JP5546480B2 - 有機電界発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、有機電界発光素子及びその製造方法に関する。
近年、平面光源などの用途に有機電界発光素子が注目されている。有機電界発光素子においては、有機薄膜が、陰極と陽極の間に設けられる。有機薄膜に電圧を印加することにより、陰極から電子を、陽極から正孔を注入し、再結合させることにより、励起子を生成する。この励起子が放射失活する際の発光が利用される。
有機電界発光素子において、光取り出し効率を向上することが望まれている。
特開２００９−２１６８６２号公報
本発明の実施形態は、光取り出し効率の高い有機電界発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、透明基板と、中間層と、透明電極と、有機発光層と、反射電極と、を備えた有機電界発光素子が提供される。前記中間層は、前記透明基板の主面上のランダムな位置に付着された複数の微粒子と、前記複数の微粒子を覆い前記複数の微粒子の屈折率とは異なる屈折率を有する透明な平坦化樹脂層と、を含む。前記透明電極は、前記中間層の上に設けられる。前記有機発光層は、前記透明電極の上に設けられ可視光の波長の成分を含む光を放出する。前記反射電極は、前記有機発光層の上に設けられる。前記複数の微粒子は、前記有機発光層から放出された光の方向を散乱及び屈折の少なくともいずれかにより変化させる。前記複数の微粒子の平均の径は、２００ナノメートル以上１．５マイクロメートル以下である。前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含まない上側部分の厚さは、前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含む下側部分の厚さよりも厚い。前記上側部分の厚さは、２００ナノメートル以上である。
本発明の別の実施形態によれば、透明基板と、前記透明基板の主面上のランダムな位置に付着された複数の微粒子と、前記複数の微粒子を覆い前記複数の微粒子の屈折率とは異なる屈折率を有する透明な平坦化樹脂層と、を含む中間層と、前記中間層の上に設けられた透明電極と、前記透明電極の上に設けられ可視光の波長の成分を含む光を放出する有機発光層と、前記有機発光層の上に設けられた反射電極と、を備えた有機電界発光素子の製造方法である。前記平坦化樹脂層となる樹脂に前記複数の微粒子が分散された樹脂液を前記透明基板の前記主面上に塗布して、前記複数の微粒子を含む下側部分と、前記下側部分の上に設けられ前記平坦化樹脂層を含む上側部分と、を含む中間層を表面が平坦になるように形成し、前記平坦化樹脂層の上に透明電極を形成し、前記透明電極の上に前記有機発光層を形成し、前記有機発光層の上に反射電極を形成する。前記複数の微粒子の平均の径は、２００ナノメートル以上１．５マイクロメートル以下である。前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含まない上側部分の厚さは、前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含む下側部分の厚さよりも厚い。前記上側部分の厚さは、２００ナノメートル以上である。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、実施形態に係る有機電界発光素子を示す模式図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、参考例の有機電界発光素子を示す模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る別の有機電界発光素子を示す模式的断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る有機電界発光素子を示す電子顕微鏡写真像である。 有機電界発光素子の特性を示すグラフ図である。 図７（ａ）〜図７（ｆ）は、実施形態に係る有機電界発光素子における微粒子の配置を示す模式的平面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る有機電界発光素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る別の有機電界発光素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る別の有機電界発光素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る照明装置を示す模式的斜視図である。 実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法を示すフローチャート図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、実施形態に係る有機電界発光素子の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｃ）は、有機電界発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図であり、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図に相当する。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、実施形態に係る有機電界発光素子１１０は、透明基板１０と、中間層２０と、透明電極３０と、有機発光層４０と、反射電極５０と、を備える。
中間層２０は、透明基板１０の上に設けられる。中間層２０は、複数の微粒子２１と、平坦化樹脂層２２と、を含む。複数の微粒子２１は、透明基板１０の主面１０ａ上に付着される。平坦化樹脂層２２は、複数の微粒子２１を覆う。平坦化樹脂層２２は、複数の微粒子２１の屈折率よりも高い屈折率を有し、透明である。例えば、平坦化樹脂層２２の上面（透明基板１０とは反対側の面）は、平坦である。例えば、平坦化樹脂層２２の上面には、複数の微粒子２１による凹凸が実質的に生じていない。
透明電極３０は、中間層２０の上に設けられる。有機発光層４０は、透明電極３０の上に設けられる。反射電極５０は、有機発光層４０の上に設けられる。
例えば、有機発光層４０は、可視光の波長の成分を含む光を放出する。有機発光層４０から放出される光は、実質的に白色光である。すなわち、有機電界発光素子１１０から出射する光は白色光である。ここで、「白色光」は、実質的に白色であり、例えば、赤色系、黄色系、緑色系、青色系及び紫色系などの白色の光も含む。
透明基板１０及び透明電極３０は、有機発光層４０から放出される光に対して透過性である。反射電極５０は、有機発光層４０から放出される光に対して反射性である。平坦化樹脂層２２は、有機発光層４０から放出される光に対して透過性である。
ここで、透明基板１０から反射電極５０に向かう方向をＺ軸方向（第１方向）とする。Ｚ軸を第１軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸（第２軸）とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な軸をＹ軸（第３軸）とする。
図１（ｃ）に表したように、有機発光層４０は、発光部４３を含む。有機発光層４０は、必要に応じて、第１層４１及び第２層４２の少なくともいずれかをさらに含むことができる。発光部４３は、可視光の波長を含む光を放出する。第１層４１は、発光部４３と透明電極３０との間に設けられる。第２層４２は、発光部４３と反射電極５０との間に設けられる。
発光部４３には、例えば、Ａｌｑ３、Ｆ８ＢＴ及びＰＰＶなどの材料を用いることができる。発光部４３には、ホスト材料と、ホスト材料に添加されるドーパントと、の混合材料を用いることができる。ホスト材料としては、例えばＣＢＰ、ＢＣＰ、ＴＰＤ、ＰＶＫ及びＰＰＴなどを用いることができる。ドーパント材料としては、例えば、Ｆｌｒｐｉｃ、Ｉｒ（ｐｐｙ）３及びＦｌｒ６などを用いることができる。
第１層４１は、例えば、正孔注入層として機能する。第１層４１は、例えば正孔輸送層として機能する。第１層４１は、例えば、正孔注入層として機能する層と、正孔輸送層として機能する層と、の積層構造を有しても良い。第１層４１は、正孔注入層として機能する層及び正孔輸送層として機能する層とは別の層を含んでも良い。
第２層４２は、例えば電子注入層として機能する層を含むことができる。第２層４２は、例えば、電子輸送層として機能する層を含むことができる。第２層４２は、例えば、電子注入層として機能する層と、電子輸送層として機能する層と、の積層構造を有しても良い。第２層４２は、電子注入層として機能する層及び電子輸送層として機能する層とは別の層を含んでも良い。
透明基板１０は、例えばガラス基板である。
透明電極３０は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。透明電極３０は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜である。透明電極３０は、例えば、陽極として機能する。
反射電極５０は、例えば、アルミニウム及び銀の少なくともいずれかを含む。例えば、反射電極５０には、アルミニウム膜が用いられる。さらに、反射電極５０として、銀とマグネシウムとの合金を用いても良い。このとき、この合金にカルシウムを添加しても良い。
中間層２０において、複数の微粒子２１の屈折率は、その周りの平坦化樹脂層２２の屈折率とは異なる。例えば、複数の微粒子２１の屈折率は、平坦化樹脂層２２の屈折率よりも低い。または、複数の微粒子２１の屈折率は、平坦化樹脂層２２の屈折率よりも高い。微粒子２１と平坦化樹脂層２２との界面において、有機発光層４０から放出された光の方向が変化する。光の方向の変化は、散乱現象に基づく。または、光の方向の変化は、屈折現象に基づく。
これにより、有機発光層４０からの放出された光のうちで、例えば、透明基板１０と中間層２０との界面での全反射する光の割合を減少させる。これにより、光取り出し効率が向上する。
例えば、複数の微粒子２１の屈折率と、平坦化樹脂層２２の屈折率と、の差は、０．１以上である。屈折率の差を０．１以上に設定することで、散乱現象及び屈折現象の少なくともいずれかが効果的に生じ、光取り出し効率の向上が効果的となる。
例えば、中間層２０を設けない第１参考例においては、透明基板１０と透明電極３０とが接する。一般に、透明基板１０の屈折率は透明電極３０の屈折率よりも小さいため第１参考例においては、界面で全反射する光の割合が高い。
これに対し、実施形態においては、屈折率が互いに異なる、複数の微粒子２１と、平坦化樹脂層２２と、を有する中間層２０を透明基板１０と透明電極３０との間に設ける。そして、複数の微粒子２１は、有機発光層４０から放出された光の方向を散乱及び屈折の少なくともいずれかにより変化させる。これにより、透明基板１０の界面で全反射する光の割合を減少させ、外に取り出される光の割合を増大させる。
このように、実施形態によれば、光取り出し効率の高い有機電界発光素子が提供できる。
有機電界発光素子における内部量子効率は、比較的高い。例えば、内部量子効率が１００％に近い有機電界発光素子も得られている。しかしながら、従来、有機電界発光素子の光取り出し効率は、有機材料、陽極及び基板などの屈折率の関係から、制限されていた。これに対し、実施形態に係る有機電界発光素子によれば、光取り出し効率が大幅に向上できる。
実施形態においては、複数の微粒子２１は、透明基板１０の主面１０ａ上に付着される。そして、その上を平坦化樹脂層２２が覆い、平坦化樹脂層２２の表面は平坦である。このため、平坦化樹脂層２２の上（中間層２０の上）に設けられる、透明電極３０、有機発光層４０及び反射電極５０において良好な特性が得やすい。
例えば、図１（ｂ）に表したように、中間層２０のうちで複数の微粒子２１を含まない上側部分２０ｕの厚さｔ２は、中間層２０のうちで複数の微粒子２１を含む下側部分２０ｌの厚さｔ１よりも厚い。これにより、中間層２０の上面が十分に平坦化される。なお、厚さは、例えば電子顕微鏡写真像などから求めることができる。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、参考例の有機電界発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）に表したように、第２参考例の有機電界発光素子１１９ｃにおいては、透明基板１０と透明電極３０との間に、中間層２７が設けられている。中間層２７は、高屈折率部２７ｂと、高屈折率部２７ｂに分散された複数の低屈折率部２７ａと、を有する。例えば、高屈折率部２７ｂが高屈折率ガラスであり、複数の低屈折率部２７ａが空孔でも良い。この場合には、高屈折率部２７ｂに複数の低屈折率部２７ａが分散されているので、中間層２７の上面には、複数の低屈折率部２７ａの一部が露出し易い。このため、中間層２７の上面には凹凸が形成され、平坦ではない。従って、第２参考例においては、中間層２７に接する例えば透明電極３０（及び有機発光層４０など）の品質が低く、良好な特性を得にくい。
図２（ｂ）に表したように、第３参考例の有機電界発光素子１１９ｄにおいては、透明基板１０と透明電極３０との間に、中間層２８が設けられている。そして、中間層２８と透明電極３０との間に高屈折率カップリング層２８ｃが設けられている。中間層２８は、低屈折率層２８ａと、低屈折率層２８ａの上面の側に設けられた散乱体２８ｂと、を有する。この構成においては、散乱体２８ｂにより光を散乱させ、光取り出し効率を向上することを目指している。しかしながら、散乱体２８ｂに光を導入するために、高屈折率カップリング層２８ｃを設ける必要がある。さらに、散乱体２８ｂが中間層２８の上面の側に配置されているため、中間層２８の上面の平坦性は良好ではない。このため、例えば、透明電極３０の表面の平坦性も良好でない。このため、透明電極３０と有機発光層４０との間に、短絡防止層３９を設けることが必要である。このように、第３参考例では、高屈折率カップリング層２８ｃ及び短絡防止層３９が必要なため、構成が複雑である。このため、生産性が低く、低コスト化に限界がある。
図２（ｃ）に表したように、第４参考例の有機電界発光素子１１９ｅにおいては、透明基板１０と透明電極３０との間に、中間層２９が設けられている。中間層２９は、複数の微粒子２９ａと、複数の微粒子２９ａの周りに設けられたマトリクス２９ｂと、を含む。中間層２９は、３次元回折層である。すなわち、複数の微粒子２９ａは一定の周期性で配列する。この構成においては、回折効果を用いる。このため、白色光のように広い波長領域の光に対して良好な作用を与えることが困難である。さらに、微粒子２９ａはＺ軸方向に沿って積層されるため、この場合も中間層２９の上面の平坦性は良好ではない。
これに対し、実施形態に係る有機電界発光素子１１０は、光の方向を変える複数の微粒子２１が、透明基板１０に付着され、その上を平坦化樹脂層２２で覆う。このため、中間層２０（平坦化樹脂層２２）の上面は十分に平坦になる。すなわち、例えば、短絡防止層３９などを用いなくても良い。
平坦化樹脂層２２の屈折率は、透明電極３０の屈折率及び有機発光層４０の屈折率に近い。平坦化樹脂層２２の屈折率と透明電極３０の屈折率との差、及び、平坦化樹脂２２と有機発光層４０の屈折率との差は、複数の微粒子２１の屈折率と透明電極３０の屈折率との差及び複数の微粒子２１の屈折率と有機発光層４０の屈折率との差よりも小さい。このため、光は中間層２０に導入され易い。例えば、高屈折率カップリング層などを別途設けなくても良く、平坦化樹脂層２２が、その機能を果たす。そして、複数の微粒子２１は、散乱及び屈折の少なくともいずれかにより光の方向を変えるため、広い波長範囲の光に作用することができる。すなわち、白色光の光取り出し効率を簡単な構成により向上させることができる。
実施形態において、複数の微粒子２１の平均の径は、例えば、２００ナノメートル（ｎｍ）以上１．５マイクロメートル（μｍ）以下である。これにより、白色光の方向を散乱及び屈折の少なくともいずれかにより、効率良く変えることができる。なお、径は、例えば電子顕微鏡写真像などから求めることができる。
径が２００ｎｍ未満の場合には、散乱及び屈折の効果が小さくなる。また、径が１．５μｍよりも大きいと、例えば、中間層２０の上面の平坦性を良好にするのが困難になる。径が大きくなるに連れて平坦化樹脂層２２の厚さを厚くすると、平坦化樹脂層２２にクラックなどが入り易くなる。
複数の微粒子２１の平均の径は、例えば、６００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることが特に望ましい。この範囲の径の微粒子２１を用いることで、特に高い光取り出し効率が得られ、また、平坦化樹脂層２２のクラックなどの発生を抑制し易くなる。
例えば、複数の微粒子２１の平均の径は、可視光の波長以上に設定される。これにより、散乱及び屈折について大きな効果が得られる。
中間層２０の厚さ（例えば厚さｔ１と厚さｔ２との和）は、６μｍ以下であることが望ましい。これにより、クラックなどの発生が抑制される。中間層２０の厚さは、３μｍ以下であることが特に望ましい。クラックなどの発生が特に抑制される。
複数の微粒子２１には、例えば、有機物を用いることができる。微粒子２１が有機物である場合は、微粒子２１の熱的特性（例えば熱膨張係数）が、平坦化樹脂層２２のそれと近い値になる。このため、有機電界発光素子の製造及び使用中における熱的負荷に対する耐性が向上する。
複数の微粒子２１には、例えばポリスチレン（例えば屈折率＝１．６）を用いることができる。これにより、粒径を比較的均一にし易い。
複数の微粒子２１には、例えば、無機物を用いることができる。例えば、複数の微粒子２１は、酸化珪素を含むことができる。すなわち、微粒子２１として、シリカ（例えば屈折率＝１．５）を用いることができる。また、複数の微粒子２１は、酸化チタン（例えば屈折率２．７）を含むことができる。微粒子２１が無機物である場合は、平坦化樹脂層２２の屈折率と微粒子２１の屈折率との差を大きくし易い。これにより、光取り出し効率が向上し易い。
後述するように、複数の微粒子２１のそれぞれの表面は、例えば、４級アンモニウムカチオンで修飾されていることができる。これにより、複数の微粒子２１を自己組織化的に透明基板１０の主面１０ａ上に付着させることができる。
複数の微粒子２１のそれぞれは、例えば、球状または回転楕円形状を有する。ただし、実施形態はこれに限らず。微粒子２１は、任意の形状を有することができる。複数の微粒子２１のそれぞれが、球状または回転楕円形状を有する場合は、複数の微粒子２１の密度（充填率）を上げることができ、光取り出し効率が向上し易いので、より望ましい。
平坦化樹脂層２２には、例えばポリシロキサン系樹脂（例えば、屈折率＝１．７８）などが用いられる。ただし、実施形態はこれに限らず、平坦化樹脂層２２に用いられる材料は任意である。平坦化樹脂層２２は、フィラーなどの、樹脂以外の成分を含んでも良い。
図１（ｂ）に表したように、有機電界発光素子１１０においては、実質的に全ての複数の微粒子２１が透明基板１０の上面に接触している。すなわち、１層の複数の微粒子２１が、設けられている。しかし、実施形態はこれに限らず、一部の微粒子２１が透明基板１０の上面に接触していなくても良い。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る別の有機電界発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３（ａ）に表したように、実施形態に係る別の有機電界発光素子１１１ａにおいては、複数の微粒子２１のうちの一部が、透明基板１０から離間している。この例では、一部の微粒子２１において、厚さ方向に沿って２つの微粒子２１が重なっている。中間層２０のうちで、複数の微粒子２１を含む部分（例えば下側部分２０ｌ）の厚さｔ１は、微粒子２１の径の２倍程度である。
図３（ｂ）に表したように、実施形態に係る別の有機電界発光素子１１１ｂにおいては、一部に微粒子２１においては、厚さ方向に沿ってほぼ３つの微粒子が重なっている。中間層２０のうちで、複数の微粒子２１を含む部分（例えば下側部分２０ｌ）の厚さｔ１は、微粒子２１の径の３倍程度である。
実施形態において、複数の微粒子２１は透明基板１０に付着されて設けられる。これにより、クラックが発生し難いように平坦化樹脂層２２を薄くした場合でも、平坦化樹脂層２２の上面の平坦性が向上し易くなる。しかし、複数の微粒子２１の全てが必ずしも透明基板１０に接していなくても良い。例えば、製造条件のばらつきなどによっては、複数の微粒子２１の多くの部分が透明基板１０の上に付着され、一部の微粒子２１が他の微粒子２１に接触しつつ、透明基板１０から離間していても良い。
例えば、中間層２０のうちで、複数の微粒子を含む部分の厚さ（例えば下側部分２０ｌの厚さｔ１）は、複数の微粒子２１の平均の径の４倍以下である。中間層２０のうちで、複数の微粒子を含む部分の厚さが、複数の微粒子２１の平均の径の３倍以下であることがさらに望ましい。
以下、実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法の例について説明する。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
この例では、複数の微粒子２１として、直径が約２００ｎｍのポリスチレン粒子が用いられる。このポリスチレン粒子の表面は、４級アンモニウムカチオンで修飾されている。
図４（ａ）に表したように、透明基板１０の主面１０ａ上に複数の微粒子２１を付着させる。例えば、上記のポリスチレン粒子を含む溶液を、透明基板１０の主面１０ａ上に塗布する。微粒子２１は、透明基板１０の帯電の極性とは異なる極性に帯電している。このため、微粒子２１は、透明基板１０の主面１０ａに対して付着し、複数の微粒子２１どうしは離れようとする。これにより、ほぼ１層の複数の微粒子２１が、透明基板１０の主面１０ａに付着する。
なお、複数の微粒子２１を透明基板１０の主面１０ａ上に付着させる方法は、複数の微粒子２１を含む溶液を、スピンコート法、ディップコート法、浸漬法及びメニスカス印刷法などにより塗布する方法を用いることができる。
図４（ｂ）に表したように、複数の微粒子２１が付着された透明基板１０の主面１０ａ上に、平坦化樹脂層２２となる材料を塗布する。例えば、平坦化樹脂層２２として、ナノフィラー含有のポリシロキサン樹脂が用いられる。その後、この溶液を硬化させて平坦化樹脂層２２を得る。これにより、中間層２０が得られる。平坦化樹脂層２２となる溶液の塗布には、スピンコート法、ディップコート法、浸漬法及びメニスカス印刷法などの任意の手法を用いることができる。
その後、中間層２０の上に、透明電極３０、有機発光層４０及び、反射電極５０を順次形成する。これにより、有機電界発光素子が得られる。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る有機電界発光素子の構成を例示する電子顕微鏡写真像である。
図５（ａ）は、透明基板１０の主面１０ａ上に複数の微粒子２１を付着させた後の試料の像である。この像は、Ｚ軸方向に沿って撮影されている。図５（ｂ）は、複数の微粒子２１が付着された透明基板１０上に平坦化樹脂層２２となる材料を塗布して中間層２０を形成した後の断面電子顕微鏡写真像である。
図５（ａ）に表したように、透明基板１０の上に複数の微粒子２１がほぼ１層で付着されている。ただし、製造条件のばらつきや微粒子２１の凝集などにより、３つ程度の高さの微粒子が塊になっている部分もある。
複数の微粒子２１の位置は、ランダムである。このように、実施形態においては、Ｚ軸（透明基板１０から反射電極５０に向かう方向の軸）に沿ってみたときに、複数の微粒子２１はランダムに配置されている。
図５（ｂ）に表したように、透明基板１０の主面１０ａに複数の微粒子２１が付着している。なお、図５（ｂ）においては、電子顕微鏡撮影用試料の作製において試料を分断するときに微粒子２１（ポリスチレン粒子）が引き延ばされた形状が撮影されている。
以上のように、実施形態において、複数の微粒子２１を透明基板１０に付着させる方法として、微粒子２１の自己組織化が利用される。これにより、大面積の透明基板１０上に複数の微粒子２１を簡便に付着させることができる。これにより、特に、大面積で、光取り出し効率が高い有機電界発光素子を高い生産性で低いコストで製造できる。
このような手法により作製した実施形態に係る有機電界発光素子１１０ｓと、第１参考例の有機電界発光素子と、の特性について説明する。
図６は、有機電界発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図６には、実施形態に係る有機電界発光素子１１０ｓ及び第１参考例の有機電界発光素子１１９ａの特性の測定結果を示している。有機電界発光素子１１０ｓにおいては、透明基板１０としてガラス基板を用い、微粒子２１として直径が２００ｎｍのポリスチレン球を用い、平坦化樹脂層２２としてポリシロキサン系樹脂を用い、透明電極３０としてＩＴＯ膜を用い、有機発光層４０としてＩｒ錯体を含む層を用い、反射電極５０としてアルミニウム膜を用いた。有機電界発光素子１１９ａの構成は、中間層２０（微粒子２１及び平坦化樹脂層２２）を設けない他は、有機電界発光素子１１０の構成と同じである。図６の横軸は、電流密度ＣＤである。図６の縦軸は、外部量子効率ＥＱＥである。
図６に表したように、実施形態に係る有機電界発光素子１１０ｓにおいては、第１参考例の有機電界発光素子１１９ａよりも高い外部量子効率ＥＱＥが得られる。
以下、実施形態に係る有機電界発光素子において、微粒子２１の充填率と、外部量子効率ＥＱＥと、の関係について説明する。
図７（ａ）〜図７（ｆ）は、実施形態に係る有機電界発光素子における微粒子の配置を例示する模式的平面図である。
これらの図は、透明基板１０の主面１０ａ上における複数の微粒子２１の配置を例示している。これらの図は、Ｚ軸に沿ってみたときの平面図である。
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、複数の微粒子２１が格子配列している場合に対応し、図７（ｅ）及び図７（ｆ）は、複数の微粒子２１が六方細密配列している場合に対応する。そして、これらの図においては、複数の微粒子２１の間隔が互いに異なる場合が例示されている。これらの図において、微粒子２１は、直径Ｌを有する球であるとしている。
ここで、微粒子２１の充填率ＦＲを定義する。充填率ＦＲは、Ｚ軸に沿ってみたときの、透明基板１０の主面１０ａの単位面積に対する、複数の微粒子２１の面積の比である。ここで、複数の微粒子２１の面積は、Ｚ軸に対して垂直な平面に射影したときの複数の微粒子２１の面積である。
図７（ａ）に表したように、複数の微粒子２１が格子配列し、微粒子２１どうしが互いに接する場合は、複数の微粒子２１の中心どうしの間の距離は、Ｌである。このときの充填率ＦＲは７８．５％となる。
図７（ｂ）、図７（ｃ）及び図７（ｄ）に表したように、複数の微粒子２１が格子配列し、複数の微粒子２１の中心どうしの間の距離が１．２Ｌ、１．５Ｌ及び２Ｌのときの充填率ＦＲは、それぞれ、５４．５％、３４．９％及び１９．６％である。
図７（ｅ）に表したように、複数の微粒子２１が六方細密配列し、複数の微粒子２１どうしが接触しているときの充填率ＦＲは、９０．６％である。
図７（ｆ）に表したように、複数の微粒子２１が六方細密配列し、複数の微粒子２１の第２近接の距離が２Ｌのときの充填率ＦＲは、２２．７％である。
これらの配列を想定し、微粒子２１の屈折率と、平坦化樹脂層２２の屈折率と、を変えて光取り出し効率を光線追跡シミュレーションにより求めた。このとき、複数の微粒子２１のそれぞれは、透明基板１０の主面１０ａに接しているとした。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る有機電界発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図８（ａ）は、複数の微粒子２１の屈折率ｎ１が、１．５の場合に対応する。この値は、微粒子２１がシリカである場合に対応する。図８（ｂ）は、複数の微粒子２１の屈折率ｎ１が、１．６の場合に対応する。この値は、微粒子２１がポリスチレンである場合に対応する。これらの図において、横軸は、充填率ＦＲである。縦軸は、外部量子効率ＥＱＥである。これらの図においては、平坦化樹脂層２２の屈折率ｎ２を１．７〜２．０の範囲で変化させたときの光取り取り出し効率ＥＱＥが例示されている。この時の外部量子効率ＥＱＥは、素子の内部量子効率が１であるとしたときの値である。
また、これらの図には、第５参考例の有機電界発光素子１１９ｆの特性も例示されている。第５参考例においては、平坦化樹脂層２２が設けられるが微粒子２１が設けられない。なお、このシミュレーションにおいては、微粒子２１、平坦化樹脂層２２及び透明基板１０を含む構成における外部量子効率に着目し、内部量子効率を１としているため、図６に例示した実測値とは外部量子効率の値が異なる。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に表したように、微粒子２１を用いない第５参考例の有機電界発光素子１１９ｆにおいては、外部量子効率ＥＱＥは、約０．１７であり、低い。
これに対し、微粒子２１を用いる実施形態に係る有機電界発光素子１１０においては、外部量子効率ＥＱＥは、０．２以上であり、高い。そして、充填率ＦＲが高いと、外部量子効率ＥＱＥが高くなる。実用的には、充填率ＦＲが０．２以上の場合に、参考例に対して十分に高い外部量子効率が得られる。すなわち、実施形態において、充填率ＦＲは２０％以上であることが望ましい。
そして、充填率ＦＲが０．６程度以上であれば、外部量子効率ＥＱＥはほぼ一定となる。すなわち、実施形態において、充填率ＦＲは、６０％以上であることがさらに望ましい。実用的には、充填率ＦＲは、４０％以上７０％以下程度に設定される。
例えば、図４に関して説明した製造方法を用いる場合、微粒子２１を自己組織的に透明基板１０に付着させる。この方法を用いた場合、微粒子２１の多くが透明基板１０に接しつつ微粒子２１どうしが接する状態を形成することが、量産時の生産性を考慮すると難しいことがあり得る。この場合には、充填率ＦＲが例えば０．２以上になるように制御することが望ましい。さらに、充填率ＦＲが例えば０．６以上になるように制御することが望ましい。これにより、実質的に十分に高い外部量子効率ＥＱＥが得られる。
なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）に例示した具体例では、充填率ＦＲは、３５．３％である。
図９は、実施形態に係る別の有機電界発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図９に表したように、実施形態に係る別の有機電界発光素子１１２においては、透明基板１０の中間層２０とは反対側の面に、マイクロレンズ層１１が設けられている。
このような構成を有する有機電界発光素子の例として、図６に関して説明した有機電界発光素子１１０ｓにマイクロレンズ層１１を適用した有機電界発光素子１１２ｓを作製した。同様に、第１参考例の有機電界発光素子１１９ａにおいて、マイクロレンズ層１１を適用した有機電界発光素子１１９ｇ（第６参考例）を作製した。
図１０は、有機電界発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図１０に表したように、マイクロレンズ層１１を設けた第６参考例の有機電界発光素子１１９ｇと比べて、マイクロレンズ層１１を設けた有機電界発光素子１１２ｓの外部量子効率ＥＱＥは高い。そして、有機電界発光素子１１２ｓにおいては、有機電界発光素子１１０ｓに比べて高い外部量子効率ＥＱＥが得られる。
実施形態に係る有機電界発光素子は、例えば、照明装置や、ディスプレイなどに用いられる平面光源（照明装置の一種）などに応用できる。
図１１は、実施形態に係る照明装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図１１に表したように、実施形態に係る照明装置１３０は、有機電界発光素子と、電源１２０と、を備える。この有機電界発光素子には、実施形態に係る任意の有機電界発光素子を用いることができる。この図では、有機電界発光素子１１０を用いる場合が例示されている。
既に説明したように、有機電界発光素子１１０は、透明基板１０、中間層２０、透明電極３０、有機発光層４０及び反射電極５０を含む。電源１２０は、透明電極３０と反射電極５０とに接続される。電源１２０は、有機発光層４０に流れる電流を供給する。
照明装置１３０は、実施形態に係る有機電界発光素子を用いるため、光取り出し効率が高い。これにより、エネルギー効率の高い照明装置が提供できる。
図１２は、実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、本製造方法では、透明基板１０の主面１０ａ上に、透明基板１０の帯電の極性とは異なる極性に帯電した複数の微粒子２１を付着させる（ステップＳ１１０）。例えば、図４（ａ）に関して説明したように、複数の微粒子２１として、表面が４級アンモニウムカチオンで修飾されたものを用いる。複数の微粒子２１が透明基板１０の帯電の極性とは異なる極性に帯電していることで、微粒子２１は、透明基板１０の主面１０ａに対して付着し、複数の微粒子２１どうしは離れようとする。これにより、ほぼ１層の複数の微粒子２１が、透明基板１０の主面１０ａに付着する。すなわち、微粒子２１の自己組織化が利用される。
そして、複数の微粒子２１を覆い表面が平坦になるように、複数の微粒子２１の屈折率よりも高い屈折率を有する透明な平坦化樹脂層２２を形成する（ステップＳ１２０）。
さらに、平坦化樹脂層２２の上に透明電極３０を形成する（ステップＳ１３０）。さらに、透明電極３０の上に有機発光層４０を形成する（ステップＳ１４０）。そして、有機発光層４０の上に反射電極５０を形成する（ステップＳ１５０）。
これにより、大面積の透明基板１０上に複数の微粒子２１を簡便に付着させることができる。これにより、特に、大面積の光取り出し効率が高い有機電界発光素子を、高い生産性で低いコストで製造できる。
実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法はこれに限らない。例えば、平坦化樹脂層２２となる樹脂に複数の微粒子２１が分散された樹脂液を、透明基板１０の主面１０ａ上に塗布して、中間層２０を形成しても良い。例えば、ポリシロキサン系樹脂にシリカ微粒子を混合した溶液を、透明基板１０にスピンコートすることで、中間層２０が形成できる。このときも、透明基板１０の主面１０ａ上に、略１層の微粒子２１が付着する。
実施形態によれば、光取り出し効率の高い有機電界発光素子及びその製造方法が提供される。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、有機電界発光素子に含まれる透明基板、中間層、透明電極、有機発光層及び反射電極、並びに、照明装置に含まれる電源などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した有機電界発光素子及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての有機電界発光素子及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…透明基板、 １０ａ…主面、 １１…マイクロレンズ層、 ２０…中間層、 ２０ｌ…下側部分、 ２０ｕ…上側部分、 ２１…微粒子、 ２２…平坦化樹脂層、 ２７…中間層、 ２７ａ…低屈折率部、 ２７ｂ…高屈折率部、 ２８…中間層、 ２８ａ…低屈折率層、 ２８ｂ…散乱体、 ２８ｃ…高屈折率カップリング層、 ２９…中間層、 ２９ａ…微粒子、 ２９ｂ…マトリクス、 ３０…透明電極、 ３９…短絡防止層、 ４０…有機発光層、 ４１…第１層、 ４２…第２層、 ４３…発光部、 ５０…反射電極、 １１０、１１０ｓ、１１１ａ、１１１ｂ、１１２、１１２ｓ、１１９ａ、１１９ｃ、１１９ｄ、１１９ｅ、１１９ｆ、１１９ｇ…有機電界発光素子、 １２０…電源、 １３０…照明装置、 ＣＤ…電流密度、 ＥＱＥ…外部量子効率、 ＦＲ…充填率、 Ｌ…直径、 ｎ１、ｎ２…屈折率、 ｔ１、ｔ２…厚さ

Claims (7)

  1. 透明基板と、
    前記透明基板の主面上のランダムな位置に付着された複数の微粒子と、前記複数の微粒子を覆い前記複数の微粒子の屈折率とは異なる屈折率を有する透明な平坦化樹脂層と、を含む中間層と、
    前記中間層の上に設けられた透明電極と、
    前記透明電極の上に設けられ可視光の波長の成分を含む光を放出する有機発光層と、
    前記有機発光層の上に設けられた反射電極と、
    を備え、
    前記複数の微粒子は、前記有機発光層から放出された光の方向を散乱及び屈折の少なくともいずれかにより変化させ、
    前記複数の微粒子の平均の径は、２００ナノメートル以上１．５マイクロメートル以下であり、
    前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含まない上側部分の厚さは、前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含む下側部分の厚さよりも厚く、
    前記上側部分の厚さは、２００ナノメートル以上であることを特徴とする有機電界発光素子。
  2. 前記複数の微粒子の平均の径は、６００ナノメートル以上９００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１記載の有機電界発光素子。
  3. 前記透明基板から前記反射電極に向かう第１方向に沿ってみたときの前記主面の単位面積に対する、前記第１方向に対して垂直な平面に射影したときの前記複数の微粒子の面積の比は、２０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の有機電界発光素子。
  4. 前記中間層の厚さは、６マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の有機電界発光素子。
  5. 前記中間層のうちで、前記複数の微粒子を含む部分の厚さは、前記複数の微粒子の平均の径の４倍以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の有機電界発光素子。
  6. 前記有機発光層から放出される光は白色光であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の有機電界発光素子。
  7. 透明基板と、前記透明基板の主面上のランダムな位置に付着された複数の微粒子と、前記複数の微粒子を覆い前記複数の微粒子の屈折率とは異なる屈折率を有する透明な平坦化樹脂層と、を含む中間層と、前記中間層の上に設けられた透明電極と、前記透明電極の上に設けられ可視光の波長の成分を含む光を放出する有機発光層と、前記有機発光層の上に設けられた反射電極と、を備えた有機電界発光素子の製造方法であって、
    前記平坦化樹脂層となる樹脂に前記複数の微粒子が分散された樹脂液を前記透明基板の前記主面上に塗布して、前記複数の微粒子を含む下側部分と、前記下側部分の上に設けられ前記平坦化樹脂層を含む上側部分と、を含む中間層を表面が平坦になるように形成し、
    前記平坦化樹脂層の上に透明電極を形成し、
    前記透明電極の上に前記有機発光層を形成し、
    前記有機発光層の上に反射電極を形成し、
    前記複数の微粒子の平均の径は、２００ナノメートル以上１．５マイクロメートル以下であり、
    前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含まない上側部分の厚さは、前記中間層のうちで前記複数の微粒子を含む下側部分の厚さよりも厚く、
    前記上側部分の厚さは、２００ナノメートル以上であることを特徴とする有機電界発光素子の製造方法。
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