共振器構造を持つ EL 素子の発光スペクトル

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共振器構造を持つ EL 素子の発光スペクトル

大西直人，岡田和之 *

Emission Spectrum of Organic-light-emitting-diode with Optical Resonator

Naoto OONISHI and Kazuyuki OKADA*

Abstract

The narrowing of the emission spectrum from organic-light-emitting-diode (OLED) with optical resonator was observed experimentally. The resonator consists of Mg-Ag and Ag thin layers. The spectral width of 95 nm was narrowed down to 12 nm. It was broadened by thinning down the Ag layer. The wavelength at the maximum emission intensity depended on the size of the resonator. The OLED with the narrowed emission is available for extension of the expressible color area on chromaticity diagram.

Keywords : Organic-light-emitting-diode, Emission Spectrum, Optical Resonator, Color Display

１．はじめに

有機EL素子は自発光・薄型という特徴を生かしてディスプレイ分野への展開が広がっている。現在、携帯電話のような小型ディスプレイに広く普及しており、今後、テレビに代表される大型ディスプレイへの活用も見込まれている。ディスプレイへの応用では発光色（スペクトル）が重要である。一般的なカラー表示では赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の三原色を混ぜてフルカラーを表現する。混色であるため再現できる色の領域は発光源のスペクトルにより

決まる。広い領域の色を表現するためには、３つの原色光源それぞれが一つの波長成分のみを有し、それ以外の波長成分は持たないスペクトルであることが必要である。

一般的に広いスペクトル幅を持つ有機EL発光は、素子内に光共振器を構築することによりスペクトルを先鋭化することができる。従来の研究では反射膜に誘電体多層膜を使用しているが、構造や製膜の複雑さが欠点となる。¹⁾ 本研究ではAg薄膜を反射膜として利用する。これにより共振器の構築や製膜が簡易になる。

近畿大学大学院システム工学研究科

* 近畿大学工学部電子情報工学科

Graduate School of Systems Engineering, Kinki University

* Department of Electronic Engineering and Computer Science, Faculty of Egineering, Kinki University

近畿大学工学部研究報告　No.48，2014年，pp.71-74 Research Reports of the Faculty of Engineering, Kinki University No.48 2014, pp.71-74

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２．有機EL素子の設計

先鋭な発光スペクトルを得るために光の共振現象を利用した。平行した鏡に挟まれた内部で発生した光は2枚の鏡で反射を繰り返す。このとき、ある特定の波長のみ安定した定在波を得ることができる。定在波は鏡の距離（光路長）が1／2波長の整数倍であるときに発生する。²⁾ 1／2 波長からずれた波長の光はお互いに打ち消し合うように作用するため、共振波長をピークとした先鋭なスペクトルが得られる。

本研究では素子内に共振器を構築した。作製した素子の構造を図1に示す。共振器は平行に対面した一対の反射膜から成る。反射膜にはMgAgとAgを使用した。MgAgは仕事関数が低く電子の注入のしやすさから陰極も兼ねる。

もう一方の反射膜に使用したAgは可視光全域で一定の反射率を持つとともに陽極側のホール注入を阻害しない程度の仕事関数を有する。Agは陽極を兼ねず、反射膜としての効果だけを考える。共振器から光を取り出すため、

MgAgは透過率を０％とし、Agは０％より大きくした。

このため、Ag膜は必然的に薄くなり、電極として安定した動作が行われない可能性がある。そこで、陽極は透明電極であるITOを使用した。

図1 共振器型EL素子の構造

発光層にはAlq3を使用した。Alq3は光の３原色のひとつである緑色の発光剤であり、発光スペクトルのピークは 520nm近傍にある。520nmを中心とした先鋭な発光を光共振によって取り出すためには反射膜である MgAg・Ag 間の光路長が520nmにならなければならない。光路長は

有機材料の膜厚を調整することによって制御した。520nm の膜厚は有機EL素子としては比較的厚い。材料が厚くなると駆動電圧は上昇し、エネルギーの消費の増大や素子の破壊をもたらす。そこで、520nmの半波長でも定在波は形成できるので光路長を260nmとする。有機材料自体が光路となるため、材料の屈折率を考慮した実効的光路長は幾何学的な膜厚より長くなる。

キャリア輸送層にはPEDOT、TPD、α-NPD、BCPを使用した。PEDOT はホール注入の機能を持っており、

TPD、α-NPDはホール輸送の機能を、BCPは電子輸送の機能を持っている。BCP にはホールブロック効果もあり、発光を担うAlq3層にホールが蓄積しやすくなり、Alq3 分子から効率の良い発光が期待できる。

本研究で作製した素子の屈折率を考慮した実効的有機膜厚とAgの膜厚の一覧を表1に示す。素子A, Bと素子C では光取出側の反射膜であるAg膜の厚さを変えて反射率を変化させ、共振の効果を評価した。Ag膜厚を厚くすることで反射率が高くなり、スペクトル先鋭効果が強くなると予測される。素子Dは共振器を構築しない素子で、Alq3 の発光がそのまま素子外へ放出される。

表１作製した素子一覧

素子実効的有機膜厚 [nm] Ag膜厚 [nm]

A 260 45

B 250 45

C 260 25

D 260 0

３．有機EL素子の作製手順

基板としてITO膜付ガラス（20×20[mm]）を使用し、

エッチング処理により幅6[mm]の陽極を形成した。正孔注入層を形成するため PEDOT をプロパノールで1：2となるよう希釈した。これをガラス基板上の陽極面を覆う形でスピンコートした。次に、PVK、Bu-PBD、および発光剤をジクロロエタンに溶解させた。正孔注入層と同様に、この溶液を塗布して発光層を形成した。真空蒸着装置を用いてBCPを蒸着し、その後、Mg/Agによる陰極を作製した。

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この金属電極の幅は約7[mm]であり、短絡を避けるために陽極と直交するように形成した。

４．計測装置の配置

発光スペクトルの計測にはファイバマルチチャンネルフォトメータ（分光計器㈱、K-1013）を使用した。EL素子からフォトメータへの導光には、光ファイバを用いた。

ファイバのコア径は0.4mm、ファイバ入射端面とEL素子発光面との距離は1cmである。

５．実験結果および検討

5-1共振器を構築したEL素子の発光スペクトル

EL素子内に共振器を構築した共振素子Aと共振器を構築しない通常素子Dの発光スペクトルを図2に示す。ただし、発光スペクトルの形状を比較し易いように最高発光強度を１として規格化している。通常素子DではAlq3での発光が透明電極であるITOを通してそのまま放出された。

発光ピークは520nm近傍にあり、460nmから680nmにかけて発光が観測された。共振素子Aでは530nmを中心とした先鋭な発光スペクトルが得られた。通常素子Dの半値幅が95nmであるのに対して共振素子Aは12nmであり、スペクトルが著しく先鋭化されている。

5-2 膜厚を変化させたEL素子の発光スペクトル共振素子Aと共振素子Bの発光スペクトルを図3に示す。素子Aと素子Bは光路長である有機層の実効的膜厚を変化させた素子である。素子Aは260nm、素子Bは

図2 素子Aと素子Dの発光スペクトル

図3 素子Aと素子Bの発光スペクトル

250nmで設計している。実際にはそれぞれ2倍の波長である520nmと500nmの定在波が形成されると推測される。

２つの発光ピーク波長の差は20nmとなる。図3から素子 Aの発光ピークは530nm、素子Bは510nmである。その差は20nmであり、理論的に推測される相違と整合した。

5-3 Agの膜厚を変化させたEL素子の発光スペクトル共振素子Aと共振素子Cの発光スペクトルを図4に示す。素子Aと素子Cは発光ピーク強度・波長ともに若干のずれがあったので、スペクトルを比較し易いように発光ピークを基準として2つのスペクトルを規格化した。そのため、横軸の波長も相対的な数値となる。素子Cは27nm、素子Aは12nmのスペクトル幅であり、素子Cの方が幅広い発光が観測された。素子Aと素子Cは反射膜である

図4 素子Aと素子Cの発光スペクトル 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

発光強度[a.u]

波長[nm]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

発光強度[a.u]

波長[nm]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

発光強度[a.u]

相対波長[nm]

素子A

素子D

素子A 素子B

素子C

素子A 共振器構造を持つ EL 素子の発光スペクトル

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Ag膜の厚さに違いがある。素子Aは45nm、素子Cは25nm であり、透過率は0.1%と5%であった。反射膜が薄いほど透過率が高く（反射率は低く）なるため、共振器内に閉じ込められる光は少なくなり、共振効果が小さくなる。この共振効果の影響がスペクトル幅の違いとなって現れていると考える。

5-4 発光色度の評価

発光色を評価するには、スペクトルだけではなく色度座標も必要である。３刺激値 XYZ にもとづく表色系による xy色度図は CIE色度図とも呼ばれる。中央の点が白色

（無彩色）に対応し、周辺ほど鮮やかさが増す。色度図周囲の境界で単色光になる。図5にCIE色度図にsRGB空間と素子A・B・C・Dの座標を示した。sRGB（Standard RGB）は国際電気標準会議 (IEC) が定めた国際標準規格であり、一般的なモニタはこの規格に準拠している。³⁾ 薄く囲った三角形がsRGB色空間である。

発光スペクトルから色度への変換にはCIE が定めた等式関数を用いて算出した。⁴⁾ ☆で記したところが素子 A(0.16,0.75)、×が素子B(0.10, 0.56)、□が素子 C(0.25, 0.65)、○が素子D(0.33, 0.57)である。括弧内の数値はCIE 色度図のX・Y座標値である。素子Cの座標は図4で示した波長を調整したときの数値である。本実験では赤と青の光源は評価していないため、sRGBの座標値を用いた。

図5 素子A・B・C・Dの色度図

通常素子Dを緑色の光源として利用したときはsRGB を満たさないほど色域は小さいが、共振器を構築（素子A）することでsRGBを上回る色域を実現できた。素子Dのようなスペクトル幅の広い発光は色度図では内側に寄った座標になるため、混色で使用する光源としては不適当である。素子Aのような先鋭なスペクトルの発光は色度図の端の座標になる。この場合、3原色で構成する三角形は大きくなり、色域の拡大につながる。同じ共振器を持つ素子 A、Cにおいても発光スペクトル幅の相違が色度図にも現れている。

素子Aと素子Bの発光スペクトル幅はほぼ等しいが、

発光ピーク波長が異なる。色度図では異なる色域を持っている。同じ有機材料でありながら膜厚を調整することで色域の調整が可能である。素子Aの光源を使用した場合は橙や黄色の、素子Bの光源を使用した場合は青色の表現に優れたディスプレイが実現される。

6．まとめ

有機EL素子内に共振器を構築することで発光スペクトル幅95nmを12nmまで先鋭化することができた。光取り出し側の反射膜厚を薄くするとスペクトル幅が拡がった。

また、有機層の実効的膜厚を変化させると発光ピーク波長のシフトが確認された。これらにより、光共振効果が裏付けられた。

発光色度図において、スペクトル先鋭化によって色域が拡大していることを確認した。

参考文献

1) Siegfried Dirr, Stefan Wiese, Hans-Hermann Johannes, Wolfgang Kowalsky : Advanced Materials Volume 10, Issue 2, pages 167–171, January, 1998 2) 光と光の記録、http://www.anfoworld.com/lasers.html 3) sRGBの基礎、

http://www.motorwarp.com/koizumi/srgb.html 4) Colour & Vision Research Laboratory、

http://www.cvrl.org/

素子C 素子A

素子D 素子B

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