JP6157865B2 - 積層型有機発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、積層型有機発光素子（ＯＬＥＤ，ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）に関する。本出願は、２００６年１月１８日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２００６−０００５２００号の出願日の利益を主張し、その内容の全ては本明細書に含まれる。

通常、有機発光素子は２つの電極とこれらの電極の間に介在した有機層とを含む。さらに、有機発光素子は、性能を向上させるために、電子／正孔注入層、または電子／正孔輸送層をさらに含むこともできる。

最近では、有機発光素子の画素領域内に有機発光層を重複させることで、単位面積あたりの発光効率を増大させることができる積層型有機発光素子が開発された。

図１は、従来の積層型有機発光素子の断面を例示した図である。図１に示す素子は、アノード電極、発光層、およびカソード電極が順次に反復して積層された構造を有する。このような構造の積層型有機発光素子において、最上部に形成されたカソード電極と最下部に形成されたアノード電極との間に所定の電圧が印加され、２つの電極の間に印加された電圧によって垂直の電流パスが形成され、多数の発光層、すなわち第１発光層と第２発光層から光が発光するようになり、単一発光層を備える通常の有機発光素子に比べて単位面積あたりの発光効率が増加するようになる。

Ｆｏｒｒｅｓｔなどは、発光単位の間に介在してアノード電極とカソード電極の役割を行う中間導電層であって、積層された素子内部から可視光線を外部に効率良く透過させるために、透過率が高い透明電極であるＩＴＯを用いたＳＯＬＥＤ（Ｓｔａｃｋｅｄ ＯＬＥＤ）を提案した［“Ｔｈｒｅｅ−Ｃｏｌｏｒ，Ｔｕｎａｂｌｅ，Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ ｅｔ ａｌ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２７６，１９９７，ｐ ２００９，“Ａ ｍｅｔａｌ−ｆｒｅｅ，ｆｕｌｌ−ｃｏｌｏｒ ｓｔａｃｋｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ”，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７４，１９９９，３０５．］。

しかしながら、通常、アノードとして用いられる透明電極であるＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ−ｏｘｉｄｅ）またはＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）のような導電性酸化膜は一関数が極めて高いため（通常＞４．５ｅＶ）、これをカソード電極で形成する場合には、カソードから発光層への電子注入が困難になり、有機発光素子の作動電圧が大きく増加し、発光効率などの重要な素子特性が低下するという問題がある。したがって、通常、アノード電極として用いられる透明電極をアノード電極であると同時にカソード電極として作用する共通電極として用いるには限界がある。

一方、米国登録特許第５，９１７，２８０には、発光単位の間に介在する共通電極、すなわちアノードとカソードで用いられる中間導電層として半透明電極であるＭｇ：Ａｇ合金層を用いたＳＯＬＥＤが記載されている。

一般的に、正孔の円滑な注入のために、アノード電極が正孔注入層のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位と類似したフェルミエネルギー準位（Ｆｅｒｍｉ ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）を有するように調節されたり、アノード電極のフェルミエネルギー準位と類似したＨＯＭＯエネルギー準位を有する物質が正孔注入層として選択される。しかしながら、正孔注入層は、アノード電極のフェルミエネルギー準位だけでなく、正孔輸送層または発光層のＨＯＭＯエネルギー準位を考慮して選択される必要があるため、正孔注入層用の物質を選択するには制限がある。したがって、Ｍｇ：Ａｇ合金層のようにカソード用として用いる物質を共通電極として用いる場合も、発光特性の制約が生じるしかない。

前記の問題点を克服するために、Ｆｏｒｒｅｓｔなどは、中間導電層としてＭｇ：Ａｇ合金層とＩＴＯを順次に積層した、図２に示すような構造のＳＯＬＥＤを提案した［“Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗ−ｄｒｉｖｅ−ｖｏｌｔａｇｅ，ｓｅｍｉｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｓｔａｃｋｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ”Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７３，１９９８，ｐ２３９９．］。前記提案されたＳＯＬＥＤは、各単位発光層の色温度の補正が可能であるが、色温度調節のためには極めて複雑な電極構造が備えられなければならない。また、前記ＳＯＬＥＤは、製造工程においても透明度に限界があるＭｇ：Ａｇ／ＩＴＯ二重層を形成しなければならないなど、素子の製造工程が複雑であるという短所を有している。

韓国公開特許公報第２００５−２９８２４号には、図３に示すように、積層されたそれぞれの発光ユニットが独立的な電流パスに連結された積層型有機発光素子が公知されている。しかしながら、このような積層型有機発光素子は、中間導電層２２０を中心として両側の発光ユニットが反転構造と非反転構造で形成されているため、実質には同一電流が単位素子に同時に印加される形態に過ぎず、色温度補正が不可能な構造である。

一方、本発明者らは、導電層および前記導電層上に位置するｎ−型有機層を含むアノード、カソード、および前記アノードの導電層と前記カソードとの間に位置し、前記ｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含む有機発光素子において、前記アノードのｎ−型有機層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記アノードの導電層のフェルミエネルギー準位との差を調節することで、アノードと有機層の界面で正孔注入および／または正孔抽出に対する電気的障壁が低くなり、これに伴って正孔注入および／または正孔抽出の能力などが向上するため素子性能に優れ、多様な物質で電極を形成できるため素子製造工程を簡素化できるという長所を有する有機発光素子をＰＣＴ／ＫＲ２００５／００１３８１と韓国特許出願第２００５−１０３６６４号で出願を行った。特に、韓国特許出願第２００５−１０３６６４号に係る有機発光素子は、Ｃａ，Ｃａ：Ａｇ，Ｃａ−ＩＺＯまたはＭｇ：Ａｇ物質をアノード電極の導電層として用いることができるという長所がある上に、アノード電極とカソード電極を同じ物質で用いることができるという長所もある。

本発明は、積層された各発光単位が個別に作動するようにすることで、部分的な色の調節によって色温度調節が可能な積層型有機発光素子を提供することを目的とする。また、本発明は、積層された発光単位が交互に作動するようにし、各発光単位の作動時間および強度を調節することで、多様な表示素子の実現が可能な積層型有機発光素子を提供することを他の目的とする。さらに、本発明は、積層型有機発光素子において、共通電極として用いられる中間導電層をアノードまたはカソードと同じ物質で用いることができる積層型有機発光素子を提供することをさらに他の目的とする。

前記した目的を達成するために、本発明は、第１導電層、少なくとも１つの中間導電層および第２導電層と、前記導電層の間に配置された発光単位を含む積層型有機発光素子であって、前記導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも２つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１群の導電層と共通電位となるように電気的に連結しない導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも１つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層と第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交代に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子を提供する。

このような構成を有する積層型有機発光素子において、積層されたそれぞれの発光単位は、これらに接する導電層に交互に印加される＋電圧および−電圧によって個別に作動と非作動を交互に繰り返すようになる。このように、本発明に係る積層型有機発光素子では、それぞれ個別に作動する発光単位によって色温度調節が可能である。また、本発明に係る積層型有機発光素子では、導電層に＋電圧と−電圧が交互に印加される時間または電圧強度を調節することで、より多様な色の表示状態を実現することができる。本発明に係る積層型有機発光素子において、前記発光単位のうちの少なくとも１つがいずれか１つの導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含み、これらのエネルギー準位が下記の式（１）と（２）を満たすようにできる。
Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ≦４ｅＶ （１）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ （２）

前記式（１）と（２）において、Ｅ_Ｆは、前記ｎ−型有機層が接する導電層のフェルミエネルギー準位であり、Ｅ_ｎＬは、前記ｎ−型有機層のＬＵＭＯ（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位であり、Ｅ_ｐＨは、前記ｐ−型有機層のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位である。

本発明に係る積層型有機発光素子は、各発光単位が個別に作動することで、部分的な色の調節によって色温度調節が可能であるという長所がある上に、積層された発光単位が交互に作動することで、多様な表示素子を実現することができる。また、本発明に係る有機発光素子は、正孔注入または正孔抽出に対する電気的障壁を低め、ＮＰ接合を形成するｎ−型有機層およびｐ−型有機層を含むため素子効率が高い上に、電極物質として多様な物質を用いることができるため素子製造工程を簡素化できるという効果がある。

従来の積層型有機発光素子を例示した断面構造図である。 従来の積層型有機発光素子を例示した断面構造図である。 従来の積層型有機発光素子を例示した断面構造図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が１つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が１つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 中間導電層に印加されるパルス電圧のパルスの高さを調節する態様に対して示す図である。 中間導電層に印加されるパルス電圧のパルスの幅を調節する態様に対して示す図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が２つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が２つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な具現例に係る、中間導電層が２つである積層型有機発光素子の模式的な断面図および等価回路模式図である。 本発明の例示的な具現例に係る、中間導電層が２つである積層型有機発光素子の模式的な断面図および等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が２つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が２つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つである積層型有機発光素子の模式的な断面図および等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例に係る、中間導電層が３つでありパルス発生器が備えられた積層型有機発光素子を示す模式的な断面図とその構造に対する等価回路模式図である。 本発明の例示的な具現例に係る、中間導電層が３つである積層型有機発光素子の模式的な断面図および等価回路模式図である。 本発明の例示的な一具現例である実施例１に係る積層型有機発光素子において、正方向および逆方向電圧における青色および緑色発光の電流−電圧特性データである。 本発明の例示的な一具現例である実施例１に係る積層型有機発光素子において、正方向および逆方向電圧における青色および緑色発光のスペクトルである。 本発明の例示的な一具現例である実施例１に係る積層型有機発光素子において、正方向および逆方向電圧における発光色座標を示したものである。 本発明の例示的な一具現例である実施例１に係る積層型有機発光素子において、正方向、逆方向、およびパルス発生器を用いて正方向と逆方向を６０Ｈｚで駆動したときの発光写真である。

以下、本発明の好ましい具現例を図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、以下の添付図面および詳細な説明は、その性質上、本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲が以下の説明によって制限されるものではない。以下の好ましい具現例は、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で多様に変形される。

本発明に係る積層型有機発光素子は、前記導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも２つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１群の導電層と共通電位となるように電気的に連結しない導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも１つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層と第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結されることを特徴とする。

このとき、前記電圧制御器は、その目的を達成する一種類に特別に限定されるものではないが、例えば、正弦波交流電圧、直流電圧、またはパルス電圧によって＋電圧と−電圧を交互に印加することができる。また、前記電圧制御器は、＋電圧と−電圧を交互に印加する時間または電圧の強度を調節する手段をさらに備えることができ、例えば、正弦波またはパルスの幅または高さを変調する手段を備えることができる。各導電層に＋電圧と−電圧を交互に印加する時間または電圧の強度を調節することで、本発明に係る積層型有機発光素子にてより一層多様な表示状態を実現することができる。図６は、パルスの高さを変調した例を示すものであり、図７は、パルスの幅を変調した例を示すものである。

本発明は、上述した条件を満たす限り、中間導電層および発光単位の数および導電層の電気的な連結状態において多様な実施形態を提供することができる。

本発明の一実施形態によれば、第１導電層、少なくとも１つの中間導電層および第２導電層と、前記導電層の間に配置された発光単位を含む積層型有機発光素子であって、前記第１導電層と少なくとも１つの中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第２導電層と前記第１群に属さない少なくとも１つの中間導電層が共通電位となるように連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層は互いに隣接せず、前記第２群の導電層は互いに隣接せず、前記第１群の導電層と前記第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、少なくとも１つの中間導電層および第２導電層と、前記導電層の間に配置された発光単位を含む積層型有機発光素子であって、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記中間導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも１つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層と前記第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、少なくとも１つの中間導電層および第２導電層と、前記導電層の間に配置された発光単位を含む積層型有機発光素子であって、前記第１導電層、前記第２導電層、および前記第１または第２導電層と隣接しない少なくとも１つの中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１群の導電層と共通電位となるように電気的に連結しない導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも１つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層と第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、第１発光単位、中間導電層、第２発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記中間導電層が前記第１群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。本実施形態は、２層の発光単位を含む有機発光素子に関し、この構造を図４に例示した。図５は、２層の発光単位を含む有機発光素子の構造に対する等価回路模式図を示すものである。

図４の積層型有機発光素子は、基板３００と、基板３００上に位置する第１導電層３１０と、前記第１導電層上に形成されるｎ−型有機層３１１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層３１２、第１発光層３１３、および電子輸送層３１４を含む第１発光単位、すなわち後述する正構造の発光単位と、
中間導電層３３０、前記中間導電層上に形成される電子輸送層３２１、第２発光層３２２、ｐ−型正孔輸送層３２３、およびｐ−型正孔輸送層３２３上に接合されるｎ−型有機層３２４を含む第２発光単位、すなわち後述する逆構造の発光単位と、
第２導電層３２０とを含む。前記発光層および電子輸送層は、同じ有機物質または異なる有機物質で形成され得る。

図４の積層型有機発光素子は、パルス発生器３５０を間に置いて第１導電層および第２導電層と中間導電層が連結する。このような構造において、中間導電層に−電圧が印加されれば、中間導電層の電位が第１導電層および第２導電層の電位よりも低くなる。これにより、第１導電層がアノード電極で、中間導電層がカソード電極で作動するように構成された第１発光単位は、正電圧が印加されて発光を行うようになる。以下この第１発光単位を正構造の発光単位と呼ぶ。
この反面、中間導電層がアノード電極で、第２導電層がカソード電極で作動するように構成された第２発光単位は、逆電圧が印加されて非発光を行うようになる。以下この第２発光単位を逆構造の発光単位と呼ぶ。
反対に、中間導電層に＋電圧が印加されれば、中間導電層の電位が第１導電層および第２導電層の電位よりも高くなる。これにより、第１導電層がアノード電極で、中間導電層がカソード電極で作動するように構成された第１発光単位は、逆電圧が印加されて非発光を行うようになる。この反面、中間導電層がアノード電極で、第２導電層がカソード電極で作動するように構成された第２発光単位は、正電圧が印加されて発光を行うようになる。このような原理により、第１発光単位と第２発光単位が互いに独立して発光し、＋電圧と−電圧が印加される交互に印加される時間と印加される電圧の強度を調節して第１発光単位と第２発光単位の駆動時間および発光輝度を選択的に制御することによって色調節を行うことができ、これによって多様な素子への適用が可能になる。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層が前記第２群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

前記実施形態は、３層の発光単位を含む有機発光素子のうちの１つであって、外部導電層と中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した構造の有機発光素子に関し、その構造を図８に例示した。図９は、図８の構造に対する等価回路を示すものである。

図８の積層型有機発光素子は、基板４００と、基板４００上に位置する第１導電層４１０と、前記第１導電層上に形成されるｎ−型有機層４１１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層４１２、第１発光層４１３、および電子輸送層４１４を含む第１発光単位、以下この第１発光単位を正構造の発光単位と呼ぶ、と、
第１中間導電層４３０、前記第１中間導電層上に形成される電子輸送層４２１、第２発光層４２２、p−型正孔輸送層４２３、およびｐ−型正孔輸送層４２３上に接合されるｎ−型有機層４２４を含む第２発光単位、以下この第２発光単位を逆構造の発光単位と呼ぶ、と、
第２中間導電層４４０、前記第２中間導電層上に形成されるｎ−型有機層４３１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層４３２、第３発光層４３３、および電子輸送層４３４を含む第３発光単位と、第２導電層４２０とを含み、前記発光層および電子輸送層は、同じ有機物質または異なる有機物質で形成される。
このような構造において、前記第１導電層４１０と第２中間導電層４４０が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第２導電層４２０と第１中間導電層４３０が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層である。それぞれ共通電位となるように連結した２つの群の導電層の間にパルス発生器４５０を連結し、パルス発生器４５０から＋電圧と−電圧が交互に印加されれば、第１発光単位および第３発光単位と、第２発光単位が互いに独立して発光する。

図１０および図１１は、図８のような導電層の連結構造を有する３層の発光単位を含む有機発光素子であって、各発光単位の有機層積層順による等価回路を示すものである。図１０および図１１において、矢印は発光単位の有機層積層順を示すものであって、各発光単位の有機層は、矢印の開始点である正孔注入層、正孔輸送層、発光層、および矢印の終端である電子輸送層で構成される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層および前記第２中間導電層のうちの１つが前記第１群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

前記実施形態は、３層の発光単位を含む有機発光素子のうちの１つであって、外部導電層が共通電位となるように電気的に連結した構造の有機発光素子に関し、その構造を図１２に例示した。図１３は、図１２の構造に対する等価回路を示すものである。

図１２の積層型有機発光素子は、基板５００と、基板５００上に位置する第１導電層５１０と、前記第１導電層上に形成されるｎ−型有機層５１１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層５１２、第１発光層５１３、および電子輸送層５１４を含む第１発光単位、以下この第１発光単位を正構造の発光単位と呼ぶ、と、
第１中間導電層５３０、前記第１中間導電層上に形成される電子輸送層５２１、第２発光層５２２、ｐ−型正孔輸送層５２３、およびｐ−型正孔輸送層５２３上に接合されるｎ−型有機層５２４を含む第２発光単位、以下この第２発光単位を逆構造の発光単位と呼ぶ、と、
第２中間導電層５４０と、前記第２中間導電層上に形成されるｎ−型有機層５３１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層５３２、第３発光層５３３、および電子輸送層５３４を含む第３発光単位と、第２導電層５２０とを含み、前記発光層および電子輸送層は、同じ有機物質または異なる有機物質で形成される。
このような構造において、前記第１導電層５１０と第２導電層５２０が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層として、この１群の導電層と第１中間導電層との間にパルス発生器を連結させ、パルス発生器５５０から＋電圧と−電圧が交互に印加されれば、第１発光単位と、第２発光単位および第３発光単位が互いに独立して発光する。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、第３中間導電層、第４発光単位、および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第２導電層と前記第１中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層が前記第２群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

前記実施形態は、４層の発光単位を含む有機発光素子のうちの１つであって、外部導電層と中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した構造の有機発光素子に関し、その構造を図１４に例示した。図１５は、図１４の構造に対する等価回路を示すものである。

図１４の積層型有機発光素子は、基板６００と、基板６００上に位置する第１導電層６１０と、前記第１導電層上に形成されるｎ−型有機層６１１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層６１２、第１発光層６１３、および電子輸送層６１４を含む第１発光単位、以下この第１発光単位を正構造の発光単位と呼ぶ、と、
第１中間導電層６３０と、前記第１中間導電層上に形成される電子輸送層６２１、第２発光層６２２、正孔輸送層６２３を含む第２発光単位、以下この第２発光単位を逆構造の発光単位と呼ぶ、と、
第２中間導電層６４０と、前記第２中間導電層上に形成されるｎ−型有機層６３１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層６３２、第３発光層６３３、および電子輸送層６３４を含む第３発光単位と、第３中間導電層６５０と、前記第３中間導電層上に形成されるｎ−型有機層６４１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層６４２、第４発光層６４３、および電子輸送層６４４を含む第４発光単位と、第２導電層６２０とを含み、前記発光層および電子輸送層は、同じ有機物質または異なる有機物質で形成される。
このような構造において、前記第１導電層６１０と第２中間導電層６４０が共通電位となるように電気的に連結し、前記第１中間導電層６３０と第２導電層６２０が共通電位となるように電気的に連結する。それぞれ共通電位となるように連結した２つの群の導電層の間にパルス発生器を連結し、パルス発生器から＋電圧と−電圧が交互に印加されれば、第１発光単位、第３発光単位および第４発光単位と、第２発光単位が互いに独立して発光する。

図１６は、図１４のような電極連結構造を有する４層の発光単位を含む有機発光素子であって、各発光単位の有機層積層順による等価回路を示すものである。図１６において、矢印は発光単位の有機層積層順を示すものであって、各発光単位の有機層は、矢印の開始点である正孔注入層、正孔輸送層、発光層、および矢印の終端である電子輸送層で構成される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、第３中間導電層、第４発光単位、および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層、第２中間導電層、および第３中間導電層のうちの少なくとも１つが前記第１群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

前記実施形態は、４層の発光単位を含む有機発光素子のうちの１つであって、外部導電層が共通電位となるように電気的に連結した構造の有機発光素子に関し、その構造を図１７に例示した。図１８は、図１７の構造に対する等価回路を示すものである。

図１７の積層型有機発光素子は、基板７００と、基板７００上に位置する第１導電層７１０と、前記第１導電層上に形成されるｎ−型有機層７１１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層７１２、第１発光層７１３、および電子輸送層７１４を含む第１発光単位、以下この第１発光単位を正構造の発光単位と呼ぶ、と、
第１中間導電層７３０と、前記第１中間導電層上に形成される電子輸送層７２１、第２発光層７２２、ｐ−型正孔輸送層７２３、およびｐ−型正孔輸送層７２３上に接合されるｎ−型有機質７２４を含む第２発光単位、以下この第２発光単位を逆構造の発光単位と呼ぶ、と、
第２中間導電層７４０と、前記第２中間導電層上に形成されるｎ−型有機層７３１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層７３２、第３発光層７３３、および電子輸送層７３４を含む第３発光単位と、第３中間導電層７５０と、前記第３中間導電層上に形成されるｎ−型有機層７４１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層７４２、第４発光層７４３、および電子輸送層７４４を含む第４発光単位と、第２導電層７２０とを含み、前記発光層および電子輸送層は、同じ有機物質または異なる有機物質で形成される。
このような構造において、前記第１導電層７１０と第２導電層７２０が共通電位となるように電気的に連結する。前記外部導電層と前記第１中間導電層間にパルス発生器７５０を連結し、パルス発生器７５０から＋電圧と−電圧が交互に印加されれば、第１発光単位と、第２発光単位、第３発光単位、および第４発光単位が互いに独立して発光する。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、第３中間導電層、第４発光単位、および第２導電層を含み、前記第１導電層、前記第２中間導電層、および前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層と前記第３中間導電層が共通電位となるように連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層が前記第２群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする積層型有機発光素子が提供される。

前記実施形態は、４層の発光単位を含む有機発光素子のうちの１つであって、外部導電層が共通電位となるように電気的に連結し、中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した構造の有機発光素子に関し、その構造を図１９に例示した。図２０は、図１９の構造に対する等価回路を示すものである。

図１９の積層型有機発光素子は、基板８００と、基板８００上に位置する第１導電層８１０と、前記第１導電層上に形成されるｎ−型有機層８１１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層８１２、第１発光層８１３、および電子輸送層８１４を含む第１発光単位、以下この第１発光単位を正構造の発光単位と呼ぶ、と、
第１中間導電層８３０と、前記第１中間導電層上に形成される電子輸送層８２１、第２発光層８２２、ｐ−型正孔輸送層８２３、およびｐ−型正孔輸送層８２３上に接合されるｎ−型有機層８２４を含む第２発光単位、以下この第２発光単位を逆構造の発光単位と呼ぶ、と、
第２中間導電層８４０と、前記第２中間導電層上に形成されるｎ−型有機層８３１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層８３２、第３発光層８３３、および電子輸送層８３４を含む第３発光単位と、第３中間導電層８５０と、前記第３中間導電層上に形成されるｎ−型有機層８４１、ｎ−型有機層上にＮＰ接合されるｐ−型正孔輸送層８４２、第４発光層８４３、および電子輸送層８４４を含む第４発光単位と、第２導電層８２０とを含み、前記発光層および電子輸送層は、同じ有機物質または異なる有機物質で形成される。
このような構造において、前記第１導電層８１０、第２導電層８２０、および第２中間導電層８４０が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層８３０と前記第３中間導電層８５０が共通電位となるように連結した第２群の導電層である。前記第１群の導電層と第２群の導電層との間にパルス発生器８５０を連結する。また、パルス発生器８５０から＋電圧と−電圧が交互に印加されれば、第１発光単位および第３発光単位と、第２発光単位および第４発光単位が互いに独立して発光する。

図２１は、図１９のような電極連結構造を有する４層の発光単位を含む有機発光素子であって、発光単位の積層順が異なる有機発光素子の構造および等価回路を示したものである。図２１において、矢印は発光単位の有機層積層順を示すものであって、各発光単位の有機層は、矢印の開始点である正孔注入層、正孔輸送層、発光層、および矢印の終端である電子輸送層で構成される。

本発明に係る積層型有機発光素子は、後面発光（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）素子、前面発光（ｔｏｐ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）素子、または両面発光素子である場合がある。本発明に係る積層型有機発光素子において、前記第１導電層はアノード電極であり、第２導電層はカソード電極でる場合がある。反対に、前記第１導電層はカソード電極であり、第２導電層はアノード電極である場合がある。

本発明に係る積層型有機発光素子において、前記中間導電層は、透明物質でなされたり、透明な程度に薄く形成されたりする。前記中間導電層は、中間カソード電極層および中間アノード電極層が積層された形態である場合もあるし、単一導電層で形成されたものであるある場合もある。

本発明において、前記第１導電層、第２導電層、および中間導電層は、同じ物質で形成されることもできる。

本発明に係る積層型有機発光素子において、前記発光単位は、互いに同じか相違する。積層されたそれぞれの発光単位は互いに独立し、発光層、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、および電子注入層のうちの１つ以上の層を含むことができる。本発明に係る積層型有機発光素子に含まれた発光単位は、互いに異なる材料からなる発光層を含むことができる。

本発明に係る積層型有機発光素子において、各発光単位の積層順は、互いに異なる場合がある。例えば、各発光単位は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、および電子注入層の順、または電子注入層、電子輸送層、発光層、正孔輸送層、および正孔注入層の順で積層される場合がある。ただし、各発光単位は、さらに少ない数の層でなされる場合がある。各発光単位の積層順が相違した例は、上述した図１０、図１１、図１６、および図２１に例示したが、これらにのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内でさらに多様な実施形態を実現することができる。

本発明の一実施形態によれば、前記発光単位は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、および電子輸送層が順次に積層された正構造の発光単位を含むことができる。本発明のさらに他の実施形態によれば、前記発光単位は、電子輸送層、発光層、正孔輸送層、および正孔注入層が順次に積層された逆構造の発光単位を含むことができる。本発明のさらに他の実施形態によれば、前記発光単位は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、および電子輸送層が順次に積層された正構造の発光単位と、電子輸送層、発光層、正孔輸送層、および正孔注入層が順次に積層された逆構造の発光単位をすべて含むことができる。

本発明において、導電層から前記発光単位のｐ−型有機層に正孔注入のためのエネルギー障壁を低めることで正孔注入の能力を向上させると同時に、導電層を多様な導電性物質で形成できるようにするために、前記ｐ−型有機層とＮＰ接合をなすように前記導電層上にｎ−型有機層を形成し、前記層が下記の式（１）および（２）を満たすようにすることができる。
Ｅ_ｎＬ−Ｅ_Ｆ≦４ｅＶ （１）
Ｅ_ｐＨ−Ｅ_ｎＬ≦１ｅＶ （２）

前記式（１）と（２）において、Ｅ_Ｆは、前記ｎ−型有機層が接する導電層のフェルミエネルギー準位であり、Ｅ_ｎＬは、前記ｎ−型有機層のＬＵＭＯ（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位であり、Ｅ_ｐＨは、前記ｐ−型有機層のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位である。

したがって、本発明に係る積層型有機発光素子は、前記発光単位のうちの少なくとも１つがいずれか１つの導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含み、これらのエネルギー準位が前記の式（１）と（２）を満たすようにすることができる。

本発明の一実施形態によれば、前記第１導電層からｎ＋１番目に位置した発光単位が前記第１導電層からｎ番目に位置した中間導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含み（ここで、ｎは１より大きい整数）、これらのエネルギー準位が前記した式（１）と（２）を満たすものである場合がある。この実施形態の素子は正構造、すなわち第１導電層がアノードであり、第２導電層がカソードである構造に適用される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、前記第１導電層に接する発光単位が前記第１導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含み、これらのエネルギー準位が前記した式（１）と（２）を満たすものである場合がある。この実施形態の素子は正構造、すなわち第１導電層がアノードであり、第２導電層がカソードの構造に適用される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、前記第１導電層からｎ番目に位置した発光単位は、前記第１導電層からｎ番目に位置した中間導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含み（ここで、ｎは１より大きい整数であり）、これらのエネルギー準位が前記した式（１）と（２）を満たすものである場合がある。この実施形態の素子は逆構造、すなわち第１導電層がカソードであり、第２導電層がアノードの構造に適用される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、前記第２導電層に接する発光単位が前記第２導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含み、これらのエネルギー準位が前記した式（１）と（２）を満たすものである場合がある。この実施形態の素子は逆構造、すなわち第１導電層がカソードであり、第２導電層がアノードの構造に適用される。

本発明において、前記ｎ−型有機層は、各発光単位で正孔注入層としての役割を実行することができる。

本発明において、前記ｎ−型有機層は、真空蒸着される物質またはソリューションプロセス（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）で薄膜成形される物質で形成される。前記ｎ−型有機層を形成するための物質の具体的な例としては、下記化学式１の化合物があるが、これにのみ限定されるものではない。

前記化学式１において、Ｒ^１〜Ｒ^６はそれぞれ水素、ハロゲン原子、ニトリル（−ＣＮ）、ニトロ（−ＮＯ_２）、スルホニル（−ＳＯ_２Ｒ^１１）、スルホキシド（−ＳＯＲ^１１）、スルホンアミド（−ＳＯ_２ＮＲ^１１Ｒ^１２）、スルホネート（−ＳＯ_３Ｒ^１１）、トリフルオロメチル（−ＣＦ_３）、エステル（−ＣＯＯＲ^１１）、アミド（−ＣＯＮＨＲ^１１または−ＣＯＮＲ^１１Ｒ^１２）、置換または非置換の直鎖または分枝鎖のＣ_１−Ｃ_１２アルコキシ、置換または非置換の直鎖または分枝鎖Ｃ_１−Ｃ_１２のアルキル、置換または非置換の芳香族または非芳香族のヘテロ環、置換または非置換のアリール、置換または非置換のモノ−またはジ−アリルアミン、および置換または非置換のアラルキルアミンで構成された群から選択され、前記Ｒ^１１およびＲ^１２はそれぞれ置換または非置換のＣ_１−Ｃ_６０のアルキル、置換または非置換のアリール、および置換または非置換の５−７員のヘテロ環からなる群から選択される。

前記化学式１の化合物の具体的な例としては、下記化学式１−１〜１−６で示す化合物があるが、これらにのみ限定されるものではない。

また、前記ｎ−型有機層を形成するための材料としては、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、およびシアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）などがある。

前記ｎ−型有機層とＮＰ接合をなすｐ−型有機層は、正孔注入層（ＨＩＬ）、正孔輸送層（ＨＴＬ）、または発光層（ＥＭＬ）として作用することができる。前記ｎ−型有機層とｐ−型有機層のＮＰ接合で形成された正孔は、前記ｐ−型正孔注入層、ｐ−型正孔輸送層、またはｐ−型発光層を介して発光領域に輸送される。前記ｐ−型正孔注入層、ｐ−型正孔輸送層、またはｐ−型発光層のＨＯＭＯエネルギー準位は、例えば、前記ｎ−型有機層のＬＵＭＯエネルギー準位に対して約１ｅＶ以下のエネルギー差、好ましくは約０．５ｅＶ以下のエネルギー差を有する。前記ｐ−型有機層を形成するための材料の具体的な例としては、アリルアミン系化合物、導電性ポリマー、または共役の部分と非共役の部分が共にあるブロック共重合体などを含むが、これらにのみ限定されるものではない。

前記ＮＰ接合によって第１導電層、中間導電層、および第２導電層から選択される２つ以上は同じ物質で形成されるが、特に、前記導電層は、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇ、Ａｇ−ＩＺＯ、またはＭｇ−Ａｇから選択される材料で形成される。

一方、本発明に係る積層型有機発光素子の製造において、カソードと有機物のコンテック問題による電子注入特性の低下を防ぐために、カソード電圧が印加される導電層から電子の注入を受ける有機層は、イミダゾール基、オキサゾール基、およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物で形成されることが好ましい。前記カソード電圧が印加される導電層から電子の注入を受ける有機層は、電子輸送層である場合がある。このような化合物からなる有機層の形成によって電子注入特性を改善する方法は、本発明に係る積層型有機発光素子が逆構造、すなわち基板上に位置する第１導電層がカソード電極であり、最上側に位置する第２導電層がアノード電極である構造の場合よりも一層有効である。

前記イミダゾール基、オキサゾール基、およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物の好ましい例としては、下記化学式２または化学式３の化合物が好ましく、
前記化学式２において、Ｒ^７およびＲ^８は互いに同じか相違し、互いに独立して水素、Ｃ_１−Ｃ_２０の脂肪族炭化水素、芳香族環、または芳香族ヘテロ環であり、Ａｒは芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、Ｒ^９は水素、Ｃ_１−Ｃ_６の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、ＸはＯ，ＳまたはＮＲ^１３であり、Ｒ^１３は水素、Ｃ_１−Ｃ_７の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、ただしＲ^７およびＲ^８が同時に水素である場合には除外され、
前記化学式３において、ＺはＯ，ＳまたはＮＲ^１４であり、Ｒ^１０およびＲ^１４は互いに同じか相違し、互いに独立して水素、Ｃ_１−Ｃ_２４のアルキル、Ｃ_５−Ｃ_２０のアリール、またはヘテロ原子を含む置換されたアリール、ハロゲンまたはベンザゾール環と融合環を形成することができるアルキレンまたはヘテロ原子を含むアルキレンであり、Ｂは連結ユニットとして複数のベンザゾールを共役または非共役するように連結するアルキレン、アリーレン、置換されたアルキレン、または置換されたアリーレンであり、ｎは３〜８の整数である。

以下、本発明に係る有機発光素子の各構成要素について詳細に説明する。

［第１導電層］
第１導電層は、アノード物質またはカソード物質で形成される。

例えば、前記第１導電層がアノード物質で形成される場合には、金属、金属酸化物、または導電性ポリマーで形成される。前記導電性ポリマーは、電気導電性ポリマーを含むことができる。前記第１導電層は、約２．５〜５．５ｅＶのフェルミエネルギー準位を有することが好ましい。前記第１導電層から第１発光単位のｐ−型有機層に正孔注入のためのエネルギー障壁を低めて多様な導電性物質で形成できるようにするために、前記ｐ−型有機層とＮＰ接合をなすように前記第１導電層上にｎ−型有機層を形成することが好ましい。導電性物質の非制限的な例としては、炭素、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、銀、金、その他の金属、およびこれらの合金と、亜鉛酸化物、インジウム酸化物、スズ酸化物、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、およびその他のこれと類似した金属酸化物、Ｃａ−Ａｇ、およびＣａ−ＩＺＯのような金属−金属酸化物積層体などがある。有機発光素子が前面発光型（ｔｏｐ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）である場合には、前記第１導電層として、透明物質だけでなく光反射率が優れた不透明物質を用いることもできる。背面発光型（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）有機発光素子である場合には、前記第１導電層が透明物質でなされなければならず、不透明物質が用いられる場合には、透明になる程度に薄膜で形成されなければならない。

［中間導電層］
本発明に係る積層型有機発光素子で１つ以上が備えられる中間導電層は、アノード電極およびカソード電極すべてで用いられる共通電極の役割を行う。前記中間導電層は、中間カソード電極層および中間アノード電極層が積層された形態でなされる場合もあるし、単一導電層形態である場合もある。前記中間導電層が単一導電層形態である場合には、一関数が通常用いられるカソード物質のそれと類似した値を有しながらも、可視光線透過率が５０％以上である透明な物質で形成されることが好ましい。不透明金属が中間導電層として用いられる場合に、中間導電層の厚さは、透明になる程度に薄く形成されなければならない。特に、低い一関数を有するＣａまたはＭｇを用いて中間導電層を形成することができ、Ｃａ、Ｃａ−Ａｇ、Ａｇ−ＩＺＯ、またはＭａ−Ａｇが好ましい。特に、Ｃａ−ＩＺＯを採用する場合には可視光線透過度を改善することができるが、これにより、積層型有機発光素子の場合には、同じ駆動電圧下でスタックされた有機発光素子単位の数に比例して輝度が増加するため、本発明に係る有機発光素子の中間導電層として用いることが好ましい。

［第２導電層］
第２導電層は、アノード物質またはカソード物質で形成される。
例えば、前記第２導電層がカソード物質で形成される場合に、第２導電層は、電子注入が容易になされるように一関数が小さい物質が好ましい。前記第２導電層はこれにのみ限定されるものではないが、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジウム、イットリウム、リチウム、ガドリニウム、アルミニウム、銀、スズ、および鉛のような金属、またはこれらの合金、ＬｉＦ／ＡｌまたはＬｉＯ_２／Ａｌのような多層構造物質などで形成される。

第１導電層、中間導電層、および第２導電層は、上述したように、すべて同じ物質または相違した物質で備えることができる。

［発光層（ＥＭＬ）］
本発明に係る積層型有機発光素子の各発光単位には、発光層が備えられる。前記発光層では正孔伝達と電子伝達が同時に起こるため、発光層はｎ−型特性とｐ−型特性をすべて有することができ、便宜上、電子輸送が正孔輸送に比べて速い場合にはｎ−型発光層、正孔輸送が電子輸送に比べて速い場合にはｐ−型発光層であると定義することができる。

ｎ−型発光層では、電子輸送が正孔輸送よりも速いため、正孔輸送層と発光層の界面付近で発光がなされる。したがって、正孔輸送層のＬＵＭＯ準位が発光層のＬＵＭＯ準位よりも高ければ、より優れた発光効率を示すことができる。ｎ−型発光層材料としては、これにのみ限定されるものではないが、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）、８−ヒドロキシキノリンベリリウム（ＢＡｌｑ）、ベンツオキサゾール系化合物、ベンゾチアゾール系化合物、またはベンゾイミダゾール系化合物、ポリフルオレン系化合物と、シラシクロペンタジエン（ｓｉｌｏｌｅ）系統化合物などを含む。

ｐ−型発光層では、正孔輸送が電子輸送よりも速いため、電子輸送層と発光層の界面付近で発光がなされる。したがって、電子輸送層のＨＯＭＯ準位が発光層のＨＯＭＯ準位よりも低ければ、より一層優れた発光効率を示すことができる。

ｐ−型発光層を用いる場合に、正孔輸送層のＬＵＭＯ準位変化による発光効率の増大効果は、ｎ−型発光層を用いる場合に比べて小さい。したがって、ｐ−型発光層を用いる場合には、正孔注入層と正孔輸送層を用いず、上述したｎ−型有機層とｐ−型発光層との間のＮＰ接合構造を有する発光単位で製造することができる。ｐ−型発光層材料としては、これにのみ限定されるものではないが、カルバゾール系化合物、アントラセン系化合物、ポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）系統ポリマー、スピロ（ｓｐｉｒｏ）化合物などを含む。

［電子輸送層（ＥＴＬ）］
本発明に係る積層型有機発光素子の各発光単位は、電子輸送層を含むことができる。前記電子輸送層材料としては、カソードから電子の注入を適切に受けて発光層に適切に輸送できるように、電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）が大きい物質が好ましい。前記電子輸送層材料としては、これにのみ限定されるものではないが、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）、Ａｌｑ３構造を含む有機化合物、ヒドロキシフラボン−金属錯化合物、またはシラシクロペンタジエン（ｓｉｌｏｌｅ）系統化合物などを含む。

以下、実施例を参照しながら、本発明に係る積層型有機発光素子を例示して説明する。

［実施例１］
［２重積層型有機発光素子］
洗浄されたガラス基板上にインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）を１０００Åの厚さでスパッタリング蒸着機を用いて真空蒸着し、前記形成された導電層上に約５００Åの厚さの下記構造のＨＡＴを熱真空蒸着し、ＩＺＯおよびＨＡＴ ｎ−型有機層を有する透明アノードを形成した。

続いて、ＨＡＴ ｎ−型有機層上に約４００Åの厚さで４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（ＮＰＢ）を真空蒸着してｐ−型正孔輸送層を形成した。前記ｐ−型正孔輸送層上に下記化学式２−１で表示される青色ホスト物質に下記化学式２−２で表示される青色ドーパント物質を２％濃度でドーピングしながら約３００Åの厚さで真空蒸着して発光層を形成させ、前記発光層上に下記イミダゾール化合物（ＰＩＭＮＡ、ＨＯＭＯ準位＝約５．７ｅＶ）を２００Åの厚さで真空蒸着して電子輸送層を形成させた。

前記イミダゾール化合物に２５０Åの厚さでＣａ中間電極を真空熱蒸着し、上述したように再びＨＡＴを約５００Åの厚さで真空熱蒸着し、前記ＨＡＴ上に約４００Åの厚さでＮＰＢを蒸着した後、発光層としてＡｌｑ３を３００Åで蒸着した後、上述したイミダゾール化合物を電子輸送層に蒸着した。

前記電子輸送層上に１５Åの厚さのフッ化リチウム（ＬｉＦ）薄膜と１０００Å厚さのアルミニウムを真空蒸着して導電層を形成した。続いて、前記中間導電層であるＣａ層にパルス電圧制御器と共にＡｌおよびＩＺＯ導電層に接地電位を構成することで有機発光素子を完成した。前記過程において、有機物の蒸着速度は約０．４〜０．７Å／ｓｅｃを維持し、ＬｉＦは約０．３Å／ｓｅｃ、カルシウムおよびアルミニウムは約２Å／ｓｅｃの蒸着速度を維持した。蒸着時の蒸着チャンバ内の真空度は、約２×１０^−７〜５×１０^−８ｔｏｒｒを維持した。

実施例１に係る青色と緑色が積層された素子に、正方向電圧７Ｖでは色座標ｘ＝０．１３６、ｙ＝０．１６７の青色発光が観測され、逆方向電圧５Ｖでは色座標ｘ＝０．３７１、ｙ＝０．５７６の緑色発光が観測された（図２２参照）。表１は、各正方向および逆方向電圧に係る青色および赤色の輝度および色座標を示すものであり、図２３は、このときの発光スペクトルを示すものである。また、パルス発生器を用いて６０Ｈｚで逆方向および正方向電圧を印加した場合に、青色と緑色が混合した青緑色の光が観測され、パルスの幅またはパルス電圧を変化させることにより、発光色は、図２４および図２５に示すように、青色と緑色との間で変化することを観測することができる。

前記の結果は、本発明によって２重積層型構造の素子製作を介して正電圧および逆電圧による２種類の色の発光素子を実現することができ、さらに正電圧と逆電圧のパルス幅または強さを変化させることによって発光色が変化する素子を実現できることを意味する。

１００，２００，３００，４００， ５００，６００，７００，８００ 基板
１１０，２１０，２１０ａ，２１０ｂ，３１０，４１０，５１０，６１０，７１０，８１０ 第１導電層
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０，７２０，８２０ 第２導電層
３１１，３２１，４１１，４２１，４３１，５１１，６２１，５３１，６１１，６２１，６３１，６４１，７１１，７２１，７３１，７４１，８１１，８２１，８３１，８４１ ｎ−型有機層
１１２，１２２，２１２，２２２，２３２，３１２，３２２，４１２，４２２，４３２，５１２，５２２，５３２，６１２，６２２，６３２，６４２，７１２，７２２，７３２，７４２，８１２，８２２，８３２，８４２ 正孔輸送層
１１３，１２３，２１３，２２３，２３３，３１２，３２３，４１３，４２３，４３３，５１３，５２３，５３３，６１３，６２３，６３３，６４３，７１３，７２３，７３３，７４３，８１３，８２３，８３３，８４３ 発光層
１１４，１２４，２１４，２２４，２３４，３１４，３２４，４１４，４２４，４３４，５１４，５２４，５３４，６１４，６２４，６３４，６４４，７１４，７２４，７３４，７４４，８１４，８２４，８３４，８４４ 電子輸送層
１３０，２３０，２４０，３３０，４３０，４４０，５３０，５４０，６３０，６４０，６５０，７３０，７４０，７５０，８３０，８４０，８５０ 中間導電層
３５０，４５０，５５０，６５０，７５０，８５０ パルス発生器

Claims (26)

1. 基板上に位置する、第１導電層、当該第１導電層の上に位置する、少なくとも１つあるいは複数の中間導電層、および当該１つあるいは複数の中間導電層の上に位置する第２導電層と、前記各導電層の間に配置された発光単位を含む積層型有機発光素子であって、
   前記各導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも２つの導電層が、共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１群の導電層と共通電位となるように、
   電気的に連結しない導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも１つの導電層が、共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、
   前記第１群の導電層と第２群の導電層が、正弦波交流電圧、直流電圧、またはパルス電圧によって、＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結され、
   前記電圧制御器は、正弦波またはパルスの幅または高さを変調する手段を備え、
   前記少なくとも１つあるいは複数の中間導電層は、単一導電層または複数の導電層が積層された形態を含み、当該単一導電層はＣａを含み、
   前記発光単位が、前記第１導電層の上に、ｎ−型有機層、ｐ−型正孔輸送層、発光層、および電子輸送層が順次に積層された第１発光単位、すなわち正構造の発光単位と、
   前記中間導電層の上に、電子輸送層、発光層、ｐ−型正孔輸送層、およびｎ−型有機層が順次に積層された第２発光単位、すなわち逆構造の発光単位と、を含む積層構造であること
   を特徴とする積層型有機発光素子。
2. 前記第１導電層と少なくとも１つの中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第２導電層と前記第１群に属しない少なくとも１つの中間導電層が共通電位となるように連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層は互いに隣接しておらず、前記第２群の導電層は互いに隣接しておらず、前記第１群の導電層と前記第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
3. 前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記中間導電層のうちの互いに隣接しない導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層と前記第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
4. 前記第１導電層、前記第２導電層、および前記第１または第２導電層と隣接しない少なくとも１つあるいは、複数の中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１群の導電層と共通電位となるように電気的に連結しない導電層のうちの互いに隣接しない少なくとも１つの導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層と第２群の導電層が＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
5. 第１導電層、第１発光単位、中間導電層、第２発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記中間導電層が前記第１群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
6. 第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層が前記第２群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
7. 第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層および前記第２中間導電層のうちの１つが前記第１群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
8. 第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、第３中間導電層、第４発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第２導電層と前記第１中間導電層が共通電位となるように電気的に連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層が前記第２群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
9. 第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、第３中間導電層、第４発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層と前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層、第２中間導電層および第３中間導電層のうちの少なくとも１つが前記第１群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
10. 第１導電層、第１発光単位、第１中間導電層、第２発光単位、第２中間導電層、第３発光単位、第３中間導電層、第４発光単位および第２導電層を含み、前記第１導電層、前記第２中間導電層および前記第２導電層が共通電位となるように電気的に連結した第１群の導電層であり、前記第１中間導電層と前記第３中間導電層が共通電位となるように連結した第２群の導電層であり、前記第１群の導電層が前記第２群の導電層と＋電圧と−電圧が交互に印加されるようにする電圧制御器を介在して連結したことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
11. 後面発光（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）素子、前面発光（ｔｏｐ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）素子、または両面発光素子であることを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
12. 前記発光単位は、互いに異なる材料からなる発光層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
13. 前記発光単位のうちの少なくとも１つは、いずれか１つの導電層に接する前記ｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成する前記ｐ−型正孔輸送層を含み、これらのエネルギー準位が下記式（１）と（２）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子：
    ＥｎＬ−ＥＦ≦４ｅＶ （１）
    ＥｐＨ−ＥｎＬ≦１ｅＶ （２）
    前記式（１）と（２）において、ＥＦは、前記ｎ−型有機層が接する導電層のフェルミエネルギー準位であり、ＥｎＬは、前記ｎ−型有機層のＬＵＭＯ（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位であり、ＥｐＨは、前記ｐ−型有機層のＨＯＭＯ（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）エネルギー準位である。
14. 前記第１導電層からｎ＋１番目に位置した発光単位は、前記第１導電層からｎ番目に位置した中間導電層に接する前記ｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成する前記ｐ−型正孔輸送層を含み、ここで、ｎは１よりも大きい整数であり、これらのエネルギー準位が前記式（１）と（２）を満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
15. 前記第１導電層に接する発光単位は、前記第１導電層に接する前記ｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成する前記ｐ−型正孔輸送層を含み、これらのエネルギー準位が前記式（１）と（２）を満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
16. 前記第１導電層からｎ番目に位置した発光単位は、前記第１導電層からｎ番目に位置した中間導電層に接するｎ−型有機層およびこの前記ｎ−型有機層とＮＰ接合を形成する前記ｐ−型正孔輸送層を含み、ここで、ｎは１よりも大きい整数であり、これらのエネルギー準位が前記式（１）と（２）を満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
17. 前記第２導電層に接する発光単位は、前記第２導電層に接する前記ｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成する前記ｐ−型正孔輸送層を含み、これらのエネルギー準位が前記式（１）と（２）を満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
18. 前記ｎ−型有機層は、各発光単位で正孔注入層であることを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
19. 前記ｎ−型有機層は、下記化学式１の化合物を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子：
    
    
    前記化学式１において、Ｒ^１〜Ｒ^６はそれぞれ水素、ハロゲン原子、ニトリル（−ＣＮ）、ニトロ（−ＮＯ_２）、スルホニル（−ＳＯ_２Ｒ^１１）、スルホキシド（−ＳＯＲ^１１）、スルホンアミド（−ＳＯ_２ＮＲ^１１Ｒ^１２）、スルホネート（−ＳＯ_３Ｒ^１１）、トリフルオロメチル（−ＣＦ_３）、エステル（−ＣＯＯＲ^１１）、アミド（−ＣＯＮＨＲ^１１または−ＣＯＮＲ^１１Ｒ^１２）、置換または非置換の直鎖または分枝鎖のＣ_１−Ｃ_１２アルコキシ、置換または非置換の直鎖または分枝鎖Ｃ_１−Ｃ_１２のアルキル、置換または非置換の芳香族または非芳香族のヘテロ環、置換または非置換のアリール、置換または非置換のモノ−またはジ−アリルアミン、および置換または非置換のアラルキルアミンで構成された群から選択され、前記Ｒ^１１およびＲ^１２はそれぞれ置換または非置換のＣ_１−Ｃ_６０のアルキル、置換または非置換のアリールおよび置換または非置換の芳香族または非芳香族のヘテロ環からなる群から選択される。
20. 前記化学式１の化合物は、下記化学式１−１〜１−６で示される化合物から選択されることを特徴とする、請求項１９に記載の積層型有機発光素子：
    
21. 前記ｎ−型有機層は、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、フッ素−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、シアノ−置換された３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、フッ素−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）、およびシアノ−置換されたナフタレンテトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）のうちから選択される化合物を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
22. 前記発光単位のうちの少なくとも１つは、イミダゾール基、オキサゾール基、およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物からなる有機層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の積層型有機発光素子。
23. 前記イミダゾール基、オキサゾール基、およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物からなる有機層は、下記化学式２または化学式３の化合物を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の積層型有機発光素子：
    
    
    前記化学式２において、Ｒ^７およびＲ^８は互いに同じか相違し、互いに独立して水素、Ｃ_１−Ｃ_２０の脂肪族炭化水素、芳香族環、または芳香族ヘテロ環であり、Ａｒは芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、Ｒ^９は水素、Ｃ_１−Ｃ_６の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、ＸはＯ、ＳまたはＮＲ^１３であり、Ｒ^１３は水素、Ｃ_１−Ｃ_７の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、ただしＲ^７およびＲ^８が同時に水素である場合には除外され、
    
    
    前記化学式３において、ＺはＯ、ＳまたはＮＲ^１４であり、Ｒ^１０およびＲ^１４は互いに同じか相違し、互いに独立して水素、Ｃ_１−Ｃ_２４のアルキル、Ｃ_５−Ｃ_２０のアリールまたはヘテロ原子を含む置換されたアリール、ハロゲンまたはベンザゾール環と融合環を形成できるアルキレンまたはヘテロ原子を含むアルキレンであり、Ｂは連結ユニットとして複数のベンザゾールを共役または非共役するように連結するアルキレン、アリーレン、置換されたアルキレン、または置換されたアリーレンであり、ｎは３〜８の整数である。
24. 前記発光単位のうちの少なくとも一つはイミダゾール基、オキサゾール基およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物からなる有機層を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の積層型有機発光素子。
25. 前記イミダゾール基、オキサゾール基、およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物からなる有機層は、下記化学式２または化学式３の化合物を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の積層型有機発光素子：
    
    
    
    前記化学式２において、Ｒ^７およびＲ^８は互いに同じか相違し、互いに独立して水素、Ｃ_１−Ｃ_２０の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、Ａｒは芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、Ｒ^９は水素、Ｃ_１−Ｃ_６の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、ＸはＯ、ＳまたはＮＲ^１３であり、Ｒ^１３は水素、Ｃ_１−Ｃ_７の脂肪族炭化水素、芳香族環または芳香族ヘテロ環であり、ただしＲ^７およびＲ^８が同時に水素である場合には除外され、
    
    
    前記化学式３において、ＺはＯ、ＳまたはＮＲ^１４であり、Ｒ^１０およびＲ^１４は互いに同じか相違し、互いに独立して水素、Ｃ_１−Ｃ_２４のアルキル、Ｃ_５−Ｃ_２０のアリールまたはヘテロ原子を含む置換されたアリール、ハロゲンまたはベンザゾール環と融合環を形成できるアルキレンまたはヘテロ原子を含むアルキレンであり、Ｂは連結ユニットとして複数のベンザゾールを共役または非共役するように連結するアルキレン、アリーレン、置換されたアルキレン、または置換されたアリーレンであり、ｎは３〜８の整数である。
26. 前記イミダゾール基、オキサゾール基、およびチアゾール基から選択される官能基を有する化合物からなる有機層を含む発光単位が前記導電層に接するｎ−型有機層およびこのｎ−型有機層とＮＰ接合を形成するｐ−型有機層を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の積層型有機発光素子。