JP2003133069A - 有機ｅｌ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高品位の性能を維持してかつ安価な大面積有
機ＥＬディスプレーを提供することを目的とする。 【解決手段】 有機ＥＬディスプレー素子作製におい
て、基板上に有機薄膜作製の際溶媒中に溶解した有機材
料を、噴霧ノズルを用いてスプレー法で基板に作製す
る。その際噴霧液の液滴の大きさを制御するために回転
スプレーノズルを用いることと、電界を印加することに
よって大面積基板に均一に有機薄膜を作製できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は有機ＥＬ素子作製
方法において、素子基板に有機ＥＬ素子構成材料を作製
する方法に関するもので、基板にパターニングした均一
な有機膜の作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】有機ＥＬ素子の作製において、使用する
材料によって製造方法が異なる。低分子系の材料を用い
る場合には主に真空蒸着方法が用いられる。ＩＴＯガラ
ス基板上に、最初にバッファー層を蒸着してその上にホ
ール輸送層、発光層を兼ねる電子輸送層、さらにカソー
ド電極をすべて蒸着で積層して設ける。

【０００３】低分子系有機材料の薄膜を作製するための
真空蒸着法は、研究の期間も長く、さらに数年前からデ
バイスの実用化も行われていて多くの実績を有してい
る。ただ真空法が進んでいると言っても、現段階におい
て各研究機関のデータが相当ばらついていることが示す
ように、製造方法として確立しているわけではなく多く
の課題を有している。現段階では課題を取り除くために
は出来る限りの努力が積み重ねられているのが実情で、
どこまでが必要であるかは、今後データの積み重ねが出
来て行くとともに簡略化はされると思うがまだその段階
ではない。一方高分子系の材料では蒸着法に変わって一
般にはスピンコートが用いられ、カソード電極のみを蒸
着法で作製する。一般にはスピンナーで基板に全面に塗
布することで単色の発光デバイスは可能であるが、素子
の多色化あるいは特性向上のために単層構造を複合化膜
構造へと進むに連れ製造方法も工夫がなされてきた。そ
のひとつがスピンコートの代わりに、特開平１０−１２
３７７に示されるようにインクジェット法で、材料を基
板に吹き付けて発光画素を作って、基板上にそれぞれＲ
ＧＢ画素構成構成してフルカラーデバイスを作製してい
る。さらに他の方法としては、特開平１０−９２５７６
で示されるように、単純に溶液を塗布する方法などが示
される。さらに特開平１１−３３９９５７ではディスペ
ンサーで塗布する方法なども示されている。さらに特開
２００１−２５０６８４では塗布ノズルから溶液を基板
に塗る方法等も示されている。さらに特開２００１−２
３７０７０ではスプレー法での製造方法が提案されてい
る。以上あげた方法はすべてカソード電極のみは真空蒸
着法を用いる。低分子系材料を用いた場合と比較する
と、素子作製において製造設備が真空蒸着法よりは簡単
であるが、フルカラーあるいはマルティカラーの素子作
製が難しくより簡単な新しい製造方法が求められてい
る。上記の製造方法の中でインクジェット法が最も進ん
ではいるが、まだ研究段階であって高分子系材料でもフ
ルカラーデバイスが出来ることを実証した段階にとまっ
ている。他の方法として、特開２００１−０５２８７２
では印刷方法（メッシュ法あるいはグラビア法）、特開
２００１−１５５８５８ではローラーによる凸版印刷等
が発表されているが事業化レベルでの技術レベルの詳細
は不明である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】有機ＥＬ素子の作製に
おいて、使用する材料によって製造方法が異なる。低分
子系の材料を用いる場合には主に真空蒸着方法が用いら
れる。ＩＴＯガラス基板上にバッファー層を蒸着してそ
の上にホール輸送層、発光層を兼ねる電子電子輸送層、
さらにカソード電極をすべて蒸着で積層して設ける。真
空蒸着方法の最大の課題として製造設備のコストが高い
ことが上げられる。その理由は、有機ＥＬ素子は有機材
料の中を電流が流れる発光のメカニズム上不純物の混入
を極端に嫌うこと、発光領域が有機層界面のごく薄い
層、分子単位レベルでの領域であることと、欠陥の全く
無い大面積の均一膜の作製が要求される。そのためには
装置の制御を厳密に行わなければならないので、真空蒸
着装置の価格が上昇するためである。しかも蒸着装置も
単一の装置では不十分で、赤色、青色、緑色、電子輸送
材料、ホール輸送材料、バッファー材料、カソード電極
等、材料毎に分けて複数台の蒸着装置が必要となる。こ
こで特にコストの重要性を記すが、有機ＥＬデバイスは
機能の点で液晶デバイスと殆ど同一である。液晶と比較
すると、液晶デバイスにはバックライト、カラーフィル
ターが必要であり、有機ＥＬには必要が無い。一方有機
ＥＬはデバイスの構造が単純では有るけれども製造プロ
セスのすべての点で液晶よりはデリケートである（たと
えば基板処理技術、封止技術、蒸着装置装置の高機能
化）。この技術がどれだけ簡略化されるかがコストを決
め、有機ＥＬ技術の発展の上で最も重要な点である。一
方高分子系の材料では蒸着法に変わってインクジェット
法で材料を基板に吹き付けて発光画素を作って、基板上
にそれぞれＲＧＢ画素構成構成してフルカラーデバイス
を作製している。インクジェット法は各画素毎を制御し
ながら作製するために生産性が低いことが欠点となる。
より簡便で、生産性の高い有機ＥＬの製造技術が求めら
れている。真空蒸着法は膜厚の制御、不純物の混入等注
意深く作製すれば、駆動電圧、発光効率、寿命の点で優
れている。真空蒸着法以外の作成方法の課題は、実用化
デバイスレベルでのデータ比較では低分子有機ＥＬ素子
に較べて素子特性が低いことが上げられる（現時点で高
分子材料素子の実用化例が無いので正確な比較では無い
が）。インクジェット以外の他の方法では、多色化はよ
うやく可能にはなったが素子の電流―電圧特性、発光輝
度特性、素子寿命等、実用化にはすべての特性を兼ね備
えなければ成らないので現時点では多くの欠点を持って
いる。それらの改良を一つずつあるいは組み合わせた形
での改良が必要である。

【０００５】一例として、特開２００１−２３７０７０
で示されている製造方法すなわちマスクの上からスプレ
ー法あるいはスクリーン印刷で有機膜を作製して有機Ｅ
Ｌ素子を作る方法などは、作製された有機膜の膜の均一
性と膜厚の制御が困難で原理的には発光することはあっ
ても、実用化には程遠いといってもよい。その理由は発
光効率、駆動電圧、素子寿命等を考慮してデバイス構造
を決めるとき有機ＥＬデバイスに要求される最適膜厚は
１０００オングストローム程度となりさらに基板全面に
全くの欠陥の無い均一な膜を作らなければならないこと
である。膜厚が１ミクロン以上に場合には、上記方法で
もまったくは問題ないが、有機ＥＬデバイスに要求され
る膜の特性を大面積で得ることは不可能である。しかし
これらの方法はどの方法を採っても蒸着法よりは作製コ
ストが下がることが期待されるので現状では課題が多い
けれども、その課題を取り除く努力がなされている。

【０００６】

【本発明が解決するための手段】本発明が解決するため
の手段は、従来の蒸着法、インクジェット法等に変わる
有機ＥＬの作製方法を提示するものである。有機ＥＬ素
子は図１に示す構造で基板上に作製した有機膜は、各機
能部の膜厚が非常に薄く、５００オングストロームから
２０００オングストローム程度の大面積でかつピンホー
ルの全く無い膜が要求される。本発明では大面積でかつ
薄いピンホールの無い膜を作製するために、有機材料を
溶媒に溶かしてその溶液を噴射ノズルで基板に付着させ
て作製するものである。

【０００７】大面積でかつ薄いピンホールの無い膜を作
製するためには、噴射ノズルの構造を工夫することでピ
ンホールの無い均一膜を実現して有機ＥＬ素子作製の特
性を満足させたものである。一方従来構造の噴射ノズル
方法においても、単に噴射して膜をつけるのだけではな
く、噴射した粒子に電界を印加することによりより細か
な噴霧流を選択的に基板に付着させることが可能となる
ため、従来一般的に用いられている噴射ノズルでは完全
な有機EL素子は出来なかったものも上記噴射ノズル同様
に、特性を満足する有機薄膜の形成が可能となった。

【０００８】本装置の有機薄膜作製の概念図を図２に示
す。有機ＥＬ素子の素子基板となる発光パターンをフォ
トリゾグラフィーで作製したＩＴＯ基板１１上に、噴射
ノズル１２を上方１ｃｍから５ｃｍ程度の距離で置き、
その噴射ノズルに有機材料を溶かした溶液を溶液ポンプ
１４で噴射ノズル部に送り、噴射ノズル先端から噴霧さ
れた有機溶媒を基板上に噴霧する。さらに噴射ノズルを
左右方向と前後方向に移動させて基板全面に有機材料を
付着させる。本発明の有機ＥＬ作製装置の最も重要な部
分は噴射ノズルにある。本発明の噴霧ノズルの構造を図
３に示す。中心部に溶液が通る部分３１があり、その中
心部へ塗布溶液３２を送付ポンプ１４で送る。噴射ノズ
ル全体は高速回転している。噴射ノズルの先端部３３は
ラッパ状に広がっていて中心部から送りこまれた溶液は
この部分で高速回転に伴って霧状になって噴霧される。

【０００９】従来の噴射ノズルは図４に示すように高圧
ガス、４１が中心部の溶液４２を吸い込みながら細かな
粒子状に噴霧して、基板にその溶液の噴霧粒子を付ける
ものである。噴霧粒子径の比較を図５（a）、 (b)に示
す。 （a）は高速回転ノズルの噴霧粒子径で（b）は高
圧ガスで噴霧化した溶液の粒子径を示す。図５（a）、
(b)で分かるように、ノズルを回転させて霧化したほう
は一定の粒子径の揃った噴霧流であるのに比べて、高圧
ガスの噴射粒子径はその分布が粒子径の小さいものから
大きなものと大きく分布していて、通常の作成条件では
普通は数十ミクロンから１００ミクロン以上の大きさで
ある。有機ＥＬに要求される、薄膜条件は１０００オン
グストローム程度のピンホールの無い均一膜であるた
め、不揃いな粒子の集合では、ごく薄い均一な薄膜は出
来ない（現在の要求されている膜厚の一桁厚い条件なら
可能である）。図５(a),(b)の比較で示されるように
（a）の回転噴霧ノズルで作られる噴霧粒子の特長は粒
子の大きさがほぼ一定の大きさである。このように噴霧
粒子径が揃っていることが、ごく薄い均一な膜の形成を
可能にする理由である。

【００１０】一方従来から用いられている、噴射ノズル
では霧化した噴霧粒子が細かすぎる場合、図６に示すよ
うに大半が空気中を漂うミストの状態ととなって、基板
への移動する力が弱くなり殆どの粒子が空気中をさまよ
う形となり、薄膜形成能力が極端に弱くなる。その課題
を解決するために、噴霧ノズルと基板との間に電界をか
けてイオン化した噴霧粒子を電界で加速して基板に付着
させるものである。この効果は大きく、電界をかけない
場合には噴霧粒子は光を散乱してその存在がはっきりわ
かるが、電界をかけた瞬間に噴霧粒子が見えなくなって
しまう。有機ＥＬデバイスのように極薄い薄膜の作製に
は電界の効果は大きい。

【００１１】もちろん回転噴射ノズルの噴霧流でも同様
の結果が得られる。

【００１２】有機ＥＬ素子は膜中に水分の混入は特性の
低下と寿命に大きく影響を与える。噴射ノズルで有機膜
を作製する場合にも、空気中の水分の混入を絶対に避け
なければならない。その一つの手段として、高圧空気を
用いないで窒素、ヘリウムガス、アルゴンガス、炭酸ガ
ス等を用いることも水分の混入防止には有効な方法であ
る。

【００１３】フルカラーデバイスを作製する場合には一
般にメタルマスクを用いるが、電界をメタルマスクと噴
射スプレー間にかけることは、膜の形成に特に有効であ
る。基板がガラスの場合に較べて電界の集中度が大きい
ためである。さらに基板全面に膜を形成するために噴射
ノズルを左右、上下にスキャンニングして基板全面を覆
う。

【００１４】

【発明の実施の形態】有機薄膜の作製に用いるＩＴＯ基
板は所定のパターニングを行った後、パーティクル及
び、有機物を除去するために注意深く洗浄を行う。洗浄
の重要点はパーティクルの除去に対してはイオン交換水
の流水中で機械的な除去（ブラシングおよび実験室段階
ではハンドリングによるブラシング）を行う。有機物の
除去には酸素プラズマ処理を行う。本発明の有機ＥＬ素
子の代表的な作成方法について述べる。ＩＴＯ透明電極
上に、ポリビニルカルバゾールを溶液としてディクロロ
エタンで溶解して、ポンプ４２からノズルに毎分２ｃｃ
から３ｃｃ送り、ノズルを毎分２万回転回転させて噴射
する。素子は電界を印加して作製した場合、電界を印加
しない場合両方とも作製できる。電界を与える場合はＩ
ＴＯ基板上にパターニング用のメタルマスク４３を置
き、ノズル部にマイナス、メタルマスク部にプラスの極
性の電圧を加える。

【００１５】通常の噴射ノズルでも電界を加えない場合
には、霧滴は噴射圧力と重力で基板に付着するが、電界
をかけた場合イオン化した粒子は電解で加速されて基板
に付着する。電界を与えた場合には殆どの溶液が基板に
付着する。この場合は特性の良い有機ＥＬ素子作製には
電界を印加することが必要条件となる。その際の条件は
通常の噴射ノズルにおいて、噴射圧を通常より高くして
（５ｋｇ/ｃｍ２以上）でかつノズルとガラス基板、特
にメタルマスク間に１０ｋＶ以上の電界をかけて噴射し
た場合には、上記の回転ノズル方式同様に特性の良い有
機ＥＬ素子の作製が可能となった。

【００１６】本発明の噴射ノズルで作製する有機ＥＬは
高分子材料、低分子材料のいずれも可能で溶媒に溶けれ
ばよい。上記の方法のいずれの噴霧方法においても、噴
霧後溶媒を乾燥させるために加温してさらに高分子重合
を行う。最後にカソード電極としてＣａ、その上にＡｌ
電極を通常の真空蒸着法で作製する。

【００１７】フルカラーデバイスを作製する場合には、
メタルマスクを基板上に置いてその上から噴射する。メ
タルマスクは電界を印加するための電極ともなってい
る。

【００１８】本発明は非金属材料として、セラミック材
料あるいはガラス材料を用いる。さらにセラミック材料
及びガラス材料の利点は熱膨張係数の選択範囲が広いた
め、有機ＥＬデバイスの基板材料の熱膨張係数と一致さ
せることが可能となる。これは特にデバイスの大型化あ
るいは基板の大型化には大きな利点となる。噴射ノズル
で基板上に 本発明の複合マスクを用いて有機ＥＬ素子
を作製することは大面積の素子作製には非常に有効であ
る。現在有機ＥＬ素子作製は３０ｃｍ角程度の基板サイ
ズで行われているが今後はより大きいサイズに移行する
と思われるが、その際の課題はパターンニング用マスク
に有るが本発明はそれらの多くの課題を解決している。

【図面の簡単な説明】

【図１】有機ＥＬ構造図

【図２】有機ＥＬ素子用薄膜作製装置

【図３】噴霧ノズル（回転式）

【図４】噴霧ノズル（ジェット方式）

【図５】噴霧粒子径比較

【図６】噴霧粒子分布図

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ ＩＴＯ透明電極 ３ 有機ＥＬ発光材料 ４ カソード電極 ２１ 有機ＥＬ用ＩＴＯガラス基板 ２２ 噴射ノズル ２３ スキャンニング用 ＸＹステージ ２４ 有機ＥＬ用有機材料送付ポンプ ２５ 高圧電源 ２６ パターニング用メタルマスク ４１ 噴射用ガス送付口 ４２ 有機ＥＬ溶液送付口 ４３ 溶液流量調節棒 ４４ 噴射口 ５１ 高圧ガス噴射方式による噴霧粒子サイズと粒子数 ５２ 回転式噴霧ノズル方式による噴霧粒子サイズと粒
子数粒子サイズ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機ＥＬ素子作製において、基板に有機
   材料を噴射ノズルら成る噴霧装置で作製することを特長
   とする有機ＥＬ素子製造方法において、特に噴射ノズル
   の構造を、噴射ノズル部を高速回転させ、噴射ノズル部
   の回転中心部に有機材料を送りこみ、霧化して噴霧粒子
   を基板に作製することを特徴とする有機ＥＬ素子製造方
   法と製造装置。
2. 【請求項２】 有機ＥＬ素子作製において、噴霧装置で
   基板上に有機材料を作製する際に、特に噴射ノズル部と
   基板間に高電圧を印加して噴霧液を電界で加速して基板
   に作製することを特長とする有機ＥＬ素子作製方法及び
   製造装置。
3. 【請求項３】 有機ＥＬ素子作製において、噴霧装置で
   基板上に有機材料を作製する際に、噴射用の高圧ガスを
   特に窒素ガスあるいはアルゴンガス、ヘリウムガスを用
   いてさらに噴射ノズル部と基板間に高電圧を印加して噴
   霧液を電界で加速して基板に作製することを特長とする
   有機ＥＬ素子作製方法及び製造装置。
4. 【請求項４】 有機ＥＬ素子作製において、噴霧装置で
   基板上に有機材料を作製する際に、特に噴射ノズル部に
   高電圧を印加して、さらに基板上にパターニング用のメ
   タルマスクを設けて噴射ノズル部とメタルマスク間に電
   界をかけて基板に作製することを特長とする有機ＥＬ素
   子作製方法。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４の機ＥＬ素子作製
   において、発光画素を作製するさいに用いるパターニン
   グマスクを、金属から成るファインパターン部とセラミ
   ックあるいはガラスから成る基台部との複合化した構造
   からなることを特徴とする有機素子作製用パターニング
   マスク上に噴霧してなることを特長とする有機ＥＬ素子
   作製方法及び製造装置。