JP6633716B1 - 有機el素子及び有機el素子の製造方法、並びに有機elパネル、有機elパネルの製造方法、有機el表示装置、電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなアルカリ金属等は、仕事関数が低く、陰極から電子を注入・輸送する能力が高いので、有機EL素子の発光効率を向上させることができる。
特に、最近では、製造コスト面での優位性から、有機層を形成するための有機材料と溶媒を含む溶液(以下、単に「インク」と称する。)を、印刷装置で塗布して形成するウエットプロセス(湿式法)が多く用いられているが、この場合には、有機層中の水分残留量が、蒸着法などのドライプロセス(乾式法)によって成膜する場合よりも格段に多く、上記特許文献1の構成では、バッファ層が有機化合物からなるため、それより下層の有機層中の水分が当該バッファ層を介して電子輸送層に浸透して、電子輸送層中のアルカリ金属等と反応し、発光特性が劣化するおそれがある。
また、本開示の別の態様に係る有機EL表示装置は、上記の有機ELパネルと、前記有機にELパネルを駆動して画像を表示させる駆動部とを備える。
さらに、本開示の別の態様に係る有機EL素子の製造方法は、陽極を形成する第1工程と、前記陽極の上方に有機発光層を形成する第2工程と、前記有機発光層上に、NaFからなる第1機能層を形成する第3工程と、前記第1機能層上に、Ybを含む有機材料からなる第2機能層を形成する第4工程と、前記第2機能層の上方に、陰極を形成する第5工程と、を含むことを特徴とする。
有機ELパネルにおける各有機層は、従来は真空蒸着などのドライプロセス(乾式法)により成膜される場合が多かったが、塗布技術、特に印刷装置の技術の進歩に伴い、近年では、ウエットプロセスで各有機層を形成する技術が普及しつつある。
ウエットプロセスは、有機材料が有機溶媒に溶解したインクを印刷装置等により必要箇所に印刷した後、乾燥させて有機層を形成するものであり、大型の有機ELパネルであってもその設備費が抑制できると共に材料利用率が高いなどコスト面で優れているからである。
特許文献1にもあるように、陰極と有機発光層の間には、電子の有機発光層への移動を容易にするために、有機材料に低仕事関数のアルカリ金属等をドープした電子輸送層を形成し、これにより良好なキャリアバランスを維持して有機発光層における発光効率が最適になるように構成されている場合がある。
特許文献1では、電子輸送層と有機発光層との間に、Alq3、4,4’−N,N’−ジカルバゾール−ビフェニル(CBP)などからなるバッファ層を設けているが、いずれも有機材料を含んでいるので、電子輸送層への水分の浸入を抑制するという点では十分機能していない。
≪本開示の一態様の概要≫
本開示の一態様に係る有機EL素子は、陽極と、前記陽極の上方に配された有機発光層と、前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、前記第2機能層の上方に配された陰極と、を備える。
また、本開示の別の態様に係る有機EL素子は、上記態様において、前記第1機能層の膜厚が、0.1nm以上20nm以下である。
また、本開示の別の態様に係る有機EL素子は、上記態様において、前記第2機能層の膜厚が、5nm以上150nm以下である。
また、本開示の別の態様に係る有機EL素子は、上記態様において、前記第2機能層が、第1機能層に近い側から第1層部分、第2層部分および第3層部分を順に積層してなり、前記第1層部分、第2層部分、第3層部分におけるYbの含有の割合をそれぞれ、X1、X2、X3とすると、X2<X1≦X3である。
このように第2機能層のYb含有量を連続して変化させることで第1機能層のNaFの防水性を発揮しつつ、第1機能層には弱い還元性を作用させ、電子注入性は制限しつつも水分の第2機能層への侵入をより抑制でき、Ybドープ量の増加によって光透過性が必要以上に低下しないようにすることも出来る。また、陰極側のYbの濃度を高くすることで陰極側からの第2機能層への電子注入性を向上するとともに外部からの水分の浸入を阻止して、有機EL素子の寿命を更に延ばせることができる。
また、本開示の別の態様に係る有機EL素子は、上記態様において、前記第3機能層の膜厚は、15nm以上である。
係る態様によれば、第3機能層の膜厚を調整することにより、発光色の波長に応じた光共振器構造を構築することが可能となる。
また、本開示の別の態様に係る有機EL素子は、上記態様において、前記第3機能層と陰極との間に、Ybからなる膜厚0.1nm以上、3nm以下の薄膜が形成されている。
係る態様により、陰極の膜質を向上することが出来ることに加え、外部からの水分の浸入を阻止して、有機EL素子の寿命を更に延ばせることができる。
ここで、本開示の別の態様に係る有機EL素子は、上記態様において、前記有機発光層で発光された光は、前記陰極から直接射出される第1光束と、前記陽極と前記陰極間で反射した後、前記陰極から射出される第2光束とを含み、第1光束と第2光束が共振するように、前記有機発光層から前記陰極に至るまでに介在する少なくとも一つの機能層の膜厚が、当該発光する発光色の波長に応じて設定されている。
また、本開示の別の態様に係る有機ELパネルは、上記態様に係る有機EL素子を複数、行列状に配列し、少なくとも行方向に隣接する有機EL素子における有機発光層は、列方向に延在する隔壁によって仕切られている。
また、本開示の別の態様に係る有機ELパネルは、トップエミッション型である。
トップエミッション型の有機ELパネルでは、光を射出する方向に、TFTなどからなる駆動回路が配されていないので、各有機EL素子の開口率を大きくでき、発光効率に優れる。
また、本開示の別の態様に係る電子機器は、上記態様において、画像表示部として上記有機EL表示装置を備える。
係る有機EL表示装置および電子機器は、表示パネルの発光効率に優れ、寿命も長くすることができる。
また、本開示の別態様に係る有機ELパネルの製造方法は、前記第4工程が、第1機能層上に有機材料の層を形成した後、当該有機材料の層にYbをドープして第2機能層を形成する。
これにより製造コストの低減化が容易となる。
以下、本開示の一態様に係る有機EL素子および有機ELパネル、有機EL表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は、模式的なものを含んでおり、各部材の縮尺や縦横の比率などが実際とは異なる場合がある。
1.有機EL表示装置1の全体構成
図1は、有機EL表示装置1の全体構成を示すブロック図である。有機EL表示装置1は、例えば、テレビ、パーソナルコンピュータ、携帯端末、業務用ディスプレイ(電子看板、商業施設用大型スクリーン)などに用いられる表示装置である。
有機ELパネル10は、本実施の形態では、上面が長方形状の画像表示面であるトップエミッション型の表示パネルである。有機ELパネル10では、画像表示面に沿って複数の有機EL素子(不図示)が配列され、各有機EL素子の発光を組み合わせて画像を表示する。なお、有機ELパネル10は、一例として、アクティブマトリクス方式を採用している。
なお、図1では、一例として、駆動回路210が有機ELパネル10の周囲に4つ配置されているが、駆動制御部200の構成はこれに限定されるものではなく、駆動回路210の数や位置は適宜変更可能である。また、以下では説明のため、図1に示すように、有機ELパネル10上面の長辺に沿った方向をX方向、有機ELパネル10上面の短辺に沿った方向をY方向とする。
(A)平面構成
図2は、有機ELパネル10の画像表示面の一部を拡大した模式平面図である。有機ELパネル10では、一例として、R(赤色)、G(緑色)、B(青色)(以下、単にR、G、Bともいう。)にそれぞれ発光する副画素100R、100G、100Bが行列状に配列されている。副画素100R、100G、100Bは、X方向に交互に並び、X方向に並ぶ一組の副画素100R、100G、100Bが、一つの画素Pを構成している。画素Pでは、階調制御された副画素100R、100G、100Bの発光輝度を組み合わせることにより、フルカラーを表現することが可能である。
また、本実施の形態に係る有機ELパネル10では、いわゆるラインバンク方式を採用している。すなわち、副画素列CR、CG、CBを1列ごとに仕切る隔壁(バンク)14がX方向に間隔をおいて複数配置され、各副画素列CR、CG、CBでは、副画素100R、100G、100Bが、有機発光層を共有している。
なお、画素規制層141の高さは、有機発光層のインク塗布時における液面の高さよりも低い。図2では、隔壁14及び画素規制層141は点線で表されているが、これは、画素規制層141及び隔壁14が、画像表示面の表面に露出しておらず、画像表示面の内部に配置されているからである。
図3は、図2のA−A線に沿った模式断面図である。
有機ELパネル10において、一つの画素は、R、G、Bをそれぞれ発光する3つの副画素からなり、各副画素は、対応する色を発光する有機EL素子2(R)、2(G)、2(B)で構成される。
図3に示すように、有機EL素子2は、基板11、層間絶縁層12、画素電極(陽極)13、隔壁14、正孔注入層15、正孔輸送層16、有機発光層17、第1機能層18、第2機能層19、対向電極(陰極)20、および、封止層21とからなる。
(1)基板
基板11は、絶縁材料である基材111と、TFT(Thin Film Transistor)層112とを含む。TFT層112には、副画素ごとに駆動回路が形成されている。基材111は、例えば、ガラス基板、石英基板、シリコン基板、硫化モリブデン、銅、亜鉛、アルミニウム、ステンレス、マグネシウム、鉄、ニッケル、金、銀などの金属基板、ガリウム砒素などの半導体基板、プラスチック基板等を採用することができる。
層間絶縁層12は、基板11上に形成されている。層間絶縁層12は、樹脂材料からなり、TFT層112の上面の段差を平坦化するためのものである。樹脂材料としては、例えば、ポジ型の感光性材料が挙げられる。また、このような感光性材料として、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、シロキサン系樹脂、フェノール系樹脂が挙げられる。また、図3の断面図には示されていないが、層間絶縁層12には、副画素ごとにコンタクトホールが形成されている。
画素電極13は、光反射性の金属材料からなる金属層を含み、層間絶縁層12上に形成されている。画素電極13は、副画素ごとに設けられ、コンタクトホール(不図示)を通じてTFT層112と電気的に接続されている。
本実施の形態においては、画素電極13は、陽極として機能する。
(4)隔壁・画素規制層
隔壁14は、基板11の上方に副画素ごとに配置された複数の画素電極13を、X方向(図2参照)において列毎に仕切るものであって、X方向に並ぶ副画素列CR、CG、CBの間においてY方向に延伸するラインバンク形状である。
隔壁14は、有機発光層17を塗布法で形成する場合に塗布された各色のインクが溢れて混色しないようにするための構造物として機能する。
隔壁14は、有機溶媒や熱に対する耐性を有することが好ましい。また、インクの流出を抑制するために、隔壁14の表面は所定の撥液性を有することが好ましい。
画素電極13が形成されていない部分において、隔壁14の底面が層間絶縁層12の上面と接している。
画素規制層141の膜厚は、画素電極13の膜厚よりも若干大きいが、有機発光層17の上面までの厚みよりも小さくなるように設定されている。これにより、各副画素列CR、CG、CBにおける有機発光層17は、画素規制層141によっては仕切られず、有機発光層17を形成する際のインクの流動が妨げられない。そのため、各副画素列における有機発光層17の厚みを均一に揃えることを容易にする。
画素規制層141に用いられる電気絶縁性材料の具体例としては、上記隔壁14の材料として例示した樹脂材料や無機材料などが挙げられる。また、上層となる有機発光層17を形成する際、インクが濡れ広がりやすいように、画素規制層141の表面はインクに対する親液性を有することが好ましい。
正孔注入層15は、画素電極13から有機発光層17への正孔の注入を促進させる目的で、画素電極13上に設けられている。正孔注入層15は、例えば、Ag(銀)、Mo(モリブデン)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、W(タングステン)、Ni(ニッケル)、Ir(イリジウム)などの酸化物、あるいは、PEDOT(ポリチオフェンとポリスチレンスルホン酸との混合物)などの導電性ポリマー材料からなる層である。例えばスパッタプロセスやウエットプロセスにより形成しても良い。
(6)正孔輸送層
正孔輸送層16は、正孔注入層15から注入された正孔を有機発光層17へ輸送する機能を有する。正孔輸送層16は、例えば、ポリフルオレンやその誘導体、あるいは、ポリアリールアミンやその誘導体などの高分子化合物であって、親水基を備えないものなどを用いてウエットプロセスにより形成される。
有機発光層17は、開口部14a内に形成されており、正孔と電子の再結合により、R、G、Bの各色の光を発光する機能を有する。なお、特に、発光色を特定して説明する必要があるときには、有機発光層17(R)、17(G)、17(B)と記す。
有機発光層17の材料としては、公知の材料を利用することができる。具体的には、例えば、オキシノイド化合物、ペリレン化合物、クマリン化合物、アザクマリン化合物、オキサゾール化合物、オキサジアゾール化合物、ペリノン化合物、ピロロピロール化合物、ナフタレン化合物、アントラセン化合物、フルオレン化合物、フルオランテン化合物、テトラセン化合物、ピレン化合物、コロネン化合物、キノロン化合物及びアザキノロン化合物、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、ローダミン化合物、クリセン化合物、フェナントレン化合物、シクロペンタジエン化合物、スチルベン化合物、ジフェニルキノン化合物、スチリル化合物、ブタジエン化合物、ジシアノメチレンピラン化合物、ジシアノメチレンチオピラン化合物、フルオレセイン化合物、ピリリウム化合物、チアピリリウム化合物、セレナピリリウム化合物、テルロピリリウム化合物、芳香族アルダジエン化合物、オリゴフェニレン化合物、チオキサンテン化合物、シアニン化合物、アクリジン化合物、8−ヒドロキシキノリン化合物の金属錯体、2−ビピリジン化合物の金属錯体、シッフ塩とIII族金属との錯体、オキシン金属錯体、希土類錯体などの蛍光物質で形成されることが好ましい。
第1機能層18は、下部の有機層からの水分の第2機能層19への移動を抑止すると共に、対向電極20からの電子を有機発光層17へ輸送する機能を有する。第1機能層18は、NaF(フッ化ナトリウム)からなる。NaFは、上層に還元性を有する材料を蒸着することで電子注入性に優れると共に水分の透過性が低く防水性を有するからである。
第2機能層19は、対向電極20から供給される電子を有機発光層17側へと注入・輸送する機能を有する。第2機能層19は、有機材料、特に、電子輸送性を有する有機材料に、Yb(イッテルビウム)を、ドープして形成されている。
なお、電子輸送性を有する有機材料(ホスト材料)として、例えば、オキサジアゾール誘導体(OXD)、トリアゾール誘導体(TAZ)、フェナンスロリン誘導体(BCP、Bphen)などのπ電子系低分子有機材料が挙げられるが、これらに限定されない。
対向電極20は、透光性の導電性材料からなり、第2機能層19上に形成されている。対向電極20は、陰極として機能する。
対向電極20としては、例えば、金属薄膜または、ITOやIZOなどの透明導電膜を用いることができる。光共振器構造をより効果的に得るためには、対向電極20の材料として、アルミニウム、マグネシウム、銀、アルミニウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等のうち少なくとも1つの材料からなる金属薄膜を形成するのが望ましい。この場合において、金属薄膜の膜厚は、5nm以上30nm以下とすることが望ましい。
また、対向電極20上に同じくITOやIZOなどの透明導電膜を形成して、これにより、色度や視野角を調整するようにしてもよい。
封止層21は、正孔輸送層16、有機発光層17、第2機能層19などの有機層が水分に晒されたり、空気に晒されたりして劣化するのを防止するために設けられるものである。
封止層21は、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)などの透光性材料を用いて形成される。
図3には示されてないが、封止層21上に透明な接着剤を介して防眩用の偏光板や上部基板を貼り合せてもよい。また、各有機EL素子2により発光される光の色度を補正するためのカラーフィルターを貼り合わせてもよい。これらにより、正孔輸送層16、有機発光層17、第2機能層19などを外部の水分および空気などからさらに保護できる。
以下、有機ELパネル10の製造方法について、図面を用いて説明する。
図4(a)〜(e)、図5(a)〜(d)、図6(a)、(b)および図7(a)〜(d)は、有機ELパネル10の製造における各工程での状態を示す模式断面図である。また、図8は、有機ELパネル10の製造工程を示すフローチャートである。
まず、図4(a)に示すように、基材111上にTFT層112を成膜して基板11を準備する(図8のステップS1)。TFT層112は、公知のTFTの製造方法により成膜することができる。
(2)層間絶縁層形成工程
次に、図4(b)に示すように、基板11上に、層間絶縁層12を形成する(図8のステップS2)。
また、層間絶縁層12における、TFT素子の例えばソース電極上の個所にドライエッチング法を行い、コンタクトホール(不図示)を形成する。コンタクトホールは、その底部にソース電極の表面が露出するようにパターニングなどを用いて形成される。
(3)画素電極・正孔注入層の形成工程
次に、図4(c)に示すように、層間絶縁層12上に画素電極材料層130を形成する。画素電極材料層130は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。
そして、図4(e)に示すように、画素電極材料層130と正孔注入材料層150とをエッチングによりパターニングして、副画素ごとに区画された複数の画素電極13と正孔注入層15とを形成する(図8のステップS3)。
また、隔壁14を形成してから、正孔注入層15をウエットプロセスによって形成するようにしてもよい。
次に、隔壁14および画素規制層141を形成する(図8のステップS4)。
本実施の形態では、画素規制層141と隔壁14を別工程で形成するようにしている。
(4−1)画素規制層形成
まず、Y方向(図2)における画素電極列を副画素毎に仕切るため、X方向に伸びる画素規制層141を形成する。
具体的な塗布方法として、例えばダイコート法やスリットコート法、スピンコート法などのウエットプロセスを用いることができる。塗布後には、例えば、真空乾燥及び60℃〜120℃程度の低温加熱乾燥(プリベーク)などを行って不要な溶媒を除去するとともに、画素規制層材料層1410を層間絶縁層12に定着させることが好ましい。
例えば、画素規制層材料層1410がポジ型の感光性を有する場合は、画素規制層141として残す箇所を遮光し、除去する部分が透明なフォトマスク(不図示)を介して画素規制層材料層1410を露光する。
その後、所定温度で焼成(ポストベーク)することにより、層間絶縁層12上に、X方向に延伸する画素規制層141を形成することができる(図5(b))。
次に、Y方向に伸びる隔壁14を上記画素規制層141と同様にして形成する。
すなわち、上記画素電極13、正孔注入層15、画素規制層141が形成された層間絶縁層12上に、隔壁用の樹脂材料を、ダイコート法などを用いて塗布して、形成すべき隔壁14の高さと等しい膜厚の隔壁材料層140を形成し(図5(c))、フォトリソグラフィ法により隔壁材料層140にY方向に延在する隔壁14をパターニングした後、所定の温度で焼成して隔壁14を形成する(図5(d))。
(5)正孔輸送層形成工程
次に、図6(a)に示すように、隔壁14が規定する開口部14aに対し、正孔輸送層16の構成材料を含むインクを、印刷装置の塗布ヘッド301のノズル3011から吐出して開口部14a内の正孔注入層15上に塗布する。この際、正孔輸送層16のインクは、画素電極列の上方においてY方向(図2)に沿って延伸するように塗布される。その後、乾燥させて、正孔輸送層16を形成する(図8のステップS5)。
次に、上記正孔輸送層16の上方に、有機発光層17を形成する(図8のステップS6)。
具体的には、図6(b)に示すように、各開口部14aに対応する発光色の発光材料を含むインクを、印刷装置の塗布ヘッド301のノズル3011から順次吐出して開口部14a内の正孔輸送層16上に塗布する。この際、インクを画素規制層141の上方においても連続するように塗布する。これにより、Y方向に沿ってインクが流動可能となり、インクの塗布むらを低減して、同一の副画素列における有機発光層17の膜厚を均一化することが可能となる。
(7)第1機能層形成工程
次に、図7(a)に示すように、有機発光層17および隔壁14上に、第1機能層18を形成する(図8のステップS7)。第1機能層18は、NaFを蒸着法により各副画素に共通して成膜することにより形成される。
次に、図7(b)に示すように、第1機能層18上に、第2機能層19を形成する(図8のステップS8)。第2機能層19は、例えば、電子輸送性の有機材料とドープ金属であるYbを共蒸着法によって各副画素に共通して成膜することにより形成される。
(9)対向電極形成工程
次に、図7(c)に示すように、第2機能層19上に、対向電極20を形成する(図8のステップS9)。本実施の形態では、対向電極20は、銀、アルミニウム等を、スパッタリング法、真空蒸着法により成膜することにより形成される。
次に、図7(d)に示すように、対向電極20上に、封止層21を形成する(図8のステップS10)。封止層21は、SiON、SiN等を、スパッタリング法、CVD法などにより成膜することにより形成することができる。
これにより、有機ELパネル10が完成する。
4.有機EL素子の評価実験
次に、上記実施の形態により形成された有機EL素子2の発光効率および寿命について評価実験を行った。
図9は、上記有機EL素子2における画素電極(陽極)13の対向電極(陰極)20までの積層構造を模式的に示す図である。
第1機能層18は、膜厚が2nmのNaF薄膜であり、真空蒸着法により形成した。第2機能層19は、有機材料とYbを共蒸着法により膜厚15nmとなるように形成した。ドーピング金属Ybのドープ濃度は、20wt%である。
比較品2に係る有機EL素子は、図9における第1機能層18を形成せずに、第2機能層19のドーピング金属をYbとした。
比較品1〜3の第2機能層の膜厚およびドーピング金属のドープ濃度は、それぞれ、本実施品と同じ、15nm、20wt%に設定した。
また、比較品3における第1機能層18の膜厚は、実施品と同じ、2nmである。
図10は、本実施品と比較品1〜3との発光効率、駆動電圧、寿命および総合評価の結果を示す比較表である。
同表において、発光効率欄には、発光初期における発光効率(単位電力あたりの全光束 lm/ W (ルーメン毎ワット))を、実施品の発光効率を100とした場合の比較値で示されている。
寿命欄には、加速度実験した結果を示しており、ここでは、例えば、発光効率が初期の80%以下になったときに寿命に達したと判断している。この場合も実施品の寿命を100とした場合の比較値で示している。
図10の比較表を見ても分かるように、第1機能層を有しない比較品1、2では、発光効率は、実施品の6割程度に落ち込む。また電圧は、ともに大きく高電圧化している。しかも、寿命評価になると、第2機能層のドーピング金属がBaの場合の比較品1は、3割近くまで落ち込み、ドーピング金属がYbの場合の比較品2は、ほぼ5割まで落ち込んでいる。
そして、総合評価として「○」となるものは、本実施品のみであった。
(ア)Baの仕事関数が、Ybの仕事関数よりも小さいにも関わらず(Baの仕事関数2.52V、Ybの仕事関数2.6V)、発光効率および駆動電圧において、ドーピング金属がYbの方が、ドーピング金属がBaの場合よりも若干評価が高い。これは、希土類であるYbの方がアルカリ土類金属であるBaよりも活性が低く、発光デバイス作製プロセス中で水分と反応して変質が起こりにくく、電圧も低く、電子電流量の低下も抑制されることで効率の低下も抑制されていると考えられる。
(ウ)第1機能層がない場合には(比較品1、比較品2)、第2機能層のドーピング金属がBaかYbかで、寿命の差が18%であったにも関わらず、NaFの第1機能層を有している場合には(比較品3、実施品)、第2機能層のドーピング金属がBaかYbかで、寿命の差が30%まで開いている。これは、NaFとYbとの組み合わせの相性がよく、それらの相乗効果により、水分に対する耐性がより優れた長寿命の有機EL素子が形成されるからであると推察される。
(1)第1機能層の膜厚
第1機能層18を形成するNaFは、上述のように有機発光層17への電子注入性と、水分ブロック性を有しており、その膜厚は、0.1nm以上、20nm以下が望ましい。膜厚が0.1nm未満であると、薄すぎて第2機能層19から有機発光層17への電子注入性と、第2機能層19への水分ブロック性の効果を十分に発揮できず、また、膜厚が20nmを超えると、第2機能層の還元作用が十分に第一機能層に働かず、電子注入性を悪化させてしまう。
第2機能層19のドーピング金属であるYbは、陰極である対向電極20からの電子注入性に優れると共に、従来のBaなどと比べて透明度が高いので、その膜厚は、5nm以上、150nm以下の範囲とすることができる。膜厚が5nm未満であると、薄すぎて十分に第一機能層であるNaFを還元出来ずに陰極から十分電子を注入することができず、また、膜厚が150nmを超えると、光学調整が難しく、光取出し効率が悪化し、発光効率に支障を生ずるおそれがあるからである。
なお、第1機能層18は、下層の有機層から第2機能層19への水分の移動をブロックする機能と有機発光層17への電子注入の2つの機能を同時に担っているので、第1機能層18を有機発光層17上に直接積層すると共に、第1機能層18上に第2機能層19を直接形成するのが効果的である。これにより余分な中間層を介在させる必要がないので、プロセス負荷を軽減できる。
Ybは、仕事関数が低く電子注入性に優れていると共に、水分に対する反応性がアルカリ金属等に比してかなり低いので、ドープ濃度を1wt%以上、90wt%以下の範囲とすることができる。1wt%未満であると必要な電子注入性を得られず、90wt%を超えると、蒸着時などにYbの塊が生じやすく、ホスト材料である有機層中に均等に分散させるのが難しくなるからである。
以上、説明したように本開示の態様に係る有機EL素子によれば、有機発光層17上にNaFからなる第1機能層18を形成し、その上にYbをドープした第2機能層19を形成している。
第1機能層18のNaFは、水分のブロック能力が高いと共に、Ybの還元作用により電子注入性を増すことができるので、電子輸送層の機能を果たしつつ、その下層の有機発光層17や隔壁14、画素規制層141の有機層からの水分が第2機能層19に浸入するのを抑制することができる。
したがって、有機EL素子2の有機層の少なくとも1層をウエットプロセスで形成して製造コストを低減させつつ、有機層の含有水分による第2機能層19の電子注入性の劣化を抑制して、有機EL素子の長寿命化を図ることができる。
以上、本発明の一態様として、有機EL素子、及び有機ELパネル、及び有機EL素子の製造方法などの実施の形態について説明したが、本発明は、その本質的な特徴的構成要素を除き、以上の説明に何ら限定を受けるものではない。以下では、本発明の他の態様を説明する。
上記実施の形態では、第2機能層19は単層で、かつ、Ybのドープ濃度が均一になるようにしたが、次のような構成にしてもよい。
(1−1)第2機能層を単層構造のまま膜厚方向にYbの濃度勾配を設ける構成
図11は、第1変形例に係る有機EL素子2の積層構造を示す模式図である。
このような構成にすることにより、第2機能層のYb含有量を連続して変化させることで第1機能層のNaFの防水性を発揮しつつ、第1機能層には弱い還元性を作用させ、電子注入性は制限しつつも水分の第2機能層への侵入をより抑制でき、Ybドープ量の増加によって光透過性が必要以上に低下しないようにすることも出来る。また、陰極側の濃度を高くすることで陰極側からの第2機能層への電子注入性を向上するとともに外部からの水分の浸入を阻止して、有機EL素子の寿命を更に延ばせることができる。
なお、Ybのドープ濃度を徐々に変化させる方法として、例えば、共蒸着法において、Ybを加熱する電気炉の温度と有機材料を加熱する電気炉の温度をそれぞれ制御して、Ybの蒸着速度を、有機材料の蒸着速度に対して相対的に遅くさせていくことにより達成できる。
図12は、第2変形例に係る有機EL素子2の積層構造を示す模式図である。
同図に示すように、第2機能層19を、第1層部分191と第2層部分192の2層構造とし、第2層部分192のYbのドープ濃度(X2wt%)を第1層部分191のYbのドープ濃度(X1wt%)より高くしている(1≦X1<X2≦90)。
(1−3)第2機能層が3層構造
図13は、第2変形例に係る有機EL素子2の積層構造を示す模式図である。
同図に示すように、第2機能層19を、第1層部分191、第2層部分192、第3層部分193の3層構造とし、第1〜第3層部分191〜193のYbのドープ濃度を、それぞれX1wt%、X2wt%、X3wt%としたときに、1≦X2<X1≦X3≦90の関係を満たすように形成されている。
また、第1機能層のNaFの防水性を発揮しつつ、還元させ、発光層への電子注入性を向上させることが出来る。
また、第3層部分のYbの濃度を高くすることでより陰極側からの第2機能層への電子注入性を向上するとともに外部からの水分の浸入を阻止して、有機EL素子の寿命を更に延ばせることができるという効果を得ることができる。
発光効率をさらに向上するためには、光共振器構造を採用することが望ましい。
図14は、有機EL素子2の別の態様に係る積層構造を示す模式図である。
同図に示すように、第2機能層19と対向電極20との間に所定膜厚の透明導電膜23が形成されている。この透明導電膜23は、ITOやIZOなどをマグネトロンスパッタリング法などにより形成する。
この透明導電膜23の膜厚は、15nm以上が望ましい。40nm以上が更に望ましい。透明導電膜の膜厚を15nm以上にすることでキャビティ調整(光共振器構造のための膜厚調整)を効果的に利用することが出来、高効率化を実現できる。
光共振器構造は、画素電極13の正孔注入層15との界面と、対向電極20の透明導電膜23との界面との間に構成される。
図15には、有機発光層17から出射される光の主な光路を示している。光路C1は、有機発光層17から対向電極20側に出射された光が、反射されることなく対向電極20を透過する光路である。
光路C1と光路C2の光学距離の差(光路差)ΔC1は、図15に示す光学膜厚L1の2倍の長さに対応する。光学膜厚L1は、有機発光層17から画素電極13の正孔注入層15との界面までの、正孔注入層15と正孔輸送層16の合計の光学距離(各層における膜厚と屈折率との積の合計値)である。
光共振器構造では、各光路C1、光路C2、光路C3を経た光が、同位相で有機EL素子2から射出されるように調整する必要がある。そのため、図15で発光される光の目標波長をλとすると、光路C2では、1回反射して半波長だけずれているので、
光路差ΔC1=λの整数倍+λ/2 であるのが望ましい。
また、光路C3を経た光が、同位相で有機EL素子2から射出されるように調整する必要があるが、そのためには、光路C3では、2回反射しているので、この場合には、
光路差ΔC2=λの整数倍 であるのが望ましい。
各発光色の波長が異なるので、その波長にあわせて、上記光路差ΔC1、ΔC2を変更すべく、各発光色に対応した有機EL素子2における正孔注入層15、正孔輸送層16、有機発光層17の膜厚および透明導電膜23の膜厚が決定される。
また、第2機能層19上に第3機能層としてITOやIZOがスパッタ法により製膜されるときにおいても、第2機能層19がそのスパッタダメージを緩和することができるため、有機発光層が保護され、発光効率が良好で寿命が短くならない有機EL素子を得ることができる。
(3−1)図16は、有機EL素子2のさらに別の態様に係る積層構造を示す模式図である。
図14の構成と異なるのは、第2機能層19と透明導電膜23との間に、Ybからなる中間層(Yb層)24が形成されている点である。
また、Ybは、ある程度の耐水性を有しているため、上層(透明導電膜23、対向電極20、封止層21)からの水分の浸入を阻止して、下層の第2機能層19や有機発光層17の劣化を抑制し、長寿命化を図ることができる。
0.1nm未満であると、耐水性及びシート抵抗の低下の効果が、さほど期待できず、3nmを超えると光透過性に影響を与え、却って有機EL素子2の発光効率を低下させてしまうおそれがあるからである。
同図に示すように、本変形例では、透明導電膜23と対向電極20との間に、Yb層24が形成されている。この構成によっても、対向電極20とYb層24の組からなるシート抵抗が低下するので、電圧降下が軽減され、有機ELパネル10が大型化しても、その画面中央部における電圧降下を抑制し、より良好な画質を得ることができる。
なお、この変形例におけるYb層24の膜厚も、上記(3−1)と同様な理由から、0.1nm以上、3nm以下の範囲であることが望ましい。
この変形例におけるYb層24の膜厚は、0.1nm以上、5nm以下の範囲であることが望ましい。0.1nm未満であると、耐水性及びシート抵抗の低下の効果が、さほど期待できず、5nmを超えると光透過性に影響を与え、却って有機EL素子2の発光効率を低下させてしまうおそれがあるからである。
上記実施の形態では、隔壁14と画素規制層141を別の工程で形成するようにしたが、ハーフトーンマスクを用いて、隔壁14と画素規制層141を同時に形成するようにしてもよい。
まず、画素電極13、正孔注入層15が形成された層間絶縁層12上に、ダイコート法などのウエットプロセスにより、樹脂材料を塗布して隔壁材料層140(図5(c)参照)を形成する。
次に、フォトマスク(不図示)を介して隔壁材料層140を露光する。
例えば、隔壁材料層140がポジ型の感光性を有する場合は、隔壁材料層140を残す箇所を遮光し、除去する部分を露光する。
そのため、露光工程で使用されるフォトマスクとして、隔壁14に対応する位置に配され光を完全に遮断する遮光部と、画素規制層141に対応する位置に配された半透明部と、それ以外の画素電極13の露出部分に対応する位置に配された透光部とを有するハーフトーンマスクを使用する。
次に、現像を行い、隔壁材料層140の露光領域を除去することにより、隔壁14と、これよりも膜厚の小さな画素規制層141を形成することができる。具体的な現像方法としては、例えば、基板11全体を、隔壁材料層140の露光により感光した部分を溶解させる有機溶媒やアルカリ液などの現像液に浸した後、純水などのリンス液で基板11を洗浄すればよい。その後、所定の温度で焼成する。
(5)有機EL素子の積層構造の変形例
上記実施の形態では、有機EL素子の積層構成として、第1機能層18や第2機能層19、正孔注入層15や正孔輸送層16を有する構成であるとしたが、これに限られない。例えば、正孔輸送層16を有しない有機EL素子であってもよい。また、例えば、正孔注入層15と正孔輸送層16とに替えて、単一層の正孔注入輸送層を有していてもよい。
また、上記実施の形態に係る有機ELパネル10では、画素電極13を長方形平板状の部材としたが、これに限られない。
さらに、上記実施の形態においてはラインバンク方式の有機ELパネルについて説明したが、一つの副画素ごとにその四方を隔壁で囲むようにした、いわゆるピクセルバンク方式の有機ELパネルであっても構わない。
(9)上記実施の形態で示した有機ELパネルは、図19に示すようにテレビ装置400の表示部401や、その他パーソナルコンピュータ、携帯端末、業務用ディスプレイなど様々な電子機器の表示パネルとして用いることができる。
≪補足≫
以上、本開示に係る有機EL素子およびその製造方法並びに有機ELパネル、有機EL表示装置、電子機器について、実施の形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態および変形例に限定されるものではない。上記実施の形態および変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態および変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
2 有機EL素子
10 有機ELパネル
11 基板
12 層間絶縁層
13 画素電極
14 隔壁
15 正孔注入層
16 正孔輸送層
17 有機発光層
18 第1機能層
19 第2機能層19
20 対向電極
21 封止層
23 透明導電膜
24 Yb層
100B、100G、100R 副画素
111 基材
112 TFT層
125R、125G 掘り込み部
140 隔壁材料層
141 画素規制層
191 第1層部分
192 第2層部分
193 第3層部分
Claims (18)
- 陽極と、
前記陽極の上方に配された有機発光層と、
前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、
前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、
前記第2機能層の上方に配された陰極と、
を備え、
前記第2機能層は、前記第1機能層上に配された第1層部分と、前記第1層部分上に配された第2層部分とを含み、
前記第2層部分におけるYbの含有の割合が、前記第1層部分におけるYbの含有の割合よりも大きい
ことを特徴とする有機EL素子。 - 陽極と、
前記陽極の上方に配された有機発光層と、
前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、
前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、
前記第2機能層の上方に配された陰極と、
を備え、
前記第2機能層は、第1機能層に近い側から第1層部分、第2層部分および第3層部分を順に積層してなり、前記第1層部分、第2層部分、第3層部分におけるYbの含有の割合をそれぞれ、X1、X2、X3とすると、X2<X1≦X3である
ことを特徴とする有機EL素子。 - 陽極と、
前記陽極の上方に配された有機発光層と、
前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、
前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、
前記第2機能層の上方に配された陰極と、
を備え、
前記第2機能層におけるYbの含有量が、第1機能層から陰極に近付くに連れて連続的に多くなる
ことを特徴とする有機EL素子。 - 陽極と、
前記陽極の上方に配された有機発光層と、
前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、
前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、
前記第2機能層の上方に配された陰極と、
を備え、
前記第2機能層と前記陰極との間に、第3機能層として、膜厚が15nm以上の透明導電膜が形成されている
ことを特徴とする有機EL素子。 - 前記第2機能層と前記第3機能層との間に、Ybからなる膜厚0.1nm以上、3nm以下の薄膜が形成されている
ことを特徴とする請求項4に記載の有機EL素子。 - 前記第3機能層と前記陰極との間に、Ybからなる膜厚0.1nm以上、3nm以下の薄膜が形成されている
ことを特徴とする請求項4または5に記載の有機EL素子。 - 陽極と、
前記陽極の上方に配された有機発光層と、
前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、
前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、
前記第2機能層の上方に配された陰極と、
を備え、
前記陰極の前記有機発光層とは反対側に、Ybからなる膜厚0.1nm以上、5nm以下の薄膜が形成されている
ことを特徴とする有機EL素子。 - 陽極と、
前記陽極の上方に配された有機発光層と、
前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、
前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、
前記第2機能層の上方に配された陰極と、
を備え、
前記陽極は、光反射性を有すると共に、前記陰極は、半透過性を有する
ことを特徴とする有機EL素子。 - 前記有機発光層で発光された光は、直接前記陰極から射出される第1光束と、前記陽極と前記陰極のそれぞれの有機発光層側の面で反射した後、前記陰極から射出される第2光束とを含み、前記第1光束と前記第2光束が共振するように、前記有機発光層から前記陰極に至るまでに介在する少なくとも一つの機能層の膜厚が、当該発光する発光色の波長に応じて設定されている
請求項8に記載の有機EL素子。 - 前記第1機能層の膜厚は、0.1nm以上、20nm以下である
ことを特徴とする請求項1から9までのいずれか1項に記載の有機EL素子 - 前記第2機能層の膜厚は、5nm以上、150nm以下である
ことを特徴とする請求項1から10までのいずれか1項に記載の有機EL素子。 - 陽極と、前記陽極の上方に配された有機発光層と、前記有機発光層上に配され、NaFからなる第1機能層と、前記第1機能層上に配され、Ybを含む有機材料からなる第2機能層と、前記第2機能層の上方に配された陰極と、を備える有機EL素子を、基板上方に、複数、行列状に配列し、少なくとも行方向に隣接する有機EL素子における有機発光層は、列方向に延在する隔壁によって仕切られている
ことを特徴とする有機ELパネル。 - トップエミッション型である
請求項12に記載の有機ELパネル。 - 請求項12または13に記載の有機ELパネルと、
前記有機ELパネルを駆動して画像を表示させる駆動部と
を備える有機EL表示装置。 - 画像表示部として請求項14に記載の有機EL表示装置を備えた
電子機器。 - 陽極を形成する第1工程と、
前記陽極の上方に有機発光層を形成する第2工程と、
前記有機発光層上に、NaFからなる第1機能層を形成する第3工程と、
前記第1機能層上に、Ybを含む有機材料からなる第2機能層を形成する第4工程と、
前記第2機能層の上方に、陰極を形成する第5工程と、
を含み、
前記第4工程は、第1機能層上に有機材料の層を形成した後、当該有機材料の層にYbをドープして第2機能層を形成する
ことを特徴とする有機EL素子の製造方法。 - 前記第1工程と第2工程の間に、正孔注入層または正孔輸送層を形成する正孔移動容易化層形成工程をさらに含み、前記正孔移動容易化層および前記第2工程、第3工程、第4工程のうち、少なくとも一つの工程は、ウエットプロセスにより実行される
ことを特徴とする請求項16に記載の有機EL素子の製造方法。 - 基板を用意する工程と、
前記基板上方に、行列状に複数の画素電極を形成する工程と、
前記基板上方に、前記複数の画素電極を行方向において区画するように、列方向に沿って隔壁を複数形成する工程と、
行方向に隣接する前記隔壁間の複数の間隙に、有機発光層を形成する工程と、
前記有機発光層上に、NaFからなる第1機能層を形成する工程と、
前記第1機能層上に、Ybを含む有機材料からなる第2機能層を形成する工程と、
前記第2機能層の上方に、対向電極を形成する工程と、
を含む、
ことを特徴とする有機ELパネルの製造方法。
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