TWI601445B - 有機電激發光元件 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種有機電激發光元件。
有機電激發光元件(organic electroluminescent device)是一種可將電能轉換成光能且具有高轉換效率的半導體元件，其常見的用途為指示燈、顯示面板以及光學讀寫頭之發光元件等。由於有機電激發光元件具備如無視角依存、製程簡易、低成本、高應答速度、使用溫度範圍廣泛與全彩化等優點，因此符合多媒體時代顯示器特性的要求，可望成為下一代的平面顯示器的主流。
一般而言，有機電激發光元件包括陽極、有機電激發光層以及陰極。有機電激發光元件的發光原理是將電洞、電子分別由陽極、陰極注入至有機電激發光層。當電子與電洞在有機電激發光層中相遇時，會進行再結合而形成光子(photon)，進而產生放光的現象。為使電子在較低的驅動電壓下就能順利地從電極注入至有機電激發光層，可在陰極與發光層之間進一步配置具有n型摻質的電子傳輸層，其中n型摻質通常是藉由共蒸鍍的方式形成
於材料層中。如此，將可提高電子傳輸層的載子濃度而產生穿隧效應，進而幫助電子注入有機電激發光層。
然而，若採用高活性的鹼金族及鹼土元素的金屬鹽類作為電子注入層的材料(n型摻質)，則其可能在一般環境條件下會處於不穩定狀態而不易保存且使用壽命較短。另一方面，若採用於一般環境下可保持穩定的電子注入材料，當其直接與常用的陰極材料(如：銀)或鹼土族元素(如：鎂)搭配使用時，將無法有效幫助電子注入有機電激發光層。因此，與高活性的鹼金族及鹼土元素的金屬鹽類相較，於一般環境下可保持穩定的電子注入材料會使有機電激發光元件需具有較高的驅動電壓，而不利於提升有機電激發光元件的發光效率。
因此，如何兼顧有機電激發光元件的元件壽命以及發光效率，已成為此領域技術人士研發的重要課題之一。
本發明提供一種有機電激發光元件，其具有良好的發光效率以及優良的元件使用壽命。
本發明的有機電激發光元件，包括一陽極層、一有機官能層以及一陰極層。有機官能層配置於陽極層與陰極層之間。陰極層包括一第一導電層以及一第二導電層。第一導電層配置於有機官能層與第二導電層之間，且第一導電層的功函數高於第二導電層的功函數。
基於上述，本發明藉由將第一導電層設置於有機官能層與第二導電層之間，令第一導電層的功函數高於第二導電層的功函數，以使電子順利地被注入有機電激發光層，進而有效降低有機電激發光元件的驅動電壓，並有利於提升有機電激發光元件的發光效率及使用壽命。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200、300、400‧‧‧有機電激發光元件
110‧‧‧陽極層
120、420‧‧‧有機官能層
121‧‧‧電洞傳輸層
123‧‧‧有機電激發光層
125‧‧‧電子傳輸層
422‧‧‧電洞注入層
424‧‧‧電子注入層
130、230、330‧‧‧陰極層
131、231‧‧‧第一導電層
132、232‧‧‧第二導電層
T1、T2‧‧‧厚度
圖1是本發明一實施例的一種有機電激發光元件的剖面示意圖。
圖2A是圖1的有機電激發光元件的發光效率對第一導電層所佔陰極層厚度比例圖。
圖2B是圖1的有機電激發光元件的電壓對第一導電層所佔陰極層厚度比例圖。
圖3A與圖3B是本發明比較例的不同有機電激發光元件的剖面示意圖。
圖3C是不同實驗例與不同比較例的電流密度對電壓圖(I-V curve)。
圖4是本發明另一實施例的一種有機電激發光元件的剖面示意圖。
圖5是圖1與圖4的有機電激發光元件的電流密度對電壓圖。
圖1是本發明一實施例的一種有機電激發光元件的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的有機電激發光元件100包括一陽極層110、一有機官能層120以及一陰極層130。舉例而言，陽極層110包括一反射電極或一透明電極，或其組合之堆疊層。前述之反射電極的材料例如是銅、鋁、銀、金、鈦、鉬、鎢、鉻以及其合金或疊層。前述之透明電極例如是金屬氧化物層，其包括銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物或其它合適的金屬氧化物。在其他可行的實施例中，透明電極亦可以是上述至少二者(金屬氧化物)之堆疊層，或者是具有高透光度之薄金屬層或薄金屬疊層。
另一方面，在本實施例中，有機官能層120配置於陽極層110與陰極層130之間。詳言之，有機官能層120包括一電洞傳輸層121、一有機電激發光層123以及一電子傳輸層125。舉例而言，有機電激發光層123可為白光發光材料層或是其他特定色光(例如紅光、綠光、藍光、紫外光等)之發光材料層。此外，電洞傳輸層121配置於有機電激發光層123與陽極層110之間。電子傳輸層125配置於有機電激發光層123與陰極層130之間。舉例而言，電子傳輸層125為N型摻雜之電子傳輸層。更詳細而言，本實施例的電子傳輸層125中摻雜有一金屬錯化合物摻質，且此
金屬錯化合物摻質具有以下式1至式6所示化學結構式的至少其中一者。
舉例而言，金屬錯化合物摻質的材料包括8-羥基喹啉鋰(8-hydroquinolatolithium,Liq)，其結構式如下：
或者，金屬錯化合物摻質的材料包括具有2-(2-吡啶基)苯酚基[2-(2-pyridyl)phenolate(PP)]的金屬鹽，其結構式如下：
(式2)，其中Y可為鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)
或銫(Cs)；換言之，金屬錯化合物摻質包括2-(2-吡啶基)苯酚鋰[lithium 2-(2-pyridyl)phenolate(LiPP)]、2-(2-吡啶基)苯酚鈉[sodium 2-(2-pyridyl)phenolate(NaPP)]、2-(2-吡啶基)苯酚鉀[potassium 2-(2-pyridyl)phenolate(KPP)]或2-(2-吡啶基)苯酚銫[caesium 2-(2-pyridyl)phenolate(CsPP)]；或者，金屬錯化合物摻質的材料包括具有2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚基[2-(20,20 0-bipyridine-60-yl)phenolate(BPP)]的金屬鹽，其結構式如下：
(式3)，其中M可為鋰(Li)或鈉(Na)；換言之，
金屬錯化合物摻質包括2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚鋰[lithium 2-(20,20 0-bipyridine-60-yl)phenolate(LiBPP)]或2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚鈉[sodium 2-(20,20 0-bipyridine-60-yl)phenolate(NaBPP)]；或者，金屬錯化合物摻質的材料包括2-(異喹啉-10-基)苯酚鋰[lithium 2-(isoquinoline-10-yl)phenolate(LiIQP)]，其結構式如下：
或者，金屬錯化合物摻質的材料包括2-[2'-羥基苯基-5-(吡啶-3-基)]菲咯啉鋰{2-[2’-Hydroxyphenyl-5-(pyridyl-3-yl)]phenanthrolinato Lithium(LiPBPy)}，其結構式如下：
或者，金屬錯化合物摻質的材料包括2-(2'-羥基苯基)鄰菲咯啉鋰[2-(2’-hydroxyphenyl)phenanthrolinato Lithium(LiPB)]，其結構式如下：
承上述，由於前述金屬錯化合物摻質的材料均具有熱穩定性或不易潮解等易於保存於一般環境下的特性。換言之，本實施例的電子傳輸層125採用了環境穩定型的電子注入材料。
在本實施例中，陰極層130包括一第一導電層131以及一第二導電層132，且第一導電層131配置於有機官能層120與第二導電層132之間。在本實施例中，第一導電層131的功函數高於第二導電層132的功函數。詳言之，第一導電層131的功函數為W1，而第二導電層132的功函數為W2，其中2eVW2<4.0eV，且4eVW1<5.7eV。舉例而言，第一導電層131的材料包括銀(Ag)或鋁(Al)，其中銀的功函數約為4.26eV，而鋁的功函數
約為4.28eV。此外，第二導電層132的材料包括鎂(Mg)或鈣(Ca)，其中鎂的功函數約為3.66eV，而鈣的功函數約為2.87eV。
進一步而言，由於本實施例的陰極層130是由第一導電層131與第二導電層132堆疊所形成，且第一導電層131與第二導電層132的光吸收率不同，因此第一導電層131與第二導電層132之間的厚度比例關係亦會同時影響發光效率與驅動電壓。以下將搭配圖2A及圖2B進行進一步的說明。
圖2A是圖1的有機電激發光元件的發光效率對第一導電層所佔陰極層厚度比例圖，而圖2B是圖1的有機電激發光元件的電壓對第一導電層所佔陰極層厚度比例圖。在本實施例中，第一導電層131例如為銀，但本發明不以此為限。由圖2A可知，本實施例的有機電激發光元件100的發光效率將會隨著第一導電層131所佔陰極層130之厚度比例的提高而提高。但另一方面，由圖2B可知，當第一導電層131所佔陰極層130之厚度比例高於80%時，其所需驅動電壓的增加趨勢亦會急速上升。因此，為使有機電激發光元件100具有較低的驅動電壓，且同時保有相對高的發光效率，本實施例可將有機電激發光元件100的第一導電層131所佔陰極層130之厚度比例控制在介於60%至80%之間。換言之，在本實施例中，有機電激發光元件100的第一導電層131的厚度為T1，而第二導電層132的厚度為T2時，[T1/(T1+T2)]會介於0.6至0.8之間。
如此，本實施例藉由將第一導電層131設置於有機官能
層120與第二導電層132之間，令第一導電層131的功函數高於第二導電層132的功函數，以使電子順利地被注入有機電激發光層123，進而有效降低有機電激發光元件100的驅動電壓，並有利於提升有機電激發光元件100的發光效率。此外，由於本實施例的電子傳輸層125採用了環境穩定型的電子注入材料，因此亦可使有機電激發光元件100具有優良的使用壽命，且適於用於量產。
以下將搭配圖3A至圖3C來針對本實施例的功效進行進一步的說明。
圖3A與圖3B是本發明比較例的不同有機電激發光元件的剖面示意圖。請參照圖3A與圖3B，有機電激發光元件200、300與圖1的有機電激發光元件100的結構類似，而之間的差異如下所述。在圖3A的比較例中，有機電激發光元件200之陰極層230的第二導電層232配置於有機官能層120與第一導電層231之間。在圖3B的比較例中，有機電激發光元件300之陰極層330為單層導電結構，其中陰極層330的材料包括銀(Ag)或鋁(Al)，換言之，在圖3B的比較例中，陰極層330具有較高的功函數。。
圖3C是本發明的不同實驗例與不同比較例的電流密度對電壓圖。其中，實驗例1至實驗例3的有機電激發光元件100具有如圖1所示之結構，且其電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質為前述的8-羥基喹啉鋰(Liq)。而實驗例1的第一導電層131與第二導電層132的材料分別為銀與鈣，實驗例2的第一導電層131與第二導電層132的材料分別為銀與鎂，以及實驗例3的第一導
電層131與第二導電層132的材料分別鋁與鎂。第一導電層131與第二導電層132的厚度分別為16nm與5nm。此外，電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質的摻雜濃度為40%。
另一方面，比較例1至比較例2的有機電激發光元件200
具有如圖3A所示之結構，且在比較例1中，電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質為高活性的鹼金族及鹼土元素的金屬鹽類，例如為氟化銫(CsF)，而在比較例2中，電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質為前述的8-羥基喹啉鋰(Liq)。此外，比較例1至比較例2的第一導電層231皆為銀，而第二導電層232的材料皆為鎂，且第一導電層231與第二導電層232的厚度分別為16nm與5nm。此外，電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質的摻雜濃度為40%。
再者，比較例3至比較例4的有機電激發光元件300具有如圖3B所示之結構，且其電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質為前述的8-羥基喹啉鋰(Liq)。此外，比較例3的陰極層330的材料為銀，而比較例4的陰極層330鋁。陰極層330的厚度為21nm。此外，電子傳輸層125的金屬錯化合物摻質的摻雜濃度為40%。
由圖3C可知，具有圖1所示結構的實驗例1至實驗例3的有機電激發光元件100，與比較例2至比較例4的有機電激發光元件200、300相較之下，具有較低的驅動電壓。並且可達到與摻有高活性的鹼金族及鹼土元素的金屬鹽類(即氟化銫)作為金屬錯化合物摻質的比較例1的有機電激發光元件200具有類似的低驅動電壓的功效。
然而，由於在比較例1中，氟化銫為高活性的鹼金族及鹼土元素的金屬鹽類不易保存於一般環境下，因此，比較例1的有機電激發光元件200與具有圖1所示結構的實驗例1至實驗例3的有機電激發光元件100相較之下，則會具有較短的元件使用壽命。以下將搭配表一來進行進一步的說明。
表一是比較例1與實驗例2應用於藍光元件與綠光元件時的相關數據比較表。
在表一中，藍光元件提供的亮度為1000尼特(nits)及綠光元件所提供的亮度為4000尼特(nits)，驅動電壓的數值表示了有機電激發光元件100、200分別在驅動10mA/cm2的電流密度時所需的電壓大小，LT95%的數值則代表在正常使用情況下，亮度衰退5%時的所需時數。由表一可知，在比較例1的有機電激發光元件200與實驗例2的有機電激發光元件100的驅動電壓數值相近的情況下，實驗例2的有機電激發光元件100可具有較好的發光效率以及較長的元件使用壽命。
圖4是本發明另一實施例的一種有機電激發光元件的剖
面示意圖。請參照圖4，本實施例的有機電激發光元件400與圖1的有機電激發光元件100類似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之有機電激發光元件400的有機官能層420更包括一電子注入層424以及一電洞注入層422，其中電子注入層424配置於電子傳輸層125與陰極層130之間，電洞注入層422配置於電洞傳輸層121與陽極層110之間。舉例而言，在本實施例中，電子注入層424為一金屬錯合物層，但本發明不以此為限。在其他的實施例中，亦可在電子注入層424中摻雜有一金屬錯化合物摻質。
圖5是圖1與圖4的有機電激發光元件的電流密度對電
壓圖。由圖5可知，圖1與圖4的有機電激發光元件100、400具有類似的電流密度對電壓曲線。換言之，在相同的條件下，有機電激發光元件400將可達到與有機電激發光元件100類似的功效，因此有機電激發光元件400亦具有與前述有機電激發光元件100類似的優點，在此不再贅述。
綜上所述，本發明藉由將第一導電層設置於有機官能層
與第二導電層之間，令第一導電層的功函數高於第二導電層的功函數，以使電子順利地被注入有機電激發光層，進而有效降低有機電激發光元件的驅動電壓，並有利於提升有機電激發光元件的發光效率。此外，由於本實施例的電子傳輸層採用了環境穩定型的電子注入材料，因此亦可使有機電激發光元件具有優良的使用壽命，且適於用於量產。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧有機電激發光元件
110‧‧‧陽極層
120‧‧‧有機官能層
121‧‧‧電洞傳輸層
123‧‧‧有機電激發光層
125‧‧‧電子傳輸層
130‧‧‧陰極層
131‧‧‧第一導電層
132‧‧‧第二導電層
T1、T2‧‧‧厚度
Claims (13)
- 一種有機電激發光元件，包括：一陽極層；一有機官能層(organic functional layer)，包括一有機電激發光層以及一電子傳輸層，該有機電激發光層配置於該電子傳輸層與該陽極層之間，其中該電子傳輸層中摻雜有一金屬錯化合物摻質，且該金屬錯化合物摻質的金屬為鹼金族；以及一陰極層，其中該有機官能層配置於該陽極層與該陰極層之間，且該陰極層包括：一第一導電層，與該電子傳輸層接觸，其中該第一導電層的功函數為W1，且4eVW1<5.7eV；以及一第二導電層，其中該第一導電層配置於該電子傳輸層與該第二導電層之間，該第二導電層的功函數為W2，且2eVW2<4.0eV。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機電激發光元件，其中該陽極層包括一反射電極或一透明電極，或其組合之堆疊層。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機電激發光元件，其中該有機官能層更包括一電洞傳輸層，配置於該有機電激發光層與該陽極層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機電激發光元件，其中該金屬錯化合物摻質包括8-羥基喹啉鋰(Liq)、2-(2-吡啶基)苯酚鋰(LiPP)、2-(2-吡啶基)苯酚鈉(NaPP)、2-(2-吡啶基)苯酚鉀 (KPP)、2-(2-吡啶基)苯酚銫(CsPP)、2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚鋰(LiBPP)、2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚鈉(NaBPP)、2-(異喹啉-10-基)苯酚鋰(LiIQP)、2-[2'-羥基苯基-5-(吡啶-3-基)]菲咯啉鋰(LiPBPy)或2-(2'-羥基苯基)鄰菲咯啉鋰(LiPB)。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機電激發光元件，其中該電子傳輸層為N型摻雜之電子傳輸層。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機電激發光元件，其中該第一導電層的材質包括銀(Ag)或鋁(Al)，且該第二導電層的材質包括鎂(Mg)或鈣(Ca)。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機電激發光元件，其中在該第一導電層的厚度為T1，而該第二導電層的厚度為T2，且[T1/(T1+T2)]介於0.6至0.8之間。
- 一種有機電激發光元件，包括：一陽極層；一有機官能層，包括一有機電激發光層以及一電子傳輸層，該有機電激發光層配置於該電子傳輸層與該陽極層之間，其中該電子傳輸層中摻雜有一金屬錯化合物摻質，且該金屬錯化合物摻質的金屬為鹼金族；以及一陰極層，其中該有機官能層配置於該陽極層與該陰極層之間，且該陰極層包括：一第一導電層，與該電子傳輸層接觸，其中該第一導電層的材質包括銀(Ag)或鋁(Al)；以及 一第二導電層，其中該第一導電層配置於該電子傳輸層與該第二導電層之間，該第二導電層的材質包括鎂(Mg)或鈣(Ca)。
- 如申請專利範圍第8項所述的有機電激發光元件，其中該陽極層包括一反射電極或一透明電極，或其組合之堆疊層。
- 如申請專利範圍第8項所述的有機電激發光元件，其中該有機官能層更包括一電洞傳輸層，配置於該有機電激發光層與該陽極層之間。
- 如申請專利範圍第8項所述的有機電激發光元件，其中該金屬錯化合物摻質包括8-羥基喹啉鋰(Liq)、2-(2-吡啶基)苯酚鋰(LiPP)、2-(2-吡啶基)苯酚鈉(NaPP)、2-(2-吡啶基)苯酚鉀(KPP)、2-(2-吡啶基)苯酚銫(CsPP)、2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚鋰(LiBPP)、2-(20,20 0-聯吡啶-60-基)苯酚鈉(NaBPP)、2-(異喹啉-10-基)苯酚鋰(LiIQP)、2-[2'-羥基苯基-5-(吡啶-3-基)]菲咯啉鋰(LiPBPy)或2-(2'-羥基苯基)鄰菲咯啉鋰(LiPB)。
- 如申請專利範圍第8項所述的有機電激發光元件，其中該電子傳輸層為N型摻雜之電子傳輸層。
- 如申請專利範圍第8項所述的有機電激發光元件，其中在該第一導電層的厚度為T1，而該第二導電層的厚度為T2，且[T1/(T1+T2)]介於0.6至0.8之間。
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