JP2005311171A

JP2005311171A - 有機半導体デバイス

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Publication number: JP2005311171A
Application number: JP2004128184A
Authority: JP
Inventors: Shigetaka Katori; 重尊香取; Shizuo Fujita; 静雄藤田
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】有機半導体素子の有効性及び信頼性を低下させることなく撓ませることが可能な有機半導体デバイスの最適構造を提供する。
【解決手段】可撓性を有する基板１０と、その基板１０上に固定された有機半導体素子層２０から成る有機半導体デバイスにおいて、有機半導体素子層２０上に可撓性を有する被覆層３０を固定し、有機半導体デバイス全体を撓ませる際の中立面がほぼ有機半導体素子層２０の近傍となるように被覆層３０のヤング率E₃及び厚さH₃を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可撓性を有する基板上に有機半導体層を固定することにより形成される有機半導体デバイスに関する。このような有機半導体デバイスには、例えば、トランジスタ等を含む集積回路、ディスプレイ、太陽電池等がある。

有機半導体は、その電気特性の多様性の他、従来の無機半導体と比較して可撓性（フレキシビリティ）を有するという点に大きな特徴を有する。その特徴を利用して、近年、ディスプレイや太陽電池などの有機半導体デバイスに可撓性を持たせた、いわゆるフレキシブルデバイスへの関心が高まっている。フレキシブルデバイスは、衝撃を柔軟に吸収することから、デバイスが不慮に破壊されてしまうことがないという特長を有する。

フレキシブルデバイスに関しては、次のような先行技術が存在する。特許文献１には、有機ELディスプレイデバイスの基板を薄くすることによりデバイスの可撓性を高めるという技術が開示されている。これにより、通常の使用状態において十分な可撓性が付与され、基板の破損が防止されるとしている。

特許文献２には、フレキシブルディスプレイを実現するために、ヤング率が異なる２種類の材料を組み合わせることにより基板を構成する技術が開示されている。基板がその平面内でヤング率の高い方向と低い方向を有することにより、基板を曲げやすい方向と曲げにくい方向が規定される。そして、基板上のヤング率の高い方向に沿うようにTFTアレイ等を形成することにより、構造上弱い部分に応力が加わることがなく、素子が破壊されたり特性が変化したりするおそれを低減するとしている。しかし、この構成では、規定された一方向以外へはディスプレイを撓ませることはできない。

特許文献３には、高分子材料や形状記憶合金を用いて電気制御可能なアクチュエータを作製し、それを所定の形状に変形させることにより、フレキシブルディスプレイとする技術が記載されている。しかし、この構成では、アクチュエータにより予め規定された形状にしかフレキシブルディスプレイを変形することができない。

特開2003-323985号「可撓性を有する有機EL素子」（[0004]〜[0012]）特開2004-077784号「アクティブマトリクス基板および表示装置」（[0030]〜[0031]、図６）特開2003-280546号「自己変形型フレキシブルディスプレイ及びそれを用いた情報処理端末」（[0012]〜[0020]）

フレキシブルデバイスは、大きく湾曲させ又は折り畳むことにより、携帯性や収納性に優れたディスプレイや太陽電池等を実現することができると期待されているが、実際には、次のような問題より、そのような期待は未だ実現されていない。

上記各文献で開示されている技術を含め、従来の有機半導体素子は基板の表面に固定されていた。ところが、材料力学的観点からすれば、基板に曲げや圧縮などの荷重が加わると、圧縮応力（すなわち、ひずみ）又は引張応力は表面において最大となる。従って、有機半導体デバイスが撓むと、その表面に存在する有機半導体素子に最大の応力（あるいは、ひずみ）が生じ、有機半導体素子の特性が低下してしまうおそれがある。

本願発明者は、有機ELにおけるひずみと発光強度との関係を調べる実験を行った。図４(a)は本実験に用いた有機ELデバイスの概略構成図である。厚さ125μm、表面抵抗10Ω/cm2のPEN（PolyEthylene Naphtarate)から成る基板５０上に厚さ1μmの有機EL層６０を形成し、その上にPEN層７０を被覆して有機ELデバイスを作製した。有機EL層６０を構成する陽極６１にはインジウム−スズ酸化物（ITO）、正孔輸送層６２には低分子量アリールアミン誘導体（α−NPD）、発光層６３にはアルミニウムトリキノリノール錯体（Alq3）、電子輸送層６４にはフッ化リチウム（LiF）、陰極６５にはアルミニウム（Al）を用いた。基板５０の表面にひずみゲージを貼付し、有機EL層６０に供給する電流の電流密度を10mA/cm²で一定にしつつ、有機ELデバイスを徐々に撓ませ、基板表面のひずみ量を変化させた時の発光スペクトルを測定した。

図４(b)はこの実験により得られた、ひずみ量と発光スペクトルの関係を示すグラフである。ひずみが増大するに従い、スペクトル全体の発光強度が低下する傾向が観察される。この原因は、基板５０の表面に形成された有機EL層６０にひずみが生じたためであると考えられる。

この実験において実証されたように、従来の有機半導体デバイスでは、デバイス全体を撓ませると半導体素子の特性が低下してしまうという問題があった。
また、このような特性の低下という問題の他に、半導体素子に応力またはひずみが与えられることにより半導体素子が物理的に劣化するという問題も当然考えられ、そのような応力またはひずみが繰り返し負荷された場合、最終的には破壊されるという可能性も考慮しなければならない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、有機半導体素子の有効性及び信頼性を低下させることなく撓ませることが可能な有機半導体デバイスの最適構造を提供することである。

上記課題を解決するために、本願発明者は、材料力学的観点から有機半導体デバイスの構造に基づいたデバイス特性と変形の相関性について詳細に検討した結果、可撓性を有する基板の上に形成された有機半導体素子層の上に可撓性を有する被覆層を適切な厚さで形成することにより、デバイスを撓ませる際の中立面の位置を有機半導体素子層の近傍とし、該半導体素子に生ずるひずみを抑制することに想到した。

このような考察に基づいて成された本発明に係る有機半導体デバイスは、可撓性を有する基板と、基板上に固定された有機半導体素子層と、該基板又は有機半導体素子層上に固定された可撓性を有する被覆層から成る有機半導体デバイスであって、被覆層のヤング率及び厚さが、有機半導体デバイス全体を撓ませる際の中立面が有機半導体素子層の近傍となるように設定されていることを特徴とする。なお、中立面は、望ましくは有機半導体素子層の内部に来るようにし、更に望ましくは有機半導体素子層の中心に来るようにする。

なお、上記記載において、「基板上」、「素子層上」なる表記は説明の便宜上のためのものであり、単に一つの方向を示すに過ぎない。

また、一般的には被覆層は有機半導体層の上に固定されるが、有機半導体層が基板の全面を覆わず、基板上の部分部分に形成されている場合には、被覆層は、基板に直接固定するようにしてもよい。この場合、有機半導体層と同等の厚さを有するスペーサを介して固定することが望ましい。

上記記載では、基板及び有機半導体層のヤング率及び厚さは予め定められているもの（与件）として扱い、被覆層のヤング率及び厚さを変更可能な要件として扱ったが、基板、更には有機半導体層のヤング率や厚さを変更することが可能である場合には、それらを含めて、有機半導体デバイス全体を撓ませる際の中立面がほぼ有機半導体素子層の近傍となるように設定する。

本発明においては、従来の有機半導体デバイスにおいて有機半導体素子の劣化を防止するために用いられていた封止層を、そのヤング率及び厚さを適宜に設定することにより、上記被覆層として用いてもよい。

また、最も単純には、被覆層を、基板と同一材料から成り、基板と同一厚さを有する層とすることにより、上記条件（有機半導体デバイス全体を撓ませる際の中立面がほぼ有機半導体素子層の近傍となるようにすること）を満たすことができる。

そうでない一般的な場合には、被覆層のヤング率及び厚さが次の数式１の関係を満たすようにすることにより、上記条件を満たすことができる。

ここで、
y_b：基板の下面から有機半導体素子層の中央面までの距離
E₁：基板のヤング率
E₂：有機半導体素子層のヤング率
E₃：被覆層のヤング率
H₁：基板の厚さ
H₂：有機半導体素子層の厚さ
H₃：被覆層の厚さ

数式１の導き方は次の通りである。
ヤング率がE₁、E₂、E₃、・・・E_nであり、それぞれの厚さがH₁、H₂、H₃、・・・H_nである材料が積層された積層材料を考える。積層方向をｙ軸方向とし、積層材料の下端をy=0としたとき、曲率半径をR、中立面の位置をy_bとすれば、軸方向のひずみε_xは、

と表すことができる。従って、軸方向の応力σ_xは、

となる。弾性変域内における単純な曲げの場合、軸力の合力が０となることより、

が成り立つので、(1)を(2)に代入し、区間毎に積分すれば、中立面の位置と各材料のそれぞれのヤング率及び厚さとの関係式を得ることができる。特に、３層積層の場合に、数式１（数５）

を得る。

発明を実施するための最良の形態及び効果

以下、本発明に係る有機半導体デバイスの構成及び効果について、図１に基づき説明する。図４(a)に示されるような従来の有機半導体デバイスでは、基板上に有機半導体素子層が形成され、その上に薄膜状の封止材が形成されるという構成が一般的であるのに対し、本発明に係る有機半導体デバイスの基本的構成は、図１に示すように、基板１０、有機半導体素子層２０、及び被覆層３０の三層から成る点に特徴を有している。

有機半導体素子層２０は、作製する有機半導体デバイスに応じた任意の構造を有するものであってよく、単純な単層で構造されていてもよいし、複数層の積層構造を有していてもよい。例えば、デバイスが有機ELであれば、有機半導体素子層２０は、陽極、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、陰極などが積層された構成を有する。

基板１０及び被覆層３０は可撓性を有する高分子材料によって形成され、例えばPENフィルムや、PET（PolyEthylene Telephtarate）フィルムなどを使用することができる。基板１０及び被覆層３０に使用する材料は異なるものでも同一のものでもよく、デバイスの使用目的に応じて適宜選択すればよい。図１(a)は基板１０と被覆層３０が異なる材料から成る場合であり、図１(b)は両層１０、３０が同一の同じ厚さの材料から成る場合を示す。

上記の各層の積層方法は、既知の方法を用いることができる。また、層間の接着には弾性を有する接着剤を使用してもよいが、この場合、材料力学的には、接着層を有機半導体素子層を形成する一層とみなすことができる。

外力によってデバイスに変形が加えられると、その内部にひずみが生ずる。薄板状のデバイスに最も生じやすい変形の形態は曲げ変形であると考えられるため、デバイスに生じる主要なひずみは、一方の面における引張ひずみ及び他方の面における圧縮ひずみであるといえる。各層を構成する素材の物性が一様であれば、曲げ変形が生じると、両表面に引張及び圧縮の最大ひずみが発生し、材料の内部に向かうに従い、それらのひずみは減少してゆく。従って、材料の内部において、ひずみがゼロとなる中立面４０が存在する。

中立面４０ではひずみが存在しないため、層構造によって構成される有機半導体デバイスにおいて、有機半導体素子層２０の近傍に中立面４０が位置するようにこの層構造を設計すれば、デバイスを撓ませた時に有機半導体素子２０に生じるひずみを小さくすることができる。こうして、本発明に係る有機半導体デバイスでは、デバイス全体として大きな撓みが生じたとしても、半導体素子部分２０には過大なひずみが生じることがないため、特性が変化することのない、信頼性の高いデバイスを得ることが可能である。

被覆層３０の厚さの決定方法について説明する。一般に、有機半導体デバイスの基板１０の厚さは100μm程度であるのに対し、素子層２０の厚さは1μm以下と、相対的に非常に薄い。それに加え、中立面４０が有機半導体素子層２０の近傍に（望ましくは内部に、更に望ましくは中心に）位置するように設計するのであるから、本発明においては有機半導体層全体の物性はほぼ一様であるとみなすことができる。

まず、基板と被覆層が異なる材料によって形成されている場合（図１(a)）には、数式１を用いて中立面４０が有機半導体素子層２０の内部に位置するように、被覆層３０のヤング率E3及び厚さH3を決定する。被覆層３０の材料の選択の余地が無い場合には、厚さH3のみで調整することになる。基板１０と被覆層３０に同一の材料を用いる場合（図１(b)）には、被覆層３０の厚さH3は、有機半導体素子層２０の構成に関わりなく、基板１０の厚さH1と同一となるように決定すればよい。この時、中立面４０は有機半導体素子層２０の中心に位置する。

次に、有機半導体デバイスを折り畳むための構成について、図２を用いて説明する。本発明に係る有機半導体デバイスは、従来のデバイスの上に被覆層を付加するという構成をとれば、被覆層の分だけ従来のデバイスよりも厚さが増すため、強度は上昇するが、撓みにくくなる。一方、基板及び被覆層の厚さを薄くするという構成をとれば、撓みの自由度は増すが、強度は低下する。また、実際上、半導体素子層の厚さ（数μm）程度のものは、あまりにも剛性が低く（いわゆるフニャフニャの状態であり）取り扱いに不便である。

そこで、デバイス全体としての強度を不必要に低下させることなく、しかも折り曲げる（すなわち、大きく撓ませる）ことを可能とするためには、折り曲げる位置において、基板及び被覆層の厚さが薄くなるように折り曲げ部を形成すればよい。

図２は、この折り曲げ部の概略構成図である。基板１０及び被覆層３０の一部に厚さの薄い部分（基板薄厚部１１及び被覆層薄厚部３１）を形成し、ここを折り曲げ部とする。この折り曲げ部における基板薄厚部１１及び被覆層薄厚部３１の厚さもまた、数式１を用いて中立面が有機半導体素子層２０内に位置するように決定する。基板薄厚部１１及び被覆層薄厚部３１に同一材料を用いるのであれば、これら二部の厚さを同一にすることにより、中立面を有機半導体層２０の中心に位置させることができる。このように設定した適切な厚さで折り曲げ部が形成されていれば、デバイス内の有機半導体素子に過大な引張ひずみや圧縮ひずみが発生することがなく、デバイス全体を折り曲げたり、折り畳んだりすることができる。

以上説明したように、本発明に係る有機半導体デバイスは、いかなる材料の基板及び被覆層であっても、中立面が有機半導体素子層内に位置するようにし、デバイスの撓みや曲がりによって生じる引張ひずみや圧縮ひずみが最小となるように設計されるため、デバイスにおける有機半導体素子の特性や信頼性が低下するおそれを小さくすることができる。また、基板及び被覆層の厚さを薄く形成する部分を設ければ、その部分で有機半導体デバイスを折り曲げることができ、デバイスを小さく折り畳むことも可能となる。

上記説明で理解できる通り、本発明の本質は有機半導体層の電気的特性には全く無関係であるため、本発明に係る有機半導体デバイスは一般的な回路（集積回路）の他、有機ELや太陽電池など様々な形態の有機半導体デバイスに適用することが可能である。

本願発明による構成の効果を実証するため、本願発明者らは、デバイス内部に生じるひずみを測定する実験を行った。試験片のサイズは25mm×25mmとし、基板として厚さ125μmのPETから成る二軸延伸されたフィルムを用い、その基板表面に同じくPETから成る被覆層フィルムを貼り合わせた。この被覆層フィルムの厚さは75μm及び125μmの二種類とし、ひずみゲージを境界面（基板と被覆層の間）と試験片全体の表面の二箇所に貼付した。また、基板のみから成る厚さ125μmの試験片の表面にもひずみゲージを貼付し、クロスヘッドスピード1mm/min、支点間距離25mmの条件下で３点曲げ試験を行った。

実験結果を図３の変位−ひずみグラフに示す。図中の実線は境界面におけるひずみを、破線は試験片表面におけるひずみを表している。この実験結果により、曲げ荷重下における境界面のひずみは、試験片表面のひずみよりも小さいことが観察された。また、基板に被覆層フィルムを貼り合わせた試験片は、単に基板のみから成る試験片と比較して、変形に対するひずみ量が小さいことが明らかとなった。特に、貼り合わせたフィルムの厚さが基板の厚さと等しい125μmの試験片では、変位が増加しても、ひずみがほぼ一定の値を示していた。この実験結果は、基板表面に同じ厚さの被覆層フィルムを貼り合わせることで、半導体素子層が形成される基板表面に中立面を位置させることが実際に可能であることを示している。

また、本願発明者らは、一定変位を与えたときの荷重値に関して、基板表面にフィルムを張り合わせた試験片は、基板のみの試験片と比較して約10倍の荷重値を示すことを見いだした。このことは、有機半導体デバイスにおいて本願発明に係る構造を採用することにより、効果的なデバイスの補強を行うことができることを示している。

本発明に係る有機物半導体デバイスは、集積回路、ディスプレイ、太陽電池等、有機半導体を使用する様々な分野に利用可能であるが、その柔軟性より、特にディスプレイにおいて、シートディスプレイ、電子ペーパー、電子新聞などへの利用が考えられる。

本発明に係る有機半導体デバイスの一実施例の概略構成図。本発明に係る有機半導体デバイスの別の実施例の折り曲げ部の概略構成図。実施例の有機半導体デバイスの変位とひずみの関係を示すグラフ。 (a)従来の有機半導体デバイスの構成図、及び(b)そのデバイスを撓ませた場合の発光スペクトルの変化を示すグラフ。

符号の説明

１０、５０…基板
１１…基板薄厚部
２０…有機半導体素子層
３０…被覆層
３１…被覆層薄厚部
４０…中立面
６０…有機EL層
６１…陽極
６２…正孔輸送層
６３…発光層
６４…電子輸送層
６５…陰極
７０…封止層

Claims

可撓性を有する基板と、基板上に固定された有機半導体素子層と、該基板又は有機半導体素子層上に固定された可撓性を有する被覆層から成る有機半導体デバイスであって、被覆層のヤング率及び厚さが、有機半導体デバイス全体を撓ませる際の中立面が有機半導体素子層の近傍となるように設定されていることを特徴とする有機半導体デバイス。
被覆層が封止層から成ることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体デバイス。
被覆層が基板と同一材料から成り、基板と同一厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の有機半導体デバイス。
被覆層が下記数式１の関係を満たすヤング率E₃及び厚さH₃を有することを特徴とする有機半導体デバイス。

ここで、
y_b：基板の下面から有機半導体素子層の中央面までの距離
E₁：基板のヤング率
E₂：有機半導体素子層のヤング率
E₃：被覆層のヤング率
H₁：基板の厚さ
H₂：有機半導体素子層の厚さ
H₃：被覆層の厚さ
前記有機半導体デバイスの一部において基板及び被覆層の厚さが共に小さくなっており、なおかつ前記関係が保持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機半導体デバイス。