JP2009509314A

JP2009509314A - 光出力が改善されたｏｌｅｄデバイス

Info

Publication number: JP2009509314A
Application number: JP2008532312A
Authority: JP
Inventors: スティーブンコーク，ロナルド; フランシス，ジュニアレベリ，ジョセフ; デイビッドショア，ジョエル; ウィリアムトゥット，リー; ロバートプロイス，ドナルド
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2009-03-05
Also published as: EP1927144B1; US7719182B2; EP1927144A1; WO2007038070A1; US20070063641A1

Abstract

第1と第2の透明な非金属電極（13、16）と、その第1と第2の透明な非金属電極（13、16）の間に形成されていて1つ以上の発光層を含む1つ以上の有機材料層（14）と；第1の透明な非金属電極（13）または第2の透明な非金属電極（16）のいずれかの、有機材料層（14）とは反対側に配置された1つ以上の反射性非金属層（15）とを備える有機発光ダイオード（OLED）デバイスであって；このデバイスがさらに、有機材料層（14）および電極（13、16）と光学的コンタクトされた光透過性散乱層（22）を備えること、または1つ以上の反射性非金属層（15）のうちの少なくとも1つが、有機材料層（14）および電極（13、16）と光学的コンタクトされた反射性散乱層（23）を備えることを特徴とするOLEDデバイス。さらに、屈折率の小さな層（19）をさまざまな実施態様で用いてデバイスのシャープさを改善することが好ましい。

Description

本発明は、有機発光ダイオード（OLED）デバイスに関するものであり、より詳細には、光出力を改善するためのOLEDデバイスの構造に関する。

有機発光ダイオード（OLED）はフラット-パネル・ディスプレイとエリア照明のランプにとって有望な技術である。この技術は、基板を覆う薄膜材料層に依存している。しかしよく知られているように、OLEDの発光層からの光出力の多くはデバイスの内部に吸収される。光はOLED内の層からあらゆる方向に発生するため、光の一部はデバイスから直接外に出ていき、光の一部はデバイスの内部に向かって発生して反射されて戻ってくるか吸収され、光の一部は横方向に発生してデバイスに含まれるさまざまな層によって捕獲・吸収される。一般に、光の80％までがこのようにして失われる可能性がある。

OLEDデバイスは一般に2通りの形式が可能である。それは、アメリカ合衆国特許第4,476,292号に開示されているような小分子デバイスと、アメリカ合衆国特許第5,247,190号に開示されているようなポリマーOLEDデバイスである。どちらのタイプのOLEDデバイスも、順番に、アノード、有機エレクトロルミネッセンス（EL）素子、カソードを備えている。アノードとカソードの間に配置された有機EL素子は、一般に、有機正孔注入層（HIL）、有機正孔輸送層（HTL）、発光層（EML）、有機電子輸送層（ETL）、有機電子注入層（EIL）を備えている。正孔と電子が再結合してEML層の中で光を発生させる。Tangら（Appl. Phys. Lett.、第51巻、913ページ、1987年、Journal of Applied Physics、第65巻、3610ページ、1989年、アメリカ合衆国特許第4,769,292号）は、このような層構造を利用した高効率のOLEDを実際に作って見せた。それ以来、別の層構造を有する多数のOLEDがこれまでに開示されており、デバイスの性能が改善されてきた。

OLEDで光が発生するのは、カソードとアノードからそれぞれ注入される電子と正孔が電子輸送層と正孔輸送層を通過して発光層で再結合するときである。この光発生プロセスの効率は多くの因子によって決まる。例えばアノード材料とカソード材料の選択によって電子と正孔がいかに効率的にデバイスに注入されるかが決まる可能性がある。また、ETLとHTLの選択によって電子と正孔がデバイス内をいかに効率的に輸送されるかが決まる可能性があり、EMLの選択によって電子と正孔がいかに効率的に再結合して光が発生するかが決まる可能性がある、などである。しかしOLEDデバイスの効率を制限するカギとなる因子の1つが、電子-正孔再結合によって発生するフォトンをOLEDデバイスから取り出す際の効率の悪さであることが見いだされた。使用する有機材料の屈折率が大きいため、再結合プロセスで発生するたいていのフォトンは、実際には、全反射のためにデバイスに捕獲される。たいていの場合、捕獲されたフォトンの一部はデバイスから出ていくことができるが、残りのフォトンは最終的に吸収され、OLEDデバイスから出ていくことは決してない。いずれの場合にも、デバイスからの有効な光出力には寄与しない。

典型的なOLEDデバイスでは、ガラス基板と、透明な導電性アノード（例えばインジウム-スズ-酸化物（ITO））と、積層された複数の有機層と、反射性カソード層が使用されている。このデバイスから発生する光は、ガラス基板を通って出てくる。これは一般に、ボトム-エミッション型デバイスと呼ばれている。あるいはデバイスは、基板と、反射性アノードと、積層された複数の有機層と、上部の透明な（または半透明な）カソード層を備えることができる。このデバイスから発生する光は、上部の透明な電極を通って出てくる。これは一般に、トップ-エミッション型デバイスと呼ばれている。これらの典型的なデバイスでは、ITO層の屈折率、有機層の屈折率、ガラスの屈折率は、それぞれ、2.0、1.7、1.5である。光線の光学を利用することで、発生する光の60％近くがITO／有機EL素子内の反射によって捕獲され、20％がガラス基板の中で捕獲され、発生する光のほんの約20％が実際にデバイスから出てきて有用な機能を発揮すると推定されている。

図2を参照すると、従来技術で提案されているトップ-エミッション型OLEDデバイスが、基板10（反射性、透明、不透明のいずれか）とともに示してある。基板10の上には半導体層が形成されていて、OLEDを駆動するための薄膜電子素子30を提供している。平坦化用の層間絶縁層32が薄膜電子素子30の上に形成され、パターニングされてOLED発光素子を区画する第1の反射性金属電極12が、その絶縁層32の上に形成されている。画素間絶縁膜34が、パターニングされた反射性金属電極12の諸要素を分離している。有機材料からなる上記の1つ以上の第1の層14（そのうちの1つが光を発生させる）が、パターニングされた反射性金属電極12の上に形成されている。透明な第2の電極16が、有機材料からなる1つ以上の第1の層14の上に形成されている。ギャップ18が、透明な第2の電極16を封止用カバー20から隔てている。封止用カバー20は透明であり、透明な電極16を直接覆ってギャップ18が存在しないようにすることができる。従来技術のいくつかの実施態様では、第1の反射性金属電極12の代わりに少なくとも一部を透明にすること、および／または光吸収性にすることができる。ボトム-エミッション型の一実施態様では、基板を透明にし、透明な電極と反射性電極の位置を逆にする。一般に、反射性金属電極12は、Al、Ag、Mgのいずれか、またはこれらの合金、または他の反射性金属を含んでいる。透明な電極16は、ITOまたは他の透明な導電性金属酸化物を含むことができる。半透明な電極（例えばAgなどからなる薄い金属層で形成した電極）もこの電極の全体または一部を形成することができる。

図6（トップ-エミッション型の実施態様）と図7（ボトム-エミッション型の実施態様）により簡単な形態で示してあるように、有機材料層14の1つから出た光は、光線1で示してあるように、基板10またはカバー20を通ってデバイスから直接外に出ることができる。ギャップ18が存在しないか、カバーまたは基板の屈折率と一致した材料でギャップ18が満たされている場合には、やはり光が発生し、光線2で示してあるように、基板10またはカバー20と有機層14の内部を誘導される。あるいは光が発生すると、光線3で示してあるように、有機層14と電極16の内部を誘導される。反射性金属電極12に向かう光線4はその反射性金属電極12で反射されて基板10またはカバー20に向かった後、光線1、2、3いずれかの経路をたどる。これらの経路を進む光をそれぞれモードI、II、IIIの光と名づける。

薄膜発光デバイスからの光の出力カップリングを改善するため、さまざまな方法が提案されてきた。特に、OLED層との光学的コンタクトのために用いられる散乱層は、OLEDデバイス内で光が全反射されることを妨げ、OLEDデバイスから出ていく光の量を増大させる。しかし散乱技術それ自体によって光は光吸収材料層を複数回通過するため、光は吸収されて熱に変換される可能性がある。さらに、捕獲された光はカバーまたは基板の中を水平方向にかなりの距離伝播した後に散乱されてデバイスから外に出ることがあるため、ディスプレイなどの画素化された用途におけるデバイスのシャープさが低下する。例えば図8に示してあるように、従来の画素化されたトップ-エミッション型OLEDデバイスは、複数の独立に制御される画素50、52、54、56、58と、カバー20と透明な電極16の間に位置する散乱層22を備えることができる。発光層から出る光線5は、カバー20、有機層14、透明な電極16の中を通過する途中で散乱層22によって複数回散乱された後、デバイスの外に出る。光線5は、最終的にデバイスから出ていくとき、最初にその光線が発生した画素50の位置からデバイスのさまざまな層の中を通ってその光線が出ていく離れた画素58の位置までかなりの距離移動しているため、シャープさが低下する。横方向の移動はたいていカバー20の中で起こる。なぜならカバー20がパッケージ内で圧倒的に厚い層だからである。（さまざまな層の厚さの違いが大きすぎてスケール通りには描けないため、この図における層の厚さはスケール通りになっていないことに注意されたい。）また、出てくる光の量は、さまざまな層で光が吸収されるために減少する。図9に示してあるように、別のやり方として光散乱層を従来のボトム-エミッション型デバイスの基板10の隣に配置するならば、光は基板10の中を同様に大きな距離移動した後に外に出ていくことになろう。

Tyanらによる「光の取り出し効率が増大した有機発光デバイス」という名称のアメリカ合衆国特許出願公開第2004/0061136号には、光散乱層を備えていて光の取り出しが増大したOLEDデバイスが記載されている。2つの透明な電極を、一方の透明な電極の裏側に位置する反射層（例えば金属層）とともにで使用することができる。いくつかの実施態様では、屈折率の小さな絶縁層（有機エレクトロルミネッセンス素子よりもかなり小さい屈折率を持つ絶縁層）を反射層の隣に光散乱層と組み合わせて使用して反射層に光が（法線に対して）大きな角度で入射するのを妨げることで、反射層からの複数回の反射による吸収の損失を最少にする。しかしこの特別な配置にしても、デバイスのシャープさは低下し、光の取り出しが不十分になる可能性がある。

図10を参照すると、例えば基板を覆う光散乱層を用いたボトム-エミッション型アクティブ・マトリックスOLEDデバイスのシャープさを示してある。デバイスの（水平方向と鉛直方向の両方の）平均MTF（シャープさ）を、光散乱層を備えている場合と備えていない場合のOLEDデバイスに関してプロットしてある。図からわかるように、光散乱層を備えるOLEDデバイスは、光散乱層のないOLEDデバイスよりもシャープさがはるかに劣っているが、光散乱層を備えるOLEDデバイスからはより多くの光が取り出される（図示せず）。したがって図10は、従来技術での知見のように、散乱層を用いたときにシャープさの低下が起こることを示している。

OLEDデバイスからの光出力を大きくするさまざまな手段が提案されてきた。そのような方法の1つは、光出力を大きくするとともに光出力の色を制御するための光学的キャビティを形成することに基づいている。例えばアメリカ合衆国特許第6,737,800 B1号には、基板を有する少なくとも2つの異なる色の画素からなるアレイと、基板の上に配置された反射層と、反射層の上に配置された第1の透明な電極とを備えるマルチカラー有機発光ディスプレイが記載されている。このディスプレイは、第1の透明な電極から離れた第2の透明な電極と、第1の透明な電極と第2の透明な電極の間に配置されていて白色光を発生させる有機EL媒体も備えている。このディスプレイはさらに、色が異なる少なくとも1つの第1のフィルタと第2のフィルタを備えていて、アレイ内の異なる所定の画素の上にそれぞれ配置されている。第1の透明な電極の厚さは、異なる色ごとに別々に調節されて、関係するカラー・フィルタに対応する着色光の反射成分のかなりの量を、関係するカラー・フィルタに対応する着色光の非反射成分のかなりの量と構成的に干渉させる。しかしこのようなOLEDの設計には、製造時の誤差誤差の問題と、デバイスから出る光の色が一般に発光角度に極めて強く依存するという問題がある。

さまざまな視野角でOLEDデバイスからの光出力の量を大きくすると同時に画素化されたOLEDディスプレイ装置のシャープさと色を維持するため、2005年2月24日に出願されて譲受人に譲渡された同時係属中のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第11/065,082号には、散乱層を屈折率が小さい透明な素子（その屈折率は、OLEDデバイスから出た光が通過することになる封止用カバーまたは基板よりも小さく、OLED素子材料の屈折率の範囲よりも小さい）と組み合わせて使用することが記載されている。しかしこのような設計は、光学的キャビティという設計とは両立しないことに注意されたい。というのも散乱層は、このような光学的キャビティの基礎となる構成的干渉を壊すことになるからである。

しかし散乱層と屈折率の小さな層を組み合わせても、従来の反射性金属電極を用いたOLEDデバイスで発生した光をすべて外に出すことはできない。出願人が開発した電子の動的物理・光学モデルにより、散乱層を用いたOLED構造における発光でも、表面プラズモン-ポラリトンの形成を通じて反射性金属電極でかなり多くの光が失われることがわかる。OLEDデバイスから表面プラズモン-ポラリトンを有用な光の形態で取り出す1つの試みが、アメリカ合衆国特許第6,670,772号に記載されている。しかし提案されている解決法では、製造時の許容誤差を非常に正確に制御する必要があり、発生する光の色は角度に非常に強く依存する。

OLEDデバイスの中で誘電層を使用して光を反射させることが知られている。例えばCokによる「コントラストを向上させるためのカラー・フィルタを有するOLEDディスプレイ」という名称のアメリカ合衆国特許第6,911,772 B2号には、カラー画像を表示するためのOLEDディスプレイ装置が記載されている。表側から見るこのディスプレイ装置は、複数のOLED素子（その中には、第1の色の光を発生させる第1のカラー素子と、第1の色とは異なる第2の色の光を発生させる第2のカラー素子が含まれる）と、OLED素子の背後に位置する反射器と、OLED素子に揃えて配置された対応する複数のフィルタ素子（その中には、対応するOLED素子から発生する第1の色の光を通過させて他の色の光は阻止する第1のカラー・フィルタと、対応するOLED素子から発生する第2の色の光を通過させて他の色の光は阻止する第2のカラー・フィルタが含まれる）とを備えている。反射器は、OLED素子のパターニングされた電極間が短絡するリスクを減らすための反射性誘電積層体を含むことができる。

OLEDデバイスの出力輝度効率を向上させることのできる別の方法は、マイクロキャビティ効果を利用するというものである。マイクロキャビティ効果を利用したOLEDデバイス（マイクロキャビティOLEDデバイス）は、従来技術として開示されている（アメリカ合衆国特許第6,406,801 B1号；第5,780,174 A1号；日本国特開平11-288786A）。マイクロキャビティOLEDデバイスでは、有機EL素子が2つの反射鏡の間に配置され、その一方は半透明である。反射鏡はファブリ-ペロー・マイクロキャビティを形成し、そのマイクロキャビティの中に配置された有機ELの発光特性を大きく変化させる。このキャビティの共鳴波長に対応する波長に近い発光は半透明鏡を通って増大され、他の波長の発光は抑制される。OLEDデバイスでマイクロキャビティを用いると発光の帯域幅が狭くなり、発光の色純度が改善されることがわかっている（アメリカ合衆国特許第6,326,224号）。マイクロキャビティは、OLEDデバイスからの発光の角度分布も劇的に変化させる。マイクロキャビティを用いて出力輝度を大きくできる可能性があることも示唆されている（Yokoyama、Science、第256巻、1992年、66ページ；Jordan他、Appl. Phys. Lett.、第69巻、1996年、1997ページ）。このようなデバイスで使用するための金属層と誘電ミラー構造（例えば1/4波長積層体（QWS）構造）の両方がこれまでに開示されている。QWSは、屈折率が大きな誘電薄膜と屈折率が小さな誘電薄膜が交互になった多層積層体であり、それぞれの薄膜は厚さがほぼ1/4波長である。QWSをチューニングすることにより、望む波長範囲で大きな反射率にすること、小さな透過率にすること、吸収を少なくすることができる。上述のように、光学的キャビティという設計は、散乱層とは両立しない。

したがって、上記の問題を解決し、デバイスの効率とシャープさを向上させる改善された有機発光ダイオード・デバイスの構造が必要とされている。

本発明の一実施態様は、第1と第2の透明な非金属電極と、その第1と第2の透明な非金属電極の間に形成されていて1つ以上の発光層を含む1つ以上の有機材料層と；第1の透明な非金属電極または第2の透明な非金属電極のいずれかの、上記有機材料層とは反対側に配置された1つ以上の反射性非金属層とを備える有機発光ダイオード（OLED）デバイスであって；このデバイスがさらに、有機材料層および電極と光学的コンタクトされた光透過性散乱層を備えること、または1つ以上の反射性非金属層のうちの少なくとも1つが、有機材料層および電極と光学的コンタクトされた反射性散乱層を備えることを特徴とするOLEDデバイスに関する。さらに、さまざまな実施態様では、屈折率の小さな層を用いてデバイスのシャープさを向上させることが好ましい。

本発明のさまざまな実施態様は、シャープさを維持しながらOLEDデバイスからの光出力を増大させるという利点を有する。

個々の層が薄すぎることと、さまざまな層の厚さの違いが大きすぎることのために実際のスケールでは図を描けないため、図面はスケール通りになっていないことが理解されよう。

すでに説明したように、OLEDデバイスの内部で発生した光は、デバイスから出ていくか、基板またはカバーに閉じ込められるか、有機層と電極に閉じ込められる可能性がある。伝導帯に自由電子を有する材料（例えば金属）は、放射される双極子の存在下で表面プラズモン-ポラリトンの形成をサポートする。電磁スペクトルの可視部では、このような材料は、一般に、実部が負の誘電定数も持つ。したがって光反射性金属電極層の表面がOLED発光層の近くに位置する場合には、電気エネルギーの一部が双極子によって光エネルギーに変換され、金属層の表面に表面プラズモン-ポラリトン（SP）が励起する可能性がある。SPモードは導波モードであることは事実だが、SP導波モードの性質は、モードI、II、IIIで発生する光の性質とは大きく異なる。まず最初に、SPモードの電磁場は、誘電体／金属の界面（すなわち金属電極／有機層の界面）の非常に近くに限定されるが、モードII導波モードの電磁場は、OLED導波コア全体に分布する。（OLED導波コアは、電子注入層（EIL）、電子輸送層（ETL）、発光層、正孔輸送層（HTL）、透明な電極層を合わせたものとして定義される。）モードIII導波モードとSP導波モードの第2の違いは、これら2つのモードの複素有効屈折率n_有効の実部と虚部の両方が大きく違っていることである。モードIII導波モードは、n_ガラス＜実部（n_有効）＜実部（n_コア）であることを特徴とする。ここに、n_ガラスはガラス基板の屈折率であり、n_コアは、最も大きい実部を持つコア媒体の屈折率である。それとは逆に、SP導波モードに関しては、実部（n_有効）＞実部（n_コア）である。さらに、SPモードの虚部（n_有効）は、モードIIIモードの虚部（n_有効）よりもかなり大きい。これは、SPモードがモードIIIモードよりも損失が多いという事実を表現する別の方法である。最後に、モードIII導波モードは横電場（TE）偏光または横磁場（TM）偏光が可能であるのに対し、SP導波モードはTM偏光だけが可能である。さらに、表面プラズモン-ポラリトンは、非放射性のバルク・プラズモンとカップルする。今後は、発生する光に関して前に決めた名づけ方に従い、SPモードを“モードIV”エネルギーと呼ぶことにする。

出願人は、さまざまなモードへのカップリングに関してOLED構造内の放射性双極子からのエネルギー出力を記述する数学的モデルを開発した。このモデルは、OLEDデバイス内のエキシトン源を、平坦な金属層および／または誘電層によって両側が束縛された誘電媒体に埋め込まれていて光の吸収がない古典的な点双極子調和振動子として記述する。このモデルによると、各双極子は、自身の電磁放射のために周囲のOLED構造と相互作用し、その電磁放射は周囲の構造によって反射される。このようにして双極子は周囲の構造に作用を及ぼし、その結果として放射による減衰が変化する。そうでなければ、双極子は、完全に一様な誘電媒体（例えば自由空間）の中にあるかのように振る舞うであろう。パワー・スペクトルは、双極子から発生するパワーをuの関数として表わしたものである。ただしu≡k_p/kは、発光媒体内の自由フォトンの波数で規格化した横方向（平面内）の波数である。このモデルからわかるように、放射パターンと、放射性双極子から放射される全パワーは、周囲にあってプラズモンをサポートする金属層および光吸収誘電層の存在によって大きく変化させることができる。このモデルでは、導波コアの厚さが一定であることと、双極子源が非常に薄い発光層の中に位置することが仮定されている。電極間の誘電材料は、非吸収性であると仮定されている。

モデル化した構造では、順番に、空気カバー、反射性金属電極、電子輸送層、発光層、正孔輸送層、透明な電極、ガラス基板を用いる。このモデルでは、従来技術で見いだされた典型的なOLED材料の屈折率を使用する。屈折率が1.4610のガラスを基板として使用し、透明な電極は、屈折率が1.8029+0.0001iのITOであるとし、正孔輸送層は、屈折率が虚部なしの1.8259であるNPBを含んでいるとし、電子輸送層は、屈折率が1.7419のAlq₃を含んでいるとし、反射性電極は、屈折率が0.5247+3.8264iであるMgAgを含むものとする。発光層は無限に薄くてETL/HTLの接合部に位置し、波長は528nmであると仮定する。

図11には、上に説明した構造（透明なITO電極と反射性金属電極を用いたOLED構造に含まれる双極子）に関してさまざまなモードに分配される放射エネルギーの相対量をこのモデルを利用して求めたグラフが示してある。比較のため、自由空間の双極子に関するモード分布も水平線で示してある。ここでの議論のため、自由空間の双極子は、屈折率が一定の無限に長い媒体に埋め込まれているものとする。このモデルでは、自由空間の媒体の屈折率は、Alq₃の屈折率に対応する。自由空間の双極子に関するモードIの光は、空気／Alq₃の界面に対応する臨界角よりも小さな発光角度全体にわたって自由空間の双極子のパワー・スペクトルを積分することによって得られる。モードIIの光は、空気／Alq₃の界面の臨界角からガラス／Alq₃の界面の臨界角までパワー・スペクトルを積分することによって得られる。自由空間の双極子のパワー・スペクトル曲線よりも下にある残りの面積は、モードIIIを表わす。図11では、OLED双極子のモードI、II、III、IVのパワーの和は、x_Sのそれぞれの値に関し、自由空間の双極子のモードI、II、IIIにおけるパワーの和と同様、任意単位で規格化されている。表面-プラズモン・モードに含まれるエネルギーを、金属層を有するOLEDを用いたモデルの他のモードに含まれるエネルギーと比較することにより、エネルギーの大きな割合が表面プラズモンに捕らえられる可能性のあることがわかる。それとは逆に、自由空間の双極子構造（したがって金属層のないOLEDと同様の構造）では、光が表面プラズモンに捕獲されることがない。しかし両方の場合に光の多くの割合がモードIIIに捕獲される。この光はOLEDデバイスから出ていかず、有機層と透明な電極層に捕獲される。

OLEDデバイスでは、光を外に出すことを想定している側に向けるのに光反射性金属層が一般に用いられるが、上述のように、そのような金属層を用いると、望ましくないことに表面プラズモン-ポラリトン・モードへのエネルギー吸収も起こる可能性がある。より厚い中間層を用いて金属電極と発光層の距離を大きくすることも可能だが、より厚い中間層だと電圧および／または光吸収が増大するであろう。本発明では、OLEDにおいてプラズモンをサポートする反射性金属層の代わりに反射性非金属層を用い、透明な非金属電極および散乱層と組み合わせることにより、OLEDデバイスから出る光を増大させることができる。

本発明の一実施態様による図1を参照すると、トップ-エミッション型有機発光ダイオード（OLED）デバイスは、第1の透明な非金属電極13と、第2の透明な非金属電極16と、これら第1と第2の透明な電極13、16の間に形成された1つ以上の有機材料層14と（これらがOLED40を形成し、有機材料層には1つ以上の発光層が含まれる）；第1の透明な非金属電極13または第2の透明な非金属電極16のいずれかの、有機材料層14とは反対側に配置された1つ以上の反射性非金属層15と；有機材料層および電極と光学的にコンタクトされた透過性散乱層22とを備えている。封止用カバー20がOLED材料と電極を封止して保護している。屈折率が小さい透明な要素19（空気ギャップにすることが可能）を透明な電極16とカバー20の間に使用してOLEDデバイスのシャープさを向上させることができる。屈折率が小さい透明な要素19は、屈折率が、OLEDデバイスから出ていく光を通過させる封止用カバーよりも小さく、OLED素子材料の屈折率の範囲よりも小さい。これについては、2005年2月24日に出願されて譲受人に譲渡された同時係属中のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第11/065,082号に開示されている。屈折率が小さい要素またはギャップ19は、屈折率がOLED素子およびカバー20よりも小さいため、散乱層によって散乱されてギャップ19に入るあらゆる光は、ギャップとカバー20を通過するであろう。というのも、屈折率が小さい材料（ギャップ19）から屈折率がより大きい材料（カバー20）に入る光が全内部反射されることはありえないからである。あるいは図12に示してあるように、ボトム-エミッション型の実施態様では、屈折率が小さい材料19を散乱層22の下に用いることができる。

光学的コンタクトとは、屈折率が有機層と透明な電極層のいずれよりも小さい介在層が存在しておらず、これらの層のいずれかを通過する光が散乱層にぶつかることを意味する。1つ以上の有機層の中には、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層、発光層のうちの1つ以上を含めることができる。本発明では、2つ以上の発光層を使用して例えば白色光を出力させることができる。これらの層は、OLEDの分野においてよく知られている。

透明な電極13と16は、プラズモンをサポートしないようにするため非金属にされている。したがってこれらの電極は、実部が正の誘電定数を持つ任意の導電性材料、または伝導帯に自由電子がない任意の導電性材料を含むことができる。透明な電極13と16は、例えば、金属酸化物（インジウム-スズ-酸化物やインジウム-亜鉛-酸化物など）または導電性ポリマー（ポリチオフェンなど）を含むことができる。

図1に示してあるように、透過性散乱層22は、有機層14および透明な電極13、16に対して非金属反射層15とは反対側に位置する。あるいは散乱層22は（導電性であるならば）、透明な電極13と16の間に配置することもできる。一般に、散乱層は、透明な電極13または16に隣接するか、透明な電極の面のうちで有機層とは反対側の面上に形成された保護層または有用な光学層に隣接するが、必ずしもそうである必要はない。有用な保護層と光学層は、2005年5月4に出願されて譲受人に譲渡された同時係属中のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第11/122,295号に記載されている。本発明は、トップ-エミッション型の実施態様とボトム-エミッション型の実施態様の両方で利用することができる。図12を参照すると、反射性非金属層15と散乱層22の位置が基板10に対して逆になっていることがわかる。

この明細書では、光散乱層は、あらゆる方向から入射するあらゆる光の方向を変える性質を持つ光学層または表面を有する層である。光散乱層22は、発光層から出た光や反射層15で反射された光を散乱させるためにOLEDデバイスに光学的に組み込まれる。光学的に組み込まれた本発明による散乱層22が存在していると、発生した光の全内部反射がなくなるが、そうでなければ発生した光は電極内とOLED素子の有機層の間を伝播したであろう。OLEDデバイスの中に散乱層を光学的に組み込むとは、OLED素子から発生した光の方向が変わることを意味する。例えば反射性電極または反射器に組み込まれた光散乱層は、反射された光を散乱させることができ、滑らかで平坦な表面ではなく粗い表面を持つように構成できる。光散乱要素が透明な層に組み込まれている場合には、その光散乱要素は、その層を通過する光を散乱させる。

散乱層22は、体積散乱層または表面散乱層を含むことができる。いくつかの実施態様では、散乱層22は、例えば少なくとも2つの異なる屈折率を持つ材料を含むことができる。散乱層22は、例えば屈折率がより小さなマトリックスと、屈折率がより大きな散乱要素を含むことができる。あるいはマトリックスがより大きな屈折率を持ち、散乱要素がより小さな屈折率を持つことも可能である。マトリックスは、例えば二酸化ケイ素、または屈折率が約1.5の架橋した樹脂、または屈折率がはるかに大きい窒化ケイ素を含むことができる。散乱層22の厚さが発生する光の波長の約1/10よりも大きい場合には、散乱層22の少なくとも1つの材料の屈折が、有機層14の屈折率とほぼ同じかそれよりも大きいことが望ましい。これは、有機層と導電層に捕獲されるあらゆる光が散乱層22の方向変更作用を受けられるようにするためである。散乱層22の厚さが発生する光の波長の約1/10よりも小さい場合には、散乱層の材料の屈折率に関してこのように好ましい値は存在しない。

散乱層22ではさまざまな材料を用いることができる。例えばポリマー材料からなるマトリックスの中に二酸化チタンの球をランダムに配置することができる。あるいはITO、酸化ケイ素、窒化ケイ素を用いてより構造化された配置にすることもできる。さらに別の一実施態様では、屈折性材料を電極そのものに組み込んで電極を散乱層にすることができる。屈折性材料の形状は、円筒形、長方形、球形が可能だが、これらの形状に限定されないことが理解されよう。散乱層22に含まれる材料間の屈折率の差は、例えば0.03〜2が可能であり、一般に差は大きいことが望ましい。散乱層の厚さ、あるいは散乱層の内部または表面にある突起のサイズは、例えば0.03〜50μmである。散乱層の内部で回折効果が生じるのを避けることが一般に好ましい。このような効果は、例えばランダムに突起を配置することによって、または屈折性要素のサイズまたは分布が、デバイスの発光領域から出る光の色の波長と同じにならないようにすることによって回避できる。

散乱層22は、OLEDデバイスのさまざまな層によって再吸収される機会が減るよう、OLEDから光をできるだけ早く取り出せるように選択すべきである。散乱層22を有機層14と屈折率が小さい透明な要素19の間に配置するか、有機層14と反射層15の間に配置する場合には、ガラス支持体の上にコーティングされるその散乱層の全散乱透過率を大きくせねばならない（80％超が好ましい）。散乱層22そのものが反射性であることが望ましい他の実施態様では、ガラス支持体の上にコーティングされるその散乱層の全散乱反射率を大きくせねばならない（80％超が好ましい）。いずれの場合にも、散乱層の吸収はできるだけ少なくなければならない（5％未満が好ましく、0％であることが理想的である）。

光散乱層22の材料として有機材料（例えばポリマーや導電性ポリマー）または無機材料が可能である。有機材料としては、例えば、ポリチオフェン、PEDOT、PET、PENのうちの1つ以上が可能である。無機材料としては、例えば、SiO_x（x>1）、SiN_x（x>1）、Si₃N₄、TiO₂、MgO、ZnO、Al₂O₃、SnO₂、In₂O₃、MgF₂、CaF₂のうちの1つ以上が可能である。散乱層22は、例えば、屈折率が2.5〜3の二酸化チタンをドープされた屈折率が1.6〜1.8の酸化ケイ素と窒化ケイ素を含むことができる。1.4〜1.6の範囲の屈折率を持っていて、屈折率がより大きな材料（例えば二酸化チタン）からなる屈折性要素の分散液を含むポリマー材料を使用できる。

このような散乱層で遭遇する可能性のある1つの問題は、散乱層22に含まれる散乱要素に付随する鋭い縁部の近くで電極が短絡するのを有機物によって防止できない可能性があることである。散乱層は平坦にできるが、一般に、そのような平坦化作業によって完全に滑らかで欠陥のない表面が形成されることはない。透明な電極13と16の間で短絡が起こる可能性を減らすため、電極を散乱層の上に形成する場合には、短絡低減層（図示せず）をその電極と有機層の間に使用するとよい。このような層は、抵抗率の大きな材料からなる薄い層である（例えば厚さ方向の抵抗率が10^-7Ωcm²〜10³Ωcm²）。短絡低減層は非常に薄いため、デバイスの電流は電極間を流れてデバイスのすべての層を通過できるが、短絡部を流れる漏れ電流は非常に少なくなる。このような層は、2004年4月12に出願されて譲受人に譲渡された同時係属中のアメリカ合衆国特許出願シリアル番号第10/822,517号に記載されている。

さまざまな実施態様における1つ以上の反射性非金属層15は、多彩な材料、層、構造を含むことができる。透明な電極13、16と同様、反射層15は非金属であるため、プラズモンをサポートすることはなく、したがって実部が正の誘電定数を持つ任意の材料、または伝導帯に自由電子がない任意の材料を含むことができる。好ましい実施態様では、反射性非金属層15は、透明な第1の電極13または第2の電極16のいずれかの一部、または大部分、または全体に延びている。

図1には、有機材料層および電極との光学的コンタクトに透過性光散乱層22を用いることを示してあるが、別の一実施態様では、1つ以上の反射性非金属層15のうちの少なくとも1つが、有機材料層および電極と光学的コンタクトする反射性散乱層を含むことができる。例えば一実施態様である図3を参照すると、反射性非金属層と散乱層が反射性散乱要素23の中に実現されている。反射性散乱要素23は、散乱性材料からなる複数の層、または有機材料層14よりも厚い1つの散乱材料層を提供する。このような材料として、例えば、屈折率の小さな材料（例えばポリマー）からなるマトリックス中の平均半径が500nm〜2,000nmの二酸化チタン粒子が挙げられる。図1の実施態様で使用できるような透過性散乱層は比較的薄いため（例えば厚さが2μｍ）、光は前方と後方の両方に散乱されるであろう。図3の実施態様で使用できるような反射性散乱層は、一般に透過性散乱層よりも厚いため、光は主に後方に散乱されるであろう。例えば出願人は、マトリックス中の二酸化チタンを用いた厚さが8μｍの反射性散乱層を構成し、その上にOLEDデバイスを構成することに成功した。反射性散乱要素23は比較的厚いため、この層に入射する光は内部で散乱され、大半の光は、最終的に、散乱要素23に光が入ってきたのと同じ側から外に出ていく。この実施態様では、散乱要素23は、1つの要素または層の中で非金属反射器と散乱層の両方の機能を提供する。反射性散乱層のマトリックスの屈折率は、有機材料または透明な電極の屈折率と一致していることが好ましい。

本発明の別の一実施態様による図4を参照すると、反射性非金属層は、さまざまな屈折率を持つ複数の層を含んでいる。屈折率の異なる材料27と29を交互にした積層体42を利用して反射させること（例えば1/4波長のプレート構造を含む誘電性積層反射器）は従来技術において公知であり、その方法を本発明に適用することができる。特に、広い範囲の角度にわたってうまく反射されることが望ましいため、全方向誘電反射器に関して最近の文献に記載されている方法を利用するとよい（例えばW. Lin他、J. Modern Optics、第52巻、1155〜1160ページ、2005年と、その中にある参考文献を参照のこと）。従来技術で知られている他の方法（例えば“チャープ”構造）も、特にスペクトルの十分に広い波長にわたって真の全方向反射を可能にする積層体を提供するのに役立つであろう。積層体42では、ポリマー材料と非ポリマー材料の両方を使用できる。さらに、さまざまな材料の積層体の厚さと屈折率を調節して所定の範囲の周波数（例えば、赤、緑、青、シアン、黄）で光を選択的に反射させることができる。あるいはさまざまな材料の積層体によって実質的に白色の広帯域光を反射させることができる。

図3は、反射性散乱要素23を備える本発明の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDを示している。図5を参照すると、反射性散乱要素23をボトム-エミッション型構造でも利用できることがわかる。この実施態様では、反射性散乱要素23は、有機層14とは反対側で透明な電極16に接する位置にある。

カソードが上部にあり、アノードが基板に近い底部にあるOLEDの層構造について説明してきたが、有機層の順番を逆転させ、アノードとカソードの位置を交換できることはよく知られている。

たいていのOLEDデバイスは、水分と酸素の一方または両方に敏感であるため、一般に不活性雰囲気（例えば窒素やアルゴン）中で、乾燥剤（例えばアルミナ、ボーキサイト、硫酸カルシウム、粘土、シリカゲル、ゼオライト、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、硫酸塩、ハロゲン化金属、過塩素酸塩）とともに密封される。封入と乾燥のための方法としては、2001年5月8日にBorosonらに付与されたアメリカ合衆国特許第6,226,890号に記載されている方法などがある。さらに、障壁層（例えばSiO_x（x>1）、テフロン（登録商標））や、交互に積層された無機層／ポリマー層が、封入法として知られている。透明な封止材料からなる1つ以上の非常に薄い層を電極16の上に堆積させることができる。この場合には、散乱層22はこの封止材料層の上に堆積させるとよい。この構造は、散乱層22を堆積させている間を通じて電極16を保護できるという利点を有する。透明な封止材料層は、透明な電極および有機層の第1の範囲の屈折率と同等の屈折率を持つこと、または非常に薄くて（例えば0.2μｍ未満）透明な電極と有機層の中を誘導される光が透明な封止材料層を通過して散乱層22によって散乱されることが好ましい。

本発明のOLEDデバイスでは、望むのであれば、よく知られたさまざまな光学的効果を利用して特性を向上させることができる。その中には、層の厚さを最適化して光の透過を最大にすること、グレア防止または反射防止のコーティングをディスプレイの表面に設けること、偏光媒体をディスプレイの表面に設けること、カラー・フィルタ、中性フィルタ、色変換フィルタをディスプレイの表面に設けることなどがある。フィルタ、偏光装置、グレア防止用または反射防止用コーティングは、特に、カバーの表面に、またはカバーの一部として設けることができる。

本発明は、アクティブ-マトリックス式OLEDディスプレイまたはパッシブ-マトリックス式OLEDディスプレイでも実施することができる。本発明をディスプレイ装置またはエリア照明装置で利用することもできる。好ましい一実施態様では、本発明を、例えば1988年9月6日にTangらに付与されたアメリカ合衆国特許第4,769,292号と、1991年10月29日にVanSlykeらに付与されたアメリカ合衆国特許第5,061,569号などに開示されている小分子OLEDまたはポリマーOLEDからなるフラット-パネルOLEDデバイスで利用する。有機発光ディスプレイの多くの組み合わせや変形例を利用してこのようなデバイスを製造することができる。その中には、トップ-エミッション型構造またはボトム-エミッション型構造を備えるアクティブ-マトリックス式OLEDディスプレイとパッシブ-マトリックス式OLEDディスプレイの両方が含まれる。

反射性非金属層と散乱層を備える本発明の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。従来技術で提案されているトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。反射性非金属散乱層を備える本発明の別の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。反射性非金属層と散乱層を備える本発明の別の一実施態様によるトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。反射性非金属散乱層を備える本発明の一実施態様によるボトム-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。トップ-エミッション型OLEDデバイスの断面を通過するさまざまな光伝播モードを示している。ボトム-エミッション型OLEDデバイスの断面を通過するさまざまな光伝播モードを示している。従来のトップ-エミッション型OLEDデバイスの断面を通って光が伝播してシャープさが失われることを示している。従来のボトム-エミッション型OLEDデバイスの断面を通って光が伝播してシャープさが失われることを示している。従来のアクティブ-マトリックス式ボトム-エミッション型OLEDデバイスに散乱層があるためにシャープさが失われることを示すグラフである。さまざまなモードの光の相対エネルギーを層の間隔の関数として示したグラフである。反射性非金属層と散乱層を備える本発明の一実施態様によるボトム-エミッション型OLEDデバイスの断面図である。

符号の説明

1、2、3、4、5 光線
10 基板
12 反射性電極
13 透明な電極
14 有機層
15 反射性非金属層
16 透明な電極
18 ギャップ
19 屈折率が小さい透明な要素
20 封止用カバー
22 散乱層
23 反射性非金属散乱層
27 反射性積層要素
29 反射性積層要素
30 薄膜回路
32 絶縁体
34 絶縁体
40 OLED素子
42 積層体
50、52、54、56、58 画素

Claims

第1と第2の透明な非金属電極と、その第1と第2の透明な非金属電極の間に形成されていて1つ以上の発光層を含む1つ以上の有機材料層と；
上記第1の透明な非金属電極または第2の透明な非金属電極のいずれかの、上記有機材料層とは反対側に配置された1つ以上の反射性非金属層とを備える有機発光ダイオード（OLED）デバイスであって；
このデバイスがさらに、上記有機材料層および上記電極と光学的コンタクトされた光透過性散乱層を備えること、または上記1つ以上の反射性非金属層のうちの少なくとも1つが、上記有機材料層および上記電極と光学的コンタクトされた反射性散乱層を備えることを特徴とするOLEDデバイス。
上記1つ以上の反射性非金属層が、屈折率の異なる複数の非金属層を含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記1つ以上の反射性非金属層のうちの少なくとも1つが、上記有機材料層および上記電極と光学的コンタクトされた反射性散乱層を含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記反射性散乱層が散乱粒子を含む、請求項3に記載のOLEDデバイス。
上記散乱粒子が、2つの側部を有する層の中に形成されていて、屈折率がその散乱粒子よりも小さいマトリックスを含むこと、または屈折率がその散乱粒子よりも小さい層が散乱粒子からなる層の一方の側を覆っていることを特徴とする、請求項4に記載のOLEDデバイス。
上記反射性散乱層が光散乱面を有する、請求項3に記載のOLEDデバイス。
上記第1の透明な非金属電極および／または上記第2の透明な非金属電極が金属酸化物を含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記1つ以上の有機材料層が2つ以上の発光層を含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記1つ以上の反射性非金属層が、上記第1の透明な非金属電極または上記第2の透明な非金属電極と同じ領域に広がっている、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記1つ以上の反射性非金属層が、可視スペクトル全体にわたって光を反射する、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記1つ以上の反射性非金属層が、可視スペクトルの所定の周波数範囲の光を選択的に反射する、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記周波数範囲が、赤、緑、青、シアン、黄のいずれかに対応する、請求項11に記載のOLEDデバイス。
請求項1に記載のOLEDデバイスにおいて、上記有機材料層が第1の範囲の屈折率を持ち、そのOLEDデバイスが、その第1の範囲の屈折率よりも屈折率が小さい透明な要素をさらに備えていて、上記透明な非金属電極と上記有機材料層が、その屈折率が小さい透明な要素と上記1つ以上の反射性非金属層に挟まれている、OLEDデバイス。
ディスプレイ装置、エリア照明装置、バックライトのいずれかである、請求項1に記載のOLEDデバイス。
基板をさらに備えていて、上記1つ以上の反射性非金属層が、その基板と、上記透明な非金属電極および上記有機材料層とに挟まれている、請求項1に記載のOLEDデバイス。
透明な基板をさらに備えていて、上記透明な非金属電極と上記有機材料層が、その基板と上記1つ以上の反射性非金属層に挟まれている、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記反射性非金属層が、実部が正の誘電定数を持つ材料を含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。
上記反射性非金属層が、伝導帯に自由電子のない材料を含む、請求項1に記載のOLEDデバイス。