有機トランジスタとプラスチックアクチュエータを集積化した
フレキシブルな点字ディスプレイ向けの回路技術
川口 博 1、高宮 真 2、関谷 毅 3、加藤 祐作 3、染谷 隆夫 3、桜井 貴康 4
工学部 情報知能工学科 〒657-8501 神戸市灘区六甲台町 1-1
大規模集積システム設計教育研究センター 〒153-8505 東京都目黒区駒場 4-6-1
3 東京大学大学院
工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センター〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
4 東京大学
国際・産学共同研究センター 〒153-8505 東京都目黒区駒場 4-6-1
E-mail: mtaka@iis.u-tokyo.ac.jp
1 神戸大学2 東京大学

あらまし 有機トランジスタとプラスチックアクチュエータを集積化したシステムを提案し、これをシート型の点字ディスプレイに応用した。アクチュエータの遷移時間の遅さを隠すため、世界初の有機トランジスタ SRAM を開発した。5 トランジスタ SRAM セルによるセル面積の 20%削減、SRAM 書き込み動作のパイプライン化による書き込み時間の 74%短縮を実現した。また、バックゲートを用いたしきい電圧制御技術により、SRAM のスタティックノイズマージンの増加と、有機トランジスタの製造後 15 日間の化学劣化の補償に成功した。さらに、ドライバトランジスタのオーバドライブ技術により、アクチュエータの遷移時間を 34 s から 2 s に短縮した。これらの回路技術により、3.1 s という実用的な時間で、点字ディスプレイ上の 144 個の点字ドットすべてを変更することに成功した。今回開発した回路技術は、有機トランジスタを用いた大面積エレクトロニクスを実現する上で、必須の技術になると考えられる。
キーワード 大面積エレクトロニクス、有機トランジスタ、アクチュエータ、点字、SRAM

Circuits Technologies for Flexible Braille Sheet Display with
Organic FETs and Plastic Actuators
Hiroshi KAWAGUCHI1, Makoto TAKAMIYA2, Tsuyoshi SEKITANI3, Yusaku KATO3,
Takao SOMEYA3, and Takayasu SAKURAI4
1

Department of Computer and Systems Engineering, Kobe University,
1-1 Rokkodai, Nada-ku, Kobe 657-8501, Japan
2VLSI Design and Education Center, University of Tokyo, 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, Tokyo 153-8505, Japan
3Quantum-Phase Electronics Center, School of Engineering, University of Tokyo,
7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan
4
Center for Collaborative Research, University of Tokyo, 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, Tokyo 153-8505, Japan
E-mail: mtaka@iis.u-tokyo.ac.jp
Abstract Organic FETs (OFETs) are integrated with actuators, and a Braille sheet display is demonstrated. A newly
developed back-gated OFETs SRAM and the circuits technology for the Braille sheet display to enhance speed, yield andlifetime are presented, which will be essential for future large-area electronics made with OFETs.
Key words Large-area electronics, Organic FET, Actuator, Braille, SRAM

1. はじめに4 cm

10 cm 角から 10 m 角程度の大きな柔らかいシートの上に、インテリジェントな電子デバイスを分散して配置することにより、人間生活を快適にサポートする大面積エレクトロニクスという新しいアプリケーションに我々は注目している。曲げることができ、面積あたりのコストが低い有機トランジスタ(OFET)は大面積エレクトロニクスに適している。しかし、有機トランジスタ単体の性能はシリコン MOSFET と比べると格段に低い。
表 1 に本研究で用いた有機トランジスタと最近の 90nm ルールのシリコン MOSFET の特性比較を示す。
MOSFET と比べると、有機トランジスタは設計ルール
図 1 シート型点字ディスプレイ
が約 500 倍、単位ゲート幅当たりの駆動電流が 4 万分の 1 倍、ゲート遅延が 3000 万倍である。さらに、有機Frame
トランジスタは製造技術が未熟であるため、大気中の酸Actuator
素と水分による化学劣化により、デバイスの寿命も数日
GOFETs程度と短い。そこで、動作速度が遅くて信頼性の低い有D
driver機トランジスタの欠点を補う大面積エレクトロニクス
SOFETs
G向けの回路技術が重要となる。
SRAM
我々はこれまでに大面積エレクトロニクスのアプリ
S
D
ケーションとして、有機トランジスタと圧力センサを集Pentacene Back gate積化した人工皮膚[1]や、有機トランジスタと光センサを集積化したシート型スキャナ[2]の開発を行ってきた。
今回は、新たに有機トランジスタとプラスチックアクチュエータを集積化したシステムを提案し、これをシー図 2 シート型点字ディスプレイのデバイス構造。4 枚のフト型の点字ディスプレイに応用した。点字ディスプレイ
ィルムが積層されている。のプロセス・デバイス技術については[3]で述べた。本
論文では点字ディスプレイの回路技術について報告す
2 章でシート型点字ディスプレイの概要を示し、3 章
る[4]。アクチュエータの遷移時間の遅さを隠すため、で開発した回路技術と試作評価結果を示す。4 章で回路有機トランジスタで作成した SRAM を搭載した。
技術による点字ディスプレイの高速化を整理し、最後にSRAM に関して、5 トランジスタセルによる小面積化、 5 章でまとめる。
書き込み動作のパイプライン化による高速化、しきい電圧のバックゲート制御による高信頼化を達成した。さら2. シート型点字ディスプレイに、ドライバトランジスタのオーバドライブ技術による
図 1 に開発したシート型点字ディスプレイを示す。6高速化を実現した。
行 4 列の合計 24 個の点字が 4 cm×4 cm のディスプレイに表示される。それぞれの点字は 3 行 2 列の合計 6
表 1 本研究で用いた有機トランジスタと最近のシリコン個のドットで構成されているため、点字ディスプレイにMOSFET の比較は全部で 144 個のドットがある。入力データに応じて、
OFETs
Si MOSFETsこれらのドットをアクチュエータにより上下させるこ
Design rule
90 nm
50 μmとにより、点字を変化させる。図 2 に示すように、フレHardness
Flexible
Solidーム、アクチュエータ、有機トランジスタドライバ、有Drive current
25 nA / μm @ 40 V 1 mA / μm @ 1 V
機トランジスタ SRAM の 4 つのフィルムを積層するこGate delay
0.3 ms10 psとにより、シート型点字ディスプレイを実現している。
Cost / area
Low
High
今回用いたアクチュエータの遷移時間は約 1 秒である。
Cost / transistor
HighLow
仮にこれらのアクチュエータを 1 つずつ順番に駆動しLifetimeDays
Years
た場合、点字ディスプレイ全体の表示を切り替えるのに3. 回路技術
3.1. 5 トランジスタ SRAM セルと書き込み動作のパイプライン化
図 3 にプラスチックアクチュエータ 1 つとそれに付随する有機トランジスタ SRAM と有機トランジスタドライバの回路図を示す。一般に、有機トランジスタではnMOS よりも pMOS の性能が高いので、図 3 の回路はpMOS のみで構成されている。SRAM 用の有機トラン
ジスタはしきい電圧(VTH)を制御するためにバックゲー
ト[5]を有している。今回の点字ディスプレイにおいては、アクチュエータは保持されたデータ(DATA, DATAb)に応じて動作し、SRAM の読み出し動作は不要で
WL

BL

W/L = 4000μm/50μm
VDD

OFETs
SRAM

DATA

DATAb
100/50BIAS

4000/50

VSS

VPH

VACT

OFETs
driver49000/20

Braille dot

VPL

VBGATEpMOS withback gate

Actuator

図 3 アクチュエータ 1 つに付随する有機トランジスタ
SRAM とドライバの回路図
Back Gate

Load Tr

Access Tr

Drive Tr

Drive Tr

50-μm design rule

2.0 mmLoad Tr
3.7 mm

図45 トランジスタ SRAM セルの顕微鏡写真

WL(a)

DATA

DATAbBLM1151050-5-10-15-20-25-300(b) BL = low(c) BL = high1510DATAb
50-5-102 ms-15-20DATA-25-3051015200Time (ms)
Voltage (V)Voltage (V)

1 分以上かかり、実用的ではない。そこで、アクチュエータの遷移時間の遅さを隠すため、それぞれのドットに有機トランジスタで作成した SRAM セルが 1 つずつ接続されている。点字ディスプレイへの入力データがすべての SRAM セルに書き込まれた後で、各 SRAM セルに保持されているデータに応じてドライバによりすべてのアクチュエータを一斉に駆動する。このように SRAMを内蔵することにより、144 個のドット全体を変更するのに必要な時間を短縮することができる。

DATA
40 ms (10% – 90%)

10 msDATAb(10% – 50% delay)

50100Time (ms)図 5 (a) 測定した SRAM の回路図。(b)(c) SRAM 書き込み動作の実測波形。(b) BL が low。(c) BL が high。
144 SRAM cells(a) w/o pipelining

40ms 40ms

40ms

Total write-time = 5.76 s(b) with pipelining

40ms
40ms
10 ms
40ms
1.47 s

74% delay reduction

図 6 SRAM 書き込み動作のタイミングチャート。(a) パイプライン化なし。(b) パイプライン化あり。

あるため、書き込み動作のみの SRAM を採用した。従って、フィルム面積を節約するため、5 トランジスタ
SRAM セルを開発した。従来の 6 トランジスタ SRAMセルと比べ、5 トランジスタ SRAM セルはビット線の本数を半分に、セル面積を 20%削減することができる。
図 4 に 5 トランジスタ SRAM セルの顕微鏡写真を示す。
セル面積は 3.7 mm×2.0 mm である。セル全体がバックゲートで覆われている。
5 トランジスタ SRAM セルでは、DATAb にアクセストランジスタがないため、DATAb の書き込み動作の遅さが問題となる。SRAM 全体(144 セル)の書き込み時間の設計ターゲットは 2 秒以内である。図 5 に書き込み動作における DATA と DATAb の実測波形を示す。図 5(b)に示す BL が low の場合、DATAb の遷移時間は 2 msと小さく、設計ターゲットを満たす。これに対して、図5(c)に示す BL が high の場合、図 5(a)の M1 の駆動電流が小さいため、DATAb の遷移時間は 40 ms と大きく、設計ターゲットを満たさない。しかし、書き込み動作をパイプライン化することにより、SRAM のシステムレベルでこの遅い遷移時間を隠すことができる。図 6 にSRAM 書き込み動作のパイプライン化のタイミングチ
ャートを示す。パイプライン化により、SRAM 全体(144セル)に対するトータルの書き込み時間を 5.76 s ( = 40ms×144)から 1.47 s ( = 10 ms×143 + 40 ms)に 74%短縮し、設計ターゲットを満たすことができた。

120
100

VBGATE

VGS80

4000–5 –10 –15 –20 –25 –30 –35 –40
VGS (V)

図 7 pMOS 有機トランジスタの ID – VGS 特性の VBGATE 依存の実測結果

40VBGATE – VDD = 0V (Conv.)

DATA

DATAb–20V0V

DATAb, DATA (V)3540 V30252015VBGATE – VDD = 40V(Proposed)

10500

図85 10 15 20 25 30 35 40
DATA, DATAb (V)SRAM バタフライカーブの VBGATE 依存の実測結果
40In40 VOut–20V

Chemicaldegradation

3040 V40 V20after 0 day
7 days10 days
15 days

100V
01020In (V)3040

図 9 SRAM の中のインバータの入出力特性の経時変化の実測結果
8
Static noise margin (SNM) (V)アクチュエータの遷移時間の設計ターゲットは 2 秒以内である。しかし、アクチュエータは 100 μF という大きな容量を持つため、これを高速に充放電するためにはドライバに大電流を流す必要がある。図 11 にアクチ
ュエータ電圧(VACT)とアクチュエータの変位の実測波形を示す。VPL のステップ電圧高さ(VX)を変化させた。
点字を指の触覚で読み取るのに必要な変位は 0.2 mm である。また、アクチュエータの耐圧は 3 V である。VXが耐圧と等しい－3 V の場合、アクチュエータの遷移時間は 34 s であり、設計ターゲットを満たさない。そこで、遷移時間を短縮するため、VPH と VPL のオーバドラ
イブ技術を開発した。VX を－3 V から－10 V に増加させることにより、遷移時間を 34 s から 2.0 s へ短縮し、

40 V
60 V

200

3.3.ドライバトランジスタのオーバドライブ
技術

20 V0VL = 50 μm
W = 4000 μm

60

Out (V)

有機トランジスタでは VTH を正確に制御するプロセス技術が未熟である。そこで、未熟な VTH 制御プロセス技術を補い、高信頼の SRAM 動作を実現するために、バックゲートを用いた VTH 制御技術を開発した。図 7に pMOS 有機トランジスタのドレイン電流のゲート電圧依存の実測結果を示す。バックゲート電圧(VBGATE)を変えることにより、VTH を変化させることができる。図
8 に SRAM バタフライカーブの VBGATE 依存の実測結果を示す。VBGATE を大きくすると、スタティックノイズマージン(SNM)が増加する。
この VTH 制御技術により、有機トランジスタの化学劣化を補償することもできる。図 9 に SRAM の中のインバータの入出力特性の経時変化の実測結果を示す。測定時以外は、有機トランジスタは窒素雰囲気中に保管した。
それにも関わらず、化学劣化により有機トランジスタの|Vth|が減少し、インバータの入出力特性は右方向にシフトする。図 10 に図 9 から計算した SNM の経時変化を示す。製造から 15 日たつと、SNM は 6.2 V から 2.0V に減少する。つまり、経時変化により SRAM 動作のマージンが減少してしまう。しかし、15 日後に、バックゲートを用いて化学劣化による VTH シフトを補償すると、SNM を 2.0 V から初期状態に近い 6.4 V に復元することができた。さらに、バックゲートを用いて常に適応的に化学劣化を補償すれば、SNM を常に一定に保つことができる。化学劣化は有機トランジスタの本質的な課題であるため、今回開発したバックゲートによる補償技術は有機トランジスタの実用化に重要な役割を果たすと考えられる。

Drain current (μA)

3.2. バックゲートによる SRAM スタティック
ノイズマージンの制御

VBGATE = –60V–40V–20V0V–40V

with compensation

765432w/o compensation

10

図 1005101520
Time after fabrication (day)

SNM の経時変化と経時変化の補償

DATAb
(-20V)

SRAM

VPL

DATAb

DATA

VACT

VPH

Driver

VACT Braille dot

VPL
Actuator

(a)

DATA
DATAb

0VX
0-1

VX = –3V-2–5V–10V-3–20V-4–10V
0.8 –20V
17x speeding up –5V
0.6
0.4
0.2
VX = –3V
00 5 10 15 20 25 30 35 40
Time (s)(b)

図 11 (a) 測定したドライバとアクチュエータの回路図。(b)オーバドライブ技術によるアクチュエータの加速

Displacementof actuator (mm) Voltage (V)Displacementof actuator (mm) VACT (V)VPL (V)

(a)

10VPH

VACT

50-5-100.40.2

VPL
Braille dot isUp0-0.2-0.4

1.6 s

0.74 s51015Time (s)0Down
2025(b)
図 12 (a) 測定した点字ディスプレイの回路図。(b) 点字ディスプレイ動作の実測波形。

Sequential drive of actuators

設計ターゲットを満たすことができた。但し、アクチュエータの過電圧による破壊を防止するため、VACT が±3V 以下となるようにオーバドライブの期間を決定する必要がある。
最後に、シート型点字ディスプレイの動作を実証する。
図 12 に有機トランジスタドライバの電圧とプラスチッ
クアクチュエータの変位の実測波形を示す。点字のドットを 0.2 mm 以上、上下に動かせることを実証した。開発した VPH と VPL のオーバドライブ技術により、1.6 sのアクチュエータの遷移時間を達成し、設計ターゲットを満たすことができた。

4. 開発した回路技術による点字ディスプレイの高速化のまとめ
図 13 に 144 個の点字ドットすべてを変更するのに必要な時間が、開発した回路技術によって短縮される過程を示す。SRAM のない、初期設計では、144 個のアクチュエータを 1 つずつ順番に駆動するので、4896 s かかる。次に、SRAM を追加した場合、データを SRAM にInitialdesignSRAM
is added

Finaldesign
1.47 s4896 s

34 s x 144
Write-time of SRAM
Simultaneous drive
40 s

34 s
5.76 s
Pipelining
Overdrive
3.1 s

1/122

1/13
1/15801.6 s

図 13 144 個の点字ドットすべてを変更するのに必要な時間。開発した回路技術による点字ディスプレイの高速化を示す。

書き込んだ後、一斉に 144 個のアクチュエータを駆動するので、40 s かかる。最終設計では、SRAM 書き込み動作のパイプライン化とドライバトランジスタのオーバドライブ技術により、3.1 s というシート型点字ディスプレイにとって実用的な時間を達成した。これは初期設計と比べると、1580 倍高速である。

5. 結論有機トランジスタとプラスチックアクチュエータを集積化したシステムを提案し、これをシート型の点字ディスプレイに応用した。アクチュエータの遷移時間の遅さを隠すため、世界初の有機トランジスタ SRAM を開発した。5 トランジスタ SRAM セルによるセル面積の20%削減、SRAM 書き込み動作のパイプライン化による書き込み時間の 74%短縮を実現した。また、バックゲー
トを用いたしきい電圧制御技術により、SRAM のスタティックノイズマージンの増加と、有機トランジスタの製造後 15 日間の化学劣化の補償に成功した。さらに、ドライバトランジスタのオーバドライブ技術により、アクチュエータの遷移時間を 34 s から 2 s に短縮した。
これらの回路技術により、3.1 s という実用的な時間で、点字ディスプレイ上の 144 個の点字ドットすべてを変更することに成功した。
今回開発した回路技術は、有機トランジスタを用いた大面積エレクトロニクスを実現する上で、必須の技術になると考えられる。

参考文献[1] T. Someya, H. Kawaguchi, and T. Sakurai,"Cut-and-paste organic FET customized ICs for application to artificial skin," ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp.
288-289, Feb. 2004.
[2] H. Kawaguchi, S. Iba, Y. Kato, T. Sekitani, T. Someya,
and T. Sakurai, "A sheet-type scanner based on a 3D
stacked organic-transistor circuit with double word-line
and dou-ble bit-line structure," ISSCC Dig. of Tech.
Papers, pp. 580-581, Feb. 2005.
[3] Y. Kato, S. Iba, T. Sekitani, Y. Noguchi, K. Hizu, X.
Wang, K. Takenoshita, Y. Takamatsu, S. Nakano, K.
Fukuda, K. Nakamura, T. Yamaue, M. Doi, K. Asaka, H.
Kawaguchi, M. Takamiya, T. Sakurai, and T. Someya,"A flexible, lightweight Braille sheet display with plastic actuators driven by an organic field-effect transistor
active matrix," IEDM Tech. Dig., pp. 105-108, Dec.
2005.
[4] M. Takamiya, T. Sekitani, Y. Kato, H. Kawaguchi, T.
Someya, and T. Sakurai," An Organic FET SRAM for
Braille sheet display with back gate to increase staticnoise margin," ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp. 276-277,
Feb. 2006.
[5] S. Iba, T. Sekitani, Y. Kato, T. Someya, H. Kawaguchi,
M. Takamiya, T. Sakurai, and, S. Takagi, "Control ofthresh-old voltage of organic field-effect transistors
with double gate structure," Applied Physics Letters,87, 023509, July 2005.