技術資料

有機EL調査 - 有機ELパネル作製方法の調査 -

技術本部 新技術開発部 光源技術開発課
株式会社アイ・ライティング・システム 機器技術部 第三機器技術課

1．はじめに

2005年における，世界の総エネルギー消費量(1万3700TWh)に占める照明の割合は，約20％(2600TWh)であり，二酸化炭素に換算すると約19億トンの排出量に相当する¹⁾。水銀に関しては，国連環境計画(UNEP)が，国境を越えて広がる水銀汚染と健康被害を防ぐ為に，「水銀条約(製品への使用や大気中への排出削減を義務付け)」を作成，2013年に採択・署名された²⁾。

このような背景の中で，2009年12月に経済産業省より公表された新成長戦略(基本方針)において，2020年までに実現すべき成果目標として，“LEDや有機ELなどの高効率次世代照明を100％普及させる”との方針が示され³⁾，近年，白熱電球・蛍光灯に変わる，低消費電力・水銀フリーな照明として，LEDや有機EL等の固体素子照明(SSL：Solid-State Lighting)への期待が高まっている。

上記を鑑み，本稿においては，株式会社アイ・ライティング・システム(以降，ELSと略記)と共同で，有機ELパネル作製方法について調査を実施したので，その内容について報告する。

2．有機ELの動作原理と発光材料

2.1 動作原理

図1に，有機EL(ボトム・エミッション型)の概略図を示す。有機ELは，発光に寄与する有機材料を陽極と陰極で挟んだ，非常にシンプルな構造を有する素子である。特性を向上させる為，各特性を担う(発光層，正孔注入層，正孔・電子輸送層等)有機材料を，数10nmの膜厚にて積層させるのが一般的である。また，有機材料は水分・酸素の影響を受けやすい(劣化しやすい)為，封止ガラスを用いて，内部に吸湿剤(デシカント)を設置し，封止材(主に紫外光(UV)にて硬化する材料)にて真空封止や不活性ガス封止が行なわれる。出来上がった素子に直流電圧(5V程度)を印加すると，陽極(ITO)から正孔，陰極(Al)から電子が有機層内に注入され，上記各層を介して発光層に到達し，再結合・励起し，基底状態に戻る際に発光層の材料に応じた波長で発光する。

2.2 発光材料

有機ELパネルの発光材料には，蛍光材料(励起一重項状態からの発光)と燐光材料(励起三重項状態からの発光)が存在し，一重項励起子と三重項励起子の生成確率が1：3である為，蛍光材料を用いた有機ELパネルの場合，発光として利用可能な割合(内部量子効率)は最大25％であるのに対し(残り75％は熱として失活)，燐光材料を用いた場合，(励起一重項から三重項への項間交差を加えると)内部量子効率は最大100％となる⁴⁾。発光材料の開発は蛍光材料が先行して実施されていたが，1999年にプリンストン大学と南カリフォルニア大学の研究グループが，fac-Ir(ppy)³(ppyH＝2-フェニルピリジン)を用いる事で，外部量子効率8％を記録し，蛍光材料の限界と考えられていた外部量子効率5％を超えることに成功した⁵⁾。この発表が契機となり，以降，燐光材料の開発が活発化し，現状では発光効率130ℓm/Wを超える有機ELパネルが発表されている。

3．有機ELパネル試作

3.1 有機ELパネル構造・作製方法の検討

図2に，真空蒸着法にて試作した有機ELパネルの作製フロー概略を示す。有機ELパネルの試作については，購入したITO基板(基板サイズ：70×70mm，ITO成膜エリア：50×70mm)上に，①成膜用の冶具(マスク)を用いて，有機材料(正孔注入層→正孔輸送層→発光層(共蒸着)→電子輸送層)を成膜(成膜エリア：54×54mm，陽極と陰極の通電(短絡)防止も兼ねる)，②大気開放・マスクを変更した後，電子注入層→陰極を成膜(成膜エリア：70×50mm(ITO成膜部分と90°反転した中心部)，③大気開放した後，試作した有機ELパネルを真空グローブボックス内へ移動させ，真空排気後，大気圧まで窒素にて置換したボックス内にて，スクリーン印刷法を用いてUV硬化封止材を塗布した後，UV光照射にて硬化させる，という方法を構築した(発光面積：50×50mm)。成膜前のITO基板洗浄は，当社光デバイス部保有装置を用いてウェット洗浄を実施後，当社製エキシマ洗浄改質装置(EX240-1：4灯)を用いてドライ洗浄を実施した。図3に，ITO基板の接触角測定(接触角計(顕微鏡式)CA-D，協和界面科学(株))の結果を示す。この結果より，UV照射時間が3分を経過すると，接触角は検出限界以下(≒0°)となり，ITO表面が清浄な状態になる事が確認された為，以降，UV照射時間を3分間とした。

3.2 膜厚測定方法の検討

真空蒸着法にて成膜を実施する際，通常は膜厚モニタを使用して，モニタ画面に表示される成膜時の膜厚および成膜レートを制御する事で，各種材料を基板上に任意膜厚にて成膜させる。その際，膜厚モニタに使用される検出器(水晶振動子を使用)は，基板に近い位置に設置する事が望ましいが，①共蒸着時における測定材料以外の材料からの影響を低減させる，②真空チャンバー内部の構造，等により，必ずしも基板と同位置に設置できるとは限らない。今回の試作に使用している真空チャンバーにおいても，膜厚モニタの検出器は，基板設置位置よりも蒸発源(ボート)に近い位置に設置されている。その為，“膜厚モニタの表示膜厚値”と“実際に基板上に成膜された膜厚値”が異なっており，任意膜厚での成膜が不可能であった。

そこで，“膜厚モニタの表示膜厚値”と“実際に基板上に成膜された膜厚値”との相関を取る為に，膜厚測定方法について検討を実施した。表1に，代表的な膜厚測定方法を示す。これらの装置を使用可能な外部機関について検討を行い，東洋大学バイオ・ナノエレクトロニクス研究センターで保有している触針式段差計(微細形状測定機ET200，(株)小坂研究所)およびエリプソメータ(小型高速分光エリプソメータUNECS-2000，(株)アルバック)を採用する事にした。表2に，成膜したい膜厚(目標膜厚)と，実際に基板上に成膜された膜厚を比較した結果を示す。この結果より，実際に基板上に成膜された膜厚は，目標膜厚±2.5％以内である事が確認された。

4．試作結果

4.1 RGB単色発光有機ELパネル試作結果

表3および図4に，試作したRGB単色発光有機ELパネルの特性結果を示す。今回の方法にて試作した有機ELパネルにおいては，発光効率がそれぞれ，赤色(蛍光)：2.0ℓm/W，緑色(蛍光)：14.7ℓm/W，緑色(燐光)：20.0ℓm/W，青色(蛍光)：3.8ℓm/W，である事が確認された。

図4 試作有機ELパネルの発光特性(RGB単色発光)

4.2 白色発光有機ELパネル(蛍光材料)試作結果

表4および図5に，蛍光材料を用いて試作した白色発光有機ELパネルの特性結果を示す。今回の方法にて試作した有機ELパネルにおいては，発光効率：10ℓm/W程度であり，特定層の膜厚を変える事で，他の特性は同等のままで色温度のみを3800Kから8000Kまで変化可能である事が確認された。

図5 試作有機ELパネルの発光特性(白色発光)

5．おわりに

本稿では，ELSと共同で実施した有機ELパネル試作結果について述べた。今回試作した有機ELパネルは，全サンプルが短絡→不点となり，基板(または各層間)に付着した異物がその原因であると推察される。先述べたように，有機ELパネルは，有機層膜厚：数10nm(電極を含めても，全膜厚：200nm程度)と，非常に薄い膜を何層にも積層させて作製する。その為，ナノオーダのパーティクルでさえ，パネル内部に混入すると特性悪化・動作不良の原因となる。今回の試作においてはクリーンブース内にて実施しているが，よりパーティクルを低減した環境・手順での作製が必須である事が確認された。

経済産業省から公表されたロードマップによれば，有機EL照明の発光効率は，2020年に100ℓm/W，2030年に200ℓm/W達成が見込まれている⁶⁾。今後，有機EL市場がどのような展開をみせるか，注視していく必要があると考える。