JP5805618B2 - ORGANIC LIGHT EMITTING ELEMENT AND LIGHTING DEVICE USING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は有機発光素子およびこれを用いた照明装置に係り、特に演色性の高い白色光を高い外部量子効率で放出可能な有機発光素子およびこれを用いた照明装置に関する。 The present invention relates to an organic light-emitting element and a lighting device using the same, and more particularly to an organic light-emitting element capable of emitting white light having high color rendering properties with high external quantum efficiency and a lighting device using the same.
有機発光素子(有機エレクトロルミネッセンス(Organic Electro-Luminescence)素子)は、適当な直流電流を流すと有機材料が発光するデバイスであり、LCDに変わる次世代ディスプレイとして、あるいは蛍光灯に変わる面発光光源として適用が期待されている。 Organic light-emitting elements (Organic Electro-Luminescence elements) are devices in which organic materials emit light when an appropriate direct current is applied. They are used as next-generation displays that replace LCDs, or as surface-emitting light sources that replace fluorescent lamps. Application is expected.
特に有機発光素子を面発光光源として利用する照明の分野に於いては、環境に配慮した次世代光源として注目されており、電球に匹敵する高い演色性と、蛍光灯および発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)に匹敵する電力効率とを得るべく開発が進められている。 In particular, in the field of lighting that uses organic light-emitting elements as surface-emitting light sources, it is attracting attention as a next-generation light source that is environmentally friendly, with high color rendering properties comparable to those of light bulbs, and fluorescent and light-emitting diodes (Light Emitting Diodes). Development is underway to obtain power efficiency comparable to that of LED).
図7は従来の有機発光素子100の構造(主に発光領域)の一例を示す断面図である。有機発光素子100は、ガラス基板101上にITO(Indium Tin Oxide)膜を所望の形状にパターンニングして第1電極102を設け、その上に、EL層108の各有機薄膜、すなわち正孔注入層(Hole Injection Layer:以下、HIL)103、正孔輸送層(Hole Transfer Layer:以下、HTL)104、発光層(Emitting Material Layer:以下EML)105、電子輸送層(Electron Transport Layer:以下ETL)106を真空蒸着法などで積層し、その上に第2電極(例えばアルミニウム(Al)層)107を真空蒸着法などで積層した構造を有する。EL層108を構成する各有機薄膜が第1電極102と第2電極107とで挟まれた発光領域(図示の領域)においては、各有機薄膜の主面はいずれも略平坦面となっている(例えば特許文献1参照。)。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of the structure (mainly light emitting region) of the conventional organic
有機発光素子100をディスプレイに利用する場合、その明るさとして要求される表面輝度は300cd/cm2〜500cd/cm2程度である。
When using the organic
これに対し、有機発光素子100を照明に用いる場合、特に蛍光灯と同じ一般照明として利用するには、9000cd/cm2を超える表面輝度が必要になる。つまり、照明用途ではディスプレイ用途に比べると高い表面輝度が要求される。
On the other hand, when the organic
有機発光素子100で明るさを確保する場合、これを駆動する電流密度を高めることが考えられる。しかし、有機発光素子100の寿命はほぼ電流密度の1.5乗に反比例するので、電流密度を極端に高めると劣化が早まる問題がある。
When ensuring brightness with the organic
近年では、有機発光素子100に用いる有機材料(有機薄膜)の進歩が目覚ましく、従来用いられていた蛍光材料に代わり燐光材料が効率・寿命の面で飛躍的な進歩があり、内部量子効率100%を達成できる燐光材料も開発されている。燐光材料は、有機発光素子100をディスプレイとして用いる場合、コスト面を除けば、要求性能の実現も問題ないレベルに達しており、実用化が加速されつつある。
In recent years, remarkable progress has been made in organic materials (organic thin films) used in the organic light-
つまり、有機発光素子100を照明用途として実用化する場合も燐光材料を使用することで、内部量子効率としては十分な性能が見込まれる。
That is, when the organic
図7を参照して、矢印の如くEML105で発光した光は、直接ガラス基板101を透過して外部に放出される光と、Al層からなる第2電極107で反射してガラス基板101を介して外部に放出される光の2つの成分に分けられる。そして、内部で発光したこれらの光を効率よくガラス基板101の外部に取り出すことができれば、すなわち外部量子効率を高めれば、電流密度を高めることなく、表面輝度を向上させることができる。
Referring to FIG. 7, the light emitted from the
図8は、図7に示す従来構造の有機発光素子100における外部量子効率を説明するための断面概要図ある。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the external quantum efficiency in the organic
一般に、有機発光素子100では外部量子効率を高める目的でEL層108においてそれぞれの有機薄膜の膜厚を最適化して光学調整が行われている。しかしEL層108内で発生した光は第1電極102およびガラス基板101を透過するので、外部に放出されるまでの間にその光の一部は損失する。
In general, in the organic
一例として、EL層108のトータルの屈折率nO=1.7、第1電極(ITO膜)102の屈折率nT=1.9〜2.0、ガラス基板101の屈折率nG=1.5とすると、それぞれの主面が平坦な場合、有機薄膜108中で発光した全光束の47%は有機薄膜108内で損失し、側面方向に出射される。また、ガラス基板101中では34%の光が損失し、ガラス基板101表面から外部に取り出せる光束は、全光束の高々19%程度に留まる。
As an example, the total refractive index n O = 1.7 of the
従って、EL層108の各有機薄膜の膜厚を光学調整し、またEL層108に燐光材料を採用して内部量子効率100%を得た場合であっても、従来構造では外部に取り出せる割合(外部量子効率)は19%以下ということになる。有機薄膜108が蛍光材料の場合には、最大の内部量子効率が25%で有るので、外部量子効率は5%程度と更に低くなる。
Therefore, even when the thickness of each organic thin film of the
つまりこのような構造では、外部に取りだす全光束には限界があり、すなわち外部量子効率の向上には限界があった。このため高い表面輝度を必要とする一般照明用光源としての有機発光素子の実用化は困難であった。 That is, in such a structure, there is a limit to the total luminous flux extracted outside, that is, there is a limit to improving the external quantum efficiency. For this reason, it has been difficult to put an organic light-emitting element into practical use as a light source for general illumination that requires high surface brightness.
本発明はかかる課題に鑑みてなされ、基板と、該基板上に設けられた中間層と、該中間層上に設けられた第1電極と、該第1電極上に積層された正孔注入層、正孔輸送層、発光層および電子輸送層と、該電子輸送層上に設けられた第2電極と、を具備し、前記基板からの放出光が白色光であり、前記発光層に、それぞれ異なる曲率半径の湾曲面を有する複数の湾曲部を1組とした湾曲部群が複数設けられることにより解決するものであり、外部量子効率を高めることができるので、一般照明に要求される表面輝度・寿命が確保できる有機発光素子およびそれを用いた照明装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of such problems, and includes a substrate, an intermediate layer provided on the substrate, a first electrode provided on the intermediate layer, and a hole injection layer stacked on the first electrode. , A hole transport layer, a light emitting layer and an electron transport layer, and a second electrode provided on the electron transport layer, the emitted light from the substrate is white light, The problem is solved by providing a plurality of bending portion groups each having a plurality of bending portions having curved surfaces having different radii of curvature, and the external quantum efficiency can be increased. Provided is an organic light-emitting element capable of ensuring a lifetime and a lighting device using the same.
本発明によれば、蛍光灯・LEDに匹敵する電力効率が得られる有機発光素子を実現でき、水銀の廃棄処理の環境問題を抱える蛍光灯の代替となる面光源としての実用化が可能となる。 According to the present invention, an organic light emitting device capable of obtaining power efficiency comparable to that of a fluorescent lamp / LED can be realized, and can be put to practical use as a surface light source as an alternative to a fluorescent lamp having an environmental problem of disposal of mercury. .
具体的には、発光層に、それぞれ異なる曲率半径の湾曲面を有する複数の湾曲部を1組とした湾曲部群を複数設ける。発光層の湾曲部群は、他の湾曲部群を設けた中間層上に発光層を積層することで実現する。つまり、中間層の他の湾曲部群に沿って、発光層を含むEL層や第1電極、第2電極の主面も湾曲する。これにより発光層を構成する各有機薄膜から出射された光が基板に到達するまでの間でランダムに配置された湾曲部群で反射・散乱される。その結果、光の進行方向がランダムな方向で基板に入射するため、基板から外部の空気中へ出射される光束は増加する。 Specifically, a plurality of curved portion groups each including a plurality of curved portions each having a curved surface having a different curvature radius are provided in the light emitting layer. The curved portion group of the light emitting layer is realized by stacking the light emitting layer on an intermediate layer provided with another curved portion group. That is, the main surface of the EL layer including the light emitting layer, the first electrode, and the second electrode is also curved along the other curved portion group of the intermediate layer. Thereby, the light emitted from each organic thin film constituting the light emitting layer is reflected and scattered by the curved portion group arranged at random until the light reaches the substrate. As a result, the light travels on the substrate in a random direction, so that the luminous flux emitted from the substrate into the outside air increases.
また、EL層で発光した光はEL層と第1電極およびEL層と第2電極の間で反射し収束または散乱して基板から外部に放出される。 Light emitted from the EL layer is reflected between the EL layer and the first electrode, and between the EL layer and the second electrode, and converged or scattered, and is emitted to the outside from the substrate.
これにより従来構造の有機発光素子に比べて、取り出せる光の光束、すなわち外部量子効率を高めることができるので、表面輝度が高められる。 As a result, the light flux that can be extracted, that is, the external quantum efficiency, can be increased as compared with the organic light-emitting element having the conventional structure, so that the surface brightness is increased.
一例として、本発明の有機発光素子は外部量子効率は従来構造と比較して約40%まで高めることが可能であり、表面輝度は従来構造と比較して約2倍程度まで向上できる。 As an example, in the organic light emitting device of the present invention, the external quantum efficiency can be increased up to about 40% as compared with the conventional structure, and the surface luminance can be improved up to about twice as compared with the conventional structure.
また、中間層にインプリントやエッチング(フォトリソグラフィ)などで湾曲部群を形成するのみでよいので、コストの高騰を抑えてデバイスの高性能化を実現できる。 In addition, since it is only necessary to form the curved portion group in the intermediate layer by imprinting or etching (photolithography), it is possible to suppress the increase in cost and realize high performance of the device.
さらに、発光層と基板の間に光散乱粒子層を設けることにより、基板から放射される光の散乱効果を高めることができる。 Furthermore, by providing a light scattering particle layer between the light emitting layer and the substrate, the scattering effect of light emitted from the substrate can be enhanced.
このように本発明では、有機発光素子内にランダムに配置した湾曲部群がレンズあるいはミラーとして機能し、これにより外部量子効率を高めることができる。レンズを用いた外部量子効率の改善は、ディスプレイで使用される有機発光素子と比較して照明に使用される有機発光素子において大きな利点となりうる。例えばディスプレイで使用する有機発光素子内にランダムにレンズが配置されると像を歪める原因となるが、照明に使用する有機発光素子では像の歪みは問題とならず、好適である。 As described above, in the present invention, the curved portion group randomly arranged in the organic light-emitting element functions as a lens or a mirror, thereby increasing the external quantum efficiency. Improving external quantum efficiency using a lens can be a significant advantage in organic light emitting devices used for illumination compared to organic light emitting devices used in displays. For example, when a lens is randomly arranged in an organic light emitting device used in a display, the image may be distorted. However, in an organic light emitting device used for illumination, image distortion does not cause a problem and is preferable.
図1から図6を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、図1から図3を参照して本発明の第1の実施形態の有機発光素子10について説明する。
The embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. First, an organic
図1は第1の実施形態の有機発光素子(有機エレクトロルミネッセンス(Organic Electro-Luminescence)素子)10の構造を説明する図であり、図1(A)が平面図、図1(B)が図1(A)のa−a線断面図、図1(C)が図1(A)のb−b線断面図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of an organic light emitting device (Organic Electro-Luminescence device) 10 according to the first embodiment. FIG. 1 (A) is a plan view and FIG. 1 (B) is a diagram. 1A is a cross-sectional view taken along the line aa, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line bb of FIG.
有機発光素子10は、基板1と、中間層8と、第1電極2と、正孔注入層(Hole Injection Layer:以下、HIL)3と、正孔輸送層(Hole Transfer Layer:以下、HTL)4と、発光層(Emissive Layer:以下EML)5と、電子輸送層(Electron Transport Layer:以下ETL)6と、第2電極7とを有する。
The organic
図1(A)を参照して、基板1は平面視において矩形状のガラスまたはプラスチックなどの絶縁性の透明基板である。
Referring to FIG. 1A, a
基板1の第1主面S1にはほぼ中央に発光領域ERが設けられる。発光領域ERは、基板1上に中間層8、第1電極2、HIL3、HTL4、EML5、HTL6、第2電極7がこの順で積層された領域である。
The first main surface S1 of the
発光領域ERの周囲には破線の如くシール材21が設けられる。発光領域ER(シール材)の外側の基板1の周辺部には、第1引き出し配線11および第2引き出し配線12が設けられる。第1引き出し配線11は第1電極2と接続してこれを外部電源(不図示)に接続するための配線であり、第2引き出し配線12は第2電極7と接続してこれを外部電源(不図示)に接続するための配線である。第1引き出し配線11および第2引き出し配線12は基板1表面に例えば真空蒸着などにより形成された金属層(例えばアルミニウム(Al)/モリブデン(Mo)層)を所望の形状にパターンニングして設けられる。
A sealing
図1(B)(C)を参照して、基板1の周辺部に設けられた第1引き出し配線11および第2引き出し配線12はシール材21の外側まで延在する。
With reference to FIGS. 1B and 1C, the first lead-
基板1上には中間層8が設けられる。尚、以下の説明では、図1(図2以降も同様)の断面図で紙面の上端方向を上(方)、下端方向を下(方)として説明する。中間層8は、例えばアクリル樹脂またはポリイミドなどの透明樹脂層である。
An
第1電極2は、中間層8上に設けられ有機発光素子10の陽極となる透明電極(例えばインジウム−スズ酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)膜)である。ITO膜は例えば100nmの膜厚に設けられ、所望の形状にパターンニングされる。第1電極2は一部が第1引き出し配線11と重畳してこれと電気的にコンタクトする。
The
第1電極2上にはEL層20を構成する複数の有機薄膜が積層される。有機薄膜は、第1電極2側から、HIL3、HTL4、EML5、ETL6である。
A plurality of organic thin films constituting the
HIL3は、例えばCuPc(copper phthalocyanine)、m−MTDATA(4,4',4''-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine)、DPPD(N,N'-ジフェニル-p-フェニレンジアミン(DPPD))などからなり膜厚は10nm程度である。 HIL3 is, for example, CuPc (copper phthalocyanine), m-MTDATA (4,4 ′, 4 ″ -Tris (N-3-methylphenyl-N-phenylamino) triphenylamine), DPPD (N, N′-diphenyl-p-phenylene). The film thickness is about 10 nm.
HTL4は、NPB(N,N’-diphenyl-N,N’bis(3-methylphenyl)-1.1’-biphenyl-4,4’-diamine),TPD(N,N’-diphenyl-N,N’bis(3-methylphenyl)-1.1’-biphenyl-4,4’-diamine)などからなり、膜厚は70nm程度である。 HTL4 is composed of NPB (N, N'-diphenyl-N, N'bis (3-methylphenyl) -1.1'-biphenyl-4,4'-diamine), TPD (N, N'-diphenyl-N, N'bis (3-methylphenyl) -1.1′-biphenyl-4,4′-diamine) and the like, and the film thickness is about 70 nm.
EML5は、NPB(N,N’-diphenyl-N,N’bis(3-methylphenyl)-1.1’-biphenyl-4,4’-diamine)などの正孔輸送材またはAlq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum)などの電子輸送材をホスト材とし、これに所望の色の発光ドーパントを組み合わせたものである。EML5は、詳細は後述するが膜厚はそれぞれ30nm程度の複数の有機薄膜の積層体からなる。
EML5 is a hole transport material such as NPB (N, N′-diphenyl-N, N′bis (3-methylphenyl) -1.1′-biphenyl-4,4′-diamine) or Alq3 (tris- (8-hydroxyquinoline). ) Aluminum) or the like as a host material, and a light emitting dopant of a desired color is combined with the host material. Although details will be described later, the
ETL6はEML5上に設けられ例えば、Alq3,オキシジアゾール(OXD)(2-(4-Biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxiazole(PBD)),トライアゾール(TAZ)、フェナンスレン誘導体(BCP,2-Benzylthio-5-phenyl-3,4-disubstituted Thiophenes(BPhene))などからなり膜厚は30nm程度である。 ETL6 is provided on EML5. For example, Alq3, oxydiazole (OXD) (2- (4-Biphenyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxiazole (PBD)), triazole (TAZ), a phenanthrene derivative (BCP, 2-Benzylthio-5-phenyl-3,4-disubstituted Thiophenes (BPhene)) and the like, and the film thickness is about 30 nm.
有機発光素子10では外部への光取り出し効率(外部量子効率)向上のためHTL4、ETL6の膜厚が最適化され、光学調整されている。ここで、例えばHTL4の膜厚を70nmで最適化するとは、70nmの膜厚を基準として光取り出し効率が最も高くなるように数nmを増減することをいう。
In the organic
EL層20(ETL6)の上には第2電極8が設けられる。第2電極8は有機発光素子10の陰極となり、例えば膜厚150nmのAl層あるいは銀(Ag)−マグネシウム(Mg)合金層である。第2電極8は、周辺部の第2引き出し電極12と電気的に接続する。
A
第2電極7の上方には基板1に対向する対向基板9が設けられる。基板1と対向基板9とはシール材21にて固着され、これにより発光領域ERが封止される。尚、図示は省略するが、対向基板9のEML5側には吸湿材(乾燥剤)が設けられてもよい。
A
EL層20は、第1電極2から注入されたホールと、第2電極7から注入された電子とがEML5の内部で再結合し、EML5を形成する有機分子を励起して励起子が生じる。この励起子が放射失活する過程でEML5から光が放たれ、この光が矢印の如く透明な第1電極2から基板1を介して外部へ放出されて発光する。本実施形態では一例として、矢印で示す基板1からの放出光は白色である。
In the
図2は、有機発光素子10をさらに詳細に説明する図であり、図2(A)は図1(A)の平面図においてEL層20を露出させた状態の平面図であり、図2(B)は図2(A)の一部を拡大した平面図である。また図2(C)がEL層20を示す斜視図であり、図2(D)がEL層20の断面概要図である。
2 is a diagram for explaining the organic
図2(A)を参照して、発光領域ERでは、第1電極2およびEL層20の各層の主面に複数の湾曲部群15がランダムに配置されている。
Referring to FIG. 2A, in the light emitting region ER, a plurality of bending
図2(B)を参照して1つの湾曲部群15(破線)は、それぞれ異なる曲率半径の湾曲面を有し近接する4つの湾曲部15a〜15dを1組として構成される。そして複数の湾曲部群15がEL層20にランダムに配置される。尚、ここでは複数の湾曲部群15の間において4つの湾曲部15a〜15dは同じパターン(並び、離間距離)で配置される場合を示しているが、複数の湾曲部群15間において4つの湾曲部15a〜15dが異なるパターンで配置(すなわち例えば隣り合う湾曲部群15を比べたとき湾曲部15a〜15dのパターンが異なるように配置)されていてもよい。また、本実施形態では湾曲部群15がランダムに配置されていればよく、1つの湾曲部群15内で、湾曲部15a〜15dの離間距離が均等に配置されていたり、湾曲部15a〜15dが行列状または直線状に規則的に配置されていてもよい。
Referring to FIG. 2B, one bending portion group 15 (broken line) is configured as a set of four
図2(C)を参照して、発光領域ERでは基板1上に、中間層8、第1電極2およびEL層20が積層される。EL層20は下層からHIL3、HTL4、EML5の積層構造である。
Referring to FIG. 2C, the
そして本実施形態のEML5は、それぞれ異なる波長の光を発光する複数の有機薄膜を積層してなる。具体的には、第1電極2側から、第1波長(例えば570nm〜590nm程度、ピーク波長:例えば580nm)の赤色(R)光を発光する第1有機薄膜5a、第2波長(例えば495nm〜540nm程度、ピーク波長:例えば530nm)の緑色(G)光を発光する第2有機薄膜5b、第4波長(例えば550nm〜570nm程度、ピーク波長:例えば550nm)の黄色(Y)光を発光する第4有機薄膜5dおよび第3波長(例えば450nm〜470nm程度、ピーク波長:例えば450nm)の青色(B)光を発光する第3有機薄膜5cである。
The
これらの積層順は、第1電極2側から1有機薄膜5a(R)、第2有機薄膜5b(G)、第4有機薄膜5d(Y)、第3有機薄膜5c(B)とすると高い外部量子効率が得られ、好適である。
The order of stacking is high when the first organic
EML5を構成するそれぞれの有機薄膜5a〜5dはホストの有機材料にR,G,B,Yのそれぞれの発光ドーパントが含まれ、膜厚が30nm程度に形成される。
Each of the organic
第1有機薄膜5a〜第4有機薄膜5dを基板1の主面に対して縦方向に積層してEML5を形成することにより、各有機薄膜で発光した赤(R),緑(G),青(B),黄(Y)の幅のある波長の光を分布させることができる。すなわち、基板1からの放出光としては可視領域にまんべんなく分布したスペクトルを持つ演色性の高い白色光が得られる。
The first organic
そしてEML5(第1有機薄膜5a〜第4有機薄膜5d)の主面にも湾曲部群15がランダムに配置される。
And the bending
図2(D)を参照して、EL層20の各層の主面の湾曲部群15は、中間層8によって形成される。すなわちEL層20の成膜より先の工程で形成される中間層8の主面に予め複数の他の湾曲部群15A(湾曲部15Aa、15Ab、15Ac、15Ad)をランダムに形成しておく。尚図2(D)では湾曲面の状態を示すために湾曲部群15(湾曲部15a、15b、15c、15d)および他の湾曲部群15A(湾曲部15Aa、15Ab、15Ac、15Ad)を一列の横並びに示している。
Referring to FIG. 2D, the
中間層8は薄膜でも絶縁耐量の高い透明樹脂が好適である。例えばアクリル樹脂などの紫外線硬化樹脂、ポリイミド、フッ素樹脂(例えばポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene:PTFE)、ポリパラキシレン樹脂などである。
The
また、中間層8は、基板1の屈折率より大きく、第1電極2(ITO膜)屈折率(1.8〜2.0)より小さい屈折率を有すると好適である。ここでは中間層8の屈折率を例えば1.7〜1.8とする。
The
この層にフォトリソグラフィ工程によるエッチングやインプリントを行うなどして他の湾曲部群15Aを形成する。
Another
そして中間層8の上に第1電極2が積層される。第2電極2はスパッタにより形成されたITO膜であり、その主面は中間層8の他の湾曲部群15Aの形状を反映し、これらに沿った湾曲面が形成される。
Then, the
そして、第2電極2上に積層されるEL層20の各層もそれぞれ中間層8の他の湾曲部群15Aの形状を反映し、これらに沿った湾曲面が形成される。
Each layer of the
また第2電極2上に設けられるEL層20も、各有機薄膜の主面はそれぞれ、中間層8の他の湾曲部群15Aの形状を反映し、これらに沿った湾曲面が形成される。
Further, in the
つまり、図2(B)(C)で示した湾曲部群15は、それらの湾曲面を積層方向に重ねるようにして(同じ配置で)第1電極2、HIL3、HTL4、EML5および不図示のETL6のそれぞれの主面に形成されている(図2(D))。
That is, the bending
そして、EML5に形成された第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dの湾曲面(ハッチングで示す)はそれぞれ、第1有機薄膜5a〜第4有機薄膜5dから発光する光の波長に対応した曲率半径を有する。すなわち、EML5の第1湾曲部15aは、第1波長(例えばピーク波長:580nm(R))の整数倍の曲率半径を有する半球状であり、第2湾曲部15bは、第2波長(例えばピーク波長:530nm(G))の整数倍の曲率半径を有する半球状であり、第3湾曲部15cは第3波長(例えばピーク波長:450nm(B))の整数倍の曲率半径を有する半球状であり、第4湾曲部15dは第4波長(例えばピーク波長:550nm(Y))の整数倍の曲率半径を有する半球状である。尚、ここでは各湾曲部が半球状の場合を例に説明したので、それらの深さも対応する波長の整数倍である。ここで整数倍とは具体的には2倍以上とし、好適には5倍から20倍程度とする。また、各湾曲部の形状は半球状でなくてもよく、波長の整数倍の曲率半径の半球の一部を湾曲面に含む形状であってもよい。
The curved surfaces (shown by hatching) of the first
また、各波長の整数倍とは、各波長のピーク波長の整数倍に限らず、所定の波長帯域(バンド幅)を有する第1波長、第2波長、第3波長および第4波長の整数倍を意味する。従って、第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dの曲率半径もそれぞれの波長帯域(の整数倍)の範囲に対応した所定の範囲を持った値となる。
Further, the integral multiple of each wavelength is not limited to the integral multiple of the peak wavelength of each wavelength, but is an integral multiple of the first wavelength, the second wavelength, the third wavelength, and the fourth wavelength having a predetermined wavelength band (bandwidth). Means. Accordingly, the radii of curvature of the
つまり、EML5に設けられる第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dが、それぞれ赤(R),緑(G),青(B),黄(Y)の波長の整数倍の曲率半径を有する湾曲面を形成するように、各層の成膜厚みを考慮して、中間層8の他の湾曲部群15Aを形成する。
In other words, the
これらのことから、中間層8の他の湾曲部群15Aを構成する湾曲部15Aa〜15Adの曲率半径は、一例として2μm〜10μm程度の範囲で適宜選択される。また当然ながら中間層8の厚みは、形成される他の湾曲部群15Aの曲率半径を考慮して選択される。
From these things, the curvature radius of curved part 15Aa-15Ad which comprises other
ただし、他の湾曲部群15Aの形状は半球状でなく半球の一部を含む湾曲面であってもよく、その場合は、中間層8の膜厚は、半球の曲率半径より小さい膜厚であってもよい。
However, the shape of the other
有機発光素子10を構成するEL層20の有機材料(EML5の有機材料)は有機溶剤や水に溶融する。従って、EML5を蒸着で成膜した後、蒸着装置から大気(空気)中に取り出して、湾曲部群15を形成するなどの工程を行うことは出来ない。
The organic material (organic material of EML5) of the
従って、EML5に湾曲部群15を形成するには、予め第1電極2の形成までに所望の形状を有する下地を形成し、その上に有機材料を積層する必要がある。本実施形態ではこの下地となるものが所望の形状(他の湾曲部群15A)を形成した中間層8である。中間層8の樹脂材料はいわばフォトレジストのように空気中に取り出して、エッチング等の加工工程を行うことができ、これを用いることでEML5に所望の湾曲面を形成できる。
Therefore, in order to form the bending
図3は、有機発光素子10断面図である。尚図3においても湾曲部群15、15Aは一列に横並びに配置した状態で示すが、実際には図2(B)(C)の如く一列の横並びとは限らない。また、この図において各層の厚みは実際の厚みの比を示すものではない。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the organic
既述の如く、湾曲部群15は、EML5と中間層8の間のHTL4、HIL3および第1電極2の主面にもランダムに配置される。更に、ETL6の主面も湾曲部群15が形成されるので、この上に設けられた第2電極7もETL6の影響でEL層20側が湾曲面となる。
As described above, the bending
有機発光素子10は、基板1から外部に放出光が白色であるので、光取り出し効率(外部量子効率)を高めるために、白色光を生成する赤(R),緑(G),青(B),黄(Y)の各波長に対応した適切な形状の第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dが設けられる。具体的にはELM5の第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dはそれぞれ、R,G,B,Yの各波長の整数倍の曲率半径の曲面を有する。ELM5以外の層にも相応の湾曲面が形成される。そして各層において近接し異なる曲率半径の4つ第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dを1組として、湾曲部群15を構成し、(1組の中のパターンは同じ)湾曲部群15をランダムに配置する。
Since the organic
一例として1つの湾曲部群15(図2(A)(B)の破線の領域)のサイズを例えば10μm×20μm程度の面積とし、1つの有機発光素子10の面積を10mm×20mmとすると、発光領域ER内の湾曲部群15の数は平均して1000個程度配置される。
As an example, when the size of one bending portion group 15 (the broken line region in FIGS. 2A and 2B) is, for example, an area of about 10 μm × 20 μm, and the area of one organic
赤(R),緑(G),青(B),黄(Y)の波長の整数倍からなる曲率半径の異なる第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dを1つの湾曲部群15(1セット)として、当該湾曲部群15が有機発光素子10の各有機薄膜および電極の主面にランダムに配置されてあると、EML5の各有機薄膜5a〜5dで発光した光は散乱・反射され、指向性の低い幅広い方向性を持つ光となる。このような光が基板1を介して外部に放出されることで、有機発光素子10のを高めることができる。
The
加えて湾曲部群15は第1電極2ではレンズ(凹レンズまたは凸レンズ)と同様に、また第2電極7ではミラー(凹面鏡または凸面鏡)と同様に作用する。
In addition, the bending
つまり、凹レンズ、凸レンズにより効果は異なるが、EML5で発光した光の内、直接第1電極2(ITO膜)を透過するものは、第1電極2の形状がレンズ状になっているため、発光した光は収束するか、発散する。
That is, although the effect differs depending on the concave lens and the convex lens, among the light emitted by the
また、第2電極7(Al層)に向かう光はミラー状の第2電極7により反射される。その時凸面鏡、凹面鏡かによって反射した光の方向は異なるが、平行光線または、収束した光のいずれかとなる。
The light traveling toward the second electrode 7 (Al layer) is reflected by the mirror-like
つまり、EML5で発光した光は第1電極2と第2電極7間間で多重反射し、収束した平行光線(定在波に近い光)または散乱光として第1電極2から基板1を介して外部に放出される。
That is, the light emitted from the
放出光が収束した平行光線か散乱光のいずれかになるかは、湾曲部群15を構成する各湾曲部15a〜15dの曲率半径と、それらのEML5、第1電極2および第2電極7上における配置によって変化するが、いずれの場合も従来構造の有機発光素子100に比べて、取り出せる光の光束、つまり表面輝度が高められる。
Whether the emitted light is converged parallel light or scattered light depends on the radius of curvature of each of the bending
湾曲部群15の湾曲面の曲率半径が各発光色の波長の整数倍でなく、例えば波長の2分の1の場合、湾曲面によって光は損失してしまう。従って、EML5の湾曲部群15の湾曲面は第1有機薄膜5a〜第4有機薄膜5dのそれぞれの波長の整数倍の曲率半径を有し、且つ積層される各層においても光を減衰させない範囲を適宜選択して、中間層8の他の湾曲部群15Aを形成する。
When the curvature radius of the curved surface of the
本実施形態のEML5は、第1有機薄膜5a〜第4有機薄膜5dの積層構造であるので、これらの膜厚を考慮すると、EML5内においても各層ごとに発光する波長の整数倍の曲率半径の湾曲面(湾曲部群15)をそれぞれ厳密に選択すること(全てをR,G,Y,Bの各波長の整数倍にすること)は困難である。また、EML5の各層で湾曲部群15(4つの湾曲部)の湾曲面を厳密に波長の整数倍に選択できても、EML5の上下の層(ETL6、第1電極2および第2電極7)では厳密には波長の整数倍になるとは限らない。
Since the
しかし、有機発光素子10内の各層に設けられた全ての湾曲部(第1湾曲部15a〜第4湾曲部15d)で光が(損失せずに)反射・散乱する必要はない。本実施形態では、EML5内のいずれかの湾曲部でR,G,B,Yの光が効率よく散乱・反射すれば、外部量子効率を高めることができる。
However, it is not necessary for light to be reflected and scattered (without loss) by all the curved portions (the first
これに加えて、EML5内の湾曲部と第1電極2との間で凹(凸)レンズが形成されるかあるいはEML5内の湾曲部と第2電極7との間で凹(凸)面鏡が形成されることで同じく効率よく収束・散乱が起これば、外部量子効率をより高めることができる。
In addition, a concave (convex) lens is formed between the curved portion in the
また、EML5の湾曲部群15の湾曲面の曲率半径を各波長の10倍〜20倍とすることで、すなわちその形状となるように中間層8の他の湾曲部群15Aの湾曲面を例えば2μm〜15μm程度(好適には5μm〜10μm程度)の範囲で選択することで、中間層8の上に積層される各層の膜厚(EL層20のトータルとしても350nm程度)は誤差範囲ということができ、反射・散乱の効果に対する影響はほとんどないといえる。
Further, by setting the curvature radius of the curved surface of the
HTL4およびETL6の膜厚を最適化して(上記の膜厚とする)光学調整し、更に有機発光素子10内に湾曲部群15をランダムに配置することにより、赤(R),緑(G),青(B)、黄(Y)の単色波長をもつ本実施形態の有機発光素子10では、EL層の主面が平坦な従来構造(図7、図8)と比較して、表面輝度を高めることができる。具体的には実験用に作成した有機発光素子10では表面輝度は約2倍程度まで向上でき、外部量子効率は約40%まで高めることが可能であった。
Optimizing the film thicknesses of HTL4 and ETL6 (with the above film thickness) and further arranging the
また、EL層20に設けられた湾曲部群15は、従来のEL層が平坦な有機発光素子100と比較して、発光面の面積を増加させる。従ってその分、表面輝度の向上が図れ、それと同時に電力効率(lm/W)も高くなる。
Further, the bending
このように、有機発光素子10の内部の層に湾曲面を形成し、レンズやミラーと同様に作用させることで外部量子効率の改善を達成できる。特にこのような手法は、ディスプレイで使用される有機発光素子と比較して照明で使用される有機発光素子10において大きな利点がありうる。例えばディスプレイで使用する有機発光素子内にランダムにレンズが配置されると像を歪める原因となるが、照明に使用する有機発光素子では像の歪みは問題とならず、好適である。
As described above, the external quantum efficiency can be improved by forming a curved surface in the inner layer of the organic
図4を参照して、本発明の第2の実施形態の有機発光素子10aについて説明する。図4は有機発光素子10aの構造を示す断面図である。
With reference to FIG. 4, the organic
有機発光素子10aは、EML5と基板1の間に、光散乱粒子層17が設けられてもよい。
In the organic
光散乱粒子層17は、ポリイミド等の透明樹脂材の樹脂層に光散乱粒子(例えば酸化チタン(Ti)など)17pを含有(点在)させた層である。
The light
EML5と基板1の間に、光散乱粒子層17を設けることで光取り出し効果は更に大きくなる。すなわち、EL層20から出射された光が、光散乱粒子層17を通過するときに予め埋め込まれた散乱粒子に反射・散乱される。この結果、光の方向が指向性の低い、幅広い方向性を持って、すなわちランダムな方向を持って基板1に入射される。基板1の主面に入射する光が散乱し、ランバート反射するため、外部の空気中へ出射される光による表面の輝度は、視点の角度によらず略一定になる。つまり、観察者から見た基板1の放出面の明るさが、観察者の視点の角度にかかわらず略一定になり、また光束を増加させることができる。
By providing the light
このように光散乱粒子層17による効果を利用し、光取り出し効率を向上させることは、有機発光素子を照明装置に用いる場合に効果が大きい。これにより例えば、一般照明用途にも適用できる表面輝度9000cd/cm2を確保し、寿命2万時間の性能を実現することも可能となる。
Thus, using the effect of the light-scattering
尚、他の湾曲部群15Aを有する中間層8に光散乱粒子17pを点在または密集させて中間層8を光散乱粒子層17としてもよい。
The
更に、図示は省略するが、基板1の光の放出面にマイクロフイルムを貼り付けることにより、基板1での損失(従来構造では34%)を更に小さくすることが出来、表面輝度の向上を図ることができる。
Further, although not shown in the drawings, by attaching a microfilm to the light emission surface of the
図5を参照して本発明の第3の実施形態の有機発光素子10bについて説明する。図5は有機発光素子10bの構造を示す断面図である。
With reference to FIG. 5, the organic
第1および第2の実施形態の第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dの形状は例えば凹状であったが、これに限らない。すなわち図5の如く、第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dの形状はこれを逆にした凸状であってもよく、同様の効果が得られる。
Although the shape of the 1st
図6を参照して、本発明の第4の実施形態として上記の有機発光素子を用いた照明装置50について説明する。
With reference to FIG. 6, the illuminating
照明装置50は、図1に示す有機発光素子10を複数配列してなる。図1(A)は1つの(要素単位の)有機発光素子10を示している。この要素単位をセルと称する場合もある。1つの有機発光素子(セル)10の面積は例えば10mm×20mm程度であるが、これを複数個(例えば行列状)に配置し、シール材の外側まで延在するそれぞれの第1引き出し配線11同士、および第2引き出し配線12同士を互いに電気的に接続し、外部電源(不図示)と接続することにより、広い(例えば室内の天井と同程度の)面積で面発光する照明装置50が構成される。
The
大型の白色照明装置50(パネル)を得るには、光源、すなわち有機発光素子10の(発光領域ERの)面積を広げる必要が有る。有機発光素子10では第1電極2であるITO膜の抵抗成分があるため、第1電極2の面積、すなわち発光領域ERの面積を広げすぎると発光領域ER内の輝度が不均一になる。つまり1つの有機発光素子10は、発光領域ERの輝度の均一性が維持できる限界の面積があり、これが1つの有機発光素子10(セルのサイズとなる。本実施形態ではこれが例えば10mm×20mm程度であるので、有機発光素子10を、複数直列または並列に電気的に接続することで、大型の照明装置50を実現できる。
In order to obtain a large white illumination device 50 (panel), it is necessary to increase the area of the light source, that is, the organic light emitting element 10 (of the light emitting region ER). In the organic
再び図1および図3を参照して第1の実施形態の有機発光素子10の製造方法を説明する。
With reference to FIGS. 1 and 3 again, a method for manufacturing the organic
図3を参照して、0.5mm程度の厚みのガラスあるいはプラスチックの基板1を準備し、その基板1上に、透明な中間層8を形成する。中間層8は例えば例えばアクリル樹脂などの紫外線硬化樹脂、ポリイミド、フッ素樹脂(例えばポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene:PTFE)、ポリパラキシレン樹脂などであり、一例として数μm〜十数μm程度の膜厚に塗布する。中間層8の上記樹脂をスピンコートで形成する場合は、その厚みは2μm〜3μm程度とする。他の湾曲部群15Aの湾曲面が半球状でない(半球の一部を湾曲面に含む)場合は、湾曲部の曲率半径より小さい膜厚に形成されてもよい。
Referring to FIG. 3, a glass or
その後、フォトリソグラフィ工程によって中間層8をエッチングして発光領域ERに複数の他の湾曲部群15A(第1湾曲部15Aa〜第4湾曲部15Ad)を形成する。第1湾曲部15a〜第4湾曲部15dはあるいは金型に刻み込んだ凹凸を中間層8の主面に押し付けて形状を転写する技術(インプリント)を用いて形成してもよい。
Thereafter, the
他の湾曲部群15Aの各湾曲部の形状は、後に形成されるEMLの主面に反映される湾曲面がEMLで発光されるR,G,B,Yの各波長の整数倍の曲率半径となるように適宜選択される。
The shape of each bending portion of the other
そして、それぞれ異なる曲率半径の湾曲面を有して近接する4つの湾曲部15Aa〜15Adを1組として他の湾曲部群15Aを構成し、複数の湾曲部群15Aがランダムに発光領域ER内に配置されるようなパターンで中間層8の主面を加工する。
Then, the four curved portions 15Aa to 15Ad that have curved surfaces with different radii of curvature are adjacent to each other to form another
その後、基板1の主面に膜厚300nmのAl/Moの積層金属膜を例えばスパッタ等により形成する。その後、フォトリソグラフィ工程によって積層金属膜を第1引き出し配線11および第2引き出し配線12の形状にパターンニングする(図1)。
Thereafter, an Al / Mo laminated metal film having a film thickness of 300 nm is formed on the main surface of the
また、中間層8の上に例えばITO膜をスパッタにより100nmの膜厚に形成し、フォトリソグラフィ工程によって所望の形状(1セルの面積分)にパターンニングし、第1電極2を形成する。この時のサイズは、ITO膜の抵抗成分を考慮して発光領域ER内の輝度の均一性が維持できるサイズとする(図1参照)。
Further, an ITO film, for example, is formed on the
他の湾曲部群15Aがランダムに配列された中間層8の上にスパッタによって形成されたITO膜主面は下地の他の湾曲部群15Aの形状を反映した形状を有する。
The main surface of the ITO film formed by sputtering on the
その上に、膜厚10nmのHIL3、膜厚70nmのHTL4をそれぞれ真空蒸着して形成する。引き続き赤(R)、緑(G)、黄(Y)、青(B)の発光ドーパントをそれぞれ含む第1有機薄膜5a、第2有機薄膜5b、第4有機薄膜5d、第3有機薄膜5cをそれぞれの膜厚が30nmとなるように真空蒸着により順次成膜してEML5を形成し(図2(C)参照)、さらに膜厚30nmのETL6を真空蒸着してEML5上に積層してEL層20を形成する。
On top of this, HIL3 with a thickness of 10 nm and HTL4 with a thickness of 70 nm are formed by vacuum deposition. Subsequently, a first organic
HTL4とETL6は外部への光取り出し量を向上させるため膜厚が最適化され、光学調整されている。
The film thicknesses of the
EL層20の各層の主面は、中間層8の他の湾曲部群15Aに沿った湾曲面が形成される。特に、EML5では、第1湾曲部15aはたとえば赤(R)の波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有し、第2湾曲部15bはたとえば緑(G)の波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有し、第3湾曲部15cはたとえば青(B)の波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有し、第4湾曲部15dはたとえば黄(Y)の波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有する。
The main surface of each layer of the
その後、膜厚150nmのAl層あるいはAg−Mg合金層を蒸着およびスパッタ形成する。これにより、図1および図3に示す有機発光素子10が得られる。
Thereafter, an Al layer or an Ag—Mg alloy layer having a thickness of 150 nm is deposited and sputtered. Thereby, the organic
また図4に示す第2の実施形態の有機発光素子10aの場合は、基板1上に予め光散乱粒子(たとえば酸化Ti)を埋め込んだ樹脂層(光散乱樹脂層)17を形成し、その上に既述の方法で中間層8を形成する。
In the case of the organic
あるいは光散乱粒子を埋め込んだ中間層8を形成し、その主面に湾曲部群15をパターンニングしてもよい。
Alternatively, the
更に、図示は省略するが、基板1の光の放出面にマイクロフイルムを貼り付けてもよい。これにより、基板1での損失を更に小さくすることが出来、表面輝度の向上を図ることができる。
Further, although not shown, a microfilm may be attached to the light emission surface of the
尚、上記の実施形態では赤(R),緑(G),青(B)、黄(Y)の各色を発光する有機薄膜を積層したEML5の場合を例に示したが、他の発光色の組合せによって基板1からの放出光が白色光となる場合、またEML5が白色発光する場合であっても同様に実施でき、同様に表面輝度の向上が見込める。
In the above embodiment, the case of EML5 in which organic thin films that emit red (R), green (G), blue (B), and yellow (Y) are laminated is shown as an example. Even if the light emitted from the
また、EML5において第4有機薄膜5d(Y)を配置しなくてもよく、その場合は湾曲部群15は、赤(R)の波長の整数倍の曲率を有する第1湾曲部15a、緑(G)の波長の整数倍の曲率を有する第2湾曲部15bおよび青(B)の波長の整数倍の曲率を有する第3湾曲部15cを1組として構成する。但し第4有機薄膜5d(Y)を配置することで有機発光素子10からの放出光がより演色性の高い白色光となり、好適である。
Further, the fourth organic
1 基板
2 第1電極
3 正孔注入層(HIL)
4 正孔輸送層(HTL)
5 発光層(EML)
5a 第1有機薄膜
5b 第2有機薄膜
5c 第3有機薄膜
5d 第4有機薄膜
6 電子輸送層(ETL)
7 第2電極
8 中間層
9 対向基板
10 有機発光素子
15、15A 湾曲部群
15a 第1湾曲部
15b 第2湾曲部
15c 第3湾曲部
15d 第4湾曲部
1 Substrate
2 First electrode
3 Hole injection layer (HIL)
4 Hole transport layer (HTL)
5 Emission layer (EML)
5a First organic thin film
5b Second organic thin film
5c 3rd organic thin film
5d 4th organic thin film
6 Electron transport layer (ETL)
7 Second electrode
8 Middle class
9 Counter substrate
10 Organic light emitting devices
15, 15A Bending group
15a 1st bending part
15b 2nd bending part
15c 3rd bending part
15d 4th bending part
Claims (10)
該基板上に設けられた中間層と、
該中間層上に設けられた第1電極と、
該第1電極上に積層された正孔注入層、正孔輸送層、発光層および電子輸送層と、
該電子輸送層上に設けられた第2電極と、を具備し、
前記基板からの放出光が白色光であり、前記発光層に、それぞれ異なる曲率半径の湾曲面を有する複数の湾曲部を1組とした湾曲部群が複数設けられることを特徴とする有機発光素子。 A substrate,
An intermediate layer provided on the substrate;
A first electrode provided on the intermediate layer;
A hole injection layer, a hole transport layer, a light emitting layer and an electron transport layer laminated on the first electrode;
A second electrode provided on the electron transport layer,
The organic light emitting device characterized in that the light emitted from the substrate is white light, and the light emitting layer is provided with a plurality of curved portion groups each having a plurality of curved portions each having a curved surface having a different curvature radius. .
1つの前記湾曲部群は、前記第1波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有する第1湾曲部、前記第2波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有する第2湾曲部および前記第3波長の整数倍の曲率半径の湾曲面を有する第3湾曲部を含み、
複数の前記湾曲部群が前記中間層にランダムに配置されたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の有機発光素子。 The light emitting layer includes a first organic thin film that emits a first wavelength color, a second organic thin film that emits a second wavelength color, and a third organic thin film that emits a third wavelength color,
One bending portion group includes a first bending portion having a curved surface having a radius of curvature that is an integral multiple of the first wavelength, a second curved portion having a curved surface having a radius of curvature that is an integral multiple of the second wavelength, and the first curved portion. A third curved portion having a curved surface with a radius of curvature that is an integral multiple of three wavelengths;
The organic light-emitting device according to claim 1, wherein a plurality of the bending portion groups are randomly arranged in the intermediate layer.
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