JP2007141789A - 発光素子および表示装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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