JP2002164171A - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フルカラー表示の有機ＥＬ素子において、発
光色の制御と発光効率の向上を図る。 【解決手段】 発光性液晶化合物層と非液晶性の発光性
有機化合物層とを積層し、その界面から、上記発光性液
晶化合物及び発光性有機化合物のそれぞれのフォトルミ
ネッセンスのスペクトルとは異なるスペクトルのエレク
トロルミネッセンス発光を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フラットパネルデ
ィスプレイ、プロジェクションディスプレイ、プリンタ
等に用いられる有機エレクトロルミネッセンス素子（以
下、「有機ＥＬ素子」と記す）に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、
例えば、プラズマ発光表示素子や、フィールドエミッシ
ョン素子、エレクトロルミネッセンス素子等が挙げられ
る。

【０００３】中でも、有機ＥＬ素子に関しては、１９８
７年にＴ．Ｗ．タン（Ｔａｎｇ）等により、蛍光性金属
キレート錯体とジアミン系分子の薄膜を積層した構造を
利用して、低電圧ＤＣ駆動で高輝度な発光が得られるこ
とが実証され、研究開発が精力的に進められている。こ
れら低分子系の有機ＥＬ素子においては、緑（Ｇ）単色
や、青（Ｂ）、赤（Ｒ）等の色を加えたエリアカラータ
イプのディスプレイが製品化され、現在はフルカラー化
への開発が活発化している。

【０００４】有機ＥＬ素子は、発光層に到達した電子と
正孔が再結合する際に生じる発光を利用した、キャリア
注入型の自発光デバイスである。図１、図２に一般的な
有機ＥＬ素子の断面構成を模式的に示した。図中、１０
は有機化合物層、１１は金属電極、１２は発光層、１３
は正孔輸送層、１４は透明電極、２１は電子輸送層であ
る。

【０００５】通常陰極には金属電極１１、発光した光を
取り出すために陽極には透明電極１４を用いる。両電極
間に有機化合物層１０が挟持されている。有機化合物層
１０を構成する各有機層は数百Å程度の膜厚が一般的で
ある。一般に陰極の金属材料としては、アルミニウムや
アルミニウム・リチウムの合金、マグネシウム・銀の合
金などの仕事関数の小さな金属が用いられる。また、陽
極にはインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の仕事関数の大
きな透明導電材料が用いられる。

【０００６】有機化合物層１０は、発光層１２と正孔輸
送層１３からなる２層構造、或いは、図２のような電子
輸送層２１、発光層１２、正孔輸送層１３の３層からな
る構造が一般的である。ここで、正孔輸送層１３は陽極
からの正孔を効率よく発光層１２に注入させるため、ま
た、電子輸送層２１は陰極からの電子を効率よく発光層
１２に注入させるために用いられている。また、同時
に、正孔輸送層１３は電子を、電子輸送層２１は正孔を
発光層１２に閉じ込める（キャリアブロック）機能を有
し、発光効率を高める効果がある。

【０００７】フルカラーのフラットパネルディスプレイ
として既に製品化されている液晶素子は、カラーフィル
タ等を用いてフルカラー化を実現しているが、有機ＥＬ
素子は、発光層を構成する材料を適切に選択することに
より、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色を自発光させることができ、
液晶素子よりも高速応答、広視野角といった優れた特徴
を有している。一方、十分な実用性を有するフルカラー
ディスプレイを実現するためには、Ｒ、Ｇ、Ｂ、各色の
発光層の輝度、色度、発光効率に優れた素子を実現する
必要がある。

【０００８】一般に、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の輝度や色度と
いった特性を、単独の発光材料からなる発光層におい
て、十分なレベルで得ることは困難である。この問題に
対して、ホスト材料に蛍光色素をドーピングした色素ド
ープ型有機ＥＬ素子が利用されている。これは、図１や
図２に示した有機ＥＬ素子の正孔輸送層１３や電子輸送
層２１、或いは発光層１２を構成する材料をホストとし
て、その層の中にごく少量の蛍光色素をドープすること
により、その蛍光色素からのルミネッセンスを発光色と
して取り出す手法である。この方法の特長としては、蛍
光収率の高い色素が利用できるため、効率の向上が期待
できること、発光色の選択が大幅に向上することであ
る。

【０００９】しかしながら、色素ドープ型有機ＥＬ素子
は、ドープする色素（ゲスト色素）の濃度が発光特性に
大きく影響することが知られている。これは、ゲスト色
素の分散状態によって濃度消光を起こしたり、結晶化を
起こすことが原因と考えられる。一方で、有機ＥＬ素子
を作製する際に広く用いられる真空蒸着法によって、ご
く少量（例えば１重量％程度）のドーピング濃度を安定
に制御することは困難であり、大面積化という課題を含
めて、再現性良く安定な性能を持たせることは難しいと
思われる。

【００１０】そこで、より簡便な手法によって有機ＥＬ
素子の発光色を制御する方法が模索されている。その一
つとして、発光層と電子輸送層、或いは正孔輸送層と電
子輸送層との界面で、材料の組み合わせによってエキサ
イプレックスを生成させ、このエキサイプレックスから
の発光を利用するものである。エキサイプレックスは異
種分子間の相互作用によって、それぞれ単独分子からの
発光特性とは異なった励起状態が形成される状態と考え
られる。エキサイプレックス発光による発光色制御の例
としては、城田らは、緑色発光材料として広く用いられ
ているアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ３）とイオン化
ポテンシャルの低いトリフェニルアミン系材料との二層
型有機ＥＬ素子において、Ａｌｑ３由来の緑色発光では
なく、界面に生成されたエキサイプレックスからの黄色
発光が得られることを見いだしている〔Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｅ，Ｖｏｌ．７２，ｐ６３６（１９９
８）〕。

【００１１】また、Ｃ２対称性を有する正孔輸送材料と
電子輸送材料とを混合することでエキサイプレックス発
光を高い効率で得られることが特開２０００−１３３４
５３に開示されている。

【００１２】このように、エキサイプレックス生成を利
用して発光色を制御する手法は有機ＥＬ素子のフルカラ
ー化へ向けて有力な技術である。一方、従来から用いら
れてきたキャリア輸送材料は、アモルファス材料であ
り、キャリア移動度の面で十分な特性があるとはいえな
い。一般的にアモルファス状態の有機化合物のキャリア
移動度は１０^-5ｃｍ²／Ｖｓｅｃ程度であり、輸送特性
の向上が望まれる。キャリア輸送層の移動度を上げるこ
とができれば、より多くのキャリアを発光層に注入させ
ることができ、発光効率が高まると考えられており、同
時に高移動度が達成されれば、一般的に数百Å程度の膜
厚であるキャリア輸送層の膜厚を厚く（〜１μｍ程度）
することができるため、上下ショートなどを防止し、生
産性も向上することが期待できる。

【００１３】このような状況で、キャリア輸送層を形成
する有機化合物に液晶性を付与する、即ち液晶化合物で
キャリア輸送層を形成することで高移動度を達成しよう
とする動きがある。一般的に有機ＥＬ素子に用いられる
有機薄膜はアモルファス状態にあり、分子の配列に規則
性はない。これに対して、分子配列に一定の秩序を持っ
た液晶化合物において高移動度の材料が見出され、注目
されている。例えば、Ｈａａｒｅｒらは、代表的なディ
スコティック液晶である長鎖トリフェニレン系化合物の
メソフェーズにおいて１０^-1ｃｍ²／Ｖｓｅｃという高
速な正孔の移動度を観測している〔Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏ
ｌ．３７１，ｐ．１４１（１９９４）〕。また、Ｈａａ
ｒｅｒらは一連のトリフェニレン系ディスコティック液
晶におけるカラムナー相の分子配列の秩序度と正孔移動
度の関係について検討しており、秩序度が高くなるほ
ど、正孔移動度が大きくなることを報告している〔Ａｄ
ｖ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．８，ｐ．８１５（１９９
６）〕。

【００１４】また、半那らはフェニルナフタレン骨格を
有する棒状液晶がスメクティックＥ（ＳｍＥ）相におい
て１０^-2ｃｍ²／Ｖｓｅｃという非常に高いキャリア移
動度を示し、またこれが電子・正孔共に高速な両極性の
電子伝導性であることを報告している〔Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ，Ｖｏｌ．７３，Ｎｏ．２５，ｐ．３７
３３（１９９８）〕。

【００１５】上記のように液晶化合物の自発的な配向に
よって、キャリア輸送に有利な分子配列制御を行うこと
ができる可能性、それにより、優れたキャリア輸送材料
が実現できる可能性がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような状況にお
いて、本発明が課題とするところは、液晶化合物を用い
て有機ＥＬ素子の電流−電圧特性を向上させると同時に
発光色の制御を可能とすることである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも、
一対の電極と、該電極間に挟持された有機化合物層を有
する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、上記
有機化合物層が発光材料として少なくとも一種の液晶化
合物を用いてなり、当該素子のエレクトロルミネッセン
スのスペクトルと上記液晶化合物のフォトルミネッセン
スのスペクトルとが異なることを特徴とする有機エレク
トロルミネッセンス素子である。

【００１８】上記本発明においては、上記有機化合物層
が、上記液晶化合物からなる層と、他の非液晶性の有機
化合物層との積層構造を有し、当該有機エレクトロルミ
ネッセンス素子のエレクトロルミネッセンスが上記液晶
化合物層と非液晶性有機化合物層との界面から発光され
るエキサイプレックス発光に由来し、そのスペクトルが
上記非液晶性有機化合物のフォトルミネッセンスとは異
なること、及び、上記液晶化合物がスメクチック相或い
はディスコティック相を呈することを好ましい態様とし
て含むものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、液晶化合物を用いるこ
とにより、電流−電圧特性の向上と発光色の制御を同時
に実現したものであり、本発明において液晶化合物を用
いたことによる作用効果は以下の通りである。

【００２０】液晶化合物を用いることにより、その分
子配向に基づいたキャリア移動度が向上し、結果として
有機ＥＬ素子の電流−電圧特性が向上する。

【００２１】液晶化合物を用いることにより、その分
子配向を利用して、電極からのキャリアの注入が容易と
なり、有機ＥＬ素子の電流−電圧特性が向上する。

【００２２】液晶化合物の分子形状に由来して、他の
有機化合物との間に相互作用を起こしやすく、分子の会
合や、エキサイプレックスの生成が起こりやすくなる。

【００２３】本発明の有機ＥＬ素子は、有機化合物層と
して、上記液晶化合物を含んでいれば良く、具体的に
は、液晶化合物層と他の非液晶性の有機化合物層との積
層構造を形成することにより、その界面より良好なエキ
サイプレックス発光を得ることができる。よって、本発
明の有機ＥＬ素子のエレクトロルミネッセンスのスペク
トルは、素子の構成に用いた液晶化合物、さらには他の
非液晶性の有機化合物のそれぞれのフォトルミネッセン
スのスペクトルとは異なるものとなる。

【００２４】本発明で用いることのできる液晶化合物と
しては、スメクチック相或いはディスコティック相を呈
するキャリア移動度の高いスメクチック液晶或いはディ
スコティック液晶を好ましく用いることができる。具体
的には、後述する実施例で用いた液晶化合物や、下記構
造式で示される液晶化合物が好ましく用いられる。

【００２５】

【化１】

【００２６】また、液晶化合物層に積層してその界面か
ら発光を得るための、他の非液晶性有機化合物として
は、従来電子輸送層或いは発光層として用いられていた
Ａｌｑ３や、下記構造式で示されるＡｌｍｐ３、Ａｌｐ
ｑ３、ＢｅＢｑ２（ベリリウム錯体）が好ましく用いら
れる。

【００２７】

【化２】

【００２８】本発明の有機ＥＬ素子は、上記したよう
に、液晶化合物を用いて発光部位を構成していれば、特
に他の構成部材については限定されず、例えば、図１、
図２における発光層１２、正孔輸送層１３、電子輸送層
２１を適宜組み合わせて構成することができ、これらキ
ャリア輸送層や電極の素材や製法は、従来の有機ＥＬ素
子の技術をそのまま用いることができる。

【００２９】

【実施例】（実施例１） 構成：ＩＴＯ／αＮＰＤ（６０ｎｍ）／Ａｌｑ３（２０
ｎｍ）／液晶１（２０ｎｍ）／Ａｌ・Ｌｉ／Ａｌ 厚さ１．１ｍｍのガラス基板上に透明電極（陽極側）と
して約７０ｎｍ厚のＩＴＯ膜をスパッタ法にて形成し
た。

【００３０】上記ＩＴＯ電極上に、正孔輸送層として下
記構造を有するαＮＰＤ（同仁化学社製）を６０ｎｍの
膜厚で真空度２．６６×１０^-3Ｐａの条件下で真空蒸着
法にて成膜した。

【００３１】

【化３】

【００３２】次に上記正孔輸送層の上に下記構造を有す
るアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ３）を２０ｎｍの膜
厚で真空度２．６６×１０^-3Ｐａの条件下で真空蒸着法
にて成膜した。

【００３３】

【化４】

【００３４】次に上記ＡＬｑ３層の上に下記構造を有す
るベンゾフラン骨格を有する液晶１を真空度２．６６×
１０^-3Ｐａの条件下で真空蒸着法にて膜厚２０ｎｍで成
膜した。

【００３５】

【化５】 Ｃｒｙ．：結晶相 ＳｍＸ：スメクチック相ではあるが、詳細構造が特定さ
れていない。 Ｉｓｏ．：等方相

【００３６】続いて、陰極側金属電極としてＡｌ・Ｌｉ
合金（Ｌｉ：１．３重量％）を膜厚１０ｎｍで真空度
２．６６×１０^-3Ｐａの条件下で真空蒸着法にて成膜し
た。さらに、その上から陰極を保護するために、Ａｌ・
Ｌｉ層上にＡｌを１５０ｎｍの厚さで蒸着した。

【００３７】得られた有機ＥＬ素子の上記Ａｌ・Ｌｉ電
極側を陰極、ＩＴＯ電極側を陽極となるように電圧を印
加し、Ｅ（電界）／Ｉ（電流）特性を測定した。その結
果を図３に示す。液晶１の層は本例において電子輸送層
として機能するが、該液晶１層を導入したことによって
本例の素子は良好な電界／電流特性が得られ、輝度も高
いことが確認された。その際の発光色は黄色であった。
この素子のエレクトロルミネッセンスのスペクトルを図
４に示す。これは、５１０ｎｍ付近が発光ピークとなる
Ａｌｑ３のフォトルミネッセンス（図５）、３５０ｎｍ
付近が発光ピークとなる液晶１のフォトルミネッセンス
（図６）のいずれとも異なるものであった。即ち、本例
の素子の発光は、Ａｌｑ３層と液晶１層との界面からの
ものと考えられ、Ａｌｑ３の発光色から長波長側へ発光
色がシフトしたものと考えられる。

【００３８】また、室温にてこの素子の発光状態を顕微
鏡観察したところ、結晶化が起こっている領域はなく、
液晶１層が過冷却状態の液晶相を保っていることが確認
された。

【００３９】（実施例２） 構成：ＩＴＯ／αＮＰＤ（６０ｎｍ）／液晶１（２０ｎ
ｍ）／Ａｌｑ３（２０ｎｍ）／Ａｌ・Ｌｉ／Ａｌ 実施例１と同様のガラス基板に、同様の条件にて、ＩＴ
Ｏ膜、厚さ６０ｎｍのαＮＰＤ、厚さ２０ｎｍの液晶
１、厚さ２０ｎｍのＡｌｑ３を順に真空蒸着法にて積層
した。続いて同様の条件にて、陰極としてＡｌ・Ｌｉ合
金（Ｌｉ：１．３重量％）を、その上から陰極を護する
ために、Ａｌ・Ｌｉ層上にＡｌ層を同様の条件にて作製
した。

【００４０】得られた有機ＥＬ素子のＡｌ・ＬＩ電極側
を陰極、ＩＴＯ電極側を陽極となるように電圧を印加
し、Ｅ（電界）／Ｉ（電流）特性を測定した。その結果
を図７に示す。本例の素子は陰極側にＡｌｑ３層を電子
注入層として有するため、実施例１に比べて電界／電流
特性が劣り、輝度も高くなかった。発光色は黄色であっ
た。このエレクトロルミネッセンスのスペクトルは実施
例１と同様であり、これは、５１０ｎｍ付近が発光ピー
クとなるＡｌｑ３のフォトルミネッセンス、３５０ｎｍ
付近が発光ピークとなる液晶１のフォトルミネッセンス
のいずれとも異なるものであった。素子のＥＬ発光は、
Ａｌｑ３層と液晶１層との界面からのものと考えられ、
Ａｌｑ３の発光色から長波長側へ発光色がシフトしたも
のと考えられる。

【００４１】また、室温にて本例の素子の発光状態を顕
微鏡観察したところ、結晶化が起こっている領域はな
く、液晶１層が過冷却状態の液晶相を保っていることが
確認された。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の有機ＥＬ
素子は、液晶化合物を用いて発光を行うため、液晶化合
物に由来する高いキャリア移動度或いはキャリア注入性
と、発光色の制御を同時に実現することができ、発光効
率が高く、カラー表示特性に優れたカラー表示の有機Ｅ
Ｌ素子を歩留まり良く提供することができる。特に、本
発明においては、液晶化合物層と他の非液晶性有機化合
物層との積層構造としてその界面から発光を得ることが
できるため、製造が容易で再現性も高い。また、発光効
率が高いことから、有機化合物層を厚膜化して上下ショ
ートのない信頼性の高い有機ＥＬ素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】有機ＥＬ素子の一例の基本構成を示す断面模式
図である。

【図２】有機ＥＬ素子の他の例の基本構成を示す断面模
式図である。

【図３】本発明の実施例１の有機ＥＬ素子の電界／電流
特性を示す図である。

【図４】本発明の実施例１の有機ＥＬ素子のエレクトロ
ルミネッセンスのスペクトルである。

【図５】Ａｌｑ３のフォトルミネッセンスのスペクトル
である。

【図６】本発明の実施例で用いた液晶１のフォトルミネ
ッセンスのスペクトルである。

【図７】本発明の実施例２の有機ＥＬ素子の電界／電流
特性を示す図である。

【符号の説明】

１０ 有機化合物層 １１ 金属電極 １２ 発光層 １３ 正孔輸送層 １４ 透明電極 ２１ 電子輸送層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坪山 明 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 滝口 隆雄 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 鎌谷 淳 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 3K007 AB04 AB06 CA01 CB01 DA01 DB03 EB00

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、一対の電極と、該電極間に
   挟持された有機化合物層を有する有機エレクトロルミネ
   ッセンス素子であって、上記有機化合物層が発光材料と
   して少なくとも一種の液晶化合物を用いてなり、当該素
   子のエレクトロルミネッセンスのスペクトルと上記液晶
   化合物のフォトルミネッセンスのスペクトルとが異なる
   ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
2. 【請求項２】 上記有機化合物層が、上記液晶化合物か
   らなる層と、他の非液晶性の有機化合物層との積層構造
   を有し、当該有機エレクトロルミネッセンス素子のエレ
   クトロルミネッセンスが上記液晶化合物層と非液晶性有
   機化合物層との界面から発光されるエキサイプレックス
   発光に由来し、そのスペクトルが上記非液晶性有機化合
   物のフォトルミネッセンスとは異なる請求項１に記載の
   有機エレクトロルミネッセンス素子。
3. 【請求項３】 上記液晶化合物が、スメクチック相を示
   す請求項１または２に記載の有機エレクトロルミネッセ
   ンス素子。
4. 【請求項４】 上記液晶化合物が、ディスコティック相
   を示す請求項１または２に記載の有機エレクトロルミネ
   ッセンス素子。