JP2009252458A - 有機エレクトロルミネセンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光面積の減少が抑制された多色発光が可能な有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】正電極層４０と、負電極層１０と、有機層からなり正電極層４０と負電極層１０間に膜厚方向に配置された複数の発光層１５、２５、３５と、中間電極層２０と電荷発生層２１が積層されて発光層１５、２５間に配置された積層体と、中間電極層３０と電荷発生層３１が積層されて発光層２５、３５間に配置された積層体とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発光層を有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（以下において、「有機ＥＬ」という。）素子が、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、ガラス基板やプラスティック基板等の透明基板上に、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明電極層からなる正電極層、有機層、金属膜等からなる負電極層を積層して形成される。そして、負電極層と正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。

有機ＥＬ素子をカラー表示装置に利用する例として、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域が隣接して配置された画素を配列することにより、多色発光が可能なカラー表示装置を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−３１６５００号公報

しかしながら、上記方法では、赤色、青色、緑色のうちの１色のみを発光する場合は、他の色を発光する領域を消灯するため、全体の１／３の領域しか発光しないという問題があった。また、白色を発色するために赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域のすべてから発光しても、実際に白色が得られる領域は、各発光領域の発光が重なる１部の領域に限られる。更に、赤色、青色、緑色を混色させるために、各発光領域からの発光が重なって白色になる領域と表示装置との間に空間が必要になる。

上記問題点を鑑み、本発明は、発光面積の減少が抑制された多色発光が可能な有機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）正電極層と、（ロ）負電極層と、（ハ）有機層からなり、正電極層と負電極層間に膜厚方向に配置された複数の発光層と、（ニ）中間電極層と電荷発生層とが積層され、複数の発光層間にそれぞれ配置された積層体とを備え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、発光面積の減少が抑制された多色発光が可能な有機ＥＬ素子を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明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。

本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子１は、図１に示すように、正電極層４０と、負電極層１０と、正電極層４０と負電極層１０間に膜厚方向に配置された、それぞれが有機層からなる発光層１５、２５、３５と、発光層１５と発光層２５間に配置された中間電極層２０と電荷発生層２１とが積層された積層体、及び発光層２５と発光層３５間に配置された中間電極層３０と電荷発生層３１とが積層された積層体とを備える。図１に示した例では有機ＥＬ素子１が３層の発光層を有する場合を示したが、発光層が４層以上であってもよい。例えば有機ＥＬ素子１がｎ層の発光層を含む場合には、中間電極層と電荷発生層とが積層され、発光層間にそれぞれ配置される積層体がｎ−１層含まれる（ｎ：２以上の整数）。

発光層１５、２５、３５は、それぞれが異なる色の光を発生する発光層として形成できる。以下では、発光層１５が青色の光を発生する発光層（以下において「青発光層」という。）、発光層２５が緑色の光を発生する発光層（以下において「緑発光層」という。）、発光層３５が赤色の光を発生する発光層（以下において「赤発光層」という。）である場合について例示的に説明する。

赤発光層３５で光を発生するためには、正電極層４０から正孔を赤発光層３５に供給し、中間電極層３０及び電荷発生層３１から電子を赤発光層３５に供給する。その結果、赤発光層３５において正孔と電子の再結合により発生した光が赤発光層３５から放出される。

同様に、緑発光層２５で光を発生するためには、中間電極層３０から正孔を緑発光層２５に供給し、中間電極層２０及び電荷発生層２１から電子を緑発光層２５に供給する。青発光層１５で光を発生するためには、中間電極層２０から正孔を青発光層１５に供給し、負電極層１０から電子を青発光層１５に供給する。

青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５のうち、１つ又は複数の発光層で同時に光を発生させるためには、負電極層１０、中間電極層２０、中間電極層３０、及び正電極層４０のうちの任意の電極層間に電圧を印加する。任意の電極層間に電圧を印加する方法の詳細は後述する。

中間電極層２０と中間電極層３０は透明電極であり、負電極層１０及び正電極層４０の少なくともいずれかが透明電極である。例えば正電極層４０を透明電極にすることにより、青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５でそれぞれ発生した光は、正電極層４０を透過して有機ＥＬ素子１の外部に出力される。このとき、負電極層１０を金属膜で形成された金属電極にすることにより、青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５で発生した光は負電極層１０で反射され、有機ＥＬ素子１の外部に出力される光の輝度を向上できる。

透明電極には、ＩＴＯ膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜、アルミニウム（Ａｌ）ドープの酸化チタン（ＴｉＯ₂）膜、酸化スズ（ＳｎＯ₂）膜等が採用可能である。有機層である青発光層１５、緑発光層２５或いは赤発光層３５上にＩＴＯ膜を形成する場合には、有機層がダメージを受けないように例えば低電力のスパッタ法等を採用する。中間電極層２０、中間電極層３０の膜厚は、例えば１５０〜５００ｎｍ程度である。金属電極には、例えば膜厚５０〜１５０ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）膜、マグネシウム（Ｍｇ）−Ａｇ合金膜等が採用可能である。

また、透明電極とした負電極層１０及び正電極層４０のいずれかを透明基板上に配置することにより、青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５で発生した光は、透明電極及び透明基板を透過して出力される。透明基板には、ガラス基板やプラスティック基板等が採用可能である。

青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５等の各発光層は、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が採用可能である。例えば、正孔輸送層にジフェニルナフチルジアミン（ＮＰＤ）膜等を採用可能であり、電子輸送層にキノリノールアルミ錯体（Ａｌｑ₃）膜等を採用できる。なお、各発光層が、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。また、正孔注入層として銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）層を、正孔輸送層と正孔を供給する電極層間に配置してもよい。各発光層は、例えば真空蒸着法等により膜厚１０〜５０ｎｍ程度で形成される。

図１に示した有機ＥＬ素子１では、電極層間に電圧を印加すると、電圧が印加された電極層間に配置された電荷発生層２１、３１から正孔や電子が発光層に供給される。電荷発生層２１、３１から供給された正孔及び電子は、各電極層から供給された電子及び正孔と発光層において再結合して光が発生する。このため、電荷発生層２１、３１のない有機ＥＬ素子１に比べて、出力する光の輝度を向上できる。

電荷発生層２１、３１にはｎ型不純物或いはｐ型不純物がドープされた絶縁膜等が採用可能である。或いは、導電体膜に不純物をドープして電荷発生層２１、３１を形成してもよい。

正電極層４０、負電極層１０、及び中間電極層２０、３０は、それぞれ独立して有機ＥＬ素子１の外部から電圧を印加可能である。図１に示した例では、負電極層１０、中間電極層２０と中間電極層３０、及び正電極層４０は、これらの電極層のうちの任意の電極層間に電圧を印加する電源回路１００に接続される。具体的には、正電極層４０は第１スイッチＳ１を介して電圧源１１０の正電極端子に接続可能である。中間電極層３０は第２スイッチＳ２を介して電圧源１１０の負電極端子又は正電極端子に接続可能である。中間電極層２０は第３スイッチＳ３を介して電圧源１１０の負電極端子又は正電極端子に接続可能である。負電極層１０は第４スイッチＳ４を介して電圧源１１０の負電極端子に接続可能である。

電源回路１００は、第１スイッチＳ１〜第４スイッチＳ４の接続状態を制御することによって負電極層１０、中間電極層２０、中間電極層３０、及び正電極層４０のうちの任意の電極層間に電圧を印加し、有機ＥＬ素子１の１つ若しくは複数の発光層で光を発生させる。つまり、電源回路１００によって電圧を印加する電極層を選択することにより、有機ＥＬ素子１から所望の単色若しくは複数の色の発光が重なった混色の光を出力できる。

図２は、電源回路１００の第１スイッチＳ１〜第４スイッチＳ４の接続状態と有機ＥＬ素子１の青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５の発光状態との関係を示す表である。図２において、「＋」は第１スイッチＳ１〜第４スイッチＳ４が電圧源１１０の正電極端子に接続している状態を示し、「−」は第１スイッチＳ１〜第４スイッチＳ４が電圧源１１０の負電極端子に接続している状態を示す。また、「ＮＣ」は第１スイッチＳ１〜第４スイッチＳ４が開かれ、電圧源１１０に接続されていない状態であることを示す。

例えば、赤発光層３５のみを発光させるためには、第１スイッチＳ１を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第２スイッチＳ２を電圧源１１０の負電極端子に接続し、且つ第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４を開く。その結果、正電極層４０がアノード電極、中間電極層３０がカソード電極となって、赤発光層３５において正孔と電子の再結合により赤色の光が発生する。このとき、電荷発生層３１から電子が赤発光層３５に供給される。

緑発光層２５のみを発光させるためには、第２スイッチＳ２を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第３スイッチＳ３を電圧源１１０の負電極端子に接続し、且つ第１スイッチＳ１と第４スイッチＳ４を開く。その結果、中間電極層３０がアノード電極、中間電極層２０がカソード電極となって、緑発光層２５において正孔と電子の再結合により緑色の光が発生する。このとき、電荷発生層２１から電子が緑発光層２５に供給される。

青発光層１５のみを発光させるためには、第３スイッチＳ３を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第４スイッチＳ４を電圧源１１０の負電極端子に接続し、且つ第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を開く。その結果、中間電極層２０がアノード電極、負電極層１０がカソード電極となって、青発光層１５において正孔と電子の再結合により青色の光が発生する。

赤発光層３５と緑発光層２５を発光させるためには、第１スイッチＳ１を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第３スイッチＳ３を電圧源１１０の負電極端子に接続し、且つ第２スイッチＳ２と第４スイッチＳ４を開く。その結果、正電極層４０がアノード電極、中間電極層２０がカソード電極となって、赤発光層３５及び緑発光層２５が発光する。このため、有機ＥＬ素子１から、マルチフォトンエミッション（ＭＰＥ）動作により赤色と緑色の混色の光が出力される。このとき、電荷発生層３１から電子が赤発光層３５に供給され、電荷発生層２１から電子が緑発光層２５に供給される。

緑発光層２５と青発光層１５を発光させるためには、第２スイッチＳ２を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第４スイッチＳ４を電圧源１１０の負電極端子に接続し、且つ第１スイッチＳ１と第３スイッチＳ３を開く。その結果、中間電極層３０がアノード電極、負電極層１０がカソード電極となって、緑発光層２５及び青発光層１５が発光する。このため、有機ＥＬ素子１から、ＭＰＥ動作により緑色と青色の混色の光が出力される。このとき、電荷発生層２１から電子が緑発光層２５に供給される。

赤発光層３５と青発光層１５を発光させるためには、第１スイッチＳ１及び第３スイッチＳ３を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第２スイッチＳ２及び第４スイッチＳ４を電圧源１１０の負電極端子に接続する。その結果、正電極層４０がアノード電極、中間電極層３０がカソード電極となって、赤発光層３５が発光する。同時に、中間電極層２０がアノード電極、負電極層１０がカソード電極となって、青発光層１５が発光する。このため、有機ＥＬ素子１から、ＭＰＥ動作により赤色と青色の混色の光が出力される。このとき、電荷発生層３１から電子が赤発光層３５に供給される。

赤発光層３５、緑発光層２５及び青発光層１５をすべて発光させるためには、第１スイッチＳ１を電圧源１１０の正電極端子に接続し、第４スイッチＳ４を電圧源１１０の負電極端子に接続し、且つ第２スイッチＳ２と第３スイッチＳ３を開く。その結果、正電極層４０がアノード電極、負電極層１０がカソード電極となって、赤発光層３５、緑発光層２５及び青発光層１５が発光する。このため、有機ＥＬ素子１から、ＭＰＥ動作により赤色と緑色と青色の混色された白色の光が出力される。このとき、電荷発生層３１から電子が赤発光層３５に供給され、電荷発生層２１から電子が緑発光層２５に供給される。

上記のように、図１に示す有機ＥＬ素子１は、正電極層４０、負電極層１０、及び中間電極層２０、３０のいずれかの層を選択して電圧を印加することによって、青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５のいずれか１層或いは複数層において光を発生させて任意の色の光を出力できる。第１スイッチＳ１〜第４スイッチＳ４は、有機ＥＬ素子１から所望の色の光を出力するために、図示を省略する制御回路によって接続状態が制御される。また、電荷発生層２１、３１から各発光層に電荷が供給されるため、有機ＥＬ素子１から出力される光の輝度を向上できる。

正電極層４０、負電極層１０、及び中間電極層２０、３０にそれぞれ独立して有機ＥＬ素子１の外部から電圧を印加するために、例えば図３に示すように、有機ＥＬ素子１の各層を矩形形状に形成し、その矩形の各角部に各電極層の電圧源１１０との接続端子を配置する端子領域を配置することが有効である。図３は、正電極層４０方向からみた有機ＥＬ素子１の上面図である。図３に示す例では、負電極層１０の端子領域１０１、中間電極層２０の端子領域２０１、中間電極層３０の端子領域３０１、及び正電極層４０の端子領域４０１は、それぞれ矩形形状の角部に配置されている。

図３のＩ−Ｉ方向に沿った断面図を図４（ａ）に、図３のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図を図４（ｂ）にそれぞれ示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、端子領域１０１〜３０１の正電極層４０方向は空間となるように有機ＥＬ素子１は形成される。このため、電圧源１１０との接続用配線を正電極層４０方向から端子領域１０１〜４０１に配置できる。

また、図３に示すように有機ＥＬ素子１を各角部が端子領域である矩形形状にすることにより、複数の有機ＥＬ素子１を配列する場合に対称形のデザインが得られる。更に、有機ＥＬ素子１をマトリクス状に配列した場合に、非発光領域を少なくできる。

図５に示す関連技術のように、赤色の光を出力する有機ＥＬ素子を配置した赤色発光領域Ｒ、緑色の光を出力する有機ＥＬ素子を配置した緑色発光領域Ｇ、及び青色の光を出力する有機ＥＬ素子を配置した青色発光領域Ｂを隣接して配置した有機ＥＬ装置の場合には、赤色、緑色、青色のうちの１色のみを発光する場合は、他の色の発光領域を消灯する。このため、有機ＥＬ装置に非発光領域が生じる。

また、図５に示した有機ＥＬ装置の赤色発光領域Ｒ、緑色発光領域Ｇ及び青色発光領域Ｂのすべてから光を出力して得られる白色領域Ｗは、各発光領域からの発光が重なる一定の領域に限られる。更に、赤色、青色、緑色を混色させるために、白色領域Ｗが形成される領域は発光領域から距離ｄ以上の位置である。そのため、有機ＥＬ装置の小型化が阻害される。

一方、図１に示した有機ＥＬ素子１においては、膜厚方向に積層した青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５の間に中間電極層２０、３０及び電荷発生層２１、２２をそれぞれ配置した構造を有する。このため、有機ＥＬ素子１は、青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５で発生する光を任意に組み合わせた所望の色の光を、正電極層４０又は負電極層１０の主面を出力面として出力でき、かつ出力する光の輝度を向上できる。つまり、有機ＥＬ素子１では、正電極層４０と負電極層１０のいずれかを透明電極にすることにより、青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５が積層された方向に光が透明電極の全面から出力される。そのため、有機ＥＬ素子１では、どの色の光を出力する場合にも発光面積の変化がない。つまり、発光面積の減少が抑制された多色発光が可能な有機ＥＬ素子１が提供される。また、白色領域と透明電極間に距離が生じるという現象も生じない。このため、有機ＥＬ素子１をパネルに使用した有機ＥＬ装置を小型化できる。

例えば赤色、緑色、青色の光を発生する発生層を含む有機ＥＬ素子１をマトリクス状に複数配列してパネルを構成する。そして、各有機ＥＬ素子１において電圧を印加する電極層をそれぞれ制御して各有機ＥＬ素子１からそれぞれ所望の色の光を出力させることにより、カラー表示装置を実現できる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は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。

既に述べた実施の形態の説明においては、有機ＥＬ素子１の負電極層１０と正電極層４０間に青発光層１５、緑発光層２５及び赤発光層３５の順に発光層を配置した例を示したが、この組み合わせ以外にも、任意の色の光をそれぞれ発光する複数の発光層を配置した有機ＥＬ素子１を実現できる。

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。

本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式的な回路図である。 本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の発光層と電源回路のスイッチの接続状態との関係を示す表である。 本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式的な上面図である。 本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の構成を示す模式図であり、図４（ａ）は図３のＩ−Ｉ方向に沿った断面図であり、図４（ｂ）は図３のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。 関連技術による有機ＥＬ装置の発光状態を説明するための模式図である。

符号の説明

１…有機ＥＬ素子
１０…負電極層
１５、２５、３５…発光層
２０、３０…中間電極層
２１、３１…電荷発生層
４０…正電極層
１０１〜４０１…端子領域
１００…電源回路
１１０…電圧源
Ｓ１…第１スイッチ
Ｓ２…第２スイッチ
Ｓ３…第３スイッチ
Ｓ４…第４スイッチ

Claims (5)

1. 正電極層と、
   負電極層と、
   有機層からなり、前記正電極層と前記負電極層間に膜厚方向に配置された複数の発光層と、
   中間電極層と電荷発生層とが積層され、前記複数の発光層間にそれぞれ配置された積層体と
   を備え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. 前記複数の発光層が、それぞれ青色、緑色、赤色のいずれかの光を発光す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センス素子。
3. 前記正電極層及び前記負電極層の少なくともいずれかが透明電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機エレクトロルミネセンス素子。
4. 前記中間電極層が透明電極であ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. 前記正電極層、前記負電極層、及び前記中間電極層が、それぞれ独立して外部から電圧を印加でき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。

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