JP2008506241A - 有機薄膜デバイスの有機膜に対する電荷の注入を改善する方法 - Google Patents
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Abstract
有機薄膜デバイスの製造方法であって:有機物を第一の溶媒に溶かし第一溶液を提供する工程;無機塩を第二の溶媒に溶かし第二溶液を提供する工程;前記第一溶液と前記第二溶液を混合して混合液を提供する工程;有機薄膜デバイスの製造のために、前記混合液を使用して無機塩がドープ(dope)された有機薄膜を形成する工程を有する。また、無機塩は、直接有機物溶液に添加して無機塩ドープの有機物溶液とすることができ、それを用いて有機薄膜を形成し、有機薄膜デバイスにすることができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、科学分野の材料の生産、特に有機薄膜デバイスの生産に関する
有機薄膜デバイスの研究開発はこの二十年間で非常に大きな注目を集めてきた。その注目はこれらのデバイスが有するある好ましい特徴にあるということができる。例えば、製造方法が簡単、要求される製造ツールが比較的難しいものではないとか、高価ではないなどである。製造における要求は厳しいものではなく、デバイスは自由な材料から製造することができる。加えて、これらのデバイスで用いられる有機物は高価ではなく、材料の消費も競合技術より遥かに少ない。これらの特徴によりシリコンやゲルマニウムの半導体デバイスに比較して遥かに低価格で製造できる(Shaw, J. M. and Seidler, P.F., Organic Electronics: Introduction, IBM Journal of Research and Development, January 2001 ,3-9頁,45巻,IBM Corporation, USA.参照)
有機薄膜デバイスのアプリケーションはには、有機薄膜トランジスタ(organic thin film transistors:OTFT)、有機薄膜貯蔵デバイス(organic thin film storage devices :OTFSD)、有機LED(organic light-emitting dioeds:OLED)、有機薄膜ソーラーセル(organic thin film solar cells:OTFSC)、有機薄膜レーザー(organic thin film lasers:OTFL)などが含まれる。
OLEDは、次世代フラットパネルディスプレイ(FPD)技術として液晶ディスプレイ(LCD)の代替の可能性を有するものとして公知である(Barry Young, Status of OLED Manufacturing & Search for New Applications, OLEDs, 2003, Intertech, Portland, Maine. 参照)。OLEDの発光メカニズムはやや単純である。特に有機発光材料として、低分子量有機物やポリマーとしてAlq3、PPV誘導体、ポリフルオレン誘導体などが電極の間に挿入されて用いられる。電極に電圧をかけると、有機物が発光する。原則として、一つのピクセルは赤、緑、青の有機発光体からなり、それぞれ電極を有する。三つの有機物に適当な電圧をかけることにより、適当な色の光を発する。
OLEDは、フラットパネルディスプレイとして多くの特徴を有する。例えば、高解像度、優れた輝度、薄型、軽量、低電力消費、柔軟性などである。さらに、OLEDの製造プロセスは比較的簡単である。透明なインジウム錫酸化物(ITO)でコートされたガラス基板または柔軟な導電基板が電極として用いられる。有機物は蒸着(低分子量有機物の場合)、スピンコートまたはインクジェット(ポリマーの場合)によって電極上に固定される。その他に、物理蒸着法(physical vapor deposition:PVD)によって有機膜上に蒸着させる方法もある。基本的構造のOLEDの厚さは1μmのオーダーである。典型的なOLEDの構造を図1に示す(Tang, C. W. and Van Slyke, S. A. Applied Physics Letter, Organic Electroluminescent Diodes, September 1987, pages 913-915, volume 51, American Institute of Physics, USA; Adachi, C, Tokito, S., Tsutsui, T. and Saito, S. Japanese Journal of Applied Physics, 1988, pages L269 and L713, volume 27, The Japanese Society of Applied Physics, Japan; Burroughes, J. H., Bradley, D. D. D., Brown, A. R., Marks, R. N., Mackay, K., Friend, R. H., Burns, P. L., and Holmes, A. B. Nature, Light-Emitting Diodes Based on Conjugated Polymers, October 1990, pages 539-541, volume 345, Nature Publishing Group, London.を参照)。
産業界ではOLED技術はフラットパネルディスプレイの競合市場として注目されると予測している。AustinのDisplaySearch社は、ディスプレイの市場調査およびコンサルティングファームであり、2010年までに世界の移動電話市場の50%がOLED技術を使用し、2010年から2015の間にはOLEDを基礎にしたコンピュータの画面やテレビが登場すると予測している(バリーヤング(Barry Young, Status of OLED manufacturing & the Search for New Applications, OLEDs 2003, Intertech, Portland, Maine.)らの予測)。日本のセイコーエプソン社や韓国のサムスン社は最近、40インチのプロトタイプのOLEDディスプレイを生産した。
OLED技術の産業上の課題として最も重要な問題は、OLEDディスプレイの効果および寿命である。最近の典型的なLCDは50000時間の寿命を有するが、OLEDの寿命は最大でもおよそ10000時間である。OLEDディスプレイの寿命を延ばすことが、産業界、科学者の間でのOLEDの技術競争として核となる課題なのである(とバリーヤング(Barry Young, Status of OLED manufacturing & the Search for New Applications, OLEDs 2003, Intertech, Portland, Maine.)らは述べている)。
OLEDの効果改善および寿命延長に関しては多くの提案がされている。例えば、電荷の注入(charge injection)インターフェースのスムージング(PEDOT−PSSなどの、アノードと有機フィルムの間に導電性ポリマーを挿入する技術)(PEDOT−PSSについては、Groenendael, L., Jonas, F., Fritag, D., Pielartzik, H. and Reynolds, J. R., Advanced Materials,、ポリ(3,4エチレンジオキシチオフェンとその誘導体(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and Its Derivatives): Past, Present, and Future, July 2000, pages 481-494, volume 12, Wiley- VCH Verlag GmbH, Germany;を参照)
カソードと有機フィルムの間に、フッ化リチウムなどの無機薄層を挿入する技術(Hung, L. S., Tang, C. W. and Mason, G. C. Applied Physics Letter, Enhanced Electron Injection in Organic Electroluminescence Devices Using an Al/LiF Electrode, January 1997, pages 152-154, volume 70, American Institute of Physics, USA;を参照)
最近では、アノードと有機フィルムの間に有機薄層を挿入する技術(Zhao, J. M., Zhan, Y. Q., Zhang, S. T., Wang, X., Zhou, Y. C, Wu, Y, Wang, Z. J., Ding, X. M. and Hou, X. Y. Applied Physics Letter, Mechanisms of Injection Enhancement in Organic Light-Emitting Diodes Through Insulating Buffer, June 2004, pages 5377-5379, volume 84, American Institute of Physics, USA.を参照 )がある。これらはすべてある程度の限界があり、製造プロセスが複雑である。
カソードと有機フィルムの間に、フッ化リチウムなどの無機薄層を挿入する技術(Hung, L. S., Tang, C. W. and Mason, G. C. Applied Physics Letter, Enhanced Electron Injection in Organic Electroluminescence Devices Using an Al/LiF Electrode, January 1997, pages 152-154, volume 70, American Institute of Physics, USA;を参照)
最近では、アノードと有機フィルムの間に有機薄層を挿入する技術(Zhao, J. M., Zhan, Y. Q., Zhang, S. T., Wang, X., Zhou, Y. C, Wu, Y, Wang, Z. J., Ding, X. M. and Hou, X. Y. Applied Physics Letter, Mechanisms of Injection Enhancement in Organic Light-Emitting Diodes Through Insulating Buffer, June 2004, pages 5377-5379, volume 84, American Institute of Physics, USA.を参照 )がある。これらはすべてある程度の限界があり、製造プロセスが複雑である。
有機薄膜に有機塩をドープする技術が、1995年アランら(Alan J. Heeger et al)により提案された。該方法は発光を増強するものであったが、多くの問題もある(Pei, Q. B., Yu, G. Zhang, C, Yang, Y. and Heeger, A. L. Science, Polymer Light-Emitting Electrochemical Cells, August 1995, pages 1086-1088, volume 269, American Association for the Advancement Science, USA; Pei, Q. B., Yang, Y., Yu, G., Zhang, C. and Heeger, A. J. Journal of American Chemical Society, Polymer Light-Emitting Electrochemical Cells: In Situ Formation of a Light-Emitting p-n Junction, 1996, pages 3922-3929, volume 118, American Chemical Society, USA. 参照)。該方法はあまり注目されず、有機塩をドープしたデバイスは高いヒステリシスを有する。
本発明の第一の態様は、有機薄膜デバイスの製造方法であって、有機物を第一の溶媒に溶かし第一溶液を提供する工程;無機塩を第二の溶媒に溶かし第二溶液を提供する工程;前記第一溶液と前記第二溶液を混合して混合液を提供する工程;有機薄膜デバイスの製造のために、前記混合液を使用して有機薄膜を形成する工程を含む方法である。
本発明の第二の態様は、有機薄膜デバイスの製造方法であって、有機物を溶媒に溶かし溶液を提供する工程;無機塩がドープされた有機物の溶液を作るために無機塩を前記溶液に添加する工程;有機薄膜デバイス製造のために、前記無機塩がドープされた有機物の溶液を使って有機薄膜を形成する工程を含む方法である。
本発明の第三の態様は、無機塩がMnXm(ここで、Mはカチオン、Xはアニオンでn及びmはそれぞれ整数)で表される群より選択され、具体的には、LiF,LiCl,LiBr,LiI,NaF,NaCl,NaBr,NaI,KF,KCl,KBr,KI,RbF,RbCl,RbBr,RbI,CsF,CsCl,CsBr,CsI,BeF2,BeCl2,BeBr2,BeI2,MgF2,MgCl2,MgBr2,MgI2,CaF2,CaCl2,CaBr2,CaI2,SrF2,SrCl2,SrBr2,SrI2,BaF2,BaCl2,BaBr2,BaI2から選択される塩である。他の無機塩ももちろん使用可能である。本発明の他の態様では、他の金属イオン、例えば遷移金属なども有機物中に添加剤(dopant)として使用することができる。
本発明の第四の態様は、有機薄膜デバイスである。該有機薄膜デバイスは少なくとも一対の電極を有し、無機塩がドープされた有機薄膜が各電極に隣接されている。本発明の更なる態様として、薄膜デバイスの中に三つ或いはそれ以上の電極が含まれていることである。
本発明は以下の好ましい具体例の詳細な説明と、例として図面を参照することでより理解し易いであろう。
図2を参照すると、有機発光ダイオード(OLED)が参照番号10で示されている。OLED10は、カソード12、参照番号14で示される無機塩がドープされた有機薄層、アノード10を含む。有機薄層14は有機物17、参照番号19で示される1またはそれ以上の無機塩添加剤を含んでいる。
無機塩19は膜14の内部に、アニオン22およびカチオン24、又は参照番号20で示されるイオン対として存在する。イオン対20は陰極性21と陽極性23を有する。図3に示すように、外部電圧26をかけると、カチオン24はカソード12へ、アニオン22はアノード16へ移動し、イオン対20は陰極性21をアノード16の方向へ、陽極性23をカソードの方向へ向けて並び、強い界面極性が形成される。
一般に、外部電圧26のバイアスにより、アニオン22はアノード16に接着し、アノードのワークファンクション(work-function)を増強する。従って、低いアノードフェルミ準位(anode Fermi level)と 最高被占軌道(highest occupied molecular orbital:HOMO)の間への電荷の注入バリアが低くなり、アノード16から有機物17への正孔(hole)の注入が増進される。前記のように新しい方向に向けられたイオン対20は、陰極性21がアノード16へ向けられ、それはアノードのワークファンクションを増強するので、正孔注入バリアが低くなる。
カソード12においては、カチオン24がカソード12に接着し、外部電圧26のバイアスによりカソードのワークファンクションが減少する。従って、カソードフェルミ準位と最低空軌道(lowest unoccupied molecular orbital:LUMO)の間への電荷注入バリアが低くなり、カソード12から有機物17への電子の注入が増進される。前記のように新しい方向に向けられたイオン対20は、陽極性23がカソード12へ向けられ、それはカソードのワークファンクションを減少するので、電子注入バリア(electron injection barrier)が低くなる。
この例では、有機物17はポリマー材料を含み、それは溶解性を改善するために長鎖アルキルを含むので、膜14が集合して堅くなることを防止している。アニオン22とカチオン24および無機塩19の大きさは小さいので、イオン種は膜14の内部を容易に移動でき、イオン対20が膜内で方向転換することに都合が良く、外部電力26に対して素早く応答することができる。
理論的に、カソード12及びアノード16の上の単層イオンで界面電荷注入を増大できるため、ドーピングレベルは低くできる。従って、有機物17への、無機塩19のドーピングは、膜形態(morphology)および発光スペクトルに何の影響もない。この方法は最近のOLEDの製造プロセスに大きな変更を必要としない。
無機塩19は一般式MnXmで示され、Mはカチオン24、Xはアニオン22、nとmはそれぞれ整数(1,2,3,4,5,6,7のような)である。カチオン24は金属カチオンを含み、アニオン22はハロゲンや複合アニオンを含む。複合アニオンとしては、炭酸、過塩素酸、フッ化ホウ酸などのアニオンが挙げられる。有機物17には1又はそれ以上の異なる無機塩を同時にドープすることができ、また1又はそれ以上の有機物を混合することもできる。
無機塩19は、例えば以下の無機塩から選択することができる。具体的には、LiF,LiCl,LiBr,LiI,NaF,NaCl,NaBr,NaI,KF,KCl,KBr,KI,RbF,RbCl,RbBr,RbI,CsF,CsCl,CsBr,CsI,BeF2,BeCl2,BeBr2,BeI2,MgF2,MgCl2,MgBr2,MgI2,CaF2,CaCl2,CaBr2,CaI2,SrF2,SrCl2,SrBr2,SrI2,BaF2,BaCl2,BaBr2,BaI2である。もちろん他の無機塩を用いることも可能である。
この具体例のOLED10は以下の方法により製造される。有機物17に溶液状態で無機塩19をドープする。他の方法でもできるが溶液プロセスが最も簡単である。典型的な溶液プロセスは以下の通りである。なお、全工程は制御された環境(例えばグローブボックス内など)中で操作することが望ましい。
無機塩溶液は無機塩を溶媒に溶解することにより準備する。無機塩は純粋無機塩あるいは無機塩の混合物を使用できる。溶媒は純粋溶媒或いは混合溶媒であり、例えば、テトラヒドロフラン、クロロホルム、1,4ジオキサン、アセトニトリル、水、酢酸エチル、アセトン、ピリジン、エチレングリコール、メタノールなどの一種以上を用いることができる。無機塩を溶解した後、必要があればろ過をする。例えば、無機塩溶液は溶媒により希釈してろ過することもできる。
有機物溶液は溶液に発光有機物を溶かすことにより準備する。溶媒は純粋または溶媒の混合物である。例えば、ポリフルオレンはトルエン、オルト−キシレン、パラ−キシレンに溶解することができ、MEH−PPVは、クロロホルム、テトラヒドロフラン(THF)、クロロベンゼンに溶解することができる。溶液中の有機物濃度は、必要な膜の厚みによって決定される。有機物溶液は次にろ過される。
無機塩溶液と有機物溶液を混合して、ドープされた有機物溶液ができる。一般に、無機塩のドーピングレベルは低いので、膜厚や膜モルフォロジーには影響しない。ドープされた溶液の無機塩濃度は0.1ppb〜10000ppmである。正確な濃度は発光材料の必要条件により決定される。
混合溶液はスピンキャスト、インクジェットプリントにより電極基板上に、無機塩ドープ有機材料の膜を形成する。膜の上に別の電極を置いて、単層デバイスを製造する。上記方法により多層構造に組み立てることもできる。
無機塩は、直接有機物溶液に添加して無機塩ドープ有機物溶液とすることができ、それを用いてスピンキャストまたはインクジェットプリントにより膜を形成することができる。
一以上の無機塩で有機発光材料をドーピングすることによって発光効果が増すだけでなく、ターンオン電圧を低くすることもできる。それによって電極にワークファンクションの低い金属を使用する必要がなく、製造プロセスが簡略化される。
上記のように、有機薄膜デバイスの電荷注入を増進する方法は、各種発光材料に対して適用可能で、発光効果および寿命を改善することができる。
さらに、有機薄膜デバイスの電荷注入を増進する方法は、各色のOLED(赤、緑、青、白など)の効果および寿命を改善する。
上述のOLEDは一例であり、無機塩をドーピングする方法は、すべての有機薄膜デバイスに広く適用でき、界面電荷注入を増進し、活用範囲をさらに広げる。
当業者においては、前記した具体例に、請求項に記載の範囲内で様々な修正が加えられ得ることが理解されるべきである。
Claims (31)
- 有機薄膜デバイスの製造方法であって:
有機物を第一の溶媒に溶かし第一溶液を提供する工程;
無機塩を第二の溶媒に溶かし第二溶液を提供する工程;
前記第一溶液と前記第二溶液を混合して混合液を提供する工程;
有機薄膜デバイスの製造のために、前記混合液を使用して無機塩でドープ(dope)された有機薄膜を形成する工程;
とを含むことを特徴とする有機薄膜デバイスの製造方法。 - 前記有機物の溶解工程にさらに第一溶液をろ過する工程を含む請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩の溶解工程にさらに第二溶液をろ過する工程を含む請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記混合液を使用した有機薄膜形成工程が、基板の上に混合液をスピンキャストする工程を含む請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記混合液を使用した有機薄膜形成工程が、インクジェットプリントのようにして基板の上に混合液をノズルからスプレーする工程を含む請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記第二溶液をろ過する工程が、前記第一の溶媒または第二の溶媒のどちらかによって前記無機塩第二溶液を希釈する工程をさらに含む請求項3記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記混合溶液が無機塩濃度0.1ppb〜10000ppmである請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩がMnXm(ここで、Mはカチオン、Xはアニオンでn及びmはそれぞれ整数)で表される群より選択される請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩が、LiF,LiCl,LiBr,LiI,NaF,NaCl,NaBr,NaI,KF,KCl,KBr,KI,RbF,RbCl,RbBr,RbI,CsF,CsCl,CsBr,CsI,BeF2,BeCl2,BeBr2,BeI2,MgF2,MgCl2,MgBr2,MgI2,CaF2,CaCl2,CaBr2,CaI2,SrF2,SrCl2,SrBr2,SrI2,BaF2,BaCl2,BaBr2,BaI2よりなる群より選択される、請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 有機薄膜デバイスの製造方法であって:
有機物を溶媒に溶かし溶液を提供する工程;
当該溶液に無機塩を加え、無機塩でドープされた有機物の溶液を作る工程;
有機薄膜デバイス製造のために、前記無機塩がドープされた有機物の溶液を使って有機薄膜を形成する工程;
とを含むことを特徴とする有機薄膜デバイスの製造方法。 - 前記有機物の溶解工程にさらに溶液をろ過する工程を含む請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩がドープされた有機物の溶液をろ過する工程をさらに含む請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩がドープされた有機物の溶液を使って有機薄膜を形成する工程が、基板の上に前記無機塩がドープされた有機物の溶液をスピンキャストする工程を含む請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩がドープされた有機物の溶液を使って有機薄膜を形成する工程が、インクジェットプリントのようにして基板の上に前記無機塩がドープされた有機物の溶液をノズルからスプレーする工程を含む請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩がドープされた有機物の溶液が無機塩濃度0.1ppb〜10000ppmである請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩がMnXm(ここで、Mはカチオン、Xはアニオンでn及びmはそれぞれ整数)で表される群より選択される一種以上である請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩が、LiF,LiCl,LiBr,LiI,NaF,NaCl,NaBr,NaI,KF,KCl,KBr,KI,RbF,RbCl,RbBr,RbI,CsF,CsCl,CsBr,CsI,BeF2,BeCl2,BeBr2,BeI2,MgF2,MgCl2,MgBr2,MgI2,CaF2,CaCl2,CaBr2,CaI2,SrF2,SrCl2,SrBr2,SrI2,BaF2,BaCl2,BaBr2,BaI2よりなる群より選択される、請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記第一の溶媒が純粋な溶媒である請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記第一の溶媒が純粋な溶媒の混合物である請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記第二の溶媒が純粋な溶媒である請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記第二の溶媒が純粋な溶媒の混合物である請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩が純粋な無機塩である請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩が純粋な無機塩の混合物である請求項1記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記溶媒が純粋な溶媒である請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記溶媒が純粋な溶媒の混合物である請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩が純粋な無機塩である請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 前記無機塩が純粋な無機塩の混合物である請求項10記載の有機薄膜デバイスの製造方法。
- 有機薄膜デバイスであって:
少なくとも一対の電極と;
それぞれの電極に隣接し無機塩がドープされた有機薄膜;
とを含む有機薄膜デバイス。 - 有機薄膜デバイスであって:
少なくとも一対の電極と;
それぞれの電極に隣接し、請求項1により製造された無機塩がドープされた有機薄膜;
とを含む有機薄膜デバイス。 - 有機薄膜デバイスであって:
少なくとも一対の電極と;
それぞれの電極に隣接し、請求項10により製造された無機塩がドープされた有機薄膜;
とを含む有機薄膜デバイス。 - 薄膜デバイスがさらに第三の電極を含み、該第三の電極に隣接して無機塩がドープされた有機薄膜を有する請求項28記載の有機薄膜デバイス。
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