JP2007536697A - フレキシブルエレクトロルミネッセンスデバイス - Google Patents
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Abstract
不透明なフレキシブル基板上に形成される有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を開示する。前記不透明なフレキシブル基板は、（i）金属層に積層または金属層で被覆されたプラスチック層、（ii）２層のプラスチック層に挟まれた金属層、（iii）金属箔、のいずれか１つで構成される。ＯＬＥＤが前記フレキシブル基板の金属表面に形成される場合、前記金属表面を絶縁層で被覆してもよい。前記絶縁層は、スピンコートにより形成されたポリマー層、または誘電体層であってもよい。前記フレキシブル基板の金属は、ＯＬＥＤへの酸素および水分の透過を最小限に抑えるバリアとして働く。さらに、ＯＬＥＤは、透明または半透明な上部電極を備え、前記上部電極を通して光が発せられる構成とされている。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本発明は、有機エレクトロルミネッセンスデバイスに関するものであり、特に、フレキシブルな有機発光デバイス（organic light emitting device：ＯＬＥＤ）に関するものである。
有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）は、近年、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に取って代わる表示装置として注目を集めている。これは、ＯＬＥＤが自己発光により高い視認性を達成でき、よって、ＬＣＤが要するようなバックライティングが不要であり、さらに、軽量で薄型のフレキシブルディスプレイを構成することが可能であるためである。典型的なＯＬＥＤは、電子注入を行うことができるカソード層と正孔注入を行うことができるアノード層との間に有機発光材料を配置することによって構成される。前記カソードとアノードとの間に適切な極性の電圧を印加すると、前記アノードから注入された正孔と前記カソードから注入された電子とが結合してエネルギーが光として放出され、電界発光が起こる。ポリマー系エレクトロルミネッセンス材料がＯＬＥＤに使用されており、このような材料を用いた装置はＰＬＥＤと呼ばれている。
ＯＬＥＤの従来の構造の一つに底部発光型構造（bottom-emitting structure）がある。この構造は、透明基板上に金属または金属合金のカソードと透明アノードとを備え、これにより、構造体の底部から光が発することができるというものである。また、ＯＬＥＤは、不透明な基板または透明な基板のいずれかの上に形成される頂部発光型構造（top-emitting structure）をとってもよい。頂部発光型のＯＬＥＤは、頂部電極側から光を発することができるよう、比較的透明な頂部電極を有している。頂部発光型のＯＬＥＤには、２種類の典型的な構造がある。ＯＬＥＤ構造体が有機層の上に透明アノードを有している場合、この構造体は逆型ＯＬＥＤ（inverted OLED）と呼ばれる。頂部発光型ＯＬＥＤは、有機層の上に透明カソードを備えた構成とすることもできる。透明基板上に透明アノードおよび透明カソードが形成されたＯＬＥＤは、透明ＯＬＥＤと呼ばれている。頂部発光型のＯＬＥＤ構造によれば、デバイスの集積化および設計の自由度が増す。さらに、頂部発光型ＯＬＥＤは、高解像度のディスプレイにおいて望ましい構造である。
従来、ＯＬＥＤは、堅固なガラス基板上に形成されてきた。ガラスは酸素や水蒸気に対する透過性が低い。ここ数年、フレキシブルＯＬＥＤおよびＰＬＥＤに使用可能な基板の選択肢として、極薄ガラス板や透明プラスチック基板が考えられている。しかしながら、極薄ガラス板は非常に壊れやすく、極薄ガラス板上に形成されたＯＬＥＤのフレキシブルＯＬＥＤディスプレイとしての利用可能性は非常に限定されてしまう。より軽量で、より薄く、より頑丈かつ柔軟性の高いＯＬＥＤを製造するため、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなるプラスチック基板がフレキシブルＯＬＥＤに使用されてきた。しかしながら、プラスチックは水および酸素に対する耐性が低いため、このようなデバイスは非常に寿命が短い。このため、デバイスの劣化を最小限に抑えるため、プラスチック基板上に形成されたＯＬＥＤが酸素および水蒸気に晒されないように保護するための取り組みがなされてきた。
プラスチック基板にバリア保護手段を形成するための様々なアプローチが提案されている。例えば、国際公開第０２／０６５５５８号パンフレット（特許文献１）、国際公開第０２／０９１０６４号パンフレット（特許文献２）、米国特許第５，７５７，１２６号（特許文献３）、米国特許出願公開第２００２／００２２１５６号明細書（特許文献４）を参照されたい。米国特許第５，７５７，１２６号（特許文献３）は、有機および無機材料からなる多層バリアコーティングを開示している。米国特許出願公開第２００２／００２２１５６号明細書（特許文献４）は、プラスチック基板上に形成される多層バリア複合体であって、金属酸化物または金属窒化物の透明薄層と、透明金属薄膜、有機ポリマー、薄い透明誘電体、および薄い透明導電性酸化物からなる群から選択される一以上の他の層を備えた多層バリア複合体を提案している。また、国際公開第０２／０６５５５８号パンフレット（特許文献１）は、透明ポリマー基板上に設けられた透明重合有機ケイ素からなる保護層を開示している。国際公開第０２／０９１０６４号パンフレット（特許文献２）は、複数の有機層および無機層を備えた多層バリアを開示している。しかしながら、これらのアプローチは多数の蒸着工程を要し、また、ＯＬＥＤの光学的および機械的性能に何らかの悪影響を及ぼす可能性もある。このように、これらのアプローチでは、上述した透過の問題をコストパフォーマンスよく解決することはできない。
国際公開第０２／０６５５５８号パンフレット
国際公開第０２／０９１０６４号パンフレット
米国特許第５，７５７，１２６号
米国特許出願公開第２００２／００２２１５６号明細書
コストパフォーマンスのよい方法で簡単に製造できるフレキシブルＯＬＥＤが依然として求められている。
本発明は、フレキシブルな有機発光ダイオード（organic light emitting diode：ＯＬＥＤ）に関するものであり、より具体的には、不透明なフレキシブル基板上に形成されたポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）に関するものである。前記不透明なフレキシブル基板は、（i）金属層に積層または金属層で被覆されたプラスチック層、（ii）２層のプラスチック層に挟まれた金属層、（iii）金属箔、のいずれか１つで構成される。ＯＬＥＤが前記フレキシブル基板の金属表面に形成される場合、前記金属表面を絶縁層(isolation layer)で被覆してもよい。前記絶縁層は、スピンコートにより形成されたポリマー層、または誘電体層であってもよい。前記フレキシブル基板の金属は、ＯＬＥＤへの酸素および水分の透過を最小限に抑えるバリアとして働く。さらに、本発明のＯＬＥＤは、透明または半透明な上部電極を備え、前記上部電極を通して光が発せられる構成とされている。本発明の新規な設計により、優れたバリア性と高い柔軟性を有し、大量生産により容易に製造が可能なＯＬＥＤが提供される。
本発明の利点ならびに新規な特徴は、添付図面を参照しながら以下の発明の詳細な説明を検討することによって明らかになるであろう。
図１を参照すると、本発明の代表的なＯＬＥＤは、フレキシブルな不透明基板１と、前記基板の上面に設けられた下部電極２と、前記下部電極の上面に設けられた有機スタック(organic stack)３と、前記有機スタックの上面に設けられた半透明または透明な上部電極４とを備えていることが示されている。一実施形態において、フレキシブル不透明基板１は、図１に示すように、金属層１ｂに積層または金属層１ｂで被覆されたプラスチック層１ａで構成されている。あるいは、図２に示すように、基板１の金属側にＯＬＥＤを形成することも可能である。このような場合、金属層１ｂと下部電極２の間に絶縁層５を形成することが望ましい。図３に示す別の実施形態においては、フレキシブル基板１は、２層のプラスチック層１ｃおよび１ｅに挟まれた金属層１ｄで構成されている。基板１に使用される金属材料としては、アルミニウムおよび反射率の高いその他の金属が挙げられる。アルミニウムは、水および酸素に対する優れたバリアとなるため好ましい。また、フレキシブル基板１に使用されるプラスチック材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、およびフレキシブルＯＬＥＤに適した特性を付与するものとして当業界で公知であるその他のプラスチックが挙げられる。絶縁層５は、スピンコートにより形成されたポリマー層、または誘電体層であってもよく、例えば、無機酸化物またはスピンオングラス（spin-on-glass：ＳＯＧ）であってもよい。この絶縁層５は、平坦化層としても機能する。
図４に示すさらに別の実施形態においては、フレキシブル基板１は絶縁層５で被覆された金属箔である。前記金属箔は、アルミニウム、銅、またはステレンス鋼で形成されていてもよい。絶縁層５については、図２に関する説明で先に述べた通りである。この場合、前記金属箔は、バリア層として、さらに、発せられた光を反射して比較的透明な上部電極４へと戻し、光出力を向上させる鏡面として機能する。
上部電極４は、カソードであってもアノードであってもよい。上部電極４がアノードである場合、下部電極２はカソードとして働き、ＯＬＥＤは逆型ＯＬＥＤと呼ばれる。下部電極２は、透明であっても不透明であってもよく、また反射性であっても光吸収性であってもよい。上部電極４は、半透明または透明（以下、「比較的透明」という）とする必要がある。上部電極４および下部電極２に好適な材料としては、導電性ポリマー材料、導電性有機材料、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、金属または金属合金が挙げられる。ＴＣＯの例としては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＺＩＯ）、アルミニウムドープＺｎＯ、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＧＩＴＯ）、ＳｎＯ2、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＺＩＴＯ）、およびＧａ−Ｉｎ−Ｏ（ＧＩＯ）が挙げられる。好適な金属としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）が挙げられる。下部電極２または上部電極４のいずれかを、先に挙げた材料のいずれか一種で形成される単層構造体、またはこれらの材料を複数組み合わせた多層構造体としてもよい。電極材料として金属を使用する場合、ＯＬＥＤにおける電荷キャリア注入を強化するため、金属電極の界面（すなわち、金属電極と有機スタック３の境界面）を改質してもよい。ＴＣＯ（例えば、ＩＴＯ）は、金属表面の改質に有効であることがわかっている。前記電極の金属表面の改質に使用する材料はＴＣＯに限定されるものではなく、その他の無機材料および有機材料を同一目的に使用してもよい。金属電極の改質を行った場合には、有機スタック３と金属電極との間に界面改質層が配置される。
比較的透明な上部電極４は、単一の比較的透明な導電層で構成されてもよいし、あるいは比較的透明な導電層を少なくとも一層含む多層構造体で構成されてもよい。多層上部電極は、光出力を向上させるため、屈折率整合層で被覆された比較的透明な導電層を備えていてもよい。前記屈折率整合層は、光出力の向上に有効な屈折率を有する有機または無機材料で形成されている。前記屈折率整合層に使用する材料の例としては、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ３）、Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン（ＮＰＢ）、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2が挙げられる。また、例えばＩＴＯからなるＴＣＯ層が、比較的透明上部電極と光出力を向上させるための屈折率整合層とを兼ねる場合もある。前記屈折率整合層は、バリアまたはカプセル封入層としても機能する。屈折率整合層は、使用されている材料の屈折率に応じ、１〜５００ｎｍの範囲の厚みを有していればよい。前記多層上部電極はさらに、前記比較的透明な導電層と有機スタック３との間に形成される、膜厚の薄い電荷キャリア注入層を少なくとも一層有していてもよい。前記多層上部電極がカソードである場合、前記電荷キャリア注入層は電子注入層である。前記電子注入層に使用する好適な材料としては、希土類金属等の仕事関数の低い金属が挙げられる。前記多層上部電極がアノードである場合、前記電荷キャリア注入層は正孔注入層である。前記正孔注入層は、例えば、ＡｕまたはＡｇのような仕事関数の高い金属、あるいはＴＣＯで形成されていてもよい。前記正孔注入層の材料としては、正孔注入に有効な材料である限り、種々の無機材料、有機材料、または無機および有機材料の組み合わせが使用可能である。前記電荷キャリア注入層は、５０ｎｍまでの厚みを有していてもよい。単一の比較的透明な導電層の厚みは、１〜１５０ｎｍであってもよい。多層電極構造体の全体の厚みは、３０ｎｍ以上であってもよい。
当業者であれば、効率的な電荷キャリア注入に必要な横方向の導電性と界面特性を提供できる限り、種々の材料および多層構造を上部電極４および下部電極２に適用できることを理解するであろう。
有機スタック３は、単層であってもよいし、あるいは発光に適した有機副層を複数備えた多層スタックであってもよい。有機スタック３に使用する有機材料としては、当業界において発光装置に使用されてきた従来の電界発光性および燐光性の有機材料が挙げられる。より具体的には、ＰＬＥＤに従来使用されてきた電界発光性および／または燐光性のポリマー系材料で有機スタック３を形成してもよい。有機スタックは、電子放出材料（emissive material）の単層であってもよいし、あるいは正孔輸送層と発光層とで構成される二層構造の層構造体であってもよい。また、正孔輸送層と、電子輸送層と、前記正孔輸送層と前記電子輸送層との間に設けられた放出層とを備えた三層構造の有機スタックとすることもできる。このような三層構造の有機スタックを備えたデバイスは、ダブルヘテロ構造と呼ばれる。正孔はアノードから注入されるため、前記正孔輸送層はアノードの隣に配置する必要がある。電子輸送層を使用する場合、電子輸送層はカソードの隣に配置する必要がある。有機スタック３の全体の厚みは、５０〜１０００ｎｍの範囲としてもよい。
本発明に係る頂部発光型ＰＬＥＤの一例を図５に示している。フレキシブル基板１は、厚み２５ミクロンのＡｌ箔１ｂに積層された厚み１２５ミクロンのＰＥＴシート１で構成されている。厚み１２０ｎｍの透明ＩＴＯアノード２が、フレキシブル基板１のプラスチック側に形成されている。ＩＴＯアノード２の上には、ポリフェニレンビニレン（Ｐｈ−ＰＰＶ）からなる厚み８０ｎｍの放出層３ａと、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）からなる厚み３０ｎｍの正孔輸送層３ｂとで構成された二層構造の有機スタック３が形成されている。比較的透明なカソード４は、厚み５２ｎｍのトリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ３）層４ａ、厚み１５ｎｍの半透明Ａｇ層４ｂ、厚み１．０ｎｍのカルシウム（Ｃａ）層４ｃ、および厚み０．６ｎｍのリチウムフッ化物（ＬｉＦ）層４ｄが上からこの順で配置された多層構造体である。この場合、Ａｌｑ３が屈折率整合層として働き、Ａｇが横方向の導電性を付与する導電層として働き、ＬｉＦ／Ｃａの組み合わせが電子注入体として働く。前記多層カソードは熱蒸発によって形成することができるため、スパッタ蒸着プロセスによる損傷が回避される。また、Ａｌ箔１ｂは、前記ＰＥＴ基板の優れたバリアとして働き、デバイスの寿命を向上させる。本発明のこの例は、頂部発光型ＰＬＥＤを製造するための簡便かつコストパフォーマンスのよいアプローチであると認められる。
本発明は、破断することなく相当程度まで屈曲することが可能な不透明なフレキシブル基板上に設けられたフレキシブルＯＬＥＤを提供する。よって、本発明のフレキシブルＯＬＥＤは、あらゆる形状に適合、屈曲、または捲回することができる。この柔軟性により、連続したロール加工による表示装置の製造が可能となり、大量生産のためのコストパフォーマンスのよいアプローチが実現される。この発明が開示するフレキシブル基板は、有機光検出器、有機薄膜トランジスタ、有機光起電力セル、有機メモリ、有機集積回路、および良好なバリア性と機械的柔軟性を備えたフレキシブル基板を要するその他の有機または無機オプトエレクトロニクス装置にも使用することができる。
本発明のＯＬＥＤは、携帯電話、ＰＤＡおよびその他の携帯用デバイス、コンピュータのモニタ、ディジタルオーディオ機器、ビデオカメラ、照明装置、装飾用装置、広告用装置を含む様々な用途に使用できる。
本発明について好適な実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば、請求項によって定められる本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、種々の変更を行ってもよいことを理解するであろう。
Claims (28)
- フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板上に設けられた下部電極層と、
少なくとも半透明である上部電極層と、
前記下部電極層と前記上部電極層との間に設けられ、前記下部電極層と前記上部電極層の間に電圧が印加されると電界発光を起こすことができる有機領域とを備え、
前記フレキシブル基板が、（i）金属層に積層または金属層で被覆されたプラスチック層、（ii）２層のプラスチック層に挟まれた金属層、（iii）金属箔、のいずれか１つで構成されること特徴とするフレキシブル有機発光デバイス。 - 前記フレキシブル基板が、アルミニウム層に積層またはアルミニウム層で被覆されたプラスチック層で構成され、前記プラスチック層は、前記下部電極層と前記アルミニウム層の間に配置されている請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記フレキシブル基板が、鋼箔で構成される請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記フレキシブル基板と前記下部電極層との間に絶縁層をさらに備えた請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記絶縁層が、スピンコートにより形成されたポリマー層、または誘電体層である請求項４に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記鋼箔と前記下部電極層との間に絶縁層をさらに備えた請求項３に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記上部電極層が、透明である請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記上部電極層が、半透明または透明なアノードである請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記上部電極層が、半透明または透明なカソードである請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記上部電極層が、半透明または透明な導電フィルムを少なくとも１つ含む多層構造体である請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記多層構造体が、屈折率整合層および電荷キャリア注入層を含む請求項１０に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記屈折率整合層が、光出力の向上に有効な屈折率を有する有機または無機材料を含む請求項１１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記屈折率整合層が、光出力の向上に有効な有機および無機材料の組み合わせを含む請求項１１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記多層構造体がアノードであり、前記電荷キャリア注入層が正孔注入層である請求項１１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記正孔注入層が、仕事関数の高い金属、または透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含む請求項１４に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記仕事関数の高い金属が、金または銀である請求項１５に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記ＴＣＯが、金属酸化物である請求項１５に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記ＴＣＯが、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム、アルミニウムドープ酸化亜鉛、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ、およびＧａ−Ｉｎ−Ｏからなる群から選択される請求項１５に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記正孔注入層が、正孔注入に有効な有機材料または正孔注入に有効な無機および有機材料の組み合わせを含む請求項１４に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記正孔注入層が、正孔注入に有効な無機材料または正孔注入に有効な無機および有機材料の組み合わせを含む請求項１４に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記多層構造体がカソードであり、前記電荷キャリア注入層が電子注入層である請求項１１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記電子注入層が、仕事関数の低い金属を含む請求項２１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記仕事関数の低い金属が、希土類金属である請求項２２に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記屈折率整合層が、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ３）またはＮ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン（ＮＰＢ）を含む請求項２１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記カソードが銀層を備え、前記電子注入層がリチウムフッ化物からなる副層上に形成されたカルシウムからなる副層で構成され、前記銀層が前記カルシウム層上に形成されている請求項２１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記下部電極層および前記上部電極層の少なくとも一方が、電荷キャリア注入を強化するために改質されている請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記有機領域が、（i）正孔輸送層と、（ii）放出層または電子輸送層とを含む請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
- 前記有機領域が、（i）正孔輸送層と、（ii）放出層と、（iii）電子輸送層とを含む請求項１に記載のフレキシブル有機発光デバイス。
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