JP2009087784A - 白色発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】対向する電極3,4と、EL発光する有機材料及び/又は無機ナノ粒子を有する発光層Aと、PL発光する無機ナノ粒子を有する発光層Bと、発光層Aで発生した光を素子内部で共振させる対向する反射層5,6とを有し、発光層Aで発生した光と発光層Bで発生した光によって白色光が形成される白色発光素子であって、前記対向する電極3,4のうち、一方の電極又はその電極に隣接する層が、全反射機能を有し且つ前記反射層の一方の層として形成され、他方の電極又は該電極に隣接する層が、半透明反射機能を有し且つ前記反射層の他方の層として形成されているように構成して、上記課題を解決した。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の白色発光素子の基本的な素子構造を示す模式断面図である。本発明の白色発光素子1は、図1に示すように、対向する電極3,4と、エレクトロルミネッセンス(EL)により発光する有機材料及び/又は無機ナノ粒子をEL材料として有する発光層Aと、フォトルミネッセンス(PL)により発光する無機ナノ粒子をPL材料として有する発光層Bと、発光層Aで発生した光を素子内部で共振させる対向する反射層(5,6)とを有し、発光層Aで発生した光と発光層Bで発生した光によって白色光が形成される白色発光素子である。
本発明の白色発光素子の種々の実施形態を図2〜図6に挙げて具体的に説明する。なお、半透明反射機能を有する層を半透明反射層5といい、全反射機能を有する層を全反射層6という。
次に、本発明の白色発光素子の構成要素について詳しく説明する。本発明の白色発光素子1は、特に発光層A、発光層B、及び半透明反射層5と全反射層6とからなる共振器構造からなる特徴的な構成を備えることによって色純度の向上等の優れた効果を奏するものであれば、以下に示す具体的な材料等を任意に適用することができるが、以下の具体例のみに限定解釈されるものではない。
基板としては、透明な基板2であっても、透明でない基板2’であってもよいが、白色発光素子1がボトムエミッション型の素子構造である場合(図1、図2、図5を参照)には、白色光が出射する側に存在するので、透明な基板2である必要がある。一方、白色発光素子1がトップエミッション型の素子構造である場合(図3、図4、図6を参照)には、必ずしも透明である必要はなく、不透明材料で形成してもよい。基板の種類や形状、大きさ、厚さ等の構造は特に限定されるものではなく、発光素子の用途や基板上に積層する各層の材質等により適宜決めることができる。例えば、Al等の金属、ガラス、石英又は樹脂等の各種の材料からなるものを用いることができる。具体的には、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。また、基板の形状としては、枚葉状でも連続状でもよく、具体的には、例えばカード状、フィルム状、ディスク状、チップ状等を挙げることができる。
陽極3,陰極4は、EL材料を有する発光層Aに正孔と電子を供給するための電極であり、通常は、図1〜図6に示すように、陽極3は基板上に設けられ、陰極4は少なくとも発光層Aを陽極3との間に挟んだ状態で、その陽極3に対向して設けられる。
発光層Aは、エレクトロルミネッセンス(EL)により発光する有機材料及び/又は無機ナノ粒子を有するEL発光層であり、陽極3と陰極4とに挟まれた態様で設けられる。この発光層Aでは、陽極3から供給された正孔(ホール)と陰極4から供給された電子(エレクトロン)とが再結合し、その再結合によって生じた励起子(エキシトン)によって発光層Aに含まれたEL材料が発光する。この発光層Aは、図1〜図6の各図では単層として示しているが、2層以上の複数層として設けても構わない。
発光層Bは、フォトルミネッセンス(PL)により発光する無機ナノ粒子を有するPL発光層であり、図1〜図6に示すように、半透明反射層5と全反射層6とに挟まれた態様で設けられる。この発光層Bは、PL材料を含有し、発光層Aで発生した光を受けてそのPL材料が発光する。この発光層BでのPL発光は、発光層AでEL発光した光によって発光するものであり、EL発光した光を励起エネルギー源として用い、光キャリアの再結合で生じた励起子によって発光するものである。なお、この発光層Bが発光層Aに隣接し、陽極3と陰極4とで挟まれた態様で設けられている場合には、両電極3,4から供給されたキャリア(電荷)の再結合によって生じた励起子の影響を受けてPL材料がEL発光することもあるが、いずれにしても、この発光層Bでは、含まれるPL材料が所定の色を発光する。
反射層は、EL材料から発生した光を素子内部で共振させる層であり、発光層Aを挟むように対向する層である。この反射層は、全反射機能を有する層(全反射層6)と、半透明反射機能を有する層(半透明反射層5)とで構成されている。半透明反射層5と全反射層6は、陰極4又は陽極3と併用した態様で設けられていてもよいし、それぞれの機能層として単独で設けられていてもよい。すなわち、全反射層6は、対向する電極3,4のうち、一方の電極又はその電極に隣接する層として形成され、半透明反射層5は、対向する電極3,4のうち、他方の電極又はその電極に隣接する層として形成されている。
正孔輸送層9は、陽極3から供給された正孔(ホール)を発光層Aに輸送するように作用し、図2(D)、図4(L)、図5、図6(N)(P)に示すように、陽極3上、又は陽極3上に設けられた半透明反射層5上に独立して設けることができる。また、用いる材料によっては、陰極4から発光層Aに供給された電子をブロックする電子ブロック層としても機能させることができる。正孔輸送層9の形成材料としては、例えばアリールアミン誘導体、アントラセン誘導体、カルバゾール誘導体、チオフェン誘導体、フルオレン誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、スピロ化合物等を挙げることができる。なお、発光層Bが陽極3と発光層Aとの間に設けられている場合、その発光層Bは、正孔輸送材料をホスト材料として含むので、この正孔輸送層9は設けなくてもよい。
電子輸送層7は、各図に示すように、陰極4から供給された電子を発光層Aに輸送するように作用する。電子輸送層7の形成材料としては、例えば金属錯体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、シリル化合物等が挙げられる。例えば、フェナントロリン類の具体例としては、バソキュプロイン、バソフェナントロリン等が挙げられ、金属錯体の具体例としては、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム錯体(Alq3)等が挙げられる。オキサジアゾール誘導体としては、(2−(4−ビフェニリル)−5−(4−tert−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール)(PBD)等が挙げられる。
電子注入層8は、陰極4から電子が注入され易いように作用する。電子注入層8の形成材料としては、アルミニウム、フッ化リチウム、ストロンチウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、酸化アルミニウム、酸化ストロンチウム、カルシウム、ポリメチルメタクリレートポリスチレンスルホン酸ナトリウム、リチウム、セシウム、フッ化セシウム等のようにアルカリ金属類、及びアルカリ金属類のハロゲン化物、アルカリ金属の有機錯体等を挙げることができる。
パッシペーション層10は、図3(E)(F)及び図4(I)〜(L)に示すように、厚さの薄い半透明反射層5が陰極4を兼ねる場合にその半透明反射層5上に設けられ、半透明反射層5の下に設けられた電子輸送層等の層が水蒸気や酸素で劣化しないようするために必要に応じて設けられる層である。こうしたパッシペーション層10の形成材料としては、SiOx、SiNx、SiCx、パリレンやこれらの多層膜等を挙げることができる。その厚さは、形成材料によっても異なるが、水蒸気や酸素で劣化しない程度の厚さで形成される。
保護層11は、図3及び図6に示すように、電子注入層8上に設けられている。この保護層11は、電子注入層8上に陰極4を設ける場合に、その電子注入層8に加わるダメージを軽減するために設けられる。そして、陰極4は、この保護層11上に設けられる。保護層11の形成材料としては、ZnS等の無機半導体材料、通常の有機ELで用いられる有機材料やその有機材料に酸化剤を導入して導電率を向上させた混合薄膜、等を挙げることができる。こうした保護層11は、例えば蒸着法等の成膜手段によって、例えば10nm〜1000nm程度の厚さで形成される。さらにこの保護層の厚みを利用して、保護層上部にITO等の半透過反射層を形成して共振器構造にすることも可能である。
本発明の白色発光素子には、必要に応じて、後述の実施例に記載のような正孔注入層(図示しない)を設けてもよい。この正孔注入層は、通常は陽極3上に好ましく設けられ、陽極3から正孔(ホール)が注入され易いように作用する。正孔注入層の形成材料としては、例えばポリ(3、4)エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホネート(略称PEDOT/PSS、バイエル社製、商品名;Baytron P AI4083、水溶液として市販。)等、従来から正孔注入層形成用材料として知られているものを用いることができる。
ガラス基板の上に透明陽極、正孔注入層、正孔輸送材料中に無機ナノ粒子を含有する発光層B、正孔輸送層、青色EL発光する発光層A、正孔阻止層、電子輸送層、電子注入層、陰極の順番に成膜して積層し、最後に封止して白色発光素子を作製した。透明陽極と正孔注入層以外は、水分濃度0.1ppm以下、酸素濃度0.1ppm以下の窒素置換グローブボックス内で作業を行った。
実施例1において、発光層Bの厚さを100nmにして作製して、さらに正孔注入層の厚みを60nmにした他は、実施例1と同様にして、ボトムエミッション型の素子構造からなる実施例2の白色発光素子を作製した。
実施例1において、発光層Bの厚さを100nmにし、さらに発光層Bに含まれる無機ナノ粒子のキャッピング化合物にTOPOではなくトリフェニルアミン基であるPL材料を用いて作製して、さらに正孔注入層の厚さを60nmにした他は、実施例1と同様にして、ボトムエミッション型の素子構造からなる実施例3の白色発光素子を作製した。
実施例1において、透明陽極(ITO)の代わりにITO(厚さ:10nm)/全反射機能を持つAg(厚さ:100nm)/ITO(厚さ:10nm)の積層膜を全反射層を兼ねる陽極として用い、さらに発光層Bに含まれる無機ナノ粒子のキャッピング化合物にTOPOではなくトリフェニルアミン基であるPL材料を用いるとともにその発光層Bの厚さを100nmにし、さらに電子注入層であるLiF(厚さ:0.5nm)上に、半透明反射性の陰極としてCa(厚さ:15nm)、保護層としてNPD(厚さ:235nm)、2つ目の半透明反射層としてIZO(厚さ:150nm)を順次成膜して作製した以外は、実施例1と同様にして、トップエミッション型の素子構造からなる実施例4の白色発光素子を作製した。
実施例1において、半透明反射層として機能する厚さ10nmのAgを成膜しなかった他は、実施例1と同様にして、ボトムエミッション型の素子構造からなる比較例2の白色発光素子を作製した。
実施例1において、発光層Bを構成する緑色発光する無機ナノ粒子の代わりに緑色有機蛍光材料である2,3,6,7−テトラヒドロー1,1,7,7−テトラメチル−1H,5H,11H−10−(2−ベンゾチアゾリル)キノリジノ−[9,9a,1gh]クマリン(C545Tと略す)を用い、さらに赤色発光する無機ナノ粒子の代わりに赤色有機蛍光材料である9−ジエチルアミノベンゾ[a]フェノキサゾール(ナイルレッド又はNileRedと略す)を用いて発光層Bを作製した以外は、実施例1と同様にして、ボトムエミッション型の素子構造からなる比較例2の白色発光素子を作製した。
図7は、実施例1の白色発光素子で得られた発光スペクトルと、実施例1の発光層Aで用いた青色発光材料(TBP)のみの蛍光発光スペクトルとを示したグラフである。図7に示すように、実施例1の白色発光素子で得られた発光スペクトルから、EL発光した青色光が発光層Bで色変換されて赤色光と緑色光が発光していることが分かる。そして、実施例1の白色発光素子で得られた発光スペクトルにおいて、その青色光のスペクトルの半値幅は、青色発光材料(TBP)のみの蛍光発光スペクトルの半値幅に比べて小さくなっているのがわかる。
2,2’ 基板
3 陽極
4 陰極
5 半透明反射層
6 反射層
7 電子輸送層
8 電子注入層
9 正孔輸送層
10 パッシペーション層
11 保護層
21,22 無機ナノ粒子
Claims (11)
- 対向する電極と、エレクトロルミネッセンス(EL)により発光する有機材料及び/又は無機ナノ粒子を有する発光層Aと、フォトルミネッセンス(PL)により発光する無機ナノ粒子を有する発光層Bと、前記発光層Aで発生した光を素子内部で共振させる対向する反射層とを有し、前記発光層Aで発生した光と前記発光層Bで発生した光によって白色光が形成される白色発光素子であって、
前記対向する電極のうち、
一方の電極又は該電極に隣接する層が、全反射機能を有し且つ前記反射層の一方の層として形成され、
他方の電極又は該電極に隣接する層が、半透明反射機能を有し且つ前記反射層の他方の層として形成されている、ことを特徴とする白色発光素子。 - 前記半透明反射機能を有した電極又は隣接層が、前記発光層Aから発した発光スペクトルを半値幅の狭い発光スペクトルに変化させるように形成されている、請求項1に記載の白色発光素子。
- 前記発光層Aは、青色発光する有機材料及び/又は青色発光する無機ナノ粒子を有し、前記発光層Bは、赤色発光する無機ナノ粒子と緑色発光する無機ナノ粒子とを有する、請求項1又は2に記載の白色発光素子。
- 前記発光層Aは、紫外発光する有機材料及び/又は紫外発光する無機ナノ粒子を有し、前記発光層Bは、青色発光する無機ナノ粒子と赤色発光する無機ナノ粒子と緑色発光する無機ナノ粒子とを有する、請求項1又は2に記載の白色発光素子。
- 前記半透明反射機能を有した電極又は隣接層が、前記発光層Aから発した発光スペクトルを減衰させて出射効率が小さくなるように形成されている、請求項4に記載の白色発光素子。
- 前記無機ナノ粒子が、その粒径によって発光色を調整できる半導体微粒子、及び/又は、ドーパントを有する半導体微粒子である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の白色発光素子。
- 前記発光層Aと発光層Bのそれぞれが、1層又は2層以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の白色発光素子。
- 前記半透明反射機能を有した反射層が前記電極に隣接した層として形成されている場合において、該電極と該反射層とが前記発光層Bを介して形成されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の白色発光素子。
- 前記半透明反射機能を有した反射層が、前記対向する電極間、及び/又は電極外に1層以上形成されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の白色発光素子。
- 前記半透明反射機能を有した電極又は隣接層が、前記発光層Bから発した発光を減衰させないように形成されている、請求項1〜9に記載の白色発光素子。
- 前記白色光が前記半透明反射機能を有した層が形成されている側から取り出されるトップエミッション型の素子構造又はボトムエミッション型の素子構造である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の白色発光素子。
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