JP2011086482A - 透明電極、透明電極の製造方法および有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents
透明電極、透明電極の製造方法および有機エレクトロルミネッセンス素子 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】透明基材上に、導電性繊維を含有する第一の透明導電層を有する透明電極であって、該透明電極は、該第一の透明導電層が下記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含有するか、または該第一の透明導電層上に下記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含有する第二の透明導電層を有することを特徴とする透明電極。
【化1】
【選択図】なし
Description
2.前記導電性高分子化合物が、下記一般式(II)で表される構造単位を含むことを特徴とする前記1に記載の透明電極。
3.前記一般式(I)におけるR1がSO3Mであり、R2およびR3が水素原子であり、Mが水素原子またはナトリウムであることを特徴とする前記1または2に記載の透明電極。
本発明の透明電極は、透明基材上に、第一の透明導電層を有し、第一の透明導電層は導電性繊維を含有する。
本発明において、「透明」とは、JIS K 7361−1(ISO 13468−1に対応)の「プラスチック−透明材料の全光線透過率の試験方法」に準拠した方法で測定した可視光波長領域における全光線透過率が60%以上であることをいう。
本発明に係る導電性繊維とは、導電性を有し、かつその長さが直径(太さ)に比べて十分に長い形状を持つものである。本発明に係る導電性繊維は、透明導電層内において導電性繊維が互いに接触し合うことにより3次元的な導電ネットワークを形成し補助電極として機能すると考えられる。従って、導電性繊維が長い方が導電ネットワーク形成に有利であるため好ましい。一方で、導電性繊維が長くなると導電性繊維が絡み合って凝集体を生じ、光学特性を劣化させる場合がある。導電ネットワーク形成や凝集体生成には、導電性繊維の剛性や直径等も影響するため、使用する導電性繊維に応じて最適な平均アスペクト比(アスペクト=長さ/直径)のものを使用することが好ましい。大凡の目安として、平均アスペクト比は、10〜10,000であるものが好ましい。
〔金属ナノワイヤ〕
一般に、金属ナノワイヤとは、金属元素を主要な構成要素とする線状構造体のことをいう。特に、本発明における金属ナノワイヤとは、原子スケールからnmサイズの直径を有する線状構造体を意味する。
カーボンナノチューブは、厚さ数原子層のグラファイト状炭素原子面(グラフェンシート)が筒形に巻かれた形状からなる炭素系繊維材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ(SWNT)と多層ナノチューブ(MWNT)とに大別され、また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル(らせん)型、ジグザグ型、アームチェア型に分けられ、各種のものが知られている。
本発明の透明電極の構造模式図を図1に示す。
本発明においては、透明電極は、第一の透明導電層が上記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含有するか、または第一の透明導電層上に上記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含有する第二の透明導電層を有する。
本発明において、「導電性」とは、電気が流れる状態を指し、JIS K 7194の「導電電性プラスチックの4探針法による抵抗率試験方法」に準拠した方法で測定したシート抵抗が10×8Ω/□より低いことをいう。
一般式(II)中、Aは置換基を有しても良い炭素数1〜4のアルキレン基を示し、Qは酸素原子または硫黄原子を表す。
本発明の透明電極は、下記(1)または(2)の方法で作製することができる。
本発明に係る第一の透明導電層または第一の透明導電層と第二の透明導電層とからなる透明導電層は、パターニングすることができる。パターニングの方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。例えば、離型面上にパターニングされた透明導電層を形成した後、透明基材上に転写することによってパターニングされた透明電極を形成する方法を用いることができ、具体的には、以下のような方法を好ましく用いることができる。
i)離型性基板上に印刷法を用いて透明導電層をパターン様に直接形成する方法
ii)離型性基板上に透明導電層を一様に形成した後、一般的なフォトリソプロセスを用いてパターニングする方法
iii)例えば紫外線硬化型樹脂を含む導電性材料を使用して透明導電層を一様に形成した後、フォトリソプロセス様にパターニングする方法
iv)離型性基板上に予めフォトレジストで形成したネガパターン上に透明導電層を一様に形成し、リフトオフ法を用いてパターニングする方法
〔表面の平滑性〕
本発明の透明電極は、透明導電層の表面の平滑性(第一の透明導電層または第二の透明導電層の表面の平滑性)がRy≦50nm、また、併せてこの表面の平滑性はRa≦10nmであることが好ましい。透明導電層の表面の平滑性を表すRyとRaは、Ry=最大高さ(表面の山頂部と谷底部との高低差)とRa=算術平均粗さを意味し、JIS B601(1994)に規定される表面粗さに準ずる値である。RyやRaの測定には、市販の原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy:AFM)を用いることができ、例えば、以下の方法で測定できる。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、本発明の透明電極を有することを特徴とする。
以下に、本発明に係る導電性高分子および比較の導電性高分子の合成の例を示す。
ポリビニルスルホン酸ナトリウム(100g、25%水溶液、アルドリッチ社製)を限外ろ過膜(ミリポア社製Biomax−100)を用い限外ろ過後、陽イオン交換体(Bayer AG Lewatit S100)を用い陽イオン交換し、純水で希釈することでポリビニルスルホン酸(PVS)の15%水溶液を得た。
導電性ポリマーCP−1(PEDOT(ポリエチレンジオキシチオフェン)/PVS)の合成(本発明)
上記で調製したポリビニルスルホン酸(PVS)(0.84g、0.97mmol、15%水溶液、分子量130.10)、過硫酸カリウム(0.11g、0.4mmol、分子量270.32、関東化学社製)および硫酸鉄(III)・n水和物(0.5mg、8.8×10−4mmol[純度70%換算]、分子量399.88、関東化学社製)、を純水20mlに溶解した。攪拌された前記溶液中へ3,4−エチレンジオキシチオフェン(56mg、0.4mmol、分子量142.18、アルドリッチ社製)を添加し、室温で24時間重合させた。続いて、陰イオン交換体(BayreAG;Lewatit MP62)5.0g、陽イオン交換体(Bayer AG Lewatit S100)5.0gを溶液へ添加し、8時間攪拌した。イオン交換体をろ過によって取除き、本発明に係る導電性高分子化合物である導電性ポリマーCP−1を得た(固形分濃度:0.9%)。溶液中に存在する硫酸イオンは、イオンクロマトグラフィーより30ppmであった。
導電性ポリマーCP−2(PEDOT/PVS)の合成(本発明)
合成例1の導電性ポリマーCP−1の合成において、ポリアニオンであるポリビニルスルホン酸(PVS)の添加量を2.52g(2.91mmol、15%水溶液、分子量130.10)に変更した以外は合成例1と同様な方法により導電性ポリマーCP−2を得た(固形分濃度:2.2%)。
導電性ポリマーCP−3(PEDOT/PVS/PSS)の合成(本発明)
合成例1の導電性ポリマーCP−1の合成において、ポリアニオンであるポリビニルスルホン酸(PVS)(0.84g、0.97mmol、15%水溶液、分子量130.10)の代わりにポリビニルスルホン酸(PVS)(0.61g、0.70mmol、15%水溶液、分子量130.10)、ポリスチレンスルホン酸(PSS)(0.31g、0.27mmol、18%水溶液、分子量206.19)を用いた以外は合成例1と同様な方法により導電性ポリマーCP−3を得た(固形分濃度:1.6%)。
導電性ポリマーCP−4(PEDOT/PVS/PAA)の合成(本発明)
合成例1の導電性ポリマーCP−1の合成において、ポリアニオンであるポリビニルスルホン酸(PVS)(0.84g、0.97mmol、15%水溶液、分子量130.10)の代わりにポリビニルスルホン酸(PVS)(0.61g、0.70mmol、18%水溶液、分子量130.10)、ポリアクリル酸(PAA)(38.9mg、0.27mmol、50%水溶液、分子量72.06、ポリマーサイエンス社製)を用いた以外は合成例1と同様な方法により導電性ポリマーCP−4を得た(固形分濃度:0.9%)。
導電性ポリマーCP−5(PEDOT/PVS/PMA)の合成(本発明)
合成例1の導電性ポリマーCP−1の合成において、ポリアニオンであるポリビニルスルホン酸(PVS)(0.84g、0.97mmol、15%水溶液、分子量130.10)の代わりにポリビニルスルホン酸(PVS)(0.61g、0.70mmol、18%水溶液、分子量130.10)、ポリマレイン酸(PMA)(62.7mg、0.27mmol、50%水溶液、分子量116.07、ポリマーサイエンス社製)を用いた以外は合成例1と同様な方法により導電性ポリマーCP−5を得た(固形分濃度:1.0%)。
導電性ポリマーCP−A(PEDOT/PSS)の合成(比較例)
合成例1の導電性ポリマーCP−1の合成において、ポリアニオンであるポリビニルスルホン酸(PVS−1)(0.84g、0.97mmol、15%水溶液、分子量130.10)の代わりにポリスチレンスルホン酸(1.11g、0.97mmol、18%水溶液、分子量206.19、アルドリッチ社製)を用いた以外は合成例1と同様な方法により導電性ポリマーCP−A(比較例)を得た(固形分濃度:1.2%)。
金属微粒子として、ポリビニルピロリドンK30(分子量5万;ISP社製)を用い、Adv.Mater.,2002,14,833〜837に記載の方法に基づき、平均短径75nm、平均長さ35μmの銀ナノワイヤを作製し、限外濾過膜を用いて銀ナノワイヤを濾別、水洗処理した後、ヒドロキシプロピルメチルセルロース60SH−50(信越化学工業社製)を銀に対し25質量%加えた水溶液に再分散し、銀ナノワイヤ分散液を調製した。
〔透明電極TC−101の作製;本発明〕
調製した銀ナノワイヤ分散液を、易接着加工済みポリエチレンテレフタレートフィルム支持体コスモシャイン(登録商標)A4100(東洋紡社製)に、銀ナノワイヤの目付け量が0.05g/m2となるように、銀ナノワイヤ分散液をスピンコーターを用いて塗布し、乾燥させた。続いて、銀ナノワイヤの塗布層にカレンダー処理を施した後、公知のフォトリソグラフィー法により導電部パターン幅10mm・パターン間隔10mmのストライプ状パターン電極TCF−1を作製した。
透明電極TC−101の作製において、本発明の導電性高分子CP−1を、導電性高分子CP−2〜CP−5に置き換えた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−102〜TC−105を作製した。
透明電極TC−101の作製において、本発明の導電性高分子CP−1を、比較導電性ポリマーCP−Aに置き換えた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−106を作製した。
透明電極TC−101の作製において、導電性高分子CP−1、メラミン樹脂ベッカミンM−3(DIC社製)および架橋促進剤であるキャタリストACX(DIC社製)の代わりに、30%ポリウレタン樹脂のMEK溶液であるバイロンUR−3220(東洋紡社製)を導電性高分子の固形分に対して30質量%用いた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−107を作製した。
以上のように作製した透明電極TC−101〜TC−107に対して、以下の方法にて全光線透過率、表面抵抗率、表面平滑性(Ra、Ry)を求め、光透過性、導電性、平滑性の指標とした。
JIS K 7361−1:1997に準拠して、スガ試験機(株)製のヘイズメーターHGM−2Bを用いて測定した。
JIS K 7194:1994に準拠して、三菱化学社製ロレスターGP(MCP−T610型)を用いて、測定した。
AFM(セイコーインスツルメンツ社製SPI3800NプローブステーションおよびSPA400多機能型ユニット)を使用し、約1cm角の大きさに切り取った試料を用いて、前記の方法(JIS B601(1994)に規定される表面粗さに準ずる。)で測定した。
UV/VIS/NIR Spectrophotometer(JASCO製V−570)を使用し、透明電極の耐光性試験前後の420nmにおける吸光度の変化率を下記の式により算出した。
〔透明電極TC−201の作製;本発明〕
導電性高分子CP−1(固形分濃度:0.9%)を固形分濃度が13%になるまでロータリーエバポレーターで濃縮し、前記で作製した銀ナノワイヤ質量に対し固形分換算で3倍加え、さらにメラミン樹脂であるベッカミンM−3(DIC社製)と架橋促進剤であるキャタリストACX(DIC社製)をそれぞれ導電性高分子CP−1の固形分に対して10質量%、1質量%となるように添加した。この分散液を易接着加工を施した厚さ100μmのポリエチレンテレフタレートフィルム支持体上に、乾燥膜厚が300nmとなるようにスピンコーターにて塗布し、120℃で30分乾燥した。
エチレンジアミン4酢酸第2鉄アンモニウム 60g
エチレンジアミン4酢酸 2g
メタ重亜硫酸ナトリウム 15g
チオ硫酸アンモニウム 70g
マレイン酸 5g
を純水で1Lに仕上げ、硫酸またはアンモニア水でpHを5.5に調製し金属ナノワイヤ除去剤BF−1を作製した。
透明電極TC−201の作製において、本発明の導電性高分子CP−1を、導電性高分子CP−2〜CP−5に置き換えた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−202〜TC−205を作製した。
透明電極TC−201の作製において、本発明の導電性高分子CP−1を、比較導電性ポリマーCP−Aに置き換えた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−206を作製した。
透明電極TC−201の作製において、導電性高分子CP−1、メラミン樹脂ベッカミンM−3(DIC社製)および架橋促進剤であるキャタリストACX(DIC社製)の代わりに、30%ポリウレタン樹脂MEK溶液であるバイロンUR−3220(東洋紡社製)[ポリウレタン樹脂]を導電性高分子の固形分に対して30質量%用いた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−207を作製した。
以上のように作製した透明電極TC−201〜TC−207に対して、実施例1記載の方法にて全光線透過率、表面抵抗率、表面平滑性(Ra、Ry)を求めた。また、透明電極の安定性を評価するため、80℃90%RHの環境下で7日間置く強制劣化試験後の透明電極試料の全光線透過率、表面抵抗率、表面粗さ(Ra、Ry)評価を行なった。さらに、耐光性劣化試験後(7日間、アトラス社製ウエザオメータ Ci 3000+使用)の420nmでの吸光度変化を測定した。
透明電極TC−301の作製(本発明)
本発明の透明電極の好ましい製造プロセスに従い透明電極を作製した。離型性基板として、表面の平滑性がRy=35nm、Ra=2nmである離型性PETフィルムを用いた。該離型性PETフィルム表面にコロナ放電処理を施した後、上記銀ナノワイヤ分散液を銀ナノワイヤの目付け量が80mg/m2となるように塗布し乾燥して、導電性繊維である銀ナノワイヤを含有する第一の導電性層を設けた。
透明電極TC−301の作製において、本発明の導電性高分子CP−1を、導電性高分子CP−2〜CP−5に置き換えた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−302〜TC−305を作製した。
透明電極TC−301の作製において、本発明の導電性高分子CP−1を、比較導電性ポリマーCP−Aに置き換えた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−306を作製した。
透明電極TC−301の作製において、紫外線硬化型樹脂(JSR社製、NN803)の代わりに、30%ポリウレタン樹脂MEK溶液であるバイロンUR−3220(東洋紡社製)[ポリウレタン樹脂]を用いた以外は同様の操作を行い、透明電極TC−307を作製した。
以上のように作製した透明電極TC−301〜TC−307に対して、実施例1記載の方法にて全光線透過率、表面抵抗率、表面平滑性(Ra、Ry)を求めた。また、透明電極の安定性を評価するため、80℃90%RHの環境下で7日間置く強制劣化試験後の透明電極試料の全光線透過率、表面抵抗率、表面粗さ(Ra、Ry)評価を行なった。さらに、耐光性劣化試験後(7日間、アトラス社製ウエザオメータ Ci 3000+使用)の420nmでの吸光度変化を測定した。
[有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の作製]
作製した透明電極TC−101〜107を第一電極に用いて、以下の手順でそれぞれ有機EL素子OEL−401〜407を作製した。
〈正孔輸送層の形成〉
第1電極上に、1,2−ジクロロエタン中に1質量%となるように正孔輸送材料の4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル(NPD)を溶解させた正孔輸送層形成用塗布液をスピンコート装置で塗布した後、80℃、60分間乾燥して、厚さ40nmの正孔輸送層を形成した。
〈発光層の形成〉
正孔輸送層が形成された各フィルム上に、ホスト材のポリビニルカルバゾール(PVK)に対して、赤ドーパント材Btp2Ir(acac)が1質量%、緑ドーパント材Ir(ppy)3が2質量%、青ドーパント材FIr(pic)が3質量%にそれぞれなるように混合し、PVKと3種ドーパントの全固形分濃度が1質量%となるように1,2−ジクロロエタン中に溶解させた発光層形成用塗布液をスピンコート装置で塗布した後、100℃、10分間乾燥して、厚さ60nmの発光層を形成した。
〈電子輸送層の形成〉
形成した発光層上に、電子輸送層形成用材料としてLiFを5×10−4Paの真空下にて蒸着し、厚さ0.5nmの電子輸送層を形成した。
〈第2電極の形成〉
形成した電子輸送層の上に、第2電極形成用材料としてAlを5×10−4Paの真空下にて蒸着し、厚さ100nmの第2電極を形成した。
〈封止膜の形成〉
形成した電子輸送層の上に、ポリエチレンテレフタレートを基材とし、Al2O3を厚さ300nmで蒸着した可撓性封止部材を使用した。第1電極および第2電極の外部取り出し端子が形成できる様に端部を除き第2電極の周囲に接着剤を塗り、可撓性封止部材を貼合した後、熱処理で接着剤を硬化させた。
(評価)
[発光輝度ムラ]
KEITHLEY製ソースメジャーユニット2400型を用いて、直流電圧を有機EL素子に印加し発光させた。200cd/m2で発光させた有機EL素子OEL−301〜OEL−307について、50倍の顕微鏡で各々の発光均一性を観察した。また、有機EL素子OEL−301〜OEL−307をオーブンにて60%RH、80℃30分加熱したのち、再び前記23±3℃、55±3%RHの環境下で1時間以上調湿した後、同様に発光均一性を観察した。
◎:EL素子全体が均一に発光している
○:EL素子全体がほぼ均一に発光している
△:EL素子の発光にややムラが認められる
×:EL素子の発光に明らかなムラが認められる
上記評価結果を表4に示す。
[有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の作製]
実施例2の手順と同様にして作製した透明電極TC−201〜207を第一電極に用いて、実施例4の手順と同様な方法で有機EL素子OEL−501〜507を作製した。
(評価)
実施例4と同様にして評価を行った。
[有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の作製]
実施例3の手順と同様にして作製した透明電極TC−301〜307を第一電極に用いて、実施例4の手順と同様な方法で有機EL素子OEL−601〜607を作製した。
(評価)
実施例4と同様にして評価を行った。
〔透明電極TC−701の作製(発明例)〕
銀ナノワイヤーをSWCNT(Unidym社製、HiPcoR単層カーボンナノチューブ)に変更し、SWCNTの目付け量が50mg/m2となるよう調製した以外は、実施例1で示したTC−101の製造方法と同様にしてTC−701を作製した。
〔有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の作製〕
得られた透明電極を第一電極(アノード電極)として、実施例4と同様に有機EL素子OLE−701を作製し評価を行ったところ、OLE−101と同様にEL素子全体が均一に発光することが確認できた。また、有機EL素子を60%RH、80℃30分の加熱(強制劣化)後も素子全体に均一発光が認められた。
〔透明電極TC−801の作製(発明例)〕
銀ナノワイヤーをSWCNT(Unidym社製、HiPcoR 単層カーボンナノチューブ)に変更し、銀ナノワイヤー除去剤を用いず、分散液を支持体上に10mmのストライプ状パターンの印刷パターンを形成した版の上から塗布した以外は、実施例2で示したTC−201の製造方法と同様にしてTC−801を作製した。
〔有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の作製〕
得られた透明電極を第一電極(アノード電極)として、実施例4と同様に有機EL素子OLE−801を作製し評価を行ったところ、OLE−201と同様にEL素子全体が均一に発光することが確認できた。また、有機EL素子を60%RH、80℃30分の加熱(強制劣化)後も素子全体に均一発光が認められた。
11 導電性繊維
21 導電性高分子化合物
41 第一の透明導電層
42 第二の透明導電層
51 透明基材
Claims (7)
- 前記一般式(I)におけるR1がSO3Mであり、R2およびR3が水素原子であり、Mが水素原子またはナトリウムであることを特徴とする請求項1または2に記載の透明電極。
- 前記導電性繊維が銀ナノワイヤであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の透明電極。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の透明電極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。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の透明電極を製造する製造方法であって、前記透明基材上に導電性繊維および前記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含む水系分散物を用い、導電性繊維および前記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含有する層を形成する工程を有することを特徴とする透明電極の製造方法。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の透明電極を製造する製造方法であって、前記透明基材上に、前記導電性繊維を含有する第一の透明導電層を形成する工程、および該第一の透明導電性層上に前記一般式(I)で表される構造単位を有する導電性高分子化合物を含有する第二の透明導電層を形成する工程を有することを特徴とする透明電極の製造方法。
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