JP2015088388A - Organic el element, and image display apparatus and illumination apparatus including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置に関するものである。 The present invention relates to an organic EL element, and an image display device and an illumination device including the organic EL element.
有機EL(エレクトロルミネッセンス)素子は、広視野角、高速応答、鮮明な自発光表示等の特徴を有し、また、薄型軽量で低消費電力であること等の理由から、次世代の照明装置や画像表示装置等の柱として期待されている。
有機EL素子は、有機発光層で発生した光が取り出される向きに応じて、支持基板側から光が取り出されるボトムエミッション型と、支持基板の反対側から光が取り出されるトップエミッション型とに分けられる。
An organic EL (electroluminescence) element has features such as a wide viewing angle, a high-speed response, a clear self-luminous display, etc., and is also thin and light and has low power consumption. It is expected as a pillar of image display devices.
Organic EL elements are classified into a bottom emission type in which light is extracted from the support substrate side and a top emission type in which light is extracted from the opposite side of the support substrate, depending on the direction in which the light generated in the organic light emitting layer is extracted. .
例えば、透明基板上に、透明電極、発光層を含む有機層、金属電極を順に備えるボトムエミッション型の有機EL素子においては、発光層で発光した光のうち、透明基板(例えば、ガラス(代表的な屈折率:1.52))と空気(屈折率:1.0)との界面に臨界角以下の小さい入射角(入射光線と入射する界面の法線がなす角度)で入射した光は、その界面で屈折して素子の外部に取り出される。本明細書では、これらの光を外部モード(External Mode)光という。
これに対して、発光層で発光した光のうち、透明基板と空気との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光はその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を基板モード(Substrate Mode)光という。
また、発光層で発光した光のうち、透明導電性酸化物からなる陽極(例えば、酸化インジウム錫(ITO(代表的な屈折率:1.82))と透明基板との界面や陽極と陰極間に配置する高屈折率層と低屈折率層との界面等の基板と陰極との間の界面に臨界角より大きい入射角で入射した光もその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を導波モード(Waveguide Mode)光という。
また金属陰極のような金属層が有機EL素子中に存在する場合、発光層で発光した光のうち、金属層に入射して金属陰極の自由電子と結合し、表面プラズモンポラリトン(SPP;Surface Plasmon Polariton)として金属電極の表面に捕捉された光も素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光をSPPモード(SPP Mode)光という。
For example, in a bottom emission type organic EL device including a transparent electrode, an organic layer including a light emitting layer, and a metal electrode in this order on a transparent substrate, a transparent substrate (for example, glass (typical) of light emitted from the light emitting layer is used. The refractive index: 1.52)) and air (refractive index: 1.0) are incident at a small incident angle (an angle formed by the incident light and the normal of the incident interface) that is smaller than the critical angle. The light is refracted at the interface and taken out of the element. In this specification, these lights are called external mode lights.
On the other hand, of the light emitted from the light emitting layer, the light incident on the interface between the transparent substrate and air at an incident angle larger than the critical angle is totally reflected at the interface and is not taken out of the device, and finally Can be absorbed by the material. In the present specification, this light is referred to as substrate mode light.
Of the light emitted from the light emitting layer, an anode (for example, indium tin oxide (ITO (typical refractive index: 1.82))) made of a transparent conductive oxide and the transparent substrate, or between the anode and the cathode. Light incident on the interface between the substrate and the cathode, such as the interface between the high-refractive index layer and the low-refractive index layer disposed at a larger angle than the critical angle, is totally reflected at the interface and is not extracted outside the device. In the present specification, this light is referred to as “waveguide mode light”.
In addition, when a metal layer such as a metal cathode is present in the organic EL element, out of the light emitted from the light emitting layer, the light enters the metal layer and is combined with free electrons of the metal cathode to form a surface plasmon polariton (SPP). The light trapped on the surface of the metal electrode as Polariton) is not taken out of the device but can be finally absorbed by the material. In the present specification, this light is referred to as SPP mode light.
有機EL素子の光取り出し効率(発光層で発光した光に対して素子の外部に取り出される光の割合)は一般に20%程度に留まっている(例えば、特許文献1)。すなわち、発光層で発光した光のうち、約80%が損失となっており、これらの損失を低減して光の取り出し効率を向上させることが大きな課題となっている。
ここで、基板モード光の取り出しについては透明基板上に光拡散シートなどを設けることで対処できる(例えば、特許文献2)が、導波モード光及びSPPモード光の低減や取り出し、特にSPPモード光の低減や取り出しについては研究が緒に就いたばかりといえる。
The light extraction efficiency of the organic EL element (ratio of the light extracted outside the element with respect to the light emitted from the light emitting layer) is generally limited to about 20% (for example, Patent Document 1). That is, about 80% of the light emitted from the light emitting layer is lost, and it is a big problem to reduce these losses and improve the light extraction efficiency.
Here, the extraction of the substrate mode light can be dealt with by providing a light diffusion sheet or the like on the transparent substrate (for example, Patent Document 2), but the reduction and extraction of the waveguide mode light and the SPP mode light, particularly the SPP mode light. It can be said that research has just begun on the reduction and removal of odors.
導波モード光は、光が高屈折率材料から低屈折率材料に入射する際に全反射が起きることにより生じるので、導波モード光を低減するには全反射を起きにくくする、あるいは、全反射を生じる光の割合を低減することによって導波モード光を低減する方策が知られている。
特許文献3には、有機発光層の近傍に有機発光層や透明電極よりも屈折率の高い高屈折率層を挿入する構成が開示されている。また、特許文献2には、有機発光層及び透明電極に有機発光層及び透明電極よりも低屈折率の微粒子を分散させることで、等価的に有機発光層及び透明電極の屈折率を下げる構成が開示されている。
Since guided mode light is generated when total reflection occurs when light enters a low refractive index material from a high refractive index material, total reflection is less likely to occur in order to reduce guided mode light. There are known measures for reducing guided mode light by reducing the proportion of light that causes reflection.
また、特許文献4及び特許文献5には、基板上に順に形成された透明電極層及び誘電体層にキャビティを有する構成が開示されている。
このキャビティの側面(基板に対して垂直に延びる界面)に入射する光は、この界面において基板側に屈折する。基板側に屈折した光は、透明電極と基板の界面、及び基板と空気の界面で全反射を生じる光の割合を低減することができる。
Light incident on the side surface of the cavity (interface extending perpendicular to the substrate) is refracted toward the substrate at this interface. The light refracted to the substrate side can reduce the proportion of light that causes total reflection at the interface between the transparent electrode and the substrate and between the substrate and the air.
一方、光の取り出し効率を向上させる方法として、透明基板と電極との界面などに回折格子を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献6)。 On the other hand, as a method for improving the light extraction efficiency, a method of forming a diffraction grating at an interface between a transparent substrate and an electrode has been proposed (for example, Patent Document 6).
また、有機EL素子に限らず一般的に、金属層表面のSPPモードを外部放射モードと結合させて金属層表面から有機層中へ取り出す方法として、金属層表面近傍に低屈折率薄膜および高屈折率誘電体を配置し、Otto型配置(非特許文献1)とする方法がしばしば用いられている。 In addition to organic EL devices, generally, a method of extracting the SPP mode on the surface of the metal layer from the surface of the metal layer by combining it with the external radiation mode and taking it out from the surface of the metal layer into the organic layer has a low refractive index thin film and a high refractive index. A method of arranging a dielectric constant and adopting an Otto type arrangement (Non-patent Document 1) is often used.
しかしながら、SPPモード光が金属表面から取り出されても、その光が導波モード光として捉えられると素子の外部に取り出されず、光取り出し効率は向上しない。 However, even if the SPP mode light is extracted from the metal surface, if the light is captured as guided mode light, it is not extracted outside the device, and the light extraction efficiency is not improved.
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、SPPモード光及び導波モード光を効果的に取り出して光取り出し効率が向上した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an organic EL element in which SPP mode light and waveguide mode light are effectively extracted to improve light extraction efficiency, and an image display device and an illumination device including the organic EL element. The purpose is to do.
本発明者らは、まず、SPPモード光を金属層表面から有機層中に取り出し、その次に、その伝播光を導波モード光とせずに素子の外部に取り出すという2ステップの光取り出し機構を想定して多数の構造の中から、光取り出し効率を向上させる有効な構造を鋭意検討した。
光取り出し効率を直接計測することは困難であるため、主にシミュレーションに基づいて検討を行った。
The inventors first have a two-step light extraction mechanism in which SPP mode light is extracted from the surface of the metal layer into the organic layer, and then the propagating light is extracted outside the device without being guided mode light. Assuming an effective structure that improves light extraction efficiency out of many structures.
Since it is difficult to directly measure the light extraction efficiency, the investigation was mainly based on simulation.
本発明の有機EL素子は、発光層を含む有機層を第1電極と第2電極が挟持してなる構造のものである。ここで、上記の2ステップの光取り出し機構は、SPPモード光を生成し、生成されたSPPモード光を金属層表面から有機層中に取り出すOtto 型配置(非特許文献1)の第2電極側構造と、その金属層表面から有機層中に取り出した光を導波モード光とせずに外部に取り出す第1電極側構造とからなる。 The organic EL device of the present invention has a structure in which an organic layer including a light emitting layer is sandwiched between a first electrode and a second electrode. Here, the above-described two-step light extraction mechanism generates SPP mode light and extracts the generated SPP mode light from the surface of the metal layer into the organic layer on the second electrode side (Non-Patent Document 1). The structure is composed of a first electrode side structure in which light extracted from the surface of the metal layer into the organic layer is extracted outside the waveguide mode light.
本発明者らは、シミュレーションにより、Otto 型配置の第2電極側構造と、導波モード光を基板側(トップエミッション型では基板の反対側)に屈折又は指向させる、特定の形状を有する凸部又は凹部を備えた第1電極側構造とを組み合わせることにより、かかる第2電極側構造及び第1電極側構造の単独の光取り出し効率の向上効果からは予測できないほどの顕著な効果を奏することを見い出し、かつその第1電極側構造の形状を特定の形状とすることにより光取り出し効率が向上することを見出し、本発明を完成させた。 The inventors of the present invention have shown by simulation that a second electrode side structure having an Otto type arrangement and a convex portion having a specific shape that refracts or directs guided mode light toward the substrate side (opposite side of the substrate in the top emission type). Or, by combining with the first electrode side structure provided with the concave portion, the second electrode side structure and the first electrode side structure have a remarkable effect that cannot be predicted from the improvement effect of the single light extraction efficiency. As a result, the inventors have found that the light extraction efficiency is improved by making the shape of the first electrode side structure a specific shape, thereby completing the present invention.
上記課題を解決するため、概要を説明した本発明は以下の構成を採用する。
(1)第1電極と、発光層を含む有機層と、第2電極とを順に具備する有機EL素子であって、さらに、前記第2電極の前記有機層と反対側の面に、低屈折率層と、金属層とを該反対側の面に接する側から順に具備し、前記第2電極は、透光性導電材料からなり、前記低屈折率層の屈折率は前記有機層の屈折率よりも低く、前記第1電極の前記有機層と反対の面に高屈折率層を具備し、前記高屈折率層は、該高屈折率層が前記第1電極と反対側の面に隣接する物質よりも屈折率が高く、且つ前記低屈折率層よりも屈折率が高い材料からなり、さらに前記高屈折率層は、複数の凸部を有し、前記凸部は前記第1電極側から順に形成された柱状部と先端部とからなり、前記柱状部は、前記第1電極に対し垂直に起立し、前記先端部は前記第1電極と反対側に頂部を有し、その頂部に向かって傾斜する傾斜面を有していることを特徴とする有機EL素子。
(2)前記柱状部の高さが、0.3〜500μmであることを特徴とする(1)に記載の有機EL素子。
(3)前記柱状部の幅が、0.3〜500μmであることを特徴とする(1)または(2)のいずれかに記載の有機EL素子。
(4)前記先端部の高さが、その底面の幅の0.05〜5倍であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(5)第1電極と、発光層を含む有機層と、第2電極とを順に具備する有機EL素子であって、さらに、前記第2電極の前記有機層と反対側の面に、低屈折率層と、金属層とを該反対側の面に接する側から順に具備し、前記第2電極は、透光性導電材料からなり、前記低屈折率層の屈折率は前記有機層の屈折率よりも低く、前記第1電極の前記有機層と反対の面に高屈折率層を具備し、前記高屈折率層は、該高屈折率層が前記第1電極と反対側の面に隣接する物質よりも屈折率が高く、且つ前記低屈折率層よりも屈折率が高い材料からなり、さらに前記高屈折率層は、複数の凹部を有し、前記凹部は前記第1電極側から順に形成された柱状孔部と根底部とからなり、前記柱状孔部は、前記第1電極に対し垂直に穿孔されており、前記根底部は、第1電極と反対側に向かって広がる傾斜面を有していることを特徴とする有機EL素子。
(6)前記柱状孔部の深さが、0.3〜500μmであることを特徴とする(5)に記載の有機EL素子。
(7)前記柱状孔部の幅が、0.3〜500μmであることを特徴とする(5)または(6)のいずれかに記載の有機EL素子。
(8)前記根底部の深さが、該根底部の幅と前記柱状孔部の幅との差の0.025〜2.5倍であることを特徴とする(5)〜(7)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(9)前記低屈折率層の厚さが、20nm以上300nm以下であることを特徴とする(1)〜(8)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(10)前記凸部または前記凹部が面内の一方向に連なるライン状に形成されていることを特徴とする(1)〜(9)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(11)前記高屈折率層が複数の層からなることを特徴とする(1)〜(10)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(12)前記低屈折率層の屈折率はさらに、前記第2電極の屈折率よりも低いことを特徴とする(1)〜(11)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(13)前記第2電極の屈折率はさらに、前記有機層の屈折率よりも低いことを特徴とする(12)に記載の有機EL素子。
(14)前記低屈折率層は、前記第2電極及び前記有機層のうちの少なくとも一方よりも屈折率が0.2以上小さい材料からなることを特徴とする(1)〜(13)のいずれか一項に記載の有機EL素子。
(15)(1)〜(14)のいずれか一項に記載の有機EL素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
(16)(1)〜(14)のいずれか一項に記載の有機EL素子を備えたことを特徴とする照明装置。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention having the outline adopts the following configuration.
(1) An organic EL device comprising a first electrode, an organic layer including a light emitting layer, and a second electrode in this order, and a low refraction on the surface of the second electrode opposite to the organic layer. A refractive index layer and a metal layer in order from the side in contact with the opposite surface, the second electrode is made of a translucent conductive material, and the refractive index of the low refractive index layer is the refractive index of the organic layer. A high refractive index layer on the surface of the first electrode opposite to the organic layer, and the high refractive index layer is adjacent to the surface opposite to the first electrode. It is made of a material having a refractive index higher than that of the substance and a refractive index higher than that of the low refractive index layer, and the high refractive index layer has a plurality of convex portions, and the convex portions are arranged from the first electrode side. A columnar part and a tip part formed in sequence, the columnar part standing upright with respect to the first electrode, and the tip part being the first electrode Has a top portion on the opposite side, the organic EL element characterized in that it has an inclined surface inclined toward the top.
(2) The organic EL element according to (1), wherein the columnar portion has a height of 0.3 to 500 μm.
(3) The organic EL element according to (1) or (2), wherein a width of the columnar part is 0.3 to 500 μm.
(4) The organic EL element according to any one of (1) to (3), wherein the height of the tip is 0.05 to 5 times the width of the bottom surface.
(5) An organic EL element comprising a first electrode, an organic layer including a light emitting layer, and a second electrode in this order, and a low refraction on the surface of the second electrode opposite to the organic layer. A refractive index layer and a metal layer in order from the side in contact with the opposite surface, the second electrode is made of a translucent conductive material, and the refractive index of the low refractive index layer is the refractive index of the organic layer. A high refractive index layer on the surface of the first electrode opposite to the organic layer, and the high refractive index layer is adjacent to the surface opposite to the first electrode. It is made of a material having a refractive index higher than that of the substance and a refractive index higher than that of the low refractive index layer. Further, the high refractive index layer has a plurality of concave portions, and the concave portions are formed in order from the first electrode side. A columnar hole portion and a root portion, and the columnar hole portion is drilled perpendicularly to the first electrode, and the root portion is The organic EL element characterized in that it has an inclined surface extending toward the opposite side of the first electrode.
(6) The organic EL element according to (5), wherein the depth of the columnar hole is 0.3 to 500 μm.
(7) The organic EL element according to (5) or (6), wherein a width of the columnar hole is 0.3 to 500 μm.
(8) The depth of the root portion is 0.025 to 2.5 times the difference between the width of the root portion and the width of the columnar hole. (5) to (7) The organic EL element as described in any one.
(9) The organic EL element according to any one of (1) to (8), wherein the low refractive index layer has a thickness of 20 nm to 300 nm.
(10) The organic EL element according to any one of (1) to (9), wherein the convex portion or the concave portion is formed in a line shape continuous in one direction in the plane.
(11) The organic EL element according to any one of (1) to (10), wherein the high refractive index layer includes a plurality of layers.
(12) The organic EL element according to any one of (1) to (11), wherein a refractive index of the low refractive index layer is further lower than a refractive index of the second electrode.
(13) The organic EL element according to (12), wherein the refractive index of the second electrode is further lower than the refractive index of the organic layer.
(14) The low refractive index layer is made of a material having a refractive index smaller by 0.2 or more than at least one of the second electrode and the organic layer. Any of (1) to (13) An organic EL device according to
(15) An image display device comprising the organic EL element according to any one of (1) to (14).
(16) An illuminating device comprising the organic EL element according to any one of (1) to (14).
本発明によれば、SPPモード光及び導波モード光を効果的に取り出して光取り出し効率が向上した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the organic EL element which extracted the SPP mode light and the waveguide mode light effectively, and the light extraction efficiency improved, and an image display apparatus and an illuminating device provided with the same can be provided.
以下、本発明を適用した有機EL素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置について、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、一の実施形態で説明した内容は他の実施形態では説明を省略する場合がある。
本発明の有機EL素子は、いわゆるトップエミッション型、ボトムエミッション型のいずれを適用してもよい。
本発明において、第1電極及び第2電極は一方が陽極で他方が陰極であるが、以下では、第1電極を陽極、第2電極を陰極とする構成を例に挙げて説明する。
また、本発明の有機EL素子は本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層を備えてもよい。
Hereinafter, the structure of an organic EL element to which the present invention is applied, an image display apparatus and an illumination apparatus including the organic EL element will be described with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. . In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately changed and implemented without changing the gist thereof. In addition, the contents described in one embodiment may be omitted in other embodiments.
The so-called top emission type or bottom emission type may be applied to the organic EL element of the present invention.
In the present invention, one of the first electrode and the second electrode is an anode and the other is a cathode. In the following description, a configuration in which the first electrode is an anode and the second electrode is a cathode will be described as an example.
Moreover, the organic EL element of this invention may be provided with the layer which is not described below in the range which does not impair the effect of this invention.
(有機EL素子(第1実施形態))
図1は、本発明の第1実施形態に係る有機EL素子の一例を説明するための断面模式図である。図5(a)は、第1実施形態に係る有機EL素子を説明するための斜視模式図である。
図1に示す有機EL素子10は、基板1上に陽極(第1電極)2と、発光層を含む有機層3と、陰極(第2電極)4とを順に具備する有機EL素子であって、さらに、陰極4の有機層3と反対側の面に、低屈折率層5と、金属層6とを該反対側の面に接する側から順に具備し、陰極4は、透光性導電材料からなる透明導電層であり、低屈折率層5の屈折率は有機層3の屈折率よりも低く、陽極2の有機層3と反対の面に高屈折率層7を具備し、高屈折率層7は、基板1(高屈折率層7が陽極2と反対側の面に隣接する物質)よりも屈折率が高く、且つ低屈折率層5よりも屈折率が高い材料からなり、さらに高屈折率層7は、複数の凸部7aを有し、凸部7aは陽極2側から順に形成された柱状部7a1と先端部7a2とからなり、柱状部7a1は、陽極2に対し垂直に起立し、先端部7a2は陽極と反対側に頂部を有し、かつその頂部に向かって傾斜する傾斜面を有していることを特徴としている。なお、ここで言う「傾斜面」とは「傾斜平面」でも「傾斜曲面」でも良い。
また図1に示すように、高屈折率層7は層状部7bを有していてもよい。
図1において、実線で示す構成はボトムエミッション型のものである。図1おいて、符号1’は、本発明の構成をわかりやすく説明するためにトップエミッション型の場合の基板の配置を併せて示したものである。この場合、基板1を備える必要はなく、高屈折率層7が陽極2と反対側の面に隣接する物質は、例えば空気であってもよい。他の実施形態についても、トップエミッション型の場合の基板の配置は同様である。
上記のように陰極側の構造について屈折率の比較を行う場合には、有機層の屈折率とは、有機EL材料からなる発光層を含む全ての層の平均の屈折率をいう。
(Organic EL device (first embodiment))
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the organic EL element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a schematic perspective view for explaining the organic EL element according to the first embodiment.
An
Further, as shown in FIG. 1, the high
In FIG. 1, the configuration indicated by the solid line is a bottom emission type. In FIG. 1,
As described above, when comparing the refractive indexes of the structure on the cathode side, the refractive index of the organic layer means the average refractive index of all the layers including the light emitting layer made of the organic EL material.
本発明の有機EL素子に共通する陰極側の構成である、金属層/低屈折率層/有機層の積層構造において、これらがOtto型配置となるためには低屈折率層の屈折率が有機層の屈折率より低い必要がある。このような屈折率構成とすることによって、金属層/低屈折率界面に生じたSPPモード光を有機層中に取り出すことができる。また、陰極の屈折率が低屈折率層の屈折率よりも高いことがより好ましい。陰極の屈折率が低屈折率層の屈折率より高い場合、金属層/低屈折率層/陰極の構成もOtto型配置となっているため、SPPモード光をより効率的に再放射させ、有機層や高屈折率層中へ導くことができる。さらに、陰極の屈折率は、有機層の屈折率よりも低いことが好ましい。このような屈折率構成とすることによって、陰極に取り出されたSPPモード光を、陰極/有機層界面で全反射させることなく有機層へ取り出すことができる。 In the laminated structure of the metal layer / low refractive index layer / organic layer, which is a structure on the cathode side common to the organic EL element of the present invention, in order for these to be Otto type arrangement, the refractive index of the low refractive index layer is organic. It must be lower than the refractive index of the layer. With such a refractive index configuration, SPP mode light generated at the metal layer / low refractive index interface can be extracted into the organic layer. More preferably, the refractive index of the cathode is higher than the refractive index of the low refractive index layer. When the refractive index of the cathode is higher than the refractive index of the low refractive index layer, the structure of the metal layer / low refractive index layer / cathode is also an Otto type arrangement. Layer or high refractive index layer. Furthermore, the refractive index of the cathode is preferably lower than the refractive index of the organic layer. With such a refractive index configuration, the SPP mode light extracted to the cathode can be extracted to the organic layer without being totally reflected at the cathode / organic layer interface.
本発明の有機EL素子10は、トップエミッション型(金属層6から見て低屈折率層5と反対側に基板1’がある場合)、ボトムエミッション型(陽極2から見て有機層3と反対側に基板1がある場合)の有機EL素子のいずれにも適用できる。
ボトムエミッション型に適用する場合には、基板1は透光性の基板であり、通常、可視光に対して透明であることが必要である。ここで、「可視光に対し透明である」とは、発光層から発する波長の可視光を透過することができればよいという意味であり、可視光領域全域にわたり透明である必要はない。400〜700nmの可視光における透過率が50%以上で、平滑な基板が好ましい。また、透過率が70%以上であることがより好ましい。
基板1を構成する材料として具体的には、ガラス、ポリマー等が挙げられる。ガラスとしては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマーとしては、ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルファイド、ポリサルフォン等を挙げることができる。
なお、発光光が可視光でない場合も、少なくとも発光波長領域に対して、可視光の場合と同様に透明であることが必要である。透過率としては、発光が最大強度となる波長に対し、50%以上であることが好ましく、70%以上であることが更に好ましい。
トップエミッション型に適用するためには、上記記載と同様なものの他に、不透明な材料も使用できる。具体的には、例えばCu、Ag、Au、Pt、W,Ti、Ta、Nb、Alの単体、またはこれらの元素を含んだ合金、あるいはステンレスなどの金属材料、Si、SiC、AlN、GaN、GaAs、サファイアなどの非金属材料、その他のトップエミッション型の有機EL素子で通常用いられる基板材料を用いることができる。また、素子の発光に伴い生じる熱を逃がすため、熱伝導率の高い材料を基板に用いることが好ましい。
但し、本実施形態では、高屈折率層7が凸部7aを形成することにより、基板1はそれに対応する複数の凹部を備えるので、より精確に加工しやすい材料であるのが好ましい。好ましい材料としては特に限定はされないが、例えば、石英が挙げられる。
The
When applied to the bottom emission type, the
Specific examples of the material constituting the
Even when the emitted light is not visible light, it is necessary to be transparent at least in the emission wavelength region as in the case of visible light. The transmittance is preferably 50% or more and more preferably 70% or more with respect to the wavelength at which light emission has the maximum intensity.
In order to apply to the top emission type, an opaque material can be used in addition to the same as described above. Specifically, for example, Cu, Ag, Au, Pt, W, Ti, Ta, Nb, Al alone, an alloy containing these elements, or a metal material such as stainless steel, Si, SiC, AlN, GaN, Nonmetallic materials such as GaAs and sapphire, and other substrate materials usually used in top emission type organic EL elements can be used. In addition, in order to release heat generated due to light emission of the element, it is preferable to use a material having high thermal conductivity for the substrate.
However, in this embodiment, since the high
基板1の厚さは、要求される機械的強度にもよるし、限定するものではないが、好ましくは、0.01mm〜10mm、より好ましくは0.05mm〜2mmである。
The thickness of the
陽極2は陰極4との間で電圧を印加し、陽極2より有機層3に正孔を注入するための電極であり、仕事関数の大きい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましく、陽極2に接する有機層3のHOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)準位との差が過大にならないように仕事関数が4eV以上6eV以下のものを用いるのが好ましい。陽極2の材料としては透光性でかつ導電性の材料であれば特に制限はないが、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化錫、酸化亜鉛などの透明無機酸化物、PEDOT:PSS、ポリアニリンなどの導電性高分子および任意のアクセプタなどでドープした導電性高分子、カーボンナノチューブなどの導電性光透過性材料、薄膜金属、薄膜状に形成された金属ナノワイヤ、これらを含む複合材料を挙げることができる。ここにおいて、陽極2は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などによって形成することができる。
陽極2の厚さは特に限定はされないが、例えば10〜2000nmであり、好ましくは50〜1000nmである。10nmより薄いと陽極2のシート抵抗が増大し、また、2000nmより厚いと有機層3の平坦度を保てなくなると共に、陽極の透過率が低下する。
The
Although the thickness of the
有機層3は、有機EL材料からなる発光層の他、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層等を備えてもよい。発光層の材料としては、有機EL素子用の材料として知られる任意の材料を用いることができる。
正孔注入層は陽極2から有機層3への正孔注入を助ける層であり、イオン化エネルギーが通常5.5eV以下と低い。このような正孔注入層としてはより低い電界強度で正孔を有機層3に注入する材料が好ましいが、形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。また、正孔輸送層は発光領域まで正孔を輸送する層であって、正孔移動度が大きい。このような正孔輸送層として形成する材料は、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
電子注入層は陰極4から有機層3への電子注入を助ける層である。このような電子注入層としてはより低い電界強度で電子を有機層3に注入する材料が好ましいが、形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。また、電子輸送層は発光領域まで電子を輸送する層であって、電子移動度が大きい。このような電子輸送層として形成する材料は、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
The
The hole injection layer is a layer that assists hole injection from the
The electron injection layer is a layer that assists electron injection from the
有機層3は、蒸着法、転写法などの乾式プロセスによって成膜してもよいし、スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など、湿式プロセスによって成膜してもよい。
有機層3の厚さは特に限定はされないが、例えば50〜2000nmであり、好ましくは100〜1000nmである。50nmより薄いと突き抜け電流による内部量子効率の低下や、金属層6による損失性表面波モードカップリング(lossy surface wave mode coupling)など、SPPカップリング以外の消光が起こり、また、2000nmより厚いと駆動電圧が上昇する。
The
Although the thickness of the
陰極4は、発光層に電子を注入するための電極であり、仕事関数の小さい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましく、陰極4に接する有機層3のLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位との差が過大にならないように仕事関数が1.9eV以上5eV以下のものを用いるのが好ましい。
陰極4の材料としては、Otto型配置の陰極側構造を形成するために、透光性の導電材料とする必要がある。そのため、上記の陽極材料と同じものを用いることができる。
陰極4の厚さは特に限定はされないが、例えば30nm〜1μmであり、好ましくは50〜500nmである。30nmより薄いとシート抵抗が増加して、駆動電圧が上昇し、また、1μmより厚いと成膜時の熱や放射線ダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積するからである。
The
As a material of the
Although the thickness of the
低屈折率層5は、陰極4の、有機層3とは反対側の面に備えられており、有機層3よりも屈折率の低い材料からなる。また低屈折率層5は、陰極4を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有する透明材料からなることが好ましい。
発光層で発光した光が陰極4側に伝播し、陰極4と低屈折率層5との界面に達したとき、臨界角以上の角度で入射したときに全反射が起きる。
The low
When the light emitted from the light emitting layer propagates to the
このような低屈折率層5の材料としては、有機層3よりも屈折率の低い材料であれば特に制限はなく、例えば、有機層3の全ての層の平均屈折率が1.72の場合、この屈折率条件を満たすSOG、フッ化マグネシウム(MgF2(代表的な屈折率1.38))等の金属フッ化物、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE(代表的な屈折率1.35))等の有機フッ素化合物、二酸化ケイ素(SiO2(代表的な屈折率1.45))、各種の低融点ガラス、多孔性物質が挙げられる。また、低屈折率層5は空気層を含む層からなり、陰極4を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有するものでもよい。
The material of the low
また低屈折率層5は、陰極4及び有機層3のうちの少なくとも一方よりも屈折率が0.2以上小さい材料からなることが好ましい。これは陰極4や有機層3がOtto 型配置の高屈折率媒質に相当し、Otto型配置で低屈折率媒質(低屈折率層5)と高屈折率媒質(陰極4および有機層3のうちの少なくとも一方)の屈折率差が0.2以上あれば、SPPモード光の波数の面内成分が小さくなる為、陰極4または有機層3の伝播光とSPPモード光の分散曲線が交わるようになり、SPPモード光が陰極4または有機層3へより効率的に取り出されるためである。
The low
低屈折率層5の厚さは、20nm〜300nmであることが好ましい。厚みが20nmより薄いと、低屈折率層5の膜厚が薄すぎるため、金属層6と有機層3または陰極4が接近してSPPモード光の波数が大きくなり、分散曲線が有機層3内伝播光の分散曲線と交わらなくなり、SPPモード光が有機層中に取り出されにくくなる。300nmより厚いと、SPPモードの電磁場が金属層6に届かなくなり、SPPモード光が有機層中に取り出されにくくなる。さらに低屈折率層5の厚さは、200nm以下であることがより好ましい。
The thickness of the low
金属層6は、陰極4の、有機層3とは反対側に低屈折率層5を介して備えられている。
金属膜6の材料としては有機層3中で生じた発光光を陽極側へ反射することができればよいのでほとんどの金属の単体または合金を用いることができるが、比複素誘電率の実部が絶対値が大きな負の値を持つような材料が好ましい。かかる材料としては例えば、Au、Ag、Cu、Zn、Al、Mg、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の単体や、AuとAgとの合金、AgとCuとの合金、真鍮等の合金が挙げられる。また、金属層6は、2層以上の積層構造であってもよい。
金属層6の厚さは特に限定はされないが、例えば20〜2000nmであり、好ましくは50〜500nmである。20nmより薄いと反射率が低くなり正面輝度が低下し、また、2000nmより厚いと成膜時の熱や放射線ダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積する。
The
As the material of the
Although the thickness of the
高屈折率層7は、その高屈折率層7が陽極2と反対側の面に隣接する物質よりも高く、且つ低屈折率層5よりも高い屈折率を有する材料からなる。図1で示す例では、その高屈折率層7が陽極2と反対側の面に隣接する物質は基板1なので、高屈折率層7は基板1よりも高い屈折率を有する材料からなる。なお、トップエミッション型の素子で、高屈折率層が陽極2と反対側の面に隣接する物質が空気の場合は、高屈折率層7は空気よりも屈折率が高く、且つ低屈折率層5よりも屈折率が高い材料で構成することができる。
高屈折率層7の屈折率が基板1の材料よりも高く、且つ低屈折率層5よりも高い屈折率を有することにより、断面視して基板外表面側(図中の上方)に向かって凸である凸部7aに入射した光は基板側に屈折することになり、その結果、光の基板1への入射角が小さい角度に変わるので、基板の外表面での全反射をしない光が増えて、基板モード光が抑制される。またトップエミッション型の素子の場合も、同様に光を素子面に対して垂直に近い方向に指向させることができる。
高屈折率層7の屈折率はさらに、有機層3の屈折率と同じか、これより高いことが好ましい。このような屈折率構造にすることによって、有機層中へ再放射されたSPPモード光および発光光が、陽極/高屈折率層界面で全反射することなく高屈折率層中へ取り出される。
The high
By having a refractive index of the high
The refractive index of the high
高屈折率層7の材料としては、透光性でかつ高屈折率層7の陽極2と反対側の面に隣接する物質(基板側に隣接する材料)よりも高く、かつ低屈折率層5よりも高い屈折率を有する材料であれば特に制限はされない。
例えば、基板側に隣接する材料がガラス基板(代表的な屈折率:1.52)であり低屈折率層の屈折率がガラスより低い場合、高屈折率層7の材料としては、例えば、屈折率が1.52より高いSOG(代表的な屈折率:1.6〜2.0)、酸化マグネシウム(MgO)(代表的な屈折率:1.74)、酸化亜鉛(ZnO)(代表的な屈折率:2.02)をはじめとする酸化物、窒化アルミニウム(AlN)をはじめとする窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)やケイ素酸窒化物をはじめとする酸窒化物、ポリエチレンナフタレート(PEN(代表的な屈折率:1.77))やメラミン樹脂等をはじめとする高分子化合物樹脂、などから選択して用いることができる。また、これらよりなる多孔質性材料、混合物、また、無機材料の微粒子を透明媒質中に分散させたものなどを用いることができる。
また、基板側に隣接する材料や低屈性率層5の屈折率が1.52よりさらに低い場合には、高屈折率層7の材料として、基板の屈折率と同じか、より低い屈折率の材料、例えば、フッ化マグネシウム(MgF2)(代表的な屈折率:1.38)をはじめとする金属ハロゲン化物、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE(代表的な屈折率:1.35))をはじめとするフッ素系樹脂、ポリメチルメタクリレート(代表的な屈折率:1.49)、シリカ(SiO2)(代表的な屈折率:1.45)などからも選択して用いることができる。
The material of the high
For example, when the material adjacent to the substrate side is a glass substrate (typical refractive index: 1.52) and the refractive index of the low refractive index layer is lower than that of glass, the material of the high
Further, when the refractive index of the material adjacent to the substrate side or the low
高屈折率層7は複数の層からなってもよい。例えば図1の有機EL素子10では、高屈折率層7は複数の凸部7aと層状部7bを有している。凸部7aと層状部7bは、同じ種類の高屈折率材料からなっても、異なる種類の高屈折率材料からなってもよい。層状部7bと凸部7aの屈折率が異なる場合、層状部7bの屈折率が、凸部7aの屈折率より低いことが好ましい。有機層3で発光した光は、層状部7b、凸部7aの順に通過し、素子外部に取り出される。そのため、層状部7bの屈折率が凸部7aより低ければ、凸部7aと層状部7bの界面での全反射を抑制することができ、効率的に光を取り出すことができる。複数の凸部7aは、図1に示すように基板1内に離散的に配置されている。
The high
凸部7aは、陽極側から順に柱状部7a1と先端部7a2からなる。図2は、陽極2に垂直な幅方向の面で切られた凸部7aの断面形状を模式的に表した断面模式図である。
柱状部7a1は陽極2に対して垂直に起立していればよく、その形状は特に限定はされないが、円柱、四角柱、三角柱等が挙げられる。素子面の法線方向から見た平面図の例を図3に示す。凸部7aの柱状部7a1の平面形状としては特に制限はないが、例えば、図3(a)で示すように凸部7aがドット状に存在し、そのドット形状が円形、楕円形、長円形、三角形、正方形、長方形、四角形、多角形、これらを複合した図形等の形状でもよいし、図3(b)で示すような凸部7aが複数のライン状に存在し、そのライン形状が直線形状、屈曲形状、曲線形状、円環形状(ドーナツ型)等の形状でもよい。ドット形状とライン形状を組み合わせた平面形状などが挙げられる。
先端部7a2は、基板1側(陽極2と反対側)に頂部を有し、その頂部に向かって傾斜する傾斜面を有していればよくその形状は特に限定されない。傾斜面は平面でも曲面でも良く、例えば、その断面が図2で示すような、半円、三角形、三角形凹部を有する形、台形等が挙げられる。
凸部7aの配置としては特に制限はないが、図4で示すような平面形状がドット形状もしくは有限な長さ(素子の端部までラインが延伸しない)をもったライン形状である場合は面内方向に正方格子状、六方格子状、長方格子状など周期的に配列していても、非周期的に配列していてもよい。また、ライン形状の場合は、隣りあう凸部が互いに平行となるように延伸した配列、異なる径の円環状ラインが同心状に配置された配列、複数の波型や屈曲ラインが互いに重ならないように配列した場合がある。また、ライン形状では、互いのラインが交差や分岐していてもよく、例えばラインが面内に格子網状にはりめぐらされていてもよい。
凸部7aは、1次元的にライン状に形成されていれば、複数の凸部形状を機械加工等で形成する場合に欠陥を生じにくいため好ましい。一方、凸部7aが2次元的に面内方向に正方格子状、六方格子状などに配列するドット形状として形成されていれば、面内の任意の方位に伝播する再放射光が同等に取り出せるのでより好ましい。
The
The columnar portion 7a1 only needs to stand upright with respect to the
The tip portion 7a2 has a top on the
Although there is no restriction | limiting in particular as arrangement | positioning of the
If the
柱状部7a1の高さ(図2におけるh1)は、0.3〜500μmであることが好ましい。また0.5〜100μmであることがさらに好ましい。さらに1〜50μmであることがより好ましい。柱状部7a1は、その陽極2に対して垂直な側面によって、有機層3で発光した光を陽極2に対して垂直に近い方向に指向させる。柱状部7a1の高さが0.3μm以下では、陽極2に対して垂直な側面が少なく、効率的に光を指向させることができない。また500μm以上では、高屈折率層7の厚さが厚すぎるため、高屈折率層7と陽極2の界面をフラットにすることが難しく、構造を作製することが難しい。また柱状部7a1の高さが高すぎると、光が凸部7aの表面に到達して屈折するまでに高屈折率層7内を導波する距離が長くなり減衰してしまうため、効率的な光取り出しを実現できないためである。
The height of the columnar part 7a1 (h1 in FIG. 2) is preferably 0.3 to 500 μm. Moreover, it is more preferable that it is 0.5-100 micrometers. Furthermore, it is more preferable that it is 1-50 micrometers. The
また柱状部7a1の幅(図2におけるW1)は、0.3〜500μmであることが好ましい。また0.5〜100μmであることがさらに好ましい。さらに1〜50μmであることがより好ましい。ここで、柱状部7a1の平面形状が図3(a)のようなドット形状である場合、柱状部7a1の幅とは、柱状部7a1の平面形状の最大内接円の直径である。例えば平面形状が楕円である場合、最大内接円はこの楕円の短径を直径とする円であるから、この場合の柱状部7a1の幅とは短径の長さに等しい。また、図3(b)のようなライン形状である場合、柱状部7a1の幅とは、柱状部7a1の平面形状の内接円直径を長さ方向に平均化したものである。例えば平面形状が、長さ方向に不均一な太さを持った直線軌跡である場合、柱状部7a1の幅は、太さの最大値と最小値の間の値をとる。
柱状部7a1の幅が、0.3μm以下であると、柱状部7a1の幅が高屈折率層7中における光の実効波長程度かそれより小さくなるため、高屈折率層7内部から柱状部7a1の側面に入射した光が回折されて円筒波状に広がり、屈折の効果を十分に得ることができない。一方、500μm以上だと、高屈折率層7内部を面内導波する光が屈折率界面である柱状部7a1の側面に到達する確率が小さくなり、効率的に光を指向させることができない。
Moreover, it is preferable that the width | variety (W1 in FIG. 2) of the columnar part 7a1 is 0.3-500 micrometers. Moreover, it is more preferable that it is 0.5-100 micrometers. Furthermore, it is more preferable that it is 1-50 micrometers. Here, when the planar shape of the columnar portion 7a1 is a dot shape as shown in FIG. 3A, the width of the columnar portion 7a1 is the diameter of the maximum inscribed circle of the planar shape of the columnar portion 7a1. For example, when the planar shape is an ellipse, the maximum inscribed circle is a circle whose diameter is the minor axis of the ellipse. In this case, the width of the columnar portion 7a1 is equal to the length of the minor axis. 3B, the width of the columnar portion 7a1 is obtained by averaging the inscribed circle diameters of the planar shape of the columnar portion 7a1 in the length direction. For example, when the planar shape is a linear locus having an uneven thickness in the length direction, the width of the columnar portion 7a1 takes a value between the maximum value and the minimum value of the thickness.
When the width of the columnar portion 7a1 is 0.3 μm or less, the width of the columnar portion 7a1 is about the effective wavelength of light in the high
さらに先端部7a2の高さ(図2におけるh2)が、その底面の幅(図2におけるW2)の0.05〜5倍であることが好ましい。また0.1倍〜2倍であることがさらに好ましい。さらに0.2倍〜1倍であることがより好ましい。ここで、先端部7a2の平面形状が図3(a)のようなドット形状である場合、先端部7a2の底面の幅とは、先端部7a2の底面の平面形状の最大内接円の直径である。例えば平面形状が楕円である場合、最大内接円はこの楕円の短径を直径とする円であるから、この場合の先端部7a2の底面の幅とは短径の長さに等しい。また、図3(b)のようなライン形状である場合、先端部7a2の底面の幅とは、先端部7a2の底面の平面形状の内接円直径を長さ方向に平均化したものである。例えば平面形状が、長さ方向に不均一な太さを持った直線軌跡である場合、先端部7a2の底面の幅は、太さの最大値と最小値の間の値をとる。先端部7a2の高さが、底面の幅の0.05倍以下であると、高屈折率層7内部から先端部7a2表面に入射した光が基板の法線に対しほぼ同じ角度で全反射され、高屈折率層7内部を伝播し続けるため、効率的に光を取り出すことができない。一方、先端部7a2の高さが、底面の高さの5倍以上であると、先端部7a2の傾斜面が急峻になるため、構造を形成することが困難になる。
Furthermore, the height of the tip 7a2 (h2 in FIG. 2) is preferably 0.05 to 5 times the width of the bottom surface (W2 in FIG. 2). Further, it is more preferably 0.1 to 2 times. Further, it is more preferably 0.2 to 1 times. Here, when the planar shape of the tip portion 7a2 is a dot shape as shown in FIG. 3A, the width of the bottom surface of the tip portion 7a2 is the diameter of the maximum inscribed circle of the planar shape of the bottom surface of the tip portion 7a2. is there. For example, when the planar shape is an ellipse, the maximum inscribed circle is a circle whose diameter is the minor axis of the ellipse. In this case, the width of the bottom surface of the tip 7a2 is equal to the length of the minor axis. Further, in the case of a line shape as shown in FIG. 3B, the width of the bottom surface of the tip portion 7a2 is obtained by averaging the inscribed circle diameter of the planar shape of the bottom surface of the tip portion 7a2 in the length direction. . For example, when the planar shape is a linear locus having a nonuniform thickness in the length direction, the width of the bottom surface of the tip end portion 7a2 takes a value between the maximum value and the minimum value of the thickness. When the height of the tip portion 7a2 is 0.05 times or less the width of the bottom surface, the light incident on the surface of the tip portion 7a2 from the inside of the high
(有機EL素子(第2実施形態))
図5(b)は、第2実施形態に係る有機EL素子を説明するための斜視模式図である。
本発明の第2実施形態に係る有機EL素子20は、基板11上に陽極(第1電極)12と、発光層を含む有機層13と、陰極(第2電極)14とを順に具備する有機EL素子であって、さらに、陰極14の有機層13と反対側の面に、低屈折率層15と、金属層16とを該反対側の面に接する側から順に具備し、陰極14は、透光性導電材料からなり、低屈折率層15の屈折率は有機層13の屈折率よりも低く、陽極12の基板11側(有機層13と反対の面)に高屈折率層17を具備し、高屈折率層17は、基板11(高屈折率層17が第1電極と反対側の面に隣接する物質)よりも屈折率が高く、且つ低屈折率層15よりも屈折率が高い材料からなり、さらに高屈折率層17は、複数の凹部17aを有し、凹部17aは柱状孔部17a1と根底部17a2とからなり、柱状孔部17a1は、陽極(第1電極)12に対し垂直に穿孔されており、根底部17a2は柱状孔部17a1の基板11側(第1電極と反対側)にあり、かつ前記第1電極と反対側に向かって広がる傾斜面を有していることを特徴とする。
上記のように陰極側の構造について屈折率の比較を行う場合には、有機層の屈折率とは、有機EL材料からなる発光層を含む全ての層の平均の屈折率をいう。
(Organic EL element (2nd Embodiment))
FIG. 5B is a schematic perspective view for explaining the organic EL element according to the second embodiment.
The
As described above, when comparing the refractive indexes of the structure on the cathode side, the refractive index of the organic layer means the average refractive index of all the layers including the light emitting layer made of the organic EL material.
基板11、陽極12、有機層13、陰極14、低屈折率層15、金属層16のそれぞれの材料、厚さ、形成方法等は、第1実施形態の基板1、陽極2、有機層3、陰極4、低屈折率層5、金属層6のそれぞれの材料、厚さ、形成方法等と同様のものを用いることができる。
The materials, thicknesses, formation methods, and the like of the
高屈折率層17の材料は、第1の実施形態の高屈折率層7と同様のものを用いることができる。
The material of the high
高屈折率層17は複数の凹部17aを有する。複数の凹部17aは、図5(b)に示すように高屈折率層17内に配置されている。また、隣り合う凹部17aの根底部17a2が互いに接触している場合、その接触部を通りかつ凹部17aの幅が最大になる面での切断面は、図1と同様の断面が得られる。
The high
凹部17aは、陽極側から順に柱状孔部17a1と根底部17a2からなる。図6は、凹部17aを、陽極に垂直な幅方向の面で切断した場合の断面形状を模式的に表した断面模式図である。
柱状孔部17a1は陽極12に対して垂直に穿孔されていればよく、その形状は特に限定はされないが、円柱、四角柱、三角柱等が挙げられる。素子面の法線方向から見た平面図の例を示す。凹部17aの柱状孔部17a1は平面形状としては特に制限はないが、例えば、図3で示すような円形、楕円形、長円形、三角形、正方形、長方形、四角形、多角形のほか、これらを組み合わせた平面形状などが挙げられる。
根底部17a2は、基板11(第1電極と反対側)に向かって広がる傾斜面を有していればよく、その形状は特に限定されない。例えば図6のような形状が挙げられる。傾斜面は平面でも曲面でも良い。
凹部17aの配置としては特に制限はないが、図4で示すような面内方向に正方格子状、六方格子状、長方格子状などに配列している場合の他に、例えば、凹部形状が平行に並んだライン状配置、同心円状に配列する同心円状のライン状配置などであってもよい。また周期的に配置される構成でも非周期的に配置される構成でもよい。
The
The columnar hole 17a1 only needs to be drilled perpendicularly to the
The root portion 17a2 only needs to have an inclined surface that expands toward the substrate 11 (on the side opposite to the first electrode), and the shape thereof is not particularly limited. For example, a shape like FIG. 6 is mentioned. The inclined surface may be flat or curved.
Although there is no restriction | limiting in particular as arrangement | positioning of the recessed
柱状孔部17a1の深さ(図6におけるh11)は、0.3〜500μmであることが好ましい。また0.5〜100μmであることがさらに好ましい。さらに1〜50μmであることがより好ましい。柱状孔部17a1は、その陽極12に対して垂直な側面によって、有機層13で発光した光を陽極12に対して垂直に近い方向に指向させる。柱状孔部17a1の深さが0.3μm以下では、陽極12に対して垂直な側面が少なく、効率的に光を指向させることができない。また500μm以上では、穿孔する穴の深さが深くなる為、側面が垂直な柱状孔構造を作製することが難しい。また柱状孔部17a1の深さが深すぎると、光が凹部17aの表面に到達して屈折するまでに高屈折率層17内を導波する距離が長くなり導波する間に減衰してしまうため、効率的な光取り出しを実現できないためである。
The depth of the columnar hole 17a1 (h11 in FIG. 6) is preferably 0.3 to 500 μm. Moreover, it is more preferable that it is 0.5-100 micrometers. Furthermore, it is more preferable that it is 1-50 micrometers. The
また柱状孔部17a1の幅(図6におけるW11)は、0.3〜500μmであることが好ましい。また0.5〜100μmであることがさらに好ましい。さらに1〜50μmであることがより好ましい。ここで柱状孔部17a1の幅とは、第1実施形態の柱状部7a1の幅W1と同様に、平面形状がドット形状の場合はこの平面形状の最大内接円直径であり、平面形状がライン形状である場合はこの平面形状の内接円直径を長さ方向に平均化したものである。
柱状孔部17a1の幅が、0.3μm以下であると、柱状孔部17a1の幅が高屈折率層17中における光の実行波長程度かそれより小さくなるため、高屈折率層17内部から柱状孔部17aの側面に入射した光が回折されて円筒波状に広がり、屈折の効果を十分に得ることができない。一方、500μm以上だと、高屈折率層17中を面内導波する光が屈折率界面である柱状孔部17a1の側面に到達する確率が小さくなり、効率的に光を指向させることができない。
Moreover, it is preferable that the width | variety (W11 in FIG. 6) of the columnar hole part 17a1 is 0.3-500 micrometers. Moreover, it is more preferable that it is 0.5-100 micrometers. Furthermore, it is more preferable that it is 1-50 micrometers. Here, the width of the columnar hole portion 17a1 is the maximum inscribed circle diameter of the planar shape when the planar shape is a dot shape, like the width W1 of the columnar portion 7a1 of the first embodiment, and the planar shape is a line. In the case of a shape, the inscribed circle diameter of the planar shape is averaged in the length direction.
If the width of the columnar hole portion 17a1 is 0.3 μm or less, the width of the columnar hole portion 17a1 is approximately equal to or smaller than the effective wavelength of light in the high
さらに根底部17a2の深さ(図6におけるh12)が、根底部17a2の幅(図6におけるW12)と柱状孔部17a1の幅の差の0.025〜2.5倍であることが好ましい。また0.05倍〜1倍であることがさらに好ましい。さらに0.1倍〜0.5倍であることがより好ましい。ここで根底部17a2の幅とは、根底部17a2の、陽極12とは反対側の底面の幅であり、第1実施形態の先端部7a2の底面の幅W2と同様に、平面形状がドット形状の場合はこの平面形状の最大内接円直径であり、平面形状がライン形状である場合はこの平面形状の内接円直径を長さ方向に平均化したものである。根底部17a2の深さが、根底部17a2の幅と柱状孔部17a1の幅の差の0.025倍以下であると、高屈折率層17内部から根底部17a2の側壁(傾斜面)に入射した光がほぼ同じ角度で全反射され、高屈折率層17内部を伝播し続けるために、効率的に光を取り出すことができない。一方、根底部17a2の深さが、根底部17a2の幅と柱状孔部17a1の幅の差の2.5倍以上であると、根底部17a2の傾斜面が急峻になるため、構造を形成することが困難になる。また光が高屈折率層17内を導波する距離も長くなり減衰してしまうため、効率的な光取り出しを実現できない。
Furthermore, it is preferable that the depth (h12 in FIG. 6) of the root portion 17a2 is 0.025 to 2.5 times the difference between the width of the root portion 17a2 (W12 in FIG. 6) and the width of the columnar hole portion 17a1. Further, it is more preferably 0.05 times to 1 time. Further, it is more preferably 0.1 to 0.5 times. Here, the width of the root portion 17a2 is the width of the bottom surface of the root portion 17a2 on the side opposite to the
図5は、本発明の有機EL素子の斜視模式図であって、図5(a)は第1実施形態の有機EL素子10であり、図5(b)は第2実施形態の有機EL素子20である。ここで、有機EL素子10は、基板1中に凸部7aが島状に点在している。すなわち、基板1が海状であり、凸部7aが島状となる構成である。一方、有機EL素子20は、高屈折率層17中に凹部17aが島状に開口している。すなわち、高屈折率層17が海状であり、凹部17aが島状となる構成である。
図5(a)に示す凸部7aは陽極2に対して垂直な屈折率界面(柱状部7a1の側面)と、陽極2に対して傾斜する屈折率界面(先端部7a2の傾斜面)を有している。一方、図5(b)に示す凹部17aは、陽極12に対して垂直な屈折率界面(柱状孔部17a1の側面)と、陽極12に対して傾斜する屈折率界面(根底部17a2の傾斜面)を有している。すなわち、有機EL素子10と有機EL素子20は高屈折率層内部から入射した光を同様の方向に屈折させる屈折率界面を有しており、光を指向させるという観点では同様の作用効果を有する。
FIG. 5 is a schematic perspective view of the organic EL element of the present invention. FIG. 5A shows the
The
(Otto型配置)
次に、本発明の有機EL素子の、Otto型配置による第2電極側構造の作用効果について以下に説明する。以下は、計算式に基づく原理的な説明であるため、第1電極と第2電極をそれぞれ陽極または陰極の一方に対応させることはせずに、第1電極と第2電極のまま記載する。
平坦な金属の表面に生成される表面プラズモンポラリトン(SPP)の角振動数をω、波数ベクトルをkspとすると、この分散関係は、金属の比誘電率の実部ε1と、金属の表面に接触する誘電体の比誘電率ε2によって決まり、近似的に次式(1)によって与えられる(cは光真空中の光の速さ、)。
Next, the effect of the second electrode side structure by the Otto type arrangement of the organic EL element of the present invention will be described below. The following is a principle explanation based on the calculation formula, and therefore, the first electrode and the second electrode are not associated with either the anode or the cathode, respectively, and are described as the first electrode and the second electrode.
When the angular frequency of surface plasmon polariton (SPP) generated on a flat metal surface is ω and the wave vector is k sp , this dispersion relationship is expressed by the real part ε 1 of the relative dielectric constant of the metal and the surface of the metal. It is determined by the relative dielectric constant ε 2 of the dielectric that contacts the surface and is approximately given by the following equation (1) (c is the speed of light in an optical vacuum).
これに対して、Otto型配置、すなわち金属/低屈折率媒質/高屈折媒質となる構造であって、本発明の有機EL素子においては金属層6(比誘電率の実部ε1)/低屈折率層5(比誘電率ε2)/有機層3(比誘電率ε3)の積層構造を用いた場合について考える。有機層3の屈折率が低屈折率層5の屈折率より高い場合、有機層3側から低屈折率層5側に臨界角より大きい入射角で入射した光は、有機層3と陰極4の界面または陰極4と低屈折率層5の界面で全反射する。この際、界面の低屈折率層5側には非伝播光であるエバネッセント波が生じ、全反射の界面から遠ざかるに連れてその電磁場強度は指数関数的に減衰する(入射光は界面で全反射するが、電磁場は界面から滲み出して存在している)。このエバネッセント波の分散曲線は、次式(3)によって与えられる。ここで、θは有機層3中の基板法線に対する伝播角である。
言い換えると、所定の角度で有機層3内を伝播する光だけが、エバネッセント波を介しSPPとエネルギーをやり取りできる状態となることを意味する。
On the other hand, the structure is an Otto type arrangement, that is, a metal / low refractive index medium / high refractive medium, and in the organic EL element of the present invention, the metal layer 6 (real part ε 1 of relative dielectric constant) / low Consider a case where a laminated structure of the refractive index layer 5 (relative permittivity ε 2 ) / organic layer 3 (relative permittivity ε 3 ) is used. When the refractive index of the
In other words, it means that only the light propagating in the
ただし、上記低屈折率層5が厚すぎても薄すぎても、エバネッセント波を介したSPPモード光の励起・取り出しはなされない。これは、低屈折率層5が厚すぎると、有機層3からのエバネッセント波の滲み出しが金属層6まで到達せず、エバネッセント波とSPPモード光同士がエネルギーをやりとりできないためであり、低屈折率層5が薄すぎると、金属層6と有機層3または陰極4が接近してSPPモードの波数が式(1)より大きくなり、分散曲線がエバネッセント波の分散曲線の式(3)と、いかなる角度θの場合も交わらなくなるためである。
こうしてSPPから取り出される光は上記の通り、SPPの分散曲線とエバネッセント波の分散直線との交点に対応する所定の角度を有して放射されるものである。
However, if the low
As described above, the light extracted from the SPP is radiated at a predetermined angle corresponding to the intersection of the SPP dispersion curve and the evanescent wave dispersion line.
(高屈折率層による屈折)
次に、本実施形態の有機EL素子の高屈折率層による屈折の作用効果について以下に説明する。なお図5を用いて示したように、上記の有機EL素子10および20について、屈折により光を素子外部に取り出す作用効果は同じなので、有機EL素子10について説明する。図7は光の伝播を矢印で示し、有機EL素子の屈折作用効果の原理を分かり易く説明するために模式的に示した模式図であり、図7(a)は第1実施形態の有機EL素子10の屈折作用効果の原理を模式的に示した模式図であり、図7(b)は凸部が先端部を有さず柱状部27a1のみからなる有機EL素子30の屈折作用効果の原理を模式的に示した模式図である。
(Refraction by high refractive index layer)
Next, the effect of refraction by the high refractive index layer of the organic EL element of this embodiment will be described below. As shown in FIG. 5, the
本発明の第1実施形態の有機EL素子10は、有機層中の伝播光が光取り出し側(ボトムエミッション型では基板側)に透過する際に屈折して、透過光の伝播角(透過光線と基板面の法線とがなす角度)が小さくなるように、基板面に対して垂直又は垂直に近い屈折率の界面(柱状部7a1の側面)と、隣接する凸部7aに透過光が再入射しても効率的に光を取り出すことができる基板面に対して傾斜角を有する傾斜面を凸部7aが有する構造である。
The
図7(a)に示すように本発明の第1実施形態の有機EL素子10は、有機層3に含まれる発光点のA点で発光した光のうち一部は、発光点周りのダイポール場を介して(矢印A1)、SPP(矢印A2)モードへ直接エネルギー移動する。このようなSPPモードへのエネルギー移動は、一般的な有機EL素子において、発光分子と金属層が近い場合に生じることが広く知られている。
励起されたSPPモード光は、エバネッセント波(矢印A3)との共鳴を介して、前述のように所定の角度で陰極4に放射され(矢印A4)、伝播光として有機層3に取り出されうる。
ここで、有機層3のA点で発光した光は全方位に進むので、図7(a)の矢印A1以外の方向に進む光も当然存在するが、矢印A1は本発明の作用効果を説明するために、その一部の光の伝播を模式的に示しているに過ぎない。矢印A2〜A4で示した光についても一部の光の伝播を模式的に示しているに過ぎない。
また屈折は屈折率が異なる界面で生じるが、本発明の効果を説明するために特に必要ではない界面には図中では屈折作用の図示を省略している。
As shown in FIG. 7A, in the
The excited SPP mode light can be emitted to the
Here, since the light emitted from the point A of the
In addition, refraction occurs at interfaces having different refractive indexes, but the refraction action is not shown in the drawing for interfaces that are not particularly necessary for explaining the effects of the present invention.
また、陰極側構造(陰極4、低屈折率層5、金属層6)から有機層3のB点にまで取り出された光は、矢印B1のように伝播して基板1まで取り出される。
すなわち、B点から有機層3等を通って進む光B1は、有機層3と陽極2との界面で屈折し、陽極2を通過し、陽極2と高屈折率層7との界面で屈折して高屈折率層7内を進み、高屈折率層7の柱状部7a1の側面で、基板に垂直に近い方向に屈折する。
ここで、屈折した光の一部は、基板1を通って外部に取り出されうるが、残りは隣接する高屈折率層の凸部7aに再入射する(矢印B2)。この光は、凸部7aの内部を通り(矢印B3)、先端部7a2と基板の界面で再屈折され基板1を通って(矢印B4)外部に取り出される。
The light extracted from the cathode side structure (
That is, the light B1 traveling from the point B through the
Here, a part of the refracted light can be extracted to the outside through the
一方、有機EL素子30は、有機層中の伝播光が光取り出し側(ボトムエミッション型では基板側)に屈折して、界面への入射角(入射光線と入射する界面の法線がなす角度)が小さくなるように、基板面に対して垂直又は垂直に近い屈折率の界面(柱状部27a1の側面)のみを有する構造である。
On the other hand, in the
図7(b)に、凸部に先端部を有さない有機EL素子30の光の経路を模式的に示す。有機層23に含まれる発光点A点で発光した光のうち陰極24に入射した光が、B点にまで取り出され、さらにその光が高屈折率層27の柱状部27a1の凸部で、基板に垂直に近い方向に屈折するまでは、有機EL素子10と同様である。
ここで、屈折した光の一部が、隣接する高屈折率層27の柱状部27a1に再入射する(矢印B’2)。この光は、柱状部27a1の内部を通り(矢印B’3)、柱状部27a1の上端で反射する(矢印B’4)。矢印B’3の入射角と矢印B’4の反射角は同じであるため、この光は図7(b)で示すように、素子内部に再び閉じ込められてしまう。
FIG. 7B schematically shows a light path of the
Here, part of the refracted light reenters the columnar portion 27a1 of the adjacent high refractive index layer 27 (arrow B′2). This light passes through the inside of the columnar portion 27a1 (arrow B′3) and is reflected at the upper end of the columnar portion 27a1 (arrow B′4). Since the incident angle of the arrow B′3 and the reflection angle of the arrow B′4 are the same, this light is confined inside the device again as shown in FIG.
つまり有機EL素子30は、柱状構造により有機層23に含まれる発光点で発光した光の多くを基板に垂直な屈折率界面により取り出すことができるが、その一部は有機EL素子内部を導波し取り出すことができない。一方、本発明の有機EL素子10は、凸部に先端部を有し、その先端部が傾斜面を有していることで、有機EL素子30では取り出すことができなかった柱状部の上端で反射し素子内部に再入射してしまう光も効率的に基板外部に取り出すことができる。
That is, the
(画像表示装置)
次に、上記の有機EL素子を備えた画像表示装置について説明を行う。上記の有機EL素子10および20を備えた画像表示装置についてそれぞれ同様なので、有機EL素子10として説明する。
図8は、上記の有機EL素子を備えた画像表示装置の一例を説明した図である。
図8に示した画像表示装置100は、いわゆるパッシブマトリクス型の画像表示装置であり、有機EL素子10の他に、陽極配線104、陽極補助配線106、陰極配線108、絶縁膜110、陰極隔壁112、封止プレート116、シール材118を備えている。
(Image display device)
Next, an image display apparatus provided with the above organic EL element will be described. Since the image display devices including the
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an image display device including the organic EL element.
The
本実施の形態において、有機EL素子10の基板1上には、複数の陽極配線104が形成されている。陽極配線104は、一定の間隔を隔てて平行に配置される。陽極配線104は、透明導電膜により構成され、例えばITOを用いることができる。また陽極配線104の厚さは例えば、100nm〜150nmとすることができる。そして、それぞれの陽極配線104の端部の上には、陽極補助配線106が形成される。陽極補助配線106は陽極配線104と電気的に接続されている。このように構成することにより、陽極補助配線106は、基板1の端部側において外部配線と接続するための端子として機能し、外部に設けられた図示しない駆動回路から陽極補助配線106を介して陽極配線104に電流を供給することができる。陽極補助配線106は、例えば、厚さ500nm〜600nmの金属膜によって構成される。
In the present embodiment, a plurality of
また、有機EL素子10上には、複数の陰極配線108が設けられている。複数の陰極配線108は、それぞれが平行となるよう、かつ、陽極配線104と直交するように配設されている。陰極配線108には、Al又はAl合金を使用することができる。陰極配線108の厚さは、例えば、100nm〜150nmである。また、陰極配線108の端部には、陽極配線104に対する陽極補助配線106と同様に、図示しない陰極補助配線が設けられ、陰極配線108と電気的に接続されている。よって、陰極配線108と陰極補助配線との間に電流を流すことができる。
A plurality of
更に基板1上には、陽極配線104を覆うように絶縁膜110が形成される。絶縁膜110には、陽極配線104の一部を露出するように矩形状の開口部120が設けられている。複数の開口部120は、陽極配線104の上にマトリクス状に配置されている。この開口部120において、陽極配線104と陰極配線108の間に有機EL素子10が設けられる。すなわち、それぞれの開口部120が画素となる。従って、開口部120に対応して表示領域が形成される。ここで、絶縁膜110の膜厚は、例えば、200nm〜1000nmとすることができ、開口部120の大きさは、例えば、100μm×100μmとすることができる。
Further, an insulating
有機EL素子10は、開口部120において陽極配線104と陰極配線108の間に位置している。そしてこの場合、有機EL素子10の陽極2が陽極配線104と接触し、陰極4が陰極配線108と接触する。有機EL素子10の厚さは、例えば、150nm〜200nmとすることができる。
The
絶縁膜110の上には、複数の陰極隔壁112が陽極配線104と垂直な方向に沿って形成されている。陰極隔壁112は、陰極配線108の配線同士が導通しないように、複数の陰極配線108を空間的に分離するための役割を担っている。従って、隣接する陰極隔壁112の間にそれぞれ陰極配線108が配置される。陰極隔壁112の大きさとしては、例えば、高さが2μm〜3μm、幅が10μmのものを用いることができる。
On the insulating
また、基板1は、封止プレート116とシール材118を介して貼り合わせられている。これにより、有機EL素子10が設けられた空間を封止することができ、有機EL素子10が空気中の水分により劣化するのを防ぐことができる。封止プレート116としては、例えば、厚さが0.7mm〜1.1mmのガラス基板を使用することができる。封止プレート116は、素子がボトムエミッション型のように光を基板1側から取り出す場合は、透明でなくてもよい。一方、素子がトップエミッション型のように光を封止プレート116側から取り出す場合は、封止プレート116は発光波長域の少なくとも一部の波長に対して透明である必要がある。
In addition, the
このような構造の画像表示装置100において、図示しない駆動装置により、陽極補助配線106、図示しない陰極補助配線を介して、有機EL素子10に電流を供給し、発光層を発光させることができる。そして基板1から基板1を通し、光を出射させることができる。そして、上述の画素に対応した有機EL素子10の発光、非発光を制御装置により制御することにより、画像表示装置100に画像を表示させることができる。
In the
(照明装置)
次に、上記の有機EL素子を用いた照明装置について説明を行う。上記の有機EL素子10および20を備えた画像表示装置についてそれぞれ同様なので、有機EL素子10として説明する。
図9は、上記の有機EL素子10を備える照明装置の一例を説明した図である。
図9に示した照明装置200は、上述した有機EL素子10と、有機EL素子10の基板1(図1参照)に隣接して設置され陽極2(図1参照)に接続される端子202と、陰極4(図1参照)に接続される端子203と、端子202と端子203とに接続し有機EL素子10を駆動するための点灯回路201とから構成される。
(Lighting device)
Next, a lighting device using the organic EL element will be described. Since the image display devices including the
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an illumination device including the
The
点灯回路201は、図示しない直流電源と図示しない制御回路を内部に有し、端子202と端子203を通して、有機EL素子10の陽極層2と陰極4との間に電圧を印加して電流を供給する。そして、有機EL素子10を駆動し、発光層を発光させて、基板1を通し、光を出射させ、照明光として利用する。発光層は白色光を出射する発光材料より構成されていてもよく、また緑色光(G)、青色光(B)、赤色光(R)を出射する発光材料を使用した有機EL素子10をそれぞれ複数個設け、その合成光が白色となるようにしてもよい。
The
(有機EL素子の第1の製造方法)
以下では、本発明の有機EL素子の第1の製造方法について、図10を用いて説明する。図10は本発明の有機EL素子の第1の製造方法を示した断面模式図である。また、第1の製造方法は、先端部の形状がレンズ状の曲面の場合に限られる。
(First manufacturing method of organic EL element)
Below, the 1st manufacturing method of the organic EL element of this invention is demonstrated using FIG. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a first manufacturing method of the organic EL element of the present invention. Further, the first manufacturing method is limited to the case where the shape of the tip portion is a lens-like curved surface.
まず基板1に孔部1hを形成するために、例えばフォトリソグラフィを用いた方法が使用できる。これを行うには、図10(a)に示すように、基板1上にポジ型レジスト液を塗布し、スピンコート等により余分なレジスト液を除去して、レジスト層Rを形成する。
そして、孔部1hを形成するための所定のパターンが描画されたマスク(図示せず)をかぶせ、紫外線(UV)、電子線(EB)等により露光を行うと、レジスト層Rに孔部1hに対応した所定のパターンが露光される。そして現像液を用いて露光されたパターンの部分のレジスト層Rを除去する。これにより露光されたパターンの部分に対応して、基板1の表面が露出する(図10(b))。
First, in order to form the
Then, when a mask (not shown) on which a predetermined pattern for forming the
次に図10(c)に示すように、残存したレジスト層Rをマスクとして、基板1の露出した部分をエッチング除去して孔部1hを形成する。エッチングとしては、ドライエッチングとウェットエッチングの何れをも使用することができる。またこの際に等方性エッチングと異方性エッチングを組合せることで、孔部1hの形状の制御を行うことができる。ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)を始めとする各種の手法を用いることができる。またウェットエッチングとしては、塩化鉄を始めとする金属塩、王水、希塩酸、希硫酸、フッ酸、シュウ酸を始めとする酸への浸漬を行う方法などが利用できる。
Next, as shown in FIG. 10C, using the remaining resist layer R as a mask, the exposed portion of the
このように形成した孔部1hに、スピンオン誘電体の前駆体Sまたは硬化性樹脂の前駆体Uを注入する(図10(d))。スピンオン誘電体とは、前駆体Sの塗布段階では粘性を有する液体状であり、塗布後に転化させることにより、絶縁性を有する固体形態の誘電体になるものをいい、公知のものを用いることができる。例えば、転化後に酸化ケイ素を形成するスピンオングラスが挙げられる。硬化性樹脂は、前駆体Uの塗布後に硬化すればよく、各種の熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂等を用いることができる。
前駆体SまたはUの注入方法は、一般に平坦膜を塗布するスピンコート、バーコート、スリットコート、ダイコート、スプレーコート等の各種ウェットプロセスを用いることができる。孔部1hを有する基板1上に、平坦膜を塗布すると、表面張力により自然と孔部1h内にスピンオン誘電体が注入される。
注入された前駆体SまたはUは、図10(d)に示すように、表面張力により孔部の側壁に近い部分が持ち上げられ、円弧状の曲面を形成する。
A spin-on dielectric precursor S or a curable resin precursor U is injected into the
As a method for injecting the precursor S or U, various wet processes such as spin coating, bar coating, slit coating, die coating, and spray coating for generally applying a flat film can be used. When a flat film is applied on the
As shown in FIG. 10D, the injected precursor S or U is lifted at a portion close to the side wall of the hole by surface tension to form an arcuate curved surface.
次に注入した上記前駆体材料を、固化させる(図10(e))。
スピンオン誘電体の場合、前駆体Sの固化の方法としては、加熱、酸素ガスプラズマ雰囲気への暴露、過酸化水素への暴露等の方法を用いることができる。中でも、加熱による転化が、容易に行うことができ、特別な設備も不要なため好ましい。
硬化性樹脂の場合、前駆体Uの固化の方法としては、加熱や光照射等を用いることができる。樹脂が光または熱重合反応することで、高分子化し硬化する。
Next, the injected precursor material is solidified (FIG. 10E).
In the case of a spin-on dielectric, as a method for solidifying the precursor S, methods such as heating, exposure to an oxygen gas plasma atmosphere, exposure to hydrogen peroxide, and the like can be used. Among them, conversion by heating is preferable because it can be easily performed and no special equipment is required.
In the case of a curable resin, heating, light irradiation, or the like can be used as a method for solidifying the precursor U. The resin is polymerized and cured by light or thermal polymerization reaction.
ここで、固化後の誘電体1s(スピンオン誘電体が転化した誘電体または硬化性樹脂が硬化した樹脂(誘電体))の屈折率は、基板1の屈折率以下であることが好ましい。固化後の誘電体1sが、基板1の屈折率以下であれば、固化後の誘電体1sと基板1との界面での全反射を抑制することができる。
また固化後の誘電体1sは、基板1と同一の屈折率を有することがより好ましい。固化後の誘電体1sと基板1が同一の屈折率を有していれば、固化後の誘電体1sと基板1の界面における不要な光の反射を抑制することができる。
さらに転化後に固化後の誘電体1sは、基板1と同一の材料に固化するものが好ましい。固化後の誘電体1sが基板1と同一の材料からなれば、基板1との界面が存在しなくなり、密着性等が向上する。
Here, it is preferable that the refractive index of the solidified dielectric 1s (a dielectric obtained by converting a spin-on dielectric or a resin obtained by curing a curable resin (dielectric)) is equal to or lower than the refractive index of the
The solidified dielectric 1s preferably has the same refractive index as that of the
Furthermore, it is preferable that the dielectric 1s after solidification after conversion is solidified to the same material as the
次に、孔部1hを有する基板1上に高屈折率層7を形成する(図10(f))。高屈折率層7の形成は、従来公知の方法を用いることができ特に限定されないが、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法等の方法を用いることができる。また、後に形成する陽極2との界面を平坦化・平滑化するために、形成後の高屈折率層7表面をエッチバックや研磨加工してもよい。
Next, the high
トップエミッションの場合は、基板1と高屈折率層7を剥離する。そのため、固化後の誘電体1sの屈折率は特に問わない。また剥離を容易にするために、高屈折率層7を形成する前に、離型剤を塗布することが好ましい。離型剤は、フッ素系離型剤、シリコン系離型剤等を用いることができる。離型剤の塗布は、一般に用いられるスピンコート法、浸漬法、スプレー法等を用いることができる。
In the case of top emission, the
次に、高屈折率層7の上に、陽極2、有機層3、陰極4、低屈折率層5、金属層6を順に積層する(図10(g))。
陽極2の形成方法は特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法などを用いることができる。陽極2を形成した後に、陽極2の表面処理を行うことで、オーバーコートされる層の性能(陽極2との密着性、表面平滑性、ホール注入障壁の低減化など)を改善することができる。表面処理を行うには高周波プラズマ処理を始めとしてスパッタリング処理、コロナ処理、UVオゾン照射処理、紫外線照射処理、または酸素プラズマ処理などがある。
Next, the
Although the formation method of the
更に、陽極2の表面処理の表面処理を行う代わりに、もしくは表面処理に追加して、図示しない陽極バッファ層を形成することで表面処理と同様の効果が期待できる。そして、陽極バッファ層をウェットプロセスにて塗布して作製する場合には、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等の塗布法などを用いて成膜することができる。
Furthermore, the same effect as the surface treatment can be expected by forming an anode buffer layer (not shown) instead of or in addition to the surface treatment of the surface treatment of the
また、陽極バッファ層をドライプロセスにて作製する場合は、特開2006−303412号公報に例示のプラズマ処理などを用いて成膜することができる。この他にも金属単体あるいは金属酸化物、金属窒化物等を成膜する方法が挙げられ、具体的な成膜方法としては、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、化学反応法、コーティング法、真空蒸着法などを用いることができる。 In the case where the anode buffer layer is formed by a dry process, the anode buffer layer can be formed by using a plasma treatment or the like exemplified in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-303412. In addition, a method of forming a film of a single metal, a metal oxide, a metal nitride, or the like can be given. Specific film forming methods include an electron beam evaporation method, a sputtering method, a chemical reaction method, a coating method, and a vacuum evaporation method. The method etc. can be used.
有機層3の形成には従来公知の方法を用いることができ、特に限定されないが、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法等の方法を用いることができる。
ここで、有機層3を形成する下地となる陽極2の表面が凹凸状の場合は、平坦化するような研磨加工、エッチング処理などを適宜行ってもよい。
A conventionally known method can be used to form the
Here, in the case where the surface of the
陰極4の形成も陽極2の形成と同様の方法を用いることができ、特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法などを用いることができる。
The
低屈折率層5の形成方法は特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法などを用いることができる。
低屈折率層5を、空気層を含んでなる低屈折率層とする場合は、例えば、SOG層を形成した後に、SOG層のうち、フォトリソグラフィを用いて所定箇所だけSOG材料を残すようにSOG層をエッチング除去して、SOG層を除去した部分が空気層となるようにして、低屈折率層を形成する。
Although the formation method of the low
When the low-
金属層6の形成方法には特に限定されないが、例えば、蒸着法、スパッタリングを用いることができる。
Although the formation method of the
以上の工程により、有機EL素子10を製造することができる。また、これら一連の工程後、有機EL素子10を長期安定的に用い、有機EL素子10を外部から保護するための保護層や保護カバー(図示せず)を装着することが好ましい。保護層としては、高分子化合物、金属酸化物、金属フッ化物、金属ホウ化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素等のシリコン化合物などを用いることができる。そして、これらの積層体も用いることができる。また、保護カバーとしては、ガラス板、表面に低透水率処理を施したプラスチック板、金属などを用いることができる。この保護カバーは、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂で基板1と貼り合わせて密閉する方法を採ることが好ましい。またこの際に、スペーサを用いることで所定の空間を維持することができ、有機EL素子10が傷つくのを防止できるため好ましい。そして、この空間に窒素、アルゴン、ヘリウムのような不活性なガスを封入すれば、上側の金属層6の酸化を防止しやすくなる。特にヘリウムを用いた場合、熱伝導が高いため、電圧印加時に有機EL素子10より発生する熱を効果的に保護カバーに伝えることができるため、好ましい。更に酸化バリウム等の乾燥剤をこの空間内に設置することにより上記一連の製造工程で吸着した水分が有機EL素子10にダメージを与えるのを抑制しやすくなる。
The
(有機EL素子の第2の製造方法)
以下では、本発明の有機EL素子の第2の製造方法について、図11を用いて説明する。図11は本発明の有機EL素子の第2の製造方法を示した断面模式図である。また、第2の製造方法は第1の製造方法と異なり、先端部の形状は任意に設定することができる。
(Second manufacturing method of organic EL element)
Below, the 2nd manufacturing method of the organic EL element of this invention is demonstrated using FIG. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a second manufacturing method of the organic EL element of the present invention. In addition, unlike the first manufacturing method, the second manufacturing method can arbitrarily set the shape of the tip.
まず図11(a)に示すように、基板1上に前駆体SまたはUを塗布する。前駆体SまたはUは、第1の製造方法と同様のものを用いることができる。
塗布方法は、一般に平坦膜を塗布するスピンコート、バーコート、スリットコート、ダイコート、スプレーコート等の各種のウェットプロセスを用いることができる。
またこれと同時に、モールドMの表面に凹凸を形成する。その加工は、リソグラフィ、切削や研磨等の機械加工、レーザー加工等を用いることができる。凹凸形状は、高屈折率層7の先端部7a2と同様の形状を有しており、レンズのような曲面形状でも、多角形形状でも良い。
モールドMは、例えばステンレス、チタン、ニッケル等の金属やシリコン、樹脂等の非金属を用いることができる。
First, as shown in FIG. 11A, the precursor S or U is applied on the
As the coating method, various wet processes such as spin coating, bar coating, slit coating, die coating, and spray coating for generally coating a flat film can be used.
At the same time, irregularities are formed on the surface of the mold M. For the processing, lithography, machining such as cutting or polishing, laser processing, or the like can be used. The concavo-convex shape has the same shape as the tip portion 7a2 of the high
For the mold M, for example, a metal such as stainless steel, titanium, or nickel, or a non-metal such as silicon or resin can be used.
次に図11(b)に示すように、モールドMを前駆体SまたはUに押し付けることで、モールドMの凹凸形状を、前駆体SまたはUの塗布膜にインプリントする。またインプリントをせずに、モールドM上に前駆体SまたはUを塗布してもよい。 Next, as shown in FIG. 11B, the uneven shape of the mold M is imprinted on the coating film of the precursor S or U by pressing the mold M against the precursor S or U. Further, the precursor S or U may be applied on the mold M without imprinting.
さらに、モールドM上の硬化性樹脂の前駆体SまたはUを、固化させる。固化方法は、第1の製造方法と同様の方法を用いることができる。固化後の誘電体1sの屈折率は、基板1の屈折率以下であることが好ましい。また固化後の誘電体1sは、基板1と同一の屈折率を有することがより好ましい。さらに好ましくは、固化後の誘電体1sと基板1は同一の材料からなることが好ましい。屈折率、材料を調整することで、前述のように不要な反射を抑制することができ、また密着性等を向上させることもできる。
Further, the curable resin precursor S or U on the mold M is solidified. As the solidification method, the same method as the first manufacturing method can be used. The refractive index of the dielectric 1s after solidification is preferably equal to or lower than the refractive index of the
固化後に、図11(c)で示すように、モールドMを固化後の誘電体1sから剥離する。またモールドMの剥離を容易にするために、モールドMを押し付ける前に、塗布膜表面またはモールドM表面に離型剤を塗布することが好ましい。離型剤は、フッ素系離型剤、シリコン系離型剤等を用いることができる。離型剤の塗布は、一般に用いられるスピンコート法、浸漬法、スプレー法等を用いることができる。 After solidification, as shown in FIG. 11C, the mold M is peeled from the dielectric 1s after solidification. In order to facilitate the peeling of the mold M, it is preferable to apply a release agent to the surface of the coating film or the surface of the mold M before pressing the mold M. As the release agent, a fluorine release agent, a silicon release agent, or the like can be used. For applying the release agent, a generally used spin coating method, dipping method, spraying method, or the like can be used.
モールドMを外した後、インプリントにより形成された凹部に硬化後の誘電体1sより屈折率の高い高屈折率誘電体を充填し、先端部7a2を形成する(図11(d))。先端部7a2の形成には従来公知の方法を用いることができ、特に限定されないが、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法等の方法を用いることができる。凹部以外の平坦面上に形成された高屈折率誘電体は、エッチバックや研磨加工で除去することができる。またマスクを用い、平坦部には高屈折率層7が形成されないようにしてもよい。
After removing the mold M, the concave portion formed by imprinting is filled with a high refractive index dielectric having a higher refractive index than the cured dielectric 1s to form the tip 7a2 (FIG. 11D). A conventionally known method can be used to form the tip portion 7a2, and it is not particularly limited. For example, a method such as a vacuum deposition method, a spin coating method, a casting method, or an LB method can be used. The high refractive index dielectric formed on the flat surface other than the recess can be removed by etch back or polishing. Further, a mask may be used so that the high
次に、固化後の誘電体1sの平坦面上に、側壁が基板平面に対して垂直な開口部1kを有した誘電体からなる構造体1pを形成する(図11(e))。構造体1pは、先端部7a2の上に形成したレジストをマスクとしその上に誘電体膜を積層することで形成しても良いし、誘電体の平坦膜を積層後に先端部7a2上に形成された平坦膜をフォトリソグラフィ法等により除去して形成してもよい。この時、構造体1pの屈折率は、固化後の誘電体1sの屈折率以下であることが好ましく、固化後の誘電体1sの屈折率と同一の屈折率を有することがより好ましい。さらに好ましくは、構造体1pと、固化後の誘電体1sが同一の材料からなることが好ましい。
Next, a
次に、構造体1pに形成された開口部1k上に先端部7a2と同一の物質からなる柱状部7a1を形成する(図11(f))。高屈折率層7の形成は、従来公知の方法を用いることができ特に限定されないが、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法等の方法を用いることができる。また、後に形成する陽極2との界面を平坦化・平滑化するために、形成後の高屈折率層7表面をエッチバックや研磨加工してもよい。また、柱状部7a1を形成する際に、構造体1pの露出した表面に、柱状部7a1と同一の材料からなる層状部7bを形成してもよい。柱状部7a1、先端部7a2、層状部7bにより、高屈折率層7が構成される。
Next, a columnar portion 7a1 made of the same material as the tip portion 7a2 is formed on the
トップエミッションの場合は、高屈折率層7を固化後の誘電体1sおよび構造体1pから剥離する。そのため、各層の屈折率は特に問わない。また剥離を容易にするために、高屈折率層7を形成する前に、固化後の誘電体1sおよび構造体1pの表面に離型剤を塗布することが好ましい。離型剤は、フッ素系離型剤、シリコン系離型剤等を用いることができる。離型剤の塗布は、一般に用いられるスピンコート法、浸漬法、スプレー法等を用いることができる。
In the case of top emission, the high
高屈折率層7の上に、陽極2、有機層3、陰極4、低屈折率層5、金属層6を順に積層する(図11(g))。形成方法は、第1の製造方法と同様の方法を用いることができる。
On the high
前記のモールドMを用いるインプリントの方法は、有機EL素子20の高屈折率層17に、凹部17aを形成する方法に用いることもできる。
例えば、トップエミッション型の有機EL素子20の製造方法としては、まず、基板11’上に金属層16、低屈折率層15、陰極14、有機層13、陽極12を順に積層する。形成方法は、第1の製造方法と同様の方法を用いることができる。
次に、固化後の屈折率が低屈折率層15の屈折率より高いスピンオン誘電体または硬化性樹脂の前駆体を陽極12上に塗布する。
また複数の凹部17aの反転形状からなる凹凸をモールドMの表面に形成し、このモールドMを前駆体の塗布膜表面に押し付けることで、前駆体の塗布膜表面に複数の凹部17aからなる凹凸形状をインプリントする。その後、前駆体を固化させることにより有機EL素子20を製造することができる。モールドMの表面に凹凸形状を形成する方法、インプリントする方法、前駆体を固化させる方法は、前記と同様の方法を用いることができる。
The imprinting method using the mold M can also be used as a method for forming the
For example, as a method of manufacturing the top emission type
Next, a spin-on dielectric material or a curable resin precursor having a refractive index after solidification higher than that of the low
Moreover, the uneven | corrugated shape which consists of several recessed
以上の工程により、有機EL素子10、20を製造することができる。また、これら一連の工程後、有機EL素子10、20を長期安定的に用い、有機EL素子10、20を外部から保護するための保護層や保護カバー(図示せず)を装着することが好ましい。保護層、保護カバーとしては、第1の製造方法と同様の保護層、保護カバーを用いることができる。
Through the above steps, the
(Otto型配置におけるSPP取り出し)
本発明における有機EL素子のOtto型配置による金属層表面に捕捉されたSPPを取り出すことが可能な低屈折率層の膜厚を検討する。
(SPP extraction in Otto type arrangement)
The film thickness of the low refractive index layer capable of taking out the SPP captured on the surface of the metal layer by the Otto type arrangement of the organic EL element in the present invention will be examined.
図12に、標準構造の有機EL素子40について、有機層で発光した光の強度を、有機EL素子面方向における波数成分で展開するエネルギー散逸計算を行った結果を示す。横軸が、有機層で発光した光の波数の有機EL素子面内方向成分を真空中の波数k0で割ったもの、すなわち有効屈折率であり、縦軸がその波数の光の強度、すなわち展開係数を示している。計算は、TM偏光成分、TE偏光成分に分けて行った。なお、この計算は基板31(ガラス)上に、各層が平坦な陽極32と有機層33と陰極34(金属)とを積層した標準構造の有機EL素子の結果を示している。この場合、TM・TE偏光成分の全積分面積に対する、TM偏光の最も高波数側のピーク面積がSPPモード光の強度割合を表しているが、有機層33で発光した光の多くがSPPモード光として捕捉されているのが分かる。図12に示す有機EL素子では、陽極32と有機層33の膜厚は、それぞれ150nm、100nmである。
FIG. 12 shows the result of energy dissipation calculation that develops the intensity of light emitted from the organic layer with the wave number component in the organic EL element surface direction for the
一方で、Otto型配置を有する有機EL素子50(図14参照)における、エネルギー散逸計算による有機層で発光した光(TM偏光成分)の強度の、低屈折率層45の膜厚による依存性を示した図を図13に示す。Otto型配置を有する有機EL素子の一例である有機EL素子50は、基板41、陽極42、有機層43は図12の素子40と同じ構成であるが、有機層43上に透明導電材料であるITOからなる陰極44(50nm)が形成され、さらにその上に低屈折率層45、金属層46が順に形成された構成から成る。
低屈折率層45の屈折率を1.38とし、図13(a)は金属層46をAlとし、図13(b)は金属層46をAgとした場合で、グラフ線の数字は低屈折率層45の膜厚(nm)を示す。
On the other hand, in the organic EL element 50 (see FIG. 14) having the Otto type arrangement, the dependence of the intensity of the light emitted from the organic layer (TM polarization component) by the energy dissipation calculation due to the film thickness of the low
The refractive index of the low
図13(a)、(b)共に、低屈折率層45の膜厚が厚くなるに従って、ピーク波数が小さくなり、かつピーク幅が狭くなるようにシフトしていることが分かる。また膜厚が厚くなるに従って、ピーク波数のシフトはわずかになり、ピーク幅も一定に近づいていることが確認できる。なお、ピーク波数が小さくなることは、金属層46に接した低屈折率層45の膜厚が大きくなり、SPPの波数がこの低屈折率層45の屈折率の影響で小さくなることを示しており、ピーク幅が狭くなることは、SPPとして捕捉されていた光が有機層中に取り出され、光が面内導波する際の減衰が小さくなっていることを示している。これについて、次に説明する。
13 (a) and 13 (b), it can be seen that as the film thickness of the low
図14(a)、(b)、(c)を用いてピークの変化について、以下に説明する。
図14(a)は、SPPモード光として光が完全に金属層46の表面に捕捉されている。これは、低屈折率層45の膜厚が0nmの時を表しており、有機層43〜金属層46側の積層構造がOtto型配置をなさず、SPPモード光は金属層46と陰極44の界面を面内方向に伝播しながら急速に減衰するため、ピーク幅が大きくなっている。
次に、低屈折率層45の膜厚が厚くなるにつれて、図14(b)のようになり、Otto型配置によってSPPモード光と導波モード光が混在した状態となる。これは、取り出されたSPPモード光が導波モード光となり、界面反射により再度金属層46にSPPモード光として再補足されることを意味している。この場合、光は図14(a)のSPPモード光に比べ減衰しにくいため、ピーク幅は次第に狭くなる。
最後に、低屈折率層45の膜厚が十分厚くなると、図14(c)のようになる。この場合、Otto型配置をしているが、発光点におけるエバネッセント波が金属層46に届かなくなり、SPPモード光として捕捉されない。この場合、発光した光は導波モード光として、捕捉されることとなる。つまり、低屈折率層45の膜厚がある厚みを超えると、捕捉された光は導波モード光のみとなるため、減衰のしやすさは変わらなくなり、ピーク幅にも変化が生じなくなる。
The peak change will be described below with reference to FIGS. 14 (a), 14 (b), and 14 (c).
In FIG. 14A, the light is completely trapped on the surface of the
Next, as the film thickness of the low
Finally, when the film thickness of the low
図15は、低屈折率層45の膜厚に対する、ピーク幅(半値幅)の変化を示した図であるが、金属層46がAlの場合に、低屈折率層45の膜厚が200nm以上でピーク幅の変化が小さくなり、発光した光がSPPに捕捉されにくくなくなっていることが分かる。また、金属層46がAgの場合に、低屈折率層45の膜厚が150nm以上でピーク幅の変化が小さくなり、SPPモード光として捕捉されにくいことが分かる。
つまりSPPモード光として捕捉される低屈折率層45の膜厚は少なくとも300nm以下であり、200nm以下で捕捉の効果が顕著になることが分かる。なお、本検討は低屈折率層45の屈折率がn=1.38の場合を計算しているが、屈折率は1.38に限定されるものではなく、金属層46もAgとAlに限定されるものではない。
FIG. 15 is a diagram showing a change in peak width (half width) with respect to the film thickness of the low
That is, it can be seen that the film thickness of the low
また、Otto型配置において、金属層46の表面に捕捉された表面プラズモンポラリトン(SPP)は、陰極44と低屈折率層45の界面で全反射した光によって発生するエバネッセント波によって取り出すことができる。すなわち、このエバネッセント波の波数が、金属層46の表面に生成されるSPPの波数k’spと交点を持つ必要がある。
Further, in the Otto type arrangement, the surface plasmon polariton (SPP) trapped on the surface of the
金属層46の比誘電率の実部をε1、低屈折率層45の比誘電率をε2、前記発光層で発光する光のピーク波長における真空中の光の波数(角周波数/真空中の光速)をk0とすると、金属層46の表面に生成されるSPPの波数k’spの実部は、前記の式(1)のkspと同じ表式となる。
The real part of the relative permittivity of the
一方で、反射層46の表面に生成される表面プラズモンポラリトン(SPP)の、低屈折率層45の中における波数の垂直成分は以下の式(4)で表すことができる。
金属層46表面に生成されるSPPの電磁場の大きさ(強度)を、金属層46の表面での値を1として規格化すると、金属層46に垂直な方向に指数関数的に減衰しながら滲み出し、低屈折率層45/陰極44の界面に到達したSPPの強度は、低屈折率層45の膜厚をh2とおくと、各界面での反射が無視できる場合、近似的に
つまり、式(5)が十分大きければ、金属層46の表面に生成されるSPPの電磁場が陰極や有機層に滲み出し、陰極44と低屈折率層45の界面での全反射により生じたエバネッセント波とカップリングして、取り出すことができる。
図16(a)は金属層46をAl、(b)は金属層46をAgとした場合の式(5)をグラフ化した図である。
When the magnitude (intensity) of the electromagnetic field of the SPP generated on the surface of the
In other words, if the formula (5) is sufficiently large, the electromagnetic field of the SPP generated on the surface of the
FIG. 16A is a graph showing the equation (5) when the
この結果を、図13(a)、(b)と比較すると、式(5)において、金属層46の表面に生成されるSPPの、低屈折率層45/陰極44の界面での強度は、金属層46の表面での強度を1として規格化すると、低屈折率層45の厚み方向に伝搬した位置でのSPPの強度が0.4以下となる低屈折率層45の厚みで、ピーク幅が一定値に飽和していることが分かる。すなわち、式(5)が0.4以下となるときには、低屈折率層45と陰極44の界面にまで滲み出すSPPの強度が小さくなり、Otto型配置による光取り出し効果は少なくなると言える。逆に言えば、低屈折率層45の膜厚は、式(5)が0.4以上となれば、Otto型配置による光取り出し効果を十分に得ることができることが分かる。なお、本検討は低屈折率層45の屈折率がn=1.38の場合を計算しているが、屈折率は1.38に限定されるものではなく、金属層46もAgとAlに限定されるものではない。式(5)で表わされる、低屈折率層45と陰極44の界面でのSPPの強度が一定値(例えば0.4)より大きいという条件を満たせば、Otto型配置によってSPPモード光を有機層43中に取り出すことができ、この条件を満たす限り、低屈折率層45の屈折率や金属層46の材料は限定されるものではない。
Comparing this result with FIGS. 13A and 13B, in the formula (5), the strength of the SPP generated on the surface of the
本発明の有機EL素子の実施例について以下に説明する。 Examples of the organic EL device of the present invention will be described below.
(実施例1)
本発明においては、各実施形態の有機EL素子の光取り出し効率への効果の確認をシミュレーションにより行った。最初に、シミュレーションに用いた有限差分時間領域法(FDTD method:Finite Difference Time Domain Method)について説明する。FDTD法は、電磁界の時間変化を記述するMaxwellの方程式を空間的・時間的に差分化し、空間の各点における電磁界の時間変化を追跡する解析手法である。FDTD法により有機EL素子の光取出し効率を計算するには、発光層における発光を微小ダイポールからの放射と捉えて、その放射の強度を計数する。より具体的には、ダイポールの全放射強度に対する基板まで取り出された光の割合を光取り出し効率として、その振動数依存性を計算する。以降ではこの光取り出し効率を計算した結果をグラフで示す。横軸のλはダイポールの振動数を真空中の波長で表示したもの、縦軸のηは光取り出し効率である。以降の図においても同じである。
計算は、現実に近い発光現象をシミュレートするために、発光源であるダイポールをランダム(ダイポールのモーメントが全ての方向にランダム)として行った。
Example 1
In the present invention, the effect on the light extraction efficiency of the organic EL element of each embodiment was confirmed by simulation. First, the finite difference time domain method (FDTD method) used for the simulation will be described. The FDTD method is an analysis method for tracking the time change of the electromagnetic field at each point in space by differentiating Maxwell's equation describing the time change of the electromagnetic field spatially and temporally. In order to calculate the light extraction efficiency of the organic EL element by the FDTD method, the light emission in the light emitting layer is regarded as the radiation from the minute dipole, and the intensity of the radiation is counted. More specifically, the frequency dependence is calculated using the ratio of the light extracted to the substrate with respect to the total radiation intensity of the dipole as the light extraction efficiency. Hereinafter, the calculation result of the light extraction efficiency is shown in a graph. Λ on the horizontal axis represents the frequency of the dipole as a wavelength in vacuum, and η on the vertical axis represents the light extraction efficiency. The same applies to the following drawings.
In order to simulate a light emission phenomenon close to reality, the calculation was performed with a dipole as a light emission source being random (dipole moment is random in all directions).
図17は、シミュレーションで用いた第1実施形態のボトムエミッション型の有機EL素子10のモデル構造を示す断面図である。
計算に用いた屈折率の値は以下のとおりである。基板1はガラスからなるとして、屈折率としては1.52を用いた。高屈折率層7は、ジルコニアからなるとしてその屈折率としては1.90を用いた。陽極(第1電極)2および陰極(第2電極)4はITOからなるとして、屈折率としては550nmで1.82+0.009iとし、その他の波長はローレンツモデルで外挿した。また、有機層3の平均の屈折率としては1.72を用いた。低屈折率層5は、SOGからなるとして屈折率としては屈折率1.25を用いた。また、金属層6はアルミニウム(Al)からなるとして、屈折率としては550nmで0.649+4.32iを用い、その他の波長はドルーデモデルで外挿した。
陽極2、有機層3、陰極4、低屈折率層5、金属層6の層厚はそれぞれ、150nm、210nm、50nm、100nm、100nmとした。また高屈折率層7は、その先端部7a2の高さが500nm、柱状部7a1の高さを750nmとし、層状部7bの厚さを150nmとした。
さらに高屈折率層7の凸部7aの幅を1000nm、隣り合う凸部7a間の周期(ピッチ)pを1600nmとした。ここで、凸部7aは、紙面奥行き方向には並進対称な構造としている。すなわち、平面視で、凸部および孔部は面内の一方向を無限に伸びるライン状の形状をしている。また先端部7a2は、並進構造を横切る断面形状が半円状の形状を有している。ただし、どの計算モデルも光源は紙面奥行き方向に並進対称ではなく、有機層層状部の膜厚中に点状に置いている。発光(図17中の星マーク)は、隣接する凸部の中心軸上で、陰極4から132.5nmの位置で発光したとしてコンピュータシミュレーション計算を行った。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a model structure of the bottom emission type
The refractive index values used for the calculation are as follows. The
The layer thicknesses of the
Furthermore, the width of the
(実施例2)
図18(a)のように先端部7a2は、並進構造を横切る断面を三角形状として、同様のコンピュータシミュレーション計算を行った。その他の構成は、全て実施例1と同様のものとした。
(Example 2)
As shown in FIG. 18 (a), the tip 7a2 was subjected to the same computer simulation calculation with a cross section crossing the translational structure being triangular. All other configurations were the same as in Example 1.
(実施例3)
図18(b)のように先端部7a2は、並進構造を横切る断面を二つの三角形が双対をなす形状として、同様のコンピュータシミュレーション計算を行った。その他の構成は、全て実施例1と同様のものとした。
(Example 3)
As shown in FIG. 18 (b), the tip portion 7a2 was subjected to the same computer simulation calculation with a cross section crossing the translational structure as a shape in which two triangles form a dual. All other configurations were the same as in Example 1.
(比較例1)
図18(c)のように先端部を有さず、頂部が平坦面からなる柱状部27a1とし、同様のコンピュータシミュレーション計算を行った。その他の構成は、全て実施例1と同様のものとした。なお、柱状部27a1の高さは実施例の凸部の高さと同じ1250nmとし、実施例との整合性をとった。
(Comparative Example 1)
As shown in FIG. 18C, the same computer simulation calculation was performed with the columnar portion 27a1 having no top portion and a flat top portion. All other configurations were the same as in Example 1. The height of the columnar portion 27a1 was set to 1250 nm, which is the same as the height of the convex portion of the example, and consistency with the example was taken.
(比較例2および3)
さらに、比較例2としてOtto型配置の陰極側構造を有するが、有機層中まで取り出された伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第1電極側構造は有さない構造(以下、「Otto型配置のみ構造」ということがある)と、比較例3としてOtto型配置の第2電極側構造を有さず、且つ伝播光を導波モード光とせずに外部に取り出す第1電極側構造も有さない構造(以下、「標準構造」ということがある)の場合も計算した。
標準構造は基板のガラス上に、陽極層、有機層、陰極金属層の順に形成された構造を意味する。シミュレーションにおいては、標準構造は基板がガラスからなり、陽極がITOからなり、有機層を挟んで、陰極はAlからなるものを用いた。それぞれ、屈折率としてはそれぞれ、1.52、1.82+0.009i、1.72、0.649+4.32iを用い、陽極、有機層、陰極の層厚はそれぞれ、150nm、210nm、100nmとした。
(Comparative Examples 2 and 3)
Further, as Comparative Example 2, the structure has a cathode-side structure with an Otto type arrangement, but does not have a first electrode-side structure that takes out propagating light extracted into the organic layer without taking it as guided mode light (hereinafter referred to as a “guide electrode mode structure”). The first electrode side which does not have the second electrode side structure of the Otto type arrangement as Comparative Example 3 and takes out the propagating light to the outside without using the guided mode light. Calculations were also made for a structure having no structure (hereinafter sometimes referred to as “standard structure”).
The standard structure means a structure in which an anode layer, an organic layer, and a cathode metal layer are formed in this order on a glass substrate. In the simulation, the standard structure was such that the substrate was made of glass, the anode was made of ITO, the organic layer was sandwiched, and the cathode was made of Al. Refractive indexes are 1.52, 1.82 + 0.009i, 1.72, 0.649 + 4.32i, respectively, and the anode, organic layer, and cathode layer thicknesses are 150 nm, 210 nm, 100 nm.
図19は、実施例1〜3および比較例1〜3の有機EL素子の光取り出し効率ηを、FDTD法を用いてコンピュータシミュレーションで求めた結果を示す図である。図19に示すように、実施例1〜3は比較例1〜3と比較して、450nm〜750nmのほとんど全波長で、光の取り出し効率が向上していることが分かる。特に実施例1〜3と比較例1を比較すると、実施例1〜3は凸部の先端部に基板面に対して傾斜角を有する傾斜面を有するため、隣接する凸部に再入射した光も効率的に取り出すことができ、比較例1に対して光の取り出し効率が向上しているが分かる。 FIG. 19 is a diagram showing the results of calculating the light extraction efficiency η of the organic EL elements of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 by computer simulation using the FDTD method. As shown in FIG. 19, it can be seen that Examples 1 to 3 have improved light extraction efficiency at almost all wavelengths of 450 nm to 750 nm compared to Comparative Examples 1 to 3. In particular, when Examples 1 to 3 are compared with Comparative Example 1, since Examples 1 to 3 have an inclined surface having an inclination angle with respect to the substrate surface at the tip of the convex part, the light reincident on the adjacent convex part. It can be seen that the light extraction efficiency is improved compared to Comparative Example 1.
1、11、21、31、41 基板
2、12、22、32、42 第1電極(陽極)
3、13、23、33、43 有機層
4、14、24、34、44 第2電極(陰極)
5、15、25、45 低屈折率層
6、16、26、46 金属層
7、17、27 高屈折率層
7a 凸部
17a 凹部
7a1、27a1 柱状部
7a2 先端部
17a1 柱状孔部
17a2 根底部
10、20、30、40、50 有機EL素子
R レジスト
M モールド
S スピンオン誘電体
U 硬化性樹脂
100 画像表示装置
104 陽極配線
106 陽極補助配線
108 陰極配線
110 絶縁膜
112 陰極隔壁
116 封止プレート
118 シール材
120 開口部
200 照明装置
201 点灯回路
202 端子
203 端子
1, 11, 21, 31, 41
3, 13, 23, 33, 43
5, 15, 25, 45 Low
Claims (16)
さらに、前記第2電極の前記有機層と反対側の面に、低屈折率層と、金属層とを該反対側の面に接する側から順に具備し、
前記第2電極は、透光性導電材料からなり、
前記低屈折率層の屈折率は前記有機層の屈折率よりも低く、
前記第1電極の前記有機層と反対の面に高屈折率層を具備し、
前記高屈折率層は、該高屈折率層が前記第1電極と反対側の面に隣接する物質よりも屈折率が高く、且つ前記低屈折率層よりも屈折率が高い材料からなり、さらに前記高屈折率層は、複数の凸部を有し、
前記凸部は前記第1電極側から順に形成された柱状部と先端部とからなり、
前記柱状部は、前記第1電極に対し垂直に起立し、
前記先端部は前記第1電極と反対側に頂部を有し、その頂部に向かって傾斜する傾斜面を有していることを特徴とする有機EL素子。 An organic EL device comprising a first electrode, an organic layer including a light emitting layer, and a second electrode in order,
Furthermore, on the surface opposite to the organic layer of the second electrode, a low refractive index layer and a metal layer are sequentially provided from the side in contact with the opposite surface,
The second electrode is made of a translucent conductive material,
The refractive index of the low refractive index layer is lower than the refractive index of the organic layer,
A high refractive index layer is provided on the surface of the first electrode opposite to the organic layer,
The high refractive index layer is made of a material having a refractive index higher than that of the substance adjacent to the surface opposite to the first electrode and having a higher refractive index than that of the low refractive index layer. The high refractive index layer has a plurality of convex portions,
The convex part is composed of a columnar part and a tip part formed in order from the first electrode side,
The columnar part stands upright with respect to the first electrode,
The tip part has an apex on the side opposite to the first electrode, and has an inclined surface that inclines toward the apex.
さらに、前記第2電極の前記有機層と反対側の面に、低屈折率層と、金属層とを該反対側の面に接する側から順に具備し、
前記第2電極は、透光性導電材料からなり、
前記低屈折率層の屈折率は前記有機層の屈折率よりも低く、
前記第1電極の前記有機層と反対の面に高屈折率層を具備し、
前記高屈折率層は、該高屈折率層が前記第1電極と反対側の面に隣接する物質よりも屈折率が高く、且つ前記低屈折率層よりも屈折率が高い材料からなり、さらに前記高屈折率層は、複数の凹部を有し、
前記凹部は前記第1電極側から順に形成された柱状孔部と根底部とからなり、
前記柱状孔部は、前記第1電極に対し垂直に穿孔されており、
前記根底部は、第1電極と反対側に向かって広がる傾斜面を有していることを特徴とする有機EL素子。 An organic EL device comprising a first electrode, an organic layer including a light emitting layer, and a second electrode in order,
Furthermore, on the surface opposite to the organic layer of the second electrode, a low refractive index layer and a metal layer are sequentially provided from the side in contact with the opposite surface,
The second electrode is made of a translucent conductive material,
The refractive index of the low refractive index layer is lower than the refractive index of the organic layer,
A high refractive index layer is provided on the surface of the first electrode opposite to the organic layer,
The high refractive index layer is made of a material having a refractive index higher than that of the substance adjacent to the surface opposite to the first electrode and having a higher refractive index than that of the low refractive index layer. The high refractive index layer has a plurality of recesses,
The concave portion includes a columnar hole portion and a root portion formed in order from the first electrode side,
The columnar hole is perforated perpendicular to the first electrode,
The organic EL element, wherein the base has an inclined surface that extends toward the opposite side of the first electrode.
の有機EL素子。 The low-refractive index layer is made of a material having a refractive index smaller by 0.2 or more than at least one of the second electrode and the organic layer. Organic EL element.
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