JP4386285B2 - 有機電界発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，有機電界発光素子及びその製造方法に係り，更に詳細には，有機層によって発生した光の取り出し率が画期的に改善された有機電界発光素子及びその製造方法に関する。

有機電界発光素子は，蛍光性有機化合物を電気的に励起させて発光させる自発光型ディスプレイであって，低電圧で駆動が可能であり，薄型化が容易であり，広視野角，速い応答速度などといった特性を持ち，液晶表示装置において問題点として指摘されてきた短所を解決できる次世代ディスプレイとして注目されている。

そのような有機電界発光素子は，イーストマン・コダック（Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ）社により積層型として開発され，パイオニア（Ｐｉｏｎｅｅｒ）社により寿命が改善された緑色のディスプレイとして商品化され，分子構造の多様な新規有機材料が開発され，直流低電圧駆動，薄型，自発光性などの優れた特性を有するカラーディスプレイへの研究が活発に進められている。

一般的に，有機電界発光素子は，ガラスやその他の透明な絶縁基板に所定パターンの有機層を形成し，有機層の上下に電極層を形成することで製造され，有機層を形成する材料としては，銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ），Ｎ,Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ,Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（ＮＰＢ），トリス−８−ヒドロキシキノリンアルミニウムなどが利用される。

有機電界発光素子の画像形成原理は，次の通りである。すなわち，正極及び負極間に電圧が印加されることによって，正極から注入された正孔が正孔輸送層を経て発光層に移動し，電子は，陰極から電子輸送層を経て発光層に注入される。発光層中では，電子と正孔とが再結合して励起子を生成し，そのような励起子が励起状態から基底状態に戻る際に発光層の蛍光性分子が発光することで，画像が形成される。

上記のように，駆動される有機電界発光素子の発光効率は，内部効率と外部効率とに分類されるが，内部効率は，有機発光物質の光電変換効率に依存し，外部効率は，素子を構成する各層の屈折率に依存する。そのような外部効率は，光取り出し効率とも呼ばれ，有機電界発光素子の光取り出し効率は，ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ−Ｒａｙ Ｔｕｂｅ），ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ），ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）などの他のディスプレイ素子に比べて低い。そのために，有機電界発光素子は，輝度，寿命などのディスプレイの特性面で改善される余地が多い。

図１（Ｌｕ等，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ７８（１３），ｐ.１９２７，２００１）を参照すれば，有機電界発光素子において，有機層で発生した光は，ＩＴＯ／ガラス界面とガラス／空気界面とにおいて，角度によっては全反射が発生し，通常の有機電界発光素子の場合では，光取り出し効率は約２３％にしかならず，残りの発光は素子の外部へ出ずに消滅する。

有機電界発光素子の光取り出し効率を増加させるための多様な方法が提案されており，近年では，回折格子の導入に関連した複数の方法が，研究及び報告されている。

上記の報告例の一つとして，特許文献１には，正極と負極との間に一層または複数の層からなる有機層を有する有機電界発光素子において，構成要素として回折格子またはゾーンプレートを含む発明が開示されている。

また，特許文献２には，第１電極層６１，有機層７０，及び第２電極層６２のうち，屈折率の大きい層の間に屈折率の異なる領域（図２中の符号８１および符号８２）を有する光損失防止層８０を備える有機電界発光素子を開示しており，図２を参照すれば，それは，基板５０上に回折格子を形成してガイドされた発光を回折させることにより，角度を全反射臨界角より小さくし，発光を外部へ取り出すという原理を利用している。

特開平１１−２８３７５１号公報 大韓民国特許第２００３−００７０９８５号明細書

しかしながら，特許文献１に開示された有機電界発光表示装置は，基板や微細な電極パターン層の表面に凹凸を形成するか，または別途の回折格子を設置しなくてはならないため，素子の製造が難しく，したがって，生産性の向上を図ることができないという問題点があった。加えて，凹凸の上部に有機層を成膜する場合には，有機層の表面粗度が凹凸によって大きくなるために，有機電界発光素子の耐久性及び信頼性が減少するという問題点があった。

また，特許文献２に開示された有機電界発光素子において，外部光取り出し効率は回折格子層の屈折率差に大きく依存し，屈折率差が大きければ大きいほど，光取り出し効率は増加するが，屈折率が１に近い低屈折材料は，その吸湿特性などの点で，素子に適用するのが難しいという問題点があった。

本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，回折格子層の屈折率差を最大にすることによって光取り出し効率を増加させることができ，かつ容易に製造することのできる有機電界発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，背面基板と，前記背面基板の一面に形成され，第１電極，有機層及び第２電極が順次積層されて形成された有機電界発光部と，を含む有機電界発光素子において，前記背面基板と前記第１電極との間に，ナノ多孔質層と，当該ナノ多孔質層を覆うように形成された高屈折率層と，を含み，前記ナノ多孔質層及び前記高屈折率層は，回折格子を形成することを特徴とする有機電界発光素子が提供される。

上記のナノ多孔質層の厚みは，例えば，１０００ｎｍ以下となるように形成されることができる。また，上記の高屈折率層の厚みは，例えば，２０００ｎｍ以下となるように形成されることができる。

上記の高屈折率層の屈折率は，例えば，１．６以上となるようにすることも可能である。

また，上記のナノ多孔質層は，例えば，２００ｎｍ〜１０００ｎｍの周期ごとに規則的に繰り返される多孔質格子を有することもできる。また，このナノ多孔質格子の幅は，例えば，２０ｎｍ〜９００ｎｍに形成することも可能である。

上記の高屈折率層は，例えば，ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ），ＴｉＯ_２，及びＴａ_２Ｏ_５からなる群より選択された物質を用いて形成する。

また，上記の第１電極は，例えば，ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）電極を用いて形成することも可能である。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，背面基板上にフォトレジスト組成物をコーティングする段階と，フォトレジスト組成物を露光及び現像させることで背面基板上にナノ格子層を形成する段階と，ナノ格子層上に高屈折率層をコーティングする段階と，ナノ格子層にナノ多孔質層を形成する段階と，ナノ多孔質層上に第１電極，有機層及び第２電極を順次積層させる段階とを含むことを特徴とする有機電界発光素子の製造方法が提供される。

上記のナノ格子層の形成は，コーティングされたフォトレジスト組成物を露光及び現像させることで行われる。また，ナノ格子層にナノ多孔質層を形成する方法は，例えば焼成工程や湿式エッチング工程を用いることが可能であり，この焼成もしくは湿式エッチング工程により，ナノ多孔質格子が形成されることとなる。

上記のフォトレジスト組成物は，例えば感光性ポリカーボネート樹脂を用いることが可能である。

また，ナノ多孔質層を形成する段階は，２００℃〜６００℃の温度で行われる焼成工程であってもよい。

本発明によれば，回折格子層の屈折率差を最大にすることで，光取り出し効率を最大にすることができ，容易に製造することができる有機電界発光素子及びその製造方法を提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子を図３に示した。

図３によれば，本実施形態に係る有機電界発光素子は，ガラスなどの背面基板３５上に第１電極３２，有機層３１及び第２電極３０が順次積層され，背面基板と第１電極との間には，回折格子層としてナノ多孔質層３４及び高屈折率層３３を含む構造を有する。本実施形態に係る有機電界発光素子は，回折格子層の屈折率差が大きくなるほど界面での反射が抑制され光取り出し効率が増加するという事実に鑑みて，回折格子層として高屈折率層３３，及び屈折率が１.０のナノ多孔質層３４を適用することで光取り出し効率を画期的に増加させることができ，従来の低屈折率材料による吸湿特性などの問題点を解決できるという長所がある。

本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子の光取り出し効率増加の原理を簡略に説明すれば，下記の通りである。

図３に示された有機電界発光素子は，第１電極３２及び第２電極３０に所定の電圧を印加することで，第１電極３２から注入された正孔が有機層３１内の正孔輸送層（図示せず）を経て発光層（図示せず）に移動し，電子は，第２電極３０から有機層３１内の電子輸送層（図示せず）を経て発光層（図示せず）に注入される。次いで，発光層中で電子と正孔とが再結合して励起子を生成し，生成された励起子が励起状態から基底状態に戻ることによって，発光層の蛍光性分子が発光する。その際に発生した光は，透明な第１電極３２と基板３５とを通じて外部へ取り出されるが，基板３５と第１電極３２との間にはナノ多孔質層３４及び高屈折率層３３が形成されているため，界面で光が反射されて損失されることを防止できる。

すなわち，発光層を含む有機層３１または第１電極３２の屈折率が背面基板３５をなすガラスより大きいため，背面基板３５の界面で反射される。しかし，第１電極３２と背面基板３５との間に，屈折率が相異なるナノ多孔質層３４と高屈折率層３３が形成されているため，ナノ多孔質層３４と高屈折率層３３との屈折率差によって光が散乱され，界面での反射を防止できる。特に，ナノ多孔質層３４及び高屈折率層３３は，発光層から全反射の臨界角よりも大きな角度で入射してきた光を散乱させ，臨界角よりも小さな角度へ変化させることで，界面での反射率を大幅に減らすことができる。

また，屈折率が異なる２つの物質，すなわち，ナノ多孔質層３４及び高屈折率層３３が交互に配設されることによって，平均の屈折率の値を，全反射臨界角を大きくするような屈折率に調節することが可能となる。その結果，対反射効果により，光取り出し効率を大きく増加させうる。したがって，有機層３１で発光し基板３５を通過した光の比である光取り出し効率を増加させることができる。

上記のナノ多孔質層３４の厚みは，１０００ｎｍ以下であることが好ましい。ナノ多孔質層３４の厚みが１０００ｎｍを超える場合には，光取り出し効率の増加がそれほど大きくないため好ましくない。

また，高屈折率層３３の厚みも２０００ｎｍ以下であることが好ましい。高屈折率層３３の厚さが２０００ｎｍを超える場合には，光取り出し効率及び製造工程の容易さがいずれも改善されないため好ましくない。

光取り出し効率を最大にするには，高屈折率層３３の屈折率が１.６以上となり，ナノ多孔質層３４との屈折率差が０.６以上となることが好ましい。屈折率差が０.６以下である場合には，界面での光分散効果が低下し，有機層から入射してくる光の反射率が高くなり，基板を通過する光の量が減少するという問題点があり，好ましくない。そのような条件を満足させる高屈折率層３３としては，ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ），ＴｉＯ_２，及びＴａ_２Ｏ_５からなる群から選択された物質層が使用されうる。また，本発明の高屈折率層に用いられる物質は上記のものに限定されず，条件を満たしうる物質であれば，高屈折率層として使用することが可能である。

上記のナノ多孔質層３４は，２００ｎｍ〜１０００ｎｍの周期で規則的に繰り返されるナノ多孔質格子を含み，そのようなナノ多孔質格子の幅は，周期の１０〜９０％の範囲，すなわち，２０ｎｍ〜９００ｎｍであることが好ましい。ここで，上記のナノ多孔質格子の周期とは，図３のａ部分のことであり，ナノ多孔質格子の幅とは，図３のｂ部分のことである。ナノ多孔質格子が上記の周期範囲に達さずに繰り返される場合，すなわち，２００ｎｍ以下の場合や，ナノ多孔質格子が上記の周期範囲を超えて繰り返される場合，すなわち，１０００ｎｍを超える場合には，光が回折格子を認識できないため，光取り出し効率の増加を期待できない。また，ナノ多孔質格子の幅が狭すぎる，または広すぎる場合も，光取り出し効率が増加する程度が著しく減少するため，好ましくない。

第１電極３２，有機層３１及び第２電極３０を含む有機電界発光部は，当業界で一般的に使用される方法を用いて形成することが可能である。

第１電極３２は，透明な基板の上面に形成される正極であって，透明な導電性材質であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）であることが好ましく，その形状は互いに平行に形成されるストライプ状の電極からなってもよい。また，本発明の第１電極に用いられる物質が，上記のものに限定されるわけではなく，透明な導電性材質であれば，第１電極形成のための材質として利用されうる。

有機層３１は，第１電極３２の上面に順次積層される正孔注入層，正孔輸送層，発光層，及び電子注入層等を含む。有機層３１は，有機化合物で形成される層であって，８−ヒドロキシキノリノ−アルミニウム（Ａｌｑ_３）などのような低分子化合物，またはポリ（ｐ−フェニレンビニレン），ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−１,４−フェニレンビニレン）などのような高分子化合物を用いて形成することができる。また，本発明の有機層に用いられる化合物が，上記の物質に限定されるわけではなく，有機電界発光素子に用いられる一般的な化合物を使用することができる。

第２電極３３は，導電性金属からなるものであって，第１電極３２と直交する方向に形成される複数のストライプ状の電極からなってもよい。

本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子は，前面発光型，背面発光型，または両面発光型のいずれにも適用でき，その駆動方式が特別なものに制限されないため，パッシブマトリックス（ＰＭ）駆動方式及びアクティブマトリックス（ＡＭ）駆動方式の両方に適用することができる。

本発明は，また，他の実施形態において，背面基板上にフォトレジスト組成物をコーティングする段階と，フォトレジスト組成物を露光及び現像させることで背面基板上にナノ格子層を形成する段階と，ナノ格子層上に高屈折率層をコーティングする段階と，ナノ格子層に焼成工程，または湿式エッチング工程を行うことでナノ多孔質層を形成する段階と，ナノ多孔質層上に第１電極，有機層及び第２電極を順次積層させる段階とを含むことを特徴とする有機電界発光素子の製造方法を提供する。

図４は，本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子の製造方法についての概略的な工程を示している。図４を参照すれば，まず，基板上にフォトレジスト組成物をスピンコーティングなどの方法によってコーティングし，コーティングされたフォトレジスト組成物を露光及び現像させることで基板上にナノ格子層を形成する段階を行う。

フォトレジスト組成物としては，当業界で一般的に使用されるものが使用されうるが，熱分解が可能である感光性ポリカーボネート樹脂を使用することが好ましい。感光性ポリカーボネート樹脂の熱分解は，２００℃〜６００℃の温度で３０分〜３時間行われうる。

次いで，形成されたナノ格子層に高屈折率層をコーティングする段階を行う。高屈折率層の材質としては，上記のように，ＳＯＧ，ＴｉＯ_２，及びＴａ_２Ｏ_５からなる群から選択された物質が使用されうる。高屈折率層のコーティング以後には，ナノ格子層に焼成工程，または湿式エッチング工程を行って，ナノ多孔質層を形成する段階を行う。そのような焼成工程は，４００℃以上の高温で行われ，好ましくは，４００℃〜５００℃の温度で行われる。

最後に，ナノ多孔質層を形成した後には，ナノ多孔質層上に第１電極，有機層及び第２電極を順次積層させ，密封層を形成した後，背面基板を前面基板（図示せず）と接合させることで本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子を製造できる。

＜回折格子層の屈折率差による光取り出し効率の増加度＞

（実施例）
本実施例では，ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）シミュレーションを通じて回折格子層の屈折率差による光取り出し効率の増加度を計算して比較した。

（比較例）
本実施例に係るナノ多孔質層（屈折率：１.０）の代りに，屈折率がそれぞれ１.１，１.２，１.３，１.４である材料を使用した場合の光取り出し効率の増加度を計算し，その結果を図５に図示した。

図５を参照すれば，回折格子層のうち，ナノ格子層の屈折率が小さくなるにつれて光取り出し効率が急激に増加することが分かり，既存のいかなる低屈折材料を使用する場合に比べても，本発明の一実施形態に係るナノ多孔質層を使用する場合に，光取り出し効率が最大となることが分かる。例えば，図５で，ナノ格子層として屈折率が１.２である材料を使用した場合と，本発明の一実施形態に係るナノ多孔質層を使用した場合との光取り出し効率を比較すると，本発明の一実施形態に係るナノ多孔質層を使用した場合の光取り出し効率が，ナノ格子層として屈折率が１.２である材料を使用した場合の約２倍に達することが分かる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，有機電界発光素子に関連した技術分野に適用することができる。

一般的な有機電界発光素子における光取り出し効率の減少に関する問題を概略的に示す図面である。 従来技術に係る回折格子を含む有機電界発光素子についての概略的な図面である。 本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子についての概略的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る有機電界発光素子の製造工程図を概略的に示す図面である。 回折格子層の屈折率差による光取り出し効率の増加度を示すグラフ図である。

符号の説明

５０ 基板
６１ 第１電極層
６２ 第２電極層
７０ 有機層
８０ 光損失防止層
８１ 第１領域
８２ 第２領域
３０ 第２電極
３１ 有機層
３２ 第１電極
３３ 高屈折率層
３４ ナノ多孔質層
３５ 背面基板

Claims (10)

1. 背面基板と，前記背面基板の一面に形成され，第１電極，有機層及び第２電極が順次積層されて形成された有機電界発光部と，を含む有機電界発光素子において，
   前記背面基板と前記第１電極との間に，ナノ多孔質層と，当該ナノ多孔質層を覆うように形成された高屈折率層と，
   を含み，
   前記高屈折率層は，ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ），ＴｉＯ _２ ，及びＴａ _２ Ｏ _５ からなる群から選択された物質で形成される層であり，
   前記ナノ多孔質層及び前記高屈折率層は，回折格子を形成することを特徴とする有機電界発光素子。
2. 前記ナノ多孔質層の厚みは，１０００ｎｍ以下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。
3. 前記高屈折率層の厚みは，２０００ｎｍ以下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。
4. 前記高屈折率層の屈折率は，１．６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。
5. 前記ナノ多孔質層は，２００ｎｍ〜１０００ｎｍの周期で規則的に繰り返されるナノ多孔質格子を有す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。
6. 前記ナノ多孔質格子の幅は，２０ｎｍ〜９００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の有機電界発光素子。
7. 前記第１電極は，ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極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。
8. 背面基板上にフォトレジスト組成物をコーティングする段階と；
   前記背面基板上にナノ格子層を形成する段階と；
   前記ナノ格子層上に高屈折率層をコーティングする段階と；
   前記ナノ格子層にナノ多孔質層を形成する段階と；
   前記ナノ多孔質層上に，第１電極，有機層及び第２電極を順次積層させる段階と；
   を含み，
   前記高屈折率層は，ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ），ＴｉＯ _２ ，及びＴａ _２ Ｏ _５ からなる群から選択された物質で形成される層であることを特徴とする有機電界発光素子の製造方法。
9. 前記フォトレジスト組成物は，感光性ポリカーボネート樹脂であることを特徴とする請求項８に記載の有機電界発光素子の製造方法。
10. 前記ナノ多孔質層を形成する段階は，２００℃〜６００℃の温度で行われる焼成工程であることを特徴とする請求項８に記載の有機電界発光素子の製造方法。