JP2012146764A

JP2012146764A - 表示装置

Info

Publication number: JP2012146764A
Application number: JP2011002692A
Authority: JP
Inventors: 格 ▲高▼谷; Itaru Takatani
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】パターニングマスクの着膜量を最低限に抑えることによって製造コストを抑えた上で、低電圧駆動の赤色有機ＥＬ素子と発光効率の良い青色有機ＥＬ素子とを備えた表示装置を提供する。
【解決手段】各有機ＥＬ素子は、陰極２１と発光層１６の間に共通に配置されて、且つ、赤色発光層１６Ｒに接している第１電子輸送層１９を有し、青色有機ＥＬ素子は、第１電子輸送層１９と青色発光層１６Ｂとの間に配置されて、青色発光層１６Ｂに接している第２電子輸送層１８を有し、第２電子輸送層１８を形成する材料バンドギャップが第１電子輸送層１９を形成する材料のバンドギャップよりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は赤、緑、青の３色の有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を備えた表示装置に関する。

有機ＥＬ素子は、陽極と陰極からなる一対の電極間に、少なくとも発光層を含む有機化合物層を配置した積層構造を有し、該有機化合物層には、耐久特性と発光効率の向上を目的として、さらに正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層等が挿入される。

また、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層等の有機ＥＬ素子を構成する層は、一般に、基板上に真空蒸着によって有機材料を成膜することによって形成される。そこで、赤、緑、青の３色の有機ＥＬ素子を用いたフルカラー表示の有機ＥＬ表示装置では、赤、緑、青それぞれの発光層は、各色の画素形状に合わせたパターニング用の金属マスクを用いて真空蒸着されている。近年、有機ＥＬ表示装置の高精細化に伴い各色画素サイズは微小化し、その画素形状に合わせたパターニング用の金属マスクも高精細用になっているため、表示装置の製造コストに占める金属マスクの製造及び維持管理費用は、非常に大きなものになっている。

特許文献１では、赤、青、緑のそれぞれの発光層を形成した後に連続して、そのまま該発光層のパターニングマスクを用いて発光層と接した電子輸送層を形成する技術が記載されている。即ち、赤、青、緑のうち少なくとも一つの発光層を形成した後、そのパターニングマスクを用いて電子輸送層を形成することで、発光層と電子輸送層を同一の真空チャンバーで形成し、よって発光層への不純物の混入を防ぎ、耐久特性を挙げることができるものである。しかしながら、この時、発光層のパターニングマスクを用いて電子輸送層を形成することは、発光層のパターニングマスクの着膜量を増大させるため洗浄頻度が多くなり製造コストの上昇につながる。そのため、発光層に接してパターニングマスクを用いて薄く電子輸送層を形成し、その上にパターニングマスクを用いず赤、緑、青を共通で残りの電子輸送層の膜厚分を形成する構成が示されている。

米国特許第７５３５１６７号明細書

上記したように、発光層のパターニングマスクはコストが高く、少しでも着膜量を少なくすることが求められる。

一方、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層等を有機化合物層に挿入する場合、赤、緑、青それぞれの発光層に合わせて各色ごとに正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層といった層を塗り分ける方が発光効率の向上につながりやすい。特に、バンドギャップの狭い赤の発光層と、バンドギャップの広い青の発光層は、最適な電子輸送層が異なる。例えば、赤色の発光層に最適なバンドギャップの電子輸送層を青色に用いると、十分に電子が注入できず、ホールが発光層から漏れる現象が起きるため、発光効率が悪くなってしまう。また、例えば青色の発光層に最適なバンドギャップの電子輸送層を赤色に用いると、電子注入性は良く、ホールの漏れも防ぐ事ができるが、赤色に最適な電子輸送層を用いる場合に比べて電子輸送層への電子注入障壁が大きくなり、電圧が上がってしまう問題がある。

本発明の課題は、上記問題を解決し、パターニングマスクの着膜量を最低限に抑えることによって製造コストを抑えた上で、低電圧駆動の赤色有機ＥＬ素子と発光効率の良い青色有機ＥＬ素子とを備えた表示装置を提供することにある。

本発明は、赤色を発する有機ＥＬ素子と、緑色を発する有機ＥＬ素子と、青色を発する有機ＥＬ素子と、を有し、各有機ＥＬ素子は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間にある発光層と、を有する表示装置であって、
前記各有機ＥＬ素子は、陰極と発光層の間に共通に配置されて、かつ、前記赤色を発する有機ＥＬ素子の発光層に接している第１電子輸送層を有し、
前記青色を発する有機ＥＬ素子は、前記第１電子輸送層と前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層との間に配置されて、前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層に接している第２電子輸送層を有し、
前記第２電子輸送層を形成する材料のバンドギャップが前記第１電子輸送層を形成する材料のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。

本発明においては、青色有機ＥＬ素子の発光層、赤色有機ＥＬ素子の発光層にそれぞれ適した電子輸送層が接していることから、赤色有機ＥＬ素子の駆動電圧を上げることなく、青色有機ＥＬ素子において高い発光効率を得ることができる。また、本発明においては、電子輸送層の形成工程において、第２電子輸送層の形成時にのみパターニングマスクを用いることから、全色で電子輸送層をパターン化するよりも、パターニングマスクの着膜量及び洗浄頻度を減らすことができ、製造コストを抑えることができる。

本発明の表示装置の一実施形態の構成を示す１画素分の断面模式図である。本発明の表示装置の一実施形態の青色有機ＥＬ素子の代表的なエネルギーバンド図である。

本発明は、赤色を発する有機ＥＬ素子と、緑色を発する有機ＥＬ素子と、青色を発する有機ＥＬ素子と、を有する有機ＥＬ表示装置であり、各色の有機ＥＬ素子には、陽極及び陰極からなる一対の電極間に、発光層が配置されている。そして、各有機ＥＬ素子は、陰極と発光層の間に共通に配置された第１電子輸送層を有している。この第１電子輸送層は、赤色の有機ＥＬ素子の発光層（以下、赤色発光層と記す。また緑色、青色の有機ＥＬ素子の発光層も同様に記す）に接する構成である。また、青色の有機ＥＬ素子は、第１電子輸送層と青色発光層との間に第２電子輸送層をさらに有している。そして、この第２電子輸送層は青色発光層に接する構成である。尚、以下の記載において、赤、緑、青の各有機ＥＬ素子についてはそれぞれ、赤色素子、緑色素子、青色素子と記す。

以下、図１を用いて説明する。図１は本発明の表示装置の一実施形態の１画素分を示す断面模式図であり、本例は、トップエミッション型で反射電極が陽極の有機ＥＬ素子を用いて構成した例である。尚、本発明においては、トップエミッション型に限らず、ボトムエミッション型や、また、反射電極が陰極の場合も含まれる。

図１において、１１は基板、１２は陽極、１３は金属層、１４は透明導電層、１５は正孔輸送層、１６は発光層、１７は電子輸送層、２０は電子注入層、２１は陰極である。発光層１６は赤色、緑色、青色の発光色に対応して赤色発光層１６Ｒ、緑色発光層１６Ｇ、青色発光層１６Ｂを有している。電子輸送層１７は、第１電子輸送層１９と第２電子輸送層１８で形成され、第２電子輸送層１８はパターニングマスクを用いて青色発光層１６Ｂと同じ形状に形成され、第１電子輸送層１９はパターニングマスクを用いずに形成される。

本発明においては、上記の如く第２電子輸送層１８はパターニングマスクを用いて形成し、第１電子輸送層１９はパターニングマスクを用いずに形成することにより、全色で電子輸送層をパターン化するよりも、パターニングマスクの使用を減らすことができる。

本例の陽極１２は、基板１１の上に形成され、金属層１３と透明導電層１４の積層構成となっているが、反射性及び導電性の高い金属のみで形成しても良い。

正孔輸送層１５に用いられる材料としてはアリールアミン類など、従来から知られた材料を用いることができ、異なる材料を積層して形成しても良く、光取り出し効率を高めるために赤、緑、青ごとに膜厚を変えて、光学干渉を合わせても良い。

発光層１６には有機ＥＬ表示装置の発光層として既知の材料を用いることができる。本発明では、赤色発光層１６Ｒ、緑色発光層１６Ｇ、青色発光層１６Ｂが個別に形成され、各発光層１６の形成はパターニングマスクを用い、蒸着法で行われる。

本発明において、青色発光層１６Ｂは、その主たる発光位置が第２電子輸送層側にあることが好ましく、その場合、青色素子でホールが発光層１６Ｂから漏れることを防ぐことにより、更に青色素子の発光効率を良くすることができる。

そして青色発光層１６Ｂの上には、パターニングマスクを用い、蒸着法で第１電子輸送層１８が形成される。また、本発明では緑色発光層１６Ｇの上にも第２電子輸送層１８を形成しても良い。

そして第１電子輸送層１９が赤色発光層１６Ｒにも接して、パターニングマスクを用いずに赤、緑、青色の各色共通で形成される。この時、第２電子輸送層１８を形成する材料のバンドギャップが第１電子輸送層１９を形成する材料のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。材料のバンドギャップとは、その材料のＨＯＭＯ（最高被占軌道）準位のエネルギーとＬＵＭＯ（最低空軌道）準位のエネルギーの差のことである。尚、第１電子輸送層１９は、第２電子輸送層１８に接して形成されていてもよい。

また、本発明において、第１電子輸送層１９と第２電子輸送層１８のＨＯＭＯ準位のエネルギーとＬＵＭＯ準位のエネルギーの関係は、下記式（Ａ）の関係を満たしていることが好ましい。

ＬＵＭＯ₂＜ＬＵＭＯ₁＜ＨＯＭＯ₁＜ＨＯＭＯ₂ （Ａ）

式（Ａ）において、ＬＵＭＯ₁、ＬＵＭＯ₂はそれぞれ、第１電子輸送層１９、第２電子輸送層１８のＬＵＭＯ準位のエネルギーの絶対値、ＨＯＭＯ₁、ＨＯＭＯ₂はそれぞれ、第１電子輸送層１９、第２電子輸送層１８のＨＯＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。

図２に、本発明の表示装置の一実施形態の青色素子の代表的なエネルギーバンド図を示す。図２に示されるように、この構成により青色発光層１６Ｂに接してバンドギャップの大きい第２電子輸送層１８を形成することにより、十分に電子が注入でき、ホールが発光層１６Ｂから漏れることも防げるため、青色素子の発光効率を良くすることができる。

また、第１電子輸送層１９のＬＵＭＯ準位には電子が注入しやすいため、赤色発光層１６Ｒに接してバンドギャップの狭い第１電子輸送層１９を形成することにより、赤色素子の電圧を低くする事ができる。本発明では、第１電子輸送層１９は異なる材料を積層して形成しても良く、この場合第２電子輸送層１８と接して用いられる材料も式（Ａ）の関係を満たす。

また本発明では、青色発光層１６Ｂのホスト材料と第２電子輸送層１８のＨＯＭＯ準位のエネルギーが下記式（Ｂ）の関係を満たすことが好ましい。

ＨＯＭＯ_bh＜ＨＯＭＯ₂ （Ｂ）

式（Ｂ）において、ＨＯＭＯ_bh、ＨＯＭＯ₁はそれぞれ、青色発光層１６Ｂのホスト材料、第２電子輸送層１８のＨＯＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。

この場合、図２に示すように第２電子輸送層１８のＨＯＭＯ準位が青色発光層１６Ｂのホスト材料のＨＯＭＯ準位よりも深いため、ホールブロック層として働き、ホールが発光層１６Ｂから漏れることをより防ぎ、青色素子の発光効率を更に良くすることができる。

また、青色発光層１６Ｂは少なくともホスト材料と発光ドーパント材料を含み、青色発光層のホスト材料と発光ドーパント材料のＨＯＭＯ準位のエネルギーとＬＵＭＯ準位のエネルギーが下記式（Ｃ）の関係を満たすことがより好ましい。

ＬＵＭＯ_bh＜ＬＵＭＯ_bd＜ＨＯＭＯ_bh＜ＨＯＭＯ_bd （Ｃ）

式（Ｃ）において、ＬＵＭＯ_bh、ＬＵＭＯ_bdはそれぞれ、青色発光層１６Ｂのホスト材料、発光ドーパント材料のＬＵＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。また、ＨＯＭＯ_bh、ＨＯＭＯ_bdは青色発光層１６Ｂのホスト材料、発光ドーパント材料のＨＯＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。

この場合、図２に示されるように、青色発光層１６Ｂは電子をトラップしやすくなるため、青色発光層１６Ｂの主たる発光位置がより電子輸送層１７側（第２電子輸送層１８側）になり、ホールが発光層１６Ｂから漏れることを抑制できる。よって、更に青色素子の発光効率を良くすることができる。さらに、式（Ｂ）を満たすことによりホールが青色発光層１６Ｂから漏れることを抑制できる。

本発明において、第１電子輸送層１９と第２電子輸送層１８には従来から知られた電子輸送性材料を用いることができる。例としては、アルミニウムキノリノール錯体、ナフタレン化合物、アントラセン化合物、フェナントレン化合物、クリセン化合物、ピレン化合物、フルオランテン化合物、フェナントロリン化合物、アザ化合物などが挙げられる。

第１電子輸送層１９の上には電子注入層２０を形成してもよく、その上には光透過性を有する陰極２１が形成される。

上記に述べた構成により、本発明は、パターニングマスクの着膜量及び洗浄頻度を最低限に抑え、赤色素子の電圧を上げずに青色素子の発光効率が高い有機ＥＬ表示装置を提供することができる。

尚、本発明で定義するバンドギャップは吸収スペクトルの吸収端から求めたものであり、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは、エネルギーレベルの絶対値で示している。ＨＯＭＯは大気中光電子分光法（ＡＣ−２）を用いて測定した。また、ＬＵＭＯは、上記の方法で測定したＨＯＭＯの値から吸収スペクトルの吸収端から求めたバンドギャップを引いて算出した。

以下、本発明の実施例について説明する。以下の実施例に用いた材料や素子構成は、特に好ましい例であるが、これに限定されるものではない。

（実施例１、比較例２）
図１に示した断面構造の有機ＥＬ表示装置の青色素子を作製した。

基板１１としてガラスを用い、金属層１３として銀（膜厚２００ｎｍ）、透明導電層１４としてＩＺＯ（膜厚２０ｎｍ）を積層した陽極１２が形成された電極付基板を形成し、ＵＶ／オゾン洗浄を施した。

続いて、真空蒸着装置（アルバック社製）に取り付け、１．３３×１０^-4Ｐａ（１×１０^-6Ｔｏｒｒ）まで排気した。その後、陽極１２上にパターニングマスクを用いずにＮ，Ｎ’−α−ジナフチルベンジジンを２０ｎｍ成膜し、正孔輸送層１５を形成した。

次に発光ドーパント材料として下記構造式（１）で示されるフルオランテン化合物（２質量％）、ホスト材料として下記構造式（２）で示されるピレン化合物を用い、厚さ２０ｎｍの青色発光層１６Ｂを形成した。

次に、第２電子輸送層１８として下記構造式（３）で示されるアザ化合物（バンドギャップ３．４１ｅＶ）を１０ｎｍの膜厚で成膜した。さらに、第２電子輸送層１８の上に、第１電子輸送層１９として構造式（４）で示されるフェナントロリン化合物（バンドギャップ３．１８ｅＶ）を１０ｎｍの膜厚で成膜した。

次に第１電子輸送層１９上に炭酸セシウム（３容量％）と構造式（４）で表されるフェナントロリン化合物の共蒸着膜を４０ｎｍの膜厚で成膜し、電子注入層２０とした。続いて、電子注入層２０まで成膜した基板を、スパッタ装置（アルバック社製）へ真空中を搬送し、前記電子注入層２０上にインジウム錫酸化物（ＩＺＯ）をスパッタ法にて３０ｎｍ成膜し、陰極２１を形成した。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。

発光ドーパントとして用いた構造式（１）のフルオランテン化合物のＬＵＭＯ準位のエネルギーは３．０６ｅＶ、ＨＯＭＯ準位のエネルギーは５．８５ｅＶであった。また、ホスト材料として用いた構造式（２）のピレン化合物のＬＵＭＯ準位のエネルギーは２．７１ｅＶ、ＨＯＭＯ準位のエネルギーは５．７０ｅＶであった。

また、第２電子輸送層１８として用いた構造式（３）のアザ化合物のＬＵＭＯ準位のエネルギーは２．５９ｅＶ、ＨＯＭＯ準位のエネルギーは６．００ｅＶであった。第１電子輸送層１９として用いた構造式（４）のフェナントロリン化合物のＬＵＭＯ準位のエネルギーは２．６５ｅＶ、ＨＯＭＯ準位は５．８３ｅＶであった。

従って、第１電子輸送層１９と第２電子輸送層１８のＨＯＭＯ準位のエネルギーとＬＵＭＯ準位のエネルギーの関係が、前記式（Ａ）の関係を満たしていた。これにより後述の実施例２に記載する赤色発光層１６Ｒに接してバンドギャップの狭い第１電子輸送層１９を形成できるため、赤色素子の電圧を低くすることができた。

また、第２電子輸送層１８と青色発光層１６Ｂのホスト材料は前記式（Ｂ）の関係を満たし、第２電子輸送層１８はホールブロック層として働き、ホールが青色発光層１６Ｂから漏れることをより防ぐことができた。

さらに、青色発光層１６Ｂは前記式（Ｃ）の関係を満たし、発光位置が電子輸送層１７側であった。

また、比較例１として、電子輸送層１７を構造式（４）で示されるフェナントロリン化合物のみで形成した以外は実施例１と同様に青色素子を作製した。

実施例１と比較例１の青色素子を比較したところ、比較例１の青色素子が電流効率３．４ｃｄ／Ａに対し、実施例１の青色素子は４．０ｃｄ／Ａと電流効率が高く、良好であった。

（実施例２、比較例２）
青色発光層１６Ｂの代わりに厚さ７０ｎｍの赤色発光層１６Ｒを形成し、電子輸送層１７（赤色素子は第１電子輸送層１９のみである）を構造式（４）で示されるフェナントロリン化合物で形成した以外は実施例１と同様の方法で赤色素子を作製した。

赤色発光層１６には、発光ドーパント材料として赤色発光することが知られたＩｒ錯体（１８容量％）、ホスト材料として４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾール−ビフェニルを用いた。

本例では、第１電子輸送層１９をバンドギャップが狭い構造式（４）で示されるフェナントロリン化合物で形成したため、赤色素子の電圧を低くする事ができる。

また、比較例２として電子輸送層１７を構造式（３）で示されるアザ化合物で形成した以外は実施例２と同様の方法で赤色素子を作製した。

実施例２と比較例２の赤色素子を比較したところ、比較例２の赤色素子は２０ｍＡ／ｃｍ²の電流を流した時の電圧が実施例２の赤色素子に比べて０．５Ｖ程度高かった。これは電子輸送層１７として青色素子に適した電子輸送材料を用いたために電圧が高くなってしまったと考えられる。

上記実施例１，２の手順により得られた青色及び赤色素子を用いることにより、発光層１６以外でのパターニングマスクの使用回数が第２電子輸送層１８の１回だけであるため、青色素子の発光効率が高く、赤色素子の駆動電圧の低い有機ＥＬ表示装置が提供される。

１２：陽極、１６：発光層、１６Ｒ：赤色発光層、１６Ｇ：緑色発光層、１６Ｂ：青色発光層、１７：電子輸送層、１８：第２電子輸送層、１９：第１電子輸送層、２１：陰極

Claims

赤色を発する有機ＥＬ素子と、緑色を発する有機ＥＬ素子と、青色を発する有機ＥＬ素子と、を有し、各有機ＥＬ素子は、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間にある発光層と、を有する表示装置であって、
前記各有機ＥＬ素子は、陰極と発光層の間に共通に配置されて、かつ、前記赤色を発する有機ＥＬ素子の発光層に接している第１電子輸送層を有し、
前記青色を発する有機ＥＬ素子は、前記第１電子輸送層と前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層との間に配置されて、前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層に接している第２電子輸送層を有し、
前記第２電子輸送層を形成する材料のバンドギャップが前記第１電子輸送層を形成する材料のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする表示装置。
前記第１電子輸送層と前記第２電子輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギーとＬＵＭＯ準位のエネルギーが下記式（Ａ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
ＬＵＭＯ₂＜ＬＵＭＯ₁＜ＨＯＭＯ₁＜ＨＯＭＯ₂ （Ａ）
（式（Ａ）において、ＬＵＭＯ₁、ＬＵＭＯ₂はそれぞれ、前記第１電子輸送層、前記第２電子輸送層のＬＵＭＯ準位のエネルギーの絶対値、ＨＯＭＯ₁、ＨＯＭＯ₂はそれぞれ、前記第１電子輸送層、前記第２電子輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。）
前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層がホスト材料と発光ドーパント材料を含み、前記ホスト材料と前記第２電子輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギーが下記式（Ｂ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
ＨＯＭＯ_bh＜ＨＯＭＯ₂ （Ｂ）
（式（Ｂ）において、ＨＯＭＯ_bh、ＨＯＭＯ₂はそれぞれ、前記ホスト材料、前記第２電子輸送層のＨＯＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。）
前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層の発光位置が前記第２電子輸送層側であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表示装置。
前記青色を発する有機ＥＬ素子の発光層がホスト材料と発光ドーパント材料を含み、前記ホスト材料と前記発光ドーパント材料のＨＯＭＯ準位のエネルギーとＬＵＭＯ準位のエネルギーが下記式（Ｃ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表示装置。
ＬＵＭＯ_bh＜ＬＵＭＯ_bd＜ＨＯＭＯ_bh＜ＨＯＭＯ_bd （Ｃ）
（式（Ｃ）において、ＬＵＭＯ_bh、ＬＵＭＯ_bdはそれぞれ、前記ホスト材料、前記発光ドーパント材料のＬＵＭＯ準位のエネルギーの絶対値、ＨＯＭＯ_bh、ＨＯＭＯ_bdはそれぞれ、前記ホスト材料、前記発光ドーパント材料のＨＯＭＯ準位のエネルギーの絶対値を示す。）