JP2009245786A - 有機ｅｌ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出効率を向上させることができる有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】有機ＥＬ素子１は、素子基板２と、素子基板２の成長主面２ａに形成された発光部と、成長主面２ａとは反対側の素子基板２の光取出主面２ｂに形成された光取出層８とを備えている。発光部は、アノード電極３と、有機発光層４と、カソード電極５とを含む。光取出層８は、ポリチオールを硬化剤として含むエポキシ樹脂を主成分とする樹脂層１１と、樹脂層１１とは屈折率の異なるシリカ粒子からなる微粒子１２とを備えている。樹脂層１１には、気泡１３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂製の光取出層を備えた有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子に関する。

従来、有機発光層を備えた有機ＥＬ素子が知られている。一般に、有機ＥＬ素子は、ガラス基板からなる素子基板と、一対の電極と、一対の電極の間に設けられた有機発光層とを備えている。このような有機ＥＬ素子の場合、一対の電極間に電圧が印加されると、有機発光層に正孔及び電子が注入される。注入された正孔と電子は、再結合して有機発光層内で発光する。発光した光は、電極及び素子基板を透過して、素子基板の光取出面から外部に照射される。ここで、上述した有機ＥＬ素子では、ガラス基板からなる素子基板の屈折率（＝１．５２）と外部の空気の屈折率（＝１．０）とが異なるため光取出面で反射される光が多い。

そこで、発光された光の取出効率を向上させるための技術が知られている。特許文献１には、素子基板と、アノード電極と、有機発光層と、カソード電極と、散乱層とを備えた有機ＥＬ素子が開示されている。素子基板の一方の主面には、アノード電極、有機発光層及びカソード電極が順に積層されている。素子基板の他方の主面には、散乱層が形成されている。散乱層は、透過性樹脂と、透過性樹脂に分散された屈折率の異なる樹脂製の徴小領域部とを備えている。

特許文献１の有機ＥＬ素子では、有機発光層で発光された光が、アノード電極、素子基板を透過した後、散乱層に入射する。散乱層に入射した光は、徴小領域部によって散乱される。この後、散乱層の外側の主面である光取出面から照射される。ここで、上述の有機ＥＬ素子では、光を散乱させることによって、光取出面との入射角が変えられている。この結果、上述の有機ＥＬ素子では、光取出面によって反射される光を低減させて、光取出面から取り出される光を増加させることができる。
特開２００４−２０７１３６号公報

しかしながら、特許文献１の有機ＥＬ素子では、透過性樹脂とは屈折率の異なる徴小領域部のみによって光を散乱させている。このため、光の取出効率を充分に向上させているとは言い難いといった課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、光取出効率を向上させることができる有機ＥＬ素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、素子基板と有機発光層を含み、前記素子基板の成長主面に形成された発光部と、前記成長主面とは反対側の前記素子基板の光取出主面に形成された樹脂層と、前記樹脂層とは屈折率の異なる微粒子とを含み、前記樹脂層に気泡が形成された光取出層とを備えたことを特徴とする有機ＥＬ素子である。

また、請求項２に記載の発明は、前記微粒子の屈折率は、前記樹脂層の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子である。

また、請求項３に記載の発明は、前記樹脂層に対する前記微粒子の重量濃度は、２．０％以上、９．１％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子である。

また、請求項４に記載の発明は、前記光取出層の厚みは、０．５９ｍｍ以上、０．８８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子である。

本発明によれば、光取出層が、樹脂層とは屈折率の異なる微粒子と、気泡が形成された樹脂層とを備えているので、微粒子及び気泡によって、光取出層を導波する光を散乱することができる。これによって、本発明では、より光取出効率を向上させることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態による有機ＥＬ素子について説明する。第１実施形態による有機ＥＬ素子１は、面光源照明や面光源バックライト等に適用されるものである。図１は、第１実施形態による有機ＥＬ素子の断面図である。

図１に示すように、第１実施形態による有機ＥＬ素子１は、素子基板２と、アノード電極３と、有機発光層４と、カソード電極５と、固体封止樹脂層６と、封止板７と、光取出層８とを備えている。尚、アノード電極３と、有機発光層４と、カソード電極５とが請求項に記載の発光部に相当する。

素子基板２は、約０．５ｍｍの厚みを有し、光を透過可能なガラス基板からなる。尚、ガラス基板の屈折率は、約１．５２である。素子基板２の上面は、発光部の各層３〜５が形成される成長主面２ａである。また、素子基板２の下面は、光取出層８が形成される光取出主面２ｂである。

アノード電極３は、有機発光層４に正孔を注入するためのものである。アノード電極３は、素子基板２の成長主面２ａに形成されている。アノード電極３は、光を透過可能な約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ（酸化インジウムスズ）からなる。尚、ＩＴＯの屈折率は、約１．８５である。アノード電極３の一端部は、外部端子（図示略）と接続されている。

有機発光層４は、白色の光を発光するためのものである。有機発光層４は、アノード電極３上に電気的に接続された状態で形成されている。有機発光層４には、正孔輸送層及び電子輸送層がアノード電極３側から順に積層されている。正孔輸送層には、約５０ｎｍの厚みを有するＮＰＤ（ジフェニルナフチルジアミン）膜からなる。電子輸送層には、約５０ｎｍの厚みを有し、色素を混入させたキノリノールアルミ錯体（Ａｌｑ_３）膜からなる。尚、有機発光層４の屈折率は、約１．７３である。また、アノード電極３からの正孔注入を促進するために銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）をアノード電極３と有機発光層４との間に積層してもよい。

カソード電極５は、有機発光層４に電子を注入するためのものである。カソード電極５は、有機発光層４上に電気的に接続された状態で形成されている。カソード電極５は、約１００ｎｍの厚みを有するＡｌ膜からなる。カソード電極５は、絶縁膜（図示略）によってアノード電極３と絶縁されている。カソード電極５の一端部は、外部端子（図示略）と接続されている。

固体封止樹脂層６は、封止板７をカソード電極５上に封着するためのものである。固体封止樹脂層６は、エポキシ系のＵＶ硬化樹脂からなる。尚、固体封止樹脂層６を、熱硬化樹脂等の硬化樹脂によって構成してもよい。

封止板７は、約０．５ｍｍの厚みを有するガラス基板からなる。封止板７は、固体封止樹脂層６によってカソード電極５上に封着されている。

光取出層８は、有機発光層４で発光された光の光取出効率を向上させるためのものである。光取出層８は、成長主面２ａと反対側の素子基板２の光取出主面２ｂに直接形成されている。光取出層８は、樹脂材を塗布した後、攪拌することによって形成されている。光取出層８の下面は、光を取り出すための光取出面８ａである。光取出層８の厚みは、約０．５９ｍｍ以上、約０．８８ｍｍ以下である。光取出層８は、樹脂層１１と、微粒子１２とを備えている。

樹脂層１１は、ポリチオールを硬化剤として含み、光を透過可能なエポキシ樹脂を主成分とする。樹脂層１１の屈折率は、約１．５５である。樹脂層１１には、複数の気泡１３が形成されている。ここで、気泡１３の内部に包含されている空気の屈折率は、約１．０である。気泡１３の数及び大きさ等は、特に限定するものではないが、樹脂層１１が白濁する程度まで気泡１３を樹脂層１１に形成することが好ましい。

微粒子１２は、樹脂層１１に均一に分散されている。微粒子１２は、樹脂層１１とは異なる屈折率（＝約１．４３）を有するシリカ粒子からなる。即ち、微粒子１２の屈折率は、樹脂層１１の屈折率より小さい。微粒子１２の粒径は、約１．３μｍ以上、約１．８μｍ以下である。樹脂層１１に対する微粒子１２の重量濃度は、約２．０％以上、約９．１％以下である。尚、ここでいう重量濃度とは、
重量濃度＝１００×（微粒子の重量）／（樹脂層の重量）
である。

次に、上述した第１実施形態による有機ＥＬ素子１の動作を説明する。

まず、有機ＥＬ素子１では、外部電源によってアノード電極３とカソード電極５との間に電圧が印加される。これにより、アノード電極３から有機発光層４には、正孔が注入される。また、カソード電極５から有機発光層４には、電子が注入される。注入された正孔と電子は、有機発光層４内で再結合して光を発光する。発光した光は、アノード電極３及び素子基板２を透過した後、光取出層８の樹脂層１１に入射する。ここで、光取出層８の樹脂層１１の屈折率（＝１．５５）は、空気の屈折率（＝１．０）に比べて、素子基板２の屈折率（＝１．５２）に近い。このため、光取出層８と素子基板２との間で反射される光は、光取出層８がない場合に比べて、低減することができる。

樹脂層１１に入射した光は、光取出層８の微粒子１２及び気泡１３によって、散乱される。これによって、光取出面８ａに達する光の入射角が変化するので、光取出面８ａによって反射される光が低減する。この結果、多くの光が、光取出面８ａを透過して、外部へ照射される。残りの光は、光取出面８ａで反射された後、光取出層８の内部で、再度、微粒子１２及び気泡１３によって散乱される。これにより、光は入射角を変えて光取出面８ａに達するので、一部の光が光取出面８ａを透過して、外部へ照射される。

次に、上述した第１実施形態による有機ＥＬ素子１の製造方法について説明する。図２〜図５は、第１実施形態による有機ＥＬ素子の各製造工程を説明する図である。

まず、図２に示すように、スパッタ法及びリフトオフ法によって、パターニングされたアノード電極３を素子基板２上に形成する。その後、開口部が形成されたメタルマスク（図示略）を通して、アノード電極３上に有機発光層４を蒸着する。更に、スパッタ法及びリフトオフ法によって、パターニングされたカソード電極５を有機発光層４上に形成する。

次に、図３に示すように、ＵＶ硬化樹脂材６Ａをカソード電極５上に塗布する。その後、ＵＶ硬化樹脂材６Ａ上に封止板７を載置する。この状態で、封止板７を介してＵＶ硬化樹脂材６Ａに紫外線を照射する。これにより、ＵＶ硬化樹脂材６Ａが硬化して、固体封止樹脂層６となり、カソード電極５と封止板７とが封着される。

次に、図４に示すように、ポリチオールからなる硬化剤及び微粒子１２を含む、軟性のエポキシ樹脂材１１Ａを素子基板２の光取出主面２ｂに塗布する。

次に、硬化剤及び微粒子１２が均一になるようにエポキシ樹脂材１１Ａを所定回数（例えば、１００回）攪拌する。これによって、図５に示すように、エポキシ樹脂材１１Ａ内に気泡１３が形成される。ここで、攪拌の回数は、特に限定されるものではないが、気泡１３によってエポキシ樹脂材１１Ａが白濁する程度まで、攪拌することが好ましい。この後、所定時間、エポキシ樹脂材１１Ａを放置することによって、硬化させて、樹脂層１１を形成する。これによって、光取出層８が形成される。

この後、素子単位に分割することによって、図１に示す有機ＥＬ素子１が完成する。

上述したように、第１実施形態による有機ＥＬ素子１は、微粒子１２を含むとともに、気泡１３が形成された樹脂層１１とを有する光取出層８を備えている。これにより、有機発光層４で発光された光が、微粒子１２及び気泡１３によって散乱される。このため、有機ＥＬ素子１は、光取出層８の光取出面８ａによって全反射される光が低減されるので、輝度向上率を向上させる。即ち、有機ＥＬ素子１は、光取出効率を向上させることができるとともに、電力効率を向上させることができる。

また、有機ＥＬ素子１では、樹脂層１１の屈折率よりも微粒子１２の屈折率を小さくすることによって、より輝度向上率及び光取出効率を向上させることができる。

また、有機ＥＬ素子１では、微粒子１２の重量濃度を約２．０％以上、約９．１％以下にすることにより、より輝度向上率及び光取出効率を向上させることができる。

また、有機ＥＬ素子１では、光取出層８の厚みを約０．５９ｍｍ〜約０．８８ｍｍにすることによって、輝度向上率及び光取出効率を向上させることができる。

＜実験＞
次に、上述した実施形態の効果を証明するために行った実験について説明する。

（光取出層の気泡と輝度向上率の関係）
まず、本実験のために、上述した第１実施形態に対応した試料（有機ＥＬ素子）として第１実施例を作製した。第１実施例は、樹脂層を構成するエポキシ樹脂及びポリチオールを攪拌することによって気泡を含む光取出層を作製した。第１実施例と比較するための試料として、第１比較例〜第４比較例を作製した。ここで、第１比較例は、光取出層を設けていない点以外は、第１実施例と同じ構成である（図６参照）。第２〜４比較例は、光取出層の樹脂層をビスフェノールＡ型及びＦ型の混合物（または、ビスフェノールＦ型のみ）から生成された液状エポキシ樹脂を所定の割り合い含む材料によって構成している点以外は第１実施例と同じ構成である。各試料の輝度向上率を調べた実験結果を図７に示す。尚、各比較例及び第１実施例は、それぞれ３個ずつ作製して輝度向上率を調べた。

ここで、輝度向上率を、
輝度向上率
＝１００×｛（各試料の平均輝度）−（第１比較例の平均輝度）｝
／（第１比較例の平均輝度）
で定義する。

次に、実験結果を説明する前に、第１比較例の内部での光の損失について、図６を参照して説明する。図６は、第１比較例の光損失を説明するための概略断面図である。尚、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付けて説明を省略する。有機発光層４で発光した光は、有機発光層４とアノード電極３との界面及びアノード電極３と素子基板２との界面によって反射されて、内部で約４５％が損失する。更に、素子基板２の光取出主面２ｂ、即ち、外部との界面において反射されて、素子基板２の内部で約３５％が損失する。従って、有機発光層４で発光された光は、外部に出射されるまでに約８０％が損失する。言い換えれば、第１比較例の光取出効率は、約２０％である。尚、素子基板２を構成するガラス基板の屈折率が約１．５２であり、外部の空気の屈折率が約１．０であることを考慮すると、全反射が生じる臨界角αは約３５°である。

図７に示すように、第２〜４比較例では、輝度向上率が最大で約３０％となっている。一方、本発明による第１実施例では、輝度向上率が約３７％となっている。これにより、気泡を含む光取出層によって、輝度向上率を上昇させることができることがわかる。この結果、光取出効率が向上していることもわかる。

（光取出層の微粒子の屈折率及び濃度と輝度向上率との関係）
まず、本実験では、上述した第１実施形態に対応した試料として、第２実施例〜第６実施例を作製した。尚、第２実施例〜第６実施例では、光取出層の樹脂層に含まれる微粒子（シリカ粒子：屈折率１．４３）の重量濃度をそれぞれ約２．０％〜約９．１％の間で変えている。尚、シリカ粒子からなる微粒子の粒径は、約１．３μｍ〜約１．８μｍである。

次に、光取出層の樹脂層に含まれる微粒子に、ベンゾグアナミンホルムアルデヒド縮合物からなる樹脂粒子（屈折率：１．６６）を採用した第７実施例〜第１０実施例を作製した。尚、第７実施例〜第１０実施例では、微粒子の重量濃度を約２．０％〜約１６．７％の間で変えている。尚、樹脂粒子からなる微粒子の粒径は、約１０μｍ〜約１５μｍである。

尚、ここでいう重量濃度とは、
重量濃度＝１００×（微粒子の重量）／（樹脂層の重量）
である。

これらの各試料の輝度向上率を調べた。ここでいう、輝度向上率とは、上述した実験の輝度向上率と同じ方法によって求めた。結果を図８に示す。更に、図８の数値をグラフ化したものを図９に示す。

図８及び図９に示すように、第２〜１０実施例の全てにおいて、輝度向上率が第１比較例よりも向上していることがわかる。

また、各重量濃度において、シリカ粒子を微粒子とする第２〜６実施例の輝度向上率が、樹脂粒子を微粒子とする第７〜１０実施例の輝度向上率よりも上がっていることがわかる。ここで、シリカ粒子の屈折率（＝１．４３）は、樹脂層の屈折率（＝１．５５）よりも低い。一方、樹脂粒子の屈折率（＝１．６６）は、樹脂層の屈折率（＝１．５５）よりも高い。即ち、輝度向上率を高めるためには、微粒子の屈折率は、樹脂層の屈折率よりも低い方が良いことがわかる。

更に、重量濃度が約３．８％〜約７．４％である第３〜５実施例の輝度向上率が、第２及び第６実施例に比べて、より向上していることがわかる。

（光取出層の厚みと輝度向上率の関係）
まず、本実験では、光取出層の厚みを変えた第１１実施例〜第１４実施例を試料として作製した。そして、これらの各実施例の輝度向上率を調べた。ここでいう輝度向上率は、
輝度向上率
＝１００×｛（各試料の輝度）−（光取出層を形成する前の各試料の輝度）｝
／（光取出層を形成する前の各試料の輝度）
と定義する。本実験においては、約３．０９ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度を有する電流を各試料に流した。

結果を図１０に示す。図１０に示すように、光取出層の厚みが、約０．５９ｍｍ及び約０．８８ｍｍである第１２及び第１３実施例の輝度向上率が、第１１及び第１４実施例の輝度向上率よりも極めて高くなっていることがわかる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

上述した各実施形態における材料、数値、形状等は、一例であり、適宜変更可能である。

例えば、光取出層の樹脂層を形成する材料は、ポリチオールを含むエポキシ樹脂に限定されるものではなく、他の樹脂に適宜変更可能である。

また、光取出層の微粒子はシリカ粒子に限定されるものではない。但し、微粒子の屈折率が、樹脂層の屈折率よりも小さいものが好ましい。また、微粒子の粒径は、上述した粒径に限定されるものではなく、１００ｎｍ〜５０μｍ、好ましくは、光の散乱効果を得るために０．５μｍ以上である。更に、微粒子の重量濃度は、上述した重量濃度に限定されるものではない。

また、光取出層の厚みは、上述した厚みに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

第１実施形態による有機ＥＬ素子の断面図である。 第１実施形態による有機ＥＬ素子の各製造工程を説明する図である。 第１実施形態による有機ＥＬ素子の各製造工程を説明する図である。 第１実施形態による有機ＥＬ素子の各製造工程を説明する図である。 第１実施形態による有機ＥＬ素子の各製造工程を説明する図である。 第１比較例の光損失を説明するための概略断面図である。 光取出層の気泡と輝度向上率の関係を示す表である。 光取出層の微粒子の屈折率及び濃度と輝度向上率との関係を示す表である。 図８の数値をグラフ化したものである。 光取出層の厚みと輝度向上率の関係を示す表である。

符号の説明

１ 有機ＥＬ素子
２ 素子基板
２ａ 成長主面
２ｂ 光取出主面
３ アノード電極
４ 有機発光層
５ カソード電極
６ 固体封止樹脂層
６Ａ ＵＶ硬化樹脂材
７ 封止板
８ 光取出層
８ａ 光取出面
１１Ａ エポキシ樹脂材
１１ 樹脂層
１２ 微粒子
１３ 気泡
α 臨界角

Claims (4)

1. 素子基板と
   有機発光層を含み、前記素子基板の成長主面に形成された発光部と、
   前記成長主面とは反対側の前記素子基板の光取出主面に形成された樹脂層と、前記樹脂層とは屈折率の異なる微粒子とを含み、前記樹脂層に気泡が形成された光取出層とを備えたことを特徴とする有機ＥＬ素子。
2. 前記微粒子の屈折率は、前記樹脂層の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
3. 前記樹脂層に対する前記微粒子の重量濃度は、２．０％以上、９．１％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。
4. 前記光取出層の厚みは、０．５９ｍｍ以上、０．８８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。

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