JP2012227146A - 電界発光素子用光抽出基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光抽出効率を向上することができる電界発光素子用光抽出層及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、電界発光素子用光抽出層及びその製造方法に係り、基板に形成され、大きさが２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物薄膜を含み、前記酸化物薄膜の表面にはテクスチャリングが形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、電界発光素子用光抽出層及びその製造方法に係り、基板に形成され、大きさが２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物薄膜を含み、前記酸化物薄膜の表面にはテクスチャリングが形成されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、基板上に光抽出層が形成された光抽出基板及びその製造方法に係り、より詳しくは、光抽出効率を向上することができる電界発光素子用光抽出基板及びその製造方法に関する。
電界発光素子は、無機電界発光素子と有機電界発光素子とに分けられる。無機電界発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に代表される。
有機電界発光素子（ＯＬＥＤ）は、アノード、有機発光層、及びカソードがこの順に積層されてなる。ここで、アノードとカソードとの間に電圧を印加すると、正孔はアノードから有機発光層内に注入され、電子はカソードから有機発光層内に注入される。この際、有機発光層内に注入された正孔と電子とは有機発光層で結合して励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成し、このような励起子が励起状態（ｅｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅ）から基底状態（ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ）に遷移しながら光を放出するようになる。
ＯＬＥＤは、比較的短期間で急速に商用化段階まで発展してきた。主にディスプレイ用途として開発されてきたが、近年に入り、照明用途のＯＬＥＤが新しく注目されている。
しかしながら、商用化段階に至った有機電界発光素子は、屈折率の不整合により界面から光損失が発生し、光抽出効率が略３０％と制限されているという問題を有している。すなわち、有機電界発光素子は、光抽出効率に関する改善がなされずには大面積の照明用としては不向きであるのが実情である。
一方、これを解決するために、有機電界発光素子が光抽出層を備えることが提案されている。しかし、当該光抽出層は、高価の装備を使用してフォトリソグラフィにて形成していることから、コストアップにつながり、且つ、工程が複雑になっていた。また、フォトリソグラフィにて形成された光抽出層は、基板との接着力及び耐久性にも多くの問題点を持っている。
なお、ＧａＮ ＬＥＤ素子もまた、輝度の向上のために光抽出層が必要となる。
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光抽出効率を向上することができる電界発光素子用光抽出基板及びその製造方法を提供することである。
本発明は、基板；及び上記基板に形成され、大きさが２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物を含み、その表面にはテクスチャリングが形成されている光抽出層；を含むことを特徴とする電界発光素子用光抽出基板を提供する。
好ましくは、上記酸化物は無機酸化物である。
上記無機酸化物は、基材として、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３及びＳｒＲｕＯ３からなる物質群より選択された少なくともいずれか一種を含んでいてよい。
上記無機酸化物は、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｆ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｓｒ、Ｗ、及びＦｅからなる物質群より選択された少なくともいずれか一種を含むドーパントを含んでいてよい。
上記ドーパントは、１０ｗｔ％以下の割合でドープされていてよい。
特に、上記酸化物は、酸化亜鉛系酸化物であり、上記酸化物は、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＴｉからなる物質群より選択された少なくともいずれか一種を含むドーパントを含んでいてよい。
上記酸化物は、上記基板よりも相対的に大きな屈折率を有していてよい。
上記電界発光素子用光抽出基板のヘイズ値が２〜１００％であり、平均透過率が５０％以上であってよい。
上記光抽出層は、酸化物層が単層で形成されてなるものであってよく、または、同種の酸化物層または異種の酸化物層が多層で形成されてなるものであってよい。
上記光抽出層の厚さは、３０〜４０００ｎｍであってよい。
上記テクスチャリングの幅は、５０ｎｍ以上であってよい。
上記基板は、ガラス、サファイア、またはＧａＮ基板であってよい。
上記基板と上記光抽出層との間には、中間層をさらに含んでいてよい。
上記電界発光素子は、ＯＬＥＤまたはＬＥＤであってよい。
上記光抽出層は、外部光抽出層または内部光抽出層であってよい。
また、本発明は、上記電界発光素子用光抽出基板を製造する製造方法を提供する。
好ましくは、常圧化学気相蒸着反応工程で上記光抽出層を形成する。
亜鉛前駆体ガスと酸化剤ガスの常圧化学気相蒸着反応で、表面に上記テクスチャリングが形成された上記光抽出層を形成することができる。
上記常圧化学気相蒸着反応工程は、工程チャンバ内部に基板を装入するステップ；上記基板を加熱するステップ；上記亜鉛前駆体ガスを上記工程チャンバ内部へ噴射するステップ；及び上記酸化剤ガスを上記工程チャンバ内部へ噴射するステップを含んでいてよい。
上記酸化剤ガスは、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ３、及びＲ−ＯＨの少なくとも一つを含んでいてよい。
上記常圧化学気相蒸着工程の進行中または進行後にドーパントをドープするステップをさらに含んでいてよい。
常圧化学気相蒸着反応工程前に上記基板に対してプラズマまたは化学処理を施してよい。
常圧化学気相蒸着反応工程後に形成された上記光抽出層に対してプラズマまたは化学処理を施してよい。
本発明によれば、高い透明度と屈折率を有し、且つ、基板との接着性が高いワイドバンドギャップを有する無機酸化物で光抽出層を形成することにより、光抽出層の光抽出効率を向上することができる。
また、本発明によれば、化学気相蒸着反応工程で形成される光抽出層の表面にテクスチャリングを自然形成させることにより、従来よりも製造工程を簡素化させることができる。
また、本発明によれば、低価且つ高効率の電界発光素子を具現することができる。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態に係る電界発光素子用光抽出基板の製造方法及びこれによって製造される電界発光素子用光抽出基板について詳しく説明する。
なお、本発明を説明するにあたって、関連した公知の機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することとする。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る有機電界発光素子用光抽出基板は、基板と光抽出層を含む。光抽出層１００は基板１１に形成される。このとき、基板１１に形成される光抽出層１００は、厚さ３０〜４０００ｎｍに形成されていてよい。また、光抽出層１００は、大きさ２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物薄膜からなるものであってよい。そして、光抽出層１００の表面にはテクスチャリングが形成されている。
このような光抽出層１００は、常圧化学気相蒸着（ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＰＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＬＰＣＶＤ）、スパッタリング、または分子線エピタキシ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）のうち、いずれかの工程により形成されていてよい。
ここで、基板１１は、有機電界発光素子１０を形成する互いに対向配置される基板のうち、いずれか一方の基板であってよい。このとき、有機電界発光素子１０は、互いに対向配置される一対の基板１１、１５と、これらの基板の間に配置される第１及び第２の電極層１２、１４と、第１及び第２の電極層１２、１４の間に配置される有機発光層１３、及び一対の基板１１、１５の縁部またはこれらの基板１１、１５の間の空間に形成され、第１及び第２の電極層１２、１４と有機発光層１３を外部から保護するシーリング材１６を含んでなるものであってよい。
このような基板１１は、透明基板であって、光透過率に優れ且つ機械的な物性に優れているものであれば特に制限されない。例えば、基板としては、熱硬化またはＵＶ硬化が可能な有機物質であるポリマー系の物質や化学強化硝子であるソーダライムガラス（ＳｉＯ２-ＣａＯ-Ｎａ２Ｏ）またはアルミノシリケートガラス（ＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３-Ｎａ２Ｏ）が使用されてよく、このうち、Ｎａの量は用途に応じて調節されていてよい。
また、光抽出層１００は、大きさ２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物薄膜からなり、バンドギャップが大きいほど酸化物薄膜の透明度は増加するようになる。さらに、光抽出層１００をなす酸化物薄膜は、光抽出効率を増加させる上で基板１１よりも相対的に大きい屈折率を有するのが好ましい。このようなワイドバンドギャップを有する酸化物薄膜は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、及びＳｒＲｕＯ３からなる物質群より選択されたいずれか一種または二種以上を混合した混合物からなるものであってよい。このとき、上記酸化物薄膜は、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｆ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｓｒ、Ｗ、及びＦｅを含む物質群より選択されたいずれか一種または二種以上の組み合わせからなるドーパントを含んでいてよい。例えば、酸化物がＺｎＯである場合、ドーパントとしては、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、ＦとＴｉ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕなどのような遷移金属が使用されてよい。また、酸化物がＴｉＯ２である場合、ドーパントとしては、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｓｒが使用されてよく、酸化物がＳｎＯ２である場合、ドーパントとしては、Ｆが使用されてよく、酸化物がＳｒＴｉＯ３である場合、ドーパントとしては、Ｎｄが使用されてよい。そして、酸化物がＶＯ２である場合、ドーパントとしては、Ｗが使用されてよく、酸化物がＳｒＲｕＯ３である場合、ドーパントとしては、Ｆｅ、Ｃｏなどの遷移金属が使用されてよい。このとき、当該ドーパントは、各酸化物のバンドギャップ、屈折率の調節及び表面形状の制御、すなわちテクスチャリングの形状制御のために、単独または二種以上の組み合わせで使用されてよく、このとき、１０ｗｔ％以下の割合で添加されることが好ましい。そして、このようなドーパントは、工程方法と工程条件に応じて光抽出層１００の形成途中にドープするか、または光抽出層１００の形成後にイオン注入などのさらなる工程にてドープしてよいが、これについては、後述する光抽出層の製造方法のところであらためて説明することにする。
一方、酸化物薄膜、すなわち、光抽出層１００の表面には全体的に均一な大きさと均一な形態のテクスチャリングが形成されている。このようなテクスチャリングは、可視光線領域の光を散乱させる役割をするが、テクスチャリング粒子１個の幅は５０ｎｍ以上に形成されることが好ましい。このようなテクスチャリングは、図２ないし図５に示すように、各種の形態で形成されていてよい。
すなわち、本発明の実施形態に係る光抽出層１００は、かかるテクスチャリングを通じて可視光線領域において２〜１００％のヘイズ値と５０％以上の平均透過率を示す。さらには、図１には、単層からなる光抽出層１００を示したが、光抽出効率をより向上するために、多層で形成されていてもよい。
本発明に係る光抽出層は、図１に示すような外部光抽出層に限られず、内部光抽出層であってもよい。
以下、本発明の実施形態に係る電界発光素子用光抽出層の製造方法について説明することにする。
本発明の好適な実施形態に係る電界発光素子用光抽出層の製造方法は、常圧化学気相蒸着（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＰＣＶＤ）工程にて大きさ２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物からなる光抽出層１００を基板に形成する。ここで、光抽出層１００を常圧化学気相蒸着反応で形成すると、その表面に蒸着過程で自然発生的にテクスチャリングが形成される。すなわち、常圧化学気相蒸着反応にて光抽出層１００を形成すると、人為的にテクスチャリングを形成する工程を省略可能となることで製造工程を削減することができ、その結果、生産性が増大し、量産が可能となる。
このような常圧化学気相蒸着反応工程は、例えば、基板の装入ステップ、基板の加熱ステップ、前駆体ガスの噴射ステップ、及び酸化剤ガスの噴射ステップの順に行われる。
先ず、基板の装入ステップは、常圧化学気相蒸着反応が行われる工程チャンバ（図示せず）の内部に基板１１を装入して位置決めするステップである。
工程チャンバ（図示せず）への基板１１の装入後、これを所定の温度で加熱する。基板の加熱ステップでは、基板１１の温度が１７０〜５２０℃を示すまでに加熱してよい。
次いで、前駆体ガスの噴射ステップは、光抽出層１００をなす酸化亜鉛（ＺｎＯ）系薄膜を蒸着するために亜鉛（Ｚｎ）前駆体ガスを基板１１が装入されている工程チャンバ（図示せず）の内部へ噴射するステップである。ここで、前駆体ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガスからなるキャリアガスによって工程チャンバ（図示せず）の内部に搬入されていてよい。
最後に、酸化剤ガスの噴射ステップは、前駆体ガスとの常圧化学気相蒸着反応のために酸化剤ガスを工程チャンバ（図示せず）の内部へ噴射するステップである。ここで、酸化剤は、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ３、及びＲ-ＯＨからなる群より選択されたいずれか一種または二種以上の組み合わせからなるものであってよい。
このとき、前駆体ガスの噴射ステップと酸化剤ガスの噴射ステップとは同時に行われていてよいが、この場合、工程チャンバ（図示せず）の内部に流れ込まれる前に混合されるのを防止するために、各ガスの供給経路が異なるように制御することが好ましい。そして、化学反応を活性化させるために、前駆体ガスと酸化剤ガスとを予め加熱してから供給することもできる。
ここで、常圧化学気相蒸着反応工程における光抽出層１００の蒸着時に光抽出層１００の表面に生成されるテクスチャリングの形状制御のために、常圧化学気相蒸着反応工程前の基板１１の表面に対してプラズマまたは化学処理を施してその表面を改質することもできる。また、常圧化学気相蒸着反応工程における光抽出層１００の蒸着時に光抽出層１００の表面に生成されるテクスチャリングの形状制御のために、常圧化学気相蒸着反応工程後に形成された光抽出層１００の表面に対してプラズマまたは化学処理を施してその表面を改質することもできる。
上記工程が完了すると、本発明の実施形態に係る電界発光素子用光抽出層１００が形成される。
図２ないし図５に示す走査電子顕微鏡で撮影した写真のように、本発明の実施形態に従って製造された光抽出層１００の表面には、工程条件に応じて多様な形状のテクスチャリングが全体的に均一な大きさで形成される。このとき、形成された当該光抽出層１００の厚さは３０〜４０００ｎｍであり、形成されたテクスチャリングの幅は５０ｎｍ以上である。
一方、図６ないし図９は、図２ないし図５のそれぞれの、すなわち、互いに異なる工程条件にて製造された光抽出層に対する波長帯毎の透過率及びヘイズ値の変化を示すグラフであり、これらのグラフに示すように、本発明の実施形態に従って製造された電界発光素子用光抽出層１００は、可視光線領域において相対的に高いヘイズ値を示しており、平均透過率は５０％以上であることが観察された。
上述したように、本発明は、高い透明度と屈折率を有し、且つ、基板１１との接着性が高いワイドバンドギャップを有する無機酸化物で光抽出層１００を形成することにより、光抽出層１００の光抽出効率を向上することができる電界発光素子用光抽出層及びその製造方法を提供する。そして、本発明は、常圧化学気相蒸着反応工程にて形成される光抽出層１００の表面にテクスチャリングを自然形成させることにより、従来よりも製造工程を簡素化させることができる電界発光素子用光抽出層及びその製造方法を提供する。その結果、低価且つ高効率の電界発光素子１０を具現することができる。
下表１は、光抽出層の材料による効果を表す。
以上のように本発明を限定された実施形態と図面に基づいて説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者ならば、かかる記載から種々の修正及び変形が可能である。
したがって、本発明の範囲は説明された実施形態によって限定されてはならず、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。
１００：光抽出層
１０：有機電界発光素子
１１、１５：基板
１２：第１の電極層
１３：有機発光層
１４：第２の電極層
１６：シーリング材
１０：有機電界発光素子
１１、１５：基板
１２：第１の電極層
１３：有機発光層
１４：第２の電極層
１６：シーリング材
Claims (25)
- 基板；及び
前記基板に形成され、大きさが２．８ｅＶ以上のワイドバンドギャップを有する酸化物を含み、その表面にはテクスチャリングが形成されている光抽出層；
を含むことを特徴とする電界発光素子用光抽出基板。 - 前記酸化物は無機酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記無機酸化物は、基材として、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３及びＳｒＲｕＯ３からなる物質群より選択された少なくともいずれか一種を含むことを特徴とする請求項２に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記無機酸化物は、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｆ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｓｒ、Ｗ、及びＦｅからなる物質群より選択された少なくともいずれか一種を含むドーパントを含むことを特徴とする請求項３に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記ドーパントは、１０ｗｔ％以下の割合でドープされたことを特徴とする請求項４に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記酸化物は、酸化亜鉛系酸化物であり、前記酸化物は、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＴｉからなる物質群より選択された少なくともいずれか一種を含むドーパントを含むことを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記酸化物は、前記基板よりも相対的に大きな屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記テクスチャリングは、前記光抽出層の常圧化学気相蒸着によって前記光抽出層の表面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- ヘイズ値が２〜１００％であることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 平均透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記光抽出層は、酸化物層が単層で形成されてなるものであるか、または、同種の酸化物層または異種の酸化物層が多層で形成されてなるものであることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記光抽出層の厚さは、３０〜４０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記テクスチャリングの幅は、５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記基板は、ガラス、サファイア、またはＧａＮ基板であることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記基板と前記光抽出層との間には、中間層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記電界発光素子は、ＯＬＥＤまたはＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 前記光抽出層は、外部光抽出層または内部光抽出層であることを特徴とする請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板。
- 請求項１に記載の電界発光素子用光抽出基板を製造する電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
- 常圧化学気相蒸着で前記光抽出層を形成することを特徴とする請求項１８に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
- 亜鉛前駆体ガスと酸化剤ガスの常圧化学気相蒸着で、表面に前記テクスチャリングが形成された前記光抽出層を形成することを特徴とする請求項１９に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
- 前記常圧化学気相蒸着は、
工程チャンバ内部に基板を装入するステップ；
前記基板を加熱するステップ；
前記亜鉛前駆体ガスを前記工程チャンバ内部へ噴射するステップ；及び
前記酸化剤ガスを前記工程チャンバ内部へ噴射するステップ；
を含むことを特徴とする請求項２０に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。 - 前記酸化剤ガスは、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ３、及びＲ−ＯＨの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２０に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
- 前記常圧化学気相蒸着の進行中または進行後にドーパントをドープするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
- 常圧化学気相蒸着前に前記基板に対してプラズマまたは化学処理を施すことを特徴とする請求項１９に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
- 常圧化学気相蒸着後に形成された前記光抽出層に対してプラズマまたは化学処理を施すことを特徴とする請求項１９に記載の電界発光素子用光抽出基板の製造方法。
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