(57)【要約】  双安定性に基づくエレクトロルミネセントデバイス、及びその使用方法。そのデバイスは電圧の印加により低抵抗状態と高抵抗状態との間を交互する。双安定電気デバイスは、双安定挙動を示す有機材料を二つの電極が挟むようになっている。その双安定素子につながれた有機発光ダイオードは、導電時に光を放射する。段階付けられた光出力を作り出すためには、ターンオフ電圧とターンオン電圧の中間であり一定なバイアス電圧と、パルス時間幅において変動するか、追加電圧において変動するか、又はその両方において変動する電気パルスを、その双安定素子に印加するための回路が提供される。そのパルスが印加されるにつき追加電圧がバイアス電圧に重畳される。双安定素子を通る電流、そして、したがって、そのパルスを終えた後のダイオードにより放射される光の明るさが、パルス時間幅や追加電圧を変化させることでコントロールされる。【選択図】なし
2007529906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）低抵抗状態と高抵抗状態の間を転換可能とされている双安定電気デバイスであって、
第一電極と、
第二電極と、
前記両電極の間に有機材料とを備え、前記第一及び第二電極へのターンオフ電圧の印加によって高抵抗状態への転換が可能とされ、前記第一及び第二電極へのターンオン電圧の印加によって低抵抗状態への転換が可能とされている該双安定電気デバイスと、
（ｂ）前記第一及び第二電極に、
前記双安定電気デバイスの前記ターンオフ電圧と前記ターンオン電圧の中間であり、実質的に一定なバイアス電圧と、
パルス時間幅において変動するか、追加電圧において変動するか、又はその両方において変動する電気パルスであって、前記追加電圧が前記バイアス電圧に重畳されるにつれ、そのパルスが前記双安定電気デバイスに印加されるようにされている該電気パルスとを印加する回路とからなる組合せ構造体であって、
前記バイアス電圧に応じて前記双安定電気デバイスを流れる電流を、前記パルス幅又は前記追加電圧を変動させることにより制御するようにしたことを特徴とする組合せ構造体。
【請求項２】
前記回路が、パルス時間幅において変動し、追加電圧において一定である電気パルスを前記双安定電気デバイスに印加するものとされ、前記パルス幅を変化させることにより、パルス後に前記双安定電気デバイスを流れる電流を制御するようにした請求項１に記載の組合せ構造体。
【請求項３】
前記一定である追加電圧が、およそ２Ｖである請求項２に記載の組合せ構造体。
【請求項４】
前記パルス幅が、およそ２０μｓとおよそ５０μｓの間で変動する請求項２に記載の組合せ構造体。
【請求項５】
前記回路が、パルス時間幅において一定であり、追加電圧において変動する電気パルスを前記双安定電気デバイスに印加するものとされ、前記変動する追加電圧を変化させることにより、パルス後に前記双安定電気デバイスを流れる電流を制御するようにした請求項１に記載の組合せ構造体。
【請求項６】
前記追加電圧が、およそ１Ｖとおよそ４Ｖの間で変動する請求項５に記載の組合せ構造体。
【請求項７】
前記一定であるパルス時間幅が、およそ３０μｓである請求項５に記載の組合せ構造体。
【請求項８】
前記バイアス電圧と前記追加電圧の合計が、前記ターンオン値以上である請求項１に記載の組合せ構造体。
【請求項９】
前記有機材料が、下記構造式で表されるカルボニトリル化合物を含み、前記バイアス電圧が、およそ２．４Ｖである請求項１記載の組合せ構造体。
【化１】
2007529906.tif 000007
【請求項１０】
前記有機材料が、下記構造式で表されるアルミニウムキノリン化合物を含み、前記バイアス電圧が、およそ１．８Ｖである請求項１記載の組合せ構造体。
【化２】
2007529906.tif 000008
【請求項１１】
前記有機材料が、キノメタン化合物である請求項１記載の組合せ構造体。
【請求項１２】
前記有機材料が、下記構造式で表されるキノメタン化合物を含む請求項１記載の組合せ構造体。
【化３】
2007529906.tif 000009
【請求項１３】
前記バイアス電圧が、およそ４．８Ｖである請求項１２に記載の組合せ構造体。
【請求項１４】
前記第二電極が金で形成されている請求項１２に記載の組合せ構造体。
【請求項１５】
前記双安定材料が低導電性材料のみを含み、前記第二電極が金で形成されている請求項１に記載の組合せ構造体。
【請求項１６】
前記低導電性材料が、双極子モーメント６Ｄｅｂｙｅ以上のキノメタン化合物を含む請求項１５に記載の組合せ構造体。
【請求項１７】
前記有機材料が、低導電性有機材料と、該低導電性材料に混合され、前記双安定電気デバイスが前記第一及び第二電極へのターンオフ電圧の印加によって高抵抗状態への転換が可能とされ、前記第一及び第二電極へのターンオン電圧の印加によって低抵抗状態への転換が可能とされるのに十分な量の高導電性材料とを含む請求項１に記載の組合せ構造体。
【請求項１８】
前記高導電性材料が、分散層中に金属微粒子を含み、前記分散層は前記低導電性有機材料の２つの層の間に挟まれている請求項１７に記載の組合せ構造体。
【請求項１９】
有機発光ダイオードを備え、エレクトロルミネセントデバイスを構成するようにした請求項１に記載の組合せ構造体であって、前記発光ダイオードにより放射される光の明るさが、パルス後に前記双安定電気デバイスを流れる電流に応じて段階付けるようにされている組合せ構造体。
【請求項２０】
低抵抗状態と高抵抗状態の間を転換可能とされている双安定電気デバイスの駆動方法であって、前記デバイスが、
第一電極と、
第二電極と、
前記両電極の間に有機材料とを更に備え、前記双安定電気デバイスが前記第一及び第二電極へのターンオフ電圧の印加によって高抵抗状態への転換が可能とされ、前記第一及び第二電極へのターンオン電圧の印加によって低抵抗状態への転換が可能とされており、
該方法は、
前記第一及び第二電極に、
前記双安定電気デバイスの前記ターンオフ電圧と前記ターンオン電圧の中間であり、実質的に一定なバイアス電圧と、
パルス時間幅において変動するか、追加電圧において変動するか、又はその両方において変動する電気パルスであって、前記追加電圧が前記バイアス電圧に重畳されるにつれ、そのパルスが前記双安定電気デバイスに印加されるようにされている該電気パルスとを印加する工程を含み、
前記バイアス電圧に応じて前記双安定電気デバイスを流れる電流を、前記パルス幅又は前記追加電圧を変動させることにより制御するようにしたことを特徴とする双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２１】
パルス時間幅において変動し、追加電圧において一定である電気パルスを前記双安定電気デバイスに印加する工程を含む請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法であって、前記パルス幅を変化させることにより、パルス後に前記双安定電気デバイスを流れる電流を制御するようにした双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２２】
前記一定である追加電圧が、およそ２Ｖである請求項２１に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２３】
前記パルス幅が、およそ２０μｓとおよそ５０μｓの間で変動する請求項２１に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２４】
パルス時間幅において一定であり、追加電圧において変動する電気パルスを前記双安定電気デバイスに印加する工程を含む請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法であって、前記変動する追加電圧を変化させることにより、パルス後に前記双安定電気デバイスを流れる電流を制御するようにした双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２５】
前記追加電圧が、およそ１Ｖとおよそ４Ｖの間で変動する請求項２４に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２６】
前記一定であるパルス時間幅が、およそ３０μｓである請求項２４に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２７】
前記バイアス電圧が、前記ターンオン電圧のおよそ８０％である請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２８】
前記バイアス電圧と前記追加電圧の合計が、前記ターンオン値以上である請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項２９】
有機発光ダイオードを提供する工程を含み、前記双安定電気デバイスと前記有機発光ダイオードとの組合せ構造体がエレクトロルミネセントデバイスを構成するようにした請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法であって、前記発光ダイオードにより放射される光の明るさが、パルス後に前記双安定電気デバイスを流れる電流に応じて段階付けるようにされている双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項３０】
前記有機材料が、低導電性有機材料と、該低導電性材料に混合され、前記双安定電気デバイスが前記第一及び第二電極へのターンオフ電圧の印加によって高抵抗状態への転換が可能とされ、前記第一及び第二電極へのターンオン電圧の印加によって低抵抗状態への転換が可能とされるのに十分な量の高導電性材料とを含む請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項３１】
前記高導電性材料が、分散層中に金属微粒子を含み、前記分散層は前記低導電性有機材料の２つの層の間に挟まれている請求項２０に記載の組合せ構造体。
【請求項３２】
前記有機材料が、キノメタン化合物である請求項２０記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項３３】
前記有機材料が、下記構造式で表されるキノメタン化合物を含む請求項２０記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【化４】
2007529906.tif 000010
【請求項３４】
前記バイアス電圧が、およそ４．８Ｖである請求項３３に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項３５】
前記第二電極が金で形成されている請求項３３に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【請求項３６】
前記バイアス電圧Ｖｂが、（０．５×Ｖｔｈ１＋０．５×Ｖｔｈ２）から（０．１×Ｖｔｈ１＋０．９×Ｖｔｈ２）の範囲であり、Ｖｔｈ１が前記ターンオフ電圧でありＶｔｈ２が前記ターンオン電圧である請求項１８に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米空軍科学研究局のグラント番号Ｆ４９６２０−０１−１−０４２７の下、米国政府の助成により成された。米国政府は本発明につき所定の権利を有する。
【０００２】
(発明の分野)  
本発明は、有機双安定材料を２つの電極間に配置したスイッチング素子のための駆動方法に関し、より詳細には、有機ＥＬディスプレーパネルの駆動用スイッチング素子や高密度メモリ等に関する。
【背景技術】
【０００３】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００４年３月１５日付で出願された、米国仮特許出願第６０／５５３，５７４号に基づく権益を主張し、その開示全体はここに参照により援用される。
【０００４】
（背景技術）  
近年、有機電子材料の特性は目覚しい進展をみせている。特に、材料に電圧を印加していくと、ある電圧以上で急激に回路の電流が増加してスイッチング現象を示すいわゆる有機双安定材料については、有機ＥＬ（エレクトロルミネセント）ディスプレーパネルの駆動用スイッチング素子や、高密度メモリなどへの応用が検討されている。
【０００５】
Yang らは、２００２年１月２１日付けの Applied Physics Letters 誌の「有機双安定発光素子」（Appl. Phys. Lett. 80, (2002) 362）と題する論文に、外側の二つの電極と、金属の薄膜を含む有機電子材料の芯とを有する双安定電気デバイスを記述している。このデバイスは、導電、又は非導電の二つの状態を有し、その両者の状態は、長期間、及び書き込み（陽）もしくは消去（陰）電圧を超えない広い範囲にわたる印加電圧において安定である。その二つの状態は、導電率において、ファクター１０７の差がある。
【０００６】
前記 Yang らの論文は、ここに参照によりそっくり援用される。
【０００７】
前記の論文の図２には、双安定電気デバイスの挙動が示されている。約３ボルトの印加電圧までは非導電のままであり、そのポイントで急激に導電率が上昇し、１０−８アンペアから１０−３アンペア以上へと電流が上昇する。それから、印加電圧を下げると、ある電圧以下になるまで１０−３アンペア以上のままであり、電圧がゼロに近づくまで１０−４アンペア以上の電流を保つ。更に、電圧が全て除かれた後でも、導電の状態はそのままであり、このようなデバイスで構築されるメモリは不揮発性である。
【０００８】
また、Yang らは、電気的、及び光学的読み出しを具備する記憶装置を作成するための、ポリマーＬＥＤ（ＰＬＥＤ）と組み合わされた双安定電気デバイスを記述している。Yang 論文の図４は、このＯＢＬＥＤ（有機双安定発光素子）の挙動を示している。このＯＢＬＥＤでは、２ボルトと６ボルトとの間で双安定性が生じている。６ボルトに達するまで光は放射されないが、６ボルト以下に降下しても発光がつづく。このため、６ボルトか、又はそれ以上に曝された場合には、４ボルトを印加するとそのデバイスは光を放射するが、６ボルトか、又はそれ以上に曝されていない場合には、４ボルトを印加してもそのデバイスは同様の光を放射しない。光の出力差は１００倍のオーダーである。Yang らは、この光の出力差をメモリに用いることができ、連続的に読む従来の（第３６４頁、第１４−２８行）メモリとは異なり、その記憶セルを並列に読み出せる、と述べている。
【０００９】
Yang らは、ＯＢＬＥＤが、完全発光状態（６ボルト以上の電圧で導電状態に駆動された後の４ボルトにおいて）か、又は完全非発光状態（６ボルト以上の電圧で導電状態に駆動される前の４ボルトにおいて）とされることを以外、ＯＢＬＥＤをディスプレーとして用いることは開示していない。
【００１０】
Yang らによる国際公開第ＷＯ０２／３７５００号（その技術的特徴及び内容の全体は、ここに参照により援用される）には、双安定電気デバイスを記憶セルに使用することが記載されている。この文献は、カルコゲナイド系アモルファス半導体、アモルファスシリコン、有機材料、ＺｎＳｅ／Ｇｅヘテロストラクチャー等の有機もしくは無機薄膜半導体材料における閾値スイッチングやメモリ現象を明らかにしたことを言及している。そして、これらを記憶装置に用いることが記載されている。
【００１１】
また、この文献は、多くの有機機能性材料について、発光ダイオード又はトリオードとしての使用の可能性が注目されていることを言及している（J.H. Burroughes, D.D.C. Bradley, A.R. Brown, R.N. Marks, K. Mackay, R.H. Friend, P.L. Burn, and A.B. Holmes, Nature, 347,539 (1990), and Y. Yang et al., U.S. Patent No. 5,563,424, October 8, 1996、ここに参照により援用される）。更に、この文献は、エレクトロルミネセント ポリマーが、ディスプレー応用での使用について調べられた有機機能性材料の一つであることを言及している。
【００１２】
このような非線形応答を示す有機双安定材料としては、各種の有機錯体が知られている。例えば、R.S.Potember らは、Ｃｕ−ＴＣＮＱ（銅−テトラシアノキノジメタン）錯体を用い、電圧に対して、２つの安定な抵抗値を持つスイッチング素子を試作している（R.S.Potember et al., Appl. Phys. Lett. 34, (1979) 405）。
【００１３】
熊井らは、Ｋ−ＴＣＮＱ（カリウム−テトラシアノキノジメタン）錯体の単結晶を用い、非線形応答によるスイッチング挙動を観測している（熊井ら 固体物理 35 (2000) 35）。
【００１４】
安達らは、真空蒸着法を用いてＣｕ−ＴＣＮＱ錯体薄膜を形成し、そのスイッチング特性を明らかにして、有機ＥＬマトリックスへの適用可能性の検討を行なっている（安達ら 応用物理学会予稿集  ２００２年春  第３分冊  １２３６）。
【００１５】
次の論文は、引用されている引用文献とともに、ここに参照によりそっくり援用されるものとする。 Yang et al., Organic bistable electrical devices and their applications, Polymer Preprints 2002, 43(2), 512; Yang et al., Nonvolatile bistability of organic/metal-nanocluster/organic system, Appl. Phys. Lett. Vol. 82 no. 9, P. 1419 (March 3, 2003); Yang et al., Organic electrical bistable electrical devices and rewritable memory cells, Appl. Phys. Lett. Vol. 80 no. 16, p. 2997 (April 22, 2002).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
（本発明の要旨）
上述のとおり、Yang らは、双安定特性が得られることを明らかにした。
【００１７】
この特性は、アミノイミダゾールジカーボニトリル（ＡＩＤＣＮ）、アルミニウムキノリンやポリスチレン、ポリメチルメタクレート（ＰＭＭＡ）等の低導電性材料中に、金、銀、アルミニウム、銅、ニッケル、マグネシウム、インジウム、カルシウム、リチウム等の高導電性材料を薄膜形成、もしくは分散微粒子として存在させることにより得られる。
【００１８】
本発明は、そのような素子、又は他の双安定素子のための駆動方法に関し、また、有機双安定材料を２つの電極間に配置したスイッチング素子であって、有機ＥＬディスプレーパネルの駆動用スイッチング素子や高密度メモリ等として使用するスイッチング素子に関する。
【００１９】
図６は、スイッチング特性を示す有機双安定材料の電圧−電流特性の一例を示す。高抵抗状態５１（ＯＦＦ状態）と、低抵抗状態５２（ＯＮ状態）との２つの状態がある。図６に表された非線形応答特性は次のとおりである。あらかじめバイアス電圧Ｖｂのバイアスをかけた状態で、第一の閾値電圧Ｖｔｈ２以上にすると、ＯＦＦ状態からＯＮ状態へ遷移する。その遷移の後、第二の閾値電圧Ｖｔｈ１以下にすると、再び遷移するが、今度は、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へと遷移し、抵抗値が変化する。
【００２０】
つまり、有機双安定材料に、Ｖｔｈ２以上（スイッチ オン）又はＶｔｈ１以下（スイッチ オフ）の電圧を印加することにより、「スイッチング」動作を行なうことができる。ここで、Ｖｔｈ２以上、又はＶｔｈ１以下の電圧は、電圧パルスとして印加することもできる。
【００２１】
本発明においては、スイッチング素子を有機発光ダイオードに直列につなぐことを企図する。電圧をバイアス電圧Ｖｂで保持することで、有機発光ダイオードはＯＮ又はＯＦＦ状態に保持され得る。そして、Ｖｔｈ２以上又はＶｔｈ１以下の電圧を印加することで、スイッチング動作がなされ得る。
【００２２】
このような構成をパッシブ マトリックス ディスプレーの各ピクセルに適用すれば、デューティ時間内に光の放射がオンであるかオフであるかが各ピクセル毎に設定され、その状態がそのフレーム時間中、保たれる。結果として、デューティ時間内に高光度の光を放射する必要がなくなり、これは従来のパッシブ マトリックスの欠点であるが、発光効率やパネルの寿命が改善し得る。
【００２３】
上記のスイッチングには、次のような欠点がある。ＯＮとＯＦＦの二つの状態しかないため、二つの発光状態しか可能とされない。それゆえ、単一のピクセルで、多くのディスプレーに要求される光のレベルの階調を作り出すことができない。その上、動作時間とともに発光体の電気抵抗が上昇するため、印加電圧に対する電流が一定とならない。発光寿命を延ばすには、電圧ではなく、駆動電流を一定にするのが望ましいが、上記の駆動方法ではこれを成し遂げることはできない。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の目的の一つは、定常電流でピクセルを駆動させることにあり、もう一つの目的は、各ピクセルの瞬間の光度に階調を作り出すことにある。
【００２５】
本発明においては、スイッチング素子は、素子を流れる電流をコントロールできる手段とともに、二つの電極の間に配される有機双安定材料を具備することが好ましく、これにより、ピクセル発光状態の階調化や定常電流コントロールを可能にする。更に具体的には、本発明は、すくなくとも二つの電極と、その電極の間に配される有機双安定材料とを具備するスイッチング素子のための駆動方法を企図し、双安定電気デバイスへの定常的なバイアス電圧Ｖｂに、次の方法の少なくとも一つにより電圧パルスが付与されるスイッチングで、段階付けられた電気抵抗を得る。
【００２６】
第一の方法においては、一定幅のパルス（例えば、持続時間３０μｓに固定）をバイアス電圧に追加的に印加する。これにより、パルス終了後、バイアス電圧が印加されている間中、双安定材料の導電率はそのパルスの電圧レベルに応じたものとなる。したがって、パルスの電圧レベルを変化させると、パルス終了後であって、まだバイアス電圧が印加されている間の導電率は変化し、それゆえ電流が変化する。もちろん、これにより、時間枠中、個々のＬＥＤにより放射される光の階調化を導く。
【００２７】
第二の方法においては、固定した電圧（例えば、バイアス電圧の２ボルト上）を有し、変動する幅（例えば、２０と５０μｓの間）のパルスが印加される。これにより、そのパルス幅に相関して、素子の導電率（パルス終了後、バイアス電圧がまだ印加されている）が変化する。
【００２８】
（本発明の詳細な説明） 
図１、図２は、本発明のスイッチング素子の好ましい構成を示している。図１に示すように、このスイッチング素子は、基板１０上に、電極層２１ａ、有機双安定材料層３２、電極層２１ｂが順次形成されている。あるいは、図２に示すように、その構造は、図１の構成において、有機双安定材料層３２内に金属微粒子分散層３３が形成されるようにされている。図２では、有機双安定材料層は「３２」及び「３４」の符号で示す二つの部分に分けられている。
【００２９】
基板１０としては特に限定されないが、従来公知のガラス基板等が好ましく用いられる。
【００３０】
電極層２１ａ、電極層２１ｂとしては、アルミニウム、金、銀、ニッケル、鉄、銅等の金属材料や、ＩＴＯ、カーボン等の無機材料、共役系有機材料、液晶等の有機材料、シリコン等の半導体材料などが適宜選択可能であり、特に限定されない。
【００３１】
本発明において、有機双安定材料層３２に用いる有機双安定材料については、多くの例を挙げることができ、例えば、アミノイミダゾール系化合物、ジシアノ系化合物、ピリドン系化合物、スチリル系化合物、スチルベン系化合物、ブタジエン系化合物等が挙げられる。
【００３２】
また、これらの有機双安定材料は、一つの分子内に電子供与性の官能基と、電子受容性の官能基とを有することが好ましい。電子供与性の官能基としては、−ＳＣＨ3、−ＯＣＨ3、−ＮＨ2、−ＮＨＣＨ3、−Ｎ（ＣＨ3）2等が挙げられ、電子受容性の官能基としては、−ＣＮ、ＮＯ2、−ＣＨＯ、−ＣＯＣＨ3、−ＣＯＯＣ2Ｈ5、−ＣＯＯＨ、−Ｂｒ、−Ｃｌ、−Ｉ、−ＯＨ、−Ｆ、−Ｏ等が挙げられる。
【００３３】
金属微粒子分散層３３は、有機双安定材料層３２に用いる有機双安定材料と同じ有機材料に金属微粒子を分散することによって形成されているか、又は異なる有機材料に金属微粒子を分散することによって形成されている。金属微粒子としては、アルミニウム、金、銀、ニッケル、鉄、銅などが適宜選択可能であり、特に限定されない。
【００３４】
電極層２１ａ、有機双安定材料層３２、電極層２１ｂは、好ましくは順次薄膜として基板１０上に形成されている。これらの薄膜の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法等の真空製法を用いることができる。あるいは、スピンコート法、ディッピング法、バーコーティング法、インクジェット法、単分子膜累積法（ＬＢ法）、スクリーン印刷法等の有機薄膜形成法を用いることができる。
【００３５】
金属微粒子分散層３３の形成方法としては、有機材料と金属材料の多重真空蒸着によりおこなうことができる。あるいは、金属微粒子を分散させたコーティング液を用いて、スピンコート法、バーコーティング法、インクジェット法、単分子膜累積法（ＬＢ法）、スクリーン印刷法等の有機薄膜形成法を用いることができる。
【００３６】
蒸着で電極層２１ａ、２１ｂ、有機双安定材料層３２、金属微粒子分散層３３を形成する場合、蒸着時の基板温度は、使用する電極材料によって適宜選択され得るが、０〜１５０℃が好ましい。
【００３７】
電極層２１ａ、２１ｂの各層の厚さは５０〜２００ｎｍであることが好ましく、有機双安定材料層３２の厚さは２０〜１５０ｎｍであることが好ましく、金属微粒子分散層３３の厚さは５〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００３８】
上記の本発明の駆動方法によってＯＮ状態での抵抗値をコントロールできる理由は明らかではないが、仮説的な説明は以下に示すとおりである。
【００３９】
高抵抗状態から低抵抗状態への遷移のメカニズムは、広く言えば、次のとおりであろう。図３に示すように、高抵抗状態においては、電荷はトンネル電流などによって電極層２１ａから有機双安定材料層３２へと注入される。注入された電荷は、金属微粒子分散層３３の金属微粒子４０に、又は有機双安定材料層３２の電極層２１ｂとの界面に捉えられ、蓄積する。この電荷の蓄積の結果として、有機双安定材料層３２の電場は上昇し、いったん一定の電場に達すると、電荷は、電極層又は金属微粒子から急激に有機双安定材料層３２へと注入される（素子がＯＮ状態に遷移する）。
【００４０】
ＯＮ状態の電流値は、電場の増加量と電荷の注入量に依存し、これらは、金属微粒子に、又は有機／金属界面に蓄積した電荷の量によって決定付けられる。スイッチング素子での高抵抗状態から低抵抗状態へのきりかえは、閾値以上の電圧パルスを印加することによってなされる。上記の蓄積電荷はトンネル電流に依存し、そのトンネル電流はスイッチング電圧パルスに依存するので、ＯＮ状態の電流値は、蓄積電荷の量を介在にして、スイッチング電圧値、又はそのパルス幅によってコントロールされ得る。
【００４１】
本発明は、蓄積電荷の量をコントロールすることを企図し、これによって、バイアス電圧が印加される際のスイッチング素子の電流をコントロールする。
【実施例】
【００４２】
以下、いくつかの実施例を記載する。
【００４３】
実施例１
以下の手順で、図２に示すような構成のスイッチング素子を作成した。
【００４４】
基板１０としてガラス基板を用い、真空蒸着法により、電極層２１ａとしてアルミニウム、有機双安定材料層３２、金属微粒子分散層３３、有機双安定材料層３４、及び電極層２１ｂとしてアルミニウムをこの順番で薄膜を形成し、実施例１のスイッチング素子を形成した。有機双安定材料層３２、３４には、下記の構造式（Ｉ）のカルボニトリル化合物を用い、金属微粒子分散層３３は、アルミニウム微粒子を下記構造式（Ｉ）のカルボニトリル化合物に分散させることにより形成した。
【００４５】
【化１】
2007529906.tif 000003
【００４６】
電極層２１ａと電極層２１ｂは、互いに直交するように各々０．５ｍｍの幅で形成され、更に、有機双安定材料層３２、金属微粒子分散層３３、有機双安定材料層３４が、基板全体にわたり形成されている。
【００４７】
電気的測定は、電極層２１ａと電極層２１ｂとが互いに直交する、０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域部分で行った。なお、電極層２１ａ、有機双安定材料層３２、金属微粒子分散層３３、有機双安定材料層３４、電極層２１ｂは、それぞれ、１００ｎｍ、４０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、１００ｎｍの厚さとなるように蒸着した。蒸着は拡散ポンプ排気で、３×１０−６ｔｏｒｒの真空度で行なった。カルボニトリル化合物の蒸着は、抵抗加熱方式により成膜速度０．２Å／ｓｅｃで行い、アルミニウムの蒸着は、抵抗加熱方式により成膜速度１．５Å／ｓｅｃで行った。
【００４８】
実施例２
層３２、３３、３４の有機双安定材料として、下記の構造式（ＩＩ）のアルミニウムキノリン化合物を用いた以外は、実施例１と同一の条件で実施例２のスイッチング素子を得た。
【００４９】
【化２】
2007529906.tif 000004
【００５０】
実施例３
次に示す以外は、実施例１と同一の条件で実施例３のスイッチング素子を得た。すなわち、下記の構造式（ＩＩＩ）のキノメタン化合物を用いて厚さ８０ｎｍの有機双安定材料層３２を形成し、金属微粒子分散層３３及び有機双安定材料層３４を形成せず、電極層２１ｂとして金を用いた。この実施例は、図１により説明される。
【００５１】
【化３】
2007529906.tif 000005
【００５２】
実施例１及び実施例２の化学物質はアルドリッチ ケミカル社から購入し、実施例３の物質は当業者が合成し得る。
【００５３】
試験例
上記の実施例１〜３のスイッチング素子について、電流−電圧特性を、以下の手順で室温にて測定した。まず、ゼロから０．１Ｖ／秒の速さで、ＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移が観察される電圧Ｖｔｈ２に向けて電圧を上昇させ、静的Ｖｔｈ２を測定した。その結果を表１に示す。次に、各スイッチング素子に、対応するＶｔｈ２の８０％の電圧をバイアス電圧Ｖｂとして印加し、これに電圧パルスを重畳し（加え）、高抵抗状態から低抵抗状態への遷移を生じさせた。電圧パルスの取り込み電圧と電圧パルスのパルス時間幅をパラメータにとって、低抵抗状態での電圧Ｖｂ下での電流値を測定した。
【００５４】
図４及び５には、その結果を示す。図４では、パルス幅を３０μｓに固定し、電圧パルスを変化させた。図５では、取り込み（追加）電圧パルスを２Ｖに固定し、パルス幅を変化させた。実施例１〜３のすべてで、ＯＮ状態での電流値は、スイッチングパルスの電圧値又はパルス幅によって、したがってコントロール可能に、上昇することが明らかである。
【００５５】
【表１】
2007529906.tif 000006
【００５６】
「スイッチング」の観点からは、使用可能なＶｂの値の範囲はＶｔｈ１とＶｔｈ２との間であるが、実際の使用においては、高電流を得るのに、Ｖｂの高い値が好ましい。しかしながら、Ｖｂの値がＶｔｈ２に近すぎると、Ｖｔｈ２の分散によってその挙動は不安定となってしまう。したがって、この観点から、Ｖｂの好ましい範囲は、（０．５×Ｖｔｈ１＋０．５×Ｖｔｈ２）から（０．１×Ｖｔｈ１＋０．９×Ｖｔｈ２）の範囲である。
【００５７】
図７は、図１のそれと似ているが、追加の電極４１で有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）４０に（直列に）つながれた双安定電気デバイスを示す。図８は、この構造がガラス基板１４に据付けられたところを示す。図９は、図６と似ているが、ＯＬＥＤを横切る電圧が点線で示され、双安定電気デバイスを横切る電圧が実線で示されている。電圧は、二つのデバイスのインピーダンスに比例して、各デバイス間に分配される。この場合、書き込みのための書き込みパルスの高さは、（Ｖｔｈ２-Ｖｂｏｆｆ）以下であることが好ましく、消去のための書き込みパルスの高さは、（Ｖｂｏｎ-Ｖｔｈ１）以下であることが好ましい。
【００５８】
図１０には、素子が図６に示されるＩ−Ｖ特性を有する場合に、ディスプレー マトリックス（ピクセル毎に一つの素子）における双安定電気デバイスが、どのようにスイッチングされるかを説明する。ターンオン（書き込み）パルスは（Ｖｔｈ２-Ｖｂ）以上であるべきであり、ターンオフ（消去）パルスは（Ｖｂ-Ｖｔｈ１）以下であるべきである。デューティー期間３０に、務めのある列筋の電圧は曲線２０に示されるようにコントロールされており、一方、務めのない列筋の電圧は曲線２１に示されている。書き込まれるカラム筋についての電圧は、図１０（ａ）の曲線１０によって示され、消去されるカラム筋についての電圧は、図１０（ｃ）の曲線１１によって示されている。各ピクセルに印加されるバイアス電圧は、カラム筋と列筋との電圧差である。したがって、書き込みパルスの高さは、カラム筋でのＶｏｎと列筋でのＶｄとの組合せにより得られ、消去パルスの高さは、カラム筋でのＶｏｆｆと列筋でのＶｃとの組合せにより得られる。Ｖｏｎ、Ｖｄ、Ｖｏｆｆ、Ｖｃの値を選択することで、両筋の電圧の変化が印加されない他のピクセルにスイッチングを引き起こさないようにされている（図１０（ｂ）及び（ｄ））。
【００５９】
実施例３のキノメタン系材料の場合は、電極の金の形態が双安定特性のために重要な役割を果たすようであり、重要となる。図３において、有機／金属界面での電荷の蓄積が双安定性の起源のようであり、キノメタン系材料の場合には特にそのようである。
【００６０】
更なる試験結果が、Haruo Kawakami ら（Fuji Electric Advanced Technology Corporation Ltd., Hino-city, Japan）による、「The International Symposium on Optical Science and Technology SPIE’s 49th Annual Meeting」（デンバー、コロラド、２００４年８月）での、「Organic Bistable Devices with High Switching Voltage」と題された論文に開示され、実施例３のキノメタン物質の双安定特性を更に記載している。更なる結果は、本出願人により、「The International Symposium on Super-Functionality Organic Devices」（千葉、日本、２００４年１０月）の予稿集に発表された。
【００６１】
後者は、様々なＡ又はＲ基を有する数種類のキノメタン化合物の性質を明らかにしている。そして、双極子モーメント６Ｄｅｂｙｅ以上のキノメタン化合物が双安定特性を有することが明らかにされている。したがって、高い分子双極子モーメントは双安定特性を促進する。これらの両開示は、ここに参照により援用される。
【００６２】
Bozano らによる「Mechanism for bistability in organic memory elements, Appl. Phys. Lett. Vol. 84 no. 4, p. 607 (２００４年1月２６日)」は、引用されている引用文献とともに、ここに参照によりそっくり援用される。
【００６３】
明示的に参照により援用されたすべての、そしていかなる引用文献についても、これらに引用されている引用文献のすべてが、ここに参照により援用される。
【００６４】
（発明の効果） 
以上のように、本発明によれば、二つの電極の間に有機双安定材料が配されてなるスイッチング素子において、素子を流れる電流をコントロールできる手段を提供でき、ピクセル発光状態の階調化や定常電流コントロールを可能にする。このスイッチング素子は、有機発光ダイオードディスプレーパネルを駆動させるためのスイッチング素子として好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態による双安定スイッチング素子の模式図である。
【図２】本発明の他の実施形態による双安定スイッチング素子の模式図である。
【図３】有機双安定材料と金属電極との間の界面に蓄積した電荷を説明する双安定スイッチング素子の模式図である。
【図４】実施例１、２、及び３において、スイッチング素子電流が、電圧パルスの電圧に依存することを示す図表である。
【図５】実施例１、２、及び３において、スイッチング素子電流が、電圧パルスのパルス幅に依存することを示す図表である。
【図６】双安定スイッチング素子の一般的な電圧−電流特性を概念的に説明する図表である。
【図７】有機発光ダイオードにつながれた双安定スイッチング素子の模式図である。
【図８】ガラス基板上に形成された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）につながれた双安定スイッチング素子の模式図である。
【図９】ＯＬＥＤにつながれた双安定スイッチング素子の一般的な電圧−電流特性を概念的に説明する図表である。
【図１０】素子のマトリックスに印加されたパルスを説明する第一の図表である。
【図１１】素子のマトリックスに印加されたパルスを説明する第二の図表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007529906.tif 000017
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年11月7日(2006.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２８】
前記バイアス電圧と前記追加電圧の合計が、前記ターンオン電圧以上である請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３１】
前記高導電性材料が、分散層中に金属微粒子を含み、前記分散層は前記低導電性有機材料の２つの層の間に挟まれている請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３６】
前記バイアス電圧Ｖｂが、（０．５×Ｖｔｈ１＋０．５×Ｖｔｈ２）から（０．１×Ｖｔｈ１＋０．９×Ｖｔｈ２）の範囲であり、Ｖｔｈ１が前記ターンオフ電圧でありＶｔｈ２が前記ターンオン電圧である請求項２０に記載の双安定電気デバイスの駆動方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
高抵抗状態から低抵抗状態への遷移のメカニズムは、広く言えば、次のとおりであろう。図３に示すように、高抵抗状態においては、電荷はトンネル電流などによって電極層２１ａから有機双安定材料層３２へと注入される。注入された電荷は、金属微粒子分散層３３の金属微粒子に、又は有機双安定材料層３２の電極層２１ｂとの界面に捉えられ、蓄積する。この電荷の蓄積の結果として、有機双安定材料層３２の電場は上昇し、いったん一定の電場に達すると、電荷は、電極層又は金属微粒子から急激に有機双安定材料層３２へと注入される（素子がＯＮ状態に遷移する）。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
図７は、図１のそれと似ているが、追加の電極４１で有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）４０に（直列に）つながれた双安定電気デバイスを示す。図８は、この構造がガラス基板１４に据付けられたところを示す。図９は、図６と似ているが、ＯＬＥＤを横切る電圧が点線で示され、双安定電気デバイスを横切る電圧が実線で示されている。電圧は、二つのデバイスのインピーダンスに比例して、各デバイス間に分配される。この場合、書き込みのための書き込みパルスの高さは、（Ｖｔｈ２-Ｖｂｏｆｆ）以下であることが好ましく、消去のための消去パルスの高さは、（Ｖｂｏｎ-Ｖｔｈ１）以下であることが好ましい。
【国際調査報告】
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