JP2009211934A - 有機エレクトロルミネセンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】非発光領域の増大が抑制され、かつ出力面での輝度ばらつきを抑制して発生光を出力する有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】第１電極層２１、有機層２２及び第２電極層２３が順に積層された発光部２０と、第１電極層２１に接して配置され、有機層２２で発生して第１電極層２１を透過した発生光Ｌを外部に出力する出力面１００を有する出力部１０とを備え、出力面１００に達するまでに発生光Ｌが透過する透過面及び出力面１００のいずれかが粗面であり、第１電極層２１と第２電極層２３間に電圧が印加されて有機層２２に生じる電界強度の分布に対応して、粗面の凹凸が分布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明電極を透過した光を出力する有機エレクトロルミネセンス素子に関する。

近年、有機物中に注入された電子と正孔の再結合を利用して発光する有機エレクトロルミネセンス素子（以下において、「有機ＥＬ素子」という。）が、照明や表示装置等に使用されてきている。通常、有機ＥＬ素子は、ガラス基板等の透明基板上に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等からなる透明電極層、有機層、金属電極層を積層して形成される。そして、透明電極層と金属電極層間に電圧を印加して有機層に電流を流すことにより、有機層で光を発生させる。

一般にＩＴＯ等からなる透明電極層は電気抵抗が大きいため、透明電極層に電圧を印加する電極端子からの距離が長くなるほど、透明電極層における電圧降下によって有機層にかかる電界が小さくなる。電界が小さくなると有機層で発生する光（以下において「発生光」という。）の輝度が低下するため、発生光の取り出し面において輝度ばらつきが生じる。このため、金属膜からなる補助電極を透明電極層に沿って配置し、この補助電極から透明電極層に電圧を印加することにより、発生光の輝度ばらつきを抑制する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２３１９８５号公報

しかしながら、補助電極を形成する方法には、製造工程の増加や、補助電極を配置した領域が非発光領域になるという問題があった。

上記問題点を鑑み、本発明は、非発光領域の増大が抑制され、かつ出力面での輝度ばらつきを抑制して発生光を出力する有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）第１電極層、有機層及び第２電極層が順に積層された発光部と、（ロ）第１電極層に接して配置され、有機層で発生して第１電極層を透過した発生光を外部に出力する出力面を有する出力部とを備え、出力面に達するまでに発生光が透過する透過面及び出力面のいずれかが粗面であり、第１電極層と第２電極層間に電圧が印加されて有機層に生じる電界強度の分布に対応して、粗面の凹凸が分布している有機エレクトロルミネセンス素子が提供される。

本発明によれば、非発光領域の増大が抑制され、かつ出力面での輝度ばらつきを抑制して発生光を出力する有機ＥＬ素子を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、図１に示すように、第１電極層２１、有機層２２及び第２電極層２３が順に積層された発光部２０と、第１電極層２１に接して配置され、有機層２２で発生して第１電極層２１を透過した発生光Ｌを有機ＥＬ素子の外部に出力する出力面１００を有する出力部１０とを備える。出力面１００は、発光部２０と接する主面と対向する出力部１０の面である。出力面１００は微小な凹凸形状を有する粗面であり、第１電極層２１と第２電極層２３間に電圧が印加されて有機層２２に生じる電界強度の分布に対応して、出力面１００の凹凸は分布している。凹凸の分布の詳細については後述する。なお、第１電極層２１と有機層２２とが接する面を「第１の界面１０１」、出力部１０と第１電極層２１とが接する面を「第２の界面１０２」とする。

出力部１０には、例えばガラス基板やプラスティック基板等の透明基板が採用可能である。出力部１０上に、第１電極層２１、有機層２２及び第２電極層２３がこの順に積層されて、有機ＥＬ素子が形成される。第１電極層２１には、ＩＴＯ或いは酸化インジウム・酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物系透明電極等が採用可能である。また、第２電極層２３には、アルミニウム（Ａｌ）膜、マグネシウム−銀の合金（ＭｇＡｇ）膜等が採用可能である。

有機層２２は、有機化合物等からなる正孔輸送層や電子輸送層等が積層された構造である。例えば、正孔輸送層にジフェニルナフチルジアミン（ＮＰＤ）膜等が採用可能であり、電子輸送層にキノリノールアルミ錯体（Ａｌｑ₃）膜等が採用可能である。なお、有機層２２が、正孔輸送層と電子輸送層の間に配置された発光層を備える構造であってもよい。

図１に示した有機ＥＬ素子では、第１電極層２１をアノード電極とし、第２電極層２３をカソード電極として有機層２２に電界を与え、有機層２２で光を発生させる。つまり、第１電極層２１から有機層２２に正孔が供給され、第２電極層２３から有機層２２に電子が供給される。そして、正孔と電子の再結合により有機層２２で発生した発生光Ｌが、透明電極である第１電極層２１及び出力部１０を透過して、出力面１００から有機ＥＬ素子の外部に出力される。なお、第１電極層２１上に形成された第１電極端子Ｅ１に正電位、第２電極層２３上に形成された第２電極端子Ｅ２に負電位がそれぞれ印加されて、有機層２２に正孔と電子がそれぞれ供給される。

ここで、図２を参照して透明電極２００における電圧降下の例を説明する。図２に示した透明電極２００の一方の端子Ｐ０を正電位、他方の端子Ｐ１を負電位にした場合において、端子Ｐ０の電位Ｖ０と端子Ｐ１の電位Ｖ１とは、以下の式（１）の関係を満たす：

Ｖ１＝Ｖ０−Ｉ×ρ×Ｌ／Ｓ ・・・（１）

式（１）で、Ｉは透明電極２００を端子Ｐ０から端子Ｐ１まで流れる電流、ρは透明電極２００の比抵抗、Ｌは透明電極２００の長さ、Ｓは透明電極２００の断面積である。一般に、ＩＴＯ等からなる透明電極２００の比抵抗ρは大きく、長さＬが長いほど電位Ｖ１は電位Ｖ０より小さくなる。

したがって、図１に示す第１電極端子Ｅ１と第２電極端子Ｅ２間に電圧Ｖを印加した場合は、透明電極である第１電極層２１における電圧降下により、第１電極層２１の第１電極端子Ｅ１に近い領域と遠い領域との間で電位差が生じる。つまり、第１電極層２１における電位分布は、第１電極端子Ｅ１からの距離が遠い領域ほど電位が低い分布になる。その結果、第１電極層２１における電圧降下量の分布に対応して、有機層２２に生じる電界強度が分布する。具体的には、第１電極端子Ｅ１から遠い領域ほど有機層２２に生じる電界強度は小さい。

通常、電界強度が小さいほど有機層２２で発生する光の輝度は低下する。このため、第１電極層２１における電圧降下量の分布に対応して、有機層２２で生じる光の輝度分布にばらつきが生じる。

しかし、発生光Ｌが透過する透過面を粗面化することによって発生光Ｌが散乱され、発生光Ｌの輝度が向上する。そして、発生光Ｌが透過する粗面の状態が粗いほど、透過面での発生光Ｌの輝度は向上する。なお、粗面の凹凸の高低差が大きいほど、或いは凹凸のピッチが狭いほど、粗面が粗い状態であるとする。ここで、「凹凸の高低差」は、粗面の凹凸のバレー・トゥ・ピーク（valley to peak）、即ち凹部の底と凸部の頂点との差で定義する。「凹凸のピッチ」は、凹凸のピークからピークまでの距離で定義する。

図３に、出力面１００の凹凸の高低差及び凹凸のピッチと発生光Ｌの輝度向上率との関係の例を示す。図３は実測データの例であり、出力面１００に凹凸がない場合に対して発生光Ｌの輝度が１．１〜１．２倍程度になる凹凸の高低差及び凹凸のピッチを基準値「１」としている。そして、基準値に対する凹凸の高低差及び凹凸のピッチの倍率に対する、出力面１００に凹凸がない場合に対する発生光Ｌの輝度向上率を図３の表は示している。

図３に示すように、凹凸の高低差が大きいほど、或いは凹凸のピッチが小さいほど、発生光Ｌの輝度向上率が大きくなる。例えば、凹凸の高低差を基準値の１０倍にすることにより、発生光Ｌの輝度は１．４〜１．５倍になる。また、凹凸のピッチを基準値の０．１倍にすることにより、発生光Ｌの輝度は１．５〜１．８倍になる。なお、凹凸の高低差が１μｍ程度、或いは凹凸のピッチが１００ｎｍ程度の場合に、出力面１００に凹凸がない場合に対して発生光Ｌの輝度が１．１〜１．２倍程度になるというデータが得られている。

図１に示した有機ＥＬ素子では、有機層２２に生じる電界強度の分布に対応させて出力面１００の表面の凹凸の状態を変化させることにより、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきを抑制する。具体的には、第１電極端子Ｅ１からの距離が遠く、有機層２２に生じる電界強度が小さい領域に対応する領域ほど、粗面状態が粗くなるように出力面１００が形成される。ここで、「有機層２２に対応する出力面１００の領域」とは、有機層２２の各領域と第１電極層２１を介して対向する出力面１００の各領域である。

つまり、図１に示した有機ＥＬ素子では、有機層２２での電界強度が小さい領域ほど、即ち、第１電極端子Ｅ１からの距離が長い領域ほど、その領域に対応する出力面１００の凹凸の高低差が大きく形成される。一方、有機層２２での電界強度が大きい領域に対応する出力面１００の領域の凹凸の高低差が小さく形成される。つまり、第１電極端子Ｅ１からの距離が長い領域での出力面１００の凹凸の高低差ｄ２は、第１電極端子Ｅ１からの距離が短い領域での高低差ｄ１より大きい。このため、有機層２２での電界強度が小さい領域に対応する出力面１００の領域では、有機層２２での電界強度が大きい領域に対応する出力面１００の領域より、出力面１００の粗面化による輝度向上率が大きい。その結果、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきが抑制される。

なお、図１に示した有機ＥＬ素子の出力面１００での凹凸のピッチは一定である。つまり、第１電極端子Ｅ１からの距離が長い領域でのピッチｐ２は、第１電極端子Ｅ１からの距離が短い領域でのピッチｐ１と同じである。一方、凹凸のピッチを変化させて発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきを抑制するためには、有機層２２に生じる電界強度が小さい領域に対応する出力面１００の領域の凹凸のピッチを狭くし、電界強度が大きい領域に対応する出力面１００の領域の凹凸のピッチを広くすればよい。

有機層２２における電界強度分布の原因である第１電極層２１における電圧降下量の分布は、第１電極端子Ｅ１と第２電極端子Ｅ２間に印加される電圧Ｖ、有機層２２の面積、及び第１電極層２１のシート抵抗、比抵抗等により、予め予測できる。また、粗面の凹凸の高低差、或いは凹凸のピッチによる輝度向上率は、実測データ或いはシミュレーションによって取得可能である。この輝度向上率は出力面１００における発生光Ｌの散乱の状態に依存するため、出力面１００に接する媒体（例えば大気）の屈折率等も輝度向上率に影響する。輝度向上率の結果を用いて、出力面１００における発生光Ｌの輝度が一様になるように、予測された電圧降下量の分布の応じて出力面１００の凹凸パターンが決定される。

以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子では、発生光Ｌが透過する出力面１００を粗面とし、第１電極層２１と第２電極層２３間に電圧を印加して有機層２２に生じる電界強度の分布に対応した分布を有する粗面の凹凸パターンを形成する。その結果、出力面１００での輝度ばらつきが抑制された発生光Ｌを出力する有機ＥＬ素子を実現することができる。

図１に示した有機ＥＬ素子では、第１電極層２１での電圧降下を抑制するために配置される補助電極を形成する必要がないため、製造工程の増加を抑制でき、且つ、有機層２２で発生した光が補助電極で遮断される非発光領域の発生を抑制できる。

以下に、本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の製造方法を説明する。なお、以下に述べる有機ＥＬ素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

（イ）出力部１０となる厚さ１ｍｍ程度のガラス基板の表面（第２の界面１０２）上に、第１電極層２１としてＩＴＯ膜をスパッタ法等により厚さ１００ｎｍ程度形成する。更に、第１電極層２１上に、厚さ１００ｎｍ程度の有機層２２、及び厚さ１００ｎｍ程度の第２電極層２３を真空蒸着法等により形成する。例えば、有機層２２として、厚さ５０ｎｍのＮＰＤ膜からなる正孔輸送層及びＡｌｑ₃膜からなる電子輸送層をこの順に積層した構成が採用可能である。また、第２電極層２３としてＡｌ膜が採用可能である。

（ロ）次いで、出力部１０であるガラス基板の裏面（出力面１００）をフッ酸によるエッチング等により祖面化する。このとき、エッチング条件（温度、ガス圧、バイアス等）を制御することにより、所望の高さ及びピッチの凹凸分布を有する出力面１００を形成する。或いは、サンダーによる研磨によって出力面１００を祖面化してもよい。

（ハ）次に、第１電極層２１上に第１電極端子Ｅ１を、第２電極層２３上に第２電極端子Ｅ２を、それぞれ形成する。第１電極端子Ｅ１、第２電極端子Ｅ２にはＡｌ等が採用可能である。

以上の製造方法により、出力面１００が粗面化され、出力面１００での輝度ばらつきが抑制された発生光Ｌを出力する有機ＥＬ素子を製造することができる。

＜第１の変形例＞
図４に本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る有機ＥＬ素子を示す。図４に示した有機ＥＬ素子では、有機層２２での電界強度が小さい領域ほど、即ち、第１電極端子Ｅ１からの距離が長い領域ほど、その領域に対応する出力面１００の凹凸のピッチが狭い。つまり、第１電極端子Ｅ１からの距離が長い領域での凹凸のピッチｐ２は、第１電極端子Ｅ１からの距離が短い領域での凹凸のピッチｐ１より小さい。このため、有機層２２での電界強度が大きい領域に対応する出力面１００の領域よりも、有機層２２での電界強度が小さい領域に対応する出力面１００の領域において、粗面化による発生光Ｌの輝度向上率を大きくできる。その結果、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきが抑制される。

なお、図４に示した有機ＥＬ素子の出力面１００での凹凸の高低差は一定である。つまり、第１電極端子Ｅ１からの距離が遠い領域での高低差ｄ２は、第１電極端子Ｅ１からの距離が近い領域での高低差ｄ１と同じである。

＜第２の変形例＞
以上において、出力面１００を粗面にすることによって発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきを抑制する例を説明した。しかし、出力面１００に達するまでに発生光Ｌが通過する光取り出し経路に含まれる透過面を粗面にすることによっても、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきを抑制できる。例えば、発光部２０内部の発生光Ｌが透過する透過面となる有機層２２と第１電極層２１とが接する第１の界面１０１、或いは発光部２０と出力部１０とが接する第２の界面１０２等において、有機層２２に生じる電界強度の分布に対応させて凹凸の分布を形成する。

図５に、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る有機ＥＬ素子を示す。図５に示した有機ＥＬ素子では、電界強度が小さい領域に対応する領域ほど、第２の界面１０２の凹凸の高低差を大きくして、この第２の界面１０２の領域に対向する出力面１００からの発生光Ｌの輝度を上げる。その結果、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきを抑制することができる。このとき、出力面１００の表面は凹凸の分布がない一様な面としてもよい。

図５に示す有機ＥＬ素子は、例えばガラス基板等の出力部１０の凹凸の分布を形成した面上に、第１電極層２１であるＩＴＯ膜等をスパッタ法等で形成して得られる。

また、第２の界面１０２を、図４に示した出力面１００と同様に、第１電極端子Ｅ１から遠い領域ほどその領域に対応する第２の界面１０２の凹凸のピッチを狭くすることにより、出力面１００での輝度ばらつきを抑制してもよい。

以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子では、発生光Ｌが透過する透過面及び出力面１００のいずれかを粗面とし、第１電極層２１と第２電極層２３間に電圧を印加して有機層２２に生じる電界強度の分布に対応した分布の粗面の凹凸パターンを形成する。その結果、出力面１００での輝度ばらつきが抑制された発生光Ｌを出力する有機ＥＬ素子を実現できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る有機ＥＬ素子は、図６に示すように、出力部１０が透明基板１１０とプリズムシート１２０とを備えることが図１に示した有機ＥＬ素子と異なる点である。図６に示した有機ＥＬ素子では、プリズムシート１２０と透明基板１１０とが接する第３の界面１０３と対向するプリズムシート１２０の裏面が、粗面化された出力面１００である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。

図１に示したＥＬ素子では出力部１０が透明基板であり、この透明基板の一方の主面を粗面化することにより、出力面１００での発生光Ｌの輝度ばらつきが抑制される。一方、図６に示した有機ＥＬ素子では、第３の界面１０３で透明基板１１０と接合されたプリズムシート１２０の出力面１００から発生光Ｌが有機ＥＬ素子の外部に出力される。

第３の界面１０３と対向するプリズムシート１２０の一方の主面を粗面化して形成された出力面１００は、図１に示した出力面１００と同様に、第１電極端子Ｅ１から遠い領域での高低差ｄ２が、第１電極端子Ｅ１から近い領域での高低差ｄ１より大きいように形成される。このため、有機層２２での電界強度が小さい領域に対応する出力面１００の領域では、有機層２２での電界強度が大きい領域に対応する出力面１００の領域より、粗面化による輝度の向上が大きい。その結果、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきが抑制される。

図６に示した有機ＥＬ素子は、透明基板１１０の一方の主面上に発光部２０を形成し、透明基板１１０の他方の主面にプリズムシート１２０を貼り合わせて出力部１０が形成される。プリズムシート１２０の出力面１００は、例えば樹脂成型によるパターン形成によって粗面化される。例えば、ナノインプリント法、熱転写プレス法等が採用可能である。

なお、粗面化された出力面１００を有する材料はプリズムシート１２０に限定されるものではなく、発生光Ｌが透過できる材料であればよい。例えば、一方の主面を粗面化した他の透明基板を透明基板１１０に貼り合わせて出力部１０を構成してもよい。

また、プリズムシート１２０の出力面１００を、図４に示した出力面１００と同様に、第１電極端子Ｅ１から遠い領域ほどその領域に対応する出力面１００の凹凸のピッチを狭くすることにより、出力面１００での輝度ばらつきを抑制してもよいことは勿論である。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

本発明の第２の実施の形態に係る有機ＥＬ素子によれば、透明基板１１０上に配置されたプリズムシート１２０の出力面１００を粗面とし、第１電極層２１と第２電極層２３間に電圧を印加して有機層２２に生じる電界強度の分布に対応して粗面の凹凸を分布させることにより、出力面１００での輝度ばらつきが抑制された発生光Ｌを出力する有機ＥＬ素子を実現することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、出力面１００の凹凸の高低差、或いは凹凸のピッチのいずれか調整した。しかし、有機層２２の電界強度が低い領域での出力面１００の凹凸の高低差を大きくし、且つ、凹凸のピッチを狭くすることによって、発生光Ｌの出力面１００での輝度ばらつきを抑制してもよい。或いは、有機層２２の電界強度が高い領域に対応する出力面１００の領域を、粗面化せずに平坦にしてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式的な断面図である。 透明電極における電圧降下を説明するための模式図である。 出力面の凹凸の高低差及び凹凸のピッチと発生光の輝度向上率との関係の例を示す表である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１０…出力部
２０…発光部
２１…第１電極層
２２…有機層
２３…第２電極層
１００…出力面
１０１…第１の界面
１０２…第２の界面
１０３…第３の界面
１１０…透明基板
１２０…プリズムシート
Ｅ１…第１電極端子
Ｅ２…第２電極端子

Claims (7)

1. 第１電極層、有機層及び第２電極層が順に積層された発光部と、
   前記第１電極層に接して配置され、前記有機層で発生して前記第１電極層を透過した発生光を外部に出力する出力面を有する出力部と
   を備え、前記出力面に達するまでに前記発生光が透過する透過面及び前記出力面のいずれかが粗面であり、前記第１電極層と前記第２電極層間に電圧が印加されて前記有機層に生じる電界強度の分布に対応して、前記粗面の凹凸が分布していることを特徴とする有機エレクトロルミネセンス素子。
2. 前記有機層における前記電界強度が小さい領域ほど、該領域に対応する前記粗面の凹凸の高低差が大きい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センス素子。
3. 前記有機層における前記電界強度が小さい領域ほど、該領域に対応する前記粗面の凹凸のピッチが狭い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センス素子。
4. 前記電界強度の分布が前記第１電極層における電圧降下量の分布に対応することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネセンス素子。
5. 前記透過面が、前記有機層と前記第１電極層との界面、又は前記発光部と前記出力部との界面のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネセンス素子。
6. 前記第１電極層が透明電極からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネセンス素子。
7. 前記出力部がガラス基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネセンス素子。

Images