KR101716701B1 - 유기 전계 발광 소자 및 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
광원 유닛(1)을 적어도 3개 구비하는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다. 복수의 발광 유닛(1)은 가중평균 발광 파장 λs가 380nm 이상 550nm 미만인 한 개 이상의 단파장 발광 유닛(1S)과 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 이상 780nm 이하인 복수의 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성된다. 장파장 발광 유닛(1L)의 수는 단파장 발광 유닛의 수(1S)보다 많다.
Description
본 발명은 유기 전계 발광 소자 및 이것을 사용한 조명 장치에 관한 것이다.
유기 전계 발광 소자(이하 「유기 EL 소자」라 함)로서 투명 기판의 표면에 투명 전극으로 이루어지는 양극, 홀 수송층, 발광층, 전자 주입층, 음극이 순차로 적층된 구조가 일반적으로 알려져 있다. 유기 EL 소자에서는 양극과 음극의 사이에 전압을 인가함으로써 발광층에서 발생한 광이 투명 전극, 투명 기판을 통해 외부로 인출된다.
유기 EL 소자에서는 발광색으로서 각종 색을 만들어 내는 경우, 파장이 상이한 발광 재료의 발광색을 혼합하는 것이 행해지고 있다. 특히 조명 용도로서 중요한 색의 발광을 얻는 경우에는, 예를 들어 적색 발광, 녹색 발광 및 청색 발광의 3색을 혼합하는 것이 행해지고 있다. 발광 재료 로는 형광 발광 재료와 인광 발광 재료가 알려져 있다. 이와 관련하여 형광 발광 유닛과 인광 발광 유닛을 적층시킨 멀티 유닛 구조의 유기 EL 소자가 제안되어 있다(예를 들면 일본 특허 제 4408382호 및 일본 특허 제 4797438호 참조). 멀티 유닛 구조의 유기 EL 소자는 이른바 텐덤(tandem)형 소자라고도 불리며, 발광 유닛마다 발광을 행하는 구조로 되어 있기 때문에 각각의 발광 유닛에 적절한 소자 구성을 형성할 수 있는 데에 이점이 있다.
그러나 멀티 유닛 구조의 유기 EL 소자에 있어서는 발광 효율의 향상이 보다 더 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 사정에 감안하여 이루어진 것이며, 발광 효율이 높은 유기 전계 발광 소자 및 조명 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다. 유기 전계 발광 소자는 발광 유닛을 적어도 3개 구비한다. 복수의 상기 발광 유닛은 하기 식 (1)에서 나타내는 가중평균 발광 파장 λs가 380nm 이상 550nm 미만인 하나 이상의 단파장 발광 유닛과, 하기 식 (1)에서 나타내는 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 이상 780nm 이하인 복수의 장파장 발광 유닛으로 구성되어 있다. 상기 장파장 발광 유닛의 수는 상기 단파장 발광 유닛의 수보다 많다.
[수 1]
상기 식에 있어서 P(λ)는 각 파장에 있어서의 스펙트럼 강도를 나타낸다.
본 발명은 조명 장치에 관한 것이다. 조명 장치는 상기 유기 전계 발광 소자를 구비한다.
본 발명에 의하면, 발광 효율이 높은 유기 전계 발광 소자 및 조명 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 유기 전계 발광 소자의 층 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 유기 전계 발광 소자의 층 구성의 일례를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 3은 비교 소자의 일 실시예의 층 구성의 일례를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 4는 CIE1931 색 좌표 및 상기 색 좌표 중의 소자의 일 실시예의 발광색 포인트를 나타내는 차트이다.
도 5는 광 반사성 전극으로부터 가장 먼 발광 유닛의 발광층에 있어서의 파장 λs와 거리 dF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 발광 유닛에 있어서의 팩터 a와 파장 λs의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 7 A 및 도 7 B로 구성된다. 도 7은 유기 재료의 흡수 스펙트럼의 일례를 나타낸 그래프이다. 도 7 A는 전체도, 도 7 B는 확대도이다.
도 8은 도 8 A 및 도 8 B로 구성된다. 도 8은 광이 출사하는 각도와 광량 분포의 관계의 일례를 나타낸 것이다. 도 8 A는 배광 패턴의 모식도이다. 도 8 B는 방사 속비의 그래프이다.
도 9는 도 9 A 및 도 9 B로 구성된다. 도 9는 요철 구조의 일례를 설명하는 설명도이다. 도 9 A는 평면도, 도 9 B는 단면도를 나타낸다.
도 10은 도 10 A 및 도 10 B로 구성된다. 도 10은 요철 구조(10)의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 10 A는 사각 격자의 일례이다. 도 10 B는 육각 격자의 일례이다.
도 11은 조명 장치의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는 유기 전계 발광 소자의 층 구성의 일례를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 3은 비교 소자의 일 실시예의 층 구성의 일례를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 4는 CIE1931 색 좌표 및 상기 색 좌표 중의 소자의 일 실시예의 발광색 포인트를 나타내는 차트이다.
도 5는 광 반사성 전극으로부터 가장 먼 발광 유닛의 발광층에 있어서의 파장 λs와 거리 dF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 발광 유닛에 있어서의 팩터 a와 파장 λs의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 7 A 및 도 7 B로 구성된다. 도 7은 유기 재료의 흡수 스펙트럼의 일례를 나타낸 그래프이다. 도 7 A는 전체도, 도 7 B는 확대도이다.
도 8은 도 8 A 및 도 8 B로 구성된다. 도 8은 광이 출사하는 각도와 광량 분포의 관계의 일례를 나타낸 것이다. 도 8 A는 배광 패턴의 모식도이다. 도 8 B는 방사 속비의 그래프이다.
도 9는 도 9 A 및 도 9 B로 구성된다. 도 9는 요철 구조의 일례를 설명하는 설명도이다. 도 9 A는 평면도, 도 9 B는 단면도를 나타낸다.
도 10은 도 10 A 및 도 10 B로 구성된다. 도 10은 요철 구조(10)의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 10 A는 사각 격자의 일례이다. 도 10 B는 육각 격자의 일례이다.
도 11은 조명 장치의 일례를 나타낸 사시도이다.
본 명세서에서는 유기 전계 발광 소자(유기 EL 소자)를 개시한다. 유기 EL 소자는 발광 유닛(1)을 적어도 3개 구비한다. 복수의 발광 유닛(1)은, 식 (1)에서 나타내는 가중평균 발광 파장 λs가 380nm 이상 550nm 미만인 하나 이상의 단파장 발광 유닛(1S)와, 식 (1)에서 나타내는 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 이상 780nm 이하인 복수의 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성되어 있다. 장파장 발광 유닛(1L)의 수는 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많다. 이 유기 EL 소자에 의하면, 장파장 발광 유닛(1L)이 단파장 발광 유닛(1S)보다 많이 형성됨으로써 전체의 발광 효율을 높일 수 있다. 이에 따라 발광 효율이 높은 유기 EL 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 유기 전계 발광 소자(유기 EL 소자)의 층 구성의 일례를 나타낸 것이다.
유기 EL 소자는 발광 유닛(1)을 적어도 3개 구비하고 있다. 도 1의 유기 EL 소자에서 발광 유닛(1)은 3개이다. 물론 발광 유닛(1)은 4개 이상이라도 된다. 단, 발광 유닛(1)의 수가 많아지면, 소자 설계가 복잡해지는 경향이 있기 때문에, 그러한 관점에서는 발광 유닛(1)의 수를 7개 이하로 하는 것이 바람직하고, 5개 이하로 하는 것이 더 바람직하며, 4개 이하로 하는 것이 보다 더 바람직하고, 3개가 보다 더욱 바람직하다.
발광 유닛(1)은 양극과 음극으로 협지하여(sandwich) 전압을 인가하면 발광하는 기능을 갖는 적층 구조이다. 발광 유닛(1)을 복수 개 갖는 구조를 멀티 유닛 구조라고 한다. 멀티 유닛 구조에서는 1개의 양극과 1개의 음극의 사이에 두께 방향으로 중첩되는 복수의 발광 유닛(1)이 전기적으로 직렬 접속하여 배치된다.
발광 유닛(1)은 발광층(5)을 가지고 있다. 발광층(5)은 발광 재료(도펀트)를 포함하는 층이다. 발광층(5)은 발광 재료와 발광 재료를 받아 들이는 호스트 재료에 의해 구성된다. 1개의 발광 유닛(1)에 있어서 발광층(5)은 단층 구조여도 되고, 복층 구조여도 된다.
복수의 발광 유닛(1)은 한 쌍의 전극에 끼워져 배치된다. 한 쌍의 전극 중 한 쪽이 양극으로 되고 다른 쪽이 음극으로 된다. 도 1에서는 복수의 발광 유닛(1)이 광 투과성 전극(2)과 광 반사성 전극(3)의 사이에 배치되어 있다. 광 반사성 전극(3)이 존재하면 광 반사 작용에 의해 광을 더욱 많이 외부로 인출할 수 있다. 광 투과성은 투명 및 반투명을 포함한다. 이하에서는 양극을 광 투과성 전극(2)으로 구성하고, 음극을 광 반사성 전극(3)으로 구성한 것을 중심으로 설명한다. 물론 양극을 광 반사성 전극(3)으로 구성하고 음극을 광 투과성 전극(2)으로 구성해도 된다.
인접하는 발광 유닛(1)의 사이에는 중간층(4)이 설치된다. 중간층(4)은 양극 측의 발광 유닛(1)에 대해 전자를 부여하는 것이 가능하면서 음극 측의 발광 유닛(1)에 대해서 정공(홀)을 부여하는 것이 가능한 층이다. 중간층(4)은 전하 발생층에 의해 구성될 수 있다. 중간층(4)은 2개의 발광 유닛(1)의 사이에 배치되는 층이므로, 통상 중간층(4)의 수는 발광 유닛(1)의 수보다 1개가 적다. 3개 이상의 발광 유닛(1)을 가지는 유기 EL 소자에서는 중간층(4)은 복수(2개 이상) 개 설치된다. 도 1에서 중간층(4)은 2개이다.
광 투과성 전극(2)으로부터 광 반사성 전극(3)까지의 적층 구조, 즉, 광 투과성 전극(2), 복수의 발광 유닛(1) 및 복수의 중간층(4), 그리고 광 반사성 전극(3)이 유기 발광 적층체를 구성하고 있다. 유기 발광 적층체는 전압이 인가됨으로써 발광을 발생시키는 적층체이다. 유기 발광 적층체는 기판(6) 상에 형성되어 있다.
도 1에서 광 투과성 전극(2)이 유기 발광 적층체의 기판(6) 측에 배치된다. 기판(6)은 유기 발광 적층체를 지지하는 기재이다. 광 투과성 전극(2), 복수의 발광 유닛(1) 및 광 반사성 전극(3)은 기판(6)에 지지된다. 각 층을 적층하여 형성할 때에 기판(6) 측으로부터 순차적으로 층이 형성될 수 있다. 이 유기 EL 소자에서는 광이 기판(6) 측으로부터 인출된다. 이것은 이른바 보텀 에미션(bottom emission) 구조의 유기 EL 소자이다. 이 경우 기판(6)은 광 투과성을 가지는 것이 바람직하다. 물론 기판(6)과는 반대측으로부터 광이 인출되는 구조(톱 에미션(top emission) 구조)여도 된다. 그러한 경우 기판(6)은 유기 발광 적층체의 광 반사성 전극(3) 측에 배치될 수 있다.
도 1에서는 기판(6)과 광 투과성 전극(2)의 사이에 광 확산층(7)이 설치되어 있다. 유기 EL 소자는 기판(6)과 광 투과성 전극(2)의 사이에 광 확산층(7)을 가지는 것이 바람직하다. 광 확산층(7)은 기판(6)에 대해 경사 방향으로 진행되는 광을 더욱 많이 인출하는 기능을 갖는다. 광 확산층(7)을 갖는 것에 의해 광 인출성을 높일 수 있다. 물론 광 확산층(7)은 필요에 따라 설치되어도 된다.
발광 유닛(1)은 발광층(5)으로 전하를 이동시키는 전하 이동층(8)을 갖는 것이 바람직하다. 전하 이동층(8)을 갖는 것에 의해 발광층(5)으로의 전하(전자 또는 정공)의 이동을 원활하게 할 수 있다.
전하 이동층(8)으로서, 발광층(5)의 양극 측(이 실시예에서는 광 투과성 전극(2) 측)에는 양극 또는 중간층(4)으로부터 발광층(5)으로의 정공의 이동을 촉진시키는 층을 설치할 수 있다. 도 1의 실시예에서는 발광층(5)의 광 투과성 전극(2) 측에 정공 수송층(8h)이 설치된다. 정공 수송층(8h)과 전극의 사이나, 정공 수송층(8h)과 중간층(4)의 사이에는, 정공 주입층이 더 설치되어 도 된다. 그에 따라 정공의 주입성을 높여 전하 이동을 더 원활하게 할 수 있다.
전하 이동 층(8)으로서, 발광층(5)의 음극 측(이 실시예에서는 광 반사성 전극(3) 측)에는 음극 또는 중간층(4)으로부터 발광층(5)으로의 전자의 이동을 촉진시키는 층을 설치할 수 있다. 도 1의 실시예에서는 발광층(5)의 광 반사성 전극(3) 측에 전자 수송층(8e)이 설치된다. 전자 수송층(8e)과 전극의 사이나, 전자 수송층(8e)과 중간층(4)의 사이에는, 전자 주입층이 더 설치되어 도 된다. 이로써 전자의 주입성을 높여 전하 이동을 더 원활하게 할 수 있다.
도 1의 유기 EL 소자에서는 광 반사성 전극(3) 측으로부터 각 구성에 넘버링을 할 수 있다. 이 유기 EL 소자는 3개의 발광 유닛(1)을 갖는다. 그러므로 3개의 발광 유닛(1)은 광 반사성 전극(3) 측으로부터 제1 발광 유닛(1a), 제2 발광 유닛(1b), 제3 발광 유닛(1c)의 순서로 배치되어 있다고 할 수 있다. 이 유기 EL 소자는 2개의 중간층(4)을 가지고 있다. 그러므로 2개의 중간층(4)은 광 반사성 전극(3) 측으로부터 제1 중간층(4a), 제 2중간층(4b)의 순서로 배치되어 있다고 할 수 있다. 제1 중간층(4a)은 제1 발광 유닛(1a)과 제2 발광 유닛(1b)의 사이에 배치되는 중간층(4)이다. 제2 중간층(4b)는 제2 발광 유닛(1b)과 제3 발광 유닛(1c)의 사이에 배치되는 중간층(4)이다.
제1 발광 유닛(1a)에 포함되는 발광층(5)은 제1 발광층(5a)으로 정의된다. 제2 발광 유닛(1b)에 포함되는 발광층(5)은 제2 발광층(5b)으로 정의된다. 제3 발광 유닛(1c)에 포함되는 발광층(5)은 제3 발광층(5c)으로 정의된다.
유기 EL 소자에서 복수의 발광 유닛(1)은 하나 이상의 단파장 발광 유닛(1S)과 복수의 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성된다. 유기 EL 소자에 있어서 복수의 발광 유닛(1)은 1개의 단파장 발광 유닛(1S)과 2개의 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성되는 것이 바람직한 일 태양이다. 도 1의 예에서 유기 EL 소자는 1개의 단파장 발광 유닛(1S)과 2개의 장파장 발광 유닛(1L)을 갖는다. 발광 유닛(1)의 수가 3개인 경우, 보다 간단한 구조로 광 인출성을 높일 수 있다.
단파장 발광 유닛(1S)은 아래의 식 (1)에서 나타내는 가중평균 발광 파장 λs가 380nm 이상 550nm 미만인 발광 유닛(1)이다. 장파장 발광 유닛(1L)은 하기 식 (1)에서 나타내는 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 이상 780nm 이하인 발광 유닛(1)이다. 즉, 단파장 발광 유닛(1S)은 가시광 영역 중 550nm보다 짧은 파장의 광을 주로 발하는 발광 유닛(1)이며, 장파장 발광 유닛(1L)은 가시광 영역 중 550nm 이상의 긴 파장의 광을 주로 발하는 발광 유닛(1)이다. 여기서 가중평균 발광 파장 λs는 하기 식 (1)에 의해 나타내는 파장으로, 발광 스펙트럼을 적분하여 얻어진다.
[수 2]
상기 식에서, P(λ)는 각 파장에서의 스펙트럼 강도를 나타낸다. 또한, λ는 파장을 나타내는 것으로, 380(nm)에서 780(nm)까지의 변수이다.
식 (1)에 나타낸 바와 같이 가중평균 발광 파장 λs는 각 파장을 광 강도에 의해 가중치를 부여하여 평균화한 파장이라 할 수 있다. 이와 같이 가중평균 발광 파장 λs를 사용함으로써 광 인출 효율이 높은 소자를 구성하는 것이 가능해진다. 가중평균 발광 파장 λs는 발광 유닛(1)의 발광 스펙트럼으로부터 구할 수 있다.
여기서 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장 λs는 각각의 발광 유닛(1)에서의 파장으로서 규정된다. 발광 유닛(1) 내에 포함되는 발광 재료가 하나인 경우에는, 그 발광 재료의 가중평균 발광 파장이 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장 λs로 된다. 발광 유닛(1) 내에 포함되는 발광 재료가 두 가지 이상인 경우에는, 발광 유닛(1) 내에서 이들 발광 재료가 혼합되어 만들어 지는 발광 스펙트럼의 가중평균 발광 파장이 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장 λs로 된다. 발광 재료가 두 가지 이상인 경우에는, 발광층(5)이 복수인 경우 및 하나의 발광층(5)에 복수의 발광 재료가 포함되는 경우가 포함된다.
유기 EL 소자에서 장파장 발광 유닛(1L)의 수는 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많다. 도 1은 장파장 발광 유닛(1L)의 수가 2개로 되어 있고, 단파장 발광 유닛(1S)의 수가 1개로 되어 있는 것으로, 장파장 발광 유닛(1L)의 수가 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많게 되어 있다. 즉, 3개의 발광 유닛(1)은 1개의 단파장 발광 유닛(1S)과 2개의 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성되어 있다. 발광 유닛(1)의 수가 4개 이상의 경우라도 마찬가지로 장파장 발광 유닛(1L)의 수가 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많게 되도록 복수의 발광 유닛(1)이 구성된다.
장파장 발광 유닛(1L)의 발광 효율은 단파장 발광 유닛(1S)의 발광 효율보다 높은 것이 바람직하다. 예를 들면, 장파장 발광 유닛(1L)을 인광 발광 재료를 포함하도록 구성하고, 단파장 발광 유닛(1S)을 형광 발광 재료를 포함하도록 구성하면, 장파장 발광 유닛(1L)의 발광 효율을 단파장 발광 유닛(1S)의 발광 효율보다 용이하게 높게 할 수 있다.
장파장 발광 유닛(1L)의 수가 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많으면, 발광 효율이 보다 높은 장파장 발광 유닛(1L)을 많게 하여 전체 발광 효율을 높일 수 있고, 광 인출성이 높은 소자를 구성할 수 있다. 또한 장파장 발광 유닛(1L)을 복수 개로 함으로써, 발광색을 각종의 색으로 조정하는 것이 용이해지고, 색 재현 영역이 넓은 유기 EL 소자를 얻을 수 있다. 이로써 발광 효율이 높고 발색성이 우수한 유기 EL 소자를 얻을 수 있다. 특히 조명 용도로 사용하는 경우에 고효율의 발광을 실현하는 것이 가능해진다. 종래의 멀티 유닛 구조의 유기 EL 소자에 서는 저효율 발광 유닛으로 치우쳐서 전체 효율이 저하될 우려가 있었으나, 상기한 유기 EL 소자에서는 발광 유닛의 수를 전술한 바와 같이 설정함으로써 발광 효율이 종래보다 향상된다. 또한 조명 용도에 있어서 중요한, 장수명이면서, 색 어긋남이 적은 유기 EL 소자를 얻을 수 있다.
도 1에서 유기 EL 소자는 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)이 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성되며, 제3 발광 유닛(1c)이 단파장 발광 유닛(1S)으로 구성된다. 그러므로, 장파장 발광 유닛(1L)의 수가 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많다. 물론 발광 유닛(1)에서의 장파장 및 단파장의 배치는 이에 한정되지 않는다. 발광 유닛(1)이 3개인 경우, 제1 발광 유닛(1a), 제2 발광 유닛(1b) 및 제3 발광 유닛(1c) 중 어느 하나의 발광 유닛(1)이 단파장 발광 유닛(1S)으로 구성되며, 나머지 2개의 발광 유닛(1)은 장파장 발광 유닛(1L)으로 구성된다.
유기 EL 소자에서 복수의 발광 유닛(1)은 복수의 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)을 하나 이상 가지는 것이 바람직하다. 발광 유닛(1)은 복수의 발광 재료를 가짐으로써 각 발광 재료의 발광성을 보충하여 발광할 수 있기 때문에 발광 효율을 높일 수 있다. 구체적으로, 발광 재료가 복수일 경우, 발광 재료가 하나인 경우보다 낮은 전압으로 발광할 수 있게 하거나, 색 조정을 위해 일부러 발광성을 저하시키지 않아도 된다. 복수의 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)의 수는 1개, 2개, 또는 3개 이상이어도 된다.
복수의 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)에서는 발광 재료의 종류가 두 종류인 것이 바람직한 일 태양이다. 두 종류의 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)에서는 한쪽의 발광 재료를 발광색의 주기능을 하게 하면서, 다른 쪽의 발광 재료를 발광 유닛(1)의 발광색을 만들어 내기 위한 보조 기능을 하게 할 수 있다. 이로써 발광 유닛(1)의 발광색을 용이하게 조정할 수 있으며, 전체 색 조정을 쉽게 행할 수 있다. 두 종류의 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)의 수는 1개, 2개, 또는 3개 이상이어도 된다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서는 두 종류의 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)의 수가 2개일 경우에 설계가 용이해지고, 색 조정을 행하기도 쉬워진다는 점에서 바람직하다.
복수의 발광 유닛(1)은 인광 발광 유닛 및 형광 발광 유닛을 포함하는 것이 바람직한 일 태양이다. 인광 발광 유닛은 인광 발광 재료를 갖는 발광 유닛(1)이다. 형광 발광 유닛은 형광 발광 재료를 갖는 발광 유닛(1)이다. 도 1에서는 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)을 인광 발광 유닛으로 구성할 수 있다. 또한, 제3 발광 유닛(1c)을 형광 발광 유닛으로 구성할 수 있다. 인광 발광 유닛은 발광 재료로서 인광 발광 재료만을 포함하는 것이 바람직하다. 형광 발광 유닛은 발광 재료로서 형광 발광 재료만을 포함하는 것이 바람직하다. 인광 발광 재료와 형광 발광 재료를 모두 포함하는 발광 유닛(1)을 이용할 수도 있지만, 발광 재료의 종류를 한 가지로 하는 것이 발광이나 설계에 유리하기 때문이다.
그러나 발광 재료에 있어서 형광과 인광의 차이에 의해 발광 효율과 수명에 차이가 있을 수 있어서 모든 색의 발광 재료를 인광 또는 형광 중 어느 하나로 통일하여 고성능의 발광을 얻는 것은 용이하지 않다. 특히 청색을 이루는 단파장의 발광 재료로는 선정(選定)을 하기가 어렵다. 예컨대 단파장의 형광 발광 재료는 일반적으로 수명이 길기는 하지만, 발광 효율이 낮은 성질을 갖는다. 한편 인광 발광 재료의 경우 발광 효율이 높기는 하지만, 수명이 긴 단파장의 인광 발광 재료를 얻는 것은 어렵다. 그렇기 때문에 인광 발광 유닛과 형광 발광 유닛을 갖는 멀티 유닛 구조가 수명과 발광 효율을 양립시킬 수 있다는 점에서 유리하다.
장파장 발광 유닛(1L)은 인광 발광 유닛으로 구성하는 것이 바람직하다. 이로써 효율을 높일 수 있다. 또한 장수명화를 도모할 수 있다. 단파장 발광 유닛(1S)은 형광 발광 유닛으로 구성하는 것이 바람직하다. 이로써 장수명으로 보다 효율이 좋은 발광을 얻을 수 있다. 인광 발광 유닛의 수는 형광 발광 유닛의 수보다 많은 것이 바람직하다. 이로써 발광 효율을 더욱 높일 수 있다. 이와 같이 단파장의 발광을 형광 발광 유닛으로 얻도록 하고, 장파장의 발광을 인광 발광 유닛으로 얻도록 하면, 장수명화와 고효율화와를 모두 도모할 수 있다. 또한 발광 유닛(1)의 수가 4개 이상인 경우에는 인광 발광 유닛의 수는 3개 이상이 되게 하여도 된다. 또한 인광 발광 유닛의 수가 형광 발광 유닛의 수보다 많게 하여 형광 발광 유닛을 복수 설치하도록 해도 된다.
발광 재료는 발광 유닛(1) 내의 발광층(5)에 포함된다. 발광층(5)에 포함되는 발광 재료는 적절한 것을 사용할 수 있다. 발광 재료로는 적색 발광 재료, 녹색 발광 재료, 청색 발광 재료, 황색 발광 재료, 주황색 발광 재료, 보라색 발광 재료 등을 예로 들 수 있다. 이들 발광 재료는 발광할 때 발하는 광이 이루는 색에 의해 구분된다. 물론 그 외의 색의 발광 재료를 사용해도 된다. 가시광을 적(R), 녹(G), 청(B)으로 구분한다면, 장파장 측으로부터 적, 녹, 청색의 순서로 된다. 따라서 적색 발광 재료는 장파장 발광 유닛(1L)을 만들어 내기 쉽다. 또한 청색 발광 재료는 단파장 발광 유닛(1S)을 만들어 내기 쉽다. 녹색 발광 재료는 장파장으로도 또한 단파장으로도 될 수 있다. 적색 발광 재료와 녹색 발광 재료 양쪽을 포함하는 발광 유닛(1)은 장파장 발광 유닛(1L)이 되기 쉽다. 청색 발광 재료와 녹색 발광 재료 양쪽을 포함하는 발광 유닛(1)은 단파장 발광 유닛(1S)이 되기 쉽다.
발광 유닛(1) 내의 발광층(5)은 단층이어도 되고, 복층이어도 된다. 발광층(5)은 한 가지 발광 재료만을 포함해도 되고, 복수의 발광 재료를 포함해도 된다. 복수의 발광 재료를 포함하는 경우, 발광층(5)은 단층 중에 복수의 발광 재료가 혼합한 혼합층으로 구성할 수도 있고, 한 가지 발광 재료를 포함하는 층이 복수 적층된 적층 구조로 할 수도 있다.
장파장 발광 유닛(1L)에는, 예를 들면, 발광 재료로서, 적색 발광 재료의 단층, 녹색 발광 재료의 단층, 그리고 적색 발광 재료의 층 및 녹색 발광 재료의 층으로 된 적층, 적색 발광 재료와 녹색 발광 재료가 혼합된 층 등의 구조를 바람직하게 이용할 수 있다. 또한 장파장의 조건을 만족시킨다면, 적색 발광 재료의 층과 청색 발광 재료의 층의 적층, 적색 발광 재료와 청색 발광 재료가 혼합된 층, 황색 발광 재료를 사용한 층, 주황색 발광 재료를 사용한 층 등을 사용할 수 있다. 물론 이들 이외의 발광 재료를 사용해도 된다. 요컨대 하나의 장파장 발광 유닛(1L) 전체로서 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 이상이 되면 된다.
단파장 발광 유닛(1S)에는, 예를 들면 발광 재료로서 청색 발광 재료의 단층, 녹색 발광 재료의 단층, 청색 발광 재료의 층 및 녹색 발광 재료의 층의 적층, 청색 발광 재료와 녹색 발광 재료가 혼합된 층 등의 구조를 바람직하게 사용할 수 있다. 또한 단파장의 조건을 만족킨다면, 청색 발광 재료의 층과 적색 발광 재료의 층의 적층, 청색 발광 재료와 적색 발광 재료가 혼합된 층, 보라색 발광 재료를 사용한 층 등을 사용할 수 있다. 물론 이들 이외의 발광 재료를 사용해도 된다. 요컨대 하나의 단파장 발광 유닛(1S) 전체로서 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 미만이어도 된다.
그러나 발광 스펙트럼의 형태나 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장은, 엄밀하게는, 광학 간섭, 사용하는 기판(6)의 굴절률, 광 인출 구조, 또는 시야각 등에 의해서도 변화할 수 있다. 여기서는 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장은 발광 유닛(1)을 인출하여 소자를 구성한 단일 유닛 구조의 소자에서의 가중평균 발광 파장이어도 된다. 즉, 가중평균 발광 파장 λs는 다음과 같이 얻어진다. 먼저, 프레넬 해석이 가능한 간단한 구조(광 인출을 위한 요철 구조 등을 포함하지 않는, 유리 기판에 적층한 단일 유닛 구조)로 정면 방향의 발광 스펙트럼을 얻는다. 그 다음에 이 발광 스펙트럼을, 광학 간섭 계산이 가능한 프레넬 해석 소프트웨어로, 모든 파장이 같은 강도인 경우에 얻어지는 정면 스펙트럼으로 분할한다. 또한 간섭을 소거하여 추출된 스펙트럼의 적분 평균 파장을 산출한다. 이같이 하여 산출된 파장이 가중평균 발광 파장 λs가 된다. 이렇게 얻어진 스펙트럼은 발광 재료가 가지는 고유의 스펙트럼과의 상관성이 높은 것이 된다.
[발광 유닛의 설계]
도 2에 나타낸 층 구성의 유기 EL 소자를 기본으로 하여 발광층(5)의 구성을 변경하고 유기 EL 소자를 설계하여, 전술한 구성이 바람직하게 구현되는 실시예, 또한 더욱 바람직한 태양을 설명한다. 도 2의 유기 EL 소자는 도 1의 유기 EL 소자로부터 광 확산층(7)을 제외한 구성으로 되어 있고, 그 외에는 도 1의 유기 EL 소자와 같은 층 구성으로 되어 있다. 단, 발광층(5)의 발광 파장 등에는 적절히 변경을 가한다. 도 1의 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 광 확산층(7)을 생략하는 것에 의해 소자를 단순화하여 호적의 설계를 구현할 수 있다.
기판(6)으로는 광 투과성 기판인 유리를 사용한다. 광 투과성 전극(2)으로는 ITO(indium tin oxide)를 사용하고, 광 반사성 전극(3)으로는 Al를 사용한다. 물론 각 요소의 구성 요건을 만족한다면 재료를 적절하게 변경할 수 있다.
먼저, 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)을 장파장 발광 유닛(1L)으로 하고, 제3 발광 유닛(1c)을 단파장 발광 유닛(1S)으로 한 유기 EL 소자를 제작한다. 발광의 종류로 구분하면, 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)을 인광 발광 유닛으로 구성하고, 제3 발광 유닛(1c)을 형광 발광 유닛으로 구성한다. 후술하는 각 실시예에서도 특별히 제한되지 않는 한 장파장 발광 유닛(1L)은 인광 발광 유닛으로 구성하고, 단파장 발광 유닛(1S)은 형광 발광 유닛으로 구성한다.
표 1은 유기 EL 소자의 설계에 사용한 발광 재료의 개략을 나타낸 것이다.
[표 1]
소자 예시 1에서는, 제1 발광 유닛(1a)을 녹색 발광 재료만을 포함하는 유닛으로 하고, 제2 발광 유닛(1b)을 적색 발광 재료만을 포함하는 유닛으로 하며, 제3 발광 유닛(1c)을 청색 발광 재료만을 포함하는 유닛으로 한다.
소자 예시 2에서는, 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)을 적색 발광 재료 및 녹색 발광 재료를 포함하는 유닛으로 하고, 제3 발광 유닛(1c)을 청색 발광 재료를 포함하는 유닛으로 하였다. 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)에서는, 적색과 녹색의 발광 재료의 비율을 변화시킴으로써 적색 및 녹색 중 한 쪽의 발광 재료를 주 발광 성분으로 하고, 다른 쪽의 발광 재료를 보조 성분과 할 수 있다. 발광 유닛(1)에서는 주 발광 성분의 색이 주로 발광된다. 보조 성분은 주 발광 성분의 발광을 보조하는 기능을 갖는다.
비교를 위해, 비교 소자 예시 1로서 발광 유닛(1)이 2개인 유기 EL 소자를 설계하였다.
도 3은 비교 소자 예시 1의 유기 EL 소자의 층 구성을 나타낸 것이다. 도 1과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 표 1에 나타낸 바와 같이 비교 소자 예시 1에서 제1 발광 유닛(1a)은 적색 발광 재료 및 녹색 발광 재료를 포함하는 유닛이며, 제2 발광 유닛(1b)은 청색 발광 재료를 포함하는 유닛이다.
소자 예시 1, 2 및 비교 소자 예시 1에서는 발광 재료로서 동일한 발광 재료를 사용한다. 즉, 동일한 적색 발광 재료, 동일한 녹색 발광 재료, 동일한 청색 발광 재료를 사용한다. 이로써 발광 재료가 아닌, 층 구성의 차이에 의한 비교가 가능하다.
표 2는 소자 예시 1, 2 및 비교 소자 예시 1에서의 각 발광 유닛(1)의 개요를 나타낸 것이다. EQE(external quantum efficiency)는 각 유닛을 단독으로 평가한 경우의 외부 양자 효율이다. 가중 평균 발광 파장 λs는 각 유닛마다 산출된다. 여기서 소자 예시 2의 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)은 적색 발광 재료와 녹색 발광 재료의 비율에 따라 가중평균 발광 파장이 580~650nm인 범위에서 변할 수 있다. 즉, 적색 발광 재료와 녹색 발광 재료의 비율로 파장을 조정할 수 있다. 비교 소자 예시 1의 제1 발광 유닛(1a)도 마찬가지이다.
[표 2]
표 3은, 소자 예시 1, 2 및 비교 소자 예시 1을 기본으로 하여, 외부 양자 효율(EQE)을 변경하고 적색과 녹색의 발광 강도를 바꾸어 색 조정을 행한 소자의 결과를 나타낸 것이다. 소자 예시 1에서는 2 종류의 소자(1-1 및 1-2), 소자 예시 2에서는 3 종류의 소자(2-1, 2-2 및 2-3)를 제작한다. EQE는 적(R), 녹(G), 청(B)마다의 값으로 한다.
[표 3]
표 3에서, 백색성 에 대해서는 백색이라고 인정되는 경우를 +로 하고, 백색성이 보다 높은 백색을 ++로 나타낸다. 백색으로부터 벗어난 것으로 인정되는 것에 대해서는 ×로 하고, 어떤 색을 이루는지를 기재한다.
도 4는 CIE 표색계(CIE 1931 표색계)이다. 이 표색계는 가로축을 CIE-x 로 하고, 세로축을 CIE-y로 한 것이다. 도 4에서는 각 소자 예시 및 비교 소자 예시가 발하는 광의 색 좌표의 위치를 점(포인트)으로 나타내고 있다. (x, y)=(0.35, 0.35) 부근이 백색 영역의 중앙이다.
소자 예시 1-2, 2-2 및 비교 소자 예시 1에서는 백색 영역이 되도록 색 조정(적색과 녹색의 발광 강도 조정)을 행하고 있다. 특히, 소자 예시 1-2, 2-2에서는 백색성이 더욱 높아지도록 색 조정(적색과 녹색의 발광 강도 조정)을 행하고 있다.
각 소자 예시 및 비교 소자 예시를 비교하면, 발광 유닛(1)을 3개로 하고 장파장 발광 유닛(1L)의 수를 단파장 발광 유닛(1S)의 수보다 많게 함으로써 효율이 높아지는 경향이 있다. 이는 장파장 발광 유닛(1L)을 2개로 함으로써, 장파장 발광 유닛(1L)이 1개인 경우보다 전체의 양자 효율이 겉보기에 상승되었기 때문인 것으로 파악된다. 또한, 복수의 발광 재료를 1개의 발광 유닛(1)에 포함되도록 한 소자 예시 2-2는, 각각의 발광 유닛(1)에 단일의 발광 재료를 사용한 소자 예시 1-1보다 효율이 높다. 이는 2 종류의 발광 재료(적색 및 녹색)를 포함하는 발광 유닛(1)을 가지는 것에 의해 적색 또는 녹색의 발광 효율을 낮추지 않고 색 조정을 할 수 있는 것으로서, 고효율을 유지하면서 백색을 얻을 수 있기 때문인 것으로 파악된다. 즉, 각 발광 재료의 성능을 보다 충분하게 인출하여 발광을 행할 수 있는 구성으로 되어 있다고 할 수 있다. 또한 소자 예시 2에서는 적색과 녹색의 발광 강도의 비율을 큰 폭으로 변동시킬 수 있다. 소자 예시 2-1에는 백색으로부터 약간 벗어나는 색으로 핑크색의 발광이 가능한 것이 나타나 있다. 소자 예시 2-3에서는 백색으로부터 약간 벗어나는 색으로 녹황색의 발광이 가능한 것이 나타나 있다. 즉, 적색과 녹색의 발광 강도를 변화시키는 것에 의해, 도 4의 파선으로 나타낸 것과 같이, 2-1의 점과 2-3의 점을 연결하는 직선상의 발광색을 얻는 것이 가능하게 된다. 도 4에서, 2-1의 점과 2-3의 점을 연결하는 직선 상에는 백색 영역이 존재한다. 따라서 고효율을 유지하면서 폭넓은 색의 발광을 얻을 수 있다. 예컨대, 색 온도의 상이한 발광을 용이하게 얻을 수 있다.
그러나 조명 용도에 있어서의 백색은 각종 백색을 포함한다. 황색 경향이 있는 백색, 적색 경향이 있는 백색, 녹색 경향이 있는 백색 및 청색 경향이 있는 백색 등은 조명 용도의 백색에 포함된다. 백색광은 대체적으로 가시 영역의 광이 포함되어 있는 광을 일컫는다. 예를 들면, 유기 EL 소자의 백색은 색 온도 1500K 이상 10000K 이하로 해도 된다. 촛불의 광과 같은 색은 백색에 포함된다.
또한 소자 예시 1 및 2는 어디까지나 일 실시예이며, 발광 재료의 조합이나 양자 효율의 조정에 의해 발광색의 색 재현 범위를 더 크게 넓힐 수 있다.
[바람직한 발광색의 예]
유기 EL 소자의 발광색의 색 온도는 2500K 이하인 것이 바람직한 일 태양이다. 이로써 고효율의 조명 장치를 실현하는 것이 가능하다. 색 온도가 2500K 이하인 조명은 유기 EL 소자의 사용에 유리하다. 색 온도가 2500K 이하인 발광색은 무기 재료의 LED에서는 실현이 어렵고, 실현하더라도 효율이 매우 나쁘다. 무기 재료의 LED에서는 2500K 이하의 발광색으로 하기 위해 청색부터 적색으로 파장을 변환할 것이 요구되며, 그 경우의 손실이 크기 때문이다.
색 온도가 2500K 이하인 색은 사람에게 평온함을 주기 쉬워 조명 용도로 적절하다. 여기서 높은 색 온도의 광에 많이 포함되는 청색광은 수면을 유발하는 멜라토닌이라는 호르몬의 분비를 억제하고, 수면 장애 등 생체 리듬(서캐디언 리듬, circadian rhythms)에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 또한 망막까지 고에너지로 도달하여 자극해 눈에 악영향을 미치는 블루 하자드 라는 현상도 보고된 바 있다. 그러나 색 온도 2500K 이하의 광은 침착성을 주기 쉽고, 높은 색 온도와 같은 악영향을 억제할 수 있다. 색 온도 2500K 이하의 광을 취침 전에 받게 되면 상쾌한 잠을 얻을 수 있다. 색 온도 2500K 이하의 조명은 인체의 건강에 유용하다.
유기 EL 소자의 발광색의 색 온도는 1500K 이상인 것이 바람직하다. 색 온도가 1500K 이상으로 이루어짐으로써 조명 용도에 보다 적절한 발광색을 얻을 수 있다. 이같은 관점에서 색 온도는 1800K 이상인 것이 더욱 바람직하다. 유기 EL 소자의 발광색의 색 온도는 2300K 이하인 것이 바람직하며, 2000K 이하인 것이 더 바람직하다.
유기 EL 소자의 발광색의 보다 바람직한 일 태양은 광 스펙트럼에 의해 규정될 수 있다. 유기 EL 소자가 발하는 광의 스펙트럼에 있어서, 파장 600~700nm까지의 광량은 파장 400~500nm까지의 광량의 5배 이상 50배 이하인 것이 보다 바람직한 태양이다. 전자의 파장 영역은 적색 성분이며, 후자의 파장 영역은 청색 성분이다. 그러므로 이같은 태양은 적색 성분이 청색 성분보다 많다고 볼 수 있다. 이로써 발광색이 촛불의 광과 같은 색에 더욱 가까워지기 쉽게 된다. 또한 적색 성분이 많아짐으로써 연색성(演色性)이 높아지기 쉬워진다. 광량은 광의 스펙트럼의 적분값으로 구해진다. 이하에서도 마찬가지이다.
유기 EL 소자가 발하는 광의 스펙트럼에 있어서 파장 600~700nm까지의 광량은 파장 500~600nm까지의 광량의 1.5배 이상 5배 이하인 것이 보다 바람직한 일 태양이다. 전자의 파장 영역은 적색 성분이며, 후자의 파장 영역은 녹색 성분이다. 그러므로 이 같은 태양은 적색 성분이 녹색 성분보다 많다고 볼 수 있다. 이로써 발광색이 촛불의 광과 같은 색에 더 가까워지기 쉬워 진다. 또한 적색 성분이 많아짐으로써 연색성이 높아지기 쉬워진다. 광의 스펙트럼에서는 파장 600~700nm까지의 광량은 파장 400~500nm까지의 광량의 5배 이상 50배 이하이며, 또한 파장 500~600nm까지의 광량의 1.5배 이상 5배 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 발광색이 촛불의 광과 같은 색에 더 가까워지기 쉬워진다.
유기 EL 소자가 발하는 광의 스펙트럼에 있어서 파장 380nm 이하의 광량은 파장 600~700nm까지의 광량의 0.001배 이하인 것이 바람직하다. 파장 380nm 이하의 광은 자외광이다. 자외광이 적어지면 인체에 대해 악영향을 미칠 가능성이 낮아진다.
유기 EL 소자가 발하는 광의 스펙트럼에 있어서 파장 780nm 이상의 광량은 파장 600~700nm까지의 광량의 0.01배 이하인 것이 바람직하다. 파장 780nm 이상의 광은 적외광이다. 적외광이 적어짐으로써 인체에 대해 악영향을 미칠 가능성이 낮아진다. 적외광은 피부에 흡수되어 인체에 열 손상을 부여하기 때문이다. 또한 촛불과 같은 광은 적외광을 많이 포함하고 있다. 그러나 유기 EL 소자는 적외광이 적으며, 촛불과 색이 유사한 발광색을 낼 수 있다. 그러므로 인체에 악영향을 미치지 않는 조명으로 우수한 발광을 효과적으로 얻는 것이 가능하다.
유기 EL 소자가 발하는 광의 스펙트럼에서 파장 600~700nm까지의 파장 영역에 스펙트럼의 피크를 갖는 것이 바람직하다. 이로써 적색 성분이 많아져 촛불과 같은 광의 발광색에 보다 더 가까워지게 된다. 파장 600~700nm까지의 파장 영역에 스펙트럼의 최대의 피크를 가지는 것이 더욱 바람직하다. 또한 파장 500~600nm까지의 파장 영역에 스펙트럼의 피크를 가지고 있어도 된다. 발광색이 녹색 성분을 포함하는 것으로 조명성을 높일 수 있다.
유기 EL 소자의 발광색은 촛불과 같은 광의 색인 것이 바람직하다. 촛불의 광은 사람에게 평온함을 준다. 촛불 광의 색은 색 온도 2500K 이하로 되기 쉽다. 그러나 촛불은 오늘날 조명 장치로 이용하기는 어렵다. 또한 촛불 광은 적외광을 많이 포함하기 때문에 촛불 광을 그대로 재현하면 인체에 악영향을 미칠 우려가 있다. 유기 EL 소자는 촛불과 동일한 색의 광을 안전하게 얻을 수 있다. 유기 EL 소자로는 촛불의 발광색과 유사한 촛불 광 상태의 발광색이 효율적으로 얻어진다. 촛불 광의 색이라 함은 사람의 지각으로 유기 EL 소자가 발하는 광의 색이 촛불 광의 색과 동일하다는 것을 의미한다. 유기 EL 소자의 광의 스펙트럼은 촛불 광의 스펙트럼과 상이해도 된다. 유기 EL 소자에서는 촛불 광의 색과 동일한 색으로 적외광이 적은 광을 얻을 수 있다.
유기 EL 소자는 사람에게 편안함을 주는 발광색을 효율적으로 얻을 수 있는 점에서 무기 LED보다 유리하다. 무기 LED에는 일반적으로 청색 성분이 많이 포함된다. 그러므로 비록 색 혼합이나 파장 변환 등을 행하여 발광색의 색 온도를 저하시키더라고, 발광색에 포함되는 청색 성분에 의해 멜라토닌의 분비가 억제된다. 한편, 유기 EL 소자에서는 청색 성분이 적은 발광을 얻는 것이 용이하다. 청색 성분이 적으면 멜라토닌의 분비를 억제하는 작용이 저감된다. 또한 유기 EL 소자로는 자외광이 적은 광을 얻을 수 있다. 유기 EL 소자를 통해서는 심리적으로도 육체적으로도 인체에 양호한 영향을 주는 발광색을 얻는 것이 가능하다.
유기 EL 소자의 발광색의 색 온도가 2500K 이하인 경우, 발광 유닛의 수는 3~7개가 바람직하다. 이로써 Ra 및 R9 로 표현되는 연색성이 함께 높아지기 쉽다. 또한 발광 유닛의 수가 7개 이하로 되면 실용성이 높아진다.
표 4는 발광색의 색 온도가 2500K 이하로 되어 있는 유기 EL 소자의 평가 결과를 나타낸 것이다. 소자 예시 P1~P5는 도 2의 층 구성의 유기 EL 소자를 베이스로 하고, 발광 유닛(1)이 증가했을 경우에는 제3 발광 유닛(1c)과 광 투과성 전극(2)의 사이에 발광 유닛(1)을 추가하는 구성으로 되어 있다. 소자 예시 P1는 발광 유닛(1)이 총 합계 3개이다. 발광 유닛의 합계 수는 소자 예시 P2에서는 4개, 소자 예시 P3에서는 5개, 소자 예시 P4에서는 6개, 소자 예시 P5에서는 7개이다. 소자 예시 P1~P5의 유기 EL 소자에 있어서 광 투과성 전극(2)에 가장 가까운 발광 유닛(1)은 청색 발광 재료를 포함하는 형광 발광 유닛으로서 구성된다. 소자 예시 P1~P5의 유기 EL 소자에 있어서 광 투과성 전극(2)에 가장 가까운 발광 유닛(1) 이외의 발광 유닛(1)은, 모두 적색 발광 재료를 포함하는 발광층과 녹색 발광 재료를 포함하는 발광층을 갖는 인광 발광 유닛으로서 구성된다.
표 4를 통해서는 발광 유닛(1)의 수가 많을수록 색 온도가 낮아지는 경향을 볼 수 있다. 또한 색 온도가 낮아질수록 발광 효율이 높아진다. 표 4에서 나타낸 유기 EL 소자는 연색성을 나타내는 Ra 및 R9가 높다. 그러므로 발광 효율이 양호하고 연색성의 높은 조명성 이 우수한 광을 얻을 수 있다.
[표 4]
[간섭 설계 1]
유기 EL 소자는 발광층의 막 두께가 수백 nm로 비교적 얇고, 광 파장(매질 내에서 전파되는 파장)과 매우 가까우므로, 유기 EL 소자 내부에서 박막 간섭이 생긴다. 그 결과, 유기층의 막 두께에 의해 내부의 발광이 간섭하고, 출사되는 광의 강도가 크게 증감한다. 출사되는 광의 강도를 최대한으로 높이기 위해서는, 발광층으로부터 광 인출 측으로 직접 향하는 광(직접 광)과, 발광층으로부터 반사성 전극으로 향한 후에 이 전극에서 반사된 후에 광 인출 측으로 향하는 광(반사광)이 간섭하고 있어 서로 강하게 만나게 된다. 광이 반사층에서 반사되면, 그 전후에서 위상 시프트 π가 생긴다. 그래서 이상 모델에서는 발광원과 반사층의 표면의 사이의 막두께 d의 굴절률 n 제곱으로 도출되는 광학 막 두께(광학적 거리)가 광 파장 λ의 1/4π의 홀수배와 거의 같게 되도록 설계된다. 이로써 기판으로부터 정면 방향으로 출사되는 광의 성분량이 극대값으로 된다. 이른바 캐비티 설계이다. 이 방법은 광이 내부에서 증폭되는 것을 의미하는 것은 아니고, 광의 방향을 변경시켜서 특정한 방향, 예를 들면, 대기 중으로 광을 인출하기 쉬운 정면 방향으로의 광을 강화하는 것을 의미한다. 그러나 실제로는 광의 위상 시프트는 π로 되지는 않고, 유기층 및 반사층에 있어서의 굴절, 소쇠(消衰)가 관련되어 따라오게 되므로 보다 복잡한 움직임을 나타낸다. 이 때의 광의 위상 시프트를 φ로 나타낼 수 있다. 유기 EL 소자에서는 이 위상 시프트 φ를 이용하여 소자를 설계할 수 있다.
가중평균 발광 파장 λs에서의 위상 시프트 φ(λs)는 다음의 식 (4) 로 표현된다.
[수 3]
이 식에서 n1 및 k1는 각각 광반사층과 접하는 층의 굴절률 및 소쇠 계수를 나타내고, n2 및 k2는 각각 광반사층의 굴절률 및 소쇠 계수를 나타내며, n1, n2, k1 및 k2는 λs의 함수이다. 도 1 및 도 2의 유기 EL 소자에서 광반사층은 광 반사성 전극(3)에 의해 구성된다.
이 위상 시프트 φ(λs)를 이용하여 광 반사성 전극(3)으로부터 L번째의 발광 유닛(1)의 발광층(5)에 있어서 간섭이 보다 강해지는 캐비티 조건을 고려한다. 캐비티 조건에서는 광 파장 λ의 1/4π의 홀수배의 위치가 바람직하게 된다. 그러므로 캐비티 효과가 얻어지는 이상적인 위치는 가중평균 발광 파장 λs를 이용하여 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수 4]
상술한 식에서 m은 1 이상의 정수이다. n(λs)는 파장 λs에 있어서 광 반사성 전극(3)으로부터 발광층(5)까지의 사이를 채우는 매질의 평균 굴절률이다. dL는 광 반사성 전극(3)에서 발광층(5)까지의 거리이다. 이 거리는 물리적 거리를 나타내는 것이다. 또한 굴절률에 물리적 거리를 곱한 것, 즉 상기 식 (6)은 광학적 거리를 나타내는 것이라 할 수 있다. 또한 m는 캐비티의 차수를 나타내는 것이라 할 수 있다.
여기서 유기 EL 소자를 구성하는 층에서의 매질의 평균 굴절률은 하기 식 (7)에 의해 구해진다.
[수 5]
단, 위 식에서 d는 매질을 구성하는 각 층의 두께를 나타내고, n은 매질을 구성하는 각 층의 굴절률을 나타낸다. m은 1 이상의 정수이며, 각각의 층에 차례대로 부여되는 번호를 나타낸다. 즉, 이 식에서 말하는 d, n 및 m은 다른 식과는 관계가 없다.
상식적으로 알 수 있는 것과 같이 매질의 평균 굴절률은 발광 재료의 스펙트럼의 가중평균 발광 파장 λs에 있어서의 매질의 굴절률의 평균값으로 할 수 있다. 다시 말하면, 두께로 가중치를 부여한 굴절률의 평균값으로 할 수 있다.
유기 EL 소자에서는 간섭의 원리를 고려하여 발광 위치로부터 광 반사성 전극(3)까지의 거리에 착안한 설계를 구현할 수 있다. 발광층(5)으로부터 얻어지는 발광 스펙트럼은 어느 정도의 폭을 가지기 때문에 캐비티의 차수, 즉, 간섭의 차수는 가능한 한 작은 쪽이 바람직하다. 캐비티의 차수가 커짐에 따라 스펙트럼의 단파장과 장파장의 어긋남이 커지게 되고 간섭에 의한 증강 작용을 얻기 어려워져, 효율 저하 및 시야각 특성 저하를 초래할 우려가 있기 때문이다.
또한 시야각, 즉 광이 진행되는 각도에 의해 광로의 길이가 변화한다. 따라서 이를 고려하여 캐비티를 설계하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 정면을 향해 방사되는 광의 캐비티 조건 하에 있는 상기 식 (5)를 수정하는 것이 바람직하다.
유기 EL 소자에 있어서는 모든 발광층(5)을 2차 캐비티 조건 내에 얻는 것이 바람직하다. 보다 낮은 차수의 캐비티로 얻는 것에 의해 광 인출성을 높일 수 있기 때문이다. 또한 경사 방향으로부터의 광을 고려한다면, 정면 방향에서의 바람직한 캐비티 설계로부터 어긋나게 하는 것이 바람직하다. 이 때 경사 방향의 광 간섭을 고려하여, 상기 식 (5) 에서의 λs의 이전 계수 0.5가 0.25정도 더 커지는 범위 내에서 어긋나게 하는 것이 바람직하다. 그러므로 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)의 발광층(5)과 광 반사성 전극(3) 간의 거리 dF는, 하기 식 (2) 및(3)의 조건을 만족시키는 것이 바람직한 것으로 된다. 이로써, 모든 발광층(5)이 2차 캐비티 이내로 얻어져 간섭에 의해 광을 강화하는 작용이 높아지므로 광 인출 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
[수 6]
상기 식 (2)에서 φ(λs)는 광 반사성 전극(3)에서 발생되는 위상 시프트이다. 상기 식 (3)에서 n(λs)는 파장 λs에 있어서 광 반사성 전극(3)으로부터 상기 발광층(5)까지의 사이를 채우는 매질의 평균 굴절률이다. 이들 식에서의 φ(λs) 및 n(λs)는 가중평균 발광 파장 λs에서의 값을 나타낸다.
이와 같이 유기 EL 소자에서는 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)의 발광층(5)과 광 반사성 전극(3) 사이의 거리 dF가 식 (2) 및 식 (3)의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다. 이로써 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광층(5)를 더욱 광 반사성 전극(3)의 가까이에 배치할 수 있으므로, 광 인출성을 더욱 향상되는 것이 가능하다.
여기서 발광층(5)과 광 반사성 전극(3) 사이의 거리 d를 고려하는 경우, 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 발광층(5)은 그 두께의 중심의 위치를 기준으로 하고, 광 반사성 전극(3)은 발광층(5) 측의 표면을 기준으로 한다. 발광층(5)이 복층으로 구성되어 있는 경우에는 복층의 발광층(5)의 두께의 중심을 기준으로 한다. 즉, 거리 d는, 보다 정확하게 말하면, 광 반사성 전극(3)의 발광층(5) 측의 표면으로부터 발광층(5)의 두께 중앙까지의 거리라고 할 수 있다. 광 반사성 전극(3)의 표면을 기준으로 하는 것은 광이 반사층의 표면에서 반사되는 것으로부터 이해할 수 있다. 한편, 발광층(5)에 대해서는 엄밀하게는 전자와 홀의 재결합 점인 발광 중심으로 하는 것이 바람직하나, 재결합점은 재료나 소자의 특성에 의해 변화될 수 있고, 또 발광층(5)의 두께는 전체에 차지하는 비율 얇은 경우가 많기 때문에 기준 위치를 발광층(5)의 중앙이라고 보아도 된다. 물론 발광의 중심을 알 수 있는 경우, 발광의 중심을 거리 d의 기준으로 하면 된다. 예를 들어, 발광의 중심이 두께의 중앙이 아닌 표면(광 반사성 전극(3) 측의 표면 또는 광 투과성 전극(2) 측의 표면)이나 층계면(복층의 발광층(5)을 구성하는 층과 층 사이의 경계면) 등으로 될 수도 있다.
유기 EL 소자에서는 광 반사성 전극(3)에 가장 가까운 발광 유닛(1)이 단파장 발광 유닛(1S)에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 단파장의 광은 간섭에 의한 영향을 받기 쉽고, 단파장 발광 유닛(1S)을 광 반사층의 근처에 배치함으로써 단파장 발광 유닛(1S)의 광을 더욱 많이 인출할 수 있다. 따라서 광 인출성을 높일 수 있다. 또한 광 반사성 전극(3)이 음극을 구성하는 경우, 단파장 발광 유닛(1S)이 음극에 가장 가까운 발광 유닛(1)으로 되어 전자 주입 성을 향상시킬 수 있다. 따라서 보다 낮은 전압으로 구동 가능한 소자를 구성할 수 있다.
복수의 발광 유닛(1)은 광 반사성 전극(3) 측으로부터 녹색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1), 청색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1) 및, 적색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1) 의 순서로 배치되어 있는 것이 바람직한 일 태양이다. 이로써 광을 더욱 많이 인출할 수 있는 배치가 실현되어 광 인출성을 더욱 향상시킬 수 있다. 단파장의 재료가 광 반사성 전극(3)의 가까이에 설치되는 배치로 하는 경우 간섭의 바람직한 조건을 설정하기 쉬워지기 때문이다. 또한 3개의 발광층(5)을 2차 캐비티 내에 얻기 쉬워지므로, 광 인출 효율을 간단하게 향상시킬 수 있다.
복수의 발광 유닛(1)은 광 반사성 전극(3)측으로부터 청색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1), 적색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1) 및, 녹색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)의 순서로 배치되어 있는 것이 바람직한 다른 일 태양이다. 이로써 광을 더욱 많이 인출할 수 있는 배치가 실현되어 광 인출성을 더욱 향상시킬 수 있다. 단파장의 재료가 광 반사성 전극(3)의 가까이에 설치되는 배치로 하는 경우 간섭의 바람직한 조건을 설정하기 쉬워지기 때문이다. 또한 3개의 발광층(5)을 2차 캐비티 내에 얻기 쉬워지므로 광 인출 효율을 간단하게 향상시킬 수 있다.
상술한 각 관계가 바람직한 경우를 설명한다.
전술한 소자 예시 2-2를 기준으로 하여, 소자 예시 2 A를 제작하였다. 또, 소자 예시 3 및 4로서, 소자 예시 2로부터 발광 유닛(1)의 구성을 변경한 소자를 설계하였다.
표 5는 소자 구성의 개요를 나타낸 것이다.
[표 5]
간섭에 의한 광 인출성 향상을 위해 소자 예시 2A에서는 제1 발광층(5a)을 1차 캐비티 주변에 배치하고, 제2 발광층(5b)을 2차 캐비티 주변에 배치하고, 제3 발광층(5c)을 3차 캐비티 주변에 배치했다. 소자 예시 3에서는 제1 발광층(5a)을 1차 캐비티 주변에 배치하고, 제2 발광층(5b)을 2차 캐비티 주변에 배치하고, 제3 발광층(5c)을 2차 캐비티 주변에 배치하였다. 소자 예시 4에서는 제1 발광층(5a)를 1차 캐비티 주변에 배치하고, 제2 발광층(5b)을 1차 캐비티 주변에 배치하고, 제3 발광층(5c)을 2차 캐비티 주변에 배치하였다. 소자 예시 3 및 4에서는 상술한 식 (2) 및 식 (3)의 관계가 만족된다.
여기서 멀티 유닛 구조의 유기 EL 소자는 복수의 발광층(5)을 구비하기 때문에 특히 시야각 특성(색도의 어긋남 억제)이 중요하다. 유기 EL 소자의 시야각 특성은 색차(Δｕ'ｖ')를 이용하여 표현한다. 이 Δｕ'ｖ'는 색도의 u'v'좌표가 정면으로부터 시야각 80°의 범위에서 평균값으로부터 어긋난 양의 제곱의 평균(Δｕ'^２＋Δｖ'^２）^（１／２)의 최댓값을 의미한다. 여기서 「^」은 제곱수를 나타내는 기호이다. EnergyStar의 규격(ProgramRequirementsforSoLidStateLightingLuminaires, ELigibiLityCriteria-Versionl.1,2008)에 의하면 Δｕ/ｖ' < 0.007로 하는 것이 조명 품질로서 바람직하다. 단, 이 u'v'의 범위는 광 확산층(7) 등을 갖는 경우의 소자 전체인 것이며, 단순화된 계에서는 낮으면 낮을 수록 좋다. 이에 관하여 시야각 특성에 대해서도 평가하였다.
표 6은 소자 예시 2 A, 3, 4를 제작하여 특성을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 제3 발광 유닛(1c)이 3차 캐비티 주변 조건이 되는 소자 예시 2A보다, 제3 발광 유닛(1c)을 2다음의 캐비티 주변 조건으로 설계한 소자 예시 3, 4 의 경우에 효율과 시야각 특성이 모두 향상되는 것을 표 6으로부터 알 수 있다. 소자 예시 3에서는, 광 반사성 전극(3) 측으로부터 녹색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1), 청색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1) 및 적색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)의 순서로 배치되어 있고, 이 경우 효율 및 시야각 특성이 우수하다 것을 알 수 있다. 소자 예시 3에서는, 제1 발광 유닛(1a)에서는 녹색 발광 재료를 주성분으로 하고, 제3 발광 유닛(1c)에서는 적색 발광 재료를 주성분으로 하고 있다. 또한 소자 예시 4에서는, 청색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)을 제1 발광 유닛(1a)에 배치하였으며, 다른 소자 예시와 비교하여 단파장의 광 강도가 증대되고, 색 온도가 비교적 높은 발광색이 얻어지는 것을 알 수 있다. 소자 예시 4에는, 제2 발광 유닛(1b)에서는 적색 발광 재료를 주성분으로 하고, 제3 발광 유닛(1c)에서는 녹색 발광 재료를 주성분으로 하고 있다.
[표 6]
광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)의 발광층(5)이 채워지기 위해 바람직한 거리 dF의 관계식은 식 (2) 및(3)으로부터 아래의 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.
[수 7]
이 관계식에서, 거리 dF의 바람직한 조건은 파장 λs의 함수인 것으로 할 수 있다. 유기 EL 소자에서 상술한 관계식을 이용하여 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)의 발광층(5)의 위치를 호적화할 수 있다.
도 5는 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)의 발광층(5)(제3 발광층(5c))에 있어서 파장 λs와 거리 dF와의 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 이 그래프에는 파장 λs와 거리 dF의 임계치와의 관계(상기 식 (8) 에 있어서 「<」을 「=」에 치환한 관계)가 나타나 있다. 파장 λs가 길어지는 만큼 거리 dF를 크게 할 수 있음을 그래프로부터 알 수 있다. 따라서 단파장인 청색 발광 재료는 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)에 포함되지 않는 것으로 하는 것이 바람직할 것으로 파악된다. 여기서 바람직한 거리 dF의 값은 광 반사성 전극(3)의 재료나 유기 재료의 굴절률에 의해 변화될 수 있다. 이 예시에서 광 반사성 전극(3)(음극)은 Ag로 하고 있다. 매질의 굴절률은 파장에 따라 다르며, 약 1.8~1.9이다. 이 사항들을 고려하더라도, 이 사항들이 광 인출성에 미치는 영향은 거리 dF의 설계에 비해 관계를 때문에 식 (8)의 관계를 만족시킴으로써 광 인출성을 향상시킬 수 있다. 이 그래프로 표현되는 관계는 광 반사성 전극(3)으로부터 가장 먼 발광 유닛(1)의 발광층(5)의 배치에 이용될 수 있다.
상기한 유기 EL 소자에는 경사 방향의 광을 고려한 광 간섭 작용을 이용하고 있다. 따라서 외부에 출사되는 광을 효율적으로 증가시킬 수 있다. 또한 경사 방향의 광을 고려하기 때문에 보는 각도에 따라 생겨나는 색의 차이를 억제할 수 있다. 그 결과 광 인출 효율이 높아지고 시야각 의존성이 억제된 발광 특성의 우수한 유기 EL 소자를 얻을 수 있다.
[간섭 설계 2]
유기 EL 소자의 광 인출 설계에 있어서 더욱 바람직한 관계를 설명한다.
유기 EL 소자에서는 전술한 바와 같이 광이 진행되는 각도에 따라 광로의 길이가 변하기 때문에 정면 방향의 캐비티 설계로부터의 어긋남을 고려하여 간섭 설계를 행할 수 있다.
여기서 정면 방향의 캐비티 설계로부터의 어긋남을 나타내는 지표로서 팩터 a를 도입한다. 팩터 a를 사용한 캐비티 설계식은 식 (5)을 수정하여 하기 식 (9) 및 (10)으로 나타낼 수 있다.
[수 8]
상술한 식에서 m은 1 이상의 정수이다. n(λs)는 파장 λs에서 광 반사성 전극(3)과 광 반사성 전극(3)으로부터 L번째 발광 유닛(1)의 발광층(5)의 사이를 채우는 매질의 평균 굴절률이다. dL은 광 반사성 전극(3)과, 광 반사성 전극(3)으로부터 L번째인 발광 유닛(1)의 발광층(5) 사이의 거리이다. 상술한 식에서는 광 반사성 전극(3)으로부터 L번째인 발광 유닛(1)의 발광층(5)의 팩터 a인 것을 나타내므로, 이 팩터 a 를 aL로 나타낸 것이다. m은 캐비티의 차수를 나타내는 수치이다. 예를 들면, 1 다음의 캐비티에서 m=1 이다. 2 다음의 캐비티에서 m=2 이다.
팩터 a를 도입함으로써 광 인출성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한 상술한 식 (2)은, 팩터 a를 고려하여 식 (9)에 a=0.25 및 m=2를 대입하여 유도한 식으로 하는 것도 가능하다.
팩터 a에 대해 설명한다. 이하에서 설명하는 팩터 a는 임의의 L번째 발광 유닛(1)의 팩터 aL에 대해 적용하여 얻는다. 제1 발광 유닛(1a)에 있어서 팩터 a는 a1로 표현된다. 제2 발광 유닛(1b)에 있어서 팩터 a는 a2로 표현된다. 제3 발광 유닛(1c)에 있어서 팩터 a는 a3으로 표현된다.
팩터 a는 일반적으로 0 이상 0.5이하의 값으로 나타낼 수 있다. 즉, 팩터 a는 0≤a≤0.5인 관계를 갖는다. a가 0.5 이상이 되는 조건은 다음 차수의 캐비티 설계가 되기 위한 것이다. 즉, m의 수를 1 증가시켜 고려하는 것이다.
팩터 a에 있어서, a=0에서는 정면 방향으로 바람직한 캐비티가 된다. 따라서, 경사 방향의 광을 고려하면, a는 0으로부터 어긋나는 것이 바람직하고, 경사 방향의 광을 더욱 많이 인출하기 위해서는 a를 a>0의 조건을 만족시키게 하는 것이 더욱 바람직하다. a는, 예를 들면 0.01 이상으로 할 수 있고, 보다 바람직하게는 0.03 이상으로 할 수 있다. 이 조건은 45°방향으로 광량의 피크를 얻을 수 있음을 고려하여 정면 방향의 최적 캐비티 조건에 대해 보정을 행하는 조건이다. 이와 같이 경사 방향으로 광을 고려하여 정면의 캐비티 설계를 약간 어긋나게 함으로써, 정면 방향뿐만 아니라 경사 방향도 고려한 광 인출 설계가 실현되어 광 인출 효율을 높일 수 있다. 단, 팩터 a가 캐비티 설계로부터 지나치게 어긋나면, 캐비티의 어긋남이 지나치게 커지게 되어 광 인출성을 높이는 효과가 작아지게 된다는 우려가 있다. 따라서 팩터 a는 a≤0.25인 것이 바람직하고, a≤02인 것이 더 바람직하다. 또는 1 만큼 큰 차수의 캐비티를 고려하여, 팩터 a는 a≥0.35인 것이 바람직하고, a≥0.4인 것이 더 바람직하다.
팩터 a를 사용한 캐비티 설계는 유기 EL 소자의 연색성을 높이고자 할 때에 이용할 수 있다. 특히 복수의 발광 유닛(1)이 동일한 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)을 적어도 2개 이상 가지고 있는 경우 팩터 a를 이용한 설계가 가능하다. 상기 제작한 소자 예시 2에서 제1 발광 유닛(1a)에 이용한 녹색 발광 재료와 제2 발광 유닛(1b)에 이용한 녹색 발광 재료는 동일한 녹색 발광 재료이다. 또한 소자 예시 2에서는 제1 발광 유닛(1a)에 이용한 적색 발광 재료와 제2 발광 유닛(1b)에 이용한 적색 발광 재료가 동일한 적색 발광 재료이다. 따라서 팩터 a를 이용한 연색성의 향상이 가능하다. 이하에서는 연색성의 설계에 대해 설명한다.
광 반사성 전극(3)으로부터 가장 가까운 발광 유닛(1)인 제1 발광 유닛(1a)과 제1 발광 유닛(1a)의 이웃에 배치되는 제2 발광 유닛(1b)에 있어서 팩터 a를 고려한다. 이하에서는 제1 발광 유닛(1a) 및 제2 발광 유닛(1b)에서의 관계를 설명하지만, 제1 발광 유닛(1a)과 제3 발광 유닛(1c)의 관계 및/또는 제2 발광 유닛(1b)과 제3 발광 유닛(1c)의 관계에도 응용될 수 있다. 여기서 제1 발광 유닛(1a)은 1 다음의 캐비티를 이용하고, 제2 발광 유닛(1b)은 2 다음의 캐비티를 이용한다.
제1 발광 유닛(1a)의 발광층(5)에서는 팩터 a를 사용한 캐비티 설계식을 아래 식 (11) 및 (12)로 나타낼 수 있다.
[수 9]
상기 식에서, n(λs)는 파장 λs에서 광 반사성 전극(3)과 광 반사성 전극(3)으로부터 제1 발광 유닛(1a)의 발광층(5)의 사이를 채우는 매질의 평균 굴절률이다. d1은 광 반사성 전극(3)과, 광 반사성 전극(3)으로부터의 제1 발광 유닛(1a)의 발광층(5) 사이의 거리이다. a1는 제1 발광 유닛(1a)의 발광층(5)에서의 팩터 a이다.
제2 발광 유닛(1b)의 발광층(5)에서 팩터 a를 사용한 캐비티 설계식은 아래 식 (13) 및 (14)로 나타낼 수 있다.
[수 10]
상기 식에서, n(λs)는 파장 λs에서 광 반사성 전극(3)과 광 반사성 전극(3)으로부터 제2 발광 유닛(1b)의 발광층(5) 사이를 채우는 매질의 평균 굴절률이다. d2는 광 반사성 전극(3)과, 광 반사성 전극(3)으로부터의 제2 발광 유닛(1b)의 발광층(5) 사이의 거리이다. a2는 제2 발광 유닛(1b)의 발광층(5)에서의 팩터 a이다.
이 때 같은 발광 재료를 포함하는 복수의 발광 유닛(1)에서는 팩터 a의 값을 조금 상이하게 하는 것이 바람직하다. 팩터 a 값이 미미하게 달라지면 간섭 조건에 어긋남이 생기고, 인출되는 광의 발광 스펙트럼이 미미하게 달라지게 된다. 그렇게 되면 전체로서 인출되는 광 파장의 골을 메울 수 있기 때문에 연색성이 향상된다.
팩터 a의 어긋남은 팩터 a의 차의 절댓값 |Δa|로 나타낼 수 있다. 제1 발광 유닛(1a)과 제2 발광 유닛(1b)에서는 Δa=a2-a1이다. 이 때 바람직하게는 하기 식 (15)의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.
[수 11]
상술한 관계식을 만족시킴으로써 제1 발광 유닛(1a)로부터 인출되는 광 파장과 제2 발광 유닛(1b)로부터 인출되는 광 파장이 서로 보충되어 스펙트럼의 골을 메울 수 있기 때문에 연색성이 효과적으로 높아진다. 즉, 간섭에 의해 발광 재료의 강도가 높아진 스펙트럼의 피크가 발광 유닛(1)에 의해 조금 어긋나게 된다. 이로써 전체의 발광 스펙트럼에 있어서 파장의 골이 채워지는 설계가 되는 것이다. 그 결과 골이 적어진 발광 스펙트럼을 얻을 수 있으며, 연색성이 높은 발광을 얻을 수 있다.
여기서 제1 발광 유닛(1a)에서의 가중평균 발광 파장 λs와 제2 발광 유닛(1b)의 가중평균 발광 파장 λs는 동일한 파장(예를 들면 λ0)인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 연색성 효과를 더욱 높게 얻을 수 있다. 또한 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장 λs는 단일 유닛화 했을 때에 구해지는 것이며, 실제로 인출되는 때의 광 파장은 달라져도 된다.
팩터 a의 차를 고려하면, 두 팩터 a가 0≤a≤0.2를 만족시키는 것이 바람직하다. 즉, 제1 발광 유닛(1a)과 제2 발광 유닛(1b)의 관계에서는 0≤a1≤0.2 그리고 0≤a2≤0.2이 된다. 이로써 연색성을 보다 효율적으로 향상시킬 수 있다. 또, 팩터 a의 차를 고려하면, 두 팩터 a가 0.4≤a≤0.5를 만족시키는 것도 바람직하다. 즉, 제1 발광 유닛(1a)과 제2 발광 유닛(1b)의 관계에서는 0.4≤a1≤0.5 그리고 0.4≤a2≤0.5가 된다. 이로써, 연색성이 보다 효율적으로 향상될 수 있다.
팩터 a의 차의 절댓값 |Δa|는 0.15 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 광 인출성을 높이면서 연색성을 보다 효율적으로 향상시킬 수 있다.
2개 이상의 발광 유닛(1)에 있어서 동일한 발광 재료는, 적색 발광 재료, 녹색 발광 재료 및 청색 발광 재료 중 어느 것이라도 된다. 2개 이상의 발광 유닛(1)에 있어서 동일한 발광 재료가 녹색 발광 재료인 것이 바람직한 일 태양에서는, 녹색은 시감도가 높기 때문에 시감도가 높은 영역의 발광성을 높임으로써 전체의 연색성을 향상시킬 수 있다. 2개 이상의 발광 유닛(1)에 있어서 동일한 발광 재료가 적색 발광 재료인 것이 바람직한 일 태양에서는, 적색이 연색성에 미치는 영향이 크기 때문에 연색성의 영향이 큰 영역의 발광성을 높임으로써 전체의 연색성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 적색 발광 재료 및 녹색 발광 재료의 양쪽이 같은 발광 유닛(1)을 2개 이상 설치한다. 이로써 연색성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장이 동일한 것이 더욱 바람직하다.
상술한 관계가 바람직한 것을 추가로 설명 한다.
소자 예시 2A를 베이스에, 광 반사성 전극(3)(음극)과 발광층(5) 간의 거리를 변경하고, 소자 예시 5-1, 5-2 및 5-3를 제작한다. 소자 예시 5-1, 5-2 및 5-3에서는 제3 발광층(5c)의 위치가 고정되고, 제1 발광층(5a)과 제2 발광층(5b)의 위치가 조정된다. 이들 소자 예시에서는 간섭에 의해 광이 서로 강화되는 조건이 고려되어 있다. 이 방법으로 스펙트럼의 골이 더욱 적어지도록 조정하고, 유기 EL 소자에 있어서 연색성의 지표인 평균 연색 평가수 Ra에 대해 평가했다.
표 7은 소자 예시 2A 및 소자 예시 5-1, 5-2 및 5-3의 평가의 결과를 나타낸 것이다.
[표 7]
표 7에 나타낸 바와 같이, 소자 예시 5-1, 5-3에서는 같은 발광 재료(적색 발광 재료와 녹색 발광 재료)를 갖는 제1 발광 유닛(1a)과 제2 발광 유닛(1b)에 있어서 팩터 a의 차(a2-a1)가 절댓값으로 0.05 이상이 된다. 이렇게 함으로써 피크의 어긋남으로 인해 Ra가 높아지고 연색성이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 6은 적색 발광 재료와 녹색 발광 재료를 포함하는 발광 유닛(1)에서의 팩터 a와 파장 λs의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서는 간섭을 배제하지 않고 발광 유닛(1)의 가중평균 발광 파장 λs를 구하였다. 팩터 a가 0.05이상이 되면 파장 λs가 장파장 측으로 시프트된다. 즉, 인출되는 광 파장이 커진다. 그러므로 파장 λs의 차가 커지기 쉽게 되어 연색성을 높이는 것이 더욱 가능해진다. 연색성을 높이기 위해서는, 예컨대 파장의 차를 5nm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 간섭을 이용하고 있고 주기성이 있어 소정의 값 이상에서 어긋나면 캐비티와 캐비티 간의 틈이 되므로, 오히려 연색성을 높이는 효과가 약해진다. 그러므로 Δa는 0.15 이하인 것이 바람직하다. 또한 파장 차는 30nm 이하로 해도 된다. 그러나 표 7에서는 제1 발광 유닛(1a)와 제2 발광 유닛(1b)에 있어서의 파장 λs는 모두 610nm으로 동일하다. 이것은 간섭 조건을 가능한 한 배제하고 단일 유닛으로 구한 파장이기 때문이다. 따라서 멀티 유닛의 소자에서 실제로 인출되는 파장은 상술한 설계에 의하면 조금 어긋나게 된다.
이상으로부터 같은 발광 재료를 포함하는 2개 이상의 발광 유닛(1)에서는 팩터 a의 차가 0.05 이상인 것이 바람직하다 것을 알 수 있다. 이와 같이 팩터 a의 차를 설정하면, 간섭으로 높아지는 강도의 어긋남이 발생하고, 같은 발광 재료를 이용하면서 스펙트럼의 골을 보다 적게 하여 연색성을 효율적으로 높일 수 있다.
[광 인출 구조]
상기한 유기 EL 소자에서는 장파장 발광 유닛(1L)의 수가 단파장 발광 유닛(1S)의 수 보다 많기 때문에 장파장 측의 성분이 상대적으로 많아지는 구성으로 되어 있다. 따라서 내부에서 흡수되는 성분이 상대적으로 작고 광 인출 효율은 높아진다. 이것은 일반적으로 재료를 구성하는 유기 재료, 전극을 구성하는 재료 및 광 인출 구조를 구성하는 부재 전부에 있어서 일반적으로 단파장 성분 쪽이 흡수가 많기 때문인 것으로 파악된다.
도 7은 유기 재료의 흡수 스펙트럼의 일례를 나타낸 그래프이다. 도 7은 도 7 A 및 도 7 B 로 구성된다. 도 7 A는 전체도, 도 7 B는 확대도이다. 도 7은 소자 예시 2에 사용한 유기 재료의 투과 및 반사 스펙트럼으로부터 얻어진 흡수 스펙트럼의 파장 의존성을 나타낸 것이다. 도 7 A는 파장 300~800nm인 경우를 나타내며, 도 7 B는 도 7 A 중 파장 400~700nm인 경우를 골라내서 나타낸 것이다. 도 7로부터 단파장 영역의 흡수가 크다는 것을 알 수 있다. 여기서 장파장 재료의 도펀트는 단파장의 광을 약간 흡수하여 상기 파장의 광을 방사하는 성질을 갖는다. 그러므로 장파장 발광 유닛(1L)의 수를 증가시키면 상대적인 장파장 성분이 더욱 더 커지게 되고, 광 인출 효율은 더욱 증폭된다.
도 8은 광이 출사하는 각도와 광량 분포의 관계의 일례를 나타낸 것이다. 도 8은 도 8 A 및 도 8 B로 구성된다. 도 8 A는 배광 패턴을 나타낸 것이다. 도 8 B는 방사 속비(束比)의 그래프이다. 도 8 A에서는 정면 방향의 광을 기준으로 하여 중심으로 하고, 각도마다의 광량을 중심으로부터의 거리로 하여 나타내고 있다. 도 8 B에서는 가로축에 출사 각도를 취하고 세로축에 광의 상대량(방사 속비)을 취하여 그래프화하고 있다. 도 8에서 베이스는 간섭 조건을 제거한 광의 강도를 나타낸 것이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 2차, 3차, 4차 등 고차의 캐비티 모드를 사용하면, 입사 각도의 큰 광각도 측의 성분이 증가된다. 이와 같이 성분을 인출함에 있어서는 굴절률 차의 영향을 쉽게 받지 않는 광 인출 구조를 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우 도 1의 유기 EL 소자와 같이 광 인출 구조는 기판(6)과 광 투과성 전극(2)의 사이에 설치되는 광 확산층(7)으로 구성될 수 있다. 광 확산층(7)은 내부의 인출 구조이다. 내부 인출 구조에서는 기판(6)에서 전반사를 억제하여 효율적으로 광을 인출할 수 있다. 물론, 기판(6)의 외측(광 투과성 전극(2)과는 반대측)에 외부 측의 광 인출 구조를 설치하도록 해도 된다. 외부 측의 광 인출 구조는 광 산란성의 필름 등에 의해 구성할 수 있다. 광 확산층(7)보다 바람직한 구성에 대해서는 후술한다.
[유기 EL 소자의 재료]
유기 EL 소자를 구성하는 재료를 설명한다. 유기 EL 소자는 유기 EL 소자를 제조하는 위해 일반적으로 사용되는 적절한 재료로 형성 될 수 있다.
기판(6)으로는 유리 기판을 사용할 수 있다. 유리로는 소다(soda) 유리를 사용할 수 있다. 무알칼리 유리를 사용해도 되지만, 소다 유리가 일반적으로 저렴하여 비용 면에서 유리하다. 또, 광 확산층(7)을 설치한 경우, 소다 유리를 사용해도 광 확산층(7)이 유기층의 베이스층으로 존재하기 때문에 ITO 등의 광 투과성 전극(2)에의 알칼리 확산의 영향을 억제할 수 있다.
광 확산층(7)은 예를 들면 모재(母材)에 산란 입자를 배합하여 도포한 박막으로 구성할 수 있다. 이 경우 광 확산층(7)의 모재의 굴절률은 가능한 한 높은 것이 바람직하고, 유기 EL 소자에 사용되는 유기 재료와 동등 이상인 것이 바람직하다. 또한 광 인출성을 높이기 위해 가능한 한 광을 흡수하지 않는 재료가 바람직하다. 모재로는 수지를 이용할 수 있다. 또한 모재에 TiO2 등의 고굴절률의 무기 재료를 혼합하여 굴절률을 높여도 된다. 단, 입자의 응집 에 의해 돌기가 생기거나 하면 쇼트가 발생하기 쉬워지므로 품질을 손상시킬 일이 없게 하는 처리, 예를 들면 코팅 처리 등이 되어 있는 것이 바람직하다. 또한 산란 입자는 모재와 맞추어 광을 확산시키는 기능이 발휘되는 것이면 특별히 제한은 없지만, 산란 입자는 광을 흡수하지 않는 것이 바람직하다. 광 확산층(7)은 광 확산층(7)의 재료를 기판(6)의 표면에 도포하는 것에 의해 형성될 수 있다. 재료의 도포 방법은 스핀 코팅이어도 되고, 슬릿 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 등의 코팅 방법을 용도나 기판 사이즈 등에 따라 이용해도 된다. 광 확산층(7)의 바람직한 형태에 대해서는 후술한다.
광 확산층(7) 상에는 발광 구조를 구성하는 유기 발광 적층체가 형성된다. 유기 발광 적층체는 양극과 음극 사이에 유기 EL층이 형성된 구성으로 되어 있다. 본 명세서에서는 유기 EL층을 양극과 음극 사이의 층으로서 정의한다. 유기 EL층은 복수의 발광 유닛(1)을 갖는다. 발광 유닛(1)은 예컨대 양극 측으로부터 홀 수송층, 발광층(5), 전자 수송층, 전자 주입층을 구비하는 구성으로 할 수 있다. 유기 EL 소자에서는 광 투과성 전극(2)을 양극으로 하여 구성하고, 광 반사성 전극(3)을 음극로 하여 구성할 수 있다.
양극은 홀을 주입하기 위한 전극이며, 일함수가 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하고, HOMO(HighestOccupiedMolecularOrbital) 준위와의 차가 지나치게 커지지 않도록 일함수가 4 eV 이상 6 eV 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 양극의 전극 재료로는 예컨대 ITO, 산화 주석, 산화 아연, IZO 등의 금속 산화물이나 요오드화구리 등의 금속화합물, PEDOT, 폴리아닐린 등의 도전성 고분자 및 임의의 억셉터(acceptor) 등으로 도핑한 도전성 고분자, 카본 나노 튜브 등의 도전성 광 투과성 재료를 들 수 있다. 여기서 양극은 기판(6)에 설치된 광 확산층(7)의 표면에 스퍼터법, 진공 증착법, 도포법 등에 의해 박막으로 하여 형성하면 된다. 또한 양극의 시트 저항은 수백 Ω/□ 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 바람직하게는 100 Ω/□ 이하가 좋다. 여기서 양극의 막 두께는 500nm 이하, 바람직하게는 10~200nm의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 양극을 얇게 하면 할수록 광의 투과율이 개선되지만, 시트 저항이 막 두께와 반비례하여 증가하므로, 유기 EL 소자의 면적을 크게 할 경우에 고전압화 또는 휘도 균형 불균일화(전압 하강에 의한 전류 밀도 분포의 불균일화에 의함)가 발생한다. 이같은 상충 효과(trade off)를 회피하기 위해 메탈 등의 보조 배선(그리드, grid)을 투명 양극 상에 형성하는 것 도 일반적으로 유효하다. 재료로는 도전성 이 우수한 것이 바람직하며, Ag, Cu, Au, Al, Rh, Ru, Ni, Mo, Cr, Pd 등이나, 이들의 합금, 예컨대 MoAlMo, AlMo, AgPdCu 등을 사용하면 된다. 이 때 메탈 그리드가 차광 재료로서 작용하지 않도록 그리드 부분에 전류가 흐르지 않게 하는 절연 처리를 행하면 더욱 좋다. 또한 확산된 광이 그리드로 흡수되는 경향을 최소화 하기 위해 그리드에 이용하는 금속은 가능한 한 고반사율인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
양극으로 ITO를 사용하는 경우, ITO가 결정화하는 150℃ 이상에서 성막하거나, 저온에서 성막한 후에 어닐링(annealing) 처리(150 t이상)를 행하는 것이 바람직하다. 결정화시키면 도전성이 개선되고 전술한 상충 효과의 요건이 완화된다. 또한 구조가 조밀하게 이루어지는 것에 의해 광 확산층(7)에 수지를 사용한 경우에 발생하는 배출 가스(물 등)가 유기 EL층에 전달되는 것이 억제되는 효과도 기대할 수 있다.
홀 주입층(정공 주입층)에 사용되는 재료는 홀 주입성의 유기 재료, 금속 산화물, 이른바 억셉터 계통의 유기 재료 또는 무기 재료, p―도핑층 등을 이용하여 형성할 수 있다. 홀 주입 성의 유기 재료는 홀 수송성을(輸送性) 가지며, 또한 일함수가 5.0~6.0 eV 정도이고, 양극과의 견고한 밀착성을 나타내는 재료 등을 그 예로 들 수 있다. 예를 들면 CuPc, 스타버스트 아민(starburst amine) 등이 그 예이다. 또한 홀 주입성의 금속 산화물이란, 예를 들면 몰리브덴, 레늄, 텅스텐, 바나듐, 아연, 인듐, 주석, 갈륨, 티탄 및 알루미늄 중 어느 하나를 함유하는 금속 산화물이다. 또한 한 종류의 금속만의 산화물이 아니고, 예를 들면 인듐과 주석, 인듐과 아연, 알루미늄과 갈륨, 갈륨과 아연, 티탄과 니오브 등 상술한 어느 하나의 금속을 함유하는 복수의 금속의 산화물이어도 된다. 또, 이들의 재료로 이루어지는 홀 주입층은, 증착법, 전사법 등의 건식 프로세스에 의해 성막해도 되고, 스핀 코팅 법, 스프레이 코팅법, 다이 코팅법, 그라비어 인쇄법 등의 습식 프로세스에 의해 성막해도 된다.
홀 수송층(정공 수송층)에 사용하는 재료는, 예를 들면 홀 수송성을 가지는 화합물 군으로부터 선정할 수 있다. 이 종류의 화합물로서는, 예를 들어 4,4'-bis[N-(naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl(α-NPD), N, N'-bis(3-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4, 4'―diamine(TPD), 2-TNATA, 4,4', 4"-tris(N-(3-methylphenyl) N-phenylamino) triphenylamine(MTDATA), 4,4'-N, N'- dicarbazolebiphenyl(CBP), spiro-NPD, spiro-TPD, spiro-TAD, TNB 등을 대표적인 예로 하는 아릴 아민계 화합물, 카바졸기를 포함하는 아민 화합물, 플루오린 유도체를 포함하는 아민 화합물 등을 들 수 있으나, 일반적으로 알려진 임의의 홀 수송 재료를 사용하는 것도 가능하다.
발광층(5)의 재료로는 유기 EL 소자용의 재료로 알려진 임의의 재료를 이용할 수 있다. 예를 들면 안트라센, 나프탈렌, 피렌, 테트라센, 코로넨, 페릴렌, 프탈로페릴렌, 나프탈로페릴렌, 디페닐부타디엔, 테트라페닐부타디엔, 쿠마린, 옥사디아졸, 비스벤족사졸린, 비스스티릴, 시클로펜타디엔, 퀴놀린 금속 착체, 트리스(8-히드록시퀴놀리네이트) 알루미늄 착체, 트리스(4
-메틸-8-퀴놀리네이트) 알루미늄 착체, 트리스(5-페닐-8-퀴놀리네이트) 알루미늄 착체, 아미노 퀴놀린 금속 착체, 벤조퀴놀린 금속 착체, 트리(p-타페닐4-일) 아민,1-아릴-2,5―디(2―티에닐) 피롤 유도체, 피란, 퀴나크리돈, 루브렌, 디스티릴벤젠 유도체, 디스티릴 아릴렌 유도체, 디스티릴 아민 유도체 및 각종 형광 색소 등, 전술한 재료 계통 및 그 유도체를 시작으로 하는 것을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한 이들 화합물 중에서 선택되는 발광 재료를 적절히 혼합하여 사용하는 것도 바람직하다. 또, 상기 화합물로 대표되는 형광 발광을 발하는 화합물뿐만 아니라, 스핀 다중항으로부터의 발광을 나타내는 재료 계통, 예를 들면 인광 발광을 발하는 인광 발광 재료 및 이들로 이루어지는 부위를 분자 내의 일부로 갖는 화합물도 바람직하게 사용할 수 있다. 또, 이들의 재료로 이루어지는 발광층(5)은 증착법, 전사법 등의 건식 프로세스에 의해 성막해도 되고, 스핀 코팅 법, 스프레이 코팅법, 다이 코팅법, 그라비어 인쇄법 등 습식 프로세스에 의해 성막해도 된다.
중간층(4)은 각각의 발광 유닛(1)에 대해서 전하를 발생시킬 수 있는 재료에 의해 형성될 수 있다. 광을 인출하기 위해서는 광 투과성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속 박막에 의해 중간층(4)을 구성할 수 있다. 은, 알루미늄 등을 예로 들 수 있다. 또, 유기 재료를 사용하여 중간층(4)을 구성해도 된다. 또, 중간층(4)은 금속 산화물 층으로 구성하는할 수도 있다. 예를 들면, ITO 등에 의해 중간층(4)을 구성할 수 있다.
전자 수송층에 사용하는 재료는 전자 수송성을 가지는 화합물의 군으로부터 선정할 수 있다. 이 종류의 화합물로는, Alq3 등의 전자 수송성 재료로 알려진 금속 착체나 페난트릴 유도체, 피리딘 유도체, 테트라진 유도체, 옥사디아졸 유도체 등의 헤테로 환을 가지는 화합물 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않고 일반적으로 알려진 임의의 전자 수송 재료를 사용할 수도 있다.
전자 주입층의 재료는, 예를 들면 불화 리튬이나 불화 마그네슘 등의 금속 불화물, 염화 나트륨, 염화 마그네슘 등으로 대표되는 금속 염화물 등의 금속 할로겐화물이나, 알루미늄, 코발트, 지르코늄 티탄, 바나듐, 니오브, 크롬, 탄탈, 텅스텐, 망간, 몰리브덴, 루테늄, 철, 니켈, 구리, 갈륨, 아연, 실리콘 등의 각종 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 산화 질화물 등, 예를 들면 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화철, 질화 알루미늄, 질화 실리콘, 탄화 실리콘, 산질화 실리콘, 질화 붕소 등의 절연물로 되거나, SiO2나 SiO 등을 시작으로 하는 규소 화합물, 탄소 화합물 등으로부터 임의로 선택하여 사용할 수 있다. 이들 재료는 진공 증착법이나 스퍼터법 등에 의해 형성함으로써 박막 형태로 형성할 수 있다.
음극은 발광층 중에 전자를 주입하기 위한 전극이며, 일함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어지는 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하고, LUMO(LowestUnoccupiedMolecularOrbital) 준위와의 차가 지나치게 커지지 않도록 일함수가 1.9 eV 이상 5 eV 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 음극의 전극 재료로는 예를 들면 알루미늄, 은, 마그네슘 등, 및 이들과 다른 금속과의 합금, 예를 들면 마그네슘-은 혼합물, 마그네슘-인듐 혼합물, 알루미늄-리튬 합금을 예로 들 수 있다. 또, 금속의 도전재료, 금속 산화물 등, 및 이들과 다른 금속과의 혼합물, 예를 들면, 산화 알루미늄으로 이루어지는 극박막(여기서는 터널 주입에 의해 전자를 흐르게 하는 것이 가능한 1nm 이하의 박막)과 알루미늄으로 이루어지는 박막과의 적층막 등도 사용 가능하다.
유기 EL 소자에 있어서 유기 발광 적층체는 봉지재(封止材)에 의해 봉지(封止)되는 것이 바람직하다. 유기 EL층은 물 등에 약하며, 공기와의 접촉을 피하기 위해서는 이슬점(露点) 관리(예를 들면 -70℃ 이하)된 글로브 박스(globe box) 내에서 캡 유리 등을 사용하여 기판(6)의 유기 EL층 측을 봉지한다. 건조제 등을 봉지의 내부에 포함시킴으로써 보관 수명을 더욱 개선시키는 것도 가능하다.
상기한 유기 EL 소자에는 3개 이상의 발광 유닛(1)을 가지고 있으므로, 유기 발광 적층체의 전체의 두께가 단일 유닛이나 더블 유닛인 것보다 두꺼워 경향이 있다. 이에 따라 새로운 효과를 얻을 수 있다. 먼저, 전류 밀도를 내릴 수 있고, 구동에 요하는 시트 저항 값을 완화할 수 있다. 즉, 시트 저항 값이 비교적 높아져도 구동이 가능하다. 따라서 소자 설계가 용이해지는 동시에 광 인출 효율을 높일 수 있다. 구체적으로는 광 투과성 전극의 막 두께를 더욱 얇게 하는 것이 가능하다. 그리고 광 투과성 전극의 두께가 얇아지면 광 흡수가 감소되므로, 광 인출 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 다음에 면적 확대(발광 면적 증대)에 대해서도 마찬가지로 구동에 요하는 시트 저항값을 완화할 수 있다. 그리고 면 내에 있어서 보다 균일한 발광이 가능하다. 따라서 보다 발광 면적이 큰 소자를 구축할 수 있다. 또, 유기 발광 적층체의 두께가 두꺼워지면 이물질에 의한 쇼트에 대해 내성을 높일 수 있다. 적층 구조의 두께가 두껍게 되어 전극 사이의 거리가 커지므로, 이물질을 통한 리크 전류의 통과가 불가능해지기 때문이다. 그러므로 유기 EL 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
[광 확산층]
이하에서는 광 확산층(7)의 바람직한 일례를 설명한다. 도 1의 유기 EL 소자는 광 확산층(7)을 갖는다.
광 확산층(7)은 기판(6) 측으로부터 제1 투명 재료층(7a)과 제2 투명 재료층(7b)을 갖는 것이 바람직하다. 이로써 2개의 층의 계면에서 용이하게 요철 구조(10)를 형성할 수 있다. 제2 투명 재료층(7b)은 기판(6)보다 굴절률이 큰 것이 바람직하다. 이로써 굴절률 차를 저감시켜 광 인출 효율을 더욱 높일 수 있다. 제1 투명 재료층(7a)과 제2 투명 재료층(7b) 간의 계면에는 요철 구조(10)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 계면에 요철 구조(10)를 가지는 복층 구성의 광 확산층(7)에 의해 요철 구조(10)에 의해 광이 확산되게 하기 때문에 광 인출성을 더욱 높일 수 있다.
또이 광 확산층(7)이 두 가지 투명 재료층으로 구성되어 있으면 제2 투명 재료층(7b)이 피복층으로서 기능하여 요철 구조(10)가 평탄화되기 때문에 발광 적층체를 안정적으로 설치할 수 있다. 그러므로 요철에 기인하는 단선 불량이나 쇼트 불량을 억제할 수 있다. 또한 피복층을 설치한 경우에는 높이(깊이)가 큰 요철 구조(10)를 설치하더라도 발광 적층체를 양호하게 적층 형성하는 것이 가능해진다. 이와 같이 제2 투명 재료층(7b)이 평탄화층으로서 기능할 수 있어 바람직하다. 또한 2개의 투명 재료층은 투명하여 광 투과성을 가지므로 광을 유효하게 인출할 수 있다.
제2 투명 재료층(7b)은 가시광 파장 영역에서의 굴절률이 1.75 이상인 것이 바람직하다. 이로써 굴절률 차를 더욱 저감시켜 넓은 각도 전반사 손실을 억제하여 광을 더욱 많이 인출할 수 있다. 기판(6)의 굴절률은 예를 들면 1.3~1.55의 범위이다. 제2 투명 재료층(7b)의 굴절률의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 2.2로 해도 되고, 또는 2.0이어도 된다. 또, 인접하는 층인 광 투과성 전극(2)과의 사이의 굴절률 차를 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 이 굴절률 차를 1.0 이하로 할 수 있다.
제1 투명 재료층(7a)은 가시광 파장 영역에서의 굴절률이 1.3~1.5의 범위 내인 것이 바람직하다. 이로써 광을 더욱 많이 인출할 수 있다. 제1 투명 재료층(7a)과 기판(6) 사이의 굴절률 차는 작은 편이 좋다. 예를 들면 이 굴절률 차를 1.0 이하로 할 수 있다. 제1 투명 재료층(7a)의 굴절률이 기판(6)의 굴절률보다 작더라도 바람직하다. 그 경우 제1 투명 재료층(7a)과 기판(6)의 계면에서의 전반사를 억제할 수 있다. 물론 광 확산층(7)에 의하면 광의 확산에 의해 광을 인출할 수 있기 때문에 제1 투명 재료층(7a)은 기판(6)보다 굴절률이 높아도 된다.
기판(6)과 제1 투명 재료층(7a)은 굴절률이 좋고(하한은 대기와 같은 1), 굴절률이 1에 가까워지는 만큼 기판(6)과 대기의 계면에서의 전반사가 쉽게 발생하지 않게 된다. 이에 따라 기판(6)의 외부 측에 광 인출 구조를 형성하지 않아도 광을 인출하는 것이 가능해지므로 구조를 더욱 간단하게 할 수 있다. 제1 투명 재료층(7a)의 광투과율은 높은 편이 좋다. 예를 들면, 제1 투명 재료층(7a)은 가시광의 80%이상, 바람직하게는 90% 이상의 투과성을 갖는 것이 좋다.
광 확산층(7)은 예를 들면 제1 투명 재료층(7a)을 저굴절률층으로 구성하고, 제2 투명 재료층(7b)을 고굴절률층으로 구성할 수 있다. 이 굴절률의 고저는 투명 재료층끼리의 상대적인 것으로도 된다.
광 확산층(7)(제1 투명 재료층(7a) 및 제2 투명 재료층(7b))은 수지에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이로써 굴절률을 용이하게 조정할 수 있으면서, 요철의 형성과 요철의 평탄화를 간단하게 행할 수 있다. 수지 재료를 사용하는 경우 비교적 고굴절률인 것을 용이하게 얻을 수 있다. 또한 수지는 도포에 의해 층을 형성할 수 있으므로, 오목부에 수지를 침입시켜 표면이 평탄면으로 된 층을 더욱 간단하게 형성할 수 있다.
제1 투명 재료층(7a)에 사용하는 재료로는 아크릴계나 에폭시계 등의 유기 수지가 예시된다. 또한 수지에는 수지를 경화시키기 위한 첨가제(경화제, 경화 촉진제, 경화 개시제 등)가 첨가되어도 된다. 제1 투명 재료층(7a)의 재료는 소쇠계수 k가 가능한 한 작은 것이 바람직하고, 이상적으로는 k=0(또는 측정 불가능한 레벨의 수치)로 되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 투명 재료층(7a)은 바람직하게는 전가시 파장 영역에서 소쇠계수 k=0이지만, 재료의 막 두께에 따라 허용되는 범위가 결정되는 것이 좋다. 그리고 수지 이외의 재료로는 무기계 재료가 예시된다. 예를 들면 스핀 온 유리를 사용하여 제1 투명 재료층(7a)을 구성할 수 있다.
제2 투명 재료층(7b)의 재료로는 TiO2 등의 고굴절률 나노 입자를 분산한 수지 등을 들 수 있다. 수지는 아크릴계나 에폭시계 등의 유기 수지로 해도 된다. 또한 수지에는 수지를 경화시키기 위한 첨가제(경화제, 경화 촉진제, 경화 개시제 등)가 첨가되어 있어도 된다. 또한 제2 투명 재료층(7b)의 재료는 소쇠계수 k가 가능한 한 작은 것이 바람직하고, 이상적으로는 k=0(또는 측정 불가능한 레벨의 수치)로 되는 것이 바람직하다. 그리고 수지 이외의 재료로는 SiN 등으로 구성되는 무기막이나, 무기 산화물(SiO2 등)의 막 등이 예시된다.
제2 투명 재료층(7b)의 피복으로 형성된 광 확산층(7)의 표면(광 투과성 전극(2) 측의 면)은 평탄한 면인 것이 바람직하다. 이로써 쇼트 불량이나 적층 불량을 억제하여, 발광 적층체를 더욱 안정적으로 형성할 수 있다.
또한 제2 투명 재료층(7b)을 형성하지 않아도 발광성능 등에 영향이 없다면, 제2 투명 재료층(7b)은 설치되지 않아도 된다. 제2 투명 재료층(7b)을 설치하지 않는 경우, 층의 수를 감소할 수 있으므로 소자를 더욱 간단하게 제조할 수 있게 된다. 예를 들면, 제1 투명 재료층(7a)의 요철 형상의 높이가 상층의 성막에 영향을 주지 않는 정도의 높이라면, 제2 투명 재료층(7b)은 설치하지 않아도 된다. 제2 투명 재료층(7b)을 설치하지 않는 경우라도, 요철 구조(10)으로 구성된 광 확산층(7)에 의해 광 인출성을 높이는 것이 가능하다. 단, 쇼트 불량이나 단선 불량의 억제를 위해서는 상술한 바와 같이 제2 투명 재료층(7b)을 형성하는 것이 바람직하다.
제1 투명 재료층(7a) 및 제2 투명 재료층(7b)은 그 재료를 도포함으로써 기판(6)의 표면에 설치할 수 있다. 재료의 도포 방법은 적절한 코팅법을 채용할 수 있으며, 스핀 코팅을 사용해도 되고, 또는 슬릿 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 등의 방법을 용도나 기판 사이즈 등에 따라 채용할 수 있다.
제1 투명 재료층(7a)과 제2 투명 재료층(7b) 사이의 요철 구조(10)는 적절한 방법에 의해 형성할 수 있다. 예를 들면, 투명 재료에 비즈(beads)와 같은 입자를 혼합시켜 그 입자 형상에 기인한 요철을 형성할 수 있다. 또한 임프린트 법에 의해 요철 구조(10)의 요철을 형성하는 것 도 바람직하다. 임프린트 법에 의하면 미세한 요철을 효율적으로 정밀도 높게 형성할 수 있다. 또, 후술하는 바와 같이 요철 구획마다 볼록부 또는 오목부를 할당하여 요철을 형성하는 경우, 임프린트 법을 이용하면 정밀도 높고 미세한 요철을 형성하는 것이 가능해진다. 임프린트 법에 의해 요철을 형성하는 경우, 하나의 요철 구획은 프린트를 행하는 도트에 의해 구성되는 것이어도 된다. 임프린트 법은 미세 구조를 형성할 수 있는 것이 바람직하고, 예를 들면 나노 임프린트라 불리는 방법을 사용할 수 있다.
임프린트 법은 크게 UV 임프린트 법과 열 임프린트 법이 있는데, 양자 중 어느 쪽을 이용해도 된다. 예를 들면 UV 임프린트 법을 사용할 수 있다. UV 임프린트 법에 의해 간단하게 요철을 프린트(전사)해 요철 구조(10)를 형성할 수 있다. UV 임프린트 법에서는, 예를 들면 주기 2μm, 높이 1μm의 직사각형(pillar) 구조를 패터닝한 Ni 마스터 몰드로부터 형성된 필름 몰드를 사용한다. 그리고 UV 경화성의 임프린트용 투명 수지를 기판에 도포하고, 이 기판의 수지 표면에 몰드를 가압한다. 그 후, UV 광(예를 들면 파장 λ=365nm인 i선 등)을 기판 측으로부터 기판을 통해 또는 몰드 측으로부터 필름 몰드를 통해 조사하고, 수지를 경화시킨다. 그리고 수지의 경화 후에 몰드를 박리한다. 이 때, 몰드에는 사전에 이형 처리(불소계 코팅 제 등)를 행하여 두는 것이 바람직하고, 이로써 용이하게 기판으로부터 몰드를 박리할 수 있다. 이와 같이 하여 몰드의 요철 형상을 기판에 전사할 수 있다. 그리고 이 몰드에는 요철 구조(10)의 형상에 대응되는 요철이 형성된다. 그러므로 몰드의 요철이 전사된 때에는 원하는 요철 형상이 투명 재료의 층에 형성된다. 예를 들면, 몰드에 불규칙하게 오목부가 구획마다 할당되어 형성되어 있는 것을 이용하면, 불규칙하게 볼록부가 할당된 요철 구조(10)를 얻을 수 있다.
도 9는, 광 확산층(7)의 요철 구조(10)의 일례이다. 도 9는 도 9 A 및 도 9 B 으로 구성된다. 광 확산층(7)에서의 요철 구조(10)는 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 면 형태로 배치된 구조인 것이 바람직하다. 이로써 각도에 의존하지 않으면서 광의 확산 작용을 높여 보다 많은 광을 외부에 인출할 수 있다. 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 배치되는 면은 기판(6)의 표면과 평행한 면으로 할 수 있다. 도 9에서는 복수의 볼록부(11)가 면형으로 배치되어 있는 형태를 도시하고 있다. 또한 복수의 오목부(12)가 면형으로 배치된 구성도 가능하다. 요철 구조(10)는 복수의 볼록부(11) 및 오목부(12)가 면형으로 배치된 구조라도 된다. 또한 도 9는 요철 구조(10)를 패턴으로 나타내고, 구획의 경계를 실선으로 묘화하고 있다. 볼록부(11)가 연속된 부분 및 오목부(12)가 연속된 부분은 실제로는 경계가 없어도 된다.
광 확산층(7)에서의 요철 구조(10)에서는 도 9에 나타낸 바와 같이 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)는 격자형의 구획에 한 구획 부분의 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 랜덤으로 할당되어 배치되는 것이 바람직하다. 이로써 각도에 의존하지 않고 광의 확산 작용을 높여, 보다 많은 광을 외부에 인출할 수 있다. 격자형의 구획의 일례는 한 구획이 사각형으로 된 것이다. 사각형은 정사각형인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우 복수의 사각형은 종횡으로 전체적으로 배치되는 매트릭스형의 격자(사각 격자)이다. 격자형의 구획의 다른 일례는 한 구획이 육각형인 것이다. 육각형은 정육각형인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우 복수의 육각형은 충전 구조이며 전체적으로 배치되는 벌집(honey comb) 형태의 격자(육각격자)이다. 그리고 격자로는 삼각형이 전체적으로 배치되는 삼각격자여도 되지만, 사각격자나 육각격자가 요철을 제어하기에 용이하다.
도 9의 요철 구조(10)는 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부(11)가 매트릭스형 요철의 한 구획(격자형의 구획)마다 할당되어 면 형태로 배치됨으로써 형성된다. 그리고 요철 구조(10)는 평면에서 볼 때 단위 영역에서의 볼록부(11)의 면적 비율이 각 영역에 있어서 대략 동일하게 되도록 형성되된다. 이와 같이 요철 구조(10)를 설치함으로써 광 인출성을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
도 9의 요철 구조(10)에 있어서 도 9 A는 기판(6)의 표면과 수직인 방향에서 본 형태를 도시한 것이며, 도 9 B는 기판(6)의 표면과 평행한 방향에서 본 형태를 도시한 것이다. 도 9 A에서는 볼록부(11)가 설치되어 있는 구획을 사선으로 도시하고 있다. 도 9 A에서의 라인 L1, L2 및 L3는 도 9 B에서의 라인 L1, L2 및 L3에 각각 대응된다.
도 9 A에 나타낸 것과 같이 이 요철 구조(10)는 복수의 정사각형이 종횡으로 바둑판(행렬 형태)처럼 나열되어 구성되는 매트릭스형의 요철 구획에 볼록부(11)가 할당되어 배치됨으로써 형성된다. 각각의 요철 구획은 면적이 동일하게 형성된다. 요철의 한 구획(하나의 요철 구획)에는 하나의 볼록부(11) 및 오목부(12) 중 어느 하나가 할당된다. 볼록부(11) 할당은 규칙적이어도 되고 불규칙적이어도 된다. 도 9의 형태에서는 볼록부(11)가 랜덤으로 할당되어 있다. 도 9 B에 나타낸 바와 같이 볼록부(11)가 할당된 구획에서는 요철 구조(10)를 구성하는 재료가 광 투과성 전극(2) 측으로 돌출하는 것에 의해 볼록부(11)를 형성하고 있다. 또 복수의 볼록부(11)는 높이가 대략 같게 설치된다. 여기서 볼록부(11)의 높이가 대략 같다 함은, 예를 들면 볼록부(11)의 높이를 평균으로 잡는 경우, 평균 높이의 ±10% 범위 이내, 또는 바람직하게는 ±5% 범위 이내에 볼록부(11)의 높이가 포함되는 것일 수 있다.
도 9 B에서는 볼록부(11)의 단면 형상이 직사각형으로 되어 있지만, 주름 형태, 역삼각 형태, 사다리꼴 등 적절한 형상으로 해도 된다. 하나의 볼록부(11)와 다른 볼록부(11)가 인접하는 부분에서는 볼록부(11)가 연결되어 큰 볼록부가 형성된다. 또 하나의 오목부(12)와 다른 오목부(12)가 인접하는 부분에서는 오목부(12)가 연결되어 큰 오목부가 형성된다. 볼록부(11) 및 오목부(12)의 연결 개수는 특별히 한정되는 것은 아니지만 연결 개수가 커지면 요철 구조(10)가 미세하게 되지 못할 우려가 있으므로, 예를 들면 100개 이하, 20개 이하 10개 이하 등으로 적절히 설정할 수 있다. 3개 이상 또는 2개 이상 연속으로 오목부(12)또는 볼록부(11)가 계속되었을 경우에 다음 영역을 반전(오목한 경우에는 볼록으로, 볼록한 경우에는 오목으로)시키는 설계 규칙으로 해도 된다. 이 규칙에 의하면 광 확산 효과가 높아져 효율 및 색차의 개선을 기대할 수 있다.
요철 구조(10)에서는 단위 영역의 볼록부(11)의 면적 비율이 각 영역에 있어서 대략 동일해지도록 형성된다. 예를 들면, 도 9 A에서는 세로 10개, 가로 10개로 합계 100개의 요철 구획이 도시되어 있고, 이와 같은 100개 구획에 상당하는 영역을 단위 영역으로 할 수 있다. 그리고 이 때 요철 구조(10)의 면 내에서 볼록부(11)의 형성된 면적 비율은 각 단위 영역마다 대략 같아진다. 즉, 도 9 A 에 나타낸 바와 같이 단위 영역에서 50개의 볼록부(11)가 설치되어 있다고 하면 요철의 구획 수가 동일하여 면적이 같은 다른 영역에서도 50개 정도(예를 들면 45~55개 또는 48~52개)의 볼록부(11)가 설치될 수 있다. 단위 영역은 100개 구획에 한정되지 않으며 적절한 구획 수의 크기로 할 수 있다. 예를 들면 1000구획, 10000구획, 100000구획, 또는 그 이상의 구획 수라도 된다. 볼록부(11)의 면적 비율은 영역의 설정하는 방법에 따라 다소 달라지는 경우가 있지만, 본 실시예에서는 면적 비율을 대략 동일하게 되도록 한다. 예를 들면 면적 비율의 상한 및 하한 범위를 평균의 10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 5% 이하로 하는 것이 더 바람직하며, 3% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하고, 1% 이하로 하는 것이 보다 더 바람직하다. 면적 비율을 보다 더욱 동일하게 함으로써 면 내에서 보다 균일하게 광 인출성을 높일 수 있다. 단위 영역 에 있어서의 볼록부(11)의 면적 비율은 특별히 한정되는 것은 아니지만 예를 들면 20~80%의 범위 내, 바람직하게는 30~70%의 범위 내, 더 바람직하게는 40~60%의 범위 내로 설정할 수 있다.
볼록부(11) 및 오목부(12)는 단위 영역 내에서 랜덤으로 할당되어 배치되는 것이 바람직한 일 태양이다. 이로써 각도에 의존하지 않고 복수의 광을 더욱 많이 인출할 수 있다. 그에 따라 특히 조명용의 유기 EL 소자에 적합한 구조가 실현된다.
요철 구조(10)는 미세한 요철인 것이 바람직하다. 이로써 광 인출성을 더욱 높일 수 있다. 예를 들면 요철의 한 구획을 한 변이 0.1~100μm 범위인 정사각형으로 함으로써 미세 요철 구조를 형성할 수 있다. 요철의 한 구획을 형성하는 정사각형의 한 변은 0.4~10μm로 해도 되는데, 예컨대 이 한 변을 1μm로 할 경우 미세한 요철 구조(10)를 양호한 정밀도로 형성할 수 있다. 또한 단위 영역은 세로 1mm × 가로 1mm의 정사각형 영역으로 할 수도 있고, 또는 세로 10 mm × 가로 10mm의 정사각형 영역으로 할 수도 있다. 그리고 요철 구조(10)에서는 오목부(12)에는 요철 구조(10)를 구성하는 재료가 설치되어 있지 않아도 된다. 그 경우 요철 구조(10)에서 하층(제1 투명 재료층(7a))은 면 전체에서 다수의 미세한 볼록부(11)가 섬 형태의 분산된 층으로 될 수 있다. 예를 들면 오목부(12) 부분에서 제2 투명 재료층(7b)이 기판(6)에 직접 접해 있어도 된다.
볼록부(11)의 높이는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 0.1~100μm의 범위로 할 수 있다. 이로써 광 인출성의 높은 요철 구조(10)를 얻을 수 있다. 예를 들면, 볼록부(11)의 높이를 1~10μm의 범위로 할 경우 미세한 요철을 양호한 정밀도로 형성할 수 있다.
요철 구조(10)를 구성하는 복수의 볼록부(11)는 동일한 형상으로 해도 된다. 도 9 A에서는 볼록부(11)가 1개의 요철 구획 전체에 설치되어, 평면에서 볼 때의 형상이 직사각형(직사각형 또는 정사각형)인 볼록부(11)를 도시하고 있지만, 이에 한정되지 않고 볼록부(11)의 평면 형상을 다른 형상으로 해도 된다. 예를 들면 원형 또는 다각형(삼각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등)으로 해도 된다. 이 때 볼록부(11)의 입체 형상은 원기둥형, 각기둥형(삼각뿔, 사각기둥 등), 각뿔 형(삼각뿔, 사각뿔 등) 등의 적절한 형태로 하면 된다.
요철 구조(10)는 회절 광학 구조로서 형성되는 것이 바람직한 일 실시형태이다. 이 때 볼록부(11)는 회절 구조가 되도록 일정한 규칙에 따라 설치되는 것이 바람직하다. 회절 광학 구조에서는 주기성을 갖는 볼록부(11)가 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 광 확산층(7)이 회절 광학 구조를 가지는 경우 광 인출성을 향상시킬 수 있다. 또, 광 확산층(7)을 회절 구조로 한 경우라도 기판(6)의 반대 측 일면에 광 인출층(광학 필름 등)을 형성하면 광 산란을 생기게 할 수 있기 때문에, 시야각에 의존함에 따른 영향을 저감시킬 수 있다. 회절 광학 구조에서 이차원의 요철 구조(10)의 주기 P(주기성이 없는 구조의 경우에는, 요철 구조의 평균적인 주기)는 매질 내의 파장을 λ(진공 중의 파장을 매질의 굴절률로 나눈 값)로 하여, 대체로 파장 λ 의 1/4~100배의 범위에서 적절히 설정하는 것이 바람직하다. 이 범위는 발광층에서 발하는 광의 파장이 300~800nm의 범위 내에 있는 경우에 설정되는 것으로 해도 된다. 이 때 기하 광학적인 효과, 즉, 입사각이 전반사각 미만이 되는 표면의 면적 증대에 의해 광 인출 효율을 향상시키거나, 또는 회절광에 의한 전반사각 이상의 광을 인출하는 작용을 통해 광의 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 특히 작은 주기 P(예를 들면 λ/4~λ의 범위)로 설정한 경우에는 요철 구조부 부근의 유효 굴절률이 기판의 표면으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 서서히 저하된다. 그러므로 기판과 요철 피복층 또는 양극과의 사이에 요철 구조를 형성하는 층의 매질의 굴절률, 피복층 또는 양극의 굴절률의 중간 굴절률을 가지는 박막층을 개재(介在)시키는 것과 동등하게 되고, 프레넬 반사를 저감시킬 수 있게 된다. 요컨대 주기 P를 λ/4~100λ의 범위에서 설정하면 반사(전반사 또는 프레넬 반사)를 억제할 수 있으며, 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 이 중에서도 주기 P가 λ보다 작은 경우에는 프레넬 손실 억제 효과 밖에 발휘할 수 없어 광 인출 효과가 작아질 우려가 있다. 한편 20λ을 넘을 경우에는 그에 대응하여 요철의 높이도 크게 하는 것이 요구되는데(위상차를 얻기 위해), 피복층(제2 투명 재료층(7b))에서의 평탄화가 용이하지 않다는 우려가 있다. 피복층을 매우 두껍게 하는 방법(예를 들면 10 um이상)을 고려할 수 있지만, 투과율의 저하나 재료 비용, 수지 재료의 경우에는 배출 가스 증가 등 폐해가 매우 많기 때문에, 두껍게 하는 방법은 불리한 점이 있다. 그러므로 주기 P를 예컨대 λ~20λ과 같이 설정하는 것이 바람직한 것이다.
요철 구조(10)는 경계 회절 구조일 수 있다. 경계 회절 구조는 볼록부(11)를 랜덤으로 배치하여 형성되는 것으로 해도 된다. 또 경계 회절 구조로서 면 내에 부분적으로 미세 영역 내에 형성된 회절 구조가 한 면에 설치된 구조를 이용할 수도 있다. 이 경우 면 내에 독립된 복수의 회절 구조가 형성되어 있는 구조로 해도 된다. 경계 회절 구조에서는 미세한 회절 구조 에 의해 회절을 이용하여 광을 인출하면서 면 전체의 회절 작용이 지나치게 강해 지는 것을 억제하여 광 각도 의존성을 저하시킬 수 있다. 그러므로 각도 의존성을 억제하면서 광 인출 효과를 높일 수 있다.
도 9와 같이 랜덤으로 볼록부(11) 및 오목부(12)를 설치하는 경우 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 지나치게 연속되면 광 인출성을 충분히 높이기 어려울 수 있다. 따라서 같은 블록(볼록부(11) 및 오목부(12) 중 한 쪽)이 연속적으로 소정의 개수 이상 나열되지 않게 한다는 규칙을 설정해 두는 것이 바람직하다. 즉, 볼록부(11)는 격자형의 구획에 동일 방향으로 소정 개수 이상 연속하여 나열되지 않게 배치되고, 오목부(12)는 격자형의 구획에 동일 방향으로 소정 개수 이상 연속적으로 나열되지 않게 배치되는 것이 바람직하다. 이로써 광 인출 효율을 높일 수 있다. 또, 발광색의 각도 의존성을 저감할 수 있다. 볼록부(11) 및 오목부(12)가 연속적으로 나열되지 않는 소정의 개수는 10개 이하가 바람직하고, 8개 이하가 더 바람직하며, 5개 이하가 보다 더 바람직하고, 4개 이하가 더욱 바람직하다.
복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)는 바람직하게는 기판(6)의 표면에 수직인 방향에서 보았을 때 내접하는 타원의 축 길이 또는 내접원의 직경이 0.4~4μm의 범위이다. 이 때 복수의 볼록부(11)는 볼록부(11)가 연속적으로 연결되어 크게 된 볼록부로 볼 수 있다. 마찬가지로 이 때의 복수의 오목부(12)는 오목부(12)가 연속적으로 연결되어 크게 된 오목부로 볼 수 있다. 이와 같이 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 지나치게 연속되지 않게 제어함으로써 시야각 특성을 높이면서 광 인출성을 더욱 높일 수 있다. 내접하는 타원 및 내접원은 기판(6)의 표면에 수직인 방향으로부터 본 평면에서 볼 때 가상선으로 묘화될 수 있다.
도 10은 요철 구조(10)의 각각의 일례를 도시한 것이다. 이들 요철 구조(10)는 배치가 랜덤성을 가지면서 같은 방향으로 소정 개수 이상 같은 블록(볼록부(11) 및 오목부(12))이 나열되지 않게 제어된다. 도 10 A에서는 3개 이상 블록이 동일 방향으로 나열되어 있지 않고, 도 10 B에서는 4개 이상 블록이 동일 방향으로 나열되어 있지 않는다. 나열된 블록 수의 평균은 평균 피치로 나타낼 수 있다. 블록과는 한 구획에 할당된 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 있다. 평균 피치는 한 개의 블록의 폭 w를 사용하여 나타낼 수 있다. 도 10 A의 요철 구조(10)는 사각 격자 구조이며 평균 피치는 3 w이다. 도 10 B의 요철 구조(10)는 육각 격자 구조이며 평균 피치는 3 w이다. 도 10의 경우에도 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)는 바람직하게는 기판(6)의 표면에 수직인 방향에서 보았을 때에 내접하는 타원의 축길이 또는 내접원의 직경이 0.4~4μm의 범위이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 폭 w는 요철 구조(10)의 한 구획의 폭을 의미한다. 사각 격자의 경우 폭 w는 사각형의 한 변의 길이이다. 육각 격자의 경우 폭 w는 대향하는 두 끝 사이의 거리이다. 폭 w는 0.1~100μm인 것이 바람직하고, 0.4~10μm인 것이 더 바람직하다.
[조명 장치]
전술한 것과 같은 유기 EL 소자를 사용함으로써 조명 장치를 얻을 수 있다. 조명 장치는 예를 들면 유기 EL 소자, 전원, 스위치 및 이들을 전기적으로 접속하는 전기 배선을 구비할 수 있다. 조명 장치는, 백색 발광의 조명 장치로 구성할 수 있다. 단, 백색 발광이라도 발광색의 조절이 가능하며, 조명 용도로서 요구되는 각종 색 온도의 광을 발할 수 있다. 예를 들면 색 온도의 분류에 있어서 전구색, 온백색, 백색, 주백색, 주광색 등의 색을 발할 수 있다. 또한 상술한 유기 EL 소자를 통해서는 광 인출 효율이 높고 시야각 특성이 우수한 조명 장치를 제공할 수 있다.
도 11은 조명 장치(100)의 일 실시예이다. 이 조명 장치는 유기 EL 소자(101), 케이싱(102), 플러그(103) 및 배선(104)을 갖는다. 도 4에서는 복수(4개)의 유기 EL 소자(101)가 면형으로 설치되어 있다. 유기 EL 소자(101)는 케이싱(102)에 수용되어 있다. 플러그(103) 및 배선(104)을 통해 전기가 공급되어 유기 EL 소자(101)가 발광 하고 조명 장치(100)로부터 광이 출사된다.
1 발광 유닛
1S 단파장 발광 유닛
1L 장파장 발광 유닛
2 광 투과성 전극
3 광 반사성 전극
5 발광층
6 기판
7 광 확산층
1S 단파장 발광 유닛
1L 장파장 발광 유닛
2 광 투과성 전극
3 광 반사성 전극
5 발광층
6 기판
7 광 확산층
Claims (10)
- 유기 전계 발광 소자에 있어서,
광 투과성 전극과 광 반사성 전극의 사이에 발광 유닛을 적어도 3개 구비하고,
복수의 상기 발광 유닛은
하기 식 (1)에서의 가중평균 발광 파장 λs가 380nm 이상 550nm 미만인 한 개 이상의 단파장 발광 유닛과,
하기 식 (1)에서의 가중평균 발광 파장 λs가 550nm 이상 780nm 이하인 복수의 장파장 발광 유닛
으로 구성되고,
상기 장파장 발광 유닛의 수는 상기 단파장 발광 유닛의 수보다 많으며,
상기 장파장 발광 유닛은 인광 발광 유닛으로 구성되고, 상기 단파장 발광 유닛은 형광 발광 유닛으로 구성되고,
복수의 상기 발광 유닛 각각은, 발광층, 및 상기 발광층의 상기 광 반사성 전극 측에 설치된 전하 이동층을 포함하는,
유기 전계 발광 소자.
[식 (1)]
(상기 식 (1)에서, P(λ)는 각 파장에서의 스펙트럼 강도를 나타냄.) - 제1항에 있어서,
복수의 상기 발광 유닛은, 복수의 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛을 한 개 이상 포함하는, 유기 전계 발광 소자. - 제1항에 있어서,
발광색의 색 온도는 2500K 이하인, 유기 전계 발광 소자. - 제1항에 있어서,
복수의 상기 발광 유닛은,
한 개의 상기 단파장 발광 유닛과,
2개의 상기 장파장 발광 유닛
으로 구성되어 있는,
유기 전계 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 광 반사성 전극으로부터 가장 먼 상기 발광 유닛의 발광층과 상기 광 반사성 전극 간의 거리 dF는 하기 식 (2) 및 식 (3)의 조건을 만족시키는,
유기 전계 발광 소자.
[식 (2) 및 식 (3)]
(상기 식 (2)에서, φ(λs)는 상기 광 반사성 전극에서 발생하는 위상 시프트이며, 상기 식 (3)에서, n(λs)는 파장 λs에서 상기 광 반사성 전극으로부터 상기 발광층까지를 채우는 매질의 평균 굴절률임.) - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 반사성 전극에 가장 가까운 상기 발광 유닛은 상기 단파장 발광 유닛에 의해 구성되어 있는,
유기 전계 발광 소자. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 투과성 전극, 복수의 상기 발광 유닛 및 상기 광 반사성 전극은 기판에 지지되어 있으며,
상기 기판과 상기 광 투과성 전극의 사이에 광 확산층을 포함하는,
유기 전계 발광 소자. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 상기 발광 유닛은 상기 광 반사성 전극측으로부터 녹색 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛, 청색 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛, 그리고 적색 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛의 순서로 배치되어 있는,
유기 전계 발광 소자. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 상기 발광 유닛은 상기 광 반사성 전극측으로부터 청색 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛, 적색 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛, 그리고 녹색 발광 재료를 포함하는 상기 발광 유닛의 순서로 배치되어 있는,
유기 전계 발광 소자. - 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 기재된 유기 전계 발광 소자를 구비한 조명 장치.
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