JP5013418B2

JP5013418B2 - 有機ｅｌ素子

Info

Publication number: JP5013418B2
Application number: JP2007225993A
Authority: JP
Inventors: 一中野谷; 千波矢安達; 政人守分
Original assignee: Rohm Co Ltd; Kyushu University NUC
Current assignee: Rohm Co Ltd; Kyushu University NUC
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009059584A; US20090091251A1

Description

本発明は、有機ＥＬ素子に関し、より詳しくは、プラズモン共鳴現象を利用したトップエミッション型有機ＥＬ素子に関する。蛍光体を含有する波長変換部を備える半導体発光装置および画像表示装置に関する。

有機ＥＬ素子は、次世代表示デバイスとして活発に研究開発が行なわれており、一部実用化されはじめている。有機ＥＬ素子は、大きく分けてトップエミッション型とボトムエミッション型に分類される。トップエミッション型は、光を基板の反対側から取り出すタイプの有機ＥＬ素子であり、ボトムエミッション型有機ＥＬ素子においては、光は、基板側から取り出される。

トップエミッション型有機ＥＬ素子では、光を基板の反対側から取り出すために、通常、基板側の電極を反射電極とし、基板とは反対側の電極を透明電極とする（たとえば、特許文献１）。一方、ボトムエミッション型有機ＥＬ素子では、光を基板側から取り出すために、通常、基板側の電極を透明電極とし、基板とは反対側の電極を反射電極とする。ボトムエミッション型有機ＥＬ素子における、基板とは反対側の電極（陰極）としては、通常金属からなる不透明電極が用いられる。

したがって、ボトムエミッション型有機ＥＬ素子においては、陰極に不透明な金属を用いるため、陰極側から光を取り出すことは困難であると考えられてきた。

ところで、非特許文献１には、金属薄膜表面の表面プラズモンを介して、有機色素分子間でエネルギー移動が生じることが記載されている。

特開２００６−４７２１号公報Ｐ．ＡｎｄｒｅｗａｎｄＷ．Ｌ．Ｂａｒｎｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ３０６，１００２（２００４）

本発明の目的は、金属からなる陰極を用いた有機ＥＬ素子であって、陰極側から発光が取り出される有機ＥＬ素子を提供することである。

本発明は、基板と、陽極層と、第１の有機発光材料を含有する第１有機層と、金属からなる陰極層と、前記第１の有機発光材料からの発光の少なくとも一部を吸収することにより発光し得る第２の有機発光材料を含有する第２有機層と、をこの順で含む有機ＥＬ素子を提供する。

ここで、陰極層は、Ａｇからなる層を含むことが好ましく、Ｃａ、ＭｇＡｕまたはＭｇＡｇからなる層と、Ａｇからなる層との積層構造を有していてもよい。陰極層の厚さは、４０〜１２０ｎｍであることが好ましい。

陽極層は、透明電極からなってもよいし、あるいは反射電極からなってもよい。本発明の有機ＥＬ素子において、第２有機層側から取り出される光のピーク波長は、基板側から取り出される光のピーク波長以上である。

本発明によれば、金属からなる陰極側から発光が取り出される、画期的なトップエミッション型有機ＥＬ素子が提供される。

以下、本発明について詳細に説明する。図１は、本発明の有機ＥＬ素子の好ましい一例を示す概略断面図である。図１に示す有機ＥＬ素子は、基板１０１、陽極層１０２、正孔輸送層１０３、発光・電子輸送層である第１有機層１０４、陰極層１０５および第２有機層１０６をこの順に積層させてなる。すなわち、本発明の有機ＥＬ素子は、第１有機層と第２有機層とにより陰極層を挟持する構造を含む。

発光・電子輸送層である第１有機層１０４は、第１の有機発光材料を含有する。また、第２有機層１０６は、第１の有機発光材料からの発光の少なくとも一部を吸収することにより発光し得る第２の有機発光材料を含有する。本発明では、当該第１の有機発光材料（ドナー）から第２の有機発光材料（アクセプター）へ、陰極層１０５表面の表面プラズモンを介して長距離エネルギー移動が生じることにより、第２有機層１０６からの発光が観測される。ここで、表面プラズモンを介したエネルギー移動は、フェルスター型エネルギー移動の臨界距離を越える場合にも起こるため、陰極層１０５の厚さは、当該フェルスター移動距離以上とすることができる。以下、各層について詳細に説明する。

第１有機層１０４に用いられる第１の有機発光材料（ドナー）は、有機ＥＬ素子に用いられる従来公知の有機発光材料であってよい。このような有機発光材料としては、たとえば、トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（以下、Ａｌｑ₃ということがある。）、４，４’−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル（ＤＰＶＢｉ）、４，４’−ビス［２，｛４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニル｝ビニル］ビフェニル（ＤＰＡＶＢｉ）、Ｉｒ（ｐｐｙ）₃、ＣＢＰなどを挙げることができる。第１有機層１０４の層厚は特に制限されず、有機ＥＬ素子において通常採用され得る層厚（たとえば１０〜１００ｎｍ程度、好ましくは１０〜５０ｎｍ程度）を採用することができるが、当該第１有機層の層厚が第２有機層からの発光の強度に影響を及ぼすことがある。したがって、第１有機層の層厚は、第２有機層からの発光（陰極層側からの発光）の強度が大きくなるように、第１および第２の有機発光材料の種類等に応じて調整することが好ましい。

また、該第１の有機発光材料が発する光の少なくとも一部を吸収して発光し得る第２の有機発光材料（アクセプター）としては、たとえば、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（以下、ＤＣＭということがある。）、ローダミン６Ｇ、ＤＣＭ２、ＤＣＪＴＢ、Ｂｔｐ₂Ｉｒ（ａｃａｃ）、ＰＱ₂Ｉｒ（ａｃａｃ）などが例示される。第２有機層１０６の層厚は特に制限されず、たとえば１０〜１００ｎｍ程度とすることができる。なお、第１有機層および第２有機層において、第１および第２の有機発光材料は、それぞれホスト材料中に含有されるドーパントとして存在していてもよい。

陰極層１０５には、該陰極層表面に局在する表面プラズモンと第１有機層１０４から発せられる光とのカップリングにより、表面プラズモン共鳴が生じ得る金属が用いられる。このような金属としては、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなどを挙げることができる。陰極層１０５は、ＡｇまたはＡｕなどからなる層のみから構成されていてもよいし、異なる金属を用いた２層以上の積層構造からなっていてもよい。積層構造の具体例としては、Ｃａ層／Ａｇ層、ＭｇＡｇ層／Ａｇ層、ＭｇＡｕ層／Ａｇ層、ＬｉＦ層／Ａｇ層などを挙げることができる。これら例示された積層構造において、Ｃａ層、ＭｇＡｇ層等の第１有機層１０４とＡｇ層との間に設けられる層は、第１有機層１０４と陰極層１０５との界面における表面形状（表面粗さ等）を変化させ、これにより第２有機層１０６からの発光の強度を向上させ得る。

陰極層１０５の層厚は、特に制限されないが、５〜２００ｎｍ程度とすることができる。陰極層１０５の層厚は、第２有機層１０６からの発光の強度に影響を及ぼす。したがって、該発光強度の観点からは、陰極層１０５の層厚は、４０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、陽極層１０２と陰極層１０５との間には、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層等が別途設けられてもよい。また、上記実施形態においては、第１有機層が発光・電子輸送層である例を示したが、発光層と電子輸送層とは別の層であってもよく、この場合、第１有機層とは、発光層を示す。

陽極層１０２は、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（インジウム−亜鉛酸化物）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等の透明電極とすることができる。層厚は特に限定されないが、たとえば３０〜１５０ｎｍ程度である。陽極層を透明電極とすることにより、基板側と第２有機層側との両方から光が取り出される有機ＥＬ素子を得ることができる。一方、陽極層１０２を、たとえばＡｌ、Ａｇ、ＭｇＡｕ等の不透明金属からなる電極とした場合には、第２有機層側のみから発光する有機ＥＬ素子を得ることが可能である。あるいは、陽極層を透明電極とし、陽極層と基板との間に金属からなる反射層を設けることによっても、第２有機層側のみから発光する有機ＥＬ素子を得ることが可能である。

基板１０１としては、特に限定されず、ガラス基板、プラスチック基板等の透明基板、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体多層基板等の不透明基板を用いることができる。陽極側からも光を取り出す場合には、透明基板が用いられる。

本発明の有機ＥＬ素子によれば、陽極層に透明電極を用いることにより、第１有機層からの発光を陽極層側（基板側）から取り出すことができるとともに、表面プラズモンを介したエネルギー移動により、第２有機層側（陰極側）からも光が取り出される。第２有機層からの発光のピーク波長は、陽極側から取り出される第１有機層からの発光ピーク波長と同じか、またはそれより長い。すなわち、本発明の有機ＥＬ素子によれば、陽極側から取り出される光とは異なる波長の光を陰極側から取り出すことができる。また、従来、金属からなる陰極を用いたボトムエミッション型有機ＥＬ素子においては、陰極での光吸収やプラズモン吸収による光損失が問題となっていたが、本発明の有機ＥＬ素子では、陰極に吸収されていた光の少なくとも一部が第２有機層からの発光に寄与することとなるため、第１有機層からの光をより有効に利用することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
ＩＴＯ電極（層厚１１０ｎｍ）が製膜されたガラス基板上に、真空蒸着法により、正孔輸送層としてのα−ＮＰＤ（４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル）を５０ｎｍ、発光・電子輸送層（第１有機層）としてのＡｌｑ₃を３０ｎｍ蒸着し、その後、陰極層としてのＡｇ電極８０ｎｍを製膜した。ついで、第２有機層として、１ｍｏｌ％−ＤＣＭ／Ａｌｑ₃層を８０ｎｍ蒸着し、図１に示される構造を有する有機ＥＬ素子を作製した。図２に、Ａｌｑ₃の発光スペクトル、ＤＣＭの発光スペクトルおよびＤＣＭの吸収スペクトルを示す（強度は規格化されている）。

図３は、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²における陽極側および陰極側からの発光のＥＬスペクトルを示す。ＥＬ強度は、最大値が１となるようにそれぞれ規格化されている。図３に示されるように、陽極側からはＡｌｑ₃のみの発光（ピーク波長５２０ｎｍ）が観測され、一方、陰極側からはＤＣＭからの発光（ピーク波長６１０ｎｍ）が観測された。

＜実施例２＞
陰極層（Ａｇ層）の層厚を、４０、６０、６５、７０、９０、１００、１２０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製し、陰極側（第２有機層側）からの発光のＥＬスペクトルを測定した（電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²）。結果を図４に示す（各ＥＬスペクトルは５２０ｎｍで規格化されている）。また図５は、陰極層の厚さと、陰極側からの発光におけるＡｌｑ₃からの発光の強度に対するＤＣＭからの発光の強度の比との関係を示す図である。図４および５に示されるように、ＤＣＭからの発光は、陰極層の厚さが８０〜９０ｎｍのときに最大となることがわかる。

＜実施例３＞
発光・電子輸送層（第１有機層）の層厚を、２０、５０、６０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製し、陰極側（第２有機層側）からの発光のＥＬスペクトルを測定した（電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²）。結果を図６に示す（各ＥＬスペクトルは５２０ｎｍで規格化されている）。図６に示されるように、ＤＣＭからの発光は、Ａｌｑ₃層の厚さが３０ｎｍのときに最大となることがわかる。

＜実施例４＞
陰極層を、それぞれＣａ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）、ＭｇＡｇ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）、ＭｇＡｕ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）、ＬｉＦ（０．５ｎｍ）／Ａｌ（８０ｎｍ）およびＭｇＡｇ（５ｎｍ）／ＩＺＯ（４０ｎｍ）の積層構造としたこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製し、陰極側（第２有機層側）からの発光のＥＬスペクトルを測定した（電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²）。結果を図７に示す（各ＥＬスペクトルは５２０ｎｍで規格化されている）。図７に示されるように、Ｃａ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）およびＭｇＡｇ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）からなる陰極層を用いた場合には、実施例１におけるＡｇ単層（８０ｎｍ）の場合と比較して、陰極側からの発光のＥＬ強度が増大することがわかった。Ｃａ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）およびＭｇＡｇ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）からなる陰極層を用いた有機ＥＬ素子における、陰極側から観測される最大外部量子効率は、それぞれおよそ０．０５％、０．０２％であった。また、陰極層をＬｉＦ／ＡｌやＭｇＡｇ／ＩＺＯとした場合には、ＤＣＭからの発光は弱く、Ａｇが表面プラズモンを介した長距離エネルギー移動に対して有用な金属であることがわかる。Ｃａ／ＡｇおよびＭｇＡｇ／Ａｇからなる陰極層を用いた場合に、陰極側からの発光のＥＬ強度が向上するのは、発光・電子輸送層（Ａｌｑ₃層）−陰極層界面における、表面凹凸周期が大きくなるが、これにより、表面プラズモン共鳴が促進されたことが一因であると考えられる。

＜実施例５＞
陰極層をＭｇＡｇ（５ｎｍ）／Ａｇ（７５ｎｍ）とし、陽極層をＡｌ（８０ｎｍ）／ＭｏＯ₃（１０ｎｍ）（基板側がＡｌ層である）とし、基板をＳｉ／ＳｉＯ₂基板としたこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製し、陰極側（第２有機層側）からの発光のＥＬスペクトルを測定した（電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²）。結果を図８に示す。比較のため、第２有機層を有しない有機ＥＬ素子における陰極側からの発光のＥＬスペクトルをともに示す。図８に示されるように、第２有機層を有する有機ＥＬ素子においては、弱いながらもＤＣＭからの発光が観測されている。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の有機ＥＬ素子の好ましい一例を示す概略断面図である。Ａｌｑ₃の発光スペクトル、ＤＣＭの発光スペクトルおよびＤＣＭの吸収スペクトルである。実施例１の有機ＥＬ素子における陽極側および陰極側からの発光のＥＬスペクトルである。陰極層の厚さを変化させたときの陰極側からの発光のＥＬスペクトルの変化を示す図である。陰極層の厚さと、陰極側からの発光におけるＡｌｑ₃からの発光の強度に対するＤＣＭからの発光の強度の比との関係を示す図である。発光・電子輸送層の厚さを変化させたときの陰極側からの発光のＥＬスペクトルの変化を示す図である。陰極層の種類を変化させたときの陰極側からの発光のＥＬスペクトルの変化を示す図である。実施例５の有機ＥＬ素子における、陰極側からの発光のＥＬスペクトルである。

符号の説明

１０１基板、１０２陽極層、１０３正孔輸送層、１０４第１有機層、１０５陰極層、１０６第２有機層。

Claims

基板と、
陽極層と、
第１の有機発光材料を含有する第１有機層と、
Ａｇからなる層を含む、金属からなる陰極層と、
前記第１の有機発光材料からの発光の少なくとも一部を吸収することにより発光し得る第２の有機発光材料を含有し、前記陰極層の表面に直接積層される第２有機層と、
をこの順で含み、
前記陰極層の厚さは８０〜９０ｎｍであり、
前記第１の有機発光材料から前記第２の有機発光材料への、前記陰極層表面の表面プラズモンに基づくエネルギー移動により前記第２の有機発光材料が発光する有機ＥＬ素子。
前記陰極層は、前記Ａｇからなる層の第１有機層側表面に積層されるＣａまたはＭｇＡｇからなる層をさらに含む積層構造を有する請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
前記陽極層は、透明電極からなる請求項１または２に記載の有機ＥＬ素子。
前記陽極層は、反射電極からなる請求項１または２に記載の有機ＥＬ素子。
前記第２有機層側から取り出される光のピーク波長は、前記基板側から取り出される光のピーク波長以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。