JP2007294438A - 有機ｅｌ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を維持するとともに構造が簡単な有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】有機ＥＬ素子は、順に積層された第１電極、少なくとも有機発光層を含む積層された有機材料層、及び第２電極からなる有機ＥＬ素子であって、有機発光層からの発光光が透過するように第１及び２電極の少なくとも一方外側に配置されかつ粗面を構成する粗面界面を含む光散乱層を有し、有機材料層は、ｄ≧５×Ｒａの関係（ただしｄは有機材料層の平均膜厚を、Ｒａは粗面界面の平均粗さを示す）を満たす膜厚を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流の注入によって発光するエレクトロルミネセンス（以下、ＥＬともいう）を呈する有機化合物を利用し、かかる有機ＥＬ材料からなる有機発光層を備えた有機ＥＬ素子に関する。

一般に、有機化合物材料を用いた有機ＥＬ素子は、ダイオード特性を有する電流注入型の素子であり、電流量に対応した輝度で発光する素子である。２色以上の発光色を呈する有機ＥＬ素子の複数をマトリクス状に配列してディスプレイパネルが開発されている。

有機ＥＬ素子１は、図１に示すように、透明電極３上に、蒸着法などを利用して、発光層を含む複数の有機化合物材料層４、金属からなる反射電極を、順次、積層した構造を有している。また、有機化合物材料層４として、発光層を挟んで、機能層として、陽極側にホール輸送機能層（ホール注入層、ホール輸送層）、陰極側に電子輸送機能層（電子注入層、電子輸送層）が適宜設けられる。

有機ＥＬ素子の発光効率、取り出し効率を高めるために個々の有機ＥＬ素子の構造としては、ガラス基板の表面を荒らした構造（特許文献１参照）、バインダーポリマー中に散乱粒子を分散させた構造（特許文献２参照例）などが提案されている。

特許文献１記載の有機ＥＬ素子において、該一対の陽極及び陰極からなる電極の外側に、かつ発光が放射される側に、高低差０．１μｍ以上０．２１μｍ以下の凹凸を表面に有する透明又は半透明の基板を設けている。

特許文献２記載の有機ＥＬ素子において、透光性基板の少なくとも一方の表面上に、発光素子からの発光に対して反射、屈折角に乱れを生じさせる領域を設け、かかる領域が微粒子とバインダーを含む散乱層から構成されている。
特開平９−６３７６７号公報 特再０３／０２６３５７号公報

以上
従来の有機ＥＬ素子の散乱層としては、基板の凹凸の粗さを大きくする方法にしても散乱粒子を分散させる方法にしても、その粒径が発光波長の十分の一程度以上の大きさでないと効果がないため、散乱層の表面性は大きく荒れたものとなる。よく知られているとおり、有機材料層は薄膜から構成されるため、積層された有機発光層の表面平滑性は、有機ＥＬ素子の複数を配列したディスプレイパネルの表示品位に大きく影響する。

そこで本発明は、発光効率を維持するとともに構造が簡単な有機ＥＬ素子を提供することが一例として挙げられる。

請求項１記載の有機ＥＬ素子は、順に積層された第１電極、少なくとも有機発光層を含む積層された有機材料層、及び第２電極からなる有機ＥＬ素子であって、
前記有機発光層からの発光光が透過するように前記第１及び２電極の少なくとも一方外側に配置されかつ粗面を構成する粗面界面を含む光散乱層を有し、
前記有機材料層は、ｄ≧５×Ｒａの関係（ただしｄは前記有機材料層の平均膜厚を、Ｒａは前記粗面界面の平均粗さを示す）を満たす膜厚を有することを特徴とする。

以上の構成によれば、電極と有機発光層の間の有機材料層を厚くして有機発光層の表面性の影響を緩和できる。また、光散乱層が導入されていることにより、干渉効果が減るために、素子構成を比較的自由に設定することができる。よって、たとえ膜厚を厚くし、光散乱層なし基板の場合には効率が悪い素子であっても、効率のよい素子が作製できる。

発明を実施するための形態

本発明による有機ＥＬ素子及びその製造方法の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図２はボトムエミッション型の有機ＥＬ素子の概略部分拡大断面図を示す。基板１２側から順に積層された第１電極１３、少なくとも有機発光層４３を含む積層された有機材料層４、及び第２電極１５を有し、光散乱層６が有機ＥＬ素子の基板１２に近い第１電極１３及び基板１２の間に配置され、基板１２側から発光光が取り出される。例えば、基板１２はガラスなどの透明基板で、第１電極１３はＩＴＯなどからなる陽極の透明電極で、有機材料層４は有機化合物材料からなるホール輸送層４２、有機発光層４３、電子輸送層４４の積層であり、第２電極１５は陰極の金属電極５である。また、第２電極１５上にはＳｉＮ_x等からなる封止膜（図示せず）が形成されており、有機ＥＬ素子は外気から遮断されている。有機発光層４３は電流印加時に例えば発光色の青、緑、赤を呈する有機化合物材料から構成され得る。第１及び２電極を金属電極及び透明電極とすることでトップエミッション型とすることもできる。

有機材料層４は有機発光層４３に関して互いに反対側に配置されたホール輸送層及び電子輸送層を含むが、２層タイプの場合は少なくとも一方を有機材料層４として備えていればよい。さらに、有機材料層４は有機発光層４３に関してそれぞれホール輸送層及び電子輸送層の外側に配置されたホール注入層及び電子注入層（図示せず）を設けることができ、これらも積層形態によって少なくとも一方を設けることができる。

発光光が取り出される側すなわち透明基板２側の透明基板２及び透明基板２の間に、光散乱効果を有する光散乱層６が配置されている。

光散乱層６の一例は散乱粒子が樹脂中に分散した散乱粒子含有膜である。散乱粒子は０．１〜１μｍの粒径を有することが好ましい。また、散乱粒子はシリカ、チタニア、アルミナなどであり、例えばＴｉＯ_xであることが好ましい。光散乱層とは平行光線を屈折させることができる層をいう。

成膜後の光散乱層６の表面は粗面となり、さらに積層された後に粗面界面となる。かかる粗面界面は平均粗さＲａを有している。

そこで、有機材料層は、ｄ≧５×Ｒａの関係（ただしｄは有機材料層の平均膜厚を、Ｒａは粗面界面の平均粗さを示す）を満たす膜厚を有するように、成膜されることが好ましい。Ｒａ（算術平均粗さ）とは、抜き取り部分の平均線から、ｙ＝ｆ（ｘ）までの偏差の絶対値を合計し、平均した値をいう（ＪＩＳ Ｂ０６０１、参照）。平均粗さＲａが１ｎｍ〜１μｍの範囲に入ることが好ましい。他の実施形態の場合、基板１２や封止板１６をスリガラスとしてその表面の粗面を界面とすることもできる。

粗面界面から有機発光層までの有機材料層膜厚を、光散乱層の平均粗さＲａの５倍以上とすることは、実験の結果知見した。実験は、第１及び２電極の面積が１．７ｍｍ×１．７ｍｍであって、光散乱層の平均粗さＲａの１倍〜２５倍の有機材料層膜厚（粗面界面から有機発光層まで）を有する複数の有機ＥＬ素子を作製し、電圧印加時に電極面積（最大発光部面積）に対する非発光部面積の比率を測定し、評価した。図３は実験結果を示す。図３から明らかなように、平均粗さＲａの５倍以上好ましくは１０倍以上の有機ＥＬ素子は有効に発光していることが分かる。

これにより、電極と有機発光層の間の有機材料層を厚くして有機発光層の表面性の影響を緩和できた。また、光散乱層が導入されていることにより、干渉効果が減るために、素子構成を比較的自由に設定することができる。

有機材料膜を厚くする際に、有機材料層の一部または全ては塗布法にて、塗布できるタイプの材料を用いるとさらに効果があがる。積層した有機材料層を、熱をかけて柔らかくすることで、すなわち有機材料層の一部または全てに加熱処理を施し、平坦性、埋包性を上げることによっても同じような効果が得られる。さらに、厚膜化と、塗布タイプの材料を併用することで、さらに有効である。

光散乱層６は３０％以上の光散乱率を有する。ただし、散乱率＝（光散乱層を備えない場合の平行光線透過率−光散乱層を備える場合の平行光線透過率）／（光散乱層を備えない場合の平行光線透過率）である。光散乱層６によって、有機ＥＬ素子の透明電極３、有機材料層４はその膜厚を厳密に変化させる必要はなく一定膜厚で形成することができる。

有機材料層４の内の近接する何れの２層の屈折率差の絶対値が０．２５以下である。すなわち、観察者側から見て、透明電極、電荷注入層、電荷輸送層が、この順で接して並んだ構造をとり、有機材料層４の各層の屈折率が、電荷注入層：ｎ１、電荷輸送層：ｎ２、とした時、その関係が、４５０〜６３０ｎｍの波長領域で｜ｎ１−ｎ２｜＜０．２５という関係を満たすように、屈折率段差を小さくすることが望ましい。

他の実施形態としては、図２に示した有機ＥＬ素子構造に加えて、有機ＥＬ素子において、有機材料層４に関して光散乱層６の外側に配置された低屈折率層を設けることができる。低屈折率層は１．３以下更に好ましくは１．２以下の屈折率を有する。低屈折率層はシリカを含むことが好ましい。

さらに、他の実施形態としては、図２に示した有機ＥＬ素子構造に加えて、有機材料層４に関して第１電極１３の外側に配置されたガスバリア層を設けることができる。ガスバリア層は高分子薄膜及び無機薄膜の積層又は高分子薄膜若しくは無機薄膜である。

また、他の実施形態としては、図２に示した有機ＥＬ素子構造に加えて、複数の有機ＥＬ素子からの発光の色純度を高めるように有機材料層４に関して光散乱層６の外側に配置されたカラーフィルタを備えることができる。

（実施例１）：ガラス基板／低屈折率層／散乱粒子含有膜／透明電極（ＩＴＯ）／有機発光層／反射電極（Ａｌ）という構成の有機ＥＬパネルを作製した。

旭硝子（株）製無アルカリガラスＡＮ１００よりなる厚さ０．７ｍｍ、７５ｍｍ角のガラス基板を中性洗剤中で３０分程超音波洗浄し、純水でフロー洗浄し、６０℃オーブン中で乾燥した。

一方、三菱化学（株）製ＭＳ５１（テトラメトキシシランのオリゴマー）２５重量％、ｎ−ブチルアルコール３０重量％、脱塩水１５重量％、及びエタノール３０重量％の液に、酸触媒（アルミアセチルアセトナート）を少量加えた。この混合液を６０℃で３時間攪拌し１週間放置して熟成した。

これを上述のガラス基板上にスピンコーターで塗布し、１５分乾燥後、メタノール中に５分浸漬、引き上げて５分乾燥後、１５０℃で１５分加熱して、さらに２５０℃で１５分加熱して、低屈折率層を形成した。得られた低屈折率層の厚さは３００ｎｍであった。ソプラ社のエリプソメーターでこの低屈折率層のマトリクス部分の屈折率を測定したところ、波長５５０ｎｍにおいて１．３であった。また米国メトリコン社のプリズムカプラーモデル２０１０を用いて波長６３３ｎｍのレーザーで屈折率を測定したところ、屈折率は１．３であった。

次に、三菱化学（株）製ＭＳ５１（テトラメトキシシランのオリゴマー）３０重量％、ブチルアルコール５０重量％、脱塩水８重量％、及びメタノール１２重量％の液に、酸触媒（アルミアセチルアセトナート）を少量加え、さらにブチルアルコール中に平均粒径２００ｎｍのチタニア粒子（６０％重量粒子径は１５０〜２５０ｎｍ）をでき上がった粒子含有浸み出し光拡散層中の重量百分率で１５重量％となるように予め分散させた。この混合液を６０℃で３時間攪拌し１週間放置して熟成した。粒子含有層中の重量百分率は前述の膜中の粒度分布を求めるのと同様の方法で実施した。マトリクスが多孔体である場合の密度はＸ線反射率を求めることまたは屈折率を求めることから実施した。

この塗布液を上述のガラス基板上の低屈折率層の上にディップコーターで塗布、１５分乾燥後メタノール中に５分浸漬、引き上げて５分乾燥後、１５０℃で１５分加熱して、さらに２５０℃で１５分加熱して、光散乱層を得た。なおディップコート時には裏面に保護フィルムを貼り、塗布後に剥離して、片側にのみ塗膜が形成されるようにした。

得られた散乱粒子含有膜は厚さが６００ｎｍ、散乱粒子がほぼ３段分に重なった構造が観察された。

ソプラ社のエリプソメーターで光散乱層のマトリクス部分の屈折率を測定したところ、波長５５０ｎｍにおいて１．４０であった。また米国メトリコン社のプリズムカプラーモデル２０１０でも屈折率測定を実施したところ、波長６３３ｎｍのレーザーで屈折率は１．３８であった。

この散乱粒子含有膜の表面粗さをケーエルエー・テンコール社製Ｐ−１５型を使用して測定した。０．５μスキャンさせて測定したところＲａ＝８ｎｍ、Ｒｍａｘ＝１２０ｎｍであった。

また散乱粒子含有膜の平行光線に対する透過ロス光（散乱ロス光）は、波長５５０ｎｍで５２％であった。測定にはヒューレッドパッカード社の分光光度計を用い、レファレンスとしては塗布膜を形成する前のガラス基板を用いた。

この散乱粒子含有膜上にＩＴＯ（インジウムティンオキサイド）を１１５ｎｍ厚で常温スパッタして透明電極を形成し、さらに三菱化学（株）製塗布型ホール注入材料 ＰＣ１０２０ を３０ｎｍ形成後、ＮＰＢ（ナフチルペンチルベンジジン）層４５ｎｍ、ＡｌＱ３（アルミキノリン錯体、緑色発光色素）６０ｎｍを蒸着により形成し、最後に蒸着によりアルミニウムの反射電極を８０ｎｍ厚さに形成した。ＩＴＯ層の屈折率を測定したところ２．０４（５５０ｎｍ）であった。得られたＥＬ素子は、ガラス基板／低屈折率層／散乱粒子含有膜／透明電極（ＩＴＯ）／有機発光層／反射電極（Ａｌ）の積層体である。

（実施例２）：散乱粒子含有膜／ガラス基板／低屈折率層／散乱粒子含有膜／透明電極（ＩＴＯ）／有機発光層／反射電極（Ａｌ）という構成の有機ＥＬパネルを作製した。

実施例１において、光散乱層の塗布の際に裏面に保護フィルムを貼らずにディップ塗布を実施した以外は全く同様にしてＥＬ素子を作製した。得られたＥＬ素子は、散乱粒子含有膜／ガラス基板／低屈折率層／散乱粒子含有膜／透明電極（ＩＴＯ）／有機発光層／反射電極（Ａｌ）の積層体である。

有機ＥＬ素子を示す概略部分断面図である。 本発明による他の実施形態の有機ＥＬ素子を示す概略部分断面図である。 本発明による他の実施形態の有機ＥＬ素子の光散乱層の平均粗さ種々倍率の有機材料層膜厚（粗面界面から有機発光層まで）と、電圧印加時に電極面積（最大発光部面積）に対する非発光部面積の比率を示すグラフである。

符号の説明

１ 有機ＥＬ素子
２ 透明基板
３ 透明電極
４ 有機材料層
５ 金属電極
６ 光散乱層
４２ ホール輸送層
４３ 有機発光層
４４ 電子輸送層

Claims (16)

1. 順に積層された第１電極、少なくとも有機発光層を含む積層された有機材料層、及び第２電極からなる有機ＥＬ素子であって、
   前記有機発光層からの発光光が透過するように前記第１及び２電極の少なくとも一方外側に配置されかつ粗面を構成する粗面界面を含む光散乱層を有し、
   前記有機材料層は、ｄ≧５×Ｒａの関係（ただしｄは前記有機材料層の平均膜厚を、Ｒａは前記粗面界面の平均粗さを示す）を満たす膜厚を有することを特徴とする有機ＥＬ素子。
2. 前記有機材料層は、ｄ≧１０×Ｒａの関係（ただしｄは前記有機材料層の平均膜厚を、Ｒａは前記粗面界面の平均粗さを示す）を満たす膜厚を有することを特徴とする請求項１記載の有機ＥＬ素子。
3. 前記有機材料層の一部または全ては加熱処理を施して作製されたことを特徴とする請求項１又は２記載の有機ＥＬ素子。
4. 前記有機材料層の一部または全ては塗布法にて作製されたことを特徴とする請求項１又は２記載の有機ＥＬ素子。
5. 前記有機材料層は前記有機発光層に関して互いに反対側に配置されたホール輸送層及び電子輸送層の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の有機ＥＬ素子。
6. 前記有機材料層は前記有機発光層に関してそれぞれ前記ホール輸送層及び電子輸送層の外側に配置されたホール注入層及び電子注入層の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の有機ＥＬ素子。
7. 前記光散乱層は３０％以上の光散乱率を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の有機ＥＬ素子。
8. 前記有機材料層に関して前記光散乱層の外側に配置された低屈折率層を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか記載の有機ＥＬ素子。
9. 前記低屈折率層は１．３以下の屈折率を有することを特徴とする請求項８記載の有機ＥＬ素子。
10. 前記低屈折率層はシリカを含むことを特徴とする請求項８又は９記載の有機ＥＬ素子。
11. 前記有機材料層に関して前記第１電極の外側に配置されたガスバリア層を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載の有機ＥＬ素子。
12. 前記ガスバリア層は高分子薄膜及び無機薄膜の積層又は高分子薄膜若しくは無機薄膜であることを特徴とする請求項１１記載の有機ＥＬ素子。
13. 前記光散乱層は散乱粒子が分散した散乱粒子含有膜であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか記載の有機ＥＬ素子。
14. 前記散乱粒子は０．１〜１μｍの粒径を有することを特徴とする請求項１３記載の有機ＥＬ素子。
15. 前記散乱粒子はＴｉＯ_xである請求項１３又は１４記載の有機ＥＬ素子。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の有機ＥＬ素子の前記光散乱層に用いる光散乱膜。

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