JP2005150081A - 白色有機エレクトロルミネセンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高輝度で色純度の高い白色の発色光を発する白色有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子を得る。
【解決手段】 白色有機ＥＬ素子２０は、基板１０上に陽極１１および陰極１８により挟まれた有機層２１を有する。有機層２１には、陽極側から順に第１の青色発光層１３ａ、第１のＤｙｅ層１４ａ、第１の緑色発光層１６ａ、第２の青色発光層１３ｂ、第２のＤｙｅ層１４ｂ、第２の緑色発光層１６ｂ、ホールブロッキング層１５、および第３の緑色発光層１６ｃを積層する。電源２２から電圧を印加すると、各発光層および各Ｄｙｅ層がそれぞれ緑、青、および赤色の光を発する。白色有機ＥＬ素子２０は、これら３色の光によって、白色の発色光を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、白色光を発する白色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を用いて、フルカラー表示が可能な表示素子を作成する例として、いわゆる白色法が知られている。白色法は、白色有機エレクトロルミネセンス素子（以下白色有機ＥＬ素子という。）から白色光を発光させ、その白色光をカラーフィルタでフィルタリングして、ＲＧＢの発光色を実現させる方法である。

白色法で用いられる白色有機ＥＬ素子としては、例えば、特許文献１に記載されるように、第１の青色発光層、黄色色素から成るδ層、および第２の青色発光層を積層して発光層を形成する白色有機ＥＬ素子が知られている。この白色有機ＥＬ素子は、青色発光層とδ層の発色光が補色の関係にあることを利用し、白色の発色光を実現している。
特開２００２−１８４５７４号公報

特許文献１に記載される白色有機ＥＬ素子においては、青色発光層およびδ層（Ｄｙｅ層）において、陰極から注入された電子と陽極から注入された正孔とが再結合して光を発する。しかし、この白色有機ＥＬ素子においては、再結合する領域が狭く、また同一層内における再結合のみによって光を得ているので、高輝度の白色光を得ることは困難である。

そこで、本発明は、以上の問題点に鑑みて成されたものであり、高輝度の白色光を得ることができる白色有機ＥＬ素子を得ることを目的とする。

本発明に係る白色有機ＥＬ素子は、基板上に、陽極および陰極により挟まれた有機層で構成され、略白色の発色光を発する白色有機エレクトロルミネセンス素子であって、有機層には、少なくとも、陽極側から順に、第１の青色発光層と、少なくとも赤色または黄色色素のいずれかを材料として形成される第１のＤｙｅ層と、第１の緑色発光層と、第２の青色発光層と、少なくとも赤色または黄色色素のいずれかを材料として形成される第２のＤｙｅ層とが積層されることを特徴とする。これにより、白色有機ＥＬ素子は、多くの発光層から光が生じるので、高輝度の白色光を得ることができる。

第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、並びに第１の緑色発光層のそれぞれの厚さは、約１ｎｍから約５ｎｍであることが好ましい。これにより、陰極から注入される電子および陽極から注入される正孔は、トンネル効果により、各層にチャージされ、各発光層は効率的に光を発することができる。

また、第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、並びに第１の緑色発光層のそれぞれの厚さは、略同じであることが好ましい。また、好ましくは、第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、並びに第１の緑色発光層のそれぞれの厚さは、約３ｎｍである。

有機層には、第２のＤｙｅ層の陰極側にさらに第２の緑色発光層が積層されることが好ましく、この場合、第２の緑色発送層の厚さは、約１ｎｍから約５ｎｍであることが好ましい。さらに、有機層には、第２の緑色発光層の陰極側に、陽極側から順にホールブロッキング層、第３の緑色発光層が積層されることが好ましく、ホールブロッキング層および第３の緑色発光層の厚さは、それぞれ約１ｎｍから約５ｎｍであるが好ましい。これにより、白色有機ＥＬ素子は、電子と正孔が再結合する領域がさらに広がり、より高輝度の白色光を発することができる。

また、第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、ホールブロッキング層、並びに第１、第２および第３の緑色発光層のそれぞれの厚さは、略同じであることが好ましい。

本発明に係る白色有機ＥＬ素子は、基板上に、陽極および陰極により挟まれた有機層で構成され、略白色の発色光を発する白色有機エレクトロルミネセンス素子であって、有機層には、多層発光層が３以上積層され、多層発光層は、それぞれ、陽極側から順に、青色発光層と、赤色または黄色色素を材料として形成されるＤｙｅ層と、緑色発光層とが積層されることを特徴とする。

本発明に係る白色有機ＥＬ素子は、色純度が高くかつ高輝度の白色光を得ることができる。

以下本発明に係る実施形態を図１〜図２を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の白色有機ＥＬ素子の一実施形態の模式的な断面図を示す。白色有機ＥＬ素子２０は、基板１０と、基板１０上に形成された陽極１１と、陽極１１上に積層された有機層２１と、有機層２１の上に形成された電子注入層１７と、電子注入層１７の上に形成された陰極１８を有する。

基板１０は、透光性を有するガラスを材料として形成される。陽極１１は、ITO（インジウムとスズの酸化物）を材料として形成される半透明膜であって、その膜厚は１００ｎｍ程度である。陽極１１上に形成された有機層２１は、後述するように白色光を発光させ、その白色光は、陽極１１および基板１０を透過して白色有機ＥＬ素子２０外部に発せられる。

有機層２１には、陽極１１側（すなわち図１においては下側）から順に、正孔輸送層（ホール輸送層）１２、第１の青色発光層１３ａ、第１のＤｙｅ層１４ａ、第１の緑色発光層１６ａ、第２の青色発光層１３ｂ、第２のＤｙｅ層１４ｂ、第２の緑色発光層１６ｂ、ホールブロッキング層１５、第３の緑色発光層１６ｃが密接されて積層される。正孔輸送層１２は、NPB（Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）―Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（N,N'-di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine））を材料として形成される。正孔輸送層１２は、陽極１１から注入された正孔（ホール）を発光層１３ａ〜１６ｃに有効に移動させる。第１および第２の青色発光層１３ａ、１３ｂは、それぞれホスト有機材料であるDPVBi（１，４−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（1,4-bis(2,2-diphenylvinyl)biphenyl））に青色ドーパンド色素であるPe（ペリレン（perylene））またはTBPe（テトラ（ｔ−ブチル）ペリレン）がドープされて形成される。緑色発光層と青色発光層に挟まれる第１および第２のＤｙｅ層１４ａ、１４ｂは、それぞれ赤色色素を材料として形成される。赤色色素としては、DCJTB（４−（ジシアノメチレン）−２−ｔ−ブチル−６−（１，１，７，７−テトラメチルジュロリジル−９−エニル）−４Ｈ−ピラン（4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran））が使用される。第１、第２および第３の緑色発光層１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それぞれアルキレート化合物であるAlq₃（トリキノリノレートアルミニウム）を材料として形成される。ホールブロッキング層１５は、電子を陰極側から陽極側に移動させるとともに、正孔の陽極側から陰極側への移動を阻害する。ホールブロッキング層１５は、TPBi（２，２’，２”−（１，３，５−ベンゼントリイル）トリス（１−フェニル−１Ｈ−ベンズイミダゾール）（2,2',2"-(1,3,5-benzenetriyl)tris(1-phenyl-1H-benzimidazole)））を材料として形成される。

正孔輸送層（ホール輸送層）１２、第１および第２の青色発光層１３ａ、１３ｂ、第１および第２のＤｙｅ層１４ａ、１４ｂ、第１、第２および第３の緑色発光層１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、並びにホールブロッキング層１５の各層の厚さは、それぞれ約１ｎｍ〜５ｎｍであり、３ｎｍ程度が好ましく、略同じであっても良い。なお、NPB、DPVBi、Pe、TBPe、DCJTB、TPBi、Alq3の化学式は下記の式［１］〜［７］に示す通りである。

有機層２１を挟み込む陽極１１と陰極１８は、電源２２に接続され、電源２２から電圧が印加されると、陽極１１から正孔が、陰極１８から電子が有機層２１に注入される。陰極１８は例えばアルミニウムを材料として形成される。陰極１８と有機層２１の間には電子注入層１７が形成される。電子注入層１７は陰極１８から電子を有機層２１に容易に注入させやすくするための層であって、例えばＬｉＦを材料として形成され、その厚さは約０．７ｎｍである。

有機層２１の各層は、Ｄｙｅ層１４ａ、１４ｂも含め、陽極上に順次蒸着されることにより、形成される。また、電子注入層１７および陰極１８についても、有機層２１上に蒸着されることにより形成される。

図２は白色有機ＥＬ素子２０の有機層２１の各層のエネルギー準位を模式的に示した図である。図２を参照して白色有機ＥＬ素子２０の発光原理について詳細に説明する。上述したように、有機層２１には、陽極側から順に、NPB（正孔輸送層１２）、DPVBi（第１の青色発光層１３ａ）、DCJTB（第１のＤｙｅ層１４ａ）、Alq₃（第１の緑色発光層１６ａ）、DPVBi（第２の青色発光層１３ｂ）、DCJTB（第２のＤｙｅ層１４ｂ）、Alq₃（第２の緑色発光層１６ｂ）、TPBi（ホールブロッキング層１５）、Alq₃（第３の緑色発光層１６ｃ）を材料として形成された層が積層される。

図２に示すように、それぞれの層の最低空準位（LUMO）および最高被占準位（HOMO）のエネルギー準位は、真空準位を０ｅＶとすると、それぞれの層を形成する物質に基づき、正孔輸送層１２が−２．１，−５．２ｅＶ、第１および第２の青色発光層１３ａ、１３ｂが−２．８，−５．９ｅＶ、第１および第２のＤｙｅ層１４が−３．０３，−５．１１ｅＶ、第１、第２および第３の緑色発光層１６ａ、１６ｂ、１６ｃが−３．１，−５．７ｅＶ、ホールブロッキング層１５が−２．７，−６．２ｅＶである。

緑色発光層１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、ホールブロッキング層１５、青色発光層１３ａ、１３ｂは、それぞれ、電子輸送性に優れる電子輸送層であり、電子を隣接する各層に移動させる役割を果たす。また、層１６ｃ〜層１２の各層は、その厚みが非常に薄い。したがって、陰極から注入された電子は、トンネル効果により、第３の緑色発光層１６ｃから第１の青色発光層１３ａまでの各層にチャージされながら、正孔輸送層１２まで送られる。なお、Ｄｙｅ層１４ａ、１４ｂのLUMOのエネルギー準位は、陽極側に隣接する青色発光層１３ａ、１３ｂのLUMOのエネルギー準位より低いので、Ｄｙｅ層１４ａ、１４ｂには、電子が多く集約される。また、第３の緑色発光層１６ｃのLUMOのエネルギー準位は、ホールブロッキング層１５のLUMOのエネルギー準位より低いので、第３の緑色発光層１６ｃにも電子が多く集約される。

陽極から注入された正孔は、正孔輸送層１２からホールブロッキング層１５まで送られる。有機層２１を形成する層１２〜層１５は、その厚みが非常に薄いので、陽極から注入された正孔は、トンネル効果で層１２〜層１５の各層にチャージされる。なお、Ｄｙｅ層１４ａ、１４ｂのエネルギーバンドギャップ（LUMOとHOMOのエネルギー準位の差）は、それぞれの層を挟み込む緑色発光層１６ａ、１６ｂ、青色発光層１３ａ、１３ｂのバンドキャップより小さく、層１４ａ、１４ｂのHOMOのエネルギー準位は、緑色発光層１６ａ、１６ｂおよび青色発光層１３ａ、１３ｂのHOMOのエネルギー準位より高い。したがって、正孔はＤｙｅ層１４ａ、１４ｂにより多く集約される。正孔輸送層１２および第１のＤｙｅ層１４ａに挟まれる第１の青色発光層１３ａは、正孔輸送層１２および第１のＤｙｅ層１４ａに対して、HOMOのエネルギー準位が低いので、正孔は正孔輸送層１２に多く集約される。さらに、ホールブロッキング層１５のために、正孔は第２の緑色発光層１６ｂにも集約される。

ここで、第１の青色発光層１３ａおよび第１のＤｙｅ層１４ａに集約された電子と正孔は、層１３ａと層１４ａとの界面付近において再結合を生じさせる。この再結合により生じた青色発光層１３ａにおける励起子のエネルギーはその一部が、励起状態のエネルギー準位が青色発光層１３ａより低い赤色色素に移動する。これにより、第１の青色発光層１３ａおよび第１のＤｙｅ層１４ａから赤色の光が発する。また、再結合により生じた第１の青色発光層１３ａにおける励起子のエネルギーの一部は、赤色色素に移動せずに、第１の青色発光層１３ａから青色の光を発せさせる。なお、第２の青色発光層１３ｂおよび第２のＤｙｅ層１４ｂからも同様にして、青および赤色の光が発せられる。

第１および第２の緑色発光層１６ａ、１６ｂにおいても、各層１６ａ、１６ｂに集約された電子および正孔によって、再結合が起こる。そして、これらの再結合は、層１６ａ、１６ｂから緑色の光を発せさせる。

さらに、正孔輸送層１２に集約された正孔および第１のＤｙｅ層１４ａに集約された電子は、第１の青色発光層１３ａの厚さが薄いので、励起錯体の形で第１の青色発光層１３ａ内において再結合を生じさせる。この励起錯体の形での再結合は、上述した原理と同様に、第１の青色発光層１３ａおよび第１のＤｙｅ層１４ａから青および赤色の光を発せさせる。

第２の緑色発光層１６ｂに集約された正孔は、さらに第３の緑色発光層１６ｃに集約された電子と、ホールブロッキング層１５において、励起錯体の形で再結合する。この再結合により、ホールブロッキング層１５は、青色の光を発する。層１５が青色の光を発するのは、ホールブロッキング層１５が、青色のＰＬスペクトラムを有するからである。

層１２〜層１６ｃから生じた赤、緑、青の発光色は、混合されることにより、有機層２１から白色発光が生じる。

以上のように、本実施形態においては、同一発光層（発光層およびＤｙｅ層）内において集約された電子と正孔の再結合により、各発光層は光を発する。さらに、各発光層は励起錯体によっても発光する。これにより、再結合の起こる領域が広がるので、白色有機ＥＬ素子２０は、高輝度の白色光を発することができる。また、各発光層およびＤｙｅ層の膜厚を調整することにより、各発光色の強度を任意に調整することができるので、容易に色純度の高い白色発光を得ることができる。

なお、本実施形態においては、Ｄｙｅ層の材料である色素に、DCJTBを使用したが、Ｄｙｅ層に隣接する青色発光層および緑色発光層よりエネルギーバンドギャップが小さいものであれば、他の赤色色素を使用することができる。例えば、DCJTBの代わりに、ローダミン６Ｇ（rhodamine 6G)、DCM2（（４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−（２−（２，３，６，７−テトラ−ヒドロ−１Ｈ，５Ｈ−ベンゾ）［ｉｊ］キノリジン−８−イル）−４Ｈ−ピラン（4-dicyanomethylene-2-methyl-6-(2-(2,3,6,7-tetra-hydro-1H,5H-benzo)[ij]quinolizin-8-yl）-4H-pyran)）等を使用できる。また、赤色色素の代わりに、黄色色素を用いても良い。ただし、黄色色素についても、Ｄｙｅ層に隣接する青色発光層および緑色発光層よりエネルギーバンドギャップが小さいものが好ましい。例えば、黄色色素としては、ルブレン（Rubrene）が使用される。

さらに、本実施形態では、第１および第２のＤｙｅ層１４ａ、１４ｂの材料である色素は、同種のものであったが、異なる色素を用いてもよい。すなわち、例えば、第１のＤｙｅ層１４ａが赤色色素を材料とし、第２のＤｙｅ層１４ｂが黄色色素を材料としてもよい。また、Ｄｙｅ層１４は、赤色色素および黄色色素が混合されて形成されてもよい。この場合、黄色色素は、赤色色素に比べ、励起状態のエネルギー準位が高いので、Ｄｙｅ層１４から発せられる光は、赤色の発色光である。なお、黄色色素の含有量は、赤色色素の含有量より多く、その重量比は、約２：１程度であることが好ましい。

なお、本実施形態においては、第１および第２の青色発光層１３ａ、１３ｂのホスト材料として、DPVBiを用いたが、ホスト材料としては、β-ADN（９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（9,10-di(2-naphthyl）anthracene））、TBADN（２−ｔ−ブチル−９，１０−ジ（２−ナフチル）アントラセン（2-t-buthyl-9,10-di(2-naphthyl）anthracene））等を用いてもよい。ここで、rhodamine 6G、DCM2、Rubrene、β-ADN、およびTBADNの化学式は、以下の式［８］〜［１２］に示す通りである。

なお、本実施形態においては、第１の青色発光層１３ａ、１３ｂは、ホスト材料であるDPVBiにPeまたはTBPeをドープして形成されるが、ドーパント色素がドープされていなくともよい。この場合、第１の青色発光層１３ａ、１３ｂは、ドーパント色素がドープされていなくても、発光する青色発光材料を材料として形成される。

なお、本実施形態においては、第２および第３の緑色発光層１６ｂ、１６ｃおよびホールブロッキング層１５が設けられたがこれらの層は設けられなくても良い。この場合、正孔輸送層１２、第１および第２の青色発光層１３ａ、１３ｂ、第１および第２のＤｙｅ層１４ａ、１４ｂ、並びに第１の緑色発光層１６ａから発せられた発色光が混合されることにより、白色有機ＥＬ素子２０は、略白色の発光色を発する。ただし、第２のＤｙｅ層１４ｂの陰極側には、第２のＤｙｅ１４ｂよりエネルギーバンドギャップが大きく、電子輸送性を有する層が積層されることが好ましい。この電子輸送性を有する層は、例えば、本実施形態においてホールブロッキング層の役割を果たしているTPBi等であっても良い。

さらに、第３の緑色発光層１６ｃは積層されていない構成であっても良い。この場合、正孔輸送層１２、第１および第２の青色発光層１３ａ、１３ｂ、第１および第２のＤｙｅ層１４ａ、１４ｂ、並びに第１および第２の緑色発光層１６ａ、１６ｂから発せられた発光色が混合されることにより、白色有機ＥＬ素子２０は、略白色の発光色を発する。ただし、この場合、第２の緑色発光層１６ｂにおいては、励起錯体の形での再結合による発光が生じないので、例えば、第２のＤｙｅ層１４ｂの陰極側には、陽極側からホールブロッキング層１５、緑色発光層１６ｂの順で積層されることが好ましい。これにより、第２の緑色発光層１６ｂは、本実施形態の第３の緑色発光層１６ｃのように、緑色発光層１６ｂ内における正孔と電子の再結合により緑色の光を発する。

なお、本実施形態においては、青色発光層、Ｄｙｅ層、および緑色発光層から成る多層発光層が、２層積層されているが、この多層発光層は、３以上積層される構成であっても良い。すなわち、第２の緑色発光層１６ｂとホールブロッキング層１５の間に、陽極側から順に青色発光層、Ｄｙｅ層、および緑色発光層が積層された多層発光層が、さらに、１以上挿入される構成であっても良い。

本発明の白色有機ＥＬ素子の一実施形態の模式的な断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る白色有機ＥＬ素子が有する有機層の各層のエネルギー準位を模式的に示す。

符号の説明

１０ 基板
１１ 陽極
１２ 正孔輸送層
１３ａ、１３ｂ 第１、第２の青色発光層
１４ａ、１４ｂ 第１、第２のＤｙｅ層
１５ ホールブロッキング層
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 第１〜第３の緑色発光層
１８ 陰極
２０ 白色有機エレクトロルミネセンス素子（白色有機ＥＬ素子）
２１ 有機層

Claims (11)

1. 基板上に、陽極および陰極により挟まれた有機層で構成され、略白色の発色光を発する白色有機エレクトロルミネセンス素子であって、
   前記有機層には、少なくとも、陽極側から順に、第１の青色発光層と、少なくとも赤色または黄色色素のいずれかを材料として形成される第１のＤｙｅ層と、第１の緑色発光層と、第２の青色発光層と、少なくとも赤色または黄色色素のいずれかを材料として形成される第２のＤｙｅ層とが積層されることを特徴とする白色有機エレクトロルミネセンス素子。
2. 前記第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、並びに第１の緑色発光層のそれぞれの厚さは、約１ｎｍから約５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
3. 前記第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、並びに第１の緑色発光層のそれぞれの厚さは、略同じであることを特徴とする請求項１に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
4. 前記第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、並びに第１の緑色発光層のそれぞれの厚さは、約３ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
5. 前記有機層には、前記第２のＤｙｅ層の陰極側にさらに第２の緑色発光層が積層されることを特徴とする請求項１に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
6. 前記第２の緑色発光層の厚さは、約１ｎｍから約５ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
7. 前記有機層には、前記第２の緑色発光層の陰極側に、陽極側から順にホールブロッキング層、第３の緑色発光層が積層されることを特徴とする請求項５に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
8. 前記ホールブロッキング層および第３の緑色発光層の厚さは、それぞれ約１ｎｍから約５ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
9. 前記第１および第２の青色発光層、第１および第２のＤｙｅ層、ホールブロッキング層、並びに第１、第２および第３の緑色発光層のそれぞれの厚さは、略同じであることを特徴とする請求項８に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
10. 前記第１の青色発光層の陽極側に正孔輸送層が積層されることを特徴とする請求項１に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
11. 基板上に、陽極および陰極により挟まれた有機層で構成され、略白色の発色光を発する白色有機エレクトロルミネセンス素子であって、
    前記有機層には、多層発光層が３以上積層され、前記多層発光層は、それぞれ、陽極側から順に、青色発光層と、少なくとも赤色または黄色色素のいずれかを材料として形成されるＤｙｅ層と、緑色発光層とが積層されることを特徴とする白色有機エレクトロルミネセンス素子。