JP2016009571A - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表裏から光が取り出せる照明パネルとして用いることができる透過型の有機ＥＬ素子であって、表側である発光層からの光の全反射を抑制して取り出し効率を上げ、且つ、表側の外光の裏面側への透過性にも優れた有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。【解決手段】ガラス基板１上に、少なくとも、光散乱層２、高屈折率樹脂層３、陽極層（ＩＴＯ透明電極層）４、有機発光層５、陰極層６を順次積層してなる有機ＥＬ素子であって、前記光散乱層２及び前記高屈折率樹脂層３の屈折率が１．６〜２．０の範囲で、前記陰極層６は遮光性を有する材料からなり、且つ、前記陰極層６、光散乱層２、高屈折率樹脂層３が同一の形状にパターン化されていることを特徴とする有機ＥＬ素子である。【選択図】 図１

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子に関し、特に有機ＥＬ素子の光取り出し効率を向上させる構造に関する。

有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す）は、自発光による広視野角、高速応答、薄型軽量などの利点から、携帯電話やデジタルカメラのディスプレイ、さらには照明機器に応用されている。

有機ＥＬ素子は一般的には、正孔輸送層、発光層、電子輸送層を電極に挟んだ構造であり、電極間に電界をかけ、電子、正孔を注入して発光層で励起子を生成し、再結合することで発光する。

前記励起子には一重項状態と三重項状態があり、一重項状態と三重項状態の発生確率は量子的に１：３であり、三重項状態の発光を利用する燐光発光材料を用いた場合でも、発光効率は最大７５％である。

更に、正孔輸送層、発光層、電子輸送層はそれぞれの有機層からなり、その屈折率は概ね１．７程度、ＩＴＯ透明電極は２．１〜２．２程度、ガラス基板は１．４〜１．５程度、空気が１．０であるので、有機ＥＬ素子界面での全反射が起こり（図３参照）、実際に素子外部に取り出せる光は発光する光の２０％程度であり、合わせるとエネルギー変換効率としては１５％程度である。

この取り出し効率を改善する方法としては、例えば、素子側面に反射面を形成した全反射により素子側面方向に進む光を前方に反射させる方法が開示されている（特許文献１）。
また、例えば、回折格子やゾーンプレートを用いて、屈折、回折により光の進行方向を変える方法が開示されている（特許文献２）。

一方、有機ＥＬ素子を用いた照明パネルでは、開発当初は発光層で発する光を、一方向（表側）にのみ高効率で取り出すパネルが主体であった。しかしながら最近では、例えば、発光層で発する光を表側に取り出すと同時に、裏側から表側の外光を透過させ、表側の観察者は有機ＥＬ素子による画像を見ることができ、他方、裏側の観察者は表側の景観を透視することができるといった照明パネルが提案されている（特許文献３）。

具体的には、透明な導電性の第１電極の上に遮光性の反射層、発光層、透明な第２電極とが積層された有機ＥＬからなる照明パネルであって、発光された光の一部は反射層を介して一方の面に放たれ、反射層のない領域では外光を透過させることができることを特注としている。

しかしながら上記の提案では、外光を透過させることには効果的であるが、従来から問題とされている発光された光の取り出し効率向上に関しては記載されておらず、依然光の取り出し効率に問題がある。

特開２００５−３２７５２２号公報 特許２９９１１８３号公報 特開２０１４−７０２０号公報

本発明は、表裏から光が取り出せる照明パネルとして用いることができる透過型の有機ＥＬ素子であって、表側である発光層からの光の全反射を抑制して取り出し効率を上げ、且つ、表側の外光の裏面側への透過性にも優れた有機ＥＬ素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、ガラス基板上に、少なくとも光散乱層、高屈折率樹脂層、陽極層（ＩＴＯ透明電極層）、有機発光層、陰極層を順次積層してなる有機ＥＬ素子であって、
前記光散乱層及び高屈折率樹脂層は、屈折率が１．６〜２．０の範囲で、
且つ、前記陰極層は遮光性を有する材料でパターン化されていることを特徴とする有機ＥＬ素子である。

また、請求項２に記載の発明は、前記光散乱層及び前記高屈折率樹脂層は、前記陰極層と同一の形状にパターン化されてなることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子である。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、遮光性を有する前記陰極層をパターン化することで、前記陰極層が形成されている部分は発光層で発した光を裏面に透過させない遮光部となり、また、前記陰極層が形成されていない部分は表側の外光を裏側に透過する透明部とに区分できる。これによってガラス基板の表側は発光層から発した光を観察でき、また同時に裏側にも外光が透過することで表側を観察することができる。

また、ガラス基板とＩＴＯ透明電極層との間に、両者の有する屈折率の中間である前記光散乱層及び高屈折率樹脂層を設けることで、発光層から発した光が、ＩＴＯ透明電極層とガラス基板との界面で全反射することを抑制することができる。具体的には、ＩＴＯ透明電極の屈折率２．１〜２．２程度と、ガラス基板の屈折率１．４〜１．５程度との間に、屈折率１．６〜２．０の範囲の前記光散乱層及び高屈折率樹脂層を設けることで、発光層から発した光が穏やかに変化する屈折率層を透過することができ、従来問題であったＩＴＯ透明電極層とガラス基板との界面での全反射を抑制することができ、光の取り出し効率を向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、前記光散乱層、前記高屈折率樹脂層は、前記陰極層と同一の形状にパターン化することで、前記光散乱層、前記高屈折率樹脂層の存在による発光層からの光の散乱が抑制された透明性に優れた外光を透過されることができる。これにより表側の景観をより明確に観察することができる。

本発明の有機ＥＬ素子の一実施形態を示す断面概略図である。 本発明の有機ＥＬ素子の一実施形態を示す断面概略図である。 従来の有機ＥＬ素子の一実施形態を示す断面概略図である。

以下、本発明に係る有機ＥＬ素子について、図を基に具体的に説明する。

従来の有機ＥＬ素子は、一般的には図３（ａ）に示すように、ガラス基板１上に、陽極層（ＩＴＯ透明電極層）４、有機発光層５、陰極層６を順次積層してなり、図３（ｂ）に示すように、有機発光層５で発した光はＩＴＯ透明電極層４を透過してガラス基板１側に放射される。また、この方向にできるだけ多くの光を放射できるように、背面側となる陰極層６には遮光性のある金属電極が用いられている。従って、陰極層６側からはガラス基板１側（表側）の外光を観察することができない。

さらに、前記有機発光層５は正孔輸送層、発光層、電子輸送層で構成され、それぞれの屈折率は概ね１．７程度の有機層からなる。一方、ＩＴＯ透明電極層４は２．１〜２．２程度、ガラス基板１は１．４〜１．５程度、空気が１．０であるため、有機発光層５から発した光はＩＴＯ透明電極層４とガラス基板１の界面で全反射が起こる。すなわち、図３（ｂ）に示すように、有機発光層５から出た光がガラス基板１で全反射することで、前記光がガラス基板１に対して横方向に移動し（光の横漏れ）、その結果、ガラス基板１の正面方向に進行する光の透過光量が低下するという問題がある。

本発明の有機ＥＬ素子は、有機発光層５から出た光のＩＴＯ透明電極層４とガラス基板１の界面での全反射を抑制して光の取り出し効率を向上させると同時に、陰極層の裏面側にも外光が透過して、表側の景観が観察できることを特徴としている。

具体的には、本発明の有機ＥＬ素子は図１（ａ）に示すように、ガラス基板１上に、少なくとも光散乱層２、高屈折率樹脂層３、陽極層（ＩＴＯ透明電極）４、有機発光層５、陰極層６、保護層７を順次積層して成り、前記陰極層６は遮光性を有し、且つ、前記陰極層６、光散乱層２、高屈折率樹脂層３が同一の形状にパターン化されていることを特徴としている。

すなわち、本発明は光散乱層２、高屈折率樹脂層３を設けることで有機発光層５から出た光のＩＴＯ透明電極層４とガラス基板１の界面で生じていた全反射を抑制して光の取り出し効率を向上させ、同時に前記陰極層６、光散乱層２、高屈折率樹脂層３を同一の形状にパターン化することで、図１（ｂ）に示すように表側の外光を裏側に透過されることができる。以下、より詳細に説明する。

本発明に用いるガラス基板１は、透明性、強度、耐熱性、耐薬品性、加工性等の面で優れたものであれば特に限定するものではない。

また、本発明に係る光散乱層２及高屈折率樹脂層３は、屈折率１．６〜２．０の範囲の樹脂からなり、前記有機発光層５から発した光のＩＴＯ透明電極層４とガラス基板１界面で生じていた全反射を抑制し、正面方向（表側）への光の取り出し効率を増大する作用効果がある。

具体的には、本発明に係る光散乱層２及高屈折率樹脂層３は、ガラス基板１の屈折率（１．４〜１．５程度）とＩＴＯ透明電極３の屈折率（２．１〜２．２程度）との中間になる、屈折率１．６〜２．０の範囲の樹脂からなることで、屈折率が段階的に変化することになり、全反射する光の割合を低減し、表側への光の取り出し効率を増大することができる。

前記光散乱層２及高屈折率樹脂層３を形成する屈折率１．６〜２．０の範囲の樹脂としては、チオウレタン系樹脂、エピスルフィド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂、シルセスキオ系樹脂などが挙げられる。

また、光散乱層２は屈折率１．６〜２．０の範囲の前記樹脂中に、屈折率１．５〜１．
６、粒径０．７〜１．５μｍの微粒子を分散することで、より効率的に散乱させることができる。このような微粒子としては、シリカ微粒子が望ましい。上記の屈折率及び粒径の範囲を外れると散乱の効率が悪くなるか、または散乱が起こらなくなる。

なお、前記光散乱層２及高屈折率樹脂層３を前記陰極層６と同じ形状にパターン化する方法としては、例えば、ガラス基板１の上に、感光性樹脂からなる前記光散乱層２及高屈折率樹脂層３形成用組成物を塗布、乾燥し、その後、陰極層６と同形のパターンからなるマスクを介して、フォトリソ法により形成することができる。

本発明に係る陽極層（ＩＴＯ透明電極）４は、スパッタリング法により０．１〜０．２μｍの厚さで設けることが好ましい。また、陽極層４としてＩＴＯ以外にも、ＩＺＯ（インジウム・亜鉛複合酸化物）、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化アルミニウム複合酸化物等の透明電極材料を使用することができるが、低抵抗であること、耐溶剤性があること、高い透明性があることなどから、ＩＴＯが好ましい。

本発明に係る有機発光層５は、照明用に用いられている正孔輸送層、発光層、電子輸送層が順次積層された、公知のものを使用することができる。またその形成方法としては、特に限定するものではなく、公知の印刷法等を用いることができる。

正孔輸送層はＩＴＯ透明電極４から発光層へ正孔が注入され易くなるように、注入障壁を下げるためのものである。低分子系の正孔輸送材料としては、トリフェニルアミン２量体（ＴＰＤ）や、これらをスターバースト状に結合したスターバーストアミンが挙げられる。いずれもアモルファス状態を呈し、結晶化しないように高いガラス転移温度を示すのが好ましい。また、高分子系の正孔輸送材料としては、ポリアニリン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体などを用いることができる。

また、発光層は低分子系として、アルミキノリン、ベンゾオキサゾールＺｎ錯体、ベンゾキノリノールＢｅ錯体のような電子輸送性の金属錯体と、これらにドーピングして発光色の調整に用いる色素系材料がある。色素系にはジスチリルアリーレン誘導体、ピラゾキノリン誘導体、オキサジアゾール誘導体などが挙げられる。

また、有機発光材料を高分子材料に分散させたものが使用できる。例えば、クマリン系、ペリレン系、ピラン系、アンスロン系、ポルフィレン系、キナクリドン系、Ｎ，Ｎ´−ジアルキル置換キナクリドン系、ナフタルイミド系、Ｎ，Ｎ´−ジアリール置換ピロロピロール系、イリジウム錯体などの有機発光材料を、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルカルバゾールなどの高分子材料に分散させたものが挙げられる。

上記のような有機発光材料と高分子材料に適正な溶剤を加え、安定して分散させた有機発光インキを調整して、各種印刷方法や塗布方法により発光層を形成する。また、有機発光インキの調整には、必要に応じて、界面活性剤、酸化防止剤、粘度調整剤、紫外線吸収剤などを添加してもよい。

電子輸送層は、陰極から注入される電子を発光層に輸送するためのものである。前記電子輸送層を形成するための材料としては、例えば、キノリン、ペリレン、トリアゾール、オキサゾール、オキサジアゾール、またはこれらの誘導体や金属錯体が挙げられる。

本発明に係る有機発光層５は、上記で説明した正孔輸送層、発光層、電子輸送層が順次積層して構成されるものであるが、これらを構成する各種材料やそれぞれの層の形成方法については特に限定されるものではない。

本発明に係る遮光性を有する陰極層６としては、例えば、マグネシウム、アルミニウムなどの金属単体や、これらと金、銀などの安定した金属との合金などが挙げられる。

前記陰極層６のパターン形状としては、例えば縦縞、横縞などのストライプ形状や、円形や正方形などのいずれの形状も可能である。また、その形状は規則性があってもなくてもよく、特に限定するものではない。

また、前記陰極層６のパターンを形成する方法としては、ガラス基板１の上に前記光散乱層２、高屈折率樹脂層３、陽極層（ＩＴＯ透明電極層）４及び有機発光層５を形成した後、例えば、前記遮光性を有する導電材料を真空蒸着法やスパッタリング法で成膜する。次に、フォトレジストを塗布し、フォトリソ法によるマスク露光、現像を行い、さらにエッチング法により求めるパターン形状の陰極層６を形成することができる。

上記のようにして得られた図１（ａ）に示す有機ＥＬ素子では、発光層５から発した光は、図１（ｂ）で示すような経路で表側に引き出すことができる。すなわち、前記光散乱層２及高屈折率樹脂層３の効果により、図３（ｂ）に示すように従来、ＩＴＯ透明電極層４とガラス基板１界面で生じていた全反射を抑制することができ、高い効率で表側に光を取り出すことができる。

また、図２（ａ）に示すように、遮光性を有する陰極層６をパターン化し、前記光散乱層２及高屈折率樹脂層３をパターン化しない場合にも、表側の外光を裏側に透過することはできる。しかしながら、この場合、図２（ｂ）に示すように、有機発光層４から発した光は全面に形成された前記光散乱層２及び高屈折率樹脂層３を透過することで広範囲に散乱し、それによって外光が散乱光の影響を受け、透明性が低下する。従って、透明性の高い外光を透過させるためには、上述したように、前記陰極層６、光散乱層２、高屈折率樹脂層３を同一の形状にパターン化することが好ましい。

上記で説明したように、本発明の有機ＥＬ素子は、前記陰極層６、光散乱層２、高屈折率樹脂層３を同一の形状にパターン化することで、裏面側に透明性の高い外光を透過させることができ、表側の景観を明確に観察することができる。

また、同時に、ガラス基板１とＩＴＯ透明電極との間に、それぞれの屈折率の中間となる屈折率を有する光散乱層２及び高屈折率樹脂層３を設けているため、有機発光層５から発した光を正面方向（表側）へ高い効率で取り出すことができる。

このように、本発明の有機ＥＬ素子は有機発光層５から発した光を正面方向（表側）へ高い効率で取り出すことができ、且つ、透明性の高い外光を透過させることができるため、裏面側からも表側の景観を明確に観察できる表示装置を提供することができる。

本発明の有機ＥＬ素子は、液晶用バックライト、照明用光源、電飾、サイン用光源などに利用することが可能である。

１ ガラス基板
２ 光散乱層
３ 高屈折率樹脂層
４ 陽極層（ＩＴＯ透明電極）
５ 有機発光層
６ 陰極層
７ 保護層
１０ 有機ＥＬ素子
２０ 発光層から出射する光
３０ ガラス基板の表側から入射（透過）する外光

Claims (2)

1. ガラス基板上に、少なくとも、光散乱層、高屈折率樹脂層、ＩＴＯ透明電極層、有機発光層、陰極層を順次積層してなる有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
   前記光散乱層及び高屈折率樹脂層は、屈折率が１．６〜２．０の範囲で、
   且つ、前記陰極層は遮光性を有する材料でパターン化されていることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
2. 前記光散乱層及び前記高屈折率樹脂層は前記陰極層と同一の形状にパターン化されてなることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。