JP2009217948A - 有機発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｒ,Ｇ,Ｂの膜厚を変えることなく、共振器構造を最適化した有機発光素子を提供する。
【解決手段】赤色（Ｒ）発光と青色（Ｂ）発光とで共振条件を同時に満たすことで、各Ｒ,Ｂの膜厚を同じにする。また、赤色（Ｒ）発光、緑色（Ｇ）発光及び青色（Ｂ）発光で共振条件を同時に満たすことで、各Ｒ,Ｇ,Ｂの膜厚を同じにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、フルカラー表示のための３原色（赤：Ｒ、緑：Ｇ、青：Ｂ）毎の積層膜構造の共振器構造を最適化した有機発光素子に関する。

有機発光素子の発光面の前面に半透明反射鏡を設置し、往復の光学的長さが所望の発光波長の自然数倍となる共振器（微小共振器）とすることにより、発光スペクトルを単色化し、同時に、発光ピーク強度をエンハンスすることが、下記特許文献１に記載されている。なお、共振器構造に関係した物性については、下記非特許文献１に詳説されている。

また、３原色である赤：Ｒ、緑：Ｇ、青：Ｂ（以下、Ｒ,Ｇ,Ｂ）毎の有機発光素子を用いたフルカラー表示装置において、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎の有機発光素子の共振器構造を最適化するために、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎の有機発光素子のそれぞれの発光波長に合わせて膜厚を変えたＲ,Ｇ,Ｂ毎の有機発光素子が、下記特許文献２に記載されている。
T.Nakayama, "Organic luminescent devices with a microcavity structure", included in "Organic electroluminescent materials and devices", edited by S.Miyata,published by Gorden & Breach Science Publisher (1997) 特開平８−２１３１７４号公報 特開２００５−１１６５１６号公報

Ｒ,Ｇ,Ｂ毎の有機発光素子の作製プロセスにおいては、電子輸送層、ホール輸送層、透明電極等の各層は、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎に分けてマスク蒸着するよりも、同一種の膜は、一度に、できればマスク無しで形成することが作製プロセス的に簡便であり、その結果として、作製プロセスが簡略化され、コスト的に有利である。また、同時に、各層の膜厚を最適化して発光特性を優れたものにすることが要請される。

しかし、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎に有機発光素子を形成すると同時に、それらの膜厚に基づく共振器長を、それらの発光色に合わせるためには、Ｒ,Ｇ,Ｂの発光域の波長の長さの関係がＲ＞Ｇ＞Ｂであるので、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎の各波長に比例して共振器長を変える必要がある。そのため、有機発光素子の電荷注入最適化を犠牲にして、各層の膜厚を変えるか、作製プロセスを複雑化させて、透明電極等の下地の膜厚を変える必要があり、素子特性の低下や作製コストの増大を招いていた。

本発明の目的は、Ｒ,Ｇ,Ｂの膜厚を変えることなく、共振器構造を最適化した有機発光素子を提供することにある。

本発明は、赤色域で発光する有機発光素子の共振器長をｍλ_Rとし、青色で発光する有機発光素子の共振器長を（ｍ＋１）λ_Bとすることで、赤色の有機発光素子と青色の有機発光素子の膜厚を同じにして、それぞれの発光色の共振条件を同時に満たすことを特徴とする。なお、緑色で発光する有機発光素子の共振器長は（ｍ＋１）λ_Gであるが、膜厚は異なる。

ここで、ｍは自然数、λ_Rは赤色の有機発光素子の共振波長（赤色の１波長の長さ）、λ_Gは緑色の有機発光素子の共振波長（緑色の１波長の長さ）、λ_Bは青色の有機発光素子の共振波長（青色の１波長の長さ）である。

また、本発明は、赤色で発光する有機発光素子の共振器長をｍλ_Rとし、緑色で発光する有機発光素子の共振器長を（ｍ＋１）λ_Gとし、青色で発光する有機発光素子の共振器長を（ｍ＋２）λ_Bとすることで、これらの有機発光素子の膜厚を同じにして、それぞれの発光色の共振条件を同時に満たすことを特徴とする。

本発明によれば、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎の有機発光素子のそれぞれの共振器長に対応して膜厚を変えていたために生じる素子特性の低下や作製コストの増大を低減することができる。本発明の有機発行素子は、表示用、照明用、特に、液晶表示装置のバックライト用などに好適なものである。

以下、本発明の最良の形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の有機発光素子の概略図であって、同図（ａ）は、赤色域発光の共振器長ｍλ_Rと青色域発光の共振器長（ｍ＋１）λ_Bが同じで、緑色域発光の共振器長（ｍ＋１）λ_Gが異なる有機発光素子の概略図、同図（ｂ）は、赤色域発光の共振器長ｍλ_R、緑色域発光の共振器長（ｍ＋１）λ_G及び青色域発光の共振器長（ｍ＋２）λ_Bが同じの有機発光素子概略図である。

図１において、参照符号１０１は透明電極、１０２はホール輸送層、１０３は発光層（それぞれＲ，Ｇ，Ｂ）、１０４は電子輸送層、１０５は金属電極兼全反射鏡であり、図中のｍは自然数で、Ｒ,Ｇ,Ｂ毎の共振波長のｍ倍又はｍ＋１倍を示す。

ここで、透明電極１０１と有機発光素子外部との屈折率差がもっとも大きいので、その界面が半透明反射面として最も強い効果を果たす。また、赤色域とはＣＩＥ（１９７６）ＵＶ色度図においてreddish orange, redを、緑色域とはbluish green, green, yellowish greenを、青色域とはpurplish blue, blue, greenish blueの領域を指す場合が多い。

本実施例のように、共振器構造を用いる場合は、共振器構造無しの発光スペクトルが、それぞれの代表的波長（Ｒは６２０ｎｍ、Ｇは５２０ｎｍ、Ｂは４５０ｎｍ）を成分として含んでいれば、問題なくＲＧＢ表示装置として用いることができる。なお、共振器構造無しの発光スペクトルにおいて、それぞれのピーク発光強度の半分程度の強度を、Ｒ,Ｇ,Ｂ代表的波長において有していれば、効率の良いデバイスが構成される。また、有機発光素子の発光スペクトルの半値幅は、ピーク波長の１０％程度であることが多いことから勘案すると、共振器構造無しの発光スペクトルのピーク波長が、Ｒ,Ｇ,Ｂの代表的波長の±５％程度にあると、効率の良いデバイスが構成されるということになる。

図２は、有機発光素子における光伝播と干渉の発生の説明図である。図２において、有機発光素子の前面の透明電極１０１の外面である半透明反射面において、素子内部から到達した光Ａ０は、その半透明反射機能により、透明電極１０１から素子外部に出射する透過成分Ａｔと、素子内部に反射する反射成分Ａｒとに分別される。

反射成分Ａｒは、素子背面の全反射鏡１０５の反射面で反射した後、再び半透明反射面に反射成分Ａｒ'として達し、透過成分Ａｔ'として透明電極１０１から素子外部に透過する。

透過成分ＡｔとＡｔ'は、もともと同一の光Ａ０を、複数に分別したものであるため相関性が高く高効率で干渉（自己干渉）を生じる。しかし、透過成分Ａｔ'は半透明反射面で反射して素子内部を往復して来た分、波長の位相が透過成分Ａｔより遅延している。したがって、干渉において強めあう条件は、遅延した位相量が波長の自然数倍になることにより波長の波面が揃うので、この条件を満たす波長であれば、透過成分ＡｔとＡｔ'は強めあい、それ以外の波長では弱い干渉でしかない。

このように、透過成分Ａｔに対して透過成分Ａｔ'の位相の遅延を生じさせる経路、すなわち、透明電極１０１の外面である半透明反射面から全反射鏡１０５の反射面までの光Ａ０の伝播経路を共振器全長Ｌとすると、この共振器全長Ｌを、光Ａ０の共振波長λのｍ倍とすることにより、出射する光の波面が揃って振動は強め合うことになる。

すなわち、図３に示すように、Ｌ＝ｍλとする。図３は、共振器全長Ｌと共振波長λの関係図であって、ｍ＝２の場合を示す。

共振器全長Ｌは、有機薄膜を発光に用いる有機発光素子において、共振を生じさせる反射鏡間の各層の屈折率に各層の膜厚を乗じて２倍（往復分）した値の和になる光学的距離と界面反射（透明電極１０１側と全反射鏡１０５側）による位相シフトと界面蓄積電荷で生じる位相シフトのオフセット長さ分とを加算して得られる。例えば、J.M.Bennet,J.Opt.Soc.Am,54,(1964)612を参照。その構成要素の１つである反射鏡間の各層の光学的長さ（長さｄ_iと屈折率ｎ_iの積の総和Σｎ_iｄ_i、ここでｉは層の数）を変えることにより、共振器全長Ｌを変えることができる。

すなわち、Ｌ＝Σ２ｎ_iｄ_i＋Δ＝ｍλとなる。ここで、Δは界面反射による位相シフトと界面蓄積電荷で生じる位相シフトのオフセット長さ分を加算した値である。

図４は、共振特性を実測するための有機発光素子の概略図である。図４において、１１１は有機発光材料（アルミキレート）、１１２はＡｇ−Ｍｇ反射膜である。なお、アルミキレート１１１の外部に低屈折率−高屈折率−低屈折率−高屈折率の順で、所望の波長(例えば、スペクトルピーク波長５２０ｎｍ）の１／４の光学的厚さの誘電積層膜を形成すれば、反射率増加により共振の振幅は強化されるが、共振の波長特性は殆ど変化しない。

ここでは、アルミキレート１１１の膜厚ｄを変えた試料を作成し、光励起発光により実際に共振が観測された波長λを、光学的距離２ｎｄに対してプロットしたものを図５に示す。例えば、T.Nakayama et. al., Extended Abstracts to EL Workshop 98, P.44を参照。

図５は、膜厚ｄと光学的距離２ｎｄと共振ピーク波長λの関係図である。図５において、膜厚ｄと光学的距離２ｎｄをいくらにすれば、共振ピーク波長λが何ｎｍに発生するかを示す。図中の四角又は円でプロットした勾配がｍの逆数になり、そのときのｍの値を図中の点線で示す。すなわち、λ＝（１／ｍ）（２ｎｄ＋Δ）で、ｍ＝１から８までを点線で示してある。

このグラフを作成することによって、それぞれのデバイス構造に対して、複数の発光色にピークを持つデバイスの設計が可能となり、作製プロセスの簡略化と素子層構成の電気的設計上の最適化の両立が達成される。以下では、図４の結果から実素子に用いる膜厚が導かれる。

図５から、赤色領域と青色領域に同時に共振ピークを持つ膜厚ｄは、１１０ｎｍ、２８０ｎｍ、４２０ｎｍであることが確認できる。すなわち、膜厚ｄが１１０ｎｍでは、ｍ＝２で赤色が、ｍ＝３で青色がピークを持つ。膜厚ｄが、図５に示すＢである２８０ｎｍでは、ｍ＝３で赤色が、ｍ＝４で青色がピークを持つ。膜厚ｄが、図５に示すＣである４２０ｎｍでは、ｍ＝４で赤色が、ｍ＝５で青色がピークを持つ。

ここで、アルミキレート（ＡＬＱ）の屈折率ｎ＝１．７であるから、これらの光学的長さｎｄは、それぞれ１８７ｎｍ、４７６ｎｍ、７１４ｎｍとなり、共振器全長Ｌは、１０１０ｎｍ、１１８０ｎｍ、１３２０ｎｍである。これらの長さは、色度図（ｕｖ又はＸＹ）上において、赤色系、緑色系、青色系にエリア分けされている部分内に、主成分が保持されていれば、実用に供することが可能であり、この場合は、波長にして、それぞれの上記の長さから上下５％の範囲であれば、その要請は満たされる。この範囲は、以下の説明においても同様である。

図６に、そのうち２８０ｎｍの膜厚を用い、Ｒ,Ｇ,Ｂ画素配置のフルカラー表示パネルを構成した例を示す。ここで、赤色はｍ＝３、青色はｍ＝４で、図５から、緑色ではｍ＝４である。

図６において、参照符号２０１は赤及び青色画素の透明電極（ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）（厚さ１６０ｎｍ））、２０１Ｇ：緑色画素の透明電極（ＩＴＯ（２１０ｎｍ））、２０２はホール注入層（α−ＮＰＤ（４０ｎｍ））、２０３Ｒは赤色発光層（ＡＬＱ：５％ＤＣＭ（２０ｎｍ））、２０３Ｇは緑色発光層（ＡＬＱ：５％Ｉｒ（ｐｐｙ）３（２０ｎｍ））、２０３Ｂは青色発光層（ＡＬＱ：２０％ジスチリルアリレン（２０ｎｍ））、２０４は電子輸送層（ＡＬＱ（４０ｎｍ））、２０５は金属電極兼反射鏡（Ａｇ−Ｍｇ（１００ｎｍ））、２０６は基板（ガラス０．７ｍｍ）である。ここで、有機膜２０２、２０３、２０４の屈折率は約１．７であり、ＩＴＯ２０１の屈折率は約１．９である。

図６においては、緑色画素の透明電極２０１Ｇを他より厚くすることにより、緑色で共振を得ているが、逆に、透明電極２０１Ｇを１１０ｎｍに薄くすることによっても緑色で共振を得ることができる。すなわち、図５から、ｍを４から３とする。

また、図５から、赤色領域、緑色領域及び青色領域に同時に共振ピークを持つ膜厚ｄは、４９０ｎｍ、６６０ｎｍであることが確認できる。すなわち、膜厚ｄが４９０ｎｍでは、ｍ＝４で赤色が、ｍ＝５で緑色が、ｍ＝６で青色がピークを持つ。膜厚ｄが６６０ｎｍでは、ｍ＝５で赤色が、ｍ＝６で緑色が、ｍ＝７で青色がピークを持つ。

ここで、アルミキレート（ＡＬＱ）の屈折率ｎ＝１．７であるから、これらの光学的長さｎｄは、それぞれ８３３ｎｍ，１１２２ｎｍとなり、共振器全長Ｌは、１３９０ｎｍ，２１２２ｎｍである。

図７に、そのうち図５に示すＤにより、４９０ｎｍの膜厚を用い、ＲＧＢ画素配置のフルカラー表示パネルを構成した例を示す。ここで、赤色はｍ＝４、緑色はｍ＝５、青色はｍ＝６である。図７において、図６と異なるのは、透明電極２０１'（ＩＴＯ（３５０ｎｍ））である。

本実施例では、各画素の共振器全長を長くするために、透明電極を厚くする方法を用いたが、それ以外に、低抵抗のホール輸送膜（有機膜及び酸化モリブデンなどの無機膜）を透明電極とホール注入層の間に挿入する方法や、素子の性能低下を許容できる用途では発光層の膜厚を厚くする方法などがある。

なお、基板２０６は、共振器（反射面−半透明反射面）の構造の外部にあり、その共振器構造に影響を与えない。したがって、発光を透明電極２０１側から取り出す場合には、基板２０６は、無機素材、有機素材から自由に選択でき、透明である必要もない。また、基板２０６を透明電極２０１外部面に配置する場合には、発光は基板２０６側から取り出すことになるので、基板２０６は、透明であることは必要であるが、透明でさえあれば無機素材、有機素材から自由に選択できる。強度とプロセス上の問題がない場合は、基板２０６を省略することも可能になる。

また、共振器全長に要請される光学的長さは一定であるが、金属層に異なる膜を用いたり、異なる有機膜を用いたりすることにより、反射による位相ずれ量が変化し、その反射鏡間の光学的長さが変化するが、通常の有機発光素子に用いられる材料の屈折率は１．７の上下数％の範囲である。また、Ａｌ、Ｍｇ、Ｉｎとそれらの合金など、これまでに実際に有機発光素子に用いられてきた金属膜の反射による位相ずれ量の変化も大きくなく、結果として、これらの材料を選択する範囲では、反射鏡間の光学的長さの変化は数％のわずかな範囲である。

図８と図９は、図７に示す赤色領域、緑色領域及び青色領域に同時に共振ピークを持つ共振器構造の各波長特性を、緑色を比較例として説明するものである。

図８（ａ）は図７に示す共振器構造の各波長特性図、図８（ｂ）は共振器構造無しで緑色の発光スペクトルが他の色の共振ピーク域にまで尾を引かないほど十分に波長域が狭い場合の緑色の波長特性図、図８（ｃ）は共振器構造で発生させたとき緑色の波長特性図である。

図８（ａ）に示すように、赤色領域、緑色領域及び青色領域に同時に共振ピークを持つ共振器構造の場合は、図８（ｂ）に示すように、共振器構造無しの発光スペクトルが他の色の共振ピークにかかる成分をもたないような波長域の比較的狭い発光層が望ましく、共振器構造により、図８（ｃ）に示す波長特性が得られる。図８(ｂ)(ｃ)では、代表として緑色の波長特性についてのみ示しているが、赤色と緑色についても同様である。

図９（ａ）は図７に示す共振器構造の各波長特性図、図９（ｂ）は共振器構造無しで緑色の発光スペクトルが他の色の共振ピーク域にまで尾を引いた波長域が広い場合の緑色の波長特性図、図９（ｃ）は共振器構造で発生させたとき緑色の波長特性図である。

図９（ａ）に示すように、赤色領域、緑色領域及び青色領域に同時に共振ピークを持つ共振器構造の場合は、図８（ｂ）に示すように、共振器構造無しの発光スペクトルが他の色の共振ピークにかかる成分をもたないような比較的狭い波長域の発光層が望ましいが、図９（ｂ）に示すように、他の色の成分を持つ場合でも、取り出し効率向上の効果さえ得ればよく、共振器構造による色純度向上がそれほど重要でない用途に対しては、共振器構造により得られる図９（ｃ）に示す波長特性を利用することができる。図９(ｂ)(ｃ)では、代表として緑色の波長特性についてのみ示しているが、赤色と緑色についても同様である。

以上、図５の結果は、有機発光素子の素子構造に依存するものであり、例えば、図４に示す有機膜１１１外部に高屈折率−低屈折率−高屈折率−低屈折率の順で１／４波長の光学的厚さの誘電積層膜を形成した場合は、反射による１／２波長分の位相シフトが生じるために、共振の波長特性は、その分ずれたものになる。

すなわち、赤色・青色同一共振器長素子の反射鏡間の光学的長さは、３２３ｎｍ、５９５ｎｍ、赤色・緑色・青色同一共振器長素子の反射鏡間の光学的長さは、６８０ｎｍ、９３５ｎｍ、１２２４ｎｍになる。

各層の屈折率の波長依存性が無視できない大きさになる場合もあるし、実素子においては、複数の半透明反射面からの寄与により、さらに複雑になる場合もある。そのため、それぞれの構造において、実験的に図５のグラフを作成した後、複数の発光領域に共振ピークを出す膜厚を導出するのが最も適切な方法である。

共振器全長Ｌを、赤色域波長のｍ倍とすると同時に、青色域波長のｍ＋１倍とすることを達成した上で、さらに、色度を向上させる目的で、発光層の膜厚などで数％程度の微調整を行うことはありうる。その場合でも、それぞれの波長をｍ倍した場合より、はるかに優れた素子特性を得ることができる。

本発明に係る赤、緑、青の有機発光素子の概略図である。 有機発光素子における光伝播と干渉の発生の説明図である。 共振器全長Ｌと共振波長λの関係図である。 共振特性を実測するための有機発光素子の概略図である。 膜厚ｄ、光学的距離２ｎｄと共振ピーク波長λの関係図である。 ＲＧＢ画素配置のフルカラー表示パネルの構成図である。 ＲＧＢ画素配置のフルカラー表示パネルの他の構成図である。 波長特性図である。 他の波長特性図である。

符号の説明

１０１…透明電極、１０２…ホール輸送層、１０３…は発光層（それぞれＲ，Ｇ，Ｂ）、
１０４…電子輸送層、１０５…金属電極兼全反射鏡、１１１…有機発光材料（アルミキレ
ート）、１１２…Ａｇ−Ｍｇ反射膜、２０１…赤及び青色画素の透明電極、２０１Ｇ…緑
色画素の透明電極、２０２…ホール注入層、２０３Ｒ…赤色発光層、２０３Ｇ…緑色発光
層、２０３Ｂ…青色発光層、２０４…電子輸送層、２０５…金属電極兼反射鏡、２０６…
基板、２０１'…透明電極。

Claims (11)

1. 赤色域、緑色域、青色域の３色それぞれの共振器を有する有機発光素子において、
   前記有機発光素子は複数の層で構成され、当該各層ｉの屈折率ｎ_iと膜厚ｄ_iを乗じて２倍した値の和になる光学的長さをΣ２ｎ_iｄ_i、界面反射による位相シフトとオフセット長さ分を加算した長さをΔ、自然数をｍ、共振波長をλとしたとき、
   前記有機発光素子の共振器全長Ｌを、Ｌ＝Σ２ｎ_iｄ_i＋Δ＝ｍλとし、
   前記赤色域の発光の共振器全長が、当該赤色域の波長λ_Rのｍ倍で、且つ、前記青色域の発光の共振器全長が、当該青色域の波長λ_Bの（ｍ＋１）倍であることを特徴とする有機発光素子。
2. 請求項１に記載の有機発光素子において、
   前記緑色域発光の有機発光素子については、その共振器全長Ｌを増大又は減少させることにより、前記青色域又は前記赤色域にあった共振条件を当該緑色の発光領域にシフトさせて利用することを特徴とする有機発光素子。
3. 赤色域、緑色域、青色域の３色それぞれの共振器を有する有機発光素子において、
   前記有機発光素子は複数の層で構成され、有機発光素子の各層ｉの屈折率ｎ_iと膜厚ｄ_iを乗じて２倍した値の和になる光学的長さをΣ２ｎ_iｄ_i、界面反射による位相シフトとオフセット長さ分を加算した長さをΔ、自然数をｍ、共振波長をλとしたとき、
   前記有機発光素子の共振器全長Ｌを、Ｌ＝Σ２ｎ_iｄ_i＋Δ＝ｍλとし、
   前記赤色域の発光の共振器全長が赤色域波長λ_Rのｍ倍であり、且つ、前記緑色域の発光の共振器全長が青色域波長λ_Gの（ｍ＋１）倍で、前記青色域の発光の共振器全長が青色域波長λ_Bの（ｍ＋２）倍であることを特徴とする有機発光素子。
4. 請求項１又は３に記載の有機発光素子において、
   前記赤色域の発光と青色域の発光のそれぞれで、それらの発光色で位相が揃う共振条件を同時に満たしていることを特徴とする有機発光素子。
5. 請求項４に記載の有機発光素子において、
   前記共振器全長Ｌが、１０１０ｎｍ、１１８０ｎｍ、又は１３２０ｎｍの±５％であることを特徴とする有機発光素子。
6. 請求項４に記載の有機発光素子において、
   前記共振器の双方の反射鏡の鏡面反射では１／２波長の位相シフトがなく、且つ、当該反射鏡間の光学的長さが１８７ｎｍ、４７６ｎｍ、又は７１４ｎｍの±５％であることを特徴とする有機表示素子。
7. 請求項４に記載の有機発光素子において、
   前記共振器の一方の反射鏡の鏡面反射でのみ１／２波長の位相シフトがあり、且つ、当該反射鏡間の光学的長さが３２３ｎｍ、５９５ｎｍ、の±５％であることを特徴とする有機発光素子。
8. 請求項３に記載の有機発光素子において、
   前記赤色域の発光、前記緑色域の発光、前記青色域の発光での共振条件を同時に満たしていることを特徴とする有機発光素子。
9. 請求項８に記載の有機発光素子において、
   共振器全長Ｌが、１３９０ｎｍ又は２１２２ｎｍの±５％であることを特徴とする有機発光素子。
10. 請求項８に記載の有機発光素子において、
    前記共振器の双方の反射鏡の鏡面反射では１／２波長の位相シフトがなく、且つ、当該反射鏡間の光学的長さが８３３ｎｍ、又は１１２２ｎｍの±５％であることを特徴とする有機発光素子。
11. 請求項８に記載の有機発光素子において、
    前記共振器の一方の反射鏡の面反射でのみ１／２波長の位相シフトがあり、且つ、当該反射鏡間の光学的長さが６８０ｎｍ、９３５ｎｍ、又は１２２４ｎｍの±５％であることを特徴とする有機発光素子。

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