研究発表６有機TFT駆動フレキシブルディスプレー武井達哉 Flexible Display Driven by Organic Thin Film Transistors Tatsuya TAKEI ABSTRACT The flexible displays that we are researching are built on plastic film substrates, and they will range in size from portable displays through to largescale Super HiVision home displays. We recently tested a coating material to act as a gate insulator in organic thin film transistors （OTFTs）for realizing largescale screen displays. These OTFTs have an insulator that is made by spincoating a thermally crosslinked olefinpolymer and then curing it at 150°C or below. Compared with conventional OTFTs that have an insulator made of Ta2O5, our new OTFTs exhibit less hysteresis and have better uniformity and stability. We used them to build a 5inch QVGA flexible organic light emitting diode panel and found that they reduced the incidence of pixel defects and improved the uniformity of the display. １．まえがき帯・収納・設置・視聴などの自由度を飛躍的に高める放送の完全デジタル化やインターネットの普及により，いつでもどこでも高画質な映像情報サービスを楽ことができる技術として注目されている（１図）。当所ではフレキシブルディスプレーの実現に向けて，しめる環境が整ってきた。薄くて軽く，持ち運びに便自発光で表示速度が速く動画像表示に適した有機 EL 利なフレキシブルディスプレーを実現できれば，携帯（Organic Light Emitting Diode）と，柔軟性を持ち室型情報端末の利便性を大きく高めることができる。更温での形成が可能な有機半導体を用いた薄膜トランジに，大画面シート型ディスプレーを実現できれば家庭スター（TFT：Thin Film Transistor）と，各素子をプへの搬入・設置が容易になり，次世代の高臨場感映像ラスチックフィルム上に低温工程で作製・集積するたシステムであるスーパーハイビジョンを家庭でも気軽めのパネル化技術の研究を進めている。これまでにリ１）に楽しむことができるようになる。このように，ディン光性有機EL素子の発光効率の改善や２），低電圧で動作スプレーのフレキシブル化は画面サイズを問わず，携する五酸化タンタル（Ta２O５）絶縁膜を用いた有機TFT 42 NHK技研 R&D/No.128/2011.7 １図フレキシブルディスプレーの使用イメージチャンネル長５μm 有機半導体ドレイン電極ソース電極ゲート絶縁膜ゲート電極バリア層プラスチック基板２図有機TFTの基本構造の開発に取り組み，これらを組み合わせたフレキシブ動画像表示の結果を報告する。３）ル有機ELディスプレーの作製を行ってきた。五酸化タンタル絶縁膜を用いた有機TFTは低電圧で動作するが，動作の安定性や均一性を高める必要がある。また，大２．オレフィンポリマーを用いた有機TFT 動画像表示用フレキシブルディスプレーの高画質化画面のフレキシブルディスプレーを実現するためには，と高信頼化には，画素駆動素子としてTFTが不可欠で塗布法や印刷法などの基板の大型化に適用しやすい材ある。ディスプレー用のTFTには，液晶ディスプレー料や作製工程の開発が求められる。などに広く用いられているシリコン系をはじめさまざそこで，画素駆動素子である有機TFTのゲート絶縁まな材料の応用が試みられている。中でも，低温形成膜に，大画面化に適した塗布形成可能な材料を導入しが可能で材料そのものが柔軟性を有する有機半導体をた。使用した材料は熱硬化型オレフィンポリマーで，用いた有機TFTは，プラスチックフィルムを基板とすスピンコート法＊１で塗布後，150℃以下の低温で加熱硬化させてゲート絶縁膜を形成した。このポリマー絶縁るフレキシブルディスプレーに対する適用性が高く有望である。膜を用いて有機TFTを作製し，良好なスイッチング特有機TFTの基本構造を２図に示す。有機TFTの課題性と安定な動作特性を得ることができた。また，このとしては安定性や信頼性の確保，キャリヤー移動度や＊２フレキシブル有機電流ON・OFF比の向上などがある。これらの特性は有 ELディスプレーを作製し動画像表示を行った。その結機半導体そのものの性能だけでなく，ゲート絶縁膜の果，画素欠陥の低減と表示の均一性の改善が確認でき性能も大きく影響する。有機TFTのゲート絶縁膜の材た。本稿では，ポリマーゲート絶縁膜の特徴や有機TFT 料には以下のような条件が求められる。有機TFTを用いて５インチQVGA の特性，フレキシブル有機ELディスプレー作製工程，・塗布法や印刷法で形成可能・電荷トラップとなる不安定構造（水酸基）を分子＊１材料を溶液化して基板に滴下し，その基板を高速回転させて薄膜を形成する方法。＊２ 320 240画素。VGA規格（640 480画素）の1/4の画素数。内に含まない・有機半導体の結晶性を高めるために疎水性で平滑 NHK技研 R&D/No.128/2011.7 43 研究発表６有機TFT 10 ー4 ID（A）ドレイン電流 VD = ー 15V 10 ー6 10 ー8 10 ー 10 10 ー 12 10 ー 14 ー 40 ー 30 ー 20 ー 10 0 10 ゲート電圧 V G （V）３図オレフィンポリマーを用いた有機TFT ４図オレフィンポリマーを用いた有機TFTの特性な表面を持つ 10 ー4 10 ー6 初期状態これらの条件を満たす材料として塗布型のオレフィンポリマーに着目し，有機TFTのゲート絶縁膜として熱性・耐環境性に優れた有機材料で，汎用プラスチック製品に数多く利用されている。今回用いたオレフィンポリマーは塗布形成が可能で，電荷トラップとなりやすい不安定構造を含まないので，有機TFTのゲート 30 日後 ID （A）ドレイン電流導入を試みた。オレフィンポリマーは機械的強度・耐 15 日後 10 10 ー8 ー 10 絶縁膜に適した特徴を持っている。オレフィンポリマーを用いて，２図に示したような 10 ー 12 チャンネル長５μmの微細な有機TFTをプラスチック基板上に作製した。まず，プラスチック基板上にバリア層とゲート電極を形成し，オレフィンポリマーをスピンコート法で塗布した後，120℃∼130℃で加熱硬化させて厚さ約 200 nmのゲート絶縁膜を形成した。次に， 10 ー 14 ー 30 ー 20 ー 10 0 10 20 ゲート電圧VG （V）５図大気中に保管した有機ＴＦＴの特性変化ソース・ドレイン電極を形成し，有機半導体としてペンタセン＊３をシャドーマスクを用いた真空蒸着法でパ界面が得られていることが推測できる。有機TFT基板ターニングした。を通常の大気中に保管し特性変化を観察した結果を５作製した有機TFTの写真を３図に，伝達特性を４図２２に示す。移動度は0.1cm /Vs∼0.2cm /Vsで，ヒステリ 7 シスが少なく，電流ON・OFF比が10 以上と良好なス４）イッチング特性を得た。また，長時間の連続動作テス図に示す。30日後においても移動度や電流ON・OFF 比の劣化はごくわずかで，しきい値電圧のシフトやヒステリシスのない特性が維持されており，良好な大気安定性が実現されていることが確認できた。ト（バイアスストレス試験）の結果，10,000秒のバイアスストレス印加後におけるしきい値電圧シフトの変動３．フレキシブル有機ELディスプレーの作製が0.9V以下と安定した特性であることを確認した。これオレフィンポリマーを用いた有機TFTをプラスチッにより，電荷トラップの少ない良好な絶縁膜／半導体ク基板上にアレイ化し，フレキシブル有機ELディスプ＊３最も代表的な低分子有機半導体。ベンゼン環が５つつながった構造を持つ。 44 NHK技研 R&D/No.128/2011.7 レーを作製した５）。作製したディスプレーの断面構造を６図に示す。１画素は画素を選択するための選択用高バリア性封止フィルム薄膜封止層 TFT保護膜有機半導体有機EL素子塗布型ゲート絶縁膜バリア層選択用有機TFT 発光駆動用有機TFT プラスチック基板６図作製したディスプレーパネルの断面構造１表プラスチック基板の種類と特性（a）酸化シリコンと窒化シリコンを積層したガスバリポリエチレンナフタレートポリエーテルスルフォンポリエチレンテレフタレートポリカーボネート（PEN）（PES）（PET）（PC）耐熱性（℃） ∼170 ∼220 ＜150 ∼150 熱膨張率（ppm/℃） 13 54 15 60∼70 吸水率（％） 0.14 1.4 0.14 0.4 光透過率（％） 85 90 ＞85 ＞90 ア層を形成後，スパッター法（真空成膜法の一種）とフォトリソグラフィー（紫外線露光による微細加工技術）によりTFTのゲート電極（モリブデン）と有機EL素子の画素電極（インジウムスズ酸化物）を形成。（b）スピンコート法によりオレフィンポリマーを塗布後，130℃での加熱硬化によりゲート絶縁膜（膜厚 350nm程度）を形成。（c）フォトリソグラフィーとドライエッチング法（プラズマ露出による薄膜の分解・除去）により接続端子を開口後，電子ビーム蒸着法（真空成膜法の一種）とフォトリソグラフィーによりソース・ドレイン電極（金）を形成。（d）ソース・ドレイン電極上と画素電極上が開口した隔壁構造を形成後，真空蒸着法により有機半導体（ペンタセン）を形成。この隔壁構造で有機半導体をTFTのチャンネル部分とそれ以外の部分とに分離。（e）化学気相成長法（反応性ガスを基板上へ流して膜７図プラスチック基板を固定したガラス支持基板をたい積させる方法）により有機TFT保護膜（ポリパラキシリレン）を形成後，フォトリソグラ TFT，有機EL素子へ電流を供給するための駆動用TFT フィーとドライエッチング法により画素電極上をの２つの有機TFTと１つの有機EL素子で構成される。開口。発光方向はプラスチック基板側に発光させる方式（ボトムエミッション型）である。（ f ）シャドーマスクを用いた真空蒸着法によりRGB の高効率有機EL素子を画素電極上の開口部に形成。さまざまなプラスチック基板の中でも比較的耐熱性最後に，６図に示すように，有機層と無機層を積層が高く，熱膨張率や吸水率の低いポリエチレンナフタした薄膜封止層を形成し，その上から高性能バリア層レート（PEN）フィルムを基板として用いた（１表）。を形成した封止フィルムを接着した。プラスチック基板を粘着層を介して寸法安定性の高いの作製工程を行い，フィルム基板の伸縮による寸法誤４．有機TFTアレイの特性とフレキシブルディスプレーの動画像表示差を抑制するとともに薄くて柔軟なフィルム基板の取作製した有機TFTアレイの顕微鏡写真を９図に，仕ガラス支持基板に固定して（７図），その状態ですべてり扱いを容易にした。８図（a）から（f）にディスプレーの作製工程を示す。様を２表に示す。画面サイズは対角５インチで80 ppi の精細度である。また，有機TFTアレイの特性を10 NHK技研 R&D/No.128/2011.7 45 研究発表６ (a) バリア層，ゲート電極，画素電極の形成ゲート電極（モリブデン）画素透明電極（インジウムスズ酸化物）ガスバリア層（酸化シリコン , 窒化シリコン）プラスチックフィルム (b) ゲート絶縁膜の塗布形成ゲート絶縁膜（オレフィンポリマー） (c) 接続端子等の開口，ソース・ドレイン電極の形成ソース・ドレイン電極（金） (d) 隔壁，有機半導体層の形成分離選択用TFT 有機半導体（ペンタセン）隔壁駆動用TFT (e) TFT保護膜，画素電極の開口 TFT保護膜（ポリパラキシリレン） (f) 有機EL層の形成高効率有機EL素子陰極８図フレキシブル有機ELディスプレーパネルの作製工程図に示す。移動度は0.01cm２/Vs∼0.05cm２/Vs，電流 6 シブルなプリントケーブルで接続し動画像表示を行っ ON・OFF比は10 以上でヒステリシスが少なく，良好なた（11図）。配線の断線などに起因すると思われるライ面内均一性が得られた。２章で述べた有機TFTより特ン状の線欠陥はあるが，従来試作していた五酸化タン性が劣っている原因は，ディスプレー駆動用のアレイタル絶縁膜による有機TFT駆動ディスプレーと比較し化工程と有機半導体のパターニング法の違いによる影て点欠陥は減少した。また，画面全体において均一性響と考えられる。の高い表示動作が確認できた。これらは塗布型オレフィ作製したフレキシブルディスプレーの仕様を３表にンポリマーの導入により，有機TFTの絶縁膜不良が減示す。ディスプレーのパネル部分は，封止フィルムを少したことと，均一で安定したTFT特性が実現できた含めて厚さ0.3mm，重さ５g程度と非常に薄くて軽く柔効果と考えられる。軟性を有している。ディスプレーと駆動装置をフレキ 46 NHK技研 R&D/No.128/2011.7 選択用TFT 走査線電源線駆動用TFT 318μm 画素電極 R G B 106μm データ線９図有機TFTアレイ1画素の顕微鏡写真２表有機TFTアレイの仕様 10 基板（厚み） PENフィルム（125μm）画素数 320（RGB）×240 精細度 80ppi 画素ピッチ 0.318mm TFTサイズ（幅／長さ）選択用：76μm/7μm 駆動用：255μm/7μm ー5 ドレイン電流 ID (A) VD = ー 15V 10 ー7 10 ー9 10 ー 11 10 ー 13 ー 30 ー 10 10 30 ゲート電圧 V G (V) 10図有機TFTアレイの特性 NHK技研 R&D/No.128/2011.7 47 研究発表６３表フレキシブル有機ELディスプレーの仕様画面サイズ対角5インチ画素数 320（RGB）×240 フレーム周波数 60Hz パネル厚み 0.3mm 表示素子高効率有機EL ５．むすびゲート絶縁膜材料に適した塗布型オレフィンポリマーを用いて有機TFTを作製して，良好なスイッチング特 11図フレキシブル有機ELディスプレーの動画像表示例性と大気安定性を実現した。また，有機TFTをプラスチック基板上にアレイ化し，５インチQVGAのフレキシブル有機ELディスプレーを作製して動画像表示を行っ速することで，大画面化の早期の実現を目指す。た。その結果，画素欠陥の低減と均一性の高い表示動作を確認できた。なお，有機TFTアレイの作製に用いた塗布型オレフィンポリマーは日本ゼオン（株）にご提供いただいた。今後，有機TFTの性能改善を進めるとともに，基板の大型化に適用しやすい材料や工法の研究・開発を加また，フレキシブル有機ELディスプレーの作製にはパナソニック（株）にご協力いただいた。深く感謝する。参考文献 1）NHK放送技術研究所： “フレキシブルディスプレー特集号， ”NHK技研R＆D, No.120（2010） 2）H. Fukagawa, K. Watanabe, T. Tsuzuki, and S. Tokito： “Highly Efficient, Deepblue Phosphorescent Organic Light Emitting Diode with a Doubleemitting Layer Structure， ”Appl. Phys. Lett., Vol.93, pp.133312133314（2008） 3）Y. Nakajima, T. Takei, Y. Fujisaki, H. Fukagawa, M. Suzuki, G. Motomura, H. Sato, T. Yamamoto and S. Tokito： “Improvement in Image Quality of a 5.8in. OTFTdriven Flexible AMOLED Display， ”J. SID, Vol.19, No.1, pp.9499 （2011） 4）Y. Fujisaki, Y. Nakajima, D. Kumaki, T. Yamamoto, S. Tokito, T. Kono, J. Nishida, and Y. Yamashita： “Airstable N type Organic Thinfilm Transistor Array and High Gain Complementary Inverter on Flexible Substrate， ”Appl. Phys. Lett., Vol. 97, pp.133303 133305（2010） 5）M. Suzuki, H. Fukagawa, G. Motomura, Y. Nakajima, M. Nakata, H. Sato, T. Shimizu, Y. Fujisaki, T. Takei, S. Tokito, T. Yamamoto, and H. Fujikake： “Fabrication of QVGA Flexible Phosphorescent AMOLED Display Using Inkjet Printing， ”Proc. IDW 10, FLX44L, pp.16751676（2010）たけいたつや武井達哉 1991年入局。同年から放送技術研究所にて，プラズマディスプレーの研究，冷陰極ディスプレーの研究，フレキシブルディスプレーの研究に従事。現在，放送技術研究所表示・機能素子研究部専任研究員。 48 NHK技研 R&D/No.128/2011.7