JP7224796B2 - 白色有機発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、白色有機発光素子に関する。
近年、無機化合物を用いた電子機能素子に対して、塗布成膜や低温プロセスが可能な有機化合物を利用した有機電子素子が検討されている。特に、有機発光素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子あるいは有機ＥＬ素子とも呼ばれ開発が急速に進められている。
表示用装置にけるフルカラー化は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の基本色を得る必要がある。ＲＧＢの基本色を得る方法として、赤色、緑色、青色に発光する各々の発光層を副画素毎に塗り分ける方法、または白色発光素子を用い、ＲＧＢカラーフィルタで色分離する方法等が考えられる。近年、フルカラー表示装置の多画素微細化が進んでおり、ＲＧＢ各有機発光層の３色を塗り分ける方法では高精細マスクの微細化や高精度の位置合わせが難しく歩留まり低下が問題になっている。これに対して、白色発光素子とＲＧＢカラーフィルタを用いる方法は、高精細マスクによる塗り分けが必要無いため歩留まりの改善に効果がある。一方、白色発光素子の高効率化として発光層から発光される発光色毎に適した発光位置で発光させることが提案されている（特許文献１）。
表示用装置にけるフルカラー化は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の基本色を得る必要がある。ＲＧＢの基本色を得る方法として、赤色、緑色、青色に発光する各々の発光層を副画素毎に塗り分ける方法、または白色発光素子を用い、ＲＧＢカラーフィルタで色分離する方法等が考えられる。近年、フルカラー表示装置の多画素微細化が進んでおり、ＲＧＢ各有機発光層の３色を塗り分ける方法では高精細マスクの微細化や高精度の位置合わせが難しく歩留まり低下が問題になっている。これに対して、白色発光素子とＲＧＢカラーフィルタを用いる方法は、高精細マスクによる塗り分けが必要無いため歩留まりの改善に効果がある。一方、白色発光素子の高効率化として発光層から発光される発光色毎に適した発光位置で発光させることが提案されている（特許文献１）。
特許文献１に開示されている白色発光素子を高効率化させる素子形態では、ディスプレイとしての消費電力改善に効果はある。しかし、Ｒ，Ｇ，Ｂの各発光層の膜厚制御や発光分子のドーパント濃度の制御性、広色域を再現するための干渉設計、各発光層での電荷再結合確率の最適化など素子作製が困難となり歩留りの低下を引き起こす。さらに有機材料特有の幅広いスペクトルが放射されるため色純度を高めることが難しく、ディスプレイとしての所望の色再現範囲の確保と視野角依存性の抑制とを両立することが困難であった。
本発明の白色有機発光素子は、
反射電極と、有機層と、光取り出し電極と、をこの順で有する白色有機発光素子であって、
前記有機層は、青色発光する発光分子を含む青色発光層と、赤色発光する発光分子および緑色発光する発光分子を含む長波長発光層を有し、
前記長波長発光層は、前記青色発光層と前記反射電極との間に配置され、
前記青色発光層は、下記式（１）を満たす位置に配置され、
前記反射電極と前記光取り出し電極で形成される共振器構造を有し、青色波長領域に共振極大ピーク波長を有することを特徴とする。
ｚ＝φ×λ1／４π ・・・（１）
ｚ：前記青色発光層の前記反射電極側の界面と前記反射電極との間の光学距離
φ：前記青色発光層の発光波長領域における前記反射電極の反射位相
λ1：前記青色発光層の発光ピーク波長以上の可視光領域の波長
反射電極と、有機層と、光取り出し電極と、をこの順で有する白色有機発光素子であって、
前記有機層は、青色発光する発光分子を含む青色発光層と、赤色発光する発光分子および緑色発光する発光分子を含む長波長発光層を有し、
前記長波長発光層は、前記青色発光層と前記反射電極との間に配置され、
前記青色発光層は、下記式（１）を満たす位置に配置され、
前記反射電極と前記光取り出し電極で形成される共振器構造を有し、青色波長領域に共振極大ピーク波長を有することを特徴とする。
ｚ＝φ×λ1／４π ・・・（１）
ｚ：前記青色発光層の前記反射電極側の界面と前記反射電極との間の光学距離
φ：前記青色発光層の発光波長領域における前記反射電極の反射位相
λ1：前記青色発光層の発光ピーク波長以上の可視光領域の波長
本発明の白色有機発光素子は、色再現範囲が広く、視野角依存性にも優れる。また、素子作製の簡略化による歩留り向上を図ることもできる。
以下、図面を参照し、本発明の形態を説明する。図面の各部寸法は実際のものと異なる。また、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。
≪白色有機発光素子≫
本発明の白色有機発光素子について詳細に説明する。図１は、本発明の白色有機発光素子１００の一例を示す断面模式図である。図１に示す白色有機発光素子１００は、基板１０上に、反射電極１３と、有機層１５と、光取り出し電極１６と、をこの順で有し、白色光を発光する素子である。有機層１５は、青色発光する発光分子を含む青色発光層１５ｃと、赤色発光する発光分子および緑色発光する発光分子を含む長波長発光層１５ｂを有する。長波長発光層１５ｂは、青色発光層１５ｃと反射電極１３との間に配置されている。光取り出し電極１６上には透明封止層１７が設けられ、有機発光素子を外部の水分および酸素から保護している。
本発明の白色有機発光素子について詳細に説明する。図１は、本発明の白色有機発光素子１００の一例を示す断面模式図である。図１に示す白色有機発光素子１００は、基板１０上に、反射電極１３と、有機層１５と、光取り出し電極１６と、をこの順で有し、白色光を発光する素子である。有機層１５は、青色発光する発光分子を含む青色発光層１５ｃと、赤色発光する発光分子および緑色発光する発光分子を含む長波長発光層１５ｂを有する。長波長発光層１５ｂは、青色発光層１５ｃと反射電極１３との間に配置されている。光取り出し電極１６上には透明封止層１７が設けられ、有機発光素子を外部の水分および酸素から保護している。
＜反射電極１３＞
反射電極１３は、反射率が８０％以上の金属材料が好ましく、具体的には、例えばＡｌやＡｇなどの金属にＳｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｔｉなどを添加した合金を使用できる。反射率は、発光層から発する発光波長における反射率を指す。また、反射電極１３は、光取出し側の表面にバリア層を有してもよい。バリア層の材料としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕの金属やその合金が好ましく、バリア層の厚さとしては、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
反射電極１３は、反射率が８０％以上の金属材料が好ましく、具体的には、例えばＡｌやＡｇなどの金属にＳｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｔｉなどを添加した合金を使用できる。反射率は、発光層から発する発光波長における反射率を指す。また、反射電極１３は、光取出し側の表面にバリア層を有してもよい。バリア層の材料としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕの金属やその合金が好ましく、バリア層の厚さとしては、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
＜有機層１５＞
有機層１５は、図１に示すように多層構成で構成されても良い。例えば、反射電極１３がアノードの場合は、図１（ａ）で示す素子では、正孔輸送層１５ａ、長波長発光層１５ｂ、青色発光層１５ｃからなる白色発光層、電子輸送層１５ｄとすることができる。適宜、有機層１５中に正孔注入層、電子ブロック層、正孔ブロック層、電子注入層等を設けることができる。電子注入層としては、ＬｉＦ、ＣｓＦ、Ｃｓ2ＣＯ3、Ｌｉ2Ｏなどの無機物やリチウムキノリノール（Ｌｉｑ）といったリチウム錯体などの公知の材料を用いることができる。
有機層１５は、図１に示すように多層構成で構成されても良い。例えば、反射電極１３がアノードの場合は、図１（ａ）で示す素子では、正孔輸送層１５ａ、長波長発光層１５ｂ、青色発光層１５ｃからなる白色発光層、電子輸送層１５ｄとすることができる。適宜、有機層１５中に正孔注入層、電子ブロック層、正孔ブロック層、電子注入層等を設けることができる。電子注入層としては、ＬｉＦ、ＣｓＦ、Ｃｓ2ＣＯ3、Ｌｉ2Ｏなどの無機物やリチウムキノリノール（Ｌｉｑ）といったリチウム錯体などの公知の材料を用いることができる。
電子輸送層１５ｄは、公知の電子輸送性材料を用いることができる。フェナントロリン誘導体、キノリノール錯体などを用いることができる。電子輸送層１５ｄと青色発光層１５ｃの間には適宜正孔ブロッキング層として、多環式芳香族炭化水素や複素環芳香族などのワイドギャップ材料を用いることが好ましい。
正孔輸送層１５ａは、公知の正孔輸送性材料を用いることができる。トリアリールアミン誘導体、カルバゾール誘導体、チオフェン誘導体、などを用いることができる。正孔輸送層１５ａと長波長発光層１５ｂの間には適宜電子ブロッキング材料を挿入することができる。電子ブロッキング材料としてはＬＵＭＯが発光層よりも浅い（絶対値が小さい）ものが好ましく、特にカルバゾール誘導体、トリアリールアミン誘導体が好ましい。さらに反射電極１３と正孔輸送層１５ａの間には正孔注入層として、酸化モリブデンやＦ４－ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）などの電子吸引性の強い材料を用いることができる。
正孔輸送層１５ａ、電子輸送層１５ｄは、後述する干渉条件を満足させるための所望の光学膜厚となればよい。物理膜厚として、好ましくは正孔輸送層１５ａは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、電子輸送層１５ｄは１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるが、これらの値は、積層する層の数、各層の光学特性によって変動しうる。
発光層は、長波長発光層１５ｂと青色発光層１５ｃを有する。図１（ｂ）に示すように、長波長発光層１５ｂと青色発光層１５ｃの間には適宜発光層の発光バランスを調整するスペーサー１５ｅを導入しても良い。長波長発光層１５ｂは、少なくとも緑色発光分子と赤色発光分子が含まれる。長波長発光層１５ｂと青色発光層１５ｃはホスト材料に各色の発光分子を所定のドーパント濃度で適宜共蒸着することにより形成することができる。青色発光層１５ｃにおいては、ホスト材料に対して青ドーパント濃度が好ましくは０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下含まれている。長波長発光層１５ｂにおいては、ホスト材料に対して緑発光分子が好ましくは０．５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、赤発光分子が好ましくは０．５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下含まれており、３元蒸着により形成することができる。長波長発光層１５ｂと青色発光層１５ｃの膜厚は、発光領域の制御および発光バランスの観点から１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましいが、特に限定はされない。
青発光分子は、公知の青発光分子を用いることができる。青発光分子は４４０ｎｍから４８０ｎｍ付近に発光ピークを有することが好ましい。緑発光分子は、公知の緑発光分子を用いることができる。緑発光分子は５１５ｎｍから５５０ｎｍ付近に発光ピークを有することが好ましい。赤発光分子は、公知の赤発光分子を用いることができる。赤発光分子は６００ｎｍから６４０ｎｍ付近に発光ピークを有することが好ましい。各発光分子は蛍光発光材料でも良いし、りん光発光材料、遅延蛍光材料でも良い。長波長発光層１５ｂと青色発光層１５ｃのホスト材料は、公知の材料を適宜用いることが可能である。ホスト材料としては、アントラセン誘導体、ピレン誘導体、カルバゾール誘導体、アミン系誘導体などの多環式化合物や複素環化合物を用いることができる。また、ホスト材料は発光分子に適した発光材料を適宜用いることができ、青発光分子を発光させるのに適したホスト材料であれば、長波長発光層１５ｂのホスト材料としても使えるので好ましい。
発光分子は、フルオランテン骨格、アントラセン骨格、ピレン骨格、フルオレン骨格、を有してよい。中でもフルオランテン骨格を有し、さらに環を形成した構造を有することが好ましい。
＜光取り出し電極１６＞
光取り出し電極１６は、光取り出し側の電極である。光取り出し電極１６は、例えば、Ａｌ，ＡｇもしくはＡｇ合金からなる金属薄膜で構成されている。金属薄膜を用いる場合は、マグネシウム（Ｍｇ）やカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属を含有するＡｇ合金薄膜を用いることができる。Ａｇ単体でも良い。光取り出し電極１６の膜厚としては、後述するように共振ピークを強める観点から、有機層１５側からの入射光に対して可視光領域において８％以上の反射率を有するような膜厚が好ましく、透過率の観点から膜厚は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下が特に好ましい。
光取り出し電極１６は、光取り出し側の電極である。光取り出し電極１６は、例えば、Ａｌ，ＡｇもしくはＡｇ合金からなる金属薄膜で構成されている。金属薄膜を用いる場合は、マグネシウム（Ｍｇ）やカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属を含有するＡｇ合金薄膜を用いることができる。Ａｇ単体でも良い。光取り出し電極１６の膜厚としては、後述するように共振ピークを強める観点から、有機層１５側からの入射光に対して可視光領域において８％以上の反射率を有するような膜厚が好ましく、透過率の観点から膜厚は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下が特に好ましい。
＜透明封止層１７＞
光取り出し電極１６上には、外部の酸素や水分から有機層１５への浸透を防ぐための透明封止層１７を設ける。また透明封止層１７は窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などの外部からの酸素や水分の透過性が極めて低い材料から構成され、発光素子を保護するだけでなく、カラーフィルタを設ける工程から保護する役目もある。
光取り出し電極１６上には、外部の酸素や水分から有機層１５への浸透を防ぐための透明封止層１７を設ける。また透明封止層１７は窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などの外部からの酸素や水分の透過性が極めて低い材料から構成され、発光素子を保護するだけでなく、カラーフィルタを設ける工程から保護する役目もある。
＜干渉設計＞
本発明の有機発光素子は、反射電極１３と光取り出し電極１６との間で形成される共振器構造を有し、青色波長領域に共振極大ピーク波長を有する。発光層から発光した青、緑、赤色から構成される白色光は、発光層と反射電極１３との間において、および、反射電極１３と光取り出し電極１６との間において光学干渉を起こす。このとき反射電極１３から光取り出し電極１６間の光学距離が、可視光領域における青色波長領域（好ましくは４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下、より好ましくは４４０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）付近に共振ピークの極大をとるように設定されるのが良い。具体的には共振の極大ピークの波長を決める式を下記式（２）のように設定することが好ましい。
Ｌ＝（Σφ＋２ｍπ）×λ2／４π ・・・（２）
Ｌ：波長λ2における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の光学距離
Σφ：波長λ2における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の反射位相の和
ｍ：０もしくは１の整数
λ2：青色波長領域内（好ましくは４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下、より好ましくは４４０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）の波長
本発明の有機発光素子は、反射電極１３と光取り出し電極１６との間で形成される共振器構造を有し、青色波長領域に共振極大ピーク波長を有する。発光層から発光した青、緑、赤色から構成される白色光は、発光層と反射電極１３との間において、および、反射電極１３と光取り出し電極１６との間において光学干渉を起こす。このとき反射電極１３から光取り出し電極１６間の光学距離が、可視光領域における青色波長領域（好ましくは４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下、より好ましくは４４０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）付近に共振ピークの極大をとるように設定されるのが良い。具体的には共振の極大ピークの波長を決める式を下記式（２）のように設定することが好ましい。
Ｌ＝（Σφ＋２ｍπ）×λ2／４π ・・・（２）
Ｌ：波長λ2における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の光学距離
Σφ：波長λ2における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の反射位相の和
ｍ：０もしくは１の整数
λ2：青色波長領域内（好ましくは４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下、より好ましくは４４０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）の波長
このような干渉条件にすることによって、有機層１５内の発光層から発光する光は青色発光分子から発光する発光波長が強められ、緑色発光分子、赤色発光分子から発光する発光波長の共振効果を、青発光波長領域の共振効果よりも相対的に弱めることができる。これにより視感度の高い緑および赤色の発光強度が相対的に青強度よりも弱くなるため、青色のカラーフィルタからの緑および赤色の漏れ光を抑制することができる。これにより高色純度の青色色度の実現および広色域化が可能となる。Ｌを物理膜厚として換算すると、屈折率の兼ね合いから、有機層１５の物理膜厚は、ｍ＝０の場合は７０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、ｍ＝１の場合は１５０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明の有機発光素子は、青色発光層１５ｃは下記式（１）を満たすような位置に配置される。
ｚ＝φ×λ1／４π ・・・（１）
ｚ：青色発光層１５ｃの反射電極側の界面と反射電極１３との間の光学距離
φ：青色発光層１５ｃの発光波長領域における反射電極１３の反射位相
λ1：可視光領域（好ましくは４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下）の波長
ｚ＝φ×λ1／４π ・・・（１）
ｚ：青色発光層１５ｃの反射電極側の界面と反射電極１３との間の光学距離
φ：青色発光層１５ｃの発光波長領域における反射電極１３の反射位相
λ1：可視光領域（好ましくは４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下）の波長
さらに、長波長発光層１５ｂは、青色発光層１５ｃと反射電極１３との間に配置される。好ましくは、長波長発光層１５ｂは、下記式（３）を満たすような位置に配置される。
ｚ’＝φ’×λ3／４π ・・・（３）
ｚ’：長波長発光層１５ｂの光取り出し電極側の界面と反射電極１３との間の光学距離
φ’：長波長発光層１５ｂの緑色発光する分子の発光波長領域における反射電極１３の反射位相
λ3：緑色波長領域以下（好ましくは５６０ｎｍ以下）の波長
これにより、λ1が青色発光層１５ｃの発光ピーク波長以上であり、λ3が長波長発光層１５ｂの緑色発光する発光分子の発光ピーク波長未満であると、長波長発光層１５ｂから放射される緑、赤発光波長の反射電極１３による反射光との干渉条件をさらに弱めることができる。これは長波長発光層１５ｂが青色発光層１５ｃよりも反射電極１３に光学的に近い距離に配置されることにより、長波長発光層１５ｂから発光される緑色もしくは赤色波長において反射電極１３との反射による共振効果が弱められるためである。この結果、効果的に緑色および赤色発光波長領域の発光強度を青発光波長の発光強度よりも相対的に低下させることが可能となる。これにより、有機発光素子から放射される発光スペクトルがＲＧＢカラーフィルタを透過した場合に得られる、各色の色純度を向上させ広色域を実現することが可能となる。また、緑・赤色の反射条件を適度に強めて発光効率を向上させるためには、λ1が青色発光層１５ｃの発光ピーク波長を超えた波長であることが好ましい。さらにこのような干渉設計とすることにより、効果的に視野角依存性も改善が可能となる。
ｚ’＝φ’×λ3／４π ・・・（３）
ｚ’：長波長発光層１５ｂの光取り出し電極側の界面と反射電極１３との間の光学距離
φ’：長波長発光層１５ｂの緑色発光する分子の発光波長領域における反射電極１３の反射位相
λ3：緑色波長領域以下（好ましくは５６０ｎｍ以下）の波長
これにより、λ1が青色発光層１５ｃの発光ピーク波長以上であり、λ3が長波長発光層１５ｂの緑色発光する発光分子の発光ピーク波長未満であると、長波長発光層１５ｂから放射される緑、赤発光波長の反射電極１３による反射光との干渉条件をさらに弱めることができる。これは長波長発光層１５ｂが青色発光層１５ｃよりも反射電極１３に光学的に近い距離に配置されることにより、長波長発光層１５ｂから発光される緑色もしくは赤色波長において反射電極１３との反射による共振効果が弱められるためである。この結果、効果的に緑色および赤色発光波長領域の発光強度を青発光波長の発光強度よりも相対的に低下させることが可能となる。これにより、有機発光素子から放射される発光スペクトルがＲＧＢカラーフィルタを透過した場合に得られる、各色の色純度を向上させ広色域を実現することが可能となる。また、緑・赤色の反射条件を適度に強めて発光効率を向上させるためには、λ1が青色発光層１５ｃの発光ピーク波長を超えた波長であることが好ましい。さらにこのような干渉設計とすることにより、効果的に視野角依存性も改善が可能となる。
次に、本発明の視野角依存性の抑制効果について説明する。有機発光素子の共振構造の共振効果の強度を示す式として、下記式（４）がある。
Ｇ∝ｃｏｓ（φ＋４π×ｚ×ｃｏｓθ／λ4）／（Ａ－ｃｏｓ（Σφ－４π×Ｌ×ｃｏｓθ／λ4）） ・・・（４）
Ｇ：共振効果の強度
Ａ：係数
θ：反射電極面の法線方向に対する放射角
φ：波長λ4における反射電極１３の反射位相
ｚ：波長λ4における青色発光層１５ｃの反射電極１３側の界面と反射電極１３との間の光学距離
Σφ：波長λ4における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の反射位相の和
Ｌ：波長λ4における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の光学距離
Ｇ∝ｃｏｓ（φ＋４π×ｚ×ｃｏｓθ／λ4）／（Ａ－ｃｏｓ（Σφ－４π×Ｌ×ｃｏｓθ／λ4）） ・・・（４）
Ｇ：共振効果の強度
Ａ：係数
θ：反射電極面の法線方向に対する放射角
φ：波長λ4における反射電極１３の反射位相
ｚ：波長λ4における青色発光層１５ｃの反射電極１３側の界面と反射電極１３との間の光学距離
Σφ：波長λ4における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の反射位相の和
Ｌ：波長λ4における反射電極１３と光取り出し電極１６との間の光学距離
この式の意味としては、式（４）右辺の分子は発光層から反射電極１３までの反射の干渉条件を示し、分母は有機層１５全層で決定される干渉条件を示している。例えば、ある波長λ4でＧを強めたい場合は、式（４）右辺における分子を最大化し、分母を最小化すれば良いことになる。
一般的に視野角特性が悪化する原因としては、反射電極面の法線方向に対して斜め方向θに放射される光は、垂直に放射される光よりも干渉の光学距離が短くなることに起因している。光学距離が短くなるということは、斜め方向の光に対しては正面方向の入射光で設計した共振ピークの波長が短波長側にシフトすることになる（式（４）中のｚ×ｃｏｓθ、Ｌ×ｃｏｓθが小さくなることで、干渉条件の波長λ4がそれに合わせて短くなる）。一方、θが大きくなるにつれて赤波長で干渉が強まってくる。これは低い干渉次数における赤波長領域において共振する条件となるためである。例えば、λ2＝８００ｎｍ付近においては、式（２）のｍ＝０において、Ｌ＝３１５ｎｍ程度となり、式（２）のｍ＝１におけるλ2＝４４０ｎｍのＬ＝３６５ｎｍと光学距離が同等の値になっている。
図２に示すシミュレーション結果により具体的に説明する。図２は、共振効果強度の正面（垂直）と斜め方向における波長との関係を示す図である。図２（ａ）は、青色発光層１５ｃが長波長発光層１５ｂと反射電極１３との間に配置された素子のシミュレーション結果であり、図２（ｂ）は本発明の素子のシミュレーション結果である。
図２（ａ）では、３０°斜め入射により光学距離Ｌが短くなると、低次数の干渉条件における赤色の干渉条件にマッチングしやすくなり、緑から赤領域付近の干渉強度の変化（図２（ａ）中の「ａ」）が大きくなる。このため正面方向のＥＬスペクトルに対して斜め方向で緑から赤領域で放射されるスペクトル変化が大きくなるため、青、緑、赤の発光強度バランスが崩れ視野角特性が悪化する。
これに対し、本発明では、青色発光層１５ｃの配置に関する式（１）を満たし、長波長発光層１５ｂを青色発光層１５ｃと反射電極１３の間に配置されている。これにより、正面方向において長波長発光層１５ｂから放射される緑色および赤色光は反射電極１３の反射が強め合う条件を外すことができる（式（４）の分子を小さくすることができる）。この場合、斜め方向に対してはさらに反射の干渉条件が外れることになる（式（４）の分子がさらに小さくなる）。このため図２（ｂ）に示すように長波長領域での干渉強度変化「ｂ」が図２（ａ）中の「ａ」と比較して小さくなり、斜め放射に対して共振効果の強度を緑から赤領域での変化を抑制する働きをする。斜め方向での緑、赤色発光強度変化の抑制を行うことができるため緑から赤領域の共振効果変化による色ズレを抑制することが可能となり、視野角特性の改善が期待できる。
また、本発明では、緑色および赤色分子が共に長波長発光層１５ｂ中で発光することにより、電荷注入バランスの変化や電荷再結合のバランスの変化が起きたとしても、緑色および赤色の発光位置の変化は個別に起きるものではなくなる。そのため、上記干渉設計がより容易になる他、上記変化に対しての発光バランスの変化も抑制されうるため、歩留りの向上にもつながる。
上述したような干渉設計は、作製した素子に略垂直に入射光を照射し、反射光のスペクトルの吸収ピークを観察することで適切な干渉位置になっているか把握することができる。入射側の表面反射、媒質などに注意すれば共振の極大位置を知ることができる。また断面ＳＥＭなどによる画像から有機膜厚を調べることでも物理的膜厚が測定できる。
≪有機発光素子を用いた装置≫
本実施形態に係る有機発光素子はスイッチング素子の一例であるＴＦＴにより発光輝度が制御され、有機発光素子を複数面内に設けることでそれぞれの発光輝度により画像を表示することができる。尚、本実施形態に係るスイッチング素子は、ＴＦＴに限られず、トランジスタやＭＩＭ素子、Ｓｉ基板等の基板上に形成されたアクティブマトリクスドライバーであってもよい。基板上とは、その基板内ということもできる。これは精細度によって選択され、例えば１インチでＱＶＧＡ程度の精細度の場合はＳｉ基板上に有機発光素子を設けることが好ましい。本実施形態に係る有機発光素子を用いた表示装置を駆動することにより、良好な画質で、長時間表示にも安定な表示が可能になる。
本実施形態に係る有機発光素子はスイッチング素子の一例であるＴＦＴにより発光輝度が制御され、有機発光素子を複数面内に設けることでそれぞれの発光輝度により画像を表示することができる。尚、本実施形態に係るスイッチング素子は、ＴＦＴに限られず、トランジスタやＭＩＭ素子、Ｓｉ基板等の基板上に形成されたアクティブマトリクスドライバーであってもよい。基板上とは、その基板内ということもできる。これは精細度によって選択され、例えば１インチでＱＶＧＡ程度の精細度の場合はＳｉ基板上に有機発光素子を設けることが好ましい。本実施形態に係る有機発光素子を用いた表示装置を駆動することにより、良好な画質で、長時間表示にも安定な表示が可能になる。
＜表示装置＞
図３は、本実施形態に係る有機発光素子を用いたフルカラートップエミッション方式の表示装置の一例を示す断面模式図である。この表示装置は、基板１０上にマトリックス状に配置された多数の有機発光素子１００（１００Ｒ，１００Ｇ、１００Ｂ）を具備する。多数の有機発光素子１００はバンク１４で分離されている。本実施形態ではトップエミッション方式であるため基板１０は透明でも不透明でも良い。画素電極である反射電極１３（１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ）および光取り出し電極１６には給電して発光させるための配線が配置されている（不図示）。有機発光素子１００には、各色画素に対応して赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を選択的に透過するカラーフィルタ１８（１８Ｒ，１８Ｇ、１８Ｂ）が配置され、それぞれ赤発光素子（１００Ｒ）、緑発光素子（１００Ｇ）青発光素子（１００Ｂ）となる。カラーフィルタ１８は、当該赤色、緑色、青色がデルタ配列で配置されてよい。カラーフィルタ１８上には最表面を保護するためにガラスやプラスチック等の透明な保護基板２０が配置されても良い。
図３は、本実施形態に係る有機発光素子を用いたフルカラートップエミッション方式の表示装置の一例を示す断面模式図である。この表示装置は、基板１０上にマトリックス状に配置された多数の有機発光素子１００（１００Ｒ，１００Ｇ、１００Ｂ）を具備する。多数の有機発光素子１００はバンク１４で分離されている。本実施形態ではトップエミッション方式であるため基板１０は透明でも不透明でも良い。画素電極である反射電極１３（１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ）および光取り出し電極１６には給電して発光させるための配線が配置されている（不図示）。有機発光素子１００には、各色画素に対応して赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を選択的に透過するカラーフィルタ１８（１８Ｒ，１８Ｇ、１８Ｂ）が配置され、それぞれ赤発光素子（１００Ｒ）、緑発光素子（１００Ｇ）青発光素子（１００Ｂ）となる。カラーフィルタ１８は、当該赤色、緑色、青色がデルタ配列で配置されてよい。カラーフィルタ１８上には最表面を保護するためにガラスやプラスチック等の透明な保護基板２０が配置されても良い。
図４は、本実施形態に係る表示装置の一例を表す模式図である。表示装置１０００は、上部カバー１００１と下部カバー１００９との間に、タッチパネル１００３、表示パネル１００５、フレーム１００６、回路基板１００７、バッテリー１００８を有してよい。タッチパネル１００３および表示パネル１００５は、フレキシブルプリント回路ＦＰＣ１００２、１００４が接続されている。表示パネル１００５には、本実施形態に係る有機発光素子が用いられてよい。回路基板１００７には、トランジスタがプリントされている。バッテリー１００８は、表示装置が携帯機器でなければ、設けなくてよいし、携帯機器であっても、この位置に設ける必要はない。
図５は、本実施形態に係る表示装置の一例を表す模式図である。図５（ａ）は、テレビモニタやＰＣモニタ等の表示装置である。表示装置１３００は、額縁１３０１を有し表示部１３０２を有する。表示部１３０２には、本実施形態に係る有機発光素子が用いられてよい。また、表示装置１３００は、額縁１３０１と表示部１３０２を支える土台１３０３を有している。土台１３０３は、図５（ａ）の形態に限られない。額縁１３０１の下辺が土台を兼ねてもよい。また、額縁１３０１および表示部１３０２は、曲がっていてもよい。その曲率半径は、５０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下であってよい。図５（ｂ）の表示装置１３１０は、折り曲げ可能に構成されており、いわゆるフォルダブルな表示装置である。表示装置１３１０は、第一表示部１３１１、第二表示部１３１２、筐体１３１３、屈曲点１３１４を有する。第一表示部１３１１と第二表示部１３１２とは、本実施形態に係る有機発光素子を有してよい。第一表示部１３１１と第二表示部１３１２とは、つなぎ目のない１枚の表示装置であってよい。第一表示部１３１１と第二表示部１３１２とは、屈曲点で分けることができる。第一表示部１３１１、第二表示部１３１２は、それぞれ異なる画像を表示してもよいし、第一および第二表示部とで一つの画像を表示してもよい。
＜撮像装置＞
本実施形態に係る表示装置は、複数のレンズを有する光学部と、当該光学部を通過した光を受光する撮像素子とを有する撮像装置の表示部に用いられてよい。撮像装置は、撮像素子が取得した情報を表示する表示部を有してよい。また、表示部は、撮像装置の外部に露出した表示部であっても、ファインダ内に配置された表示部であってもよい。撮像装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラであってよい。
本実施形態に係る表示装置は、複数のレンズを有する光学部と、当該光学部を通過した光を受光する撮像素子とを有する撮像装置の表示部に用いられてよい。撮像装置は、撮像素子が取得した情報を表示する表示部を有してよい。また、表示部は、撮像装置の外部に露出した表示部であっても、ファインダ内に配置された表示部であってもよい。撮像装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラであってよい。
図６は、本実施形態に係る撮像装置の一例を表す模式図である。撮像装置１１００は、ビューファインダ１１０１、背面ディスプレイ１１０２、筐体１１０３、操作部１１０４を有してよい。ビューファインダ１１０１は、本実施形態に係る表示装置を有してよい。その場合、表示装置は、撮像する画像のみならず、環境情報、撮像指示等を表示してよい。環境情報には、外光の強度、外光の向き、被写体の動く速度、被写体が遮蔽物に遮蔽される可能性等であってよい。撮像に好適なタイミングはわずかな時間なので、少しでも早く情報を表示した方がよい。したがって、本発明の有機発光素子を用いた表示装置を用いるのが好ましい。有機発光素子は応答速度が速いからである。有機発光素子を用いた表示装置は、表示速度が求められる装置において、液晶表示装置よりも好適に用いることができる。撮像装置１１００は、不図示の光学部を有する。光学部は複数のレンズを有し、筐体１１０３内に収容されている撮像素子に結像する。複数のレンズは、その相対位置を調整することで、焦点を調整することができる。この操作を自動で行うこともできる。
＜携帯機器＞
本実施形態に係る表示装置は、携帯端末等の携帯機器の表示部に用いられてもよい。その際には、表示機能と操作機能との双方を有してもよい。携帯端末としては、スマートフォン等の携帯電話、タブレット、ヘッドマウントディスプレイ等が挙げられる。
本実施形態に係る表示装置は、携帯端末等の携帯機器の表示部に用いられてもよい。その際には、表示機能と操作機能との双方を有してもよい。携帯端末としては、スマートフォン等の携帯電話、タブレット、ヘッドマウントディスプレイ等が挙げられる。
図７は、本実施形態に係る携帯機器の一例を表す模式図である。携帯機器１２００は、表示部１２０１と、操作部１２０２と、筐体１２０３を有する。筐体１２０３には、回路、当該回路を有するプリント基板、バッテリー、通信部、を有してよい。操作部１２０２は、ボタンであってもよいし、タッチパネル方式の反応部であってもよい。操作部は、指紋を認識してロックの解除等を行う、生体認識部であってもよい。通信部を有する携帯機器は通信機器ということもできる。
＜照明装置＞
図８は、本実施形態に係る照明装置の一例を表す模式図である。照明装置１４００は、筐体１４０１と、光源１４０２と、回路基板１４０３と、光学フィルタ１４０４と、光拡散部１４０５と、を有してよい。光源１４０２は、本実施形態に係る有機発光素子を有してよい。光学フィルタ１４０４は光源１４０２の演色性を向上させるフィルタであってよい。光拡散部１４０５は、ライトアップ等、光源１４０２の光を効果的に拡散し、広い範囲に光を届けることができる。必要に応じて、最外部にカバーを設けてもよい。
図８は、本実施形態に係る照明装置の一例を表す模式図である。照明装置１４００は、筐体１４０１と、光源１４０２と、回路基板１４０３と、光学フィルタ１４０４と、光拡散部１４０５と、を有してよい。光源１４０２は、本実施形態に係る有機発光素子を有してよい。光学フィルタ１４０４は光源１４０２の演色性を向上させるフィルタであってよい。光拡散部１４０５は、ライトアップ等、光源１４０２の光を効果的に拡散し、広い範囲に光を届けることができる。必要に応じて、最外部にカバーを設けてもよい。
照明装置は例えば室内を照明する装置である。照明装置は白色、昼白色、その他青から赤のいずれの色を発光するものであってよい。それらを調光する調光回路を有してよい。照明装置は本発明の有機発光素子とそれに接続される電源回路を有してよい。電源回路は、交流電圧を直流電圧に変換する回路である。また、白とは色温度が４２００Ｋで昼白色とは色温度が５０００Ｋである。照明装置はカラーフィルタを有してもよい。
＜実施例１＞
図１（ａ）に示す有機発光素子についてシミュレーションにより光学特性を評価した。
図１（ａ）に示す有機発光素子についてシミュレーションにより光学特性を評価した。
シミュレーションの条件について説明する。反射電極１３を６０ｎｍのアルミニウムとし、高反射率反射層とした。長波長発光層１５ｂ、青色発光層１５ｃの膜厚は、それぞれ１０ｎｍとした。正孔輸送層１５ａおよび電子輸送層１５ｄの膜厚は以下に示す膜厚とした。即ち、ＲＧＢカラーフィルタ透過後のスペクトルにおいてＣＩＥ１９３１における青色度ＣＩＥ＿ｙの値が０．０６になる条件を前提とし、各ＲＧＢ発光スペクトルから白色発光を得られるＲＧＢ強度比を見積もり、最も消費電力が少なくなるような膜厚とした。光取り出し電極１６は、ＭｇＡｇ合金とし、膜厚は１０ｎｍとした。透明封止層１７はＳｉＮ膜とした。シミュレーションは透明封止層１７に放射されるＥＬスペクトルを調査した。
シミュレーションは発光層中で各発光分子がそれぞれ同じ発光光子数で放射した場合を仮定した。それらの蛍光スペクトルと反射電極１３と光取り出し電極１６の間で形成される共振効果を見積もり、それらの掛け合わせによりＥＬスペクトルをシミュレートした。用いた発光分子の蛍光スペクトルを図９（ａ）に示す。さらに得られたＥＬスペクトルと、図１０に示すカラーフィルタ１８の各色毎の分光特性を掛け合わせることによって各色画素ごとのＥＬスペクトルが得られる。この時、青色度ＣＩＥ＿ｙが０．０６となる条件において、消費電力が最も小さくなる構成としている。有機層１５に関する条件の詳細を表１に示す。ｚ、Ｌ、λ1、λ2については、有機層材料の屈折率を２．０５、式（１）のφ＝０．７７π、式（２）のΣφ＝１．３７π、ｍ＝１として計算した。λ3については有機層材料の屈折率を１．９０、式（３）のφ’＝０．８２πとして計算した。
各色画素ごとのＥＬスペクトルから消費電力および色再現範囲を評価した。尚、消費電力に関しては、各色毎によって得られた赤、緑、青色の色度から、ある一定の輝度の白色（０．３１，０．３３）を出すときの輝度比を換算し、電圧一定として消費電力を見積もった。比較例１の消費電力を１とする相対消費電力を見積もった。
また、視野角依存性については、透明封止層１７中に基板法線方向に対して３０°で放射された場合をシミュレートした。正面方向の色再現範囲および斜め時の白色色ズレを評価し、色再現範囲の変化から視野角依存性について評価した。斜め時の白色色ズレに関しては、正面方向で白色を出すための各画素の強度比から各画素における投入電流量を設定し、その電流量比で斜め方向で各画素の放射強度から得られる白色光が正面方向の白色色度とのズレをΔｕ’ｖ’にて評価した。
また、長波長発光層１５ｂ、青色発光層１５ｃそれぞれでの発光位置は、光取り出し電極１６側を発光位置としたもの、中央部を発光位置としたもの、反射電極１３側を発光位置としたもので行い、各条件での各特性の平均値をとったものを表２に示す。
＜実施例２、比較例１，２，３＞
有機層１５の層構成、膜厚を表１に示す通り変更した以外は、実施例１と同様に評価した。尚、比較例３のｚ’、λ3は、緑色発光層を長波長発光層とみなして求めた。評価結果を表２に示す。
有機層１５の層構成、膜厚を表１に示す通り変更した以外は、実施例１と同様に評価した。尚、比較例３のｚ’、λ3は、緑色発光層を長波長発光層とみなして求めた。評価結果を表２に示す。
＜実施例３，４、比較例４，５，６＞
図９（ｂ）に示す蛍光スペクトルを有する発光分子を用い、有機層１５の層構成、膜厚を表１に示す通り変更し、消費電力を比較例６の消費電力を１とする相対消費電力で見積もった以外は、実施例１と同様に評価した。尚、比較例６のｚ’、λ3は、緑色発光層を長波長発光層とみなして求めた。評価結果を表３に示す。
図９（ｂ）に示す蛍光スペクトルを有する発光分子を用い、有機層１５の層構成、膜厚を表１に示す通り変更し、消費電力を比較例６の消費電力を１とする相対消費電力で見積もった以外は、実施例１と同様に評価した。尚、比較例６のｚ’、λ3は、緑色発光層を長波長発光層とみなして求めた。評価結果を表３に示す。
表２、表３の結果から比較例にくらべ本発明の実施例において正面方向におけるＮＴＳＣ値の拡大とΔｕ’ｖ’の抑制が確認され、本発明の白色有機発光素子の広色域化と視野角特性の改善効果が確認された。
さらに、反射電極１３をＡｌ薄膜にバリア層としてＴｉを積層したＡｌ（６０ｎｍ）／Ｔｉ（１０ｎｍ）としてシミュレーションした場合でも同様の効果が確認できた。
１０：基板、１３：反射電極、１４：バンク、１５：有機層、１５ｂ：長波長発光層、１５ｃ：青色発光層、１６：光取り出し電極、１７：透明封止層、１８：カラーフィルタ、２０：保護基板
Claims (12)
- 反射電極と、有機層と、光取り出し電極と、をこの順で有する白色有機発光素子であって、
前記有機層は、青色発光する発光分子を含む青色発光層と、赤色発光する発光分子および緑色発光する発光分子を含む長波長発光層を有し、
前記長波長発光層は、前記青色発光層と前記反射電極との間に配置され、
前記青色発光層は、下記式（１）を満たす位置に配置され、
前記反射電極と前記光取り出し電極で形成される共振器構造を有し、青色波長領域に共振極大ピーク波長を有することを特徴とする白色有機発光素子。
ｚ＝φ×λ1／４π ・・・（１）
ｚ：前記青色発光層の前記反射電極側の界面と前記反射電極との間の光学距離
φ：前記青色発光層の発光波長領域における前記反射電極の反射位相
λ1：前記青色発光層の発光ピーク波長以上の可視光領域の波長 - 下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の白色有機発光素子。
Ｌ＝（Σφ＋２ｍπ）×λ2／４π ・・・（２）
Ｌ：波長λ2における前記反射電極と前記光取り出し電極との間の光学距離
Σφ：波長λ2における前記反射電極と前記光取り出し電極との間の反射位相の和
ｍ：０もしくは１の整数
λ2：前記青色波長領域内の波長 - 前記青色波長領域は、前記青色発光層の発光ピーク波長を含む領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の白色有機発光素子。
- 前記青色波長領域が４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の白色有機発光素子。
- 前記有機層の物理膜厚が１５０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であ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白色有機発光素子。
- 下記式（３）におけるλ3が前記緑色発光する発光分子の発光ピーク波長未満の波長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白色有機発光素子。
ｚ’＝φ’×λ3／４π ・・・（３）
ｚ’：前記長波長発光層の前記光取り出し電極側の界面と前記反射電極との間の光学距離
φ’：前記緑色発光する分子の発光波長領域における前記反射電極の反射位相 - 前記λ1は、前記青色発光層の発光ピーク波長を超えた波長である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白色有機発光素子。
- 前記光取り出し電極がＡｇ合金よりなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の白色有機発光素子。
- 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の白色有機発光素子と、カラーフィルタと、を有することを特徴とする表示装置。
- 撮像素子と、前記撮像素子が取得した情報を表示する表示部と、を有し、前記表示部が請求項９に記載の表示装置であることを特徴とする撮像装置。
- 表示部を有する携帯機器であって、前記表示部が請求項９に記載の表示装置であることを特徴とする携帯機器。
- 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の白色有機発光素子と、前記白色有機発光素子に接続される電源回路と、を有することを特徴とする照明装置。
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