(57)【要約】【課題】有機発光層からの発光が、屈折率の高いＩＴＯ透明電極から屈折率がＩＴＯ透明電極より低いガラス基板界面に入射する際に、全反射によってガラス基板を通過する光の量が低下するが、この低下が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。【解決手段】ガラス基板１上に、少なくとも、屈折率が１．６から１．８程度の高屈折率樹脂層１０、ＩＴＯ透明電極層２、有機発光層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、あるいはガラス基板１上に、少なくとも、散乱層１１、屈折率が１．６から１．８程度の高屈折率樹脂層１０、ＩＴＯ透明電極層２、有機発光層７、陰極層６、をこの順に積層した有機エレクトロルミネッセンス素子である。【選択図】図１
2013140722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上に、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、ＩＴＯ透明電極層、有機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】
ガラス基板上に、少なくとも、光散乱層、屈折率が１．６から２．０の範囲の高屈折率樹脂層、ＩＴＯ透明電極層、有機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３】
前記ガラス基板のＩＴＯ透明電極側を凹凸形状にしたことを特徴とする請求項１又は請求項２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】
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ＨＯＭＯに注入された正孔と陰極からＬＵＭＯ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素子の構成を、図２に示したが、透明なガラス基板１上に、陽極電極２、正孔輸送層３、蛍光発光層４、電子輸送層５、陰極電極６、保護膜８等からなっている。陽極電極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】
保護膜８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系の膜の積層したり、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２から分かるよう、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、透明電極２、ガラス基板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。1つの原因は、蛍光体の一重項励起状態は、近接する金属電極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い、正面方向に取り出せなくなる。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程度、ＩＴＯ透明電極２の屈折率は、２．１〜２．２程度、ガラス基板１のそれは、１．４７程度、空気は１であるから、ＩＴＯ透明電極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、有機発光層７全体を所与のものとした場合、有機発光層７からの発光が、屈折率の高いＩＴＯ透明電極２から屈折率がＩＴＯ透明電極２より低いガラス基板１界面に入射する際に、全反射によってガラス基板１の透過光量が低下する問題を改善することを課題とした。すなわち、全反射が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である。
【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、ガラス基板上に、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、ＩＴＯ透明電極層、有機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、ガラス基板上に、少なくとも、光散乱層、屈折率が１．６から２．０の範囲の高屈折率樹脂層、ＩＴＯ透明電極層、有機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。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記ガラス基板のＩＴＯ透明電極側を凹凸形状にしたことを特徴とする請求項１又は請求項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。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、屈折率の差が大きく全反射する確率の高い、ＩＴＯ透明電極
とガラス基板の界面に屈折率変化が階段状に変化するように、ＩＴＯ透明電極とガラス基板の屈折率の中間の屈折率を有する高分子樹脂層を配設したものである。これにより全反射する光の割合が低下し、正面方向への光取り出し効率が増大するという効果が期待できる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記高屈折率樹脂とガラス基板の界面を、ガラス基板側の表面に凹凸形状を付与すること光散乱効果を付与し、また界面の屈折率の変化を滑らかにして全反射する光の割合を低減し、正面方向への光の取り出し効率が増大するという効果が得られる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、前記高屈折率樹脂とガラス基板の界面に、散乱膜を配設することで、界面の屈折率の変化が滑らかにして全反射する光の割合を低減し、正面方向への光の取り出し効率が増大するという効果が得られる
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）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。（ｂ）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２】従来の有機ＥＬ素子の構成を説明する断面視の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
有機ＥＬ素子は、基本的には図２に示すように、ガラス基板１、ＩＴＯ透明電極２、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６から構成されている。有機発光層７から出射された光は、種々の原因で消失するが、本発明の対象となる損失は、屈折率の高いＩＴＯ電極２（屈折率：ｎ１）から屈折率の低いガラス基板１（屈折率：ｎ２）に入射する際に、臨界角（ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）より低角度で入射する光が界面で全反射されてＩＴＯ層内を導波する光となって正面成分から消失するものに限られる。
【００２２】
そこで、本発明は、ＩＴＯ電極２（概ね、ｎ１≧２．０）とガラス基板１（ｎ２＝１．４５程度）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を有する有機層１０を、ＩＴＯ２とガラス基板１の間に挟みこんだものである（図１参照のこと）。また、前記界面に光散乱能を付与するために光散乱層１１を配置したものである（図２参照）。ここで有機発光層７は、正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５までを含んだ層構成を例示しているが、いずれかがなかったり、図示はしていないが追加の機能層も含む場合もある。
【００２３】
したがって、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の代表的な有機素材について屈折率の値を述べておく。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、概ねλ＝５０００Åの光に対する値である。
【００２４】
本発明で使用する基板１は、透明な基板１であり、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。
【００２５】
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１０を形成する。ガラス基板１の屈折率とＩＴＯ透明電極２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１０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１０は、適切な溶剤に溶かしてから塗布乾燥して製造できる。
【００２６】
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。
【００２７】
別の構成としては、図１（ｂ）に示すような系が０．４〜１μｍ程度の光散乱性粒子１１をガラス基板１上に敷設することが出来る。粒子を溶剤に分散してから、ガラス基板上に塗布し溶剤を乾燥させるか、前記の高屈折率樹脂に分散させたものを薄く塗布することでもよい。ガラス基板への入射角を変動させる効果と、屈折率の変化を滑らかにして反射を低減する効果が期待できる。
【００２８】
次に、前記高屈折率樹脂層１０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、１〜２μｍ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。
【００２９】
発光色をＲＧＢとする場合には、定法のフォトリソ法によりストライプ状にパターニングしてストライプ配置の電極とする必要がある。この場合は、電極が存在しない部位については、正孔輸送層３が直接高屈折率樹脂層１０に堆積することになるが、全反射性に限っては、直接堆積が不利に作用することはない。
【００３０】
また、ストライプ電極の場合には、感光性材料を用いて、ストライプ電極と直交する方向に延在する絶縁性の隔壁をフォトリソ法で形成する必要がある。発光色の異なる材料が混ざり合わないようにするためと、陰極をストライプ状に形成するためである。この点は、低分子系の蒸着法の場合も、高分子系の印刷（ダイコート、ロールコート等）の場合も違わない。発光材料が一つの場合は、隔壁の形成は不要である。
【００３１】
隔壁を形成する感光性材料としてはポジ型レジスト、ネガ型レジストのどちらであってもよく、市販のもので構わないが、十分な絶縁性を有する必要がある。なお、隔壁が十分な絶縁性を有さない場合には隔壁を通じて隣り合う画素電極に電流が流れてしまい表示不良が発生してしまう。具体的にはポリイミド系、アクリル樹脂系、ノボラック樹脂系、フルオレン系といったものが挙げられるが、これらに限定するものではない。
【００３２】
以上のようにして隔壁を形成した後、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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】
【００４５】
１、ガラス基板
２、ＩＴＯ透明電極（陽極）
３、正孔輸送層
４、発光層
５、電子輸送層
６、金属電極（陰極）
７、有機発光層
８、保護膜
９、凹凸構造
１０、高屈折率樹脂層
１１、光散乱層
１２、微粒子
１３、発光
【図１】
2013140722.tif 000003
【図２】
2013140722.tif 000004