JP2005235668A - 有機発光素子および該有機発光素子を用いた多色表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光スペクトルおよび輝度の膜厚依存性、視角度依存性を抑制する。
【解決手段】 発光面から反射面の光学距離を１〜３００μｍとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を有する有機発光素子、およびそれを用いた多色表示装置に関する。

反射電極と透明電極に挟持された有機化合物層を有する有機発光素子において、発光スペクトルおよび輝度の有機化合物層膜厚による依存性、および視角度依存性を抑制させるために、有機化合物層と反射電極の界面を粗面化しているものがある（例えば、特許文献１参照）。また、これとは異なる目的であるが、有機化合物層と反射電極の反射面との間に透明導電層を設けたものもある（例えば、特許文献２参照）。

一般に、反射電極と透明電極に挟持された有機化合物層を有する有機発光素子においては、一旦、反射電極で反射して取り出された光と、発光面から直接取り出された光との干渉の効果がある事が知られている。このため、有機化合物層における発光面と、反射電極における反射面の光学距離を発光波長の１／４、もしくは発光波長の１／４の奇数倍に調整する事により、発光スペクトルの最適化や、輝度を向上させる事が行われている。

以上のように、従来から干渉の効果を利用して発光スペクトルの最適化や、輝度を向上させる事は知られていたものの、有機化合物層における発光面と反射電極における反射面の光学距離は１０〜５００ｎｍ程度にする事が一般的であり、特許文献２においても、有機化合物層と反射電極の反射面との間に設けられた透明導電層は膜厚１０〜２００ｎｍ（好ましくは５０〜１００ｎｍ）と記述され（第３頁、第９−１０行参照）、つまり光学膜厚にして１５〜４００ｎｍ程度が想定されている。したがって、発光面と反射面の光学距離を発光波長に比べて十分に長くする事による干渉を抑制する効果や、その実施方法については全く知られていなかった。
特開平０５−００３０７９（第２頁、第２−６行、第１図） 特開２００１−２９１５９５（第２頁、第２−１０行、第１図）

以上に述べた従来の有機発光素子では、発光スペクトルの最適化や、正面輝度を向上させるために、有機化合物層における発光面と反射電極における反射面の光学距離を発光波長の１／４、もしくは発光波長の１／４の奇数倍に調整する事が望ましい。しかし、このように発光面と反射面との光学距離を調整する場合、有機発光素子を用いた多色表示装置の場合には、赤、緑、青など、それぞれの発光波長に対して光学距離を調整せねばならない。したがって、発光面と反射面に挟まれた部分に関して、マスク塗り分け等の方法を用いて、それぞれの色に対して調整せねばならず、各色膜厚を共通化できない問題があった。

また、例えば赤、緑、青の三色で構成されるフルカラー表示装置の場合、発光波長が三色の平均に近い緑の波長に対して、発光面と反射面との光学距離を１／４、もしくは１／４の奇数倍に調整し、発光面と反射面の膜厚を各色共通化方法が考えられるが、赤や青の輝度が低下したり、青のスペクトルが長波長化を起こす問題がある。

さらに、発光面と反射面との光学距離を発光波長の１／４、もしくは１／４の奇数倍に調整する為には素子の製造時に数ｎｍレベルで膜厚をコントロールする必要がある。また、膜厚の絶対値を数ｎｍレベルで膜厚をコントロールするだけでなく、膜厚の面内ムラを抑えるための製造装置の高精度化が必要であり、大画面表示装置の製造が非常に困難であるという問題も存在する。

以上のように、発光面と反射面との光学距離を発光波長の１／４、もしくは１／４の奇数倍に調整する事は困難であるが、それを達成した場合でも輝度には干渉効果による視角度依存性がある。干渉効果による視角度依存性は発光波長によって異なるため、多色表示装置においては、白色表示等で視角度によって色味が変化する問題となって現れてしまう。

よって前記課題の解決のため、本発明は、発光スペクトルおよび輝度の膜厚依存性がなく、つまり、製造時に数ｎｍレベルで膜厚の絶対値および面内ムラをコントロールする必要がなく、大画面表示装置の製造にも適した方法によって発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性を正面からの輝度が最も高いように制御した有機発光素子、およびそれを用いた視角度によって色味が変化する事のない多色表示装置を提供する。

本発明では、光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を少なくとも有する有機発光素子において、該有機化合物層における発光面から該反射電極の反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、有機化合物の主たる発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射電極で反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする有機発光素子、およびそれを用いた多色表示装置を提供する。

本発明では、発光スペクトルおよび輝度の膜厚依存性がなく、つまり、製造時に数ｎｍレベルで膜厚の絶対値および面内ムラをコントロールする必要がなく、大画面表示装置の製造にも適した方法によって発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性を正面からの輝度が最も高いように制御した有機発光素子、およびそれを用いた視角度によって色味が変化する事のない多色表示装置を提供する事が出来る。

本発明は、
（１）光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を少なくとも有する有機発光素子において、該有機化合物層における発光面から該反射電極の反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、有機化合物の主たる発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射電極で反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする有機発光素子である。

また、
（２）前記有機化合物層が前記反射電極に接触して挟持されており、有機化合物層における発光面から反射電極との接触面までの部分の膜厚が０．７〜１００μｍである事を特徴とする（１）に記載の有機発光素子も好ましい。

また、
（３）前記反射電極が少なくとも金属材料によって形成された反射面を有する反射層と透明導電材料によって形成された透明導電層からなり、前記有機化合物層は該透明導電層と前記透明電極に接触して挟持されている事を特徴とする（１）ないし（２）のいずれかに記載の有機発光素子も好ましい。

また、
（４）前記透明導電層の膜厚が０．５〜１００μｍである事を特徴とする（３）に記載の有機発光素子も好ましい。

また、
（５）前記反射電極が支持基板上に形成されており、少なくとも前記有機化合物層、前記透明電極が順次形成されている事を特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の有機発光素子も好ましい。

また、
（６）前記反射電極が陽極である事を特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の有機発光素子も好ましい。

また、本発明は、
（７）光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を少なくとも有する有機発光素子の複数からなる多色表示装置において、該有機化合物層における発光面から該反射電極の反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、有機化合物の主たる発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射電極で反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする多色表示装置である。

また、
（８）前記反射電極が少なくとも金属材料によって形成された反射面を有する反射層と透明導電材料によって形成された透明導電層からなり、前記有機化合物層は該透明導電層と前記透明電極に接触して挟持されている事を特徴とする（７）に記載の多色表示装置も好ましい。

また、
（９）前記透明導電層の膜厚が０．５〜１００μｍである事を特徴とする請求項８に記載の多色表示装置も好ましい。

以下さらに詳述する。

本発明は上述したように光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を少なくとも有する有機発光素子において、該有機化合物層における発光面から該反射電極の反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、有機化合物の主たる発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射電極で反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする有機発光素子、およびそれを用いた多色表示装置である。

本発明では、発光スペクトルおよび輝度の膜厚依存性がなく、つまり、製造時に数ｎｍレベルで膜厚の絶対値および面内ムラをコントロールする必要がなく、大画面表示装置の製造にも適した方法によって発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性を正面からの輝度が最も高いように制御した有機発光素子、およびそれを用いた視角度によって色味が変化する事のない多色表示装置を提供する事が出来る。

本発明者らは、有機化合物層における発光面から反射面までを構成する部分の膜厚や、反射電極における透明導電層の膜厚を広い範囲で変えて有機発光素子を試作してきた。そして、その膜厚と発光スペクトルおよび輝度、および視角度依存性に着目して検討した結果、これらの膜厚がこれまでに知られていたものより非常に厚く、発光面から反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、発光波長に比べて十分に長い場合に発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性を正面からの輝度が最も高いように制御できる事を見出し、本発明に至った。

以下、図１をもちいて本発明の有機発光素子の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の有機発光素子の代表的な積層構造を示す模式図である。図中、１０は支持基板である。１１はクロム、アルミニウム、銀等の金属材料によって形成された反射層であり、上面に可視光を８０％以上反射する反射面を有する。１２はＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛等の透明導電材料によって形成された透明導電層であり、可視光を５０％以上透過する。好ましくは、１１と１２により反射電極が形成されるが、１２はなくても良い。１３は正孔輸送層である。１４は発光層であり、層全体もしくは層内に発光面を有する。１５は電子輸送層、１６は電子注入層である。１３〜１６で有機化合物層が形成されるが、用いる材料としては一般に知られている有機発光素子に用いられる有機材料を用いる事ができる。１７は透明電極であり、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛等の透明導電材料で形成される。

図１の構成は素子上部より光を取り出すトップエミッション型の構成である。本発明では好ましくは、支持基板上に反射電極が形成され、少なくとも有機化合物層、透明電極が順次形成されているトップエミッション型の素子を構成する。この場合、有機化合物層における発光面から反射電極における反射面の光学距離とは透明導電層１２と正孔輸送層１３、および正孔輸送層１３と発光層１４界面から発光層１４内部の発光面までの光学膜厚の合計となる。ボトムエミッション型の素子構成でも良いが、反射電極を構成する透明導電層を低温プロセスによって作成せねばならず、光学膜厚を厚くする事により導電性が低くなるため好ましくない。

光学膜厚は膜厚ｄと屈折率ｎを用いてｎ×ｄで求められる。本発明では、発光面から反射面の光学距離が１〜３００μｍであって、発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする。１μｍ以下では発光スペクトルおよび輝度の膜厚依存性が大きく、製造時に膜厚の絶対値や面内ムラを数ｎｍレベルでコントロールする必要があり本発明の目的に反する。３００μｍ以上であると、後ほども述べるが、透過率が低くなって効率の低下を招いたり、素子の抵抗が高くなるため好ましくない。

本発明では上述した通り、好ましくは、反射層１１と透明導電層１２によって反射電極が構成される。透明導電層１２の光学膜厚が１μｍ以上であると、発光面から反射面の光学距離は１μｍ以上となる。屈折率を考慮すると、透明導電層１２の膜厚は０．５μｍ以上が必要となる。１００μｍ以上となると、透過率が減少し、光の取り出し効率が極端に低下するため好ましくない。

また、透明導電層１２がない場合、もしくは光学膜厚が発光波長に比べて非常に薄い場合には有機化合物層における発光面から反射電極との接触面までの部分の光学膜厚が１μｍ以上であれば良い。また、発光素子の経時劣化等の理由により、発光面は発光層の内部で発光中心が異動する事も考えられる。このため、図１の構成で透明導電層２がない場合、正孔輸送層１３の光学膜厚が１μｍ以上あれば、発光面から反射面の光学距離は１μｍ以上に保たれる。屈折率を考慮すると正孔輸送層１３の膜厚は０．７μｍ以上が必要となる。また、膜厚が１００μｍ以上になると、素子の発光電圧が上昇するため好ましくない。

また、本発明では、図１に示されるような反射電極が陽極である素子構成が好ましい。反射電極が陰極であっても、膜厚０．５μｍ以上の透明導電層２がある場合はあまり問題ないが、透明導電層２がない場合は問題となる。この場合、反射電極との接触面までの部分は発光層、電子輸送層、電子注入層で構成され、構成する材料のモビリティーが正孔輸送層を構成する材料に比べ低いため、膜厚を大きくする事により、素子の発光電圧が上昇するためあまり好ましくない。この場合には、アルカリ金属を含有させるなどしてモビリティーを高くした層の膜厚を大きくする必要がある。

次に、図２をもちいて本発明の有機発光素子を用いた多色表示装置の実施形態を説明する。図２は本発明の有機発光素子を用いた多色表示装置の代表的な断面構成を示す模式図である。図中、２００は支持基板である。２１０は上述した反射層であり、２２０は透明導電層であり、上述したように、２２０はなくても良い。２３０は正孔輸送層である。２４１は赤色発光層であり、２４２は青色発光層であり、２４３は緑色発光層であるが、２４１〜２４３は必ずしも赤、青、緑の三色に限られたものではなく、二色以上であれば良い。２５０は電子輸送層、２６０は電子注入層であり、２７０は上述した透明電極である。本発明の多色表示素子は、上述した図１に示される発光面から反射面の光学距離が、１〜３００μｍである有機発光素子を用いたものである。

以下、本発明の実施例について説明するが、実施例に用いた材料に関しては、好ましい例であるが、これに限定されるものではない。

反射層に銀、透明導電層にインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）を用いた、トップエミッション型構造の緑色素子の構造と作製手順、測定した素子特性を示す。本実施例の有機発光素子の積層構造は上述した図１に示されるものである。

実施例１の有機発光素子作製手順を示す。基板１０上に銀を２００ｎｍ、ＩＺＯを０．６μｍ積層して反射層１１と透明導電層１２を形成し、反射電極を得た。その後、該反射電極にＵＶ／オゾン洗浄を施した。続いて、真空蒸着装置（アルバック機工株式会社製）に洗浄済みの基板と材料を取り付け、１×１０^−６Ｔｏｒｒまで排気した後、透明導電層１２上にＮ、Ｎ’−α−ジナフチルベンジジン（α−ＮＰＤ）を５０ｎｍの膜厚となるように成膜して正孔輸送層１３を形成し、さらにその上に下記化学式１：

で表されるクマリン６（１．０ｖｏｌ％）とトリス［８−ヒドロキシキノリナート］アルミニウム（Ａｌｑ３）の共蒸着膜を３０ｎｍの膜厚で成膜して発光層１４を形成した。次に、電子輸送層１５として、化学式２：

で表される、フェナントロリン化合物を１０ｎｍ成膜した。次に、電子輸送層１５の上に、と炭酸セシウム（０．７ｖｏｌ％）化学式２で表されるフェナントロリン化合物の共蒸着膜を４０ｎｍの厚さに成膜し、電子注入層１６とした。

続いて、電子注入層１６まで成膜した基板を、別のスパッタ装置（大阪真空製）へ移動させ、前記電子注入層１６上にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）をスパッタ法にて２２０ｎｍ成膜し、透明電極１７を得た。その後、基板をグローブボックスに移し、窒素雰囲気中で乾燥剤を入れたガラスキャップにより封止した。

上記作製手順により得られた有機発光素子に電流密度が３０ｍＡ／ｃｍ^２になるように直流電流を印加し、視野角を正面（０度）から１５度おきに６０度まで変化させて、電流効率（ｃｄ／Ａ）と発光スペクトルを測定した。電流効率と色度の測定結果を表１に示す。スペクトル形状は大きな変化はなく、正面の輝度が最も高く、視野角を変化させるにしたがって徐々に輝度が低下した。したがって、本実施例の有機発光素子は発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性が正面からの輝度が最も高いように制御された良好な有機発光素子であった。

反射層１１にクロム、透明導電層１２に０．６μｍのＩＴＯを用いた以外は実施例１と同様に、トップエミッション型構造の緑色素子を作製した。得られた有機発光素子を実施例１と同様に測定したところ、スペクトル形状は大きな変化はなく、正面の輝度が最も高く、視野角を変化させるにしたがって徐々に輝度が低下した。したがって、本実施例の有機発光素子は発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性が正面からの輝度が最も高いように制御された良好な有機発光素子であった。

発光層１４に赤色発光材料として知られるＩｒ（ｐｐｙ）３（イリジウム−フェニルピリジン錯体）（１２ｖｏｌ％）と４、４’−Ｎ、Ｎ’−ｄｉｃａｒｂａｚｏｌｅ−ｂｉｐｈｅｎｙｌ（ＣＢＰ）の共蒸着膜を４０ｎｍの膜厚で成膜して用いた以外は実施例１と同様にトップエミッション型構造の赤色素子を作製した。得られた有機発光素子を実施例１と同様に測定したところ、スペクトル形状は大きな変化はなく、正面の輝度が最も高く、視野角を変化させるにしたがって徐々に輝度が低下した。したがって、本実施例の有機発光素子は発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性が正面からの輝度が最も高いように制御された良好な有機発光素子であった。

発光層１４にペリレン色素を（１ｖｏｌ％）とトリス［８−ヒドロキシキノリナート］アルミニウム（Ａｌｑ３）の共蒸着膜を４０ｎｍの膜厚で成膜して用いた以外は実施例１と同様にトップエミッション型構造の青色素子を作製した。得られた有機発光素子を実施例１と同様に測定したところ、スペクトル形状は大きな変化はなく、正面の輝度が最も高く、視野角を変化させるにしたがって徐々に輝度が低下した。したがって、本実施例の有機発光素子は発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性が正面からの輝度が最も高いように制御された良好な有機発光素子であった。

反射層１１にクロムを用い、透明導電層１２がなく、正孔輸送層１３を０．８μｍ形成した以外は実施例１と同様にトップエミッション型構造の緑色素子を作製した。得られた有機発光素子を実施例１と同様に測定したところ、スペクトル形状は大きな変化はなく、正面の輝度が最も高く、視野角を変化させるにしたがって徐々に輝度が低下した。したがって、本実施例の有機発光素子は発光スペクトル視角度依存性を抑制し、輝度の視野角依存性が正面からの輝度が最も高いように制御された良好な有機発光素子であった。

（比較例１）
反射層１１にクロムを用い、透明導電層１２がない以外は実施例１と同様にトップエミッション型構造の緑色素子を作製した。得られた有機発光素子を実施例１と同様に測定した。電流効率と色度の測定結果を表１に示すが、スペクトル形状が大きく変化し、正面より１５〜３０度斜め方向から測定した輝度が最も高く、それより視野角を傾斜させるにしたがって黄味がかった色に見えるようになった。本比較例は、発光面から反射面までの光学距離を発光波長に対し１／４に設定し、反射面から透明電極と空気の界面までの光学距離を発光波長に対し５／４に設定したが、製造上の膜厚コントロールの数％の誤差や光学距離を見積もる上でのわずかな誤差が原因で正面より１５度斜め方向からの輝度およびスペクトルが最適化されたものと考えられる。したがって、本比較例の有機発光素子は発光スペクトル視角度依存性が大きく、正面から外れた視野角からの輝度が最も高くなった有機発光素子であった。

本発明の有機発光素子の代表的な積層構造を示す模式図である。 本発明の有機発光素子を用いた多色表示装置の代表的な断面構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 支持基板
１１ 反射層
１２ 透明導電層
１３ 正孔輸送層
１４ 発光層
１５ 電子輸送層
１６ 電子注入層
１７ 透明電極
２００ 支持基板
２１０ 反射層
２２０ 透明導電層
２３０ 正孔輸送層
２４１ 赤色発光層
２４２ 青色発光層
２４３ 緑色発光層
２５０ 電子輸送層
２６０ 電子注入層
２７０ 透明電極

Claims (9)

1. 光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を少なくとも有する有機発光素子において、該有機化合物層における発光面から該反射電極の反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、有機化合物の主たる発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射電極で反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする有機発光素子。
2. 前記有機化合物層が前記反射電極に接触して挟持されており、有機化合物層における発光面から反射電極との接触面までの部分の膜厚が０．７〜１００μｍである事を特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
3. 前記反射電極が少なくとも金属材料によって形成された反射面を有する反射層と透明導電材料によって形成された透明導電層からなり、前記有機化合物層は該透明導電層と前記透明電極に接触して挟持されている事を特徴とする請求項１〜２に記載の有機発光素子。
4. 前記透明導電層の膜厚が０．５〜１００μｍである事を特徴とする請求項３に記載の有機発光素子。
5. 前記反射電極が支持基板上に形成されており、少なくとも前記有機化合物層、前記透明電極が順次形成されている事を特徴とする請求項１〜４に記載の有機発光素子。
6. 前記反射電極が陽極である事を特徴とする請求項１〜５に記載の有機発光素子。
7. 光を反射する反射電極と光を透過する透明電極からなる一対の電極間に挟持された有機化合物層を少なくとも有する有機発光素子の複数からなる多色表示装置において、該有機化合物層における発光面から該反射電極の反射面の光学距離が、１〜３００μｍであって、有機化合物の主たる発光波長に比べて十分に長い事により、一旦、反射電極で反射して取り出された光と発光面から直接取り出された光との干渉の効果が抑制されている事を特徴とする多色表示装置。
8. 前記反射電極が少なくとも金属材料によって形成された反射面を有する反射層と透明導電材料によって形成された透明導電層からなり、前記有機化合物層は該透明導電層と前記透明電極に接触して挟持されている事を特徴とする請求項７に記載の多色表示装置。
9. 前記透明導電層の膜厚が０．５〜１００μｍである事を特徴とする請求項８に記載の多色表示装置。

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