JP2011233288A - 有機発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】導波損失及びプラズモン損失を減らすことで、光の利用効率を向上させた有機発光素子を提供することである。
【解決手段】有機発光素子２０は、第１の透明電極２３と、第１の透明電極の反対電極である第２の透明電極２５と、第１及び第２の透明電極２３、２５に挟まれた有機発光層２４と、第１の透明電極２３の有機発光層２４側とは反対側に設けられ、第１及び第２の透明電極２３、２５と有機発光層２４との何れよりも屈折率の高い高屈折率層２２と、高屈折率層２２の有機発光層２４側とは反対側に設けられたミラー層２１とを備えた構成とする。
【選択図】図６
【解決手段】有機発光素子２０は、第１の透明電極２３と、第１の透明電極の反対電極である第２の透明電極２５と、第１及び第２の透明電極２３、２５に挟まれた有機発光層２４と、第１の透明電極２３の有機発光層２４側とは反対側に設けられ、第１及び第２の透明電極２３、２５と有機発光層２４との何れよりも屈折率の高い高屈折率層２２と、高屈折率層２２の有機発光層２４側とは反対側に設けられたミラー層２１とを備えた構成とする。
【選択図】図６
Description
本発明は、一対の電極に挟まれた有機発光層を有する有機発光素子に関する。
現在、薄型の発光材料として有機発光素子が注目されている。有機発光素子は、低電力で高い輝度を得ることができ、視認性、応答速度、寿命、消費電力の点で優れている。一方、有機発光素子の光の利用効率は２０％程度であり、素子内での損失が大きい。
図１０は、従来の有機発光素子の概略断面図である。有機発光素子１００は、図中の下層から順に、金属電極１０１、屈折率が約１．８の有機発光層１０２、屈折率が約１．８の透明電極１０３、屈折率が約１．５の透明基板１０４が積層されて構成される。図中の１１０ａ〜１１０ｅの矢印は有機発光層１０２から発生した光のうち特徴的なものを示している。
光１１０ａは、発光面である有機発光層１０２に対して垂直方向の光であり、透明基板１０４を透過して光取り出し側（空気側）に取り出される。光１１０ｂは、透明基板１０４と空気との界面に臨界角以下の浅い角度で入射した光であり、透明基板１０４と空気との界面で屈折して光取り出し側に取り出される。光１１０ｃは、透明基板１０４と空気との界面に臨界角より深い角度で入射した光であり、透明基板１０４と空気との界面で全反射して光取り出し側に取り出せない光である。これによる損失を基板損失と呼び、通常２０％程度の損失がある。
光１１０ｄは、透明電極１０３と透明基板１０４との界面に臨界角より深い角度で入射した光のうち共振条件を満たした光であり、透明電極１０３と透明基板１０４との界面で全反射して導波モードが発生し、有機発光層１０２及び透明電極１０３内に閉じ込められる光である。これによる損失を導波損失と呼び、通常２０〜２５％程度の損失がある。光１１０ｅは、金属電極１０１へ入射して金属電極１０１内の自由電子と作用し、導波モードの一種であるプラズモンモードが発生して金属電極１０１の表面近傍に閉じ込められる光である。これによる損失をプラズモン損失と呼び、通常３０〜４０％程度の損失がある。
このように、従来の有機発光素子１００においては、基板損失、導波損失及びプラズモン損失があるので、それらの損失を少なくし、より多くの光を取り出すことが課題となっている。
例えば、特許文献１には、光取り出し面側にレンズシートからなる光散乱部を設けた有機ＥＬ（Electro Luminescence）装置が開示されている。また、特許文献２には、少なくとも一方の基板表面に、屈折率が１．６以上で、表面の平均粗さが１０ｎｍ以上である高屈折率凸凹層と、一層以上の、屈折率が１．５５以上の基材層からなる、発光装置の発光面側に使用される発光装置用基板及び発光装置が開示されている。
特許文献１、２の技術は、いずれも透明基板の空気との界面の形状を工夫することによって基板損失を減らし、光の利用効率を向上させようとするものである。しかしながら、導波損失やプラズモン損失に対する対策については開示されていない。よって、導波損失やプラズモン損失を減らすことができれば、光の利用効率をさらに向上させることができる。
そこで本発明は、導波損失及びプラズモン損失を減らすことで、光の利用効率を向上させた有機発光素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、第１の透明電極と、第１の透明電極の反対電極である第２の透明電極と、第１及び第２の透明電極に挟まれた有機発光層と、第１又は第２の透明電極の前記有機発光層側とは反対側に設けられ、第１及び第２の透明電極と前記有機発光層との何れよりも屈折率の高い高屈折率層と、前記高屈折率層の前記有機発光層側とは反対側に設けられたミラー層と、を備えたことを特徴とする。
上記の有機発光素子において、前記ミラー層が、金属材料であることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、前記ミラー層が、誘電体多層膜であることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、前記高屈折率層が、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ、ＫＴａＯ3の何れかであることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、第１及び／又は第２の透明電極が、無機導電膜、有機導電膜、高分子材料に導電性ワイヤーを分散させた複合導電膜の何れかであることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、第１及び／又は第２の透明電極が、ＩＺＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯの何れかであることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、第１及び／又は第２の透明電極が、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸の混合体であることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、第１及び／又は第２の透明電極が、高分子材料に銀ナノワイヤー又はカーボンナノチューブを分散させた複合導電膜であることが望ましい。
また上記の有機発光素子において、前記高屈折率層に光散乱効果のある微粒子を分散させることが望ましい。
本発明によれば、第１又は第２の透明電極の有機発光層側とは反対側に、第１及び第２の透明電極と有機発光層との何れよりも屈折率の高い高屈折率層を設けることにより、導波モードの光強度分布の光強度の強いところを高屈折率層にもってくることで、発生した光が導波モードに結合しにくくなり、導波損失を減らすことができる。さらに、高屈折率層の有機発光層側とは反対側にミラー層を設けることにより、透明電極及び高屈折率層の厚み分だけ発光点からミラー層までの距離が遠くなり、ミラーとして金属材料を用いた場合でも、発光点までの距離が遠くなった分だけ、発生した光がプラズモンモードに結合しにくくなり、プラズモン損失を減らすことができ、ミラーとして誘電体多層膜を用いた場合は、プラズモンモードは発生せず、プラズモン損失は完全に抑制できる。よって、本発明によると、ボトムエミッション方式、トップエミッション方式に関わらず、導波損失及びプラズモン損失ともに減らすことができ、その結果、光の利用効率が向上する。
また本発明によると、高屈折率層に光散乱効果のある微粒子を分散させることにより、高屈折率層で導波モードやプラズモンモードの光が散乱し、より多くの光を取り出せるので、光の利用効率をより向上させることができる。
有機発光素子において導波損失及びプラズモン損失を減らすことを考えるには、まずそれらの光の性質と、それらの損失の大小を決める要因とを把握する必要がある。
〈導波モードの光の性質〉
図１は、図１０に示した一般的な有機発光素子における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。導波モードの光は透明電極と基板の間で全反射した光と、有機発光層と金属電極との間で反射した光が互いに干渉して積層方向に図１のような光強度で分布する。この光強度分布は、有機発光層中の発光点が積層方向のどの位置にあるかに関わらず、有機発光層及び透明電極の厚みと屈折率とによって決まる。
図１は、図１０に示した一般的な有機発光素子における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。導波モードの光は透明電極と基板の間で全反射した光と、有機発光層と金属電極との間で反射した光が互いに干渉して積層方向に図１のような光強度で分布する。この光強度分布は、有機発光層中の発光点が積層方向のどの位置にあるかに関わらず、有機発光層及び透明電極の厚みと屈折率とによって決まる。
〈プラズモンモードの光の性質〉
図２は、図１０に示した一般的な有機発光素子におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図である。プラズモンモードは金属表面で発生するので、その光強度分布は、金属電極の表面で最も高くなる。この光強度分布は、有機発光層中の発光点が積層方向のどの位置にあるかに関わらず、金属の導電性と有機発光層及び透明電極の屈折率とによって概ね決まる。
図２は、図１０に示した一般的な有機発光素子におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図である。プラズモンモードは金属表面で発生するので、その光強度分布は、金属電極の表面で最も高くなる。この光強度分布は、有機発光層中の発光点が積層方向のどの位置にあるかに関わらず、金属の導電性と有機発光層及び透明電極の屈折率とによって概ね決まる。
〈導波損失及びプラズモン損失の大小を決める要因〉
有機発光素子の場合、有機発光層内のあらゆるところで発光するわけではなく、有機発光層の層構成で決まる正孔と電子が再結合する点でのみ発光する。上記の光強度分布の光強度の高い部分に発光点があると、発生した光は導波モードとかプラズモンモードといった光の固有状態と強く結合し、導波モード又はプラズモンモードとして閉じ込められる。これは有機発光素子において光の利用効率を下げる要因となる。
有機発光素子の場合、有機発光層内のあらゆるところで発光するわけではなく、有機発光層の層構成で決まる正孔と電子が再結合する点でのみ発光する。上記の光強度分布の光強度の高い部分に発光点があると、発生した光は導波モードとかプラズモンモードといった光の固有状態と強く結合し、導波モード又はプラズモンモードとして閉じ込められる。これは有機発光素子において光の利用効率を下げる要因となる。
例えば、図３〜図５に示す位置に発光点を有する有機発光素子を考える。図３（ａ）は、有機発光層の積層方向の中央に発光点を有する有機発光素子の概略断面図、図３（ｂ）は、その有機発光素子におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図、図３（ｃ）は、その有機発光素子における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。
図４（ａ）は、有機発光層の積層方向の金属電極寄りに発光点を有する有機発光素子の概略断面図、図４（ｂ）は、その有機発光素子におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図、図４（ｃ）は、その有機発光素子における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。
図５（ａ）は、有機発光層の積層方向の透明電極寄りに発光点を有する有機発光素子の概略断面図、図５（ｂ）は、その有機発光素子におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図、図５（ｃ）は、その有機発光素子における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図３〜図５において、発光点の光強度を×印で記す。
図３と図４を比較すると、図４では、プラズモンモードにとっては図３の場合よりも光強度の高い部分に発光点があり、導波モードにとっては図３の場合よりも光強度の低い部分に発光点がある。したがって、図４の有機発光素子では図３の有機発光素子よりも、プラズモン損失が増え、導波モード損失が減ることがわかる。
一方、図３と図５を比較すると、図５では、プラズモンモードにとっては図３の場合よりも光強度の低い部分に発光点があり、導波モードにとっては図３の場合よりも光強度の高い部分に発光点がある。したがって、図５の有機発光素子では図３の有機発光素子よりも、プラズモン損失が減り、導波モード損失が増えることがわかる。
次に、上記の性質及び要因を踏まえて、それぞれの損失を減らすための手段について考える。
〈導波損失を減らすための手段〉
導波損失を減らすには図４に示したような構成とすることが考えられるが、プラズモン損失は逆に増えてしまう。ところで、導波モードは光が高屈折率材料から低屈折率材料に入ろうとするときに、全反射が生じるために起こる現象なので、光はより屈折率の高い層に閉じ込められ、結果として光強度分布のピークは屈折率の高い層に現れる傾向がある。そこで本発明では、有機発光層の近傍に有機発光層及び透明電極よりも屈折率の高い高屈折率層を挿入する。これにより、光強度分布のピークを新たに挿入した高屈折率層にもってくることで、発生した光が導波モードに結合しにくくなり、導波損失を減らすことができる。
導波損失を減らすには図４に示したような構成とすることが考えられるが、プラズモン損失は逆に増えてしまう。ところで、導波モードは光が高屈折率材料から低屈折率材料に入ろうとするときに、全反射が生じるために起こる現象なので、光はより屈折率の高い層に閉じ込められ、結果として光強度分布のピークは屈折率の高い層に現れる傾向がある。そこで本発明では、有機発光層の近傍に有機発光層及び透明電極よりも屈折率の高い高屈折率層を挿入する。これにより、光強度分布のピークを新たに挿入した高屈折率層にもってくることで、発生した光が導波モードに結合しにくくなり、導波損失を減らすことができる。
〈プラズモン損失を減らすための手段〉
プラズモン損失を減らすには図５に示したような構成とすることが考えられるが、導波損失は逆に増えてしまう。ところで、プラズモンモードの光強度分布は金属電極表面で最大となり、金属電極から遠ざかるにつれて単調減少する。よって、プラズモン損失を減らすためには、金属電極の代わりに非金属の透明電極を用いるか、発光点を金属電極から遠ざけて光強度の低い部分にもってくることが考えられる。しかしながら、前者では、基板とは反対側（ユーザの視点とは反対側）に光が漏れてしまうので、光利用効率が下がる。また、後者では、有機発光層中の従来からある何れかの層（例えば電子輸送層）を厚くすることが考えられるが、駆動電圧を上げなければならないため好ましくない。
プラズモン損失を減らすには図５に示したような構成とすることが考えられるが、導波損失は逆に増えてしまう。ところで、プラズモンモードの光強度分布は金属電極表面で最大となり、金属電極から遠ざかるにつれて単調減少する。よって、プラズモン損失を減らすためには、金属電極の代わりに非金属の透明電極を用いるか、発光点を金属電極から遠ざけて光強度の低い部分にもってくることが考えられる。しかしながら、前者では、基板とは反対側（ユーザの視点とは反対側）に光が漏れてしまうので、光利用効率が下がる。また、後者では、有機発光層中の従来からある何れかの層（例えば電子輸送層）を厚くすることが考えられるが、駆動電圧を上げなければならないため好ましくない。
そこで本発明では、金属電極を透明電極に代え、かつ、その外側（有機発光層とは反対側）に金属ミラー又は誘電体多層膜ミラーを配設する。これにより、金属電極が担っていた電極としての役割を透明電極が担い、透明電極の厚み分だけ発光点からミラーまでの距離が遠くなる。また、上記の高屈折率層を挿入することによっても発光点からミラーまでの距離が遠くなる。したがって、ミラーとして金属材料を用いた場合でも、発光点までの距離が遠くなった分だけ、発生した光がプラズモンモードに結合しにくくなり、プラズモン損失を減らすことができる。また、ミラーとして誘電体多層膜を用いた場合は、金属ではないのでプラズモンモードは発生せず、プラズモン損失は完全に抑制できる。
以下に、上記の構成を採用した本発明の有機発光素子について詳しく説明する。
〈有機発光素子の構成〉
（第１実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第１実施形態の有機発光素子の概略断面図である。有機発光素子２０は、図中の下層から順に、金属材料からなるミラー層２１、高屈折率層２２、第１の透明電極２３、有機発光層２４、第２の透明電極２５、透明基板２６が積層されて構成される。この有機発光素子２０は、透明基板２６の第２の透明電極２５とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるボトムエミッション方式である。
（第１実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第１実施形態の有機発光素子の概略断面図である。有機発光素子２０は、図中の下層から順に、金属材料からなるミラー層２１、高屈折率層２２、第１の透明電極２３、有機発光層２４、第２の透明電極２５、透明基板２６が積層されて構成される。この有機発光素子２０は、透明基板２６の第２の透明電極２５とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるボトムエミッション方式である。
ミラー層２１は、光を透明基板２６側に反射させるミラーであり、反射率が６０％以上であることが好ましく、例えば、アルミニウム、銀、ニッケル、チタン、ナトリウム、カルシウム等の金属材料又はそれらの何れかを含む合金などを用いることができる。
高屈折率層２２は、第１の透明電極２３、第２の透明電極２５、有機発光層２４の何れよりも屈折率が高い透明な層であり、例えば、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ、ＫＴａＯ3等の材料を用いることができる。屈折率は２．５前後である。高屈折率層２２の層厚は、例えば数十〜数百ｎｍとすることができる。
また、高屈折率層２２には、光散乱効果のある微粒子を分散させてもよい。この微粒子としては、高屈折率層２２とは屈折率の異なる透明な微粒子、好ましくは高屈折率層２２より屈折率の高い透明な微粒子を用い、例えば、直径数十ｎｍの酸化アルミニウムなどを用いることができる。これにより、高屈折率層２２で導波モードやプラズモンモードの光が散乱し、より多くの光を取り出すことができる。
第１及び第２の透明電極２３、２５は、１対の電極であり、透過率が４０％以上であることが好ましく、例えば、ＣｕＩ、インジウムチンオキシド（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、インジウムジンクオキシド（ＩＺＯ）等の無機導電膜や、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸の混合体（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等の有機導電膜や、高分子材料に銀ナノワイヤー又はカーボンナノチューブを分散させた複合導電膜などを用いることができる。屈折率は１．８前後である。
有機発光層２４は、発光層を含む有機化合物または錯体の単層または複数層であり、例えば、陽極と接する正孔輸送層、発光材料で形成された発光層、陰極と接する電子輸送層等からなり、数ｎｍから数百ｎｍの厚みである。屈折率は１．８前後である。また、フッ化リチウム層や無機金属塩の層或いはそれらを含有する層等が、任意の位置に形成されていてもよい。発光層は少なくとも一種の発光材からなるもので、蛍光発光性化合物又は燐光発光性化合物等を用いることができる。一例として、図６（ａ）の有機発光層２４は、下層から順に、電子注入層２７、電子輸送層２８、発光層２９、正孔輸送層３０、正孔注入層３１が積層されて構成される。
有機発光層２４の構成としては、例えば他にも、以下の（ｉ）〜（ｖ）の構成などを採用できる。
（ｉ）（陽極）／発光層／電子輸送層／（陰極）
（ii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／（陰極）
（iii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／（陰極）
（iv）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
（ｖ）（陽極）／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
（ｉ）（陽極）／発光層／電子輸送層／（陰極）
（ii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／（陰極）
（iii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／（陰極）
（iv）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
（ｖ）（陽極）／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
正孔輸送層は正孔を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。正孔輸送層は単層または複数層設けることができる。
電子輸送層は電子を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。電子輸送層は単層または複数層設けることができる。
正孔阻止層とは広い意味では電子輸送層の機能を有し、電子を輸送する機能を有しつつ正孔を輸送する能力が著しく小さい正孔阻止材料からなり、電子を輸送しつつ正孔を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。
正孔注入層及び電子注入層とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために電極と発光層間に設けられる層のことである。
透明基板２６は、有機発光素子２０全体を保持するとともに、光を透過するものであり、例えば、０．１〜１ｍｍの厚みのガラスや樹脂等の透明材料を用いることができる。屈折率は１．５〜１．８前後の範囲であることが好ましい。透明基板２６を樹脂フィルムなどフレキシブルなフィルム状の基材で形成すれば、面光源を湾曲させることができ、種々の方向に向かって発光させることができる。
そして、有機発光素子２０は、一方の端部で第２の透明電極２５を露出させ、他方の端部で第１の透明電極２３を露出させて電極部を形成し、この電極部を電源部（不図示）の各々の電源配線（不図示）に接続し、有機発光層２４に所定の直流電圧を印加して発光させる。
なお、有機発光素子２０を構成する有機化合物は、水分や大気中の酸素により劣化するため、透湿防止層（ガスバリア層）で封止して外部雰囲気から遮断して使用される。この透湿防止層は、例えば、高周波スパッタリング法などにより形成することができる。また、透明基板２６には、必要に応じてハードコート層、アンダーコート層などを設けてもよい。
（第２実施形態）
図７（ａ）は、本発明の第２実施形態の有機発光素子の概略断面図である。第１実施形態と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明を省略する。有機発光素子４０は、図中の下層から順に、誘電体多層膜からなるミラー層４１、高屈折率層２２、裏面電極となる第１の透明電極２３、有機発光層２４、第２の透明電極２５、透明基板２６が積層されて構成される。この有機発光素子４０は、透明基板２６の第２の透明電極２５とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるボトムエミッション方式である。
図７（ａ）は、本発明の第２実施形態の有機発光素子の概略断面図である。第１実施形態と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明を省略する。有機発光素子４０は、図中の下層から順に、誘電体多層膜からなるミラー層４１、高屈折率層２２、裏面電極となる第１の透明電極２３、有機発光層２４、第２の透明電極２５、透明基板２６が積層されて構成される。この有機発光素子４０は、透明基板２６の第２の透明電極２５とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるボトムエミッション方式である。
第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、ミラー層４１が誘電体多層膜からなる点である。誘電体多層膜は、光を透明基板２６側に反射させるミラーであり、反射率が６０％以上であることが好ましく、例えば、２種以上の屈折率の異なる透明な樹脂（例えば、ＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5）を交互に積層した膜などを用いることができる。誘電体多層膜は金属ではないので、この有機発光素子４０ではプラズモンモードの光は発生しない。
（第３実施形態）
図８（ａ）は、本発明の第３実施形態の有機発光素子の概略断面図である。第１実施形態と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明を省略する。有機発光素子５０は、図中の下層から順に、第２の透明電極２５、有機発光層２４、第１の透明電極２３、高屈折率層２２、金属材料からなるミラー層２１、基板５１が積層されて構成される。この有機発光素子５０は、第２の透明電極２５の有機発光層２４とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるトップエミッション方式である。
図８（ａ）は、本発明の第３実施形態の有機発光素子の概略断面図である。第１実施形態と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明を省略する。有機発光素子５０は、図中の下層から順に、第２の透明電極２５、有機発光層２４、第１の透明電極２３、高屈折率層２２、金属材料からなるミラー層２１、基板５１が積層されて構成される。この有機発光素子５０は、第２の透明電極２５の有機発光層２４とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるトップエミッション方式である。
第３実施形態が第１実施形態と異なる点は、第２の透明電極２５、有機発光層２４、第１の透明電極２３、高屈折率層２２、ミラー層２１の積層順が逆である点と、基板５１が透明である必要がない点である。
基板５１は、有機発光素子５０全体を保持するものであり、例えば、０．１〜１ｍｍの厚みのガラスや樹脂等を用いることができる。基板５１を樹脂フィルムなどフレキシブルなフィルム状の基材で形成すれば、面光源を湾曲させることができ、種々の方向に向かって発光させることができる。
（第４実施形態）
図９（ａ）は、本発明の第４実施形態の有機発光素子の概略断面図である。第３実施形態と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明を省略する。有機発光素子６０は、図中の下層から順に、第２の透明電極２５、有機発光層２４、第１の透明電極２３、高屈折率層２２、誘電体多層膜からなるミラー層４１、基板５１が積層されて構成される。この有機発光素子６０は、第２の透明電極２５の有機発光層２４とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるトップエミッション方式である。
図９（ａ）は、本発明の第４実施形態の有機発光素子の概略断面図である。第３実施形態と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明を省略する。有機発光素子６０は、図中の下層から順に、第２の透明電極２５、有機発光層２４、第１の透明電極２３、高屈折率層２２、誘電体多層膜からなるミラー層４１、基板５１が積層されて構成される。この有機発光素子６０は、第２の透明電極２５の有機発光層２４とは反対面を光取り出し面とする、いわゆるトップエミッション方式である。
第４実施形態が第３実施形態と異なる点は、ミラー層４１が第２実施形態と同じ誘電体多層膜からなる点である。よって、この有機発光素子６０ではプラズモンモードの光は発生しない。
〈有機発光素子の作製方法〉
ここでは第１実施形態の有機発光素子２０を例に素子の作製方法を説明する。第２〜第４実施形態の有機発光素子の作製方法は第１実施形態の有機発光素子２０の作製方法に準ずるので説明を省略する。
ここでは第１実施形態の有機発光素子２０を例に素子の作製方法を説明する。第２〜第４実施形態の有機発光素子の作製方法は第１実施形態の有機発光素子２０の作製方法に準ずるので説明を省略する。
まず、透明基板２６上に第２の透明電極２５の薄膜を１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚になるように、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させる。
そして、この上に有機発光層２４である正孔注入層３１、正孔輸送層３０、発光層２９、電子輸送層２８、電子注入層２７を形成させる。
これら各層の形成方法としては、蒸着法、ウェットプロセス（スピンコート法、キャスト法、インクジェット法、印刷法）等があり、均質な膜が得られやすく、且つピンホールが生成しにくい等の点からは、スピンコート法、インクジェット法、印刷法等の塗布法による成膜が好ましい。
有機発光層２４を溶解または分散する液媒体としては、例えば、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸エチル等の脂肪酸エステル類、ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン等の芳香族炭化水素類、シクロヘキサン、デカリン、ドデカン等の脂肪族炭化水素類、ＤＭＦ、ＤＭＳＯ等の有機溶媒を用いることができる。また分散方法としては、超音波、高剪断力分散やメディア分散等の分散方法により分散することができる。
これらの層を形成後、その上に第１の透明電極２３の薄膜を１μｍ以下、好ましくは、１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の膜厚になるように、次に、高屈折率層２２の薄膜を数十〜数百ｎｍの膜厚になるように、ミラー層２１の薄膜を数十〜数百ｎｍの膜厚になるように、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させる。このようにして有機発光素子２０が得られる。
〈損失の低減〉
図６（ｂ）は、第１実施形態の有機発光素子２０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図６（ｃ）は、第１実施形態の有機発光素子２０におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図である。図７（ｂ）は、第２実施形態の有機発光素子４０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図８（ｂ）は、第３実施形態の有機発光素子５０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図８（ｃ）は、第３実施形態の有機発光素子５０におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図である。図９（ｂ）は、第４実施形態の有機発光素子６０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。
図６（ｂ）は、第１実施形態の有機発光素子２０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図６（ｃ）は、第１実施形態の有機発光素子２０におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図である。図７（ｂ）は、第２実施形態の有機発光素子４０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図８（ｂ）は、第３実施形態の有機発光素子５０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。図８（ｃ）は、第３実施形態の有機発光素子５０におけるプラズモンモードの積層方向の光強度分布を示す図である。図９（ｂ）は、第４実施形態の有機発光素子６０における導波モードの積層方向の光強度分布を示す図である。
図６（ｂ）では光強度分布のピークが屈折率の高い高屈折率層２２に現れており、発光点の光強度（図中の×印の強度）は低くなっているので、発生した光は導波モードに結合しにくいといえる。また、図６（ｃ）では透明電極２３及び高屈折率層２２の厚み分だけ発光点からミラー層２１までの距離が遠くなっているので、発光点の光強度（図中の×印の強度）は低くなっており、発生した光はプラズモンモードに結合しにくいといえる。したがって、図３と比較すると、第１実施形態の有機発光素子２０では、導波損失及びプラズモン損失ともに減っていることがわかる。
図７（ｂ）では、図６（ｂ）と同様、光強度分布のピークが屈折率の高い高屈折率層２２に現れており、発光点の光強度（図中の×印の強度）は低くなっているので、発生した光は導波モードに結合しにくいといえる。また、ミラー層４１を構成する誘電体多層膜は金属ではないので、この有機発光素子４０ではプラズモンモードの光は発生しない。図３と比較すると、第２実施形態の有機発光素子４０では、導波損失及びプラズモン損失ともに減っていることがわかる。
図８（ｂ）では光強度分布のピークが屈折率の高い高屈折率層２２に現れており、発光点の光強度（図中の×印の強度）は低くなっているので、発生した光は導波モードに結合しにくいといえる。また、図８（ｃ）では透明電極２３及び高屈折率層２２の厚み分だけ発光点からミラー層２１までの距離が遠くなっているので、発光点の光強度（図中の×印の強度）は低くなっており、発生した光はプラズモンモードに結合しにくいといえる。したがって、図３と比較すると発光方式に違いはあるが、第３実施形態の有機発光素子５０では、導波損失及びプラズモン損失ともに減っていることがわかる。
図９（ｂ）では、図８（ｂ）と同様、光強度分布のピークが屈折率の高い高屈折率層２２に現れており、発光点の光強度（図中の×印の強度）は低くなっているので、発生した光は導波モードに結合しにくいといえる。また、ミラー層４１を構成する誘電体多層膜は金属ではないので、この有機発光素子６０ではプラズモンモードの光は発生しない。図３と比較すると発光方式に違いはあるが、第４実施形態の有機発光素子６０では、導波損失及びプラズモン損失ともに減っていることがわかる。
このように、本発明によれば、第１又は第２の透明電極の有機発光層側とは反対側に、第１及び第２の透明電極と有機発光層との何れよりも屈折率の高い高屈折率層を設けることにより、導波モードの光強度分布の光強度の強いところを高屈折率層にもってくることで、発生した光が導波モードに結合しにくくなり、導波損失を減らすことができる。さらに、高屈折率層の有機発光層側とは反対側にミラー層を設けることにより、透明電極及び高屈折率層の厚み分だけ発光点からミラー層までの距離が遠くなり、ミラーとして金属材料を用いた場合でも、発光点までの距離が遠くなった分だけ、発生した光がプラズモンモードに結合しにくくなり、プラズモン損失を減らすことができ、ミラーとして誘電体多層膜を用いた場合は、プラズモンモードは発生せず、プラズモン損失は完全に抑制できる。よって、本発明によると、ボトムエミッション方式、トップエミッション方式に関わらず、導波損失及びプラズモン損失ともに減らすことができ、その結果、光の利用効率が向上する。
次に、上記の第１〜第４実施形態を具体化した実施例を、比較対象としての比較例とともに説明する。
比較例１は第１実施形態の有機発光素子２０において第１の透明電極２３に代えて金属電極を用い、高屈折率層２２及びミラー層２１を省略したものである。比較例１の有機発光素子は、金属電極としてのアルミニウムを厚さ１５０ｎｍ、有機発光層（屈折率約１．７５）を厚さ１４０ｎｍ、透明電極としてのＩＴＯ（屈折率約１．８５）を厚さ８０ｎｍ、透明基板としての無アルカリガラスが順に積層されて構成され、白色に発光する。
ここで光の利用効率を比較するための指標として外部量子効率（EQE: external quantum efficiency）を用いる。比較例１の有機発光素子の外部量子効率は２０．８％であった。
実施例１は第１実施形態に対応し、この有機発光素子は、ミラー層としてのアルミニウムを厚さ１５０ｎｍ、高屈折率層としてのＴｉＯ2（屈折率約２．５）を厚さ１００ｎｍ、第１の透明電極としてのＩＴＯ（屈折率約１．８５）を厚さ８０ｎｍ、有機発光層（屈折率約１．７５）を厚さ１４０ｎｍ、第２の透明電極としてのＩＴＯ（屈折率約１．８５）を厚さ８０ｎｍ、透明基板としての無アルカリガラスが順に積層されて構成され、白色に発光する。
この実施例１の有機発光素子の外部量子効率は２８．９％であった。これは比較例１の外部量子効率を大きく上回っており、導波損失及びプラズモン損失が低減した結果であるといえる。
実施例２は第２実施形態に対応し、実施例１の有機発光素子において、ミラー層としてＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5を交互に積層した誘電体多層膜を用いたものである。
この実施例２の有機発光素子の外部量子効率は２９．７％であった。これは実施例１の外部量子効率を上回っており、誘電体多層膜を用いることでプラズモン損失が発生していない結果であるといえる。
実施例３は第１実施形態に対応し、実施例１の有機発光素子において、高屈折率層に直径約６０ｎｍの酸化アルミニウム粒子を分散させたものである。
この実施例３の有機発光素子の外部量子効率は３４．２％であった。これは実施例１の外部量子効率を大きく上回っており、酸化アルミニウム粒子を用いることで高屈折率層において光散乱効果が得られた結果であるといえる。
比較例２は第３実施形態の有機発光素子５０において第１の透明電極２３に代えて金属電極を用い、高屈折率層２２及びミラー層２１を省略したものである。比較例２の有機発光素子は、透明電極としてのＩＴＯ（屈折率約１．８５）を厚さ８０ｎｍ、有機発光層（屈折率約１．７５）を厚さ１４０ｎｍ、金属電極としてのアルミニウムを厚さ１５０ｎｍ、基板としての無アルカリガラスが順に積層されて構成され、白色に発光する。
この比較例２の有機発光素子の外部量子効率は１５．３％であった。
実施例４は第３実施形態に対応し、この有機発光素子は、第２の透明電極としてのＩＴＯ（屈折率約１．８５）を厚さ８０ｎｍ、有機発光層（屈折率約１．７５）を厚さ１４０ｎｍ、第１の透明電極としてのＩＴＯ（屈折率約１．８５）を厚さ８０ｎｍ、高屈折率層としてのＴｉＯ2（屈折率約２．５）を厚さ１００ｎｍ、ミラー層としてのアルミニウムを厚さ１５０ｎｍ、基板としての無アルカリガラスが順に積層されて構成され、白色に発光する。
この実施例４の有機発光素子の外部量子効率は２６．７％であった。これは比較例２の外部量子効率を大きく上回っており、導波損失及びプラズモン損失が低減した結果であるといえる。
実施例５は第４実施形態に対応し、実施例４の有機発光素子において、ミラー層としてＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5を交互に積層した誘電体多層膜を用いたものである。
この実施例５の有機発光素子の外部量子効率は２７．３％であった。これは実施例４の外部量子効率を上回っており、誘電体多層膜を用いることでプラズモン損失が発生していない結果であるといえる。
実施例６は第３実施形態に対応し、実施例４の有機発光素子において、高屈折率層に直径約６０ｎｍの酸化アルミニウム粒子を分散させたものである。
この実施例６の有機発光素子の外部量子効率は３０．０％であった。これは実施例４の外部量子効率を大きく上回っており、酸化アルミニウム粒子を用いることで高屈折率層において光散乱効果が得られた結果であるといえる。
本発明の有機発光素子は、表示デバイス、ディスプレイ、各種発光光源として用いることができる。発光光源として、例えば、照明装置（家庭用照明、車内照明）、時計や液晶用バックライト、看板広告、信号機、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源等が挙げられるが、これらに限定するものではない。特に液晶表示装置のバックライト、照明用光源としての用途に有効に用いることができる。
２０、４０、５０、６０ 有機発光素子
２１、４１ ミラー層
２２ 高屈折率層
２３ 第１の透明電極
２４ 有機発光層
２５ 第２の透明電極
２１、４１ ミラー層
２２ 高屈折率層
２３ 第１の透明電極
２４ 有機発光層
２５ 第２の透明電極
Claims (9)
- 第１の透明電極と、
第１の透明電極の反対電極である第２の透明電極と、
第１及び第２の透明電極に挟まれた有機発光層と、
第１又は第２の透明電極の前記有機発光層側とは反対側に設けられ、第１及び第２の透明電極と前記有機発光層との何れよりも屈折率の高い高屈折率層と、
前記高屈折率層の前記有機発光層側とは反対側に設けられたミラー層と、を備えた有機発光素子。 - 前記ミラー層が、金属材料であることを特徴とする請求項１記載の有機発光素子。
- 前記ミラー層が、誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１記載の有機発光素子。
- 前記高屈折率層が、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ、ＫＴａＯ3の何れかであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の有機発光素子。
- 第１及び／又は第２の透明電極が、無機導電膜、有機導電膜、高分子材料に導電性ワイヤーを分散させた複合導電膜の何れかであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の有機発光素子。
- 第１及び／又は第２の透明電極が、ＩＺＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯの何れかであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の有機発光素子。
- 第１及び／又は第２の透明電極が、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸の混合体であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の有機発光素子。
- 第１及び／又は第２の透明電極が、高分子材料に銀ナノワイヤー又はカーボンナノチューブを分散させた複合導電膜であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の有機発光素子。
- 前記高屈折率層に光散乱効果のある微粒子を分散させたことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の有機発光素子。
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