JP2009501426A

JP2009501426A - 効率と耐久性が改善されたｏｌｅｄデバイス

Info

Publication number: JP2009501426A
Application number: JP2008521487A
Authority: JP
Inventors: スティーブンコク，ロナルド; ウィリアムトゥット，リー
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2009-01-15
Also published as: WO2007008774A1; US20070013291A1; EP1902482B1; EP1902482A1; US7531955B2

Abstract

基板（10）と；この基板（10）上に形成されていて、第1の電極（14）と、1つ以上の有機材料層（16）（そのうちの1つが光を発生させる）と、透明な第2の電極（18）とを備えるOLED（11）と；透明なカバー（12）と；透明な第2の電極（18）の上方に分布していて、第1の平均サイズを持ち、透明な第2の電極（18）とカバー（12）を隔ててその透明な第2の電極（18）とそのカバー（12）の間に透明なギャップを形成する、互いに離して形成されたスペーサ・エレメント粒子（24）と；第2の電極の上方にあってスペーサ・エレメント粒子（24）の間に分布している、互いに離して形成された光散乱エレメント粒子（22）を備えていて、透明な第2の電極と有機材料層が第1の範囲の屈折率を持ち、透明なカバーが第2の屈折率を持ち、透明なギャップが、第1の範囲の屈折率および第2の屈折率のそれぞれよりも小さな第3の屈折率を持つ、有機発光ダイオード（OLED）デバイス。

Description

本発明は、有機発光ダイオード（OLED）デバイスに関するものであり、より詳細には、光出力と耐久性が改善されていて、製造コストが低いOLEDデバイス構造に関する。

有機発光ダイオード（OLED）はフラット-パネル・ディスプレイとエリア照明のランプにとって有望な技術である。この技術は、基板を覆う薄膜材料層に依存しており、基板に固定されてOLEDデバイスの周囲を覆うカバーを使用する。薄膜材料層は、例えば、OLEDの技術で知られている有機材料、電極、導電体、シリコン製電子部品を含むことができる。カバーは、基板に固定されるときに薄膜材料層と接触しないようにする凹部を有する。

OLEDデバイスは一般に2通りの形式が可能である。それは、アメリカ合衆国特許第4,476,292号に開示されているような小分子デバイスと、アメリカ合衆国特許第5,247,190号に開示されているようなポリマーOLEDデバイスである。どちらのタイプのOLEDデバイスも、順番に、アノード、有機EL素子、カソードを備えている。アノードとカソードの間に配置された有機EL素子は、一般に、有機正孔輸送層（HTL）、発光層（EML）、有機電子輸送層（ETL）を備えている。正孔と電子が再結合してEL層の中で光を発生させる。Tangら（Appl. Phys. Lett.、第51巻、913ページ、1987年、Journal of Applied Physics、第65巻、3610ページ、1989年、アメリカ合衆国特許第4,769,292号）は、このような層構造を利用した高効率のOLEDを実際に作って見せた。それ以来、ポリマー材料を含む別の層構造を有する多数のOLEDがこれまでに開示されており、デバイスの性能が改善されてきた。

OLEDで光が発生するのは、カソードとアノードからそれぞれ注入される電子と正孔が電子輸送層と正孔輸送層を通過して発光層で再結合するときである。この光発生プロセスの効率は多くの因子によって決まる。例えばアノード材料とカソード材料の選択によって電子と正孔がいかに効率的にデバイスに注入されるかが決まる可能性がある。また、ETLとHTLの選択によって電子と正孔がデバイス内をいかに効率的に輸送されるかが決まる可能性があり、EMLの選択によって電子と正孔がいかに効率的に再結合して光が発生するかが決まる可能性がある、などである。しかしOLEDデバイスの効率を制限するカギとなる因子の1つが、電子-正孔再結合によって発生するフォトンをOLEDデバイスから取り出す際の効率の悪さであることが見いだされた。使用する有機材料の屈折率が大きいため、再結合プロセスで発生するたいていのフォトンは、実際には、全反射のためにデバイスに捕獲される。捕獲されたフォトンがOLEDデバイスから出ていくことは決してないため、デバイスからの光出力に寄与しない。

典型的なOLEDデバイスでは、ガラス基板と、透明な導電性アノード（例えばインジウム-スズ-酸化物（ITO））と、積層された複数の有機層と、反射性カソード層が使用されている。このデバイスから発生する光は、ガラス基板を通って出てくる。これは一般に、ボトム-エミッション型デバイスと呼ばれている。あるいはデバイスは、基板と、反射性アノードと、積層された複数の有機層と、上部の透明なカソード層を備えることができる。このデバイスから発生する光は、上部の透明な電極を通って出てくる。これは一般に、トップ-エミッション型デバイスと呼ばれている。これらの典型的なデバイスでは、ITO層の屈折率、有機層の屈折率、ガラスの屈折率は、それぞれ、約2.0、約1.7、約1.5である。発生する光の60％近くがITO／有機EL素子内の反射によって捕獲され、20％がガラス基板の中で捕獲され、発生する光のほんの約20％が実際にデバイスから出てきて有用な機能を発揮する。

図2を参照すると、従来のOLEDデバイスは基板10を備えており、その上に薄膜電子部品20（例えば薄膜トランジスタ、キャパシタ（アクティブ-マトリックス・デバイスの場合）、導電体（パッシブ-マトリックス・デバイスの場合））が形成される。薄膜電子部品20は、OLEDデバイスの設計に応じて基板10の一部または全体を覆うことができる。基板10の上には1つ以上の第1の電極14が形成される。1つ以上の有機材料層16が第1の電極14の上に形成され、そのうちの少なくとも1つが発光する。1つ以上の第2の電極18が有機材料層16の上に形成される。薄膜層14、16、18、20と接触しないようにするため、ギャップ32を形成する凹部を有するカバー12が基板10に固定される。設計によっては、ギャップに硬化可能なポリマーまたは樹脂材料を満たしてより堅固にすることが提案されている。第2の電極18は、OLEDの表面全体にわたって連続にすることができる。薄膜電子部品20によって第1の電極14と第2の電極18の間に電圧が印加されると、有機材料層16を通って電流が流れて1つの有機材料層から光50Aが発生し、カバー12を通って出ていく（そのカバーと、ギャップ32に含まれるあらゆる材料と、第2の電極18が透明である場合）か、光50Bが発生して基板10を通って出ていく（その基板10と第1の電極14が透明である場合）。光が基板10を通って出ていくのであれば、これはボトム-エミッション型OLEDであり、薄膜電子部品20が発生する光50Bの一部を隠す可能性、すなわち発光面積が薄膜電子部品20に挟まれた領域26に限定される可能性がある。そのためOLEDデバイスの開口比が小さくなる。光がカバー12を通って出ていくのであればOLEDデバイスはトップ-エミッション型であり、薄膜電子部品20がその光を妨げることはない。図2の構成は、厚くて導電性が大きく反射性の電極18を備える典型的なボトム-エミッション型の構成であり、開口比が小さいという問題がある。図3を参照すると、トップ-エミッション型では第1の電極14の一部を薄膜電子部品20の上に配置できるために発光面積26が大きくなる。このトップ-エミッション型では第1の電極14は光を通さないため、厚くて不透明で導電性の大きなものにすることができる。しかし第2の電極は透明でなければならない。

市販品では、基板とカバーは、例えばイーストマン・コダック社のLS633ディジタル・カメラで使用されている厚さ0.7mmのガラスを備えている。例えば対角線が5インチ未満という比較的小さなデバイスでは、カバー12に凹部を設けることが、薄膜材料層16を比較的しっかりと保護するための効果的な方法である。しかし非常に大きなデバイスでは、基板10またはカバー12は、ガラスのような堅固な材料でできていてギャップ32に材料が充填されている場合でさえ、わずかに曲がり、カバー12の内側またはギャップ内の材料が薄膜材料層16と接触したり薄膜材料層16に押しつけられたりする可能性がある。そのためおそらく薄膜材料層16が損傷し、OLEDデバイスの性能が低下する可能性がある。

いろいろな材料からなる薄いシートを分離するのにスペーサを用いることが知られている。例えば「有機エレクトロルミネッセンス・デバイス」という名称のアメリカ合衆国特許第6,259,204 B1号には、基板の上にある密封シートの高さを制御するためにスペーサを使用することが記載されている。しかしこのようにしてもOLEDデバイスの薄膜材料層は保護されない。2004年2月12日に公開された「電気光学ディスプレイにおける部品とその利用法」という名称のアメリカ合衆国特許出願公開2004/0027327 A1には、背面と前面ラミネートの間にスペーサ用ビーズを導入することで、フレキシブル・ディスプレイの背面を前面に貼り合わせるときにシール材料が押し出されるのを防止することが記載されている。しかしこの設計では、カバーが応力を受けたときにどの薄膜材料層も保護されない。さらに、シール材料によってデバイスの透明度が低下するため、追加の製造ステップが必要になる。

2004年11月23日に付与された「半導体デバイスの製造方法」という名称のアメリカ合衆国特許第6,821,828 B2号には、有機樹脂膜（例えばアクリル樹脂膜）をパターニングして望む位置に柱状スペーサを形成することで、2つの基板が離れた状態を維持することが記載されている。基板間のギャップは、液晶材料で満たされる。柱状スペーサの代わりに球状スペーサを基板の全表面にスプレーすることができる。しかし柱状スペーサはリトグラフィによって構成されるため、複雑な処理ステップと高価な材料が必要となる。さらに、この設計は液晶デバイスに適用されるため、基板の上に堆積される薄膜構造は保護されない。

2003年4月22日に付与された「カラー・エレクトロルミネッセンス・ディスプレイ装置の製造方法と、発光性基板の接合方法」という名称のアメリカ合衆国特許第6,551,440 B2号。この発明では、所定の粒径を持つスペーサが基板と基板の間に挟まれていて両者の間に所定の距離を維持している。基板の間に堆積させたシール用樹脂が広がると、表面張力によって基板が互いに引き付けられる。基板と基板の間にスペーサを配置することによって基板同士が無条件に接触することが防止されるため、樹脂は基板と基板の間にスムーズに広がることができる。この設計では、基板の上に堆積された薄膜構造が保護されることはない。

硬化した樹脂の使用もトップ-エミッション型OLEDデバイスでは光学的に問題がある。よく知られているように、OLEDから発生する光のかなりの部分がOLEDのいろいろな層、基板、カバーに捕獲される可能性がある。ギャップに樹脂またはポリマー材料を満たすことによってこの問題が深刻になる可能性がある。図6を参照すると、従来のボトム-エミッション型OLEDは、透明な基板10と、透明な第1の電極14と、1つ以上の有機材料層16（そのうちの1つが光を発生させる）と、反射性の第2の電極18と、ギャップ32と、封止用カバー12を備えている。封止用カバー12は不透明でもよく、第2の電極18を直接覆ってギャップ32が存在しないようにすることもできる。ギャップ32が実際に存在している場合には、ポリマーまたは乾燥剤を満たしてより堅固にするとともに、デバイスに侵入する水蒸気を減らす。有機材料層16の1つから発生する光は、光線1で示したように、デバイスから基板10を通って直接外に出ることができる。光は、光線2で示したように、発生した後に基板10と有機材料層16の中を進む可能性もある。あるいは光は、光線3で示したように、発生した後に有機材料層16の中を進む可能性もある。反射性の第2の電極18に向かう光線4は、その反射性の第2の電極18によって反射されて基板10に向かった後、光線1、2、3いずれかの経路をたどる。

薄膜発光デバイスから出る光の出力カップリングを改善するため、さまざまな方法が提案されてきた。例えば、薄いポリマー・フィルムからの発光の寄与を、発光層の中を横方向に進む光のブラッグ散乱を誘導することによって制御するための回折格子が提案されている。Safonovらによる「横方向微細構造によるポリマー発光の変更」、Synthetic Metals、第116巻、2001年、145〜148ページと、Luptonらによる「周期的微細構造を有する発光ダイオードからのブラッグ散乱」、Applied Physics Letters、第77巻、第21号、2000年11月20日、3340〜3342ページを参照のこと。屈折特性と表面／体積散乱装置を備えた明るさ向上膜が、2002年5月10に公開されたChouらによる「直視型発光ディスプレイの明るさとコントラストの向上」という名称のWO 02/37568 A1に記載されている。マイクロキャビティ技術を利用することも知られている。例えば、Tsutsuiらによる「光学的マイクロキャビティ構造を有する有機エレクトロルミネッセンス・ダイオードにおける鋭い指向性を持つ発光」、Applied Physics Letters、第65巻、第15号、1994年10月10日、1868〜1870ページを参照のこと。しかしこれらのどの方法も、発生する光のすべて、または発生する光の大部分をデバイスから出させることはできない。さらに、このような屈折法では発光角度が周波数に大きく依存するため、デバイスから出る光の色が見る人の角度によって変化する。

発光領域または画素を取り囲む反射性構造が、1998年11月10日にBulovicらに付与されたアメリカ合衆国特許第5,834,893号に言及されており、この特許文献には各画素の縁部に位置する傾斜した反射性壁部を用いることが記載されている。同様に、Forrestらは、2000年7月18日に付与されたアメリカ合衆国特許第6,091,195号の中に、傾斜した壁部を有する画素を記載している。これらの方法では、発光領域の縁部に位置する反射装置が使用されている。しかし1つの画素または発光領域の中で光が基板に平行に層内を横方向に移動すると、光は吸収によってやはりかなり失われる。

散乱法も知られている。Chou（国際公開番号WO 02/37580 A1）とLiuら（アメリカ合衆国特許出願公開第2001/0026124 A1号）は、光の取り出しを改善するために体積散乱層または表面散乱層を用いることを教示している。散乱層は、有機層の隣またはガラス基板の外面に設けられていて、これらの層に合った屈折率を有する。臨界角よりも大きな角度（そうでないと光は捕獲される）でOLEDデバイスから出る光は散乱層に侵入できるため、散乱されてデバイスの外に出る。そのことによってOLEDデバイスの効率は改善されるが、以下に説明する欠点が相変わらず残されている。

Doらの「有機エレクトロルミネッセンス・ディスプレイ装置とその製造方法」という名称の2004年9月7日に付与されたアメリカ合衆国特許第6,787,796号には、有機エレクトロルミネッセンス（EL）ディスプレイ装置とその製造方法が記載されている。有機ELデバイスは、基板層と、この基板層の上に形成された第1の電極層と、この第1の電極層の上に形成された有機層と、この有機層の上に形成された第2の電極層を備えており、有機EL素子の各層の間に屈折率の大きな差がある場合には、そうした層の間に、屈折率が互いに異なる複数の領域を持つ光損失阻止層が形成されている。Garnerらによる「有機発光ダイオードから光を取り出すための設計」という名称のアメリカ合衆国特許出願公開第2004/0217702号には、同様に、微細構造を利用して内部の屈折率を変化させるか、内部または表面を物理的に変化させ、OLEDの内部における内部導波モードの伝播を乱すことが開示されている。トップ-エミッション型の実施態様では、屈折率が合致したポリマーを封止用カバーに隣接して用いることが開示されている。

しかし散乱法それ自体によって光が光吸収材料層を複数回通過するため、光は吸収されて熱に変換される。さらに、捕獲された光は、カバー、基板、有機層を水平方向にかなりの距離伝播した後、散乱されてデバイスの外に出る。そのためディスプレイなどの画素化された用途ではデバイスのシャープさが低下する。例えば図7に示したように、従来の画素化されたボトム-エミッション型OLEDデバイスは、独立に制御される複数の画素60、62、64、66、68と、透明な第1の電極12と基板10に挟まれた位置にある散乱エレメント21（一般に層の形態にされる）とを備えることができる。発光層から発生する光線5は、基板10、有機層16、透明な第1の電極14を通過する間に光散乱エレメント21によって複数回散乱される可能性があり、その後、デバイスの外に出る。光線5が最終的にデバイスの外に出ていくとき、光線5は、その光線が最初に発生した元の画素60から、光が出ていく離れた画素68までをかなりの距離にわたって移動していることになる。そのためシャープさが低下する。横方向の移動は、たいてい基板10の中で起こる。というのも基板はパッケージの中で最も厚い層だからである。また、出てくる光の量は、さまざまな層で光が吸収されるために少なくなる。あるいは図8に示したようなトップ-エミッション型デバイスにおいて光散乱層が透明な封止用カバーに隣接する位置にある場合には、光は封止用カバー12の中を同様にかなりの距離移動した後に外に出ることになろう。

光散乱層をOLEDデバイスの外側で使用することが、Shiangによる「光の取り出しが改善された有機エレクトロルミネッセンス・デバイス」という名称のアメリカ合衆国特許出願公開第2005/0018431号と、Horikxらによる「光散乱特性を有する媒体からなる活性層を備える、フラット-パネル・ディスプレイのためのシステム」という名称のアメリカ合衆国特許第5,955,837号に記載されている。これらの特許文献には、基板の上に位置する散乱層の特性が詳細に記載され、規定されている。同様に、Duggalらによる「光の取り出しが向上した有機エレクトロルミネッセンス・デバイス」という名称のアメリカ合衆国特許第6,777,871号には、特別な屈折率と散乱特性を有する複合層を含む出力カプラーを使用することが記載されている。この方法は光を取り出すのに有効だが、基板の中を伝播する（光線2で示した）光だけが取り出され、有機層と電極の中を伝播する（光線3で示した）光は取り出されないことになろう。さらに、この構造をディスプレイ装置に適用すると、ディスプレイを見たときのシャープさが低下することになろう。図9に、基板の上に光散乱層をコーティングしたアクティブ-マトリックス式OLEDデバイスのシャープさを示してある。デバイスの（水平方向と鉛直方向の両方での）MTF（シャープさ）の平均を、光散乱層があるOLEDデバイスと光散乱層がないOLEDデバイスに関してプロットしてある。この図からわかるように、光散乱層を備えるOLEDデバイスは、そのOLEDデバイスからより多くの光が取り出された（図示せず）にもかかわらず、光散乱層を持たないOLEDデバイスよりもシャープさがはるかに劣っている。

Tyanらによる「光取り出し効率が向上した有機発光デバイス」という名称のアメリカ合衆国特許出願公開第2004/0061136号には、光散乱層を含む、光の取り出しが向上したOLEDデバイスが記載されている。いくつかの実施態様では、（有機エレクトロルミネッセンス素子の屈折率よりもかなり小さい屈折率を持つ）低屈折率分離層を光散乱層と組み合わせて反射層に隣接して使用することで、反射層に小さな角度でぶつかる光を阻止し、そのことによって反射層からの多数回の反射による吸収損失を最少にする。しかしこの特別な構成でもデバイスのシャープさはやはり低下するであろう。

したがって、上記の問題を回避してデバイスの耐久性と性能が向上していて製造コストが低い改善されたOLEDデバイス構造が必要とされている。

本発明の一実施態様は、基板と；この基板上に形成されていて、この基板上に形成された第1の電極と、この第1の電極の上に形成された1つ以上の有機材料層（そのうちの1つが光を発生させる）と、これら1つ以上の有機材料層の上に形成された透明な第2の電極とを備えるOLEDと；このOLEDの上方に設けられていて、このOLEDからの光を通過させる透明なカバーと；透明な第2の電極の上に分布していて、第1の平均サイズを持ち、透明な第2の電極とカバーを隔ててその両者の間に透明なギャップを形成する、互いに離して形成されたスペーサ・エレメント粒子と；第2の電極の上方にあってスペーサ・エレメント粒子の間に分布しており、第1の平均サイズよりも小さな第2の平均サイズを持ち、発光層から発生する光を散乱させる、互いに離して形成された光散乱エレメント粒子とを備えていて、透明な第2の電極と有機材料層が第1の範囲の屈折率を持ち、透明なカバーが第2の屈折率を持ち、透明なギャップが、第1の範囲の屈折率および第2の屈折率のそれぞれよりも小さな第3の屈折率を持つ有機発光ダイオード（OLED）デバイスに関する。

本発明は、OLEDデバイスの耐久性と性能が向上していて、製造コストが低下するという利点を有する。

個々の層は薄すぎることと、さまざまな層の厚さの違いが大きすぎることのために実際のスケールでは図を描けないため、図面はスケール通りになっていないことが理解されよう。

図1を参照すると、本発明による有機発光ダイオード（OLED）デバイスは、基板10と；この基板10の上に形成されていて、この基板の上に形成された第1の電極14と、この第1の電極14の上に形成された1つ以上の有機材料層16（有機材料層16は第1の範囲の屈折率を持ち、そのうちの1つが光を発生させる）と、これら1つ以上の有機材料層16の上に形成された透明な第2の電極18（この透明な第2の電極18は第1の範囲の屈折率を持つ）を備えるOLED11と；このOLED11の上に設けられていて、このOLEDから出る光が通過する透明なカバー12（この透明なカバー12は第2の屈折率を持つ）と；透明な第2の電極18の上に分布していて、第1の平均サイズを持ち、この透明な第2の電極18とカバー12を隔ててその両者の間に透明なギャップ32（この透明なギャップは、第1の範囲の屈折率と第2の屈折率のそれぞれよりも小さな第3の屈折率を持つ）を形成する、互いに離して形成されたスペーサ・エレメント粒子24と；第2の電極18の上にあってスペーサ・エレメント粒子の間に分布しており、第1の平均サイズよりも小さな第2の平均サイズを持ち、発光層から発生する光を散乱させる、互いに離して形成された光散乱エレメント粒子22を備えている。

この明細書では、光散乱粒子は、あらゆる方向からこのような粒子からなる層に入射するあらゆる光をランダムな方向に向ける傾向のある光学粒子である。この明細書では、透明な電極は、光の一部を通過させる電極であり、その中には、半透明な電極、一部反射性の電極、一部吸収性の電極が含まれる。同時係属中で譲受人に譲渡された2005年2月24日に出願のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第11/065,082号に記載されているのと同様に、透明な電極と有機発光材料層は、第1の範囲の屈折率を持ち、透明なカバーは第2の屈折率を持ち、光散乱エレメントは基板とカバーの間に位置する。透明なギャップは、第1の範囲の屈折率と第2の屈折率のそれぞれよりも小さな第3の屈折率を持つ。

好ましい実施態様では、封止用カバー12と基板10は、屈折率の典型的な値が1.4〜1.6であるガラスまたはプラスチックを含むことができる。透明なギャップ32は、光学的に透明な材料からなる固体層、空隙、ギャップのいずれかが可能である。空隙またはギャップは、真空でもよいし、光学的に透明な気体材料または液体材料を満たしてもよい。例えば空気、窒素、ヘリウム、アルゴンはどれも屈折率が1.0〜1.1であり、使用可能である。屈折率の小さい使用可能な固体としてフルオロカーボンやMgFがあり、それぞれ1.4よりも小さな屈折率を持つ。使用するどの気体も不活性であることが好ましい。第1の電極14は、金属（例えばアルミニウム、銀、マグネシウム）または合金からなることが好ましい。第2の電極18は、透明な導電性材料（例えばインジウム-スズ酸化物（ITO）その他の金属酸化物）からなることが好ましい。有機材料層16は、従来技術で知られている有機材料を含むことができ、有機材料層16として、例えば正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層、電子輸送層がある。このような有機材料層はOLEDにおいてよく知られている。有機材料層は、屈折率が一般に1.6〜1.9であるのに対し、インジウム-スズ酸化物は屈折率が約1.8〜2.1である。したがってOLEDの第2の電極18と有機材料層16は、屈折率が1.6〜2.1の範囲である。もちろん、さまざまな材料の屈折率は、その材料を通過する光の波長に依存する可能性があるため。その材料に関してこの明細書に示す屈折率の値はおおまかな値にすぎない。いずれにせよ、屈折率が小さい透明なギャップは、OLEdの発光層にとって望ましい波長における第1の範囲の屈折率と第2の屈折率のそれぞれよりも屈折率が少なくとも0.1小さいことが好ましい。

本発明によれば、第1のサイズと第2のサイズは、スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22の平均サイズを意味する。好ましい一実施態様では、第2のサイズの平均は2ミクロン未満であることが好ましく、100nm〜2μmであることがより好ましく、500nm〜2μmであることが最も好ましい。第1のサイズは1〜100μmであることが好ましく、2〜10μmであることがより好ましい。一般に、第1のサイズは、第2のサイズよりも少なくとも1μm大きいことがさらに好ましい。さらに、本発明によれば、光散乱エレメント粒子22は、発光層から発生する可視光を散乱させるのに最適なサイズを持ち、スペーサ・エレメント粒子24は、基板10またはカバー12が例えば曲げられて応力を受けたときにカバー12がOLED11または光散乱エレメント粒子22と接触するのを防止するのに最適なサイズを持つ。スペーサ・エレメント粒子がすべて同じ形状またはサイズであることは重要ではない。

光散乱エレメント粒子22は、体積散乱層または表面散乱層で使用できる。いくつかの実施態様では、光散乱エレメント粒子22を例えば少なくとも2つの異なる屈折率を持つ層で使用できる。このような層は、例えば屈折率がより小さなマトリックスと、屈折率がより大きな散乱エレメント粒子を含むことができる。あるいはマトリックスの屈折率がより大きく、散乱エレメント粒子の屈折率がより小さくてもよい。例えばマトリックスは、屈折率が約1.5の二酸化ケイ素または架橋した樹脂、または屈折率がはるかに大きな窒化ケイ素を含むことができる。

本発明によれば、スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22は、カバー12または基板10と一体化しておらず、別々に形成された後にカバー12とOLED11に挟まれたギャップ32に入れられる。すなわちスペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22は、アクティブ-マトリックス・ディスプレイ装置に見られるOLED11材料、電極14と18、薄膜シリコン部品の製造に利用される例えばリソグラフィや材料蒸着法によっては形成されない。本発明では、スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22は別々に形成され、カバー12が形成され、基板10の上にOLED11が形成された後にギャップ32の中に配置される。スペーサ・エレメント粒子24は、カバー12と基板10の間に加わる機械的応力を吸収するため、または加わった応力をOLEDデバイスのうちで敏感だったり容易に損傷したりしない領域に向けるため、連続膜ではなく粒子状材料になっている。特に、スペーサ・エレメント粒子24は、基板10の上にいろいろな層（例えば、さまざまな形態のシリコン（LTPS、アモルファス）、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、金属、金属酸化物、合金で製造した薄膜電子部品、パシベーション層、電極）を構成したり、基板10の上にあるいろいろな層を処理したりするのに用いる材料からリソグラフィによって形成されることはない。同様に、光散乱エレメント粒子22は、連続膜ではなく散乱性粒子にできるが、層の形態にすることもできる。スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22の両方とも、マトリックス材料（例えばポリマー）の中に配置することができる。

スペーサ・エレメント粒子24は堅固でも可撓性があってもよく、さまざまな形状にすることができる。例えば球、円筒形、ランダムな形状などにできるが、形状がこれらに限定されないことが理解されよう。球形は堆積させるとき有利であるのに対し、円筒形は光学的な利点があり、ランダムな形状は有効な光学的散乱を実現することができる。上記のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第11/065,082号に記載されているように、OLED11をカバー12からうまく離して有用な光学的構造を提供するため、スペーサ・エレメント粒子24は、少なくとも1μmの直径を持つか、層の厚さが少なくとも1μmであることが好ましい。スペーサ・エレメント粒子24は、金属（例えばチタン）、合金、金属酸化物（例えば二酸化チタン、インジウム-スズ酸化物、インジウム-亜鉛酸化物）を含むこと、またはさまざまなポリマー（例えば導電性ポリマー）で形成することができる。上記のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第11/065,082号に記載されているように、可視光を効果的に散乱させるため、光散乱エレメント粒子22は、0.1μmより大きな直径を持つか、0.1μmより大きな厚さの層を形成することが好ましい。

スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22は、同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。どちらの粒子も共通する1つの堆積ステップにおいてOLED11の上に堆積させてもよいし、スペーサ・エレメント粒子をカバー12の内側に堆積させてもよい。例えばカバー12をOLED11の上に配置する前、かつOLED11を基板10の上に形成した後に、スペーサ・エレメント粒子24をカバー12またはOLED11に付着させることができる。カバー12を形成し、すべての層を備えたOLEDをあらゆる電子部品とともに基板上に堆積させると、スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22をOLEDの上に堆積させ、カバーをOLEDと接した状態で揃え、シールを用いて付着させることができる。あるいは光散乱エレメント粒子22をOLED11の上に堆積させ、スペーサ・エレメント粒子24をカバー12の内側全体に分布させた後、スペーサ・エレメント粒子24とカバー12をOLED11および基板10と接した状態で揃え、シールを用いて付着させる。スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22を共通する1つの堆積ステップで共通の1つの分散液から堆積させる実施態様を利用すると、好ましいことに製造コストを下げることができる。

スペーサ・エレメント粒子24は、さまざまな方法でOLED11またはカバー12の表面に配置することができる。スペーサ・エレメント粒子24それ自体が接着性コーティングを備えていてもよく、その場合には接着性コーティングを備えるスペーサ・エレメント粒子24をOLED11またはカバー12の表面にスプレーすることができる。同様に、光散乱エレメント粒子22は、さまざまな方法でOLED11の上に配置することができる。光散乱エレメント粒子22それ自体が接着性コーティングを備えていてもよく、その場合には接着性コーティングを備える光散乱エレメント粒子22をOLED11の表面にスプレーすることができる。あるいは接着剤をOLED11またはカバー12の表面にコーティングし、光散乱エレメント粒子22またはスペーサ・エレメント粒子24をその接着剤コーティングの上にスプレーするか別の方法で堆積させることもできる。このようなプロセスでは、光散乱エレメント粒子22および／またはスペーサ・エレメント粒子24は、一般に、コーティングされた表面全体に規則的なパターンで堆積されるかランダムに堆積されるが、スペーサ・エレメント粒子24は大規模に一様に分布させることが好ましいのに対し、光散乱エレメント粒子22は小規模に一様に分布させることが好ましい。スペーサ・エレメント粒子24は、OLEDデバイスの発光領域26の上方に分布させる場合には、発生する光がまったく吸収されないようにするためできるだけ透明であることが好ましい。

一実施態様では、スペーサ・エレメント粒子24は発光領域26の周囲に配置できるのに対し、光散乱エレメント粒子22は発光領域26の上方に配置する。このような配置だと、カバー12または基板10が変形することによって加わる圧力はすべて発光領域26の周囲にあるスペーサ・エレメント粒子24に伝わるため、発光材料に対する応力が小さくなる。発光材料はOLEDデバイス全体を覆うことができるとはいえ、発光領域に挟まれたその発光材料に対する応力や損傷が（電気的短絡を生じさせることはなく）OLEDデバイスに悪い効果を及ぼすことはなかろう。例えば上部電極18が局所的に損傷したとしても、デバイスに対するいかなる大きなダメージもなければ、発光領域からの発光にいかなる変化もなかろう。さらに、トップ・-エミッション型の構成では、OLED発光領域の周囲は、応力に対する抵抗力がより大きな薄膜シリコン材料にすることができる。

カバー12は、凹部を備えていてもいなくてもよい。カバーが実際に凹部を備えている場合には、図1に示してあるように、その凹部を十分に深くしてスペーサ・エレメント粒子24を収容し、カバーの周辺を基板に固定することができる。スペーサ・エレメント粒子24は、カバー12の内側とだけ接触させること（カバーを取り付けた場合）、またはOLED11とカバー12の内側の両方と接触させることができる。スペーサ・エレメント粒子24がOLED11とカバー12の内側の両方と接触していて、カバー12が基板10に固定されている場合には、カバー12の凹部は、スペーサ・エレメント粒子24とOLED11を合わせた厚さにほぼ等しい深さになっている必要がある。あるいは図4からわかるように、カバーは凹部を備えていなくてもよい。この場合には、封止部材30を用いてOLEDデバイスの中に水分が侵入しないようにせねばならない。追加の端部キャップ28をカバー12と基板10の縁部に固定し、水分や環境中の汚染物質がOLEDデバイスの中に侵入しないようにする。

本発明によれば、発光領域26の上方に光散乱エレメント粒子22があって、スペーサ・エレメント粒子24がカバー12とOLED11に挟まれたギャップの中に位置するOLEDデバイスは、より多くの光を発生させ、カバー12と基板10の間に応力が存在しているときにより丈夫である。典型的な1つの状況では、カバー12の変形は、例えばカバー12または基板10を指または手で押したり、カバー12または基板10にボールなどの道具をぶつけたりすることで、OLEDデバイス全体が撓んだりカバー12または基板10が別々に変形したりすることによって起こる。このような状況になったとき、基板10またはカバー12はわずかに変形し、スペーサ・エレメント粒子24に圧力を及ぼす。スペーサ・エレメント粒子24は光散乱エレメント粒子22よりも厚いため、好ましいことにスペーサ・エレメント粒子24がその圧力を吸収し、カバーまたはギャップ32内の材料がOLED11または光散乱エレメント粒子22に押し付けられることはなく、OLED11または光散乱エレメント粒子22が破壊されることもない。圧縮可能なスペーサ・エレメント粒子24の使用は、圧縮下でスペーサ・エレメント粒子24がOLED層11と接触する面積が大きくなるためそのOLED層に加わる圧力が低下するという点でも好ましい。

追加の保護層を上部電極18に付着させて環境からの保護と物理的保護を行なうことができる。その追加の保護層は、従来技術で知られている例えばSiO_x（x>1）、テフロン（登録商標）、交互になった無機層／ポリマー層（例えばパリーレン）などの障壁層である。例えば複数のAl₂O₃層を電極18の上にコーティングして気密シールにすることができる。複数のAl₂O₃層によって電極18に有効な光学的特性を与えることもできる。

スペーサ・エレメント粒子24は、発光領域の上方を覆っている場合には、光散乱エレメント粒子22と同様に光を散乱させることもできる。両方のエレメントの粒子によるこのような光散乱には、有機層16と電極18、14が部分的に透明である場合には、これらの中を進む光の量が減ることで、OLEDから光を取り出すことに関して利点となる可能性がある。散乱と光取り出しの効果を大きくするため、スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22の屈折率をOLEDのどの部品よりも大きくし、ギャップ32の屈折率をOLEDのどの部品よりも小さくするとよい。

光散乱エレメント粒子22およびスペーサ・エレメント粒子24の材料としては、有機材料（例えばポリマーまたは導電性ポリマー）や無機材料が挙げられる。有機材料としては、例えば、ポリチオフェン、PEDOT、PET、PENなどが挙げられる。無機材料としては、SiO_x（x>1）、SiN_x（x>1）、Si₃N₄、TiO₂、MgO、ZnO、Al₂O₃、SnO₂、In₂O₃、MgF₂、CaF₂などが挙げられる。

スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22は、液体中の分散液（例えば二酸化チタンの分散液を含むポリマー）としてコーティングすることができる。これらエレメントの粒子は、公知のさまざまな方法を利用して堆積させることができる。例えばスプレー、インクジェット法、スピン-コーティング、カーテン-コーティングといった方法がある。これらエレメントの粒子は、OLED積層体の上（例えば1つの電極の上）に直接堆積させること、またはOLED上に形成された保護層の上（例えばOLEDの1つの電極の上に形成されたパリーレンまたはアルミニウム酸化物）に堆積させることができる。

本発明が従来技術よりも好ましいのは、層間での光の反射回数が少なくなり、散乱光が封止用カバー12の中を移動する距離が短くなるからである。図5を参照すると、光線6は有機層16と透明な第2の電極18から出ていける角度で散乱され、透明な電極18と封止用カバー12のどちらよりも屈折率が小さい透明なギャップ32（例えば空気）の中に入る。したがって散乱された光が封止用カバー12にぶつかると、その封止用カバー12を通過して反対側から出ていく。なぜなら屈折率が小さな媒体から屈折率がより大きな媒体に入る光が全反射されることはありえないからである。したがって図7に示したように封止用カバー12の中を光が繰り返して通過することによる損失はなく、図8に示したように有機層16のある一点から出た光が封止用カバー12の別の点から出ていく結果としてシャープが失われることもない。この効果が容易になるようにするには、透明で屈折率が比較的小さなギャップが光を散乱させてはならず、できるだけ透明でなければならない。透明なギャップは、発生した光がその中を適切に伝播して封止用カバー12を通って出ていけるよう、厚さが少なくとも1μmになっていることが好ましい。図5には、スペーサ・エレメント粒子24がデバイスの発光領域と発光領域の間の位置にあることが示してある。

たいていのOLEDデバイスは、水分と酸素の一方または両方に敏感であるため、一般に不活性雰囲気（例えば窒素やアルゴン）中で、乾燥剤（例えばアルミナ、ボーキサイト、硫酸カルシウム、粘土、シリカゲル、ゼオライト、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、硫酸塩、ハロゲン化金属、過塩素酸塩）とともに密封される。スペーサ・エレメント粒子24と光散乱エレメント粒子22は、乾燥特性を持つことができるため、1種類以上の乾燥材料を含むことができる。

本発明のOLEDデバイスでは、望むのであれば、よく知られたさまざまな光学的効果を利用して特性を向上させることができる。その中には、層の厚さを最適化して光の透過を最大にすること、誘電体ミラー構造を設けること、反射性電極の代わりに光吸収性電極にすること、グレア防止または反射防止のコーティングをディスプレイの表面に設けること、偏光媒体をディスプレイの表面に設けること、カラー・フィルタ、中性フィルタ、カラー変換フィルタをディスプレイの表面に設けることなどがある。フィルタ、偏光装置、グレア防止用または反射防止用コーティングは、特に、カバーの表面に、またはカバーの一部として設けることができる。

本発明は、アクティブ-マトリックス式OLEDデバイスまたはパッシブ-マトリックス式OLEDデバイスでも実施することができる。本発明をディスプレイ装置またはエリア照明装置で利用することもできる。好ましい一実施態様では、本発明を、例えば1988年9月6日にTangらに付与されたアメリカ合衆国特許第4,769,292号と、1991年10月29日にVanSlykeらに付与されたアメリカ合衆国特許第5,061,569号などに開示されている小分子OLEDまたはポリマーOLEDからなるフラット-パネルOLEDデバイスで利用する。有機発光ディスプレイの多くの組み合わせや変形例を利用してこのようなデバイスを製造することができる。その中には、トップ-エミッション型構造またはボトム-エミッション型構造を備えるアクティブ-マトリックス式OLEDディスプレイとパッシブ-マトリックス式OLEDディスプレイの両方が含まれる。

スペーサ・エレメント粒子を備える本発明の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。従来のOLEDデバイスの断面図である。従来の別のOLEDデバイスの断面図である。スペーサ・エレメント粒子を備える本発明の別の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。本発明の別の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。従来のボトム-エミッション型OLEDデバイスの断面図であり、発光の様子が示してある。散乱層を備える従来のボトム-エミッション型OLEDデバイスの断面図であり、発光の様子が示してある。散乱層を備える従来のトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図であり、発光の様子が示してある。従来のOLEDデバイスのシャープさを散乱層がある場合とない場合について示したグラフである。

符号の説明

1、2、3、4、5、6 光線
10 基板
11 OLED
12 カバー
14 電極
16 有機層
18 電極
20 薄膜電子部品
22 光散乱エレメント粒子
24 スペーサ・エレメント粒子
26 発光領域
28 端部キャップ
30 封止部材
32 ギャップ
50A、50B 光
60、62、64、66、68 画素

Claims

基板と；
この基板上に形成されていて、この基板上に形成された第1の電極と、この第1の電極の上に形成された1つ以上の有機材料層（そのうちの1つが光を発生させる）と、これら1つ以上の有機材料層の上に形成された透明な第2の電極とを備えるOLEDと；
このOLEDの上方に設けられていて、このOLEDからの光を通過させる透明なカバーと；
上記透明な第2の電極の上に分布していて、第1の平均サイズを持ち、上記透明な第2の電極と上記カバーを隔ててその両者の間に透明なギャップを形成する、互いに離して形成されたスペーサ・エレメント粒子と；
上記第2の電極の上方にあって上記スペーサ・エレメント粒子の間に分布しており、第1の平均サイズよりも小さな第2の平均サイズを持ち、上記発光層から発生する光を散乱させる、互いに離して形成された光散乱エレメント粒子とを備えていて、
上記透明な第2の電極と上記有機材料層が第1の範囲の屈折率を持ち、上記透明なカバーが第2の屈折率を持ち、上記透明なギャップが、第1の範囲の屈折率および第2の屈折率のそれぞれよりも小さな第3の屈折率を持つ有機発光ダイオード（OLED）デバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が上記カバーまたは上記OLEDの表面に堆積される、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が上記カバーまたは上記OLEDの一方または両方と接触する、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が、上記OLEDの上にランダムに分布しているか、上記OLEDの上に規則的に分布しているか、上記OLEDの発光部と発光部の間に位置するかである、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が透明である、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が光を吸収する、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が、二酸化チタン、ポリマー、酸化バリウムのいずれかを含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が光散乱粒子である、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子が接着剤を用いて上記カバーまたは上記OLEDに固定されている、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記接着剤がパターニングされている、請求項9に記載のOLEDデバイス。
上記ギャップが屈折率の小さな材料で満たされている、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記ギャップが、不活性ガス、空気、窒素、アルゴンのいずれかで満たされている、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記スペーサ・エレメント粒子の平均粒径が2μmよりも大きい、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記光散乱エレメント粒子の平均粒径が2μmよりも小さい、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記光散乱エレメント粒子の屈折率が上記OLEDのどの部品の屈折率よりも大きい、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記光散乱エレメント粒子と上記スペーサ・エレメント粒子が同じ材料を含んでいる、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記光散乱エレメント粒子と上記スペーサ・エレメント粒子が異なる材料を含んでいる、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記光散乱エレメント粒子と上記スペーサ・エレメント粒子が共通する1つのステップにおいて堆積される、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記光散乱エレメント粒子がマトリックス材料の中に配置される、請求項1に記載のOLEDデバイス。