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JP5975831B2 - 表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、赤色発光、緑色発光、青色発光の3色の有機EL(エレクトロルミネッセンス)素子を備えたフルカラー表示の表示装置に関する。
赤色発光(R)、緑色発光(G)、青色発光(B)の3色の有機EL素子を用いた表示装置の発光効率を高める技術として、特許文献1には、有機EL素子の発光層以外の機能層の膜厚を発光色毎に異ならせる技術が開示されている。これは発光色毎に発光スペクトルのピーク波長を強める光学干渉構造により、発光効率を高める技術である。
また特許文献2には、赤色発光及び緑色発光の有機EL素子のそれぞれの発光層と正孔注入層との間に、正孔注入層とは材料が異なり、正孔注入層の材料よりも正孔移動度が高い補助層を設けることで、高効率、長寿命とした有機EL素子が開示されている。
特開2000−323277号公報 特開2008−288201号公報
しかしながら特許文献2に開示されているような表示装置は正孔注入層や発光層や補助層の構成材料によっては、駆動電圧が大きくなってしまう恐れがある。
本発明の課題は、赤色発光、緑色発光、青色発光の3色の有機EL素子を共振構造により発光効率を高めながら、それぞれ各色の有機EL素子の駆動電圧を低くすることが可能な表示装置の提供を目的とする。
本発明の表示装置は、赤色発光の有機EL素子、緑色発光の有機EL素子、青色発光の有機EL素子を有し、各有機EL素子が、少なくとも金属層を有する陽極と、正孔輸送層と、発光層と、陰極と、を備え、
前記正孔輸送層が各有機EL素子で共通に配置され、
前記各有機EL素子において、各発光層の発光位置と陽極の反射面との間の光学距離Lが下記式(I)を満たすように調整されている表示装置であって、
式(I)
(λ/8)×(−1−(2φ/π))<L<(λ/8)×(1−(2φ/π))
〔上記式中、φは陽極の金属層での位相シフト、λは各色の有機EL素子が発するスペクトルのピーク波長である。〕
前記青色発光の有機EL素子の発光層は、ホスト材料と発光材料とを含み、
前記正孔輸送層のLUMOの値は前記青色発光の有機EL素子の発光層のホスト材料のLUMOの値よりも小さく、
前記青色発光の有機EL素子の発光層のホスト材料のHOMOの値から前記正孔輸送層のHOMOの値を引いた値は0.5eV以下であり、
前記赤色発光の有機EL素子の発光層と前記緑色発光の有機EL素子の発光層のうち少なくとも一方の発光層と前記正孔輸送層との間には膜厚調整層が配置され、
前記膜厚調整層の正孔移動度は前記膜厚調整層を配置した有機EL素子の発光層のキャリア移動度よりも大きく、
前記膜厚調整層のHOMOの値は前記正孔輸送層のHOMOの値以下であり、且つ前記膜厚調整層を配置した有機EL素子の発光層に含まれる発光材料のHOMOの値以上であることを特徴とする。
本発明によれば、赤色発光、緑色発光、青色発光の3色の有機EL素子を備えた表示装置において、光学干渉構造により発光効率を高めながら、駆動電圧を低減することができる。
本発明の表示装置の斜視図である。 本発明の表示装置の1画素の概略断面図である。 青色有機EL素子の青色発光層のホスト材料のHOMOの値から正孔輸送層のHOMOの値を引いた値EHbh−EHhtと駆動電圧の関係を示す図である。
以下、本発明の表示装置の好適な実施形態について図面を参照して説明する。尚、本明細書で特に図示又は記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。また、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。尚、本発明において記述される有機EL素子を構成する層に関するLUMO(最低空軌道)及びHOMO(最高被占軌道)の値は真空準位を基準とした絶対値で表記している。
図1は、本発明の表示装置の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。図中、1は表示領域、2は画素、3R,3G,3Bは有機EL素子である。本発明の表示装置は、画素2を複数有しており、画素2とは、赤色、緑色、青色を発光する有機EL素子3R,3G,3Bを一組としたものである。表示装置には、複数の画素2がマトリックス状に配置されている。
図2は図1のA−A’線における画素2の概略断面図である。画素2は赤色発光の有機EL素子(赤色有機EL素子)3R、緑色発光の有機EL素子(緑色有機EL素子)3G、青色発光の有機EL素子(青色有機EL素子)3Bを有している。各有機EL素子は陽極5から順に、正孔輸送層6、発光層(7R,7G,7Bのいずれか)、陰極11を備えており、正孔輸送層6は各有機EL素子に共通で配置されている。基板4はガラス、プラスチック、シリコン等で形成される。基板にはTFT等のスイッチング素子(不図示)が形成されていても良い。
基板4上には金属層を含む陽極5が形成されている。これは有機EL素子の発光層で発光した光を反射させることで光学干渉構造を形成し、発光効率を高めるためである。陽極5は赤色、緑色、青色の各有機EL素子に対応するようにパターニングされている。陽極5の金属層は高反射率を有する金属又はその合金で形成されるのが好ましく、特にAl、Ag、Pt、Au、Cu、Pd、Ni、Mo等の材料が好適である。また陽極5は金属層の上に、仕事関数の高いITOやIZO等の透明導電材料を積層した積層体であっても良い。また赤色、緑色、青色の各有機EL素子3R,3G,3Bに対応する陽極5のエッジに絶縁膜(不図示)が形成されていてもよい。
赤色、緑色、青色の各有機EL素子3R,3G,3Bの陽極5上には正孔輸送性の材料を含有する正孔輸送層6が共通で形成されている。また陽極5と正孔輸送層6の間には各有機EL素子3R,3G,3Bに共通で正孔注入層などが形成されていてもよい。
正孔輸送層6に接するように、正孔輸送層6上の青色有機EL素子の陽極5に対応する領域に青色発光層7Bは形成される。青色発光層7Bは少なくともホスト材料と発光材料で形成されている。
正孔輸送層6のLUMOの値は青色発光層7Bのホスト材料のLUMO値よりも小さくなっている。このような構成にすることにより、青色発光層7B中の電子が正孔輸送層6に流れるのを防ぎ、青色発光層7Bでの再結合確率が向上することから、青色有機EL素子3Bの発光効率を向上させることができる。
また青色有機EL素子3Bの青色発光層7Bのホスト材料のHOMOの値(EHbh)から正孔輸送層6のHOMOの値(EHht)を引いた値EHbh−EHhtは0.5eV以下である。図3は正孔輸送層6の材料を変えた際の、青色発光層7Bのホスト材料のHOMOの値から正孔輸送層6のHOMOの値を引いた値EHbh−EHhtと、青色有機EL素子3Bの駆動電圧の関係である。図よりEHbh−EHhtが0eV以下である場合には駆動電圧に差はないが、EHbh−EHhtが0eVから増大するに連れて駆動電圧が大きくなっていることが分かる。EHbh−EHhtが増大するということは、正孔輸送層6と青色発光層7Bの界面において正孔の注入障壁が大きくなることである。界面における注入障壁が大きくなると有機EL素子の駆動電圧は増大してしまう。駆動電圧の増大はできるだけ少ないことが好ましいが、最低限として0.5V以下であることが好ましいため、図3よりEHbh−EHhtは0.5eV以下であることが好ましい。
光学干渉構造における、発光位置と反射面との間の光学距離Lは、以下の式(A)で表される。尚、式中のmは0以上の整数である。
式(A) L=(λ/4)×(2m−(φ/π))
φ:陽極の金属層での位相シフト
λ:各色の有機EL素子が発するスペクトルのピーク波長
青色発光層7Bの発光位置から陽極5の反射面までの光学距離Lは、上記式(A)より、m=0として調整される。但し、実際の有機EL素子では正面の発光効率とトレードオフの関係にある視野角特性等も考慮すると、必ずしも上記膜厚に厳密に一致させる必要はない。具体的には光学距離Lが式(A)を満たす値から±λ/8以内の誤差があってもよい。よって、本発明の有機EL素子において光学距離Lは下記式(I)を満たすように調整される。式(I)を満たすことにより、光学干渉構造により青色有機EL素子3Bの発光効率を向上させることができる。また光学距離Lの調整は正孔輸送層6の膜厚又は青色発光層7Bの膜厚を変えることにより可能である。
式(I)
(λ/8)×(−1−(2φ/π))<L<(λ/8)×(1−(2φ/π))
より好ましくは、光学距離Lが式(A)を満たす値から±λ/16以内の誤差である。よって、本発明の有機EL素子において光学距離Lは下記式(II)を満たすように調整される。
式(II)
(λ/16)×(−1−(4φ/π))≦L≦(λ/16)×(1−(4φ/π))
ここで、φはおよそ−πであるので、青色有機EL素子の光学距離Lは、以下の式(IB’)または式(IIB’)を満たせばよい。
式(IB’)
λ/8<L<3λ/8
式(IIB’)
3λ/16≦L≦5λ/16
赤色有機EL素子3Rの発光層7Rと緑色有機EL素子3Gの発光層7Gのうち少なくとも一方の発光層と正孔輸送層6との間には膜厚調整層8が配置されている。膜厚調整層8は赤色有機EL素子3R及び緑色有機EL素子3Gの少なくとも一方の陽極5に対応する領域に形成される。赤色有機EL素子3Rと緑色有機EL素子3Gのうち、膜厚調整層8を設けた有機EL素子は、膜厚調整層8上に少なくとも発光材料を含んだ発光層が形成される。図1においては、赤色有機EL素子3Rにのみ膜厚調整層8を配置した構成を示す。
膜厚調整層8を設けた赤色有機EL素子3Rの発光層7R及び緑色有機EL素子3Gの少なくとも一方の発光層7Gの発光位置から陽極5の反射面までの光学距離も、青色有機EL素子3Bと同様に、先の式(I)乃至(II)を満たすように調整される。これらの式を満たすことにより、光学干渉構造により赤色有機EL素子3R及び緑色有機EL素子3Gの発光効率を向上させることができる。膜厚調整層8を設けた有機EL素子においては、光学距離Lの調整は膜厚調整層8の膜厚を変えることにより可能である。
膜厚調整層8の正孔移動度は正孔輸送層6の正孔移動度、及び膜厚調整層8を設けた有機EL素子の発光層のキャリア移動度よりも大きい材料で形成されている。このように光学距離Lの調整を正孔移動度が高い材料で形成される膜厚調整層8で行うことにより、正孔輸送層6や発光層で光学距離Lを調整するよりも、有機EL素子の駆動電圧を低減することが可能である。
また膜厚調整層8のHOMOの値は正孔輸送層6のHOMOの値以下であり、且つ膜厚調整層8上の発光層に含まれる発光材料のHOMOの値以上である。このような素子構成にすることにより、正孔輸送層6と膜厚調整層8、膜厚調整層8と発光層の2つの界面において正孔の注入障壁がなくなる。従って各層間の界面での正孔の注入障壁がなくなることで、駆動電圧の増大を防ぐことが可能となる。
また、赤色有機EL素子3Rはスペクトルのピーク波長が大きいため、必要となる光学距離Lが大きくなる。光学距離Lが大きくなると必要とされる膜厚が大きくなるため、正孔移動度が高い膜厚調整層8の効果が大きくなる。従って少なくとも赤色有機EL素子3Rに膜厚調整層8が形成されているほうがより好ましい。
また本発明における膜厚調整層8は、より正孔移動度が高い材料で構成されていることが好ましく、特に正孔移動度が高いトリアリールアミン構造を2個以上含んでいる材料で形成されていることが好ましい。
また赤色有機EL素子3Rと緑色有機EL素子3Gのうち、膜厚調整層8を設けない有機EL素子においては、正孔輸送層6上の、係る有機EL素子の陽極に対応する領域に少なくとも発光材料を含んだ発光層が形成される。発光層の発光位置から陽極5の反射面までの光学距離Lも、青色有機EL素子3Bと同様に、式(I)を満たすように調整される。式(I)を満たすことにより、係る有機EL素子において、光学干渉構造により発光効率を向上させることができる。光学距離Lの調整は発光層の膜厚を変えることにより可能である。
陰極11は各色の発光層7R,7G,7Bよりも上に設けられ、透明導電材料や半透明の金属薄膜を用いることができる。透明導電材料にはITOやIZOなどを用いることができ、半透明の金属薄膜としては、陽極5と同様の金属が用いられ、吸収が50%以下の膜厚であれば、透過と反射の割合に関わらず用いることができる。
また、発光層7R,7G,7Bと陰極11の間には、正孔ブロッキング層(不図示)、電子輸送層9、電子注入層10等の機能層を含んでいても良い。これらの機能層は赤色、緑色、青色の各有機EL素子に共通であってもよいし、発光色毎に機能層の膜厚が異なっていたり機能層を形成する材料が異なっていたりしてもよい。また機能層には公知の有機EL材料を使用することができる。
赤色有機EL素子3Rと緑色有機EL素子3Gのうち、膜厚調整層8を配置した有機EL素子の発光層は膜厚調整層8を形成する材料を含んでいることが好ましい。膜厚調整層8の正孔移動度は発光層のキャリア移動度よりも高いため、発光層7に膜厚調整層8を形成する材料を含有させることにより、さらに駆動電圧を低減することが可能である。
また、赤色有機EL素子3Rと緑色有機EL素子3Gのうち、膜厚調整層8を配置した有機EL素子の発光層は燐光発光材料を含んでいることが好ましい。
蛍光発光材料と燐光発光材料の発光過程を比較すると、蛍光発光材料は励起一重項状態S1から発光し、燐光発光材料は励起三重項状態T1から発光する。またS1はT1よりもエネルギー準位が大きい。発光材料が発光するための駆動電圧はS1によって決定することから、蛍光発光材料と燐光発光材料が同じ波長の光を発光する場合、蛍光発光材料よりもS1が大きい燐光発光材料は駆動電圧が高くなることが問題である。
従って本発明における表示装置の構成は、発光層に燐光発光材料を含んだ赤色有機EL素子3R又は緑色有機EL素子3Gの駆動電圧を低減することが可能である。
以下に本発明における膜厚調整層8、発光層のホスト材料、発光材料(ドーパント)として用いられる材料の代表的な構造式を示す。但し、本発明はこれらに限定されるものではない。
膜厚調整層8の材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
赤色発光層7Rのホスト材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
赤色発光層7Rの発光材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
緑色発光層7Gのホスト材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
緑色発光層7Gの発光材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
青色発光層7Bのホスト材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
青色発光層7Bの発光材料としては以下の構造式の材料が例として挙げられる。
Figure 0005975831
(実施例1)
図2に示される構成の表示装置を作製した。先ず、ガラス基板4上にAl(膜厚100nm)/IZO(膜厚10nm)を積層して成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングを行うことで、それぞれ各色有機EL素子の陽極5を形成した。次に陽極5表面をUVオゾン処理により洗浄を行った。続いて、真空蒸着装置に基板と材料を取り付け、1×10-4Paまで排気した。
次に下記構造式で示される正孔輸送材料を25nmの膜厚で成膜し、正孔輸送層6を形成した。
Figure 0005975831
次に、上記正孔輸送層6上の、メタルマスクを用いて青色有機EL素子3Bの陽極5に対応する領域に青色発光層7Bを形成した。青色発光層7Bは、前記構造式BD12で示される青色発光材料(1体積%)と、前記構造式BH14で示される発光層ホスト材料の共蒸着膜を25nmの膜厚で成膜した。
次に、メタルマスクを用いて上記正孔輸送層6上の、緑色有機EL素子3Gの陽極5に対応する領域上に緑色発光層7Gを形成した。緑色発光層7Gは、前記構造式GD4で示される緑色発光材料(1体積%)と、前記構造式GH3で示される発光層ホスト材料の共蒸着膜を40nmの膜厚で成膜した。
次に、メタルマスクを用いて上記正孔輸送層6上の、赤色有機EL素子3Rの陽極5に対応する領域に、前記構造式OT4で示される材料の40nmの膜厚で成膜して膜厚調整層8を形成した。
次に、メタルマスクの位置は変えずに、前記構造式RD9で示される赤色発光材料(4体積%)と、前記構造式RH4で示される発光層ホスト材料の共蒸着膜を25nmの膜厚で成膜して赤色発光層7Rを形成した。
次に、下記構造式ET01で示される化合物を、各有機EL素子に共通で10nmの膜厚で成膜し、電子輸送層9を形成した。
Figure 0005975831
次に、電子輸送層9の上に、炭酸セシウム(3体積%)と上記構造式ET01で表される化合物の共蒸着膜を、各有機EL素子に共通で20nmの膜厚で成膜し、電子注入層10を形成した。
続いて、電子注入層10まで成膜した基板4を、スパッタ装置へ移動させ、前記電子注入層10上にITOをスパッタ法にて60nmの膜厚で成膜し、陰極11を形成した。
その後、基板4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(不図示)により封止し、表示装置を作製した。
表示装置の有機EL素子の駆動電圧の評価には電流密度25mA/cm2の条件で4端子法を用いて行った。また各層のHOMOの値は、理研計器AC−2にて測定した。サンプルは、Alが蒸着されたガラス基板上に、化合物を400Å蒸着したものを用いた。また、LUMOの値は、HOMOの値からエネルギーギャップを差し引いて算出した。エネルギーギャップは、JASCO V−560(紫外・可視吸収スペクトル測定器)を用いた測定で得られた紫外・可視吸収スペクトルの吸収末端より求めた。紫外・可視吸収スペクトルのサンプルは、ガラス基板に化合物を400Å蒸着したものを用いた。
また、各層のキャリア移動度は、TOF(Time of Flight)法による過渡電流測定によって測定した。本発明ではITO付きガラス基板上に、約2μmの薄膜を真空蒸着法によって作製し、さらに対向電極としてアルミニウムを蒸着した。このサンプルをTOF測定装置(TOF−301(株)オプテル社製)を用いて、4×105V/cmの電界強度での値を測定した。
(実施例2)
前記構造式RD9で示される赤色発光材料(4体積%)と、前記構造式OT4で示される材料(15体積%)と前記構造式RH4で示される発光層ホスト材料の共蒸着膜を25nmの膜厚で成膜して赤色発光層7Rを形成した。赤色発光層7R以外は実施例1と同様の工程で表示装置を作製した。
(比較例1)
膜厚調整層8として、前記構造式GH3で示される材料を40nmの厚さで形成した以外は実施例1と同様の工程で表示装置を作製した。
(実施例1の評価)
表1に実施例1の赤色有機EL素子、緑色有機EL素子、青色有機EL素子の光学距離、λ、φ/π、式(I)で与えられるLの範囲、駆動電圧を示す。光学距離は陽極IZOの屈折率を2.0、正孔輸送層、膜厚調整層、発光層の屈折率を1.8として算出した。また赤色発光層は正孔と電子のバイポーラ性であることから、発光層の膜厚の中心が発光位置である。また青色及び緑色発光層は発光材料が電子をトラップするバンド構造になっており、発光位置は各発光層の陰極側である。IZO、正孔輸送層、膜厚調整層、発光層の光学距離の合計が光学距離Lである。
λは各有機EL素子の発光スペクトルの波長分散特性を測定することにより得た。φ/πは、陽極の屈折率、吸収係数から算出される位相シフトφより求めた。そしてλ、φ/πより式(I)で与えられる光学距離Lの範囲を算出した。
表1より赤色、緑色、青色有機EL素子のそれぞれの光学距離Lが式(I)で与えられるLの範囲内にあることが分かる。これにより本発明における赤色有機EL素子、緑色有機EL素子、青色有機EL素子のそれぞれが発光効率を向上させるために最適な構造になっていることが分かる。
また駆動電圧はそれぞれ赤色有機EL素子は3.5V、緑色有機EL素子は3.6V、青色有機EL素子3.2Vとなっており、本発明における各色の有機EL素子は十分に電圧を低減することができていることが分かる。
Figure 0005975831
(実施例1及び2、比較例1の評価)
表2に実施例1及び2、比較例1の正孔輸送層6、青色発光層7Bホスト、膜厚調整層8、赤色発光層7Rの物性の評価結果と赤色有機EL素子3Rの駆動電圧の評価結果を示す。
表2より、実施例1及び実施例2の正孔輸送層6、青色発光層7Bホスト、膜厚調整層8、赤色発光層7Rの各層の物性は本発明における必要要件を満たしている。一方で比較例1は膜厚調整層のHOMOが正孔輸送層のHOMOよりも高く、また膜厚調整層の正孔移動度が、正孔輸送層の正孔移動度及び赤色発光層のキャリア移動度よりも小さいことから、本発明における必要要件を満たしていない。これらの実施例1及び2、比較例1の赤色有機EL素子の駆動電圧(25mA/cm2)を比較すると、比較例1が駆動電圧3.7Vなのに対し、実施例1では駆動電圧が3.5Vであることが分かる。従って本発明における表示装置の構成は駆動電圧を低減する効果があるといえる。また表2より実施例2は駆動電圧が3.2Vであることが分かる。従って本発明における表示装置の構成において、発光層に正孔移動度が高い膜厚調整層を含有させることで、駆動電圧をより低減させることができるといえる。
Figure 0005975831
1:表示装置、3R,3G,3B:有機EL素子、4:基板、5:陽極、6:正孔輸送層、7R,7G,7B:発光層、8:膜厚調整層、11:陰極

Claims (3)

  1. 赤色発光の有機EL素子、緑色発光の有機EL素子、青色発光の有機EL素子を有し、各有機EL素子が、少なくとも金属層を有する陽極と、正孔輸送層と、発光層と、陰極と、を備え、
    前記正孔輸送層が各有機EL素子で共通に配置され、
    前記各有機EL素子において、各発光層の発光位置と陽極の反射面との間の光学距離Lが下記式(I)を満たすように調整されている表示装置であって、
    式(I)
    (λ/8)×(−1−(2φ/π))<L<(λ/8)×(1−(2φ/π))
    〔上記式中、φは陽極の金属層での位相シフト、λは各色の有機EL素子が発するスペクトルのピーク波長である。〕
    前記青色発光の有機EL素子の発光層は、ホスト材料と発光材料とを含み、
    前記正孔輸送層のLUMOの値は前記青色発光の有機EL素子の発光層のホスト材料のLUMOの値よりも小さく、
    前記青色発光の有機EL素子の発光層のホスト材料のHOMOの値から前記正孔輸送層のHOMOの値を引いた値は0.5eV以下であり、
    前記赤色発光の有機EL素子の発光層と前記緑色発光の有機EL素子の発光層のうち少なくとも一方の発光層と前記正孔輸送層との間には膜厚調整層が配置され、
    前記膜厚調整層の正孔移動度は前記膜厚調整層を配置した有機EL素子の発光層のキャリア移動度よりも大きく、
    前記膜厚調整層のHOMOの値は前記正孔輸送層のHOMOの値以下であり、且つ前記膜厚調整層を配置した有機EL素子の発光層に含まれる発光材料のHOMOの値以上であることを特徴とする表示装置。
  2. 前記赤色発光の有機EL素子の発光層と前記緑色発光の有機EL素子の発光層のうち、膜厚調整層を設けた有機EL素子の発光層は前記膜厚調整層を形成する材料を含んでいることを特徴とする請求項1記載の表示装置。
  3. 前記赤色発光の有機EL素子の発光層と前記緑色発光の有機EL素子の発光層のうち、膜厚調整層を設けた有機EL素子の発光層は燐光発光材料を含んでいることを特徴とする請求項1記載の表示装置。
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