JP2008258059A - Organic electroluminescent element for end face light emission type optical communication, and optical wiring module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス(以下、有機ELと記す。)を用いた発光素子に関し、詳しくは光ファイバや光導波路などの光配線との結合効率が高く、発光効率の高い端面発光型光通信用有機EL素子に関する。 The present invention relates to a light-emitting element using organic electroluminescence (hereinafter, referred to as organic EL), and more specifically, edge-emitting optical communication having high coupling efficiency with optical wiring such as an optical fiber and an optical waveguide and high luminous efficiency. The present invention relates to an organic EL element for use.
有機EL素子は、透明なガラスもしくは透明な樹脂基板の表面に、第1電極層(陽極)、有機層、第2電極層(陰極)が積層された基本構成を有する。有機EL素子はコントラスト比が高い、視野角が広い、薄型化が可能であるといった特徴を有しており、ディスプレイなどの分野に応用され始めている。 また、有機EL素子を利用したディスプレイでは駆動用のトランジスタ回路上に発光部を形成するために通常の素子構造ではトランジスタ部分で発光した光が吸収もしくは散乱されてしまい、外部への取り出し効率が悪化するという問題がある。この問題を解決するためにガラス基板上に陰極、有機層、陽極の順番に積層されたトップエミッション構造と呼ばれる構造も検討されている。 The organic EL element has a basic configuration in which a first electrode layer (anode), an organic layer, and a second electrode layer (cathode) are laminated on the surface of transparent glass or a transparent resin substrate. Organic EL elements have features such as a high contrast ratio, a wide viewing angle, and a reduction in thickness, and are beginning to be applied to fields such as displays. In addition, in a display using an organic EL element, since a light emitting portion is formed on a driving transistor circuit, light emitted from the transistor portion is absorbed or scattered in a normal element structure, and the extraction efficiency to the outside deteriorates. There is a problem of doing. In order to solve this problem, a structure called a top emission structure in which a cathode, an organic layer, and an anode are laminated in this order on a glass substrate has been studied.
第1電極層(陽極)は、ITO(スズ添加酸化インジウム)に代表される透明導電材料から形成される。有機層は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層など、複数層から構成される。第2電極層(陰極)はMg:Ag、Al,Caなどの金属材料で構成される。 The first electrode layer (anode) is formed from a transparent conductive material typified by ITO (tin-added indium oxide). The organic layer is composed of a plurality of layers such as a hole injection layer, a hole transport layer, a light emitting layer, an electron transport layer, and an electron injection layer. The second electrode layer (cathode) is made of a metal material such as Mg: Ag, Al, or Ca.
有機EL素子は多くの研究機関で研究開発が進められており、その発光特性(発光効率、最大輝度、消費電力など)は飛躍的に向上してきている。例えば、従来の蛍光材料よりも発光効率の高い燐光材料(特許文献1参照。)、低い仕事関数を有する陰極材料(特許文献2参照。)、電子と正孔のキャリアバランスの最適化(特許文献3参照。)など多くの研究開発が行われている。また、低コスト化が実現可能な製造方法として従来の真空蒸着だけではなくスクリーン印刷やグラビア印刷、インクジェット法などを用いた脱真空プロセスが検討されている。 Organic EL devices are being researched and developed by many research institutions, and their light emission characteristics (emission efficiency, maximum luminance, power consumption, etc.) have been dramatically improved. For example, phosphorescent materials having higher luminous efficiency than conventional fluorescent materials (see Patent Literature 1), cathode materials having a low work function (see Patent Literature 2), and optimization of electron and hole carrier balance (Patent Literature) Many researches and developments are underway. Further, as a manufacturing method capable of realizing cost reduction, not only the conventional vacuum deposition but also a vacuum removal process using screen printing, gravure printing, an ink jet method or the like is being studied.
本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献4〜14が挙げられる。
特許文献4には、上下電極と発光層の間にクラッド層を設けて光を導波させる構造が記載されている。
特許文献5には、陽極と陰極の間にクラッド層を設けて屈折率の高い領域に光を導波させる構造が記載されている。
特許文献6には、側面の一部に光透過部を設け、それ以外の部分に反射部を設け、光透過部から光を取り出す構造が記載されている。
特許文献7には、陽極と陰極の両方を金属とし、端面から光を出し、該端面にミラーを設けて正面に光を取り出す構造が記載されている。
特許文献8には、端面発光型素子において端面を研磨若しくは平滑な凸面形状にすることで端面への光の取り出し効率を向上させる構造が記載されている。
特許文献9には、陰極と陽極共に反射率の高い金属を用いて端面輝度を向上させた構造が記載されている。
特許文献10には、基板の表裏にそれぞれ反射能を有する陰極を設けることで端面発光させる構造が記載されている。
特許文献11には、透明基板の上下に複数の発光素子を形成して合わせる構造が記載されている。
特許文献12には、ガラスの裏側に反射層を設ける構造が記載されている。
特許文献13には、陽極と陰極に挟まれた有機化合物に関して記載されている。
特許文献14には、公知文献に端面発光に関する公報が記載されている。
Patent Document 6 describes a structure in which a light transmission part is provided on a part of a side surface, a reflection part is provided on the other part, and light is extracted from the light transmission part.
Patent Document 7 describes a structure in which both an anode and a cathode are made of metal, light is emitted from an end face, a mirror is provided on the end face, and light is taken out from the front face.
Patent Document 9 describes a structure in which end face luminance is improved by using a metal having high reflectivity for both the cathode and the anode.
Patent Document 10 describes a structure that emits edge light by providing a cathode having reflectivity on the front and back of a substrate.
Patent Document 11 describes a structure in which a plurality of light emitting elements are formed and combined on the top and bottom of a transparent substrate.
Patent Document 12 describes a structure in which a reflective layer is provided on the back side of glass.
Patent Document 13 describes an organic compound sandwiched between an anode and a cathode.
Patent Document 14 describes a gazette related to edge emission in a publicly known document.
通常の有機EL素子は、ディスプレイとしての応用が多くの研究機関で行われており、最近では、照明やプリンタ用の光源などの分野でも検討が進められている。しかしながら、光通信用の光源としてはほとんど検討されてないのが現状である。
光通信に有機EL素子を用いる場合には、光配線との結合効率や従来のディスプレイ用途では想定していなかった非常に高い輝度が必要となってくる。光通信用の光源として使用する場合には必ず光ファイバなどの光配線と接続する必要がある。しかし、有機EL素子と光配線との結合効率については、十分な研究開発が行われていない。また、高輝度化については、ディスプレイ用途については数100cd/m2というディスプレイとしては十分な高い輝度を実現できているが、光通信用途ではこの100〜1000倍以上の輝度が必要となり、未だに十分な輝度が実現されていないのが現状である。
Ordinary organic EL elements have been applied to many research institutions as displays, and recently, studies have been made in the fields of illumination and light sources for printers. However, at present, the light source for optical communication is hardly studied.
When an organic EL element is used for optical communication, the coupling efficiency with the optical wiring and a very high brightness that is not assumed in conventional display applications are required. When it is used as a light source for optical communication, it must be connected to an optical wiring such as an optical fiber. However, sufficient research and development has not been conducted on the coupling efficiency between the organic EL element and the optical wiring. In addition, with regard to high brightness, for display applications, a sufficiently high brightness has been realized for a display of several hundred cd / m 2 , but for optical communication applications, this brightness is required to be 100 to 1000 times or more, and is still sufficient. The current situation is that a high luminance is not realized.
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、有機EL素子端面からの発光効率が高く、且つ光配線との結合効率を非常に高くすることが可能な端面発光型光通信用有機EL素子の提供を目的とする。
なお、以下の記載において、端面発光型光通信用有機EL素子は有機EL素子と略記する。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an organic EL element for edge-emitting optical communication that has high emission efficiency from the end face of the organic EL element and that can have very high coupling efficiency with optical wiring. Objective.
In the following description, the organic EL element for edge-emitting optical communication is abbreviated as an organic EL element.
前記目的を達成するため、本発明は、透明基板上に誘電体多層膜フィルタが設けられ、該誘電体多層膜フィルタ上に透明導電体膜からなる第1電極層が設けられ、該第1電極層上に発光層を含む有機層が設けられ、該有機層上に金属薄膜からなる第2電極層が設けられてなり、前記誘電体多層膜フィルタは、前記発光層で生じて有機層及び第1電極層を透過した光を反射して、第1電極層に光を集め、且つ前記第1電極層は、その光を出射する端面の一部である光出射端面を有することを特徴とする有機EL素子を提供する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a dielectric multilayer filter is provided on a transparent substrate, a first electrode layer made of a transparent conductor film is provided on the dielectric multilayer filter, and the first electrode An organic layer including a light emitting layer is provided on the layer, and a second electrode layer made of a metal thin film is provided on the organic layer. The dielectric multilayer filter is formed in the light emitting layer, and the organic layer and the first layer are formed. The light transmitted through one electrode layer is reflected to collect the light on the first electrode layer, and the first electrode layer has a light emitting end face that is a part of an end face that emits the light. An organic EL device is provided.
本発明の有機EL素子において、前記誘電体多層膜フィルタの反射率が有機エレクトロルミネッセンス素子の発光中心波長において61.5%以上であることが好ましい。 In the organic EL device of the present invention, the dielectric multilayer filter preferably has a reflectance of 61.5% or more at the emission center wavelength of the organic electroluminescence device.
本発明の有機EL素子において、この素子の光出射端面に、該出射光を受光可能なように光配線が接続されてなることが好ましい。 In the organic EL element of the present invention, it is preferable that an optical wiring is connected to the light emitting end face of the element so as to receive the emitted light.
本発明の有機EL素子において、前記素子の光出射端面と前記光配線との接続部では、前記第1電極層の幅が前記光配線のコア幅と同程度に設定されていることが好ましい。 In the organic EL element of the present invention, it is preferable that the width of the first electrode layer is set to be approximately the same as the core width of the optical wiring at the connection portion between the light emitting end face of the element and the optical wiring.
本発明の有機EL素子において、前記第1電極層の幅が、前記光出射端面に向かってテーパー状に変化していることが好ましい。 In the organic EL element of the present invention, it is preferable that the width of the first electrode layer changes in a tapered shape toward the light emitting end face.
また本発明は、前述した本発明に係る有機EL素子を有することを特徴とする光配線モジュールを提供する。 The present invention also provides an optical wiring module comprising the above-described organic EL element according to the present invention.
本発明の有機EL素子は、誘電体多層膜フィルタを形成した透明基板上に有機EL素子を作製し、有機EL素子内部からの発光を誘電体多層膜フィルタで反射させることで、各層の中で屈折率が最も高い第1電極層に光を閉じこめることが可能になり、有機EL素子内部から発した光を効率よく第1電極層に導波させ、第1電極層に設けた光出射端面から出射させることにより、有機EL素子端面からの発光効率を向上させることができる。
また、誘電体多層膜フィルタの反射率を向上させることで、第1電極層に閉じこめられる光の割合を増加させ、発光効率を更に高めることも可能である。
さらに、本発明の素子構造は端面からの発光を利用しており、この発光は屈折率が最も高い第1電極層を導波してくるものが50%程度であり、これは数100nmと非常に狭い領域に閉じこめられているために導波光のモードフィールド径は非常に小さくできる。そのため、第1電極層端面に光配線と接続することで、有機EL素子と光配線との結合効率を非常に高くすることが可能になる。
In the organic EL element of the present invention, an organic EL element is produced on a transparent substrate on which a dielectric multilayer filter is formed, and light emitted from the inside of the organic EL element is reflected by the dielectric multilayer filter. Light can be confined to the first electrode layer having the highest refractive index, and light emitted from the inside of the organic EL element is efficiently guided to the first electrode layer, and from the light emitting end face provided on the first electrode layer. By emitting the light, the light emission efficiency from the end face of the organic EL element can be improved.
Further, by improving the reflectance of the dielectric multilayer filter, it is possible to increase the ratio of light confined in the first electrode layer and further increase the light emission efficiency.
Furthermore, the element structure of the present invention utilizes light emission from the end face, and this light emission is about 50% that is guided through the first electrode layer having the highest refractive index. Therefore, the mode field diameter of the guided light can be made very small. Therefore, the coupling efficiency between the organic EL element and the optical wiring can be extremely increased by connecting the optical wiring to the end face of the first electrode layer.
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、後述する実施例は本発明の単なる例示であり、本発明の範囲を限定するためのものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. However, the examples described later are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
(実施例1)
図1は、本発明に係る有機EL素子の実施例1を示す断面図である。この有機EL素子は、透明基板であるガラス基板1の上に誘電体多層膜フィルタ5を設け、この誘電体多層膜フィルタ5上に、透明導電膜からなる第1電極層としてITO膜2、発光層を含む有機層3及び金属薄膜からなる第2電極層4を順に積層してなり、誘電体多層膜フィルタ5は、発光層で生じて有機層3及び第1電極層2を透過した光を反射して、第1電極層2に光を集め、且つ第1電極層2には、その光を出射する端面の一部である光出射端面を有している。
Example 1
FIG. 1 is a sectional view showing Example 1 of an organic EL element according to the present invention. In this organic EL element, a
この有機EL素子は、次のように作製した。
まずガラス基板1上に、SiO2とTa2O5を交互に積層した誘電体多層膜フィルタ5を成膜した。ここでSiO2とTa2O5の光学的な膜厚は有機EL素子の発光スペクトルの中心波長の1/4として、それぞれ86.32nmと56.85nmとした。ここで、SiO2とTa2O5の組数を増やすことで、誘電体多層膜フィルタ5の反射率を増加させることができる。
This organic EL element was produced as follows.
First, a
この誘電体多層膜フィルタ5上にITO(100nm)/α−NPD(28nm)/ドープ量0.5質量%のcoumarin6:Alq3(20nm)/Alq3(22nm)/LiF(0.4nm)/MgAg(150nm)の順番に成膜することで、有機EL素子を作製した。前記α−NPDは、4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニルを表し、Alq3は、トリス(8−ヒドロキシキノリン)アルミニウムを表す。ここで、誘電体多層膜フィルタ5と陰極(MgAg)とで構成される共振器長は、有機EL素子の発光スペクトルの中心波長と次の式(1)〜(3)で関係付けられている。
On this
式(1)〜(3)中、L(λ)は共振器長、neffは誘電体多層膜フィルタの等価屈折率、ΔnはSiO2とTa2O5との屈折率差、njとLjは共振器中に存在するITOや有機層のそれぞれの屈折率と厚さ、λは有機EL素子の発光スペクトルの中心波長、nsは陰極に接している有機層の屈折率、nmとkmは陰極の屈折率の実部と虚部、mはモード次数を示している。 In equations (1) to (3), L (λ) is the resonator length, n eff is the equivalent refractive index of the dielectric multilayer filter, Δn is the difference in refractive index between SiO 2 and Ta 2 O 5, and n j L j is the refractive index and thickness of each ITO or organic layer present in the resonator, λ is the center wavelength of the emission spectrum of the organic EL element, n s is the refractive index of the organic layer in contact with the cathode, nm k m is the real and imaginary parts of the refractive index of the cathode, m denotes a mode order and.
実施例1の素子構造では、発光スペクトルの中心波長が510nmであり、使用した有機層やITO、MgAgなどの膜厚や屈折率を代入して計算することでモード次数m=4が得られた。 In the element structure of Example 1, the center wavelength of the emission spectrum was 510 nm, and the mode order m = 4 was obtained by substituting and calculating the film thickness and refractive index of the used organic layer, ITO, MgAg, or the like. .
誘電体多層膜フィルタを形成しているSiO2とTa2O5の組数を1から6の範囲で変化させて有機EL素子を作製した。次に、作製した有機EL素子の正面(基板に垂直な方向)と端面(基板に平行な方向)の光出力をフォトディテクタで測定した。測定した正面と端面の光出力の比を計算することで、効率よく端面に光が導波されている条件を評価した。ここで、誘電体多層膜フィルタの組数が0の場合を基準として正面と端面の輝度比を1.00とした。このサンプルと比較して正面輝度の割合が高い場合には正面/端面の輝度比は0〜1の値になり、端面輝度の割合が高い場合には正面/端面の輝度比は1以上の値になる。結果を表1に記す。 Organic EL elements were fabricated by changing the number of SiO 2 and Ta 2 O 5 pairs forming the dielectric multilayer filter in the range of 1 to 6. Next, the light output of the front surface (direction perpendicular to the substrate) and the end surface (direction parallel to the substrate) of the produced organic EL element was measured with a photodetector. The conditions under which light was efficiently guided to the end face were evaluated by calculating the ratio of the measured front and end light outputs. Here, the luminance ratio between the front surface and the end surface was set to 1.00 with reference to the case where the number of sets of dielectric multilayer filters is zero. When the front luminance ratio is higher than that of this sample, the front / end luminance ratio is 0 to 1, and when the end luminance ratio is high, the front / end luminance ratio is 1 or more. become. The results are shown in Table 1.
表1の結果から、誘電体多層膜フィルタの反射率が61.5%以上の条件で、誘電体多層膜フィルタを用いない場合よりも端面輝度の割合が増加している。また、誘電体多層膜フィルタの反射率が高いほど、その傾向は強い。つまり、反射率が61.5%以上の誘電体多層膜フィルタ上に有機EL素子を作製することで、有機EL素子の端面に光配線を接続した場合に、有機EL素子内部で発光した光のなかで光配線と結合する光の割合が増加することが分かる。 From the results of Table 1, the ratio of the end face luminance is increased under the condition that the reflectivity of the dielectric multilayer filter is 61.5% or more than in the case where the dielectric multilayer filter is not used. Moreover, the tendency is so strong that the reflectance of a dielectric multilayer filter is high. That is, by producing an organic EL element on a dielectric multilayer filter having a reflectivity of 61.5% or more, when an optical wiring is connected to the end face of the organic EL element, the light emitted inside the organic EL element is reduced. It can be seen that the proportion of light coupled to the optical wiring increases.
(実施例2)
図2は、本発明に係る有機EL素子の実施例2を示す断面図である。この有機EL素子は、前記実施例1の有機EL素子と同じく、ガラス基板1の上に誘電体多層膜フィルタ5を設け、この誘電体多層膜フィルタ5上に、ITO膜2、発光層を含む有機層3及び金属薄膜からなる第2電極層4を順に積層した構造になっており、さらに、この有機EL素子の端面には、光ファイバ等の光配線6が光出射端面からの出射光を受光可能に設けられている。
(Example 2)
FIG. 2 is a sectional view showing Example 2 of the organic EL element according to the present invention. This organic EL element is provided with a
ガラス基板1上には、誘電体多層膜フィルタが設けられ、この誘電体多層膜フィルタ上に設けられたITO膜からなる第1電極層2は、一部が突起状に延出してガラス基板1周縁に達する凸字状に形成されている。この突起部分の先端面は、光出射端面になっている。光配線6は、その端面を前記光出射端面に密接した状態で接続されている。前記光出射端面の幅は、光配線6のコア径と略等しい寸法に形成されている。
A dielectric multilayer filter is provided on the glass substrate 1, and a part of the
有機層3及び第2電極層4からなる発光部7は、第1電極層2の一部に積層形成されている。この発光部7内で生じた光は、第1電極層2を透過し、この下の誘電体多層膜フィルタに当たり第1電極層2側に反射される。第1電極層2に集められた光は、突起部分を通して光出射端面から出射される。
The light emitting unit 7 composed of the
実施例2に示した構造の有機EL素子において、ITOからなる第1電極層を250μmの幅で先端を突起状にした。この先端が突起状になったITOの側面にコア幅250μmからなるプラスチック光ファイバを配置して、プラスチック光ファイバの出射側での輝度を測定した。ここで、発光部7の形状は1mm×1mmとした。また、比較のためにITO先端を突起状にしていない素子も作製して同様にプラスチック光ファイバ端面の輝度を比較した。その結果、先端を突起状にした素子では1.5倍の輝度の向上が確認できた。 In the organic EL element having the structure shown in Example 2, the first electrode layer made of ITO had a width of 250 μm and a tip formed in a protruding shape. A plastic optical fiber having a core width of 250 μm was arranged on the side surface of the ITO having a protruding tip, and the luminance on the emission side of the plastic optical fiber was measured. Here, the shape of the light emitting portion 7 was 1 mm × 1 mm. For comparison, an element having an ITO tip not formed in a protruding shape was also produced, and the luminance of the end face of the plastic optical fiber was similarly compared. As a result, it was confirmed that the brightness of the element having a protruding tip was improved by 1.5 times.
(実施例3)
図3は、本発明に係る有機EL素子の実施例3を示す断面図である。この有機EL素子は、前記実施例2の有機EL素子とほぼ同じ構成を備えており、第1電極層2の一部に、ガラス基板1周縁に向けてテーパー状に窄まったテーパー部8が設けられていることを特徴としている。このテーパー部8の先端面が光出射端面になっている。
(Example 3)
FIG. 3 is a sectional view showing Example 3 of the organic EL element according to the present invention. This organic EL element has substantially the same configuration as the organic EL element of Example 2, and a
発光部7上の第1電極層の幅1mmから急激に250μmの幅に変化させた素子(実施例2)と発光部7上の第1電極層の幅1mmから1度の角度をつけてなだらかに幅を変化させて最終的に250μmの幅に変化させた素子(実施例3)を作製した。この2つの素子において先端が突起状になったITOの側面にコア幅250μmからなるプラスチック光ファイバを配置して、プラスチック光ファイバの出射側での輝度を測定した。その結果、テーパーをつけた素子ではテーパーを用いていない素子に比較して7.6倍の輝度の向上が確認できた。 The element (Example 2) in which the width of the first electrode layer on the light-emitting portion 7 was suddenly changed from 1 mm to 250 μm and the first electrode layer on the light-emitting portion 7 was gently inclined at an angle of 1 degree from 1 mm. A device (Example 3) in which the width was finally changed to 250 μm was prepared. In these two elements, a plastic optical fiber having a core width of 250 μm was arranged on the side surface of the ITO having a protruding tip, and the luminance on the emission side of the plastic optical fiber was measured. As a result, it was confirmed that the element with the taper was 7.6 times as bright as the element without the taper.
1…ガラス基板(透明基板)、2…第1電極層、3…有機層、4…第2電極層、5…誘電体多層膜フィルタ、6…光配線、7…発光部、8…テーパー部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glass substrate (transparent substrate), 2 ... 1st electrode layer, 3 ... Organic layer, 4 ... 2nd electrode layer, 5 ... Dielectric multilayer filter, 6 ... Optical wiring, 7 ... Light emission part, 8 ... Tapered part .
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