JP2006108093A - 有機発光素子及び有機発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 有機発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極，第２電極及び第１電極と第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材と，を含み，画素層と透明部材との間に回折格子を備え，回折格子と透明部材との間には，透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備える有機発光素子及びその製造方法である。これにより，該有機発光素子は，高い光取り出し効率を有し，像分散及び色純度の低下を発生させない。
【選択図】図１
【解決手段】第１電極，第２電極及び第１電極と第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材と，を含み，画素層と透明部材との間に回折格子を備え，回折格子と透明部材との間には，透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備える有機発光素子及びその製造方法である。これにより，該有機発光素子は，高い光取り出し効率を有し，像分散及び色純度の低下を発生させない。
【選択図】図１
Description
本発明は，有機発光素子及び有機発光素子の製造方法に係り，より詳細には，高い光取り出し率を有する一方，像分散及び色純度低下の現象を防止する有機発光素子及びその製造方法に関する。
発光素子は，自発光型素子であって，視野角が広く，コントラストに優れており，応答時間が速いという長所がある。
発光素子は，発光層（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＥＭＬ）形成用の材料によって，無機発光素子と有機発光素子とに区分される。ここで，有機発光素子は，無機発光素子に比べて輝度，駆動電圧及び応答速度の特性に優れており，多色化が可能であるという長所がある。
一般的な有機発光素子は，基板の上部にアノードが形成されており，このアノードの上部に，少なくとも発光層を含む発光部及びカソードが順次に形成されている構造を有する。前記発光部は，発光層の他にも，ホール輸送層（ＨＴＬ：Ｈｏｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）及び電子輸送層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ：ＥＴＬ）を更に含むことができ，それらホール輸送層，発光層及び電子輸送層は，有機化合物からなる有機薄膜である。
有機発光素子の光効率は，通常的に，内部発光効率と外部発光効率とに分け得る。内部効率は，ホール輸送層，発光層及び電子輸送層のように，有機層をなす有機化合物の光電変換効率に依存し，外部効率（以下，“光取り出し率”とも称する）は，素子を構成する各層の屈折率に依存する。
ところが，有機発光素子の光取り出し率は，ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ），ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ），ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）のような他の素子に比べて低い。それは，発光部で生成された光が，素子内の幾つかの層を通過しつつ，全反射によって空気中に取り出されず，素子内で消滅しうるためである。例えば，背面発光型の有機発光素子において，発光部で生成された光は，アノード／基板界面で全反射されてアノードまたは発光部にガイディングされるアノード／発光部モード，基板／空気界面で全反射されて基板にガイディングされる基板モード，及び外部に取り出される外部モードに分け得るが，２００ｎｍのＩＴＯを使用した有機発光素子の場合，発光部から生成された光の４５.２％は，アノード／発光部モードで，３１.１％は，基板モードであり，残りの２３.５％は，外部に取り出される外部モードであると知られている。すなわち，通常の有機発光素子の外部光効率は，約２３％と非常に低い。
一方，特許文献２には，上面に凹凸が形成された透明基板と，前記有機基板の上面上に形成される透明電極層と，前記透明電極層上に形成される正孔輸送有機ＥＬ層と，前記正孔輸送有機ＥＬ層上に形成される電子輸送有機ＥＬ層と，前記電子輸送有機ＥＬ層上に形成されるカソード電極層とを備える光結晶有機発光素子が開示されている。
また，特許文献３には，透明基板，回折格子，透明電極，有機層，反射電極の順に積層される構造を有することを特徴とする有機発光素子が開示されている。
そのような回折格子は，アノード／発光部モードにガイディングされた光の一部を回折させて，全反射臨界角より小さな角でアノード／基板界面に入射させて，外部に取り出す。外部に取り出されていない残りのアノード／発光部モードにガイディングされた光は，アノード及び発光部でガイディングされて進むが，前記ガイディングされた光は，アノード／発光部に備えられた画素間のピクセル定義膜（Ｐｉｘｅｌ Ｄｅｆｉｎｅ Ｌａｙｅｒ：ＰＤＬ）によって，隣接した他画素に進まない。また，他画素に進んでも，進行中にアノード及び発光部で吸収されて消滅される場合が殆どであるため，他画素の領域から取り出されるように，隣接した他画素に影響を及ぼさない。
しかし，基板／空気の界面で全反射されて，基板モードにガイディングされた光は，隣接した他画素に進んで，他画素の領域で取り出されうる。それは，基板には，アノード及び発光部と違って，光の進行を遮断できる画素間のＰＤＬを形成できず，基板の光吸収率も非常に低くて，基板にガイディングされた光が消滅されないためである。このように，他画素に到達した光は，他画素に備えられた回折格子によって外部に出るが，それは，像分散現像及び色純度の低下現像の原因になる。そのような像分散現象及び色純度の低下現象は，有機発光素子の画質を低下させるため，その解決が要求される。
本発明は，前記問題点を解決するためになされたものであり，高い外部光効率を有し，像分散及び色純度の低下を防止する有機発光素子，及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を達成するために，本発明の第１実施形態は，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材と，を含む有機発光素子において，前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間には，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備える有機発光素子を提供する。
本発明の他の特徴によれば，前記透明部材，低屈折層，回折格子，第１電極，発光部及び第２電極の順に積層され，前記透明部材は基板であり，前記第１電極は透明電極でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記第１電極，発光部，第２電極，回折格子，低屈折層及び透明部材の順に積層され，前記第２電極は透明電極であり，前記透明部材は保護層または密封部材でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記透明部材は，ガラス材またはプラスチック材からなりうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層をなす物質の屈折率は，１〜１.５でありうる。前記１という屈折率数値は，空気の絶対屈折率を考慮したものであり，前記１.５という屈折率数値は，通常的に基板１１０をなす物質であるシリコンオキシドの絶対屈折率を考慮したものである。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層をなす物質は，多孔性ＳｉＯ２でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層の厚さは，１００ｎｍ〜１μｍでありうる。低屈折層の厚さが１００ｎｍ未満である場合には，基板モードにガイディングされる光の比率を低下させる効果が小さく，低屈折層の厚さが１μｍを超える場合には，低屈折層にクラックが生成され，製造コスト及び時間が更にかかるという問題点があるためである。
本発明の更に他の特徴によれば，前記回折格子は，線型，四角柱または円柱から形成される突出部を有しうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記回折格子の突出部との間隔は，前記発光部で生成された光の波長の１／４倍〜４倍でありうる。これは，発光部から生成された光が，回折格子によって臨界角より小さな角度を有するように制御することを考慮したものであって，回折格子の突出部の間隔がそれより大きい場合には，光が回折される程度が小さくなって，回折された光の角度が臨界角以内に十分に小さくならず，回折格子の突出部の間隔がそれより小さい場合には，光が回折格子を通過する比率が低くなって，むしろ光取り出し率を低下させうるためである。
本発明の更に他の特徴によれば，前記第１電極は，ＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯ，またはＩｎ２Ｏ３からなりうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記第２電極は，Ｌｉ，Ｃａ，Ａｌ，Ａｇ，Ｍｇ及びそれらのうち，２つ以上の組み合わせからなりうる。
前記本発明の他の課題を達成するために，本発明の第２実施形態は，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材と，を含む有機発光素子において，前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間に，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備え，前記低屈折層と前記透明部材との間に吸光層を備える有機発光素子を提供する。
本発明の他の特徴によれば，本発明の有機発光素子は，透明部材，吸光層，低屈折層，回折格子，第１電極，発光部及び第２電極の順に積層された構造を有し，前記透明部材は基板であり，前記第１電極は透明電極でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，本発明の有機発光素子は，第１電極，発光部，第２電極，回折格子，低屈折層，吸光層及び透明部材の順に積層された構造を有し，前記第２電極は透明電極であり，前記透明部材は，保護層または密封部材でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記透明部材は，ガラス材またはプラスチック材からなりうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層をなす物質の屈折率は，１〜１.５でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層をなす物質は，多孔性ＳｉＯ２でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層の厚さは，１００ｎｍ〜１μｍでありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記吸光層をなす物質の吸光係数は，０.０１〜０.０５でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記吸光層をなす物質は，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５またはＮｂ２Ｏ５でありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記吸光層の厚さは，５０ｎｍ〜１μｍでありうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記回折格子は，線型，四角柱または円柱から形成される突出部を有しうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記回折格子の突出部の間隔は，前記発光部で生成された光の波長の１／４倍〜４倍でありうる。
前記本発明の更に他の課題を達成するために，本発明の第３実施形態は，基板上に低屈折層を形成するステップと，前記低屈折層上に回折格子を形成するステップと，前記回折格子上に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層を形成するステップと，を含む有機発光素子の製造方法を提供する。
前記本発明の更に他の課題を達成するために，本発明の第４実施形態は，基板上に吸光層を形成するステップと，前記吸光層上に低屈折層を形成するステップと，前記低屈折層上に回折格子を形成するステップと，前記回折格子上に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層を形成するステップと，を含む有機発光素子の製造方法を提供する。
本発明の更に他の特徴によれば，前記回折格子は，前記低屈折層のうち，前記発光部方向の面をパターニングして形成されうる。
本発明の更に他の特徴によれば，前記低屈折層の前記発光部方向の面のパターニングは，前記低屈折層上にフォトレジスト膜をコーティングし，電子ビーム法またはレーザーホログラム方法を利用してパターニングして形成されうる。
本発明のように，回折格子及び低屈折層または回折格子，低屈折層及び吸光層を備える有機発光素子は，外部光効率が向上しつつも，像分散及び色純度の低下は発生せず，同じ電力でも高輝度が得られるため，消費電力の浪費を解消でき，優れた画質が得られる。それにより，信頼性の向上した有機発光素子が得られる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本実施形態にかかる有機発光素子は，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材とを含むが，前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間には，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備える。
本実施形態にかかる有機発光素子において，画素層から生成された光のうち，画素層にガイディングされた光は，前記画素層と，前記画素層に対する光が取り出される方向に位置した透明部材との間に備えられた回折格子によって，全反射の臨界角より小さな入射角を有して，透明部材の外部に取り出されうる。したがって，高い外部光効率を有しうる。
さらに，本実施形態にかかる有機発光素子は，回折格子と透明部材との間には，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備えるが，それにより，本実施形態にかかる有機発光素子の透明部材にガイディングされた光の比率が低下する。したがって，透明部材にガイディングされた光が隣接した他画素に進んで，他画素の回折格子によって他画素の領域から取り出されることにより発生する像分散及び色純度の低下を防止できる。本明細書において，回折格子と透明部材との間に備えられた“低屈折層”という用語は，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなることを表すために使われているということは，本明細書の全体内容を通じて容易に認識できる。
図１は，本発明にかかる有機発光素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０が画素層をなすが，そのうち，第１電極１２２は透明電極であり，基板１１０は前記透明部材に該当する。したがって，発光部１２６で生成された光は，基板１１０の外部に取り出される。
図１に示されたように，本実施形態にかかる有機発光素子は，基板１１０の第１面には低屈折層１１５が形成され，前記低屈折層１１５の上部に，順次に第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０が備えられる。回折格子１２０は，低屈折層１１５と第１電極１２２との間に形成される。そして，前記第２電極１３０の上部には，図示していないが，前記第１電極１２２，発光部１２６，及び第２電極１３０を外部から密封させる密封部材（図示せず）が更に備えられうる。
前記基板１１０は，シリコン酸化物を主成分とする透明なガラス材の基板が使われうる。図示してはいないが，前記基板１１０の上面には，基板の平滑性及び不純元素の浸透を遮断するために，バッファ層を更に備えてもよく，前記バッファ層は，シリコン酸化物等で形成できる。また，前記基板１１０は，ガラス材だけでなく，フレキシブルなプラスチック材を使用してもよい。
前記基板１１０上の低屈折層１１５は，基板１１０をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなり，発光部１２６から生成されて基板１１０にガイディングされる光量を減らす役割を行う。それにより，基板１１０にガイディングされて基板１１０を移動して，隣接した他画素領域で取り出される光が著しく減るため，像分散及び色純度の低下を防止する。
低屈折層１１５を備えることで，基板にガイディングされる光量が減少することは，次のような臨界角の分析実験から確認できる。臨界角分析対象素子は，ガラス材の基板，１５０ｎｍのＩＴＯ，１５００Åの発光部，３０００ÅのＡｌからなる素子１，及び前記素子１と同じ構造を有するが，基板とＩＴＯとの間に屈折率１.２４を有して，厚さが５００ｎｍである低屈折層を更に備える素子２であって，それらの素子１及び素子２の臨界角を分析して，その結果を図２Ａ及び図２Ｂにそれぞれ表した。図２Ａによれば，ＩＴＯ／基板界面の臨界角は５８度であり，基板／空気界面の臨界角は４１度であるため，４１度と５８度との間の光が基板にガイディングされる。しかし，図２Ｂによれば，ＩＴＯ／低屈折層界面の臨界角が４４度であって，４１度と４４度との間の光のみが基板にガイディングされることが分かる。
前記素子１及び２に対し，ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）方式のシミュレーションを行った結果は，表１のとおりである。
表１によれば，素子１の基板モード，すなわち，基板にガイディングされた光は，４１％であるが，低屈折層を備える素子２の基板モードは，２２％に過ぎないことが分かる。したがって，低屈折層１１５を備えることで，基板にガイディングされた光の比率が著しく減少し，それにより，基板にガイディングされた光が，隣接した他画素領域の基板に進んで，他画素領域で取り出されることで発生する像分散及び色純度の低下が，本実施形態にかかる低屈折層１１５によって防止される。
前記低屈折層１１５をなす物質は，前記したように，基板１１０をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する。より具体的に，前記低屈折層１１５をなす物質の屈折率は，１〜１.５でありうる。前記１という屈折率数値は，空気の絶対屈折率を考慮したものであり，前記１.５という屈折率数値は，通常的に基板１１０をなす物質であるシリコンオキシドの絶対屈折率を考慮したものである。
前記低屈折層１１５をなす物質は，多孔性ＳｉＯ２でありうる。より詳細に，前記多孔性ＳｉＯ２は，シリカキセロゲルまたはシリカエアロゲルでありうる。この中，シリカエアロゲルが好ましい。
シリカエアロゲルは，数ｎｍの直径を有するストランド（ｓｔｒａｎｄ）の多孔性の網状組織を有する物質であって，通常的に，約８０％〜９９％の気孔率と，１ｎｍ〜５０ｎｍ範囲の気孔サイズを有する超多孔性の高比表面積（≧７００ｍ２／ｇ）を有する。シリカエアロゲルの製造工程は，湿潤ゲルを製造するゾルゲル工程と湿潤ゲル乾燥工程とから構成され，それは，製造しようとするシリカエアロゲルによって変更されうる。
前記低屈折層１１５の厚さは，１００ｎｍ〜１μｍでありうる。低屈折層１１５の厚さが１００ｎｍ未満である場合には，基板モードにガイディングされる光の比率を低下させる効果が小さく，低屈折層１１５の厚さが１μｍを超える場合には，低屈折層１１５にクラックが生成され，製造コスト及び時間が更にかかるという問題点があるためである。
前記低屈折層１１５上には，透明な伝導性物質である第１電極１２２が形成される。前記第１電極１２２をなす物質の具体的な例としては，ＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯ，またはＩｎ２Ｏ３などがあるが，それに限定されない。第１電極１２２のパターンは，フォトリソグラフィ法により，所定のパターンに形成できる。前記第１電極１２０のパターンは，受動駆動型（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ ｔｙｐｅ：ＰＭ）の場合には，互いに所定間隔離れたストライプ状のラインから形成され，能動駆動型（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ ｔｙｐｅ：ＡＭ）の場合には，画素に対応する形態に形成できる。能動駆動型の場合には，また，その第１電極１２２と基板１１０のとの間に，少なくとも一つの薄膜トランジスターを備えるＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）層が更に備えられ，前記第１電極１２２は，そのＴＦＴ層に電気的に連結される。そのような第１電極１２２は，図示されていない外部第１電極端子に連結されて，アノード電極として作用されうる。
前記第１電極１２２と前記低屈折層１１５との間には，回折格子が形成される。前記回折格子は，図１に示されたように，前記低屈折層１１５と前記第１電極１２２との界面に直接形成されてもよく，それとは違って，両層間に新たな回折格子層が介在されてもよい。
図３は，回折格子及びそれによる光路変化を示す概念図である。
図３に示されたように，θｉの角度で入射する光は，回折格子によって反射される場合，回折次数ｋ，反射角θｏ，回折格子の突出部の間隔ｄ，前記入射光の波長λ及び屈折率ｎの間に次のような関係が成り立つ。
前記数式（１）により，回折格子の突出部の間隔ｄを適切に調節すれば，反射角の角度θｏを調節できる。したがって，そのような原理の回折格子１２０を通じて，発光部１２６から生成された光のうち，臨界角以上の角度で入射した光が臨界角以下の角度を有するように調節して，基板１１０の外部に取り出される光量を増加させうる。
図１で，前記回折格子１２０の突出部は，多様な形態に形成されうる。突出部の形態は，具体的に，線型，四角柱，円柱または蜂の巣状などに形成されうるが，それに限定されないことは言うまでもない。
前記回折格子１２０の突出部の間隔は，発光部から生成された光の波長の１／４倍〜４倍でありうる。これは，発光部から生成された光が，回折格子によって臨界角より小さな角度を有するように制御することを考慮したものであって，回折格子の突出部の間隔がそれより大きい場合には，光が回折される程度が小さくなって，回折された光の角度が臨界角以内に十分に小さくならず，回折格子の突出部の間隔がそれより小さい場合には，光が回折格子を通過する比率が低くなって，むしろ光取り出し率を低下させうるためである。回折格子１２０の突出部の間隔は，図３に示された四角柱状の突出部の一実施例ｄを参照し，これは，四角柱状以外の突出部のそれぞれに対して適用できるということは，当業者は容易に把握できる。
前記第１電極１２０の上部には第２電極１３０が位置するが，透明電極または反射型電極でありうる。前記第２電極１３０をなす物質は，仕事関数の小さい金属，例えば，Ｌｉ，Ｃａ，Ａｌ，Ａｇ，Ｍｇ，及びそれらのうち，２つ以上の組み合わせでありうる。そのような第２電極１３０は，図示されていない外部第２電極端子に連結されて，カソード電極として作用されうる。
前記第２電極１３０は，受動駆動型の場合には，第１電極１２２のパターンに直交するストライプ状のラインで形成され，能動駆動型の場合には，画素に対応する形態で形成されうる。能動駆動型の場合には，画像が具現されるアクティブ領域の全体にかけて形成されてもよい。
前記第１電極１２２と第２電極１３０は，その極性が互いに逆であってもよい。
前記第１電極１２２と第２電極１３０との間には，発光部１２６が備えられる。前記発光部１２６は，低分子有機物または高分子有機物からなりうる。低分子有機物からなる場合，ホール注入層（Ｈｏｌｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＨＩＬ），ホール輸送層，発光層，電子輸送層，電子注入層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＥＩＬ）等からなる単一あるいは複合の構造で積層されて形成されてもよく，使用できる有機材料も銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ），Ｎ,Ｎ−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ,Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（ＮＰＢ），トリス−８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ３）などをはじめとして，多様に適用できる。それらの低分子有機物は，真空蒸着の方法で形成されうる。
高分子有機物の場合には，ほぼホール輸送層（ＨＴＬ）及び発光層（ＥＭＬ）として備えられた構造を有し，この時，前記ホール輸送層としてＰＥＤＯＴを使用し，発光層としてＰＰＶ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）系及びポリフルオレン系などの高分子有機物質を使用し，それをスクリーン印刷やインクジェット印刷方法などで形成できる。前記のような有機発光層は，必ずしもそれに限定されるものではなく，多様な実施形態が適用されうることは言うまでもない。
図４は，本発明の有機発光素子の他の一実施形態を概略的に示す断面図である。第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０が画素層をなすが，第２電極１３０は透明電極であり，密封部材１３５は前記透明部材に該当する。したがって，発光部１２６で生成された光は，密封部材１３５の外部に取り出される。
密封部材１３５は，シリコン酸化物を主成分とする透明なガラス材の基板が使われうる。図示されていないが，前記密封部材１３５の下面には，低屈折層１１５などを透湿及び酸素浸透から保護するために，層が追加的に備えられ得る。前記保護層は，シリコン酸化物などで形成できる。
図４から分かるように，低屈折層１１５は，第２電極１３０の上部に形成される。前記低屈折層１１５は，密封部材１３５をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなって，発光部１２６から生成されて，密封部材１３５にガイディングされうる光の比率を低下させる役割を行う。それにより，密封部材１３５にガイディングされて密封部材１３５を移動して，隣接した他画素領域で取り出される光が著しく減るため，像分散及び色純度の低下を防止する。前記低屈折層１１５についての詳細な説明は前記した通りであり，その説明を省略する。
回折格子１２０は，前記低屈折層１１５と第２電極１３０との間に介在される。前記回折格子１２０は，前記図３と関連して説明した回折格子による外部光効率の上昇原理によって，発光部１２６から生成された光のうち，臨界角以上の角度で入射した光を臨界角以下の角度に調節して，密封部材１３５の外部に取り出される光の量を増加させうる。前記回折格子１２０及び残りの第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０についての詳細な説明は前記した通りであり，その説明を省略する。
また，本実施形態にかかる有機発光素子は，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材とを含むが，前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間に，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備え，前記低屈折層と前記透明部材との間に吸光層を備え得る。
本実施形態にかかる有機発光素子において，画素層から生成された光のうち，画素層にガイディングされた光は，前記画素層と前記画素層に対して光が取り出される方向に位置した透明部材との間に備えられた回折格子によって，全反射の臨界角より小さな入射角を有して，透明部材の外部に取り出されうる。
この時，回折格子と透明部材との間に備えられ，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層によって，前記透明部材にガイディングされた光の比率が低下する。したがって，透明部材にガイディングされた光が隣接した他画素に進行して，他画素の回折格子によって他画素の領域で取り出されることで発生する像分散及び色純度の低下を防止できる。
前記低屈折層によって基板モードにガイディングされる少量の光は，低屈折層と透明部材との間に介在された吸光層によって吸収される。すなわち，回折格子と透明部材との間に備えられた低屈折層によって，基板モードにガイディングされる光量は減少し，前記基板にガイディングされる少量の光も，低屈折層と透明部材との間に備えられた吸光層によって吸収及び消滅する。したがって，本実施形態にかかる有機発光素子は，基板モードにガイディングされた光が，隣接した他画素領域に進行して，隣接した他画素領域に備えられた回折格子によって取り出される現象が完全に防止され，像分散及び色純度の低下を発生させない。
図５は，本発明に係る有機発光素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０が画素層をなすが，そのうち，第１電極１２２は透明電極であり，基板１１０は前記透明部材に該当する。したがって，発光部１２６で生成された光は基板１１０の外部に取り出される。
図５に示されたように，本実施形態にかかる有機発光素子は，基板１１０の第１面には吸光層１１７及び低屈折層１１５が順に形成され，前記低屈折層１１５の上部に，順次に第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０が備えられる。回折格子１２０は，低屈折層１１５と第１電極１２２との間に形成される。そして，前記第２電極１３０の上部には，図示されていないが，前記第１電極１２２，発光部１２６，及び第２電極１３０を外部から密封させる密封部材（図示せず）が更に備えられうる。
前記基板１１０，低屈折層１１５，第１電極１２２，回折格子及び第２電極１３０についての詳細な説明は，前記したところを参照する。
前記低屈折層１１５によれば，基板モードにガイディングされる光が減少するが，相変らず基板モードにガイディングされる光が存在し，像分散及び色純度の低下をもたらし得る。本実施形態にかかる有機発光素子は，そのような基板モードにガイディングされた光を吸収できる吸光層１１７を，低屈折層１１５と基板１１０との間に備える。前記吸光層１１７によって，基板にガイディングされた光は，基板を移動中に消滅するため，隣接した他画素領域に到達して，他画素の回折格子によって外部に取り出されない。したがって，色分散及び色純度の低下を発生させない。
また，前記吸光層１１７をなす物質は，０.０１〜０.０５の吸収係数を有する。吸光層１１７をなす物質が，吸収係数が０.０１未満である場合には，基板モードにガイディングされた光を吸収する効果が小さいことがあり，吸光層１１７をなす物質の吸収係数が０.０５を超える場合には，光取り出し率がむしろ低くなることがあるためである。
そのような吸光層１１７は，無機物薄膜として形成されうる。前記無機物薄膜をなす物質の具体的な例としては，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５またはＮｂ２Ｏ５などがあるが，それに限定されない。
前記吸光層１１７の厚さは，５０ｎｍ〜１μｍでありうる。前記吸光層１１７の厚さが５０ｎｍ未満である場合には，基板モードにガイディングされた光を吸収する効果が小さいことがあり，前記吸光層１１７の厚さが１μｍを超える場合には，光取り出し率をむしろ低下させうるためである。
本実施形態にかかる有機発光素子は，色分散及び色純度の低下の原因になる基板モードにガイディングされる光が，前記低屈折層１１５及び吸光層１１７によって完全に除去されうるため，回折格子を備えることで発生しうる像分散及び色純度の低下を発生させない。
図６は，本発明の有機発光素子の他の一実施形態を概略的に示す断面図である。第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０が画素層をなすが，第２電極１３０は透明電極であり，密封部材１３５は前記透明部材に該当する。したがって，発光部１２６で生成された光は，密封部材１３５の外部に取り出される。
密封部材１３５としては，シリコン酸化物を主成分とする透明なガラス材の基板が使われうる。図示されていないが，前記密封部材１３５の下面には，低屈折層１１５などを透湿及び透酸素から保護するために，保護層が追加的に備えられうる。前記保護層は，シリコン酸化物などで形成されうる。
図６から分かるように，低屈折層１１５は，第２電極１３０の上部に形成される。前記低屈折層１１５は，密封部材１３５をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなって，発光部１２６から生成されて，密封部材１３５にガイディングされうる光の比率を低下させる役割を行う。それにより，密封部材１３５にガイディングされて密封部材１３５を移動して，隣接した他画素領域で取り出される光が著しく減る。合わせて，低屈折層１１５の上部には吸光層が備えられて，基板モードにガイディングされた光を全て吸収して，像分散及び色純度の低下を発生させない。前記低屈折層１１５及び吸光層１１７についての詳細な説明は前記した通りであり，その説明を省略する。
回折格子１２０は，前記低屈折層１１５と第２電極１３０との間に介在される。前記回折格子１２０は，前記図３と関連して説明した回折格子による外部光効率の上昇原理によって，発光部１２６から生成された光のうち，臨界角以上の角度で入射した光を臨界角以下の角度に調節して，密封部材１３５の外部に取り出される光の量を増加させうる。前記回折格子１２０及び残りの第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０についての詳細な説明は，前記した通りであり，その説明を省略する。
本実施形態にかかる有機発光素子に対して，背面発光型及び前面発光型を例として挙げて説明したが，それ以外にも，両面発光型の有機発光素子のように，多様な形態に適用できるということは言うまでもない。
そのような本発明に係る有機発光素子を製造する方法の一実施形態は，基板上に低屈折層を形成するステップと，前記低屈折層上に回折格子を形成するステップと，前記回折格子上に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層を形成するステップとを含む。
まず，基板上にコーティング法または蒸着法などを利用して低屈折層を形成する。低屈折層を形成する方法は，形成しようとする低屈折層をなす物質の特性によって容易に選択されうる。低屈折層を形成した後には，低屈折層上に回折格子を形成する。回折格子を形成する方法の具体的な例としては，フォトレジスト膜を利用したフォトリソグラフィ工程が含まれる。前記低屈折層上にフォトレジスト膜を形成した後，例えば，電子ビームまたはレーザーホログラムなどの方法でパターニングし，現像液で前記フォトレジスト膜をエッチングする。その後，反応性イオンエッチングなどの方法を利用して，前記低屈折層をエッチングして回折格子を製作する。
その後，第１電極，第２電極及び発光部を順次に形成する。この時，第１電極，第２電極及び発光部を形成する物質によって，蒸着法またはコーティング法などを利用できる。第１電極形成後には，選択的に研磨工程が利用されてもよい。
一方，本発明に係る有機発光素子を製造する方法の他の一実施形態は，基板上に吸光層を形成するステップと，前記吸光層上に低屈折層を形成するステップと，前記低屈折層上に回折格子を形成するステップと，前記回折格子上に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層を形成するステップとを含む。
まず，基板上に蒸着法などを利用して吸光層を形成する。吸光層をなす物質は，前記したように，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５またはＮｂ２Ｏ５等でありうる。吸光層を形成するための多様な蒸着法は，吸光層をなす物質によって容易に選択されうる。
その後，前記吸光層上に，コーティング法または蒸着法などを利用して低屈折層を形成する。低屈折層を形成する方法は，形成しようとする低屈折層をなす物質の特性によって容易に選択されうる。
低屈折層を形成した後には，低屈折層上に回折格子を形成する。回折格子を形成する方法の具体的な例としては，フォトレジスト膜を利用したフォトリソグラフィ工程が含まれる。前記低屈折層上にフォトレジスト膜を形成した後，例えば，電子ビームまたはレーザーホログラムなどの方法でパターニングし，現像液で前記フォトレジスト膜をエッチングする。その後，反応性イオンエッチングなどの方法を利用して，前記低屈折層をエッチングして回折格子を製作する。
その後，第１電極，第２電極及び発光部を順次に形成する。この時，第１電極，第２電極及び発光部を形成する物質によって，蒸着法またはコーティング法などを利用できる。第１電極形成後には，選択的に研磨工程が利用されてもよい。
本実施形態にかかる有機発光素子の製造方法について，背面発光型の有機発光素子の製造方法を例として挙げて説明したが，これに限定されないということは言うまでもない。
前記したような本実施形態にかかる有機発光素子の光取り出し率の上昇と，像分散及び色純度の低下防止効果を実施形態及び比較例を通じて確認した。
第一に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材とを含む有機発光素子において，前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間には，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備える有機発光素子の効果を説明する。
実施形態として製作されるサンプルの概略的な構造は，図１を参照する。まず，ガラス材の基板１１０上に，低屈折層１１５として多孔性シリカエアロゲルを５００ｎｍの厚さにコーティングした。前記低屈折層をなす物質である多孔性シリカエアロゲルは，１.２４の屈折率を有する。前記低屈折層に，高さ０.３μｍ，間隔が０.５μｍの突出部を形成した。より具体的に，前記低屈折層の上部に，フォトレジスト膜を０.２μｍの厚さに形成した後に露光させて，フォトレジスト膜をパターニングした後に現像して，０.２μｍの高さを有する凹凸を形成した。その後，露出されたシリカエアロゲルを深さ０.３μｍにエッチングした後，残りのフォトレジスト膜を乾式エッチング工程で除去して，低屈折層の上部に回折格子を形成した。その後，ＩＴＯ層を２００ｎｍの厚さに形成して，ＩＴＯ層の上部を研磨した。前記ＩＴＯ層の上部に，１５００Åの発光部，及び第２電極として３０００Åの厚さを有するＡｌを形成した。それをサンプル１とする。
一方，比較例１として，低屈折層を形成せずに，回折格子を基板上に形成したことを除いては，前記実施形態と同じ方法でサンプルを製作した。それをサンプルＡとする。サンプルＡの概略的な構造は，図７を参照する。サンプルＡの概略的な構造は，基板１１０，回折格子１２０，第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０の順に積層された構造が図示されている図７を参照する。
また，比較例２として，回折格子を形成していないことを除いては，前記比較例１と同じ方法でサンプルを製作した。それをサンプルＢとする。サンプルＢの概略的な構造は，基板１１０，第１電極１２２，発光部１２６及び第２電極１３０の順に積層された構造が図示されている図８を参照する。
前記サンプル１，サンプルＡ及びサンプルＢに対して，ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）シミュレーションを行って，サンプルＡ及びサンプル１の光効率の向上率と像分散率を計算して表２に表した。以下，光効率の向上率は，回折格子及び低屈折層を何れも備えていないサンプルＢの取り出された光量を基準に計算した。一方，像分散率は，サンプルＡまたはサンプル１の特定画素層に電界を加えた場合，前記電界を加えた特定画素層の領域で取り出される光と，前記電界を加えた特定画素層を除外した他の画素層の領域で取り出される光との比率を表す。
前記表２によれば，サンプル１の光効率の向上率は５０％であり，サンプルＡの光効率の向上率である３０％より高い。また，サンプル１の像分散率は４％であり，サンプルＡの像分散率である１０％に比べて著しく減少する。それにより，本実施形態によって，回折格子及び低屈折層を備えるサンプル１が，光効率及び像分散の防止という側面で，優れた効果を有しうるということが確認できる。
第二に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材とを含む有機発光素子において，前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間に，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備え，前記低屈折層と前記透明部材との間に吸光層を備える有機発光素子の効果を説明する。
実施形態として製作されるサンプルの概略的な構造は，図５を参照する。まず，ガラス材の基板上に吸光層として，ＴｉＯ２を５００ｎｍの厚さに形成した。前記吸光層の吸収係数は，０.０１である。吸光層の上部には，低屈折層として多孔性シリカエアロゲルを５００ｎｍの厚さにコーティングした。前記低屈折層をなす物質であるシリカエアロゲルは，１.２４の屈折率を有する。前記低屈折層に，高さ０.３μｍ，間隔が０.５μｍの突出部を形成した。より具体的に，前記低屈折層の上部にフォトレジスト膜を０.２μｍの厚さに形成した後に露光させ，フォトレジスト膜をパターニングした後に現像して，０.２μｍの高さを有する凹凸を形成した。その後，露出されたシリカエアロゲルを深さ０.３μｍにエッチングした後，残りのフォトレジスト膜を乾式エッチング工程で除去して，低屈折層の上部に回折格子を形成した。その後，ＩＴＯ層を２００ｎｍの厚さに形成して，ＩＴＯ層の上部を研磨した。前記ＩＴＯ層の上部に，１５００Åの発光部，及び第２電極として３０００Åの厚さを有するＡｌを形成した。それを，サンプル２とする。
前記サンプル２及びサンプルＡに対してＦＤＴＤシミュレーションを行って，サンプル２及びＡの像分散率を計算して表３に表した。像分散率は，サンプル２及びサンプルＡの特定画素層に電界を加えた場合，電界を加えた特定画素層の領域で取り出される光と，電界を加えた特定画素層を除外した他の画素層の領域で取り出された光との比率を表す。
表３によれば，吸光層及び低屈折層を何れも備えていないサンプルＡは，実に１０％の像分散率を表した。それに対し，低屈折層及び吸光層を何れも備えるサンプル２の像分散率は０％であって，像分散が全く発生しないということが分かる。それにより，本発明によって，回折格子，低屈折層及び吸光層を備えるサンプル２は，像分散及び色純度の低下を発生させないということが確認できる。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は，有機発光素子に関連した技術分野に好適に適用され得る。
１１０ 基板
１１５ 低屈折層
１１７ 吸光層
１２０ 回折格子
１２２ 第１電極
１２６ 発光部
１３０ 第２電極
１１５ 低屈折層
１１７ 吸光層
１２０ 回折格子
１２２ 第１電極
１２６ 発光部
１３０ 第２電極
Claims (21)
- 第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，
前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材と，
を含む有機発光素子において，
前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間には，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備えることを特徴とする，有機発光素子。 - 透明部材，低屈折層，回折格子，第１電極，発光部及び第２電極の順に積層され，前記透明部材は基板であり，前記第１電極は透明電極であることを特徴とする，請求項１に記載の有機発光素子。
- 第１電極，発光部，第２電極，回折格子，低屈折層及び透明部材の順に積層され，前記第２電極は透明電極であり，前記透明部材は，保護層または密封部材であることを特徴とする，請求項１に記載の有機発光素子。
- 第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層と，
前記画素層から生成された光が取り出される方向に位置する透明部材と，
を含む有機発光素子において，
前記画素層と前記透明部材との間に回折格子を備え，前記回折格子と前記透明部材との間に，前記透明部材をなす物質の屈折率より低い屈折率を有する物質からなる低屈折層を備え，前記低屈折層と前記透明部材との間に吸光層を備えることを特徴とする，有機発光素子。 - 透明部材，吸光層，低屈折層，回折格子，第１電極，発光部及び第２電極の順に積層され，前記透明部材は基板であり，前記第１電極は透明電極であることを特徴とする，請求項４に記載の有機発光素子。
- 第１電極，発光部，第２電極，回折格子，低屈折層，吸光層及び透明部材の順に積層され，前記第２電極は透明電極であり，前記透明部材は保護層または密封部材であることを特徴とする，請求項４に記載の有機発光素子。
- 前記透明部材は，ガラス材またはプラスチック材からなることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記低屈折層をなす物質の屈折率は，１〜１.５であることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記低屈折層をなす物質が多孔性ＳｉＯ２であることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記低屈折層の厚さは，１００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記吸光層をなす物質の吸光係数が，０.０１〜０.０５であることを特徴とする，請求項４に記載の有機発光素子。
- 前記吸光層をなす物質が，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５またはＮｂ２Ｏ５であることを特徴とする，請求項４に記載の有機発光素子。
- 前記吸光層の厚さは，５０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする，請求項４に記載の有機発光素子。
- 前記回折格子は，線型，四角柱または円柱から形成される突出部を有することを特徴とする請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記回折格子の突出部の間隔は，前記発光部で生成された光の波長の１／４倍〜４倍であることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記第１電極は，ＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯ，またはＩｎ２Ｏ３からなることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 前記第２電極は，Ｌｉ，Ｃａ，Ａｌ，Ａｇ，Ｍｇ及びそれらのうち，２以上の組み合わせからなることを特徴とする，請求項１または４に記載の有機発光素子。
- 基板上に低屈折層を形成するステップと，
前記低屈折層上に回折格子を形成するステップと，
前記回折格子上に第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層を形成するステップと，
を含むことを特徴とする，有機発光素子の製造方法。 - 基板上に吸光層を形成するステップと，
前記吸光層上に低屈折層を形成するステップと，
前記低屈折層上に回折格子を形成するステップと，
前記回折格子上に，第１電極，第２電極及び前記第１電極と前記第２電極との間に介在され，少なくとも発光層を含む発光部からなる画素層を形成するステップと，
を含むことを特徴とする，有機発光素子の製造方法。 - 前記回折格子を前記低屈折層のうち前記発光部方向の面をパターニングして形成することを特徴とする，請求項１８または１９に記載の有機発光素子の製造方法。
- 前記低屈折層の前記発光部方向の面のパターニングは，前記低屈折層上にフォトレジスト膜をコーティングし，電子ビーム法またはレーザーホログラム方法を利用してパターニングして形成されることを特徴とする，請求項１８または１９に記載の有機発光素子の製造方法。
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