基板へ色素分子を自在に塗布する新技術

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の稲木信介准教授（エネルギーコース 主担当）、Yaqian Zhou（ヤチェンチョウ）大学院生（博士後期課程3年）らは、色素などの有機化合物を、水中において基板上へ自在に塗布する技術を開発した。

薄く、軽く、柔軟性に富んだ電子デバイスに基づく有機エレクトロニクスでは、プラスチックやガラス（またはそれらに導電性を付与したもの）などの基板に、有機化合物の薄膜をつくることで素子を作製する。現状では薄膜の作製には、大がかりな装置を必要とする真空蒸着法や、有機溶媒を使用するスピンコート法などを用いることが主流になっている。また、任意の位置・形状に膜を作製するにはそれ以外の場所をマスク^[用語1]などで保護する必要があった。

本研究では、ワイヤレスで任意の位置に電位を加えられるバイポーラ電極^[用語2]の仕組みを利用し、水中で電気刺激を与えることで、有機化合物を内包させたミセル^[用語3]を崩壊させ、ミセルに内包されていた有機化合物を、電極基板表面の任意の位置・形状に塗布することに成功した。

本研究の手法は、マスクを施すことなく基板に自在に製膜できるため簡便で、水を媒体として用いるため環境に配慮した手法として有益でもあり、有機トランジスタなどの有機エレクトロニクスデバイスにおけるパターニング^[用語4]技術として期待される。

研究成果は5月17日に、ドイツ化学会誌「Angewandte Chemie」国際版にEarly Viewとしてオンライン掲載された。

プラスチックやガラス（またはそれらに導電性を付与したもの）などの基板上に有機化合物の薄膜をつくることにより回路や素子を作製する有機エレクトロニクスは、薄さ、軽さ、柔軟性を兼ね備えた電子デバイスを使用することから、情報化社会をさらに進展させる手段として期待を集めている。

成膜の素材となる有機化合物は疎水性のものが多く、現状では有機溶媒を用いる塗布プロセス（スピンコート法やインクジェット法）や、大がかりな装置を必要とする真空蒸着法によって基板に製膜する方法が一般的である。また、スピンコート法や真空蒸着法では、任意の位置・形状に製膜するためには膜が不要な部分をマスクなどで覆う必要もあり、より簡便で、なおかつ環境負荷を抑えた製膜技術の開発が求められていた。

稲木准教授らは、製膜のために有機化合物を基板に塗布する手段として、バイポーラ電気化学^[用語5]に、ミセル電解法^[用語6]を組み合わせることを着想。これにより、マスクを必要とせず、有機溶剤も使わずに、水を媒体とした有機化合物による製膜プロセスの考案を目指した。

親水基と疎水基を持つ界面活性剤などの分子が、溶液中でコロイド状の集合体となったミセルは、水中で洗剤やせっけんが汚れを包み込んで落とすのと同様の原理によって、水中で色素などの疎水性有機化合物を内包することができる。

電気化学活性を持ったミセルは、バイポーラ電極表面において電気化学反応を起こして容易に崩壊し、内包した分子を放出する。稲木准教授らは、このミセル電解法を用い、あらかじめミセルに内包させておいたビニルカルバゾールモノマー^[用語7]、フタロシアニン色素^[用語8]、凝集誘起発光性分子^[用語9]などの機能性有機化合物を、有機エレクトロニクスの基板などに使われるITO透明導電ガラス（ITOガラス）の表面に任意の形状で塗布することに成功した。

水溶液中にITOガラスを設置したバイポーラ電気化学セルを用意して、外部電極から水溶液中に電場を発生させることにより、ITOガラスが、回路に非接触でありながらバイポーラ電極として機能するようになる（図1）。このときITOガラス上に、電位分布を傾斜的または局所的に自在に発生させることができる。このバイポーラ電極を用いてミセル電解法を行った結果、陽極部位（＋のエリア）において、選択的にミセルの崩壊と内包分子の放出・析出が起こった。ガラスに塗布された傾斜膜の厚み（数マイクロメートル程度）は、発生させる電場の大きさにより制御することができ、電位分布を反映して徐々に厚みが変化していることもわかった。また、局所塗布膜に関しては、電場の分布を変えることにより製膜面積を制御することもできた。

1. 図1. バイポーラ電極上でのミセル電解法により作製した傾斜塗布膜および局所塗布膜

本研究により、バイポーラ電気化学にミセル電解法を組み合わせた新たな手法が、簡便に、かつ環境負荷を抑えながら、導電ガラス基板上に有機化合物の製膜を行う手段となることが実証された。本研究で使用されたビニルカルバゾールモノマー、フタロシアニン色素、凝集誘起発光性分子は、有機ELや有機トランジスタなどのデバイスにおいて重要な役割を果たす機能性有機化合物である。この新しい製膜プロセスは、ほかにも多種多様な有機化合物、フラーレンなどの炭素材料、高分子化合物などにも適用可能であると考えられ、また、フレキシブル導電基板などにも塗布できることから、有機エレクトロニクスにおけるパターニング技術としての発展が期待される。