JP4916102B2 - 有機el素子 - Google Patents
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Description
この技術は、発光層より幅の広いバンドギャップの材料、すなわち吸収スペクトルが短波長の材料を励起子ブロッキング層として用いる必要がある。高分子型有機EL素子で、実際に、この技術をフルカラー化において赤、青、緑の発光素子に効果的に用いる場合、緑色発光素子や赤色発光素子では、緑色発光材料、赤色発光材料よりバンドギャップの広い材料は多くあることから充分に適用することができるが、青色発光素子の場合、青色発光材料よりバンドギャップが広く、かつ、正孔を効率良く陽極側から発光層に流す材料は、非常に少ない。これは、一般的に、バンドギャップの広い材料は、絶縁物であるためである。励起子ブロッキング層が絶縁物に近くなると、電流が流れにくくなり、高分子型有機EL素子の性能を低下させることになる。
これら従来の正孔注入層を有する有機EL素子においては、発光層で生成された励起エネルギーによる正孔注入層の劣化を防止して素子寿命を向上するために、励起エネルギーが発光層と陽極との間にある正孔注入層に到達することを防止するに際し、電流が流れにくくならないようにして正孔注入層の劣化防止をすることができる構成とするための工夫の余地があった。
「オーガニック・エレクトロニクス(Organic Electronics)」、(米国)、エルセビアーサイエンス(Elsevier Science)、2002年、第3巻、p.111−118 「ジャーナル オブ ザ ソサイアティ フォア インフォメーション ディスプレイ(Journal of the Society for Information Display)」、(米国)、ソサイアティ フォア インフォメーション ディスプレイ(Society for Information Display, SID)、2004年、p.1517
そして、正孔注入層と発光層との間に、発光層のバンドギャップより狭い材料からなる正孔輸送層を挿入することで、発光層で生成された励起エネルギー(励起子)が、正孔注入層へ移動する前に、正孔輸送層でクエンチング(補足され)されることで、発光層で生成された励起エネルギー(励起子)により、正孔注入層として用いられるPEDOT−PSS等が分解することに伴う、有機EL素子の劣化の原因を防止でき、寿命を向上させることが可能となり、また発光層よりバンドギャップの広い励起子防止層を挿入する場合と比較して電流が流れにくくならないことを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
|Eg(HTL)|<|Eg(EML)| (1)
また上記有機エレクトロルミネッセンス素子は、正孔注入層のバンドギャップエネルギー(Eg(HIL))と発光層のバンドギャップエネルギー(Eg(EML))とが下記関係式(2)を満たすことにより、励起エネルギーの正孔注入層への到達防止がより充分に行われることになる。
|Eg(HIL)|<|Eg(EML)| (2)
また上記正孔輸送層のバンドギャップエネルギー(Eg(HTL))は、2.0eV以下であることが好ましい。これにより、R(赤),G(緑),B(青)それぞれの画素の色に対する正孔輸送層を共通化できるという利点を有することになる。
|Ea(HTL)|<|Ea(EML)| (3)
|Ea(HIL)|<|Ea(EML)| (4)
また本発明においては、上記(1)又は(2)のバンドギャップエネルギーに関する特性を満たしたうえで、上記(3)又は(4)の電子親和力に関する特性を満たすこともでき、これらの形態を組み合わせることが可能である。
本発明の有機EL素子、表示装置及び照明装置の構成としては、上述した特徴を必須としてこれらの装置が通常有する構成要素を備えたものであればよく、その他の構成において特に限定されるものではない。
本発明の高分子有機EL素子;陽極/正孔注入層/本発明の正孔輸送層/発光層/陰極
従来技術による高分子型有機EL素子1;陽極/正孔注入層/発光層/陰極
従来技術による高分子型有機EL素子2;陽極/正孔注入層/励起子ブロッキング層/発光層/陰極
これらの高分子有機EL素子は、基板上に上記に示される順に各層が積層された構造を有するものである。なお、本実施形態においては、上述した以外に発光層と陰極との間に電子輸送層や電子注入層を有する素子構成としてもよい。更に、表示装置とするために偏光板を備えた構成としてもよく、また水分や酸素の影響を遮断するために封止膜、封止基板により各層を封止した構成としてもよい。
以下に、本実施形態に適用可能である(1)基板、(2)電極、(3)発光層、(4)電荷注入層、(5)電荷輸送層、(6)偏光板、(7)封止膜、封止基板の構成について説明し、実施例と比較例を示す。
本実施形態に用いることができる基板としては、通常では絶縁性基板が用いられ、例えば、ガラス、石英等の無機材料、ポリエチレンテレフタレート等のプラスティック材料、アルミナ等のセラミックス等の材料からなる基板;アルミニウム、鉄等の金属基板にSiO2、有機絶縁材料等の絶縁物をコートした基板;アルミニウム等の金属基板の表面を陽極酸化等の方法で絶縁化処理を施した基板等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
基板構成としては、基板上には、薄膜トランジスタ等のスイッチング素子が形成されていてもよい。なお、低温プロセスで形成したポリシリコンTFTを用いた薄膜トランジスタを形成するためには、500℃以下の温度で融解せず、かつ、歪みが生じない基板を用いることが好適である。また、高温プロセスで形成したポリシリコンTFTを用いた薄膜トランジスタを形成するためには、1000℃以下の温度で融解せず、かつ、歪みが生じない基板を用いることが好ましい。
本実施形態の電極としては、通常有機EL素子に使用できる電極材料を用いればよいが、特に限定されるものではない。陽極としては、効率よく正孔(ホール)を有機層に注入する目的で、仕事関数が高い金属(Au、Pt、Ni等)、又は、発光を外部に取り出す目的では、透明電極(ITO、IDIXO、SnO2等)を用いることが好ましい。陰極としては、効率よく電子を有機層に注入する目的で、仕事関数の低い金属と安定な金属とを積層した電極(Ca/Al、Ce/Al、Cs/Al、Ba/Al等)、仕事関数の低い金属を少なくとも含有するもの(Ca:Al合金、Mg:Ag合金、Li:Al合金等)、薄膜の絶縁層と金属電極を組み合わせたもの(LiF/Al、LiF/Ca/Al、BaF2/Ba/Al等)、又は、発光を外部に取り出す目的では、透明電極中に仕事関数の低い金属を含有したもの(ITO:Cs、IDIXO:Cs、SnO2:Cs等)、透明電極と仕事関数の低い金属を積層したもの(Ba/ITO、Ca/IDIXO、Ba/SnO2等)が好ましい。これらの材料は、蒸着法、EB法、MBE法、スパッタ法等のドライプロセス、又は、スピンコート法、印刷法、インクジェット法等のウエットプロセスを用いることが可能であるが、これも特に限定されるものではない。
本実施形態の発光層(有機発光層)は、発光材料を用いて成膜することにより形成することが可能であり、1層であってもよいし、多層構造であってもよく、特に限定されるものではない。
上記有機発光層は、1種類の発光材料をドライプロセスにより成膜しても、複数の発光材料をドライプロセスにより成膜してもよい。また、発光アシスト剤、正孔輸送材料、添加剤(ドナー、アクセプター等)、発光性のドーパント等が含有されていてもよい。
また上記有機発光層は、発光層形成用塗液からウエットプロセスにより成膜してもよい。発光層形成用塗液は、少なくとも発光材料を含有した溶液であり、1種類又は多種類の発光材料を含有していてもよく、結着用の樹脂や、その他に、レベリング剤、発光アシスト剤、正孔注入輸送材料、添加剤(ドナー、アクセプター等)、発光性のドーパント等が含有されていてもよい。
上記溶剤としては、発光材料を溶解又は分散できる溶剤であればよく、例えば、純水、メタノール、エタノール、THF、クロロホルム、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン等が挙げられる。成膜法として、インクジェット法等を用いる場合には、150℃以上の高沸点をもつ高沸点溶剤を含有させることが好ましい。
上記有機発光層の膜厚としては、通常では5Å〜1μmであり、好ましくは10nm〜200nmである。有機発光層の膜厚が10nm未満であると、ピンホールが発生するおそれがあり、200nmを超えると、素子の抵抗が増加し、高い駆動電圧が必要となるおそれがある。
本実施形態で用いることができる電荷注入層は、通常有機EL素子に使用できる電荷注入材料を用いて成膜することにより形成することが可能であり、1層であってもよいし、多層構造であってもよく、特に限定されるものではない。電荷注入層としては、正孔(ホール)注入層、電子注入層等が挙げられる。このような電荷注入層は、少なくも電荷注入材料をドライプロセスにより成膜することができる。
また電荷注入層形成用塗液からウエットプロセスにより成膜してもよい。電荷注入層形成用塗液は、少なくとも電荷注入材料を含有した溶液であり、1種類又は多種類の注入材料を含有していてもよく、結着用の樹脂や、その他にレベリング剤、添加剤(ドナー、アクセプター等)等が含有されていてもよい。
上記溶剤としては、正孔注入材料を溶解又は分散できる溶剤であればよく、例えば、純水、メタノール、エタノール、THF、クロロホルム、キシレン、トリメチルベンゼン等が挙げられる。
上記電荷注入層の膜厚としては、通常では5Å〜1μmであり、好ましくは10nm〜200nmである。電荷注入層の膜厚が10nm未満であると、ピンホールが発生するおそれがあり、200nmを超えると、素子の抵抗が増加し、高い駆動電圧が必要となるおそれがある。
本実施形態で用いることができる電荷輸送層は、通常有機EL素子に使用できる電荷輸送材料を用いて成膜することにより形成することが可能であり、1層であってもよいし、多層構造であってもよく、特に限定されるものではない。電荷輸送層としては、正孔(ホール)輸送層、電子輸送層等が挙げられる。このような電荷輸送層は、少なくも電荷輸送材料をドライプロセスにより成膜することができる。
また電荷輸送層形成用塗液からウエットプロセスにより成膜してもよい。電荷輸送層形成用塗液は、少なくとも電荷輸送材料を含有した溶液であり、1種類又は多種類の輸送材料を含有していてもよく、他の高分子材料や結着用の樹脂、その他に、レベリング剤、添加剤(ドナー、アクセプター等)等が含有されていてもよい。
上記電子輸送層を形成する電子輸送材料としては、例えば、3−(4−ビフェニル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)1,2,4−トリアゾールに代表されるアゾール誘導体、1,3−ビス{[4−(4−ジフェニルアミノ)]フェニル−1,3,4−オキサジアゾール−2−イル}ベンゼンに代表されるオキサジアゾール誘導体が挙げられる。
上記高分子材料としては、例えば、ポリカルバゾール、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)及びその誘導体、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)及びその誘導体、ポリカーボネート、ポリシロキサン、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、ポリ塩化ビニル等のビニル系重合体、ポリエーテルスルホン等が挙げられる。
本実施形態で用いることができる偏光板としては、通常用いられる直線偏向板と1/4λ板を組み合わせたものが好適である。これにより、コントラストを向上させることが可能である。
本実施形態で用いることができる封止膜又は封止基板としては特に限定されるものではなく、通常、有機EL素子において封止に用いられる材料、封止方法を用いることが可能であり、例えば、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスをガラス、金属等で封止する方法、更に、不活性ガス中に酸化バリウム等の吸湿剤等を混入する方法をとることができる。また、対向電極上に樹脂を直接スピンコート、又は、貼り合わせて封止膜としてもよい。これにより、外部からの酸素、水分が素子内に混入するのを防止することが可能となり、寿命の向上に有効である。
また本実施形態の有機EL素子から発光光源としての各種照明装置を形成することができる。
発光光源としては、例えば、家庭用照明、車内照明、時計や液晶用のバックライト、看板広告、信号機、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源等が挙げられる。
このように、本実施形態の有機EL素子は、各種情報端末等の表示装置として、また各種照明装置として好適なものである。
実施例1の有機ELデバイスは、25×25mm角のガラス基板上に、陽極としてITO電極が190nm成膜された上に、スピンコーターにより正孔注入材料(PEDOT−PSS)を用いて形成された正孔注入層、その上にスピンコーターにより正孔輸送材料(ポリフルオレン誘導体:バンドギャップ=2.0eV)を用いて形成された正孔輸送層(励起子クエンチング層、厚さ:20nm)、その上にスピンコーターにより高分子発光材料(緑色発光ポリフルオレン誘導体:バンドギャップ=2.6eV)を用いて形成された発光層(厚さ:80nm)、陰極としてカルシウム(膜厚10nm)、アルミニウム(膜厚300nm)が順次積層された構造を有している。
図1では、実施例1の有機ELデバイスにおけるバンドギャップに関するエネルギーダイヤグラムが概念的に示されている。図中の左方向の矢印は、励起エネルギーが正孔注入層に到達することが妨げられていることを概念的に示したものである。
比較例1の有機ELデバイスは、25×25mm角のガラス基板上に、陽極としてITO電極が190nm成膜された上に、スピンコーターにより正孔注入材料(PEDOT−PSS:バンドギャップ=1.6eV)を用いて形成された正孔注入層、その上にスピンコーターにより青色高分子発光材料(緑色発光ポリフルオレン誘導体:バンドギャップ=2.6eV)を用いて形成された発光層(厚さ:80nm)、陰極としてカルシウム(膜厚10nm)、アルミニウム(膜厚300nm)が順次積層された構造を有している。
図2では、比較例1の有機ELデバイスにおけるバンドギャップに関するエネルギーダイヤグラムが概念的に示されている。図中の左方向の矢印は、励起エネルギーが正孔注入層に到達してしまうことを概念的に示したものである。
比較例2の有機ELデバイスは、25×25mm角のガラス基板上に、陽極としてITO電極が190nm成膜された上に、スピンコーターにより正孔注入材料(PEDOT−PSS)を用いて形成された正孔注入層、その上にスピンコーターによりバンドギャップの広い高分子材料(ポリフルオレン誘導体:バンドギャップ=2.9eV)を用いて形成された励起子ブロッキング層(厚さ:80nm)とし、緑色高分子発光材料(緑色発光ポリフルオレン誘導体:バンドギャップ=2.6eV)を用いて形成された発光層(厚さ:80nm)、陰極としてカルシウム(膜厚10nm)、アルミニウム(膜厚300nm)が順次積層された構造を有している。
図4には、実施例1の輝度半減寿命が比較例1及び2に比べて向上されることが示されている。また、図5には、比較例2と実施例1を比較して、比較例2では、広いバンドギャップを持つ材料を用いているため、電流が流れにくいことが示されている。一般に、バンドギャップが広い材料は、絶縁物に近くなるので、電流が流れにくくなる。
実施例2の有機ELデバイスは、25×25mm角のガラス基板上に、陽極としてITO電極が190nm成膜された上に、スピンコーターにより正孔注入材料(PEDOT−PSS:電子親和力=3.3eV)を用いて形成された正孔注入層、その上にスピンコーターにより正孔輸送材料(銅フタロシアニン:電子親和力=3.1eV)を用いて形成された正孔輸送層(厚さ:20nm)、その上にスピンコーターにより高分子発光材料(青色発光ポリフルオレン誘導体:電子親和力=2.7eV)を用いて形成された発光層(厚さ:80nm)、陰極としてカルシウム(膜厚10nm)、アルミニウム(膜厚300nm)6が順次積層された構造を有している。
実施例2の有機ELデバイスは、正孔輸送層の電子親和力(Ea(HTL))と発光層の電子親和力(Ea(EML))との関係式|Ea(HTL)|<|Ea(EML)| を満足するとともに、正孔注入層の電子親和力(Ea(HIL))と発光層の電子親和力(Ea(EML))との関係式|Ea(HIL)|<|Ea(EML)| を満たすものである。
Claims (3)
- 陽極、正孔注入層、発光層及び陰極がこの順に積層された構造を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
該有機エレクトロルミネッセンス素子は、正孔注入層と発光層との間に正孔輸送層を有するものであり、かつ、正孔輸送層のバンドギャップエネルギー(Eg(HTL))と発光層のバンドギャップエネルギー(Eg(EML))とが下記関係式(1)を満たし、かつ正孔注入層のバンドギャップエネルギー(Eg(HIL))と発光層のバンドギャップエネルギー(Eg(EML))とが下記関係式(2)を満たし、
該正孔注入層の材料は、3,4−ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンサルフォネイトであり、
該正孔輸送層を形成する正孔輸送材料は、ポリフルオレン誘導体であり、
該発光層の材料は、発光ポリフルオレン誘導体である
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
|Eg(HTL)|<|Eg(EML)| (1)
|Eg(HIL)|<|Eg(EML)| (2) - 請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備えることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
- 請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備えることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス照明装置。
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