JP2006228861A - 有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 直線偏光を発光することができる有機EL素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 透明電極２２上に、通常の有機EL素子に用いられるものと同様の発光層２３を形成する(b)。この発光層２３の表面に、鋭利な先端形状を有する部材２９を用いて、表面に平行な方向の力を加える(c)ことにより、発光層２３中の分子又は微結晶又は微粒子を所定の方向に配向させる(d)。その上に反射電極を形成する(e)。こうして作製された有機EL素子の透明電極２２−反射電極２４間に電圧を印加すると、発光層２３中の分子等が所定方向に配向しているために、その配向方向に対応する方向の直線偏光を発光する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子及びその製造方法に関し、特に、その発光層を構成する分子又は微結晶又は微粒子（以下、「分子等」とする）の配向に特徴を有する有機EL素子及びその製造方法に関する。

有機EL素子は、現在、携帯用機器のディスプレイの画素等として実用化されつつあり、近い将来、大型のディスプレイの分野においても有機EL素子を用いたものが中心的地位を占めることが期待されている。有機EL素子を用いたディスプレイは、自発光型であって別途照明を要しない、薄くて軽い、視野角が広い、低電圧で駆動する、等の特長を有する。また、有機EL素子は、自発光型ディスプレイ以外にも、薄さと低電圧駆動という利点を活かして、例えば液晶ディスプレイのバックライト等に用いることが検討されている。

図１に、従来の有機EL素子の例を示す。透明電極１１と反射電極１２から成る一対の電極層の間に、有機材料から成る発光層１３を設けたものである。この有機EL素子では、透明電極１１と反射電極１２の間に電圧を印加すると、一方の電極からは電子が、他方の電極からは正孔が、それぞれ発光層１３に注入され、これらの電子及び正孔が発光層１３中で再結合して発光する。

一方、有機EL素子を用いて、直線偏光した発光を得ることが検討されている（以下、直線偏光を得ることのできる有機EL素子を「偏光有機EL素子」と呼ぶ）。例えば、偏光有機EL素子からの発光を偏光板に照射し、この発光の偏光面と偏光板の偏光面の成す角度を調整することにより、光を通過/遮断することができる。また、液晶ディスプレイでは一般に、バックライトからの発光を偏光板を通して液晶に照射するが、その際に偏光板の偏光面と一致しない偏光は液晶に照射されないため、光の損失が生じる。このバックライトに偏光有機EL素子を用いることにより偏光板を用いる必要がなくなるため、光の損失を抑えることができると期待される。

特許文献１及び２には、発光層の分子等を配向させることにより、直線偏光した発光を得られることが記載されている。特許文献１には、スピンコート法や蒸着法により作製されたポリイミド等の有機化合物から成る膜をラビング処理する方法、テフロン（登録商標）薄膜等をフリクショントランスファー（摩擦転写）法で形成する方法、あるいは有機化合物から成る膜に偏光を照射して作製した配向処理膜を発光層の下に形成することにより、分子等を配向させた発光層が得られると記載されている。また、特許文献２には、配向した有機化合物薄膜を有機EL素子の電極に熱転写して発光層の下に配向処理膜を形成することにより、分子等を配向させた発光層が得られると記載されている。これらの文献には、上記方法により発光層の分子等を全て同じ方向に配向させることにより、偏光を制御することができると記載されている。

特開平11-204261号公報（[0021]〜[0023]、[0026], 表1〜2, 図1） 特表2004-525493号公報（[0004]）

本発明が解決しようとする課題は、発光層等を構成する有機材料の分子等の配向方向に特徴を有する偏光有機EL素子を提供し、併せてそのような有機EL素子の製造に好適な方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る有機EL素子は、
１対の電極層の間に有機材料から成る発光層を有する有機EL素子であって、該発光層の少なくとも一部領域において分子又は微結晶又は微粒子が所定の方向に配向していることを特徴とする。しかも、本発明の技術では、上記特許文献１又は２で示された技術とは異なり、配向処理膜を必要としない。

本発明に係る有機EL素子製造方法は、１対の電極層の間に有機半導体材料から成る発光層を有する有機EL素子の製造方法であって、
発光層を形成した後、鋭利な先端形状を有する部材を用いて該発光層の表面に平行な方向の力を該発光層に加えることにより、該発光層の少なくとも一部領域の分子又は微結晶又は微粒子の配向方向を所定の方向に変化させる配向工程を有することを特徴とする。

発光層の一部領域の分子等を配向させる際には、その領域の温度を制御し、或いは該層に所定の方向の電界及び／又は磁界を印加してもよい。

これらの製造方法により、少なくとも一部の領域において分子等が所定の方向に配向した有機材料から成る発光層を有する有機EL素子が得られる。

上記製造方法を用いることにより、次のようなことも可能となる。すなわち、発光層を複数の領域に分割し、各領域毎に上記配向処理を施すことにより、多数の互いに配向方向が同一又は異なる領域を有する発光層を得ることができる。このような構成を有する有機EL素子は、画像表示デバイス等に使用することが可能となる。

発明の実施の形態及び効果

本願発明者は、有機半導体等の有機材料から成る薄膜について、製膜途中又は製膜後の膜全体又は膜内の任意の領域にAFMの探針等の鋭利な先端形状を有する部材を用いて力を加えることにより、その力を受けた領域内の分子等を任意の方向に配向させることができることを見い出した。分子等を配向させる領域の大きさは10nm x10nm以下にすることができ、また、領域毎に力を加える方向を変えることにより、分子等を領域毎に異なる方向に配向させることができる。この配向の方法は、国際公開WO2004/026459号公報に詳しく記載されている。本発明は、この配向方法を利用して発光層内の任意の領域内の分子等を任意の方向に配向させることにより、新規な特性を有する有機EL素子を提供するものである。また、この配向方法を利用して新規な有機EL素子を製造する方法を提供するものである。本発明によれば、配向させた領域においても平坦且つ平滑な発光層を得ることができる。例えば、本発明の方法により加工される発光層の加工領域の平均粗さ(Ra)を100nm以下とすることは容易であり、50nm以下、さらには20nm以下とすることも可能である。

なお、以下の説明においては、電極層や発光層等の相対的な位置関係を表すために、便宜上、「電極層の上」、「発光層の上」等の表現を用いるが、各層の相対的な位置関係が同じであれば、素子自体の向きは問わない。

まず、本発明の有機EL素子について説明する。
本発明の有機EL素子は、図２(a)に示すように、従来のものと同様、１対の電極１０１、１０２の間に有機材料から成る発光層１０３を有する。なお、電極間には発光層の他に電荷注入層や電荷輸送層が存在していてもよい。これらの層は１層に限らず複数層存在していてもよい。これらの層が存在することにより、発光層内への正孔及び電子の注入・輸送が容易になり、素子の発光効率及び寿命が向上する。更に、発光層を保護するための保護層等が存在していてもよい。

発光層１０３中の一部の領域１０４中の分子等を所定の方向に配向させる。配向させる領域は、発光層１０３の全面であっても構わないし、図２(b)に示すように、一部の領域のみであってもよい。この方法を用いることにより、図２(c)に示すように、発光層１０３を複数の領域１０５ａ、１０５ｂ、...に分け、図中に矢印で示すように、分子等を領域毎にそれぞれ異なる方向に配向させることも可能となる。

本発明の有機EL素子の発光層の材料には、分子等を所定の方向に配向させることができるものを用いる必要があるが、後述の製造方法を用いることにより、従来の有機EL素子に用いられる有機材料のほとんどをそのまま用いることができる。

本発明の有機EL素子の動作を説明する。電極１０１、１０２間に電圧を印加することにより、一方の電極からは電子が、他方の電極からは正孔が、それぞれ発光層１０３に注入され、これらの電子及び正孔が発光層１０３中で再結合して光を発生する。発生した光は発光層１０３内を通って電極１０１、１０２のいずれかの側から素子の外部に取り出される。このうち、所定方向に配向させた領域からは、その配向方向に応じた直線偏光が得られる。図２(c)に示すように、発光層１０３を複数の領域に分けて分子等を領域毎にそれぞれ所定の方向に配向させた有機EL素子では、領域毎に異なる偏光を取り出すことができる。

本発明の有機EL素子を利用して、例えば発光面（電極１０１又は１０２の表面）に垂直な方向の軸を中心に回動可能な偏光板を設けることにより、偏光板の回動角度に応じて外部に光が取り出される領域を切り替えることのできるという、従来にはない機能を有する光機能素子を得ることもできる。

次に、本発明に係る有機EL素子の製造方法について説明する。本発明の方法では、１対の電極層の間に、発光層のみを有するもの、並びに、発光層及び電荷注入層や電荷輸送層等の他の層を有するもの、のいずれの有機EL素子も製造することができる。

まず、有機材料から成る発光層を作製する。発光層の作製には、蒸着法やスピンコート法等の従来の方法を用いることができる。ここで、第１の電極層の上に直接発光層を形成してもよいし、電極層の上に電荷注入層や電荷輸送層等を形成し、その上に発光層を形成してもよい。この発光層の少なくとも一部の領域の表面に、鋭利な先端形状を有する部材を用いて表面に平行な方向の力を加える。これにより、発光層を構成する有機材料の分子等を、部材が加える力に応じた方向に配向させる（配向工程）。この発光層の上に、直接第２の電極層を形成するか、又は電荷注入層や電荷輸送層等を形成し、その上に第２の電極層を形成することにより、偏光有機EL素子が得られる。

前記配向工程において、発光層を複数の領域に分割し、各領域毎に上記配向処理を行うことにより、領域毎に異なる偏光面を有する偏光有機EL素子を製造することもできる。

発光層の表面に平行な方向の力を該層に加える方法としては、例えば、鋭利な先端形状を有する部材を定常的または間欠的に該層の表面に接触させた状態で、該部材を該層に平行な方向に微小距離だけ移動または振動させることが挙げられる。ここで、「定常的に接触させた状態」とは、該部材と該層の表面の間の距離又は接触圧が一定になるように制御された状態を指す。また、「間欠的に接触させた状態」とは、両者の間の距離又は接触圧が周期的又は非周期的に変化するように制御された状態を指す。また、該部材の先端位置が静止していても、発光層の表面に平行な方向の力を該部材に対して加えた時に該部材が弾性変形するようにすれば、発光層の表面に平行な方向の力を該層に加えることができる。あるいは、発光層に平行方向に振動する超音波振動を該部材に伝播させるなどの手段によっても上記の力を加えることが可能である。さらに、力学的な力以外の、例えば電磁気的な力を用いることも可能である。

前記部材を用いた操作を行う際に、発光層の温度を制御することにより、分子等がより配向し易くなったり、配向方向を制御したりすることができる場合がある。その場合は、上記操作の際に発光層の温度を制御することが望ましい。この温度制御は、発光層全体を加熱又は冷却するものであってもよいし、上記部材を加熱又は冷却することにより発光層を局所的に加熱又は冷却するものであってもよい。

有機材料が電気双極子を有する場合には、発光層に電界が印加されると、分子等は分極が電界に平行になるように電界から力を受ける。そのため、上記部材を用いた操作を行う際に、分子等を配向させようとする方向に応じた方向に電界を印加することにより、分子等を更に精度よく配向させることができる。同様に、有機材料が磁性を有する場合には、上記部材を用いた操作を行う際に、分子等を配向させようとする方向に応じた方向に磁界を印加することにより、分子等を更に精度よく配向させることができる。

複数個の部材を同時に発光層上で移動又は振動させてもよい。これにより、生産効率を向上させることができる。

発光層に用いることができる有機材料には、例えばポリチオフェン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリフェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリビニルカルバゾール等のポリマー、キノリウムアルミ錯体（Alq3）、オリゴチオフェン誘導体、チオフェン／フェニレンオリゴ共重合体、アントラセン誘導体、ペンタセン誘導体等のモノマーやオリゴマーがある。

本発明に係る有機EL素子及びその製造方法の実施例を、図３〜図９を用いて説明する。
図３に、本発明に係る有機EL素子の製造方法の一実施例の断面図を示す。ガラス基板２１の上に、透明電極２２を形成する(a)。透明電極２２の材料にはITO（インジウムスズ酸化物）等を用いることができる。透明電極２２の上に、発光層の材料となる有機材料を積層させることにより発光層２３’を形成する(b)。発光層２３’の有機材料には前述のものを用いることができる。また、発光層２３’はスピンコート法、蒸着法、インクジェット法等、従来の有機EL素子の製造において用いられる方法により作製することができる。

通常の発光層２３’は、ランダムな方向を向いた分子等から成る。本実施例では、このような分子等から成る発光層２３’の表面に、鋭利な先端形状を有する部材２９を接触させ、該表面に平行に移動させることにより、この表面に平行な方向の力を加える(図３(c))。部材２９にはAFMの探針と同様のものを用いることができる。この操作は、分子等を配向させようとする領域に対して行う。分子等が領域毎に異なる方向に配向した有機EL素子を作製する場合には、この力を領域毎に異なる方向に加える。

これにより、例えば図４に示すように、その材料と部材２９の移動方向、即ち加えた力の方向により定まる方向に配向した分子等から成る発光層２３が得られる。例えば、元の発光層２３’がランダムな方向を向いた剛直鎖高分子から成る場合には、この力を加えることにより、部材によって加えられた力の方向に高分子鎖が配向し、分子２３ａが束状に並んだ微結晶２３ｂが形成される。また、発光層２３’が、低分子、高分子又はオリゴマーが配向して形成された多数の微結晶で構成され、これらの微結晶が発光層面内において互いにランダムな方向を向いている場合や、さらには発光層２３’が直線偏光を発光し得る多数の微粒子で構成され、しかもこれらの微粒子が発光層面内において互いにランダムな方向を向いている場合には、部材２９を用いて上記の力を加えることにより、微結晶又は微粒子が回転し、その結果、微結晶又は微粒子を所定の方向に配向させることができる。なお、発光層２３の材料の違い等により、図４に示すもの以外の向きに配向する場合もある。

発光層２３の上に反射電極２４を形成する(図３(e))。反射電極２４の材料には、例えば金等、通常の有機EL素子で使用されるものを用いることができる。こうして、本発明に係る有機EL素子２０が完成する。

なお、上記実施例では透明電極２２、発光層２３、反射電極２４の順に作製したが、反射電極２４、発光層２３、透明電極２２の順に作製してもよい。

こうして得られた有機EL素子２０においては、透明電極２２と反射電極２４の間に電圧を印加することにより、一方の電極からは電子が、他方の電極からは正孔が、それぞれ発光層２３に注入され、これら電子と正孔が発光層２３内で再結合して発光する。この光は透明電極２２側から有機EL素子２０の外部に取り出される。その際、発光層２３内の分子等が配向していることにより、取り出された光は分子等の配向方向に応じた直線偏光となる。

図５に示すように、図３(c)等に示される発光層中の分子等を配向させる工程において、これらの層の温度を制御することにより、分子等を配向しやすくしたり、分子等の配向方向を制御したりすることができる場合がある。図５(a)では有機EL素子の構成要素及び部材２９の全体を加熱し、図５(b)ではヒータ２８により部材２９を加熱しているが、いずれの方法によっても発光層を加熱することができる。

図６に、発光層に電界を印加しつつ部材による操作を行う例を示す。部材４１の前後（部材４１の移動方向４２を基準とする）に１対の電極４３ａ及び４３ｂを設け、両電極の間に直流電圧を印加する。これにより、移動方向４２と同じ向きの電界を生成する。発光層が電気分極を有する場合には、この状態で部材４１を発光層の表面に接触させて該表面に平行に移動させることにより、部材４１からの力と電界からの力の双方を分子等に与えて、その方向を制御することができる。

図７に示すように、部材４４を複数個同時に発光層上で移動させることにより、部材１個で行う場合よりも発光層内の分子等を配向させるのに要する時間を短くすることができ、有機EL素子の生産効率を向上させることができる。

図８に、分子が配向した発光層を形成した例を顕微鏡写真で示す。この図は、発光層の材料であってポリフェニレンビニレン誘導体であるMEH-PPV（Poly(2-methoxy,5-(2'-ethylhexyloxy))-1,4-phenylenevinylene)）の膜に対して、AFMの探針から成る部材を用いて前述のような処理を行う前後の膜のAFM像を示したものである。ここで、探針により膜に力を加えた時の膜の温度は30℃に設定し、電界や磁界は印加しなかった。配向処理時に探針により膜に力を加えた方向は図の縦方向（符号５１の矢印の方向）である。この配向処理前のAFM像(a)では分子がランダムな方向を向いたアモルファスであったのに対して、配向処理後のAFM像(b)では同じ方向（探針により力を加えた方向）に配向した微結晶が形成されていることがわかる。図８(a)、(b)に示される表面の平均表面粗さRaはそれぞれ2.61nm及び4.85nm、最大高低差Rzはそれぞれ26.8nm及び42.8nmであった。このように、本発明の技術を用いることにより、表面が非常に平坦且つ平滑な分子配向膜を実現できることがわかる。

図９(a)に、分子等を領域毎に所定の方向に配向させた有機EL素子６０の実施例を示す。透明電極６１と反射電極６２の間に発光層６３を設け、この発光層６３に、分子を所定の方向に配向させた領域６４ａと、それに対して90°の方向に分子を配向させた領域６４ｂを交互に設ける。この有機EL素子６０の透明電極６１と反射電極６２の間に電圧を印加すると、領域６４ａ及び領域６４ｂからそれぞれ、偏光方向が90°異なる直線偏光が透明電極６１側から外部に取り出される。

図９(b)に示すように、有機EL素子６０の透明電極６１上に、発光層６３に略垂直な軸を中心に回動可能な偏光板６４を設ける。この構成によれば、偏光板６４を回動させることにより、回動角度に応じて、領域６４ａ又は領域６４ｂの一方のみから発光が取り出される。

なお、図９は１対の電極間に発光層のみを有する有機EL素子の例を示しているが、発光層に加えて電荷注入層、電荷輸送層、保護層等の他の層を設けてもよい。

従来の有機EL素子の例を示す断面図。 本発明に係る有機EL素子の概念図。 本発明に係る有機EL素子の製造方法の一実施例を示す断面図。 発光層内の分子等の配向を示す平面図。 発光層の加熱方法を示す断面図。 発光層への電界印加方法を示す断面図。 部材４４を複数個用いる場合を示す斜視図。 部材で処理を行う前(a)及び後(b)のMEH-PPV膜のAFM像。 分子等を領域毎に所定の方向に配向させた有機EL素子及びそれに偏光板を付加した有機EL素子の例を示す斜視図。

符号の説明

１１、２２、６１、１０１…透明電極
１２、２４、６２、１０２…反射電極
１３、２３、６３、１０３…発光層
１５…配向処理膜
２０…有機EL素子
２１…ガラス基板
２３’…配向処理前の発光層
２３ａ…分子
２３ｂ…微結晶
２８…ヒータ
２９、４１、４４…鋭利な先端形状を有する部材
４２…部材の移動方向
４３ａ、４３ｂ…部材４１に設けた電極
５１…探針の移動方向
６４…偏光板

Claims (9)

1. １対の電極層の間に有機材料から成る発光層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、該発光層の少なくとも一部領域において分子又は微結晶又は微粒子が所定の方向に配向していることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
2. 前記発光層が分子又は微結晶又は微粒子が配向している領域を複数有し、分子又は微結晶又は微粒子が各領域毎に同一又は異なる方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
3. １対の電極層の間に有機材料から成る発光層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
   発光層を形成した後、鋭利な先端形状を有する部材を用いて該発光層の表面に平行な方向の力を該発光層に加えることにより、該発光層の少なくとも一部領域の分子又は微結晶又は微粒子の配向方向を所定の方向に変化させる配向工程を有することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子製造方法。
4. 前記配向工程において、分子又は微結晶又は微粒子を配向させる領域の温度を制御することを特徴とする請求項３に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子製造方法。
5. 前記配向工程において、分子又は微結晶又は微粒子を配向させる領域に所定の方向の電界を印加することを特徴とする請求項３又は４に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子製造方法。
6. 前記配向工程において、分子又は微結晶又は微粒子を配向させる領域に所定の方向の磁界を印加することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子製造方法。
7. 前記配向工程において、前記部材を同時に複数個用いて分子又は微結晶又は微粒子を所定の方向に配向させることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子製造方法。
8. 前記配向工程において、分子又は微結晶又は微粒子を配向させる層を複数の領域に分割し、各領域毎に同一又は異なる方向に配向することを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子製造方法。
9. 請求項３〜８に記載の方法により製造された、所定の方向に配向した発光層を有することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。