JP2005150083A - 白色有機エレクトロルミネセンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 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】 基板上に、陽極１１、第１、第２および第３の陰極１８ａ、１８ｂ、１８ｃが積層する。陽極１１と第１の陰極１８ａの間には、第１の有機層２１が積層する。第１の陰極１８ａと第２の陰極１８ｂの間には、第２の有機層２２が積層する。第２の陰極１８ｂと第３の陰極１８ｃの間には、第３の有機層１６が積層する。陽極１１と第１、第２および第３の陰極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ間に、それぞれ電圧（Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃）を印加する。これにより、有機層２１、２２、１６は、それぞれ、青色、赤色、および緑色の発色光を発する。白色有機ＥＬ素子２０は、有機層２１、２２、１６からの発色光を混合し、略白色の発色光を得る。
【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（Ｄｙｅ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いため、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、色純度が高く高輝度の白色の発色光を発す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、青色の発色光を発する第１の有機層、第１の陰極、黄色または赤色の発色光を発する第２の有機層、第２の陰極、緑色の発色光を発する第３の有機層、および第３の陰極が順に積層され、陽極と第１の陰極間に第１の電圧が印加され、陽極と第２の陰極間に第１の電圧より高い第２の電圧が印加され、陽極と第３の陰極間に第２の電圧より高い第３の電圧が印加されることにより、略白色の発色光を発することを特徴とする。好ましくは、第１の有機層、第２の有機層、および第３の有機層の発する発色光が混合されることにより、略白色の発色光を発する。これにより、白色有機ＥＬ素子は、色純度が高く高輝度の白色の発色光を発することができる。

第２の有機層には、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層が積層されることが好ましく、この場合、第２の有機層には、Ｄｙｅ層の陽極側および陰極側に、それぞれ、青色発光材料層が積層される。これらの２つの青色発光材料層によって、第２の有機層にダブルホールブロッキング構造が形成される。これにより、陽極から注入された正孔の動きを容易に制御することができる。

Ｄｙｅ層の厚さは、青色発光材料層のそれぞれの厚さより厚く、青色発光材料層のそれぞれの厚さは５ｎｍより薄いことが好ましい。これにより、正孔を緑色発光材料層に必要量移動させることができ、かつ、第２の有機層からの発光は、Ｄｙｅ層からの発光が支配的となる。

好ましくは、略白色の発色光は、陽極側から白色有機ＥＬ素子外部に発せられることが好ましい。これにより、各発色光の輝度のバランスが適切になる。

白色有機ＥＬ素子は、基板上に、少なくとも、陽極、青色の発色光を発する第１の有機層、第１の陰極、黄色または赤色の発色光を発する第２の有機層、および第２の陰極が順に積層され、陽極間と第１の陰極間に第１の電圧が印加され、陽極間と第２の陰極間に第１の電圧より高い第２の電圧が印加されることにより、略白色の発色光を発することを特徴とする。この場合、第１の有機層および第２の有機層の発する発色光が補色の関係にあることが好ましい。

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、陽極１１と、陰極１８ａ、１８ｂ、１８ｃと、有機層２１、２２、１６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。基板１０上には、陽極１１が積層される。陽極１１上には、陽極１１側（すなわち図１においては下側）から順に、第１の有機層２１、第１の陰極１８ａ、第２の有機層２２、第２の陰極１８ｂ、第３の有機層１６、第３の陰極１８ｃがそれぞれ密接して積層される。

陽極１１、第１および第２の陰極１８ａ、１８ｂ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、膜厚はそれぞれ１００ｎｍ程度である。第３の陰極１８ｃは、例えばアルミニウムを材料として形成される。第１の有機層２１を挟み込む第１の陰極１８ａと陽極１１は、第１の電源３１を介して接続される。第２の陰極１８ｂは、第１の陰極１８ａとともに第２の有機層２２を挟み込み、第２の電源３２を介して陽極１１に接続される。第３の陰極１８ｃは、第３の有機層１６を第２の陰極１８ｂとともに挟み込み、第３の電源３３を介して陽極１１に接続される。第１、第２および第３の電源３１、３２、３３によって電圧が印加されると、陽極１１からは正孔が、第１、第２および第３の陰極１８ａ、１８ｂ、１８ｃからはそれぞれ電子が各有機層内に注入される。陽極１１と第２の陰極１８ｂ間に印加される電圧（Ｖ₂）は、陽極１１と第１の陽極１８ａ間に印加される電圧（Ｖ₁）より高く、陽極１１と第３の陰極１８ｃ間に印加される電圧（Ｖ₃）より低い。例えば、Ｖ₁は３Ｖ以上７Ｖ以下であり、Ｖ₂は４Ｖ以上８Ｖ以下であり、Ｖ₃は１０Ｖ以下である。

第１の有機層２１には、陽極１１側（すなわち図１においては下側）から順に、第１の青色発光材料層１３ａ、ホールブロッキング層１５が密接して積層される。第２の有機層２２には、陽極１１側から順に、第２の青色発光材料層１３ｂ、Ｄｙｅ層１４、第３の青色発光材料層１３ｃが密接して積層される。第３の有機層１６は、緑色発光材料層である。後述するように、第１の有機層２１は青色光を、第２の有機層２２は赤色光を、第３の有機層１６は緑色光をそれぞれ発光させる。各層から発光した青色光、赤色光、および緑色光は、混合され白色光となり、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。

第１、第２および第３の青色発光材料層１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、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））をホスト材料とし、青色ドーパント色素である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。第１の青色発光材料層１３ａの厚さは約１０ｎｍである。第２および第３の青色発光材料層１３ｂ、１３ｃの厚さは、Ｄｙｅ層１４の厚さより薄く、その厚さは約５ｎｍより小さい。青色発光材料層１３ｂ、１３ｃに挟まれるＤｙｅ層１４は、赤色色素を材料として形成される。Ｄｙｅ層１４の厚さは、約５ｎｍである。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））が用いられる。ホールブロッキング層１５は、陽極から送られてきた正孔を陰極側に移動させないようにするための層である。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、その厚さは約３０ｎｍである。第３の有機層１６（緑色発光材料層１６）は、厚さ約２０ｎｍの層であり、緑色発光材料であって、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。青色発光材料層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、緑色発光材料層１６、およびホールブロッキング層１５は、それぞれ電子輸送性に優れている。

第１、第２、および第３の有機層２１、２２、１６の各層、第１、第２および第３の陰極１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、陽極１１上に順次蒸着されることにより、形成される。なお、DPVBi、Pe、TBPe、DCJTB、TPBi、Alq₃の化学式は下記に示す式［１］〜［６］に示す通りである。

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、陽極１１と第１の陰極１８ａの間には、陽極１１側から順に、DPVBi（第１の青色発光材料層１３ａ）、TPBi（ホールブロッキング層１５）を材料として形成された層が積層される。第１の陰極１８ａと第２の陰極１８ｂの間には、陽極から順にDPVBi（第２の青色発光材料層１３ｂ）、DCJTB（Ｄｙｅ層１４）、DPVBi（第３の青色発光材料層１３ｃ）を材料として形成された層が積層される。第２の陰極１８ｂと第３の陰極１８ｃの間には、Alq₃（緑色発光材料層１６）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、それぞれの層における最低空準位（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、青色発光材料層１３ａ、１３ｂ、１３ｃが−２．８，−５．９ｅＶ、Ｄｙｅ層１４が−３．０３，−５．１１ｅＶ、ホールブロッキング層１５が−２．７，−６．２ｅＶ、緑色発光材料層１６が−３．１，−５．７ｅＶである。

陽極１１から注入された正孔は、第１の青色発光材料層１３ａ、ホールブロッキング層１５を通って、第１の陰極１８ａまで送られる。ここで、ホールブロッキング層１５のHOMOのエネルギー準位は、第１の青色発光材料層１３ａのHOMOのエネルギー準位より低い。したがって、正孔は層１３ａと層１５の界面に比較的多く集約される。一方、第１の陰極１８ａから注入された電子は、ホールブロッキング層１５を通って、第１の青色発光材料層１３ａに送られる。

第１の陰極１８ａに送られた正孔は、さらに第２の青色発光材料層１３ｂ、Ｄｙｅ層１４、第３の青色発光材料層１３ｃを通って第２の陰極１８ｂまで送られる。ここで、Ｄｙｅ層１４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、Ｄｙｅ層１４を挟み込む青色発光材料層１３ｂ、１３ｃのそれぞれのエネルギーバンドキャップより小さく、層１４のHOMOのエネルギー準位は、層１３ｂ、１３ｃのそれぞれのHOMOのエネルギー準位より高く、第２および第３の青色発光材料層１３ｂ、１３ｃは、ホールブロッキング層としての役割も果たす。すなわち、第２の有機層２２に、ダブルホールブロッキング構造が形成されている。また、層１３ｂ、層１３ｃの厚さは非常に薄い。したがって、正孔は、Ｄｙｅ層１４に集約されつつも、第２の陰極１８ｂまで送られる。一方、第２の陰極１８ｂから注入された電子は、層１３ｃ、１４、１３ｂに送られる。ここで、Ｄｙｅ層１４のLUMOのエネルギー準位は、層１４を挟み込む層１３ｂ、１３ｃのLUMOのエネルギー準位より低い。したがって、電子は、Ｄｙｅ層１４に集約される。

第２の陰極１８ｂに送られた正孔は、緑色発光材料層１６に送られる。また、第３の陰極１８ｃから注入された電子は、緑色発光材料層１６に送られる。

上述した電子および正孔の挙動により、第１の青色発光材料層１３ａとホールブロッキング層１５の界面において、正孔と電子によって励起子が大量に形成される。この励起子の形成は、再結合を生じさせ、第１の青色発光材料層１３ａから青色の発色光が発する。また、Ｄｙｅ層１４、およびＤｙｅ層１４と層１３ｂ、１３ｃの界面においても、正孔と電子によって励起子が大量に形成される。ここで、第２および第３の青色発光材料層１３ｂ、１３ｃは、その厚さがＤｙｅ層より薄いので、第２の発光層２２から発せられる光は、Ｄｙｅ層１４からの発光が支配的となる。すなわち、層１３ｂ、１３ｃにおいて形成された励起子のエネルギーは、励起状態のエネルギー準位が第２の青色発光材料層１３ｂより低いＤｙｅ層１４の赤色色素に移動する。これにより、第２の発光層２２からは赤色の発色光が発する。また、緑色発光材料層１６においても、正孔と電子によって励起子が大量に形成される。この励起子の形成は、再結合を生じさせ、緑色発光材料層１６から緑色の発色光が発する。

以上により、第１の有機層２１からは青色の発色光が、第２の有機層２２から赤色の発色光が、第３の有機層１６から緑色の発色光が生じ、これらの発色光が混合されることにより、白色有機ＥＬ素子２０は、白色の発色光を発する。

上述したように、本実施形態においては、陰極が有機層内に複数設けられ、各発光層に電子が効率的に注入される。これにより、電子と正孔の再結合が効率的に発生し、各発光層は効率的に光を生じさせることができる。したがって、白色有機ＥＬ素子２０は、高輝度の白色光を高効率で得ることができる。また、Ｖ₁、Ｖ₂およびＶ₃の印加電圧を変えることにより、各発光層の輝度をそれぞれ変更でき、これにより、白色有機ＥＬ素子２０が発する光のホワイトバランスおよび輝度を容易に調整することができる。

なお、本実施形態においては、Ｄｙｅ層１４の厚さを第２、第３の青色発光材料層１３ｂ、１３ｃのそれぞれの厚さより厚くし、層１３ｂ、１３ｃの厚さを５ｎｍより薄くしたのは、上述したように、第２の有機層２２の発光が赤色の発光が支配的になるようにするためであり、また緑色発光材料層１６に有効に正孔を移動させるためである。例えば、第２および第３の青色発光材料層１３ｂ、１３ｃが５ｎｍより厚くなると、緑色発光材料層１６に正孔が移動できずに、白色有機ＥＬ素子２０からは、青色と赤色のみの発光スペクトラムを含有する光が生じる。また、第２の有機層２２から青色の光が生じる場合もある。層１３ｂ、１３ｃの厚さの下限値は１ｎｍとする。

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、他の赤色色素を使用することができる。ここで、赤色色素としては、Ｄｙｅ層１４に隣接する青色発光材料層１３ｂ、１３ｃ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、赤色色素には、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)）等が使用できる。

また、赤色色素の代わりに、黄色色素を用いてもよい。この場合、第２の有機層から発する光は、黄色なので、白色有機ＥＬ素子２０が発する白色光の色純度は低くなる。ただし、黄色色素についても、Ｄｙｅ層に隣接する青色発光材料層および緑色発光材料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。

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、青色発光材料層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ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。また、本実施形態においては、第１、第２、および第３の青色発光材料層は、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、それぞれ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、青色発光材料層は、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、rhodamine 6G、DCM2、Rubrene、β-ADN、およびTBADNの化学式は、以下の式［７］〜［１１］に示す通りである。

なお、本実施形態においては、白色有機ＥＬ素子２０は、第１、第２および第３の有機層２１、２２、１６が積層されて形成されるが、第３の有機層１６は積層されていない構成であってもよい。第３の有機層１６が積層されない場合、第３の電極１８ｃは設けられず、第１および第２の有機層２１、２２からしか光が生じない。したがって、この場合、第１の有機層と第２の有機層が発する光は、補色の関係にあることが好ましい。すなわち、第１の有機層からは青色の光が発するので、第２の有機層からは黄色の光が発することが好ましい。この場合、第２の有機層２２を構成するＤｙｅ層１４は、黄色色素を材料とする。

なお、本実施形態において、陽極１１側（第１の有機層２１側）から光が発するが、これは、緑色発光材料層１６からの発光効率が非常に高く、緑色の発色光の輝度が高いためであり、各発光層からの光のバランスをとりやすくするためである。

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
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 第１〜第３の青色発光材料層
１４ Ｄｙｅ層
１６ 緑色発光材料層（第３の有機層）
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 第１〜第３の陰極
２０ 白色有機ＥＬ素子
２１ 第１の有機層
２２ 第２の有機層

Claims (10)

1. 基板上に、陽極、青色の発色光を発する第１の有機層、第１の陰極、黄色または赤色の発色光を発する第２の有機層、第２の陰極、緑色の発色光を発する第３の有機層、および第３の陰極が順に積層され、前記陽極と前記第１の陰極間に第１の電圧が印加され、前記陽極と前記第２の陰極間に前記第１の電圧より高い第２の電圧が印加され、前記陽極と前記第３の陰極間に前記第２の電圧より高い第３の電圧が印加されることにより、略白色の発色光を発す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の有機層、前記第２の有機層、および前記第３の有機層の発する発色光が混合されることにより、略白色の発色光を発す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２の有機層には、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。
4. 前記第２の有機層には、前記Ｄｙｅ層の陽極側および陰極側にそれぞれ、青色発光材料層が積層されていることを特徴とする請求項３に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
5. 前記２つの青色発光材料層によって、前記第２の有機層に、ダブルホールブロッキング構造が形成されることを特徴とする請求項４に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
6. 前記Ｄｙｅ層の厚さは、前記青色発光材料層のそれぞれの厚さより厚いことを特徴とする請求項４に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
7. 前記青色発光材料層のそれぞれの厚さは、５ｎｍより薄いことを特徴とする請求項６に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
8. 前記略白色の発色光は、前記陽極側から外部に発せら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。
9. 基板上に、少なくとも、陽極、青色の発色光を発する第１の有機層、第１の陰極、黄色または赤色の発色光を発する第２の有機層、および第２の陰極が順に積層され、前記陽極間と前記第１の陰極間に第１の電圧が印加され、前記陽極間と前記第２の陰極間に前記第１の電圧より高い第２の電圧が印加されることにより、略白色の発色光を発す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。
10. 前記第１の有機層および前記第２の有機層の発する発色光が補色の関係にあることにより、略白色の発色光を発することを特徴とする請求項９に記載の白色有機エレクトロルミネセンス素子。
    
    

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