JP2007141789A - 発光素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白色発光を効率的に行う。
【解決手段】発光素子の赤色発光層１６，青色発光層１８などを合わせたアノード１０とカソード２４との間の光学距離と、アノード１０を合わせた厚みを、干渉により赤色および青色の光を干渉によって増強できる厚さとする。これによって、必要な波長の光を増強することができ、効率的に白色光を取り出すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色発光素子における干渉ピーク波長の調整に関する。

従来より、有機ＥＬ素子を利用した表示装置が知られており、この有機ＥＬ素子においては、電極間の有機ＥＬ層に電流を流し、流れた電流に応じて発光が起こる。

有機ＥＬの発光材料としては、赤色発光、青色発光、緑色発光のものが知られている。従って、ＲＧＢの塗り分けによって、フルカラー表示が行える。このＲＧＢの塗り分け方式の場合、各色の有機ＥＬ層の材料が異なるため、通常ＲＧＢ各色の蒸着工程が必要であり、またそのために別々のマスクを利用する。このように形成工程が多くなると、歩留まりが悪くなりやすい。

一方、赤色（オレンジ色）の発光層と、青色の発光層を積層して、両発光層を発光させることで、白色発光層を構成することが提案されている。この構成では、全画素共通で白色発光層を形成することができ、カラーフィルタによってＲＧＢの各画素を形成できる。比較的困難な有機ＥＬ層の形成が簡易化でき、歩留まりを向上できる。

さらに、ディスプレイの表示においては、白色の表示やＲＧＢすべての色を発光させる場合ほとんどである。このため、ＲＧＢの各画素の他に白色の画素を設けることで、効率を上昇する、ＲＧＢＷの表示装置が提案されている。

特開２００４−１２７６０２号公報

このＲＧＢＷの表示装置では、白色の発光効率を上昇することが全体としての効率上昇につながる。

そこで、白色発光素子における白色発光効率を上昇することが望まれる。

本発明は、透明絶縁膜と、この透明絶縁膜上に形成された透明電極と、透明電極上に形成された白色発光層と、この白色発光層上に形成された反射層と、を有し、前記白色発光層に電流を流すことによって得られた光を前記透明絶縁膜側から取り出す白色発光素子において、前記透明電極の透明絶縁膜側の表面から前記反射層までの光学長を赤および青の光に干渉のピークを有する距離に設定することを特徴とする。

また、前記白色発光層は、赤色発光層と、青色発光層を積層して構成されることが好適である。

また、前記白色発光層における赤色発光層および青色発光層との界面と、前記反射層との光学距離は、１００ｎｍ以下であることが好適である。

また、前記反射層は、透明電極に対向する反射電極であることが好適である。

また、前記透明電極の厚みは、その光学長が２００〜５００ｎｍであることが好適である。

また、前記透明絶縁膜の膜厚は、１μｍ以上であることが好適である。

また、本発明に係る表示装置は、前記発光素子をマトリクス状に配置して得られる。

本発明によれば、白色発光層および透明電極を合わせた厚みを干渉により赤色および青色の光を干渉によって増強できる厚さとしたため、効率的な白色光を取り出すことができる。

また、白色発光層における赤色発光層および青色発光層との界面と、前記反射層との光学距離は、１００ｎｍ以下とすることで、反射層で反射される光と、反射されずに直接射出する光との干渉によって可視光が減衰されることを防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係る発光素子について、図面に基づいて説明する。

図１は、発光素子の断面構成を示す模式図である。図においては、１つの発光素子のみを取り出して記載したが、発光素子およびこの発光素子駆動する画素回路をマトリクス状に配置して表示装置を構成する。また、ガラス基板、発光層、陰極など全画素共通に形成可能な層については、全画素共通に形成される。

ガラス基板３０上には、画素回路および各種の配線を含むＴＦＴ（薄膜トランジスタ）・配線層３２が形成される。画素回路は、例えばゲートラインからの制御信号に応じてデータラインからのデータ信号の取り入れを制御するスイッチングＴＦＴ、スイッチングＴＦＴで取り込んだデータ電圧を蓄える保持容量、保持容量に蓄えられたデータ電圧に応じた駆動電流を電源ラインからＥＬ素子に供給するドライブＴＦＴからなる。なお、画素回路には多くの提案があり、ドライブＴＦＴのしきい値補償回路を含むなど各種の変形が可能である。また、ＴＦＴ・配線層３２上には、アクリル樹脂などからなる平坦化層３４が形成される。

平坦化層３４上には、有機ＥＬ素子４０が形成される。この有機ＥＬ素子４０は、アノード１０、赤色発光層１６、青色発光層１８、カソード２４が含まれる。

ここで、この有機ＥＬ素子４０の具体的構成例を図２に基づいて説明する。透明導電体からなるアノード１０の上には、正孔注入層１２を介し、正孔輸送層１４が設けられる。この例において、アノード１０はＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）が用いられているが、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）なども利用される。また、この例において正孔注入層１２にはＣＦｘ、正孔輸送層１４は、ホストとしてトリアリールアミン誘導体またはトリフェニルアミン誘導体であるＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレンー１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルーベンジシン）を採用したものが使用されている。

この正孔輸送層１４の上には、赤色発光層１６、青色発光層１８が順次形成される。この赤色発光層１６は、ホストとしてトリアリールアミン誘導体またはトリフェニルアミン誘導体であるＮＰＢが使用され、ドーパント１としてターシャリー−ブチル置換ジナフチルアントラセン（ＴＢＡＤＮ）、ドーパント２として５，１２−ビス（４−（６−メチルベンゾチアゾール−２−イル）フェニル）−６，１１−ジフェニルナフタセン（ＤＢｚＲ）が使用されている。また、青色発光層１８は、ホストとしてターシャリー−ブチル置換ジナフチルアントラセン（ＴＢＡＤＮ）、ドーパント１としてトリアリールアミン誘導体またはトリフェニルアミン誘導体であるＮＰＢ、ドーパント２として１，４，７，１０−テトラ−ターシャリーブチルペリレン（ＴＢＰ）が使用されている。

青色発光層１８の上には、第１電子輸送層２０、第２電子輸送層２２が設けられ、その上にカソード２４が設けられる。

第１電子輸送層２０は、トリス(8-ヒドロキシキノリナト)アルミニウム（Ａｌｑ）が使用され、第２電子輸送層２２には、フェナントロリン誘導体が使用されている。また、カソード２４には、ＬｉＦを表面に設けたアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。

このように、本実施形態の有機ＥＬ素子４０では、アノード１０とカソード２４の電極間に赤色発光層１６と、青色発光層１８を有しており、両発光層１６，１８において発光が起こることによって、白色発光となる。従って、両発光層１６，１８の界面付近において、アノード１０から供給される正孔と、カソード２４から供給される電子と再結合が起こり両発光層１６，１８で発光が起こり、この白色光がガラス基板３０から射出される。なお、実際には、フルカラーでの表示を行うために、画素毎にＲＧＢのフィルタを設けており、ＲＧＢＷタイプであれば、カラーフィルタを設けない白色を射出する画素も設けられる。

ここで、本実施形態において、２つの発光層１６，１８において発光する。このためには、発光は２つの発光層１６，１８の界面付近で起こり、発光層１６，１８の境界が発光界面となる。これは、両発光層１６，１８において発光を起こすために、必須の条件である。そして、この界面付近で発せられた光は、そのまま射出されるものと、カソード２４によって、反射されるものがある。すなわち、カソード２４はアルミニウムであって、発光層１６，１８から発せられる光はここを通過することはできずに反射される。

従って、有機ＥＬ素子４０から射出する光は、発光層１６、１８の界面から直接くる光とカソード２４により反射された光が合成されたものになり、両者に干渉が生じる。

この干渉によって、必要とする可視光を強めることができれば効果的であるが、通常は界面からカソード２４までの距離によって決定される所定の波長の可視光が干渉によって減衰する。

本実施形態では、界面からカソード２４の表面（反射面）までの距離を小さくすることで、直接射出される光が反射層で反射された光と干渉し、可視光が減少することを防止する。

すなわち、前記有機ＥＬ素子４０における赤色発光層１６および青色発光層１８との界面と、カソード２４の表面との光学距離は、１００ｎｍ以下に設定する。これによって、干渉による青色波長の強度の減少をおさえる。なお、実質的に観察者において視認される表示において問題となる可視光の減衰を排除できればよいため、赤色発光層１６および青色発光層１８との界面と、カソード２４の表面との光学距離は、可視光の最低波長の１／４以下の光学長とすればよい。さらに、可視光の最低波長の１／４の光学長より若干大きな光学長として紫外線に近い領域の青の波長において干渉による減衰が起こる光学長としてもよい。

なお、有機層の屈折率は、１．６〜１．９程度であり、実際の屈折率に応じて各層の厚みを決定するとよい。

また、この界面からカソード２４までの間には、青色発光層１８などが存在し、これらの距離を５０〜６０ｎｍ程度に設定することが好適である。

また、アノード１０を構成するＩＴＯ、ＩＺＯの屈折率は、１．８〜２．１程度である。一方、アノード１０の下に形成される平坦化層３４は、上述のように通常はアクリル樹脂などから形成されその屈折率は１．５〜１．６程度であり、アノード１０と平坦化層３４の屈折率の差は比較的大きく、この界面では反射が起きやすい。

従って、このアノード１０と平坦化層３４との界面で反射した光はカソード２４で反射され界面から直接射出された光と干渉する。

本実施形態では、このときの干渉によって、赤および青の光が強められるように、アノード１０および平坦化層３４の界面からカソード２４の表面までの距離（光学長）が設定されている。すなわち、干渉波形のピークが赤および青の波長に存在するように、反射が起きる界面から反射層となるカソード２４までの光学長を設定する。

ここで、有機ＥＬ素子４０内の有機層の厚みは、効率的な発光のために、各層についてある程度制限がある。一方、透明材料からなるアノード１０の厚みは、比較的自由に変更できる。そこで、アノード１０の厚みを変更することで光学長を設定することが好適である。具体的には、アノード１０の厚みを１００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲で調整するとよい。

なお、所定波長λの光を干渉によって増強するための条件は、異なる経路からの光の位相が同一になることであり、その一例としてアノード１０と平坦化層３４の界面とカソード２４の表面との光学的距離Σｎｄが増強したい光の波長λの１／２の光学長に設定することが考えられる。すなわち、Σｎｄ＝ｍ・λ／２（ｎは屈折率、ｍは１以上の整数）。これによって、カソード２４による反射光による干渉によって、特定波長の光を増強できる。例えば、Σｎｄをｍ＝３の場合に波長４４０ｎｍの光を増強するように膜厚を設定すると、ｍ＝２の場合に波長６６０ｎｍの光が増強される。これによって、元々必要な青色と、赤色に近い光を干渉によって増強することができ、効率的な白色光の取り出しが達成できる。具体的には、上述のような構成で、アノード１０とその上の有機層の厚みの合計を３３０〜４３０ｎｍ程度に設定するのが好適である。

このように、アノード１０と平坦化層３４の界面とカソード２４の表面との光学的距離Σｎｄを白色光を得るために必要な青色と、赤色の光を増強できる距離に設定することで、効果的な白色発光素子を得ることができる。

なお、赤色発光層１６、青色発光層１８などアノード１０とカソード２４の間に形成される有機層の屈折率は１．６〜１．９程度であり、アノード１０との間での反射は小さい。

さらに、平坦化層３４の厚みを厚くすることが好適である。例えば、平坦化層３４の光学長を１μｍ以上、特に１．３μｍ以上とすることが好ましい。このように、平坦化層３４の厚みが厚くなると、平坦化層の両界面での反射による干渉は、なだらかに平坦化されてしまうことにより、鋭い干渉ピークがでにくくなる。従って、平坦化層３４を厚くすることで、その下層となるＴＦＴ・配線層３２における反射などにより干渉条件（ピーク）が変化しないため、赤、青についての干渉ピークを維持することができる。

ＴＦＴ・配線層３２がない場合におけるＲＧＢＷの各発光素子からの発光の電流効率を１とした場合において、平坦化層３４を設けない場合には、ＲＧＢＷの各発光素子における電流効率は、０．９１，０．７９，０．９５，１．１２となる。このように、平坦化層３４を設けないと特定の波長の光（この場合には緑）がＴＦＴによる干渉の影響で減衰してしまう。従って、この干渉による減衰に対し、ＥＬ条件だけでなくＴＦＴを含んだ条件最適化が必要になる。

一方、上述のような比較的厚い１．０μｍ以上（１．３μｍ）の平坦化層３４を設けた場合には、ＲＧＢＷの各電流効率は、０．９８，０．９８，０．９８，１．０３となった。これより、平坦化層３４によって、その平坦化膜３４より下層のＴＦＴによる干渉の影響を排除できることが確認された。このように、厚い平坦化膜３４を設けることにより、ＴＦＴの膜厚ばらつきの影響を小さくして装置マージンを向上することができる。

図３には、他の実施形態に係る有機ＥＬ素子４０の構成が示してある。この例では、赤色発光層１６および青色発光層１８に代えて１層の白色発光層４０を採用している。

この白色発光層４０には、例えば、ホストとして、ターシャリー−ブチル置換ジナフチルアントラセン（ＴＢＡＤＮ）、青色ドーパントとして、１，４，７，１０−テトラ−ターシャリー−ブチルペリレン（ＴＢＰ）、赤色ドーパントとして、５，１２−ビス（４−（６−メチルベンゾチアゾール−２−イル）フェニル）−６，１１−時フェニルナフタセンＤＢｚＲ）が使用される。このような白色発光層４０を使用した場合には、赤色発光層４０と、正孔輸送層１４の界面が発光が生じる発光界面となる。

図４には、本実施形態の発光素子において発光層１６，１８から射出される白色光、干渉後の光、および干渉効果についての波長特性を示している。このように、青色および赤色の光が干渉効果によって強められることがわかる。

図５には、アノード１０と平坦化層３４の界面とカソード２４の表面との光学的距離を変化させた場合における必要な白色光強度得るために必要な消費電力を示した図である。これより、所定の膜厚に設定した場合において、消費電力が抑えられることがわかる。

図６には、トップエミッションタイプのＥＬ素子の模式図が示してある。このように、トップエミッションタイプの場合には、アルミニウムなどの反射層上に透明のアノード１０が形成され、その上方に正孔輸送層１４，赤色発光層１６，青色発光層１８などの有機層が形成され、その上のカソード２４として、光を透過させることができる半透過または透明の電極とする。半透過材料としては薄い金属材料、透明材料としてはＩＴＯ、ＩＺＯなどが採用される。

また、カソード２４の上には、低屈折率保護膜６２、および積層保護膜６４が形成される。低屈折率保護膜６２はＳｉＯ₂、積層保護膜６４はＳｉＮとＳｉＯ₂の積層膜などで形成される。

なお、有機層の構成は、上述のボトムエミッションタイプのＥＬ素子と同様に構成することができる。

このトップエミッションタイプの場合においても、発光界面から反射層６０までの距離は、射出される可視光について干渉による減衰が生じないように十分小さな距離とする必要がある。特に、トップエミッションタイプにおいて、アノード１０を透明電極とした場合には、アノード１０が反射層６０までの距離に含まれるため、アノード１０を比較的薄めとすることが必要になる。

さらに、低屈折率保護膜６２を１μｍ以上とすることで、積層保護膜６４による反射光などによる干渉の悪影響発生を防止することができる。

また、低屈折率保護膜６２と、カソード２４の界面において反射が生じる。そこで、この界面と反射層６０との光学長を上述のボトムエミッションタイプと同様に特定波長の光を増強できるように設定することが好適である。

発光素子の断面構成を示す模式図である。 有機ＥＬ素子部分の断面構成を示す模式図である。 有機ＥＬ素子部分の他の構成例の断面構成を示す模式図である。 干渉の影響を示す図である。 膜厚変化と消費電力変化の関係を示す図である。 トップエミッションタイプの発光素子の断面構成を示す図である。

符号の説明

１０ アノード、１２ 第１正孔注入層、１４ 第２正孔輸送層、１６ 赤色発光層、１８ 青色発光層、２０ 第１電子輸送層、２２ 第２電子輸送層、２４ カソード、３０ ガラス基板、３２ ＴＦＴ・配線層、３４ 平坦化層、４０ 有機ＥＬ素子、６０ 反射層、６２ 低屈折率保護膜、６４ 積層保護膜。

Claims (9)

1. 透明絶縁膜と、
   この透明絶縁膜上に形成された透明電極と、
   透明電極上に形成された白色発光層と、
   この白色発光層上に形成された反射層と、
   を有し、前記白色発光層に電流を流すことによって得られた光を前記透明絶縁膜側から取り出す白色発光素子において、
   前記透明電極の透明絶縁膜側の表面から前記反射層までの光学長を赤および青の光に干渉のピークを有する距離に設定することを特徴とする発光素子。
2. 請求項１に記載の発光素子において、
   前記白色発光層の発光界面と、前記反射層との光学距離は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする発光素子。
3. 請求項２に記載の発光素子において、
   前記発光界面は、白色発光層とホール輸送層との界面であることを特徴とする発光素子
4. 請求項２に記載の発光素子において、
   前記白色発光層は、赤色発光層と、青色発光層を積層して構成されることを特徴とする発光素子。
5. 請求項４に記載の発光素子において、
   前記発光界面は、赤色発光層と青色発光層の界面であることを特徴とする発光素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子において、
   前記反射層は、透明電極に対向する反射電極であることを特徴とする発光素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の発光素子において、
   前記透明電極の厚みは、その光学長が２００〜５００ｎｍであることを特徴とする発光素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の発光素子において、
   前記透明絶縁膜の膜厚は、１μｍ以上であることを特徴とする発光素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の発光素子をマトリクス状に配置して得られる表示装置。
   

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