JP2848386B1 - 有機エレクトロルミネッセンス素子およびその製造方法 - Google Patents
有機エレクトロルミネッセンス素子およびその製造方法Info
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Abstract
を提供する。 【解決手段】光の出射面側に位置する電極2に微小な突
起3を設ける。これにより対向電極6に凹面形状を付与
する。この凹面形状の傾斜鏡面による反射を利用し、光
の取り出し効率を向上させる。
Description
有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。
電界を印加することにより、陽極より注入された正孔と
陰極より注入された電子の再結合エネルギーにより蛍光
性物質が発光する原理を利用した自発光素子である。イ
ーストマン・コダック社のC.W.Tangらによる積
層型素子による低電圧駆動有機エレクトロルミネッセン
ス素子の報告(C.W.Tang、S.A.VanSl
yke、アプライドフィジックスレターズ(Appli
ed Physics Letters)、51巻、9
13頁、1987年 など)がなされて以来、有機材料
を構成材料とする有機エレクトロルミネッセンス素子に
関する研究が盛んに行われている。Tangらは、トリ
ス(8−キノリノール)アルミニウムを発光層に、トリ
フェニルジアミン誘導体を正孔輸送層に用いている。積
層構造の利点としては、発光層への正孔の注入効率を高
めること、陰極より注入された電子をブロックして再結
合により生成する励起子の生成効率を高めること、発光
層内で生成した励起子を閉じこめることなどが挙げられ
る。この例のように有機エレクトロルミネッセンス素子
の素子構造としては、正孔輸送(注入)層、電子輸送性
発光層の2層型、又は正孔輸送(注入)層、発光層、電
子輸送(注入)層の3層型等が良く知られている。こう
した積層型構造素子では注入された正孔と電子の再結合
効率を高めるため、素子構造や形成方法の工夫がなされ
ている。
ンス素子に於いてはキャリア再結合の際にスピン統計の
依存性より一重項生成の確率に制限があり、したがって
発光確率に上限が生じる。この上限の値は凡そ25%と
知られている。更に有機エレクトロルミネッセンス素子
に於いてはその発光体の屈折率の影響のため、図1に示
すように、臨界角以上の出射角の光は全反射を起こし外
部に取り出すことができない。このため発光体の屈折率
が1.6とすると発光量全体の20%程度しか有効に利
用できず、エネルギーの変換効率の限界としては一重項
生成確率を併せ全体で5%程度と低効率とならざるをえ
ない(筒井哲夫「有機エレクトロルミネッセンスの現状
と動向」、月刊ディスプレイ、vol.1、No.3、
p11、1995年9月)。発光確率に強い制限の生じ
る有機エレクトロルミネッセンス素子に於いては、光の
取り出し効率は致命的ともいえる効率の低下を招くこと
になる。
しては、従来無機エレクトロルミネッセンス素子など
の、同等な構造を持つ発光素子に於いて検討されてき
た。例えば、基板に集光性を持たせることで効率を向上
させる方法(特開昭63−314795)や、素子の側
面等に反射面を形成する方法(特開平1−22039
4)は、発光面積の大きな素子に対しては有効である
が、ドットマトリクスディスプレイ等の画素面積の微小
な素子に於いては、集光性を持たせるレンズや側面の反
射面等の形成加工が困難である。更に有機エレクトロル
ミネッセンス素子に於いては発光層の膜厚が数μm以下
となるためテーパー状の加工を施し素子側面に反射鏡を
形成することは現在の微細加工の技術では困難であり、
大幅なコストアップをもたらす。また基板ガラスと発光
体の間に中間の屈折率を持つ層を導入し、反射防止膜を
形成する方法(特開昭62−172691)もあるが、
この方法は前方への光の取り出し効率の改善の効果はあ
るが全反射を防ぐことはできない。したがって屈折率の
大きな無機エレクトロルミネッセンスに対しては有効で
あっても、比較的低屈折率の発光体である有機エレクト
ロルミネッセンス素子に対しては大きな改善効果を生ま
ない。
素子に有用な光の取り出し方法は未だ不十分であり、こ
の光の取り出し方法の開発が有機エレクトロルミネッセ
ンス素子の高効率化に不可欠である。
エレクトロルミネッセンス素子の光の取り出し効率を改
善し、高効率の有機エレクトロルミネッセンス素子を提
供することにある。
し、陽極若しくは陰極のうち一方の電極が該発光層に対
して凹面形状を有する構造とすることにより解決を図る
ものであり、このような構造を、凹面形状を有する電極
と対向する電極に複数の微小突起が設けることにより実
現するものである。すなわち本発明によれば、陽極と陰
極との間に発光層を含む一または二以上の有機薄膜層を
有してなる有機エレクトロルミネッセンス素子におい
て、陽極若しくは陰極のうち一方の電極が該発光層に対
して凹面形状を有し、該凹面形状を有する電極と対向す
る電極に複数の微小突起が設けられたことを特徴とする
有機エレクトロルミネッセンス素子が提供される。
小突起を設けることにより、発光層に対して凹面形状を
有する対向電極6を容易に形成することができる。この
点について図2を参照して説明する。複数の微小突起3
が設けられた電極2の上に発光層を含む有機薄膜層5、
対向電極6をこの順で成膜していくと、微小突起3と対
応する部分の有機薄膜層5および対向電極6に凸部が生
じる。このようにして、成膜工程で自然に、対向電極6
に凹面形状が形成されるのである。
ルミネッセンス素子は凹面形状の電極が形成されている
ため、発光層を含む有機薄膜層5で生じた光は有機薄膜
層5と対向電極6の界面で反射した後、凹面鏡と同様の
作用により基板1方向に集光される。すなわち、両電極
に挟まれた領域からの発光のうち、基板面で全反射する
成分、あるいは基板面に水平方向に出射される成分を基
板面垂直方向に反射させることができる。したがって、
図1のように全反射のために光が取り出し不可能となる
ということは生じにくく、光の取り出し効率が顕著に向
上する。この際、発光面積は減少しており前方への反射
効率も100%では無いため、微小突起の無い電極を用
いた場合より輝度としては低下する場合もあるが、発光
面積の減少により消費電力も低下するため、全体として
は高効率となる。
対向電極に凹面形状を付与するために設けられるもので
あるから、このような作用を有するものであればいかな
る形状であってもよい。例えば、円柱形状や、円錐状、
円錐、円錐台、四角錐、角錐台、任意の錐体、錐台、半
球状、半楕円球状などとすることができる。
層を形成した後、該第一の電極層に複数の微小突起を設
ける工程と、該第一の電極層の上に、発光層を含む一ま
たは二以上の有機薄膜層と第二の電極層とをこの順で形
成する工程とを含むことを特徴とする有機エレクトロル
ミネッセンス素子の製造方法が提供される。このように
することにより、発光層に対して凹面形状を有する対向
電極を容易に形成することができる。
て作製される。まず下地となる平面電極を形成した後、
その上に孔の空いた絶縁膜を形成する。その孔に導電性
の材料を積層する方法により微小突起を形成することが
できる。また格子状にパターン化された導電性の電極の
各交点に突起を形成し、格子間より光を取り出す方法を
とることもできる。
ミネッセンス素子の素子構造は、電極間に発光層を含む
有機薄膜層を1層あるいは2層以上積層した構造であ
り、特にその構造に制約を受けない。例としては、陽
極、発光層、陰極、陽極、正孔輸送層、発光層、電子
輸送層、陰極、陽極、正孔輸送層、発光層、陰極、あ
るいは陽極、発光層、電子輸送層、陰極等の構造が挙
げられる。またこれらの有機薄膜層間及び有機薄膜層と
電極間に、電荷注入特性の向上や絶縁破壊を抑制あるい
は発光効率を向上させる目的で、弗化リチウム、弗化マ
グネシウム、酸化珪素、二酸化珪素、窒化珪素等の無機
の誘電体、絶縁体からなる薄膜層、あるいは有機薄膜層
と電極材料又は金属との混合層、あるいはポリアニリ
ン、ポリアセチレン誘導体、ポリジアセチレン誘導体、
ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリパラフェニレンビ
ニレン誘導体等の有機高分子薄膜を挿入しても構わな
い。
孔を正孔輸送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。本
発明に用いられ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、銅等の金属又は酸化物、並びにこれらの混合
物が適用できる。また陰極としては、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
好ましい。陰極材料は特に限定されないが、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−リチウム合金、マグネシウム−銀合金、並び
にこれらの混合物等が使用できる。
陰極の何れでもよく、また何れかの電極が可視光の領域
に於いて透明あるいは高反射率を有するもののどちらで
もよい。また、この電極の厚さは電極として本来の機能
を果たす厚さであれば特に限定されることはないが、
0.02μm〜2μmの範囲にあることが望ましい。
の厚さは、用いる材料、層構造によりそれぞれ効率、寿
命等を考慮して最適な範囲が決定され、電極厚は有機薄
膜層の層厚により最適な範囲が決定される。
最小距離は、特に限定されることはないが、積層する有
機薄膜層厚、電極厚によって最適な範囲が決定される。
電極の厚さに比して大きすぎる場合又は小さすぎる場合
の何れも効率の低下を招くことから、微小突起の径ある
いは微小突起の最小幅は電極の厚さに対し0.1倍以上
10倍以下の範囲にあることが望ましい。このようにす
ることによって、反射、発光のいずれも起こらない領域
が増えることによる効率の低下を防ぎつつ、電極面にお
ける反射の効果を十分にして光取り出し効率の向上を図
ることができる。また微小突起の最小幅は、電極サイズ
にもよるが、たとえば0.03μm以上2μm以下とす
ることが好ましい。
極の面積に対する微小突起底面部の総面積の比率は好ま
しくは5%以上50%以下である。このようにすること
によって、反射、発光のいずれも起こらない領域が増え
ることによる効率の低下を防ぎつつ光取り出し効率の向
上を図ることができる。
薄膜層の層厚の好ましくは0.1倍以上5倍以下であ
る。このようにすることによって、反射、発光のいずれ
も起こらない領域が増えることによる効率の低下を防ぎ
つつ、電極面における反射の効果を十分にして光取り出
し効率の向上を図ることができる。
の厚さは、有機薄膜層の層厚に対して好ましくは0.3
倍以上5倍以下である。0.3倍未満では凹面反射の効
果が十分でなく効率が低下する場合がある。5倍を超え
ると光を出射できる領域が減り効率が低下する場合があ
る。
特に限定されることはなく、周期的な配置でも、完全に
不規則な配置でも構わない。しかしながら、例えば図
4、6のように、複数の微小突起を平面方向に規則性を
もって配置すれば、2次元的な周期性をもたせることに
より一次元的な周期性による干渉の効果の異方性を抑制
することができる。
視光域に於ける光の反射率が高ければ高いほど効率が良
いが、実用的には30%以上の反射率が必要となる。
光に対して不透明な導電性材料からなることが好まし
い。ここで、可視光領域とは、波長350〜800nm
程度の光をいう。「不透明な」とは、可視光領域の光が
実質的に透過しないことをいう。
らの反射光を取り出すために必要な透過率を備えている
ことが好ましく、可視光領域の光に対して透明な導電性
材料からなることが好ましい。ここで「透明な」とは、
可視光領域の光が、発光素子としての機能が損なわれな
い程度に透過することをいう。
子は、例えば、微小突起の設けられた電極と発光層を含
む一または二以上の前記有機薄膜層との間に可視光領域
の光に対して透明な絶縁層を有し、この絶縁層を貫通す
るように微小突起が設けられた構成とすることができ
る。このような構成とすることにより、突起の電極とし
ての機能を損なわずに、突起間の光の透過率および開口
面を大きく保つことができる。
限定されず、通常発光材料として使用されている化合物
であれば何を使用してもよい。例えば、下記のトリス
(8−キノリノール)アルミニウム錯体(Alq3)
[1]やビスジフェニルビニルビフェニル(BDPVB
i)[2]、1,3−ビス(p−t−ブチルフェニル−
1,3,4−オキサジアゾールイル)フェニル(OXD
−7)[3]、N,N’−ビス(2,5−ジ−t−ブチ
ルフェニル)ペリレンテトラカルボン酸ジイミド(BP
PC)[4]、1,4ビス(p−トリル−p−メチルス
チリルフェニル)ナフタレン[5]などである。
た層を発光材料として用いることもできる。例えば、前
記のAlq3[1]などのキノリノール金属錯体に4−
ジシアノメチレン−2−メチル−6−(p−ジメチルア
ミノスチリル)−4H−ピラン(DCM)[6]、2,
3−キナクリドン[7]などのキナクリドン誘導体、3
−(2’−ベンゾチアゾール)−7−ジエチルアミノク
マリン[8]などのクマリン誘導体をドープした層、あ
るいは電子輸送材料ビス(2−メチル−8−ヒドロキシ
キノリン)−4−フェニルフェノール−アルミニウム錯
体[9]にペリレン[10]等の縮合多環芳香族をドー
プした層、あるいは正孔輸送材料4,4’−ビス(m−
トリルフェニルアミノ)ビフェニル(TPD)[11]
にルブレン[12]等をドープした層を用いることがで
きる。
定されず、通常正孔輸送材料として使用されている化合
物であれば何を使用してもよい。例えば、ビス(ジ(p
−トリル)アミノフェニル)−1,1−シクロヘキサン
[13]、TPD[11]、N,N’−ジフェニル−N
−N−ビス(1−ナフチル)−1,1’−ビフェニル)
−4,4’−ジアミン(NPB)[14]等のトリフェ
ニルジアミン類や、スターバースト型分子([15]〜
[17]等)等が挙げられる。
定されず、通常電子輸送材として使用されている化合物
であれば何を使用してもよい。例えば、2−(4−ビフ
ェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,
3,4−オキサジアゾール(Bu−PBD)[18]、
OXD−7[3]等のオキサジアゾール誘導体、トリア
ゾール誘導体([19]、[20]等)、キノリノール
系の金属錯体([1]、[9]、[21]〜[24]
等)が挙げられる。
子に於ける各層の形成方法は特に限定されない。従来公
知の真空蒸着法、スピンコーティング法等による形成方
法を用いることができる。本発明の有機エレクトロルミ
ネッセンス素子に用いる、前記の化合物を含有する有機
薄膜層は、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。本発明に於ける有機エレクトロルミネッセンス
素子の各有機薄膜層の膜厚は特に制限されないが、通常
は数10nmから1μmの範囲が好ましい。
るが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例
に限定されない。
膜エレクトロルミネッセンス素子の作製手順について説
明する。素子は陽極/正孔注入層/発光層/電子輸送層
/陰極により構成されている。50mm×25mmのガ
ラス基板(HOYA製、NA45、1.1mm厚)上に
ITOをスパッタリングによって120nm積層した。
この際、メタルマスクを用いITOを2mm×50mm
の帯状になるように形成した。このときのシート抵抗は
18Ω/□であった。
用いて行った。真空槽の上部に設置した基板に対し、下
方250mmの距離にモリブデン製のボートを設置、基
板への入射角は38度の配置にし、基板回転は毎分30
回転とした。圧力が5×10 -7Torrに到達した時点
で蒸着を開始、基板横に装着した水晶振動子式膜厚制御
装置により蒸着速度を制御した。蒸着速度は毎秒0.1
5nmと設定して行った。正孔注入層として化合物[1
5]を上記条件にて40nm形成したのち、発光層とし
て化合物[5]を70nm、電子輸送層として化合物
[19]を40nm、順次同条件にて蒸着した。
それぞれ独立のボートより同時に蒸着し陰極を形成し
た。このとき、マグネシウム対銀の蒸着速度がそれぞれ
毎秒1.0nm、0.2nmとなるように上記膜厚制御
装置にて制御し、膜厚は200nmとした。蒸着時にメ
タルマスクを用い、25mm×2mmの帯状パターンを
ITOの帯状パターンと直交する方向に、1mm間隔で
12個形成し陰極とした。
度は50mA/cm2、輝度は1950cd/m2を示し
た。したがって効率は、3.9cd/A、1.22lm
/Wとなる。
例1と同様にして行い、形成したITO上にフォトリソ
グラフィ工程を用い図2に示す構造の突起電極の形成を
行った。絶縁膜はスパッタリングを用いTiO2膜を5
0nm形成した後、i線レジスト(東京応化製THMR
−iP1700)をスピンコート法により2μm厚に形
成しi線ステッパーを用い図4に示すパターンの孔をレ
ジストに形成した。ここで角寸法はl=0.6μm、d
=1.4μmとした。その基板を、リアクティブイオン
エッチング法を用いメタン-水素混合ガスによって露出
部分のTiO2膜を除去し、その上に比較例1と同様に
真空蒸着法により金を水晶振動子膜厚計に於いて400
nmとなる厚さに形成した。この時の基板への入射角は
38度で、基板回転は毎分30回転で行なった。金を蒸
着後、残存レジストを専用の剥離液を用い除去した。こ
のあとの有機薄膜層、電極の蒸着は比較例1と全く同様
に行った。この素子に10Vの電圧を印可したところ、
26.4mA/cm2の電流密度で、輝度は1588c
d/m2であった。したがって効率は、6.02cd/
A、1.89lm/Wとなった。
10に於いてはs、l及び金の膜厚を変え測定を行っ
た。その結果を表1、表2に示す。
膜層、陽極と積層する他は、実施例1と全く同様にして
行なった。即ち、実施例1に於いて金を用いて突起を形
成する代わりにマグネシウム−銀合金を用い同様に行な
い、有機薄膜層の積層は電子輸送層、発光層、正孔注入
層と逆順に積層し、最後に金の陽極を形成した。パター
ンのサイズはs=0.4μm、l=0.8μmとした。
この素子に10V印可したときの電流密度は34.2m
A/cm2で、輝度は1651cd/m2であった。した
がって、効率は4.8cd/A、1.52lm/Wであ
った。
2〜20に於いてはs、l及びマグネシウム−銀合金の
膜厚を変え測定を行った。その結果を表3、表4に示
す。
を、ITOの下地とする代わりに、図5に示す構造の金
の格子状の電極を用いた。格子状の金電極のパターニン
グは0.05μm厚に金を蒸着した後実施例1と同様に
フォトリソグラフィー工程にて円形の孔をレジストに空
け、リフトオフ法により格子点に金の突起を形成した。
この時の膜厚は500nmとし、その上に有機薄膜層、
陰極を形成する過程は実施例1と全く同様に行なった。
各寸法は図6に示す記号でs=0.35μm、d=1.
0μm、l=0.6この素子に10V印可したときの電
流密度は37.5mA/cm2で輝度は1620cd/
m2であった。したがって効率は4.3cd/A、1.
36lm/Wであった。
クトロルミネッセンス素子の素子構造を用いることによ
り、従来に比べて高効率な発光素子が得られ、本発明の
効果は大である。
面模式図である。
斜視図である。
断面模式図である。
図である。
ある。
ある。
Claims (10)
- 【請求項1】 一対の電極間に発光層を含む一または二
以上の有機薄膜層を有してなる有機エレクトロルミネッ
センス素子において、前記一対の電極のうち光の出射面
側に位置する電極に複数の微小突起が設けられ、該電極
と対向する他方の電極が前記発光層に対して凹面形状を
有す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。 - 【請求項2】 前記微小突起が、円柱形状を有する請求
項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。 - 【請求項3】 前記微小突起の最小幅が0.03μm以
上2μm以下である請求項1または2に記載の有機エレ
クトロルミネッセンス素子。 - 【請求項4】 前記微小突起の設けられた電極の面積に
対する前記微小突起底面部の総面積の比率が5%以上5
0%以下である請求項1乃至3いずれかに記載の有機エ
レクトロルミネッセンス素子。 - 【請求項5】 前記微小突起の最小幅が、前記有機薄膜
層の層厚の0.1倍以上5倍以下である請求項1乃至4
いずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。 - 【請求項6】 前記微小突起が、可視光領域の光に対し
て不透明な導電性材料からなる請求項1乃至5いずれか
に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。 - 【請求項7】 前記微小突起の設けられた電極が、可視
光領域の光に対して透明な導電性材料からなる請求項1
乃至6いずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス
素子。 - 【請求項8】 前記微小突起の設けられた電極と前記発
光層を含む一または二以上の前記有機薄膜層との間に可
視光領域の光に対して透明な絶縁層を有し、該絶縁層を
貫通するように前記微小突起が設けられた請求項1乃至
7いずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素
子。 - 【請求項9】 基板上に第一の電極層を形成した後、該
第一の電極層の表面に複数の微小突起を設ける工程と、
該第一の電極層の上に、発光層を含む一または二以上の
有機薄膜層と第二の電極層とをこの順で形成する工程と
を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス
素子の製造方法。 - 【請求項10】 前記第一の電極層の表面に複数の孔の
設けられた絶縁膜を形成した後、該複数の孔に導電性の
材料を積層することにより、前記複数の微小突起を設け
ることを特徴とする請求項9に記載の有機エレクトロル
ミネッセンス素子の製造方法。
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