JP4434872B2 - 有機エレクトロルミネッセント素子及び有機エレクトロルミネッセント表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセント素子及び有機エレクトロルミネッセント表示装置に関するものである。

有機エレクトロルミネッセント素子（有機ＥＬ素子）は、ディスプレイや照明への応用の観点から活発に開発が行われている。有機ＥＬ素子の駆動原理は、以下のようなものである。すなわち、陽極及び陰極からそれぞれホールと電子が注入され、これらが有機薄膜中を輸送され、発光層において再結合し励起状態が生じ、この励起状態から発光が得られる。発光効率を高めるためには、効率良くホール及び電子を注入させ、有機薄膜中を輸送させることが必要である。しかしながら、有機ＥＬ素子内のキャリアの移動は、電極と有機薄膜間のエネルギー障壁や、有機薄膜内のキャリア移動度の低さにより制限を受けるため、発光効率の向上にも限界がある。

一方、発光効率を向上させる他の方法として、複数の発光層を積層する方法が挙げられる。例えば、補色関係にあるオレンジ色発光層と青色発光層とを直接接するように積層することにより、１層の場合より高い発光効率を得ることができる場合がある。例えば、青色発光層の発光効率が１０ｃｄ／Ａであり、オレンジ色発光層の発光効率が８ｃｄ／Ａである場合に、これらを積層して白色発光素子とした場合に、１５ｃｄ／Ａの発光効率が得られている。

しかしながら、発光層を３層以上それぞれ直接接するように積層した場合には、発光効率の向上が得られない。これは、電子とホールの再結合領域の拡がりに限度があり、再結合領域が３層以上にまたがらないからである。

非特許文献１においては、Ｖ₂Ｏ₅、ＩＴＯなどの無機半導体層を介して２つの発光ユニットを積層し、無機半導体層の内部でキャリアを発生させて、２つの発光層にキャリアを供給する方法が報告されている。この方法は、無機半導体層中に含まれるキャリアを利用する方法であり、キャリアを発生させるためには高い電圧を印加しなければならない。このため、駆動電圧が高くなり、携帯機器などの低電圧駆動には適用することができないものであった。

特許文献１〜４においても、電荷発生層などを介して複数の発光ユニットを積層した有機ＥＬ素子が提案されているが、高い電圧で駆動することが必要であり、高い発光効率が得られるものではなかった。
特開２００３−２７２８６０号公報 特開２００３−２６４０８５号公報 特開平１１−３２９７４８号公報 特開２００４−３９６１７号公報 ２００４年春季第５１回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集Ｎｏ．３ １４６４頁 講演番号２８ｐ−ＺＱ−１４「二重絶縁層をもつキャリア再結合型有機ＥＬ素子」 SYNTHESIS,April,1994,378〜380頁"Improved Synthesis of 1,4,5,8,9,12-Hexaazatriphenylenehexacarboxylic Acid"

本発明の目的は、少なくとも２つの発光ユニットを備えた有機ＥＬ素子において、低電圧で駆動可能で、かつ発光効率が高い有機ＥＬ素子及び有機ＥＬ表示装置を提供することにある。

本発明の有機ＥＬ素子は、陰極と、陽極と、陰極及び陽極の間に配置される中間ユニットと、陰極及び中間ユニットの間に配置される第１の発光ユニットと、陽極及び中間ユニットの間に配置される色を発光する第２の発光ユニットとを備え、中間ユニットに、陰極側に隣接する隣接層から電子を引き抜くための電子引き抜き層が設けられており、電子引き抜き層の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＬＵＭＯ（Ａ）│と、隣接層の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＨＯＭＯ（Ｂ）│が、│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│≦１．５ｅＶの関係にあり、第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層が、アリールアミン系ホール輸送性材料を含有しており、該発光層が隣接層として機能するように電子引き抜き層に隣接して設けられ、中間ユニットは、電子引き抜き層による上記発光層からの電子の引き抜きにより発生したホールを第１の発光ユニットに供給するとともに、引き抜いた電子を第２の発光ユニットに供給することを特徴としている。

本発明によれば、第１の発光ユニットと第２の発光ユニットの間に、中間ユニットが設けられ、中間ユニットに、電子引き抜き層が設けられている。また、第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層は、アリールアミン系ホール輸送性材料を含有しており、該発光層は電子引き抜き層に隣接して設けられている。従って、本発明においては、該発光層が隣接層として機能する。本発明に従い、第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層を隣接層として機能させることにより、中間ユニット内に隣接層を設ける場合に比べ、駆動電圧を低くすることができ、発光効率を高めることができる。

本発明においては、以下に説明するようなメカニズムで第１の発光ユニットと第２の発光ユニットが発光する。

隣接層のＨＯＭＯのエネルギーレベルの絶対値│ＨＯＭＯ（Ｂ）│と、電子引き抜き層のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値│ＬＵＭＯ（Ａ）│とは、│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│≦１．５ｅＶの関係にある。すなわち、電子引き抜き層のＬＵＭＯのエネルギーレベルは、隣接層のＨＯＭＯのエネルギーレベルに近い値となっている。このため、電子引き抜き層は隣接層から電子を引き抜くことができる。この隣接層からの電子の引き抜きにより、隣接層にはホールが発生する。本発明においては、第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層を隣接層として用いているので、第１の発光ユニット内の該発光層にホールが発生する。第１の発光ユニットに発生したホールは、陰極からの電子と再結合し、これによって第１の発光ユニットが発光する。

一方、電子引き抜き層に引き抜かれた電子は、第２の発光ユニットに供給され、陽極から供給されたホールと再結合し、これによって第２の発光ユニットが発光する。

従って、本発明によれば、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットのそれぞれにおいて再結合領域を形成することができ、これによって第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットをそれぞれ別個に発光させることができる。

本発明において、電子引き抜き層が隣接層から電子を引き抜くためには、電子引き抜き層のＬＵＭＯのエネルギーレベルが、隣接層のＬＵＭＯのエネルギーレベルよりも、隣接層のＨＯＭＯのエネルギーレベルに近いことが好ましい。すなわち、隣接層のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値│ＬＵＭＯ（Ｂ）│は、以下の関係を満足することが好ましい。

│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│＜│ＬＵＭＯ（Ａ）│−│ＬＵＭＯ（Ｂ）│
また、電子引き抜き層として用いる材料のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値は、一般に隣接層のＨＯＭＯをエネルギーレベルの絶対値よりも小さいので、このような場合、それぞれのエネルギーレベルの絶対値は、以下の関係式で示される。

０ｅＶ＜│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│≦１．５ｅＶ
本発明においては、電子引き抜き層の陽極側に電子注入層が設けられることが好ましい。また、電子注入層のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値｜ＬＵＭＯ（Ｃ）｜または仕事関数の絶対値｜ＷＦ（Ｃ）｜は、電子引き抜き層のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値｜ＬＵＭＯ（Ａ）｜より小さいことが好ましい。電子引き抜き層より引き抜かれた電子は、電子注入層に移動し、電子注入層から第２の発光ユニットに供給される。

本発明においては、中間ユニット内の電子注入層と、第２の発光ユニットとの間に、電子輸送層が設けられることが好ましい。電子輸送層のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値｜ＬＵＭＯ（Ｄ）｜は、電子注入層のＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値｜ＬＵＭＯ（Ｃ）｜または仕事関数の絶対値｜ＷＦ（Ｃ）｜より小さいことが好ましい。電子輸送層が設けられている場合には、電子注入層に移動した電子は、電子輸送層を通り第２の発光ユニットに供給される。従って、中間ユニットは、電子引き抜き層が引き抜いた電子を電子注入層及び電子輸送層を介して第２の発光ユニットに供給する。

本発明における第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットは、それぞれ単一の発光層から形成されていてもよいし、複数の発光層を直接接するように積層して構成されていてもよい。しかしながら、本発明は、第１の発光層及び第２の発光層のうちの少なくとも一方が、２つの発光層を直接接するように積層した構造を有する場合に、特に有用である。すなわち、このような場合において、第１の発光ユニットと第２の発光ユニットを直接積層させると、３つまたは４つの発光層を直接積層した構造となり、上述のように、電子とホールの再結合領域の拡がりに限度があるため、再結合領域は３つまたは４つの発光層をまたがることがない。このため、３つまたは４つの発光層の厚み方向の１箇所で再結合が生じ、高い発光効率を得ることができない。また、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットのそれぞれが別個に発光した場合の再結合領域と異なる領域で再結合するため、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットの組合せの発光色と異なる色が発光する場合がある。

本発明に従い、第１の発光ユニットと第２の発光ユニットの間に中間ユニットを設けることにより、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットのそれぞれにおいて再結合させることができる。すなわち、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットのそれぞれに再結合領域を形成することができ、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットをそれぞれ独自に発光させることができる。このため、高い発光効率を得ることができるとともに、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットの組合せの発光色と同一の色を発光することができる。

本発明において、電子引き抜き層は、ＬＵＭＯのエネルギーレベルの絶対値が、隣接層のＨＯＭＯのエネルギーレベルの絶対値より１．５ｅＶ小さいものであれば特に制限なく用いることができる。具体例としては、例えば、以下に示す構造式で表わされるピラジン誘導体から形成することができる。

（ここで、Ａｒはアリール基を示し、Ｒは水素、炭素数１〜１０のアルキル基、アルキルオキシ基、ジアルキルアミン基、またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＩもしくはＣＮを示す。）
本発明において、さらに好ましくは、以下に示す構造式で表わされるヘキサアザトリフェニレン誘導体から電子引き抜き層を形成することができる。

（ここで、Ｒは水素、炭素数１〜１０のアルキル基、アルキルオキシ基、ジアルキルアミン基、またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＩもしくはＣＮを示す。）
本発明における第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットを構成する発光層は、ホスト材料とドーパント材料から形成されていることが好ましい。必要に応じてキャリア輸送性の第２のドーパント材料が含有されていてもよい。ドーパント材料としては、１重項発光材料であってもよいし、３重項発光材料（燐光発光材料）であってもよい。

本発明においては、第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層にアリールアミン系ホール輸送性材料が含有されている。アリールアミン系ホール輸送性材料は、該発光層において、５０重量％以上含有されていることが好ましく、さらには７０重量％以上含有されていることが好ましい。該アリールアミン系ホール輸送性材料は、ホスト材料として該発光層に含有されていることが好ましい。

本発明において、中間ユニット内の電子注入層は、例えば、Ｌｉ及びＣｓなどのアルカリ金属、Ｌｉ₂Ｏなどのアルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属酸化物などから形成することが好ましい。

また、本発明において、中間ユニット内の電子輸送層は、有機ＥＬ素子において一般に電子輸送性材料として用いられている材料から形成することができる。

本発明の有機エレクトロルミネッセント表示装置は、陽極と陰極に挟まれた素子構造を有する有機エレクトロルミネッセント素子と、表示画素毎に対応した表示信号を有機エレクトロルミネッセント素子に供給するための能動素子が設けられたアクティブマトリックス駆動基板と、該アクティブマトリックス駆動基板と対向して設けられる透明な封止基板とを備え、有機エレクトロルミネッセント素子を前記アクティブマトリックス駆動基板と封止基板の間に配置し、陰極及び陽極のうち封止基板側に設けられる電極を透明電極としたトップエミッション型の有機エレクトロルミネッセント表示装置であって、有機エレクトロルミネッセント素子が、陰極と、陽極と、陰極及び陽極の間に配置される中間ユニットと、陰極及び前記中間ユニットの間に配置される第１の発光ユニットと、陽極及び前記中間ユニットの間に配置される第２の発光ユニットとを備え、中間ユニットに、陰極側に隣接する隣接層から電子を引き抜くための電子引き抜き層が設けられており、電子引き抜き層の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＬＵＭＯ（Ａ）│と、隣接層の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＨＯＭＯ（Ｂ）│が、│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│≦１．５ｅＶの関係にあり、第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層が、アリールアミン系ホール輸送性材料を含有しており、該発光層が前記隣接層として機能するように電子引き抜き層に隣接して設けられ、中間ユニットは、電子引き抜き層による発光層からの電子の引き抜きにより発生したホールを第１の発光ユニットに供給するとともに、引き抜いた電子を第２の発光ユニットに供給することを特徴としている。

有機エレクトロルミネッセント素子が白色発光の素子である場合、封止基板と有機エレクトロルミネッセント素子の間にカラーフィルターを配置することが好ましい。

本発明の有機エレクトロルミネッセント表示装置は、トップエミッション型の表示装置であるので、有機エレクトロルミネッセント素子で発光した光は、アクティブマトリックスが設けられている側と反対側の封止基板から出射される。一般にアクティブマトリックス回路は多数の層を積層して形成するものであり、ボトムエミッション型の場合はこのようなアクティブマトリックス回路の存在により出射光が減衰するが、本発明の有機エレクトロルミネッセント表示装置はトップエミッション型であるため、このようなアクティブマトリックス回路による影響を受けることなく光を出射することができる。特に、本発明の有機エレクトロルミネッセント素子は複数の発光ユニットを有するものであるため、トップエミッション型の場合ボトムエミッション型に比べ発光した光が通過する膜数が少なくて済むので、光の干渉による出射光の減衰あるいは出射光の視野角の減衰を制御するための設計の自由度を高めることができる。

本発明の有機ＥＬ素子及び有機ＥＬ表示装置は、少なくとも２つの発光ユニットを備えた有機ＥＬ素子であり、低電圧で駆動可能で、かつ発光効率が高い有機ＥＬ素子及び有機ＥＬ表示装置である。

図１は、本発明に従う有機ＥＬ素子を示す模式的断面図である。図１に示すように、陰極５１と陽極５２の間には、第１の発光ユニット４１及び第２の発光ユニット４２が設けられている。第１の発光ユニット４１と第２の発光ユニット４２の間には、中間ユニット３０が設けられている。第１の発光ユニット４１は、中間ユニット３０に対し陰極５１側に設けられており、第２の発光ユニット４２は、中間ユニット３０に対し陽極５２側に設けられている。中間ユニット３０内には、電子引き抜き層が設けられている。この電子引き抜き層の陰極５１側に隣接層が設けられている。本発明において、隣接層は第１の発光ユニット４１内の発光層であるので、第１の発光ユニット内に設けられている。

図２は、中間ユニット周辺のエネルギーダイヤグラムを示す図である。中間ユニット３０は、電子引き抜き層３１、電子注入層３２及び電子輸送層３３から構成されている。電子引き抜き層３１の陰極側には、第１の発光ユニット４１の中間ユニット３０側の発光層である隣接層４０が設けられている。また、中間ユニット３０の陽極側には、第２の発光ユニット４２が設けられている。図２においては、第２の発光ユニット４２の中間ユニット３０側の発光層のみが図示されている。

図２に示すように、電子引き抜き層３１と第２の発光ユニット４２の間には、電子注入層３２を設けることが好ましい。さらに、電子注入層３２と第２の発光ユニット４２の間には、電子輸送層３３を設けることが好ましい。

図２に示す実施例において、電子引き抜き層３１は、以下に示す構造式で表わされるヘキサアザトリフェニレンヘキサカルボニトリル（以下、「ＨＡＴ−ＣＮ６」という）から形成されている。ＨＡＴ−ＣＮ６は、例えば非特許文献２に記載された方法により製造することができる。

また、電子注入層３２は、Ｌｉ（金属リチウム）から形成されている。

また、電子輸送層３３は、以下に示す構造を有するＢＣＰ（２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）から形成されている。

本発明において、電子引き抜き層３１の厚みは、１〜１５０ｎｍの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは５〜１００ｎｍの範囲内である。電子注入層３２の厚みは、０．１〜１０ｎｍの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜１ｎｍの範囲内である。電子輸送層３３の厚みは、１〜１００ｎｍの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは５〜５０ｎｍの範囲内である。

図２に示す実施例において、隣接層（発光層）４０は、以下の構造を有するＮＰＢ（Ｎ，Ｎ′−ジ（ナフタセン−１−イル）−Ｎ，Ｎ′−ジフェニルベンジジン）をホスト材料として含有している。

図２に示す実施例において、第２の発光ユニット４２として示している発光層は、以下の構造を有するＴＢＡＤＮ（２−ターシャリー−ブチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン）をホスト材料として含有している。

図２に示すように、電子引き抜き層３１のＬＵＭＯエネルギーレベルの絶対値（４．４ｅＶ）と、隣接層４０のＨＯＭＯエネルギーレベルの絶対値（５．４ｅＶ）との差は、１．５ｅＶ以内である。また、電子注入層３２のＬＵＭＯエネルギーレベル（仕事関数）の絶対値は、電子引き抜き層３１のＬＵＭＯエネルギーレベルの絶対値よりも小さく、電子輸送層３３のＬＵＭＯエネルギーレベルの絶対値は、電子注入層３２のＬＵＭＯエネルギーレベルの絶対値よりも小さい。

従って、電子引き抜き層３１は、陽極及び陰極に電圧が印加された際、隣接層４０から電子を引き抜くことができる。引き抜かれた電子は、電子注入層３２及び電子輸送層３３を通り、第２の発光ユニット４２に供給される。

また、隣接層４０においては、電子が引き抜かれるのでホールが発生する。このホールは、第１の発光ユニット内において陰極から供給された電子と再結合する。この結果、第１の発光ユニット内で発光する。

第２の発光ユニットに供給された電子は、陽極から供給されたホールと第２の発光ユニット４２内で再結合する。この結果、第２の発光ユニット４２内で発光する。

以上のように、本発明によれば、第１の発光ユニット内及び第２の発光ユニット内で、それぞれ再結合領域を形成することができ、発光させることができる。この結果、発光効率を高めることができるとともに、第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットの発光色で発光させることができる。

また、本発明によれば、第１の発光ユニットの中間ユニット側の発光層が隣接層として機能する。従って、電子引き抜き層と直接接触するように第１の発光ユニットが設けられており、電子引き抜き層と第１の発光ユニットの間に隣接層を設ける場合に比べ、駆動電圧を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。

＜実験１＞
（実施例１〜３及び比較例１）
表１に示す陽極、ホール輸送層、第２の発光ユニット、中間ユニット、第１の発光ユニット、電子輸送層、及び陰極を有する実施例１〜３及び比較例１の有機ＥＬ素子を作製した。表１に示すように、実施例１〜３においては、中間ユニットの電子引き抜き層である「ＨＡＴ−ＣＮ６」層を第１の発光ユニットに直接接触するように隣接して設けている。比較例１においては、電子引き抜き層である「ＨＡＴ−ＣＮ６」層と第１の発光ユニットの間に、隣接層としてＮＰＢ層を設けている。以下の表において、（ ）内の数字は、各層の厚み（ｎｍ）を示している。

陽極は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜が形成されたガラス基板の上に、フロオロカーボン（ＣＦ_X）層を形成することにより作製した。フロオロカーボン層は、ＣＨＦ₃ガスのプラズマ重合により形成した。フロオロカーボン層の厚みは、１ｎｍとした。

以上のようにして作製した陽極の上に、ホール輸送層、第２の発光ユニット、中間ユニット、第１の発光ユニット、電子輸送層、及び陰極を蒸着法により順次堆積して形成した。

ホール輸送層は、ＮＰＢから形成した。

第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットは、オレンジ色発光層（ＮＰＢ＋３．０％ＤＢｚＲ）及び青色発光層（ＴＢＡＤＮ＋２．５％ＴＢＰ）を積層して形成している。いずれの発光ユニットにおいても、オレンジ色発光層が陽極側に位置し、青色発光層が陰極側に位置している。なお、％は特に断らない限り重量％である。

オレンジ色発光層においては、ＮＰＢをホスト材料として用い、ＤＢｚＲをドーパント材料として用いている。ＤＢｚＲは、５，１２−ビス｛４−（６−メチルベンゾチアゾール−２−イル）フェニル｝−６，１１−ジフェニルナフタセンであり、以下の構造を有している。

青色発光層は、ＴＢＡＤＮをホスト材料として用いており、ＴＢＰをドーパント材料として用いている。

ＴＢＰは、２，５，８，１１−テトラ−ターシャリー−ブチルペリレンであり、以下の構造を有している。

作製した各有機ＥＬ素子について、色度（ＣＩＥ（ｘ，ｙ））、及び発光効率を測定し、測定結果を駆動電圧とともに表２に示した。なお、発光効率は、１０ｍＡ／ｃｍ²における値である。

表２に示す結果から明らかなように、第１の発光ユニットのオレンジ色発光層を隣接層として用いた実施例１〜３においては、中間ユニット内のＮＰＢ層を隣接層として用いた比較例１に比べ、駆動電圧が低くなっていることがわかる。また、発光効率も向上していることがわかる。これは、第１の発光ユニットのオレンジ色発光層を電子引き抜き層に隣接して設けることにより、電子引き抜き層からの電子引き抜きにより発生したホールが効率良く第１の発光ユニットに供給されるためであると思われる。

本発明に従い、第１の発光ユニットと第２の発光ユニットの間に中間ユニットを設けた有機ＥＬ素子が高い発光効率を示す理由については以下の通りである。すなわち、本発明に従う有機ＥＬ素子においては、第２の発光ユニットは陽極側に位置しているため、相対的にホールが多い状態となっている。従って、中間ユニットが存在しない場合、電子が不足した状態になっている。一方、第１の発光ユニットは、陰極側に位置しているので、相対的に電子が多い状態となっており、中間ユニットが存在しなければ、ホールが不足した状態となっている。

上述のように、中間ユニットが存在しない場合、４つの発光層が連続して直接に接触した状態となっているので、４つの発光層の中の１つの領域でキャリアが再結合する。本発明に従い、４つの発光層の真ん中に中間ユニットを設けることにより、陽極側の第２の発光ユニットにおける電子の不足を補い、陽極側の第１の発光ユニットにおけるホールの不足を補うことができる。そのメカニズムは、図２を参照して説明したように、陽極及び陰極に電圧が印加されると、第１の発光ユニットにおける隣接層から電子引き抜き層へ電子の引き抜きが起こり、電子引き抜き層のＬＵＭＯに引き抜かれた電子が入る。また、電子が引き抜かれた結果、隣接層のＨＯＭＯにホールが発生する。電子引き抜き層のＬＵＭＯの電子は、中間ユニット内の電子注入層を経て電子輸送層のＬＵＭＯに入り、その後第２の発光ユニットに入り、陽極から注入されたホールと再結合する。このとき、中間ユニットからの電子以外に、陰極から注入された電子であって、第１の発光ユニットで消費されなかった電子も同時に再結合に寄与していると考えられる。これにより、第２の発光ユニット中のオレンジ色発光層と青色発光層が同時に発光し、補色型の白色発光が生じる。

一方、第１の発光ユニットの隣接層のＨＯＭＯに生じたホール、及び第２の発光ユニットで消費されなかった陽極からのホールは、高電界中、第１の発光ユニットに移動し、第１の発光ユニット中において、陰極から注入された電子と再結合する。これにより、第１の発光ユニットのオレンジ色発光層及び青色発光層が同時に発光し、補色型の白色発光が生じる。

以上のように、第１の発光ユニットと第２の発光ユニットの２箇所で白色発光が生じるため、発光効率は２倍に向上する。Ｖ₂Ｏ₅等の無機半導体層を介在させて複数の発光ユニットを組み合わせた従来の有機ＥＬ素子の場合、無機半導体層中に元々存在していたキャリアを利用している。これに対し、本発明においては、キャリアが存在しない中性の有機層すなわち隣接層から、キャリアを分離させて、このキャリアを用いて発光させている。従って、本発明の有機ＥＬ素子は、従来の素子に比べて、低い駆動電圧にすることが可能である。すなわち、電子を引き抜くエネルギー（電子引き抜き層のＬＵＭＯと隣接層のＨＯＭＯの差）及び生じた電子を陽極側の発光層に注入するためのエネルギー差で発光させることができる。

また、本発明においては、発光効率を２倍にすることができるので、素子の信頼性も高めることができる。例えば、初期輝度５０００ｃｄ／ｍ²の輝度で、連続発光させる場合、通常の有機ＥＬ素子では、５０００ｃｄ／ｍ²の輝度でそのまま発光させなければならない。これに対し、本発明の有機ＥＬ素子では、発光効率が２倍になっているので、素子中の１つの発光ユニットは５０００ｃｄ／ｍ²の半分である２５００ｃｄ／ｍ²の輝度で発光させればよい。従って、素子を流れる電流量は半分でよく、素子にかかる負荷が小さくなる。連続発光における素子の寿命は、流れる電流値に影響されるため、本発明によれば素子の寿命を向上させることができる。

以上のように、本発明に従い、電子引き抜き層を中間ユニット内に設けることにより、低電圧で駆動可能で、かつ発光効率が高く、所望の発光色を示す有機ＥＬ素子とすることができることがわかる。

＜実験２＞
表３に示す、陽極、ホール注入層、第２の発光ユニット、中間ユニット、第１の発光ユニット、電子輸送層、及び陰極を有し、中間ユニット内のＬｉ₂Ｏ層の厚みｘを０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、１ｎｍ、及び３ｎｍと変化させた有機ＥＬ素子をそれぞれ作製した。

第１の発光ユニット及び第２の発光ユニットにおけるオレンジ色発光層は、実施例１〜３におけるオレンジ色発光層と同様である。また、青色発光層は、８０重量％のＴＢＡＤＮをホスト材料として用い、２．５重量％のＴＢＰを第１のドーパント材料として用い、２０重量％のＮＰＢを第２のドーパント材料として用いている。

Ｌｉ₂Ｏ層の膜厚を変化させた各有機ＥＬ素子について、１０ｍＡ／ｃｍ²における発光効率を測定し、その結果を図３に示した。

図３に示す結果から明らかなようにＬｉ₂Ｏの膜厚が０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内において、発光が可能であることがわかる。また、Ｌｉ₂Ｏの膜厚が０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲において、特に発光効率が高くなることがわかる。従って、本発明においても、中間ユニット内の電子注入層（Ｌｉ₂Ｏ層など）の膜厚が、０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲内であることがわかる。

図４は、本発明に従う実施例の有機ＥＬ素子を備えた有機ＥＬ表示装置を示す断面図である。この有機ＥＬ表示装置においては、能動素子としてＴＦＴを用いて各画素における発光を駆動している。なお、能動素子としてダイオードなども用いることができる。また、この有機ＥＬ素子においては、カラーフィルターが設けられている。この有機ＥＬ表示装置は、矢印で示しているように基板１の下方に光を出射して表示するボトムエミッション型の表示装置である。

図４を参照して、ガラスなどの透明基板からなる基板１の上には、第１の絶縁層２が設けられている。第１の絶縁層２は、例えばＳｉＯ₂及びＳｉＮ_Xなどから形成されている。第１の絶縁層２の上には、ポリシリコン層からなるチャネル領域２０が形成されている。チャネル領域２０の上には、ドレイン電極２１及びソース電極２３が形成されており、またドレイン電極２１とソース電極２３の間には、第２の絶縁層３を介してゲート電極２２が設けられている。ゲート電極２２の上には、第４の絶縁層４が設けられている。第２の絶縁層３は、例えばＳｉＮ_X及びＳｉＯ₂から形成されており、第３の絶縁層４は、ＳｉＯ₂及びＳｉＮ_Xから形成されている。

第３の絶縁層４の上には、第４の絶縁層５が形成されている。第４の絶縁層５は、例えば、ＳｉＮ_Xから形成されている。第４の絶縁層５の上の画素領域の部分には、カラーフ
ィルター層７が設けられている。カラーフィルター層７としては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、またＢ（青）などのカラーフィルターが設けられる。カラーフィルター層７の上には、第１の平坦化膜６が設けられている。ドレイン電極２１の上方の第１の平坦化膜６にはスルーホール部が形成され、第１の平坦化膜６の上に形成されているＩＴＯ（インジウムースズ酸化物）からなるホール注入電極８がスルーホール部内に導入されている。画素領域におけるホール注入電極（陽極）８の上には、ホール注入層１０が形成されている。画素領域以外の部分においては、第２の平坦化膜９が形成されている。

ホール注入層１０の上には、本発明に従い積層した白色発光の発光素子層１１が設けられている。発光素子層１１は、第２の発光ユニットの上に中間ユニットを介して第１の発光ユニットを積層した本発明に従う構造を有している。発光素子層１１の上には、電子輸送層１２が設けられ、電子輸送層１２の上には、電子注入電極（陰極）１３が設けられている。

以上のように、本実施例の有機ＥＬ素子においては、画素領域の上に、ホール注入電極（陽極）８と、ホール注入層１０と、本発明に従う構造を有する発光素子層１１と、電子輸送層１２と、電子注入電極（陰極）１３とが積層されて有機ＥＬ素子が構成されている。

発光素子層１１からは白色の発光がなされる。この白色の発光は、基板１を通り外部に出射するが、発光側にカラーフィルター層７が設けられているので、カラーフィルター層７の色に応じて、Ｒ、ＧまたはＢの色が出射される。

図５は本発明に従う実施例の有機ＥＬ表示装置を示す断面図である。本実施例の有機ＥＬ表示装置は、矢印で図示してるように基板１の上方に光を出射して表示するトップエミッション型の有機ＥＬ表示装置である。

基板１から陽極８までの部分は、図４に示す実施例とほぼ同様にして作製されている。但し、カラーフィルター層７は、第４の絶縁層５の上に設けられておらず、有機ＥＬ素子の上方に配置されている。具体的には、ガラスなどからなる透明な封止基板１０の上にカラーフィルター層７を取り付け、この上にオーバーコート層１５をコーティングし、これを透明接着剤層１４を介して陽極８の上に貼り付けることにより取り付けられている。また、本実施例では、陽極と陰極の位置を図４に示す実施例とは逆にしている。

陽極８として、透明な電極が形成されており、例えば、膜厚１００ｎｍ程度のＩＴＯと膜厚２０ｎｍ程度の銀とを積層することにより形成されている。陰極１３としては、反射電極が形成されており、例えば、膜厚１００ｎｍ程度のアルミニウム、クロム、または銀の薄膜が形成されている。オーバーコート層１５は、アクリル樹脂などにより厚み１μｍ程度に形成されている。カラーフィルター層７は、顔料タイプのものであってもよいし染料タイプのものであってもよい。その厚みは１μｍ程度である。

発光素子層１１から発光された白色光は、封止基板１６を通り外部に出射されるが、発光側にカラーフィルター層７が設けられているので、カラーフィルター層７の色に応じてＲ、ＧまたはＢの色が出射される。本実施例の有機ＥＬ表示装置はトップエミッション型であるので、薄膜トランジスタが設けられている領域も画素領域として用いることができ、図４に示す実施例よりも広い範囲にカラーフィルター層７が設けられている。発光素子層１１は本発明に従う有機ＥＬ素子から形成されており、発光効率の高い発光素子層であるが、本実施例によればより広い領域を画素領域として用いることができるので、発光効率の高い発光素子層の利点を十分に活用することができる。また、複数の発光ユニットを有する発光素子層の形成も、アクティブマトリックスによる影響を考慮せずに行うことができるので、設計の自由度を高めることができる。

上記実施例では、封止基板としてガラス板を用いているが、本発明において封止基板はガラス板に限定されるものではなく、例えば、ＳｉＯ₂などの酸化膜やＳｉＮ_xなどの窒化膜などの膜状のものも封止基板として用いることができる。この場合、素子上に膜状の封止基板を直接形成できるので、透明接着剤層を設ける必要がなくなる。

上記各実施例においては、陽極及び陰極の間に２つ発光ユニット（第１の発光ユニット及び第２の発光ユニット）を配置した有機ＥＬ素子を例示しているが、本発明における発光ユニットの数は２つに限定されるものではなく、３つ以上発光ユニットを設け、各発光ユニットの間に中間ユニットを設けてもよい。

本発明に従う一実施例の有機ＥＬ素子を示す模式的断面図。 中間ユニット周辺のエネルギーダイヤグラムを示す図。 Ｌｉ₂Ｏ層の膜厚と発光効率との関係を示す図。 本発明に従う実施例の有機ＥＬ素子を用いたボトムエミッション型の有機ＥＬ表示装置を示す断面図。 本発明に従う実施例の有機ＥＬ表示装置を示す断面図。

符号の説明

１…基板
２…第１の絶縁層
３…第２の絶縁層
４…第３の絶縁層
５…第４の絶縁層
６…第１の平坦化膜
７…カラーフィルター層
８…ホール注入電極
９…第２の平坦化膜
１０…ホール注入層
１１…発光素子層
１２…電子輸送層
１３…電子注入電極
１４…透明接着剤層
１５…オーバーコート層
１６…封止基板
２０…チャネル領域
２１…ドレイン電極
２２…ゲート電極
２３…ソース電極
３０…中間ユニット
３１…電子引き抜き層
３２…電子注入層
３３…電子輸送層
４０…隣接層
４１…第１の発光ユニット
４２…第２の発光ユニット
５１…陰極
５２…陽極

Claims (9)

1. 陰極と、陽極と、前記陰極及び前記陽極の間に配置される中間ユニットと、前記陰極及び前記中間ユニットの間に配置される第１の発光ユニットと、前記陽極及び前記中間ユニットの間に配置される第２の発光ユニットとを備え、
   前記中間ユニットに、陰極側に隣接する隣接層から電子を引き抜くための電子引き抜き層が設けられており、前記電子引き抜き層の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＬＵＭＯ（Ａ）│と、前記隣接層の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＨＯＭＯ（Ｂ）│が、│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│≦１．５ｅＶの関係にあり、
   前記第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層が、アリールアミン系ホール輸送性材料を含有しており、該発光層が前記隣接層として機能するように前記電子引き抜き層に隣接して設けられ、
   前記中間ユニットは、前記電子引き抜き層による前記発光層からの電子の引き抜きにより発生したホールを前記第１の発光ユニットに供給するとともに、引き抜いた電子を前記第２の発光ユニットに供給することを特徴とする有機エレクトロルミネッセント素子。
2. 前記アリールアミン系ホール輸送性材料が、ホスト材料として前記発光層に含有されていることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセント素子。
3. 前記電子引き抜き層の陽極側に隣接して電子注入層が設けられており、前記電子注入層の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値｜ＬＵＭＯ（Ｃ）｜または仕事関数の絶対値｜ＷＦ（Ｃ）｜は、｜ＬＵＭＯ（Ａ）｜より小さく、
   前記中間ユニットは、前記電子引き抜き層が引き抜いた電子を前記電子注入層を介して前記第２の発光ユニットに供給することを特徴とする請求項１または２に記載の有機エレクトロルミネッセント素子。
4. 前記電子注入層と前記第２の発光ユニットとの間の前記中間ユニット内に、電子輸送層が設けられており、前記電子輸送層の最低空分子軌道のエネルギーレベルの絶対値｜ＬＵＭＯ（Ｄ）｜は、｜ＬＵＭＯ（Ｃ）｜または｜ＷＦ（Ｃ）｜より小さく、
   前記中間ユニットは、前記電子引き抜き層が引き抜いた電子を前記電子注入層及び前記電子輸送層を介して前記第２の発光ユニットに供給することを特徴とする請求項３に記載の有機エレクトロルミネッセント素子。
5. 前記第１の発光ユニット及び前記第２の発光ユニットのうちの少なくとも一方が、２つの発光層を直接接するように積層した構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセント素子。
6. 前記電子引き抜き層が、以下に示す構造式で表わされるピラジン誘導体から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセント素子。
   

   

   （ここで、Ａｒはアリール基を示し、Ｒは水素、炭素数１〜１０のアルキル基、アルキルオキシ基、ジアルキルアミン基、またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＩもしくはＣＮを示す。）
7. 前記電子引き抜き層が、以下に示す構造式で表わされるヘキサアザトリフェニレン誘導体から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセント素子。
   

   

   （ここで、Ｒは水素、炭素数１〜１０のアルキル基、アルキルオキシ基、ジアルキルアミン基、またはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＩもしくはＣＮを示す。）
8. 陽極と陰極に挟まれた素子構造を有する有機エレクトロルミネッセント素子と、表示画素毎に対応した表示信号を前記有機エレクトロルミネッセント素子に供給するための能動素子が設けられたアクティブマトリックス駆動基板と、該アクティブマトリックス駆動基板と対向して設けられる透明な封止基板とを備え、前記有機エレクトロルミネッセント素子を前記アクティブマトリックス駆動基板と前記封止基板の間に配置し、前記陰極及び前記陽極のうち前記封止基板側に設けられる電極を透明電極としたトップエミッション型の有機エレクトロルミネッセント表示装置であって、
   前記有機エレクトロルミネッセント素子が、前記陰極と、前記陽極と、前記陰極及び前記陽極の間に配置される中間ユニットと、前記陰極及び前記中間ユニットの間に配置される第１の発光ユニットと、前記陽極及び前記中間ユニットの間に配置される第２の発光ユニットとを備え、
   前記中間ユニットに、陰極側に隣接する隣接層から電子を引き抜くための電子引き抜き層が設けられており、前記電子引き抜き層の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＬＵＭＯ（Ａ）│と、前記隣接層の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギーレベルの絶対値│ＨＯＭＯ（Ｂ）│が、│ＨＯＭＯ（Ｂ）│−│ＬＵＭＯ（Ａ）│≦１．５ｅＶの関係にあり、
   前記第１の発光ユニットの中間ユニット側に位置する発光層が、アリールアミン系ホール輸送性材料を含有しており、該発光層が前記隣接層として機能するように前記電子引き抜き層に隣接して設けられ、
   前記中間ユニットは、前記電子引き抜き層による前記発光層からの電子の引き抜きにより発生したホールを前記第１の発光ユニットに供給するとともに、引き抜いた電子を前記第２の発光ユニットに供給することを特徴とする有機エレクトロルミネッセント表示装置。
9. 前記有機エレクトロルミネッセント素子が白色発光素子であり、前記有機エレクトロルミネッセント素子と前記封止基板との間に、カラーフィルターが配置されていることを特徴とする請求項８に記載の有機エレクトロルミネッセント表示装置。
   
   
   

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