JP5090227B2

JP5090227B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子、照明装置および表示装置

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Publication number: JP5090227B2
Application number: JP2008081569A
Authority: JP
Inventors: 明義三上
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT); Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT); Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: TW201002124A; US9123913B2; JP2009238507A; EP2278854B1; US20110018023A1; KR20100138956A; EP2278854A4; WO2009119334A1; CN101978779A; EP2278854A1

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子、照明装置および表示装置に関する。

発光素子の１つに有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子という場合がある）がある。有機ＥＬ素子は、例えば一対の電極（陽極および陰極）と、一対の電極の間に位置する有機発光層とが基板上に積層されて構成される。有機ＥＬ素子に電圧を印加すると、陽極から正孔が注入されるとともに陰極から電子が注入され、これら正孔と電子とが有機発光層で結合することによって発光する。いわゆるボトムエミッション型の有機ＥＬ素子では、発光層から放出される光は、基板を通って外に取出される。

有機発光層から放出される光は、例えば基板の表面などで多くが反射され、有機ＥＬ素子から効率的に取出すことができない。従来の技術では、例えば基板の表面に複数のマイクロレンズを形成することで、光の全反射を抑制し、光の取出し効率を向上させている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−２６０８５４号公報

マイクロレンズなどを基板に形成することで光取出し効率は向上するが、さらなる光取出し効率の向上が求められている。

従って本発明の目的は、光取出し効率の高い有機ＥＬ素子、この有機ＥＬ素子を備える照明装置および表示装置を提供することである。

本発明は、透明で、屈折率が１．８以上の基板と、
前記基板に設けられ、少なくとも一対の電極、および該一対の電極の間に位置する有機発光層が積層されて構成される積層体と、
前記積層体側とは反対側の前記基板の表面に設けられる多孔質の光散乱体とを含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子である。

また本発明は、前記光散乱体が、ＴｉＯ₂を含んで構成されることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子である。

また本発明は、前記光散乱体が、ゾルゲル法によって形成されることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子である。

また本発明は、前記有機エレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置である。

また本発明は、前記有機エレクトロルミネッセンス素子を複数備える表示装置である。

本発明によれば、高い光取出し効率の有機ＥＬ素子を実現することができる。

図１は、本発明の実施の一形態の有機ＥＬ素子１を示す正面図である。有機ＥＬ素子１は、透明で、屈折率が１．８以上の基板２と、前記基板２に設けられ、少なくとも一対の電極３，４、および該一対の電極３，４の間に位置する有機発光層５が積層されて構成される積層体６と、前記積層体６側とは反対側の前記基板２の表面に設けられる多孔質の光散乱体２ａとを含んで構成される。

本実施の形態の有機ＥＬ素子１は、基板２から光を取出すいわゆるボトムエミッション型の素子である。一対の電極３，４のうちの、有機発光層５を基準にして基板２側に配置される電極３は透明であり、この電極３を以下の説明において透明電極３という場合がある。また一対の電極３，４のうちの、有機発光層５を基準にして基板２側とは反対側に配置される電極４は、本実施の形態では、光取出し効率の向上を図るために、有機発光層５から放出される光を基板２側に反射する部材によって構成され、この電極４を以下の説明において反射電極４という場合がある。なお、いわゆる両面発光型の素子の場合には、一対の電極３，４のうちの、有機発光層５を基準にして基板２側とは反対側に配置される電極４は、透明の電極によって構成される。

透明電極３と有機発光層５との間、及び／又は反射電極４と有機発光層５との間には、有機発光層５とは異なる１または複数の層を設けてもよく、また透明電極３と反射電極４との間には、複数の有機発光層を設けてもよい。さらに基板２と積層体との間には、例えば透明な絶縁層などの薄い薄膜を設けてもよい。本実施の形態における有機ＥＬ素子１は、透明電極３と有機発光層５との間に正孔輸送層７が設けられ、基板２の表面上に、透明電極３、正孔輸送層７、有機発光層５、反射電極４がこの順で積層されて構成される。

有機発光層５の屈折率は、通常１．６乃至１．７程度であり、以下の説明においてこの有機発光層５の屈折率を基準にして、この有機発光層５よりも屈折率の低い基板をＬｏｗ−Ｎ基板といい、有機発光層５よりも屈折率の高い基板をＨｉｇｈ−Ｎ基板という場合がある。通常のガラス基板の屈折率は、１．５程度であり、有機ＥＬ素子では屈折率が１．５程度のＬｏｗ−Ｎ基板を用いるのが通常であるところ、本実施の形態では屈折率が１．８以上のＨｉｇｈ−Ｎ基板を用いている。そこで本実施の形態の有機ＥＬ素子１の優位性を示すために、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子と、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子とを対比して説明する。

まず、光散乱体を備えない基板、すなわち図１において光散乱体を除いた基板に積層された有機ＥＬ素子について説明する。後述するように光散乱体２ａを備えない基板を用いた有機ＥＬ素子では、空気と基板との界面で光の一部が反射されたり、全反射が生じたりするが、光散乱体２ａを設けることで、光散乱体２ａで光の散乱などが生じ、光の一部の反射および全反射を抑制して、光取出し効率を向上することができる。

有機ＥＬ素子は、積層方向の厚さが波長程度であり、光の干渉効果が取出される光の特性に影響する。例えば有機発光層の層厚を変化させると、外部量子効率（ＥＱＥ）が変化する。図２は、有機発光層（Ａｌｑ₃）の層厚を変化させたときの外部量子効率の変化を示す図である。図２には、実際に作製した素子の外部量子効率と、シミュレーションで求めた外部量子効率とを示している。具体的には、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いて作製した素子の外部量子効率を、記号「○」（白丸）で表し、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いて作製した素子の外部量子効率を記号「●」（黒丸）で表し、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた素子をモデルとしてシミュレートした外部量子効率を破線で表し、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いた素子をモデルとしてシミュレートした外部量子効率を実線で表す。また図２における左側の縦軸は、実際に作製した素子の外部量子効率を表し、右側の縦軸は、シミュレーションで求めた外部量子効率（任意の単位）を表す。作製した素子およびシミュレーションで用いた解析モデルは、Ｌｏｗ−Ｎ基板の屈折率が１．５２であり、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板の屈折率が２．０２であり、透明電極がＩＴＯ薄膜から成り、正孔輸送層がα−ＮＰＤから成り、有機発光層がＡｌｑ₃から成り、反射電極がＡｌから成る。また基板の厚みは、０．７ｍｍであり、透明電極（ＩＴＯ）の膜厚は、１５０ｎｍであり、正孔輸送層の膜厚は、４０ｎｍであり、反射電極の膜厚は、２００ｎｍである。なお、有機発光層の厚さを変化させることは、反射電極と透明電極との間隔を変化させることに対応する。

図２に示すように、有機発光層の厚さ（ＴｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＡｌｑ_３）を変化させると、実際に作製した素子の外部量子効率およびシミュレーションで求めた外部量子効率の両者が振動的に変化することを観測した。有機発光層から反射電極側に放射され、さらに反射電極で反射された反射光と、有機発光層から透明電極側に放射された光とが重ね合わされ、光の干渉効果で、両者が強め合う条件では外部量子効率が高くなり、両者が弱め合う条件では外部量子効率が低くなる。有機発光層の厚さを変化させると、前記光の強め合う条件と光の弱め合う条件とが交互に出現するので、外部量子効率が振動的に変化するものと考えられる。

有機発光層から放出される光は、一部が外に取出され、残部は基板表面などで反射されて外に取出されない。以下、有機発光層から放出される光のうちで、外に取出される光を外部モード（Ｅｘｔｅｒｎａｌｍｏｄｅ）といい、基板で導波され、基板に閉じ込められる光を基板モード（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｍｏｄｅ）といい、透明電極と反射電極との間で導波され、電極間に閉じ込められる光を薄膜導波モード（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｍｏｄｅ）という。

図３は、有機発光層（Ａｌｑ₃）の層厚を変えたときの光学モード（ＯｐｔｉｃａｌＭｏｄｅ）の変化を、外部モードと、基板モードと、薄膜導波モードとの比を用いて表す図である。図３には、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子の各モードをそれぞれ記号「○」（白丸）で表し、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子の各モードをそれぞれ記号「△」（白三角）で表す。なお外部モードと、基板モードと、薄膜導波モードとを足し合わせると、１００％となるように規格化した。また参考までに、図３には、基板の屈折率を１．０として、トップエミッション型（Ｔ．Ｅ．）の有機ＥＬ素子の光学モードも記号「□」（白四角）で示している。図３では、２本の実線で区切られた３つの領域を各有機ＥＬ素子（Ｔ．Ｅ．除く）ごとにそれぞれ有し、この３つの領域のうちの下方の領域が外部モードを示し、２本の実線で挟まれた領域が基板モードを表し、上方の領域が薄膜導波モードを示す。図３において、基板モードの領域を破線の矢印で示し、薄膜導波モードを実線の矢印で示す。なおＴ．Ｅ．の素子では基板モードがないので、破線の矢印で示す領域がない。図３に示すように、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子では、大部分の光が基板モード（破線の矢印で示す領域）として基板に閉じ込められ、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子では、基板モード（破線の矢印で示す領域）と薄膜導波モード（実線の矢印で示す領域）とが同程度か、薄膜導波モードが基板モードよりも多い。

なお取出される光を表す外部モードのみを比較すると、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子の方がＨｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子よりも高く、光散乱体を設けない場合には、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた方がＨｉｇｈ−Ｎ基板を用いるよりも好ましいと考えられ、この結果は、従来の有機ＥＬ素子においてＬｏｗ−Ｎ基板が用いられてきたことに対応する。

図４は、有機ＥＬ素子の各層の層厚を固定して、基板の屈折率を変化させたときの光学モードの変化を示す図である。シミュレーションに用いたモデルの層構成は、図３に係るシミュレーションで用いたモデルの層構成と同じである。本シミュレーションでは、有機発光層（Ａｌｑ₃）の層厚を５０ｎｍに固定し、基板の屈折率を変化させて各光学モードをシミュレートした。図３において有機発光層の層厚が５０ｎｍでのＴ．Ｅ．の有機ＥＬ素子、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子、およびＨｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子の光学モードは、それぞれ図４において基板の屈折率（ＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘｏｆＳｕｂｓｔｒａｔｅ）が１、１．５２、２．０２である基板の光学モードに対応する。

図３および図４から明らかなように、取出される光を表す外部モードの割合は低く、発光した光の多くは、基板モードまたは薄膜導波モードとして有機ＥＬ素子内に閉じ込められ、外に取出されない。本実施の形態では、光散乱体２ａを基板２の表面に設けることで、本来であれば基板に閉じ込められて外に取出されない基板モードの一部を外部モードに変換することができ、光取出し効率を向上している。光散乱体を設けることで光取出し効率を向上させる方法は従来から採用されているところ、光散乱体を設けない場合、前述したように外部モードは、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた方が高いので、このようなＬｏｗ−Ｎ基板に光散乱体を設けるのが通常である。しかしながら本実施の形態では、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板にあえて光散乱体を設けることで、光取出し効率の更なる向上を図っている。

図３および図４に示すように、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子とＬｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子とでは、外部モードの割合に大きな差は無いが、基板モードと薄膜導波モードとの比に大きな差がある。具体的には、Ｈｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子の基板モードの割合は薄膜導波モードに比べて高く、有機ＥＬ素子に閉じ込められる光の大部分が基板に閉じ込められる。他方、Ｌｏｗ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子の基板モードと薄膜導波モードとは同程度であり、有機ＥＬ素子に閉じ込められる光は、基板と、電極間とに同程度に分布する。前述したように基板に設ける光散乱体は、基板モードの一部を外部モードに変換するように機能するのである。したがって基板モードの割合が高いＨｉｇｈ−Ｎ基板に光散乱体を適用することで、Ｌｏｗ−Ｎ基板に光散乱体を設ける通常の方法に比べて、光取出し効率を大幅に向上することができる。

図２および図３に示すように、外部モードは電極間の距離の変化に対応する有機発光層の層厚に応じて振動的に変化する。本実施の形態における電極間の距離は、光散乱体を設けない状態で（１）外部モードの極大点付近となる長さに設定されることが好ましく、さらに好ましくは最大点付近となる長さに設定される。また光散乱体を設けない状態で基板モードが極大付近となる素子構造の有機ＥＬ素子に光散乱体を設けると、光取出し効率の大幅な向上が見込めるので、電極間の距離は、前述の範囲の他に、光散乱体を設けない状態で（２）基板モードが極大点付近となる長さに設定されることが好ましく、さらに好ましくは基板モードが最大点付近となる長さに設定される。また電極間の距離は、光散乱体を設けない状態で（３）外部モードと基板モードとの和が極大点付近となる長さ、換言すると薄膜導波モードが極小点付近となる長さに設定されることが好ましく、さらに好ましくは薄膜導波モードが最小点付近となる長さに設定される。

また、基板の屈折率ｎ１は、１.８以上が好ましく、さらには透明電極の屈折率ｎ２との差（ｎ１−ｎ２）が−０.１以上であることが好ましい。後述するＩＴＯ薄膜およびＩＺＯ薄膜は、屈折率が１．９〜２.０程度なので、屈折率が１．８以上の基板を用いる本実施の形態の有機ＥＬ素子の透明電極として好適に用いることができる。また有機物から成る透明電極の場合には、屈折率が１.８以上であれば比較的屈折率の低い基板を用いることができる。

続いて有機ＥＬ素子の製法および構成について説明する。前述したように、電極間には１層の有機発光層以外にも、複数の層を設けることができる。一対の電極のうちの一方は陽極として機能し、他方は陰極として機能する。本実施の形態の透明電極３は陽極として機能し、反射電極４は陰極として機能するが、陽極を反射電極で構成し、陰極を透明電極で構成するようにしてもよい。

陰極と有機発光層との間に設けられる層としては、電子注入層、電子輸送層、正孔ブロック層などを挙げることができる。陰極と有機発光層との間に電子注入層と電子輸送層との両方の層が設けられる場合、陰極に近い層を電子注入層といい、有機発光層に近い層を電子輸送層という。

電子注入層は、陰極からの電子注入効率を改善する機能を有する層である。電子輸送層は、陰極、電子注入層または陰極により近い電子輸送層からの電子注入を改善する機能を有する層である。正孔ブロック層は、正孔の輸送を堰き止める機能を有する層である。なお電子注入層、及び／又は電子輸送層が正孔の輸送を堰き止める機能を有する場合には、これらの層が正孔ブロック層を兼ねることがある。

正孔ブロック層が正孔の輸送を堰き止める機能を有することは、例えばホール電流のみを流す素子を作製し、その電流値の減少で堰き止める効果を確認することが可能である。

陽極と有機発光層との間に設けられる層としては、正孔注入層、正孔輸送層、電子ブロック層などを挙げることができる。正孔注入層と正孔輸送層との両方の層が設けられる場合、陽極に近い層を正孔注入層といい、有機発光層に近い層を正孔輸送層という。

正孔注入層は、陽極からの正孔注入効率を改善する機能を有する層である。正孔輸送層は、陽極、正孔注入層または陽極により近い正孔輸送層からの正孔注入を改善する機能を有する層である。電子ブロック層は、電子の輸送を堰き止める機能を有する層である。なお正孔注入層、及び／又は正孔輸送層が電子の輸送を堰き止める機能を有する場合には、これらの層が電子ブロック層を兼ねることがある。

電子ブロック層が電子の輸送を堰き止める機能を有することは、例えば、電子電流のみを流す素子を作製し、その電流値の減少で堰き止める効果を確認することが可能である。

なお、電子注入層および正孔注入層を総称して電荷注入層と言う場合があり、電子輸送層および正孔輸送層を総称して電荷輸送層と言う場合がある。

＜基板＞
基板は、有機ＥＬ素子を製造する工程において変化しないものが好適に用いられ、例えばガラス、プラスチック、高分子フィルム、およびシリコン基板、並びにこれらを積層したものなどが用いられる。また基板は、透明で、屈折率が１．８以上であり、市販のものが入手可能である。

＜光散乱体＞
基板の表面に設けられる光散乱体は、多孔質の光散乱体で構成される。

また多孔質の光散乱体に形成される孔の空孔サイズは、好ましくは光の波長程度であり、例えば４００ｎｍ〜１０００ｎｍである。多孔質の光散乱体は、好ましくはＴｉＯ₂を含んで構成される。この多孔質の光散乱体は、ゾルゲル法によって形成することができる。具体的には、例えばチタンアルコキシドを加水分解して重合させたチタニアゾルを基板に塗布して成膜し、さらに焼成することで形成することができる。チタニアゾルは、たとえばチタニウムテトライソプロポキシドと水とエタノールとを混合して攪拌することで得ることができる。またチタニアゾルを加水分解するときに、塩酸などの酸触媒をさらに加えることで空孔の密度を調整することができる。酸触媒の濃度を高くするほど、空孔の密度が高くなる傾向にある。

なお、変形例として第１の屈折率の基材に、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の微粒子が埋設された光散乱体を基板の表面に設けてもよい。

第１の屈折率の基材としては、樹脂を挙げることができ、第２の屈折率の微粒子としては、無機酸化物、無機フッ化物、無機硫化物、無機炭酸化物等から成る微粒子を挙げることができ、具体的には、チタニア、ジルコニア、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、マグネシア、炭酸バリウム、酸化バリウム、酸化カルシウム、チタン酸バリウム、酸化亜鉛等から成る微粒子を挙げることができる。第２の屈折率の微粒子は、球状、多面体状、ウィスカー状、または平板状でもよい。第２の屈折率の微粒子の平均粒径は、好ましくは、０．１〜５．０μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは０．１〜４．０μｍ、さらに好ましくは０．１〜２．０μｍの範囲内である。平均粒径が上記範囲であることにより、十分な光散乱効果を得ることができる。また微粒子は、光散乱効果を上げるために球状であることが好ましい。

第１の屈折率は、基板と基材との界面での光の反射を抑制するために、基板の屈折率と同じ程度が好ましく、また全反射を抑制するために、基板の屈折率と同じ程度またはそれ以上が好ましい。

この光散乱体は、上述した微粒子を樹脂に分散させた塗布液を、スピンコート、ロールコート、キャストコート等の方法で基板に塗布して成膜し、光硬化型樹脂の場合は紫外線照射後に必要に応じて熱硬化させ、熱硬化型樹脂の場合は成膜後そのまま熱硬化させることで形成することができる。

＜透明電極＞
透明電極には、電気伝導度の高い金属酸化物、金属硫化物および金属などの薄膜を用いることができ、光透過率の高いものが好適に用いられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、ＩＴＯ、インジウム亜鉛酸化物（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ：略称ＩＺＯ）、金、白金、銀、および銅などから成る薄膜が用いられ、これらの中でもＩＴＯ、ＩＺＯ、または酸化スズから成る薄膜が好適に用いられる。透明電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法などを挙げることができる。また、該透明電極として、ポリアニリンもしくはその誘導体、ポリチオフェンもしくはその誘導体などの有機の透明導電膜を用いてもよい。

透明電極の膜厚は、光の透過性と電気伝導度とを考慮して、適宜選択することができ、例えば１０ｎｍ〜１０μｍであり、好ましくは２０ｎｍ〜１μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５００ｎｍである。

＜正孔注入層＞
正孔注入層を構成する正孔注入材料としては、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、および酸化アルミニウムなどの酸化物や、フェニルアミン系、スターバースト型アミン系、フタロシアニン系、アモルファスカーボン、ポリアニリン、およびポリチオフェン誘導体などを挙げることができる。

正孔注入層の成膜方法としては、例えば正孔注入材料を含む溶液からの成膜を挙げることができる。溶液からの成膜に用いられる溶媒としては、正孔注入材料を溶解させるものであれば特に制限はなく、クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタンなどの塩素系溶媒、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチルセルソルブアセテートなどのエステル系溶媒、および水を挙げることができる。

溶液からの成膜方法としては、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法などの塗布法を挙げることができる。

正孔注入層の膜厚は、用いる材料によって最適値が異なり、駆動電圧と発光効率が適度な値となるように適宜設定され、少なくともピンホールが発生しないような厚さが必要であり、あまり厚いと、素子の駆動電圧が高くなるので好ましくない。従って正孔注入層の膜厚は、例えば１ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは２ｎｍ〜５００ｎｍであり、さらに好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。

＜正孔輸送層＞
正孔輸送層を構成する正孔輸送材料としては、ポリビニルカルバゾール若しくはその誘導体、ポリシラン若しくはその誘導体、側鎖若しくは主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、ポリアリールアミン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）若しくはその誘導体、又はポリ（２，５−チエニレンビニレン）若しくはその誘導体などを挙げることができる。

これらの中で正孔輸送材料としては、ポリビニルカルバゾール若しくはその誘導体、ポリシラン若しくはその誘導体、側鎖若しくは主鎖に芳香族アミン化合物基を有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、ポリアリールアミン若しくはその誘導体、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）若しくはその誘導体、又はポリ（２，５−チエニレンビニレン）若しくはその誘導体などの高分子正孔輸送材料が好ましく、さらに好ましくはポリビニルカルバゾール若しくはその誘導体、ポリシラン若しくはその誘導体、側鎖若しくは主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体である。低分子の正孔輸送材料の場合には、高分子バインダーに分散させて用いることが好ましい。

正孔輸送層の成膜方法としては、特に制限はないが、低分子の正孔輸送材料では、高分子バインダーと正孔輸送材料とを含む混合液からの成膜を挙げることができ、高分子の正孔輸送材料では、正孔輸送材料を含む溶液からの成膜を挙げることができる。

溶液からの成膜に用いられる溶媒としては、正孔輸送材料を溶解させるものであれば特に制限はなく、クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタンなどの塩素系溶媒、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチルセルソルブアセテートなどのエステル系溶媒などを挙げることができる。

溶液からの成膜方法としては、前述した正孔中注入層の成膜法と同様の塗布法を挙げることができる。

混合する高分子バインダーとしては、電荷輸送を極度に阻害しないものが好ましく、また可視光に対する吸収の弱いものが好適に用いられ、例えばポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリシロキサンなどを挙げることができる。

また、前述したα−ＮＰＤを蒸着によって形成してもよい。

正孔輸送層の膜厚としては、用いる材料によって最適値が異なり、駆動電圧と発光効率が適度な値となるように適宜設定され、少なくともピンホールが発生しないような厚さが必要であり、あまり厚いと、素子の駆動電圧が高くなり好ましくない。従って、該正孔輸送層の膜厚は、例えば１ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは２ｎｍ〜５００ｎｍであり、さらに好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。

＜有機発光層＞
有機発光層は、通常、主として蛍光及び／又はりん光を発光する有機物、または該有機物とこれを補助するドーパントとから形成される。ドーパントは、発光効率の向上や発光波長を変化させるなどの目的で加えられる。なお、有機物は、低分子化合物でも高分子化合物でもよい。有機発光層を構成する発光材料としては、例えば以下の色素系材料、金属錯体系材料、高分子系材料、ドーパント材料を挙げることができる。
（色素系材料）
色素系材料としては、例えば、シクロペンダミン誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体化合物、トリフェニルアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピラゾロキノリン誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、ジスチリルアリーレン誘導体、ピロール誘導体、チオフェン環化合物、ピリジン環化合物、ペリノン誘導体、ペリレン誘導体、オリゴチオフェン誘導体、トリフマニルアミン誘導体、オキサジアゾールダイマー、ピラゾリンダイマー、キナクリドン誘導体、クマリン誘導体などを挙げることができる。
（金属錯体系材料）
金属錯体系材料としては、例えば中心金属に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂｅなど、またはＴｂ、Ｅｕ、Ｄｙなどの希土類金属を有し、配位子にオキサジアゾール、チアジアゾール、フェニルピリジン、フェニルベンゾイミダゾール、キノリン構造などを有する金属錯体を挙げることができ、例えばイリジウム錯体、白金錯体などの三重項励起状態からの発光を有する金属錯体、アルミキノリノール錯体、ベンゾキノリノールベリリウム錯体、ベンゾオキサゾリル亜鉛錯体、ベンゾチアゾール亜鉛錯体、アゾメチル亜鉛錯体、ポルフィリン亜鉛錯体、ユーロピウム錯体などを挙げることができる。
（高分子系材料）
高分子系材料としては、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、上記色素系材料や金属錯体系発光材料を高分子化したものなどを挙げることができる。

上記発光性材料のうち、青色に発光する材料としては、ジスチリルアリーレン誘導体、オキサジアゾール誘導体、およびそれらの重合体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などを挙げることができる。なかでも高分子材料のポリビニルカルバゾール誘導体、ポリパラフェニレン誘導体やポリフルオレン誘導体などが好ましい。

また、緑色に発光する材料としては、キナクリドン誘導体、クマリン誘導体、およびそれらの重合体、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などを挙げることができる。なかでも高分子材料のポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などが好ましい。

また、赤色に発光する材料としては、クマリン誘導体、チオフェン環化合物、およびそれらの重合体、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体などを挙げることができる。なかでも高分子材料のポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体などが好ましい。
（ドーパント材料）
ドーパント材料としては、例えばペリレン誘導体、クマリン誘導体、ルブレン誘導体、キナクリドン誘導体、スクアリウム誘導体、ポルフィリン誘導体、スチリル系色素、テトラセン誘導体、ピラゾロン誘導体、デカシクレン、フェノキサゾンなどを挙げることができる。なお、このような有機発光層の厚さは、通常約２ｎｍ〜２００ｎｍである。

＜有機発光層の成膜方法＞
有機発光層の成膜方法としては、発光材料を含む溶液を塗布する方法、真空蒸着法、転写法などを用いることができる。溶液からの成膜に用いる溶媒としては、前述の溶液から正孔輸送層を成膜する際に用いられる溶媒と同様の溶媒を挙げることができる。

発光材料を含む溶液を塗布する方法としては、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スリットコート法、キャピラリーコート法、スプレーコート法およびノズルコート法などのコート法、並びにグラビア印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、反転印刷法、インクジェットプリント法などの塗布法を挙げることができる。パターン形成や多色の塗分けが容易であるという点で、グラビア印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、反転印刷法、インクジェットプリント法などの印刷法が好ましい。また、昇華性を示す低分子化合物の場合には、真空蒸着法を用いることができる。さらには、レーザーによる転写や熱転写により、所望のところのみに有機発光層を形成する方法も用いることができる。

＜電子輸送層＞
電子輸送層を構成する電子輸送材料としては、公知のものを使用でき、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン若しくはその誘導体、ベンゾキノン若しくはその誘導体、ナフトキノン若しくはその誘導体、アントラキノン若しくはその誘導体、テトラシアノアンスラキノジメタン若しくはその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレン若しくはその誘導体、ジフェノキノン誘導体、又は８−ヒドロキシキノリン若しくはその誘導体の金属錯体、ポリキノリン若しくはその誘導体、ポリキノキサリン若しくはその誘導体、ポリフルオレン若しくはその誘導体などを挙げることができる。

これらのうち、電子輸送材料としては、オキサジアゾール誘導体、ベンゾキノン若しくはその誘導体、アントラキノン若しくはその誘導体、又は８−ヒドロキシキノリン若しくはその誘導体の金属錯体、ポリキノリン若しくはその誘導体、ポリキノキサリン若しくはその誘導体、ポリフルオレン若しくはその誘導体が好ましく、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール、ベンゾキノン、アントラキノン、トリス（８−キノリノール）アルミニウム、ポリキノリンがさらに好ましい。

電子輸送層の成膜法としては特に制限はないが、低分子の電子輸送材料では、粉末からの真空蒸着法、または溶液若しくは溶融状態からの成膜を挙げることができ、高分子の電子輸送材料では溶液または溶融状態からの成膜を挙げることができる。なお溶液または溶融状態からの成膜する場合には、高分子バインダーを併用してもよい。溶液から電子輸送層を成膜する方法としては、前述の溶液から正孔輸送層を成膜する方法と同様の成膜法を挙げることができる。

電子輸送層の膜厚は、用いる材料によって最適値が異なり、駆動電圧と発光効率が適度な値となるように適宜設定され、少なくともピンホールが発しないような厚さが必要であり、あまり厚いと、素子の駆動電圧が高くなり好ましくない。従って該電子輸送層の膜厚としては、例えば１ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは２ｎｍ〜５００ｎｍであり、さらに好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。

＜電子注入層＞
電子注入層を構成する材料としては、有機発光層の種類に応じて最適な材料が適宜選択され、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの１種類以上含む合金、アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属の酸化物、ハロゲン化物、炭酸化物、またはこれらの物質の混合物などを挙げることができる。アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、ハロゲン化物、および炭酸化物の例としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、酸化リチウム、フッ化リチウム、酸化ナトリウム、フッ化ナトリウム、酸化カリウム、フッ化カリウム、酸化ルビジウム、フッ化ルビジウム、酸化セシウム、フッ化セシウム、炭酸リチウムなどを挙げることができる。また、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属の酸化物、ハロゲン化物、炭酸化物の例としては、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化カルシウム、フッ化カルシウム、酸化バリウム、フッ化バリウム、酸化ストロンチウム、フッ化ストロンチウム、炭酸マグネシウムなどを挙げることができる。電子注入層は、２層以上を積層した積層体で構成されてもよく、例えばＬｉＦ／Ｃａなどを挙げることができる。電子注入層は、蒸着法、スパッタリング法、印刷法などにより形成される。電子注入層の膜厚としては、１ｎｍ〜１μｍ程度が好ましい。

＜反射電極＞
反射電極の材料としては、可視光反射率の高い材料が好ましく、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属およびＩＩＩｂ族金属などを用いることができる。反射電極の材料としては、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウムなどの金属、前記金属のうちの２種以上の合金、前記金属のうちの１種以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫のうちの１種以上との合金、またはグラファイト若しくはグラファイト層間化合物などが用いられる。合金の例としては、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金などを挙げることができる。

反射電極の膜厚は、電気伝導度や耐久性を考慮して適宜設定され、例えば１０ｎｍ〜１０μｍであり、好ましくは２０ｎｍ〜１μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５００ｎｍである。

反射電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、また金属薄膜を熱圧着するラミネート法などを挙げることができる。

本実施の形態の有機ＥＬ素子は、面状光源、セグメント表示装置およびドットマトリックス表示装置の光源、並びに液晶表示装置のバックライトとして用いることができ、これによって有機ＥＬ素子を備える照明装置、または有機ＥＬ素子を複数備える表示装置を実現することができる。

前述したように光取出し効率の高い有機ＥＬ素子が用いられるので、輝度が高く、消費電力の低い照明装置および表示装置を実現することができる。

本実施の形態の有機ＥＬ素子を面状光源として用いる場合には、例えば面状の陽極と陰極とを積層方向の一方から見て重なり合うように配置すればよい。またセグメント表示装置の光源としてパターン状に発光する有機ＥＬ素子を構成するには、光を通す窓がパターン状に形成されたマスクを前記面状光源の表面に設置する方法、消光すべき部位の有機物層を極端に厚く形成して実質的に非発光とする方法、陽極および陰極のうちの少なくともいずれか一方の電極をパターン状に形成する方法がある。これらの方法でパターン状に発光する有機ＥＬ素子を形成するとともに、いくつかの電極に対して選択的に電圧を印加できるように配線を施すことによって、数字や文字、簡単な記号などを表示可能なセグメントタイプ表示装置を実現することができる。ドットマトリックス表示装置の光源とするためには、陽極と陰極とをそれぞれストライプ状に形成して、積層方向の一方からみて互いに直交するように配置すればよい。部分カラー表示、マルチカラー表示が可能なドットマトリックス表示装置を実現するためには、発光色の異なる複数の種類の発光材料を塗り分ける方法、並びにカラーフィルターおよび蛍光変換フィルターなどを用いる方法を用いればよい。ドットマトリックス表示装置は、パッシブ駆動してもよく、ＴＦＴなどと組み合わせてアクティブ駆動してもよい。これらの表示装置は、コンピュータ、テレビ、携帯端末、携帯電話、カーナビゲーション、ビデオカメラのビューファインダーなどの表示装置として用いることができる。

さらに、前記面状光源は、自発光薄型であり、液晶表示装置のバックライト、あるいは面状の照明用光源として好適に用いることができる。また、フレキシブルな基板を用いれば、曲面状の光源や表示装置としても使用できる。

実施例として光散乱体を備えるＨｉｇｈ−Ｎ基板を用いた有機ＥＬ素子を作製した。素子構造は、光散乱体（ｐ−ＴｉＯ₂）／基板（０．７ｍｍ）／ＩＴＯ（１００ｎｍ）／α−ＮＰＢ（５０ｎｍ）／Ａｌｑ₃（６０ｎｍ）／ＬｉＦ／Ａｌ（２００ｎｍ）である。ここで、記号「／」は、記号「／」を挟む各層が隣接して積層されていることを示す。以下同じ。

基板には、屈折率が２．０２の住田ガラス社製Ｋ−ＰＳＮＦ２の基板を用いた。また光散乱体は、多孔質の酸化チタンからなり、ゾルゲル法によって作製した。まずチタンアルコキシド原料であるチタニウムテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ：[(ＣＨ₃)₂ＣＨＯ]₄Ｔｉ）とエタノールとを、モル比１：４の割合で混合し、２０℃で１０分間攪拌することで溶液Ａを得た。またエタノールと水とをモル比４：１の割合で混合し、２０℃で１０分間攪拌することで溶液Ｂを得た。さらに溶液Ａと溶液Ｂとをモル比１：１の割合で混合し、２０℃で６０分間攪拌することでチタンアルコキシドを加水分解し、チタニアゾルを得た。さらに基板の表面上にスピンコート法でチタニアゾルを塗布した。回転数が４０００ｒｐｍで２０秒間回転させ、膜厚７０ｎｍの薄膜を成膜した。さらに１２０℃で１０分間乾燥させることで、光散乱体の薄膜を形成した。走査型電子顕微鏡で観測したところ、各空孔のサイズは５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であった。

ＩＴＯ薄膜はスパッタリング法を用いて形成し、α−ＮＰＢ層、Ａｌｑ₃層、ＬｉＦ層およびＡｌ層は、それぞれ蒸着法を用いて形成した。このようにして作製した有機ＥＬ素子を実施例の素子という。

また比較例１として、実施例の素子から光散乱体を除いた比較例１の素子を作製した。

さらに、比較例２として、実施例の素子とは基板のみが異なる比較例２の素子を作製した。比較例２の素子に用いた基板は、屈折率が１．５２のコーニング製＃１７３７の基板を用いた。さらに比較例３として、比較例２の素子から光散乱体を除いた比較例３の素子を作製した。

実施例の素子および比較例１〜３の素子は、互いに基板の構成のみが異なる。各素子の基板の構成を表１に示す。

（各素子の評価）
各素子に、波長３９０ｎｍの光を照射し、各素子から放射される全光束の光強度を測定した。

（実施例の素子の全光束の光強度）／（比較例１の素子の全光束の光強度）は、２．６であった。また（比較例２の素子の全光束の光強度）／（比較例３の素子の全光束の光強度）は、２．０であった。すなわち高屈折率の基板に光散乱体を設けた場合には、光取出し効率が２．６倍向上し、低屈折率の基板に光散乱体を設けた場合には、光取出し効率が２.０倍向上した。全光束の光強度から光取出し効率を換算すると、実施例の素子は、５３％であり、比較例２の素子は、４０％であった。このように、高屈折率の基板に光散乱体を設けることで、低屈折率の基板に光散乱体を設ける場合に比べて、光取出し効率が大幅に向上することを確認した。

本発明の実施の一形態の有機ＥＬ素子１を示す正面図である。有機発光層（Ａｌｑ₃）の層厚を変化させたときの外部量子効率の変化を示す図である。有機発光層（Ａｌｑ₃）の層厚を変えたときの光学モードの変化を、外部モードと、基板モードと、薄膜導波モードとの比を用いて表す図である。有機ＥＬ素子の各層の層厚を固定して、基板の屈折率を変化させたときの光学モードの変化を示す図である。

符号の説明

１有機ＥＬ素子
２基板
２ａ光散乱体
３透明電極
４反射電極
５有機発光層
６積層体
７正孔輸送層

Claims

透明で、屈折率が１．８以上の基板と、
前記基板に設けられ、少なくとも一対の電極、および該一対の電極の間に位置する有機発光層が積層されて構成される積層体と、
前記積層体側とは反対側の前記基板の表面に設けられる多孔質の光散乱体とを含み、
前記多孔質の光散乱体が、ゾルゲル法によって形成されたＴｉＯ _２を含んで構成されることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置。
請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を複数備える表示装置。