KR20060050824A - Ｅｌ소자 - Google Patents

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KR20060050824A
KR20060050824A KR1020050080049A KR20050080049A KR20060050824A KR 20060050824 A KR20060050824 A KR 20060050824A KR 1020050080049 A KR1020050080049 A KR 1020050080049A KR 20050080049 A KR20050080049 A KR 20050080049A KR 20060050824 A KR20060050824 A KR 20060050824A
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마사토시 호리이
야스유키 가와카미
신이치 다나카
유키토시 진데
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스탠리 일렉트릭 컴퍼니, 리미티드
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Abstract

본 발명은 EL소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 EL소자는 적어도 1층의 발광층을 포함하는 박막 다층구조가 마주보는 한 쌍의 전극에 의해 끼워진 EL소자로서, 한 쌍의 전극 중 어느 한 쪽의 바깥측 면에 접촉하거나 또는 상기 바깥측 면으로부터 일정한 거리를 두고 전극과 마주보도록 반사미러가 배치되어진 것을 특징으로 한다. 이때 반사미러의 위치는 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리가 발광층으로부터 방출되는 광의 가간섭거리(Lc) 이상이 되도록 설정된다. 또한 본 발명에 따른 EL소자는 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내에서는 인접하는 2개 층의 굴절율단차가 모두 0.6이하인 것을 특징으로 한다. 그리하여 발광층에서 방출되어 EL소자의 내부에서 반사된 광이 간섭의 요인이 되지 않고 이를 효과적으로 활용하여 간섭의 영향을 배제한 발광효율이 우수한 EL소자를 제공한다.
유기 EL소자, 광 간섭, 가간섭거리, 굴절율단차

Description

ＥＬ소자{ELECTROLUMINESCENCE ELEMENT}
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 유기 EL소자를 나타내는 개략단면도이다.
도 2는 발광체로부터 방출되는 광파의 감쇠진동을 나타내는 파형도이다.
도 3은 Alq3의 포토루미네센스(PL) 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예의 유기 EL소자를 나타내는 개략단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 EL소자를 나타내는 개략단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 EL소자를 나타내는 개략단면도이다.
도 7은 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 8은 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 9는 비교예 1 내지 3의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 1의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 4의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 6의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 9의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시예 1의 변조 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예 1 내지 9 및 비교예 2의 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리와 변조 정도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 4의 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리와 발광광의 색도좌표(x)와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 4의 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리와 발광광의 색도좌표(y)와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 녹색발광 도펀트 및 적색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 19는 실시예 10 및 비교예 4의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 20은 실시예 11 및 실시예 12의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 21은 비교예 5의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 22는 실시예 13의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 23은 비교예 6 및 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 24는 실시예 14 및 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 25는 실시예 14 내지 17 및 비교예 6의 굴절율단차와 출사광의 색도좌표와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 26은 비교예 7 및 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 27은 실시예 18 및 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 28은 실시예 18 내지 20 및 비교예 7의 굴절율단차와 출사광의 색도좌표와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 29는 비교예 8의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 30은 실시예 21의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 EL소자를 나타내는 개략단면도이다.
도 32는 3종류의 구성으로 이루어지는 유기 EL소자의 각각의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 33은 일반적인 유기 EL소자의 개략구조도이다.
도 34는 일반적인 유기 EL소자의 개략구조도이다.
본 발명은 박막형으로 한 EL(electroluminescence) 물질에 전자, 정공을 주입하고, 재결합시킴으로써 발광하는 EL소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기발광층에서 방출되어 유기 EL소자의 내부에서 반사된 광이 간섭의 요인이 되지 않 고 이를 효과적으로 활용하여 간섭의 영향을 배제한 고효율의 유기 EL소자에 관한 것이다.
유기 EL소자는 유기물 발광층에 전류를 주입함으로써 전기 에너지를 광 에너지로 변환하는 자기발광형 표시소자로, 근래 연구·개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 방향족 디아민으로 이루어지는 유기 정공수송층과 8-히드록시퀴놀린 (hydroxyquinoline)의 알루미늄 착체로 이루어지는 유기발광층을 설치한 유기 EL소자가, 안트라센(anthracene) 등을 사용한 전계발광 소자에 비하여 발광효율이 개선된 이후, 연구·개발에 대한 적극적인 대처가 이루어지고 있다(예를 들어, applied physics letters vol.51, p.913, 1987).
이러한 유기 EL소자의 일반적인 구조는 도 33에 나타내었다. 도 33으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 일반적인 유기 EL소자는 투명기판 위에 투명전극층(양극)을 설치하고, 다시 그 위에 정공수송층, 유기발광층 및 음극층의 각 층을 차례로 진공증착법에 의해 형성한 구조로 되어 있다. 양극이 되는 투명전극층과 음극층 사이에 직류전압을 인가하면, 투명전극층으로부터 주입된 정공과 음극층으로부터 주입된 전자가 유기층(정공수송층 및 유기발광층)에 도달하여 전자와 정공의 재결합이 이루어지며, 그 때 전기 에너지가 광 에너지로 변환되어 유기발광층으로부터 광이 방출된다.
이 경우, 양극과 음극 사이에 설치된 유기층은 양극측으로부터 순서대로 정공수송층/유기발광층의 2층 구조를 하고 있는데, 그 밖에 정공주입층/정공수송층/유기발광층/전자수송층의 구조, 정공주입층/정공수송층/유기발광층의 구조, 또는 정공수송층/유기발광층/전자수송층의 구조 등이 있으며, 상기 유기발광층을 다층으로하여 적층한 것도 있다.
정공수송층은 양극으로부터 정공이 쉽게 주입되도록 하는 기능과, 전자를 막는 기능을 가지고 있다. 또한, 전자주입층은 음극으로부터 전자가 쉽게 주입되도록 하는 기능을 가지고 있다.
양극층을 형성하는 재료로는 일함수가 큰 금속, 이들의 합금 및 화합물이 사용되며, 니켈, 금, 백금, 파라듐이나 이들의 합금 또는 산화주석(SnO2), 요오드화 구리, 또한 폴리피롤(polypyrrole) 등의 도전성 폴리머 등이 가능하지만, 일반적으로는 ITO 투명전극층이 많이 사용되고 있다.
음극층은 전자주입에 효과적인 재료로 형성할 필요가 있기 때문에, 전자주입 효율의 향상을 꾀할 수 있는 일함수가 작은 금속(낮은 일함수 금속재료)을 사용하는 것이 바람직하며, 알루미늄, 마그네슘, 마그네슘 인듐 합금, 마그네슘 알루미늄 합금, 마그네슘 은 합금 및 알루미늄 리튬 합금 등을 사용하여 진공증착법이나 스퍼터링법의 드라이 프로세스에 의해 막형성된다.
유기재료에 의해 형성되는 유기층은, 트리스(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(tris(8-hydroxy-quinoline)aluminum, 이하, Alq3라고 약칭한다) 및 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐) 1,1'-비페닐-4,4'-디아민(이하, TPD라고 약칭한다) 등의 저 분자계 재료나, 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV) 등의 고분자계 재료를 사용하는 것이 시도되고 있으며, 고휘도화 및 다색화 등을 위한 연구·개발이 활발하게 이루어져 실용화되기 시작하고 있다.
이러한 구조의 유기 EL소자에 있어서, 유기발광층으로부터 방출되어 투명기판으로부터 외부(대기중)로 출사되는 광에는, 유기발광층으로부터 투명전극방향으로 방출되어 투명전극 및 투명기판을 통하여 출사되는 광, 유기발광층으로부터 음극방향으로 방출되어 음극 표면에서 반사되어 투명전극 및 투명기판을 통하여 출사되는 광, 유기발광층으로부터 방출되어 투명기판, 투명전극 및 다층화된 유기화합물 재료층(정공수송층 및 유기발광층)의 각 계면에서 반사·굴절을 반복하면서 투명기판으로부터 출사되는 광이 존재한다. 그리고 각각의 광은 유기발광층으로부터 방출되어 투명기판을 통하여 외부로 출사되는데까지의 광로의 길이가 다르기 때문에, 광로차를 발생시켜, 그것에 기인한 간섭이 출사에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
그래서, 이와 같은 현상에 대하여, 유기 EL소자의 유기발광층을 제외한 유기화합물 재료층의 각 층을 발광층에 대응하여 서로 다른 막두께로 설정하고, 반사간섭 현상을 이용함으로써, 각 발광색의 광의 추출효율의 향상을 꾀하는 것이 제안되고 있다.
구체적으로는, 유기발광층을 사이에 끼운 양극측 정공수송층(정공주입층 및 정공수송층)과 음극측 전자수송층(전자주입층 및 전자수송층)의 막두께의 제어가 이루어진다. 도 34에 나타내는 유기 EL소자의 경우, 유기발광층의 발광계면으로부터 투명전극과 투명기판의 경계평면까지의 광학거리((norg·dorg)+(nITO·dITO))가 원하 는 피크 발광파장(λp)의 1/4의 약 짝수배가 되도록 정공수송층을 형성함으로써, 발광계면으로부터 투명전극방향으로 방출되어 투명전극과 투명기판의 경계평면에서 내부 반사하여 발광계면으로 돌아오는 광과 발광광이 간섭하여 서로 강해져, 밝기가 최대가 된다.
또한, 발광계면으로부터 음극층까지의 광학거리(nord·do)가 원하는 피크발광파장(λp)의 1/4의 대략 홀수배가 되도록 유기발광층을 막형성함으로써, 발광계면으로부터 음극방향으로 방출되어 음극의 표면에서 반사하여 발광계면으로 돌아오는 광과 발광광이 간섭하여 서로 강해져 밝기가 최대가 된다(예를 들어, 일본특허공개 2000-323277호 공보).
또한, 마찬가지로 투명전극 및 유기화합물 재료층(정공수송층 및 유기발광층)의 광학거리를 제어함으로써, 원하는 피크파장의 발광광을 얻도록 한 것이 있다(예를 들어, 일본특허제2846571호 공보, 일본특허공개 2003-142277호 공보).
더욱이, 복수의 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 존재하는 MPE 구조(한 쌍의 마주보는 전극에 의해 끼워진 유기층이, 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트를 복수개 가진 것으로, 각 발광 유니트가 적어도 1층으로 이루어지는 전하발생층에 의해 구분되어진 구조)의 유기 EL소자에 있어서, 각 발광위치로부터 광반사 전극까지의 광학막두께를 모두 1/4파장의 대략 홀수배로 함으로써, 발광효율의 고효율화를 실현한 것이 있다(예를 들어, 일본특허공개 2003-272860호 공보 및 일본특허공개 2003-45676호 공보).
하지만, 상기한 종래 기술, 특히 일본특허공개2000-323277호 공보, 일본특허 제2846571호 공보, 및 일본특허공개2003-142277호 공보에 기재된 발명에서는, 유기 EL소자를 구성하는 유기층 혹은 투명전극층의 막두께를 제어함으로써 원하는 피크파장의 발광광을 얻고는 있지만, 투명전극층의 막두께를 제어한 것만으로는, 발광계면으로부터 음극방향으로 방출되어 음극의 표면에서 반사되어 발광계면으로 돌아오는 광과 발광광과의 간섭을 제어할 수는 없었다.
또한, 투명전극이나 유기층의 막두께를 제어하는 본래의 목적은, 그 발광기구에 감안하여, 주입된 캐리어의 수송, 재결합 및 발광이 효율적으로 이루어지도록 하는 것에 있으며, 간섭현상의 제어만을 목적으로 막두께를 제어하면 전압-휘도 특성이 악화되는 등으로 인해 발광효율의 저하를 초래하게 된다.
또한, '일본특허공개2003-272860호 공보' 및 '일본특허공개2003-45676호 공보'에 기재된 발명에서는, 복수의 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 존재하는 유기 EL소자에 있어서, 각 발광위치로부터 광반사전극까지의 광학막두께를 모두 1/4파장의 대략 홀수배로 함으로써 발광효율의 고효율화를 실현할 수 있다고 하고 있다.
하지만, 이 경우에는 막두께가 두껍기 때문에 간섭효과가 현저하여, 막두께 제어에 조금의 어긋남만 있어도 크게 상쇄되게 된다. 그 결과, 발광 스펙트럼의 분포가 변하여 색조의 벗어남 및 발광효율의 저하를 일으키게 된다.
따라서, 각 발광위치에서 광반사 전극까지의 광학 막두께의 매우 엄밀한 제어가 요구되는데, 이 유기 EL소자의 구조에서도 주입된 캐리어의 수송, 재결합 및 발광이 효율적으로 이루어지는 막두께를 설정하는 것은 당연히 필요하여, 간섭조건 과 함께 모두를 대상으로 한 막두께 설정은 매우 어렵다.
또한, 비록 각 발광위치에서 광반사 전극까지의 광학 막두께가 엄밀하게 제어되었다고 해도, 유기 EL소자를 구성하는 발광 유니트(적어도 1층의 발광층을 포함하는 유기막 구성)가 많아져 막두께가 두꺼워지면, 피크발광 파장은 변화하지 않지만 스펙트럼 반치폭이 작아져, 발광재료가 가지는 본래의 발광 스펙트럼 분포로부터 벗어나 버린다. 더욱이, 유기 EL소자의 감시각도에 따라 광의 색조가 바뀌어 보이는 문제도 발생하게 된다.
그런데, 현재로서는 통상의 유기 EL소자(MPE가 아닌 1발광 유니트 구조의 유기 EL소자)에 있어서 주입된 캐리어의 수송, 재결합 및 발광이 효율적으로 이루어지는 최적의 캐리어 밸런스를 얻는 막두께 설정을, 그대로 MPE에 적용하는 것은 부적당하며, 광학 및 전기특성을 다소 희생한 상태에서 MPE화하고 있다. 또한, 1발광 유니트 구성 내에 복수의 발광부를 가지고 있는 유기 EL소자(예를 들어, 청색 및 주황색의 발광광의 가법혼색에 의해 백색광을 방출하는 소자)를 적층하는 경우에는, 인접하는 발광부에 복수의 목표파장이 존재하게 되어, 원하는 색조의 광을 방출하는 소자를 실현하기 위한 설계조차 어렵게 되어 있다.
그래서, 상기와 같이 엄밀하게 막두께를 제어하지 않아도 간섭의 영향을 억제할 수 있는 방법으로서, 종래 광반사 전극이었던 음극을 흑색화하여 무반사 전극으로 하거나, 혹은 발광층과 음극 사이에 존재하는 적어도 1층을 광흡수층으로서 기능하게 하는 것이 제안되고 있다. 하지만, 이와 같은 방법으로는 유기 EL소자의 내부반사광을 이용할 수 없고, 종래의 유기 EL소자와 비교하여 휘도가 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 간섭의 영향을 배제한 양면발광 타입의 EL소자를 실현하여 발광층을 구성하는 발광 재료 특유의 발광 스펙트럼을 가지는 광을 각각의 면으로부터 외부로 출사할 수 있음으로써 각각의 면으로부터 외부로 출사하는 광의 색조차가 없어지고, 또한 소자를 구성하는 각 층의 막두께를 간섭의 영향을 고려하지 않고 설정할 수 있음으로써 막두께를 최적화할 수 있어 그 결과 발광효율을 높이고 제조공정의 수율 및 생산성 향상을 도모한 유기 EL소자를 제공하려는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 발광층의 발광계면에서 방출되어 EL소자의 내부에서 반사된 광이 간섭의 요인이 되지 않도록 하고, 이를 효과적으로 활용하여 간섭의 영향을 배제한 광을 효율적으로 외부로 출사할 수 있는 EL소자를 제공하려는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 1층의 발광층을 포함하는 박막 다층구조가 마주보는 한 쌍의 전극에 의해 끼워진 EL소자로서, 상기 발광층의 발광계면으로부터의 거리가 광학거리이고, 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내에서는 인접하는 2개 층의 굴절율단차가 모두 0.6 이하인 것을 그 기술적 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 EL소자는 상기 한 쌍의 전극 중 어느 한 쪽의 바깥측 면에 접촉하거나 혹은 상기 바깥측 면으로부터 일정한 거리를 두고 상기 전극과 마 주보도록 하여 반사미러가 배치된 것을 그 기술적 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 EL소자는 상기 반사미러가 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상 떨어져 배치되는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내일 때는 상기 반사미러를 제외한 인접하는 2개 층 모두의 굴절율단차가 0.6 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 EL소자는 전극 중 어느 한 쪽 전극의 바깥쪽에 버퍼영역(버퍼층)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 전극과 상기 반사미러 사이에 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때 버퍼층은 투광성재료, 기체, 진공 중 어느 하나이다.
또한 본 발명에 따른 EL소자는 상기 한 쌍의 전극 중 하나는 투명전극이고 다른 하나는 반사전극이며, 이때 반사전극이 반사미러인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 EL소자는 발광층과 반사전극 사이에도 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 EL소자는 상기 박막 다층구조가 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트를 복수개 가지고, 각 상기 발광 유니트 사이에 형성된 전하발생층을 가지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 도 1 내지 도 34를 참조하여 유기 EL소자를 들어 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 두 전극 사이에 박막적층 구조를 가지는 무기 EL소자 이어도 좋다.
한편, 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명의 바람직한 구체예이므로, 기술적으로 바람직하게 여러가지로 한정되어 있지만, 본 발명의 범위는 아래의 설명에서 특별히 본 발명을 한정하는 취지의 기재를 하지 않는 한, 이 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
도 1은 반사미러를 포함하는 본 발명의 유기 EL소자에 따른 하나의 실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 즉, 투명기판의 위에 제 1 투명전극층(양극), 정공수송층, 유기발광층 및 제 2 투명전극층(음극)의 각 층이 차례로 형성되어 있다. 그리고 또한 제 2 투명전극층(음극)의 바깥측에는 제 2 투명전극층으로부터 일정한 거리를 둔 위치에, 반사면이 제 2 투명전극층과 마주보도록 반사미러가 배치되어 있다.
이때 반사미러가 배치되는 위치는, 유기발광층의 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리가 '발광층으로부터 방출되는 광의 가간섭거리' 이상이 되도록 설정된 위치이다.
한편, 본 명세서에서 '가간섭거리'란 아래와 같이 정의되는 것이다.
하나의 발광체로부터 방출되는 광파는 도 2에 나타내는 바와 같은 감쇠진동의 형태를 띄며, 그 경우 광파를 실효적으로 파동이라고 볼 수 있는 것은, 진폭이 초기값의 1/e(e는 자연대수의 밑)가 되는 유한의 길이 1까지라고 생각할 수 있다.하나의 발광체는 이와 같은 파동을 방출한 후, 이어서 동일한 진동수의 다음 파동을 방출하는데, 선행하는 파동과 후속 파동의 위상은 서로 다르다. 따라서, 동일한 광원에서 방출된 파동을 2분한 후에 다시 중첩시킨다고 해도, 각각의 파동이 진행하는 광로의 광로차가 1을 넘은 경우에는 서로 다른 위상의 파면이 중첩되게 되어 간섭현상이 일어나지 않는다.
본 발명은 이와 같은 원리를 이용하여, 유기 EL소자의 발광층으로부터 방출된 광이 외부로 출사될 때까지의 광학계에 대하여 간섭의 영향을 배제한 것이다. 그래서, 광의 '가간섭거리'란, 상술한 파동의 유한한 길이 1에 상당하며, 일반적으로 아래의 관계식 (1)에 의해 표시된다.
Lc=λp2/Δλ ………… (1)
(단, Lc는 가간섭거리, λp는 발광 스펙트럼의 피크 파장(피크 발광 파장), Δλ는 스펙트럼 반치폭이다)
종래의 유기 EL소자에서는 예를 들어, 발광계면으로부터 음극측 방향으로 방출되고 음극의 표면에서 반사되어 양극측으로 되돌아오는 광과 발광계면으로부터 양극측으로 방출되는 광에 의해 간섭이 발생하였다. 이 각각의 광이 진행하는 광로의 광로차는 발광계면으로부터 음극의 반사면까지의 광학거리의 2배가 된다. 따라서, 이 광로차가 가간섭거리(Lc)보다 크면 간섭이 일어나지 않게 된다. 바꿔 말하면, 발광계면으로부터 음극의 반사면까지의 광학거리가 가간섭거리 Lc/2 보다 크면 간섭의 영향을 억제할 수 있다고 생각할 수 있다.
그런데, 실제 유기 EL소자에서는, 발광계면으로부터 음극의 반사면까지의 광학거리를 Lc/2보다 크게 하더라도, 간섭의 영향은 감소되지만, 불완전하기 때문에 막두께가 어긋나면 색조도 어긋나버리는 것이 판명되었다. 그래서, 실질적으로 색도 등에 대한 간섭의 영향을 완전히 억제하기 위해서는, 발광계면으로부터 음극의 반사면까지의 광학거리가 가간섭거리(Lc) 이상인 것이 바람직하다.
유기 EL소자에서의 발광광의 가간섭거리(Lc)를 도출하는데 있어, 상기 관계식 (1)에 사용되고 있는 발광광의 피크 파장(λp) 및 스펙트럼 반치폭(Δλ)은 발광층의 PL(포토루미네센스) 스펙트럼으로부터 읽어낼 수 있다.
예를 들어, 도 3에 나타내는 PL 스펙트럼을 가지는 Alq3의 가간섭거리는, PL 스펙트럼으로부터 λp=523nm, Δλ=105nm라는 수치가 얻어지며, 이것을 상기 관계식 (1)에 대입하면 2605nm가 된다. 따라서, 도 1에 나타내는 본 발명의 유기 EL소자에 있어서 발광층을 Alq3로 형성한다면, 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리를 2605nm 이상으로 설정하게 된다.
따라서, 이 경우 발광계면으로부터 반사미러까지의 각 층의 막두께는 아래의 관계식 (2)를 만족하도록 설정된다.
Lc≤ do·no+dTO2·nTO2+dB·nB………… (2)
한편, 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리에 대하여 특별히 상한(上限)은 없지만, 얇은 유기 EL소자의 이점을 손상시키지 않기 위해서는 1000㎛ 이내로 하는 것이 바람직하다. 한편, 하한은 광학거리(Lc) 이상이 바람직한데, 간섭의 영향을 완전히 배제하기 위해서는 Lc의 2배 정도가 더욱 바람직하다. 여기서, 발광영역은 발광층내에서 일정한 폭을 가진다고 생각되는데, 발광강도가 높다고 보여지 는 소정의 위치를 발광계면으로서 설정한다. 예를 들어, 도 1에 나타내는 바와 같은 정공수송층과 유기발광층으로 이루어지는 구성에서는, 유기발광층의 정공수송층측에서 발광강도가 최대가 된다고 보여져, 정공수송층과 유기발광층의 계면을 발광계면이라고 생각할 수 있다.
또한, 하나의 발광층을 2종류 이상의 발광재료로 형성했을 경우에는, 각각의 발광재료의 PL 스펙트럼으로부터 산출된 가간섭거리 중의 가장 긴 것을 채용한다.
도 4는 본 발명의 유기 EL소자에 따른 다른 실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 본 실시예는 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는 MPE구조(한 쌍의 마주보는 전극에 의해 끼워진 유기층이, 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트를 복수개 가진 것으로, 각 발광 유니트가 적어도 1층으로 이루어지는 전하발생층에 의해 나누어진 구조)이다.
한편, 발광 유니트란, 주로 유기화합물로 이루어지는 적어도 1층의 발광층을 포함하는 층구조를 가지고, 일반적인 유기 EL소자의 구성요소 중 양극 및 음극을 제외한 요소를 가리키는 것이다. 또한, 전하발생층은 ITO, IZO, SnO2, ZnO2 등의 투명도전재료, V2O5 및 4F-TCNQ 등, 그 위에 막형성하는 정공수송재료와 산화환원반응에 의한 전하이동착체를 형성할 수 있는 물질이 사용되며, 전하발생층의 음극측에 접하는 발광 유니트에는 정공을 주입하고, 양극측에 접하는 발광 유니트에는 전자를 주입하는 층으로서 작용한다.
도 4에 나타내는 유기 EL소자의 구체적인 구조는, 투명기판 위에 제 1 투명 전극층(양극)이 형성되고, 그 위에 제 1 발광계면을 포함하는 제 1 발광 유니트, 제 1 전하발생층, 제 2 발광계면을 포함하는 제 2 발광 유니트, 제 2 전하발생층, 제 3 발광계면을 포함하는 제 3 발광 유니트 및 제 2 투명전극층(음극)이 순서대로 형성되어 있다. 그리고 또한 제 2 투명전극층(음극)의 바깥측에는 제 2 투명전극층으로부터 일정한 거리를 둔 위치에, 반사면이 제 2 투명전극층과 마주보도록 반사미러가 배치되어 있다.
이와 같은 구조의 유기 EL소자에 있어서, 3개의 발광 유니트의 각각의 발광계면으로부터 방출된 광의 사이에서 간섭이 일어나지 않도록 반사미러를 배치하기 위해서는, 각 발광 유니트의 각각의 발광계면으로부터 방출되는 광의 PL 스펙트럼으로부터 상기 관계식 (1)을 사용하여 각각 가간섭거리를 구하고, 각각의 발광계면으로부터 가간섭거리를 유지한 위치 중 제 2 투명전극층으로부터 가장 거리가 떨어진 위치를 구한다. 그 결과, 도 4에 나타내는 바와 같이 Lc1이 제 2 투명전극층으로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 있기 때문에, 반사미러의 배치위치를 이 위치로 하거나, 혹은 제 2 투명전극층에 대하여 이보다 더 떨어진 위치로 설정한다. 이에 의해, 각 발광 유니트로부터 방출되는 광의 간섭의 영향을 모두 배제할 수 있다.
도 1 및 도 4에 있어서, 제 2 투명전극층과 반사미러의 사이는 진공 혹은 기체로 채워져 있어도 좋고, 액체를 충전하여도 좋다. 또한, 제 2 투명전극층 위에 투광성 재료로 이루어지는 투명 버퍼층을 형성하고, 이 투명 버퍼층 윗면에 금속증착을 실시함으로써 반사미러로 하여도 좋다.
제 2 투명전극층과 반사미러 사이의 공간을 채우는 기체의 물질에 대해서 특별한 제약은 없지만, 주로 제습된 N2가스, Ar가스 등의 불활성 기체가 바람직하다. 투명한 액체물질로서는 탈수된 실리콘계 오일, 불소계 오일 등을 들 수 있다.
상기 투명 버퍼층(후술하는 제2 버퍼층과의 구별을 위하여 제1 버퍼층이라고도 함)으로는 TiO2, SiO2, SiNx, Ta2O5, SiO, Al2O3, ZrO2, Sb2O3, TiO, HfO2, Y2O3, MgO, CeO2, Nb2O5, MgF, SrF2, BaF2 등의 투명한 금속산화물, 질화물, 불화물 혹은 저분자계 재료, 투명 에폭시, 아크릴, 나일론 등의 고분자계 재료이어도 좋고, 투명하고 막두께를 ㎛오더로 형성할 수 있는 물질이면 무엇이든 좋다.
어느 것이든, 제 2 투명전극층과 반사미러 사이는 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리를 가간섭거리(Lc) 이상으로 유지하기 위하여 설치되는 것이기 때문에, 진공 혹은 투명한 물질로 채워져 있으면 목적은 달성된다.
단, 투명물질의 굴절율과 제 2 투명전극층의 굴절율의 차가 간섭을 일으키는 요인이 되는 경우가 있다. 그것은 굴절율이 서로 다른 2개의 물질에 의해 경계평면이 형성되는 경우, 경계평면을 형성하는 2개 물질의 굴절율의 차가 클수록, 입사광선의 반사율이 커지기 때문이다.
그 결과, 발광계면으로부터, 제 2 투명전극층과 반사미러 사이에 형성된 투명물질과 제 2 투명전극층과의 경계평면까지의 광의 광학거리는, 가간섭거리(Lc)보다 작기 때문에, 간섭을 일으키는 요인이 된다. 그리고, 이 경계평면을 형성하는 두 물자의 굴절율의 차가 클수록 반사율이 높아져, 발생하는 간섭 정도도 커진다.
그래서, 제 2 투명전극층과 반사미러 사이에 설치된 투명물질과 제 2 투명전극층에 있어서, 간섭이 발생하지 않는 굴절율의 차는 0.6이하인 것이 바람직하고, 무한히 0에 가까운 것이 더욱 바람직하다.
예를 들어, 도 1에 있어서, 발광계면으로부터 반사미러까지의 사이에 존재하는 경계평면은, 유기층/유기층의 경계평면, 유기층/제 2 투명전극층의 경계평면, 및 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 위의 투명물질의 경계평면이다. 이들 각각의 경계평면은 발광계면으로부터의 광학거리가 가간섭거리(Lc) 미만이 될 가능성이 있는 위치에 반사면으로서 존재하기 때문에, 반사율이 커지면, 강한 간섭을 일으키는 원인이 된다.
그 중에서도 특히, 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 위의 투명물질의 경계평면이 비교적 큰 반사율의 반사면이 될 가능성이 있다. 예를 들어, 제 2 투명전극층과 반사미러 사이가 진공 혹은 기체(굴절율 약 1.0)로 채워졌을 때, 제 2 투명전극층으로서 사용되는 ITO, IZO, ZnO 및 SnO2 등(굴절율 약 1.95)과의 굴절율 차가 약 0.95가 되어, 이 굴절율단차 0.95의 반사면에서는 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 위의 투명물질의 경계평면까지의 광학거리가 약 300nm일 때 다소 간섭의 영향이 나타나는 정도이다.
그런데, 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도 4와 같이, 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는, 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 상의 투명물질의 경계평면까지의 광학거리가 매우 긴 구조의 유기 EL소자에서는 간 섭의 영향이 현저히 나타나게 된다.
따라서, 간섭의 발생을 억제하기 위해서는, 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 상의 투명물질의 경계평면까지의 광학거리에 따라, 제 2 투명전극층을 형성하는 재료와 제 2 투명전극층 상의 투명물질의 재료를 적절히 선택함으로써 양자의 굴절율의 차를 설정할 필요가 있다.
그래서, 도 1에 나타내는 바와 같은 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 상의 투명물질의 경계평면까지의 광학거리가 약 300nm인 구조의 유기 EL소자에 있어서는, 제 2 투명전극층과 제 2 투명전극층 상의 투명물질과의 굴절율의 차를 0.6 이하로 하는 것이 간섭의 발생을 거의 억제하는 것으로 이어지기 때문에 바람직하다.
한편, 도 4에 나타내는 바와 같이, 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는 구조의 유기 EL소자에 있어서는, 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트 갯수의 증가에 따라 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명전극층 상의 투명물질의 경계평면까지의 광학거리가 증가하기 때문에, 제 2 투명전극층과 제 2 투명전극층 상의 투명물질의 굴절율의 차를 더욱 줄일 필요가 있다.
또한 본 발명에서는 반사미러로서 Ag, Al, Au, Pt, W, Mg, Ni 및 Rh 등의 금속단체 혹은 합금의 증착막, 굴절율이 서로 다른 2종류의 산화물, 질화물 혹은 반도체의 층을 번갈아 적층한 다층막 미러 등을 사용할 수 있다. 그 조합의 예로서, TiO2와 SiO2, SiNx와 SiO2, Ta2O5와 SiO2 혹은 GaAs와 GaInAs 등을 들 수 있는데, 그 밖에도 SiO, Al2O3, ZrO2, Sb2O3, TiO, HfO2, Y2O3, MgO, CeO2, Nb2O5, MgF, SrF2 및 BaF2 등 중에서 굴절율이 서로 다른 재료를 적절히 선택하여 조합하여 사용할 수도 있다.
지금까지는 유기 EL소자의 발광계면으로부터 반사미러의 방향으로 방출된 광에 관련된 간섭현상에 대해서 검토했지만 발광계면으로부터 투명기판의 방향으로 방출된 광도 마찬가지로 간섭현상에 관련된다.
도 1에 나타내는 유기 EL소자의 구조에 있어서, 발광계면으로부터 투명기판의 방향으로는 유기층/유기층의 경계평면, 유기층/제 1 투명전극층의 경계평면 및 제 1 투명전극층/투명기판의 경계평면이 존재하고, 발광계면으로부터 각 경계평면까지의 광학거리는 가간섭거리(Lc) 미만이 될 가능성이 있다. 따라서, 발광계면으로부터 투명기판의 방향으로 방출되어 이들의 경계평면에서 반사된 광과, 발광계면으로부터 제 2 투명전극층의 방향으로 방출된 광에 의해 간섭이 발생할 가능성이 있기 때문에, 각각의 경계평면을 구성하는 양자의 굴절율의 차를 매우 작게 함으로써, 간섭의 발생을 억제하는 것이 바람직하다.
그 중에서도 특히, 제 1 투명전극층/투명기판의 경계평면이, 3개의 경계평면 중에서 가장 굴절율의 차가 크다. 예를 들어, 투명기판에 소다글라스(굴절율 약 1.55)를 사용하고, 제 1 투명전극에 일반적인 ITO, IZO, ZnO 및 SnO2 등(굴절율 약 1.95)을 사용하면, 굴절율의 차는 약 0.4가 되어버린다. 이 굴절율 차 약 0.4의 반사면에서는 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리가 약 400nm일 때 거의 간섭 의 영향이 보이지 않는다.
그런데, 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도 4와 같이, 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리가 매우 긴 구조인 유기 EL소자에서는 간섭의 영향이 현저히 나타나게 된다.
따라서, 간섭의 발생을 억제하기 위해서는, 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리에 따라, 제 1 투명전극층을 형성하는 재료와 투명기판의 재료를 적절히 선택함으로써 양자의 굴절율의 차를 설정할 필요가 있다.
구체적으로는, 제 1 투명전극층과 투명기판 사이에 제 1 투명전극층과의 굴절율의 차가 매우 작은 버퍼층을, 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리가 발광층으로부터 방출되는 광의 가간섭거리(Lc) 이상이 되는 막두께로 형성한다. 또한, 제 1 투명전극층에 대하여 굴절율의 차가 작은 투명기판을 사용하면 버퍼층을 형성할 필요가 없다.
버퍼층에 사용되는 재료로는 상술한 제 2 투명전극층과 반사미러 사이에 형성된 버퍼층과 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한, 제 1 투명전극층에 대하여 굴절율의 차가 매우 작은 투명기판의 재료로는 특별한 제한은 없지만, 일례를 든다면, LaSFN 9(SCHOTT GLAS사 제품)(굴절율 1.85)를 사용할 수 있다.
한편, 유기 EL소자는 반사미러를 투명기판의 바깥측에 설치하고, 발광계면으로부터 방출된 광을 제 2 투명전극을 통하여 외부로 출사하는 구조로 하는 것도 가능하다. 그 경우, 투명기판의 바깥측 표면에 금속막을 형성하여 반사미러로 하여도 좋고, 반사미러를 기판으로 하여 그 위에 유기 EL소자를 형성하여도 좋다.
본 발명에서 투명기판의 재료로서는 글라스, PET, 폴리카보네이트 및 비정질 폴리올레핀 등을 사용할 수 있다. 또한, 제 1 투명전극 및 제 2 투명전극은 ITO, IZO, SnO2, 및 ZnO 등의 투명도전막으로서 형성되는 것이 바람직하고, 막두께는 10~500nm의 범위내인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 유기 EL소자의 구조는 도 1 및 도 4에서 나타내는 것 외에, 투명기판 위의 제 1 투명전극측으로부터의 유기층을 정공주입층/정공수송층/발광층/전자수송층으로 한 것, 정공주입층/정공수송층/발광층으로 한 것, 또는 정공수송층/발광층/전자수송층으로 한 것이나, 상기 발광층을 다층으로 적층한 것 등을 사용할 수 있다.
상기 정공주입층은 제 1 투명전극층으로부터 정공이 쉽게 주입되도록 하는 작용과, 전자를 막는 작용을 하며, 정공 이동도가 높고, 투명하며 막형성성이 양호한 것이 바람직하다. 그리하여, TPD 등의 트리페닐아민 유도체, 프탈로시아닌, 구리 프탈로시아닌 등의 폴리올레핀계 화합물, 히드라존(hydrazone) 유도체 및 아릴아민 유도체 등을 사용할 수 있다.
한편, 정공수송층은 양극으로부터의 정공의 주입을 용이하게 하는 작용을 가지는 정공주입층과, 정공을 수송하는 작용 및 전자를 방해하는 작용을 가지는 정공수송층으로 나누어 형성하여도 좋다. 이 경우, 정공주입층 및 정공수송층의 막두께는 모두 10~200nm의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 전자주입층은 제 2 투명전극층으로부터 전자가 주입되기 쉽게 하기 위 해, 유기발광층 혹은 전자수송층 위에 형성하여도 좋다. 전자주입층을 형성하는 재료는 Li, Ca, Sr, 및 Cs 등의 일함수가 낮은 금속이 주로 사용되며, 유기층 위에 극히 미량이 증착된다.
또한, 발광층은 전자와 정공의 재결합에 의한 발광효율이 높고, 박막성이 양호하며, 수송재료와의 경계평면에서 강한 상호작용이 없는 것이 바람직하여, 알루미킬레이트 착체(Alq3), 디스티릴비페닐 유도체(DPVBi) 등의 디스티릴 아릴렌(DSA)계의 유도체, 퀴나크리돈(quinacridon) 유도체, 루브렌(rubrene), 쿠마린(coumalin) 및 페리렌(perylene)계 등의 재료를 사용할 수 있다. 그리고, 이 재료들을 단독으로, 혹은 2종 이상을 혼합하여 발광층이 형성된다. 또한, 발광층은 다층으로 적층하여도 좋다. 한편, 발광층의 막두께는 10~200nm의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 전자수송층을 형성하는 재료로는 알루미킬레이트 착제(Alq3), 디스티릴비페닐 유도체(DPVBi), 옥사디아졸 유도체, 비스시릴안트라센 유도체, 및 벤조옥사졸티오펜 유도체 등이 사용되며, 막두께는 10~200nm의 범위내인 것이 바람직하다.
도 31은 본 발명의 유기 EL소자에 따른 또 다른 실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 본 실시예는 투명기판/투명전극/발광층을 포함하는 복수의 박막층/반사전극으로 이루어지고, 상기 발광층과 반사전극 사이에 형성된 제 2 버퍼층을 가지는 것을 그 기본구조로 한다. 또한 상기 발광층의 발광계면으로부터 반사전극까 지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 하고, 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내에서는, 상기 반사전극을 제외한 인접하는 2개 층 모두의 굴절율차를 0.6 이하로 하고 있다. 또한, 본 실시예는 도 4와 마찬가지로 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수개 존재하는 MPE구조이다. 또한, 각 발광 유니트로부터 발광되는 광은 여러가지의 조합을 생각할 수 있으며, 동일 발광색의 단색발광 유니트의 적층, 서로 다른 발광색의 단색발광 유니트의 적층, 및 백색 등 혼색발광 유니트의 적층 등 여러가지 조합을 생각할 수 있다.
도 31에 나타낸 유기 EL소자의 구체적인 구조는, 투명기판 위에 투명전극층(양극)이 형성되고, 그 위에 제 1 발광계면을 포함하는 제 1 발광 유니트, 제 1 전하발생층, 제 2 발광계면을 포함하는 제 2 발광 유니트, 제 2 전하발생층, 제 3 발광계면을 포함하는 제 3 발광 유니트 및 제 2 버퍼층이 차례로 형성되어 있다. 그리고 또한 제 2 버퍼층의 바깥측에는 반사면이 제 3 발광 유니트와 마주보도록 반사미러를 겸한 전극(반사전극(음극))이 배치되어 있다.
그리고, 최종적층의 발광 유니트(제 3 발광 유니트)와 반사전극 사이에 제 2 버퍼층을 형성하고, 발광층의 발광계면으로부터 반사전극까지의 광학거리를 가간섭거리 이상으로 하며, 또한 발광계면으로부터 반사전극까지에 존재하는 모든 계면의 굴절율차가 0.6이하가 되도록 하였다.
따라서, 소자를 제작함에 있어서, 광학간섭의 영향에 의존하지 않고, 발광 유니트를 캐리어 밸런스의 최적 막두께로 구성하는 것이 가능해진다. 전자수송층 막두께나 투명전극 막두께에 의해 각 발광계면으로부터 음극까지의 광학거리를 λ/4의 홀수배로 하고, 광학간섭 효과 증대의 조건을 이용하는 종래기술에서의 막두께 조정 없이, 발광층으로부터 발하는 광의 피크 파장과 거의 동일한 발광광을 얻을 수 있다.
특히, MPE 소자를 제작함에 있어서, 최적 막두께로 구성된 발광 유니트를 단순히 적층하여 MPE화 하였다고 하여도, MPE화에 따른 광학간섭 조건의 변화는 제 2 버퍼층에 의해 수정되기 때문에, 각 발광계면으로부터 음극까지의 광학길이를 λ/4의 홀수배로 조정할 필요가 없어진다. 즉, 원하는 재료본래의 발광색을 유지하면서, 최적 캐리어 밸런스 특성의 발광 유니트를 적층할 수 있어, 보다 효율적으로 이상적인 MPE 소자를 제작하는 것이 가능해진다.
제 2 버퍼층은 캐리어 밸런스에 영향을 미치지 않고, 각 발광계면으로부터 음극까지의 광학거리를 가간섭거리 이상으로 조정하는, 상술한 제1 버퍼층과 같은 역할을 담당하는데, 상술한 제1 버퍼층과는 절연체를 사용할 수 없다는 점에서 다르다.
또한, 음극에 IZO 등의 투명전극을 형성하기 위하여 전자수송층 윗면에 스퍼터링법 등에 의한 막형성이 이루어진 경우에는, 전자수송층에 손상을 주어, 소자를 열화시켜버리게 되는데, 본 구성의 유기 EL소자에서는 전자수송층 위의 제 2 버퍼층이 스퍼터링 막형성시의 손상으로부터 전자수송층을 보호하는 역할도 하고 있다.
제 2 버퍼층에 사용되는 재료는, 가시광영역에서 광의 흡수가 없을 것, 도전성이 높을 것(특히 전자수송성), 비발광재료일 것 등이 요구된다. 구체적으로는 IZO, ZnO 등으로 대표되는 투명전극재료, V2O5 등으로 대표되는 전하발생재료(CGL 재료)(한편, 여기서 사용되고 있는 전하발생재료란, OPC 등에 사용되는 광여기에 의해 전하는 발생하는 것이 아니라, 일본특허공개 2003-272860호 공보'에 기재된 바와 같이, 마주보는 양극전극과 음극전극 사이에 존재하는 복수개의 발광 유니트가 1.0×102Ω·cm 이상의 비저항(比抵抗)을 가지는 전하발생층으로 구분되어져 적층되어 있는 구조를 가짐으로써, 두 전극사이에 소정 전압이 인가되었을 경우, 마치 복수개의 발광 유니트가 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 것처럼 동시발광할 수 있는 것을 가리킨다), 및 이들의 혼합 또는 적층에 의한 박막다층막 등을 후보로서 들 수 있다. 바람직한 예로서는 상술한 CGL 재료와 낮은 일함수 금속(Cs,Li 등)의 적층막(Li/CGL/Li/CGL/…/Li/CGL) 등을 들 수 있다.
한편, 제 2 버퍼층으로서는 그 밖에도 전자수송재료 혹은 홀블록재료를 후보로서 생각할 수 있다. 이 경우, 일반적으로 사용되는 이 재료들에서는, 구동전압의 상승이 현저하기 때문에, 비저항 1.0×102Ω·cm 이상의 높은 이동도의 전자수송 재료 혹은 홀블록 재료가 바람직하다.
또한, 제 2 버퍼층은 상기 구조와 같이, 음극 및 전자수송층과 독립한 층이 아니라, 이들을 공유한 것이어도 좋다. 즉, 전자수송층 겸 제 2 버퍼층 혹은 음극 겸 제 2 버퍼층이 되는 경우이다. 전자수송층 겸 제 2 버퍼층에 대해서는 상술한 바와 같이 높은 이동도의 재료가 바람직하다. 어느 경우이든 제 2 버퍼층은 상기 다른 층의 기능을 겸하지 않는 한, 발광 유니트에 대하여 광학간섭의 영향을 배제 하는 것 이외에는, 광학적, 전기적으로 영향을 주지 않는 것이 바람직하다.
도 5는 상기 도 1 및 도 4와 달리 반사미러 없이 버퍼영역을 포함하는 본 발명의 유기 EL소자의 또 다른 실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 제1 투명 버퍼영역 위에 제1 투명전극층(양극), 정공수송층, 유기발광층 및 제2 투명전극층(음극) 및 제2 투명 버퍼영역의 각 층 및 영역이 차례로 형성되어 있다. 또한, 제1 투명 버퍼영역 및 제2 투명 버퍼영역은 각각 인접하는 제1 투명전극층 및 제2 투명전극층의 바같측에 일정이상의 두께로 배치되어 있다. 구체적으로는 발광층의 발광계면으로부터 각각의 투명 버퍼영역의 바깥측 표면(외부로의 광 출사면)까지의 광학거리가 발광층으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상이 되도록 각각의 투명 버퍼영역의 두께가 설정된다.
이러한 상기 도 5에 나타낸 양면발광형 유기 EL소자의 양극측으로부터 외부로 출사되는 광에 대한 간섭의 영향을 배제하기 위해서는, 발광계면으로부터 제 2 투명버퍼영역의 바깥측 표면(외부로의 광 출사면)까지의 각 층의 두께는, 아래의 관계식 (3)을 만족하도록 설정되어야 한다.
Lc≤ do·no+dTO1·nTO1+dB·nB………… (3)
또한, 음극측으로부터 외부로 출사되는 광에 대한 간섭의 영향을 배제하기 위해서는, 발광계면으로부터 제 1 투명 버퍼영역의 바깥측 표면까지의 각 층의 두께는, 아래의 관계식 (4)를 만족하도록 설정되어야 한다.
Lc≤ do'·no+dTO1'·nTO1'+dB'·nB'………… (4)
여기서, 발광영역은 발광층내에서 일정한 폭을 가지는 것으로 판단할 수 있으며, 발광강도가 높다고 생각되는 소정의 위치를 발광계면으로 하여 설계하였다. 예를 들어, 도 5에 나타내는 바와 같은 정공수송층과 유기발광층으로 이루어지는 심플한 구성에서는, 유기발광층의 정공수송층측에서 발광강도가 최대가 된다고 판단되어, 정공수송층과 유기발광층의 계면을 발광계면이라고 생각할 수 있다. 한편, 발광계면으로부터 제 1 투명 버퍼영역 및 발광계면으로부터 제 2 투명 버퍼영역까지의 광학거리에 대하여 특별히 상한(上限)은 없지만, 얇은 유기 EL소자의 이점을 손상시키지 않기 위해서는 1000㎛ 이내로 하는 것이 바람직하다. 한편, 하한은 광학거리(Lc) 이상이 바람직한데, 간섭의 영향을 완전히 배제하기 위해서는 Lc의 2배 정도가 더욱 바람직하다.
또한, 앞에서도 언급한 바와 같이 하나의 발광층을 2종류 이상의 발광재료로 형성했을 경우에는, 각각의 발광재료의 PL 스펙트럼으로부터 산출된 가간섭거리 중의 가장 긴 것을 채용한다.
도 6은 본 발명에 따른 유기 EL소자에 관한 또 다른 실시예의 구조를 나타내는 단면도이다. 본 실시예는 도 4에서와 같이 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는 MPE구조이나 반사미러가 없이 투명 버퍼영역이 형성되어 있다. 이 경우, 3개의 발광 유니트 각각의 발광재료에 관하여 PL 스펙트럼으로부터 가간섭거리(Lc)를 구한다.
도 6에 나타내는 유기 EL소자의 구체적인 구조는, 제 1 투명 버퍼영역 위에 제 1 투명전극층(양극)이 형성되고, 그 위에 제 1 발광계면을 포함하는 제 1 발광 유니트, 제 1 전하발생층, 제 2 발광계면을 포함하는 제 2 발광 유니트, 제 2 전하발생층, 제 3 발광계면을 포함하는 제 3 발광 유니트 및 제 2 투명전극층(음극) 및 제 2 투명 버퍼영역이 순서대로 형성되어 있다.
이와 같은 구조의 유기 EL소자에 있어서, 3개의 발광 유니트의 각각의 발광계면으로부터 방출된 광의 사이에서 간섭이 일어나지 않도록 제 1 투명 버퍼영역 및 제 2 투명 버퍼영역의 각각의 바깥측 표면의 위치를 설정하기 위해서는, 각 발광 유니트의 각각의 발광계면으로부터 방출되는 광의 PL 스펙트럼으로부터 상기 관계식 (1)을 사용하여 각각 가간섭거리를 구하고, 각각의 발광계면으로부터 가간섭거리를 유지한 위치 중, 양극측에 있어서 제 1 투명전극층으로부터 가장 멀리 떨어진 위치 및 음극측에 있어서 제 2 투명전극층으로부터 가장 멀리 떨어진 위치를 구한다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이 양극측, 음극측 모두 Lc1이 각각의 투명전극층으로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 있기 때문에, 제 1 투명 버퍼영역 및 제 2 투명 버퍼영역의 각각의 바깥측 표면을 이 위치로 하거나, 혹은 각 투명전극층에 대하여 이보다 더 떨어진 위치로 설정한다. 이에 의해, 각 발광 유니트로부터 방출되는 광의 간섭의 영향을 모두 배제할 수 있다.
도 5 및 도 6에 있어서, 제 1 투명 버퍼영역 및 제 2 투명 버퍼영역은 고체재료에 의해 형성된 층이어도 좋고, 기체 혹은 액체재료를 충전한 층이어도 좋다. 이 버퍼 영역들을 형성하는 층을, 본 발명에서 버퍼층이라고도 한다. 버퍼영역은 복수의 버퍼층으로 형성되어 있어도 좋고, 복수층으로 이루어지는 경우, 각 층의 굴절율은 동일한 것이 이상적이며, 인접하는 2개 층의 굴절율차는 작은 것이 바람직하다. 또한, 제 1 투명 버퍼영역이 고체재료에 의해 형성된 층, 제 2 투명 버퍼영역이 액체재료를 충전한 층이어도 물론 좋다. 후술하는 실시예와 같이 제 1 투명 버퍼영역은 투명기판이 그 기능을 담당하는 것이어도 좋고, 투명기판과 상기 투명기판의 적어도 어느 하나의 주면에 형성한 버퍼층에서 담당하도록 형성하여도 좋다. 액체재료 및 고체재료는 앞의 버퍼층에 대해 기재한 바와 동일하다. 어느 것이든, 제 1 투명 버퍼영역 및 제 2 투명 버퍼영역은, 발광계면으로부터의 광학거리가 가간섭거리(Lc) 미만의 위치에 굴절율 차가 큰 경계면을 형성하지 않도록 하기 위해 설치되는 것이기 때문에, 투명한 물질로 구성되며, 인접하는 투명전극과의 굴절율의 차가 0.6 이하가 되는 상태를 확보할 수 있으면 어떤 형태여도 상관없다.
도 5에 있어서, 발광계면으로부터 각 투명 버퍼영역의 바깥측 표면까지의 사이에 존재하는 경계면은, 유기층/유기층의 경계면, 유기층/투명전극층의 경계면, 및 투명전극/투명 버퍼영역의 경계면이다. 이 각각의 경계면들은 상술한 바와 같이, 발광계면으로부터의 광학거리가 가간섭거리(Lc) 미만이 되는 위치에 반사면으로서 존재하기 때문에, 반사율이 커지면 강한 간섭을 일으키는 원인이 된다.
그 중에서도 특히, 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역의 경계면이 비교적 큰 반사율의 반사면이 될 가능성이 있다. 예를 들어, 제 2 투명전극층과 경계면을 형성하는 제 2 투명 버퍼영역이 기체 혹은 진공(굴절율 약 1.0)을 충전한 층으로 구성된 경우, 제 2 투명전극층으로서 주로 사용되는 ITO, IZO, ZnO 및 SnO2 등(굴절 율 약 1.95)과의 굴절율 차가 약 0.95가 되어, 이 굴절율 차 0.95의 반사면에서는 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역의 경계면까지의 광학거리 약 300nm에서 제 1 투명전극(양극)측으로부터 출사되는 광에 다소 간섭의 영향이 나타나는 정도이다.
그런데, 본 발명의 다른 실시예인 도 6과 같이, 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는, 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역(기체)의 경계면까지의 광학거리가 매우 긴 구조의 유기 EL소자에서는, 제 1 투명전극(양극)측으로부터 출사되는 광에 간섭의 영향이 더욱 현저히 나타나게 된다.
따라서, 간섭의 발생을 억제하기 위해서는, 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역의 경계면까지의 광학거리에 따라, 제 2 투명전극층을 형성하는 재료와 제 2 투명 버퍼영역을 형성하는 재료를 적절히 선택함으로써 양자의 굴절율의 차를 설정할 필요가 있다.
그래서, 도 5에 나타내는 바와 같은 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역의 경계면까지의 광학거리가 약 300nm인 구조의 양면발광형 유기 EL소자에서는, 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역과의 굴절율의 차를 0.6 이하로 하는 것이 간섭의 발생을 거의 억제하는 것으로 이어지기 때문에 바람직하다.
한편, 도 6에 나타내는 바와 같이, 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는 구조의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서는, 앞의 도 4에서도 언급한 바와 같이 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트 갯수의 증가에 따라 발광계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역의 경계면까지의 광학거리가 증가하기 때 문에, 제 2 투명전극층과 제 2 투명 버퍼영역의 굴절율의 차를 더욱 줄일 필요가 있다.
한편, 제 2 투명전극층과 제 2 투명 버퍼영역의 굴절율차는 0인 것이 가장 바람직하며, 그 경우에는 광학계면으로부터 제 2 투명전극층/제 2 투명 버퍼영역의 경계면까지의 광학거리에 관계없이 간섭의 영향을 억제할 수 있다.
지금까지는 유기 EL소자의 발광계면으로부터 제 2 투명 버퍼영역의 방향으로 방출된 광에 관련된 간섭현상에 대해서만 검토하였지만 발광계면으로부터 투명기판(제 1 투명 버퍼영역)의 방향으로 방출된 광도 마찬가지로 간섭현상에 관련된다.
도 5에 나타내는 유기 EL소자의 구조에 있어서, 발광계면으로부터 투명기판의 방향으로는 유기층/유기층의 경계면, 유기층/제 1 투명전극층의 경계면 및 제 1 투명전극층/제 1 투명 버퍼영역의 경계면이 존재하고, 이 각각의 경계면들은 발광계면으로부터의 광학거리가 가간섭거리(Lc) 미만이 되는 위치에 반사면으로서 존재한다. 따라서, 발광계면으로부터 투명기판의 방향으로 방출되어 이들의 경계면에서 반사된 광과, 발광계면으로부터 제 2 투명전극층의 방향으로 방출된 광에 의해 간섭이 발생하기 때문에, 각각의 경계면을 형성하는 양자의 굴절율의 차를 매우 작게 함으로써, 간섭의 발생을 억제하는 것이 바람직하다.
그 중에서도 특히, 제 1 투명전극층/제 1 투명 버퍼영역의 경계면이 가장 굴절율의 차가 크다. 예를 들어, 제 1 투명 버퍼영역(투명기판)으로서 소다글라스(굴절율 약 1.55)를 사용하고, 제 1 투명전극으로 일반적인 ITO, IZO, ZnO 및 SnO2 등( 굴절율 약 1.95)을 사용하면, 굴절율의 차는 약 0.4가 되어버린다. 이 굴절율단차 약 0.4의 반사면에서는 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리가 약 400nm인 종래의 양면발광형 투명소자에서는 거의 간섭의 영향이 보이지 않는다.
그런데, 도 6과 같이, 복수의 발광위치가 띄엄띄엄 분리하여 복수 존재하는 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리가 매우 긴 구조인 유기 EL소자에서는 간섭의 영향이 현저히 나타나게 된다.
이 경우, 간섭의 발생을 억제하기 위해서는, 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리에 따라, 제 1 투명전극층을 형성하는 재료와 투명기판을 형성하는 재료를 적절히 선택함으로써 양자의 굴절율의 차를 설정할 필요가 있다.
구체적으로는, 제 1 투명전극층과 투명기판 사이에 제 1 투명전극층과의 굴절율의 차가 매우 작은 버퍼층을, 발광계면으로부터 투명기판까지의 광학거리가 발광층으로부터 방출되는 광의 가간섭거리(Lc) 이상이 되는 막두께로 형성한다. 결국, 버퍼영역은 투명기판과 버퍼층에 의해 형성된다. 또한, 제 1 투명전극층에 대하여 굴절율의 차가 매우 작은 투명기판을 사용하면, 투명기판이 버퍼층이 되고, 투명기판에서만 버퍼영역을 형성할 수 있기 때문에, 투명기판 이외의 버퍼층을 설치할 필요가 없다.
제 1 투명전극층에 대하여 굴절율의 차가 매우 작은 투명기판의 재료로서는, 특별히 한정되지는 않지만 일례를 든다면, LaSFN 9(SCHOTT GLAS사 제품)(굴절율 1.85)를 사용할 수 있다.
한편, 제 1 투명전극층과 제 1 투명 버퍼영역의 굴절율차는 0인 것이 가장 바람직하며, 그 경우에는 발광계면으로부터 제 1 투명전극층/제 1 투명 버퍼영역의 경계면까지의 거리에 관계없이 간섭의 영향을 억제할 수 있다.
이러한 투명 기판의 재료로는 상술한 도 1에서와 같은 재료를 사용할 수 있다. 이때 막두께는 10~500nm의 범위내인 것이 바람직하다.
이하, 상기한 본 발명의 도 1, 도 4, 도 5 및 도 6에 따른 유기 EL소자를 제조하는 구체적인 실시예를 설명한다.
우선, 도 1의 구조를 기본구조로 채용하는 실시예 1 내지 9의 유기 EL구조에 있어서, 공통되는 구성요소를 설명한다.
투명기판이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 형성하였다. ITO의 시트저항은 10Ω/□이다. 그리고, ITO 투명전극을 소정의 형상으로 에칭하고, 아세톤 및 이소프로필 알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조하였다. 또한, UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 100nm의 두께로 증착하였다. 이어서, 도 7에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 청색발광재료(이하, 청색발광 도펀트라고 함)를 중량비 1%의 농도로 첨가한 유기발광층을 함께 증착하고, 그 위에 전자주입층을 미량 증착 막형성하며, 그 위에 제 2 투명전극(음극)으로서 IZO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 50nm의 두께로 막형성하고, 그 위에 제 1 버퍼층으로서 SiO를 막형성하며, 다시 그 위에 반사미러로서 Al을 200nm의 막두께로 증착하였다. 한편, SiO층의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.90이었다.
실시예 1~9에서는 각각 제 1 버퍼층으로서 형성한 SiO층의 막두께가 서로 다르며, 그에 따라 발광계면으로부터 Al 반사미러까지의 광학거리가 서로 다르다. 실시예 1~9에서 서로 다른 이들의 요소를 아래의 표 1에 나타낸다.
실시예 No. 제 1 버퍼(SiO)층의 막두께(nm) 발광계면으로부터 Al반사미러까지의 광학거리(nm)
실시예 1 525 1285
실시예 2 784 1776
실시예 3 998 2183
실시예 4 1699 3515
실시예 5 2595 5217
실시예 6 3841 7585
실시예 7 4815 9435
실시예 8 6373 12395
실시예 9 7638 14800
또한, 실시예 10에서는 글라스 기판에서 IZO 투명전극까지의 구성은 상기 실시예 1 내지 9와 마찬가지이지만, 제 1 버퍼층 및 반사미러 대신에 IZO 투명전극 상에 약 0.5mm 두께의 오일층을 형성한 구조를 가진다. 오일의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.55였다.
또한, 실시예 11은 상기 실시예 10의 오일층 대신에, IZO 투명전극과 반사미러로 구성된 18㎛의 틈에 N2가스를 충전한 구조이다. 반사미러는 기판에 Ag를 증착한 것으로, 이 반사미러를 반사면이 IZO 투명기판과 마주보도록 배치하고, 반사미러와 IZO 투명전극의 틈의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하여 접착·고정하여, 반사미러와 ITO 투명전극과 시일제로 둘러쌓인 공간에 N2가스를 충전한 것이다.
또한, 실시예 12는 상기 실시예 11의 N2가스 대신, 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.55인 오일을 충전한 것이다.
또한, 실시예 13은 도 4의 구조를 기본구조로서 채용하는 유기 EL소자이다. 단, 이 경우에는 발광위치를 2개로 구성하고 있다. 구체적인 구조로, 투명기판이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 형성하였다. ITO의 시트저항은 10Ω/□이다. 그리고, ITO 투명전극을 소정의 형상으로 에칭하고, 아세톤 및 이소프로필알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조하였다. 다시, UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 형성하였다. 이어서, 도 7에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 청색발광 도펀트를 중량비 1%의 농도로 첨가한 유기발광층을 함께 증착하였다. 이 정공수송층과 유기발광층의 적층구조를 발광 유니트로 하고, 이 발광 유니트 위에 전하발생층을 형성한 후에 황색발광 도펀트를 첨가한 유기발광층을 가지는 다른 발광 유니트를 형성하였다. 다시 그 위에 전자주입층을 미량 증착하고, 그 위에 IZO 투명전극을 형성하였다. 그리고, 기판에 Ag를 증착한 반사미러를 반사면이 IZO 투명기판과 마주보도록 배치하고, 반사미러와 IZO 투명전극의 틈의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하여 접착·고정하여, 반사미러와 ITO 투명전극과 시일제로 둘러쌓인 공간에 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.6인 오일을 충전한 것이다.
실시예 14 내지 실시예 20은 도 5의 구조를 기본 구조로서 채용한다. 제조방법은 다음과 같다.
실시예 14에 따른 유기 EL소자는 제 1 투명 버퍼영역(투명기판)이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 100nm의 두께로 형성하였다. 글라스 기판의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.55이고, ITO는 굴절율이 450nm인 파장의 광에 대하여 1.95, 시트저항치는 10Ω/□였다. 그리고, ITO 투명전극을 소정의 형상으로 에칭하고, 아세톤 및 이소프로필 알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조하였다. 이 글라스 기판을 다시 UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 100nm의 두께로 증착하였다. 이어서, 도 7에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 청색발광재료(이하, 청색발광 도펀트라고 함)를 중량비 1%의 농도로 함께 증착하여 유기발광층을 85nm의 두께로 형성하고, 그 위에 전자주입층을 미량 증착하며, 그 위에 제 2 투명전극(음극)으로서 IZO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 50nm의 두께로 막형성하였다. 유기발광층의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.80이고, IZO 투명전극의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.95였다. 그리고 또한 IZO 투명전극의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하고, 그 위에 IZO 투명전극과 마주보도록 밀봉용 글라스 기판을 배치하여 접착·고정하여, IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.55의 오일은 충전한 것이다.
실시예 15는 실시예 14에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.33의 오일을 충전한 것만 다르며, 그 이외에는 실시예 14와 동일하다.
실시예 16은, 실시예 14에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.37의 오일을 충전한 것만 다르며, 그 이외에는 실시예 14와 동일하다.
실시예 17은, 실시예 14에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.43의 오일을 충전한 것만 다르며, 그 이외에는 실시예 14와 동일하다.
실시예 18은 제 1 투명 버퍼영역(투명기판)이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 125nm의 두께로 형성하였다. 글라스 기판의 굴절율은 560nm 파장의 광에 대하여 1.53이며, ITO는 굴절율이 560nm 파장의 광에 대하여 1.90, 시트 저항치는 10Ω/□였다. 그리고, ITO 투명전극을 소정 형상으로 에칭하여, 아세톤 및 이소프로필알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조시켰다. 이 글라스 기판을 다시 UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 100nm의 두께로 증착하였다. 이어서, 도 8에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 황색발광 재료(이하 ,황색발광 도펀트라고 함)를 중량비 1%의 농도로 함께 증착하여 유기발광층을 80nm의 두께로 형성하고, 그 위에 전자주입층을 미량 증착하며, 그 위에 제 2 투명전극(음극)으로서 IZO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 50nm의 두께로 형성하였다. 유기발광층의 굴절율은 560nm 파장의 광에 대하여 1.75이고, IZO 투명전극의 굴절율은 560nm 파장의 광에 대하여 1.90이었다. 그리고 또한 IZO 투명전극의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하고, 그 위에 IZO 투명전극과 마주보도록 밀봉용 글라스 기판을 배치하여 접착·고정하여, IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.55의 오일은 충전한 것이다.
실시예 19는, 실시예 18에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.33의 오일을 충전한 것만 다르며, 그 이외에는 실시예 18과 동일하다.
실시예 20은, 실시예 18에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.43의 오일을 충전한 것만 다르며, 그 이외에는 실시예 18과 동일하다.
실시예 21은 도 6의 구조를 기본구조로서 채용하고 있다. 단, 이 경우에는 발광위치를 2개로 구성하고 있다. 구체적인 구성은, 투명기판이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 형성하였다. ITO의 시트저항은 10Ω/□이다. 그리고, ITO 투명전극을 소정의 형상으로 에칭하고, 아세톤 및 이소프로필알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조하였다. 이 글라스 기판을 다시 UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 형성하였다. 이어서, 도 7에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 청색발광 도펀트를 중량비 1%의 농도로 함께 증착하여 유기발광층을 형성하였다. 이 정공수송층과 유기발광층의 적층구조를 발광 유니트로 하고, 이 발광 유니트 위에 전하발생층을 형성한 후에 도 8에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 황색발광 도펀트를 중량비 1%의 농도로 함께 증착한 유기발광층을 가지는 다른 발광 유니트를 형성하였다. 다시 그 위에 전자주입층을 미량 증착하고, 그 위에 음극으로서 IZO 투명전극을 50nm의 두께로 형성하였다. 유기발광층의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.80이며, IZO 투명전극의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.95였다. 그리고 또한 IZO 투명전극의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하고, 그 위에 IZO 투명전극과 마주보도록 밀봉용 글라스 기판을 배치하여 접착·고정하여, IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 굴절율 1.60의 오일을 충전한 것이다. 이상의 구성에 의해 2군데의 발광부가 띄엄띄엄 존재하는 유기 EL소자로 하였다.
또한 비교를 위하여 다음과 같이 비교예에 따른 유기 EL소자를 제조하였다. 비교예 1~3은 도 34에 나타내는 종래의 유기 EL소자의 구조를 기본구조로 채용하고 있다. 비교예 1의 구조는 투명기판이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 형성하였다. ITO의 시트저항은 10Ω/□이다. 그리고, ITO 투명전극을 소정의 형상으로 에칭하고, 아세톤 및 이소프로필알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조하였다. 또한, UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 100nm의 막두께로 증착하였다. 이어서, 도 7에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 청색발광 도펀트와 중량비 1%의 농도로 첨가한 유기발광층을 62nm의 두께로 함께 증착하였다. 또한, 그 위에 전자주입층을 미량 증착하여 형성하고, 그 위에 음극으로서 Al을 200nm의 막두께로 증착하였다. 한편, 유기발광층의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.80이었다.
이 경우, 발광계면으로부터 Al음극까지의 광학거리는 112nm로, 피크발광파장 450nm의 대략 1/4였다.
비교예 2의 구조는 상기 비교예 1의 구조와 마찬가지이지만, 청색 도펀트를 첨가하여 함께 증착한 유기발광층의 막두께를 105nm로 하고, 발광계면으로부터 Al음극까지의 광학거리는 189nm이며, 피크 발광파장 450nm의 홀수배에서 벗어나는 것이 다르다.
비교예 3의 구조는 글라스 기판으로부터 청색 도펀트를 첨가하여 함께 증착한 유기발광층까지의 구성은 상기 비교예 2와 마찬가지이지만, 청색 도펀트를 첨가하여 함께 증착한 유기발광층 위에 전자주입층을 미량 증착 형성하고, 그 위에 IZO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 50nm의 두께로 형성하며, 또한 그 위에 Al을 반사미러로서 200nm의 두께로 형성한 점이 다르다. 한편, IZO 투명전극의 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.95였다. 그 결과, 발광계면으로부터 Al 반사미러까지의 광학거리는 286nm가 되며, 비교예 2와 마찬가지로 피크 발광파장 450nm의 홀수배에서 벗어나게 되었다.
비교예 4는 비교예 3에 대하여 Al 반사미러를 제거하고, IZO 투명전극 위를 N2 분위기로 한 것이다.
비교예 5는 도 4의 구조를 기본구조로서 채용하고 있다. 단, 이 경우에는 발광위치를 2개로 구성하고 있다. 구체적인 구조로서는 투명기판이 되는 글라스 기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 되는 ITO 투명전극을 스퍼터링법에 의해 형성하였다. ITO의 시트저항은 10Ω/□이다. 그리고, ITO 투명전극을 소정의 형상으로 에칭하고, 아세톤 및 이소프로필알코올 등으로 초음파 세정한 후에 건조하였다. 또한, UV-O3 세정한 후에 진공증착조 안에 세트하여 조 안을 약 1×10-5Torr까지 감압하고, ITO 투명전극 위에 정공수송층을 형성하였다. 이어서, 도 7에 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 청색발광 도펀트를 중량비 1%의 농도로 첨가한 유기발광층을 함께 증착하였다. 이 정공수송층과 유기발광층의 적층구조를 발광 유니트로 하고, 이 발광 유니트 위에 전하발생층을 형성한 후에 황색발광 도펀트를 첨가한 유기발광층을 가지는 다른 발광 유니트를 형성하였다. 또한 그 위에 전자주입층을 미량 증착하고, 마지막으로 Al음극을 200nm의 두께로 증착하였다.
또한 비교예 6은 실시예 14~17에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 N2가스를 충전한 것만 다르고, 그 이외에는 실시예 14~17과 동일하다.
비교예 7은, 실시예 18~20에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 N2가스를 충전한 것만 다르고, 그 이외에는 실시예 18~20과 동일하다.
비교예 8은, 실시예 21에 대하여 IZO 투명전극과 밀봉용 글라스 기판과 시일제로 둘러쌓인 공간에 N2가스를 충전한 것만 다르고, 그 이외에는 실시예 21과 동일하다.
이상, 본 발명의 유기 EL소자에 따른 실시예 1~21 및 비교예 1~8에 대하여 설명하였는데, 이들의 광학 특성은 다음과 같다.
도 9는 비교예 1~3의 종래구조의 유기 EL소자에 대한 발광 스펙트럼을 나타내고 있다. 비교예 1의 유기 EL소자는 발광계면으로부터 Al전극까지의 광학거리를 대략 λp/4(발광광의 피크 파장 λp=450nm)로 한 소자이며, 발광 스펙트럼 분포는 도 7에 나타내는 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 거의 마찬가지의 형태를 가진다.
한편, 비교예 2와 같이 유기발광층의 두께가 105nm가 되면, 발광 스펙트럼 분포가 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 크게 다르게 된다. 이것은 발광계면으로부터 Al 전극까지의 광학거리가 λp/4(발광광의 피크파장 λp=450nm)의 홀수배에서 벗어나 있기 때문이다. 또한, 비교예 3도 마찬가지로 발광계면으로부터 Al전극까지의 광학거리가 λp/4(발광광의 피크파장 λp=450nm)의 홀수배에서 벗어나 있어, 청색 도펀트의 PL 스펙트럼의 분포와 다르게 되어 있다.
도 10은 실시예 1의 발광 스펙트럼, 도 11은 실시예 4의 발광 스펙트럼, 도 12는 실시예 6의 발광 스펙트럼, 도 13은 실시예 9의 발광 스펙트럼을 나타내고 있다.
도 10에 나타내는 실시예 1의 유기 EL소자의 발광 스펙트럼 분포는, 간섭의 영향에 의해 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼과 크게 다르게 되어 있지만, 실시예 2~9와 같이 버퍼(SiO)층의 두께를 두껍게 하여 발광계면의 Al 반사미러까지의 광학거리를 늘려 가면, 도 11 내지 도 13에 나타내는 바와 같이, 발광 스펙트럼 분포는 점차 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 가까워져 간다.
그래서, 발광 스펙트럼 분포의 근사도를 개관적으로 나타내는 방법으로서 '변조의 정도'의 개념을 도입하였다. 그것은 먼저 각 파장에 있어서, 비교의 대상이 되는 광의 발광 스펙트럼 분포의 상대광도를, 기준이 되는 광의 발광 스펙트럼 분포의 상대광도로 나누어 변조 스펙트럼 분포를 산출한다. 그리고, 변조 스펙트럼 분포에 있어서, 근사도를 구하고자 하는 발광파장 범위내에 존재하는 최대값(IMAX)과 최소값(IMIN)으로부터 아래의 식을 사용하여 '변조의 정도(V)'를 산출하는 것이다.
V=(IMAX-IMIN)/(IMAX)+IMIN)
도 14는 일례로서 실시예 1의 유기 EL소자로부터 방출되는 광을 비교광으로 하고, 청색발광 도펀트로부터 방출되는 광을 기준광으로 했을 때의 변조 스펙트럼 분포를 나타내고 있다. 그리고, 이 변조 스펙트럼 분포와 상기 식으로부터 변조의 정도가 산출된다.
도 15는 비교광을 실시예 1~9 및 비교예 2의 유기 EL소자로부터 방출되는 광으로 하고, 기준광을 청색발광 도펀트로부터 방출되는 광으로 하여, 실시예 1~9 및 비교예 2의 유기 EL소자에서의 '발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리'와 '변조의 정도'의 관계를 나타낸 것이다. 발광계면으로부터 음극(반사미러)까지의 광학거리가 수십~수백nm 정도인 유기 EL소자에서의 변조의 정도는 거의 1에 가까운 값을 나타낸다. 예를 들어, 비교예 2의 유기 EL소자에서의 변조의 정도는 0.94였다. 이에 대하여 도면에서 점선으로 나타낸 청색발광 도펀트의 방출하는 광의 가간섭거리(Lc)와 동등한 값(4218nm)에서의 변조의 정도는 약 0.36으로, 다소의 간섭은 발생하지만, 그 영향은 크게 줄어든 것이 인정되었다. 따라서, 유기 EL소자에 있어서, 간섭의 영향을 최소한으로 억제하기 위해서는, 상기 방법으로 구해지는 '변조의 정도'를 약 0.36 이하로 하는 것이 하나의 기준이 되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 유기 EL소자는 자발광 소자인 것이 특징이며, 그 때문에 발광색도 중요한 요건 중의 하나이다. 그래서, 실시예 1~9 및 비교예 1~4의 유기 EL소자에서의 '발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리'와 발광광의 '색도'의 관계를 나타낸 것이 도 16 및 도 17이며, 도 16은 색도좌표(x)를, 도 17은 색도좌표(y)를 나타내고 있다.
비교예 1~3과 같이 발광계면으로부터 음극(반사미러)까지의 광학거리가 수십~수백nm 정도인 유기 EL소자에서는 막두께가 미소하게 변한 것만으로도, 발광광의 색도(x,y)가 대폭 변하는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 실시예 1~9와 같이 발광계면으로부터 음극(반사미러)까지의 광학거리를 늘려가, 도면에서 점선으로 나타낸 청색발광 도펀트의 방출하는 광의 가간섭거리(Lc)와 동등한 값(4218nm) 이상으로 하면, 청색발광 도펀트가 본래 방출하는 광의 색도(PL 발광시)에 대한 차는 x,y 모두 0.01 이하까지 수속(收束, convergence)해 가는 것을 알 수 있다.
결국, 발광계면으로부터 음극(반사미러)까지의 광학거리가 클수록, 간섭의 억제효과가 커지지만, 거리가 작은 경우에도 본 발명의 구성으로 함으로써, 비교예의 구성보다도 간섭의 억제효과를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 특히, 상기 광학거리를 청색발광 도펀트의 방출하는 광의 가간섭거리(Lc)와 마찬가지의 값(4218nm) 이상으로 함으로써, 청색발광 도펀트가 본래 방출하는 광의 색도를 거의 재현할 수 있어, 막두께가 다소 변하여도 색도는 거의 변하지 않는 것을 알 수 있다.
지금까지는 청색발광 도펀트를 첨가한 유기발광층을 가지는 유기 EL소자의 특성에 대하여 설명하였는데, 도 18에서 나타내는 바와 같은 PL 스펙트럼의 분포의 광을 방출하는 녹색발광 도펀트 및 적색발광 도펀트를 첨가한 유기발광층을 가지는 유기 EL소자에 대해서도 특성을 확인하였다. 실시예 1~9의 유기 EL소자와 마찬가지의 구조에 있어서, 유기발광층에 첨가하는 도펀트를 녹색발광 도펀트 및 적색발광 도펀트로 하고, 각각의 도펀트로부터 방출되는 광의 가간섭거리(Lc)와 같은 값(4992nm 및 5362nm)에서의 변조의 정도를 아래의 표 2에 나타낸다. 청색 이외의 다른 발광색의 유기 EL소자에 있어서도 청색발광의 유기 EL소자의 경우와 마찬가지의 결과를 확인하였다.
도펀트의 발광색 PL스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc) 변조의 정도
청색 4218 0.360
녹색 4992 0.340
적색 5362 0.355
도 19는 비교예 4 및 실시예 10의 유기 EL소자의 글라스 기판으로부터 방사되는 광의 발광 스펙트럼을 나타내고 있다. 비교예 4와 실시예 10의 구조의 차이는, 비교예 4에서는 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.95인 IZO 투명전극 위를 N2분위기로 한대 반하여, 실시예 10에서는 마찬가지의 IZO 투명전극 위에 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.55인 오일층을 약 0.5mm의 두께로 설치하였다.
따라서, 비교예 4에서의 IZO 투명전극과 N2 분위기의 굴절율차는 0.95이며, 실시예 10에서의 IZO 투명전극과 오일층의 굴절율 차이는 0.4이다. 그런데, 비교예 4와 실시예 10의 발광 스펙트럼 분포를 비교하면, 비교예 4의 발광 스펙트럼의 분포는 도 7에 나타내는 청색발광 도펀트가 방출하는 광의 스펙트럼 분포와 달리, 간섭의 영향을 반영하고 있는데 대하여, 실시예 10의 발광 스펙트럼 분포는 청색발광 도펀트가 방출하는 광의 스펙트럼 분포와 거의 같았다.
이에 의해, 경계평면을 형성하는 2개 층의 굴절율 차가 0.95 정도여도 간섭을 일으키는 원인이 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동시에 이 굴절율차를 작게 함으로써, 간섭의 문제를 해결할 수 있는 것도 확인할 수 있었다.
도 20은 실시예 11 및 실시예 12의 유기 EL소자의 글라스 기판으로부터 방사되는 광의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 실시예 11과 실시예 12의 구조의 차이는, 기판에 Ag을 증착한 반사미러를 반사면이 IZO 투명기판과 마주보도록 배치하고, 반사미러와 IZO 투명전극의 틈의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하여 접착·고정하여, 반사미러와 IZO 투명전극과 시일제로 둘러싸인 틈을 형성한 구조에 있어서, 실시예 11의 유기 EL소자의 경우에는 이 간격에 N2 가스를 충전하였고, 실시예 12의 유기 EL소자에서는 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.55인 오일을 충전한 구조로 되어 있는 것이다.
IZO 투명전극 위를 단순히 N2 분위기로 한 구조인 비교예 4의 발광 스펙트럼 분포(도 19)와, IZO 투명전극 위를 N2 분위기로 하고 그 위에 Ag를 증착한 반사미러를 형성한 구조인 실시예 11의 발광 스펙트럼의 분포를 비교하면, 실시예 11의 발광 스펙트럼의 분포 쪽이 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 가깝다. 즉, IZO 투명전극에 마주보도록 설치한 반사미러에 의해 간섭의 영향을 억제할 수 있다는 것을 알았다.
또한, IZO 투명전극과 반사미러의 틈에 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.55인 오일을 충전한 구조인 실시예 12의 발광 스펙트럼 분포는, 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 거의 동등하다.
도 21 및 도 22는 각각 청색발광 도펀트를 함께 증착한 유기발광층을 가지는 발광 유니트와, 황색발광 도펀트를 함께 증착한 유기발광층을 가지는 발광 유니트의 2군데의 발광부가 띄엄띄엄 존재하는 구조의 유기 EL소자인 비교예 5 및 실시예 13의 발광 스펙트럼이다.
비교예 5와 실시예 13의 구조의 차이는, 비교예 5의 경우, 전자주입층 위에 음극이 되는 Al을 직접 200nm의 두께로 형성한 구조인데 반하여, 실시예 13의 경우에는 전자주입층 위에 IZO 투명전극을 형성하고, 또한 기판에 Ag를 증착한 반사미러를 반사면이 IZO 투명기판과 마주보도록 배치하며, 반사미러와 IZO 투명전극의 틈의 바깥둘레부에 18㎛의 갭제를 분산한 UV 경화성 시일제를 도포하여 접착·고정하여, 반사미러와 ITO 투명전극과 시일제로 둘러쌓인 공간에 450nm 파장의 광에 대하여 굴절율이 1.6인 오일을 충전한 구조로 되어 있는 것이다.
도 21에 나타내는 비교예 5의 구조의 유기 EL소자의 발광 스펙트럼은, 유기 EL소자의 발광면을 발광면의 법선방향(0deg)에서 본 경우, 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포 및 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포 모두를 재현하고 있지 않으며, 감시각도(발광면의 법선에 대한 교각이 30dge 및 60dge)에 따라 스펙트럼 분포가 현저히 달라져 있다.
이에 대하여, 도 22에 나타내는 실시예 13의 구조의 유기 EL소자의 발광 스펙트럼은, 상기와 마찬가지로 발광면을 법선방향에서 본 경우, 청색발광 도펀트의 PL스펙트럼 분포 및 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포 모두를 재현하고 있으며, 감시각도가 변하여도 스펙트럼 분포의 변화가 거의 없다.
그 결과, 본 발명의 유기 EL소자에서는 유기 EL소자의 구조가, 2장의 마주보는 투명전극에 의해 끼워진 유기층이 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트를 복수개 가진 것으로, 각 발광 유니트가 적어도 1층으로 이루어지는 전하발생층에 의해 나누어진 유기 EL소자에 있어서도, 1층의 발광층을 가지는 유기 EL소자와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것을 알았다.
실시예 14~17 및 비교예 6에 관한 광학특성을 설명한다. 도 23은 비교예 6의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서, 글라스 기판측 및 밀봉용 글라스 기판측에서 출사된 광을 측정하여 얻은 발광 스펙트럼과, 유기발광층에 첨가된 청색발광 도펀트 특유의 발광 스펙트럼을 동일 그래프상에 플롯(plot)한 것이다.
이 그래프에서 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼은 서로 다른 스펙트럼 분포를 나타낸다. 이는 글라스 기판측으로부터 출사되는 광과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조가 미묘하게 다르다는 것을 의미한다.
또한, 밀봉용 글라스 기판측에서 출사되는 광의 스펙트럼 분포는 청색발광 도펀트의 PL(포토루미네센스) 스펙트럼 분포와 거의 동일한데 반하여, 글라스 기판측에서 출사된 광의 스펙트럼 분포는 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 다르게 되어 있다.
이것은 밀봉용 글라스 기판측에서 출사되는 광에 대해서는, 발광계면으로부터의 거리가 도 7에 나타내는 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc) 4.2㎛ 미만의 범위내에 존재하는 ITO 투명전극과 글라스 기판의 경계면에서 굴절율의 차가 존재하지만, 굴절율단차가 0.4인 반사면으로서 작용하기 때문에 간섭의 영향을 그다지 받지않는 것으로 생각된다.
한편, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광에 대해서는, 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 4.2㎛ 미만의 범위내에 존재하는 IZO 투명전극과 N2가스의 경계면에 있어 굴절율의 차가 존재하고, 굴절율단차가 0.95인 반사면으로서 작용하기 때문에 간섭의 영향을 크게 받는 것으로 생각된다.
도 24는 실시예 14의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서, 글라스 기판측 및 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사된 광을 측정하여 얻어진 발광 스펙트럼과, 유기발광층에 첨가된 청색발광 도펀트 특유의 발광 스펙트럼을 동일 그래프상에 플롯한 것이다.
이 그래프에 있어서, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 스펙트럼 분포와 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 스펙트럼 분포는 거의 동일하며, 또한 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와도 거의 동일하게 되어 있다. 이것은 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 4.2㎛ 미만의 범위내에 존재하는 ITO 투명전극과 글라스 기판의 경계면, 및 IZO 투명전극과 굴절율 1.55인 오일의 경계면에 있어서 굴절율의 차가 존재하지만, 각각의 굴절율단차가 모두 0.4인 반사면으로서 작용하기 때문에, 간섭의 영향을 그다지 받지 않는 것으로 보여진다.
이것은 글라스 기판측으로부터 출사되는 광과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조가 거의 동일한 동시에, 유기발광층에 첨가된 청색발광 도펀트의 스펙트럼 분포의 광이 거의 충실하게 출사되고 있는 것을 의미한다.
또한, 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 4.2㎛ 미만의 범위내에서 굴절율단차가 존재한다고 하여도, 굴절율단차를 매우 작은 값으로 함으로써 외부로 출사되는 광에 대한 간섭의 영향을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 25는 실시예 14~17 및 비교예 6에 있어서, IZO 투명전극과 상기 IZO 투명전극과 경계면을 형성하는 물질의 굴절율단차에 대하여, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조(x,y)를 나타낸 것이다. 굴절율단차가 작아짐에 따라 글라스 기판측으로부터 출사되는 광에 대한 간섭의 영향이 작아지며, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조(x,y)가 청색발광 도펀트 특유의 PL 스펙트럼으로부터 구한 색조(x,y)와 가까워져 가는 것을 알 수 있다.
그리고, 굴절율단차가 0.6 이하가 되면 청색발광 도펀트의 색조(x,y)에 대한 벗어남이 0.01 이하가 되어, 인간의 색식별능력으로는 식별할 수 없는 영역까지 색도 벗어남을 억제할 수 있게 되는 것을 알았다.
이상의 결과로부터, 0.95정도의 굴절율의 차라도, 그것이 유기발광층의 발광계면으로부터의 거리가 광학거리로 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리(Lc) 미만의 범위내에 존재하는 경우에는, 간섭을 일으키는 요인이 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 이 굴절율의 차를 줄임으로써 간섭의 영향을 억제할 수 있음을 알게 되었다.
이어서, 실시예 18~20 및 비교예 7에 관한 광학특성을 설명한다. 도 26은 비교예 7의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서, 글라스 기판측 및 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광을 측정하여 얻은 발광 스펙트럼과, 유기발광층에 첨가된 황색발광 도펀트 특유의 발광 스펙트럼을 동일한 그래프상에 플롯한 것이다.
이 그래프에서 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼은 서로 다른 스펙트럼 분포를 나타낸다. 이는 글라스 기판측으로부터 출사되는 광과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조가 미묘하게 다르다는 것을 의미한다.
또한, 밀봉용 글라스 기판측에서 출사되는 광의 스펙트럼 분포는 황색발광 도펀트의 PL(포토루미네센스) 스펙트럼 분포와 거의 동일한데 반하여, 글라스 기판측에서 출사된 광의 스펙트럼 분포는 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와 다르게 되어 있다.
이것은 밀봉용 글라스 기판측에서 출사되는 광에 대해서는, 발광계면으로부터의 거리가 도 8에 나타내는 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc) 4.8㎛ 미만의 범위내에 존재하는 ITO 투명전극과 글라스 기판의 경계면에서 굴절율의 차가 존재하지만, 굴절율단차가 0.37인 반사면으로서 작용하기 때문에 간섭의 영향을 그다지 받지않는 것으로 생각된다.
한편, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광에 대해서는, 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 4.8㎛ 미만의 범위내에 존재하는 IZO 투명전극과 N2가스의 경계면에 있어 굴절율의 차가 존재하고, 굴절율단차가 0.90인 반사면으로서 작용하기 때문에 간섭의 영향을 크게 받는 것으로 생각된다.
도 27은 실시예 18의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서, 글라스 기판측 및 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사된 광을 측정하여 얻어진 발광 스펙트럼과, 유기발광층에 첨가된 황색발광 도펀트 특유의 발광 스펙트럼을 동일 그래프상에 플롯한 것이다.
이 그래프에 있어서, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 스펙트럼 분포와 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 스펙트럼 분포는 거의 동일하며, 또한 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포와도 거의 동일하게 되어 있다. 이것은 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 4.8㎛ 미만의 범위내에 존재하는 ITO 투명전극과 글라스 기판의 경계면, 및 IZO 투명전극과 굴절율 1.55인 오일의 경계면에 있어서 굴절율차가 존재하지만, 각각의 굴절율단차가 0.37 및 0.35인 반사면으로서 작용하기 때문에, 간섭의 영향을 그다지 받지 않는 것으로 보여진다.
이것은 글라스 기판측으로부터 출사되는 광과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조가 거의 동일한 동시에, 유기발광층에 첨가된 황색발광 도펀트의 스펙트럼 분포의 광이 거의 충실하게 출사되고 있는 것을 의미한다.
또한, 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 4.8㎛ 미만의 범위내에서 굴절율단차가 존재한다고 하여도, 굴절율단차를 매우 작은 값으로 함으로써 외부로 출사되는 광에 대한 간섭의 영향을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 28은 실시예 18~20 및 비교예 7에 있어서, IZO 투명전극과 상기 IZO 투명전극과 경계면을 형성하는 물질의 굴절율단차에 대하여, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조(x,y)를 나타낸 것이다. 굴절율단차가 작아짐에 따라 글라스 기판측으로부터 출사되는 광에 대한 간섭의 영향이 작아지며, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조(x,y)가 황색발광 도펀트 특유의 PL 스펙트럼으로부터 구한 색조(x,y)와 가까워져 가는 것을 알 수 있다.
그리고, 굴절율단차가 0.6 이하가 되면 황색발광 도펀트의 색조(x,y)에 대한 벗어남이 0.01 이하로 억제되는 것을 알았다.
발광계면으로부터 거의 동일한 광학거리의 위치에 굴절율단차를 가지는 복수의 유기 EL소자의 경우, 발광계면으로부터 방출되는 광의 파장이 긴 파장일수록 굴절율단차가 다소 커도 색도의 벗어남을 줄일 수 있다. 또한, 인간의 색도차에 대한 감도는 청색부근에서 높고, 그 밖의 녹색, 황색 및 적색 부근에서는 청색부근에 비교하여 낮아진다. 따라서, 청색부근의 색은 약간의 색도차라도 감지할 수 있지만, 녹색, 황색 및 적색 부근의 광은 보다 큰 색도차가 없으면 감지할 수 없다.
따라서, 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 미만의 범위내에 굴절율단차가 존재하는 경우, 그 굴절율단차를 0.6 이하로 하여 색도(x,y) 벗어남을 x,y 모두 0.01이하로 억제함으로써, 어떠한 색조라도 발광재료 특유의 광원색과 동등하다고 인식할 수 있는 광을 얻을 수 있다.
다음으로, 실시예 21 및 비교예 8에 관한 광학특성을 설명한다. 도 29는 비교예 8의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서, 글라스 기판측 및 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광을 측정하여 얻은 발광 스펙트럼을 동일 그래프상에 플롯한 것이다.
이 그래프에서 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼은 현저히 다른 스펙트럼 분포를 나타낸다. 이는 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 발광 스펙트럼과 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색조가 현저하게 다르다는 것을 의미한다.
이는 밀봉용 글라스 기판측에서 출사되는 광에 대해서는, 500nm보다 짧은 파장측의 스페스럼 분포는 도 7에 나타내는 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포에 가깝고, 510nm보다 긴 파장측의 스펙트럼 분포는 도 8에 나타내는 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포에 가깝게 되어 있다. 이는 상기 비교예 6 및 비교예 7과 마찬가지로, 글라스 기판과 ITO 투명전극과의 굴절율단차가 비교적 작기 때문으로 생각된다.
한편, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광에 대해서는, 도 7에 나타내는 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc)는 약 4.2㎛, 도 8에 나타내는 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc)는 약 4.8㎛이며, 따라서 적어도 황색 광을 방출하는 발광계면으로부터의 거리가 광학거리로 4.8㎛ 미만의 범위내에 굴절율단차가 큰 경계면이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 그런데, IZO 투명전극과 상기 IZO 투명전극과 경계면을 형성하는 N2가스와의 굴절율차 0.95에 의한 반사면이 존재하기 때문에, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광이 간섭의 영향을 받는 것이라고 생각된다.
도 30은 IZO 투명전극과 상기 IZO 투명전극과 경계면을 형성하는 물질을 굴절율 1.60의 오일로 하고, 양자의 굴절율차가 0.35인 실시예 21의 양면발광형 유기 EL소자에 있어서, 글라스 기판측 및 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사된 광을 측정하여 얻은 발광 스펙트럼을 동일 그래프 상에 플롯한 것이다.
상기 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광과 마찬가지로, 글라스 기판측으로부터 출사되는 광에 대해서도, 500nm보다 짧은 파장측의 스펙트럼 분포는 도 7에 나타내는 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포에 가깝고, 510nm보다 긴 파장측의 스펙트럼 분포는 도 8에 나타내는 황색발광 도펀트의 PL 스펙트럼 분포에 가깝게 되어 있다. 그 결과, 밀봉용 글라스 기판측으로부터 출사되는 광과 글라스 기판측으로부터 출사되는 광은 색조가 거의 일치되어 있다. 또한, 실시예 14~22에서는 제 2 투명 버퍼영역은 각 굴절율을 가지는 오일층으로 형성되어 있다. 제 2 투명 버퍼영역을 오일층과 밀봉용 글라스 기판으로 형성할 수도 있지만, 발광계면으로부터 발광광의 가간섭거리가 밀봉용 글라스 기판내에 존재하기 때문에, 오일층과 밀봉용 글라스 기판의 계면에서의 굴절율단차도 0.6 이하로 한다.
즉, 발광계면으로부터의 거리가 가간섭거리(Lc) 미만의 범위내에 존재하는 굴절율단차를 매우 작은 값으로 함으로써, 외부로 출사되는 광에 대한 간섭의 영향이 효과적으로 억제되고 있다.
한편, 발광재료 특유의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 색도(x,y)에 대하여 밀봉용 글라스 기판측 및 각각의 글라스 기판측으로부터 출사되는 광의 색도(x,y)의 벗어남을 x,y 모두 0.01 이하로 억제하였다고 해도, 발광재료 특유의 PL 스펙트럼으로부터 구해지는 색도(x,y)를 기준으로 했을 때, 밀봉용 글라스 기판측 및 글라스 기판측의 각각의 측으로부터 출사되는 광의 x끼리 및/또는 y끼리가 서로 다른 부합을 나타내며, 또한 절대값의 합이 0.01 이상이 되는 경우(예를 들어, +0.004와 -0.007)에는, 양측으로부터 출사되는 색도 벗어남은 0.01 이내가 되지는 않아, 다소 다른 색조를 나타내게 된다.
이와 같은 경우에는, 굴절율단차를 작게 설정하거나, 굴절율단차를 발생시키는 경계면을 형성하는 물질의 굴절율의 대소관계를 반전시키거나, 혹은 각 층의 막두께나 광학막두께를 조정하는 등에 의해 대처할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 효과에 대하여 설명한다.
먼저, 유기 EL소자 구조를, 투명전극 위에 제 1 투명전극층(양극), 정공수송층, 유기발광층 및 제 2 투명전극층(음극)의 각 층을 차례로 형성하고, 다시 제 2 투명전극층(음극)의 바깥측에 소정의 거리를 가지고 반사미러를 배치하였다. 반사미러의 위치는 유기발광층의 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리가 발광층으로부터 방출되는 광의 가간섭거리(Lc) 이상이 되도록 설정하였다. 한편, 가간섭거리(Lc)는 Lc=λp2/Δλ(단,λp는 발광 스펙트럼의 피크 파장, Δλ는 스펙트럼 반치폭)의 식으로 산출된다.
유기 EL소자를 상기 구조로 함으로써, 유기발광층의 발광계면에서 방출되어 유기 EL소자의 내부에서 반사된 광이 간섭의 요인이 되지 않게 할 수 있었다.
그 결과, 유기발광층의 발광계면에서 방출되어 유기 EL소자의 내부에서 반사된 광을 유효하게 활용하여, 간섭의 영향을 배제한 광을 효율적으로 외부로 출사할 수 있게 되었다.
또한, 유기 EL소자를 구성하는 각 투명전극층 및 각 유기층의 막두께 설정에 있어서 간섭의 영향을 고려할 필요가 없어졌다. 따라서, 캐리어의 수송효율, 재결합 및 발광의 효율 등에만 중점을 두고 막두께를 설정할 수 있기 때문에 막두께의 최적화를 실현할 수 있다.
또한, 막두께가 변하여도 발광 스펙트럼 분포에 변화가 생기지 않고, 유기 EL소자로부터 출사되는 광의 색조가 변하지 않는다.
또한, 유기 EL소자의 발광면에 대한 감시각도가 변하여도, 스펙트럼 분포의 변화가 거의 없어, 유기 EL소자로부터 출사되는 광을 어느 방향에서 감시하여도 색조의 변화가 없다.
더욱이, 투명기판 위에 제 1 투명전극층(양극)이 형성되고, 그 위에 발광층을 포함하는 발광 유니트가 전하발생층을 끼워 복수개 설치되며, 그 위에 형성된 제 2 투명전극층(음극)의 윗쪽에 소정의 거리를 두고 반사미러를 배치한 구조의 본 발명의 다른 실시예의 유기 EL소자에 있어서도, 상술한 바와 마찬가지의 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 유기 EL소자를 제 1 투명 버퍼영역 위에 제 1 투명전극층(양극), 정공수송층, 유기발광층, 제 2 투명전극층(음극) 및 제 2 투명 버퍼영역의 각 층, 각 영역을 차례로 배치한 구조로 하고, 제 1 투명 버퍼영역측 및 제 2 투명 버퍼영역측의 양측으로부터 광을 출사하도록 하였다. 그리고, 유기발광층의 발광계면으로부터의 거리가 발광계면으로부터 방출되는 광의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc) 미만의 범위내에 존재하는 경계면에서의 굴절율단차를 약 0.6 이하로 함으로써 제 1 투명 버퍼영역측 및 제 2 투명 버퍼영역측의 각각으로부터 출사되는 광에 대한 간섭의 영향을 배제할 수 있다.
또한 이러한 효과에 의해 발광재료 특유의 PL 스펙트럼으로부터 구해지는 색도(x,y)에 대하여 제 1 투명 버퍼영역측 및 제 2 투명 버퍼영역측의 각각으로부터 출사되는 광의 색도(x,y)의 벗어남을 x,y 모두 0.01 이하로 억제할 수 있다. 그 결과, 제 1 투명 버퍼영역측으로부터 출사되는 광과 제 2 투명 버퍼영역측으로부터 출사되는 광의 색조가 거의 동일해진다.
또한, 제 1 투명 버퍼영역측으로부터 출사되는 광과 제 2 투명 버퍼영역측으로부터 출사되는 광의 색조는 발광재료 특유의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 색조와 거의 동일해진다.
유기발광층의 발광계면으로부터의 거리가 발광계면으로부터 방출되는 광의 PL 스펙트럼으로부터 구해진 가간섭거리(Lc) 미만의 범위내에 존재하는 경계면에서의 굴절율단차를 약 0.6 이하로 함으로써, 간섭의 영향을 고려하지 않고 소자를 구성하는 각 층의 막두께를 설정할 수 있기 때문에, 캐리어 수송, 재결합 및 발광의 최적화를 도모하여 광추출효율을 높인 유기 EL소자를 실현할 수 있다.
막두께가 변하여도 출사광의 스펙트럼 분포(색조)가 변하지 않는다. 이 때문에, 제조공정의 수율과, 생산성 향상을 도모할 수 있다.
더욱이, 제 1 투명 버퍼영역 상에 제 1 투명전극층(양극)이 형성되고, 그 위에 발광층을 포함하는 발광 유니트가 전하발생층을 사이에 끼우고 복수개 설치되며, 그 위에 형성된 제 2 투명전극층(음극) 위에 제 2 투명 버퍼영역을 배치한 구조의 본 발명의 다른 실시예의 유기 EL소자에서도, 상기와 마찬가지의 효과를 나타내는 것이 확인되었다.
또한, 도 32는 도 31에 따른 유기 EL소자의 발광 스펙트럼으로서, 1 발광 유니트의 청색 유기 EL소자, 3 발광 유니트의 청색 유기 EL소자, 제 2 버퍼층을 도입한 3 발광 유니트의 청색 유기 EL소자의 발광 스펙트럼을 나타낸다. 세로축은 각 소자의 EL강도, 가로축은 발광파장을 나타낸다. 또한, 각 소자의 CIE 색도는 각각 (0.15, 0.14), (0.14, 0.23),(0.15, 0.15)가 된다. 도 32의 도면에서 검은 선으로 나타내는 발광 스펙트럼(PL 스펙트럼과 동일)의 광을 발하는 소자는, 투명전극(재료: ITO* 막두께: 160nm)/정공주입층(스타 버스트(star-burst)계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/ 청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/음극(Al*100nm)으로 구성되는 1 발광 유니트 청색 유기 EL소자이다. 한편, 단위(nm)는 층 구성에 대해서는 막두께, Lc 등에 대해서는 광학막두께의 단위를 각각 나타낸다. 도 32의 도면에서 연속하는 검은 삼각 화살표로 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 발광하는 소자는, 상기 1 발광 유니트 청색 유기 EL소자를 단순히 적층하여 MPE화한 것이며, 그 구성은 투명전극(재료: ITO* 막두께: 160nm)/정공주입층(스타 버스트계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/전하발생층(오산화 바나듐*30nm)/정공주입층(스타 버스트계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/전하발생층(오산화 바나듐*30nm)/정공주입층(스타 버스트계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/음극(Al*100nm)으로 이루어지는 청색 유기 EL소자이다.
또한 도 32의 도면에서 연속하는 원 화살표로 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 발광하는 소자는, 상기 1 발광 유니트 청색 유기 EL소자를 적층하여 MPE화하고, 다시 제 2 버퍼층(450nm 파장의 광에 대하여 굴절율 1.95)을 5000nm 삽입한 소자로, 그 구성은 투명전극(재료: ITO* 막두께: 160nm)/정공주입층(스타 버스트계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/전하발생층(오산화 바나듐*30nm)/정공주입층(스타 버스트계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/전하발생층(오산화 바나듐*30nm)/정공주입층(스타 버스트계 재료*60nm)/정공수송층(α-NPD*20nm)/청색발광층(35nm)/전자수송층(Alq3*40nm)/제 2 버퍼층(산화아연*5000nm)/음극(Al*100nm)으로 이루어지는 청색 유기 EL소자이다.
이러한 3 발광 유니트의 청색 유기 EL소자(도면에서 검은 삼각 화살표)는 1 발광 유니트의 청색 유기 EL 소자(도면에서 검은선)와 비교하여, 간섭의 영향을 크게 받은 다른 발광 스펙트럼 형상을 나타내고, 또한 크게 다른 색도를 나타내었다.
한편, 3 발광 유니트의 청색 유기 EL소자의 소자구성에 제 2 버퍼층을 더한 3발광 유니트의 유기 EL소자(도면에서 연속하는 원 화살표)는, 1 발광 유니트의 청색 유기 EL소자(도면에서 검은선)와 비교하여, 서로 다른 발광 스펙트럼 형상을 나타내었지만, 거의 동등한 색도를 나타내었다. 결국, 그 스펙트럼 분포로부터 완전히는 광학간섭을 배제하지 못하였다는 것을 읽어낼 수 있는데, CIE 색도에 관해서는 1 발광 유니트로 이루어지는 청색 유기 EL소자(도면에서 검은선)와 손색없는 청색발광색이 얻어졌다.
즉, 제 2 버퍼층을 도입한 3 발광 유니트의 청색 유기 EL소자로 함으로써, 1발광 유니트 청색 유기 EL소자를 단순히 3층 적층하여 MPE화한, 도면에서 연속하는 검은 삼각형 화살표로 나타내는 발광 스펙트럼의 광을 발하는 청색 유기 EL소자의 청녹발광과 비교하여, 독립된 단색발광소자로서는 사용가능한 것으로 할 수 있었다.
1 발광 유니트를 적층하여 MPE 소자로 할 때의 발광색의 조정방법에 대해서는, '발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리에 의존'하며, 크게 2가지가 있다. 복수의 발광 유니트를 가지는 유기 EL소자에 있어서, '발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리'의 값을 상술한 방출하는 광의 가간섭거리(Lc) 이상으로 함으로써 간섭의 영향을 배제하고, 발광색의 CIE 색도를 1발광 유니트의 유기 EL소자의 발광과 거의 동일하게 할 수 있다. 또한, 상기 '발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리'의 값을 2Lc 이상으로 함으로써 간섭의 영향을 완전히 배제하고, 발광색의 CIE 색도뿐만 아니라, 발광 스펙트럼의 형상에 대해서도 1발광 유니트의 유기 EL소자의 발광과 거의 같게 할 수 있다.
본 실시예에서는 소자를 구성하는 모든 유기층도 굴절율은 450nm 파장의 광에 대하여 1.8이며, 유기층/음극 혹은 제 2 버퍼층/음극 이외의 계면에서 굴절율차가 0.6보다 큰 계면은 존재하지 않는다. 발광부로부터 반사미러 겸 전극(반사전극)까지의 광학거리는, 제 2 버퍼층을 가지는 MPE 소자에 대해서는 5075nm이며, 제 2 버퍼층을 가지지 않는 단순하게 3층 적층한 MPE 소자에 대해서는 75nm가 된다. 청색발광 도펀트의 PL 스펙트럼으로부터 Lc가 4218nm, 2Lc가 8436이라고 계산되기 때문에, 제 2 버퍼층을 가지는 MPE 소자는 상기 조건의 Lc 이상 2 Lc 미만의 상태가 된다. 즉, 이 조건은 색도만이 발광재료발광과 일치하는 조건이며, 제 2 버퍼층을 가지는 MPE 소자만이 발광재료의 PL과 동일한 색도를 가진다.
이상의 결과로부터, 유기 LED 소자의 MPE화에 있어서, 적층하는 각각의 발광 유니트의 막두께를 변화시키지 않고, 1 발광 유니트 소자를 단순하게 적층하여 제 2 버퍼층을 삽입하는 구성의 MPE 소자에 있어서도, 1 발광 유니트 소자와 마찬가지의 발광색을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에서의 제 2 버퍼층/음극이, 두꺼운 투명음극/반사미러의 구성이 된 경우에도, 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다. 구체적으로는 IZO(5000nm)/Al 등이다. 즉, 제 2 버퍼층은 투명음극보다 발광층측에 설치하는 구성으로 하여도 좋다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 EL소자는 발광층의 발광계면에서 방출되어 EL소자의 내부에서 반사된 광이 간섭의 요인이 되지 않으며 그 결과 간섭의 영향을 배제한 광을 효율적으로 외부로 출사할 수 있다. 또한 유기 EL소자에 대하여는 각 투명전극층 및 각 유기박막층의 막두께 설정에 있어서 간섭의 영향을 고려할 필요가 없게 되어 캐리어의 수송효율, 재결합 및 발광의 효율 등에만 중점을 두고 막두께를 설정할 수 있어 막두께의 최적화를 실현할 수 있다. 또한 막두께가 변하여도 발광 스펙트럼의 분포에 변화가 없고 발광광의 색조가 변하지 않는다. 또한 유기 EL소자의 발광면에 대한 감시각도가 변하여도 스펙트럼 분포의 변화가 거의 없어 어느 방향에서 감시하여도 발광광의 색조의 변화가 확인되지 않는다.

Claims (23)

  1. 적어도 1층의 발광층을 포함하는 박막 다층구조가, 마주보는 한 쌍의 전극에 의해 끼워진 EL소자로서, 상기 한 쌍의 전극 중 어느 한 쪽의 바깥측 면에 접촉하거나, 혹은 상기 바깥측 면으로부터 일정한 거리를 두고 상기 전극과 마주보도록 하여 반사미러가 구비된 EL소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극이 투명전극인 EL소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사미러와 상기 반사미러와 마주보는 투명전극 사이, 상기 투명전극 중 어느 한 쪽 투명전극의 바깥측 또는 상기 투명전극 중 어느 한 쪽 투명전극의 바깥측과 투명전극과 반사미러 사이 둘 다를 투광성 재료, 기체, 진공 중에서 선택된 어느 하나로 된 버퍼층으로 하는 EL소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 반사미러까지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 한 EL소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 반사미러까지의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내일때는 상기 반사미러를 제외한 인접하는 2개의 층 모두의 굴절율차가 0.6 이하인 EL소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극 중 어느 한 쪽은 투명전극이고 다른 한 쪽은 반사전극이며 또한 상기 반사전극은 상기 반사미러인 EL소자.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극이 모두 투명전극이고 이 전극 중 어느 한 쪽의 투명전극의 바깥측에 투광성 재료로 된 버퍼층을 형성하고 그 위에 금속을 막형성하여 반사미러로 하고 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 반사미러까지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 한 EL소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 1층의 발광층을 포함하는 박막 다층구조가 마주보는 한 쌍의 전극에 의해 끼워진 EL소자는 투명기판/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 박막층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 기판표면에 반사면을 형성한 반사미러를 상기 제 2 투명전극으로부터 바깥측으로 일정한 거리를 두고 반사면이 상기 제 2 투명전 극과 마주보도록 배치하며, 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 반사미러까지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 한 EL소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마주보는 제2 투명전극과 반사미러의 사이를 버퍼층으로 하고 상기 버퍼층은 제2 투명전극과의 굴절율차가 0.6 이하인 투광성 재료로 이루어지며, 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내일 때는 반사미러를 제외한 인접하는 2개 층 모두의 굴절율차가 0.6 이하인 EL소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 투명기판과 상기 제1 투명전극 사이를 버퍼층으로 하고 상기 버퍼층은 상기 제1 투명전극과의 굴절율차가 0.6 이하인 투광성 재료로 이루어지고 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내일 때는 반사미러를 제외한 인접하는 2개 층 모두의 굴절율차가 0.6 이하인 EL소자.
  11. 제 7 항에 있어서,
    투명기판/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 박막층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 버퍼층이 상기 제 2 투명전극 바깥측에 형성되며 버퍼층위에 금속 을 막형성하여 반사미러로 한 EL소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    EL소자는 반사미러/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 박막층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 상기 반사미러와 상기 제 1 투명전극 사이에 상기 제 1 투명전극과의 굴절율차가 0.6 이하인 투광성 재료에 의한 버퍼층이 형성되고, 상기 발광층의 발광계면으로부터 반사미러까지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 한 EL소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 투명전극 상에 상기 제 2 투명전극과의 굴절율차가 0.6 이하인 투광성 재료에 의한 버퍼층이 형성되고, 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 버퍼층 표면까지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 하며, 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 광학계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내일 때는, 반사미러를 제외한 인접하는 2개 층 모두의 굴절율차가 0.6 이하인 EL소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    투명밀봉판을 상기 제 2 투명전극으로부터 바깥측으로 일정한 거리를 두고 상기 제 2 투명전극과 마주보도록 배치하고, 상기 투명밀봉판과 상기 제 2 투명전 극 사이에 상기 제 2 투명전극과 굴절율차가 0.6 이하인 투과성 재료에 의한 버퍼층이 형성되며, 상기 발광층의 발광계면으로부터 투명밀봉판까지의 광학거리를 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상으로 하고, 또한 상기 발광층의 발광계면으로부터의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내일 때는, 반사미러를 제외한 인접하는 2개 층 모두의 굴절율차가 0.6 이하인 EL소자.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박막 다층구조는 적어도 1층의 발광층을 포함하는 발광 유니트를 복수개 가지고 각 발광 유니트 사이에 형성된 전하발생층을 가지는 EL소자.
  16. 적어도 1층의 발광층을 포함하는 박막 다층구조가 마주보는 한 쌍의 전극에 의해 끼워진 EL소자로서, 상기 발광층의 발광계면으로부터의 거리가 광학거리이고 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 미만의 범위내에서는 인접하는 2개 층 모두의 굴절율차가 0.6 이하인 EL소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은 투명전극이고, 상기 투명전극 각각의 바깥쪽에 버퍼영역이 형성되고, 상기 발광층의 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리에 대응하는 위치가 상기 버퍼영역내에 존재하는 EL소자.
  18. 제17항에 있어서,
    EL소자는 투명기판/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 유기층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 상기 제 2 투명전극의 바깥쪽에는 투명한 재료로 된 투명버퍼층이 형성되고, 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명기판의 바깥측 표면까지의 광학거리와 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명버퍼층의 바깥쪽까지의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상이며, 상기 투명기판과 상기 제 1 투명전극의 굴절율단차 및 상기 투명버퍼층과 상기 제 2 투명전극의 굴절율단차가 모두 0.6 이하인 EL소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    EL소자는 투명기판/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 유기층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 상기 투명기판과 상기 제 1 투명전극 사이에 제 1 투명버퍼층, 상기 제 2 투명전극의 바깥쪽에 제 2 투명버퍼층이 각각 형성되고, 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명기판/상기 제 1 투명버퍼층의 경계면까지의 광학거리와 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 제 2 투명버퍼층의 바깥쪽까지의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상이며, 상기 제 1 투명버퍼층과 상기 제 1 투명전극의 굴절율단차 및 상기 제 2 투명버퍼층과 상기 제 2 투명전극의 굴절율단차가 모두 0.6 이하인 EL소자.
  20. 제 17 항에 있어서,
    EL소자는 투명기판/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 유기층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 상기 제 2 투명전극의 윗쪽에 상기 제 2 투명전극과 마주보도록 밀봉용 투명기판이 배치되고 상기 제 2 투명전극과 상기 밀봉용 투명기판 사이에 투명물질이 충전되며, 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명기판의 바깥쪽 표면까지의 광학거리와 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명물질/상기 밀봉용 투명기판의 경계면까지의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상이며, 상기 투명기판과 상기 제 1 투명전극의 굴절율단차 및 상기 투명기판과 상기 투명물질과 상기 제 2 투명전극의 굴절율단차가 모두 0.6 이하인 EL소자.
  21. 제 17 항에 있어서,
    EL소자는 투명기판/제 1 투명전극/발광층을 포함하는 복수의 박막층/제 2 투명전극으로 이루어지고, 상기 투명기판과 상기 제 1 투명전극 사이에 투명버퍼층이 형성되고, 상기 제 2 투명전극 윗쪽에 상기 제 2 투명전극과 마주보도록 밀봉용 투명기판이 배치되어 상기 제 2 투명전극과 상기 밀봉용 투명기판 사이에 투명물질이 충전되며, 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명기판/상기 투명버퍼층의 경계면까지의 광학거리와 상기 발광층의 발광계면으로부터 상기 투명물질/상기 밀봉용 투명기판의 경계면까지의 광학거리가 상기 발광계면으로부터 방출되는 광의 가간섭거리 이상이며, 상기 투명버퍼층과 상기 제 1 투명전극의 굴절율단차 및 상기 투명 물질과 상기 제 2 투명전극의 굴절율단차가 모두 0.6 이하인 EL소자.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막 다층구조는 적어도 1층 이상의 발광층을 포함하는 발광 유니트를 복수개 가지고, 각 상기 발광 유니트 사이에 형성된 전하발생층을 가지는 EL소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    EL소자는 투명기판/투명전극/제1발광계면을 포함하는 제1발광 유니트/제1전하발생층/제2발광계면을 포함하는 제2발광 유니트/제2 전하발생층/제3발광계면을 포함하는 제3발광 유니트/제2 버퍼층/반사전극으로 이루어지고 상기 반사전극은 반사면이 제3 발광 유니트와 마주보도록 반사미러를 겸하고 상기 발광층의 발광계면으로부터 반사전극까지의 광학거리를 가간섭 거리 이상으로 하며 발광계면으로부터 반사전극까지에 존재하는 모든 계면의 굴절율차가 0.6이하인 EL소자.
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