KR20110104045A - 유기 전계 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 유기 전계 발광 소자는 식 
을 만족시키는 거리 "d"만큼 발광 점으로부터 이격된 광 반사성 전극을 포함한다. 상기 식에서 
이며, λ는 발광층으로부터 방사되는 특정의 광이 가지는 파장이다. n은 발광층에서의 발광 점과 광 반사성의 전극 사이에 위치하는 층의 파장 λ의 굴절률이다. n1 및 k1은 광 반사성의 전극에 접하는 층의 파장 λ를 갖는 광의 굴절률 및 소광 계수이다. n2 및 k2는 광 반사성의 전극의 파장 λ를 갖는 광의 굴절률 및 소광 계수이다. m은 0 또는 1이다. a는 m이 0인 경우에는 식 
을 만족시키고, m이 1인 경우에는 a는 식 
을 만족시키고, norg는 발광층에 광 반사성의 전극 측에서 접하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이며, nEML는 발광층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이다.
Description
본 발명은 조명 광원, 액정 표시 기기용 백라이트, 및 평판 디스플레이에 사용되는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 유기 전계 발광 소자를 구성하는 투광성의 기판의 외면에 광 산란 영역(light scattering region)을 형성한 경우에 양호한 발광 특성을 나타내도록 적절한 광학 설계에 기초하여 설계된 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.
도 6은 유기 전계 발광 소자의 구성의 일례를 나타낸 것이다. 이 유기 전계 발광 소자는 투광성의 기판(6), 양극(anode)이 되는 투광성의 전극(1), 정공 수송층(8), 발광층(3), 전자 수송층(9), 음극(cathode)이 되는 광 반사성 전극(2)을 구비한다. 투광성의 전극(1), 정공 수송층(8), 발광층(3), 전자 수송층(9), 및 광 반사성 전극(2)은 투광성 기판(6)의 상면에 이 순서대로 형성되어 있다. 이와 같은 유기 전계 발광 소자에서, 전극(1, 2) 사이에 전압을 인가함으로써, 전자 수송층(9)을 통하여 발광층(3)에 전자가 주입된다. 마찬가지로, 전극(1, 2) 사이에 전압이 인가되면, 정공 수송층(8)을 통하여 발광층(3)에 정공이 주입된다. 전자와 정공은 발광층(3) 내에서 재결합하여, 발광층(3)에서 발광이 일어난다. 발광층(3)에서 발광한 광은 투광성의 전극(1) 및 투광성의 기판(6)을 통해 외부로 전달된다.
이와 같은 유기 전계 발광 소자는 스스로 광을 발광하는 특징이 있다. 또한, 이와 같은 유기 전계 발광 소자는 비교적 높은 효율의 발광 특성이 있다. 또한, 이와 같은 유기 전계 발광 소자는 각종 색을 갖는 광을 발광하는 특징이 있다. 이 유기 전계 발광 소자는 표시 장치, 예를 들면 평판 디스플레이 등의 발광체로서 또는 광원, 예를 들면 액정 표시 기기용 백라이트나 조명 기기로서의 활용이 기대되어 있고, 일부에서는 이미 실용화되고 있다.
그러나, 유기 전계 발광 소자는 광학 파장(optical wavelength) 수준 정도의 두께를 가진 박막 디바이스이다. 또한, 유기 전계 발광 소자의 막 두께는 그 발광 특성과 밀접한 관련이 있다. 따라서, 전계 발광 소자의 디바이스 구조가 전기적 설계와 광학적 설계의 양자에 모두 적합한 막 두께를 가질 필요가 있다.
일반적으로, 유기 전계 발광 소자에서는 발광층(3) 내에서 발생한 광이 발광층(3), 유기층(4), 전극 내, 및 기판(6) 내부에서 전 반사되어, 유기 전계 발광 소자 내에서 발생된 광이 발광층(3), 유기층(4), 전극 내, 및 기판(6) 내부에 구속된다. 간단한 추정에 의하면, 발광층(3)에서 생성되는 광의 50%가 발광층(3), 유기층(4) 및 투광성의 전극(1) 내에 구속된다. 또한, 발광층(3)에서 발생되는 광의 30%가 기판(6) 내에 구속된다. 따라서 대기중에 방출되는 광은 전체 광량 중에서 20%에 불과하다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 기판(6)의 외면에 광 산란 영역(light scattering region)(7)을 설치한 것이 알려져 있다. 이 광 산란 영역(7)에 의해, 기판(6) 내에 구속되는 광의 일부를 유기 전계 발광 소자의 외부로 인출할 수 있다. 이로써, 유기 전계 발광 소자의 외부로 인출할 수 있는 광량을 증대시킬 수 있다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 투광성의 전극(1)과 기판(6) 사이에 광 산란 영역(7)을 형성한 것도 알려져 있다. 이 경우, 발광층(3), 유기층(4), 및 투광성의 전극(1) 내에 구속되는 광의 일부를 유기 전계 발광 소자의 외부로 인출할 수 있다. 전술한 바와 같이, 발광층(3), 유기층(4) 및 투광성의 전극(1) 내에 구속되는 광량은 기판(6) 내에 구속되는 광량보다 많다. 따라서, 투광성 전극(1)과 기판(6) 사이에 광 산란 영역(7)이 형성된 유기 전계 발광 소자가 기판(6)의 외면에 광 산란 영역(7)이 형성된 기판(6)을 포함하는 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광량보다 많은 양의 광을 방출하도록 구성된다.
또한, 이와 같은 유기 전계 발광 소자에 대하여, 유기 전계 발광 소자의 외부로 방출되는 광의 양을 증가시키기 위하여, 발광층(3)의 발광 점(luminous point)과 광 반사성의 전극(2) 사이의 거리를 갖는 구성의 유기 전계 발광 소자에 관한 몇 가지 보고도 있다. 예를 들면, 일본특허출원 공개번호 2000-243573호 공보(특허 문헌 1)에 개시된 유기 전계 발광 소자는 발광 점으로부터 투광성의 전극(1)까지의 거리가 파장의 1/4의 짝수 배와 대략 같도록 설정되어 있다. 또한, 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이의 거리가 파장의 1/4의 홀수 배와 대략 같도록 설정되어 있다. 일본특허출원 공개번호 제2004-165154호 공보(특허 문헌 2)에는, 유기 전계 발광 소자의 전극 사이의 거리를 광의 위상 시프트를 고려하여 설정하는 것이 개시되어 있다. 일본특허출원 공개번호 제2006-253015호 공보(특허 문헌 3)에는, 유기 전계 발광 소자의 투광성의 전극(1)과 광 반사성의 전극(2) 사이의 거리를 광 반사성의 전극(2)에서의 광의 위상 시프트를 고려한 미리 정해진 범위로 설정하는 것이 개시되어 있다. 또한, 일본특허출원 공개번호 제2004-296423호 공보(특허 문헌 4)와 제2004-296429호 공보(특허 문헌 5)에는, 기판(6)에 광 산란 영역(7)을 형성한 유기 전계 발광 소자에서, 전극 사이의 거리를 소정 값으로 설정하는 것이 개시되어 있다.
상기 언급한 특허 문헌들은 유기 전계 발광 소자가 이러한 전계 발광 소자를 구성하는 투광성의 막의 두께에 크게 관련된 발광 효율을 갖는 것을 개시하고 있다. 그리고, 이들 특허 문헌은 특정의 광학 두께가 다음에 설명하는 공식을 만족하는 조건 하에서 양호한 효율을 얻기 위해 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 "특정의 광학 두께를 갖는 막"을 사용하는 것이 개시되어 있다. 이 특정의 광학 두께는 발광 파장의 (2m＋1)/4의 배수(여기서, m는 0 이상의 정수)이다.
그러나, 특허 문헌 1에서는 광 반사성의 전극(2)에서의 광의 위상 시프트는 고려하고 있지 않다. 또한, 특허 문헌 2에서는 대상으로 하는 스펙트럼의 반치폭(half width)이 50 나노미터(nm) 이하로 한정하고 있다. 특허 문헌 3은 전극 사이의 거리만을 규정하고 있다. 한편, 특허 문헌 3은 특히 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이의 거리에 관한 규정이 없다. 또한, 특허 문헌 1~3에서는 유기 전계 발광 소자에 사용되는 기판이나 그 외의 부재에 광 산란 영역(7)이 형성되지 않은 경우의 광학 설계에 대해서만 기술되어 있다.
한편, 특허 문헌 4 및 5에서는 광 산란 영역(7)을 포함하는 유기 전계 발광 소자에 관하여 기술하고 있다. 그러나, 특허 문헌 4 및 5는 상기 식에서 m이 0인 조건을 만족하는 사항만이 기술되어 있다. 따라서, 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이의 거리를 어느 정도가 되도록 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2)을 배치할 필요가 있는 상황에서는 상기 기술적 특징을 적용할 수 없다. 이것은 특허 문헌 2도 마찬가지이다.
이러한 점을 감안하여, 본 출원인은 도 7과 같이 기판(6)의 외면에 광 산란 영역(7)을 배치한 경우와, 임의의 발광 스펙트럼에 대하여 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 거리를 만들 필요가 있는 경우에, 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이의 적절한 거리를 명확히 하고 있다.
그러나, 전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 투광성의 전극(3)과 기판(6) 사이에 광 산란 영역(7)이 형성된 유기 전계 발광 소자는 기판(6)의 외면에 광 산란 영역(7)이 형성된 유기 전계 발광 소자보다 많은 양의 광을 방출한다. 이와 같은 구성을 가지는 유기 전계 발광 소자에 관하여는, 임의의 발광 스펙트럼에 대하여, 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 소정의 거리가 필요한 경우의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이의 적절한 거리의 설계 방침은 명확하지 않다.
또한, 최근에, 도 2에 나타낸 바와 같은 새로운 유형의 유기 전계 발광 소자가 공개되어 있다. 이 유기 전계 발광 소자는 복수 개의 발광층(3)과, 발광층(3) 사이에 설치되며, 유기 반도체, 무기 반도체, 전자 수용성 물질 및 전자 공여성 물질 등으로 이루어지는 전하 발생층과 투광성 전극을 포함하는 전하 공급층(10)을 포함한다. 복수 개의 발광층(3)은 유기 전계 발광 소자의 두께 방향으로 적층되어 있다. 이러한 종류의 유기 전계 발광 소자는 고휘도이면서 긴 수명을 가진 광을 방출할 수 있으며, 향후의 진보가 크게 기대된다. 그러나, 향후의 진보에 대한 광학적 설계의 원리에 대해서는 아직 명확하지 않다. 또한, 투광성의 전극(1)과 기판(6) 사이에 "광을 반사하고 광의 각도를 교란하는 영역(7)"을 제공하는 구성에 대한 보고가 없다.
본 발명은 상기 설명한 내용을 감안하여 행해진 것이다. 본 발명의 목적은 양호한 발광 특성을 갖는 유기 전계 발광 소자를 제공하는 것이다. 이 유기 전계 발광 소자는 적절한 광학 설계에 기초하여 제공되며, 투광성의 전극, 투광성의 기판, 및 이들 사이에 배치되는 광 산란 영역을 포함한다. 광 산란 영역의 위치는 적절한 광학 설계에 기초해서 정해진다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 유기 전계 발광 소자는, 투광성의 전극, 광 반사성의 전극, 유기 발광층, 광 산란층, 및 투광성 기판을 포함한다. 유기 발광층은 발광 재료를 함유하는 발광층을 포함한다. 유기 발광층은 제1 면 및 제1 면의 반대 쪽에 위치하는 제2 면을 포함한다. 광 반사성의 전극은 제1 면 상에 배치되어 있다. 투광성의 전극은 제2 면 상에 배치되어 있다. 광 산란층은 투광성의 전극 상에 배치되어 있다. 투광성 기판은 광 산란층 상에 배치되어 있다. 광 반사성 전극은 발광층의 발광 점으로부터 거리 d만큼 이격되어 있다. 거리 d는 이하의 식을 만족시킨다.
상기 식에서, 
이며, λ는 발광층으로부터 방사되는 특정의 광(predetermined light)이 가지는 파장(wavelength)이며, n은 발광층에서의 발광 점과 광 반사성의 전극 사이에 위치하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률(refractive index)이며, n1은 발광층에서의 발광 점과 광 반사성의 전극 사이에 위치하고 광 반사성의 전극에 접하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이며, k1은 발광층에서의 발광 점과 광 반사성의 전극 사이에 위치하고 광 반사성의 전극에 접하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 소광 계수(extinction coefficient)이며, n2는 광 반사성의 전극의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이며, k2는 광 반사성의 전극의 파장 λ를 가지는 광의 소광 계수이며, m은 0 또는 1이며, a는 m이 0인 경우에는 다음의 식
파장 λ는 특정의 광의 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스(spectral radiant flux)와 CIE 표준 비시감도(standard luminosity factor)의 곱이 최대로 되는 조건을 만족시키는 광의 파장인 것이 바람직하다.
이 경우, 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광속을 증대시킬 수 있다.
파장 λ는 특정의 광의 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스를 각 파장에서의 광자 에너지로 나눈 몫이 최대로 되는 조건을 만족시키는 광의 파장인 것이 바람직하다.
이 경우, 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광자 수를 증대시킬 수 있다.
유기 발광층은 2개의 발광층을 포함하며, 발광층의 각각의 발광 점과 제1 전극 사이의 거리는 상기 거리 d로 정의되는 것이 바람직하다.
이 경우, 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광속 또는 광자 수를 크게 증대시킬 수 있다.
도 1은 유기 전계 발광 소자의 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 유기 전계 발광 소자의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 에칭 처리 이후의 ITO가 제공된 유리 기판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 형성하기 위한 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서, 전자 주입층 및 광 반사성의 전극을 형성하기 위한 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 6은 종래 기술의 일례를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 7은 종래 기술의 다른 예를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 2는 유기 전계 발광 소자의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 에칭 처리 이후의 ITO가 제공된 유리 기판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 형성하기 위한 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서, 전자 주입층 및 광 반사성의 전극을 형성하기 위한 마스크를 나타낸 평면도이다.
도 6은 종래 기술의 일례를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 7은 종래 기술의 다른 예를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1에 유기 전계 발광 소자의 구성의 일례를 나타낸다. 이 유기 전계 발광 소자는 투광성의 기판(6), 광 산란층(7), 투광성의 전극(1), 유기 발광층(5), 및 광 반사성의 전극(2)을 포함한다. 투광성의 기판(6) 상에는 광 산란층(7)이 배치된다. 광 산란층(7) 상에는 투광성의 전극(1)이 배치된다. 투광성의 전극(1) 상에는 유기 발광층(5)이 배치된다. 유기 발광층(5) 상에는 광 반사성의 전극(2)이 배치된다. 따라서, 유기 발광층(5)의 하면에는 광 반사성의 전극(2)이 배치된다[광 반사성의 전극(2)은 유기 발광층(5)의 제1 면상에 배치된다]. 유기 발광층(5)의 상면에는 투광성의 전극(1)이 배치된다[투광성의 전극(1)은 유기 발광층(5)의 제2 면상에 배치된다]. 또한, 투광성의 기판(6)의 상에는 광 산란층(7), 투광성의 전극(1), 유기 발광층(5), 및 광 반사성의 전극(2)이 이 순서대로 배치되어 있다. 유기 발광층(5)은 발광 재료를 포함하여 이루어진 발광층(3)을 구비한다. 또한, 유기 발광층은, 발광층(3)에 더하여, 유기층(4)을 포함한다. 즉, 유기층(4)은 전하 주입층, 전하 수송층(9), 정공 블록층, 정공 주입층, 정공 수송층(8)의 예이다. 도시한 예에서, 전하 수송층(9)은 광 반사성의 전극(2)과 발광층(3) 사이에 배치되어 있다. 정공 수송층(8)은, 투광성의 전극(1)과 발광층(3) 사이에 배치되어 있다. 발광층 상의 복수 개의 발광층(3)이 상기 설명한 발광층으로 사용할 수 있다. 또한, 유기 발광층(5)에 전압이 인가되었을 때, 발광층은 광을 방출한다.
광 반사성의 전극(2)은 유기 발광층(5)으로부터 방출되는 광을 반사하도록 구성되어 있다. 한편, 투광성의 전극(1)은 유기 발광층(5)으로부터 방출된 광을 투과하도록 구성되어 있다. 또한, 투광성 전극(1)은 유기 발광층(5)으로부터 방출된 후 광 반사성의 전극(2)에 의해 반사된 광도 투과하도록 구성되어 있다. 투광성 전극(1)을 투과한 광은 광 산란층(7)에 의해 산란된다. 투광성의 기판(6)은 광 산란층(7)에 의해 산란된 광을 투과하도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 유기 전계 발광 소자로부터 광이 방출된다.
또한, 도 2는 2개의 발광층(3)을 구비하는 유기 전계 발광 소자의 일례를 나타내고 있다. 도시한 예에서, 투광성 기판(6)의 상에 광 산란층(7)이 배치되어 있다. 광 산란층(7) 상에는 투광성의 전극(1)이 형성되어 있다. 투광성의 전극(1) 상에는 제1 유기 발광층(5)이 형성되어 있다. 제1 유기 발광층(5) 상에는 전하 공급층(10)이 형성되어 있다. 전하 공급층(10) 상에는 제2 유기 발광층(5)이 형성되어 있다. 제2 유기 발광층(5) 상에는 광 반사성의 전극(2)이 형성되어 있다. 따라서, 투광성의 기판(6) 상에는 광 산란층(7), 투광성의 전극(1), 제1 유기 발광층(5), 전하 공급층(10), 제2 유기 발광층(5), 및 광 반사성의 전극(2)이 이 순서대로 배치되어 있다. 상기 설명한 것과 마찬가지로, 각 유기 발광층(5)은 발광 재료를 포함하는 발광층(3)을 구비한다. 각 유기 발광층(5)은, 발광층(3)에 더하여, 필요에 따라 전하 주입층, 전하 수송층(9), 정공 블록층, 정공 주입층, 및 정공 수송층(8)을 포함하는 유기층(4)을 포함한다. 따라서, 도 2의 유기 전계 발광 소자는 복수 개의 발광층을 갖는 하나의 유기 발광층을 갖는 것으로 취급할 수 있다. 도시한 예에서, 광 반사성의 전극(2)은 유기 발광층(5)의 전하 수송층(9)과 동일한 측면 상에 위치한다. 정공 수송층(8)은 유기 발광층(5)의 투광성의 전극(1)과 동일한 측면 상에 위치한다.
또한, 유기 전계 발광 소자는 복수 개의 발광층(3)을 가지고 있어도 된다. 이 경우, 복수 개의 전하 공급층(10)은 투광성의 전극(1)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 설치된다. 또한, 유기 발광층(5)은 투광성의 전극(1)과 전하 공급층(10) 사이에 설치된다. 또한, 유기 발광층은 전하 공급층(10)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 설치된다. 이와 같이 하여, 유기 전계 발광 소자가 구성된다. 또한, 유기 발광층(5)에 복수 개의 발광층(3)을 적층해도 된다. 복수 개의 발광층(3)을 설치하는 경우에, 그 적층되는 층의 개수에는 제한이 없다. 그러나, 발광층(3)의 층의 개수가 늘어나게 되면, 유기 전계 발광 소자의 광학적 설계 및 전기적 설계의 어려움도 늘어난다. 따라서, 발광층(3)의 개수는 5개 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 발광층(3)의 개수는 3개 이하가 더 바람직하다.
이와 같은 유기 전계 발광 소자에서, 광 산란층(7)은 전 반사 각도 이상의 광 전송 각(light transmission angle)을 전 반사 각도 이하의 광 전송 각으로 효율적으로 변경하는 특성만을 갖는 것이 요구된다. 이러한 특성을 갖는 광 산란층(7)에 의해, 유기 전계 발광 소자는 소자 내부를 전파하는 광을 유기 전계 발광 소자의 외부로 방출할 수 있다. 이와 같은 광 산란층(7)은 불규칙한 표면을 갖는 층에 의해 구성된다. 또한, 이와 같은 광 산란층(7)은 광 반사성의 경계면을 가지는 층에 의해 구성된다. 또한, 이와 같은 광 산란층(7)은 굴절률이 서로 상이한 매체가 접촉하는 경계면을 가지는 층으로 구성할 수 있다. "입자나 공극을 포함하는 층" 및 "복수 개의 재료가 혼합되어 형성된 층"이 광 산란층(7)으로서 기능한다. 이 광 산란층은 기판(6) 상에 형성된다. 또한, 불규칙한 표면을 갖는 기판(6)을 사용해도 된다. 이 경우, 기판의 불규칙한 표면이 광 산란층(7)으로서 기능한다. 또한, 광 산란층(7)은 본 발명의 취지에 반하지 않는 이상 임의의 구성을 사용해도 된다. 예를 들면, 입자나 공극을 포함하는 투명 재료에 의해 구성되는 입자층을 산란시켜서 광 산란층(7)을 형성할 수 있다. 투명 재료로는 폴리에스테르계 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄계 수지, 실리콘계 수지, 및 아크릴계 수지 등이 있다. 입자로는 투명 재료의 굴절률과 상이한 굴절률을 가지는 실리카 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 플라스틱 입자, 및 액정 입자 등이 있다. 또한, 이 산란 입자층에 평탄화층을 형성할 수 있다. 이 경우, 평탄화층은 투명 수지로 이루어진다. 산란 입자층은 평탄화층과 함께 산란층(7)을 구성할 수 있다. 평탄화층을 형성하기 위한 투명 수지에는, 필요에 따라 산란 입자층 중의 입자보다 입경이 작은 미세 입자가 포함되어 있어도 된다. 평탄화층은 투광성의 전극(1)이 광 산란층(7) 상에 적층되는 조건 하에서 투광성의 전극을 평활하하기 위해 광 산란층(7)이 제공된다. 평탄화층을 구성하는 재료는 투광성의 전극(1)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 여기서, "거의 동일하다"는 것은 굴절률 차가 ±0.1의 범위 내에 있는 것을 의미한다.
광 산란층(7)의 광 투과율은 50% 이상인 것이 바람직하고, 광 투과율이 80% 이상인 것이 더 바람직하다. 광 산란층(7)에 의한 광의 지향성의 변경은 특히 제한되지 않는다. 그러나, 입사한 광이 전 반사되지 않고 통과하도록 한 설계가 행해진 광 산란층(7)을 채용하는 것이 바람직하다.
또한, 양극, 음극, 발광층(3), 전하 수송층(9), 및 전하 공급층(10) 등의 종래의 부재를, 유기 전계 발광 소자를 구성하는 다른 구성 요소로서 변경 없이 사용할 수 있다.
투광성의 기판(6)은 소다 라임 유리(soda lime glass) 및 무알칼리 유리(alkali-free glass) 등의 재료로 이루어진 투명 유리판으로 구성할 수 있다. 투광성의 기판(6)은 임의의 방법에 의해 제작된 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 에폭시 등의 수지 및 불소계 수지 등으로부터 플라스틱 필름 및 플라스틱 판으로 구성할 수 있다.
양극(anode)은 발광층(3)에 정공을 주입하기 위한 전극이다. 양극은 일 함수가 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 양극은 일 함수가 4 eV 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 양극의 재료로서는 Cul, ITO(인듐주석 산화물), SnO2, ZnO, IZO(인듐아연 산화물), PEDOT, 폴리아닐린 도전성 고분자 및 임의의 어셉터 등으로 도핑한 도전성 고분자, 카본 나노 튜브 등의 도전성 투광성 재료가 있다. 양극은 광 산란층(7)과 광 산란층(7)의 표면에 형성되는 박막에 의해 구성되며, 박막은 진공 증착법, 스퍼터링법, 및 도포 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 양극이 투광성의 전극(1)인 경우에는, 양극의 광 투과율이 70% 이상으로 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 양극의 시트 저항(sheet resistance)은 수백 오옴/스퀘어(ohm per square) 이하로 하는 것이 바람직하고, 100 오옴/스퀘어 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 양극의 막 두께는 양극의 광 투과율 및 시트 저항의 특성을 제어하기 위한 재료에 따라 달라진다. 그러나, 양극의 막 두께는 500nm 이하이다. 또한, 양극의 막 두께는 바람직하게는 10nm부터 200nm까지의 범위로 설정하는 것이 좋다.
음극(cathode)은 발광층(3)에 전자를 주입하기 위한 전극이다. 음극은 일 함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어지는 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 음극은 일 함수가 5 eV 이하의 것이 더 바람직하다. 이와 같은 음극의 전극 재료로서는 알칼리 금속, 알칼리 금속의 할로겐화물, 알칼리 금속의 산화물, 알칼리토류 금속, 및 이들과 다른 금속과의 합금, 예를 들면 나트륨, 나트륨 칼륨 합금, 리튬, 마그네슘, 마그네슘 은 혼합물, 마그네슘 인듐 혼합물, 알루미늄 리튬 합금, 알루미늄 리튬 플루오르 혼합물을 예로 들 수 있다. 또한, 알루미늄 및 알루미늄-알루미늄 산화물 혼합물도 음극의 전극 재료로 사용 가능하다. 또한, 알칼리 금속의 산화물, 알칼리 금속의 할로겐화물, 또는 금속 산화물로 이루어지는 기초 층과 이러한 기초 층 상에 형성되고 금속 등의 한층 이상의 금속층을 포함해서 음극을 구성할 수 있다. 이와 같은 음극은 알칼리 금속/알루미늄의 적층, 알칼리 금속의 할로겐화물/알칼리토류 금속/알루미늄의 적층, 알칼리 금속의 산화물/알루미늄의 적층 등을 예로 들 수 있다. 이와 달리, 투명 전극과 광 반사성의 층의 조합에 의해 광 반사성의 전극(2)을 구성해도 된다. 또한, 음극을 투광성의 전극으로서 형성하는 경우에는, ITO 및 IZO의 투명 전극으로 형성해도 된다. 이 경우, 음극이 기판(6) 상에 형성된다. 또한, 음극의 계면의 유기층에 리튬, 나트륨, 세슘, 칼슘 등의 알칼리 금속 및 알칼리토류 금속을 도핑해도 된다.
음극은 진공 증착법이나 스퍼터링법 등의 방법에 의해 형성된 박막으로 구성해도 된다. 음극이 광 반사성의 전극(2)으로 구성된 경우에는, 광 투과율이 10% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 음극이 투광성의 전극(1)으로 구성된 경우에는, 음극의 광 투과율을 70% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우의 음극의 막 두께는, 음극의 광 투과율 등의 특성을 제어하기 위해, 재료에 따라 달라지지만, 500nm 이하의 막 두께로 하는 것이 바람직하다. 또한, 음극의 막 두께를 100nm부터 200nm까지의 범위로 하는 것이 좋다.
전하 수송층(9)은 전자 수송 특성을 갖는 군으로 이루어지는 재료로 형성할 수 있다. 이러한 종류의 화합물로서는, Alq3 등의 전자 수송 특성 재료로서 알려진 "금속 착물"과 "헤테로 환을 가지는 화합물"이 있으며, 헤테로 환을 가지는 화합물로는, 페난트롤린 유도체, 피리딘 유도체, 테트라진 유도체, 및 옥사디아졸 유도체 등이 있다. 그러나, 전하 수송층(9)의 화합물에는 제한이 없다. 전하 수송층(9)의 화합물은 일반적으로 알려진 임의의 전자 수송 재료를 사용할 수 있다. 특히, 전하 수송층(9)은 전하 수송 특성이 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 정공 수송층(8)은 정공 수송 특성을 가지는 화합물의 재료로 형성된다. 이러한 종류의 화합물로서는 트릴아릴아민계 화합물, 카르바졸기를 포함하는 아민 화합물, 플루오렌 유도체를 포함하는 아민 화합물이 있다. 트릴아릴아민계 화합물로는, "4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(a-NPD)", "N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-비페닐)-4,4'-디아민(TPD)", "2-TNATA", "4,4'4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐아미노)트리페닐아민(MTDATA)", "4,4'-N,N'-디카르바졸-비페닐", "Spiro-NPD", "Spiro-TPD", "Spiro-TAD", "TNB" 등이 있다. 그러나, 정공 수송층(8)의 화합물은 일반적으로 알려진 임의의 정공 수송 재료를 사용할 수 있다.
또한, 발광층(3)에 사용할 수 있는 재료로서는, 유기 전계 발광 소자용의 재료로서 알려진 임의의 재료가 사용 가능하다. 예를 들면, 안트라센, 나프탈렌, 피렌, 테트라센, 코로넨, 페릴렌, 프타로페리렌, 나프타로페리렌, 디페닐부타디엔, 테트라페닐 부타디엔, 쿠마린, 옥사디아졸, 비스벤조키사조린, 비스스티릴, 시크로펜타지엔, 퀴놀린 금속 착체, 트리스(8-히드로키시키노리나트) 알루미늄 착체, 트리스(4-메틸-(8-키노리나트) 알루미늄 착체, 트리스(5-페닐-(8-키노리나트) 알루미늄 착체, 아미노 퀴놀린 금속 착체, 벤조키노린 금속 착체, 트리-(p-테르페닐-4-일)아민, 1-아릴-2,5-디(2-디에닐)피르롤 유도체, 피란, 퀴나크리돈, 루브렌, 디스트릴벤젠 유도체, 디스트릴아릴렌 유도체, 디스트릴아민 유도체 및 각종 형광 색소 등과 그 유도체를 들 수 있다. 그러나, 발광층(3)에 사용되는 재료는 이들에 한정하는 것은 아니다. 또한, 이들의 화합물 중에서 선택되는 발광 재료를 적절하게 혼합하여 사용하는 것도 바람직하다. 또한, 상기 화합물로 대표되는 형광 발광을 생기는 화합물뿐만 아니라, 스핀 다중도(spin multiplicity)로부터의 발광을 나타낸 재료 계, 예를 들면 인광 발광(fluorescent emission)을 생기는 인광 발광 재료 및 이로부터 이루어지는 부위를 분자 내의 일부에 가지는 화합물도 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 이들의 재료로 이루어지는 유기층(4)은 증착, 전사 등 건식 프로세스에 의해 성막해도 되고, 스핀 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 다이(die) 코팅, 그라비어(gravure) 인쇄 등의 습식 프로세스에 의해 성막하는 것이어도 된다.
또한, 전하 공급층(10)으로서는 Ag, Au, Al 등의 금속 박막, 산화 바나듐, 산화 몰리브덴, 산화 레늄, 산화 텅스텐 등의 금속 산화물, ITO, IZO, AZO, GZO, ATO, SnO2 등의 투명 도전막, 이른바 n형 반도체와 p형 반도체의 적층체, 금속 박막 또는 투명 도전막과 n형 반도체 및/또는 p형 반도체의 적층체, n형 반도체와 p형 반도체의 혼합물, n형 반도체 및/또는 p형 반도체와 금속의 혼합물 등을 들 수 있다. n형 반도체나 p형 반도체로서는 무기 재료와 유기 재료 모두 가능하다. 또한, 유기 재료와 금속의 혼합물, 유기 재료와 금속 산화물의 혼합물, 유기 재료와 유기계 도너/어셉터 재료, 무기계 도너/어셉터 재료 등의 조합에 의해 얻어지는 것이어도 된다. 즉, 전하 공급층(10)은 전술한 재료에 제한되지 않고 필요에 따라 사용할 수 있다.
이와 같은 유기 전계 발광 소자에서, 발광층(3)을 포함하는 유기 발광층(5)은 투광성의 전극(1)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 배치되어 있다. 투광성의 전극(1)의 상부에 광 산란층(7)이 배치되어 있다. 광 산란층(7) 상에는 투광성의 기판(6)이 배치되어 있다. 이 유기 전계 발광 소자는 방출되는 광속(light flux) 또는 광자 수를 증가시키도록 설계되어 있다.
우선, 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광속의 증대화에 대하여 설명한다. 유기 전계 발광 소자에서, 유기 발광층(5)에 포함되는 적어도 하나의 발광층(3)의 발광 점과 광 반사성의 전극(2)의 거리 "d"가 아래의 식 1을 만족하도록 설정되어 있다. 이로써, 광 산란층(7)이 설치되어 있는 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광속을 증대시킬 수 있다.
여기서, 발광 점이란 발광층(3) 중에서 가장 발광 강도가 높은 막 두께 방향의 위치이다. 발광 점의 위치를 직접 실험적으로 구하는 것은 곤란하다. 그러나, 발광 점의 위치는 발광 스펙트럼의 막 두께의 의존도로부터의 방법에 기초한 광학 계산에 의해 추정할 수 있다. 또한, 발광 점의 위치는 발광층(3), 정공 수송층(8), 전하 수송층(9) 등의 유기층(4)의 "캐리어 이동도 및 에너지 순위"로부터 경험적으로 결정하는 것도 가능하다. 또한, 발광부는 발광층(3) 내에서 막 두께 방향으로 분포되어 있는 것도 있다. 이 경우, 가장 발광 강도가 높은 것으로 생각되는 부위를 대표 점으로 하여 근사시켜 발광 점으로 간주할 수 있다.
식 1에서, λ1은 발광층(3)이 방출하는 광의 "광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스"와 "CIE 표준 비시감도"(CIE relative luminosity factor)의 곱이 최대값을 나타낸 파장이다. 즉, 식 1에서는 유기 전계 발광 소자를 발광시킨 경우의 광속에 가장 영향을 주는 파장을 기준으로 하여, 이 "유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광의 광속이 증대"하는 조건을 도출하는 것이다.
또한, 식 1에서, φ는 광의 위상 시프트이다. 이 광의 위상 시프트는 광이 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하고, 또한 광 반사성의 전극(2)에 접하는 층과 광 반사성의 전극(2) 사이에서 광이 반사하는 경우에 생긴다. φ는 아래의 식으로 표현할 수 있다.
상기 식에서, n1은 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하고, 광 반사성의 전극(2)에 접하는 층의 파장 λ1에서의 굴절률이다. k1은 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하고, 광 반사성의 전극(2)에 접하는 층의 파장 λ1에서의 소광 계수이다. n2는 광 반사성의 전극(2)의 파장 λ1에서의 굴절률이다. k2는 광 반사성의 전극(2)의 파장 λ1에서의 소광 계수이다.
식 1에서, n은 파장 λ1에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 막의 굴절률이다. nd는 파장 λ1에서의 발광 점으로부터 광 반사성의 전극(2)까지의 광학적 거리이다. 이 경우, 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 막이 복수 개의 층으로 이루어진 경우, 각 층의 두께와 굴절률을 사용하여, 다음의 식에 근거한 계산을 행할 수 있다.
nd = na × da + nb × db + ...
여기서, na, nb...는, 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 층의 각각의 굴절률을 의미한다. da, db...는 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 층의 각각의 두께를 의미한다. 복수 개의 da 및 db의 값의 조합은 상기 식 1을 만족시키도록 적절하게 선택하여 결정된다.
또한, 식 1에서, m은 0 또는 1이다. 또한, a는 m이 0인 경우에는 다음 식을 만족시키는 수이다.
a는 m이 1인 경우에는 다음 식을 만족시키는 수이다.
norg는 발광층(3)의 광 반사성의 전극(2) 측에 접하는 층의 파장 λ1에서의 굴절률이다. nEML은 발광층(3)의 파장 λ1에서의 굴절률이다. a의 범위는 광속의 값이 최대값 또는 그 근방의 값을 취하기 위한 조건을 실측값에 기초한 해석에 의해 도출한 것이다.
발광층(3)의 광 발광 스펙트럼은, 예를 들면 이하의 방법에 의해 측정할 수 있다. 첫 번째로, 발광층(3)과 동일한 혼합비로 성막된 호스트와 불순물로 이루어지는 박막을 기판(6) 상에 형성한다. 두 번째로, 박막에 자외선을 조사한다. 자외선이 조사되었을 때, 박막으로부터 광이 방출된다. 세 번째로, 박막으로부터 방출된 광을 적분 구(integrating sphere)를 사용하여 측정한다. 이와 같이 하여, 광 발광 스펙트럼을 측정한다.
또한, 유기 전계 발광 소자를 구성하는 재료의 굴절률은 수직 입사 방식의 반사 및 굴절률 계측기로 계측할 수 있다. 또한, 유기 전계 발광 소자를 구성하는 재료의 소광 계수는 엘립소미터(ellipsometer)로 계측할 수 있다. 이 경우, 굴절률이나 소광 계수의 파장 의존성도 포함하여 계측할 수 있다.
유기 전계 발광 소자의 막 두께는 주로 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 발광층(3), 정공 블록층, 전하 수송층(9), 전하 주입층의 막 두께 및 굴절률을 조정함으로써, 식 1에 나타낸 값으로 설정된다. 또한, 유기 전계 발광 소자는 전하 공급층(10)을 통하여 복수 개의 발광층(3)을 내부에 가질 수 있다. 이 경우, 광 반사성의 전극(2)에 가장 가까운 발광층(3) 이외의 층은, 상기 발광층보다 광 반사성의 전극(2) 측에 위치하는 발광층(3)에 근접하는 정공 수송층(8), 정공 주입층 등이나 전하 공급층(10)의 막 두께 또는 굴절률을 조정함으로써, 유기 전계 발광 소자의 막 두께를 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 조정에 의해, 유기 전계 발광 소자의 막 두께를 소정의 막 두께로 설정하는 경우, 소자 내에서의 전기적인 밸런스가 무너질 가능성이 있다. 그러나, 정공 주입층과 정공 수송층(8)의 막 두께 비율의 변경에 의해, 소자 내에서의 전기적인 밸런스를 조정할 수 있다. 마찬가지로, 전하 수송층(9)과 전하 주입층의 막 두께 비율을 변경함으로써, 소자 내에서의 전기적인 밸런스를 조정할 수 있다. 또한, 각 층을 구성하는 재료를 변경하거나 전하 수송 특성을 조정하는 재료를 각 층에 첨가하는 것 등의 임의의 방법에 의해, 소자 내에서의 전기적인 밸런스를 조정할 수 있다.
그리고, 기판(6) 상에 투광성의 전극(1)을 음극으로 사용하고, 광 반사성의 전극(2)을 양극으로서 사용한, 상기 유기 전계 발광 소자와 반대 구조를 가진 유기 전계 발광 소자도 알려져 있다. 이러한 반대 구조를 가진 유기 전계 발광 소자의 경우, 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 층은 정공 수송층(8)이다. 따라서, 정공 수송층(8)의 막 두께를 조정함으로써, 유기 전계 발광 소자의 막 두께를 조정한다. 그러나, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한, 임의의 층에서 막 두께의 조정이 가능하다.
또한, 유기 전계 발광 소자가 복수 개의 발광층을 갖는 유기 발광층(5)을 구비하는 경우, 적어도 하나의 발광층(3)이 상기 식 1을 만족시키고 있으면 된다. 이로써, 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광의 양은 증대된다.
또한, 2개의 발광층을 가지는 유기 전계 발광 소자의 경우, 2개의 발광층(3)의 각각이 상기 식 1을 만족시키는 것이 더 바람직하다. 이로써, 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광속이 현저하게 증대된다. 여기서, 2개의 발광층(3) 중에서 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스와 CIE 표준 비시감도의 곱이 최대값을 나타내는 파장을 가지는 광을 방출하는 발광층을, 광 반사성의 전극(2)에 가까운 쪽에 위치시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 2개의 발광층(3)이 함께 식 1의 관계를 만족시키도록 용이하게 설계할 수 있다.
다음에, 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광자 수의 증대화에 대하여 설명한다. 유기 전계 발광 소자에서, 유기 발광층(5)에 포함되는 적어도 하나의 발광층(3)의 발광 점과 광 반사성의 전극(2)의 거리 "d"가 아래 식 2에서 나타내는 거리가 되도록 한다. 이로써, 광 산란층(7)이 설치되어 있는 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광자 수를 증대시킬 수 있다.
상기 식 2에서, λ2는 발광층(3)으로부터 방사되는 광의 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스를 각 파장에서의 광자 에너지로 나눈 몫이 최대값이 되는 파장이다. 즉, 식 2에서는, 유기 전계 발광 소자를 발광시킨 경우의 광자 수에 가장 영향을 주는 파장을 기준으로 하여, 이 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광의 광자 수가 증대하는 조건을 도출하는 것이다.
또한, 식 2에서, φ는 발광층(3)에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하고, 또한 광 반사성의 전극(2)에 접하는 층과 광 반사성의 전극(2) 사이에서 광이 반사하는 경우에 생기는 위상 시프트이다. 이 위상 시프트는 아래의 식에 의해 표현된다.
여기서, n1은 발광층(3)의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하고, 또한 광 반사성의 전극(2)에 접하는 층의 파장 λ2에서의 굴절률이다. k1은 발광층(3)에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하고, 또한 광 반사성의 전극(2)에 접하는 층의 파장 λ2에서의 소광 계수이다. 또한, n2는 광 반사성 전극(2)의 파장 λ2에서의 굴절률이다. k2는 광 반사성의 전극(2)의 파장 λ2에서의 소광 계수이다.
또한, 식 2에서, n은 파장 λ2에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 막의 굴절률이다. nd는 파장 λ2에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에서의 광학적 거리이다. 이 경우, 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 막이 복수 개의 층으로 이루어지는 경우, 각 층의 두께와 굴절률을 사용하여 다음의 식에 근거한 계산을 행할 수 있다.
nd = na × da + na × db + ...
이 경우, na, na...은 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 층의 각각의 굴절률을 의미한다. da, db...는 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 층의 각각의 두께를 의미한다. 복수 개의 da, db...의 값의 조합은, 상기 식 2을 만족시키도록 적절하게 선택하여 결정된다.
또한, 식 2에서, m은 0 또는 1이다. 또한, a는 m이 0인 경우에 다음의 식을 만족시키는 수이며,
m이 1인 경우에는, 다음의 식을 만족시키는 값이다.
norg는 발광층(3)에 광 반사성의 전극(2) 측에서 접하는 층의 파장 λ2에서의 굴절률이다. nEML은 발광층(3)의 파장 λ2에서의 굴절률이다. a의 범위는 광자 수의 값이 최대값 또는 그 부근의 값을 취하기 위한 조건을 실측값에 기초한 해석에 의해 도출한 것이다.
여기서, 발광층(3)의 광 발광 스펙트럼은, 전술한 방법과 마찬가지로, 이하의 방법에 의해 측정할 수 있다. 첫 번째로, 발광층(3)과 동일한 혼합 비율로 성막된 호스트와 불순물로 이루어지는 박막을 기판(6) 상에 형성한다. 두 번째로, 박막에 자외선을 조사한다. 자외선이 조사되었을 때, 박막으로부터 광이 방출된다. 세 번째로, 박막으로부터 방출된 광을 적분 구를 사용하여 측정한다. 이와 같이 하여, 광 발광 스펙트럼을 측정한다.
또한, 유기 전계 발광 소자를 구성하는 재료의 굴절률은 수직 입사 방식의 반사 및 굴절률 계측기로 계측할 수 있다. 또한, 유기 전계 발광 소자를 구성하는 재료의 소광 계수는, 예를 들면 엘립소미터로 계측할 수 있다. 이 경우, 굴절률이나 소광 계수의 파장 의존성도 포함하여 계측할 수 있다.
유기 전계 발광 소자의 막 두께는 주로 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 발광층(3), 정공 블록층, 전하 수송층(9), 전하 주입층의 막 두께 및 굴절률을 조정함으로써, 식 2에 의해 표현되는 값으로 설정된다. 또한, 전하 공급층(10)을 통하여 복수 개의 발광층(3)을 내부에 가지는 유기 전계 발광 소자도 있다. 이 경우, 광 반사성의 전극(2)에 가장 가까운 발광층(3) 이외의 층은, 상기 발광층보다 광 반사성의 전극(2) 측에 위치하는 발광층(3)에 근접하는 정공 수송층(8), 정공 주입층 등이나 전하 공급층(10)의 막 두께 또는 굴절률을 조정함으로써, 유기 전계 발광 소자의 막 두께를 설정하는 것도 바람직하다. 전술한 조정에 의해, 유기 전계 발광 소자의 막 두께를 소정의 막 두께로 설정하는 경우, 소자 내에서의 전기적인 밸런스가 무너질 수 있다. 그러나, 예를 들면 정공 주입층과 정공 수송층(8)의 막 두께 비율의 변경에 의해, 소자 내에서의 전기적인 밸런스를 조정할 수 있다. 마찬가지로, 전하 수송층(9)과 전하 주입층의 막 두께 비율을 변경함으로써, 소자 내에서의 전기적인 밸런스를 조정할 수 있다. 또한, 각 층을 구성하는 재료를 변경하거나 전하 수송 특성을 조정하는 재료를 각 층에 첨가하는 것 등의 임의의 방법에 의해, 소자 내에서의 전기적인 밸런스를 조정할 수 있다.
그리고, 기판(6) 상에 투광성의 전극(1)으로서 음극을 사용하고 광 반사성의 전극(2)을 양극으로서 사용하는 반대 구조를 가지는 유기 전계 발광 소자도 존재한다. 이러한 반대 구조를 가지는 유기 전계 발광 소자의 경우, 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이에 위치하는 층은 정공 수송층(8)이다. 따라서, 정공 수송층(8)의 막 두께를 조정함으로써, 유기 전계 발광 소자의 막 두께를 조정한다. 그러나, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한, 임의의 층에서 막 두께의 조정이 가능하다.
또한, 유기 전계 발광 소자가 복수 개의 발광층을 갖는 유기 발광층(5)을 구비하는 경우, 적어도 하나의 발광층(3)이 상기 식 2를 만족시키면 된다. 이로써, 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광의 양은 증대된다.
또한, 2개의 발광층을 가지는 유기 전계 발광 소자의 경우, 2개의 발광층(3)의 각각이 상기 식 2를 만족시키는 것이 더 바람직하다. 이로써, 유기 전계 발광 소자로부터 방출되는 광자 수가 현저하게 증대된다. 여기서, 2개의 발광층(3) 중에서 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스를 각 파장에서의 광자 에너지로 나눈 몫이 최대를 나타낸 파장을 가지는 광을 방출하는 발광층을 광 반사성의 전극(2)에 가까운 쪽에 위치시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 2개의 발광층(3)이 함께 식 2의 관계를 만족시키도록 용이하게 설계할 수 있다.
이와 같이 하여 출사되는 광속 또는 광자 수를 증대시키도록 형성된 유기 전계 발광 소자에서는, 이 유기 전계 발광 소자의 정면 방향으로 출사되는 광의 휘도를 높이는 것이 아니라, 유기 전계 발광 소자로부터 출사되는 광의 총량을 높이는 것이 가능하며, 광량을 요구되는 용도, 예를 들면 광원, 백라이트, 조명 등에 사용되는 유기 전계 발광 소자에 특히 바람직하다.
또한, 유기 전계 발광 소자의 발광층(3)으로부터 투광성의 전극(1)의 내부와 기판(6) 내에 도입되는 광의 총량[광 산란층(7)을 설치하지 않은 경우에, 투광성의 전극(1) 내에 구속할 수 있는 광, 기판(6) 내에 구속할 수 있는 광, 및 기판(6)을 투과하여 외부로 인출할 수 있는 광의 총량]이 증가하므로, 투광성의 전극(1)의, 유기 발광층(5)의 반대 측에 광 산란층(7) 및 투광성의 기판(6)을 이 순서대로 적층한 경우에 매우 높은 광 인출 효율을 실현할 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이 유기 전계 발광 소자의 발광층(3)으로부터 투광성의 전극(1) 내부와 기판(6) 내에 도입되는 광의 총량이 증가하므로, 투광성의 전극(1)의, 유기 발광층(5)과 반대 측에 광 산란층(7) 및 투광성의 기판(6)을 이 순서대로 적층하고, 또한 투광성의 기판(6)의 외면 측에 다른 광 산란층(7)을 설치하는 경우 및 투광성의 기판(6)의 외면 측에만 광 산란층(7)을 설치하는 경우에도, 매우 높은 광 인출 효율을 실현할 수 있다.
또한, 이와 같은 유기 전계 발광 소자에서는, 발광층(3)과 광 반사성의 전극(2) 사이의 거리를 너무 작지 않도록 하는 범위에서 광량을 증대시킬 수 있으므로, 예를 들면 막 두께를 얇게 하는 것에 의한 쇼트(electrical short) 발생의 문제를 고려하는 경우에 바람직하게 채용할 수 있다. 또한, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위에서, 투광성의 전극(1) 상에 형성되는 정공 수송층의 두께를 증대시키거나 또는 이물질을 커버하는 비율이 높은 것으로 알려진 도포형 정공 주입층을 사용함으로써, 신뢰성을 더 높일 수 있다.
이상과 같이 하여, 기판(6)에 광 산란층(7)을 설치한 유기 전계 발광 소자에 대하여, 높은 광 인출 효율을 실현하고, 고효율의 유기 전계 발광 소자를 실현할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 나타낸다. 다만, 본 발명은 이러한 실시예의 구성에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
광 산란층(7)이 설치된 투광성 기판(6)을, 다음과 같이 제작하였다. 먼저, 86.8g의 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane)에 803.5g의 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 첨가하고, 또한 34.7g의 감마-메타크릴옥시프로필 트리메톡실란과 0.1N 질산 75g을 더한다. 이어서, 디스퍼(disper)를 사용해서 이들을 혼합함으로써 용액을 얻었다. 얻어진 용액을 40℃의 항온 조에서 2시간 동안 교반하고, 바인더 형성 재료로서 중량 평균 분자량이 1050인 5 질량%의 실리콘 수지 용액을 얻었다.
이 실리콘 레진 용액에, 메틸 실리콘 입자(평균 입자 직경이 2 마이크로미터)를 첨가하였다. 메틸실리콘 입자는 Tospearl 120(GE Toshiba Silicone)으로 했다. 메틸 실리콘 입자와 실리콘 수지(축합 화합물 환산)의 비율이 고형분 질량 기준으로 80:20이 되도록 첨가하여, 균질기(homogenizer)로 분산시켜, 메틸 실리콘 입자 분산 실리콘 레진 용액을 얻었다. 그리고, "축합 화합물 환산"이란 실리콘 수지가 완전히 가수분해 중축합 반응을 한 경우의 실리콘 수지의 질량을 의미하며, 실리콘 수지가 테트라알콕시실란(tetralkoxysilane)의 경우에는, 수지 중의 Si를 SiO2로서 환산한 질량이며, 실리콘 수지가 트리알콕시실란인 경우에는, 수지 중의 Si를 SiO1 .5로서 환산한 질량이다.
기판(6)으로서 두께가 0.7 밀리미터(mm)인 무알칼리 유리판(Corning Co., Ltd 제품 No.1737)을 사용하고, 이 기판(6)의 표면에 메틸 실리콘 입자 분산 실리콘 수지 용액을 스핀 코터(spin coater)에 의해 1000 rpm의 조건 하에서 도포한 후 건조했다. 이러한 도포를 6회 반복한 후에, 형성된 도막을 200℃에서 30분간 소성에 의해 열처리하고, 산란 입자층을 형성하였다.
다음으로, 산란 입자층의 표면에 이미드계 수지[OPTMATE Co., Ltd 제품인 HRI1783, 굴절률은 1.78, 농도는 18 질량%]를 스핀 코터에 의해 2000 rpm의 조건 하에서 도포한 후, 건조하여 도막을 형성하고, 도막을 200℃에서 30분간 소성에 의해 열 처리함으로써, 두께 4㎛의 평탄화층을 형성하였다. 이로써, 기재(6)의 표면에 산란 입자층과 평탄화층에 의해 구성되는 영역(7)을 형성하였다.
다음에, ITO(주석 산화 인듐)로 이루어지는 타겟(Tosoh Corporation 제품)을 사용하여, 영역(7)의 표면에 스퍼터링에 의해 두께 150nm의 ITO 막을 형성하고, 이 ITO 막을 Ar 분위기 하에서 200℃에서 1시간 동안 가열함으로써 어닐링 처리를 행하였다. 어닐링 처리한 후의 ITO 막의 시트 저항은 18 오옴/스퀘어였다.
ITO 막에 에칭 처리를 행함으로써, ITO 막의 나머지 부분으로 이루어지는 도 3에 나타낸 치수의 양극[투광성의 전극(1)에 대응]을 형성하고, 또한 기판(6)을 영역(7)마다 도 3에 나타낸 치수가 되도록 절단하였다. 기판(6), 영역(7) 및 전극(1)의 적층물을 순수(pure water), 아세톤, 이소프로필 알코올에서 순차적으로 각 10분간 초음파 세정한 후, 이소프로필 알코올 증기로 2분간 증기 세정하고, 건조시킨 후, 10분간 UV 오존 세정을 행하였다.
이어서, 적층물을 진공 증착 장치에 세팅하고, 도 4의 개구부(42)를 갖는 마스크(43)를 사용하여, 5×10-5 Pa의 감압 하에서, 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐([α]-NPD)을 전극(1) 상에 두께 40nm가 되도록 증착하여, 정공 수송층(8)을 형성하였다. 이어서, 정공 수송층(8)의 상부에 루브렌이 6 질량% 도핑된 Alq3로 이루어지는 두께 30nm의 발광층(3)을 형성하였다. 또한, 전하 수송층(9)으로서 아래의 화학식 1에 나타내는 TpPyPhB를 두께 65nm로 성막하였다.
다음에, 마스크(43)를, 개구(45)를 갖는 도 5에 나타낸 치수의 마스크(44)로 교환하고, 전하 주입층으로서 LiF를 두께 1nm가 되도록 하고, 음극을 광 반사성의 전극(2)으로서 Al를 두께 80nm로 성막하여, 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 1)
전하 수송층(9)의 두께를 155nm로 한 것 외에는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 2)
전하 수송층(9)의 두께를 235nm로 한 것 외에는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 3)
전하 수송층(9)의 두께를 350nm로 한 것 외에는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 2)
전하 수송층(9)의 두께를 435nm로 한 것 외에는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 4)
실시예 1과 같은 조건 하에서, 기판(6) 상에 영역(7), 전극(1), 정공 수송층(8), 발광층(3)[즉, 제1 발광층(3)]을 순차적으로 형성하였다. 다음에, 전자 수송층(9)으로서 TpPyPhB를 두께 50nm로 성막하였다. 이어서, 전하 공급층(10)으로서 TmPyPhB에 Li를 몰비 1:0.3으로 도핑한 층을 두께 10nm로 형성하고, 또한 산화 몰리브덴층을 두께 10nm로 형성하였다. 또한, 정공 수송층(8)으로서 α-NPD를 두께 110nm로 하고, 제2 발광층(3)으로서 이하의 화학식 2에 나타낸 TBADN에 이하의 화학식 4에 나타낸 TBP를 도핑한 층을 두께 30nm로 하며, 전하 수송층(9)으로서 TpPyPhB를 두께 50nm로 성막하고, 또한 전하 주입층로서 LiF를 두께 1nm로 하고, 음극으로서 Al를 두께 80nm로 성막하여, 2개의 발광층(3)을 가지는 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 3)
실시예 4와 같은 조건 하에서, 기판(6) 상에 영역(7), 전극(1), 정공 수송층(8), 발광층(3), 전하 수송층(9), 전하 공급층(10), 및 산화 몰리브덴층을 순차적으로 형성하였다. 다음에, 정공 수송층(8)으로서 α-NPD를 두께 200nm로 성막하였다. 다음에, 실시예 4와 같은 조건 하에서, 제2 발광층(3)을 형성한 후, 전하 수송층(9)으로서 TpPyPhB를 두께 150nm로 성막하였다. 또한, 실시예 4와 같은 조건 하에서 전하 주입층 및 음극을 형성하여, 2개의 발광층(3)을 가지는 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 5)
전자 수송층(9)으로서 TmPyPhB를 두께 70nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 4)
전하 수송층(9)으로서 TmPyPhB를 두께 170nm에 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 6)
전하 수송층(9)으로서 TmPyPhB를 두께 230nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 5)
전하 수송층(9)으로서 TmPyPhB를 두께 345nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 7)
전하 수송층(9)으로서 DPB를 두께 85nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 6)
전하 수송층(9)으로서 DPB를 두께 185nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(실시예 8)
전하 수송층(9)으로서 DPB를 두께 275nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
(비교예 7)
전하 수송층(9)으로서 DPB를 두께 380nm로 성막한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 조건 하에서 유기 전계 발광 소자를 얻었다.
<발광층(3)의 발광 재료의 광 발광 스펙트럼>
(1) 루브렌(rubrene)
호스트로서 사용하는 Alq3에 발광 불순물로서 사용하는 루브렌을 6 질량%로 도핑한 공증착 막(co-deposited film)을 유리 기판상에 증착하고, 광 발광 스펙트럼을 계측한 결과, 그 최대값을 취하는 파장은 559nm였다.
또한, 분광 방사 플럭스와 CIE 표준 비시감도의 곱이 최대값을 나타낸 파장 λ1은 559nm이고, 분광 방사 플럭스를 각 파장에서의 광자 에너지로 나눈 몫이 최대값을 나타낸 파장 λ2는 561nm였다.
(2) TBP
호스트로서 사용하는 TBADN에 발광 불순물로서 사용하는 TBP를 4 질량% 도핑한 공증착 막을 유리 기판상에 증착하고, 루브렌의 경우와 마찬가지로 광 발광 스펙트럼을 측정한 결과, 최대값을 취하는 파장 λ1은 462nm이고, 분광 방사 플럭스와 CIE 표준 비시감도와의 곱이 최대값을 나타낸 파장은 504nm이며, 분광 방사 플럭스를 각 파장에서의 광자 에너지로 나눈 몫이 최대값을 나타낸 파장 λ2는 464nm였다.
<재료의 굴절률, 소광 계수 및 위상 시프트>
각각의 실시예와 비교예에서 유기 전계 발광 소자를 제작하기 위해 사용한 재료에 관하여, 루브렌, TBP의 파장 λ1 및 λ2의 굴절률 및 소광 계수 등을 아래 표에 나타낸다. 루브렌의 파장 λ1 및 λ2에 대해서는 표 1에 나타내고, TBP의 파장 λ1 및 λ2에 대해서는 표 2에 나타내고 있다.
이 경우, 전자 수송 재료로 사용되는 TpPyPhB에 대해서는 각 파장에서의 굴절률 n과 소광 계수 k의 값을 나타내고, 다른 재료(α-NPD, Alq3, TBADN, MoO3)에 대해서는 굴절률 n의 값을 나타낸다. 또한, Alq3에는 불순물로서 루브렌을 6 질량% 도핑하고, TBADN에는 불순물로서 TBP를 4 질량% 도핑되어 있다. 그러나, 이들 불순물은 Alq3 및 TBADN에 대해 적은 양이기 때문에, 각 층의 광학 특성은 각각 Alq3 및 TBADN 단독의 층의 값을 사용하였다. 또한, 전하 공급층으로서 사용한 TpPyPhB에 Li를 도핑한 층의 굴절률은 단일의 TpPyPhB의 층의 굴절률과 동일하게 하였다.
(평가 시험)
각각의 실시예 및 비교예에 의해 얻어진 유기 전계 발광 소자에서, 전극 간에 전류 밀도가 10mA/cm2이 되도록 전류를 흘려, 출사 광을 적분 구에 의해 계측하였다.
이 계측 결과에 기초하여, 광속의 전류 효율(단위: lm/A)을 산출한 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 표 3에는, 각 유기 전계 발광 소자에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이의 광학 거리 nd, 파장 λ1, 파장 λ1에서의 위상 시프트 φ, 광학 거리 nd와 위상 시프트 φ에 기초하여 식 1로부터 계산되는 값 a, 및 식 1을 만족시키기 위한 a의 범위를 나타낸다. 그리고, 광학 거리 nd에 대해서는, 본 실시예 및 비교예에서, 발광층(3)의 정공 수송층(8)과 접하는 부위를 발광 점으로 간주할 수 있으므로, 발광층(3)의 굴절률과 그 막 두께의 곱 및 전자 수송층(9)의 굴절률과 그 막 두께의 곱의 합으로 나타내고 있다.
또한, 이러한 계측 결과에 기초하여, 광자 수에 비례하는 출사 광의 양자 효율을 도출하고, 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 표 4에는, 각 유기 전계 발광 소자에서의 발광 점과 광 반사성의 전극(2) 사이의 광학 거리 nd, 파장 λ2, 파장 λ2에서의 위상 시프트 φ, 광학 거리 nd와 위상 시프트 φ에 기초하여 식 2로부터 계산되는 값 a, 및 식 2를 만족시키기 위한 a의 범위를 나타낸다. 그리고, 광학 거리 nd에 대해서는, 본 실시예 및 비교예에서, 발광층(3)의 정공 수송층(8)과 접하는 부위가 발광 점으로 간주하는 것이 가능하므로, 발광층(3)의 굴절률과 그 막 두께의 곱 및 전자 수송층(9)의 굴절률과 그 막 두께의 곱의 합으로 나타내고 있다.
Claims (4)
- 유기 전계 발광 소자에 있어서,
발광 재료를 포함하는 발광층(light emission layer)을 구비하며, 제1 면 및 상기 제1 면의 반대 쪽에 위치하는 제2 면을 갖는 유기 발광층(organic light emission layer);
상기 제1 면 상에 배치되는 광 반사성 전극(light reflective electrode);
상기 제2 면 상에 배치되는 투광성 전극(light transmissive electrode);
상기 투광성 전극 상에 배치되는 광 산란층(light scattering layer); 및
상기 광 산란층 상에 배치되는 투광성 기판(light transmissive substrate)
을 포함하며,
상기 광 반사성 전극은 상기 발광층의 발광 점(luminous point)으로부터 거리 d만큼 떨어져 있으며, 상기 거리 d는 아래의 식
으로 규정되고,
상기 식에서,이며,
λ는 상기 발광층으로부터 방사되는 특정의 광(predetermined light)이 가지는 파장(wavelength)이며, n은 상기 발광층에서의 발광 점과 상기 광 반사성의 전극 사이에 위치하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률(refractive index)이며, n1은 상기 발광층에서의 발광 점과 상기 광 반사성의 전극 사이에 위치하고 상기 광 반사성의 전극에 접하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이며, k1은 상기 발광층에서의 발광 점과 상기 광 반사성의 전극 사이에 위치하고 상기 광 반사성의 전극에 접하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 소광 계수(extinction coefficient)이며, n2는 상기 광 반사성의 전극의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이며, k2는 상기 광 반사성의 전극의 파장 λ를 가지는 광의 소광 계수이며, m은 0 또는 1이며, a는 m이 0인 경우에는 다음의 식
을 만족시키고, m이 1인 경우에는 a는 다음의 식
을 만족시키고,
norg는 상기 발광층에 상기 광 반사성의 전극 측에서 접하는 층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률이며, nEML는 상기 발광층의 파장 λ를 가지는 광의 굴절률인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 파장 λ는 상기 특정의 광의 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스(spectral radiant flux)와 CIE 표준 비시감도(standard luminosity factor)의 곱이 최대로 되는 조건을 만족시키는 광의 파장인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 파장 λ는 상기 특정의 광의 광 발광 스펙트럼의 분광 방사 플럭스를 각 파장에서의 광자 에너지로 나눈 몫이 최대로 되는 조건을 만족시키는 광의 파장인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유기 발광층은 2개의 발광층을 포함하며, 상기 발광층의 각각의 발광 점과 상기 제1 전극 사이의 거리는 상기 거리 d로 정의되는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
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