JP4129561B2 - 有機ｅｌ素子 - Google Patents

Description

本発明は有機ＥＬ素子に関し、特に発光セルが割れる（blown out）場合に陽極と陰極がショート（短絡）する現象を防止することのできる有機ＥＬ素子に関するものである。

有機物質の電界発光を用いた有機ＥＬ素子は、下部電極と上部電極との間に有機正孔輸送層又は有機発光層を積層させた構造である。
前記有機ＥＬ素子は、低電圧の直流駆動によって高輝度の発光が可能であり、最近、注目されている。

特に、ボトムエミッション方式の有機ＥＬ素子は、図１に示すように、基板１１上に形成される陽極１２、前記陽極１２上に形成され、１層以上の有機物からなる有機層１３、前記有機層１３上に積層され、電子注入の役割及び発光された光を反射させる役割をする陰極１４で構成される。ここで、前記陽極１２としては主にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)のような透明な物質を使用する。

そして、前記有機層１３は、例えば、正孔注入層(Hole Injunction Layer: ＨＩＬ)１３ａ、正孔輸送層(Hole Transport Layer:ＨＬＴ)１３ｂ、発光層１３ｃ、電子輸送層１３ｄの積層膜で構成される。
このような構造を有する有機ＥＬ素子の陽極１２と陰極１４に、それぞれ直流電源の(＋)端子と(−)端子とを接続すると、陽極１２によって正孔注入層１３ａから注入された正孔が、正孔輸送層１３ｂを経て発光層１３ｃに移動する。

一方、前記陰極１４から注入された電子は前記電子輸送層１３ｄを経て発光層１３ｃに移動する。よって、前記発光層１３ｃに移動した電子と正孔とは互いに結合して光を発生する。そして、前記発光層１３ｃで発生した光は図面に矢印で示すように、陽極１２を介して外部に直接放出されるか、前記陰極方向に発光した光は前記陰極１４で反射した後、前記陽極１２を通過して外部に放出される。
このように、正常な状態で前記有機ＥＬ素子の陰極１４は、電子の注入、反射膜、抵抗の減少など役割を果す。

しかしながら、図２に示すように、内・外部のストレスによって発光セルが割れる場合、前記陰極１４は有機層１３側に曲がる。
又、発光セルが割れる時に発生する熱によって、前記陽極方向に溶け出すことがあるため、図示したＡ部分でのように前記陽極１２とショートする確率が高くなる。

一般的に有機ＥＬ素子は、その駆動方式によって能動型素子と受動型素子とに分けることができる。しかし、前記陰極１４と陽極１２の間のショート発生は、前記能動型素子ではデッドピクセルの原因となり、前記ショートが発生したピクセルを使用できないようにする。
一方、短絡の発生は、前記受動型素子ではラインフェイリャ（line failure）の原因となり、該当のピクセルが含まれたラインを使用できないようにする。
よって、前記陰極と陽極の短絡の現象は、前記有機ＥＬ素子の信頼性を低下させる。

本発明は上記の問題点を解決するために考えられたもので、発光セル部分が割れた場合に、陰極と陽極がショートする現象を防止することのできる有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る有機ＥＬ素子は、基板上に形成される陽極と、前記陽極上に形成される有機層と、前記有機層上に形成される陰極と、前記陰極上に引張応力を有するショート防止層とからなる有機ＥＬ素子であって、
前記ショート防止層は、Ｃr、Ｃｏ、Ｐt、Ｐｄの金属のうち、何れか一つ又は少なくとも二つ以上からなる合金を使用し、かつ前記陰極を構成する物質より融点の高い物質で構成されており、
前記有機ＥＬ素子の発光セルが割れた際に、前記ショート防止層の引張応力により、前記陰極の割れ目の端部側が、ショート防止層に引っ張られて陽極の反対側に曲がることを特徴とする。

前記ショート防止層は、抵抗加熱法、スパッタ法、Ｅ（電子）−ビーム法のうち何れかの方法を使用して形成されることを特徴とする。

前記ショート防止層は、前記有機層に損傷を与えない温度範囲内で形成されることを特徴とする。

前記温度範囲は、８０℃以下であることを特徴とする。

前記ショート防止層をスパッタ法で形成する場合、圧力は０．５〜１０ｍＴｏｒｒ、 パワー密度は０．１〜８Ｗｃｍ^２、基板のバイアスはマイナス５００Ｖ〜０Ｖを条件にすることを特徴とする。

本発明の有機ＥＬ素子には、次のような効果がある。

第一に、発光セルが割れる場合、ショート防止層の引張応力によって陰極が陽極の反対方向に曲がるようになるので前記陽極とショートする確率が減少し、その曲がった隙間に熱を放出することができる。よって、有機ＥＬ素子で発生する「デッドピクセル」、「ダークスポット」、「ラインフェイリャ」などの問題が、発生する確率を減少させることができる。
第二に、引張応力を持つショート防止層によって陰極でのヒロック（hillock）の発生が減少する。
第三に、陰極に使用される物質より融点の高い物質としてショート防止層を形成することで、発光セルが割れる時に陰極が溶け出て陽極と陰極がショートする確率を減少させることができる。
第四に、ショート防止層にクロムを使用すると、前記クロム原子の物理的なエネルギーによって陰極と有機層との接合力が改善して、素子の寿命が増加する。

以下、本発明に係る有機ＥＬ素子の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図３は本発明に係る有機ＥＬ素子の断面図である。
図示したように、基板２１上に陽極２２が形成され、前記陽極２２上に１層以上の有機物からなる有機層２３が形成される。
そして、前記有機層２３上に陰極２４が形成され、前記陰極２４上に引張応力を持つショート防止層２５が形成される。ここで、前記陽極２２の材料として主にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)のような透明な物質を使用する。

そして、前記有機層２３は正孔注入層(ＨＩＬ)２３ａ、正孔輸送層(ＨＴＬ)２３ｂ、発光層２３ｃ、電子輸送層(ＥＴＬ)２３ｄの積層膜で構成される。
前記陰極２４は電子を注入し、前記発光層２３ｃで発光した光を前記基板２１の方向に反射させ、抵抗を減少させる役割を果す。

この時、前記陰極２４に形成されるショート防止層２５の積層膜は、既存の陰極が有する機能と役割に引張応力が追加付与されたものである。よって、前記陰極２４とショート防止層２５の積層膜は「拡張された意味の陰極」と見られる。
ここで、前記ショート防止層２５は、Ｃr、Ｃｏ、Ｐt、Ｐｄなどの金属のうち、何れか一つ又は少なくとも二つ以上からなる合金を使って構成する。

又、ショート防止層２５は、抵抗加熱法、Ｅ-ｂeａｍ法、スパッタ法の中、何れか一つを用いて形成する。
この中、前記スパッタ法を用いて前記ショート防止層２５を形成する場合、前記有機層２３に損傷を与えないために圧力、パワー密度、基板バイアス、温度の範囲を適切に調節しなければならない。

実験の結果、前記スパッタ法は０．５〜１０ｍＴｏｒｒの圧力、０．１〜８Ｗ/ｃｍ^２のパワー密度、マイナス５００〜０Ｖの基板バイアス、８０℃以下の温度で実施することが好ましい。このように、前記陰極２４上に前記ショート防止層２５を形成すると、前記ショート防止層２５が引張応力を有するので、下部の陰極２４に影響を与えるようになる。

図４は本発明に係る有機ＥＬ素子の発光セルが割れた場合の陰極の変化を示した図面である。図のように、内・外部のストレスによって前記発光セル部分が割れると、前記陰極２４は前記ショート防止層２５の引張応力によって前記有機層２３の反対方向に曲がるようになる。よって、前記陽極２２と陰極２４が互いにショートする現象を防止することができる。

又、前記陰極２４が前記ショート防止層２５の引張応力を受けて有機層２３の反対方向に曲がるうちに一定のギャップが生じるので、そのギャップを通じて前記発光セルが割れる時に発生する熱を迅速に外部に放出することができる。
このように内部の熱が外部に放出されることで、前記発光セルが割れる時に発生する熱によって、前記陰極２４が溶けて陽極２２と接触したり、有機層２３を損傷させる現象を防止することができる。

それだけでなく、前記ショート防止層２５の引張応力が前記陰極２４に影響を与えて前記陰極２４に発生するヒロック(hillock)の形成を抑制する作用をする。
よって、有機ＥＬ素子で発生する「デッドピクセル」、「ダークスポット」、「ラインフェイリャ」などの問題が発生する確率を減少させることができる。

次に、前記ショート防止層２５の蒸着条件による引張応力の変化を詳しく見てみる。特に、ここではクロム(Ｃr)を材料として前記ショート防止層２５を形成する場合について説明する。

図５Ａ及び５Ｂは、直流マグネトロンスパッタ装置を用いて、常温で蒸着パワー及び圧力を変化させながらクロム薄膜を蒸着する時に、シリコン（Ｓｉ）基板の引張応力の変化を測定したグラフである。すなわち、シリコン基板上にクロム(Ｃr)薄膜を、直流マグネトロンスパッタ装置を用いて約１５００Åの厚さで蒸着し、前記クロム薄膜の蒸着前後の、前記基板の曲率を測定することによって応力を計算した。

まず、図５Ａを参照すると、０．６ｍＴｏｒｒのアルゴン(Ａr)下で、プロセスパワー２００Ｗでは１．３ＧＰａの引張応力を表すが、６４０Ｗでは１ＧＰａ以下の引張応力を表す。
即ち、パワーが増加するにしたがって引張応力が減少することを確認できる。

又、図５Ｂを参照すると、常温６４０Ｗの一定のパワー条件下で、圧力が０．６ｍＴｏｒｒから１０ｍＴｏｒｒに増加するにしたがって、薄膜の引張応力がしばらく増加してから減少することを確認できる。

通常、薄膜蒸着時に圧力を増加させるか蒸着パワーを減少させると、圧縮応力が引張応力に変化するようになるが、これを前記図５Ａ及び５Ｂの実験データと比べて見れば、パワーの変化に対しては一致しているが、圧力の変化に対しては一致していなかった。

上記の実験結果から得たグラフと一般的な事実との不一致は、前記実験でショート薄膜層として使用されたクロムの固有な特性のためであって、Ａ．Misra外などの結果と類似した結果を現わすことから上記実験は信頼性を持つものと言える。

ここで、前記クロム薄膜は引張応力を有するウィンドウが広いことを考慮して、前記クロム薄膜を前記ショート防止層に適用して有機ＥＬ素子を実際に製作した。
その結果、 ショート防止層を適用しなかった時に比べて前記有機ＥＬ素子のダークスポットの数が半分位に減少しており、ラインフェイリャの最初の発生時間も、５２０時間から１０００時間におおよそ２倍程度改善することを確認できた。

上記実験結果は既に説明したように、前記ショート防止層に使用したクロム薄膜の引張応力によって発光セルの一部分が割れた場合、単に陰極２４がオープンになるだけで、前記陽極２２と陰極２４が容易にショートされないからであり、内部の熱を効果的に外部に放出できるからである。

又、前記ショート防止層が前記陰極２４で形成されるヒロックの形成を抑制することができ、前記ショート防止層２５の蒸着時にクロム原子の物理的なエネルギーによって前記陰極２４と有機層２３との接合力が改善したからである。
ここで、前記ショート防止層２５に使用可能な物質としては、前記陰極２４より融点が高く、形成されたショート防止層２５が上記の条件下で引張応力を現わすことさえ出来ればどんな物質でも構わない。

好ましくは、蒸着が容易で熱伝導率の高い金属であることが要求される。
そして、発光セルが割れる時、溶けずに形体を維持するため、融点の高い物質を使用するのが効果的である。

以上説明した内容を通じて当業者であれば本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能なことが分かるだろう。
よって、本発明の技術的範囲は実施例に記載した内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められなければならない。

従来技術に係る有機ＥＬ素子の構造を示す図面である。 従来技術に係る有機ＥＬ素子で発光セルが割れた場合の陰極の状態を示す図面である。 本発明に係る有機ＥＬ素子の構造を示す図面である。 本発明に係る有機ＥＬ素子で発光セルが割れた場合の陰極の状態を示す図面である。 常温でクロム薄膜を蒸着する時、パワー及び圧力変化による基板の引張応力の変化を示す図面である。 常温でクロム薄膜を蒸着する時、パワー及び圧力変化による基板の引張応力の変化を示す図面である。

符号の説明

２１ 基板
２２ 陽極
２３ 有機層
２３ａ 正孔注入層
２３ｂ 正孔輸送層
２３ｃ 発光層
２３ｄ 電子輸送層
２４ 陰極
２５ ショート防止層

Claims (7)

1. 基板上に形成される陽極と、前記陽極上に形成される有機層と、前記有機層上に形成される陰極と、前記陰極上に引張応力を持つショート防止層とからなる有機ＥＬ素子であって、
   前記ショート防止層は、Ｃr、Ｃｏ、Ｐt、Ｐｄの金属のうち、何れか一つ又は少なくとも二つ以上からなる合金を使用し、かつ前記陰極を構成する物質より融点の高い物質で構成されており、
   前記有機ＥＬ素子の発光セルが割れた際に、前記ショート防止層の引張応力により、前記陰極の割れ目端部側が、ショート防止層に引っ張られて陽極の反対側に曲がることを特徴とする有機ＥＬ素子。
2. 前記ショート防止層は、抵抗加熱法によって形成される層であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
3. 前記ショート防止層は、電子ビーム法によって形成される層であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
4. 前記ショート防止層は、スパッタ法によって形成される層であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
5. 前記ショート防止層は、前記有機層に損傷を与えない温度範囲内で形成されている層であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
6. 前記温度範囲は、８０℃以下であることを特徴とする請求項５に記載の有機ＥＬ素子。
7. 前記ショート防止層をスパッタ法で形成する場合、圧力は０．５〜１０ｍＴｏｒｒ、 パワー密度は０．１〜８Ｗｃｍ²、基板のバイアスはマイナス５００Ｖ〜０Ｖを条件にすることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。

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