CN1822730A

CN1822730A - 有机el器件

Info

Publication number: CN1822730A
Application number: CNA2005101315692A
Authority: CN
Inventors: 吉田干雄; 森研二; 山本一郎
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2006-08-23
Also published as: US20060108580A1; KR20060051624A; KR100779440B1; EP1641054A3; JP2006092936A; EP1641054A2; TWI284492B; TW200621086A

Abstract

提供了一种有机EL器件，包括：具有前表面和后表面的透明衬底；第一电极层，包括发光层的有机层以及第二电极层，它们按顺序形成在透明衬底的前表面上；和形成在与有机层相对侧的第二电极层上，该反射层对于来自第二电极层的光具有光反射性，并且第一电极层和第二电极层由透明材料构成，光是从透明衬底的后表面提取的。

Description

有机EL器件

技术领域

本发明涉及一种有机电致发光(EL)器件，尤其是，涉及一种改善了有机EL器件的光提取效率的技术。

背景技术

由于有机EL器件可以进行自发光以获得高亮度的屏幕，所以作为用于薄且轻便便携式器件等或者发光器件的显示器的有机EL器件的实际应用得到了广泛发展。这种有机EL器件具有在衬底上形成EL元件的结构，该EL元件包括：由ITO等构成具有透光性的透明电极层；由Al等构成具有光反射性的反射电极层；和插在电极层之间具有发光层的有机层。在直接穿过透明电极之后或者在被反射电极层第一次反射，然后穿过透明电极层之后，提取从发光层发出的光。

此时，在从发光层发出然后直接穿过透明电极层的光和从发光层发出然后通过反射电极层反射以穿过透明电极层的光之间的光路中存在差异，使得这两种光彼此干扰。因此，JP2002-289358A提出了通过将有机层中的电子输运层、空穴输运层或者其它类似这些层的厚度增加到由于光干涉的结果感应光谐振的厚度来增强光提取效率的技术。

然而，为了感应光谐振，当增厚构成有机层的层，例如电子输运层或者空穴输运层时，增加电极层之间的距离以增加EL元件的驱动电压，造成有机EL器件的大功耗。

另外，存在这样的担心，由于构成有机层的增厚层降低了整个EL元件的透光率，所以光提取效率降低。

发明内容

为了解决现有技术中固有的上述问题，本发明的发明人已经进行了广泛的研究和进展，并且从而想出一种想法，对于这种问题的有效解决方案是将用于注入载流子到有机层的部分和用于反射来自发光层的光的部分隔开，并实现了本发明。

根据本发明的有机EL器件包括：具有前表面和后表面的透明衬底；第一电极层，包括发光层的有机层以及第二电极层，它们按顺序形成在透明衬底的前表面上；和形成在与有机层相对侧上的第二电极层上的反射层，该反射层对于来自第二电极层的光具有光反射性，并且第一电极层和第二电极层由透明材料构成，光从透明衬底的后表面提取。

用这种结构，载流子从有机层侧上的第二电极层的表面注入到有机层，同时通过和有机层相对的第二电极层的另一表面反射从发光层传播到第二电极侧的光。换句话说，把用于将载流子注入到有机层的部分和反射从第二电极层侧上的有机层中的发光层的光的部分隔开。

附图说明

图1到6分别是表示根据本发明的第一个实施例到第六个实施例有机EL器件的结构的剖视图。

具体实施方式

下文中，将参考附图描述本发明的实施例。

第一个实施例：

图1是表示根据本发明的第一个实施例的有机EL器件的剖视图。作为第一电极层的阳极2形成在透明玻璃衬底1上，有机层3形成在阳极2上。另外，作为第二电极层的阴极5通过作为载流子注入辅助层的电子注入辅助层4形成在有机层3上，以及反射层6形成在阴极5上。

玻璃衬底1可以由可透射可见光的透明或半透明材料构成。因此，除了玻璃之外，满足这种条件的树脂也可以用于作为该衬底的材料。阳极2可以具有电极的作用，并至少还可以是透明的或者半透明的，以便于能够透射可见光。因此，例如，可以采用ITO(掺杂锡的氧化铟)或者IZO(掺杂锌的氧化铟)作为用于阳极2的材料。

有机层3可以是由所谓的发光材料构成的单一有机层，或者是由发光材料构成的发光层和空穴注入辅助层、空穴输运层、空穴注入输运层、空穴阻挡层、电子输运层和电子阻挡层中的至少一个的叠层。

用于有机层3的材料包括任何公知的有机发光材料，例如Alq₃或者DCM。而且，空穴注入辅助层、空穴输运层、空穴注入输运层、空穴阻挡层、电子输运层和电子阻挡层等可以适当地由公知材料构成。

电子注入辅助层4是用于辅助将电子从阴极5注入到有机层3中，并由促使将电子注入到形成最接近于有机层3中阴极5的层的有机材料中的这种材料形成。这种材料的例子包括选自碱金属元素、碱土金属元素、碱金属或者碱土金属的化合物和酞青衍生物、以及一些这些材料的混合物中的材料。尽管取决于阴极5或者有机层3中最接近于阴极5的层的材料，但是电子注入辅助层4优选由Li、LiF、Cs等构成。

通常，用于透明电极的材料具有大的功函数。因此，当阴极5形成为透明电极时，当电子从阴极5向有机层3注入时能量势垒生长得更大。在这种情况下，提供了电子注入辅助层4使得当电子从阴极5向有机层3注入时能量势垒很小，结果和没有电子注入辅助层4的情况相比可以降低用于有机EL器件的驱动电压。

阴极5是由导电材料构成的，其至少是可透过可见光的。这种材料的例子包括ITO(掺杂锡的氧化铟)、IZO(掺杂锌的氧化铟)、IWO(掺杂钨的氧化铟)、ATO(掺杂锑的氧化锡)、FTO(掺杂氟的氧化锡)、AZO(掺杂铝的氧化锌)和导电聚合物，它们可以单独使用或者组合使用。用于可见光的阴极5的透射率优选为60％或更高，以及可以组合地确定材料和膜厚度以便于获得这样的透射率。

反射层6至少可以反射可见光，并优选具有70％或更高的反射率。形成反射层6的材料的例子包括Al、Ag、Cr、Mo、Al合金和Al/Mo叠层。如果通过使用任何导电材料形成以便于和阴极5接触，那么反射层6可以用来补偿阴极5的低导电率。因此，可以使有机EL器件的驱动电压更低。在这种情况下，期望使用具有尽可能高导电率的金属来形成反射层6。

与此同时，反射层6不需要起到电极的作用，并且因此可以由绝缘体例如树脂构成。因此，由树脂叠层构成并具有大于金属的反射率的反射膜可以用作反射层6，其增加了光提取效率。

可以用任何公知的膜形成方法，例如真空汽相淀积法或者粘接形成上述这些层。

在有机EL器件中，将和阳极2相对的玻璃衬底1的主表面设置为发光表面。也就是，在从发光层发出的光中传播到阳极2的光L1穿过阳极2，然后到玻璃衬底1以从器件发射。传播到阴极5的光L2穿过电子注入辅助层4和阴极5，然后在反射层6上反射，并再次穿过阴极5和电子注入辅助层4和有机层3以进入阳极2。在那之后，光L2穿过玻璃衬底1以从器件发射。

此时，在光L1和光L2之间形成的是相当于从发光层中的发光位置到阴极5和反射层6之间的界面的距离D两倍长度的光程差“2×D”。因此，如果设置光程差“2×D”以便基本上对准光L1和光L2的相位，那么可降低由光L1和光L2之间的界面引起的衰减，以增加光提取效率。

为了基本对准光L1和光L2的相位，设置从发光层中的发光位置到阴极5一侧上的反射层6的表面的距离，以满足下述的表达式：

nL＝(2N-1)×λ/4 (1)

其中：nL表示从发光层中的发光位置到阴极5一侧上的反射层6表面的光程，以及如果在发光层和反射层6之间设置多个层，则距离nL等于在厚度方向上的层的光程的总和；N表示自然数；以及λ表示发光层的发光波长。这里，当存在多个发光波长时，可以使用任何一种发光波长作为λ。优选地，作为实现最大发光强度的波长或其中一种波长，或者所有发光波长的中心波长都可以用作λ。

直到现在，已经存在一些确定从阴极5一侧上的发光层的表面到阴极5一侧上的反射层6的表面的光程以便于满足表达式(1)的方案。然而，用传统技术，由于阴极起到注射电子和反射光的功能，所以为了满足表达式(1)，已经调节了发光层和阴极之间的有机层(主要是电子输运层)的厚度。通常，有机材料，甚至电子输运材料的电子输运特性很差。结果，增厚的电子输运层导致用于整个有机EL器件的驱动电压的增加。

另一方面，在如第一个实施例中描述的有机EL器件中，由于用于注入电子的部分和用于反射光的部分隔开了，所以可以调节阴极5的厚度以满足表达式(1)。即使阴极5的厚度变化，用于将电子注入到有机层3的部分也不会由此受到影响。因此，不存在有机EL器件的驱动电压增加的担心。在此期间，可以调节从阴极5一侧上的发光层的表面到阴极5一侧上的反射层6的表面的光程，使得也可以改善光提取效率。

通过使用任何公知的膜形成方法，例如真空汽相淀积法，通过在玻璃衬底1的表面上顺序堆叠阳极2、有机层3、电子注入辅助层4、阴极5和反射层6，制造根据第一个实施例的有机EL器件。

另外，通过等离子体CVD、涂覆、粘接等，在反射层6上任选地形成由氮化硅、氧氮化硅、氧化硅等构成的保护层。

第二个实施例：

图2是根据本发明的第二个实施例的有机EL器件的剖视图。除了缓冲层7插在电子注入辅助层4和阴极5之间之外，该有机EL器件和图1所示的第一个实施例的器件一样。

缓冲层7有效地用于在第一个实施例中当电子没有有效地从阴极5注入到电子注入辅助层4时。用于缓冲层7的材料的例子包括选自Al、Ag、Mg和In以及上述材料中的某些材料的混合中的材料。

提供缓冲层7抑制了有机EL器件的驱动电压的增加，即使阴极5是由透明导电材料构成的。

缓冲层7必须至少透射可见光，并由此期望形成为50nm或更小的厚度，更优选为20nm或更小的厚度。

通过任何公知的薄膜形成方法，例如真空汽相淀积方法，在电子注入辅助层4的表面上形成缓冲层7之后，阴极5和反射层6可以顺序形成在缓冲层7的表面上。缓冲层7还起到减轻对有机层3的影响的作用，例如在形成阴极5和反射层6的随后步骤中产生的热。

第三个实施例：

图3是根据本发明的第三个实施例的有机EL器件的剖视图。除了包括电子注入辅助部分9的有机层8形成在阳极2上，而代替形成有机层3和电子注入辅助层4之外，该有机EL器件和图2所示的第二个实施例的器件一样。

电子注入辅助部分9可以通过形成有机层8中最接近于阴极5的一层的有机材料与选自下述中的材料进行汽相共同淀积来形成，该材料是选自碱金属元素、碱土金属元素、碱金属或者碱土金属的化合物、和酞青衍生物(例如Li或者Cs)中的材料。电子注入辅助部分9作为电子注入辅助层4，辅助电子从阴极5注入到有机层8中。

第四个实施例：

图4是根据本发明的第四个实施例的有机EL器件的剖视图。除了光散射装置10设置在阴极5和反射层6之间之外，该有机EL器件和如图1所示的第一个实施例的器件一样。

通过刻蚀或者基于喷砂的表面处理使得阴极5的表面变得不平，以获得光散射装置10，并在不平的表面上形成反射层6。在这种情况下，光散射装置10形成在阴极5一侧上的反射层6的表面上。如在第一个实施例所论述的，电子从电子注入辅助层4和阴极5之间的界面注入到有机层3，同时光在阴极5和反射层6之间的界面上被反射。因此，阴极5可以形成具有更大的厚度，而不会反过来影响到有机EL器件的驱动电压。因此，可以使阴极5的表面制造得不平。

光散射装置10可以设置在阴极5和反射层6之间。例如，该光散射装置可以是绝缘体，比如包含精细颗粒如树脂粘接剂中的小珠的光散射板。如上所述，由于反射层6不需要具有导电性，所以可以在阴极5和反射层6之间设置光散射装置10。

由于提供了光散射装置10，从有机层3发出然后传播到阴极5的光穿过电子注入辅助层4和阴极5，以及然后通过光散射装置10散射和通过反射层6反射。在那之后，光再次穿过阴极5、电子注入辅助层4和有机层3进入阳极2，以及然后穿过玻璃衬底1以从器件发射。因此，否则将在玻璃衬底1和作为光出射表面的大气之间的界面上被全反射的光，在光散射装置10中改变了它的传播方向，并可以从光出射表面提取以改善有机EL器件的光提取效率。

另外，由于从玻璃衬底1入射的外界光也通过光散射装置10进行散射，所以可以降低外界光的眩光。

类似地，可以将光散射装置10提供给本发明的第二个或者第三个实施例的有机EL器件。

第五个实施例：

图5是根据本发明的第五个实施例的有机EL器件的剖视图。除了从发光层发出不同波长的多个光束，以及多层膜构成的反射层11形成在阴极5上代替金属构成的反射层6之外，该有机EL器件和如1所示的第一个实施例的器件一样。

例如，当发光层发出三种颜色R、G和B的光束时，阴极5的厚度和以多层膜形式形成反射层11中的每层的厚度被确定，以便对于R、G和B中的每一光束，获得将传播到阳极2的光以及传播到阴极5上并从那里返回的光的相位基本上对准的光程差。作为多层膜的反射层11的形成使得可以设置光程差，其能够基本上对准用于R、G和B的光束的相位。

结果，在发出多种颜色光束的有机EL器件中，例如白色EL器件，可以获得用于每种颜色的基本上对准的相位，由此改善整个有机EL器件的光提取效率。

类似地，还可以设置光程差，以便于减弱由于光干涉导致的特殊颜色的光束。

第六个实施例：

图6是根据本发明的第六个实施例有机EL器件的剖视图。除了作为集光件的棱镜板12设置在玻璃衬底1的光出射表面上之外，该有机EL器件和如图1所示的第一个实施例一样。

棱镜板12使得截面呈三角形的微棱镜一个接一个地设置在平面上。通过在玻璃衬底1上提供棱镜板12，从玻璃衬底1发出的光通过形成棱镜的刻面(facet)折射，并由此以预定的方向聚焦。

假若θ表示借助于棱镜板12在玻璃衬底1的法线方向上聚焦的光的传播方向和玻璃衬底1的法线方向之间的角度，那么期望将阴极5的厚度调节以满足下述的表达式(2)：

nL×cosθ＝(2N-1)×λ/4 (2)

其中nL表示从发光层中的发光位置到阴极5一侧上反射层6表面的光程，以及如果在发光层和反射层6之间设置多个层，则距离nL等于在厚度方向上每个层的光程的总和；N表示自然数；以及λ表示发光层的发光波长。这里，当存在多个发光波长时，可以使用任何一种发光波长作为λ。优选地，作为实现最大发光强度的波长或者波长中的一种，或者所有发光波长的中心波长都可以用作λ。

当设置阴极5的厚度以满足数学表达式(2)时，可以对准以和玻璃衬底1的法线呈θ角传播的光束的相位。借助于棱镜板12，以和玻璃衬底1的法线呈θ角传播的光聚焦到玻璃衬底1的法线方向，由此，对于以玻璃衬底1的法线方向传播的光，提高了最终获得的提取效率。结果，在不增加驱动电压的情况下可以增强正面亮度。

注意，在第一到第六个实施例中，阳极2和阴极5分别形成为第一电极层和第二电极层。然而，阴极和阳极可以相反地分别地形成为第一电极层和第二电极层。在这种情况下，用于辅助空穴注入到有机层的空穴注入辅助层优选形成在发光层和第二电极层之间，或者优选形成包括空穴注入辅助部分的发光层。

而且，不必要求电子注入辅助层4、电子注入辅助部分9和缓冲层7，并且当阴极侧上的有机层3和阴极5由能有效地将电子从阴极5注入到有机层3的这种材料构成时，可以省略上述部分。

同样在第二到第五个实施例中，集光件可以设置在玻璃衬底1的光出射表面上。此时，如在第六个实施例中，当调节阴极5的厚度以满足表达式(2)时，增加了玻璃衬底1的法线方向上的亮度。

具体例：

通过溅射，使用ITO在0.5mm厚的透明玻璃衬底上形成具有150nm厚度的阳极。之后，用碱清洗衬底作为有机层的汽相淀积之前的衬底清洗程序，后面是用纯水清洗。然后，通过UV臭氧将衬底烘干并清洗干净。

衬底被传送到用于从钼舟蒸发α-NPD的真空蒸发器的腔室，并在阳极的表面上以0.1nm/s的淀积速率和大约5.0×10^-5Pa的真空度淀积成30nm厚的膜作为空穴输运层。

而且，将Alq₃(99％)和C545T(1％)共同淀积，并在空穴输运层上以0.1nm/s的淀积速率和大约5.0×10^-5Pa的真空度淀积成40nm厚的膜作为包含发光材料的有机层。

然后，Alq₃从钼舟蒸发，并以0.1nm/s的淀积速率和大约5.0×10^-5Pa的真空度在有机层上淀积成30nm厚的膜作为电子输运层。

其后，Li₂O(氧化锂)从氧化铝坩埚蒸发，并以0.03nm/s的淀积速率和大约5.0×10^-5Pa的真空度在电子输运层上淀积成1nm厚的膜作为电子注入辅助层。

而且，通过溅射，使用ITO在电子注入辅助层上形成具有50nm厚的阴极。

然后，铝从钨舟蒸发，并以1nm/s的淀积速率和大约5.0×10^-5Pa的真空度在阴极上淀积成150nm厚的膜作为反射层，以完成有机EL器件。

比较例1：

除了将由Alq₃构成的电子输运层的厚度设置为40nm，以及150nm厚的铝层形成为阴极/反射层以代替ITO构成的阴极和铝构成的反射层之外，以类似于上述的具体例制造比较例1的有机EL器件。

比较例2：

除了将由Alq₃构成的电子输运层的厚度设置为80nm，以及150nm厚的铝层形成为阴极/反射层以代替阴极和反射层，以便于将直接出射器件而不被阴极/反射层反射的光的相位与在被阴极/反射层反射后出射器件的光的相位基本上对准，以类似于上述的具体例制造比较例2的有机EL器件。

对于相同的正面亮度，测试由此完成的具体例、比较例1和2的有机EL器件的功率消耗和寿命。结果，假若分别将比较例1的功率消耗和寿命定义为100，那么比较例2的功率消耗是大约90以及其寿命是大约110，然而具体例的功率消耗是大约70以及其寿命是大约150。该结果表明在具体例的有机EL器件中，由于光提取效率增加了，所以对于相同的正面亮度可以降低有机EL器件的发光亮度，使得降低电压和电流的所需水平以及显著地节约功率消耗成为可能。另外，减少了施加的电流的量，由此减少了有机EL器件上的负载例如产生的热，从而延长了寿命。注意在比较例2中，直接出射器件的光的相位和通过阴极/反射层反射后出射器件的光的相位对准，由此，改善了光提取效率。然而，将电子输运层的厚度做成达到80nm厚。据推测，这将导致驱动电压增加并阻碍功率消耗降低到满意的水平。

而且，具体例、比较例1和2的有机EL器件和光散射膜以及亮度增强膜结合，并还在均匀正面亮度的情况中测量功率消耗和寿命。假若比较例1的功率消耗和寿命分别定义为100，那么比较例2的功率消耗是大约80以及寿命是大约120。相反，具体例的功率消耗是大约60以及其寿命是大约170。

根据本发明，在不同的部分实现载流子注入到有机层和从发光层传播到第二电极的光的反射。也就是，涉及载流子注入到有机层中的部分和涉及来自发光层的光反射的部分被分离。

Claims

1、一种有机EL器件，包括：

具有前表面和后表面的透明衬底；

第一电极层，包括发光层的有机层，以及第二电极层，它们按顺序形成在透明衬底的前表面上；和

反射层，形成在与有机层相对的侧上的第二电极层上，并且对于从第二电极层入射的光具有光反射性，

第一电极层和第二电极层由透明材料形成，从透明衬底的后表面提取光。

2、根据权利要求1的有机EL器件，其中第一电极层形成阳极层，以及第二电极层形成阴极层。

3、根据权利要求1的有机EL器件，其中形成第二电极层的透明材料包括选自ITO、IZO、IWO、ATO、FTO、AZO和导电聚合物中的至少一种。

4、根据权利要求3的有机EL器件，其中形成第二电极层的透明材料是选自ITO、IZO、IWO、ATO、FTO、AZO和导电聚合物中的两种或多种材料的混合物。

5、根据权利要求1的有机EL器件，还包括插在第二电极层和有机层之间的载流子注入辅助层，用于辅助载流子注入到有机层。

6、根据权利要求5的有机EL器件，其中载流子注入辅助层由选自碱金属元素、碱土金属元素、碱金属化合物、碱土金属的化合物和酞青衍生物中的至少一种材料构成。

7、根据权利要求6的有机EL器件，其中载流子注入辅助层由选自碱金属元素、碱土金属元素、碱金属化合物、碱土金属的化合物和酞青衍生物中的两种或者多种材料的混合物构成。

8、根据权利要求5的有机EL器件，还包括插在第二电极层和载流子注入辅助层之间的缓冲层，该缓冲层是透明的。

9、根据权利要求8的有机EL器件，其中该缓冲层是由选自铝、银、镁和铟中的至少一种材料构成。

10、根据权利要求9的有机EL器件，其中该缓冲层是由选自铝、银、镁和铟中的两种或者多种材料的混合物构成。

11、根据权利要求8的有机EL器件，其中该缓冲层具有50nm或更小的厚度。

12、根据权利要求1的有机EL器件，其中反射层是由具有光反射性和导电性的金属构成。

13、根据权利要求1的有机EL器件，还包括插在第二电极层和反射层之间的光散射装置。

14、根据权利要求12的有机EL器件，其中该反射层包括多层膜。

15、根据权利要求14的有机EL器件，其中该发光层发出不同波长的多个光束，设置第二电极层的厚度和形成反射层的多层膜每层的厚度，以便获得光程差，该光程差对于多个光束中的每一个，将从发光层传播到第一电极层的光的相位与传播到第二电极层并由此被反射的光的相位基本上对准。

16、根据权利要求1的有机EL器件，其中满足下述的表达式(1)表示的条件：

nL＝(2N-1)×λ/4 (1)

其中：nL表示从发光层中的发光位置到第二电极层侧上的反射层表面的光程，N表示自然数，以及λ表示发光层的其中一种发光波长，当存在多个发光波长时使发光强度最大化的波长，以及当存在多个发光波长时所有发光波长的中心波长。

17、根据权利要求1的有机EL器件，还包括设置在透明衬底的后表面上的集光件，

满足下述表达式(2)表示的条件：

nL×cosθ＝(2N-1)×λ/4 (2)

其中nL表示在透明衬底的法线方向上从发光层中的发光位置到第二电极层侧上的反射层表面的光程，θ表示透明衬底的法线方向和借助于集光件在透明衬底的法线方向上聚焦的光的传播方向之间的角度，N表示自然数，以及λ表示发光层的其中一种发光波长，当存在多个发光波长时使发光强度最大化的波长，以及当存在多个发光波长时所有发光波长的中心波长。

18、根据权利要求17的有机EL器件，其中该集光件包括棱镜板。