JP5607733B2 - Ｏｌｅｄベースの発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学的に透明なキャリア基板上に並んで配置された複数のグループの有機発光ダイオード（OLED）を有する発光デバイスに関する。前記有機発光ダイオードは、第1の電極層と第2の電極層との間に少なくとも有機層又は層のスタックを含む第1の層配列を有し、前記第1の電極層及び前記第2の電極層が第1の微小空洞を形成し、各グループの有機発光ダイオードのうちの少なくとも2個が異なる色の光を発するよう設計されている。

有機発光ダイオード（OLED）は、表示アプリケーション及び照明アプリケーションに対する有望な技術である。特に照明アプリケーションのために、中程度乃至広い面積をもつ有機発光ダイオード又は斯様なダイオードに基づいた発光デバイスが必要とされる。当該中程度乃至広い面積をもつ有機発光ダイオードの調製、特に有機材料からなる層構造の調製が、例えばフロートガラスなど光を透過するキャリア基板上への真空中における熱蒸着によって通常は実施される。典型的なOLEDの構造は薄く透明な陽極と、正孔運搬層と、発光ゾーンと、電子運搬層と、陰極層とを含む。残念なことに、発生した光の通常約50％がOLEDの層スタック内に留まり、約25％が基板内に留まり、僅か20％乃至25％が空気中へと出射されて照明アプリケーション用に使うことができる。この空気中へと発される光の部分は、多くの手段によって約50％乃至約36％までは増すことができるが、OLEDを効率的に利用するには依然としてあまりに低い。

S.Mladenovski等による「Nelder-Mead法による層厚の最適化を用いたOLEDの出射光の強化」、発光ディスプレイ及び発光照明の科学技術に関する国際会議、2008年、EL 2008 議事録，pp．9−12、によれば、単色光のOLEDデバイスでは空気中への光出力は、調整されたいわゆる二重共振空胴構造（RC2）によって、即ちOLEDの電極のうちの一つと基板との間の厚さが最適化された高インデックス層及び低インデックス層の層配列によって、例えば緑色の波長域では殆ど2倍にすることができる。通常、追加の微小空洞を形成するには特別な高インデックス層が二つ、及び間にある低インデックス層が一つあれば十分である。

OLEDに基づいて白色光を発するデバイスを提供するために、異なる色、特に赤色、緑色、及び青色の光を発する異なる複数の層が、通常一つの層スタックに組み込まれる。異なる色の組合せによって、当該デバイスは所望する白色光を発する。斯様な白色光OLEDの発光効力を高めるために、上記の二重共振空胴構造の技術は適用されることができない。この理由は、追加された微小空洞の調整は約90 nmの範囲にある色のうちの1色の効力を高めるのみだからであり、この波長範囲外では発光が強く減じられてしまう。したがってこの概念を斯様な白色光OLEDに対して適用することは、一つの色に対してのみ効率を改善し、他の色の放射輝度を減じてしまう。

本発明の目的は、OLEDに基づく発光デバイスを提供することであり、当該デバイスは、周知の白色光OLEDデバイスと比較して増大した効力を有する白色光の生成を可能にする。

この目的が、請求項１に記載の発光デバイスで実現される。有利な実施例は従属請求項の主題となっているか、又は後続する説明部分及び好ましい実施例において説明されている。

出願された発光デバイスは、光学的に透明なキャリア基板上に並んで配置されたストライプ形状の複数のグループの有機発光ダイオードを有する。当該有機発光ダイオードは、第1の電極層と第2の電極層との間に少なくとも有機層又は層のスタックを含んでいる第1の層配列を有し、前記第1の電極層と前記第2の電極層とが第1の微小空洞を形成している。第2の電極層は、第1の電極層よりもキャリア基板に近い層である。各々のグループの有機発光ダイオードのうちの少なくとも2個が、異なる色の光を発するよう設計されている。従来技術で普通に知られているように、これは、適切な有機材料を発光層の成分として選択することによって、及び第1の微小空洞の長さ、特に反射陰極に対する発光層の距離を適切に適応させることによって実現される。各々のグループの有機発光ダイオードのうちの少なくとも1個は、第2の電極層とキャリア基板との間に第2の微小空洞を形成している第2の層配列を有する。斯様な第2の微小空洞のない事例と比較して、第2の微小空洞は対応する有機発光ダイオードの光出力を増大させるよう厚さが適応される。このため第2の微小空洞は、当該空洞に関連する全ての層の厚さが適応される。2色又は3色を発光する幾つかの特例では、共通の最適化（手段）が、第2の微小空洞の層のうちの一つの層以外の全ての層に対して見出され、この後で、最後に残った層が対応する色用に特に調整される。散乱エレメント又は拡散エレメントが、キャリア基板の前にある有機発光ダイオードの出射方向に、即ち、底部発光の場合、キャリア基板の有機発光ダイオードと対向する側に配置される。当該エレメントは、キャリア基板を去ってゆく各グループの異なる色の光を混合する。

このように、例えば引用されたS. Mladenovski等による刊行物から知られているように、本発明は二重共振空胴構造（RC2）の技術を使用して単色OLEDの発光効力を改善するという利益を得る。異なる単色OLEDを光学的に透明な基板上にストライプの形状に並べて使用することによって、且つこれらのOLEDにより発された光を適切な拡散エレメント又は散乱エレメントで混合することによって、単色OLEDの各々は、白色の発光を実現するのに必要とされる他の色の放射輝度を減じることもなく、他のOLEDから独立して、発光効力を最適化できる。

拡散エレメント又は散乱エレメントが配置されると、デバイスにより発された光の角度に依存する色効果も減じられる。拡散エレメント又は散乱エレメントは、OLEDの発光層から少なくとも少し離れて配置されて、OLEDを形成しているストライプの幅の少なくとも一つ分又は二つ分に等しい散乱フォイルで形成される。十分に厚いキャリア基板の場合、このフォイル若しくは層、又は他のエレメントが、キャリア基板のOLED構造部と対向する表面に直接付加されてもよい。

このように本発明によって、好ましくは赤色、緑色、及び青色のストライプを有するストライプ状のOLEDを製造することにより上記の課題が解決され、それぞれ調節された第2の微小空胴が、3色のうちの少なくとも1色のOLEDの第2の電極層とキャリア基板との間に提供される。この手段により、対応するストライプ状のOLEDのルーメン出力は、単一の（ストライプ状ではない）平面状の共振空胴OLEDの場合と比較して2倍よりも大きいことが可能である。斯様な二重共振空胴（RC2）を一つの色に対して提供することが、デバイスの発光出力の効力を増大させるのに既に十分であるにもかかわらず、他の色を発するOLEDもまた斯様なRC2構造で作られてもよく、非常に効率の高い白色OLEDの色点を調整するときに有利でもある。

好ましくは、各々のグループのOLEDは、赤色光、緑色光、及び青色光を発するOLEDを有する。にもかかわらず、白色光を実現するために組み合わされることもある二つの異なる色を発する2個のOLEDのみで一つのグループが形成されることもある。本発明が白色光の発光に限定されることもない。また、他の混合色、即ち少なくとも二つの異なる色を混合した色が、高い発光効力を備えたデバイスにより提供されてもよい。

発光デバイスの各々のOLEDの最適化 −又は選択されたOLEDの最適化− が、OLEDにより発された光の色に対して追加の微小空洞を調節することにより成される。好ましくは、2層の高インデックス層の間に低インデックス層をもつ層配列によって追加の微小空洞が形成される。異なるインデックス値をもつ層が、対応する色のλ/４の厚さを有してはならない。これは、斯様なOLEDの発光シミュレーションにより示されることができる。RC2構造に起因して、より多くの部分の光がOLEDの脱出円錐へと導かれ、結果としてより高い発光効率となる。本願明細書における用語インデックスは、屈折率に対する同義語として用いられている。

発光効力は、（550 nmにて）1.7と1.9との間の屈折率を備えた高インデックスのガラス基板をキャリア基板として用いることにより、更に増すことができる。好ましくは基板のインデックスは、（通常透明ではない第1の電極層無しで）OLEDの平均インデックスと大体等しく選択される。用語「大体等しく」は、この平均インデックスから最大で約10％の偏移があることを意味する。さらに、追加の微小空洞の高インデックス層と低インデックス層との間のインデックス値の差は、（550 nmにて）少なくとも0.8よりも高く、出来るだけ高いことが好ましい。

有利な実施例において、追加の微小空洞の調節は、高インデックス層のうちの1層の厚さのみを適応させることにより実施される（上記の説明を参照）。これは、発光デバイスの全てのOLEDに対して、他の層が等しい厚さでキャリア基板へと付加されることができる長所があり、この後、複数の層のうちの1層のみの厚さが適応されねばならないので、結果として製造コストを減じる。OLEDのストライプのストライプ・ベースは、例えば追加の微小空洞の上にある層の選択エッチングにより規定されることができ、又はマスキングによる適切な溶着により規定されることができる。次に、ベースとしてのこれらのストライプ上に、陽極層を形成しているストライプ、例えばITOのストライプが、例えばマスキングによって、又はレジスト層のストライプの選択エッチングによって蒸着される。この後、OLEDストライプが陽極ストライプの上に適切なマスキングによって再度蒸着され、最終的にはストライプ状の陰極層、例えばAl層が最上部にある。必要に応じて、陽極の一方に接点を有する小さな金属の電流給電部もOLEDストライプの間にある絶縁ストライプの部分に設けられる。別の実施例では、（ストライプと交差することのない）共通の陽極層が設けられ、ストライプ構造の陰極を介して電気的なアドレス指定が行われる。

他の有利な実施例において、マイクロレンズのアレイ又は円柱レンズのアレイがキャリア基板上に、底部発光の場合にはOLEDストライプと対向する側に配置される。円柱レンズの場合には、これらのレンズはOLEDのストライプと位置合わせされる。これらの手段と共に、光の出射量が更に改善される。

提案されたデバイスが、添付の図に関連して、請求項に記載の保護の範囲を限定することなく、例の態様にて以下に説明されよう。

本発明によるOLEDストライプの典型的な構造の概観図を示す。 最適化されたRC2構造を有する赤色のOLEDストライプのシミュレーション結果を示す。 本発明の例によるOLEDストライプの構成を示す。 提案された発光デバイスの出射効率を改善するために配置された円柱レンズの概観図を示す。

本発明で提案されたデバイスは、光学的に透明なキャリア基板上に並んで配置された複数のグループのストライプ状のOLEDを有する。図1は、最適化されたRC2に基づいてデザインされたこれらのOLEDのうちの一つの構造例を示す。このOLED 1は、第1の微小空洞を形成している第1の層構造2と、第2の微小空洞を形成している第2の層構造3とがキャリア基板4の上に形成されている。

第1の層構造2は、従来から知られているOLEDを形成している。この層構造2は例えばITO又はAZOの薄く透明な陽極層5と、正孔注入層6と、正孔運搬層7と、発光層8と、電子運搬層9と、電子注入層10と、例えばAl、Ag又は何らかの他の適切な金属で形成された陰極層11と、を有する。有機発光層8は、所望の光を発するために電子及び正孔が再結合する層である。

第2の層構造3が、陽極層5とキャリア基板4との間に配置される。本実施例のこの層構造3は、低インデックス層13を二つの高インデックス層12の間に有する。当該高インデックス層は、例えばTiO₂又はGaPで形成され、低インデックス層13は例えばSiO₂で形成される。これらに対応する屈折率は、TiO₂ではn＝2.4、SiO₂ではn＝1.46、及びGaPではn＝3.3であり、全ての屈折率は約550 nmの波長に対してである。異なる層材料を備えた斯様なOLEDの発光効力の測定を比較すると、図2のTiO₂及びGaPの比較で見て取れるように、第2の層構造3の屈折率のより大きな差が、出射効率を増大させることを示している。

図1で概観的に示されるように、斯様なOLEDにより発された光は透明なキャリア基板4、例えばガラス基板を通過して、この後、キャリア基板4の前に配置された散乱フォイル14によってデバイス中の隣接するOLEDの発光と結合される。

表1は、赤色OLEDの層デザインにおける第1の層配列2の各層の厚さを示す。最適化された第2の層配列の典型的な設計例が、3つの異なる実施例に対して表2に示されている。

最初の2つの例の高インデックスのガラスはN−SF57で作られている。上の例から明らかに認識されることができるように、単一層のTiO₂の厚さに対して、式λ/4＝λ₀/［4*n(TiO₂）］＝d(TiO₂）が満足されてはならない。表2の数値のような、上式に合致しない条件では、更により大きな出射光さえも実現される。同じ事がSiO₂層のλ/2条件にもあてはまる。SiO₂の代わりに、超低屈折率を有する別の材料、例えばn＝1.37の屈折率を有するMgF₂が使われてもよい。

通常、第2の層配列3は、材料及びインデックスが交互する3層乃至5層の層をもつよう選択される。この層配列用に、高い屈折率を有する異なる材料、例えばNbO_x及びGaP、又はNbO_x及びTiO₂を使用することも可能である。

図2は、RC2構造を有する斯様な赤色OLEDの発光効力の差の例を、一つの微小空洞のみをもつOLEDと比較して、即ち、RC2構造を備えたOLEDの第1の層構造と同じパラメータをもつ第1の層構造のみで構成されたOLEDと比較して示す。図2では、フロートガラスのキャリア基板を有する基準OLEDの曲線が線19により示されており、高インデックスのガラスのキャリア基板を有する基準OLEDの曲線が線20により示され、フロートガラス（610 nm）のキャリア基板とTiO₂-SiO₂-TiO₂の第2の層配列とを有するRC2構造のOLEDの曲線が線21により示され、フロートガラス（620 nm）のキャリア基板とTiO₂-SiO₂-TiO₂の第2の層配列とを有するRC2構造のOLEDの曲線が線22により示され、高インデックスのガラスのキャリア基板とTiO₂-SiO₂-TiO₂の第2の層配列とを有するRC2構造のOLEDの曲線が線23により示され、高インデックスのガラスのキャリア基板とGaP-SiO₂-GaPの第2の層配列とを有するRC2構造のOLEDの曲線が線24により示されている。シミュレーション・プログラムによってシミュレーションされた結果は、610 nmの波長での発光効率が第1の層配列のみを有する基準OLEDと比較して2.4倍に増すことを示している。

光出力の効力の改善を実現するために、第2の層配列の最適化が当該層配列中の種々異なる層の厚さを適応させることにより行われる。好ましくは提案されたデバイスの全てのOLEDに対して、この第2の層配列中の一つの層のみが、好ましくはキャリア基板に最も近い第3の層のみが全てのOLEDに対して適応される。この後、この層が対応するOLEDの色へと適応され、赤色OLED、緑色OLED、及び青色OLEDを有するデバイスの場合には、赤色OLED、緑色OLED、及び青色OLEDに対して異なる対応する態様にて適応される。

他のシミュレーションは、青色OLEDの場合には1.6倍の改善が実現されたことを示しており、これは赤色OLEDの改善よりも少ない。発光材料Irrpyを有する緑色OLEDでは、2倍の改善が可能である。これ故、3層乃至5層（2層又は3層の高インデックス層及び1層又は2層の低インデックス層）のRC2構造を有する場合の改善量は、青色の波長域（480 nm）において約1.6倍であり、緑色の波長域（540 nm）で2倍であり、赤色の波長域（620 nm）で2.4倍である。例えば、本発明による発光デバイスの有益な実施例において、RC2構造を有する赤色OLEDのストライプが、RC2構造を有する緑色OLEDのストライプと組み合わせることができ、RC2構造を有する青色OLEDのストライプと組み合わせることができる。RC2構造と組み合わせる代わりに、例えばITOの陽極とフロートガラスの基板との間に約10μmの厚さをもつ光学的に厚く高インデックス（n＝1.75乃至1.85）の基板層を備えたキャリア基板及び例えばマイクロレンズを用いた効率のよい出射メカニズムと、青色OLEDのストライプとが組み合わされてもよい。OLEDとキャリア基板との間にある斯様な高インデックスの中間層がRC2構造と一緒に設けられ、この後、キャリア基板と第2の層構造との間に配置されることもある。

図3は、本発明の発光デバイスの典型的な実施例によるOLEDストライプの概観的な構成を示す。この例では異なる色をもつOLEDの異なるストライプが同じ幅をもっているが、これはしかしながら必須ではない。異なる発光効力を考慮すると、白色光を実現するために、異なる色のOLEDの幅が異なっていてもよい。図3は7つのグループのOLEDを示しており、各グループが赤色OLED 15、緑色OLED 16、及び青色OLED 17で形成されている。斯様なデバイスは通常、32×34 mm²又は50×50 mm²の高さ寸法Hと幅寸法Wとを有する。（OLED部分の）フィルファクタ（占有率）は80％と90％との間である。通常、1本のストライプの幅は0.2 mmと5 mmとの間であり、好ましくは1 mmと3 mmとの間である。ストライプの幅は、相当するOLEDの効力及び意図する白色光のスペクトル（例えば暖か味のある白）に対して適応されることができ、又は所望する色点に対して適応されることができる。これは、赤色、緑色、及び青色用のストライプの幅が異なり得ることを意味する。例えば、効率のよい緑色のOLEDの幅が、赤色のOLEDの幅若しくは青色のOLEDの幅のおよそ半分でもよいし、又は緑色のOLED及び青色のOLEDが合計して赤色のOLEDの幅に等しい（余分な）幅をもってもよい。

ストライプ間にあるギャップ中に、電気的な絶縁ストライプによって隔てられた2本の導電ストライプが、対応するOLEDストライプの陽極と陰極とを接触させるために配置される。例えば陰極を接触させるための導電ストライプが、全てのOLEDストライプに対してOLEDストライプの左又は右に配置される。赤色OLED、緑色OLED、及び青色OLEDのストライプが並列に電力供給される。本実施例では電流制御は、赤色、緑色、及び青色に対して別々の電圧（3つの電源）により実施される。散乱フォイル、電気的接続部、及び電源は、図3では示されていない。

ほぼ30 lm/Wの赤色、ほぼ60 lm/Wの緑色、及びほぼ10 lm/Wの青色をもつ（1000 nitで、1 nit＝1 cd/m²＝1 lm/sr*m²）赤色、緑色、及び青色の典型的な発光効率と、最大の改善量のほぼ半分ほど改善された出射光（ILO）のスペクトル平均とを考慮すると、赤色では約51 lm/W、緑色では約90 lm/W、青色では約13 lm/Wという値が実現される。暖か味のある白色のストライプOLEDでは、赤色（例えば：ADS076）、緑色（例えば：二重発光Irrpy）、及び青色（例えば：BD‐119）に対するスペクトルの重み付けは1：0.4：0.2が実現される。これは、白色混合スペクトルの総効力が63 lm/Wで、x＝0.485及びy＝0.425の色点を意味する。1：0.5：0.25のR：G：Bのスペクトル組成において、66 lm/Wの白色の効力と、x＝0.465及びy＝0.425の色点が実現された。これは、OLLA IIIのハイブリッド白色の現在の記録データ、50 lm/Wと比較して顕著な改善である。

3つの異なる色を有するOLEDの代わりに、本発明の発光デバイスが2つの異なる色のみのOLEDで構成されてもよい。特に、赤色及び青緑色の組合せが有利であり、赤色OLEDと、例えばマイクロレンズで作られた出射光の散乱フォイルとにRC2構造が使われるか、又は青緑色OLEDの出射効率を改善するために散乱粒子が使われる。別の例は、青色及び黄色の組合せである。この場合、RC2構造が青色OLEDに対して使用され、出射光の散乱フォイルが黄色OLEDの基板に対して直接適用されるか、又はその逆も可である。

比較的厚い基板、即ち1本のストライプの幅よりも好ましくは厚い、例えば3 mm乃至5 mmの基板の場合には、種々異なる色を混合するために使用される散乱粒子を有する拡散/散乱エレメント、拡散/散乱フォイル、又は拡散/散乱層が、キャリア基板に直接付加されることもできる。

最適な出射光のために、円柱レンズ18をキャリア基板に追加で使用することが好ましい。図4に概観的に示されているように、これらの円柱レンズは赤色OLED15、緑色OLED16、及び青色OLED 17のOLEDストライプに沿って好ましくは位置合わせされる。円柱レンズ18が、適切な半円状のプロフィールを有する小型の板により実現されることもでき、屈折率整合流体又は屈折率整合接着剤を用いてキャリア基板へと付加されることができる。半円の円柱レンズは、非常に効率よく光を出射するマイクロ抽出器のような、対応するストライプの中央部に対する効果を有する。斯様な円柱レンズが、種々異なる色を混合するための拡散エレメント又は散乱エレメントに追加して使用される。

本発明が図面及びこれまでの説明にて詳細に例示され且つ説明された一方で、斯様な例示及び説明は、例示目的又は説明目的のためであるとみなされ、拘束性はない。本発明が開示された実施例に限定されることはない。上で説明された種々異なる実施例と請求項中にある種々異なる実施例とが組み合わされることもできる。請求された本発明を実施する際に、図面、開示物、及び添付の請求項の範囲の学習から、開示された実施例に対する他のバリエーションが当業者により理解され且つ遂行されることができる。例えば、本発明が白色光の生成に限定されることはない。種々異なる色のOLEDストライプが、均一な色の光を実現するために使用されてもよい。更にまた、典型的な実施例で説明したように、発光デバイスの寸法が示された寸法に限定されることはない。当業者は所望する光学的な効果に応じて、種々異なる色のOLEDストライプ及び対応する寸法と同様に、発光デバイスの寸法を選択することであろう。

請求項において、単語「有する」が他のエレメント又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」が複数を除外することはない。複数の手段が相互に異なる従属請求項において再引用されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われることができないことを示しているのではない。請求項中の引用符号は、これらの請求項の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

1 OLED
2 第1の層配列
3 第2の層配列
4 キャリア基板
5 陽極層
6 正孔注入層
7 正孔運搬層
8 発光層
9 電子運搬層
10 電子注入層
11 陰極層
12 高インデックス層
13 低インデックス層
14 散乱フォイル
15 赤色OLEDのストライプ
16 緑色OLEDのストライプ
17 青色OLEDのストライプ
18 円柱レンズ
19 基準OLED（フロート）
20 基準OLED（高インデックス）
21 RC2 OLED（フロート、610 nm）
22 RC2 OLED（フロート、620 nm）
21 RC2 OLED（高インデックス、610 nm）
21 RC2 OLED GaP（高インデックス、610 nm）

Claims (7)

1. 光学的に透明なキャリア基板上に並んで配置された複数のグループのストライプ形状の有機発光ダイオードであって、
   第1の電極層と第2の電極層との間に少なくとも有機層又は層のスタックを含む第1の層配列を有し、前記第1の電極層及び前記第2の電極層が第1の微小空洞を形成しており、前記第2の電極層が前記第1の電極層よりも前記キャリア基板に近いところにあり、
   各々のグループの前記有機発光ダイオードのうちの少なくとも二つが異なる色の光を発し、
   各々のグループの前記有機発光ダイオードの少なくとも一つが、前記第2の電極層と前記キャリア基板との間に第2の微小空洞を形成する第2の層配列を有し、対応する前記有機発光ダイオードの光出力を増すために、当該第2の微小空洞の層のうちの少なくとも一つの厚さが適応されており、前記第2の層配列が、少なくとも、2つの高インデックス層の間の低インデックス層を有する前記有機発光ダイオードと、
   前記キャリア基板の前にある前記有機発光ダイオードの発光方向に配置され、前記キャリア基板を去ってゆく各グループの前記異なる色の光を混合する散乱エレメント又は拡散エレメントを有する発光デバイス。
2. 前記キャリア基板が1.7と1.9との間のインデックスを有する高インデックスのガラス基板であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記キャリア基板がガラス基板であり、前記第1の電極無しで、同基板のインデックスが前記第1の層配列の平均インデックスの+/-10%の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第2の層配列の前記高インデックス層と前記低インデックス層との間のインデックスの差が少なくとも0.8はあることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記第2の微小空洞の層のうちの少なくとも一つの層の厚さを適応することが、前記高インデックス層の内の1層のみの厚さを変化させることにより実現されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記各々のグループが、赤色光、緑色光、及び青色光を発する有機発光ダイオードを有することを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
7. 光の出射を改善するために、マイクロレンズ又は円柱レンズが前記キャリア基板に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。

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