JP4797438B2 - 有機電界発光素子および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機電界発光素子およびこれを用いた表示装置に関し、特には白色発光する有機電界発光素子と、これを用いたフルカラー表示の表示装置に関する。

有機材料のエレクトロルミネッセンス(electroluminescence）を利用した有機電界発光素子は、陽極と陰極との間に、正孔輸送層や発光層等の有機層を積層させた発光ユニットを設けてなり、低電圧直流駆動による高輝度発光が可能な発光素子として注目されている。

このような有機電界発光素子を用いたフルカラーの表示装置の１つに、白色発光する有機電界発光素子（以下、白色発光素子）とカラーフィルタとを組み合わせた構成がある。このような構成を採用することにより、各色に発光する有機電界発光素子を作り分けることなく、すなわち発光層の形成においてメタルマスクを用いた高精細な塗り分けを行わずにフルカラーの表示装置を作製することができる。

白色発光素子の構成としては、陽極と陰極との間に狭持された１つの発光ユニット内に２層の発光層を積層させ、これらを同時に発光させることにより、全体として白色発光を取り出す構成が有る。この様な構成として、電子輸送性発光層と正孔輸送性発光層とをキャリア再結合領域を挟んで積層し、素子からの発光スペクトルが可視光の青色領域、緑色領域、および赤色領域を含み、それが総合された発光色を白色とする構成が開示されている（下記特許文献１参照）。また、陽極側の発光層を青色系発光層とし、陰極側を黄色〜赤色系発光層とすることで、発光色の偏りを打ち消すことができるとした構成が開示されている（下記特許文献２参照）。

また、白色発光素子の他の構成としては、陰極と陽極との間に電荷発生層を介して複数の発光ユニットを積層させた、いわゆるタンデム型も例示される。このようなタンデム型素子では、各発光ユニットからの発光の重ね合わせによって発光色が白色となるように、各発光ユニットに設けられた発光層を構成する（下記特許文献３，４参照）。

特開平８−７８１７３号公報 特開２００３−２７２８５７号公報 特開２００３−２７２８６０号公報 特開２００４−３９６１７号公報

しかしながら、上述した構成の各白色発光素子には、次のような問題があった。

すなわち、陽極と陰極との間に狭持させた１つの発光ユニット内に２層の発光層を積層させた構成では、単一の発光ユニット中において赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色の発光バランスを整えることが要求されることになるが、このような調整は非常に困難である。このため、最も発光効率が低い青色発光を取り出す画素に配置された白色発光素子に対しては、他の画素に配置された素子よりも高い駆動電流値を設定し、これによって赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色の発光バランスを整えることになる。ところが、このような駆動電流値の設定により、青色発光を取り出す画素の白色発光素子の劣化速度が他の画素に配置された素子よりも速くなる。このため、各色に対応する画素毎に白色発光素子の劣化速度に差が生じてくる。したがって、表示装置の発光バランスに径時的なズレが発生する。また、このような発光バランスのズレを緩和させるために、３種類の有機材料を共蒸着した層を多数用いる場合が多いが、これは製造上の制御が困難であり、再現性も乏しい場合が多い。

また特に、特許文献２では、陽極側の発光層を青色系発光層とし、陰極側を黄色〜赤色系発光層とする構成が示されているが、このような２色の混色を用いて白色を実現した構成では、カラーフィルタと組み合わせ表示装置を構成した場合に、高い色純度を実現することができない。

一方、タンデム型の白色発光素子では、カラーフィルタと組み合わせてフルカラーの表示装置を構成する場合、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれに発光する発光層を備えた３つの発光ユニットを積層させた構成とすることで、高い色純度を実現することができる。しかしながら、タンデム型素子の原理から考えて、単一の発光ユニットを用いた白色発光素子と比較して、最低でも３倍の駆動電圧を印加することが必要となる。このため、特に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いて有機電界発光素子を駆動するアクティブマトリクス型の表示装置では、実用的な駆動電圧の上限値を超えてしまう場合が多い。したがって、このようなタンデム型の白色発光素子を用いて表示装置を構成することは、駆動電圧の観点からは実用的であるとは言い難い。

そこで本発明は、低電圧での駆動が可能であり、かつ発光バランスが良好に制御された有機電界発光素子を提供すること、およびこのような有機電界発光素子を用いることにより色変化を抑えて発光バランスの経時的な安定化を図ることが可能で、長時間にわたる安定したカラー表示が可能な表示装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明の有機電界発光素子は、接続層を介して積層された、少なくとも１つの第１発光ユニットと少なくとも１つの第２発光ユニットとを、陽極と陰極との間に狭持させてなるタンデム型の有機電界発光素子である。そして、第１発光ユニットは赤色発光層と緑色発光層とを有し、緑色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位は赤色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位よりも低く、前記エネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上であり、また第２発光ユニットは青色発光層を備えていることを特徴としている。尚、接続層は、第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに電荷を供給するための層である。

このような構成の有機電界発光素子では、陽極と陰極との間に積層された２つの発光ユニット内に、合計で少なくとも３つの有機発光層が積層されている。このため、これらの少なくとも３つの有機発光層のそれぞれを、異なる発光色に発光するものとすることで、３色の混色による白色発光が実現される。したがって、１つの発光ユニット内に２層の発光層を積層させて白色発光とする従来構成と比較して、各色の発光層間での発光バランスを整えることが容易になる。しかも、白色発光を得るための赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色発光層が、それぞれ個別に設けられるため、各色発光層の製造上の制御も容易になり、再現性も向上する。また、３つの発光ユニットのそれぞれに各色の発光層を設けて白色発光とするタンデム型の従来構成と比較して、発光ユニットの積層数を２層とすることもできるため、駆動電圧が抑えられる。

また本発明の表示装置は、上述した有機電界発光素子を基板上に配列形成してなる。

そして、第１の表示装置においては、各有機電界発光素子における発光光の取り出し側に、所定の発光波長の光を透過するカラーフィルタを設けた。このような表示装置によれば、各色の発光層間での発光バランスが整えられた複数の有機電界発光素子からの発光が、カラーフィルタを透過して取り出されることになる。これにより、有機電界発光素子を駆動するための駆動電流値を調整することなく、各カラーフィルタから取りだされる光の発光バランス（色バランス）も良好になる。したがって、各有機電界発光素子の劣化速度が均一化される。

また第２の表示装置においては、第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに備えられた各発光層で生じた発光光のうち、所定の発光波長の光が素子の内部で共振して取り出されるように陽極または陰極を構成する透明導電膜の膜厚を調整した。このような表示装置によれば、各色の発光層間での発光バランスが整えられたそれぞれの有機電界発光素子において、透明導電膜の膜厚を調整することで所定の発光波長の光が共振して取りだされる。これにより、有機電界発光素子を駆動するための駆動電流値を調整することなく、共振して取りだされる光の発光バランス（色バランス）も良好になる。したがって、各有機電界発光素子の劣化速度が均一化される。

以上説明したように本発明の有機電界発光素子によれば、低電圧での駆動が可能であり、かつ発光バランスの制御が容易であるため良好に発光バランスが制御された発光を得ることが可能になる。そして、本発明の表示装置は、このような有機電界発光素子を用いることにより、複数の有機電界発光素子の劣化速度を均一化することができ、これにより色変化を抑えて発光バランスの経時的な安定化を図ることが可能で、長時間にわたる安定したカラー表示が可能になる。

図１は、本発明の有機電界発光素子の一構成例を示す断面図である。この図に示す有機電界発光素子１は、発光ユニットを積層してなるタンデム型であり、基板１１上に設けられた陽極１３、この陽極１３上に重ねて設けられた複数の発光ユニット１５-1、１５-2、…（ここでは２個）、これらの発光ユニット１５-1，１５-2間に設けられた接続層１７、そして最上層の発光ユニット１５-2上に設けられた陰極１９を備えている。ここで接続層１７は、いわゆる電荷発生層であることとする。

尚、以下の説明においては、陽極１３から注入された正孔と接続層１７において発生した電子とが発光ユニット１５-1内で結合する際に生じた発光光、および陰極１９から注入された電子と接続層１７において発生した正孔とが発光ユニット１５-2内で結合する際に生じた発光を、基板１１と反対側の陰極１９側から取り出す上面発光方式の有機電界発光素子の構成を説明する。

先ず、有機電界発光素子１が設けられる基板１１は、ガラスのような透明基板、シリコン基板、フィルム状のフレキシブル基板等の中から適宜選択して用いられる。また、この有機電界発光素子１を用いて構成される表示装置の駆動方式がアクティブマトリックス方式である場合、基板１１として、画素毎にＴＦＴを設けてなるＴＦＴ基板が用いられる。この場合、この表示装置は、上面発光方式の有機電界発光素子１を、ＴＦＴを用いて駆動する構造となる。

そして、この基板１１上に下部電極として設けられる陽極１３は、効率良く正孔を注入するために電極材料の真空準位からの仕事関数が大きいもの、例えばクロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）とアンチモン（Ｓｂ）との合金、酸化亜鉛（ＺｎＯ）とアルミニウム（Ａｌ）との合金、さらにはこれらの金属や合金の酸化物等を、単独または混在させた状態で用いることができる。

この場合、陽極１３を高反射率材料で構成することで、干渉効果及び高反射率効果で外部への光取り出し効率を改善することが可能であり、この様な電極材料には、例えばＡｌ、Ａｇ等を主成分とする電極を用いることが好ましい。これらの高反射率材料層上に、例えばＩＴＯのような仕事関数が大きい透明電極材料層を設けることで電荷注入効率を高めることも可能である。

また、例えばＩＴＯのような透明電極材料を用いて陽極１３を構成することで、発光光を陽極１３側、陰極１９側の両方から取り出す形式の両側取りだし素子を構成しても良い。

尚、この有機電界発光素子１を用いて構成される表示装置の駆動方式がアクティブマトリックス方式である場合、陽極１３は、ＴＦＴが設けられている画素毎にパターニングされていることとする。またこの場合、同様に各画素に設けられたＴＦＴに対して、これらのＴＦＴを覆う層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール（図示省略）を介してそれぞれが接続される状態で形成されることとする。一方、この表示装置の駆動方式が単純マトリックス方式である場合、陽極１３は例えばストライプ状に形成される。そして、以上のような各形状にパターニングされた陽極１３の上層には、ここでの図示を省略した絶縁膜が設けられ、この絶縁膜の開口部から、各画素の陽極１３表面を露出させていることとする。

また、陽極１３上に設けられた第１発光ユニット１５-1は、陽極１３側から順に、正孔注入層１５ａ、正孔輸送層１５ｂ、赤色発光層１５ｃ-1、緑色発光層１５ｃ-2、および電子輸送層１５ｄを積層してなる。

これらの各層は、例えば真空蒸着法や、例えばスピンコート法などの他の方法によって形成された有機層からなる。

このうち、正孔注入層１５ａ、正孔輸送層１５ｂ、および電子輸送層１５ｄを構成する材料に限定条件はない。例えば正孔注入層１５ａや正孔輸送層１５ｂには、ベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、ヒドラゾン誘導体などの正孔輸送材料を用いることができる。具体的な一例としては、正孔注入層１５ａとして２−ＴＮＡＴＡ（4,4’,4”-Tris[N-2-(naphtyl)-N-phenylamino]triphenylamine）が１０ｎｍの膜厚で用いられ、正孔輸送層１５ｂとしてα−ＮＰＤ(α-naphtyl phenil diamine)が１０ｎｍの厚さで用いられる。また電子輸送層１５ｄとしては、例えば８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ3 ）が２０ｎｍ程度の膜厚で用いられる。

また、以上の正孔注入層１５ａ、正孔輸送層１５ｂ、および電子輸送層１５ｄは、それぞれが複数層からなる積層構造であっても良い。

本実施形態においては、第１発光ユニット１５-1内において、発光波長の異なる２つの発光層（ここでは赤色発光層１５ｃ-1および緑色発光層１５ｃ-2）が積層されていることが特徴的である。ここで、各色に発光する発光層においては、より短波長の発光色を発する発光層ほど、発光に必要とされるエネルギーは高い。こためここでは、より短波長の発光色に発光する発光層で有利に発光が生じるような条件で、第１発光ニット１５-1を構成することで、赤色発光層１５ｃ-1での赤色発光と緑色発光層１５ｃ-2での緑色発光とのバランスをとることが重要である。

そこで本実施形態においては、より発光波長が大きな赤色発光層１５ｃ-1を陽極１３側に配置し、より発光波長が小さな緑色発光層１５ｃ-2を陰極１９側に配置した構成とする。

ここで、赤色発光層１５ｃ-1は、主に正孔輸送性を有するホスト材料と、赤色発光性のゲスト材料とで構成されることとする。このうちゲスト材料は、蛍光性のものでも燐光性のものでもよいが、発光特性の制御の容易さから蛍光性のものが好ましい。

このような赤色発光層１５ｃ-1は、例えば、ホスト材料に正孔輸送性材料のα−ＮＰＤ(α-naphtyl phenil diamine)を用い、赤色発光性のゲスト材料として２，６−ビス［（４’−メトキシジフェニルアミノ）スチリル］−１，５−ジシアノナフタレン（ＢＳＮ）を３０重量％混合したものにより、膜厚５ｎｍ程度に構成される。

一方、緑色発光層１５ｃ-2は、ホスト材料と、緑色発光性のゲスト材料とで構成されることとする。このうち、ホスト材料は、赤色発光層１５ｃ-1を構成するホスト材料と比較して電子輸送性が高ければ良い。具体的には、赤色発光層１５ｃ-1のホストの最高占有軌道のエネルギー準位（以下、ＨＯＭＯと略す）よりも、緑色発光層１５ｃ-2のＨＯＭＯが低い準位であり、より具体的には両者の差が０．２ｅＶ以上であれば良い。またゲスト材料は、蛍光性のものでも燐光性のものでもよいが、発光特性の制御の容易さから蛍光性のものが好ましい。

このような緑色発光層１５ｃ-2は、例えば、ホスト材料にＡＤＮ（anthracene dinaphtyl）を用い、ゲスト材料としてクマリン６を５重量％混合したものにより、膜厚１０ｎｍ程度に構成される。

尚、以上のような赤色発光層１５ｃ-1と緑色発光層１５ｃ-2との間には、必要に応じて電荷制御層（図示省略）を設けても良い。電荷制御層とは、より発光波長が短い発光層側（ここでは緑色発光層１５ｃ-2側）から見て、正孔注入性、電子ブロック性が発揮される材料であれば、特に限定されることなない。本実施の形態では、電荷制御層として、例えばα−ＮＰＤからなる層を例示できる。

そしてこのような電荷制御層を赤色発光層１５ｃ-1と緑色発光層１５ｃ-2との間に配置することにより、緑色発光層１５ｃ-2に対して正孔が注入され易くなる。一方、緑色発光層１５ｃ-2のホスト材料であるＡＤＮに注入された電子の赤色発光層１５ｃ-1側への流出がブロックされる。これにより、第１発光ユニット１５-1中において、緑色発光層１５ｃ-2での発光が赤色発光層１５ｃ-1での発光に対して有利に行われる条件が整えられる。

以上のようにして、第１発光ユニット１５-1全体として、バランスの良い２色発光が実現される。

また第１発光ユニット１５-1全体としては、陽極１３側から順に、正孔輸送性材料（正孔輸送層１５ａ）、正孔輸送性ホスト（赤色発光層１５ｃ-1）、電子輸送性ホスト（緑色発光層１５ｃ-2）、電子輸送材料（電子輸送層１５ｄ）となり、有機電界発光素子として標準的なエネルギー準位の構成となる。このため、素子全体としてはバランスが良好に保たれており、色変化の少ない、長寿命な発光が可能な発光ユニットが実現される。

そして、以上のような構成の第１発光ユニット１５-1上に設けられた接続層１７は、いわゆる電荷発生層として設けられている。そして、この接続層１７と陽極１３との間に配置されている発光ユニット（第１発光ユニット１５-1）に対して電子を注入する。一方、この接続層１７と陰極１９との間に配置されている発光ユニット（第２発光ユニット１５-2）に対して正孔を注入する。

このような接続層１７は、一般的に電荷発生層、中間電極層などとして用いられている構成であれば良く、例えば陽極１３側から順に、電子注入層１７a、電荷発生層１７ｂ、および正孔注入層１７ｃを積層してなる。尚、接続層１７は、このような積層構造に限定されることはなく、電子注入層１７aが電荷発生層１７ｂを兼ねても良い。また、接続層１７は、上下に配置される発光ユニット１５-1，１５-2の界面層の構成によって適宜選択された構成とすることができる。例えば、正孔注入層１７ｃが上部の第２発光ユニット１５-2の電子輸送層１５ａを兼ねても良い。

このような接続層１７の一構成例としては、電子注入層１７ａとして、８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ3 ）等の電子輸送性有機材料と、アルカリやアルカリ土類金属等の還元性金属との混合層を用いる。またこのような電子注入層１７ａに積層させた電荷発生層１７ｂとして、Ｖ₂Ｏ₅からなる層を用いる（特開２００３−４５６７６号公報及び特開２００３−２７２８６０号公報参照）。尚、電荷発生層１７ｂとしては、この材料以外にも薄膜内で電子−正孔を発生させることができる材料であれば、これに限定されることはない。ただし、仕事関数が４．５ｅＶ以上の材料(有機物でも無機物でも良い)であることが好ましい。

そして、このような接続層１７上に設けられる第２発光ユニット１５-2は、発光層が青色発光層１５ｃ-3の単層構造であることにおいてのみ、第１発光ユニット１５-1と異なる構成となっている。つまり、第２発光ユニット１５-2は、接続層１７側から順に、正孔注入層１５ａ、正孔輸送層１５ｂ、青色発光層１５ｃ-3、および電子輸送層１５ｄを積層してなる。このうち、青色発光層１５ｃ-3以外の、正孔注入層１５ａ、正孔輸送層１５ｂ、および電子輸送層１５ｄは、第１発光ユニット１５-1と同様であって良く、また異なる材料を用いて構成されても良い。

そして、この第２発光ユニット１５-2には、第１発光ユニット１５-1に設けられる２つの発光層１５ｃ-1，１５ｃ-2よりも、短波長の発光色に発光する発光層が設けられていることが重要である。またこのような発光層として、青色発光層１５ｃ-3が設けられている。

このような青色発光層１５ｃ-3は、正孔輸送性のホスト材料、電子輸送性のホスト材料、および両電荷輸送性のホスト材料の少なくとも１種と、青色発光性のゲスト材料とで構成されることとする。このうちゲスト材料は、蛍光性のものでも燐光性のものでも良い。

このような青色発光層１５ｃ-3は、例えば、ホスト材料としてＡＤＮを用い、青色発光性のゲスト材料として４，４’−ビス［２−｛４−（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）フェニル｝ビニル］ビフェニル（ＤＰＡＶＢｉ）を２．５重量％混合したものにより、膜厚３０ｎｍ程度に構成される。

そして、以上のような青色発光層１５ｃ-3を備えた第２発光ユニット１５-2上に、陰極１９を形成する。この陰極１９は、有機層１５に対して電子を効率的に注入できるように、仕事関数の小さい材料のうちから光透過性の良好な導電性材料を用いて形成されることとする。このような導電性材料としては、例えば、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ等の活性な金属とＡｇ、Ａｌ、Ｉｎ等の金属との合金、或いはこれらを積層した構造を使用できる。

また陰極１９は、上述した導電性材料からなる層と第２発光ユニット１５-2との間に、例えばＬｉ、Ｍｇ、Ｃａ等の活性な金属とフッ素、臭素等のハロゲンや酸素等との化合物層を薄く挿入した積層構造としても良い。

尚、ここでは、表示装置が上面発光型であることから、後述するように、上部電極である陰極１９を半透過性として構成することにより、陰極１９と陽極１３との間で共振器構造を構成することで取り出し光の強度が高められるように設計されることが好ましい。

以上のような陰極１９の形成に際しては、下地に対して影響を及ぼすことのない程度に、成膜粒子のエネルギーが小さい成膜方法、例えば蒸着法やＣＶＤ(chemical vapor deposition)法によって、上部電極１９の成膜を行うこととする。例えば、ＭｇＡｇ(１０重量％Ａｇ)からなる陰極１９を共通陰極として形成する場合、真空蒸着法により１０ｎｍの膜厚でＭｇＡｇ膜を形成すれば良い。

尚、この有機電界発光素子１を用いて構成される表示装置の駆動方式がアクティブマトリックス方式である場合、この陰極１９は、陽極１３と絶縁された状態で基板１１上にベタ膜状で形成され、各画素に共通電極として用いても良い。この場合、陽極１３と同一層で補助電極（図示省略）を形成し、この補助電極に対して陰極１９を接続させることで、陰極１９の電圧降下を防止する構成とすることができる。一方、この表示装置の駆動方式が単純マトリックス方式である場合、この陰極１９は、例えば陽極１３のストライプと交差するストライプ状に形成され、これらが交差して積層された部分が有機電界発光素子１となる。

以上説明した構成の有機電界発光素子１では、陽極１３と陰極１９との間に赤色発光層１５ｃ-1，緑色発光層１５c-2，および青色発光層１５ｃ-3を積層し、これによって３色の混色による白色発光を実現している。そして、これらの各色発光層１５ｃ-1，１５c-2，１５ｃ-3は、２つの発光ユニット１５-1，１５-2内に分割して配置されている。

したがって、１つの発光ユニット内に２層の発光層を積層させて白色発光とする従来構成と比較して、各色の発光層１５ｃ-1，１５c-2，１５ｃ-3間での発光バランスを整えることが容易になる。

特に、本実施形態では、フルカラーに必要とされるＲＧＢ３色を発光させる中で最も発光波長の短い青色発光層１５ｃ-3を、単層構造の発光層として第２発光ユニット１５-2内に設けた構成とした。これにより、３色の中で青色発光を最も有利に行うことができ、タンデム型の白色発光素子としての発光バランス、すなわちホワイトバランスを良好に得ることができる。

しかも、白色発光を得るための赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色発光層が、それぞれ個別に設けられるため、各色発光層の製造上の制御も容易になり、再現性も向上する。また、３つの発光ユニットのそれぞれに各色の発光層を設けて白色発光とするタンデム型の従来構成と比較して、発光ユニットの積層数が２層であるため、駆動電圧が抑えられる。

尚、以上の実施形態においては、陽極１３上に、第１発光ユニット１５-1、接続層１７、および第２発光ユニット１５-2をこの順に積層した構成を説明した。しかしながら、第１発光ユニット１５-1と第２発光ユニット１５-2との積層順は、逆であっても良い。すなわち、陽極１３上に、第２発光ユニット１５-2、接続層１７、第１発光ユニット１５-1の順に積層させても良い。

また、以上の実施形態においては、上部電極として用いた陰極１９側から発光を取り出す上面発光型の有機電界発光素子および表示装置に本発明を適用した構成を説明した。しかし本発明は、基板１１を透明材料で構成することで、基板１１側から発光を取り出す下面発光型の有機電界発光素子にも適用される。この場合、下部電極として用いた陽極１３を透明電極とした構成が例示される。この場合、上部電極として用いた陰極１９も光透過性材料で構成することにより、上面と下面の両方から発光を取り出すことも可能になる。

一方、陰極１９を高反射性材料で構成することにより、基板側（下面側）からのみ発光光が取り出される。さらに、基板１１側から発光を取り出す下面発光型の有機電界発光素子の他の例としては、図１を用いて説明した積層構造を、基板１１側から逆に積み上げた構成としても良い。この場合、基板側の下部電極が陰極となり、上部電極が陽極となる。

さらに、以上説明した実施形態においては、第１発光ユニット１５-1内に赤色発光層１５ｃ-1と緑色発光層１５ｃ-2とを積層し、第２発光ユニット１５-2内に青色発光層１５ｃ-3を設けた構成を設けた構成を説明した。しかしながら、本発明においては、２つの発光層が積層配置される第１発光ユニット１５-1における陽極１３側に最も発光波長が長い発光層を配置し、第２発光ユニット１５-2内に設ける単層構造の発光層として最も発光波長が短い発光層を配置することで、３つの発光層からの発光バランスを良好に保つ構成を実現することが可能である。

図２には、以上のように構成された有機電界発光素子１を用いたフルカラー表示の表示装置３の構成を説明する。

この図に示す表示装置３は、上述した構成の有機電界発光素子１を基板１１上に複数配列形成してなる。各有機電界発光素子１は、基板１１上にパターン形成された陽極１３、第１発光ユニット１５-1、接続層１７、第２発光ユニット１５-2、および陰極１９をこの順に積層してなる。この場合、第１発光ユニット１５-1、接続層１７、および第２発光ユニット１５-2は、各有機電界発光素子１に共通のベタ膜であって良い。尚、ここでの図示は省略したが、陽極１３と同一層で陰極１９の補助電極を設けた場合、このベタ膜の一部を除去して陰極１９と補助電極とが接続された状態となっている。

そして、このような有機電界発光素子１が配列形成された基板１１上の全面には、保護膜２３が設けられている。この保護膜２３は、第１発光ユニット１５-1、接続層１７、および第２発光ユニット１５-2等の有機材料からなる層への水分の到達防止を目的とし、透過水性,吸水性の低い材料を用いて十分な膜厚で形成されることとする。さらに、表示装置３が上面発光型である場合には、この保護膜２３は第１発光ユニット１５-1および第２発光ユニット１５-2で発生した光を透過する材料からなり、例えば８０％程度の透過率が確保されていることとする。

このような保護膜２３は、絶縁性材料で構成されていて良い。保護膜２３を絶縁性材料で構成する場合には、無機アモルファス性の絶縁性材料、例えばアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）,アモルファス炭化シリコン（α−ＳｉＣ）,アモルファス窒化シリコン（α−Ｓｉ1-x Ｎx ）さらにはアモルファスカーボン（α−Ｃ）等を好適に用いることができる。このような無機アモルファス性の絶縁性材料は、グレインを構成しないため透水性が低く、良好な保護膜２３となる。

例えば、アモルファス窒化シリコンからなる保護膜２３を形成する場合には、ＣＶＤ法によって２〜３μｍの膜厚に形成されることとする。ただし、この際、下層を構成する有機材料の劣化による輝度の低下を防止するため成膜温度を常温に設定し、さらに、保護膜8の剥がれを防止するために膜のストレスを最小になる条件で成膜することが望ましい。

また、表示装置３がアクティブマトリックス方式であって、基板１１上の一面を覆う共通電極として陰極１９が設けられている場合には、保護膜２３は、導電性材料を用いて構成されても良い。保護膜２３を導電性材料で構成する場合には、ＩＴＯやＩＸＯのような透明導電性材料が用いられる。

以上のような構成の保護膜２３上には、赤色フィルタ２５Ｒ、緑色フィルタ２５Ｇ、および青色フィルタ２５Ｂの各カラーフィルタが設けられている。これらのカラーフィルタ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂは、有機電界発光素子１に対して１：１に対応して設けられている。これにより、有機電界発光素子１上に赤色フィルタ２５Ｒが設けられた分部は赤色発光画素として機能する。また、有機電界発光素子１上に緑色フィルタ２５Ｇが設けられた画素は緑色発光画素として機能する。そして、有機電界発光素子１上に青色フィルタ２５Ｂが設けられた画素は青色発光画素として機能する。

そして、このカラーフィルタ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂが設けられた基板１１上には、接着剤２７を介して保護基板２９が貼り合わせられて、これによりフルカラーの表示装置３が構成されている。ここで、接着剤２７用の樹脂材料としては、例えば紫外線硬化樹脂が用いられる。また保護基板２９としては例えばガラス基板が用いられる。ただし、表示装置３が上面発光型である場合には、接着用の樹脂材料および保護基板２９は、光透過性を有する材料で構成されることが必須となる。

このような構成の表示装置３では、上述したような各色発光層１５ｃ-1，１５ｃ-2，１５c-3の発光バランスに優れた有機電界発光素子１０を用いたことにより、赤、緑、青の各色のカラーフィルタ２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂを透過して取りだされる光の発光バランス（色バランス）も良好になる。したがって、各色の発光画素に設けられた各有機電界発光素子１０の駆動電圧を均一化することができ、これらの各有機電界発光素子１０の劣化速度を均一化させることが可能になる。

この結果、これによりホワイトバランスの経時的な安定化を図ることが可能で、色再現性の高いフルカラー表示が長時間にわたって可能になる。

尚、以上の表示装置３では、各色発光画素に同一構成で白色発光する有機電界発光素子１を配置する構成とした。しかしながら、本発明の表示装置は、各色発光画素に、それぞれに共振器構造設計された有機電界発光素子を配置する構成としても良い。この場合、各有機電界発光素子は、第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに備えられた各色発光層１５ｃ-1，１５ｃ-2，１５ｃ-3で生じた発光光のうち、所定の発光波長の光が素子の内部で共振して取り出されるように、陽極または陰極を構成する透明導電膜の膜厚が調整されていることとする。

例えば、図１を用いて説明した構成において、陽極１３が高反射率材料層上にＩＴＯのような透明導電膜を設けた構成である場合、この透明導電膜の膜厚を調整する。これにより、陽極１３の高反射率材料層と、陰極１９を構成する半透過性反射材料（例えばＭｇ−Ａｇ）との間で、所定波長の光を共振させる。そして共振させた波長の発光光のみを陰極１９側から取り出す構成とする。

そして、このような共振器構造の有機電界発光素子を用いてフルカラーの表示装置を構成する場合、赤、緑、青の各色波長の光が共振によって取り出されるようにそれぞれ設計された有機電界発光素子を基板上に配列させる。

ここでは、各色発光層１５ｃ-1，１５ｃ-2，１５ｃ-3で生じる発光光の自体の発光バランスは、上述した有機電界発光素子と同様に設定されていることが重要である。

このような共振器構造として設計された有機電界発光素子を用いた表示装置においては、各色発光層間１５ｃ-1，１５ｃ-2，１５ｃ-3での発光バランスが整えられたそれぞれの有機電界発光素子において、透明導電膜の膜厚を調整することで所定の発光波長の光が共振して取り出される。

したがって、図２を用いて説明した表示装置と同様に、有機電界発光素子を駆動するための駆動電流値を調整することなく、共振して取りだされる光の発光バランス（色バランス）も良好になる。したがって、各有機電界発光素子の劣化速度が均一化され、ホワイトバランスの径時的な安定化を図ることが可能で、色再現性の高いフルカラー表示が長時間にわたって可能になる。

そしてこのような共振器構造の有機電界発光素子と、カラーフィルタとを組み合わせることにより、さらに色純度の高い発光光を取り出すことが可能になる。

次に、本発明の具体的な実施例として、図１を参照して有機電界発光素子の製造手順を説明し、次に作製された有機電界発光素子の評価結果を説明する。

先ず、素子作成用基板となるガラス基板１１の上に、銀合金層であるＡＰＣ(Ag-Pd-Cu)層（膜厚１２０ｎｍ）、および透明導電層としてＩＴＯ膜（膜厚１０ｎｍ）をこの順に成膜し、２層構造の陽極１３を形成した。次いで、陽極１３の周縁を覆う状態で酸化シリコンからなる絶縁膜をスパッタリング法により約２μｍの厚さで成膜し、リソグラフィー法により陽極１３を露出させ、画素領域とした。

次に、正孔注入層１５ａとして、２−ＴＮＡＴＡを１０ｎｍの膜厚で蒸着した。次いで、正孔輸送層１５ｂとして、α−ＮＰＤを１０ｎｍの膜厚で蒸着した。その後、正孔輸送性のホスト材料としてα−ＮＰＤを用い、赤色発光性のゲスト材料としたＢＳＮを３０重量％混合したものを５ｎｍの厚さで蒸着成膜した赤色発光層１５ｃ-1を形成した。次に、電荷制御層としてα−ＮＰＤを３ｎｍの厚さで蒸着した。続いて電子輸送性のホスト材料としてＡＤＮを用い、緑色発光性のゲスト材料としてクマリン６を５重量％混合したものを１０ｎｍの厚さで蒸着成膜して緑色発光層１５ｃ-2を形成した。最後に電子輸送層１５ｄとして、Ａｌｑ3を１０ｎｍの膜厚に蒸着した。これにより、赤色発光層１５ｃ-1上に緑色発光層１５c-2を積層させた第１発光ユニット１５-1を形成した。

次に、第１発光ユニット１５-1上に、電子注入層１７ａとしてＡｌｑ3にリチウム（Ｌｉ）を１０重量％混合したものを５ｎｍの膜厚で蒸着し、続いて電荷発生層１７ｂとしてＶ₂Ｏ₅を１０ｎｍの膜厚で蒸着し、２層構造の接続層１７を形成した。

次いで、接続層１７上に、正孔注入層１５ａとして、２−ＴＮＡＴＡを１０ｎｍの膜厚で蒸着した。次いで、正孔輸送層１５ｂとして、α−ＮＰＤを１０ｎｍの膜厚で蒸着した。その後、電子輸送性のホスト材料としてＡＤＮを用い、青色発光性のゲスト材料としてＤＰＡＶＢｉを２．５重量％混合したものを３０ｎｍの厚さで蒸着成膜することにより青色発光層１５ｃ-3を形成した。最後に、電子輸送層１５ｄとしてＡｌｑ3を１０ｎｍの膜厚に蒸着した。これにより、青色発光層１５ｃ-3を備えた第２発光ユニット１５-2を形成した。

その後、第２発光ユニット１５-2の上部に、陰極１９としてＬｉＦを０．５ｎｍの膜厚で成膜し、さらにＭｇ−Ａｇ（Ａｇ１０重量％）合金層を１５ｎｍの膜厚で成膜した。

以上により、赤色発光層１５ｃ-1と青色発光層１５ｃ-2との積層構造を備えた第１発光ユニット１５-1と、単層構造の青色発光層１５ｃ-3を備えた第２発光ユニット１５-2を積層してなるタンデム型白色発光の有機電界発光素子１を作製した。

≪評価結果≫
以上のようにして作製した有機電界発光素子からの発光光を、各色発光画素に用いる赤、緑、青の各カラーフィルタを透過させて得た取出光について、色度および発光効率を測定した結果を下記表１に示す。また、測定された発光効率に基づいて、この有機電界発光素子を用いて表示装置を構成する場合にホワイトの色温度９３００Ｋを得るための輝度割合と、それを得るための必要電流比を算出し、この結果を下記表１に合わせて示した。

以上の表１に示したように、本発明を適用して構成された有機電界発光素子１０を用いることによりホワイトの色温度９３００Ｋを得るために、各色発光画素の有機電界発光素子１０に供給する駆動電流を略同一に整えることが可能になり、容易にホワイトバランスが調整できるだけではなく、表示装置全体の輝度劣化も一定にでき、それにより、より高い表示品質が長期間にわたって保たれる表示装置が製造可能になることが確認された。

実施形態の有機電界発光素子の構成を示す断面図である。 実施形態の発光素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…有機電界発光素子、３…表示装置、１１…基板、１３…陽極、１５-1…第１発光ユニット、１５-2…第２発光ユニット、１５ｃ-1…赤色発光層（有機発光層）、１５ｃ-2…緑色発光層（有機発光層）、１５ｃ-3…青色発光層（有機発光層）、１７…接続層、１９…陰極、２５Ｒ…赤色フィルタ（カラーフィルタ）、２５Ｇ…緑色フィルタ（カラーフィルタ）、２５Ｂ…青色フィルタ（カラーフィルタ）

Claims (7)

1. 赤色発光層と緑色発光層とを有し、前記緑色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位は前記赤色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位よりも低く、前記エネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上である少なくとも１つの第１発光ユニットと、青色発光層を有する少なくとも１つの第２発光ユニットとを備えると共に、
   前記各発光ユニットが、当該各発光ユニットに電荷を供給するための接続層を介して積層された状態で、陽極と陰極との間に挟持されている
   有機電界発光素子。
2. 請求項１記載の有機電界発光素子において、
   前記接続層は、仕事関数が４．５ｅＶ以上の材料により構成されている、有機電界発光素子。
3. 請求項１記載の有機電界発光素子において、
   前記第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに備えられた前記有機発光層で生じた発光光の混色が白色光となる、有機電界発光素子。
4. 請求項３記載の有機電界発光素子において、
   前記第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに備えられた前記有機発光層で生じた発光光のうち、所定の発光波長の光が素子の内部で共振して取り出されるように、前記陽極または陰極を構成する透明導電膜の膜厚が調整されている、有機電界発光素子。
5. 請求項２記載の有機電界発光素子において、
   前記第１発光ユニットに備えられた前記有機発光層のうち、
   前記陽極側に設けられた第１有機発光層は正孔輸送性のホスト材料と発光性のゲスト材料とを用いて構成され、
   前記陰極側に設けられた第２有機発光層は電子輸送性のホスト材料と発光性のゲスト材料とを用いて構成されると共に前記第１有機発光層よりも短波長の発光色に発光する、有機電界発光素子。
6. 基板上に複数の有機電界発光素子を配列形成してなる表示装置において、
   前記各有機電界発光素子は、赤色発光層と緑色発光層とを有し、前記緑色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位は前記赤色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位よりも低く、前記エネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上である少なくとも１つの第１発光ユニットと、青色発光層を有する少なくとも１つの第２発光ユニットとが、当該第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに電荷を供給するための接続層を介して積層された状態で、陽極と陰極との間に狭持されてなり、
   前記各有機電界発光素子における発光光の取り出し側には、所定の発光波長の光を透過するカラーフィルタが設けられている
   表示装置。
7. 基板上に複数の有機電界発光素子を配列形成してなる表示装置において、
   前記各有機電界発光素子は、赤色発光層と緑色発光層とを有し、前記緑色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位は前記赤色発光層を構成するホスト材料の最高占有軌道のエネルギー準位よりも低く、前記エネルギー準位の差が０．２ｅＶ以上である少なくとも１つの第１発光ユニットと、青色発光層を有する少なくとも１つの第２発光ユニットとを備えると共に、
   前記各発光ユニットが、当該各発光ユニットに電荷を供給するための接続層を介して積層された状態で、陽極と陰極との間に狭持されてなり、
   前記第１発光ユニットおよび第２発光ユニットに備えられた前記有機発光層で生じた発光光のうち、所定の発光波長の光が素子の内部で共振して取り出されるように、前記陽極または陰極を構成する透明導電膜の膜厚が調整されている
   表示装置。

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