JP5260647B2 - 有機機能素子、及び当該素子の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、有機発光ダイオード（OLED）などの有機機能素子に関すると共に、
斯様な有機機能素子を製造する方法に関する。

有機発光ダイオード（OLED）、有機太陽電池、有機光起電性の要素、有機フォトダイオード、有機光センサ等など、全ての有機機能素子に共通なことは、有機機能層が一対の電極層の間に挟まれており、これらの電極層と相互作用することである。OLEDでは、電極層間への電圧の印加は、有機機能層による光の放射を結果として生じ、有機太陽電池では、有機機能層による光の吸収は、電極層の間の電圧の生成に至る。

有機発光ダイオード、有機太陽電池等を含む、光と相互作用する有機機能素子では、電極層のうちの少なくとも一つは、通常、透明である。透明な電極層は、通常比較的大きな表面抵抗をもつ(ITO層(酸化インジウムに錫をドーピングしたもの)では、表面抵抗が通常約10乃至15Ω/□である)。この高い表面抵抗に起因して、有機機能層を挟んでいる電極層間の電圧は、素子の横方向の位置に依存するようになる。この位置に依存する電圧は、素子の有機機能層中を流れる電流の均一ではない分布に至る。OLEDでは、これは、OLEDの均一ではない光出力に至る。

有機機能素子内の電流分布の均一性を改善するために、高い表面抵抗をもつ電極層上に電極層電圧を分散させるための高い導電性がある分路構造部がしばしば設けられる。

しかしながら、分路構造部に用いられる十分に高い導電性をもつ材料は不透明であり、これ故、電極層の非常に広いコヒーレントな部分に蒸着されることができない。

これを解決する標準的な方法は、金属グリッドを利用することである。有機機能層が設けられる前のステップにおいて製造された透明電極に対して、金属グリッドの利用は通常かなり直接的である。というのは、様々な乾式及び湿式の、フォトリソグラフィなどの蒸着技術が、高い蒸着温度と共に使われることができるからで、これによって複雑なパターンが形成されることができ、多種多様な材料が蒸着に使用可能である。

しかしながら、有機機能層が設けられた後は、適切な蒸着技術の数は、厳しく限定される。この理由は、有機機能層が高い温度等に敏感だからである。有機機能層を損傷することなく分路構造部を与えるために考えられる方法は、シャドウマスクを使用して、金属又は炭素などの非常に導電性の高い物質を、マスクの開口部を通じて蒸着させることである。シャドウマスク固有の設計制約条件に起因して、この方法によって蒸着された分路構造部は、しかしながら、実質的に平行線など、分離された、かなり単純な構造に限定される。

斯様な構造の提供によって、有機機能素子内の電流分布の均一性が改善され、特に分路構造部が延在する全体的な方向において改善される。斯様な絶縁された構造間にある有機機能素子の一部では、しかしながら、依然として有機機能層間の電圧の変動があり、電流分布の均一ではない状態を伴っている。

先行技術の上述の欠点及び他の欠点からみて、本発明の主な目的は、改善された有機機能素子を提供することであり、特に、有機機能素子の使用時に、有機機能層の中を流れる電流分布の改善された均一性を有する有機機能素子を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、これらの目的及び他の目的は、
− 第１の電極層及び少なくとも導電性がある第１の基板分路構造部をもつ基板と、
− 前記第一の電極層上に設けられた、少なくとも第１の有機機能層と、
− 第１の有機機能層の上に配置された第2の透明電極層と、
− 各々が第2の電極層及び第1の基板分路構造部と電気的な接触をしている、相互に間隔を置かれた複数の第2の電極分路構造部と、
を有する有機機能素子によって実現される。

有機機能素子の例としては、有機発光ダイオード(OLED)、有機フォトセル、有機光起電性の要素、有機フォトダイオード、及び有機光センサが挙げられる。

用語「電極層」によって、光に対して透明又は透明ではないことがあり得る導電層が推測されねばならない。

光が有機機能層によって受光され、及び/又は発光されねばならないアプリケーションでは、基板、第1の電極層、及び/又は第2の電極層は光学的に透明、即ち、光の通過ができるようでなければならない。

この場合、基板は、ガラス又は透明なポリマでできていてもよく、第1の電極層及び/又は第2の電極層は、例えば、本質的に導電性があり透明である、又は代替的に、十分に薄い金属層である、どのような材料でも製造されることができ、当該電極層は、透明な導電性のある層又は導電性のない層と組み合わされて供されることができる。

「有機機能層」は、（正孔注入、正孔輸送、空孔ブロッキング、励起ブロッキング、電子ブロッキング、電子輸送、電子注入、又は発光、光吸収層など、）種々異なる機能、又はこれらの機能の混合物を有する、多くの種々異なる有機層から成るが、しかし、トリプレット・エミッタのような金属-有機材料か、又は誘電体、半導体、又は金属の量子ドット若しくはナノ粒子などの無機材料を含んでもよい。

「分路構造部」は、有機機能素子を動作させるときに、それぞれの電極層にかかる電圧分布をより均一にするための導電構造である。分路構造部は、第1の電極層と比較して、高い導電率をもたねばならない。

斯様な分路構造部、又は「分路」は、広い面積をもつ素子用に、及び/又は透明な電極層用に通常使用される。透明な導電層は概して、分路構造部がないので、（第1の電極層と第2の電極層との間にある）有機機能層にかかる電圧が位置依存的になるような低い導電率をもつ。

本発明は、有機機能素子の電流分布の均一性が、
− 有機機能層が供される前に導電構造部を形成するステップと、
− この事前形成された導電構造部を、有機機能層が供された後に蒸着された分路構造部と相互接続するために使用するステップと、
によって改善されることができるという理解に基づいている。言い換えると、第2の電極分路構造部は、前のステップで供された基板分路構造部によって分路される。

この態様にて、敏感な有機機能層を損壊することがないよう適応された、第2の電極分路構造部を蒸着する方法が使われることができ、同時に有機機能素子の電流分布の均一性を実現し、これは、有機機能層によって課される蒸着プロセスでの制約なしで入手できる均一性とほぼ同等である。

第2の電極分路構造部と、第1の基板分路構造部との間で十分に良好な電気的接続を確実にするために、第2の電極構造部が蒸着される素子の部分に、急激な高さの違いがあってはならない。第2の電極分路構造部を蒸着するための十分に平滑な基礎部分は、急激な高さの違いがないように、例えばステップ高さを制限することによって実現される。適切なステップ高さの限界は、約100 nmである。

第1の基板分路構造部は、好都合にも第1の電極層から電気的に絶縁されることができる。これは、基板上でお互いに横方向に隔てられた、基板分路構造部と、第1の電極層とを供することによって実現されることができ、又は、第1の基板分路構造部を第1の電極層の上部に、両者の間に供された絶縁層と共に形成することによって実現されることができる。

第1の基板分路構造部が、第1の基板分路構造部の両端部など、少なくとも2か所の隔てられた場所で、各々第2の電極分路構造部に接続されることができるように第1の基板分路構造部を供することによって、基板分路構造部は、第2の電極分路構造部よりも高い導電率をもつ材料から概して形成されることができるので、電流分布の均一性は更に改善されることができる。

透明なOLED又は積層型の太陽電池など、透明なアプリケーションでは、第2の電極層に加えて、基板及び第1の電極層も透明である。この場合、第1の電極層が、第1の電極分路構造部に通常接続されている。しかしながら、有機機能層よりも前に供される、斯様な第1の電極分路構造部は、有機機能層の感度によって課される制約もなく、実質的にどのようなパターンが形成されることも可能な蒸着技術によって蒸着されることができる。

本発明の一実施例によれば、有機機能素子は更に、
− 基板上に形成された第2の基板分路構造部と、
− 第2の電極層の上部に配置された第2の有機機能層と、
− 第2の有機機能層の上部に配置された第3の透明電極層と、
− 各々が第3の電極層と電気的に接触している、相互に間隔を置かれた、複数の第3の電極分路構造部と、
を有することができ、相互に間隔を置かれた第3の電極分路構造部の各々は、第2の基板分路構造部と電気的に接触している。

本実施例によれば、各々の透明電極層が、連続した導電性のある格子構造によって分路された、積層された有機機能素子が実現される。斯様な積層された有機機能素子内の各有機機能層間にかかる電圧は、好都合にも個別に制御可能である。

この種の有機機能素子に含まれる、様々な基板分路構造部は、好ましくは互いに電気的に絶縁されていなければならない。

斯様な積層された有機機能素子の一例は、複数の個別に制御可能な電界発光層をもっていて、電流が電界発光層を通過するときに、種々異なる色の光を発するOLEDである。この技術は、例えば、ディスプレィ装置用の色制御が可能なバックライト、又は色制御が可能な環境生成装置などの、色制御が可能な光出力装置を実現するために用いられることができる。

別の例は、積層型太陽電池であり、スタック内の異なる有機機能層が、入射して来る太陽照射の種々異なる波長範囲に対して感度をもつ。

本発明の別の実施例によれば、パターン化された、電気的に絶縁されている層が、有機機能層と、隣接する電極層との間に設けられることができる。この電気絶縁層によって、有機機能層を流れる電流が、選択された場所で阻止されることができ、これによりシンボル又はテキストなどの所定パターンが、ユーザに示されることができる。

積層された構造をもつ有機機能素子では、斯様な絶縁層が、複数の有機機能層と、当該機能層がそれぞれ隣接する、少なくとも一つの電極層との間に設けられることができる。これによって、例えば、変化する図形が実現されることができ、種々異なる所定のパターンが、オプションで、異なる色の光を使用して制御可能に表示されることができる。

更にまた、有機機能素子が基板上に通常通り形成され、次に、水及び酸素などの環境物質が素子の機能層（電極層及び有機機能層）に達するのを防止するために、蓋を用いてカプセル化される。

蓋は、機能層と蓋との間に空間又はギャップがあるように配置されることができる。この空間は、例えば窒素などの不活性ガスで満たされてもよい。

本発明の第2の態様によれば、上述の目的及び他の目的は、有機機能素子を製造する方法によって実現され、当該方法は、
- 第1の電極層及び導電性がある基板分路構造部をもつ基板を設けるステップと、
- 前記第1の電極層の上部に有機機能層を設けるステップと、
- 前記有機機能層の上部に、第2の透明電極層を形成するステップと、
- 分路構造部の各々が基板分路構造部と電気的に接続されているように、相互に間隔を置かれた複数の分路構造部を配置するステップと、
を含み、相互に間隔を置かれた分路構造部の各々は、第2の電極層と電気的に接触している。

有機機能層が損傷を受けないことを確実にするために、分路構造部を配置するステップは、基板の前にシャドウマスクを位置させるステップと、シャドウマスクに設けられた開口部を通じて導電材料を蒸着するステップと、を好都合にも含む。

例えば炭素、及び／又は金属又は複数の金属を含む導電材料が、例えば蒸発又はスパッタリングによって蒸着されることができる。

更にまた、分路構造部が、第2の電極層を蒸着するステップの前又は後の何れかで供されることができ、この結果、当該分路構造部が、有機機能層と第2の電極層との間か、又は第2の電極層の上部かの何れかに配置される。

本発明の、この第2の態様の更なる特徴および長所は、本発明の第1の態様に関連して上で説明された特徴及び長所と広く類似している。

本発明のこれらの態様及び他の態様が、本発明の現在好ましい実施例を示している添付の図面を参照して、ここで更に詳細に説明されることであろう。

本発明による有機機能素子の第1の実施例を概観的に例示している、分解斜視図を示す。 図1の有機機能素子を製造する方法を概観的に例示しているフローチャートを示す。 図1の有機機能素子の斜視図を示す。 図3aの線I〜Iに沿って描かれた、図3aの有機機能素子の断面図を示す。 本発明による有機機能素子の第2の実施例を概観的に例示している、分解斜視図を示す。 本発明による有機機能素子の第3の実施例を概観的に例示している、分解斜視図を示す。

発明を実施する形態

以下の記述では、本発明が、OLEDベースの発光パネルを引用して説明されている。この引用が、本発明の範囲を決して限定することはなく、有機太陽電池又は有機フォトダイオードなど、多くの他の有機機能素子に等しく適用できる点に留意する必要がある。

図1は、透明なOLEDベースの発光パネル1の形態で、本発明の第1の実施例による有機機能素子を概観的に例示している。

図1を参照すると、発光パネル1は基板2を有し、当該基板2上に第1の透明電極層3が形成されている。図1の第1の電極層3などの透明電極層は、通常あまりに抵抗があるために、実質的に同一の電圧が当該透明な電極層3の全域にわたって存在するのを確実にすることができないので、図1の有機機能素子1は、第1の電極分路構造部4を含み、この構造部は、ここでは正方形のグリッドの形で供されている。第1の電極分路構造部4は第1の電極層3を分路するよう機能し、第1の電極分路構造部4を第1の電極層の電圧へと接続可能にするための接続導体5をもっている。

第1の電極層3によって占められたエリアの外側に、第1の基板分路構造部6が、基板2上に形成されている。この第1の基板分路構造部は、所望の電圧の印加を第1の基板分路構造部6に可能にするために、二つの接続導体10a及び同10bへと向かう、第1の電極層3の回りにあるループを形成している。

第1の電極分路構造部4は、（図1には示されない）絶縁層を具備し、第1の基板分路構造部6は絶縁されないようにする。

第1の電極層3（及び絶縁された第1の電極分路構造部4）の上部に、有機機能層7が設けられる。

有機機能層7の上部に、第2の透明電極層8が設けられ、この第2の電極層の上部に、第2の電極分路構造部9a乃至9dが形成されている。

これらの第2の電極分路構造部9a乃至9dは、基板2上の第1の基板分路構造部6と電気的な接触をするために、第2の電極層8の端11a及び端11bを過ぎて延在している。

これによって、第2の電極分路構造部9a乃至9dと、第1の基板分路構造部6とが一緒に連続した導電性のグリッドを形成し、これは効果的に第2の電極層8を分路し、これによって、有機機能素子1の電流分布の均一性を改善する。

図1の有機機能素子1を製造する方法が、ここで、図2のフローチャート及び図1の分解断面図を参照して説明されよう。

第1のステップ21において、基板2が供される。基板2は実質的に剛体か又は可撓性であることができ、例えばガラス又は適切なプラスチック材料で作られることができる。

次に、第1の透明電極層3が、ステップ22にて蒸着される。第1の透明電極層3はインジウム‐錫‐酸化物（ITO）、インジウム‐亜鉛‐酸化物（IZO）等で通常作られるが、さもなければ、透明基板上に形成された薄い金属層によって作られてもよい。斯様な金属層は、透明であるために十分に薄く、即ち5 nm乃至20 nmの範囲で薄くなければならない。

次のステップ23において、モリブデン-アルミニウム-モリブデン（MAM）層が、第1の電極分路構造部4と、第1の基板分路構造部6とを形成するために、フォトリソグラフィを用いて蒸着され、パターン化される。

この後、ステップ24で、有機機能層7が第1の電極層3及び第1の電極分路構造部4の上部に供される。有機機能層7は、概して複数の有機層を有する。有機機能素子1がポリマ発光ダイオード（LED）である場合、有機機能層7は基本的に空孔導体層と光を発するポリマ層との2層のスタックを有し、光を発するポリマ上にある蒸着された有機空孔空乏層など、複数の追加の層を更に含んでもよい。

有機機能素子1が低分子のOLEDである場合、有機機能層7は、正孔注入層、空孔トランスポート層、電子空乏層、発光層、空孔空乏層、電子輸送層、及び電子空乏層等を含む、より複雑なスタックとして概して形成される。有機機能層7が設けられた後に、第2の透明電極8が、ステップ25で蒸着される。

第2の電極層8が、乾式のプロセスを用いて蒸着され、通常、バリウム（Ba）、カルシウム（Ca）、フッ化リチウム（LiF）等、アルミニウム（Al）、銀（Ag）などの注入層、又は、これらの材料の異なるものが積層された注入層を含み、更に（非常に透明な）セレン化亜鉛（ZnSe）等などの、他の光学的な伝達強化層を含む。

最後に、ステップ26で、第2の電極分路構造部9a乃至9dが、シャドウマスクによって第2の電極層8上に蒸着される。第2の電極分路構造部9a乃至9dをシャドウマスクを用いて蒸着することによって、比較的敏感な有機機能層7の破損が回避されることができる。しかしながら、シャドウマスクによる蒸着は、比較的単純な、物理的に分離された構造、例えば図1に示された典型的な平行線9a乃至9dに、概して限定される。斯様な分離された構造部9a乃至9dは、単独で、ある程度の分路を供することであろう。しかしながら、第2の電極層8の電流の均一性を改善するために、本発明による第2の電極分路構造部9a乃至9dが、前のステップで基板2上に形成された第1の基板分路構造部6と当該分路構造部9a乃至9dの各々が電気的に接触するように、配置される。

ここで図3a及び図3bを見て、第2の電極分路構造部9a乃至9dの構成が、更に詳細に説明されよう。

図1の有機機能素子1の斜視図である図3aを参照すると、どのように第2の電極分路構造部9a乃至9dが、第2の電極層8の上部から基板2の表面まで降りて、第1の基板分路構造部6を覆うまでスムーズに移行するかが見てとれる。

第2の電極層8と第1の基板分路構造部6との間の斯様なスムーズで損傷のない接続を実現するための設計上の考察が、図3aの有機機能素子の線I〜Iに沿った概観的な横断面図である図3bを参照して更に解明されよう。

図3bに概観的に示されているように、基板2上に形成された種々異なる層 - 即ち第1の電極層3、第1の電極分路構造部4、第1の電極分路構造部4の上部に形成された絶縁層12、有機機能層7、及び第2の電極層8 - は、各々が僅かなより小さな延在もつよう形成され、この結果、各ステップの高さhは十分に小さく、基板2から第2の電極層8の上部へと高さの違いを横切るときに第2の電極分路構造部9a乃至9dが干渉しないことを確実にするために、hは例えば100 nm未満である。

図3a及び図3bの主な目的が、第2の電極分路構造部9a乃至9dと、第2の電極8と、第1の基板分路構造部6との間の接続を、それぞれ明らかに示すことであるので、第1の基板分路構造部6は矩形の輪郭に単純化され、第1の電極分路構造部4を接続するための端末部（図1の5）は省略された。

図4を参照して、本発明による有機機能素子の第2の実施例が、ここで説明されよう。

図1を参照して上で説明された有機機能素子1に関連して説明された複数の構造及び複数の層に加え、図4の有機機能素子40は、基板2上に形成された第2の分路構造部41と、更に、第2の電極層8の上部に設けられた第2の有機機能層42と、第2の有機機能層42の上部に設けられた第3の電極層43と、を具備している。図4の有機機能素子40は更に、第3の電極層43の上部に形成された第3の電極分路構造部44a乃至44dをもっている。第2の電極分路構造部9a乃至9dと類似して、これらの第3の電極分路構造部は、第3の電極層43と第2の基板分路構造部41とを電気的に接続するために配置されている。

図4に示された有機機能素子40は、例えば可変色のOLEDベースの発光パネルでもよい。当該パネル内では、第1の有機機能層7は、第1の波長分布（の色）をもつ光を発するよう構成された電界発光層（EL−層）であり、第2の有機機能層42は、第2の波長分布（の色）をもつ光を発するよう構成されたEL−層である。

代替的には、有機機能素子40は、異なる波長域の光に対して感度を有する第1の光起電性の層7と第2の光起電性の層42とから成る積層型の太陽電池でもよい。

最後に、図5を参照して、本発明による有機機能素子の第3の実施例が、ここで説明されよう。

図5に示すように、同図に例示された有機機能素子50は、図4に示された有機機能素子40とは異なり、第1のパターン化された絶縁層51及び第2のパターン化された絶縁層52が、第1の有機機能層7と第2の電極層8との間、及び第2の有機機能層42と第3の電極層との間に、それぞれ配置されている。

これらのパターン化された絶縁層51及び同52を供することによって、電界発光層7及び同42をそれぞれ流れる電流が局所的に阻止されることができ、これにより、層7及び層42からのそれぞれの光の放出も阻止される。これによって、発光パネル50は所定のディスプレィ画像を表示、及び切り替えるよう作られることができ、この特徴は、種々異なる色で着色されてもよい。

引用した全ての図に共通なことは、これらの図が縮尺通りに描かれてはいないことである。通常、図の明快さのために、厚みの寸法が誇張された。

当業者は、本発明が好ましい実施例に限定されることは決してないと理解する。例えば、有機機能素子は多数の分路構造部を含む可能性があり、複数の分路構造部が、他のレイアウトで供される可能性がある。

Claims (9)

1. 有機機能素子であって、
   基板と、
   前記基板上に形成された第1の電極層と、
   前記基板上の、前記第１の電極層によって占められたエリアの外側に形成された少なくとも第1の基板分路構造部と、
   前記第1の電極層の上部に設けられた、少なくとも第1の有機機能層と、
   前記第1の有機機能層の上部にある第2の透明電極層と、
   各々が前記第2の電極層及び前記第1の基板分路構造部と電気的に接触している、相互に間隔を置かれた複数の第2の電極分路構造部とを有し、
   前記第１の電極層、前記第１の有機機能層及び前記第２の透明電極層は、各々が上層になるにつれて僅かに小さなサイズをもつように形成され、これにより、前記第２の電極分路構成部による前記第２の透明電極層と前記第１の基板分路構造部との間のスムーズで損傷のない接続が実現される、有機機能素子。
2. 前記第1の基板分路構造部及び前記第1の電極層の各々が、前記基板の第1の側上に形成されており、前記第1の基板分路構造部及び前記第1の電極層が、互いに電気的に絶縁されている、請求項１に記載の有機機能素子。
3. 前記第1の基板分路構造部が、前記第2の電極分路構造部に沿った、間隔を置かれた2つの場所で、前記第2の電極分路構造部の各々に電気的に接続されている、請求項１又は２に記載の有機機能素子。
4. 前記基板及び前記第1の電極層の各々が、光学的に透明である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の有機機能素子。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の有機機能素子であって、
   前記基板上に形成された第2の基板分路構造部と、
   前記第2の電極層の上部にある第2の有機機能層と、
   前記第2の有機機能層の上部にある第3の透明電極層と、
   前記第3の電極層に各々が電気的に接触している、相互に間隔を置かれた複数の第3の電極分路構造部と、
   を更に有し、
   前記相互に間隔を置かれた第3の電極分路構造部の各々が、前記第2の基板分路構造部と電気的に接触している、有機機能素子。
6. 前記第2の基板分路構造部が前記基板の前記第1の側に設けられると共に、前記第1の基板分路構造部と、前記第1の電極層とから電気的に絶縁されている、請求項５に記載の有機機能素子。
7. 前記第1の有機機能層と、前記第1の電極層及び前記第2の電極層のうちの少なくとも一つの層との間に設けられたパターン化された、電気的に絶縁された層を更に有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の有機機能素子。
8. 前記有機機能層が、電界発光層を具備している、請求項１乃至７の何れか一項に記載の有機機能素子。
9. 前記有機機能層が、光起電性の層を有する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の有機機能素子。

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