン電極4の間に有機半導体層2が発光する範囲内で電圧を印加し、さらにゲート電極6に電圧を印加し、発光を制御することができるようにしている。
ここで、素子保護層7を酸化ケイ素等の透光性材料によって構成することにより、外部に(図3の矢印Aの方向)光を取り出すことが可能となる。
なお後述するように、このような有機トランジスタ全体を真空気密状態にしたり、あるいは不活性ガス雰囲気中に配置するような形で封止を行うような場合には、ここで示した素子保護層7はなくてもよい。
さらに銅フタロシアニンやフッ素置換銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニン類、ナフタレン1、4、5、8−テトラカルボン酸ジイミド、N、N’−ビス(4−トリフルオロメチルベンジル)ナフタレン1、4、5、8−テトラカルボン酸ジイミドとともに、N、N’−ビス(1H、1H−ペルフルオロオクチル)、N、N’−ビス(1H、1H−ペルフルオロブチル)及びN、N’−ジオクチルナフタレン1、4、5、8−テトラカルボン酸ジイミド誘導体、ナフタレン2、3、6、7テトラカルボン酸ジイミドなどのナフタレンテトラカルボン酸ジイミド類、及びアントラセン2、3、6、7−テトラカルボン酸ジイミドなどのアントラセンテトラカルボン酸ジイミド類などの縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、C60、C70、C76、C78、C84等フラーレン類、SWNTなどのカーボンナノチューブ、メロシアニン色素類、ヘミシアニン色素類などの色素などがあげられる。
これらのπ共役系材料のうちでも、チオフェン、ビニレン、チェニレンビニレン、フェニレンビニレン、p−フェニレン、これらの置換体またはこれらの2種以上を繰返し単位とし、かつ該繰返し単位の数nが4〜10であるオリゴマーもしくは該繰返し単位の数nが20以上であるポリマー、ペンタセンなどの縮合多環芳香族化合物、フラーレン類、縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、金属フタロシアニンよりなる群から選ばれた少なくとも1種が好ましい。
また、その他の有機半導体材料としては、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、BEDTTTF−ヨウ素錯体、TCNQ−ヨウ素錯体、などの有機分子錯体も用いることができる。さらにポリシラン、ポリゲルマンなどのσ共役系ポリマーも用いることができる。
例えば下記一般式(I)で表わされるカルボニル化合物
[一般式(I)中、A1、A2はそれぞれ置換または無置換の単環または多環式のアリレン基またはヘテロアリレン基を表わす。R1は水素、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表わす。Vは−O−、−S−、−NR2−(R2は置換または無置換の単環または多環式のアリレン基、もしくは置換または無置換の単環または多環式のヘテロアリレン基を表わす)を表わし、nは≧0を表わす]、及び下記一般式(II)で表わされるリン化合物
[一般式(II)中、A3、A4はそれぞれ置換または無置換の単環または多環式のアリレン基またはヘテロアリレン基を表わす。R3は水素、置換または無置換のアルキルまたはアリールまたはヘテロアリール基を表わす。Wは−O−、−S−、−NR4−(R4は置換または無置換の単環または多環式のアリレン基、もしくは置換または無置換の単環または多環式のヘテロアリレン基を表わす。mは≧0を表わす。XはPO(OR5)2(R5は低級アルキル基)またはP(R6)3+Y―(R6は置換または無置換のアリール基、もしくは置換または無置換のアルキル基を表わし、Yはハロゲン原子を表わす)を表わす]を反応させ、炭素−炭素二重結合を含有する下記一般式(III)
の繰り返し単位をもつ重合体が製造される。
好適に用いられる塩基化合物は、非水系溶媒に均一に溶解していれば一般に知られている塩基性化合物が全て含まれるが、ホスホネートカルボアニオンの形成能を考慮に入れると、塩基性度の点から金属アルコシド、金属ヒドリド、有機リチウム化合物等が好ましく、例えばカリウムt−ブトキシド、ナトリウムt−ブトキシド、リチウムt−ブトキシド、カリウム2−メチル−2−ブトキシド、ナトリウム2−メチル−2−ブトキシド、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムエトキシド、カリウムメトキシド、水素化ナトリウム、水素化カリウム、メチルリチウム、エチルリチウム、プロピルリチウム、n−ブチルリチウム、s−ブチルリチウム、t−ブチルリチウム、フェニルリチウム、リチウムナフチリド、リチウムアミド、リチウムジイソプロピルアミド等を挙げることができる。
塩基を溶解する溶媒としては、使用する塩基と安定な溶液を形成する溶媒を選択しなければならないが、その他の要因として塩基の溶解度が高いものがよく、また反応系で生成する高分子量体の反応溶媒に対する溶解性を損ねないものがよく、さらに生成する高分子量体が良好に溶解する溶媒がよく、用いる塩基と製造する高分子量体の特性に応じて、一般に知られているアルコール系、エーテル系、アミン系、炭化水素系溶媒等から任意に選択することができる。
塩基とそれを均一に溶解する溶媒の組み合わせとしては、例えばナトリウムメトキシドのメタノール溶液、ナトリウムエトキシドのエタノール溶液、カリウムt−ブトキシドの2−プロパノール溶液、カリウムt−ブトキシドの2−メチル−2−プロパノール溶液、カリウムt−ブトキシドのテトラヒドロフラン溶液、カリウムt−ブトキシドのジオキサン溶液、n−ブチルリチウムのヘキサン溶液、メチルリチウムのエーテル溶液、リチウムt−ブトキシドのテトラヒドロフラン溶液、リチウムジイソプロピルアミドのシクロヘキサン溶液、カリウムビストリメチルシリルアミドのトルエン溶液等をはじめとして、種々の組み合わせの溶液が挙げられ、幾つかの溶液は市販品として容易に入手することができる。温和な反応条件、取り扱いの容易さの観点から好ましくは金属アルコキシド系の溶液が用いられ、生成する重合体の溶解性、取り扱いの容易さ、反応の効率性、生成する重合体の溶解性等の観点からより好ましくは金属t−ブトキシドのエーテル系が用いられ、さらに好ましくはカリウムt−ブトキシドのテトラヒドロフラン溶液が用いられる。
上記重合反応はリン化合物およびアルデヒド化合物の溶液に塩基溶液を添加してもよく、塩基溶液にリン化合物およびアルデヒド化合物の溶液を加えてもよく、同じに反応系に加えてもよく、添加の順序に制約はない。
上記重合反応における重合時間は、用いられるモノマーの反応性、または望まれる重合体の分子量等に応じて適宜設定すればよいが、0.2時間〜30時間が好適である。また、重合体の末端を封止するための封止剤を、反応途中または反応後に添加することも可能であり、反応開始時に添加しておくことも可能である。
上記重合反応における反応温度は特に制御する必要なく室温において良好に重合反応が進行するが、反応効率をより上げるために加熱したり、またはより温和な条件に冷却することも可能である。
各種の測定は下記の方法によった。重合体の数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)及び分子量分布(Mw/Mn)の測定は、ゲルパーミエイションクロマトグラフィ(GPC)により行ない、UV吸収及び示差屈折率を用いて、単分散ポリスチレンを標準としてポリスチレン換算で行った。
100ml四つ口フラスコに以下の化学式に示す
ジアルデヒドを0.852g(2.70mmol)、及び以下の化学式に示す
ジホスホネートを1.525g(2.70mmol)を入れ、窒素置換してテトラヒドロフラン75mlを加えた。この溶液にカリウムt−ブトキシドの1.0moldm−3テトラヒドロフラン溶液6.75ml(6.75mmol)を滴下し、室温で20時間撹拌した後、ベンジルホスホネート及びベンズアルデヒドを順次加え、さらに2時間30分撹拌した。酢酸およそ1mlを加えて反応を終了し、溶液を水洗した。溶媒を減圧留去し、残渣をテトラヒドロフラン15ml及びメタノール80mlを用いて再沈澱による精製を行い、以下の化学式に示す重合体を1.07g得た。
得られた重合体の分子量及び分子量分布を測定したところ、収率:73%、重量平均分子量(Mw):104000、数平均分子量(Mn):36000、分子量分布(Mw/Mn):2.89、重合体:63であった。
上記実施例は一例であるが、他の材料であってもよい。例えば、ペンタセン等前駆体が溶媒に可溶であるものは、以下に述べる液体噴射原理等により形成した前駆体の膜を熱処理して目的とする有機材料の薄膜を形成してもよい。
このようにして得られた高分子量の重合体である本発明の発光型有機半導体材料は、スピンコート法、キャスト法、ディップ法、液体噴射法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法等の公知の成膜方法によってクラックのない、強度、靭性、耐久性等に優れた良好な薄膜を作製することが可能である。
特に液体噴射原理による方法(インクジェット法ともいう)は、後述の電極パターン形成にも適用することができる汎用性の高い技術であるため、本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子製作の有効な手段となるので、その製作装置に関して検討した結果をここで説明する。
吐出ヘッドユニット11の液滴付与装置(吐出ヘッド33)としては、任意の液滴を定量吐出できるものであればいかなる機構でも良く、特に0.05pl〜数100pl程度の液滴を形成できるインクジェット原理の機構が望ましい。
他の方式として、米国特許第3596275号明細書、米国特許第3298030号明細書等に開示されている方式(Sweet方式)がある。これは連続振動発生法によって帯電量の制御された記録液体の小滴を発生させ、この発生された帯電量の制御された小滴を、一様の電界が掛けられている偏向電極間を飛翔させることで、記録部材上に記録を行うものであり、通常、連続流方式、あるいは荷電制御方式と呼ばれている。
さらに他の方式として、特公昭56−9429号公報に開示されている方式がある。これは液体中で気泡を発生せしめ、その気泡の作用力により微細なノズルから液滴を吐出飛翔させるものであり、サーマルインクジェット方式、あるいはバブルジェット(登録商標)方式と呼ばれている。
このように液滴を噴射する方式は、ドロップオンデマンド方式、連続流方式、サーマルインクジェット方式等あるが、必要に応じて適宜その方式を選べばよい。
本発明ではこのような発光型有機薄膜トランジスタ素子製造装置(図4)において、基板14はこの装置の基板位置決め/保持手段22によってその保持位置を調整して決められる。図2では簡略化しているが、基板位置決め/保持手段22は基板14の各辺に当接されるとともに、X方向およびそれに直交するY方向にサブミクロンオーダーで微調整できるようになっているとともに、吐出ヘッドコントロールボックス17、コンピュータ20、コントロールボックス21等と接続され、その位置決め情報および微調整変位情報等と、液滴付与の位置情報、タイミング等は、たえずフィードバックできるようになっている。
さらにこのような発光型有機薄膜トランジスタ素子製作に使用できる製造装置では、X、Y方向の位置調整機構の他に図示しない(基板14の下に位置するために見えない)、回転位置調整機構を有している。
本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子基板は、後述するようにその目的、用途に応じて、ガラス基板、セラミックス基板、PETを始めとする各種プラスチック基板、Si等の半導体基板、ガラス・エポキシ基板、ポリイミドフィルム、ポリアミドイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエステルフィルム等の高分子フィルムよりなるフレキシブル基板等が好適に用いられる。たとえば各種プラスチック基板や高分子フィルムは軽量化が要求されるパターン配線基板、あるいは本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子に代表される各種の機能デバイス製作に効果的である。
さらに、このようなデバイス製作においてその途中のプロセスで熱が加わることが多々あり、高精度なデバイス製作においては、熱膨張によるデバイスの精度低下の問題を考慮する必要がある。たとえば本発明においては、高精度な発光型有機薄膜トランジスタ素子を製作するためには、その線膨張率α(=1/l0・dl/dt、l0は0℃における長さ、lはt℃における長さ)が、293K(20℃)でα/K-1=20〜50×10-6、あるいはそれ以下あるような金属材料の線膨張率に近い低線膨張率を持つポリマー材料が好適に使用される。
このような低熱膨張の透明基板としては、例えば、透明ポリマー材料を直径50〜100nm程度の生物系の透明ナノファイバー強化繊維で補強した複合材料があげられ、平行光の透過率は90〜95%が得られるものである。
本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子基板に使用する各種プラスチック基板や高分子フィルの形状は、このような基板を経済的に生産、供給する、あるいは最終的に製作される発光型有機薄膜トランジスタ素子基板の用途から、矩形である。つまり、その矩形形状を構成する縦2辺、横2辺はそれぞれ、縦2辺が互いに平行、横2辺が互いに平行であり、かつ縦横の辺は直角をなすような基板である。
このような基板に対して本発明では、形成される発光型有機薄膜トランジスタ素子群をマトリックス状に配列し、このマトリックスの互いに直交する2方向が、この基板の縦方向の辺あるいは横方向の辺の方向と平行であるように発光型有機薄膜トランジスタ素子群を配列する。このように発光型有機薄膜トランジスタ素子群をマトリックス状に配列する理由および、基板の縦横の辺をそのマトリックスの直交する2方向と平行になるようにする理由を以下に述べる。
図4に示したように、本発明に適用できる発光型有機薄膜トランジスタ素子製造装置では、最初に基板14と吐出ヘッドユニット11の溶液噴射口面の位置関係が決められた後は、特に位置制御を行うことはない。つまり、吐出ヘッドユニット11は基板14に対して一定の距離を保ちながら発光型有機薄膜トランジスタ素子群の形成面に対して平行にX、Y方向の相対移動を行いつつ、上記溶液の噴射を行う。つまりこのX方向及びY方向は互いに直交する2方向であり、基板の位置決めを行う際に、基板の縦辺あるいは横辺をそのY方向あるいはX方向と平行になるようにしておけば、形成される発光型有機薄膜トランジスタ素子群もそのマトリックス状配列の2方向がそれぞれ平行であるため、相対移動を行いつつ噴射する機構のみで高精度の発光型有機薄膜トランジスタ素子群形成、あるいは電極パターン形成を行うことができる。言い換えるならば、本発明のような基板形状、発光型有機薄膜トランジスタ素子群のマトリックス状配列、直交するX、Yの2方向の相対移動装置にすれば、発光型有機薄膜トランジスタ素子形成、あるいは電極パターン形成の液滴噴射を行う前の基板の位置決めを正確に行えば、高精度な発光型有機薄膜トランジスタ素子群のマトリックス状配列が得られるということである。
この回転方向のズレを補正するために本発明では、前述のように図示しない(基板14の下に位置して見えない)、回転位置調整機構を有している。これにより回転方向のズレも補正し、基板の辺を位置決めすると、本発明の装置では、XおよびY方向のみの相対移動で、高精度な発光型有機薄膜トランジスタ素子群のマトリックス状配列が得られる。
以上の説明は、本発明に好適に使用される基板あるいはシートが、基本的に矩形形状であるということを前提としたものであるが、例外としてSi等の半導体基板は丸いウエハとして供給されるので、その場合は、結晶方位軸の方向を示すオリフラ(オリエンテーションフラット)と呼ばれる直線状の1辺を上記基板位置決め/保持手段22に当接させればよい。
次に位置決めの他の手段、構成について説明する。上記の説明は基板位置決め/保持手段22は、基板14の辺に当接され、基板位置決め/保持手段22全体が、X方向あるいはY方向に位置を調整できるようにしたものであるが、ここでは、基板14の辺ではなく、基板上に互いに直交する2方向に帯状パターンを設けるようにした例について説明する。前述のように本発明では基板上に発光型有機薄膜トランジスタ素子群をマトリックス状に配列して形成されるが、ここでは、前記のような互いに直交する2方向の帯状パターンをこのマトリックスの互いに直交する2方向と平行になるように形成しておく。このようなパターンは、基板上にフォトファブリケーション技術によって容易に形成できる。
この液体吐出ヘッドは、溶液56が導入される流路45内にエネルギー作用部としてピエゾ素子46を設けたものである。ピエゾ素子46にパルス状の信号電圧を印加して図5(a)に示すようにピエゾ素子46を歪ませると、流路45の容積が減少すると共に圧力波が発生し、その圧力波によってノズル65から液滴43が吐出する。図5(b)はピエゾ素子46の歪がなくなって流路45の容積が増大した状態である。
ここでノズル65直前の流路45に導入される溶液56は、フィルター57を通過してきたものである。本発明ではこのように、フィルター57を吐出ヘッド内に設け、ノズル65の最近傍にフィルター除去機能を持たせている。こうすることにより、本発明の溶液中の異物粒子をトラップし、基板上に形成される電極パターンあるいは有機発光材料によるパターンの性能低下を起こさないようにしている。このようなフィルター57は小型の簡易フィルターとすることによって、図6に示したように吐出ヘッド11内に組み込むことが可能となっている。そして吐出ヘッド11そのものもコンパクト化を実現できている。
このようなフィルターb57は、たとえばステンレスメッシュフィルターが好適に用いられ、その孔径(フィルターメッシュサイズ〜除去できる異物の大きさの下限値)は、0.2μm〜2μmとされる。
ここで示した液体吐出ヘッドは、溶液が流れる流路端部から液滴が噴射するタイプのものであり、エッジシューター型と呼ばれるものである。
ここでは、液体吐出ヘッドのノズル数を4個とした例を示している。この液体吐出ヘッドは、発熱体基板66と蓋基板67とを接合させることにより形成されており、発熱体基板66は、シリコン基板68上にウエハプロセスによって個別電極69と共通電極70とエネルギー作用部である発熱体71とを形成することによって構成されている。
一方前記蓋基板67には、溶液が導入される流路を形成するための溝74と、流路に導入される前記溶液を収容する共通液室を形成するための凹部領域75とが形成されており、これらの発熱体基板66と蓋基板67とを図7に示すように接合させることにより、前記流路及び前記共通液室が形成される。なお、発熱体基板66と蓋基板67とを接合させた状態においては、前記流路の底面部に前記発熱体71が位置し、流路の端部にはこれらの流路に導入された溶液の一部を液滴として吐出させるための前記ノズル65が形成されている。なおここでは、ノズル形状は矩形であるが、これは丸形状であってもよい。なお前記蓋基板67には、供給手段(図示せず)によって前記供給液室内に溶液を供給するための溶液流入口76が形成されている。
本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子形成においては、複数の液滴によって、発光型有機薄膜トランジスタ素子や電極パターンなどを形成する。つまりパターンをドットを重ね打ちしたり接触させたりして形成する。よって、このようなマルチノズル型の液体吐出ヘッドを用いると大変効率的に発光型有機薄膜トランジスタ素子を形成することができる。なおこの例では4ノズルの液体吐出ヘッドを示しているが、必ずしも4ノズルに限定されるものではなく、ノズル数が多ければ多いほど発光型有機薄膜トランジスタ素子の形成が効率的になることは言うまでもない。ただし、単純に多くすればよいということではなく、多くすれば液体吐出ヘッドも高価になり、また噴射ノズルの目詰まりによる確率も高くなるので、それらも考慮し装置全体のバランス(装置コストと発光型有機薄膜トランジスタ素子の製作効率のバランス)を考えて決められる。
図9、図10にはそれぞれのマルチノズル型の液体吐出ヘッドをA、B、C、Dと符号をつけているが、それぞれ各液体吐出ヘッドA、B、C、Dはノズル部分が各液体吐出ヘッドごとに離間して構成されるとともに各液体吐出ヘッドごとに異なる種類の溶液(例えば有機半導体材料の溶液および電極形成溶液)を噴射することができる。あるいは、それぞれ、独立したヘッドユニットとしてキャリッジ搭載されるなどして、互いの溶液がノズル面で混じらないようにする。
本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子形成に適用される製造装置は、有機半導体材料の溶液および電極形成溶液を噴射付与して、発光型有機薄膜トランジスタ素子を製作するものであるが、単一の溶液のみを噴射するのみならず、この例のように、複数種類の溶液を噴射することができるので、たとえば、電極パターンを形成する溶液と有機半導体材料の溶液を組み合わせた発光型有機薄膜トランジスタ素子を簡単に形成することができる。
前述のように本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子形成に適用される製造装置では、吐出ヘッドユニット11は基板14に対して一定の距離を保ちながらパターン、あるいは発光型有機薄膜トランジスタ素子群の形成面に対して平行にX、Y方向の相対移動を行いつつ、パターン、あるいは発光型有機薄膜トランジスタ素子群を形成する。すなわち、基板14に対して、吐出ヘッドユニット11が基板面に対して平行移動する、もしくは吐出ヘッドユニット11に対して基板14が平行移動する。
その際、パターン、あるいは発光型有機薄膜トランジスタ素子群を形成するための溶液の噴射を行う毎に相対移動を止めて噴射を行うと高精度なパターン、あるいは発光型有機薄膜トランジスタ素子群を形成することが可能である。しかし生産性が著しく低下するので、その相対移動を止めることなく、順次溶液の噴射を行うようにしている。その場合、その相対移動速度(例えば図4のキャリッジのX方向移動速度)は、単に生産性向上だけで決定されるべきではなく、高精度なパターン、あるいは機能デバイス群を形成するという観点からも検討されなければならない。
本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子形成に適用される製造装置を検討するに当たってはこの点を鋭意検討し、このような溶液の噴射を行う場合、その噴射速度を前記相対移動速度より速くすることが必要であることに気がついた。このように吐出ヘッドユニット11を基板14に対して一定の距離を保ちながらX、Y方向の相対移動を行いつつ、溶液の噴射を行い、パターン、あるいは光型有機薄膜トランジスタ素子群を形成する場合には、溶液の液滴は前記相対速度と噴射速度の合成ベクトルの速度で基板14上に付着、形成される。そしてその位置精度については、基板14と吐出ヘッドユニット11の溶液噴射口面の距離と、前記合成ベクトルの速度を考慮し、噴射のタイミングを適宜選ぶことにより、その狙いの位置に液滴を付着させることができる。
しかしながら、たとえ狙いの位置に付着させることができたとしても、もし、前記相対速度が速すぎる場合には、その相対速度に引きずられて付着液滴が基板14上で流れ、良好な形状でパターン、あるいは光型有機薄膜トランジスタ素子群を形成できなくなる。本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子形成に適用される製造装置を検討するに当たってはこの点について特に検討したものである。以下に検討結果の一例を示す。この例は、図4のような装置を用い、キャリッジ12のX方向移動速度、ならびに吐出ヘッドユニット11の噴射速度を変えて、基板14上で良好な液滴付着ができ、良好なパターン形成ができるかどうか調べたものである。
このような形状の評価とあわせて、上下のITO透明電極間の抵抗値を測定し、ドット位置精度不良による断線あるいは隣(左右)のドットとの接触による抵抗値変動などを評価した(○:狙い通りの抵抗値、×:狙いから外れた抵抗値)。
使用した吐出ヘッドはピエゾ式の吐出ヘッドであり、ノズル(吐出口)の数が64個で、その配列密度が100dpiのものである。吐出ヘッドと基板は相対運動(ここでは、基板固定、吐出ヘッドをキャリッジ走査)を行い、その制御をμオーダーで制御し、また噴射のタイミングをコントロールし、上記のように約4μmピッチによるドット付着、ならびに12μmの中心間距離を維持したパターン形成を行った。
液滴噴射の駆動電圧は噴射速度を変えるためにピエゾ素子への入力電圧を15Vから22Vまで変化させている。また駆動周波数は12kHzとした。なおこのようなピエゾ素子を利用した吐出ヘッドでは、ピエゾ素子への入力電圧を変えて噴射速度が変えられるが、同時に噴射滴の質量も変化するので、駆動波形(引き打ちも含めた立ち上がり波形ならびに立下がり波形)を制御して、噴射滴の質量がいつもほぼ一定(1plにした)になるようにし、噴射速度のみを変えるようにした。
また滴飛翔時の滴の形状を、パターン形成と同じ条件で別途噴射、観察し、その形状が、基板面に付着する直前(今本発明例では2mm)にほぼ丸い滴になるように駆動波形を制御して噴射させた(図12)。なお完全に丸い球状が得られず、飛翔方向に伸びた柱状であっても、駆動波形を制御するだけで容易にその直径の3倍以内の長さにはなる(l≦3d)ようにできた(図13)。またその際、後述する(図14)ような飛翔滴後方に複数の微小な滴を伴うことのない駆動条件(駆動波形)を選んだ。以下に結果を示す。
実験 噴射速度 キャリッジのX方向移動速度 パターン形成状況 抵抗値
No. Vj(m/s) Vc(m/s)
1 3 1 ○ ○
2 3 2 ○ ○
3 3 3 × ×
4 3 4 × ×
5 5 1 ○ ○
6 5 2 ○ ○
7 5 3 ○ ○
8 5 4 ○ ○
9 5 5 × ×
10 5 6 × ×
11 7 2 ○ ○
12 7 3 ○ ○
13 7 4 ○ ○
14 7 5 ○ ○
15 7 6 ○ ○
16 7 7 × ×
17 7 8 × ×
18 10 4 ○ ○
19 10 6 ○ ○
20 10 8 ○ ○
21 10 10 × ×
22 10 12 × ×
23 10 14 × ×
24 12 4 ○ ○
25 12 6 ○ ○
26 12 8 ○ ○
27 12 10 ○ ○
28 12 12 × ×
29 12 14 × ×
なおこの例は、吐出ヘッドをキャリッジ走査した例であるが、前述のように吐出ヘッドを固定し、基板を移動させる場合にも適用される。すなわち、噴射される液滴の速度は、吐出ヘッドと基板の相対移動速度より速くしなければならないということである。
さらに付言すると、今回の滴飛翔条件は、前述のように飛翔滴後方に複数の微小な滴を伴うことのない駆動条件(駆動波形)とした。その結果、これら複数の微小な滴が、不必要なところに付着するということが全くなく、大変良好なパターン形成を行うことができた。
また飛翔滴が飛翔方向に伸びた柱状であっても、駆動波形制御により、飛翔滴の長さをその直径の3倍以内の長さになる(l≦3d)ようにした(図13)ので、形成されたドットも真円に近い形状となり、良好なパターン形成を行うことができた。
他の発光型有機半導体材料層の作製法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法等が挙げられ、材料に応じて使用できる。
これら有機半導体層の膜厚としては、特に制限はないが、得られた発光トランジスタの特性は、有機半導体層の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、有機半導体により異なるが、一般に1μm以下、特に10〜300nmが好ましい。
あるいはこれらの材料を単体で使用する他に、複数層組み合わせて使用される。具体的には、マグネシウム/金混合物と金の組み合わせ、マグネシウム/銅混合物と金の組み合わせ、マグネシウム/銀混合物と金の組み合わせ、マグネシウム/アルミニウム混合物と金の組み合わせ、マグネシウム/インジウム混合物と金の組み合わせ、アルミニウム/酸化アルミニウム混合物と金の組み合わせ、リチウム/アルミニウム混合物と金の組み合わせ、マグネシウムと金の組み合わせ、アルミニウムと金の組み合わせ、クロムと金の組み合わせのように2層構成としたり、マグネシウム/金混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、マグネシウム/銅混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、マグネシウム/銀混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、マグネシウム/アルミニウム混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、マグネシウム/インジウム混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、アルミニウム/酸化アルミニウム混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、リチウム/アルミニウム混合物と金とアルミニウムの組み合わせ、マグネシウムと金とアルミニウムの組み合わせ、アルミニウムと金とアルミニウムの組み合わせ、クロムと金とアルミニウムの組み合わせのように3層構成として使用することができる。
あるいはドーピング等で導電率を向上させた公知の導電性ポリマー、例えば導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン(ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体など)も好適に用いられる。
ソース電極及びドレイン電極を形成する材料は、上に挙げた中でも半導体層との接触面において電気抵抗が少ないものが好ましく、p型半導体の場合は特に、白金、金、銀、ITO、導電性ポリマーおよび炭素が好ましい。
これら電極層ならびにパターンは、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法など等の膜形成技術とフォトリソグラフィー/エッチング手法、あるいはリフトオフ手法を組み合わせて形成される。
あるいは、上記発光型有機半導体材料層形成時のところで説明したような液体噴射原理による方法によって被接触、ダイレクト製作による手法もよい方法である。また、凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法によって製作してもよい。
このような溶液あるいはペースト状材料を使用して、ソース電極、ドレイン電極等を形成する場合、上記の導電性材料を含む、溶液、ペースト、インク、分散液などの流動性電極材料が用いられる。中でも、導電性ポリマー、または白金、金、銀、銅を含有する金属微粒子を含む流動性電極材料が好ましい。また、溶媒や分散媒体としては、有機半導体へのダメージを抑制するため、水を60%以上、好ましくは90%以上含有する溶媒または分散媒体であることが好ましい。
金属微粒子の材料としては白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、アンチモン、鉛、タンタル、インジウム、パラジウム、テルル、レニウム、イリジウム、アルミニウム、ルテニウム、ゲルマニウム、モリブデン、タングステン、亜鉛等を用いることができる。
このような金属微粒子の分散物の製造方法として、ガス中蒸発法、スパッタリング法、金属蒸気合成法などの物理的生成法や、コロイド法、共沈法などの、液相で金属イオンを還元して金属微粒子を生成する化学的生成法が挙げられるが、好適に使用される分散物としては、好ましくは、コロイド法、ガス中蒸発法により製造された金属微粒子の分散物である。
本発明の有機薄膜トランジスタ素子のゲート絶縁層としては種々の絶縁膜を用いることができるが、特に、比誘電率の高い無機酸化物皮膜が好ましい。無機酸化物としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウム酸チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウムなどが挙げられる。それらのうち好ましいのは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンである。窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物も好適に用いることができる。
ウェットプロセスは、無機酸化物の微粒子を、任意の有機溶剤あるいは水に必要に応じて界面活性剤などの分散補助剤を用いて分散した液を塗布、乾燥する方法や、酸化物前駆体、例えばアルコキシド体の溶液を塗布、乾燥する、いわゆるゾルゲル法が用いられる。
これらのうち好ましいのは、上述した大気圧プラズマ法である。また、ゲート絶縁層が陽極酸化膜又は該陽極酸化膜と絶縁膜とで構成されることも好ましい。陽極酸化膜は封孔処理されることが望ましい。陽極酸化膜は、陽極酸化が可能な金属を公知の方法により陽極酸化することにより形成される。
陽極酸化処理可能な金属としては、アルミニウム又はタンタルを挙げることができ、陽極酸化処理の方法には特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。陽極酸化処理を行なうことにより、酸化被膜が形成される。陽極酸化処理に用いられる電解液としては、多孔質酸化皮膜を形成することができるものならばいかなるものでも使用でき、一般には、硫酸、燐酸、蓚酸、クロム酸、ホウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸等、あるいはこれらを2種類以上組み合わせた混酸、あるいはそれらの塩が用いられる。陽極酸化の処理条件は使用する電解液により種々変化するので一概に特定し得ないが、一般的には、電解液の濃度が1〜80質量%、電解液の温度5〜70℃、電流密度0.5〜60A/dm2、電圧1〜100ボルト、電解時間10秒〜5分の範囲が適当である。好ましい陽極酸化処理は、電解液として硫酸、リン酸又はホウ酸の水溶液を用い、直流電流で処理する方法であるが、交流電流を用いることもできる。これらの酸の濃度は5〜45質量%であることが好ましく、電解液の温度20〜50℃、電流密度0.5〜20A/dm2で20〜250秒間電解処理するのが好ましい。
有機化合物皮膜の形成法としては、前記ウェットプロセスが好ましい。
無機酸化物皮膜と有機酸化物皮膜は積層して併用することができる。またこれら絶縁膜の膜厚としては、一般に50nm〜3μm、好ましくは、100nm〜1μmである。
ゲート絶縁層上に有機半導体を形成する場合、ゲート絶縁層表面に、任意の表面処理を施してもよい。シランカップリング剤、たとえばオクタデシルトリクロロシラン、トリクロロメチルシラザンや、アルカン燐酸、アルカンスルホン酸、アルカンカルボン酸などの自己組織化配向膜が好適に用いられる。
なおゲート絶縁層も前述のように発生する光を、ゲート絶縁層を介して外部に取り出すような構成とした場合には、例えば酸化ケイ素等の透光性材料によって形成し、効果的に光を取り出すようにされる。
この場合も前述のように発生する光を、支持体としての基板あるいはシートを介して外部に取り出すような構成とした場合には、上記材料の中から透光性材料が選ばれ、効果的に光を取り出すようにされる。
また本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子上には透光性部材よりなる素子保護層7が設けられる。素子保護層としては前述した無機酸化物又は無機窒化物等が挙げられ、上述した大気圧プラズマ法で形成するのが好ましい。とりわけ透光性材料である酸化ケイ素が好ましく、これにより空気中の酸素、水蒸気から有機半導体材料を遮断、封止し、薄膜トランジスタ素子の耐久性が向上し、かつ有機半導体材料から発光する光を効果的に外部に取り出すことが可能となる。代表的な素子構成例(断面図)を図15に示すが、有機半導体層2から発光した光は、透光性な素子保護層7を介して矢印Aの方向に取り出すことができる。
この例は、ゲート絶縁層5上に所定の間隔を隔てて配置した第1の電極であるソース電極3と第2の電極であるドレイン電極4よりなる一対の電極全体を埋設するように例えば前述のような有機半導体材料よりなる有機半導体層2を積層し、この有機半導体層2を設けた領域に、下方に位置するゲート絶縁層5を介して第3の電極であるゲート電極6を設けてなる構造の有機トランジスタである。ここで、上記ソース電極3とドレイン電極4の間に有機半導体材料が発光する範囲内で電圧を印加し、さらにゲート電極6に電圧を印加し、発光のON/OFFあるいは発光量を制御するものである。この時、互いに対向しているソース電極3とドレイン電極4の電極間距離より対向している領域の電極長さを長くすることにより、より効率よく発光することが見出された。
このことを更に図17の要部略図によって説明する。図17では構成を単純化するため、ソース電極3とドレイン電極4のパターンのみを示している。(a)はソース電極3とドレイン電極4の電極間距離lより、ソース電極3とドレイン電極4が対向している領域の電極長さwが短い(l>w)場合であり、(b)はソース電極3とドレイン電極4の電極間距離lより、ソース電極3とドレイン電極4が対向している領域の電極長さwが長い(l<w)場合である。
図17(a)のような場合は、ソース電極3とドレイン電極4間の電位差を大きくとらなければならず発光効率も悪く論外であるが、(b)のようにすると、電位差を小さくしても、すなわち低エネルギーであっても良好に発光する。
より好ましくは、両者の比(l/w)が1/2000〜1/2となるように、電極パターンを形成する。その場合、(b)のような単純な矩形パターンの電極形状であってもできなくはないが、より好ましくは、両者の比(l/w)を大きく取れるようなパターン形状とするのがよい。図18にそのようなパターン形状についての一例を示す。
この例では、ソース電極3とドレイン電極4のパターンの互いに対向する側が互いにくし歯状になっていて、くしの歯が相互に入れ違い構造になっているものである。こうすることにより、ソース電極3とドレイン電極4が対向している領域の電極長さwを長くすることができる。図示しないが、くし歯の対向している外周辺長さがソース電極3とドレイン電極4が対向している領域の電極長さwとなる。図示したlは、ソース電極3とドレイン電極4の電極間距離である。
このようなデバイスは、例えば図20に示すようなプロセスによって製作される。(a)は例えば、支持体1とゲート電極6を兼ねた構成とし、Si半導体基板よりなり、表面にゲート絶縁層5として酸化ケイ素を設けた基板を示したものである。これに薄膜形成〜フォトリソ〜エッチングによって図示したようなパターンのソース電極3及びドレイン電極4を形成する((b))。次に有機半導体層2を形成し((c))、最後に素子保護層7を形成((d))して完成する。
なおこの例では支持体1とゲート電極6を兼ねた構成としているため、Si半導体基板を使用しているが、後述のように大面積にこのような発光型有機薄膜トランジスタ素子を大量に形成するためには、ここでゲート電極6として用いる部材を、支持体1としてガラス基板、セラミック基板等を使用すれば低コストに製作できる。また、前述のようなプラスチックフィルムシートを用いることができる。そのような場合には、ゲート絶縁層5として透光性材料である酸化ケイ素を使用し、ガラス基板、プラスチックフィルムシートも透明なものを使用する。また図示しないゲート電極もITO等の透光性材料を使用し、図15の矢印Aとは反対側の支持体1(ここでゲート電極6としている部材)側から発生する光を有効に取り出せるようになる。
図19にパターン形状と主な寸法を示しているが、必ずしもこれに限定される必要はなく、例えば図21は他の電極パターン例である。
図15、図16において、符号6はゲート絶縁層5として酸化ケイ素を約350nmの厚さに形成した厚さ0.6mmのSi半導体基板であり、支持体1とゲート電極6を兼ねた構成である。3、4はそれぞれソース電極及びドレイン電極であり、マグネシウム/金混合物(1:1の比率)を15nm形成した後、さらにその上に金を30nm形成した2層構造としたものである。図示したようなパターン形成は、この例では電極材料薄膜形成後、フォトリソ〜エッチングによって行った。
図19に試作した電極寸法などを示したが、本発明はこの寸法に限定されるものではない。この例では、ソース電極3−ドレイン電極4間距離が一定となっている領域(チャンネル長、この例では1μm)の距離(チャンネル幅)は全体で約989μm(=100μm×9+10μm×8+1μm×9)となる。
にRubreneを1.8wt%添加したものを炭酸ジメチルに溶かし、前述のような液体噴射原理により、前記ソース電極3及びドレイン電極4の上から、インクジェット記録でいうところのベタ打ちと同じ要領で非接触、塗布したものである。乾燥後の有機半導体層2の厚さは、約120nmであった。
有機半導体層2の乾燥後、素子保護層7として、スパッタリングにより、酸化ケイ素を有機半導体層2を完全に封止できるように全面に0.5μmの厚さで形成し、発光型有機薄膜トランジスタ素子は完成する。
図22にその例を示す。図22(a)は図17(b)の発光領域を示したものであり、太い破線で示した領域(内部)が発光領域8であり、発光領域の形状は細長形状(長方形)となる。図22(b)、図18の実施形態における発光領域8を同様に太い破線で示している。この場合は、真の発光領域8はくし歯状の電極パターンのない有機半導体材料層であるが、全体としては太い破線で示した8の領域(内部)が発光領域であり、その形状は細長形状(長方形)となる。なお、同様な細長形状の発光領域8を得る構成として、図22(c)のようにソース電極3とドレイン電極4のパターンの互いのくし歯の長さを長くし、発光領域8を細長形状としてもよい。
以上の説明より明らかなように本発明では、より効率よく発光させるために、発光領域が細長形状となるように、ソース電極3とドレイン電極4のパターン構成が決められる。
以上、本発明の発光型有機薄膜トランジスタ素子の構成例、好適に使用される材料例を説明したが、次に本発明のより具体的な使用例を説明する。本発明は、発光現象をともなう有機薄膜トランジスタという特性を活かし、発光素子として使用される。
図23は、有機トランジスタ素子が複数配置される有機トランジスタシート88の一例を概略の等価回路図で示したものである。図を簡単にするために、3×3のマトリクス配列としているが、実際には、有機トランジスタシート88は、数千×数千〜数万×数万のオーダーのマトリクス配列された有機トランジスタ素子91を有する。89は各有機トランジスタ素子91のゲート電極のゲートバスラインであり、90は各有機トランジスタ素子91のソース電極のソースバスラインである。各有機トランジスタ素子91のドレイン電極には、出力素子93が接続され、この出力素子91は例えば液晶、電気泳動素子等であり、表示装置における画素を構成する。図示の例は、出力素子91として液晶が、抵抗とコンデンサからなる等価回路で示した。92は蓄積コンデンサ、94は垂直駆動回路、95は水平駆動回路である。
これに対して本発明においては、有機トランジスタ素子そのものが発光素子を兼ねることができるので、別途、液晶、電気泳動素子、あるいは有機EL素子といった表示デバイスを形成する必要がなく、有機トランジスタ素子を複数個マトリックス状に配列し、有機トランジスタの発光のON/OFFを行うことにより、そのままディスプレイ装置として機能させることができる。また、単にON/OFF制御だけではなく、ゲート電圧を段階的に変えることにより、発光量も変えられるので、階調表現豊かなディスプレイ装置として機能させることができる。すなわち、図23の出力素子93を必要としない大変簡単な構成の自発光型ディスプレイが実現できる。その際、有機トランジスタの発光面と相対する位置に各発光領域をカバーするような形状の、光の3原色であるR、G、B(赤、緑、青)のカラーフィルターをそれぞれ配置すれば、トランジスタ動作と発光動作を同一素子で行うことができる全く新規な自発光型カラーディスプレイ装置が実現する。
その際、R、G、Bで1つのピクセルを構成することになるので、発光領域を細長形状(長方形)となるようにしておけばマトリックス状に配列させた有機トランジスタ素子の発光領域をその短か手方向に密に配列でき、ピクセルとしてみた場合(RGBの3色をひとかたまりとしてみた場合)、縦横比が3倍となる(有機トランジスタ素子3個配列して1ピクセルを構成するので)ような極端な細長形状にならず、高品位な表示を実現できる自発光型カラーディスプレイ装置とすることができる。
図26は、このような発光型有機薄膜トランジスタ素子Trを3つ配列したものであり、図29は各トランジスタ素子に対応して配置されるR、G、B(赤、緑、青)のカラーフィルターFの配置例である。ここで、各色のカラーフィルターの大きさは、発光型有機薄膜トランジスタ素子の発光領域8よりも大きく設定され、発光領域8を完全にカバーできるようにしている。
この例においては、1つの発光型有機薄膜トランジスタ素子の発光領域8の大きさは、28μm×90μmの長方形である。そして、それに対応してその領域をカバーするフィルターの大きさは、35μm×105μmであり、RGBの3色を発光する1つのピクセルは、120μm×120μmの正方形とされ、ディスプレイ装置としては200ppi(picture element per inch、pixel per inch)の精細度でカラー表示できるものとなっている。なお、1つのピクセルは厳密に正方形にしなければいけないということではなく、ほぼ正方形(例えば縦横比で0.8〜1.2くらいまで)になっていればよい。
カラーフィルターFは、ガラス基板やプラスチックフィルム等の材料に着色することにより製作できるが、ガラス基板をベースにしたものは、後述するが、その剛性を利用して発光部分を気密、密閉状態にシールする部材として兼用することができる。一方で、プラスチックフィルム等の有機材料を使用した場合、発光型有機薄膜トランジスタ素子シートも同じような有機材料フィルムで形成することにより、軽量で、曲げたりすることができるディスプレイ装置を実現できる。夫々の利点を勘案して使用材料を選定する。
なお図ではピクセル(RGB発光領域)が5ピクセル×3ピクセルのマトリックスしか示していないが、実際にカラーディスプレイ装置として使用する場合は、数1000ピクセル×数1000ピクセル〜数10000ピクセル×数10000ピクセルとされ、ディスプレイ表示領域は、数100mm×数100mm〜数1000mm×数1000mmの大きさとされる。
一方で製作コスト面を考慮すると、図25の有機トランジスタシート88の全トランジスタ素子を酸化ケイ素等の材料で全面コートするのもよい方法である。特にディスプレイとして、100mm×100mm以上の大きさのものを製作するような場合には、素子個別に封止を行うよりも、シート上の素子全体を封止するようにしたほうがよい。
他の封止手段として、図25の有機トランジスタシート88そのものをケースに収納した構成とし、ディスプレイ装置を実現できる。図34にその構成例を示す。図中、88は有機トランジスタシート、96はケース底板、97はケース枠、98は保護基板、99はシール部材、100はギャップである。
また保護基板98の材料としては、発光した光をこれを介して外部に取り出すため、透光性部材が選択され、コーニング社製パイレックス(登録商標)ガラスなどが好適に用いられる。あるいは、耐衝撃性も考慮して、日本板硝子株式会社製化学強化ガラスFL3.2などが好適に用いられる。
他の好ましい構成として、有機トランジスタシート88と保護基板98の間のギャップ100領域に窒素ガス等の不活性ガスを注入して密封状態とするのも高い発光効率が得られる。
なお、前述のカラーフィルターは、保護基板98の上に配置してもよいし、有機トランジスタシート88と保護基板98の間に配置してもよい。あるいはガラス基板等で製作されたカラーフィルターそのものが保護基板98を兼ねてもよい。
1×10-3Torrの真空気密状態においては、ドレイン電圧−90Vにおいて、ゲート電圧−90Vで約2000cd/m2の最高輝度が得られた。さらに1×10-7Torrの真空気密状態においては、ドレイン電圧−90Vにおいて、ゲート電圧−90Vで約2500cd/m2の最高輝度が得られた。また、真空機密状態に変えて窒素ガス注入下においても、ドレイン電圧−90Vにおいて、ゲート電圧−90Vで約2400cd/m2の最高輝度が得られた。次に発光型有機薄膜トランジスタ素子上に素子保護層7(酸化ケイ素)を全面に0.5μmの厚さで形成して封止した素子を通常の空気中で評価したところ、ドレイン電圧−90Vにおいて、ゲート電圧−90Vで約2200cd/m2の最高輝度が得られ、封止をしっかり行えば空気中でも機能することがわかった。
Claims (6)
- 第1の電極と第2の電極よりなる一対の電極間に有機半導体材料を設け、該有機半導体層に、絶縁層を介して第3の電極を設けてなる構造を備え、前記一対の電極間に前記有機半導体層が発光する範囲内で電圧を印加すると共に前記第3の電極に電圧を印加することにより前記発光を制御する有機トランジスタを基板上に複数個配列してなる発光基板と、前記発光基板の発光面と相対する位置に光学的フィルターを配置してなるディスプレイ装置において、前記有機半導体層が発光する領域が細長形状となるように前記一対の電極を構成するとともに、それに対応して前記光学的フィルターの形状を細長形状としたことを特徴とするディスプレイ装置。
- 前記細長形状の発光領域を3つ隣接配置することによりほぼ正方形形状の発光領域となるように個々の発光領域を細長形状とし、それに対応した前記光学的フィルターを3つ隣接配置することによりほぼ正方形形状をなすように光学的フィルター1つの形状を細長形状とした光学的フィルターであって、該光学的フィルターには3色分のフィルターが配置されるとともに、その3色分のフィルター領域でほぼ正方形形状の領域を形成してなることを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ装置。
- 前記発光基板とフィルターを積層するとともに該積層物を真空気密状態に配したことを特徴とする請求項1もしくは2に記載のディスプレイ装置。
- 前記発光基板とフィルターを積層するとともに該積層物を不活性ガス雰囲気中に配したことを特徴とする請求項1もしくは2に記載のディスプレイ装置。
- 前記発光基板とフィルターを積層し、前記有機半導体層が発光する領域を真空気密状態にしたことを特徴とする請求項1もしくは2に記載のディスプレイ装置。
- 前記発光基板とフィルターを積層し、前記有機半導体層が発光する領域を不活性ガス雰囲気中に配したことを特徴とする請求項1もしくは2に記載のディスプレイ装置。
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