JP2011054583A - 白色発光マイクロキャビティｏｌｅｄデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の高い白色ＯＬＥＤデバイスの提供。
【解決手段】白色発光ＯＬＥＤ装置は、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスと光集積要素とを含み、その際マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスは白色発光有機ＥＬ要素を有し、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスは角度依存狭帯域放射を有するよう構成され、光集積要素はマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスからの異なる角度からの角度依存狭帯域放射を集積して白色発光を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機電場発光（ＥＬ）装置に関する。さらに詳しく言うと、本発明は、効率を改善した白色発光ＥＬ装置に関する。

有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）デバイスは、その低駆動電圧、高輝度、広視野角、及びフルカラー均一放射ディスプレイのための能力のため魅力的である。タン（Ｔａｎｇ）他は、米国特許第４，７６９，２９２号及び第４，８８５，２１１号で多層ＯＬＥＤデバイスを開示している。

効率的な白色光を生じるＯＬＥＤデバイスは、極薄型光源、ＬＣＤディスプレイのバックライト、自動車の車内灯、及び事務所の照明といったいくつかの適用業務のための低費用な代替案であると考えられている。白色光を生じるＯＬＥＤデバイスは明るく、効率的であるべきであり、一般に可視波長範囲の大部分に及ぶ広い放射スペクトルを有する。本出願では、「白色」または「実質上白色」という用語は、白色またはオフホワイトとして知覚される光を意味するよう広範に使用する。

以下の特許及び刊行物は、１対の電極の間に置かれた正孔輸送層と有機電場発光層とを備える、白色光を放射することのできる有機ＯＬＥＤデバイスの準備を開示している。

白色光を生じるＯＬＥＤデバイスは以前、米国特許第５，６８３，８２３号でＪ．シ（Ｊ．Ｓｈｉ）によって報告されており、そこでは発光層は、ホスト放射材料中に均一に分散した赤色及び青色の発光材料を含んでいる。このデバイスは良好な電場発光特性を有しているが、赤色及び青色のドーパントの濃度は、ホスト材料の０．１２％及び０．２５％といった非常に小さなものである。大規模製造の際、こうした濃度を制御するのは困難である。佐藤（Ｓａｔｏ）他は、日本国特許第ＪＰ０７，１４２，１６９号で、正孔輸送層に隣接する青色の発光層と、それに続く、赤色蛍光層を含む領域を有する緑色の発光層とを形成することによって製造される、白色光を放射することのできるＯＬＥＤデバイスを開示している。

城戸（Ｋｉｄｏ）他は、科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、第２６７巻、１３３２ページ（１９９５）及び応用物理通信（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６４巻、８１５ページ（１９９４）で、白色光を生じるＯＬＥＤデバイスを報告している。このデバイスでは、各々青色、緑色、または赤色を放射する、異なるキャリア輸送特性を備えた３つの放射層を使用して白色光を生成する。リットマン（Ｌｉｔｔｍａｎ）他は、米国特許第５，４０５，７０９号で、正孔−電子の再結合に応答して白色光を放射することができ、青緑色から赤色までの範囲の可視光での蛍光性を備える別の白色発光デバイスを開示する。デーシュパーンデー（Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ）他は、応用物理通信（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第７５巻、８８８ページ（１９９９）で、正孔阻止層によって分離された赤色、青色、及び緑色の蛍光層を使用する白色ＯＬＥＤデバイスを記載している。

ＯＬＥＤデバイスは通常、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）のような導電性酸化物から製造されることの多い少なくとも１つの透明な電極を有する。こうした材料は、個々の画素が１ｍｍ程度またはそれ未満であるディスプレイにとって十分な導電性を有する。しかし、パネル照明のように、個々の放射ユニットがより大きな適用業務の場合、こうした透明な電極の導電性は不十分なことがある。この欠点は、放射要素を細いストライプ状にすることによって克服できるが、位置合わせが困難になるためこうしたデバイスを製造するのはより困難になり、製造費用が増大する。その上、こうした透明な電極自体費用がかかり製造費用を増大する。

従って、本発明の目的は、高い発光効率を備えた白色ＯＬＥＤ装置を提供することである。

この目的は、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスと光集積要素とを備える白色発光ＯＬＥＤ装置であって、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが白色発光有機ＥＬ要素を有し、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが角度依存狭帯域放射を有するよう構成され、光集積要素がマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスからの異なる角度からの角度依存狭帯域放射を集積して白色発光を形成する白色発光ＯＬＥＤ装置によって達成される。

本発明は、費用を下げ、導電性を高め、製造の容易さを改善するため金属電極だけを有するＯＬＥＤデバイスを利用する白色発光ＯＬＥＤ装置を提供する。このＯＬＥＤ装置は性能を改善する。

本発明の第１の実施形態に係る白色発光ＯＬＥＤ装置の断面図である。 本発明の別の実施形態に係る白色発光ＯＬＥＤ装置の断面図である。 本発明のまた別の実施形態に係る白色発光ＯＬＥＤ装置の断面図である。 本装置の光透過効果の概略を示す、本発明に係るマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスの断面図である。 本発明に係るマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスの平面図である。 先行技術の非マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスのスペクトル出力を示す。 先行技術のマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスのスペクトル出力を示す。 本発明に係るマイクロキャビティＯＬＥＤ装置のスペクトル出力を示す。

層の厚さといったデバイスの特徴的な寸法はマイクロメータ未満のものが多いため、図面の縮尺は寸法精度より視覚化の容易さを考慮したものになっている。

「ＯＬＥＤデバイス」という用語は、有機発光ダイオードを備える発光デバイスという当業技術分野で認識された意味で使用する。「ＯＬＥＤ装置」という用語は、主要構成要素の１つとしてＯＬＥＤデバイスを含む装置を記述するために使用する。「白色光」という用語は、可視波長の大部分に及ぶ広い放射スペクトルを有し一般にユーザによって白色を有するものとして知覚される光に対して使用する。「マイクロキャビティＯＬＥＤデバイス」という用語は、３０％以上の反射率を有する２つの反射ミラーの間に配置された有機ＥＬ要素を備えるＯＬＥＤデバイスを指すために使用する。大部分の場合、反射ミラーの１つは本質的に不透明であり、もう１つは１．０未満の光学濃度を有する半透明のものである。２つの反射ミラーは、ＯＬＥＤデバイスの放射特性に強く影響するファブリーペローマイクロキャビティを形成する。キャビティの共振波長に対応する波長に近い放射は強調され、他の波長の放射は抑圧される。その最終的な結果は、放射される光の帯域幅が大きく狭まり、その輝度が大きく増大することである。また、放射スペクトルも高度に角度依存になる。「有機ＥＬ要素」という用語は、ＯＬＥＤデバイスの動作中、印加された電圧下で光を放射するＯＬＥＤデバイスの２つの電極の間に配置された１つかそれ以上の有機層を指す。また、本願の目的は、「有機ＥＬ要素」は、無機の電子または正孔注入層がＯＬＥＤデバイス中で使用される場合、こうした層を含んでもよい。

大面積の白色発光ＯＬＥＤデバイスの場合、透明な導電性酸化物電極の使用に関連する問題、すなわち高い費用と低い導電率は、酸化物電極の代わりに薄い金属電極を使用することによって克服できる。しかし、十分な導電率の金属膜を使用する場合、それはむしろ反射性である。その結果、一般にもう一方の電極は金属であり反射性であるので、マイクロキャビティ構造が形成される。マイクロキャビティ構造は放射光の帯域幅を大きく狭める。デバイス中で白色発光有機ＥＬ要素を使用する場合でも、ＯＬＥＤデバイスからの出力は狭帯域になる。そうなると白色発光ＯＬＥＤデバイスとしては有用でなくなってしまう。

本発明はこの問題を認識し、かつ、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスからの放射は高度に角度依存であることを認識する。マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスの共振条件は、式１によって記述できる。
２Σｎ_iＬ_iｃｏｓθ_i＋（Ｑ_m1＋Ｑ_m2）λ／２π＝ｍλ 式１
ここで、
ｎ_iは有機ＥＬ要素中のｉ番目の副層の屈折率であり、Ｌ_iはその厚さであり、
θはＯＬＥＤデバイスの平面に対する法線を基準に測定したｉ番目の副層中の光の角度であり、
Ｑ_m1及びＱ_m2は、それぞれ２つの有機ＥＬ要素と金属電極との境界面でのラジアンを単位とする位相シフトであり、
λはデバイスから放射される共振波長であり、
ｍは負でない整数である。
異なる副層のθ_i（デバイスの外部で放射される光の角度を含む）は独立ではなく、スネルの法則ｎ_i ｓｉｎθ_i＝ｎ_j ｓｉｎθ_jにより互いに関連する。

式１は、マイクロキャビティからの共振放射波長λが角度の関数であることを示している。角度が増大するに連れて共振放射波長は短くなる。実際には、０度から９０度の角度範囲にわたって、放射波長が可視波長の大部分に及ぶことができるように、放射波長の変化を十分に大きくすることができる。

すなわち、本発明によれば、白色ＯＬＥＤ装置は、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスからの様々な角度の狭帯域放射光を、白色光として知覚できる角度依存を低減した単一の広帯域放射に集積するため、光集積要素をマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスに追加することによって構成される。本発明によって実行される光モデル化シミュレーションが示唆するところによれば、集積された放射は本質的に、白色ＯＬＥＤ装置が対象とする波長領域全体にわたって非マイクロキャビティデバイスにおける有機ＥＬ要素からの放射スペクトルの形状を再現できる。その上、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが適切に設計されている場合、集積された総出力は、同じ有機ＥＬ要素を使用する非マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスより改善できる。可視スペクトル全体に及ぶため、有機ＥＬ要素は白色光を放射するよう選択される。

本発明はさらに、意外にも、式１の角度θ_iが実際にはマイクロキャビティ内の内角を指すという事実の重要な意味を認識した。ＯＬＥＤ構造中の材料の屈折率は空気の屈折率より大きいので、空気中の角度θ_airはもっと大きくなる。その角度を越えるとマイクロキャビティからの放射が総内部反射のため閉じ込められるというクリティカルな内角θ_cが存在する。総内部反射による光の閉じ込めは従来の非マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスについて十分に記録されているが、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスにおけるこうした光の閉じ込めのある重要な意味についてはこれまで認識されていなかった。

本発明は、例えば、光が基板を通じて放射される下部発光ＯＬＥＤデバイスの場合、基板中に完全に閉じ込められるかなりの量の光が存在することがあることを発見した。同様に、半透明のトップ電極の上に誘電体層が配置された上部発光ＯＬＥＤデバイスの場合、かなりの量の光が誘電体層中に閉じ込められることがある。マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスでは、放射スペクトルが角度によって変化し角度が増大するに連れて放射波長は一般に短くなるので、閉じ込められた光は、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスから空気中に放射される光より短い波長を有する。しかし、高次の短波長放射（式１の場合ｍ＞０）に合わせて調整されたマイクロキャビティＯＬＥＤの場合、角度が増大するに連れて低次空洞共振が赤外領域から可視領域に移動することがある。そして、この長い波長の放射はデバイス中に閉じ込められやすい傾向がある。これと比較して、従来の非マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスでは、閉じ込められた光と放射光との間に存在するスペクトル差ははるかに小さい。例えば、赤色波長領域を放射するよう調整したマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスの場合、角度が増大するに連れて放射される光は赤色から橙色、さらには黄色に変化することがある。かなりの量の緑色及び青色の光が基板内または高屈折率誘電体層内に閉じ込められることがある。本発明が発見したところによれば、この閉じ込められた光は、総内部反射フラストレータ（ＴＩＲＦ）を使用することによって基板または誘電体層の閉じ込めから解放されることができる。ＴＩＲＦを提供する多くの方法が存在するが、それは本出願の後の部分で論じる。本発明の好適実施形態では、光散乱膜の形態のＴＩＲＦを下部発光ＯＬＥＤデバイスの基板の外部表面に光学的に結合する。閉じ込められた光が光散乱膜に到達すると、その一部は伝播角度が変化し閉じ込めから解放される。残りの閉じ込められた光は基板内を伝播し、後で再び光散乱膜に到達した時閉じ込めから解放されることがある。閉じ込められた光は短い波長の光を含むので、閉じ込められた光の解放によって放射光の帯域幅も増大し、このことは白色ＯＬＥＤ装置にとって極めて望ましい。本発明によって行われるモデルシミュレーションが示唆するところによれば、放射効率を改善するため、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスは、法線方向において、可視スペクトルの赤色領域にある、好適には６００ｎｍより長い共振放射波長を有するのが好適である。代替的には、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスは、波長が５００ｎｍ未満の青色領域の高次（式１の場合ｍ＞０）共振に合わせて調整してもよい。この場合、（より小さな値のｍとの共振から）閉じ込められた光は波長範囲の赤色領域内にあり、この光を閉じ込めから解放することによって、放射は再び向上し放射波長は再び広くなる。

本発明の別の好適実施形態では、ＴＩＲＦを、ＯＬＥＤデバイスの基板または誘電体層と半透明の金属電極との間に配置する。半透明の金属電極に近いＴＩＲＦを有することによって、有機層中の光をも解放することが可能になり、ＯＬＥＤデバイスの出力効率とスペクトル帯域幅がさらに改善される。

光の方向を無作為に変化させる際有効な任意の構造を使用して広い角度にわたって放射される光を集積してもよい。当業技術分野で周知の方法は表面またはバルク散乱を含む光散乱層を含む。こうした層は当業技術分野で周知であり、それを使用してそれらを通過する光の方向を有効に変化させてもよい。例えば、光集積要素はマトリックス中に分散した包含物を有する層またはコーティングを備えてもよく、その際包含物の屈折率はマトリックスの屈折率と異なる。この１つの例は、ＴｉＯ₂のような１つかそれ以上の白色顔料を混入したプラスチック膜またはコーティングである。また、光集積要素は、異なる屈折率を有する結晶及びアモルファス領域を有するプラスチック膜またはコーティングを備えてもよい。こうしたプラスチックの例は、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ＥＴＦＥ、ポリスチレン、及びポリプロピレンを含む。光集積要素は表面光散乱構造またはレンズを備えてもよい。また、散乱層を反射モードで使用して、表面から反射する光の方向を変化させて有効に集積し、均一な照射を形成してもよい。光集積要素はＯＬＥＤデバイスから離して配置してもよく、デバイス上またはデバイス内に組み込んでもよいが、最も好適な場合、光集積要素及びＴＩＲＦ両方の機能を果たす単一層でもよい。例えば、この好適な場合では、白色発光装置は、基板の外部表面上に配置された光散乱要素を有する下部発光ＯＬＥＤデバイスから構成してもよく、その際光散乱要素はＴＩＲＦ及び光集積器両方の機能を果たすよう設計される。本発明の代替実施形態では、光集積要素及びＴＩＲＦ両方の機能を果たす層を半透明の電極の近くに配置してもよい。

また、ＴＩＲＦは光散乱要素を備えてもよい。例えば、ＴＩＲＦはマトリックス中に分散した包含物を有する層またはコーティングを備えてもよく、その際包含物の屈折率はマトリックスの屈折率と異なる。ＴＩＲＦの特定の例は、ＴｉＯ₂のような１つかそれ以上の白色顔料を混入したプラスチック膜またはコーティングである。また、異なる屈折率を有する結晶及びアモルファス領域を有するプラスチック膜またはコーティングを備えてもよい。こうしたプラスチックの例は、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ＥＴＦＥ、ポリスチレン、及びポリプロピレンを含む。ＴＩＲＦは表面光散乱構造またはレンズ要素を備えてもよい。

本発明の別の代替実施形態では、マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスは、各々法線方向で異なる放射波長に合わせて調整された２つかそれ以上の副領域に分割される。これによって、白色ＯＬＥＤ装置からの放射は確実に可視波長範囲全体に及ぶことができる。例えば、領域の１つを、法線方向で赤色または赤外光を放射するよう調整してもよい。この領域より大きな角度の放射は波長の黄色及び緑色領域に及ぶことができる。第２の領域を、法線方向で緑色光を放射するよう調整してもよく、このデバイスからのより大きな角度の放射は青色波長領域に及ぶことができる。２つかそれ以上の領域を使用することによって、全可視波長範囲を有効に対象とすることができ、同じ有機ＥＬ要素を使用する非マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスよりも、集積された総出力を改善することができる。波長の対象範囲を改善するため、副領域の１つは、好適にはピーク波長が直角で５５０ｎｍより大きい赤色光を放射するよう調整する。他の領域の少なくとも１つは、ピーク波長が直角で５５０ｎｍより小さい光を放射するよう調整する。さらに、ＴＩＲＦを追加してＯＬＥＤデバイスの光放射効率を改善しスペクトル出力を拡大してもよい。

デバイスからの一般に均一な白色発光を必要とする多くの適用業務の場合、個々の領域の寸法は小さく保持してもよい。光集積要素による集積後、白色ＯＬＥＤ装置からの放射が均一に見えるように、異なる領域を相互分散してもよい。

法線方向で異なる色の光を放射するよう調整された異なる領域のために、共通の白色発光有機ＥＬ要素を使用してもよく、また、代替的には、異なる固有放射スペクトルを備えた放射材料を異なる領域で使用してもよい。例えば、有機層の合計厚さを変化させて、２つの反射電極の間の間隔を変化させることによって、異なる調整を達成してもよい。代替的には、有機層と反射電極の１つとの間で透明な導電相の層を使用して、２つの反射電極の間の間隔を調整してもよい。

ここで図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る白色マイクロキャビティＯＬＥＤ装置１００の断面図が示される。白色ＯＬＥＤ装置はＯＬＥＤデバイス１０と光集積要素９５とを含む。ＯＬＥＤデバイス１０は最小限、基板２０、一般にアノードとして構成されたボトム電極３０、一般にカソードとして構成され、ボトム電極３０から間隔の開いたトップ電極９０、及び発光層５０を含む。また、ＯＬＥＤデバイスは、ＴＩＲＦ２５のようなＴＩＲＦ、透明な導電性スペーサ層３５、正孔注入層４０、正孔輸送層４５、電子輸送層５５、及び電子注入層６０の１つかそれ以上を含んでもよい。見られるように、正孔注入層４０、正孔輸送層４５、発光層５０、電子輸送層５５、及び電子注入層６０は有機ＥＬ要素７０を備える。これらの構成要素は以下より詳細に説明する。

基板２０は、有機固体、無機固体、または有機及び無機固体の組み合わせでもよい。基板２０は剛体または可撓性でよく、シートまたはウェハといった独立した別個の部片または連続ロールとして処理してもよい。通常の基板材料は、ガラス、プラスチック、金属、セラミック、半導体、金属酸化物、半導体酸化物、半導体窒化物、またはそれらの組み合わせを含む。基板２０は材料の均質な混合物、材料の複合体、または材料の多数の層でもよい。基板２０は、例えばアクティブマトリックス低温ポリシリコンまたはアモルファスシリコンＴＦＴ基板といったＯＬＥＤデバイスを準備するため一般的に使用される基板であるＯＬＥＤ基板でよい。基板２０は、光放射の意図した方向に応じて光透過性または不透明の何れかでよい。光透過特性は基板を通じてＥＬ放射を見るために望ましい。この場合、透明なガラスまたはプラスチックが一般に利用される。ＥＬ放射をトップ電極を通じて見る適用業務では、基板３４の透過特性は重要でないので、光透過性、光吸収性または光反射性でもよい。この場合使用される基板は、ガラス、プラスチック、半導体材料、セラミックス、及び回路基板材料、または、パッシブマトリックスデバイスまたはアクティブマトリックスデバイスの何れかでよいＯＬＥＤデバイスを形成する際一般に使用される何らかの他のものを含むが、これらに制限されない。

ＴＩＲＦ２５は、有機ＥＬ要素７０によって放射されＯＬＥＤデバイス１０中に閉じ込められた光を閉じ込めから解放するよう設計された構造である。ＴＩＲＦ２５は、例えば、光を散乱する光散乱要素でもよい。この場合、ＴＩＲＦ２５は、粒子または空隙と異なる屈折率を有するマトリックス中に分散した粒子または空隙を含む容積光散乱要素でもよい。結晶相を含み白色を呈するかまたは半透明である多くの一般的なポリマーは良好な容積散乱要素となることができＴＩＲＦとして有効に使用できる。また、ＴｉＯ₂のような白色化剤を混入したポリマーもＴＩＲＦとして有効に使用できる。また、ＴＩＲＦは、光を散乱する表面の造作または質感を含む表面光散乱要素でもよい。ＴＩＲＦは基板２０に取り付けられ光学的に結合した別個の要素でもよく、また基板の一体式部分でもよい。基板２０を通じて放射し金属ボトム電極３０が半透明であるＯＬＥＤデバイス１０の場合、ＴＩＲＦ２５は、図１に示すように、基板の外部表面上に配置してもよく、また、図２に示すように、基板２０と金属ボトム電極３０との間に配置してもよい。半透明のトップ電極９０を有しトップ電極９０を通じて放射するＯＬＥＤデバイス１０の場合、ＴＩＲＦ２５は半透明のトップ電極９０の上に配置してもよい。場合によっては、透明な誘電体膜を、ＴＩＲＦ２５と半透明のトップ電極９０との間に配置してもよい。

金属ボトム電極３０は基板２０の上に形成し、最も一般的にはアノードとして形成する。また、ボトム電極３０は反射ミラーでもある。ＥＬ放射を基板２０を通じて見る場合、ボトム電極３０は反射性金属から製造するべきであり、半透明と呼ばれる、放射される光の波長で有限部分透過率を有するように十分薄いものであるべきである。実際のデバイスの場合、ボトム電極３０は、一般的なガラスまたはプラスチックの透明な基板の上の単一の膜として測定した場合、少なくとも３０％の反射率と１．０未満の光学濃度を有するべきである。ＡｇまたはＡｕ、及びそれらの金属の少なくとも１つを少なくとも５０原子パーセント有する合金として定義されるそれらの合金を含む少数の金属だけが、好適にはボトム電極３０として使用される。ボトム電極３０の厚さ範囲は、ＯＬＥＤデバイス１０からの所定の波長の輝度光出力を最適化するよう制限され選択される。また、状況によっては、ボトム電極３０中の薄い反射金属層と組み合わせた透明な導電酸化物層を含んでもよい。横方向のコンダクタンスは薄い反射性金属層によって提供されるので、透明な導電酸化物層の導電率は高い必要はない。適切な材料は、酸化インジウム（ＩｎＯ_x）、酸化スズ（ＳｎＯ_x）、酸化亜鉛（ＺｎＯ_x）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_x）、酸化バナジウム（ＶＯ_x）、酸化アンチモン（ＳｂＯ_x）、またはこれらの混合物を含む。

ＥＬ放射をトップ電極９０を通じて見る場合、ボトム電極３０は好適には、本質的に不透明な完全反射ミラーとなるように、１．５またはそれ以上の光学濃度を呈する厚さを備えた反射性金属である。ＯＬＥＤデバイスの放射効率は、ボトム電極３０の反射率が増大するに連れて増大する。ボトム電極３０は好適には、ＡｇまたはＡｕ、Ａｌ、Ｍｇ、またはＣａ、またはこれらの合金を含むリストから選択する。

必ずしも必要ではないが、有機発光ディスプレイ中のボトム電極３０の上に正孔注入層４０を形成するのが有用であることが多い。正孔注入材料は、後続の有機層の膜形成特性を改善し正孔輸送層への正孔の注入を促進する役目を果たすことがある。正孔注入層４０で使用する適切な材料は、米国特許第４，７２０，４３２号に記載のポルフィリン化合物、米国特許第６，２０８，０７５号に記載のプラズマ蒸着フルオロカーボンポリマー、及び酸化バナジウム（ＶＯ_x）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_x）、酸化ニッケル（ＮｉＯ_x）等を含む無機酸化物を含むが、これらに制限されない。有機ＥＬデバイスにおいて有用であると伝えられる代替正孔注入材料は、第ＥＰ ０ ８９１ １２１ Ａ１号及び第ＥＰ １ ０２９ ９０９ Ａ１号に記載されている。

必ずしも必要ではないが、ボトム電極３０とトップ電極９０との間に正孔輸送層４５を形成し配置するのが有用であることが多い。望ましい正孔輸送材料は、気化、スパッタリング、化学蒸着、電気化学的手段、熱転写、またはドナー材料からのレーザ熱転写といった何らかの適切な方法によって蒸着してよい。正孔輸送層４５で有用な正孔輸送材料が芳香族第三級アミンのような化合物を含むことは周知であり、芳香族第三級アミンとは、少なくとも１つが芳香環の要素である炭素原子にだけ結合する少なくとも１つの三価窒素原子を含む化合物であると理解されている。１つの形態では、芳香族第三級アミンは、モノアリールアミン、ジアリールアミン、トリアリールアミン、またはポリマーアリールアミンといったアリールアミンでもよい。モノマートリアリールアミンの例は、米国特許第３，１８０，７３０号で、クリュプフェル（Ｋｌｕｐｆｅｌ）他によって例示されている。１つかそれ以上のビニル基によって置換され、かつ／または少なくとも１つの活性水素を含む基を備える他の適切なトリアリールアミンは、米国特許第３，５６７，４５０号及び第３，６５８，５２０号でブラントリー（Ｂｒａｎｔｌｙ）他によって開示されている。

芳香族第三級アミンのさらに好適な種類は、米国特許第４，７２０，４３２号及び第５，０６１，５６９号で開示されているような少なくとも２つの芳香族第三級アミン部分を含むものである。こうした化合物は構造式Ａによって表されるものを含む。

ここで、
Ｑ₁及びＱ₂は別個に選択された芳香族第三級アミン部分であり、
Ｇは炭素−炭素結合のアリーレン、シクロアルキレン、またはアルキレン基といった結合基である。

１つの実施形態では、Ｑ₁またはＱ₂の少なくとも１つは、例えばナフタレンのような多環式縮合環状構造を含む。Ｇがアリール基である場合、それは好都合にはフェニレン、ビフェニレン、またはナフタレン部分である。

構造式Ａを満足し２つのトリアリールアミン部分を含むトリアリールアミンの有用な種類は構造式Ｂによって表される。

ここで、
Ｒ₁及びＲ₂は各々別個に水素原子、アリール基、またはアルキル基を表すか、またはＲ₁及びＲ₂は共にシクロアルキル基を完成する原子を表し、
Ｒ₃及びＲ₄は各々別個にアリール基を表し、そのアリール基は、構造式Ｃによって示されるようなジアリール置換アミノ基によって置換される。

ここでＲ₅及びＲ₆は別個に選択されたアリール基である。１つの実施形態では、Ｒ₅及びＲ₆の少なくとも１つは、例えばナフタレンのような多環式縮合環状構造を含む。

芳香族第三級アミンの別の種類はテトラアリールジアミンである。望ましいテトラアリールジアミンはアリーレン基を介して結合した、式Ｃによって示されるような２つのジアリールアミノ基を含む。有用なテトラアリールジアミンは式Ｄによって表されるものを含む。

ここで、
各Ａｒｅは、フェニレンまたはアントラセン部分といった別個に選択されたアリーレン基であり、
ｎは１〜４の整数であり、
Ａｒ、Ｒ₇、Ｒ₈、及びＲ₉は別個に選択されたアリール基である。

通常の実施形態では、Ａｒ、Ｒ₇、Ｒ₈、及びＲ₉の少なくとも１つは、例えばナフタレンのような多環式縮合環状構造を含む。

上記の構造式Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの様々なアルキル、アルキレン、アリール、及びアリーレン部分は各々順番に置換してもよい。通常の置換基はアルキル基、アルコキシル基、アリール基、アリールオキシ基、及びフッ化物、塩化物、及び臭化物といったハロゲンを含む。様々なアルキル及びアルキレン部分は通常１個〜約６個の炭素原子を含む。シクロアルキル部分は３個〜約１０個の炭素原子を含むことがあるが、通常は、例えばシクロペンチル、シクロヘキシル、及びシクロヘプチル環状構造といった５個、６個、または７個の炭素原子を含む。アリール及びアリーレン部分は普通フェニル及びフェニレン部分である。

ＯＬＥＤデバイスにおける正孔輸送層は単一の芳香族第三級アミン化合物またはその混合物から形成してよい。詳しく言うと、式Ｂを満足するトリアリールアミンのようなトリアリールアミンを、式Ｄによって示されるようなテトラアリールジアミンと組み合わせて利用してよい。トリアリールアミンをテトラアリールジアミンと組み合わせて利用する場合、後者は、トリアリールアミンと電子注入及び電子輸送層との間に挿入された層として配置する。有用な芳香族第三級アミンの例は以下である。
１，１−ビス（４−ジ−ｐ−トリルアミノフェニル）シクロヘキサン
１，１−ビス（４−ジ−ｐ−トリルアミノフェニル）−４−フェニルシクロヘキサン
４，４’−ビス（ジフェニルアミノ）クアドリフェニル
ビス（４−ジメチルアミノ−２−メチルフェニル）−フェニルメタン
Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリ（ｐ−トリル）アミン
４−（ジ−ｐ−トリルアミノ）−４’−［４（ジ−ｐ−トリルアミノ）−スチリル］スチルベン
Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラ−ｐ−トリル−４−４’−ジアミノビフェニル
Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラフェニル−４，４’−ジアミノビフェニル
Ｎ−フェニルカルバゾール
ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）
Ｎ，Ｎ’−ジ−１−ナフタレニル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−４，４’−ジアミノビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４”−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ｐ−テルフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（２−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（３−アセナフテニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
１，５−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ナフタレン
４，４’−ビス［Ｎ−（９−アンスリル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４”−ビス［Ｎ−（１−アンスリル）−Ｎ−フェニルアミノ］−ｐ−テルフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（２−フェナンスリル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（８−フルオランテニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（２−ピレニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（２−ナフタセニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（２−ペリレニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
４，４’−ビス［Ｎ−（１−コロレニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル
２，６−ビス（ジ−ｐ−トリルアミノ）ナフタレン
２，６−ビス［ジ−（１−ナフチル）アミノ］ナフタレン
２，６−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−（２−ナフチル）アミノ］ナフタレン
Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラ（２−ナフチル）−４−４”−ジアミノ−ｐ−テルフェニル
４，４’−ビス｛Ｎ−フェニル−Ｎ−［４−（１−ナフチル）−フェニル］アミノ｝ビフェニル
４，４’−ビス「Ｎ−フェニル−Ｎ−（２−ピレニル）アミノ］ビフェニル
２，６−ビス［Ｎ，Ｎ−ジ（２−ナフチル）アミン］フルオレン
１，５−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ナフタレン

有用な正孔輸送材料の別の種類は、第ＥＰ １ ００９ ０４１号に記載の多環式芳香族化合物を含む。さらに、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）（ＰＶＫ）、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、及びＰＥＤＯＴ／ＰＳＳとも呼ばれるポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホネート）のような共重合体といったポリマー正孔輸送材料を使用してもよい。

発光層５０は、正孔−電子の再結合に応答して光を生じる。発光層５０は、ボトム電極３０及びトップ電極９０である反射ミラーの間に配置され、正孔輸送層４５のような、何らかの他の層の上に形成される。望ましい有機発光材料は、気化、スパッタリング、化学蒸着、電気化学的手段、またはドナーシートからの放射熱転写といった何らかの適切な方法で蒸着してよい。有用な有機発光材料は周知である。米国特許第４，７６９，２９２号及び第５，９３５，７２１号にさらに十分に記載されているように、有機ＥＬ要素の発光層は、この領域での電子−正孔対の再結合の結果として電場発光が生じる発光または蛍光材料を備える。発光層は単一の材料から構成してもよいが、より一般的には、ゲスト化合物またはドーパントによってドープしたホスト材料を含み、発光は主としてドーパントから生じる。ドーパントは特定のスペクトルを有する色の光を生じるように選択する。発光層のホスト材料は、以下定義するような電子輸送材料、上記で定義したような正孔輸送材料、または正孔−電子の再結合をサポートする別の材料でもよい。ドーパントは普通、高度蛍光染料から選択するが、第ＷＯ９８／５５５６１号、第ＷＯ００／１８８５１号、第ＷＯ００／５７６７６号、及び第ＷＯ００／７０６５５号に記載の遷移金属複合体のような燐光性化合物も有用である。通常、０．０１〜１０質量％のドーパントをホスト材料中にコーティングする。

ドーパントとして染料を選択するための重要な関係は、分子の最高占有分子軌道と最低非占有分子軌道との間のエネルギー差として定義されるバンドギャップ電位の比較である。ホスト材料からドーパント分子への有効なエネルギー転写のため、必要な条件は、ドーパントのバンドギャップがホスト材料のバンドギャップより小さいことである。

使用できることが知られているホスト及び発光分子は、米国特許第４，７６８，２９２号、第５，１４１，６７１号、第５，１５０，００６号、第５，１５１，６２９号、第５，２９４，８７０号、第５，４０５，７０９号、第５，４８４，９２２号、第５，５９３，７８８号、第５，６４５，９４８号、第５，６８３，８２３号、第５，７５５，９９９号、第５，９２８，８０２号、第５，９３５，７２０号、第５，９３５，７２１号、及び第６，０２０，０７８号に記載のものを含むが、これらに制限されない。

８−ヒドロキシキノリン及び同様の誘導体の金属複合体（式Ｅ）は、電場発光をサポートすることができる有用なホスト材料の１つの種類を構成し、例えば緑色、黄色、橙色、及び赤色といった５００ｎｍより長い波長の光放射に特に適している。

ここで、
Ｍは金属を表し、
ｎは１〜３の整数であり、
Ｚは発生する都度別個に、少なくとも２つの縮合芳香環を有する核を完成する原子を表す。

上記から、金属は一価、二価、または三価の金属でもよいことが明らかである。金属は、例えば、リチウム、ナトリウム、またはカリウムといったアルカリ金属、マグネシウムまたはカルシウムといったアルカリ土類金属、またはボロンまたはアルミニウムといった土類金属でもよい。一般に、有用なキレート化金属であることが知られた一価、二価、または三価の金属を利用すればよい。

Ｚは、少なくとも１つがアゾール環またはアジン環である少なくとも２つの縮合芳香環を含む複素環核を完成する。必要な場合、脂肪族環及び芳香族環の両方を含む追加の環を２つの必要な環と共に縮合してもよい。機能を改善することなく分子の大きさを増やすのを避けるため、環の原子の数は１８またはそれ未満に維持する。

有用なキレート化オキシノイド化合物の例は以下である。
ＣＯ−１：アルミニウムトリスオキシン［別名、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）］
ＣＯ−２：マグネシウムビスオキシン［別名、ビス（８−キノリノラト）マグネシウム（ＩＩ）］
ＣＯ−３：ビス［ベンゾ｛ｆ｝−８−キノリノラト）亜鉛（ＩＩ）
ＣＯ−４：ビス（２−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）−μ−オキソ−ビス（２−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）
ＣＯ−５：インジウムトリスオキシン［別名、トリス（８−キノリノラト）インジウム］
ＣＯ−６：アルミニウムトリス（５−メチルオキシン）［別名、トリス（５−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（ＩＩＩ）］
ＣＯ−７：リチウムオキシン［別名、（８−キノリノラト）リチウム（Ｉ）］
ＣＯ−８：ガリウムオキシン［別名、トリス（８−キノリノラト）ガリウム（ＩＩＩ）］
ＣＯ−９：ジルコニウムオキシン［別名、テトラ（８−キノリノラト）ジルコニウム（ＩＶ）］

９，１０−ジ−（２−ナフチル）アントラセン（式Ｆ）の誘導体は、電場発光をサポートすることができる有用なホスト材料の１つの種類を構成し、例えば青色、緑色、黄色、橙色または赤色といった４００ｎｍより長い波長の光放射に特に適している。

ここでＲ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴、Ｒ⁵、及びＲ⁶は、各環についての１つかそれ以上の置換基を表し、各置換基は以下のグループから別個に選択する。
グループ１：水素、または１個〜２４個の炭素原子のアルキル
グループ２：５個〜２０個の炭素原子のアリールまたは置換アリール
グループ３：アンスラセニル、ピレニル、またはペリレニルの縮合芳香環を完成するために必要な４個〜２４個の炭素原子
グループ４：フリル、チェニル、ピリジル、キノリニルまたは他の複素環系の縮合複素芳香環を完成するために必要な５個〜２４個の炭素原子のヘテロアリールまたは置換ヘテロアリール
グループ５：１個〜２４個の炭素原子のアルコキシルアミノ、アルキルアミノ、またはアリールアミノ
グループ６：フッ素、塩素、臭素またはシアン

ベンザゾール誘導体（式Ｇ）は、電場発光をサポートすることができる有用なホストの別の種類を構成し、例えば青色、緑色、黄色、橙色または赤色といった４００ｎｍより長い波長の光放射に特に適している。

ここで、
ｎは３〜８の整数であり、
ＺはＯ、ＮＲまたはＳであり、
Ｒ’は水素、例えばプロピル、ｔ−ブチル、ヘプチル等といった１個〜２４個の炭素原子のアルキル、例えばフェニル及びナフチル、フリル、チェニル、ピリジル、キノリニル及び他の複素環系といった５個〜２０個の炭素原子のアリールまたはヘテロ原子置換アリール、またはクロロ、フルオロといったハロゲン、または縮合芳香環を完成するために必要な原子であり、
Ｌは、アルキル、アリール、置換アルキル、または置換アリールを含む結合単位であり、多数のベンザゾールを互いに共役的または非共役的に接続する。

有用なベンザゾールの例は、２，２’，２”−（１，３，５−フェニレン）トリス［１−フェニル−１Ｈ−ベンゾイミダゾール］である。

望ましい蛍光ドーパントは、アントラセン、テトラセン、キサンテン、ペリレン、ルブレン、クマリン、ローダミン、キナクリドン、ジシアノメチレンピラン化合物、チオピラン化合物、ポリメチン化合物、ピリリウム及びチアピリリウム化合物、及びカルボスチリル化合物の誘導体を含む。有用なドーパントの例は以下を含むが、これらに制限されない。

他の有機発光材料は、例えば、同じ譲受人に譲受された米国特許第６，１９４，１１９Ｂ１号及びそこに引用された参考文献でウォルク（Ｗｏｌｋ）他によって教示されているポリフェニレンビニレン誘導体、ジアルコキシ−ポリフェニレンビニレン、ポリ−パラ−フェニレン誘導体、及びポリフルオレン誘導体といったポリマー物質でもよい。

図示されていないが、結果として得られるＯＬＥＤデバイスの適切な放射特性を得るために望ましいならば、デバイスはさらに２つかそれ以上の発光層を備えてもよい。

必ずしも必要ではないが、ＯＬＥＤデバイス１０が発光層５０の上に形成された電子輸送層５５を含むのが有用であることが多い。望ましい電子輸送材料は、気化、スパッタリング、化学蒸着、電気化学的手段、熱転写、またはドナー材料からのレーザ熱転写といった何らかの適切な方法によって蒸着してよい。電子輸送層５５で使用するための好適な電子輸送材料は、（一般に８−キノリノールまたは８−ヒドロキシキノリンとも呼ばれる）オキシン自体のキレートを含む金属キレート化オキシノイド化合物である。こうした化合物は電子の注入及び輸送を助け、どちらでも高いレベルの性能を示し薄膜の形態の製造が容易である。考慮されるオキシノイド化合物の例は、前に記載した式Ｅを満たすものである。

他の電子輸送材料は、米国特許４，３５６，４２９号に記載されているような様々なブタジエン誘導体、及び米国特許第４，５３９，５０７号に記載されているような様々な複素環蛍光増白剤を含む。構造式Ｇを満たすベンザゾールも有用な電子輸送材料である。

他の電子輸送材料は、例えば、導電性分子及びポリマー便覧、第１〜４巻、Ｈ．Ｓ．ナルワ編、ジョン ワイリー アンド サンズ、チチェスター（１９９７年）（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ ａｎｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｖｏｌｓ．１−４、Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ，ｅｄ．，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ（１９９７））に記載されているようなポリフェニレンビニレン誘導体、ポリ−パラ−フェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリチオフェン、ポリアセチレン、及び他の導電性ポリマー有機材料といったポリマー物質でもよい。

当業技術分野で周知のように、上記に記載した層の中には１つより多い機能を有してよいものがあることが理解されるだろう。例えば、発光層５０はＯＬＥＤデバイスの性能のための必要に応じて正孔輸送特性または電子輸送特性を有してもよい。正孔輸送層４５または電子輸送層５５、またはそれらの両方は、放射特性を有してもよい。こうした場合、より少ない数の層でも望ましい放射特性のため十分なことがある。

本発明を上首尾に実施できる有機ＥＬ媒体層の非常に多くの構成が存在する。白色光を放射する有機ＥＬ媒体層の例は、例えば、第ＥＰ １ １８２ ２４４号、米国特許出願公報第２００２／００２５４１９Ａ１号、第ＥＰ １ １８２ ２４４号、米国特許第５，６８３，８２３号、第５，５０３，９１０号、第５，４０５，７０９号、及び５，２８３，１８２号に記載されている。第ＥＰ １ １８７ ２３５ Ａ２号に示すように、スペクトルの可視領域中のほぼ連続的なスペクトルを備えた白色光放射有機ＥＬ媒体は、
アノードの上に配置された正孔注入層４０、
正孔注入層４０の上に配置され、スペクトルの黄色領域の光を放射するためルブレン化合物によってドープした正孔輸送層４５、
正孔輸送層４５の上に配置され、青色光を放射する化合物によってドープした発光層５０、及び
電子輸送層５５、
を含むことによって達成してよい。

上記で言及した有機材料は昇華のような気相法を通じて適切に蒸着されるが、膜形成を改善するため、例えば必要に応じてバインダを加えた溶剤のような流体から蒸着してもよい。材料がポリマーである場合、溶剤蒸着は有用であるが、スパッタリングまたはドナーシートからの熱転写といった他の方法を使用してもよい。昇華によって蒸着される材料は、例えば米国特許第６，２３７，５２９号に記載のようなタンタル材料から構成されることの多い昇華器「ボート」から気化してもよく、またまずドナーシートにコーティングしてから基板の近くで昇華させてもよい。材料が混合物である層は別個の気化ボートを利用してもよく、また材料を予備混合して単一のボートまたはドナーシートからコーティングしてもよい。

また、電子注入層６０はカソードと電子輸送層との間に存在してもよい。電子注入材料の例は、アルカリまたはアルカリ土類金属、上記で言及したＬｉＦのようなハロゲン化アルカリ塩、またはアルカリもしくはアルカリ土類金属でドープした有機層を含む。

電子輸送層を使用しない場合、トップ電極９０は電子輸送層５５の上または発光層５０の上に形成する。また、トップ電極９０は反射ミラーでもある。光放射をボトム電極３０を通じて見る場合、トップ電極９０の材料は好適には、本質的に不透明及び反射性になるように１．５またはそれより高い光学濃度を呈する厚さを備えた反射性金属である。ＯＬＥＤデバイスの放射効率はトップ電極９０の反射率が増大すると共に増大する。トップ電極９０は好適にはＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、またはＣａ、またはこれらの合金を含むリストから選択する。

光放射をトップ電極９０を通じて見る場合、放射される光に対して半透明になるように十分に薄い反射性金属を含む必要がある。これは好適にはＡｇまたはＡｕ、またはこれらの合金を含むリストから選択する。以下さらに説明するように、トップ電極９０の厚さ範囲は、ＯＬＥＤデバイス１０からの所定の波長の輝度光出力を最適化するよう制限され選択される。また、状況によっては、トップ電極９０中の薄い反射性金属層と組み合わせた透明な導電酸化物層を含んでもよい。横方向のコンダクタンスは薄い反射性金属層によって提供されるので、透明な導電酸化物層の導電率は高い必要はない。適切な材料は、酸化インジウム（ＩｎＯ_x）、酸化スズ（ＳｎＯ_x）、酸化亜鉛（ＺｎＯ_x）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_x）、酸化バナジウム（ＶＯ_x）、酸化アンチモン（ＳｂＯ_x）、またはこれらの混合物を含む。

カソード材料は気化、スパッタリング、または化学蒸着によって蒸着してよい。必要な場合、スルーマスク蒸着、例えば米国特許第５，２７６，３８０号及び欧州特許第ＥＰ ０ ７３２ ８６８号に記載のもののような一体型シャドーマスキング、レーザーアブレーション、及び選択的化学蒸着を含むが、これらに制限されない多くの周知の方法を通じてパターン化を達成してもよい。

ここで図２を参照すると、本発明の別の実施形態に係るＯＬＥＤデバイスの断面図が示される。この実施形態は、ＴＩＲＦ２５が基板２０の上及びボトム電極３０の下に配置される以外は、以前の実施形態と同様である。

ここで図３を参照すると、本発明の第３の実施形態に係る白色発光ＯＬＥＤ装置の断面図が示される。この実施形態では、個別のＴＩＲＦ層は存在しない。基板２０の起伏のある表面上に形成されたボトム電極８５はＴＩＲＦとして機能し、有機ＥＬ要素７０から放射された光を散乱し閉じ込めから解放する。

図４は、マイクロキャビティ中の光放射の効果の概略を示す。マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスは、先行技術で、色度と放射効率の改善を達成することが報告されている。ＯＬＥＤデバイス１０は下部から発光するように示されている（すなわち、下部発光デバイス）が、実施形態によっては、ＯＬＥＤデバイス１０は上部発光デバイスでもよいことが理解されるだろう。

本発明によれば、有機ＥＬ要素７０の厚さは、マイクロキャビティ共振波長を調整するために変化させてもよい。マイクロキャビティ共振波長を調整する追加的な方法として、透明な導電スペーサ層３５を使用してもよい。透明な導電スペーサ層３５は金属電極の１つと発光層５０との間に配置してもよい。これは放射光に対して透明である必要があり、金属電極と発光層５０との間で電荷を伝えるため導電性である必要がある。膜間コンダクタンスだけが重要なので、バルク抵抗率は約１０⁸オーム−ｃｍ未満で十分である。インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ_x）、亜鉛−スズ酸化物（ＺＴＯ_x）、酸化スズ（ＳｎＯ_x）、酸化インジウム（ＩｎＯ_x）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_x）、酸化テルル（ＴｅＯ_x）、酸化アンチモン（ＳｂＯ_x）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ_x）等だが、これらに制限されない多くの金属酸化物を使用してよい。

この実施形態では、正孔輸送層４５と発光層５０との境界面で光が放射されるように示される。光１０５は反射性のトップ電極９０の方向に放射され、反射光１１０として反射される。光１１５は半透明のボトム電極３０の方向に放射され部分反射光１２０として部分的に反射され、部分透過光１２５として部分的に透過される。部分透過光１４０はＯＬＥＤデバイス１０によって異なる方向に放射される光である。放射光１３０はＯＬＥＤデバイスから空気中に実際に放射される光である。

金属の半透明反射性ボトム電極３０による光の吸収は実現可能な限り低いのが望ましいので、金属の半透明ボトム電極３０と基板２０との間に吸収低減層を追加するのが有用である。この層の目的は半透明ボトム電極３０自体の中で光波によって生じる電界（及びひいては光波の吸収）を低減することである。良好な近似のため、この結果は、吸収低減層と基板２０との間の境界面から後方反射した光波の電界がデバイスを通じて出る光の電界を相殺し、ひいては部分的に打ち消しあうようにすることによって達成する。そして、基本的な光学的考慮が示唆するところによれば、これは、以下の式をほぼ満足する時、（基板より高い屈折率を有する吸収低減層について）発生する。
２ｎ_AＬ_A＋ｎ_TＬ_T＝（ｍ_A＋１／２）λ 式２
ここで、
ｎ_A及びＬ_Aは、それぞれ吸収低減層の屈折率及び厚さであり、
ｎ_T及びＬ_Tは、それぞれ半透明アノードの屈折率の実数部及び厚さであり、
ｍ_Aは負でない整数である。
現実的である限り小さい、普通０及び通常２未満のｍ_Aを有するのが好適である。トップ電極９０を通じて光を放射するＯＬＥＤデバイスの場合、吸収低減層はトップ電極９０の上に配置する。

デバイスの代替構成では、ボトム電極３０がカソードでもよくトップ電極９０がアノードでもよい。こうした場合、有機ＥＬ要素７０はほぼ、正孔注入及び正孔輸送層がアノードに近づき、電子注入及び電子輸送層がカソードに近づくように方向付ける。

可視スペクトル全体に及ぶため、別個の放射スペクトルを備えた２つかそれ以上の異なるマイクロキャビティを提供するのが望ましいことがある。ここで図５を参照すると、本発明に係るＯＬＥＤデバイスの平面図が示される。ＯＬＥＤデバイス２００は第１のカラー発光体２１０と第２のカラー発光体２２０とのストリップを備える。第１及び第２のカラー発光体２１０及び２２０は、上記で説明したような個別のＯＬＥＤデバイスでもよく、マイクロキャビティは各々特定の相補的な色を呈するように調整されている。例えば、第１のカラー発光体２１０は赤色光の放射を強調するマイクロキャビティを有してもよく、一方第２のカラー発光体２２０は上記で説明したように緑色光の放射を強調するマイクロキャビティを有してもよい。例えば、１つの発光体（例えば、赤色）に透明な導電スペーサ層３５を提供してもよく、一方もう１つの発光体（例えば、緑色）にそれを提供しなくてもよい。代替的には、別の層、例えば正孔輸送層４５、の厚さを変化させて同じ効果を達成してもよい。２つの発光体が十分に近く光集積要素が十分であれば、総放射光は白色として知覚される。ＴＩＲＦ２５をさらに使用して白色ＯＬＥＤ装置の発光出力とスペクトル範囲を改善してもよい。

白色発光有機ＥＬ要素を達成する多くの方法があることを当業者は理解するだろう。大面積照射適用業務に特に関係するのは積層ＯＬＥＤアーキテクチャを使用することである。積層ＯＬＥＤデバイスは、先行技術で、米国特許第６，１０７，７３４号、米国特許第６，３３７，４９２号、及び第６，２７４，９８０号に記載されている。これは互いに垂直に積層された２つかそれ以上のＯＬＥＤユニットを備える。各ＯＬＥＤユニットは固有の有機ＥＬ要素を有し、１対のＯＬＥＤユニットの間には、その１対の中で電子を１つのデバイスの電子輸送層（ＥＴＬ）に供給し正孔をもう１つのデバイスの正孔輸送層（ＨＴＬ）に供給する接続要素が存在する。全てのユニットを同じ白色光スペクトルを放射するよう設計してもよく、また、代替的には、各々可視スペクトルの一部を放射するよう設計し、組み合わせて白色発光を生じるようにしてもよい。例えば、非マイクロキャビティデバイスにおいて積層ＯＬＥＤデバイスが組み合わせて白色光を放射するように、１つのユニットを赤色光を放射するよう設計し別のユニットを緑色光を放射するよう設計してもよい。本発明によれば、積層ＯＬＥＤデバイスは、２つの反射性金属電極を有するマイクロキャビティ構造を有するよう構成する。マイクロキャビティ積層ＯＬＥＤデバイスは角度依存を伴う狭帯域光を放射する。そして、このマイクロキャビティ積層ＯＬＥＤデバイスは光集積要素及び、必要に応じてＴＩＲＦと組み合わされ、白色ＯＬＥＤ装置を達成する。

その開示を引用によって本出願の記載に援用する、ユアン−シェンタン（Ｙｕａｎ−Ｓｈｅｎｇ Ｔｙａｎ）による「一連のＯＬＥＤデバイスを含むＯＬＥＤ装置（“ＯＬＥＤ
Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ＯＬＥＤ Ｄｅｖｉｃｅｓ”）」という名称の２００２年８月７日出願の同じ譲受人に譲受された米国特許出願第１０／２１３，８５３号、ロナルドＳ．コック（Ｒｏｎａｌｄ Ｓ．Ｃｏｋ）他による「面照射のための直列接続ＯＬＥＤデバイス（“Ｓｅｒｉａｌｌｙ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ＯＬＥＤ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ａｒｅａ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ”）」という名称の２００２年８月７日出願の同じ譲受人に譲受された米国特許出願第１０／２１４，０３５号、及び応用物理通信（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）８２、２５８０（２００３）で開示されているようなモノリシック一体式直列接続構造も、本発明と組み合わせて有効に使用してよい。本発明によれば、モノリシックに直列接続された２つかそれ以上の個別のＯＬＥＤ要素を備えるＯＬＥＤデバイスを光集積器と組み合わせて白色ＯＬＥＤ装置を達成する。デバイス中の個別のＯＬＥＤ要素は各々、２つの金属の反射性電極の間に配置された白色有機ＥＬ要素を有するマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスとして構成する。マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスに関するこれまでの全ての議論はデバイス中の個別のＯＬＥＤ要素にも適用可能である。

ＯＬＥＤデバイスの出力を向上するためマイクロキャビティを利用する際の本発明の有効性を以下の例で例示する。

例１（従来のＯＬＥＤ−比較例）
従来の非マイクロキャビティＯＬＥＤの準備は以下の通りである。透明なＩＴＯ導電層でコーティングした１ｍｍ厚のガラス基板を市販のガラス洗浄工具を使用して清掃及び乾燥した。ＩＴＯの厚さは約４２ｎｍであり、ＩＴＯのシート抵抗は約６８Ω／スクエアである。次いで、ＩＴＯの表面を酸化性プラズマで処理し、表面をアノードとして調整した。ＲＦプラズマ処理チャンバ内でＣＨＦ₃ガスを分解することによって、１ｎｍ厚のＣＦｘ、ポリマー化フルオロカーボン、の層を、清掃したＩＴＯの表面に正孔注入層として蒸着した。そして、基板を真空蒸着チャンバ内に移動し、基板の上部に他の全ての層を蒸着した。約１０^-6トールの真空下で加熱したボートから昇華することによって、以下の層を以下の順序で蒸着した。
１）正孔輸送層、１０７ｎｍ厚、Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−ｙｌ）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（ＮＰＢ）を含む。
２）電子輸送層（発光層の役目も果たす）、６２ｎｍ厚、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（ＩＩＩ）（Ａｌｑ）。
３）電子注入層、１ｎｍ厚、Ｌｉを含む。
４）カソード、約５０ｎｍ厚、Ａｇを含む。
これらの層を蒸着した後、カプセル化のためデバイスを蒸着チャンバからドライボックス内に移動した。完成したデバイス構造をガラス／ＩＴＯ（４２）／ＣＦｘ（１）／ＮＰＢ（１０７）／Ａｌｑ（６２）／Ｌｉ（１）／Ａｇ（５０）として示す。

この下部発光デバイスは２０ｍＡ／ｃｍ²を流すのに８．２Ｖの駆動電圧を必要とし、輝度効率は４．３５ｃｄ／Ａであり、ＦＷＨＭ帯域幅は１００ｎｍであり、色座標はＣＩＥ−ｘ＝０．３５２、ＣＩＥ−ｙ＝０．５６２である。２０ｍＡ／ｃｍ²での放射スペクトルを図６に示す。放射はほぼ完全拡散であり、角度依存はほとんどない。ＡｌｑによるＯＬＥＤデバイスは白色ではなく緑色の放射を有したが、放射スペクトルは広く、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍ以上の範囲に及んだ。これは本発明の有用性を例示するため好都合に使用された。

例２（従来のマイクロキャビティＯＬＥＤデバイス）
従来のマイクロキャビティＯＬＥＤを以下の通り製造した。ガラス基板を、約４ｍトールの圧力のＡｒ中でのＤＣスパッタリング処理によって、Ａｇを含む、２２．５ｎｍ厚の半透明のアノード層によってコーティングした。酸化モリブデン、ＭｏＯ₃、の０．５ｎｍ厚の層を、熱気化を使用して、真空チャンバ内で、Ａｇアノード層の表面上に正孔注入層として蒸着した。約１０^-6トールの真空下で加熱したボートから昇華することによって、以下の層を以下の順序で蒸着した。
１）正孔輸送層、４３０ｎｍ厚、Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−ｙｌ）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（ＮＰＢ）を含む。
２）電子輸送層（発光層の役目も果たす）、７０ｎｍ厚、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（ＩＩＩ）（Ａｌｑ）を含む。
３）電子注入層、１ｎｍ厚、Ｌｉを含む。
４）カソード、約７５ｎｍ厚、Ａｇを含む。
これらの層を蒸着した後、カプセル化のためデバイスを蒸着チャンバからドライボックス内に移動した。完成したデバイス構造をガラス／Ａｇ（２２．５）／ＭｏＯ₃（０．５）／ＮＰＢ（４３０）／Ａｌｑ（７０）／Ｌｉ（１）／Ａｇ（７５）として示す。

２０ｍＡ／ｃｍ²で、このデバイスは１０．１ボルトの駆動電圧を必要とした。デバイスに対して直角な方向で、放射出力効率は１．７ｃｄ／Ａであり、色座標はＣＩＥ−ｘ＝０．４５４、ＣＩＥ−ｙ＝０．３５１であった。１０ｍＡ／ｃｍ²での放射スペクトルを角度の関数として図７に示す。放射は角度依存の強い関数であり、各角度で、放射光は２つの狭いピークを含んだ。マイクロキャビティ構造はＡｌｑの広帯域放射を狭帯域角度依存放射に変換した。この放射挙動は、従来のマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスの放射挙動の典型である。すなわち、従来のＯＬＥＤデバイスは明らかに白色光適用業務に適していなかった。

例３
例２の比較例のマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスを使用して本例の広帯域放射ＯＬＥＤ装置を構成した。１片の０．１２５ｍｍ厚のテフロン（登録商標）箔を、真空グリースを使用して、例２のマイクロキャビティＯＬＥＤデバイスのガラス基板の外部表面に取り付けた。異なる角度で得られた出力スペクトルを図８に示す。放射が示す角度依存はほとんどなく、スペクトル出力は例１及び図６に示すようなＡｌｑ発光体のものに類似していた。全ての角度にわたる総集積出力は同様の形状を示し、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの広い波長範囲に及ぶと予想される。この例では緑色のＡｌｑ有機ＥＬ要素を使用しているため、結果として得られる出力は緑色であって白色ではなかった。しかし、発光体のスペクトル出力を再現するこのＯＬＥＤ装置の能力は、白色発光有機ＥＬ要素を使用していたならば白色発光ＯＬＥＤ装置が得られたであろうことを明らかに実証した。この例では、０．１２５ｍｍのテフロン（登録商標）箔は、集積要素及びＴＩＲＦ両方の役目を果たした。これは装置のスペクトル出力を拡大し角度依存を低減した。

１０ ＯＬＥＤデバイス
２０ 基板
２５ 総内部反射フラストレータ
３０ ボトム電極
３５ 透明な導電性スペーサ層
４０ 正孔注入層
４５ 正孔輸送層
５０ 発光層
５５ 電子輸送層
６０ 電子注入層
７０ 有機ＥＬ要素
８５ ボトム電極
９０ トップ電極
９５ 光集積要素
１００ 白色マイクロキャビティＯＬＥＤ装置
１０５ 光
１１０ 反射光
１１５ 光
１２０ 部分反射光
１２５ 部分透過光
１３０ 放射光
１４０ 部分透過光
２００ ＯＬＥＤデバイス
２１０ 第１のカラー発光体
２２０ 第２のカラー発光体

Claims (34)

1. マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスと光集積要素とを備える白色発光ＯＬＥＤ装置であって、前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが白色発光有機ＥＬ要素を有し、前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが角度依存狭帯域放射を有するよう構成され、前記光集積要素が前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスからの異なる角度からの角度依存狭帯域放射を集積して白色発光を形成する白色発光ＯＬＥＤ装置。
2. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが、法線方向で６００ｎｍを越えるかまたは５００ｎｍ未満のピーク放射波長を有するよう調整される、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
3. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが、
   ａ）第１の表面と第２の表面とを有する基板と、
   ｂ）前記基板の前記第１の表面の上に配置された金属のボトム電極と、
   ｃ）前記金属のボトム電極から間隔の開いた金属のトップ電極と、
   ｄ）前記金属のトップ電極と前記金属のボトム電極との間に配置され、前記金属の電極の一方が半透明でありもう一方がほぼ不透明及び反射性である白色発光有機ＥＬ要素とを備え、
   ｅ）前記金属の電極が白色発光を角度依存狭帯域光に変換するマイクロキャビティ構造を形成する、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
4. 前記半透明の電極層のための材料がＡｇまたはＡｕ、またはこれらの合金を含む、請求項３に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
5. 前記反射性の電極層のための材料がＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、またはＣａ、またはこれらの合金を含む、請求項３に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
6. 前記有機ＥＬ要素が多数の発光層を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
7. 前記有機ＥＬ要素が積層構造を有する、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
8. 前記光集積要素が前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスから間隔を開けている、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
9. 前記光集積要素が前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスに取り付けられる、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
10. 前記光集積要素が光散乱構造を有する、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
11. 前記光集積要素が、マトリックス中に分散した包含物を備え、前記包含物の屈折率が前記マトリックスの屈折率と異なる、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
12. 前記光集積層要素が、１つかそれ以上の白色顔料を混入したプラスチックマトリックスを備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
13. 前記白色顔料がＴｉＯ₂である、請求項１２に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
14. 前記光集積要素が、異なる屈折率を有する結晶及びアモルファス領域を有するプラスチック層を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
15. 前記光集積要素が、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ＥＴＦＥ、ポリスチレン、及びポリプロピレンから選択されるプラスチック層を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
16. 前記光集積要素が表面光散乱構造を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
17. 前記光集積要素がレンズ要素を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
18. 前記光集積要素が拡散反射要素を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
19. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが総内部反射フラストレータ要素を含む、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
20. 前記総内部反射フラストレータ要素が光散乱要素を備える、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
21. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが下部発光であり、前記総内部反射フラストレータ要素が前記基板の前記第２の表面の上に配置される、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
22. 前記総内部反射フラストレータ要素が前記ＯＬＥＤデバイスの前記半透明の電極の近くに配置される、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
23. 前記総内部反射フラストレータ要素が、マトリックス中に分散した包含物を備え、前記包含物の屈折率が前記マトリックスの屈折率と異なる、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
24. 前記総内部反射フラストレータ要素が、１つかそれ以上の白色顔料を混入したプラスチックマトリックスを備える、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
25. 前記白色顔料がＴｉＯ₂である、請求項２４に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
26. 前記総内部反射フラストレータ要素が、異なる屈折率を有する結晶及びアモルファス領域を有するプラスチック層を備える、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
27. 前記総内部反射フラストレータ要素が、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ＥＴＦＥ、ポリスチレン、及びポリプロピレンから選択されるプラスチック層を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
28. 前記総内部反射フラストレータ要素が表面光散乱構造を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
29. 前記総内部反射フラストレータ要素がレンズ要素を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
30. 前記総内部反射フラストレータ要素が拡散反射要素を備える、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
31. 前記総内部反射フラストレータ要素が前記光集積要素の役目をも果たす、請求項１９に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
32. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスがモノリシック一体式直列接続構造を有する、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
33. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが、各々異なる角度依存狭帯域放射スペクトルを放射するよう調整された２つかそれ以上の放射領域を有する、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。
34. 前記マイクロキャビティＯＬＥＤデバイスが、少なくとも１つの領域が５５０ｎｍを越えるピーク放射波長を有し１つの領域が５５０ｎｍ未満のピーク放射波長を有する２つかそれ以上の放射領域を有する、請求項１に記載の白色発光ＯＬＥＤ装置。

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