JP2012164600A - 発光素子、および発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】有機EL素子において、光取り出し効率の向上等を図る。
【解決手段】有機EL素子である発光素子4は、第1電極層43と第2電極層45との間に配置された、少なくとも1層以上の発光機能層443を含む有機化合物層44を含み、第2電極層45が発光機能層443で発せられた光の一部を該発光機能層443に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層として機能する。これに加えて、第2電極層(半透明半反射層)45を中心として反射層41が位置するのとは反対側に、かつ、第2電極層(半透明半反射層)45に接するように配置される反射増強層46を備え、反射増強層46は酸化モリブデンまたは酸化タングステンから構成される。
【選択図】図4

Description

本発明は、有機EL(Electro Luminescent)素子等を含む、発光素子および発光素子の製造方法に関する。
薄型で軽量な発光源として、OLED(Organic Light Emitting Diode)、つまり有機EL素子が注目を集めており、多数の有機EL素子を備える画像表示装置が開発されている。有機EL素子は、有機材料で形成された少なくとも1層の有機薄膜を画素電極と対向電極とで挟んだ構造を有する。
有機EL素子の分野において、増幅的干渉すなわち共振を利用して、発光した光のうち特定の波長を強める技術が知られている。この技術では、発光色の色純度を高めたり、発光に対する放出される光の効率を高めたりすることができる。
このような有機EL素子としては、例えば特許文献1に開示されているようなものが知られている。
特開2008−218081号公報
しかしながら、上記特許文献1の技術においては、次のような課題がある。
特許文献1の技術では、有機薄膜に接して透明電極を成膜することが前提とされており、製造プロセス上、透明カソ−ド電極成膜時に有機薄膜へ、例えばプラズマや成膜粒子などに起因したダメージを与えるおそれが大きいという問題がある。また、透明カソード電極と光路長調整層との界面における光反射量は限定的であると考えられ、光共振器による共振作用をより効果的に利用できるとは言えない。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係る発光素子は、第1電極層と、第2電極層と、前記第1電極層および前記第2電極層の間に配置された、少なくとも1層以上の発光機能層を有する有機化合物層と、前記発光機能層で発せられた光を前記発光機能層に向けて反射する反射層と、前記発光機能層を挟んで前記反射層の反対側に配置され、前記発光機能層で発せられた光の一部を前記発光機能層に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層と、前記半透明半反射層を挟んで前記反射層の反対側に、前記半透明半反射層と接するように配置された反射増強層と、を備え、前記反射増強層は、酸化モリブデン又は酸化タングステンにより形成されていることを特徴とする。
本適用例によれば、半透明半反射層に接して、反射増強層が存在しており、反射増強層がない場合に比べて、これら両層間の界面においては強い光の反射が生じ得る。したがって、発光機能層で発生した光のうち、半透明半反射層と反射層とによって構成される光共振器の中に戻っていく光の絶対量が多くなるため、当該光共振器の作用をより強めること、言い換えると、光共振器による共振作用をより効果的に利用することができる。
また、酸化モリブデンまたは酸化タングステンを用いれば、簡便な抵抗加熱等による真空蒸着法で、高い屈折率、低い消衰係数を持つ良好な反射増強層としての光学薄膜を形成できるので、光共振器による共振作用を効果的に利用できる。同時に製造コストの低減を図ることができ、かつ、製造容易性が向上する。
[適用例2]上記適用例の発光素子において、前記第1電極層、前記第2電極層、前記有機化合物層、前記反射層、前記半透明半反射層、および前記反射増強層は、基板上に積層構造をなすように構成され、前記第1電極層は、前記基板と前記有機化合物層との間に設けられており、前記半透明半反射層は、前記第2電極層を兼ねる、ことが好ましい。
本適用例によれば、半透明半反射層が、第2電極層を兼ねる、言い換えれば第2電極層の全部又は一部を含む。半透明半反射層と第2電極層の全部又は一部とが、共用ないし兼用されているので、装置構造の効率化・単純化が図られ、製造容易性が向上する。
また、上記各層を基板上に順次積層させていく製造方法をとれば、従来技術のように、発光機能層に接して透明カソード電極を製造する必要がないので、製造プロセス上、当該発光機能層に、例えばプラズマや成膜粒子などに起因したダメージを与えるおそれがほとんどない。
[適用例3]上記適用例の発光素子において、前記反射増強層の可視光領域(360nm以上830nm以下)における屈折率が1.8以上3.0以下であることが好ましい。
本適用例によれば、半透明半反射層に接して、反射増強層に含まれる第1層の屈折率を高くできるため、これら両層間の界面においては強い光の反射が生じ得る。したがって、発光機能層で発生した光のうち、半透明半反射層と反射層とによって構成される光共振器の中に戻っていく光の絶対量が多くなるため、当該光共振器の作用をより強めること、言い換えると、光共振器による共振作用をより効果的に利用することができる。
[適用例4]上記適用例の発光素子において、前記反射増強層の膜厚が30nm以上500nm以下であることが好ましい。
本適用例によれば、半透明半反射層と反射増強層に含まれる第1層との界面の反射に加え、反射増強層と、半透明半反射層と対向する層との界面での反射が生じ、反射増強層内での共振効果を利用できるようになる。よって、光共振器による共振作用をより効果的に利用することができる。
[適用例5]上記適用例の発光素子において、前記反射増強層は、酸化モリブデンまたは酸化タングステンからなる第1の層と、前記第1の層の屈折率よりも低い屈折率を有する第2の層と、を有し、前記第1の層と前記第2の層とは互いに接していることが好ましい。
本適用例によれば、半透明半反射層と反射増強層に含まれる第1の層との界面の反射に加え、反射増強層と、半透明半反射層と対向する低い第2の層との界面での反射が生じ、反射増強層内での共振効果を利用できるようになる。よって、光共振器による共振作用をより効果的に利用することができる。
また、第1の層よりも低い屈折率を有する第2の層は、第1の層よりも簡便な方法で形成できる場合が多く、製造プロセス上、当該発光機能層に例えばプラズマや成膜粒子などに起因したダメージを与えるおそれがほとんどない。
[適用例6]本適用例に係る発光素子の製造方法は、第1電極層と、第2電極層と、前記第1電極層および第2電極層の間に配置された、少なくとも1層以上の発光機能層を有する有機化合物層と、前記発光機能層で発せられた光を前記発光機能層に向けて反射する反射層と、前記発光機能層を挟んで前記反射層の反対側に配置され、前記発光機能層で発せられた光の一部を前記発光機能層に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層と、前記半透明半反射層を挟んで前記反射層の反対側に、前記半透明半反射層と接するように配置された反射増強層と、を備えた発光素子の製造方法であって、前記反射増強層は、酸化モリブデン又は酸化タングステンを用いて、真空蒸着法により形成することを特徴とする。
本適用例によれば、半透明半反射層に接して、反射増強層が存在しており、反射増強層がない場合に比べて、これら両層間の界面においては強い光の反射が生じ得る。したがって、発光機能層で発生した光のうち、半透明半反射層と反射層とによって構成される光共振器の中に戻っていく光の絶対量が多くなるため、当該光共振器の作用をより強めること、言い換えると、光共振器による共振作用をより効果的に利用することが可能な発光素子を製造することができる。
また、酸化モリブデンまたは酸化タングステンを用いることにより、簡便な抵抗加熱等による真空蒸着法で、高い屈折率、低い消衰係数をもつ良好な反射増強層としての光学薄膜を形成できるので、光共振器による共振作用を効果的に利用でき、同時に製造コストの低減を図ることができる。
単膜評価結果に係わる蒸着材料と蒸着可否の図。 単膜評価結果に係わる屈折率の波長依存性の図。 単膜評価結果に係わる消衰係数の波長依存性の図。 実施例1の発光素子の構成を示す模式断面図。 実施例1と比較例1の発光素子に係わる発光スペクトルを示すグラフ。 実施例1と比較例1の発光素子に係わるCIE色度を示すグラフ。 実施例2の発光素子の構成を示す模式断面図。 実施例2と比較例2の発光素子に係わる発光スペクトルを示すグラフ。 実施例2と比較例2の発光素子に係わるCIE色度を示すグラフ。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
(単膜評価結果)
まず、本実施形態の発光素子の反射増強層に用いられる単膜について図1〜図3を参照して説明する。
図1は、蒸着機にて成膜を試みた単膜の材料(蒸着材料)と、蒸着の可否と、可視光領域の透過率を示した表である。図2は、蒸着が可能で可視光領域の透過率が60%以上だった単膜の材料の屈折率を示すグラフ、図3は、同じく蒸着が可能で可視光領域の透過率が60%以上だった単膜の材料の消衰係数を示すグラフである。
成膜方法と蒸着可否の判断について説明する。蒸着はモリブデンボートを用いた抵抗加熱方式を採用した。ここで電源容量は10V、250Aとし、水晶振動子を用いた膜厚モニターで成膜速度を観察した。水晶振動子による成膜速度が1.0Å/sになるように電流値を調整し、電源容量の問題から250Aで1.0Å/sが得られなかった場合、蒸着不可と判断した。
透過率の評価方法について説明する。0.5mmのガラス基板(OA−10;日本電気硝子製)に100nm狙いで各種材料を成膜した。このサンプルを透過率測定し、波長500nmにおける透過率が60%以上の場合は透明と定義し、詳細な光学定数評価を行った。これによって、簡単な方法で光損失が小さく、反射増強層に適した材料の選別を行なえる。
前述した方法で材料を選別し、蒸着可能かつ透明な酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化錫の光学定数を評価した。装置は分光エリプソメーターを用い、解析した結果が図2と図3である。また、比較のため代表的な有機EL用材料であるAlq3も記載した。結果、酸化モリブデンと酸化タングステンはAlq3と比較して、可視光領域で高い屈折率を有し、かつ消衰係数が小さいことがわかる。酸化錫は屈折率が高いものの、消衰係数が大きく、光吸収が大きいことがわかる。
なお、一酸化シリコン、酸化タンタル、酸化チタンは、上記の抵抗加熱方式による蒸着方法では蒸発せず、成膜できなかった。酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化亜鉛は成膜できるものの、透過率が低く、光吸収の大きな薄膜になった。
以上の評価結果から、酸化モリブデン、酸化タングステンが、以下の効果を得ることができる。
すなわち、簡便な抵抗加熱法で成膜できるため、有機層上に成膜する際に有機層へ与えるダメージを軽減できるため、有機EL素子特性を劣化させる可能性が低いこと、可視光領域の透過率が高く、光透過性に優れていること、可視光領域での屈折率が高く、後述する反射増強層としての機能を発揮できること、などの効果が得られる。
(実施形態1)
図4は、実施形態1の発光素子の構成を示す模式断面図である。図5は、比較例1と実施例1の同一電流時における発光スペクトルの比較結果を示すグラフである。図6は、比較例1と実施例1のCIE色度の比較結果を示すグラフである。なお、有機EL素子(発光素子)は青色発光素子のみを作製した。原理的には緑色、赤色の領域の屈折率も高くなっており、同様の効果が得られるため、ここでは記載しない。
図4に示すように、実施形態1の発光素子4は、第1電極層43が透明導電層、第2電極層45が半透明半反射層からなり、第1電極層43と第2電極層45との間に発光機能層としての有機化合物層44を有し、基板40側に反射層41を有し、第2電極層45(半透明半反射層)を中心として、反射層41とは反対側に反射増強層46を有している、トップエミッション構造の有機EL素子である。
反射層41はAl合金から作られ、その膜厚は100nmである。なお、Al合金はNdを1wt%添加したものである。
反射層41と第1電極層43との間に設けられた透明層42はSiNから作られ、その膜厚は60nmである。
第1電極層43はITOから作られ、その膜厚は20nmである。
有機化合物層44は120nm〜160nmである。この中には正孔注入層441(20nm)、正孔輸送層442、発光機能層443(10nm)、電子輸送層444(40nm)、が含まれる。反射増強層46の種類によって有機化合物層44の最適膜厚が異なるため、正孔輸送層442の膜厚を変化させ、後述する比較例1と実施例1のピーク波長が同じになるよう調整した。なお、上記のように、青色発光素子を作製したので、発光機能層443のホスト材料は出光興産株式会社製BH215、発光ドーパントは出光興産株式会社製BD102を用いた。
第2電極層45はMgAgから作られる。膜厚は10nmである。
反射増強層46の厚さは60nm〜80nmであり、材料の屈折率によって膜厚の最適値が変化する。比較例1として反射増強層46をAlq3とした場合の素子を作製した。その膜厚は80nmである。実施例1は反射増強層46を酸化モリブデンとした場合の素子を作製した。その膜厚は70nmである。
なお、Alq3を反射増強層46に用いる技術は、公知技術(特開2010−171012)に開示されている。
図5は、実施例1の発光素子の発光スペクトル測定結果を示すグラフ、図6は実施例1の発光素子のCIE色度の比較結果を示すグラフである。
図5に示すように、実施例1の方が比較例1よりもピーク波長を高くすることができ、光取り出し効率が向上していることがわかる。実施例1では比較例1よりもピーク強度が1.2倍、外部量子効率が1.06となっている。また、図6に示すように、色度が比較例1(0.114、0.156)に対して実施例1(0.116、0.142)に改善しており、より深い青色になっていることがわかる。よって、比較例1よりも実施例1の方が良好な光取り出し効率を実現できることがわかる。
図2に示すように、酸化モリブデンと酸化タングステンの可視光領域における屈折率は2.0〜2.4程度である。反射増強層46の可視光領域における屈折率が、有機材料(屈折率≒1.8)よりも大きい材料を用いることで、良好な光取り出し効率を実現できることがわかる。よって、反射増強層の屈折率は1.8以上であることが好ましく、2.0以上であるとなお良い。また、酸化物の屈折率は大きいもので2.7程度であり、およそ3.0以下と見積もることができる。一方、図2に示すように、今回評価した蒸着材料の最大屈折率は2.4程度であった。
以上より、反射増強層の屈折率は1.8以上3.0以下であることが好ましく、2.0以上2.4以下であればなお良い。
なお、反射増強層46の膜厚は今回の発光ドーパントでは70nmで最適膜厚となったが、より短波長の発光ドーパントでは、より薄くしたほうが取り出し効率を高くできる場合がある。また、用いる半透過半反射膜の種類によって最適膜厚が変化する。また、膜厚が薄すぎると成膜時の制御が困難になる場合がある。以上のことを考慮すると、30nm以上であることが好ましい。
また、膜厚が厚くなりすぎると、徐々に光が干渉しにくくなる。有機ELのような自然放出光では、その厚さが数μm程度と言われている。また、膜厚が厚くなりすぎると成膜時間が長くなって生産性が低下する。さらに、膜厚が厚くなると複数のピーク波長が表れ、色純度が低下することがある。これは膜厚が500nm程度から顕著になる。以上のことから、反射増強層46の膜厚は数μm以下であることが良く、500nm以下であることが好ましい。
上記実施形態1の発光素子において、反射層41から、第2電極層(半透明半反射層)45における反射層41に対向する界面までの光学的距離dが、以下の数式(1)で定められることが好ましい。
d=((2πm+φD+φU)/4π)・λ・・・・(1)
ここで、λは共振対象として設定される波長であり、φDは、発光機能層443側から反射層41に進行する波長λの光が、当該反射層41で反射するときの位相変化であり、φUは、発光機能層443側から第2電極層(半透明半反射層)45に進行する波長λの光が、当該第2電極層(半透明半反射層)45で反射するときの位相変化であり、mは、正の整数である。
実施形態1では発光ドーパントのピーク波長が470nm程度であるので、λ=470nmとすると、φDはAlとSiN界面での470nmにおける反射での位相シフト、φUは電子輸送層と半透過半反射層との界面での470nmにおける反射での位相シフトになる。また、実施形態1ではm=1で設計している。よって、光学的距離dはおよそ380nmとなる。
(実施形態2)
図7は実施形態2の発光素子の構成を示す模式断面図である。図8は比較例2と実施例2の発光素子の同一電流時における発光スペクトルの比較結果を示すグラフである。図9は比較例2と実施例2の発光素子のCIE色度の比較結果を示すグラフである。なお、有機EL素子は青色発光素子のみを作製した。原理的には緑色、赤色の領域の屈折率も高くなっており、同様の効果が得られるため、ここでは記載しない。
図7に示すように、実施形態2の発光素子7は、第1電極層73が透明導電層、第2電極層75が半透明半反射層からなり、第1電極層73と第2電極層75の間に発光機能層743を含む有機化合物層74を有し、基板70側に反射層71を有し、第2電極層75(半透明半反射層)を中心として、反射層71とは反対側に屈折率が異なる第1の層としての第1反射増強層76、第2の層としての第2反射増強層77、第3反射増強層78を有している。つまり、反射増強層が屈折率の異なる複数層から成る、トップエミッション構造の有機EL素子である。
反射層71はAl合金から作られ、その膜厚は100nmである。なお、Al合金はNdを1%添加したものである。
透明膜72はSiNから作られ、その膜厚は60nmである。
第1電極層73はITOから作られ、その膜厚は20nmである。
有機化合物層74は120nm〜160nmである。この中には正孔注入層741(20nm)、正孔輸送層742、発光機能層743(10nm)、電子輸送層744(40nm)、が含まれる。反射増強層の種類によって最適膜厚が異なるため、正孔輸送層742の膜厚を変化させ、ピーク波長が同じになるよう調整した。なお、上記のように、青色発光素子を作製したので、発光機能層743のホスト材料は出光興産株式会社製BH215、発光ドーパントは出光興産株式会社製BD102を用いた。
第2電極層75はMgAgから作られる。膜厚は10nmである。
第1反射増強層76の厚さは60nm〜80nmであり、材料の屈折率によって最適値が変化する。比較例2として第1反射増強層76をAlq3とした場合の素子を作製した。その膜厚は80nmである。実施例2は第1反射増強層76を酸化モリブデンとした場合の素子を作製した。その膜厚は70nmである。
第2反射増強層77は第1反射増強層76よりも低屈折率の材料から選ばれ、ここではLiFを用いた。膜厚は80nmである。
第3反射増強層78は第2反射増強層77よりも高い屈折率を持つ材料から選ばれ、第1反射増強層76と同一材料とした。膜厚は70nmである。なお、必ずしも第1反射増強層76と同じである必要はなく、この層が外部からの水分侵入を防ぐための封止層を兼ねても良い。例えばSiN、SiOx、AlOx等が挙げられる。
なお、第1反射増強層76は、酸化タングステンで形成してもよい。
上記実施形態2の発光素子において、反射層71から、第2電極(半透明半反射層)75における反射層71に対抗する界面までの光学的距離dは、先の実施形態1と同様に数式(1)を用いて定めることができる。実施形態1と同様に光学的距離dを算出すると、およそ380nmとなる。
図8は実施例2と比較例2の発光素子の発光スペクトル測定結果を示すグラフ、図9は実施例2と比較例2の発光素子のCIE色度の比較結果を示すグラフである。
図8に示すように、実施例2の方が比較例2よりもピーク波長を高くすることができ、光取り出し効率が向上していることがわかる。実施例2では比較例2よりもピーク強度が1.25倍、外部量子効率が0.97となっている。また、図9に示すように、色度が比較例2(0.117、0.138)に対して実施例2(0.117、0.118)に改善しており、より深い青色になっていることがわかる。よって、比較例1よりも実施例1の方が良好な光取り出し効率を実現できることがわかる。
上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。
(変形例1)上記実施形態では、第2電極層45,75が半透明反射層を兼ねているとしたが、これに限定されない。例えば、第2電極層45,75をITOなどの透明導電層としてもよい。
(変形例2)上記実施形態では反射増強層46または第3反射増強層78と、観測者の間には光学的な機能層が無い場合で述べたが、例えば、カラーフィルター層やマイクロレンズなどの2次元構造を持つ、光学的な機能を有する層をさらに設けてもよい。
4…発光素子、40…基板、41…反射層、42…透明層、43…第1電極層、44有機化合物層,441…正孔注入層、442…正孔輸送層、443…発光機能層、444…電子輸送層、45…第2電極層、46…反射増強層、7…発光素子、70…基板、71…反射層、72…透明層、73…第1電極層、74有機化合物層,741…正孔注入層、742…正孔輸送層、743…発光機能層、744…電子輸送層、75…第2電極層、76…第1反射増強層、77…第2反射増強層、78…第3反射増強層。

Claims (6)

  1. 第1電極層と、
    第2電極層と、
    前記第1電極層および前記第2電極層の間に配置された、少なくとも1層以上の発光機能層を有する有機化合物層と、
    前記発光機能層で発せられた光を前記発光機能層に向けて反射する反射層と、
    前記発光機能層を挟んで前記反射層の反対側に配置され、前記発光機能層で発せられた光の一部を前記発光機能層に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層と、
    前記半透明半反射層を挟んで前記反射層の反対側に、前記半透明半反射層と接するように配置された反射増強層と、を備え、
    前記反射増強層は、酸化モリブデン又は酸化タングステンにより形成されていることを特徴とする発光素子。
  2. 前記第1電極層、前記第2電極層、前記有機化合物層、前記反射層、前記半透明半反射層、および前記反射増強層は、基板上に積層構造をなすように構成され、
    前記第1電極層は、前記基板と前記有機化合物層との間に設けられており、
    前記半透明半反射層は、前記第2電極層を兼ねる、ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記反射増強層の可視光領域(360nm以上830nm以下)における屈折率が1.8以上3.0以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の発光装置。
  4. 前記反射増強層の膜厚が30nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光素子。
  5. 前記反射増強層は、酸化モリブデンまたは酸化タングステンからなる第1の層と、前記第1の層の屈折率よりも低い屈折率を有する第2の層と、を有し、
    前記第1の層と前記第2の層とは互いに接していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発光素子。
  6. 第1電極層と、
    第2電極層と、
    前記第1電極層および第2電極層の間に配置された、少なくとも1層以上の発光機能層を有する有機化合物層と、
    前記発光機能層で発せられた光を前記発光機能層に向けて反射する反射層と、
    前記発光機能層を挟んで前記反射層の反対側に配置され、前記発光機能層で発せられた光の一部を前記発光機能層に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層と、
    前記半透明半反射層を挟んで前記反射層の反対側に、前記半透明半反射層と接するように配置された反射増強層と、を備えた発光素子の製造方法であって、
    前記反射増強層は、酸化モリブデン又は酸化タングステンを用いて、真空蒸着法により形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010056075A (ja) * 2008-07-29 2010-03-11 Sony Corp 発光素子及び有機エレクトロルミネッセンス表示装置
JP2011008958A (ja) * 2009-06-23 2011-01-13 Sony Corp 有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた表示装置
JP2011155002A (ja) * 2009-12-28 2011-08-11 Sumitomo Chemical Co Ltd 有機el素子および有機elパネル

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