有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置
【課題】光抽出効率を高めた有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に規則的にパターニングされた第１電極層と、前記第１電極層上に配置され、有機層よりも屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層と、前記低屈折導電層上に配置される有機層と、前記有機層上に形成される第２電極層と、を備える有機発光素子。
【解決手段】基板と、基板上に規則的にパターニングされた第１電極層と、前記第１電極層上に配置され、有機層よりも屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層と、前記低屈折導電層上に配置される有機層と、前記有機層上に形成される第２電極層と、を備える有機発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置に関し、さらに詳細には、光抽出効率を高めた有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光素子は、互いに対向する電極間に有機発光層を配置させて、一の側電極から注入された電子と他の側電極から注入された正孔とが有機発光層で再結合し、この際の再結合を通じて発光層の発光分子が励起された後、基底状態に戻りながら放出されるエネルギーを光として発光させる発光素子である。
【０００３】
有機発光素子の発光層で発光される光は、一般的に特定の方向性を持たずに放出され、統計的に均一な各分布をなす任意の方向に放出される特性を有する。このため、有機発光素子の発光層内で生成された総光子数に対して、消費されずに観測者に到達する光子数の比率、すなわち、外部光抽出効率（Ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ηｏｕｔ）は、有機発光素子を構成する各層の屈折率の値によって変わりうるが、通常１５〜２０％未満程度にしか達し得ない。
【０００４】
有機発光素子の外部光抽出効率は、全般的な外部量子効率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＥＱＥ）および電力効率を制限し、ＥＱＥや電力効率は、有機発光素子の全体的な電力消費量を決定して有機発光素子の寿命に大きい影響を与える要因であるため、これを増大させるために様々な研究がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国公開特許第２００８／０２３８３１０号明細書
【特許文献２】米国公開特許第２００８／０２６５７５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点およびその他の問題点を解決するために、外部光抽出効率が向上した有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と、前記基板上に規則的にパターニングされた第１電極層と、前記第１電極層上に配置され、有機層よりも屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層と、前記低屈折導電層上に配置された有機層と、前記有機層上に形成された第２電極層と、を備える有機発光素子を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の有機発光素子によれば、素子能動部に電気的な不活性領域がないため、不活性領域の存在による素子の寿命減少の要因がない状態で光抽出効率を向上させることができ、また、これに比例して電力効率の向上をそのまま具現できる。このような光抽出効率および電力効率向上は、全般的な有機発光素子の寿命向上をもたらす。また、本発明の一実施形態による有機発光素子は、波長依存性がないか、または非常に少ない光抽出効率の向上をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による有機発光素子を示す断面概略図である。
【図２】基板上に第１電極層がパターニングされたパターン構造の平面概略図およびパターン構造の断面概略図である。
【図３】本実施形態による有機発光素子の発光状態を光線追跡法により模式的に示す断面模式図である。
【図４】本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図面である。
【図５】本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図面である。
【図６】本発明の他の実施形態による有機発光素子を示す断面概略図である。
【図７】第１電極層のテーパー角およびエッチング比率と有機発光素子の光抽出効率との関係を示す図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による有機発光素子を示す断面概略図である。
【図９】本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図である。
【図１０】本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図である。
【図１１】基板と同じ屈折率を有するマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を備えた有機発光素子の場合の、基板屈折率と光抽出効率との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付した図面に図示された本発明の望ましい実施形態を参照して、本発明の技術的思想を詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による有機発光素子を概略的に図示した断面概略図である。
【００１２】
図１を参照すれば、本実施形態による有機発光素子１００は、基板１１０、第１電極層１２０、低屈折導電層１３０、有機層１４０、および第２電極層１５０を備える。
【００１３】
基板１１０は、ＳｉＯ２を主成分とするガラス基板、プラスチック基板など多様な材質の基板を使用することができる。本発明の有機発光素子１００は、第２電極層１５０側に光が放出される前面発光、基板１１０側に光が放出される背面発光、または両面発光のいかなる場合にも適用できるが、本実施形態では基板１１０側に光が放出される背面発光素子を基準に説明する。この場合、透明な基板１１０を使用することが好ましい。
【００１４】
一方、本実施形態では、有機発光素子１００の光抽出効率を向上させるための透明な基板１１０には、通常多く用いられるソーダライム基板を使用している。
【００１５】
基板１１０上に、第１電極層１２０が規則的にパターニングされて配置される。本実施形態では、第１電極層１１０は透明電極の一種であって、屈折率が約１．８であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を使用したが、本発明はこれに限定されないということは言うまでもない。
【００１６】
図２は、基板１１０上に第１電極層１２０がパターニングされたパターン構造の平面概略図とパターンの断面を示す断面概略図である。
【００１７】
図２を参照すれば、第１電極層１２０は、基板１１０上に複数の開口パターンＡが規則的に繰り返し形成され、所定の厚さＤ１を備えたグリッドタイプのパターンに形成されている。
【００１８】
これらの第１電極層１２０のパターンの周期的間隔は、好ましくは光の波長より大きく数μｍサイズに形成されて、可視光領域での光の波長依存性を低減させる。このように、数μｍサイズの第１電極層１１０のパターンは、一般的なフォトリソグラフィ工程を利用して容易にエッチングして形成できるという利点がある。
【００１９】
一方、図２には、第１電極層１２０のパターンである矩形の開口Ａが規則的に配列されているが、これは一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、規則的なパターンの開口Ａは、矩形以外の任意の形状にしてもよく、サイズや繰り返しの周期もパターンの全体的な均一性を損なわない範囲で、ある程度の変形が可能である。
【００２０】
一方、図２には、第１電極層１２０の開口が完全にエッチングされて基板１１０の表面が表れるようにパターニングされているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第１電極層１２０のパターン端部を、基板１１０の表面に所定のテーパー角（θ）で形成することによって、光抽出効率を向上させることができる。これらについての詳細な説明は、後述する。
【００２１】
第１電極層１２０の洗浄およびプラズマクリーニングを経た後、第１電極層１２０および開口された基板１１０上に、有機層１４０より屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層１３０を形成する。
【００２２】
低屈折導電層１３０は、好ましくはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート））、ポリアニリン、カーボンナノチューブ、およびグラフェンからなる群より選択される少なくとも１種の物質を、スピンコーティングなど多様な方法を用いて形成されうる。
【００２３】
かかる低屈折導電層１３０は、導電率および透明性に優れ、屈折率が有機層１４０より小さく、かつ隣接する有機層１４０への電荷注入が容易であることが好ましい。
【００２４】
本実施形態では、低屈折導電層１３０に、導電性高分子であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの高導電グレードであるドイツのＨＣ Ｓｔａｒｃｋ社製のＰＨ５００溶液に、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を５％の体積比で混合し、スピンコーティング法で塗布した。この場合、低屈折導電層１３０の導電率は、２００〜５００Ｓ／ｃｍ程度であり、約５０ｎｍ厚さのフィルムで、数百Ω／ｓｑほどの面抵抗が実現できるということが知られており、正孔輸送型有機層への正孔注入もよく行われると知られている。低屈折導電層 １３０の屈折率は、可視光領域で好ましくは１．３〜１．５ほどであって、有機層１４０の屈折率である１．７〜１．８より小さく具現される。
【００２５】
低屈折導電層１３０上に有機層１４０が形成される。図２には有機層１４０が単一の層で図示されているが、実際には、有機層１４０はいろいろな物質が用いられる複層構造であってもよく、無機物質層をさらに備えてもよい。これらの有機層１４０は、有機低分子または有機高分子から形成される。
【００２６】
有機低分子を用いる場合、有機層１４０は、通常複層構造で形成される。該複層構造は、正孔注入層（ＨＩＬ：Ｈｏｌｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、正孔輸送層（ＨＴＬ：Ｈｏｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、発光層（ＥＭＬ：Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）、電子輸送層（ＥＴＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、電子注入層（ＥＩＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）のうち、発光層を含む一つ以上の層を含む積層構造で形成され、使用可能な有機材料も、例えば、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、Ｎ，Ｎ−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン（ＮＰＢ）、トリス−８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ３）などをはじめとして、多様に適用できる。有機高分子の場合、有機層１４０からアノード電極側に通常正孔輸送層（ＨＴＬ）（図示せず）がさらに備えられた構造を有することができるが、本実施形態では、アノード層の上部に塗布された低屈折率導電体であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層 １３０がその役割を兼ねることができる。すなわち、正孔注入層として前記のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを使用し、発光層としてＰＰＶ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ）系およびポリフルオレン系などの有機高分子を使用できる。本実施形態では、有機層１４０が、標準構造として多く使われるＮＰＢ（厚さ ５０ｎｍ）およびＡｌｑ３（厚さ ５０ｎｍ）で構成され、この場合、ＮＰＢがホール輸送層として、Ａｌｑ３が電子輸送層および発光層として作用する。
【００２７】
有機層１４０上に第２電極層１５０が形成される。第２電極層１５０は、前面発光型素子の場合には透明電極で、背面発光型素子の場合には反射型電極で形成されうる。第２電極層１５０が反射型電極で形成される場合には、好ましくはＬｉ、Ｃａ、ＬｉＦ／Ｃａ、ＬｉＦ／Ａｌ、Ａｌ、Ｍｇ、またはこれらの化合物から形成される。本実施形態では、第２電極層１５０はＬｉＦ（厚さ １ｎｍ）／Ａｌ（厚さ １００ｎｍ）で構成されている。
【００２８】
図３は、本実施形態による有機発光素子の発光状態を光線追跡法により模式的に図示した断面模式図である。本実施形態で、有機層１４０はＮＰＢ（厚さ ５０ｎｍ）とＡｌｑ３（厚さ ５０ｎｍ）とで構成されているが、二つの物質は屈折率がほぼ同一であって、ＮＰＢとＡｌｑ３との界面での屈折は無視することができ、したがって、便宜上、光学的には一つの物質からなると見なすことができる。
【００２９】
図３を参照すれば、本実施形態による有機発光素子１００の有機発光層（発光物質：Ａｌｑ３）１４０から発光された光のうち、一般的な構造では、ウェーブガイドモードになるほど十分に水平な角度で発光される光 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が、どのように発光モードに変化するかが分かる。図３で分かるように、有機層１４０の屈折率が低屈折導電層１３０の屈折率より大きいので、光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が有機層１４０に沿ってガイドされている途中で、構造物に合って反射されつつ構造物の表面に垂直な方向に角度が変わり、その結果、発光モードに転換される。
【００３０】
図４は、本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図面（グラフ）であり、図５は、本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図面（グラフ）である。
【００３１】
本実施形態に適用された有機発光素子は、第１電極層１２０としてＩＴＯを使用し、ＩＴＯの開口パターンＡは、３μｍ×３μｍの矩形と繰り返し周期６μｍとを有し、低屈折導電層１３０としては、ＤＭＳＯが５％（体積比基準）添加されたＰＨ５００が使用された。この際、図４および図５を参照すれば、ＩＴＯがパターンを有していない有機発光素子と比べて、本実施形態による有機発光素子は、ＥＱＥおよび電力効率が約１．２５倍向上した。この実験値は、ＩＴＯパターン構造のテーパー角（θ）が最適化されていない構造で測定されたものであって、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真によれば、本実施形態の場合、テーパー角は約２０〜３０°と測定された。したがって、テーパー角が最適化される場合、さらに高い性能向上が期待され、これについては後述する。
【００３２】
一方、光抽出の向上のために、ＩＴＯ電極上に低屈折率のアレイを配置して使用する米国出願公開特許第２００８／０２３８３１０Ａ１号明細書の場合、絶縁物質の低屈折アレイをＩＴＯ電極上に配置することによって、低屈折アレイが配置される領域は、電気的に動作しない電気的に不活性な領域（Ｉｎａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）になる。この場合、同じ有効輝度を具現するための実際の電流密度が高くなるので、電流が単位面積に集中して素子の寿命減少、動作電圧上昇、およびこれによる電力効率の低下などの問題点が発生しうる。しかし、本実施形態による有機発光素子１００は、低屈折率である低屈折導電層１３０が、パターニングされたＩＴＯ１２０と有機層１４０との間に配置されることによって、電気的な不活性領域なしに、低屈折導電層１３０が形成されたあらゆる領域で光が放出されるという長所を有する。
【００３３】
一方、第１電極層１２０を形成するＩＴＯの面抵抗をＲ（ＩＴＯ）、低屈折導電層１３０を形成するＰＨ５００の面抵抗をＲ（ＰＨ５００）、ＩＴＯ／ＰＨ５００全体の面抵抗をＲ（ＴＯＴＡＬ）とすれば、本実施形態によるＩＴＯの開口パターン形態および周期を考慮する時、有機発光素子のＩＴＯ／ＰＨ５００全体の面抵抗Ｒ（ＴＯＴＡＬ）は、下記の数式１で表すことができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、Ｒ（ＰＨ５００）は５０ｎｍの厚さを基準として約５０Ω／ｓｑであり、Ｒ（ＩＴＯ）は約１０Ω／ｓｑ、Ｒ（ＰＥＤＯＴ）を５００Ω／ｓｑとする時、全体の面抵抗Ｒ（ＴＯＴＡＬ）は約１４．８Ω／ｓｑとなり、その増加幅が大きくないことが分かる。したがって、本実施形態による有機発光素子１００を使用する照明装置や有機発光ディスプレイ装置を大面積化させる場合にも、ＩＲ電圧降下による輝度の減少が、パターニングされていないＩＴＯを備える有機発光素子と比較して大きくないため、光抽出効率が向上しつつＩＲドロップによる輝度の減少も防止することができる。
【００３６】
したがって、前述した本発明の実施形態による有機発光素子１００は、電気的な不活性領域を小さくして、電力効率および素子の寿命を向上させることができる。また、パターンのサイズや繰り返し周期が、可視光領域の波長より十分に大きいので、波長依存性を低減させて光抽出効率を向上させることができる。
【００３７】
図６は、本発明の他の実施形態による有機発光素子を概略的に示す断面概略図である。以下、図６を参照して、前述した実施形態による有機発光素子１００との相違点を中心に、本発明の他の実施形態による有機発光素子２００を説明する。
【００３８】
図６を参照すれば、本実施形態による有機発光素子２００は、基板２１０、第１電極層２２０、低屈折導電層２３０、有機層２４０、および第２電極層２５０を含む。
【００３９】
本実施形態による有機発光素子２００は、基板２１０上に第１電極層２２０が規則的な形状を持つようにパターニングされる。かかる第１電極層２２０のパターンは、基板２１０の上面から第１の厚さ（Ｄ１）を有するように形成された第１パターン部Ｐ１と、第１パターン部Ｐ１の上面から基板２１０側に第２厚さＤ２ほどエッチングされた第２パターン部Ｐ２とが規則的に配列される。すなわち、前述した実施形態による有機発光素子１００では、基板１１０の表面が表れるように第１電極層１１０の開口が完全にエッチングされて、第１の厚さＤ１に対する第２の厚さＤ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が１である実施形態であったが、本実施形態による有機発光素子２００は、第１厚さＤ１に対する第２厚さＤ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が１より小さい実施形態である。
【００４０】
また、本実施形態による有機発光素子２００では、第１電極層２２０の第２パターン部Ｐ２の端部が前記第１パターン部Ｐ１の表面と形成するテーパー角（θ）が、好ましくは１５°〜９０°の間で形成され、さらに好ましくは、２０°〜７０°の間で形成される。第１厚さＤ１に対する第２厚さＤ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が増加するほど、すなわち、エッチング程度が大きいほど光抽出効率を高めるために選択できるテーパー角の範囲は増大する。これを、図７を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図７は、第１電極層のテーパー角およびエッチング比率と有機発光素子の光抽出効率との関係を示す図面（グラフ）である。
【００４２】
図７を参照すれば、第１パターン部Ｐ１の第１厚さＤ１が１５０ｎｍである場合、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０をエッチングした厚さＤ２が大きいほど、すなわち、グラフでＧ３＜Ｇ２＜Ｇ１の順序で有機発光素子の光抽出効率が高くなることが分かる。したがって、光抽出効率の面では、第１電極層２２０の第２パターン部Ｐ２を完全にエッチングすることが有利である。
【００４３】
しかし、本実施形態のように、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０が完全にエッチングされなくても（Ｇ２およびＧ３）、テーパー角（θ）の範囲を調節することによって有効な光抽出効率の範囲を維持することができる。例えば、基準素子（ＩＴＯパターンのない通常の構造）の光抽出効率１６％よりも、約３１％増加した２１％以上の優秀な光抽出効率を導出するために、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０を完全にエッチングしたＧ１の場合、テーパー角の範囲は好ましくはα１〜α２となり、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０を、第１パターン部Ｐ１に対して２／３エッチングしたＧ２の場合、テーパー角の範囲は好ましくはβ１〜β２となり、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０を第１パターン部Ｐ１に対して１／３エッチングしたＧ３の場合、テーパー角の範囲は好ましくはγ１〜γ２となる。すなわち、エッチング程度が大きいほど、光抽出効率を高めるために選択できるテーパー角の範囲は広くなる。
【００４４】
したがって、図７のグラフからテーパー角の最適の範囲を決定することによって、光抽出効率を向上させることができるということが分かる。また、第２パターン部Ｐ２の第１電極層１２０を完全にエッチングしなくても、テーパー角の最適の範囲を選択することによって所望の光抽出効率を共に得ることができるということが分かる。
【００４５】
これらの第１パターン部Ｐ１および第２パターン部Ｐ２は、グリッドタイプのパターンなど多様なパターンで形成されうる。そして、第１パターン部Ｐ１と第２パターン部Ｐ２との間隔を、光の波長より大きく数μｍのサイズに形成して、可視光領域での光の波長依存性を低減させる。
【００４６】
第１電極層２２０上には、有機層２４０より屈折率が小さく導電性を有する物質を含む低屈折導電層２３０と第２電極層２５０とを形成する。この低屈折導電層２３０および第２電極層２５０の構成については、前述した実施形態と同様であるので、ここでは説明は省略する。
【００４７】
前記低屈折導電層は前記第２電極層より仕事関数が大きいことが好ましい。
【００４８】
図８は、本発明のさらに他の実施形態による有機発光素子を概略的に示す断面概略図である。以下、図８を参照して、前述した実施形態による有機発光素子１００との相違点を中心に、本発明の他の実施形態による有機発光素子３００を説明する。
【００４９】
図８を参照すれば、本実施形態による有機発光素子３００は、基板３１０、第１電極層３２０、低屈折導電層３３０、有機層３４０、第２電極層３５０、およびマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ） ３６０を備える。
【００５０】
本実施形態では、基板３１０の外部表面にＭＬＡ ３６０がさらに備えられる。ＭＬＡ ３６０は半球形、ピラミッド型、および逆台形からなる群より選択される少なくとも１種の形態で構成されることが好ましい。これらのＭＬＡ ３６０は、可視光線に透明な酸化物、窒化物、シリコン化合物、および有機高分子からなる群より選択される少なくとも１種の物質を含むことができる。これらのＭＬＡ ３６０は、基板３１０の上部に形成されるか、または付着され、場合によっては基板３１０を機械的な方法やエッチング方法を通じて削って形成されてもよい。
【００５１】
また、ＭＬＡ ３６０は、一定の周期性を有するように形成されることが好ましく、ＭＬＡ ３６０のサイズおよび周期性は、好ましくは発光される光の波長より大きく形成することによって、可視光領域での光の波長依存性を低減させる。
【００５２】
図９は、本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図（グラフ）であり、図１０は、本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図（グラフ）である。
【００５３】
図９を参照すれば、ＩＴＯがパターンされていない有機発光素子に比べて、本実施形態のようにＩＴＯ ３２０が規則的にパターニングされ、ＩＴＯ ３２０上にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの低屈折導電層３３０が形成され、基板３１０の外部にＭＬＡ ３６０が備えられた有機発光素子３００は、ＥＱＥおよび電力効率が約１．６３倍向上することが分かる。この実験値は、ＩＴＯパターン構造のテーパー角（θ）が最適化されていない構造で測定されたものであって、前述したように、テーパー角が最適化する場合には、さらに高い性能向上を期待することができる。
【００５４】
一方、本実施形態では、有機発光素子３００の光抽出効率を向上させるために、最適の範囲の屈折率を有する基板３１０を使用でき、この際、ＭＬＡ ３６０は、基板３１０と同一または類似した屈折率の材料から形成することができる。
【００５５】
図１１は、基板と同一の屈折率を有する材料から形成されるＭＬＡを備えた有機発光素子であり、第１電極層３２０のパターンが２５°のテーパー角を有する際の、基板の屈折率と光抽出効率との関係を図示したグラフである。
【００５６】
図１１を参照すれば、基板３６０の屈折率が有機層およびＩＴＯ層の屈折率と類似した値である１．７〜１．９付近である際は、光抽出効率の向上を最大化できるということが分かる。しかし、高い屈折率を有する基板は、コスト面で一般的な基板よりも高いので、基板の選択は、全般的な素子のコストや公正性などを総合的に考慮して決定する必要がある。図１１から分かるように、屈折率が１．５２ほどである一般的なガラス基板でも、本実施形態の有機発光素子の構造を通じて１００％以上（約１６％→約３６％）の効率向上をもたらすことができる。
【００５７】
したがって、本実施形態による有機発光素子、これを含む照明装置および有機発光ディスプレイ装置は、ＭＬＡをさらに備えることによって、光抽出効率をさらに効果的に向上させることができる。
【００５８】
一方、図面に図示された構成要素は、説明の便宜上、拡大または縮少して表示されているため、図面に図示された構成要素のサイズや形状に本発明が限定されるものではなく、当業者ならば、これより多様な変形および均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、有機発光素子関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００６０】
１００、２００、３００ 有機発光素子、
１１０、２１０、３１０ 基板、
１２０、２２０、３２０ 第１電極層、
１３０、２３０、３３０ 低屈折導電層、
１４０、２４０、３４０ 有機層、
１５０、２５０、３５０ 第２電極層、
３６０ マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置に関し、さらに詳細には、光抽出効率を高めた有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光素子は、互いに対向する電極間に有機発光層を配置させて、一の側電極から注入された電子と他の側電極から注入された正孔とが有機発光層で再結合し、この際の再結合を通じて発光層の発光分子が励起された後、基底状態に戻りながら放出されるエネルギーを光として発光させる発光素子である。
【０００３】
有機発光素子の発光層で発光される光は、一般的に特定の方向性を持たずに放出され、統計的に均一な各分布をなす任意の方向に放出される特性を有する。このため、有機発光素子の発光層内で生成された総光子数に対して、消費されずに観測者に到達する光子数の比率、すなわち、外部光抽出効率（Ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ηｏｕｔ）は、有機発光素子を構成する各層の屈折率の値によって変わりうるが、通常１５〜２０％未満程度にしか達し得ない。
【０００４】
有機発光素子の外部光抽出効率は、全般的な外部量子効率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＥＱＥ）および電力効率を制限し、ＥＱＥや電力効率は、有機発光素子の全体的な電力消費量を決定して有機発光素子の寿命に大きい影響を与える要因であるため、これを増大させるために様々な研究がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国公開特許第２００８／０２３８３１０号明細書
【特許文献２】米国公開特許第２００８／０２６５７５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点およびその他の問題点を解決するために、外部光抽出効率が向上した有機発光素子、これを含む照明装置、およびこれを備える有機発光ディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と、前記基板上に規則的にパターニングされた第１電極層と、前記第１電極層上に配置され、有機層よりも屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層と、前記低屈折導電層上に配置された有機層と、前記有機層上に形成された第２電極層と、を備える有機発光素子を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の有機発光素子によれば、素子能動部に電気的な不活性領域がないため、不活性領域の存在による素子の寿命減少の要因がない状態で光抽出効率を向上させることができ、また、これに比例して電力効率の向上をそのまま具現できる。このような光抽出効率および電力効率向上は、全般的な有機発光素子の寿命向上をもたらす。また、本発明の一実施形態による有機発光素子は、波長依存性がないか、または非常に少ない光抽出効率の向上をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による有機発光素子を示す断面概略図である。
【図２】基板上に第１電極層がパターニングされたパターン構造の平面概略図およびパターン構造の断面概略図である。
【図３】本実施形態による有機発光素子の発光状態を光線追跡法により模式的に示す断面模式図である。
【図４】本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図面である。
【図５】本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図面である。
【図６】本発明の他の実施形態による有機発光素子を示す断面概略図である。
【図７】第１電極層のテーパー角およびエッチング比率と有機発光素子の光抽出効率との関係を示す図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による有機発光素子を示す断面概略図である。
【図９】本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図である。
【図１０】本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図である。
【図１１】基板と同じ屈折率を有するマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を備えた有機発光素子の場合の、基板屈折率と光抽出効率との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付した図面に図示された本発明の望ましい実施形態を参照して、本発明の技術的思想を詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による有機発光素子を概略的に図示した断面概略図である。
【００１２】
図１を参照すれば、本実施形態による有機発光素子１００は、基板１１０、第１電極層１２０、低屈折導電層１３０、有機層１４０、および第２電極層１５０を備える。
【００１３】
基板１１０は、ＳｉＯ２を主成分とするガラス基板、プラスチック基板など多様な材質の基板を使用することができる。本発明の有機発光素子１００は、第２電極層１５０側に光が放出される前面発光、基板１１０側に光が放出される背面発光、または両面発光のいかなる場合にも適用できるが、本実施形態では基板１１０側に光が放出される背面発光素子を基準に説明する。この場合、透明な基板１１０を使用することが好ましい。
【００１４】
一方、本実施形態では、有機発光素子１００の光抽出効率を向上させるための透明な基板１１０には、通常多く用いられるソーダライム基板を使用している。
【００１５】
基板１１０上に、第１電極層１２０が規則的にパターニングされて配置される。本実施形態では、第１電極層１１０は透明電極の一種であって、屈折率が約１．８であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を使用したが、本発明はこれに限定されないということは言うまでもない。
【００１６】
図２は、基板１１０上に第１電極層１２０がパターニングされたパターン構造の平面概略図とパターンの断面を示す断面概略図である。
【００１７】
図２を参照すれば、第１電極層１２０は、基板１１０上に複数の開口パターンＡが規則的に繰り返し形成され、所定の厚さＤ１を備えたグリッドタイプのパターンに形成されている。
【００１８】
これらの第１電極層１２０のパターンの周期的間隔は、好ましくは光の波長より大きく数μｍサイズに形成されて、可視光領域での光の波長依存性を低減させる。このように、数μｍサイズの第１電極層１１０のパターンは、一般的なフォトリソグラフィ工程を利用して容易にエッチングして形成できるという利点がある。
【００１９】
一方、図２には、第１電極層１２０のパターンである矩形の開口Ａが規則的に配列されているが、これは一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、規則的なパターンの開口Ａは、矩形以外の任意の形状にしてもよく、サイズや繰り返しの周期もパターンの全体的な均一性を損なわない範囲で、ある程度の変形が可能である。
【００２０】
一方、図２には、第１電極層１２０の開口が完全にエッチングされて基板１１０の表面が表れるようにパターニングされているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第１電極層１２０のパターン端部を、基板１１０の表面に所定のテーパー角（θ）で形成することによって、光抽出効率を向上させることができる。これらについての詳細な説明は、後述する。
【００２１】
第１電極層１２０の洗浄およびプラズマクリーニングを経た後、第１電極層１２０および開口された基板１１０上に、有機層１４０より屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層１３０を形成する。
【００２２】
低屈折導電層１３０は、好ましくはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート））、ポリアニリン、カーボンナノチューブ、およびグラフェンからなる群より選択される少なくとも１種の物質を、スピンコーティングなど多様な方法を用いて形成されうる。
【００２３】
かかる低屈折導電層１３０は、導電率および透明性に優れ、屈折率が有機層１４０より小さく、かつ隣接する有機層１４０への電荷注入が容易であることが好ましい。
【００２４】
本実施形態では、低屈折導電層１３０に、導電性高分子であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの高導電グレードであるドイツのＨＣ Ｓｔａｒｃｋ社製のＰＨ５００溶液に、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を５％の体積比で混合し、スピンコーティング法で塗布した。この場合、低屈折導電層１３０の導電率は、２００〜５００Ｓ／ｃｍ程度であり、約５０ｎｍ厚さのフィルムで、数百Ω／ｓｑほどの面抵抗が実現できるということが知られており、正孔輸送型有機層への正孔注入もよく行われると知られている。低屈折導電層 １３０の屈折率は、可視光領域で好ましくは１．３〜１．５ほどであって、有機層１４０の屈折率である１．７〜１．８より小さく具現される。
【００２５】
低屈折導電層１３０上に有機層１４０が形成される。図２には有機層１４０が単一の層で図示されているが、実際には、有機層１４０はいろいろな物質が用いられる複層構造であってもよく、無機物質層をさらに備えてもよい。これらの有機層１４０は、有機低分子または有機高分子から形成される。
【００２６】
有機低分子を用いる場合、有機層１４０は、通常複層構造で形成される。該複層構造は、正孔注入層（ＨＩＬ：Ｈｏｌｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、正孔輸送層（ＨＴＬ：Ｈｏｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、発光層（ＥＭＬ：Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）、電子輸送層（ＥＴＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）、電子注入層（ＥＩＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）（図示せず）のうち、発光層を含む一つ以上の層を含む積層構造で形成され、使用可能な有機材料も、例えば、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、Ｎ，Ｎ−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン（ＮＰＢ）、トリス−８−ヒドロキシキノリンアルミニウム（Ａｌｑ３）などをはじめとして、多様に適用できる。有機高分子の場合、有機層１４０からアノード電極側に通常正孔輸送層（ＨＴＬ）（図示せず）がさらに備えられた構造を有することができるが、本実施形態では、アノード層の上部に塗布された低屈折率導電体であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層 １３０がその役割を兼ねることができる。すなわち、正孔注入層として前記のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを使用し、発光層としてＰＰＶ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ）系およびポリフルオレン系などの有機高分子を使用できる。本実施形態では、有機層１４０が、標準構造として多く使われるＮＰＢ（厚さ ５０ｎｍ）およびＡｌｑ３（厚さ ５０ｎｍ）で構成され、この場合、ＮＰＢがホール輸送層として、Ａｌｑ３が電子輸送層および発光層として作用する。
【００２７】
有機層１４０上に第２電極層１５０が形成される。第２電極層１５０は、前面発光型素子の場合には透明電極で、背面発光型素子の場合には反射型電極で形成されうる。第２電極層１５０が反射型電極で形成される場合には、好ましくはＬｉ、Ｃａ、ＬｉＦ／Ｃａ、ＬｉＦ／Ａｌ、Ａｌ、Ｍｇ、またはこれらの化合物から形成される。本実施形態では、第２電極層１５０はＬｉＦ（厚さ １ｎｍ）／Ａｌ（厚さ １００ｎｍ）で構成されている。
【００２８】
図３は、本実施形態による有機発光素子の発光状態を光線追跡法により模式的に図示した断面模式図である。本実施形態で、有機層１４０はＮＰＢ（厚さ ５０ｎｍ）とＡｌｑ３（厚さ ５０ｎｍ）とで構成されているが、二つの物質は屈折率がほぼ同一であって、ＮＰＢとＡｌｑ３との界面での屈折は無視することができ、したがって、便宜上、光学的には一つの物質からなると見なすことができる。
【００２９】
図３を参照すれば、本実施形態による有機発光素子１００の有機発光層（発光物質：Ａｌｑ３）１４０から発光された光のうち、一般的な構造では、ウェーブガイドモードになるほど十分に水平な角度で発光される光 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が、どのように発光モードに変化するかが分かる。図３で分かるように、有機層１４０の屈折率が低屈折導電層１３０の屈折率より大きいので、光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が有機層１４０に沿ってガイドされている途中で、構造物に合って反射されつつ構造物の表面に垂直な方向に角度が変わり、その結果、発光モードに転換される。
【００３０】
図４は、本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図面（グラフ）であり、図５は、本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図面（グラフ）である。
【００３１】
本実施形態に適用された有機発光素子は、第１電極層１２０としてＩＴＯを使用し、ＩＴＯの開口パターンＡは、３μｍ×３μｍの矩形と繰り返し周期６μｍとを有し、低屈折導電層１３０としては、ＤＭＳＯが５％（体積比基準）添加されたＰＨ５００が使用された。この際、図４および図５を参照すれば、ＩＴＯがパターンを有していない有機発光素子と比べて、本実施形態による有機発光素子は、ＥＱＥおよび電力効率が約１．２５倍向上した。この実験値は、ＩＴＯパターン構造のテーパー角（θ）が最適化されていない構造で測定されたものであって、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真によれば、本実施形態の場合、テーパー角は約２０〜３０°と測定された。したがって、テーパー角が最適化される場合、さらに高い性能向上が期待され、これについては後述する。
【００３２】
一方、光抽出の向上のために、ＩＴＯ電極上に低屈折率のアレイを配置して使用する米国出願公開特許第２００８／０２３８３１０Ａ１号明細書の場合、絶縁物質の低屈折アレイをＩＴＯ電極上に配置することによって、低屈折アレイが配置される領域は、電気的に動作しない電気的に不活性な領域（Ｉｎａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）になる。この場合、同じ有効輝度を具現するための実際の電流密度が高くなるので、電流が単位面積に集中して素子の寿命減少、動作電圧上昇、およびこれによる電力効率の低下などの問題点が発生しうる。しかし、本実施形態による有機発光素子１００は、低屈折率である低屈折導電層１３０が、パターニングされたＩＴＯ１２０と有機層１４０との間に配置されることによって、電気的な不活性領域なしに、低屈折導電層１３０が形成されたあらゆる領域で光が放出されるという長所を有する。
【００３３】
一方、第１電極層１２０を形成するＩＴＯの面抵抗をＲ（ＩＴＯ）、低屈折導電層１３０を形成するＰＨ５００の面抵抗をＲ（ＰＨ５００）、ＩＴＯ／ＰＨ５００全体の面抵抗をＲ（ＴＯＴＡＬ）とすれば、本実施形態によるＩＴＯの開口パターン形態および周期を考慮する時、有機発光素子のＩＴＯ／ＰＨ５００全体の面抵抗Ｒ（ＴＯＴＡＬ）は、下記の数式１で表すことができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、Ｒ（ＰＨ５００）は５０ｎｍの厚さを基準として約５０Ω／ｓｑであり、Ｒ（ＩＴＯ）は約１０Ω／ｓｑ、Ｒ（ＰＥＤＯＴ）を５００Ω／ｓｑとする時、全体の面抵抗Ｒ（ＴＯＴＡＬ）は約１４．８Ω／ｓｑとなり、その増加幅が大きくないことが分かる。したがって、本実施形態による有機発光素子１００を使用する照明装置や有機発光ディスプレイ装置を大面積化させる場合にも、ＩＲ電圧降下による輝度の減少が、パターニングされていないＩＴＯを備える有機発光素子と比較して大きくないため、光抽出効率が向上しつつＩＲドロップによる輝度の減少も防止することができる。
【００３６】
したがって、前述した本発明の実施形態による有機発光素子１００は、電気的な不活性領域を小さくして、電力効率および素子の寿命を向上させることができる。また、パターンのサイズや繰り返し周期が、可視光領域の波長より十分に大きいので、波長依存性を低減させて光抽出効率を向上させることができる。
【００３７】
図６は、本発明の他の実施形態による有機発光素子を概略的に示す断面概略図である。以下、図６を参照して、前述した実施形態による有機発光素子１００との相違点を中心に、本発明の他の実施形態による有機発光素子２００を説明する。
【００３８】
図６を参照すれば、本実施形態による有機発光素子２００は、基板２１０、第１電極層２２０、低屈折導電層２３０、有機層２４０、および第２電極層２５０を含む。
【００３９】
本実施形態による有機発光素子２００は、基板２１０上に第１電極層２２０が規則的な形状を持つようにパターニングされる。かかる第１電極層２２０のパターンは、基板２１０の上面から第１の厚さ（Ｄ１）を有するように形成された第１パターン部Ｐ１と、第１パターン部Ｐ１の上面から基板２１０側に第２厚さＤ２ほどエッチングされた第２パターン部Ｐ２とが規則的に配列される。すなわち、前述した実施形態による有機発光素子１００では、基板１１０の表面が表れるように第１電極層１１０の開口が完全にエッチングされて、第１の厚さＤ１に対する第２の厚さＤ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が１である実施形態であったが、本実施形態による有機発光素子２００は、第１厚さＤ１に対する第２厚さＤ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が１より小さい実施形態である。
【００４０】
また、本実施形態による有機発光素子２００では、第１電極層２２０の第２パターン部Ｐ２の端部が前記第１パターン部Ｐ１の表面と形成するテーパー角（θ）が、好ましくは１５°〜９０°の間で形成され、さらに好ましくは、２０°〜７０°の間で形成される。第１厚さＤ１に対する第２厚さＤ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が増加するほど、すなわち、エッチング程度が大きいほど光抽出効率を高めるために選択できるテーパー角の範囲は増大する。これを、図７を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図７は、第１電極層のテーパー角およびエッチング比率と有機発光素子の光抽出効率との関係を示す図面（グラフ）である。
【００４２】
図７を参照すれば、第１パターン部Ｐ１の第１厚さＤ１が１５０ｎｍである場合、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０をエッチングした厚さＤ２が大きいほど、すなわち、グラフでＧ３＜Ｇ２＜Ｇ１の順序で有機発光素子の光抽出効率が高くなることが分かる。したがって、光抽出効率の面では、第１電極層２２０の第２パターン部Ｐ２を完全にエッチングすることが有利である。
【００４３】
しかし、本実施形態のように、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０が完全にエッチングされなくても（Ｇ２およびＧ３）、テーパー角（θ）の範囲を調節することによって有効な光抽出効率の範囲を維持することができる。例えば、基準素子（ＩＴＯパターンのない通常の構造）の光抽出効率１６％よりも、約３１％増加した２１％以上の優秀な光抽出効率を導出するために、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０を完全にエッチングしたＧ１の場合、テーパー角の範囲は好ましくはα１〜α２となり、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０を、第１パターン部Ｐ１に対して２／３エッチングしたＧ２の場合、テーパー角の範囲は好ましくはβ１〜β２となり、第２パターン部Ｐ２の第１電極層２２０を第１パターン部Ｐ１に対して１／３エッチングしたＧ３の場合、テーパー角の範囲は好ましくはγ１〜γ２となる。すなわち、エッチング程度が大きいほど、光抽出効率を高めるために選択できるテーパー角の範囲は広くなる。
【００４４】
したがって、図７のグラフからテーパー角の最適の範囲を決定することによって、光抽出効率を向上させることができるということが分かる。また、第２パターン部Ｐ２の第１電極層１２０を完全にエッチングしなくても、テーパー角の最適の範囲を選択することによって所望の光抽出効率を共に得ることができるということが分かる。
【００４５】
これらの第１パターン部Ｐ１および第２パターン部Ｐ２は、グリッドタイプのパターンなど多様なパターンで形成されうる。そして、第１パターン部Ｐ１と第２パターン部Ｐ２との間隔を、光の波長より大きく数μｍのサイズに形成して、可視光領域での光の波長依存性を低減させる。
【００４６】
第１電極層２２０上には、有機層２４０より屈折率が小さく導電性を有する物質を含む低屈折導電層２３０と第２電極層２５０とを形成する。この低屈折導電層２３０および第２電極層２５０の構成については、前述した実施形態と同様であるので、ここでは説明は省略する。
【００４７】
前記低屈折導電層は前記第２電極層より仕事関数が大きいことが好ましい。
【００４８】
図８は、本発明のさらに他の実施形態による有機発光素子を概略的に示す断面概略図である。以下、図８を参照して、前述した実施形態による有機発光素子１００との相違点を中心に、本発明の他の実施形態による有機発光素子３００を説明する。
【００４９】
図８を参照すれば、本実施形態による有機発光素子３００は、基板３１０、第１電極層３２０、低屈折導電層３３０、有機層３４０、第２電極層３５０、およびマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ） ３６０を備える。
【００５０】
本実施形態では、基板３１０の外部表面にＭＬＡ ３６０がさらに備えられる。ＭＬＡ ３６０は半球形、ピラミッド型、および逆台形からなる群より選択される少なくとも１種の形態で構成されることが好ましい。これらのＭＬＡ ３６０は、可視光線に透明な酸化物、窒化物、シリコン化合物、および有機高分子からなる群より選択される少なくとも１種の物質を含むことができる。これらのＭＬＡ ３６０は、基板３１０の上部に形成されるか、または付着され、場合によっては基板３１０を機械的な方法やエッチング方法を通じて削って形成されてもよい。
【００５１】
また、ＭＬＡ ３６０は、一定の周期性を有するように形成されることが好ましく、ＭＬＡ ３６０のサイズおよび周期性は、好ましくは発光される光の波長より大きく形成することによって、可視光領域での光の波長依存性を低減させる。
【００５２】
図９は、本実施形態による有機発光素子のＥＱＥの上昇の様子を示す図（グラフ）であり、図１０は、本実施形態による有機発光素子の電力効率の上昇の様子を示す図（グラフ）である。
【００５３】
図９を参照すれば、ＩＴＯがパターンされていない有機発光素子に比べて、本実施形態のようにＩＴＯ ３２０が規則的にパターニングされ、ＩＴＯ ３２０上にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの低屈折導電層３３０が形成され、基板３１０の外部にＭＬＡ ３６０が備えられた有機発光素子３００は、ＥＱＥおよび電力効率が約１．６３倍向上することが分かる。この実験値は、ＩＴＯパターン構造のテーパー角（θ）が最適化されていない構造で測定されたものであって、前述したように、テーパー角が最適化する場合には、さらに高い性能向上を期待することができる。
【００５４】
一方、本実施形態では、有機発光素子３００の光抽出効率を向上させるために、最適の範囲の屈折率を有する基板３１０を使用でき、この際、ＭＬＡ ３６０は、基板３１０と同一または類似した屈折率の材料から形成することができる。
【００５５】
図１１は、基板と同一の屈折率を有する材料から形成されるＭＬＡを備えた有機発光素子であり、第１電極層３２０のパターンが２５°のテーパー角を有する際の、基板の屈折率と光抽出効率との関係を図示したグラフである。
【００５６】
図１１を参照すれば、基板３６０の屈折率が有機層およびＩＴＯ層の屈折率と類似した値である１．７〜１．９付近である際は、光抽出効率の向上を最大化できるということが分かる。しかし、高い屈折率を有する基板は、コスト面で一般的な基板よりも高いので、基板の選択は、全般的な素子のコストや公正性などを総合的に考慮して決定する必要がある。図１１から分かるように、屈折率が１．５２ほどである一般的なガラス基板でも、本実施形態の有機発光素子の構造を通じて１００％以上（約１６％→約３６％）の効率向上をもたらすことができる。
【００５７】
したがって、本実施形態による有機発光素子、これを含む照明装置および有機発光ディスプレイ装置は、ＭＬＡをさらに備えることによって、光抽出効率をさらに効果的に向上させることができる。
【００５８】
一方、図面に図示された構成要素は、説明の便宜上、拡大または縮少して表示されているため、図面に図示された構成要素のサイズや形状に本発明が限定されるものではなく、当業者ならば、これより多様な変形および均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、有機発光素子関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００６０】
１００、２００、３００ 有機発光素子、
１１０、２１０、３１０ 基板、
１２０、２２０、３２０ 第１電極層、
１３０、２３０、３３０ 低屈折導電層、
１４０、２４０、３４０ 有機層、
１５０、２５０、３５０ 第２電極層、
３６０ マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に規則的にパターニングされた第１電極層と、
前記第１電極層上に配置され、有機層よりも屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層と、
前記低屈折導電層上に配置される有機層と、
前記有機層上に形成される第２電極層と、
を備える有機発光素子。
【請求項２】
前記第１電極層および第２電極層の少なくとも一方の電極は透明電極である、請求項１に記載の有機発光素子。
【請求項３】
前記第１電極層のパターンの周期的間隔は、発光される光の波長より大きい、請求項１または２に記載の有機発光素子。
【請求項４】
前記第１電極層のパターン端部と前記基板の表面とが形成するテーパー角が、１５°〜９０°である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項５】
前記第１電極層のパターン端部と前記基板の表面とが形成するテーパー角が、２０°〜７０°である、請求項４に記載の有機発光素子。
【請求項６】
前記第１電極層のパターンは、前記基板の上面から第１厚さＤ１を有するように形成された第１パターン部と、前記第１パターン部の上面から前記基板側に第２厚さＤ２ほどエッチングされた第２パターン部とが規則的に配列される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項７】
前記第１パターン部と前記第２パターン部との周期的間隔は、発光される光の波長より大きい、請求項６に記載の有機発光素子。
【請求項８】
前記第２パターン部の端部と前記第１パターン部の表面とが形成するテーパー角が、１５°〜９０°である、請求項６または７に記載の有機発光素子。
【請求項９】
前記第２パターン部の端部と前記第１パターン部の表面とが形成するテーパー角が、２０°〜７０°である、請求項８に記載の有機発光素子。
【請求項１０】
前記第１厚さＤ１に対する第２厚さＤ２の比が増加するほど前記テーパー角の範囲が増大する、請求項８または９に記載の有機発光素子。
【請求項１１】
前記低屈折導電層は透明である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１２】
前記低屈折導電層は前記第２電極層より仕事関数が大きい、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１３】
前記低屈折導電層は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン、カーボンナノチューブ、およびグラフェンからなる群より選択される少なくとも１種の物質を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１４】
前記基板の外部表面にマイクロレンズアレイがさらに備えられる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１５】
前記マイクロレンズアレイは、半球形、ピラミッド型、および逆台形からなる群より選択される少なくとも１種の形態で構成される、請求項１４に記載の有機発光素子。
【請求項１６】
前記マイクロレンズアレイは、周期性を有する請求項１４または１５に記載の有機発光素子。
【請求項１７】
前記マイクロレンズアレイのサイズおよび周期性は、発光される光の波長より大きい請求項１４に記載の有機発光素子。
【請求項１８】
前記マイクロレンズアレイは、可視光線に透明な酸化物、窒化物、シリコン化合物、および有機高分子からなる群より選択される少なくとも１種の物質を含む、請求項１４に記載の有機発光素子。
【請求項１９】
前記マイクロレンズアレイは、前記基板と同一の屈折率を有する材料で形成される、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項２０】
前記基板は、ソーダライム基板より屈折率が大きい、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項２１】
前記基板の屈折率は１．５〜２．４である、請求項２０に記載の有機発光素子。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の有機発光素子を含む照明装置。
【請求項２３】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の有機発光素子を含む有機発光ディスプレイ装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に規則的にパターニングされた第１電極層と、
前記第１電極層上に配置され、有機層よりも屈折率が小さい導電性物質を含む低屈折導電層と、
前記低屈折導電層上に配置される有機層と、
前記有機層上に形成される第２電極層と、
を備える有機発光素子。
【請求項２】
前記第１電極層および第２電極層の少なくとも一方の電極は透明電極である、請求項１に記載の有機発光素子。
【請求項３】
前記第１電極層のパターンの周期的間隔は、発光される光の波長より大きい、請求項１または２に記載の有機発光素子。
【請求項４】
前記第１電極層のパターン端部と前記基板の表面とが形成するテーパー角が、１５°〜９０°である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項５】
前記第１電極層のパターン端部と前記基板の表面とが形成するテーパー角が、２０°〜７０°である、請求項４に記載の有機発光素子。
【請求項６】
前記第１電極層のパターンは、前記基板の上面から第１厚さＤ１を有するように形成された第１パターン部と、前記第１パターン部の上面から前記基板側に第２厚さＤ２ほどエッチングされた第２パターン部とが規則的に配列される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項７】
前記第１パターン部と前記第２パターン部との周期的間隔は、発光される光の波長より大きい、請求項６に記載の有機発光素子。
【請求項８】
前記第２パターン部の端部と前記第１パターン部の表面とが形成するテーパー角が、１５°〜９０°である、請求項６または７に記載の有機発光素子。
【請求項９】
前記第２パターン部の端部と前記第１パターン部の表面とが形成するテーパー角が、２０°〜７０°である、請求項８に記載の有機発光素子。
【請求項１０】
前記第１厚さＤ１に対する第２厚さＤ２の比が増加するほど前記テーパー角の範囲が増大する、請求項８または９に記載の有機発光素子。
【請求項１１】
前記低屈折導電層は透明である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１２】
前記低屈折導電層は前記第２電極層より仕事関数が大きい、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１３】
前記低屈折導電層は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン、カーボンナノチューブ、およびグラフェンからなる群より選択される少なくとも１種の物質を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１４】
前記基板の外部表面にマイクロレンズアレイがさらに備えられる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項１５】
前記マイクロレンズアレイは、半球形、ピラミッド型、および逆台形からなる群より選択される少なくとも１種の形態で構成される、請求項１４に記載の有機発光素子。
【請求項１６】
前記マイクロレンズアレイは、周期性を有する請求項１４または１５に記載の有機発光素子。
【請求項１７】
前記マイクロレンズアレイのサイズおよび周期性は、発光される光の波長より大きい請求項１４に記載の有機発光素子。
【請求項１８】
前記マイクロレンズアレイは、可視光線に透明な酸化物、窒化物、シリコン化合物、および有機高分子からなる群より選択される少なくとも１種の物質を含む、請求項１４に記載の有機発光素子。
【請求項１９】
前記マイクロレンズアレイは、前記基板と同一の屈折率を有する材料で形成される、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項２０】
前記基板は、ソーダライム基板より屈折率が大きい、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の有機発光素子。
【請求項２１】
前記基板の屈折率は１．５〜２．４である、請求項２０に記載の有機発光素子。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の有機発光素子を含む照明装置。
【請求項２３】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の有機発光素子を含む有機発光ディスプレイ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１１３９７３（Ｐ２０１１−１１３９７３Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５６９１４（Ｐ２０１０−２５６９１４）
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（３０８０４０３５１）三星モバイルディスプレイ株式會社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（３０８０４０３５１）三星モバイルディスプレイ株式會社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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