JP2006147439A - 透明導電膜及びその透明導電膜を用いた有機ｅｌ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光層に輸送される正孔と電子とのバランスを調整することで発光効率を向上させることが可能な透明導電膜及びその透明導電膜を用いた有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】有機ＥＬ素子１は、少なくとも発光層４ｂを有する有機層４を陽極３と陰極５との間に形成してなる。陽極３は、透光性材料からなり有機層４と接するように形成される非混合層（非ドープ層）３ｂとこの非混合層３ｂと接するように形成され前記透光性材料に前記透光性材料よりも原子価が大きいドーパントを混合してなる混合層（ドープ層）３ａとを備える透明導電膜からなる。有機層４は、非混合層３ｂと発光層４ｂとの間に形成され陽極３から注入される正孔を発光層４ｂに輸送する正孔輸送層４ａを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透明導電膜及びその透明導電膜を用いた、少なくとも発光層を有する有機層を一対の電極で挟持してなる有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子に関する。

有機材料によって形成される自発光素子である有機ＥＬ素子は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）等からなる透光性の陽極と、少なくとも発光層を有する有機層と、アルミニウム（Ａｌ）等からなる非透光性の陰極と、を順次積層して前記有機ＥＬ素子を形成するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）

かかる有機ＥＬ素子は、前記陽極から正孔を注入し、また、前記陰極から電子を注入して正孔及び電子が前記発光層にて再結合することによって前記発光層を構成する有機化合物が励起状態となり、この励起状態から基底状態に遷移する際に光を発するものである。

また、前記発光層に正孔あるいは電子を効率よく輸送するための構造としては、特許文献１に開示される陽極と発光層との間に正孔輸送層を形成する構造や、特許文献２に開示されるような陰極と発光層との間に電子輸送層を形成する構造が知られている。
特開昭５９−１９４３９３号公報 特開平２−２５０９５２号公報

かかる有機ＥＬ素子の発光は、前記発光層の励起状態から基底状態への遷移に基づくものであるため、前記発光層における発光効率を向上させるためには、前記発光層に輸送される正孔と電子とのバランスを調整することが望まれる（正孔：電子が１：１となることが最も望ましい）。ここで、前記陽極から前記有機層への正孔注入効率は、前記陽極と前記陽極に接する層との間のエネルギー差によって生じる障壁に依存し、また、前記陰極から前記有機層への電子注入効率は、前記陰極と前記陰極に接する層との間のエネルギー差によって生じる障壁に依存する。例えば、前記有機層として正孔輸送層，発光層及び電子輸送層の少なくとも３層を備える有機ＥＬ素子においては、前記陽極からの正孔注入効率は、前記陽極と前記正孔輸送層との間のエネルギー差によって生じる障壁の大きさに依存し、また、前記陰極からの電子注入効率は、前記陰極と前記電子輸送層との間のエネルギー差によって生じる障壁に依存する。正孔あるいは電子の注入効率を向上させるためには上述の障壁を小さくすることが必要となる。しかしながら、上述の障壁はそれぞれ前記陽極及び前記有機層を構成する各材料あるいは前記陰極と前記有機層を構成する各材料によって決定されるものであるため、正孔及び電子のバランスを取ることが困難であるという問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑み、発光層に輸送される正孔と電子とのバランスを調整することで発光効率を向上させることが可能な透明導電膜及びその透明導電膜を用いた有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。

本発明の透明導電膜は、前記課題を解決するために、透光性材料に前記透光性材料よりも原子価の価数が大きいドーパントを混合してなる混合層と、前記透光性材料からなる非混合層と、を積層形成してなることを特徴とする。

また、前記非混合層は、膜厚が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下となるように形成されてなることを特徴とする。

また、前記透光性材料は酸化インジウムであり、前記ドーパントは錫であることを特徴とする。

本発明の有機ＥＬ素子は、前記課題を解決するために、少なくとも発光層を有する有機層を陽極と陰極との間に形成してなる有機ＥＬ素子であって、前記陽極は、透光性材料からなり前記有機層と接するように形成される非混合層とこの非混合層と接するように形成され前記透光性材料に前記透光性材料よりも原子価が大きいドーパントを混合してなる混合層とを備える透明導電膜からなることを特徴とする。

また、前記有機層は、前記非混合層と前記発光層との間に形成され前記陽極から注入される正孔を前記発光層に輸送する前記正孔輸送層を有してなることを特徴とする。

また、前記非混合層は、膜厚が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下となるように形成されてなることを特徴とする。

前記透光性材料は酸化インジウムであり、前記ドーパントは錫であることを特徴とする。

本発明は、透明導電膜及びその透明導電膜を用いた少なくとも発光層を有する有機層を一対の電極で挟持してなる有機ＥＬ素子に関するものであり、発光層に輸送される正孔と電子とのバランスを調整することで発光効率を向上させることが可能とするものである。

以下、本発明を適用した実施の形態である有機ＥＬ素子を添付の図面に基いて説明する。

図１において、有機ＥＬ素子１は、透光性の支持基板２上に形成されるものである。有機ＥＬ素子１は、透光性の陽極３と、有機層４と、陰極５と、から主に構成されている。また、有機ＥＬ素子１は、陽極３側が正、陰極５側が負となるように定電流源Ａと接続されており、定電流源Ａから直流電流を印加することによって陽極３から有機層４に正孔を注入し、また陰極５から有機層４に電子を注入して有機層４の後述する発光層を発光させ、この光を支持基板２側から取り出して所定形状の表示を行うものである。

支持基板２は、長方形形状からなる透光性のガラス基板である。

陽極３は、ドープ層（混合層）３ａと非ドープ層（非混合層）３ｂとを積層形成してなる透明導電膜からなるものである。混合層３ａは、支持基板２上に例えば透光性材料である酸化インジウム（Ｉｎ↓２Ｏ↓３）にドーパントとして錫（Ｓｎ）をドープ（混合）してなる導電性のＩＴＯからなり、蒸着法やスパッタリング法等の手段によって膜厚５０〜２００ｎｍの層状に形成される。なお、酸化インジウムの原子価は３価であり、錫の原子価は４価である。ドープ層３ａは、前記透光性材料に前記ドーパントをドープすることによって、前記透光性材料のサイトに前記ドーパントが置換されることでキャリア電子の密度が増大して高い導電性を得ることができるものである。非ドープ層３ｂは、ドープ層３ｂ上に形成され混合層３ｂを構成する前記透光性材料と同一材料からなるものであり、膜厚２〜２０ｎｍ（さらに望ましくは２〜１０ｎｍ）の層状に形成される。また、非ドープ層３ｂは、ドープ層３ａの形成工程において前記ドーパントのドープを停止し、前記透光性材料をドープ層３ａに積層することで特別な形成工程を要することなく容易に形成することができる。非ドープ層３ｂは、前記ドーパントを含有しないことからドープ層３ａよりも導電性が低く、ドープ層３ａよりも抵抗値が高くなっている。なお、本発明の透光性材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化錫（ＳｎＯ↓２）等を用いても良い。透光性材料として原子価が２価の酸化亜鉛を用いる場合にはドーパントして原子価が３価のアルミニウム（Ａｌ）をドープしてドープ層３ａが形成され、原子価が４価の酸化錫を用いる場合はドーパントとして原子価が５価のアンチモン（Ｓｂ）をドープしてドープ層３ａが形成される。また、陽極３は、ドープ層３ａが定電流源Ａと電気的に接続され、正孔をドープ層３ａからトンネル効果によって非ドープ層３ｂを通過して有機層４に注入する。

有機層４は、陽極３の非ドープ層３ｂ上に形成されるものであり、正孔輸送層４ａと発光層４ｂとを蒸着法等の手段によって順次積層形成してなるものである。

正孔輸送層４ａは、陽極３の非ドープ層３ｂと接するものであり、陽極３から正孔を取り込むとともに正孔を発光層４ｂへ伝達する機能を有し、例えばジアミン誘導体であるトリフェニルジアミン（ＴＰＤ）等の正孔輸送材料を蒸着法等の手段によって膜厚１０〜６０ｎｍの層状に形成してなる。

発光層４ｂは、正孔及び電子の輸送が可能であり、正孔及び電子が輸送されて再結合することで緑色の発光を示す機能を有するとともに、電子移動度が正孔移動度よりも高い電子輸送性の特性を有する例えばキレート系化合物であるアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ３）等の有機化合物を蒸着法等の手段によって例えば膜厚４０ｎｍの層状に形成してなる。

陰極５は、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム銀（Ｍｇ：Ａｇ）等の導電性材料を蒸着法等の手段によって膜厚５０〜２００ｎｍの層状に形成してなるものである。陰極５は、定電流源Ａと電気的に接続され、発光層４ｂに電子を注入する。

本実施の形態である有機ＥＬ素子１は、少なくとも発光層４ｂを有する有機層４を陽極２と陰極５との間に形成してなり、陽極３が、前記透光性材料からなり有機層４と接するように形成される非ドープ層３ｂとこの非ドープ層３ｂと接するように形成され前記透光性材料に前記透光性材料よりも原子価が大きい前記ドーパントを混合してなるドープ層３ａとを有する透明導電膜からなるものである。かかる有機ＥＬ素子１は、非ドープ層３ｂの膜厚を調整することによって、有機層４の発光層４ｂに輸送される正孔と電子とのバランスを調整することができ、発光層４ｂにおける発光効率を向上させることが可能となる。前述のように、有機ＥＬ素子１において、陽極３から有機層４への正孔注入効率は、陽極３の仕事関数と有機層４のうち陽極３と接する層（本実施の形態では正孔輸送層４ａ）の価電子帯上端との間のエネルギー差によって生じる障壁の大きさに依存する。ここで、非ドープ層３ｂは前記ドーパントを含有しないことからそのフェルミ準位はドープ層３ａのフェルミ準位よりも低い値であるため、ドープ層３ａにバイアス方向の電圧を印加するとドープ層３ａの伝導帯下端及び価電子帯上端が見かけ上引き下げられることとなり、陽極３と正孔輸送層４ａとの間の正孔注入に対する障壁が小さくなり、陽極３からの正孔注入効率を向上させることができる。また、ドープ層３ａからの正孔はトンネル効果によって非ドープ層３ｂを通過して有機層４に注入されるため、非ドープ層３ｂの膜厚を薄くすると正孔注入効率は向上し、非ドープ層３ｂの膜厚を厚くすると正孔が非ドープ層３ｂを通過しにくくなることから正孔注入効率は低減する。有機層４の発光層４ｂに輸送される正孔と電子とのバランスを取るためには、陽極３からの正孔注入効率と陰極５からの電子注入効率とのバランスを取ることが必要であるため、非ドープ層３ｂの膜厚は陰極５からの電子注入効率に応じて決定される。すなわち、陰極５からの電子注入効率が高く発光層４ｂにおいて電子に対して正孔が不足する場合は、非ドープ層３ｂの膜厚を薄くして陽極３からの正孔注入効率を向上させることで発光層４ｂに輸送される正孔と電子とのバランスを取ることができ、反対に、陰極５からの電子注入効率が低く発光層４ｂにおいて正孔に対して電子が不足する場合は、非ドープ層３ｂの膜厚を厚くして陽極３からの正孔注入効率を低減させることで発光層４ｂに輸送される正孔と電子とのバランスを取ることができる。なお、陰極５からの電子注入効率は、前述のように、陰極５の仕事関数と有機層４のうち陰極５と接する層（本実施の形態においては発光層４ｂ）の伝導帯下端との間のエネルギー差によって生じる障壁に依存する。

図２は、本実施の形態の有機ＥＬ素子１における非ドープ層３ｂの膜厚と、有機ＥＬ素子１の発光輝度Ｌと陽極が非ドープ層３ｂを有さない（非ドープ層３ｂが０ｎｍ）従来の有機ＥＬ素子の発光輝度Ｌ０との比（Ｌ／Ｌ０）と、の関係を示す実験結果である。なお、従来の有機ＥＬ素子及び有機ＥＬ素子１における電流値及び発光面積は同一なものとする。図２に示すように、有機ＥＬ素子１は、非ドープ層３ｂが１０ｎｍ以下にあっては膜厚を厚くするとともに従来の有機ＥＬ素子との発光輝度比が向上し、非ドープ層３ｂが１０ｎｍである場合に従来の有機ＥＬ素子との発光輝度比が最も高い、すなわち最も発光層４ｂにおける発光効率が高くなっている。したがって、陽極３としてドープ層３ａと非ドープ層３ｂとの積層構造からなる透明導電膜を用い、非ドープ層３ｂの膜厚を調整することによって、本実施の形態である有機ＥＬ素子１が従来の有機ＥＬ素子よりも優れた発光効率を得ることができることは図２からも明らかである。なお、非ドープ層３ｂの膜厚が１０ｎｍを超えると膜厚が厚くなるのに応じて正孔と電子とのバランスが悪くなり、従来の有機ＥＬ素子との発光輝度比も低下しているが、上述のように、非ドープ層３ｂの最適な膜厚は有機層４及び陰極５を構成する材料の組み合わせによって決定される電子の注入効率によって異なる。

なお、本実施の形態である有機ＥＬ素子１は、透光性の陽極３を備え、発光層４ｂの発光を支持基板２側から取り出し、所定の表示を行うものであったが、本発明は、有機層上の陰極を透光性の導電材料で形成し、この陰極側から光を取り出して所定の表示を行ういわゆるトップエミッション型の有機ＥＬ素子にも適用可能である。

また、本実施の形態の有機ＥＬ素子１は、有機層４が正孔輸送層４ａと発光層４ｂとを有するものであったが、本発明の有機ＥＬ素子においては、有機層は、正孔注入層，電子輸送層，電子注入層等を有するものであってもよく、また、発光層を複数有するものであってもよい。また、発光層４ｂは単一の前記有機化合物からなるものであったが、本発明の有機ＥＬ素子においては、発光層は、ホスト材料にゲスト材料として蛍光材料をドープしてなるものであってもよい。

本発明が適用された実施の形態である有機ＥＬ素子を示す図。 同上の有機ＥＬ素子の非混合層の膜厚と発光輝度との関係を示す図。

符号の説明

１ 有機ＥＬ素子
２ 支持基板
３ 陽極（透明導電膜）
３ａ ドープ層（混合層）
３ｂ 非ドープ層（非混合層）
４ 有機層
４ａ 正孔輸送層
４ｂ 発光層
５ 陰極

Claims (7)

1. 透光性材料に前記透光性材料よりも原子価が大きいドーパントを混合してなる混合層と、前記透光性材料からなる非混合層と、を積層形成してなることを特徴とする透明導電膜。
2. 前記非混合層は、膜厚が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下となるように形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の透明導電膜。
3. 前記透光性材料は酸化インジウムであり、前記ドーパントは錫であることを特徴とする請求項１に記載の透明導電膜。
4. 少なくとも発光層を有する有機層を陽極と陰極との間に形成してなる有機ＥＬ素子であって、
   前記陽極は、透光性材料からなり前記有機層と接するように形成される非混合層とこの非混合層と接するように形成され前記透光性材料に前記透光性材料よりも原子価が大きいドーパントを混合してなる混合層とを備える透明導電膜からなることを特徴とする有機ＥＬ素子。
5. 前記有機層は、前記非混合層と前記発光層との間に形成され前記陽極から注入される正孔を前記発光層に輸送する前記正孔輸送層を有してなることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
6. 前記非混合層は、膜厚が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下となるように形成されてなることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
7. 前記透光性材料は酸化インジウムであり、前記ドーパントは錫であることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。

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