JP5659095B2 - 有機発光素子、光源装置および有機発光素子の製造方法 - Google Patents
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- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Description
有機発光装置はディスプレイ、光源、照明用装置として有望な技術である。有機発光装置では外部電源から得られる電気エネルギーが有機発光装置における発光層の有機分子に励起子(電子正孔対)を形成し、励起子が緩和する(電子正孔対が結合する)際の余剰エネルギーが可視光となり、この可視光が装置から空気へと出射される。しかしながら、有機発光装置内で有機分子のエネルギーは効率よく光に変換されず、従って外部への光取出し効率を低下させている。この励起有機分子から可視光への変換を妨げるメカニズムは以下のとおりである。
上記した議論では、発光層内の有機分子における遷移双極子モーメントの方向がランダム(等方的)であると仮定している。しかしながら、表面プラズモンポラリトンの励起に消費されるエネルギーは、有機分子における遷移双極子モーメントの方向が基板に対して水平の場合の方が、基板に対して垂直の場合に比べて少ない。例えば、金属電極と発光層における発光位置の距離を75nmとした場合、表面プラズモンポラリトンの励起に消費されるエネルギーは、有機分子における遷移双極子モーメントの方向が垂直の場合、励起子エネルギーの80%にも及ぶが、有機分子における遷移双極子モーメントの方向が水平の場合は5%以下となる。
尚、上記した議論では簡単化のため、励起子エネルギーの転換経路として、電子正孔対の発光再結合及び表面プラズモンポラリトンの励起のみを考えており、表面プラズモンポラリトンの励起を除く電子正孔対の非発光再結合は考慮していない。
これにより、第一のバンク104の表面には撥水層が形成される。第一のバンク104として、感光性ポリイミドが好ましい。また、第一のバンク104として、アクリル樹脂、ノボラック樹脂、フェノール樹脂、非感光性材料なども用いることができる。
第一のドーパント、第二のドーパントおよび第三のドーパントについては後述する。
(1)第一のドーパント、第二のドーパントおよび第三のドーパントを含む単一の有機発光素子が複数存在する。
(2)第一のドーパントおよび第二のドーパントを含む有機発光素子、第三のドーパントを含む有機発光素子が存在する。
(3)第一のドーパントを含む有機発光素子、第二のドーパントを含む有機発光素子、第三のドーパントを含む有機発光素子が存在する。
図1における有機発光素子に駆動回路および筐体などが備えられることで光源装置となる。
第一の有機発光素子202および第二の有機発光素子203から光が取出される方向には、拡散板201が配置されている。上記(2)の構成を用いる場合、図3では、第一の有機発光素子202が赤色ドーパントおよび緑色ドーパントを含む有機発光素子となり、第二の有機発光素子203が青色ドーパントを含む有機発光素子となる。上記(3)の構成を用いる場合、図3では、第一の有機発光素子202および第二の有機発光素子203が、赤色ドーパントを含む有機発光素子、緑色ドーパントを含む有機発光素子、青色ドーパントを含む有機発光素子のいずれかとなる。各有機発光素子の配置は、図3に示すようなストライプ状のほかに千鳥格子状でもかまわない。有機発光素子を塗布で作製する場合、図3に示すように有機発光素子をストライプ状に配置した方が容易に作製できる。
青色ドーパントは400nmから500nmの間に室温(25℃)におけるPLスペクトルの最大強度が存在する。緑色ドーパントは500nmから590nmの間に室温におけるPLスペクトルの最大強度が存在する。赤色ドーパントは590nmから780nmの間に室温におけるPLスペクトルの最大強度が存在する。
発光ドーパントの分子には、平面状、棒状、正四面体状、正八面体状、球状など様々な形状の分子が存在する。これらの分子に適切な機能性基を付加することで、基板面に対し略水平に配向させることができる。分子を配向させることによって、遷移双極子モーメントの配向を制御する。
物質の表面は一般に内部(バルク)と異なり片側に同種の分子が存在しないため引力が働かずエネルギーが高く不安定である。そのため、表面エネルギーを低下させるために表面積を小さくするように変形させる力(表面張力)が働く。また、物質内に表面エネルギーの低い官能基を有する分子がある場合には、その官能基を表面に出すことで表面エネルギーを低下させ、安定化する。例えば、水と界面活性剤(両親媒性分子)の場合、界面活性剤は表面エネルギーの低い官能基である疎水基を分子内に有し、その疎水基を水面から出す形で水面に単分子膜を形成することで水面の表面エネルギー低下させている。
nmとした。
ホストとして、カルバゾール誘導体、フルオレン誘導体またはアリールシラン誘導体などを用いることが好ましい。効率の良い発光を得るためには青色ドーパントの励起エネルギーよりも、ホストの励起エネルギーが十分大きいことが好ましい。なお、励起エネルギーは発光スペクトルを用いて測定される。
正孔注入層301とは発光効率や寿命を改善する目的で使用される。また、特に必須ではないが、陽極の凹凸を緩和する目的で使用される。正孔注入層301を単層もしくは複数層設けてもよい。正孔注入層301としては、PEDOT(ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)):PSS(ポリスチレンスルホネート)等の導電性高分子が好ましい。その他にも、ポリピロール系やトリフェニルアミン系のポリマー材料を用いることができる。また、低分子(重量平均分子量10000以下)材料系と組み合わせてよく用いられる、フタロシアニン類化合物やスターバーストアミン系化合物も適用可能である。
正孔輸送層302とは正孔を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で正孔注入層301、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。正孔輸送層302を単層もしくは複数層設けてもよい。正孔輸送層302としては、スターバーストアミン系化合物やスチルベン誘導体、ヒドラゾン誘導体、チオフェン誘導体などを用いることができる。また、これらの材料に限られるものではなく、これらの材料を2種以上併用しても差し支えない。
電子輸送層304は発光層303に電子を供給する層である。広い意味で電子注入層305、正孔阻止層も電子輸送層304に含まれる。電子輸送層304を単層もしくは複数層設けてもよい。この電子輸送層304の材料としては、例えば、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)−4−(フェニルフェノラト)アルミニウム(以下、BAlq)や、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(以下、Alq3)、Tris(2、4、6−trimethyl−3−(pyridin−3−yl)phenyl)borane(以下、3TPYMB)、1、4−Bis(triphenylsilyl)benzene(以下、UGH2)、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フラーレン誘導体、フェナントロリン誘導体、キノリン誘導体などを用いることができる。
電子注入層305は陰極から電子輸送層304への電子注入効率を向上させる。具体的には、弗化リチウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウム、弗化バリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムが望ましい。また、もちろんこれらの材料に限られるわけではなく、また、これらの材料を2種以上併用しても差し支えない。
基板100として、ガラス基板、金属基板、SiO2、SiNx、Al2O3等の無機材料を形成したプラスチック基板等が挙げられる。金属基板材料としては、ステンレス、42アロイなどの合金が挙げられる。プラスチック基板材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリサルフォン、ポリカーボネート、ポリイミド等が挙げられる。
陽極材料としては、透明性と高い仕事関数を有する材料であれば用いることができる。
具体的には、ITO、IZOなどの導電性酸化物や、薄いAgなどの仕事関数の大きい金属が挙げられる。電極のパターン形成は、一般的にはガラス等の基板上にホトリソグラフィなどを用いて行うことができる。
陰極材料は、発光層303からの光を反射するための反射電極である。具体的には、LiFとAlの積層体やMg:Ag合金などが好適に用いられる。また、これらの材料に限定されるものではなく、例えばLiFの代わりとして、Cs化合物、Ba化合物、Ca化合物などを用いることができる。
塗液は発光層303を形成する材料を適切な溶媒に溶解させたものである。以下の説明では、発光層303を形成する材料としてホスト、赤色ドーパント、緑色ドーパント及び青色ドーパントが含まれる場合について述べる。
本発明の第一の実施例として図3に示す構造の白色発光素子を作製した。下部電極にはITO電極、正孔注入層にはPEDOTをスピンコート法にて形成した。正孔輸送層にはポリマー系の材料を用いた。有機発光層はホストとしてmCP(1、3−ビス(カルバゾル−9−イル)ベンゼン)、青色ドーパントには(化5)、赤色ドーパントには(化7)、緑色ドーパントには(化8)を用いた。
101 下部電極
102 上部電極
103 有機層
104 第一のバンク
105 第二のバンク
106 樹脂層
107 封止基板
108 光取出し層
201 拡散板
202 第一の有機発光素子
203 第二の有機発光素子
301 正孔注入層
302 正孔輸送層
303 発光層
304 電子輸送層
305 電子注入層
501 封止管ガラス
502 配線
503 駆動回路
504 プラグ
505 筐体
506 光源装置
Claims (18)
- 上部電極と、
下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配置された発光層とを有する有機発光素子であって、
前記発光層にはホスト、第一のドーパントが含まれ、
前記第一のドーパントには第一の機能性基が含まれ、
前記第一のドーパントの濃度について、前記発光層において前記上部電極が存在する側の領域と、前記下部電極が存在する側の領域のうちいずれか一方が、他方の領域より高く、
前記第一のドーパントについて、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きく、
前記第一の機能性基は、
ベンゼン環よりも表面エネルギーが低いフルオロアルキル基、パーフルオロアルキル基、アルキル基(Cの数は10以上)、パーフルオロポリエーテル基及びシロキシ基、
下地層との相互作用が大きいOH、−SH、−COOH、−SO 3 H、I、Br、Cl、F、SCN、CN、NH 2 、NO 2 及びビピリジル基、フェニルアミノ基、オキサゾール基、カルバゾール基及びヒドラゾン部位のうちから1つ以上選ばれる有機発光素子。 - 請求項1において、
前記発光層には第二のドーパントが含まれ、
前記第二のドーパントの発光色は前記第一のドーパントと異なり、
前記第二のドーパントには第二の機能性基が含まれ、
前記第二のドーパントの濃度について、前記発光層において前記上部電極が存在する側の領域と、前記下部電極が存在する側の領域のうちいずれか一方が、他方の領域より高く、
前記第二のドーパントについて、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きく、
前記第二の機能性基は、
ベンゼン環よりも表面エネルギーが低いフルオロアルキル基、パーフルオロアルキル基、アルキル基(Cの数は10以上)、パーフルオロポリエーテル基及びシロキシ基、
下地層との相互作用が大きいOH、−SH、−COOH、−SO 3 H、I、Br、Cl、F、SCN、CN、NH 2 、NO 2 及びビピリジル基、フェニルアミノ基、オキサゾール基、カルバゾール基及びヒドラゾン部位のうちから1つ以上選ばれる有機発光素子。 - 請求項1または2において、
前記発光層には第三のドーパントが含まれ、
前記第三のドーパントの発光色は、前記第一のドーパントおよび第二のドーパントと異なり、
前記第三のドーパントには第三の機能性基が含まれ、
前記第三のドーパントの濃度について、前記発光層において前記上部電極が存在する側の領域と、前記下部電極が存在する側の領域のうちいずれか一方が、他方の領域より高く、
前記第三のドーパントについて、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きく、
前記第三の機能性基は、
ベンゼン環よりも表面エネルギーが低いフルオロアルキル基、パーフルオロアルキル基、アルキル基(Cの数は10以上)、パーフルオロポリエーテル基及びシロキシ基、
下地層との相互作用が大きいOH、−SH、−COOH、−SO 3 H、I、Br、Cl、F、SCN、CN、NH 2 、NO 2 及びビピリジル基、フェニルアミノ基、オキサゾール基、カルバゾール基及びヒドラゾン部位のうちから1つ以上選ばれる有機発光素子。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記ベンゼン環よりも表面エネルギーが低い機能性基を含むドーパントは、膜が形成される際に、表面エネルギーを小さくするために、前記ベンゼン環よりも表面エネルギーが低い機能性基を表面に出すように力が働くことで、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きくなる有機発光素子。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記下地層との相互作用が大きい機能性基を含むドーパントは、下地層と機能性基の間に働く、分子間力、水素結合または配位結合の作用により、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きくなる有機発光素子。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記第一のドーパントについて、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が60%以上である有機発光素子。 - 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記発光層に含まれるドーパントのうちいずれか1つは平面状分子であり、
前記平面状分子の平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きい有機発光素子。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記発光層に含まれるドーパントのうちいずれか1つは棒状分子であり、
前記棒状分子の長軸の平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きい有機発光素子。 - 請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記第一のドーパントは4配位の中心金属からなる金属錯体である有機発光素子。 - 請求項9において、
前記第一のドーパントは一般式(1)で示される有機発光素子。
- 請求項1の有機発光素子を備える光源装置。
- 上部電極と、下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配置された発光層とを有する有機発光素子の製造方法であって、
前記発光層にはホスト、第一のドーパントが含まれ、
前記第一のドーパントには第一の機能性基が含まれ、
前記第一のドーパントの濃度について、前記発光層において前記上部電極が存在する側の領域と、前記下部電極が存在する側の領域のうちいずれか一方が、他方の領域より高く、
前記第一のドーパントについて、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きく、
前記第一の機能性基は、
ベンゼン環よりも表面エネルギーが低いフルオロアルキル基、パーフルオロアルキル基、アルキル基(Cの数は10以上)、パーフルオロポリエーテル基及びシロキシ基、
下地層との相互作用が大きいOH、−SH、−COOH、−SO 3 H、I、Br、Cl、F、SCN、CN、NH 2 、NO 2 及びビピリジル基、フェニルアミノ基、オキサゾール基、カルバゾール基及びヒドラゾン部位のうちから1つ以上選ばれ、
前記発光層は塗布で作製される有機発光素子の製造方法。 - 請求項12において、
前記ベンゼン環よりも表面エネルギーが低い機能性基を含むドーパントは、膜が形成される際に、表面エネルギーを小さくするために、前記ベンゼン環よりも表面エネルギーが低い機能性基を表面に出すように力が働くことで、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きくなる有機発光素子の製造方法。 - 請求項12において、
前記下地層との相互作用が大きい機能性基を含むドーパントは、下地層と機能性基の間に働く、分子間力、水素結合または配位結合の作用により、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きくなる有機発光素子の製造方法。 - 第一の有機発光素子および第二の有機発光素子を備えた光源装置であって、
前記第一の有機発光素子および第二の有機発光素子は、それぞれ、上部電極と、下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に配置された発光層とを有し、
前記第一の有機発光素子の発光層にはホストおよび第一のドーパントが含まれ、
前記第二の有機発光素子の発光層にはホスト、第二のドーパントおよび第三のドーパントが含まれ、
前記第一のドーパントには第一の機能性基が含まれ、
前記第二のドーパントには第二の機能性基が含まれ、
前記第三のドーパントには第三の機能性基が含まれ、
前記第一のドーパント、第二のドーパントおよび第三のドーパントの濃度について、前記発光層において前記上部電極が存在する側の領域と、前記下部電極が存在する側の領域のうちいずれか一方が、他方の領域より高く、
前記第一のドーパント、第二のドーパントおよび第三のドーパントについて、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きく、
前記第一の機能性基、前記第二の機能性基及び前記第三の機能性基は、
ベンゼン環よりも表面エネルギーが低いフルオロアルキル基、パーフルオロアルキル基、アルキル基(Cの数は10以上)、パーフルオロポリエーテル基及びシロキシ基、
下地層との相互作用が大きいOH、−SH、−COOH、−SO 3 H、I、Br、Cl、F、SCN、CN、NH 2 、NO 2 及びビピリジル基、フェニルアミノ基、オキサゾール基、カルバゾール基及びヒドラゾン部位のうちから1つ以上選ばれる光源装置。 - 請求項15において、
前記ベンゼン環よりも表面エネルギーが低い機能性基を含むドーパントは、膜が形成される際に、表面エネルギーを小さくするために、前記ベンゼン環よりも表面エネルギーが低い機能性基を表面に出すように力が働くことで、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きくなる光源装置。 - 請求項15において、
前記下地層との相互作用が大きい機能性基を含むドーパントは、下地層と機能性基の間に働く、分子間力、水素結合または配位結合の作用により、遷移双極子モーメントの平均値の基板面に対する水平方向成分が、垂直方向成分より大きくなる光源装置。 - 請求項15乃至17のいずれかにおいて、
前記第一のドーパントは青色ドーパントであり、
前記第二のドーパントおよび第三のドーパントは、一方が赤色ドーパントであり、他方が緑色ドーパントである光源装置。
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