JP6451016B2 - タンデム型の白色有機発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、タンデム型の白色有機発光素子に係り、より詳しくは、積層される複数の有機発光層同士の間に形成される電荷生成層の伝導性を向上させることで、優れた電気的特性を示す、タンデム型の白色有機発光素子に関する。

近年、ディスプレイ及び照明装置では、軽量化や薄膜化、高効率化及び環境親和性などが要求されており、このような要求に応じるために、有機発光素子を利用した研究が行われてきている。

このような有機発光素子は、有機発光層の構成方法によって、一つの有機発光層から構成された単一型と、二つ以上の有機発光層が直列に積層されてなるタンデム型とに分けられる。このうち、タンデム型の有機発光素子は、単一型の有機発光素子に比べて、高い安定性と長寿命を持つという長所があり、高輝度や長寿命を要求するディスプレイ装置や照明装置に使用できる。

一方、白色有機発光素子は、陽極と陰極との間に、複数の色相の光を発光する互いに異なる有機発光層を備える。このとき、各々の有機発光層の間には電荷生成層（ｃｈａｒｇｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）が形成される。

しかし、これまでの電荷生成層は、有機物、塩（ｓａｌｔ）、有機・無機物、金属・有機物からなり、この場合、電荷生成層の厚さの増大を余儀なくされるだけでなく、伝導性も低下することで、良質の電荷生成層を具現しにくいという問題があり、これは、白色有機発光素子の電気的特性の低下をもたらしていた。

日本登録特許公報 第４９６６１７６号（２０１２.０４.０６.）

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、積層される複数の有機発光層同士の間に形成される電荷生成層の伝導性を向上させることで、優れた電気的特性を示すタンデム型の白色有機発光素子を提供することである。

このために、本発明は、ベース基板；前記ベース基板上に形成される第１の電極；前記第１の電極と対向するように形成される第２の電極；前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成される少なくとも二つ以上の有機発光層；及び互いに隣り合う前記有機発光層の間に形成される電荷生成層を含み、前記電荷生成層は、仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が異なる第１の金属層及び第２の金属層の積層構造からなることを特徴とするタンデム型の白色有機発光素子を提供する。

ここで、前記第１の金属層は、前記第２の金属層よりも仕事関数が小さい金属からなるものであってよい。

このとき、前記第１の金属層は、いずれか一つの前記有機発光層の電子層と接し、前記第２の金属層は、隣り合う他の一つの前記有機発光層の正孔層と接していてよい。

また、前記第１の金属層は、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎａ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＡｌのうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせからなるものであってよい。

そして、前記第２の金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、及びＡｌのうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせからなるものであってよい。

さらに、前記電荷生成層は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に形成される絶縁層をさらに含んでいてよい。

このとき、前記絶縁層は、高分子絶縁層、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＭｏＯ_ｘ、及びＡｌ_２Ｏ_３のうちのいずれか一つからなるものであってよい。

また、前記電荷生成層は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に形成される半導体層をさらに含んでいてよい。

このとき、前記半導体層は、共役高分子、共役分子、金属酸化物、及びシリコンのうちのいずれか一つからなるものであってよい。

また、前記電荷生成層は、０．１〜５０ｎｍの厚さの範囲で形成されていてよい。

本発明によれば、積層される複数の有機発光層同士の間に形成され、これらを接続する電荷生成層を、仕事関数が互いに異なる第１の金属層／第２の金属層、第１の金属層／半導体層／第２の金属層、及び第１の金属層／絶縁層／第２の金属層のうちのいずれか一つから形成することで、電荷生成層の伝導性を向上させることができ、これにより、優れた電気的特性を示すタンデム型の白色有機発光素子を実現することができる。

本発明の実施例に係るタンデム型の白色有機発光素子を概略的に示す断面模式図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係るタンデム型の白色有機発光素子について詳しく説明する。

なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は割愛する。

図１に示すように、本発明の実施例に係るタンデム型の白色有機発光素子１００は、ベース基板１１０、第１の電極１２０、第２の電極１３０、有機発光層１４０、及び電荷生成層（ｃｈａｒｇｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ；ＣＧＬ）１５０を含んでなる。

ベース基板１１０は、有機発光層１５０から発せられた光を外部へ放出する通路の役割をする。このために、ベース基板１１０は、有機発光層１４０の前方、すなわち、有機発光層１４０から発せられた光が外部へ放出される方向側に配置される。また、ベース基板１１０は、第１の電極１２０、第２の電極１３０、有機発光層１４０、及び電荷生成層１５０からなる素子層を外部環境から保護する役割をする。このために、すなわち、前記のような素子層をエンカプセレーションするために、ベース基板１１０は、縁部に沿って形成される、例えば、エポキシのようなシーリング材を介在して、第２の電極１３０の上部にこれと対向するように配置される裏面基板（図示せず）と貼り合わされる。このとき、互いに対向するベース基板１１０及び裏面基板（図示せず）、そしてこれらの縁部に形成されるシーリング材によって画成される内部空間は、不活性気体で満たされるか、または真空雰囲気となっていてよい。

このようなベース基板１１０は透明基板であって、光透過率に優れ且つ機械的な物性に優れるものであれば特に制限されない。例えば、ベース基板１１０には、熱硬化またはＵＶ硬化が可能な有機フィルムである高分子系の物質が用いられていてよい。また、ベース基板１１０には、化学強化ガラスであるソーダライムガラス（ＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ）またはアルミノシリケート系ガラス（ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ）が用いられていてよい。ここで、本発明の実施例に係るタンデム型の白色有機発光素子１０が照明用である場合、ベース基板１１０にはソーダライムガラスが用いられていてよい。その他、ベース基板１１０には金属酸化物や金属窒化物からなる基板が用いられていてもよい。そして、本発明の実施例では、ベース基板１１０として、厚さ１．５ｍｍ以下の薄板ガラスが用いられていてよく、このような薄板ガラスは、フュージョン（ｆｕｓｉｏｎ）工法またはフローティング（ｆｌｏａｔｉｎｇ）工法にて製造可能である。一方、ベース基板１１０とエンカプセレーションをなす裏面基板（図示せず）は、ベース基板１１０と同一または他の物質からなるものであってよい。

第１の電極１２０はベース基板１１０上に形成される。このような第１の電極１２０は、タンデム型の白色有機発光素子１００のアノード（ａｎｏｄｅ）としての役割をする透明電極であって、有機発光層１４０への正孔の注入が起こりやすいように、仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の大きい物質のうち、有機発光層１４０から発せられた光が透過しやすい物質からなるものであってよい。例えば、第１の電極１２０はＩＴＯからなるものであってよい。

第２の電極１３０は、第１の電極１２０と対向するように形成される。これにより、第２の電極１３０と第１の電極１２０との間には、有機発光層１４０及び電荷生成層１５０が配設されるようになる。このような第２の電極１３０は、タンデム型の白色有機発光素子１００のカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）としての役割をする金属電極であって、有機発光層１４０から発せられた光を前方、すなわち、ベース基板１１０側に反射させる物質のうち、有機発光層１４０への電子の注入が起こりやすいように仕事関数の小さい物質からなるものであってよい。例えば、第２の電極１３０は、Ａｌ、Ａｌ：Ｌｉ、またはＭｇ：Ａｇのような金属薄膜からなるものであってよい。

また、第２の電極１３０は、タンデム型の白色有機発光素子１００の発光効率の増大のために、第１の電極１２０と微小空洞（ｍｉｃｒｏ−ｃａｖｉｔｙ）をなすように形成されていてよい。第２の電極１３０と第１の電極１２０とが微小空洞をなすと、有機発光層１４０から発せられた光は、微小空洞内で補強干渉及び共振現象によって発光するようになり、その結果、ベース基板１１０側への発光効率が増大できる。

有機発光層１４０は、タンデム型の白色有機発光素子１００をなすために、第１の電極１２０と第２の電極１３０との間に少なくとも二つ以上形成される。すなわち、二つ以上の有機発光層１４０は電荷生成層１５０を介在して交互に配設される。このような有機発光層１４０は、図示していないが、例えば、正孔注入層及び正孔輸送層のような正孔層、発光層、電子輸送層及び電子注入層のような電子層を含んでなるものであってよい。このような構造により、第１の電極１２０及び第２の電極１３０に順方向電圧が印加されると、有機発光層１４０が第１の電極１２０と電荷生成層１５０との間に配設されている場合、電荷生成層１５０から電子が電子注入層及び電子輸送層を介して発光層へ移動するようになり、また第１の電極１２０から正孔が正孔注入層及び正孔輸送層を介して発光層へ移動するようになる。また、有機発光層１４０が第２の電極１３０と電荷生成層１５０との間に配設されている場合には、第２の電極１３０から電子が発光層に移動するようになり、また電荷生成層１５０から正孔が発光層に移動するようになる。そして、有機発光層１４０の上下に電荷生成層１５０がそれぞれ配設されている場合には、上部電荷生成層１５０からは電子が、下部電荷生成層１５０からは正孔が発光層へ移動するようになる。このように、発光層中に注入された電子と正孔は発光層で再結合して励起子（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成し、このような励起子が励起状態（ｅｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅ）から基底状態（ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ）に転移しながら光を放出するようになり、このとき、放出される光の明るさは、アノードである第１の電極１２０とカソードである第２の電極１３０との間を流れる電流量に比例するようになる。

本発明の実施例において、いずれか一つの有機発光層１４０の発光層は青色領域の光を放出する高分子物質からなり、他の一つの有機発光層１４０の発光層はオレンジ−赤色領域の光を放出する低分子物質からなるものであってよい。そして、これらの発光層から発せられる青色光とオレンジ−赤色光の混合効果によって白色光が実現される。しかし、これは一例に過ぎず、多様な構造、形態、及び物質にて複数の有機発光層１４０を備えることで白色光を実現することも可能である。すなわち、青色光との混合効果で白色を発光することが可能であれば、他の色相の光を放出する物質からなる一つまたはそれ以上の発光層をさらに備えることもできる。

電荷生成層１５０は、互いに隣り合う有機発光層１４０の間に形成される。電荷生成層１５０は、互いに隣接した、あるいは互いに隣り合う有機発光層１４０間の電荷均衡調節の役割をするため、連結層（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）としての役割をする。このような電荷生成層１５０は、真空蒸着、スパッタ、液状コーティング（ｓｏｌ−ｇｅｌ）などの方法にて形成されていてよい。

本発明の実施例において、電荷生成層１５０は、仕事関数が異なる第１の金属層１５１及び第２の金属層１５２の積層構造からなるものであってよい。このとき、図面を基準に下側に形成されている有機発光層１４０の電子層である電子注入層や電子輸送層と接する第１の金属層１５１は、下側有機発光層１４０への電子の注入を助けるｎ型電荷生成層としての役割をする層であって、第２の金属層１４２よりも仕事関数が小さい金属からなることが好ましい。本発明の実施例において、第１の金属層１５１は、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎａ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＡｌのうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせからなるものであってよい。また、図面を基準に上側に形成されている有機発光層１４０の正孔層である正孔注入層や正孔輸送層と接する第２の金属層１５２は、上側有機発光層１４０への正孔の注入を助けるｐ型電荷生成層としての役割をする層であって、第１の金属層１５１よりも仕事関数が大きい金属からなることが好ましい。本発明の実施例において、第２の金属層１５２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、及びＡｌのうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせからなるものであってよい。このとき、第１の金属層１５１と第２の金属層１５２とは、仕事関数が互いに異なる金属からなるものであるため、成分が同一ではないことはいうまでもない。

一方、本発明の実施例に係る電荷生成層１５０は、極めて薄い、例えば、０．１〜５０ｎｍの範囲の厚さで形成されていてよい。この場合、互いに隣り合う有機発光層１４０間の電荷均衡調節の役割をする第１の金属層１５１及び第２の金属層１５２の特性が失われることがある。これを防止するために、本発明の他の実施例に係る電荷生成層１５０は、第１の金属層１５１と第２の金属層１５２との間に形成される絶縁層（図示せず）をさらに含んでいてよい。このような絶縁層（図示せず）は、高分子絶縁層、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＭｏＯ_ｘ、及びＡｌ_２Ｏ_３のうちのいずれか一つからなるものであってよい。また、本発明のまた他の実施例に係る電荷生成層１５０は、絶縁層（図示せず）の電荷移動度の改善のために、第１の金属層１５１と第２の金属層１５２との間に形成される半導体層（図示せず）をさらに含んでいてよい。このような半導体層（図示せず）は、共役高分子（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ）、共役分子（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅ）、金属酸化物、及びシリコンのうちのいずれか一つからなるものであってよい。

上述したように、本発明の実施例に係るタンデム型の白色有機発光素子１００は、仕事関数が互いに異なる第１の金属層１５１と第２の金属層１５２からなる２層構造、または第１の金属層１５１と第２の金属層１５２との間に絶縁層（図示せず）が形成された３層構造、または第１の金属層１５１と第２の金属層１５２との間に半導体層（図示せず）が形成された３層構造によって、これらの構造からなる電荷生成層１５０の伝導性を向上させることができ、これにより、優れた電気的特性を示すことができる。

以上のように、限られた実施例や図面に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は前記した実施例に限定されるものではなくて、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から種々の修正及び変形が可能である。

よって、本発明の範囲は説明された実施例に局限して決められてはならず、特許請求の範囲だけでなく特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。

Claims (5)

1. ベース基板;
   前記ベース基板上に形成される第１の電極;
   前記第１の電極と対向するように形成され、前記第１の電極と共に微小空洞を形成する、第２の電極;
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成される少なくとも二つ以上の有機発光層；及び
   互いに隣り合う前記有機発光層の間に形成される電荷生成層;
   を含み、
   前記電荷生成層は、仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が異なる第１の金属層及び第２の金属層の積層構造からなり、
   前記電荷生成層は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に形成される絶縁層をさらに含み、
   前記電荷生成層は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に形成される半導体層をさらに含み、
   前記電荷生成層は、０．１〜５０ｎｍの範囲の厚さで形成され、
   前記絶縁層は、高分子絶縁層を含むか、あるいはＷＯ _ｘ を含み、
   前記半導体層は、共役高分子および共役分子のうちのいずれか一つを含むことを特徴とする、
   タンデム型の白色有機発光素子。
2. 前記第１の金属層は、前記第２の金属層よりも仕事関数が小さい金属からなることを特徴とする、請求項１に記載のタンデム型の白色有機発光素子。
3. 前記第１の金属層は、いずれか一つの前記有機発光層の電子層と接し、前記第２の金属層は、隣り合う他の一つの前記有機発光層の正孔層と接することを特徴とする、請求項２に記載のタンデム型の白色有機発光素子。
4. 前記第１の金属層は、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎａ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＡｌのうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせからなることを特徴とする、請求項３に記載のタンデム型の白色有機発光素子。
5. 前記第２の金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、及びＡｌのうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせからなることを特徴とする、請求項４に記載のタンデム型の白色有機発光素子。

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