JP6022529B2 - 有機電界発光素子及び有機電界発光表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、効率を向上させ得る有機電界発光素子及び有機電界発光表示装置に関する。

最近、情報化時代に入ることによって、電気的情報信号を視覚的に表現するディスプレイ分野が急速に発展し、これに応えて薄型化、軽量化、低消費電力化の優れた性能を有する多様な平板表示装置（Ｆｌａｔ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ）が開発されている。

このような平板表示装置の具体的な例としては、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＬＣＤ）、プラズマ表示装置（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ ｄｅｖｉｃｅ：ＰＤＰ）、電界放出表示装置（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ：ＦＥＤ）、有機発光表示装置（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ：ＯＬＥＤ）などを挙げることができる。

特に、有機発光表示装置は、自発光素子であって、他の平板表示装置に比べて応答速度が速く、発光効率、輝度及び視野角が大きいという長所を有する。

従来の有機発光表示装置は、色を表現するために、発光層を有する発光素子を備えている。発光層のうち青色発光層は、他の色を表現する発光層に比べて発光効率が低いという問題を有し、また、青色を表現する青色モノ素子の効率が低下するという問題を有する。

前記のような問題を解決するために、本発明は、効率を向上させ得る有機電界発光素子及び有機電界発光表示装置を提供する。

前記技術的課題を達成するために、本発明に係る有機発光表示装置は、基板上で互いに向かい合う第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極の間に形成される第１及び第２の発光層と、前記第１の電極と第１の発光層との間に形成される正孔輸送層と、前記第２の電極と第２の発光層との間に形成される電子輸送層と、前記第１及び第２の発光層の間に形成され、前記正孔輸送層及び前記電子輸送層のうち少なくともいずれか一つと同一の特性を有する少なくとも一つの発光制御層とを備えることを特徴とする。

前記少なくとも一つの発光制御層は、同一の色を表現する第１及び第２の発光層の間で前記正孔輸送層と同一の特性を有することを特徴とする。

前記第１及び第２の発光層のそれぞれは、発光ホスト及び発光ドーパントからなり、前記第１の発光層の発光ホストは、前記第２の発光層の発光ホストと異なる材質で形成され、前記第１の発光層の発光ドーパントのドーピング濃度は、前記第２の発光層の発光ドーパントのドーピング濃度より低いことを特徴とする。

前記第１の発光層の発光ホストの正孔移動度は、前記第２の発光層の発光ホストの正孔移動度より速いことを特徴とする。

前記第１及び第２の発光層は、青色を表現することを特徴とする。

前記少なくとも一つの発光制御層は、前記第１の発光層上に形成され、前記電子輸送層と同一の特性を有する第１の発光制御層と、前記第１の発光制御層上に形成され、前記正孔輸送層と同一の特性を有する第１の発光制御層とを備えることを特徴とする。

前記第１の発光制御層においては、正孔移動度より電子移動度が高く、前記第２の発光制御層においては、前記電子移動度より前記正孔移動度が高いことを特徴とする。

前記第１及び第２の発光制御層のそれぞれの厚さは２ｎｍ〜１３ｎｍで、前記第１及び第２の発光制御層を含む前記少なくとも一つの発光制御層の全体厚さは４ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする。

前記第１の発光層は赤色を表現し、前記第２の発光層は青色を表現することを特徴とする。

本発明に係る有機発光表示装置においては、第１及び第２の発光層の間に形成される少なくとも一つの発光制御層によって正孔及び電子が全て発光層に伝達されるので、発光効率が向上する。

本発明の第１の実施例に係る有機電界発光素子を示す斜視図である。 図１に示した有機電界発光素子に含まれた各構成要素のエネルギー準位を示す図である。 図１に示した発光制御層を含むマルチスタック構造の有機電界発光素子を示す斜視図である。 本発明の第２の実施例に係る有機電界発光素子を示す斜視図である。 に示した有機電界発光素子に含まれた各構成要素のエネルギー準位を示す図である。 図４に示した有機電界発光素子と各比較例における波長別の発光強度を説明するための図である。

以下、添付の図面及び実施例を通じて本発明の実施例を具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る有機電界発光素子を示す斜視図である。

図１に示した有機電界発光素子は、第１及び第２の電極１０２、１０４と、第１及び第２の電極１０２、１０４の間に形成される有機発光層１１０とを備えている。

第１及び第２の電極１０２、１０４のうちいずれか一つは、透過電極または半透過電極として形成され、第１及び第２の電極１０２、１０４のうち残りの一つは反射電極として形成される。第１の電極１０２が半透過電極で、第２の電極１０４が反射電極である場合は、下部に光を放出する背面発光構造である一方、第２の電極１０４が半透過電極で、第１の電極１０２が反射電極である場合は、上部に光を放出する前面発光構造である。本発明では、アノードである第１の電極１０２が反射電極として形成され、カソードである第２の電極１０４が半透過電極として形成される場合を例に挙げて説明する。

第１の電極１０２は、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金（例えば、ＡｌＮｄ）からなる金属層と、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ；ＩＺＯ）などからなる透明層とを含む複層構造を有し、反射電極としての役割をする。

第２の電極１０４は、単層または複層からなり、第２の電極１０４をなす各層は、金属、無機物、金属混合層または金属と無機物との混合で形成されたり、またはそれらの混合から形成される。このとき、各層が金属と無機物との混合層である場合には、その比率は１０：１〜１：１０であり、各層が金属と金属との混合層である場合にあ、その比率は１０：１〜１：１０である。第２の電極１０４をなす金属は、Ａｇ、Ｍｇ、Ｙｂ、ＬｉまたはＣａから形成され、無機物は、Ｌｉ_２Ｏ、ＣａＯ、ＬｉＦまたはＭｇＦ_２から形成され、電子移動を促進し、発光層１１０に多くの電子が供給されるようにする。

このような第１及び第２の電極１０２、１０４の間には、正孔注入層１１２、正孔輸送層１１４、第１の発光層１０６、発光制御層１０８、第２の発光層１１６及び電子輸送層１１８が順次形成される。

正孔注入層１１２は、第１の電極１０２からの正孔注入を円滑にする役割をする。このような正孔注入層１１２は、下記の化学式１に記載したいずれか一つ以上で形成することができるが、これに限定されることはない。

正孔輸送層１１４は、正孔注入層１１２からの正孔を第１及び第２の発光層１０６、１１６に供給する。このような正孔輸送層１１４は、下記の化学式２に記載したいずれか一つ以上で形成することができるが、これに限定されることはない。

電子輸送層１１８は、第２の電極１０４からの電子を第１及び第２の発光層１０６、１１６に供給する。このような電子輸送層１１８は、下記の化学式３に記載したいずれか一つ以上で形成することができるが、これに限定されることはない。

発光制御層１０８は、第１及び第２の発光層１０６、１１６の間に形成される。この発光制御層１０８は、図２に示したように、第１及び第２の発光層１０６、１１６より高い最低非占有分子軌道（Ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ；ＬＵＭＯ）エネルギー準位を有し、第１及び第２の発光層１０６、１１６より高い最高占有分子軌道（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ；ＨＯＭＯ）エネルギー準位を有する。例えば、発光制御層１０８は、正孔輸送層１１４と類似または同一のＬＵＭＯ及びＨＯＭＯエネルギー準位を有する。これによって、第２の発光層１１６と発光制御層１０８との間のエネルギー障壁により、電子輸送層１１８を介して輸送される電子は、第１の発光層１０６側に輸送されず、発光制御層１０８と第２の発光層１１６との間の界面に集中的に存在する。

このような発光制御層１０８は、正孔輸送層１１４と同一の正孔移動度を有するように正孔輸送層１１４と同一の材質で形成されたり、正孔輸送層１１４より高い正孔移動度を有するように正孔輸送層１１４と異なる材質で形成される。すなわち、発光制御層１０８は、正孔輸送層１１４と同一であるか、それより高い正孔移動度を有するようになる。これによって、正孔輸送層１１４を介して輸送される正孔は、発光制御層１０８と第１の発光層１０６との間の界面で集中せず、第２の発光層１１６側に移動するようになる。

第１及び第２の発光層１０６、１１６では、正孔輸送層１１４を介して供給された正孔と、電子輸送層１１８を介して供給された電子とが再結合されるので、光が放出される。第１及び第２の発光層１０６、１１６は、同一の色を表現し、同一の光特性を有する材質で形成される。例えば、第１及び第２の発光層１０６、１１６は、青色を表現する蛍光青色発光層に形成されたり、青色を表現する燐光青色発光層に形成される。

このような第１及び第２の発光層１０６、１１６のそれぞれは、発光ホスト及び発光ドーパントからなる。

第１及び第２の発光層１０６、１１６の発光ホストは、互いに異なる材質で形成される。すなわち、第１の発光層１０６の発光ホストは、第２の発光層１１６の発光ホストより正孔移動度が速く、正孔輸送層１１４と同等以上の性能を有する材質で形成される。例えば、第１の発光層１０６の発光ホストの正孔移動度は、１．０×１０^−１０Ｃｍ^２／Ｖｓ〜１．０×１０^−７Ｃｍ^２／Ｖｓで、第２の発光層１１６の発光ホストの正孔移動度は、４．９×１０^−４Ｃｍ^２／Ｖｓ〜１．０×１０^−７Ｃｍ^２／Ｖｓである。これによって、第１の発光層１０６は、正孔輸送層１１４からの正孔を発光制御層１０８まで円滑に移動させることができる。

一方、第１及び第２の発光層１０６、１１６の発光ホストは、第１及び第２の発光層１０６、１１６が青色発光層である場合、下記の化学式４に記載した物質のうち少なくともいずれか一つで形成することができるが、これに限定されることはない。

第１及び第２の発光層１０６、１１６の発光ドーパントは、互いに同一であるか、または互いに異なる材質で形成される。

第１及び第２の発光層１０６、１１６の発光ドーパントが互いに同一の材質で形成される場合、第１の発光層１０６の正孔トラップ性能を低下させるために、第１の発光層１０６の発光ドーパントのドーピング濃度は、第２の発光層１１６のドーピング濃度より低下させる。例えば、第１の発光層１０６の発光ドーパントのドーピング濃度は０．５％〜１％で、第２の発光層１１６の発光ドーパントのドーピング濃度は４％〜６％である。

第１及び第２の発光層１０６、１１６の発光ドーパントが互いに異なる材質で形成される場合、第２の発光層１１６の発光ドーパントの発光効率が第１の発光層１０６の発光ドーパントの発光効率より良くなる。

これによって、図２に示したように、ドーピング濃度が相対的に高いか、発光効率が良い発光ドーパントを有する第２の発光層１１６と発光制御層１０８との間の界面で、その界面に集中的に存在する正孔と、電子輸送層１１８を介して供給された電子とが再結合されるので、相対的に強い光が放出される。そして、ドーピング濃度が相対的に低いか、発光効率が低い発光ドーパントを有する第１の発光層１０６内では、発光制御層１０８を通過した一部の正孔と電子とが再結合されるので、相対的に弱い光が放出される。

一方、第１及び第２の発光層１０６、１１６の発光ドーパントは、第１及び第２の発光層１０６、１１６が青色発光層である場合、下記の化学式５に記載した物質のうち少なくともいずれか一つで形成することができるが、これに限定されることはない。

表１は、本発明の実施例１と比較例に係る有機電界発光素子の特性を説明するための表である。

ここで、本発明の実施例１と比較例は、基板上に次のような構造に形成される。

実施例１：第１の電極／正孔注入層／正孔輸送層／第１の青色ホスト及び青色ドーパントからなる第１の青色発光層／発光制御層／第２の青色ホスト及び青色ドーパントからなる第２の青色発光層／電子輸送層／第２の電極

比較例：第１の電極／正孔注入層／正孔輸送層／青色発光層／電子輸送層／第２の電極（ここで、比較例の青色発光層は、本発明の実施例１の第２の青色発光層と同一の材質で形成される。）

このような実施例１と比較例の各層は、次のような化学式６の材質で実験された。

表１に示したように、本発明の実施例は、比較例に比べると、駆動電圧及び色座標特性は同等であるが、効率（ＥＱＥ；Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は１３％以上向上することが分かる。

一方、図１に示した有機電界発光素子は、同一の色を表現する第１及び第２の発光層１０６、１１６を有する単一発光スタックの構造を例に挙げて説明したが、図３に示した複数の発光スタックを有する構造にも適用可能である。すなわち、図３に示した有機電界発光素子は、第１及び第２の電極１０２、１０４の間に形成される第１及び第２の発光スタック１１０、１２０と、第１及び第２の発光スタック１１０、１２０の間に形成される電荷生成層１４０とを備えている。

電荷生成層１４０は、第１及び第２の発光スタック１１０、１２０の間に形成され、各発光スタック１１０、１２０の間の電荷均衡を調節する。このような電荷生成層１４０は、順次積層されているＮ型電荷生成層１４２及びＰ型電荷生成層１４４を含む。

第１の発光スタック１１０は、第１の電極１０２と電荷生成層１４０との間に形成される。第１の発光スタック１１０は、第１の電極１０２上に順次形成される正孔注入層１１２、第１の正孔輸送層１１４、青色（Ｂ）を表現する第１の発光層１０６、発光制御層１０８、青色（Ｂ）を表現する第２の発光層１１６、及び第１の電子輸送層１１８を備えている。

第２の発光スタック１２０は、第２の電極１０４と電荷生成層１４０との間に形成される。第２の発光スタック１２０は、電荷生成層１４０上に順次形成される第２の正孔輸送層１２４、黄色―緑色（ＹＧ）を表現する第３の発光層１２６及び第２の電子輸送層１２８を備えている。

第１の発光層１０６は、青色ドーパント及び青色ホストが含まれた発光層であって、弱い青色光を放出し、第２の発光層１１６は、第１の発光層１０６よりドーピング濃度が高い青色ドーパント及び青色ホストが含まれた発光層であって、強い青色光を放出し、第３の発光層１２６は、黄色―緑色燐光ドーパント及びホストが含まれた発光層であって、黄色―緑色光を放出する。これによって、第１及び第２の発光層１０６、１１６の青色（Ｂ）光と、第３の発光層１２６の黄色―緑色（ＹＧ）光とが混合されることによって白色光を放出することができる。

このように、本発明の第１の実施例に係る有機電界発光素子においては、第１及び第２の発光層１０６、１１６の間に形成される発光制御層１０８によって第２の発光層１１６で強い発光が行われる。また、本発明の第１の実施例に係る有機電界発光素子においては、第２の発光層１１６の発光に寄与できない各電子が発光制御制層１０８を介して第１の発光層１０６に移動し、第１の発光層１０６で全て発光するようになるので、第１の発光層１０６で弱い発光が行われる。これによって、本発明の第１の実施例に係る有機電界発光素子では、第２の電極１０４からの電子及び正孔が全て発光に寄与するので、効率が向上する。特に、青色を表現する有機電界発光素子の場合、青色発光層の効率が向上する。

図４は、本発明の第２の実施例に係る有機電界発光素子を示す図である。

図４に示した有機電界発光素子は、図１に示した有機電界発光素子に比べると、複数の発光制御層を備えることを除いては同一の構成要素を備えている。したがって、同一の構成要素に関する詳細な説明は省略する。

図４に示した多層の発光制御層１０８は、第１及び第２の発光層１０６、１１６の間に形成される第１及び第２の発光制御層１０８ａ、１０８ｂを備えている。

第１の発光制御層１０８ａは、第２の発光制御層１０８ｂと、赤色（Ｒ）を表現する第１の発光層１０６との間に形成される。この第１の発光制御層１０８ａは、正孔移動度より電子移動度が高い材質で形成される。例えば、第１の発光制御層１０８ａは、化学式３に記載した電子輸送層１１８と同等以上の特性を有する材質で形成されるので、電子輸送層１１８と同一であるか、それより高い電子移動度を有するようになる。これによって、電子輸送層１１８からの電子は、トンネリング（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）を通じて第２の発光制御層１０８ｂを通過し、第２の発光制御層１０８ｂを通過した電子は、電子輸送性能に優れた第１の発光制御層１０８ａを介して第１の発光層１０６に輸送される。

第２の発光制御層１０８ｂは、第１の発光制御層１０８ａと、青色（Ｂ）を表現する第２の発光層１１６との間に形成される。この第２の発光制御層１０８ｂは、電子移動度より正孔移動度が高い材質で形成される。例えば、第２の発光制御層１０８ｂは、化学式２に記載した正孔輸送層１１４と同等以上の特性を有する材質で形成されるので、第２の発光制御層１０８ｂは、正孔輸送層１１４と同一であるか、それより高い正孔移動度を有するようになる。これによって、正孔輸送層１１４からの正孔は、トンネリングを通じて第１の発光制御層１０８ａを通過し、第１の発光制御層１０８ａを通過した正孔は、正孔輸送性能に優れた第２の発光制御層１０８ｂを介して第２の発光層１１６に輸送される。

一方、第１の発光制御層１０８ａは、正孔のトンネリングが起こるように約２ｎｍ〜約１３ｎｍの厚さに形成され、第２の発光制御層１０８ｂは、電子のトンネリングが起こるように約２ｎｍ〜約１３ｎｍの厚さに形成され、第１及び第２の発光制御層１０８ａ、１０８ｂからなる発光制御層１０８の全体厚さは４ｎｍ〜１５ｎｍに形成される。一方、第１及び第２の発光制御層１０８ａ、１０８ｂのそれぞれの厚さが１３ｎｍを超えると、トンネリングによる正孔及び電子の輸送効果を得ることができない。第１及び第２の発光制御層１０８ａ、１０８ｂのそれぞれの厚さが２ｎｍ未満であると、トンネリングによる正孔及び電子の輸送効果を得ることができるが、各層の材料固有の特性を得ることができない。

表２は、各比較例と、本発明の第２の実施例に係る有機電界発光表示素子の外部量子効率を示した表である。

ここで、本発明の実施例２と比較例１〜３は、基板上に次のような構造に形成される。

実施例２、比較例１―３：第１の電極／正孔注入層／正孔輸送層／赤色を表現する第１の発光層／第１の発光制御層／第２の発光制御層／青色を表現する青色発光層／電子輸送層／第２の電極

特に、第１及び第２の発光制御層は、次のような化学式７の材質で実験された。

比較例１〜３と実施例２のそれぞれの第１及び第２の発光制御層（ＥＣＬ１、ＥＣＬ２）は、表２に示した厚さに形成された。

表２に示したように、第１の発光制御層１０８ａの厚さが２ｎｍ未満である比較例１〜３の場合、実施例２に比べると、青色発光層の外部量子効率は高いが、赤色発光層の外部量子効率は非常に低い。これは、第１の発光制御層１０８ａの厚さが過度に薄いので、第１の発光制御層１０８ａとしての役割を確実に行えなかったためである。

これによって、図６に示したように、比較例１〜３では、青色の波長帯域（４１０ｎｍ〜５００ｎｍ）のみで光が放出されるので、白色を表現できない一方、本願発明の実施例２では、青色の波長帯域（４１０ｎｍ〜５００ｎｍ）と赤色の波長帯域（５８０ｎｍ〜７００ｎｍ）で光が放出されるので、赤色光と青色光とが混合されることによって白色を表現することができる。

このように、本発明の第２の実施例に係る有機電界発光素子は、第１及び第２の発光層１０６、１１６の間に形成される第１及び第２の発光制御層１０８ａ、１０８ｂによって第１及び第２の発光層１０６、１１６で全て発光が行われるので、効率が向上する。

以上説明した本発明は、上述した実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であることは、本発明の属する技術分野で従来の知識を有する者にとって明白であろう。

１０２ 第１の電極
１０４ 第２の電極
１０６、１１６、１２６ 発光層
１０８ 発光制御層
１１０、１２０、１４０ 発光スタック
１３０ 電荷生成層

Claims (7)

1. 基板上で互いに向かい合う第１及び第２の電極と、
   前記第１及び第２の電極の間に形成される第１及び第２の発光層と、
   前記第１の電極と第１の発光層との間に形成される正孔輸送層と、
   前記第２の電極と第２の発光層との間に形成される電子輸送層と、
   前記第１及び第２の発光層の間に形成され、前記正孔輸送層及び前記電子輸送層のうち少なくともいずれか一つと同一の特性を有する少なくとも一つの発光制御層と、を備え、
   前記少なくとも一つの発光制御層は、同一の色を表現する第１及び第２の発光層の間で前記正孔輸送層と同一の特性を有し、
   前記第１及び第２の発光層のそれぞれは、発光ホスト及び発光ドーパントからなり、
   前記第１の発光層の発光ホストは、前記第２の発光層の発光ホストと異なる材質で形成され、
   前記第１の発光層の発光ドーパントのドーピング濃度は、前記第２の発光層の発光ドーパントのドーピング濃度より低く、
   前記第１の発光層の発光ホストの正孔移動度は、前記第２の発光層の発光ホストの正孔移動度より速いことを特徴とする有機電界発光素子。
2. 前記第１及び第２の発光層は青色を表現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。
3. 前記少なくとも一つの発光制御層は、
   前記第１の発光層上に形成され、前記電子輸送層と同一の特性を有する第１の発光制御層と、
   前記第１の発光制御層上に形成され、前記正孔輸送層と同一の特性を有する第２の発光制御層と、を備え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. 前記第１の発光制御層においては、正孔移動度より電子移動度が高く、
   前記第２の発光制御層においては、前記電子移動度より前記正孔移動度が高いことを特徴とする、請求項３に記載の有機電界発光素子。
5. 前記第１及び第２の発光制御層のそれぞれの厚さは２ｎｍ〜１３ｎｍで、
   前記第１及び第２の発光制御層を含む前記少なくとも一つの発光制御層の全体厚さは４ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする、請求項３に記載の有機電界発光素子。
6. 前記第１の発光層は赤色を表現し、前記第２の発光層は青色を表現することを特徴とする、請求項３に記載の有機電界発光素子。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項の有機電界発光素子を含む有機電界発光表示装置。

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