(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間して配置された陽極および陰極と、
前記陽極と前記陰極の間に互いに離間して配置された、赤色および緑色発光層ならびに青色発光層と、
前記赤色および緑色発光層と前記青色発光層との間に配置された、厚さが３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるスペーサー層と
を具備する有機電界発光素子であって、
前記赤色および緑色発光層が赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料を含んでなり、
前記青色発光層が青色蛍光発光材料を含んでなり、
前記スペーサー層が、面内垂直方向に分子配向性を有し、その配向オーダーパラメータが−０．５以上−０．２以下である電荷輸送性材料を含み、
前記スペーサー層の一重項エネルギーが前記青色発光層の一重項エネルギーよりも高く、前記スペーサー層の三重項エネルギーが前記青色発光層の三重項エネルギーよりも低く、かつ前記赤色および緑色発光層の三重項エネルギーよりも高いことを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項２】
前記電荷輸送性材料が、
４，４−（ビフェニル−４，４−ジル）ビス（４，４，４−トリフェニルビフェニル−４，４−ジアミン、
４，４−（トリフェニル−４，４−ジル）ビス（４，４，４−トリフェニルビフェニル−４，４−ジアミン、
４，４’−（トリフェニル−４，４’−ジル）ビス（４，４’−ジフェニル−４’−モノビフェニル‐ビフェニル−４，４‘−ジアミン、
１，３−ビス［２−（２，２’−ビピリジン−６−イル）−１，３，４−オキサジアゾ−５−イル］ベンゼン、
ビス−３，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−フェニルピリミジン、
ビス−３，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−メチルピリミジン、
ビス−４，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−フェニルピリミジン、および
ビス−４，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−メチルピリミジン
からなる群から選択される、請求項１に記載の有機電界発光素子。
【請求項３】
互いに離間して配置された陽極および陰極と、
前記陽極と前記陰極の間に互いに離間して配置された、赤色および緑色発光層ならびに青色発光層と、
前記赤色および緑色発光層と前記青色発光層との間に配置された、厚さが３〜２０ｎｍであるスペーサー層と
を具備する有機電界発光素子であって、
前記赤色および緑色発光層が赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料を含んでなり、
前記青色発光層が青色蛍光発光材料を含んでなり、
前記スペーサー層が、
４，４−（ビフェニル−４，４−ジル）ビス（４，４，４−トリフェニルビフェニル−４，４−ジアミン、
４，４−（トリフェニル−４，４−ジル）ビス（４，４，４−トリフェニルビフェニル−４，４−ジアミン、
４，４’−（トリフェニル−４，４’  −ジル）ビス（４，４’−ジフェニル−４’−モノビフェニル‐ビフェニル−４，４‘−ジアミン、
１，３−ビス［２−（２，２’−ビピリジン−６−イル）−１，３，４−オキサジアゾ−５−イル］ベンゼン、
ビス−３，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−フェニルピリミジン、
ビス−３，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−メチルピリミジン、
ビス−４，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−フェニルピリミジン、および
ビス−４，６−（３，５−ジ‐ピリジルフェニル）−２−メチルピリミジン
からなる群から選択される材料を含み、前記スペーサー層の一重項エネルギーが前記青色発光層の一重項エネルギーよりも高く、前記スペーサー層の三重項エネルギーが前記青色発光層の三重項エネルギーよりも低く、かつ前記赤色および緑色発光層の三重項エネルギーよりも高いことを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項４】
正孔輸送層、電子輸送層、または電子注入層をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機電界発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機電界発光素子を具備してなる表示装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機電界発光素子を具備してなる照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、有機電界発光素子、ならびにそれを使用した表示装置および照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、平面光源などの用途に有機電界発光素子（以下、有機ＥＬ素子と称することがある）が注目されている。有機電界発光素子は、一般的に有機材料からなる発光層を陰極と陽極の一対の電極で挟んだ構成を有する。この陽極と陰極の間に電圧を印加すると、陰極より電子が、陽極より正孔が発光層へ注入され、発光層において電子と正孔が再結合して励起子を生成し、この励起子が放射失活する際に発光が得られる。
【０００３】
有機ＥＬ素子に用いられる発光材料には、大きく大別して蛍光発光材料と燐光発光材料がある。このうち蛍光発光材料に関しては、青色、緑色および赤色発光材料のいずれについても、寿命が長く信頼性の高い材料が得られている。しかし、蛍光発光材料は、一重項励起子のみを発光に変換するものであるため、内部量子効率の最大値が一般に２５％程度に制限され、それ以上の効率を達成するのは困難である。一方、燐光発光材料は、一重項励起子と三重項励起子の両方を発光に変換できるものであるため、理論上は１００％近い内部量子効率が期待されている。しかし、緑色および赤色の燐光発光材料においては十分な寿命を有する材料が得られているものの、青色燐光発光材料に関しては、十分な寿命を有し、その他の性能やコストを満足する材料がほとんど見出されていない。
【０００４】
一方、照明やディスプレイのバックライトなどに白色有機ＥＬ素子を用いることが検討されている。このような白色有機ＥＬ素子は、一般に赤色、緑色および青色の発光材料を組み合わせて白色光を得ている。このような有機ＥＬ素子において、赤、緑および青色の発光材料の全てに燐光発光材料を用いた場合、上述したように高い発光効率が期待される。しかしながら、前記した通り、青色燐光発光材料を使用した場合には、その材料が十分な素子寿命を有していないために、白色有機ＥＬ素子全体の寿命が短くなり、素子の信頼性が低くなるという問題が生じやすい。
【０００５】
このような問題を解決するために、青色発光層と赤色および緑色発光層とを積層し、青色発光層には寿命が長い蛍光発光材料を使用し、赤色および緑色発光層には燐光発光材料を使用することにより、長寿命で信頼性の高い白色有機電界発光素子を作成する試みが行われている。この場合、青色発光層からは一重項励起子のみによる光が放射される。そして、青色発光層で生成した三重項励起子をそのまま失活させることなく、赤色および緑色発光層に拡散させることができれば、その三重項励起子のエネルギーを、赤色および緑色の燐光発光材料の発光に利用することができる。このような技術はトリプレットハーベスティング技術と呼ばれる。この技術を利用すれば、一部に蛍光発光材料が使用されている場合でも、理論上は内部量子効率１００％が実現可能であり、高い発光効率を示し、長寿命で信頼性の高い白色有機電界発光素子が実現できる。
【０００６】
このようなトリプレットハーベスティング技術を利用した有機ＥＬ素子において、一重項励起子と三重項励起子とをそれぞれ効率よく利用するためには、赤色および緑色燐光発光層と青色蛍光発光層との間に、適切なスペーサー層を設ける必要がある。すなわち、一重項励起子を青色蛍光発光層に閉じ込めて青色発光に有効に利用させ、かつ三重項励起子だけを赤色および緑色燐光発光層に拡散させるようなスペーサー層である。このようなスペーサー層は、言い換えれば適切な一重項エネルギー（Ｓ１）と三重項エネルギー（Ｔ１）とを有するスペーサー層である。これまでに、トリプレットハーベスティング技術に関して素子構成や使用する材料等を工夫することにより、高効率に白色発光を得るための種々の努力がなされてきたが、高効率な三重項拡散を考慮したスペーサー層に関する検討は十分なされていなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｙ．  Ｓｕｎ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ．４４０，１３（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、青色発光層には蛍光発光材料を使用し、赤色および緑色発光層には燐光発光材料を使用した有機電界発光素子において、高い発光効率で白色発光を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態に係る有機電界発光素子は、互いに離間して配置された陽極および陰極と、前記陽極と前記陰極の間に互いに離間して配置された、赤色および緑色発光層ならびに青色発光層と、前記赤色および緑色発光層と前記青色発光層との間に配置された、厚さが３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるスペーサー層とを有する。このスペーサー層は、面内垂直方向に分子配向性を有し、その配向オーダーパラメータが−０．５以上−０．２以下である電荷輸送性材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る有機電界発光素子を示す断面図。
【図２】実施形態に係る有機電界発光素子のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーダイアグラム。
【図３】実施形態に係る有機電界発光素子の一重項励起状態エネルギー及び三重項励起状態エネルギーダイアグラムと、励起子エネルギー移動とを表す模式図。
【図４】実施形態に係る表示装置を示す回路図。
【図５】実施形態に係る照明装置を示す断面図。
【図６】実施例および比較例による有機ＥＬ素子の外部量子効率の電圧依存性を示すグラフ。
【図７】実施例および比較例による有機ＥＬ素子の発光スペクトルを示すグラフ。
【図８】実施例および比較例による有機ＥＬ素子の素子特性を示すグラフ。
【図９】実施例および比較例による有機ＥＬ素子の発光スペクトルを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図１および図２、図３を参照しながら説明する。
図１は、実施形態に係る有機電界発光素子を示す断面図である。
有機電界発光素子１０は、基板１１の一主面上に、陽極１２、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、電子注入層１６および陰極１７を順次形成した構造を有する。発光層１４は、青色発光層１４ａと、赤色および緑色発光層１４ｃと、青色発光層１４ａと赤色および緑色発光層１４ｃの間に位置するスペーサー層１４ｂとを具備する。例えば赤色および緑色発光層１４ａと青色発光層１４ｃの積層の順番は限定されず、必要に応じて入れ替えることもできる。また正孔輸送層１３、電子輸送層１５および電子注入層１６は、必要に応じて形成される。スペーサー層１４ｂは、適切な三重項エネルギー（以下Ｔ１エネルギーと表す）、一重項エネルギー（以下Ｓ１エネルギーと表す）を有する。ここで、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５および電子注入層１６は、基板の一主面に平行に設けられている。青色発光層１４ａ、スペーサー層１４ｂ、赤色および緑色発光層１４ｃも基板の一主面に平行に設けられている。
【００１２】
図２は、実施形態に係る有機電界発光素子の青色発光層１４ｃと、スペーサー層１４ｂと、赤色および緑色発光層１４ａのＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーダイアグラムである。図３は、実施形態に係る有機電界発光素子の青色発光層１４ｃと、スペーサー層１４ｂ、赤色燐光発光層の一重項励起状態エネルギーレベルおよび三重項励起状態エネルギーレベルと、励起子のエネルギー移動とを表す模式図である。
【００１３】
本実施形態において、青色発光層１４ｃは、青色蛍光発光材料がドープされた正孔輸送性材料により形成される。赤色および緑色発光層１４ａは、ホスト材料中に赤色燐光発光材料と緑色燐光発光材料とをドープした構成を有する。図２のエネルギーダイアグラムにおいては三重項励起子の拡散性を単純に説明するため、赤色および緑色発光層１４ａのうち赤色燐光発光材料のみについて示されているが、実施形態においては緑色燐光発光材料も存在しており、そのエネルギーの関係は赤色燐光発光材料とほぼ同様である。ここで、スペーサー層１４ｂは電荷輸送性材料を含み、例えば赤色および緑色発光層１４ａに用いられているホスト材料を用いることができる。図２においては、スペーサー層の材料は赤色および緑色発光層１４ａのホスト材料と同じものを用いた場合を示しており、スペーサー層１４ｂと赤色および緑色発光層１４ａのホスト材料とを比較するとエネルギーレベルは同一である。
【００１４】
有機ＥＬ素子１０に電圧を印加すると、陽極から正孔が、陰極から電子が注入され、青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面で電荷の再結合が生じる。再結合によって生じた励起子の２５％は一重項励起子となり、７５％は三重項励起子となる。
【００１５】
一般に一重項励起子は双極子−双極子相互作用に基づくフェルスター機構によりエネルギー移動を生じると考えられている。フェルスター機構によるエネルギー移動は双極子の相互作用によるため、必ずしも分子が接近していない場合でも、励起子のエネルギー拡散（エネルギー移動）が生じる。そのエネルギー移動距離は、一般的な材料で長くともおよそ１０ｎｍ以下であるとされる。
【００１６】
生じた励起子の移動は、青色発光層１４ｃと赤色および緑色発光層１４ａとの間に存在するスペーサー層１４ｂによって制限される。スペーサー層１４ｂは、青色発光層１４ｃから赤色および緑色発光層１４ａへの一重項励起子の移動を防ぎ、三重項励起子は拡散させる機能を有している。図３に示すエネルギーレベルを用いて説明する。図３において、実線矢印が励起子のエネルギー移動を示す。青色発光層１４ｃとして励起子のエネルギーレベルを、赤色および緑色発光層１４ａとして赤色燐光発光材料のエネルギーレベルを表している。スペーサー層１４ｂは励起子よりも高いＳ１エネルギーを有し、青色蛍光発光材料よりも低いＴ１エネルギーを有する。また、実施形態におけるスペーサー層１４ｂの膜厚は、フェルスター機構によるエネルギー移動を必要なレベルで防ぐ膜厚とする。すなわち、スペーサー層１４ｂは励起子のエネルギー移動が生じる距離以上の膜厚とする。例えばスペーサー層１４ｂは、３ｎｍ以上の膜厚を有する。また、スペーサー層１４ｂは、赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料のＴ１エネルギーよりも高いＴ１エネルギーを有する。
【００１７】
スペーサー層１４ｂのＳ１エネルギーが励起子のＳ１エネルギーよりも大きいため、青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂとの界面で生じる一重項励起子はスペーサー層１４ｂを拡散することができない。また、スペーサー層１４ｂの膜厚がフェルスター機構によるエネルギー移動が生じる距離よりも厚いため、エネルギー移動が生じにくい。従って、一重項励起子の有するエネルギーは、青色発光層１４ｃ中で青色蛍光を発生させるエネルギーとして消費される。従って、一重項励起子により、青色発光層１４ｃから青色の蛍光が放出される。
【００１８】
一方、スペーサー層１４ｂのＴ１エネルギーは青色発光層１４ｃの励起子のＴ１エネルギーよりも小さいため、三重項励起子はスペーサー層１４ｂを拡散して赤色および緑色燐光発光層１４ａに到達する。この結果、三重項励起子の有するエネルギーは赤色および緑色発光層１４ａにおける燐光を発生させるエネルギーとして消費され、赤色および緑色発光層１４ａから赤色の燐光と緑色の燐光が放出される。この有機ＥＬ素子によると、青色の蛍光、赤色の燐光および緑色の燐光により白色光を得ることができる。このように、青色蛍光発光材料を用いた場合でも、青色発光層１４ｃで発生したＳ１エネルギーとＴ１エネルギーが有効に利用されて青色発光層１４ｃで生じる三重項励起子のエネルギーがロスにならないので、高い発光効率が達成される。
【００１９】
このような機能を有効に発揮するために、以下のようにスペーサー層１４ｂを特定の材料により構成する。ここで、スペーサー層１４ｂは、基板の一主面に平行な水平面と水平方向に垂直な垂直方向とを有する。垂直方向は、陽極１２、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、電子注入層１６および陰極１７が積層された方向である。スペーサー層１４ｂとしては、平面状分子を含む電荷輸送性材料を用いる。平面状分子とは分子形状が平面に近いものをいう。スペーサー層１４ｂに含まれる平面状分子は、水平面についてはアモルファス構造を有し、向きがランダムな状態にあり、垂直方向については配向性を有する。言い換えれば、平面状分子が、その平面が水平面に平行となるように堆積してスペーサー層１４ｂを形成している。
【００２０】
平面状分子は、垂直方向に分子配向性を有する。平面状分子の一例として下記式で表される、１，３−ビス−２−２，２−ピリジル−１，３，４−オキサジアゾリルベンゼン（以下、Ｂｐｙ−ＯＸＤと称することがある）が挙げられる。
【化１】
0005487174.tif 000002
【００２１】
この分子でスペーサー層１４ｂを形成すると、分子は、水平面についてはランダムで、垂直方向については分子同士が重なり合った積層構造を形成すると考えられる。このような平面状分子によると、分子軌道同士の重なりが大きくなり、垂直方向の電子移動度が向上するものと考えられる。従って、このようなスペーサー層１４ｂを用いると、青色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂとの界面で電荷の再結合が効率よく生じ、有機ＥＬ素子の発光効率を高めることができる。
【００２２】
平面状分子の状態は、配向オーダーパラメータＳ値により表すことができる。実施形態においてスペーサー層１４ｂに用いられる平面状分子は、−０．５以上−０．２以下の配向オーダーパラメータＳ値を有する。
【００２３】
ここで、配向オーダーパラメータＳ値とは、以下の式で定義されるものである。
【数１】
0005487174.tif 000003
式中、θは分子の長軸と基板表面に対して垂直な方向との間の角度であり、ｋｏおよびｋｅは、面内平行方向の消衰係数（ｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）および面内垂直方向の消衰係数（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。
【００２４】
配向オーダーパラメータＳ値は、上式（１）に示す通りｋｏとｋｅを用いて算出することが出来る。ｋｏとｋｅは多入射角分光エリプソメトリで得られた測定結果を、屈折率の異方性を考慮したモデルによって解析することで得られる。Ｓ値は分子が基板に対して完全に平行に配置された場合、すなわち分子が垂直方向に配向した場合にはＳ値は−０．５となり、配向がランダムであるとＳ値は０となり、基板に対して完全に垂直に配置された場合、すなわち分子が基板水平方向に配向した場合にはＳ値は１となる。
【００２５】
分子が垂直方向に配向することが好ましいので、Ｓ値が−０．５に近いことが理想である。垂直方向の電子移動度を考慮して、Ｓ値は−０．２以下であることとし、−０．３以下であることが好ましく、−０．４以下であることがより好ましい。
【００２６】
このような配向オーダーパラメータを有する電荷輸送性材料としては、以下のようなものが挙げられる。
１，３−ビス［２−（２，２’−ビピリジン−６−イル）−１，３，４−オキサジアゾ−５−イル］ベンゼン（以下、Ｂｐｙ−ＯＸＤと称する）、Ｓ＝−０．４４
ビス−４，６−（３，５−ジ−ピリジルフェニル）−２−メチルピリミジン（以下、Ｂ４ＰｙＭＰＭと称する）、Ｓ＝−０．３６
ビス−４，６−（３，５−ジ−ピリジルフェニル）−２−フェニルピリミジン（以下、Ｂ４ＰｙＰＰＭと称する）、Ｓ＝−０．３４
ビス−３，６−（３，５−ジ−ピリジルフェニル）−２−メチルピリミジン（以下、Ｂ３ＰｙＭＰＭと称する）、Ｓ＝−０．３３
ビス−３，６−（３，５−ジ−ピリジルフェニル）−２−フェニルピリミジン（以下、Ｂ３ＰｙＰＰＭと称する）、Ｓ＝−０．３５
４，４−（ビフェニル−４，４−ジル）ビス（４，４，４−トリフェニルビフェニル−４，４−ジアミン）  （以下、ＴＰＴ１と称する）、Ｓ＝−０．２０
４，４−（トリフェニル−４，４−ジル）ビス（４，４，４−トリフェニルビフェニル−４，４−ジアミン）  （以下、ＴＰＴ２と称する）、Ｓ＝−０．２８
４，４’−（トリフェニル−４，４’  −ジル）ビス（４，４’−ジフェニル−４’−モノビフェニル−ビフェニル−４，４’−ジアミン）  （以下、ＴＰＴ９と称する）、Ｓ＝−０．２７
【化２】
0005487174.tif 000004
【化３】
0005487174.tif 000005
【００２７】
なお、従来の有機ＥＬ素子においてスペーサーに使われていた以下のような電荷輸送性材料は、いずれも配向オーダーパラメータＳが大きく、本発明の効果を得ることができない。
Ｎ，Ｎ’−ジ−（１−ナフタレニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−［１，１’，４’，１’’４’’，１’’’−クォーターフェニル］−４，４’’’−ジアミン（以下、４Ｐ−ＮＰＤと称する）、Ｓ＝０．１
ビス（２−メチル−８−キノリノレート）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム
（以下、ＢＡｌｑと称する）、Ｓ＝−０．０３
１，３−ビス［２−（４−ターシャル−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾ−５−イル］ベンゼン（以下、ＯＸＤ−７と称する）、Ｓ＝０．０１
【化４】
0005487174.tif 000006
【００２８】
実施形態による有機ＥＬ素子は、スペーサー層１４ｂに特定の電荷輸送性材料を用いることを必須とするが、それ以外は従来の有機ＥＬ素子と同様の材料で構成することができる。
【００２９】
例えば、スペーサー層１４ｂを構成する電荷輸送性材料としては、ＴＰＴ１、ＴＰＴ２、ＴＰＴ９等を使用することができる。
【００３０】
このような材料を含むスペーサー層１４ｂは、高い効率を発揮するために、特定の膜厚を有することが必要である。本実施形態において、スペーサー層１４ｂの膜厚はＳ１エネルギーまたはＴ１エネルギーの移動に影響する。このためスペーサー層１４ｂの膜厚は３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが必要であり、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましい。スペーサー層１４ｂを３ｎｍ以上の厚さにすることにより、フェルスター機構にもとづいて長距離のＳ１エネルギー移動を抑制し、有効にＳ１エネルギーを閉じ込めることが出来る。一方、スペーサー層１４ｂを２０ｎｍ以上とすると、三重項励起子の拡散の途中で励起子の失活がおこり、発光効率が低下することがある。すなわち、スペーサー層１４ｂの厚さが特定の厚さを有するとによって、青色発光層１４ｃからの発光と赤色および緑色発光層１４ａからの発光が同時に得られる。
【００３１】
実施形態による有機ＥＬ素子は、このようなスペーサー層１４ｂを用いるほかは、従来の有機ＥＬ素子と同様にして作成することができる。例えば、緑色、赤色、または青色の発光をする発光材料も従来と同様のものを用いることができる。
【００３２】
まず、赤色および緑色発光層１４ａはホスト材料、赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料を含む。
【００３３】
赤色発光材料としては、ビス（２−メチルジベンゾ−［ｆ，ｈ］キノキサリン）（アセチルアセトナート）イリジウム（ＩＩＩ）  ［以下，Ｉｒ（ＭＤＱ）２（ａｃａｃ）と称する］、トリス（１−フェニルソキノリン）イリジウム（ＩＩＩ）  ［以下、Ｉｒ（ｐｉｑ）３と称する］等を使用することができる。赤色および緑色発光層１４ａに含まれる正孔輸送性ホスト材料としては、例えば、ＴＰＴ１，ＴＰＴ２，ＴＰＴ９，ビス（Ｎ−（１−ナフチル−Ｎ−フェニルベンジジン［以下、α−ＮＰＤと称する］、１，３−ビス（Ｎ−カルバゾリル）ベンゼン［以下、ｍＣＰと称する］、ジ−［４−（Ｎ，Ｎ−ジトリルアミノ）フェニル］シクロヘキサン［以下、ＴＡＰＣと称する］、４，４’，４’’−トリス（９−カルバゾリル）−トリフェニルアミン［以下、ＴＣＴＡと称する］、４，４’−ビス（９−カルバゾリル）−２，２’−ジメチル−ビフェニル［以下、ＣＤＢＰと称する］等を使用することができる。赤色および緑色発光層１４ａに含まれる電子輸送性ホスト材料としては、Ｂｐｙ−ＯＸＤ、Ｂ３ＰｙＰＰＭ、Ｂ３ＰｙＭＰＭ、Ｂ４ＰｙＰＰＭ、Ｂ４ＰｙＭＰＭ、ＯＸＤ−７、ＢＡｌｑ、トリス［３−（３−ピリジル）−メシチル］ボラン［以下、３ＴＰＹＭＢと記す］、トリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）、バソフェナントロリン（ＢＰｈｅｎ）等などを使用することができる。赤色および緑色発光層１４ａに含まれるバイポーラ性のホスト材料としては、４，４’−ビス（９−ジカルバゾリル）−２，２’−ビフェニル［以下、ＣＢＰと称する］等が挙げられる。上記材料は一例であり、同様の機能を有していればそれらに限られない。
【００３４】
緑色発光材料としては、トリス（２−フェニルピリジン）イリジウム（ＩＩＩ）［以下，Ｉｒ（ｐｐｙ）３と称する］、トリス（２−（ｐ−トリル）ピリジン）イリジウム（ＩＩＩ）［以下，Ｉｒ（ｍｐｐｙ）３と称する］、ビス（２−（９，９−ジヘキシルフルオレニル）−１−ピリジン）（アセチルアセトネート）イリジウム（ＩＩＩ）［以下、Ｉｒ（ｈｆｌｐｙ）（ａｃａｃ）と称する］等を使用することができる。
【００３５】
なお、赤色および緑色発光層１４ａには、さらに黄色の発光をする発光材料を組み合わせることもできる。このような発光材料を組み合わせることにより、より優れた色調の発光を得ることが可能となる。
【００３６】
また、ここに説明した実施形態においては赤色および緑色発光層１４ａはホスト材料中に赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料をドープした構成を有することとしたが、ホスト材料中に赤色燐光発光材料をドープした層とホスト材料中に緑色燐光発光材料をドープした層を積層してもよい。
【００３７】
青色発光層１４ｃは、青色蛍光発光材料のみからなるか、もしくはホスト材料および青色蛍光発光材料を含む。
【００３８】
青色発光材料としては、１−４−ジ−［４−（Ｎ，Ｎ−ジ−フェニル）アミノ］スチリル−ベンゼン［以下，ＤＳＡ−Ｐｈと称する］、４，４’−ビス（９−エチル−３−カルバゾビニレン）−１，１’−ビフェニル［以下，ＢＣｚＶＢｉと称する］等を使用することができる。青色発光層１４ｃに含まれる電子輸送性ホスト材料としては４，４−ビス（２，２−ジフェニル−エテン−１−イル）ビフェニル以下，ＤＰＶＢｉと称する］９，１０−ビス  （２−ナフチル）−２−ターシャル−ブチルアントラセン［以下、ＴＢＡＤＮと称する］等を使用することができる。
【００３９】
発光層内の正孔と電子とのキャリアバランスをとるために、赤色および緑色発光層１４ａならびに青色発光層１４ｃ中に、さらに電子輸送性材料および／または正孔輸送性材料を含有させてもよい。このように発光層内のキャリアバランスをとることにより、発光効率を向上させることができる。
【００４０】
図１を参照しながら、実施形態に係る有機電界発光素子の他の部材について詳細に説明すると以下の通りである。
【００４１】
基板１１は、他の部材を支持するためのものである。この基板１１は、熱や有機溶剤によって変質しないものが好ましい。基板１１の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム、およびステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン等の金属基板が挙げられる。発光を取り出すため、ガラス、合成樹脂等からなる透明な基板を用いることが好ましい。基板１１の形状、構造、大きさ等について特に制限はなく、用途、目的等に応じて適宜選択することができる。基板１１の厚さは、その他の部材を支持するために十分な強度があれば、特に限定されない。
【００４２】
陽極１２は、基板１１の上に積層される。陽極１２は、正孔輸送層１３または発光層１４に正孔を注入する。陽極１２の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明または半透明の導電性を有する材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。例えば、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等を陽極１２として使用することができる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡ等）や、金、白金、銀、銅等が用いられる。特に、ＩＴＯからなる透明電極であることが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてもよい。陽極１２の膜厚は、ＩＴＯの場合、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、発光効率低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が作用するとひび割れが生じる。陽極１２は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料からなる層を積層したものであってもよい。
【００４３】
正孔輸送層１３は、陽極１２と発光層１４との間に任意に配置される。正孔輸送層１３は、陽極１２から正孔を受け取り、発光層側へ輸送する機能を有する層である。正孔輸送層１３の材料としては、例えば、導電性インクであるポリ（エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレン・スルホン酸）［以下、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと記す］のようなポリチオフェン系ポリマーを使用することができるが、これに限定されない。ＴＣＴＡやα−ＮＰＤを用いることも可能である。正孔輸送層１３の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えばスピンコート法を使用することが可能である。正孔輸送層１３の溶液を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレート等で加熱乾燥する。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用してもよい。
【００４４】
電子輸送層１５は、任意に、発光層１４の上に積層される。電子輸送層１３は、電子注入層１６から電子を受け取り、発光層１４へ輸送する機能を有する層である。電子輸送層１５の材料としては、例えば、３ＴＰＹＭＢ、Ａｌｑ３、ＢＰｈｅｎ等を使用することができるが、これらに限定されない。電子輸送層１５は、真空蒸着法、塗布法等で成膜する。
【００４５】
電子注入層１６は、任意に、電子輸送層１５の上に積層される。電子注入層１６は、陰極１７から電子を受け取り、電子輸送層１５または発光層１４へ注入する機能を有する層である。電子注入層１６の材料としては、例えば、ＣｓＦ、ＬｉＦ等を使用することができるが、これらに限定されない。電子注入層１６は、真空蒸着法、塗布法等で成膜する。
陰極１７は、発光層１４（または電子輸送層１５もしくは電子注入層１６）の上に積層される。陰極１７は、発光層１４（または電子輸送層１５もしくは電子注入層１６）に電子を注入する。通常、透明または半透明の導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、金属薄膜等が挙げられる。陽極１２を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、陰極１７には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｙｂ、Ｃｓ等を挙げることができる。
【００４６】
陰極１７は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。また、２種以上の金属の合金を使用してもよい。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。
【００４７】
陰極１７の膜厚は、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、抵抗が大きくなりすぎる。膜厚が厚い場合には、陰極１７の成膜に長時間を要し、隣接する層にダメージを与えて性能が劣化する。
【００４８】
以上、基板の上に陽極を積層し、基板と反対側に陰極を配置した構成の有機電界発光素子について説明したが、陰極側に基板を配置してもよい。また、青色発光層１４ｃと赤色および緑色発光層１４ａの位置を入れ替えても、同様の効果が得られる。
【００４９】
本実施形態によれば、従来の有機ＥＬ素子に比較して高い発光効率を達成できる。具体的には、従来の配向性を有しないスペーサー層を用いた有機ＥＬ素子における外部量子効率は、せいぜい３．５％程度であったのに対して、実施態様による有機ＥＬ素子によって達成できる外部量子効率は７．６％以上にもおよぶ。
【００５０】
上記に説明した有機電界発光素子の用途の一例として、表示装置および照明装置が挙げられる。図４は、実施形態に係る表示装置を示す回路図である。
【００５１】
図４に示す表示装置２０は、横方向の制御線（ＣＬ）と縦方向の信号線（ＤＬ）がマトリックス状に配置された回路の中に、それぞれ画素２１を配置した構成をとる。画素２１には、発光素子２５および発光素子２５に接続された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２６が含まれる。ＴＦＴ２６の一方の端子は制御線に接続され、他方の端子は信号線に接続される。信号線は、信号線駆動回路２２に接続されている。また、制御線は、制御線駆動回路２３に接続されている。信号線駆動回路２２および制御線駆動回路２３は、コントローラ２４により制御される。
【００５２】
図５は、実施形態に係る照明装置の一例を示す断面図である。
【００５３】
図示された照明装置１００は、ガラス基板１０１上に、陽極１０７、有機ＥＬ層１０６、および陰極１０５を順次積層した構成をとる。封止ガラス１０２は、陰極１０５を覆うように配置され、ＵＶ接着剤１０４を用いて固定される。封止ガラス１０２の陰極１０５側の面には、乾燥剤１０３が設置される。
【００５４】
以下、諸例により実施形態をさらに詳細に説明するが、実施形態はこれらの例のみに限定されるものではない。
【００５５】
実施例１
スペーサー材料としてＢｐｙ−ＯＸＤを用いた有機ＥＬ素子を作成した。具体的には以下の手順により作成した。ガラス基板上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透明電極をスパッタリング法により形成し、陽極とした。正孔輸送層の材料として、α−ＮＰＤおよびＴＣＴＡを真空蒸着により順次成膜し、厚さ４０ｎｍと２０ｎｍの合計６０ｎｍの正孔輸送層を形成した。次にスペーサー層の材料としてＢｐｙ−ＯＸＤを真空蒸着により成膜し、厚さ１０ｎｍのスペーサー層を形成した。本実施例では、実験のために青色発光層を設けず、正孔輸送層であるＴＣＴＡとスペーサー層であるＢｐｙ−ＯＸＤの励起錯体が形成する励起子による発光を青色発光として利用する。
【００５６】
赤色および緑色発光層の発光材料としては、本実施例ではスペーサー層の三重項励起子の拡散性の比較を単純に行うため、発光材料には赤色燐光発光材料のみを用いた。すなわち、実施例１における有機ＥＬ素子は青色と赤色の２色の光を放出する。ホスト材料としてはスペーサー層と同様にＢｐｙ−ＯＸＤを用い、赤色燐光発光材料としてＩｒ（ＭＤＱ）２（ａｃａｃ）を使用した。これらを重量比で９５：５となるようにして蒸着速度を制御し、真空蒸着装置を用いてスペーサー層上に共蒸着し、厚さ５ｎｍの赤色発光層とした。
【００５７】
なお、ＴＣＴＡとＢｐｙ−ＯＸＤの励起錯体が形成する励起子のＳ１エネルギーは２．５ｅＶ程度であり、スペーサー層によって有効にエネルギー閉じ込めが可能である。またＴＣＴＡとＢｐｙ−ＯＸＤの励起錯体が形成する励起子のＴ１エネルギーとＢｐｙ−ＯＸＤのＴ１エネルギーは現時点で測定が出来ていない。しかし作成した有機ＥＬ素子のＥＬスペクトルから、赤色燐光発光材料の発光が確認できているため、青色発光層からの三重項拡散による発光を実現できていることがわかる。従って、ＴＣＴＡとＢｐｙ−ＯＸＤの励起錯体が形成する励起子のＴ１エネルギーはＢｐｙ−ＯＸＤのＴ１エネルギーより高く、Ｂｐｙ−ＯＸＤのＴ１エネルギーはＩｒ（ＭＤＱ）２（ａｃａｃ）のＴ１エネルギーである２．０ｅＶより高いといえる。
【００５８】
続いて、赤色燐光発光層の上に電子輸送層を形成した。電子輸送層の材料としてＢｐｙ−ＯＸＤを真空蒸着により成膜し厚さ４０ｎｍの電子輸送層を形成した。続いて、電子注入層としてＬｉＦを真空蒸着により成膜し、厚さ０．５ｎｍの電子注入層を形成した。その後、アルミニウムを電子輸送層上に真空蒸着することにより、厚さ１５０ｎｍの陰極を形成した。作成した有機ＥＬ素子にＵＶ硬化樹脂を用いて対向ガラス基板を窒素雰囲気中で張り合わせることにより封止を行った。
【００５９】
比較例１
スペーサー層および電子輸送層の材料として、Ｂｐｙ−ＯＸＤの代わりにＯＸＤ−７を用いたほかは実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作成した。
【００６０】
比較例２
スペーサー層および電子輸送層の材料として、Ｂｐｙ−ＯＸＤの代わりにＢＡｌｑを用いたほかは実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作成した。
【００６１】
比較例３
スペーサー層および電子輸送層の材料として、Ｂｐｙ−ＯＸＤの代わりに４Ｐ−ＮＰＤをスペーサー層に用いた有機ＥＬ素子を作成した。Ｂｐｙ−ＯＸＤは電子輸送性材料であり、４Ｐ−ＮＰＤは正孔輸送性材料であるため、単純にＢｐｙ−ＯＸＤと４Ｐ−ＮＰＤを置き換えただけでは、良好な特性は得られない。そこで素子構造を変更する必要がある。比較例３では、陽極の上に正孔輸送層、赤色燐光発光層、スペーサー層、青色発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極の順で積層した。具体的にはガラス基板上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透明電極をスパッタリング法により形成し、陽極とした。正孔輸送層の材料として、α−ＮＰＤを真空蒸着により順次成膜し、厚さ４０ｎｍの正孔輸送層を形成した。次に赤色および緑色発光層の発光材料としては、本例ではスペーサー層の三重項励起子の拡散を簡単に確認するため、発光材料には赤色燐光発光材料のみを用いた。ホスト材料としては４Ｐ−ＮＰＤを用い、赤色燐光発光材料としてＩｒ（ＭＤＱ）２（ａｃａｃ）を使用した。これらを重量比で９５：５となるようにして蒸着速度を制御し、真空蒸着装置を用いて正孔輸送層層上に共蒸着し、厚さ５ｎｍの赤色発光層とした。続いてスペーサー層材料として４Ｐ−ＮＰＤを真空蒸着により厚み１０ｎｍのスペーサー層を成膜した。スペーサー層である４Ｐ−ＮＰＤは青色の蛍光発光を示し、青色蛍光発光層を兼ねる。次に電子輸送層としてＢｐｈｅｎｅを真空蒸着により厚み４０ｎｍ成膜した。続いて、電子注入層としてＬｉＦを真空蒸着により成膜し、厚さ０．５ｎｍの電子注入層を形成した。その後、アルミニウムを電子輸送層上に真空蒸着することにより、厚さ１５０ｎｍの陰極を形成した。作成した素子にＵＶ硬化樹脂を用いて対向ガラス基板を窒素雰囲気中で貼り合わせることにより封止を行った。
【００６２】
素子特性の評価
実施例および比較例の有機ＥＬ素子について、その特性を評価した。評価方法は積分球、ソースメーター（ケースレーインスツルメンツ株式会社製、商品名２４００型汎用ソースメーター）およびマルチチャンネル分光器（浜松ホトニクス株式会社製、商品名Ｃ１００２７）からなる絶対量子効率測定装置（浜松ホトニクス株式会社製）を用いて行った。得られた外部量子効率（以下ＥＱＥと示す）の電圧依存性の結果は図６に示す通りであった。実施例１に示す素子の最大のＥＱＥは７．６％であり、比較例１に示す素子の最大のＥＱＥは０．６％、比較例２に示す素子の最大のＥＱＥは３．３％、比較例３に示す素子の最大のＥＱＥは２．８％であった。
【００６３】
また電流密度５ｍＡ／ｃｍ２の時の発光スペクトルは図７に示すとおりであった。実施例１、および比較例１〜３のどの場合においても、波長４００ｎｍから５００ｎｍの領域の青色発光に加えて波長６１０ｎｍ付近にピークを有する２色発光を実現できている。また、実施例１の素子の赤色発光のピーク強度は、比較例１〜３に示す素子の赤色発光のピーク強度に比べて高く、青色蛍光発光材料からの三重項拡散による赤色発光が効率的に起きている。このように、実施形態の有機ＥＬ素子によれば二色発光を実現しつつ、比較例に比べて高い外部量子効率が得られることが確認できた。
【００６４】
実施例１の有機ＥＬ素子について、スペーサー層であるＢｐｙ−ＯＸＤの膜厚を０．３，５，７，１０，２０，３０ｎｍと変化させた素子を作製し、その特性を評価した。評価方法は上記と同様に絶対量子効率測定装置を用いた。そのときの外部量子効率の電圧依存性の結果は図８に示すとおりであった。またそれら素子の赤色発光のピークを１として規格化したＥＬスペクトルは図９に示すとおりであった。外部量子効率はスペーサー層膜厚が２０ｎｍ以上となると最大でも３．５％程度となった。またスペーサー層膜厚が３ｎｍ以下となると、青色発光強度が低く、二色発光が実現できていない。よってスペーサー層の膜厚は３から２０ｎｍ程度の場合に、高効率と二色発光を実現できることが確認できた。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１０  有機電界発光素子
１１  基板
１２  陽極
１３  正孔輸送層
１４  発光層
１４ａ  赤色および緑色発光層
１４ｂ  スペーサー層
１４ｃ  青色発光層
１５  電子輸送層
１６  電子注入層
１７  陰極
２０  表示装置
２１  画素
２２  信号線駆動回路
２３  制御線駆動回路
２４  コントローラ
２５  発光素子
２６  ＴＦＴ
１００  照明装置
１０１  ガラス基板
１０２  封止ガラス
１０３  乾燥剤
１０４  ＵＶ接着剤
１０５  陰極
１０６  有機ＥＬ層
１０７  陽極
【図１】
0005487174.tif 000007
【図２】
0005487174.tif 000008
【図３】
0005487174.tif 000009
【図４】
0005487174.tif 000010
【図５】
0005487174.tif 000011
【図６】
0005487174.tif 000012
【図７】
0005487174.tif 000013
【図８】
0005487174.tif 000014
【図９】
0005487174.tif 000015