(57)【要約】【課題】本発明は、屈折率の高い陽極層から屈折率の低い透明基板界面に入射する際に、全反射によって透明基板の透過光量が低下する問題と、ガラス基板と空気の界面で全反射して光取出し効率が低下する問題を改善することを課題とした。【解決手段】透明基板１上に、少なくとも、屈折率が１．６から２．０の範囲の高屈折率樹脂層８、陽極層２、光散乱電極９、エレクトロルミネッセンス層７、陰極層６、をこの順に積層したことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子１０であって、前記光散乱電極９は、所望の形状にパターニングされている有機エレクトロルミネッセンス素子である【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に、少なくとも、屈折率が１．６から２．０の範囲の高屈折率樹脂層、陽極層、光散乱電極、エレクトロルミネッセンス層、陰極層、をこの順に積層したことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
前記光散乱電極は、所望の形状にパターニングされていることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記光散乱電極の表面は、陽極層の表面と概ね面一であることを特徴とする請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記光散乱電極を保護する有機絶縁層を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
前記高屈折率樹脂層が、無機物からなる微粒子を含有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子に係り、特には、発光した光の取り出し効率を向上するための層構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明用あるいはディスプレイ用に使われる有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と記す。）は、有機蛍光物質を２０００Å程度以下で離間対抗する電極間に挟んだ自己発光する素子である。有機の蛍光性材料には、低分子系材料と高分子系材料があるが発光原理は同じであり、陽極から蛍光性物質のＬＯＭＯに注入された正孔と陰極からＨＯＭＯに注入された電子とが再結合する際の蛍光あるいは燐光を利用するものである。液晶ディスプレイの次の世代のディスプレイ装置や平面光源として期待が高まっている。
【０００３】
有機ＥＬ素子２０の構成を、図３に示したが、透明なガラス基板１上に、陽極層２、正孔輸送層３、蛍光発光層４、電子輸送層５、陰極層６、保護膜１４等からなっている。陽極層２は、光が取り出せる透明な電極であり、通常はＩＴＯ（インジウム錫複合酸化物）が使用されている。正孔輸送層３は、ＩＴＯ電極２から正孔が蛍光発光層に注入されやすくする有機層である。陰極６は、蛍光発光層４（以下、単に発光層と記す）に電子を注入する層でマグネシウムあるいはリチウムと銀の合金のような金属であり、仕事関数小さいアルカリ金属系材料が使用されている。
【０００４】
また正孔注入層３と電子輸送層５は、単にそれぞれのキャリアーを輸送するだけでなく、反対電荷をブロックするために、そのための機能層（インターレイヤー層）が追加されて多層化される場合が多い。いずれにしても正孔、電子のトンネリングを良くするために、各層の厚みは、１００〜１０００Åの範囲内と非常に薄くなっている。
【０００５】
カラー化は、蛍光色の異なる蛍光体を所定のパターン状に配置するか、白色発光を、カラーフィルターを用いて分光するか、青色発光層の上に赤発光層と緑発光層を別々に堆積して色変換する方式がある。
【０００６】
陰極層６を被覆する保護膜１４は、本来は不要なものであるが、陰極電極材料や上記の有機各層は、水分や酸素の影響を受けて性能が極端に低下するので、水分や酸素が前記した層中に浸透しないようにバリアーとして設置するものである。一般にはエポキシ樹脂等で被覆した上に、さらに完全を期すために無機膜を積層したり、吸湿剤を入れたカバーガラスで覆うことが行われている。
【０００７】
低分子系と高分子系では、その性質上素子製法が異なるが、低分子系では蒸着法により、透明電極付きのガラス基板上に、各層を所定の厚みになるように順次堆積する。高分子系では、溶剤に正孔輸送材料と共役系高分子材料を別々にインキに調整し、印刷したり微細なノズルから滴下する方法が採用されている。そのため、低分子系は、ＲＧＢの蛍光体を所定のパターンにマスク蒸着する必要があるので大型化が難しく、もっぱら中小型のディスプレイに向いており、高分子系は、印刷技術が適用できるので大型ディスプレイの製造に有利であると言われている。しかしながら、大きさによる材料・工法の採用に明確な垣根があるわけではなく最終的にはコストによる。
【０００８】
ところで、有機ＥＬ素子では、蛍光体から発出した光１３は、図３から分かるように、金属電極６を背後に備えた状態で、蛍光層４を支える正孔輸送層３、陽極層２、透明基板
１という多層媒体を経て外部に出てくる。この状況では、蛍光体４の発光はその全てを正面方向に取り出すことができない。一つの原因は、蛍光体の一重項励起状態は、近接する陰極層（金属電極）６と相互作用すると無輻射失活して発光に寄与しなくなるという点にある（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２７２８６３号公報
【特許文献２】特開平５−１５９８８１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ａ．Ｎ．Ｓａｆｏｎｏｖ他、Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌｓ，１１６，１４５（２００１）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
他方、多層媒体中を通過する光１３は、相互の屈折率関係と厚みの大小により変調を受ける。干渉により透過波長が変動したり、全反射により層中を導波する光となって取り出せなくなる問題がある。特に、屈折率が高い層から低い層に光が入り込む場合、入射角度により全反射が生じ、全反射光は当該媒体中を導波してエッジから出射してしまう場合があり、正面方向に取り出せなくなる。前方に取り出せる光の量は、蛍光体が発光した光の〜２０％程度しかないという問題がある。
【００１２】
電子輸送層５／発光層４／正孔輸送層３の屈折率は、各層の屈折率差を無視すると、概ね１．７〜１．８程度、陽極層２（ＩＴＯ）の屈折率は、２．１〜２．２程度、ガラス基板１のそれは、１．４５程度、空気は１であるから、陽極層２とガラス基板１界面、及びガラス基板と空気の界面での全反射による光取り出し効率の低下が甚だしいと言える。
【００１３】
そこで、本発明は、屈折率の高い陽極電極から屈折率の低い透明基板界面に入射する際に、全反射によって透明基板の透過光量が低下する問題と、ガラス基板と空気の界面で全反射して光取出し効率が低下する問題を改善することを課題とした。すなわち、透明基板の両面が関係する全反射を抑制できる有機エレクトロルミネッセンス素子の界面構成を提供することを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を達成するための請求項１に記載の発明は、透明基板上に、少なくとも、屈折率が１．６から２．０の範囲の高屈折率樹脂層、陽極層、光散乱電極、エレクトロルミネッセンス層、陰極層、をこの順に積層したことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子としたものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記光散乱電極は、所望の形状にパターニングされていることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子としたものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記光散乱電極の表面は、陽極層の表面と概ね面一であることを特徴とする請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子としたものである。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記光散乱電極を保護する有機絶縁層を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子と
したものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記高屈折率樹脂層が、無機物からなる微粒子を含有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセス素子としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、高屈折率の透明基板から低屈折率の空気側に出射する光と陽極層から透明基板に入射する光には、全反射成分があるが、これらの成分が、導電性の光散乱電極により再反射される確率が高まる。この再反射光が、透明基板から外に取り出されるので、光の取り出し効率が増大するという効果がある。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、パターニングにより光散乱電極の位置が制御可能となり、視覚上影響の少ない部位を選べるという効果がある。同時に陽極電極の抵抗を下げるという効果も期待できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、全体として電極面が平坦となるため、凹凸に起因する正孔輸送層、発光層等に対する悪影響が低減される。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、光散乱電極の表面凹凸を保護層で被覆して平坦にしたものである。これによって、表面の凹凸に起因するリーク電流の低減を図ることができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、高屈折率樹脂層に無機材料からなる微粒子を分散させたもので、層内で散乱される透過光の割合が増大するので、光取り出し効率が増大するという効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明になる有機ＥＬ素子構成の一例を説明する断面視の図である。
【図２】本発明になる有機ＥＬ素子構成の別の一例を説明する断面視の図である。
【図３】従来の有機ＥＬ素子の構成を説明する断面視の図である。
【図４】光散乱電極の形態と配置態様を説明するための上面視写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
有機ＥＬ素子は、基本的には図３に示すように、透明基板１、陽極層２（一般には、ＩＴＯ）、有機発光層７（正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５等）、陰極層６から構成されている。有機発光層７は、正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５がこの順で積層された層構成を例示しているが、発光層以外がなかったり、図示はしていないが追加の機能層も含む場合もある。発光層４が、正孔輸送層３を兼ねる場合もある。
【００２６】
有機発光層７から出射された光１１は、種々の原因で散逸するが、本発明の対象となる光損失は、屈折率の高い陽極層２（屈折率：ｎ１）から屈折率の低い透明基板１（一般には、屈折率ｎ２のガラス基板）に入射する際の全反射成分と、透明基板１と空気層界面における全反射成分である。
【００２７】
本発明は、損失を低減するために先ず、図１に示すように陽極層２（屈折率ｎ１が、概ね、２．０以上のＩＴＯ電極）と透明基板１（屈折率ｎ２が、１．４５程度のガラス基板）の屈折率の差が不連続とならず階段状に変化するように、ｎ１＞ｎ＞ｎ２の関係を満足する屈折率ｎを有する高屈折率樹脂層８を、陽極層２と透明基板１の間に挿入した構造としたものである。
【００２８】
高屈折率樹脂層８の屈折率ｎとしては、透明基板１と陽極層２の屈折率の中間の値である１．６から２．０の範囲が好ましい。高屈折率樹脂層８は、バインダー樹脂の屈折率が１．４〜１．６（典型的なアクリル樹脂）程度の樹脂が使われるが、この場合には、径が５０ｎｍ程度の酸化チタンあるいは酸化ジルコニアの微粒子を所定量分散させると得られる。この樹脂層にさらに、酸化チタンや酸化ケイ素等の無機物からなる径が０．４〜１．５μｍ程度の微粒子を分散させる。これにより樹脂層８内で散乱される成分が増大し、正面方向の光取り出し効率が増大する。
【００２９】
本発明は、高屈率樹脂層８の挿入に加えて、図1に示すように陽極層２の上に光散乱電極９を敷設した構成である。あるいは、図２に示すように樹脂層８もしくは陽極層２を、光散乱電極９の厚み分掘り下げて、陽極層２と光散乱電極９の表面同士が面一になるように光散乱電極９を収容した構成である。この場合、光散乱電極９の実際の厚みは、陽極層２あるいは高屈折率樹脂層８の厚みに比べて相対的に厚いため、図２では図１に比べて光散乱電極９の厚みが厚く描かれている。
【００３０】
光散乱電極９は、図４に示すように陽極２上にストライプ状（あるいはマトリックス状、ドット状）に周期的に敷設されるのが望ましく、その方が、面的に均一な発光状態が得られる。光散乱電極９は、導電性であるが、径が２μｍ程度の銀粒子が、厚み２〜６μｍで線幅が１０〜１００μｍの範囲となるよう敷設される。
【００３１】
光散乱電極９は、透明基板１と空気の界面及び陽極層２と透明基板１の界面で全反射した光を、いろいろな方向に再反射する機能を有している。あるいは、発光層側から出てくる光を乱反射する機能を有する。高屈折率樹脂層８に埋設されている場合(図２参照)には、樹脂中を端面方法に導波する光を散乱する機能を有しいずれの場合にも前方の光取り出し効率を増大する作用がある。
【００３２】
本発明は、低分子系の発光層７であるか共役高分子系の発光層７であるかに係らず適用が可能であるが、一応、低分子系と高分子系について代表的な有機素材の屈折率の値を記載しておく。正孔輸送材料３としては、低分子系ではＴＰＤ（ｎ＝１．８〜１．９）、高分子系ではＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ（ｎ＝１．５）、有機発光材料４として低分子系ではアルミキノリン（ｎ＝１．８〜１．９）、高分子系ではＰＰＶ（ｎ＝２．０）がある。いずれも波長分散があるが、波長λが概ね０．５μｍの光に対する値である。
【００３３】
本発明で使用する透明基板１は、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板等を使用できるが、透明性、強度、耐熱性、耐薬品性、加工性の面で優れたガラス基板が最も好ましい。ガラス基板、石英基板の屈折率は、僅かな波長分散を無視すればいずれも１．４５程度である。空気層との屈折率差は、０．４程度で、全反射による取り出し効率低下の一因である。
【００３４】
先ず、このガラス基板１の上に、屈折率が１．６から２．０の範囲内の可視領域で透明な高屈折率樹脂層８を形成する。ガラス基板１の屈折率とＩＴＯ電極の屈折率の中間の屈折率（好ましくは屈折率差が０．３以下の組み合わせ）を有する樹脂が望ましいが、こうした有機樹脂としては、チオウレタン系（〜１．８）、エピスルフィド系（〜１．７）、アクリル系（〜１．６）、ポリイミド系（〜１．７５）、トリアジン系、シルセスキオ系等の樹脂から適宜選択して使用できる。樹脂層８の厚みは、１〜３μｍの着色しない範囲で設定する。高屈折率樹脂層８は、適切な溶剤に溶かしてから塗布乾燥して製造できる。樹脂層は、フォトリソ法でパターニングできるように光重合開始剤等を添加してフォトレジスト化したものでもよい。
【００３５】
また、ガラス基板１の表面には、サンドブラスト法などにより凹凸形状１１を形成し、
光散乱効果を付与することができる。凹凸は、光の波長程度のピッチが好ましく、０．５〜１μｍ程度が望ましい。凹凸があると、樹脂側から入射する光の角度が変化することで全反射効果を低減できる。ウエットエッチングによりガラス基板表面に凹凸を形成することもできる。
【００３６】
別の構成としては、図２に示すように、径が０．４〜１．５μｍ程度の酸化チタン、酸化ジルコニア等の無機材料からなる微粒子を高屈折率樹脂層８中に分散しても構わない。高屈折率樹脂層８には、先述したように径が５０ｎｍ程度の無機材料微粒子が分散させられている場合がある。
【００３７】
次に、前記高屈折率樹脂層８の上にＩＴＯ（ｎ２＝２．０〜２．１程度）からなる陽極電極２を設ける。電極の材料としては、ＩＴＯ以外にＩＺＯ（インジウム亜鉛複合酸化物）、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化アルミニウム複合酸化物等の透明電極材料が使用できるが、低抵抗であること、耐溶剤性があること、高い透明性があることなどからＩＴＯが好ましい。ＩＴＯは、０．１〜０．３μｍの厚みで基板上にスパッタリング形成してから、２３０℃でアニールして抵抗を下げて使用する。
【００３８】
次に、ＩＴＯ２上に光散乱電極９を周期的に形成する。光散乱電極９は、径が２μｍ程度の銀粒子をアクリル樹脂中に分散したペースト材料を使用して、印刷法もしくはフォトリソ法等定法に従ってパターン形成できる。光散乱電極９は、反射率、濁度とも高いほうが好ましい。光散乱電極９の表面は、陽極層２表面と面一になるのが好ましいが、そのためにはＩＴＯ表面に凹みを形成する。フォトエッチングによりＩＴＯに凹部を形成しても構わないが、樹脂層８に予め凹部を形成しておいてから、ＩＴＯと光散乱電極９を積層しても構わない。
【００３９】
以上のようにして下地電極を形成した後、正孔輸送層３を形成する。正孔輸送層３は、ＩＴＯ透明電極２から有機発光層４へ正孔が注入されやすくなるよう、注入障壁を下げるために設置される。
【００４０】
正孔輸送層２を組成する低分子正孔輸送材料としては、トリフェニルアミン２量体であるＴＰＤやこれらをスターバースト状に結合したスターバーストアミンが挙げられる。いずれもアモルファス状態を呈し、結晶化しないように高いガラス温度を示すのが望ましい。
１０−４Ｐａ以下の低圧で真空蒸着して形成する。
【００４１】
また、正孔輸送層２を組成する正孔輸送材料としては、前記有機化合物の他にも、酸化バナジウム（ＶＯx）、酸化モリブデン（ＭｏＯx）、酸化ニッケル（ＮｉＯx）等をはじめとする無機酸化物が挙げられる。これらの材料はスパッタ法、抵抗加熱法などの各種蒸着法で形成することができる。
【００４２】
高分子系の正孔輸送材料としては、ポリアニリン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリビニルカルバゾール（ＰＶＫ）誘導体、ポリ（３，４―エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ）等を用いても良い。これらの材料は溶媒に溶解または分散させ、正孔輸送材料インキとして、凸版印刷法、グラビア印刷、反転オフセット印刷、スピンコーター、バーコーター、ロールコーター、ダイコーター、グラビアコーター等の各種塗布法で形成することができる。
【００４３】
正孔輸送層３の上には、インターレイヤー層（図示せず）を形成することができる。インターレイヤーは、有機発光層から陽極側へ移動する電子を堰き止め有機発光層内での電荷結合確率を上げる電子ブロック層としての役割、励起状態の有機発光材料と正孔輸送層
との接触による消光防止、有機発光材料と正孔輸送材料との化学反応による発光効率低下の防止などを目的として設置される。
【００４４】
インターレイヤー層に用いる材料としては、ポリアリーレン系、ポリアリーレンビニレン系やポリフルオレン系等の高分子材料や、これらの高分子材料に芳香族アミンなどの低分子を混ぜた物を用いることが出来、特に、ポリ（２，７−（９，９−ジ−ｎ−オクチルフルオレン）−ａｌｔ−（１，４−フェニレン−（（４−ｓｅｃ−ブチルフェニル）アミノ）−１，４−フェニレン）（以後、ＴＦＢ）が好適に用いられる。通常、このインターレイヤーは有機発光層との混色を避けるため、インターレイヤー成膜後有機発光層形成前に、およそ２００℃程度で１０分以上の加熱処理により不溶化される。
【００４５】
次いで、有機発光層４を形成する。
低分子系としては、アルミキノリン、ベンゾオキサゾールＺｎ錯体、ベンゾキノリノールＢｅ錯体のような電子輸送性の金属錯体とこれらにドーピングして発光色の調整に用いる色素系材料がある。色素系にはジスチリルアリーレン誘導体、ピラゾキノリン誘導体、オキサジアゾール誘導体が挙げられる。これらも高いガラス転移温度を有するのが好ましい。
【００４６】
高分子系で塗り分けを要する場合には、凸版印刷法、グラビア印刷、反転オフセット印刷等の印刷法、インクジェット法等を用いることができる。有機発光材料は、例えばクマリン系、ペリレン系、ピラン系、アンスロン系、ポルフィレン系、キナクリドン系、Ｎ，Ｎ’−ジアルキル置換キナクリドン系、ナフタルイミド系、Ｎ，Ｎ’−ジアリール置換ピロロピロール系、イリジウム錯体系などの発光性色素をポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルカルバゾール等の高分子中に分散させたものや、ポリアリーレン系、ポリアリーレンビニレン系やポリフルオレン系の高分子材料が挙げられるが本発明ではこれらに限定されるわけではない。
【００４７】
これらの有機発光材料は溶媒に溶解または安定に分散させ有機発光インキとなる。有機発光材料を溶解または分散する溶媒としては、トルエン、キシレン、アセトン、アニソール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどの単独またはこれらの混合溶媒が上げられる。中でもトルエン、キシレン、アニソールといった芳香族有機溶媒が有機発光材料の溶解性の面から好適である。また、有機発光インキには必要に応じて、界面活性剤、酸化防止剤、粘度調整剤、紫外線吸収剤等が添加されてもよい。
【００４８】
最後に、陰極層６をストライプもしくはベタ電極で形成する。この陰極層６の材料としては、有機発光層７の発光特性に応じたものを使用でき、例えば、リチウム、マグネシウム、カルシウム、イッテルビウム、アルミニウムなどの金属単体やこれらと金、銀などの安定な金属との合金などが挙げられる。また、インジウム、亜鉛、錫などの導電性酸化物を用いることもできる。
【００４９】
上記陰極６と発光層４の間に、図１では省略しているがアルカリ金属のフッ化物（ＬｉＦ）あるいは酸化物等の電子輸送層５を薄く形成することができる。電子注入効率が向上し発光効率も向上する。これら陰極及び関連各層の形成方法としてはマスクを用いた真空蒸着法による形成方法が挙げられる。
【００５０】
有機ＥＬ素子は、正孔輸送層、インターレイヤー層、有機発光層以外に正孔ブロック層、電子輸送層、電子注入層といった層を必要に応じ選択した積層構造をとることができる。
本発明に係る高屈折率層の敷設は、上記の有機発光層７の詳細な積層構造に関係なく適用される。
【００５１】
また、ガラス基板の屈折率は空気の屈折率より大きいので、ガラス基板内を導波するモードも存在し、ガラス基板のエッジから散逸する。これを抑制するために、ガラス基板上にガラス基板より低い屈折率を有する膜を形成するか光散乱膜を敷設しても構わない。
【符号の説明】
【００５２】
１、透明基板（ガラス基板）
２、陽極層（ＩＴＯ透明電極）
３、正孔輸送層
４、発光層
５、電子輸送層
６、陰極層（金属電極）
７、有機発光層
８、高屈折率樹脂層
９、光散乱電極
１０、２０、有機ＥＬ素子、
１１、出射光
１２、微粒子
１３、（出射光の）反射成分（基板／空気界面）
１４、保護膜
【図１】
2014191980.tif 000003
【図２】
2014191980.tif 000004
【図３】
2014191980.tif 000005
【図４】
2014191980.tif 000006