(57)【要約】【課題】有機ＥＬ素子を用いた発光装置において、発光効率を向上した上で色純度の向上を図る。【解決手段】有機ＥＬ素子５の、光取り出し側とは逆側に低屈折率層６と反射膜７を設け、該低屈折率層６の膜厚を有機ＥＬ素子５の発光のピーク波長以下に設定することにより、該低屈折率層６を通過して反射膜７で反射する導波光の長波長成分を減衰させ、色純度を向上させた導波光を光取り出し構造としての光取り出し層８から取り出す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の透明電極と、前記透明電極の間に配置された発光層を含む有機化合物層とを有する有機ＥＬ素子と、
前記有機ＥＬ素子の光取り出し面とは逆側の透明電極が、前記有機化合物層よりも屈折率が高く、
前記有機ＥＬ素子の光取り出し面とは逆側に、有機化合物層よりも屈折率が低い低屈折率層と、反射膜とを有機化合物層側からこの順で有し、
前記低屈折率層の膜厚が、前記有機ＥＬ素子の発光ピーク波長以下であり、
導波光を取り出す光取り出し構造が設けられていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記光取り出し構造が、前記有機ＥＬ素子の面内方向端部に配置された、有機化合物層よりも屈折率の低い低屈折率構造体である請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記光取り出し構造が、導波光を反射、回折、或いは散乱することにより外部に取り出す構造体である請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記有機ＥＬ素子が、青色発光を示し、前記低屈折率層の膜厚が１００ｎｍ乃至４００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記有機ＥＬ素子が、緑色発光を示し、前記低屈折率層の膜厚が３００ｎｍ乃至４００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）を備えた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ発光装置は、薄膜で自発光を特徴とした有機ＥＬ素子を画素として用いた新方式の発光装置であるが、課題として発光色の色純度向上と発光効率の向上がある。通常有機ＥＬ素子に用いられる発光ドーパントは、半値幅の大きい広帯域なスペクトル形状を有しているため色純度は低い。また、有機ＥＬ素子の発光は空気よりも屈折率が高い有機発光層内で起こるため、屈折率差から起こる全反射により有機ＥＬ素子から実際に空気中に取り出される光の割合は約２０％乃至３０％でしかない。特許文献１では有機ＥＬ素子の色純度向上及び光取り出し効率向上のために共振器構造を導入している。しかしながら、更なる光取り出し効率向上のために、空気中に取り出されることなく有機ＥＬ素子内を伝搬する導波光を、空気中に取り出す研究が進められている。例えば特許文献２では回折格子を用いることで、導波光を回折により空気中に取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２７７９５号公報
【特許文献２】特開２００６−８５９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
有機ＥＬ素子内を伝搬する導波光を反射・回折・散乱等により空気中に取り出すことにより、発光効率を向上することができるものの、取り出された導波光は発光ドーパントのスペクトル形状と同等であるため、色純度の向上は望めなかった。
【０００５】
本発明の課題は、上記問題を解決し、発光効率を向上した上で色純度の向上を図った発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、一対の透明電極と、前記透明電極の間に配置された発光層を含む有機化合物層とを有する有機ＥＬ素子と、
前記有機ＥＬ素子の光取り出し面とは逆側の透明電極が、前記有機化合物層よりも屈折率が高く、
前記有機ＥＬ素子の光取り出し面とは逆側に、有機化合物層よりも屈折率が低い低屈折率層と、反射膜とを有機化合物層側からこの順で有し、
前記低屈折率層の膜厚が、前記有機ＥＬ素子の発光ピーク波長以下であり、
導波光を取り出す光取り出し構造が設けられていることを特徴とする発光装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光装置内を往復する導波光の長波長成分を減衰して取り出すことができるため、取り出された導波光のスペクトル形状は発光ドーパントよりも色純度が向上したものとなる。よって、本発明によれば、発光効率の向上と同時に、色純度の向上を図った発光装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の発光装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】青色発光の有機ＥＬ素子におけるＰＬスペクトルの一例を示す図である。
【図３】反射膜において反射角６０°の導波光の分光反射率を示す図である。
【図４】反射膜において反射角６０°の導波光が５往復した場合の分光反射率を示す図である。
【図５】青色発光の発光装置の導波光における低屈折率層の膜厚と色純度の関係の一例を示す図である。
【図６】緑色発光の発光装置の導波光における低屈折率層の膜厚と色純度の関係の一例を示す図である。
【図７】本発明の発光装置の構成例を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の発光装置の他の構成例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の発光装置は、有機ＥＬ素子の光取り出し側とは逆側に、低屈折率層と反射膜を備えている。そして、該低屈折率層の膜厚を調整することによって、該低屈折率層を通過して反射膜で反射される導波光の長波長成分を減衰させ、外部に取り出される導波光の色純度を向上させることに特徴を有する。本発明において、有機ＥＬ素子を構成する一対の電極はいずれも透明電極であり、反射膜を形成した側の電極は有機化合物層よりも屈折率が高い。
【００１０】
以下、本発明の発光装置について、実施形態を挙げて図面を参照して説明する。尚、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。また以下に説明する実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これらに限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本発明の発光装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態の発光装置は、有機ＥＬ素子が形成された基板側に光を取り出すボトムエミッション型である。
【００１２】
本実施形態では、透明な絶縁性基板１上に有機ＥＬ素子５が配置されている。有機ＥＬ素子５は、２つの透明電極２，４間に挟まれた、発光層を含む有機化合物層（有機ＥＬ層）３を備えたものである。具体的には、基板１の上にアノード電極２と、アノード電極２上に設けられた有機化合物層３と、有機化合物層３の上に設けられたカソード電極４とを有している。本発明においては、アノード電極２、有機化合物層３、カソード電極４、を合わせて有機ＥＬ素子５とする。
【００１３】
絶縁性基板１には屈折率１．５程度のガラス基板が一般的に用いられる。アノード電極２としては、正孔注入性の観点から仕事関数の高い電極が好ましく、ＩＴＯ，ＩＺＯといった透明電極が挙げられる。有機化合物層３には発光層以外に、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層を含むことができ、各層には公知の材料を使用することができ、成膜手法も蒸着や転写等公知の成膜手法を用いることができる。カソード電極４としては、ＩＴＯ，ＩＺＯといった透明電極を用いることが好適であり、必要に応じて公知の電子注入層を用いることで電子注入性を確保するのがよい。
【００１４】
有機化合物層３は空気よりも屈折率が大きいため、垂直方向に近い光しか空気中に取り出すことができない。従って、有機化合物層３内から外部へ出射する光は、垂直方向を０°とすると入射角約３０°以内であれば取り出されるが、入射角が約３０°以上の光は空気界面での全反射により導波光となる。本実施形態では導波光の光取り出し構造として有機ＥＬ素子の端面（基板１に平行な面内方向端部）に光取り出し層８を配置している。導波光は発光装置内を、反射を繰り返しながら伝搬していき、端面の光取り出し層８に入射する。光取り出し層８に入射した導波光は、反射・散乱・回折等により伝搬角度が変換され、導波光の一部は空気中に取り出される。
【００１５】
青色発光の有機ＥＬ素子に用いられる発光ドーパントの一例としてＦＩｒＰｉｃ及びＦＩｒ６６のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトル形状を図２に示す。ＦＩｒＰｉｃはＢｉｓ（３，５−ｄｉｆｌｕｏｒｏ−２−（２−ｐｙｒｉｄｙｌ）ｐｈｅｎｙｌ−（２−ｃａｒｂｏｘｙｐｙｒｉｄｙｌ）  ｉｒｉｄｉｕｍ（ＩＩＩ）である。また、ＦＩｒ６はＢｉｓ（２，４−ｄｉｆｌｕｏｒｏｐｈｅｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎａｔｏ）ｔｅｔｒａｋｉｓ（１−ｐｙｒａｚｏｌｙｌ）ｂｏｒａｔｅ  ｉｒｉｄｉｕｍ（ＩＩＩ）である。発光装置に求められる青色の仕様として例えばＮＴＳＣのＣＩＥｘｙ（０．１４，０．０８）があるが、ＦＩｒＰｉｃのＰＬスペクトルから算出される色度は（０．１４，０．３４）で、ＮＴＳＣの仕様から大きく離れた色度となる。また、ＦＩｒ６についても、ＰＬスペクトルから算出される色度が（０．１５，０．２８）であり、ＮＴＳＣの仕様から大きく離れた色度となる。
【００１６】
ＮＴＳＣの色度から大きく離れている一因は、ＦＩｒＰｉｃ，ＦＩｒ６共に、５００ｎｍ程度以上の波長における発光が存在するため水色に近い色純度になっているためである。光取り出し層８により取り出される導波光は発光ドーパントのスペクトル形状とほぼ同等であるため、単純に光取り出し構造を設けただけでは、光取り出し効率は向上しても発光色純度の向上は望めない。
【００１７】
そこで本発明においては、カソード電極４の上部に有機化合物層３よりも屈折率の低い材料からなる低屈折率層６と、金属からなる反射膜７がこの順に設けられている。そして、有機化合物層３から見た反射膜７方向の分光反射率を、低屈折率層６の膜厚によって調整し、導波光の長波長成分を減衰させることで導波光の色純度を向上させている。
【００１８】
図３は低屈折率層６の膜厚と、有機化合物層３から反射膜７に入射して反射角６０°で反射する光の分光反射率の関係の計算結果である。前提として、カソード電極４は有機化合物層３よりも高屈折率なＩＺＯからなり、低屈折率層６には有機化合物層３よりも低屈折な材料であるＳｉＯ2、反射膜７には十分な厚さを有するＡｌをそれぞれ使用している。図３に示されるように、分光反射率には干渉に起因する低屈折率層６の膜厚依存性があり、低屈折率層６の膜厚を厚くすると反射率の極小値をとる波長が長波側に変化する。一般的に有機ＥＬ素子の有機化合物層の膜厚は２００ｎｍ乃至３００ｎｍ程度のため、５μｍ導波すると導波光はカソード電極４とアノード電極２との間を５乃至１０往復程度することになる。導波光が５往復したという前提で図３における反射率を５乗したものが図４であるが、５往復すると波長による反射率の差がさらに広がる。尚、反射角６０°における分光反射率で考えるのは、導波光の伝搬角度が反射角で約３０°乃至９０°であるため、中間である６０°で考えるのが妥当であるからである。
【００１９】
導波光が５往復した場合の概略色純度は図２のＰＬスペクトル形状に図４の分光反射率を乗じたスペクトル形状から算出できる。下記表１はその結果であり、低屈折率層６の膜厚が変化した場合のＦＩｒＰｉｃ，ＦＩｒ６の色度変化、及び、その時のＮＴＳＣ青色色度（０．１４，０．０８）との色度差として平方距離Δｘｙを記載している。Δｘｙが小さいほどＮＴＳＣの青色色度に近いため色純度がよい。図５は表１における低屈折率層６の膜厚ｄと青色色度との平方距離Δｘｙの関係をグラフ化したものである。ｄ＝１００ｎｍ乃至４００ｎｍの間におけるΔｘｙは従来構成（ｄ＝０ｎｍ）よりも小さい値になっており、本実施形態は従来よりも色純度が向上していることが分かる。青色発光の有機ＥＬ素子に用いられる発光ドーパントの色純度が低い一因は長波長側の強度が相対的に高いことであり、５００ｎｍ程度以上の波長の光の減衰を大きくする本実施形態では導波光の色純度が向上する。青色発光の有機ＥＬ素子の発光ピーク波長は４５０ｎｍ乃至５００ｎｍ程度であるため、低屈折率層６の膜厚はこの発光ピーク波長以下にすれば本発明の効果は得られる。よって、好ましくは１００ｎｍ乃至４００ｎｍであり、特にｄ＝２００ｎｍにおいてＦＩｒＰｉｃ，ＦＩｒ６共にΔｘｙの極小値をとっており、青色の導波光の色純度を向上させるには、低屈折率層６の膜厚は２００ｎｍ程度であることが好適である。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
尚、本発明は青色以外にも有効である。緑色の発光ドーパントであるＡｌｑで導波光が５往復した場合の概略色純度とＮＴＳＣにおける緑色の色度（０．２１，０．７１）との色度差Δｘｙの結果を表２に記載する。また、図６は表２における低屈折率層６の膜厚と緑色色度との平方距離Δｘｙの関係をグラフ化したものである。ｄ＝２００ｎｍ乃至７００ｎｍの間におけるΔｘｙは従来構成（ｄ＝０ｎｍ）よりも小さい値になっており、本実施形態は従来よりも色純度が向上していることが分かる。緑色発光の有機ＥＬ素子の発光ピーク波長は５００ｎｍ乃至５５０ｎｍ程度であるため、低屈折率層６の膜厚は発光波長程度以下にすれば本発明の効果は得られる。特にｄ＝３００ｎｍ乃至４００ｎｍにおいてΔｘｙの極小値をとっており、緑色の導波光の色純度を向上させるには、低屈折率層６の膜厚が３００ｎｍ乃至４００ｎｍ程度が好適である。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
本発明は低屈折率層６の膜厚を調整することで、実質的にローパスフィルターとしての機能を持たせることで、導波光の色度調整を可能にしている。色度調整された導波光を光取り出し構造により空気中に取り出すと、色純度を向上させた上で、光取り出し効率の向上が達成できる。光取り出し構造としては、反射、回折、散乱等を利用して導波光を空気中に取り出す構造や、有機ＥＬ素子の端面に低屈折率材料を配置する構造がある。光取り出し構造を狭ピッチで配置すると、発光画素の開口率低下や作製手法が難解になることから、数μｍピッチで配置されることが多い。
【００２４】
光取り出し構造の具体例として、以下の実施例に有機ＥＬ素子の端面に低屈折率材料を配置する構造（実施例１）と回折格子構造（実施例２）を挙げるが、本発明は他の光取り出し構造にも適用できる。例えば、導波光を散乱により取り出す手法は、回折格子同様、発光装置内を往復しながら散乱により取り出すことになるため本発明による色度調整は有効である。また、有機ＥＬ素子の端面に反射ミラーを配置することにより導波光を空気中に取り出す手法も、反射ミラーに到達するまでに発光装置内を往復することになるため、本発明による色度調整は有効である。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
光取り出し構造として、青色発光の有機ＥＬ素子の端面に低屈折率材料を配置した実施例を図７を用いて説明する。アノード電極２としてＩＴＯが成膜された透明な絶縁性基板１上に、低屈折率材料（ｎ＝１．２）であるポーラスシリカを低屈折率構造体１８として成膜する。そして通常のフォトリソ工程により幅１μｍ、高さ０．３μｍのグリッドを作製する。この際、有機ＥＬ発光領域として５μｍ×５μｍの開口部を設ける。
【００２６】
さらに、正孔注入層、正孔輸送層、青色発光の有機発光層、電子輸送層、電子注入層からなる有機化合物層３を蒸着により成膜し、カソード電極４としてＩＺＯをスパッタする。尚、有機化合物層の材料としては公知のものが使用できるため詳細は省略する。
【００２７】
低屈折率層６としてＳｉＯ2をスパッタにより３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、さらに、反射膜１７としてＡｌを蒸着により成膜する。最後にキャップ缶で封止を行う。
【００２８】
以上の工程を真空一貫で行うことで、色純度が改善された導波光を有機ＥＬ素子５の端面に配置された低屈折率構造体１８より空気中に取り出すことができる。
【００２９】
（実施例２）
図８は、本実施例の構成を模式的に示す断面図であり、本実施例の発光装置は、有機ＥＬ素子が形成された基板とは逆側に光を取り出すトップエミッション型である。光取り出し構造としては、有機ＥＬ素子の光取り出し側に回折格子を有する。回折格子の回折効率は通常５％乃至２０％程度と低いため、回折により取り出すまでに導波光は発光装置内を往復することになる。従って、光取り出し構造として回折格子を設けた場合にも、導波光の色度を調整する本発明は有効である。以下具体的に説明する。
【００３０】
本実施例は、絶縁性基板１の上に、反射膜７、低屈折率層６、アノード電極２、有機化合物層３、カソード電極４を形成したものである。低屈折率層６の膜厚は緑色発光の色純度が向上するよう３００ｎｍとする。カソード電極４の上部には有機ＥＬ素子５を水分や酸素から保護する保護膜２８と光取り出し構造として機能する回折格子層２９がある。
【００３１】
保護膜２８は光の透過率が高く、防湿性に優れた部材が好ましく、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜が好適であり、成膜法としてはＣＶＤ法のような公知の手法が適用できる。回折格子層２９は樹脂材料にナノインプリント法を適用すれば作製できる。樹脂材料としては熱硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、光硬化型樹脂を用いることができる。一例としては、塗布した熱硬化型樹脂に対して所望の周期構造を成形するための型を押し当てたまま、熱により硬化させ、型を剥離すればよい。回折格子の周期は発光ピーク波長の０．５倍乃至１．５倍程度が、回折効率が高いため好適である。
【符号の説明】
【００３２】
２，４：透明電極、３：有機化合物層、５：有機ＥＬ素子、６：低屈折率層、７：反射膜
【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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