JP2006134660A - 有機ｅｌ素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】逆積層構造の有機ＥＬ素子で高い発光効率を実現すること。
【解決手段】本発明の有機ＥＬ素子の製造方法は、逆積層構造の有機ＥＬ素子１に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子１にかかる電圧が１０Ｖの時に前記有機ＥＬ素子１に流れる電流密度が０．０７５ｍＡ／ｃｍ2以上となるよう行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子の製造方法に関する。
有機ＥＬ素子の構造には、通常積層構造と逆積層構造とがある。通常積層構造は、基板上に、陽極、発光層を含んだ有機物層、陰極がこの順に積層された構造であり、逆積層構造は、それらの積層順を逆にした構造である。
これら有機ＥＬ素子では、通常、陽極の材料としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電性酸化物を使用し、陰極の材料として金属又は合金を使用している。現状では、発光層から生じた光を基板側から取り出す下面発光型、逆側から取り出す上面発光型があるが、取り出し方向によらず通常積層構造を採用する場合が多い。
ところで、特許文献１には、有機ＥＬ素子を安定動作させるためにエージングを行うことが開示され、有機ＥＬ素子に、順電圧、逆電圧、又はそれら電圧の組み合わせ波形からなる電圧を印加するエージングを行うことが記載されている。
特開平４−１４７９４号公報
本発明の目的は、逆積層構造の有機ＥＬ素子で高い発光効率を実現することにある。
本発明の第１側面によると、逆積層構造の有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子にかかる電圧が１０Ｖの時に前記有機ＥＬ素子に流れる電流密度が０．０７５ｍＡ／ｃｍ2以上となるよう行うことを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法が提供される。
本発明の第２側面によると、逆積層構造の有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子にかかる電圧が１０Ｖの時に前記有機ＥＬ素子に流れる電流密度が、前記エージング工程の前における値の３倍以上に増加する条件のもとで行うことを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法が提供される。
本発明の第３側面によると、逆積層構造の有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子をその外部に位置した熱源で加熱しながら行うことを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法が提供される。
ここで、「逆積層構造の有機ＥＬ素子」は、下地上に、陰極、発光層、陽極がこの順に積層された構造を有する有機ＥＬ素子を意味している。また、「有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加する」ことは、有機ＥＬ素子の陽極及び陰極間に、陽極が陰極よりも低電位となるような電圧を印加することを意味している。
本発明によると、逆積層構造の有機ＥＬ素子で高い発光効率を実現することができる。
以下、本発明の態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同様又は類似する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の一態様に係る方法で製造可能な有機ＥＬ素子の一例を概略的に示す断面図である。
この有機ＥＬ素子１は、逆積層構造の有機ＥＬ素子であって、例えば、ガラス基板やその上に形成された絶縁層などの下地２上に形成されている。有機ＥＬ素子１は、陰極１１、電子注入層１２、電子輸送層１３、発光層１４、正孔輸送層１５、正孔注入層１６及び陽極１７を含んでいる。
陰極１１は、光反射性であり、反射層としての役割を果たしている。陰極１１の材料としては、例えば、アルミニウムや銀などの金属及びアルミニウム合金などの合金を使用することができる。
電子注入層１２は、陰極１１と発光層１４との間に配置され且つ陰極１１と接触した無機物層である。電子注入層１２の材料としては、典型的には、その電子親和力が、陰極１１の仕事関数と発光層１４の電子親和力との間にあるものを使用する。電子注入層１２の材料としては、例えば、フッ化リチウムなどのアルカリ金属化合物やアルカリ土類化合物を使用することができる。電子注入層１２の厚さは、例えば０．５ｎｍ乃至３ｎｍ程度とする。
電子輸送層１３は、電子注入層１２と発光層１４との間に介在した有機物層である。電子輸送層１３の材料としては、典型的には、その電子親和力が、電子注入層１２の電子親和力と発光層１４の電子親和力との間にあるものを使用する。電子輸送層１３の材料としては、例えば、オキシンを３配位したアルミニウム錯体であるトリス（８−ヒドロキシキノレート）アルミニウム（Ａｌｑ3）などの有機金属錯体を使用することができる。電子輸送層１３の厚さは、例えば５ｎｍ乃至５０ｎｍ程度とする。
発光層１４は、電子と正孔とが再結合し、これに伴い、発光を生じる有機物層である。発光層１４は、電子輸送層１３を兼ねていてもよい。発光層１４の材料としては、例えば、ホスト材料に発光中心としてドーパントを添加してなるものを使用することができる。発光層１４の厚さは、例えば５ｎｍ乃至５０ｎｍ程度とする。
正孔輸送層１５は、発光層１４と正孔注入層１６との間に介在した層である。正孔輸送層１５の材料としては、典型的には、そのイオン化エネルギーが、発光層１４のイオン化エネルギーと正孔注入層１６のイオン化エネルギーとの間にあるものを使用する。正孔輸送層１５の材料としては、例えば、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（αＮＰＤ）などの有機物を使用することができる。正孔輸送層１５の厚さは、例えば５ｎｍ乃至２００ｎｍ程度とする。
正孔注入層１６は、発光層１４と陽極１７との間に介在し且つ陽極１７と接触した層である。正孔注入層１６の材料としては、典型的には、そのイオン化エネルギーが、発光層１４のイオン化エネルギーと陽極１７の仕事関数との間にあるものを使用する。正孔注入層１６の材料としては、例えば、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）を使用することができる。正孔注入層１６の厚さは、例えば３ｎｍ乃至１０ｎｍ程度とする。
陽極１７は、光透過性である。陽極１７の材料としては、例えば、ＩＴＯなどの透明導電性酸化物を使用することができる。
本態様では、この有機ＥＬ素子１を、例えば以下の方法により製造する。
まず、下地２上に、陰極１１、電子注入層１２、電子輸送層１３、発光層１４、正孔輸送層１５、正孔注入層１６及び陽極１７を順次形成して、有機ＥＬ素子１を得る。これら層は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法などを利用して形成することができる。
次に、エージングを行う。すなわち、例えば窒素雰囲気などの不活性ガス雰囲気中で、陰極１１と陽極１７との間に逆バイアスを印加する。こうすると、エージング前と比較して、有機ＥＬ素子１の注入効率が高くなる。その結果、エージング前と同等の輝度での発光を、より低い駆動電圧で生じさせることが可能となる。ここで、逆バイアスとは、陽極と陰極の関係が、有機ＥＬ素子が発光動作を行う場合の電位関係と逆の関係となる場合をいい、陽極が陰極に対し負の電圧である場合をいう。
本発明者らは、後で詳述するように、このエージングにより、陰極１７と発光層１４との間の構造が変化し、その結果、発光層１４への電子の注入が生じ易くなると考えている。特に、陰極と発光層との間に電子注入層を備えた構造の場合に電子の注入効率が著しく向上させることができる。つまり、成膜順序を陰極、電子注入層、発光層、陽極とした場合に、本発明のエージングにより、陰極と発光層との間の構造を変化させることが可能となる。
上記のエージングは、例えば、有機ＥＬ素子１の注入効率が、エージング前における値の３倍以上に増加する条件のもとで行う。
有機ＥＬ素子１に印加する逆バイアスの大きさは、例えば、約５Ｖ乃至約３０Ｖの範囲内とする。逆バイアスが小さい場合、有機ＥＬ素子１の注入効率を短時間で高めることができない。また、逆バイアスが大きい場合、有機ＥＬ素子１を破壊する可能性がある。
エージングの継続時間は、例えば、約３０分乃至約２４時間の範囲内とする。エージング継続時間が短い場合、有機ＥＬ素子１の注入効率を十分に高めることができない。また、エージング継続時間が長い場合、高い生産性を実現できない。
エージングは、有機ＥＬ素子１をその外部に位置した熱源で加熱しながら行ってもよい。例えば、有機ＥＬ素子１を約４０℃乃至８０℃，望ましくは６０℃程度，に加熱しながら、エージングを行ってもよい。こうすると、より短いエージング継続時間で又はより小さな逆バイアスで、有機ＥＬ素子１の注入効率を高めることができる。
上記の方法で製造した有機ＥＬ素子１は、様々な機器の発光素子として利用することができる。例えば、この有機ＥＬ素子１は、有機ＥＬ表示装置の表示素子として利用することができる。
有機ＥＬ表示装置には、有機ＥＬ素子が放出する光を下地側から取り出す下面発光型と、その反対側から取り出す上面発光型との何れかの構造を採用することができる。上面発光型の有機ＥＬ表示装置では、下面発光型の有機ＥＬ表示装置とは異なり、有機ＥＬ素子と厚さ方向に重なり合う位置に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や配線などを配置したとしても、それらによって有機ＥＬ素子からの光が遮られることはない。そのため、上面発光型によると、より小さな電流密度で下面発光型と同等の輝度を実現することができる。
したがって、上面発光型の有機ＥＬ表示装置で有機ＥＬ素子に逆積層構造を採用すると共に、上記のエージングを行うと、低消費電力と長寿命との双方を実現することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
（試験１）
図２は、試験用素子を概略的に示す断面図である。この試験用素子１０は、ガラス基板２上に、厚さ１００ｎｍのＡｌ層１１ａ、厚さ１ｎｍのＬｉＦ層１２ａ、厚さ２００ｎｍのＡｌｑ3層１３、厚さ１ｎｍのＬｉＦ層１２ｂ及び厚さ１００ｎｍのＡｌ層１１ｂをこの順に積層した構造を有している。なお、これら層は、真空蒸着法により成膜した。
本例では、まず、図２の試験用素子１０の電流電圧特性を測定した。その結果を図３に示す。
図３は、図２に示す試験用素子の電流電圧特性を示すグラフである。図中、横軸はＡｌ層１１ａとＡｌ層１１ｂとの間に印加した電圧を示し、縦軸は電流密度を示している。また、図中、「初期（順）」と表記したデータは、Ａｌ層１１ａがＡｌ層１１ｂよりも低電位となるように電圧を印加した場合に得られたものであり、「初期（逆）」と表記したデータは、Ａｌ層１１ａがＡｌ層１１ｂよりも高電位となるように電圧を印加した場合に得られたものである。なお、本例では、Ａｌ層１１ａ及びＡｌ層１１ｂをそれぞれ陰極及び陽極とみなし、Ａｌ層１１ａがＡｌ層１１ｂよりも低電位となるように電圧を印加した場合の電流電圧特性を「順方向特性」と呼び、Ａｌ層１１ａがＡｌ層１１ｂよりも高電位となるように電圧を印加した場合の電流電圧特性を「逆方向特性」と呼ぶこととする。
上記の通り、この試験用素子１０は、厚さ方向に対称な層構造を有している。したがって、本来、この試験用素子１０の順方向特性と逆方向特性とは互いに等しい筈である。しかしながら、実際には、図３に示すように、順方向特性は、逆方向特性と比較して著しく劣っていた。
この試験用素子１０では、電子をキャリアとして電流が流れる。また、Ａｌｑ3の電子親和力はＡｌの仕事関数よりも小さく、ＬｉＦの電子親和力は、Ａｌの仕事関数とＡｌｑ3の電子親和力との間にある。したがって、先の順方向特性と逆方向特性との相違は、Ａｌ層１１ａ側における電子の注入効率が、Ａｌ層１１ｂ側における電子の注入効率よりも低いことを示している。
以上から、逆積層構造の有機ＥＬ素子が通常積層構造の有機ＥＬ素子と比較して発光効率が低いのは、前者は後者と比較して電子の注入効率が低いためであることが分かる。したがって、逆積層構造の有機ＥＬ素子であっても、電子の注入効率を高めることができれば、高い発光効率を実現することができる。
（試験２）
次に、この試験用素子１０に室温（２５℃）下でエージングを行い、エージング後の順方向特性と逆方向特性とを測定した。このエージングでは、Ａｌ層１１ａがＡｌ層１１ｂよりも低電位となるようにそれらの間に直流電圧を印加し、エージング開始から終了までの間、電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に維持した。その結果を図４及び図５に示す。
図４は、室温のもと電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフである。図５は、室温のもと電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフである。
図中、横軸は電圧を示し、縦軸は電流密度を示している。また、図中、「初期」と表記したデータはエージング前のデータであり、「１７ｈ」、「３８ｈ」、「８３ｈ」、「２２２ｈ」、「５２０ｈ」、「７５０ｈ」及び「１１６０ｈ」と表記したデータは、それぞれ、エージング継続時間を１７時間、３８時間、８３時間、２２２時間、５２０時間、７５０時間及び１１６０時間とした場合のエージング後のデータである。
図５に示すように、逆方向特性は、エージング前後で殆ど変化しなかった。これに対し、順方向特性は、図４に示すように、エージングを行うことにより向上した。すなわち、エージングにより、Ａｌ層１１ａ側における電子の注入効率を高めることができた。
また、図４に示すように、エージング継続時間が長いほど、エージングによって順方向特性が向上する効果が大きかった。但し、エージングが長時間に及ぶと、エージング継続時間に対する順方向特性の変化は小さくなった。
（試験３）
次に、試験１で使用したのと同様の試験用素子１０を用い、エージング開始から終了までの期間にＡｌ層１１ａとＡｌ層１１ｂとの間に流す電流の大きさが、エージング後の電流電圧特性に与える影響を調べた。その結果を、図６乃至図１１に示す。
図６は、室温のもと電流密度を２０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフである。図７は、室温のもと電流密度を２０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフである。図８は、室温のもと電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフである。図９は、室温のもと電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフである。図１０は、室温のもと電流密度を５ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフである。図１１は、室温のもと電流密度を５ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフである。
図中、横軸は電圧を示し、縦軸は電流密度を示している。また、図中、「初期」と表記したデータはエージング前のデータであり、「１７ｈ」、「３８ｈ」、「８３ｈ」、「２２２ｈ」、「５２０ｈ」、「７５０ｈ」及び「１１６０ｈ」と表記したデータは、それぞれ、エージング継続時間を１７時間、３８時間、８３時間、２２２時間、５２０時間、７５０時間及び１１６０時間とした場合のエージング後のデータである。
図５、図７、図９及び図１１に示すように、逆方向特性は、エージング開始から終了までの期間にＡｌ層１１ａとＡｌ層１１ｂとの間に流す電流をどのような大きさに設定しようと、エージング前後で殆ど変化しなかった。これに対し、順方向特性については、図４、図８、図１０及び図１２に示すように、先の電流を大きくするほど、より短い時間で一定の特性向上効果が得られた。
（試験４）
次に、試験１で使用したのと同様の試験用素子１０を用い、エージング期間中の温度がエージング後の順方向特性に与える影響を調べた。その結果を、図１２乃至図１３に示す。
図１２は、室温のもと電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフである。図１３は、試験用素子１０をヒータで６０℃に加熱しながら電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフである。
図中、横軸は電圧を示し、縦軸は電流密度を示している。また、図中、「初期」と表記したデータはエージング前のデータであり、「１７ｈ」、「２０ｈ」、「３８ｈ」、「４５ｈ」、「８３ｈ」、「９０ｈ」、「１６４ｈ」及び「２２２ｈ」と表記したデータは、それぞれ、エージング継続時間を１７時間、２０時間、３８時間、４５時間、８３時間、９０時間、１６４時間及び２２２時間とした場合のエージング後のデータである。
図１２及び図１３の比較から明らかなように、試験用素子１０を加熱しながらエージングを行った場合、試験用素子１０を加熱せずにエージングを行った場合と比較して、より短い時間で一定の特性向上効果が得られた。
本発明の一態様に係る方法で製造可能な有機ＥＬ素子の一例を概略的に示す断面図。 試験用素子を概略的に示す断面図。 図２に示す試験用素子の電流電圧特性を示すグラフ。 室温のもと電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を２０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を２０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を５ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を５ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と逆方向特性との関係を示すグラフ。 室温のもと電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフ。 試験用素子をヒータで６０℃に加熱しながら電流密度を３０ｍＡ／ｃｍ2に設定してエージングを行った場合のエージング継続時間と順方向特性との関係を示すグラフ。
符号の説明
１…有機ＥＬ素子、２…下地、１０…試験用素子、１１…陰極、１１ａ…Ａｌ層、１１ｂ…Ａｌ層、１２…電子注入層、１２ａ…ＬｉＦ層、１２ｂ…ＬｉＦ層、１３…電子輸送層、１４…発光層、１５…正孔輸送層、１６…正孔注入層、１７…陽極。

Claims (9)

  1. 逆積層構造の有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子にかかる電圧が１０Ｖの時に前記有機ＥＬ素子に流れる電流密度が０．０７５ｍＡ／ｃｍ2以上となるよう行うことを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法。
  2. 逆積層構造の有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子にかかる電圧が１０Ｖの時に前記有機ＥＬ素子に流れる電流密度が、前記エージング工程の前における値の３倍以上に増加する条件のもとで行うことを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法。
  3. 前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子をその外部に位置した熱源で加熱しながら行うことを特徴とする請求項２に記載の有機ＥＬ素子の製造方法。
  4. 逆積層構造の有機ＥＬ素子に逆バイアスを印加するエージング工程を含み、前記エージング工程は、前記有機ＥＬ素子をその外部に位置した熱源で加熱しながら行うことを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法。
  5. 前記有機ＥＬ素子は、陰極、発光層、陽極の順で成膜されることを特徴とする請求項２に記載の有機ＥＬ素子の製造方法。
  6. 前記有機ＥＬ素子は、前記陰極および前記発光層の間に電子バッファ層を含むことを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子の製造方法。
  7. 前記電子バッファ層はフッ化物層であることを特徴とする請求項６に記載の有機ＥＬ素子の製造方法。
  8. 前記陰極はアルミニウムであり、前記電子バッファ層はフッ化リチウムであることを特徴とする請求項７に記載の有機ＥＬ素子の製造方法。
  9. 前記加熱は、４０℃乃至８０℃の温度で行うことを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子の製造方法。
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