JP3887269B2

JP3887269B2 - 有機ｅｌ表示装置

Info

Publication number: JP3887269B2
Application number: JP2002146563A
Authority: JP
Inventors: 公人酒井; 祥二小塚; 寧森; 勝之内藤; 尚子木原; 昌朗天野; 裕子今村; 和重山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003338381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機ＥＬ表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、有機物の多層膜を用いたエレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子が注目されている（例えば、特開昭６３−２６４６９２号、特開昭６３−２９５６９５号、特開平１−２４３３９３号、特開平１−２４５０８７号）。有機ＥＬ素子には大きく分けて、低分子を真空蒸着して作製する方法と、ポリマー溶液を塗布して作製する方法の二つがある。ポリマー溶液を塗布する方法は大面積化が容易であり、特にインクジェットプロセスにより高精細、大画面のフルカラーディスプレイを製造するのに適している。
【０００３】
ポリマー有機ＥＬ素子においては、印加電圧を低くするために膜厚が数十ｎｍの有機薄膜が要求される。しかも、素子内および素子間での膜厚の均一性や、正孔注入層製膜時におけるＩＴＯからのＩｎの溶出制御が必要である。しかしながら、正孔注入層において透明電極であるＩＴＯからＩｎが溶出して、素子の初期特性やライフに影響を与えるという問題があった。
【０００４】
画素内膜厚の均一性やＩｎの溶出量は、画素寿命に大きく影響を与える。また、これらは製膜時におけるＩＴＯ膜との密着性やマイブレーション効果やインクジェット製膜時のノズルの劣化、つまりは、画面内の画素むらにも大きく影響を与える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、長寿命で初期特性が高く、画素むらのなく、大面積化が容易な有機ＥＬ表示装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る有機ＥＬ表示装置は、Ｉｎを含有するアノード、前記アノード上に直接配置されたインジウム調整層、前記インジウム調整層上に配置されたポリマー発光層、および前記ポリマー発光層上に配置されたカソードを有した画素を含み、前記インジウム調整層は、ポリチオフェンまたはその誘導体を含むドナー性分子とポリスチレンスルホン酸またはその誘導体を含むアクセプタ性分子との会合体、および１０ｎｇ／ｇ以上３００ｎｇ／ｇ以下のインジウムを含有し、膜厚１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の層であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１に本発明の一実施形態に係る有機ＥＬ表示装置の１画素の概略断面図を示す。以下においては図１を参照して説明するが、本発明の実施形態に係る有機ＥＬ表示装置およびその製造方法はこれに限定されるものではない。
【０００９】
図１において、ガラスなどの絶縁性を有する透明基板１上に絶縁性材料からなる隔壁４が形成されている。隔壁４で分離された各セルは３種の発光色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のうちいずれかの発光色を示す有機ＥＬ素子で形成されている。すなわち、基板１表面にＩｎを含有するアノード３、Ｉｎ調整層５、６、７、ポリマー発光層８、９または１０、バッファ層１１、カソード（対向電極）１２、銀電極１３が順次形成された３つの有機ＥＬ素子が隔壁４によって分離・形成されている。なお、Ｉｎ調整層５、６、７は、いわゆる正孔注入層である。ポリマー発光層８は発光中心の色素分子として赤（Ｒ）の発光を示す材料が、ポリマー発光層９は発光中心の色素分子として緑（Ｇ）の発光を示す材料が、ポリマー発光層１０は発光中心の色素分子として青（Ｂ）の発光を示す材料が使用されている。これらの有機ＥＬ素子は、それぞれ基板１上に形成されたトランジスタ２と接続されており、さらに最上層には封止膜１４が形成されている。
【００１０】
これらの３つの有機ＥＬ素子で形成された３つのセルによって、１画素が形成されている。トランジスタ２によって、適宜いずれかの有機ＥＬ素子のアノード−カソード（対向電極）間に電圧を印加することで、ポリマー発光層８、９または１０から所望の色を発光させる。即ち、アノード３から供給された正孔はＩｎ調整層５、６、７を通してポリマー発光層８、９または１０へ、カソード１２から供給された電子はバッファ層１１を通してポリマー発光層８、９または１０へ達する。その結果、ポリマー発光層中で正孔と電子が再結合することで発光が生じ、透明基板１側からこの所望の色を観測することが可能になる。このような画素を２次元的に配列することで、本発明の有機ＥＬ表示装置を作製することができる。
【００１１】
Ｉｎ調整層５、６、７は、有機ＥＬインジウム調整層用インクを用いて形成される。有機ＥＬインジウム調整層用インクとしては、水中にドナー性分子とアクセプタ性分子の会合体が分散したインクが使用される。ドナー性分子はポリチオフェンまたはその誘導体であることが好ましく、アクセプタ性分子はポリスチレンスルホン酸またはその誘導体であることが好ましい。具体的には、ドナー性分子としてはポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子が好ましい。さらにドナー性分子としては、可視域での光吸収が少ない、ポリ（３，４―ジアルコキシチオフェン）がより好ましい。アクセプタ性分子としてはポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸などの酸性高分子が好ましい。
【００１２】
前述のドナー性分子およびアクセプタ性分子が分散される水は、純水、イオン交換水、または蒸留水とすることができる。さらに、メタノール、エタノール、およびイソプロピルアルコールから選択される少なくとも１種のアルコールが含有されてもよい。アルコールが含有されることによって、低温での熱処理が可能となり、水の含有量を低減できる点からも好ましい。ただし、アルコールの含有量の上限は、全溶媒中の５０ｗｔ％程度とすることが望まれる。５０ｗｔ％を越えると、ＰＥＤＯＴ・ＰＳＳインクの分散性が低下するおそれがある。
【００１３】
インジウム調整層用インクのｐＨは、１．５以上２．５以下に制限される。ｐＨが１．５未満の場合には、インクジェット・プリンタを用いて成膜する際にインクジェット・プリンタのノズル詰まりが生じる。一方、２．５を越えた場合には、均一な膜質のＩｎ調整層を成膜することが困難となる。また、Ｉｎ調整層用インクにおける溶液濃度は、０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下の範囲内に制限される。０．５ｗｔ％未満の場合には、Ｉｎ調整層の膜厚を均一に塗布することが困難となる。一方、１．５ｗｔ％を越えると、Ｉｎ調整層の膜厚が厚くなるため電気抵抗値が大きくなり正孔注入量が低下するおそれがある。
【００１４】
Ｉｎ調整層用インクのｐＨおよび溶液濃度は、例えば、ＰＳＳとＰＥＤＯＴとを同時に添加することによって上述した範囲内とすることができる。この場合、ナトリウム塩を用いてもよいが、ナトリウム塩の場合、添加量にもよるが発泡したり、ナトリウムイオンが増加することで特性に悪影響を与えるおそれがあることを考慮すると、塩以外のＰＳＳを用いることがより好ましい。さらに、添加されるＰＳＳおよびＰＥＤＯＴの少なくとも一方として、分子量３０，０００〜８００，０００の高分子材料を用いると、インクジェットプリンタ用インクに適正な粘度を調整する点で有利である。
【００１５】
ＰＳＳおよびＰＥＤＯＴを添加することによりｐＨおよび溶液濃度が調整されたＩｎ調整層用インクは、必要に応じて、水、純水、イオン交換水、蒸留水、メタノール、エタノール、またはイソプロピルアルコール等を用いて適宜希釈してもよい。
【００１６】
Ｉｎ調整層用インクにおけるドナー性分子の吸光度（Ｉ_d）とアクセプタ性分子の吸光度（Ｉ_a）との比（Ｉ_d／Ｉ_a）は、１／４０以下１／６０以上であることが好ましい。１／４０以下とすることによって、ポリマー発光層の劣化を抑制する効果が高められ、素子の寿命をよりいっそう延ばすことができ、１／６０以上とすることによって、正孔注入層の機能が高められ、初期輝度をさらに大きくすることができる。したがって、吸光度比（Ｉ_d／Ｉ_a）をこうした範囲内とすることによって、得られる有機ＥＬ表示装置の輝度半減寿命および初期輝度を、よりいっそう向上させることが可能となる。
【００１７】
強度比は、ＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ溶液の透析処理、あるいはＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ溶液にＰＳＳ溶液を添加することによって調整することができる。
【００１８】
上述したようなインクをインクジェット方式によって塗布することにより、正孔注入層としてのＩｎ調整層を形成することができる。インクジェット塗布は、スピンコートなどと異なり、インク粘度に非常に敏感である。インク中において成分の凝集などが起きるとインクの粘度が変化するため、塗布製膜の再現性が損なわれるし、ノズルの詰まりなど装置故障の原因にもなる。したがって、成分が凝集しにくく、長期間安定なインクを用いてインクジェット方式によって塗布することができれば、非常にメリットが大きい。
【００１９】
本発明の実施形態の有機ＥＬ表示装置において、Ｉｎ調整層の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内に制限され、このＩｎ調整層の厚さは、用いるＩｎ調整層用インクの溶液濃度に応じて決定される。Ｉｎ調整層の厚さが１０ｎｍ未満の場合には、均一な膜質で成膜することが困難となって、素子毎の発光性にバラツキが生じる。一方、２００ｎｍを越えると、Ｉｎ調整層中での電子または正孔の失活が多くなり、ポリマー発光層の発光効率が低減する。
【００２０】
また、Ｉｎ調整層におけるＩｎ含有量は、１０ｎｇ／ｇ以上３００ｎｇ／ｇ以下の範囲内に制限される。Ｉｎ調整層中のＩｎ含有量は、用いられるＩｎ調整層用インクのｐＨに応じて決定されるものである。Ｉｎ調整層に含有されるＩｎ量が３００ｎｇ／ｇを越えると、電子または正孔の失活が多くなるという不都合が生じる。なお、ＩＴＯとＩｎ調整層の密着性を高めるために、少なくとも１０ｎｇ／ｇのＩｎがＩｎ調整層に含有される。
【００２１】
Ｉｎ調整層には、Ｉｎに加えてＳｎが５〜２００ｎｇ／ｇ程度含有されていてもよい。
【００２２】
上述したような厚さおよびＩｎ含有量の条件を満たしたＩｎ調整層を備えた本発明の実施形態の有機ＥＬ表示装置においては、ＩＴＯからなるアノード３中のＩｎおよびＳｎが溶解して、ＩＴＯ表面とＩｎ調整層との界面にマイブレーション層が形成され、それによってＩＴＯとＩｎ調整層との密着性が高められる。こうした有機ＥＬ表示素子では、正孔輸送効率および画素の発光効率が向上して、初期特性が高くなるともに寿命が長くなる。ＩＴＯから溶出したＩｎおよびＳｎはＩｎ調整層で制御されるので、他の層（ＥＬ層や電極など）へのイオンや分子の移動を防ぐ効果があり、寿命や効率によい。このため、本発明の実施形態に係る有機ＥＬ表示装置は、対角１０インチ以上の大きな表示画面を持つものに特に有効である。しかも、Ｉｎ調整層の膜厚を制御していることにより、正孔注入効率を向上させるという優れた作用を持つ。
【００２３】
ポリマー発光層の厚さは約１０ｎｍ〜２００ｎｍが望ましい。ポリマー発光層の厚さが２００ｎｍよりも厚い場合には、駆動電圧を高くしなければならず、また注入された電子または正孔が失活して電子−正孔の再結合確率が低下し、ポリマー発光層の発光効率が低下するおそれがある。一方、１０ｎｍよりも薄い場合には、均一な製膜が困難となり、素子ごとの発光性にばらつきが生じるおそれがある。
【００２４】
本発明の実施形態において、アノードにはＩｎを含有する透明導電性材料が使用され、カソードには導電性材料が使用される。有機ＥＬ素子が形成される基板は特に限定されないが、基板側を発光面として使用する場合、ガラスなどの透明性基板が使用される。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２６】
実施例１
まず、Ｉｎ調整層を形成するためのインクとして、化学式（１）で示されるＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ化合物を含むインク原料（バイエル社製、ＰＥＤＯＴインクＣＨ８０００）を用意した。
【００２７】
【化１】

【００２８】
このインクのｐＨおよび溶液濃度を、下記表１に示されるように調整して、５種類のＩｎ調整層用インク（Ａ１〜Ｅ１）を準備した。
【００２９】
【表１】

【００３０】
なお、ｐＨおよび濃度の調整は、ＰＳＳとＰＥＤＯＴとを同時に添加することにより行なった。さらに、透析、イオン交換水による希釈、イオン交換水で希釈したＰＳＳを添加することによりｐＨの微調整を行ない、イオン交換水による希釈および濃縮操作（例えば、限外濾過法等）、またはイオン交換水で希釈したＰＳＳを添加することにより濃度の微調整を行なった。
【００３１】
Ｉｎ調整層用インクＡ１〜Ｅ１を用いて、ＩＴＯおよびＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ膜が順次形成されたガラス基板上にインクジェット・プリンタによりＩｎ調整層を成膜した。Ｉｎ調整層の状態および印刷時のインクジェットプリンタノズル詰まり状態を調べ、得られた結果を下記表２にまとめる。
【００３２】
【表２】

【００３３】
表２から明らかなように、ｐＨを１．５以上２．５以下に調整するとともに、溶液濃度を０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下に調整したＩｎ調整用インク（Ａ１〜Ｃ１）を用いることによって、インクジェット・プリンタを用いた印刷による製膜時に製膜開始から終了まで膜質の均一性を高めることができる。さらに、インクジェット・プリンタのノズル詰まりを軽減させる、あるいは、ノズル詰まりを生じさせないことが確認できた。
【００３４】
ｐＨの範囲が１．５未満または２．５を越える場合（Ｄ１、Ｅ１）には、いずれも均一な膜質でＩｎ調整層を成膜することができない。
【００３５】
実施例２
単色の有機ＥＬ素子で３色の画素（１画素のサイズは１００μｍ四方）を形成し、図１に示す２．５インチ四方の有機ＥＬ表示装置を作製した例について説明する。
【００３６】
ガラス基板１上に、常法によりＴＦＴ２を形成し、アノード３として透明性導電材料であるＩＴＯ（インジウム−チン−オキサイド）を膜厚５０ｎｍで製膜した。また、フォトレジストプロセスにより隔壁４を格子状に形成した。次に、正孔注入層としてのＩｎ調整層５および６には、前記化学式（１）に示したＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ化合物を用い、正孔注入層としてのＩｎ調整層７には、実施例１で調製したインクＡ１〜Ｅ１のいずれかのインクを用いて、それぞれインクジェット方式により２０ｎｍの膜厚に製膜した。なお、インクＡ１〜Ｅ１は、Ｉｎ調整層７に限らず、Ｉｎ調整層５、６に用いることもできる。
【００３７】
ポリマー発光層８の材料としては、下記化学式（２）で示される赤色に発光するポリ（３−アルキルチオフェン）（ｐｏｌｙ[３−ａｌｋｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ]：ＰＡＴ）を用い、インクジェット方式によってポリマー発光層８を製膜した。
【００３８】
【化２】

【００３９】
ポリマー発光層９の材料としてホスト分子である化学式（３）で示される化合物中に、発光中心の色素分子である化学式（４）で示される化合物を０．５ｗｔ％のドーピングしたものを用い、インクジェット方式によって緑色発光のポリマー発光層９を製膜した。
【００４０】
【化３】

【００４１】
ポリマー発光層１０の材料として化学式（５）で示される青色に発光するポリ（９，９’−ジアルキルフルオレン）（ｐｏｌｙ[９，９’−ｄｉａｌｋｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅ]：ＰＤＡＦ）を用い、インクジェット方式によって青色発光のポリマー発光層１０を製膜した。
【００４２】
【化４】

【００４３】
いずれのポリマー発光層も、膜厚は８０ｎｍとした。
【００４４】
バッファ層１１として厚さ約３ｎｍのＬｉＦをスパッタリングにより形成した。その上に、カソード１２として厚さ約１００ｎｍのＣａ（カルシウム）を形成し、さらにその上に厚さ約３００ｎｍの銀電極１３を形成した。最表面に封止膜１４を形成して各画素を封止した。
【００４５】
この有機ＥＬ表示装置を２０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で駆動させて、初期輝度および輝度半減寿命を測定した。得られた結果を、Ｉｎ調整層中のＩｎ量とともに下記表３にまとめる。
【００４６】
【表３】

【００４７】
表３から明らかなように、Ｉｎ調整層用インク（Ａ１〜Ｃ１）を用いた場合には、形成されるＩｎ調整層におけるＩｎ含有量は１０ｎｇ／ｇ〜３００ｎｇ／ｇの範囲内である。こうしたＩｎ調整層を備えた有機ＥＬ表示装置は、いずれも１００００時間以上の半減寿命を有し、初期輝度も６００ｃｄ／ｍ²以上であることがわかった。
【００４８】
これに対し、ｐＨの範囲が１．５未満または２．５を越えるインク（Ｄ１、Ｅ１）を用いた場合には、Ｉｎ調整層中のＩｎ含有量を１０ｎｇ／ｇ〜３００ｎｇ／ｇの範囲内に抑えることができない。しかも、輝度半減寿命が１０００時間にも達せず短寿命であり、初期輝度も本発明の実施形態より劣っていることが確認された。
【００４９】
実施例３
前述の実施例２で調整したインク（Ｂ１）において、ドナー性分子であるＰＥＤＯＴの吸光度（Ｉ_d）とアクセプタ性分子であるＰＳＳの吸光度（Ｉ_a）との比（Ｉ_d／Ｉ_a）を変化させて、Ａ２〜Ｅ２の５種類のＩｎ調整層用インクを調製した。インクの強度比は、ＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ溶液の透析処理、あるいはＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ溶液にＰＳＳ溶液を添加することによって、ＰＥＤＯＴ・ＰＳＳ化合物におけるそれぞれの吸収スペクトルを表４に示す値に調整した。
【００５０】
なお、ＰＥＤＯＴおよびＰＳＳの最大吸収波長は、荷電状態の違い等により若干異なることがあるが、概ねそれぞれ、８５０ｎｍおよび２２５ｎｍである。このとき、ＰＥＤＯＴとＰＳＳとのモル吸光係数の違いから、８５０ｎｍにおける吸光度は５０倍希釈した溶液にて、２２５ｎｍにおける吸光度は１０００倍希釈した溶液にて測定を行なった。
【００５１】
得られたインクを用いてＩｎ調整層７を成膜した以外は、前述の実施例２と同様の手法により、図１に示す３色の有機ＥＬ表示装置を作製した。
【００５２】
この有機ＥＬ表示装置を２０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で駆動させて、初期輝度および輝度半減寿命を測定し、得られた結果を下記表４にまとめる。
【００５３】
【表４】

【００５４】
表４から明らかなように、ドナー性分子の吸光度（Ｉ_d）とアクセプタ性分子の吸光度（Ｉ_a）との比（Ｉ_d／Ｉ_a）を１／４０以下１／６０以上の範囲内とすることによって、輝度半減寿命および初期輝度が、よりいっそう向上することが確認された。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、長寿命で初期特性が高く、画素むらのなく、大面積化が容易な有機ＥＬ表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる有機ＥＬ表示装置を示す断面図。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・トランジスタ
３・・・アノード（ＩＴＯ）
４・・・隔壁
５・・・正孔注入層
６・・・正孔注入層
７・・・正孔注入層
８・・・ポリマー発光層（Ｒ）
９・・・ポリマー発光層（Ｇ）
１０・・・ポリマー発光層（Ｂ）
１１・・・バッファ層
１２・・・カソード
１３・・・銀電極
１４・・・封止膜

Claims

Ｉｎを含有するアノード、
前記アノード上に直接配置されたインジウム調整層、
前記インジウム調整層上に配置されたポリマー発光層、および
前記ポリマー発光層上に配置されたカソードを有した画素を含み、
前記インジウム調整層は、ポリチオフェンまたはその誘導体を含むドナー性分子とポリスチレンスルホン酸またはその誘導体を含むアクセプタ性分子との会合体、および１０ｎｇ／ｇ以上３００ｎｇ／ｇ以下のインジウムを含有し、膜厚１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の層であることを特徴とする有機ＥＬ表示装置。