説明

多色有機EL素子アレイ

【課題】コストを低減させながら、耐久特性の劣化を抑えた多色有機EL素子アレイを提供する。
【解決手段】陽極及び陰極と、前記陽極と前記陰極との間に挟まれ、少なくとも画素ごとに複数の色に塗り分けられた有機発光層と、複数の画素に渡って形成された共通の電子輸送層とを少なくとも備える多色有機EL素子アレイにおいて、最も駆動電圧の低い画素の前記有機発光層よりも陰極側に電圧調整層が設けられていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電極間に挟まれた有機発光層を含む有機層に通電することにより光を放出する有機EL素子に関し、特に、複数色の有機EL素子を基板上に多数形成してなる多色有機EL素子アレイに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、フラットパネル対応の自発光型デバイスが注目されている。自発光型デバイスとしては、プラズマ発光表示素子、フィールドエミッション素子、エレクトロルミネセンス(EL)素子等がある。
【0003】
この中で、特に、有機EL素子に関しては、研究開発が精力的に進められており、緑単色や、青、赤等の色を加えたエリアカラータイプのアレイが製品化され、現在はフルカラー化への開発が活発化している。
【0004】
フルカラー発光アレイを作製する場合、発光層を画素(素子)ごとに塗り分ける方式が知られている。例えば、有機層成膜を蒸着で行なう場合、シャドウマスクを用いて、必要な画素のみに有機発光層を成膜することが一般的に行なわれている。
【0005】
この場合、工程を減らしてコストを削減するために、有機発光層以外の層は各画素で共通化することがある。特許文献1は、陽極、有機発光層、薄膜トランジスタが画素毎に形成され、薄膜トランジスタ(以下TFTと称する)上に平坦化絶縁膜が形成され、正孔輸送層、電子輸送層、陰極は複数の画素に渡って形成されていることを特徴とする発明を開示する。
【0006】
また、フルカラー発光アレイの駆動方式としてTFTを用いたアクティブ駆動を採用する場合には、いくつかの方式が提案されている。このうち、有機EL素子に供給する駆動電圧を一定にした上で、発光期間を制御することにより階調表示を行なう電圧駆動方式がある。
【0007】
特許文献2は、時分割階調方式において、各色画素への印加電圧を、表示する色によって変えることを特徴とする発明を開示する。
【0008】
また、特許文献3は、アナログ入力信号から発光期間制御による階調表示を行い、かつTFTの閾値(Vth)のばらつきを補正する回路を備え、さらに1フレーム内に点灯期間と非点灯期間とを設けることを特徴とする発明を開示する。特許文献3に記載の発明は、Vthのばらつきを補正し、かつ発光期間を制御することで階調表示を行なう。そのため、OLED駆動TFTの電流駆動能力である相互コンダクタンスが十分に大きければ、TFT特性ばらつきの影響を受けず、面内の輝度ばらつきを抑えた表示装置を提供できる。
【0009】
【特許文献1】特開2004−6362号公報
【特許文献2】特開2001−159878号公報
【特許文献3】特開2003−122301号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
特許文献1に記載された有機EL素子の場合、正孔輸送層、電子輸送層は複数の画素に渡って形成される共通層であるため、異なる色を表示する画素同士で駆動電圧が異なることが自然と起こりえる。
【0011】
その際、例えば駆動電圧を一定にして、発光時間による階調表示方式を用い、電源供給線及び電源供給源を無理に共通化すると、駆動電圧の低い画素に必要以上の電圧がかかるため、必要以上に高い輝度で短時間発光させることになる。これにより、素子の耐久特性への負荷が増大することが懸念される。
【0012】
特許文献2に記載された電圧駆動方式を用いる場合、異なる色の画素相互で駆動電圧が大きく異なると、画素毎に異なる電圧を供給するために、画素毎に異なる電源供給線及び電源供給用回路を備えなくてはならない。よって駆動回路が複雑化し、コスト増につながる。さらに、駆動回路を基板上のTFTと同様にして基板周辺に作り込む場合、基板周辺の駆動回路領域が拡大するために、パネルの額縁が拡大してしまう。
【0013】
特許文献3に記載された駆動回路において、ある表示色の画素の駆動電圧が極端に低い場合には、ばらつき補償が難しくなることがある。その画素においては、前記TFTは他の画素で用いられる線型領域ではなく、飽和領域で使用されることとなる。その場合、Vthのシフトは補償されるものの、移動度のばらつきを補償することが難しくなり、面内の輝度ばらつきを抑制する能力が低下する。
【0014】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コストを低減させながら、耐久特性の劣化を抑えた多色有機EL素子アレイを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記課題を解決するための手段として、本発明は、
陽極及び陰極と、前記陽極と前記陰極との間に挟まれ、少なくとも画素ごとに複数の色に塗り分けられた有機発光層と、複数の画素に渡って形成された共通の電子輸送層とを少なくとも備える多色有機EL素子アレイにおいて、
最も駆動電圧の低い画素の前記有機発光層よりも陰極側に電圧調整層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、耐久特性の劣化を抑えながらコストを低減することができる多色有機EL素子アレイを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、図1を用いて、本発明をより詳細に説明する。
【0018】
図1は本発明の一実施形態を表す概略断面図である。基板1上に、不図示の配線とスイッチング素子を備え、画素ごとに分割された陽極2、正孔輸送層3、画素ごとに分割された有機発光層4、特定の画素のみに設けられた電圧調整層6、電子輸送層5、電子注入層7、陰極8を備える。前記陽極は画素ごとに分割されているため、不図示の配線、スイッチング素子を介して画素ごとに所望の電流を流すことで所望の発光パターンを得ることができる。
【0019】
本発明においては、特定の画素、つまり最も駆動電圧の低い画素に、有機発光層4よりも陰極側に前記電圧調整層6が設けられていることを特徴とする。前記電圧調整層6とは、設けることで駆動電圧が上昇する層である。電圧調整層6を設けることで、異なる色の画素間で、駆動電圧を調整することができるため、画素毎に駆動配線を共通化することができ、コストの低減が可能となる。
【0020】
通常、有機EL素子においては、消費電力を下げることを目指すため、本発明のようにあえて電圧を上げる構成を採ることは行なわない。また、本発明者らの検討によれば、駆動電圧を上げることに伴い、耐久特性の低下を伴うことが多いことが判明した。そのため、耐久特性を低下させずに電圧を上昇させる方法を鋭意検討し、電圧調整層6を有機発光層4よりも陰極側に設けるという本発明に至った。
【0021】
前記電圧調整層6を前記有機発光層4よりも陰極側に設けるのは、前記有機発光層4よりも陽極側に設ける場合に比べ、耐久特性に優れるためである。この理由は定かではないが、以下のように推測している。
【0022】
緑色の有機EL素子は正孔律速になっており、発光領域が正孔輸送層側に偏っていると推測している。この場合、前記有機発光層4よりも陽極側に電圧調整層6を設けると、律速キャリアである正孔がさらに少なくなる。このため、キャリアバランスの変化や電子漏れを引き起こして、耐久特性に悪影響を与えると考えられる。以上のことから、発光領域が前記有機発光層4における厚さ方向の中心よりも正孔輸送層側にあることが好ましい。
【0023】
前記電圧調整層6の材料としては、有機EL素子の駆動電圧を上昇させるものなら、特に限定されない。例えば、電子輸送材料を用いることもできるし、絶縁物や半導体を用いることもできる。電子輸送層5に比べて電子の移動度がより小さいものを用いてもよい。
【0024】
さらに、電子輸送層5から電圧調整層6への電子注入障壁が大きなものや、電圧調整層6から有機発光層4への注入障壁が大きなものを用いてもよい。前者の例としては、前記電圧調整層6の電子親和力が、前記有機発光層4に含まれる材料の中で最も大きい電子親和力よりも小さく、かつ前記電子輸送層5の電子親和力よりも小さい材料が挙げられる。後者の例としては、前記電圧調整層6の電子親和力が、前記有機発光層4に含まれる材料の中で最も大きい電子親和力よりも大きく、かつ前記電子輸送層5の電子親和力よりも大きい材料が挙げられる。
【0025】
また、前記電圧調整層6としては、無機物を用いてもよいし、有機物を用いてもよいし、これらの混合物を用いてもよい。成膜方法も特に制限はない。印刷・インクジェット法などのウェットプロセスに加え、蒸着・スパッタ等のドライプロセス等を例に挙げることができる。この中でも、特に下層へのダメージや不純物を少なくするという観点で、有機物を蒸着で設けることがより好ましい。
【0026】
前記電圧調整層6の膜厚は、画素間の電圧を調整できるなら特に限定されないが、薄すぎると十分な電圧調整能力を発揮できず、厚すぎると光学調整への制約が厳しくなる。好ましくは0.1nmから100nm、さらに好ましくは0.5nmから20nmの範囲を採ることができる。
【0027】
前記電圧調整層6は、各色の画素間の発光電圧差を考慮し、最も低い駆動電圧の画素に設けられる。駆動電圧の低い画素に必要以上の電圧がかからないため、有機EL素子の耐久特性の劣化を抑えることができる。
【0028】
前記電圧調整層6を設ける画素の色に制限はなく、用いる材料によっても異なるが、緑色画素に設けることが好ましい。これは、緑色画素において他の色の画素に比べて駆動電圧が低くなりがちなためである。緑色は視感度が高いために効率が高くなりやすいこと、所望の色や輝度を得るために有機EL素子の膜厚を調整する場合も、波長がより長い赤色に比べると膜厚は薄くなること、などが駆動電圧が低くなる原因である。
【0029】
一方、青色は視感度も低く、かつ放射光のエネルギーが大きいためか、現実問題として高い効率が得にくくなっているため、所望の輝度を得るためには、駆動電圧も高くなりがちである。
【0030】
前記電圧調整層6は、異なる画素間の電圧差に応じて、1種類の画素に設けてもよいし、2種類以上の画素に設けてもよい。1種類の画素に設ける場合、塗り分けによるコストの上昇を最低限に抑えることができるため、好ましい。また、2種類以上の画素に設けると、画素間の発光電圧差をより細かく調整できるため、好ましい。
【0031】
前記電圧調整層6の配置は、本実施形態においては有機発光層4と電子輸送層5との間に設けているが、電圧上昇させることができるならばこれに限定されない。陰極8に近接して設けてもよいし、有機発光層4と陰極8との間にある別の層の間、例えば、電子輸送層5と電子注入層7との間に設けてもよい。有機発光層4に近接して設ける場合、元々有機発光層4は塗り分けるため、有機発光層4の成膜時のシャドウマスクをつけたまま、引き続き電圧調整層6を成膜することができる。この場合、新たに電圧調整層用のシャドウマスクを準備する必要がなく、アライメントにかかる時間による工程の延長を伴わないため、電圧調整層6を設けるためのコストの上昇を最低限に抑えることができ、より好ましい。
【0032】
前記電圧調整層6を設ける画素を判断する際に、前記各色の画素に設けられるTFTのうち、前記有機EL素子を駆動する役割を果たす駆動TFTのドレイン特性と、有機EL素子の電圧−電流特性を比較する。その結果、前記有機EL素子の電圧−電流特性が、前記ドレイン特性のうち飽和領域にかかっている画素に、電圧調整層6を設けることが好ましい。こうすることで、相対的に前記駆動TFTの駆動能力は十分なものとなり、ばらつき補正の能力が拡大する。
【0033】
以下、その他の構成部材について説明する。
【0034】
基板1としては、石英、ガラス、樹脂、金属など何を用いてよい。また、基板1上には、不図示の薄膜トランジスタなどのスイッチング素子や配線を備える。このとき、スイッチング素子によって発光期間を制御することにより階調を制御する方式とすることが好ましい。前記方式においては、画素に対して所定の電圧を印加するが、その印加期間を制御することで発光期間を制御し、階調制御を行なう。そのため、発光色の異なる画素に対しては、異なる電圧を印加することが一般的で、色毎に駆動電圧の異なる配線を設ける必要がある。本発明においては、電圧調整層を設けることで、異なる発光色の画素の駆動電圧を調整し、配線を共通化でき、コストの低減をはかる事ができる。さらに、電圧を共通化することで、異なる色の画素を同じ配線に接続することができるため、基板上の画素の配列の自由度が高まるという利点も有する。
【0035】
陽極2としては、反射電極として用いる場合には、例えばクロム、アルミニウム、銀、又はこれらの合金などを用いることができる。また、透明電極として用いる場合には、ITOなどの金属酸化物などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【0036】
正孔輸送層3としては、公知の材料を好適に用いることができる。例えば、トリフェニルジアミン誘導体、オキソジアゾール誘導体、ポリフィリル誘導体、スチルベン誘導体等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。また、有機発光層4が正孔輸送層を兼ねてもよいし、正孔注入層と正孔輸送層との積層体、すなわち複数の層で正孔輸送層3の機能を担ってもよい。また、前記正孔輸送層3の厚さは、各画素共通でもよいし、干渉を合わせる上で、色に応じて膜厚を変えてもよい。
【0037】
有機発光層4としては、公知の発光材料を何れも好適に用いることができる。発光材料は、単体で有機発光層として機能する材料を用いてもよいし、ホスト材料と発光ドーパントや電荷輸送ドーパント、発光補助ドーパントなどとの混合系として機能する材料を用いてもよい。また、有機発光層4は各画素において表示する色に応じて異なる材料を用いる。
【0038】
電子輸送層5としては、公知の材料を好適に用いることができる。例えば、アルミキノリノール誘導体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェニルキノキサリン誘導体、シロール誘導体、フェナントロリン誘導体等、が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【0039】
電子注入層7としては、何を用いてもよい。例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物やフッ化物や炭酸塩を単層で用いてもよいし、電子輸送材料に前記アルカリ金属やアルカリ土類金属の化合物をドープして用いてもよい。ちなみに、電子注入層7に含まれるアルカリ金属若しくはアルカリ土類金属又はこれらの化合物の、前記電圧調整層での拡散性が、前記共通の電子輸送層の拡散性よりも小さいものを用いてもよい。これらのアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属又はこれらの化合物が前記電子輸送層へ拡散することにより、前記電子輸送層の導電率が上昇し、電圧が低下することがある。拡散性のより低い電圧調整層を前記電子輸送層と電子注入層との間に設けることで、前記電子輸送層への拡散を抑制し、電子輸送層の導電率を抑えて、電圧を上げることができる。
【0040】
本実施形態では、前記電子輸送層5、電子注入層7を備えるが、これに限定されるものではなく、別の実施形態として1層で両方の機能を兼ねてもよいし、複数の層がその機能を担ってもよい。また、陰極材料中にアルカリ金属等の低仕事関数物質を含有し、該陰極8から電子の注入が支障なく行なわれる場合や、有機発光層4の材料が電子注入に適している場合には、別途電子輸送層5、電子注入層7は備えなくてもよい。この場合、陰極8が各画素共通の電子注入層であるとする。
【0041】
陰極8は、例示した図1のようにITOなどの透明電極を使用してトップエミッション素子としてもよいし、アルミニウム(Al)などの反射電極を使用してボトムエミッション素子としてもよいし、特に限定されない。
【0042】
さらに、本実施形態では、基板側に陽極、反対側に陰極を設ける構成で説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、基板側に陰極、反対側に陽極を設ける構成でもよい。
【実施例】
【0043】
以下、実施例を用いて、本発明についてさらに詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0044】
<実施例1>
図1に示す構造のR(赤)、G(緑)、B(青)の3色の有機EL素子(画素)を有する多色有機EL素子アレイを以下に示す方法で作製する。本実施例で用いる有機化合物の化学式を化1、化2、化3に示す。
【0045】
【化1】

【0046】
【化2】

【0047】
【化3】

【0048】
公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、基板1上に不図示のスイッチング素子及び配線を形成する。その上に、スパッタリング法にて膜厚100nmのアルミニウムと膜厚20nmのITOとの積層膜を形成してパターニングすることで、画素ごとに分割され、不図示のスイッチング素子を介して、画素ごとに独立に駆動する陽極2を形成する。
【0049】
さらに、ポリイミド樹脂により不図示の素子分離膜を形成する。これをイソプロピルアルコール(IPA)で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。さらに、UV/オゾン洗浄してから有機化合物を真空蒸着により成膜する。
【0050】
始めに、シャドウマスクを用いて、Bの正孔輸送層3cとして、HT−1を真空蒸着法にて20nmの膜厚に成膜する。蒸着時の真空度は1×10-4Pa、成膜レートは0.3nm/secとする。引き続き、Bの有機発光層4cとして、ホストとしてEM−1を、ドーパントとしてEM−2を、体積比が95:5になるように共蒸着し、35nmの膜厚に成膜する。
【0051】
シャドウマスクを交換し、Rの正孔輸送層3aとして、HT−1を真空蒸着法にて60nmの膜厚に成膜する。引き続きRの有機発光層4aとして、ホストとしてEM−5を、ドーパントとしてEM−6、EM−7を体積比80:4:16となるように共蒸着し、50nmの膜厚に成膜する。
【0052】
別のシャドウマスクを用いて、Gの正孔輸送層3bとして、HT−1を真空蒸着法にて30nmの膜厚に成膜する。引き続きGの有機発光層4bとして、ホストとしてEM−3を、ドーパントとしてEM−4を体積比90:10になるように共蒸着し、30nmの膜厚に成膜する。
【0053】
さらに、同じシャドウマスクを用いて、Gの有機発光層4b上にのみ、電圧調整層6として、公知のAlq3を10nmの膜厚に成膜する。蒸着時の真空度は1×10-4Pa、成膜レートは0.3nm/secとする。
【0054】
共通の電子輸送層5としてバソフェナントロリン(Bphen:ET−1と略す)を真空蒸着法にて10nmの膜厚に成膜する。蒸着時の真空度は1×10-4Pa、成膜レートは0.3nm/secとする。
【0055】
共通の電子注入層7を形成する。ホストとしてET−1を、アルカリ金属化合物のドーパントとして炭酸セシウムを共蒸着にて40nmの膜厚に成膜する。蒸着時の真空度は1×10-4Pa、成膜レートは炭酸セシウムを0.009nm/secとし、ET−1を0.3nm/secとする。
【0056】
別のチャンバーに移動させ、ITOをスパッタ法にて40nmの膜厚に成膜し陰極8を形成する。最後に、窒素雰囲気下で基板1に乾燥剤を備えるガラスキャップを貼り付けて封止し、多色有機EL素子アレイを得る。
【0057】
<比較例1>
上記実施例1と略同様にして、比較例1の多色有機EL素子アレイを得る。つまり、比較例1では、Gの有機発光層の上に電圧調整層を設けず、また、Gの正孔輸送層として、HT−1を10nmの膜厚に成膜し、その上に正孔輸送層として従来知られているN,N’−α−ジナフチルベンジジン(α−NPD)を20nmの膜厚に成膜する。その他の構成は実施例1と同様である。
【0058】
上記実施例1の多色有機EL素子アレイを発光させると、250cd/m2の白色発光させるために必要な電圧は、R、G、Bともに4.1Vであり、同一の電源供給線で駆動することができ、多色有機EL素子アレイのコストを低減できる。しかも、面内の輝度ばらつきによる表示品位の低下も見られない。
【0059】
また、Gの有機EL素子を10mA/cm2で連続駆動させて耐久特性を測定すると、半減時間は4000時間であり、比較例1の多色有機EL素子アレイに比べ、耐久特性も優れている。
【0060】
上記比較例1の多色有機EL素子アレイを発光させると、250cd/m2の白色発光させるために必要な電圧は、R、G、Bともに4.1Vである。Gの有機EL素子を10mA/cm2で連続駆動させて耐久特性を測定すると、半減時間は2000時間であり、耐久特性が大幅に悪化する。
【産業上の利用可能性】
【0061】
本発明の多色有機EL素子アレイは、各種ディスプレイに好適に用いることができる。ディスプレイとはテレビやパソコンの表示部や電子機器に搭載される表示部といった画像表示装置のことである。電子機器に搭載される表示部として好ましくは車内の表示部であったり、デジタルカメラの画像表示部であったり、あるいは複写機やレーザービームプリンタといった事務機器の操作パネルを挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】本発明の一実施形態を表す概略断面図である。
【符号の説明】
【0063】
1 基板
2 陽極
3 正孔輸送層
4 発光層
5 電子輸送層
6 電圧調整層
7 電子注入層
8 陰極

【特許請求の範囲】
【請求項1】
陽極及び陰極と、前記陽極と前記陰極との間に挟まれ、少なくとも画素ごとに複数の色に塗り分けられた有機発光層と、複数の画素に渡って形成された共通の電子輸送層とを少なくとも備える多色有機EL素子アレイにおいて、
最も駆動電圧の低い画素の前記有機発光層よりも陰極側に電圧調整層が設けられていることを特徴とする、多色有機EL素子アレイ。
【請求項2】
前記複数の色の画素は赤、緑、青からなり、緑色画素に前記電圧調整層が設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項3】
前記電圧調整層が設けられた画素の発光領域は、前記有機発光層の中心よりも正孔輸送層側であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項4】
前記電圧調整層は、前記共通の電子輸送層と、前記有機発光層との間に設けられていることを特徴とする、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項5】
前記電圧調整層は、前記共通の電子輸送層よりも陰極側に設けられていることを特徴とする、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項6】
前記電圧調整層の電子親和力は、前記有機発光層に含まれる材料の中で最も大きい電子親和力よりも小さく、かつ前記電子輸送層の電子親和力よりも小さいことを特徴とする、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項7】
前記電圧調整層の電子親和力は、前記有機発光層に含まれる材料の中で最も大きい電子親和力よりも大きく、かつ前記電子輸送層の電子親和力よりも大きいことを特徴とする、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項8】
アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属又はこれらの化合物を含む電子注入層が設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項9】
前記電圧調整層の、前記アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属又はこれらの化合物の拡散性は、前記共通の電子輸送層の拡散性よりも小さいことを特徴とする、請求項8に記載の多色有機EL素子アレイ。
【請求項10】
スイッチング素子を各画素に備えており、各画素の駆動方式は、発光期間を制御することにより階調を制御する方式であることを特徴とする、請求項1に記載の多色有機EL素子アレイ。

【図1】
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【公開番号】特開2009−147065(P2009−147065A)
【公開日】平成21年7月2日(2009.7.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−322030(P2007−322030)
【出願日】平成19年12月13日(2007.12.13)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【出願人】(502356528)株式会社 日立ディスプレイズ (2,552)
【Fターム(参考)】