JP6951328B2 - 局限されたエミッタを備えるバンド端放出強化型有機発光ダイオード - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下、2015年6月24日に出願された米国特許仮出願第62/183,771号の出願日遡及の恩典を主張するものである。この仮出願の開示は本明細書に参照によって組み込まれている。
以下の説明は、改良された発光デバイスおよび該デバイスを製造する方法に関する。
照明装置およびディスプレイ装置の市場では、液晶ディスプレイ(liquid crystal display:「LCD」)装置がOLEDに急速に置き換えられている。この置換えは、視聴体験、サイズ、重量および単純さにおける利点によって後押しされている。米国特許第7,335,921号、第9,129,552号および米国特許出願公開第2004/0069995号には、強化された発光レベルおよび強化されたエネルギー効率レベルを誘導放出(stimulated emission)現象を利用することによって提供するために1つまたは複数のフィードバック手段が発光ダイオード構造体に統合された発光ダイオード(「LED」)デバイス、特にOLEDが記載されている。これらのデバイスは、ひとまとめにして、フィードバック強化型有機発光ダイオード(feedback enhanced organic light emitting diode:FE−OLED)と呼ばれている。米国特許第9,129,552号出願は、ディスプレイ装置でFE−OLEDを利用する方法を記載している。FE−OLEDアーキテクチャは一般に非レーザ用途およびレーザ用途に対して有用である。光は、FE−OLEDにより、フィードバック光によって誘導された放出を通して放出されるため、このような放出光は主に平行であり、デバイスの表面に対して垂直にまたはほぼ垂直に放出される。
FE−OLEDの動作原理は、空胴内のエミッタが平面210の中心に精確に置かれている限りは、空胴内の高い光子密度が、エミッタからの発光を非常に効率的に誘導するというものである。最大光強度は空胴内の非常に幅の狭い領域で起こり、平面210から離れるにつれて光強度は急速に低下するため、このタイプのデバイスでは問題が生じる。図2および図3に示されたモデル化された例では、この平面が、フィードバック層間の空胴の中心に位置する。しかしながら、この簡略化されたモデルでは、空胴内の材料が均一な屈折率を有する。
フォトニック結晶構造体内の仮定された光子分布とエミッタ材料が占有するはるかに小さな容積との間の空間的なミスマッチのために、現在まで、固体バンド端有機発光ダイオード(band−edge organic light emitting diode:BE−OLED)は可能とはなっていないようである。以前に生産されたバンド端レーザの場合と同様に、フォトニック結晶構造体の広がりの全体にわたってエミッタ材料をドープするのでなければ、フォトニック結晶内に伴出された以前の放出光と励起されたエミッタ分子との間の不十分な相互作用が、有用で効率的な発光デバイスを妨げるとされた。
本明細書に記載された実施形態は、本発明の理想的な略図としての平面図および/または断面図に関して説明される。したがって、製造技術および/または許容差に応じてそれらの例示的な図を変更することができる。したがって、本発明の実施形態は、図に示された実施形態だけに限定されるものではなく、製造プロセスに基づいて形成された構成の変更をも含む。したがって、図面に示された領域は概略的なものであり、図面に示された領域の形状は、要素の領域の特定の形状の例であり、本発明の態様を限定しない。
デバイス800内のフォトニック結晶構造体は、一度に一層ずつ構築することができ、デバイスの機能OLED層も同様である。したがって、フォトニック結晶構造体は、不連続な周期的屈折率プロファイルを有することがある。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
1. 有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料がその中に配された発光フォトニック結晶。
2. 前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料が、前記フォトニック結晶の光学的厚さの10%未満を占めるゾーンの中に局限された有機発光材料を含む、上記1に記載のフォトニック結晶。
3. バンドギャップを有し、前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料が、前記フォトニック結晶の前記バンドギャップと少なくとも部分的に重なる自由空間放出スペクトルを有する、上記2に記載のフォトニック結晶。
4. 前記フォトニック結晶が、前記バンドギャップの端に対応する波長の光を放出する、上記3に記載のフォトニック結晶。
5. 前記バンドギャップの端が、前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料によって放出されたルミネセンス光の測定された放射輝度が前記エミッタ材料のルミネセンス放出スペクトルのピーク放射輝度の4分の1よりも大きい波長にある、上記4に記載のフォトニック結晶。
6. 前記バンドの端が、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1%未満である波長にある、上記5に記載のフォトニック結晶。
7. 前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1/2%未満である波長にある、上記6に記載のフォトニック結晶。
8. 周期的に変化する屈折率を有する、上記7に記載のフォトニック結晶。
9. 高屈折率材料層と低屈折率材料層の交代層をさらに備える、上記8に記載のフォトニック結晶。
10. 前記低屈折率材料層のうちの1つの低屈折率材料層が、前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料を含む、上記9に記載のフォトニック結晶。
11. 前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料を含む前記層がさらに、隣接する層に比べて低い屈折率をそれぞれが有する追加の有機材料を含み、前記追加の有機材料が、電荷輸送材料、電荷注入材料または電荷阻止材料のうちの少なくとも1つの材料である、上記10に記載のフォトニック結晶。
12. 前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料を含む前記層がさらに、隣接する層に比べて高い屈折率をそれぞれが有する有機材料を含む、上記9に記載のフォトニック結晶。
13. バンドギャップを有する発光フォトニック結晶であって、
高屈折率誘電体材料層と低屈折率誘電体材料層の交代層であり、周期的に変化する屈折率を生み出すことができる交代層と、
有機発光材料を含む有機発光ダイオードであり、前記有機発光材料が、前記バンドギャップの端において、および前記有機発光材料の自由空間放出スペクトルのピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の4分の1よりも大きな放射輝度に対応する波長において光を放出することができる有機発光ダイオードと
を備える発光フォトニック結晶。
14. 前記有機発光ダイオードが有機発光材料を有し、前記バンドギャップの端が、前記有機発光材料の自由空間放出スペクトルのピークスペクトルエレクトロルミネセンスにおける放射輝度の2分の1よりも大きな放射輝度に対応する波長にある、上記13に記載のフォトニック結晶。
15. 前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1%未満である波長にある、上記14に記載のフォトニック結晶。
16. 前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1/2%未満である波長にある、上記15に記載のフォトニック結晶。
17. 前記層のそれぞれの層が、前記バンドギャップの中心波長の4分の1の光学的厚さを有し、前記有機発光ダイオードが、前記バンドギャップの中心波長の4分の1の光学的厚さをやはり有する単一の層に限定された有機エミッタ材料を含み、前記単一の層が、エミッタ層を構成してもよく、あるいはエミッタ層および1つもしくは複数の電荷輸送層または1つもしくは複数の電荷注入層を構成してもよい、上記16に記載のフォトニック結晶。
18. 前記交代層が分布ブラッグ反射器を構成した、上記17に記載のフォトニック結晶。
19. 高屈折率誘電体材料層が、Nb 2 O 5 およびTiO 5 の中から選択された材料を含む、上記18に記載のフォトニック結晶。
20. 低屈折率誘電体材料層が、SiO 2 、LiFおよびMgF 2 の中から選択された材料を含む、上記19に記載のフォトニック結晶。
21. 前記有機発光材料の分子が、放出光の透過軸に対して平行な誘導放出を最大にするような向きに空間的に配向している、上記20に記載のフォトニック結晶。
22. 前記バンドギャップの中心波長の4分の1の前記光学的厚さが約159nmである、上記21に記載のフォトニック結晶。
23. バンドギャップを有する発光フォトニック結晶であって、
第1の誘電体層と、
前記第1の誘電体層の屈折率よりも低い屈折率を有する第2の誘電体層であり、前記第1の誘電体層に隣接して配された第2の誘電体層と、
前記第2の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第3の誘電体層であり、前記第1の誘電体層と第3の誘電体層との間に前記第2の誘電体層が配された第3の誘電体層と、
前記第3の誘電体層の前記屈折率よりも低い屈折率を有する第4の誘電体層であり、前記第2の誘電体層と第4の誘電体層との間に前記第3の誘電体層が配された第4の誘電体層と、
前記第4の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有するアノード層であり、前記第3の誘電体層とアノード層との間に前記第4の誘電体層が配されたアノード層と、
有機発光材料を含むエミッタ層であり、1つまたは複数の副層を備え、それぞれの副層が、前記アノード層の前記屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第4の誘電体層とエミッタ層との間に前記アノード層が配されたエミッタ層と、
前記1つまたは複数の副層の前記屈折率よりも高い屈折率を有するカソード層であり、前記アノード層とカソード層との間に前記エミッタ層が配されたカソード層と、
前記カソード層の前記屈折率よりも低い屈折率を有する第5の誘電体層であり、前記エミッタ層と第5の誘電体層との間に前記カソード層が配された第5の誘電体層と、
前記第5の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第6の誘電体層であり、前記カソード層と第6の誘電体層との間に前記第5の誘電体層が配された第6の誘電体層と、
前記第6の誘電体層の前記屈折率よりも低い屈折率を有する第7の誘電体層であり、前記第5の誘電体層と第7の誘電体層との間に前記第6の誘電体層が配された第7の誘電体層と、
前記第7の誘電体層の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第8の誘電体層であり、前記第6の誘電体層と第8の誘電体層との間に前記第7の誘電体層が配された第8の誘電体層と
を備える発光フォトニック結晶。
24. 前記アノードおよび前記カソードを横切って電位が与えられたときに、前記有機発光材料が、前記有機発光材料によって放出されたルミネセンス光の測定された放射輝度が前記有機発光材料の自由空間光放出スペクトルのピーク放射輝度の4分の1よりも大きい波長に対応する前記バンドギャップの端において光を放出することができる、上記23に記載の発光フォトニック結晶。
25. 前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1%未満である波長にある、上記24に記載のフォトニック結晶。
26. 前記バンドギャップの端が、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1/2%未満である波長にある、上記25に記載のフォトニック結晶。
27. 前記誘電体層がそれぞれ、前記バンドギャップの中心周波数の波長の4分の1の光学的厚さを有する、上記26に記載のフォトニック結晶。
28. 前記層の全体が分布ブラッグ反射器を構成した、上記27に記載のフォトニック結晶。
29. 高屈折率の誘電体層が、Nb 2 O 5 およびTiO 5 の中から選択された材料を含む、上記28に記載のフォトニック結晶。
30. 低屈折率の誘電体層が、SiO 2 、LiFおよびMgF 2 の中から選択された材料を含む、上記29に記載のフォトニック結晶。
31. 前記有機発光材料の分子が、放出光の透過軸に対して平行な誘導放出を最大にするような向きに空間的に配向している、上記30に記載のフォトニック結晶。
32. 前記層がそれぞれ、約159nmの光学的厚さを有する、上記31に記載のフォトニック結晶。
33. 前記層のうちの少なくとも1つの層が、前記バンドギャップの中心周波数の波長の約4分の3の厚さを有する、上記26に記載のフォトニック結晶。
34. 前記誘電体層が、ホログラフィック格子を構成した、上記22に記載のフォトニック結晶。
35. 前記誘電体層が、配向したネマチック液晶を含む、上記22に記載のフォトニック結晶。
36. フォトニック結晶構造体を備える発光デバイスであって、前記フォトニック結晶構造体が有機発光ダイオードを備え、前記有機発光ダイオードが、前記有機発光ダイオードの電極および有機層が前記フォトニック結晶の高屈折率/低屈折率交代構造の部分として機能するような態様の有機発光ダイオードである発光デバイス。
37. 前記有機発光ダイオードが、前記少なくとも1つのフォトニック結晶構造体のバンド端モードに入る光を放出する、上記36に記載の発光デバイス。
38. フォトニックバンドギャップの端において光を放出する、上記37に記載の発光デバイス。
39. 前記有機発光ダイオードがその中へ光を放出する前記バンド端モードが、前記有機発光ダイオードの中で利用される発光材料によって放出されたルミネセンス光の測定放射輝度が前記エミッタ材料のルミネセンス放出スペクトルのピーク放射輝度の4分の1よりも大きい波長にある、上記38に記載の発光デバイス。
40. 前記有機発光ダイオードがその中へ光を放出する前記バンド端モードが、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1%未満である波長にある、上記39に記載の発光デバイス。
41. 前記有機発光ダイオードがその中へ光を放出する前記バンド端モードが、前記エミッタ層を光が1回通過する際の光吸収が1/2%未満である波長にある、上記40に記載の発光デバイス。
42. 前記有機発光ダイオードのカソードまたはカソードの構成層が、前記フォトニック結晶構造体の前記高屈折率層または高屈折率ゾーンのうちの1つの高屈折率層または高屈折率ゾーンとして機能する、上記41に記載の発光デバイス。
43. 前記有機発光ダイオードの前記アノードが、前記フォトニック結晶構造体の前記高屈折率層または高屈折率ゾーンのうちの1つの高屈折率層または高屈折率ゾーンとして機能する、上記42に記載の発光デバイス。
Claims (3)
- 有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料がその中に配された単一の発光フォトニック結晶を含む発光デバイス。
- 有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料がその中に配され、バンドギャップを有し、ここで前記バンドギャップの端が、前記エミッタ材料のピーク放出波長と1/4ピーク放出波長の間に位置し、かつ、前記バンドギャップの端が、前記エミッタ材料を光が1回通過する際の光吸収が1%未満である波長にある、発光フォトニック結晶であって、該フォトニック結晶は周期的な屈折率を有し、該周期的な屈折率の周期性が、発光フォトニック結晶の全体にわたって中断されない、発光フォトニック結晶。
- 前記有機エレクトロルミネセンスエミッタ材料が、前記フォトニック結晶の光学的厚さの10%未満を占めるゾーンの中に局限された有機発光材料を含む、請求項2に記載のフォトニック結晶。
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