JP5834009B2 - モノリシック並列相互接続構造 - Google Patents

Description

本願発明は、モノリシック並列相互接続構造に関する。

光エレクトロニクスデバイスは、一般に発光デバイスおよび光起電力デバイスを含む。これらのデバイスは、一般に前面電極および背後電極と称されることがある、少なくとも１つが通常は透明な２つの電極の間に挟まれた活性層を含む。活性層は、一般に、１つまたは複数の半導体材料を含む。例えば有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）デバイスといった発光デバイスでは、２つの電極間に電圧を印加すると、活性層を通って電流が流れる。電流によって活性層が発光する。例えば太陽電池といった光起電力デバイスでは、活性層が光からエネルギーを吸収して電気エネルギーに変換し、２つの電極間のいくらかの特性電圧で電流が発生する。

デバイスを電気的に構成する方法の１つに「モノリシック直列相互接続」と称されているものがあって、米国特許第７，０４９，７５７号および米国特許第７，５１８，１４８号に説明されており、どちらもＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社に譲渡されている。図１Ａに概略的に示されているこの構成では、デバイス１００は、２つの個体、すなわち基板１３０上に配置して電気的に直列接続されたピクセル１１０および１２０から成る。デバイス１００は２つのピクセルを有して示されているが、任意数のピクセルを直列接続することができる。ピクセル１１０は、陽極１１２および陰極１１４ならびにその間の電気活性層１１６から成り、同様に、ピクセル１２０は、陽極１２２および陰極１２４ならびにその間の電気活性層１２６から成る。

デバイス１００の直列相互接続は、陰極１１４と陽極１１２をオーバラップさせて相互接続区域１４０を形成することにより行なわれる。各ピクセルは、公称電圧Ｖおよび電流ｉで動作する。したがって、端から端まで印加された電圧は２Ｖであり、電流ｉが与えられる。各ピクセルを照光するのに必要な電流の量は、各ピクセルのサイズに比例する。より大きなピクセルについては、相応してより大きな電極にわたって電流が広がるので、電流がより大きければ抵抗損失が増加する。抵抗損失は、電圧降下として実現され、Ｖ＝ｉＲとして計算される。したがって、より大きな電流が必要とされる大きなピクセルは、電極の両端により大きな電圧降下を示し、ピクセルにわたって不均一な明るさがもたらされる。この直列設計は、抵抗損失がより少ないように、より小さなピクセルを直列に接続して使用することにより、明るさのばらつきが低減する。ピクセルが大きすぎると、ピクセルの放出層を通る電流密度が電圧降下によって不均一になり、したがって明るさにばらつきが生じる。一般に、透明電極は、そのシート抵抗率が不透明な（恐らく金属の）電極より大きいので、制約要因である。

図１Ｂは、製造に関連するＯＬＥＤ １００の構造の詳細を示す。このデバイスは、逐次プロセスで様々な層を堆積してパターニングすることにより製作される。一例では、ガラスまたはプラスチックの基板１３０上に支持されたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の連続層が、１０１で、機械的エッチングプロセス、レーザーエッチングプロセスまたは化学的エッチングプロセスを用いてスクライブされて、パターン付き陽極１１２および１２２を形成する。あるいは、マスクを通してＩＴＯを堆積してパターンを形成してもよい。一般に、例えば正孔注入層、正孔移送層、発光層、電子移送層および電子注入層を含む電気活性層が、それぞれが連続した層として堆積され、次いで、溶剤ワイピングまたは別の除去プロセスによって選択的に除去され、スクライブ１０２を形成する。あるいは、電気活性層は、インクジェットプリントまたは選択的コーティングプロセスなどのプリント法を用いて、必要とされるパターンに堆積されてよい。最後に、例えばマスクを通して金属層を蒸発させてスクライブ１０３を形成することにより、陰極１１４／１２４が堆積される。全体のプロセスは、陽極層、電気活性層または陰極層のない領域において、スクライブ１０１からスクライブ１０３に延在する暗黒領域を最小化するために、各ステップで正確な位置決めおよびアライメントを必要とする。

このデバイスは、陰極（Ｖ₀）および陽極（Ｖ₂）に外部接合部を設けることによりエネルギーを与えられる。電圧Ｖ₁＝（Ｖ₀＋Ｖ₂）／２である。スクライブ１０１とスクライブ１０３の間の領域１０９は、陽極と陰極がこの領域内で同じ電圧（Ｖ₁）であるので照光されず、矢印１１７および１２７によって示されるようにのみ発光する。連続したラインとして現われるスクライブラインおよびもたらされる暗黒領域により、そうでなければ均一な光出力が中断される。スクライブの幅およびスクライブの間隔を最小化することにより暗黒領域を縮小することができるが、完全に除去することはできない。したがって、ピクセルのサイズを増加して暗黒領域を縮小する、デバイス構築の代替方法を見いだす必要がある。

ピクセルサイズを制限する主要因は、ＩＴＯ陽極のシート抵抗率およびもたらされる電圧降下である。例えば、アルミニウムから成る金属の陰極は、シート抵抗率＜＜１０オーム／平方（ｏｈｍｓ／ｓｑｕａｒｅ）と比較的導電性であるが、ＩＴＯ陽極は、抵抗率＞＞１０オーム／平方と、それほど導電性ではない。したがって、陰極は、Ｒが小さいためにｉＲ損失が小さいので、基本的には印加電圧に等しい均一な電位であるが、しかし、ＩＴＯの比較的大きなシート抵抗により、陽極にわたってより大きなｉＲ損失および相応する電圧不均一性がもたらされる。したがって、陰極と陽極の間の電圧差が位置によって一様でなく、したがって、ピクセルの明るさが不均一である。ＩＴＯ（または他の透明な導体）の抵抗率の制約を克服するために、層をより厚くする（しかし、結果として透明性を低下させる）ことにより、あるいはＩＴＯの下に薄い金属層または金属グリッドを追加することにより（しかし、やはり透明性を犠牲にして）、導電率を増大することは可能である。ピクセルサイズが限定されていると、暗黒ラインの幅は、より厳格な製作公差を用いて縮小することができるが、ピクセルの間隔を狭めるのに限界があり、暗黒ラインの可視状態が存続する。

さらなる直列設計の制約に、安全上の理由により、許容できる最大の外部印加電圧によってピクセルの総数が限定され得ることがある。すなわち、印加する必要のある外部電圧が製品の限界を超過する前に、直列接続の可能な数に限界がある。例えば、直列の１０個のピクセルを接続するのに５０Ｖが適切であっても、一般に、１００個のピクセルに対して、５００Ｖは、消費者製品については適切ではないことになる。

したがって、加工費を低減し、ＯＬＥＤの暗黒領域および光起電力（ＰＶ）デバイスの非吸収領域を縮小し、また、特に大面積のピクセルを可能にするために、光エレクトロニクスデバイス向けの別の構造が望ましいであろう。

米国特許第２００５／０９３００１号明細書

簡潔には、本発明は、一態様では、連続した陽極層、不連続な陰極層、および連続した陽極層と不連続な陰極層の間に挟まれた電気活性層を備える光エレクトロニクスデバイスに関する。いくつかの実施形態では、このデバイスは、連続した陽極への複数の第１の電位の接合部および不連続な陰極への少なくとも１つの第２の電位の接合部を含み、複数の接合部の少なくとも１つが、不連続な陰極層を通り抜ける。いくつかの実施形態では、不連続な陰極層が複数のバイアを備え、これらのそれぞれを複数の接合部の少なくとも１つが通り抜ける。

本発明は、別の態様では、連続したパターンのない陽極層およびパターン付き陰極層を含む光エレクトロニクスデバイスに関し、パターン付き陰極層は、複数のリボン状の構造に構成される。

本発明は、さらに別の態様では、光エレクトロニクスデバイスを製作するロールツーロール法に関する。この方法は、パターンがない連続した陽極層を設けるステップと、パターンがない連続した陽極層上に電気活性層を堆積するステップと、ウェブの方向で電気活性層の一部分を選択的に除去するステップと、交差ウェブパターンを形成するのを中止することなく、電気活性層の一部分を選択的に除去した後に、残されている電気活性層の一部分の上にのみ陰極層を堆積するステップとを含む。

本発明の、これらおよび他の特徴、態様および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を解読するときに一層よく理解されるはずであり、諸図面を通じて、同じ符号は同じ部品を表す。

直列相互接続の構成を有する従来技術デバイスの概略図である。 直列相互接続の構成を有する従来技術デバイスの概略図である。 本発明による光エレクトロニクスデバイスの一実施形態の概略図である。 図２Ａのデバイスの製造に関連する詳細を示す断面図である。 本発明による光エレクトロニクスデバイスの製造プロセスの一実施形態を示す概略図である。 本発明による光エレクトロニクスデバイスの製造プロセスの一実施形態を示す概略図である。 本発明による光エレクトロニクスデバイスの製造プロセスの一実施形態を示す概略図である。 本発明による光エレクトロニクスデバイスの気密パッケージ化された実施形態の概略図である。 本発明によるリボン状ピクセルを有する光エレクトロニクスデバイスの一実施形態の概略図である。

図２Ａは、本発明による光エレクトロニクスデバイスの概略図である。光エレクトロニクスデバイス２００は、連続した陽極層２１２、陰極領域２１４および２２４、連続した陽極層２１２と陰極領域２１４および２２４の間に挟まれた電気活性領域２１６および２２６を含む。不連続部２０９は、連続したライン、ラインセグメント、環状の開口、または他の形状であり得る陰極２１４の開口である。連続した陽極２１２への複数の接続が、２０１、２０９、２１１において第１の電位でなされ、また陰極領域２１４および２２４への少なくとも１つの接続が接続ポイント２１３において第２の電位でなされる。その結果、図１Ａおよび図１Ｂのデバイス１００と比較して、同じ輝度均一性を維持しながら、ピクセルのサイズをより大きく、暗黒領域をより小さくすることができる。

図２Ｂは、デバイス２００の製造に関連する構造の詳細を示す断面図である。このデバイスは、連続した陽極２１２が連続した層として堆積され、スクライブが不要であることを除けば、図２に示された直列相互接続を生成するのに用いられるのと同一のプロセスステップを用いて構成することができる。一実施形態では、電気活性領域２１６および２２６は、連続した層を堆積し、次いで（溶剤ワイピングまたは他のプロセスによって）選択的に除去してスクライブ２０２を形成することにより、形成される。電気活性領域２１６および２２６を構成する電気活性層は、一般に複数のサブ層を含む。ＯＬＥＤデバイスについては、存在し得るサブ層は、正孔注入、正孔移送、発光、電子移送および電子注入を含み、これらのサブ層のそれぞれが、さらなるサブ層から成り得る。陰極領域２１４および２２４は、マスクを通して金属層を堆積して、スクライブ２０２と共同配置されたスクライブ２０３を形成することによって形成される。

電気的接続は、陽極層２０２に対して電圧Ｖ₁で、また陰極に対して電圧Ｖ₀でなされる。印加電圧はＶであり、電流はこのとき２ｉである。さらなる電気的接続は、陽極層２０２にとって第１に重要であり、陰極層２０４にとっては、各層のシート抵抗率次第で２次的に重要である。スクライブ領域２０２／２０３は、穴（バイア）またはラインのいずれかでよい。陰極領域２１４および２２４から成る陰極層は、１つの印加電圧で電気的に連続した層であり、陰極領域２１４と２２４は、陰極層のすべての部分が電気的に相互接続されるように十分な数の箇所で接続される。スクライブ２０３が陰極層の１つまたは複数の開口部または開口を表す場合には、陰極領域２１４と２２４は電気的に連続しており、必要とされる接続は１つだけである。スクライブ２０３が、陰極層の左と右の部分を陰極領域２１４と２２４に分離する連続したラインである場合には、両方の部分に接続するのに２つの接続が必要とされる。外部電源への電気的な接続は、デバイス２００の裏の縁端部に作製されてよい。縁端部のみに接続を有するデバイス構造をもたらすために、さらなる導電層を追加してもよい。

本発明による光エレクトロニクスデバイスを製作するプロセスが、デバイス３００に関して図３Ａ〜図３Ｃに概略的に示されている。ＩＴＯから成る連続した陽極層３１２が、基板３３０上に任意選択で配置して設けられる。限定的でない実例で、基板３３０は、ガラス、金属フォイル、またはポリエステルなどのプラスチック材料を含んでよい。基板は、ガラス、金属フォイル、またはプラスチック材料と陽極層３１２との間に位置する障壁層（図示せず）を含んでよい。電気活性領域３１６および３２６は、連続した層を堆積し、次いで（溶剤ワイピングまたは他のプロセスによって）選択的に除去してスクライブ３０２を形成することにより、連続した陽極３１２上に配置される。あるいは、マスクまたはダイを通して電気活性領域３１６および３２６が堆積されて、スクライブ３０２を形成してよい。マスクを通して陰極領域３１４および３２４が電気活性領域３１６および３２６上に堆積され、スクライブ３０３を形成する。適切な金属には、アルミニウム、銀、カルシウム、マグネシウム、またはマグネシウム／銀合金など、仕事関数の小さい材料が含まれるが、これらに限定されない。あるいは、陰極は、電子注入を良くするために２つの層で作製されてよい。陰極領域２１４および２２４向けの適切な材料の限定的でない実例には、ＬｉＦ／アルミニウム、Ｃａ／アルミニウム、およびＣａ／銀がある。次いで、陰極領域３１４および３２４上に絶縁層３４２が配置され、絶縁層３４２は、エポキシ樹脂、アクリルウレタン、シリコン、ゴム、ビニール、またはポリオレフィンなどの熱可塑性もしくは熱硬化性の高分子材料を含むがこれらに限定されない任意の有機または無機の薄膜形成材料でよい。絶縁層３４２用の適切な材料の特定の実例には、Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｌｉｔｅ社から市販されているＵＶ硬化性のエポキシ系接着剤ＥＬＣ２５００がある。スクライブ３０２および３０３によって露出された陽極領域は、マスキングテープを使用してマスクされる。陰極領域３１４および３２４は、２〜２０μｍ、好ましくは約５〜１０μｍの厚さを達成するように、ワイヤロッドを使用する接着剤で、スピンコーティングまたは別の既知のコーティング技法を用いてコーティングされる。次に、接着剤は、３６５ｎｍの波長および５０ｍＷ／ｃｍ²のエネルギーでＵＶ放射に３０秒間さらされる。選択された位置の陽極を露出するように、保護テープが除去される。あるいは、絶縁層３４２を、マスクを通して堆積するか、または堆積した後にスクライブ動作でパターニングして、陽極３０２が露出して示されている領域を、スクライブ３１５として選択的に形成してよい。図３Ｂに示される後続のステップでは、絶縁層３４２の上にさらなる金属層３４４が堆積され、陽極３０２との電気的接続を形成する。伝導層が陽極と並列に電流を導き、したがって、そうしなければ透明な陽極のシート抵抗から生じるはずの電圧降下が緩和される。図３Ｃは、同一の方法を用いて複数の並列接続が作製される様子を示す断面図である。陽極で電流が水平方向に移るときの抵抗損失を緩和するために、陽極に複数の接続が作製される。

本発明は、別の態様では、連続したパターンのない陽極層および複数のリボン状の構造に構成された不連続の陰極層を備える光エレクトロニクスデバイスに関する。用語「リボン状」は、デバイスの照光される領域の寸法を指し、長く、また、狭くて薄い断面でよい。リボンは、連続したフィーチャであって、位置決めが必要とされるのは長手方向の寸法のみである。すなわち、リボンの長手方向寸法に対して垂直の位置決めまたはアライメントの必要はない。この特徴により、連続したロールツーロール製造法におけるリボン設計の実装形態が簡単になる。

図４は、基板４３０、パターンのない連続した陽極４１２、電気活性層４２６、陰極領域４１４および４２４、（任意選択の）陽極バス４５２、４５４および４５６、貫通接続層またはバックシート４６２、陽極の導電性パッチ４７２および陰極の導電性パッチ４８２から成る、気密パッケージ化されたデバイス４００を示す。陽極と陰極領域および外部電源との間の電気的接続を可能にし、バックシート４６２から電気的に絶縁されるように構成された貫通接続開口（図示せず）を、好ましくは金属である導電材料から成る導電性パッチ４７２および４８２が覆う。デバイスに接続し、かつ気密パッケージのパッチを形成するのに開口およびパッチを使用するこの構成は、２００９年５月２１日出願の米国特許出願第１２／４７００３３号に説明されており、その全体の内容が参照によって組み込まれる。

図５は、照光されている気密パッケージ化されたＯＬＥＤデバイス５００の上面図を示し、このデバイスは、陰極の下の発光領域に相当する照光されたリボン状の領域５１４、陽極バスによって覆われた領域に相当する照光されていない領域５５２、陽極の貫通接続開口５８２および陰極の貫通接続開口５９２を含む。図４および図５は、導電性パッチを使用する外部接続を示すが、直列の相互接続構成のようにデバイスの側面の領域で接続されてよい。

ＯＬＥＤパッケージ５００は、ロールツーロール法によって製作される。任意選択の障壁層とＩＴＯなどのパターンがない連続した透明な導電性陽極とを有する基板が用意される。発光層、任意選択の正孔注入層、任意選択の正孔移送層、任意選択の電子移送層および任意選択の電子注入層を含むがこれらに限定されない電気活性層が、陽極上に配置され、ウェブ方向で選択的に材料の部分を除去することによりパターニングされる。陰極層がもっぱら電気活性層の残存部分上に堆積され、陰極層と同時に、ＩＴＯ層の導電率を増大するために、（任意選択の）陽極バス層がもっぱら陽極の露出領域上に堆積される。電気活性層および陰極層の両方が、ウェブが交差ウェブのパターンを形成するのを中止する必要のない連続工程で堆積される。これは、プロセスおよび装置の単純化により、全般的に有利である。この構造に対して、陽極および陰極の接続位置に対応する開口が備わっている不浸透性のバックシートが積層される。これらの開口は、陽極または陰極と電気接触している不浸透性のパッチで覆われており、接触は、例えば導電性粒子で満たされたアクリレートまたはエポキシ樹脂から成る導電性接着剤または他の手段を使用してもたらされ、パッチはバックシートに封止されている。最後に、パッチを電源に接続してデバイスにエネルギーを与えるために、外部バスが設けられる。

本発明の、単なる特定の特徴が本明細書に示され説明されてきたが、当業者なら多くの修正形態および変更形態を思いつくことができるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような修正形態および変更形態のすべてが、本発明の真の精神の範囲内に入るように対象として含むように意図されていることを理解されたい。

２００ 光エレクトロニクスデバイス
２０１ 接続ポイント
２０２ スクライブ
２０３ スクライブ
２０９ 不連続部
２１１ 接続ポイント
２１２ 陽極層
２１３ 接続ポイント
２１４ 陰極領域
２１６ 電気活性領域
２２４ 陰極領域
２２６ 電気活性領域
２３０ 基板
３００ デバイス
３０２ スクライブ
３０３ スクライブ
３１２ 陽極層
３１４ 陰極領域
３１６ 電気活性領域
３２４ 陰極領域
３２６ 電気活性領域
３３０ 基板
３４２ 絶縁層
３４４ 金属層
４００ デバイス
４１２ 陽極
４１４ 陰極領域
４２４ 陰極領域
４２６ 電気活性層
４３０ 基板
４５２ 陽極バス
４５４ 陽極バス
４５５
４５６ 陽極バス
４６２ バックシート
４７２ 導電性パッチ
４８２ 導電性パッチ
５００ ＯＬＥＤデバイス
５１４ 領域
５５２ 領域
５８２ 貫通接続開口
５９２ 貫通接続開口

Claims (4)

1. ロールツーロール法により光エレクトロニクスデバイスを製作する方法であって、
   パターンがない連続した陽極層を設けるステップと、
   前記陽極層上に、ウェブの搬送方向に平行な方向のみに境界を有する電気活性領域を形成するステップと、
   前記ウェブの搬送方向に平行な境界を有する導電層を形成するステップであって、前記導電層が、
   前記電気活性領域の上方に配置された陰極層と、
   前記電気活性領域が形成されていない陽極層の領域上の陽極バスと、
   を含む、ステップと、
   前記陰極層および前記陽極バスの上に、貫通接続開口を含み、かつ前記陰極層および前記陽極バスを覆う不浸透性のバックシートを形成するステップと、
   前記陰極層または前記陽極層に電気的に結合された不浸透性の導電性パッチを、前記貫通接続開口に配置して、前記のバックシートに封止するステップと、
   を含む、光エレクトロニクスデバイスを製作するプロセス。
2. 前記電気活性層を形成するステップが、
   前記パターンがない連続した陽極層上に電気活性層を堆積するステップと、
   前記電気活性層の一部分を選択的に除去するステップと、
   を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記陰極層が、複数のリボン状の構造に構成される、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記光エレクトロニクスデバイスが有機発光デバイスである、請求項１から３のいずれかに記載のプロセス。