JP2014096367A - 有機発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】視野角の広い有機発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の有機発光素子は、基板と、基板上の第１電極と、第１電極上の有機発光層と、有機発光層上の第２電極と、基板と第１電極との間または第２電極の上部に配された少なくとも２つの層を含む光路差補償層と、を備え、光路差補償層は、入射光と光路差補償層の入射面とがなす角が大きいほど透過率が小さくなる少なくとも一つの層を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、視野角の広い共振構造を備える有機発光素子に関する。

有機発光素子は、アノード電極、有機発光層、カソード電極を備え、有機発光層に電流を流すと、電子輸送層及び正孔輸送層を通じて電子及び正孔が有機発光層に注入され、電子と正孔とが再結合して発光する。

有機発光素子は、ＬＥＤとは異なって面発光が可能であり、ディスプレイや照明に使われる。有機発光素子を採用した有機発光表示装置は自己発光型であって別途の光源が不要であるため、ＣＲＴやＬＣＤに比べてスリム化、軽量化でき、応答速度も速くて消費電力が少ない。また、有機発光表示装置は、その構造が単純なため、簡単な製造工程により容易に製作できる。ところが、有機発光素子は、発光した光の約２０％のみが外部に出力されるので、光効率が低い。光効率を高め、かつ色純度を高めるためにマイクロキャビティ構造が用いられる。しかし、マイクロキャビティ構造を用いても視野角によってスペクトルが変わり、スクリーンの正面から外れるほど輝度が大きく減少する。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、視野角の広い共振構造を備える有機発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による有機発光素子は、基板と、前記基板上の第１電極と、前記第１電極上の有機発光層と、前記有機発光層上の第２電極と、前記基板と第１電極との間または前記第２電極の上部に配された少なくとも２つの層を含む光路差補償層と、を備え、前記光路差補償層は、入射光と光路差補償層の入射面とがなす角が大きいほど透過率が小さくなる少なくとも一つの層を有することを特徴とする。

前記光路差補償層は、第１層、誘電体層、及び第２層を含む。
前記光路差補償層は、第１誘電体層、第１層、第２誘体電層、及び第２層を含む。
前記第１層及び第２層は、互いに異なる材質の金属で形成されるか、または同材質の金属で形成される。
前記第１層及び第２層は、それぞれ５ｎｍ〜３０ｎｍ厚さを有する。
前記第１層及び第２層は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌを含むグループから選択される少なくとも一つの物質またはこれらの合金で形成される。

前記第１誘電体層及び第２誘電体層は、互いに異なる屈折率を有する。
前記光路差補償層は、０ｎｍより大きく３００ｎｍ以下の厚さを有する。
前記光路差補償層は、互いに異なる屈折率を有する金属で形成された第１層及び第２層を含む。
前記光路差補償層は、半透過層で形成される。

前記有機発光層は、電子輸送層、発光層、及び正孔輸送層を含む。
前記有機発光層は、電子注入層及び正孔注入層をさらに含む。

前記光路差補償層は、入射光の入射角度に対応して共振光路差を補償する。
前記第１電極及び第２電極のうちの一つが透明電極であり、残りの一つが反射電極である。

前記第１電極と光路差補償層とがマイクロキャビティを形成するか、または第２電極と光路差補償層とがマイクロキャビティを形成する。

本発明の有機発光素子によれば、視野角に関係なくほぼ同じ色を有し、輝度もランバーシアン（ランバート反射）分布を有する。これによって、本発明の有機発光素子は広い視野角を有することができる。

本発明の一実施形態による有機発光素子を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による有機発光層の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による光路差補償層における光の入射角による動作を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による光路差補償層の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による光路差補償層の他の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による光路差補償層のさらに他の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による有機発光素子での光路差補償動作を説明するための図である。 本発明の他の実施形態による有機発光素子を概略的に示す断面図である。 比較例の視野角に対応したスペクトルを示す図である。 図４に示した光路差補償層を備える有機発光素子の視野角に対応したスペクトルを示す図である。

以下、本発明の有機発光素子を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

なお、図面において同じ参照符号は同じ構成要素を示し、各構成要素のサイズや厚さは、説明の便宜のために誇張している。一方、以下で説明する実施形態は単に例示的なものに過ぎず、これらの実施形態から多様な変形が可能である。以下、“上部”や“上”と記載したものは、接触して直上にあるものだけではなく非接触で上にあるものも含む。

図１は、本発明の一実施形態による有機発光素子１０を概略的に示す断面図である。有機発光素子１０は、基板２０、基板上の第１電極４０、第２電極６０、第１電極４０と第２電極６０との間に有機発光層５０を備える。第１電極４０と基板２０との間に光路差補償層３０を備える。

基板２０は、例えばガラス基板であり、光を透過させる。第１電極４０は、アノード電極である。第１電極４０は、光を透過させるために透明電極であり、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電性物質で形成される。有機発光層５０は、有機化合物で形成され、例えば高分子有機化合物を含む。有機発光層５０は、単一層または多重層で形成される。図１では、有機発光層が単一層で形成された例を図示した。

有機発光層５０が多重層で形成される場合、図２に示したように、有機発光層５０は、正孔注入層５１、発光層５４、及び電子注入層５６を含む。正孔注入層５１と発光層５４との間に、正孔輸送層５２及び中間層５３をさらに備える。発光層５４と電子注入層５６との間に電子輸送層５５をさらに備える。

第２電極６０は、カソード電極である。第２電極６０は、反射率の高い伝導性物質で形成される。第２電極６０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）などの反射性金属で形成される。

光路差補償層３０は、半透過層である。光路差補償層３０は、光の一部を透過し、一部を反射する性質を有する物質で形成される。光路差補償層３０は、少なくとも２つの層を含む。そして、少なくとも２つの層のうちの少なくとも一つは、入射光と光路差補償層の入射面とがなす角度が大きいほど透過率が小さくなる特性を有する。このような特性を有する物質としては、例えば金属、光結晶、屈折率異方性物質などが使われる。

図３を参照すると、光路差補償層３０は、入射光と光路差補償層の入射面とがなす角度が大きいほど透過率が小さくなる少なくとも一つの層を含む。そして、少なくとも２つの層の間に誘電体層を選択的に備える。光路差補償層３０は、第１層３０ａ、誘電体層３０ｂ、及び第２層３０ｃを含む。第１層３０ａ及び第２層３０ｃは、例えば金属で形成される。第１層３０ａ及び第２層３０ｃは、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌを含むグループから選択される少なくとも一つの物質またはこれらの合金で形成される。また、第１層３０ａ及び第２層３０ｃは、互いに異なる材質の金属で形成されるか、または同材質の金属で形成される。

図３を参照すると、光路差補償層３０では、第１入射光Ｌ１と光路差補償層３０の入射面ＩＰとがなす第１角θ１が、第２入射光Ｌ２と光路差補償層３０の入射面ＩＰとがなす第２角θ２より大きい場合、第１入射光Ｌ１の透過率Ｔ１が第２入射光Ｌ２の透過率Ｔ２より小さい。したがって、光路差補償層３０が共振光路差を補償し、光が入射する角度に関係なく均一なスペクトルを示して視野角を広げる。これについては後述する。

図４は、本発明の一実施形態による光路差補償層の一例を示す断面図である。光路差補償層３０は、第１層３１、第１誘電体層３２、第２層３３、及び第２誘電体層３４を含む。第１層３１及び第２層３３は同じ物質または互いに異なる物質で形成される。第１層３１及び第２層３３は、それぞれ５ｎｍ〜３０ｎｍ厚さを有する。光路差補償層３０は、０ｎｍより大きく、３００ｎｍ以下の厚さを有する。

第１層３１及び第２層３３は金属で形成され、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌを含むグループから選択される少なくとも一つの物質またはこれらの合金で形成される。第１誘電体層３２及び第２誘電体層３４は同じ物質または互いに異なる屈折率を有する物質で形成される。誘電体層としては、例えばＺｎＳ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２などが使われる。また、第１層３１及び第２層３３は、互いに異なる材質の金属で形成されるか、または同材質の金属で形成される。

図５は、本発明の一実施形態による光路差補償層の他の例を示す断面図である。図５に示した光路差補償層３０は、第１層３１ａ及び第２層３３ａを含む。第１層３１ａ及び第２層３３ａは、互いに異なる物質で形成され、例えば互いに異なる屈折率を有する金属で形成される。第１層３１ａ及び第２層３３ａは、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌを含むグループから選択される少なくとも一つの物質またはこれらの合金で形成される。

図６は、本発明の一実施形態による光路差補償層のさらに他の例を示す断面図である。図６に示した光路差補償層３０は、第１層３１ｂ、第１誘電体層３２ｂ、第２層３３ｂ、第２誘電体層３４ｂ、第３層３５ｂ、及び第３誘電体層３６ｂを含む。第１層３１ｂ、第２層３３ｂ、及び第３層３５ｂは、同じ材質または互いに異なる材質で形成される。或いは、２つの層は同じ材質で形成され、残りの一層は他の材質で形成されてもよい。第１誘電体層３２ｂ、第２誘電体層３４ｂ、及び第３誘電体層３６ｂは同じ材質または互いに異なる材質で形成される。或いは、２つの誘電体層は同じ材質で形成され、残りの一誘電体層は他の材質で形成されてもよい。

上述したように、光路差補償層は少なくとも２つの層を含む。そして、少なくとも２つの層の間に誘電体層を選択的に配置する。

以下、図１を参照しながら有機発光素子１０からの光の発生原理を説明する。第１電極４０と第２電極６０との間に電圧が印加されると、電子及び正孔が有機発光層５０に注入され、電子及び正孔は有機発光層内で再結合して光を発生させる。有機発光層５０で発生した光は、第１電極４０を通じて外部に出射する。有機発光素子は、光の出射方向によってトップエミッション（前面発光）構造とボトムエミッションン（背面発光）構造とに分類される。図１に示した有機発光素子は、ボトムエミッション構造を有する例を示す断面図である。しかし、これに限定されず、トップエミッション構造の有機発光素子にも適用できる。

有機発光層５０で発生した光は、第１電極４０及び第２電極６０側へ出射し、第１電極４０に向かう光は、透明材質で形成された第１電極４０を通過して光路差補償層３０に入射する。光路差補償層３０に入射した光のうち、光路差補償層３０で一部の光は外部に出射し、残りの光は反射して第２電極６０側に向かう。第２電極６０は、反射率の高い材質で形成されており、第２電極６０に入射する光は反射して光路差補償層３０に向かう。

このように、光は光路差補償層３０と第２電極６０との間で共振効果を奏し、光路差補償層３０及び第２電極６０はマイクロキャビティを形成し、特定波長で補強干渉が発生して光強度が増大する。

光強度は、下記式１のように光の波長と光の入射角度との関数で示される。
［式１］

図７は、本発明の一実施形態による有機発光素子での光路差補償動作を説明するための図であり、上記式１に対応して光強度と、光の波長と、光の入射角度との関係を説明するために図１に示した有機発光素子を簡略化した模式図である。上記式１で、Ｉ_ＯＬＥＤは、有機発光素子から出射する光の強度を示し、波長と角度との関数である。Ｉ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}は、有機発光層で発生した光のスペクトルを示す。Ｔは、透過率を意味し、Ｒは、有機発光層から外部に反射される光の反射率を意味する。Ｄは、有機発光層とカソード電極との距離である。Ｌは、カソード電極と光路差補償層との距離、すなわち共振長さを示す。ｎは、発光層の屈折率を意味し、θは、大気中で有機発光素子に対する垂直方向からの視野角を示し（図３の入射面との角度θ１、θ２とは異なる）、θ_ｏｒｇは、角度θに対応する有機発光層内での角度である。θ及びθ_ｏｒｇは、スネルの法則によって定められる。Φ１は、カソード電極で光が反射する時の位相値であり、Φ２は、半透過層である光路差補償層で光が反射する時の位相値である。ｎ、Φ１、Φ２は、波長の関数である。

上記式１を参照すると、視野角θが大きくなればθ_ｏｒｇも大きくなり、ｃｏｓｉｎｅ関数値は小さくなる。ｃｏｓｉｎｅ関数値が小さくなれば、あたかもＬ値（共振長さ）が小さくなるような効果がある。したがって、共振構造を用いる有機発光素子では、視野角が大きくなるほどスペクトルが短波長側へ移動（ｓｈｉｆｔ）する。

本実施形態による有機発光素子の光路差補償層では、視野角による共振光路差を補償することで、視野角に関係なくカラースペクトルを一定に維持させる。光が光路差補償層で反射する時の位相値Φ２は角度θ_ｏｒｇと連関しており、ｃｏｓ（４πｎＬｃｏｓθ_ｏｒｇ／λ−Φ１−Φ２）値がθ_ｏｒｇ値に関係なく同じ値を有するようにすることで、θ_ｏｒｇ値に関係なく一定の光強度が保たれる。言い換えれば、θ_ｏｒｇ値に対応して光路差補償層での反射光の位相値Ф２が変化する時でも、θ_ｏｒｇ値に関係なく一定の光強度が保たれる。

θ_ｏｒｇが大きくなる時、ｃｏｓ（θ_ｏｒｇ／λ）は小さくなり、これに対応してΦ１値が小さくなっても、ｃｏｓ（４πｎＬｃｏｓθ_ｏｒｇ／λ−Φ１−Φ２）値は大きな変化なく維持される。逆にθ_ｏｒｇが小さくなる時、ｃｏｓ（θ_ｏｒｇ／λ）は大きくなり、これに対応してΦ１値が大きくなっても、ｃｏｓ（４πｎＬｃｏｓθ_ｏｒｇ／λ−Φ１−Φ２）の値が大きな変化なしに維持される。

上記原理によって光路差補償層での反射光の位相値Φ２が制御される場合、視野角に関係なく光強度は一定に保たれる。このように光路差補償層で反射する光の位相値が、視野角による共振光路差を補償する。したがって、広い視野角が確保される。また、θ_ｏｒｇが小さい時にΦ１値が大きくなり、θ_ｏｒｇが大きい時にΦ１値が小さくなれば、視野角による光スペクトルの変動幅が低減する。光路差補償層が、入射光と光路差補償層の入射面とがなす角が大きいほど透過率が小さくなる特性を有する場合、共振光路差が補償される。上記式１でｃｏｓ（４πｎＬｃｏｓθ_ｏｒｇ／λ−Φ１−Φ２）値がθ_ｏｒｇ値に関係なく一定の値を保つようにすることで共振光路差が補償される。θ_ｏｒｇ値が大きくなればｃｏｓｉｎｅ値が小さくなるが、光路差補償層を取り入れることで、ｃｏｓｉｎｅ値が小さくなるだけＬ値が大きくなってｃｏｓ（４πｎＬｃｏｓθ_ｏｒｇ／λ−Φ１−Φ２）値は一定に維持される。光路差補償層では視野角（垂直入射と比較して）が大きくなるほど透過率が大きくなる半透過層によって、θ_ｏｒｇ値が小さければ（垂直入射に近くなれば）共振長さＬ値が小さくなる。しかし、θ_ｏｒｇ値が大きくなれば、共振長さＬ値が大きくなる。これは、光が光路差補償層を透過して下部まで到逹した後で反射するからである。例えば、図３で、第１入射光Ｌ１は共振が第２層３０ｃで起きるのに対し、第２入射光Ｌ２は共振が第１層３０ａで起きる。

図８は、本発明の他の実施形態による有機発光素子１００を概略的に示す断面図である。有機発光素子１００は、基板１２０、基板上の第１電極１３０、第２電極１５０、及び第１電極１３０と第２電極１５０との間に有機発光層１４０を備える。第２電極１５０上に光路差補償層１６０を備える。

基板１２０は、例えばガラス基板であり、光を透過させる。第１電極１３０は、カソード電極であり、第１電極は、反射率の高い材質で形成される。第２電極１５０は、アノード電極であり、光を透過させるように透明電極で形成される。第２電極１５０は、例えばＩＴＯ、ＩＺＯなどのような透明な導電性物質で形成される。有機発光層１４０は、有機化合物で形成され、例えば高分子有機化合物を含む。有機発光層１４０は、単一層または多重層で形成される。有機発光層１４０については、図１及び図２を参照しながら説明した有機発光層５０と実質的に同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

図８に示した有機発光素子１００は、有機発光層１４０で発生した光が上方へ出射するトップエミッションタイプである。有機発光素子１００は、第１電極１３０と光路差補償層１６０との間で光が共振するマイクロキャビティ構造を有する。光路差補償層１６０は、図１〜図７を参照して説明した光路差補償層３０と機能及び作用効果が実質的に同一である。上述したように、光路差補償層１６０によって視野角に関係なく共振光路差が一定に補償されることで広い視野角を確保できる。

図９Ａは、比較例の視野角に対応したスペクトルを示す図である。比較例は、基板、第１電極、有機発光層、第２電極、及び半透過層を含む構造を有する。第１電極はＩＴＯで形成され、第２電極はＡｌで形成され、半透過層は、ＭｇがドーピングされたＡｇで形成される。有機発光層は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、及び電子注入層を含む。比較例は、視野角によってスペクトルが一定でないことを示す。

図９Ｂは、図４に示した光路差補償層を備える有機発光素子の視野角に対応したスペクトルを示す図であり、視野角によらずスペクトルがほぼ一定に現われることを示す。上述のように本実施形態による有機発光素子は、視野角に関係なくほぼ同じ色を有し、輝度もランバーシアン分布を有する。したがって、本発明による有機発光素子は広い視野角を有する。本発明による有機発光素子は、有機発光素子ディスプレイだけではなく有機発光素子を用いる照明にも有効に使われる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

本発明は、有機発光素子関連の技術分野に好適に用いられる。

１０、１００ 有機発光素子
２０、１２０ 基板
３０、１６０ 光路差補償層
３０ａ 第１層
３０ｂ 誘電体層
３０ｃ 第２層
３１、３１ａ、３１ｂ 第１層
３２、３２ｂ 第１誘電体層
３３、３３ａ、３３ｂ 第２層
３４、３４ｂ 第２誘電体層
３５ｂ 第３層
３６ｂ 第３誘電体層
４０、１３０ 第１電極
５０、１４０ 有機発光層
５１ 正孔注入層
５２ 正孔輸送層
５３ 中間層
５４ 発光層
５５ 電子輸送層
５６ 電子注入層
６０、１５０ 第２電極

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板上の第１電極と、
   前記第１電極上の有機発光層と、
   前記有機発光層上の第２電極と、
   前記基板と第１電極との間または前記第２電極の上部に配された少なくとも２つの層を含む光路差補償層と、を備え、
   前記光路差補償層は、入射光と光路差補償層の入射面とがなす角が大きいほど透過率が小さくなる少なくとも一つの層を有することを特徴とする有機発光素子。
2. 前記光路差補償層は、第１層、誘電体層、及び第２層を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
3. 前記光路差補償層は、第１誘電体層、第１層、第２誘電体層、及び第２層を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
4. 前記第１層及び第２層は、互いに異なる材質の金属で形成されるか、または同材質の金属で形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の有機発光素子。
5. 前記第１層及び第２層は、それぞれ５ｎｍ〜３０ｎｍ厚さを有することを特徴とする請求項４に記載の有機発光素子。
6. 前記第１層及び第２層は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌを含むグループから選択される少なくとも一つの物質またはこれらの合金で形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の有機発光素子。
7. 前記第１誘電体層及び第２誘電体層は、互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項３に記載の有機発光素子。
8. 前記光路差補償層は、０ｎｍより大きく、３００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
9. 前記光路差補償層は、互いに異なる屈折率を有する金属で形成された第１層及び第２層を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
10. 前記光路差補償層は、半透過層で形成されることを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
11. 前記有機発光層は、電子輸送層、発光層、及び正孔輸送層を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
12. 前記有機発光層は、電子注入層及び正孔注入層をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の有機発光素子。
13. 前記光路差補償層は、入射光の入射角度に対応して共振光路差を補償することを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
14. 前記第１電極及び第２電極のうちの一つが透明電極であり、残りの一つが反射電極であることを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
15. 前記第１電極と光路差補償層とがマイクロキャビティを形成するか、または第２電極と光路差補償層とがマイクロキャビティを形成することを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。

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