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