JP2009117500A

JP2009117500A - 有機ｅｌ素子

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Publication number: JP2009117500A
Application number: JP2007286902A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okubo; 顕治大久保
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】高い光取り出し効率と外光反射によるコントラスト低下の回避を両立させる構成を持つ有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】陽極及び陰極が光透過性を持つ電極よりなる有機ＥＬ素子において、一方の電極３の外側に光反射吸収層２が形成され、該電極３と該光反射吸収層２の形成する界面が素子の発光波長に対して１％以上１０％以下の反射率、及び９０％以上９９％以下の吸収率を持ち、且つ素子の発光層４から該電極３と該光反射吸収層２の界面までの光学距離が発光波長の概略１／４に調整され、発光層４から光取り出し方向の電極５と外界の界面までの光学距離が発光波長の概略１／１６又は１／４に調整されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は有機ＥＬ素子において、高い光取り出し効率と外光反射によるコントラスト低下の回避を両立させる素子構成に関するものである。

有機ＥＬ素子の光取り出し効率を向上させる手法として、一方の電極にＡｇやＡｌなどの高反射層を組み合わせ、且つ素子の膜厚を発光波長に応じて調整している。これにより、光取り出し側への放射光と反射層による反射光の位相を同期させて光学干渉効果を利用する手法が開示されている（特許文献１）。

しかし、このような手法では高反射層による外光反射が大きいため、実用に供するには外光反射低減手法との組み合わせが必須となる。この手法としては、例えば円偏光板を用いた外光反射低減手法が挙げられる。しかし、外光反射が低減できる代わりに、素子の光取り出し効率が半分以下になるというデメリットがある。

もう１つの光取り出し効率向上の手法として、高反射層ではなく光吸収層を用いることで外光反射低減を行ない、実用に供する際に問題となる先述の円偏光板による光取り出し効率低下を回避する手法が開示されている（特許文献２、３、４、５、６）。

特開２０００−３２３２７７号公報特開２００５−３１０７９９号公報特開２００４−３０３４８１号公報特開２００２−１９８１８５号公報特開２００２−０３３１８５号公報特開２０００−０４０５９１号公報

しかし、光吸収層を用いる手法では反射層による光学干渉効果を用いることが出来ないというデメリットがある。

本発明は前記の課題を解決するもので、高い光取り出し効率と外光反射によるコントラスト低下の回避を両立させる構成を持つ有機ＥＬ素子を提供する。

上記課題を解決するための手段として、本発明は、
陽極及び陰極が光透過性を持つ電極よりなる有機ＥＬ素子において、
一方の電極の外側に光反射吸収層が形成され、該電極と該光反射吸収層の形成する界面が素子の発光波長に対して１％以上１０％以下の反射率、及び９０％以上９９％以下の吸収率を持ち、且つ素子の発光層から該電極と該光反射吸収層の界面までの光学距離が発光波長の概略１／４に調整され、発光層から光取り出し方向の電極と外界の界面までの光学距離が発光波長の概略１／１６又は１／４に調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、外光反射を実用に供することの出来る程度に抑えながら、高い光取り出し効率を達成することが出来る。

以下に、本発明をより詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態にかかる有機ＥＬ素子の構成の一例を示す。有機ＥＬ素子は
基板１上に形成されており、光透過性を持つ電極３、５を具備する。電極３の外側に光反射吸収層２が形成されており、電極３と光反射吸収層２の形成する界面による反射率は、素子の発光波長に対して１％以上１０％以下、吸収率は９０％以上９９％以下である。素子の発光層４から電極３と光反射吸収層２の界面までの光学距離が発光波長の概略１／４に調整され、発光層４から光取り出し方向の電極５と外界の界面までの光学距離が発光波長の概略１／１６又は１／４に調整されている。

すなわち、本発明は光吸収特性に加えて所望の光反射特性を持つ光反射吸収層を有機ＥＬ素子に導入することで光学干渉効果を共存させ、外光反射によるコントラスト低下を回避しながら、高い光取り出し効率を両立させるものである。

図２に光学干渉効果を利用した有機ＥＬ素子において、光反射吸収層の反射率と光取り出し効率の相関について検討を行った結果を示す。なお、光学干渉効果を利用するには、光取り出し側電極方向へ照射される発光と、光反射吸収層で反射されて光取り出し側電極へ向かう発光の位相が揃うようにすればよい。そのため、本発明では、素子の発光層から電極と該光反射吸収層の界面までの光学距離を発光波長の概略１／４に調整し、発光層から光取り出し方向の電極と外界の界面までの光学距離を発光波長の概略１／１６又は１／４に調整した。

ここで発光波長の概略１／１６が好適なのは、原理上は発光波長の０倍で位相が揃うが、実際には発光波長の１／１６程度でも充分に高い光取り出し効率を達成出来るという検討結果に基づく。このとき、反射率の高い電極を用いた場合の発光強度を１．０とすると、反射率が無視できるほど小さい場合には光学干渉効果を利用できないため、その強度は０．３５となる。しかし、反射層を導入することで光取り出し効率は急激に増加し、反射率が３％である光反射吸収層を導入した場合には発光強度は０．５４となる。

一般に円偏光板の反射率は表面反射により３〜５％程度存在する。また、反射率の高い電極を用いた素子に円偏光板を組み合わせた場合の光取り出し効率は０．４８程度である。このことから、光吸収層による外光反射低減と光反射層による光学干渉効果の導入を共存させることで、高反射電極＋円偏光板の構成を凌ぐ特性を持つ素子を得ることが出来る。

図２の相関関係において、実際の素子に応用してメリットがあるのは、反射率の増加割合（傾き１）に対して光取り出し強度がそれ以上の増加割合（傾き１以上）を満たす場合である。これは光反射吸収層の反射率が１０％以下の場合である。逆に反射率が小さすぎる場合には光学干渉を用いることが出来ない。検討の結果、１％以上の反射率を持つ素子においては光学干渉が効果的に寄与することがわかっている。

また、反射されない光は一般に散乱や吸収の過程を経るが、散乱は背景輝度を増加させることでコントラストを低下させる原因となる。そのため、光反射吸収層の吸収率は９０％以上９９％以下であることが望ましい。

このような構成を持つ有機ＥＬ素子とすることで、外光反射を実用に供することの出来る程度に抑えながら、高い光取り出し効率を達成することが出来る。

光透過性を持つ電極３、５としてはＩＴＯやＩＺＯといった透明導電膜が好適である。電極３と光反射吸収層２の界面による反射率は、より好適には３％以上５％以下、吸収率は９５％以上９７％以下であり、反射率調整剤としてスチレンを共重合させたアクリル樹脂にカーボンブラックを分散させたものなどが好適である。なお、光透過性を持つ電極の材料及び光反射吸収層の材料としては両者の屈折率が異なる構成であれば良く、この例に限定されるものではない。

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。以下に示す具体例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明はかかる具体的形態に限定されるものではない。

＜実施例１＞
本実施例は、単層からなる光反射吸収層（図１の構成）を持つ素子を作製した。

ポジ型アクリル樹脂レジスト（ＪＳＲ）にスチレンモノマー（キシダ化学）を５ｗｔ％添加し、更にカーボンブラック（東海カーボン：平均粒径１４ｎｍ）を１０ｗｔ％添加したものを用意した。これを大きさ１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚み０．７ｍｍの無アルカリガラス上にスピンコート法で約０．８μｍの膜厚に塗布した。これを２００℃で６０分、Ｎ₂還流下でベークすることで光反射吸収層２を形成した。

これに光透過性電極３としてＩＴＯ薄膜をスパッタにより１２０ｎｍの膜厚で図５の符号３と同形状にマスク成膜した。このときの光反射吸収層２と光透過性電極３の界面が寄与する光反射率は約３％、光吸収率は約９７％である。

このようにして得られた基板上に有機層を真空蒸着法により全面に形成した。蒸着は順にＣｕＰｃを１０ｎｍ、α−ＮＰＤを１０ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層を２０ｎｍ、Ａｌｑ３を５ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｓ₂ＣＯ₃の９５：５の共蒸着層を１０ｎｍの膜厚に形成した。ここでＡｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層は発光を生じる領域であり、発光層４に相当する。

更にその上に光透過性電極５としてＩＴＯ薄膜をスパッタにより２０ｎｍの膜厚で図５の符号５と同形状にマスク成膜した。

なお、この場合の発光層４から光反射吸収層２と光透過性電極３の界面までの光学距離は１４０ｎｍであり、発光波長の概略１／４となっている。また、発光層４から光取り出し方向の光透過性電極５と外界の界面までの光学距離は３５ｎｍであり、発光波長の概略１／１６となっている。

この素子に光透過性電極３を陽極、光透過性電極５を陰極として１ｍＡの電流を印加することにより、発光を確認することができる。

＜実施例２＞
本実施例は、二層からなる光反射吸収層（図３の構成）を持つ素子を作製した。

ポジ型アクリル樹脂レジスト（ＪＳＲ）にカーボンブラック（東海カーボン：平均粒径１４ｎｍ）を１０ｗｔ％添加したものを用意した。これを大きさ１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚み０．７ｍｍの無アルカリガラス上にスピンコート法で約０．８μｍの膜厚に塗布した。これを５００℃で６０分、Ｎ₂還流下で焼成することで光吸収層２ａを形成した。

この上にポジ型アクリル樹脂レジスト（ＪＳＲ）にスチレンモノマー（キシダ化学）を５ｗｔ％添加したものをスピンコート法で約０．１μｍの膜厚に塗布した。これを２００℃で６０分、Ｎ₂還流下でベークすることで光反射層２ｂを形成した。

これに光透過性電極３としてＩＴＯ薄膜をスパッタにより１２０ｎｍの膜厚で図５の符号３と同形状にマスク成膜した。このときの光反射層２ｂと光透過性電極３の界面が寄与する光反射率は約３％、光吸収率は約９７％である。

この素子に光透過性電極３を陽極、光透過性電極５を陰極として１ｍＡの電流を印加することにより、発光を確認することができる。その発光強度は実施例１とほぼ同一である。

＜実施例３＞
本実施例は、光反射吸収層が電極を兼ねる、つまり光反射吸収電極を有する素子（図４の構成）を作製した。

大きさ１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚み０．７ｍｍの無アルカリガラス上に導電性を持つ光反射吸収層２としてカーボン膜を蒸着により１２０ｎｍの膜厚で図５の符号３と同形状にマスク成膜した。なお、カーボン膜上にα−ＮＰＤを１００ｎｍの膜厚に蒸着し、その界面が寄与する光反射率を求めると約５％、光吸収率は約９５％となる。

このようにして得られた基板上に有機層を真空蒸着法により全面に形成した。蒸着は順にＶ₂Ｏ₅を１０ｎｍ、ＣｕＰｃを１０ｎｍ、α−ＮＰＤを１２０ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層を２０ｎｍ、Ａｌｑ３を５ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｓ₂ＣＯ₃の９５：５の共蒸着層を１０ｎｍの膜厚に形成した。ここでＡｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層は発光を生じる領域であり、発光層４に相当する。

なお、この場合の発光層４から光反射吸収層２までの光学距離は１４０ｎｍであり、発光波長の概略１／４となっている。また、発光層４から光取り出し方向の光透過性電極５と外界の界面までの光学距離は３５ｎｍであり、発光波長の概略１／１６となっている。

＜比較例１＞
本比較例は、光反射を考慮しない素子を作製した。

ポジ型アクリル樹脂レジスト（ＪＳＲ）にカーボンブラック（東海カーボン：平均粒径１４ｎｍ）を１０ｗｔ％添加したものを用意した。これを大きさ１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚み０．７ｍｍの無アルカリガラス上にスピンコート法で約０．８μｍの膜厚に塗布した。これを２００℃で６０分、Ｎ₂還流下でベークすることで光吸収層を形成した。

これに光透過性電極としてＩＴＯ薄膜をスパッタにより３０ｎｍの膜厚で図５の符号３と同形状にマスク成膜した。

このようにして得られた基板上に有機層を真空蒸着法により全面に形成した。蒸着は順にＣｕＰｃを１０ｎｍ、α−ＮＰＤを１０ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層を２０ｎｍ、Ａｌｑ３を２０ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｓ₂ＣＯ₃の９５：５の共蒸着層を２０ｎｍの膜厚に形成した。ここでＡｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層は発光層である。

更にその上にＩＴＯ薄膜をスパッタにより３０ｎｍの膜厚で図５の符号５と同形状にマスク成膜した。

なお、この場合の発光層から光吸収層とＩＴＯ薄膜の界面までの光学距離は５０ｎｍであり、発光波長の概略１／４を満たしていない。また、発光層から光取り出し方向のＩＴＯ薄膜と外界の界面までの光学距離は７０ｎｍであり、発光波長の概略１／１６及び１／４のいずれも満たしていない。

光吸収層側のＩＴＯ薄膜を陽極、光取り出し側のＩＴＯ薄膜を陰極として１ｍＡの電流を印加することにより、発光を確認することができる。

＜比較例２＞
本比較例は、光反射率の高い層を導入し、光学干渉を用いた素子を作製した。

大きさ１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚み０．７ｍｍの無アルカリガラス上にＡｌを蒸着により１００ｎｍの厚みで図５の符号３と同形状にマスク成膜した。更にその上にＩＴＯ薄膜をスパッタにより１２０ｎｍの膜厚で図５の符号３と同形状にマスク成膜した。このときのＡｌ層とＩＴＯ薄膜の境界の寄与する光反射率は約９３％、光吸収率は約７％である。

このようにして得られた基板上に有機層を真空蒸着法により全面に形成した。蒸着は順にＣｕＰｃを１０ｎｍ、α−ＮＰＤを１０ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層を２０ｎｍ、Ａｌｑ３を５ｎｍ、Ａｌｑ３とＣｓ₂ＣＯ₃の９５：５の共蒸着層を１０ｎｍの膜厚に形成した。ここでＡｌｑ３とＣｏｕｍａｒｉｎ５４０の９５：５の共蒸着層は発光層である。

更にその上にＩＴＯ薄膜をスパッタにより２０ｎｍの膜厚で図５の符号５と同形状にマスク成膜した。

なお、この場合の発光層からＡｌ層とＩＴＯ薄膜の界面までの光学距離は１４０ｎｍであり、発光波長の概略１／４となっている。また、発光層から光取り出し方向のＩＴＯ薄膜と外界の界面までの光学距離は３５ｎｍであり、発光波長の概略１／１６となっている。

Ａｌ層側のＩＴＯ薄膜を陽極、光取り出し側のＩＴＯ薄膜を陰極として１ｍＡの電流を印加することにより、発光を確認することができる。

これら実施例１、比較例１、２で作製した素子の発光強度をグラフ化したものを図２に示す。図２において、反射率の高い電極を用いた比較例２の場合の発光強度を１．０とすると、反射を考慮しない比較例１の場合には光学干渉効果を利用しないため、その強度は０．３５となる。一方、反射率が３％である光反射吸収層を導入した実施例１の場合には発光強度は０．５４となる。

なお、これら実施例はＴＦＴ駆動による表示素子においても各画素が同構成であれば有効に作用するため、実際の表示素子にも応用できるものである。

本発明の有機ＥＬ素子の構成の一例を示す図である。光反射吸収層の反射率と素子の光取り出し効率の相関のグラフである。本発明の有機ＥＬ素子の構成の一例を示す図である。本発明の有機ＥＬ素子の構成の一例を示す図である。本発明の有機ＥＬ素子の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１基板
２光反射吸収層
２ａ光吸収層
２ｂ光反射層
３、５光透過性電極
４発光層

Claims

陽極及び陰極が光透過性を持つ電極よりなる有機ＥＬ素子において、
一方の電極の外側に光反射吸収層が形成され、該電極と該光反射吸収層の形成する界面が素子の発光波長に対して１％以上１０％以下の反射率、及び９０％以上９９％以下の吸収率を持ち、且つ素子の発光層から該電極と該光反射吸収層の界面までの光学距離が発光波長の１／４に調整され、発光層から光取り出し方向の電極と外界の界面までの光学距離が発光波長の１／１６又は１／４に調整されていることを特徴とする有機ＥＬ素子。
該光反射吸収層は少なくとも光反射層と光吸収層の二層を含み、該電極と該光反射層の形成する界面が素子の発光波長に対して１％以上１０％以下の反射率を持ち、該光反射層と光吸収層の形成する界面が素子の発光波長に対して９０％以上９９％以下の吸収率を持つことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
一方の電極は有機層との界面が素子の発光波長に対して１％以上１０％以下の反射率、及び９０％以上９９％以下の吸収率を持つ光反射吸収電極であり、素子の発光層から該光反射吸収電極までの光学距離が発光波長の１／４に調整され、発光層から光取り出し方向の電極と外界の界面までの光学距離が発光波長の１／１６又は１／４に調整されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。