JP4328704B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子及びこれを用いた表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、平面型の表示装置に用いられる有機エレクトロルミネッセンス素子とこれを用いた表示装置に関する。
有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子は、高速応答性や高効率の発光素子として、応用研究が精力的に行われている。その基本的な構成を図１（ａ）、（ｂ）に示した（例えば非特許文献１を参照）。図１中、１１は金属電極、１２は発光層、１３はホール輸送層、１４は透明電極、１５は透明基板、１６は電子輸送層である。
図１に示したように、一般に有機ＥＬ素子は透明基板１５上に透明電極１４と金属電極１１の間に複数の有機化合物層を挟持した積層体から構成される。
図１（ａ）では、有機化合物層が発光層１２とホール輸送層１３からなる。透明電極１４としては、仕事関数が大きなＩＴＯなどが用いられ、透明電極１４からホール輸送層１３への良好なホール注入特性を持たせている。金属電極１１としては、アルミニウム、マグネシウム或いはそれらを用いた合金などの仕事関数の小さな金属材料を用い有機化合物層への良好な電子注入性を持たせる。これら電極には、５０〜２００ｎｍの膜厚が用いられる。
発光層１２には、電子輸送性と発光特性を有するアルミキノリノール錯体など〔代表例は、トリス（８−キノラリト）アルミニウム（Ａｌｑ３）〕が用いられる。また、ホール輸送層１３には、例えばトリフェニルジアミン誘導体（代表例は、ビス〔Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル〕ベンジジン（α−ＮＰＤ））など電子供与性を有する材料が用いられる。
以上の構成を有する有機ＥＬ素子は整流性を示し、金属電極１１を陰極に、透明電極１４を陽極になるように電界を印加すると、金属電極１１から電子が発光層１２に注入され、透明電極１４からはホールが注入される。
注入されたホールと電子は発光層１２内で再結合により励起子が生じ発光する。この時ホール輸送層１３は電子のブロッキング層の役割を果たし、発光層１２／ホール輸送層１３界面の再結合効率が上がり、発光効率が上がる。
さらに、図１（ｂ）では、図１（ａ）の金属電極１１と発光層１２の間に、電子輸送層１６が設けられている。発光と電子・ホール輸送を分離して、より効果的なキャリアブロッキング構成にすることで、効率的な発光を行うことができる。電子輸送層１６としては、例えば、オキサジアゾール誘導体などを用いることができる。
Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．１２５、１〜４８（１９９７）
有機ＥＬ素子は平面型の表示装置を構成する発光素子として着目されており、より多様な要求に応えるべく、その主要部材である発光材料の開発が急務となっている。
本発明の課題は、新たな発光材料を用いた新規な有機ＥＬ素子を提供し、素子の用途や製造工程、発光材料以外の部材等における選択自由度を向上することにある。
本発明の第一は、一対の電極間に、ホール輸送層と発光層と電子輸送層とからなる有機化合物層を挟持した有機エレクトロルミネッセンス素子であり、該有機化合物層において、発光層が２種類の化合物からなり、最も高濃度の化合物が発光材料であり、前記発光材料の濃度は７０質量％以上１００質量％未満であり、前記ホール輸送層がＴＦＢ４であり、前記発光材料が下記構造式で表される化合物であることを特徴とする。
本発明の第二は、上記第一の有機エレクトロルミネッセンス素子を用いたことを特徴とする表示装置である。
本発明によれば、従来にない新規な発光材料を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子及び該素子を用いた表示装置が提供される。よって、該素子や表示装置の構成、製造における選択自由度が向上する。
本発明の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）の基本構成は、図１に示したものと同様であり、発光層１２以外の部材としては従来と同様である。
これまでの有機ＥＬ素子に用いられている発光材料は、単体の固体状態における発光波長が溶液中での発光波長と同等、もしくは長波長、または全く発光しない、のいずれかであった。これに対して本発明のＥＬ素子に発光材料として用いられる有機化合物は、単体の固体状態での発光波長が溶液中での発光波長より短波長になることを特徴としている。当該有機化合物においては、何らかの分子間相互作用によりこのような発光が得られていると考えられる。
ここで、固体状態とは結晶状態、もしくはアモルファス状態のいずれかを指し、溶液中の発光波長とはトルエン、クロロホルム、クロロベンゼン、メチルＴＨＦ、ＴＨＦ、アセトニトリル、メタノール、エタノール、水、ＤＭＦもしくはアセトンのいずれかの溶液を溶媒とし、１０-5ｍｏｌ／ｌ以下の濃度で測定を行ったときの発光波長である。このような有機化合物の固体状態での発光を利用するためには、溶液のような低濃度で用いるのではなく、単体の固体状態に近い、より高濃度で用いる必要がある。具体的には５０％以上の濃度で発光層に発光材料を混合することが望ましい。但し、１００％濃度で用いると、発光材料の導電性、チャージバランスの問題で電流量が低くなるが、導電性材料を発光層にドープすることで、高効率発光を得ることができる。即ち、上記発光材料の固体状態での発光波長を維持したまま、高濃度で発光層に用いることができる。
本発明において、発光層は少なくとも２種類の化合物から構成されるが、そのうち発光材料である有機化合物が最も高濃度に含まれる。発光層中の発光材料の濃度は５０％以上が好ましく、より好ましく７０％以上で、１００％未満である。ここでいう濃度とは、質量％である。また、発光層に混合する化合物は濃度消光を抑制するためでなく、キャリアを輸送するためのドーピングとして用いる。本発明においては、発光層における発光材料とドーピング材料との濃度比をコントロールすることで、分光分子同士が隣接することにより発光状態が変化し、発光効率が低下する現象である濃度消光を考慮することなく、また、発光波長をほぼ維持したまま最適な電荷のバランスを有した素子作製を可能にし、高効率な素子を作ることができる。
以上のような観点からも、本発明の有機ＥＬ素子は発光素子として適しており、該有機ＥＬ素子を用いて良好な表示装置を構成することができる。
実際に、通電試験においても、本発明の有機ＥＬ素子は高い効率を示すことが判明した。
本発明の有機ＥＬ素子は、固体状態での発光波長が溶液状態での発光波長より短波長である有機化合物を発光材料として用いるが、当該有機化合物として具体的には、金属錯体が好ましく、中心金属がＣｕ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｗ，Ａｇ，Ａｕである金属錯体が好ましく用いられる。中でもリン光発光性金属錯体が好ましい。該有機化合物の一例を下記表１、表２に示す。尚、表中の記号で示される構造式を化１，化２に具体的に示す。また、表中のＰｈはフェニル基である。但し、これらは、代表例を例示しただけで、本発明に用いうる有機化合物は、これらに限定されるものではない。また、本発明の有機ＥＬ素子は、これらの有機化合物を含む発光層が、対向する２つの電極に狭持され、該電極間に電圧を印加することにより発光する電界発光素子であることが好ましい。
本発明の有機ＥＬ素子は、省エネルギーや高輝度が必要な製品に応用が可能である。応用例としては表示装置・照明装置やプリンターの光源、液晶表示装置のバックライトなどが考えられる。表示装置としては、省エネルギーや高視認性・軽量なフラットパネルディスプレイが可能となる。また、プリンターの光源としては、現在広く用いられているレーザビームプリンタのレーザー光源部を、本発明の有機ＥＬ素子に置き換えることができる。独立にアドレスできる素子をアレイ上に配置し、感光ドラムに所望の露光を行うことで、画像形成する。本発明の有機ＥＬ素子を用いることで、装置体積を大幅に減少することができる。照明装置やバックライトに関しては、本発明による省エネルギー効果が期待できる。
ディスプレイへの応用では、アクティブマトリクス方式であるＴＦＴ駆動回路を用いて駆動する方式が考えられる。
以下、図２〜４を参照して、本発明の有機ＥＬ素子をアクティブマトリクス方式の表示装置に適用した際のアクティブマトリクス基板について説明する。
図２は、本発明の有機ＥＬ素子を複数配列し、駆動手段を備えたアクティブマトリクス基板の構成を模式的に示した平面図である。パネルには、画素回路２０、走査信号ドライバ２１、情報信号ドライバ２２、電流供給源２３が配置され、それぞれゲート走査線２５、情報線２６、電流供給線２７に接続される。ゲート走査線２５と情報線２６の交点に配置される画素回路２０の構成例を図３に示す。走査信号ドライバー２１は、ゲート走査線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３．．．Ｇｎを順次選択し、これに同期して情報信号ドライバー２２から画像信号が印加される。
次に画素回路２０の動作について説明する。この画素回路２０においては、ゲート走査線２５に選択信号が印加されると、ＴＦＴ３１がＯＮとなり、容量３３に画像信号が供給され、ＴＦＴ３２のゲート電位を決定する。有機ＥＬ素子３４には、ＴＦＴ３２のゲート電位に応じて、電流供給線２７より電流が供給される。ＴＦＴ３２のゲート電位は、ＴＦＴ３１が次に走査選択されるまで容量３３に保持されるため、有機ＥＬ素子３４には次の走査が行われるまで電流が流れ続ける。これにより１フレーム期間常に発光させることが可能となる。
図４は、本実施例で用いられるＴＦＴの断面構造の模式図を示した図である。ガラス基板４０上にｐ−Ｓｉ層４４が設けられ、チャネル４３、ドレイン４２、ソース４１の各領域にはそれぞれ必要な不純物がドープされる。この上にゲート絶縁膜４８を介してゲート電極４５が設けられると共に、上記ドレイン領域４２、ソース領域４１に接続するドレイン電極４６、ソース電極４７が形成されている。これらの上に絶縁層４９、５２及び画素電極としてＩＴＯ電極５０を積層し、コンタクトホールにより、ＩＴＯ電極５０とドレイン電極４６が接続される。
本発明は、スイッチング素子に特に限定はなく、単結晶シリコン基板やＭＩＭ素子、ａ−Ｓｉ型等でも容易に応用することができる。
上記ＩＴＯ電極５０の上に多層或いは単層の有機化合物層５１／陰極層５２を順次積層し有機ＥＬ表示パネルを得ることができる。本発明の有機ＥＬ素子を用いた表示パネルを駆動することにより、良好な画質で、長時間表示にも安定な表示が可能になる。
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
（実施例１、比較例１）
図１（ｂ）に示す有機化合物層が３層の有機ＥＬ素子を作製した。先ず、ガラス基板（透明基板１５）上に１００ｎｍ厚のＩＴＯ電極（透明電極１４）をパターニングして、対向する電極面積が３ｍｍ2になるようにした。そのＩＴＯ電極基板上に、以下の有機化合物層と電極層を１０-4Ｐａの真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着し、連続成膜した。比較例として有機化合物層２についてＣＢＰ（４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾール−ビフェニル）をドープしない系も作製した。
有機化合物層１（ホール輸送層１３）（４０ｎｍ）：ＴＦＢ４
有機化合物層２（発光層１２）（２０ｎｍ）：有機化合物４＋ＣＢＰ（質量比＝７０：３０）
有機化合物層３（電子輸送層１６）（５０ｎｍ）：Ｂｐｈｅｎ
金属電極層１（１ｎｍ）：ＫＦ
金属電極層２（１００ｎｍ）：Ａｌ
図１（ｂ）に示す有機化合物層が３層の有機ＥＬ素子を作製した。先ず、ガラス基板（透明基板１５）上に１００ｎｍ厚のＩＴＯ電極（透明電極１４）をパターニングして、対向する電極面積が３ｍｍ2になるようにした。そのＩＴＯ電極基板上に、以下の有機化合物層と電極層を１０-4Ｐａの真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着し、連続成膜した。比較例として有機化合物層２についてＣＢＰ（４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾール−ビフェニル）をドープしない系も作製した。
有機化合物層１（ホール輸送層１３）（４０ｎｍ）：ＴＦＢ４
有機化合物層２（発光層１２）（２０ｎｍ）：有機化合物４＋ＣＢＰ（質量比＝７０：３０）
有機化合物層３（電子輸送層１６）（５０ｎｍ）：Ｂｐｈｅｎ
金属電極層１（１ｎｍ）：ＫＦ
金属電極層２（１００ｎｍ）：Ａｌ
本例で用いた有機化合物４の発光波長は固体状態では５１５ｎｍ、トルエン溶液中では５６１ｎｍである。図５にそれぞれの発光波長スペクトルを示す。
有機ＥＬ素子の特性は、電圧−電流特性をヒューレッドパッカード社製、微小電流計４１４０Ｂで測定し、発光輝度は、トプコン社製ＢＭ７で測定した。図６に電圧−電流特性を、図７に電流−発光輝度特性を、図８に電圧−発光輝度特性を、図９に発光輝度−発光効率特性を、図１０に実施例１（図中白丸），比較例１（図中黒丸）のそれぞれの素子の発光波長スペクトルを示す。
その結果、ＣＢＰを３０質量％加えることによって発光効率が向上し、また、発光波長はほとんど変化しないことがわかった。
この結果より、固体状態での発光波長が溶液中での発光波長より短い有機化合物は発光層が１００％濃度においても発光することが可能ではあるが、導電性材料を少量ドーピングすることによって発光波長をほぼ維持したまま発光効率を向上させうることがわかった。
(実施例２)
縦７５ｍｍ、横７５ｍｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板上に透明電極（陽極側）として約１００ｎｍ厚のＩＴＯ膜をスパッタ法にて形成後、単純マトリクス電極としてライン／スペース＝１００μｍ／４０μｍの間隔で１００ラインをパターニングした。次に、実施例１と同様の条件で３層からなる有機化合物層を作成した。
縦７５ｍｍ、横７５ｍｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板上に透明電極（陽極側）として約１００ｎｍ厚のＩＴＯ膜をスパッタ法にて形成後、単純マトリクス電極としてライン／スペース＝１００μｍ／４０μｍの間隔で１００ラインをパターニングした。次に、実施例１と同様の条件で３層からなる有機化合物層を作成した。
続いて、マスク蒸着にて、ライン／スペース＝１００μｍ／４０μｍで１００ラインの金属電極をＩＴＯ電極に直交するように真空度２．６６×１０-3Ｐａの条件下で真空蒸着法にて成膜した。金属電極はＫＦを膜厚１ｎｍ、続いてＡｌを１５０ｎｍで形成した。
この１００×１００の単純マトリクス型有機ＥＬ素子の構成を図１１に模式的に示す。図中、１１１はガラス基板、１１２は透明電極、１１３は有機化合物層、１１４は金属電極である。当該素子を窒素雰囲気で満たしたグローブボックス中にて図１２のような１０Ｖの走査信号、±３Ｖの情報信号によって、７Ｖ〜１３Ｖの間で、単純マトリクス駆動をおこなった。フレーム周波数３０Ｈｚでインターレス駆動したところ、滑らかな動画像が確認できた。
１１ 金属電極
１２ 発光層
１３ ホール輸送層
１４ 透明電極
１５ 透明基板
１６ 電子輸送層
２０ 画素回路
２１ 走査信号ドライバ
２２ 情報信号ドライバ
２３ 電流供給源
２５ ゲート走査線
２６ 情報戦
２７ 電流供給線
３１，３２ ＴＦＴ
３３ 容量
３４ 有機ＥＬ素子
３５ アノード
４０ ガラス基板
４１ ソース領域
４２ ドレイン領域
４３ チャネル領域
４４ ｐ−Ｓｉ層
４５ ゲート電極
４６ ドレイン電極
４７ ソース電極
４８ ゲート絶縁膜
４９，５２，５３ 絶縁層
５０ ＩＴＯ電極
５１ 有機化合物層
５２ 陰極層
１１１ ガラス基板
１１２ 透明電極
１１３ 有機化合物層
１１４ 金属電極
１２ 発光層
１３ ホール輸送層
１４ 透明電極
１５ 透明基板
１６ 電子輸送層
２０ 画素回路
２１ 走査信号ドライバ
２２ 情報信号ドライバ
２３ 電流供給源
２５ ゲート走査線
２６ 情報戦
２７ 電流供給線
３１，３２ ＴＦＴ
３３ 容量
３４ 有機ＥＬ素子
３５ アノード
４０ ガラス基板
４１ ソース領域
４２ ドレイン領域
４３ チャネル領域
４４ ｐ−Ｓｉ層
４５ ゲート電極
４６ ドレイン電極
４７ ソース電極
４８ ゲート絶縁膜
４９，５２，５３ 絶縁層
５０ ＩＴＯ電極
５１ 有機化合物層
５２ 陰極層
１１１ ガラス基板
１１２ 透明電極
１１３ 有機化合物層
１１４ 金属電極
Claims (4)
- 一対の電極間に、ホール輸送層と発光層と電子輸送層とからなる有機化合物層を挟持した有機エレクトロルミネッセンス素子であり、該有機化合物層において、発光層が２種類の化合物からなり、最も高濃度の化合物が発光材料であり、前記発光材料の濃度は７０質量％以上１００質量％未満であり、前記ホール輸送層がＴＦＢ４であり、前記発光材料が下記構造式で表される化合物であ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。
- 前記発光層に含まれる、他の化合物がＣＢＰであ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。
- 前記電子輸送層がＢｐｈｅｎであることを特徴とする請求項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１乃至３のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を用いたことを特徴とする表示装置。
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