JP2014165039A

JP2014165039A - 発光素子

Info

Publication number: JP2014165039A
Application number: JP2013035415A
Authority: JP
Inventors: Saburo Aso; 三郎麻生
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】有機機能層を支持する基板側から光を取り出す構造を採用した場合であっても、放熱性を高めることができる発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１０は、透光性基板１１およびこの透光性基板１１に設けられた有機機能層１２、第一電極１３、第二電極１４を有する。そして、発光素子１０は、透光性基板１１よりも熱伝導率の高い熱伝導層１６を備える。この熱伝導層１６の一部は、有機機能層１２と、透光性基板１１との間であり、かつ、第一電極１３と透光性基板１１との間に位置している。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子に関する。

近年、照明装置やディスプレイ装置等の光源として、エレクトロルミネセンス(ＥＬ：ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ)等の固体発光素子が開発されている。このエレクトロルミネセンスとしては、発光材料に有機材料を用いた有機ＥＬ素子がある。
有機ＥＬ素子においては、陰極と陽極との間に有機材料で構成される有機機能層が配置される。有機ＥＬ素子の駆動時には有機機能層において熱が発生するが、有機機能層は熱に弱いため、熱を逃がす必要がある。

そこで、特許文献１においては、熱放射率が０．７０以上である放熱層を備えた有機ＥＬ素子が提案されている。図１に特許文献１に開示された有機ＥＬ素子を示す。
この特許文献１では、図１（ａ）に示すように、有機発光層９１、電極９２，９３を備えた積層体を支持する支持基板９４に放熱層９５を設けている。また、図１（ｂ）に示すように、有機発光層９１、電極９２，９３を備えた積層体を封止する封止基板９６に放熱層９５を設けた有機ＥＬ素子も記載されている。

特開２０１０−８０２１５号公報

特許文献１においては、放熱層の熱放射率が０．７以上と規定されており、放熱層は黒色系材料を含むことが記載されている。そのため、放熱層を介して有機ＥＬ素子から光を取り出すことが困難となる。図１（ａ）に示したように、放熱層９５を支持基板９４に設ける場合には、有機発光層９１からの光は、封止基板９６側から取り出すことは可能であるものの、放熱層９５を支持基板９４に設けた場合には、支持基板９４側から光を取り出すことができない。そこで、支持基板９４側から光を取り出す場合には、図１（ｂ）に示すように、封止基板９６側に放熱層９５を設ける必要がある。封止基板９６と有機発光層９１とは大きく離間しているので、放熱性が低下してしまうことが懸念される。

本発明が解決しようとする課題としては、有機機能層を支持する基板側から光を取り出す構造を採用した場合であっても、放熱性を高めることができる発光素子を提供することが一例として挙げられる。

請求項１に記載の発明は、
透光性基板と、
前記透光性基板の一方の面側に設けられた、発光層を含む有機機能層と、
前記有機機能層の前記透光性基板側に配置された第一電極と、
前記有機機能層の前記透光性基板側と反対側に配置された第二電極と、
前記透光性基板よりも熱伝導率が高い透光性の熱伝導層とを備え、
前記熱伝導層の少なくとも一部が、前記透光性基板と前記有機機能層との間に位置している発光素子である。

（ａ）および(ｂ)はそれぞれ従来の発光素子を示す断面図である。実施形態にかかる発光素子の断面図であり、透光性基板と直交する方向の断面図である。実施例１の発光素子の断面図であり、透光性基板と直交する方向の断面図である。（ａ）は、実施例２の発光素子の断面図であり、透光性基板の基板面と直交する方向の断面図である。（ｂ）は、（ａ）の点線の丸で囲んだ部分の拡大図である。（ａ）は、実施例２の発光素子の駆動時の素子温度と、実施例１の発光素子の駆動時の素子温度とを示す図である。（ｂ）は、実施例２の発光素子の領域Ａ，Ｂの温度分布をシミュレーションした図と、実施例２の発光素子から熱伝導層および放熱部材を除去した発光素子における領域Ａ，Ｂの温度分布をシミュレーションした図である。（ｃ）は、図（ｂ）の領域Ａ，Ｂに対応する場所を示す図である。実施例３の発光素子の断面図であり、透光性基板と直交する方向の断面図である。実施例３の発光素子の平面図であり、透光性基板の基板面側からの平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施形態）
図２を参照して、本実施形態の発光素子１０について説明する。図２は発光素子１０の透光性基板の基板面と直交する断面図である。
この発光素子１０は、透光性基板１１、有機機能層１２、第一電極１３、第二電極１４、封止部材１５、熱伝導層１６、配線１７を備える。
この発光素子１０は、例えばディスプレイ、照明装置、又は光通信装置等の光源として用いることができる。

透光性基板１１は、有機機能層１２、第一電極１３、第二電極１４で構成される発光部を支持する基板である。
この透光性基板１１は、たとえば、ガラスあるいは樹脂で構成される光透過性の基板である。透光性基板１１の熱伝導率は、特に限定されないが、たとえば、２５℃において、０．１〜１Ｗ／ｍＫである。

第一電極１３は、本実施形態では、陽極である。この第一電極１３は、透光性基板１１の一方の基板面に設けられている。本実施形態では、第一電極１３は透明電極であり、透明電極を構成する材料としては、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩＺＯ、ＳｎＯ_２などの金属酸化物から１以上を選択することができる。

有機機能層１２は、第一電極１３と、第二電極１４との間に設けられ、これらの電極に挟まれている。
有機機能層１２は、たとえば、第一電極１３側から、図示しない正孔注入、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、及び電子注入層をこの順に積層したものである。なお、正孔注入層及び正孔輸送層の代わりに、これら２つの層の機能を有する一つの層を設けてもよい。同様に、電子輸送層及び電子注入層の代わりに、これら２つの層の機能を有する一つの層を設けてもよい。なお、有機機能層１２はこれらに限定されるものではなく、上記以外にも他の機能を有した層を含む場合がある。
本実施形態では、図２の紙面直交方向が第一電極１３の長手方向となっているが、有機機能層１２は、第一電極１３の短辺方向の両端部を被覆している。

第二電極１４は、有機機能層１２の第一電極１３側の面とは反対側の面を被覆している。
本実施形態では、第二電極１４は、陰極であり、たとえば、Ａｌ膜またはＡｇ膜等の金属膜で構成されている。

配線１７は、透光性基板１１の一方の基板面に設けられており、第二電極１４に直接接続されている。透光性基板１１の基板面側から平面視した際に、配線１７は、後述する封止部材１５の内側から外側に跨るように配置されおり、封止部材１５よりも外側の部分が電源の陰極用の給電端子（図示略）に接続されている。配線１７としては、たとえば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩＺＯ、ＳｎＯ_２などの金属酸化物のなかから１以上を選択することができる。なかでも、製造効率を向上させる観点から、配線１７は、第一電極１３と同じ材料で構成されていることが好ましい。

封止部材１５は、透光性基板１１の一方の基板面側に配置され、有機機能層１２、第一電極１３、第二電極１４で構成される発光部を封止するものである。封止部材１５は、発光部を被覆するとともに、発光部を取り囲んでいる。
この封止部材１５は、透光性基板１１の一方の面と対向する封止基板部１５１と、この封止基板部１５１の外周縁に沿って設けられ、透光性基板１１側に突出した枠部１５２と、この枠部１５２を透光性基板１１に接着する接着剤１５３とを備える。より具体的には、接着剤１５３は、枠部１５２と、透光性基板１１上の熱伝導層１６や配線１７とを直接接合している。
封止基板部１５１は、板状の部材であり、透光性基板１１側の面に吸湿剤１８が貼り付けられている。
このような封止部材１５と、透光性基板１１とで囲まれた空間内には、たとえば、窒素ガス等の非酸化性のガスが充填されている。

次に、熱伝導層１６について説明する。
熱伝導層１６は、その一部が透光性基板１１と、有機機能層１２との間に設けられた層であり、本実施形態では、透光性基板１１の一方の基板面に直接設けられている。
透光性基板１１の一方の基板面側からの平面視において、熱伝導層１６の外周縁は、封止部材１５の外周縁よりも外側に位置している。透光性基板１１の一方の基板面側の平面視において、熱伝導層１６は、封止部材１５と重なりあう部分１６１と、封止部材１５の外側に位置する部分１６２とを備える。そして、封止部材１５と重なり合う部分１６１と、封止部材１５の外側に位置する部分１６２とが一体的に形成されており、連続した層となっている。

封止部材１５と重なり合う部分１６１において、熱伝導層１６の一部は、第一電極１３と、透光性基板１１との間に配置され、第一電極１３に直接接触している。
そして、第一電極１３、有機機能層１２および第二電極１４の３つが重なりあった領域と、透光性基板１１との間に熱伝導層１６の部分１６１の一部が位置している。換言すると、有機機能層１２のうち、発光領域の直下に熱伝導層１６の一部が位置しているといえる。なお、本実施形態では、第一電極１３、有機機能層１２および第二電極１４の３つが重なりあった領域全体の直下に部分１６１の一部が位置している。

また、熱伝導層１６の部分１６１の他の一部は、第一電極１３の短辺方向の端部から外側にはみ出した有機機能層１２の一部と、直接接触している。

また、熱伝導層１６の部分１６１には、第二電極１４が直接接触している。第二電極１４は、有機機能層１２上から、熱伝導層１６のうち、有機機能層１２の直下の領域よりも外側に位置する部分に向けて延在している。そして、熱伝導層１６の部分１６１のうち、有機機能層１２および第一電極１３と重ならない部分であり、有機機能層１２の直下の領域よりも外側に位置する部分と、第二電極１４とが直接接触している。図２のＣで示す部分が、熱伝導層１６と第二電極１４との接点である。

ここで、前述したように、有機機能層１２は、第一電極１３の短辺方向の端部を被覆している。換言すると、熱伝導層１６と第二電極１４との接点に位置する第一電極１３の端部が有機機能層１２で被覆されているといえる。これにより、第一電極１３と第二電極１４とが直接接触してしまうことが防止されている。
なお、熱伝導層１６の部分１６１は、配線１７と透光性基板１１との間にも位置しており、配線１７にも直接接触している。

以上のような熱伝導層１６は、透光性であり、かつ、熱伝導率が透光性基板１１よりも高い。熱伝導層１６の熱伝導率は、透光性基板１１の熱伝導率の１００倍以上であることが好ましく、たとえば、２５℃で１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。なお、熱伝導層１６の熱伝導率の上限値は限定されないが、たとえば、２５℃で２５００Ｗ／ｍ・Ｋである。そして、熱伝導層１６は、絶縁体あるいは抵抗値が２５℃で１ＭΩ・ｃｍ以上である半導体で構成されることが好ましい。たとえば、熱伝導層１６の材料としては、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ダイヤモンドのなかから１種以上を選択することができる。そして、このような熱伝導層１６は透光性を確保するために、厚さが１００ｎｍ以下であることが好ましい。熱伝導層１６の下限値は特に限定されないが、熱伝導層１６の膜質および伝熱性の観点から、２０ｎｍであることが好ましい。

以上のような発光素子１０においては、矢印Ｙ１に示すように、有機機能層１２の発光層で発光した光は、第一電極１３、熱伝導層１６、透光性基板１１を介して、出射されることとなる。本実施形態において、発光素子１０はいわゆるボトムエミッション型の発光素子である。

また、発光素子１０の発光時、有機機能層１２で発生した熱は、第一電極１３を介して熱伝導層１６側に伝達される。そして、熱伝導層１６の熱は、封止部材１５と重なり合う部分１６１から、封止部材１５の外側に位置する部分１６２に伝達される。これにより、部分１６２から放熱されることとなる（矢印Ｙ２参照）。

次に、発光素子１０の製造方法について説明する。
透光性基板１１を用意し、この透光性基板１１の一方の基板面上に熱伝導層１６を形成する。熱伝導層１６の形成方法としては、蒸着法あるいはスパッタリング法を使用できる。
その後、熱伝導層１６上に、蒸着法あるいはスパッタリング法で第一電極１３、配線１７を設ける。第一電極１３と配線１７とが同じ材料で構成されている場合には、第一電極１３、配線１７を同時に形成してもよい。その後、有機機能層１２を形成し、さらに、第二電極１４を形成する。次に、接着剤１５３を介して、枠部１５２および封止基板部１５１を透光性基板１１の一方の基板面上に配置する。

以上の本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
有機機能層１２と、透光性基板１１との間に、透光性基板１１よりも熱伝導率の高い熱伝導層１６を設けているので、有機機能層１２で発生した熱を、熱伝導層１６を介して逃がすことができる。これにより、発光素子１０の放熱性を高めることができる。

また、熱伝導層１６を透光性としているので、有機機能層１２からの光を、熱伝導層１６、透光性基板１１を介して発光素子１０の外部に取り出すことができる。これにより、発光素子１０をいわゆるボトムエミッション型とすることができ、ボトムエミッション型の発光素子１０とした場合であっても、発光素子１０の放熱性を向上させることができる。

（実施例１）
図３を参照して、実施例１について説明する。
実施例１の発光素子２０は、透光性基板２１の形状が、前記実施形態の透光性基板１１と異なっている。他の点は、前記実施形態の発光素子１０と同じである。
透光性基板２１の一方の基板面側からの平面視において、透光性基板２１の封止部材１５よりも外側に位置する部分に、凹凸構造２１１が形成されている。より具体的には、封止部材１５を取り囲むように凹凸構造２１１が形成されている。この凹凸構造２１１は、たとえば、平均表面粗さＲａが４μｍ以上であることが好ましい。透光性基板２１の一方の基板面をエッチングあるいはサンドブラストすることで凹凸構造２１１を形成することができる。
熱伝導層１６のうち、封止部材１５の外側に位置する部分１６２には、凹凸構造２１１の凹凸に倣った凹凸が形成されている。

さらに、前記実施形態で前述したように、本実施例においても、第一電極１３のうち、有機機能層１２および第二電極１４と重なりあった領域と、透光性基板２１との間に熱伝導層１６の一部が位置している。
さらに、前記実施形態で前述したように、本実施例においても、熱伝導層１６のうち、有機機能層１２および第一電極１３と重ならない部分であり、有機機能層１２の直下の領域よりも外側に位置する部分と、第二電極１４とが接触している。図３のＣで示す部分が第二電極１４と熱伝導層１６との接点である。

このような本実施例によれば、前記実施形態と同様の効果を奏することができるうえ、以下の効果を奏することができる。
本実施形態においては、熱伝導層１６は、封止部材１５と重なり合う部分１６１と封止部材１５の外側に位置する部分１６２とを有しており、有機機能層１２で発生した熱を、熱伝導層１６の封止部材１５と重なり合う部分１６１から、封止部材１５の外側に位置する部分１６２へ伝達させて放熱させることができる。そして、封止部材１５の外側に位置する部分１６２には、凹凸構造が形成されており、部分１６２の放熱面積が大きくなっている。これにより、発光素子２０の放熱効率を高めることができる。

さらに、第一電極１３のうち、有機機能層１２および第二電極１４と重なりあった領域と、透光性基板２１との間に熱伝導層１６の一部が位置している。これにより、有機機能層１２の発光領域、つまり、有機機能層１２のうち最も発熱する部分の直下に熱伝導層１６の一部が位置することとなるので、有機機能層１２からの熱を効率的に熱伝導層１６に伝達させることができる。

さらには、熱伝導層１６のうち、有機機能層１２および第一電極１３と重ならない部分に、第二電極１４が直接接触している。そのため、有機機能層１２から第二電極１４側に伝わった熱を熱伝導層１６に伝えることができる。発光素子２０においては、有機機能層１２から有機機能層１２上に位置する第二電極１４側に熱を逃がすことができ、かつ、有機機能層１２から有機機能層１２直下に位置する熱伝導層１６側にも熱を逃がすことができる。すなわち、有機機能層１２の表裏面側から熱を逃がすことが可能となり、発光素子２０の放熱効率が高まる。

（実施例２）
図４を参照して、実施例２について説明する。図４（ａ）は、発光素子３０の透光性基板１１の基板面と直交する断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の点線の丸で囲んだ部分の拡大図である。

発光素子３０は放熱部材３９を備えている。他の点は、実施形態と同様である。
放熱部材３９は、熱伝導層１６のうち、封止部材１５よりも外側に位置する部分１６２に設けられおり、部分１６２に図示しない熱伝導性の接着剤を介して接している。
放熱部材３９は、封止部材１５を取り囲むようにリング状に形成されている。放熱部材３９の表面には、図３（ｂ）に示すように、凹凸構造３９１が形成されている。
放熱部材３９としては、放熱性の高い部材で構成されていれよく、たとえば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ等から選択される１以上の金属材料で構成されていることが好ましい。

放熱部材３９は、金属板をプレス加工により形成することができる。また、放熱部材３９として、表面が粗い金属膜を形成してもよい。
このような放熱部材３９を設けることで、熱伝導層１６のうち、封止部材１５よりも外側に位置する部分１６２に伝達された熱を、放熱部材３９を介して効率よく放熱させることができる。

ここで、図５（ａ）に、発光素子３０の平均温度と、発光素子１０の平均温度とを比較したものを示す。図５（ａ）の「放熱部材あり」が、発光素子３０に該当し、図５の「放熱部材なし」が発光素子１０に該当する。熱伝導層１６としては、厚み５０ｎｍのＳｉＣ層を使用した。また、放熱部材３９は、表面粗さ約７μｍであり、アルミで構成されるものを使用した。放熱部材３９を設けることで、駆動中の発光素子の温度が低下することがわかる。

また、図５（ｂ）、（ｃ）を参照して、発光素子３０の熱分布のシミュレーション結果と、発光素子３０から放熱部材３９および熱伝導層１６をなくした発光素子の熱分布のシミュレーション結果とを比較する。図５（ｂ）の右側が、発光素子３０に該当し、左側が発光素子３０から放熱部材３９および熱伝導層１６をなくした発光素子に該当する。また、図５（ｂ）の領域Ａ、Ｂは、図５（ｃ）に示した領域Ａ、Ｂに該当する。
発光素子３０の熱伝導層１６としては、厚み５０ｎｍのＳｉＣ層を使用した。また、放熱部材３９は、表面粗さ約７μｍであり、アルミで構成されるものを使用した。
図５（ｂ）に示すように、熱伝導層１６を設けることで、素子の温度が低下することがわかる。

（実施例３）
図６、７を参照して、本実施例について説明する。図６は、発光素子４０の透光性基板２１の基板面と直交する方向の断面図であり、図７のVI-VI方向の断面図である。図７は発光素子４０の透光性基板２１の基板面側からの平面図である。図７においては、見易さを考慮し、熱伝導層１６、第一電極１３、配線１７にハッチングを入れている。

本実施例の発光素子４０は、複数の発光部を備える。他の点は、実施例１の発光素子２０と同様である。

以下に詳細に説明する。
透光性基板２１に設けられた熱伝導層１６上には、複数の第一電極１３がストライプ状に配置されている。各第一電極１３間は離間している。

第一電極１３の長手方向と直交する方向が長手方向となるように、第二電極１４が配置されている。本実施例では、複数の第二電極１４がストライプ状に平行に配置されており、各第二電極１４は、複数の第一電極１３を跨るように配置されている。

各第一電極１３上には有機機能層１２が配置されている。具体的には、本実施例では、第一電極１３と第二電極１４とで挟まれた部分が複数形成されるが、この部分に、有機機能層１２が配置されている。そして、前記実施例１と同様に、熱伝導層１６の一部は、第一電極１３の有機機能層１２および第二電極１４と重なり合った部分と、透光性基板２１との間に位置している。

また、有機機能層１２は、第一電極１３の短辺方向の端部を被覆している。実施例１と同様、これにより、第一電極１３と第二電極１４とが接触してしまうことが防止される。

また、図７に示すように、透光性基板２１の基板面側からの平面視において、有機機能層１２の長手方向の端部は、第二電極１４の短辺方向の端部よりも外方に突出している。これにより、第一電極１３と第二電極１４とが接触してしまうことが防止される。

発光素子４０においては、有機機能層１２と、第一電極１３の一部と、第二電極１４の一部とで、発光部が構成され、この発光部が複数設けられている。
実施例１と同様、熱伝導層１６は、有機機能層１２および第一電極１３と重ならない部分を有している。そして、第二電極１４も、平面視において有機機能層１２および前記第一電極１３と重ならない部分を有しており、この部分と、熱伝導層１６のうち、有機機能層１２および第一電極１３と重ならない部分とが接触している。図６，７のＣの部分が第二電極１４と熱伝導層１６との接触箇所である。本実施例においては、一つの第二電極１４と熱伝導層１６との接触箇所が複数設けられている。

このような発光素子４０は、実施例２と同様の効果を奏することができるうえ、以下の効果を奏することができる。
発光素子４０においては、各第二電極１４と熱伝導層１６との接触箇所が複数設けられているので、有機機能層１２から第二電極１４に伝達された熱を効率よく熱伝導層１６に伝達させることができる。

以上、図面を参照して実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、実施例３においては、透光性基板２１に凹凸構造が形成されていたが、これに限らず、凹凸構造はなくてもよい。また、実施例３において、透光性基板２１に凹凸構造を形成せずに、実施例２と同様の放熱部材を設けてもよい。

１０発光素子
１１透光性基板
１２有機機能層
１３第一電極
１４第二電極
１５封止部材
１６熱伝導層
２０発光素子
２１透光性基板
３０発光素子
３９放熱部材
４０発光素子
１６１部分
１６２部分
２１１凹凸構造

Claims

透光性基板と、
前記透光性基板の一方の面側に設けられた、発光層を含む有機機能層と、
前記有機機能層の前記透光性基板側に配置された第一電極と、
前記有機機能層の前記透光性基板側と反対側に配置された第二電極と、
前記透光性基板よりも熱伝導率が高い透光性の熱伝導層とを備え、
前記熱伝導層の少なくとも一部が、前記透光性基板と前記有機機能層との間に位置している発光素子。
請求項１に記載の発光素子において、
前記有機機能層からの光が、前記第一電極、前記透光性基板および前記熱伝導層を介して出射される発光素子。
請求項１または２に記載の発光素子において、
前記熱伝導層の前記一部は、前記第一電極のうち、前記有機機能層および前記第二電極と重なり合った部分と、前記透光性基板との間に位置する発光素子。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記透光性基板の一方の面側に配置され、前記第一電極、前記有機機能層および前記第二電極で構成される発光部を被覆するとともに、前記発光部を包囲する封止部材を備え、
前記透光性基板の一方の面側からの平面視において、前記熱伝導層は、前記封止部材と重なり合う領域と、前記封止部材と重なり合わない領域とを有する発光素子。
請求項４に記載の発光素子において、
前記熱伝導層のうち、前記封止部材と重なり合わない領域に凹凸が形成されている発光素子。
請求項４に記載の発光素子において、
前記熱伝導層のうち、前記封止部材と重なり合わない領域に、放熱部材が設置されている発光素子。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子において、
前記熱伝導層は、前記有機機能層と重ならない第一の領域を有し、
前記第二電極の一部は、前記熱伝導層の前記第一の領域に接している発光素子。