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目次 1. 序論 研究背景 研究目的 2 2. 原理 ラビング法による液晶配向 イオンビーム法による液晶配向 液晶アクチュエータの駆動 4 3. 実験装置 試料を加工するためのイオンビーム照射装置 イオンビーム生

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開発の社会的背景 パワーデバイスは 電気機器の電力制御に不可欠な半導体デバイスであり インバーターの普及に伴い省エネルギー技術の基盤となっている 最近では高電圧 大電流動作が技術的に可能になり ハイブリッド自動車のモーター駆動にも使われるなど急速に普及し 市場規模は 2 兆円に及ぶといわれる パワー

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特長 01 裏面入射型 S12362/S12363 シリーズは 裏面入射型構造を採用したフォトダイオードアレイです 構造上デリケートなボンディングワイヤを使用せず フォトダイオードアレイの出力端子と基板電極をバンプボンディングによって直接接続しています これによって 基板の配線は基板内部に納められて

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偏光板 波長板 円偏光板総合カタログ 偏光板 シリーズ 波長板 シリーズ 自社製高機能フィルムをガラスで挟み接着した光学フィルター

Transcription:

液晶ってなに? ー液晶テレビから太陽電池までー 東工大像情報工学研究所 教授半那純一 お話の内容 液晶物質とはどのようなものか? どんな性質を持っているか? 光の制御 その性質がどの様に 液晶テレビに活かされているか 液晶物質の従来 知られていなかった新しい特性 発見に関わる歴史特性の応用実用化に向けての取り組み 電流の制御

有機物の結晶と液体の構造 結晶 液体 : 分子 凝集した分子の秩序性 結晶 液体 結晶 液体

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2 OCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 液晶相とは 結晶 中間相 ( 液晶相 ) 液体 スメクチック相ネマチック相 液晶分子の構造 柔軟な炭化水素の鎖 ベンゼン環などの剛直な構造 柔軟な炭化水素の鎖

代表的な液晶物質 棒状液晶 円盤状液晶 OC5H11 OC5H11 CH3(CH2)nO (CH2)nCH3 H11C5O H11C5O OC5H11 OC5H11 液晶分子の凝集形態と液晶相 等方相 ( 液体 ) ネマティック相 液晶相 スメクティック相 結晶相 ディスコネマチック相 カラムナー相

棒状液晶物質の多様な液晶相 相 ma 相 mbhexa 相 mc 相 mcalt 相 mi 相 mf 相 mbcryst 相 (Crystal B) me 相 (Crystal E) mj 相 (Crystal J) mg 相 (Crystal G) mk 相 (Crystal K) mh 相 (Crystal H) 液晶相の発現 ( サーモトロピック液晶 ) 非液晶性物質 液晶性物質 相 ma 相 mb 相 mbcryst 相 me 相

配向は光の振る舞いを制御する 偏光 分子の並びは敏感! ( 表面の性質 / 電場, 磁場 ) 水平配向 垂直配向

配向膜の利用とラビング処理 配向膜 ( 分子の並びを助けるためのプラスチックの薄膜 ) 機械的な配向膜の処理 ( ラビング処理 ) 布を巻きつけたローラで配向膜をこする ガラス基板 配向膜を塗った基板が移動する 分子の配向を電気的に制御する ( 化学構造の工夫 ) δ δ- H 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C C 分極した構造 δ δ- δ- δ 電圧 δ δ- δ δ-

弾性体としての特性 ラビング方向をそろえた場合 ラビング方向を 90 度回転させた場合 ツイステッドネマチック ラビングした配向膜つきのガラス基板 偏光板の働き 偏光板 偏光板 入射光 出射光 入射光

配向させた液晶による偏光面の回転とカラーフィルターによる RGB 光の取り出し カラーフィルター R B G 偏向子 ( 白色 ) 液晶でつくる電気で動く光シャッター

画素の駆動方式 偏光子ガラス基板カラーフィルター透明電極配向膜 RBG 液晶分子 ピクセル TFT アモルファスシリコン半導体膜 ソース電極 ドレイン電極 配向膜 ゲート電極 ゲート酸化膜 ガラス基板偏光子 単純マトリックス型 アクティブマトリックス (TFT) 型 ディスプレー表示 R,G,Bの3 原色の組み合わせと R,G,Bの光強度の組み合わせ : 多色化と濃淡 フルハイビジョン : 1920 1048 3(R,G,B)

表示素子への応用と液晶物質の特質 1 液体である 大面積に均一に材料を作製できる 2 分子が配向している 光に対する振る舞いを制御できる 3 分子配向は表面の性質に敏感である 分子の並びを制御できる 4 分子に分極した構造を持たすことができる 電気に対する応答性を付与できる 液晶物質の物性と応用 液晶物質 配向により異なる光学的特性 : 光学異方性 表示素子ディスプレー応用 自発的に配向した分子凝集相を形成する : 新しい物性の発現?

有機半導体の応用 有機 EL 素子 電子ペーパ ( 有機トランジスタ ) 複写機の感光ドラム 有機太陽電池 電気が流れるって何だっけ! 電流の大きさ ー ー ー 流れる電荷の量 電荷の速度 電荷 正 () 負 (-) 正孔 (hole) 陽イオン電子 (e) 陰イオン 電子 ( 性 ) 伝導 イオン伝導

有機物って電気が流れるの? 電気の流れやすさ : 自由に動ける電荷の量と動き易さ 何個 /cm 3? どれくらい動き易い? ー ー ー 移動度 : 電荷の動き易さの目安を与える特性 電荷の速さ ( 速度 /1cm あたり 1 ボルトの電圧をかけた時 ) 有機物の凝集形態と移動度 移動度 :1cm あたり 1 ボルトの電圧をかけた時の電荷の速さ 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 (cm 2 /Vs) アモルファス物質 結晶物質 10-5 cm 2 /vs:1 秒間に 1/10000mm 1cm 2 /vs:1 秒間に 1cm シリコン :1 秒間に 14m

有機半導体素子 有機 EL 素子 電子ペーパ ( 有機トランジスタ ) 複写機の感光ドラム 有機太陽電池 アモルファス物質中ではなぜ電荷は速く動けないのか? アモルファス物質 :10-5 cm 2 /vs 分子結晶 : 1cm 2 /vs 分子間距離 :8~10 オングストロ - ム 分子間距離 :3.5~4 オングストロ - ム

電荷が速く動けるようにするにはどうすれば? 自発的に 分子が蜜にパッキングし 配向した凝集相を作る 高い移動度 自己修復性 流動性 / ソフトな物質 大面積 均一性 電子的な伝導は起きない! ( イオン伝導 ) 液晶物質における電気伝導 CH 3 O イオン伝導 Ionic conduction 1968 O OCH 3 Electronic 電子性伝導 conduction C 7H 15O C12H 25 2-(4`-Heptyloxyphenyl )-6-dodecylthiobenzothiazole Cryst. -90 -ma-100 -Iso. C5H11O 1993 1995 OC5H11 OC5H11 Triphenylenes C 5 H11O C 5 H11O C 5H11O R O O C 12H 25 Discotic LCs Calamitic LCs Phthaloc yanines R R OC 5H11 R H H OC 5H 11 R OC 5H 11 R R R C 7H15O R 2-Phenyl be nzothi azoles C 12H 25 2-Phenylnaphthalenes C 8H17 OC12H25 Terthiophenes R 1 R 2 Perylenes peri-hexabenzocoronenes Benzothienobenzothiophenes C 12H 25 RO 2 C CO 2 R C12H 25 Polymeric LCs Polyfluorenes p-azoxyanisole Cryst.-118 --135 -Iso. C5H11O OC5H11 OC5H11 O R O C 12H 25 C 12H25 C 12 H 25 C 10H 21 ( ) n H 17C 8 C 8H 17 (CHCH 2) n O(CH 2) 8OCO 2.3,6.7,10,11--Hexapentyloxytriphenylene Cryst. -69 -Dh-122 - Is o.

棒状液晶物質における電子伝導 10-2 1995 年 C7H15O CH12H25 ma 相 2-Phenybenzothiazole 移動度 Cm 2 /Vs) 10-3 10-4 10-6 Cryst. phase 等方相 10-5 80 90 100 110 120 温度 ( o C) 光パルス照射により流れる電流の測定 電極 液晶 時刻 t = 0 電流 電流 電圧 0 時間

不純物に誘起されたイオン伝導 スメクチック相 電子性伝導 イオン伝導 Photocurrent 電流 ( a.u.) 10 3 10 2 50ppm 10 1st 一つ目の肩 Transit 1ppm 1 10 100 1000 Time 時間 (μs) C6H13 C6H13 Impurity OC 12 H 25 C 8 H 17 Host mectic LC 2ニつ目の肩 nd Transit 有機分子の凝集形態と移動度 移動度 (cm 2 /Vs) 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 液晶 分子性結晶 アモルファス固体

液晶物質の光センサへの応用 光吸収に伴う電子 正孔の生成 生成された電子 正孔の高速な輸送 液晶物質の有機 EL 素子への応用 電極からの電子と正孔の注入 電荷の再結合による励起子の形成と発光

多結晶有機半導体のトランジスタ応用 Appl. Phys. Lett., Vol.72, o.15, 1854 (1998) ペンタセン ソース電極 ドレイン電極 D 有機半導体膜ーーーーー ゲート絶縁膜ーーーーー G ゲート電極 V 液晶は結晶化する! 液体液晶結晶

液晶相を利用した高品質膜の作製 冷却 Height (nm) 150 100 50 ubstrate 0 0 50 100 150 200 Distance ( m) Height (nm) 70 60 50 40 30 20 10 0-10 0 10 20 30 Distance ( m) 40 50 H 21 C 10 50 m 10-BTBT-10 C 10 H 21 20 m 20 m 代表的な可溶性トランジスタ用材料 結晶化温度の低下 多結晶薄膜の熱安定性の劣化 (CH 2 ) n CH 3 CH 3 (CH 2 ) n (CH 2 ) n CH 3 Quaterthiophenes (QT) CH 3 (CH 2 ) n (CH 2 ) n CH 3 CH 3 (CH 2 ) n Benzothienobenzothiophenes (BTBT) CH 3 (CH 2 ) n Diphenydithiophenes Dithienylanthracenes (CH 2 ) n CH 3 O O CH 3 (CH 2 ) n (CH 2 ) n CH 3 (CH 2 ) n CH 3 O O CH 3 (CH 2 ) n Peryrenediimides Pentacenes

可溶性トラジスタ材料の耐熱性 H 21 C 10 10-BTBT-10 10-3 C 10 H 21 120 で液体相 Drain Current (A) 10-5 10-7 10-9 10-11 Vds=-50V 熱ストレスを与える前 1.0cm 2 /Vs 150 5 分熱ストレス後 10-13 -50-40 -30-20 -10 0 10 Vg (V) 棒状液晶物質の多様な液晶相 相 ma 相 mbhexa 相 mc 相 mcalt 相 mi 相 mf 相 mbcryst 相 (Crystal B) me 相 (Crystal E) mj 相 (Crystal J) mg 相 (Crystal G) mk 相 (Crystal K) mh 相 (Crystal H)

トランジスタ材料への液晶性の活用 非液晶性物質 液晶性物質 相 ma 相 mb 相 mbcryst 相 me 相 高次 m 相を利用した耐熱性の改善 Height (nm) H 17 C 8 C 8 H 17 81010 4-4 8-TPBTBT (3.56mg) 198. 20 o 16 C 0C 3.5cm 2 16.7/Vs 8mJ /mg 6 10-5 Cryst 80C 18 0. 17 o C 70 8-TP-BTBT 17.8 2mJ /mg 46010-6 加熱後 102. 00 o C 50 28.3 2mJ /mg 150 (me) 210 40 3 3010-7 1.8cm 2 /Vs 20 m 20 010 10-8 0-2-10 0 10 me 160C 10-9 20 30 40 50 H 21 C 10 131.27 Distance o C ( m) -4-40.56mJ/mg 18 0. 09 o C 10 2 C 10 H 21 10-10 After solvent vapor anneal -18.15mJ/mg20 m (toluene 19 6. 61 o C -6 10-BTBT 1min) Vds=-50V 10 o -16.76mJ/mg 10-11 0 5 10 15 20 25 30-50 C /min 150 (Liquid) -40-30 -20-10 0 10 20 30 2 / (deg.) -8 Vg (V) 50 X-ray diffraction 100 ma 185C patterns 15020 m of 8-TP-BTBT 200 Temprature ( o C) Drain Current (A) 10-3 加熱前 8 6 4 2 0-2 8-TPBTBT (3.56mg) 10 2. 00 o C 28.3 2mJ /mg 18 0. 17 o C 17.8 2mJ /mg 198.20 o C 16.7 8mJ /mg 131.27 o C -4-40.56mJ/mg 18 0. 09 o C -18.15mJ/mg 19 6. 61 o C -6-16.76mJ/mg 10 o C /min -8 50 100 150 200 Temprature ( o C) 10 4 16 0C 10 3 10 2 0 5 10 15 20 25 30 2 / (deg.) X-ray diffraction patterns of 8-TP-BTBT H 17 C 8 H 21C 10 8-TP-BTBT 150 (me) 20 m 10-BTBT 150 (Liquid) C 10H 21 20 m Height (nm) Cryst 80C me 160C ma 185C 70 60 50 40 30 20 10 0-10 0 10 20 30 40 50 Distance ( m) 20 m

液晶物質の太陽電池への応用 液晶性ドナー材料 アクセプタ材料 Cryst.-106 -ma-120 - 等方相 熱処理後 熱処理前 J C (ma/cm 2 ) V OC (V) F.F. P.C.E 熱処理前 0.19 0.60 0.24 0.028 熱処理後 3.6 0.74 0.40 1.1 液晶ってなに? ー液晶テレビから太陽電池までー