JP2006114742A - 露光装置、その製造方法ならびにこれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】有機エレクトロルミネッセント素子と、前記有機エレクトロルミネッセント素子の光取り出し面に設けられた導波路とを備え、前記有機エレクトロルミネッセント素子から放射されて前記導波路に入射し、前記光取り出し面から出射される光を露光光として用いる露光装置であって、有機エレクトロルミネッセント素子が少なくとも一組の電極32,35を備え、前記電極32,35間は複数の機能層から構成され、該機能層は少なくとも1種類の高分子物質からなる発光機能を有した有機溶媒を含む層34と、少なくとも1種類の高分子物質からなるバッファ層Bと、少なくとも1種類の無機物からなる電荷注入層33とを含む。
【選択図】図4
Description
特徴を持っており、様々な用途への応用が期待されているが、十分に大きな発光強度を得ることが出来ない点、および長時間駆動する際、寿命が十分でない点、この2つが改善すべき課題となっている。
極と発光層の間に何も無い場合と比較すると確かに効率は向上しているが、PEDOT層を備えた素子に比較するとかえって特性は悪化している。
特に、露光ヘッドなどにおいて露光用光源として用いられる場合には、高輝度特性が求められており、更なる高輝度化を求めて鋭意研究がなされている。
ことで素子の駆動電圧の低減を図っている。この例では、電極とホール輸送層あるいは発
光層との障壁が高く、この障壁に無理な電圧がかかることに起因するものと考えられており、仕事関数が従来の陽極材料であるITOよりも大きい金属酸化物薄膜を用いることにより、電極とホール輸送層あるいは発光層との障壁を低くし、駆動電圧の低減を図っている(特許文献1及び非特許文献3)。
なお、バッファ層としては、高分子化合物のほか、無機物でもよく、機能としても、電子ブロック機能、発光層と電荷注入層との密着性の向上を図ることのできる材料、電子のもれを抑制しうる程度にホールの注入障壁を低くするような材料等を介在させることにより、発光強度を高めることができる。
なお、ここで用いられる酸化物としては、クロム(Cr)、タングステン(W)、バナジ
ウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフ
ニウム(Hf)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、トリウム(Tr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni
)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)あるいは、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までのいわゆる希土類元素などの酸化物を挙げることができる。なかでも酸化アルミニウム(AlO)
、酸化銅(CuO)、酸化シリコン(SiO)は、特に長寿命化に有効である。
例えば遷移金属の化合物は、複数の酸化数をとるため、これにより、複数の電位レベルをとることができ、電荷注入が容易となり、駆動電圧を低減することができる。
るものから、非常に絶縁性の高いものまでさまざまな化合物が知られているが、種々の実験の結果、絶縁性の高い化合物については成膜の際にその膜厚をおおむね5nm付近以下にすることでキャリア注入が可能になることがわかった。具体的な化合物として以下のものを挙げることができ、好ましくは窒化チタン(TiN)である。TiNは非常に堅牢な材料として知られており、熱に対して安定である。
窒化ホウ素(BN)、窒化珪素(SiN)、窒化マグネシウム(MgN)、窒化モリブデン(MoN
)、窒化カルシウム(CaN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化タンタル(TaN)、窒化バナジウ
ム(BaN)、窒化亜鉛(ZnN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化鉄(FeN)、窒化銅(CuN
)、窒化バリウム(BaN)、窒化ランタン(LaN)、窒化クロム(CrN)、窒化イットリウ
ム(YN)、窒化リチウム(LiN)、窒化チタン(TiN)、およびこれらの複合窒化物等も適用可能である。
例えば、ルテニウム(Ru)の酸窒化物結晶Ru4Si2O7N2等も極めて耐熱性(1500℃)が高く安定な物質であることから薄く成膜することにより、電荷注入層として適用可能である。この場合はゾルゲル法で成膜した後、熱処理を行なうことにより成膜することができる。
、IIA、IIIB族の元素を含むサイアロン、または多元サイアロン等の酸窒化物が適用可能
である。これらはCVD法、スパッタリング法などで形成可能である。この他、窒化珪素酸
ランタン(LaSiON)、窒化珪素酸ランタンユーロピウム(LaEuSi2O2N3)、酸窒化珪素(SiON3)等も適用可能である。これらはおおむね絶縁体であることが多いため、膜厚は1nmから5nm程度と薄くする必要がある。またこれらの化合物はエキシトンの閉じ込め効果が大であり、電子注入を行なう側に形成してもよい。
また、複合酸化物には非常に多くの種類があり、そのうち多くのものが電子的に興味深い物性を持っている。具体的には以下のような化合物を挙げることができるが、これらはあくまでその一例である。
ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、バナジウム酸ナトリウム(Na3VO4)、バナジウム酸鉄(FeVO3)、チタン酸バナジウム(TiVO3)、クロム酸バナジウム(CrVO3)、バナジウム酸ニ
ッケル(NiVO3)、バナジウム酸マグネシウム(MgVO3)、バナジウム酸カルシウム(CaVO3)、バナジウム酸ランタン(LaVO3)、モリブデン酸バナジウム(VMoO5)、モリブデン
酸バナジウム(V2MoO8)、バナジウム酸リチウム(LiV2O5)、珪酸マグネシウム(Mg2SiO4)、珪酸マグネシウム(MgSiO3)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiO4)、チタン酸ストロ
ンチウム(SrTiO3)、マグネシウム酸鉛(PbMgO3)、ニオブ酸鉛(PbNbO3)、ホウ酸バリウム(BaB2O4)、クロム酸ランタン(LaCrO3)、チタン酸リチウム(LiTi2O4)、銅酸ラ
ンタン(LaCuO4)、チタン酸亜鉛(ZnTiO3)、タングステン酸カルシウム(CaWO4)等が
可能となる。
この構成により、電子の抜けをブロックすることができ、電子が発光機能を有した層内で有効に発光に寄与するようにすることができる。
この構成により、電子の抜けを生じ易いホール注入層側に電子ブロック層等のバッファ層が形成されており、かつこれらの層の上に発光機能を有した層が形成されるため、発光機能を有した層がホール注入層の成膜時にダメージを受けるのを防止することができる。ここで陰極としては、電子の注入を容易にするためのカルシウム(Ca)層やバリウム(Ba)層など仕事関数の小さい層を発光層側に配した多層構造体として形成するのが望ましい。
この構成により、真空工程を経ることなく安定で信頼性の高い信頼性の高い発光層を形成することができるため、大面積化が容易となる。
この構成によれば、発光強度の高い露光装置を用いて露光を実現できるため、コンパクトで長寿命かつ信頼性の高い画像形成装置を提供することが可能となる。
図1は本発明の実施の形態1におけるカラー画像形成装置の構成を示す概略図、図2は図1のカラー画像形成装置における露光部を詳細に示す説明図、図3は図2の露光部の光源として用いられる有機EL素子の要部を示す断面図、図4は図2の露光部の光源として用いられる有機EL素子の要部を示す斜視図である。
なお、図2(b)に示すように、露光部6〜9は、ヘッド支持部材6a,7a,8a,9aと、基材6b,7b,8b,9bに実装されてヘッド支持部材6a〜9a上に設けられた封止材6c,7c,8c,9cで気密封止された光源としての有機EL素子6d,7d,8d,9dと、基材6b,7b,8b,9b上に設けられて画像データに対応した電圧を有機EL素子6d〜9dに給電してこれを発光させるドライバ6e,7e,8e,9eとを備え、さらに、基材6b,7b,8b,9b上には、有機EL素子6d〜9dからの照射光を屈折させるプリズム6f,7f,8f,9f、プリズム6f〜9fからの光を集めるファイバアレイ6g,7g,8g,9g、ファイバアレイ6g〜9gからの光を副走査方向に絞り込むシリンドリカルレンズ6h,7h,8h,9hが搭載されているような構成でもよい。なお、この場合プリズム6f〜9fが導波路を構成する。
用紙Pは、給紙ローラ25により給紙部24から1枚ずつ取り出される。
まずガラス基板31上にスパッタリング法によりITO薄膜、続いて真空蒸着法により、金属酸化物薄膜を形成し、これらをフォトリソグラフィによりパターニングすることにより、陽極32および電荷注入層33を形成する。
この後塗布法により高分子材料からなるバッファ層Bおよび発光層34を塗布形成する。
そして最後に陰極35を形成する。
このように本発明の方法によれば、バッファ層Bおよび発光層34が高分子材料を塗布することにより形成されるため、製造が容易でかつ大面積化が可能である。
構造としては図3および図4に示したものと同様であり、図3を参照しつつ説明する。
本実施例1の有機エレクトロルミネッセント素子は、厚さ1mmのコーニング7029#と指称されているガラス製の基板31と、この上層に形成された厚さ20nmのITO薄膜からなる陽極32と、この陽極32の上層に形成された厚さ20nmの酸化モリブデン薄膜からなる電荷注入層33と、電荷注入層33上に形成された、厚さ20nmのポリフルオレン系化合物であるバッファ層Bとしてのポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-アルト-コ-(N,N'-ジフェニル)-N,N’ジ(p-ブチル-オキシフェニル)-1,4-ジアミノベンゼン)]すなわちPoly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(N,N'-diphenyl)-N,N’di(p-butyl-oxyphenyl)-1,4-diaminobenzene)]と、厚さ80nmのポリフルオレン系化合物であるポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-コ-1,4-ベンゾ-{2,1'-3}-チアジアゾール)]、すなわちPoly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-1,4-benzo-{2,1'-3}-thiadiazole)]からなる発光層34と、発光層34上に形成された厚さ20nmのカルシウム(Ca)層と厚さ100nmのアルミニウム(Al)層とからなる陰極35とで構成されている。
バッファ層材料及び発光材料はたとえば日本シーベルヘグナー社にて購入可能である。
度と、そのときモリブデン酸化物素子から取り出された発光の強度の関係を表す発光強度―電流密度曲線を図6に示す。図中縦軸は発光強度(cd/m2)、横軸は電流密度(m
A/cm2)である。図5については比較の為に図4の素子のモリブデン酸化物薄膜をP
EDOTに代えた比較例1の素子(PEDOT素子とする)を同時にプロットしている。また、図6については比較の為に比較例1のPEDOT素子に加えて図1の素子からバッファ層薄膜を除いた比較例2の素子(バッファ層をもたない素子とする)を同時にプロットしている。図5、6について、図中の記号はそれぞれ、(a)および(c)がモリブデン酸化物素子を、(b)および(d)がPEDOT素子を、(e)がバッファ層をもたない素子を表している。
維持することができることがわかる。
な直線性を維持していることがわかる。これに対し、比較例1のPEDOT素子を示す曲線(d)によれば、比較例1の素子では発光強度―電流密度曲線が直線性を示すのはせいぜい40000(cd/m2)までであり、それ以上の発光強度を得ることはできなかっ
た。一方比較例2のバッファ層をもたない素子では曲線(e)に示すように、電流密度に対して得られる発光強度が小さく、電流が有効に発光に寄与していないことがわかる。
これら図5および図6から、本発明の実施例1の有機エレクトロルミネッセント素子であるモリブデン酸化物素子は、幅広い発光強度範囲にわたり安定に動作し、高効率の発光強度を得ることができることがわかる。
で駆動した際の発光輝度の時間変化、ならびに電流値を一定に保つ為に必要となる印加電圧の時間変化を示す。図7についても比較の為に比較例1のPEDOT素子の値を同時にプロットしている。また、両者の輝度変化の比較をより分かりやすくする為に発光輝度を評価開始時の発光輝度で規格化している。図中の記号はそれぞれ(f)が実施例1のモリブデン酸化物素子の発光輝度の変化を、(g)が比較例1のPEDOT素子の発光輝度の変化を、(h)が実施例1のモリブデン酸化物に対する印加電圧の時間変化を、(i)が比較例1のPEDOT素子に対する印加電圧の時間変化を表している。
図7においては実施例1のモリブデン酸化物素子および比較例1のPEDOT素子の経過時間と印加電圧との関係を曲線(h)、(i)で示すように、実施例1のモリブデン酸化物素子によれば長時間にわたって印加電圧の上昇もなく信頼性の高い駆動を実現することができることがあきらかである。また実施例1のモリブデン酸化物素子および比較例1のPEDOT素子の経過時間と発光強度との関係を曲線(f)、(g)で示すように、実施例1のモリブデン酸化物素子によれば長時間にわたって発光強度の低下がより少なくてすみ、より長寿命である事がわかる。
い。また、バッファ層をもたない素子はPEDOT素子のような頭打ちの傾向こそ見られないものの、ほとんどの領域に渡ってPEDOT素子よりも発光強度が低い。これはバッファ層をもたない素子がバッファ層による電子ブロック機能を欠いているため、陰極から発光層に注入された電子の一部が発光に寄与しないままモリブデン酸化物薄膜へ抜けてしまっているためと考えられる。
800mAの時点では、この極めて小さく薄い素子に対して実に600mW以上ものエネルギーが投入されていることになる。有機EL素子は投入した電力の光への変換比率である発光効率が高いが、それでもなお熱の発生は避けられないものであって、モリブデン酸化物素子も評価後は素手では触れぬほどに高温になっている。しかも、これはガラス基板を介してのことであり、発光時の素子そのものの温度はきわめて高くなっていることが容易に推測できるものである。
図8はもっとも単純な有機EL素子の電荷のエネルギー状態を説明するための概略説明図である。また、図9は図8の素子構成に電荷注入層としてのPEDOT層を追加した素子の電荷のエネルギー状態を説明するための簡易説明図、図10は図8の素子構成に電荷注入層としてのモリブデン酸化物層を追加した素子の電荷のエネルギー状態を説明するための概略説明図である。
まず、図8を用いてもっとも単純な有機EL素子の動作について説明する。
いわばエネルギーの塊であって、このエネルギーが光の形で開放されると素子は発光を生じる。
図8において陽極のエネルギーレベルを示す線120と発光層のHOMOを示す線27に注目する。図8中におけるこれらの線の位置はそのまま電場のエネルギーを示しており、線20と線127の高さの違いはそのまま両者のエネルギーレベルの違いを示しているものとする。エネルギーレベルが異なるということはそれぞれのエネルギーレベルにあるホールは異なるエネルギーを持っていることを意味しており、一般に図8のような表現においてホールはより下方にあるものが高いエネルギーを持ち、電子はより上方にあるものが高いエネルギーを持つと定義されている。よって、発光層内のホール127は陽極上のホール126よりも高いエネルギーを持っていることになる。このとき、よりエネルギーの低い陽極上のホール126を発光層内に注入するためにはホール126とホール127の差に見合ったエネルギーを外部より与える必要があり、素子に印加される電圧の一部がこれに充当される。
間に一段踊り場があって、二段階に分けて登ったほうが楽である。これと同じことが注入されるホールにも言えるということである。段差を登るという行為で最終的に獲得される位置エネルギーは踊場の有無にかかわらず同じであるが、そこにいたるまでの過程がより容易に行われるようになる。
のMoO2や3価のMo2O3などである。還元を受けるということは電子を受け取るとい
うことに等しいため、還元され価数が小さくなった酸化物は価数が大きな酸化物よりも電子を放しやすい状態、即ちホールを受け取りやすい状態になる。これは即ち図8から10で表現されるところのより上方のエネルギーレベルを持つということに等しい。
子に応用された時にその優位性を最大限に発揮するものである。一般に低分子有機EL素子は機能層を構成する低分子有機化合物群が真空蒸着によって成膜され、基板上でアモルファス薄膜となっているという構成上、高温環境に弱い。これは、機能層が高温にさらされた時に低分子有機化合物の結晶化が進行してしまい素子の特性が劣化するからである。結晶化温度は高々百℃台であって、この結晶化温度を蒸着に必要な昇華特性を保ったままいかに高く出来るかが低分子有機EL材料の一つの課題となっている。つまり、発光層などの有機物質からなる機能層が熱に対して弱い為に、電荷注入層であるモリブデン酸化物が熱に対して堅牢であっても、その特性を活かしきれないのである。
素子を駆動した際の発光輝度と、一定電流を流す為に必要となる印加電圧をプロットしたものである。140mA/cm2の電流を流した際には2つの素子とも15000cd/
m2付近の高い輝度で発光する。この輝度はなおディスプレイなどの一般的な用途を考え
る際には高いものであるが、図6から分かるようにPEDOT素子も電流密度に対して比例する発光を示している領域であるので両者を比較するには好適である。
前記実施例1の露光装置用有機エレクトロルミネッセント素子では、発光層としてポリフルオレン系化合物を用いたが、この例では発光層34としてPPV系の材料であるポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシロキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、すなわちPoly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]を用いている。
この材料も実施例1と同様にたとえば日本シーベルヘグナー社より購入可能である。
他の構造については前記実施例1と同様に構成した。
この場合、実施例1の場合よりもさらに発光強度を高めることができる。
ム、炭化シリコン、ガリウム砒素、窒化ガリウム等の半導体材料、或いは、顔料等を含んだ前述の透光性基板材料、表面に絶縁処理を施した金属材料、等から適宜選択して用いることができ、複数の基板材料を積層した積層基板を用いることもできる。
してのITOがパターニングされた基板1上に真空蒸着によって成膜されている。前記実施例ではモリブデン酸化物薄膜の膜厚は20nmである。モリブデン酸化物薄膜の膜厚は特に制限は無いが、均一な膜質を得ることができれば、極端に薄いものも有効である。一般的に極端に薄い膜あるいは厚い膜は該して均一な膜質が得られなくなる場合が多いので注意が必要である。また、モリブデン酸化物薄膜は若干着色している為あまりに厚くすると光の取り出し効率が低下するが、用途によっては多少の着色はむしろ発光/非発光のコントラスト比を大きくするという効果があり好都合な場合もある。モリブデン酸化物薄膜の厚さの範囲は概ね1nmから200nmの範囲が本発明の実施に適している。
ン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)、イットリウム(Y)、ランタン(La)等多くの遷移金属の酸化物が同様の特性を示す。また、やや注入特性が劣るものの上記金属を含む多くの遷移金属の窒化物においても有効である。
い場合もある。
して利用できるような化合物を用いることも可能である。したがって、化学式(I)および化学式(II)に示したような化合物およびそれらの誘導体を含む多くの物質が選択可能である。
容易に大面積な有機EL素子の作成が可能となるとともに、有機EL素子の各層間の密着性が向上するため、素子における短絡を抑制することができ、安定性の高い有機EL素子を形成できる。
として好適である。
、ラングミュア・ブロジェット法(LB法)、レイヤーバイレイヤー法、スピンコート法、インクジェット法、ディップコーティング法、スプレー法などの湿式法などから適宜選択可能であり、結果的に本発明の効果を奏効し得るように形成可能な方法であれば、いかなるものでもよいことはいうまでもない。
6d,7d,8d,9d 有機EL素子
30 導波路
31 基板
32 陽極
33 電荷注入層
B バッファ層
34 発光層
35 陰極
Claims (19)
- 有機エレクトロルミネッセント素子と、
前記有機エレクトロルミネッセント素子の光取り出し面に設けられた導波路とを備え、
前記有機エレクトロルミネッセント素子から放射されて前記導波路に入射し、前記光取り出し面から出射される光を露光光として用いる露光装置であって、
前記有機エレクトロルミネッセント素子が、
少なくとも一組の電極と、前記電極間に形成された複数の機能層とを具備し、
前記機能層は、少なくとも1種類の高分子物質からなる発光機能を有した層と、少なくとも1種類のバッファ層と、少なくとも1種類の無機物からなる電荷注入層とを含む露光装置。 - 請求項1に記載の露光装置であって、
前記発光機能を有した層がフルオレン環を含む高分子化合物を含む露光装置。 - 請求項1に記載の露光装置であって、
前記発光機能を有した層がフェニレンビニレン基を含む露光装置。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の露光装置であって、
前記バッファ層の電子親和力をあらわすエネルギー値の絶対値が前記発光機能を有した層の電子親和力をあらわすエネルギー値の絶対値よりも小さい露光装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が酸化物を含む露光装置。 - 請求項7に記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が遷移金属の酸化物を含む露光装置。 - 請求項8に記載の露光装置であって、
前記電荷注入層がモリブデンまたはバナジウムの酸化物を含むことを特徴とする露光装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が窒化物を含む露光装置。 - 請求項10に記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が遷移金属の窒化物を含む露光装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が酸窒化物を含む露光装置。 - 請求項12に記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が遷移金属の酸窒化物を含む露光装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の露光装置であって、
前記電荷注入層が遷移金属を含む複合酸化物を含む露光装置。 - 請求項1乃至14のいずれかに記載の露光装置であって、
前記バッファ層は、ホール注入側に配置された電荷注入層と発光機能を有した層との間に配置される露光装置。 - 請求項15に記載の露光装置であって、
前記バッファ層が高分子層で構成される露光装置。 - 請求項1乃至16のいずれかに記載の露光装置であって、
前記一組の電極のうちの一方の電極である陽極は透光性基板上に形成されており、
前記電荷注入層は、前記陽極上に形成されたホール注入層と、
前記発光機能を有した層を介して前記ホール注入層に対向するように、前記発光機能を有した層の上に形成された電子注入層とで構成され、
前記電子注入層上には前記一組の電極のうち他方の電極である陰極が形成された露光装置。 - 請求項1乃至17のいずれかに記載の露光装置の製造方法であって、
前記有機エレクトロルミネッセント素子の前記発光機能を有した層は、湿式法で形成される露光装置の製造方法。 - 請求項1乃至17の何れかに記載の露光装置と、
前記露光装置により静電潜像が形成される感光体とを有することを特徴とする画像形成装置。
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