解 説

有機光デバイス―導波素子から受発光素子まで

フレキシブル有機 EL のためのインクジェット
プリント技術岡田 裕之・中茂 樹

Ink-Jet Printing Technology for Flexible Organic Light Emitting Devices
Hiroyuki OKADA and Shigeki NAKA
Ink-jet printed (IJP) self-aligned (SA) organic light emitting diodes (OLEDs) and ﬂexible
laminated OLEDs have introduced. First, we investigated multicolor SA-OLED using small
molecular electrophosporescent material.Where,a insulating material is dissolved into a solvent,and a mixture of organic materials is formed at the same position as that of the ink-jet-printed
region. Second, a light-emitting seal using self-aligned organic light emitting diode and laminate
process has proposed and demonstrated. A cathode electrode is laminated onto above IJPstructure.Merits of this device are simple fabrication without photolithographic process and any
vacuum process during the device fabrication, and therefore, lower cost. Maximum luminanceobtained was 6,160cd/m and uniform emission of 20×80mm could be obtained.By combing aprinted non-contact electromagnetic electric supply, ultrathin ﬂexible emission poster without
electric supply line will be realized.
Key words: organic light emitting device, ink-jet printing, ﬂexible, laminate

大面積・高精細化可能な有機デバイス印刷法として，イ

わち，紙や布地への印刷とは異なり，基板材料に対し染みンクジェットプリント (IJP) 法が適用されている．現在，こませることがなく，代わりに，極薄膜を高精度の膜厚均有機 EL (OLED)，有機トランジスター (OTFT)，有機一性のもと乾燥・成膜する必要がある．また，パターニン

センシングデバイス，配線や絶縁膜形成など，さまざまなグ形状の観点からは，基本的に円形状のパターン形成法でデバイスが試作されており，各種デバイスを用いたディスあり，配線の直線形成の場合は，重ね塗りなどの工夫が必プレイ，携帯端末，電子ペーパーや RFID タグ応用など，要である．以下，IJP による有機デバイス作製を中心に，量産からプロトタイプ試作まで，幅広い展開と将来的発展

その他の必要条件を列記する．

が期待できる技術といえる．

有機 EL インクと材料に関して記載する．第 1に，基本

本稿では，IJP 印刷技術による各種有機 EL 素子と応用条件として，良好な有機デバイスができる環境と材料選択例を紹介するとともに，今後期待されるプリンタブルエレが必要となる．IJP による有機 EL 素子は，単層構造や塗クトロニクス展開を概説する．

り分け可能な積層構造で実現されており，膜に高いバイポーラ輸送性と効率的な発光部位が必要となる．第 2に，残1. インクジェットプリントに必要とされる条件

留溶媒の除去が必要となる．溶解しやすい材料では，溶インクジェットプリント法は主として紙に対する印刷で媒‑分子間に何らかの結合的作用が生じる．残留する溶媒用いられているが，有機デバイス試作では，有機材料を溶は，膜不安定性を引き起こしデバイス劣化が生じやすい．

液 化 し，そ れ に ふ さ わ し い 100nm 前 後 の 膜 厚 で 塗 布

第 3に，有機材料が分解しない必要がある．第 4に，溶媒し，±10nm 以下の均一性で乾燥させる必要がある．すな揮発性が適切である必要がある．乾燥しやすいと，IJP 成

富山大学大学院理工学研究部電気電子システム工学専攻 (〒930‑8555 富山市五福 3190) E-mail:okada＠eng.u-toyama.ac.jp616 (20 )光学

膜中にノズル詰まりを起こす．また，乾燥によるドロップ

2. 有機 EL デバイスと展開

レットの周辺方向へのフローによる膜厚不均一 (コーヒー有機エレクトロニクス分野の中心となる有機デバイス試ステイン現象) が起こり問題となる．第 5に，インクが作で，IJP 印刷技術適用の報告と試作応用例について説明

IJP にふさわしい粘度であることが挙げられる．5cP 強する．の粘度から大きく外れると，吐出自体が不可能となる．第2.1 IJP による有機 EL 素子試作の背景

6に，バンク等の周辺材料との濡れ性が適度である必要が

IJP 法による OLED については，RGB 高精細パターニある．例えば OLED マトリクス試作では，発光部規定とングの必要性から報告が開始された．特許では，IJP に絶縁性確保のためあらかじめバンク形成を行う．ここで，関するアクティブマトリクス (AM ) 型 OLED の特許 (特バンク上へ有機膜がオーバーラップし，しかし画素内では開平 10-12377) があるが，その後 1998年から論文発表が膜が均一形成されることで，短絡なく良好な発光が得られ相次ぎ，IJP 法によるロゴパターン印刷やハイブリッドる必要がある．

IJP ，インクの直接印刷法と色素拡散法 が報告され次に，有機 EL 素子のプロセスの点では，基板上に堆積た．同年秋には Asia Displayと応用物理学会学術講演会する塵が非発光点，いわゆるダークスポットとなり，デバで，富山大学から IJP 法による RGB 発光の報告が行われイス特性に悪影響を及ぼすのみならず，長期信頼性の低下た ．そして，1999年にバンク構造を用いた AM 型 IJPを招く．有機 EL 素子の発光層の膜厚は 100nm 程度であパネルが国際会議で発表されたり，例えば数 10nm オーダーの微小突起物であっても有試作されている IJP 法による有機 EL 素子の原型といえ機膜のカバレージ，電界集中，そして陰極の割れに伴うダる．その後，poly-Si バックプレーンを用いたアクティブークスポット形成とその水分，酸素分進入に伴う長時間動型マトリクスパネル作時の成長など，大きな問題となる．特に，フレキシブルIJP 技術や材料技術のなか，最大 40インチサイズのパネ化の点では，絶縁性プラスチックフィルムを取り扱う際ル試作が報告され，さらに多くの開発が進み現在に至ってに，摩擦や搬送者の影響による帯電が起こり，塵を引きついる．

けることとなる．これより，フレキシブル基板プロセスで2.2 自己整合 IJP プロセスによるフレキシブル有機 ELは，極微細塵に対するクリーン化と除電化が必要である．

．本 AM 構造が，現在，パッシブ型マトリクスパネル，素子

また，フレキシブル基板使用の観点からは，例えば，高有機 EL 素子をマトリクス方式で試作する際に，上下部屈折率プラスチック基板の使用により，光学損失モードを電極の短絡を防ぐ必要がある．そこでパッシブマトリクス抑制できるという報告がある ．そこでは，フレネル解析方式では，逆テーパーレジストをパターニングすることでとスネルの法則に基づく 2つの解析も紹介され，いずれの有機膜および陰極蒸着時のマスク形成を行っている．まモデルにおいても，基板の屈折率の増加で薄膜モードが減た，アクティブマトリクス方式では，トランジスター部形少し，基板モードが増加すると指摘されている．IJP によ成後に絶縁性のバンク形成をすることで有機 EL 素子部のるレンズアレイ試作も可能であり，フィルム上へサブミクパターニングを行い，その後，例えば IJP 法により発光ロンの突起をナノインプリントリソグラフィーにより形成層を形成し，最後に全面に陰極形成を行うことでパネル作することで，光取出改善も可能である．

製を行っている．特に後者では，バンク形成によるプロセさらには，基板部材の観点からは，耐水分透過度 10 g/m /day/atm 程度，耐酸素透過度 10 cc/m /day/atm 程ス数低減法と，バンクの開口部と IJP 時のインク塗布位置ずれに伴うパネル短絡防止法が望まれていた．

度をもつフィルムが必要となる．現在，各機関から同性能以上の課題解決によるフレキシブル化の試みとして，わをもつフィルム試作の報告が成されており，これにより，れわれは全面に絶縁膜を塗布し，IJP を行うことで絶縁膜高信頼性フィルム有機 EL パネルが続々と登場するものとへの開口部と発光部を同一位置に形成する期待される．

術 による有機 EL 素子やフレキシブル発光の報告を行っ

以上，IJP により導電性 Ag ナノ粒子形成や有機トランてきた

自己整合技．図 1に，作製プロセスの概略を示す．まず，ジスターの半導体層印刷形成も報告されており，IJP によ

ITO 基板上に全面に，後の IJP インク溶媒で可溶な絶縁るフリンジ低減や半導体層の結晶性向上などの改善すべき膜を塗布する．続いて，発光材料を含むインクを作製し，課題はあるものの，IJP 印刷は可能であり，より難易度のインクジェットプリントを行う．このとき，溶媒に絶縁膜高い有機 EL 素子試作まで，各種デバイスが実現可能といが溶けバンク開口部となり，代わりにインク塗布位置に発える．

光部が自動的に形成される．最後に，全面に陰極を形成す

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617 (21 )図 3 ラミネート作成プロセス

した光シール (上) と自己整合 IJP 法とラミネート法を併

図 1 自己整合 IJP 有機 EL 作製プロセス．

用し作製した光シールの発光ドット拡大写真を示す．ITO付基板上に，ホール注入バッファー層 PEDOT，絶縁膜隔ることで有機 EL 素子が完成する．本プロセスの特徴は，

壁 cyclooleﬁn を 成 膜 後，発 光 polyﬂuorene ポ リ マ ー を第 1に，バンク開口部形成の必要がない．第 2に，パネルIJP 法で形成した．その後，PEN フィルム上に MgAg 陰の歩留り向上に役立つ．第 3に，自由な位置塗り分けが可極を形成したフィルム基板と貼り合わせ有機 EL 素子を作能となる．

製した．作製したデバイスの電流密度‑電圧，輝度‑電流密

図 2に，自己整合 IJP を用いて試作したフレキシブル度特性例は，最高輝度 6,160cd/m ，陰極蒸着の最高輝度

有機 EL パネルの発光写真を示す．マルチカラー発光材料

11,100cd/m に迫る特性を得た ．発光ドット直径は 62として，低分子りん光材料 btp Ir(acac) (赤)，Ir(tpy)μm 程度で，現在，20×80mm の比較的大面積にわたり，(緑)，FIrpic (青)を用いた．絶縁膜材料は PMM A，ホー良好な発光を得ている．現在，最高輝度の向上，RGB 発

ル注入バッファー層に導電性ポリマー PEDOT (H. C.

光，トップエミッション化等の課題と併せ，長寿命化へ向Starck)を用いた．デバイス構造は，PEN フィルム/ITO/けた検討を実施中である．

PEDOT/PMMA ← Ink/BCP/LiF/Al である．PEN フィ
ルム表面の塵や ITO 膜表面凹凸によるリーク成分のため，ガラス基板の場合と比較した発光輝度は 1/2以下となったが，十分目視可能な発光が得られた．印加電圧は 6.3V，IJP 印刷技術を用いたフレキシブル有機 EL デバイスについて紹介した．
フレキシブル有機デバイス試作では，現在，アクティブ基板サイズ 100mm 角，有効発光面積 70mm 角，解像度マトリクス有機 EL ディスプレイ ，電子ペーパー等150dpi である．曲げの状態でも発光強度が変わらず，良の表示デバイスを中心とした技術開発が盛んである．フレ

好なパネル試作ができた．

キシブル化の波としては，低価格かつ大量生産を必要とす

1.3 フレキシブル有機 EL 素子のラミネート形成技術

るカード・シール型製品への展開と RFID 化等も押し寄プロセスの低コスト化を目指し，有機発光部パターニンせようとしている．さらには，電車の吊り広告や両面発光グに自己整合 IJP を，また蒸着等の物理気相成長プロセパネルの試作 ，センシング機能の実現を目指した IJP にスなしの図 3に示すラミネートプロセスを用いることよる有機フォトダイオードと太陽電池，集積化を狙っ．フィルム基板たフレキシブルナノ粒子微細配線技術など，フレキシで，簡単な有機 EL 素子を実現したを貼り合わせ，一方のフィルムに電源 BOX を形成する光ブルと IJP の概念からさまざまな応用展開が想定される．

シールや，フィルムシート上に給電コイルを印刷形成し，その先駆けとして，IJP 印刷技術を用いた有機 EL 素子や非接触給電することで，電源アダプターや配線を必要とし有機トランジスターをもつアクティブ型製品が市販されるない「光グラフィックス」などができる ．

ことにより，これまでなかった幅広い応用が広がることを

図 4に，プロセス上で蒸着を伴わずラミネート法で試作618 (22 )期待する次第である．
光学

図 2 フレキシブル IJP 有機 EL パネル (解像度 150ppi，基板サイズ 100mm 角) ．

紹介した当研究機関の内容は，科学技術振興機構重点地域研究開発推進プログラム，文部科学省知的クラスター創成事業の成果に基づく．また，経済産業省地域新生コンソーシアム (ものづくり革新枠)「自己整合技術を用いた有機光高度機能部材の開発」の開発成果であり，地域イノベーション創出研究開発事業「自己整合技術を用いた有機光テープモジュールの開発」で継続開発中である．加えて，

図 3 発光シールと IJP シールパターニング例．

富山大学 松井健太氏，柴田幹氏，ブラザー工業 大森匡彦
氏，倉知直美氏，澤村百恵氏，井上豊和氏，宮林毅氏，元中部科学技術センター 上野誠子氏，東海ゴム工業 高尾裕三氏，日比野真吾氏，土屋一郎氏，別所久美氏，槌屋 大原鉱也氏，池田幸治氏，大濱元嗣氏，星野正人氏，元アイ
テス 鮎川秀氏，宮里涼子氏，筒井長徳氏，三浦伸仁氏，名古屋市工業研究所 村瀬真氏らの共同研究成果であり，日頃お世話になる産業技術総合研究所，富山県工業技術センター，名古屋大学，名古屋工業大学の各位に感謝する．
文献1) A.M ikami,S.Nakajima and A.Okada:“Flexible polymer
electroluminescent device with PVCz light-emitting layeron high-index of refraction plastic substrate,”Proc. 9thInternational Display Workshop (2002) pp. 1139‑1142.
2) R. F. Service:“Patterning electronics on the cheap,”Science, 278 (1997)383‑384.
3) R. F. Service: “Self-assembled LEDs shine brightly,”Science, 279 (1998)1135.
4) J. Bharathan and Y. Yang: “Polymer electroluminescentdevices processed by inkjet printing: I. Polymer lightemitting logo,”Appl. Phys. Lett., 72 (1998)2660‑2662.
5) T. R. Hebner , C. C. Wu, D. M arcy, M. H. Lu and J. C.
Sturm:“Ink-jet printing of doped polymers for organic lightemitting devices,”Appl. Phys. Lett., 72 (1998)519‑521.
6) J.C.Sturm,F.Pschenitzka,T.R.Hebner,Min-Hao Lu,C.
C. Wu and W. Wilson:“Patterning approaches and system
power eﬃciency considerations for organic LED displays,”
Proc. SPIE, 3476 (1998)208‑216.

38巻 12号（2 09）

7) T. R. Hebner and J. C. Sturm: “Local tuning of organic
light-emitting diode color bydye droplet application,”Appl.
Phys. Lett., 73 (1998)1775‑1777.
8) K. Yoshimori, S. Naka, M. Shibata, H. Okada and H.
Onnagawa: “Ink-jet printed organic electroluminescentdevices,”Proc. 18th International Display Research Conference (Asia Display ʼ98) (1998) pp. 213‑216.
9) T. Shimoda, M. Kimura and S. Miyashita:“Current statusand future of light emitting polymer display driven bypoly-Si TFT,”Society for Information Display (SID ) ʼ99
Tech. Dig. (1999) pp. 372‑375.
10) T. Shimoda, S. Kanbe, H. Kobayashi, S. Seki, H. Kiguchi,
I. Yudasaka,.M.Kimura,S.Miyashita,R.H.Friend,J.H.
Burroughes and C. R. Towns:“Multicolor pixel patterningof light-emitting polymers by ink-jet printing,”SID ʼ99
Tech. Dig. (1999) pp. 376‑379.
11) J.C.Sturm,F.Pschenitzka,T.R.Hebner,M.-H.Lu and S.
Troian:“Printing approaches for large-area color organic
LED displays,”Proc. SPIE, 3797 (1999)266‑274.
12) H. Kobayashi, S. Kanbe, S. Seki, H. Kigchi, M. Kimura, I.
Yudasaka, S. M iyashita, T. Shimoda, C. R. Towns, J. H.
Burroughes and R. H. Friend: “A novel RGB multicolor
light-emitting polymer display,”Synth.Met.,111-112 (2000)
125‑128.
13) R.Satoh,S.Naka,M.Shibata,H.Okada,H.Onnagawa,T.
Miyabayashi and T. Inoue: “Top-emission organic lightemitting diodes with ink-jet printed self-aligned emissionzones,”Jpn. J. Appl. Phys., 45 (2006)1829‑1831.
14) K. Matsui et al.:“Multi-color organic light emitting panels
using self-aligned ink-jet printing technology,”Korea-Japan06), P44 (2006)
Joint Forum (KJF ʼ619 (23 )15) 松井健太，柳 順也，柴田 幹，中 茂樹，岡田裕之，宮林毅，井上豊和： 自己整合インクジェットプリント法を用いたマルチカラー発光パネル ，第 54回応用物理学関係連合講演会，29p-P7-33(2007).
16) 大森匡彦，上野誠子，倉知直美，澤村百恵，井上豊和ほか：
自己整合有機 EL 構造を用いた光シール (1)―基本条件― ，第 54回応用物理学関係連合講演会，29p-P7-36(2007).
17) H. Okada et al.:“Ink-jet printed self-aligned organic lightemitting diodes and its application to highly functionalproducts,”Proc. Intʼl Display Workshop ʼ07 , 125(2007).
18) M. Miyagawa, R. Koike, M. Takahashi, H. Bessho, S.
Hibino,I.Tsuchiya,M.Harano,M.Endo and Y.Taniguchi:“Low work function MgAg-coated poly (ethylene terephthalate) ﬁlms for organic light-emitting device fabrication
with lamination process,”Jpn. J. Appl. Phys., 46 (2007)
7483‑7486.
19) M.Omori,S.Ueno,N.Kurachi,M.Sawamura,M.Hattori,et al.:“Light-emitting seal using self-aligned organic lightemitting structure,”Jpn. J. Appl. Phys., 47 (2008)472‑475.
20) 大原鉱也，池田幸治，大濱元嗣，星野正人，大森匡彦ほか：
自己整合有機 EL 構造を用いた光シール (2)―光グラフィク
スの周辺と駆動条件― ，第 54回応用物理学関係連合講演会，29p-P7-37(2007).
21) I. Yagi, N. Hirai, Y. Miyamoto, M. Noda, A. Imaoka, N.
Yoneya,K.Nomoto,J.Kasahara,A.Yumoto and T.Urabe:“A ﬂexible full-color AMOLED display driven by OTFTs”,

620 (24 )J. Soc. Inf. Display, 16 (2008)15‑20.
22) H. Maeda et al.: “Active-matrix backplane with printedorganic TFTs for QR-LPD,”SID 2007 Intʼl Symp. Dig.
Tech. Pap., 38 (2007) p. 1749.
23) T. Okubo et al.:“10.5-in. VGA all-printed ﬂexible organic
TFT backplane for electrophoretic displays,”Proc. IntʼlDisplay Workshop (2007) p. 463.
24) T.Miyashita,S.Naka,H.Okada and H.Onnagawa:“Dualdrive and emission panel,”Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005)
3682‑3685.
25) J.Yanagi,H.Shimada,S.Naka,H.Okada,H.Onnagawa,T. Miyabayashi and T. Inoue:“Self-aligned multifunction
diodes using ink-jet printing method,” M ol. Cryst. Liq.
Cryst., 471 (2007)253‑260.
26) 大森匡彦，倉知直美，澤村百恵，井上豊和，宮林 毅ほか：
自己整合技術を用いたバルクヘテロ型有機フォトダイオー
ド の 開 発 ，第 56回 応 用 物 理 学 関 係 連 合 講 演 会，31a-W-8(2009).
27) 菅沼監修：金属ナノ粒子ペーストのインクジェット微細配線(シーエムシー出版，東京，2006).
28) 大森匡彦，上野誠子，倉知直美，服部昌章，澤村百恵ほか：
インクジェット法を用いたナノ粒子配線技術 ，第 68回応用物理学会学術講演会，6p-M-14(2007).

（2 09年 6月 12日受理）

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