JP2007265680A - 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】寿命が長い有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】透明基板２上に、陽極３、正孔輸送層４、電子ブロック層５、発光層６、電子注入層７及び陰極８をこの順に積層して、有機ＥＬ素子１を製造する。そして、発光層６を形成する際に、有機材料をキシレン等の溶媒に溶解させて有機溶液を調製し、この有機溶液を電子ブロック層５上に塗布して有機溶液層を形成し、この有機溶液層を乾燥させて発光層６を形成する。このとき、溶媒として、水分濃度及び酸素濃度が１００質量ｐｐｍ以下に規制された溶媒を使用し、例えば、水分濃度及び酸素濃度がそれぞれ、有機溶液の塗布及び乾燥を行う雰囲気の水分濃度及び酸素濃度よりも低い溶媒を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法に関し、特に、有機材料を溶媒に溶解させて有機材料層を形成する有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法に関する。

有機エレクトロルミネッセンス（Electro Luminescence：電界発光）素子（以下、「有機ＥＬ素子」ともいう）は、自発光型の素子であると共に低温大面積プロセスにより製造可能な素子であることから、次世代の薄膜ディスプレイへの適用が期待されている。

有機ＥＬ素子は、陽極と陰極との間に電気伝導性及び発光性を備えた有機発光層を挟んで構成されている。そして、陽極と陰極との間に順方向の電圧を印加することにより、陽極から正孔が有機発光層に注入されると共に、陰極から電子が有機発光層に注入され、有機発光層内で正孔と電子とが再結合して励起子を生成し、この励起子が緩和する際に余剰エネルギーを光として放出する。通常、有機ＥＬ素子においては、電極から注入される電子及び正孔の注入度及び移動度を調整するために、陽極と陰極との間には、有機発光層の他に、有機材料からなる正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層及び電子注入層など数層の有機層が設けられている。

これらの有機層には、低分子有機材料によって形成されたものと、高分子有機材料によって形成されたものとがある。低分子有機材料からなる有機層は、通常、真空蒸着法などにより成膜されるため、大面積化が困難でコストが高くなる。これに対して、高分子有機材料はある種の溶媒に可溶であるため、高分子有機材料からなる有機層は、印刷法又はインクジェット法などの大面積化が可能で且つ低コストなプロセスにより形成することができる（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、有機ＥＬ素子は、有機材料を用いる素子であるため、水分等による有機分子構造の変質や、電流駆動に伴う材料又は材料界面の変質が起こりやすく、発光素子として寿命が短いという問題がある。特に高分子有機材料からなる有機ＥＬ素子は、低分子有機有機材料からなる有機ＥＬ素子に比べて短寿命である。

特開２００４−０５５２７９号公報

本発明の目的は、寿命が長い有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、有機材料を溶媒に溶解させて有機溶液を調製する工程と、前記有機溶液を基板上に被着させて有機溶液層を形成する工程と、前記有機溶液層を乾燥させて有機材料層を形成する工程と、を備え、前記溶媒として、水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方が１００質量ｐｐｍ以下に規制された溶媒を使用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の製造方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記方法により製造されたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子が提供される。

本発明によれば、寿命が長い有機エレクトロルミネッセンス素子を製造することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態において製造する有機ＥＬ素子を例示する断面図であり、
図２は、本実施形態に係る有機ＥＬ素子の製造方法を例示するフローチャート図である。

図１に示すように、先ず、例えばガラス等からなる透明基板２を用意し、この透明基板２上に、例えばＩＴＯ（Indium tin oxide film：インジウム錫酸化）等の透明導電材料を成膜することにより、陽極３を形成する。次に、例えば、ＰＥＤＯＴ（poly(ethylenedioxy)thiophene）：ＰＳＳ（polystyrene sulfonate：ポリスチレンスルホン酸）の水溶液を陽極３上に被着させて乾燥させ、正孔輸送層４を形成する。次に、例えばポリフルオレン系の材料からなる電子ブロック層５を形成する。

次に、発光層６を形成すべく、図２のステップＳ１に示すように、有機材料、例えばポリフルオレン系の材料を溶媒に溶解させて有機溶液を調製する。すなわち、有機材料をインク化する。溶媒には、例えば、テトラリン、キシレン及びトルエンからなる群から選択された１種の有機溶媒又は２種以上の有機溶媒の混合溶媒を使用する。また、有機溶液中における有機材料の濃度は、有機溶液の粘度が塗布に適した粘度となるように調製すればよく、例えば１質量％とする。

なお、このとき、発光層６の材料として、ポリフルオレン系の材料に替えて、ＰＰＶ（poly(phenylene vinylene)：ポリフェニレンビニレン）を用いることも可能である。この場合、ポリフルオレン系の材料を用いた場合と同様の条件及び手順でＰＰＶを溶媒に溶解させて、有機溶液を調製することができる。溶媒には、ポリフルオレン系の材料の場合と同様に、例えば、テトラリン、キシレン及びトルエンからなる群から選択された１種の有機溶媒又は２種以上の有機溶媒の混合溶媒を使用する。また、有機溶液中における有機材料の濃度は、有機溶液の粘度が塗布に適した粘度となるように調製すればよい。

溶媒には、水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方が１００質量ｐｐｍ以下に規制された溶媒を使用する。この溶媒は、溶媒中の水分濃度及び酸素濃度の双方が、それぞれ１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。特に、この溶媒中の水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方は、後述するステップＳ２に示す有機溶液層の形成工程及びステップＳ３に示す有機材料層の形成工程を実施する雰囲気、例えば、これらの工程を実施するグローブボックス内の雰囲気の水分濃度又は酸素濃度以下であることがより好ましい。通常、塗布及びベーキングが行われるグローブボックス内の雰囲気は、水分及び酸素がそれぞれ活性炭等及び金属触媒等により除去された乾燥窒素雰囲気であり、水分濃度及び酸素濃度はいずれも例えば１質量ｐｐｍ以下、例えば０．１質量ｐｐｍ以下とされている。このため、溶媒中の水分濃度又は酸素濃度は、１質量ｐｐｍ以下とすることが好ましく、０．１質量ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。

次に、ステップＳ２に示すように、調製した有機溶液を電子ブロック層５上に塗布して、液体状の有機溶液層を形成する。上述の如く、この工程は、例えば水分濃度及び酸素濃度をそれぞれ例えば１質量ｐｐｍ以下に規制した乾燥窒素雰囲気で実施する。

次に、ステップＳ３に示すように、塗布した有機溶液層を例えば１００乃至２００℃の温度にベーキングすることにより、乾燥させる。これにより、有機溶液層中の溶媒が揮発して除去され、固体状の有機材料層が形成される。この有機材料層が図１に示す発光層６である。なお、この工程も、ステップＳ２に示す工程と同様に、例えば、水分濃度及び酸素濃度をそれぞれ１質量ｐｐｍ以下に規制した乾燥窒素雰囲気で実施する。なお、ステップＳ３に示す乾燥工程は、所謂、「真空ベーク」によって行ってもよい。すなわち、ステップＳ２に示す塗布工程によって有機溶液層を形成した基板を、減圧した雰囲気に曝すことにより、有機溶液層から溶媒を除去してもよい。

発光層６を形成した後、例えば、ＣｓＦ（フッ化セシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｂａ（バリウム）又はＬｉＦ（フッ化リチウム）からなる電子注入層７を形成する。その後、例えばＡｌ（アルミニウム）等の金属からなる陰極８を形成する。これにより、本実施形態に係る有機ＥＬ素子１が製造される。すなわち、この有機ＥＬ素子１においては、透明基板２上に、陽極３、正孔輸送層４、電子ブロック層５、発光層６、電子注入層７及び陰極８がこの順に積層されている。

このようにして製造された有機ＥＬ素子１においては、陽極３と陰極８との間に電圧を印加すると、陽極３から正孔が正孔輸送層４、電子ブロック層５を介して発光層６に注入され、陰極８から電子が電子注入層７を介して発光層６に注入される。そして、発光層６において、注入された正孔と電子とが再結合して励起子を生成し、この励起子が緩和する際に光を生成する。この光の一部は直接陽極３に向かい、他の一部は反射電極である陰極８に向かい、陰極８に反射されて陽極３に向かい、透明電極である陽極３及び透明基板２を透過して、有機ＥＬ素子１の外部に出射される。

そして、本実施形態においては、発光層６を形成する際に使用する溶媒中の水分及び酸素の濃度を上述の如く規制することにより、有機ＥＬ素子１の寿命を延ばすことができる。高分子材料からなる有機ＥＬ素子の寿命が低分子材料からなる素子よりも短い原因の一つとして、材料の純度の問題が考えられる。すなわち、低分子材料については、昇華精製法を繰り返すことにより純度が向上し、その後、高真空中で蒸着により成膜されるため、材料中の不純物や環境から混入する水分は極めて低いレベルに抑えられている。これに対して、高分子材料については、材料の精製が難しく、材料中に水分及び酸素が混入しやすい。これにより、発光層６を形成する有機材料が、その内部に含有された水分及び酸素によって劣化し、有機ＥＬ素子の特性が劣化するものと考えられる。

そこで、本発明者等は、有機ＥＬ素子の寿命を延ばすことを目的として実験研究を重ねた結果、有機材料層を形成する際に有機材料を溶解させる溶媒中の水分及び酸素が、製造後の有機ＥＬ素子の寿命に大きな影響を及ぼすことをつきとめた。そして、溶媒として、水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方が１００質量ｐｐｍ以下である溶媒を使用すれば、有機ＥＬ素子の長寿命化に効果があることを知見した。また、溶媒中の水分濃度及び酸素濃度は、双方が１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましく、更に、有機溶液の塗布及び乾燥を行う雰囲気の水分濃度及び酸素濃度以下であると、一層大きな効果が得られることを得た。より具体的には、溶媒中の水分濃度及び酸素濃度は１質量ｐｐｍ以下であることが好ましく、０．１質量ｐｐｍ以下であることがより好ましい。

現時点では、溶媒中の水分及び酸素が有機材料の劣化に作用するメカニズムは必ずしも明瞭ではないが、以下のメカニズムが推定される。すなわち、溶媒中に有機材料を溶解させて有機溶液を調製した後、この有機溶液を乾燥させて有機材料層を形成すると、大部分の溶媒分子は蒸発して有機材料層から除去されるが、一部の溶媒分子は有機材料の高分子に抱き込まれるようにして、有機材料層中に残留する。このとき、溶媒中に水分又は酸素が混入していると、この水分及び酸素も、有機材料の高分子に取り込まれて、有機材料層中に残留する。そして、残留した水分は、有機材料層を構成する高分子を例えば加水分解し、残留した酸素は、光が照射されることにより、高分子の結合を切断する。このようにして、溶媒中の水分及び酸素は、有機材料を劣化させる。特に、有機溶液層のベーキング時に、このような劣化の初期段階が進行していることも考えられる。

以上、実施形態を参照しつつ本発明の一例について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず、当業者による種々の変更が可能であり、このようにして変更が加えられた態様も、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
例えば、本実施形態においては、発光層を形成する際に使用する溶媒について、その溶媒中の水分濃度及び／又は酸素濃度を規制する例を示したが、本発明はこれに限定されず、発光層以外の層を溶媒を使用して形成する場合には、この溶媒中の水分濃度及び／又は酸素濃度を上述の如く規制してもよい。これによっても、上述の効果と同様な効果を得ることができる。例えば、電子ブロック層を形成する際に、水分濃度及び酸素濃度を規制した溶媒を使用してもよい。

また、本実施形態においては、溶媒に溶解させる有機材料として高分子材料を使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、溶媒に希釈させて使用する有機材料であれば、低分子材料であってもよい。
更に、本発明により製造される有機ＥＬ素子の層構成は、図１に例示した層構成には限定されず、図１に示していない層をいくつか追加してもよく、図１に示した層のうちいくつかの層を省略してもよい。
更にまた、各層を形成する材料の種類は、前述の実施形態において例示した材料には限定されない。

以下、本発明の実施例の効果について、比較例と比較して詳細に説明する。
図３乃至図６は、横軸に発光時間をとり、縦軸に発光輝度及び駆動電圧をとって、有機ＥＬ素子の経時変化を示すグラフ図であり、図３は溶媒として脱水キシレンを使用した場合を示し、図４は溶媒として通常キシレンを使用した場合を示し、図５は溶媒として脱水テトラリンを使用した場合を示し、図６は溶媒として通常テトラリンを使用した場合を示す。なお、各図の左側の縦軸は、発光輝度を発光開始時を基準とした規格値によって示し、右側の縦軸は駆動電圧を示す。

先ず、前述の実施形態において説明した方法により、４個の有機ＥＬ素子を製造した。このとき、有機ＥＬ素子間において、発光層を形成する際に使用する溶媒を異ならせた。各有機ＥＬ素子において使用した溶媒の種類及び水分濃度を表１に示す。そして、これらの有機ＥＬ素子を、電流密度が８ｍＡ／ｃｍ^２になるように電流を流して連続的に発光させ、その発光輝度及び必要な駆動電圧の変化を測定した。なお、有機ＥＬ素子が劣化するほど、その発光輝度が低下し、駆動電圧が上昇する。

図３及び図４に示すように、実施例Ｎｏ．１に係る有機ＥＬ素子、すなわち、水分濃度が３０質量ｐｐｍ以下であるキシレン（脱水キシレン）を使用して製造した有機ＥＬ素子は、比較例Ｎｏ．２に係る有機ＥＬ素子、すなわち、水分濃度が１００質量ｐｐｍより高く２００質量ｐｐｍ以下であるキシレン（通常キシレン）を使用して製造した有機ＥＬ素子と比較して、発光輝度の低下が緩やかで、駆動電圧の上昇が緩やかであった。すなわち、実施例Ｎｏ．１に係る有機ＥＬ素子は、比較例Ｎｏ．２に係る有機ＥＬ素子よりも劣化が抑制されていた。

また、図５及び図６に示すように、実施例Ｎｏ．３に係る有機ＥＬ素子、すなわち、水分濃度が５０質量ｐｐｍ以下であるテトラリン（脱水テトラリン）を使用して製造した有機ＥＬ素子は、比較例Ｎｏ．４に係る有機ＥＬ素子、すなわち、水分濃度が１００質量ｐｐｍより高く５００質量ｐｐｍ以下であるテトラリン（通常テトラリン）を使用して製造した有機ＥＬ素子と比較して、発光輝度の低下が緩やかで、駆動電圧の上昇が緩やかであった。すなわち、実施例Ｎｏ．３に係る有機ＥＬ素子は、比較例Ｎｏ．４に係る有機ＥＬ素子よりも劣化が抑制されていた。

図７は、図３乃至図６に示す測定結果のうち、発光時間が２００時間のときの発光輝度の規格値を相互に比較して示すグラフ図である。図３乃至図７に示すように、発光層を形成する際に水分濃度が１００ｐｐｍ以下の溶媒を使用すると、水分濃度が１００ｐｐｍよりも高い溶媒を使用した場合と比較して、有機ＥＬ素子の劣化を抑制することができた。

本発明の実施形態において製造する有機ＥＬ素子を例示する断面図である。 本実施形態に係る有機ＥＬ素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 横軸に発光時間をとり、縦軸に発光輝度及び駆動電圧をとって、有機ＥＬ素子の経時変化を示すグラフ図であり、溶媒として脱水キシレンを使用した場合を示す。 横軸に発光時間をとり、縦軸に発光輝度及び駆動電圧をとって、有機ＥＬ素子の経時変化を示すグラフ図であり、溶媒として通常キシレンを使用した場合を示す。 横軸に発光時間をとり、縦軸に発光輝度及び駆動電圧をとって、有機ＥＬ素子の経時変化を示すグラフ図であり、溶媒として脱水テトラリンを使用した場合を示す。 横軸に発光時間をとり、縦軸に発光輝度及び駆動電圧をとって、有機ＥＬ素子の経時変化を示すグラフ図であり、溶媒として脱水テトラリンを使用した場合を示す。 図３乃至図６に示す測定結果のうち、発光時間が２００時間のときの発光輝度を相互に比較して示すグラフ図である。

符号の説明

１ 有機ＥＬ素子、２ 透明基板、３ 陽極、４ 正孔輸送層、５ 電子ブロック層、６ 発光層、７ 電子注入層、８ 陽極

Claims (8)

1. 有機材料を溶媒に溶解させて有機溶液を調製する工程と、
   前記有機溶液を基板上に被着させて有機溶液層を形成する工程と、
   前記有機溶液層を乾燥させて有機材料層を形成する工程と、
   を備え、
   前記溶媒として、水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方が１００質量ｐｐｍ以下に規制された溶媒を使用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の製造方法。
2. 前記溶媒中の水分濃度及び酸素濃度の双方が、それぞれ１００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
3. 前記溶媒中の水分濃度又は酸素濃度は、前記有機溶液層を形成する工程及び前記有機材料層を形成する工程を実施する雰囲気の水分濃度又は酸素濃度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
4. 前記溶媒中の水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方は１質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
5. 前記溶媒中の水分濃度及び酸素濃度のうち少なくとも一方は０．１質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
6. 前記溶媒は、テトラリン、キシレン及びトルエンからなる群から選択された１種の有機溶媒又は２種以上の有機溶媒の混合溶媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
7. 前記有機材料層は発光層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法により製造されたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。

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