JP5053412B2 - ガラス基板及び有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子という）の基板として用いるのに好適なガラス基板とそれを用いた有機ＥＬ素子に関する。

エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子とは、固体蛍光性物質（発光体）の電界発光（エレクトロルミネッセンス）といわれる現象を利用した発光デバイスであり、無機系材料を発光体として用いた無機ＥＬ素子が実用化され、液晶ディスプレイのバックライトやフラットディスプレイ等への応用展開がなされているのが現状である。このような状況下、簡素な工程でかつ低コストでの作製が可能であると期待されている有機ＥＬ素子の実用化を目指した研究開発が盛んに行われており、一部では実用化に至るまでの発展を遂げている。

有機ＥＬなどの発光体より光を発光させた場合、通常は基板、透明導電膜、発光体膜（有機ＥＬ膜）などの屈折率の違いから、発光体部分で発生した光の一部しか基板の外側に取り出せない。つまり、出光面であるガラス基板と、大気との屈折率の差から、有機ＥＬ膜から発光した光は、臨界角以上の角度でガラス基板に入射する場合、ガラス基板と大気の界面において全反射してしまい、ガラス基板から放出されず、基板ガラス内部に閉じ込められてしまう。

従来の有機ＥＬ素子においては、ガラス基板は平面であり、表面が平滑であるため、一般的に発生した光の約３５％の光が、基板内での屈折と反射により消費されてしまい、基板から外に取り出せない、といった問題があり、有機ＥＬ素子用の基板としては、光取出し効率の向上が不可欠である。

そのため、ガラス基板の大気面に細かい凹凸を形成して、発光を拡散させて、光取出し効率を向上する発明が知られている。（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８−１１２５９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明においては、発光強度が高い時（高電力を投入した時）には、基板正面の照度が高くなるが、発光強度が小さい時には、光が拡散してしまう分、照度が高くならないという問題点があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、低照度から高照度にかけて広い照度範囲で光の取出し効率の高いガラス基板およびそれを用いた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することである。

すなわち、本発明は、以下の発明を提供するものである。
（１）有機エレクトロルミネッセンス素子の基板に用いる短冊状のガラス基板であって、厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下であり、少なくとも一方の面は凸の曲率を持ち、幅方向の反りが０．５μｍ/ｍｍ以上であり、少なくとも他方の面の表面粗さＲａが０．２ｎｍ以下であることを特徴とするガラス基板。
（２）前記ガラス基板の凸の曲率を持つ面の、幅方向の反りが（２．５／ｔ）μｍ/ｍｍ以下（ｔ（ｍｍ）：基板の厚さ）であることを特徴とする（１）に記載のガラス基板。
（３）アスペクト比（＝ガラス基板の幅／ガラス基板の厚み）が１．５以上であり、前記ガラス基板の幅が５ｃｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載のガラス基板。
（４）（１）〜（３）のいずれか１項に記載のガラス基板の前記他方の面上に、透明電極層が形成されていることを特徴とする透明電極層付きガラス基板。
（５）（１）〜（３）のいずれか１項に記載のガラス基板の前記他方の面上に、透明電極層と、有機ＥＬ層と、陰極電極層とをこの順に積層してなることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
（６）（５）に記載の前記有機エレクトロルミネッセンス素子を複数枚配置した有機エレクトロルミネッセンス素子。

本発明によれば、低照度から高照度にかけて広い照度範囲で光の取出し効率の高いガラス基板およびそれを用いた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することができる。

本発明に係るガラス基板１の斜視図。 （ａ）、（ｂ）本発明における反りと曲率の関係を説明する図。 （ａ）本発明に係る透明電極層付きガラス基板５の断面図、（ｂ）本発明に係る有機ＥＬ層１１の断面図。 （ａ）本発明に係る有機ＥＬ素子２１の斜視図、（ｂ）有機ＥＬ素子２１の湾曲時の模式図。 実施例１、２、比較例１、２の輝度−発光効率特性を示すグラフ。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係るガラス基板１を示す図である。ガラス基板１は、短冊状の薄いガラス板であり、短手方向（幅方向）に湾曲している。なお、図面は各構成要素を模式的にあらわしたものであり、大きさや各構成要素の比率は実際の大きさや比率を表したものではない。

ガラス基板１は、例えば無水ケイ酸等からなる母材ガラス板を加熱して軟化させ、延伸して形成する、いわゆるリドロー法により製造することができる。

リドロー法を実施するための加熱延伸装置は、ヒータを有し母材ガラス板を加熱する加熱炉と、加熱炉に母材ガラス板を送り込む母材送り機構と、加熱炉からガラス条を引き出す引き取り機構と、ガラス条の表面に溝を形刻して切断し、所定の長さの薄板ガラスを成形するためのカッターとを備える。薄板ガラスは、母材ガラス板を加熱炉によって加熱、延伸して所定の厚さに形成したガラス条を、所定の長さに切断して成形される。幅方向に湾曲させるには、加熱炉内の温度条件を不均一にするなどすればよい。

ガラス基板１は、厚さが３０μｍ〜３００μｍであると、基板内を横方向（厚さ方向に直交する方向）に進む光を抑えられるだけでなく、フレキシブル性も得られて好ましい。厚みが３０μｍより薄いガラスは、基本的に製造が困難である上、あまりに薄くしすぎると十分な強度が得られない。逆に、厚みが３００μｍより厚いガラスは、十分なフレキシブル性を有しない。

ガラス基板１の幅方向の反りは、０．５μｍ/ｍｍ以上（１．２／ｔ）μｍ/ｍｍ以下（ｔ（ｍｍ）；基板の厚さ）であることが好ましい。ここでいう反りとは、図２（ａ）に示すように、厚みの中心点を幅方向に結び、両端の中心点を通る直線と、凹または凸の頂点との距離ｂを幅aで除した値で定義する。反りが０．５μｍ/ｍｍより小さいと、発光部から出た光の、ガラス基板と大気の境界面への入射角を出来るだけ小さく押さえて（臨界角以上の角度を抑えて）基板から放出される光を多くするという効果が十分に得られない。また、反りが（２．５／ｔ）μｍ/ｍｍより大きいと、光の取出し効率は高くなるが、曲げ歪が大きくなって（０．２％以上）基板の機械的強度が劣化してしまう。

図２（ａ）に示すようなガラス基板において、曲率との関係を図にすると、図２（ｂ）のようになる。ここで、曲率ｒと反りとの関係を求めると、角度θ＝ａ／ｒ［ｒａｄ］となり、ｘ＝ｒ・ｃｏｓ（θ／２）となる。
よって、
反り＝ｂ／ａ
＝（ｒ−ｘ）／ａ
＝ｒ（１−ｃｏｓ（θ／２））／ａ
＝ｒ（１−ｃｏｓ（ａ／２ｒ））／ａ
となる。

一方、ガラス基板にかかる曲げ歪みε＝ｔ／（２ｒ＋ｔ） （ｔ：板厚）とすると、ｒ＝ｔ（１−ε）／２εとなる。
これを、上の反りの式に代入すると、反りは、ｔとεとａにより定まる。

曲げ歪みεを、０．２％程度まで許容すると、幅ａ＝５ｍｍのとき、ｔ＝０．００３〜０．３ｍｍの範囲において反りとｔの積は、約２．５となる。
なお、曲げ歪みεを、０．１％程度までしか許容しない場合、幅ａ＝５ｍｍのとき、ｔ＝０．００３〜０．３ｍｍにおいて反りとｔの積は、約１．２５となる。

ガラス基板１の長手方向の反りは、平坦であってもよく、０．５μｍ/ｍｍ以下であることが好ましい。また、ガラス基板１の長手方向の長さは、有機ＥＬ素子の用途により変わるが、例えば１０Ｗ蛍光灯に対応する照明装置に使用する場合は３３０ｍｍである。

ガラス基板の表面粗さは、少なくとも片面は観察領域１μｍ^２以下において、Ｒａ（算術平均粗さ：ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）が０．２ｎｍ以下であることが好ましい。Ｒａが０．２ｎｍ以下であると、有機ＥＬ素子用基板として用いる場合には、電流のリークやショート、ダークスポットの発生を防止することができる。

ガラス基板の幅方向は、最大で５０ｍｍ程度であることが好ましい。

図３（ａ）は、ガラス基板１の上に、透明電極層３を設けた、透明導電膜つきガラス基板５を、図１でのＡ−Ａ´断面図、つまり長手方向に対して垂直な断面図である。透明電極層３は、ガラス基板１の凹面側に製膜される。

透明電極層３は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の透明導電材料を使用することができ、膜厚は１００ｎｍ程度である。透明電極層３の表面粗さは、観察領域１μｍ^２以下において、算術平均粗さＲａが５ｎｍ以下であることが好ましい。Ｒａが５ｎｍ以下であると、有機ＥＬ素子用基板として用いる場合には、電流のリークやショート、ダークスポットの発生を防止することができる。透明電極層３の成膜方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理気相成長法（ＰＶＤ法）や、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法（ＣＶＤ法）が利用できる。

図３（ｂ）は、透明電極層付きのガラス基板５に、更に、有機ＥＬ層７と陰極電極層９が設けられた有機ＥＬ素子１１を、長手方向に対して垂直に切断した断面図である。図３（ｂ）に示すように、本実施形態に係る有機ＥＬ素子１１は、ガラス基板１の上に形成された透明電極層３と、正孔輸送層１３、有機発光層１５、電子輸送層１７、電子注入層１９を有する有機ＥＬ層７と、陰極電極層９とを備えている。

有機ＥＬ層７は少なくとも有機発光層を含み、必要に応じて、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層および電子注入層を追加してもよい。各層の形成には、成膜時のダメージが少ない成膜方法を選択することが好ましい。例えば、蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法といった周知の方法を適用することが可能である。また、有機ＥＬ層を構成する各層の材料としては、当技術分野において周知のものを使用することが可能である。

有機ＥＬ層７は、緑色発光の有機ＥＬ素子の場合、膜厚１０ｎｍのＣｕＰＣ（銅フタロシアニン）からなる正孔輸送層１３、膜厚５０ｎｍのα−ＮＰＤ（ビス[Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル]ベンジジン）からなる有機発光層１５と、膜厚６５ｎｍのＡｌｑ３からなる電子輸送層１７と、膜厚０．５ｎｍのＬｉＦ（フッ化リチウム）からなる電子注入層１９とから構成される。

なお、青色発光の有機ＥＬ素子の場合、有機発光層１５として、最大膜厚２０ｎｍのバソクプロイン（ＢＣＰ）膜を形成する。また、赤色発光の有機ＥＬ素子の場合、正孔輸送層と電子輸送層の間にＡｌｑ３に２，３，７，８，１２，１３，１７，１８−オクタデシル−２１Ｈ，２３Ｈ−白金ポルフィリン（ＰｔＯＥＰ）を６質量％ドープした膜（最大厚み３０ｎｍ）を形成する。
陰極層９は、Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｃｕ，またはＡｕ等の金属材料を使用することができ、その厚さは１００ｎｍ程度である。

有機ＥＬ素子１１は、単独でも、例えば携帯電話やＰＤＡのディスプレイとして使用できるが、図４（ａ）に示すように、複数の有機ＥＬ素子１１を組み合わせた有機ＥＬ素子２１として使用してもよい。有機ＥＬ素子２１は、例えば、照明装置やディスプレイとして使用できる。有機ＥＬ素子２１は、複数の有機ＥＬ素子１１を樹脂でラミネートすることで、フレキシブル性を保ちながら一体化することができる。

また、図４（ｂ）は、湾曲させた有機ＥＬ素子２１を上方向から見た模式図である。有機ＥＬ素子２１は、図４（ｂ）に示すように、湾曲させた際、有機ＥＬ素子１１の間のつなぎ目を利用して湾曲することができ、個別の有機ＥＬ素子１１を大きく曲げることなくフレキシブル性を達成することができるため、ガラス基板１上に形成した有機ＥＬ層７などに無理な力がかかることを防ぐことができる。

本発明によれば、湾曲可能なフレキシブル性を有し、低照度から高照度にかけて広い照度範囲で光の取出し効率の高い有機ＥＬ素子用のガラス基板を提供することができる。

本発明においては、以下の方法で発光の取出し効率を高めることができる。
１：発光部から出た光の、ガラス基板と大気の境界面への入射角を出来るだけ小さく押さえて（臨界角以上の角度を抑えて）基板から放出される光を多くする。
２：基板の厚さを薄くして、横方向に進む光を抑える。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
（実施例１）
石英からなる幅２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの母材ガラス板を加熱炉で加熱延伸し、幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの長尺ガラス基板にリドローした。ガラス基板の厚さは中央部が０．１ｍｍ、両端部が０．１０５ｍｍ、反りが１μｍ/ｍｍであった。また、ガラス基板の凹面側の粗さは、Ｒａ＝０．２ｎｍであった。加熱炉から出たガラス基板の全面に、熱ＣＶＤ法によりＳｎＯ_２を１００ｎｍ成膜した。次いで接着剤のついた厚さ３０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを片面に貼りつけた。この長尺ガラス基板をキャプスタンで引き取った後、導電性樹脂テープを層間紙として挟み込みながら所定の大きさのリールに巻き取った。ＳｎＯ_２膜の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定したところ、Ｒａは３ｎｍ、Ｒｙ（最大高さ：ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）は１５ｎｍであった。

次に、この透明電極層付きガラス基板上に有機ＥＬ素子の作製を行うため、長さ３０ｍｍに切り出し、ＰＥＴフィルムを剥がした後、中性洗剤、脱イオン水、アセトン、イソプロピルアルコールを用いて順次超音波洗浄を行い、さらに紫外線オゾン方式で基板洗浄を行った。次に、抵抗加熱式真空蒸着装置内のモリブデン製ボートに配置したα−ＮＰＤと、別のモリブデン製加工ボートに配置したＡｌｑ３を介して、真空チャンバー内を１×１０^−４Ｐａの減圧状態として、ガラス基板の凹面側に、厚み６０ｎｍのα−ＮＰＤ膜からなる正孔輸送層を形成後、その上に厚み６５ｎｍのＡｌｑ３膜を形成した。次に、真空チャンバー内を２×１０^−４Ｐａの減圧状態として真空蒸着により、厚み１００ｎｍのＡｌ陰極を形成して、緑色（主波長５１３ｎｍ）に発光する有機ＥＬ素子を作製した。作製した有機ＥＬ素子の発光面積は５ｍｍ×２０ｍｍであった。

（実施例２）
ホウ珪酸系ガラスからなる幅２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの母材ガラス板を加熱炉で加熱延伸し、幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの薄板ガラス条にリドローした。加熱炉から出たガラス基板の全面に、熱ＣＶＤ法によりＳｎＯ_２を７０ｎｍ成膜した。次いで接着剤のついた厚さ３０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを片面に貼りつけた。このフィルム状基材をキャプスタンで引き取った後、導電性樹脂テープを層間紙として挟み込みながら所定の大きさのリールに巻き取った。ＳｎＯ_２膜の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定したところ、Ｒａは２ｎｍ、Ｒｙは１０ｎｍであった。
ガラス基板の厚さは中央部が０．１ｍｍ、両端部が０．１０５ｍｍ、反りが１０μｍ/ｍｍであった。また、ガラス基板の凹面側の粗さは、Ｒａ＝０．２ｎｍであった。
次に、実施例１と同様の手順により、ガラス基板の凹面側に有機ＥＬ素子を作製した。作製した有機ＥＬ素子の発光面積は５ｍｍ×２０ｍｍであった。

（比較例１）
実施例２の透明電極層付きガラス基板を用いて、実施例１と同様の手順により、ガラス基板の凸面側に有機ＥＬ素子を作製した。作製した有機ＥＬ素子の発光面積は５ｍｍ×２０ｍｍであった。

（比較例２）
３０ｍｍ×３０ｍｍ ×１．３ｍｍの青板ガラス基板（反り０．４μｍ/ｍｍ）の片面に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）セラミックターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：ＳｎＯ_２＝９０重量％：１０重量％）から、ＤＣスパッタリング法を用いて、厚み１５０ｎｍのＩＴＯ透明膜からなる陽極を形成した。その後、実施例１と同様の手順により、ガラス基板上に有機ＥＬ素子を作製した。作製した有機ＥＬ素子の発光面積は５ｍｍ×２０ｍｍであった。

実施例と比較例の条件を表１に簡単にまとめた。
以上に説明した実施例１、２及び比較例１、２の各有機ＥＬ素子の輝度−発光効率特性を測定した。輝度−発光効率特性の測定結果を図５に示す。
図５に示すように、実施例１，２の有機ＥＬ素子は、特に２００ｃｄ／ｍ^２以下の低輝度側で、比較例１，２に比べて高い発光効率を示し、光取出し効率の向上が見られた。

１………ガラス基板
３………透明電極層
５………透明電極層付きガラス基板
７………有機ＥＬ層
９………陰極電極層
１１………有機ＥＬ素子
１３………正孔輸送層
１５………有機発光層
１７………電子輸送層
１９………電子注入層
２１………有機ＥＬ素子

Claims (6)

1. 有機エレクトロルミネッセンス素子の基板に用いる短冊状のガラス基板であって、
   厚さが３０μｍ以上３００μｍ以下であり、
   少なくとも一方の面は凸の曲率を持ち、幅方向の反りが０．５μｍ/ｍｍ以上であり、
   少なくとも他方の面の表面粗さＲａが０．２ｎｍ以下である
   ことを特徴とするガラス基板。
2. 前記ガラス基板の凸の曲率を持つ面の、幅方向の反りが（２．５／ｔ）μｍ/ｍｍ以下（ｔ（ｍｍ）：基板の厚さ）であることを特徴とする請求項１に記載のガラス基板。
3. アスペクト比（＝ガラス基板の幅／ガラス基板の厚み）が１．５以上であり、
   前記ガラス基板の幅が５ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガラス基板。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス基板の前記他方の面上に、透明電極層が形成されていることを特徴とする透明電極層付きガラス基板。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のガラス基板の前記他方の面上に、透明電極層と、有機ＥＬ層と、陰極電極層とをこの順に積層してなることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
6. 請求項５に記載の前記有機エレクトロルミネッセンス素子を複数枚配置した有機エレクトロルミネッセンス素子。