JP2773720B2 - 有機薄膜el素子 - Google Patents
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Description
表示等の光源に用いる有機薄膜EL素子に関するもので
ある。
た新しいタイプの有機薄膜EL素子(アプライド・フィ
ジックス・レターズ(Applied Physics
Letters)、51巻、913ページ、1987
年)は、フラット基板、陽極、正孔輸送層、発光層、陰
極によって構成されている。陽極としてはフラットなガ
ラス基板に形成された酸化インジウム錫合金(IT
O)、正孔輸送層は1,1′−ビス(4−N,N′−ジ
トリルアミノフェニル)シクロヘキサン、発光層はトリ
ス(8−ヒドロキシキノリノールアルミニウム)及び陰
極はマグネシウム−銀合金から形成されている。
理を簡単に説明すると、まず陽極から正孔輸送層に注入
された正孔が、発光層界面に向かって移動し、陰極から
は電子が発光層に注入され発光層内を移動する。そして
発光層内に注入された正孔と電子が発光層内で再結合
し、励起状態を経て発光する。この時、有機薄膜EL素
子の外部量子効率はEL量子効率と光取り出し効率の積
で示される。そしてEL量子効率は発光材料や素子構造
に大きく依存し、また一方の光取り出し効率は基板や有
機薄膜の光の屈折率に大きく依存することになる。
本的には、タングらの報告した素子構成及び材料の概念
を基に素子構成の改良をはじめ有機材料や電極等の改良
が加えられ進展したものであるが、発光の強度を上げる
ことを目的としたものとして、発光層にキナクリドン誘
導体を微量添加することにより4.1%(photon
/electron)の外部量子効率のEL素子を開発
したもの(“有機半導体の実用化技術”サイエンスフォ
ーラム,New Trigger Series、95
−116頁(1993))が脇本らにより報告されてい
る。
率が最大でも40%であること以外に、有機薄膜内で発
生→放射される光を有効に外部に取り出していないこ
と、すなわち光の取り出し効率が低いことに起因して、
理論的に面状発光の有機薄膜ELの外部量子効率は最大
でも約8%しか得られないことが報告されている(有機
エレクトロニクス材料研究会(The Japanes
e Research Association fo
r Organic Electronics Mat
erials)WORKSHOP95、1〜6頁、19
95年)。
は、次のようなことが考えられる。通常の有機薄膜EL
素子では図6に示すように、フラット基板4の裏面に有
機薄膜EL素子の発光部2が直接接続されている。この
発光部2からの出力光は、フラット基板4の裏面から基
板の中を透過して表面から取り出される。しかしながら
このような構造の有機薄膜EL素子においては、等方発
光源である有機薄膜層からの光は、図6に示したように
光取り出し側の基板面や透明電極表面への入射角が臨界
角を越えてしまうと全反射されるため、基板から外部に
取り出すことができない。例えば、有機EL発光部2の
径をA1 、基板の厚さをd1 として、A1が1mmでフラ
ット基板4の厚さd1 が1.1mmのときには、光の取り
出し効率はおおよそ25%になってしまう。
EL素子からの光を有効に取り出せていない分、高輝度
が要求される場合、更に高い電圧をかけなければならず
消費電力の増加を招く結果となっていた。
効率を上げることにより素子の外部量子効率を上げ、低
消費電力で駆動させることができる有機薄膜EL素子を
提供することを目的とする。
子は、基板の光取り出し側がレンズ構造であり、基板の
厚さd 1 、基板表面からレンズ構造の頂点との距離d 2
、レンズの曲率半径R 2 との間にd 1 +d 2 ≦R 2
が成り立つことを特徴とする。
る曲率を有するあるいは屈折率分布を有することを特徴
とする。
形成してなる有機薄膜EL素子において、出力光を取り
出す透明基板又は透明電極の表面に極率半径を有するレ
ンズ構造を設けている。このレンズ構造により、光軸以
外の方向に放射された光が光軸方向に集光されるため、
光軸方向から見た照度が向上することになる。また光源
から等方に放射した光が見る基板表面での入射角が臨界
角以下となる割合が増える、すなわち大きい立体角に放
射された光を取り出すことができるので、光軸以外の方
向から見た場合の照度も向上することになる。
の発光部の中央を中心とする曲率とすることでさらに光
取り出し効率をあげることができる。
て図面を用いて詳細に説明する。
有機薄膜EL素子を示す断面図である。第1の実施の形
態では有機薄膜EL素子の発光部2に接している基板3
の光出射側がレンズ状構造を有している。ここで図では
有機薄膜EL素子の有機EL発光部2のみを記しその他
の構造は省略している。
の光出射側をレンズ状構造とすることにより有機EL発
光部2からの光を効率よく集光することができ、かつ、
基板表面での入射角が臨界角以下となる割合が増えるの
で光軸以外の角度から見ても照度が向上する。
た場合に有機薄膜EL素子の発光部の中心から外部のθ
方向から見たときの光強度分布を示す図である。
の例を説明する。有機EL発光部2の径をA1 、基板の
フラット部分の厚さをd1 、基板のレンズ部分の厚さを
d2、基板表面のレンズ構造の曲率半径をR2 として、
A1 =1mm、d1 =1.1mm、d2 =0.4mm、R2 =
4mm、有機EL発光部の出力を1mWとした。このとき
の実施例1の光強度分布は、図2の2のような分布にな
り、照度の向上ならびに均一性が向上することが分か
る。
び基板のレンズ部分の厚さをd2 と基板表面のレンズ構
造の曲率半径をR2 を変えたときの光強度分布と視野角
の関係を図5に示す。図中に実線で示された光強度分布
は実施例1の有機薄膜EL素子、破線で示された光強度
分布はd1 +d2 (=6.0mm)>R2 (=2.3mm)
としたものである。破線の例では若干の輝度の向上が見
られるが、実施例1と比較して視野角が大きく減少して
しまっている。したがって、視野角を大きくするために
はd1 +d2 ≦R2 とする必要がある。
例2の例を説明する。実施例2ではレンズ構造の曲率中
心を有機EL発光部の中央を中心としている。この場合
光の取り出し効率を50%まで引き上げることが可能と
なる。このときの有機薄膜EL素子は、A1 =1mm、d
1 =1.1mm、d2 =1.2mm、R2 =2.3mmとし
た。実施例2のときの有機EL発光部の出力を1mWと
した場合の光強度分布を、図2の1に示す。この場合、
同じ条件でフラット基板を用いた場合よりも約2倍の光
取り出し効率を達成できる。
膜EL素子の断面構造を図3に示す。第1の実施の形態
では図3に示すようにレンズ状構造物1の付いたガラス
基板3に陽極21と陽極界面層22が形成され、さらに
正孔輸送層23、発光層24、電子輸送層25、陰極2
6、陰極保護層27が形成された構造となっている。
おける有機薄膜EL素子の作成手順について説明する。
はじめにレンズ状構造物1の付いたガラス基板3はNC
加工により切断した金型を作製し、これをレプリカとし
た成形によりレンズ構造を形成する。ガラス基板3の厚
さd1 は0.3mmである。光の屈折率は1.5である。
また曲率半径R2 =2.5mm、レンズの厚さd2 =2.
5mmである。
反対側にITOをスパッタリングによってシート抵抗が
15Ω/□になるように製膜し、エッチングによって2
mm幅の陽極21を形成した。その上に陽極界面層22と
して銅フタロシアニンをMBE法を用いて、7.0×1
0-9Torr真空下、5nm形成した。
E法を用いて5.8×10-9Torr真空下、60nm形
成した。次に発光層24として、トリス(8−ヒドロキ
シキノリノールアルミニウム)とキナクリドンをMBE
法にてキナクリドンが発光層24の0.5モル%含有す
るようにMBE法にて別々の蒸発源(K−セル)からの
同時蒸着によって5.6×10-9Torr真空下、20
nm形成した。
−ヒドロキシキノリノールアルミニウム)をMBE法に
よって4.3×10-9Torr真空下、40nm形成し
た。尚、陽極界面層21〜電子輸送層25までの有機薄
膜は陽極21の端子取り出し部分以外の基板全面に形成
した。
構を用いてステンレス製のシャドーマスク上に有機膜の
形成された基板3を設置し、陰極としてスカンジウムが
1モル%含まれるアルミニウム合金をアルゴンガス中で
RFスパッタ法で蒸発し、リチウムを別の蒸発源より蒸
発させる方法でリチウムが陰極の0.3モル%を占める
ように20nm形成した。
ムが1モル%含まれるアルミニウム合金をアルゴンガス
中のRFスパッタ法により300nm形成した。このよう
にして、発光面積が2mm×2mmでレンズ構造の曲率中心
を有機EL発光部の中央を中心とした有機薄膜EL素子
が完成する。
L素子について定電流駆動させたときの光出力をパワメ
ーターを用いて測定した結果を図4に示す。縦軸が光出
力(μW)、横軸が電流(μA)となっている。図中に
実施例3の有機薄膜EL素子とフラット基板を用いた従
来の有機薄膜EL素子との比較値を示す。ここで従来の
有機薄膜EL素子はレンズ構造を持たないガラス基板
(曲率半径R2 =∞、d1 =0.3mm)とした。
−光出力特性は、従来の有機薄膜EL素子と比べて同じ
電流において光出力が約2.6倍大きくなる。これは本
発明の有機薄膜EL素子を用いることで、光の取り出し
効率が約2.6倍向上することを示している。
外は実施例3と同様にレンズ構造を有する有機薄膜EL
素子を作成し、電流−光出力特性同様の評価を行った。
このとき実施例4としてd1 が0.8mmとしたときは従
来の有機薄膜EL素子と比較して光出力が約2倍向上し
た。さらに実施例5としてd1 が1.3mmのときは光出
力が約1.6倍向上するという結果となった。
て述べてきたが、有機薄膜EL素子を表示装置に適用す
るために有機薄膜EL素子をアレイ状とする場合には、
有機薄膜EL素子の発光部の径A1 と素子のピッチpに
対して、下に記すような数1の関係が必要となる。
ズ構造を兼ね備えた光透過部位は基板、あるいはこれら
に接するレンズ状構造物などがあげられる。また基板に
設けるレンズ構造としては、低屈折率イオンを含む平板
基板ガラスにパターニングを施し高屈折率イオン溶融塩
中に浸漬させることにより選択的にイオン交換を行い形
成する埋め込み型3次元分布屈折率レンズ、NC加工に
より切削した金型をレプリカとした成形により形成する
ガラスあるいはプラスティックスレンズ、さらにはプラ
スティックスレンズレットアレイ等がある。
有機薄膜層は特に限定されないが、発光層だけの単層構
造のものや正孔輸送帯層、電子輸送帯層、陽極界面層、
陰極界面層などを有するもの等あらゆる薄膜構造が適用
可能である。また、発光層以外を形成する薄膜層として
は、有機物質に限らず無機物質を用いた薄膜や有機物質
と金属の混合体などの薄膜であっても有効である。
は、真空蒸着法、分子線蒸着法(MBE法)あるいは溶
媒に溶かした溶液のディッピング法、スピンコーティン
グ法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート
法等の塗布法による公知の方法で形成することができ
る。
材料としては特に限定されないが、例えばトリフェニル
ジアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ポルフィリ
ン誘導体、スチルベン誘導体、アリールアミン誘導体な
どを用いることができる。
体として、これに分散した層として用いることもでき
る。
阻害しないものが望ましく、例えば、ポリ−(N−ビニ
ルカルバゾール)、ポリカーボネート、ポリメチルアク
リレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン系
重合体、ポリシリレン系重合体、ポリチオフェン、ポリ
アニリン、ポリフェニレンピニレンなどが適用できる。
導入するものであるが、有機薄膜層と陽極の密着性を保
持する役目を担う必要がある。不必要に膜厚を大きくす
ることは、発光の駆動電圧を大きくしたり、薄膜表面に
不均一発光を招く凹凸をもたらす可能性があり、前記陽
極界面層は30nm以下の膜厚が望ましい。
えば“色素ハンドブック:講談社’86年”に記載され
ているスピロ化合物、アゾ化合物、キノン化合物、イン
ジゴ化合物、ジフェニルメタン化合物、キナクリドン化
合物、ポリメチン化合物、アクリジン化合物、ポルフィ
リン化合物等の結合多環系の色素が適用できる。
セミコンダクターズ:フェルラックケミエ社’74年
(ORGANIC SEMICONDUCTORS :
VERLAG CHEMIE’74)”に記載されてい
る低分子有機P型半導体も適用できる。
層材料は特に限定されず、公知の発光材料を適用でき
る。例えば、8−ヒドロキシキノリノール及びその誘導
体の金属錯体、テトラフェニルブタジエン誘導体、ジス
チリルアリール誘導体、クマリン系誘導体、キナクリド
ン誘導体、ペリレン系誘導体、ポリメチン系誘導体、ア
ントラセン誘導体、ポリビニルカルバゾールなどが挙げ
られる。発光層は単一成分でも他の発光材料をドーピン
グする系でも良い。
を発光層と陰極の間に設けても良い。電子輸送材料は特
に限定されるものではないが、8−ヒドロキシキノリノ
ール及びその誘導体、オキサジアゾール誘導体、ジフェ
ニルキノン誘導体などの適用が可能である。
送帯層に注入する役割を担うものであり、4.5eV以
上の仕事関数を有することが効果的である。有機薄膜E
L素子に用いる陽極材料の具体例としては、酸化インジ
ウム錫合金(ITO)、酸化錫(NESA)、金、銀、
白金、銅等が適用できる。また陰極材料としては、電子
輸送帯又は発光層に電子を注入する目的で、仕事関数の
小さい材料が好ましく、具体的にはインジウム、アルミ
ニウム、マグネシウム、マグネシウム−インジウム合
金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−
リチウム合金、アルミニウム−スカンジウム合金等を主
成分とする金属が使用できる。尚、素子を酸素や湿気か
ら守る目的で、金属酸化物、金属硫化物、金属沸化物、
有機化合物から成る公知の封止材料等から形成される封
止層を設けることも有効である。
EL素子の構造は光の取り出し効率が改善されるため、
必要とする光出力を得るための電流が少なくて済み、低
消費電力の有機薄膜ELデバイスが得られる。また本発
明の有機薄膜EL素子を、セグメント表示やマトリクス
型の有機薄膜ELディスプレイ等へ適用することで消費
電力の少ない光表示あるいは光出力装置が得られる。
子を表す概念図である。
有機薄膜EL素子の光強度分布を示す図である。
の断面図である。
膜EL素子の電流−光出力特性を示すグラフ図である。
ンズ部分の厚さをd2 と基板表面のレンズ構造の曲率半
径をR2 を変えたときの光強度分布と視野角の関係を示
す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 光透過部位を有する有機薄膜EL素子に
おいて、基板の光取り出し側がレンズ構造であり、基板
の厚さd 1 、基板表面からレンズ構造の頂点との距離
d 2 、レンズの曲率半径R 2 との間に、d 1 +d 2
≦R 2 が成り立つことを特徴とする有機薄膜EL素
子。 - 【請求項2】 前記レンズ構造が発光部の中央を中心と
する曲率を有することを特徴とする請求項1に記載の有
機薄膜EL素子。 - 【請求項3】 前記レンズ構造が分布屈折率を有するこ
とを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜EL素子。
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