JP2006243313A - 有機ｅｌデバイスの駆動方法及び表示装置 - Google Patents

有機ｅｌデバイスの駆動方法及び表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】有機ＥＬデバイスの発光効率を低下させることなく、電荷の放出を充分に行うことができ、これまでのものより発光効率が高くデバイスの劣化を防止する。
【解決手段】有機ＥＬデバイスとして、ガラス透明基板１上に、順次、透明電極２、正孔輸送機能層３として機能する正孔注入層３１及び正孔輸送層３２、発光層４、電子輸送機能層５、金属電極６を形成し、透明電極２と金属電極６に駆動電源７を接続する。駆動電源７からは、印加電圧として、駆動信号に、２周期以上の、サイン波、パルス波、三角波、ノコギリ波のいずれか、または、２周期以上のサイン波を駆動信号に重畳したサイン波が有機ＥＬデバイスに供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機ＥＬデバイスの輝度長寿命化、定電流駆動時の駆動電圧上昇の防止又は駆動電力の増加を防止する有機ＥＬデバイスの駆動方法及び表示装置に関する。
一般的な有機ＥＬデバイスは、発光層を含む有機薄膜を陽極、陰極で挟む構造で、直流電圧を印加することにより、陽極から正孔、陰極から電子をそれぞれ注入し発光させる。これら層を構成する物質の電荷移動度、エネルギー障壁などの影響により、電子及び正孔のバランスが崩れると、電荷の蓄積状態が続くことになる。この有機薄膜中に蓄積された一部の電荷が原因で有機材料の変質や有機層の構造に変化が生じ，これが有機ＥＬデバイスの劣化の一因と言われている。
下記特許文献１には、単層又は積層の有機ＥＬデバイスを、陽極と陰極間に正弦波の交流電圧を印加することによって駆動し、このデバイスに印加する電圧を、周期的に変化させ、デバイスのｏｎ（発光）とｏｆｆ（非発光）を周期的に繰り返すことで、ｏｆｆ時に劣化が回復し、駆動寿命を長くすることが記載されている。
下記特許文献２には、単層又は積層の有機ＥＬデバイスを，陽極と陰極間に５ｋＨｚ以上の周波数のパルス電圧を印加することによって駆動し、このパルス駆動時の周波数を、５ｋＨｚ以上に設定することによって、ｏｆｆ時の劣化の回復効果が大きくなり、デバイスの劣化が抑制されることが記載されている。
特開２０００−３０８６２号公報 特開２０００−３６３８３号公報
上記特許文献１においては、直流電圧駆動に対し同じ輝度を得るためには、印加電圧を高くする必要があり、発光の効率が低下する。また、瞬間的に大きな電流が流れ、電荷がより多く蓄積するため、劣化を防止する効果が低い。
上記特許文献２においては、パルス波の電圧をｏｆｆにする回数を多くすることで効果大としており、発光信号がｏｆｆの場合の逆バイアス電圧等については言及していないため、蓄積された電荷の放出が充分ではないことがある。
そこで、本発明は、これら蓄積された電荷を開放するために、有機ＥＬデバイスに、逆バイアスをかける手段として交流電圧の印加方法に着目した。
すなわち、有機ＥＬデバイスの劣化の主要因としては、有機ＥＬデバイスを順方向のみの電圧で駆動すると、短期的には電荷の蓄積による駆動電力の増大、長期的には蓄積された電荷によるデバイスを形成する有機材料の変質劣化が生じ輝度の低下が起こる。
したがって、これを防止する手段として、蓄積された電荷を放出させるため、有機ＥＬデバイスの発光開始電圧（以下「built-in-voltage」という。）の絶対値より小さい正負の電圧を、駆動信号がｏｆｆ（オフ）となっている時間に、印加するか又は駆動信号に重畳させる。
さらに、有機ＥＬデバイスの静電容量の電圧依存性を調べ、静電容量がピークとなる電圧（built-in-voltageより小さい）を印加することによって、効率的に蓄積された電荷の放出を行う。
この印加する電圧の周波数を、デバイスの応答速度に相応する周波数より小さく、駆動信号がｏｆｆとなる時間に、２周期以上となる周波数とすることによって、効率的なキャリアの放出を行う。
これらのことは、デバイスの構造、及び、用いられる材料には限定されない。
以上のように、本発明は、駆動信号に加えて、built-in-voltageの絶対値より小さい電圧で、デバイスの静電容量が最大となる電圧の絶対値に等しい正負の信号を、デバイスの応答速度に相応する周波数より小さく、駆動信号がｏｆｆとなる時間に、２周期以上となる周波数で印加することで、有機ＥＬデバイスの発光効率を低下させることなく、電荷の放出を充分に行うことができ、これまでのものより発光効率が高くデバイスの劣化を防止できる。
有機ＥＬデバイスの発光（駆動信号）がｏｆｆである時間に、正負信号の電圧を印加することによって、逆電位を発生させ、蓄積された電荷を放出でき、有機層の劣化を抑制できる。
すなわち、有機層の劣化の原因としては、電子及び正孔のみの注入を行った実験により、有機層中の電子と正孔のバランスが崩れると、抵抗値の増加や輝度の低下が観察されたことから、有機層中に余分な電荷（蓄積した電荷）が存在することによると考えられる。
これら電荷の蓄積は、有機層間のエネルギー障壁により、その界面に起こると考えられ、各界面全てに電荷の蓄積が起こった場合、最もその蓄積量が多くなると考えられる。
また、デバイスの静電容量は膜厚に反比例し、電圧を上げながらデバイスの静電容量を測定した場合、徐々にエネルギー障壁を超えて電荷が注入されていくため、実効膜厚は薄くなり、デバイスの静電容量が大きくなる。
この静電容量が最大となる電圧で、電荷の蓄積が最大となるため、これと同一の電圧を逆方向に印加することによって、蓄積された電荷を放出できる。
なお、最大値以上の電圧印加では、不要な電荷の蓄積や不要な発光が生じ、また、最大値以下の電圧印加では、蓄積電荷の放出不足となる。したがって、最大値の電圧印加によって、これらを防止することができる。
また、発光（駆動信号）がｏｆｆとなる時間で、蓄積した電荷を放出するため、この時間に、印加電圧が逆バイアスとなる必要があり、この回数は多いほど効果的に電荷を放出できるため、ｏｆｆである時間に、逆バイアスの回数が最低２周期以上となる周波数が望ましい。
なお、有機ＥＬデバイスの応答時間よりも印加する交流電圧の周期が短い（周波数が大きい）と、電荷の移動が印加電圧の変化に追従できなくなるため、蓄積した電荷の放出が充分にできなくなる。したがって、デバイスの構造により応答時間は異なるが、過渡応答性の実験によると、１０-8〜１０-7秒程度の応答時間であったことから、印加する交流電圧の周波数は１０ＭＨｚ以下であることが望ましい。
以上のように、有機ＥＬデバイスを駆動させた場合、有機層の劣化及び電圧上昇（電荷移動の低下、各有機層及び電極界面の変質による電荷注入効率低下）を抑制することが可能となる。
このように、電荷の蓄積による有機層の劣化を抑制できるため、有機ＥＬデバイスの輝度低下、駆動電圧上昇を抑制できる。したがって、輝度低下、電圧上昇が抑制されることで、デバイス寿命を向上できる。
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。
以下説明する本発明における有機ＥＬデバイスは、公知の材料を選択して用いることができ、また、公知の構造を適宜適用することができる。
ここで、まず、有機ＥＬデバイスにおける電荷の蓄積、静電容量及び応答速度についての実験例を説明する。
図５に示すように、有機層５１の一方の面に誘電体層５２を設けこれを電極５３，５４で挟んだ構造のデバイスを用意し、駆動電源５５からの直流電圧を印加する実験を行った。このとき、印加電圧の極性を入れ替えることにより、電極５３が直接接触している有機層５１側から電子又は正孔のみを有機層５１中に注入することができる。この電子又は正孔のみを注入できるのは、有機層５１の一方の面は誘電体層５２が存在するためである。
これによる電荷の注入前後に蛍光強度（ＰＬ強度）の比較を行うことで電荷の蓄積による変化が生じるか確認できる。この試験を有機層として公知のＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）、α−ＮＰＤ（α−ナフチルフェニルジアミン）、Ａｌｑ３（トリス（８−キノリノール）アルミニウム）を順次蓄積した構造のデバイスで行ったところ、図６に示すように、電子注入ではほとんど変化しないが、正孔注入で蛍光強度の大きな低下がみられた。このことから同デバイス構造では正孔過剰な状態で劣化することがわかる。
次に、図７に示すように、印加電圧５４を、同図（ａ）から（ｂ）へと徐々に高くしていくと、各層間のエネルギー障壁を超えて、電荷が注入されていくが、このとき、一部の電荷は界面に蓄積されていく。そして、最も電荷が蓄積されるのが、発光を開始する直前であり、静電容量の実効膜厚は最も小さくなるため、静電容量は最大となる。
有機層としてＣｕＰｃ，α−ＮＰＤ，Ａｌｑ３を順次蓄積したデバイスについて、膜厚がそれぞれ４０，４０，４０ｎｍであるデバイス１と、４０，８０，４０ｎｍであるデバイス２と、４０，８０，８０ｎｍであるデバイス３とを用意し、電圧を変えてこれらの静電容量を測定した。図８に示すように、構成する層の膜厚により、静電容量の変化は異なるが、各層のエネルギー障壁は同じであるため、静電容量が最大となる電圧はほぼ同一であった。
次に、有機ＥＬデバイスの構造により応答時間は異なるが、過渡応答性の実験によると図９に示すように、１０-8〜１０-7秒程度の応答時間であったことから、交流での印加電圧５４の周波数は、１０ＭＨｚ以下であることが望ましい。
以上の実験結果を踏まえて、以下、本実施例を説明する。
図１は、有機ＥＬデバイスの構造を示す図であって、ガラス透明基板１上に、ＩＴＯ膜をスパッタ成膜した後に、配線、電極化のためのパターニングを行って陽極としての透明電極２を形成する。
この透明電極２上に、正孔注入層３１としてＣｕＰｃと、正孔輸送層３２としてα−ＮＰＤとを第１及び第２の正孔輸送機能層３として形成する。
次に、発光層４としてホスト材にＡｌｑ３、ドーパント材に公知のＴＰＢ（テトラフェニルブタジエン）を、電子輸送機能層５としてＡｌｑ３を、陰極としての金属電極６としてフッ化リチウム、アルミニウムを順に真空蒸着した。
このようにして形成された有機ＥＬデバイスを駆動するために、透明電極２と金属電極６とに駆動電源７が接続され、この駆動電源７から供給される電圧が有機ＥＬデバイスに印加される。
このときの有機層中の正孔注入層（ＣｕＰｃ）、正孔輸送層（α−ＮＰＤ）、発光層（Ａｌｑ３＋ＴＰＢ）、電子輸送機能層（Ａｌｑ３）の膜厚を、それぞれ４０，４０，４０，４０ｎｍとしたものを有機ＥＬデバイス１とし、それぞれ４０，４０，８０，４０ｎｍとしたものを有機ＥＬデバイス２として用いた。
図２は、これら有機ＥＬデバイスの電圧−電流特性図であって、何れも負電圧〜４Ｖまでは電流が流れず、４Ｖ以上で電流が流れ始めると共に発光が始まる。すなわち、built-in-voltageは４Ｖとなる。
このときの有機材料の最大静電容量となる電圧（Ｖｍｃ、図３,４を参照）は、３．８Ｖであり、したがって、印加する正負電圧は±３．８Ｖとした。
また、印加電圧の波形は、図３及び図４に示すように、駆動信号（ａ）に加えて、サイン波１（図３（１）（ｃ））、ピーク電圧を制限したサイン波２（図３（１）（ｂ））、パルス波（図３（２）（ｃ））、三角波（図３（２）（ｂ））、ノコギリ波１（図４（１）（ｃ））、ノコギリ波２（図４（１）（ｂ））、駆動信号にサイン波を重畳したサイン波３（図４（２）（ｂ））のいずれかとすることができる。
これらの波形において、駆動信号（ａ）がｏｆｆのときに、周期的なサイン波、パルス波、三角波及びノコギリ波のいずれかが、２周期以上印加される。
以下の実験例においては、前述の有機ＥＬデバイスに対し、輝度が１０００ｃｄ／ｍ2となるように、駆動電源７の直流電圧を調整した。
〔実験例１〕
前述の有機ＥＬデバイス１に対し、サイン波電圧を３．８Ｖ、周波数を１０００Ｈｚとしたところ、ピーク電流は１７ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は３６００ｈであった。
〔実験例２〕
前述の有機ＥＬデバイス１に対し、三角波電圧を±３．８Ｖ，周波数を１０００Ｈｚとしたところ、ピーク電流は１５ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は３７００ｈであった。
〔実験例３〕
前述の有機ＥＬデバイス１に対し、パルス波電圧を±３．８Ｖ，周波数を１０００Ｈｚとしたところ、ピーク電流は１６ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は３５００ｈであった。
〔実験例４〕
前述の有機ＥＬデバイス１に対し、ノコギリ波１の電圧を±３．８Ｖ，周波数を１０００Ｈｚとしたところ、ピーク電流は１４ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は３４００ｈであった。
〔実験例５〕
前述の有機ＥＬデバイス１に対し、発光信号に対する直流電流にサイン波が重畳される駆動を行い、サイン波電圧を±３．８Ｖ，周波数を１０００Ｈｚとしたところ、ピーク電流は２４ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は３３００ｈであった。
〔実験例６〕
前述の有機ＥＬデバイス２に対し、サイン波電圧を３．８Ｖ、周波数を１０００Ｈｚとしたところ、ピーク電流は２１ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は３１００ｈであった。
〔実験例７〕
前述の有機ＥＬデバイス１に対し、輝度が１０００ｃｄ／ｍ2となるように直流電圧のみ印加・調節したところ、ピーク電流は１５ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は２１００ｈであった。
〔実験例８〕
前述の有機ＥＬデバイス２に対し、輝度が１０００ｃｄ／ｍ2となるように直流電圧のみ印加・調節したところ、ピーク電流は２２ｍＡ／ｃｍ2であった。この電流値が常に一定になるよう直流電圧を制御し駆動したところ、輝度半減時間は１７００ｈであった。
これらの関係をまとめると、下記表１のとおりとなる。
Figure 2006243313
このように、有機ＥＬデバイスの駆動において、駆動信号に加えて、そのデバイスの最大静電容量値となる電圧に相当する正負の信号を加えることで、有機ＥＬデバイスの寿命特性が改善できる。
図１０（ａ）は、本発明に係る有機ＥＬデバイスを用いたアクティブマトリクス型の表示装置の概略図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す画素部３００の拡大図である。
図１０（ａ）において、走査配線駆動回路１００によって選択された走査配線１０１に対応して、データ配線駆動回路２００からデータ配線２０１を介して表示パネル４００の画素部３００にデータ信号が供給される。画素部３００には、駆動電源５００から駆動配線５０１を介して、駆動信号に、サイン波、パルス波、三角波、ノコギリ波を加えた印加電圧が供給される。なお、駆動電源５００の共通電極５０２は、表示パネル４００の共通電極に接続される。
図１０（ｂ）において、第１の薄膜トランジスタ１０は、走査配線１０１とデータ配線２０１との交差部に設けられ、第１の薄膜トランジスタ１０のゲート電極１１には、走査配線１０１が接続され、第１の薄膜トランジスタ１０のソース電極（又はドレイン電極）１２には、データ配線２０１が接続され、第１の薄膜トランジスタ１０のドレイン電極（又はソース電極）１３には、データ信号を一時的に保持する保持容量２０の一方の電極が接続されている。また、第１の薄膜トランジスタ１０のドレイン電極１３は、第２の薄膜トランジスタ３０のゲート電極３１に接続されている。
第２の薄膜トランジスタ３０のソース電極（又はドレイン電極）３２には、駆動配線５０１が接続され、また、ドレイン電極（又はソース電極）３３には、有機ＥＬデバイス４０の一方の電極が接続されている。有機ＥＬデバイス４０の他方の電極は、保持容量２０の他方の電極と共に、共通電極５０２に接続されている。
このように構成された表示装置において、走査配線駆動回路１００とデータ配線駆動回路２００によって、選択された画素部３００における保持容量２０に、データ信号が一時的に保持され、この保持されたデータ信号に応じて、駆動電源５００からの印加電圧が有機ＥＬデバイス４０供給されて、有機ＥＬデバイス４０が発光する。なお、選択されていない画素部３００における有機ＥＬデバイス４０は、保持容量２０で保持されたデータ信号に応じて発光する。
本発明に係る有機ＥＬデバイスの概略構造断面図である。 有機ＥＬデバイスの電圧−電流特性図である。 印加電圧の波形図である。 印加電圧の波形図である。 電荷バランスの実験方法を示す図である。 電荷注入によるＰＬ強度変化図である。 電圧による電荷の蓄積を示す図である。 電圧と静電容量との関係図である。 有機ＥＬデバイスの応答速度を表す図である。 本発明に係る有機ＥＬデバイスを用いた表示装置の概略図である。
符号の説明
１…透明基板、２…透明電極、３…正孔輸送機能層（３１…正孔注入層、３２…正孔輸送層）、４…発光層、５…電子輸送機能層、６…金属層、７…駆動電源、
５１…有機層、５２…誘電体層、５３，５４…電極、５５…駆動電源、
１００…走査配線駆動回路、２００…データ配線駆動回路、３００…画素部（１０…第１の薄膜トランジスタ、２０…保持容量、３０…第２の薄膜トランジスタ、４０…有機ＥＬデバイス）、４００…表示パネル、５００…駆動電源。

Claims (6)

  1. 有機ＥＬデバイスの駆動信号に、有機ＥＬデバイスの発光開始電圧の絶対値より小さい正負の電圧を加え、有機ＥＬデバイスの劣化を防止し、輝度長寿命化と駆動電力の上昇を防止することを特徴とする有機ＥＬデバイスの駆動方法。
  2. 前記正負の電圧は、駆動信号がオフとなる時間に加えられるか又は駆動信号に重畳させることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬデバイスの駆動方法。
  3. 前記正負の電圧の絶対値は、有機ＥＬデバイスの静電容量がピークとなる電圧に等しいことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬデバイスの駆動方法。
  4. 前記正負の電圧の周波数は、有機ＥＬデバイスの応答速度に相応する周波数より小さく、駆動信号がオフとなる時間に、２周期以上となる周波数であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬデバイスの駆動方法。
  5. 前記正負の電圧の波形は、サイン波、パルス波、三角波、ノコギリ波のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬデバイスの駆動方法。
  6. 複数の走査配線と複数のデータ配線とのそれぞれの交差部にマトリクス状に配置された有機ＥＬデバイスに駆動信号を供給する駆動電源を備えた表示装置において、
    前記駆動電源は、駆動信号に加えて、有機ＥＬデバイスの発光開始電圧の絶対値より小さい正負の電圧を供給することを特徴とする表示装置。
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