JP6533435B2 - 有機el素子 - Google Patents
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<第一実施形態>
以下、本発明の第一の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、第一実施形態の有機EL素子1の層構成を模式的に示す断面図である。有機EL素子1は、少なくとも、第一電極10と、有機層20と、第二電極30と、高屈折率光散乱層50と、透明基板40とをこの順に積層した構成を有する。なお図1に記載の有機EL素子はボトムエミッション型の層構成を示す例であるが、本発明はトップエミッション型の有機EL素子にも適用できる。他の実施形態についても同様である。
透明基板40は、第一電極10と、有機層20と、第二電極30と、高屈折率光散乱層50とを支持するための平滑な板状の部材である。図1に示す有機EL素子1は、いわゆるボトムエミッション型の素子であり、有機層20から放射された放射光の光取り出し方向が透明基板40側となる。そのため、透明基板40は、透光性の部材が用いられ、可視域(400〜700nm)の光の透過率が50%以上であるのが好ましい。具体的には、ガラス板、ポリマー板等が挙げられる。ガラス板としては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマー板としては、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリエーテルサルファイド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、トリアジン系樹脂等を原料として用いてなるものを挙げることができる。透明基板40としては、板状に限定されず、フィルム状であっても良い。通常、透明基板40として用いられるガラスの屈折率は1.5であり、ポリマーの中で、比較的屈折率の低いものは1.4程度であり、比較的屈折率の高いものは1.65程度であり、さらに屈折率の大きい材料としては2.0程度である。
第一電極10は、有機層20に隣接して設けられ、電極用材料が用いられる。第一電極10は、ボトムエミッション型の素子においては、光を反射させる材料で構成されることが好ましく、例えば、Al、Cu、Ag、Au等の金属や合金等で構成される第一電極10は、一層で構成してもよいし、複数層で構成してもよい。光を反射させる材料で構成される層同士を積層させてもよいし、透明な導電性部材で構成される層と光を反射させる材料で構成される層とを積層させてもよい。
第二電極30は、有機層20と高屈折率光散乱層50との間に有機層20と隣接して設けられる。第二電極30は、有機層20を挟んで第一電極10と対向して配置される。上述のとおり本実施形態では、有機層20から放射された放射光を透明基板40側から素子外部へ取り出すため、第二電極30は透明電極とする。この場合、第二電極30の可視域の光の透過率を10%より大きくすることが好ましい。第二電極30のシート抵抗は、数百Ω/□(オーム/スクエア)以下が好ましい。第二電極30の厚さは、材料にもよるが、好ましくは10nm〜1μm、より好ましくは10〜200nmの範囲で選択される。本実施形態では、第二電極30を陽極とし、第一電極10を陰極とするが、第二電極30を陰極とし、第一電極10を陽極としてもよい。第二電極30には、電極用材料が用いられ、例えば、ITO(インジウム錫酸化物)、IZO(酸化インジウム亜鉛)(「IZO」は、登録商標である。)、ZnO(酸化亜鉛)等の透明電極材料が用いられる。透明電極材料の屈折率は1.7〜2.2程度である。
有機層20は、第一電極10と第二電極30との間に設けられる。有機層20は、一層又は複数層で構成される。有機層20のうち少なくとも1層は発光層である。従って、有機層20は、一層の発光層で構成されていてもよいし、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層、正孔障壁層、電子障壁層等の有機EL素子で採用される層を有していてもよい。有機層20は無機化合物を含んでいてもよい。本実施形態では、有機層20は面状の発光領域を構成する。
高屈折率光散乱層50は、有機層20の発光層から放射された放射光を効率的に有機EL素子1の外部へ取り出すために、第二電極30と透明基板40との間に配置される。高屈折率光散乱層50は、第二電極30の屈折率と透明基板40の屈折率との間の屈折率を有し、さらに可視域の光を散乱させる微粒子を含有するのが好ましい。前述したように、第二電極30の屈折率は1.5〜2.0程度、透明基板40の屈折率は1.7〜2.2程度であるので、高屈折率光散乱層50の屈折率は1.5〜2.2程度であるのが好ましい。第二電極30と高屈折率光散乱層50との界面及び高屈折率光散乱層50と透明基板40との界面における反射ができるだけ小さくなるように、高屈折率光散乱層50の屈折率を設定する。
ダイヤモンド微粒子52としては、高屈折率光散乱層50中に均一に分散させるためバインダー及び層を形成する際の溶剤との親和性に優れたものが好ましく、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、水酸基等の官能基が粒子表面に比較的多く存在するものが好ましい。また必要に応じてダイヤモンド微粒子52の表面を疎水性基等の官能基で修飾して使用してもよい。これらのダイヤモンド微粒子52としては、天然ダイヤモンドもしくは人造ダイヤモンドを粉砕して得られたもの、又は***法によって得られたナノダイヤモンドが挙げられる。
高屈折率光散乱層50には、10〜200nmのメジアン径を有するダイヤモンド微粒子を含有するのが好ましい。このようなメジアン径を有するダイヤモンド微粒子(以下、ダイヤモンド微粒子A(52a)と言う。)は、主に可視光の波長域(400〜700nm)よりも小さいサイズの粒子からなるので可視光を散乱させる効果は小さいが、その高い屈折率(屈折率2.42)によって層全体の屈折率を高めるといった効果を発揮する。ダイヤモンド微粒子Aのメジアン径は、可視光による散乱(ミー散乱)が起こらない程度のサイズ、すなわち200nm以下であり、より好ましくは100nm以下、最も好ましくは50nm以下のサイズのものを用いる。なお10〜200nmのメジアン径を有するダイヤモンド微粒子であっても200nm以上の比較的大きなサイズの粒子もある程度は含まれるため、可視域の光を散乱させる効果は小さいが有している。
高屈折率光散乱層50は、ダイヤモンド微粒子Aに加えて、より可視光の拡散性を高めるために、メジアン径0.2〜50μmのダイヤモンド微粒子(以下、ダイヤモンド微粒子B(52b)と言う。)を含有してもよい。ダイヤモンド微粒子Bは、可視域の光の波長と同等のメジアン径、又はさらに大きいメジアン径を有しているため、ミー散乱により、可視域の光に対して高い散乱効果を発揮する光散乱体として働く。ダイヤモンド微粒子Bは、ダイヤモンドの一次粒子でも良いし、ダイヤモンド微粒子の凝集体(例えば、メジアン径1〜10nm程度のナノ粒子が凝集した形状のもの)であってもよい。ダイヤモンド微粒子Bのメジアン径は、より好ましくは0.2〜30μmであり、最も好ましくは0.5〜20μmである。
前記バインダー51としては、特に限定されないが、ガラス材料又は高分子樹脂が好ましい。前記バインダーを構成するガラス材料としては、ソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。
次に、本発明の第二実施形態を図面に基づいて説明する。図4は、第二実施形態の有機EL素子2の層構成を模式的に示す断面図である。有機EL素子2は、少なくとも、第一電極10と、有機層20と、第二電極30と、高屈折率光散乱層50と、透明基板40と、低屈折率光散乱層60とをこの順に積層した構成を有する。第二実施形態の有機EL素子2は、第一実施形態の有機EL素子1において、透明基板40の高屈折率光散乱層50と反対側の面に低屈折率光散乱層60を設けたものであり、第一電極10、有機層20、第二電極30及び高屈折率光散乱層50は第一実施形態の有機EL素子1と同様であるので、ここでは低屈折率光散乱層60についてのみ説明する。
低屈折率光散乱層60は、図4に示すように、透明基板40の高屈折率光散乱層50と反対側の面に設けられ、可視域の光を散乱させる働きを有する。低屈折率光散乱層60で可視域の光を散乱させることにより、有機層20の発光層から放射された放射光を効率的に有機EL素子2の外部へ取り出すことができる。
(1)高屈折率光散乱層の形成
高屈折率光散乱層50は、ダイヤモンド微粒子及びバインダー又はその前駆体を含む塗布液を前記透明基板40の表面に塗布する方法、又はあらかじめダイヤモンド微粒子及びバインダーを含む膜を作製しておき、その膜を前記透明基板40の表面に貼り付ける方法により前記透明基板40の表面に形成することができる。また前記塗布方法と貼り付け方法とを組み合わせて高屈折率光散乱層50を形成しても良い。これらの方法を組み合わせる場合、ダイヤモンド微粒子分散液を塗布した後に前記膜を貼り付けても良いし、前記膜を貼り付けた後にダイヤモンド微粒子分散液を塗布してもよい。前記塗布液には必要に応じて、溶剤、各種添加剤を点有しても良い。
低屈折率光散乱層60は、ダイヤモンド微粒子及びバインダー又はその前駆体を含む塗布液を前記透明基板40の表面に塗布する方法、又はあらかじめダイヤモンド微粒子及びバインダーを含む膜を作製しておき、その膜を前記透明基板40の表面に貼り付ける方法により前記透明基板40の表面に形成することができる。また前記塗布方法と貼り付け方法とを組み合わせて低屈折率光散乱層60を形成しても良い。これらの方法を組み合わせる場合、ダイヤモンド微粒子分散液を塗布した後に前記膜を貼り付けても良いし、前記膜を貼り付けた後にダイヤモンド微粒子分散液を塗布してもよい。前記塗布液には必要に応じて、溶剤、各種添加剤を点有しても良い。低屈折率光散乱層60は、前記透明基板40の、前記高屈折率光散乱層50を形成する面とは反対側の面に形成する。低屈折率光散乱層60の形成は、前記高屈折率光散乱層50を形成する前であっても、前記高屈折率光散乱層50を形成した後であっても、前記高屈折率光散乱層50、有機層20及び電極10,30を形成した後であってもよい。バインダーとしては、前記高屈折率光散乱層50の形成で挙げたものを使用することができる。
形成した高屈折率光散乱層50の上に、第二電極30、有機層20及び第一電極10を順次積層形成する。第一電極10や第二電極30の形成は、真空蒸着法やスパッタリング法等の形成方法を採用することができる。また有機層20の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、プラズマ法、イオンプレーティング法等の乾式成膜法やスピンコーティング法、ディッピング法、フローコーティング法、インクジェット法等の湿式成膜法等の形成方法を採用することができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
(1)ダイヤモンド微粒子の作製
TNT(トリニトロトルエン)とRDX(シクロトリメチレントリニトロアミン)を60/40の比で含む0.65kgの爆発物を3m3の爆発チャンバー内で爆発させて生成するBDを保存するための雰囲気を形成した後、同様の条件で2回目の爆発を起こしBDを合成した。爆発生成物が膨張し熱平衡に達した後、15mmの断面を有する超音速ラバルノズルを通して35秒間ガス混合物をチャンバーより流出させた。チャンバー壁との熱交換及びガスにより行われた仕事(断熱膨張及び気化)のため、生成物の冷却速度は280℃/分であった。サイクロンで捕獲した生成物(黒色の粉末、BD)の比重は2.55g/cm3、メジアン径(動的光散乱法)は220nmであった。このBDは比重から計算して、76容積%のグラファイト系炭素と24容積%のダイヤモンドからなっていると推定された。
紫外線硬化型アクリレートハードコート剤[GE東芝シリコーン(株)製、商品名「UVHC1105」固形分濃度100重量%]100部、紫外線硬化型シリコーン樹脂[チッソ(株)製、商品名「サイラプレーンFM−7711」(分子量1000)]0.4部、作製したダイヤモンド微粒子Aを20質量部及びイソプロピルアルコール100部からなる高屈折率光散乱層用塗布液を作製した。
得られた有機EL素子に、電流密度が5mA/cm2となるように電圧を印加し、正面輝度を輝度計(トプコン社製、BM5A)で測定した。
(1)高屈折率光散乱層用塗布液A〜Cの作製
紫外線硬化型アクリレートハードコート剤[GE東芝シリコーン(株)製、商品名「UVHC1105」固形分濃度100重量%]100部、紫外線硬化型シリコーン樹脂[チッソ(株)製、商品名「サイラプレーンFM−7711」(分子量1000)]0.4部、作製したダイヤモンド微粒子Aを3質量部及びイソプロピルアルコール100部からなる高屈折率光散乱層用塗布液Aを作製した。
25mm×25mm×0.7mm厚(日本板硝子製、NA35)のガラス基板[屈折率:1.50(波長=550nm)]の表面に、高屈折率光散乱層用塗布液Aを、硬化後の膜厚が0.17μmになるようにスピンコーターで塗布し、80℃で2分間乾燥した。前記高屈折率光散乱層用塗布液Aを塗布及び乾燥した上に、同様にして、高屈折率光散乱層用塗布液Bを塗布及び乾燥し、さらにその上に高屈折率光散乱層用塗布液Cを塗布及び乾燥した後、紫外線を照射量1000mJ/cm2で照射して高屈折率光散乱層A〜Cを形成した。この高屈折率光散乱層A〜Cの屈折率はそれぞれ1.62、1.73及び1.83であった。
実施例1で用いた高屈折率光散乱層用塗布液に、さらに実施例1で作製したダイヤモンド微粒子Bを5質量部添加した以外は実施例1と同様にして、実施例3の有機EL素子を作製した。得られた有機EL素子の輝度を実施例1と同様にして測定した。
紫外線硬化型アクリレートハードコート剤[GE東芝シリコーン(株)製、商品名「UVHC1105」固形分濃度100重量%]100部、紫外線硬化型シリコーン樹脂[チッソ(株)製、商品名「サイラプレーンFM−7711」(分子量1000)]0.4部、実施例1で作製したダイヤモンド微粒子Bを5質量部及びイソプロピルアルコール100部からなる低屈折率光散乱層用塗布液を作製した。
高屈折率光散乱層を設けなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の有機EL素子を作製した。得られた有機EL素子の輝度を実施例1と同様にして測定した。
高屈折率光散乱層中に添加したダイヤモンド微粒子Aを、二酸化チタン微粒子(富士チタン工業株式会社製、ST−700、屈折率2.4以上、平均粒径1.0μm)で等重量で置き換えた以外は実施例1と同様にして、比較例2の有機EL素子を作製した。得られた有機EL素子の輝度を実施例1と同様にして測定した。
表1に実施例1〜4、比較例1及び2の輝度測定の結果を示す。なお輝度の測定値は、比較例1の値を1.00とした相対値で示した。
Claims (7)
- 第一電極と、発光層を有する有機層と、第二電極と、高屈折率光散乱層と、透明基板とを順に有する有機EL素子であって、
前記高屈折率光散乱層が前記第二電極及び前記透明基板に隣接して設けられ、且つ
前記高屈折率光散乱層が、バインダーとメジアン径10〜200nmのダイヤモンド微粒子Aとからなり、前記ダイヤモンド微粒子Aの含有量が、前記バインダーと前記ダイヤモンド微粒子Aとの合計に対して、1〜50質量%であることを特徴とする有機EL素子。 - 請求項1に記載の有機EL素子において、前記高屈折率光散乱層中の前記ダイヤモンド微粒子Aの密度が、前記透明基板側から前記第二電極側に向かって高くなるように積層方向に勾配を有していることを特徴とする有機EL素子。
- 請求項1に記載の有機EL素子において、前記高屈折率光散乱層が前記ダイヤモンド微粒子Aの密度が異なる複数の層からなり、前記透明基板側から前記第二電極側に向かって層中の前記ダイヤモンド微粒子Aの密度が高くなるように配置されていることを特徴とする有機EL素子。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機EL素子において、前記高屈折率光散乱層が、前記第二電極の屈折率と前記透明基板の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする有機EL素子。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機EL素子において、前記高屈折率光散乱層が、さらにメジアン径0.2〜50μmのダイヤモンド微粒子Bを、前記バインダーと前記ダイヤモンド微粒子Bとの合計に対して、1〜70質量%含有することを特徴とする有機EL素子。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機EL素子において、前記透明基板の前記高屈折率光散乱層と対向する側とは反対側に、可視域の光を散乱させるための低屈折率光散乱層を有することを特徴とする有機EL素子。
- 請求項6に記載の有機EL素子において、前記低屈折率光散乱層が、バインダーとメジアン径0.1〜50μmのダイヤモンド微粒子Bとからなり、前記ダイヤモンド微粒子Bの含有量が、前記バインダーと前記ダイヤモンド微粒子Bとの合計に対して、1〜70質量%であることを特徴とする有機EL素子。
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