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有機デバイスの最新動向


 近年、有機材料を用いた有機ELディスプレイ、有機トランジスタ、有機太陽電池などの研究が精力的に進められています。素子性能は従来のシリコンデバイスには及ばないものの、印刷技術を使ったプロセスや、フレキシブル、大面積、低コスト化など様々な利点があるため、新しいエレクトロニクス分野として期待されています。
  有機ELディスプレイは既に実用化され、有機TFT駆動のフレキシブルディスプレイの試作も盛んに行われています。更なる効率向上・長寿命化に加え、大型化や、面光源化なども研究されています。
  有機太陽電池に関しても、素子性能は飛躍的に向上し、薄膜型ではさらなる効率向上のためにバルクヘテロジャンクション、超階層構造化などが研究されています。
  有機TFTはさらに性能向上が望まれており、分子配列構造の制御、界面制御による配向性及び結晶性向上、低分子半導体の可溶化、液晶性半導体材料、単結晶性トランジスタ、両極性トランジスタ、ナノ構造化など、さまざまな研究が行われています。
  本書はこのような観点から、有機ELディスプレイ、有機トランジスタ、有機太陽電池の開発の現状と課題、それらを支える材料、プロセス、界面制御、デバイス構造等の最新技術動向をまとめたものです。
         
          □体  裁  A4判333ページ
          □税込価格 71,400円(本体68,000円、消費税3,400円)
          □送  料  弊社負担
          □発  行  2009.02

章 目 次 

第1章 有機半導体の特徴と応用(概論)
第2章 有機EL(Electro-Luminescence)の現状と最新技術動向
第3章 有機太陽電池の技術と将来展望
第4章 有機トランジスタの開発と実用化への展望

詳 細 目 次

 
1章 有機半導体の特徴と応用(概論) 1
 1.1 有機半導体とは 1
  1.1.1 有機半導体開発の歴史 1
  1.1.2 有機半導体の種類 2
   (1) 低分子、オリゴマー系有機半導体材料 3
   (2) 高分子有機半導体材料(π電子系導電性高分子) 3
  1.1.3 有機半導体材料の特徴と応用 5
   (1) 分子設計の容易性 5
   (2) 有機半導体の機能と応用 6
    (a) 半導体特性の応用 6
    (b) 光機能特性の応用 6
   (3) 有機半導体のプロセス 6
    (a) 溶液プロセス 7
    (b) 印刷技術の導入 7
 1.2 有機半導体の導電性 7
  1.2.1 導電率 7
   (1) 移動度(mobility:易動度) 8
   (2) 電荷密度 8
   (3) 有機半導体のキャリア移動度と分子の凝縮状態 9
  1.2.2 有機半導体の電気伝導機構 9
   (1) 有機半導体のメゾスコピックな電子状態 9
   (2) 有機半導体とバンド理論 10
   (3) 分子軌道と固体物理の対応 11
   (4) 不純物半導体における有機、無機半導体 12
   (5) 有機半導体の特性を決める因子 13
    (a) 価電子帯および伝導帯の位置  
    (b) バンドギャップの大きさ  
    (c) バンドの幅  
    (d) 導電性高分子のポーラロン  
 1.3 有機半導体のエレクトロニクスへの応用状況 14
  1.3.1 実用化されている応用分野  15
   (1) 有機感光体(OPC) 15
   (2) 有機EL 16
  1.3.2 今後期待されている応用分野 16
   (1) 有機半導体トランジスタ 16
   (2) 有機太陽電池 17

2章 有機EL(Electro−Luminescence)の現状と最新技術動向
19
 2.1 有機ELディスプレイの動作原理 19
  2.1.1 有機EL素子の基本構造と動作原理 20
   (1) 基本構造 20
   (2) 有機EL素子の種類 21
   (3) 有機ELの発光 21
   (4) 有機ELの発光効率 23
    (a) 視感効率 23
    (b) 量子効率 23
    (c) 三重項リン光の利用 24
    (d) 光取り出し効率 25
  2.1.2 有機ELの材料 25
   (1) 正孔輸送材料 26
   (2) 電子輸送材料 27
   (3) 発光材料 27
    (a) 発光層と発光ドーパント 27
    (b) リン光材料 27
  2.1.3 有機ELディスプレイパネル 27
   (1) 有機ELディスプレイの駆動方式 28
   (2) 有機ELディスプレイのカラー化方式 30
    (a) 塗り分け方式(RGB3色並置方式) 30
    (b) カラーフィルター方式 30
    (c) 色変換(CCM:Color Changing Mediums)方式 30
  2.1.4 有機ELディスプレイの特徴と課題 31
 2.2 有機EL市場の動向と各社の取り組み 34
  2.2.1 有機EL市場 34
   (1) 市場規模 34
   (2) 今後の市場展開 35
   (3) 応用分野別世界市場 36
    (a) 携帯電話用途 36
    (b) MP3/PMP(ポータブルメディアプレイヤー) 37
    (c) TV用途 37
   (4) 有機ELパネルの種類別の成長予測 38
   (5) 売上高上位5社 41
  2.2.2 有機EL参入各社の開発と生産 41
   (1) 有機ELパネルメーカー 41
    (a) Samsung SDI 42
    (b) 東北パイオニア 43
    (c) 台湾RiTdisplay社 43
    (d) LG Electronics 43
    (e) TDK 43
    (f) ソニー 44
    (g) 昭和電工 44
    (h) 京セラ 44
    (i) 大日本印刷 45
    (j) 住友化学 45
    (k) 東芝松下ディスプレイテクノロジー(TMD) 45
    (l) パナソニック 45
    (m) セイコーエプソン 46
    (n) ソニー、東芝松下ディスプレイテクノロジー、シャープなど 46
    (o) Lumiotec 46
   (2) 有機EL材料メーカーの動向 47
    (a) 出光興産 47
    (b) 東洋インキ製造 48
    (c) 三井化学 48
    (d) 新日鐵化学 48
    (e) 大日本スクリーン 48
    (f) コダック 48
    (g) 三菱化学 49
    (h) 住友化学 49
    (i) 凸版印刷 49
    (j) 昭和電工 50
   (3) 有機EL関連材料メーカー 50
 2.3 有機ELディスプレイの高効率・長寿命化技術の動向 52
  2.3.1 有機ELデバイス構造による外部量子効率の向上技術 52
   (1) デバイス構造(画素構造と高開口率) 52
    (a) 外部取り出し効率の改善 52
    (b) トップエミッション構造 54
   (2) マルチフォトンエミッション(MPE:Multi−Photon Emission)素子 54
  2.3.2 低分子系EL材料の改良による発光効率、寿命改善 57
   (1) 発光層材料 57
    (a) ノンドープ型発光層 57
    (b) ドープ型発光層 58
   (2) 電荷輸送材料 59
    (a) ホール(正孔)輸送材料 59
    (b) 電子輸送材料 61
   (3) アモルファス分子材料の進展 63
  2.3.3 高分子系ELの材料および構造の制御 64
   (1) π共役系高分子を用いた有機EL 65
   (2) ホール輸送層材料 67
   (3) 電荷輸送の高効率化技術 68
    (a) ホール輸送層/ITO接触界面の改良 68
    (b) 電子輸送性高分子材料 69
    (c) 電荷輸送性ブロック共重合体による高発光効率化
       (東京農工大学、コニカミノルタ)
71
   (4) π共役系高分子構造制御と光電物性 72
    (a) ポリチオフェン(PAT) 72
    (b) ポリフルオレン(PFO) 73
    (c) 青色発光PFO 74
  2.3.4 リン(燐)光EL材料の発展と実用化 75
   (1) リン光材料による発光効率の改善 76
   (2) 低分子系リン光材料の進展 80
   (3) 高分子系リン光材料の進展 84
   (4) 低分子、高分子リン光材料の効率向上の研究 87
    (a) 嵩高い芳香族π系物質をリガンド(ligand)に用いた遷移金属錯体 88
    (b) リン光性高分子材料(NHK放送技術研究所) 89
    (c) 蒸着後重合によるリン光積層構造の作製(東京農工大学) 90
    (d) ワイドギャップ正孔輸送層による緑色リン光有機ELの高効率化
       (金沢工業大学)
90
  2.3.5 その他の高機能有機ELの開発 91
   (1) DNA導電性高分子の応用 91
   (2) 偏光高分子有機ELデバイス 98
    (a) 極薄光配向膜による偏光有機電界発光(EL)デバイス(物質材料研究機構) 98
    (b) ビナフチル−ポリフルオレン共重合高分子の偏光電場発光素子
       (東京工芸大学)
99
   (3) 光応答性の有機EL素子(産総研) 101
   (4) 発光性液晶材料 103
   (5) 高発光性有機結晶(チオフェン/フェニレンコオリゴマー(TPCO)) 106
    (a) チオフェン/フェニレンコオリゴマー(TPCO) 106
    (b) TPCO結晶の内部蛍光量子効率 108
    (c) TPCO結晶のエピタキシャル成長 108
  2.3.6 有機ELの安定性改善技術 109
   (1) 有機ELの長寿命化 110
    (a) 劣化機構の解析 110
    (b) ダークスポットによる寿命劣化の要因 111
    (c) 超高真空中で作製したEL素子の寿命の調査 113
   (2) 耐熱性 115
   (3) フレキシブル有機EL素子の長寿命化 116
    (a) アモルファスITOの課題 116
    (b) バッファ層によるフレキシブル有機ELの長寿命化 (豊田中央研究所) 117
   (4) ITO膜の凹凸対策 119
    (a) 有機溶媒に完全溶解するホール注入材料(日産化学工業) 119
    (b) 高導電性ポリマー電極/正孔輸送材料による陽極表面粗さの改善
       (大阪大学先端イノベーションセンター、ホシデン)
120
 2.4 白色光源としての有機ELの開発状況 121
  2.4.1 照明市場を取り巻く環境 121
   (1) 市場概況 121
    (a) 光源/照明全体市場 122
    (b) 液晶バックライト用白色光源など 123
    (c) 照明分野における有機ELの世界市場規模 123
   (2) 照明市場参入の可能性 123
  2.4.2 有機EL照明の発展と課題 124
   (1) 光源としての有機EL 124
   (2) 有機ELの性能と照明利用への展望 125
  2.4.3 白色有機EL照明の特徴と課題 126
   (1) 白色有機EL照明の開発のポイント 127
    (a) 効率向上 127
    (b) 有機EL発光の特徴 127
    (c) 照明に適した条件 127
   (2) 白色有機EL照明開発の状況 127
    (a) 照明用有機ELパネルの事業化(Lumiotec:ルミオテック) 128
    (b) 有機発光機構を用いた高効率照明技術の開発
       (パナソニック電工、出光興産、タツモ) 
129
    (c) 高発光効率の有機EL白色発光デバイス
       (コニカミノルタテクノロジーセンター)
131
  2.4.4 バックライトしての白色有機EL光源 132
   (1) 有機ELバックライトの利点 132
   (2) 有機ELバックライトの演色性の改善 132

3章 有機太陽電池の技術と将来展望
136
 3.1. 有機太陽電池の基礎 136
  3.1.1 太陽電池に対する期待 136
   (1) 太陽電池のエネルギー 137
   (2) 太陽電池の種類と性能 137
  3.1.2 有機太陽電池の原理と特徴 139
   (1) 有機太陽電池の特徴 139
   (2) 有機太陽電池の原理 139
    (a) 有機薄膜太陽電池の原理 139
    (b) 色素増感太陽電池(DSC:dye−sensitized solar cells)の原理 141
   (3) 太陽電池の性能−エネルギー変換効率 141
  3.1.3 太陽電池の市場規模 142
   (1) 太陽電池のメーカー別シェア 143
   (2) 太陽電池市場 143
    (a) 世界市場規模 143
    (b) 太陽電池の種類別市場動向 144
   (3) 太陽光発電コストの低減 145
    (a) 太陽光発電技術研究組合(PVTEC) 145
    (b) 量産化によるコスト低減 146
 3.2 有機薄膜太陽電池の発展と課題 147
  3.2.1 有機薄膜太陽電池の概要 147
   (1) 有機薄膜太陽電池の開発の歴史 147
   (2) デバイス構造 148
    (a) ショットキー接合型 148
    (b) pn接合型 148
    (c) バルクヘテロ接合型 148
   (3) 有機薄膜太陽電池用材料 149
   (4) 有機薄膜太陽電池の特徴 150
   (5) 有機薄膜太陽電池の種類 151
  3.2.2 高分子(ポリマー)系薄膜太陽電池の高効率化技術動向 151
   (1) バルクヘテロ接合構造の高効率化要素技術 151
   (2) 光吸収による励起子生成の効率化のための材料、構造の探索 152
    (a) 高移動度p型材料、高光吸収性n型新材料C70(産総研) 153
    (b) 多接合型構造 154
   (3) 光吸収層における解離の効率化技術 154
   (4) 電荷分離と輸送の効率化技術の開発 155
    (a) 高分子の立体規則性の制御(東京大学) 156
    (b) ブロックポリマーによるミクロ相分離構造制御(東京大学) 157
    (c) 酸化亜鉛ナノロッドによる電荷輸送の効率化 158
    (d) 表面偏析バッファー層による電荷輸送制御 159
   (5) TiO2ホールブロック層を挿入した安定化バルクヘテロ接合型
       (上原先端科学研究所)
160
  3.2.3 低分子系薄膜太陽電池の技術動向 161
   (1) 低分子系薄膜太陽電池の現状と課題 161
   (2) 高効率化技術技術の開発 163
    (a) i層挿入による高効率化(産総研) 164
    (b) ナノ複合構造化(分子科学研究所) 164
    (c) 高純度化技術とi層の厚膜化による高効率化(分子科学研究所) 166
    (d) 交互積層法によるバルクヘテロ接合化(産総研、パナソニック電工) 167
    (e) デバイス構造とVoc(産総研) 167
   (3) 大面積化のための電子輸送層の開発 168
  3.2.4 有機薄膜太陽電池の展望 169
   (1) 有機薄膜太陽電池の開発ターゲット 169
   (2) 超階層構造構築による高効率化技術 169
 3.3 色素増感太陽電池の開発動向 173
  3.3.1 色素増感太陽電池の概要 174
   (1) 色素増感太陽電池の基本構成と原理 174
   (2) 多段階電荷移動過程 175
   (3) 色素増感太陽電池の性能 177
  3.3.2 色素増感太陽電池の課題−高効率化、フレキシブル化、固体化 178
  3.3.3 高効率化 178
   (1) 短絡電流の向上 179
    (a) 高効率有機色素 180
    (b) 新規カルバゾール系色素(産総研) 181
    (c) 酸化チタンの構造制御による抵抗値の低減と色素量の増加(日立製作所) 184
    (d) 変換効率11%のタンデム構造色素増感太陽電池(産総研) 185
   (2) 開放電圧の向上 186
    (a) 酸化チタン表面から電解質溶液への電子漏出の防止 186
    (b) ナノポーラスチタニアのナノ界面制御(電荷分離界面)による
       Voc、Jscの向上
187
   (3) フィルファクター(ff)の向上 188
  3.3.4 フレキシブル化 188
   (1) フレキシブルDSC化の現状と課題 189
   (2) フレキシブルDSCへの取り組み 189
    (a) 金属薄膜基板を用いたDSC(Konarka社、G24 イノベーション社) 190
    (b) フィルム型色素増感太陽電池
       (桐蔭横浜大学院大学、ぺクセルテクノロジーズ)
190
    (c) 酸化亜鉛電析膜を用いたプラスチック太陽電池(岐阜大学) 192
  3.3.5 固体化 194
   (1) ナノカーボン系電荷輸送層を用いるプラスチックセルの全固体化
      (桐蔭横浜大学大学院)
195
   (2) 液晶性イオン液体の自己組織化による擬固体膜を用いた
       色素増感太陽電池の固体化(九州工業大学大学院)
196
  3.3.6 新しい高効率デバイス構造の提案  201
   (1) 透明導電膜基板を使用しない 3D全金属電極型色素増感太陽電池
       (九州工業大学大学院)
201
   (2) 酸化チタンナノワイヤー電極を用いた色素増感太陽電池
      (東京大学先端科学技術研究センター)
202
   (3) 針状電極を用いた色素増感形太陽電池(東京工業大学) 205

4章 有機トランジスタの開発と実用化への展望
209
 4.1 有機薄膜トランジスタ(OTFT:Oragnic Thin Film Transistor)技術 209
  4.1.1 有機半導体 210
   (1) 有機半導体の電界効果移動度の推移 210
   (2) 代表的な有機半導体材料 211
  4.1.2 有機TFTの構造と動作 212
   (1) 有機TFTの特徴 212
   (2) 有機TFTの構造 213
    (a) トップコンタクト構造 214
    (b) ボトムコンタクト構造 214
    (c) トップゲート構造 215
   (3) 有機TFTの動作 215
  4.1.3 有機半導体膜の形成プロセス 217
  4.1.4 塗布型有機半導体 218
   (1) 高分子塗布型有機半導体 218
   (2) 低分子塗布型有機半導体 219
   (3) 液晶性半導体 219
  4.1.5 有機半導体の課題 220
 4.2 有機半導体の分子構造、及び界面制御による高性能化 220
  4.2.1 有機半導体分子の配向性、結晶性向上技術 220
   (1) 半導体薄膜の基板上成長と結晶化 221
   (2) 有機分子の配向メカニズム 222
   (3) 低分子半導体の構造秩序と特性 224
    (a) 分子長の異なるオリゴチオフェンの構造と特性(産総研) 224
    (b) 末端チオフェン環が3位で結合した無置換オリゴチオフェン(産総研) 225
   (4) 高分子半導体の構造秩序と特性 226
  4.2.2 有機トランジスタの極性と界面制御 226
   (1) 吸着ガスの影響 227
   (2) 有機/金属界面による極性決定因子 227
   (3) 有機/絶縁体界面 229
   (4) 電極/有機半導体界面の接触抵抗の低減 230
  4.2.3 有機トランジスタの電極/有機半導体界面の制御による高性能化 231
   (1) 分子を介した電極間の電子輸送 231
   (2) 自己組織化単分子膜(SAM:Self−Assembled Monolayer) 231
    (a) OTSによるゲート絶縁膜の表面処理 232
    (b) β−フェニルトリクロロシラン(β−PTS)によるゲート絶縁膜の表面処理 233
    (c) 感光性SAMの有機薄膜トランジスタへの応用
       (物質・材料研究機構、神奈川大学)
236
   (3) 半導体層/電極界面へのCsF薄膜挿入 238
   (4) 新しい表面修飾方法(SAM膜代替ポリイミド絶縁膜) 241
 4.3 有機TFTのフレキシブルディスプレイへの展開 244
  4.3.1 有機TFTアレイ実用化の課題 245
  4.3.2 印刷法の現状と課題 246
   (1) 新規高精度パターニング技術−マイクロコンタクトプリンティング(μCP)法 247
  4.3.3 印刷法有機トランジスタの開発動向 249
   (1) トランジスタ材料の印刷方法 249
   (2) インクジェット+スクリーン印刷によるTFTアレイの作製(東京大学) 250
   (3) TFT駆動フレキシブル有機TFTアレイの作製(NHK放送技術研究所) 253
   (4) オフセット印刷による高解像度フレキシブル有機TFTの作製(凸版印刷) 254
   (5) レーザプリント法による導電性高分子のパターンニング(山梨大学) 257
   (6) μCP法を用いた高精細オール印刷法フレキシブル有機トランジスタの
       作製(産総研)
259
   (7) 有機TFTと有機EL素子の集積化技術(ソニー) 260
 4.4 低分子有機半導体材料の開発動向 261
  4.4.1 ポリアセン系低分子材料の課題 261
  4.4.2 新規低分子有機半導体材料の分子構造と特性 262
   (1) テトラチアフルバレン(TTF)誘導体(東京工業大学) 262
   (2) ヘテロ環共オリゴマー型有機半導体(東京工業大学) 265
   (3) ドナーアクセプター型分極構造を利用した新しいバイポーラ有機半導体
      (東京工業大学)
270
   (4) 高移動度ジナフトチエノチオフェン(DNTT)(広島大学) 271
  4.4.3 塗布型低分子有機半導体材料の分子構造と特性 274
   (1) テトラベンゾポルフィリン(三菱化学) 274
   (2) 長鎖アルキル基を導入した可溶性フラーレン誘導体(産総研) 276
   (3) 分岐アルキル基を導入した可溶性オリゴチオフェン誘導体(産総研) 277
   (4) p型含チオフェン縮合多環芳香族化合物(広島大学) 277
   (5) n型チエノキノイド系化合物(広島大学) 278
 4.5 新規有機半導体材料の開発 279
  4.5.1 液晶性半導体の動向 279
   (1) 液晶半導体材料の特徴 280
    (a) 電子伝導性 281
    (b) 液晶物質の構造欠陥と電気伝導性 281
    (c) 高分子液晶性半導体 282
   (2) 液晶性半導体の課題 284
   (3) 液晶/電極界面の電気特性(東京工業大学) 285
   (4) 新規液晶半導体材料および有機TFTの開発 287
    (a) 高い電子輸送能を持つ両親媒性縮環ポルフィリン銅錯体
       (理化学研究所、東京大学、高輝度光科学研究センター)
287
    (b) 液晶性半導体材料(8−TNAT−8)を用いたTFT(産総研) 289
    (c) 液晶性チオフェンオリゴマーを用いたTFT(大日本印刷) 291
    (d) 溶液プロセスの可能なターフェニルチオフェン系薄膜トランジスタ
       (東京大学大学院)
293
  4.5.2 カーボンナノチューブ(CNT)を用いた高性能トランジスタ 296
   (1) 有機半導体/カーボンナノチューブ複合塗布型高性能有機半導体材料
       (東レ)
296
   (2) 高純度SWNTを用いた高性能トランジスタ(産総研) 297
  4.5.3 有機単結晶トランジスタ 299
   (1) 有機単結晶トランジスタへの期待 299
    (a) 有機単結晶の利用と高速キャリア伝導 299
    (b) アセン類単結晶の電気伝導機構 300
    (c) 有機単結晶の合成法 300
   (2) 液晶溶媒を用いたペンタセン単結晶成長(NHK放送技術研究所) 300
   (3) 固液界面アトムプロセス法ペンタセン単結晶
      (東北大学原子分子材料科学高等研究機構)
302
   (4) 薄膜状高移動度ルブレン単結晶トランジスタ(大阪大学、セイコーエプソン) 304
 4.6 有機トランジスタ構造による高性能化 308
  4.6.1 縦型有機トランジスタ 308
  4.6.2 短チャネル有機薄膜トランジスタ(東京工業大学、理化学研究所、JST) 311
   (1) シャドウマスクと斜め蒸着法を用いた短チャネル薄膜トランジスタ素子の
       作製
312
   (2) サブミクロンチャネルトランジスタの低電圧化技術 312
  4.6.3 両極性(Ambipolar)トランジスタと発光 314
   (1) 両極性の発現と発光機能 314
   (2) 発光性有機トランジスタ(LE-OFET)の開発 315
    (a) テトラセン単結晶を用いた両極性発光トランジスタ(東北大学) 316
    (b) 両極性トランジスタの接触抵抗 317
    (c) 高効率の単極性発光型FET(九州大学) 317
 4.7 新しい有機トランジスタ開発 320
  4.7.1 ナノ構造トランジスタ 320
   (1) 分子ワイヤを使った多値レベルトランジスタ
       (物質・材料研究機構、静岡大学)
320
   (2) イオン液体を用いた低電圧動作有機単結晶FET
       (電力中央研究所、大阪大学)
323
  4.7.2 有機伝導体の金属状態不安定性を利用した分子性半導体 325
   (1) 化学反応による有機単結晶デバイス(理化学研究所) 326
   (2) 有機モット絶縁体FETの開発(理化学研究所) 328

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