印刷逻辑电路柔性化

　　日本山形大学的时任教授以开发出使用有机TFT半导体材料的柔性有机EL显示器而闻名。2010年，时任教授从NHK放送技术研究所（NHK技研）转职到山形大学，拓展了研究范围。不久前，时任教授就其开展的研究开发的现状与前景接受了笔者采访。

　　——您在NHK技研开发了使用有机TFT的柔性有机EL显示器。现在还在继续开发吗？ 

　　时任：有机EL显示器的开发还在继续，但现在大幅扩展了范围，正在以有机半导体的印刷电子，也就是能够实现微细加工的印刷技术（微细印刷技术）为基础，开发各种柔性器件。 

　　在微细印刷技术中的目标是开发出不同于传统无机半导体光刻的“新一代制造技术”。光刻需要数千亿日元的巨额初期投资，而且在制造过程中，材料的浪费相当严重，工序也有10余道之多。而整机生产，只要设备齐全，任何人都能做，这也是一个问题。 

　　而采用微细印刷技术，不仅花费在生产设备上的费用低，而且材料的利用效率高。省去了清洗等工序，总共只需要3——4道工序。因为是低温工艺，所以耗费的能源也比较少。不过，有机电子的实用化就需要大家的艰苦努力，要进行材料、生产设备等的一条龙开发。这就意味着涉足门槛高。 

　　我们的研究团队从材料设计到器件的制造、评价乃至用途开拓全部都自己完成。研究组共有近50名工作人员，其中10人来自企业。 

　　——具体开发什么呢？ 

　　时任：柔性电路、RFID（无线标签）、传感器等。还有RFID使用的逻辑电路，想在3年后实用化。传感器除了温度传感器以外还有生物传感器、利用体温发电的能量采集元件等。此外，我们还考虑开发检测梨的成熟时间的成熟传感器和防污灰尘传感器、冲击传感器等。 

　　现在的传感器元件大都又硬又重。而我们的目标是将信号处理电路、存储器、高频电路、显示器等全部集成在薄薄的薄膜和纸张上，而且要超轻超薄。以生物传感器为例，蛋白质传感器、病毒检测传感器、检测唾液中氮氧化物（NOx）含量的心理压力传感器、过敏原传感器、传染病传感器等。癌症传感器的研究也已开始。如果这些传感器能实现，就有望大幅降低医疗费。 

　　——实现柔性有哪些好处？ 

　　时任：一个是质地柔软，掉在地上不容易摔碎。在制造的时候，通过采用卷对卷（R2R）方式量产，还可以降低制造成本。 

　　实现柔性化后，就可以贴在任何场所使用，不是平面也可以。贴在身体上的可穿戴传感器也是以柔性为前提，这靠硬邦邦的电子器件很难实现。 

　　制造成本也非常重要。要想实现美国国家科学基金会（NSF）等提出的“万亿传感器”项目，1个传感器做到100日元也太贵。现在的RFID等也因为价格高，市场已趋于饱和。我们的微细印刷技术能够使制造成本降到过去的1/10。如果传感器和RFID的价格降低到1/10，预计出货量就可能扩大到原来的100倍，意味着市场规模将扩大到10倍。 

　　——使用微细印刷技术的有机电路已经发展到了怎样的程度？ 

　　时任：从喷墨到凹版印刷、柔版印刷、丝网印刷、胶印等，各种各样的印刷技术都被用在了适合的地方。我们计划把这些技术与R2R方式的装置结合到一起用于制造。宽度为90cm的R2R装置将会在2015年3月开发完成。 

　　微细化目前的情况是，通道长度为5μm的有机晶体管已经成功制造出来。我们的目标是实现1μm的通道长度。RFID的工作频率与通道长度的平方成反比，通道长度缩短1/2，性能将翻两番。正在开发的RFID等使用的逻辑电路有（位翻转）触发器、NAND、NOR、环形振荡器等。 

　　这些电路的高速工作所必须的半导体的载流子迁移率也有所提高。从最近的成果来说，我们与宇部兴产合作开发出了载流子迁移率高达3cm2/Vs左右的n型有机半导体材料。这种材料不是常见的富勒烯系，而是我们自主开发的有机材料。在此之前，p型有机半导体材料的开发进展显著，而n型几乎没有比较好的材料。通过这次开发，利用有机半导体材料也能轻松制作CMOS电路。 

　　半导体虽然采用有机材料，但布线还是打算使用银（Ag）、铜（Cu）等墨水。我们自主开发出了特性出色的银墨水、铜墨水。退火温度为100℃，能够确保高导电性。布线图案的线宽和间距均达到20μm。 

　　——最近，使用无机半导体、或是碳纳米管（CNT）和石墨烯等材料制作柔性器件的案例也越来越多。您在众多材料中选择了有机半导体，有没有非使用有机半导体不可的理由？ 

　　时任：无机半导体很难大幅降低制造成本。虽然也出现了使用涂敷工艺的技术，但必须提高退火温度。而我们设想的PET基板则必须把工艺温度降低到120℃以下。 

　　最近听说CNT和石墨烯的性能有所提高，但制作布线图案依然使用的是光刻的方法。我们的目标是全部利用印刷技术，因此这两种材料也不在我们的选择范围内。 

　　——柔性有机EL显示器的开发进行到了怎样的程度？ 

　　时任：我们正在利用前面提到的通道长度为5μm的有机晶体管技术开发像素的驱动电路等。这是因为，如果驱动电路使用无机半导体，那么即使电池板再柔软，也不能自由弯曲。 

　　——再次向您请教，您是怎样向别人解释显示器柔性化的价值的？最近有不少人都对柔性的价值表示怀疑，我们也很犯愁，不知道怎样在报道中向这部分人传达柔性化的价值。 

　　时任：从在NHK技研开发柔性显示器的时候开始，我心中就存在“柔性怀疑论”。甚至在技研内部也有不少质疑的声音。 

　　在NHK技研展上，曾经有位怀疑派把介绍展品的宣传册卷成卷拿着质问我们“柔性有什么意义？”我当时指着那个纸筒回答说：“这就是它的意义。” 

[时间：2014-05-29  来源：日经技术在线]