JPWO2014200034A1 - 有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法 - Google Patents

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Abstract

第1発光層に第1電流波高値を印加し、第2発光層に第2電流波高値を印加する有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法であって、第2電流波高値の電流密度において第1発光層よりも発光効率が低い第2発光層に、第1電流波高値よりも電流密度の低い第2電流波高値を印加し、第1発光層に、第2電流波高値よりも高い第1電流波高値を印加する。

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法に係わる。
有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)は液晶表示装置に比べ視野角依存性が少ない、コントラスト比が高い、薄膜化が可能等の利点を有している。
また、近年では、有機EL素子を利用した携帯ディスプレイや携帯背面ディスプレイ等も積極的に市場投入されている。これらの有機EL素子を利用したディスプレイは、視認性の高さから、大型テレビへの市場投入が期待され、一部投入計画が報道されるなどフラットパネルディスプレイでの市場投入に拍車がかかってきている。
また、有機EL素子は自己発光型光源であり、面発光光源であるため、次世代照明として脚光をあびており、有機EL照明として各所で開発がなされている。
有機EL素子は、電極間内にRGBの発各光材料を有し、RGBの発光出力を任意に調製して駆動することで、又は、有機層の厚さを含めた層設計を施すことで、発光色や発光色強度を自由に変えることが可能となる。このため、有機EL素子は、照明用途として要求される白色として、例えば、色温度2000Kや3000Kなどの電球色から、5000Kや6000Kなどの昼白色まで、自由に発光することが可能である。さらに、燐光材料を使用することで、LEDや蛍光灯と同等又はそれを超える発光効率を実現でき、薄型化照明としての実現が期待されている。
また、ディスプレイのように複数の色に可変なため、例えば、RGB発光層を水平方向に短冊状に形成し、それぞれの発光色の強度比を変えることで、色を変える照明や光源も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
さらに、発光層を透明基板と垂直方向にスタックすることで開口率を増やし、調色することも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2003−066868号公報 特表2008−503055号公報
しかしながら、複数の発光層を備える有機エレクトロルミネッセンス素子では、各発光層の寿命(劣化速度)が異なる。このため、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光色の色調が、時間経過と共に初期の色調から変化してしまう。この結果、有機エレクトロルミネッセンス素子の表示品質が、時間経過により低下してしまう。
上述した問題の解決のため、本発明においては、表示品質の低下を抑制することが可能な有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法を提供するものである。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法は、第1発光層に第1電流波高値を印加し、第2発光層に第2電流波高値を印加する有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法であって、第2電流波高値の電流密度において第1発光層よりも発光効率が低い第2発光層に、第1電流波高値よりも電流密度の低い第2電流波高値を印加し、第1発光層に、第2電流波高値よりも高い第1電流波高値を印加する。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法によれば、発光効率の高い第1発光層に電流密度の高い第1電流波高値を印加し、発光効率の低い第2発光層に電流密度の低い第2電流波高値を印加する。これにより、第1発光層の輝度低下を促進し、第2発光層の輝度低下を抑制することができる。このため、時間経過により発生する各発光層の輝度低下の差を抑制し、有機エレクトロルミネッセンス素子の色調の変化を抑制することができる。従って、有機エレクトロルミネッセンス素子の表示品質の低下を抑制することができる。
本発明によれば、表示品質の低下を抑制することが可能な有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法を提供することができる。
有機EL素子の構成を示す図である。 図1に示す有機EL素子の効率特性を示す図である。 従来の有機EL素子の駆動方法を用いた場合の駆動波形を示す図である。 従来の有機EL素子の駆動方法を用いた場合の寿命劣化特性を示す図である。 実施形態の有機EL素子の駆動方法を用いた場合の駆動波形を示す図である。 実施形態の有機EL素子の駆動方法を用いた場合の寿命劣化特性を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明の概要
2.有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法の実施形態
〈1.本発明の概要〉
本発明の具体的な実施形態の説明に先立ち、有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の駆動方法の概要について説明する。
図1に、駆動方法を適用する有機EL素子の構成例を示す。
図1に示す有機EL素子10は、基板19上に、第1電極14、第1発光機能層11、第2電極15、第2発光機能層12、第3電極16、第3発光機能層13、及び、第4電極17がこの順に積層された構成を有する。
本例では、第1発光機能層11に緑色(G)発光色を有する発光層を有し、第2発光機能層12に赤色(R)発光色を有する発光層を有し、第3発光機能層13に青色(B)発光色を有する発光層を有する。また、第1発光機能層11及び第2発光機能層12の緑色発光層と赤色発光層とにリン光材料を使用され、第3発光機能層13の青色発光層に蛍光材料が使用されている。
有機EL素子10は、40mm×40mmの外形寸法で形成されている。
第1電極14は300nmのITO、第2電極15は15nmのAl、第3電極16は15nmのAl、第4電極17は100nmのAlで形成されている。
また、第1発光機能層11は、第1電極14上に、正孔注入層として30nmのMoO、正孔輸送層として50nmのα−NPD、発光層として発光用ホスト材料と緑色発光色を有する濃度が3〜5%のリン光材料、発光ドーパントの電子輸送層として30nmのAlq3、電子注入材料として1nmのLiFにより形成されている。
第2発光機能層12は、第2電極15上に、正孔注入層として30nmのMoO、正孔輸送層として50nmのα−NPD、発光層として発光用ホスト材料と赤色発光色を有する発光ドーパントの濃度が3〜5%のリン光材料、電子輸送層として30nmのAlq3、電子注入材料として1nmのLiFにより形成されている。
第3発光機能層13は、第3電極15上に、正孔注入層として30nmのMoO、正孔輸送層として50nmのα−NPD、発光層として発光用ホスト材料と青色発光色を有する発光ドーパントの濃度が3〜5%の蛍光材料、電子輸送層として30nmのAlq3、電子注入材料として1nmのLiFにより形成されている。
上記構成の有機EL素子の各発光機能層の効率特性を図2に示す。
図2に示す効率特性は、縦軸に、第1発光機能層11、第2発光機能層12、及び、第3発光機能層13のそれぞれの発光効率、横軸に印加する電流密度を示している。
図2に示すように、各発光機能層に応じて発光効率が大きく異なる。特に、リン光材料で構成した第1発光機能層11と第2発光機能層12は、蛍光材料で構成した第3発光機能層13に比べて、低電流密度でも発光効率が高い。
また、リン光材料で構成した第1発光機能層11と第2発光機能層12は、電流密度を高くすることにより発光効率が、第3発光機能層13よりも大きく低下する。そして、ある程度の電流密度において、蛍光材料で構成した第3発光機能層13と同等の発光効率以下に低下している。
次に、従来の一般的な駆動方法を用いた場合の駆動波形を図3に示す。
図3に示す駆動波形は、第1発光機能層11、第2発光機能層12、及び、第3発光機能層13のそれぞれについて、縦軸に印加する電流密度、横軸に印加時間を示している。
図3に示すように、従来の一般的な駆動方法では、各発光機能層への印加時間が同じである。つまり、各発光機能層へ印加時間はフレーム周波数100Hzの1/3dutyである。RGBそれぞれ3.3msecの独立発光となる。
従来の一般的な駆動方法において、上記構成の有機EL素子10をCIE色度<0.3,0.3>の白色1,000cd/mの表示を行うと、このときに使用する各色の電流波高値が、緑色発光層で3.8mA/m、赤色発光層で4.2mA/m、青色発光層で22mA/cmである。
また、従来の一般的な駆動方法において、上記構成の有機EL素子10は、青色で約4.9cd/A、赤色で約21cd/A、緑色で約25cd/Aの発光効率を有する。
有機EL素子は、発光時間の経過により、各発光機能層の輝度が低下する。この発光機能層の時間経過による輝度の低下を示す寿命劣化特性を図4に示す。
図4に示すように、従来の駆動方法を用いた場合には、有機EL素子の駆動時間の経過とともに、各発光機能層が異なる輝度低下を示す。上記有機EL素子10では、発光効率の低い蛍光材料を用いた第3発光機能層13の輝度低下が大きく、発光効率の高いリン光材料を用いた第1発光機能層11の輝度低下が小さい。つまり、第3発光機能層13の寿命が短く、第1発光機能層11の寿命が長い。
図4に示すように、各色で異なる寿命劣化特性を有する有機EL素子では、時間経過とともに、発光色が初期に設定した色調から変化してしまう。特に、輝度低下の大きい青色の発光輝度が低下し、初期に設定した色調から青色光の低下した色調、例えば、初期に設定した白色の色調から、黄色味を帯びた色調に変化してしまう。このように、従来の駆動方法では、時間経過と共に有機EL素子の発光色が変化し、表示品質が低下してしまう。
上述の発光層の輝度低下は、上述の図2に示す発光効率に対応している。つまり、発光効率の低い蛍光材料を用いた第3発光機能層13では、発光効率の低さを補うために、青色発光層で22mA/cmの高い電流密度での駆動が必要となる。これに対して、発光効率の高いリン光材料を用いた第1発光機能層11では、3.8mA/mと低い電流密度での駆動が可能となる。
素子の寿命は、印加する電流密度により異なり、高い電流波高値で駆動した方が素子の寿命は短くなり、低い電流波高値で駆動した方が素子の寿命は長くなりやすい。つまり、上記有機EL素子10では、青色発光層は、発光効率が約4.9cd/Aと低く、22mA/cmの高い電流密度で駆動しているために輝度低下が大きい。そして、緑色発光層は、発光効率が約25cd/Aと高く、3.8mA/mの低い電流密度で駆動しているために輝度低下が小さい。
上述のように、従来の駆動方法では、発光効率の低い発光層に高い電流波高値を印加し、発光効率の高い発光層に低い電流波高値を印加している。この結果、各発光機能層の寿命劣化特性が異なり、時間経過による発光色の変化を招いている。
また、上述のように発光効率が異なる発光機能層を有する有機EL素子において、各発光機能層の寿命を一致させる方法として、例えば、RGB塗り分け法で各発光機能層を並列に形成する際に、各色の発光面積又は開口率を変える素子形成方法がある。この方法は、特に有機ELディスプレイ等で一般的に広く採用されている。
しかし、この方法では、発光効率の高い緑発光層だけを表示するような場合、非点灯域が視認されるなどの問題があり、装飾用の有機EL照明のような視認される光源としては芳しくない。
そこで、本発明は、上述の従来の駆動方法とは逆に、発光効率の低い発光機能層に対して低い電流波高値を印加し、発光効率の高い発光機能層に対して高い電流波高値を印加する。このような駆動方法とすることにより、各発光機能層の寿命劣化特性に発生する差を抑制する。つまり、各発光機能層の時間経過による輝度低下速度を近づけ、時間経過による色調の変化を抑制することができる。
〈2.有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法の実施形態〉
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)の駆動方法の実施形態について説明する。なお、本例では、上述の概要の説明において用いた、図1に示す構成と同様の構成の有機EL素子の駆動方法について説明する。また、有機EL素子の各発光機能層の効率特性も、上述の図2と同様である。
本例の駆動方法による駆動波形を図5に示す。
図5に示すように、本実施形態の駆動方法では、発光効率の高いリン光材料を用いた緑色発光の第1発光機能層11に印加する電流密度が最も大きく、発光効率の低い蛍光材料を用いた青色発光の第3発光機能層13に印加する電流密度を最も小さくする。発光効率が両者の間にある第2発光機能層12では、印加する電流密度を第1発光機能層11と第3発光機能層13との間の値とする。
このように、印加する電流密度を調整することにより、各発光機能層の寿命劣化特性を一致させることができる。具体的には、相対的に、発光効率の低い発光層に対して低い電流波高値を印加し、発光効率の高い発光層に対して高い電流波高値を印加する。
各発光機能層に印加する電流波高値は、以下のように設定することができる。
印加する電流波高値は、上述の図2に示す電流密度と発光効率の関係から導くことができる。例えば、最も発光効率の低い第3発光機能層13に合わせて、第1発光機能層11と第2発光機能層12に印加する電流波高値を決める。
まず、第3発光機能層13に印加する電流波高値を設定する。図2に示す例では、第3発光機能層13に印加する電流波高値は、第3発光機能層13の発光効率と、第1発光機能層11の発光効率とが同じになる電流密度よりも小さい電流波高値とする。尚かつ、第3発光機能層13の発光効率と、第2発光機能層12の発光効率とが同じになる電流密度よりも小さい電流波高値とする。
つまり、第3発光機能層13に印加する電流波高値は、図2において、第1発光機能層11の曲線及び第2発光機能層12の曲線と、第3発光機能層13の曲線とが交わる位置よりも、低い電流密度となる位置で電流波高値を設定する。例えば、本例では第3発光機能層13に印加する電流密度を22mA/cmとする。
このように、第3発光機能層13に印加する電流密度を決めることにより、第3発光機能層13の発光効率が決まる。
次に、第1発光機能層11において、上述のように決められた第3発光機能層13の発光効率と、同じ発光効率となる電流密度を求める。そして、この電流密度以上となる電流波高値を第1発光機能層11に印加する電流波高値に設定する。例えば、本例では第1発光機能層11に印加する電流密度は、120mA/cmとなる。
同様に、第2発光機能層12において、上述のように決められた第3発光機能層13の発光効率と、同じ発光効率となる電流密度を求める。そして、この電流密度以上となる電流波高値を第2発光機能層12に印加する電流波高値に設定する。例えば、本例では第2発光機能層12に印加する電流密度は、95mA/cmとなる。
上述の電流波高値を用いた有機EL素子の時間経過による輝度の低下を示す寿命劣化特性を図6に示す。
図6に示すように、発光効率を基準にして電流密度を調整することにより、有機EL素子の各発光機能層の寿命劣化特性を改善することができる。
つまり、発光効率の低い発光機能層に、他の発光機能層よりも低い電流波高値を印加することにより、発光効率の低い発光機能層の輝度低下を緩やかにして長寿命化する。また、発光効率の低い発光機能層に印加される電流密度において、発光効率が高い発光機能層に対しては、発光効率の低い発光機能層に印加される電流密度よりも高い電流波高値を印加することにより輝度低下を促進する。
この結果、各発光機能層の寿命劣化特性が一致する方向に遷移する。
また、有機EL素子の調色は、各発光機能層を駆動する時間を調整することにより行う。
上述の概要で説明した方法では、発光機能層に印加する電流密度を調整することにより、有機EL素子の調色を行う。本実施形態では、発光機能層に印加する電流密度は、発光効率と寿命劣化特性とにより決められるため、印加する電流密度の調整による調色は難しい。従って、各発光機能層の発光時間を制御することにより、有機EL素子の調色を行う。
上述のように、第1発光機能層11に高い電流波高値を印加すると、第1発光機能層11の輝度は高くなる。また、第3発光機能層13の発光効率に低い電流波高値を印加すると、第3発光機能層13の輝度は低くなる。このため、輝度の低くなる第3発光機能層13の発光時間を長くすることにより、輝度の低下を補う。また、輝度が高くなる第1発光機能層の発光時間を短くすることにより、輝度増加分を相殺する。
発光機能層は、印加する電流密度が高くなることにより、発光効率が低下するものの、輝度自体は高くなる傾向にある。本例では、第1発光機能層11と、第2発光機能層12とが、第3発光機能層13よりも高い電流密度で駆動される。このため、従来例の駆動方法による1/3duty駆動では、第3発光機能層13の輝度が低く、第1発光機能層11及び第2発光機能層12の輝度が高くなり、有機EL素子10を所望の色調に調整することができない。
そこで、図5に示す駆動波形のように、相対的に、電流密度が大きく輝度の高い第1発光機能層11及び第2発光機能層12の発光時間を短く、電流密度が小さく輝度の低い第3発光機能層13の発光時間を長くする。
例えば、有機EL素子10において、CIE色度<0.3,0.3>の白色1,000cd/mを表示するとき、第1発光機能層11に120mA/cm、第2発光機能層12に95mA/cm、第3発光機能層13に22mA/cmの電流を印加するよう調整する。
そして、第1発光機能層11、第2発光機能層12、及び、第3発光機能層13の点灯率を、それぞれ異なる印加時間にする。即ちフレーム周波数100Hz、第1発光機能層11を0.3msec点灯し、第2発光機能層12を0.5msec点灯し、第3発光機能層13を3.3msec点灯する。
このように、予め発光効率と寿命劣化特性とにより各発光機能層に印加する電流波高値が決められる場合にも、各発光機能層の点灯率を調整することにより、有機EL素子の任意の調色が可能となる。
これにより、発光効率に伴う寿命変化を各発光機能層で補い、各発光機能層で同等の寿命劣化特性を得ることができる。
また、点灯率を変えることにより、発光機能層の寿命劣化特性に影響が出ることも考えられる。例えば、第1発光機能層の点灯率が低く、発光時間が短くなるため輝度低下が緩やかになることも考えられる。この場合には、第1発光機能層の発光効率が、第3発光機能層の発光効率よりも低い電流密度、つまり、上記の電流密度よりも高い電流波高値を印加することにより、輝度低下を加速させて寿命劣化特性を一致させることができる。
このように、上述の発光効率と寿命劣化特性との関係に加えて、有機EL素子の調色のための点灯率を考慮することにより、有機EL素子の寿命劣化特性を改善することができる。
従って、本実施形態の有機EL素子の駆動方法によれば、発光効率の異なる各発光機能層を同一有機EL素子内に形成しても、寿命劣化特性を改善し、初期の色度からの時間経過による色調の変化を防ぐことができる。そして、有機EL素子の表示品質を向上することができる。
なお、本実施形態では、フレーム周波数に100Hzを使用したが、異なる周波数を使用してもかまわない。また、発光効率が著しく異なる素子を有する場合には、非点灯時間が長くなってしまうため、同じく100Hz程度のフレーム周波数を使用すると、フリッカーのように見えてしまう。このため、フレーム周波数は例えば500Hzなど極力高い方が好ましい。
また、上述の実施形態では、発光機能層を3層積層した有機EL素子のduty駆動を例示しているが、有機EL素子の発光機能層の数、duty比等については特に問わない。上述の駆動方法が適用できる有機EL素子は、積層構造でなくてもよく、また、各発光機能層へ印加する電流波高値と駆動時間を制御できる構成であれば、積層構造でなくてもよく、また、複数の発光機能層を同時に駆動することが可能な構成であってもよい。
さらに、上述の説明では、各発光機能層の発光面積が同じ場合、且つ、各発光機能層の発光効率が異なる場合の有機EL素子の駆動方法について説明しているが、有機EL素子の構成はこれに限られない。例えば、有機EL素子では、発光効率の高い発光層よりも発光効率の低い発光層の面積を拡大した構成とすることもできる。このように、発光効率の低い発光層の面積を大きくすることにより、より小さい電流波高値でも高い輝度を確保することができる。そして、小さい電流波高値で駆動することにより、発光効率の低い発光層の長寿命化が可能となる。
この場合においても、発光効率の高い発光層に印加する電流波高値を、発光効率の低い発光層に印加する電流波高値よりも大きくすることにより、寿命劣化特性を一致させることができる。つまり、発光効率の低い発光層の面積拡大による長寿命化、及び、上述の実施形態の駆動方法による、発光効率の低い発光層と発光効率の高い発光層との寿命劣化特性を一致させる技術を併用することができる。
また、発光面積を変えた場合にも、上述の実施形態の駆動方法を適用することにより、従来よりも面積差を縮小することができる。このため、各発光機能層の発光面積又は開口率の面積差による不均衡を防ぐことができ、非点灯域が視認される等の有機EL照明としての問題を抑制することができる。
従って、有機ELディスプレイ等で一般的に広く採用されている、塗り分け法にて各発光機能層を並列に形成する際に、異なる発光効率有する有機発光層の発光面積又は開口率を変える素子形成方法においても、上述の実施形態の駆動方法を適用することにより、視認性を損なうことなく表示することが可能となる。
また、材料についても、リン光材料と蛍光材料とを用いているが、リン光材料のみ、蛍光材料のみを用いてもよい。
例えば、リン光材料のみを用いた場合にも、上述の実施形態の第1発光機能層(G)と第2発光機能層(R)とのように、発光効率に応じた電流波高値を印加し、印加時間を調整することにより、各発光層の寿命劣化特性を一致させることができる。蛍光材料のみを用いた場合や、その他組み合わせにおいても同様である。
また、上述の実施形態では、各発光機能層を構成する材料に依存した寿命劣化特性については考慮せずに説明している。使用する材料に依存して寿命劣化特性が異なる場合にも、上述の実施形態と同様に、輝度低下の大きい材料に低い電流波高値を印加し、輝度低下の小さい材料に高い電流波高値を印加することにより、寿命劣化特性を一致させることができる。そして、各発光機能層への印加時間を制御することにより任意の調色が可能となる。
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
10 有機EL素子、11 第1発光機能層、12 第2発光機能層、13 第3発光機能層、14 第1電極、15 第2電極、15 第3電極、16 第3電極、17 第4電極、19 基板

Claims (6)

  1. 第1発光層に第1電流波高値を印加し、第2発光層に第2電流波高値を印加する有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法であって、
    前記第2電流波高値の電流密度において前記第1発光層よりも発光効率が低い前記第2発光層に、前記第1電流波高値よりも電流密度の低い前記第2電流波高値を印加し、
    前記第1発光層に、前記第2電流波高値よりも高い前記第1電流波高値を印加する
    有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。
  2. 前記第1電流波高値の印加時間が、前記第2電流波高値の印加時間よりも小さい請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。
  3. 前記第2電流波高値は、前記第1発光層と前記第2発光層との発光効率が一致する電流密度よりも小さい請求項1又は2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。
  4. 前記第1発光層に、前記第2電流波高値での前記第2発光層の発光効率と同じ発光効率となる電流密度以上の前記第1電流波高値を印加する請求項1又は2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。
  5. 同じ発光面積を有する前記第1発光層と前記第2発光層とに、前記第1電流波高値、前記第2電流波高値を印加する請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。
  6. 積層された前記第1発光層と前記第2発光層とに、前記第1電流波高値、前記第2電流波高値を印加する請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動方法。
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