JP2016500623A - 透明拡散oled基材の製造方法及び得られた基材 - Google Patents

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Abstract

本発明は透明拡散OLED基材の製造方法に関し、この方法は以下の一連の工程、すなわち、(a)平坦な半透明ガラス基材の片面又は両面を研磨スラリーを使用してラッピング加工して、算術平均偏差Raが0.1μmと2.0μmの間、好ましくは0.15μmと1.5μmの間、より好ましくは0.2μmと1.0μmの間、最も好ましくは0.25μmと0.8μmの間の粗さプロファイルを有する少なくとも1つの粗面を有する平板ガラス基材を得る工程、(b)1つの粗面又は2つの粗面のうちの一方を、屈折率が少なくとも1.7、好ましくは1.7と2.2の間の高屈折率ガラスフリットでコーティングする工程であって、高屈折率ガラスフリットの量を該フリットの溶融後に粗面の粗さプロファイルを完全に覆うのに充分なものとする工程、(c)コーティングを施した基材を高屈折率ガラスフリットの溶融温度より高く下の基材の軟化温度より低い温度まで加熱して、一方の粗面の上に高屈折率エナメルを生じさせる工程、を含む。

Description

本発明は、有機発光ダイオード(OLED)用の半透明の光散乱基材の新しい製造方法及び当該方法で得られた基材に関する。
OLEDは、2つの電極に挟持された蛍光又は燐光性色素を有する有機層の積層体を含むオプトエレクトロニクス素子であり、電極の少なくとも一方は半透明である。電極に電圧を印加すると、カソードから注入された電子とアノードから注入されたホールとが有機層内で再結合して、その結果蛍光/燐光層から発光する。
慣用のOLEDからの光の取り出しはどちらかと言うと不十分であることが一般に知られており、光の大部分は高屈折率の有機層及び透明導電層(TCL)における全内部反射により捕捉される。全内部反射は、高屈折率TCLとその下のガラス基材(屈折率約1.5)との境界だけでなく、ガラスと空気との境界でも起きる。
推定によると、追加の取り出し層を含まない慣用のOLEDにおいては、有機層から放出された光の約60%がTCLとガラスとの境界で捕捉され、更に20%分がガラスと空気との界面で捕捉され、OLEDから空気中には約20%しか出射しない。
TCLとガラス基材との間の光散乱層によりこの問題を軽減することが知られている。そのような光散乱層はTCLの屈折率に近い高い屈折率を有し、且つ複数の光拡散要素を含んでいる。
OLEDのガラスと高屈折率層との界面を構造化することで光のアウトカップリングを増加させることも知られている。
一般に「内部取り出し層(IEL)」とも称されるこれらの「内部」取り出し手段はどちらも、TCL又は有機積層体の適用前に平坦化を必要とする凸凹を含んでいる。
更に、例えばガラス基材の外面に光学的に結合させた表面を構造化したプラスチックフィルムからなる、「外部取り出し層(EEL)」により、ガラスと空気との界面での光の捕捉を低減することが知られている。
国際公開第2011/089343号には、高屈折率のガラスコーティングで平坦化された少なくとも1つの構造化面を含むOLED基材が開示されている。これらの基材は、酸エッチングにより表面を構造化されると記載されている。
国際公開第2011/089343号
強酸、特にHFを使用したガラスエッチングは、ガラス表面の構造化に一般的に用いられる方法である。しかしながら、そのような湿式化学法は、ガラスが薄い場合(厚さ<1mm)は面倒な処理となる。この方法では、エッチング工程中はガラス板を水平位置に維持しなくてはならないので、1回の処理工程で2つの面の一方しかエッチングできない。更に、粗さプロファイルのパラメータは最適化が困難であり、何よりもHFの使用は、環境及び近くで作業をしている人々にとって重要な安全上の問題を招く。
本発明の根底にある発想は、化学的な粗化工程をずっと危険性の低い機械的粗化工程に置き換えることで粗さプロファイルをより良好に制御できるようにし、そして基材の両面の同時の粗化を可能にして、それによって透明OLEDガラス基材の内部及び外部取り出し層(IEL及びEEL)を1つの工程で作製することである。
本発明の方法の第1の工程として行われるラッピング加工工程は、厚さ2mm未満、更には1mm未満のかなり薄いガラス基材で容易に実施される。プロセスパラメータ、例えば研磨材の硬度及び粒径、ラッピング加工圧力、速度及び時間などにより、粗さプロファイルを容易に調節及び制御することができる。
本出願人は更に、化学エッチング及び機械的粗化により得られる粗化基材を比較して、約85〜95%の所与の望ましい曇り度範囲に関し、スラリーメッシュ(スラリーの粒径分布)を調節することで機械的に研磨するガラス面の粗さプロファイルを容易に調整することができ、その結果として酸エッチングによる面よりも有意に浅くできることを観測した。これは、ずっと薄い高屈折率ガラスコーティングが光散乱用プロファイルの凹凸を申し分なく埋めて平坦化するのに充分であり、その結果製造コストの削減及び最終製品の薄肉化の両方につながることを意味する。
ラッピング加工に続いて、表示パネル用、特に液晶表示(LCD)パネル用のガラス基材をより薄く且つ平らにするために研磨することが広く知られている。そのような用途では曇り度が低く粗さプロファイルが小さいことが求められる。研磨工程では、粗面の平坦化が極めて細かく均一な研磨材を用いてなされる。研磨された面は慣例的に「鏡面」として知られる。
本発明では、平坦化処理は精密研磨工程の前に中断される。ガラス基材を片面又は両面のラッピング加工工程に供する。適切な表面粗さ(Ra)に達した後に、従来技術におけるような細かい研磨材による研磨ではなく、得られた粗さプロファイルを高屈折率ガラスフリットで埋めて覆い、続いて溶融させることで片面を平坦化して、突出したガラスピークのない均一で平坦なガラスエナメルを生じさせる。高屈折率エナメルを支持している面は内部取り出し層(IEL)を構成し、その上には後に透明導電層(アノード)が積層される。ラッピング加工工程を両面で行う場合は、第2の非平坦化面が外部取り出し層(EEL)として機能する。
本発明の方法は、幾分低級なガラス、例えば、表面欠陥(トップのスズ、トップスペックなど)、表面の亀裂又は擦り傷、高温多湿での長期間にわたる保管後のガラスの風化又は老化に起因する表面の化学的変化のあるフロートガラスなど、に適しているので、極めて興味深いものである。これらの表面欠陥はラッピング加工工程中に取り除かれる。更に、ラッピング加工処理により得られる曇った面のおかげで、バルク欠陥、例えば気泡などが見えなくなる。低級ガラスの使用により、製造コストの更なる低減が可能になる。
従って、本発明は、OLED用の薄くて低コストの光散乱基材を製造するための安全で且つかなり簡単な方法を提供する。本方法の3つの基本的な工程(平板ガラス基材のラッピング加工、ガラスフリットのコーティング、ガラスフリットコーティングの溶融)は全て、従来技術で周知であり、また既存又は公知の技術設備で実施し得る。しかしながら、出願人が知る限り、現在に至るまで、これらの工程がOLED用の基材を製造するためにこれから説明し特許請求の範囲に記載しているように組み合わされたことはない。
本発明の透明な拡散OLED基材の製造方法は、以下の一連の工程、すなわち、
(a)平坦な半透明ガラス基材の片面又は両面を研磨スラリーを使用してラッピング加工して、算術平均偏差Raが0.1μmと2.0μmの間、好ましくは0.15μmと1.5μmの間、より好ましくは0.2μmと1.0μmの間、最も好ましくは0.25μmと0.8μmの間の粗さプロファイルを有する少なくとも1つの粗面を有する平板ガラス基材を得る工程、
(b)1つの粗面又は2つの粗面の一方を、屈折率が少なくとも1.7、好ましくは1.7と2.2の間の高屈折率ガラスフリットでコーティングする工程であって、高屈折率ガラスフリットの量をフリットの溶融後に粗面の粗さプロファイルを完全に覆うのに充分なものとする工程、
(c)コーティングを施した基材を高屈折率ガラスフリットの溶融温度より高く下の基材の軟化温度より低い温度まで加熱して、一方の粗面の上に高屈折率エナメルを生じさせる工程、
を含む。
ラッピング加工用のスラリーは、充分に高い硬度及び適切な粒径を有するセラミック研磨粒子を含有するいずれの公知のスラリーでもよい。
研磨粒子のヌープ硬度は好ましくは少なくとも1800HKであり、より好ましくは少なくとも2000HKである。研磨粒子は例えば、酸化アルミニウム(白色コランダムを含む)、炭化ケイ素、特に黒色及び緑色SiC、ドープされた酸化ジルコニウム、例えばMg、Y又はCeをドープされた酸化ジルコニウム、窒化ホウ素、これらの粒子の混合物、及びコアシェル複合粒子、例えばSiCで被覆したアルミナなど、からなる群から選択される。
白色コランダム粒子(2160HK)及び緑色SiC粒子(2600HK)が最も好ましい。
研磨材の平均粒径は、好ましくは500〜5000メッシュ、より好ましくは800〜3500メッシュ、より一層好ましくは1000〜3200メッシュ、最も好ましくは2000〜3000メッシュの範囲にある。
研磨スラリーの粒子がもっと細かいと(平均粒径>5000メッシュ)、面の粗さが不十分となり、ラッピング加工時間が過度に長くなる。過度に粗い粒子(<500メッシュ)を使用すると、加工したガラス面は粗くなりすぎてしまい、平坦化のために望ましくないほど多量のガラスフリットが必要となる。
好適な研磨スラリーが入手可能であり、例えばG&P Technology Companyにより販売されている。
先に説明したように、ラッピング加工工程(a)は好ましくは平板ガラス基材の両面で同時に行われ、その結果両面の粗さプロファイルは同じものとなる。当然のことながら、異なるラッピング加工条件下で両面を別々にラッピング加工することが考えられるが、一般にそうすることに特別な利点はない。
算術平均偏差RaはISO 4287により規定される。それは、試料断面の走査型電子顕微鏡(SEM)での観察、表面プロファイルの測定、又は3Dレーザー顕微鏡での観察により測定することができる。本発明において、実験結果のほとんどは、共焦点レーザー走査顕微鏡(レーザースポットサイズが0.26μm×0.26μmで、270μm×202μmの面積について分析する、Keyence VK−X100顕微鏡)での観察により得られた。ISO 4287で規定されているようなプロファイルエレメントの平均幅RSmを同じ機器で測定してもよいが、それはライン走査から抽出されよう。
工程(a)に供する半透明の平板ガラス基材は一般に、厚さが0.1mmと5mmの間であり、好ましくは0.3mmと1.6mmの間である。
それらの端部は事前に研削するのが好ましい。研削していないガラスの端部からは研磨粒子よりはるかに大きいガラス片が生じて、ガラス表面に見苦しい擦り傷を生じさせかねないからである。
ラッピング加工工程(a)は公知の実験室用又は工業用ラップ盤、例えばLCD工業研磨機器又は、SpeedFam 22B装置(台湾のSpeedFam Inc.)のような同時両面研磨を必要とする光学用途専用のより安価な機器などで行うことができる。
ラッピング加工圧力は、好ましくは1.38kPaと6.89kPaの間(0.2〜1.0psi)、より好ましくは2.1kPaと5.5kPaの間(0.3〜0.8psi)であり、3分と60分の間、好ましくは5分と30分の間、より好ましくは10分と20分の間(ラッピング加工時間)維持される。一般に、幾分粗い研磨材から始めてより細かい研磨材で仕上げる2以上の一連のラッピング加工工程を実行する必要はない。好ましい実施形態では、本発明の方法は、単一タイプの研磨スラリーを使用する1つのラッピング加工工程だけを含む。
工程(a)から得られる、面のうちの一方又は両方が粗化された平板ガラス基材は、一般に75%と98%の間、好ましくは85%と97%の間、より好ましくは87%と95%の間の曇り度を有する。曇り度の値は、PE Lambda 950又はVarian Carry 5000のような光学分光光度計で測定することができるが、BYKヘイズメータのようなより高速でより安価な専用装置で測定することもできる。
次の工程において、基材の1つの粗面又は2つの粗面のうつの一方に高屈折率ガラスフリットの薄層をコーティングする。そのようなコーティングは好ましくは、ガラス粒子の水性又は有機懸濁液のスクリーン印刷、スプレーコーティング、バーコーティング、ロールコーティング、スロットコーティングにより、及び場合によってはスピンコーティングにより適用される。好適な高屈折率ガラスフリットとそれらのコーティング方法及び焼成方法の説明は、例えば欧州特許出願公開第2178343号明細書に見いだすことができる。
ガラスフリットは、450℃と570℃の間の融点を有するように選択すべきであり、且つ屈折率が1.7〜2.2のエナメルをもたらすべきである。
好ましいガラスフリットは、以下の組成、すなわち、
Bi23: 55〜75wt%
BaO: 0〜20wt%
ZnO: 0〜20wt%
Al23: 1〜7wt%
SiO2: 5〜15wt%
23: 5〜20wt%
Na2O: 0.1〜1wt%
CeO2: 0〜0.1wt%
を有する。
典型的な実施形態においては、ガラスフリット粒子(70〜80wt%)を20〜30wt%の有機ビヒクル(エチルセルロース及び有機溶媒)と混合する。次に、得られたフリットペーストを表面を構造化したガラス基材上にスクリーン印刷又はスロットコーティングにより塗布する。得られた層を120〜200℃の温度での加熱により乾燥させる。有機バインダ(エチルセルロース)を350℃と440℃の間の温度で焼き尽くし、そして最終的なエナメルが得られる焼成工程を450〜570℃の温度で行う。
得られたエナメルは、10μm×10μmの面積についてAFMで測定して算術平均偏差Ra(ISO 4287)が0.5nm未満の表面粗さを有することが示されている。
本発明の利点の1つは、ラッピング加工面の粗さプロファイルがかなり浅いことである。ラッピング加工面は酸エッチングした基材よりも低いプロファイルエレメントの平均高さ(ISO 4287:1997,4.1.4)を有し得ることから、表面構造を完全に覆うための最低量を減少させることができる。
本発明では、工程(b)で粗面上にコーティングする高屈折率ガラスフリットの量は一般には15g/m2と100g/m2の間、好ましくは20g/m2と90g/m2の間、より好ましくは25g/m2と80g/m2の間、最も好ましくは30g/m2と70g/m2の間である。
焼成工程の終了時に、エナメルは固化したコーティングの内部に捕捉された気体が充満した小さい気孔を含むことができる。そのような気孔は追加の光散乱要素として有利に作用する。これらの気孔の濃度はフリットの粒径と焼成条件の調整により制御することができ、好ましくは0.1vol%と2vol%の間、より好ましくは0.5vol%と1.8vol%の間である。
本発明で使用するガラスフリット及びそれから得られるエナメルは、好ましくは、固形の散乱粒子、例えば結晶性のSiO2又はTiO2粒子などを実質的に含まない。そのような粒子は高屈折率散乱層における散乱要素としてよく使用されるが、一般に追加の平坦化層を必要とし、その結果高屈折率コーティングの総厚が増大してしまう。本発明では、浅い粗さプロファイルが固形散乱要素の存在しないことと相まって、極めて薄い高屈折率ガラスコーティングを可能にする。
工程(c)から得られるラッピング加工及び平坦化が施されたガラス基材は、底面発光型OLED用の基材として特に有用である。透明導電層は、有機発光層の積層体を適用する前に高屈折率エナメルの上に適用しなくてはならない。
従って、好ましい実施形態において、本発明の方法は、工程(c)から得られた高屈折率エナメルに透明導電層、好ましくは透明導電性酸化物をコーティングする追加の工程(工程(d))を更に含む。
OLED用のアノードとして使用することができる透明導電層は、従来技術において周知である。最も一般的に使用される材料はITO(酸化インジウムスズ)である。透明導電層は、少なくとも80%の光透過率及び1.7と2.2の間の屈折率を有するべきである。その総厚は一般に50nmと200nmの間である。
出願人が知る限り、
・片面又は両面に上述したような粗さプロファイルを有する半透明の平板ガラス基材、
・該粗面の粗さプロファイルを完全に覆う、屈折率が少なくとも1.7、好ましくは1.7と2.2の間の高屈折率エナメル、そして任意選択的に、
・該高屈折率エナメル上にコーティングされた透明導電層、
を含む、本発明の方法で得られる透明OLED基材は、これまでのところ従来技術の文献に記載されておらず、従ってやはり本発明の対象とするものである。
当然のことながら、これはそのような透明OLED基材を、好ましくはそのアノード側に含む、有機発光ダイオードにも当てはまる。
厚さが0.7mmの18枚のガラス板(200mm×200mm、フロートガラス)をラッピング装置でのラッピング加工に供し、片面のラッピング加工及び両面の同時ラッピング加工を行った。
粒径がそれぞれ500メッシュ、1000メッシュ、2000メッシュ及び3000メッシュの、G&P Technology Company製の4種の異なる研磨スラリーを使用した。最も細かい研磨スラリー(2000メッシュ及び3000メッシュ)は、片面及び両面のラッピング加工用に使用した。各ラッピング加工を3回、すなわち3枚のガラス板に行った。
ラッピング加工工程の終了時に、研磨面にまだ付着している粒子を除去するため、試料を超音波処理によりクリーニングした。
次に、粗さプロファイル及びパラメータを測定するために、研磨面を3Dレーザー顕微鏡(Keyence VK−X100顕微鏡、レーザースポットサイズ0.26μm×0.26μm、λs=0.8μm、λc=0.25mm)で観察した。各試料について3つの大きな面積の分析(270μm×202μm)を行い、9つの一連の生データから平均値を計算した(3回行ったラッピング加工のそれぞれについて3回の分析)。
下記の表は、評価したプロファイルの算術平均偏差(Ra)、プロファイルの最大高さ(Rz)、及びプロファイルエレメントの平均幅(RSm)を示している。HFエッチングで得られた試料(SATINOVO(商標))についての比較データも提示している。
下記の表1の結果は、約88〜94%の所与の申し分のない曇り度の範囲に関し(片面ラッピング加工の試料)、本発明の方法の工程(a)から得られたプロファイルが、HFエッチングで粗化した従来技術のガラス基材(SATINOVO(商標))より著しく小さい粗さパラメータ(Ra)を有することを示している。最も粗い研磨スラリー(#500研磨材)で得られる例1のプロファイルの最大高さ(Rz)は、従来技術のSATINOVO(商標)試料と同様であるが、より細かい研磨スラリーで得られた全ての例に関しては、Rzの値はSATINOVO(商標)より著しく小さい。
Figure 2016500623
例1、2、3及び5の基材を申し分なく平坦化するための高屈折率ガラスフリットの最小量はそれぞれ90g/m2、65g/m2、60g/m2及び55g/m2であったのに対し、SATINOVO(商標)試料は約110g/m2を必要とした。
上記の結果は、本発明の方法により、内部及び外部光取り出し層を有するOLEDの製造に適した薄い光散乱ガラス基材を作製するためのかなり簡単で低コスト且つ効率的な手段が得られることを示している。

Claims (15)

  1. 以下の一連の工程、すなわち、
    (a)平坦な半透明ガラス基材の片面又は両面を研磨スラリーを使用してラッピング加工して、算術平均偏差Raが0.1μmと2.0μmの間、好ましくは0.15μmと1.5μmの間、より好ましくは0.2μmと1.0μmの間、最も好ましくは0.25μmと0.8μmの間の粗さプロファイルを有する少なくとも1つの粗面を有する平板ガラス基材を得る工程、
    (b)1つの粗面又は2つの粗面のうちの一方を、屈折率が少なくとも1.7、好ましくは1.7と2.2の間の高屈折率ガラスフリットでコーティングする工程であって、高屈折率ガラスフリットの量を該フリットの溶融後に粗面の粗さプロファイルを完全に覆うのに充分なものとする工程、
    (c)コーティングを施した基材を高屈折率ガラスフリットの溶融温度より高く下の基材の軟化温度より低い温度まで加熱して、一方の粗面の上に高屈折率エナメルを生じさせる工程、
    を含む、透明な拡散OLED基材の製造方法。
  2. 前記工程(a)の研磨スラリーが少なくとも1800HK、好ましくは少なくとも2000HKのヌープ硬度を有する研磨粒子を含有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記研磨粒子を、酸化アルミニウム(白色コランダムを含む)、炭化ケイ素(SiC)、特に黒色及び緑色SiC、ドープされた酸化ジルコニウム、例えばMg、Y又はCeをドープされた酸化ジルコニウム、窒化ホウ素、これらの粒子の混合物、及びコアシェル複合粒子、例えばSiCで被覆したアルミナなど、からなる群から、特に白色コランダム又は緑色SiC粒子から選択する、請求項2に記載の方法。
  4. 前記研磨粒子が、500〜5000メッシュ、好ましくは800〜3500メッシュ、より好ましくは1000〜3200メッシュ、最も好ましくは2000〜3000メッシュの範囲にある平均粒径を有する、請求項2又は3に記載の方法。
  5. 前記ラッピング加工工程(a)を前記平板ガラス基材の両面で同時に行う、請求項1に記載の方法。
  6. 前記工程(a)でのラッピング加工圧力が1.38kPaと6.89kPaの間である、請求項1に記載の方法。
  7. 前記工程(a)でのラッピング加工時間が3分と60分の間、好ましくは5分と30分の間、より好ましくは10分と20分の間である、請求項1に記載の方法。
  8. 前記工程(a)から得られる、面の一方又は両方を粗化した前記平板ガラス基材の曇り度が85%と97%の間、好ましくは87%と96%の間である、請求項1に記載の方法。
  9. 前記工程(b)で粗面上にコーティングする前記高屈折率ガラスフリットの量が15g/m2と100g/m2の間、好ましくは20g/m2と90g/m2の間、より好ましくは25g/m2と80g/m2の間、最も好ましくは30g/m2と70g/m2の間である、請求項1に記載の方法。
  10. 前記ガラスフリット及び結果として生じる前記エナメルが散乱粒子、例えばSiO2又はTiO2粒子など、を実質的に含まない、請求項1に記載の方法。
  11. 工程(a)に供する前記平坦な半透明ガラス基材の厚さが0.1mmと5mmの間、好ましくは0.3mmと1.6mmの間である、請求項1に記載の方法。
  12. 工程(c)から得られた前記高屈折率エナメルに透明導電層、好ましくは透明導電性酸化物をコーティングすることを更に含む、請求項1に記載の方法。
  13. 前記高屈折率ガラスフリットが以下の組成、すなわち、
    Bi23: 55〜75wt%
    BaO: 0〜20wt%
    ZnO: 0〜20wt%
    Al23: 1〜7wt%
    SiO2: 5〜15wt%
    23: 5〜20wt%
    Na2O: 0.1〜1wt%
    CeO2: 0〜0.1wt%
    を有する、請求項1に記載の方法。
  14. 請求項1〜11のいずれかに記載の方法に従って得られる透明OLED基材。
  15. 請求項14に記載の透明基材を含むOLED。
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