発光素子
【課題】色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子を提供する。
【解決手段】陽極層１と陰極層２との間に有機発光層３が設けられた有機ＥＬ素子１０と、該有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられた配光制御部４とを有する発光素子２０であって、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３は、主発光波長が異なる赤色発光層３ａ、緑色発光層３ｂ、青色発光層３ｃが積層されてなるとともに、配光制御部４は、有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子４ａを備えてなる。
【解決手段】陽極層１と陰極層２との間に有機発光層３が設けられた有機ＥＬ素子１０と、該有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられた配光制御部４とを有する発光素子２０であって、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３は、主発光波長が異なる赤色発光層３ａ、緑色発光層３ｂ、青色発光層３ｃが積層されてなるとともに、配光制御部４は、有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子４ａを備えてなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（以下有機ＥＬ素子という）を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、陽極層と陰極層との間に有機発光層を挟んだ有機ＥＬ素子が知られている。有機ＥＬ素子は、大面積に形成するのが比較的容易で、低消費電力で発光することが可能なことから、照明用途などの発光素子として研究開発が行われている。
【０００３】
この種の有機ＥＬ素子１０は、例えば、図６に示すように、ガラス材料からなる透光性の基板５の一表面側（図面の下側）に、陽極層１と、該陽極層１上に正孔注入層６、正孔輸送層７を介して有機発光層３と、該有機発光層３上に電子輸送層８を介して陰極層２と、を備えている。また、有機発光層３には、主発光波長が異なる複数層（例えば、赤色の光（Ｒ）を放射する赤色発光層３ａ、緑色の光（Ｇ）を放射する緑色発光層３ｂおよび青色の光（Ｂ）を放射する青色発光層３ｃ）が形成されている。このような有機ＥＬ素子１０は、一対の電極となる陽極層１と陰極層２との間に電圧を印加されると、有機発光層３の各発光層３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれから主発光波長の異なる光Ｒ，Ｇ，Ｂが放射され、光出射面側となる基板５から白色の光が放出されて見える。
【０００４】
ところで、有機発光層３から放射された主発光波長が異なる光Ｒ，Ｇ，Ｂは、媒体に対する屈折率が異なるので、例えば、図７に示すようにガラス材料からなる基板５中で同じ光路を辿った光Ｒ，Ｇ，Ｂであっても、スネルの法則に従ってガラスから空気へ屈折方向が分かれて放射されることになる。そのため、有機ＥＬ素子１０の基板５から放射される光に色収差が発生し、有機ＥＬ素子１０から放射された光の被照射面においては色むらとして観測されることになる。人間の目は、白色の光の色収差に対して敏感であり、少しの違いでも大きな色の違いとして認識する。そのため、このような有機ＥＬ素子１０の構成では、均一な白色となる良質の光が求められる照明用途に用いるには十分ではない。
【０００５】
また、照明用途においては、光源からの光を狭角配光させて所望の方向に光を取り出すニーズがある。そのため、有機ＥＬ素子１０の光出射面側に、配光制御部として配光レンズを設け所望の配光を得る発光素子とすることが考えられる。ところで、照明系の光学設計では、前記配光レンズは、通常、光線追跡法を用いた幾何学光学設計により形成されるのが一般的であるが、幾何学光学設計では、屈折率が変化する界面での屈折率により光の進行方向を制御することを前提としており、狭角配光させるには前記配光レンズの厚み寸法を大きくする必要がある。そのため、前記配光レンズを用いた発光素子では、光の進行方向の制御範囲にも限界があり、前記配光レンズの厚み寸法が大きくなるにつれ、光路長が長くなることによる色収差も大きくなるという問題もある。
【０００６】
また、他の有機ＥＬ素子１０’の構成として、図８に示すように、基板５と、該基板５の一表面側（図面の上側）に陽極層１’と、有機発光層３’と、陰極層２’とが形成され、有機発光層３’が、同一平面において互いに主発光波長の異なる複数の発光部（例えば、赤色の光（Ｒ）を放射する発光層３ａ’、緑色の光（Ｇ）を放射する発光層３ｂ’および青色の光（Ｂ）を放射する発光層３ｃ’）を備え、陽極層１’を金属材料からなる凹凸構造にした有機ＥＬ素子１０’が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ここで、各発光層３ａ’，３ｂ’，３ｃ’から放出される光Ｒ，Ｇ，Ｂは、前記凹凸構造により表面プラズモンが誘起され、光出射面に対して垂直な軸に沿う方向に光出力を高めて陰極層２’側から放射される。なお、図８においては、有機ＥＬ素子１０’を用い表示装置として構成しているため、基板５上に薄膜トランジスタからなるＴＦＴ層１４、第一の絶縁層１３、パターン化された陽極層１’および第二の絶縁層１２を含んで構成されている。ＴＦＴ層１４は、各発光層３ａ’，３ｂ’，３ｃ’が個別に発光できるように陽極層１’と陰極層２’との間の電流を制御する。また、陰極層２’上には、有機ＥＬ素子１０’を保護するための保護膜１１が設けられるとともに、有機ＥＬ素子１０’の光出射面側をカバー１５で覆い前記表示装置を構成してある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３１３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記特許文献１に開示された図８の構成の有機ＥＬ素子１０’を照明用途に応用しようとする場合、有機ＥＬ素子１０’は、陽極層１’の前記凹凸構造で表面プラズモンが誘起されることにより光出射面に対して垂直な軸に沿う方向に光出力を高めることが可能である。しかしながら、陽極層１’の前記凹凸構造は、光を出射させる方向に合わせて自由に設計することも難しく、配光制御が可能な範囲も制限される。また、陽極層１’の前記凹凸構造によって有機ＥＬ素子１０’の各発光層３ａ’，３ｂ’，３ｃ’から放射された光の指向性が高まると、別途に拡散板などを用いて混色させ均一な白色の光にさせる必要がある。
【００１０】
そのため、有機ＥＬ素子１０’の陽極層１’を前記凹凸構造にして、有機発光層３’から光出射面に対して垂直な軸に沿う方向に光出力を高めたとしても、前記拡散板により光が散乱され光の進行方向を制御しがたいという問題がある。また、前記拡散板により、光取り出し効率が低下するという問題も生ずる。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えていることにより、表面プラズモンを誘発させ、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができる。
【００１４】
請求項２の発明は、陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えていることにより、表面プラズモンを誘発させ、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記配光制御部は、前記金属ナノ粒子と、該金属ナノ粒子が含有された透光性被覆層からなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、金属ナノ粒子を透光性被覆層に含ませることで、金属ナノ粒子の凝集や形状崩れを防止することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１または請求項３の発明において、前記柱状形状の金属ナノ粒子は、長軸長が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、表面プラズモンを誘起することができるとともに、柱状形状の金属ナノ粒子におけるアスペクト比を制御することにより増強波長の制御が可能で、金属ナノ粒子の光出射面に対する傾きを制御することで配光制御をすることができる。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記鎖状形状を構成する金属ナノ粒子は、粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、表面プラズモンを誘起することができるとともに、金属ナノ粒子の粒径制御や鎖状形状を制御することで増強波長の制御や配光制御をすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明は、有機ＥＬ素子の有機発光層が主発光波長の異なる２層以上に積層されてなるとともに、前記有機ＥＬ素子の光出射面側に設けられた配光制御部が前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えていることにより、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができるという効果がある。
【００２３】
請求項２の発明は、有機ＥＬ素子の有機発光層が主発光波長の異なる２層以上に積層されてなるとともに、前記有機ＥＬ素子の光出射面側に設けられた配光制御部が前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えていることにより、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１の発光素子の概略断面図である。
【図２】同上の電磁界シミュレーションを示し、（ａ）は要部概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸＺ断面、（ｃ）は（ａ）のＸＹ断面である。
【図３】同上の光の配光を示す模式的要部説明図を示す。
【図４】実施形態２の発光素子の概略断面図である。
【図５】実施形態３の発光素子の概略断面図である。
【図６】参考のための有機ＥＬ素子を示す模式的断面図である。
【図７】同上の有機ＥＬ素子における色むらの発生原因の説明図を示す。
【図８】従来の有機ＥＬ素子を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施形態１）
以下、本実施形態の発光素子について、図１を用いて説明する。
【００２６】
本実施形態の発光素子２０は、図１に、基板５の一表面側（図面の下側）に陽極層１と、該陽極層１上に正孔注入層６、正孔輸送層７を介して形成された有機発光層３と、該有機発光層３上に電子輸送層８を介して形成された陰極層２とを備えた有機ＥＬ素子１０と、該有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられた配光制御部４とを有している。ここで、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３は、主発光波長が異なる赤色発光層３ａ、緑色発光層３ｂ、青色発光層３ｃが積層されてなるとともに、配光制御部４は、有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子４ａを備えている。
【００２７】
以下、本実施形態の発光素子２０に用いられる各構成について、詳述する。
【００２８】
本実施形態の発光素子２０は、有機ＥＬ素子１０と、該有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられた配光制御部４から構成されている。
【００２９】
有機ＥＬ素子１０には、陽極層１、有機発光層３や陰極層２を形成するために基板５が用いられ、基板５は、陽極層１、有機発光層３や陰極層２などが支持可能であり成膜方法によっては耐熱性が要求される場合がある。また、有機発光層３からの光を基板５から取り出す場合は、透光性を有することが好ましく、基板５の材料は、例えば、ホウ珪酸クラウン光学ガラスなどのガラス材料や透光性プラスチック材料を用いることができる。
【００３０】
有機ＥＬ素子１０の陽極層１は、有機発光層３に正孔を効率よく注入させるものが好ましい。また、有機発光層３に対し陽極層１を光出射面側に配置させた場合、有機発光層３が放射した光の波長に対して透光性の高いものが好ましい。本実施形態においては、有機ＥＬ素子１０を白色光源として利用しているため、陽極層１の材料としてインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）を好適に利用することができる。その他、陽極層１の材料として、例えば、ニッケル、金、銀、白金、パラジウムやこれらの合金、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）やアンチモン・スズ酸化物などの透明導電性膜を用いることもできる。
【００３１】
有機ＥＬ素子１０の陰極層２は、有機発光層３に正孔と再結合するための電子を効率よく注入可能なものが好ましい。また、有機発光層３に対し陽極層１側だけを光出射面側とする場合は、有機発光層３を介して陽極層１と対向面側に配置された陰極層２は、有機発光層３で発光した光を効率よく反射するものが好ましい。本実施形態においては、有機ＥＬ素子１０を白色光源として利用しているため、陰極層２の材料としては、可視光域の波長に対して反射率が高いアルミニウムやマグネシウム銀合金などを好適に用いることができる。その他の陰極層２の材料として、例えば、マグネシウム、マグネシウムインジウム合金、マグネシウムアルミニウム合金やアルミニウムリチウム合金などを用いてもよい。
【００３２】
有機ＥＬ素子１０に用いられる有機発光層３としては、主発光波長が異なる２層以上が積層されるものであり、例えば、照明用途の白色光源とさせるため、赤色の光が発光可能な赤色発光層３ａとして、トリス（８−ヒドロキシキナリナト）アルミニウム（以下、Ａｌｑ３という）に[２−[２−[４−（ジメチルアミノ）フェニル]エチニル]−６−メチル−４Ｈ−イリデン]−プロパネプロパンジニトリル（ＤＣＭ色素）をドープさせた層を、緑色の光が発光可能な緑色発光層３ｂとして、Ａｌｑ３からなる層を、青色の光が発光可能な青色発光層３ｃとして、ビス（２−メチル−８−キノリトラト、パラ−フェニルフェノラト）アルミニウム（ＢＡｌｑ３）にペニレンをドープした層をそれぞれ積層させたものを用いることができる。
【００３３】
有機発光層３は、主発光波長が異なる２以上が積層される場合、より光出射面に近い有機発光層３側に、より長波長が発光可能な発光層を積層させることで、光取り出し効率を向上させることができ、例えば、光出射面側となる基板５上に陽極層１を介して有機発光層３として赤色発光層３ａ、緑色発光層３ｂ、青色発光層３ｃを順に積層させ、有機発光層３上に陰極層２を形成させることができる。これにより効率よく基板５から各光Ｒ，Ｇ，Ｂを取り出すことができる。同様に、有機発光層３は、主発光波長が補色関係にある２種類の発光層を持つものとして、例えば、黄色発光層および青色発光層を積層させたものでもよい。
【００３４】
有機ＥＬ素子１０に好適に用いられる正孔注入層６としては、正孔注入のエネルギー障壁を低減させるものであって、正孔注入層６の材料として、例えば、ポリチオフェン誘導体などを用いることができる。
【００３５】
有機ＥＬ素子１０に好適に用いられる正孔輸送層７としては、正孔を効率よく有機発光層３に輸送し有機ＥＬ素子１０の駆動電圧を低減させるため、適度なイオン化ポテンシャルと正孔移動度が高いものが好ましく、有機発光層３からの過剰の電子が漏れでないようにするため電子親和力が小さいことが好ましい。このような正孔輸送層７の材料としては、例えば、ビス[Ｎ−（１−ナフキブ）−Ｎ−フェニル]ベンジジン（以下、α−ＮＤＰという）やＮ，Ｎ−ジフェニル−Ｎ，Ｎ−ビス（３−メチルフェニル）１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（以下、ＴＰＤという）などを用いることができる。
【００３６】
有機ＥＬ素子１０に好適に用いられる電子輸送層８としては、電子を効率よく有機発光層３に輸送可能で有機発光層３からの正孔が流れ込むのを抑制可能なものが好ましい。このような電子輸送層８の材料は、例えば、フッ化リチウム（ＬｉＦ）などを用いることができる。
【００３７】
このような陽極層１、有機発光層３や陰極層２は、基板５上に真空蒸着法などを用いてそれぞれ積層させて形成することができ、正孔注入層６、正孔輸送層７や電子輸送層８は必ずしも設ける必要はない。
【００３８】
次に、本実施形態の配光制御部４は、有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられ、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子４ａであって、有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能に構成してある。ここで、表面プラズモンとは、金属の表面に存在する電子が集団振動する振動モードのことであり、金属中の自由電子が光と相互作用を起こす現象のことである。通常、金属中の電子は、光と相互作用をしないが、ｎｍレベルの微粒子のような光の波長に比べ粒径の小さい金属粒子においては、微小表面において電子と光が共鳴を起こす。特に、金属の誘電率の実部（ε’＝ｎ２−ｋ２，ｎ：屈折率、ｋ：消衰係数）の符号がマイナスで、かつ絶対値が大きい材料（例えば、ＡｕやＡｇなど）の場合に相互作用が強い。
【００３９】
したがって、表面プラズモンを誘起させるためには、柱状形状の金属ナノ粒子４ａを有機発光層３からの光の波長よりも十分に小さくすればよい。金属ナノ粒子を２００ｎｍ以下、さらに望ましくは２０ｎｍ以下の微粒子にすることにより、相互作用がさらに強くなる。
【００４０】
次に、有機ＥＬ素子１０の光出射面と垂直方向に沿って柱状形状の金属ナノ粒子４ａを設けた発光素子２０について、発光素子２０を発光させた場合の金属ナノ粒子４ａの周辺光強度をＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain method）を用いて、電磁界シミュレーションした結果を図２に示す。電磁界シミュレーションは、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、電磁界の時間変化を追跡しようとするものであり、図２（ａ）に柱状形状の金属ナノ粒子４ａとして、短軸長が５０ｎｍのＡｇナノロッドを用いた発光素子２０の斜視図を計算モデルとして示してある。図２（ａ）では、金属ナノ粒子４ａを円柱形状で図示し、直交座標系でＸＹＺ軸を示している。ここでは、ＸＹ平面を有機ＥＬ素子１０の光出射面と平行方向で、ＸＹ平面と直交するＺ軸方向が前記円柱形状の長軸方向として示している。また、金属ナノ粒子４ａの周辺の光強度のシミュレーション結果を図２（ｂ）と図２（ｃ）に示してある。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＸＺ断面であり、図中、中央の矩形断面形状が金属ナノ粒子４ａを示し、有機ＥＬ素子１０の表面における発光強度を基準として発光強度を示している。図２（ｂ）から柱状形状の金属ナノ粒子４ａの長軸方向の側面に沿って発光強度が高くなっており、表面プラズモン共鳴が起こっていることがわかる。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＸＹ断面であり、図中、中央の円形断面形状が柱状形状の金属ナノ粒子４ａを示し、有機ＥＬ素子１０の表面における発光強度を基準として発光強度を示している。図２（ｃ）から柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、その軸方向の一部において発光強度が高くなっている。したがって、図２から柱状形状の金属ナノ粒子４ａの近傍で光の振幅（強度）が局所的に増幅されていることがわかる。
【００４１】
次に、本実施形態の発光素子１０における光の配光制御を図３を用いて説明する。通常、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３から発光した光Ｒ，Ｇ，Ｂは、光出射面側である基板５を通してさまざまな方向に放射される。しかしながら、基板５と空気の界面近傍付近に特定形状の金属ナノ粒子４ａを配置すると、表面プラズモン共鳴により特定の波長成分が特定の方向に強く光を発する。
【００４２】
表面プラズモンの共鳴に寄与する光の波長や方向は、金属ナノ粒子４ａの配置間隔や形状により制御することができる。また、金属ナノ粒子４ａの形状や金属ナノ粒子４ａをコーティング等した場合には、コーティング材の誘電率に依存して特定の波長を強く発光させることもできる。
【００４３】
本実施形態のように有機発光層３が主発光波長が異なる２層以上に積層され有機発光層３から複数の主発光波長を同時に放射する場合には、金属ナノ粒子４ａをランダムな配置とすることで表面プラズモン共鳴が起きる波長をランダムにすることができる。そのため、この状態で光の伝播方向を均一になるように金属ナノ粒子４ａを制御すれば、配光制御したまま混色性を向上することが可能となる。
【００４４】
金属ナノ粒子４ａは、気相法、液相法や固相法により形成することができ、気相法としては、各種ＣＶＤ法、金属塩化物の還元・酸化・窒化法、水素中還元法、溶媒蒸発法、エピタキシャル成長法、ガス中蒸発法、レーザーアブレーション法、金属蒸気合成法、流動油状真空蒸発法などを用いることが挙げられる。また、液相法としては、コロイド法、水熱合成法、ゾルーゲル法、中和分解法、加水分解法、化学沈殿法、共沈法、アトマイジング法、逆ミセル法、エマルジョン法などを用いることができる。さらに、固相法としては、再結晶法、熱分解法、焼成法、黒鉛化法、熱還元法、粉砕法などが挙げられ、種々用いることができる。
【００４５】
このような方法で形成された金属ナノ粒子４ａを有機ＥＬ素子１０の光出射面側に配置させると、有機発光層３が放出した光のうち特定の波長の光エネルギーが自由電子に移転される共鳴現象が起こるようになる。その結果として、表面プラズモン共鳴が生じ、入射光が反射光に変化せずに、金属ナノ粒子４ａの表面に沿って伝達されるようになる。したがって、各発光波長の位相分布を均等にし、混色性を向上させるためには、金属ナノ粒子４ａを前記光出射面と垂直な方向に沿って配列するのが望ましい。また、金属ナノ粒子４ａを有機ＥＬ素子１０の前記光出射面側に対して特定の傾斜で配置させることで、発光素子２０の指向性を制御することも可能となる。
【００４６】
なお、有機発光層３が発したそれぞれの光Ｒ，Ｇ，Ｂに対して表面プラズモンを誘起できる限り、金属ナノ粒子４ａの体積平均一次粒径、調整条件や形状等に依存する体積平均凝集径は特に限られない。したがって、柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、長軸長を約２００ｎｍ以下でランダムに形成させることができる。また、制御のしやすさから約１ｎｍ以上でランダムに形成させることが好ましい。
【００４７】
また、表面プラズモンの吸収波長は、金属種類、金属粒子のサイズ、コーティングの可否、およびコーティング物質の誘電率に伴って波長シフトが起こる。体積平均一次粒径および体積平均凝集径が大きくなるにしたがって、吸収波長が短波長側にシフトする傾向にある。また、表面プラズモンの吸収ピークはミー共鳴状態（Ｍｉｅ ｒｅｓｅｏｎａｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）によって予測することが可能であり、例えば、金、銀および銅の表面プラズモンの吸収は、それぞれ約４００ｎｍ、５３０ｎｍおよび５７０ｎｍとなる。また、金を二酸化珪素でコーティングした場合には、約５１０ｎｍないし約５４０ｎｍで共鳴し、二酸化チタンでコーティングした場合には、約６４０ｎｍで共鳴が起こる。これは、二酸化珪素が二酸化チタンよりも誘電率が大きいためである。また、銀を二酸化珪素でコーティングした場合は、約４２５ｎｍで共鳴することになる。
【００４８】
異方性微粒子である柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、光を出射させる方向と平行な方向に沿って傾けることによりマクロな光学的性質を制御することが可能であり、金属ナノ粒子４ｂを鎖状形状に積設させた積設物に比べて配光指向制御に向いている。また、例えば、柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、そのアスペクト比（長軸長／短軸長）を制御することで、可視光から近赤外線までの任意の特定波長で、表面プラズモン共鳴を起こすことが可能である。従って、主発光波長が異なる光Ｒ，Ｇ，Ｂの配光制御を行う場合には、長軸長や短軸長がランダムに異なる柱状形状の金属ナノ粒子４ａを有機ＥＬ素子１０の光出射面に特定の傾きで設けて配光制御部４を形成すればよい。
【００４９】
そのため、例えば、予め精製した柱状形状の金属ナノ粒子４ａをゲル状材料の中に分散し、有機ＥＬ素子１０の光出射面側となる透光性の基板５に塗布する。続いて、配光制御部４を形成させるため、これに特定方向から電界を印加し基板５上に柱状形状の金属ナノ粒子４ａを特定方向に配置させた後、前記ゲル状材料をエッチング等により除去することで配光制御部４を形成することも考えられる。
【００５０】
（実施形態２）
本実施形態の発光素子２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、柱状形状の金属ナノ粒子４ａの代わりに、図４に示すように鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積設物を用いた点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５１】
本実施形態の発光素子２０は、配光制御部４が有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積設物を備えている。
【００５２】
このようなナノ構造となる金属ナノ粒子４ｂは、実施形態１と同様にして比較的簡単に形成することができ、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３に対する光出射面側に光を出射させる方向と平行な方向に沿って、積設させればよい。また、有機発光層３が発したそれぞれの光Ｒ，Ｇ，Ｂに対して、表面プラズモンを誘起できる限り、金属ナノ粒子４ｂの体積平均一次粒径、調整条件や形状等に依存する体積平均凝集径は特に限られないが、金属ナノ粒子４ｂは、粒子径が１ｎｍから２００ｎｍの間にあることで表面プラズモンの誘起が容易となり粒径制御や鎖状の長さを制御することで増強波長の制御をすることもがきる。また、鎖状の形状を制御することで指向性を制御することもできる。
【００５３】
なお、少なくとも一部が鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積層物を備えた配光制御部４を有機ＥＬ素子の光出力面側に設けるためには、例えば、予め金属からなる前記粒子をゲル状溶液の中に分散させ、有機ＥＬ素子１０の光出射面側となる透光性の基板５に塗布した後、前記ゲル状溶液をエッチング等で除去すればよい。このとき、前記ゲル状溶液の粘度、前記ゲル状溶液と金属ナノ粒子４ｂとの比重差、前記ゲル状溶液に対する金属ナノ粒子４ｂの含有量を調整することで、鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積設物を種々形成できると考えられる。
【００５４】
（実施形態３）
本実施形態の発光素子２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、図５に示すように配光制御部４を、柱状形状の金属ナノ粒子４ａに加え、金属ナノ粒子４ａを被覆する透光性被覆層４ｃで形成した点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５５】
本実施形態の発光素子２０では、図５に示すように配光制御部４が金属ナノ粒子４ａと、該金属ナノ粒子４ａが含有された透光性被覆層４ｃから構成されている。
【００５６】
金属ナノ粒子４ａが表面プラズモンを効率よく誘起させるためには、均一粒度であることが望ましく、金属ナノ粒子４ａに融着や凝集が生じ大きくなりすぎると、表面プラズモンを誘起させることが難しくなる傾向にある。
【００５７】
本実施形態の配光制御部４を形成するためには、予め精製した金属ナノ粒子４ａをゲル状材料の中に分散し、有機ＥＬ素子１０の光出射面側となる透光性の基板５に塗布して配光制御部４を形成する、あるいは直接ガラス材料からなる基板５の中に分散させて発光素子２０の配光制御部４を形成するなどの方法で、有機ＥＬ素子１０の光出射面側に形成された配光制御部４における金属ナノ粒子４ａの凝集や融着などの劣化を防止することが可能となる。
【００５８】
また、他の方法として、配光制御部４は、例えば予め精製したＡｇからなる球形の金属微粒子を透光性被覆層４ｃとなる透光性ポリイミド中に含有させる。続いて、加熱延伸処理を利用して前記透光性ポリイミド樹脂中に含有された球形の前記金属微粒子を延伸方向に伸長することで、Ａｇからなる柱状形状の金属ナノ粒子４ａを形成することができる。このような前記透光性ポリイミド樹脂を有機ＥＬ素子１０の光出射面となる基板５上に接着することで、特定方向に揃い凝集や融着などを防止可能な柱状形状の金属ナノ粒子４ａを形成させることもできる。
【００５９】
さらに、別の方法として、配光制御部４は、予め透光性被覆層４ｃとなる樹脂中にＡｇ微粒子を含有させた透光性被覆層４ｃとなる樹脂シートを準備する。次に、前記樹脂シートを前記Ａｇ微粒子がイオン化可能な溶液（例えば、水溶液）中において特定方向から電界を印加し、Ａｇ微粒子にイオンマイグレーションを生起させる。これにより、前記樹脂シート中で特定方向に延伸した柱状形状の金属ナノ粒子４ａを備えた配光制御部４を形成する。発光素子２０は、このような配光制御部４を有機ＥＬ素子１０の光出射面側に接着などさせることにより形成することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 陽極層
２ 陰極層
３ 有機発光層
３ａ 赤色発光層
３ｂ 緑色発光層
３ｃ 青色発光層
４ 配光制御部
４ａ 柱状形状の金属ナノ粒子
４ｃ 粒子を積設した鎖状形状の金属ナノ粒子
５ 基板
１０ 有機ＥＬ素子
２０ 発光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（以下有機ＥＬ素子という）を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、陽極層と陰極層との間に有機発光層を挟んだ有機ＥＬ素子が知られている。有機ＥＬ素子は、大面積に形成するのが比較的容易で、低消費電力で発光することが可能なことから、照明用途などの発光素子として研究開発が行われている。
【０００３】
この種の有機ＥＬ素子１０は、例えば、図６に示すように、ガラス材料からなる透光性の基板５の一表面側（図面の下側）に、陽極層１と、該陽極層１上に正孔注入層６、正孔輸送層７を介して有機発光層３と、該有機発光層３上に電子輸送層８を介して陰極層２と、を備えている。また、有機発光層３には、主発光波長が異なる複数層（例えば、赤色の光（Ｒ）を放射する赤色発光層３ａ、緑色の光（Ｇ）を放射する緑色発光層３ｂおよび青色の光（Ｂ）を放射する青色発光層３ｃ）が形成されている。このような有機ＥＬ素子１０は、一対の電極となる陽極層１と陰極層２との間に電圧を印加されると、有機発光層３の各発光層３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれから主発光波長の異なる光Ｒ，Ｇ，Ｂが放射され、光出射面側となる基板５から白色の光が放出されて見える。
【０００４】
ところで、有機発光層３から放射された主発光波長が異なる光Ｒ，Ｇ，Ｂは、媒体に対する屈折率が異なるので、例えば、図７に示すようにガラス材料からなる基板５中で同じ光路を辿った光Ｒ，Ｇ，Ｂであっても、スネルの法則に従ってガラスから空気へ屈折方向が分かれて放射されることになる。そのため、有機ＥＬ素子１０の基板５から放射される光に色収差が発生し、有機ＥＬ素子１０から放射された光の被照射面においては色むらとして観測されることになる。人間の目は、白色の光の色収差に対して敏感であり、少しの違いでも大きな色の違いとして認識する。そのため、このような有機ＥＬ素子１０の構成では、均一な白色となる良質の光が求められる照明用途に用いるには十分ではない。
【０００５】
また、照明用途においては、光源からの光を狭角配光させて所望の方向に光を取り出すニーズがある。そのため、有機ＥＬ素子１０の光出射面側に、配光制御部として配光レンズを設け所望の配光を得る発光素子とすることが考えられる。ところで、照明系の光学設計では、前記配光レンズは、通常、光線追跡法を用いた幾何学光学設計により形成されるのが一般的であるが、幾何学光学設計では、屈折率が変化する界面での屈折率により光の進行方向を制御することを前提としており、狭角配光させるには前記配光レンズの厚み寸法を大きくする必要がある。そのため、前記配光レンズを用いた発光素子では、光の進行方向の制御範囲にも限界があり、前記配光レンズの厚み寸法が大きくなるにつれ、光路長が長くなることによる色収差も大きくなるという問題もある。
【０００６】
また、他の有機ＥＬ素子１０’の構成として、図８に示すように、基板５と、該基板５の一表面側（図面の上側）に陽極層１’と、有機発光層３’と、陰極層２’とが形成され、有機発光層３’が、同一平面において互いに主発光波長の異なる複数の発光部（例えば、赤色の光（Ｒ）を放射する発光層３ａ’、緑色の光（Ｇ）を放射する発光層３ｂ’および青色の光（Ｂ）を放射する発光層３ｃ’）を備え、陽極層１’を金属材料からなる凹凸構造にした有機ＥＬ素子１０’が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ここで、各発光層３ａ’，３ｂ’，３ｃ’から放出される光Ｒ，Ｇ，Ｂは、前記凹凸構造により表面プラズモンが誘起され、光出射面に対して垂直な軸に沿う方向に光出力を高めて陰極層２’側から放射される。なお、図８においては、有機ＥＬ素子１０’を用い表示装置として構成しているため、基板５上に薄膜トランジスタからなるＴＦＴ層１４、第一の絶縁層１３、パターン化された陽極層１’および第二の絶縁層１２を含んで構成されている。ＴＦＴ層１４は、各発光層３ａ’，３ｂ’，３ｃ’が個別に発光できるように陽極層１’と陰極層２’との間の電流を制御する。また、陰極層２’上には、有機ＥＬ素子１０’を保護するための保護膜１１が設けられるとともに、有機ＥＬ素子１０’の光出射面側をカバー１５で覆い前記表示装置を構成してある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３１３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記特許文献１に開示された図８の構成の有機ＥＬ素子１０’を照明用途に応用しようとする場合、有機ＥＬ素子１０’は、陽極層１’の前記凹凸構造で表面プラズモンが誘起されることにより光出射面に対して垂直な軸に沿う方向に光出力を高めることが可能である。しかしながら、陽極層１’の前記凹凸構造は、光を出射させる方向に合わせて自由に設計することも難しく、配光制御が可能な範囲も制限される。また、陽極層１’の前記凹凸構造によって有機ＥＬ素子１０’の各発光層３ａ’，３ｂ’，３ｃ’から放射された光の指向性が高まると、別途に拡散板などを用いて混色させ均一な白色の光にさせる必要がある。
【００１０】
そのため、有機ＥＬ素子１０’の陽極層１’を前記凹凸構造にして、有機発光層３’から光出射面に対して垂直な軸に沿う方向に光出力を高めたとしても、前記拡散板により光が散乱され光の進行方向を制御しがたいという問題がある。また、前記拡散板により、光取り出し効率が低下するという問題も生ずる。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えていることにより、表面プラズモンを誘発させ、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができる。
【００１４】
請求項２の発明は、陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えていることにより、表面プラズモンを誘発させ、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記配光制御部は、前記金属ナノ粒子と、該金属ナノ粒子が含有された透光性被覆層からなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、金属ナノ粒子を透光性被覆層に含ませることで、金属ナノ粒子の凝集や形状崩れを防止することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１または請求項３の発明において、前記柱状形状の金属ナノ粒子は、長軸長が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、表面プラズモンを誘起することができるとともに、柱状形状の金属ナノ粒子におけるアスペクト比を制御することにより増強波長の制御が可能で、金属ナノ粒子の光出射面に対する傾きを制御することで配光制御をすることができる。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記鎖状形状を構成する金属ナノ粒子は、粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、表面プラズモンを誘起することができるとともに、金属ナノ粒子の粒径制御や鎖状形状を制御することで増強波長の制御や配光制御をすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明は、有機ＥＬ素子の有機発光層が主発光波長の異なる２層以上に積層されてなるとともに、前記有機ＥＬ素子の光出射面側に設けられた配光制御部が前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えていることにより、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができるという効果がある。
【００２３】
請求項２の発明は、有機ＥＬ素子の有機発光層が主発光波長の異なる２層以上に積層されてなるとともに、前記有機ＥＬ素子の光出射面側に設けられた配光制御部が前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えていることにより、色収差が少なく、且つ特定の方向に配光制御が可能な発光素子とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１の発光素子の概略断面図である。
【図２】同上の電磁界シミュレーションを示し、（ａ）は要部概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸＺ断面、（ｃ）は（ａ）のＸＹ断面である。
【図３】同上の光の配光を示す模式的要部説明図を示す。
【図４】実施形態２の発光素子の概略断面図である。
【図５】実施形態３の発光素子の概略断面図である。
【図６】参考のための有機ＥＬ素子を示す模式的断面図である。
【図７】同上の有機ＥＬ素子における色むらの発生原因の説明図を示す。
【図８】従来の有機ＥＬ素子を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施形態１）
以下、本実施形態の発光素子について、図１を用いて説明する。
【００２６】
本実施形態の発光素子２０は、図１に、基板５の一表面側（図面の下側）に陽極層１と、該陽極層１上に正孔注入層６、正孔輸送層７を介して形成された有機発光層３と、該有機発光層３上に電子輸送層８を介して形成された陰極層２とを備えた有機ＥＬ素子１０と、該有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられた配光制御部４とを有している。ここで、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３は、主発光波長が異なる赤色発光層３ａ、緑色発光層３ｂ、青色発光層３ｃが積層されてなるとともに、配光制御部４は、有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子４ａを備えている。
【００２７】
以下、本実施形態の発光素子２０に用いられる各構成について、詳述する。
【００２８】
本実施形態の発光素子２０は、有機ＥＬ素子１０と、該有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられた配光制御部４から構成されている。
【００２９】
有機ＥＬ素子１０には、陽極層１、有機発光層３や陰極層２を形成するために基板５が用いられ、基板５は、陽極層１、有機発光層３や陰極層２などが支持可能であり成膜方法によっては耐熱性が要求される場合がある。また、有機発光層３からの光を基板５から取り出す場合は、透光性を有することが好ましく、基板５の材料は、例えば、ホウ珪酸クラウン光学ガラスなどのガラス材料や透光性プラスチック材料を用いることができる。
【００３０】
有機ＥＬ素子１０の陽極層１は、有機発光層３に正孔を効率よく注入させるものが好ましい。また、有機発光層３に対し陽極層１を光出射面側に配置させた場合、有機発光層３が放射した光の波長に対して透光性の高いものが好ましい。本実施形態においては、有機ＥＬ素子１０を白色光源として利用しているため、陽極層１の材料としてインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）を好適に利用することができる。その他、陽極層１の材料として、例えば、ニッケル、金、銀、白金、パラジウムやこれらの合金、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）やアンチモン・スズ酸化物などの透明導電性膜を用いることもできる。
【００３１】
有機ＥＬ素子１０の陰極層２は、有機発光層３に正孔と再結合するための電子を効率よく注入可能なものが好ましい。また、有機発光層３に対し陽極層１側だけを光出射面側とする場合は、有機発光層３を介して陽極層１と対向面側に配置された陰極層２は、有機発光層３で発光した光を効率よく反射するものが好ましい。本実施形態においては、有機ＥＬ素子１０を白色光源として利用しているため、陰極層２の材料としては、可視光域の波長に対して反射率が高いアルミニウムやマグネシウム銀合金などを好適に用いることができる。その他の陰極層２の材料として、例えば、マグネシウム、マグネシウムインジウム合金、マグネシウムアルミニウム合金やアルミニウムリチウム合金などを用いてもよい。
【００３２】
有機ＥＬ素子１０に用いられる有機発光層３としては、主発光波長が異なる２層以上が積層されるものであり、例えば、照明用途の白色光源とさせるため、赤色の光が発光可能な赤色発光層３ａとして、トリス（８−ヒドロキシキナリナト）アルミニウム（以下、Ａｌｑ３という）に[２−[２−[４−（ジメチルアミノ）フェニル]エチニル]−６−メチル−４Ｈ−イリデン]−プロパネプロパンジニトリル（ＤＣＭ色素）をドープさせた層を、緑色の光が発光可能な緑色発光層３ｂとして、Ａｌｑ３からなる層を、青色の光が発光可能な青色発光層３ｃとして、ビス（２−メチル−８−キノリトラト、パラ−フェニルフェノラト）アルミニウム（ＢＡｌｑ３）にペニレンをドープした層をそれぞれ積層させたものを用いることができる。
【００３３】
有機発光層３は、主発光波長が異なる２以上が積層される場合、より光出射面に近い有機発光層３側に、より長波長が発光可能な発光層を積層させることで、光取り出し効率を向上させることができ、例えば、光出射面側となる基板５上に陽極層１を介して有機発光層３として赤色発光層３ａ、緑色発光層３ｂ、青色発光層３ｃを順に積層させ、有機発光層３上に陰極層２を形成させることができる。これにより効率よく基板５から各光Ｒ，Ｇ，Ｂを取り出すことができる。同様に、有機発光層３は、主発光波長が補色関係にある２種類の発光層を持つものとして、例えば、黄色発光層および青色発光層を積層させたものでもよい。
【００３４】
有機ＥＬ素子１０に好適に用いられる正孔注入層６としては、正孔注入のエネルギー障壁を低減させるものであって、正孔注入層６の材料として、例えば、ポリチオフェン誘導体などを用いることができる。
【００３５】
有機ＥＬ素子１０に好適に用いられる正孔輸送層７としては、正孔を効率よく有機発光層３に輸送し有機ＥＬ素子１０の駆動電圧を低減させるため、適度なイオン化ポテンシャルと正孔移動度が高いものが好ましく、有機発光層３からの過剰の電子が漏れでないようにするため電子親和力が小さいことが好ましい。このような正孔輸送層７の材料としては、例えば、ビス[Ｎ−（１−ナフキブ）−Ｎ−フェニル]ベンジジン（以下、α−ＮＤＰという）やＮ，Ｎ−ジフェニル−Ｎ，Ｎ−ビス（３−メチルフェニル）１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（以下、ＴＰＤという）などを用いることができる。
【００３６】
有機ＥＬ素子１０に好適に用いられる電子輸送層８としては、電子を効率よく有機発光層３に輸送可能で有機発光層３からの正孔が流れ込むのを抑制可能なものが好ましい。このような電子輸送層８の材料は、例えば、フッ化リチウム（ＬｉＦ）などを用いることができる。
【００３７】
このような陽極層１、有機発光層３や陰極層２は、基板５上に真空蒸着法などを用いてそれぞれ積層させて形成することができ、正孔注入層６、正孔輸送層７や電子輸送層８は必ずしも設ける必要はない。
【００３８】
次に、本実施形態の配光制御部４は、有機ＥＬ素子１０の光出射面側に設けられ、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子４ａであって、有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能に構成してある。ここで、表面プラズモンとは、金属の表面に存在する電子が集団振動する振動モードのことであり、金属中の自由電子が光と相互作用を起こす現象のことである。通常、金属中の電子は、光と相互作用をしないが、ｎｍレベルの微粒子のような光の波長に比べ粒径の小さい金属粒子においては、微小表面において電子と光が共鳴を起こす。特に、金属の誘電率の実部（ε’＝ｎ２−ｋ２，ｎ：屈折率、ｋ：消衰係数）の符号がマイナスで、かつ絶対値が大きい材料（例えば、ＡｕやＡｇなど）の場合に相互作用が強い。
【００３９】
したがって、表面プラズモンを誘起させるためには、柱状形状の金属ナノ粒子４ａを有機発光層３からの光の波長よりも十分に小さくすればよい。金属ナノ粒子を２００ｎｍ以下、さらに望ましくは２０ｎｍ以下の微粒子にすることにより、相互作用がさらに強くなる。
【００４０】
次に、有機ＥＬ素子１０の光出射面と垂直方向に沿って柱状形状の金属ナノ粒子４ａを設けた発光素子２０について、発光素子２０を発光させた場合の金属ナノ粒子４ａの周辺光強度をＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain method）を用いて、電磁界シミュレーションした結果を図２に示す。電磁界シミュレーションは、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、電磁界の時間変化を追跡しようとするものであり、図２（ａ）に柱状形状の金属ナノ粒子４ａとして、短軸長が５０ｎｍのＡｇナノロッドを用いた発光素子２０の斜視図を計算モデルとして示してある。図２（ａ）では、金属ナノ粒子４ａを円柱形状で図示し、直交座標系でＸＹＺ軸を示している。ここでは、ＸＹ平面を有機ＥＬ素子１０の光出射面と平行方向で、ＸＹ平面と直交するＺ軸方向が前記円柱形状の長軸方向として示している。また、金属ナノ粒子４ａの周辺の光強度のシミュレーション結果を図２（ｂ）と図２（ｃ）に示してある。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＸＺ断面であり、図中、中央の矩形断面形状が金属ナノ粒子４ａを示し、有機ＥＬ素子１０の表面における発光強度を基準として発光強度を示している。図２（ｂ）から柱状形状の金属ナノ粒子４ａの長軸方向の側面に沿って発光強度が高くなっており、表面プラズモン共鳴が起こっていることがわかる。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＸＹ断面であり、図中、中央の円形断面形状が柱状形状の金属ナノ粒子４ａを示し、有機ＥＬ素子１０の表面における発光強度を基準として発光強度を示している。図２（ｃ）から柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、その軸方向の一部において発光強度が高くなっている。したがって、図２から柱状形状の金属ナノ粒子４ａの近傍で光の振幅（強度）が局所的に増幅されていることがわかる。
【００４１】
次に、本実施形態の発光素子１０における光の配光制御を図３を用いて説明する。通常、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３から発光した光Ｒ，Ｇ，Ｂは、光出射面側である基板５を通してさまざまな方向に放射される。しかしながら、基板５と空気の界面近傍付近に特定形状の金属ナノ粒子４ａを配置すると、表面プラズモン共鳴により特定の波長成分が特定の方向に強く光を発する。
【００４２】
表面プラズモンの共鳴に寄与する光の波長や方向は、金属ナノ粒子４ａの配置間隔や形状により制御することができる。また、金属ナノ粒子４ａの形状や金属ナノ粒子４ａをコーティング等した場合には、コーティング材の誘電率に依存して特定の波長を強く発光させることもできる。
【００４３】
本実施形態のように有機発光層３が主発光波長が異なる２層以上に積層され有機発光層３から複数の主発光波長を同時に放射する場合には、金属ナノ粒子４ａをランダムな配置とすることで表面プラズモン共鳴が起きる波長をランダムにすることができる。そのため、この状態で光の伝播方向を均一になるように金属ナノ粒子４ａを制御すれば、配光制御したまま混色性を向上することが可能となる。
【００４４】
金属ナノ粒子４ａは、気相法、液相法や固相法により形成することができ、気相法としては、各種ＣＶＤ法、金属塩化物の還元・酸化・窒化法、水素中還元法、溶媒蒸発法、エピタキシャル成長法、ガス中蒸発法、レーザーアブレーション法、金属蒸気合成法、流動油状真空蒸発法などを用いることが挙げられる。また、液相法としては、コロイド法、水熱合成法、ゾルーゲル法、中和分解法、加水分解法、化学沈殿法、共沈法、アトマイジング法、逆ミセル法、エマルジョン法などを用いることができる。さらに、固相法としては、再結晶法、熱分解法、焼成法、黒鉛化法、熱還元法、粉砕法などが挙げられ、種々用いることができる。
【００４５】
このような方法で形成された金属ナノ粒子４ａを有機ＥＬ素子１０の光出射面側に配置させると、有機発光層３が放出した光のうち特定の波長の光エネルギーが自由電子に移転される共鳴現象が起こるようになる。その結果として、表面プラズモン共鳴が生じ、入射光が反射光に変化せずに、金属ナノ粒子４ａの表面に沿って伝達されるようになる。したがって、各発光波長の位相分布を均等にし、混色性を向上させるためには、金属ナノ粒子４ａを前記光出射面と垂直な方向に沿って配列するのが望ましい。また、金属ナノ粒子４ａを有機ＥＬ素子１０の前記光出射面側に対して特定の傾斜で配置させることで、発光素子２０の指向性を制御することも可能となる。
【００４６】
なお、有機発光層３が発したそれぞれの光Ｒ，Ｇ，Ｂに対して表面プラズモンを誘起できる限り、金属ナノ粒子４ａの体積平均一次粒径、調整条件や形状等に依存する体積平均凝集径は特に限られない。したがって、柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、長軸長を約２００ｎｍ以下でランダムに形成させることができる。また、制御のしやすさから約１ｎｍ以上でランダムに形成させることが好ましい。
【００４７】
また、表面プラズモンの吸収波長は、金属種類、金属粒子のサイズ、コーティングの可否、およびコーティング物質の誘電率に伴って波長シフトが起こる。体積平均一次粒径および体積平均凝集径が大きくなるにしたがって、吸収波長が短波長側にシフトする傾向にある。また、表面プラズモンの吸収ピークはミー共鳴状態（Ｍｉｅ ｒｅｓｅｏｎａｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）によって予測することが可能であり、例えば、金、銀および銅の表面プラズモンの吸収は、それぞれ約４００ｎｍ、５３０ｎｍおよび５７０ｎｍとなる。また、金を二酸化珪素でコーティングした場合には、約５１０ｎｍないし約５４０ｎｍで共鳴し、二酸化チタンでコーティングした場合には、約６４０ｎｍで共鳴が起こる。これは、二酸化珪素が二酸化チタンよりも誘電率が大きいためである。また、銀を二酸化珪素でコーティングした場合は、約４２５ｎｍで共鳴することになる。
【００４８】
異方性微粒子である柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、光を出射させる方向と平行な方向に沿って傾けることによりマクロな光学的性質を制御することが可能であり、金属ナノ粒子４ｂを鎖状形状に積設させた積設物に比べて配光指向制御に向いている。また、例えば、柱状形状の金属ナノ粒子４ａは、そのアスペクト比（長軸長／短軸長）を制御することで、可視光から近赤外線までの任意の特定波長で、表面プラズモン共鳴を起こすことが可能である。従って、主発光波長が異なる光Ｒ，Ｇ，Ｂの配光制御を行う場合には、長軸長や短軸長がランダムに異なる柱状形状の金属ナノ粒子４ａを有機ＥＬ素子１０の光出射面に特定の傾きで設けて配光制御部４を形成すればよい。
【００４９】
そのため、例えば、予め精製した柱状形状の金属ナノ粒子４ａをゲル状材料の中に分散し、有機ＥＬ素子１０の光出射面側となる透光性の基板５に塗布する。続いて、配光制御部４を形成させるため、これに特定方向から電界を印加し基板５上に柱状形状の金属ナノ粒子４ａを特定方向に配置させた後、前記ゲル状材料をエッチング等により除去することで配光制御部４を形成することも考えられる。
【００５０】
（実施形態２）
本実施形態の発光素子２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、柱状形状の金属ナノ粒子４ａの代わりに、図４に示すように鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積設物を用いた点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５１】
本実施形態の発光素子２０は、配光制御部４が有機発光層３からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積設物を備えている。
【００５２】
このようなナノ構造となる金属ナノ粒子４ｂは、実施形態１と同様にして比較的簡単に形成することができ、有機ＥＬ素子１０の有機発光層３に対する光出射面側に光を出射させる方向と平行な方向に沿って、積設させればよい。また、有機発光層３が発したそれぞれの光Ｒ，Ｇ，Ｂに対して、表面プラズモンを誘起できる限り、金属ナノ粒子４ｂの体積平均一次粒径、調整条件や形状等に依存する体積平均凝集径は特に限られないが、金属ナノ粒子４ｂは、粒子径が１ｎｍから２００ｎｍの間にあることで表面プラズモンの誘起が容易となり粒径制御や鎖状の長さを制御することで増強波長の制御をすることもがきる。また、鎖状の形状を制御することで指向性を制御することもできる。
【００５３】
なお、少なくとも一部が鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積層物を備えた配光制御部４を有機ＥＬ素子の光出力面側に設けるためには、例えば、予め金属からなる前記粒子をゲル状溶液の中に分散させ、有機ＥＬ素子１０の光出射面側となる透光性の基板５に塗布した後、前記ゲル状溶液をエッチング等で除去すればよい。このとき、前記ゲル状溶液の粘度、前記ゲル状溶液と金属ナノ粒子４ｂとの比重差、前記ゲル状溶液に対する金属ナノ粒子４ｂの含有量を調整することで、鎖状形状となる金属ナノ粒子４ｂの積設物を種々形成できると考えられる。
【００５４】
（実施形態３）
本実施形態の発光素子２０における基本構成は実施形態１と略同一であり、図５に示すように配光制御部４を、柱状形状の金属ナノ粒子４ａに加え、金属ナノ粒子４ａを被覆する透光性被覆層４ｃで形成した点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００５５】
本実施形態の発光素子２０では、図５に示すように配光制御部４が金属ナノ粒子４ａと、該金属ナノ粒子４ａが含有された透光性被覆層４ｃから構成されている。
【００５６】
金属ナノ粒子４ａが表面プラズモンを効率よく誘起させるためには、均一粒度であることが望ましく、金属ナノ粒子４ａに融着や凝集が生じ大きくなりすぎると、表面プラズモンを誘起させることが難しくなる傾向にある。
【００５７】
本実施形態の配光制御部４を形成するためには、予め精製した金属ナノ粒子４ａをゲル状材料の中に分散し、有機ＥＬ素子１０の光出射面側となる透光性の基板５に塗布して配光制御部４を形成する、あるいは直接ガラス材料からなる基板５の中に分散させて発光素子２０の配光制御部４を形成するなどの方法で、有機ＥＬ素子１０の光出射面側に形成された配光制御部４における金属ナノ粒子４ａの凝集や融着などの劣化を防止することが可能となる。
【００５８】
また、他の方法として、配光制御部４は、例えば予め精製したＡｇからなる球形の金属微粒子を透光性被覆層４ｃとなる透光性ポリイミド中に含有させる。続いて、加熱延伸処理を利用して前記透光性ポリイミド樹脂中に含有された球形の前記金属微粒子を延伸方向に伸長することで、Ａｇからなる柱状形状の金属ナノ粒子４ａを形成することができる。このような前記透光性ポリイミド樹脂を有機ＥＬ素子１０の光出射面となる基板５上に接着することで、特定方向に揃い凝集や融着などを防止可能な柱状形状の金属ナノ粒子４ａを形成させることもできる。
【００５９】
さらに、別の方法として、配光制御部４は、予め透光性被覆層４ｃとなる樹脂中にＡｇ微粒子を含有させた透光性被覆層４ｃとなる樹脂シートを準備する。次に、前記樹脂シートを前記Ａｇ微粒子がイオン化可能な溶液（例えば、水溶液）中において特定方向から電界を印加し、Ａｇ微粒子にイオンマイグレーションを生起させる。これにより、前記樹脂シート中で特定方向に延伸した柱状形状の金属ナノ粒子４ａを備えた配光制御部４を形成する。発光素子２０は、このような配光制御部４を有機ＥＬ素子１０の光出射面側に接着などさせることにより形成することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 陽極層
２ 陰極層
３ 有機発光層
３ａ 赤色発光層
３ｂ 緑色発光層
３ｃ 青色発光層
４ 配光制御部
４ａ 柱状形状の金属ナノ粒子
４ｃ 粒子を積設した鎖状形状の金属ナノ粒子
５ 基板
１０ 有機ＥＬ素子
２０ 発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えてなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えてなることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記配光制御部は、前記金属ナノ粒子と、該金属ナノ粒子が含有された透光性被覆層からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記柱状形状の金属ナノ粒子は、長軸長が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記鎖状形状を構成する金属ナノ粒子は、粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の発光素子。
【請求項１】
陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた柱状形状の金属ナノ粒子を備えてなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
陽極層と陰極層との間に少なくとも有機発光層が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子と、該有機エレクトロルミネッセンス素子の光出射面側に設けられた配光制御部とを有する発光素子であって、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層は、主発光波長が異なる２層以上が積層されてなるとともに、前記配光制御部は、前記有機発光層からの光に対して表面プラズモンを誘起可能であって、光を出射させる方向と平行な方向に沿って設けられた鎖状形状となる金属ナノ粒子の積設物を備えてなることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記配光制御部は、前記金属ナノ粒子と、該金属ナノ粒子が含有された透光性被覆層からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記柱状形状の金属ナノ粒子は、長軸長が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記鎖状形状を構成する金属ナノ粒子は、粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の発光素子。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１９８８３０（Ｐ２０１０−１９８８３０Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４０６５４（Ｐ２００９−４０６５４）
【出願日】平成２１年２月２４日（２００９．２．２４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２４日（２００９．２．２４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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