JP2008078024A - 有機エレクトロルミネッセンス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に応じてキャリアバランスを簡便に調整するとともに、有機ＥＬ素子の長寿命化を実現した、有機エレクトロルミネッセンス装置を提供する。
【解決手段】一対の電極３，８間に有機機能層７が設けられてなる有機エレクトロルミネッセンス装置１００である。一対の電極３，８の少なくとも一方には、各電極３，８における抵抗温度係数とは反対の極性の抵抗温度係数を有し、電極３，８間におけるキャリアバランスを調整する自己補償キャリア調整部材５０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス装置に関するものである。

近年、次世代の表示装置として、有機エレクトロルミネッセンス装置（以下、「有機ＥＬ装置」と称す）が期待されている。有機ＥＬ装置は、一対の電極間に発光層を挟持した有機ＥＬ素子を基板上に配設して構成されており、典型的には、ガラス等の透光性基板の上に、陽極と、有機機能層（正孔注入層や発光層等）と、陰極とを順次積層した構造となっている。そして、陽極及び陰極間に電圧を印加することで発光層（有機機能層）を発光させるようになっている。

ところで、有機ＥＬ素子は、温度変化によって発光層のキャリア（電子及び正孔）バランスが変化し、特に高温下では寿命が短くなってしまう。高温下で輝度劣化する理由としてＥＬ材料自身の劣化(耐熱性不足)も当然有り得るが、ＥＬデバイスを評価していく過程において、図１に示されるようにキャリアバランスの変化が輝度寿命（電流効率）に大きく関わっていることを見出した。なお、図１中、横軸のキャリアバランスとは、ホール電流量／(ホール電流量＋電子電流量)の割合で示してある。

そこで、有機ＥＬ素子内に温度補償用素子体と温度補償回路とを設け、前記温度補償用素子体によって測定した温度に基づいて、キャリアバランスを調整することで発光層等の有機機能層の長寿命化を図った技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１１８６７６号公報

有機機能層の長寿命化を実現するためにはキャリアバランスを常に最適化する必要がある。しかしながら、上記特許文献１に開示された方法では、温度補償用素子体からのフィードバックに基づき、電極間に流す電流量を厳密に調整するための温度調整用回路部が必要となったり、回路制御が非常に複雑となったりと、その実用性が低いものであった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、温度変化に応じて、簡便にキャリアバランスを調整するとともに、有機機能層の長寿命化を実現した、有機エレクトロルミネッセンス装置を提供することを目的としている。

本発明の有機エレクトロルミネッセンス装置は、一対の電極間に有機機能層が設けられてなる有機エレクトロルミネッセンス装置において、前記一対の電極の少なくとも一方には、各電極における抵抗温度係数とは反対の極性の抵抗温度係数を有し、前記電極間におけるキャリアバランスを調整する自己補償キャリア調整部材が設けられていることを特徴とする。

本発明の有機エレクトロルミネッセンス装置によれば、例えばホールが過剰となる高温下において、自己補償キャリア調整部材が、環境温度あるいは素子内部温度に応じて、各電極における内部抵抗を変化させるようになる。これにより、発光層へのホール（キャリア）の注入量が抑制され、電極間に設けられた有機機能層に最適なキャリア注入を行うことができる。よって、温度調整用の回路部等を別途設けること無く、簡便に温度変化に起因する発光層における輝度の変動を抑制することで、有機機能層（発光層）の長寿命化を図ることができる。

また、上記有機エレクトロルミネッセンス装置においては、前記電極は陽極及び陰極から構成され、前記陽極側に設けられる前記自己補償キャリア調整部材は、正の抵抗温度係数を有し、前記陰極側に設けられる前記自己補償キャリア調整部材は、負の抵抗温度係数を有するのが好ましい。
一般に、陽極は温度上昇とともに内部抵抗が低下し、陰極は温度上昇とともに内部抵抗が高くなる。そのため、例えば高温環境下においては、ホールが過剰な状態となり、発光効率が低下するとともに、有機機能層、特に発光層の寿命が短縮されてしまう(図1参照)。又過剰キャリアの突き抜けによる陽陰極の劣化による輝度寿命低下も考えられる。
そこで、本発明を採用すれば、自己補償キャリア調整部材が陽極及び陰極と反対の極性の抵抗温度係数を備えているので、上述したように良好に有機機能層（発光層）の長寿命化を図ることができる。

また、上記有機エレクトロルミネッセンス装置においては、前記自己補償キャリア調整部材は、ドーピングによって前記各電極内部に設けられるのが好ましい。
この構成によれば、自己補償キャリア調整部材が電極内部に設けられるので、簡便な構造となる。

このとき、前記陽極には、前記自己補償キャリア調整部材として金属元素がドーピングされ、前記陰極には、前記自己補償キャリア調整部材として遷移金属又は希土類金属を含む化合物(酸化物等)がドーピングされるのが好ましい。
この構成によれば、上述したような特性を有する自己補償キャリア調整部材を良好に構成することができ、有機機能層（発光層）の長寿命化を良好に図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）装置の実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさにするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図２は、第１実施形態の有機ＥＬ装置１００を示す概略構成図である。この有機ＥＬ装置１は、基板２上に、陽極（電極）３、正孔注入層４、発光層５、電子輸送層６及び陰極（電極）８を順に備えている。正孔注入層４、発光層５及び電子輸送層６は有機物材料によって形成されており、これら有機物層によって有機機能層７が形成されている。また、有機機能層７は陽極３と陰極８との間に挟持されており、これら陽極３、有機機能層７及び陰極８によって、有機ＥＬ素子９が形成されている。なお、以下の説明では、発光層５内に注入される電子及び正孔をキャリアと呼ぶ。

前記陽極３及び陰極８には、これら各電極における抵抗温度係数とは反対の極性の抵抗温度係数を有し、電極３，８間におけるキャリアバランスを調整する自己補償キャリア調整部材５０が設けられている。なお、自己補償キャリア調整部材５０は、陽極３、及び陰極８の表面に積層された状態に設けられていてもよいし、ドーピングによって内部に含有された状態に設けられていてもよい。

陽極３と陰極８には、駆動電圧を印加するための配線が接続されている。そして、この配線を介して電極間に駆動電圧を印加すると、陰極８より電子が、陽極３より正孔が発光層５に注入され、印加された電場により発光層５中を移動し、再結合する。この再結合の際に放出されたエネルギーにより、励起子が生成し、この励起子が基底状態に戻る際に蛍光や燐光という形でエネルギーを放出する。有機ＥＬ素子９から放出された光は、例えばガラス基板等からなる基板２から射出され、外部に取り出される。すなわち、本実施形態に係る有機ＥＬ装置１００は、所謂ボトムエミッション方式のものである。

基板２は、ガラス基板等の透明基板上にＴＦＴ素子からなる駆動素子（図示略）や各種配線（図示略）等を形成して構成されたもので、これら駆動素子や各種配線の上に絶縁層や平坦化膜を介して前記陽極３が形成されている。なお、基板２に適用可能な材料としては、上記透明なガラス以外にも、石英、サファイア、あるいはポリエステル、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリエーテルケトンなどの透明な合成樹脂などが挙げられる。なお、基板２とは反対の側から発光を取り出す、いわゆるトップエミッション方式の場合には、基板２を構成する材料は不透明であってもよく、その場合、アルミナ等のセラミック、ステンレス等の金属シートに表面酸化などの絶縁処理を施したもの、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などを用いることができる。この場合、陽極３は遮光性や光反射性の材料で形成することができる。

前記正孔注入層４は、陽極３上に形成されている。正孔注入層４は、陽極３から注入した正孔を発光層５に注入する。正孔注入層４の形成材料としては、アリールアミン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポリアニリン誘導体＋有機酸、ポリチオフェン誘導体＋ポリマー酸等を用いることができる。特に、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸との混合物（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）が好適である。

発光層５は、正孔注入層４上に形成されており、陰極８から注入される電子と、正孔注入層４から注入される正孔が結合して所定帯域の波長の光を発光する。この発光層５の材料としては、具体的には、ポリフルオレン誘導体、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリメチルフェニルシラン誘導体などのポリシラン系などの高分子有機材料が好適に用いられる。

なお、赤色光を発光する有機ＥＬ素子においては、赤色光を発光可能な材料により発光層が形成され、緑色光を発光する有機ＥＬ素子においては、緑色光を発光可能な材料により発光層が形成され、青色光を発光する有機ＥＬ素子においては、青色光を発光可能な材料により発光層が形成される。

電子輸送層６を形成する電子輸送層形成材料（第２有機層形成材料）としては、ポリフルオレン誘導体、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリビニルカルバゾール、ポリチオフェン誘導体、ポリメチルフェニルシランなどのポリシラン系などの高分子有機材料が好適に用いられる。

電子輸送層６は、陰極８から注入された電子を発光層５へ効率的に輸送するために、電気的な還元電位が発光層５を形成する発光材料の電気的な還元電位よりも小さい材料を用いることが望ましい。また、正孔注入層４から発光層５に注入された正孔が発光層内で再結合せずにそのまま陰極８側に通過するのを阻止するために、電気的な酸化電位が発光層５を形成する発光材料の電気的な酸化電位よりも大きい材料を用いることが望ましく、この構成により発光効率の向上を図ることができる。

陽極３は、基板２上にパターニングにより形成され、かつＴＦＴ素子からなる駆動素子や各種配線等と接続されたものである。本実施形態では、陽極３として、Ｎｉ元素が５ｗｔ％の割合でドーピングされた、膜厚が５００Åのインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide：以下、ＩＴＯと称す）を用いた。前記Ｎｉ元素は、自己補償キャリア調整部材５０をなすものであって、すなわち本実施形態では自己補償キャリア調整部材５０がドーピングによって陽極内部に設けられたものとなっている。

本実施形態に係る有機ＥＬ装置１００は、上述したようにボトムエミッション方式のものであるため、発光層５からの光が陽極３を透過し基板２の外部に取り出されるようになっている。そのため、自己補償キャリア調整部材５０は、陽極３における光透過率が５０％以上となる割合でＩＴＯ中にドーピングされるのが望ましい。なお、５０％以上の光透過率が得られるのならば、ＩＴＯ膜からなる陽極３０上にスパッタ法によって自己補償キャリア調整部材５１をなすＮｉ層を直接成膜してもよい。

この陽極３を形成する方法としては、上記の割合でＮｉ元素がドーピングされたＩＴＯ部材をターゲットとし、例えばイオンビームスパッタ法が用いられる。なお、本実施形態では、ＩＴＯ中にＮｉ元素がドーピングされたものを陽極３として用いたが、ＩＴＯ単層からなる陽極３上に、例えばスパッタ法により自己補償キャリア調整部材５０をなすＮｉ層を直接成膜してもよい。

ところで、ＩＴＯを主体として構成される陽極３は、周囲温度が上昇すると、内部抵抗が低下する、負（極性）の抵抗温度係数を有したものとなっている。一方、ドーパントとして用いられる自己補償キャリア調整部材５０（Ｎｉ元素）は、上記陽極３における抵抗温度係数とは反対の極性である、周辺温度が上昇することで内部抵抗が増加する、正（極性）の抵抗温度係数（０．６８％／℃）を有したものとなっている。なお、自己補償キャリア調整部材（ドーパント）５０としては、上記のＮｉ元素に限定されることはなく、正の抵抗温度係数を有する金属元素全般（例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ等）、カーボン等を用いてもよい。

一方、陰極８はアルミニウムから構成されている。なお、陰極８に電子注入層として機能するＣａやＭｇ、ＬｉＦを形成することで、低電圧で発光層５を発光させるようにしている。

以下に、本実施形態に係る有機ＥＬ装置１００の格別の効果を説明する。なお、説明を分かりやすくするため、比較として自己補償キャリア調整部材を有しない有機ＥＬ装置を従来の有機ＥＬ装置として例示し、本実施形態の有機ＥＬ装置１００と比較して説明する。従来の有機ＥＬ装置では、周囲温度が上昇すると、陽極における内部抵抗の低下、及び陰極における内部抵抗の増加がみられた。陰極は、周囲温度が上昇すると、内部抵抗が上昇する、正（極性）の抵抗温度係数を有したものとなっているからである。

よって、高温になると、内部抵抗の低い陽極側からホールが注入されやすくなり、一方内部抵抗の高い陰極側から電子が注入され難くなって、発光層内のキャリアバランス（ホール及び電子のバランス）が崩れ、ホール過剰状態となってしまう。このように温度変化に応じてキャリアバランスが崩れると、発光層における輝度がばらついてしまい、結果として有機機能層（発光層）の寿命が短くなるといった問題があった。

そこで、本実施形態に係る有機ＥＬ装置１００の構成を採用すれば、陽極３に正（極性）の抵抗温度係数を有する自己補償キャリア調整部材５０が設けられおり、ホール過剰となる高温下において、自己補償キャリア調整部材５０により環境温度あるいは素子の内部温度に応じて、陽極３の内部抵抗を上昇させることができる。すると、発光層５へのホール（キャリア）注入量が抑制され、電極３，８間に設けられた発光層５に最適なキャリア注入を行うことができる。よって、温度調整用の回路部等を別途設けること無く、後述する実験結果に示されるように、温度変化に起因する発光層における輝度の変動を簡便に抑制することができ、これによって有機機能層７（発光層５）の長寿命化が図られたものとなる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）装置２００を示す概略構成図である。なお、本実施形態では、電極に設けられる自己補償キャリア調整部材５１以外の構成は、上記第１実施形態に係る有機ＥＬ装置１００と同じであるため、ここでは自己補償キャリア調整部材５１における構成を中心に説明し、他の説明は省略する。

本実施形態に係る有機ＥＬ装置２００は、陽極３０として、Ｃｕ元素が５ｗｔ％の割合でドーピングされた、膜厚が５００Åのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いた。Ｃｕ元素は、自己補償キャリア調整部材５１をなすものであって、自己補償キャリア調整部材５１はドーピングにより陽極内部に設けられている。この陽極３０は、上記の割合でＣｕ電素がドーピングされたＩＴＯ部材をターゲットとして用いるイオンビームスパッタ法により形成することができる。なお、ＩＴＯ単層からなる陽極３０上に、スパッタ法により自己補償キャリア調整部材５１をなすＣｕ層を直接成膜してもよい。

ドーパントとして用いられる自己補償キャリア調整部材５１（Ｃｕ元素）は、陽極３０における抵抗温度係数とは反対の極性である、周辺温度の上昇に伴って、内部抵抗が増加する、正（極性）の抵抗温度係数（０．４３％／℃）を有している。

このように本実施形態に係る有機ＥＬ装置２００によれば、陽極３に正の抵抗温度係数を有する自己補償キャリア調整部材５１が設けられているので、上記実施形態に係る有機ＥＬ装置１００と同様に一般にホール過剰となる高温下において、発光層へのホール（キャリア）注入量が抑制され、電極３，８間に設けられた発光層５に最適なキャリア注入を行うことができる。よって、温度調整用の回路部等を別途設けること無く、後述する実験結果に示されるように、温度変化に起因する発光層における輝度の変動を簡便に抑制でき、結果的に有機機能層７（発光層５）の長寿命化を図ることができる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）装置３００を示す概略構成図である。なお、本実施形態では、電極に設けられる自己補償キャリア調整部材以外の構成は、上記の第１，２実施形態に係る有機ＥＬ装置１００，２００と同じであるため、ここでは自己補償キャリア調整部材５１，５２における構成を中心に説明し、他の説明は省略する。

本実施形態に係る有機ＥＬ装置３００は、陽極３０として、上記第２の実施形態と同様に、Ｃｕ元素が５ｗｔ％の割合でドーピングされた、膜厚が５００Åのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなるものを用いた。Ｃｕ元素は、自己補償キャリア調整部材５１をなすものであって、自己補償キャリア調整部材５１はドーピングにより陽極内部に設けられている。

また、本実施形態では、上記第１、第２実施形態と異なり、陰極１８側にも自己補償キャリア調整部材５２が設けられている。具体的には、陰極１８は、１：３の割合でＴｉとＡｌとが共蒸着法により成膜されたもので、その膜厚は２０００Åである。共蒸着は、成膜室内に０．１ｃｃの酸素を導入した状態で処理が行われる。よって、Ｔｉは酸化されＴｉＯ_ｘとして発光層５上に成膜される。すなわち、陰極１８は、Ａｌ内部にＴｉＯ_ｘが混在した状態に形成されたものとなっている。ＴｉＯ_ｘは、自己補償キャリア調整部材５２をなすものである。

ところで、Ａｌを主体として構成される陰極１８は、周囲温度が上昇すると、内部抵抗が上昇する、正（極性）の抵抗温度係数を有したものとなっている。一方、自己補償キャリア調整部材５２であるＴｉＯ_ｘは、上記陰極１８における抵抗温度係数とは反対の極性、すなわち周辺温度の上昇に伴い内部抵抗が低下する、負（極性）の抵抗温度係数を有したものとなっている。

本実施形態に係る有機ＥＬ装置３００によれば、陽極３０側に自己補償キャリア調整部材５２が設けられ、陰極１８側に自己補償キャリア調整部材５２が設けられているので、一般にホール過剰となる高温下においても、環境温度あるいは素子の内部温度に応じて、自己補償キャリア調整部材５０により陽極３０の内部抵抗が上昇し、かつ自己補償キャリア調整部材５２により陰極１８の内部抵抗が低下する。よって、発光層へのキャリア（正孔及び電子）バランスが最適化され、電極３，８間に設けられた発光層５に最適なキャリア注入を行うことができる。よって、温度調整用の回路部等を別途設けること無く、後述する実験結果に示されるように、温度変化に起因する発光層における輝度の変動を簡便に抑制することができ、結果的に有機機能層７（発光層５）の長寿命化を図ることができる。

なお、自己補償キャリア調整部材（ドーパント）５２としては、上記のＴｉＯ_ｘに限定されることはなく、負の抵抗温度係数を有する、半導体層、ＮＴＣサーミスタ等遷移金属、希土類金属全般からなる化合物（酸化物）、ＩＴＯ等を用いてもよい。

（実験例）
以下に、上記実施形態に係る有機ＥＬ装置について行った実験例について説明する。図５は、実験結果を示すグラフであり、同グラフ中、横軸は有機ＥＬ装置の駆動温度（単位；℃）を示し、縦軸は有機ＥＬ装置における輝度劣化度（相対値）を示すものである。なお、本実験では、上記第１〜３実施形態に係る有機ＥＬ装置に加え、ＩＴＯからなる陽極と、Ａｌからなる陰極とを有し、これら陽極及び陰極に自己補償キャリア調整部材が設けられていない従来の有機ＥＬ装置についてもデータを測定した。なお、実験方法としては、例えば各温度で所定時間、有機ＥＬ装置を駆動させた際に、初期条件（駆動温度２５℃）に対し、発光層における輝度が低下した割合（度合い）を算出し、図５に示されるグラフを得た。

グラフに示されるように、従来の構成に比べて、本実施形態に係る有機ＥＬ装置１００，２００，３００によれば、発光層における輝度の劣化度合いが小さくなることが確認できた。具体的には、有機ＥＬ装置の駆動温度が５０℃以上になると、従来の構成に比べて大幅に輝度の劣化度の低下、すなわち発光層の長寿命することが確認できた。
したがって、本発明の有機ＥＬ装置によれば、簡便な方法により、発光層の長寿命化を実現することができる。

（電子機器）
次に、上記有機ＥＬ装置を利用した電子機器の一実施形態について説明する。
図６は、本発明の有機ＥＬ装置を携帯電話に適用した例を示す斜視図であり、携帯電話１３００は、本発明の有機ＥＬ装置を小サイズの表示部１３０１として備える。携帯電話１３００は、複数の操作ボタン１３０２、受話口１３０３、及び送話口１３０４を備えて構成されている。このような携帯電話は、本発明の有機ＥＬ装置１を表示部１３０１に備えており、表示部自体の長寿命化が図られ、信頼性の高いものとなる。

なお、電子機器としては、上述した携帯電話の例に加えて、他の例として、腕時計、モバイル型コンピュータ、テレビ、ビューファインダ型やモニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。本発明の有機ＥＬ装置は、こうした電子機器の表示部としても適用できる。また、照明装置やプリンタヘッド等の光源としても用いることが可能である。

環境温度変化に伴いキャリアバランスが変化していく状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機ＥＬ装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る有機ＥＬ装置の概略構成図である。 第３実施形態に係る有機ＥＬ装置の概略構成図である。 有機ＥＬ装置の実験例における実験結果を示す図である。 有機ＥＬ装置を備える電子機器の一実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

２…基板、３…陽極（電極）、４…正孔注入層（有機機能層）、５…発光層（有機機能層）、６…電子輸送層（有機機能層）、７…有機機能層、５０，５１，５２…自己補償キャリア調整部材、１００，２００，３００…有機ＥＬ装置（有機エレクトロルミネッセンス装置）

Claims (4)

1. 一対の電極間に有機機能層が設けられてなる有機エレクトロルミネッセンス装置において、
   前記一対の電極の少なくとも一方には、各電極における抵抗温度係数とは反対の極性の抵抗温度係数を有し、前記電極間におけるキャリアバランスを調整する自己補償キャリア調整部材が設けられていることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス装置。
2. 前記電極は陽極及び陰極から構成され、
   前記陽極側に設けられる前記自己補償キャリア調整部材は、正の抵抗温度係数を有し、前記陰極側に設けられる前記自己補償キャリア調整部材は、負の抵抗温度係数を有することを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス装置。
3. 前記自己補償キャリア調整部材は、ドーピングによって前記各電極内部に設けられることを特徴とする請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス装置。
4. 前記陽極には、前記自己補償キャリア調整部材として金属元素がドーピングされ、前記陰極には、前記自己補償キャリア調整部材として遷移金属又は希土類金属がドーピングされることを特徴とする請求項３に記載の有機エレクトロルミネッセンス装置。

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