JP2014517999A - 改善された光抽出を有する有機発光デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、透明な基板と、前記基板上に配置される透明な第１の電極層と、前記第１の電極層上に配置される１又は複数の有機光活性層と、前記１又は複数の有機光活性層上に配置される第２の電極層と、個別のランダムに分散されたナノメータサイズの低屈折率材料の領域を有し、前記第１の電極層と前記１又は複数の有機光活性層との間に配置された不連続層と、を有する有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）を供給する。個別のランダムに分散されたナノサイズの領域の不連続層が、ＯＬＥＤの光抽出効率を増加させる。

Description

本発明は、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）、ＯＬＥＤを製造する方法、並びに、かかるＯＬＥＤを有する照明器具及び表示デバイスに関する。

有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）は、有機膜に電圧を印加することによって光が生成される薄膜デバイスである。特に、ＯＬＥＤは、広告情報及び標識などのサイネージ照明のために益々用いられているが、フラットパネルディスプレイ、照明、及び、装飾用照明における使用についても、極めて将来性がある。

一般的に、ＯＬＥＤは、透明な基板上に配置された、２つの電極間に挟まれた有機層と、オプションで、１又は複数の有機電荷注入層又は電荷輸送層とを具備する積層を有する。

ＯＬＥＤの商業化のために、デバイス効率が、重要なパラメータである。総デバイス効率は、内部量子効率及び外部量子効率（光取り出し量）によって決定される。近年、内部量子効率を改善するために、例えば、電荷再結合を増加させるための輸送層のドーピングを含む、多くの技術が提案されており、三重項エミッタ（triplet-emitter）の使用によって、略１００％の内部量子効率が達成可能である。また、外部量子効率を改善するために、低減された三重項アニーリング（triplet-triplet annealing）に基づく三重項エミッタの外部量子効率ロールオフを低減する特定の層設計を含む多くの技術が提案されており、層界面において発せられる光の反射を低減するような反射率及び厚みを有する様々な層を選択することによって、有機層、電極層、及び／又は、基板層の内部の総内部反射のために、トラップされる多くの光量を低減している。しかしながら、生成された光のうち６０％もの光が有機層において、なおトラップされており、約２０％の光が、ガラス基板においてトラップされている。

有機層及び／又はアノードＩＴＯ層の内部にトラップされる光（「導波路モード」における光とも称される）の取り出し量を増加させるために、米国特許出願公開第２０１０／０１８８９９号（Forrest et al.）は、有機材料に埋め込まれた低屈折率グリッドの使用を提案した。かかるデバイスの光取り出し効率は、最大で、基本的なＯＬＥＤの効率の２乃至３倍となり得る。

しかしながら、既存のデバイスは、層界面における総内部反射のために、比較的大部分の光が有機層又はガラス基板にトラップされたままであるか、又は、吸収されるという問題をなお有している。従って、ＯＬＥＤにおける外部量子効率の改善に対する要求は残っている。

本発明の目的は、この問題を解決すること、及び、有機層、電極層、及び／又は、基板からの光抽出が増加されたＯＬＥＤを供給することである。

本発明の第１の態様によれば、この目的及び他の目的は、透明な基板と、前記基板上に配置される透明な第１の電極層と、前記第１の電極層上に配置される１又は複数の有機光活性層と、前記１又は複数の有機光活性層上に配置される第２の電極層と、個別のランダムに分散されたナノメータサイズの低屈折率材料の領域を有し、前記第１の電極層と前記１又は複数の有機光活性層との間に配置された不連続層と、を有する有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）によって達成される。

本発明に従ったＯＬＥＤは、特に、層界面における総内部反射のために、有機層及び／又は電極層の内部にトラップされる光の抽出を高めることによって、増加された光抽出効率、ひいては増加された全体効率を示す。さらに、ナノサイズ領域のランダムな分布は、適用可能な波長範囲における大きさを持つ規則的な構造から発せられる光の回折パターンを回避するという点で好適である。従って、より均一な光出力が得られる。

本発明の実施形態では、低屈折率材料は、１．８よりも小さい屈折率、例えば、１．０乃至１．８の範囲の屈折率、好ましくは、１．０乃至１．４の屈折率を持っていてもよい。これは、良好な光抽出を保証するために十分低い。

本発明の実施形態では、個別のランダムに分散された領域が、１ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲にある平均幅、例えば、約１００ｎｍの平均幅を持っていてもよい。２つの隣接する領域間の平均距離は、１μｍ以下であってもよい。本発明の実施形態では、個別のランダムに分散された領域が、一般的に円形の外周を持つ、柱状構造体であってもよい。

上述のように、個別のランダムに分散された低屈折率材料の領域を有する不連続層は、一般的に、電極層及び／又は有機層から上記基板への光抽出を増加させ、光は、その後、基板からデバイスの外へ出て行くことができる。

本発明の実施形態では、更なる光取り出し構造が、基板層上に設けられてもよく、一般的に、前記光取り出し構造の側部は、デバイス層の残り部分から離れる方向を向いている。

本発明の実施形態では、第１の電極層は、透明なアノード層であってもよい。他の実施形態によれば、第１の電極層は、透明なカソード層であってもよい。さらに、本発明の他の実施形態では、第２の電極層も透明であってもよく、従って、透明なＯＬＥＤを形成していてもよい。

第２の態様では、本発明は、上記ＯＬＥＤを有する照明器具を供給する。ＯＬＥＤは、発光表面を供給するとともに、極めて薄く、且つ、柔軟であるので、ＯＬＥＤベースの照明器具は、特に、装飾用内部照明に適している。

他の態様では、本発明は、上記ＯＬＥＤを有する表示デバイスを供給する。一般的に、表示デバイスは、複数のＯＬＥＤを有する。ＯＬＥＤディスプレイパネルは、バックライトを必要としないため、極めて薄く作られることができ、更に、高いコントラスト像を供給し得る。

他の態様では、本発明は、基板を供給するステップと、前記基板の上に第１の電極層を堆積するステップと、前記第１の電極層上に不連続層を形成するために、低屈折率材料の個別の領域をランダムなパターンで堆積するステップと、前記不連続層上に１又は複数の有機光活性層を堆積するステップと、前記１又は複数の有機光活性層上に第２の電極層を堆積するステップと、を有する、有機発光ダイオードの製造方法を供給する。

特に、不連続層を形成するために低屈折率材料の個別の領域を堆積するステップは、低屈折率材料の不連続層を形成するステップと、低屈折率材料の層の中にパターンをインプリントするステップと、個別の領域を有する不連続層を形成するために、余分な低屈折率材料を除去するステップとによって、実行されてもよい。

本発明は、請求項に記載の特徴の全ての可能な組み合わせに関することに留意すべきである。

本発明の上記態様及び他の態様が、本発明の実施形態を示している添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
図１は、本発明の実施形態に従ったデバイスの部分的に拡大された斜視図を示している。 図２は、図１のデバイスの横断面図を示している。 図３は、本発明の実施形態に従ったデバイスの一部の走査電子顕微鏡イメージを示している。 図４は、従来技術のデバイスと比較した、本発明の実施形態に従ったデバイスの強度分布を示しているグラフである。

本発明者は、ＯＬＥＤのアノード層と有機層との間に配置された低屈折率材料の個別領域又は柱を有する不連続層が、有機層及び／又はアノードからの光抽出を著しく増加させることを発見した。

これに関連して、「低屈折率材料」は、有機層及び隣接する電極層の屈折率よりも低い（可視光についての）屈折率を持つ材料を意味する。ＯＬＥＤの有機層は、一般的に、１．７５乃至１．８５の範囲にある屈折率ｎ_ｏｒｇを持ち、ＩＴＯ電極は、一般的に、約１．９の屈折率ｎ_ＩＴＯを持つ。基板は、約１．５の屈折率（一般的には、ガラス基板）を持っていてもよい。個別領域を形成している低屈折率材料は、１．５よりも低い屈折率を持っていてもよく、一般的には、１．０乃至約１．４の範囲にある屈折率を持っていてもよく、例えば、１．０から１．４未満の範囲にある屈折率を持っていてもよい。

より低い屈折率の隣接層の界面における総内部反射のために、有機層及び第１の電極層に閉じ込められる光は、「導波路モード」における光、又は、（無機電極層にも入射するとしても）「有機モード」における光と称され得る。これに比して、ガラス基板層に閉じ込められる光は、「ガラスモード」における光と称されることがあり、デバイスから最終的に取り出される光は、「空気モード」における光と称され得る。

ここで用いられるように、「ナノメータサイズ」又は「ナノサイズ」は、ナノメータ（サブマイクロメータ）範囲にある寸法を有していることを意味する。

ここで用いられるように、「層」は、特に明記しない限り、連続層又は不連続層に関していてもよい。「層」は、必ずしも単一の層を意味するものではなく、特に、ＯＬＥＤの有機層を表す場合、複数の層を称していてもよい。一般的に、ＯＬＥＤは、少なくとも発光層を含み、しばしば、１又は複数の電荷注入層、電荷輸送層、及び／又は、電荷ブロッキング層を含む、複数の有機ベースの層を有する。

図１は、部分的に拡大された斜視図の形で、本発明の一実施形態に従ったＯＬＥＤを示している。ＯＬＥＤ１００は、透明な基板１０１を有し、この基板１０１の上には、順番に、好ましくは金属の、透明な無機電極１０２、ここでは、アノードを形成している透明なＩＴＯ層と、個別のランダム又は不規則に分散された低屈折率材料の領域１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃなどの不連続層１０３と、複数の有機層１０４と、第２の無機電極１０５、ここでは、カソードを形成している非透明な金属の電極とが配置されている。

図２は、領域１０３ａを通る、図１のデバイスの横断面図の一部を示している。ＩＴＯ基板層界面における総内部反射のために有機層１０４及びアノード１０２内にトラップされていたであろう、有機層１０４から発せられた光線Ａは、領域１０３ａによって屈折され、層法線により近い角度でアノード層１０２内へ透過される。次いで、光線Ａは、基板層１０１内へ透過されて、デバイスから取り出される。また、発光有機層１０４によって生成された他の光線Ｂは、まず、アノードと基板との界面において総内部反射され、次に、低屈折材料１０３ａの領域によって屈折され、層法線により近い角度で有機層１０４に再入射し、有機層１０４、低屈折率領域１０３、電極１０２、及び、基板１０１を通って透過されるように、反射性のカソード１０５によって反射される。

有機層１０４によって発せられ、層法線に近い角度で有機層とＩＴＯ層との界面に入射される他の光線Ｃは、低屈折率領域１０３ａの存在による影響を受けない。

従って、領域１０３ａは、有機層及び／又は第１の電極層においてトラップされていたであろう光（即ち、有機モードにおける光）を基板１０１へ取り出すことを可能とする。

図３は、本発明の実施形態に従ったＯＬＥＤの一部についての走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）イメージを示している。ＩＴＯ電極層３０２が、基板（図示省略）の上に堆積されており、個別の不規則に分散された低屈折率材料の領域３０３ａ，３０３ｂなどが、ＩＴＯ層上に分布されている。また、完全なデバイスは、領域３０３ａ，３０３ｂによって形成される不連続層の上に堆積された光活性層を形成している１又は複数の有機層と、有機層の上に堆積された第２の電極とを有するであろう。

領域１０３ａ，１０３ｂ，３０３ａ，３０３ｂなどは、電極層の上に不規則に分散されている。これらの領域は、例えば、堆積方法の作用として、ランダムに分布される。これらの領域は、ナノインプリント技術によって作り出されてもよい。例えば、ナノサイズ領域は、下記のように、ソフトスタンプを用いたゾルゲルから作り出されてもよい。

領域１０３ａ，１０３ｂ，３０３ａ，３０３ｂなどは、可視波長範囲において低い屈折率を持ち、一般的には、低屈折率を有する材料で構成されている。かかる材料の一例は、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）であり、これは、１．３７の屈折率を有する。他の例は、フッ素ドープ窒化ケイ素（ＳｉＮ）である。好ましくは、低屈折率材料の屈折率は、できるだけ低くあるべきであるが、事実上、１．８より小さい範囲にある屈折率でも有用であり、約１．４位下の屈折率が、極めて好ましいと考えられる。

領域１０３ａは、一般的に、望ましくない光学効果を引き起こし得る鋭角を持たず、好ましくは、低い表面粗度を持つ。上記示唆されるように、低屈折材料の領域は、透明であり、好ましくは、適用波長の光（一般的には、可視光）について非吸収性を示す。さらに、用いられる低屈折率材料は、好ましくは、通常用いられる基板洗浄プロセスに耐性を示す。

領域１０３ａは、１０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲にある高さ、例えば、約１００ｎｍの高さを持っていてもよい。領域１０３ａ，１０３ｂなどは、１ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲にある幅又は直径を持っていてもよく、例えば、１０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲にある幅又は直径を持っていてもよく、一般的には、約１００ｎｍの幅又は直径を持っていてもよい。例えば、図３に示される領域の１つは、１１０ｎｍの幅を持ち、図３に示される他の領域は、１０２ｎｍの幅を持つ。領域１０３ａ，１０３ｂなどは、互いに不規則な間隔を空けて配置されている。一般的には、２つの隣接する領域間の平均距離は、約１μｍ以下である。好ましくは、２つの隣接する領域間の平均距離は、１μｍよりも小さく、例えば、８００ｎｍ以下、又は、６００ｎｍ以下である。隣接する領域間の平均距離が大きくなるほど、光取り出し効率は、減少し得る。

これに関連して、「約」なる用語は、一般的に、±１０％を意味する。

本発明のランダムに分散された領域を用いることで、規則的な構造により生じる放射パターンにおける回折効果が回避され得る。さらに、上記領域を用いて達成される光取り出し効率は、グリッドなどの規則的構造を用いて得られる光取り出し効率に比して改善され得る。

単位μｍ^２当たりの領域の数（即ち、領域密度）は、１乃至１００の範囲であってもよく、一般的には、２乃至５０の範囲であってもよく、例えば、５乃至１０の範囲であってもよい。任意の２つの隣接する領域間の距離が小さくなるほど、領域密度が高くなり、改善された光抽出につながる。

本発明の実施形態では、基板１０１は、基板層からの光（ガラスモード光）の抽出を増加させることによって、光取り出し効率を更に改善するために、マイクロレンズ又はプリズムなどの光抽出構造を有していてもよい。

本発明に従ったＯＬＥＤは、基板の上に第１の電極層を堆積するステップと、前記第１の電極層上に不連続層を形成するために、低屈折率材料の個別の領域をランダムなパターンで堆積するステップと、前記不連続層上に１又は複数の有機光活性層を堆積するステップと、前記１又は複数の有機光活性層上に第２の電極層を堆積するステップとによって、製造されてもよい。第１の電極層、有機層、及び、第２の電極層の堆積は、既知の技術を用いて実行されてもよい。有機層は、一般的に、個別領域の不連続層上に直接堆積される。

個別領域１０３ａ，１０３ｂなどの不連続層１０３は、第１の電極層と有機層との間に、垂直方向（層平面に対して垂直）に配置される。一般的に、前記不連続層１０３だけが、電極層と有機層との間に存在している。従って、領域１０３ａのない領域（即ち、隣接する領域間の空間）において、第１の電極層は、例えば、電荷注入層、電荷輸送層、又は、電荷バリア層などの第１の有機層と直接接触する。さらに、領域１０３ａ，１０３ｂなどが存在している領域において、第１の電極層は、前記領域によって、有機層から分離される。

個別のナノサイズ領域の不連続層は、以下のようにして作り出されてもよい。不規則な領域のパターンを有するマスタモールドが、電子ビーム書き込みを用いて作られる。ソフト且つ柔軟な材料、一般的には、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの高分子材料が、マスタモールドを用いたスタンプで形成される。一般的には、ゾルゲル形式の、低屈折率材料の不連続層が、ＩＴＯ電極層上に付与され、上記スタンプが、ゾルゲル層内へパターンをインプリントするために適用される。次に、エッチングスタンプが、望ましくない領域における、低屈折率ゾルゲルを除去するために用いられる。

本発明の実施形態に従ったＯＬＥＤは、例えば、一般照明用、内部照明、及び／又は、装飾用照明の照明器具など、様々な照明デバイスにおいて用いられ得る。あるいは、本発明の実施形態に従ったＯＬＥＤは、ディスプレイパネルのピクセルを形成するために用いられてもよい。当業者によって理解されるように、本発明の実施形態に従った複数のＯＬＥＤを有するディスプレイパネルは、特に、スマートフォンを含む携帯電話、携帯用コンピュータ、ゲーム機、及び、ディジタルカメラなどの携帯用デバイスだけでなく、コンピュータスクリーン、ＴＶなどのより大きなデバイスなど、多くのデバイスに組み込まれ得る。

例
ガラス基板上に堆積された（約１．９の屈折率ｎ_ＩＴＯを有する）ＩＴＯアノードを有するように、デバイススタックが作られる。アノードの上には、（約１．８の屈折率ｎ_{α−ＮＰＤ}を有する）α−ＮＰＤホール注入／輸送層、約１．８の屈折率ｎ_Ａｌｑ３を有するＡｌｑ３発光層、及び、カソード層が付与される。デバイススタックの一部には、有機層の堆積前にＩＴＯ上に不規則に分布されたナノサイズのシリコンベースのゾルゲル材料の柱を有するナノ構造体をインプリントすることによって、テスト領域が作られる。ナノ構造体を形成後、有機層が、通常通り、付与される。

光抽出パターンの無いデバイススタックの領域（参考１）、ナノ領域の代わりに規則的なグリッドパターンを持つデバイススタックの領域（参考２）が、参考としてそれぞれ用いられる。

動作中のデバイスの光強度が、発光面（ガラス基板）に対して垂直方法に測定された。光取り出し効率の計算のために、ランバート角光分布が想定された。

低屈折率材料のナノ構造体を有さない参考１に比して、約２．７倍の光取り出し効率もの大きな改善を示すデバイスのテスト領域が観測された。発光面に対して（垂直でない）ある角度から見た場合、テスト領域は、より高い光強度を示した。

また、不規則に分布されたナノサイズの柱の代わりに、４００ｎｍピッチの規則的なナノ構造体を有する参考２に比して、テスト領域は、改善された光取り出し効率を供給することが観測された。さらに、参考デバイス２は、ピークスペクトルにおいて損失及びシフトが観測されたが、本発明のテストデバイスは、これらの効果を生じなかった。

当該技術分野における当業者は、本発明が、上記の好ましい実施形態に決して限定されないことを理解する。反対に、添付の請求項の範囲内で、多くの修正例及び変形例が可能である。例えば、図１及び図２に関連して開示された底面発光ＯＬＥＤの代わりに、本発明のＯＬＥＤは、上面発光ＯＬＥＤであってもよく、この場合、第１の電極が、カソードであり、第２の電極が、アノードである。あるいは、ＯＬＥＤは、両方の電極が透明である透明ＯＬＥＤであってもよく、この場合、第１の電極が、カソード又はアノードのいずれかであってもよい。また、特に、透明ＯＬＥＤの場合には、上記ナノサイズ領域の第２の不連続層が、第２の電極と有機層との間に配置されてもよいことも想定される。

Claims (15)

1. 透明な基板と、
   前記基板上に配置される透明な第１の電極層と、
   前記第１の電極層上に配置される１又は複数の有機光活性層と、
   前記１又は複数の有機光活性層上に配置される第２の電極層と、
   個別のランダムに分散されたナノメータサイズの低屈折率材料の領域を有し、前記第１の電極層と前記１又は複数の有機光活性層との間に配置された不連続層と、
   を有する、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）。
2. 前記低屈折率材料が、１．８よりも低い屈折率を持つ、請求項１記載のＯＬＥＤ。
3. 前記低屈折率材料が、１．０乃至１．４の範囲にある屈折率を持つ、請求項１記載のＯＬＥＤ。
4. 前記個別のランダムに分散された領域が、１ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲にある平均幅、例えば、約１００ｎｍの平均幅を持つ、請求項１記載のＯＬＥＤ。
5. ２つの隣接する領域間の平均距離が、１μｍ以下である、請求項１記載のＯＬＥＤ。
6. 前記個別のランダムに分散された領域が、柱状構造体である、請求項１記載のＯＬＥＤ。
7. 前記個別のランダムに分散された低屈折率材料の領域を有する前記不連続層が、前記電極層及び／又は前記有機層から前記基板への光の抽出を増加させる、請求項１記載のＯＬＥＤ。
8. 前記基板層上に設けられた光取り出し構造を更に有する、請求項１記載のＯＬＥＤ。
9. 前記第１の電極層が、透明なアノード層である、請求項１記載のＯＬＥＤ。
10. 前記第１の電極層が、透明なカソード層である、請求項１記載のＯＬＥＤ。
11. 前記第２の電極層が、透明である、請求項１記載のＯＬＥＤ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＯＬＥＤを有する、照明器具。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＯＬＥＤを有する、表示デバイス。
14. 基板を供給するステップと、
    前記基板の上に第１の電極層を堆積するステップと、
    前記第１の電極層上に不連続層を形成するために、低屈折率材料の個別の領域をランダムなパターンで堆積するステップと、
    前記不連続層上に１又は複数の有機光活性層を堆積するステップと、
    前記１又は複数の有機光活性層上に第２の電極層を堆積するステップと、
    を有する、有機発光ダイオードの製造方法。
15. 前記不連続層を形成するために前記低屈折率材料の個別の領域を堆積するステップが、
    前記低屈折率材料の不連続層を形成するステップと、
    前記低屈折率材料の層の中にパターンをインプリントするステップと、
    前記個別の領域を有する不連続層を形成するために、余分な低屈折率材料を除去するステップと、
    を有する、請求項１４記載の方法。

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