JP4788407B2

JP4788407B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子、有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法、有機ｅｌ装置および電子機器

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Publication number: JP4788407B2
Application number: JP2006063700A
Authority: JP
Inventors: 章夫深瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: JP2007242910A

Description

有機エレクトロルミネッセンス素子に関し、詳細には、塗布法により成膜された有機膜を使用した有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを用いた有機ＥＬ装置に関する。

有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、薄型、全固体型、面状自発光及び高速応答であるといった特徴を有する発光素子であり、フラットディスプレイパネルやバックライトへの応用が期待されることから、近年各方面で盛んに研究が行われている。以前、有機ＥＬ素子は、無機物を用いた無機ＥＬ素子に比べて素子特性が著しく劣っていたが、１９８７年にコダック社のＴａｎｇらが有機物層を積層構成にする方法を発表してから［Ｃ．Ｗ．ＴａｎｇａｎｄＳ．Ａ．Ｖａｎｓｌｙｋｅ：Ａｐｐｌ．Ｌｅｔｔ．，５１（１９８７）９１３］素子特性が向上し、急速に発展している。また、近年、有機ＥＬ素子をディスプレイパネルに用いた、商品も発売されつつある。

有機ＥＬ素子は、有機材料から成る複数の薄膜を積層した構造を有している。また、その中でも発光素子として知られる有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、第一の電極と第二の電極で複数の有機半導体層を挟んだ構造を有しており、二つの電極から注入したキャリアが有機半導体層中で再結合することにより発光する素子である。

有機ＥＬ素子の製造方法としては、一般的に真空蒸着法などのドライプロセスと、スピンコート法やインクジェット法に代表されるウェットプロセスが挙げられ、いずれも複数の有機ＥＬ材料を順番に積層することにより素子を形成している。

ところが、このような構造を有する有機ＥＬ素子を駆動させた場合、積層された有機ＥＬ材料の界面におけるキャリアの注入効率が低かったり、発生した熱の影響等により、積層された有機材料が界面で混合することでキャリアの輸送性能が経時変化し、キャリアのバランスが崩れて発光輝度が減少するなどの劣化が生じてしまう。

かかる問題を解決するために、例えば、特許文献１の有機ＥＬ素子においては、二つの有機層の間を傾斜組成にすることで最初から明確な界面を無くし、発光効率向上や長寿命化といった課題の解決を図っている。

特開２００４−２４１１８８号公報

しかしながら、上記特許文献１の有機ＥＬ素子においては、これらの例は全て真空蒸着法により二つの材料を同時に蒸着することを前提とし、加えて二つの材料の濃度分布を連続的に変化させる構成になっている。従って、前述した有機ＥＬ素子の製造方法の一つであるウェットプロセスにおいては、同様の構成にすることは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、有機ＥＬ材料の溶液を塗布することにより製造する有機ＥＬ素子において、素子特性を良好にすることが可能な有機ＥＬ装置および電子機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決して、上記目的を達成するために、本発明の一観点として、導電性材料から成る第一の電極と、該第一の電極上に塗布法により形成された第１有機層と、該第１有機層の上に塗布法により形成された混合層と、該混合層の上に塗布法により形成された発光材料を含む発光層と、該発光層の上に形成された第２有機層と、該第２有機層の上に形成された第二の電極と、を有し、前記混合層には、前記第１有機層の形成材料と前記発光材料とが含まれてい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が提供される。
また、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記混合層は、前記第１有機層の形成材料と前記発光材料の混合比が異なる複数の層が積層されて成り、前記第１有機層から遠ざかるに従って、前記混合層中の発光材料の混合割合が除々に増加することを特徴とする構成であってもよい。
また、前記第１有機層は正孔注入／輸送層であり、前記第２有機層は電子注入／輸送層であることを特徴とする。

本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法は、導電性材料から成る第一の電極を形成する工程と、該第一の電極上に塗布法により第１有機層を形成する工程と、該第１有機層の上に塗布法により混合層を形成する工程と、該混合層の上に塗布法により発光材料を含む層を形成する工程と、該発光材料を含む層の上に第２有機層を形成する工程と、該第２有機層の上に第二の電極を形成する工程と、を有し、前記混合層を形成する工程では、前記混合層が、前記第１有機層の形成材料と前記発光材料の混合溶液を塗布することにより形成されていることを特徴とする。
また、前記第１有機層の形成材料が、加熱処理または紫外線照射により架橋反応が起こる置換基を含み、加熱処理または紫外線照射により溶媒に対して不溶化されていることを特徴とする。
また、前記混合溶液の中にシランカップリング材等のバインダー成分が加えられており、加熱処理により溶媒に対して不溶化されていることを特徴とする。
また、第１有機層を形成する工程では、前記第１有機層が、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸を含む分散水溶液を塗布することにより形成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の有機ＥＬ装置は、前記有機エレクトロルミネッセンス素子が複数配置されて成ることを特徴とする。
また、本発明の有機ＥＬ装置は、前記発光層が赤色発光層である赤色有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記発光層が青色発光層である青色有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記発光層が緑色発光層である緑色有機エレクトロルミネッセンス素子とを含むことを特徴とする。さらに本発明の有機ＥＬ装置は電子機器に広く応用される。

以下に、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるものまたは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例１に係る有機ＥＬ装置１００の構成を示す要部断面図である。この有機ＥＬ装置１００は、基体１０１上に陽極（第１電極）１０２と、陰極（第２電極）１０３とを有し、これら陽極１０１と陰極１０３との間に、機能層を備えたものである。機能層は、正孔注入／輸送層１０６と、混合層１０７と、発光層１０８と、および電子注入／輸送層１０９とが積層されて構成される。この有機ＥＬ装置１００は、発光層１０８で発光した光を基体側から出射するボトムエミッション方式となっている。

基体１０１は、ガラス基板等の透明基板（図示せず）上にＴＦＴ素子からなる駆動素子（図示せず）や各種配線等を形成して構成されたもので、これら駆動素子や各種配線の上に絶縁層や平坦化膜を介して陽極１０２を形成したものである。

陽極１０２は、基体１０１上に形成される単一ドット領域毎にパターニングされて形成され、かつ、ＴＦＴ素子からなる駆動素子や前記各種配線等と接続されたもので、本実施例では、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）によって形成されている。

陽極１０２の周囲には、単一のドット領域を区画する無機バンク層１０４および有機バンク層１０５が形成されており、これら無機バンク層１０４および有機バンク層１０５に囲まれた凹部には、正孔注入／輸送層１０６，混合層１０７、発光層１０８が設けられている。

正孔注入／輸送層１０６、および混合層１０７は、陽極１０２から注入した正孔を発光層１０８に輸送する。正孔注入／輸送層１０６の形成材料としては、特に３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）の分散液、すなわち、分散媒として、ポリスチレンスルホン酸に３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンを分散させ、さらに、これを水に分散させた分散液が好適に用いられる。

混合層１０７は、正孔注入／輸送層１０６の形成材料と、発光層１０８の形成材料とを両方含んでおり、正孔注入／輸送層１０６から注入された正孔を発光層１０８へ輸送する。

発光層１０８は、発光波長帯域が赤色に対応したＲ発光層１０８Ｒ、発光波長帯域が青色に対応したＢ発光層１０８Ｂ、発光波長帯域が緑色に対応したＧ発光層１０８Ｇからなる。これらＲ発光層１０８Ｒ、Ｂ発光層１０８Ｂ、およびＧ発光層１０８Ｇで１つの画素が構成され、これらが階調して発光することにより、有機ＥＬ装置１００が全体としてフルカラー表示をなすようになっている。

この発光層１０８の材料としては具体的には、（ポリ）フルオレン誘導体（ＰＦ）、（ポリ）パラパラフェニレンビニレン誘導体（ＰＰＶ）、ポリフェニレン誘導体（ＰＰ）、ポリパラフェニレン誘導体（ＰＰＰ）、ポリビニルカルバゾール（ＰＶＫ）、ポリチオフェン誘導体、ポリメチルフェニルシラン（ＰＭＰＳ）などのポリシラン系などの高分子有機材料が好適に用いられる。

また、これらの高分子有機材料に、ペニレン系色素、クマリン系色素、ローダミン系色素などの高分子有機材料や、ルブレン、ペリレン、９，１０−ジフェニルアントラセン、テトラフェニルブタジエン、ナイルレッド、クマリン６，キナクリドン等の低分子有機材料をドープして用いることもできる。

混合層１０７は、正孔注入／輸送層１０６と、前記Ｒ発光層１０８Ｒとが混合され、正孔注入／輸送層１０６と発光層１０８Ｒとの間に位置する混合層１０７Ｒと、
正孔注入／輸送層１０６と、前記Ｇ発光層１０８Ｇとが混合され、正孔注入／輸送層１０６と発光層１０８Ｇとの間に位置する混合層１０７Ｇと、
正孔注入／輸送層１０６と、前記Ｂ発光層１０８Ｂとが混合され、正孔注入／輸送層１０６と発光層１０８Ｂとの間に位置する混合層１０７Ｂと、からなる。

電子注入／輸送層１０９は、Ｒ，Ｇ，Ｂ発光層１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂ上に共通に設けられており、有機材料が使用されている。電子注入／輸送層１０９は、陰極１０３から注入される電子を発光層１０８まで輸送し、また、陽極１０２側から移動してきた正孔・励起子をブロックする機能を有する。この電子注入／輸送層１０９材料としては、分子量が１０００未満の低分子有機材料または分子量が１０００以上の高分子有機材料を使用することができ、具体的には、Ａｌｑ₃，ＢＡｌｑ，ＢＣＰ，ＴＡＺ，ＰＢＤ，ＯＸＤ，ＴＰＯＢ等の有機材料を使用することができる。

陰極１０３は、全ての画素領域を覆うようにして形成されたもので、電子注入／輸送層１０９側から順にＬｉＦ層とＡｌ層とが積層されて形成されたものである。また、陰極１０３上には、封止用基板１１１を基体１０１と接合するための封止層１１０が形成されている。封止層１１０は、熱硬化樹脂または紫外線硬化樹脂で形成されている。封止用基板１１１は、例えばガラス板等からなり、封止層１１０により貼設されている。

上記構成の有機ＥＬ装置１００の製造方法を図２を参照して説明する。図２は、有機ＥＬ装置１００の製造工程を説明するための説明図である。まず、従来と同様にして透明基板上にＴＦＴ素子や各種配線等を形成し、さらに、層間絶縁層や平坦化膜を形成して基体１０１を得る。つぎに、この基体１０１上に蒸着法等によってＩＴＯを成膜し、さらにパターニングすることによって陽極１０２を形成する。

つづいて、陽極１０２の周囲を囲むようにして基体１０１上にＳｉＯ₂からなる無機バンク層１０４を形成し、さらに、この無機バンク層１０４上に樹脂からなる有機バンク層１０５を形成し、これにより、図２−１に示すように、陽極１０２上に凹部１２０を形成する。有機バンク層１０５に用いられる材料としては、ポリイミド、アクリル樹脂などが挙げられる。これらの材料に予めフッ素元素を含んだ構造のものを用いても良い。

図２(a)に示したような、無機バンク層１０４および有機バンク層１０５で囲まれた凹部１２０を有する基体１０１を、酸素プラズマ−ＣＦ₄プラズマ連続処理することにより基体１０１上の塗れ性を制御し、ついで、この凹部１２０内にインクジェット法等の液滴吐出法によって、正孔注入／輸送層１０６を形成する。すなわち、図２(b)に示すように液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）１３０から正孔注入／輸送層１０６の形成材料１０６ａを凹部１２０内に選択的に吐出し、続いてこれを乾燥・ベイクすることにより、図２(c)に示すように、陽極１０２上に正孔注入／輸送層１０６を形成する。

つづいて、インクジェット法等の液滴吐出法によって、凹部１２０内の正孔注入／輸送層１０６上に混合層１０７を形成する。すなわち、図２(d)に示すように液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）１３０から混合層１０７の形成材料１０７ａを凹部１２０内の正孔注入／輸送層１０６上に選択的に吐出し、続いてこれを乾燥・ベイクすることにより、図２(e)に示すように、正孔注入／輸送層１０６上に混合層１０７を形成する。この混合層１０７の形成にあたっては、Ｒ発光層に対応した混合層１０７Ｒ、Ｇ発光層に対応した混合層１０７Ｇ、Ｂ発光層に対応した混合層１０７Ｂをそれぞれ作り分ける必要があるが、液滴吐出法によれば、各混合層の形成材料をそれぞれ所望位置に打ち分けるだけで、容易に各混合層を形成することができる。

また、混合層１０７は単層ではなく、複数の混合層１０７を積層しても良い。この場合、正孔注入／輸送層１０６を形成する材料と、発光層１０８を形成する材料の比率を変えて作製した、混合層１０７を形成するため混合溶液を複数用意し、順番に塗布、乾燥・ベイクを繰り返すことで、複数の混合層１０７を積層することができる。
なお、塗布する混合溶液の順番は、発光層１０８を形成する材料の比率が小さい方から順番に正孔注入／輸送層１０６上に塗布、乾燥・ベイクし、結果として、正孔注入／輸送層１０６から遠ざかるにつれて発光層１０８を形成する材料の比率が大きくなるような傾斜組成の混合層１０７を形成することができる。

混合層１０７が単層であっても、複数の層を積層したものであっても、塗布、乾燥・ベイクした後、次の溶液を塗布した際に混合層が再溶解してしまうと、所望の混合比を有する混合層を形成することができない。よって、混合層１０７を塗布、乾燥・ベイク後、その上に塗布する溶液の溶媒に対して混合層１０７が不溶化するように、シランカップリング剤やグルタールアルデヒドを混合層１０７に添加するのが望ましい。

つづいて、インクジェット法等の液滴吐出法によって、凹部１２０内の混合層１０７上に発光層１０８を形成する。すなわち、図２(f)に示すように液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）１３０から発光層１０８の形成材料１０８ａを凹部１２０内の混合層１０７上に選択的に吐出し、続いてこれを乾燥・ベイクすることにより、図２(g)に示すように、混合層１０７上に発光層１０８を形成する。
この発光層１０８の形成にあたっては、Ｒ発光層１０８Ｒを混合層１０７Ｒの上に、Ｇ発光層１０８Ｇを混合層１０７Ｇの上に、Ｂ発光層１０８Ｂを混合層１０７Ｂの上にそれぞれ作り分ける必要があるが、液滴吐出法によれば、各発光層の形成材料をそれぞれ所望位置に打ち分けるだけで、容易に発光層を形成することができる。

この後、ドライプロセスで、電子注入／輸送層１０９および陰極１０３を形成する。まず、蒸着法等によって発光層１０８および有機バンク層１０５を覆った状態に電子注入／輸送層１０９を成膜する。つづいて、電子注入／輸送層１０９上の全面に、ＬｉＦを成膜し、さらにこの上にＡｌ（アルミニウム）を成膜することにより、ＬｉＦ／Ａｌの積層構造からなる陰極１０３を形成する。

その後、陰極１０３上に、熱硬化樹脂または紫外線硬化樹脂からなる接着剤を塗布して封止層１１０を形成した後、封止用基板１１１を重ね、加熱または紫外線照射して、封止層１１０を硬化させて、封止用基板１１１と基材１０１を接合する。このようにして、図１に示す有機ＥＬ装置１００が製造される。

実施例１によれば、正孔注入／輸送層１０６と発光層１０８との間に、正孔注入／輸送層１０６を形成する材料と発光層１０８を形成する材料とを混合した混合層１０７を設けている。
このような混合層を設けない場合、初期状態では隣接する正孔注入／輸送層と発光層が明確な界面を有しているが、有機ＥＬ素子を駆動させると、発生した熱等により正孔注入／輸送層と発光層が相互拡散して混じり合い、正孔注入／輸送層から発光層への正孔の輸送効率が初期に比べて駆動後で変化し、結果的に発光特性の劣化に繋がる。
混合層１０７を設けた本構成においては、最初から正孔注入／輸送層と発光層が混じりあった状態であるため、発光特性の変化が少ない、長寿命の有機ＥＬ素子を提供することができる。

（電子機器への適用例）
つぎに、本発明に係る有機ＥＬ装置を適用可能な電子機器の具体例について図３を参照して説明する。図３(a)は、本発明に係る有機ＥＬ装置を可搬型のパーソナルコンピュータ（いわゆるノート型パソコン）３００の表示部に適用した例を示す斜視図である。同図に示すように、パーソナルコンピュータ３００は、キーボード３０１を備えた本体部３０２と、本発明に係る有機ＥＬ装置を適用した表示部３０３とを備えている。
図３(b)は、本発明に係る有機ＥＬ装置を携帯電話機４００の表示部に適用した例を示す斜視図である。同図に示すように、携帯電話機４００は、複数の操作ボタン４０１のほか、受話口４０２、送話口４０３とともに、本発明に係る有機ＥＬ装置を適用した表示部４０４を備えている。

本発明に係る有機ＥＬ装置は、上述した携帯電話機やノートパソコン以外にも、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）と呼ばれる携帯型情報機器、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、デジタルスチルカメラ、車載用モニタ、デジタルビデオカメラ、テレビ、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話機、およびＰＯＳ端末機などの電子機器に広く適用することができる。

本発明の有機ＥＬ装置は、有機ＥＬ表示装置、エレクトロミック調光ガラス、電子ペーパー、照明装置、およびプリンタヘッド等に広く利用可能である。また、本発明に係る電子機器は、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）と呼ばれる携帯型情報機器、携帯型パーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、デジタルスチルカメラ、車載用モニタ、デジタルビデオカメラ、テレビ、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、テレビ電話機、およびＰＯＳ端末機などの電子機器に広く利用することができる。

実施例１に係る有機ＥＬ装置の構成を示す要部断面図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例１に係る有機ＥＬ装置の製造工程を説明するための説明図。実施例に係る有機ＥＬ装置を備えたパソコンの斜視図。実施例に係る有機ＥＬ装置を備えた携帯電話機の斜視図。

符号の説明

１００有機ＥＬ装置、１０１基体、１０２陽極（第１電極）、１０３陰極（第２電極）、１０４無機バンク層、１０５有機バンク層、１０６正孔注入／輸送層、１０７混合層、１０８発光層、１０９電子注入／輸送層、１１０封止層、１１１封止用基板、１２０凹部、１３０液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）、３００コンピュータ、３０１キーボード、３０２本体部、３０３表示部、４００携帯電話機、４０１操作ボタン、４０２受話口、４０３送話口、４０４表示部。

Claims

導電性材料から成る第一の電極と、
該第一の電極上に塗布法により形成された正孔注入／輸送層としての第１有機層と、
該第１有機層の上に塗布法により形成された混合層と、
該混合層の上に塗布法により形成された発光材料を含む発光層と、
該発光層の上に形成された電子注入／輸送層としての第２有機層と、
該第２有機層の上に形成された第二の電極と、
を有し、
前記混合層には、前記第１有機層の形成材料と前記発光材料とが含まれており、
前記混合層は、前記第１有機層の形成材料と前記発光材料の混合比が異なる複数の層が積層されて成り、
前記第１有機層から遠ざかるに従って、前記混合層中の発光材料の混合割合が除々に増加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。
導電性材料から成る第一の電極を形成する工程と、
該第一の電極上に塗布法により正孔注入／輸送層としての第１有機層を形成する工程と、
該第１有機層の上に塗布法により混合層を形成する工程と、
該混合層の上に塗布法により発光材料を含む層を形成する工程と、
該発光材料を含む層の上に電子注入／輸送層としての第２有機層を形成する工程と、
該第２有機層の上に第二の電極を形成する工程と、
を有し、
前記混合層を形成する工程では、前記混合層が、前記第１有機層の形成材料と前記発光材料の混合溶液を塗布することにより前記第１有機層の形成材料と前記発光材料の混合比が異なる複数の層が積層されて形成されており、
前記第１有機層から遠ざかるに従って、前記混合層中の発光材料の混合割合が除々に増加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の製造方法。
前記第１有機層の形成材料が、加熱処理または紫外線照射により架橋反応が起こる置換基を含み、加熱処理または紫外線照射により溶媒に対して不溶化されていることを特徴とする、
請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
第１有機層を形成する工程では、前記第１有機層が、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸を含む分散水溶液を塗布することにより形成されていることを特徴とする請求項２ないし３のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
前記第１有機層は正孔注入／輸送層であり、前記第２有機層は電子注入／輸送層であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子が複数配置されて成ることを特徴とする有機ＥＬ装置。
前記発光層が赤色発光層である赤色有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記発光層が青色発光層である青色有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記発光層が緑色発光層である緑色有機エレクトロルミネッセンス素子とを含むことを特徴とする請求項６に記載の有機ＥＬ装置。
請求項７に記載の有機ＥＬ装置を用いたことを特徴とする電子機器。