JP2006135101A - 有機el素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 反射電極の材料と接触する電子注入層の材料との化学反応による反射電極および電子注入層の劣化と、反射電極の材料の有機EL層への移動とを抑制し、かつ、有機EL素子の駆動電圧を低減させることが可能なバッファ層を備える有機EL素子の提供。
【解決手段】 基板上に、透明電極、少なくとも有機発光層と電子注入層とを含む有機EL層、バッファ層、反射電極が、この順に積層された構造を有し、電子注入層とバッファ層とが接触し、電子注入層がアルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープされており、バッファ層が反射電極の材料と合金を形成しない導電性材料から形成される有機EL素子。
【選択図】 図1

Description

本発明は有機EL素子に関する。より詳細には、本発明は、反射電極の材料と直接接触する電子注入層の材料との化学反応による反射電極および電子注入層の劣化を抑制し、かつ、反射電極の材料の有機EL層への移動を抑制して、良好な発光特性と低い駆動電圧とを保持した有機EL素子に関する。
表示装置に適用されるような発光素子の一例としては、有機化合物の薄膜積層構造を有する有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、「有機EL素子」と称する)が知られている。有機EL素子については、1987年、イーストマンコダック社のC.W.Tangらによって、高効率の発光を実現する2層積層構造の有機EL素子が発表されて以来、現在に至るまでに様々な有機EL素子が開発され、その一部は既に実用化され始めている。
現在、有機EL素子の構成としては、透明電極/正孔注入層/正孔輸送層/有機発光層/電子注入層/反射電極などからなる多層構成の素子が多く採用されている。この内、反射電極としては、反射率の高い光沢面および配線材料としての信頼性が要求され、かつ、電子注入層としては、有機発光層に対する電子注入に適した構成のものが要求される。これらの要求を達成するために、例えば、コダックのグループは、高反射率のAlからなる反射電極と有機EL層との界面に5〜10Åのアルカリ金属フッ化物(LiFなど)を挿入することによって、低電圧駆動を実現できることを報告している。
また、城戸らは、Al錯体などにLiのようなアルカリ金属をドープした電子注入層と、Alからなる反射電極とを適用して電子注入効率を向上させることを提案している。これらを適用した有機EL素子についても十分に低電圧化できることを報告している(非特許文献1参照)。
松本ら、「陰極バッファ層を用いた低電圧駆動有機EL素子」、O Plus E Vol.22, No.11, p.1416-1421, 2000 有機EL材料とディスプレイ、シーエムシー、2001 有機ELディスプレイの本格実用化最前線、東レリサーチセンター、2002
しかしながら、前述のように反射電極として良好な反射率および導電率を有するAlのような金属と、電子注入層としてアルカリ金属をドープしたAl錯体とを使用した場合、電極材料自身の高い反応性(特に成膜時または駆動による温度上昇時)によって、反射電極を形成する材料は電子注入層を形成する材料による酸化作用を受けて劣化し、同時に、電子注入層を形成する材料は反射電極を形成する材料による還元作用を受けて劣化する。
さらに、反射電極を形成する材料の成分が、有機EL層中へと移動して、有機EL層が本来有する性能を低減させる可能性がある。これらの影響によって、有機EL素子の発光特性が大幅に減少させられるといった問題が生じた。
したがって、本発明の目的は、反応性の高い反射電極の材料と直接接触するアルカリ金属またはアルカリ土類金属がドープされた電子注入層の材料との化学反応による反射電極および電子注入層の劣化を抑制し、かつ、該電極材料の有機EL層への移動を抑制することが可能なバッファ層を備える有機EL素子を提供することである。さらに、有機EL素子の駆動電圧を、従来よりも低減させることが可能なバッファ層を備える有機EL素子を提供することである。
本発明は、上述の課題を解決するために、以下の通りの発明を提供する。
本発明の有機EL素子は、基板と、該基板上に形成された透明電極と、前記透明電極上に形成された少なくとも有機発光層と電子注入層とを含む有機EL層と、前記有機EL層上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された反射電極とを有し、前記電子注入層と前記バッファ層とが接触し、前記電子注入層はアルカリ金属またはアルカリ土類金属がドープされた電子注入層を含み、前記バッファ層が前記反射電極を構成する材料と合金を形成しない導電性材料から形成されていることを特徴としている。ここで、バッファ層は、電子注入層の材料と反射電極の材料との化学反応を防ぐ機能を有し、かつ、バッファ層の材料としては、貴金属(Au、Pt、Ag、Pd)、導電性金属酸化物(RuO、ITO、SnO、IZO、TiO、ReO、V、MoO、PtO)または導電性金属窒化物(TiN、ZrN、TaN)を用いることができる。また、バッファ層の膜厚は、0.5〜100nmであってもよい。さらに、反射電極の反射率は90%以上であり、この材料としては、AlまたはAgを用いることができる。
本発明によれば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープした電子注入層と反射電極との間に、上記材料から形成されるバッファ層を挿入することで、反射電極の材料と直接接触する電子注入層の材料との化学反応による反射電極および電子注入層の劣化を抑制し、良好な電子注入効率を達成することが可能である。また、反射電極の材料の有機EL層への移動を抑制することもできるため、有機EL層の各層が有する本来の性能を保持することが可能である。さらに、本発明によれば、アルカリ金属フッ化物(LiFなど)をバッファ層として用いた場合に比べて、駆動電圧をより低下させることができ、有機EL素子の消費電力を低減させることが可能である。
本発明は、上記の特徴を有するが、図1に本発明の有機EL素子の1つの実施形態を示す。本発明の有機EL素子は、透明基板10の上に、透明電極20、有機EL層30、バッファ層40および反射電極50を順に積層した構造を有する。この内、有機EL層30には、正孔注入層32、正孔輸送層34、有機発光層36、電子注入層38が含まれる。 なお、図1においては、1つの発光部分(単色表示の場合の画素、多色表示の場合の副画素に相当する)のみを示しているが、複数の発光部分を有してもよいことはいうまでもない。
透明基板10は、積層される層の形成に用いられる条件(溶媒、温度等)に耐えるものであるべきであり、および寸法安定性に優れていることが好ましい。好ましい材料は、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレートなどの樹脂を含む。あるいはまた、ポリオレフィン、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂またはポリイミド樹脂などから形成される可撓性フィルムを基板として用いてもよい。
透明基板10の上に、透明電極20をスパッタ法により積層する。透明電極20は、SnO、In、ITO、IZO、ZnO:Alなどの導電性金属酸化物を用いて形成される。透明電極20は、波長400〜800nmの光に対して好ましくは50%以上、より好ましくは85%以上の透過率を有することが好ましい。
アクティブマトリクス駆動型素子を形成する場合、透明電極20は、透明基板10上に形成された複数のスイッチング素子と1対1に電気的に接続される複数の部分電極から形成される。一方、パッシブマトリクス駆動型素子を形成する場合には、透明電極20は、第1の方向に延びる複数のストライプ状電極から形成される。ただし、全面発光させる場合には、一体型の電極として形成される。
透明電極20は、所望の形状を与えるマスクを用いて複数の部分電極を形成してもよいし、最初に基板上に均一な層を形成してフォトリソグラフィーなどを用いて所望の形状の複数の部分電極としてもよいし、あるいはリフトオフ法を用いてもよい。
次に、透明電極20の上に有機EL層30が形成される。有機EL層30は、有機発光層36と電子注入層38とを少なくとも含み、必要に応じて正孔注入層32、正孔輸送層34、電子輸送層を含む。これらの各層は、それぞれにおいて所望される特性を実現するのに充分な膜厚を有して形成される。例えば、下記のような層構成からなるものが採用される。
(1)有機発光層/電子注入層
(2)正孔注入層/有機発光層/電子注入層
(3)正孔輸送層/有機発光層/電子注入層
(4)正孔注入層/正孔輸送層/有機発光層/電子注入層
(5)正孔注入層/正孔輸送層/有機発光層/電子輸送層/電子注入層
(上記の構成において、陽極として機能する電極が左側に接続され、陰極として機能する電極が右側に接続される)
上記においてはさらに、正孔注入層32と正孔輸送層34との両機能を有する正孔注入輸送層を用いてもよい。
有機発光層36の材料としては、任意の公知の材料を用いることができる。例えば、青色から青緑色の発光を得るためには、例えば、ベンゾチアゾール系、ベンゾイミダゾール系、ベンゾオキサゾール系などの蛍光増白剤、金属キレート化オキソニウム化合物、スチリルベンゼン系化合物、芳香族ジメチリディン系化合物などの材料が好ましく使用される。あるいはまた、ホスト化合物にドーパントを添加することによって、種々の波長域の光を発する有機発光層36を形成してもよい。ホスト化合物としては、ジスチリルアリーレン系化合物(例えば、出光興産製IDE−120など)、N,N’−ジトリル−N,N’−ジフェニルビフェニルアミン(TPD)、アルミニウムトリス(8−キノリノラート)(Alq)などを用いることができる。ドーパントとしては、ペリレン(青紫色)、クマリン6(青色)、キナクリドン系化合物(青緑色〜緑色)、ルブレン(黄色)、4−ジシアノメチレン−2−(p−ジメチルアミノスチリル)−6−メチル−4H−ピラン(DCM、赤色)、白金オクタエチルポルフィリン錯体(PtOEP、赤色)などを用いることができる。
正孔注入層32の材料としては、Pc類(CuPcなどを含む)またはインダンスレン系化合物などを用いることができる。
正孔輸送層34は、トリフェニルアミン誘導体(TPD)、N,N’−ビス(1−ナフチル)−N,N’−ジフェニルビフェニルアミン(α−NPD)、4,4’,4”−トリス−(N−3−トリル−N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m−MTDATA)、N,N,N’−テトラビフェニル−4,4’−ビフェニレンジアミン(TBPB)などのようなトリアリールアミン系材料を用いることができる。
電子注入層38は、ホスト材料にアルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープすることによって形成することができる。ここで、電子注入層38のホスト材料としては、アルミニウムのキノリノール錯体(例えば、Alq、Almq、AlPrq、Alph、Alpq、BAlq)、PBD、TPOB、および以下に示す構造を有するもののようなオキサジアゾール誘導体;
Figure 2006135101
TAZおよび以下に示す構造を有するもののようなトリアゾール誘導体;
Figure 2006135101
以下に示す構造を有するもののようなトリアジン誘導体;
Figure 2006135101
以下に示す構造を有するもののようなフェニルキノキサリン類;
Figure 2006135101
Bphen(バソフェナントロリン);ZnPBT;BMB−2T、BMB−3Tのようなチオフェン誘導体;Bebqのようなベリリウムのキノリノール錯体;PSPのようなシロール誘導体などを用いることができる(非特許文献2および非特許文献3参照)。
したがって、電子注入層38は、前記ホスト材料に、アルカリ金属(例えば、Li、Na、K、Rb、Cs)ないしアルカリ土類金属(例えば、Ca、Sr、Ba)を5〜75%ドープすることによって形成することができる。特に好ましくは、前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープしたAlqである。この場合、アルカリ金属ないしアルカリ土類金属は、電子注入層38中に均一にドープされていてもよい。もしくは、有機発光層36側から反射電極50側にかけてドープ量が傾斜的に増加するようにドープされていてもよい。
あるいはまた、電子注入層38を、アルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープしていない前記ホスト材料のみからなる非ドープ層と、前記ホスト材料にアルカリ金属ないしアルカリ土類金属を均一にまたは傾斜的にドープしたドープ層との2層構成にしてもよい。この場合、非ドープ層およびドープ層の各層は、非ドープ層が有機発光層36側、ドープ層が反射電極50側になるように配置される。
なお、電子注入層38の膜厚は、単層(均一または傾斜ドープされた層)の場合には、0.1nm〜1000nmの範囲であることが好ましく、0.5nm〜20nmの範囲であることがより好ましい。また上記のような非ドープ層とドープ層の2層構成で使用する場合には、各層の膜厚はそれぞれ、0.1nm〜20nmの範囲であることが好ましく、0.1nm〜100nmの範囲であることがより好ましい。
有機EL層30を構成するそれぞれの層は、蒸着法(抵抗加熱または電子ビーム加熱)などの当該技術分野において知られている任意の手段を用いて形成することができる。
バッファ層40は、反射電極50を形成する材料と直接接触する電子注入層38を形成する材料との化学反応による反射電極50および電子注入層38の劣化を抑制し、かつ、該電極を形成する材料の有機EL層30への移動を抑制することが可能な層である。このようなバッファ層40の材料としては、高い反応性(特に、反射電極成膜時または駆動による温度上昇時)を有する反射電極50の材料と合金化することがなく、さらには導電性を有するような材料を用いることができる。具体的には、Au、Pt、AgもしくはPdのような貴金属、RuO、ITO、SnO、IZO、TiO、ReO、V、MoOもしくはPtOのような導電性金属酸化物、またはTiN、ZrNもしくはTaNのような導電性金属窒化物の内の少なくとも1種を用いることができる。中でもPtが特に好ましい。
なお、バッファ層40の膜厚は、貴金属のような不透明材料の場合には、0.5nm〜10nmが好ましく、ITOのような透明材料の場合には、0.5〜100nmが好ましい。したがって、これらを考慮すると、バッファ層40の膜厚としては、0.5nm〜100nmの範囲が好ましく、0.5〜10nmの範囲がより好ましい。
バッファ層40は、蒸着法(抵抗加熱または電子ビーム加熱)、化学蒸着法(CVD)またはイオンプレーティング法、スパッタ法などの当該技術分野において知られている任意の手段を用いて形成することができる。
反射電極50は、蒸着(抵抗加熱または電子ビーム加熱)、スパッタ、イオンプレーティング、レーザーアブレーションなどの当該技術分野において知られている任意の手段を用いて、バッファ層40の上に積層することができる。反射電極50は、90%以上の反射率を有するAl、Agのような金属またはそれらの合金を用いて形成されることが好ましい。中でも、低コストで高反射率のAlが特に好ましい。
アクティブマトリクス駆動型有機EL素子を形成する場合、透明電極20が各画素(または副画素)に対応して分離して設けられているので、反射電極50は一体型の電極として形成される。一方、パッシブマトリクス駆動型有機EL素子を形成する場合、反射電極50は、第1の方向と交差する(好ましくは直交する)第2の方向に延びる複数のストライプ状電極として形成される。また、全面発光させる場合には、一体型の電極として形成される。
さらに、本実施形態の有機EL素子では、大気中の湿気等による電極部分の酸化を防止するために素子を封止することができる。この封止工程は、ガラスまたは金属缶などのような封止缶を、任意選択的にゲッター剤と呼ばれる乾燥剤と一緒に使用して実施してもよく、あるいは、金属酸化物や窒化物のような低透湿性の封止膜を使用して実施してもよい。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
(実施例1)
ガラス基板10上に、ターゲットとしてIDIXO(出光興産株式会社製、インジウムおよび亜鉛の酸化物と酸化インジウムとの混合物)を用いるスパッタ法によって膜厚100nmのIZOを全面成膜して、透明電極20を形成した。
次いで、透明電極20を形成した基板を抵抗加熱蒸着装置内に装着し、正孔注入層32、正孔輸送層34、有機発光層36、電子注入層38、バッファ層40を、真空を破らずに順次成膜した。成膜に際して、真空槽内圧を1×10−4Paまで減圧した。正孔注入層32として、膜厚100nmの銅フタロシアニン(CuPc)を、正孔輸送層34として、膜厚20nmの4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミン]ビフェニル(α−NPD)を、有機発光層36として、膜厚30nmの4,4’−ビス(2,2’−ジフェニルビニル)ビフェニル(DPVBi)を、電子注入層38として、膜厚20nmのLiを50%ドープしたAlq(Alq(Li))を、そしてバッファ層40として、膜厚1nmのAuを積層した。
次に、真空を破ることなしに、膜厚200nmのAlを堆積させて反射電極50を形成して、図1に示した構造を有する有機EL素子を得た。
こうして得られた有機EL素子をグローブボックス内、乾燥窒素雰囲気下(酸素および水分濃度ともに1ppm以下)において、封止ガラス(図示せず)とUV硬化接着剤を用いて封止した。
(実施例2)
バッファ層40にPtを使用したこと以外は、実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(実施例3)
バッファ層40にAuおよびAgの合金(Au:Ag=1:1)を使用したこと以外は、実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(比較例1)
バッファ層40を積層しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(比較例2)
バッファ層40にLiFを使用したこと以外は、実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(評価)
実施例1〜3および比較例1〜2で得られた有機EL素子のそれぞれについて、初期輝度1000cd/mの時の初期の駆動電圧および2000時間駆動後の駆動電圧を測定した。その結果を第1表に示す。
Figure 2006135101
第1表の初期の駆動電圧から、実施例1〜3の素子が、比較例1および2の素子と比較して1〜2Vも低い駆動電圧を有していることが分かる。比較例1の素子の駆動電圧が高いのは、バッファ層40が存在しないため、成膜時に、反射電極50を形成する材料が電子注入層38を形成する材料によって酸化作用を受け、同時に電子注入層38を形成する材料が反射電極50を形成する材料によって還元作用を受けて劣化したことと、反射電極50を形成する材料の有機EL層30への移動による有機EL層30の性能低下などが起因していると考えられる。また、本発明の実施例1〜3に比べると、比較例2の素子では、駆動電圧が1V増大している。これは、比較例2でバッファ層40として使用しているLiFが絶縁性であることに起因して駆動電圧が増大していると考えられる。
また、1000cd/mで駆動後2000時間たった後も、実施例1〜3の素子では、電圧の上昇は見られなかった。
したがって、本発明のバッファ層40は、反射電極50を形成する材料と電子注入層38を形成する材料との化学反応による反射電極50および電子注入層38の劣化を防止する効果、反射電極50を形成する材料の有機EL層30への移動を防止する効果、および有機EL素子の駆動電圧を低減させる効果を有していることが確認された。
本発明の有機EL素子の1つの実施形態を示す断面図である。
符号の説明
10 透明基板
20 透明電極
30 有機EL層
32 正孔注入層
34 正孔輸送層
36 有機発光層
38 電子注入層
40 バッファ層
50 反射電極

Claims (9)

  1. 基板と、該基板上に形成された透明電極と、前記透明電極上に形成された少なくとも有機発光層と電子注入層とを含む有機EL層と、前記有機EL層上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された反射電極とを有し、
    前記電子注入層と前記バッファ層とが接触しており、
    前記電子注入層はアルカリ金属またはアルカリ土類金属がドープされており、
    前記バッファ層が前記反射電極を構成する材料と合金を形成しない導電性材料から形成されていることを特徴とする有機EL素子。
  2. 前記バッファ層が、電子注入層の材料と反射電極の材料との化学反応を防ぐ機能を有することを特徴とする請求項1に記載の有機EL素子。
  3. 前記バッファ層の材料は、貴金属、導電性金属酸化物または導電性金属窒化物であることを特徴とする請求項2に記載の有機EL素子。
  4. 前記貴金属が、Au、Pt、AgまたはPdであることを特徴とする請求項3に記載の有機EL素子。
  5. 前記導電性金属酸化物が、RuO、ITO、SnO、IZO、TiO、ReO、V、MoOまたはPtOであることを特徴とする請求項3に記載の有機EL素子。
  6. 前記導電性金属窒化物が、TiN、ZrNまたはTaNであることを特徴とする請求項3に記載の有機EL素子。
  7. 前記バッファ層の膜厚が、0.5〜100nmであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の有機EL素子。
  8. 前記反射電極の反射率が、90%以上であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の有機EL素子。
  9. 前記反射電極の材料は、AlまたはAgであることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の有機EL素子。
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