JP4905783B2

JP4905783B2 - 有機半導体素子

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Publication number: JP4905783B2
Application number: JP2006514576A
Authority: JP
Inventors: 剛枡田; 忠興三谷; レニージョン; 幸之助魚住
Original assignee: 剛枡田
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: WO2005122644A1; US8072138B2; US20080050585A1; TWI383527B; KR20070030194A; JPWO2005122644A1; KR101141659B1; CN1973579A; TW200605421A; CN100559908C

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜封止構造を有する有機半導体素子、特に有機エレクトロルミネッセンス素子に関し、膜封止と放熱を両立し得る新規構造を有する有機半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
有機半導体素子の１種である有機エレクトロルミネッセンス（以下、有機ＥＬと称する。）素子は、自発光型の面状光源であり、薄くて軽く、広視野角であるため、照明やディスプレイ等、幅広い分野への応用が期待されている。一般的な有機ＥＬ素子は、例えば透明基板上に陽極として透明電極と少なくとも発光層を含む有機層と陰極とをこの順に積層してなる素子部を有し、有機層に電流を流すことにより発生した光を基板の裏面側から取り出す構成とされている。
【０００３】
ところで、有機ＥＬ素子を構成する有機層等は一般的に極めて不安定な有機材料から構成されるため、酸素や水分等の影響を受けて容易に劣化するという欠点があり、素子の寿命が短いことが問題となっている。そこで、有機ＥＬ素子の周囲に存在する酸素や水分等の素子内部への侵入を防ぐ対策が必要である。
【０００４】
一方、有機ＥＬ素子からは光だけでなく熱も発生するが、この熱が素子内部に蓄積することにより有機材料を劣化させるため、素子の放熱性も重要である。この有機ＥＬ素子の発熱の問題は、照明用の有機ＥＬ素子のように、発光エリアの大面積化等に伴ってより一層顕著となる傾向にある。
【０００５】
酸素や水分等の侵入を防ぐための対策としては、例えば一般的な有機ＥＬ素子においては、有機層を含む素子部を金属又はガラス製の封止缶で封止するとともに、封止缶の内部の空隙に窒素ガス等の不活性ガスを充填した構造が採用されている。
【０００６】
しかしながら、封止缶で封止した構造の有機ＥＬ素子においては、個々の素子毎に封止缶による封止を行なわなければならず、作業性や生産性、さらには製造コストの点等において問題が多い。また、有機層を含む素子部の周囲を封止缶で封止している構造上、素子の冷却が困難であるという問題もある。例えば、放熱効果を高める目的で、有機層を含む素子部に接するように熱伝導性の高い構造体を取り付けることは、素子の厚みが数百ｎｍと薄く、機械的強度に乏しい有機ＥＬ素子において容易ではない。強いて言えば、封止缶が積層体で発生した熱を放熱させる機能を兼ねるものの、有機層を含む積層体と封止缶との間に熱伝導性の低い不活性ガスが介在するため、その放熱効果は非常に低いものである。
【０００７】
封止缶を使用せずに有機ＥＬ素子を封止する構造としては、樹脂材料等からなる保護膜で有機層を含む積層体を被覆して封止する構造が提案されている（例えば、特許第３３３４４０８号公報や特許第３４０５３３５号公報等を参照）。特許第３３３４４０８号公報記載の発明では、保護層や封止層、外気遮断層等、多層構造により酸素や水分の侵入を防ぐ構造が開示されており、特許第３４０５３３５号公報記載の発明では、さらにプラスチック板や金属板等の保護層を多層膜上に重ね、機械的なダメージからの保護層とする構造が開示されている。
【０００８】
また、有機ＥＬ素子の放熱構造として、有機層を含む素子部を保護膜で封止して、その上に直接放熱板を取り付ける構造が提案されている（例えば、特開平１０−１０６７４６号公報や特開平１０−２７５６８１号公報等を参照）。特開平１０−１０６７４６号公報や特開平１０−２７５６８１号公報記載の発明では、撥水性保護膜等の上に直接放熱板（ガラス、樹脂、セラミック、金属等の板）を密着させる構造が開示されている。
【０００９】
しかしながら、前記特許第３３３４４０８号公報や特許第３４０５３３５号公報記載の発明においては、膜封止構造に主眼が置かれており、放熱に関してはほとんど考慮されていない。例えば、特許第３４０５３３５号公報には、膜封止構造の上にプラスチック板や金属板を重ねることが開示されているが、放熱板としての機能は全く想定していない。ましてや、効率の良い放熱を行うための構造や、膜封止と放熱を両立するための構造の最適化については、完全に想定外である。
【００１０】
同様に、前記特開平１０−１０６７４６号公報や特開平１０−２７５６８１号公報記載の発明においては、放熱板を設けることは開示されているものの、膜封止についてはほとんど考慮されておらず、ただ単に放熱板を設けることが記載されているに過ぎない。当然、これら特開平１０−１０６７４６号公報や特開平１０−２７５６８１号公報記載の発明でも、膜封止と放熱を両立するための構造の最適化については、一切記載がない。
【００１１】
また、封止膜上に直接放熱板を設ける場合、接着剤等を用いて放熱板を貼り付けるのが通常であるが、その場合、硬化時の環境が有機ＥＬ素子に悪影響を及ぼすことがわかってきた。例えば、光硬化性接着剤を用いた場合、接着剤の硬化のために照射された紫外線が同時に有機ＥＬ素子にも照射されており、有機ＥＬ素子部の有機物が劣化する原因となる。熱硬化性接着剤を用いた場合、硬化時に加熱する必要があるが、このとき発生するアウトガスが封止膜中に侵入して有機ＥＬ素子部にまで到達し、やはり有機ＥＬ素子部を劣化させる原因になる。従来技術では、接着の際の有機ＥＬ素子に及ぼす悪影響を全く認識しておらず、それに対する対策は講じられていない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、封止と放熱を両立し得るように構造の最適化を行うことを目的とし、酸素や水分等を確実に遮断することができ、しかも効率の良い放熱が可能な有機半導体素子を提供することを目的とする。また、本発明は、放熱板を接着する際の悪影響を抑制することができ、有機半導体素子部（有機ＥＬ素子）の劣化を抑えることが可能な有機半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
前記の問題を解決するために、本発明に係る有機半導体素子は、基板上に形成された有機半導体素子部の表面を平坦化する平坦化層と、平坦化層上に接着層によって固定される放熱板と、前記接着層と前記平坦化層との間に形成されるシールド層とを備え、有機半導体素子部を平坦化層とシールド層の薄膜で封止するとともに、封止膜上に前記接着層を介して放熱板を貼り合わせてなり、前記接着層が光硬化性接着層である場合は、前記シールド層が前記光硬化性接着層の硬化に用いる光を遮断する接着層の光硬化性樹脂に金属類を含み、前記接着層が熱硬化性接着層である場合は、前記シールド層が前記熱硬化性接着層の硬化時に発生するガスを遮断する接着層の熱硬化性樹脂に、金属類、金属窒化物類、けい素酸化物類、又は、けい素窒化物類のいずれか１種を含むことを特徴とする有機半導体素子。
また、本発明に係る有機半導体素子の製造方法は、基板上に形成された有機半導体素子部の表面を平坦化する平坦化層と、平坦化層上に接着層によって固定される放熱板と、前記接着層と前記平坦化層との間に形成されるシールド層とからなり、前記接着層が光硬化性樹脂を硬化してなる光硬化性接着層である場合は、前記シールド層は前記光硬化性接着層の硬化に用いる光を遮断し、前記接着層が熱硬化性樹脂を硬化してなる熱硬化性接着層である場合は、前記シールド層は前記熱硬化性接着層の硬化時に発生するガスを遮断するものであり、有機半導体素子部を平坦化層とシールド層の薄膜で封止するとともに、封止膜上に前記接着層を介して放熱板を貼り合わせ、前記樹脂を硬化することを特徴とする。ここで、前記接着層が光硬化性接着層である場合は、接着層の光硬化性材料として、金属類を含み、前記接着層が熱硬化性接着層である場合は、接着層の熱硬化性樹脂に、金属類、金属窒化物類、けい素酸化物類、けい素窒化物類のいずれか１種を含むことが好ましい。
【００１４】
以上のような有機半導体素子においては、有機半導体素子部を平坦化層及びシールド層といった薄膜で封止する膜封止構造をとり、それとともに、膜封止構造の上部に放熱板を接着することにより、水分や酸素等の素子内部への侵入を防ぐようにしている。
【００１５】
また、有機半導体素子においては、有機半導体素子部上に封止膜として平坦化層及びシールド層が形成されるとともに、この封止膜上に接着層を介して放熱板が固定されているので、有機半導体素子部で発生した熱が封止膜を介して速やかに放熱板に伝えられ、効率の良い放熱が行なわれる。
【００１６】
また、従来の膜封止構造に単に放熱板を接着しただけの構造では放熱板を接着する際に有機ＥＬ素子部に悪影響を及ぼすおそれがあるため、本発明の有機半導体素子においては、有機半導体素子部を覆う封止膜の構造を最適化している。すなわち、封止膜を有機半導体素子部を覆う平坦化層と平坦化層を覆うシールド層とに機能分離させた積層構造とし、シールド層として、放熱板の接着時の悪影響を遮断する機能を有する層を選択するようにする。有機半導体素子部と接着層との間にこのようなシールド層を配置することで、接着層を硬化する際に用いる光や、接着層の硬化時に発生するアウトガス等がシールド層で遮断され、有機ＥＬ素子部への光照射やガスの到達が防止される。したがって、有機ＥＬ素子に悪影響を及ぼすことなく、放熱板が接着される。
【００１７】
例えば、前記接着層が光硬化性接着層である場合には、前記シールド層は前記光硬化性接着層の硬化に用いる光を遮断する。シールド層が接着層硬化時の光（主に紫外線）を遮断することで、シールド層下の有機半導体層に接着層硬化時の光が到達しないので、光による有機半導体層の劣化が確実に抑制される。
【００１８】
さらに、前記接着層が熱硬化接着層である場合には、前記シールド層は前記熱硬化接着層の硬化時に発生するアウトガスを遮断する。シールド層が熱硬化接着層の硬化時に発生するガスを遮断することで、シールド層下の有機半導体層のガスによる劣化が確実に抑制される。
【００１９】
ところで、本発明者らの検討の結果、有機半導体素子部上に直接シールド層を成膜した場合、放熱板を接着する際の悪影響を完全には遮断できないことがわかった。そこで、本発明の有機半導体素子においては、有機半導体素子部とシールド層との間に平坦化層を配置するようにしている。有機半導体素子部の表面をシールド層で被覆して有機半導体素子部表面の凹凸を平坦化した上にシールド層を設けることで、欠陥の少ない良好な膜質のシールド層が形成され、この結果、放熱板を接着する際の悪影響が確実にシールド層で遮断される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、有機半導体素子部が薄膜により封止されるとともに、封止膜上に放熱板が接着されることにより、有機半導体素子内部への酸素や水分等の侵入を確実に遮断し、効率の良い放熱が実現される。このため、有機半導体素子内部での異常発熱や酸素及び水分等の侵入に起因する有機半導体素子部の劣化が抑制され、さらなる長寿命化が実現された有機半導体素子を提供することが可能である。
【００２１】
また、本発明の有機半導体素子によれば、有機半導体素子部上に設ける封止膜として平坦化層及びシールド層を設けることで、放熱板を固定する際の悪影響をシールド層で遮断して有機半導体素子部へ及ぶことを確実に抑制し、放熱板を固着する際の有機半導体素子部の劣化を確実に抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明を適用した有機ＥＬ素子の一例を示す概略断面図である。
【図２】図２は、本発明を適用した有機ＥＬ素子の他の例を示す概略断面図である。
【図３】図３は、接着層にＵＶ硬化性エポキシ樹脂を用いた有機ＥＬ素子の、電流密度−輝度特性を示す特性図である。
【図４】図４は、接着層に熱硬化性樹脂を用い、シールド層（Ａｌ）が形成された有機ＥＬ素子の発光状態を示す写真である。
【図５】図５は、接着層に熱硬化型樹脂を用い、シールド層が形成されていない有機ＥＬ素子の発光状態を示す写真である。
【図６】図６は、放熱板の外周端部とシールド層の外周端部とが平面から見て一致するような位置関係とされた有機ＥＬ素子の、初期の発光状態を示す写真である。
【図７】図７は、図６に示す有機ＥＬ素子の、加速試験後の発光状態を示す写真である。
【図８】図８は、ガラスキャップを封止に用いた有機ＥＬ素子及び放熱板を封止に用いた有機ＥＬ素子の電流密度−表面温度特性を示す特性図である。
【図９】図９は、ＵＶ硬化性接着剤を使用した有機ＥＬ素子とシート状の熱硬化性接着剤を使用した有機ＥＬ素子のバリア性の相違を示す写真である。
【図１０】図１０は、有機ＥＬ素子の熱処理温度を１１０℃及び１２０℃とした時の経時による特性変化の様子を示す写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を適用した有機半導体素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、有機半導体素子として有機エレクトロルミネッセンス（以下、単に有機ＥＬと称する。）素子を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、封止及び放熱対策が必要なあらゆる有機半導体素子に適用可能であることは言うまでもない。
【００２４】
図１は、本発明の有機ＥＬ素子１の断面図である。有機ＥＬ素子１は、基板２上に陽極３、１種類以上の有機材料により多層成膜される有機層４及び陰極５をこの順に積層してなる素子部６と、素子部６の表面を被覆するように成膜された平坦化層７と、平坦化層７上に積層されたシールド層８と、シールド層８上に設けられた接着層９と、接着層９の表面に接着された放熱板１０とを備えている。この有機ＥＬ素子１は、有機層４中の発光層からの発光を、矢印Ａに示すように有機ＥＬ素子１の基板２の裏面から取り出すようにしている。
【００２５】
基板２としては特に限定されないが、例えばガラス、プラスチック等の光透過性を有する基板が用いられる。
【００２６】
基板２上に形成される素子部６は、例えば陽極３、有機層４及び陰極５をこの順に積層することにより構成される。ここで、陽極３は、ＩＴＯ(インジウム錫酸化物)やインジウム亜鉛酸化物等の光透過性を有する導電材料が例えばスパッタ等により成膜されて構成される。
【００２７】
陽極３上に重ねられる有機層４は、例えば陽極３側から、正孔注入層、発光層及び電子注入層等が順次積層されたものである。また、有機層４は、発光層と正孔注入層との間に正孔輸送層が存在する構成や、発光層と電子注入層との間に電子輸送層が存在する構成、さらには単層でもよい。さらに、有機層４としては前述の構造に限定されず、種々の構造をとることが可能である。
【００２８】
有機層４上に重ねられる陰極５は、例えばアルミニウム等の金属や合金等がスパッタや蒸着等により成膜されて構成される。
【００２９】
本発明の有機ＥＬ素子１は、陽極３、有機層４及び陰極５が例えばべた一面に形成され、陽極３、有機層４及び陰極５が重なり合う領域の面積（発光面積）が、例えば１００ｍｍ^２（例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ角）以上とされる。このような大面積の有機ＥＬ素子では、例えば小面積の有機ＥＬ素子に比べて、発熱量の増大や蓄熱による有機ＥＬ層の劣化の問題が顕著になるので、薄膜による封止構造及び放熱板１０を取り付けることによる放熱対策が極めて有効である。
【００３０】
素子部６を覆う平坦化層７は、その上に形成されるシールド層８の膜質を良好にしてシールド層８のバリア性を高める観点から、素子部６の表面の段差や凹凸、ピンホール等を均一に被覆する平滑性が要求される。それとともに、平坦化層７には、素子部６を酸素や水分等から保護するためのガスバリア性、及び素子部６から発生した熱を速やかに放熱板１０へ伝えるために高い熱伝導性を有することが好ましい。これらの観点から、キシリレン系高分子化合物、ポリイミド系高分子化合物、アクリル系高分子化合物、エポキシ系高分子化合物、ポリ尿素系高分子化合物等の有機絶縁材料を、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法や抵抗加熱蒸着等のＰＶＤ法などの気相法（ドライプロセス）により成膜して平坦化層７を形成することが好ましい。例えば、塗布等のウェットプロセスにより平坦化層を形成する方法もあるが、平坦化層７を形成する材料を溶かすために使用する溶媒及びその溶媒に含まれる水分等が素子部６に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００３１】
平坦化層７上には、シールド層８が積層される。本発明においては、接着層９の硬化時に有機層４等の素子部６の受ける悪影響を遮断する機能がシールド層８に要求される。例えば接着層９がＵＶ硬化樹脂や可視光硬化樹脂等の光硬化性樹脂を硬化してなる光硬化性接着層である場合には、光硬化性接着層の硬化に使用されるＵＶ光や可視光等の光を吸収又は反射して遮断するように、シールド層８を形成することが好ましい。光硬化性接着層の硬化に使用される光を遮断する材料としては、アルミニウム、金、銀等の金属類、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化セシウム等の金属酸化物類、硫酸バリウム等の金属硫酸化物類、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム等から少なくとも１種を用いることができる。中でも、バリア性に優れることから、アルミニウム、金、銀等の金属類を用いることが好ましい。光硬化性接着層の硬化に使用されるＵＶ光等の光をシールド層８で遮断することで、接着層９の光硬化時に使用する光から素子部６が保護され、放熱板１０を固着する際に有機層４等が劣化することを抑えられる。
【００３２】
また、接着層９が熱硬化性樹脂を硬化してなる熱硬化性接着層である場合には、熱硬化性接着層の硬化時に熱硬化性樹脂から発生するアウトガスを遮断するようにシールド層８を形成することが好ましい。熱硬化性樹脂から発生するガスを遮断する、ガスバリア性を有する材料としては、前述の光硬化性接着層の硬化時に使用する光を遮断する材料や、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウム等の金属フッ化物類、窒化アルミニウム等の金属窒化物類、二酸化けい素等のけい素酸化物類、窒化けい素等のけい素窒化物類等から少なくとも１種を用いることができる。中でも、バリア性に優れ、硬化時のアウトガスを防ぐ効果が高いことから、アルミニウム、金、銀等の金属類、窒化アルミニウム等の金属窒化物類、二酸化けい素等のけい素酸化物類、窒化けい素等のけい素窒化物類を用いることが好ましい。このように、熱硬化性接着層の硬化時に発生するアウトガスをシールド層８で遮断することで、接着層９の硬化時に発生するガスから素子部６が保護され、放熱板１０を固定する際に有機層４等が劣化することを抑えられる。
【００３３】
前述の平坦化層７及びシールド層８の膜構成としては、基本的には１層の平坦化層７上に１層のシールド層８を積層すればよいが、これに限らず、平坦化層７やシールド層８のいずれか一方、あるいは双方を２層以上とすることも可能である。具体的には、シールド層８、平坦化層７、シールド層８の順に３層積層したり、平坦化層７、シールド層８、平坦化層７の順に３層積層する等の膜構成を挙げることができる。さらには、平坦化層７とシールド層８を１組として、これらを複数組繰り返し積層することも可能である。
【００３４】
次に、この上に形成される接着層９であるが、接着層９には、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂材料、具体的には、アクリル系高分子化合物、エポキシ系高分子化合物等を用いることができる。これらの中では、後述の放熱板１０の選択の幅が広がり、高い熱伝導性を有する金属及び合金の板等を用いることが可能であること、その結果、保管寿命（バリア性）も良好になること等の理由により、熱硬化性樹脂からなる熱硬化性接着剤を用いることが好ましい。
【００３５】
特に、シート状とされた熱硬化性接着剤（いわゆるホットメルト接着剤）を用いることにより、例えば発光面積の大きな有機ＥＬ素子においても、均一な厚さの接着層９を形成することができ、また接着層９の形成に際して、液状接着剤を塗布する場合に発生するエアかみの問題を解消することができ、素子面積拡大に伴う塗布時間の増加を抑えることが可能である。
【００３６】
前記シート状の熱硬化性接着剤は、加熱によって流動性を示し、接着性を発揮する。ここで、有機ＥＬ素子では、素子構造が薄膜の多段構成となっており、良好な被覆性を得るためには、高い流動性が必要となる。したがって、前記シート状の熱硬化性接着剤は、流動開始温度や粘度が低いことが必要である。一方で、有機ＥＬ素子は、耐熱温度が１１０℃程度であり、これを超える温度での熱処理は、有機ＥＬ素子の特性を劣化させる要因となる。これらの事項を加味すると、前記シート状の熱硬化性接着剤は、１１０℃以下の環境下で被覆に十分な流動性が得られることが必要であり、接着層９の形成に際しては、硬化温度を１１０℃以下とすることが好ましいことになる。
【００３７】
接着層９には、高い熱伝導性を有するフィラー、ガス吸着性を有するフィラー、吸湿性を有するフィラー等のフィラーが分散されていることが好ましい。接着層９にフィラーを含有させることで、フィラーの種類に応じて、有機ＥＬ素子１の放熱性、酸素や水分等に対するバリア性等をさらに高めることができる。
【００３８】
なお、前記接着層９は、水平方向からの酸素や水分の侵入を抑えるためには、なるべく薄い方が良いが、接着層９の厚さを例えば２０μｍ以下にすることは困難である。このような場合、前記フィラーの粒径は接着層９の厚さの制約を受け、フィラーの平均粒径は接着層９の厚みよりも小さいことが好ましい。さらに、フィラーを前記シート状の熱硬化性接着剤中に混入する場合には、シート成形の品質管理上、シート状の熱硬化性接着剤（接着層９）の厚さの半分以下、すなわち１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
放熱板１０は、素子部６上に密着形成された膜の表面に固定されることにより、素子部６から発生した熱を速やかに放熱させる機能を有するものである。また、放熱板１０は、酸素や水分等が素子内部へ侵入することを抑える封止材としての機能を有するものであり、封止膜のガスバリア性を補強する機能も兼ねるものである。厚み方向のガスバリア性をより一層高めるためには、放熱板１０の面積は素子部６の面積より大とされることが好ましい。放熱板１０としては、例えばガラス板や、アルミニウム、銅、ステンレス、窒化アルミニウム、銅タングステン等の高い熱伝導性を有する金属及び合金の板等が用いられる。なお、放熱板１０は板状でなくてもよく、例えば、ガスバリア性を有するプラスチックシート等のシート状でもよい。また、放熱板１０は、シート状に限らず、任意の形状をとることができる。
【００４０】
接着層９が光硬化性接着層であるとき、放熱板１０は、シールド層８上に光硬化性樹脂を塗布等した後に表面に密着され、この状態で放熱板１０の表面に光を照射することにより接着層９上に固定される。すなわち、放熱板１０を透過してきた光により光硬化性接着層の硬化が行なわれることから、放熱板１０としては、例えばガラス基板、ガスバリア性を有するプラスチックシート等の硬化時に用いる光に対して透過性を有する材料を用いることが好ましい。
【００４１】
また、接着層９が熱硬化性接着層であるとき、放熱板１０は、シールド層８上に熱硬化性樹脂を塗布等した後に表面に密着され、この状態で加熱することにより接着層９上に固定される。このため、接着層９が熱硬化性接着層であるときには、接着層９が光硬化性接着層であるときに比べて放熱板１０の材料を幅広く選択でき、放熱板１０として、例えばガラス板、アルミニウム、銅、ステンレス、窒化アルミニウム、銅タングステン等の高い熱伝導性を有する金属及び合金、ガスバリア性を有するプラスチックシート等の光透過性を有する材料等を使用できる。
【００４２】
ところで、素子部６の厚み方向のガスバリア性は放熱板１０により確保されているが、酸素や水素等の有機ＥＬ素子１内への侵入を確実に防ぐ観点からは、素子部６の基板面に平行な方向のガスバリア性を高めることも重要である。そこで、平面から見て素子部６が放熱板１０より内側に位置するとともに、放熱板１０の外周端部とシールド層８の外周端部との基板面に平行な方向での距離、又は接着層９の外周端部とシールド層８の外周端部との基板面に平行な方向での距離のうち、短いほうの一方が１ｍｍ以上であることが好ましい。例えば図１においては、放熱板１０及び接着層９の外周端部とシールド層８の外周端部との距離Ｂが１ｍｍ以上であることが好ましい。素子部６の基板面に平行な方向に平坦化層７、シールド層８、接着層９等が前記のように充分に存在することで水分や酸素等が有機層４まで到達し難くなり、有機層４等の素子部６の劣化がより確実に抑制される。また、素子部６の劣化をさらに確実に抑制するためには、放熱板１０の外周端部とシールド層８の外周端部との基板面に平行な方向での距離、又は接着層９の外周端部とシールド層８の外周端部との基板面に平行な方向での距離のうち、短いほうの一方が２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４３】
このような有機ＥＬ素子１は、例えば、次に説明するように作製される。最初に、基板２上に通常の方法にしたがって陽極３、有機層４及び陰極５を有する素子部６を形成する。続いて、例えば気相法により有機絶縁材料を成膜して素子部６の表面を覆い、平坦化層７を形成する。次に、平坦化層７を覆うようにシールド層８を成膜する。次に、シールド層８を覆うように接着層９を構成する樹脂材料を塗布し、放熱板１０を接着層９を構成する樹脂材料の上に密着させる。その状態で適当な方法により硬化を行って接着層９とし、放熱板１０を接着層９上に固着する。この結果、図１に示す有機ＥＬ素子１が得られる。
【００４４】
有機ＥＬ素子１は、前述したように素子部６の発光面積を例えば１００ｍｍ^２以上の大面積とすることで、例えば装飾用照明等の照明装置として利用することができる。また、有機ＥＬ素子１は、基板２と放熱板１０との間に複数の素子部６を配置することで、有機ＥＬディスプレイとすることもできる。
【００４５】
以上のように、本発明の有機ＥＬ素子１によれば、素子部６を平坦化層７及びシールド層８の薄膜で封止するとともに、封止膜上に放熱板１０を取り付けるようにしているので、素子内部への酸素や水分等の素子内への侵入が確実に遮断され、素子部６の劣化を抑制することができる。また、素子部６上に平坦化層７及びシールド層８の封止膜が形成され、放熱板１０が取り付けられることにより、熱伝導性の低い不活性ガス等が介在しないので、効率的な放熱が可能である。
【００４６】
また、有機ＥＬ素子１には、酸素や水分等を遮断するガスバリア性及び放熱性を両立する目的で放熱板１０が取り付けられるが、この放熱板１０を接着する際の悪影響を遮断するためのシールド層８を設けることで、有機ＥＬ素子１の放熱性及び水分や酸素等に対するガスバリア性を確保しつつ、放熱板１０を接着する際の有機層４等の素子部６の劣化を抑制することができる。また、シールド層８下に平坦化層７を設けることで、シールド層８の膜質を良好なものとし、シールド層８の持つ効果が最大限に発揮される。以上のように、素子部６を膜封止するとともに放熱板１０を取り付ける構造の有機ＥＬ素子１においては、機能分離された各層の構成を最適化することにより、膜封止と放熱性とが両立され、さらには、放熱板１０を固定する際の悪影響から素子部６が保護され、有機層４を含む素子部６の劣化を抑えることができる。
【００４７】
さらにまた、封止缶で有機ＥＬ素子を封止する場合には、強度を確保する観点から、有機ＥＬ素子の大型化に伴って封止缶の厚みを増加させる必要があるため、有機ＥＬ素子そのものの厚みも増大してしまう。これに対して本発明の有機ＥＬ素子１においては、複数の膜及び放熱板１０を素子部６に密着させて封止しているので、有機ＥＬ素子１の薄型化の効果も期待できる。また、平坦化層７及びシールド層８は通常の薄膜プロセスで形成できるため、多数の素子部６を一括して封止することができ、放熱板１０を接着するプロセスも極めて簡単である。したがって、従来の封止缶で封止した構造の有機ＥＬ素子に比べて、作業性や生産性に優れ、安価な製造コストにて有機ＥＬ素子１の製造が可能である。
【００４８】
なお、本発明の有機ＥＬ素子１は、前述のような図１に示す構造に限らず、図２に示すように、素子部６の外周に、基板２と放熱板１０との間隔を規制するスペーサ層１１を設けた構造でもよい。放熱板１０の表面に力が加わると、放熱板１０が素子部６に接触して素子部６に損傷を与えるおそれがあるが、スペーサ層１１を設けることで、基板２と放熱板１０との間隔を一定に保ち、素子部６の損傷を軽減できる。スペーサ層１１の高さは例えば５０μｍ以下であることが好ましい。スペーサ層１１は、例えば接着層９の樹脂と同じ樹脂により構成される。また、スペーサ層１１には、微小な球状のガラススペーサ等が含有されていてもよい。
【００４９】
スペーサ層１１は、例えば次のように形成される。最初に、シールド層８を覆うように接着層９を構成する樹脂材料を塗布した後、この樹脂材料の外側を囲むように、基板２上にスペーサ層１１を構成する樹脂材料を線状に塗布し、接着層９を構成する樹脂材料及びスペーサ層１１を構成する樹脂材料の上に放熱板１０を密着させ、その状態で適当な方法により硬化を行って接着層９及びスペーサ１１とする。
【００５０】
以下、本発明を適用した有機ＥＬ素子の具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
【００５１】
実験１
本実験では、接着層にＵＶ硬化性樹脂を用いた有機ＥＬ素子のシールド層の影響について検討を行なった。先ず、洗浄したＩＴＯ付ガラス基板（厚み０．７ｍｍ）上に、ＣｕＰｃ（厚み２００Å）、α−ＮＰＤ（厚み２００Å）、Ａｌｑ（厚み５００Å）、ＬｉＦ（厚み１０Å）、Ａｌ（厚み２０００Å）の順に抵抗加熱法にて蒸着し、有機層及び陰極を形成した。次に、平坦化層としてポリモノクロロパラキシリレン（２μｍ）を熱ＣＶＤ法にて成膜し、次にシールド層としてＡｌ（厚み６０００Å）を抵抗加熱により蒸着した。次に、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂を塗布後、放熱板としてガラス板（厚み０．７ｍｍ）を貼り付け、樹脂を硬化させることにより、有機ＥＬ素子を作製した。なお、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂の硬化は、メタルハライドランプを用い、このランプに含まれる波長３６５ｎｍのＵＶ光を６０００ｍＪ／ｃｍ^２になるように照射して行い、また、アフターキュアを温度８０℃、１時間にて行なった。デバイスサイズ（発光面積）は、縦１ｍｍ×横１．５ｍｍとした。また、シールド層としてＳｉＯ_ｘ（６０００Å）をスパッタ法にて成膜したこと以外は同様にして、比較例となる有機ＥＬ素子を作製した。
【００５２】
以上のように作製した有機ＥＬ素子について、それぞれ電流密度−輝度特性を測定した。結果を図３に示す。図３より、シールド層にＡｌを用いた場合には、低い電流密度で高い輝度が得られたのに対し、シールド層にＳｉＯ_ｘを用いた場合、メタルハライドランプからのＵＶ光を遮断しきれなかったために素子部の有機材料が劣化し、実施例１に比して輝度特性が損なわれていることが確認された。
【００５３】
実験２
本実験では、接着層に熱硬化性アクリル系樹脂を用いた場合のシールド層の影響について検討を行なった。先ず、洗浄したＩＴＯ付ガラス基板（厚み０．７ｍｍ）上にＣｕＰｃ（厚み２００Å）、α−ＮＰＤ（厚み２００Å）、Ａｌｑ（厚み５００Å）、ＬｉＦ（厚み１０Å）、Ａｌ（厚み２０００Å）の順に抵抗加熱法にて蒸着し、有機層及び陰極を形成した。次に、平坦化層としてポリモノクロロパラキシリレン（２μｍ）を熱ＣＶＤ法にて成膜し、次にシールド層としてＡｌ（３μｍ）を抵抗加熱法にて成膜した。次に、熱硬化性アクリル系樹脂を塗布後、放熱板としてガラス板（厚み０．７ｍｍ）を貼り付け、温度９０度、１時間の条件で硬化させることにより、有機ＥＬ素子を作製した。デバイスサイズ（発光面積）は、縦１ｍｍ×横１．５ｍｍとした。この有機ＥＬ素子においては、平面から見てシールド層の外周端部が放熱板の外周端部より１ｍｍ以上内側に位置している。また、比較例として、シールド層を形成しないこと以外は同様の構造を有する有機ＥＬ素子を作製した。
【００５４】
以上のように作製した有機ＥＬ素子に電流を流し、素子の発光状態を観察した。シールド層（Ａｌ）が形成されている場合の写真を図４に、シールド層が形成されていない場合の写真を図５に示す。図４及び図５から明らかなように、シールド層が形成されていない場合、熱硬化性エポキシ樹脂の硬化時のアウトガスの影響を受けて素子が劣化し、多数のダークスポットの発生が観察された。
【００５５】
実験３
本実験では、放熱板と素子との位置関係について検討した。先ず、洗浄したＩＴＯ付ガラス基板（厚み０．７ｍｍ）上にＣｕＰｃ（厚み２００Å）、α−ＮＰＤ（厚み２００Å）、Ａｌｑ（厚み５００Å）、ＬｉＦ（厚み１０Å）、Ａｌ（厚み２０００Å）の順に抵抗加熱法にて蒸着し、有機層及び陰極を形成した。次に、平坦化層としてポリモノクロロパラキシリレン（２μｍ）を熱ＣＶＤ法にて成膜し、次にシールド層としてＡｌ（３０００Å）を抵抗加熱法にて成膜した。次に、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂を塗布後、放熱板としてガラス板（厚み０．７ｍｍ）を貼り付け、樹脂を硬化させることにより、有機ＥＬ素子を作製した。なお、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂の硬化は、メタルハライドランプを用い、このランプに含まれる波長３６５ｎｍのＵＶ光を６０００ｍＪ／ｃｍ^２になるように照射して行い、また、アフターキュアを温度８０℃、１時間にて行なった。デバイスサイズ（発光面積）は、縦１ｍｍ×横１．５ｍｍとした。
【００５６】
本実験で作製した有機ＥＬ素子は、放熱板の外周端部とシールド層の外周端部とが平面から見て一致するような位置関係とし、詳しくは、平坦化層と有機層の外周端を、シールド層及び平坦化層の外周端よりそれぞれ０．５ｍｍ内側に入り込んだ位置とした。すなわち、平面から見た各層の外周端部の位置関係は、外側から放熱板＝シールド層、平坦化層、有機層の順とされている。
【００５７】
以上のように作製した有機ＥＬ素子に電流を流し、作製直後の初期の発光状態を観察した（図６）。また、作製した有機ＥＬ素子を温度６０℃、相対湿度９０％ＲＨの条件で恒温恒湿槽に１０時間保管した（加速試験）後に発光させた発光状態を観察した（図７）。
【００５８】
図６から明らかなように、陰極の外周端部と有機層の外周端部とを平面から見て一致させた領域（左側）においては、最適化された構造の素子（図４）に比べ、バリア性が悪いため、加速試験を行なう前の時点ですでにダークスポットが発生している。さらに、図７から明らかなように、陰極の外周端部と有機層の外周端部とを平面から見て一致させた領域（左側）からダークエリアの侵食が始まり、加速試験後にはダークエリアが大幅に拡大した。
【００５９】
また、平面から見てシールド層の外周端部が放熱板の外周端部より１ｍｍ以上内側に位置するような有機ＥＬ素子を作製し、前記と同様の検討を行なった。この有機ＥＬ素子では、加速試験後においても図７のようなダークエリアの拡大は観察されず、加速試験前の状態がほぼ維持されたことを確認した（図示せず）。
【００６０】
実験４
次に、放熱板による封止と封止缶による封止のそれぞれの放熱特性について検討した。先ず、放熱板により封止した有機ＥＬ素子を作製した。洗浄済みのＩＴＯ付ガラス基板（厚み０．７ｍｍ）上にＣｕＰｃ（厚み２００Å）、α−ＮＰＤ（厚み２００Å）、Ａｌｑ（厚み５００Å）、ＬｉＦ（厚み１０Å）、Ａｌ（厚み２０００Å）の順に抵抗加熱法にて蒸着し、有機層及び陰極を形成した。次に、平坦化層としてポリモノクロロパラキシリレン（２μｍ）を熱ＣＶＤ法にて成膜し、次にシールド層としてＡｌ（６０００Å）を抵抗加熱法にて成膜した。次に、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂を塗布後、放熱板としてガラス板（厚み０．７ｍｍ）を貼り付け、樹脂を硬化させることにより、有機ＥＬ素子を作製した。なお、ＵＶ硬化性エポキシ樹脂の硬化は、メタルハライドランプを用い、このランプに含まれる波長３６５ｎｍのＵＶ光で６０００ｍＪ／ｃｍ^２になるように照射して行い、また、アフターキュアを温度８０℃、１時間にて行なった。デバイスサイズ（発光面積）は、縦２０ｍｍ×横３０ｍｍとした。なお、有機ＥＬ素子部で発生した熱による放熱板の温度上昇を放熱温度計で測定するため、放熱板の表面を黒体スプレーにて黒く塗装した。
【００６１】
また、封止缶で封止した有機ＥＬ素子を作製した。先ず、前記の方法と同様にして、ＩＴＯ付ガラス基板上に有機層及び陰極を形成した。次に、この素子部を封止缶（ガラスキャップ）を用いて窒素ガス雰囲気（含有酸素及び水分濃度：１０ＰＰＭ_Ｖ以下）で封止した。このとき、封止缶の内部の空隙には熱伝導性の低い窒素ガスが充満することになる。基板と封止缶との接着にはＵＶ硬化性樹脂を用い、硬化は、波長３６５ｎｍのＵＶ光で６０００ｍＪ／ｃｍ^２になるように照射して行い、また、アフターキュアを温度８０℃、１時間にて行なった。なお、有機ＥＬ素子部で発生した熱による封止缶の温度上昇を放熱温度計で測定するため、封止缶の表面を黒体スプレーにて黒く塗装した。
【００６２】
以上のように作製した有機ＥＬ素子の放熱板又は封止缶の温度上昇について測定した。温度測定は、電流値を変更した後、５分間待ち温度が安定してから行なった。図８に示すように、有機ＥＬ素子の封止に放熱板を用いた場合、素子部で発生した熱が効率よく放熱板に伝わり空気中に発散されるため、電流値を増加させても放熱板の表面温度は上昇しにくいことがわかった。このとき、素子部の温度と放熱板の温度とはほぼ同じか、又は素子部の方が多少高温になっていると考えられる。
【００６３】
これに対し、有機ＥＬ素子の封止にガラスキャップを用いた場合、放熱板を用いた場合に比べて温度の上昇が著しかった。この温度上昇の原因は、素子で発生した熱が熱伝導性の低い窒素ガスを介してガラスキャップに伝達し、その後発散されるため、キャップに伝わる熱量に比べて素子部の発熱量が勝り、素子内に蓄熱するためと考えられる（素子温度≫ガラスキャップ温度）。有機ＥＬ材料は熱に弱いため、素子の温度上昇は素子寿命の点から望ましくないが、素子を高輝度化するためには電流値を上げる必要がある。つまり、既存の封止缶による封止では高輝度化に限界があり、さらなる高輝度化を図るためには、本発明のような放熱板を用いた放熱構造の採用が有効であることがわかった。
【００６４】
実験５
本実験では、接着層９をＵＶ硬化性接着剤により形成した場合と、シート状の熱硬化性接着剤により形成した場合における保管寿命（バリア性）の相違について検討した。作製した有機ＥＬ素子の構造は、実験１（ＵＶ硬化性接着剤）、あるいは実験２（熱硬化性接着剤：ただし、シート状）と同様である。
【００６５】
図９（ａ）はＵＶ硬化性接着剤を使用した有機ＥＬ素子のバリア性を示すものであり、図９（ｂ）はシート状の熱硬化性接着剤を使用した有機ＥＬ素子のバリア性を示すものである。バリア性の評価は、初期状態と１００時間後、１９２時間後の発光状態を比較することにより行った。その結果、シート状の熱硬化性接着剤を用いた場合には、１９２時間後にもほとんど劣化していないのに対して、ＵＶ硬化性接着剤を用いた場合には、時間経過に伴って特性の劣化（発光領域の減少）が認められる。
【００６６】
また、本実験においては、シート状の熱硬化性接着剤の硬化温度を決定するための予備実験として、有機ＥＬ素子の熱処理温度による特性の劣化を調べた。結果を図１０に示す。図１０（ａ）は有機ＥＬ素子を１１０℃で熱処理した場合、図１０（ｂ）は有機ＥＬ素子を１２０℃で熱処理した場合である。１１０℃で熱処理した場合には、４０時間の熱処理の後にも特性の劣化は僅かである。これに対して、１２０℃で熱処理した場合には、４０時間の熱処理後には、大きく特性が劣化していることがわかる。したがって、前記シート状の熱硬化性接着剤を用いて有機ＥＬ素子を作製する場合には、その硬化温度を１１０℃以下に設定することが好ましいと言える。

Claims

基板上に形成された有機半導体素子部の表面を平坦化する平坦化層と、平坦化層上に接着層によって固定される放熱板と、前記接着層と前記平坦化層との間に形成されるシールド層とを備え、有機半導体素子部を平坦化層とシールド層の薄膜で封止するとともに、封止膜上に前記接着層を介して放熱板を貼り合わせてなり、
前記接着層が光硬化性接着層である場合は、前記シールド層が前記光硬化性接着層の硬化に用いる光を遮断する接着層の光硬化性樹脂に金属類を含み、前記接着層が熱硬化性接着層である場合は、前記シールド層が前記熱硬化性接着層の硬化時に発生するガスを遮断する接着層の熱硬化性樹脂に、金属類、金属窒化物類、けい素酸化物類、又は、けい素窒化物類のいずれか１種を含むことを特徴とする有機半導体素子。
前記熱硬化性接着層がシート状の熱硬化性接着剤により形成されていることを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
前記平坦化層に含まれる有機絶縁材料が、キシリレン系高分子化合物、ポリイミド系高分子化合物、アクリル系高分子化合物、エポキシ系高分子化合物、ポリ尿素系高分子化合物から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
前記接着層がフィラーを含有し、前記フィラーの平均粒径が前記接着層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
平面から見て前記有機半導体素子部が前記放熱板より内側に位置するとともに、前記放熱板の外周端部とシールド層の外周端部との基板面に平行な方向での距離、又は接着層の外周端部とシールド層の外周端部との基板面に平行な方向での距離のいずれか短い方が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
前記有機半導体素子部の外周端部と前記放熱板の外周端部との間に配置され、前記基板と前記放熱板との間隔を規制するスペーサ層を有することを特徴とする請求項１記載の有機半導体素子。
前記有機半導体素子部が、一対の電極間に少なくとも１層の有機層を挟んでなる有機エレクトロルミネッセンス素子部であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の有機半導体素子。
前記有機エレクトロルミネッセンス素子部の発光面積が１００ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項７記載の有機半導体素子。
基板上に形成された有機半導体素子部の表面を平坦化する平坦化層と、平坦化層上に接着層によって固定される放熱板と、前記接着層と前記平坦化層との間に形成されるシールド層とからなり、
前記接着層が光硬化性樹脂を硬化してなる光硬化性接着層である場合は、前記シールド層は前記光硬化性接着層の硬化に用いる光を遮断し、前記接着層が熱硬化性樹脂を硬化してなる熱硬化性接着層である場合は、前記シールド層は前記熱硬化性接着層の硬化時に発生するガスを遮断するものであり、
有機半導体素子部を平坦化層とシールド層の薄膜で封止するとともに、封止膜上に前記接着層を介して放熱板を貼り合わせ、前記樹脂を硬化することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
前記接着層が光硬化性接着層である場合は、接着層の光硬化性材料として、金属類を含み、前記接着層が熱硬化性接着層である場合は、接着層の熱硬化性樹脂に、金属類、金属窒化物類、けい素酸化物類、けい素窒化物類のいずれか１種を含むことを特徴とする請求項９記載の有機半導体素子の製造方法。
前記熱硬化性接着層がシート状の熱硬化性接着剤により形成され、前記シート状の熱硬化性接着剤の硬化温度が１１０℃以下であることを特徴とする請求項９記載の有機半導体素子の製造方法。