JP2010176927A

JP2010176927A - 有機ｅｌ発光装置

Info

Publication number: JP2010176927A
Application number: JP2009016022A
Authority: JP
Inventors: Masato Yamana; 正人山名; Mikio Shinagawa; 幹夫品川
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】有機ＥＬの発光を利用した有機ＥＬ発光装置において、光取り出し効率を向上する。
【解決手段】有機ＥＬ発光装置１は、陽極３と、陰極５と、陽極３及び陰極５間の有機層４と、透光性を有する基板２と、を備える。有機層４からの光は、基板２を通して取り出される。基板２は、その一方の面に開口した複数の孔２１が形成されている。陽極３及び有機層４は、孔２１内に、有機層４が開口側となるように積層されている。これにより、有機層４から出射された光は、有機層４の端部からも基板２中に取り出されて基板２を通して大気中に取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス（以下、有機ＥＬ）の発光を利用した有機ＥＬ発光装置に関する。

従来から、有機物を発光させて面光源を得る有機ＥＬ素子が知られている。図８は、有機ＥＬ素子１００の一般的な断面構成を示す。有機ＥＬ素子１００は、透明な基板１０２の一方の面上に、透明電極である陽極１０３、有機層１０４、及び金属電極である陰極１０５の各層が、この順に積層されて形成される。陽極１０３と陰極１０５の間に通電することによって、陽極１０３側から有機層１０４にホールが注入され、陰極１０５側から電子が注入される。有機層１０４は、注入されたホールと電子の再結合によって発光する。その光は、陽極１０３を通して基板１０２中に取り出され、さらに基板１０２を通して大気中に取り出される。

有機ＥＬ素子１００の各層の屈折率は、例えばガラスから成る基板１０２が１．５、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から成る陽極１０３が２．０、アルミ錯体から成る有機層１０４が１．８であるものとする。このとき、大気の屈折率は１．０であるから、スネルの法則により、光が基板１０２から大気に入射するときの臨界角は、ｓｉｎ^−１（１０２．５）＝４２ｄｅｇ（４２°）となる。このため、有機層１０４で発光されて基板１０２と大気との界面に臨界角４２ｄｅｇより小さい入射角で入射する光は、大気中に出射されるが、それ以外の光は、大気との界面で全反射され、有機ＥＬ素子１００から大気中に取り出すことができない。

例えば、矢印Ｌ１０１で示すように、有機層１０４内の発光点１４１から出射角４０ｄｅｇで出射された光は、入射角４０ｄｅｇで有機層１０４と陽極１０３との界面に入射し、この界面で屈折して出射角３５ｄｅｇで出射する。さらに、入射角３５ｄｅｇで陽極１０３と基板１０２との界面に入射し、この界面で屈折して出射角５０ｄｅｇで出射する。さらに、入射角５０ｄｅｇで基板１０２と大気との界面に入射する。この入射角５０ｄｅｇは、臨界角４２ｄｅｇよりも大きいため、光が大気との界面で全反射される。すなわち、発光点１４１から出射角４０ｄｅｇ以上で出射された光は、大気中に取り出すことができない。

また、図９において、光が陽極１０３から基板１０２に入射するときの臨界角は、ｓｉｎ^−１（１．５／２．０）＝４８ｄｅｇであるため、有機層１０４で発光されて陽極１０３と基板１０２との界面に臨界角４８ｄｅｇ以上の入射角で入射する光は、その界面で全反射して基板１０２中に取り出すことができず、従って、大気中にも取り出すことができない。

例えば、陽極１０３及び有機層１０４の層厚をそれぞれ、１５０ｎｍ、１００ｎｍとすると、矢印Ｌ１０２で示すように、有機層１０４の厚み方向中心の発光点１４１から出射角５６ｄｅｇで出射された光は、入射角５６ｄｅｇで有機層１０４と陽極１０３との界面に入射し、この界面で屈折して出射角４８ｄｅｇで出射する。さらに、入射角４８ｄｅｇで陽極１０３と基板１０２との界面に入射する。この入射角４８ｄｅｇは、その界面における臨界角４８ｄｅｇと同じであるので、光が界面で全反射される。

陽極１０３と基板１０２との界面で全反射された光は、金属から成る陰極１０５で反射されるため、陽極１０３及び有機層１０４内を多重反射して端部方向に導波する。矢印Ｌ１０２で示す例においては、陰極１０５で反射された光は、再び陰極１０５で反射されるまでに、厚み方向に（１００ｎｍ＋１５０ｎｍ）×２＝５００ｎｍ、端部方向に６５４ｎｍ伝播している。

陽極１０３及び有機層１０４内を多重反射する光は、陽極１０３及び有機層１０４の材質に吸収されて消衰する。消衰の程度は、減衰率で表され、材質の消衰係数ｋに依存する。図１０は消衰係数ｋをパラメータとしたときの伝搬距離に対する減衰率を示す。陽極１０３や有機層１０４の消衰係数ｋは、一般に０．０１〜０．１程度である。消衰係数ｋ＝０．０１のときの減衰率を破線で、消衰係数ｋ＝０．１のときの減衰率を実線で示す。発光時の光の放射照度をＩ_０、材質中の伝搬距離をｚとしたときの光の強度をＩとすると、ランベルトの法則により、減衰率は、Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ（−αｚ）となり、光は伝搬距離に対して指数関数的に消衰する。ここでαは、吸収係数であり、波長λの光について、α＝４πｋ／λである。光が多重反射によって、例えば１０００ｎｍ伝播すると、光の強度は、消衰係数ｋ＝０．０１のとき発光時の８０％に、消衰係数ｋ＝０．１のとき発光時の１０％になる。これに加え、多重反射する光は、陰極１０５で反射される際に、１０％程度吸収される。このように、端部方向に導波する導波光は、多重反射による伝搬距離の増大によって指数関数的に消衰するので、有機ＥＬ素子１００の端部から外部に取り出すこともできない。

光取り出し効率の向上を図るため、基板中に周囲より屈折率が高い柱状の高屈折率部を設けることによって、基板から大気への光の入射角を小さくして全反射を軽減する有機ＥＬ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、基板中に光を透過する光透過孔を設けることによって、光取り出し効率の向上を図った有機ＥＬ素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、上述したような有機ＥＬ素子では、有機層から出射されて基板中に取り出された光に対しては、大気中への光取り出し効率が向上するが、有機層内の発光点からの出射角が一定以上大きい光に対しては、基板中に取り出すことができないため、大気中に取り出すこともできず、光取り出し効率の向上効果が十分ではない。

特許３０６５４５８号公報特開２００３−２１７８２４号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、有機ＥＬの発光を利用した有機ＥＬ発光装置において、光取り出し効率を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、陽極と、陰極と、前記陽極及び陰極間の有機層と、透光性を有する基板と、を備え、前記有機層からの光が前記基板を通して取り出される有機ＥＬ発光装置であって、前記基板は、その一方の面に開口した複数の孔が形成されており、前記陽極及び有機層は、前記孔内に、有機層が開口側となるように積層され、前記陰極は、前記複数の孔内の陽極及び有機層に共通とされ、前記基板の開口面側に形成されているものである。

請求項２の発明は、陽極と、陰極と、前記陽極及び陰極間の有機層と、透光性を有する基板と、を備え、前記有機層からの光が前記基板を通して取り出される有機ＥＬ発光装置であって、前記基板は、その一方の面に開口した複数の孔が形成されており、前記陽極、有機層及び陰極は、前記孔内に積層されているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の有機ＥＬ発光装置において、前記孔は、略円柱形状であるものである。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の有機ＥＬ発光装置において、前記孔は、開口側の径が小さい略円錐台形状であるものである。

請求項１の発明によれば、有機層から出射された光は、透明な陽極及び基板を通して大気中に取り出されることに加え、基板に形成された孔内に有機層が積層されていることから、有機層から出射された光は、有機層の端部からも基板中に取り出されて基板を通して大気中に取り出されるので、光取り出し効率が向上する。

請求項２の発明によれば、陽極、有機層及び陰極で構成される有機ＥＬ素子を基板の孔内に積層したので、この有機ＥＬ素子を大気中の水分や酸素から封止する封止層を形成して封止効果を高めることができ、有機ＥＬ発光装置の寿命が延伸する。

請求項３の発明によれば、孔を略円柱形状とすることによって、径の小さな孔を基板に容易に形成することができ、孔内に積層される有機層の端部方向の幅が縮小される。このため、有機層から出射されて有機層の端部から基板中に取り出される光は、端部までの伝搬中における消衰が低減されるので、光取り出し効率が向上する。

請求項４の発明によれば、有機層から出射された光は、有機層等内を多重反射されることなく、有機層の端部から基板中に取り出されると共に、孔が円柱形状の場合よりも大きく基板と大気との界面側に屈折されるので、基板中に取り出された光が大気との界面で全反射されずに大気中に取り出され、光取り出し効率が向上する。

本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置の断面図。同装置における基板の平面図。同装置における光路の一例を示す断面図。同装置における光路の別の例を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置の断面図。同装置における基板の平面図。本発明の第３の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置の断面図。一般的な有機ＥＬ素子の一例の断面図。一般的な有機ＥＬ素子の別の例の断面図。光の伝搬距離に対する減衰率を示す図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置を図１乃至図４を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態の有機ＥＬ発光装置１（以下、発光装置という）は、陽極３と、陰極５と、陽極３及び陰極５間の有機層４と、透光性を有する基板２とを備える。基板２は、その一方の面、本例では陰極が形成される面２２（以下、開口面２２という）に開口した複数の孔２１が形成されている。陽極３及び有機層４は、孔２１内に、有機層４が開口側となるように積層されている。陰極５は、複数の孔２１内に積層された陽極３及び有機層４に共通とされている。基板２の開口面２２とは反対側の面２３が、有機層４の発光による光が大気中に出射される出射面となる。

基板２は、平板状のガラス又はアクリル樹脂等の透光性を有する樹脂から成る。基板２には、マイクロマシニング等の微細加工や又はナノインプリントによって孔２１が形成される。ナノインプリントの場合、孔２１に対応した形状が刻み込まれた金型が基板２の材料に押し付けられて形状が転写される。

この孔２１内に陽極３と有機層４がインクジェットにより順に積層される。各層の材料は、例えば、陽極３がＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、有機層４がアルミ錯体（Ａｌｑ_３）である。陽極３及び有機層４によって孔２１が充填され、基板２の孔２１が開口している開口面２２において、基板２の面と有機層４の開口側とが略面一とされ、この面にアルミニウム等の金属が蒸着されて陰極５が形成される。屈折率については、例えば基板２が１．５、陽極３が２．０、有機層４が１．８であり、陽極３及び有機層４が、それらよりも屈折率が低い基板２の中に設けられている。なお、孔２１内にさらに他の層を積層してもよく、例えば、陽極３と有機層４との間に、アリールアミン類等から成るホール輸送層を積層してもよいし、有機層４と陰極５との間にリチウム錯体等から成る電子注入層を積層してもよい。

孔２１の径、すなわち陽極３及び有機層４の幅ｄ１は、光の消衰を低減するために、製造可能な範囲でできるだけ小さくすることが好ましい。孔２１を略円柱形状とすることによって、径の小さな孔２１を基板２に容易に形成することができ、幅ｄ１が縮小される。幅ｄ１は、通常は下限値が約０．１μｍである。幅ｄ１の上限値は、光が伝搬する材質の消衰係数ｋに既存し、減衰率（Ｉ／Ｉ_０）０．５を閾値とすると、消衰係数ｋ＝０．１では約０．３μｍ、消衰係数ｋ＝０．０１では約３μｍである（図１０参照）。また、孔２１の配置間隔ｄ２は、できるだけ密であることが好ましい。

図２は基板２を開口面２２側から見た構造を示す。なお、図１における基板２の断面は、図２のＡ−Ａ線断面を示している。基板２には、複数の孔２１が格子状に略等間隔に配置される。孔２１を互いに隣接する正三角形の頂点の位置に配置してもよい。隣接する孔２１間及び、孔２１と基板２外縁との間に溝部２４が形成される。この溝部２４は、各孔２１内の陽極３と導通する陽極配線を形成するためのものである。この陽極配線は、例えばＩＴＯから成り、陽極３と共にインクジェットにより溝部２４に形成され、発光装置１の電源（図示せず）のプラス側に接続される。電源のマイナス側には陰極５が接続される。

上記のように構成された発光装置１の発光について図３及び図４を参照して説明する。発光装置１は、陽極３と陰極５間に通電されることによって、有機層４が発光する。有機層４から出射された光は、透明な陽極３及び基板２を通して大気中に取り出される。これに加え、有機層４から出射された光が、有機層４の端部４２からも基板２中に取り出され、基板２から大気中に取り出される。金属から成る陰極５は、有機層４からの光を出射面２３側に反射する。

図３の矢印Ｌ１で示すように、有機層４内の発光点４１から例えば出射角θ_１＝４０ｄｅｇで出射された光は、有機層４の端部４２と基板２との界面に入射角θ_２＝５０ｄｅｇ（９０ｄｅｇ−θ_１）で入射する。この入射角θ_２は、その界面の臨界角５６ｄｅｇ（ｓｉｎ^−１（１．５／１．８））よりも小さいため、この界面で屈折して出射角θ_３＝５６ｄｅｇで基板２中に取り出される。基板２中に取り出された光は、基板２と大気との界面に入射角θ_４＝３４ｄｅｇで入射する。この入射角θ_４は、その界面の臨界角４２ｄｅｇ（ｓｉｎ^−１（１．０／１．５））よりも小さいため、この界面で屈折して出射角θ_５＝５７ｄｅｇで大気中に出射される。なお、有機層４内で発光され、有機層４の端部４２と基板２との界面を臨界角５６ｄｅｇ以上の入射角で入射する光は、その界面で全反射され、陽極３及び基板２を通して大気中に取り出される。

前述した図８に示される一般的な有機ＥＬ素子１００においては、有機層１０４内の発光点１４１から出射角４０ｄｅｇで出射された光は、基板１０２と大気との界面で全反射されて大気中に取り出すことができない。これに対し、本実施形態の発光装置１においては、有機層４が、基板２に形成された孔２１内にあるので、同じ出射角４０ｄｅｇで有機層４から出射された光は、有機層４の端部４２から基板２中に取り出され、基板２と大気との界面で全反射されずに大気中に取り出される。このため、発光装置１の光取り出し効率が向上する。

図４の矢印Ｌ２で示すように、発光点４１から例えば出射角θ_１＝５６ｄｅｇで出射された光は、有機層４の端部４２と基板２との界面を入射角θ_２＝３４ｄｅｇ（９０ｄｅｇ−５６ｄｅｇ）、出射角θ_３＝４２ｄｅｇで基板２中に取り出される。

前述した図９に示される一般的な有機ＥＬ素子１００においては、有機層１０４内の発光点１４１から出射角５６ｄｅｇで出射された光は、陽極１０３と基板１０２との界面で全反射されて、陽極１０３及び有機層１０４内を多重反射して消衰するため、基板１０２中に取り出すことができない。これに対し、本実施形態の発光装置１においては、有機層４が、基板２に形成された孔２１内にあるので、同じ出射角θ_１＝５６ｄｅｇで有機層４から出射された光は、有機層４等内を多重反射されることなく、有機層４の端部４２から基板２中に取り出される。

基板２中に取り出された光は、基板２と大気との界面に入射し、このときの入射角θ_４が、その界面での臨界角４８ｄｅｇ以上であれば全反射される。通常、入手可能な材料によれば、有機層４よりも基板２の方が屈折率が小さい。このため、有機層４の端部４２から基板２中に取り出された光は、基板２と大気との界面側、すなわち出射面２３側に屈折され、大気との界面への入射角が小さくなって、大気中に取り出すことが容易となり、例えば、基板２の出射面２３を粗面化したり、出射面２３に凸レンズをアレイ状に配列する等によって大気中に取り出すことができる。これにより、発光装置１の光取り出し効率を向上することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る発光装置を図５及び図６を参照して説明する。図５に示されるように、本実施形態の発光装置１０は、基板２、陽極３及び有機層４は、第１の実施形態と同様の構成を有し、陰極５ａが孔２１内に積層されている点が異なる。各々の孔２１内に積層された陽極３、有機層４及び陰極５ａが、個別の有機ＥＬ素子を構成している。基板２の孔２１が開口している開口面２２において、基板２の面と陰極５ａの開口側とが略面一とされ、この面にエポキシ樹脂等の封止樹脂の塗布又はＳｉＯ_２等の封止材のスパッタリング等によって封止層６が形成される。

図６は基板２を開口面２２側から見た構造を示す。なお、図５における基板２の断面は、図６のＢ−Ｂ線断面を示している。本実施形態では、陽極配線用の溝部２４と交差する方向に、各孔２１内の陰極５ａと導通する陰極配線用の溝部２５が形成されている。陰極配線用の溝部２５の深さは、陽極配線用の溝部２４よりも浅く、陰極５ａの層厚と略同じとされる。この陰極配線は、例えばアルミニウムから成り、陰極５ａと共に蒸着により溝部２５に形成される。

このように、陽極３、有機層４及び陰極５ａで構成される有機ＥＬ素子を基板の孔２１内に積層したので、この有機ＥＬ素子を大気中の水分や酸素から封止する封止層６を形成して封止効果を高めることができ、発光装置１の寿命が延伸する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る発光装置を図７を参照して説明する。本実施形態の発光装置１１は、第１の実施形態と同様の構成を有し、孔２１ｂを、略円柱形状に替えて、開口側の径が小さい略円錐台形状とした。孔２１ｂは、マイクロマシニング等の微細加工により基板２ｂに形成される。陽極３ｂ及び有機層４ｂが孔２１ｂ内にインクジェットにより積層される。

孔２１ｂの側面と開口面２２との成す角度が１１０ｄｅｇ（直角＋２０ｄｅｇ）である場合を例に説明すると、矢印Ｌ３で示すように、発光点４１ｂから出射角θ_１＝５６ｄｅｇで出射された光は、有機層４ｂの端部４２ｂと基板２との界面を入射角θ_２＝５４ｄｅｇ（９０ｄｅｇ−θ_１＋２０ｄｅｇ）、出射角θ_３＝７６ｄｅｇで基板２ｂ中に取り出され、基板２ｂと大気との界面に入射角θ_４＝１４ｄｅｇで入射する。この入射角θ_４は、その界面における臨界角４８ｄｅｇよりも小さいので、光が界面で全反射されず、出射角θ_５＝２１ｄｅｇで大気中に取り出される。

このように、有機層４ｂから出射された光は、有機層４ｂ等内を多重反射されることなく、有機層４ｂの端部４２ｂから基板２ｂ中に取り出されると共に、孔が円柱形状の場合よりも大きく基板２ｂと大気との界面側に屈折されるので、基板２ｂ中に取り出された光が大気との界面で全反射されずに大気中に取り出され、発光装置１１の光取り出し効率が向上する。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第２の実施形態において、基板２の孔を略円錐台形状としてもよい。

１、１０、１１有機ＥＬ発光装置
２、２ｂ基板
２１、２１ｂ孔
３、３ｂ陽極
４、４ｂ有機層
５、５ａ陰極

Claims

陽極と、陰極と、前記陽極及び陰極間の有機層と、透光性を有する基板と、を備え、前記有機層からの光が前記基板を通して取り出される有機ＥＬ発光装置であって、
前記基板は、その一方の面に開口した複数の孔が形成されており、
前記陽極及び有機層は、前記孔内に、有機層が開口側となるように積層され、
前記陰極は、前記複数の孔内の陽極及び有機層に共通とされ、前記基板の開口面側に形成されていることを特徴とする有機ＥＬ発光装置。
陽極と、陰極と、前記陽極及び陰極間の有機層と、透光性を有する基板と、を備え、前記有機層からの光が前記基板を通して取り出される有機ＥＬ発光装置であって、
前記基板は、その一方の面に開口した複数の孔が形成されており、
前記陽極、有機層及び陰極は、前記孔内に積層されていることを特徴とする有機ＥＬ発光装置。
前記孔は、略円柱形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の有機ＥＬ発光装置。
前記孔は、開口側の径が小さい略円錐台形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の有機ＥＬ発光装置。