説明

光学素子、光学素子の製造方法及び有機エレクトロルミネッセンス素子

【課題】高精度、高機能及び軽量で生産性がよい光学素子及びこの光学素子の製造方法並びにこの光学素子と同じ構造を有する有機エレクトロルミネッセンス素子を提供する。
【解決手段】樹脂基板上に入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンが形成されているガラス層を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学素子とこの光学素子の製造方法及び有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。
【背景技術】
【0002】
情報通信産業の発達が加速化するにつれて、高度の性能を有する表示素子が要求されている中、次世代表示素子として有機エレクトロルミネッセンス素子が注目されている。
【0003】
有機エレクトロルミネッセンス素子は、画面を構成する物質が自から発光するので、LCD製品群と異なりバックライトが不要なため、消費電力が低く抑えられ、さらにバックライト空間の分だけパネル厚をさらに薄くすることができることから携帯用機器への応用が期待されている。また、大面積化が容易とされ、また発光材料の選択により所望の発色が得られることから大面積フルカラー表示素子としての用途が有望視されている等から盛んに応用研究がなされている。
【0004】
有機エレクトロルミネッセンス素子の基本構造は、透明基板の上に透明電極、1つ或いは複数層からなる有機化合物発光層及び電極を積層した構造となっている。このような構造をもつ有機エレクトロルミネッセンス素子において、透明電極から注入される正孔と電極から注入される電子が発光層で再結合することで自発光する。発光した光は、直接、又はアルミニウム等で形成される電極で反射されて透明電極側から有機エレクトロルミネッセンス素子の外に出ることになる。
【0005】
しかしながら、透明基板から外に出ることができる光は、発光した光のうち非常に少なく、一般には、発光層で発生した光のうち15%から20%程度の光しか取り出せないことが知られている。これは、臨界角以上の角度θで界面(透明基板と空気との界面)に入射する光は、全反射を起こし有機エレクトロルミネッセンス素子の外部に取り出すことができないことや、透明電極ないし発光層と透明基板との間で光が全反射を起こし、光が透明基板ないし発光層を導波し、結果として、光が素子の側面方向に逃げるためと考えられている。この様な低い光取り出し効率を向上させる手法として様々な方法が検討されており、例えば素子界面での全反射を抑制する位置に回折格子を形成することが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
上記の回折格子を設けて光取り出し効率を向上させる方法は、発光層から発生した光の波長と同程度といった微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンとする微細な凹凸形状である回折格子が1次の回折や、2次の回折といったいわゆるブラッグ回折により、光の向きを屈折とは異なる特定の向きに変えることができる性質を利用している。すなわち、発光層から発生した光のうち、層間での全反射等により外に出ることができない光を透明基板内に回折格子を導入することで光を回折させ、従来全反射でもって閉じこめられていた光を外に取り出そうとするものである。
【0007】
このような回折格子は、例えばガラス基板上に直接凹凸形状を形成するものがある。具体的な凹凸形状の形成方法としては、例えば公知のフォトリソグラフィ技術(レジスト塗布、露光、現像)によりガラス基板上にレジストパターンを形成した後、フッ化水素酸を用いたウエットエッチングを行うことで作製する方法がある。
【0008】
また上記とは別の回折格子の形成方法として、SOG(Spin on glass、塗布ガラスとも称する。)溶液を用いる方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。この方法は、ガラス基板上にSOG溶液をスピンコーティング方法で塗布した後、300℃〜400℃の熱処理を加えてシリコン酸化膜を形成した後上記と同様に公知のフォトリソグラフィ技術(レジスト塗布、露光、現像)及びBOE(Buffered Oxcide Etchant)の15:1溶液を用いたウエットエッチングを行うとしている。
【特許文献1】特開平11−283751号公報
【特許文献2】特開2000−180617号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、特許文献1の発明において、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光波長域350nmから800nmを対象とした回折格子を設ける方法として具体的に説明されているのはi線レジストとi線ステッパーを用いたフォトリソグラフィ工程を行うことで形成した0.4μmから1μmの範囲の微小な一定周期パターンの回折格子をガラス基板に直接加工して設ける方法のみであり、同等の微小な一定周期をもつ回折格子を樹脂基板に設ける方法に関しての記述はされていない。
【0010】
また、特許文献2の発明においては、開示されてある回折格子を設ける方法として、ガラス基板上に塗布したSOGを堅固なシリコン酸化物を主としたガラス層にするには、300℃から400℃の高温での熱処理を必要としているため、ガラス基板の代わりに耐熱性の低い樹脂基板に使用することはできないという問題がある。
【0011】
また、次世代表示素子として有機エレクトロルミネッセンス素子は携帯用機器へ応用すべく形状の自由度が高く軽量であること、また大面積フルカラー表示素子へ応用すべく大面積化等のニーズがある。このようなニーズに対して、重くて割れやすく、大面積化が困難であるガラス基板に代わって、形状の自由度が高く軽量で基板材料としてロール状態での提供が可能であることから大面積化に対応することが可能で生産性がよい等のメリットを有している樹脂基板に強い期待が寄せられている。
【0012】
本発明は、以上に述べた問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高精度、高機能び軽量及び生産性がよい光学素子及びこの光学素子の製造方法並びにこの光学素子と同じ構造を有する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。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的は、以下の手段の何れかによって達成される。
【0014】
(1) 樹脂基板上に入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンが形成されているガラス層を有することを特徴とする光学素子。
【0015】
(2) 前記ガラス層は、常温硬化型SOGから成るガラス層であることを特徴とする(1)に記載の光学素子。
【0016】
(3) 樹脂基板上に常温硬化型SOG層を形成する工程と、
前記常温硬化型SOG層を硬化しガラス層とする工程と、
前記ガラス層にフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理により、入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンを形成する工程とを有することを特徴とする(2)に記載の光学素子の製造方法。
【0017】
(4) 入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンの反転一致形状を有する型の面上に常温硬化型SOG層を形成する工程と、
前記常温硬化型SOG層の表面に樹脂基板を重ね合わせる工程と、
前記常温硬化型SOG層と前記樹脂基板を重ね合わせた状態で該常温硬化型SOG層を硬化しガラス層とする工程と、
前記樹脂基板に接着した前記ガラス層を前記型から剥離する工程とを有することを特徴とする(2)に記載の光学素子の製造方法。
【0018】
(5) 樹脂基板上に常温硬化型SOG層を形成する工程と、
前記常温硬化型SOG層に入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造パターンの反転一致形状を有する型を押圧する工程と、
前記型を前記常温硬化型SOG層に押圧した状態で該常温硬化型SOG層を硬化しガラス層とする工程と、
前記型を前記ガラス層から剥離する工程とを有することを特徴とする(2)に記載の光学素子の製造方法。
【0019】
(6) 透明基板の上に少なくとも透明電極層と有機発光層と電極層とが順次積層形成されてなる有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記透明基板が、該透明基板の前記透明電極層が設けられている側の面に、入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンが形成されているガラス層を有する樹脂基板であ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。
【0020】
(7) 前記ガラス層は常温硬化型SOGから成るガラス層であることを特徴とする(6)に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【0021】
(8) 前記周期構造のパターンは、2次元周期を持つ回折格子であることを特徴とする(6)又は(7)に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【発明の効果】
【0022】
請求項1に記載の発明によれば、本発明の光学素子において、基板は樹脂であることから、軽量で形状の加工が容易であり、また微細な構造を高精度に形成することができるガラス層は入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンを有しており、入射してくる光の進路を効率良く変更することを可能とすることができる、例えば回折格子のような、機能を持つことができる。従って、高精度、高機能及び軽量で生産性がよい光学素子を提供することができる。
【0023】
請求項3乃至5の発明によれば、軽量で形状の加工が容易である樹脂基板上に、入射してくる光の進路を変更することを可能とすることができる機能を持つ微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンをガラス層に高精度に形成することができる。従って高機能、高性能及び軽量で生産性がよい光学素子の製造方法を提供することができる。
【0024】
請求項6に記載の発明によれば、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、基板は樹脂であることから、軽量で形状の加工が容易であり、また微細な構造を高精度に形成することができるガラス層は入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンを有しており、入射してくる光の進路を効率良く変更することを可能とすることができる機能を持つことができる。上記の微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンは、有機エレクトロルミネッセンス素子における光取り出し効率を向上させることができる回折格子として利用できるようにすることが可能である。従って高機能、高性能及び軽量で生産性がよい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。また、樹脂基板上の有機発光層が積層形成されている面はガラス層であるため、この面の耐熱性が向上している。従って、透明電極層、有機発光層、電極層の積層形成時の熱による樹脂基板の変形や変質といった影響が軽減されることから高品質、高信頼性の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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明の実施の形態の一例として回折格子を持つ有機EL素子の断面構造を模式的に図1に示す。
【0026】
有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子と称する。)の構造は、電極間に有機発光層(以下、発光層と称する。)を1層あるいは2層以上積層した構造であり、その例として、陽極/発光層/陰極からなる構造、陽極/正孔注入層/発光層/電子注入層/陰極からなる構造、陽極/正孔注入層/発光層/陰極からなる構造、陽極/発光層/電子注入層/陰極からなる構造等が挙げられる。ここで、正孔注入層および電子注入層は、駆動電圧低下や発光輝度向上のために必要に応じて電極と発光層との間に設けられる。
【0027】
図1に示す構造は、上記の例の陽極/発光層/電子注入層/陰極であって、1は有機EL素子を形成する基板となる透明基板、2は回折格子を成す周期構造パターンを有するガラス層、3は透明電極(陽極)、4は発光層、5は電子注入層、6は電極(陰極)である。発光層4は、正孔輸送層4a及び電子輸送層4bから構成され、この場合電子輸送層4bから発光する。以下、図1に示す構造を有する有機EL素子を用いて詳細な説明をする。
【0028】
有機EL素子に用いる透明基板1は、形状の自由度が高い樹脂の透明基板とする。透明基板1として樹脂基板を用いることで、有機EL素子を形成する基板をガラス基板に比較して軽量で生産性がよいとすることができる。以降、樹脂基板を符号1とする。
【0029】
樹脂基板1としては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルケトン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂からなる基板が用いることができる。また、熱可塑性樹脂より耐熱性および表面平坦性の点で良好とされる、注型重合法による精密成形等により表面平坦性に注意して形成された熱硬化性樹脂基板(例えばアクリル系熱硬化性樹脂基板)を用いることもできる(特開平9−129376号公報)。本発明に係わる樹脂基板1としては、上記に挙げられている基板に特に限定されるものではなく、適宜周知の樹脂フィルム、シート又は大量に必要な場合は生産性の良いロールから選択して用いればよい。
【0030】
次に上記の樹脂基板1上に常温硬化型SOGを材料として回折格子を形成することに関して説明する。常温硬化型SOGは、常温(特別に加熱したり冷やしたりしない温度)から200℃以下の温度範囲で硬化されてシリコン酸化物を主成分とするガラス層(膜)が形成されるSOGとしている。この常温硬化型SOGとしては、例えばシラグシタール(商品名、株式会社ミクロ技術研究所)がある。以後、常温硬化型SOGを単にSOGと称する。
【0031】
まず、図2に示す様に樹脂基板21上にスピンコート法によりSOGを塗布し、室温にて硬化させることでガラス層22を形成する(図2(a))。その後、公知のフォトリソグラフィ処理であるガラス層22上にフォトレジスト23を同じくスピンコート法により塗布し硬化させ、このフォトレジスト23に回折格子を形成するためのパターンを露光・現像することでレジストパターン23aを形成する(図2(c))。次に、公知のエッチング法(ドライエッチング法又はウエットエッチング法のどちらでもよい。)を用いてレジストパターン23aをマスクとしてガラス層22をエッチング加工した後、レジストパターンを取り除く(図2(d))。このようにすることで、樹脂基板21上に回折格子を有するガラス層22aが形成される。
【0032】
ここで、樹脂基板21に塗布するSOGの厚みは、SOGにより形成されるガラス層に設ける周期構造のパターンによる光学的機能、透過率、及び応力並びにSOGの粘度等といった機能や加工上の観点から適宜決めればよい。例えば本実施の形態のような回折格子の場合、1μm程度としてもよく、SOGの粘度によっては100μm程度としてもよい。
【0033】
樹脂基板上に回折格子を有するガラス層を形成する上記以外の方法としては、次のような方法を用いてもよい。例えば、シリコンを基材としてSOGに成形する型の反転一致形状を公知のフォトリソグラフィ技術(レジスト塗布、露光、現像)及びエッチング技術を用いて形成し、これをシリコン母型とする。このシリコン母型に例えばニッケルによる電鋳処理を行い、ニッケル電鋳型を形成し、これを成型用金型とすることができる。この金型を用いて、例えば以下のような方法にて回折格子を形成することができる。
【0034】
(1)図3に示すように、樹脂基板31上にスピンコート法を用いてSOG32を塗布する(図3(a))。これに上記の方法で得た成形用金型33にてプレス成形(図3(c))し、硬化させたのち金型33から回折格子が成形されたガラス層2を有する樹脂基板1を離型する(図3(d))。この方法は、ナノインプリント法とも呼ばれる。
【0035】
(2)図4に示すように、上記の方法で得た成形用金型43にスピンコート法を用いてSOGを塗布する(図4(b))。この上に樹脂基板41を載せて硬化(図4(d))させたのち金型43から回折格子が成形されたガラス層42aを有する樹脂基板41を離型する(図4(e))。この方法は、キャスト法とも呼ばれる。
【0036】
尚、上記で使用する金型には離型処理を設けても良い。離型処理としては、例えばフッソ樹脂のコーティング、離型メッキコーティング等が挙げられる。
【0037】
ここで、上記のガラス層2を硬化させる硬化温度は、常温から200℃以下の範囲内で樹脂基板1に変形や変質等の影響を与えない温度以下とするのが好ましい。
【0038】
また、形成された回折格子の形状は、凹凸が一定周期間隔で配列された周期構造のパターンと成っている、2次元周期を持っていることが望ましい。これは、発光層4で発光する光は全方位にランダムに発生するので、2次元周期を持つ回折格子にすることで、全方位に進む光が回折され、光の取り出し効率を1次元周期を持つ回折格子に比較して大きくすることが出来るからである。回折格子の具体的な配列の例としては、2次元に配列が繰り返される円柱の格子配置、正方形の格子配置、三角形の格子配置、ハニカム(六角)格子配置などがある。また例えば円柱の格子配置の反転一致形状である円柱形状の穴の格子配置としてもよい。
【0039】
図6に2次元周期を有する回折格子の1例を示す。図6(a)は樹脂基板61面上のガラス層62aに形成された回折格子を、また図6(b)は図6(a)のX−Xにおける断面をそれぞれ模式的に示したものである。この回折格子は、直径dの円65を周期pで2次元周期の格子配置としているものである。ここで、図6の円65は穴としているが突起としてもよい。
【0040】
上記の回折格子を成す周期構造のパターンにおいて、例えば凹の最深部から隣の凹の最深部まで又は凸の最頂部から隣の凸の最頂部までの距離で表せる微小な一定周期間隔、凹又は凸の大きさ(大きさとは、例えば円柱形状の穴であれば穴の直径を示す。)及び凹の最深部から凸の最頂部までの深さは光取り出し効率の向上の対象とする発光波長、光路となる媒質の屈折率、回折次数等を参考にして適宜決定すれば良い。微小な一定周期間隔としては、入射する光の波長にもよるが、概ね0.1μm以上4μm以下の範囲である。
【0041】
ここで、有機EL素子の発光波長はスペクトルに幅を持っていることから便宜的に代表値として以下に示す中心波長(λ0)を用いても良い。中心波長(λ0)の概念は、有機EL素子の発光波長に限らず、光学素子が使用されるスペクトルに幅をもつ光に対して適用しても良い。
【0042】
中心波長(λ0)は、下記の式(1)にて定義する。
【0043】
【数1】

【0044】
但し、
I(λ):ある波長λにおける発光強度
λ1:回折格子(光学素子)が使用されるとして決められた光の波長域の下限波長
λ2:回折格子(光学素子)が使用されるとして決められた光の波長域の上限波長
である。
【0045】
上述した様に回折格子が形成されたガラス層2を有する樹脂基板1を有機EL素子Aを形成する基板とすることで光取り出し効率が向上され高機能、高性能及び軽量で生産性がよい有機EL素子を製造することが可能になる。
【0046】
また、一般に樹脂基板の表面には、水分や酸素など有機EL素子の劣化をもたらす物質の浸入を抑制する機能を持つ無機物、有機物の被膜またはその両者のハイブリッド被膜がバリア層として形成されている。このバリア層とすることができる材料は、上記の通り水分や酸素など有機EL素子の劣化をもたらす物質の浸入を抑制する機能を有する材料であればよく、例えば、酸化珪素、二酸化珪素、窒化珪素などを用いることができる。従って、樹脂基板1上にガラス層2を設けることで、このガラス層2がバリア層の役割を担うことができることになり、別途バリア層を設けることを不要とすることができる。
【0047】
なお、この樹脂基板1上に回折格子が形成されたガラス層2を有するといった構成は、有機EL素子が形成される基板とすること以外に、回折格子のような微細形状を有する高機能な光学素子や他の表示用基板等において利用可能である。微細形状の例としては、本実施の形態の例とした2値化された回折格子のほかゾーンプレート及び散乱形状等があり、また断面形状が平坦部と凸部との2段のみの先の2値化に代わって階段上に多段でもって形成されるものとしてもよい。また、図7に示すような円錐形を複数配置した反射防止形状も微細形状の例として挙げられる。
【0048】
樹脂基板1に設けたガラス層2に上記のように回折格子を形成後、透明電極3以降を順次積層形成して有機EL素子Aを得る。以下、これに関して説明する。
【0049】
透明電極3の材料は、高仕事関数の電極材料を用いるのが好ましく、具体例としてはインジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム・酸化亜鉛系アモルファス透明導電膜(IZO:Indium Zinc Oxide、出光興産社製)(登録商標)等の透明導電材料が挙げられる。これらの透明導電材料を用いて薄膜を形成(成膜とも呼ぶ。)するには、一般的に、蒸着やスパッタリング等の方法を用いる。
【0050】
本実施の形態の透明電極3の厚み(膜厚とも呼ぶ。)は材料にもよるが、例えば、ITO膜の場合、ITO膜の下地となる回折格子による凹凸面の凸部の先端から通常10〜1000nmの範囲で、望ましくは10〜250nmの範囲が選ばれる。また、透明導電膜の成膜後、必要に応じてその表面を研磨等で平坦にする。
【0051】
透明電極3の形成後は、発光層4として、正孔輸送層4a、電子輸送層4bを順次に形成する。
【0052】
正孔輸送層4aは、正孔を輸送する機能を有する材料(以下、正孔輸送材料という。)からなり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。
【0053】
正孔輸送材料としては、特に制限はなく、従来、光導伝材料において、正孔の電荷注入輸送材料として慣用されているものや、有機EL素子の正孔注入層、正孔輸送層に使用される公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。正孔輸送材料は、正孔の注入もしくは輸送、電子の障壁性のいずれかを有するものであり、有機物、無機物のいずれであってもよい。
【0054】
具体的には、たとえばトリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体、アニリン系共重合体、ポルフィリン化合物、芳香族第三級アミン化合物、スチリルアミン化合物、または導電性高分子オリゴマー、特にチオフェンオリゴマーなどが挙げられる。
【0055】
これらのうちでは、ポルフィリン化合物、芳香族第三級アミン化合物およびスチリルアミン化合物が好ましく、特に芳香族第三級アミン化合物を用いることが好ましい。
【0056】
上記芳香族第三級アミン化合物およびスチリルアミン化合物の代表例としては、N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノフェニル;N,N′−ジフェニル−N,N′−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1′−ビフェニル〕−4,4′−ジアミン(TPD);2,2−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)プロパン;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)シクロヘキサン;N,N,N′,N′−テトラ−p−トリル−4,4′−ジアミノビフェニル;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)−4−フェニルシクロヘキサン;ビス(4−ジメチルアミノ−2−メチルフェニル)フェニルメタン;ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)フェニルメタン;N,N′−ジフェニル−N,N′−ジ(4−メトキシフェニル)−4,4′−ジアミノビフェニル;N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノジフェニルエーテル;4,4′−ビス(ジフェニルアミノ)ビフェニル;N,N,N−トリ(p−トリル)アミン;4−(ジ−p−トリルアミノ)−4′−〔4−(ジ−p−トリルアミノ)スチリル〕スチルベン;4−N,N−ジフェニルアミノ−(2−ジフェニルビニル)ベンゼン;3−メトキシ−4′−N,N−ジフェニルアミノスチルベンゼン;N−フェニルカルバゾール、さらには、米国特許第5,061,569号明細書に記載されている2個の縮合芳香族環を分子内に有するもの、たとえば4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル(NPD)、特開平4−308688号に記載されているトリフェニルアミンユニットが3つスターバースト型に連結された4,4′,4″−トリス〔N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ〕トリフェニルアミン(MTDATA)などが挙げられる。また、p型−Si、p型−SiCなどの無機半導体も正孔輸送材料として使用することができる。
【0057】
この正孔輸送層4aは、上記正孔輸送材料を、たとえば真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法などの公知の方法により成膜して形成することができる。
【0058】
正孔輸送層4aの膜厚については特に制限はないが、通常は5nm〜5μmの範囲で選ばれる。この正孔輸送層4aは、上記材料の一種または二種以上からなる一層構造であってもよく、同一組成または異種組成の複数層からなる積層構造であってもよい。
【0059】
電子輸送層104bは、電子を輸送する機能を有する材料(以下、電子輸送材料という。)からなり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。
【0060】
従来、発光層に対して陰極側に隣接する電子輸送層に用いられる電子輸送材料(正孔阻止材料を兼ねる。)として、下記の材料が知られている。また、電子輸送層4bは、陰極より注入された電子を発光層に伝達する機能を有していればよく、従来公知の化合物の中から任意のものを選択して電子輸送材料として用いることもできる。
【0061】
電子輸送材料としては、例えばニトロ置換フルオレン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、カルボジイミド、フレオレニリデンメタン誘導体、アントラキノジメタンおよびアントロン誘導体、オキサジアゾール誘導体などが挙げられる。また、このオキサジアゾール誘導体において、オキサジアゾール環の酸素原子を硫黄原子に置換したチアジアゾール誘導体、電子吸引基として知られているキノキサリン環を有するキノキサリン誘導体も、電子輸送材料として用いることができる。
【0062】
さらに、8−キノリノール誘導体の金属錯体、たとえばトリス(8−キノリノール)アルミニウム(以下、Alq3と略す。)、トリス(5,7−ジクロロ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5,7−ジブロモ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(2−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、ビス(8−キノリノール)亜鉛など、およびこれらの金属錯体の中心金属がIn、Mg、Cu、Ca、Sn、GaまたはPbに置き替わった金属錯体も電子輸送材料として用いることができる。
【0063】
その他、メタルフリー若しくはメタルフタロシアニン、またはそれらの末端がアルキル基やスルホン酸基などで置換されているものも電子輸送材料として好ましく用いることができる。
【0064】
また、従来、発光層4の材料として用いられているジスチリルピラジン誘導体も電子輸送材料として用いることができるし、正孔輸送層と同様にn型−Si、n型−SiCなどの無機半導体も電子輸送材料として用いることができる。
【0065】
この電子輸送層4bは、上記化合物を、たとえば真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法などの公知の方法により成膜して形成することができる。
【0066】
電子輸送層4bの膜厚については特に制限はないが、通常は5nm〜5μmの範囲で選ばれる。この電子輸送層4bは、これらの電子輸送材料の一種または二種以上からなる一層構造であってもよいし、あるいは同一組成または異種組成の複数層からなる積層構造であってもよい。
【0067】
電子注入層5の材料としては、特開平6−325871号公報、同9−17574号公報、同10−74586号公報等にもその詳細が記載されており、具体的にはストロンチウムやアルミニウム等に代表される金属バッファー層、フッ化リチウムに代表されるアルカリ金属化合物バッファー層、フッ化マグネシウムに代表されるアルカリ土類金属化合物バッファー層、酸化アルミニウムに代表される酸化物バッファー層等が挙げられる。
【0068】
上記の電子注入層は、いずれもごく薄い膜であることが望ましく、素材にもよるがその膜厚は0.1nm〜5μmの範囲が好ましい。
【0069】
陰極6としては、電子輸送層又は発光層に電子を注入する目的で、仕事関数の小さい材料が好ましい。陰極材料は特に限定されないが、具体的にはインジウム、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−スカンジウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等を使用できる。
【0070】
電子注入層5及び陰極6の形成方法は特に限定されず、公知の方法から適宜選択すればよく、例えば真空蒸着法スパッタリング法等で形成することができる。
【0071】
陰極6を設けることで所望の有機EL素子が得られる。作製した有機EL素子は、周知の保護膜(パッシべーション膜)で封止するのが好ましい。
【実施例】
【0072】
樹脂基板/ガラス層(光取り出し構造を含む)/透明電極/発光層/電子注入層/電極の積層構造を持ち、ガラス層に一定周期間隔で配列された周期構造のパターンを設けた有機EL素子を作製した。具体的に以下に説明する。
【0073】
(実施例1)
実施例1は、透明な樹脂基板21に直接SOGを塗布し、SOGを硬化させて形成したガラス層に公知のフォトリソグラフィ技術(レジスト塗布、露光、現像)及びエッチング技術を用いて回折格子となる周期構造のパターンを形成した樹脂基板21を使用した有機EL素子としている。この有機EL素子に関して図2に示す工程に従って以下に説明する。
【0074】
樹脂基板21として、樹脂基板である大きさ30mm×30mm、厚み0.4mmのポリカーボネート(PC)(n=1.58)を使用した。樹脂フィルム上に常温硬化型SOGであるシラグシタール(商品名)をスピンコートで厚み300nm塗布し、室温で約24時間放置して硬化させガラス層22を形成した(図2(a))。この時、塗布するシラグシタール(商品名)は、シラグシタール(主剤及び触媒)とイソプロピルアルコール(IPA)との割合を100:20で希釈し、塗布時のスピンコートの回転数は6000rpmとした。次に、このガラス層22上にフォトレジスト23をスピンコート法で塗布し(図2(b))、2次元の一定周期間隔を300nm、直径200nmの円形パターンを有するマスクを用いてを露光し現像することでレジストパターン23aを設けた(図2(c))。次に、公知のドライエッチング法を用いて上記のレジストパターンを設けたガラス層22にエッチング加工を行いその後レジストを取り除いて、ガラス層の表面に深さ200nmの円柱形状の穴パターンである回折格子を形成した(図2(d))。
【0075】
ここで作製した回折格子の形状は、以下で作製する発光層より発光される光が有する図5で示すような発光スペクトル例から式(2)より求められる中心波長520nmに対して最も光取り出し効率がよい形状とした。
【0076】
上記の回折格子を有したガラス層22a上に、透明電極24としてITO膜をガラス層表面の凸面上部からの厚みが150nmになるように公知のスパッタリング法にて成膜した後、その表面を研磨してこの面を平均表面粗さRa≦2nmとした(図2(e))。
【0077】
上記の透明電極24の上に、以下に説明するように、発光層25として正孔輸送層、電子輸送層を、次に電子注入層26を、そして最後に陰極27を順次に公知の真空蒸着法を用いて成膜した。
【0078】
具体的に発光層25は、正孔輸送層として、NPD(4,4’−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル)を55nm、電子輸送層として、Alq3(トリス(8−キノリノール)アルミニウム)を60nm、電子注入層26としてLiF(フッ化リチウム)を1nmを順次成膜した。そして、最後に陰極27として、Al(アルミニウム)を200nm成膜することで、所望の有機EL素子を完成させた。作製した有機EL素子は、公知の保護膜(パッシべーション膜)で封止した。
【0079】
(実施例2)
実施例2は、樹脂基板に直接SOGを塗布し、別途用意した周期構造のパターンを有する型を塗布したSOGに押圧、SOGを硬化させてガラス層を形成した後、離型することで得た回折格子となる周期構造のパターンが形成されたガラス層を有する樹脂基板を使用した有機EL素子としている。この有機EL素子に関して図3に示す工程に従って以下に説明する。
【0080】
樹脂基板31として、実施例1と同じ樹脂基板である厚み0.4mmのポリカーボネート(PC)(n=1.58)を使用した。樹脂基板31上に常温硬化型SOG32であるシラグシタール(商品名)を実施例1と同様に希釈した後スピンコートで厚み300nm塗布し(図3(a))、別途用意した回折格子を形成するための凹凸形状を有する金型(以降で説明する。)33にて圧力40kPaで押圧したままの状態を3時間維持(図3(c))してSOG32を硬化させた後、金型33を離型した(図3(d))。
【0081】
上記の樹脂基板31上に回折格子が形成されたガラス層32a上に実施例1の透明電極以降、同じ材料及び同じ方法を用いて透明電極を含めて、発光層、電子注入層及び陰極(いずれも図示してない。)を積層成膜することで所望の有機EL素子を完成させた。作製した有機EL素子は、公知の保護膜(パッシべーション膜)で封止した。
【0082】
ここで、上記のSOG32を成形する金型33に関して説明する。まず、シリコン基板を基材として、SOGを成形する型の反転一致形状を公知のフォトリソグラフィ技術(レジスト塗布、露光、現像)及びエッチング技術を用いて形成し、これをシリコン母型とした。このシリコン母型として形成した形状は、2次元の一定周期間隔を300nm、直径200nm、深さ200nmの円柱形状の穴パターンとした。このシリコン母型にニッケル電鋳処理を行い、その後シリコン母型より電鋳を離型することでニッケル電鋳型を作製した。このニッケル電鋳による金型は、2次元の一定周期間隔を300nm、直径200nm、高さ200nmの円柱形状の突起パターンを有する金型33となる。従って、この金型33を用いてガラス層に形成される回折格子の形状は、実施例1とほぼ同等の形状とすることができる。尚、金型の表面には、離型処理としてフッ素樹脂膜を設けた。
【0083】
(実施例3)
実施例3は、別途用意した実施例2と同等の金型上に直接SOGを塗布し、この上に透明な樹脂基板を重ねて、SOGを硬化させてガラス層を形成した後、離型することで回折格子となる周期構造のパターンを持つガラス層を有する樹脂基板を使用した有機EL素子としている。この有機EL素子に関して図4に示す工程に従って以下に説明する。
【0084】
実施例2で作製したニッケル電鋳の金型と同じものを作製する。この金型43上にSOG42をスピンコート法を用いて、金型の凹凸の頂からの厚みが約300nmとなるように塗布した(図4(b))。このSOG42上に、樹脂基板41として実施例1と同じ厚み0.4mmのポリカーボネート(PC)を重ねた後(図4(d))、その状態を3時間維持してSOG42を硬化させた後、金型43から離型した(図4(e))。
【0085】
上記の樹脂基板41上に回折格子が形成されたガラス層42a上に実施例1の透明電極の形成以降、同じ材料及び同じ方法を用いて透明電極を含めて、発光層、電子注入層及び陰極(いずれも図示してない。)を積層成膜することで所望の有機EL素子を完成させた。作製した有機EL素子は、公知の保護膜(パッシべーション膜)で封止した。
【0086】
(比較例1)
実施例1と異なりガラス層による回折格子を設けることなく、実施例1と全く同じ厚み0.4mmのポリカーボネート(PC)(n=1.58)を樹脂基板として、全く同じ材料及び同じ方法を用いて透明電極、発光層、電子注入層及び陰極を積層成膜することで比較例1としての有機EL素子を完成させた。作製した有機EL素子は、実施例1から3と同様に公知の保護膜(パッシべーション膜)で封止した。
【0087】
(評価結果)
実施例1乃至3による回折格子を持つガラス層を有する樹脂基板上に有機EL素子と比較例1による回折格子を持たない樹脂基板上に作製した有機EL素子とを同じ条件にて動作させ500lxの照明光の下で目視にて観察した結果、実施例1乃至3と比較例1の明るさを比較したところ明らかに実施例1乃至3の有機EL素子が比較例1の有機EL素子より明るいことが認められた。このことから樹脂基板上のガラス層に形成した回折格子が十分に機能していることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【0088】
【図1】実施の形態の一例の回折格子を持つ有機EL素子の構造の断面を模式的に示す図である。
【図2】有機EL素子を作製する工程の一例を説明する図である。
【図3】有機EL素子を作製する工程の一例を説明する図である。
【図4】有機EL素子を作製する工程の一例を説明する図である。
【図5】実施例1における有機EL素子の発光スペクトル例より中心波長を説明する図である。
【図6】微細形状の例として回折格子の一例の概略を示す図である。
【図7】微細形状の例として反射防止形状の一例の概略を示す図である。
【符号の説明】
【0089】
1、21、31、41、61 樹脂基板
2、22a、32a、42a、62a 微細形状を有するガラス層
3、24 透明電極
4、25 発光層
5、26 電子注入層
6、27 陰極
22、32、42 SOG
23 レジスト
23a レジストパターン
33、43 金型

【特許請求の範囲】
【請求項1】
樹脂基板上に入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンが形成されているガラス層を有することを特徴とする光学素子。
【請求項2】
前記ガラス層は、常温硬化型SOGから成るガラス層であることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。
【請求項3】
樹脂基板上に常温硬化型SOG層を形成する工程と、
前記常温硬化型SOG層を硬化しガラス層とする工程と、
前記ガラス層にフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理により、入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンを形成する工程とを有することを特徴とする請求項2に記載の光学素子の製造方法。
【請求項4】
入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンの反転一致形状を有する型の面上に常温硬化型SOG層を形成する工程と、
前記常温硬化型SOG層の表面に樹脂基板を重ね合わせる工程と、
前記常温硬化型SOG層と前記樹脂基板を重ね合わせた状態で該常温硬化型SOG層を硬化しガラス層とする工程と、
前記樹脂基板に接着した前記ガラス層を前記型から剥離する工程とを有することを特徴とする請求項2に記載の光学素子の製造方法。
【請求項5】
樹脂基板上に常温硬化型SOG層を形成する工程と、
前記常温硬化型SOG層に入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造パターンの反転一致形状を有する型を押圧する工程と、
前記型を前記常温硬化型SOG層に押圧した状態で該常温硬化型SOG層を硬化しガラス層とする工程と、
前記型を前記ガラス層から剥離する工程とを有することを特徴とする請求項2に記載の光学素子の製造方法。
【請求項6】
透明基板の上に少なくとも透明電極層と有機発光層と電極層とが順次積層形成されてなる有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記透明基板が、該透明基板の前記透明電極層が設けられている側の面に、入射する光の波長に対応する微小な一定周期間隔で配列された周期構造のパターンが形成されているガラス層を有する樹脂基板であ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。
【請求項7】
前記ガラス層は常温硬化型SOGから成るガラス層であることを特徴とする請求項6に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項8】
前記周期構造のパターンは、2次元周期を持つ回折格子であることを特徴とする請求項6又は7に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate


【公開番号】特開2007−114266(P2007−114266A)
【公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−302841(P2005−302841)
【出願日】平成17年10月18日(2005.10.18)
【出願人】(000001270)コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Fターム(参考)】