(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、前記陽極側の赤および緑色発光層ならびに前記陰極側の青色発光層と、
前記赤および緑色発光層と前記青色発光層の間に配置され、前記青色発光層から前記赤および緑色発光層へのエネルギー移動を防ぐための正孔輸送性材料からなるスペーサー層と
を具備する有機電界発光素子であって、
前記赤および緑色発光層は、正孔輸送性を有するホスト材料、赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料を含み、前記青色発光層は、電子輸送性を有するホスト材料および青色蛍光発光材料を含み、
前記赤および緑色発光層において、前記赤色燐光発光材料および前記緑色燐光発光材料が合わせて２０〜４０重量％存在し、
前記赤色燐光発光材料および前記緑色燐光発光材料のＨＯＭＯと前記スペーサー層における前記正孔輸送性材料のＨＯＭＯのエネルギー差が±０．３ｅＶ以内であり、
前記スペーサー層における前記正孔輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップは、前記青色蛍光発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップより大きく、
前記スペーサー層の厚さが３〜５ｎｍであり、
前記青色蛍光発光材料のＴ１エネルギーは、前記スペーサー層の正孔輸送性材料のＴ１エネルギーよりも低い
ことを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項２】
前記スペーサー層における正孔輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップは２．７ｅＶ以上であることを特徴とする、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、前記陽極側の赤および緑色発光層ならびに前記陰極側の青色発光層と、
前記赤および緑色発光層と前記青色発光層の間に配置され、前記青色発光層から前記赤および緑色発光層へのエネルギー移動を防ぐための電子輸送性材料からなるスペーサー層と
を具備する有機電界発光素子であって、
前記赤および緑色発光層は、正孔輸送性を有するホスト材料、赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料を含み、前記青色発光層は、電子輸送性を有するホスト材料および青色蛍光発光材料を含み、
前記赤および緑色発光層において、前記赤色燐光発光材料および前記緑色燐光発光材料が合わせて２０〜４０重量％存在し、
前記青色発光層における前記電子輸送性を有するホスト材料のＬＵＭＯと前記スペーサー層における前記電子輸送性材料のＬＵＭＯのエネルギー差が±０．３ｅＶ以内であり、
前記スペーサー層における前記電子輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップは、前記青色蛍光発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップより大きく、
前記スペーサー層の厚さが３〜５ｎｍであり、
前記青色蛍光発光材料のＴ１エネルギーは、前記スペーサー層の電子輸送性材料のＴ１エネルギーよりも低い
ことを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項４】
前記スペーサー層における電子輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップは２．７ｅＶ以上であることを特徴とする、請求項３に記載の有機電界発光素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の有機電界発光素子を具備することを特徴とする表示装置。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の有機電界発光素子を具備することを特徴とする照明装置。
【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。
【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素子とも称する）が注目されている。有機電界発光素子は、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。素子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、蛍光発光材料と燐光発光材料がある。蛍光発光材料は、青色、緑色および赤色発光材料の全てにおいて、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ため、内部量子効率の最大値が２５％に制限される。一方、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燐光発光材料は、１００％近い内部量子効率が期待される。しかし、緑色および赤色の燐光発光材料においては信頼性の高い材料が得られているものの、信頼性の高い青色燐光発光材料の開発が難航している。
【０００４】
照明やディスプレイのバックライトなどへの応用が期待される白色有機電界発光素子では、赤、緑および青の三色の光から白色光を得ている。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、寿命の短い青色燐光発光材料を使用することにより、素子寿命が短くなり、素子の信頼性が低くなるという問題が生じる。
【０００５】
そこで、青色発光層には青色燐光発光材料と比較して寿命が長い青色蛍光発光材料を使用し、赤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。このような構成の有機ＥＬ素子において白色発光を得るためには、赤および緑色発光層と青色発光層の両方の層でキャリアの再結合を起こし、さらに、生成した励起子を発光層に閉じ込める必要がある。これまでに、素子構成、使用する材料等を工夫することにより、白色発光を得るための種々の努力がなされてきたが、実際にきれいな白色発光を得るには至っていない。また、白色発光が得られたとしても、発光効率が低ければ素子の実用化は困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G. Schwartz, et al.,Appl． Pys．Lett．93, 073304 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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】
【０００８】
実施形態によれば、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、前記陽極側の赤および緑色発光層ならびに前記陰極側の青色発光層と、前記赤および緑色発光層と前記青色発光層の間に配置され、前記青色発光層から前記赤および緑色発光層へのエネルギー移動を防ぐための正孔輸送性材料からなるスペーサー層とを具備する有機電界発光素子が提供される。前記赤および緑色発光層は、正孔輸送性を有するホスト材料、赤色燐光発光材料および緑色燐光発光材料を含み、前記青色発光層は、電子輸送性を有するホスト材料および青色蛍光発光材料を含む。前記赤および緑色発光層において、前記赤色燐光発光材料および前記緑色燐光発光材料が合わせて２０〜４０重量％存在する。前記赤色燐光発光材料および前記緑色燐光発光材料のＨＯＭＯと前記スペーサー層における前記正孔輸送性材料のＨＯＭＯのエネルギー差が±０．３ｅＶ以内である。前記スペーサー層における前記正孔輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップは、前記青色蛍光発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップより大きい。前記スペーサー層の厚さは、３〜５ｎｍである。前記青色蛍光発光材料のＴ１エネルギーは、前記スペーサー層の正孔輸送性材料のＴ１エネルギーよりも低い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る有機電界発光素子のエネルギーダイアグラムである。
【図３】図３は、第２の実施形態に係る有機電界発光素子のエネルギーダイアグラムである。
【図４】図４は、実施形態に係る表示装置を示す回路図である。
【図５】図５は、実施形態に係る照明装置を示す断面図である。
【図６】図６は、実施例に係る有機ＥＬ素子の発光波長および発光強度を示す図である。
【図７】図７は、実施例１、比較例１および比較例２に係る有機ＥＬ素子のＥＬスペクトルを示す図である。
【図８】図８は、実施例２に係る有機ＥＬ素子のＥＬスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
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。
【００１２】
有機電界発光素子１０は、基板１１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。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。発光層１４は、陽極側に位置する赤および緑色発光層１４ａと、陰極側に位置する青色発光層１４ｃと、赤および緑色発光層１４ａと青色発光層１４ｃの間に位置するスペーサー層１４ｂとを具備する。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図２を参照しながら説明する。図２は、第１の実施形態に係る有機電界発光素子のエネルギーダイアグラムである。
【００１４】
赤および緑色発光層１４ａは、正孔輸送性を有する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。青色発光層１４ｃは、電子輸送性を有するホスト材料中に青色蛍光発光材料をドープした構成を有する。
【００１５】
スペーサー層１４ｂは、青色発光層１４ｃから赤および緑色発光層１４ａへのエネルギー移動を防ぐ役割を有しており、正孔輸送性材料からなる。スペーサー層１４ｂに含まれる正孔輸送性材料は単一の材料であり、スペーサー層１４ｂに電子輸送性材料は含まれない。
【００１６】
有機ＥＬ素子に電圧を印加すると、陽極から正孔が注入され、正孔輸送層１３を通って発光層へ移動する。赤および緑色発光層１４ａに注入された正孔は、赤および緑色発光層１４ａに含まれる正孔輸送性を有するホスト材料およびスペーサー層１４ｂを構成する正孔輸送性材料を介して、スペーサー層１４ｂと青色発光層１４ｃの界面まで移動する。本実施形態においては、赤色発光材料のＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital：最高被占軌道）とスペーサー層１４ｂを構成する正孔輸送性材料のＨＯＭＯが、ほぼ同じエネルギー準位にある。また、緑色発光材料のＨＯＭＯとスペーサー層１４ｂを構成する正孔輸送性材料のＨＯＭＯも、ほぼ同じエネルギー準位にある。従って、赤および緑色発光層１４ａからスペーサー層１４ｂへの正孔の移動がスムーズに起こる。赤および緑色発光材料にキャリア注入を効率的に行うためには、赤および緑色発光材料のＨＯＭＯとスペーサー層１４ｂにおける正孔輸送性材料のＨＯＭＯのエネルギー差は、±０．３ｅＶの範囲内にあることが好ましい。よりスムーズに正孔を移動させるために、正孔輸送層１３に含まれる正孔輸送性材料のＨＯＭＯも、赤色発光材料、緑色発光材料およびスペーサー層１４ｂにおける正孔輸送性材料のＨＯＭＯと近いことが好ましい。
【００１７】
一方、陰極からは電子が注入される。注入された電子は、電子輸送層１５を通って発光層へ移動する。青色発光層１４ｃに注入された電子は、青色発光層１４ｃ中に含まれる電子輸送性を有するホスト材料を介して、青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面まで進むが、スペーサー層１４ｂは正孔輸送性の材料で構成されるため、この界面に電子は蓄積する。しかし、赤、緑および青色の全ての発光を得るためには、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面、ならびに青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面のそれぞれにおいて励起子を生じさせる必要がある。従って、青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面に蓄積した電子を、スペーサー層１４ｂを介してスペーサー層１４ｂと赤および緑色発光層１４ａの界面まで移動させる必要がある。
【００１８】
本実施形態において、スペーサー層１４ｂの膜厚は３〜５ｎｍである。スペーサー層１４ｂをこのような厚さにすることにより、青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面に蓄積した電子を、トンネル効果によりスペーサー層１４ｂと赤および緑色発光層１４ａの界面まで移動させることができる。その結果、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面、ならびに青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面のそれぞれにおいて励起子を生じさせることができ、赤、緑および青色の三色の光から白色発光を得ることができる。
【００１９】
また、スペーサー層１４ｂにおける正孔輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital：最低被占軌道)間のエネルギーギャップ（以下、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップとも称する）は、青色発光層１４ｃに含まれる青色発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップよりも大きい。ここで、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ間のエネルギーギャップとは、ある材料におけるＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギー差を意味する。一般的に、赤色発光材料および緑色発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは青色発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップより小さいため、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの大きなスペーサー層がないと、青色発光層から赤および緑色発光層にエネルギーが移動してしまう。そこで、青色発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップより大きなＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを有する正孔輸送性材料をスペーサー層に使用することにより、青色発光層のエネルギーがスペーサー層でブロックされて赤および緑色発光層に移動せず、青色発光を十分に得られるようになる。青色発光層から赤および緑色発光層へのエネルギー移動を効果的にブロックするためには、スペーサー層における正孔輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは２．７ｅＶ以上であることが好ましい。
【００２０】
スペーサー層１４ｂを構成する正孔輸送性材料としては、例えば、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］等を使用することができる。
【００２１】
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、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。
【００２２】
赤および緑色発光層１４ａに含まれる正孔輸送性ホスト材料としては、α−ＮＰＤ、ｍＣＰ、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］等を使用することができる。
【００２３】
赤および緑色発光層に含まれるホスト材料は、バイポーラ性のホスト材料であってもよく、例えば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］等を使用することができる。ここで、バイポーラ性とは、正孔輸送性と電子輸送性の両方の性質を兼ね備えていることを意味する。
【００２４】
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。
【００２５】
赤および緑色発光層１４ａにおいて、緑色発光材料および赤色発光材料が合わせて２０〜４０重量％の割合で存在することが好ましい。緑色発光材料および赤色発光材料をこのような割合とすることにより、正孔が流れやすくなるからである。一方、４０重量％を超えると、燐光材料間の濃度消光が顕著になり発光効率が低下する。
【００２６】
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、発光効率が向上する。
【００２７】
上記で先行技術文献として挙げた非特許文献１には、青色発光層には蛍光発光材料を使用し、赤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、青色発光層と赤および緑色発光層の間にスペーサー層を設けた例が記載されている。この素子において、スペーサー層は、エネルギーギャップの大きな電子輸送性材料と正孔輸送性材料からなる共蒸着膜である。従って、電子および正孔の両方のキャリアがスペーサー層を介して輸送され、励起子を発光層に閉じ込めることを可能にしている。しかし、この素子の外部量子効率は５％程度と低い。その原因としては、赤および緑色発光層における燐光発光材料により正孔がトラップされ、青色発光層に正孔が注入されづらいことが挙げられる。また、スペーサー層が電子輸送性材料と正孔輸送性材料の混合層であるため、キャリア移動度が低いこと、スペーサー層内でエキサイプレックスが生成しやすいことも効率低下の一因であると考えられる。さらに、共蒸着膜の作製は、工程上の負荷も大きい。
【００２８】
それに対して本実施形態は、青色発光層と赤および緑色発光層の間に、上記で説明したような適切なＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーを有する正孔輸送性材料からなるスペーサー層を挿入することにより、効率的なキャリア輸送を実現することができる。また、本実施形態の構成によると、スペーサー層内でのエキサイプレックスの生成も防ぐことができる。これらの結果として、高い発光効率で白色発光を得ることができる。さらに、共蒸着の工程がないため、素子作製における負荷も軽減される。
【００２９】
図１を参照して、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、３０〜３００ｎｍ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。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
陰極１７の膜厚は、１０〜１５０ｎｍ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。
【００３８】
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、青色発光層と赤および緑色発光層の位置を入れ替えても、同様の効果が得られる。
【００３９】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図３を参照しながら説明する。図３は、第２の実施形態に係る有機電界発光素子のエネルギーダイアグラムである。
【００４０】
赤および緑色発光層１４ａは、正孔輸送性を有する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である。青色発光層１４ｃは、電子輸送性を有するホスト材料中に青色蛍光発光材料をドープした構成である。
【００４１】
スペーサー層１４ｂは、青色発光層１４ｃから赤および緑色発光層１４ａへのエネルギー移動を防ぐ役割を有しており、電子輸送性材料からなる。スペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料は単一の材料であり、スペーサー層１４ｂには正孔輸送性材料は含まれない。
【００４２】
有機ＥＬ素子に電圧を印加すると、陰極から電子が注入され、電子輸送層１５を通って発光層へ移動する。青色発光層１４ｃに注入された電子は、青色発光層１４ｃに含まれる電子輸送性を有するホスト材料およびスペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料を介して、スペーサー層１４ｂと赤および緑色発光層１４ａの界面まで移動する。本実施形態においては、青色発光層１４ｃに含まれる電子輸送性を有するホスト材料のＬＵＭＯとスペーサー層１４ｂにおける電子輸送性材料のＬＵＭＯがほぼ同じエネルギー準位にある。従って、青色発光層からスペーサー層への電子の移動がスムーズに起こる。青色発光層１４ｃに含まれる電子輸送性を有するホスト材料のＬＵＭＯとスペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料のＬＵＭＯのエネルギー差は、±０．３ｅＶの範囲内にあることが好ましい。よりスムーズに電子を移動させるために、電子輸送層１５における電子輸送性材料のＬＵＭＯも、青色発光層１４ｃに含まれる電子輸送性材料およびスペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料のＬＵＭＯと近いことが好ましい。
【００４３】
一方、陽極からは正孔が注入される。注入された正孔は、正孔輸送層１３を通って発光層へ移動する。赤および緑色発光層１４ａに注入された正孔は、赤および緑色発光層１４ａ中に含まれる正孔輸送性を有するホスト材料を介して、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面まで進むが、スペーサー層１４ｂは電子輸送性の材料で構成されるため、この界面に正孔は蓄積する。しかし、赤、緑および青色の全ての発光を得るためには、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面、ならびに青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面のそれぞれにおいて励起子を生じさせる必要がある。従って、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面に蓄積した電子を、スペーサー層１４ｂを介してスペーサー層１４ｂと青色発光層１４ｃの界面まで移動させる必要がある。
【００４４】
本実施形態において、スペーサー層１４ｂの膜厚は３〜５ｎｍである。スペーサー層１４ｂをこのような厚さにすることにより、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面に蓄積した正孔を、トンネル効果によりスペーサー層１４ｂと青色発光層１４ｃの界面まで移動させることができる。その結果、赤および緑色発光層１４ａとスペーサー層１４ｂの界面、ならびに青色発光層１４ｃとスペーサー層１４ｂの界面のそれぞれにおいて励起子を生じさせることができ、赤、緑および青色の三色の光から白色発光を得ることができる。
【００４５】
また、スペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、青色発光層１４ｃに含まれる青色発光材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップよりも大きい。その理由は、上記第１の実施形態において説明した通りである。青色発光層から赤および緑色発光層へのエネルギー移動を効果的にブロックするためには、スペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、２．７ｅＶ以上であることが好ましい。
【００４６】
スペーサー層１４ｂを構成する電子輸送性材料としては、例えば、１，３−ビス(２−(４−ターシャリーブチルフェニル)−１，３，４−オキシジアゾル−５−イル)ベンゼン［以下、ＯＸＤ−７と称する］、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン［以下、Ｂｐｈｅｎと称する］、ビス(２−メチル−８−キノリノレート)−４−(フェニルフェノラート)アルミニウム［以下、ＢＡｌｑと称する］等を使用することができる。
【００４７】
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、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。
【００４８】
赤および緑色発光層１４ａに含まれる正孔輸送性ホスト材料としては、α−ＮＰＤ、ｍＣＰ、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］等を使用することができる。赤および緑色発光層１４ａに含まれるホスト材料は、バイポーラ性のホスト材料であってもよく、例えば、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］等を使用することができる。
【００４９】
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。
【００５０】
赤および緑色発光層１４ａにおいて、緑色発光材料および赤色発光材料が合わせて２０〜４０重量％の割合で存在することが好ましい。緑色発光材料および赤色発光材料をこのような割合とすることにより、正孔が流れやすくなるからである。一方、４０重量％を超えると、燐光材料間の濃度消光が顕著になり発光効率が低下する。
【００５１】
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、赤および緑色発光層ならびに青色発光層中に、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、発光効率が向上する。
【００５２】
その他の部材については、実施形態１と同様である。実施形態２においても、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００５３】
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。  
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。
【００５４】
図５は、実施形態に係る照明装置を示す断面図である。  
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。
【実施例】
【００５５】
＜実施例１＞
スペーサー層に正孔輸送性材料を使用して、有機ＥＬ素子を以下のように作製した。
【００５６】
ガラス基板上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透明電極を真空蒸着により形成し、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。赤および緑色発光層の材料としては、バイポーラ性ホスト材料としてＣＢＰ、緑色発光材料としてＩｒ（ｈｆｌｐｙ）（ａｃａｃ）、赤色発光材料としてＩｒ（ｐｉｑ）３を使用した。これらを重量比で６９．６：３０：０．４となるように蒸着速度を制御し、真空蒸着装置を用いて正孔輸送層上に共蒸着し、厚さ２５ｎｍの赤および緑色発光層とした。なお緑色発光材料のＨＯＭＯは５．２ｅＶであり、赤色発光材料のＨＯＭＯは５．２ｅＶである。
【００５７】
続いて、赤および緑色発光層上に、スペーサー層を形成した。スペーサー層の材料としては、正孔輸送性材料であるα−ＮＰＤを使用した。α−ＮＰＤは、ＨＯＭＯが５．４ｅＶ、ＬＵＭＯが２．３ｅＶの材料である。スペーサー層は、真空蒸着装置を用いて、赤および緑色発光層上に蒸着した。
【００５８】
続いて、スペーサー層上に青色発光層を形成した。青色発光層に含まれる電子輸送性ホスト材料としては、ＤＰＶＢｉを使用し、青色発光材料としてＤＳＡ−Ｐｈを使用した
これらを重量比で９５：５となるように蒸着速度を制御し、真空蒸着装置を用いてスペーサー層上に共蒸着し、厚さ７．５ｎｍの青色発光層を形成した。なお、青色発光材料のＨＯＭＯは２．７ｅＶであり、ＬＵＭＯは５．４ｅＶである。
【００５９】
続いて、青色発光層上に電子輸送層を形成した。まず、真空蒸着装置により３ＴＰＹＭＢを蒸着し、厚さ４０ｎｍの電子輸送層を形成した。さらに、フッ化リチウムをその上に真空蒸着することにより、厚さ０．５ｎｍの電子輸送層を形成した。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。
【００６０】
＜比較例１＞
スペーサー層の材料として、正孔輸送性材料であるｍＣＰを使用したことを除き、実施例１と同様に有機ＥＬ素子を作製した。
【００６１】
＜比較例２＞
スペーサー層の材料として、バイポーラ性を示し、正孔輸送能力を有するＣＢＰを使用したことを除き、実施例１と同様に有機ＥＬ素子を作製した。
【００６２】
＜試験例１＞
実施例１で作製した有機ＥＬ素子について、スペーサー層の厚さを２．０〜６．０ｎｍで変化させ、それぞれの発光特性を比較した。
【００６３】
まず、発光波長と発光強度について調べた。測定は、積分球、ソースメーター（ケースレー社製２４００ソースメーター）およびマルチチャンネル分光器（浜松ホトニクス社製マルチチャンネル分光器Ｃ１００２７）からなる絶対量子効率測定装置（浜松ホトニクス社製）を用いて行った。その結果を図６に示す。
【００６４】
４５０〜５００ｎｍに見られるピークは、青色および緑色の発光を示すピークであり、６００ｎｍ付近に見られるピークは、赤色発光を示すピークである。スペーサー層を薄くするにつれて、４５０〜５００ｎｍ付近に見られるピークに減少が見られ、反対にスペーサー層を厚くすると６００ｎｍ付近に見られるピークに減少が見られた。スペーサー層の厚さが２．０ｎｍである場合は、４５０〜５００ｎｍに見られる青色および緑色の発光を示すピークが殆どなくなり、６．０ｎｍの場合は６００ｎｍ付近に見られる赤色発光を示すピークが殆どなくなったことから、スペーサー層の厚さが２．０ｎｍおよび６．０ｎｍの場合には色再現性が悪化することが確認された。それに対して、スペーサー層の厚さを３．０〜５．０ｎｍにした場合、４５０〜５００ｎｍと６００ｎｍ付近の両方にピークが見られたことから、スペーサー層の厚さを３．０〜５．０ｎｍにすることで色再現性が良好になることが確認できた。特に４．０ｎｍの場合には、４５０〜５００ｎｍ付近と６００ｎｍ付近のピークがはっきりと見られ、特にきれいな白色発光が得られたことが分かる。
【００６５】
さらに、発光効率、電力効率、色度、平均演色評価数（Ｒａ）、および外部量子効率についても比較した。発光効率、電力効率、色度、平均演色評価数（Ｒａ）、外部量子効率は、浜松ホトニクス製、絶対量子効率測定装置によって測定した。
【００６６】
これらの結果を表１に示す。
【表１】
0005703080.tif 000002
【００６７】
表１から分かるように、スペーサー層の厚さが２．０ｎｍと３．０ｎｍの間および５．０ｎｍと６．０ｎｍの間では、それぞれ発光効率に殆ど差が無いが、３．０〜５．０ｎｍの間においては発光効率が大きく変化した。特に、スペーサー層の厚さが４ｎｍの場合に、Ｒａが７７であり、きれいな白色発光が得られたことが分かる。また、スペーサー層の厚さが４ｎｍの場合の外部量子効率は１１．４％であり、この値は、燐光発光層と蛍光発光層の両方で励起子が生成した場合の外部量子効率の上限である１２．５％に近い。
【００６８】
＜試験例２＞
実施例１、比較例１および比較例２に係る有機ＥＬ素子について、ＥＬスペクトルをそれぞれ測定した。その結果を図７に示す。
【００６９】
燐光材料のＨＯＭＯである５．２ｅＶに近い５．４ｅＶのＨＯＭＯを有するα−ＮＰＤをスペーサー層の材料として用いた場合には、白色発光が得られた（実施例１）。それに対して、ＨＯＭＯがそれぞれ５．８ｅＶおよび６．３ｅＶであるｍＣＰおよびＣＢＰをスペーサー層の材料として用いた場合には、緑と赤の発光しか得られていない（比較例１および２）。これは、スペーサー層の材料としてｍＣＰおよびＣＢＰを使用した場合には、スペーサー層のＨＯＭＯが深すぎて、正孔が青色発光層とスペーサー層の界面まで到達できないことによると考えられる。
【００７０】
＜実施例２＞
スペーサー層に電子輸送性材料を使用して、有機ＥＬ素子を以下のように作製した。
【００７１】
ガラス基板上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透明電極を真空蒸着により形成し、陽極とした。正孔輸送層及び緑及び赤色発光層は実施例１とすべて同じ材料を用いて同じように作製した。
【００７２】
続いて、赤および緑色発光層上に、スペーサー層を形成した。スペーサー層の材料としては、電子輸送性材料であるＯＸＤ−７を使用した。ＯＸＤ−７は、ＨＯＭＯが６．４ｅＶ、ＬＵＭＯが２．９ｅＶの材料である。スペーサー層は、真空蒸着装置を用いて、赤および緑色発光層上に厚さ５ｎｍ蒸着した。
【００７３】
続いて、スペーサー層上に青色発光層、電子輸送層、陰極を形成した。使用した材料、及び作成方法は、実施例１と同じである。
【００７４】
＜試験例３＞
実施例２に係る有機ＥＬ素子のＥＬスペクトルを測定した。その結果を図８に示す。測定は、マルチチャンネル分光器Ｃ１００２７（浜松ホトニクス社製）を用いて行った。ＥＬスペクトルは赤緑青（ＲＧＢ）の三波長の発光を示し、スペーサー層に電子輸送性材料を用いた場合でも白色発光が得られた。
【００７５】
上記実施形態または実施例によれば、青色発光層には蛍光発光材料を使用し、赤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ができる。
【００７６】
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】
【００７７】
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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