JP2004281080A - 有機ｅｌ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】バックライトとして使用しうる高い白色度が得られる有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【選択図】 図２
【解決手段】透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）に関し、特に白色度の高い有機ＥＬ素子であって、多色表示可能な平面型の表示装置に好適な有機ＥＬ素子に関係する。
さらに、光源としても利用可能な固体発光素子としても有効な有機ＥＬ素子にする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットに代表される情報技術の進歩に伴って、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯端末、あるいは携帯電話等の情報機器が急速に普及してきている。これらの情報機器からの膨大な情報を瞬時に処理し、表示することのできる高品質、高性能な平面型の表示装置が求められている。
【０００３】
平面型の表示装置の代表的なものとしては液晶表示装置がある。液晶表示装置は、低電圧駆動、低消費電圧であるという特徴を生かして、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話用の表示装置を初めとして、多くの電子製品に使用されている。ところが、液晶素子そのものは低消費電力であるにも関わらず、自発光型ではないので明るく高品質のカラー表示を行うためにはバックライトを必要とし、このバックライトの駆動に大きな電力を必要とする。また、応答速度が遅いために、満足できる品質の動画表示が難しかった。さらに、視野角が狭いという欠点もあった。
【０００４】
これに対し、自己発光型の表示素子としては、例えばプラズマ表示素子、有機ＥＬ素子が知られている。プラズマ表示素子は、低圧ガス中でのプラズマ発光を利用するもので、大型の表示装置には適しているが、薄型化、小型化には不向きであり、コスト面での課題が残っている。また、プラズマ発光のためには数１００Ｖの高電圧交流駆動が必要とされ、低消費電力化には適していない。
【０００５】
一方、有機ＥＬ素子は低電圧の直流駆動が可能であり、広視野角、高視認性、高速応答性という表示素子として優れた性能を有する自発光型の表示素子として期待されている。Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ社のＴａｎｇらによって提案された積層型の素子構成で、低電圧直流駆動、高発光効率、高輝度発光が報告されて以来、実用化に向けて活発な研究がなされている（特公昭６４−７６３５号公報、特公平６−３２３０７号公報、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５１，９１３（１９８７））。有機ＥＬ素子の基本的な技術課題として、低電圧駆動、高発光効率化、高輝度化、多色発光がある。また多色発光、バックライトとして使用には白色度の向上が技術課題となっている。
【０００６】
有機ＥＬ素子の発光機構は次のように理解されている。すなわち、素子に電界を印加すると陰極からは電子、陽極からは正孔がそれぞれキャリアとして注入され、この両キャリアは発光層で再結合して励起子を発生し、失活するときに電気エネルギーを光エネルギーに変換して発光する。陽極には、正孔注入能力を高くするために一般に仕事関数の大きな材料がよいとされ、さらに発光を外部に取り出すための透明性が要求されるので、陽極材料としてＩＴＯ（インジウムすず酸化物）のような透明電極が最も多く用いられる。陰極には、仕事関数の小さな金属やその合金が用いられる。アルカリ金属、アルカリ土類金属および第３族金属があるが、安価で比較的に化学的安定性のよい材料であるＡｌやＭｇおよびその合金が最もよく用いられている。
【０００７】
また、発光効率の向上のためには、陰極からの電子と陽極からの正孔の両キャリアを効率よく発光層に注入、輸送し、かつ注入された両キャリアのできるだけ多くを再結合させることが重要であるとされている。そのため、積層型の素子においては、キャリアの注入、輸送および発光という異なった機能を違う材料で分担させることによって、それぞれの材料を最適化して高い発光効率を実現できる可能性があることがわかり、活発に研究がなされるようになった。また、積層型の素子では、キャリアの再結合位置を電極から離れた位置に集約させるので、生成された励起子が電極の界面部分に移動して消失することを防いでいる。このような励起子の消失の影響は、電極から発光位置までの距離が約３０ｎｍ以下になると問題になるといわれている。
【０００８】
これまでに提案されている有機ＥＬ素子の構造には、有機多層膜の数によって主に２層型と３層型、およびこれらを基本とした改良型がある。２層型の素子は、発光層が電子輸送性または正孔輸送性を併せ持つものであって、正孔輸送層／電子輸送性発光層からなるものと正孔輸送性発光層／電子輸送層からなるものの２種類がある。
【０００９】
正孔輸送層／電子輸送性発光層からなる２層型の素子は、陽極と電子輸送性をもった発光層との間に電子輸送性のほとんどない正孔輸送層を設けることで、効率よく正孔を注入、輸送すると共に陰極から注入された電子を正孔輸送層と発光層の界面でブロックして、電子と正孔との結合効率を向上させることを狙ったものである。この場合、電子と正孔の再結合は正孔輸送層／電子輸送性発光層の界面付近の発光層でのみ発生し、その位置で最大の発光強度を示す。一方正孔輸送性発光層／電子輸送層からなる２層型の素子は、陰極と正孔輸送性をもった発光層との間に正孔をブロックするための電子輸送層を設けることで、電子と正孔との結合効率を向上させることを狙ったものである。この場合、電子と正孔の再結合は正孔輸送性発光層／電子輸送層の界面付近の発光層でのみ発生し、その位置で最大の発光強度を示す。
【００１０】
３層型の素子は、発光層とキャリアの輸送層を分離した正孔輸送層／発光層／電子輸送層からなるものである。あるいは、陽極からの正孔注入障壁を低くするために、正孔輸送層と陽極との間に陽極とのイオン化ポテンシャルの差が小さい正孔注入層をもう１層設けることもある。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７，５３１（１９９０）には、３層型の素子において発光層の膜厚を５ｎｍまで薄くしても発光効率は低下しないことが示されている。これは、発光が５ｎｍの厚さの発光層中で起こっていることを示している。
【００１１】
このように多層型の有機ＥＬ素子の発光は、２層型か３層型かによらず基本的に電子と正孔が再結合する界面のごく近傍でのみ起こる。
【００１２】
液晶表示装置やカラーフィルターを用いた多色表示装置のバックライトとしては白色度の高い発色が必要である。特開平７−２２０８７１号公報では複数色を重ね合わせて白色光を作っている。しかしすでに知られている有機ＥＬの発光素子では発光が電子と正孔の再結合する界面のごく近傍でのみ起こる事から特定の波長の光のみが強め合い白色度に問題があった。
また、例えば特開平１０−１７２７６７号公報（特許文献１）や特開平８−１８５９８３号公報（特許文献２）では有機ＥＬ構成層に凸凹を付けたものが提案されている。しかしこれらは静電容量を上げたり、発光効率を上げることを目的としてなされたものであり、白色度の高い発色は得られていない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−１７２７６７号公報
【特許文献２】
特開平８−１８５９８３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、白色度の高い有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下記（１）〜（１０）の有機ＥＬ素子が提供される。
（１）透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（２）透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の正孔輸送層が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（３）多色の色素を含むことを特徴とする前記（１）に記載の有機ＥＬ素子。
（４）多色の色素を含むことを特徴とする前記（２）に記載の有機ＥＬ素子。
（５）多色の色素が一画素中にランダムに分散されていることを特徴とする前記（３）に記載の有機ＥＬ素子。
（６）多色の色素が一画素中にランダムに分散されていることを特徴とする前記（４）に記載の有機ＥＬ素子。
（７）印加電圧がパルス波で印加されることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（８）陰極が、反射率が５０％以上の金属膜であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（９）透明支持体がアクリルガラスであることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（１０）透明支持体が透明樹脂フイルムであることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
【００１６】
上記のように有機ＥＬ素子をバックライトとして使用するためには高い白色度が求められる。しかしながら現実には高い白色度は実現されていない。その原因としてあげられるのは光の干渉により特定波長の光だけが強められて出てくる事にある。図１に一般的な３層型の有機ＥＬ素子を示す。陰極から電子輸送層を通って電子が運ばれ、陽極から正孔輸送層を通ってホールが運ばれ発光層で電子とホールが衝突して発光が行われると考えられている。さらに光取り出し効率を上げるため陰極を鏡面反射膜にして取り出し効率をあげる工夫がなされている。しかしこの場合発光層から直接出てくる光と鏡面反射膜で反射されて出てくる光との干渉により膜厚に応じて特定の波長だけが強め合い白色度を落としている。
すなわち発光点から反射層までの距離をｄとした場合
（ｎ＋１／２）λ＝２ｄ （式１）
（ここでｎは０から正整数）
が成り立つ波長λの光だけが干渉により強められ白色度を落とす原因となっている。
【００１７】
本発明の有機ＥＬ素子は、陽極または正孔輸送層に凸凹をランダムに形成し、該凸凹の高さを様々に変える事によりダイレクト光と反射膜によって反射された反射光の干渉により、特定の波長のみ強められるのではなく、さまざまな波長の光を干渉させることにより白色度を上げる点で新規な有機ＥＬ素子がある。
【００１８】
請求項１の解決方法（図２）
この問題の根本的な原因を正孔輸送層／発光層／電子輸送層の３層型素子で説明すると、正孔輸送層と発光層の発光層側の界面のごく近傍（およそ１００Å）で発光が起こっているため、ほとんどの発光が前記式１を満たす条件が同じであるため特定の波長のみが特に強調されてしまい強調された波長の色が特によく現れてしまうことにある。
そこで発光点から反射層までのの距離を変えるため、まず陽極をできるだけ凸凹にしておきその上にスパッタ、または蒸着によって正孔輸送層をつけると正孔輸送層も凸凹になる。その上に発光層（電子輸送層）をスピンキャストで塗ると発光層を平らにつけることができ、その上に順次、電子輸送層、陰極を蒸着やスピンキャストにて塗れば、正孔輸送層／発光層の界面から陰極までの距離を変えた素子をつくることが可能である。
陽極は通常ＩＴＯを用いる場合が多い。通常真空蒸着やスパッタにて形成するがこれらを行う場合に数種類のマスクを時々変えて用いて、場所によって蒸着やスパッタ時にマスクされる回数を変えることにより膜厚を変えること、即ち陽極に凸凹を形成することができる。詳しくは実施例１を参照。
【００１９】
請求項２の解決方法（図３）
陽極としてよく用いられるＩＴＯは市販品として購入可能である。この場合はＩＴＯの膜厚を変えるのは容易ではない。そこでＩＴＯ電極の上に膜厚の異なる正孔輸送層を形成し発光点から陰極までの距離を変える方法である。
この場合ＩＴＯ層上に正孔輸送層をスパッタにて形成するが、請求項１の場合同様数種類のマスクを用いて場所によってトータルのスパッタにより膜形成される時間を変えることにより形成される正孔輸送層を凸凹にすることができる。またこの上に発光層をスピンキャストにて形成し、蒸着、スンキャスト、スパッタなどによって電子輸送層、陰極を形成する。この場合は正孔輸送層と発光層の界面が凸凹なため発光点から陰極までの距離がさまざまな値になり、特定波長が干渉されることを防ぐことが可能となる。
【００２０】
請求項３、４の解決方法
白色を作るためには発光材料を１種類で作ることは現時点では不可能なため、Ｙ、Ｍ、Ｃの３色を同時に発光させることにより白色を作ることが可能となる。
【００２１】
請求項５、６の解決方法
白色を作るためにはＹ、Ｍ、Ｃの３色を発光させる必要があるが、空間的にできるだけ分散されている方が３色の均一に混じるためきれいな白色を形成できる。
【００２２】
請求項７の解決方法
さらに印可電圧もパルス波を用いると効果が高いことが見い出された。
これは電圧を掛けすぎるとホール、電子の密度が高くなりすぎるためであり、パルス電圧を印加することにより、効果が向上する。
【００２３】
請求項８の解決方法
従来は、反射光によって干渉がおこり白色度を落とす原因になっていたが、請求項１〜７に記載の有機ＥＬ素子は特定波長のみの干渉を防ぎ白色度を維持できる。そこで反射率を上げて反射光を強めても白色度を落とすことがなくなり、光取り出し効率を上げるためには陰極は反射率をできるだけ上げていくほうがよい。反射率は５０％以上が好ましい。
【００２４】
請求項９、１０の解決方法
透明支持体は透明であればいいだけではなく視認性の問題から屈折率が１に近いことが望ましい。
アクリルガラス、透明樹脂フイルムは屈折率が１に近く、透明支持体として好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の有機ＥＬ素子において用いられる発光層、正孔輸送層、および電子輸送層を形成する材料は、従来技術で開示されているものを全て用いることができる。
例えば、正孔輸送材料としては、トリフェニルジアミン誘導体（ＴＰＤ）、トリフェニルアミン誘導体（ＮＳＤ）、α―ナフチルフェニジルアミン（α−ＮＰＤ）、フタロシアニン類（ＣｕＰｃ、Ｈ２Ｐｃ）、スターバーストポリアミン類（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）などが用いられる。
【００２６】
本発明で用いられる正孔輸送材料の具体例を下記表１に示す。
【表１】
【００２７】
また電子輸送材料としては、アルミキノリノール錯体（Ａｌｑ３）、メチルアルミキノリノール錯体（４−Ｍｅｔｈｙｌ−８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ：Ａｌｍｑ３）、ベリリウムーキノリン錯体（Ｂｅｑ２）などがあり、これらの材料は同時に発光性材料としても使用される。オキサジアゾール誘導体（ＰＢＤ）は、優れた電子輸送材料としてよく知られている。ＰＢＤのような電子輸送性の良好な材料を電子輸送層として用いれば、発光層とキャリア輸送層を分離した３層構造、あるいは特開平４−１３７４８５号公報に開示されているような正孔輸送性発光層を有する２層構造の素子が実現可能である。
【００２８】
本発明で用いられる電子輸送材料の具体例を下記表２に示す。
【表２】
【００２９】
さらに、必要に応じてドーピング材料を用いる事ができる。ドーピング材料としては、クマリン誘導体、キナクリドン、ルブレンなどがあげられる。ドーピングの方法としては、例えば加熱ボートを２つ用いた共蒸着によって、Ａｌｑ３などの発光材料をホスト材料とし、正孔輸送層との界面近く（約３０ｎｍ以内）に蛍光材料を数ｍｏｌ％〜数１０ｍｏｌ％程度ドープピングすることができる。
【００３０】
次に、陰極は、金属材料を抵抗加熱、電子ビーム等による蒸着法や、あるいは合金ターゲットを用いたスパッタリング法等を用いて１０〜３００ｎｍ程度の膜厚で形成される。十分な反射率と低抵抗の膜を得るには、好ましくは１００ｎｍ以上の膜厚にすることが望ましい。陰極に用いられる金属材料としては、仕事関数が小さい金属、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ等の金属元素単体あるいはこれらの合金が用いられる。さらに陰極上に電極保護膜としてＬｉＦ等を陰極の場合と同様の方法で形成してもよい。
【００３１】
陽極には、ＩＴＯ等が用いられる。
【００３２】
また発光層を形成する発光材料としては、アルミキリノール錯体（Ａｌｑ３）、メチルアルミキリノール錯体（Ａｌｍｑ３）等が用いられる。
【００３３】
本発明で用いられる発光材料の具体例を下記表３に示す。
【表３】
【００３４】
【実施例】
以下、いくつかの実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例における材料、素子構成だけに限定されるものではない。
【００３５】
実施例１
アクリルガラス基板にＩＴＯを真空蒸着にて形成する。この時１μｍ間隔で１μｍの卍型メタルマスク、他に△型、▽型、◇型、□型、◎型、☆型メタルマスクをそれぞれ用意し順に１０ｎｍずつの厚さで交互に３回蒸着をし最大膜厚２１０ｎｍの陽極を形成した。その上で一般的なレジストを用いたフォトリソグラフィー法によって２ｍｍ幅の電極パターンを形成した。次に、この基板を界面活性剤を用いて洗浄し、十分に純水で洗剤を洗い流した後にイソプロピルアルコールの蒸気中で乾燥させ、さらに酸素プラズマ処理によって十分に表面洗浄の汚れを取り除いた。
この上に正孔輸送材料としてα―ＮＰＤを抵抗加熱によって真空蒸着して、膜厚が７０ｎｍの正孔輸送層を形成した。
蒸着条件は、真空度が２．７×１０−４Ｐａ、蒸着レートが１ｎｍ／秒であった。この上にスピンキャストにて、Ａｌｑ３、Ａｌｍｑ３、Ｂｅｑ２を７５ｎｍの発光層、ＰＢＤを１００ｎｍの電子輸送層を形成した。
次にＩＴＯ電極パターンと０．５ｍｍ幅で直交するような穴のあけられたメタルマスクを基板に密着させて真空蒸着装置内にセットした状態で、アルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着して膜厚１６０ｎｍの金属膜を形成し陰極とした。
つづいてＡｌ電極上に膜厚が３００ｎｍのＬｉＦを蒸着して保護膜を形成した。
さらに、不活性ガス（Ａｒ）雰囲気中で、この素子の上に１ｍｍ厚のパイレックスガラスを重ね、紫外線硬化型の接着剤を用いてガラス周辺を封止して、有機ＥＬ素子を得た。
【００３６】
実施例２
山容真空社製の板厚が１．１ｍｍのＩＴＯ付ガラス基板を用意し、一般的なレジストを用いたフォトリソグラフィー法によって２ｍｍ幅の電極パターンを形成した。次に、実施例１同様の表面洗浄をおこなったうえで、基板を真空蒸着装置内にセットし、正孔輸送材料としてα―ＮＰＤを抵抗加熱によって真空蒸着して、最大膜厚が７０ｎｍの正孔輸送層を形成した。この時にも実施例１で用いた７種類のメタルマスクをもちいて凸凹な表面を形成した。以降実施例１同様に発光層、電子輸送層、保護層を形成した後封止して有機ＥＬ素子を得た。
【００３７】
実施例３
実施例１において表３に示したＥＭ−１からＥＭ−５までの５種類に発光材料を用いた以外実施例１と同様にして作成し有機ＥＬ素子を得た。
【００３８】
実施例４
実施例２において表３に示したＥＭ−１からＥＭ−５までの５種類に発光材料を用いた以外実施例２と同様にして作成し有機ＥＬ素子を得た。
【００３９】
実施例５
実施例２において表３に示したＥＭ−１からＥＭ−６までの６種類に発光材料を用いた以外実施例２と同様にして作成し有機ＥＬ素子を得た。
【００４０】
比較例１
実施例１において実施例２で使用したＩＴＯつきガラス基板をフォトリソにて２ｍｍ幅の電極パターンを形成した以外実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を得た。
【００４１】
実施例１〜５と比較例１の方法で作製した有機ＥＬ素子を発光させその白色度を、５が非常に優れている、４が優れている、３が良い、２が劣る、１が非常に劣る、の５段階で評価した。結果を下記表４に示す。
【００４２】
【表４】
【００４３】
【発明の効果】
（１）請求項１に対する作用効果
透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なる厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離を一定としないことによりバックライトとして使用できる白色度を実現できる。
【００４４】
（２）請求項２に対する作用効果
透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の正孔輸送層が複数の異なる厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離を一定としないことによりバックライトとして使用できる白色度を実現できる。
（３）請求項３から１０
上記請求項１又は２に対する作用効果において、さらなる白色度向上が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な３層型の有機ＥＬ素子の層構成を示す概略断面図。
【図２】陽極の厚さを１画素で一定としない有機ＥＬ素子の層構成を示す概略断面図。
【図３】正孔輸送層の厚さを１画素で一定としない有機ＥＬ素子の層構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
１ ガラス基板
２ 陽極（透明電極）
３ 正孔輸送層
４ 発光層
５ 電子輸送層
６ 陰極（金属電極）
７ 金属電極における反射層
８ 発光位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）に関し、特に白色度の高い有機ＥＬ素子であって、多色表示可能な平面型の表示装置に好適な有機ＥＬ素子に関係する。
さらに、光源としても利用可能な固体発光素子としても有効な有機ＥＬ素子にする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットに代表される情報技術の進歩に伴って、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯端末、あるいは携帯電話等の情報機器が急速に普及してきている。これらの情報機器からの膨大な情報を瞬時に処理し、表示することのできる高品質、高性能な平面型の表示装置が求められている。
【０００３】
平面型の表示装置の代表的なものとしては液晶表示装置がある。液晶表示装置は、低電圧駆動、低消費電圧であるという特徴を生かして、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話用の表示装置を初めとして、多くの電子製品に使用されている。ところが、液晶素子そのものは低消費電力であるにも関わらず、自発光型ではないので明るく高品質のカラー表示を行うためにはバックライトを必要とし、このバックライトの駆動に大きな電力を必要とする。また、応答速度が遅いために、満足できる品質の動画表示が難しかった。さらに、視野角が狭いという欠点もあった。
【０００４】
これに対し、自己発光型の表示素子としては、例えばプラズマ表示素子、有機ＥＬ素子が知られている。プラズマ表示素子は、低圧ガス中でのプラズマ発光を利用するもので、大型の表示装置には適しているが、薄型化、小型化には不向きであり、コスト面での課題が残っている。また、プラズマ発光のためには数１００Ｖの高電圧交流駆動が必要とされ、低消費電力化には適していない。
【０００５】
一方、有機ＥＬ素子は低電圧の直流駆動が可能であり、広視野角、高視認性、高速応答性という表示素子として優れた性能を有する自発光型の表示素子として期待されている。Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ社のＴａｎｇらによって提案された積層型の素子構成で、低電圧直流駆動、高発光効率、高輝度発光が報告されて以来、実用化に向けて活発な研究がなされている（特公昭６４−７６３５号公報、特公平６−３２３０７号公報、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５１，９１３（１９８７））。有機ＥＬ素子の基本的な技術課題として、低電圧駆動、高発光効率化、高輝度化、多色発光がある。また多色発光、バックライトとして使用には白色度の向上が技術課題となっている。
【０００６】
有機ＥＬ素子の発光機構は次のように理解されている。すなわち、素子に電界を印加すると陰極からは電子、陽極からは正孔がそれぞれキャリアとして注入され、この両キャリアは発光層で再結合して励起子を発生し、失活するときに電気エネルギーを光エネルギーに変換して発光する。陽極には、正孔注入能力を高くするために一般に仕事関数の大きな材料がよいとされ、さらに発光を外部に取り出すための透明性が要求されるので、陽極材料としてＩＴＯ（インジウムすず酸化物）のような透明電極が最も多く用いられる。陰極には、仕事関数の小さな金属やその合金が用いられる。アルカリ金属、アルカリ土類金属および第３族金属があるが、安価で比較的に化学的安定性のよい材料であるＡｌやＭｇおよびその合金が最もよく用いられている。
【０００７】
また、発光効率の向上のためには、陰極からの電子と陽極からの正孔の両キャリアを効率よく発光層に注入、輸送し、かつ注入された両キャリアのできるだけ多くを再結合させることが重要であるとされている。そのため、積層型の素子においては、キャリアの注入、輸送および発光という異なった機能を違う材料で分担させることによって、それぞれの材料を最適化して高い発光効率を実現できる可能性があることがわかり、活発に研究がなされるようになった。また、積層型の素子では、キャリアの再結合位置を電極から離れた位置に集約させるので、生成された励起子が電極の界面部分に移動して消失することを防いでいる。このような励起子の消失の影響は、電極から発光位置までの距離が約３０ｎｍ以下になると問題になるといわれている。
【０００８】
これまでに提案されている有機ＥＬ素子の構造には、有機多層膜の数によって主に２層型と３層型、およびこれらを基本とした改良型がある。２層型の素子は、発光層が電子輸送性または正孔輸送性を併せ持つものであって、正孔輸送層／電子輸送性発光層からなるものと正孔輸送性発光層／電子輸送層からなるものの２種類がある。
【０００９】
正孔輸送層／電子輸送性発光層からなる２層型の素子は、陽極と電子輸送性をもった発光層との間に電子輸送性のほとんどない正孔輸送層を設けることで、効率よく正孔を注入、輸送すると共に陰極から注入された電子を正孔輸送層と発光層の界面でブロックして、電子と正孔との結合効率を向上させることを狙ったものである。この場合、電子と正孔の再結合は正孔輸送層／電子輸送性発光層の界面付近の発光層でのみ発生し、その位置で最大の発光強度を示す。一方正孔輸送性発光層／電子輸送層からなる２層型の素子は、陰極と正孔輸送性をもった発光層との間に正孔をブロックするための電子輸送層を設けることで、電子と正孔との結合効率を向上させることを狙ったものである。この場合、電子と正孔の再結合は正孔輸送性発光層／電子輸送層の界面付近の発光層でのみ発生し、その位置で最大の発光強度を示す。
【００１０】
３層型の素子は、発光層とキャリアの輸送層を分離した正孔輸送層／発光層／電子輸送層からなるものである。あるいは、陽極からの正孔注入障壁を低くするために、正孔輸送層と陽極との間に陽極とのイオン化ポテンシャルの差が小さい正孔注入層をもう１層設けることもある。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７，５３１（１９９０）には、３層型の素子において発光層の膜厚を５ｎｍまで薄くしても発光効率は低下しないことが示されている。これは、発光が５ｎｍの厚さの発光層中で起こっていることを示している。
【００１１】
このように多層型の有機ＥＬ素子の発光は、２層型か３層型かによらず基本的に電子と正孔が再結合する界面のごく近傍でのみ起こる。
【００１２】
液晶表示装置やカラーフィルターを用いた多色表示装置のバックライトとしては白色度の高い発色が必要である。特開平７−２２０８７１号公報では複数色を重ね合わせて白色光を作っている。しかしすでに知られている有機ＥＬの発光素子では発光が電子と正孔の再結合する界面のごく近傍でのみ起こる事から特定の波長の光のみが強め合い白色度に問題があった。
また、例えば特開平１０−１７２７６７号公報（特許文献１）や特開平８−１８５９８３号公報（特許文献２）では有機ＥＬ構成層に凸凹を付けたものが提案されている。しかしこれらは静電容量を上げたり、発光効率を上げることを目的としてなされたものであり、白色度の高い発色は得られていない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−１７２７６７号公報
【特許文献２】
特開平８−１８５９８３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、白色度の高い有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下記（１）〜（１０）の有機ＥＬ素子が提供される。
（１）透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（２）透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の正孔輸送層が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（３）多色の色素を含むことを特徴とする前記（１）に記載の有機ＥＬ素子。
（４）多色の色素を含むことを特徴とする前記（２）に記載の有機ＥＬ素子。
（５）多色の色素が一画素中にランダムに分散されていることを特徴とする前記（３）に記載の有機ＥＬ素子。
（６）多色の色素が一画素中にランダムに分散されていることを特徴とする前記（４）に記載の有機ＥＬ素子。
（７）印加電圧がパルス波で印加されることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（８）陰極が、反射率が５０％以上の金属膜であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（９）透明支持体がアクリルガラスであることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
（１０）透明支持体が透明樹脂フイルムであることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
【００１６】
上記のように有機ＥＬ素子をバックライトとして使用するためには高い白色度が求められる。しかしながら現実には高い白色度は実現されていない。その原因としてあげられるのは光の干渉により特定波長の光だけが強められて出てくる事にある。図１に一般的な３層型の有機ＥＬ素子を示す。陰極から電子輸送層を通って電子が運ばれ、陽極から正孔輸送層を通ってホールが運ばれ発光層で電子とホールが衝突して発光が行われると考えられている。さらに光取り出し効率を上げるため陰極を鏡面反射膜にして取り出し効率をあげる工夫がなされている。しかしこの場合発光層から直接出てくる光と鏡面反射膜で反射されて出てくる光との干渉により膜厚に応じて特定の波長だけが強め合い白色度を落としている。
すなわち発光点から反射層までの距離をｄとした場合
（ｎ＋１／２）λ＝２ｄ （式１）
（ここでｎは０から正整数）
が成り立つ波長λの光だけが干渉により強められ白色度を落とす原因となっている。
【００１７】
本発明の有機ＥＬ素子は、陽極または正孔輸送層に凸凹をランダムに形成し、該凸凹の高さを様々に変える事によりダイレクト光と反射膜によって反射された反射光の干渉により、特定の波長のみ強められるのではなく、さまざまな波長の光を干渉させることにより白色度を上げる点で新規な有機ＥＬ素子がある。
【００１８】
請求項１の解決方法（図２）
この問題の根本的な原因を正孔輸送層／発光層／電子輸送層の３層型素子で説明すると、正孔輸送層と発光層の発光層側の界面のごく近傍（およそ１００Å）で発光が起こっているため、ほとんどの発光が前記式１を満たす条件が同じであるため特定の波長のみが特に強調されてしまい強調された波長の色が特によく現れてしまうことにある。
そこで発光点から反射層までのの距離を変えるため、まず陽極をできるだけ凸凹にしておきその上にスパッタ、または蒸着によって正孔輸送層をつけると正孔輸送層も凸凹になる。その上に発光層（電子輸送層）をスピンキャストで塗ると発光層を平らにつけることができ、その上に順次、電子輸送層、陰極を蒸着やスピンキャストにて塗れば、正孔輸送層／発光層の界面から陰極までの距離を変えた素子をつくることが可能である。
陽極は通常ＩＴＯを用いる場合が多い。通常真空蒸着やスパッタにて形成するがこれらを行う場合に数種類のマスクを時々変えて用いて、場所によって蒸着やスパッタ時にマスクされる回数を変えることにより膜厚を変えること、即ち陽極に凸凹を形成することができる。詳しくは実施例１を参照。
【００１９】
請求項２の解決方法（図３）
陽極としてよく用いられるＩＴＯは市販品として購入可能である。この場合はＩＴＯの膜厚を変えるのは容易ではない。そこでＩＴＯ電極の上に膜厚の異なる正孔輸送層を形成し発光点から陰極までの距離を変える方法である。
この場合ＩＴＯ層上に正孔輸送層をスパッタにて形成するが、請求項１の場合同様数種類のマスクを用いて場所によってトータルのスパッタにより膜形成される時間を変えることにより形成される正孔輸送層を凸凹にすることができる。またこの上に発光層をスピンキャストにて形成し、蒸着、スンキャスト、スパッタなどによって電子輸送層、陰極を形成する。この場合は正孔輸送層と発光層の界面が凸凹なため発光点から陰極までの距離がさまざまな値になり、特定波長が干渉されることを防ぐことが可能となる。
【００２０】
請求項３、４の解決方法
白色を作るためには発光材料を１種類で作ることは現時点では不可能なため、Ｙ、Ｍ、Ｃの３色を同時に発光させることにより白色を作ることが可能となる。
【００２１】
請求項５、６の解決方法
白色を作るためにはＹ、Ｍ、Ｃの３色を発光させる必要があるが、空間的にできるだけ分散されている方が３色の均一に混じるためきれいな白色を形成できる。
【００２２】
請求項７の解決方法
さらに印可電圧もパルス波を用いると効果が高いことが見い出された。
これは電圧を掛けすぎるとホール、電子の密度が高くなりすぎるためであり、パルス電圧を印加することにより、効果が向上する。
【００２３】
請求項８の解決方法
従来は、反射光によって干渉がおこり白色度を落とす原因になっていたが、請求項１〜７に記載の有機ＥＬ素子は特定波長のみの干渉を防ぎ白色度を維持できる。そこで反射率を上げて反射光を強めても白色度を落とすことがなくなり、光取り出し効率を上げるためには陰極は反射率をできるだけ上げていくほうがよい。反射率は５０％以上が好ましい。
【００２４】
請求項９、１０の解決方法
透明支持体は透明であればいいだけではなく視認性の問題から屈折率が１に近いことが望ましい。
アクリルガラス、透明樹脂フイルムは屈折率が１に近く、透明支持体として好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の有機ＥＬ素子において用いられる発光層、正孔輸送層、および電子輸送層を形成する材料は、従来技術で開示されているものを全て用いることができる。
例えば、正孔輸送材料としては、トリフェニルジアミン誘導体（ＴＰＤ）、トリフェニルアミン誘導体（ＮＳＤ）、α―ナフチルフェニジルアミン（α−ＮＰＤ）、フタロシアニン類（ＣｕＰｃ、Ｈ２Ｐｃ）、スターバーストポリアミン類（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）などが用いられる。
【００２６】
本発明で用いられる正孔輸送材料の具体例を下記表１に示す。
【表１】
また電子輸送材料としては、アルミキノリノール錯体（Ａｌｑ３）、メチルアルミキノリノール錯体（４−Ｍｅｔｈｙｌ−８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ：Ａｌｍｑ３）、ベリリウムーキノリン錯体（Ｂｅｑ２）などがあり、これらの材料は同時に発光性材料としても使用される。オキサジアゾール誘導体（ＰＢＤ）は、優れた電子輸送材料としてよく知られている。ＰＢＤのような電子輸送性の良好な材料を電子輸送層として用いれば、発光層とキャリア輸送層を分離した３層構造、あるいは特開平４−１３７４８５号公報に開示されているような正孔輸送性発光層を有する２層構造の素子が実現可能である。
【００２８】
本発明で用いられる電子輸送材料の具体例を下記表２に示す。
【表２】
さらに、必要に応じてドーピング材料を用いる事ができる。ドーピング材料としては、クマリン誘導体、キナクリドン、ルブレンなどがあげられる。ドーピングの方法としては、例えば加熱ボートを２つ用いた共蒸着によって、Ａｌｑ３などの発光材料をホスト材料とし、正孔輸送層との界面近く（約３０ｎｍ以内）に蛍光材料を数ｍｏｌ％〜数１０ｍｏｌ％程度ドープピングすることができる。
【００３０】
次に、陰極は、金属材料を抵抗加熱、電子ビーム等による蒸着法や、あるいは合金ターゲットを用いたスパッタリング法等を用いて１０〜３００ｎｍ程度の膜厚で形成される。十分な反射率と低抵抗の膜を得るには、好ましくは１００ｎｍ以上の膜厚にすることが望ましい。陰極に用いられる金属材料としては、仕事関数が小さい金属、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ等の金属元素単体あるいはこれらの合金が用いられる。さらに陰極上に電極保護膜としてＬｉＦ等を陰極の場合と同様の方法で形成してもよい。
【００３１】
陽極には、ＩＴＯ等が用いられる。
【００３２】
また発光層を形成する発光材料としては、アルミキリノール錯体（Ａｌｑ３）、メチルアルミキリノール錯体（Ａｌｍｑ３）等が用いられる。
【００３３】
本発明で用いられる発光材料の具体例を下記表３に示す。
【表３】
【実施例】
以下、いくつかの実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例における材料、素子構成だけに限定されるものではない。
【００３５】
実施例１
アクリルガラス基板にＩＴＯを真空蒸着にて形成する。この時１μｍ間隔で１μｍの卍型メタルマスク、他に△型、▽型、◇型、□型、◎型、☆型メタルマスクをそれぞれ用意し順に１０ｎｍずつの厚さで交互に３回蒸着をし最大膜厚２１０ｎｍの陽極を形成した。その上で一般的なレジストを用いたフォトリソグラフィー法によって２ｍｍ幅の電極パターンを形成した。次に、この基板を界面活性剤を用いて洗浄し、十分に純水で洗剤を洗い流した後にイソプロピルアルコールの蒸気中で乾燥させ、さらに酸素プラズマ処理によって十分に表面洗浄の汚れを取り除いた。
この上に正孔輸送材料としてα―ＮＰＤを抵抗加熱によって真空蒸着して、膜厚が７０ｎｍの正孔輸送層を形成した。
蒸着条件は、真空度が２．７×１０−４Ｐａ、蒸着レートが１ｎｍ／秒であった。この上にスピンキャストにて、Ａｌｑ３、Ａｌｍｑ３、Ｂｅｑ２を７５ｎｍの発光層、ＰＢＤを１００ｎｍの電子輸送層を形成した。
次にＩＴＯ電極パターンと０．５ｍｍ幅で直交するような穴のあけられたメタルマスクを基板に密着させて真空蒸着装置内にセットした状態で、アルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着して膜厚１６０ｎｍの金属膜を形成し陰極とした。
つづいてＡｌ電極上に膜厚が３００ｎｍのＬｉＦを蒸着して保護膜を形成した。
さらに、不活性ガス（Ａｒ）雰囲気中で、この素子の上に１ｍｍ厚のパイレックスガラスを重ね、紫外線硬化型の接着剤を用いてガラス周辺を封止して、有機ＥＬ素子を得た。
【００３６】
実施例２
山容真空社製の板厚が１．１ｍｍのＩＴＯ付ガラス基板を用意し、一般的なレジストを用いたフォトリソグラフィー法によって２ｍｍ幅の電極パターンを形成した。次に、実施例１同様の表面洗浄をおこなったうえで、基板を真空蒸着装置内にセットし、正孔輸送材料としてα―ＮＰＤを抵抗加熱によって真空蒸着して、最大膜厚が７０ｎｍの正孔輸送層を形成した。この時にも実施例１で用いた７種類のメタルマスクをもちいて凸凹な表面を形成した。以降実施例１同様に発光層、電子輸送層、保護層を形成した後封止して有機ＥＬ素子を得た。
【００３７】
実施例３
実施例１において表３に示したＥＭ−１からＥＭ−５までの５種類に発光材料を用いた以外実施例１と同様にして作成し有機ＥＬ素子を得た。
【００３８】
実施例４
実施例２において表３に示したＥＭ−１からＥＭ−５までの５種類に発光材料を用いた以外実施例２と同様にして作成し有機ＥＬ素子を得た。
【００３９】
実施例５
実施例２において表３に示したＥＭ−１からＥＭ−６までの６種類に発光材料を用いた以外実施例２と同様にして作成し有機ＥＬ素子を得た。
【００４０】
比較例１
実施例１において実施例２で使用したＩＴＯつきガラス基板をフォトリソにて２ｍｍ幅の電極パターンを形成した以外実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を得た。
【００４１】
実施例１〜５と比較例１の方法で作製した有機ＥＬ素子を発光させその白色度を、５が非常に優れている、４が優れている、３が良い、２が劣る、１が非常に劣る、の５段階で評価した。結果を下記表４に示す。
【００４２】
【表４】
【発明の効果】
（１）請求項１に対する作用効果
透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なる厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離を一定としないことによりバックライトとして使用できる白色度を実現できる。
【００４４】
（２）請求項２に対する作用効果
透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の正孔輸送層が複数の異なる厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離を一定としないことによりバックライトとして使用できる白色度を実現できる。
（３）請求項３から１０
上記請求項１又は２に対する作用効果において、さらなる白色度向上が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な３層型の有機ＥＬ素子の層構成を示す概略断面図。
【図２】陽極の厚さを１画素で一定としない有機ＥＬ素子の層構成を示す概略断面図。
【図３】正孔輸送層の厚さを１画素で一定としない有機ＥＬ素子の層構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
１ ガラス基板
２ 陽極（透明電極）
３ 正孔輸送層
４ 発光層
５ 電子輸送層
６ 陰極（金属電極）
７ 金属電極における反射層
８ 発光位置
Claims (10)
- 透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の陽極が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
- 透明支持体上に陽極、有機多層膜、陰極が順次積層された有機ＥＬ素子において、前記陰極は金属からなる鏡面反射膜であり、前記有機多層膜は少なくとも正孔輸送層と電子輸送層を有し、さらに各画素の正孔輸送層が複数の異なるランダムの厚さで形成されたことにより陰極反射層から発光点までの距離が一定ではないことを特徴とする有機ＥＬ素子。
- 多色の色素を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
- 多色の色素を含むことを特徴とする請求項２に記載の有機ＥＬ素子。
- 多色の色素が一画素中にランダムに分散されていることを特徴とする請求項３に記載の有機ＥＬ素子。
- 多色の色素が一画素中にランダムに分散されていることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
- 印加電圧がパルス波で印加されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
- 陰極が、反射率が５０％以上の金属膜であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
- 透明支持体がアクリルガラスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
- 透明支持体が透明樹脂フイルムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
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|---|---|---|---|---|
| KR100527187B1 (ko) * | 2003-05-01 | 2005-11-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 고효율 유기전계 발광표시장치 및 그의 제조방법 |
| JP2009301883A (ja) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Rohm Co Ltd | 有機ｅｌ素子及び有機ｅｌ素子の製造方法 |
| WO2012160522A1 (en) * | 2011-05-25 | 2012-11-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Organic light emitting device with improved light extraction |
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-
2003
- 2003-03-12 JP JP2003067009A patent/JP2004281080A/ja active Pending
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