JP5991626B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

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Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子に関するものである。
従来から、図7に示す構成の有機エレクトロルミネッセンス素子が提案されている(文献1[日本国公開特許公報2006−331694号])。
この有機エレクトロルミネッセンス素子は、一方の電極(陰極)101が基板104の表面に積層され、電極101の表面上に電子注入・輸送層105を介して発光層103が積層され、発光層103上に、ホール注入・輸送層106を介して他方の電極(陽極)102が積層されている。
また、この有機エレクトロルミネッセンス素子は、基板104の上記表面側に封止部材107を備えている。したがって、この有機エレクトロルミネッセンス素子では、発光層103で発光した光が、光透過性電極として形成される電極102、透明体で形成される封止部材107を通して放射されるようになっている。
反射性の電極101の材料としては、例えば、Al、Zr、Ti、Y、Sc、Ag、Inなどが挙げられている。また、光透過性電極である電極102の材料としては、例えば、インジウム−錫酸化物(ITO)、インジウム−亜鉛酸化物(IZO)などが挙げられている。
ところで、有機エレクトロルミネッセンス素子を高輝度で点灯させるためには、より大きな電流を流す必要がある。しかしながら、有機エレクトロルミネッセンス素子は、一般的に、ITO膜からなる陽極のシート抵抗が、金属膜、合金膜、金属化合物膜などからなる陰極のシート抵抗に比べて高いため、陽極での電位勾配が大きくなって、輝度の面内ばらつきが大きくなってしまう。
また、従来から、スパッタ法により形成されるITO膜からなる電極を備えた構成の問題点を解決するエレクトロルミネセンス・ランプとして、ITO膜からなる電極を用いずに構成されたエレクトロルミネセンス・ランプが提案されている(文献2[日本国公表特許公報2002−502540号])。
文献2には、例えば、図8に示すように、第1の導電層220、エレクトロルミネセンス物質230、第2の導電層240および基板245を備え、第1の導電層220が、矩形の開口250を有する矩形格子電極により構成されてなるエレクトロルミネセンス・ランプ210が提案されている。
ここで、文献2には、第1の導電層220および第2の導電層240を、銀インク、炭素インクなどの導電性インクで形成することが好ましい旨が記載されている。
また、文献2には、第1の導電層220、エレクトロルミネセンス物質230、第2の導電層240を、スクリーン印刷法やオフセット印刷法などにより形成することが記載されている。
なお、文献2には、均一な明るさのエレクトロルミネセンス・ランプ210が必要な場合は、ランプ表面にわたって開口250の密度を略一定とすることが記載されている。
ところで、図8に示した構成のエレクトロルミネセンス・ランプ210では、第1の導電層220が開口250を有しているので、第1の導電層220からエレクトロルミネセンス物質230における第1の導電層220直下の部位のみへキャリアが注入される。
このため、エレクトロルミセセンス・ランプ210では、エレクトロルミネッセンス物質230において開口250に対応する部位での発光効率が低下し、外部量子効率が低下してしまう懸念がある。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、輝度むらの低減を図ることが可能で且つ外部量子効率の向上を図ることが可能な有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することにある。
本発明に係る第1の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、発光層と、前記発光層の厚み方向の第1面上に配置される第1電極層と、前記発光層の厚み方向の第2面上に配置される第2電極層と、導電性層と、絶縁層と、を備える。前記発光層は、前記第1電極層と前記第2電極層との間に所定の電圧が印加されると光を放射するように構成される。前記第2電極層は、前記第2面を覆う電極部と、前記第2面を露出させるように前記電極部に形成される開口部と、を有する。前記導電性層は、前記光を透過させるように構成され、前記電極部と前記発光層とに電気的に接続されるように前記第2面において前記開口部から露出する露出領域上に形成される。前記絶縁層は、前記電極部と前記第2面との間に介在される。
本発明に係る第2の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1の形態に加えて、前記導電性層は、前記第2電極層を覆うように形成される。
本発明に係る第3の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1または第2の形態に加えて、前記導電性層において前記露出領域を覆う部位の厚さは、前記絶縁層と前記電極部との厚さの合計よりも小さい。
本発明に係る第4の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、第1〜第3の形態のいずれかに加えて、ホール注入層を備える。前記第1電極層は、陰極である。前記第2電極層は、陽極である。前記ホール注入層は、前記発光層と前記導電性層および前記電極部との間に介在される。前記絶縁層は、前記ホール注入層と前記電極部との間に位置する。
本発明に係る第5の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、第1〜第3の形態のいずれかに加えて、電子ブロッキング層を備える。前記第1電極層は、陰極である。前記第2電極層は、陽極である。前記導電性層は、ホール注入層として機能するように構成される。前記電子ブロッキング層は、前記発光層と前記導電性層および前記電極部との間に介在される。前記絶縁層は、前記電子ブロッキング層と前記電極部との間に位置する。
本発明に係る第6の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1〜第5の形態のいずれかに加えて、前記第2電極層は、金属の粉末と有機バインダとの混合物を用いて形成される。
本発明に係る第7の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1〜第6の形態のいずれかに加えて、前記導電性層は、導電性ナノ構造体が混入された透明媒体を用いて形成される透明導電膜、あるいは、前記光を透過させることができる厚みの金属薄膜である。
本発明に係る第8の形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1〜第7の形態のいずれかに加えて、前記第1電極層および前記第2電極層それぞれの材料の抵抗率が、透明導電性酸化物の抵抗率よりも低い。
実施形態1の有機エレクトロルミネッセンス素子の概略断面図である。 実施形態1の有機エレクトロルミネッセンス素子における第2電極の概略平面図である。 実施形態1の有機エレクトロルミネッセンス素子の要部概略断面図である。 実施形態1の有機エレクトロルミネッセンス素子における第2電極の他の構成例の概略平面図である。 実施形態1の有機エレクトロルミネッセンス素子における第2電極の別の構成例の概略平面図である。 実施形態2の有機エレクトロルミネッセンス素子の要部概略断面図である。 従来例の有機エレクトロルミネッセンス素子の概略断面図である。 従来例のエレクトロルミネセンス・ランプの透視上面および断面図である。
(実施形態1)
以下、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子について図1〜図3に基づいて説明する。
有機エレクトロルミネッセンス素子は、基板10と、基板10の一表面(図1における上面)側に設けられた第1電極20と、基板10の上記一表面側で第1電極20に対向した第2電極40と、第1電極20と第2電極40との間にあり発光層32を含む機能層30とを備えている。
すなわち、有機エレクトロルミネッセンス素子(有機発光ダイオード)は、発光層32と、第1電極(第1電極層)20と、第2電極(第2電極層)40と、を備える。第1電極20は、発光層32の厚み方向(図1における上下方向)の第1面(図1における下面)32a上に配置される。第2電極40は、発光層32の厚み方向の第2面(図1における上面)32b上に配置される。
なお、第1電極20は、必ずしも、発光層32の第1面32aに直接的に形成されている必要はない。また、第2電極40は、必ずしも、発光層32の第2面32bに直接的に形成されている必要はない。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第1電極20に第1引出し配線(図示せず)を介して電気的に接続された第1端子部(図示せず)と、第2電極40に第2引出し配線46を介して電気的に接続された第2端子部47とを備えている。第1引出し配線、第1端子部、第2引出し配線46および第2端子部47は、基板10の上記一表面側に設けられている。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2引出し配線46と機能層30、第1電極20、第1引出し配線とを電気的に絶縁する絶縁膜60が基板10の上記一表面側に設けられている。この絶縁膜60は、基板10の上記一表面と第1電極20の側面と機能層30の側面と、機能層30における第2電極40側の表面(図1における上面)の外周部とに跨って形成されている。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第1電極20および第2電極40それぞれの抵抗率(電気抵抗率)を、透明導電性酸化物(Transparent Conducting Oxide:TCO)の抵抗率(電気抵抗率)よりも低くしてある。透明導電性酸化物としては、例えば、ITO、AZO、GZO、IZOなどがある。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40が、機能層30からの光の取り出し用の第1開口部41(図2および図3参照)を有している。すなわち、第2電極40は、図1に示すように、発光層32の第2面32bを覆う電極部(電極パターン)40aと、発光層32の第2面32bを露出させるように電極パターン40aに形成される開口部(第1開口部)41と、を有する。本実施形態では、第2電極40は、複数の開口部41を有する。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、機能層30が、発光層32の第2電極40側において第2電極40の直下にあり機能層30からの光取出し用の第2開口部37(図3参照)を有する絶縁層35を含んでいる。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2開口部37に、第2電極40と機能層30とに接し且つ光透過性を有する導電性層50が設けられている。
すなわち、有機エレクトロルミネッセンス素子は、さらに、絶縁層35と、導電性層50と、を備える。
絶縁層35は、電極部40aと第2面32bとの間に介在される。より詳しくは、絶縁層35は、発光層32の厚み方向において電極部40aと重なるが第1開口部41とは重ならないように、第2面32bと電極部40aとの間に介在される。なお、絶縁層35は、厳密な意味で、第1開口部41と重ならないように第2面32bと電極部40aとの間に介在されている必要はない。つまり、絶縁層35は、第1開口部41を通じた光の放射を過度に妨げなければ、第1開口部41と部分的に重なっていてもよい。
導電性層50は、発光層32から放射される光を透過させるように構成される。導電性層50は、電極部40aと発光層32とに電気的に接続されるように、第2面32bにおいて開口部41から露出する領域(露出領域)32c上に形成される。すなわち、導電性層50は、発光層32の第2面32bに均一に電圧を与えるための補助電極層として機能する。特に、本実施形態では、導電性層50は、第2電極層40の全体を覆うように形成されている。
これにより、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40側から光を取り出すことが可能となる。要するに、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、トップエミッション型の有機エレクトロルミネッセンス素子として用いることが可能となる。
有機エレクトロルミネッセンス素子は、基板10の上記一表面側に対向配置され透光性を有するカバー基板70と、基板10の周部とカバー基板70の周部との間に介在する枠状(本実施形態では、矩形枠状)のフレーム部80とを備えていることが好ましい。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、基板10とカバー基板70とフレーム部80とで囲まれる空間に、第1電極20、機能層30、第2電極40、導電性層50などからなる素子部1を封止する透光性材料(例えば、透光性樹脂など)からなる封止部90を備えていることが好ましい。
以下、有機エレクトロルミネッセンス素子の各構成要素について詳細に説明する。
基板10は、平面視形状を矩形状としてある。ここで、基板10の平面視形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形状以外の多角形状、円形状などでもよい。
基板10としては、ガラス基板を用いているが、これに限らず、例えば、プラスチック板や、金属板などを用いてもよい。ガラス基板の材料としては、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラスなどを採用することができる。また、プラスチック板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネートなどを採用することができる。また、金属板の材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼などを採用することができる。プラスチック板を用いる場合は、プラスチック基板の表面にSiON膜、SiN膜などが成膜されたものを用いることで、水分の透過を抑えることが好ましい。なお、基板10は、リジッドなものでもよいし、フレキシブルなものでもよい。
基板10としてガラス基板を用いる場合には、基板10の上記一表面の凹凸が有機エレクトロルミネッセンス素子のリーク電流などの発生原因となることがある(有機エレクトロルミネッセンス素子の劣化原因となることがある)。このため、基板10としてガラス基板を用いる場合には、上記一表面の表面粗さが小さくなるように高精度に研磨された素子形成用のガラス基板を用意することが好ましい。
基板10の上記一表面の表面粗さについては、JIS B 0601−2001(ISO 4287−1997)で規定されている算術平均粗さRaが10nm以下であることが好ましく、数nm以下であることが、より好ましい。これに対して、基板10としてプラスチック板を用いる場合には、特に高精度な研磨を行わなくても、上記一表面の算術平均粗さRaが数nm以下のものを低コストで得ることが可能である。
カバー基板70としては、ガラス基板を用いているが、これに限らず、例えば、プラスチック板などを用いてもよい。ガラス基板の材料としては、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラスなどを採用することができる。また、プラスチック板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネートなどを採用することができる。
本実施形態では、カバー基板70として、平板状のものを用いているが、これに限らず、基板10との対向面に、上述の素子部1を収納する収納凹所を形成したものを用い、上記対向面における収納凹所の周部を全周に亘って基板10側と接合するようにしてもよい。
この場合は、別部材のフレーム部80を用いる必要がなくなるという利点がある。一方、平板状のカバー基板70と枠状のフレーム部80とを別部材により構成している場合には、カバー基板70に要求される光学的な物性(光透過率、屈折率など)と、フレーム部80に要求される物性(ガスバリア性など)との両方の要求を各別に満たす材料を採用することが可能になるという利点がある。
カバー基板70における外面側(基板10側とは反対の面側、図1における上面側)には、発光層32から放射された光の上記外面での反射を抑制する光取出し構造部(図示せず)を備えていることが好ましい。
このような光取出し構造部としては、例えば、2次元周期構造を有した凹凸構造部が挙げられる。このような2次元周期構造の周期は、発光層32で発光する光の波長が例えば300〜800nmの範囲内にある場合、媒質内の波長をλ(真空中の波長を媒質の屈折率で除した値)とすれば、波長λの1/4〜10倍の範囲で適宜設定することが望ましい。このような凹凸構造部は、例えば、カバー基板70の上記外面側に、例えば、熱インプリント法(熱ナノインプリント法)、光インプリント法(光ナノインプリント法)などのインプリント法により、予め形成することが可能である。
また、カバー基板70の材料によっては、カバー基板70を射出成形により形成するようにし、射出成形時に適宜の金型を用いて、カバー基板70に凹凸構造部を直接形成することも可能である。また、凹凸構造部は、カバー基板70とは別部材により構成することも可能であり、例えば、プリズムシート(例えば、株式会社きもと製のライトアップ(登録商標)GM3のような光拡散フィルムなど)により構成することができる。
本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、上述の光取出し構造部を備えることにより、発光層32から放射されカバー基板70の上記外面側まで到達した光の反射ロスを低減でき、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
フレーム部80と基板10の上記一表面側とを接合する第1接合材料としては、エポキシ樹脂を用いているが、これに限らず、例えば、アクリル樹脂などを採用してもよい。第1接合材料として用いるエポキシ樹脂やアクリル樹脂は、例えば、紫外線硬化型のものでもよいし、熱硬化型のものでもよい。また、第1接合材料として、エポキシ樹脂にフィラー(例えば、シリカ、アルミナなど)を含有させたものを用いてもよい。ここで、フレーム部80は、基板10の上記一表面側に対して、フレーム部80における基板10側との対向面を全周に亘って気密的に接合してある。
また、フレーム部80とカバー基板70とを接合する第2接合材料としては、エポキシ樹脂を用いているが、これに限らず、例えば、アクリル樹脂、フリットガラスなどを採用してもよい。第2接合材料として用いるエポキシ樹脂やアクリル樹脂は、例えば、紫外線硬化型のものでもよいし、熱硬化型のものでもよい。また、第2接合材料として、エポキシ樹脂にフィラー(例えば、シリカ、アルミナなど)を含有させたものを用いてもよい。ここで、フレーム部80は、カバー基板70に対して、フレーム部80におけるカバー基板70との対向面を全周に亘って気密的に接合してある。
絶縁膜60の材料としては、例えば、ポリイミド、ノボラック樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。
封止部90の材料である透光性材料としては、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性樹脂を用いることができるが、機能層30との屈折率差の小さな材料が、より好ましい。また、透光性材料は、透光性樹脂にガラスなどからなる光拡散材を混合したものを用いてもよい。また、透光性材料は、有機成分と無機成分とがnmレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料を用いてもよい。
本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1電極20が陰極を構成し、第2電極40が陽極を構成している。
そして、機能層30は、第1電極20側から順に、発光層32、インターレイヤー33、キャリア注入層34、絶縁層35を備えている。
本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、絶縁層35は、発光層32の厚み方向において電極部(電極パターン)40aと重なるように発光層32の第2面32b(本実施形態では、キャリア注入層34の表面)と電極部40aとの間に介在されている。
たとえば、絶縁層35は、図3に示すように、発光層32の第2面32bを覆う絶縁部(絶縁パターン)38と、発光層32の第2面32bを露出させるように絶縁パターン38に形成される開口部(第2開口部)37と、を有する。本実施形態では、絶縁層35は、複数の開口部37を有する。本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、絶縁層35は、第2電極40とほぼ同じ形(正方形状)に形成されている。
絶縁層35は、発光層32の厚み方向において、絶縁パターン38が第2電極40の電極パターン40aに、第2開口部37が第1開口部41に、それぞれ重なるようにして、発光層32上に配置される。
ここで、第1電極20から機能層30へ注入する第1キャリアは電子であり、第2電極40から機能層30へ注入する第2キャリアは正孔である。
ここで、第1電極20と発光層32との間には、キャリア注入層(以下、第1キャリア注入層と称する)を設けることが好ましい。発光層32における第1電極20側にある第1キャリア注入層は、電子注入層であり、発光層32における第2電極40側にあるキャリア注入層34(以下、第2キャリア注入層34と称する)は、ホール注入層である。
なお、第1電極20が陽極を構成し、第2電極40が陰極を構成する場合には、例えば、第1キャリア注入層としてホール注入層を、第2キャリア注入層34として電子注入層を採用し、第1キャリア注入層と発光層32との間にインターレイヤー33を設ければよい。
上述の機能層30の構造は、上述の例に限らず、例えば、第1キャリア注入層と発光層32との間に第1キャリア輸送層として電子輸送層を設けたり、第2キャリア注入層34とインターレイヤー33との間に第2キャリア輸送層としてホール輸送層を設けたりした構造でもよい。
また、機能層30は、発光層32と絶縁層35とを含んでいればよく(つまり、機能層30は、発光層32と絶縁層35とだけでもよく)、発光層32および絶縁層35以外の、第1キャリア注入層、第1キャリア輸送層、インターレイヤー33、第2キャリア輸送層、第2キャリア注入層34などは適宜設ければよい。
発光層32は、第1電極層(第1電極)20と第2電極層(第2電極)40との間に所定の電圧が印加されると光を放射するように構成される。発光層32は、単層構造でも多層構造でもよい。例えば、所望の発光色が白色の場合には、発光層中に赤色、緑色、青色の3種類のドーパント色素をドーピングするようにしてもよいし、青色正孔輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよいし、青色電子輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよい。
発光層32の材料としては、例えば、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体など、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、色素体、金属錯体系発光材料を高分子化したものなどや、アントラセン、ナフタレン、ピレン、テトラセン、コロネン、ペリレン、フタロペリレン、ナフタロペリレン、ジフェニルブタジエン、テトラフェニルブタジエン、クマリン、オキサジアゾール、ビスベンゾキサゾリン、ビススチリル、シクロペンタジエン、クマリン、オキサジアゾール、ビスベンゾキサゾリン、ビススチリル、シクロペンタジエン、キノリン金属錯体、トリス(8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム錯体、トリス(4−メチル−8−キノリナート)アルミニウム錯体、トリス(5−フェニル−8−キノリナート)アルミニウム錯体、アミノキノリン金属錯体、ベンゾキノリン金属錯体、トリ−(p−ターフェニル−4−イル)アミン、ピラン、キナクリドン、ルブレン、およびこれらの誘導体、あるいは、1−アリール−2,5−ジ(2−チエニル)ピロール誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、スチリルアリーレン誘導体、スチリルアミン誘導体、およびこれらの発光性化合物からなる基を分子の一部分に有する化合物などが挙げられる。また、上記化合物に代表される蛍光色素由来の化合物のみならず、いわゆる燐光発光材料、例えばイリジウム錯体、オスミウム錯体、白金錯体、ユーロピウム錯体などの発光材料、又はそれらを分子内に有する化合物若しくは高分子も好適に用いることができる。これらの材料は、必要に応じて、適宜選択して用いることができる。
発光層32は、塗布法(例えば、スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法、スクリーン印刷法など)のような湿式プロセスによって成膜することが好ましい。ただし、発光層32の成膜方法は、塗布法に限らず、例えば、真空蒸着法、転写法などの乾式プロセスによって発光層32を成膜してもよい。
電子注入層の材料は、例えば、フッ化リチウムやフッ化マグネシウムなどの金属フッ化物、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどに代表される金属塩化物などの金属ハロゲン化物や、チタン、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウムなどの酸化物、などを用いることができる。これらの材料の場合、電子注入層は、真空蒸着法により形成することができる。
また、電子注入層の材料は、例えば、電子注入を促進させるドーパント(アルカリ金属など)を混合した有機半導体材料を用いることができる。このような材料の場合、電子注入層は、塗布法により形成することができる。
また、電子輸送層の材料は、電子輸送性を有する化合物の群から選定することができる。この種の化合物としては、Alq3等の電子輸送性材料として知られる金属錯体や、フェナントロリン誘導体、ピリジン誘導体、テトラジン誘導体、オキサジアゾール誘導体などのヘテロ環を有する化合物などが挙げられるが、この限りではなく、一般に知られる任意の電子輸送材料を用いることが可能である。
ホール輸送層の材料としては、LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位が小さい低分子材料や高分子材料を用いることができる。例えば、ポリビニルカルバゾール(PVCz)や、ポリピリジン、ポリアニリンなどの側鎖や主鎖に芳香族アミンを有するポリアリーレン誘導体などの芳香族アミンを含むポリマーなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
なお、ホール輸送層の材料としては、例えば、4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)、2−TNATA、4,4’,4”−トリス(N−(3−メチルフェニル)N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン(MTDATA)、4,4’−N,N’−ジカルバゾールビフェニル(CBP)、スピロ−NPD、スピロ−TPD、スピロ−TAD、TNBなどを用いることが可能である。
ホール注入層の材料としては、例えば、チオフェン、トリフェニルメタン、ヒドラゾリン、アミールアミン、ヒドラゾン、スチルベン、トリフェニルアミンなどを含む有機材料が挙げられる。具体的には、たとえば、ポリビニルカルバゾール、ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)、TPDなどの芳香族アミン誘導体などで、これらの材料を単独で用いてもよいし、2種類以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
このようなホール注入層は、塗布法(スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など)のような湿式プロセスによって成膜することができる。
インターレイヤー33は、発光層32側からの第2電極40側への第1キャリア(ここでは、電子)の漏れを抑制する第1キャリア障壁(ここでは、電子障壁)としてのキャリアブロッキング機能(ここでは、電子ブロッキング機能)を有することが好ましく、更に、第2キャリア(ここでは、正孔)を発光層32へ輸送する機能、発光層32の励起状態の消光を抑制する機能などを有していることが好ましい。なお、本実施形態では、インターレイヤー33が、発光層32側からの電子の漏れを抑制する電子ブロッキング層を構成している。
有機エレクトロルミネッセンス素子では、インターレイヤー33を設けることにより、発光効率の向上および長寿命化を図ることが可能となる。
インターレイヤー33の材料としては、例えば、ポリアリールアミン若しくはその誘導体、ポリフルオレン若しくはその誘導体、ポリビニルカルバゾール若しくはその誘導体、トリフェニルジアミン誘導体などを用いることができる。
このようなインターレイヤー33は、塗布法(スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など)のような湿式プロセスによって成膜することができる。
絶縁層35の材料としては、例えば、ポリイミド、ノボラック樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。このような絶縁層35は、塗布法(スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など)のような湿式プロセスによって成膜することができる。
また、陰極は、機能層30中に第1電荷である電子(第1キャリア)を注入するための電極である。第1電極20が陰極の場合、陰極の材料としては、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物およびこれらの混合物からなる電極材料を用いることが好ましく、第1電極20のエネルギー準位とLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位との差が大きくなりすぎないように仕事関数が1.9eV以上5eV以下のものを用いるのが好ましい。
陰極の電極材料としては、例えば、アルミニウム、銀、マグネシウム、金、銅、クロム、モリブデン、パラジウム、錫など、およびこれらと他の金属との合金、例えばマグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金を例として挙げることができる。また、金属、金属酸化物など、およびこれらと他の金属との混合物、例えば、酸化アルミニウムからなる極薄膜(ここでは、トンネル注入により電子を流すことが可能な1nm以下の薄膜)とアルミニウムからなる薄膜との積層膜なども使用可能である。
陰極を反射電極とする場合、陰極の材料としては、発光層32から放射される光に対する反射率が高く、且つ、抵抗率の低い金属が好ましく、アルミニウムや銀が好ましい。
なお、第1電極20が、機能層30中に第2電荷であるホール(第2キャリア)を注入するための電極である陽極を構成する場合、第1電極20の材料としては、仕事関数の大きい金属を用いることが好ましく、第1電極20のエネルギー準位とHOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)準位との差が大きくなりすぎないように仕事関数が4eV以上6eV以下のものを用いるのが好ましい。
第2電極40は、金属の粉末と有機バインダとを含む電極からなる。換言すれば、第2電極(第2電極層)40は、金属の粉末と有機バインダとの混合物を用いて形成される。この種の金属としては、例えば、銀、金、銅などを採用することができる。
これにより、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40が、導電性透明酸化物により形成された薄膜の場合に比べて、第2電極40の抵抗率およびシート抵抗を小さくすることが可能となり、第2電極40の低抵抗化により輝度むらを低減することが可能となる。なお、第2電極40の導電性材料としては、金属の代わりに、合金や、カーボンブラックなどを用いることも可能である。
第2電極40は、例えば、金属の粉末に有機バインダおよび有機溶剤を混合させたペースト(印刷インク)を、例えばスクリーン印刷法、グラビア印刷法などにより印刷して形成することができる。
有機バインダとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ジアクリルフタレート樹脂、セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、その他の熱可塑性樹脂や、これらの樹脂を構成する単量体の2種以上の共重合体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
なお、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1電極20の膜厚を80〜200nm、第1キャリア注入層の膜厚を5〜50nm、発光層32の膜厚を60〜100nm、インターレイヤー33の膜厚を15nm、第2キャリア注入層34の膜厚を10〜100nm、絶縁層35の膜厚を80nmにそれぞれ設定してあるが、これらの数値は一例であって、特に限定するものではない。
第2電極40は、図1および図2に示すように、格子状(網状)に形成されており、複数(図2に示した例では、36)の第1開口部41を有している。ここで、図2に示した第2電極40は、各第1開口部41の各々の形状が正方形状である。要するに、図2に示した第2電極40は、正方格子状に形成されている。
図2に示される第2電極40では、配線パターン40aは、第1方向(図2における左右方向)に沿った複数の細線部44(44a)と、第1方向と直交する第2方向(図2における上下方向)に沿った複数の細線部44(44b)とで構成されている。複数(図示例では7つ)の細線部44aは第2方向に沿って等間隔に配置されている。複数(図示例では7つ)の細線部44bは第1方向に沿って等間隔に配置されている。複数の細線部44aは複数の細線部44bと互いに直交している。図2に示される第2電極40では、隣り合う細線部44a,44aと、隣り合う細線部44b,44bとで囲まれる空間が、第1開口部41である。
第2電極40は、第2電極40を構成している正方格子状の電極パターン40aの寸法に関して、例えば、線幅L1(図3参照)を1μm〜100μm、高さH1(図3参照)を50nm〜100μm、ピッチP1(図3参照)を100μm〜2000μmとすればよい。
ただし、第2電極40の電極パターン40aの線幅L1、高さH1およびピッチP1それぞれの数値範囲は、特に限定するものではなく、素子部1の平面サイズに基づいて適宜設定すればよい。
ここにおいて、第2電極40の電極パターン40aの線幅L1については、発光層32で発光する光の利用効率の観点からは狭い方が好ましく、第2電極40の低抵抗化によって輝度むらを低減するという観点からは広い方が好ましいので、有機エレクトロルミネッセンス素子の平面サイズなどに基づいて適宜設定することが好ましい。
また、第2電極40の高さH1については、第2電極40の低抵抗化の観点、第2電極40をスクリーン印刷法などの塗布法により形成する際の第2電極40の材料の使用効率(材料使用効率)の観点、機能層30から放射される光の放射角の観点などから、100nm以上10μm以下が、より好ましい。
また、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第2電極40における各第1開口部41を、図1および図3に示したように、機能層30から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる開口形状としてある。
これにより、有機エレクトロルミネッセンス素子は、機能層30から放射される光の広がり角を大きくすることが可能になり、輝度むらを、より低減することが可能となる。また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40での反射損失や吸収損失を低減することが可能となり、外部量子効率のより一層の向上を図ることが可能となる。
第2電極40を格子状の形状とする場合、各第1開口部41の各々の形状は正方形状に限らず、例えば、長方形状や正三角形状や正六角形状の形状としてもよい。
第2電極40は、各第1開口部41の各々の形状が正三角形状の場合、三角格子状の形状となり、各第1開口部41の各々の形状が正六角形状の場合、六角格子状の形状となる。なお、第2電極40は、格子状の形状に限らず、例えば、櫛形状の形状でもよいし、2つの櫛形状の電極パターンにより構成してもよい。すなわち、有機エレクトロルミネッセンス素子は、複数の第2電極40を備えていてもよい。
また、第2電極40は、第1開口部41の数も特に限定するものではなく、複数に限らず、1つでもよい。例えば、第2電極40を櫛形状の形状としたり、2つの櫛形状の電極パターンにより構成とした場合などは、第1開口部41の数を1つとすることが可能である。
また、第2電極40は、例えば、図4に示すような平面形状としてもよい。すなわち、第2電極40は、平面視において、電極パターンaにおける直線状の細線部44の線幅を一定として、第2電極40における周部から中心部に近づくにつれて隣り合う細線部44間の間隔が狭くなり第1開口部41の開口面積が小さくなる形状としてもよい。
図4に示される第2電極40では、複数(図示例では9つ)の細線部44aは第2方向(図4における上下方向)に沿って、配線パターン40aの縁側よりも中心側において間隔が狭くなるように配置されている。複数(図示例では9つ)の細線部44bは第1方向(図4における左右方向)に沿って、配線パターン40aの縁側よりも中心側において間隔が狭くなるように配置されている。
有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40の平面形状を図4のような平面形状とすることにより、図2のような平面形状とした場合に比べて、第2電極40において第2端子部47(図1参照)からの距離が周部よりも遠い中央部での発光効率を向上させることが可能となり、外部量子効率の向上を図ることが可能となる。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40の平面形状を図4のような形状とすることにより、図2のような平面形状とした場合に比べて、機能層30のうち第1端子部および第2端子部47からの距離が近い周部での電流集中を抑制することが可能となるから、長寿命化を図ることが可能となる。
また、第2電極40は、例えば、図5に示すような平面形状としてもよい。すなわち、第2電極40は、平面視において、第2電極40における最外周にある4つの第1細線部42の線幅と、図5において左右方向の中央にある1つの第2細線部43の線幅とを、第1細線部42と第2細線部43との間にある細線部(第3細線部)44よりも幅広としてある。
有機エレクトロルミネッセンス素子は、第2電極40を図5のような平面形状とすることにより、図2のような平面形状の場合に比べて、第2電極40において第2端子部47(図1参照)からの距離が周部よりも遠い中央部での発光効率を向上させることが可能となり、外部量子効率の向上を図ることが可能となる。
なお、第2電極40は、図5のような平面形状とする場合、相対的に線幅の広い第1細線部42および第2細線部43の高さを第3細線部44の高さよりも高くすることにより、第1細線部42および第2細線部43それぞれの、より一層の低抵抗化を図ることが可能となる。
導電性層50は、第2電極40と機能層30とに接するように第2開口部37に設けられている。すなわち、導電性層50は、図3に示すように、第2面32bのうち開口部(第1開口部)41から露出する領域(露出領域)32cを覆う部位(第1部位)50aと、電極部40aを覆う部位(第2部位)50bと、を有する。
また、導電性層50は、導電性ナノ構造体と透明媒体とを含む透明導電膜、あるいは、機能層30からの光を透過可能な厚みの金属薄膜、のいずれかにより構成することが好ましい。換言すれば、導電性層50は、導電性ナノ構造体が混入された透明媒体を用いて形成される透明導電膜、あるいは、光(発光層32から放射される光)を透過させることができる厚みの金属薄膜である。
この導電性層50は、第2電極40から機能層30への第2キャリアの注入経路としての機能を有している。第2キャリアは、第2電極40が陽極の場合、正孔であり、第2電極40が陰極の場合、電子である。
ここで、導電性層50がない場合や、導電性層50の代わりに第1開口部41および第2開口部37が電気絶縁性の封止部90の一部により埋め込まれている場合には、第2電極40から機能層30への第2キャリアの注入は、第2電極40と機能層30との接している界面のみを通して行われるものと推測される。
これに対して、導電性層50を設けた場合には、第2電極40から機能層30への第2キャリアの注入は、第2電極40と機能層30との接している界面だけでなく、第2電極40と導電性層50との界面および導電性層50と機能層30との界面を通して行われることとなる。
ここで、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、機能層30が、第2電極40直下に絶縁層35を備えているので、第2電極40から機能層30への第2キャリアの注入は、主に、第2電極40と導電性層50との界面を通る経路で行われることになるものと推測される。すなわち、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第2電極40と導電性層50との界面、導電性層50と機能層30において絶縁層35を除いた最表層(図1の例では、第2キャリア注入層34)との界面、の2つの界面を通る経路で機能層30への第2キャリアの注入が行われるものと推測される。
ここで、導電性層50の抵抗率が低いほど、第2電極40から横方向への通電性が向上し、発光層32に流れる電流の面内ばらつきを低減することが可能となり、輝度むらを低減することが可能となる。
導電性ナノ構造体としては、導電性ナノ粒子や、導電性ナノワイヤなどを用いることができる。なお、導電性ナノ粒子の粒子径は1〜100nmであることが好ましい。また、導電性ナノワイヤの直径は1〜100nmであることが好ましい。
導電性ナノ構造体の材料としては、例えば、銀、金、ITO、IZOなどを採用することができる。
透明媒体であるバインダとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ジアクリルフタレート樹脂、セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、その他の熱可塑性樹脂や、これらの樹脂を構成する単量体の2種以上の共重合体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
ただし、バインダとしては、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、ポリカルバゾールなどの導電性高分子を用いることが好ましい。これらは単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
導電性層50は、バインダとして導電性高分子を採用することによって、導電性を、より向上させることが可能となる。また、バインダとしては、導電性を高めるために、例えば、スルホン酸、ルイス酸、プロトン酸、アルカリ金属、アルカリ土類金属などのドーパントをドーピングしたものを採用してもよい。
また、導電性層50を上述のように金属薄膜により構成する場合、金属薄膜の材料としては、例えば、銀、金などを採用することができる。この種の金属薄膜の厚みは、30nm以下であればよいが、光透過性の観点からは20nm以下が好ましく、10nm以下が、より好ましい。ただし、厚みが薄くなりすぎると、第2電極40から導電性層50を通る経路での機能層30へ第2キャリアの注入性を向上させる効果が低くなる。
以上説明したように、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1電極20および第2電極40それぞれの抵抗率が、透明導電性酸化物の抵抗率よりも低く、第2電極40が、機能層30からの光の取り出し用の第1開口部41を有し、機能層30が、発光層32の第2電極40側において第2電極40の直下にあり機能層30からの光取出し用の第2開口部37を有する絶縁層35を含み、第2開口部37には、第2電極40と機能層30とに接し且つ光透過性を有する導電性層50が設けられている。
換言すれば、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、発光層32と、発光層32の厚み方向の第1面32a上に配置される第1電極層(第1電極)20と、発光層32の厚み方向の第2面32b上に配置される第2電極層(第2電極)40と、導電性層50と、絶縁層35と、を備える。発光層32は、第1電極層20と第2電極層40との間に所定の電圧が印加されると光を放射するように構成される。第2電極層40は、第2面32bを覆う電極部(電極パターン)40aと、第2面32bを露出させるように電極部40aに形成される開口部(第1開口部)41と、を有する。導電性層50は、光(発光層32からの光)を透過させるように構成される。導電性層50は、電極部40aと発光層32とに電気的に接続されるように、第2面32bにおいて開口部41から露出する露出領域32c上に形成される。絶縁層35は、電極部40aと第2面32bとの間に介在される。
特に、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第1電極層20および第2電極層40それぞれの材料の抵抗率が、透明導電性酸化物の抵抗率よりも低い。なお、透明導電性酸化物は、例えば、ITO、AZO、GZO、IZOなどである。
しかして、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、輝度むらの低減を図ることが可能で且つ外部量子効率の向上を図ることが可能となる。
この有機エレクトロルミネッセンス素子においては、導電性層50が、第2電極40を覆っていることが好ましい。
換言すれば、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、導電性層50は、第2電極層40を覆うように形成される。
これにより、有機エレクトロルミネッセンス素子では、第2電極40から機能層30へのキャリアの注入性を、より向上させることが可能となる。
また、この有機エレクトロルミネッセンス素子においては、第2開口部37における発光層32から導電性層50の表面までの高さ(第1高さ)が、発光層32から第2電極40の先端までの高さ(第2高さ)よりも低いことが好ましい。
換言すれば、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、導電性層50において露出領域32cを覆う部位の厚さは、絶縁層35と電極部40aとの厚さの合計よりも小さい。
ここで、図3の例について説明すれば、第1高さは、インターレイヤー33の膜厚と第2キャリア注入層34の膜厚と第2キャリア注入層34直上の導電性層50の膜厚との合計値である。また、第2高さは、インターレイヤー33の膜厚と第2キャリア注入層34の膜厚と絶縁層35の膜厚と第2電極40の高さH1との合計値である。
有機エレクトロルミネッセンス素子は、上述のように第1高さが第2高さよりも低いことにより、導電性層50内での光損失を低減することが可能となり、外部量子効率の向上を図ることが可能となる。なお、導電性層50の膜厚は、絶縁層35の膜厚よりも大きくてもよい。
また、この有機エレクトロルミネッセンス素子においては、第2電極40が陽極であり、機能層30が、発光層32よりも第2電極40側にある第2キャリア注入層34としてのホール注入層を含んでいることが好ましい。
換言すれば、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、ホール注入層(本実施形態では第2キャリア注入層)34をさらに備える。第1電極層20は、陰極である。第2電極層40は、陽極である。ホール注入層34は、発光層32と導電性層50および電極部40aとの間に介在される。絶縁層35は、ホール注入層34と電極部40aとの間に位置する。なお、ホール注入層は、導電性層50から発光層32へのホールの移動を促進するように構成される。
これにより、有機エレクトロルミネッセンス素子では、発光層32へ第2キャリアであるホールを、より効率良く注入することが可能となり、結果的に外部量子効率の向上を図ることが可能となる。
なお、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子においては、発光層32とホール注入層34との間には、発光層32からホール注入層34側への電子の漏れを抑制する電子ブロッキング層(本実施形態ではインターレイヤー)33が介在される。
(実施形態2)
本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、実施形態1と略同じであり、図6に示すように、導電性層50がホール注入機能を備え、機能層30が、第2電極40と導電性層50との両方が接する最表層として、インターレイヤー33を含んでいる点などが相違する。
また、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、導電性層50がホール注入機能を備えているので、実施形態1において説明した、ホール注入層としての第2キャリア注入層34を設けていない。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
ホール注入機能を備えた導電性層50は、例えば、実施形態1において説明した導電性ナノ構造体と導電性高分子とにより形成することができる。また、ホール注入機能を備えた導電性層50は、実施形態1において説明したホール注入層の材料に導電性ナノ構造体を混合させた複合膜により構成することもできる。
本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子では、第2電極40が陽極であり、導電性層50がホール注入機能を備え、機能層30が、第2電極40と導電性層50との両方が接する最表層として、インターレイヤー33を含んでいる(発光層32側からの電子の漏れを抑制する電子ブロッキング層を含んでいる)。
換言すれば、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子は、電子ブロッキング(本実施形態ではインターレイヤー)33をさらに備える。第1電極層20は、陰極である。第2電極層40は、陽極である。導電性層50は、ホール注入層として機能するように構成される。電子ブロッキング層33は、発光層32と導電性層50および電極部40aとの間に介在される。絶縁層35は、電子ブロッキング層(インターレイヤー)33と電極部40aとの間に位置する。なお、電子ブロッキング層33は、電子を通さないように構成される。したがって、電子ブロッキング層33は、発光層32から導電性層50および電極部40a側への電子の漏れを抑制する。
したがって、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス素子によれば、輝度むらを、より低減することが可能となる。
実施形態1,2で説明した有機エレクトロルミネッセンス素子は、例えば、照明用の有機エレクトロルミネッセンス素子として好適に用いることができるが、照明用に限らず、他の用途に用いることも可能である。
なお、実施形態1,2において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。

Claims (7)

  1. 発光層と、
    前記発光層の厚み方向の第1面上に配置される第1電極層と、
    前記発光層の厚み方向の第2面上に配置される第2電極層と、
    導電性層と、
    絶縁層と、
    を備え、
    前記発光層は、前記第1電極層と前記第2電極層との間に所定の電圧が印加されると光を放射するように構成され、
    前記第2電極層は、前記第2面を覆う電極部と、前記第2面を露出させるように前記電極部に形成される開口部と、を有し、
    前記導電性層は、
    前記光を透過させるように構成され、
    前記電極部と前記発光層とに電気的に接続されるように前記第2面において前記開口部から露出する露出領域上に形成され、
    前記絶縁層は、前記電極部と前記第2面との間に介在され
    前記導電性層において前記露出領域を覆う部位の厚さは、前記絶縁層と前記電極部との厚さの合計よりも小さい
    ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
  2. 前記導電性層は、前記第2電極層を覆うように形成される
    ことを特徴とする請求項1記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  3. ホール注入層をさらに備え、
    前記第1電極層は、陰極であり、
    前記第2電極層は、陽極であり、
    前記ホール注入層は、前記発光層と前記導電性層および前記電極部との間に介在され、
    前記絶縁層は、前記ホール注入層と前記電極部との間に位置する
    ことを特徴とする請求項1または2記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  4. 電子ブロッキング層をさらに備え、
    前記第1電極層は、陰極であり、
    前記第2電極層は、陽極であり、
    前記導電性層は、ホール注入層として機能するように構成され、
    前記電子ブロッキング層は、前記発光層と前記導電性層および前記電極部との間に介在され、
    前記絶縁層は、前記電子ブロッキング層と前記電極部との間に位置する
    ことを特徴とする請求項1または2記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  5. 前記第2電極層は、金属の粉末と有機バインダとの混合物を用いて形成される
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  6. 前記導電性層は、導電性ナノ構造体が混入された透明媒体を用いて形成される透明導電膜、あるいは、前記光を透過させることができる厚みの金属薄膜である
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  7. 前記第1電極層および前記第2電極層それぞれの材料の抵抗率が、透明導電性酸化物の抵抗率よりも低い
    ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
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