JP5131717B2 - 光学共振効果を利用した有機電界発光素子 - Google Patents

光学共振効果を利用した有機電界発光素子 Download PDF

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Description

本発明は有機電界発光素子に係り、より詳細には光学共振効果を利用した有機電界発光素子に関する。
電界発光表示素子は、発光層を形成する物質によって無機電界発光素子と有機電界発光素子とに区分される。
有機電界発光素子では、外部から供給される電子及び正孔が発光層で相互に結合して消滅しつつ励起子を形成し、この励起子が励起状態から基底状態に遷移しつつ発光層の蛍光成分子にエネルギーを伝達し、これが発光することによって画像が形成される。励起子は、エネルギー状態で分類した時、一重項状態及び三重項状態を有する。一重項のエネルギー状態では発光をするが、三重項状態のエネルギーは熱エネルギーに変わる。
有機電界発光素子は、無機電界発光素子に比べて、輝度、駆動電圧及び応答速度特性に優れ、視野角が広くてコントラストに優れるだけでなく、多色化が可能であるという利点を有する。したがって、有機電界発光素子は次世代表示素子として注目されている。
一般的な有機電界発光素子には、基板の上部に所定パターンで形成された両電極層と、この正極層の上部に順次に積層される正孔輸送層、発光層及び電子輸送層と、前記電子輸送層の上面に前記正極層と垂直な方向に形成された所定パターンの負極層が備えられる。ここで、正孔輸送層、発光層及び電子輸送層は、有機化合物よりなる有機薄膜である。
従来の有機電界発光素子では、発光効率が低いために、輝度、消費電力、寿命の特性が良好ではない。特に、蛍光低分子を有する有機電界発光素子は、一重項励起による最大25%の発光効率、内部での全反射による全方向光透過量の縮少、負極層反射光との消滅干渉、及び、偏光板による光吸収のために、非常に発光効率が低く、そのために高輝度及び低消費電力の実現が難しい。また、従来の有機電界発光素子の発光スペクトルを注意深く見れば、広い波長帯にまたがっていて色純度も高くない。
このような有機電界発光素子の問題点を改善するために、株式会社日立製作所は、1981年D.Kleppnerによって提案された光学的微細空洞概念を利用して高屈折率層及び低屈折率層を交互に積層して形成した反透過鏡を使用して反射率を合せている。
図1Aは、株式会社日立製作所が提案した有機電界発光素子の断面図であり、図1Bは反透過鏡を拡大した図面である。
図1Aを参照すれば、株式会社日立製作所の有機電界発光素子は、シリコンオキシド基板11の上部に多数の層が積層されて形成された反透過鏡12、ITO(Indium Tin Oxide)正極13、TAD(triphenyl diamine derivative)層14、及び、ALQ(Tris−(8−hydroxyquinoline) aluminum)層15が順次に積層され、その上部に金属負極16が所定パターンで形成された構造を有する。ここで、ITOの屈折率は1.7−2.1程度であり、ALQ及びTADは1.7の屈折率を有する。
図1Bを参照すれば、反透過鏡12は高屈折率2.3を有するTiO層12a及び低屈折率1.4を有するSiO層12bが交互に各々積層されて全部で6つの層が形成された多重層を備える。
このような積層構造を利用する場合には、層の数が多いほど反射特性が向上するので、層の数を増加させなければならないが、特定波長についての反射率を調節するためには積層される層の数及び厚さを正確に設計しなければならないので、株式会社日立製作所の有機電界発光素子は、工程が複雑であるという短所を有する。
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点の改善に係り、共振効果を起こす簡単な積層構造を有することによって多様な波長帯域の色光の輝度を増幅させ、色純度を向上させうる有機電界発光素子を提供することである。
前記課題を達成するために、本発明は、透明基板と、前記透明基板上に形成される半透明層と、前記半透明層上に所定パターンで形成された透明な第1正極層と、前記第1正極の上面に例えば正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層及び電子注入層が順次に積層されて構成された有機層と、前記有機層の上面に全反射金属膜が形成されて構成された負極層とを備え、前記半透明層の上面から前記負極層の底面までの光学的距離は、各色の光のピーク波長の半波長の整数倍の最小公倍数に設定されることを特徴とする有機電界発光素子を提供する。
前記半透明層の上面から前記負極層の底面までの光学的距離は、前記第1正極層及び前記有機層についての屈折率と厚さとの積和である光学的厚さである。
前記第1正極層及び前記有機層はストライプパターンとして形成され、前記負極層は前記第1正極層及び前記有機層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されうる。或いは、前記第1正極層はストライプパターンとして形成され、前記有機層及び前記負極層は前記第1正極層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されうる。
前記半透明層、前記第1正極層及び前記有機層は、ストライプパターンで形成され、前記負極層は、前記半透明層、前記第1正極層及び前記有機層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されうる。或いは、前記半透明層及び第1正極層はストライプパターンとして形成され、前記有機層及び前記負極層は前記半透明層及び前記第1正極層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されうる。
前記半透明層と前記第1正極層との間には透明間隔層が備えられうる。ここで、透明間隔層は光学的共振を起こすための適切な厚さに調節されうる。この場合、前記半透明層の上面から前記負極層の底面までの光学的距離は、前記透明間隔層、前記第1正極層及び前記有機層についての屈折率と厚さとの積和である光学的厚さである。
ここで、前記半透明層、前記透明間隔層、前記第1正極層及び前記有機層は、ストライプパターンで形成され、前記負極層は、前記半透明層、前記透明間隔層、前記第1正極層及び前記有機層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されることが望ましい。或いは、前記半透明層、前記透明間隔層及び前記第1正極層は、ストライプパターンとして形成され、前記有機層及び前記負極層は、前記半透明層、前記透明間隔層及び前記第1正極層のストライプパターンに直交して形成されることが望ましい。
前記透明基板と前記半透明層との間に第2正極層が備えられうるが、この場合、前記半透明層の上面から前記負極層の底面までの光学的距離は、前記第1正極層及び前記有機層についての屈折率と厚さとの積和である光学的厚さである。
ここで、前記第2正極層、前記半透明層、前記第1正極層及び前記有機層は、ストライプパターンとして形成され、前記負極層は、前記第2正極層、前記半透明層、前記第1正極層及び前記有機層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されうる。或いは、前記第2正極層、前記半透明層及び前記第1正極層は、ストライプパターンとして形成され、前記有機層及び前記負極層は、前記第2正極層、前記半透明層及び前記第1正極層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されうる。
前記透明基板の上面には、金属酸化物層がさらに積層されうる。
前記金属酸化物層は、例えば、SiO層、TiO層及びY層、Nb層のうち何れか一つであることが望ましい。
前記透明基板は、例えばガラス基板であり、前記半透明層は、例えば金属薄膜層であることが望ましい。
前記金属薄膜層は、例えば、銀、アルミニウム、銀と銅と金の合金、または、銀とパラジウムと銅の合金よりなることが望ましい。
前記半透明層は、前記第1正極と同じパターンとして形成されうる。
本発明によれば、正極負極との間に半透明層を介在させて半透明層と負極層との間の間隔を補強干渉が起きる光学的厚さに設定することによって、高い輝度及び純粋な色純度を得ることができる。
本発明による有機電界発光素子によれば、金属薄膜層のような半透明層を導入した簡単な構造を提案して光学共振効果を起こして、レッド、グリーン及びブルー光の輝度をピークとすることによって、発光効率を高め、色純度が向上された良好な画質の画像を提供することができる。
以下、本発明の実施形態としての有機電界発光素子を添付した図面を参照して詳細に説明する。図面上の各構成要素の幅及び厚さは、説明のために誇張して示されている点に留意しなければならない。
図2A及び図2Bは、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子であって、受動マトリックス方式のうち全面発光方式の有機電界発光素子を示し、図2Bは斜視図であり、図2Aは図2BのA−A’切断線の断面図である。
図2A及び2Bを参照すれば、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子は、透明なガラス基板31と、ガラス基板31の上部に蒸着される金属酸化物層32と、金属酸化物層32の上部に形成される金属薄膜層33及び透明間隔層34と、透明間隔層34の上面にストライプ状に形成されるITO正極層35と、ITO正極層35の上面に蒸着された後に図示されたように発光領域部分においてITO正極層35が露出するようにパターニングされた層間絶縁層39と、層間絶縁層39の上面に露出したITO正極層35と接触するように正孔注入層(HIL:Hole Injecting Layer)、正孔輸送層(HTL:Hole Transporting Layer)、発光層(EML:Emitting Layer)、電子輸送層(ETL:Electron Transporting Layer)、及び、電子注入層(EIL:Electron Injecting Layer)が順次に積層されて形成される有機層36と、有機層36の上面に積層され、全反射金属膜よりなる負極層37を備える。
ここで、セパレータ38は、発光領域及び非発光領域を区分するように負極層37を絶縁する。本発明の実施形態による有機電界発光素子において、セパレータを備えない場合には、負極層37が発光領域にだけ残るようにITO正極層35と垂直にパターニングすることによって発光領域と非発光領域とを区分できる。
ガラス基板31は、透明な他の物質よりなり、金属酸化物層32は金属薄膜層33及びガラス基板31を容易に接合させうるSiO層、TiO層、Y層及び、Nb層を利用しても良い。
金属薄膜層33は、光の一部を反射させ、一部を透過させうる半透明層であって、負極層37と共に光学的共振を起こす役割をする。金属は厚さを薄くすれば、光の一部を透過させたり反射させたりする性質を有する。ただし、吸収が少なければ発光効率が高まるので、銀(Ag)またはアルミニウム(Al)を利用して金属薄膜層33を形成する。耐久性のためにはACA(Ag−Copper−Au)またはAPC(Ag−Paradium−Copper)のような合金を使用しても良い。金属薄膜層33以外にも透過と反射とを同時に実行できる他の物質よりなる半透明層を利用しても良い。
発光層(EML)で生成された光は、全反射金属膜よりなる負極層37によって金属薄膜層33に向けて全反射される。金属薄膜層33に到達した光のうち一部の光は透過し、一部の光は負極層37に向けて再び反射する。すなわち、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子では、二つの反射層、すなわち負極層37と金属薄膜層33との間で光が透過及び反射を繰り返して干渉を起こす。ここで、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子は、負極層37と金属薄膜層33との間の間隔を光学的共振が起これる距離に調節することを特徴とする。光学的共振が起きるように二つの反射面を配置して間隔を調節する構造を微細空洞構造という。
本発明の実施形態による有機電界発光素子では、光学的共振のためには2種の条件を必要とする。
第1条件は、半透明金属薄膜層33の反射率である。金属薄膜層33の反射率は、金属の種類及び合金であるか否か、膜蒸着条件に依存するが、主に金属薄膜層33の厚さに依存する。金属ごとに光透過の深さが相異なるので、理論的な設計よりは直接実験で適正な厚さを求める方法の方が現在のところ優れている。
第2条件は、負極層37と金属薄膜層33との間の光学的距離である。金属薄膜層33の上面から負極層37の底面までの光学的距離はその間に介在する各層の光学的厚さの合計と一致する。ここで、各層の光学的厚さは各層の屈折率及び幾何学的厚さのである。すなわち、各層の光学的厚さは同じ幾何学的厚さを有しても、屈折率が相異なれば変わる。屈折率は波長の関数であるので、波長が変わると、各層の光学的厚さも変わる。
例えば、ブルー光のピーク波長は460nmである。この時の屈折率を表1に示す。表1では、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子の一実験例における各層を形成する物質と460nmでの屈折率及び厚さを示す。
Figure 0005131717
表1において、屈折率の値は実験的に測定された値である。1つの層の光学的厚さは屈折率と幾何学的厚さとの積であるので、第1及び第2反射面間の光学的距離、すなわち負極層37と金属薄膜層33との間の間隔は、負極層37と金属薄膜層33との間に位置する各層、すなわち{EIL、ETL、EML、HTL、HIL、ITO、Nb、Al}の屈折率と厚さとの積和である。この合算された値がピーク波長の節となる半波長の整数倍となる場合に補強干渉が起きるので、この条件を式(1)のように示す。
Figure 0005131717
・・・式(1)
ここで、nは屈折率、dは各層の幾何学的厚さ、mは整数、λはピーク波長、すなわちここでは460nmである。
レッド(R)、グリーン(G)及びブルー(B)光が同時に補強干渉を起こるようにするには、各色の光のピーク波長の半波長の整数倍と式(1)の左辺に当たる各層の光学的厚さの合計とが一致しなければならないが、これは透明間隔層34の厚さを適切な値を有するように調節することによって一致させうる。この場合、一致する厚さのうちレッド、グリーン及びブルー光の光学的な層の厚さの最小公倍数に当たる厚さを求める。表1では、透明間隔層34がNb層である場合、3500Åが最小公倍数に当たる光学的厚さの和の条件を満足させ、光学的共振を起こさせる。
このような負極層37と金属薄膜層33との間の光学的距離を調節して起こす共振効果は、式(2)のように与えられる最大透過量を計算して確認する。
Figure 0005131717
・・・式(2)

式(2)において、T及びRは最上層負極層37の透過率及び反射率であり、T及びRは半透明金属反射膜層33の透過率及び反射率である。kは消滅係数、dは負極層37と金属反射膜層33との間に存在する多重層の幾何学的厚さ、θは負極層37と金属反射膜層33との間に存在する多重層の内部から外部に進行する光の角度、λは光の波長を示す。
前述した本発明の第1実施形態による有機電界発光素子の一実験例について、従来の金属反射層がない場合に比べて、金属反射層33を挿入した状態で金属反射層33の反射率を調整すると仮定して反射率によるカラー別の前方透過量増幅比を計算すると表2のようになる。ここで、SiOとITOとの境界面による全面反射率を1.8%とする。
Figure 0005131717
すなわち、60%の反射率を有する半透明金属薄膜層33を備えれば、レッド、グリーン及びブルー光の各々の光量が3.1倍、2.9倍、2.1倍に増大される。これは微細空洞を形成するように透明間隔層34の厚さを適切に調節するという条件下での結果である。
したがって、式(2)によって最大透過量を計算した後、それに当たる反射率を得られる半透明金属薄膜層33を設ければ、2倍以上の輝度の向上を期待しうる。輝度を固定すると駆動電圧を低下させられるので、消費電力減少及び寿命増大の効果を期待しうる。また、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子は光学共振を利用するので、発光スペクトル上でカラー別のスペクトルヒストグラムの半値幅が減少して色純度もまた向上する効果があり、各層の厚さの調節を通じて所望のスペクトルピークを実現させうる。
しかし、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子は、金属薄膜層33/透明間隔層34/正極層35の積層構造によってキャパシタのような静電容量が形成されて他の正極電極との干渉が引き起こされるので、画質の劣化を招きうるという短所を有する。このような短所を補うために、正極層35の各ストライプ別に透明間隔層と金属薄膜層とを分離して、図3A及び3Bに示されたような構造を形成しうる。
図3Bは、本発明の第2実施形態による有機電界発光素子の斜視図であり、図3Aは、図3BのB−B’切断線の断面図である。
図3A及び3Bを参照すれば、本発明の第2実施形態による有機電界発光素子は、ガラス基板41と、ガラス基板41の上面に積層される金属酸化物層42と、金属酸化物層42の上面に順次に積層された後にストライプ状にパターニングされる金属薄膜層43、透明間隔層44及びITO正極層45と、ITO正極層45の上面とITO正極層45、透明間隔層44及び金属薄膜層43のストライプパターンの間に露出した金属酸化物層42とを被覆するように層間絶縁層49を構成した後に、ITO正極層45の発光領域を露出させるようにパターニングして、ITO正極層45の露出した上面と接触するように層間絶縁層49の上面にHIL、HTL、EML、ETL、EIL層が順次に積層されて形成される有機層46、及び、有機層46の上面に形成される全反射金属膜よりなる負極層47を備える。ここで、セパレータ48は、図2Bに示されたセパレータ38と同一に絶縁膜としての機能をする。
本発明の第2実施形態による有機電界発光素子は、正極層45の各ストライプ別に金属薄膜層43と透明間隔層44とを区分してパターニングした構造的な差異点以外には、図2A及び2Bで説明した本発明の第1実施形態による有機電界発光素子の各層の機能及び役割が同じであるので、ここでこれについての説明は省略する。
本発明の第2実施形態による有機電界発光素子においても、金属薄膜層43と負極層47との間の間隔、すなわち微細空洞構造を形成する多重層の光学的厚さを調節してピーク波長の半波長の整数倍とすることによって、すなわちレッド、グリーン及びブルー光の各ピーク波長の半波長の整数倍の最小公倍数となる光学的厚さを求め、この光学的厚さを実現しうる透明間隔層44の厚さを求めて有機電界発光素子を製造することによってレッド、グリーン及びブルー光の発光スペクトルのピークを具現しうる。したがって、本発明の第1実施形態による有機電界発光素子に適用された式(1)及び(2)、表1及び2を全て本発明の第2実施形態による有機電界発光素子に適用することができる。
しかし、本発明の第2実施形態による有機電界発光素子において、ITO正極層45、透明間隔層44及び金属薄膜層43を同時にエッチングすることが難しいので、このような製造工程上の短所を補完するために本発明の第3及び第4実施形態による有機電界発光素子を提案する。
図4は、本発明の第3実施形態による有機電界発光素子を示した断面図である。
図4を参照すれば、本発明の第3実施形態による有機電界発光素子には、ガラス基板51の上面に金属酸化物層52が積層され、その上面に第1ITO正極層55a、金属薄膜層53及び第2ITO正極層55bが順次に積層された後にストライプ状にパターニングされて第1ストライプパターンが形成され、その上面に層間絶縁層59が形成され、第2ITO正極層55bの発光領域を露出するようにパターニングされた後に露出した第2ITO正極層55bの上面と接触するように層間絶縁層59の上面に有機物層56及び全反射金属膜よりなる負極層57が前記第1ストライプパターンと直交するように第2ストライプパターンとして形成される。
本発明の第3実施形態による有機電界発光素子では、透明間隔層34,44が除去され、その代わりに金属薄膜層53の底面に第1ITO正極層55aを形成して微細空洞の条件を満足する厚さを具現する。ITO正極の場合、光透過量が多少落ちる短所を有するが、第1ITO正極層55aの厚さを適切に調節すれば光透過量を相当量増加させうる。
しかし、本発明の第3実施形態による有機電界発光素子は、エッチングプロファイルによって有機電界発光素子の整流特性が悪化されうるので、本発明の第4実施形態による有機電界発光素子は、金属薄膜層63の下部に位置するITO正極層55aを除去した構造を有するように提示される。
図5は、本発明の第4実施形態による有機電界発光素子の断面図である。
図5を参照すれば、本発明の第4実施形態による有機電界発光素子は、ガラス基板61と、その上面に形成される金属酸化物層62と、金属酸化物層62の上面に順次に蒸着された後にストライプ状にパターニングされる金属薄膜層63及びITO正極層65と、ITO正極層65の上面に蒸着された後にITO正極層65の発光領域を露出するようにパターニングされる層間絶縁層69と、層間絶縁層69の上面に前記ストライプ状の金属薄膜層63と直交するようにストライプ状にパターニングされる有機物層66及び負極層67を含む。
本発明の第4実施形態による有機電界発光素子は、金属薄膜層63及びITO正極層65が順次に連続積層された構造であるので、厚さを薄く形成して抵抗を減少させうるので、正極電極の抵抗問題も解決でき、有機電界発光素子の外部電極に使用した補助電極を除去する効果もあるので、工程の数が減少されて原価節減の効果も得られる。
前述した説明で様々な事項が具体的に記載されているが、それは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、当業者なら、本発明の技術的思想にしたがって、前述したようにレッド、グリーン、ブルーの各光が補強干渉を最も効果的に起こすように透明間隔層を含んで微細空洞構造を形成する各層の屈折率及び厚さを調節することができ、各層を形成する物質も適切に選択することができる。そのため、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想に基づいて決まらなければならない。
本発明は、例えば、ガラス基板または透明なガラスフィルム上に塗布した蛍光体に電界を印加して発光させる平面自発光型ディスプレイである有機電界発光素子として利用される。
本発明の有機電界発光素子は、例えば、情報表示用ディスプレイまたは大型液晶ディスプレイ用の白色発光の後面光源として実用化されうる。
株式会社日立製作所の有機電界発光素子を示した断面図である。 本発明の第1実施形態による有機電界発光素子を示す断面図及び斜視図である。 本発明の第2実施形態による有機電界発光素子を示す断面図及び斜視図である。 本発明の第3実施形態による有機電界発光素子を示す断面図である。 本発明の第4実施形態による有機電界発光素子を示す断面図である。
符号の説明
31 ガラス基板
32 金属酸化物層
33 金属薄膜層
34 透明間隔層
35 ITO正極層
36 有機層
37 負極層
38 セパレータ
39 層間絶縁層

Claims (8)

  1. 透明基板と、
    前記透明基板上に形成される半透明層と、
    前記半透明層上に形成された透明間隔層と、
    前記透明間隔層上に所定パターンで形成された第1正極層と、
    前記第1正極層の上に全反射金属膜で形成された負極層と、
    前記第1正極層と前記負極層との間に配置された少なくとも発光層を含む有機層と、を備え、
    前記発光層は、レッド光を発光しているレッド発光層と、グリーン光を発光しているグリーン発光層と、ブルー光を発光しているブルー発光層とから成り、前記レッド発光層と、前記グリーン発光層と、前記ブルー発光層とはお互いに重畳しておらず、独立に配置されていて、
    前記半透明層の上面から前記負極層の底面までの光学的距離は、前記レッド光と、前記グリーン光と、前記ブルー光の各ピーク波長の半波長の整数倍のうちで最小公倍数に設定されていて、
    前記半透明層、前記透明間隔層、及び前記第1正極層は、ストライプパターンとして形成され、前記負極層は、前記半透明層、前記透明間隔層、及び前記第1正極層のストライプパターンに直交するストライプパターンとして形成されることを特徴とする有機電界発光素子。
  2. 前記半透明層の上面から前記負極層の底面までの光学的距離は、前記透明間隔層、前記第1正極層及び前記有機層についての屈折率と厚さとの積和である光学的厚さであることを特徴とする請求項に記載の有機電界発光素子。
  3. 前記透明基板の上面に金属酸化物層が更に積層されていることを特徴とする請求項に記載の有機電界発光素子。
  4. 前記金属酸化物層は、SiO層、TiO層、Y層及びNb層のうち何れか一つであることを特徴とする請求項に記載の有機電界発光素子。
  5. 前記透明基板はガラス基板であることを特徴とする請求項1に記載の有機電界発光素子。
  6. 前記半透明層は金属薄膜層であることを特徴とする請求項1に記載の有機電界発光素子。
  7. 前記金属薄膜層は銀またはアルミニウムよりなることを特徴とする請求項に記載の有機電界発光素子。
  8. 前記金属薄膜層は、銀、銅と金の合金、または銀とパラジウムと銅の合金よりなることを特徴とする請求項に記載の有機電界発光素子。
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