KR20130071414A - 유기 일렉트로 루미네선스 소자 및 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
투광성 기판 (2) 에 투명 전극 (4) 과 유기 발광층 (5) 과 대향 전극 (6) 이 형성된 유기 EL 소자 (1) 로서, 투명 전극 (4) 에 인접하는 고굴절률층 (31) 및 투광성 기판 (2) 에 인접하는 저굴절률층 (32) 이 적층되는 광취출층 (3) 은, 그 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면에 볼록부 (311) 및 오목부 (312) 로 구성되는 복수의 요철부 유닛 (31A) 을 갖고, 복수의 요철부 유닛 (31A) 중 적어도 1 개에 있어서의 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면으로부터 투명 전극 (4) 과 고굴절률층 (31) 의 계면까지의 거리 d1 이 광학 가간섭 거리 이상이고, 또한, 볼록부 (311) 의 높이 d2, 볼록부 (311) 의 폭 d3, 및 볼록부 (311) 와 오목부 (312) 를 개재하여 인접하는 볼록부 (311) 의 간격 d4 가 1 ㎛ 이상이다.
Description
본 발명은 유기 일렉트로 루미네선스 소자 및 조명 장치에 관한 것이다.
양극과 음극 사이에 발광층을 포함하는 유기 박막층을 구비하고, 양극으로부터 발광층에 주입된 정공과 음극으로부터 발광층에 주입된 전자가 유기 박막층에서 재결합하고, 그 재결합에 의해 발생하는 여기자 (엑시톤) 에너지에 의해 발광을 얻는 유기 일렉트로 루미네선스 소자가 알려져 있다.
유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서는, 자발광형 소자로서의 이점을 살려 발광 효율, 화질, 소비 전력, 또한 박형의 디자인성이 우수한 발광 소자로서 기대되고 있다.
유기 일렉트로 루미네선스 소자의 광학 설계에 있어서, 발광 효율을 향상시키기 위해 광학 간섭 거리가 조정되고 있다. 정공 수송층 등의 유기층의 막두께를 조정함으로써, 실효적인 발광 효율의 향상이나 발광 스펙트럼의 변조가 가능하여, 소자 설계에 있어서 불가결한 수법이 되었다.
그러나, 광학 간섭 거리의 조정만으로는 소자 내부에 갇힌 광을 취출할 수는 없다. 그래서, 소자 내부에 갇힌 광을 효율적으로 취출하여, 비약적으로 발광 효율을 향상시키기 위한 구조를 구비한 소자가 제안되어 있다.
유기 박막층을 지지하는 투광성의 지지 기체 (투광체) 가 위치하는 방향으로 광을 취출하는 소자 구성에 있어서의 광의 손실은, 주로 다음과 같은 모드로 분류된다.
(ⅰ) 투광체와 공기의 계면에서의 전반사에 의해, 투광체 내에 갇히는 광의 모드 (기판 모드)
(ⅱ) 투명 전극과 투광체의 계면에서의 전반사에 의해, 투명 전극 및 유기층 내에 갇히는 광의 모드 (박막 모드)
(ⅲ) 금속 전극에 표면 플라즈몬으로서 흡수되는 광의 모드 (표면 플라즈몬 모드)
이들 손실 모드는, 유기 발광층 중에 있어서의 전체 발광 에너지량에 대해, 발광 분자가 존재하는 상태에 따라 수 10 ％ 내지 100 ％ 가까이 이른다. 그러므로, 이들 손실 모드를 어떻게 하여 외부로 취출할지가, 고효율로 발광하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 개발에 필요해진다.
상기 기판 모드, 박막 모드 및 표면 플라즈몬 모드에서 기인하는 광의 갇힘은, 모두 발광층에서 방사된 광이 에바네센트광으로서 소자 내부에 갇히는 것에 의한 것이다.
소자 내부에 에바네센트광으로서 갇힌 광을 취출하는 구체적인 수법으로서 여러 가지 방법이 보고되어 있다.
기판 모드의 광을 취출하는 수법으로서는, 투광성 지지 기체 표면에 광산란 미립자나 마이크로 렌즈 등의 요철 구조를 형성하는 수법이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에서는, 전극, 일렉트로 루미네선스층, 및 투광체가 이 순서로 배치되고, 또한 투광체의 광취출면측에 광산란 기능을 갖는 층이 형성되어 있다. 투광체와 공기의 계면에 광산란 미립자를 배치함으로써, 기판 모드로부터의 광취출을 실시하고 있다. 또한, 실시형태로서 광의 방향을 변화시켜 전반사를 억제하는 산란층 등의 구조를 투광체 내부에 구비한 소자 구성도 제안되어 있다.
박막 모드의 광을 취출하는 수법으로서는, 투광성 기체와 투명 전극층 사이에 광산란층을 구비한 소자 구조가 제안되어 있다. 광산란층은, 입경이 수 10 ㎚ 내지 수 10 ㎛ 정도인 티타니아 등의 고굴절률 미립자를 바인더 수지 중에 분산시킨 것이나, 다공질성의 실리카층, 또는 여러가지 광산란성의 신규성 재료가 사용되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 2 에 있어서는, 전극, 일렉트로 루미네선스층, 고굴절률 투명 전극층 및 투광체가 이 순서로 배치되고, 또한, 고굴절률 투명 전극층 및 투광체의 각각 광취출면측에, 침출 광확산층이 형성되어 있다. 침출 광확산층은, 저굴절 재료로 이루어지는 매트릭스 중에 광을 산란시키는 입자를 함유시킨 층으로서, 에바네센트광을 산란시키는 기능을 갖고, 박막 모드의 광취출을 실시한다. 여기에서, 광산란 기능이란, 발광 광선을 Mie 산란에 의해 다중 산란시키는 것으로서, 유기 박막층 내부에 진행되는 도파광을 광취출 방향으로 산란시키는 것으로 되어 있다. 또한, 특허문헌 2 에서 사용되고 있는 수법으로는, 특히, 광취출층과 투명 전극의 계면의 평탄성이 나빠 투명 전극을 성막할 때 문제가 되기 때문에, 보다 신뢰성이 높고 광취출 효율이 높은 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 제조하기 위한 수법이 요구되고 있다.
또한, 특허문헌 3 에서는, 마이크로 렌즈 등의 요철 구조를 투광성 전극 및 투광성 기판 사이에 형성함으로써 광의 전반사를 억제하는 수법이 제안되어 있다.
또한, 서브 미크론 정도의 미세한 주기 구조를 갖는 회절 격자나 포토닉 결정을 구비함으로써 광의 분산 관계 (에너지·파수의 관계) 를 제어하고, 광취출 효율을 향상시키는 수법도 활발히 연구되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 4 또는 특허문헌 5 에서는, 투광성의 기판과 제 1 전극 사이에 서브 미크론 정도의 주기성을 갖는 회절 격자부를 구비한 유기 일렉트로 루미네선스 소자가 제안되어 있다. 이들 유기 일렉트로 루미네선스 소자에서는, 회절 격자를 구비함으로써 에바네센트광이 되어 갇혀 있는 광 (박막 모드의 광) 을 취출할 수 있게 된다.
그러나, 특허문헌 1 내지 특허문헌 5 에 기재된 기술로도 충분히 광취출 효율을 높일 수 없다는 문제가 있었다.
그 중에서도, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 수법으로는, 투명 전극 및 유기층 중에 갇혀 있는 박막 모드나 표면 플라즈몬 모드의 광을 효과적으로 취출할 수 없었다.
또한, 특허문헌 4 나 특허문헌 5 에 기재된 기술은, 서브 미크론 정도의 주기성을 갖는 회절 격자에 의해 백색광이 분광되어, 특히, 조명 장치의 광원으로서 사용하는 발광 소자에 적합하지 않다는 문제도 있었다.
본 발명의 목적은, 광취출 효율이 높아, 조명 장치용 광원에 적합한 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 제공하는 것이다. 특히, 박막 모드나 표면 플라즈몬 모드의 광학적 손실을 조정하고, 또한 박막 모드로부터의 광을 효과적으로 취출하여 외부 양자 효율을 향상시킴과 함께, 회절성이 작은 양호한 백색 발광을 얻을 수 있는 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 당해 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 구비한 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 유기 일렉트로 루미네선스 소자 내에 갇히는 발광층으로부터 발생한 광을 효율적으로 취출하는 방책을 예의 검토한 결과, 투명 전극과 투명 기판의 계면에 소정의 요철 형상을 개재시킴으로써, 당해 계면에 있어서의 전반사를 억제하여, 전반사에 의해 발생하는 에바네센트광을 소자 외부로 효율적으로 취출할 수 있는 것을 알아내었다. 본 발명은 이와 같은 지견에 기초하여 이루어진 것이다.
본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자는, 투명 전극과, 대향 전극과, 이들 투명 전극 및 대향 전극 사이에 형성되는 유기 발광층과, 투광성 기판을 구비한 유기 일렉트로 루미네선스 소자로서, 상기 투명 전극에는, 상기 유기 발광층과 대향하는 면과는 반대의 면에 광취출층이 인접하여 형성되고, 이 광취출층은, 상기 투명 전극측에서 순서대로 적층되는 고굴절률층 및 저굴절률층을 구비하고, 상기 투광성 기판은, 상기 저굴절률층에 인접하여 형성되고, 상기 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향 단면을 상기 대향 전극에 대해 상기 광취출층을 위로 하여 보았을 때에, 상기 고굴절률층은, 당해 고굴절률층과 상기 저굴절률층의 계면에, 볼록부 및 오목부로 구성되는 복수의 요철부 유닛을 갖고, 상기 복수의 요철부 유닛 중 적어도 1 개의 요철부 유닛에 있어서의 상기 고굴절률층과 상기 저굴절률층의 계면으로부터 상기 투명 전극과 상기 고굴절률층의 계면까지의 거리 d1 이 광학 가 (可) 간섭 거리 이상이고, 또한, 상기 볼록부의 높이 d2, 상기 볼록부의 폭 d3, 및 상기 볼록부와 상기 오목부를 개재하여 인접하는 다른 볼록부의 간격 d4 가 1 ㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 투광성 기판측으로부터 광이 취출되는 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 광학 가간섭 거리 이상의 막두께의 고굴절률층을 투명 전극 및 투광성 기판 사이에 형성함으로써 표면 플라즈몬 모드에 결합하는 비율이 감소하고, 박막 모드에 대한 결합 효율이 높아진다. 종래 기술에서는, 당해 고굴절률층을 당해 위치에 형성하는 것이 고려되어 있지 않기 때문에, 표면 플라즈몬 모드에 결합하는 비율이 커, 광취출 구조의 효과는 한정적이었다.
본 발명의 구성에서는, 결합 효율이 높아진 박막 모드로부터 광을 취출하기 위해 고굴절률 재료 및 저굴절률 재료에 의해 구성되는 요철 구조를 구비함으로써 광취출 효율이 효과적으로 개선된다. 즉, 투명 전극측에서 순서대로 고굴절률층 및 저굴절률층이 적층되는 광취출층이 투명 전극에 인접하여 형성되고, 상기 요철부 유닛이 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 형성되어 있기 때문에, 박막 모드의 광 중, 임계각 이상의 각도로 고굴절률층에 입사되는 광이 당해 계면에서 전반사되지 않고, 저굴절률층까지 투과되어, 최종적으로 투광성 기판을 거쳐, 외부로 광이 취출된다.
따라서, 유기 발광층에서 발생한 방사광의 취출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 볼록부의 높이 d2, 폭 d3, 및 볼록부끼리의 간격 d4 가, 가시광 영역에 있어서의 파장보다 충분히 크기 때문에, 서브 미크론 정도의 주기성 및 돌출 높이를 갖는 회절 격자와 같이 백색광이 분광되기 어렵다. 그 때문에, 본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자는, 회절성이 작은 양호한 백색 발광을 얻을 수 있어 조명 장치의 광원에 적합하다. 종래 기술에서는, 서브 미크론 정도의 요철 구조를 채용했기 때문에, 광취출과 동시에 회절된다. 또한 종래 기술을 이용하여 백색 발광을 취출하려고 하면, 백색광 중 일부 파장의 광만 광취출 효율이 높아지는 데다, 방사 각도에 따라 광취출 효율이 변화되기 때문에, 색조가 발광 소자를 보는 각도에 의해 변화하는 등, 문제가 된다. 상기한 바와 같이 본 발명은 백색과 같이 여러 가지 발광 파장을 포함하는 방사광에 대해서도 상기한 문제가 현저해지지 않고, 광취출 효율이 향상되는 것이다.
본 발명에 있어서, 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 기판 두께 방향에서 단면에서 본 경우의 단면 위치에 대하여 설명한다. 본 발명에서는, 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 평면에서 보았을 때에, 적어도 2 개의 인접하는 요철부 유닛을 통과하는 단면 자름선을 따라 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 잘라 얻어지는 단면을 본다. 그리고, 이 단면 자름선의 방향 및 위치 조건은, 여러 가지 설정할 수 있는 것이지만, 본 발명에서는, 적어도 일 방향 및 위치 조건으로 단면을 잘랐을 때에, 상기한 바와 같은 광학 가간섭 거리에 의해 규정되는 광취출층 및 요철부 유닛의 치수를 만족하고 있으면 된다.
다음으로, 광학 가간섭 거리의 조정에 대하여 설명한다. 광학 간섭 거리의 조정은 소자 설계에 있어서 일반적으로 실시되고 있는 수법이지만, 근접장 광 영역의 현상이나 쌍극자 방사 이론에까지 되돌아와 소자의 발광 특성을 생각했을 때에, 지금까지 제안된 광취출 구조의 상당수는 소자 내의 발광 기구와는 별도로 구비된 것으로 보는 것이 다수였다.
소자 내부에 광취출 기능을 갖는 층이 삽입되면, 소자가 본래 갖는 광학 모드에 변화가 생기기 때문에, 광학 모드의 변화를 고려하지 않고 최적인 광학 소자의 설계를 할 수는 없다. 그래서, 쌍극자 방사가 어떻게 하여 박막 모드나 표면 플라즈몬 모드에 결합하는지를 해석하여, 본 발명에서는, 표면 플라즈몬 모드에 대한 결합 효율을 저하시키는 상기 광취출 구조를 구비함으로써 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 표면 플라즈몬 모드에 대한 결합이 억제됨으로써, 주로 박막 모드에 대한 결합 효율이 향상되기 때문에, 박막 모드로부터의 광취출 효율을 향상시키는 상기 광취출 구조를 구비함으로써 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 비회절성의 주기 구조로 구축된 상기 광취출 구조를 구비함으로써, 조명 장치에 있어서 유기 발광층에서 발생한 방사광이 분광되지 않고 외부로 취출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 있어서, 광학 가간섭 거리는, (광학 가간섭 거리)=λ2/｛nH(Δλ)｝로 규정된다. 여기에서, λ 는 유기 발광층에서 발생한 방사광의 발광 스펙트럼의 피크 파장이고, Δλ 은 발광 스펙트럼의 반값폭이다. 또, nH 는 고굴절률층의 굴절률이다.
또한, 비회절성의 주기 구조를 갖는 본 발명에 있어서의 볼록부의 높이 d2, 폭 d3, 및 볼록부끼리의 간격 d4 는, 가시광 영역에 있어서의 파장보다 충분히 클 필요가 있기 때문에, 통상적으로 1 ㎛ 이상을 필요로 한다. 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 20 ㎛ 이상이다. 또한, 박막 모드로부터의 광취출을 효율적으로 실시하는 의미에서는, 볼록부의 높이 d2, 폭 d3, 및 볼록부끼리의 간격 d4 는 1 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
＜포토닉 모드 밀도 (Photonic mode density) 의 해석에 의한 소자 설계＞
여기에서, 쌍극자 방사가 어떻게 하여 박막 모드나 표면 플라즈몬 모드에 결합하는지를, 포토닉 모드 밀도의 해석 결과에 기초하여 설명한다. 쌍극자 방사 이론의 상세 내용은 참고 문헌 (Adv.Chem.Phys.37 (1973) pp.1-65) 에 기재되어 있다.
(소자 구성 A1)
도 1 에, 소자 구성 A1 로서 전형적인 보텀 이미션형 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (100) 의 구성을 나타낸다. 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (100) 는, 유리로 이루어지는 투광성 기판 (110), ITO (Indium Tin Oxide) 로 이루어지는 투광성 전극 (120), 유기층 (130), Ag (은) 으로 이루어지는 대향 전극 (140) 을 순서대로 구비한 소자 구성으로 되어 있다. 또한, 유기층 (130) 은, 투광성 전극 (120) 측에서, 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 및 전자 수송층을 순서대로 구비한 구성으로 되어 있다 (유기층 (130) 의 층 구성은 도시 생략). 도 1 의 유기층 (130) 에는, 정공 및 전자가 재결합하는 재결합 영역 (S1) 을 일점 쇄선으로 나타내고, 유기층 (130) 내의 발광층에서 발생한 방사광의 재결합 영역 (S1) 으로부터의 광로를 화살표로 나타내었다. 또, 투광성 전극 (120) 의 두께 (Lc1) 는, 광학 가간섭 거리 미만이다.
이 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (100) 에 있어서, 유기층 (130) 내의 발광 분자를 전기 쌍극자 모멘트로 한 경우의 쌍극자 방사 에너지의 파수 전개 형식을 계산하여, 그 결과에 기초하여, 발광 분자가 랜덤하게 배향되어 있는 경우에 있어서의 각 모드에 대한 결합 효율을 어림잡았다. 결합 효율을 표 1 에 나타낸다.
(소자 구성 A2)
도 2 에, 소자 구성 A2 로서 막두께가 큰 고굴절률층을 갖는 보텀 이미션형 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (200) 의 구성을 나타낸다. 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (200) 는, 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (100) 의 투광성 기판 (110) 과 투광성 전극 (120) 사이에 광학 가간섭 거리보다 충분히 두꺼운 막두께의 고굴절률층 (210) 을 구비한 구성으로 되어 있고, 그 이외에는, 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (100) 와 공통이다. 도 2 의 유기층 (130) 에는, 정공 및 전자가 재결합하는 재결합 영역 (S2) 을 일점 쇄선으로 나타내고, 유기층 (130) 내의 발광층에서 발생한 방사광의 재결합 영역 (S2) 으로부터의 광로를 화살표로 나타내었다. 또한, 투광성 전극 (120) 및 고굴절률층 (210) 의 합계 두께 (Lc2) 는, 광학 가간섭 거리 이상이다.
여기에서, 고굴절률층 (210) 의 굴절률은, 투광성 기판 (110) 의 굴절률보다 크고, 유기층 (130) 의 굴절률 이하이다. 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (200) 는, 광학적으로 충분히 두꺼워, 가간섭 거리 이상의 막두께의 고굴절률층 (210) 을 구비함으로써, 전기 쌍극자 모멘트의 진동은, 투광성 기판 (110) 과 고굴절률층 (210) 의 계면으로부터 받는 전기장 및 자기장의 반사 영향이 저하된다. 즉, 소자 구성 A2 와 같은 광학 배치를 구비한 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (200) 에서는, 반사광에 의한 섭동의 영향이 작다. 한편, 소자 구성 A1 의 광학 배치에서는, 전기 쌍극자 모멘트의 진동은 반사광에 의한 섭동을 받는다. 그러므로, 소자 구성 A2 의 광학 배치는, 발광층, 투광성 전극 및 고굴절률층을 합한 반무한 영역 (S3) 으로서, 도 3 과 같이 근사할 수 있다. 도 3 에 있어서, 화살표는, 재결합 영역 (S2) 에 있어서의 쌍극자 방사의 수평 방향 및 수직 방향을 나타낸다.
도 3 에 나타내는 광학 배치에 대하여, 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (100) 의 경우와 마찬가지로, 발광층 (130) 중의 발광 분자를 전기 쌍극자 모멘트로 한 경우의 쌍극자 방사 에너지의 파수 전개 형식을 계산하였다. 그리고, 이 계산 결과에 기초하여, 발광 분자가 랜덤하게 배향되어 있는 경우에 있어서 각 모드에 대한 결합 효율을 어림잡았다. 결합 효율을 표 1 에 나타낸다.
표 1 에 나타나 있는 바와 같이 소자 구성 A2 에서는, 표면 플라즈몬 모드 (SPPs 모드：Surface plasmon Polaritons mode) 에 대한 결합 효율이 저하되는 한편, 박막 모드 등의 다른 모드에 결합하는 것을 알 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 모드란, 금속 전극측에 발광 에너지가 흡수되는 현상이다. 그러므로 표면 플라즈몬 모드로부터 광을 취출하는 것은, 다른 광학 모드로부터 취출되는 것에 비해 매우 곤란하다.
이와 같이 투광성 기판 (110) 과 투광성 전극 (120) 사이에 고굴절률층 (210) 을 구비한 소자 구성 A2 로 함으로써, 표면 플라즈몬 모드에 대한 결합이 저하되고, 박막 모드에 대한 결합 효율이 높아진다. 또한, 본 발명과 같이 고굴절률층과 투광성 기판 사이에 저굴절률층을 형성하고, 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 볼록부 및 오목부로 구성되는 복수의 요철부 유닛을 형성함으로써, 결합 효율이 높아진 당해 박막 모드의 광을 효율적으로 취출할 수 있어, 결과적으로 외부 양자 효율이 향상된다.
본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 투명 전극의 굴절률 n1, 상기 저굴절률층의 굴절률 nL, 상기 고굴절률층의 굴절률 nH, 및 상기 투광성 기판의 굴절률 n2 가 다음의 관계식 (1), (2), (3) 을 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 굴절률 n1, nL, nH, 및 n2 는, 파장 550 ㎚ 일 때의 값을 나타낸다.
[수학식 1］
｜n1-nH｜ ＜ 0.2 (1)
｜n2-nL｜ ＜ 0.2 (2)
nH ＞ nL (3)
본 발명에 의하면, 당해 관계식 (1) ∼ (3) 으로 규정되는 굴절률의 관계를 갖기 때문에, 박막 모드의 광이 광취출층의 고굴절률층과 저굴절률층의 계면까지 효율적으로 유도된다. 또한, 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 있어서의 광의 전반사가 억제된다.
상기 투명 전극 및 상기 고굴절률층의 굴절률은, 동일한 정도인 것이 바람직하고, 마찬가지로 상기 투광성 기판 및 상기 저굴절률층의 굴절률은, 동일한 정도인 것이 바람직하다. 이들의 차이가 0.2 를 초과하면, 계면에서 반사율이 높아져 손실 모드가 현저하게 증가하는 요인이 된다.
따라서, 상기 관계식 (1) ∼ (3) 을 만족함으로써 유기 발광층에서 발생한 방사광의 취출 효율을 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 볼록부의 높이 d2 와, 상기 볼록부의 폭 d3 은, 2.0 ＞ d2/d3 ＞0.2 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 있는 요철부 유닛까지 투과한 광을 더욱 효율적으로 저굴절률층까지 투과시킬 수 있기 때문에, 광취출 효율을 더욱 높게 할 수 있다. d2/d3 이 2.0 보다 커져 어스펙트비가 커지면, 조밀 구조를 취했을 때에 볼록부 측가장자리에서 굴절된 광이 인접하는 볼록부에 다시 입사되는 비율이 높아져, 다중 반사 등이 일어나, 광취출 효율의 저하를 초래할 우려가 있다. 균일한 면발광을 얻기 위해서는 조밀 구조 혹은 그에 준하는 충전율을 취하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 볼록부의 높이 방향을 따른 측가장자리는, 상기 유기 발광층으로부터 발생한 광의 취출 방향에 대해 35 도 이하로 경사져 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에서 전반사하는 광을 효율적으로 취출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 고굴절률층의 볼록부의 측가장자리는, 상기 유기 발광층으로부터 발생한 광의 취출 방향을 따른 형상을 갖는 것이 바람직하다.
추가하여, 본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 고굴절률층의 볼록부 상가장자리는, 상기 유기 발광층으로부터 발생한 광의 취출 방향에 직교하는 방향을 따른 형상을 갖는 것이 바람직하다.
이들 발명에 의하면, 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 있는 요철부 유닛까지 투과한 광을 더욱 효율적으로 저굴절률층까지 투과시킬 수 있기 때문에, 광취출 효율을 더욱 높게 할 수 있다. 또한, 광의 취출 방향에 따라 고굴절률층의 볼록부 측가장자리가 형성되어 있을 때에는, 상기한 경사 각도는 0 도가 된다.
본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 광학 가간섭 거리가 3 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 발광 피크의 반값폭이 넓은 광에 대해서도 박막 모드에 대한 결합 효율을 효율적으로 높일 수 있다.
본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서,
상기 볼록부의 높이 d2, 상기 볼록부의 폭 d3, 및 상기 볼록부와 상기 오목부를 개재하여 인접하는 다른 볼록부의 간격 d4 가 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.
d2 가 광학 가간섭 거리 이하인 경우, d3, 및 d4 가 광학 가간섭 거리 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 백색광이 회절되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 유기 일렉트로 루미네선스 소자에 있어서, 상기 대향 전극과 상기 유기 발광층 사이에는, 막두께가 70 ㎚ 이상인 전자 수송 대역이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전자 수송 대역의 막두께가 70 ㎚ 이상이므로, 유기 발광층 내의 수평 방향으로 배향된 발광 분자의 쌍극자 방사의 표면 플라즈몬 모드에 대한 결합 효율이 저하되고, 기판 모드, 박막 모드, 및 발광 모드에 대한 결합 효율이 더욱 높아진다. 그리고, 상기 광취출층에 의해 박막 모드의 광이 효율적으로 취출되기 때문에, 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 외부 양자 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 조명 장치는, 본 발명에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 구비한다.
본 발명에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자는, 높은 광취출 효율을 갖기 때문에, 휘도가 높은 조명 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은 보텀 이미션형 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 소자 구성을 나타내는 소자 두께 방향의 단면도.
도 2 는 보텀 이미션형 유기 일렉트로 루미네선스 소자로서, 고굴절률층을 구비한 경우의 소자 구성을 나타내는 소자 두께 방향의 단면도.
도 3 은 도 2 의 소자 구성에 있어서, 광학 배치를 근사한 경우의 일부 단면도.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 5a 는 상기 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 고굴절률층을 투광성 기판측으로부터 평면에서 본 도면으로서, 볼록부 및 오목부의 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 5b 는 도 5a 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 5c 는 도 5a 및 도 5b 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 6 은 상기 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 대하여 도 4 와 동일한 방향에서 단면에서 보아 일부 확대한 도면.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 8 은 수평 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사의 포토닉 모드 밀도 해석 결과를 나타내는 도면.
도 9 는 수직 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사의 포토닉 모드 밀도 해석 결과를 나타내는 도면.
도 10 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 11a 는 본 발명의 변형예에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 고굴절률층을 투광성 기판측으로부터 평면에서 본 도면으로서, 볼록부 및 오목부의 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 11b 는 도 11a 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 11c 는 도 11a 및 도 11b 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 12 는 본 발명의 다른 변형예에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 13 은 본 발명의 또 다른 변형예에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 14a 는 유기 일렉트로 루미네선스 소자로부터의 EL 발광 스펙트럼의 계측 방법을 설명하는 도면.
도 14b 는 도 14a 에 있어서의 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 구조를 나타내는 개략도.
도 15a 는 광취출층 구조로부터의 산란 회절 스펙트럼의 계측 방법을 설명하는 도면.
도 15b 는 도 15a 에 있어서의 광취출층 구조를 나타내는 개략도.
도 16a 는 실시예에 관련된 유기 EL 소자의 방사 형상을 나타내는 도면.
도 16b 는 비교예에 관련된 유기 EL 소자의 방사 형상을 나타내는 도면.
도 2 는 보텀 이미션형 유기 일렉트로 루미네선스 소자로서, 고굴절률층을 구비한 경우의 소자 구성을 나타내는 소자 두께 방향의 단면도.
도 3 은 도 2 의 소자 구성에 있어서, 광학 배치를 근사한 경우의 일부 단면도.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 5a 는 상기 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 고굴절률층을 투광성 기판측으로부터 평면에서 본 도면으로서, 볼록부 및 오목부의 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 5b 는 도 5a 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 5c 는 도 5a 및 도 5b 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 6 은 상기 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 대하여 도 4 와 동일한 방향에서 단면에서 보아 일부 확대한 도면.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 8 은 수평 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사의 포토닉 모드 밀도 해석 결과를 나타내는 도면.
도 9 는 수직 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사의 포토닉 모드 밀도 해석 결과를 나타내는 도면.
도 10 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 11a 는 본 발명의 변형예에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 고굴절률층을 투광성 기판측으로부터 평면에서 본 도면으로서, 볼록부 및 오목부의 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 11b 는 도 11a 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 11c 는 도 11a 및 도 11b 와는 상이한 배치 패턴을 예시하는 도면.
도 12 는 본 발명의 다른 변형예에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 13 은 본 발명의 또 다른 변형예에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향의 단면도.
도 14a 는 유기 일렉트로 루미네선스 소자로부터의 EL 발광 스펙트럼의 계측 방법을 설명하는 도면.
도 14b 는 도 14a 에 있어서의 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 구조를 나타내는 개략도.
도 15a 는 광취출층 구조로부터의 산란 회절 스펙트럼의 계측 방법을 설명하는 도면.
도 15b 는 도 15a 에 있어서의 광취출층 구조를 나타내는 개략도.
도 16a 는 실시예에 관련된 유기 EL 소자의 방사 형상을 나타내는 도면.
도 16b 는 비교예에 관련된 유기 EL 소자의 방사 형상을 나타내는 도면.
＜제 1 실시형태＞
이하, 본 발명의 제 1 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
〔유기 일렉트로 루미네선스 소자〕
도 4 는, 제 1 실시형태에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (이하, 유기 EL 소자라고 한다) 의 두께 방향의 단면도로서, 그 단면의 일부를 확대하여 나타내고 있다.
유기 EL 소자 (1) 는, 투광성 기판 (2) 과 광취출층 (3) 과 투명 전극 (4) 과 유기 발광층 (5) 과 대향 전극 (6) 이 이 순서대로 적층되어 구성된다.
(투광성 기판)
투광성 기판 (2) 은, 광취출층 (3) 과 투명 전극 (4) 과 유기 발광층 (5) 과 대향 전극 (6) 을 지지하기 위한 평활한 판 형상의 부재이다. 유기 EL 소자 (1) 는, 유기 발광층 (5) 에서 발생한 방사광의 광취출 방향이, 투광성 기판 (2) 측이 되는, 이른바 보텀 이미션형 소자이다. 그 때문에, 투광성 기판 (2) 은, 투광성의 부재가 사용되며, 400 ㎚ 내지 700 ㎚ 의 가시 영역의 광의 투과율이 50 ％ 이상인 것이 바람직하다. 구체적으로는 유리판, 폴리머판 등을 들 수 있다. 유리판으로서는, 특히 소다 석회 유리, 바륨·스트론튬 함유 유리, 납 유리, 알루미노규산 유리, 붕규산 유리, 바륨붕규산 유리, 석영 등을 들 수 있다. 또 폴리머판으로서는, 폴리카보네이트계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지, 폴리에테르설파이드계 수지, 폴리설폰계 수지 등을 원료로 하여 사용하여 이루어지는 것을 들 수 있다. 투광성 기판 (2) 의 굴절률 n2 는, 1.4 이상 1.6 이하로 하는 것이 바람직하다.
(광취출층)
광취출층 (3) 은, 유기 발광층 (5) 에서 발생한 방사광을 효율적으로 취출하기 위해 투광성 기판 (2) 및 투명 전극 (4) 사이에 형성된다.
광취출층 (3) 은, 투명 전극 (4) 측에서 순서대로 고굴절률층 (31) 및 저굴절률층 (32) 이 적층되어 구성되고, 저굴절률층 (32) 이 투광성 기판 (2) 에 인접한다. 고굴절률층 (31) 은, 저굴절률층 (32) 보다 높은 굴절률을 갖는다.
또한, 도 4 에 나타내는 바와 같이 고굴절률층 (31) 은, 저굴절률층 (32) 과의 계면에, 볼록부 (311) 및 오목부 (312) 로 구성되는 복수의 요철부 유닛 (31A) 를 갖고 있다. 볼록부 (311) 는, 투명 전극 (4) 측으로부터 투광성 기판 (2) 측을 향하여 대략 원기둥 형상으로 돌출되고, 도 4 에 나타내는 바와 같이 대략 직사각형의 단면 형상을 갖고 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c (이하, 이들을 종합하여 도 5 라고 하는 경우가 있다) 는, 고굴절률층 (31) 의 일부를 투광성 기판 (2) 측으로부터 평면에서 본 도면이고, 저굴절률층 (32) 및 투광성 기판 (2) 에 대해서는, 설명의 편의상, 생략하였다. 도 5 는, 고굴절률층 (31) 의 볼록부 (311) 및 오목부 (312) 의 배치 패턴을 예시하는 것이다. 배치 패턴은, 후술하는 고굴절률층 (31) 및 요철부 유닛 (31A) 의 치수 관계를 만족하는 한, 도 5b 에 나타내는 볼록부 (311) 가 격자 형상으로 배치된 것이거나, 도 5a 에 나타내는 조밀 구조가 되도록 배치된 것이거나, 도 5c 에 나타내는 볼록부 (311) 끼리가 접하도록 배치된 것이어도 되고, 이와 같은 배치에 한정되지 않는다. 또, 볼록부 (311) 와 오목부 (312) 가 반대 관계로 되어 있어도 된다. 즉, 도 5 의 볼록부 (311) 의 위치가 오목부 (312) 가 되어, 고굴절률층 (31) 에 구멍이 형성된 상태여도 된다.
제 1 실시형태에서는, 도 5b 의 배치 패턴으로 고굴절률층 (31) 이 형성되어 있다. 또한, 도 4 는, 도 5b 에 있어서의 Ⅳ-Ⅳ 선으로 단면을 자른 경우로서, 화살표 방향에 따라 본 단면도를 나타내는 것이다.
오목부 (312) 는, 볼록부 (311) 가 다수 배치되어 있음에 따라, 볼록부 (311) 가 배치되어 있지 않은 부분에 형성되게 된다. 그리고, 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이 단면에서 보아 볼록부 (311) 및 오목부 (312) 가 교대로 연속하여 형성되어, 하나의 볼록부 (311) 및 하나의 오목부 (312) 로 요철부 유닛 (31A) 이 구성된다. 저굴절률층 (32) 은, 고굴절률층 (31) 과 적층되어 있기 때문에, 요철부 유닛 (31A) 의 볼록부 (311) 에 대응하는 오목부 (322), 및 오목부 (312) 에 대응하는 볼록부 (321) 를 갖는다.
도 6 은, 광취출층 (3) 의 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 계면에 대하여 도 4 와 동일한 방향에서 단면에서 보아 일부 확대한 도면이다.
본 발명에 있어서, 볼록부 (311) 의 높이 방향을 따른 측가장자리 (볼록부 측가장자리) (311A) 가 유기 EL 소자 (1) 의 광취출 방향 (유기 발광층 (5) 으로부터 투광성 기판 (2) 을 향하는 방향으로서, 투광성 기판 (2) 의 면에 대해 연직 방향) 에 대해 경사지는 각도 θ 는, 35 도 이하인 것이 바람직하다. 볼록부 측가장자리 (311A) 의 당해 경사 각도 θ 를 35 도 이하로 함으로써, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면에 임계각 θc 이상의 각도로 입사되는 광 Rc 를 저굴절률층 (32) 내로 효율적으로 유도할 수 있다.
본 실시형태에서는, 경사 각도 θ 가 대략 0 도이다. 그 때문에, 볼록부 (311) 측가장자리는, 광취출 방향을 따른 형상으로 되어 있다. 또, 볼록부 (311) 의 폭 방향을 따른 상가장자리 (볼록부 상가장자리) (311B) 는, 광취출 방향과 직교하는 방향을 따른 형상으로 되어 있다. 또한, 요철부 유닛 (31A) 의 오목부 (312) 의 하가장자리 (312A) (바꿔 말하면, 저굴절률층 (32) 측에서 보아, 저굴절률층 (32) 의 볼록부의 상가장자리) 나, 광취출 방향과 직교하는 방향을 따른 형상으로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 광취출층 (3) 및 요철부 유닛 (31A) 의 치수가, 광학 가간섭 거리 또는 소정의 값에 의해 규정된다. 먼저, 고굴절률층 (31) 과 투명 전극 (4) 의 계면으로부터, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면까지의 거리 d1 은, 광학 가간섭 거리 이상이다.
또한, 볼록부 (311) 의 높이 d2, 폭 d3, 및 1 개의 요철부 유닛 (31A) 을 구성하는 볼록부 (311) 와 다른 요철부 유닛 (31A) 을 구성하는 볼록부 (311) 의 간격 d4 의 치수는 1 ㎛ 이상이다. 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 20 ㎛ 이상이다. 또한, 박막 모드로부터의 광취출을 효율적으로 실시하는 의미에서는, 볼록부 (311) 의 높이 d2, 및 폭 d3, 및 볼록부 (311) 끼리의 간격 d4 는 1 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 높이 d2 는, 도 4 와 같이 유기 EL 소자 (1) 를 단면에서 보았을 때에, 볼록부 (311) 의 상가장자리를 지나 투광성 기판 (2) 의 면 을 따른 방향의 직선과 오목부 (312) 의 하가장자리를 지나 투광성 기판 (2) 의 면을 따른 방향의 직선의 거리를 나타낸다. 또, 폭 d3 은, 도 4 와 같이 유기 EL 소자 (1) 를 단면에서 보았을 때에, 볼록부 (311) 의 좌우의 볼록부 측가장자리 (311A) 간의 투광성 기판 (2) 의 면을 따른 방향의 거리를 나타낸다. 또한, 간격 d4 는, 도 4 와 같이 유기 EL 소자 (1) 를 단면에서 보았을 때에, 볼록부 (311) 의 좌우 어느 쪽의 볼록부 측가장자리 (311A) 와, 오목부 (312) 를 개재하여 당해 좌우 어느 쪽의 볼록부 측가장자리 (311A) 와 대향하는 다른 볼록부 측가장자리 (311A) 의 투광성 기판 (2) 의 면을 따른 방향의 거리를 나타낸다.
또한, 볼록부 (311) 의 높이 d2 및 폭 d3 은, 2.0 ＞ d2/d3 ＞ 0.2 의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는 이 관계를 만족한다. 보다 바람직하게는 1.0 ＞ d2/d3 ＞ 0.5 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이와 같은 관계를 만족함으로써, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면에 있는 요철부 유닛 (31A) 까지 투과한 광을 더욱 효율적으로 저굴절률층 (32) 까지 투과시킬 수 있기 때문에, 광취출 효율을 더욱 높일 수 있다. d2/d3 이 2.0 보다 커져 어스펙트비가 커지면, 볼록부 측가장자리 (311A) 에서 굴절된 광이 인접하는 볼록부 (311) 에 다시 입사되는 비율이 높아져, 다중 반사 등이 일어나, 광취출 효율의 저하를 초래할 우려가 있다.
또한, 후술하는 바와 같이 유기 발광층 (5) 은, 각각 발광 가능한 유기 발광층이 적층되어 구성되는 경우도 있다. 이 경우에는, 복수의 유기 발광층에서 발생한 방사광의 피크 파장 중, 가장 큰 것을 기준으로 하여 광학 가간섭 거리를 규정하는 것으로 한다. 예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색으로 발광하는 유기 발광층 (5) 을 적층시켜, 이들 발광색을 합성하여 유기 EL 소자로부터 백색광을 출사시키는 경우에는, 적색광의 피크 파장이 가장 크기 때문에, 적색광의 피크 파장에 기초하여 광학 가간섭 거리가 규정된다.
여기에서 본 발명의 광학 가간섭 거리를 구하기 위한 반값폭을 측정함에 있어서는, 적색 발광 분자의 발광 스펙트럼에 의해 규정되는 것으로 한다. 예를 들어 피크 파장이 610 ㎚ 이고 반값폭이 10 ㎚ 일 때에는, 광학 가간섭 거리는 약 20 ㎛ 가 된다. 또한, 연색성이 우수한 조명 장치를 얻기 위해서는, 발광 피크의 반값폭이 큰 발광 분자를 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 발광 피크의 반값폭이 60 ㎚ 일 때에는, 광학 가간섭 거리는 3.5 ㎛ 정도가 된다. 따라서, 본 발명의 고굴절률층 (31) 의 거리 d1 로서 바람직한 범위는 3 ㎛ 이상이다. 또, 실제로 사용되는 조명 패널의 기판의 두께가 1 ㎜ 정도인 점에서, 고굴절률층의 막두께는 1 ㎜ 이하가 바람직하다.
고굴절률층 (31) 을 형성하기 위해서는 예를 들어, 티탄계 메탈록산폴리머 등 무기 산화물을 졸 겔 반응에 의해 성막하는 수법이 있다. 또, 고굴절률을 나타내는 티타니아, 지르코니아 등 무기 산화물 등의 미립자를 범용 수지에 분산시켜 스핀 코트법 등의 도포법에 의해 성막하는 수법이 있다. 또한, 에피술파이드계 수지 재료 등을 들 수 있다.
고굴절률층 (31) 의 굴절률 nH 는, 1.8 이상 2.2 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 고굴절률층 (31) 의 볼록부 (311) 를 구성하는 재료를, 다른 부분을 구성하는 재료와 상이한 것으로 해도 된다. 이 경우, 양자의 굴절률을 동일하게 하거나, 볼록부 (311) 쪽을 낮은 굴절률로 구성하는 것이 바람직하다.
저굴절률층 (32) 을 구성하는 재료로서는, 유리 재료, 폴리머 재료 등을 들 수 있다. 유리 재료로서는, 특히 소다 석회 유리, 바륨·스트론튬 함유 유리, 납 유리, 알루미노규산 유리, 붕규산 유리, 바륨붕규산 유리, 석영 등을 들 수 있다. 또 폴리머 재료로서는, 폴리카보네이트계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지, 폴리에테르설파이드계 수지, 폴리설폰계 수지, 시클로올레핀계 수지 등을 원료로 사용하여 이루어지는 것을 들 수 있다. 저굴절률층 (32) 의 굴절률 nL 은, 1.4 이상 1.6 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 저굴절률층 (32) 의 볼록부 (321) 를 구성하는 재료를, 다른 부분을 구성하는 재료와 상이한 것으로 해도 된다. 이 경우, 양자의 굴절률을 동일하게 하거나, 볼록부 (321) 쪽을 볼록부 (321) 이외의 부분보다 높은 굴절률로 구성하는 것이 바람직하다.
(투명 전극)
투명 전극 (4) 은, 광취출층 (3) 의 고굴절률층 (31) 에 인접하여 형성된다. 본 실시형태에서는, 투명 전극 (4) 이 양극이 되고, 대향 전극 (6) 이 음극이 된다. 또한, 투명 전극 (4) 을 음극으로 하고, 대향 전극 (6) 을 양극으로 해도 된다.
투명 전극 (4) 에는, 공지된 전극 재료가 사용되는데, 예를 들어, ITO (인듐주석 산화물) 나, IZO (등록상표) (산화 인듐아연), ZnO (산화 아연) 등의 투명 전극 재료가 사용된다. 투명 전극 (4) 의 굴절률 n1 은, 1.8 이상 2.2 이하로 하는 것이 바람직하다.
(유기 발광층)
유기 발광층 (5) 은, 투명 전극 (4) 및 대향 전극 (6) 사이에 형성된다.
유기 발광층 (5) 은, 1 층으로 구성해도 되고, 복수 층으로 구성해도 된다. 또, 투명 전극 (4) 및 대향 전극 (6) 과 유기 발광층 (5) 사이에 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 주입층, 전자 수송층, 전하 장벽층 등을 개재시켜도 된다.
유기 발광층 (5) 에는 Alq3 등의 공지된 발광재료가 사용되며, 적색, 녹색, 청색, 황색 등의 단색광을 나타내는 구성의 것이나, 그들의 조합에 의한 발광색, 예를 들어, 백색 발광을 나타내는 구성의 것 등이 사용된다. 또, 발광층을 형성함에 있어서는, 호스트에, 도펀트로서 발광 재료를 도핑하는 도핑법이 알려져 있다. 도핑법으로 형성한 발광층에서는, 호스트에 주입된 전하로부터 효율적으로 여기자를 생성할 수 있다. 그리고, 생성된 여기자의 여기자 에너지를 도펀트로 이동시켜, 도펀트로부터 고효율의 발광을 얻을 수 있다.
본 발명의 유기 EL 소자의 유기 발광층 (5) 에 있어서, 상기 서술한 예시한 화합물 이외에, 종래의 유기 EL 소자에 있어서 사용되는 공지된 것 중에서 임의의 화합물을 선택하여 사용할 수 있다.
(대향 전극)
대향 전극 (6) 은, 유기 발광층 (5) 에 인접하여 형성되고, 공지된 전극 재료가 사용된다.
대향 전극 (6) 은, 바람직하게는 광을 반사시키는 재료로 구성되고, 예를 들어, Al, Cu, Ag, Au 등의 금속이나 합금 등으로 구성된다.
대향 전극 (6) 은, 1 층으로 구성해도 되고, 복수 층으로 구성해도 된다. 광을 반사시키는 재료로 구성되는 층끼리를 적층시켜도 되고, 투명한 도전성 부재로 구성되는 층과 광을 반사시키는 재료로 구성되는 층을 적층시켜도 된다.
(굴절률의 상대적 관계)
유기 EL 소자 (1) 에 있어서, 투광성 기판 (2) 의 굴절률 n2, 고굴절률층 (31) 의 굴절률 nH, 저굴절률층 (32) 의 굴절률 nL 및 투명 전극 (4) 의 굴절률 n1 이, 상기 수학식 (1) ∼ (3) 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 굴절률 n1, nL, nH, 및 n2 는, 파장 550 ㎚ 일 때의 값을 나타낸다.
(유기 EL 소자의 제조 방법)
·저굴절률층의 제조
투광성 기판 (2) 상에 저굴절률층 (32) 을 구성하는 저굴절률 재료를 균일하게 도포한다. 여기에서는, 저굴절 재료로서 열가소성 수지 재료를 사용한다. 다음으로, 제 1 실시형태에 관련된 요철부 유닛 (31A) 이 복수 배치된 패턴에 대응한 요철 형상을 갖는 몰드를 가열하고, 당해 가열된 몰드를 저굴절 재료에 꽉 눌러 연화시켜, 당해 요철 형상을 전사한다 (열 임프린트). 그 후, 몰드 및 저굴절 재료를 실온 정도까지 냉각시켜, 몰드를 탈형하면 저굴절률층 (32) 이 투광성 기판 (2) 상에 형성된다.
·고굴절률층의 제조
투광성 기판 (2) 상의 저굴절률층 (32) 에 대해, 고굴절률층 (31) 을 구성하는 고굴절 재료를 균일하게 도포한다. 여기에서는, 금속 산화물 미립자를 수지 바인더 중에 균일하게 분산시킨 잉크 조성물을 스핀 코팅법에 의해 도포한다. 도포 횟수를 조정함으로써, 저굴절률층 (32) 의 요철 형상의 오목부 내에 고굴절 재료를 충전함과 함께, 고굴절률층 (31) 의 두께 치수 (상기 거리 d1 에 상당) 를 광학 가간섭 거리 이상으로 한다. 그 후, 잉크 조성물을 건조 고화시킴으로써, 고굴절률층 (31) 이 형성된다. 이렇게 하여 광취출층 (3) 이 형성된다.
저굴절률층 (32) 에 몰드 형성된 요철 형상에 대해 당해 잉크 조성물이 도포되어, 고굴절률층 (31) 이 형성되므로, 당해 고굴절률층 (31) 은, 요철부 유닛 (31A) 에 대응한 형상을 갖게 된다.
·유기 발광층의 형성
광취출층 (3) 을 형성한 후, 고굴절률층 (31) 상에, 투명 전극 (4), 유기 발광층 (5) 및 대향 전극 (6) 을 순차 적층 형성한다. 투명 전극 (4) 이나 대향 전극 (6) 의 형성은, 진공 증착이나 스퍼터링 등의 공지된 방법을 채용할 수 있다. 또 유기 발광층 (5) 의 형성은, 진공 증착, 스퍼터링, 플라즈마, 이온 플레이팅 등의 건식 성막법이나 스핀 코팅, 딥핑, 플로우 코팅, 잉크젯 등의 습식 성막법 등의 공지된 방법을 채용할 수 있다.
이와 같이 하여, 복수의 요철부 유닛 (31A) 을 갖는 광취출층 (3) 을 구비한 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (1) 를 얻을 수 있다.
이상과 같은 제 1 실시형태에 의하면, 다음과 같은 작용 효과를 발휘한다.
투명 전극 (4) 과 고굴절률층 (31) 의 계면으로부터, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면까지의 거리 d1 이, 유기 발광층 (5) 에서 발생한 방사광의 광학 가간섭 거리 이상 있으므로, 당해 방사광이, 대향 전극 (6) 이 반사 전극인 경우는 그 반사 전극 표층의 표면 플라즈몬 모드에 결합하는 비율이 감소하고, 박막 모드에 대한 결합 효율이 높아진다.
그리고, 광취출층 (3) 이 투명 전극 (4) 에 인접하여 형성되고, 요철부 유닛 (31A) 이 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면에 형성되어 있기 때문에, 박막 모드의 광 중, 임계각 이상의 각도로 고굴절률층 (31) 에 입사하는 광이 당해 계면에서 전반사되지 않고, 저굴절률층 (32) 까지 투과하여, 최종적으로 투광성 기판 (2) 를 거쳐, 유기 EL 소자 (1) 의 외부로 광이 취출된다.
따라서, 유기 발광층 (5) 에서 발생한 방사광의 취출 효율을 높게 할 수 있다.
또한, 고굴절률층 (31) 의 볼록부 (311) 의 높이 d2, 폭 d3, 및 볼록부끼리의 간격 d4 가, 1 ㎛ 이상이고, 가시광 영역에 있어서의 파장보다 충분히 크기 때문에, 서브 미크론 정도의 주기성 및 돌출 높이를 갖는 회절 격자와 같이 백색광이 분광되기 어렵다. 그 때문에 유기 EL 소자 (1) 는, 회절성이 작은 양호한 백색 발광을 얻을 수 있어 조명 장치의 광원에 적합하다.
또한, 투광성 기판 (2), 고굴절률층 (31), 저굴절률층 (32) 및 투명 전극 (4) 의 각각의 굴절률은, 상기 수학식 (1) ∼ (3) 의 관계를 만족하기 때문에, 투명 전극 (4) 과 고굴절률층 (31) 의 계면에 있어서의 박막 모드의 광의 전반사가 억제되어, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면까지 효율적으로 유도된다. 또한, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면에 있어서의 광의 전반사가 억제된다. 그 때문에, 유기 발광층 (5) 에서 발생한 방사광의 취출 효율을 더욱 높게 할 수 있다.
그리고, 볼록부 (311) 의 높이 d2 와 볼록부 (311) 의 폭 d3 은, 2.0 ＞ d2/d3 ＞ 0.2의 관계를 만족하고, 볼록부 측가장자리 (311A) 는, 광의 취출 방향을 따른 형상 (경사 각도 θ 가 대략 0 도이다) 을 갖고, 볼록부 상가장자리 (311B) 는, 광의 취출 방향에 직교하는 방향을 따른 형상을 갖기 때문에, 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에 있는 요철부 유닛 (31A) 까지 투과한 광을 더욱 효율적으로 저굴절률층까지 투과시킬 수 있다. 즉, 볼록부 (311) 가 대략 직사각형 형상으로 광취출 방향으로 돌출된 형상이므로, 임계각 이상으로 광취출층 (3) 에 입사되어 온 광을 볼록부 측가장자리 (311A) 에서 굴절시켜 저굴절률층 (32) 으로 효율적으로 유도할 수 있다. 따라서, 광취출 효율을 더욱 높게 할 수 있다.
＜제 2 실시형태＞
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
〔유기 일렉트로 루미네선스 소자〕
도 7 은, 제 2 실시형태에 관련된 유기 EL 소자 (40) 의 두께 방향의 단면도이고, 그 단면의 일부를 확대하여 나타내고 있다.
제 2 실시형태에 관련된 유기 EL 소자 (40) 는, 제 1 실시형태에 관련된 유기 EL 소자 (1) 에 있어서의 유기 발광층 (5) 과 대향 전극 (6) 사이에, 전자 수송 대역 (41) 이 형성되고, 유기 발광층 (5) 과 투명 전극 (4) 사이에, 정공 수송 대역 (42) 이 형성되는 것 이외에는, 유기 EL 소자 (1) 와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 유기 EL 소자 (40) 는, 투광성 기판 (2) 과 광취출층 (3) 과 투명 전극 (4) 과 정공 수송 대역 (42) 과 유기 발광층 (5) 과 전자 수송 대역 (41) 과 대향 전극 (6) 이 이 순서대로 적층되어 구성된다. 유기 EL 소자 (40) 는, 유기 발광층 (5) 에서 발생한 방사광의 광취출 방향이, 투광성 기판 (2) 측이 되는, 이른바 보텀 이미션형 소자이다.
또한, 제 2 실시형태의 설명에 있어서 제 1 실시형태와 동일한 구성 요소는, 동일 부호나 명칭을 붙이거나 하여 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 한다. 또, 제 2 실시형태에서는, 제 1 실시형태에서 설명한 것과 동일한 재료나 화합물을 사용할 수 있다.
(전자 수송 대역)
전자 수송 대역 (41) 은, 유기 발광층 (5) 으로의 전자의 주입을 도와 발광 영역까지 전자를 수송하는 대역으로서, 전자 이동도가 크다.
전자 수송 대역 (41) 은, 전자 주입층, 및 전자 수송층 중 어느 일방에 의해 구성되는 것으로서, 어느 것 단독으로 구성되어도 되고, 전자 주입층, 및 전자 수송층의 적층 구조로 구성되어도 된다. 바꿔 말하면, 전자 수송 대역이란 음극과 발광층 사이에 존재하는 유기층체로서, 음극으로부터 발광층으로 전자를 수송하는 기능을 갖는 유기층체를 나타낸다.
전자 수송 대역 (41) 의 막두께는, 70 ㎚ 이상인 것이 바람직하다.
전자 수송 대역 (41) 의 막두께를 70 ㎚ 이상으로 함으로써, 제 1 실시형태에서 설명한 광취출층 (3) 과의 상승 효과에 의해, 외부 양자 효율을 더욱 높일 수 있다.
외부 양자 효율이 높아지는 이유는, 소자 구성 A3 을 사용하여 다음과 같이 생각할 수 있다.
(소자 구성 A3)
소자 구성 A3 은, 상기 소자 구성 A1 에 있어서, 대향 전극을 알루미늄 (Al) 으로 하고, 대향 전극과 전자 수송 대역으로서의 전자 수송층 사이에 전자 주입층을 구비한 것 이외에는 소자 구성 A1 와 동일하고, 발광층은 적색으로 발광하는 층으로 한다.
그리고, 소자 구성 A3 에 있어서, 발광층에 포함되는 발광 분자를 전기 쌍극자 모멘트로 한 경우의 배향 방향을 수직 방향 (Vertical) 및 수평 방향 (Parallel) 으로 나눠 생각한다.
이 소자 구성 A3 에 대하여 전자 수송층의 막두께를 변화시켜, 소자 구성 A1 의 경우와 동일하게 하여, 수평 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사, 및 수직 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사에 대하여 포토닉 모드 밀도의 해석을 실시한다.
도 8 은, 수평 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사에 대한 포토닉 모드 밀도 해석 결과를 나타내는 도면으로서, 구체적으로는 전자 수송 대역의 막두께와 발광 분자의 쌍극자 방사의 결합 효율의 관계를 나타낸다. 도 8 에 의하면, 전자 수송층의 막두께가 증가함에 따라 쌍극자 방사가 표면 플라즈몬 모드에 결합하는 효율 (SPPs 결합 효율) 이 저하되는 것을 알 수 있다. 이 SPPs 결합 효율의 저하에 수반하여, 기판 모드, 박막 모드, 및 발광 모드에 결합하는 효율이 상승하는 것을 알 수 있다.
이 해석 결과로부터, 전자 수송층의 막두께가 70 ㎚ 가 되면, SPPs 결합 효율이 15 ％ 정도까지 저하되고, 박막 모드에 대한 결합 효율이 15 ％ 정도까지 향상되기 때문에, 전자 수송 대역의 막두께로서는 70 ㎚ 이상이 바람직하다.
또한, 통상적인 유기 EL 소자에서는, 전자 수송 대역으로서 형성되는 전자 수송층의 막두께가 30 ㎚ 정도이기 때문에, SPPs 결합 효율이 60 ％ 정도로 높고, 박막 모드에 대한 결합 효율이 5 ％ 정도로 낮다.
그리고, 소자 구성 A3 에 있어서, 투광성 기판과 투광성 전극 사이에 제 1 실시형태에서 설명한 광취출층 (3) 을 형성하면, 결합 효율이 향상된 박막 모드의 광을 효율적으로 소자 외부로 취출할 수 있다.
그렇게 하면, 소자 구성 A3 에 있어서, 전자 수송층의 막두께를 70 ㎚ 이상으로 하여, 광취출층 (3) 을 형성하면, 수평 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사의 박막 모드에 결합하는 비율이 증가하기 때문에, 전자 수송층의 막두께가 30 ㎚ 정도인 유기 EL 소자에 광취출층 (3) 을 형성한 경우에 비해, 그 결합 비율이 증가한만큼, 소자 외부로 취출할 수 있는 광이 증가한다.
따라서, 제 2 실시형태의 유기 EL 소자 (40) 는, 전자 수송 대역 (41) 의 막두께가 70 ㎚ 이상이고, 제 1 실시형태의 광취출층 (3) 을 구비하고 있기 때문에, 외부 양자 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 9 는, 수직 방향으로 배향한 발광 분자의 쌍극자 방사에 대한 포토닉 모드 밀도 해석 결과를 나타내는 도면으로서, 구체적으로는 전자 수송 대역의 막두께와 발광 분자의 쌍극자 방사의 결합 효율 관계를 나타낸다. 도 9 에 의하면, 전자 수송 대역의 막두께가 증가해도, 도 8 과 같이 SPPs 결합 효율이 저하되지 않는 것을 알 수 있다. 실제로는 전자 수송 대역의 막두께를 250 ㎚ 이상으로 하면, SPPs 결합 효율이 저하된다. 또한, 전자 수송 대역의 막두께는, 300 ㎚ 를 초과하면, 제막에 시간을 필요로 하거나, 구동 전압의 상승을 초래하거나 할 우려가 있기 때문에, 300 ㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다.
(전자 수송 대역의 재료)
전자 주입층, 및 전자 수송층에 사용되는 재료로서 예를 들어, 일본 공개특허공보 2009-199738호나 일본 공개특허공보 2008-166629호에 기재된, 8-하이드록시 퀴놀린, 8-하이드록시퀴놀린의 유도체의 금속 착물, 옥사디아졸 유도체, 함질소복소고리 유도체, 실라시클로펜타디엔 유도체, 보란 유도체, 갈륨 착물을 들 수 있다. 단, 전자 주입층, 및 전자 수송층에는, 전자 수송 대역으로서의 성질을 갖는 것이면 특별히 제한은 없고, 종래, 광 도전 재료에 있어서 전자의 전하 수송 재료로서 관용되고 있는 것이나, 유기 EL 소자의 전자 주입층이나 전자 수송층에 사용되는 공지된 것 중에서 임의의 것을 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 전자 수송 대역 (41) 에 환원성 도펀트가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 환원성 도펀트가 포함되어 있음으로써, 유기 EL 소자 (40) 와 같이 전자 수송 대역 (41) 의 막두께가 커도, 전자 수송 대역 (41) 은, 유기 발광층 (5) 으로의 전자의 주입을 도와 발광 영역까지 전자를 수송할 수 있다. 또, 대향 전극 (6) 과 전자 수송 대역 (41) 의 계면 영역에 환원성 도펀트가 포함되어 있어도 된다.
환원성 도펀트란, 전자 수송성 화합물을 환원을 할 수 있는 물질로 정의된다. 따라서, 일정한 환원성을 갖는 것이면, 여러 가지 것이 사용되며, 예를 들어, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, 알칼리 금속의 산화물, 알칼리 금속의 할로겐화물, 알칼리 토금속의 산화물, 알칼리 토금속의 할로겐화물, 희토류 금속의 산화물 또는 희토류 금속의 할로겐화물, 알칼리 금속의 유기 착물, 알칼리 토금속의 유기 착물, 희토류 금속의 유기 착물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 개의 물질을 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 보다 구체적으로, 바람직한 환원성 도펀트로서는, Li (일함수 : 2.9 eV), Na (일함수 ： 2.36 eV), K (일함수 ： 2.28 eV), Rb (일함수 ： 2.16 eV), 및 Cs (일함수 ： 1.95 eV) 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 개의 알칼리 금속이나, Ca (일함수 ： 2.9 eV), Sr (일함수 ： 2.0 ∼ 2.5 eV), 및 Ba (일함수 ： 2.52 eV) 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 개의 알칼리 토금속을 들 수 있는 일함수가 2.9 eV 이하인 것이 특히 바람직하다. 이들 중, 보다 바람직한 환원성 도펀트는, K, Rb 및 Cs 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 개의 알칼리 금속이고, 더욱 바람직하게는 Rb 또는 Cs 이고, 가장 바람직한 것은 Cs 이다. 이들 알칼리 금속은, 특히 환원 능력이 높아, 전자 주입역으로의 비교적 소량의 첨가에 의해, 유기 EL 소자에 있어서의 발광 휘도의 향상이나 장기 수명화를 도모할 수 있다. 또, 일함수가 2.9 eV 이하인 환원성 도펀트로서, 이들 2 종 이상의 알칼리 금속의 조합도 바람직하고, 특히, Cs 를 포함한 조합, 예를 들어, Cs 와 Na, Cs 와 K, Cs 와 Rb 혹은 Cs 와 Na 와 K 의 조합인 것이 바람직하다. Cs 를 조합하여 포함함으로써, 환원 능력을 효율적으로 발휘할 수 있고, 전자 주입역으로의 첨가에 의해, 유기 EL 소자에 있어서의 발광 휘도의 향상이나 장기 수명화를 도모할 수 있다.
대향 전극 (6) 과 전자 수송 대역 (41) 사이에 절연체나 반도체로 구성되는 전자 주입층을 추가로 형성해도 된다. 이 때, 전류의 리크를 유효하게 방지하여, 전자 주입성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 절연체로서는, 알칼리 금속 칼코게니드, 알칼리 토금속 칼코게니드, 알칼리 금속의 할로겐화물 및 알칼리 토금속의 할로겐화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 개의 금속 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이 전자 주입층이 이들 알칼리칼코게니드 등으로 구성되어 있으면, 전자 주입성을 더욱 향상시킬 수 있는 점에서 바람직하다. 구체적으로 바람직한 알칼리칼코게니드로서는, 예를 들어, Li2O, K2O, Na2S, Na2Se 및 Na2O 를 들 수 있고, 바람직한 알칼리 토금속 칼코게니드로서는, 예를 들어, CaO, BaO, SrO, BeO, BaS, 및 CaSe 를 들 수 있다. 또, 바람직한 알칼리 금속의 할로겐화물로서는, 예를 들어, LiF, NaF, KF, LiCl, KCl 및 NaCl 등을 들 수 있다. 또, 바람직한 알칼리 토금속의 할로겐화물로서는, 예를 들어, CaF2, BaF2, SrF2, MgF2 및 BeF2 와 같은 불화물이나, 불화물 이외의 할로겐화물을 들 수 있다.
또한, 이 전자 주입층을 구성하는 반도체로서는, Ba, Ca, Sr, Yb, Al, Ga, In, Li, Na, Cd, Mg, Si, Ta, Sb 및 Zn 중 적어도 1 개의 원소를 포함하는 산화물, 질화물 또는 산화 질화물 등의 1 종 단독, 또는 2 종 이상의 조합을 들 수 있다. 또, 전자 수송층을 구성하는 무기 화합물이, 미결정, 또는 비정질의 절연성 박막인 것이 바람직하다. 전자 수송층이 이들 절연성 박막으로 구성되어 있으면, 보다 균질인 박막이 형성되기 때문에, 다크 스폿 등의 화소 결함을 감소시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 무기 화합물로서는, 상기 서술한 알칼리 금속 칼코게니드, 알칼리 토금속 칼코게니드, 알칼리 금속의 할로겐화물, 및 알칼리 토금속의 할로겐화물 등을 들 수 있다.
(정공 수송 대역)
정공 수송 대역 (42) 은, 유기 발광층 (5) 으로의 정공의 주입을 돕는 영역이고, 정공 이동도가 크다. 이 정공 수송 대역 (42) 은, 정공 주입층, 및 정공 수송층 중 어느 1 층에 의해 형성되는 구성이어도 되고, 정공 주입성 및 정공 수송성을 갖는 단층이어도 된다. 또, 정공 수송 대역 (42) 은, 유기 발광층 (5) 에 인접하는 장벽층을 포함하고 있어도 된다.
(정공 수송 대역의 재료)
정공 수송 대역 (42) 을 구성하는 재료는, 예를 들어, 일본 공개특허공보 2009-199738호에 기재된 정공 주입층, 및 정공 수송층에 사용되는 재료 이외에, 종래, 광 도전 재료에 있어서 정공의 전하 수송 재료로서 관용되고 있는 것이나, 유기 EL 소자의 정공 주입이나 정공 수송층에 사용되는 공지된 것 중에서 임의의 것을 선택하여 사용할 수 있다.
＜제 3 실시형태＞
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
〔유기 EL 소자〕
도 10 은, 제 3 실시형태에 관련된 유기 EL 소자 (50) 의 두께 방향의 단면도이고, 그 단면의 일부를 확대하여 나타내고 있다.
제 3 실시형태에 관련된 유기 EL 소자 (50) 는, 제 2 실시형태에 관련된 유기 EL 소자 (40) 에 있어서, 전자 수송 대역 (41) 과 투명 전극 (4) 사이에, 중간 유닛 (5A) 을 갖고, 이 중간 유닛 (5A) 을 사이에 두고 복수의 유기 발광층 (51, 55, 56) 을 갖는 것 이외에는, 유기 EL 소자 (40) 와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 유기 EL 소자 (50) 는, 투광성 기판 (2) 과 광취출층 (3) 과 투명 전극 (4) 과 정공 수송 대역 (42) 과 제 1 유기 발광층 (51) 과 중간 유닛 (5A) 과 제 2 유기 발광층 (55) 과 제 3 유기 발광층 (56) 과 전자 수송 대역 (41) 과 대향 전극 (6) 이 이 순서대로 적층되어 구성된다. 이 유기 EL 소자 (50) 와 같이 중간 유닛을 개재하여 복수의 유기 발광층 (51, 55, 56) 을 적층하고, 직렬로 접속한 소자 구성은, 탠덤형이라고도 불린다. 유기 EL 소자 (50) 는, 유기 발광층 (51, 55, 56) 에서 발생한 방사광의 광취출 방향이, 투광성 기판 (2) 측이 되는, 이른바 보텀 이미션형 소자이다.
또한, 제 3 실시형태의 설명에 있어서 제 1 실시형태, 및 제 2 실시형태와 동일한 구성 요소는, 동일 부호나 명칭을 붙이거나 하여 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 한다. 또, 제 3 실시형태에서는, 제 1 실시형태, 및 제 2 실시형태에서 설명한 것과 동일한 재료나 화합물을 사용할 수 있다.
(유기 발광층)
유기 발광층 (51, 55, 56) 에는, 제 1 실시형태에서 설명한 유기 발광층의 재료를 사용할 수 있다.
여기에서, 제 1 유기 발광층 (51) 과 제 2 유기 발광층 (55) 과 제 3 유기 발광층 (56) 이 서로 동일한 재료로 구성되어 있어도 되고, 상이한 재료로 구성되어 있어도 된다. 그리고, 제 1 유기 발광층 (51) 과 제 2 유기 발광층 (55) 과 제 3 유기 발광층 (56) 의 발광색이 서로 동일하지 않아도 되고, 예를 들어, 각각 청색, 녹색, 적색으로 발광하도록 구성되어 있어도 된다.
(중간 유닛)
중간 유닛 (5A) 은, 유기 발광층 (51, 55, 56) 으로, 정공, 혹은 전자의 주입을 한다.
유기 EL 소자 (50) 에 있어서의 중간 유닛 (5A) 은, 도 10 에 나타낸 바와 같이 제 1 유기 발광층 (51) 측으로부터 중간 유닛 내의 전자 주입층 (52), 중간층 (53), 중간 유닛 내의 정공 주입층 (54) 을 순서대로 구비한다.
중간 유닛 (5A) 의 각 층 (52, 53, 54) 을 구성하는 재료는, 탠덤형 유기 EL 소자의 중간 유닛을 구성하는 재료로서 사용되는 공지된 것 중에서 임의의 것을 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 평11-329748호, 일본 공개특허공보 2006-66380호, 일본 공개특허공보 2006-173550호, 일본 공개특허공보 2010-92741호, 일본 공개특허공보 2004-281371호에 기재된 구성 및 재료를 들 수 있다.
제 3 실시형태의 유기 EL 소자 (50) 도 전자 수송 대역 (41) 의 막두께가 70 ㎚ 이상이고, 제 1 실시형태의 광취출층 (3) 을 구비하고 있다. 또한, 제 3 실시형태의 유기 EL 소자 (50) 는, 중간 유닛 (5A) 을 개재하여 복수의 유기 발광층 (51, 55, 56) 을 적층하고, 직렬로 접속한 소자 구성이다. 그 때문에, 단일 유기 발광층을 갖는 제 1 실시형태의 유기 EL 소자 (1) 나 제 2 실시형태의 유기 EL 소자 (40) 와 비교하여, 외부 양자 효율을 높게 할 수 있다.
〔실시형태의 변형〕
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서 이하에 나타나는 변형도 포함하는 것이다.
제 1 실시형태에서는, 요철부 유닛 (31A) 의 볼록부 (311) 는, 투명 전극 (4) 측으로부터 투광성 기판 (2) 측을 향하여 원기둥 형상으로 돌출되어, 도 4 에 나타내는 바와 같이 대략 직사각형의 단면 형상을 갖고 있지만, 그 밖의 형상이어도 된다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c 는, 도 5 와 마찬가지로, 고굴절률층 (31) 의 일부를 투광성 기판 (2) 측으로부터 평면에서 본 도면이다. 도 11a 나 도 11b 에 나타내는 바와 같이 평면에서 보아 사각 형상이 되도록 돌출되는 사각 기둥 형상의 볼록부 (311) 여도 된다. 그리고, 도 11a 에 나타내는 바와 같이 격자 형상으로 배치되거나, 도 11b 에 나타내는 바와 같이 조밀 구조가 되도록 배치되거나 해도 되고, 볼록부 (311) 가 지그재그 격자 형상으로 배치 (도시 생략) 되어 있어도 된다. 또, 도 11c 에 나타내는 바와 같이 평면에서 보아 삼각 형상이 되도록 돌출되는 삼각 기둥 형상의 볼록부 (311) 여도 된다.
그리고, 볼록부 (311) 끼리의 간격, 폭, 및 높이가 모든 요철부 유닛 (31A) 에 있어서 동일하지 않아도 된다. 또한, 볼록부 (311) 가 규칙적으로 배치되어 있지 않아도 되고, 랜덤하게 배치되어 있어도 된다.
또한, 요철부 유닛 (31A) 을 규정하는 상기 높이 d2, 상기 폭 d3, 및 상기 간격 d4 의 치수 관계는, 반드시 모든 요철부 유닛 (31A) 이 만족하고 있을 필요는 없고, 적어도 1 개의 요철부 유닛 (31A) 이 만족하고 있으면 된다.
또한, 제 1 실시형태에서 설명한 유기 EL 소자 (1) 에 있어서, 도 5b 의 Ⅳ-Ⅳ 선으로 자른 단면이 아니라, 도 5b 의 Ⅴ-Ⅴ 선으로 자른 단면에서, 상기한 광학 가간섭 거리에 의해 규정되는 광취출층 (3) 및 요철부 유닛 (31A) 의 치수 관계를 만족하고 있으면 된다.
여기에서, 당해 볼록부의 단면 형상이 상기 실시형태와는 상이한 경우의 일례를 변형예로서 나타낸다. 도 12 는, 본 발명의 변형예에 관련된 유기 EL 소자 (20) 의 기판 두께 방향의 일부 종단면도이다. 또한, 유기 EL 소자 (20) 의 설명에 있어서 상기 실시형태와 동일한 구성 요소는 동일 부호를 붙여 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 한다.
고굴절률층 (31) 은, 도 12 에 나타내는 바와 같이 투명 전극 (4) 측으로부터 투광성 기판 (2) 측을 향함에 따라 폭이 좁아지는 볼록부 (331) 와, 이것과는 반대로 폭이 넓어지는 오목부 (332) 로 구성되는 복수의 요철부 유닛 (33A) 을 갖는다. 저굴절률층 (32) 은, 고굴절률층 (31) 과 적층되어 있기 때문에, 요철부 유닛 (33A) 의 볼록부 (331) 에 대응하는 오목부 (342), 및 오목부 (332) 에 대응하는 볼록부 (341) 를 갖는다.
요철부 유닛 (33A) 에 있어서의 볼록부 측가장자리 (331A) 의 경사 각도 θ 는, 유기 EL 소자 (20) 의 광취출 방향 (유기 발광층 (5) 으로부터 투광성 기판 (2) 을 향하는 방향으로서, 투광성 기판 (2) 의 면에 대해 연직 방향) 과 직교하는 방향에 대해 약 30 도이다. 또, 본 실시형태에서는, 볼록부 상가장자리 (331B) 는, 광취출 방향과 직교하는 방향을 따른 형상으로 되어 있다.
유기 EL 소자 (20) 에 있어서도, 광취출층 (3) 및 요철부 유닛 (33A) 의 치수가, 광학 가간섭 거리에 의해 규정된다. 먼저, 고굴절률층 (31) 과 투명 전극 (4) 의 계면으로부터, 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 의 계면까지의 거리 d1 은, 광학 가간섭 거리 이상이다.
볼록부 (331) 의 높이 d2, 폭 d3, 및 1 개의 요철부 유닛 (33A) 을 구성하는 볼록부 (331) 와 다른 요철부 유닛 (33A) 을 구성하는 볼록부 (331) 의 간격 d4 의 치수는 1 ㎛ 이상이다. 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 20 ㎛ 이상이다. 또한, 박막 모드로부터의 광취출을 효율적으로 실시하는 의미에서는, 볼록부 (331) 의 높이 d2 및 폭 d3, 및 볼록부 (331) 끼리의 간격 d4 는 1 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
여기에서, 도 12 와 같이 볼록부 측가장자리 (331A) 가 경사져 있는 경우에는, 볼록부 측가장자리 (331A) 의 어느 위치에서 폭 d3 의 치수 및 간격 d4 의 치수를 제 1 실시형태와 동일하게 하여 규정했을 때 상기 규정한 d2 ∼ d4 의 값으로 되어 있으면 된다.
또한, 본 변형예에서도, 볼록부 (331) 의 높이 d2 및 폭 d3 은, 2.0 ＞ d2/d3 ＞ 0.2 의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.0 ＞ d2/d3 ＞ 0.5 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
이와 같은 유기 EL 소자 (20) 에 있어서도, 유기 발광층에서 발생한 방사광의 취출 효율을 높게 할 수 있다. 또, 요철부 유닛 (33A) 의 당해 형상에 의해서도, 광의 취출 효율을 높게 할 수 있다. 그리고, 유기 EL 소자 (20) 도, 조명 장치의 광원에 적합하다.
또한, 고굴절률층의 볼록부의 단면 형상이 상기 실시형태와는 상이한 경우 의 다른 예를 나타낸다.
도 13 은, 본 발명의 변형예에 관련된 유기 EL 소자 (30) 의 기판 두께 방향의 일부 종단면도이다. 또한, 유기 EL 소자 (30) 의 설명에 있어서 상기 실시형태와 동일한 구성 요소는 동일 부호를 붙여 설명을 생략하거나 혹은 간략하게 한다.
유기 EL 소자 (30) 와 같이 볼록부 (351) 및 오목부 (352) 로 구성되는 요철부 유닛 (35A) 에 있어서의 볼록부 상가장자리 (351B) 의 양단이 만곡되어 있어도 된다. 이와 같은 형상으로 되어 있어도 되고, 요철부 유닛 (35A) 에 있어서의 치수 관계 d2 ∼ d4 가 상기 실시형태에서 설명한 가시광 영역에 있어서의 파장 정도 이상으로 되어 있으면, 광의 취출 효율을 높게 할 수 있다. 그리고, 유기 EL 소자 (30) 도 조명 장치의 광원에 적합하다.
그 밖에, 광취출층 (3) 의 고굴절률층 (31) 이나 저굴절률층 (32) 은, 1 층으로 구성되어 있지 않아도 되고, 상기 수학식 (1) ∼ (3) 의 관계를 만족하도록 복수 층이 적층되어 구성되어 있어도 된다.
추가하여, 상기 실시형태에서는, 유기 EL 소자를 보텀 이미션형 소자로서 설명했지만, 반드시 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 탑 이미션형 소자의 경우에도 적용할 수 있다.
광취출층 (3) 의 형성 방법은, 상기 실시형태에서 설명한 것에 한정되지 않는다.
예를 들어, 고굴절률층 (31) 을 구성하는 재료로 이루어지고, 두께가 상기 거리 d1 과 상기 높이 d2 의 합계 치수 이상의 필름에 대해, 복수의 요철부 유닛 (31A) 의 형상에 대응하는 패턴을 전사하여 요철을 형성한다. 그 후, 당해 요철이 형성된 고굴절률층 (31) 의 면에 대해, 저굴절률층 (32) 을 구성하는 재료로 이루어지는 용액을 도포하여 저굴절률층 (32) 을 형성함으로써, 광취출층 (3) 이 형성된다. 또한, 이것과는 반대로, 저굴절률층 (32) 을 구성하는 재료로 이루어지는 필름에 요철을 형성해 두고, 고굴절률층 (31) 을 구성하는 재료로 이루어지는 용액을 도포하여 고굴절률층 (31) 을 형성하는 방법이어도 된다.
다른 형성 방법으로서는, 예를 들어, 고굴절률층 (31) 을 구성하는 재료로 이루어지고, 두께가 상기 거리 d1 의 치수 이상의 기재 필름 위에, 티타니아나 지르코니아의 미립자가 분산된 수지 바인더를 도포하여 복수의 요철부 유닛 (31A) 의 형상에 대응하는 요철을 형성한다. 그리고, 당해 요철이 형성된 면에 대해, 저굴절률층 (32) 을 구성하는 재료로 이루어지는 용액을 도포하여 저굴절률층 (32) 을 형성함으로써 광취출층 (3) 이 형성된다. 또한, 여기에서도 고굴절률층 (31) 과 저굴절률층 (32) 을 반대로 하여 형성하는 방법이어도 된다. 그리고, 당해 분산되는 미립자의 굴절률 np 는, nH ≤ np 의 관계를 만족한다.
이와 같이 형성한 광취출층 (3) 과 투광성 기판 (2) 은, 예를 들어, 저굴절률층 (32) 을 구성하는 재료와 굴절률이 대략 동등한 접착제 등으로 양자를 첩합 (貼合) 함으로써 적층된다.
또한, 본 발명의 유기 EL 소자에 있어서, 투광성 기판의 상부 방향 외측에, 제 2 광취출층을 인접하여 형성해도 된다. 제 2 광취출층의 구조로서는, 미립자에 의한 확산 시트, 마이크로 렌즈, 마이크로 프리즘, 요철 구조 등의 전반사를 억제하는 구조를 적절히 이용할 수 있다. 투광성 기판과 유기 EL 소자 외부의 계면에 제 2 광취출층을 개재시키므로, 당해 계면에서의 전반사를 방지하여, 광의 취출 효율을 더욱 높게 할 수 있다.
그 밖에, 탠덤형 유기 EL 소자에 있어서, 제 3 실시형태에서 설명한 유기 EL 소자 (50) 와 같이 3 개의 유기 발광층을 구비하지 않고, 예를 들어, 중간 유닛 (5A) 을 개재하여, 제 1 유기 발광층 (51) 과 제 2 유기 발광층 (55) 을 구비한 구성으로 해도 된다.
또한, 복수의 중간 유닛을 구비한 소자 구성으로 해도 된다.
또, 각 유기 발광층의 발광색을 동일한 색으로 해도 되고, 상이한 색으로 해도 된다. 이 때, 적색 (R), 녹색 (G), 및 청색 (B) 으로 발광하는 발광층을 형성하고, 각 색을 혼색하여 백색 발광 소자로 해도 된다.
실시예
다음으로, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예의 기재 내용에 전혀 제한되지 않는다.
본 실시예에서는, 유기 EL 소자를 제조하고, 구동 시험을 실시하여, 광취출 효율을 측정하였다.
＜1＞ 유기 EL 소자의 제조
〔실시예 1〕
(1) 저굴절률층의 형성
폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, polymethyl methacrylate : 와코우 순약 제조 (평균 분자량 : 10 만)) 를 고형분 농도 15 질량％ 가 되도록 자일렌에 용해시켜,저굴절률층 형성용의 도포액을 조제하였다 (점도 : 30 cP). 다음으로, 이 도포액을, 25 ㎜ × 25 ㎜ × 0.7 ㎜ 두께 (닛폰 판유리 제조, NA35), 굴절률 ： 1.50 (파장 = 550 ㎚) 의 유리 기판 위에 스핀 코팅법에 의해 도포하였다. 도포 조건은, 1500 rpm 으로 60 초간, 회전을 유지하였다.
그 후, 150 ℃ 의 핫 플레이트 위에서 30 분간 유지하여, 도포액의 건조를 실시하여 PMMA 막을 형성하였다. PMMA 막의 막두께를 측정한 결과, 2.2 ㎛ 였다. 동일한 조작 (도포 및 건조) 을 여러 번 반복하여, 막두께 20 ㎛ 로 하였다.
굴절률의 측정은, JA 우람사 제조 엘립소미터를 사용하여 측정하였다. 굴절률 측정값은 1.50 (파장 = 550 ㎚) 이었다. 이하의 굴절률의 측정도 동일하게 하여 실시하였다.
다음으로, 열 임프린트법에 의해, 광취출 패턴을 상기 PMMA 막에 전사하였다. 20 ㎜ × 20 ㎜ × 0.7 ㎜ 두께의 실리콘 기판에 포토리소그래피법에 의해 형성한 광취출 패턴을 갖는 금형 (몰드) 을 사용하였다.
상기 PMMA 막을 성막한 유리 기판과 상기 금형을 미리 중첩하여, 열 임프린트 장치의 스테이지에 두었다. 상기 PMMA 막에 대해 압력 2 ㎫ 로 대향판을 꽉 눌러, 상기 PMMA 막의 온도가 140 ℃ 가 되도록 가열 온도를 설정하였다. 상기 PMMA 막을 연화시키기 위해 1 분간, 이 상태를 유지하고, 그 후, 스테이지 및 대향판의 가열을 정지시키고, 냉각수를 흘려 냉각시켰다. 상기 금형과 상기 PMMA 막의 온도가 실온으로 되돌아온 시점에서 압력을 개방하고, 상기 PMMA 성막 기판과 상기 금형을 취출하였다. 양자를 분리하여 유리 기판 위에 광취출 패턴이 전사된 저굴절률층인 PMMA 막을 얻었다. 상기 PMMA 막을 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과, 깊이 20 ㎛, 직경 20 ㎛ 의 원기둥이 20 ㎛ 간격으로 형성되어 있었다.
(2) 고굴절률층의 형성
고굴절률 재료로서 산화 티탄 미립자와 수지의 혼합 재료를 사용하였다. 산화 티탄 미립자 슬러리로서, 테이카사 제조의 고투명성 미립자 산화 티탄 슬러리 (산화 티탄 미립자 직경 : 15 ∼ 25 ㎚, 용제 ： 프로필렌글리콜모노메틸에테르) 를, 또, 수지로서, DIC 사 제조 벡코라이트 (M-6401-50), 슈퍼벡카민 (J-820-60) 을 사용하였다. 3 자의 고형분 질량비로서 7.00 ： 0.85 ： 0.15, 총 고형분 농도 33 질량％ 가 되도록 고굴절률층 형성용 잉크를 조정하였다. 이 잉크의 점도는 42 cP 였다.
고굴절 재료막의 굴절률을 측정하기 위해 상기 잉크를 다른 유리 기판 위에 스핀 코팅법에 의해 도포하였다. 그 후, 상기 잉크의 건조를 100 ℃ 에서 실시하여 고굴절 재료막을 형성하였다. 고굴절 재료막의 막두께를 측정한 결과, 3.3 ㎛ 였다. 또, 고굴절 재료막의 굴절률을 측정한 결과, 1.83 (파장 = 550 ㎚) 이었다.
상기 열 임프린트에 의해 제조한 기판 상의 광취출 패턴을 갖는 PMMA 막 (고굴절률층) 위에, 상기 잉크를 스핀 코팅법에 의해 도포하였다. 도포 조건은, 1500 rpm 으로 60 초간, 회전을 유지하였다. 그 후, 100 ℃ 의 핫 플레이트 위에서 60 분간 유지하여, 상기 잉크를 건조시켜 고굴절 재료막을 형성하였다. 동일한 조작 (도포 및 건조) 을 12 회 반복하였다.
유리 기판을 기판 두께 방향을 따라 절단하고, 그 단면을 주사형 전자 현미경에 의해 관찰한 결과, 유리 기판측부터, 상기 PMMA 막 (저굴절률층) 과 상기 고굴절률 재료막 (고굴절률층) 이 적층되어 광취출층 및 요철부 유닛이 형성되어 있었다. 그리고, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 광취출층 및 요철부 유닛의 각 치수는, 거리 d1 = 20 ㎛, 높이 d2 = 20 ㎛, 폭 d3 = 20 ㎛, 및 간격 d4 = 20 ㎛ 가 되었다.
(3) 유기 EL 층의 형성
유리 기판 위의 고굴절률층에 대해, 유기 EL 층을 진공 증착법으로 적층 형성하였다. 유기 EL 층의 구성은 다음과 같이 하였다. 제 1 발광층은 적색 발광층으로 하고, 제 2 발광층은 청색 발광층으로 하고, 제 3 발광층은 녹색 발광층으로 하였다.
투명 전극 : ITO (두께 : 130 ㎚, 굴절률 : 1.85 (파장 = 550 ㎚))
정공 주입층 : 화합물 HI (두께 ： 60 ㎚)
정공 수송층 : 화합물 HT (두께 : 15 ㎚)
유기 발광층 (제 1 발광층) : 화합물 RH 및 화합물 RD (두께 : 5 ㎚, RD 농도 : 0.5 질량％)
전하 장벽층 : 화합물 HT 및 화합물 GD (두께 : 5 ㎚, GD 농도 : 5 질량％)
유기 발광층 (제 2 발광층) : 화합물 BH 및 화합물 BD (두께 15 ㎚, BD 농도 : 7.5 질량％)
유기 발광층 (제 3 발광층) : 화합물 BH 및 화합물 GD (두께 25 ㎚, GD 농도 : 10 질량％)
전자 수송층 : 트리스(8-퀴놀리놀)알루미늄막 (Alq3) (두께 : 20 ㎚)
전자 주입층 : LiF (두께 : 1.6 ㎚)
대향 전극 : Al (두께 : 150 ㎚)
상기 유기 EL 소자에 사용한 화합물을 다음에 나타낸다.
[화학식 1]
〔실시예 2〕
광취출 패턴을, 직경 50 ㎛, 높이 50 ㎛ 의 원기둥를 육방 최밀 충전 구조 형상 (도 5a 참조) 으로 배치하고, 가장 인접하는 원기둥와 원기둥의 간격을 50 ㎛ 로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 유기 EL 소자를 제조하였다. 상기 제 1 실시형태에서 설명한 광취출층 및 요철부 유닛의 각 치수는, 거리 d1 = 20 ㎛, 높이 d2 = 50 ㎛, 폭 d3 = 50 ㎛, 및 간격 d4 = 50 ㎛ 로 되어 있었다.
〔비교예 1〕
실시예 1 에 있어서, 광취출층 (저굴절률층 및 고굴절률층) 을 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 유기 EL 소자를 제조하였다.
〔비교예 2〕
금형의 광취출 패턴을 변경하고, 직경 20 ㎛, 높이 20 ㎛ 의 원기둥를 육방 최밀 충전 구조 형상으로 배치하고, 가장 인접하는 원기둥와 원기둥의 간격을 20 ㎛ 로 하고, 고굴절 재료막의 형성 조작 (도포 및 건조) 횟수를 줄여, 거리 d1 이 광학 가간섭 거리 미만 (0.5 ㎛) 이 되도록 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 유기 EL 소자를 제조하였다. 광취출층 및 요철부 유닛의 각 치수는, 거리 d1 = 0.5 ㎛, 높이 d2 = 20 ㎛, 폭 d3 = 20 ㎛, 및 간격 d4 = 20 ㎛ 로 되었다.
＜2＞ 구동 시험
유기 EL 소자의 구동 시험 조건으로서는, 전류 밀도가 10 mA/㎠ 가 되도록 유기 EL 소자에 전압을 인가하고, 그 때의 EL 발광 스펙트럼을 분광 방사 휘도계 (CS-1000 ： 코미카미놀타사 제조) 로 계측하였다.
도 14a 및 도 14b 는, 유기 EL 소자의 구조의 평가 방법을 설명하는 개략도이다.
전광속으로 방사 강도를 측정하기 위해 도 14a 에 나타내는 바와 같이 유기 EL 소자 (1) 의 투광성 기판 (2) (유리 기판) 에, 실린드리컬 렌즈 (8) 을 장착하여, 발광 스펙트럼의 각도 의존성을 계측하였다. 또한, 실린드리컬 렌즈 (8) 의 굴절률은, 유리 기판 (2) 과 동등한 굴절률 (1.5) 로 하였다. 또, 실린드리컬 렌즈 (8) 와 유리 기판 (2) 사이에는 에어 갭을 매립하기 위해 굴절률이 1.5 정도인 오일을 충전하였다. 방사각 θ 를 0 도에서 70 도까지 5 도 간격으로 변화시켜, 분광 방사 휘도계 (9) 로 EL 발광 스펙트럼을 계측하였다.
유기 EL 소자 (1) 로서는, 실시예 1, 2, 및 비교예 1, 2 에서 제조한 것을 사용하였다.
얻어진 각도 의존성의 분광 방사 휘도 스펙트럼으로부터, 전광속의 발광 에너지를 구하여 광취출 효율을 계산하였다. 비교예 1 의 외부 양자 효율에 의해 규격화한 것을 표 2 에 나타낸다. 또한, 도 14b 에서는, 유기 EL 소자 (1) 의 구조로서 광취출층을 형성하지 않은 경우 (비교예 1 에 상당) 를 나타내고 있지만, 광취출층을 형성하는 경우에는, 투광성 기판 (2) 및 투명 전극 (4) 사이에 형성되는 것으로 한다.
＜3＞ 광취출층의 평가
다음으로, 광취출층의 구조를 평가하였다.
도 15a 및 도 15b 는, 광취출층의 구조의 평가 방법을 설명하는 개략도이다. 고굴절률층 (31) 및 저굴절률층 (32) 이 적층된 광취출층 (3) (도 15b 참조) 의 저굴절률층 (32) 측에, 실린드리컬 렌즈 (9) (상기 ＜2＞ 와 동일한 것) 를 장착하였다. 그리고, 도 15a 에 나타내는 화살표의 방향으로 백색광을 입사시켜, 그 산란 회절 스펙트럼을 분광 방사 휘도계 (9) (CS-1000) 로 측정하였다. 또, 실린드리컬 렌즈 (8) 와 저굴절률층 (32) 사이에는 에어 갭을 매립하기 위해 굴절률이 1.5 정도인 오일을 충전하였다. 방사각 θ 를 0 도에서 70 도까지 5도 간격으로 변화시켜, 분광 방사 휘도계 (9) 로 EL 발광 스펙트럼을 계측하였다.
광취출층 (3) 으로서는, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 2 에서 제조한 것을 사용하였다.
얻어진 분광 방사 휘도 스펙트럼의 각도 의존성의 측정 결과로부터, 광취출층의 회절성을 평가하였다.
표 2 에 나타내는 바와 같이 실시예 1, 및 실시예 2 의 유기 EL 소자는, 우수한 외부 양자 효율을 나타내었다. 이것은 실시예 1, 및 실시예 2 의 유기 EL 소자는, 상기 식 (1) ∼ (3) 에 규정된 굴절률의 관계를 만족함과 함께, 거리 d1 이 유기 발광층에서 발광한 피크 파장 610 ㎚, 반값폭 23 ㎚ 의 광에 대한 광학 가간섭 거리 이상의 치수로 되어 있으므로, 발광한 광의 박막 모드에 대한 결합 효율이 높아짐 함께, 계면에서의 광의 전반사가 방지되었기 때문이다. 여기에서, 광학 가간섭 거리는, 고굴절률층 중에 있어서는 8.8 ㎛ 이다.
또한, 높이 d2, 폭 d3, 및 간격 d4 가 유기 발광층에서 발광한 광의 파장보다 충분히 크기 때문에, 발광 스펙트럼의 각도 의존성이 작고, 즉 회절성이 낮고, 백색광이 방사각에 의존하여 현저하게 분광되지 않고 취출되었기 때문이다.
한편, 표 2 에 나타내는 바와 같이 비교예 1 에서는, 광취출층을 갖고 있지 않기 때문에, 외부 양자 효율은 낮은 것이 되었다. 또, 비교예 2 에서는, 광취출층을 갖고, 높이 d2, 폭 d3, 및 간격 d4 가 유기 발광층에서 발광한 광의 파장보다 충분히 크기 때문에, 백색광이 방사각에 의존하여 현저하게 분광되지 않고 취출되지만, 거리 d1 이 유기 발광층에서 발광한 광에 대해 광학 가간섭 거리 (8.8 ㎛) 미만의 치수로 되어 있으므로, 외부 양자 효율로서는 실시예 1, 및 실시예 2 에 비하면, 열등한 결과가 되었다.
＜전자 수송층의 후막화에 의한 표면 플라즈몬 억제 효과＞
고굴절률 유리 기판 위에 전자 수송 대역의 두께가 상이한 3 종류의 청색 형광 유기 EL 소자를 제조하고, 표면 플라즈몬의 억제 효과의 검증을 실시하였다.
이 유기 EL 소자는, 상기 서술한 실시예 1 과 동일하게 유리 기판 위의 고굴절률층에 대해, 유기 EL 층을 진공 증착법으로 적층 형성하였다. 유기 EL 층의 구성은, 다음과 같이 하였다.
투명 전극 : ITO (두께 : 130 ㎚),
정공 주입층 : 화합물 HI-2 (두께 : 50 ㎚)
정공 수송층 : 화합물 HT-2 (두께 : 45 ㎚)
유기 발광층 : 화합물 BH 및 화합물 BD (두께 : 20 ㎚, BD 농도 : 5 질량％)
전자 수송층 1 : 화합물 ET-1 (두께 : 5 ㎚)
전자 수송층 2 : 화합물 ET-2 및 Li (두께 : (X-5) ㎚, Li 농도 : 5 질량％)
전자 주입층 : LiF (두께 : 0.5 ㎚)
대향 전극 : Al (두께 : 100 ㎚)
이 유기 EL 소자에 사용한 화합물을 다음에 나타낸다.
[화학식 2]
음극과 발광층의 거리 X 를 X = 30 ㎚, X = 160 ㎚ 및 X = 165 ㎚ 로 하였다. 이 거리 X 는, 전자 수송 대역의 두께에 상당하고, 그 때문에, 전자 수송층 (1) 의 두께 5 ㎚ 와 전자 수송층 (2) 의 두께 (X-5) ㎚ 의 합계가 X㎚ 가 된다.
이론 계산 상, 표면 플라즈몬 모드의 억제 효과는 X = 70 ㎚ 정도의 막두께로 나타나지만, 청색 발광 파장에 있어서의 광학 간섭 거리의 최적화를 실시하기 위해 상기의 막두께로 하였다. 또한, X = 30 ㎚, X = 160 ㎚ 및 X = 165 ㎚ 는, 광학 간섭에 있어서의 1 차 모드와 2 차 모드의 극대값에 대응하는 막두께이다.
상기 서술한 구동 시험과 동일한 조건으로, X = 30 ㎚, X = 160 ㎚ 및 X = 165 ㎚ 의 유기 EL 소자 구성의 발광 스펙트럼의 각도 의존성을 계측하여 외부 양자 효율을 산출하였다. 또한, 표 3 에는, X = 30 ㎚ 의 경우의 유기 EL 소자의 외부 양자 효율에 의해 규격화한 값을 나타낸다.
전자 수송 대역의 두께를 증가시킴으로써 SPPs 모드의 억제가 일어나, 결과적으로 외부 양자 효율이 향상되었다.
〔실시예 3〕
유리 기판 위에, 직경 10 ㎛, 높이 1 ㎛ 의 원기둥이 육방 최밀 충전 구조 형상으로 배치되고, 가장 인접하는 원기둥와 원기둥의 간격이 10 ㎛ 가 되는 광취출 구조를 제조하고, 이 광취출 구조 위에 이하의 구성으로 제 1 발광층과 제 2 발광층을 구비한 유기 EL 층을 제조하고, 실시예 3 에 관련된 유기 EL 소자로 하였다. 또한, 제 1 발광층은 청색 발광층으로 하고, 제 2 발광층은 녹색 발광층으로 하였다. 화합물은 이미 나타낸 것과 동일한 것을 사용하였다.
표면 플라즈몬에 의한 소광 (消光) 을 억제하기 위해 제 2 발광층과 음극의 거리가 합계 90 ㎚ 유지되어 있다. 각 유기층의 막두께는, 탠덤 소자를 설계함에 있어서 캐리어 밸런스와 광로 길이의 조정을 고려하여 결정하였다.
투명 전극 : IZO (두께 : 130 ㎚)
정공 주입층 1 : 화합물 HI-2 (두께 : 70 ㎚)
정공 수송층 1 : 화합물 HT-2 (두께 : 50 ㎚)
유기 발광층 1 (제 1 발광층) : 화합물 BH 및 화합물 BD (두께 : 20 ㎚, BD 농도 : 5 질량％)
전자 수송층 1 : 화합물 ET-1 (두께 : 5 ㎚)
전자 수송층 2 : 화합물 ET-2 및 Li (두께 : 5 ㎚, Li 농도 : 5 질량％)
전하 발생층 : 화합물 HI-3 (두께 : 5 ㎚)
정공 주입층 2 ：화합물 HI-2 (두께 : 10 ㎚)
정공 수송층 2 : 화합물 HT-2 (두께 : 30 ㎚)
유기 발광층 2 (제 2 발광층) : 화합물 BH 및 화합물 GD (두께 : 20 ㎚, GD 농도 : 5 질량％)
전자 수송층 3 ：화합물 ET-1 (두께 : 45 ㎚)
전자 수송층 4 : 화합물 ET-2 및 Li (두께 : 45 ㎚, Li 농도 : 5 질량％)
전자 주입층 : LiF (두께 : 0.5 ㎚)
음극 : Al (두께 : 80 ㎚)
실시예 3 에 관련된 유기 EL 소자의 전하 발생층에 사용한 화합물을 다음에 나타낸다.
[화학식 3]
[비교예 3]
광취출 구조를 구비하지 않은 것 이외에는, 실시예 3 에 기재한 것과 동일한 유기 EL 소자를 제조하였다.
＜외부 양자 효율＞
상기 서술한 구동 시험과 동일한 조건으로, 실시예 3, 및 비교예 3 의 유기 EL 소자의 발광 스펙트럼의 각도 의존성을 계측하여 외부 양자 효율을 산출하였다. 비교예 3 의 외부 양자 효율에 의해 규격화한 것을 표 4 에 나타낸다.
＜배광 분포＞
실시예 3 및 비교예 3 의 분광 방사 휘도 스펙트럼의 각도 의존성 측정으로부터 배광 분포를 구한 결과, 광취출 구조를 구비한 유기 EL 소자는, 그 방사의 형상이 램버시안 방사와 비교하여 대폭 넓어지기 때문에, 외부 양자 효율의 대폭적인 향상을 얻을 수 있었다.
실시예 3 및 비교예 3 의 유기 EL 소자의 방사 형상을 측정하여, 정면의 외부 양자 효율로 규격화한 도면을 나타낸다. 도 16a 는, 실시예 3 의 유기 EL 소자의 규격화 후의 방사 형상이고, 도 16b 는, 비교예 3 의 유기 EL 소자의 규격화 후의 방사 형상이다.
산업상 이용가능성
본 발명에 관련된 유기 일렉트로 루미네선스 소자는, 조명 장치 이외에, 디스플레이 등의 발광 소자로서도 사용된다.
1, 20, 30, 40, 50 : 유기 일렉트로 루미네선스 소자 (유기 EL 소자)
2 : 투광성 기판
3 : 광취출층
31 : 고굴절률층
31A, 33A, 35A : 요철부 유닛
32 : 저굴절률층
311, 331, 351 : 볼록부
311A : 볼록부 측가장자리
311B : 볼록부 상가장자리
312, 332, 352 : 오목부
4 : 투명 전극
5 : 유기 발광층
6 : 대향 전극
41 : 전자 수송 대역
2 : 투광성 기판
3 : 광취출층
31 : 고굴절률층
31A, 33A, 35A : 요철부 유닛
32 : 저굴절률층
311, 331, 351 : 볼록부
311A : 볼록부 측가장자리
311B : 볼록부 상가장자리
312, 332, 352 : 오목부
4 : 투명 전극
5 : 유기 발광층
6 : 대향 전극
41 : 전자 수송 대역
Claims (10)
- 투명 전극과, 대향 전극과, 이들 투명 전극 및 대향 전극 사이에 형성되는 유기 발광층과, 투광성 기판을 구비한 유기 일렉트로 루미네선스 소자로서,
상기 투명 전극에는, 상기 유기 발광층과 대향하는 면과는 반대의 면에 광취출층이 인접하여 형성되고,
이 광취출층은, 상기 투명 전극측에서 순서대로 적층되는 고굴절률층 및 저굴절률층을 구비하고,
상기 투광성 기판은, 상기 저굴절률층에 인접하여 형성되고,
상기 유기 일렉트로 루미네선스 소자의 두께 방향 단면을 상기 대향 전극에 대해 상기 광취출층을 위로 하여 보았을 때에,
상기 고굴절률층은, 당해 고굴절률층과 상기 저굴절률층의 계면에, 볼록부 및 오목부로 구성되는 복수의 요철부 유닛을 갖고,
상기 복수의 요철부 유닛 중 적어도 1 개의 요철부 유닛에 있어서의 상기 고굴절률층과 상기 저굴절률층의 계면으로부터 상기 투명 전극과 상기 고굴절률층의 계면까지의 거리 d1 이 광학 가간섭 거리 이상이고, 또한, 상기 볼록부의 높이 d2, 상기 볼록부의 폭 d3, 및 상기 볼록부와 상기 오목부를 개재하여 인접하는 다른 볼록부의 간격 d4 가 1 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전극의 굴절률 n1, 상기 저굴절률층의 굴절률 nL, 상기 고굴절률층의 굴절률 nH, 및 상기 투광성 기판의 굴절률 n2 가 다음의 관계식 (1), (2), (3) 을 만족하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. 또한, 상기 굴절률 n1, nL, nH, 및 n2 는, 파장 550 ㎚ 일 때의 값을 나타낸다.
［수학식 1］
｜n1-nH｜ ＜ 0.2 (1)
｜n2-nL｜ ＜ 0.2 (2)
nH ＞ nL (3) - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 볼록부의 높이 d2 와, 상기 볼록부의 폭 d3 은, 2.0 ＞ d2/d3 ＞ 0.2 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼록부의 높이 방향을 따른 측가장자리는, 상기 유기 발광층으로부터 발생한 광의 취출 방향에 대해 35 도 이하로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 고굴절률층의 볼록부의 측가장자리는, 상기 유기 발광층으로부터 발생한 광의 취출 방향을 따른 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 고굴절률층의 볼록부 상가장자리는, 상기 유기 발광층으로부터 발생한 광의 취출 방향에 직교하는 방향을 따른 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 가간섭 거리가 3 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼록부의 높이 d2, 상기 볼록부의 폭 d3, 및 상기 볼록부와 상기 오목부를 개재하여 인접하는 다른 볼록부의 간격 d4 가 5 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대향 전극과 상기 유기 발광층 사이에는, 막두께가 70 ㎚ 이상인 전자 수송 대역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유기 일렉트로 루미네선스 소자. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 일렉트로 루미네선스 소자를 구비하는, 조명 장치.
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