JP4769254B2 - 有機エレクトロルミネセント光源 - Google Patents

Description

本発明は、光散乱による改良された光出力を行う密閉された有機エレクトロルミネセント光源に関する。

光を放射するための有機エレクトロルミネセント層（ＥＬ層）を有する、多数の薄膜（層構造）を含むエレクトロルミネセント光源（ＥＬ光源）が知られている。特に有機層は、例えば水分のような大気状態に敏感に反応するので、ＥＬ光源は機構的に密閉され、層構造と密閉装置との間の空間は化学的に不活性な物質で満たされている。通常、ボトムエミッタ（透明基板を通して放射）とトップエミッタ（透明密閉装置を通して放射）とに区別される。トップエミッタの場合、基板は不透明でよい。エレクトロルミネセント光源の一つの問題は、ＥＬ光源からの光の出力の際の損失による、ＥＬ層で発生した光の２０−３０％程度の低い発光効率である。

欧州特許第１４０６４７４号公報には、基板と透明電極との間に配置された、薄膜プロセスによりＥＬ光源の層構造に設けられた追加的な散乱層によって光出力が改良されたエレクトロルミネセント光源が記載されている。この散乱層は、散乱される光の波長と同程度の直径を有する粒子が散乱中心として埋設されたマトリックスからなる。ＥＬ光源の層構造から散乱層への良好な光入力のため、基材は、少なくとも１．５５の屈折率（通常の有機ＥＬ層の屈折率、すなわち１．７の少なくとも９０％に相当）を有しているべきである。散乱層は、塗布技術、例えばスピンコート法、又は印刷技術により、ＥＬ光源の層構造に設けられる。追加的な層プロセスは、手間が掛かり、したがって、製造コストが上昇する。さらに、そのような層は、それらの層特性、例えば粗度や接着特性によって、それが設けられた層構造の特性を乱してはならない。トップエミッタでは、光学的に厚い媒体から光学的に薄い媒体へ遷移する際の出力損失の問題が、現実的に二度発生する（層構造→密閉装置の内側→密閉装置の外側）。このことは、対応する複数の散乱層に対するさらなる製造原価増を引き起こすだろう。

したがって、本発明の目的は、追加的な層プロセスがなく、安価で、出力損失が低減されたトップエミッタ型のエレクトロルミネセント光源を提供することにある。

この目的は、基板と、この基板に設けられ、陽極としての少なくとも１つの電極，少なくとも半透明で基板と反対側に設けられた陰極としての少なくとも１つの電極，これらの間に設けられた少なくとも１つの有機エレクトロルミネセント層，を有する、少なくとも基板と反対側で光を放射するための層構造と、層構造の周辺に閉じた容積空間を形成し、層構造に対して実質的に化学的に不活性で且つ粒子を含む誘電性流体で満たされた少なくとも半透明な密閉装置と、を備え、粒子は、光を散乱するために非吸収性の材料からなり、粒子の密度は、この粒子が誘電性流体内で浮遊状態となるように設定されている、エレクトロルミネセント光源によって達成される。全反射のために密閉装置からＥＬ光源の周囲に出力することができない光の一部は、粒子の光散乱によって、誘電性流体内で密閉装置の方向に偏向され、少なくとも部分的に出力される。したがって、散乱粒子を有する誘電性流体は、エレクトロルミネセント光源からの光出射の安価な改良を意味する。なぜなら、光を散乱させる追加的な層をエレクトロルミネセント光源に設ける必要がなく、エレクトロルミネセント光源を誘電性流体で満たす前に、光散乱粒子を誘電性流体に容易に加えることができるからである。さらに、非吸収性の材料の粒子は、粒子での吸収による光損失を抑制する。

好ましくは、粒子が、少なくとも１つの誘電性流体の密度よりも大きい密度を有する第１の材料と、少なくとも１つの誘電性流体の密度よりも小さな密度を有する第２の材料からなる。これにより、例えば特に有利な散乱特性を有する材料であるが、小さい又は大きい密度のため、それ自体では誘電性流体内での浮遊状態を見込めない材料を使用することができる。第１の材料の密度に応じて選択された密度を有する第２の材料により、粒子全体の密度を、粒子が誘電性流体内で浮遊状態となるようにすることができる。

粒子の製造のため、特に好ましくは、第１及び第２の材料は有機材料である。さらにより好ましくは、光を散乱するために、粒子の第１の材料が粒子の第２の材料によって囲まれている。これにより、粒子の光散乱特性は、粒子の密度と独立して調節することができる。

光を散乱するため、好ましくは、粒子が１０ｎｍと２０００ｎｍの間の直径を有し、及び／又は、粒子が誘電性流体内で５％と６０％の間の容積比率を有し、及び／又は、誘電性流体の屈折率と粒子の屈折率の差の大きさが０．１よりも大きい。

光の散乱のため、特に好ましくは、粒子の屈折率が、１．５よりも大きく、好ましくは２．０よりも大きい。

さらに好ましくは、誘電性流体内の粒子の直径、屈折率及び容積比率が、粒子を含む誘電性流体の屈折率が１．４よりも大きく、また好ましくはＥＬ層構造の屈折率と等しくなるように選択されている。ＥＬ層構造から誘電性流体への出力損失は、これにより回避することができ、密閉装置からの出力損失は、誘電性流体内の粒子での密閉装置の表面の方向への選択的な光散乱により、大幅に減少させることができる。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、以下に記載された実施形態から明らかであり、もしくは以下に記載された実施形態を参照することにより明らかとなるであろう。

図１は、光学的に密な媒体（屈折率＞１）から空気（ｎ＝１）への光の出力効率を示す。在来の透明基板及び／又は密閉装置、例えばＰＭＭＡ又はガラスは、１．５と２．０の間の屈折率を有している。曲線から分かるように、これらの材料を用いると、出力効率を向上させるための追加的な手段がない場合は、対応する出力効率は２６％以下である。出力効率を向上させるため、基板上に設けられた追加的な光散乱層が知られているが、これには、ＥＬ光源の製造の際に、追加的な層プロセスが必要となる。

図２は、いわゆるトップエミッタとしての、すなわち光１０の放射が少なくとも半透明な密閉装置５を通して起こる本発明によるエレクトロルミネセント光源の側面図を示している。さらに、この放射方向のため、基板１は透明でなくてもよい。基板１に設けられているエレクトロルミネセント光源の層構造は、典型的には厚さ約１００ｎｍのエレクトロルミネセント層２（例えば、ドープされたトリス−（８−ヒドロキシキノラト）アルミニウム）を含む有機薄膜スタックを有しており、エレクトロルミネセント層２が、２層の電極３，４（例えば、図１に示すような陽極（アノード）３及び陰極（カソード）４）間に配置されている。トップエミッタで放射方向に設けられている電極（ここでは陰極４）は、少なくとも半透明である。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）が、従来、透明導電材料として用いられる。約１００ｎｍの厚さを有する金属層、例えばアルミニウムが、導電材料として、従来不透明な陽極３に用いられている。それにもかかわらず、光を上方向及び下方向に同時に放射する構成も可能である。この構成では、陽極３及び基板１は、双方が少なくとも半透明な材料からなる。有機ルミネセント層２と陽極３の間には、通常、正孔輸送層としてのさらなる有機層、典型的には厚さ約５０ｎｍのα−ＮＰＤ（Ｎ，Ｎ´−ジ（ナフサレン−２−ｙｌ）−Ｎ，Ｎ´−ジフェニルベンジジン）がある。陰極４と有機ルミネセント層２の間には、従来、低作動機能を有する材料（例えばリチウム，セシウム又はバリウム）の電子注入層（薄膜）９があり、これはルミネセント層への電子の良好な注入に重要である。また、層構造は、原則として、基板に逆の順に設けることができる。エレクトロルミネセント光源の他の実施形態では、さらに追加的な層、例えば、光の出射を改良するためにマイクロキャビティ層を層構造に追加してもよい。層構造は、大気状態、特に水分に非常に敏感に反応するので、エレクトロルミネセント構造は、密閉装置を備えている。トップエミッタでは少なくとも半透明な密閉装置５が、例えば接着接合部７によって層構造に連結され、これにより、閉じた容積空間６が層構造と密閉装置５の間に形成されている。従来、密閉装置５と層構造との距離は、数十μｍから数百μｍの範囲にある。ここに示した密閉装置５は、単なる１つの可能な実施形態である。また、他の実施形態では、密閉装置を異なるように構成することができる。例えば、水分／水の量を低減するために、容積空間６内にゲッターを追加的に配置してもよい。密閉装置内に配置された層構造を電気的に駆動するため、導体トラック８，３は容積空間６外から給電される。層構造を保護するため、容積空間６は、層構造に対して実質的に化学的に不活性な誘電性流体１１で満たされており、誘電性流体は、本発明により、ＥＬ層によって放射された光を散乱するための、浮遊状態にある非吸収性の粒子１２を含んでいる。適切な誘電性流体は、例えば密度１．８８ｇ／ｃｍ³，屈折率１．２９を有する３ＭのＦＣ−４３、又は、密度１．８９ｇ／ｃｍ³から１．９２ｇ／ｃｍ³，屈折率１．３０を有するソルベイ社のフォンブリン（登録商標）のようなフッ素化誘電性流体を含む。誘電性流体の密度と５％未満の差異の密度を有する粒子は、流体内で浮遊状態にあり、これにより、粒子を含んでいる誘電性流体の空間的及び時間的に独立した散乱作用を可能にする。

エレクトロルミネセント光源の層構造、特に有機ＥＬ層は１．６と１．９の間の屈折率を有し、粒子なしの誘電性流体の屈折率は１．３０である。容積空間６内に不活性ガス（ｎ＝１．０）を有するトップエミッタと比較すると、容積空間６内の光学的に薄い媒体（＝誘電性流体）が不活性ガスよりも大きな屈折率を有しているので、ここで出力が改良される。ｎ＝１．３の誘電性流体により、引き続く密閉装置→外部空気（ｎ＝１．０）への遷移の際に全反射が起こる角度よりも大きな角度で時々密閉装置への入射光が、密閉装置に入力する。したがって、密閉装置から外部空気への光の遷移の際の全反射のため、出力損失が起こる。これらの損失は、密閉装置により反射された光を、散乱（又は多重散乱）により密閉装置の方向に戻すように散乱させる誘電性流体内の粒子によって最小化することができる。粒子を有する誘電性流体の屈折率がＥＬ光源の層構造の屈折率と等しいか又はそれよりも大きければ、最小の出力損失が得られる。この好ましい実施形態では、層構造と誘電性流体との間の接合部における出力損失が排除され、外部空気、又は密閉装置との接合部における出力損失が粒子の散乱効果によって最小化される。誘電性流体の屈折率は、誘電性流体内の粒子の容積比率と粒子の屈折率に応じて、２桁ナノメータ程度の直径を有する粒子によって変わり得る。

光を散乱する、特に非吸収性の粒子は、適切な反射性材料又は反射面、及び／又は、誘電性流体の屈折率と少なくとも０．１だけ相違する屈折率を有する適当な材料からなる。光を散乱するのに特に適した粒子材料は、例えばベリリウム（密度１．８５ｇ／ｃｍ³）又はマグネシウム（密度１．７４ｇ／ｃｍ³）のような金属、合金、非焼結ＳｉＮ（密度１．８２ｇ／ｃｍ³）のような酸化又は窒化材料、又はセラミックを含む。異なる密度を有する少なくとも２つの材料からなる粒子は、互いに適切な容積比で誘電性流体の密度と等しい密度を有する粒子を形成し、誘電性流体と大幅に異なる密度を有する光学的に適した第１及び第２の材料を使用することを可能にする。適切な材料は、プラスチック、例えばＰＭＭＡ（密度１．２０ｇ／ｃｍ³）に埋め込まれた、例えばアルミニウム（密度２．７０ｇ／ｃｍ³）のような金属、Ａｌ₂Ｏ₃（密度３．９７ｇ／ｃｍ³）又はＴｉＯ₂（密度４．２６ｇ／ｃｍ³）のような金属酸化物、及び、ＳｉＯ₂（密度２．５０ｇ／ｃｍ³）のような非金属酸化物を含む。

例えば密度１．８８ｇ／ｃｍ³を有するＰＭＭＡとＴｉＯ₂からなる粒子は、それ故に、２２．２％のＴｉＯ₂と７７．８％のＰＭＭＡからなる。ＰＭＭＡは１．４９の屈折率を有し、３ＭのＦＣ−４３（１．２９）及びソルベイ社のフォンブリン（登録商標）（１．３０）のような誘電性流体の屈折率よりも大幅に大きい屈折率を有している。特に２．５−２．７の高い屈折率を有するＴｉＯ₂との組合せで、ＰＭＭＡとＴｉＯ₂の粒子は、１．５より大きい屈折率を有する。ほんの少量のＴｉＯ₂断片をＰＭＭＡに加えると、粒子１２の屈折率は、ＰＭＭＡとＴｉＯ₂の屈折率を量比率に応じて重み付けした屈折率に一致する。密度を調節するためにＰＭＭＡを他の適当な材料に置き換えると、粒子１２は他の屈折率値も可能となる。対応する粒子１２の構造は、図３に示されており、第１の材料１２１の断片は第２の材料１２２に埋設され、したがって第２の材料に囲まれている。このように、粒子の散乱特性は、所与の密度に調節するために必要な材料比と独立して設定することができる。図３に示されるような粒子１２の形状は、単なる一例を構成している。粒子１２は、他の非球状であってもよい。同じことが第２の材料１２２に埋設された第１の材料１２１に適用される。図３に示した粒子以外に、本発明は、第２の材料１２２が第１の材料１２１に埋設された粒子にも適応する。

図４は、本発明により誘電性流体１１で満たされた密閉装置５を示している。密閉装置が層構造に固定される前、密閉装置５は、誘電性流体１１で満たすように、密閉装置の未来の内面（層構造と共に未来の容積空間６を区画する密閉装置の側面）を上方に向けた横置き状態にされる。この状況では、粒子１２を含有する誘電性流体１１で密閉装置５を満たすことは容易である。密閉装置が充填される前、粒子１２は誘電性流体１１に加えられ、適当な混合処理、例えば容器内で流体をかくはん及び／又は回転することにより、誘電性流体内に均一に分布される。粒子の散乱能力、及び層構造，誘電性流体，密閉装置の間の屈折率比に応じて、誘電性流体に対する粒子１２の容積比率は、最適な光出力に対して５％と６０％の間になる。粒子１２の直径は、１０ｎｍと２０００ｎｍの間であることが好ましい。密閉装置５は、例えば注入又はスプレーにより誘電性流体で満たすことができる。エレクトロルミネセント光源の将来の空間配置と独立した光の散乱のためには、容積空間６を誘電性流体でほとんど完全に満たすことが必要である。密閉装置５が充填された後、図２に示されたエレクトロルミネセント光源を完成させるために、基板に設けられた層構造は、横置き状態に保持されたままの密閉装置に連結される。

また、他の実施形態では、密閉装置は、閉鎖可能な開口を備えていてもよい。そのような実施形態では、未充填状態の密閉装置を、層構造に連結し、そして、粒子を含む誘電性流体を開口を通して導入する。容積空間６が完全に満たされると、開口を適当な手段、例えば開口を塞ぐように接着されたシリコン又はシールで閉鎖する。

密閉装置又はエレクトロルミネセント光源を、乾燥大気中又は真空中で充填するのが好ましい。

所与のサイズの粒子は、相応する開始材料、特に合金を適切にすりつぶし、引き続いてろ過することにより生成することができる。第１の材料１２１と第２の材料１２２の小粒子は、粉末状の第１の材料１２１を、適切な溶媒によって溶解した第２の材料１２２、例えばＰＭＭＡに加えることにより、製造することができる。例えばアニソール，クロロベンゼン，塩化メチレン又は酢酸を溶媒として使用することができる。この溶液をノズルを通して吹き飛ばし、これにより、溶媒が溶滴形態に形成された粒子から蒸発し、残された粒子１２を回収する。その結果、第２の材料１２２、例えばＰＭＭＡで覆われた第１の材料１２１の断片が得られる。第１の材料１２１と第２の材料１２２の容積比は、プラスチック溶液の濃度と粉末状材料の量、並びに粉末状粒子のサイズによって調節することができる。結果としての粒子１２のサイズは、ノズルと吹き出し処理によって決定される。また、第２の材料を溶解する代わりに、第１の材料１２１の粉末を、第２の材料１２２の融液に加えてもよい。融液は、均一化され、ノズルから吹き出され、これにより、溶滴形態の粒子が形成され、これが回収され、必要に応じて冷却される。その結果、同様に、第２の材料１２２、例えばＰＭＭＡで覆われた第１の材料１２１が得られる。

図面と詳細な説明を参照して説明した実施形態は、エレクトロルミネセント光源の単なる例示であり、特許請求の範囲をこれらの例に限定するように理解すべきではない。また、特許請求の範囲の保護範囲が同様に及ぶ他の実施形態が、当業者であれば可能であろう。従属項の番号は、請求項の他の組合せが本発明の有利な実施形態を表さないことを意味するものではない。

光学的に密な材料から空気への遷移時における光出力効率を示す図である。 本発明によるトップエミッション型のエレクトロルミネセント光源を示す図である。 複数の材料を含む本発明による粒子の構造を示す図である。 本発明による光散乱粒子を有する誘電性流体で満たされた密閉装置を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ エレクトロルミネセント層
３ 電極（陽極）
４ 電極（陰極）
５ 密閉装置
６ 容積空間
７ 接着接合部
１０ 光
１１ 誘電性流体
１２ 粒子
１２１ 第１の材料
１２２ 第２の材料

Claims (9)

1. エレクトロルミネセント光源であって、
   基板と、
   この基板に設けられ、陽極としての少なくとも１つの電極，少なくとも半透明で前記基板と反対側に設けられた陰極としての少なくとも１つの電極，これらの間に設けられた少なくとも１つの有機エレクトロルミネセント層，を有する、少なくとも前記基板と反対側で光を放射するための層構造と、
   前記層構造の周辺に閉じた容積空間を形成し、前記層構造に対して実質的に化学的に不活性で且つ粒子を含む誘電性流体で満たされた少なくとも半透明な密閉装置と、を備え、
   前記粒子は、光を散乱するために非吸収性の材料からなり、前記粒子の密度は、この粒子が前記誘電性流体内で浮遊状態となるように設定されており、
   各粒子が、少なくとも１つの前記誘電性流体の密度よりも大きい密度を有する第１の材料と、少なくとも１つの前記誘電性流体の密度よりも小さな密度を有する第２の材料から構成されていることを特徴とするエレクトロルミネセント光源。
2. 前記第２の材料はプラスチックであることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロルミネセント光源。
3. 前記粒子の第１の材料は、前記粒子の第２の材料で囲まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエレクトロルミネセント光源。
4. 前記粒子は、１０ｎｍと２０００ｎｍの間の直径を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のエレクトロルミネセント光源。
5. 前記粒子は、前記誘電性流体内で５％と６０％の間の容積比率を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のエレクトロルミネセント光源。
6. 前記誘電性流体の屈折率と前記粒子の屈折率の差の大きさが、０．１よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のエレクトロルミネセント光源。
7. 前記粒子の屈折率が、１．５よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載のエレクトロルミネセント光源。
8. 前記誘電性流体内の前記粒子の直径、屈折率及び容積比率は、前記粒子を含む誘電性流体の屈折率が１．４よりも大きくなるように選択されていることを特徴とする請求項７に記載のエレクトロルミネセント光源。
9. 前記誘電性流体内の前記粒子の直径、屈折率及び容積比率は、前記粒子を含む誘電性流体の屈折率が前記ＥＬ層構造の屈折率と等しくなるように選択されていることを特徴とする請求項７に記載のエレクトロルミネセント光源。

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