JP2005285386A - 有機電界発光素子及びそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高効率な発光を行う有機電界発光素子、さらにはそれを用いた表示装置を提供すること。
【解決手段】
金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、を順次積層した有機発光素子とする。
また、基板と、金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、を順次積層した有機発光素子を用いた表示装置とする。
また、金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、基板と、を順次積層した有機発光素子を用いた表示装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は有機電界発光素子、特にその電極構造に改良を加えるものに関し、更にはそれを用いた表示装置に関する。

有機電界発光素子は電界印加により光を生じさせる表示素子であって、薄型，軽量，高速応答という利点を有するため、表示装置への応用が期待されている。

従来の有機電界発光素子に関する文献としては下記特許文献１があり、この文献には一対の電極膜と、この一対の電極膜の間に発光層を配置し、この電極膜間に電界を印加することで発光層を発光させる技術が開示されている。またこの文献では、半透明反射膜，透明電極膜，発光層，金属電極膜の順で形成された構造であって、半透明反射層と金属電極膜との間の光学的距離を調整してこの素子が光共振器としても作用するということを開示している。

なお、発光層は通常複数の有機薄膜を積層したものであり、有機薄膜としては例えば電子注入層，電子輸送層，発光材料層，ホール輸送層，ホール注入層が挙げられる。もちろん一つの層で上記の層の機能を複数兼ねる場合もある。

特許３２７４５２７号明細書

有機電界発光素子が光を発する原理は以下である。一対の電極膜の間に電界を印加して発光層に電子と正孔を注入し、発光層で電子とホールとを再結合させて励起子を形成し、この励起子を利用して発光層における発光分子を発光させるのである。しかし、有機電界発光素子に用いられる発光層は上述したとおり複数の有機薄膜から形成されているがその膜厚はせいぜい数十ｎｍ程度の厚さである。ここで形成された励起子の寿命が長い場合など、励起子が消滅するまでにこれら薄膜の厚さよりも長い距離を移動し、金属電極膜まで移動してしまった場合、この励起子が発光に寄与しないまま消滅し、素子の発光効率を低下させてしまうという課題がある。この課題を解決するためには励起子を発光に寄与しないまま消滅させない電極材料を用いるか、金属電極膜を励起子が移動する領域から十分遠ざける必要がある。

以上本発明は、上記課題を解決し、高効率な発光を行う有機電界発光素子、さらにはそれを用いた表示装置を提供することを目的とする。

上記発明の目的を達成するための手段として、主として以下の手段を採用する。

第一の手段として、有機発光素子において、金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜とを順次積み重ねてなる（積層した）ことを特徴とする。

ここで、フッ素化金属薄膜とは、フッ素化された金属化合物からなる薄膜であって、金属反射膜，透明導電膜のいずれとも化学反応を起こしにくい薄膜である。なおこれには例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ），フッ化セリウム（ＣｅＦ）などが挙げられる。

また、透明導電膜とは、発光層が発する光の波長領域において透明性を有し、かつ導電性を兼ね備えた膜であって、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などが挙げられる。

また、この順次積み重ねられる層の構造において、必要に応じ他の層を介入させることも可能であり、必ずしも各層が接して構成されていなくてもよい。なおこの他の層の例としては、透明電極と発光層との間に配置されるバッファ層などが挙げられる。

また、第二の手段として、有機電界発光素子を用いた表示措置であって、基板と、金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、を順次積層した有機発光素子を用いたことを特徴とする。

また、第三の手段として、有機電界発光素子を用いた表示装置であって、金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、基板と、を順次積層した有機発光素子を用いたことを特徴とする。

また、第四の手段として、透明導電膜，フッ素化金属薄膜，金属膜の積層構造を有する基板とする。

以上により、高効率な発光素子さらにはこれを用いた表示装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面をもとに説明するが、本発明を利用して種々の変更が可能であり、実施形態，実施例に狭く限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は本実施形態に係る有機電界発光素子を示す図である。図１の素子は、金属反射膜１０１と、フッ素化金属薄膜１０２と、第一の透明導電膜１０３と、発光層１０４と、第二の透明導電膜１０５と、を順次積層して構成されている。この素子によると、発光層
１０４の両側に透明導電膜を配置することで、電子とホールとが再結合する発光層と金属電極との距離を大きくとることができるとともに電極に金属を用いる必要がないため、励起子が発光に寄与しないまま消滅し、素子の発光効率を低下させてしまうという課題を解決することができ、発光効率の高い有機電界発光素子を得ることができる。なお図１中の矢印はこの素子から取出される発光の略進行方向を示す（これは他の図においても同様である）。

そしてさらに本表示素子では、第一の透明導電膜１０３と金属反射膜１０１との間にフッ素化金属薄膜を配置している。これは透明導電膜と金属膜とを直接積層すると両者が化学反応を起こし、その結果これらの間の界面において金属酸化膜や透明導電膜の酸素欠乏状態などを発生させ、反射率を低下させることによる弊害を防止するためである。フッ素化金属薄膜１０２は金属膜及び透明導電膜のいずれと比べても化学的に安定であって化学反応を起こしにくいだけでなく発光層が発する光領域において概ね透明である。更にはフッ素化金属薄膜を介することでさらに発光層と金属反射膜との距離を確保することができる。以上、有機電界発光素子形成直後の状態をほぼ維持でき、金属膜の反射特性と透明導電膜の透明性，導電性を長時間に亘って維持し、高効率な発光を行う有機電界発光素子を実現することができる。

（実施形態２）
図２は本実施形態に係る有機電界発光素子を示す図である。図２における有機電界発光素子は、上述した実施形態１で示した有機電界発光素子の構造に加え、第二の透明導電膜１０５の発光層の反対側にさらに半透明反射層１０６を形成し、この半透明反射層１０６と金属反射膜１０１との間の光学的距離を発光層から発せられる光のピークの半波長の整数倍となるように調整し、光共振器として作用するよう構成されている。本実施形態に係る素子は、実施形態１に記載の素子の効果を有することに加え、さらに、有機発光素子に光共振器の作用を保持させ、発光層が発する広い半値幅を有する光からより半値幅が狭く、ピークの強い光を得ることができる。また本実施形態に係る素子は、半透明反射層106と金属反射膜１０１との間に二つの透明導電膜を有しており、共振器として作用するための光学的距離の調節がより容易になるという利点も有する。なお、半透明反射層１０６は、発光層から入射される光の一部を透過し、一部を反射する機能を有する層であって、この機能を有する限り特に構造は限定されることはないが、この層の好適な例としては、屈折率の異なる複数の誘電体膜を積層してなる多層誘電体膜からなる層が挙げられる。

なお、本実施形態が実施形態１との間で有する相違点は他の実施形態に適宜応用可能であり、実施形態１のみに従属して効果を発揮するわけではない。

（実施形態３）
実施形態１における有機電界発光素子は、第一の透明導電膜１０３と金属反射膜１０１との間にフッ素化金属薄膜とを有しているが、この膜は絶縁性を示すため、そのままでは素子を駆動する電流は第一の透明導電膜１０３にのみ流れることとなる。しかし透明導電膜は金属に対して抵抗値が高く、発光効率の観点からはより低抵抗であることが望ましい。従って、本実施形態では第一の透明導電膜と金属反射膜とを金属部材１０７により電気的に接続させることとしている。図３に本実施形態に係る有機電界発光素子の斜視図を示し、図４（ａ）,（ｂ）は図３中におけるＡ−Ａ′,Ｂ−Ｂ′のいずれかを含み膜の積層方向に対して平行な面における部分断面図を示す。なお本実施形態に係る有機電界発光素子は、ほぼ実施形態１と同様の積層構成となっているが、金属反射膜１０１がフッ素化金属薄膜１０２及び第一の透明導電膜１０３よりも広い面積を有し、接続が取れるように工夫されており、またこの積層構造の一部において発光層１０４及び第二の透明電極膜１０５の除去された領域を設け、その点で金属部材１０７を配置し接続を図っている。なおここで接続をとる金属部材１０７は酸化しにくい材料が望ましく、金などがより好適である。

以上、本実施形態の有機電界発光素子は、より低抵抗で低消費電力化，高効率化が可能となる。

なおもちろん、本実施形態が実施形態１との間で有する相違点は他の実施形態に適宜応用可能であり、実施形態１のみに従属して効果を発揮するわけではない。

（実施形態４）
上記各実施形態における有機電界発光素子を複数基板上に配置することで、表示装置として使用することができる。この実施形態について説明する。

本実施形態に係る表示装置は、図５に示される構成を有しており、具体的には基板200，金属反射膜２０１，フッ素化金属薄膜２０２，第一の透明導電膜２０３，発光層２０４，第二の透明導電膜２０５、を順次積層して構成されている。この構造はいわゆるトップエミッション方式と呼ばれる表示方式である。この構成を有する表示装置は、先ほどの実施形態１で述べた効果と同様、有機電界発光素子形成直後の状態をほぼ維持でき、金属膜の反射特性と透明導電膜の透明性，導電性を長時間に亘って維持し、高効率な発光を行う表示装置を実現することができる。

なお、本実施形態の表示装置は実施形態１における有機電界発光素子を用いているが、他の実施形態に係る有機電界発光素子を用いてトップエミッション方式の表示装置を実現することは十分可能である。

（実施形態５）
本実施形態は、有機電界発光素子を基板上に複数配置してなる表示装置の他の実施形態を示すものである。

本実施形態に係る表示装置は、図６に示される構成を有しており、具体的には、基板
２００，第二の透明導電膜２０５，発光層２０４，第一の透明導電膜２０３，フッ素化金属薄膜２０２，金属反射膜２０１を順次積層して構成されている。なお本説明では第二の透明導電膜２０５の次に第一の透明導電膜２０３を説明しているが、他の実施形態との関係から配置との関係を分かりやすくするために区別したものである。この構造はいわゆるボトムエミッション方式と呼ばれる表示方式であって、発光層から発せられた光は基板
２００を通過して観測者に到達することとなる。

本実施形態によっても、有機電界発光素子形成直後の状態をほぼ維持でき、金属膜の反射特性と透明導電膜の透明性，導電性を長時間に亘って維持し、高効率な発光を行う表示装置を実現することができる。

なおもちろん、本実施形態の表示装置は実施形態１における有機電界発光素子を用いた構成となっているが、他の実施形態に係る有機電界発光素子を用いることも可能であり、特に実施形態２に係る表示装置の場合は、基板，半透明反射膜，第二の透明導電膜，発光層，第一の透明導電膜，フッ素化金属薄膜，金属反射膜とを順次積層させた構造とすることも可能である。

（実施形態６）
本発明に係る有機電界発光素子は金属反射膜を有し、この膜に入射される光は発光層側へと反射される。この場合において、金属反射膜は発光層からの光を最大限活用することが有用であるため、発光層部分と同じかそれ以上の面積を有し、発光層をカバーする事が望ましい。この構造の形態について図７（ａ），（ｂ）を例示して説明する。なお、この場合において金属反射膜と透明導電膜との反応を抑えるべく、適宜フッ素化金属薄膜も発光層部分と同じかそれ以上の面積とさせてカバーすることが望ましい。なお例えば図７
（ａ）では、金属反射膜２０１及びフッ素化金属薄膜２０２が発光層よりも十分に広く形成された構成となっている。この場合特に、これら膜を複数の有機発光素子に共通に用いることも有用である。また、図７（ｂ）はフッ素化金属薄膜２０２を発光層２０４よりも十分に広く形成した場合の構成例を示している。

（実施形態７）
本実施形態は実施形態６と同様にした場合であって、ボトムエミッション方式とした場合における構成の他の形態を示すものである。図８（ａ），（ｂ）に示す。図８（ａ）におけるフッ素化金属薄膜２０２は第二の透明導電膜２０５，発光層２０４，第一の透明導電膜２０３を覆って構成されており、図８（ｂ）におけるフッ素化金属薄膜２０２及び金属反射膜２０１は第二の透明導電膜２０５，発光層２０４，第一の透明導電膜２０３を覆って構成されている。なおもちろんこの場合において半透明反射膜を第二の透明導電膜
２０５と基板２００との間に設けた場合においても同様に覆うことが望ましい。

図９は、本実施例に係る表示装置を示す図である。図の表示装置は、いわゆるトップエミッション方式の表示装置であって、基板３００と、膜厚１５０ｎｍのアルミニウム膜からなる金属反射膜３０１と、膜厚１０ｎｍのフッ化リチウム（ＬｉＦ）からなるフッ素化金属薄膜３０２と、膜厚１５０ｎｍのＩＴＯからなる第一の透明導電膜３０３と、膜厚
４０ｎｍのα−ＮＰＤからなるホール注入層３０４，膜厚２０ｎｍであってＣＢＰに
ＰｔＯＥＰを６体積％混入させてなる発光材料層３０５，膜厚５０ｎｍのＡＬＱ（アルミキノリン）からなる電子輸送層３０６，膜厚１ｎｍのＬｉＦからなる電子注入層３０７の４層からなる発光層３０８と、膜厚１４０ｎｍのＩＴＯからなる第二の透明導電膜３０９と、膜厚８９ｎｍの酸化シリコン３１０，膜厚５６ｎｍの酸化チタン３１１，膜厚８９
ｎｍの酸化シリコン３１２，膜厚５６ｎｍの酸化チタン３１３を４層重ねた多層誘電体膜からなる半透明反射層３１４と、を有して構成されている。この構成により本実施例に係る表示装置は第一及び第二の透明電極の間に直流電圧を印加して発光を生じさせる。なお、上記発光層における材料を図１０に示す。

なおここで第一及び第二の透明導電膜の膜厚を定める条件としては、励起子の寿命及び拡散距離、さらには有機電界発光素子を共振器構造として作用させるための半透明反射層と金属反射膜との間の光学的距離である。透明導電膜の膜厚は厚くするほど非発光のまま消滅してしまう励起子の割合を減らすことができる。但しあまりに厚すぎると光共振器としての機能を失ってしまう場合があるため、留意する必要がある。限界としてはピーク波長の５倍程度が限界であると考えられる。なお本実施例では第一の透明導電膜３０３が
１５０ｎｍであり、フォトルミネッセンス測定において金属膜の有無に関わらず発光寿命がほぼ同一となったことが確かめられた。

以上、本実施例により、有機電界発光素子形成直後の状態をほぼ維持でき、金属膜の反射特性と透明導電膜の透明性，導電性を長時間に亘って維持し、高効率な発光を行う有機電界発光素子を用いた表示装置を実現することができる。

なお、本実施例における半透明反射層３１４は、光共振器としての作用を望まないのであれば構成から外すことができる。また本実施例を応用してボトムエミッション方式の表示装置を実現することも十分に可能である。

なおまた、有機電界発光素子における発光層に３重光励起状態を発光に利用することも可能であり、その場合、励起子寿命が長く、より本発明が有用に機能する。なおこれまでに知られている材料としてはいずれも蛍光強度の１／ｅ減少特性時間において１μ秒よりも長い。

実施形態１に係る有機電界発光素子の断面図。 実施形態２に係る有機電界発光素子の断面図。 実施形態３に係る有機電界発光素子の斜視図。 実施形態３に係る有機電界発光素子の断面図。 実施形態４に係る有機電界発光素子を用いた表示装置の断面図。 実施形態５に係る有機電界発光素子を用いた表示装置の断面図。 実施形態６に係る有機電界発光素子の断面図。 実施形態７に係る有機電界発光素子の断面図。 実施例１に係る有機電界発光素子を用いた表示装置の断面図。 実施例１にて用いられた発光層の分子構造を示す図。

符号の説明

１０１，２０１，３０１…金属反射膜、１０２，２０２，３０２…フッ素化金属薄膜、１０３，２０３，３０３…第一の透明導電膜、１０４…発光層、１０５，２０５，３０９…第二の透明導電膜、１０６,３１４…半透明反射層、１０７…金属部材、２００,３００…基板、２０４，３０８…発光層、３０４…ホール注入層、３０５…発光材料層、３０６…電子輸送層、３０７…電子注入層、３１０，３１２…酸化シリコン、３１１，３１３…酸化チタン。

Claims (10)

1. 金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、を順次積層した有機発光素子。
2. 前記第二の透明導電膜に更に半透明反射層を積層した請求項１記載の有機発光素子。
3. 前記第一の透明導電膜と前記金属反射膜とを金属部材により接続した請求項１記載の有機発光素子。
4. 基板と、金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、を順次積層した有機発光素子を用いた表示装置。
5. 前記第二の透明導電膜に更に半透明反射層を積層した請求項４記載の表示装置。
6. 前記第一の透明導電膜と前記金属反射膜とを金属部材により接続した請求項４記載の表示装置。
7. 金属反射膜と、フッ素化金属薄膜と、第一の透明導電膜と、発光層と、第二の透明導電膜と、基板と、を順次積層した有機発光素子を用いた表示装置。
8. 前記第二の透明導電膜と前記基板との間に半透明反射層を有する請求項５記載の表示装置。
9. 前記第一の透明導電膜と前記金属反射膜とを金属部材により接続した請求項５記載の表示装置。
10. 透明導電膜，フッ素化金属薄膜，金属膜の積層構造を有する基板。
    

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