JP4975699B2 - エレクトロルミネッセンス素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光取り出し効率が高く、照明用途に好適なエレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと表す）素子およびその製造方法に関する。

ＥＬ素子は、自己発光型素子であり、有機化合物を発光材料とする有機ＥＬと、無機化合物を発光材料とする無機ＥＬとに分けられる。
これらのＥＬ素子は、いずれも、高速度での発光が可能であるため、動画の表示に好適であり、また、素子構造が簡単でディスプレイパネルの薄型化が可能である等の特性を有している。このような優れた特性を有していることから、ＥＬ素子は、携帯電話や車載用ディスプレイとして、日常生活において普及しつつある。
さらに、近年では、上記のような薄型面発光という特長を活かして、次世代の照明としても注目されている。

通常のＥＬ素子では、素子を構成する各層が平行に積層されていること、また、各層の構成材料の屈折率の差により、発光層−透明電極、透明電極−ガラス基板、ガラス基板−空気のそれぞれの界面において、全反射が発生する。
このため、発光層での発光がＥＬ素子内に閉じ込められ、通常、全発光量の２０％程度の光しか外部に取り出して利用することができない。

従来から、このような素子内に閉じ込められた発光を取り出すための種々の方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、ガラス基板の外側に、高屈折率膜としてＺｒＯ₂と、低屈折率膜としてＭｇＦ₂とを交互に積層させた反射防止膜を設けることが記載されている。
また、特許文献２には、ＴｉＯ₂、ＳｂＯ₅、ＣａＯ、Ｉｎ₂Ｏ₅等の散乱中心粒子を含むポリマーマトリックスを塗布した光散乱層を設けることが記載されている。
さらに、ガラス基板をマイクロレンズ状や所定形状の凹凸基板として加工する方法も提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。

特開２００５−２０３１４２号公報 特開２００４−１２７９４２号公報 特開２００５−３２７６８８号公報 特開２０００−７７１８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法は、反射防止膜が複数層からなり、蒸着または貼り付け等の工程が煩雑となり、素子の厚さ自体も厚くなるという課題を有している。
上記特許文献２に記載された方法も、素子の発光に応じて、光散乱層の構成を調整して塗布するため、同様に、工程が煩雑となり、素子の厚さも増加する。
また、上記特許文献３，４に記載された方法は、ガラス基板自体に細工を施すものであるが、所定の表面形状とするための複雑な設計加工を要するという課題を有している。

上記のように、従来から、有機層−透明電極、透明電極−ガラス基板の各界面で様々な細工を施す方法が検討されているが、いずれの方法も、煩雑な工程を要するものであり、しかも、これらの界面での細工は、素子特性に影響を及ぼすおそれがある。
したがって、素子特性への影響を及ぼさないようにする観点からは、ガラス基板−空気界面、すなわち、ガラス基板表面に、簡便な方法で細工を施して、全反射を抑制することが好ましく、外部に光を取り出す最も実用的な方法と言える。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ＥＬ素子のガラス基板表面を簡便な方法で形状加工し、ガラス基板−空気界面の形状を変化させることにより、全反射を抑制し、外部への光取り出し効率の向上を図ることができるＥＬ素子およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るＥＬ素子は、透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とが積層され、前記透光性ガラス基板表面に、レーザー照射により形成された光散乱クラックを備えていることを特徴とする。
上記のような光散乱クラックを形成することにより、素子構成を変更することなく、簡便に、外部への光の取り出し効率の向上を図ることができる。

前記ＥＬ素子において、光散乱クラックは、前記透光性ガラス基板表面における幅が０．１〜５μｍ、前記透光性ガラス基板表面からの深さが５〜２０μｍであることが好ましい。
上記のようなクラックであれば、前記透光性ガラス基板の十分な強度およびガスバリア性を保持しつつ、光取り出し効率を効果的に向上させることができる。

また、本発明に係るＥＬ素子の製造方法は、透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とを積層させた後、この透光性ガラス基板表面にレーザーを照射して、該透光性ガラス基板表面に光散乱クラックを形成することを特徴とする。
このような方法によれば、上記の本発明に係るＥＬ素子を好適に製造することができる。

また、本発明に係るＥＬ素子の製造方法は、透光性ガラス基板にレーザーを照射して、光散乱クラックを形成した後、この透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とを積層させて形成することを特徴とする。
このように、予めクラック加工を施した透光性ガラス基板を用いて、素子を形成してもよい。

上記製造方法において、前記光散乱クラックは、前記透光性ガラス基板表面における幅が０．１〜５μｍ、前記透光性ガラス基板表面からの深さが５〜２０μｍであることが好ましい。

本発明に係るＥＬ素子によれば、ＥＬ素子のガラス基板表面を簡便な方法で形状加工し、ガラス基板−空気界面の形状を変化させることにより、光を散乱させて全反射を抑制し、外部への光取り出し効率の向上を図ることができる。
また、本発明に係る製造方法よれば、素子構成を変更することなく、かつ、素子特性に影響を与えることなく、発光効率に優れた上記の本発明に係るＥＬ素子を好適に得ることができる。
したがって、本発明は、従来のディスプレイ用途のみならず、照明等の光源用途においても、高演色性に優れた面発光体としての特性をより活用することに寄与し得る。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
なお、以下においては、ＥＬ素子のうち、代表として、有機ＥＬ素子について説明するが、本発明は、有機ＥＬ素子に限定されるものではなく、無機ＥＬ素子にも同様に適用することができる。
図７に、一般的な有機ＥＬ素子の層構成を示す。図７に示す有機ＥＬ素子は、透光性ガラス基板２の一方の面に、透明電極３と、少なくとも一層の発光層を含む有機層４と、金属電極５とが積層されている。そして、前記透光性ガラス基板２の他方の面が空気１との界面を有しており、この面が光取り出し側となる。
図中の矢印破線は、有機層からの発光の進路を示している。光の一部は、各層の界面において全反射する。

本発明に係るＥＬ素子の製造方法においては、有機ＥＬ素子の場合、透光性ガラス基板２上に、透明電極３と、少なくとも一層の発光層を含む有機層４と、金属電極５とを積層させたもの、すなわち、図７に示すような層構成の素子を形成した後、この透光性ガラス基板２の表面にレーザーを照射して、該透光性ガラス基板２表面に光散乱クラックを形成する。
本発明は、レーザー処理が、ガラス基板表面に散乱効果を付与することができる形状加工の手法として好適であることを見出したことに基づくものである。

本発明においては、クラック形成に用いるレーザーは、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＯ₂レーザーが好適である。ＣＯ₂レーザーは、波長１０．６μｍであり、通常、切断、マーキング、溶接、穴あけ、医療用途等に用いられている。
レーザーを透光性ガラス基板表面に照射すると、ガラスがレーザーを吸収し、そのエネルギーの熱変換による急激なガラス基板表面温度の上昇、下降の変化により、ガラス基板表面にクラックが発生する。
また、レーザーの照射によれば、クラックが発生していない部分の透光性ガラス基板表面は、荒れることなく、平坦性を保持することができる。しかも、透光性ガラス基板の他方の面に積層されている素子特性に影響を及ぼすことはない。
なお、レーザーの出力は、用いる透光性ガラス基板の厚さに応じて、クラックが貫通しない程度に適宜調整して照射する。

図１に、ＣＯ₂レーザーの照射により、透光性ガラス基板表面にクラック加工を施した有機ＥＬ素子の表面の写真を示す。
図１に示すように、透光性ガラス基板表面には、ほぼ均等な密度でクラックが形成される。
このようにしてクラックが形成された透光性ガラス基板により、ＥＬ素子内部での発光の全反射を抑制することができ、外部への光の取り出し効率を向上させることができる。

図２に、図１の有機ＥＬ素子の透光性ガラス基板表面を拡大した顕微鏡写真を示す。また、図３に、図２のＡ−Ａ断面におけるクラックの深さをレーザーにより測定したデータを示す。
図２，３に示すように、前記クラックは、前記透光性ガラス基板表面における幅が０．１〜５μｍ、前記透光性ガラス基板表面からの深さが５〜２０μｍであることが好ましい。
上記のように、前記クラックは、光の全反射を抑制する役割を果たすものであるが、それとともに、透光性ガラス基板がＥＬ素子の基板としての十分な強度およびガスバリア性を保持することができるようにする観点から、基板を貫通することなく、上記範囲内の幅および深さで形成されていることが好ましい。

上記のように、積層構造が形成された素子に対して、レーザーを照射する方法によれば、簡便な工程で、全反射抑制効果を得ることができるが、予めクラック加工を施した透光性ガラス基板を用いて、素子を形成してもよい。
すなわち、本発明に係るＥＬ素子の製造方法の他の態様として、透光性ガラス基板にレーザーを照射して、光散乱クラックを形成した後、この透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とを積層させて形成することもできる。
素子を構成する各層の積層工程において、割れや欠けを生じない程度であれば、透光性ガラス基板に予めクラック加工を施しておいた場合でも、上記と同様の全反射抑制効果を得ることができる。

なお、前記透光性ガラス基板のクラック形成面は、ＥＬ素子の最表面側に限らず、素子構成が積層される側の面としてもよい。
この場合は、前記積層工程前に、下地となるガラス基板の平坦化のために、前記透光性ガラス基板のクラック形成面にパッシベーション膜を形成しておくことが好ましい。

本発明におけるＥＬ素子の層構成は、従来の一般的なＥＬ素子と同様で差し支えない。
以下、有機ＥＬ素子についての各層の具体的な態様の一例を説明する。

前記透明電極は、透光性ガラス基板の一方の面に、仕事関数が大きい（４ｅＶ以上）電極材料により形成される。
このような電極材料としては、例えば、金、銀、ニッケル、パラジウム、白金等の金属等の薄膜により形成することもできるが、一般には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛等の金属酸化物が用いられ、特に、透明性や導電性等の観点から、ＩＴＯが好適に用いられる。
この透明電極の膜厚は、必要とされる光透過性の程度により異なるが、可視光の透過率を、通常、６０％以上とすることが好ましく、より好ましくは、８０％以上とする。このような光透過性および導電性の確保のため、膜厚は、通常、５〜１０００ｎｍ、好ましくは、１０〜５００ｎｍ程度とする。

一方、前記透明電極に対向する金属電極は、通常、仕事関数の小さい（４ｅＶ以下）金属、合金により構成される。例えば、アルミニウム、アルミニウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等が挙げられる。
前記金属電極の膜厚は、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、５０〜２００ｎｍであることがより好ましい。

前記透明電極および金属電極の形成は、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法等の通常用いられる方法で成膜することにより形成することができる。

また、本発明に係る有機ＥＬ素子における有機層は、少なくとも一層の発光層を有するものであれば、単層でも複層でもよく、公知の有機ＥＬ素子の層構造とすることができる。前記有機層の具体的な層構造としては、発光層のみ、正孔輸送層／発光層、発光層／電子輸送層、正孔輸送層／発光層／電子輸送層等の構造が挙げられる。
さらに、正孔注入層、正孔輸送発光層、正孔阻止層、電子注入層、電子輸送発光層等をも含む公知の積層構造とすることもできる。

前記有機層の各層を構成する材料は、特に制限されるものではなく、公知のものを用いることができ、低分子系または高分子系のいずれであってもよい。
これらの各層の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法等などの乾式法、インクジェット法、キャスティング法、ディップコート法、バーコート法、ブレードコート法、ロールコート法、グラビアコート法、フレキソ印刷法、スプレーコート法等の湿式法により行うことができる。好ましくは、真空蒸着により成膜する。
また、前記各層の膜厚は、各層同士の適応性や求められる全体の層厚さ等を考慮して、適宜状況に応じて定められるが、通常、５ｎｍ〜５μｍの範囲内であることが好ましい。
上記のように、本発明においては、有機層の層構成および構成材料は、改めて設計し直す必要はなく、従来の素子構成および形成方法を適用することができる。
また、本発明における製造方法は、前記有機層が、電荷発生層を介して直列に複数層接続されたマルチフォトン構造の有機ＥＬ素子であっても、同様に適用することができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
以下の方法により、図７示すような層構成からなる有機ＥＬ素子を作製した。
（透光性ガラス基板・透明電極）
まず、パターニング済みの透明電極（ＩＴＯ）が膜厚３００ｎｍで成膜された厚さ０．７ｍｍの透光性ガラス基板を、純水と界面活性剤による超音波洗浄、純水による流水洗浄、純水とイソプロピルアルコールの１：１混合溶液による超音波洗浄、イソプロピルアルコールによる煮沸洗浄の順で洗浄処理した。この基板を沸騰中のイソプロピルアルコールからゆっくり引き上げ、イソプロピルアルコール蒸気中で乾燥させ、最後に、紫外線オゾン洗浄を行った。
この透光性ガラス基板を陽極とし、真空チャンバ内に配置し、１×１０^-6Ｔｏｒｒまで真空排気し、該真空チャンバ内には、蒸着材料をそれぞれ充填した各モリブデン製ボートと、所定のパターンで成膜するための蒸着用マスクを設置しておき、前記ボートを通電加熱し、蒸着材料を蒸発させることにより、順次、有機層および金属電極の成膜を行った。

（有機層）
前記基板の透明電極上に、三酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）を膜厚５ｎｍで成膜し、正孔注入層を形成した。
次に、正孔輸送性材料としてＮＳ−２１（新日鉄化学株式会社製）を用い、ＭｏＯ₃とともに、各ボートを同時に通電加熱して、共蒸着した。ＮＳ２１：ＭｏＯ₃＝８０：１０を膜厚２０ｎｍで成膜し、さらに、ＮＳ２１を膜厚５ｎｍで成膜し、正孔輸送層を形成した。
そして、黄色発光素子となるように、発光層は、ＮＰＤ：ルブレン＝９８：２を膜厚２０ｎｍで成膜して形成した。
前記発光層の上に、ビス（２−メチル−８−キノリノラート）（ｐ−フェニルフェノラート）アルミニウム（ＢＡｌｑ）を膜厚５ｎｍで成膜し、正孔阻止層を形成した。

（金属電極）
真空チャンバを真空に保ったまま、マスクを交換し、陰極蒸着用のマスクを設置し、アルミニウム（Ａｌ）層を膜厚１００ｎｍで形成し、陰極とした。

真空チャンバを大気圧に戻し、上記により各層を蒸着させた基板を取り出し、窒素置換されたグローブボックスに移し、ＵＶ硬化樹脂を用いて、別のガラス板により封止し、有機ＥＬ素子を得た。

この素子の層構成を簡略化して示すと、ＩＴＯ（３００ｎｍ）／ＭｏＯ₃（５ｎｍ）／ＮＳ２１：ＭｏＯ₃（１０ｎｍ，９０：１０）／ＮＳ２１（５ｎｍ）／ＮＰＤ：ルブレン（２０ｎｍ，９８：２）／ＢＡｌｑ（５ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）である。

この黄色発光素子の透明ガラス基板側に、ＣＯ₂レーザーを照射し、クラックを形成した。具体的には、出力４０ＷのＣＯ₂レーザーを用いて、その出力強度を１２〜２０Ｗ程度に調整して、ガルバノスキャン方式（スキャン速度：４００〜７００ｍｍ／秒程度）で照射位置を制御し、基板全面に均等にレーザー照射することにより、クラックを形成した。

［実施例２］
実施例１において、緑色発光素子となるように、発光層は、Ａｌｑ₃を膜厚２０ｎｍで成膜して形成した。
それ以外は、実施例１と同様にして、透光性ガラス基板表面にクラック加工を施した緑色発光素子を作製した。

この素子の層構成を簡略化して示すと、ＩＴＯ（３００ｎｍ）／ＭｏＯ₃（５ｎｍ）／ＮＳ２１：ＭｏＯ₃（１０ｎｍ，９０：１０）／ＮＳ２１（５ｎｍ）／Ａｌｑ₃（２０ｎｍ）／ＢＡｌｑ（５ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）である。

［実施例３］
実施例１において、白色発光素子となるように、発光層は、ＮＳ２１：ＥＹ５２（e-Ray Optoelectronics Technology社（以下、e-Ray社という）製）＝９８．７：１．３を膜厚２０ｎｍで成膜し、さらに、ＥＢ４３（e-Ray社製）：ＥＢ５２（e-Ray社製）＝９８．８：１．２を膜厚３０ｎｍで成膜して形成した。
それ以外は、実施例１と同様にして、透光性ガラス基板表面にクラック加工を施した白色発光素子を作製した。

この素子の層構成を簡略化して示すと、ＩＴＯ（３００ｎｍ）／ＭｏＯ₃（５ｎｍ）／ＮＳ２１：ＭｏＯ₃（１０ｎｍ，９０：１０）／ＮＳ２１（５ｎｍ）／ＮＳ２１：ＥＹ５２（２０ｎｍ，９８．７：１．３）／ＥＢ４３：ＥＢ５２（３０ｎｍ，９８．８：１．２）／ＢＡｌｑ（５ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）である。

［実施例４］
ＣＯ₂レーザーにより、予め、透光性ガラス基板表面にクラック加工を施しておき、これを用いて、それ以外については、実施例３と同様にして、透明ガラス基板表面にクラック加工を施した白色発光素子を作製した。

上記実施例で得られた各有機ＥＬ素子について、ほぼ可視領域である波長３００〜８００ｎｍにおける発光強度の測定を行った。
図４〜６に、実施例１〜３について測定した発光強度の各グラフを示す。なお、比較のため、クラック加工を施した素子（加工品）とクラック加工を施していない素子（未加工）とを併せて示す。

クラック加工を施した素子は、クラック加工を施していない素子と比較して、光束量が、黄色発光素子（実施例１）は３３％、緑色発光素子（実施例２）は１８％、白色発光素子（実施例３）は２３％、白色発光素子（実施例４）は２０％、それぞれ向上し、光取り出し効率が向上していることが認められた。

クラック加工を施した有機ＥＬ素子の透光性ガラス基板表面の写真である。 図１の有機ＥＬ素子の透光性ガラス基板表面を拡大した顕微鏡写真である。 図２ＡのＡ−Ａ断面におけるクラックの深さのレーザー測定データを示す。 実施例１に係る有機ＥＬ素子について測定した発光強度のグラフである。 実施例２に係る有機ＥＬ素子について測定した発光強度のグラフである。 実施例３に係る有機ＥＬ素子について測定した発光強度のグラフである。 一般的な有機ＥＬ素子の層構成を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ 空気
２ 透光性ガラス基板
３ 透明電極
４ 有機層
５ 金属電極

Claims (5)

1. 透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とが積層され、前記透光性ガラス基板表面に、レーザー照射により形成された光散乱クラックを備えていることを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
2. 前記光散乱クラックは、前記透光性ガラス基板表面における幅が０．１〜５μｍ、前記透光性ガラス基板表面からの深さが５〜２０μｍであることを特徴とする請求項１記載のエレクトロルミネッセンス素子。
3. 透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とを積層させた後、この透光性ガラス基板表面にレーザーを照射して、該透光性ガラス基板表面に光散乱クラックを形成することを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
4. 透光性ガラス基板にレーザーを照射して、光散乱クラックを形成した後、この透光性ガラス基板上に、透明電極と、少なくとも一層の発光層を含む層と、金属電極とを積層させて形成することを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
5. 前記光散乱クラックは、前記透光性ガラス基板表面における幅が０．１〜５μｍ、前記透光性ガラス基板表面からの深さが５〜２０μｍであることを特徴とする請求項３または４記載のエレクトロルミネッセンス素子の製造方法。