JP2008034810A - アクチュエータ素子、及びアクチュエータ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実用的な駆動力を保ちながら大きな変位量が得られ、微細化や集積化が容易で、さらに環境負荷の小さなアクチュエータ素子、及びその素子を簡単に製造することができ、複数の素子の配列を同時に製造することもできるアクチュエータ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】アクチュエータ素子における積層体１０の製造を考慮した積層構造は、３種類の層パターンで形成されており、電極と変位層と電極層とをこの順序で繰り返し積層した構造になっており、電極層は電極層電極部領域１５ａ、１５ｂと電極層電極部領域１６ａ、１６ｂで、変位層は、変位部領域１１ｃと、互いに導通しない変位層電極部領域１５ｃと変位層電極部領域１６ｃとから形成され、その積層形成手順は、その積層構造に従い、形成する各層を転写部に配置し、基板上に転写し重ねていくことにより、簡便に製造できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電界の印加により変位する材料を含む薄膜を積層したアクチュエータ素子、及びその製造方法に関するものである。

近年は医療器械や産業用、及びパーソナルロボット、マイクロマシンなどの様々な分野で微小機械の開発が進められている。最近では半導体微細加工技術を応用し、数μｍという超小型の機械部品やモータなどをシリコン基板上に作製することも可能になってきた。

一方、エレクトロニクスの分野では、シリコンなどの無機材料の代わりに有機材料を用いて微小機械の基本動作部位となるアクチュエータ素子を作製しようと言う試みが盛んになってきている。有機のアクチュエータ素子は優れた成型性に加え、軽量で柔軟であるため、新しい様々な応用展開が期待されている。

従来より、微小機械としての動作を行うアクチュエータは、小型化するほど、従来機械のような慣性力より摩擦や粘性などが支配的となるため、エネルギーを運動に換える機構として、新たに静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式などの動作原理が提案されてきた。

なかでも圧電型は体積当たりの発生力が大きいため、小型でも実用的な駆動力を発生することができ、小型の撮像装置のアクチュエータなどに用いられている。現在の圧電型の主流はＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）と称される無機アクチュエータである。

しかしながらＰＺＴは変位量が極めて小さいため、大きな変位量や大きな速度を必要とする用途には適していなかった。さらにＰＺＴは鉛を含んでいるため将来的に使用が制限される懸念がある。

さらに無機のアクチュエータは焼成温度が１０００℃程度もあり、例えばＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）化した際の回路とのハイブリッド性に問題がある。また簡便な製造方法がないこともＭＥＭＳ化や微細化、集積化を妨げる課題である。

他の無機小型アクチュエータにおいても、それぞれ動作環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、また柔軟性が欠如しているなどの問題点があり、用途も制約がある。

これらの問題点に対して、軽量で柔軟な有機材料を用いたアクチュエータ素子が研究されてきている。一般に有機材料はヤング率が低い（柔らかい）ため、無機材料と比較して変位力は小さくなるが変位量は大きくなる。また作製に、インクジェット法や印刷法などのウェットプロセスが使用できるので、安価で、大面積の作製が可能であり、さらにはフレキシブル基板対応も可能となる。

これら有機アクチュエータ素子の作製と応用について、いくつかの技術が報告されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特許文献１によれば、アクチュエータ素子の有機材料としてポリメチルメタクリレートを用いて、プレス成形により、平面基板上に微細な突起（円筒状のアクチュエータ素子）が密集して配置されている。動作としては、電気エネルギーが熱に変換され、微細な突起が膨張率の差で傾く。電気信号に位相差を掛けることで突起群の傾き発生にも位相差を生じ、例えば突起上の微小物の移送などが行える。

しかしながら、成形により製造が簡単となったが、変位量が小さく、また微細な突起を個々に独立して駆動することはできない。また駆動に熱を用いており、効率と制御の面で課題がある。

非特許文献１においては、パーフルオロポリマー電解質膜をシートタイプのソフトアクチュエータとして用い、ＴＦＴ素子を形成したシートと貼り付けることにより、点字ディスプレイとしている。シート上に形成され、配列されたアクチュエータ素子は、電圧駆動で屈曲するベンド型であり、それぞれのＴＦＴ素子を通じて電気信号により独立に駆動され、シートから突起し、点字を表示する。

しかしながら、従来と比較して製造は簡単とは言えるものの、変位量を稼ぐためベンド型のアクチュエータ素子を用いていることで小型化、高集積化には問題がある。大きな変位量を確保しながら、小型化、高集積化が可能で、なおかつ製造が簡便なアクチュエータ素子が求められる。
特開２００５−３１８７１２号公報 Kato,Iba,Sekitani,Noguchi,Hizu, "A Flexible,Lightweight Braille Sheet Display with Plastic Actuators Driven by An Organic Field-Effect Transistor Active Matrix", IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, December 5-7,2005, #5.1, pp.105-108.

上述のように無機材料のアクチュエータは、微細化、集積化が容易でなく、製造も困難であった。また、動作環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、柔軟性が欠如しているなどの問題点があった。主流であったＰＺＴはさらに鉛含有という環境負荷の問題も抱えている。

有機材料のアクチュエータも開発されてきたが、微細化、集積化の問題と変位量の確保は依然として十分とは言えない。また製造法についても、さらに簡便で、効率的な製造が求められている。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、実用的な駆動力を保ちながら大きな変位量が得られ、微細化や集積化が容易で、さらに環境負荷の小さなアクチュエータ素子を提供することである。また上記アクチュエータ素子を簡単に製造することができ、複数の素子の配列を同時に製造することもできるアクチュエータ素子の製造方法を提供することである。更には従来の有機アクチュエータでは困難であった、大きな変位量を得つつ、微細化や集積化を可能とする積層型の有機アクチュエータ素子の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

１． 電界の印加により厚さ方向に変位する複数の変位機能層と、前記変位機能層の厚さ方向に電界を印加するために、前記変位機能層を挟持する複数の電極機能層と、を含む積層体を備えたアクチュエータ素子であって、前記変位機能層は、電界の印加により厚さ方向に変位する変位部領域と、該変位部領域によって隔てられた二つの変位層電極部領域とからなり、前記電極機能層は、隣接する前記変位機能層の変位部領域と変位層電極部領域の界面付近に配置した絶縁部領域と、該絶縁部領域によって隔てられた二つの電極層電極部領域とからなり、前記積層体は、前記変位機能層の二つの変位層電極部領域のそれぞれと、前記電極機能層の二つの電極層電極部領域のそれぞれが互いに導通し、前記変位部領域のそれぞれに電界を印加するための電極部をなしている、ことを特徴とするアクチュエータ素子。

２． 前記積層体は、前記電極機能層と前記電極機能層より厚みの大きい前記変位機能層とが交互に繰り返し積層されている、ことを特徴とする１に記載のアクチュエータ素子。

３． 前記変位機能層は、電界の印加により厚さ方向に変位する有機変位材料を含み、形成されている、ことを特徴とする１または２に記載のアクチュエータ素子。

４． １または２に記載のアクチュエータ素子の製造方法であって、転写装置の転写部に、有機変位材料を薄膜状に配置し、変位機能層を形成する変位層形成工程と、前記変位層形成工程により形成された変位機能層を、転写装置の転写部から基板上に転写する変位層転写工程と、を含む、ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。

５． 前記変位層転写工程では、転写される変位機能層を形成する有機変位材料は液体状である、ことを特徴とする４に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

６． 前記変位層形成工程では、前記有機変位材料とともに電極材料が薄膜状に配置形成される、ことを特徴とする４または５に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

７． 転写装置の転写部に、電極材料及び絶縁材料を薄膜状に配置し、電極機能層を形成する電極層形成工程と、前記電極層形成工程により形成された電極機能層を、転写装置の転写部から基板上に転写する電極層転写工程と、を含む、ことを特徴とする４乃至６の何れか１項に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

８． 前記変位層転写工程と前記電極層転写工程とを交互に繰り返し、基板状に変位機能層と電極機能層との積層を形成する、ことを特徴とする７に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

９． ４乃至８の何れか１項に記載のアクチュエータ素子の製造方法であって、前記変位層形成工程及び前記変位層転写工程では、同時に複数個のアクチュエータ素子が転写、形成される、ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。

アクチュエータ素子を、電界により変形する層と電極層とを含む積層構造とすることにより、環境負荷の小さい、実用的な駆動力を保ちながら変位量の大きい積層型のアクチュエータを提供することができる。また上記素子の積層構造に従い、形成する各層を転写部に配置し、基板上に転写し重ねていくことにより、簡便な製造方法を提供することができる。この製造方法により、微細化、集積化も容易で、複数の素子の配列を同時に製造することもできる。

本発明の実施形態を図を参照して説明する。

（アクチュエータ素子の構成）
図１を用いて、本実施形態に係るアクチュエータ素子１の構成を説明する。図１はアクチュエータ素子１の概略構成を示す断面図である。図には単独のアクチュエータ素子として示してあるが、後述するように多数のアクチュエータ素子を二次元的にアレイ配置し、二次元的な操作のために用いることも可能である。

図において、１はアクチュエータ素子であり、支持体としての基板２０に形成されたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子３０と、さらにその上に形成されたアクチュエータ部である積層体１０とからなる。

積層体１０は、電界により変形可能な機能を有する材料を含む薄膜、すなわち変位機能層（以後、変位層と呼称する）１１と、そしてそれらの変位機能層１１に電界を印加する機能を有する電極機能層（以後、電極層と呼称する）１２と電極機能層１３とが図のように積層されている。電界により変形可能な材料としては有機の変位材料が好ましく、本実施形態では有機変位材料を用いるものとする。

積層体１０は、アクチュエータ部として電界印加により変形する機能（ここでは膜厚が変化する機能）を有するものとする。積層体１０の積層構成は以下のようである。

変位層１１は１０層以上に渡って繰り返し積層されている。そして積層されている変位層１１どうしの界面には、電極層１２または電極層１３が、これも互い違いになるように挿入されている。すなわち、それぞれの変位層１１は電極層１２と電極層１３との間に一つずつ挟み込まれるようになっている。これにより上記の各変位層１１に効率的に電界を印加することができる。

各変位層１１は、有機ポリマーを用いて形成された薄膜を含み、これらは電界駆動によりアクチュエータとして機能する。これらの薄膜の厚さが電界に応じて変化することによるアクチュエータ素子として動作する。図２の断面図に、これらの薄膜を含む積層体１０が、電界に応じて変形する様子を模式的に示す。図２（ａ）の積層体１０が、電界に応じて図２（ｂ）または図２（ｃ）のように変形する。

電極層１２、１３は、詳細は後述するが、上記変位層１１に電界を印加するために、上記のように変位層１１どうしの界面に、互いに導通しないように絶縁部領域１７を挟んで大小二つの電極層電極部領域が配置されている。各電極部領域は一方が電極部１５を形成し、コモン電極３８に結合し、他方が電極部１６を形成し、後述する駆動用のＴＦＴ素子３０のドレイン電極３５に結合するよう構成されている。

ＴＦＴ素子３０はアクチュエータ部、すなわち積層体１０に印加する信号電圧を供給し、アクチュエータとして駆動させる機能を有する。ＴＦＴ素子３０の構成は以下のようである。

基板２０の上には一部にゲート電極３３が設けられる。ゲート電極３３はゲート絶縁膜３１によって覆われ、そのゲート絶縁膜３１を挟んで、ゲート電極３３と対応する位置に半導体部３６が設けられる。ゲート絶縁膜３１の上には、さらにソース電極３４とドレイン電極３５が設けられ、前述の半導体部３６がその両者をつなぐ役目を担っている。すなわち、ゲート電極３３に信号電圧が印加されることにより、半導体部３６に導通が成立し、ソース電極３４にかかる電位が、ドレイン電極３５にかかることになる。

ソース電極３４、半導体部３６、ドレイン電極３５は、バッシべーション層３２によってカバーされる。但しパッシべーション層３２にはコンタクトホール３７が設けられ、ドレイン電極３５が上述した電極部１６と電気的に結合されている。またパッシべーション層３２上にはコモン電極３８が設けられ、やはり上述した電極部１５と電気的に結合している。すなわちゲート電極３３への信号電圧印加操作により、コモン電極３８とソース電極３４間にかかる電圧が、電極部１５と電極部１６、すなわち電極層１２と電極層１３との間にかかることにより、各々の変位層１１に電界が印加され、その膜厚変化、しいては積層体１０の膜厚変化をもたらすことになる。

積層体１０に印加する信号電圧の供給は必ずしも上記ＴＦＴ素子を用いる必要はない。ＴＦＴ素子は以下に述べるようにアクチュエータ素子を二次元的に配置し、独立駆動させる便利を考慮したものであり、変位層を変位させることができるのであれば、電界を印加するための手段はどのような形態であってもよい。

（アクチュエータ素子の駆動）
図３は、アクチュエータ素子の二次元的な配置とそれに応じたアクチュエータ素子の駆動回路を示す図である。図３を用いて、アクチュエータ素子配列の駆動について説明する。

図３において、１ａは、図１で示した単独のアクチュエータ素子に相当する。但し断面図ではなく、上面から見た図となっている。複数のアクチュエータ素子が図のように平面的に配列され、アクチュエータ素子アレイ５が構成されているものとする。但し、配列の方法、及びそれに応じた駆動の方法は種々あり、これに限定されるものではない。

これらの配列は、共通の基板２０の上に駆動回路、あるいは配線といった形で、統合的に形成されているものである。従って、逐一図示はしていないが、ＴＦＴ素子３０の形成に当たり、コモン電極３８など各アクチュエータ素子に共通化できるものは、一括配線となっている。ゲート電極３３やソース電極３４への信号などは配列に応じてマトリクス的に駆動するように構成される。また各アクチュエータ素子毎に独立して制御する積層体１０も独立して形成される。

図３において、５１はコモン電極であり、パッシべーション層３２上に図のように配線される。これにより、すべてのアクチュエータ素子の電極部１５に結合し、共通の電位を与えることができる。また、５３は信号バスラインであり、各アクチュエータ素子のソース電極３４を通じて、電極部１６に信号電位を与える。ソース電極３４が電極部１６に信号電位を与えるかどうかは、５２のゲートバスラインの信号と絡めたマトリクス駆動により決まってくる。

なお、ゲートバスライン５２に信号を与えるのは、５４のゲート用ドライバＩＣであり、信号バスライン５３に信号を与えるのは５５の信号用ドライバＩＣである。従ってこの両者の出力する信号の組み合わせで、マトリクス的に各アクチュエータ素子が駆動される。すなわち、各アクチュエータ素子毎の積層体に電界をかけたりかけなかったりする動作が決定される。

（製造を考慮したアクチュエータ素子の層構成）
本実施形態のアクチュエータ素子１においては、積層体１０が変位するアクチュエータ部であり、さらには積層体１０を構成する各々の変位層１１が電界により変位、すなわち膜厚の変化を生ずる。

従って本アクチュエータ素子１の積層体１０は、変位量を確保するため多数の変位層１１の積層構造をとっている。またこの積層体１０の多層薄膜の積層構造は、製造の簡便さも考慮したものである。少数の固定的なパターンの薄膜を順次繰り返し重ねていくことにより、アクチュエータ素子を形成することができる。

図４を用いて、アクチュエータ素子１における積層体１０の製造を考慮した積層構造と、その積層形成手順について説明する。図４は積層体１０の断面図である。

図４において、積層体１０は３種類の層パターン、すなわち電極層１３と変位層１１と電極層１２とをこの順序で繰り返し積層した構造になっている。各層はそれぞれ少なくとも三つの領域から形成されている。

電極層１３は、狭い電極層電極部領域１５ａと広い電極層電極部領域１６ａ、そしてその両者を導通しないよう隔てる絶縁部領域１７ａとから形成される。また電極層１２は、電極層１３と逆に、広い電極層電極部領域１５ｂと狭い電極層電極部領域１６ｂ、そして同じく両者を導通しないよう隔てる絶縁部領域１７ｂとから形成される。また変位層１１は、広い変位部領域１１ｃと、互いに導通しない狭い変位層電極部領域１５ｃと狭い変位層電極部領域１６ｃとから形成される。以後、上記電極層電極部領域と変位層電極部領域は何れも電極部領域と呼び、区別の必要があれば上記符号で示す。

各層における、互いに導通しないそれぞれ二つの電極部領域は、各層が積層された時に、一方では電極部領域１５ａ、１５ｂ、１５ｃが導通し、また他方では電極部領域１６ａ、１６ｂ、１６ｃが導通し、一対の電極部１５及び１６となるように位置づけられている。

また各変位層１１における変位部領域１１ｃは、それぞれその厚さ方向に、上記一対の電極部１５及び１６にそれぞれが含まれ、互いに導通しない電極層１３の電極部領域１６ａと電極層１２の電極部領域１５ｂに挟まれるように積層されている。

アクチュエータ素子１は、このような層構造の積層体１０をアクチュエータ部として有する。実際には基板２０上に積層体１０が形成される、あるいはその間に、信号電界でアクチュエータ部を駆動するためのＴＦＴ素子３０などが形成されてもよい。

このような層構造をとることにより、順次層パターンを重ねていくことで簡単に製造することができる。また、複数のアクチュエータ素子の配列を高集積化した層を重ねていくことで一度に複数のアクチュエータ素子アレイを形成することもできる。

以下に、アクチュエータ素子の構成材料とそれらを用いた製造方法について説明する。

（アクチュエータ素子の構成材料）
図１で示したようなアクチュエータ素子を構成する部材について説明する。積層体１０を構成する変位部、絶縁部、電極部の各領域、及び基板について代表的な材料を述べる。

変形可能な変位部領域１１ｃを形成する材料としては、さまざまな有機物の材料が知られている。それらは、いわゆる高分子アクチュエータとして知られているものであり、電界、あるいは他の力学的ではない刺激で、膨潤・収縮、屈曲などの変形を起こす材料である。低エネルギーで今までにない生物的な柔らかい動きを実現でき、さまざまな分野から関心を持たれている。

上記アクチュエータ素子においては、電界による伸縮を利用するものであるが、公知のさまざまな高分子アクチュエータを利用することができる。中でも好ましい材料としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフッ化ビニリデン、シリコーンゴムなどを挙げることができる。

絶縁部領域（１７など）用の材料としては、さまざまな絶縁性材料が知られており、実質的に電流が流れないものであれば特に制限はない。ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ノボラック樹脂等の高分子、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化バナジウムなどの無機酸化物や窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の無機窒化物、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等の無機チタン酸塩類が挙げられる。

電極部領域（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃなど）用の材料としては、さまざまな導電性材料が知られており、実用可能なレベルでの導電性があれば特に限定することなく用いることができる。具体的には、白金、金、ペースト状のものを含む銀、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、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化亜鉛、亜鉛、グラファイトやグラッシーカーボン及びカーボンペーストを含む炭素、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム／銅混合物、マグネシウム／銀混合物、マグネシウム／アルミニウム混合物、マグネシウム／インジウム混合物、リチウム／アルミニウム混合物等を用いることができる。

また導電性材料としては、導電性ポリマーを好適に用いることもできる。導電性ポリマーとしては、例えばポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、及びこれらの誘導体、類縁対、これらを構成するモノマーもしくはオリゴマーを構成成分として有するポリマーに、必要に応じ適切な添加剤を加えたもので、実用可能なレベルの導電性を有していれば問題なく使用することができる。具体的には、例えばポリアニリンとポリスチレンスルホン酸やカルボン酸の錯体、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やカルボン酸の錯体なども好適に用いられる。

さらに導電性材料として金属微粒子を含有する分散物を用いることもできる。金属微粒子を含有する分散物としては、例えば公知の導電性ペーストなどを用いてもよいが、粒子径が１ｎｍから５０ｎｍ、好ましくは１ｎｍから１０ｎｍの金属微粒子を含有する分散物が好ましい。微粒子として含有される金属の種類は、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、等を挙げることができる。これらの金属微粒子を、主に有機材料からなる分散安定剤を用いて、水や任意の有機溶剤である分散媒中に分散した分散物を用いて電極を形成するのが好ましい。なお、このような金属微粒子分散物の作製方法としては、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方法や、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。

支持体としての基板２０は、ガラス基板でもよいし、樹脂基板でもよい。ガラス基板の場合は、特に材料が制限されるものではないが、一般に液晶ディスプレイ等に用いられているものが使用できる。樹脂基板の場合、例えばプラスチックフィルムシートを用いることができる。プラスチックフィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）等からなるフィルムが挙げられる。このようにプラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めるとともに衝撃に対する耐性を向上できる。

（アクチュエータ素子の製造方法）
アクチュエータ素子は、上述した電極材料、絶縁材料、そして高分子アクチュエータである有機変位材料を、これも既述したように適切な層パターンに配置して、順次積層することによって形成することができる。

パターニングを行う方法には格別の制限はないが、アクチュエータ素子を構成する材料を変質させたり、アクチュエータ素子がその機能を発揮する際に障害となるような成分を用いたりしない方法が望ましく、例えば、マスク蒸着法、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、グラビア印刷法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、マイクロコンタクトプリント法、及びＬＢ法などが挙げられ、材料に応じて使用できる。

これらのうち特に好ましいのは、マイクロコンタクトプリント法やインクジェット印刷法である。インクジェット印刷法の場合、ピエゾ方式など公知のインクジェット印刷法を用いてもよいが、静電吸引方式も精細なパターンを形成できて好ましい。またマイクロコンタクトプリント法の場合、特表２００５−５０９２２９号公報や特表２００５−５２１２３８号公報に記載された方法に、使用する材料に応じた変更を加えて用いることもできる。

本実施形態のアクチュエータ素子１の全製造プロセスは、約２００℃より低い温度で実施されることが好ましい。約１５０℃より低い温度は、さらに好ましい。温度の選択は、概して加工パラメータに依存する。上記有機物の各材料を層パターン化して積層するというアクチュエータ素子１の製造方法は、従来の無機アクチュエータの加工温度よりかなり低い上記の加工温度を可能にし、可撓性ポリマー基板などの比較的安価な基板の使用も可能とする。

このように本実施形態のアクチュエータ素子１は簡単な製造方法で、安価に、製造することができる。また複数の素子配列を効率的に製造することもできる。具体的な製造方法の実施例を以下に説明する。

図５から図７を用いて、アクチュエータ素子１の製造方法、特に積層体１０の製造方法を説明する。図５から図７は製造工程を説明するための装置図である。

主要な工程は二つある。転写装置の転写部に、層形成する材料を薄膜状に配置した層パターンを形成する層形成工程と、その層形成工程により形成された層パターンを、転写装置の転写部から基板上に転写する層転写工程とである。すなわち、有機変位材料を用いて変位層を形成する場合は、変位層形成工程と、変位層転写工程であり、導電性材料を用いて電極層を形成する場合は電極層形成工程と、電極層転写工程である。

従って、この変位層の層パターンと電極層の層パターンとが、順次基板上に転写されて、積層体１０が形成されることになる。

＜製造例１＞
まず各層形成を代表して、変位層形成工程の実施例を図５を参照して説明する。図５は製造工程を説明するための装置断面図である。

有機変位材料７１として、ポリフッ化ビニリデンを溶媒で溶かした溶液を準備した。粘度がおよそ１Ｐａ・ｓになるよう調整した。

上記溶液を加熱した吐出ノズル６１から、搬送体６６上に吐出した。加熱温度は８５℃で、一回の吐出液滴は、１００ｐｌであった。吐出ノズルは武蔵エンジニアリング株式会社製のディスペンサＭＬ−６０６Ｘを用いた。吐出の周波数は０．１Ｈｚである。

滴下した液体状の有機変位材料７１は、搬送体６６により矢印Ａ方向に搬送される。有機変位材料７１は、アプリケータ６２で８μｍの薄層に形成した。

その後、複数のスクイズローラ（図５には最終スクイズローラ６３のみを図示している）を用いて、最終的に約８００ｎｍまで薄層化し、転写部６５上に転写した。転写部６５は上下移動するようになっている。転写部６５上では有機変位材料７１の薄層は約４００ｎｍとなった。

次に変位層転写工程について説明する。

図５では転写装置に転写部６５が複数配列されており、複数の積層体を同時に形成することが可能である。各転写部６５の大きさは２ｍｍ角で、５×５のマトリクス状に配置されている。

転写部６５にはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いた。転写装置は株式会社ナノテック製のマイクロコンタクトプリンタＰＡ４００を用いてアラインメント等を行った。

転写部６５上の有機変位材料７１の薄膜を不図示の基板上に転写した。基板上には上記のマトリクス状に転写印刷され、最終的なその膜厚は約２００ｎｍであった。

印刷後に有機変位材料７１の薄膜から溶媒を蒸発させるため、印刷は１２０℃のホットプレート上で行い、かつ複数の印刷動作は、適度の間隔をおいて行った。また、各薄膜を形成後にその都度厚み方向に適切な電界を印加し、薄膜の帯電量、分極量を適切な状態に揃えた。

変位層形成のための上記の工程と、電極層形成のためのアルミニウムのマスク蒸着工程とを交互に繰り返し、約２０層形成した。その結果合わせた積層体全体の厚みは約４μｍであった。約６０ｖの電圧を印加すると１０％程度の変形量を示し、アクチュエータとして動作していることが確認できた。

＜製造例２＞
さらに、複数領域を有する変位層形成工程の実施例を図６を参照して説明する。図６（ａ）はスクイズローラによる薄層パターン形成の平面図であり、図６（ｂ）はそれに対応する転写部の拡大断面図である。

図６（ａ）に示すように、最終スクイズローラ６３で薄層を形成するまでの工程で製造例１と異なっているのは、有機変位材料７１による変位部領域とともに、導電性材料７２による電極部領域を同時に形成したことである。

図５の装置で言えば、吐出ノズルを少なくとも二種類用意し、有機変位材料７１と導電性材料７２を滴下した。搬送体６６やスクイズローラ６３には、有機変位材料７１と導電性材料７２の薄層の境界部において互いに混入しないための溝などの手だてを設けた。

このようにして、隣接した互いに帯状の変位部領域と電極部領域を形成した。

これを一括して転写部６５に転写する。図６（ｂ）には有機変位材料７１と導電性材料７２の薄層が転写部に転写された状態を示す。転写部６５には、有機変位材料７１と導電性材料７２の境界部に溝が設置されており、転写される有機変位材料７１と導電性材料７２の薄層の境界部と位置あわせして転写した。

この状態で製造例１と同様に基板上への印刷を行った。後の工程は同様である。

このようにして、変位層をパターン化して、層形成することができた。もちろん、電極部領域の代わりに絶縁部領域を形成してもよいし、その両方を形成してもよい。後述するように吐出ノズルを用意して、三つ以上の領域を同時に形成することも可能である。

＜製造例３＞
さらに、積層する変位層と電極層を同じ製造法で形成した変位層形成工程及び電極層形成工程の実施例を図７を参照して説明する。図７（ａ）はスクイズローラによる変位層パターン形成の平面図であり、図７（ｂ）は同じくスクイズローラによる電極層パターン形成の平面図である。

図７（ａ）に示すように、最終スクイズローラ６３で薄層を形成するまでの工程で製造例１や２と異なっているのは、有機変位材料７１による変位部領域（１１ｃ）とともに、それを挟んで、導電性材料７２による２つの電極部領域（１５ｃ、１６ｃ）を同時に形成したことである。

また図７（ｂ）にも同様に、最終スクイズローラ６３で薄層を形成するまでの工程で、導電性材料７２による２つの電極部領域（１５ａ、１６ａ）とともに、それを隔てる絶縁性材料７３による絶縁部領域（１７ａ）を同時に形成した状態を示す。

何れの場合も、図５の装置で言えば、吐出ノズルを少なくとも三種類用意し、有機変位材料７１と導電性材料７２、もしくは導電性材料７２と絶縁性材料７３を滴下した。

このようにして、図７（ａ）の変位層のパターンと図７（ｂ）の電極層のパターンが形成できた。電極層のパターンについては、同様にして図７（ｂ）とは対称的な広さの異なるパターン（２つの電極部領域１５ｂ、１６ｂと絶縁部領域１７ｂとからなる）も形成した。

この三つのパターンを。製造例１と同様に、順次、繰り返し基板上に転写印刷することにより、積層体を形成した。また製造例１と同様に電圧印加し、アクチュエータとして動作することを確認した。

上記のように、本実施形態によれば、アクチュエータ素子を、電界により変形する層と電極層とを含む積層構造とすることにより、環境負荷の小さい、実用的な駆動力を保ちながら変位量の大きい積層型のアクチュエータを提供することができる。また上記素子の積層構造に従い、形成する各層を転写部に配置し、基板上に転写し重ねていくことにより、簡便な製造方法を提供することができる。この製造方法により、微細化、集積化も容易で、複数の素子の配列を同時に製造することもできる。

なお本発明の範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、それらの変更された形態もその範囲に含むものである。

アクチュエータ素子１の概略構成を示す断面図である。 アクチュエータ部の変形の様子を模式的に示す断面図である。 アクチュエータ素子の二次元的な配置とそれに応じた素子の駆動回路を示す図である。 アクチュエータ素子１のアクチュエータ部、すなわち積層体１０の断面図である。 アクチュエータ素子１の製造工程を説明するための装置断面図である。 複数領域を有する変位層形成工程を説明するための、（ａ）スクイズローラによる薄層パターン形成の平面図と（ｂ）それに対応する転写部の拡大断面図である。 積層する変位層と電極層の同じ製造法での形成を説明するための、（ａ）スクイズローラによる変位層パターン形成の平面図と（ｂ）同じく電極層パターン形成の平面図である。

符号の説明

１ アクチュエータ素子１
１ａ アクチュエータ素子
５ アクチュエータ素子アレイ
１０ 積層体
１１ 変位機能層（変位層）
１１ｃ 変位部領域
１２ （第１の）電極機能層（電極層）
１３ （第２の）電極機能層（電極層）
１５ （第１の）電極部
１５ａ、ｂ、ｃ 電極部領域
１６ （第２の）電極部
１６ａ、ｂ、ｃ 電極部領域
１７ 絶縁部
１７ａ、ｂ 絶縁部領域
２０ 基板
３０ ＴＦＴ素子
３１ ゲート絶縁膜
３２ パッシベーション層
３３ ゲート電極
３４ ソース電極
３５ ドレイン電極
３６ 半導体部
３７ コンタクトホール
３８ コモン電極
５１ コモン電極
５２ ゲートバスライン
５３ 信号バスライン
５４ ゲート用ドライバＩＣ
５５ 信号用ドライバＩＣ
６１ 吐出ノズル
６２ アプリケータ
６３ スクイズローラ
６４ セパレータ
６５ 転写部
６６ 搬送体
７１ 有機変位材料
７２ 導電性材料
７３ 絶縁性材料

Claims (9)

1. 電界の印加により厚さ方向に変位する複数の変位機能層と、
   前記変位機能層の厚さ方向に電界を印加するために、前記変位機能層を挟持する複数の電極機能層と、
   を含む積層体を備えたアクチュエータ素子であって、
   前記変位機能層は、電界の印加により厚さ方向に変位する変位部領域と、該変位部領域によって隔てられた二つの変位層電極部領域とからなり、
   前記電極機能層は、隣接する前記変位機能層の変位部領域と変位層電極部領域の界面付近に配置した絶縁部領域と、該絶縁部領域によって隔てられた二つの電極層電極部領域とからなり、
   前記積層体は、前記変位機能層の二つの変位層電極部領域のそれぞれと、前記電極機能層の二つの電極層電極部領域のそれぞれが互いに導通し、前記変位部領域のそれぞれに電界を印加するための電極部をなしている、
   ことを特徴とするアクチュエータ素子。
2. 前記積層体は、前記電極機能層と前記電極機能層より厚みの大きい前記変位機能層とが交互に繰り返し積層されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
3. 前記変位機能層は、電界の印加により厚さ方向に変位する有機変位材料を含み、形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。
4. 請求項１または２に記載のアクチュエータ素子の製造方法であって、
   転写装置の転写部に、有機変位材料を薄膜状に配置し、変位機能層を形成する変位層形成工程と、
   前記変位層形成工程により形成された変位機能層を、転写装置の転写部から基板上に転写する変位層転写工程と、を含む、
   ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。
5. 前記変位層転写工程では、
   転写される変位機能層を形成する有機変位材料は液体状である、
   ことを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ素子の製造方法。
6. 前記変位層形成工程では、
   前記有機変位材料とともに電極材料が薄膜状に配置形成される、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載のアクチュエータ素子の製造方法。
7. 転写装置の転写部に、電極材料及び絶縁材料を薄膜状に配置し、電極機能層を形成する電極層形成工程と、
   前記電極層形成工程により形成された電極機能層を、転写装置の転写部から基板上に転写する電極層転写工程と、を含む、
   ことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載のアクチュエータ素子の製造方法。
8. 前記変位層転写工程と前記電極層転写工程とを交互に繰り返し、基板状に変位機能層と電極機能層との積層を形成する、
   ことを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ素子の製造方法。
9. 請求項４乃至８の何れか１項に記載のアクチュエータ素子の製造方法であって、
   前記変位層形成工程及び前記変位層転写工程では、
   同時に複数個のアクチュエータ素子が転写、形成される、
   ことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。

Images