JPH09500929A - 化学蒸着(CVD)による基板上への共役置換又は共役非置換ポリ(p−フェニレンビニレン)フィルムの製造方法及びエレクトロルミネセンス(EL)装置の製造方法 - Google Patents

化学蒸着(CVD)による基板上への共役置換又は共役非置換ポリ(p−フェニレンビニレン)フィルムの製造方法及びエレクトロルミネセンス(EL)装置の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 CVD方法により、簡易なモノマーを用いて共役ポリ(p−フェニレンビニレン)の薄膜を製造する方法である。かかるポリマーは特に、エレクトロルミネセンス装置、例えば発光ダイオード中の活性層として適切に使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 化学蒸着(CVD)による基板上への共役置換又は共役非置換ポリ (p−フェニレンビニレン)フィルムの製造方法及びエレクトロル ミネセンス(EL)装置の製造方法 本発明は、化学蒸着(CVD)により、基板上に、共役、置換又は非置換ポリ (p−フェニレンビニレン)のフィルムを提供する方法に関する。更に本発明は 、かかる共役ポリマーを使用するエレクトロルミネセンス(EL)装置、特に発 光ダイオード(LED)の製造方法に関する。 固体LEDは広範囲な用途で使用されており、例えばディスプレイや指示ラン プにおいて使用されている。EL構造体中の活性即ち発光層には、従来よりIII- V半導体化合物、例えばドープトGaAs及びGaPが一般的に使用される。活 性は、活性層の片側上に位置する電極から半導体材料中へ注入される電子−正孔 対の再結合を基礎とする。かかる再結合により、エネルギーを(可視)光の形態 で放出し;かかる減少を通常エレクトロルミネセンスと称す。発光した光の波長 及びこれによる色彩は、半導体材料のバンドギャップにより決定される。 上記の無機半導体材料を用いる従来の技術は、例えば数センチメートルの大き さを有するような大きい領域を有するディスプレイを製造することが極めて困難 であった。更に、発光した光から得られる色彩は、可視スペクトルの長波長端に 限られていた。 半導体有機ポリマーが、EL装置に用いることができる材料として多く使用さ れ、拡大してきている。半導体有機ポリマーは、共役ポリマー鎖を有している。 バンドギャップ、電子親和力及びイオン化ポテンシャルは、適切な共役ポリマー 鎖及び適切な側鎖を選定することにより調整することができる。更に、かかるポ リマーは、可撓性基板に使用することもできる。 EL装置中の活性層として適切に使用することができる共役ポリマーは、ポリ (p−フェニレンビニレン)(PPV)の誘導体であり、例えばPPVそれ自体 及びポリ(2−メトキシ),5−(2′−エチルヘキシルオキシ)−p−フェニ レンビニレン)(MEH−PPV)がある。これらのドープされてない共役ポリ マーは半導体であり、特に酸素に対して耐性があり可撓性である。前記誘導体の フィルムを製造する従来方法の多くは、有機溶剤を用いている。前記誘導体中の 数種は、溶媒中に、共役ポリマーとして溶解すことができ、次いでポリマー層を 基板上にスピンコートする。他の誘導体は可溶性非共役ポリマー先駆体を用いる ことにより形成でき、この先駆体は、先駆体の溶液をスピンコートした後の熱後 処理中で共役ポリマーに転化する。かかる方法は、国際特許出願92/1602 3号に開示されている。 スピンコートの欠点は、形成されたフィルムが、EL装置に用いるには一般的 に充分に均一でなく、特に平坦でない基板に用いる場合が顕著であることである 。更に従来の方法は、予め決定された厚み及び均一性を有するポリマー層の製造 には、ほとんど適さない。 S.Iwatskuらによる文献Chemical Letter,P1071〜1074(1991 )には、2個の芳香環を有する化合物である1,9−ジクロロ〔2,2〕パラシ クロフェンモノマーを用いて化学蒸着(CVD)によりPPVを製造する方法が 開示されている。この提案においては、堆積層が均一であり、正確な層厚みを当 該プロセスの間に観察することができ更に得ることができるため、CVD方法は 魅力的である。更に、CVD方法は半導体産業において一般的である。かかる従 来の方法の欠点は、かなり複雑なモノマーを市場で入手することができず、時間 を費やす合成を介して調製しなければならないことである。モノマー内の2個の 芳香環の存在により蒸気圧は比較的低く、従ってかかるモノマーはCVD方法に おいて用いるにはほとんど適さない。 本発明の目的は、特に、CVD方法により、置換若しくは非置換PPVの共役 ポリマーのフィルムを製造する方法を提供することであり、そのポリマーフィル ムはEL装置中の活性層として適切に使用することができ、用いられるモノマー は簡単な方法で調製できるか又は市場で入手することができるものである。更に 、本発明の方法は連続的とすべきであり、一般的に不安定である、形成されるポ リマー中間生成物の再加工や精製を必要としない。 更に、本発明の目的はLEDの製造方法を提供することであり、その活性層は 置換又は非置換PPVの共役ポリマーにより形成される。 これらの目的は、本明細書の最初の欄に記載された方法により達成され、ポリ マーは次の一般式 (式中、RはH,C1−C5アルキル基又はアルコキシ基及びCNから成る群より 選ばれ、m=1〜4,n=10〜100,000を示す)で表され、本発明の方 法は次の連続工程を含む: a.次の一般式 (式中、R1及びR2はハロゲン原子を示し、R及びmは上記と同様である)で表 される少なくとも1種のモノマー化合物を、第1加熱帯中約50℃〜約250℃ の温度で蒸発させ、 b.蒸発させたモノマー化合物を約500℃〜約900℃の温度で第2加熱帯 を通過させて移送し、これにより共役先駆体を形成し、 c.工程bの先駆体を、温度500℃以下で基板が設置されている第3加熱帯 に移送し、これにより基板上に一般式(I)のポリマーのフィルムを形成する。 一般式(II)で表されるモノマーは十分に揮発性であり、CVDプロセスにお いて用いることができる。分解する前にモノマーを蒸発させることが可能でなけ ればならないので、適切な置換基Rの選択は臨界的である。置換基Rが極めて大 きくなる場合には、モノマーの蒸気圧は一般的に低くなる。R=Hの場合は、芳 香環は置換されない。 適当なアルキル基Rは、メチル、エチル、プロピル、ブチル及びペンチル基で あり、各々枝分かれ又は枝分かれしていないものがある。適当なアルコキシ基R はメトキシ、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ及びペントキシ基であり、各々枝 分かれ又は枝分かれしていないものがある。蒸気圧が低いことを理由に、メチル 及びメトキシ基が好ましい。 使用するR1及びR2は、第3除去プロセス中における反応性の関点より、臭素 原子が好ましい。 本発明の方法おいて、特に、次のモノマー(II): α,α′ジクロロ−p−キシレン(図2の式III参照) α,α′−ジブロモ−p−キシレン(図2の式IV参照) α,α′−ジブロモ−2−シアノ−p−キシレン(図2の式V参照) α,α′−ジブロモ−2−メトキシ−p−キシレン(図2の式VI参照) α,α′−ジブロモ−2−メトキシ−5−シアノ−p−キシレン(図2の式VII 参照) を適切に用いることができる。 これらのモノマーは市場で入手するか、又は簡単に変形することにより調製す ることができる。最も適切なモノマーは、α,α′−ジブロモ−2−シアノ−p −キシレン(図2の式5参照)であり、これは四塩化炭素中の2,5−ジメチル ベンゾニトリル,N−ブロモスクシンイミド及び過酸化ベンゾイルの混合物を、 数時間還流することにより調製することができる。形成された固体を、石油エー テル及びトルエンの混合物を用いてこれにより再結晶し、次いで真空下で乾燥す る。他の適切なモノマーは、α,α′−ジブロモ−2−メトキシ−p−キシレン (図2の式VI参照)であり、これは四塩化炭素中の2,5−ジメチルアニソール ,N−ブロモスクシンイミド及び過酸化ベンゾイルの混合物を、窒素雰囲気中数 時間還流することにより調製することができる。形成された固体をヘキサンを用 いてこれにより再結晶し、次いで真空下で乾燥する。 モノマーを、第1加熱帯中、約50℃〜約250℃の温度で、特に約80℃〜 約150℃の温度で蒸発させる。ホットスポットを防止するために、モノマーの 温度を所望値までゆっくりと増大させることが好ましい。 第2加熱帯の温度は、蒸発したモノマーが蒸気相中で共役先駆体(図2の式VI II参照、R1=R2=Br及びR=Hの場合)に熱分解される温度によって決定さ れる。この温度は、第3加熱帯中のフィルムの厚みを測定することによる簡単 な方法で決定することができる。フィルム形成が行われない場合には、第2加熱 帯の温度は極めて低い。基板上又は炉壁上に相当量の炭素が形成される場合は、 第2加熱帯の温度は極めて高くなる。 モルマー(II)を、加熱帯を通過させて移送するために、一般的には不活性キャ リアガス、例えばアルゴンが使用される。好ましくは、異なる温度帯を有する管 状炉が使用され、当該炉は真空下で使用することも可能である。 本発明の方法においては、HCl又はHBrが脱離して、モノマー(II)を共役 先駆体(図2の式VIII参照、R1=R2=Br及びR=H)を介して共役ポリマー (I)に転化するが、芳香環上には同じ置換基が保有されたままである。脱離除 去プロセスにおいては、モノマー1モルあたり2モルのHCl又はHBrが脱離 除去される。 ポリマー(I)の芳香環は、各々1〜4個の置換基Rで置換され得る。芳香環 1個についての置換基は異なっていても同じものであってもよい。全体の環には 同じ置換基又は異なる置換基を含んでいてもよい。わ異なる置換基が含まれる場 合には、ポリマーはコポリマー又はターポリマーである。共役コポリマー又はタ ーポリマーは、各々2個又は3個の異なるモノマー(II)を用いることにより調製 することができる。異なるモノマーを用いた場合には、最終的なポリマー組成物 の最適な制御を得るために、これらの全てがほぼ同様の蒸気圧を有することが望 ましい。蒸気圧が広く異なる場合には、モノマーは、別々の帯(ゾーン)で適用 された温度で蒸発することができ、最終的には第3加熱(基板)帯に別々に位相 されることになる。 共役ポリマー(I)の重合度nは10〜100,000の範囲である。 使用する置換基Rに依存して、赤色、緑色、青色又は中間色等の所望する色彩 で光を発光するLEDを製造することが可能である。 形成される共役ポリマー(I)のフィルムは、一般的に50〜250nm、特に 100〜200nmの層厚みを有する。ポリマーフィルムの成長速度は、キャリ アガスの速度と第1加熱帯の温度に依存し、100nm〜10μm/時の範囲で ある。 基板として、例えば、ガラス、石英ガラス、セラミック材料又は合成樹脂を使 用することができる。ポリマーLEDを製造するにあたり、基板は、例えば、第 3加熱帯中で適用される温度に対して耐熱性を有する合成樹脂の透明な可撓性箔 上の電極材料(下記に特定する)の層により形成される。合成樹脂基板が用いら れる場合には、ポリイミド又はポリテトラフルオロエチレンが耐熱性の点から好 ましく用いられる。好ましくは基板は基板ホルダーに設置され、該ホルダーは基 板を所望温度まで加熱したり冷却したりすることができる。この場合、第3加熱 帯は基板自体により形成される。 第3加熱帯の温度が約100度以下の場合には、非共役先駆体ポリマーが形成 され、これは100℃以上の温度で加熱することにより共役ポリマーに転化する ことができる。第3加熱帯の温度が約100℃より高い場合には、共役ポリマー (I)フィルムが直接形成される。第3加熱帯の壁自体が、ポリマーフィルムを 上部に形成する基板を構成することができるか又は、特定形状の特定基板を第3 加熱帯内部に設置することができる。 LEDの製造方法を提供する目的は、次の工程: a.基板上に第1の透明な導電層を設け、 b.上記第1層に、CVD法により、上記したように、式(II)のモノマーを用 いることにより式(I)の共役ポリ(p−フェニレンビニレン)の層を少なくと も1層含む活性層を設け、 c.上記活性層上に第2導電層を設ける 工程により特徴づけられる本発明の方法により達成される。 基板には、上記した無機基板を用いることができるが、好ましくはポリイミド 、ポリテトラフルオロエチレン又はポリエチレンテレフタレートのような透明で 可撓性のポリマー基板を使用する。ある種の合成樹脂基板材料に関しては、温度 を200℃以下に保持する必要がある。必要な場合には、基板を第3加熱帯中で 前記温度以下に冷却する。 若干の場合には、種々の層を設ける前に、ポリマー基板をベルベット布を用い て一方向にこすったり、一方向に延伸することが有効である。共役ポリマーを、 かかる基板上に堆積する場合、前記ポリマーはこすった方向に平行な一軸配向を 示す。その結果、かかる配向をした活性層を有するLEDにより発光した光は偏 光し、偏光面はこすった方向と平行に延在する。 基板には、第1の透明な導電層が設けられ、該導電層は、この導電層上に設け られる共役PPVの活性層中への孔の注入のための電極として作用する。かかる 第1層の材料は高い仕事関数を有し、例えば金若しくは銀の薄層により、又は好 ましくは酸化インジウム又はインジウム−すず酸化物(ITO)の層により構成 される。かかる第1層は、活性層から発光する光のために透明であるべきである 。特に、ITOは、良好な導電率と高い透明度を有するため極めて適している。 かかる第1層は、例えば蒸着、スパッタリング又は化学蒸着のような既知の方法 により基板上に、設けることができる。 次いで、共役PPVの活性層を、上記したCVDプロセスにより前記第1導電 層上に設ける。活性層は単一層から成ることもできるが、代わりに異なるタイプ の共役PPVの複数の層、例えば、3層から成るものを含有することもできる。 第1導電層に隣接する層を、ホールの注入に関して最大限に活用する。該層には 、アルコキシ基のような電子供与基で置換された共役PPVを含む。第2導電層 に隣接する層を、電子の注入に関して最大限に活用する。該層には、CN基のよ うな電子受容基で置換された共役PPVを含む。例えば、置換されてないPPV の層を、2つの境界層の間に位置させる。活性層を、交互に設けられる2種のタ イプの共役PPV(例えば式IX及びX)の多層で、代わりに構成することもでき る。前記タイプの各層は、1〜10nmの厚みを有する。本方法においては、い わゆる量子井戸構造が形成され、これにより異なる発光波長を得る。これらの異 なるタイプのPPVの多層構造は、炉の第2及び第3加熱帯を連続的に又はかわ るがわる通過させる異なるタイプのモノマーを用いることによる、本発明の方法 による簡単な方法で得ることができる。本方法において使用される第1加熱帯の 数は、異なるタイプのモノマーの数に対応している。この場合、第1加熱帯はバ ルブにより第2加熱帯に接続されている。 活性層には、活性層中への電子の注入のための電極として作用する第2導電層 が設けられる。かかる層の材料は低い仕事関数を有し、例えばインジウム、カル シウム、バリウム又はマグネシウムのような層から成る。かかる第2層について も上記した方法により設けることができる。特に、反応性バリウムを用いた場合 には、例えばエポキシ又は不活性金属の保護層で第2導電層を被覆すると有効で ある。 本出願人による米国特許明細書第4,956,239号には、ガス相中でフェ ニルアジドを光化学重合することによるポリ−1,2−アゼピンの製造方法が開 示されていることに注目すべきである。形成されるポリマーは共役性であり、ヨ ウ素でドープされた後に導電性となる。しかし、得られるポリマーは、エレクト ロルミネセンス特性は示さない。 本発明を添付した図面を参照しながら実施例により詳細に説明する。 図1は、本発明の方法を適用する装置を概略的に示す。 図2は、共役ポリマーPPV(I,IX,X及びXI)の一般式、本発明の方法にお いて適切に用いることができるモノマー(II)〜(VII)の一般式及び本発明の方法 により形成される共役先駆体(VIII)の一般式を示す。 図3は、本発明の方法により得られるPPVの活性層を含むEL装置、特にL EDの断面を概略的に示す。 図4は、本発明の方法により製造されるLEDのI−V及びL−V特性を示す 。実施例1 図1は、本発明の方法を実施する装置の概略図である。図1においては、石英 ガラスの管状炉1が示されており、該炉内には固体若しくは液体のモノマー化合 物2が、加熱素子3により加熱される第1加熱帯内に設置される。使用するモノ マーに応じて、温度は約50℃〜250℃の範囲である。アパーチャ4に連結さ れる真空ポンプ(図示せず)は、炉内を10Pa以下の部分真空に維持するため に使用される。アパーチャ10は、キャピラリー管を有するニードルバルブ(図 示せず)を備える。矢印5は、アルゴンキャリヤーガス流を示し、該アルゴンキ ャリヤーガス流はモノマー2を蒸気状で、加熱素子6により加熱される第2加熱 帯に移送する。これにより共役先駆体(図2の式VIII)を形成する。第2加熱帯 内の温度は、約500℃〜900℃の範囲である。キャリヤーガス及び共役先駆 体を、温度が500℃以下である第3加熱帯7に導く。当該第3加熱帯中には基 板8が設置されている。ポリマーフィルム9を基板8上に形成する。得られた層 9 は、極めて均一な層厚みを有する。帯7内の温度が約100℃以下の場合には、 非共役性の先駆体ポリマーが形成される。該温度が100℃以上の場合には、式 (I)で表わされる共役PPVが形成される。ポリマーフィルム9を堆積する間 、その厚みを、基板8の近傍に設置された石英結晶オシレーターにより監視する ことができる。実施例2 実施例1に記載された装置において、0.79gのα,α′−ジブロモ−p− キシレン(図2中の式IV;Aldrichにより提供)を番号2(図1)により示され た位置に設置する。加熱素子3をゆっくりと加熱して150℃にした。第2加熱 帯を加熱素子6により710℃に加熱し、一方第3加熱帯を200℃に加熱する 。平坦なガラス基板を、番号8で示される位置に設置する。装置全体を、圧力が 10-3Paとなるまで排気し、その後窒素流を番号10でのニードルバルブによ り0.1Paの圧力を得るように調整した。200nmの層厚みを有する共役P PV(図2の式IX)の透明フィルム9を、ガラス基板8上に堆積する。該フィル ムは緑色スペクトル範囲中でエレクトロルミネセンスを示し、約550nm付近 で最大発光を示す。実施例3 第3加熱帯7を加熱せず基板を室温で保持した以外は、実施例2を繰り返す。 モノマー単位あたり1個の臭素原子を含む非共役性の先駆体ポリマーのフィルム を基板上に堆積する。基板を圧力0.1Paで1.5時間220℃に加熱した後 、共役PPV(図2の式IX)のフィルムを形成する。これは実施例2で得られた フィルムと同等である。実施例4 α−α′−ジブロモ−2−シアノ−p−キシレン(図2の式V)をモノマーと して用いた以外は、実施例1を繰り返す。2,5−ジメチルベンゾニトリル(Al drichにより提供)を出発物質として使用する。かかるモノマーは、J.Org.Che m,45,4496〜4498(1980)中のM.Hilbertらにより開示された 方法に類似した方法により製造される。モノマーは約80℃で蒸発を開始する。 第2加熱帯内の温度は640℃である。CN基で置換された共役PPV(図2 の式X)の透明フィルム9をガラス基板8上に層厚み200nmで堆積する。該 フィルムは緑色スペクトル範囲中でエレクトロルミネセンスを示し、約540n m付近で最大発光を示す。実施例5 α,α′−ジブロモ−2−メトキシ−p−キシレン(図2の式VI)をモノマー として用いた以外は、実施例1を繰り返す。かかるモノマーは、J.Org.Chem, 45,4496〜4498(1980)中のM.Hilbertらにより開示された方法 により、2,5−ジメチルアニゾール(Aldrichにより提供)から出発して製造 される。メトキシ基で置換された共役PPV(図2の式XI)の透明フィルム9 をガラス基板8上に層厚み200nmで堆積する。該フィルムは黄色スペクトル 範囲中でエレクトロルミネセンスを示し、約610nm付近で最大発光を示す。実施例6 図3において、番号1はポリマーLED構造体の断面図を概略的に表わしたも のである。20Ω/□以下の表面抵抗を有する、透明なインジウム−すず酸化物 層(ITO)5を、ガラス基板3上にスパッターする。当該層5は、次いで堆積 されるべき共役PPV(図2の式IX)の活性層7中へのホールを注入するための 電極層として作用する。かかる活性層7は150nmの厚みを有し、実施例2に 記載された方法で製造される。カルシウム層9を、かかる活性層7上に、圧力2 ×10-4Pa以下で蒸着する。カルシウム層9は250nmの層厚みを有し、活 性層7内に電子を注入するための電極として作用する。ポリマーLEDの大きさ は1cm2である。 電極層5及び9の双方をDC源に接続する。共役PPVのポリマーフィルム7 は均質な緑色光を発光し、これは白昼環境下で視覚的に明確に認識できる。達成 される率は0.1%である。即ち、活性層内に注入される1,000個の電子あ たり1個のフォトンが発生する。 図4は、得られたLEDの特性を示し、電極間の電流I(アンペア)を、適用 する電力V(ボルト)の関数としてプロットする。更に光量Lを、電力Vの関数 として、任意単位(a・u)で示す。 本発明の方法は、CVD手段による簡単な方法で、製造されるべき広い表面領 域を有するポリマーLEDを可能とし、前記LEDの活性層は容易に入手し得る モノマーを基礎とする共役PPVにより構成される。活性層の層厚みは均一であ り、従って本発明の方法は、特に、大きい及び/又は平坦でない基板に適してい る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デマンド ロベルト ヨゼフ カタリーナ エミエル オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ 1

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.ポリマーは次の一般式 (式中Rは、H,C1〜C5アルキル基又はアルコキシ基及びCNから成る群よ り選ばれ、m=1〜4、n=10〜100,000を示す)で表わされ、次の連 続工程: a.次の一般式 (式中R1及びR2はハロゲン原子を示し、R及びmは上記と同様である)で表 わされる少なくとも1種のモノマー化合物を、第1加熱帯中約50℃〜約250 ℃の温度で蒸発させ、 b.蒸発させたモノマー化合物を、約500℃〜約900℃の温度で第2加 熱帯を通過させて移送し、これにより共役先駆体を形成し、 c.工程bの先駆体を温度500℃以下の温度で基板が設置されている第3 加熱帯に移送し、これにより基板上に一般式(I)のポリマーのフィルムを形成 する工程を含むことを特徴とする化学蒸着(CVD)による基板上への共役置換 若しくは共役非置換ポリ(p−フェンレンビニレン)フィルムの製造方法。 2.使用するモノマー化合物はα,α′−ジクロロ−p−キシレンであることを 特徴とする請求項1記載の方法。 3.α,α′−ジブロモ−p−キシレンをモノマー化合物として使用することを 特徴とする請求項1記載の方法。 4.α,α′−ジブロモ−2−シアノ−p−キシレンをモノマー化合物として使 用することを特徴とする請求項1記載の方法。 5.α,α′−ジブロモ−2−メトキシ−p−キシレンをモノマー化合物として 使用することを特徴とする請求項1記載の方法。 6.α,α′−ジブロモ−2−メトキシ−5−シアノ−p−キシレンをモノマー 化合物として使用することを特徴とする請求項1記載の方法。 7.基板の温度を100℃を超えるように選定することを特徴とする請求項1記 載の方法。 8.次の工程: a.基板上に第1の透明な導電層を設け、 b.上記第1層に、請求項1〜7いずれか1つの項記載の方法により式(I )の共役ポリ(p−フェニレンビニレン)の層を少なくとも1層含む活性層を設 け、 c.上記活性層上に第2導電層を設ける 工程を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 9.使用する基板は、透明で可撓性の合成樹脂基板であることを特徴とする請求 項8記載の方法。 10.インジウム−すず酸化物を第1導電層として使用することを特徴とする請 求項8記載の方法。 11.活性層を設ける前に、一方向にこするか又は延伸した合成樹脂基板を用い ることを特徴とする請求項8記載の方法。 12.活性層は少なくとも3層の置換又は非置換ポリ(p−フェニレンビニレン )から構成されることを特徴とする請求項8記載の方法。
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