JP2009010290A - 有機エレクトロルミネッセンス装置及び有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機ＥＬ素子の長期連続駆動において高い耐久性を示し、且つエネルギー損失の少ない有機ＥＬ素子の駆動方法を提供する。
【解決手段】陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子１０１と、順方向の直流電圧に周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を重畳した電圧を、有機エレクトロルミネッセンス素子１０１に印加して駆動する駆動手段１０６とを有し、重畳した電圧の最小値は有機エレクトロルミネッセンス素子１０１の発光開始電圧より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法及びその有機エレクトロルミネッセンス素子を有する装置に関する。特に耐久性の向上を図れる有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法及びその有機エレクトロルミネッセンス素子を有する装置に関する。

有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）は、電界を印加することによって陽極から注入された正孔と、陰極から注入された電子の再結合エネルギーによって有機材料から成る発光層が発光する原理を利用した自発光素子である。Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇらによる積層型素子による低電圧駆動有機ＥＬ素子の報告（非特許文献１参照）がなされて以来、有機材料を構成材料とする有機ＥＬ素子に関する研究が盛んに行われている。Ｔａｎｇらは、トリス（８−キノリノール）アルミニウムを発光層に、トリフェニルジアミン誘導体を正孔輸送層に用いている。積層構造の利点としては、発光層への正孔の注入効率を高めること、陰極より注入された電子をブロックして再結合により生成する励起子の生成効率を高めること、発光層内で生成した励起子を閉じこめることなどが挙げられる。

この例のように有機ＥＬ素子の素子構造としては、正孔輸送（注入）層、電子輸送性発光層の２層型、又は正孔輸送（注入）層、発光層、電子輸送（注入）層の３層型等がよく知られている。こうした積層型構造素子では注入された正孔と電子の再結合効率を高めるため、様々な有機材料や素子構造、形成方法の工夫がなされており、高輝度な発光で低駆動電圧な有機ＥＬ素子が得られている。しかしながら、直流電圧印加により連続駆動を行った場合、数時間で光出力の低下及び駆動電圧の上昇が観測され、ついには短絡モードで有機ＥＬ素子自体の破壊が生じる。この有機ＥＬ素子の劣化について、以下のような原因が考えられている。すなわち、発光層とキャリヤ輸送（注入）層との界面近傍に集中する局所的な発光に起因した有機分子の化学的性質の変化による劣化、発光層界面での空間電荷の蓄積によるキャリヤ注入性の悪化、一定方向の電界印加による有機分子の誘電分極に起因した素子の電気的性質の変化などである。

そこで、これらの直流電圧による連続駆動に伴う素子の劣化を抑制するため、材料面からの検討及び有機ＥＬ素子の駆動方法によって耐久性を向上する試みがこれまでなされている。駆動法によって耐久性を向上する試みとして、水谷ら（特許文献１参照）の報告がある。この報告では、ホール注入輸送層／発光層から構成される有機ＥＬ素子を５ｍＡ／ｃｍ²の定電流下で素子を１時間連続駆動した場合、顕著な劣化が生じるが、その後、素子に逆バイアスを印加することにより、初期輝度まで発光輝度を復活させることが可能であるとしている。この場合、逆バイアスを印加しない場合は素子特性の復活は観測されないと報告している。雨宮ら（特許文献２参照）は有機ＥＬ素子に直流電圧を印加し、さらに間欠的に逆方向電圧を印加することにより、素子の連続駆動の耐久性向上を図ることができると報告している。

また、大沼ら（特許文献３参照）も同様に逆極性パルスを印加し耐久性の向上を図ると共に、逆極性パルスの印加時間に応じて発光効率の改善度が違うことを利用して、逆極性パルスの印加時間を変化させることにより階調表示が可能であることを報告している。遠藤ら（特許文献４参照）も１周期に１度は極性が変わる交流電圧（正弦波、短型波、三角波、あるいはそれらの組み合わせ等）を印加することにより、耐久性が向上することを報告している。また、安達ら（特許文献５参照）は直流電圧に間欠的に順方向電圧のパルスを重畳することにより、耐久性が向上することを報告している。
Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ、Ｓ．Ａ．ＶａｎＳｌｙｋｅ、アプライドフィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、５１巻、９１３頁、１９８７年 特開平３−１１０７８６号公報 特開平４−３０８６８７号公報 特開平４−５１４９０号公報 特開平４−３４９３８８号公報 特開平７−２３０８８０号公報

しかしながら、逆極性の電圧を適宜印加する駆動方法の場合、逆極性の電圧を印加する期間は非発光となり、素子に投入されるエネルギーを損失するという問題が生じる。また、間欠的に順方向電圧のパルスを重畳する駆動方法においても、重畳するパルスの大きさや周波数によっては非発光期間が生じてしまい、同じくエネルギーを損失することになる。

本発明の目的は、有機ＥＬ素子の長期連続駆動において高い耐久性を示し、且つエネルギー損失の少ない有機ＥＬ素子の駆動方法を提供することにある。

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）をある特定な駆動方法（又は駆動手段）で駆動し、発光層内での発光のピーク位置を周期的に移動せしめることで、耐久性の向上を図るものである。つまり、従来は電子とホールの再結合によって生じる発光が定常的に、発光層とキャリヤ輸送（注入）層との界面近傍に集中するため、局所的に有機分子がダメージを受けて化学的性質が変化していき、劣化すると考えられる。この界面近傍に集中する発光を防ぎ、周期的に発光のピーク位置を移動せしめることで、有機分子へのダメージを低減させることができる。

すなわち、本発明の有機エレクトロルミネッセンス装置は、陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子と、
順方向の直流電圧に周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を重畳した電圧を、前記有機エレクトロルミネッセンス素子に印加して駆動する駆動手段とを有し、
前記重畳した電圧の最小値は前記有機エレクトロルミネッセンス素子の発光開始電圧より大きいことを特徴とする。

また、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法は、陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法において、
順方向の直流電圧に、周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を重畳した、最小値が前記有機エレクトロルミネッセンス素子の発光開始電圧より大きい電圧を、前記有機エレクトロルミネッセンス素子に印加して駆動することを特徴とする。

前記交流電圧は正弦波、３値以上の矩形波、三角波のいずれかであってもよい。

本発明によれば、長期連続駆動において高い耐久性を示し、且つエネルギー損失の少ない有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することが可能となる。

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。図１は、本発明の実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス装置を説明する図である。本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス装置（有機ＥＬ装置）は有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）と駆動手段となる駆動部とからなる。

有機ＥＬ素子１０１は基板１０２上に積層された陽極１０３、有機層からなる発光層１０４、陰極１０５から成り、駆動部１０６は直流電圧を印加する直流電圧発生手段１０７と、順方向の交流電圧を発生する交流電圧発生手段１０８から構成される。発光層の他に電子輸送層や有機層からなる正孔輸送層を有してもよい。駆動部１０６の両端はそれぞれ有機ＥＬ素子１０１の陽極１０３と陰極１０５に接続され、駆動部１０６で生成された電圧が印加される。有機ＥＬ素子１０１に電圧が印加されることにより電流が流れ、発光する。

図２は、本発明における有機ＥＬ素子に印加する電圧波形を示す図であり、駆動部１０６で生成される駆動電圧波形を説明するものである。図２の電圧波形は、振幅Ｖｄｃ２０１の直流電圧に、振幅Ｖａｃ２０２の交流電圧が重畳されたものである。交流電圧の周期Ｔ２０３は、交流周波数ｆの逆数（１／ｆ）である。

図２のような電圧波形を印加することによって、従来の単に直流電圧を印加する場合と比較して後述する理由により耐久性の向上を図ることが可能となる。さらに、交流電圧が順方向バイアスであるため、逆バイアス印加の場合と比較してエネルギーを損失することが少ない。ここで、Ｖａｃ２０２と交流周波数ｆをある特定の範囲に規定することによって、有機ＥＬ素子１０１の耐久性を効果的に向上し、更にはエネルギーの損失を低減することができる。なお、交流電圧は直流電圧を基準に変動すれば正弦波でなくともよく、三角波であってもよい。矩形波でもよいが、発光位置をなるべく分散させるという点からは、３以上のレベルを持つ多値の矩形波が望ましい。

本実施形態の有機ＥＬ装置は、例えば基板上に酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）等の複数の透明電極（陽極）、有機エレクトロルミネッセンス層、陽極に直交する複数の背面電極（陰極）を順に積層し形成したＸＹマトリックス型の表示装置に適用できる。

このドットマトリックスにおける１つの有機エレクトロルミネッセンス素子部分が図１の有機ＥＬ素子１０１に相当しており、１つの画素に対応させて発光させる。このようなマトリックス型の有機ＥＬ表示装置においては、直交した各電極の１交点が１画素に対応しており、複数のＸ電極（走査電極）と複数のＹ電極（信号電極）の電圧を制御することによって各画素の階調表示を行う。また、画素を非発光とする場合、印加する直流電圧を０とする、或いは逆バイアスの直流電圧を印加する、或いは交流電圧のみを印加する、等の方法が考えられるが、かかる方法に特に限定されない。

本実施形態の駆動方法を用いた場合の寿命耐久試験については後述するが、その前に本実施形態による効果が得られる交流電圧振幅Ｖａｃ２０２と交流周波数ｆの値について、シミュレーションの結果に基づき詳細に説明する。

シミュレーションは、陽極、アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）を材料とする発光層、陰極の３層で構成された有機ＥＬ素子に電圧を印加し、電流・電圧（Ｉ−Ｖ）特性（これは直流電圧のみで計算）と発光レートの空間分布を求める１次元の計算を行った。Ａｌｑ３の膜厚は５０ｎｍとし、ＬＵＭＯ（最低空軌道）エネルギー準位の仕事関数を３．０ｅＶ、ＨＯＭＯ（最高被占軌道）エネルギー準位の仕事関数を５．７ｅＶとした。また、陽極の仕事関数は５．５ｅＶ、陰極の仕事関数は３．３ｅＶとし、それぞれ膜厚は１００ｎｍとした。各層界面での電子・ホールの発光層への注入は、各仕事関数に依存して決定されるものとした。これをＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ型移動度モデル及びランジュバン型再結合モデルを用いて発光層中の電子、ホール及び励起子について計算した。また、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間の状態密度関数は、バンドエネルギーを関数としたボルツマン分布で与えた。電子とホールの移動度はそれぞれ
電子： 1.0×E-5(＝1.0×10^-5) cm²/Vs
ホール: 1.0×E-7 (＝1.0×10^-7) cm²/Vs
とした。

図３は、上記シミュレーションによって得られたＩ−Ｖ特性を示すものである。このＩ−Ｖ特性は直流電圧のみを印加した場合の静特性の結果であり、電圧は０〜３Ｖまで変化させている。図３から、このモデルでは印加電圧が発光開始電圧の２Ｖを超えると急激に電流が流れ始め、発光を生じることを示している。

図４は、本シミュレーションモデルの有機ＥＬ素子に印加する電圧波形の１実施例を示すものである。図３のＩ−Ｖ特性の結果から、まず直流電圧Ｖｄｃ２０１を決定する。直流電圧Ｖｄｃは本実施形態では発光開始電圧の２Ｖより大きい値とすることが望ましく、ここでは、２．５Ｖとした。交流電圧の振幅Ｖａｃは０．２５Ｖとし、ＶａｃとＶｄｃの比（Ｖａｃ／Ｖｄｃ）が１０％となるように設定した。つまり、印加電圧の１周期内の最小値Ｖｍｉｎは２．２５Ｖ（＝２.５Ｖ−０．２５Ｖ）となる。ここでは最小値Ｖｍｉｎは発光開始電圧よりも高い。

次に、交流電圧の周期Ｔは２０ｍｓｅｃ（周波数ｆ＝５０Ｈｚ）とした。この理由についても後述する。

図５は、本シミュレーションモデルの有機ＥＬ素子に印加する電圧波形において、１周期Ｔの電圧波形を拡大して示す図である。図に示すように、１／４周期ごとの時刻をＴ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４と定義し、各時刻での発光層内における発光レートの空間分布の過渡解析をシミュレーションにより行なった。

図６は、図４で示した電圧波形を印加した場合における、図５で示した時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３での発光レートの空間分布を示すものである。縦軸は単位時間、単位体積あたりの再結合回数を表している。横軸は発光層膜厚方向の位置を示しており、図中左端が陽極との界面、右端が陰極との界面にあたる。発光層の膜厚は前述したように５０ｎｍである。

図６から、時刻Ｔ０（Ｔ２）、Ｔ１、Ｔ３での発光レート分布のピーク位置は移動していることがわかる。尚、時刻Ｔ４は図示していないが、時刻Ｔ０（Ｔ２）と一致する。時刻Ｔ０（Ｔ２）における発光レート分布は、陽極界面から７ｎｍ離れた位置で１．２ｅ＋２２／ｓ・ｃｍ^３（＝１．２×１０^２２／ｓ・ｃｍ^３）のピークを示す。また、時刻Ｔ１における発光レート分布は、陽極界面から１１ｎｍ離れた位置で２．０ｅ＋２１／ｓ・ｃｍ^３（＝２．０×１０^２１／ｓ・ｃｍ^３）のピークを示す。また、時刻Ｔ３における発光レート分布は、陽極界面から３ｎｍ離れた位置で３．１ｅ＋２２／ｓ・ｃｍ^３（＝３．１×１０^２２／ｓ・ｃｍ^３）のピークを示す。すなわち、時刻Ｔ０（Ｔ２）を中心として、時刻Ｔ１で＋４ｎｍ、時刻Ｔ３で−４ｎｍ、合計８ｎｍだけ発光レート分布のピーク位置は移動していることになる。これは、発光層の膜厚５０ｎｍに対して、１６％に相当する。

前述したように、有機エレクトロルミネッセンス素子の寿命が短い理由として、電子とホールの再結合によって生じる発光が、発光層とキャリヤ輸送（注入）層との界面近傍に集中することがあげられる。本実施形態は、この問題をある特定の範囲に規定された振幅と周波数の交流電圧を直流電圧に重畳することで解決する。つまり、発光層内での発光レート分布のピーク位置を相対的に振幅の小さい交流電圧の重畳によって周期的に移動せしめることで、耐久性の向上を図る。この振幅と周波数の範囲について以下に詳述する。

図７は、交流電圧振幅Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃの比（Ｖａｃ／Ｖｄｃ）と、発光レート分布のピーク位置移動距離の関係を示す計算結果である。図中、発光レート分布のピーク位置移動距離は、発光層の膜厚に対する比として表している。また、発光開始電圧を２Ｖ、Ｖｄｃはすべて２．５Ｖに固定し、Ｖａｃ／Ｖｄｃは０〜５０％まで変化させて計算を行った。図７から、Ｖａｃ／Ｖｄｃが０〜２０％の場合、発光レート分布のピーク位置移動距離はＶａｃ／Ｖｄｃとほぼ比例関係で増加しているのがわかる。しかし、Ｖａｃ／Ｖｄｃが２０％を超えると、電圧の最小値が非発光の領域に入ってくるので、時刻Ｔ１で非発光となってしまい、エネルギーを損失することになる。この理由は、時刻Ｔ１は図５で説明したように印加する電圧が１周期で最小となる時刻であり、発光の源となる発光層内の電子とホールが急激に減少してしまうためである。従って、印加電圧の１周期内の最小値Ｖｍｉｎが発光閾値以上となるよう交流電圧の振幅を設定することで、本実施形態の効果を得ることが可能となる。

図８は、重畳する交流電圧周波数と、発光レート分布のピーク位置移動距離の関係を示す計算結果である。図中、発光レート分布のピーク位置移動距離は図７と同様、発光層の膜厚に対する比として表している。交流周波数は、１Ｈｚ（１．Ｅ＋０Ｈｚ（＝１×１０^０Ｈｚ））〜１ＧＨｚ（１．Ｅ＋９Ｈｚ（＝１×１０^９Ｈｚ））まで変化させて計算を行った。また、比較のため、Ｖａｃ／Ｖｄｃが１０％と２５％の場合において計算を行った。発光開始電圧は２Ｖ、Ｖｄｃは２．５Ｖとした。図８から、Ｖａｃ／Ｖｄｃが１０％の場合、１Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数領域ではピーク位置移動距離は１６％となり一定である。それに対し、５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数領域では、周波数の増加に応じてピーク位置移動距離は減少していく。さらに、５０ｋＨｚ以上の領域になると、ピーク位置移動距離は０となる。この理由は、周波数が高くなるにつれ、発光層内の電子とホールが電界の時間変動に追従できなくなり、密度分布が１周期内で変化しないためである。すなわち、電子とホールの密度分布に過渡的な変化が生じないので、発光レート分布も変化しなくなる。また、Ｖａｃ／Ｖｄｃが２５％の場合においても同様の傾向を示しており、５０ｋＨｚ以上の領域になると、ピーク位置移動距離は０となる。従って、交流周波数を１０ｋＨｚ以下になるよう設定することで、本発明の効果を得ることが可能となる。尚、使用する画像表示装置の表示方式にもよるが、走査信号のフレーム周波数を考慮すると、フリッカを防止するには、少なくとも３０Ｈｚ以上となるように設定することが好ましい。

本発明の効果を確認するため、以下に示す寿命耐久試験を行った。まず、使用した有機エレクトロルミネッセンス素子の作製方法を説明する。

ガラス基板上に電極面積３．１４ｍｍ^２から成るＩＴＯ電極をパターンニングし、これをアノードとした。ＩＴＯ電極上に、ホール輸送層として水溶性のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをスピンコートにより塗布した。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを２００℃で２０分間ベークし、約３０ｎｍのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを形成した。続いて、窒素雰囲気中でスピンコートによって、発光層を塗布した。発光層のホスト材料はポリフルオレンとし、ゲスト材料として赤色発光のイリジウム錯体を５重量パーセントドープした。発光層の膜厚は８０ｎｍとした。

次に、電子注入層、カソードを真空チャンバー内での真空蒸着を行った。電子注入層は仕事関数が約２．０ｅＶのＣｓ_２ＣＯ_３であり、カソードはＡｌとした。各々の膜厚は２ｎｍ、１００ｎｍである。最後にＵＶ硬化樹脂をスピンコートして、ＵＶ照射により封止膜とした。

作製した有機ＥＬ素子に６Ｖの直流電圧を印加したところ、輝度１０００ｃｄ／ｍ^２の発光が得られた。また、発光開始電圧は２．５Ｖであった。

寿命耐久試験は、作製した有機エレクトロルミネッセンス素子を初期輝度１０００ｃｄ／ｍ^２で発光させ、初期輝度に対して輝度が半減するまでの時間（以下、輝度半減時間）を測定した。

最初に、直流電圧６Ｖのみを印加して駆動した場合の寿命耐久試験を行なった。その結果、輝度半減時間は１００時間であった。

次に、本発明の駆動方法を用いた場合の寿命耐久試験を、同じ条件で作製した有機エレクトロルミネッセンス素子に対して行なった。ここで、交流電圧の振幅と周波数はシミュレーションによって求められた条件を満たすものを使用した。具体的には、直流電圧６Ｖに、振幅１Ｖの交流電圧を重畳し、交流電圧周波数は１００Ｈｚとした。その結果、輝度半減時間は２００時間となり、約２倍の寿命改善効果が得られた。

本発明は有機エレクトロルミネッセンス装置及び有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法に適用され、特にマトリクスに配された有機ＥＬ素子に電流を流すことで発光する表示装置に利用できる。例えば本発明の有機エレクトロルミネッセンス装置はデジタルカメラ、携帯電話、ＰＤＡ、テレビ等の表示装置に利用できる。

本発明の実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子と駆動部を説明する図である。 本発明における有機エレクトロルミネッセンス素子に印加する電圧波形を示す図である。 シミュレーションによって得られたＩ−Ｖ特性を示すものである。 本シミュレーションモデルの有機エレクトロルミネッセンス素子に印加する電圧波形の１実施例を示すものである。 本シミュレーションモデルの有機エレクトロルミネッセンス素子に印加する電圧波形において、１周期Ｔの電圧波形を拡大して示す図である。 図４で示した電圧波形を印加した場合における、図５で示した時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３での発光レートの空間分布を示すものである。 交流電圧振幅Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃの比（Ｖａｃ／Ｖｄｃ）と、発光レート分布のピーク位置移動距離の関係を示す計算結果である。 重畳する交流電圧周波数と、発光レート分布のピーク位置移動距離の関係を示す計算結果である。

符号の説明

１０１ 有機エレクトロルミネッセンス素子
１０２ 基板
１０３ 陽極
１０４ 発光層
１０５ 陰極
１０６ 駆動部
１０７ 直流電圧発生手段
１０８ 交流電圧発生手段

Claims (4)

1. 陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子と、
   順方向の直流電圧に周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を重畳した電圧を、前記有機エレクトロルミネッセンス素子に印加して駆動する駆動手段とを有し、
   前記重畳した電圧の最小値は前記有機エレクトロルミネッセンス素子の発光開始電圧より大きいことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス装置。
2. 前記交流電圧の周波数は、発光層内の発光ピーク位置が電圧に応じて変化する範囲の周波数であることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス装置。
3. 前記交流電圧は正弦波、３値以上の矩形波、三角波のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス装置。
4. 陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法において、
   順方向の直流電圧に、周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を重畳した、最小値が前記有機エレクトロルミネッセンス素子の発光開始電圧より大きい電圧を、前記有機エレクトロルミネッセンス素子に印加して駆動することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。

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