JP6140675B2 - 白色有機発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、有機発光表示装置に関し、特に、各発光スタックの間に備えられる電荷生成層に無機物質の共蒸着を適用し、高効率と共に低電圧を具現した白色有機発光素子に関する。
本格的な情報化時代に入ることによって、電気的情報信号を視覚的に表示するディスプレイ分野が急速に発展している。そこで、多様な平板表示装置に対して薄型化、軽量化及び低消費電力化などの性能を開発させるための研究が継続されている。
このような平板表示装置の代表的な例としては、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＬＣＤ）、プラズマ表示装置（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ ｄｅｖｉｃｅ：ＰＤＰ）、電界放出表示装置（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＦＥＤ）、電気発光表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＥＬＤ）、電気湿潤表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＥＷＤ）及び有機発光表示装置（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＯＬＥＤ）などを挙げることができる。
このうち、別途の光源を要求しないものであって、装置のコンパクト化及び鮮明なカラー表示のための有機発光表示装置が競争力のあるアプリケーションとして考慮されている。
このような有機発光表示装置には、有機発光層の形成が必須である。
前記有機発光層を画素別にパターニングせず、互いに異なる色相の有機発光層を含むスタック構造を積層することによって白色を表示する有機発光表示装置が提案された。
すなわち、白色有機発光表示装置は、発光ダイオードの形成時、正極と負極との間の各層をマスクなしで蒸着するものであって、有機発光層を含む各有機膜は、その成分を異ならせて真空状態で順次蒸着することを特徴とする。
前記白色有機発光表示装置は、薄型光源、液晶表示装置のバックライトまたはカラーフィルターを採用したフルカラー表示装置への使用など、多くの用途を有している素子である。
一方、従来の有機発光表示装置は、互いに異なる色相の光を発光する各スタックが正孔輸送層、発光層及び電子輸送層を含む。そして、各発光層内には、単一ホスト及び発光する色相用ドーパントが含まれ、発光層内に流入した電子と正孔の結合作用によって該当の色相が発光される。また、各スタックに互いに異なる色相の発光層を含み、複数のスタックを積層して形成するが、この場合、各スタックの間に電荷生成層（ＣＧＬ：Ｃｈａｒｇｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）を置き、隣接したスタックから電子を受け取ったり、あるいは隣接したスタックに正孔を伝達する。そして、前記電荷生成層は、ｎ型電荷生成層とｐ型電荷生成層に区分されるが、従来の電荷生成層構造を適用したとき、駆動電圧と寿命が全て改善された例はなかった。
本発明は、前記のような問題を解決するためになされたものであって、各発光スタックの間に備えられる電荷生成層に無機物質の共蒸着を適用し、高効率と共に低電圧を具現した白色有機発光素子を提供することを目的とする。
前記のような目的を達成するための本発明の白色有機発光素子は、互いに対向した正極と負極、前記正極と前記負極との間にそれぞれ正孔輸送層、発光層及び電子輸送層を含む複数のスタック、並びに前記複数のスタックの間に配置されるｎ型電荷生成層及びｐ型電荷生成層を含んで構成され、前記ｎ型電荷生成層は、第１の有機物ホストを含み、前記ｐ型電荷生成層は、前記第１の有機物ホストのＬＵＭＯエネルギー準位より小さいかまたは同じＬＵＭＯエネルギー準位を有する第２の有機物ホストと、１体積％〜２０体積％の、金属を含む無機ドーパントとからなることを特徴とする。
前記ｎ型電荷生成層は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のｎ型ドーパントを含むことが好ましい。
ここで、前記無機ドーパントの金属は、前記ｎ型ドーパントと同じかまたはそれより大きい仕事関数を有するものであり得る。この場合、前記無機ドーパントに含まれる金属は、２．９ｅＶ〜５．５ｅＶの仕事関数を有するものであり得る。
また、前記無機ドーパントは、ＭｇＦ２、ＭｇＣｌ２及びＺｎＦ２のうちいずれか一つであり得る。
そして、前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層内で、前記ｎ型電荷生成層に接してドーピングされたものであり得る。あるいは、前記正極と前記負極との間に２個のスタックを含み、第１のスタックは前記正極と隣接し、第２のスタックは前記負極と隣接し、前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層内で前記第２のスタックに接してドーピングされたものであり得る。
例えば、前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層の全体厚さをＬとしたとき、０．１Ｌ〜Ｌの厚さに分布されたものであり得る。
場合に応じて、前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層内で互いに離隔した複数の領域に分布されたものであり得る。
一方、前記第２の有機物ホストは、
Figure 0006140675
 であり得る。
また、前記正極と前記負極との間に２個のスタックを含み、前記正極に隣接した第１のスタックの発光層は青色発光層で、前記負極に隣接した第２のスタックの発光層は、燐光発光層で、黄緑色、黄色がかかったグリーン色または赤緑色を発光するものであり得る。
そして、前記第２のスタックの燐光発光層は、少なくとも一つの正孔輸送物質のホストと、少なくとも一つの電子輸送物質のホストとを含むものであり得る。
一方、前記第１の有機物ホストは、ヘテロ環（ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｉｃ）を含む縮合芳香族環（Ｆｕｓｅｄ Ａｒｏｍａｔｉｃ Ｒｉｎｇ）で電子輸送特性を有する化合物であり得る。
また、前記ｎ型電荷生成層において、前記ｎ型ドーパントは、前記ｎ型電荷生成層の全体体積の０．４％〜３％の含量で含まれるものであり得る。
そして、各スタックの発光層に隣接した正孔輸送層と電子輸送層の三重項準位は、発光層のホストの三重項準位より０．０１ｅＶ〜０．４ｅＶ高いことが好ましい。
前記のような本発明の白色有機発光素子は、次のような効果を有する。
各発光スタックの間を連結する電荷生成層のうち、ｐ型電荷生成層に、ｎ型電荷生成層に含まれた金属と同じかまたはそれより高い仕事関数を有する金属を含む無機化合物をドーパントとして用いてドーピングし、ｐ型電荷生成層とｎ型電荷生成層との界面に電子が蓄積されることを防止し、ｎ型電荷生成層への電子注入量を増加させ、電子の流れを円滑にすることができる。これにより、低電圧で白色有機発光素子を具現することができる。
また、このような無機ドーパントをｐ型電荷生成層に含ませ、電子の流れが円滑になるとき、界面での電子蓄積による正孔生成抑制が未然に防止され、正孔生成効率が良いので、隣接したスタックへの正孔伝達に優れ、寿命を向上させることができる。
本発明の白色有機発光素子を示した断面図である。 比較例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。 本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。 本発明の第２の実施例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。 本発明の第３の実施例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。 本発明の白色有機発光素子の発光スタックの断面図である。 本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質のドーピング量変更によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフである。 本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質のドーピング量変更によって輝度変化による寿命を示したグラフである。 本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質のドーピング量変更によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフである。 本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質のドーピング量変更によって輝度変化による寿命を示したグラフである。 本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質の同一のドーピング量によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフである。 本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質の同一のドーピング量によって輝度変化による寿命を示したグラフである。 本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質の同一のドーピング量によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフである。 本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質の同一のドーピング量によって輝度変化による寿命を示したグラフである。
以下、添付の図面を参照して本発明の白色有機発光素子を詳細に説明する。
図１は、本発明の白色有機発光表示素子を示した断面図である。
図１に示すように、本発明の白色有機発光素子は、基板１００上に互いに対向した正極１１０及び負極１５０と、前記正極１１０と負極１５０との間にそれぞれ正孔輸送層（図５の１２３参照）、発光層（図５の１２５参照）及び電子輸送層（図５の１２７参照）を含む複数のスタック１２０、１４０と、互いに異なるスタック１２０、１４０の間にｎ型電荷生成層１３３及びｐ型電荷生成層１３７を含む電荷生成層１３０とからなる。
そして、前記ｎ型電荷生成層１３３は、第１の有機物ホストｈ１を含み、前記ｐ型電荷生成層１３７は、前記第１の有機物ホストｈ１のＬＵＭＯエネルギー準位より小さいかまたは同じＬＵＭＯエネルギー準位を有する第２の有機物ホストｈ２と、１体積％〜２０体積％の、金属を含む無機ドーパントｄ２とからなる。
また、図面上には、前記ｎ型電荷生成層１３３にｎ型ドーパントｄ１が含まれた状態を示したが、これに限定されることなく、単一の第１の有機物ホストｈ１のみでｎ型電荷生成層１３３が構成されることも可能である。
図面上には２個のスタックのみを図示したが、これに限定されることなく、３個以上のスタックにも適用可能である。また、３個以上のスタックが備えられるとき、前記スタックは、同一の色相の発光層を含む発光ユニットが繰り返された構造を有することができる。
一方、各スタックを下側から青色スタック、青色より長波長の色相の光を発光する燐光スタックとして順次備えるとき、最終的に負極１５０あるいは正極１１０方向に白色の光が出力されることが可能である。
また、図示した図面には、前記基板１００上に隣接して正極１１０を形成し、その上側に複数のスタックの間の電荷生成層と負極１５０を形成した状態を示したが、場合に応じて、基板１００に隣接して負極を備え、これと離隔・対向して正極を備えた後、負極と正極との間に、図１とは逆順にスタックと電荷生成層を配置することもできる。
ここで、前記燐光スタックの燐光発光層は、少なくとも一つの正孔輸送物質のホストと、少なくとも一つの電子輸送物質のホストとを含むことができ、ここで、黄緑色（Ｙｅｌｌｏｗ Ｇｒｅｅｎ）または黄色がかかったグリーン（Ｙｅｌｌｏｗｉｓｈ Ｇｒｅｅｎ）領域あるいは赤緑色（Ｒｅｄ Ｇｒｅｅｎ）領域の波長の光を発光するドーパントを含む。
また、前記燐光スタックの燐光発光層に含まれるドーパントは、１個または２個であり、ドーパントが２個である場合、互いに異なるドーピング濃度を有することができる。
一方、前記第１のスタック１２０が青色スタックである場合、内部に青色蛍光発光層を備えて具現するが、場合に応じて材料の開発が可能であれば、青色燐光発光層への変更が可能である。
そして、前記ｐ型電荷生成層１３７に含まれる無機ドーパントｄ２は、例えば、ＭｇＦ２、ＭｇＣｌ２及びＺｎＦ２のうちいずれか一つであり得る。このような無機ドーパントｄ２は、第２の有機ホストｈ２と共に、熱蒸着が可能な材料であり、約２．９ｅＶ〜５．５ｅＶの仕事関数を有する金属と、これとイオン結合可能な元素とが結合した無機化合物である。
そして、前記ｐ型電荷生成層１３７に含まれる無機ドーパントｄ２が有する仕事関数値Ｗ２は、上述した数値に限定されなく、隣接したｎ型電荷生成層１３３に含まれたアルカリ金属またはアルカリ土類金属のｎ型ドーパントｄ１の仕事関数値Ｗ１と同じかまたはそれより大きく、ｐ型電荷生成層１３７の主材料である第２の有機ホストｈ２のＬＵＭＯ２値の絶対値より少なくとも小さいかまたは同じ値であり得る。
場合に応じて、前記ｎ型電荷生成層１３３は、金属成分のｎ型ドーパントを含まず、第１の有機ホストｈ１がｎ型の有機物成分のみからなり得るが、この場合、前記ｐ型電荷生成層１３７に含まれる無機ドーパントｄ２に含まれた金属の仕事関数値は、前記第１の有機ホストｈ１のＬＵＭＯの絶対値より大きい値でなければならない。
一方、前記ｐ型電荷生成層１３７の第２の有機ホストｈ２は、例えば、キノン（Ｑｕｉｎｏｎｅ）系列の化合物や下記化学式（１）のＨＡＴ−ＣＮ材料からなり得る。
Figure 0006140675
また、前記無機ドーパントｄ２は、前記ｐ型電荷生成層１３７内で、前記ｎ型電荷生成層１３３に接してドーピングされたものであり得る。あるいは、前記無機ドーパントｄ２は、前記ｐ型電荷生成層１３７内で前記第２のスタック１４０に接してドーピングされたものであり得る。
この場合、前記無機ドーパントｄ２は、前記ｐ型電荷生成層１３７の全体厚さをＬとしたとき、０．１Ｌ〜Ｌの厚さに分布されたものであり得る。
場合に応じて、前記無機ドーパントｄ２は、前記ｐ型電荷生成層１３７内で互いに離隔した複数の領域に分布されたものであり得る。
一方、前記ｎ型電荷生成層１３３の主成分である第１の有機物ホストｈ１は、ヘテロ環（ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｉｃ）を含む縮合芳香族環（Ｆｕｓｅｄ Ａｒｏｍａｔｉｃ Ｒｉｎｇ）で電子輸送特性を有する化合物であり得る。
前記ｎ型電荷生成層１３３に金属成分のｎ型ドーパントが含まれるとき、これは、ｎ型電荷生成層１３３の全体体積の０．４％〜３％の含量で含まれることが好ましい。
また、各スタック１２０、１４０の発光層に隣接した正孔輸送層と電子輸送層の三重項準位は、発光層のホストの三重項準位より０．０１ｅＶ〜０．４ｅＶ高いことが好ましい。
そして、前記ｐ型電荷生成層１３７に最も隣接した第２のスタック１４０の正孔輸送層は、隣接した発光層に発生した電子あるいは励起子が流入することを防止できる電子あるいは励起子阻止機能を有する正孔輸送物質からなる。あるいは、正孔輸送層の単一層や、これに発光層側に隣接した励起子阻止層を別途にさらに備えることもできる。
以下、図面を参照して本発明の各実施例を具体的に説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、比較例と本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、比較例に比べて、本発明の第１実施例は、ｐ型電荷生成層１３７に無機ドーパントｄ２がドーピングされた点において差を有する。
すなわち、図２Ａの比較例では、ｐ型電荷生成層３７が単一の有機ホストからなるが、図２Ｂの本発明の第１の実施例は、約２．９ｅＶ〜５．５ｅＶの仕事関数を有する金属を無機ドーパントｄ２に含ませ、結果的に、第２のスタック１４０から伝達された電子がｐ型電荷生成層１３７における第２の有機ホストｈ２のＬＵＭＯエネルギー準位から無機ドーパントの仕事関数だけジャンピングし、ｎ型電荷生成層１３３への電子伝達が容易になる。
また、この場合、前記ｐ型電荷生成層１３７の無機ドーパントｄ２に含まれた金属の仕事関数Ｗ２は、ｎ型ドーパントｄ１の仕事関数Ｗ１と同じかまたはそれより大きく、その絶対値は、第２の有機ホストｈ２のＬＵＭＯエネルギー準位の絶対値より小さい値を有し、ｐ型電荷生成層１３７の電子がｎ型電荷生成層１３３に伝達されるにおいて、界面で有するエネルギーバリアＥを低下させることができる。この場合、前記電子は、ｐ型電荷生成層１３７の第２の有機ホストのＬＵＭＯエネルギー準位、無機ドーパントの仕事関数、ｎ型電荷生成層１３３の仕事関数の順に段階式でジャンピングして伝達される。したがって、ｐ型電荷生成層１３７とｎ型電荷生成層１３３との界面で電子が蓄積されることを防止し、電子蓄積で発生する正孔抑制も防止され得る。したがって、ｐ型電荷生成層１３７とｎ型電荷生成層１３３との界面の電子蓄積防止によって一次的に駆動電圧を低下させることができ、全体的にｎ型電荷生成層１３３から第１のスタック１２０への電子伝達、ｐ型電荷生成層１３７から第２のスタック１４０への正孔伝達が円滑になり、装置の寿命を向上させるという効果も得ることができる。
ここで、図２Ｂで説明していない図面符号１１０は正極を意味し、１５０は負極を意味する。
また、図２Ｂと比較される図２Ａで説明していない符号１１、１２、３３、４０、５０は、それぞれ正極、第１のスタック、ｎ型電荷生成層、第２のスタック及び負極を示す。
このように、本発明の白色有機発光素子は、高効率を達成するために２個のスタックまたはそれ以上のスタックの積層構造を形成し、効率を向上させる構造を適用する。このような積層構造では、電荷の生成及び移動のために電荷生成層構造を適用する。電荷として、ｐ型電荷生成層と２個のスタックの正孔輸送層との界面で正孔と電子が生成され、生成された電子は、ｎ型電荷生成層のＬＵＭＯエネルギー準位にジャンピングされて移動するようになる。このとき、図２Ａに示すように、ｐ型電荷生成層とｎ型電荷生成層のエネルギーギャップＥが大きいと、界面に電子が蓄積され、蓄積された電子は、正孔の生成を妨害するようになる。このような理由により、電圧が上昇し、結果的に寿命が短縮される。このような積層構造の増加による駆動電圧の上昇は、白色有機発光素子の脆弱点であって、解決しなければならない課題として指摘されている。
したがって、本発明の白色有機発光素子は、高効率を達成するために、２個のスタックまたはそれ以上のスタックの積層構造を形成し、効率を向上させる構造を適用する。このような積層構造では、電荷の生成及び移動のために電荷生成層（ＣＧＬ：Ｃｈａｒｇｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）を適用する。
ｐ型電荷生成層と２個のスタックの正孔輸送層との界面で正孔と電子が生成され、生成された電子は、ｎ型電荷生成層のＬＵＭＯにジャンピングされて移動するようになる。このとき、ｐ型電荷生成層とｎ型電荷生成層との間のエネルギーギャップを減少させるために、ｐ型電荷生成層にｎ型電荷生成層のＬＵＭＯエネルギー準位より小さいかまたは同じＬＵＭＯエネルギー準位を有する有機物ホスト以外に、１体積％〜２０体積％の、金属を含む無機ドーパントを含ませ、電子がｐ型電荷生成層からｎ型電子生成層に移るステップを形成する。これにより、ｎ型電荷生成層とｐ型電荷生成層との間の界面に電子が蓄積され、蓄積された電子は、ホール生成を妨害することを未然に防止することができ、結果的に、低電圧駆動と寿命向上を共に得ることができる。
図３は、本発明の第２の実施例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。
図３に示すように、本発明の第２の実施例に係る白色有機発光素子は、第１の実施例に比べて、ｐ型電荷生成層２３７に含まれる無機ドーパントｄ２をｎ型電荷生成層１３３に隣接して形成した点においてのみ差を有し、残りの構造は同一であり、同一の部位に対する説明は省略する。
図４は、本発明の第３の実施例に係る白色有機発光素子の発光スタックと、それらの間の電荷生成層のエネルギーバンドギャップを示した図である。
図４に示すように、本発明の第３の実施例に係る白色有機発光素子は、第１の実施例に比べて、ｐ型電荷生成層３３７に含まれる無機ドーパントｄ２を第２のスタック１４０に隣接して形成した点においてのみ差を有し、残りの構造は同一であり、同一の部位に対する説明は省略する。
第１〜第３の実施例の場合、いずれも、約２．９ｅＶ〜５．５ｅＶの仕事関数を有する金属を無機ドーパントｄ２に含ませ、結果的に、第２のスタック１４０から伝達された電子がｐ型電荷生成層１３７、２３７、３３７における第２の有機ホストｈ２のＬＵＭＯエネルギー準位から無機ドーパントの仕事関数だけジャンピングし、ｎ型電荷生成層への電子伝達が容易になる。また、この場合、前記ｐ型電荷生成層１３７、２３７、３３７の無機ドーパント１３７ａ、２３７ａ、３３７ａは、ｎ型ドーパントｄ１の仕事関数Ｗ１と同じかまたはそれより大きく、その絶対値は、第２の有機ホストｈ２のＬＵＭＯエネルギー準位の絶対値より小さい値を有し、ｐ型電荷生成層１３７、２３７、３３７の電子がｎ型電荷生成層１３３、２３３、３３３に伝達されるにおいて、界面で有するエネルギーバリアを低下させることができる。
図５は、本発明の白色有機発光素子の発光スタックの断面図である。
図５は、本発明の白色有機発光素子の第１のスタック１２０を示したものであって、正孔輸送層１２３、発光層１２５及び電子輸送層１２７が順次積層されたことを基本構成として示したものである。
白色有機発光素子の各スタックは、このような構成を有し、正極１１０に隣接した第１のスタック１２０の場合、正極１１０に接しながら正孔注入層（図示せず）を上述した正孔輸送層１２３の下部にさらに含むことができ、負極１５０に隣接した第２のスタック１４０の場合、負極１５０に接しながら電子注入層（図示せず）をさらに含むことができる。後者の場合、電子注入層は、該当の発光スタックの電子輸送層上に形成される。
ここで、各スタック１２０の発光層１２５に隣接した正孔輸送層１２３と電子輸送層１２７の三重項準位は、発光層１２５のホストの三重項準位より０．０１ｅＶ〜０．４ｅＶ高いことが好ましい。これは、各発光層に発生した励起子が該当の発光層に隣接した正孔輸送層や電子輸送層に移らないように制限するためである。
以下、各実施例の効果を比較例と比較して説明する。
以下で説明する第１のスタックは、青色スタックとして青色蛍光発光層を用いており、第１のスタックは、正極に隣接して正孔注入層、第１の正孔輸送層、青色蛍光発光層及び第１の電子輸送層の順に形成される。
そして、第２のスタックは、前記ｐ型電荷生成層１３７、２３７または３３７に隣接して第２の正孔輸送層、燐光発光層、第２の電子輸送層及び電子注入層の順に形成される。そして、燐光発光層が、例えば、黄緑色燐光発光層である場合を実験した。
そして、第１〜第３の実施例において、ｐ型電荷生成層内で無機ドーパントの位置を異ならせた点を除いては、正極から負極までの各層の成分を次のようにして実験した。
第１のスタックの正孔注入層は、上記化学式（１）のＨＡＴ−ＣＮを用いて形成し、第１の正孔輸送層は、下記化学式（２）の材料を用いて形成した。また、青色蛍光発光層には、下記化学式（３）のホスト成分と、下記化学式（４）の青色ドーパントとを含ませた。そして、続いて形成する第２の電子輸送層は、下記化学式（５）の材料を用いて形成した。
続いて形成するｎ型電荷生成層は、下記化学式（５）の材料を第１の有機ホストとして用いて形成し、これに、ＬｉやＭｇなどの少量のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の成分をｎ型ドーパントとして含ませた。
そして、ｐ型電荷生成層の第２の有機ホストは、上記化学式（１）のＨＡＴ−ＣＮ成分とし、含まれる無機ドーパントとしては、上述したＭｇＦ２、ＭｇＣｌ２及びＺｎＦ２の無機ドーパンドのうちＭｇＦ２を選択して実験し、その含量としては、下記の表１〜４の含量を参照する。
また、第２のスタックの第２の正孔輸送層は、下記化学式（２）の材料を用いて形成し、燐光発光層は、ホストとして下記化学式（６）の材料を含み、黄緑色ドーパントとして下記化学式（７）の材料を含んだ。
続いて形成する第２の電子輸送層は、下記化学式（５）の材料を用いて形成し、電子注入層は、ＬｉＦの成分を用いて形成した。
一方、このような第１のスタックの各層及び第２のスタックの各層の正孔輸送層、発光層及び電子輸送層の材料は、これに制限されるものではなく、それぞれの正孔輸送と電子輸送特性を勘案して選択・変更可能である。また、発光層は、各スタックで望む発光色によって選択するドーパントを異ならせることができる。
Figure 0006140675
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Figure 0006140675
Figure 0006140675
Figure 0006140675
Figure 0006140675
図６は、本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質のドーピング量変更によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフで、図７は、本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質のドーピング量変更によって輝度変化による寿命を示したグラフである。
Figure 0006140675
図６、図７及び表１では、それぞれ比較例において、ｐ型電荷生成層の材料をＨＡＴ−ＣＮの単一材料とし、第１の実施例では、ｐ型電荷生成層の第２の有機ホストをＨＡＴ−ＣＮとし、無機ドーパントはＭｇＦ２として実験した。ただし、無機ドーパントＭｇＦ２の含量を３％、５％、１０％に異ならせ、比較例と無機ドーパントの含量が異なる場合によって駆動電圧特性と寿命を検討した。
図６を検討すると、無機ドーパントをｐ型電荷生成層にドーピングするとき、同一の電流密度に対して、駆動電圧が比較例の場合より相対的に減少することを確認することができた。駆動電圧が減少した程度は、無機ドーパントの含量が３％、５％であるとき、それぞれ比較例の９４％程度であることが分かり（電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２であるとき）、無機ドーパントの含量が１０％に増加したときは、駆動電圧が比較例の９６％程度に、少量ドーピングしたときより少し上回ったことが分かる。電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ２であるときは、比較例に比べて、無機ドーパントの含量が１０％である場合、比較例の９９％に駆動電圧差が減少するが、このときも、比較例に比べて、本発明の第１の実施例の駆動電圧が小さいという条件を維持する。
また、図７に示すように、比較例と本発明の第１の実施例の無機ドーパントＭｇＦ２の含量を３％、５％、１０％に異ならせたとき、ドーピング量が増加する場合、寿命は少し向上することを確認することができた。
そして、本発明の第１の実施例の無機ドーパントの含量が異なる場合と比較例の場合、効率（ＥＱＥ）は同一であるか、本発明の第１の実施例の方が良く、寿命が向上し、電流密度が増加するにもかかわらず、比較例に比べて効率が低下しないことを確認することができた。
図８は、本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質のドーピング量変更によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフで、図９は、本発明の第１の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質のドーピング量変更によって輝度変化による寿命を示したグラフである。
この実験例では、表１に比べて、第１の実施例の無機ドーパントの含量を１０％から１５％に増加させたことを示す。
Figure 0006140675
図８、図９及び表２は、無機ドーパントの含量を１０％と１５％にしたときの比較例と対比された駆動電圧と寿命特性を検討したものである。
ここで、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２であるとき、無機ドーパントの含量が１５％に増加すると、駆動電圧が比較例に比べて１０１％上昇するが、この場合も、電流密度を５０ｍＡ／ｃｍ２に増加させると、むしろ比較例よりも駆動電圧が２％減少することを確認することができる。すなわち、高電流密度でドーピング量が１０％より多いとしても、駆動電圧を減少させ得るという効果があることを確認した。
図９の寿命特性は、比較例と第１の実施例の無機ドーパントのドーピング量１０％、１５％でほぼ同じ特性を示したものであり、これは、図７の寿命グラフと比較して、実験時間を増加させ、初期輝度Ｌ０の７０％の値に輝度が低下するまで実験したものである。図７の実験では、初期輝度Ｌ０の９０％まで低下するのにかかる時間を測定し、実際の比較例と無機ドーパントのドーピング量が１０％である場合は、初期輝度Ｌ０が１００％から９０％の範囲では図７と図９が同じ特性を示す。
図１０は、本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質の同一のドーピング量によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフで、図１１は、本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の１次無機物質の同一のドーピング量によって輝度変化による寿命を示したグラフである。
Figure 0006140675
図１０及び図１１と表３を検討すると、第１〜第３の実施例において、無機ドーパントの含量を５％に均一に維持し、ただし、無機ドーパント分布領域をｐ型電荷生成層の全体とする場合（第１の実施例）と、無機ドーパントをｎ型電荷生成層に隣接して分布させる場合（第２の実施例）と、無機ドーパントを第２のスタックに隣接して分布させる場合（第３の実施例）の場合において、それぞれ電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２及び５０ｍＡ／ｃｍ２で駆動電圧特性と寿命を検討した。
図１０及び表３に示すように、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２である場合、駆動電圧は、第１の実施例で比較例の８９％、第２の実施例で比較例の８６％、第３の実施例で比較例の８３％であって、いずれも駆動電圧減少効果が比較例に比べて優れることを確認することができる。この場合、各実施例の量子効率（ＥＱＥ）は、比較例に比べて１００％、１０１％、９９％であって、誤差範囲が１％としてほぼ同一の効率を示すことを確認することができる。
また、電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ２である場合も、駆動電圧は、第１の実施例で比較例の８８％、第２の実施例で比較例の８７％、第３の実施例で比較例の７９％であって、いずれも駆動電圧減少効果が比較例に比べて優れることを確認することができる。
この場合、寿命は、図１１に示すように、初期輝度Ｌ０の９５％に低下するまでの時間が、比較例の２５時間に比べて第１〜第３の実施例ではいずれも３０時間以上になり、少なくとも初期輝度（Ｌ０）の９５％に低下するまで、比較例に比べて各実施例では２０％以上寿命が向上することが分かる。また、初期輝度が約９５％でない、９０％、７５％、５０％である場合は、比較例との差がいずれも著しいことを予想することが分かる（図７と図９の比較参照）。特に、第３の実施例の場合、寿命が初期輝度Ｌ０の９５％になるまで約３５時間になり、比較例より約４０％以上寿命が向上したことを示す。
図１２は、本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質の同一のドーピング量によって駆動電圧対電流密度の関係を示したグラフで、図１３は、本発明の第１〜第３の実施例に係る白色有機発光素子の２次無機物質の同一のドーピング量によって輝度変化による寿命を示したグラフである。
Figure 0006140675
図１２及び図１３と表４を検討すると、第１〜第３の実施例において、無機ドーパントの含量を１０％に均一に維持し、ただし、無機ドーパント分布領域をｐ型電荷生成層の全体とする場合（第１の実施例）と、無機ドーパントをｎ型電荷生成層に隣接して分布させる場合（第２の実施例）と、無機ドーパントを第２のスタックに隣接して分布させる場合（第３の実施例）において、それぞれ電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２及び５０ｍＡ／ｃｍ２で駆動電圧特性と寿命を検討した。
図１２及び表４に示すように、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２である場合、駆動電圧は、第１の実施例で比較例の１００％、第２の実施例で比較例の１００％、第３の実施例で比較例の１００％であって、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２の水準である場合、比較例と各実施例との間の差は微々たるものであった。
しかし、電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ２である場合も、駆動電圧は、第１の実施例で比較例の９８％、第２の実施例で比較例の９８％、第３の実施例で比較例の９３％であって、いずれも駆動電圧減少効果が比較例に比べて優れることを確認することができる。
この場合、図１３に示すように、初期輝度Ｌ０の９５％に低下するまでの時間が、比較例の２８時間に比べて第１〜第３の実施例ではいずれも３２時間以上になり、少なくとも初期輝度（Ｌ０）の９５％に低下するまで、比較例に比べて各実施例で１４％以上寿命が向上することが分かる。また、初期輝度が約９５％でない、９０％、７５％、５０％である場合は、比較例との差がいずれも著しいことを予想することが分かる（図７と図９の比較参照）。特に、第３の実施例の場合、寿命が初期輝度Ｌ０の９５％になるまで約４０時間になり、比較例に比べて約４０％以上寿命が向上したことを示す。
例えば、ｎ型電荷生成層に使用されるＬｉなどのｎ型ドーパントは、２．９ｅＶの仕事関数を有し、ｐ型電荷生成層に用いられる有機物（本発明の第２の有機ホスト）成分であるＨＡＴ−ＣＮは、−５．５ｅＶのＬＵＭＯを有する。本発明の白色有機発光素子では、ｐ型電荷生成層に無機ドーパントを２０％以下でドーピングし、ｐ型電荷生成層のＨＡＴ−ＣＮ成分のＬＵＭＯ値である−５．５ｅＶからｎ型電荷生成層のｎ型ドーパントの仕事関数である２．９ｅＶへの電子の伝達を助けることができる中間ステップを形成することによって、電子の蓄積による正孔生成抑制を防止し、２個のスタックの間での寿命減少を防止することができる。併せて、ｎ型電荷生成層への電子の移動を助け、電子をさらに注入させることによって、電子の流れを円滑にできるようにカスケード構造を構成した。無機物ドーピングを適用することによって、電圧減少及び寿命上昇効果を得ることができる。
白色有機発光素子の高性能具現のためにタンデム素子構造の適用が必須であるが、積層構造の増加と共に、駆動電圧が上昇する傾向がある。本発明は、タンデム素子構造に必須的に適用される電荷生成層に無機物質の共蒸着層を使用してカスケード構造を適用することによって、白色有機発光素子の高効率を達成可能にし、低電圧を具現することを目的とする。
本発明の白色有機発光素子は、電荷生成層に無機物質の共蒸着を通じて低電圧素子を具現することができる。
一方、以上で説明した本発明は、上述した実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であることが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者にとって明白であろう。
１００ 基板
１１０ 正極
１２０ 第１のスタック
１３０ 電荷生成層
１３３ ｎ型電荷生成層
１３７ ｐ型電荷生成層
１４０ 第２のスタック
１５０ 負極
１２３ 正孔輸送層
１２５ 発光層
１２７ 電子輸送層

Claims (13)

  1. 互いに対向した正極と負極、
    前記正極と前記負極との間にそれぞれ正孔輸送層、発光層及び電子輸送層を含む複数のスタック、並びに
    前記複数のスタックの間に配置されたｎ型電荷生成層及びｐ型電荷生成層
    を含んで構成され、
    前記ｎ型電荷生成層は、第１の有機物ホスト及びｎ型ドーパントを含み、
    前記ｐ型電荷生成層は、前記第１の有機物ホストのＬＵＭＯエネルギー準位より小さいかまたは同じＬＵＭＯエネルギー準位を有する第２の有機物ホストと、１体積％〜２０体積％の、金属を含む無機ドーパントとからなり、
    前記無機ドーパントに含まれる金属の仕事関数は、前記ｎ型ドーパントと同じかまたはそれより大きく、その絶対値は前記第２の有機ホストのＬＵＭＯエネルギー準位の絶対値より小さい値であり、２．９ｅＶ〜５．５ｅＶであることを特徴とする白色有機発光素子。
  2. 前記ｎ型ドーパントは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属であることを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  3. 前記無機ドーパントは、ＭｇＦ２、ＭｇＣｌ２及びＺｎＦ２のうちいずれか一つであることを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  4. 前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層内で、前記ｎ型電荷生成層に接してドーピングされたことを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  5. 前記正極と前記負極との間に２個のスタックを含み、第１のスタックは前記正極と隣接し、第２のスタックは前記負極と隣接し、前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層内で前記第２のスタックに接してドーピングされたことを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  6. 前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層の全体厚さをＬとしたとき、前記ｎ型電荷生成層と接した面からまたは前記ｎ型電荷生成層と接していない前記ｐ型電荷生成層の表面から０．１Ｌ〜Ｌの厚さに分布されたことを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  7. 前記無機ドーパントは、前記ｐ型電荷生成層内で互いに離隔した複数の領域に分布されたことを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  8. 前記第２の有機物ホストは、
    Figure 0006140675
     であることを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  9. 前記正極と前記負極との間に２個のスタックを含み、
    前記正極と隣接した第１のスタックの発光層は青色発光層で、
    前記負極と隣接した第２のスタックの発光層は、燐光発光層で、黄緑色、黄色がかかったグリーン色または赤緑色を発光することを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  10. 前記第２のスタックの燐光発光層は、少なくとも一つの正孔輸送物質のホストと、少なくとも一つの電子輸送物質のホストとを含むことを特徴とする、請求項９に記載の白色有機発光素子。
  11. 前記第１の有機物ホストは、ヘテロ環（ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｉｃ）を含む縮合芳香族環（Ｆｕｓｅｄ Ａｒｏｍａｔｉｃ Ｒｉｎｇ）で電子輸送特性を有する化合物であることを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  12. 前記ｎ型ドーパントは、前記ｎ型電荷生成層の全体体積の０．４％〜３％の含量で含まれることを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
  13. 各スタックの発光層に隣接した正孔輸送層と電子輸送層の三重項準位は、発光層のホストの三重項準位より０．０１ｅＶ〜０．４ｅＶ高いことを特徴とする、請求項１に記載の白色有機発光素子。
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