TW201929605A - 發光元件、以及照明裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種包含量子點之發光元件、以及照明裝置。本發明係一種發光元件(1)，其特徵在於，該發光元件係(1)積層有陽極(3)、電洞傳輸層(4)、發光層(5)、電子傳輸層(6)及陰極(7)者，且上述發光層係藉由包含量子點之無機層形成。自上述陽極至上述陰極之所有的層較佳為藉由上述無機層形成。上述電洞傳輸層、上述發光層及上述電子傳輸層較佳為藉由奈米粒子所形成之上述無機層。

Description

發光元件、以及照明裝置
本發明係關於一種使用量子點之發光元件、以及照明裝置。
於下述之專利文獻中，揭示有一種關於有機EL(organic electro-luminescence，有機電發光)之發明。
有機EL元件係於基板上積層有陽極、電洞注入層、電洞傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層及陰極而構成。此種有機EL元件係藉由有機化合物形成，利用藉由注入有機化合物中之電子與電洞之再結合而生成之激子而發光。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2017-45650號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，近年來，正在進行使用量子點之發光元件之開發。量子點係藉由數百～數千個左右之原子構成之粒徑為數nm～數十nm左右之奈米粒子。量子點亦可稱為螢光奈米粒子、半導體奈米粒子或奈米結晶。量子點具有根據奈米粒子之粒徑及組成，可對發光波長進行各種變更之特徵。
然而，關於使用量子點之發光元件之積層構造，仍然未確立。
本發明係鑒於相關之方面而成立者，其目的在於提供一種包含量子點之發光元件、以及照明裝置。
[解決問題之技術手段]
本發明係一種發光元件，其特徵在於，其係積層有陽極、發光層、陰極、上述陽極與上述發光層之間之層及上述陰極與上述發光層之間之層者，且上述發光層係藉由包含量子點之無機層形成。
於本發明中，自上述陽極至上述陰極之所有的層較佳為藉由上述無機層形成。
於本發明中，上述陽極與上述發光層之間之層、上述發光層及上述陰極與上述發光層之間之層較佳為藉由奈米粒子所形成之上述無機層。
於本發明中，上述發光元件較佳為具有可撓性。
於本發明中，上述量子點較佳為核心之表面被外殼覆蓋之構造。
於本發明中，上述陽極、上述陽極與上述發光層之間之層、上述發光層、上述陰極與上述發光層之間之層及上述陰極可為於基板上以該順序積層之構造。
於本發明中，上述陰極、上述陰極與上述發光層之間之層、上述發光層、上述陽極與上述發光層之間之層及上述陽極可為於基板上以該順序積層之構造。
又，本發明中之照明裝置之特徵在於，使用上述任一揭示之發光元件。
[發明之效果]
根據本發明之發光元件，可藉由無機層形成自陽極至陰極之所有的層。又，藉此，無需電洞注入層及電子注入層，與先前相比可簡化層構造，亦可使製造容易。
以下，對本發明之一實施形態(以下，簡稱為｢實施形態｣)進行詳細說明。再者，本發明未限定於以下之實施形態，可於其主旨之範圍內進行各種變化而實施。
以下，對｢發光元件｣進行說明，概念性地，發光元件可為照明裝置本身，或亦可包含發光元件而構成照明裝置。
圖1A係第1實施形態中之發光元件之截面圖，圖1B係第1實施形態之發光元件中之能階圖。
如圖1A所示，發光元件1係具有基板2、形成於基板上之陽極(Anode)3、形成於陽極3上之電洞傳輸層(HTL：Hole Transport Layer)4、形成於電洞傳輸層4上之發光層(EML：emitter layer)5、形成於發光層5上之電子傳輸層(ETL：Electron Transport Layer)6及形成於電子傳輸層6上之陰極(Cathode)7而構成。
若對此種發光元件1施加電壓，則自陽極3注入電洞，自陰極7注入電子。圖1B分別表示電洞傳輸層4、發光層5、電子傳輸層6之能階模型。如圖1B所示，自電洞傳輸層4傳輸來之電洞自電洞傳輸層4之HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital，最高佔有分子軌道)能階注入發光層5之HOMO能階。另一方面，自電子傳輸層6傳輸來之電子從電子傳輸層6之LUMO(Lower Unoccupied Molecular Orbital，最低未占分子軌道)能階注入發光層5之LUMO能階。並且，電洞與電子藉由發光層5再結合，發光層5中之量子點成為激發狀態，自被激發之量子點可獲得發光。
於本實施形態中，發光層5為包含量子點之無機層。又，於本實施形態中，自陽極3至陰極7之所有的層較佳為藉由無機層形成。即，陽極3、電洞傳輸層4、發光層5、電子傳輸層6及陰極7較佳為全部藉由無機層形成。
(量子點)
量子點之構成及材質並未限定，例如，本實施形態中之量子點為具有數nm～數十nm左右之粒徑之奈米粒子。
例如，量子點可藉由CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、ZnSeS、ZnTe、ZnTeS、InP、AgInS2 、CuInS2 等形成。因Cd由於其毒性，於各國限制其使用，故較佳為於量子點中不包含Cd。
如圖2所示，較佳為於量子點10之表面配位多個有機配位基11。藉此，可抑制量子點10彼此之凝聚，表現作為目的之光學特性。可用於反應之配位基未特別地限定，例如，可列舉以下之配位基作為代表。
脂肪族1級胺系，油胺：C18 H35 NH2 ，硬脂(十八烷)胺：C18 H37 NH2 ，十二烷(月桂)胺：C12 H25 NH2 ，癸胺：C10 H21 NH2 ，辛胺：C8 H17 NH2
脂肪酸，油酸：C17 H33 COOH，硬脂酸：C17 H35 COOH，棕櫚酸：C15 H31 COOH，十四酸：C13 H27 COOH，月桂(十二烷)酸：C11 H23 COOH，癸酸：C9 H19 COOH，辛酸：C7 H15 COOH
硫醇系，十八烷硫醇：C18 H37 SH，十六烷硫醇：C16 H33 SH，十四烷硫醇：C14 H29 SH，十二烷硫醇：C12 H25 SH，癸烷硫醇：C10 H21 SH，辛烷硫醇：C8 H17 SH
膦系，三辛基膦：(C8 H17 )3 P，三苯基膦：(C6 H5 )3 P，三丁基膦：(C4 H9 )3 P
氧化膦系，三辛基氧化膦：(C8 H17 )3 P=O，三苯基氧化膦：(C6 H5 )3 P=O，三丁基氧化膦：(C4 H9 )3 P=O
又，圖2B所示之量子點10為具有核心10a及被覆於核心10a之表面之外殼10b之核心外殼構造。如圖2B所示，較佳為於量子點10之表面配位多個有機配位基11。圖2B所示之量子點10之核心10a為圖2A所示之奈米粒子。因此，核心10a係藉由例如上述列舉之材質形成。無論外殼10b之材質如何，例如由硫化鋅(ZnS)等形成。外殼10b較佳為亦與核心10a相同地不含鎘(Cd)。
再者，外殼10b亦可為於核心10a之表面固溶化之狀態。於圖2B中，藉由虛線表示核心10a與外殼10b之交界，此係指可藉由分析確認或不確認核心10a與外殼10b之交界均可。
(發光層5)
發光層5可僅藉由上述所列舉之量子點10形成，亦可包含量子點10及其他螢光物質。又，因發光層5可塗佈溶解於溶劑中之量子點10而形成，故發光層5中亦可多少包含溶劑成分。
包含於發光層5之量子點10包含發出藍色螢光之藍色量子點、發出紅色螢光之紅色量子點及發出綠色螢光之綠色量子點中之至少任一者。又，發光層5可包含螢光波長不同之複數個量子點10，或亦可包含量子點10及量子點以外之螢光體。
發光層5可如上所述藉由塗佈溶解於溶劑之量子點10而形成(旋轉塗佈等)，或可使用噴墨法及真空蒸鍍法等之既有之薄膜形成方法。
(電洞傳輸層4)
電洞傳輸層4係包含具有傳輸電洞之功能之無機物質或有機物質。電洞傳輸層4較佳為包含無機物質，較佳為藉由例如NiO及WO3 等之無機氧化物形成。電洞傳輸層4特佳為藉由NiO之奈米粒子形成。又，於電洞傳輸層4中，例如亦可於NiO中混合Al2 O3 等。又，亦可於金屬氧化物中摻雜Li、Mg、Al等。又，電洞傳輸層4亦可為除無機氧化物以外之無機物質。
電洞傳輸層4可與發光層5相同地藉由旋轉塗佈法塗佈包含奈米粒子之溶劑形成，或藉由噴墨法等之印刷法形成，或藉由真空蒸鍍法等之既有之薄膜技術形成。
(電子傳輸層6)
電子傳輸層6包含具有傳輸電子之功能之無機物質或有機物質。電子傳輸層6較佳為包含無機物質，較佳為藉由例如，ZnO2 、TiO2 、ZnO、SnO2 、V2 Ox 、MoO3 等之無機氧化物形成。亦可自該等無機氧化物選擇2種以上。電子傳輸層6特佳為藉由ZnO之奈米粒子形成。又，亦可於金屬氧化物中摻雜Li、Mg、Al、Mn等。又，電子傳輸層6亦可為除無機氧化物以外之無機物質(例如，CsPbBr3 等)。
電子傳輸層6可與發光層5相同地藉由旋轉塗佈法塗佈包含奈米粒子之溶劑形成，或藉由噴墨法等之印刷法形成，或藉由真空蒸鍍法等之既有之薄膜技術形成。
(陽極3)
於本實施形態中，未限定陽極3之材質，例如，陽極3較佳為藉由銦-錫之複合氧化物(ITO)、Au等之金屬、CuISnO2 、ZnO等之導電性透明材形成。其中，陽極3較佳為藉由ITO形成。陽極3可於基板2上利用對該等之電極物質進行蒸鍍及濺鍍等之方法以薄膜之形式形成。
陽極3於自基板2側取出光之構成中必須為透明電極，較佳為上述金屬氧化物及非常薄之金屬膜。
(陰極7)
於本實施形態中，未限定陰極7之材質，例如，陰極7可使用金屬、合金、導電性化合物及該等之混合物作為電極物質。作為電極物質，可列舉例如Al、Mg、Li或該等混合物等。其中，陰極7較佳為藉由Al形成。
陰極可利用對該等之電極物質進行蒸鍍及濺鍍等之方法以薄膜之形式形成。
(基板2)
於本實施形態中，未限定基板2之材質，作為基板2，可藉由例如玻璃、塑膠等形成。基板2於自基板2側取出光之構成方面較佳為透明基板。作為透明基板，可列舉例如玻璃、石英、透明樹脂膜。
基板2既可為剛性之基板亦可為撓性之基板，藉由使用撓性之基板，可使發光元件1具有可撓性。透明樹脂膜例如為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)等之聚酯、聚乙烯、聚丙烯、賽璐凡、二醋酸纖維素酯、三乙酸纖維素(TAC)等。
於本實施形態中，較佳為自陽極3至陰極7之所有的層，即，陽極3、電洞傳輸層4、發光層5、電子傳輸層6及陰極7全部係藉由無機層形成。如此藉由利用無機層形成所有的層，可使用相同塗佈･乾燥裝置等成膜，簡化製造步驟。又，可精確化自陽極3至電洞傳輸層4及發光層5之HOMO能階之大小關係。進而，可精確化自陰極7至電子傳輸層6及發光層5之LUMO能階之大小關係。藉此，較使用有機化合物之情形可改善載子平衡，不一定需要電洞注入層及電子注入層。如上所述，藉由利用無機層構成自陽極3至陰極7之所有的層，可減少層數。其中，於本實施形態中，亦可使無機物之電洞注入層及電子注入層介置於各電極與各傳輸層之間。
於本實施形態中，陽極3與發光層5之間之層較佳為電洞傳輸層4，或電洞注入層，或兼用電洞注入層及電洞傳輸層之層，或電洞傳輸層及電洞注入層積層之層(於相關情形時，電洞注入層形成於陽極3側，電洞傳輸層4形成於發光層5側)。
於本實施形態中，陰極7與發光層5之間之層較佳為電子傳輸層6，或電子注入層，或兼用電子注入層及電子傳輸層之層，或電子傳輸層及電子注入層積層之層(於相關情形時，電子注入層形成於陰極7側，電子傳輸層4形成於發光層5側)。
圖3A係第2實施形態中之照明裝置之截面圖，圖3B係第2實施形態之照明裝置中之能階圖。
圖3A所示之發光元件1為圖1A之逆積層構造。即，自基板2側按照陰極7、電子傳輸層6、發光層5、電洞傳輸層4及陽極3之順序積層。關於電子傳輸層6、發光層5、電洞傳輸層4可應用上述列舉者。又，關於陰極7，較佳為藉由於圖1A之陽極3應用之例如ITO形成。藉此，作為基板2側之電極之陰極7成為透明電極，可自基板2側發光。又，於圖3A所示之陽極3，可應用與圖1A所示之陰極7相同材質，例如Al。
如上所述，發光層5亦係藉由包含量子點之無機層形成於圖3A所示之發光元件1。又，自陰極7至陽極3之所有的層較佳為藉由無機層形成。再者，作為各層之能階之平衡，認為圖1之積層構造較圖3更佳。
於本實施形態中，電洞傳輸層4、發光層5及電子傳輸層6可全部為藉由奈米粒子形成之無機層。於相關情形時，利用旋轉塗佈法等可塗佈各層而形成各層，可容易地且以均勻之膜厚之形式各層。藉此，可有效地提昇發光效率。
圖4係表示使用圖1A所示之發光元件之照明裝置之一例之截面圖。如圖4所示，將基板2側朝向表面，電源之正極與形成於基板2之背面之陽極3連接。自電洞傳輸層4至陰極7之各層較佳為以例如較陽極3小一圈之形狀形成圖案，易自陽極3引出正極之構造。又，電源之負極與陰極7連接。於圖4所示之照明裝置20中，基板2為透明之玻璃基板，陽極3係藉由ITO形成，可自基板2側取出來自量子點之光L，該量子點係發光層5上電洞與電子再結合而被激發。
圖5所示之本實施形態之照明裝置30構成例如配置於顯示裝置31之背面之背光單元。圖5所示之照明裝置30為使圖4所示之照明裝置20成為片狀者。圖5所示之照明裝置30可自片表面全域使面發光。如圖5所示，照明裝置30與顯示裝置31相隔距離而對向，可直接將來自照明裝置30之光照射於顯示裝置31。或者，作為如圖6所示之照明裝置之光源40可作為背光單元之光源使用。於圖6中，於支持基材41上配置有複數個本實施形態之發光元件1，支持基材41為藉由圓頂型之透鏡部42覆蓋各發光元件1之表面之構造。於圖6所示之光源40與顯示裝置31之間亦可介置光擴散構件(未圖示)。
又，如圖7所示，亦可構成作為使用本實施形態之發光元件1之照明裝置之燈泡50。
若於本實施形態之發光層5使用之量子點為核心外殼構造，則構成圖8A所示之能階圖，存在外殼之能階成為電洞與電子之再結合之障壁之可能性。因此，如圖8B所示，較佳為使用未藉由外殼覆蓋核心之表面(核心之表面露出：構成量子點之材質自量子點之中心至表面係均勻)之量子點，藉此，無電洞與電子之再結合之時之能量障壁，效率良好地使電洞與電子再結合，提昇發光效率。再者，為了提昇電子傳輸效率及電洞傳輸效率，如圖2A所示，較佳為於量子點10之表面配位有機配位基11。
又，於本實施形態中，於螢光波長不同之核心外殼構造之包含量子點之構成中，藉由使各量子點之外殼之能階一致，可適當地促進再結合。因此，較佳為使於各量子點使用之外殼之材質相同。
作為照明裝置為了發出白色光，於發光層使用之量子點必須使用藍色量子點、紅色量子點及綠色量子點此3種。此時，可於相同發光層混合3種量子點，亦可分別積層藍色量子點層、紅色量子點層及綠色量子點層。例如，如圖9所示，可為積層紅色量子點層60、綠色量子點層61及藍色量子點層62之構造。藉此，可發出白色光。
或如圖10所示，可為混合紅色量子點與綠色量子點之量子點層65、藍色量子點層63、及量子點層65與藍色量子點層63之間之中間層64之積層構造(直列構造)。中間層64具有中間電極，或可為A層/中間電極/B層、A層/中間電極、中間電極/B層之積層構造。作為A層，可藉由電子傳輸層、電子注入層或電子注入層與電子傳輸層之積層構造形成，作為B層，可藉由電洞傳輸層、電洞注入層或電洞注入層與電洞傳輸層之積層構造形成。
如本實施形態般，於使用量子點之照明裝置中，可使量子點構成點光源亦可構成面光源，藉由基板之選定，亦可實現曲面光源及撓性之製品。
又，根據本實施形態，可開發出至此難以實現之具有與太陽光相等之混色性之照明、對眼睛柔和之照明、最適於植物工廠之照明等具有特徵之製品。
如此，於使用量子點之照明裝置中，能夠配置之自由度較高，例如可薄而輕地形成為曲面等，可使面整體發光，即便直視亦不目眩，可實現不易產生陰影之自然之發光。進而，消耗電力較少，壽命亦長。例如，關於有機EL照明，以本實施形態之使用量子點之照明裝置於演色性･發光性、製品壽命及製品價格之方面更加優異。
作為本實施形態之使用量子點之照明裝置，可與EL發光體並排用作PL發光體。又，於使用量子點之照明裝置中，可實現積層EL發光體及PL發光體之混合型之發光元件。例如，於EL發光體之表面重疊PL發光體，於EL發光體中，藉由來自激發之量子點之發光，可於包含於PL發光體中之量子點中變更發光波長。EL發光體為上述之發光元件之積層構造，作為PL發光體，係例如複數個量子點分散於樹脂中之片狀之波長轉換構件。此種混合型之構成可藉由使用量子點實現。
再者，於本實施形態中，為了兼顧使用量子點之照明裝置之大面積化及製造成本之降低，於塗佈方法上，較佳為使用噴墨印刷方式、旋轉塗佈機方式及分注器方式。
[實施例]
以下，藉由本發明之實施例說明本發明之效果。再者，本發明之實施形態不受以下之實施例之任何限定。
製作以下之表1所示之各試樣，調查噴墨之滴加性。再者，表1所示之｢Abs10｣係指混合有1質量%～2質量%左右之量子點者，｢Abs20｣係指混合有3質量%～4質量%左右之量子點者。
[表1]
表1所示之｢滴加｣欄之〇表示適當地滴加之試樣，×表示引起滴加不良之試樣。
表1中，｢紅QD｣、｢綠QD｣之各試樣應用於發光層。又，｢聚乙烯咔唑｣之各試樣應用於電洞注入層(電洞注入層)。｢氧化鋅奈米粒子｣之試樣應用於電子傳輸層及電子注入層。
如表1所示，可知作為氧化鋅奈米粒子之溶劑，IPA及丙二醇並不佳，需要進行變更。表1所示之｢滴加｣欄可適當地應用〇之溶劑，較佳為親水性溶劑。例如，作為親水性溶劑，可應用醇系。
圖11為使用乙氧基乙醇：EG＝7：3作為溶劑，利用噴墨法對ZnO進行塗佈之狀態之照片。如圖11所示，可獲得良好之塗佈狀態。
又，亦調查對噴墨頭之內部之EPDM(三元乙丙橡膠)之不良影響。如表1所示，根據試樣不同，發生蓋變形，或存在對EPDM之不良影響。因此，可知於使用EPDM之情形時，較佳為亦考慮對EPDM之影響。
[產業上之可利用性]
根據本發明，可將發光元件作為照明裝置應用，可獲得優異之發光特性。
本申請案係基於2017年10月19日申請之日本專利特願2017-202874。其內容全部包含於本文中。
圖1A係第1實施形態中之發光元件之截面圖。
圖1B係第1實施形態之發光元件中之各層之能階圖。
圖2A係本實施形態中之量子點之模式圖。
圖2B係本實施形態中之量子點之模式圖。
圖3A係第2實施形態中之發光元件之截面圖。
圖3B係第2實施形態之發光元件中之各層之能階圖。
圖4係表示使用本實施形態之發光元件之照明裝置的實用性之構造之一例之截面圖。
圖5係表示作為本實施形態之照明裝置之背光單元之模式圖。
圖6係表示作為本實施形態之照明裝置之光源裝置之模式圖。
圖7係表示作為本實施形態之照明裝置之燈泡之模式圖。
圖8A係使用具有核心外殼構造之量子點之情形時之能階圖。
圖8B係使用具有核心未被外殼覆蓋之構造的量子點之情形時之能階圖。
圖9係表示發出白色光之發光元件的積層構造之一例之截面圖。
圖10係表示發出白色光之發光元件的積層構造之一例之截面圖。
圖11係實施例之塗佈照片。

Claims (8)

  1. 一種發光元件，其特徵在於：其係積層有陽極、發光層、陰極、上述陽極與上述發光層之間之層及上述陰極與上述發光層之間之層者，且 上述發光層係藉由包含量子點之無機層形成。
  2. 如請求項1之發光元件，其中自上述陽極至上述陰極之所有的層係藉由上述無機層形成。
  3. 如請求項2之發光元件，其中上述陽極與上述發光層之間之層、上述發光層及上述陰極與上述發光層之間之層係藉由奈米粒子形成之上述無機層。
  4. 如請求項1至請求項3中任一項之發光元件，其中上述發光元件具有可撓性。
  5. 如請求項1至4中任一項之發光元件，其中上述量子點係核心之表面未被外殼覆蓋之構造。
  6. 如請求項1至5中任一項之發光元件，其中上述陽極、上述陽極與上述發光層之間之層、上述發光層、上述陰極與上述發光層之間之層及上述陰極於基板上以該順序積層。
  7. 如請求項1至5中任一項之發光元件，其中上述陰極、上述陰極與上述發光層之間之層、上述發光層、上述陽極與上述發光層之間之層及上述陽極於基板上以該順序積層。
  8. 一種照明裝置，其特徵在於，其使用如請求項1至7中任一項之發光元件。
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