(57)【要約】【課題】光の取り出し効率を向上した有機ＥＬ素子を提供する。【解決手段】金属電極８、エレクトロルミネッセンス層９、透明電極２、透明基材１を積層し、光を透明基材１を通して取り出すようにした有機ＥＬ素子に関する。透明電極２と透明基材１の間に高屈折率層１０及び低屈折率層１１の２層を、高屈折率層１０を透明電極２の側に、低屈折率層１１を透明基材１の側に配置して設ける。そして各層の光学膜厚及び屈折率を下記のように形成する。・透明電極２の光学膜厚が（１／２）λより小さい・低屈折率層１１の光学膜厚が（１／２）λより大きい・高屈折率層１０の光学膜厚が（１／８）λより大きく且つ（３／８）λより小さい・高屈折率層１０の透明基材１の側の面から、金属電極８の透明基材１の側の面までの光学距離がλより小さい・高屈折率層１０の屈折率が（透明電極２の屈折率−０．２）より大きい（λは発光波長、屈折率は発光波長における屈折率）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも金属電極、エレクトロルミネッセンス層、透明電極、透明基材をこの順に積層し、エレクトロルミネッセンス層で発光した光を透明基材を通して取り出すようにした有機ＥＬ素子において、透明電極と透明基材の間に高屈折率層及び低屈折率層の２層を、高屈折率層を透明電極の側に、低屈折率層を透明基材の側に配置して設け、上記各層の光学膜厚及び屈折率を下記のように形成して成ることを特徴とする有機ＥＬ素子。
・透明電極の光学膜厚が、（１／２）λより小さい
・低屈折率層の光学膜厚が、（１／２）λより大きい
・高屈折率層の光学膜厚が、（１／８）λより大きく且つ（３／８）λより小さい
・高屈折率層の透明基材の側の面から、金属電極の透明基材の側の面までの光学距離が、λより小さい
・高屈折率層の屈折率が、（透明電極の屈折率−０．２）より大きい
（但し、λはエレクトロルミネッセンス層で発光する光の波長、屈折率はこの発光波長における屈折率）
【請求項２】
低屈折率層の屈折率が１．４０未満であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種ディスプレイ、表示素子、液晶用バックライト等に用いられる有機ＥＬ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報化社会の進展に伴って、各種のディスプレイが開発されている。このようなディスプレイに用いられる薄膜型の発光素子の代表的なものの一つとして、例えば有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子からなる発光体がある。
【０００３】
図３は透明基材１の上にエレクトロルミネッセンス層や電極などからなる発光層１５を設けて形成される有機ＥＬ素子を概略的に示すものであり、発光層１５から発光される光は透明基材１を通して、透明基材１の露出表面から出射されることによって、外部に取り出されるようになっている。ここで図３に矢印で示すように、透明基材１の表面と空気との界面に小さい入射角で入射する一部の光は透明基材１の露出表面から外部に出射されるが、多くの光は透明基材１の露出表面と空気との界面で反射して、透明基材１内において端部に向かう方向に導波されたり、内部で消失されたりしてしまい、発光した光の２０％程度しか透明基材１の露出表面から取り出すことができない。この現象は、有機ＥＬ素子において光の取出効率を低く留めている大きな原因の一つである。
【０００４】
そこで、このような現象を回避して透明基材１の露出表面からの光の取り出し効率を高めるための工夫が種々なされている。例えば、図４に概略的に示すように、透明基材１と発光素子１５との間に透明基材１より屈折率が小さい低屈折率層１７（例えば屈折率が１．３以下）を設けることが行なわれている。このようにすると、低屈折率層１７と透明基材１との界面で光を屈折させて、透明基材１の露出表面と空気との界面に入射する光の入射角が小さくなり、その結果、透明基材１の露出表面と空気との界面で反射される光の量が少なくなって透明基材１内における導波が抑制され、透明基材１の表面から外部に光を取り出す効率が高まるものである。
【０００５】
このように低屈折率層の挿入によって透明基材１内での導波を実質的に消滅させることが可能で、その結果、光の取出効率を高めることができる。そして特許文献１では、このような低屈折層をシリカエアロゲルに代表される多孔質薄膜で形成するようにしている。しかし多孔質薄膜は機械強度が必ずしも十分ではないので、特許文献２では、この機械強度が十分ではないシリカエアロゲル薄膜の代わりに、低屈折率微粒子とバインダーからなる低屈折率層を有機ＥＬ素子に導入することが提案されている。
【０００６】
しかしながら、有機ＥＬ素子はエレクトロルミネッセンス層を形成する発光層・ホール輸送層・ホール注入層や透明電極等の多層積層構造となっており、光の干渉（増幅・減衰）が発生するものであり、光の干渉を考慮せずに、低屈折率層を透明電極と透明基材との間に挿入しても十分な光取り出しの向上は得られない。
【０００７】
また特許文献３では透明電極と低屈折率層の界面の全反射による光取り出しロスの改善方法が提案されている。すなわち、低屈折率層に散乱機能（光散乱微粒子）を付与し、界面の全反射によるロスを低減している。しかしながら、このように低屈折率層に光散乱微粒子（粒径５０ｎｍ以上）を導入すると、光散乱微粒子によって低屈折率層の表面粗さが大きくなり、その表面粗さが透明電極にも反映されることになって、有機ＥＬ素子としての信頼性を損なってしまうという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−２０２８２７号公報
【特許文献２】特開２００３−２１６０６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２９６４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、薄膜型の発光素子である有機ＥＬ素子においては発光した光を外部（大気中）に取り出す場合の取り出し効率を向上させることが難しく、取り出し効率の向上が課題となっているものである。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、有機ＥＬ素子において、光の取り出し効率を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る有機ＥＬ素子は、少なくとも金属電極、エレクトロルミネッセンス層、透明電極、透明基材をこの順に積層し、エレクトロルミネッセンス層で発光した光を透明基材を通して取り出すようにした有機ＥＬ素子において、透明電極と透明基材の間に高屈折率層及び低屈折率層の２層を、高屈折率層を透明電極の側に、低屈折率層を透明基材の側に配置して設け、上記各層の光学膜厚及び屈折率を下記のように形成して成ることを特徴とするものである。
・透明電極の光学膜厚が、（１／２）λより小さい
・低屈折率層の光学膜厚が、（１／２）λより大きい
・高屈折率層の光学膜厚が、（１／８）λより大きく且つ（３／８）λより小さい
・高屈折率層の透明基材の側の面から、金属電極の透明基材の側の面までの光学距離が、λより小さい
・高屈折率層の屈折率が、（透明電極の屈折率−０．２）より大きい
（但し、λはエレクトロルミネッセンス層で発光する光の波長、屈折率はこの発光波長における屈折率）
また請求項２の発明は、請求項１において、低屈折率層の屈折率が１．４０未満であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、透明基材の正面方向への光の取り出しの効率は、高屈折率層と低屈折率層によって形成される誘電体ミラーと、金属電極によって形成される金属ミラーとの間の共振効果による光干渉を利用して高めることができ、また透明基材の斜め方向への光の取り出し効率は、低屈折率層の取り出し効果を利用して高めることができ、全方位方向でのトータルの外部取り出し効率を向上させることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
図１は有機ＥＬ素子の層構成の一例を示すものであり、透光性の透明基材１の上に透明導電膜からなる透明電極２を積層し、透明電極２の上にホール注入層３及びホ−ル輸送層４を積層すると共に、その上に有機発光層５が積層してある。さらにこの有機発光層５の上に電子輸送層６及び電子注入層７を積層し、その上に金属電極８が積層してある。通常、透明電極２が陽極、金属電極８が陰極として形成されるものであり、またホール注入層３・ホ−ル輸送層４・有機発光層５・電子輸送層６・電子注入層７によってエレクトロルミネッセンス層９が形成されるものである。そして本発明では、透明電極２と透明基材１の間に、高屈折率層１０及び低屈折率層１１の２層を、高屈折率層１０を透明電極２の側に、低屈折率層１１を透明基材１の側に配置して、挿入してある。ここで、低屈折率層１１は透明基材１よりも屈折率が低い層であり、高屈折率層１０は低屈折率層１１よりも屈折率が高い層である。
【００１４】
勿論、この層構成はあくまでも一例であり、例えばホール注入層３とホ−ル輸送層４の一方あるいは両方を備えない構成、電子輸送層６と電子注入層７の一方あるいは両方を備えない層構成などに形成することもでき、本発明の趣旨に反しない限り図１の層構成に限定されるものではない。
【００１５】
そして、エレクトロルミネッセンス層９の有機発光層５で発光した光の一部は、透明電極２と透明基材１を透過して、透明基材１の表面（外面）から取り出されるものであり、また発光した光の他の一部は、金属電極８のエレクトロルミネッセンス層９側の面が金属ミラー８ａとなって反射され、エレクトロルミネッセンス層９と透明電極２及び透明基材１を透過して、透明基材１の表面（外面）から取り出されるものである。
【００１６】
上記のように形成される有機ＥＬ素子にあって、光干渉（共振）を利用して透明基材１からの光の取り出し量を向上させるためには、透明電極２の透明基材１の側の面から金属電極８の金属ミラー８ａまでの光学距離と、高屈折率層１０と低屈折率層１１によって形成される誘電体ミラーのしみ込み光学距離の和が、エレクトロルミネッセンス層９の有機発光層５で発光される光の主たる波長をλとすると、（１／２）λのｍ倍（ｍは整数）になるように設計すれば、正面方向の共振効果を得ることができるので、透明基材１の正面方向（透明基材１の表面に対して垂直あるいは垂直に近い方向）での取り出し量を向上させることができる。ここで誘電体ミラーのしみ込み光学距離は、誘電体実効屈折率をＮｅｆｆ、高屈折率層１０と低屈折率層１１の屈折率差をΔｎとしたとき、（１／２）λ×（Ｎｅｆｆ／Δｎ）で求められる距離であり、誘電体実効屈折率は、高屈折率層１０と低屈折率層１１の屈折率の平均屈折率とほぼ同じ値である。しかし、透明基材１の斜め方向（透明基材１の表面に対して斜めの方向）での光の取り出し効率を向上させるためには、発光点から低屈折率層１１までの光学距離を限りなく小さくすることが必要であり、透明電極２の透明基材１の側の面から金属電極８の金属ミラー８ａまでの光学距離と誘電体ミラーのしみ込み光学距離の和はｍ＝２のλ、あるいはｍ＝３の（３／２）λ程度にすることが望ましく、ｍ＝２のλ程度が最も望ましい。
【００１７】
このため本発明では、高屈折率層１０の透明基材１の側の面から、金属電極８の透明基材１の側の面までの光学距離をλより小さく形成してあり、透明基材１の正面方向と斜め方向のいずれの方向からの光の取り出し効率を向上させ、透明基材１からの光の取り出し量を向上させることができるものである。
【００１８】
尚、上記の光学距離は各膜の光学膜厚（実膜厚と上記の発光波長での屈折率との積）の総和であり、図１の構成の有機ＥＬ素子において、透明電極２の透明基材１の側の面から金属電極８の金属ミラー８ａまでの光学距離は、透明電極２・ホール注入層３・ホ−ル輸送層４・有機発光層５・電子輸送層６・電子注入層７の各実膜厚と屈折率との積の総和である。
【００１９】
次に、透明電極２については、透明電極２を形成する代表的な透明電極材料であるＩＴＯ、ＩＺＯは屈折率が１．９〜２．０であり、屈折率が約１．７程度のエレクトロルミネッセンス層９よりも高く、光の取り出しに対する障壁層になってしまう。このため、光の取り出し効率を向上させるためには、透明電極２はなるべく薄く形成するのがよく、光学膜厚で（１／２）λより薄くすることが必要である。透明電極２の光学膜厚は、より好ましくは（１／４）λ程度、さらに好ましくは（１／８）λ程度である。光の取り出し効率のうえではこれより薄いことがより好ましいが、電極としての機能を考慮すると、透明電極２の光学膜厚は（１／８）λ程度が最も好ましい。
【００２０】
次に、透明電極２と透明基材１との間に設ける高屈折率層１０と低屈折率層１１については、高屈折率層１０の屈折率は、透明電極２から高屈折率層１０に光が入りやすくするために、（透明電極２の屈折率−０．２）よりも大きくすることが必要である。また、高屈折率層１０の光学膜厚は、高屈折率層１０と低屈折率層１１とで形成される誘電体ミラーの反射率分散において、波長λのときに最高反射率になるのが最も好ましく、このため（１／８）λより厚く、かつ（３／８）λより薄く形成されるものであり、（１／４）λ程度の光学膜厚が最も望ましい。
【００２１】
この高屈折率層１０の材質としては、発光波長の領域において吸収がないものが好ましく、透過率・透明性に優れたものが好ましい。例えば蒸着・スパッタ・ＣＶＤ等の気相法で形成される酸化チタン（屈折率２．４〜２．７）、酸化ジルコニウム（屈折率２．２）、酸化スズ（屈折率１．９〜２．１）等を使用することができる。
【００２２】
また、低屈折率層１１の屈折率は、高屈折率層１０の屈折率より小さければ誘電体ミラーになるが、誘電体ミラーの反射率を高くし、かつ斜め方向の光取り出し効率を向上させるためには、１．４未満が好ましく、より好ましくは１．３５未満である。また低屈折率層１１の光学膜厚は、斜め方向の取り出し効率を向上させるためにも、１／２λよりも厚くする必要があり、λより厚くすることがより望ましい。
【００２３】
この低屈折率層１１の材質としては、発光波長の領域において吸収がないものが好ましく、透過率に優れたものが好ましい。例えば蒸着・スパッタ・ＣＶＤ法等の気相法で形成される酸化ケイ素（屈折率１．４〜１．５）、フッ化マグネシウムやフッ化リチウム等のフッ化金属（屈折率１．３５〜１．４）、あるいは液相法（ゾル・ゲル等）で形成されるシリカ・シリコーン系樹脂膜、フッ素樹脂膜、及び多孔質微粒子と樹脂の複合膜等を使用することができる。液相法はさまざまな微粒子との組み合わせにより、散乱性を有する膜を形成することができるものであり、散乱性を付与することで、より高効率な光取り出しを達成することが可能である。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。尚、重量平均分子量の測定は東ソー社製「ＨＬＣ−８２２０」を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で行ない、被膜屈折率の測定はエリプソメーター（ＵＬＶＡＣ社製「ＥＭＳ−１」）を用いて発光波長λ＝６５０ｎｍで行なった。
【００２５】
（実施例１）
テトラエトキシシラン２０８質量部にメタノール３５６質量部を加え、さらに水１８質量部及び０．０１Ｎの塩酸１８質量部を加え、ディスパーを用いてよく混合することによって溶液を得た。得られた溶液を２５℃恒温槽中で２時間攪拌し、重量平均分子量が８５０のシリコーンレジン（テトラエトキシシランが加水分解して縮重合したもの）を得た。次に、このシリコーンレジンに、中空シリカ微粒子として中空シリカＩＰＡ分散ゾル（固形分：２０質量％、分散媒：イソプロピルアルコール、平均一次粒子径：約３５ｎｍ、外殻厚み：約８ｎｍ、触媒化成工業株式会社製）を、中空シリカ微粒子／シリコーンレジン（縮合化合物換算）の固形分質量基準で８０／２０となるように添加し、全固形分が１０質量％になるようにメタノールで希釈して、中空シリカ微粒子を含有するコーティング材を得た。尚、「縮合化合物換算」とはテトラエトキシシランに存在するＳｉがＳｉＯ２であるとしての重量である。
【００２６】
次に透明基材１としてガラス板（屈折率１．５１）を用い、透明基材１の表面にこのコーティング材をスピンコーターで塗布して乾燥し、この塗布・乾燥を２回繰り返した後、２００℃で１０分間焼成することによって、実膜厚１０００ｎｍの低屈折率層１１を得た。この低屈折率層１１の屈折率は１．３０であり、光学膜厚は１３００ｎｍ（＝２λ）であった。
【００２７】
次に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、低屈折率層１１の上に酸化チタン（屈折率２．４５）を６５ｎｍの実膜厚で形成して高屈折率層１０を得た。この高屈折率層１０の光学膜厚は１６０ｎｍ（≒（１／４）λ）である。この時点での誘電体ミラー（透明基材／低屈折率層／高屈折率層）の反射率は、約３０％（波長６５０ｎｍ）であった。
【００２８】
さらにＤＣマグネトロンスパッタ法により、高屈折率層１０の上にＩＴＯ薄膜を実膜厚５０ｎｍで形成し、透明電極２を得た。この透明電極２の屈折率は２．０であり、光学膜厚は１００ｎｍ（＜＜（１／２）λ）であった。
【００２９】
次に、透明電極層上にＰＥＤＴ／ＰＳＳ（poly[3,4-(ethylenedioxy)thiophene]／poly(styrene sulfonate)）（スタルクヴィテック社製「Baytron P AI4083」、ＰＥＤＴ：ＰＳＳ＝１：６）をスピンコートで塗布し、１５０℃で１０分間焼成することにより、実膜厚５０ｎｍのホール注入層３を得た。ホール注入層３の屈折率は１．５５であり、光学膜厚は７８ｎｍであった。
【００３０】
次に、ＴＦＢ（Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4’-(N-(4-sec-butylphenyl))diphenylamine)]）（アメリカンダイソース社製「Hole Transport Polymer ADS259BE」、屈折率１．７）をＴＨＦ溶媒に溶解した溶液を、ホール注入層３の上にスピンコーターで塗布してＴＦＢ被膜を作製し、これを２００℃で１０分間焼成することによって、実膜厚２０ｎｍのホール輸送層４を得た。このホール輸送層４の光学膜厚は３４ｎｍである。
【００３１】
さらに、赤色高分子（アメリカンダイソース社製「Light Emittingpolymer ATS111RE」、屈折率１．７）をＴＨＦ溶媒に溶解した溶液を、ホール輸送層４の上にスピンコーターで塗布し、１００℃で１０分間焼成することによって、実膜厚が１３５ｎｍの発光層５を得た。この発光層５の光学膜厚は２３０ｎｍである。
【００３２】
最後に、真空蒸着法により、発光層５の上にアルミニウムを７００ｎｍの厚みで製膜して金属電極８を作製し、図２の層構成の有機ＥＬ素子を得た。
【００３３】
このようにして得られた有機ＥＬ素子の高屈折率層１０の透明基材１側の面から金属電極８の透明基材１側の面までの光学距離Ｌは６０２ｎｍであり、λ（６５０ｎｍ）より薄くなるように設計されているものであった。
【００３４】
（比較例１）
実施例１において、高屈折率層１０と低屈折率層１１を設けないようにした他は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００３５】
（比較例２）
実施例１において、透明電極２を実膜厚２１３ｎｍに形成して、光学膜厚が４２５ｎｍ（＞（１／２）λ）になるようにした他は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００３６】
（比較例３）
実施例１において、低屈折率層１１を実膜厚１２０ｎｍに形成して、光学膜厚が１５６ｎｍ（≒（１／４）λ）になるようにした他は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００３７】
（比較例４）
実施例１において、高屈折率層１０の代わりに、二酸化ケイ素（屈折率１．４７）の層を光学膜厚で１６０ｎｍ（≒１／４λ）になるように形成した他は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００３８】
上記のように実施例１及び比較例１〜４で作製した有機ＥＬ素子において、透明電極２と金属電極８の間に直流電源を接続し、電流密度４０ｍＡ／ｃｍ２の条件下で発光させた。そして透明基材１の表面の発光スペクトルを色彩輝度計（トプコン社製「ＳＲ−３」、測定波長６００〜７００ｎｍ、１ｎｍピッチ)で測定した。測定は、透明基材１の表面の垂直線に対して０度（正面）、１０度、２０度、３０度、４０度、５０度、６０度、７０度、８０度の角度について行なった。そして正面の発光スペクトルの積分値（６００〜７００ｎｍ）を導出し、各角度における発光スペクトル積分値から発光球体・楕円体としての体積値を導出し、正面・全方位方向の光取り出し量を測定した。結果を、比較例１の有機ＥＬ素子の正面・全方位方向の光取り出しを基準とし、その相対比を求めて表１に示す。
【００３９】
【表１】
2007294266.tif 000003
【００４０】
表１にみられるように、実施例１のものは、正面・全方位いずれの方向においても光取り出し量が優れているものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る有機ＥＬ素子の層構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る有機ＥＬ素子の層構成の他の一例を示す概略図である。
【図３】従来例を示す概略図である。
【図４】他の従来例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  透明基材
２  透明電極
８  金属電極
９  エレクトロルミネッセンス層
１０高屈折率層
１１  低屈折率層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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