JP2011065897A

JP2011065897A - 有機ｅｌ装置

Info

Publication number: JP2011065897A
Application number: JP2009216237A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Isogawa; 昌邦五十川; Masahito Sawada; 雅人澤田; Junji Sano; 準治佐野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】本発明は、耐酸化性のある陰極構造を有する信頼性の高い有機ＥＬ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】陽電極３と、陰電極７と、陽電極と陰電極との間に設けられた有機層５と、を有する積層構造体を備え、陰電極７は、積層構造体の積層方向において、マグネシウムの含有量が５０％原子濃度以上である第１の領域１７と、マグネシウムの含有量が５０％原子濃度未満である第２の領域１８と、を有することを特徴とする有機ＥＬ装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機ＥＬ装置に関する。

有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Electroluminescence）装置は自発光型デバイスであり、ディスプレイや室内照明などの用途に広く応用が期待されている。しかしながら、有機ＥＬ装置は、水分や酸素に曝されると、ダークスポットやダークエッジが発生し、発光強度が低下するという問題を有している。

水分や酸素に弱い原因の1つとして、陰極に用いられる電極材料、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）が水分や酸素と反応して酸化され易いことがある。すなわち、Ｍｇが酸化されることにより、陰極から発光層への電子注入が妨げられ、ダークスポットやダークエッジを誘発すると考えられている。

一方、Ｍｇは仕事関数が低いため、陰極から発光層への電子の注入効率を高くすることができる点で有用な電極材料である。特許文献１には、Ｍｇカソードを具備した有機電場発光デバイスが開示されている。

特開２００３−２３４１９６号公報

本発明は、耐酸化性のある陰極構造を有する信頼性の高い有機ＥＬ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、陽電極と、陰電極と、前記陽電極と前記陰電極との間に設けられた有機層と、を有する積層構造体を備え、前記陰電極は、前記積層構造体の積層方向において、マグネシウムの含有量が５０％原子濃度以上である第１の領域と、マグネシウムの含有量が５０％原子濃度未満である第２の領域と、を有することを特徴とする有機ＥＬ装置が提供される。

本発明によれば、耐酸化性のある陰極構造を有する信頼性の高い有機ＥＬ装置を実現することができる。

一実施形態に係る有機ＥＬ装置の構造を模式的に示す断面図である。第２の実施形態に係る有機ＥＬ装置の構造を示す模式図である。第１の実施例に係る有機ＥＬ装置の陰電極の構成を示す原子濃度プロファイルを表すグラフ図である。第１の比較例に係る有機ＥＬ装置の陰電極の構成を示す原子濃度プロファイルを表すグラフ図である。第１の実施例に係る有機ＥＬ装置のエージング特性を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。

図１は、一実施形態に係る有機ＥＬ装置１０の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る有機ＥＬ装置１０は、基板２の上に順次設けられた陽電極３と、有機層５と、陰電極７と、を有する積層構造体を備えている。

基板２は、例えば、ガラス基板のような絶縁性基板を用いることができる。また、陽電極３には、仕事関数の大きな電極材料が用いられ、例えば、可視光を透過する酸化インジウムを主成分とするＩＴＯ（Indium Tin Oxid）を用いることが望ましい。

有機層５には、ＥＬ発光強度の高い有機材料が用いられる。例えば、有機層５は、図1（ａ）に示すように、正孔輸送層１３と、発光層１４と、電子輸送層１５と、で構成される。正孔輸送層１３の材料として、例えば、芳香族アミンを用い、電子輸送層１５の材料として、例えば、シロール誘導体を用いることができる。発光層１４は、正孔輸送層１３、または電子輸送層１５と同一の材料に、所望の発光色に適応する材料を加えて形成する。

陰電極７には、仕事関数が低いマグネシウムを主成分とするマグネシウム合金を用いることが望ましい。例えば、銀との合金であるＭｇＡｇや、アルミニウムとの合金であるＭｇＡｌを用いることができる。さらに、インジウムとの合金であるＭｇＩｎや、リチウムとの合金であるＭｇＬｉ等も使用することができる。

さらに、図１に示す有機ＥＬ装置１０では、陽電極３と有機層５との間に、正孔注入層４が設けられている。正孔注入層４は、陽電極３と有機層５との間のポテンシャルバリアを下げて正孔注入を容易にする役割を果たす。また、正孔注入層４の材料として、例えば、ポリチオフェン（poly-ethylenedioxy thiophene）を用いると、ＩＴＯで形成された陽電極の表面を滑らかにして、有機層５の形成を容易にすることができる。

また、有機層５と陰電極７との間には、電子注入層６が設けられている。電子注入層６には、アルカリ金属の化合物を用いることができる。例えば、フッ化リチウムＬｉＦを用いると、陰電極７と有機層５との間の電子に対するポテンシャルバリアが低下し、陰電極７から有機層５に電子が注入され易くなる。

さらに、図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る有機ＥＬ装置１０では、陰電極７は、基板２上に設けられた積層構造体の積層方向、すなわち表面から有機層５へ向かう方向に、５０％原子濃度以上のマグネシウムを含有する領域（第１の領域）である高マグネシウム層１７と、５０％原子濃度未満のマグネシウムを含有する領域（第２の領域）である低マグネシウム層１８と、を有する。

図１（ａ）に示すように、高マグネシウム層１７は、低マグネシウム層１８よりも、有機層５側に在っても良いし、図１（ｂ）に示すように、低マグネシウム層１８が、高マグネシウム層１７よりも、有機層５側に在っても良い。

また、図１（ｃ）に示すように、高マグネシウム層１７は、低マグネシウム層１８を挟んで、有機層５側と、陰電極７の表面側（積層構造体の表面側）と、の両方に在っても良い。

陰電極７に含まれるＭｇは活性であり、常温の大気中で容易に酸化される。Ｍｇの酸化物は安定であり、陰電極７中にＭｇ原子が含まれていると、外気から陰電極７中に侵入する酸素と結合し耐酸化性を向上させることができる。この際、陰電極７から有機層５への電子の注入効率が低下しないように、ある程度の原子濃度のＭｇが含まれている必要がある。例えば、図１（ａ）に示すように、Ｍｇ単独の層またはＭｇを原子濃度で５０％以上含む高マグネシウム層１７が、陰電極７の有機層５側に設けられていることが望ましい。

一方、基板２に設けられた積層構造体の表面側、すなわち陰電極７の表面側からＥＬ発光光を取り出す構成を採る場合、陰電極７の光吸収を低く抑えることが望ましい。このためには、Ｍｇの原子濃度を下げて光吸収を少なくすることが好ましい。すなわち、図１（ａ）に示すように、陰電極７の表面側に、Ｍｇの原子濃度が５０％未満である低マグネシウム層１８を設けることが望ましい。

また、陰電極７の表面にＭｇ酸化物の被膜を形成すると、水分や酸素の侵入を遮断して耐酸化性を向上させることもできる。この観点からすると、図１（ａ）に示すように、低マグネシウム層１８を有機層５側に設け、陰電極７の表面側に高マグネシウム層１７を設けることが望ましい。これにより、陰電極７の表面にＭｇ酸化物の被膜を容易に形成することができる。

さらに、陰電極７の表面にＭｇ酸化物の被膜を形成して、侵入する水分や酸素を遮断する構成に加えて、陰電極７の内部に侵入した酸素とＭｇ原子とが結合して酸化物を形成するように構成とすることもできる。すなわち、図１（ｃ）に示すように、低マグネシウム層１８を挟んで、有機層５側と、陰電極７の表面側と、の両方に高マグネシウム層１７を設けることが望ましい。陰電極７の表面側の高マグネシウム層１７は、Ｍｇ酸化物の表面被膜を形成し、外気中の水分や酸素が陰電極に侵入することを妨げる。一方、表面被膜を通り抜けた酸素は、有機層５側に設けられた高マグネシウム層１７に含まれるＭｇ原子と結合して酸化物を形成する。これにより、陰電極７の耐酸化性を向上させることができる。

図１に示す有機ＥＬ装置１０の積層構造体は、例えば、真空蒸着法を用いて形成することができる。この場合、陰電極７の形成において、Ｍｇと、他の元素、例えばＡｇと、を別のソースから蒸着する２元蒸着法を用いれば、陰電極７中のＭｇの原子濃度を容易に制御することができる。

図２は、第２の実施形態に係る有機ＥＬ装置２０の構造を示す模式図である。図２（ａ）は、有機ＥＬ装置２０の断面構造を示す模式図である。有機ＥＬ装置２０の積層構造体は、陰電極７を除いて、図１に示す有機ＥＬ装置１０と同じである。

本実施形態に係る有機ＥＬ装置2０の陰電極７は、積層構造体の積層方向、すなわち表面から有機層５へ向かう方向に、Ｍｇの含有量が連続的に変化する原子濃度プロファイルを有する。例えば、図２（ｂ）に示すように、陰電極７の表面から有機層５に向かって、Ｍｇの原子濃度が減少する濃度プロファイルとしても良い。この場合、陰電極７の表面近傍のＭｇの原子濃度を５０％以上とすれば、Ｍｇの原子濃度が５０％となる深さを境に、陰電極７の表面側が、Ｍｇの原子濃度が５０％以上の領域となり、有機層５側が、Ｍｇの原子濃度が５０％未満の領域となることは明らかである。

また、図２（ｃ）に示すように、陰電極７の表面側から有機層５に向かって、Ｍｇの原子濃度が増加する濃度プロファイルとしても良い。さらに、図２（ｄ）に示すように、陰電極７の表面側と、有機層５側と、において、Ｍｇの原子濃度が５０％を越え、陰電極７の中心部でＭｇの原子濃度が５０％未満となるように形成しても良い。

図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すＭｇの濃度プロファイルは、２元蒸着法において、Ｍｇソースの蒸発量を制御し、蒸着膜中のＭｇ濃度を連続的に変化させることによって形成することができる。また、図１に示すように、Ｍｇの原子濃度が異なる高マグネシウム層１７および低マグネシウム層１８を順次形成した場合でも、陰電極７中のＭｇ原子が相互拡散して、図２中に示すＭｇの濃度プロファイルが形成されることもある。

（実施例１）
図３は、ＸＰＳ法（X-ray Photoelectron Spectroscopy）を用いて測定した、実施例１に係る有機ＥＬ装置３０の陰電極７の原子濃度プロファイルである。

有機ＥＬ装置３０を形成するため、ガラス基板上に陽電極３としてＩＴＯ膜を成膜し、正孔注入層４、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、および電子注入層６を、蒸着法により順次成膜した。

続いて、陰電極７の第１層として、ＡｇとＭｇとの比率が９５：５となるように条件設定した低マグネシウム層１８を、約１５ｎｍ蒸着した。次に、陰電極の第２層としてＡｇとＭｇとの比率が５：９５となるように条件設定した高マグネシウム層１７を、約５ｎｍ蒸着し、最後に保護膜を成膜して素子を形成した。

図３は、横軸にＡｒ原子によるスパッタ時間をとり、縦軸に測定した各元素の原子濃度を示している。すなわち、図３には、有機ＥＬ装置３０の積層構造体の積層構造、すなわち表面から深さ方向に分布する各元素の原子濃度プロファイルが示されている。

図３中に示したＭｇの原子濃度プロファイルは、陰電極７の表面で６０％を越える最大値を示し、深さ方向に徐々に減少している。すなわち、図２（ｂ）に示すＭｇの原子濃度プロファイルを有する陰電極が形成されている。

さらに、図３中に示す炭素Ｃおよびフッ素Ｆの原子濃度プロファイルは、図３のグラフの中央から右の部分が、ＬｉＦを用いた電子注入層６および電子輸送層１５の領域であることを示している。すなわち、図３に示した有機ＥＬ装置３０では、Ｍｇ原子とＡｇ原子とが、電子注入層６および電子輸送層１５へ拡散している。

（比較例１）
図４は、第１の比較例に係る有機ＥＬ装置の陰電極７の構成を示す原子濃度プロファイルである。

比較例１に係る有機ＥＬ装置を形成するため、実施例１に係る有機ＥＬ装置３０と同じように、陽電極３としてＩＴＯ膜を成膜し、正孔注入層４、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、および電子注入層６を、蒸着法により順次成膜した。さらに、陰電極７としてＡｇとＭｇとの比率が９５：５となる条件で、低マグネシウム層１８を約２０ｎｍの厚さに形成し、最後に保護膜を成膜して素子を形成した。

図４は、図３と同じようにＸＰＳ法を用いて測定した、比較例１に係る有機ＥＬ装置の陰電極７の原子濃度プロファイルを示している。
図４中に示すように、Ｍｇ原子は、陰電極７の表面に原子濃度約２５％存在し、深さ方向に減少するプロファイルとなっている。一方、Ａｇ原子は、陰電極７の表面から深さ方向に増加して陰電極７の中央部で１００％に達し、さらに、電子注入層６および電子輸送層１５まで拡散している。

図５は、実施例１および比較例１に係る有機ＥＬ装置のエージング特性を示す説明図である。
まず、図５（ａ）に示すように、実施例１に係る有機ＥＬ装置３０を、ガラス封止体に密封した。すなわち、フリットガラス２５を設けた封止ガラス２３と、有機ＥＬ装置の積層構造体２７を設けたガラス基板２と、を重ね合わせ、フリットガラス２５にレーザ照射して溶着した。これにより、積層構造体２７が、封止ガラス２３とガラス基板２との間の内部空間２４に密封された。さらに、比較例１に係る有機ＥＬ装置も、同じようにガラス封止体に密封した。

図５（ｂ）は、ガラス封止体に密封された実施例１に係る有機ＥＬ装置３０と、比較例１に係る有機ＥＬ装置と、を、エージング試験に投入した結果を示すグラフである。エージング試験は、雰囲気温度８５℃、湿度８５％で行った。また、グラフの横軸は、エージング時間であり、縦軸は、ダークスポットの拡大幅を示している。

図５（ｂ）中のデータＢに示す比較例１に係る有機ＥＬ装置では、ダークスポットが短時間で拡大し、２００時間に達しない内に発光強度が劣化してしまった。これに対して、図５（ｂ）中のデータＡに示す実施例１に係る有機ＥＬ装置３０では、ダークスポットの拡大は見られず、７００時間近くまで安定して動作している。

すなわち、陰電極７中のＭｇの原子濃度が５０％未満である比較例１に係る有機ＥＬ装置では、ガラス封止体の内部空間２４に存在する水分や酸素により、ダークスポットが拡大し、発光強度が劣化してしまった。これに対して、陰電極７中にＭｇの原子濃度が５０％以上となる領域を設けた、実施例１に係る有機ＥＬ装置３０では、長時間に渡り安定な動作が確認され、高い信頼度が確認された。

以上、本発明に係る一実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、出願時の技術水準に基づいて、当業者がなし得る設計変更や、材料の変更等、本発明と技術的思想を同じとする実施態様も本発明の技術的範囲に含有される。

２基板
３陽電極
４正孔注入層
５有機層
６電子注入層
７陰電極
１３正孔輸送層
１４発光層
１５電子輸送層
１７高マグネシウム層（第１の領域）
１８低マグネシウム層（第２の領域）
１０、２０、３０有機ＥＬ装置

Claims

陽電極と、陰電極と、前記陽電極と前記陰電極との間に設けられた有機層と、を有する積層構造体を備え、
前記陰電極は、前記積層構造体の積層方向において、マグネシウムの含有量が５０％原子濃度以上である第１の領域と、マグネシウムの含有量が５０％原子濃度未満である第２の領域と、を有することを特徴とする有機ＥＬ装置。
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも、前記有機層の側に設けられたことを特徴とする請求項１記載の有機ＥＬ装置。
前記第２の領域は、前記第１の領域よりも、前記有機層の側に設けられたことを特徴とする請求項１記載の有機ＥＬ装置。
前記第１の領域は、前記第２の領域を挟んで、前記有機層の側と、前記積層構造体の表面側と、の両方に設けられたことを特徴とする請求項１記載の有機ＥＬ装置。
前記陰電極は、前記積層方向において前記マグネシウムの含有量が連続的に変化する原子濃度プロファイルを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の有機ＥＬ装置。