JPWO2012023177A1 - 有機発光素子 - Google Patents
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Abstract
有機半導体素子は、対向する陽極及び陰極の間に積層配置された、有機発光層を含む複数の有機半導体層からなる有機発光素子であって、有機半導体層は、電子輸送性を有する有機化合物を主体として、陰極に接するとともに陰極とのアロイ化をなしうる電子供与性物質がストイキオメトリ形態で混合されたn型ドーパント含有電子輸送層を含むこと、並びに、陰極及びn型ドーパント含有電子輸送層の間に配置され且つそれぞれに接する電子注入アシスト層を有する。
Description
本発明は、有機半導体素子に関し、特に正孔又は電子の移動性すなわち電荷輸送性を有する有機化合物を利用し、かかる化合物からなる有機半導体層を備えた有機半導体素子に関し、特に有機発光層を備えた有機発光素子に関する。
有機発光素子はすでに実用化され、例えば有機ELパネルが知られている。現在、大きな課題の一つは安定性の向上である。具体的には、素子の発光輝度が低下したり、ダークスポットと呼ばれる非発光領域が発生、拡大することである。素子には水分、酸素等で欠陥部から発生するダークスポットや陰極エッジから非発光部の進行があるからである。このため、素子を保護する封止技術の研究されている。封止技術の内の缶封止は、金属、ガラスなどの中空構造の缶が用いられ、その中に乾燥剤を投入している。近年、部品スペース確保、軽量化の観点から素子、パネルの薄膜化が進み、防湿性、ガスバリア性の封止層を成膜する封止技術である膜封止が用いられている。膜封止の封止原理は、防湿性、ガスバリア性の封止層で有機EL素子基板を覆うことにより、封止能力を得るというものであり、多層構造を用いることにより、さらに封止性能を増すことができる。しかしながら、成膜時におけるピンホールなどを主な原因として、点欠陥から透湿などが起こり、素子の非発光領域が拡大する。この円形の非発光欠陥が、その後の透湿により拡大するか否かは、封止層における欠陥の有無と、その欠陥部分の大きさにより決定される。このダークスポットを減らすための先行技術としては、特許文献1に記載されるように、封止層構成として、欠陥部を覆うようなバッファ層(平坦化層)を設けることなどが知られている。この技術によって、封止層欠陥数は減らし、非発光部の進行を遅延するものの、バッファ層によって覆いきれなかった点欠陥がなくなるわけではない。この他に、固体封止という技術があり、素子上に接着剤、更にガラス、金属製のもので覆う技術がある。しかしながら、乾燥剤を導入しないため、ガラス、金属製端部から接着層を通して浸透する水分、酸素等を遅延はできるのもの非発光部の進行を妨げることができない。膜封止と固体封止技術の併用が考えられるが、非発光進行遅延に留まる。
これらの非発光進行遅延は酸化しにくい、金属例えば、金を用いることで進行を更に遅延させることが考えられるが、これらの金属は仕事関数が高いため、電子注入しにくく、更に、フッ化リチウムなどの電子注入層を用いても電子注入しにくく、駆動電圧が上昇する。合金を用いることで電子注入がし易くなると考えられるが、非発光部の遅延を考えると酸化されにくい金属はイオン化ポテンシャル及び仕事関数が高い傾向にあるため、酸化されにくい金属同士の合金での電子注入効率増大は見込めない。また、金は赤色波長以上であると吸収が存在するため、透明陽極付のガラス基板から光を放射するボトムエミッション構造の場合、反射効率が落ちるため発光効率も低下する。半透明電極から光を放射するトップエミッション構造の場合、赤色領域の透過率が低下し、発光効率が低下する。
特開平10−312883
特開2005−108720
特開平11−260546
特開2006−351314
特開2007−059243
上記特許文献2〜5の開示技術の中においても、非発光領域の減少を試みられているが、未だ十分ではない。そこで、本発明の課題しては、有機発光素子の薄膜化を目指した封止技術に対応し、非発光領域の拡大等といった表示品質の低下の少なく、消費電力が低く、経時変化で駆動電圧の上昇・輝度劣化が少ない有機EL素子の素子構造を提供することが、その一例としてあげられる。
本発明の有機発光素子は、対向する陽極及び陰極の間に積層配置された、有機発光層を含む複数の有機半導体層からなる有機発光素子であって、前記有機半導体層は、電子輸送性を有する有機化合物を主体として、前記陰極に接するとともに前記陰極とのアロイ化をなしうる電子供与性物質がストイキオメトリ形態で混合されたn型ドーパント含有電子輸送層を含むこと、並びに、前記陰極及び前記n型ドーパント含有電子輸送層の間に配置され且つそれぞれに接する電子注入アシスト層を有することを特徴とする。
素子構造中に、電子輸送層に電子供与性物質であるn型ドーパントが混合されたn型ドーパント含有電子輸送層を用い、電子輸送効率及び電子注入効率を増大させ、かつn型ドーパントに吸湿性があるため、外部から浸入してきた水分、酸素を吸収する。更に、陰極に酸化されにくい金属(銀、金、白金またはその合金)を用いる。通常、酸化されにくい金属種、つまり仕事関数が高い金属種(Au、Ag、Ptなど)を用いた場合、電子注入効率低下に伴う駆動電圧上昇が発生するが、n型ドーパント含有電子輸送層を用いることで回避できる。ここで、n型ドーパント含有電子輸送層と陰極の間に、電子注入アシスト層を設けることにより、電子輸送層と陰極界面にて互いにアロイ化を促進し、密着力を向上させ、電子輸送層と陰極界面端部からの透湿を抑制させる。電子注入アシスト層の材料には、その仕事関数がn型ドーパントのものよりも高くかつ、酸化されにくい陰極のものより低い材料を選ぶ。このとき、電子注入アシスト層に用いた材質を陰極に混合することもでき、n型ドーパント含有電子輸送層への混合はn型ドーパント含有電子輸送層の透過率が80%以下に低下しなければ使用可能である。すなわち、電子注入アシスト層は陰極から電子輸送層へ電子の注入が促進され、かつ電子輸送層に含有されたストイキオメトリ形態の電子供与性物質と陰極をアロイ化させることで、密着力が向上し陰極端部からの透湿を抑制する。
上記の有機発光素子において、前記陰極の前記電子注入アシスト層の反対側の前記陰極上に陰極耐湿強化膜を有することとすることができる。上記の有機発光素子において、前記陰極耐湿強化膜は前記n型ドーパント含有電子輸送層の端部と前記電子注入アシスト層の端部とそれらの界面の端部、及び前記陰極の端部も覆うように配置されることすることができる。陰極耐湿強化膜の材質としては膜封止に用いられるようなSiONx(xは原子比を示す)でも良いが、他に、Li2O、LiF、YbF3、MgF3のような酸化物、フッ化物でも良く、特に吸湿性が無いYbF3、MgF3の材質が好ましい。この陰極耐湿強化膜は半透明電極として機能するため、陰極を透明又は半透明とするために局所的に膜厚が薄い箇所が存在する場合、陰極耐湿強化膜は陰極膜の局所的に膜厚が薄い箇所を補うように成膜され、かつ、局所的に薄い箇所は陰極耐湿強化膜と電子注入アシスト層、或いは電子輸送層とアロイ化し、密着力が向上し陰極端部からの透湿を抑制することができる。これらの構造により、有機発光素子に乾燥剤を含まない膜封止、乾燥剤を含まない固体封止の封止技術と組み合わせることができる。また、陰極耐湿強化膜は膜封止のように透湿遮断を目的としているわけではなく、陰極酸化の遅延を目的としているため、膜厚はμmオーダーではなくnmオーダーで構わなく、かつ陰極膜厚程度でもよい。更に、トップエミッション構造のように陰極が薄くても対応可能である。
上記の有機発光素子において、前記電子供与性物質を含む前記n型ドーパント含有電子輸送層の主成分は仕事関数やHOMOレベルが3.0eV以下である物質を含有することとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記n型ドーパント含有電子輸送層の前記電子供与性物質はCs2MoO4、Cs2MoO4、CsVO3、Cs3VO4、Li2MoO4であることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記n型ドーパント含有電子輸送層中に前記電子供与性物質は0.8体積%から60体積%で含有されていることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記電子注入アシスト層は仕事関数が3.0eV以下である物質を含有することとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記電子注入アシスト層はAlF3、MgF2、ZnFxなどのフッ化物、AlMoOx、MgMoOx、ZnOなど(xは原子比を示す)の金属酸化物であることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陰極は仕事関数が4.5eV以上の金属からなることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陰極はAg、Pt、Au単体の金属、これらの合金からなることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陰極耐湿強化膜はLi2O、MoO3、VxOy、WxOyなど(x、yは原子比を示す)の酸化物、それらの金属化合物、YbF3、MgF2、LiFのフッ化物からなることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陰極耐湿強化膜は1nm〜120nmであることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陰極耐湿強化膜は陰極膜厚以上の膜厚を有することとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陽極が反射電極であり、前記陰極が半透明又は透明な電極であるトップエミッション型有機発光素子であることとすることができる。
上記の有機発光素子において、前記陽極が半透明又は透明な電極であり、前記陰極が半透明又は透明な電極である両面エミッション型有機発光素子であることとすることができる。
上記有機発光素子を発光体とする照明パネルも本願発明に含まれる。
1 基板
2 陽極
3 正孔注入層
4 正孔輸送層
5 発光層
6 正孔ブロック層
7 電子輸送層
8 電子注入アシスト層
9 陰極
10 陰極耐湿強化膜
2 陽極
3 正孔注入層
4 正孔輸送層
5 発光層
6 正孔ブロック層
7 電子輸送層
8 電子注入アシスト層
9 陰極
10 陰極耐湿強化膜
以下に本発明の有機発光素子による有機EL素子の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
本実施形態の有機EL素子の一例は、図1に示すように、ガラス等の透明基板1上にて、順に、透明な陽極2、有機化合物からなる正孔輸送層4、有機化合物からなる有機発光層5、電子輸送性を有する有機化合物を主体とし陰極とのアロイ化をなしうる電子供与性物質がストイキオメトリ形態で混合されたn型ドーパント含有電子輸送層7、電子注入アシスト層8、及び陰極9が積層されて得られるものである。電子注入アシスト層8は陰極9及びn型ドーパント含有電子輸送層7の間に配置され且つそれぞれに接する。陰極9の電子注入アシスト層8の反対側の陰極9上に陰極耐湿強化膜10が配置されている。すなわち、有機EL素子において、対向する1対の陽極及び陰極の間に積層配置された複数の有機半導体層が正孔注入層、正孔輸送層、発光層を包含する。
図1に示すように、有機EL素子は、陽極2/正孔注入層3/正孔輸送層4/発光層5/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成を有する。図示するように、有機EL素子において、陰極耐湿強化膜10はn型ドーパント含有電子輸送層7の端部と電子注入アシスト層8の端部とそれらの界面の端部、並びに陰極9の端部及びそれらの界面の端部も覆うように配置される。この他の実施形態には、有機EL素子は、図2に示すように、陽極2/正孔注入層3/発光層5/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成や、図3に示すように、陽極2/正孔輸送層4/発光層5/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成や、図4に示すように、陽極2/発光層5/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成が挙げられる。本発明による有機EL素子は、n型ドーパント含有電子輸送層7を陰極9との界面に有するものであればよい。よって、n型ドーパント含有電子輸送層7の隣接層は発光層に限定されることなく、発光層及び電子輸送層の間にブロック層及び/又はバファ層など、例えば、図5に示すように、陽極2/正孔注入層3/正孔輸送層4/発光層5/正孔ブロック層6/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成の他に、図6に示すように、陽極2/正孔注入層3/発光層5/正孔ブロック層6/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成や、図7に示すように、陽極2/正孔輸送層4/発光層5/正孔ブロック層6/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成や、図8に示すように、陽極2/発光層5/正孔ブロック層6/n型ドーパント含有電子輸送層7/電子注入アシスト層8/陰極9/陰極耐湿強化膜10/の構成も本発明に含まれる。
−−基板並びに陽極及び陰極−−
基板1としては、ガラスの透明無機材料の他、ポリスチレンなどのプラスチック材料といった半透明材料の他に、シリコンやAlなどの不透明な材料、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂などを用いることができる。
基板1としては、ガラスの透明無機材料の他、ポリスチレンなどのプラスチック材料といった半透明材料の他に、シリコンやAlなどの不透明な材料、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂などを用いることができる。
陽極2及び陰極9の電極材料としては、Ti、Al、Al、Cu、Ni、Ag、Mg:Ag、Au、Pt、Pd、Ir、Cr、Mo、W、Taなどの金属あるいはこれらの合金が挙げられる。あるいは、ポリアニリンやPEDT:PSSなどの導電性高分子を用いることができる。あるいは、酸化物透明導電薄膜、例えばインジウムすず酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、酸化亜鉛、酸化錫などのいずれかを主組成としたものを用いることができる。また、各電極の厚さは10〜500nm程度が好ましい。これらの電極材料は真空蒸着法、スパッタ法で作製されたものが好ましい。
陽極2には、一般的に、陰極9より仕事関数の大きな導電性材料が選択される。さらに、陽極及び陰極は、発光の取り出し側を透明又は半透明となるように材料、膜厚を選択する。特に陽極及び陰極のうちどちらか、もしくはその両方が、有機発光材料から得られる発光波長において少なくとも10%以上の透過率を持つ材料を選択することが好ましい。
−−有機半導体層−−
有機半導体層(正孔注入層3、正孔輸送層4、発光層5、正孔ブロック層6及びn型ドーパント含有電子輸送層7)は、それらの主成分を構成する電荷輸送性(正孔及び/又は電子の移動性)を有する有機化合物を利用する。
有機半導体層(正孔注入層3、正孔輸送層4、発光層5、正孔ブロック層6及びn型ドーパント含有電子輸送層7)は、それらの主成分を構成する電荷輸送性(正孔及び/又は電子の移動性)を有する有機化合物を利用する。
発光層や電子輸送層の主成分の電子輸送性を有する有機化合物としては、p−テルフェニルやクアテルフェニル等の多環化合物及びそれらの誘導体、ナフタレン、テトラセン、ピレン、コロネン、クリセン、アントラセン、ジフェニルアントラセン、ナフタセン、フェナントレン等の縮合多環炭化水素化合物及びそれらの誘導体、フェナントロリン、バソフェナントロリン、フェナントリジン、アクリジン、キノリン、キノキサリン、フェナジン等の縮合複素環化合物及びそれらの誘導体や、フルオロセイン、ペリレン、フタロペリレン、ナフタロペリレン、ペリノン、フタロペリノン、ナフタロペリノン、ジフェニルブタジエン、テトラフェニルブタジエン、オキサジアゾール、アルダジン、ビスベンゾキサゾリン、ビススチリル、ピラジン、シクロペンタジエン、オキシン、アミノキノリン、イミン、ジフェニルエチレン、ビニルアントラセン、ジアミノカルバゾール、ピラン、チオピラン、ポリメチン、メロシアニン、キナクリドン、ルブレン等及びそれらの誘導体等を挙げることができる。
また、電子輸送性を有する有機化合物として、金属キレート錯体化合物、特に金属キレート化オキサノイド化合物では、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム、ビス(8−キノリノラト)マグネシウム、ビス[ベンゾ(f)−8−キノリノラト]亜鉛、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、トリス(8−キノリノラト)インジウム、トリス(5−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム、8−キノリノラトリチウム、トリス(5−クロロ−8−キノリノラト)ガリウム、ビス(5−クロロ−8−キノリノラト)カルシウム等の8−キノリノラト或いはその誘導体を配位子として少なくとも一つ有する金属錯体も挙げることができる。
また、電子輸送性を有する有機化合物として、オキサジアゾール類、トリアジン類、スチルベン誘導体及びジスチリルアリーレン誘導体、スチリル誘導体、ジオレフィン誘導体も好適に使用され得る。
さらに、電子輸送性を有する有機化合物として使用できる有機化合物として、2,5−ビス(5,7−ジ−t−ベンチル−2−ベンゾオキサゾリル)−1,3,4−チアゾール、4,4’−ビス(5,7−t−ペンチル−2−ベンゾオキサゾリル)スチルベン、4,4’−ビス[5,7−ジ−(2−メチル−2−ブチル)−2−ベンゾオキサゾリル]スチルベン、2,5−ビス(5.7−ジ−t−ペンチル−2−ベンゾオキサゾリル)チオフェン、2,5−ビス[5−(α,α−ジメチルベンジル)−2−ベンゾオキサゾリル]チオフェン、2,5−ビス[5,7−ジ−(2−メチル−2−ブチル)−2−ベンゾオキサゾリル]−3,4−ジフェニルチオフェン、2,5−ビス(5−メチル−2−ベンゾオキサゾリル)チオフェン、4,4’−ビス(2−ベンゾオキサゾリル)ビフェニル、5−メチル−2−{2−[4−(5−メチル−2−ベンゾオキサゾリル)フェニル]ビニル}ベンゾオキサゾール、2−[2−(4−クロロフェニル)ビニル]ナフト(1,2−d)オキサゾール等のベンゾオキサゾール系、2,2’−(p−フェニレンジピニレン)−ビスベンゾチアゾール等のベンゾチアゾール系、2−{2−[4−(2−ベンゾイミダゾリル)フェニル〕ビニル}ベンゾイミダゾール、2−[2−(4−カルボキシフェニル)ビニル]ベンゾイミダゾール等も挙げられる。
さらに、電子輸送性を有する有機化合物として、1,4−ビス(2−メチルスチリル)ベンゼン、1,4−ビス(3−メチルスチリル)ベンゼン、1,4−ビス(4−メチルスチリル)ベンゼン、ジスチリルベンゼン、1,4−ビス(2−エチルスチリル)ベンゼン、1,4−ビス(3−エチルスチリル)ベンゼン、1,4−ビス(2−メチルスチリル)−2−メチルベンゼン、1,4−ビス(2−メチルスチリル)−2−エチルベンゼン等も挙げられる。
また、さらに、電子輸送性を有する有機化合物として、2,5−ビス(4−メチルスチリル)ピラジン、2,5−ビス(4−エチルスチリル)ピラジン、2,5−ビス[2−(1−ナフチル)ビニル]ピラジン、2,5−ビス(4−メトキシスチリル)ピラジン、2,5−ビス[2−(4−ビフェニル)ビニル]ピラジン、2,5−ビス[2−(1−ピレニル)ビニル]ピラジン等が挙げられる。
その他、さらに、電子輸送性を有する有機化合物として、1,4−フェニレンジメチリディン、4,4’−フェニレンジメチリディン、2,5−キシリレンジメチリディン、2,6−ナフチレンジメチリディン、1,4−ビフェニレンジメチリディン、1,4−p−テレフェニレンジメチリディン、9,10−アントラセンジイルジメチリディン、4,4’−(2,2−ジ−t−ブチルフェニルビニル)ビフェニル、4,4’−(2,2−ジフェニルビニル)ビフェニル等、従来有機EL素子の作製に使用されている公知のものを適宜用いることができる。
一方、正孔輸送性を有する有機化合物として、N,N,N’,N’−テトラフェニル−4,4’−ジアミノフェニル、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(3−メチルフェニル)−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)プロパン、N,N,N’,N’−テトラ−p−トリル−4,4’−ジアミノビフェニル、ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)フェニルメタン、N,N’−ジフェニル−N,N’−ジ(4−メトキシフェニル)−4,4’−ジアミノビフェニル、N,N,N’,N’−テトラフェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ビス(ジフェニルアミノ)クオードリフェニル、4−N,N−ジフェニルアミノ−(2−ジフェニルビニル)ベンゼン、3−メトキシ−4’−N,N−ジフェニルアミノスチルベンゼン、N−フェニルカルバゾール、1,1−ビス(4−ジ−p−トリアミノフェニル)−シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ジ−p−トリアミノフェニル)−4−フェニルシクロヘキサン、ビス(4−ジメチルアミノ−2−メチルフェニル)−フェニルメタン、N,N,N−トリ(p−トリル)アミン、4−(ジ−p−トリルアミノ)−4’−[4(ジ−p−トリルアミノ)スチリル]スチルベン、N,N,N’,N’−テトラ−p−トリル−4,4’−ジアミノ−ビフェニル、N,N,N’,N’−テトラフェニル−4,4’−ジアミノ−ビフェニルN−フェニルカルバゾール、4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]p−ターフェニル、4,4’−ビス[N−(2−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’−ビス[N−(3−アセナフテニル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、1,5−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ナフタレン、4,4’−ビス[N−(9−アントリル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’’−ビス[N−(1−アントリル)−N−フェニル−アミノ]p−ターフェニル、4,4’−ビス[N−(2−フェナントリル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’−ビス[N−(8−フルオランテニル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’−ビス[N−(2−ピレニル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’−ビス[N−(2−ペリレニル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、4,4’−ビス[N−(1−コロネニル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル、2,6−ビス(ジ−p−トリルアミノ)ナフタレン、2,6−ビス[ジ−(1−ナフチル)アミノ]ナフタレン、2,6−ビス[N−(1−ナフチル)−N−(2−ナフチル)アミノ]ナフタレン、4.4’’−ビス[N,N−ジ(2−ナフチル)アミノ]ターフェニル、4.4’−ビス{N−フェニル−N−[4−(1−ナフチル)フェニル]アミノ}ビフェニル、4,4’−ビス[N−フェニル−N−(2−ピレニル)−アミノ]ビフェニル、2,6−ビス[N,N−ジ(2−ナフチル)アミノ]フルオレン、4,4’’−ビス(N,N−ジ−p−トリルアミノ)ターフェニル、ビス(N−1−ナフチル)(N−2−ナフチル)アミン等が挙げられる。
さらに、正孔注入層、正孔輸送層、正孔輸送性発光層として、上述の有機化合物をポリマー中に分散したものや、ポリマー化したものも使用できる。ポリパラフェニレンビニレンやその誘導体等のいわゆるπ共役ポリマー、ポリ(N−ビニルカルバゾール)に代表される正孔輸送性非共役ポリマー、ポリシラン類のシグマ共役ポリマーも用いることができる。
正孔注入層としては、特に限定はないが、銅フタロシアニン(CuPc:cupper phthalocyanine)等の金属フタロシアニン類及び無金属フタロシアニン類、カーボン膜、ポリアニリン等の導電性ポリマーが好適に使用できる。
−−n型ドーパント含有電子輸送層中に混合された電子供与性物質−−
有機EL素子の陰極と陽極からの電子と正孔の注入が有機有機半導体層との界面で起こる酸化還元反応であることに着目し、特に、陰極側の電子輸送層中に還元作用を持つ電子供与性金属を含む電子供与性物質をドーピングして、ドーピング形態を、電子供与性物質のストイキオメトリ形態で固定することにより、高温保存下における電子供与性金属の有機化合物層への拡散を抑制することができる。
有機EL素子の陰極と陽極からの電子と正孔の注入が有機有機半導体層との界面で起こる酸化還元反応であることに着目し、特に、陰極側の電子輸送層中に還元作用を持つ電子供与性金属を含む電子供与性物質をドーピングして、ドーピング形態を、電子供与性物質のストイキオメトリ形態で固定することにより、高温保存下における電子供与性金属の有機化合物層への拡散を抑制することができる。
また、固定された電子供与性物質により、n型ドーパント含有電子輸送層は、すでに電子供与性金属により還元された状態であり、電子注入エネルギー障壁が小さく、従来の有機EL素子と比べて駆動電圧を低下できる。この場合、電子供与性金属(対カチオン)は、Li等のアルカリ金属、Mg等のアルカリ土類金属、希土類金属を含む遷移金属であれば特に限定はない。
本発明におけるn型ドーパント含有電子輸送層中の電子供与性物質(Cs2MoO4等)は、第1成分(対カチオン)に仕事関数4.0eV以下(特に3.5eV以下が好ましい)のアルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属を含む遷移金属等の金属と、第2成分(対アニオン)に導電性金属酸化物(MoOx、WOx、TiOx、SnOx、VxOy、ZnOx、ZrOx(x、yは原子比を示す)等)とからなり、これらを用いることにより熱安定性が増し、かつ酸化物であるので陰極(たとえば、Al等)との密着性が上がり剥離しにくくなる。
n型ドーパント含有電子輸送層中の電子供与性物質の濃度は、0.8体積%〜60体積%であることが好ましい。0.8体積%未満では、電子供与性物質の電子供与性金属により還元された分子の濃度が低すぎドーピングの効果が小さく、60体積%を超えると、膜中の電子供与性物質濃度が有機半導体分子濃度を超え、ドーピングの効果も下がる。また、このn型ドーパント含有電子輸送層の厚みは、1nm〜300nmが好ましい。1nm未満では、電極界面近傍に存在する還元分子の量が少ないのでドーピングの効果が小さく、300nmを超えると有機層全体の膜厚が厚すぎ、駆動電圧の上昇を招くので好ましくない。
上記n型ドーパント含有電子輸送層7の成膜法は、いかなる薄膜形成法であってもよく、たとえば蒸着法やスパッタ法が使用できる。n型ドーパント含有電子輸送層は、1元蒸着、又は多元蒸着により成膜することが好ましい。また、溶液からの塗布で薄膜形成が可能な場合には、スピンコーティング法やディップコーティング法等の溶液からの塗布法が使用できる。この場合、ドーピングされる有機化合物とドーパントを不活性なポリマー中に分散して用いてもよい。
この電子供与性物質を電子輸送層にドーピングした際の効果は、電子輸送層のHOMOレベル(最高被占分子軌:Highest Occupied Molecular Orbital)が深い場合やHOMOレベルが深い結合部位(カルボニル(C=O)、ホウ素等)、特に結合部位の電気陰性度が高い元素が組み込まれている場合、電子供与性物質と有機半導体材料に電荷の偏り(電荷移動錯体)により新たな不純物準位を薄膜内部で局所的、或いは大部分で形成し、その準位が金属酸塩の電荷(キャリア)で埋められるため、電子輸送特性が向上することである。よって、電子供与性物質を含む電子輸送層の主成分は仕事関数やHOMOレベルが3.0eV以下である物質を含有することが好ましい。この他に、NBphen(2,9-Bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)などのバソフェナントロリン誘導体のように不対電子を有する材料によって真空中の共蒸着にて錯化し新たな化合物を形成・合成し導電性を向上させることも期待できる。
電子供与性物質を電子輸送層にドーピングすることで、上記課題を解決しかつ素子寿命を改善できる。更に、かかるn型ドーパント含有電子輸送層7の有機化合物の主成分は移動度(10−8〜101cm2/Vs)或いは導電性(108〜10−1Ω・cm)が無機化合物に比べて低いので、第2成分(対アニオン)にあたる導電性金属酸化物の導電性が有機半導体層の導電性を補うことで電子注入特性と電子輸送性の両方を改善できる。
第2成分(対アニオン)である導電性金属酸化物は比抵抗が108Ω・cm以下(MoO3:2.5Ω・cm)であることが望ましい。また、導電性は電荷、キャリア濃度及び移動度で表すことができるため((σ=neμ)導電率はσ、eは電気素量、nはキャリア濃度、μはキャリア移動度)、第2成分である導電性金属酸化物はキャリア濃度或いは移動度で補う。特に、有機半導体材料はキャリア濃度(105〜1010cm−3)が非常に低い或いは無いに等しいので薄膜内部にキャリア濃度が存在することは電子輸送特性を向上させることに非常に効果的である。
なお、上記実施形態に加えて、実施形態のn型ドーパント含有電子輸送層に用いた電子供与性物質Cs2MoO4及びCs2WO4の他に、モリブデン酸カリウムK2MoO4、モリブデン酸カルシウムCaMoO4、モリブデン酸ストロンチウムSrMoO4、モリブデン酸ナトリウム(無水)Na2MoO4、モリブデン酸バリウムBaMoO4、モリブデン酸リチウムLi2MoO4、モリブデン酸ルビジウムRb2MoO4、メタすず酸カルシウムCaSnO3、メタすず酸ストロンチウムSrO・SnO2、メタすず酸バリウムBaSnO3、メタチタン酸マグネシウムMgTiO3、メタチタン酸リチウムLi2TiO3、ニクロム酸カリウムK2Cr2O7、クロム酸カルシウム(n水和物)CaCrO4・nH2O、クロム酸ストロンチウムSrCrO4、二クロム酸セシウムCs2Cr2O7、クロム酸セシウムCs2CrO4、タングステン酸カリウムK2WO4、タングステン酸カルシウムCaWO4、タングステン酸ストロンチウムSrWO4、タングステン酸バリウムBaWO4、タングステン酸リチウムLi2WO4、タングステン酸ルビジウムRb2WO4、タングステン酸ナトリウムNa2WO4、二バナジン酸カリウムK4V2O7、二バナジン酸ナトリウムNa4V2O7、メタバナジン酸カリウムKVO3、バナジン酸カリウムK3VO4、メタバナジン酸ナトリウムNaVO3、メタバナジン酸ナトリウムNaVO3、バナジン酸ナトリウムNa3VO4、メタバナジン酸リチウムLi2V2O6、メタバナジン酸ルビジウムRbVO3、メタバナジウム酸セシウムCs2VO3、メタチタン酸カリウムK2TiO3、メタチタン酸カルシウムCaTiO3、メタチタン酸カルシウムCaTiO3、メタチタン酸ストロンチウムSrTiO3、チタン酸ナトリウムNa2Ti3O7、メタチタン酸バリウムBaTiO3、及びメタチタン酸バリウムBaTiO3を有機半導体層への混合に用いることができ、上記実施の形態同様の効果を奏する。
なお、上記の素子構成では陽極から発光層までは、一般的な構成であり、蒸着型・塗布型の成膜方法、燐光・蛍光材料等の材料種を変更したとしても、その有機EL素子は陽極と陰極にそれぞれ通電により電荷を注入することで、駆動し発光、本発明の課題を満たすことができる。
n型ドーパント含有電子輸送層を使用しているため、仕事関数が高い例えばAgを陰極本体に用いても高い電子注入効率を維持し、低駆動電圧化が可能である。一般的な構成でLi2O/Agの電子注入層/陰極構成では駆動電圧が高く、10V位差がある。また、電子注入アシスト層を設けることで更に駆動寿命の長寿駆動命化、高温環境における電圧寿命抑制に繋がる。ここでは、n型ドーパントに電子供与性物質の金属酸化物塩化合物Cs2MoO4を用いているが、この材料に限定されず、仕事関数が低いCs、Li、Na、K、Rb、Ca、Srなどの金属、CsF、LiF、NaF、KF、RbF、SrF、CaFなどのフッ化物、Li2O、CsO、Cs2CO3などの酸化物、炭酸化物、CsAlSiO4、CsAl(SiO3)2、CsCrO4、CsCr2O4、Cs2Cr2O7、CsVO3、Cs3VO4、CsMnO4、Cs2WO4、RbCrO4、Cs2Ti6O13などの金属酸化物塩、Metal 8-quinolinolato (例えば、Liq、Csq、Naq、Kq) 、Metal acetylacetonato (例えば、Li(acac) 、K(acac))、Metal dipivaloylmethanato (例えば、Lidpm、Kdpm、Nadpm)などの有機金属錯体もn型ドーパントに挙げられる。
n型ドーパント含有電子輸送層へ外部から水分、酸素が透湿するため、乾燥剤がない場合非発光部が進行するが、n型ドーパントによる吸湿のため非発光の進行が遅延する。これは、表示パネルにても同様に電子輸送層として機能していない箇所、例えば画素外に成膜された膜が乾燥剤の能力があることを意味している。
n型ドーパント含有電子輸送層へ外部から透湿した水分や酸素によって、n型ドーパント含有電子輸送層と陰極界面に剥離による非発光の進行をもたらす可能性がある。n型ドーパントと陰極の結合により界面剥離を発生しにくくなる。例えば、Cs2MoO4:NBphen/Agの場合、Cs2MoO4のn型ドーパントMoOx(xは原子比を示す)とAgが結合、いわゆるアロイ化し、AgxMoOy(金属間化合物の酸化物)(x、yは原子比を示す)となり界面剥離を抑制する。更に、Ag陰極は酸化しにくい金属であるが、酸化しないことはないので、Cs2MoO4:NBphen/Ag界面から非発光部の進行が確認されているため、Ag陰極の酸化を更に遅延させるため、電子注入アシスト層によりn型ドーパント含有電子輸送層と陰極のアロイ化を可能とし、密着力を向上させ、更に陰極耐湿強化膜で覆い、陰極の局所的薄い箇所を補いアロイ化する。これにより、陰極端部からの透湿を抑制し、結果的に非発光部は拡大せず、その進行は抑制される。よって、陰極耐湿強化膜は陰極エッジないし、その端部、界面端部も覆うように配置することが好適である。陰極耐湿強化膜の厚みは、1nm〜120nmが好ましい。1nm未満では、電極界面近傍の耐湿効果が小さく、120nmを超えると耐湿強化膜の膜質が変化し、膜に凝集からなる応力発生しクラック発生に伴い透湿又は吸湿があるので好ましくない。
仕事関数が高い例えばAgを陰極本体に用いた場合、Agは酸化しにくい金属であるが、トップエミッション素子のように半透明陰極を用いた際、陰極薄膜は不連続、或いは緻密ではない膜であることが想定され、陰極膜厚が60nm以上の厚い膜厚のボトムエミッション構造とは違い、陰極エッジに留まらず、面間からの外部から透湿した水分や酸素によって非発光部の進行を促進する恐れがある。本発明の陰極耐湿強化膜を用いることで、トップエミッション素子で使用されるような半透明陰極を覆い、かつ半透明陰極膜の密度の粗である部分を埋めてくれるため、非発光部(ダークスポット)の進行を遅延できる。このとき、トップエミッション型、ボトムエミッション型素子に限らず、陰極耐湿強化膜は電極間のショートが懸念されるような導電性の高い物質の使用はできない。更に、陰極耐湿強化膜は主にフッ化物で良好な特性が得られるため、膜封止で用いられるようなSiONx(xは原子比を示す)より屈折率が低く、トップエミッション素子に透明陰極、或いは半透明金属から光を取り出す際には効率的に光を放射できる。
有機半導体層の成分が結晶化すると分子同士が凝集するため、薄膜が不均一になり、膜内の一部の密度が低下する。これにより、外部からの水分、酸素の透湿経路を増加することになる。しかしながら、陰極耐湿強化膜を、陰極エッジないし、端部も覆うように配置し、更に有機半導体層上にも覆うように成膜しているので、有機半導体層の結晶化が抑えられ、これにより透湿経路を遮断して、陰極酸化を防止することができる。
<実験評価>
n型ドーパント含有電子輸送層を備えた複数の有機EL素子を作製し、n型ドーパント含有電子輸送層の電子供与性物質濃度に対する駆動電圧及び輝度、寿命特性並びに電子輸送層の膜厚依存特性を測定し、素子を評価した。
耐湿強化膜を用いる前に濃度最適化を検証した。
n型ドーパント含有電子輸送層を備えた複数の有機EL素子を作製し、n型ドーパント含有電子輸送層の電子供与性物質濃度に対する駆動電圧及び輝度、寿命特性並びに電子輸送層の膜厚依存特性を測定し、素子を評価した。
耐湿強化膜を用いる前に濃度最適化を検証した。
<実験例1−1>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB(N,N’−ジ(ナフタレン−1−イル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(α−NPD))、発光層として厚さ30nmのAlq3(トリス(8−キノリノラト)アルミニウム)を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:Alq3をCs2MoO4の蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が0.85体積%、1.7体積%、3.3体積%、5体積%、10体積%、20体積%、30体積%、及び40体積%の薄膜を成膜し、陰極として20nmのAlを成膜し、各々素子を作製した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB(N,N’−ジ(ナフタレン−1−イル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(α−NPD))、発光層として厚さ30nmのAlq3(トリス(8−キノリノラト)アルミニウム)を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:Alq3をCs2MoO4の蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が0.85体積%、1.7体積%、3.3体積%、5体積%、10体積%、20体積%、30体積%、及び40体積%の薄膜を成膜し、陰極として20nmのAlを成膜し、各々素子を作製した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実験例1−2>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenをCs2MoO4の蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が1.7体積%、3.3体積%、5体積%の薄膜を成膜し、陰極として20nmのAlを成膜し、各々素子を作製した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenをCs2MoO4の蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が1.7体積%、3.3体積%、5体積%の薄膜を成膜し、陰極として20nmのAlを成膜し、各々素子を作製した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実験例1−3>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのLidpm:NBphenをLidpm(Liジピバロイルメタナート)(リチウム(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート))で0.6A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Lidpm濃度が40体積%の薄膜を成膜した。次に、電子注入アシスト層として1nmのAlを成膜し、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのLidpm:NBphenをLidpm(Liジピバロイルメタナート)(リチウム(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート))で0.6A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Lidpm濃度が40体積%の薄膜を成膜した。次に、電子注入アシスト層として1nmのAlを成膜し、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実験例1−4>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCa:NBphenをCaで0.2A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Ca濃度が10体積%の薄膜を成膜した。次に、電子注入アシスト層として1nmのAlを成膜し、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<比較1>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を成膜し、電子注入層として厚さ1nmのLi2Oを成膜し、陰極として厚さ80nmのAlを成膜し、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例1−1と同様の構成であった。
<比較2>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を成膜し、電子注入層として厚さ1nmのCs2MoO4を成膜し、陰極として厚さ80nmのAlを成膜し、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例1−1と同様の構成であった。
<実験例2−1>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenをCs2MoO4で0.066A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が3.3体積%の薄膜を成膜した。次に、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実験例2−2>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのLi2Oを用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−3>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのLiFを用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−4>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのYbF3を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−5>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのAl(Al2O3)を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−6>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのAg(AgxOy)(x、yは原子比を示す)を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−7>
これは、以外、あった実験例2−1と同様の構成で陰極耐湿強化膜として厚さ10nmのMgF2を用いた。
<実験例2−8>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ20nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−9>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−10>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ80nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−11>
これは、陰極として60nmのAgを成膜し、陰極耐湿強化膜として厚さ120nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−12>
これは、陰極として20nmのAuを成膜し、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−13>
これは、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ20nmのCs2MoO4:NBphenを用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−14>
これは、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenを0.033A/sec、2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が1.7体積%の薄膜を成膜した以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−15>
これは、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2WO4:NBphenを0.033A/sec、2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2WO4濃度が3.3体積%の薄膜を成膜し、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−16>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で一般的な接着剤を素子に塗り、ガラス基板で封止した以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<比較3>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を成膜し、電子注入層として厚さ1nmのLi2Oを成膜し、陰極として厚さ80nmのAgを成膜し、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<比較4>
これは、陰極として厚さ80nmのAlを用い、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例2−1と同様の構成であった。これは、実験例1−2の3.3% Cs2MoO4濃度に相当する素子である。
<比較5>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を用い、陰極として厚さ60nmのAlを用い、陰極耐湿強化膜として厚さ120nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実施例3−1>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenをCs2MoO4で0.066A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が3.3体積%の薄膜を成膜した。次に、電子注入アシスト層として1nmのAlを成膜し、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実施例3−2>
これは、電子注入アシスト層として1nmのMgを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−3>
これは、電子注入アシスト層として1nmのMgF2を成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−4>
これは、電子注入アシスト層として1nmのLi2Oを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−5>
これは、電子注入アシスト層として1nmのLiFを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−6>
これは、電子注入アシスト層として1nmのCaを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCa:NBphenをCaで0.2A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Ca濃度が10体積%の薄膜を成膜した。次に、電子注入アシスト層として1nmのAlを成膜し、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<比較1>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を成膜し、電子注入層として厚さ1nmのLi2Oを成膜し、陰極として厚さ80nmのAlを成膜し、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例1−1と同様の構成であった。
<比較2>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を成膜し、電子注入層として厚さ1nmのCs2MoO4を成膜し、陰極として厚さ80nmのAlを成膜し、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例1−1と同様の構成であった。
<実験例2−1>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenをCs2MoO4で0.066A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が3.3体積%の薄膜を成膜した。次に、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実験例2−2>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのLi2Oを用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−3>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのLiFを用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−4>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのYbF3を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−5>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのAl(Al2O3)を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−6>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ1nmのAg(AgxOy)(x、yは原子比を示す)を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−7>
これは、以外、あった実験例2−1と同様の構成で陰極耐湿強化膜として厚さ10nmのMgF2を用いた。
<実験例2−8>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ20nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−9>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−10>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ80nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−11>
これは、陰極として60nmのAgを成膜し、陰極耐湿強化膜として厚さ120nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−12>
これは、陰極として20nmのAuを成膜し、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−13>
これは、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ20nmのCs2MoO4:NBphenを用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−14>
これは、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenを0.033A/sec、2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が1.7体積%の薄膜を成膜した以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−15>
これは、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2WO4:NBphenを0.033A/sec、2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2WO4濃度が3.3体積%の薄膜を成膜し、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実験例2−16>
これは、陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で一般的な接着剤を素子に塗り、ガラス基板で封止した以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<比較3>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を成膜し、電子注入層として厚さ1nmのLi2Oを成膜し、陰極として厚さ80nmのAgを成膜し、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<比較4>
これは、陰極として厚さ80nmのAlを用い、陰極耐湿強化膜を用いない以外、実験例2−1と同様の構成であった。これは、実験例1−2の3.3% Cs2MoO4濃度に相当する素子である。
<比較5>
これは、電子輸送層としてn型ドーパントを混合しない厚さ30nmのAlq3を用い、陰極として厚さ60nmのAlを用い、陰極耐湿強化膜として厚さ120nmのMgF2を用いた以外、実験例2−1と同様の構成であった。
<実施例3−1>
透明なガラス基板上に厚さ110nmのITOからなる陽極上に、真空蒸着法にてホール注入層として厚さ25nmのCuPc、ホール輸送層として厚さ45nmのNPB、発光層として厚さ30nmのAlq3を成膜した。次に、n型ドーパント含有電子輸送層として共蒸着にて厚さ30nmのCs2MoO4:NBphenをCs2MoO4で0.066A/sec、共蒸着速度がトータルで2A/secで蒸着速度を制御し、Cs2MoO4濃度が3.3体積%の薄膜を成膜した。次に、電子注入アシスト層として1nmのAlを成膜し、陰極として20nmのAgを成膜し、最後に陰極耐湿強化膜として厚さ40nmのMgF2を成膜した。素子作製後、真空蒸着機から不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で乾燥剤を投入せず、金属製の封止缶で封止した。
<実施例3−2>
これは、電子注入アシスト層として1nmのMgを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−3>
これは、電子注入アシスト層として1nmのMgF2を成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−4>
これは、電子注入アシスト層として1nmのLi2Oを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−5>
これは、電子注入アシスト層として1nmのLiFを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
<実施例3−6>
これは、電子注入アシスト層として1nmのCaを成膜した以外、実施例3−1と同様の構成であった。
(測定、評価)
電流−電圧−輝度測定は輝度計(BM8)と電流電源(ケースレイ:236型ソース−メジャーユニット)を用い、駆動電圧を測定した。
電流−電圧−輝度測定は輝度計(BM8)と電流電源(ケースレイ:236型ソース−メジャーユニット)を用い、駆動電圧を測定した。
実験例及び比較例について、電流密度7.5mA/cm2の条件でそれぞれ駆動し、初期の駆動電圧V及び輝度cd/m2を測定した。
高温・加湿度試験は保存庫を温度:60℃、湿度:95%に設定し、試験を行い、200時間経過後の陰極エッジからの非発光部進行度(陽極と交差する陰極のエッジ(端部)からの非発光部の拡がる距離μm)を確認した。非発光部進行度において、非発光部が全く光らない場合、黒とし、非発光部はうっすらと光る場合は灰とした。全灰は画素全域でうっすらと光ることを示す。
駆動寿命は約21mA/cm2の一定電流密度下における輝度1割減までの時間を確認した。実験結果を下記表1〜表3に示す。
有機EL素子に電子注入アシスト層を設けたことにより、素子の耐湿性向上のみならず、長寿命化を図る事ができたと理解できる。n型ドーパント含有電子輸送層で非発光部拡大を抑制するとともに、本発明は、上記の電子注入アシスト層に加え耐湿強化膜を配置することで素子の延命化が期待できると理解できる。
Claims (16)
- 対向する陽極及び陰極の間に積層配置された、有機発光層を含む複数の有機半導体層からなる有機発光素子であって、
前記有機半導体層は、電子輸送性を有する有機化合物を主体として、前記陰極に接するとともに前記陰極とのアロイ化をなしうる電子供与性物質がストイキオメトリ形態で混合されたn型ドーパント含有電子輸送層を含むこと、並びに、
前記陰極及び前記n型ドーパント含有電子輸送層の間に配置され且つそれぞれに接する電子注入アシスト層を有することを特徴とする有機発光素子。 - 前記陰極の前記電子注入アシスト層の反対側の前記陰極上に陰極耐湿強化膜を有することを特徴とする請求項1に記載の有機発光素子。
- 前記陰極耐湿強化膜は前記n型ドーパント含有電子輸送層の端部と前記電子注入アシスト層の端部とそれらの界面の端部、及び前記陰極の端部も覆うように配置されることを特徴とする請求項2に記載の有機発光素子。
- 前記電子供与性物質を含む前記n型ドーパント含有電子輸送層の主成分は仕事関数やHOMOレベルが3.0eV以下である物質を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記n型ドーパント含有電子輸送層の前記電子供与性物質はCs2MoO4、Cs2MoO4、CsVO3、Cs3VO4、Li2MoO4であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記n型ドーパント含有電子輸送層中に前記電子供与性物質は0.8体積%から60体積%で含有されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記電子注入アシスト層は仕事関数が3.0eV以下である物質を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記電子注入アシスト層はAlF3、MgF2、ZnFx(xは原子比を示す)のフッ化物、AlMoOx、MgMoOx、ZnO(xは原子比を示す)の金属酸化物であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記陰極は仕事関数が4.5eV以上の金属からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記陰極はAg、Pt、Au単体の金属、これらの合金からなることを特徴とする請求項9に記載の有機発光素子。
- 前記陰極耐湿強化膜はLi2O、MoO3、VxOy、WxOy(x、yは原子比を示す)の酸化物、それらの金属化合物、YbF3、MgF2、LiFのフッ化物からなることを特徴とする請求項2〜10のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記陰極耐湿強化膜は1nm〜120nmであることを特徴とする請求項2〜11のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記陰極耐湿強化膜は陰極膜厚以上の膜厚を有することを特徴とする請求項2〜12のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記陽極が反射電極であり、前記陰極が半透明又は透明な電極であるトップエミッション型有機発光素子であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 前記陽極が半透明又は透明な電極であり、前記陰極が半透明又は透明な電極である両面エミッション型有機発光素子であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1に記載の有機発光素子。
- 請求項1〜15のいずれか1に記載の有機発光素子を発光体とすることを特徴とする照明パネル。
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