JP2004014533A

JP2004014533A - 有機エレクトロルミネセンス素子

Info

Publication number: JP2004014533A
Application number: JP2003346801A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nagayama; 永山　健一; Shin Kawami; 川見　伸
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】
　信頼性の高い有機エレクトロルミネッセンス素子を提供する。
【解決手段】
　基板、陽極、陰極、陽極と陰極間に積層される有機物質からなる発光層とを備え、陽極及び陰極間に電流を流すことにより、所定の領域が発光する有機エレクトロルミネセンス素子であって、陽極と発光層の間に積層形成された正孔注入層を有し、正孔注入層が酸化銅を含む。
【選択図】　図７

Description

　本発明は、有機発光材料を用いた表示素子である有機エレクトロルミネセンス素子に関する。

　従来、有機エレクトロルミネセンス素子（以下有機ＥＬ素子という）を用いて所定のパターンを発光表示する表示素子として、例えば、図１１に示すようなものがあった。図１１は、従来の有機ＥＬ素子の構造を示す図であり。（ａ）は、有機ＥＬ素子の概略断面構造図を示し、（ｂ）は、有機ＥＬ素子の基板上に所定のパターンで形成される陽極（ＩＴＯ）の一例を示したものである。

　有機ＥＬ素子は、図（ａ）に示すように、ガラスなどの透光性を有する基板１０１上に透光性の陽極（ＩＴＯ）１０２を図１１（ｂ）に示すようなパターンで形成し、さらにその上に、有機発光材料層１０３、陰極１０４を順次積層し、陽極（ＩＴＯ）１０２と陰極１０４間に所定の電圧を印加することにより、有機発光材料層１０３に順電流を流し、有機発光材料層１０３の、陽極（ＩＴＯ）１０２と陰極１０４によって挟持される部分に順電流を流し、陽極（ＩＴＯ）１０２に対応するパターン形状で発光させて表示していた。

　ところが、陽極と基板は材料が異なるため、光の反射率、透過率や屈折率が同一ではなく、したがって、先に述べた従来の有機ＥＬ素子では、両極間に電圧を印加しない場合にも、陽極のパターンのエッジが基板を介して見えてしまうので、発光させなくても表示パネル上において表示パターンが視認されてしまう。

　また、有機発光材料層を微小画素として用いてマトリクス配置させて、必要に応じてこれらの画素の一部を発光させて種々のパターンを表示させるような有機ＥＬ素子においても、非発光時において画素が全て視認され、発光時においても発光する画素と共に発光しない画素も視認されてしまう。また、透光性基板の透過率を低下させて非発光時のパターンや画素をマスキングすると、発光時の発光効率が悪くなるなどといったように表示品位が良くなかった。

　本発明の解決しようとする課題には、非発光時に表示パターンが視認されず、発光時にのみ必要なパターンが視認されるという、表示品位の高い有機ＥL素子を提供することが一例として挙げられる。

　請求項１記載の発明は、基板、陽極、陰極、前記陽極と前記陰極間に積層される有機物質からなる発光層とを備え、前記陽極及び前記陰極間に電流を流すことにより、所定の領域が発光する有機エレクトロルミネセンス素子であって、前記陽極と前記発光層の間に積層形成された正孔注入層を有し、前記正孔注入層が酸化銅を含むことを特徴とする。

　本発明の各実施形態について以下に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。同図において、（ａ）は、有機ＥＬ素子の概略断面図を示し、（ｂ）は、有機ＥＬ素子の有機発光材料層上に所定のパターンで積層形成される電子注入層の一例を示したものである。有機ＥＬ素子は、図１（ａ）に示すように、透光性を有するガラスなどの基板１上に、例えばＩＴＯなどを用いた第１電極（陽極）２と、発光層が積層された複数の有機物などの積層体からなる有機発光材料層３を、順次全面にわたって積層形成される。

　図５は、図１における有機発光材料層３の各層の詳細の一例を示した断面図であり、有機発光材料層３は、第１電極（陽極）２上に、正孔注入層３ａ、有機物質からなる正孔輸送層３ｂ、ＴＰＤ／Ａｌｑ３などの有機物質からなる発光層３ｃ、有機物質からなる電子輸送層３ｄが順次積層されて形成される。

　また、図１（ｂ）に示すように、積層された有機発光材料層３上には、所定の表示パターンに対応する形状にパターニングした電子注入層４を積層形成される。電子注入層４に用いられる材料としては、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯなどの数オングストロームから数十オングストロームの薄膜、Ａｌ−Ｌｉ合金など、電子注入効率の高いものを用いる。より具体的には、仕事関数が約３ｅＶ以下の絶縁物であるアルカリ金属、アルカリ土類金属の酸化物、炭化物、ホウ化物、塩化物の単体もしくは混合物の数オングストローム〜数十オングストロームの薄膜、アルカリ金属、アルカリ土類金属の単体もしくは他の金属との合金を用いるのが望ましい。

　次に、電子注入層４を含む有機発光材料層３上には、第２電極（陰極）５が積層形成される。第２電極（陰極）５に用いられる材料としては、例えばＡｌなど、電子注入効率が電子注入層４より低いものを用いる。

　本発明の第１の実施形態における有機ＥＬ素子は以上のように形成されて構成され、第１電極（陽極）２と第２電極（陰極）５間に所定の電圧を印加すると、有機発光材料層３は、電子注入層４が積層形成された部分に電子が効率良く注入されるので、明るく発光する。一方、電子注入層４が積層形成された部分以外の部分では、電子がほとんど注入されないので、ほとんど発光しない。この結果、有機発光材料層３は、電子注入層４のパターニング形状に対応する形状で明るく発光表示する。

　なお、非発光時には、電子注入層４は、非常に薄いか、または、第２電極（陰極）５とほぼ近似した金属光沢を有するので、電子注入層４が有する形状は、第２電極（陰極）５と対比して視認されず、外観上、電子注入層４および第２電極（陰極）５は、基板１、第１電極（陽極）２、有機発光材料層３を介し、１枚の鏡として視認される。

　図２に、一例としてＢａＯを電子注入層に用いて形成された有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性を示す。同図において、６は、ＢａＯの層厚が０、即ち電子注入層が形成されていない場合の素子の電圧−輝度特性であり、７は、ＢａＯの層厚が１５オングストロームの場合の素子の電圧−輝度特性であり、８は、ＢａＯの層厚が５オングストロームの場合の素子の電圧−輝度特性である。

　同図からわかるように、印加電圧が６Ｖの場合に、ＢａＯの層厚が０、即ち電子注入層が形成されていない場合の素子の輝度は、３ｃｄ／ｍ²であるのに対し、ＢａＯの層厚が５オングストロームの場合の輝度は、１１０ｃｄ／ｍ²であり、ＢａＯの層厚が１５オングストロームの場合の輝度は、３０ｃｄ／ｍ²であり、ＢａＯの層厚が４０オングストロームの場合の輝度は、ほとんど０ｃｄ／ｍ²に近いものとなる。

　したがって、ＢａＯの層厚がおよそ２０オングストローム以下ならば、電子注入層（ＢａＯ）の有無による有機発光材料層３の発光表示の輝度コントラストは、ほぼ１０対１以上となるので、表示に充分なものとなり、本発明の第１の実施形態における有機ＥＬ素子を形成することが可能である。

　次に、本発明の第２の実施形態について述べる。図３は、本発明の第２の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。同図において、（ａ）は、有機ＥＬ素子の概略断面図を示し、（ｂ）は、有機ＥＬ素子の有機発光材料層上に所定のパターンで積層形成される電子流入抑制層の一例を示したものである。有機ＥＬ素子は、図３（ａ）に示すように、透光性を有するガラスなどの基板９上に、例えばＩＴＯなどを用いた第１電極（陽極）１０と、例えば、ＴＰＤ／Ａｌｑ３からなる有機発光材料層１１が、順次全面にわたって積層形成されている。

　図６は、図３における有機発光材料層１１の詳細の一例を示した断面図であり、有機発光材料層１１は、第１電極（陽極）１０上に、正孔注入層１１ａ、有機物質からなる正孔輸送層１１ｂ、有機物質からなる発光層１１ｃ、有機物質からなる電子輸送層１１ｄが順次積層されて形成される。

　また、積層された有機発光材料層１１上には、電子注入層１７が全面にわたって積層形成されている。

　また、図３（ｂ）に示すように、積層された電子注入層１７上には、所定の表示パターンに対応する形状を型抜きしてパターニング形成した電子流入抑制層１２が積層形成される。電子流入抑制層１２に用いられる材料としては、ＳｉＯ₂などの数十オングストロームの薄膜や、Ａｌなどの電子の注入を妨げるものや、電子注入効率の低い材料などからなる酸化物、ホウ化物、塩化物を用いる。

　また、仕事関数が約３ｅＶ以下の比較的低い値を有する材料を用いる場合は、４０〜１００オングストローム程度の膜厚にし、それ以外の材料、例えばＭｇＯ（仕事関数が約３．６ｅＶ）、ＴｉＯ_２（仕事関数が約３．９ｅＶ）、ＳｉＣ（仕事関数が約４．５ｅＶ）、ＶＣ（仕事関数が約３．９ｅＶ）、ＮｂＣ（仕事関数が約４．１ｅＶ）などを用いる場合は、１０〜１００オングストローム程度の膜厚にすることにより好適な電子流入抑制層を形成することができる。

　また、電子流入抑制層１２を含む電子注入層１７上には、第２電極（陰極）１３が積層形成される。第２電極（陰極）１３に用いられる材料としては、例えばＡｌ−Ｌｉ、ＢａＯ／Ａｌの積層など、電子注入効率の高いものを用いる。

　本発明の第２の実施形態における有機ＥＬ素子は以上のように形成されて構成され、第１電極（陽極）１０と第２電極（陰極）１３間に所定の電圧を印加すると、有機発光材料層１１は、電子流入抑制層１２が積層形成された領域に覆われた部分には、電子がほとんど注入されないので、その部分の発光層１１ｃはほとんど発光しない。一方、電子流入抑制層１２が積層形成された領域に覆われていない発光層１１ｃの部分は、電子が注入されて明るく発光する。この結果、有機発光材料層１１は、電子流入抑制層１２の型抜きパターニング形状に対応する形状で明るく発光表示する。

　なお、電子流入抑制層１２は、非常に薄いか、または、第２電極（陰極）１３とほぼ近似した金属光沢を有するので、非発光時には、電子流入抑制層１２が有する形状は、第２電極（陰極）１３と対比して視認されず、外観上、電子流入抑制層１２および第２電極（陰極）１３は、基板９、第１電極（陽極）１０、有機発光材料層１１を介し、１枚の鏡として視認される。

　図４に、一例としてＳｉＯ₂およびＢａＯを電子流入抑制層に用いて形成された有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性を示す。同図において、１４は電子流入抑制層の厚さが０の場合の素子の電圧−輝度特性であり、１５は電子流入抑制層１２を１０オングストロームの膜厚のＳｉＯ₂で形成した場合の素子の電圧−輝度特性であり、１６は電子流入抑制層１２を４０オングストロームの膜厚のＢａＯで形成した場合の素子の電圧−輝度特性をそれぞれ示す。同図からわかるように、印加電圧が６Ｖの場合に、電子流入抑制層が形成されていない場合の輝度は、１００ｃｄ／ｍ²であるのに対し、ＳｉＯ₂やＢａＯで電子流入抑制層１２が積層形成した素子の有機発光材料層１１の輝度がほとんど０となる。

　以上のように、本発明の上記各実施の形態において、両極間に電圧が印加されない場合に、有機ＥＬ素子が残留発光する場合は、両極間に逆バイアス電圧を印加することにより素子の残留発光を押さえることができ、有機ＥＬ素子は、非発光時には１枚の鏡、発光時には、鏡に明るく光パターンが表示されるという従来にない有機ＥＬ素子となる。

　なお、本発明の第２の実施形態においては、第１電極（陽極）１０上に、正孔注入層１１ａ、有機物質からなる正孔輸送層１１ｂ、有機物質からなる発光層１１ｃ、有機物質からなる電子輸送層１１ｄが順次積層された有機発光材料層１１上に電子注入層１７がほぼ全面に積層され、さらに電子注入層１７上に、所定の表示パターンに対応する形状を型抜きしてパターニング形成した電子流入抑制層１２を積層して構成したが、電子流入抑制層１２を形成する部位は、これに限らず、発光層１１ｃと第２電極（陰極）１３の間に積層される各層の任意の層間において形成しても良い。即ち、発光層１１ｃと電子輸送層１１ｄとの層間や、電子輸送層１１ｄと電子注入層１７との層間において形成しても同様に有効であり、さらには、以上述べた形成部位を併用することによって、希望する表示パターンを形成するようにしても良い。

　また、第１の実施形態と第２の実施形態を併用することによって、希望する表示パターンを形成するようにしても良い。

　また、以上の実施形態においては、発光表示パターンに対応したパターンで形成された電子注入層又は電子流入抑制層を用いて、第２電極（陰極）から注入される電子の注入効率を発光表示パターンに応じて分布させるようにしたが、図７に示す第３の実施形態、図９に示す第４の実施形態に示すように、パターン化した電子注入層又は電子流入抑制層を用いる替わりに、発光表示パターンに対応したパターンで形成された正孔注入層や正孔流入抑制層を用いることにより、発光層に流入する正孔の注入効率を発光表示パターンに応じて分布させるようにしても良い。

　図７は、本発明の第３の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。同図において、（ａ）は、有機ＥＬ素子の概略断面図を示し、（ｂ）は、有機ＥＬ素子の第１電極（陽極）上に所定のパターンで積層形成される正孔注入層１８の一例を示したものである。有機ＥＬ素子は、同図に示すように、発光表示パターンに対応したパターンで形成された正孔注入層１８を第１電極（陽極）２上に形成し、さらに、パターン化された正孔注入層１８を含む第１電極（陽極）２上に、先に述べた有機物質からなる正孔輸送層３ｂ、有機物質からなる発光層３ｃ、有機物質からなる電子輸送層３ｄ、を備えて構成される有機層１９と、電子注入層２０、第２電極（陰極）２１とが順次全面にわたって積層されて形成される。なお、電子注入層２０、第２電極（陰極）２１に用いられる材料は、それぞれ電子注入層４、第２電極（陰極）１３と同様である。

　したがって、正孔注入層１８が形成された領域に対応する有機層１９中の発光層３ｃの領域において正孔の注入効率が上がることにより、希望するパターンで発光表示される。

　なお、正孔注入層１８は、Ｐｔ、ＣｕＯ等の数オングストローム〜数十オングストロームの薄膜など、正孔注入効率の高い材料が用いられる。

　図８に、一例としてＣｕＯを正孔注入層として用いて形成された有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性を示す。同図において、２２は、ＣｕＯの膜厚が０、即ち正孔注入層が形成されていない場合の素子の電圧−輝度特性であり、２３は、ＣｕＯの膜厚が５オングストロームの場合の素子の電圧−輝度特性である。

　同図からわかるように、印加電圧が６Ｖの場合に、ＣｕＯの層厚が０、即ち正孔注入層が形成されていない場合の素子の輝度は、１３ｃｄ／ｍ²であるのに対し、ＣｕＯの層厚が５オングストロームの場合の素子の輝度は、１１０ｃｄ／ｍ²となり、ＣｕＯの有無による輝度コントラストがほぼ８対１以上となるので、表示に充分なものとなる。

　なお、正孔注入層１８は、非常に薄いか、又は、第２電極（陰極）２１とほぼ近似した金属光沢を有するので、非発光時には、正孔注入層１８が有するパターン形状は、第２電極（陰極）２１と対比して視認されず、外観上、正孔注入層１８および第２電極（陰極）２１は、基板１、第１電極（陽極）２、有機層１９、電子注入層２０を介し、１枚の鏡として視認される。

　また、図９は、本発明の第４の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。同図において、（ａ）は、有機ＥＬ素子の概略断面図を示し、（ｂ）は、有機ＥＬ素子の第１電極（陽極）上に所定のパターンで積層形成される正孔注入層１８の一例を示したものである。有機ＥＬ素子は、同図に示すように、発光表示パターンに対応したパターンで形成された正孔流入抑制層２４を、第１電極（陽極）２上にほぼ全面積層形成された正孔注入層２７上に形成し、さらに、パターン化された正孔流入抑制層２４を含む第１電極（陽極）２上に、先に述べた有機物質からなる正孔輸送層３ｂ、有機物質からなる発光層３ｃ、有機物質からなる電子輸送層３ｄ、を備えて構成される有機層１９と、電子注入層２０、第２電極（陰極）２１とが順次全面にわたって積層されて形成される。

　なお、正孔注入層２７は、先に述べた正孔注入層１８と同様に、Ｐｔ、ＣｕＯ等の数オングストローム〜数十オングストロームの薄膜など、正孔注入効率の高い材料が用いられる。

　また、正孔流入抑制層２４は、ＳｉＯ₂等の数オングストローム〜数十オングストロームの薄膜、Ｌｉ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯなど正孔の注入を妨げるものや、正孔流入効率の低い材料が用いられる。

　図１０に、一例としてＳｒＯを正孔流入抑制層として用いて形成された有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性を示す。同図において、２５は、ＳｒＯの層厚が０、即ち正孔流入抑制層が形成されていない場合の素子の電圧−輝度特性であり、２６は、ＳｒＯの層厚が２０オングストロームの場合の素子の電圧−輝度特性である。

　同図からわかるように、印加電圧が６Ｖの場合に、ＳｒＯの層厚が０、即ち正孔流入抑制層が形成されていない場合の素子の輝度は、１１０ｃｄ／ｍ²であるのに対し、ＳｒＯの層厚が２０オングストロームの場合の素子の輝度は、１ｃｄ／ｍ²よりもはるかに小さな値となり、ＣｕＯの有無による輝度コントラストが１００対１よりも大きなものとなるので、表示に充分なものとなる。

　以上により、図９では、発光表示パターンに対応したパターンで形成された正孔流入抑制層２４を、第１電極（陽極）２上に形成された正孔注入層２７上にさらに積層形成することにより、正孔流入抑制層２４が形成された領域に対応する、有機層１９中の発光層３ｃの領域において、正孔の注入効率が低下することにより、その結果、正孔流入抑制層２４が形成されていない領域に対応する、有機層１９の発光層３ｃの領域が強調されて発光表示される。

　また、正孔流入抑制層２４は、非常に薄いか、又は、第２電極（陰極）２１とほぼ近似した金属光沢を有するので、非発光時には、正孔流入抑制層２４が有するパターン形状は、第２電極（陰極）２１と対比して視認されず、外観上、正孔流入抑制層２４および第２電極（陰極）２１は、基板１、第１電極（陽極）２、有機層１９、電子注入層２０を介し、１枚の鏡として視認される。

　なお、図９では、正孔流入抑制層２４を、正孔注入層２７と正孔輸送層３ｂとの層間において形成したが、これに限らず、発光層３ｃと第１電極（陽極）２の間に積層される各層の任意の層間において形成しても良い。即ち、発光層３ｃと正孔輸送層３ｂとの層間や、正孔注入層と第１電極（陽極２）との層間において形成しても同様に有効であり、さらには、以上述べた形成部位を併用することによって、希望する表示パターンを形成するようにしても良い。

　本発明は以上のように構成したため、実施の形態によれば、素子が発光する所定の領域に対応するパターンを有する正孔注入層を、発光層と陽極の間において積層形成したので、素子の発光時には、陽極から発光層への正孔の注入効率を所定の領域に対応して分布し、正孔注入層が有するパターンに対応して発光表示させて視認することができ、素子の非発光時においては、正孔注入層が有するパターンが視認されることなく、基板、陽極、正孔注入層、有機物質からなる発光層などを介して、陰極面が一様に視認され、表示品位が高いものとなる。

本発明の第１の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。本発明の第１の実施形態における有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性の一例である。本発明の第２の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。本発明の第２の実施形態における有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性の一例である。本発明の第１の実施形態における有機ＥＬ素子の有機発光材料層が有する各層の詳細の一例を示した断面図である。本発明の第２の実施形態における有機ＥＬ素子の有機発光材料層が有する各層の詳細の一例を示した断面図である。本発明の第３の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。本発明の第３の実施形態における有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性の一例である。本発明の第４の実施形態における有機ＥＬ素子の主要構造を示す図である。本発明の第４の実施形態における有機ＥＬ素子の電圧−輝度特性の一例である。従来の有機ＥＬ素子の構造を示す図である。

符号の説明

１・・・・・基板
２・・・・・第１電極（陽極）
３・・・・・有機発光材料層
３ａ・・・・正孔注入層
３ｂ・・・・正孔輸送層
３ｃ・・・・発光層
３ｄ・・・・電子輸送層
４・・・・・電子注入層
５・・・・・第２電極（陰極）
６・・・・・電子注入層が形成されていない場合の素子の電圧−輝度特性
７・・・・・ＢａＯの層厚が１５オングストロームの場合の素子の電圧−輝度特性
８・・・・・ＢａＯの層厚が５オングストロームの場合の素子の電圧−輝度特性
９・・・・・基板
１０・・・・第１電極（陽極）
１１・・・・有機発光材料層
１１ａ・・・正孔注入層
１１ｂ・・・正孔輸送層
１１ｃ・・・発光層
１１ｄ・・・電子輸送層
１２・・・・電子流入抑制層
１３・・・・第２電極（陰極）
１４・・・・電子流入抑制層の厚さが０の場合の素子の電圧−輝度特性
１５・・・・電子流入抑制層を１０オングストロームの膜厚のＳｉＯ₂で形成した場合の素子の電圧−輝度特性
１６・・・・電子流入抑制層を４０オングストロームの膜厚のＢａＯで形成した場合の素子の電圧−輝度特性
１７・・・・電子注入層
１８・・・・正孔注入層
１９・・・・有機層
２０・・・・電子注入層
２１・・・・第２電極（陰極）
２２・・・・正孔注入層の厚さが０の場合の素子の電圧−輝度特性
２３・・・・正孔注入層を５オングストロームの膜厚のＣｕＯで形成した場合の素子の電圧−輝度特性
２４・・・・正孔流入抑制層
２５・・・・正孔流入抑制層の厚さが０の場合の素子の電圧−輝度特性
２６・・・・正孔流入抑制層を２０オングストロームの膜厚のＳｒＯで形成した場合の素子の電圧−輝度特性
２７・・・・正孔注入層

Claims

　基板、陽極、陰極、前記陽極と前記陰極間に積層される有機物質からなる発光層とを備え、前記陽極及び前記陰極間に電流を流すことにより、所定の領域が発光する有機エレクトロルミネセンス素子であって、前記陽極と前記発光層の間に積層形成された正孔注入層を有し、前記正孔注入層が酸化銅を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス素子。