JP2014056999A - パターニングされた有機電極を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】パターニングされた有機電極を形成する方法を提供する。
【解決手段】方法は、レーザプリンタにより、基板上にトナーのパターンを形成する工程S1と、PEDOT及びPSSを含有する溶液を前記基板上に供給する工程S2と、トナーを、トナー除去用の第1溶媒及びPSSを選択的に除去する第2溶媒を含有する剥離液により剥離する工程S3と、を含む。一実施形態において、剥離液は、第1溶媒として、トルエンを含有し、第2溶媒として、エチレングリコールを含有していてもよい。また、剥離液は、10質量%以上40質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。更なる実施形態では、剥離液は、10質量%以上30質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。
【選択図】図1
【解決手段】方法は、レーザプリンタにより、基板上にトナーのパターンを形成する工程S1と、PEDOT及びPSSを含有する溶液を前記基板上に供給する工程S2と、トナーを、トナー除去用の第1溶媒及びPSSを選択的に除去する第2溶媒を含有する剥離液により剥離する工程S3と、を含む。一実施形態において、剥離液は、第1溶媒として、トルエンを含有し、第2溶媒として、エチレングリコールを含有していてもよい。また、剥離液は、10質量%以上40質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。更なる実施形態では、剥離液は、10質量%以上30質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、パターニングされた有機電極を形成する方法に関するものである。
有機トランジスタは、可撓性、軽量性、薄さ、大面積での製造性、低コスト性といった種々の要因から、注目されている。有機トランジスタでは、一般的に、半導体層及び絶縁体層が、可溶性の有機材料を塗布、例えば、印刷することにより形成され、ゲート、ソース、及びドレインといった電極が、Auといった金属の蒸着により形成される。上記半導体層に用いられる有機材料としては、アモルファスシリコンの移動度と同程度の材料、例えば、ペンタセンが知られている。
近年、有機トランジスタにおける電極を、有機材料を用いて形成する技術の研究が行われている。このような技術は、例えば、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載された技術では、PEDOT(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン))の液滴を基板上に滴下すること、又はPEDOT溶液をインクジェット印刷することにより、有機電極のパターニングを行っている。
しかしながら、インクジェット印刷では、ノズルから吐出する材料の粘性やpHの調整等が必要となるので、有機材料が有する特性を十分に利用することができない。また、リソグラフィ技術を用いて、有機材料をパターニングすることも考えられるが、レジスト剥離液に電極用の有機材料が曝される結果、電極の電気伝導率が劣化し得る。
このような背景から、本技術分野においては、パターニングされた有機電極の電気伝導率の劣化を抑制し且つ当該電気伝導率を向上させて、形成する方法が要請されている。
本願発明者は、レーザプリンタを用いて基板上にトナーのパターンを形成し、当該トナーのパターンをマスクとして、PEDOT/PSSを含有する溶液を基板上に供給し、トナー除去用の溶媒を含む剥離液を用いてトナーを剥離することにより、パターニングされた有機電極を形成する研究を行っている。この研究において、本願発明者は、剥離液に、トナー除去用の溶媒と共に、PSSを選択的に除去し得る溶媒(以下、「高導電化溶媒」という)を加えることで、トナーの剥離と有機電極の高電気伝導率化を同時に達成し得るという知見を得た。
一側面においては、上記知見に基づく方法であり、パターニングされた有機電極を形成する方法が提供される。この方法は、(a)レーザプリンタにより、基板上にトナーのパターンを形成する工程と、(b)PEDOT及びPSSを含有する溶液を前記基板上に供給する工程と、(c)トナーを、トナー除去用の第1溶媒及びPSSを選択的に除去する第2溶媒を含有する剥離液により剥離する工程と、を含む。
本方法では、マスクとして機能するトナーが印刷された基板上に、PEDOT及びPSSを含有する溶液を供給することにより、パターニングされた有機電極が形成され、その後にトナーが剥離液により剥離される。有機電極が剥離液に曝されると、PEDOTに結合しているPSSが当該剥離液中の第2溶媒、即ち高導電化溶媒により部分的に除去される。ここで、PEDOTは導電性高分子材料であり、PSS(ポリ(4−スチレンスルホン酸))は絶縁性のドーパントである。したがって、この方法によれば、剥離液に有機電極が曝されて絶縁性のドーパントであるPSSが高導電化溶媒により選択的に除去される結果、有機電極の電気伝導率の低下が抑制され且つ当該電気伝導率が向上される。また、トナーの除去と有機電極の電気伝導率の向上が一工程で同時に実現される。
一実施形態において、剥離液は、第1溶媒として、トルエンを含み、第2溶媒として、エチレングリコールを含んでいてもよい。
一実施形態において、剥離液は、10質量%以上40質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。かかる濃度で剥離液中にエチレングリコールが含まれていることにより、有機電極は、剥離液に曝される前の電気伝導率よりも相当に高い電気伝導率を有するようになる。
一実施形態において、剥離液は、10質量%以上30質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。剥離液中のエチレングリコールの濃度が約20質量%であるときに、有機電極の電気伝導率は、剥離液中のエチレングリコールの濃度と電気伝導率との関係において、ピークを有するようになる。したがって、剥離液中のエチレングリコールの濃度を10質量%以上30質量%以下の範囲で調整することにより、有機電極の電気伝導率をピークに近づけることが可能となる。
以上説明したように、本発明の一側面及び実施形態によれば、パターニングされた有機電極の電気伝導率の劣化を抑制し且つ当該電気伝導率を向上させて形成する方法が提供される。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図1は、一実施形態に係るパターニングされた有機電極を形成する方法を示す流れ図である。図2は、図1に示す方法の各工程で作成される製造物を示す図である。図1に示すように、一実施形態に係る方法では、工程S1において、レーザプリンタにより、基板10上にトナーのパターンが印刷される。
この工程S1により、図2の(a)に示すように、基板10上にトナー12のパターンが形成される。基板10は、有機電極を基板10上に設けるための下地を提供する。この基板10は、絶縁性のベース基板であってもよい。或いは、基板10は、ベース基板上に設けられた有機半導体層又は有機絶縁体層を含んでいてもよい。
工程S1によって形成されるトナー12のパターンは、作成する有機電極のパターンの反転パターンである。図3は、図1に示す方法の工程S1で形成されるパターンの一例を示す平面図である。図3に示すトナー12のパターンの一例は、有機電極の本体部を作成するための開口12a及び有機電極のパッド部を作成するための開口12bを含んでいる。工程S1によって基板10上に設けられるトナーは、限定されるものではないが、例えば、酸化鉄、スチレン・アクリル酸エステル共重合体、非結晶シリカ等を含み得る。また、トナーは、酸化鉄の代わりにカーボンブラックを含んでいてもよい。
次いで、本方法では、工程S2において、基板10上にPEDOT(ポリ(3,4−(エチレンジオキシ)チオフェン)及びPSS(ポリスチレンスルホン酸)を含有する溶液14が供給される。溶液14において、PEDOTは導電性高分子材料として含まれており、PSSが絶縁性のドーパントとして含まれている。この溶液14の供給方法は、限定されるものではないが、PEDOT及びPSSを含有する溶液のインクジェット印刷、スピンコートといった方法であってもよい。
工程S2では、トナー12と基板10の表面の撥水性の差異を利用して、溶液14が基板10上に供給される。トナー12は、基板10の表面よりも、高い撥水性を有する。即ち、基板10は、トナー12よりも高い親水性を有する。したがって、工程S2により、基板10の表面の一部領域であってトナー12に覆われていない領域上に、PEDOT及びPSSを含有する溶液14が供給される。
一実施形態において、トナー12と基板10との間の撥水性の差異を増加させるために、工程S1の前、又は、工程S1と工程S2との間に、基板10の表面に対してオゾン処理が施されてもよい。オゾンは、酸素ガスに紫外線を照射することにより発生させることが可能である。
図1に示す方法では、溶液14を乾燥させた後、工程S3においてトナー12が剥離される。この工程S3により、図2の(c)に示すようにパターニングされた有機電極ELが形成される。
工程S3で用いられる剥離液は、トナー除去用の第1溶媒、及び、PSSを選択的に除去する第2溶媒を含有する。工程S3では、トナー12は、当該剥離液を用いた超音波洗浄により除去され得る。なお、トナー12の除去方法は、剥離液を用いる限り、超音波洗浄に限定されるものではない。この工程S3では、剥離されるべきトナー12と共に、有機電極ELも剥離液に曝される。第2溶媒を含有する剥離液に有機電極ELが曝されると、PEDOTに結合しているPSSが当該剥離液中の第2溶媒により部分的に除去される。したがって、剥離液に曝されても、絶縁性のPSSが選択的に除去される結果、有機電極ELの電気伝導率の劣化が抑制され、且つ、当該電気伝導率が向上され得る。また、工程S3によれば、単一の工程により、トナー12の除去と有機電極ELの高電気伝導率化が同時に達成され得る。
ここで、上述した第1溶媒としては、トルエン、アセトンが例示される。第2溶媒としては、エチレングリコール(EG)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水、エタノール、イソプロパノール、アセトニトリルが例示される。なお、第2溶媒は、第1溶媒に均一に混合され得る溶媒であってもよく、或いは、第1溶媒に均一に混合できない、即ち、第1溶媒に対して分離した状態で剥離液に含められる溶媒であってもよい。
一実施形態において、剥離液は、第1溶媒としてトルエンを含み、第2溶媒として、エチレングリコールを含んでいてもよい。エチレングリコールは、架橋反応によりPEDOT/PSSの結晶化を促進させ得るので、有機電極ELの高電気伝導率化を促進するものと考えられる。また、一実施形態において、剥離液は、10質量%以上40質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。かかる濃度で剥離液中にエチレングリコールが含まれていることにより、有機電極ELは、剥離液に曝される前の電気伝導率よりも相当に高い電気伝導率を有するようになる。
また、一実施形態において、剥離液は、10質量%以上30質量%以下のエチレングリコールを含んでいてもよい。剥離液中のエチレングリコールの濃度が約20質量%であるときに、有機電極ELの電気伝導率は、剥離液中のエチレングリコールの濃度と電気伝導率との関係において、ピークを有するようになる。したがって、剥離液中のエチレングリコールの濃度を10質量%以上30質量%以下の範囲で調整することにより、有機電極ELの電気伝導率をピーク値に近づけることが可能となる。
以下、上述した実施形態の方法により形成される有機電極を備え得る有機トランジスタについて説明する。図4〜図7は、上述した実施形態の方法により形成される有機電極を備え得る有機トランジスタを示す断面図である。図4〜図7に示す有機トランジスタは、電界効果トランジスタであり、それぞれ、ボトムゲート・ボトムコンタクト型、ボトムゲート・トップコンタクト型、トップゲート・ボトムコンタクト型、トップゲート・トップコンタクト型の有機トランジスタである。図4〜図7に示す有機トランジスタT1〜T4は各々、ベース基板BS、ゲート電極GE、ソース電極SE、ドレイン電極DE、絶縁体層IL、及び、半導体層SLを備えている。
図4に示すボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機トランジスタT1では、ゲート電極GEは、ベース基板BSの一主面上に設けられている。絶縁体層ILは、ゲート電極GE及びベース基板BSの一主面を覆うように設けられている。半導体層SLは、ゲート電極の上方において、絶縁体層IL上に設けられている。ソース電極SE及びドレイン電極DEは、それらの間に、ゲート電極GE上の半導体層SLと絶縁体層ILの界面が介在するように、絶縁体層IL上に設けられている。
図5に示すボトムゲート・トップコンタクト型の有機トランジスタT2では、ゲート電極GEは、ベース基板BSの一主面上に設けられている。絶縁体層ILは、ゲート電極GE及びベース基板BSの一主面を覆うように設けられている。半導体層SLは、絶縁体層IL上に一様に設けられている。ソース電極SE及びドレイン電極DEは、それらの間に、ゲート電極GE上の半導体層SLと絶縁体層ILの界面が介在するように、絶縁体層IL上に設けられている。
図6に示すトップゲート・ボトムコンタクト型の有機トランジスタT3では、半導体層SLは、ベース基板BSの一主面上に設けられている。ソース電極SE及びドレイン電極DEは、それらの間に半導体層SLが介在するように、ベース基板BS上に設けられている。絶縁体層ILは、ソース電極SE、ドレイン電極DE、及び半導体層SLを覆うように設けられている。ゲート電極GEは、ソース電極SEとドレイン電極DEの間に介在する絶縁体層ILと半導体層SLの界面の上方において、絶縁体層IL上に設けられている。
また、図7に示すトップゲート・トップコンタクト型の有機トランジスタT4では、半導体層SLは、ベース基板BSの一主面を覆うように設けられている。ソース電極SE及びドレイン電極DEは、互いに離間するよう、半導体層SL上に設けられている。絶縁体層ILは、ソース電極SE、ドレイン電極DE、及び半導体層SLを覆うように設けられている。ゲート電極GEは、ソース電極SEとドレイン電極DEの間、且つ、絶縁体層ILと半導体層SLの界面の上方において、絶縁体層IL上に設けられている。
図4〜図7に示す有機トランジスタにおいて、ベース基板BSは、絶縁性の基板であり、例えば、ガラス、石英、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、又は、合成樹脂等から構成され得る。合成樹脂としては、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、ポリエーテルスルホン、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、ボリカーボネート、環状ポリオレフィン等が例示される。
また、図4〜図7に示す有機トランジスタにおいて、半導体層SLは、有機半導体層である。有機半導体層を形成するための有機半導体材料としては、所望の半導体特性を備えた材料、例えば、芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物等が例示される。より具体的には、有機半導体材料としては、ペンタセン等の低分子有機化合物、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリイソチアナフテン類、ポリチェニレンビニレン類、ポリ(p−フェニレンビニレン)類、ポリアニリン類、ポリアセチレン類、ポリアズレン類等の高分子有機化合物が例示される。
図4〜図7に示す有機トランジスタの絶縁体層ILには、有機トランジスタに一般的に用いられる無機絶縁材料又は有機絶縁材料を用いることができる。無機絶縁材料としては、ガラス、酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のほか、金属酸化物である酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸ストロンチウム、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、酸化ハフニウム等が例示される。
有機絶縁材料としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、フェノール系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、ノボラック系樹脂、ビニル系樹脂等の高分子材料が例示される。
また、図4〜図7に示す有機トランジスタの各々のゲート電極GE、ソース電極SE、及びドレイン電極DEの全て、又はその一部に、上述した実施形態の方法により形成される有機電極ELを用いることができる。また、図4〜図7に示す有機トランジスタの各々のゲート電極GE、ソース電極SE、及びドレイン電極DEのうち他の一部は、例えば、Ag、Au、Ta、Ti、Al、Zr、Cr、Nb、Hf、Mo、これらの合金、酸化インジウムスズ合金(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)等の金属材料、シリコン単結晶、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系材料、カーボンブラック、グラファイト等の炭素材料等の導電性材料から構成されていてもよい。
図4〜図7の有機トランジスタの各部は、以下に説明するように作成され得る。絶縁体層ILは、無機絶縁材料によって構成される場合には、ドライプロセス又はウェットプロセスにより形成され得る。また、絶縁体層ILは、有機絶縁材料から構成される場合には、ウェットプロセスにより形成され得る。ドライプロセスとしては、例えば、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、大気圧プラズマ法等を用いることができる。また、ウェットプロセスとしては、例えば、スピンコート法、ダイコート法、ロールコート法、バーコート法、LB法、ディップコート法、スプレーコート法、ブレードコート法、キャスト法等の塗布方法や、インクジェット法、スクリーン印刷法、パッド印刷法、フレキソ印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷法等を用いることができる。
半導体層SLは、ドライプロセス又はウェットプロセスにより形成され得る。ドライプロセスとしては、例えば、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、大気圧プラズマ法等を用いることができる。また、ウェットプロセスとしては、例えば、スピンコート法、ダイコート法、ロールコート法、バーコート法、LB法、ディップコート法、スプレーコート法、ブレードコート法、キャスト法等の塗布方法や、インクジェット法、スクリーン印刷法、パッド印刷法、フレキソ印刷法、マイクロコンタクトプリンティング法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷法等を用いることができる。
ゲート電極GE、ソース電極SE、及びドレイン電極DEのうち一部又は全ては、上述した実施形態のパターニングされた有機電極を形成する方法により形成され得る。また、ゲート電極GE、ソース電極SE、及びドレイン電極DEのうち他の一部は、下地上に導電性材料を一様に設けた後に、当該導電性材料をフォトリソグラフィー技術によりパターニングすることにより形成してもよく、スクリーン印刷法、インクジェット法、蒸着法等によって導電性材料をパターニングすることにより形成してもよい。
以下、実施例を挙げて本発明について更に詳しく説明をするが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1、及び、比較例1)
図1に示した方法に従い、ポリエチレンテレフタレート製の基板上にトナーのパターンを形成し、PEDOT及びPSSを含有する溶液を基板上に滴下し、当該溶液を乾燥させた後に、20質量%のポリエチレングリコール及び80質量%のトルエンを含む剥離液によりトナーを剥離することで作成した有機電極を、実施例1とした。実施例1では、トナーのパターンの形成にキャノン社製レーザプリンタ LBP B10を用いた。また、トナーの剥離前の実施例1の有機電極を比較例1とした。また、トルエンのみを含む剥離液を用いた点において実施例1の作成条件とは相違する作成条件の下で製造した有機電極を、比較例2とした。
実施例1の有機電極、比較例1の有機電極、また、比較例2の有機電極のそれぞれの組成をXPS(X線光電子分光)で分析した。具体的には、硫黄の2p軌道に着目してXPSの出力データを取得し、取得した出力データに含まれる強度(任意単位)を、波形分離によりPEDOTに起因する強度とPSSに起因する強度とに分離し、PSSに起因する強度の積分値に対するPEDOTに起因する強度の積分値の比を求めた。その結果を、図8に示す。
図8に示すように、トナー剥離前の状態、即ち、比較例1の有機電極のPSSの量に対するPEDOTの量の比に対して、トルエンのみを含む剥離液を用いて作成した比較例2の有機電極では、PSSの量に対するPEDOTの量の比は、低下していた。一方、実施例1の有機電極のPSSの量に対するPEDOTの量の比は、トナー剥離前、即ち、比較例1の有機電極のPSSの量に対するPEDOTの量の比に対して、増加していた。このことから、実施例1の有機電極では、剥離液に曝されたことにより、PEDOTの量に対してPSSの量が相対的に減少していることが確認された。したがって、トナーの剥離液にエチレングリコールを含めることにより、有機電極から選択的にPSSを除去して、有機電極の電気伝導率の劣化を抑制し且つ当該電気伝導率を向上し得ることが確認された。
(実施例2〜7、及び、比較例3〜10)
図1に示した方法により、ポリエチレンテレフタレート製の基板上にトナーのパターンを形成し、PEDOT及びPSSを含有する溶液を基板上に滴下し、当該溶液を乾燥させた後に、ポリエチレングリコール及びトルエンを含む剥離液によりトナーを剥離することで作成した有機電極を実施例2〜7とした。実施例2〜7では、剥離液に含まれるエチレングリコールの量を、10質量%〜60質量%の間で10質量%ずつ変化させた。また、トルエンのみを含む剥離液を用いた点において実施例2〜7の作成条件とは相違する作成条件の下で製造した有機電極を、比較例3とした。また、トナーの剥離前の比較例3及び実施例2〜7の有機電極を比較例4〜10とした。これら実施例2〜7及び比較例3〜10では、トナーのパターンの形成にキャノン社製レーザプリンタ LBP B10を用いた。
実施例2〜7及び比較例4〜10の有機電極のそれぞれの電気伝導率を測定した。また、実施例2〜7及び比較例4〜10の有機電極のそれぞれの厚みを測定した。図9に電気伝導率の測定結果を、図10に有機電極の厚みの測定結果を示す。
図9に示すように、剥離液に含まれるエチレングリコールの濃度が10質量%以上且つ40質量%以下である場合に、有機電極の電気伝導率が、トナー剥離前の有機電極の電気伝導率よりも相当に高くなることが確認された。また、剥離液に含まれるエチレングリコールの濃度が20質量%であるときに、有機電極の電気伝導率が、トナー剥離前の有機電極の電気伝導率の約1.5倍の値を有してピーク値となることが確認された。そして、エチレングリコールの濃度を10質量%から30質量%の間で調整することにより、有機電極の電気伝導率をピーク値に近づけることが可能であることが確認された。
また、図10に示すように、トルエン及びエチレングリコールを含む剥離液によりトナーを剥離した実施例の有機電極の厚みは、トナー剥離前、即ち、比較例の有機電極の厚みより、小さくなっていた。この結果は、トルエン及びエチレングリコールを含む剥離液によりトナーを剥離すると、剥離液に曝されることにより、有機電極中のPSSが選択的に除去されたことによるものと推測される。
10…基板、12…トナー、14…溶液、EL…有機電極、T1,T2,T3,T4…有機トランジスタ、BS…ベース基板、SE…ソース電極、DE…ドレイン電極、GE…ゲート電極、IL…絶縁体層、SL…半導体層。
Claims (4)
- パターニングされた有機電極を形成する方法であって、
レーザプリンタにより、基板上にトナーのパターンを形成する工程と、
PEDOT及びPSSを含有する溶液を前記基板上に供給する工程と、
前記トナーを、前記トナー除去用の第1溶媒及び前記PSSを選択的に除去する第2溶媒を含有する剥離液により剥離する工程と、
を含む方法。 - 前記剥離液は、前記第1溶媒として、トルエンを含み、前記第2溶媒として、エチレングリコールを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記剥離液は、10質量%以上40質量%以下のエチレングリコールを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記剥離液は、30質量%以下のエチレングリコールを含む、請求項3に記載の方法。
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