有機ＥＬ素子
【課題】有機ＥＬ素子からの発光の指向性を高度に高め、鋭い指向性をもって外部に光を出射することのできる有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】陽極と陰極との間に、上記陽極側にホール輸送層を形成するとともに上記陰極側に電子輸送層を形成し、かつ、上記ホール輸送層と上記電子輸送層との間に発光層を形成した有機ＥＬ素子であって、上記発光層を発光スペクトル幅の狭い発光物質により形成し、上記陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成したものであり、上記発光スペクトル幅の狭い発光物質としては、希土類蛍光錯体を用いることができる。
【解決手段】陽極と陰極との間に、上記陽極側にホール輸送層を形成するとともに上記陰極側に電子輸送層を形成し、かつ、上記ホール輸送層と上記電子輸送層との間に発光層を形成した有機ＥＬ素子であって、上記発光層を発光スペクトル幅の狭い発光物質により形成し、上記陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成したものであり、上記発光スペクトル幅の狭い発光物質としては、希土類蛍光錯体を用いることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子に関し、さらに詳細には、電子とホールとの注入および再結合により発光する有機化合物のエレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）を利用した有機ＥＬ素子に関する。
【０００２】
なお、こうした有機ＥＬ素子は、ディスプレイ、照明あるいは光信号発生器などの各種の分野において利用可能である。
【背景技術】
【０００３】
従来より、電子とホールとの注入および再結合により発光する有機化合物のエレクトロルミネッセンスを利用した有機ＥＬ素子が知られている。
【０００４】
一般に、従来の有機ＥＬ素子においては、有機ＥＬ素子の内部で発生した光を外部に取り出す必要性から、基板に透明な材料を使用し、その上に透明電極を配置することにより、透明基板側から光を取り出すようになされている。
【０００５】
こうした従来の有機ＥＬ素子からの発光の角度分布は、ほぼランバート則に従い無指向性であって、全方向に発光する。
【０００６】
従って、従来の有機ＥＬ素子をディスプレイなどに使用する場合には、例えば、透明基板に対して垂直方向、即ち、ディスプレイの正面方向での光の利用効率が低いということが指摘されていた。
【０００７】
このため、有機ＥＬ素子からの発光に指向性をもたせるため、例えば、非特許文献１に開示されているような、微小共振器を用いた構造が提案されている。
【０００８】
しかしながら、上記した微小共振器を用いた構造により得られる有機ＥＬ素子からの発光の指向性は、半値全幅で３０°程度とそれほど鋭いわけではなく、より鋭い指向性をもって発光させることのできる有機ＥＬ素子の開発が強く要望されていた。
【非特許文献１】Ｔ．Ｔｓｕｔｓｕｉ， Ｎ．Ｔａｋａｄａ ａｎｄ Ｓ．ｓａｉｔｏ， “Ｓｈａｒｐｌｙ ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ−ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５， １８６８−１８７０（１９９４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来の技術の有する上記したような要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、有機ＥＬ素子からの発光の指向性を高度に高め、鋭い指向性をもって外部に光を出射することのできる有機ＥＬ素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明による有機ＥＬ素子は、有機ＥＬ素子の発光層の材料として発光スペクトル幅の狭い発光物質を用いるとともに、有機ＥＬ素子の陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成するようにしたものである。
【００１１】
こうした構成を備えることにより、本発明による有機ＥＬ素子においては、有機ＥＬ素子の陰極側からの発光の指向性が高度に高められ、有機ＥＬ素子の陰極側から鋭い指向性をもって外部に光が出射されることになる。
【００１２】
この本発明による有機ＥＬ素子においては、有機ＥＬ素子の陰極側からの発光の角度の広がりは、数度以内の狭い範囲に限定されるものである。
【００１３】
なお、本発明による有機ＥＬ素子の発光層の材料として用いることのできる発光スペクトル幅の狭い発光物質としては、例えば、サマリウム（Ｓｍ）イオン、ユウロピウム（Ｅｕ）イオン、テルビウム（Ｔｂ）イオンあるいはジスプロシウム（Ｄｙ）イオンなどの希土類イオンが作る希土類蛍光錯体がある。
【００１４】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、陽極と陰極との間に、上記陽極側にホール輸送層を形成するとともに上記陰極側に電子輸送層を形成し、かつ、上記ホール輸送層と上記電子輸送層との間に発光層を形成した有機ＥＬ素子であって、上記発光層を発光スペクトル幅の狭い発光物質により形成し、上記陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成したものである。なお、ホール注入層や電子注入層を設けるようにしてもよいことは勿論である。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記発光スペクトル幅の狭い発光物質を希土類蛍光錯体としたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか記載の発明において、上記周期的な凹凸構造を上記陰極の外部との界面に形成したものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか記載の発明において、上記周期的な凹凸構造を上記陰極に積層された誘電体層の外部との界面に形成したものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、有機ＥＬ素子からの発光の指向性が高度に高められ、鋭い指向性をもって外部に光が出射されることになるという優れた効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による有機ＥＬ素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２０】
なお、以下の説明においては、それぞれ同一または相当する構成については、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、重複する構成ならびに作用の説明は適宜に省略する。
【００２１】
まず、図１には、本発明の実施の形態の一例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図が示されている。
【００２２】
この有機ＥＬ素子１０は、基板１２上に、陽極（ａｎｏｄｅ）１４と、ホール輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）１６と、発光層（ｅｍｉｔ． ｌａｙｅｒ）１８と、電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）２０と、陰極（ｃａｔｈｏｄｅ）２２とが順に積層されており、陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加されるように構成されている。
【００２３】
なお、こうした有機ＥＬ素子１０の積層構造については従来より公知のものであるので、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
そして、この有機ＥＬ素子１０は、発光層１８と陰極２２との構成において、従来の有機ＥＬ素子と異なっている。
【００２５】
即ち、発光層１８は、発光スペクトル幅の狭い発光物質、例えば、サマリウム（Ｓｍ）イオン、ユウロピウム（Ｅｕ）イオン、テルビウム（Ｔｂ）イオンあるいはジスプロシウム（Ｄｙ）イオンなどの希土類イオンが作る希土類蛍光錯体により形成されている。
【００２６】
また、陰極２２の外部との界面には、微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されている。なお、周期的凹凸構造格子２２ａは、例えば、六方格子状の連続する凹凸により構成することができる。
【００２７】
なお、基板１２、陽極１４、ホール輸送層１６、電子輸送層２０ならびに陰極２２の材料としては、従来の有機ＥＬ素子と同様な材料を用いればよいが、基板１２および陽極１４については透明材料を用いる必要はなく、一方、陰極２２は、表面プラズモンが励起される金属材料より構成されており、例えば、銀や金などにより形成されている。
【００２８】
以上の構成において、有機ＥＬ素子１０の陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加されると、有機ＥＬ素子１０の陰極２２から指向性をもった発光が観察され、その発光の角度の広がりは数度以内の狭い範囲に限定される。即ち、有機ＥＬ素子１０の陰極２２からは、鋭い指向性をもって外部に光が出射される。
【００２９】
この有機ＥＬ素子１０においては、陰極２２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されているため、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２と外部（空気）との界面を伝搬する表面プラズモンを励起する。
【００３０】
この表面プラズモンの分散関係と伝搬光の分散関係とが一致したときに、表面プラズモンは伝搬光となって外部に放射される。
【００３１】
ここで、発光層１８の材料としては、発光スペクトル幅の狭い発光物質を用いており、表面プラズモンは、この発光スペクトル幅の狭い発光物質の発光によって励起される。
【００３２】
従って、励起された表面プラズモンのエネルギー幅は、発光層１８の材料として用いた発光物質の発光スペクトル幅と同じになり、表面プラズモンの分散関係と発光層１８の材料として用いた発光物質の発光ピークエネルギーとは非常に狭い領域で一致することになるため、伝搬光は鋭い指向性をもって外部に放射されることになる。外部に放射される伝搬光の射出角の広がりは、発光スペクトルの幅が狭くなれば狭くなるほど小さくなる。
【００３３】
次に、図２には、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図が示されている。
【００３４】
この有機ＥＬ素子１００は、基板１２と陽極１４との間にバッファー層１０２が形成されている点と、基板１２の表面に微小な周期的凹凸構造格子を形成した後に基板１２、バッファー層１０２、陽極１４、ホール輸送層１６、発光層１８、電子輸送層２０ならびに陰極２２を順次積層することにより、これら各層のそれぞれの界面において微小な周期的凹凸構造格子１０４がそれぞれ形成されるとともに陰極２２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されるようになされている点とにおいて、上記した有機ＥＬ素子１０と異なっている。
【００３５】
なお、基板１２の表面に形成する微小な周期的凹凸構造格子は、例えば、六方格子状の連続する凹凸により構成することができる。
【００３６】
以上の構成において、この有機ＥＬ素子１００においても、有機ＥＬ素子１００の陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加されると、上記した有機ＥＬ素子１０と同様な作用により、陰極２２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されているため、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２と外部（空気）との界面を伝搬する表面プラズモンを励起することになり、有機ＥＬ素子１００の陰極２２から指向性をもった発光が観察され、その発光の角度の広がりは数度以内の狭い範囲に限定される。即ち、有機ＥＬ素子１００の誘電体層１０２から鋭い指向性をもって外部に光が出射される。
【００３７】
次に、図３には、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図が示されている。
【００３８】
この有機ＥＬ素子２００は、陰極２２に周期的凹凸構造格子２２ａが形成されていない点と、陰極２２に誘電体層２０２が積層されるとともに誘電体層２０２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２０２ａが形成されている点とにおいて、上記した有機ＥＬ素子１０と異なっている。
【００３９】
なお、周期的凹凸構造格子２０２ａは、例えば、六方格子状の連続する凹凸により構成することができる。
【００４０】
以上の構成において、この有機ＥＬ素子２００においても、有機ＥＬ素子２００の陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加すると、上記した有機ＥＬ素子１０と同様な作用により、誘電体層２０２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２０２ａが形成されているため、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２と誘電体層２０２との界面を伝搬する表面プラズモンを励起することになり、有機ＥＬ素子２００の陰極２２から指向性をもった発光が観察され、その発光の角度の広がりは数度以内の狭い範囲に限定される。即ち、有機ＥＬ素子２００の誘電体層２０２から鋭い指向性をもって外部に光が出射される。
【００４１】
次に、本願発明者により行われた実験結果について、実施例として説明する。なお、この実験においては、上記した有機ＥＬ素子１００と同一の層構造を備えた有機ＥＬ素子３００を作製して実験を行った。
【実施例】
【００４２】
図４には、本願発明者により行われた実験に用いた有機ＥＬ素子３００の素子構造の構成説明図が示されており、有機ＥＬ素子３００は、基板１２がシリコン基板（Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）よりなり、バッファー層１０２が膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２よりなり、陽極１４が膜厚１５０ｎｍのＩＴＯよりなり、ホール輸送層１６が膜厚６０ｎｍのＮ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−（１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ）−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ（ＮＰＢ）（図５参照）よりなり、発光層１８が膜厚４０ｎｍのＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈ（図６参照）よりなり、電子輸送層２０が膜厚４０ｎｍのＴｒｉｓ−（８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）ａｌｕｍｉｎｕｍ（Ａｌｑ３）（図７参照）よりなり、陰極２２が膜厚４０ｎｍの銀（ｓｉｌｖｅｒ）よりなる。
【００４３】
また、周期的凹凸構造格子２２ａならびに周期的凹凸構造格子１０４は、六方格子状の連続する凹凸により構成した。
【００４４】
なお、実験に際しては、周期的凹凸構造格子２２ａの連続する六方格子状の凹凸のピッチたる格子ピッチ、即ち、隣り合う凸と凸ならびに隣り合う凹と凹との距離Ｌを３９０ｎｍとした有機ＥＬ素子３００と、４９５ｎｍとした有機ＥＬ素子３００と、５８４ｎｍとした有機ＥＬ素子３００とを作製し、それぞれについて実験した。
【００４５】
また、周期的凹凸構造格子２２ａの深さｄについては、実験に使用した有機ＥＬ素子３００のいずれにおいても５０ｎｍとした。
【００４６】
なお、図８には、格子ピッチ、即ち、距離Ｌを５８４ｎｍとするととともに、深さｄを５０ｎｍとした周期的凹凸構造格子２２ａを備えた銀よりなる陰極２２の表面の原子間力顕微鏡写真が示されている。
【００４７】
ここで、図９には、上記のようにして作製した周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが３９０ｎｍ、４９５ｎｍならびに５８４ｎｍの有機ＥＬ素子３００に電流を流したときに、陰極２２たる銀の表面からの発光の角度分布（放射パターン）を測定した結果が図示されている。
【００４８】
この図９に示されているように、放射パターンは周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチによって大きく異なり、周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが５８４ｎｍのときには、陰極２２の面に対して垂直方向（０°）に非常に指向性の高い発光パターンを示す（図９の図表における実線を参照する。）。
【００４９】
また、周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが４９５ｎｍのときには、陰極２２の面に対して約１０°の方向に非常に指向性の高い発光パターンを示す（図９の図表における破線を参照する。）。
【００５０】
さらに、周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが３９０ｎｍのときには、陰極２２の面に対して約３０°の方向に非常に指向性の高い発光パターンを示す（図９の図表における一点鎖線を参照する。）。
【００５１】
こうした有機ＥＬ素子３００においては、陰極２２たる銀の膜厚が４０ｎｍであるため、発光層１８で生成された光はほとんどこの陰極２２を透過しない。
【００５２】
しかしながら、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２たる銀と空気との界面を伝搬する表面プラズモンを励起する。
【００５３】
ここで、図１０に示す左のグラフは、六方格子状の周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが５８４ｎｍである有機ＥＬ素子３００の陰極２２たる銀と空気との界面に存在する表面プラズモンの分散関係を計算により求めた計算結果を示すグラフである。ここで、Ｋは格子ベクトルであり、格子ピッチをΛとしたとき、Ｋ＝２π／Λで与えられる。
【００５４】
この表面プラズモンの分散関係と伝搬光の分散関係とが一致したときに、表面プラズモンは伝搬光となって放射される。
【００５５】
図１０に示す右のグラフは、発光層１８たるＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光スペクトルを示すスペクトル図である。この図１０のスペクトル図からわかるように、Ｅｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光スペクトルの幅は非常に狭い。
【００５６】
表面プラズモンは、Ｅｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光によって励起され、従って、励起された表面プラズモンのエネルギー幅はＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光エネルギー幅と同じである。
【００５７】
このため、表面プラズモンの分散曲線のＡ点がＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光ピークエネルギーと一致するように格子ピッチを調整すると、「ｋｘ＝０」の伝搬光、即ち、射出角度が０°（陰極２２の面に対して垂直方向）の伝搬光とのみ結合する。この際の格子ピッチが、５８４ｎｍということになる。
【００５８】
また、射出角の広がりは、発光層１８として用いる材料の発光スペクトルの幅が狭くなれば狭くなるほど小さくなる。
【００５９】
なお、本発明を実施する際においては、陰極２２の面に対する発光パターンの角度は、発光層１８を形成する材料や格子ピッチの大きさに応じて、適宜に設定することができる。
【００６０】
また、本発明を実施する際においては、陽極１４、ホール輸送層１６、発光層１８、電子輸送層２０、陰極２２、バッファー層１０２ならびに誘電体層２０２の膜厚は、上記した実施例に示す値に限定されるものではなく、有機ＥＬ素子を使用する際の条件などに応じて、適宜の膜厚を選択すればよい。
【００６１】
例えば、陰極２２たる銀の膜厚については、２０〜６０ｎｍの範囲において適宜に選択すると良好な結果が得られ、また、電子輸送層２０たるＡｌｑ３の膜厚については、１０〜５０ｎｍの範囲において適宜に選択すると良好な結果が得られる。
【００６２】
また、本発明を実施する際においては、周期的凹凸構造格子２２ａならびに周期的凹凸構造格子１０４の深さｄは、上記した実施例に示す値に限定されるものではなく、有機ＥＬ素子を使用する際の条件などに応じて、適宜の深さを選択すればよく、例えば、１０〜１００ｎｍの範囲において適宜に選択すると良好な結果が得られる。
【００６３】
また、本発明を実施する際においては、周期的凹凸構造格子２２ａならびに周期的凹凸構造格子１０４の形状は、六方格子状に限られるものではなく、有機ＥＬ素子を使用する際の条件などに応じて適宜の形状を選択すればよい。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、ホール注入層や電子注入層を設けない構成例を示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、ホール注入層や電子注入層を設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、ディスプレイ、照明あるいは光信号発生器などの各種の分野において利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態の一例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図４】図４は、本願発明者により行われた実験に用いた有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図５】図５は、ＮＰＢの化学構造式である。
【図６】図６は、Ｅｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの化学構造式である。
【図７】図７は、Ａｌｑ３の化学構造式である。
【図８】図８は、陰極たる銀の表面の原子間力顕微鏡写真である。
【図９】図９は、陰極たる銀の表面からの発光の角度分布（放射パターン）を測定した結果を示す図表である。
【図１０】図１０は、表面プラズモンの分散関係（図１０の左のグラフ）とＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光スペクトル（図１０の右のスペクトル図）とを示す図表である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 有機ＥＬ素子
１２ 基板
１４ 陽極（ａｎｏｄｅ）
１６ ホール輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）
１８ 発光層（ｅｍｉｔ． ｌａｙｅｒ）
２０ 電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）
２２ 陰極（ｃａｔｈｏｄｅ）
２２ａ 周期的凹凸構造格子
１００ 有機ＥＬ素子
１０２ バッファー層
１０４ 周期的凹凸構造格子
２００ 有機ＥＬ素子
２０２ 誘電体層
２０２ａ 周期的凹凸構造格子
３００ 有機ＥＬ素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子に関し、さらに詳細には、電子とホールとの注入および再結合により発光する有機化合物のエレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）を利用した有機ＥＬ素子に関する。
【０００２】
なお、こうした有機ＥＬ素子は、ディスプレイ、照明あるいは光信号発生器などの各種の分野において利用可能である。
【背景技術】
【０００３】
従来より、電子とホールとの注入および再結合により発光する有機化合物のエレクトロルミネッセンスを利用した有機ＥＬ素子が知られている。
【０００４】
一般に、従来の有機ＥＬ素子においては、有機ＥＬ素子の内部で発生した光を外部に取り出す必要性から、基板に透明な材料を使用し、その上に透明電極を配置することにより、透明基板側から光を取り出すようになされている。
【０００５】
こうした従来の有機ＥＬ素子からの発光の角度分布は、ほぼランバート則に従い無指向性であって、全方向に発光する。
【０００６】
従って、従来の有機ＥＬ素子をディスプレイなどに使用する場合には、例えば、透明基板に対して垂直方向、即ち、ディスプレイの正面方向での光の利用効率が低いということが指摘されていた。
【０００７】
このため、有機ＥＬ素子からの発光に指向性をもたせるため、例えば、非特許文献１に開示されているような、微小共振器を用いた構造が提案されている。
【０００８】
しかしながら、上記した微小共振器を用いた構造により得られる有機ＥＬ素子からの発光の指向性は、半値全幅で３０°程度とそれほど鋭いわけではなく、より鋭い指向性をもって発光させることのできる有機ＥＬ素子の開発が強く要望されていた。
【非特許文献１】Ｔ．Ｔｓｕｔｓｕｉ， Ｎ．Ｔａｋａｄａ ａｎｄ Ｓ．ｓａｉｔｏ， “Ｓｈａｒｐｌｙ ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ−ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５， １８６８−１８７０（１９９４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来の技術の有する上記したような要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、有機ＥＬ素子からの発光の指向性を高度に高め、鋭い指向性をもって外部に光を出射することのできる有機ＥＬ素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明による有機ＥＬ素子は、有機ＥＬ素子の発光層の材料として発光スペクトル幅の狭い発光物質を用いるとともに、有機ＥＬ素子の陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成するようにしたものである。
【００１１】
こうした構成を備えることにより、本発明による有機ＥＬ素子においては、有機ＥＬ素子の陰極側からの発光の指向性が高度に高められ、有機ＥＬ素子の陰極側から鋭い指向性をもって外部に光が出射されることになる。
【００１２】
この本発明による有機ＥＬ素子においては、有機ＥＬ素子の陰極側からの発光の角度の広がりは、数度以内の狭い範囲に限定されるものである。
【００１３】
なお、本発明による有機ＥＬ素子の発光層の材料として用いることのできる発光スペクトル幅の狭い発光物質としては、例えば、サマリウム（Ｓｍ）イオン、ユウロピウム（Ｅｕ）イオン、テルビウム（Ｔｂ）イオンあるいはジスプロシウム（Ｄｙ）イオンなどの希土類イオンが作る希土類蛍光錯体がある。
【００１４】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、陽極と陰極との間に、上記陽極側にホール輸送層を形成するとともに上記陰極側に電子輸送層を形成し、かつ、上記ホール輸送層と上記電子輸送層との間に発光層を形成した有機ＥＬ素子であって、上記発光層を発光スペクトル幅の狭い発光物質により形成し、上記陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成したものである。なお、ホール注入層や電子注入層を設けるようにしてもよいことは勿論である。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記発光スペクトル幅の狭い発光物質を希土類蛍光錯体としたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか記載の発明において、上記周期的な凹凸構造を上記陰極の外部との界面に形成したものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか記載の発明において、上記周期的な凹凸構造を上記陰極に積層された誘電体層の外部との界面に形成したものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、有機ＥＬ素子からの発光の指向性が高度に高められ、鋭い指向性をもって外部に光が出射されることになるという優れた効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による有機ＥＬ素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２０】
なお、以下の説明においては、それぞれ同一または相当する構成については、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、重複する構成ならびに作用の説明は適宜に省略する。
【００２１】
まず、図１には、本発明の実施の形態の一例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図が示されている。
【００２２】
この有機ＥＬ素子１０は、基板１２上に、陽極（ａｎｏｄｅ）１４と、ホール輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）１６と、発光層（ｅｍｉｔ． ｌａｙｅｒ）１８と、電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）２０と、陰極（ｃａｔｈｏｄｅ）２２とが順に積層されており、陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加されるように構成されている。
【００２３】
なお、こうした有機ＥＬ素子１０の積層構造については従来より公知のものであるので、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
そして、この有機ＥＬ素子１０は、発光層１８と陰極２２との構成において、従来の有機ＥＬ素子と異なっている。
【００２５】
即ち、発光層１８は、発光スペクトル幅の狭い発光物質、例えば、サマリウム（Ｓｍ）イオン、ユウロピウム（Ｅｕ）イオン、テルビウム（Ｔｂ）イオンあるいはジスプロシウム（Ｄｙ）イオンなどの希土類イオンが作る希土類蛍光錯体により形成されている。
【００２６】
また、陰極２２の外部との界面には、微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されている。なお、周期的凹凸構造格子２２ａは、例えば、六方格子状の連続する凹凸により構成することができる。
【００２７】
なお、基板１２、陽極１４、ホール輸送層１６、電子輸送層２０ならびに陰極２２の材料としては、従来の有機ＥＬ素子と同様な材料を用いればよいが、基板１２および陽極１４については透明材料を用いる必要はなく、一方、陰極２２は、表面プラズモンが励起される金属材料より構成されており、例えば、銀や金などにより形成されている。
【００２８】
以上の構成において、有機ＥＬ素子１０の陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加されると、有機ＥＬ素子１０の陰極２２から指向性をもった発光が観察され、その発光の角度の広がりは数度以内の狭い範囲に限定される。即ち、有機ＥＬ素子１０の陰極２２からは、鋭い指向性をもって外部に光が出射される。
【００２９】
この有機ＥＬ素子１０においては、陰極２２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されているため、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２と外部（空気）との界面を伝搬する表面プラズモンを励起する。
【００３０】
この表面プラズモンの分散関係と伝搬光の分散関係とが一致したときに、表面プラズモンは伝搬光となって外部に放射される。
【００３１】
ここで、発光層１８の材料としては、発光スペクトル幅の狭い発光物質を用いており、表面プラズモンは、この発光スペクトル幅の狭い発光物質の発光によって励起される。
【００３２】
従って、励起された表面プラズモンのエネルギー幅は、発光層１８の材料として用いた発光物質の発光スペクトル幅と同じになり、表面プラズモンの分散関係と発光層１８の材料として用いた発光物質の発光ピークエネルギーとは非常に狭い領域で一致することになるため、伝搬光は鋭い指向性をもって外部に放射されることになる。外部に放射される伝搬光の射出角の広がりは、発光スペクトルの幅が狭くなれば狭くなるほど小さくなる。
【００３３】
次に、図２には、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図が示されている。
【００３４】
この有機ＥＬ素子１００は、基板１２と陽極１４との間にバッファー層１０２が形成されている点と、基板１２の表面に微小な周期的凹凸構造格子を形成した後に基板１２、バッファー層１０２、陽極１４、ホール輸送層１６、発光層１８、電子輸送層２０ならびに陰極２２を順次積層することにより、これら各層のそれぞれの界面において微小な周期的凹凸構造格子１０４がそれぞれ形成されるとともに陰極２２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されるようになされている点とにおいて、上記した有機ＥＬ素子１０と異なっている。
【００３５】
なお、基板１２の表面に形成する微小な周期的凹凸構造格子は、例えば、六方格子状の連続する凹凸により構成することができる。
【００３６】
以上の構成において、この有機ＥＬ素子１００においても、有機ＥＬ素子１００の陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加されると、上記した有機ＥＬ素子１０と同様な作用により、陰極２２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２２ａが形成されているため、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２と外部（空気）との界面を伝搬する表面プラズモンを励起することになり、有機ＥＬ素子１００の陰極２２から指向性をもった発光が観察され、その発光の角度の広がりは数度以内の狭い範囲に限定される。即ち、有機ＥＬ素子１００の誘電体層１０２から鋭い指向性をもって外部に光が出射される。
【００３７】
次に、図３には、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図が示されている。
【００３８】
この有機ＥＬ素子２００は、陰極２２に周期的凹凸構造格子２２ａが形成されていない点と、陰極２２に誘電体層２０２が積層されるとともに誘電体層２０２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２０２ａが形成されている点とにおいて、上記した有機ＥＬ素子１０と異なっている。
【００３９】
なお、周期的凹凸構造格子２０２ａは、例えば、六方格子状の連続する凹凸により構成することができる。
【００４０】
以上の構成において、この有機ＥＬ素子２００においても、有機ＥＬ素子２００の陽極１４と陰極２２とに駆動電圧が印加すると、上記した有機ＥＬ素子１０と同様な作用により、誘電体層２０２の外部との界面に微小な周期的凹凸構造格子２０２ａが形成されているため、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２と誘電体層２０２との界面を伝搬する表面プラズモンを励起することになり、有機ＥＬ素子２００の陰極２２から指向性をもった発光が観察され、その発光の角度の広がりは数度以内の狭い範囲に限定される。即ち、有機ＥＬ素子２００の誘電体層２０２から鋭い指向性をもって外部に光が出射される。
【００４１】
次に、本願発明者により行われた実験結果について、実施例として説明する。なお、この実験においては、上記した有機ＥＬ素子１００と同一の層構造を備えた有機ＥＬ素子３００を作製して実験を行った。
【実施例】
【００４２】
図４には、本願発明者により行われた実験に用いた有機ＥＬ素子３００の素子構造の構成説明図が示されており、有機ＥＬ素子３００は、基板１２がシリコン基板（Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）よりなり、バッファー層１０２が膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２よりなり、陽極１４が膜厚１５０ｎｍのＩＴＯよりなり、ホール輸送層１６が膜厚６０ｎｍのＮ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−（１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ）−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ（ＮＰＢ）（図５参照）よりなり、発光層１８が膜厚４０ｎｍのＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈ（図６参照）よりなり、電子輸送層２０が膜厚４０ｎｍのＴｒｉｓ−（８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）ａｌｕｍｉｎｕｍ（Ａｌｑ３）（図７参照）よりなり、陰極２２が膜厚４０ｎｍの銀（ｓｉｌｖｅｒ）よりなる。
【００４３】
また、周期的凹凸構造格子２２ａならびに周期的凹凸構造格子１０４は、六方格子状の連続する凹凸により構成した。
【００４４】
なお、実験に際しては、周期的凹凸構造格子２２ａの連続する六方格子状の凹凸のピッチたる格子ピッチ、即ち、隣り合う凸と凸ならびに隣り合う凹と凹との距離Ｌを３９０ｎｍとした有機ＥＬ素子３００と、４９５ｎｍとした有機ＥＬ素子３００と、５８４ｎｍとした有機ＥＬ素子３００とを作製し、それぞれについて実験した。
【００４５】
また、周期的凹凸構造格子２２ａの深さｄについては、実験に使用した有機ＥＬ素子３００のいずれにおいても５０ｎｍとした。
【００４６】
なお、図８には、格子ピッチ、即ち、距離Ｌを５８４ｎｍとするととともに、深さｄを５０ｎｍとした周期的凹凸構造格子２２ａを備えた銀よりなる陰極２２の表面の原子間力顕微鏡写真が示されている。
【００４７】
ここで、図９には、上記のようにして作製した周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが３９０ｎｍ、４９５ｎｍならびに５８４ｎｍの有機ＥＬ素子３００に電流を流したときに、陰極２２たる銀の表面からの発光の角度分布（放射パターン）を測定した結果が図示されている。
【００４８】
この図９に示されているように、放射パターンは周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチによって大きく異なり、周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが５８４ｎｍのときには、陰極２２の面に対して垂直方向（０°）に非常に指向性の高い発光パターンを示す（図９の図表における実線を参照する。）。
【００４９】
また、周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが４９５ｎｍのときには、陰極２２の面に対して約１０°の方向に非常に指向性の高い発光パターンを示す（図９の図表における破線を参照する。）。
【００５０】
さらに、周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが３９０ｎｍのときには、陰極２２の面に対して約３０°の方向に非常に指向性の高い発光パターンを示す（図９の図表における一点鎖線を参照する。）。
【００５１】
こうした有機ＥＬ素子３００においては、陰極２２たる銀の膜厚が４０ｎｍであるため、発光層１８で生成された光はほとんどこの陰極２２を透過しない。
【００５２】
しかしながら、発光層１８で生成された光は直接あるいは間接的に、陰極２２たる銀と空気との界面を伝搬する表面プラズモンを励起する。
【００５３】
ここで、図１０に示す左のグラフは、六方格子状の周期的凹凸構造格子２２ａの格子ピッチが５８４ｎｍである有機ＥＬ素子３００の陰極２２たる銀と空気との界面に存在する表面プラズモンの分散関係を計算により求めた計算結果を示すグラフである。ここで、Ｋは格子ベクトルであり、格子ピッチをΛとしたとき、Ｋ＝２π／Λで与えられる。
【００５４】
この表面プラズモンの分散関係と伝搬光の分散関係とが一致したときに、表面プラズモンは伝搬光となって放射される。
【００５５】
図１０に示す右のグラフは、発光層１８たるＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光スペクトルを示すスペクトル図である。この図１０のスペクトル図からわかるように、Ｅｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光スペクトルの幅は非常に狭い。
【００５６】
表面プラズモンは、Ｅｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光によって励起され、従って、励起された表面プラズモンのエネルギー幅はＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光エネルギー幅と同じである。
【００５７】
このため、表面プラズモンの分散曲線のＡ点がＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光ピークエネルギーと一致するように格子ピッチを調整すると、「ｋｘ＝０」の伝搬光、即ち、射出角度が０°（陰極２２の面に対して垂直方向）の伝搬光とのみ結合する。この際の格子ピッチが、５８４ｎｍということになる。
【００５８】
また、射出角の広がりは、発光層１８として用いる材料の発光スペクトルの幅が狭くなれば狭くなるほど小さくなる。
【００５９】
なお、本発明を実施する際においては、陰極２２の面に対する発光パターンの角度は、発光層１８を形成する材料や格子ピッチの大きさに応じて、適宜に設定することができる。
【００６０】
また、本発明を実施する際においては、陽極１４、ホール輸送層１６、発光層１８、電子輸送層２０、陰極２２、バッファー層１０２ならびに誘電体層２０２の膜厚は、上記した実施例に示す値に限定されるものではなく、有機ＥＬ素子を使用する際の条件などに応じて、適宜の膜厚を選択すればよい。
【００６１】
例えば、陰極２２たる銀の膜厚については、２０〜６０ｎｍの範囲において適宜に選択すると良好な結果が得られ、また、電子輸送層２０たるＡｌｑ３の膜厚については、１０〜５０ｎｍの範囲において適宜に選択すると良好な結果が得られる。
【００６２】
また、本発明を実施する際においては、周期的凹凸構造格子２２ａならびに周期的凹凸構造格子１０４の深さｄは、上記した実施例に示す値に限定されるものではなく、有機ＥＬ素子を使用する際の条件などに応じて、適宜の深さを選択すればよく、例えば、１０〜１００ｎｍの範囲において適宜に選択すると良好な結果が得られる。
【００６３】
また、本発明を実施する際においては、周期的凹凸構造格子２２ａならびに周期的凹凸構造格子１０４の形状は、六方格子状に限られるものではなく、有機ＥＬ素子を使用する際の条件などに応じて適宜の形状を選択すればよい。
【００６４】
なお、上記した実施の形態においては、ホール注入層や電子注入層を設けない構成例を示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、ホール注入層や電子注入層を設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、ディスプレイ、照明あるいは光信号発生器などの各種の分野において利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態の一例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態の他の例による有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図４】図４は、本願発明者により行われた実験に用いた有機ＥＬ素子の素子構造の構成説明図である。
【図５】図５は、ＮＰＢの化学構造式である。
【図６】図６は、Ｅｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの化学構造式である。
【図７】図７は、Ａｌｑ３の化学構造式である。
【図８】図８は、陰極たる銀の表面の原子間力顕微鏡写真である。
【図９】図９は、陰極たる銀の表面からの発光の角度分布（放射パターン）を測定した結果を示す図表である。
【図１０】図１０は、表面プラズモンの分散関係（図１０の左のグラフ）とＥｕ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈの発光スペクトル（図１０の右のスペクトル図）とを示す図表である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 有機ＥＬ素子
１２ 基板
１４ 陽極（ａｎｏｄｅ）
１６ ホール輸送層（ｈｏｌｅ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）
１８ 発光層（ｅｍｉｔ． ｌａｙｅｒ）
２０ 電子輸送層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓ． ｌａｙｅｒ）
２２ 陰極（ｃａｔｈｏｄｅ）
２２ａ 周期的凹凸構造格子
１００ 有機ＥＬ素子
１０２ バッファー層
１０４ 周期的凹凸構造格子
２００ 有機ＥＬ素子
２０２ 誘電体層
２０２ａ 周期的凹凸構造格子
３００ 有機ＥＬ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極との間に、前記陽極側にホール輸送層を形成するとともに前記陰極側に電子輸送層を形成し、かつ、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間に発光層を形成した有機ＥＬ素子であって、
前記発光層を発光スペクトル幅の狭い発光物質により形成し、
前記陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成した
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の有機ＥＬ素子において、
前記発光スペクトル幅の狭い発光物質は、希土類蛍光錯体である
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子において、
前記周期的な凹凸構造は、前記陰極の外部との界面に形成された
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項４】
請求項１または２のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子において、
前記周期的な凹凸構造は、前記陰極に積層された誘電体層の外部との界面に形成された
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項１】
陽極と陰極との間に、前記陽極側にホール輸送層を形成するとともに前記陰極側に電子輸送層を形成し、かつ、前記ホール輸送層と前記電子輸送層との間に発光層を形成した有機ＥＬ素子であって、
前記発光層を発光スペクトル幅の狭い発光物質により形成し、
前記陰極側の表面に周期的な凹凸構造を形成した
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の有機ＥＬ素子において、
前記発光スペクトル幅の狭い発光物質は、希土類蛍光錯体である
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子において、
前記周期的な凹凸構造は、前記陰極の外部との界面に形成された
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項４】
請求項１または２のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子において、
前記周期的な凹凸構造は、前記陰極に積層された誘電体層の外部との界面に形成された
ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３１３６６７（Ｐ２００６−３１３６６７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３５２７８（Ｐ２００５−１３５２７８）
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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