(57)【要約】【課題】  上面発光型及び底面発光型のOLEDデバイスの発光効率を高めること。【解決手段】  (a)透明基板を含み、(b)該基板上に形成された、金属及び／又は合金を含む反射性で弱吸収性の導電性アノード層を含み、(c)該アノード層の上に配置された正孔注入層を含み、(d)該正孔注入層の上に形成された、電場発光材料を有する発光層と、該発光層の上に配置された電子輸送層とを含む複数の有機層を含み、(e)該電子輸送層の上に設けられた、金属及び／又は合金を含む反射性の導電性カソードを含み、そして(f)当該アノード構造体の透明性及び反射能、当該カソード構造体の反射能、並びに当該電極間の該有機層の厚さが、光の内部反射を変化させることにより発光性を向上させて、該アノード層を有しない最適化された対照デバイスよりも基板通過輝度が高くなるように、選定されていることを特徴とする底面発光型OLEDデバイス。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)透明基板を含み、
(b)該基板上に形成された、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性で弱吸収性の導電性アノード層を含み、
(c)該反射性で弱吸収性の導電性アノード層の上に配置された正孔注入層を含み、
(d)該正孔注入層の上に形成された、電場発光材料を有する発光層と、該発光層の上に配置された電子輸送層とを含む複数の有機層を含み、
(e)該電子輸送層の上に設けられた、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性の導電性カソードを含み、そして
(f)当該アノード構造体の透明性及び反射能、当該カソード構造体の反射能、並びに当該電極間の該有機層の厚さが、光の内部反射を変化させることにより発光性を向上させて、該反射性で弱吸収性の導電性アノード層を有しない最適化された対照デバイスよりも基板通過輝度が高くなるように、選定されていること
を特徴とする底面発光型OLEDデバイス。
【請求項２】
該アノードを通過する光量をさらに高めるため、該透明基板と該反射性で弱吸収性の導電性アノード層との間に透過性増強層（TEL）をさらに含む、請求項１に記載の底面発光型OLEDデバイス。
【請求項３】
該TELがITO、MgO、MoOx、SnO2、TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO、ZrO2、Alq、NPB、SiN、AlN、TiN、SiCもしくはAl4C3又はこれらの混合物を含む、請求項２に記載の底面発光型OLEDデバイス。
【請求項４】
該TELの厚さが２０nm〜１５０nmの範囲内にある、請求項３に記載の底面発光型OLEDデバイス。
【請求項５】
該アノードと該カソードとの間にあるすべての層の合計厚さが９０nm〜１５０nmの範囲内又は２３０nm〜３３０nmの範囲内にある、請求項１に記載の底面発光型OLEDデバイス。
【請求項６】
(a)透明又は不透明基板を含み、
(b)該基板上に形成された、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性で実質的に不透明の導電性アノード層を含み、
(c)該反射性で実質的に不透明の導電性アノード層の上に配置された正孔注入層を含み、
(d)該正孔注入層の上に形成された、電場発光材料を有する発光層と、該発光層の上に配置された電子輸送層とを含む複数の有機層を含み、
(e)該電子輸送層の上に設けられた、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性で半透明の導電性カソードを含み、そして
(f)当該アノード構造体の反射能、該カソードの透明性及び当該電極間の該有機層の厚さが、光の内部反射を変化させることにより上部電極を通過する発光性を向上させるように、選定されていること。
を特徴とする上面発光型OLEDデバイス。
【請求項７】
該カソードを通過する光量をさらに高めるため、該反射性で半透明の導電性カソードの上に透過性増強層（TEL）をさらに含む、請求項６に記載の上面発光型OLEDデバイス。
【請求項８】
該反射性で実質的に不透明の導電性アノード層が、仕事関数が４．０ｅＶより高くなるように選択された金属又は合金を含む、請求項６に記載の上面発光型OLEDデバイス。
【請求項９】
該正孔注入層がCFx、ITO、IZO、Pr2O3、TeO2、CuPc、SiO2、VOxもしくはMoOx又はこれらの混合物を含む、請求項６に記載の上面発光型OLEDデバイス。
【請求項１０】
該TELがITO、MgO、MoOx、SnO2、TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO、ZrO2、Alq、NPB、SiN、AlN、TiN、SiCもしくはAl4C3又はこれらの混合物を含む、請求項７に記載の上面発光型OLEDデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、向上した底面発光型及び高効率の上面発光型の有機発光ダイオード（OLED）デバイスであって金属アノードを使用するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機電場発光(OEL)デバイスは、有機発光ダイオード(OLED)とも称され、フラットパネル型表示用途に有用である。この発光デバイスが魅力的である理由は、輝度効率の高い赤色、緑色及び青色が得られるように設計することができ、２〜３ボルトというオーダーの低駆動電圧で動作可能であり、しかも斜めの角度からはっきり見ることができることにある。このようにユニークな特性は、アノードとカソードの間に低分子有機材料の複数の薄膜を挟み込んだ多層スタックを含んで成る基本OLED構造に由来する。Tangらは、譲受人共通の米国特許第４７６９２９２号及び同第４８８５２１１号に、このような構造体を開示している。一般的な電場発光(EL)媒体は、正孔輸送層(HTL)と電子輸送層(ETL)との２層構造からなり、各層の厚さは20〜30ナノメートル(nm)程度であることが典型的である。電極間に電位差が印加されると、注入されたキャリヤ（アノード側から正孔、カソード側から電子）がEL媒体中を互いに向けて移動し、それらの一部が再結合することにより発光が起こる。電場発光の強度は、当該EL媒体や、駆動電圧、及び当該電極の電荷注入特性に左右される。さらにデバイスの外側で目視できる光は、当該有機スタックの設計や、基板、アノード及びカソードの光学特性にも左右される。
【０００３】
従来型デバイスは、すべての層が堆積されている底部基板を放出光が通過するので、底面発光型である。該デバイスは、通常、アノードとしても働く高透明性インジウム錫酸化物（ITO）層を有するガラス基板を使用している。カソードは、典型的には反射性MgAg薄膜であるが、リチウム含有合金も電子注入効率が高いことが知られている。光は全方向に放出される。基板に向けて放出された光はアノード及び基板を通過して観察者に届き、また反対方向に放出された光はカソードで反射されて該基板を通過するので、底面発光が増強される。高効率デバイスでは、透明性の高い基板及びアノードと、反射性の高いカソードとが使用される。電力消費量を低くするためにも高効率表示装置が特に望まれる。その上、このような表示装置は低駆動電流で動作可能であり、動作寿命を延ばすことにもなる。従来の底面発光型デバイスに関する工学技術は成熟しつつある。一般に、ガラス、ITO及び有機層における導波モードの損失により、発生した光のうち観察に利用されない部分は８０％にも上る（M.H. Lu及びJ.C. Sturm、J. Appl. Phys. 91、595 (2002)）。しかしながら、失われた光を再生利用することによって超高効率デバイスを製造することは非常に困難となり得る。導波モードに失われた光の一部でも回収するためのデバイス設計は非常に複雑なものとなり得る。
【０００４】
スイッチング要素として薄膜トランジスタを使用するアクティブマトリックス式底面発光型表示装置の場合、ガラス基板上にトランジスタが加工製作されている。トランジスタが存在する結果、光が出てくるために利用される開放面積が減少することになる。この開放面積の全デバイス面積に対する比率を開口比と称する。開口比の低下により、表示装置は薄暗くなる。平均輝度レベルの低下を補償するためには駆動電流を増加させなければならず、そうすると表示装置が動作による劣化を被るリスクが高くなる。この問題を軽減するため、放出光を上面から出てくるようにすることができる。開口比が約３０％であることが典型的である底面発光型デバイスとは対照的に、開口比が顕著に高くなる。この種のデバイスを上面発光型又は表面発光型デバイスと称する。表面発光型デバイスは、アクティブマトリックス式表示装置や、シリコンのような不透明材料で基板を製作しなければならない用途において、相当なメリットがある。トップ表面を通して光が現れるようにするため、トップ表面は少なくとも半透明であることが必要である。
【０００５】
底面発光型デバイスの発光方向を逆にして上面発光型デバイスに転換させることは、特に効率を保持すべき場合、平凡なことではない。これは、Alq系ETLに匹敵する透明性の高い導電性カソードがめったに見当たらないからである。Alq系発光／電子輸送層（EML/ETL）について適合する上部電極（カソード）材料は、吸収性及び反射性の低仕事関数金属又は合金である。半透明カソードに向けて放出される光のうち当該カソードを通して放出される部分はわずかしかなく、大部分は反射して透明アノードに向けて返され、それを通して放出される。カソードを薄化しても上面発光量を有意に増大させることにはならない。なぜなら、接触保全を維持するために、カソード層の厚さを８〜１０nmとし、低電圧及び接触安定性を確保しなければならないからである。そのような厚さでは、薄膜の透過性は低く、界面反射率は高くなる。厚くて反射性が高いカソードを有する同等なデバイスからの発光量の約７０％である基板透過式発光がなおも優勢である。上面発光は弱く、典型的には約１５〜２５％である。
【０００６】
アノード構造に反射体を設けて光をカソードに向けて反射し返すことにより、上面発光量を実質的に増加させることはできる。ソニー社の欧州特許出願公開第１１５４６７６号明細書に、バッファ／正孔注入体と共に反射体を使用することが記載されている。当該反射性金属はPt、Au、Cr、Ｗ、等、多分に高仕事関数材料である。バッファ層は、漏洩防止のための層であり、正孔注入層でもあるm-MTDATAでできている。Lu他（「High-efficiency top-emitting organic light-emitting devices」、M.-H. Lu、M.S. Weaver、T.X. Zhou、M. Rothman、R.C. Kwong、M. Hack及びJ.J. Brown、Appl. Phys. Lett. 81、3921 (2002)）は、Ag/16nmITOアノードとCa(20nm)/ITO(80nm)カソードを有する上面発光型OLEDを開示している。６質量％のIr(ppy)3をドープした厚さ３０nmのCBP層からなる発光媒体から得られた効率は約２０cd/Ａであり、これはITOアノードと完全反射性LiF/Alカソードを有する同等な底面発光体の効率より約１５％高い値であった。どちらのタイプのデバイスにも、正孔注入体としてCuPcが使用された。彼等は、Agの上にITOを使用し、さらに、正孔注入特性が良好であると思われるCuPc系正孔注入層を使用している。これらの層はアノードの反射率を低下させた。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４７６９２９２号明細書
【特許文献２】米国特許第４８８５２１１号明細書
【非特許文献１】Norlyuki Takada他、「Control of emission characteristics in organic thin-film electroluminescent diodes using an optical-microcavity structure」、Appl. Physics Letter 63 (15)、1993年10月11日、第2032-2034頁
【非特許文献２】Shizuo Tokito他、「Metal oxides as a hole-injecting layer for an organic electroluminescent device」、J. Phys. D: Appl. Physics、29 (1996)、第2750-2753頁
【非特許文献３】P.K. Raychaudhuri他、「Fabrication of lithium-based alloy cathodes for organic light-emitting diodes by DC magnetron sputtering」、Imaging Materials and Media、R&D、Eastman Kodak社、Rochester、New York 14650
【非特許文献４】M.-H. Lu他、「High-efficiency top-emitting organic light-emitting devices」、Applied Physics Letters、第81巻、第21号、2002年11月18日、第3921-3923頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、従来の底面発光型OLEDよりも性能が高い底面発光型OLEDを提供することにある。
本発明の別の目的は、効率の高い上面発光型OLEDを提供することにある。
本発明の別の目的は、金属アノードはITOアノードよりも導電性が高く、しかも加工がし易いので、アノード材料としてITOの代わりに金属を使用することにある。
本発明の別の目的は、高反射率アノード上に極薄正孔注入層を使用することにより該アノードの反射率を保持し、かつ、上面発光性を向上させることにある。
本発明のさらに別の目的は、上述した目的を、プロセスを複雑化することなしに、又はデバイス構造に大きな変更を加えることなしに、達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの目的は、下記(a)〜(f)を構成要件とする底面発光型OLEDデバイスにおいて達成される。
(a)透明基板を含み、
(b)該基板上に形成された、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性で弱吸収性の導電性アノード層を含み、
(c)該反射性で弱吸収性の導電性アノード層の上に配置された正孔注入層を含み、
(d)該正孔注入層の上に形成された、電場発光材料を有する発光層と、該発光層の上に配置された電子輸送層とを含む複数の有機層を含み、
(e)該電子輸送層の上に設けられた、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性の導電性カソードを含み、そして
(f)当該アノード構造体の透明性及び反射能、当該カソード構造体の反射能、並びに当該電極間の該有機層の厚さが、光の内部反射を変化させることにより発光性を向上させて、該反射性で弱吸収性の導電性アノード層を有しない最適化された対照デバイスよりも基板通過輝度が高くなるように、選定されていること。
【００１０】
これらの目的は、さらに下記(a)〜(f)を構成要件とする上面発光型OLEDデバイスにおいて達成される。
(a)透明又は不透明基板を含み、
(b)該基板上に形成された、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性で実質的に不透明の導電性アノード層を含み、
(c)該反射性で実質的に不透明の導電性アノード層の上に配置された正孔注入層を含み、
(d)該正孔注入層の上に形成された、電場発光材料を有する発光層と、該発光層の上に配置された電子輸送層とを含む複数の有機層を含み、
(e)該電子輸送層の上に設けられた、金属もしくは合金又はこれらの両方を含む反射性で半透明の導電性カソードを含み、そして
(f)当該アノード構造体の反射能、該カソードの透明性及び当該電極間の該有機層の厚さが、光の内部反射を変化させることにより上部電極を通過する発光性を向上させるように、選定されていること。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に従い、アノード構造に、弱吸収性であるが反射性である金属層と極薄正孔注入層とを含め、かつ、複数の有機層及び該弱吸収性金属層の厚さを選定することによって、底面発光型デバイスの効率が従来型デバイスより実質的に向上し得る。
本発明に従い、アノード構造に、反射性金属と極薄正孔注入層とを含め、かつ、複数の有機層及びカソード層の厚さを選定することによって、高い上面発光効率が達成できる。
本発明の有利な効果は、低い駆動電圧を使用して発光が改良される点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の説明では、各種有機層の名称及び有機発光デバイスの動作特徴を称するため頭字語を使用する。参考のため、頭字語を表１に列挙する。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
ここで図１を参照する。OLED１００は従来型デバイスであり、透明基板１０１、透明アノード１０２、正孔注入層（HIL）１０３、正孔輸送層（HTL）１０４、発光層（EML）１０５、電子輸送層（ETL）１０６及び反射性カソード１０７を含む。カソード１０７は仕事関数が約４ｅＶより低い金属を含む。動作に際して、アノード１０２とカソード１０７を電源に接続して当該有機層に電流を流すと、発光層１０５から発光、すなわち電場発光が得られる。発生した光の強度は、OLED１００を流れる電流の大きさに依存し、またその大きさは、当該有機層の発光及び電気特性並びにアノード１０２、正孔注入層１０３及びカソード１０７の電荷注入特性に左右される。目視できる発光は、基板１０１とアノード１０２の透過率及びカソード１０７の反射率、並びにOLED１００の層構造、にさらに左右される。
【００１５】
図２〜図４に本発明のOLEDデバイスを示す。OLED１００Ａ（図２）において、アノードは半透明金属層１０８を含むが、それ以外の点では従来型OLED１００と同じである。電圧を印加するとOLED１００Ａは発光し、その光は、従来型デバイスのOLED１００と同様に、基板１０１を介して観察することができる。しかしながら、アノード１０８と有機層の厚さが、効率を最大化するように選定されている。
【００１６】
OLED１００Ｂ（図３）では、透明基板１０１と金属又は合金でできた半透明導電性反射性アノード１０８との間に透過性増強層（TEL）１０９が配置され、基板１０１を通る発光がさらに増強される。OLED１００Ｂは、それ以外の点ではOLED１００Ａと同じである。
【００１７】
OLED１００Ｃ（図４）では、仕事関数とは無関係に、導電性反射体１１１を使用する。導電性反射体１１１は極薄カソード１１０の上に堆積され、該カソードは電子輸送層１０６の上に形成される。OLED１００Ｃは、それ以外の点ではOLED１００Ｂと同じである。
【００１８】
OLED１００Ｄ（図５）では、半透明導電性カソード１０７ｘ及び透過性増強層１０９ｘを光が通過する。導電性反射性アノード１０８ｘは、透明又は不透明基板１０１ｘの上に堆積された完全に反射性の層である。
【００１９】
以下、OLEDデバイスを構成する各種層の組成及び機能について説明する。
基板１０１はガラス、セラミック又はプラスチックを含むことができる。基板１０１を通して発光するデバイスの場合、当該基板は可能な限り透明であることが必要である。OLEDデバイスの加工製作に高温処理は要求されないので、１００℃程度の処理温度に耐えられるものであればどのような基板１０１でも有用であり、これにはほとんどの耐熱性プラスチックが含まれる。基板１０１は、硬質プレート、軟質シート又は湾曲面の形態をとることができる。基板１０１は、電子的背板を具備した支持体を含むことができ、こうして電子アドレス及び開閉要素を含有するアクティブマトリックス基板を含む。アクティブマトリックス基板は、高温ポリシリコン薄膜トランジスタ、低温ポリシリコン薄膜トランジスタ又はアモルファスシリコン薄膜トランジスタを含有することができる。当業者であれば、OLEDデバイスをアドレスして駆動させるため他の回路要素を使用できることを認識することができる。
【００２０】
アノード１０２（図１）は、カソード１０７に対して正電位をOLED１００に印加した時に、当該有機層に正孔を注入する機能を提供する。例えば、譲受人共通の米国特許第４７２０４３２号に、インジウム錫酸化物（ITO）は、仕事関数が比較的高いので、効率的なアノードを形成することが示されている。ITO薄膜自体が透明で、導電性でもあるため、市販されているITO被覆ガラスが、OLED１００タイプのデバイス（図１）を製作する場合には、優れた支持体を提供する。OLED１００Ａタイプのデバイス（図２）は、透明基板１０１の上に堆積されるアノード１０８として、導電性で半透明の金属／合金層を使用する。アノード１０８は、従来の付着工程によって付着させることができ、OLED１００の製造プロセスとも適合し得る。このアノード１０８は、その上に正孔注入層１０３を必要とする場合と必要としない場合とがある。
【００２１】
正孔注入層１０３はアノード１０２（図１）又はアノード１０８（図２）から正孔輸送層への正孔注入の効率を高める機能を提供する。例えば、譲受人共通の米国特許第４８８５２１１号明細書に、従来型デバイス（図１）の正孔輸送層１０４に対する正孔注入層としてポルフォリン系又はフタロシアニン化合物が有用であり、輝度効率及び動作安定性が向上したことが示されている。他の好適な正孔注入材料として、プラズマ蒸着法で付着されたフッ素化ポリマーであるCFx（式中、０＜ｘ≦２）が挙げられる。CFxの調製法及び特性については、譲受人共通の米国特許第６２０８０７７号明細書に記載されている。正孔注入体として他の材料を使用することもできる。これらにはMo、Ｖ又はRuの酸化物が包含される。これらの材料のそれぞれ厚さ約３０nmの層を厚さ１２０nmのITOの上に設けると、正孔輸送層であるTPDに対する正孔注入体として有用となることが見出された（S. Tokito、K. Noda及びY. Taga、「Metal oxides as a hole-injecting layer for an organic electroluminescent device」、J. Phys. D: Appl. Physics、29 (1996)、第2750頁）。本発明によると、CFx及びMoOx（ｘ＜３．０）が、図２、図３、図４又は図５の正孔輸送層１０４に対する金属アノード１０８又はアノード１０８ｘからの正孔注入を効率化することが見出された。MoOx層はMoO3の真空蒸発法により調製され、そして付着した薄膜は非化学量論的となり得る。金属アノードのための他の正孔注入体として、ITO、IZO、Pr2O3、TeO2、CuPc又はSiO2が挙げられる。
【００２２】
正孔輸送層１０４は、発光層１０５に対して正孔を輸送する機能を提供する。正孔輸送材料には、譲受人共通の米国特許第４７２０４３２号明細書に記載されているような各種の芳香族アミンが含まれる。正孔輸送材料の好適な種類として、式（I)のテトラアリールジアミンが含まれる。
【００２３】
【化１】
2004228081.tif 000004
【００２４】
上式中、
Ar、Ar1、Ar2及びAr3は、各々独立に、フェニル部分、ビフェニル部分及びナフチル部分から選ばれ、
Ｌは２価のナフチレン部分又はｄnであり、
ｄはフェニレン部分であり、
ｎは１〜４の整数であり、そして
Ar、Ar1、Ar2及びAr3の少なくとも一つはナフチル部分である。
【００２５】
以下、有用な特定の（縮合芳香族環を含有する）芳香族第三アミンを列挙する。
4,4’-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル（NPB）
4,4”-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]-p-ターフェニル
4,4’-ビス[N-(2-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル
1,5-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ナフタレン
4,4’-ビス[N-(2-ピレニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル
4,4’-ビス[N-(2-ペリレニル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル
2,6-ビス(ジ-p-トリルアミノ)ナフタレン
2,6-ビス[ジ-(1-ナフチル)アミノ]ナフタレン
【００２６】
発光層１０５（図１〜５）は、この層において正孔と電子が再結合する結果として発光を生ぜしめる機能を提供する。発光層１０５の好適な態様は、ホスト材料に１又は２種以上の蛍光色素をドープしたものである。このホスト-ドーパント組成を使用することにより、高効率OLEDデバイスを構築することができる。同時に、ELデバイスの色を、共通のホスト材料において放出波長の異なる蛍光色素を使用することによって調整することができる。譲受人共通のTang他の米国特許第４７６９２９２号明細書に、ホスト材料にAlqを使用したOLEDデバイスについて、このドーパント計画が相当詳細に記載されている。譲受人共通のTang他の米国特許第４７６９２９２号明細書に記載されているように、発光層は、緑色発光性ドープト材料、青色発光性ドープト材料又は赤色発光性ドープト材料を含有することができる。
【００２７】
好適なホスト材料には、例えば、キレート金属がAl、Mg、Li、Znである8-キノリノール金属キレート化合物の部類が含まれる。別の好適な部類のホスト材料として、譲受人共通のShi他の米国特許第５９３５７２１号明細書に記載されているようなアントラセン誘導体、例えば9,10-ジナフチルアントラセン、9,10-ジアントリルアントラセン及びアルキル置換型9,10-ジナフチルアントラセンが挙げられる。
【００２８】
ドーパント材料には、ほとんどの蛍光性及びリン光性の色素及び顔料が含まれる。好適なドーパント材料として、譲受人共通のTang他の米国特許第４７６９２９２号明細書や譲受人共通のChen他の米国特許第６０２００７８号明細書に記載されているようなクマリン類、例えばクマリン６、ジシアノメチレンピラン類、例えば4-ジシアノメチレン-4H-ピランが挙げられる。
【００２９】
電子輸送層１０６（図１〜５）は、カソードから注入された電子を発光層１０５（図１〜５）へ送り込む機能を提供する。有用な材料として、譲受人共通のShi他の米国特許第５６４５９４８号明細書に記載されているようなAlq、ベンズアゾールが挙げられる。
【００３０】
カソード１０７（図１〜３）は、典型的には、厚さ約５０〜５００nmの十分に反射性の導電性薄膜であり、電子輸送層１０６（図１〜３）へ電子を効率的に注入することができる合金を含む材料を含んでなる。一般に、Mg及びLiを含有する合金が使用される。なぜなら、それらは仕事関数が低く、Alq電子輸送層１０６に対して効率的な電子注入接点となるからである。電子注入体として、仕事関数＜４．０ｅＶの他の材料を使用してもよい。これには、Ag又はAlにMg、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はMnを組み合わせた合金をはじめとする合金又は金属が包含される。カソード１０７ｘは、一般に、電子輸送層１０６（図１〜３）の上に蒸着される。カソード１０７ｘ（図５）は、同様に蒸着された厚さ約４〜５０nmの半透明薄膜であり、低仕事関数（＜４ｅＶ）の金属及びAg又はAlにMg、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はMnを組み合わせた合金をはじめとする合金を含む。
【００３１】
アノード１０８（図２〜４）は反射性、弱吸収性及び導電性の薄膜であり、放出波長において有意な透過率を有する合金を含む材料を含んでなる。このような金属として、Ag、Al、Mg、Zn、Rh、Ru、Ir、Au、Cu、Pd、Ni、Cr、Pt、Co、TeもしくはMo又はこれらの合金もしくは混合物が挙げられる。弱吸収性とは、ガラス上の薄膜の吸収率が３０％未満であることを意味する。このような層の反射率は約３０％以上であることができる。金属にもよるが、当該層の厚さは約４nmより大きく、しかし約５０nmよりは小さくすべきである。アノード１０８ｘ（図５）は完全に反射性の導電性層であり、そしてAg、Al、Mg、Zn、Rh、Ru、Ir、Au、Cu、Pd、Ni、Cr、Pt、Co、Te、Mo、Hf、Fe、Mn、Nb、Ge、Os、Ti、ＶもしくはＷ又はこれらの合金もしくは混合物を含む。
【００３２】
透過性増強層１０９（図３及び４）は、基板１０１を通る発光量をさらに増加させるために基板１０１と半透明アノード１０８との間に挿入された高透過率薄膜である。透過性増強層１０９ｘ（図５）もまた、半透明の反射性導電性カソード１０７ｘを通る発光量をさらに増加させるために反射性導電性カソード１０７ｘの上に配置された高透過率薄膜である。透過性増強層１０９及び１０９ｘは、例えば、ITO、インジウム亜鉛酸化物（IZO）、酸化錫（TO）、アンチモンドープ型酸化錫（ATO）、フッ素ドープ型酸化錫（FTO）、酸化インジウム（IO）、酸化亜鉛（ZO）、錫酸カドミウム（CTO）、酸化カドミウム、リンドープ型TO、及びアルミニウムをドープしたZO、MgO、MoOx、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、SiN、AlN、TiN、ZrN、SiCもしくはAl4C3又はこれらの混合物をはじめとする導電性又は非導電性材料を含む。当該材料の光屈折率にもよるが、透過性増強層１０９又は１０９ｘの厚さは２０nm〜１５０nmの範囲内にあることができる。
【００３３】
極薄カソード１１０（図４）が、有効に、電子輸送層１０６の上に形成された透明な電子注入層となる。このようなカソード１１０は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属又はこれらの組合せの極薄層を付着させることによって調製される。カソード１１０は、当該金属とAl、Mg、等の活性剤金属との化合物を付着させることによって調製することもできる。それぞれ厚さが約１nmのAl、Mg又はMgAg薄層をLiF上に設けたものをはじめとする２層構造体は、電子輸送層１０６に電子を効率よく注入する。このようなカソード１１０により、仕事関数を無視した任意の金属／合金をトップ電極に使用することが可能となる。
【００３４】
反射体１１１（図４）は、例えばAu、Ag、Cu、Al又はこれらの合金を含むことができる高反射率金属の反射層であることが典型的である。反射体は、カソードに向けて放出された光を反射して、それを基板に向けて方向付け直す。反射率の高い反射体は、基板を通る発光を顕著に増強するのに役立つが、反射率の低い他の金属、例えばMg、Zn、Ni、PdもしくはPt又はこれらの合金もしくは混合物が有用となる場合もある。反射体の厚さは、最大反射率を提供するのに十分な大きさとなるように選定される。
【００３５】
上述した有機材料は、高真空下での蒸発法により適宜付着される。金属／合金層も蒸着されるが、デバイス構造体がバッファを含む場合にはスパッタ法を使用することが可能である（P.K. Raychaudhuri及びJ.K. Madathil、「Fabrication of Sputtered Cathodes for Organic Light-Emitting Diodes Using Transparent Buffer」、Proceedings of the 7th Asian Symposium on Information Display (9月2-4日、シンガポールa) Digest、paper 50; 第32巻、第55-58頁、2001年）。
【００３６】
ほとんどのOLEDデバイスは湿分もしくは酸素又はこれら双方に対して感受性を示すため、窒素又はアルゴンのような不活性雰囲気において、アルミナ、ボーキサイト、硫酸カルシウム、クレー、シリカゲル、ゼオライト、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、スルフェート、金属ハロゲン化物及び金属過塩素酸塩のような乾燥剤と一緒に、封止されることが一般的である。封入法及び乾燥法として、米国特許第６２２６８９０号明細書に記載されている方法が挙げられるが、これらに限定はされない。さらに、当該技術分野では、封入用として、SiOx、テフロン（登録商標）及び無機／高分子交互層のようなバリア層が知られている。
【００３７】
本発明によるOLEDデバイスは、所望によりその特性を高めるため、周知の各種光学効果を採用することができる。これには、透光性を極大化するための層厚の最適化、コントラスト増強のための反射性電極の吸光性電極への交換、表示装置への遮光又は反射防止コーティングの付与、表示装置への偏光媒体の付与、又は表示装置への着色、中性濃度もしくは色変換フィルタの付与が包含される。具体的には、フィルタ、偏光子及び遮光又は反射防止コーティングを、カバーの上に、又はカバーの一部として、設けることができる。
【実施例】
【００３８】
市販グレードの厚さ４２nmの７０Ω／□のパターン化ITO層を有するガラス基板を使用して従来型デバイスを製作した。通常の洗浄後、ITO面上に、RFプラズマ中でCHF3ガスを分解させることにより厚さ１nmのCFx系HIL層を付着させた。本発明のデバイスについては基板をガラス板とし、その上に、Ar含有雰囲気中でのスパッタ処理により弱吸収性金属層を付着させた。さらにこれらの金属化ガラス基板を、上記のCFx系正孔注入層又は蒸着型MoOx正孔注入層のいずれかで被覆した。次いでこれらの基板を約１×１０-6トルで運転される真空コーターに移し、そこでHTL、EML、ETLからなる有機積層体を順に付着させた。次いで、MgAg又はLiF/MgAgからなるカソード層を正方形マスクを通して付着させ、デバイスの有効面積０．１cm2を画定した。最後に、乾燥窒素を充填したグローブボックスにおいてデバイスを気密封入した。電流を関数としてPhoto Research PR650スペクトロラジオメータを使用することによりデバイスの輝度を測定した。本明細書中の駆動電圧及び輝度は、２０mA/cm2に相当する電流をデバイスに流した時に得られた値であり、また輝度の測定はデバイス表面の法線方向において行った。デバイス間の比較を「真の」駆動電圧に基いて行うため、駆動電圧測定値から、ITO層又は半透明アノード層１０８もしくは１０８ｘの直列抵抗による電圧降下分を差し引いた。
【００３９】
例１
透明アノードにITOを、HILにCFxを、EML/ETLにAlqを、そしてカソード（トップ電極）にLiF/MgAg層をそれぞれ使用して従来型デバイスを製作した。９０体積％Mg及び１０体積％Ag（以下、MgAg）で構成されるトップ電極は、厚さ１００nmの、完全に反射性で不透明なものである。当該デバイスを、底面発光が最大となるように最適化した。デバイスの層構造は以下のとおりである。
ガラス(1.1mm)/ITO(42nm)/CFx(1nm)/NPB(105nm)/Alq(60nm)/LiF(0.5nm)/MgAg(100nm)
【００４０】
光は基板を通して出てくる。２０mA/cm2に相当する駆動電流において、駆動電圧は７．８Ｖとなり、発光量は６４１cd/m2となった。デバイスの効率は３．２cd／Ａである。ピーク放出波長は５２５nmであった。
【００４１】
例２
半透明Agアノードを、HILにMoOxを、EML/ETLにAlqを、そしてカソード（トップ電極）にLiF/MgAg層をそれぞれ使用して本発明によるデバイスを製作した。MgAg層は完全に反射性で、かつ、不透明である。当該デバイスを、底面発光が最大となるように最適化した。デバイスの層構造は以下のとおりである。
ガラス(1.1mm)/Ag(20nm)/MoOx(2nm)/NPB(40nm)/Alq(60nm)/LiF(0.5nm)/MgAg(100nm)
【００４２】
光は基板を通して出てくる。２０mA/cm2に相当する駆動電流において、駆動電圧は６．９Ｖとなり、底面発光量は１３４６cd/m2となった。デバイスの効率は６．７cd／Ａである。ピーク放出波長は５２５nmであった。
【００４３】
例１及び例２は、本発明によるデバイスは、従来型デバイスと比較して、放出波長を変化させることなく効率が２倍以上になることを示すものである。
【００４４】
例３（比較例）
厚さ４２nmのITOアノードを有する従来型デバイス（3F）及び半透明Agアノード層をそれぞれ有する本発明による一連のデバイス（3A, 3B, 3C, 3D及び3E）を製作した。各デバイスの構造を、底面発光が最大となるように、NPBの層厚を選定することにより最適化した。各デバイスの正孔注入層は、厚さ１nmのCFx層とした。いずれのデバイスも、発光体として１％C545Tをドープした厚さ３０nmのAlq層を、電子輸送層として厚さ３０nmの無ドープ型Alqを、そしてカソードとして厚さ１００nmのMgAg層をそれぞれ使用した。結果を表２にまとめる。
【００４５】
【表２】
2004228081.tif 000005
【００４６】
例３の結果は、厚さが１０nm〜３０nmの範囲内にある半透明Agアノードを有する本発明のデバイス（3E, 3D, 3C）が、従来型デバイス（3F）より高い輝度を発揮することを示している。厚さ２０nmのAgアノードを有するデバイスの効率は、従来型デバイス（3F）の効率の約２倍である。
【００４７】
例４（比較例）
厚さ４２nmのITOアノードを有する従来型デバイス（4F）及び半透明Auアノード層をそれぞれ有する本発明による一連のデバイス（4A, 4B, 4C, 4D及び4E）を製作した。各デバイスの構造を、底面発光が最大となるように、NPBの層厚を選定することにより最適化した。各デバイスの正孔注入層は、厚さ１nmのCFx層とした。いずれのデバイスも、発光体として１％DCJTBをドープした厚さ３０nmのAlq層を、電子輸送層として厚さ３０nmの無ドープ型Alqを、そしてカソードとして厚さ１００nmのMgAg層をそれぞれ使用した。結果を表３にまとめる。
【００４８】
【表３】
2004228081.tif 000006
【００４９】
例４の結果は、厚さが１５nm〜４０nmの範囲内にある半透明Auアノードを有する本発明のデバイス（4E, 4D, 4C, 4B）が、従来型デバイス（4F）より高い発光量を発揮することを示している。厚さ２０nmのAuアノードを有するデバイス（4D）の効率は、従来型デバイス（4F）の効率の約２倍である。
【００５０】
例５
従来型デバイス：ガラス(1.1mm)/ITO(42nm)/NPB(105nm)/Alq(60nm)/MgAg(100nm)（デバイス５Ａ）と、本発明のデバイス：ガラス(1.1mm)/Mo(5nm)/NPB(50nm)/Alq(60nm)/MgAg(100nm)（デバイス５Ｂ）とについて、光モデリング(optical modeling)を実施した。光モデリングでは、スタック中のCFx又はMoOxの極薄層の存在は無視した。デバイス５Ｂの出力は、デバイス５Ａと比較して、約９２％であることがわかった。しかし、ガラス基板とMoアノードとの間に屈折率ｎ＝２．７の透明TELを挿入して、当該層構造をガラス(1.1mm)/TEL(49.1nm)/Mo(5nm)/NPB(67nm)/Alq(64.6nm)/MgAg(100nm)（デバイス５Ｃ）となるように再調整した場合、デバイス５Ｃの出力は従来型デバイス５Ａの約１．５倍になるものと予測される。デバイス５ＣのAlq及びNPBの厚化はわずかにすぎないので、駆動電圧の上昇は無視できるであろう。厚さ５nmのMo層の表面抵抗は１１Ω／□であると概算され、この値は従来型デバイスの製作に使用したITO層よりも低い。
【００５１】
例６（比較例）
従来型デバイス：ガラス(1.1mm)/ITO(42nm)/NPB(105nm)/Alq(60nm)/MgAg(100nm)（デバイス６Ａ）と、HTL層の厚さを変更させた一連の本発明のデバイス：ガラス(1.1mm)/Ag(20nm)/NPB(変更)/Alq(60nm)/MgAg(100nm)とについて、光モデリングを実施した。光モデリングでは、スタック中のCFx又はMoOxの極薄層の存在は無視した。図６に示したように、オンアクシス(on-axis)最大輝度が５０nm（第１極大）及び２００nm（第２極大）において起こることが示された。第１極大地点では、本発明のデバイスの輝度は、最適化された従来の底面発光型デバイス６Ａの約１．７倍となる。これは、上記例で示した実験データとかなり一致するものである。TEL層を含む場合、本発明のOLEDは、NPBの厚さが２０nm〜８０nm又は１８０nm〜２３０nmの範囲内にあるときに、従来型デバイスより高い輝度を示すものと予測される。高効率底面発光体について電極間の有機層の全厚は、第１極大又は第２極大の場合に、それぞれ８０nm〜１４０nm又は２４０nm〜２９０nmの範囲内にある。
【００５２】
例７
厚さ６０nmのAgアノードと、半透明カソードと、厚さの異なるNPB層とをそれぞれ有する一連の本発明による上面発光体（デバイス7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F）を製作した。各デバイスのHILは厚さ１nmのCFxとした。いずれのデバイスも、EMLとして１％C545Tをドープした厚さ３０nmのAlqを、ETLとして厚さ３０nmの無ドープ型Alqを、そしてカソードとして厚さ１４nmの半透明MgAg層を使用した。これらのデバイスは、TELを含まない点を除き、図５のデバイスと同等である。結果を表４にまとめる。
【００５３】
【表４】
2004228081.tif 000007
【００５４】
例７の結果は、半透明MgAgカソードを有する本発明のデバイスの場合、当該NPB層の厚さが５０nmであるときに、輝度が最大となることを示している。例６と同様のシミュレーションにより、オンアクシス輝度の第１極大がNPB厚４５nmにおいて起こり、そして第２極大がNPB厚１８０nmにおいて起こることが予測される。したがって、上面発光量が最大となる有機媒体の理想的な厚さは１０５nm又は２４０nmである。高効率デバイスは、NPB厚が３０nm〜８０nm又は１６０nm〜２３０nmの範囲内において製作することができる。このため、有機層の全厚は９０nm〜１４０nm又は２２０nm〜２９０nmとなる。
【００５５】
例８
共通の厚さ１４nmのMgAgカソードと、共通の有機層（厚さ５０nmのNPB正孔輸送層及び厚さ６０nmのAlq系EML/ETL）とを有するが、各種の反射性アノードを使用して本発明による上面発光体をいくつか製作した。使用した反射体は、Ag、Pd及びMoからなる完全反射性薄膜とした。完全反射性薄膜の空気中約５２５nmにおける反射率の文献値についても表５にまとめる。各デバイスの正孔注入層は、厚さ１nmのMoOx薄膜とした。デバイスはTELを含まない。デバイス性能を表５にまとめる。
【００５６】
【表５】
2004228081.tif 000008
【００５７】
例８の結果は、上面発光量がアノード反射率の増加と共に増加することを示している。しかし、当該出力はアノード反射率に対して単純には比例していない。むしろ、反射率の高い領域での上昇が有意に迅速となる。開口比に関しては底面発光体より上面発光体の方が有利であることを考慮すると、Moアノードを有する上面発光体がITOアノードを有する底面発光体より性能的に優れることが期待される。
【００５８】
例９
厚さ７２nmのAgアノードと、厚さ２．５nmのMoOx系HILと、厚さ４５nmのNPB系HTLと、厚さ６０nmのAlq系EML/ETLと、厚さ０．５nmのLi／厚さ１４nmのMgAgのカソードとをそれぞれ有する本発明による２種の上面発光型デバイスを製作した。デバイス９ＡはTELを含まない。デバイス９Ｂのカソード上には、TELとして厚さ８５nmのAlq層を付着させた。２０mA/cm2に相当する駆動電流において、デバイス９Ａは、駆動電圧７．３Ｖ、輝度１２６０cd/m2を示した。同一条件下でデバイス９Ｂは、駆動電圧７．１Ｖ、輝度１６３０cd/m2を示した。厚さ８５nmのAlq層がTELとして作用している。TELによる改良率は約２９％となる。
【００５９】
これらの実施例からわかるように、２枚の反射性電極を使用してOLEDデバイスを製造すると、すなわち微小空洞共振器(microcavity)を製造すると、低反射率高透過性のITOアノードを有する従来型の対照デバイスよりも、基板を通過するオンアクシス発光量が増加し得る。しかしながら、デバイスの構成を変更する必要はある。微小空洞共振器からの放出は光学軸に沿って（発光面の法線方向に）強く方向付けられる。本発明によるデバイスの場合、最適化されたときには、OLEDデバイス１００Ａ、１００Ｂ又は１００Ｃ（図２〜４）における当該アノードの吸収による光損失を、微小空洞共振効果による利得が補って余りあるものとなり得る。
【００６０】
本発明によるものと多少類似する光微小空洞共振器型OLEDが文献に報告されている（N. Takada、T. Tsutsui及びS. Saito、「Control of emission characteristics in organic thin-film electro luminescent devices using an optical-microcavity structure」、Appl. Phys. Lett. 63、2032 (1993)）。反射性で半透明の厚さ３６nmのAgアノードと、反射性で厚さ２５０nmのMgAgカソードとを含む微小空洞共振構造体が製作された。参照のため、透明ITOアノードを有する、微小空洞共振構造体を含まないデバイスも製作された。これら２つのデバイスは、一つの支持体上に形成され、共通の有機層及びカソードを有した。当該微小空洞共振器は、非微小空洞共振器を上回る底面発光の増強を示さなかった。当該微小空洞共振器は、視角に伴う放出ピークのシフト及び放出の角度依存性を特徴的に示した。しかしながら、当該微小空洞共振器からの発光は、非微小空洞共振器より弱くなった。厚いアノード、最適化されていないデバイス構造、そして、より重要であるが、正孔注入層の不在が、非効率デバイスをもたらしたかもしれない。これら三つの特徴を最適化したことが、本発明に含まれる最も顕著な特徴である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術の底面発光型OLEDデバイスの層構造を示す略図である。
【図２】本発明の底面発光型OLEDデバイスの層構造を示す略図である。
【図３】本発明の底面発光型OLEDデバイスの層構造を示す略図である。
【図４】本発明の底面発光型OLEDデバイスの層構造を示す略図である。
【図５】本発明の上面発光型OLEDデバイスの層構造を示す略図である。
【図６】光モデリングにより測定されたNPB厚の関数としてAgアノード及び厚さ１１nmのMgAgカソードを有する上面発光型OLEDデバイスのオンアクシス輝度をプロットしたグラフである。
【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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