JP4748835B2

JP4748835B2 - lighting equipment

Info

Publication number: JP4748835B2
Application number: JP2000232369A
Authority: JP
Inventors: 真由美水上; 哲史瀬尾; 毅西
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2020-07-31
Also published as: JP2002050467A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロルミネッセンス（Electro luminescence：以下ＥＬと記す）が得られる有機化合物からなる薄膜（以下、「有機ＥＬ膜」と記載）を電極間に挟んだ素子（以下、「有機ＥＬ素子」と記載）を含む発光装置に関する。特に、有機ＥＬ膜と電極との界面に沿う方向（以下、「横方向」と記載）から取り出せる光を用いることを特徴とする発光装置に関する。なお、本明細書中における発光装置とは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いた発光デバイスを指す。
【０００２】
【従来の技術】
有機ＥＬ素子は電場を加えることにより発光する素子であり、軽量、直流低電圧、高速応答性などの特性から、次世代のフラットパネルディスプレイに用いる素子として注目を浴びている。また、自発光で視野角が広いことから、携帯機器の表示画面をはじめとする自発光の面状表示素子として有効であると考えられている。
【０００３】
さらに、光の三原色（赤、緑、青）それぞれの色を呈する発光材料を一素子内に導入することにより、白色光を発光させることも可能である（文献１：J. Kido, C. Ohtaki, K. Hongawa, K. Okuyama and K. Nagai, "1,2,4-Triazole Derivative as an Electron Transport Layer in Organic Electroluminescent Devices", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 32, pp. L917-L920 (1993)）。文献１では、キャリアブロック層の厚さを調節することにより、電子輸送層および正孔輸送層の両方を発光させ、白色光を取り出している。白色光が可能であるということから、特に軽量であるという利点を活かし、ディスプレイのバックライトや照明としての利用も考えられている。
【０００４】
有機EL素子の発光機構としては、陰極から注入された電子および陽極から注入された正孔が有機EL膜中の発光中心で再結合して励起子を形成し、その励起子が基底状態に戻る時にエネルギーを放出して発光すると言われている。
【０００５】
また、有機EL素子の構造であるが、主としてガラス基板やプラスチック基板（以下、単に「基板」と記載）上に、陽極である透明電極（例えばITO）、有機ＥＬ膜、陰極材料を積層し、対向基板を張り合わせるという手法を用いて作製している。陰極は可視光を透過しない材料が使われているため、有機EL膜中で発生したフォトンは有機ＥＬ膜層、透明電極層、基板層を透過して取り出され、発光素子として利用されている。
【０００６】
ここで、注入されたキャリアの数に対して、有機EL素子外部に取り出されるフォトンの数の割合（以下、「外部量子効率」と記載）は、以下の式で表される（文献２：「有機LED素子の残された重要課題と実用化戦略」、編集有機エレクトロニクス材料研究会、ぶんしん出版、p.106-107）。
【０００７】
【数１】
η_ext = χΦγη_e （１）
【０００８】
なお、各記号はそれぞれ、η_ext：外部量子効率、χ ：一重項励起状態からの発光であれば0.25。三重項励起状態からの発光も加味すれば1。Φ ：量子収率（キャリアが再結合して生じた励起子の数に対して、有機EL膜中で無放射失活せずにフォトンとして発生する割合で、最大で１）。γ ：キャリアバランス因子（注入される電子および正孔のバランスで、最大で１）。η_e：取り出し効率
を表す。
【０００９】
χおよびΦは、用いる有機EL膜材料固有の数値である。γは、有機EL素子のデバイス構造、電極の種類などで決定する因子である。つまりこれらの数値は、有機EL膜材料および電極材料の選択・組み合わせにより１に近づくことになる。これに対して取り出し効率η_eは、発生したフォトンのうち素子外部に取り出せるものの割合のことであり、有機ＥＬ膜層、透明電極層、基板層それぞれ固有の異なる屈折率が原因で決定される。
【００１０】
式（１）から、χ、Φ、γ、η_eのいずれを高めることによっても外部量子効率を高めることができる。外部量子効率が高まれば発光効率も向上するため、より消費電力が少なく、明るい発光装置を作製することができる。三重項発光を利用した高効率発光素子などは、χを高めた一例である（文献３：T. Tsutsui, M.-J. Yang, M. Yahiro, K. Nakamura, T. Watanabe, T. Tsuji, Y. Fukuda, T. Wakimoto and S. Miyaguchi, "High Quantum Efficiency in Organic Light-Emitting Devices with Iridium-Complex as a Triplet Emissive Center", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, pp. L1502-L1504 (1999)）。
【００１１】
しかしながら現在、取り出し効率η_eの値は、有機ＥＬ素子において20％程度にすぎないと言われている（文献４：C. F. Madigan, M.-H. Lu and J. C. Sturm, "Improvement of output coupling efficiency of organic light-emitting diodes by backside substrate modification", Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 13, 1650-1652 (2000)）。つまり有機ＥＬ素子においては、陽極−陰極間の方向（以下、「縦方向」と記載）へ取り出せる光、すなわち基板面から発生する面状発光が、発生した光全体の20％であることを指し示している。したがって、材料面でどれだけ工夫をしたとしても、従来技術では外部量子効率は最大で20%というのが限界である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、光の取り出し効率を高めることによって、発光効率が従来よりも高い有機EL素子を提供することを課題とする。また、前記有機EL素子を用いて、明るく消費電力の少ない、軽量な発光装置、電気器具を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
有機EL素子において取り出し効率の限界が20%程度であるというのは、屈折率の高い物質から低い物質へ光が通過しようとする際に、ある入射角以上で発現する全反射の現象に由来するものである。つまり、例えば陽極としてITOを用いたとすると、発生した光のうちの残り80％は、理論的にはITOと基板との界面、あるいは基板と素子外部との界面において全反射する。
【００１４】
そして、対向基板側には光を透過しない陰極があるため、全反射した光は陰極で再び反射し、それを繰り返すことによって有機EL素子の横方向に向かって進行する（図１(a)参照）。あるいは図１(b)のように、陰極による反射を生じる前に、横方向へ向かって素子外部に取り出される光も存在する。これらの光は導波光と呼ばれる。なお、ITOの屈折率は有機EL膜のそれより大きく、ITOと有機EL膜との界面では全反射が起こらないので、図１では便宜上、ITOと有機EL膜間で起こる屈折の表現は省略してある。
【００１５】
ここで、基板の厚み（ミリ〜サブミリオーダー）は有機EL膜の厚み（サブミクロンオーダー）に比べてきわめて大きいため、図１(a)において、α≪βである。従って、実際に素子外部に取り出される導波光は、βの経路中、すなわち基板部分から取り出される光がきわめて多い。また、図１(b)のパターンで、基板部分から取り出される光も多くなる。
【００１６】
このように、基板の厚みと有機EL膜の厚みの違いを考えると、導波光のほとんどは有機EL膜からではなく、基板層から横方向に取り出される。基板層を進行する導波光は、基板面に対して平行に近い角度で進行する、すなわち図１(c)中の角度θが小さいため、基板の端面においては全反射は起きずにほぼ完全に光を取り出すことができる。
【００１７】
そこで本発明者は、前記課題を解決するために、有機EL素子から放出される導波光に着目した。陰極ではある程度の光の吸収などが生じると思われるが、それでも最終的には、導波光の方が従来の縦方向から取り出せる20%の光よりも取り出し効率が高いと、本発明者は考えている。
【００１８】
したがって、導波光を用いることにより、従来よりも外部量子効率が高い、すなわち発光効率の高い有機EL素子を作製することが可能となる。このような有機EL素子を適用すれば、従来より明るく、消費電力も少ない発光装置を作製することができる。
【００１９】
しかしながら従来は、導波光に注目されることはなかった。なぜならば、有機EL素子においては平面状の層を縦方向に積層していくため、例えばディスプレイの画素として用いる場合などには、縦方向の光を取り出した方が構造的に薄く、プロセスも容易なフラットパネルディスプレイが作製できるからである。
【００２０】
前記フラットパネルディスプレイの画素は面状表示素子として用いられるため、縦方向の光は平面光源として利用されていることになる。導波光は横方向、すなわち平面状素子の面に沿う方向に放出される光であるから、従来通りに平面光源として用いようとしてもプロセス的に難点が多い。したがって、導波光を活用するならば、従来有機EL素子で考えられているような平面光源としての利用方法はあまり適切でなく、新たな利用方法を適用しなければならない。
【００２１】
このような理由から、本発明者は有機EL膜層がサブミクロンのオーダーの厚みしか持たないことを考慮し、導波光を利用した有機EL素子は線光源もしくは点光源としての使用が適切であると考えた。
【００２２】
そこで、導波光を光漏れすることなく線状光もしくは点状光として使用するために、光反射性の基板を用いるか、あるいは基板周囲を光反射性の部材で覆うことによって縦方向から放出される光を完全に遮断する手法を用いた。これにより、光が放出される方向が横方向のみに限定される有機EL素子を作製できる。なお、本明細書中における光反射性とは、各種金属に代表されるように、少なくとも可視光を反射する性質のことをさす。
【００２３】
また、前記EL素子は平面光源の発光素子として使いにくいため、従来の平面光源を用いた発光装置とは異なる装置構造が必要となる。本発明者は、前記EL素子の導波光を積極的に活用できる発光装置の構造、および応用例を考えた。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明が開示する、導波光を発光として積極的に利用できる有機EL素子は、以下に示す図２〜図４のような形態で実施される。なお、図２〜図４における波線塗りつぶし部分は、光反射性の材料を使用している箇所を示す。
【００２５】
図２では、基板層204、透明陽極層203、有機EL膜202、光反射性である陰極層201、および光反射性部材205を積層した有機EL素子を示す。有機EL膜で発生した光は、陰極層201または光反射性部材205により全反射するか、あるいは基板層204と透明陽極層203との界面で全反射することによって、導波光として横方向から取り出すことができる。
【００２６】
図２の場合、基板層204にフレキシブルな材料（プラスチックなど）を用いたときに、光反射性部材205を薄膜化することによりフレキシブルな有機EL素子を作製できる利点がある。
【００２７】
図３では、光反射性基板層304、透明陽極層303、有機EL膜302、および光反射性である陰極層301を積層した有機EL素子を示す。有機EL膜で発生した光は、陰極層301または光反射性基板層304により全反射し、導波光として横方向から取り出すことができる。
【００２８】
図３の構造は図２に比べて一層少ないため、プロセス的に簡便であるという利点がある。しかしながら、光反射性基板層304に使用しうる材料は、光沢のある材料（金属など）であると考えられるため、フレキシブルな基板を用いた素子として作製する場合は図２の方が適当であると思われる。
【００２９】
図４では、基板層404、光反射性陽極層403、有機EL膜402、光反射性である陰極層401を積層した有機EL素子を示す。有機EL膜で発生した光は、陰極層401または光反射性陽極層403により全反射し、導波光として横方向から取り出すことができる。
【００３０】
図４の構造では、図３と同様のプロセスで作製できる上に、図２の利点と同様にフレキシブル素子化も容易である。したがって、有機EL膜402のHOMO準位と光反射性陽極層403の仕事関数との組み合わせに由来する正孔注入性が、適正な組み合わせになるように材料を選択することによって、コスト的、特性的に図２〜図４の中ではもっとも良い素子になる。
【００３１】
次に、本発明で開示された有機EL素子を用いて作製できる発光装置に関して、実施の形態を図５〜図６に例示する。なお、図５〜図６では、図面手前が光を導出する箇所（以下、「光の取り出し口」と記載）になっている。
【００３２】
図５は、方形型の素子である。光の取り出し口を一通りにするためには、方形の四辺のうち三辺を光反射性の部材で覆うことによって達成できる。しかしこの場合、垂直に交わる三辺で周囲を覆われていることが原因で、光の取り出し口から取り出せない光も存在する。したがって、取り出し効率が高いという導波光の利点を半減していると言える。プロセス的には平板を切り出すだけなので、簡便である。
【００３３】
図６は図５の欠点を補うべく、光の取り出し口以外、すなわち光反射性部材で覆う部分の形態を変えたものである。図６(a)は三角形タイプ、図６(b)は半円形タイプである。特に半円形タイプは集光をねらったものであり、より高い輝度を達成できる。
【００３４】
以上に示した有機EL素子、および前記有機EL素子を用いた発光装置を用いることにより、従来よりも高い取り出し効率を達成することができる。したがって、明るく消費電力の少ない発光装置や、前記発光装置を用いた電気器具を作製することができる。
【００３５】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では、発明の実施の形態において図２で示した有機EL素子の構成材料、およびその有機EL素子を用いた発光素子の作製手法を具体的に例示する。図７にその素子構造を示す。
【００３６】
まず、ガラス基板701上に、透明電極である陽極としてITO（インジウム錫酸化物）702をスパッタリングにより成膜する。その上に、正孔輸送層として化学式（１）で表されるα-NPD703を、電子輸送性発光層として化学式（２）で表されるAlq₃704を、抵抗加熱による真空蒸着法で積層して有機EL膜を成膜する。さらに陰極として光を透過しないイッテルビウム（Yb）705を蒸着により成膜し、積層構造の有機EL素子を作製する。
【００３７】
【化１】

【００３８】
【化２】

【００３９】
これとは別に、UV硬化樹脂707をディスペンサーにより塗布したガラスを対向基板706として用意し、前記有機EL素子を積層したガラス基板701と張り合わせたあと、UVを照射して接着させる。最後に陽極側のガラス基板にアルミニウム708をEB蒸着し、光反射性の部材とする。
【００４０】
［実施例２］
本実施例では、実施例１により作製された有機EL素子を、発光装置として用いる手法を具体的に例示する。
【００４１】
図７で作製した素子は、方形あるいは三角形にスクライブすることによって、図８(a)、図８(b)のような平板型素子を切り出すことができる。また、図１３のように半円形の素子は、スクライブするのは困難であるため、あらかじめ基板をそのような形にしておく必要がある。その後、光の取り出し口以外の部分にアルミニウムをEB蒸着することにより、発明の実施の形態で示した図５、図６の発光装置が作製できる。
【００４２】
なお、実施例１、２で用いた光反射性の材料は、少なくとも可視光を反射する材料であればアルミニウム以外でもよく、酸化などの経時劣化が起こらないことが望ましい。
【００４３】
［実施例３］
本実施例では、本発明で開示された発光装置を、照明器具として適用するための構成手法を例示する。
【００４４】
平板型の発光装置を図９のように並べることによって、線状の光源が得られる。並べる量が多数にまたがる場合でも、基板にプラスチックのようにガラスよりも軽量な材質を適用することにより、軽量な照明を提供することができる。
【００４５】
また、プラスチックなどのフレキシブルな基板を用いることによって、曲面形状を有する発光装置を作製することができる。図１４のように、この場合光反射性部材を陽極側に設けず、縦方向の光（従来の面状発光）も放出させることによって、縦方向および横方向（導波光）の光の両方を図中の矢印１の方向に集約することができる。
【００４６】
したがって、曲面形状の基板を含む有機EL素子の利用は、導波光を利用した本発明を実施する際に非常に有効な手段といえる。
【００４７】
［実施例４］
本実施例では、本発明で開示された発光装置を、フラットパネルディスプレイのフロントライトに適用するための構成手法を例示する。ここでは、図１３に示される発光装置を用いた。
【００４８】
平板型の発光装置において横方向の光を取り出すことを考慮し、フラットパネルディスプレイのフロントライトとしては、図１０のようにディスプレイの周囲に平板の発光装置を配置する方法が最適である。この配置により、薄くて軽量であるというフラットパネルディスプレイの利点を生かしつつ、従来の有機EL素子を用いた発光装置よりも明るい光源を実現できる。
【００４９】
［実施例５］
本発明の発光装置は、明るく低消費電力で、軽量であるという利点を有するため、様々な電気器具の光源として有用である。代表的には、液晶表示装置のバックライトもしくはフロントライトとして用いる光源、または照明機器の光源として用いることができる。
【００５０】
本実施例では、本発明の発光装置を光源として用いた電気器具を例示する。その具体例を図１１に示す。なお、本実施例の電気器具に含まれる有機EL素子には、図２〜図４のいずれの構造を用いても良い。また、本実施例の電気器具に含まれる発光装置の形態は、図５〜図６のいずれの形態を用いても良い。
【００５１】
図１１(a)は電気スタンドであり、照明部1101、支持台1102、操作スイッチ1103を含む。本発明の発光装置は、発光部1101に用いることができる。特に図１４で示した発光装置を用いることにより、均一で明るい電気スタンドを提供することができる。また、光反射性の部材で覆われているため、従来とは異なり電気スタンドの笠が必要ないという利点もある。
【００５２】
図１１(b)は室内照明であり、本体1201、発光部1202、支持棒1203、操作スイッチ1204を含む。本発明の発光装置は、発光部1202に用いることができる。従来の蛍光灯などに比べて軽く、損傷した場合でもより安全な照明器具を提供することができる。
【００５３】
図１１(c-1)，(c-2)は、手元や足元など、特定部分のみを照らすための照明であり、本体1301、発光部1302、操作スイッチ1303を含む。本発明における特徴でもある線状発光を活かし、周囲の環境は暗所で、ある一部分だけを照らしたい場合に有効な照明器具である。例えば飛行機内などで、周囲にあまり光が漏れないように手元だけを照らし、本などを読む場合（図１１(c-1)）に有効である。また、例えば劇場・映画館などでは上映中に照明をつけることができないが、本発明を用いて、上映の妨げにならないよう足元だけを照らすことができる（図１１(c-2)）。それにより、上映中に席を立つ場合でも不自由しなくなる。
【００５４】
図１２(ａ)は携帯電話であり、本体1401、音声出力部1402、音声入力部1403、表示部1404、操作スイッチ1405、アンテナ1406を含む。本発明の発光装置は、表示部1404のフロントライトもしくはバックライトとして用いることができる。ここでは、フロントライト1407として用いた。
【００５５】
図１２(ｂ)は音響機器（具体的には車載用オーディオ）であり、本体1501、表示部1502、操作スイッチ1503、1504を含む。本発明の発光装置は、表示部1502のフロントライトもしくはバックライトとして用いることができる。ここでは、フロントライト1505として用いた。また、本実施例では車載用オーディオを例として示すが、家庭用オーディオに用いても良い。
【００５６】
図１２(ｃ)は腕時計であり、ベルト1601、表示部1602、操作スイッチ1603を含む。本発明の発光装置は、表示部1602のフロントライトもしくはバックライトとして用いることができる。ここでは、フロントライト1604として用いた。
【００５７】
【発明の効果】
本発明を実施することにより、光の取り出し効率が従来よりも高い有機EL素子を作製し、明るく消費電力の少ない、軽量な発光装置を得ることができる。また、そのような発光装置を光源として用いることにより、明るく消費電力の少ない、軽量な電気器具を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導波光を表す図。
【図２】有機EL素子の断面構造を示す図。
【図３】有機EL素子の断面構造を示す図。
【図４】有機EL素子の断面構造を示す図。
【図５】発光装置の構成を示す図。
【図６】発光装置の構成を示す図。
【図７】有機EL素子の具体的な断面構造を示す図。
【図８】発光装置の具体的な構成を示す図。
【図９】発光装置を照明器具として用いるための構成を示す図。
【図１０】発光装置をフロントライトとして用いるための構成を示す図。
【図１１】電気器具の具体例を示す図。
【図１２】電気器具の具体例を示す図。
【図１３】発光装置の具体的な構成を示す図。
【図１４】発光装置を照明器具として用いるための構成を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an element (hereinafter referred to as “organic EL element”) in which a thin film (hereinafter referred to as “organic EL film”) made of an organic compound from which electroluminescence (hereinafter referred to as EL) is obtained is sandwiched between electrodes. Description). In particular, the present invention relates to a light emitting device using light that can be extracted from a direction along the interface between an organic EL film and an electrode (hereinafter referred to as “lateral direction”). Note that the light emitting device in this specification refers to a light emitting device using an organic EL element as a light emitting element.
[0002]
[Prior art]
An organic EL element is an element that emits light when an electric field is applied, and has attracted attention as an element used in a next-generation flat panel display because of its characteristics such as light weight, direct current low voltage, and high-speed response. Further, since it is self-luminous and has a wide viewing angle, it is considered to be effective as a self-luminous planar display element including a display screen of a portable device.
[0003]
Furthermore, it is possible to emit white light by introducing a light emitting material exhibiting each of the three primary colors of light (red, green, blue) into one element (Reference 1: J. Kido, C. Ohtaki). , K. Hongawa, K. Okuyama and K. Nagai, "1,2,4-Triazole Derivative as an Electron Transport Layer in Organic Electroluminescent Devices", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 32, pp. L917-L920 (1993 )). In Document 1, by adjusting the thickness of the carrier block layer, both the electron transport layer and the hole transport layer emit light, and white light is extracted. Since white light is possible, it is also considered to be used as a backlight or illumination for a display, taking advantage of its light weight.
[0004]
As the light emission mechanism of the organic EL element, electrons injected from the cathode and holes injected from the anode recombine at the emission center in the organic EL film to form excitons, and the excitons return to the ground state. It is said that it sometimes emits energy and emits light.
[0005]
In addition, the structure of the organic EL element is mainly formed by laminating a transparent electrode (for example, ITO) as an anode, an organic EL film, and a cathode material on a glass substrate or a plastic substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”), It is manufactured by using a technique in which counter substrates are bonded together. Since a material that does not transmit visible light is used for the cathode, photons generated in the organic EL film are extracted through the organic EL film layer, the transparent electrode layer, and the substrate layer, and are used as a light emitting element.
[0006]
Here, the ratio of the number of photons taken out to the outside of the organic EL element with respect to the number of injected carriers (hereinafter referred to as “external quantum efficiency”) is expressed by the following formula (Reference 2: “ “Remaining Important Issues and Strategies for Practical Use of Organic LED Devices”, edited by Organic Electronics Materials Study Group, Bunshin Publishing, p.106-107).
[0007]
[Expression 1]
η _ext = χΦγη _e (1)
[0008]
Each symbol is η _ext : external quantum efficiency, χ: 0.25 if emitted from a singlet excited state. 1 considering light emission from triplet excited state. Φ: Quantum yield (the ratio of generating as photons without nonradiative deactivation in the organic EL film with respect to the number of excitons generated by recombination of carriers, 1 at the maximum). γ: Carrier balance factor (balance of injected electrons and holes, 1 at maximum). η _e : represents the extraction efficiency.
[0009]
χ and Φ are values specific to the organic EL film material used. γ is a factor determined by the device structure of the organic EL element, the type of electrode, and the like. That is, these numerical values approach 1 depending on the selection and combination of the organic EL film material and the electrode material. On the other hand, the extraction efficiency η _e is the ratio of the generated photons that can be extracted to the outside of the device, and is determined due to the different refractive indexes specific to the organic EL film layer, the transparent electrode layer, and the substrate layer.
[0010]
From equation (1), the external quantum efficiency can be increased by increasing any of χ, Φ, γ, and η _e . If the external quantum efficiency is increased, the light emission efficiency is also improved, so that a bright light-emitting device with less power consumption can be manufactured. A high-efficiency light-emitting element using triplet light emission is an example in which χ is increased (Reference 3: T. Tsutsui, M.-J. Yang, M. Yahiro, K. Nakamura, T. Watanabe, T. Tsuji). , Y. Fukuda, T. Wakimoto and S. Miyaguchi, "High Quantum Efficiency in Organic Light-Emitting Devices with Iridium-Complex as a Triplet Emissive Center", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 38, pp. L1502-L1504 ( 1999)).
[0011]
However, at present, it is said that the value of the extraction efficiency η _e is only about 20% in the organic EL device (Reference 4: CF Madigan, M.-H. Lu and JC Sturm, “Improvement of output coupling efficiency of organic light-emitting diodes by backside substrate modification ", Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 13, 1650-1652 (2000)). In other words, in an organic EL element, it indicates that the light that can be extracted in the direction between the anode and the cathode (hereinafter referred to as “longitudinal direction”), that is, the planar light emission generated from the substrate surface is 20% of the total generated light. ing. Therefore, no matter how much the material is devised, the maximum limit of the external quantum efficiency is 20% in the prior art.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an organic EL element having higher light emission efficiency than before by increasing light extraction efficiency. It is another object of the present invention to provide a light-emitting device and an electric appliance that are light and have low power consumption using the organic EL element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The limit of extraction efficiency in an organic EL device is about 20% because the light is going to pass from a material with a high refractive index to a material with a low refractive index. Is. In other words, for example, when ITO is used as the anode, the remaining 80% of the generated light is theoretically totally reflected at the interface between the ITO and the substrate or the interface between the substrate and the outside of the element.
[0014]
Since there is a cathode that does not transmit light on the counter substrate side, the totally reflected light is reflected again by the cathode, and proceeds in the lateral direction of the organic EL element by repeating this (see FIG. 1 (a)). ). Alternatively, as shown in FIG. 1B, there is also light extracted outside the device in the lateral direction before the reflection by the cathode occurs. These lights are called guided light. Since the refractive index of ITO is larger than that of the organic EL film and total reflection does not occur at the interface between the ITO and the organic EL film, the expression of refraction occurring between the ITO and the organic EL film is omitted in FIG. 1 for convenience. It is.
[0015]
Here, since the thickness of the substrate (millimeter to submillimeter order) is much larger than the thickness of the organic EL film (submicron order), α << β in FIG. Therefore, the guided light that is actually extracted outside the device is very much extracted in the path of β, that is, from the substrate portion. Also, more light is extracted from the substrate portion in the pattern of FIG.
[0016]
Thus, considering the difference between the thickness of the substrate and the thickness of the organic EL film, most of the guided light is extracted from the substrate layer in the lateral direction, not from the organic EL film. The guided light traveling through the substrate layer travels at an angle nearly parallel to the substrate surface, that is, because the angle θ in FIG. 1C is small, total reflection does not occur at the end surface of the substrate and is almost completely achieved. Light can be extracted.
[0017]
Therefore, the present inventor paid attention to the guided light emitted from the organic EL element in order to solve the above-mentioned problems. Although it seems that a certain amount of light absorption occurs at the cathode, the present inventor believes that the guided light is finally more efficient than 20% of light that can be extracted from the vertical direction. Yes.
[0018]
Therefore, by using guided light, it becomes possible to produce an organic EL element having higher external quantum efficiency than that of the prior art, that is, higher light emission efficiency. When such an organic EL element is applied, a light-emitting device that is brighter and consumes less power can be manufactured.
[0019]
However, conventionally, attention has not been paid to guided light. This is because planar layers are stacked in the vertical direction in organic EL elements, so that, for example, when used as display pixels, it is structurally thinner to extract vertical light and the process is easier. This is because a flat panel display can be manufactured.
[0020]
Since the pixels of the flat panel display are used as planar display elements, the light in the vertical direction is used as a planar light source. Since guided light is light emitted in the lateral direction, that is, in the direction along the plane of the planar element, there are many process difficulties even if it is used as a planar light source in the conventional manner. Therefore, if waveguide light is used, the utilization method as a planar light source as conventionally considered in an organic EL element is not so appropriate, and a new utilization method must be applied.
[0021]
For these reasons, the present inventor considers that the organic EL film layer has only a thickness of the order of submicron, and the organic EL element using guided light is suitable for use as a line light source or a point light source. I thought.
[0022]
Therefore, in order to use the guided light as linear light or spot light without light leakage, it is emitted from the vertical direction by using a light-reflective substrate or by covering the periphery of the substrate with a light-reflective member. The method used to completely block the light. Thereby, an organic EL element in which the direction in which light is emitted is limited to the lateral direction can be manufactured. In addition, the light reflectivity in this specification refers to the property of reflecting at least visible light, as represented by various metals.
[0023]
Further, since the EL element is difficult to use as a light emitting element of a planar light source, a device structure different from a light emitting device using a conventional planar light source is required. The present inventor has considered a structure of a light emitting device that can actively utilize the guided light of the EL element, and an application example.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The organic EL element disclosed in the present invention that can positively utilize guided light as light emission is implemented in the form as shown in FIGS. In addition, the wavy line part in FIGS. 2-4 shows the location which uses the light-reflective material.
[0025]
FIG. 2 shows an organic EL element in which a substrate layer 204, a transparent anode layer 203, an organic EL film 202, a light reflecting cathode layer 201, and a light reflecting member 205 are laminated. The light generated in the organic EL film is totally reflected by the cathode layer 201 or the light reflecting member 205, or is totally reflected at the interface between the substrate layer 204 and the transparent anode layer 203, and is extracted from the lateral direction as guided light. be able to.
[0026]
In the case of FIG. 2, when a flexible material (such as plastic) is used for the substrate layer 204, there is an advantage that a flexible organic EL element can be manufactured by thinning the light reflective member 205.
[0027]
FIG. 3 shows an organic EL element in which a light reflective substrate layer 304, a transparent anode layer 303, an organic EL film 302, and a light reflective cathode layer 301 are laminated. The light generated in the organic EL film is totally reflected by the cathode layer 301 or the light-reflecting substrate layer 304, and can be extracted from the lateral direction as guided light.
[0028]
Since the structure of FIG. 3 is smaller than that of FIG. 2, there is an advantage that the process is simple. However, since the material that can be used for the light-reflective substrate layer 304 is considered to be a glossy material (metal or the like), FIG. 2 is more suitable when it is manufactured as an element using a flexible substrate. I think that the.
[0029]
FIG. 4 shows an organic EL element in which a substrate layer 404, a light reflective anode layer 403, an organic EL film 402, and a light reflective cathode layer 401 are laminated. The light generated in the organic EL film is totally reflected by the cathode layer 401 or the light-reflecting anode layer 403 and can be extracted from the lateral direction as guided light.
[0030]
The structure of FIG. 4 can be manufactured by the same process as that of FIG. 3 and can be easily formed into a flexible element as the advantage of FIG. Therefore, by selecting materials so that the hole injection property derived from the combination of the HOMO level of the organic EL film 402 and the work function of the light-reflective anode layer 403 is an appropriate combination, the cost and characteristics are improved. Therefore, it is the best element in FIGS.
[0031]
Next, embodiments of a light-emitting device that can be manufactured using the organic EL element disclosed in the present invention are illustrated in FIGS. 5 to 6, the front side of the drawing is a portion from which light is derived (hereinafter referred to as “light extraction port”).
[0032]
FIG. 5 shows a rectangular element. It is possible to achieve a single light extraction port by covering three sides of the four sides of the square with a light-reflective member. However, in this case, there is also light that cannot be extracted from the light extraction port because the periphery is covered with three sides that intersect perpendicularly. Therefore, it can be said that the advantage of guided light that the extraction efficiency is high is halved. In terms of process, it is simple because only a flat plate is cut out.
[0033]
FIG. 6 is a view in which the shape of the portion other than the light outlet, that is, the portion covered with the light reflecting member is changed in order to compensate for the drawback of FIG. 6A is a triangular type, and FIG. 6B is a semicircular type. In particular, the semi-circular type is intended to collect light and can achieve higher luminance.
[0034]
By using the organic EL element described above and a light-emitting device using the organic EL element, it is possible to achieve higher extraction efficiency than before. Therefore, a light-emitting device that is bright and consumes less power, and an electric appliance using the light-emitting device can be manufactured.
[0035]
【Example】
[Example 1]
In this example, a constituent material of the organic EL element shown in FIG. 2 in the embodiment of the invention and a method for manufacturing a light-emitting element using the organic EL element are specifically illustrated. FIG. 7 shows the element structure.
[0036]
First, an ITO (indium tin oxide) 702 film is formed on the glass substrate 701 as an anode as a transparent electrode by sputtering. On top of that, α-NPD703 represented by the chemical formula (1) as the hole transporting layer and Alq ₃ 704 represented by the chemical formula (2) as the electron transporting light emitting layer were laminated by a vacuum evaporation method using resistance heating. An organic EL film is formed. Further, a ytterbium (Yb) 705 film that does not transmit light as a cathode is formed by vapor deposition to produce an organic EL element having a laminated structure.
[0037]
[Chemical 1]

[0038]
[Chemical 2]

[0039]
Separately from this, glass coated with a UV curable resin 707 with a dispenser is prepared as a counter substrate 706, and bonded to the glass substrate 701 on which the organic EL elements are laminated, and then irradiated with UV to be bonded. Finally, aluminum 708 is EB-deposited on the anode-side glass substrate to form a light-reflective member.
[0040]
[Example 2]
In this example, a method of using the organic EL element manufactured in Example 1 as a light emitting device is specifically illustrated.
[0041]
The element produced in FIG. 7 can be cut out into a flat element as shown in FIGS. 8A and 8B by scribing into a square or triangle. Further, since it is difficult to scribe a semicircular element as shown in FIG. 13, it is necessary to make the substrate in such a shape in advance. Thereafter, aluminum is EB-deposited on portions other than the light extraction port, whereby the light-emitting device shown in FIGS. 5 and 6 shown in the embodiment of the invention can be manufactured.
[0042]
The light-reflective material used in Examples 1 and 2 may be other than aluminum as long as it reflects at least visible light, and it is desirable that deterioration with time such as oxidation does not occur.
[0043]
[Example 3]
In this embodiment, a configuration method for applying the light emitting device disclosed in the present invention as a lighting fixture is illustrated.
[0044]
A linear light source can be obtained by arranging the flat light emitting devices as shown in FIG. Even when the amount to be arranged extends over a large number, by applying a material that is lighter than glass, such as plastic, to the substrate, light illumination can be provided.
[0045]
In addition, by using a flexible substrate such as plastic, a light-emitting device having a curved surface shape can be manufactured. As shown in FIG. 14, in this case, the light reflecting member is not provided on the anode side, and the light in the vertical direction (conventional planar light emission) is also emitted, so that both the light in the vertical direction and the horizontal direction (guided light) are They can be collected in the direction of arrow 1 in the figure.
[0046]
Therefore, the use of an organic EL element including a curved substrate can be said to be a very effective means for carrying out the present invention using guided light.
[0047]
[Example 4]
In this embodiment, a configuration method for applying the light-emitting device disclosed in the present invention to a front light of a flat panel display is illustrated. Here, the light emitting device shown in FIG. 13 was used.
[0048]
In consideration of taking out the light in the horizontal direction in the flat light emitting device, as a front light of the flat panel display, a method of arranging a flat light emitting device around the display as shown in FIG. 10 is optimal. With this arrangement, it is possible to realize a light source that is brighter than a light-emitting device using a conventional organic EL element, while taking advantage of a flat panel display that is thin and lightweight.
[0049]
[Example 5]
Since the light-emitting device of the present invention has the advantages of being bright, low power consumption, and lightweight, it is useful as a light source for various electric appliances. Typically, it can be used as a light source used as a backlight or a front light of a liquid crystal display device, or as a light source of a lighting device.
[0050]
In this example, an electric appliance using the light emitting device of the present invention as a light source is illustrated. A specific example is shown in FIG. In addition, you may use any structure of FIGS. 2-4 for the organic EL element contained in the electric appliance of a present Example. Moreover, any form of FIGS. 5-6 may be used for the form of the light-emitting device contained in the electric appliance of a present Example.
[0051]
FIG. 11A shows a desk lamp, which includes an illumination unit 1101, a support base 1102, and an operation switch 1103. The light emitting device of the present invention can be used for the light emitting unit 1101. In particular, by using the light emitting device shown in FIG. 14, a uniform and bright desk lamp can be provided. Further, since it is covered with a light-reflective member, there is an advantage that a table lamp shade is not required unlike the conventional case.
[0052]
FIG. 11B shows indoor lighting, which includes a main body 1201, a light emitting unit 1202, a support rod 1203, and an operation switch 1204. The light emitting device of the present invention can be used for the light emitting unit 1202. A lighter that is lighter than conventional fluorescent lamps and safer even when damaged can be provided.
[0053]
FIGS. 11C-1 and 11C-2 are illuminations for illuminating only a specific part such as a hand or a foot, and include a main body 1301, a light emitting unit 1302, and an operation switch 1303. Utilizing the linear light emission, which is also a feature of the present invention, the surrounding environment is a dark illuminator, and it is an effective lighting device when it is desired to illuminate only a certain part. For example, this is effective when reading a book or the like in an airplane or the like by illuminating only the hand so that light does not leak out to the surroundings (FIG. 11 (c-1)). Further, for example, in theaters and movie theaters, it is impossible to turn on the light during the screening. However, the present invention can be used to illuminate only the feet so as not to disturb the screening (FIG. 11 (c-2)). As a result, even if you stand up during the screening, you will not be inconvenienced.
[0054]
FIG. 12A shows a mobile phone, which includes a main body 1401, an audio output unit 1402, an audio input unit 1403, a display unit 1404, an operation switch 1405, and an antenna 1406. The light emitting device of the present invention can be used as a front light or a backlight of the display portion 1404. Here, the front light 1407 is used.
[0055]
FIG. 12B shows an acoustic device (specifically, an on-vehicle audio), which includes a main body 1501, a display unit 1502, and

operation switches

1503 and 1504. The light-emitting device of the present invention can be used as a front light or a backlight of the display portion 1502. Here, the front light 1505 is used. In the present embodiment, in-vehicle audio is shown as an example, but it may be used for home audio.
[0056]
FIG. 12C shows a wristwatch, which includes a belt 1601, a display portion 1602, and operation switches 1603. The light-emitting device of the present invention can be used as a front light or a backlight of the display portion 1602. Here, the front light 1604 is used.
[0057]
【The invention's effect】
By implementing the present invention, an organic EL element having higher light extraction efficiency than the conventional one can be manufactured, and a light-emitting device that is bright and consumes less power can be obtained. In addition, by using such a light-emitting device as a light source, a light electrical appliance that is bright and has low power consumption can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing guided light.
FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of an organic EL element.
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of an organic EL element.
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of an organic EL element.
FIG 5 illustrates a structure of a light-emitting device.
FIG 6 illustrates a structure of a light-emitting device.
FIG. 7 is a diagram showing a specific cross-sectional structure of an organic EL element.
FIG. 8 illustrates a specific structure of a light-emitting device.
FIG 9 illustrates a structure for using a light-emitting device as a lighting fixture.
FIG. 10 illustrates a configuration for using a light emitting device as a front light.
FIG. 11 is a diagram showing a specific example of an electric appliance.
FIG. 12 is a diagram showing a specific example of an electric appliance.
FIG. 13 illustrates a specific structure of a light-emitting device.
FIG 14 illustrates a structure for using a light-emitting device as a lighting fixture.

Claims

Having a plurality of light emitting devices,
Each of the plurality of light emitting devices is
A substrate layer having a curved shape, and an EL layer formed on the substrate layer ,
The anode layer and cathode layer of the EL layer have light reflectivity,
The light emitted from the light emitting layer of the EL layer emits light using the guided light reflected by the anode layer and the cathode layer,
The lighting apparatus, wherein the plurality of light emitting devices are arranged in an overlapping manner , and the light emitting directions are aligned, and the plurality of light emitting devices serve as a linear light source.

Having a plurality of light emitting devices,
Each of the plurality of light emitting devices is
A substrate layer having a curved shape, and an EL layer formed on the substrate layer ,
The substrate layer and the cathode layer of the EL layer have light reflectivity,
The light emitted from the light emitting layer of the EL layer emits light using the guided light reflected by the substrate layer and the cathode layer,
The lighting apparatus, wherein the plurality of light emitting devices are arranged in an overlapping manner , and the light emitting directions are aligned, and the plurality of light emitting devices serve as a linear light source.

Having a plurality of light emitting devices,
Each of the plurality of light emitting devices is
A substrate layer having a curved shape, an EL layer formed on the surface of the substrate layer, and a light reflective member formed on the back surface of the substrate layer,
The cathode layer of the EL layer has light reflectivity,
The light emitted from the light emitting layer of the EL layer emits light using guided light reflected by the cathode layer and the light reflecting member,
The lighting apparatus, wherein the plurality of light emitting devices are arranged in an overlapping manner , and the light emitting directions are aligned, and the plurality of light emitting devices serve as a linear light source.

In any one of Claim 1 thru | or 3 ,
A lighting device, wherein the substrate layer is made of a flexible material.