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発光素子及び有機エレクトロルミネセンス発光素子

国内特許コード P140010807
整理番号 209
掲載日 2014年8月8日
出願番号 特願2004-077446
公開番号 特開2004-311419
登録番号 特許第4822243号
出願日 平成16年3月18日(2004.3.18)
公開日 平成16年11月4日(2004.11.4)
登録日 平成23年9月16日(2011.9.16)
優先権データ
  • 特願2003-083375 (2003.3.25) JP
発明者
  • 野田 進
  • 浅野 卓
  • 冨士田 誠之
  • 大畑 浩
出願人
  • 国立大学法人京都大学
  • 日本電信電話株式会社
  • パイオニア株式会社
  • ローム株式会社
発明の名称 発光素子及び有機エレクトロルミネセンス発光素子
発明の概要 【課題】 有機EL発光素子では、透明電極として使用されるITOの屈折率が透明基板として使用されるガラス基板の屈折率1.5よりも高い2.0程度であることから、透明電極からガラス基板へ向かう光の大部分が透明電極近傍を伝搬する透明電極導波モードとなって、透明電極からガラス基板に放射されない。本発明は、従来の有機EL発光素子等の発光素子の光取り出し効率が低いことを解決するために、モード変換手段を用いて有機EL発光素子等の発光素子からの光取り出し効率の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】 本発明は、基板上に、少なくとも、発光層を有する発光素子であって、該基板の内部、該発光層の内部等、又はこれらの界面に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備える発光素子である。
【選択図】 図3
従来技術、競合技術の概要



有機EL発光素子は自発光素子として、ディスプレイ等の映像表示装置や面光源としての期待が高い。有機EL発光素子を映像表示装置として使用する場合は、単一色で発光するパートカラー方式や、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の3原色で発光する領域を持つフルカラー方式がある。面光源として使用する場合は、薄膜状として構成する。





このような有機EL発光素子は、一般的には、ガラス基板等の透明基板上に陽極である透明電極と、有機EL層と、陰極である金属電極を順に積層して作製される。透明電極と金属電極との間で印加された電圧により、陰極から供給された電子と陽極から供給されたホールとが有機EL層で再結合し、これに伴って生成される励起子が励起状態から基底状態へ移行する際にEL発光する。EL発光した光は透明電極を透過し、透明基板の側から外部に取り出される。





このような有機EL発光素子では、光取り出し効率が低いことが予想される。即ち、透明電極として使用されるITO(Indium Tin Oxide)の屈折率が透明基板として使用されるガラス基板の屈折率1.5よりも高い2.0程度であることから、透明電極からガラス基板へ向かう光の大部分が透明電極近傍を伝搬する透明電極導波モードとなって、透明電極からガラス基板に放射されない。図1は透明電極に閉じ込められた透明電極導波モードの電界分布のシミュレーション結果を示す。図1において、金属電極からの距離に応じて、有機EL層であるAlq3、PVKに続いて、ITO、ガラス基板の屈折率分布を破線で示し、発光波長524nmの光の透明電極導波モードの電界強度を実線で示す。図1から分かるように、実効波長程度の染み出しは認められるものの、透明電極導波モードは屈折率の高いITOに閉じ込められて外部に取り出せないことが分かる。





さらに、空気の屈折率1.0に比較してガラス基板の屈折率が1.5程度と高いことから、透明電極からガラス基板へ向かう光の大部分がガラス基板内を伝搬する透明基板導波モードとなって、ガラス基板から空気中に放射されない。結果として、有機EL層で発光した光の大部分は、透明電極導波モードや透明基板導波モードとなり、光取り出し効率が低くなる。





なお、本願において、光取り出し効率とは、有機EL層で発光したフォトンに対して有機EL発光素子の外部に取り出せるフォトンの割合をいう。





また、本願において、導波モードとは、導波路内を伝搬する電磁波の状態をいう。放射モードとは、導波路内に局在しない電磁波の状態をいう。





実際の光取り出し効率は測定が困難であるため、その算出はシミュレーションに頼らざるを得ない。しかし、透明電極や有機EL層の厚さが有機EL層で発光する光の実効波長と同程度かそれよりも薄いため、単純な幾何光学的な手法では誤差の大きいことが知られている。そのため、幾何光学以外にも各種の計算方法が試みられている。発明者らは、有限時間領域差分法を用いてシミュレーションした結果、透明電極の層厚を50nmから200nmまで、有機EL層の層厚を20nmから80nmまで変化させても、透明電極導波モードは有機EL層で発光した光の40~50%、透明基板導波モードは25~35%程度であり、ガラス基板から放射される光の光取り出し効率は15~30%程度であることを明らかにした。





なお、本願において、実効波長とは、伝搬媒質内の光の波長をいい、

実効波長=真空中での波長/伝搬媒質の屈折率

で表される。





従来、有機EL発光素子で光取り出し効率を改善する方法として、透明電極と透明基板の境界に集光用レンズを設けた技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。透明電極と透明基板の境界に集光用レンズを設けた従来技術を図2に示す。81はガラス基板、82は透明電極、83は有機EL層、84は集光用レンズである。これは、光角度変換手段としての複数個の集光用レンズ84によって、有機EL層83で発光した光のうち全反射となる光の入射角を小さい角度に変換して、光を取り出す構造のものである。





しかし、図2に示すように、ガラス基板81の上面に形成した集光用レンズ84を用いると集光用レンズ84の中心の直下部にある有機EL層83(図2におけるA点)からの光に対しては、全反射となる光の割合を減少させることができるが、レンズの中心の直下部からはずれた場所にある有機EL層83(図2におけるB点)からの光に対しては、かえって全反射となる光の割合を増加させるという結果を招く。

【特許文献1】

開2002-260845号公報

産業上の利用分野



本発明は、光取り出し効率の高い発光素子に関する。特に、有機エレクトロルミネセンス(以後、「エレクトロルミネセンス」を「EL」と略記する。)発光素子において、有機EL層で発光した光の光取り出し効率の高い発光素子に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板上に、少なくとも、第一の電極と、有機エレクトロルミネセンス層と、該第一の電極に対向する第二の電極と、を順に有する有機エレクトロルミネセンス発光素子であって、該基板の内部、該第一の電極の内部、該有機エレクトロルミネセンス層の内部、該第二の電極の内部、該基板と該基板の外部との界面、該基板と該第一の電極との界面、該第一の電極と該有機エレクトロルミネセンス層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該第二の電極との界面、又は該第二の電極と該第二の電極の外部との界面のうち少なくとも1に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備え、
前記モード変換手段が、1次元、2次元、又は3次元の方向に、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期の規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造であり、
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎを持ち、
前記モード変換手段が、2次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を少なくとも2以上有し、該光学的構造の規則性が該光学的構造ごとに前記ゆらぎの範囲内で異なる周期を持つ
ことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項2】
前記第二電極が透明電極、薄膜金属電極、又は透明電極と該透明電極の有機エレクトロルミネセンス層の側に薄膜金属を配置した電極であることを特徴とする請求項に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項3】
前記基板の外表面又は前記第二の電極の外表面に、導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備える光学機能層をさらに有することを特徴とする請求項に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項4】
基板上に、少なくとも、第一の電極と、有機エレクトロルミネセンス層と、該第一の電極に対向する第二の電極と、を順に有し、かつ、該基板上のいずれかに1以上の導波層を有する有機エレクトロルミネセンス発光素子であって、該基板の内部、該第一の電極の内部、該有機エレクトロルミネセンス層の内部、該第二の電極の内部、該導波層の内部、該基板と該基板の外部との界面、該基板と該第一の電極との界面、該第一の電極と該有機エレクトロルミネセンス層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該第二の電極との界面、該第二の電極と該第二の電極の外部との界面、該基板と該導波層との界面、該第一の電極と該導波層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該導波層との界面、該第二の電極と該導波層との界面、該導波層と該導波層の外部との界面、又は該導波層と該導波層との界面のうち少なくとも1に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備え、
前記モード変換手段が、1次元、2次元、又は3次元の方向に、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期の規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造であり、
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎを持ち、
前記モード変換手段が、2次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を少なくとも2以上有し、該光学的構造の規則性が該光学的構造ごとに前記ゆらぎの範囲内で異なる周期を持つ
ことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項5】
前記第二電極が透明電極、薄膜金属電極、又は透明電極と該透明電極の有機エレクトロルミネセンス層の側に薄膜金属を配置した電極であることを特徴とする請求項に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項6】
基板上に、少なくとも、第一の電極と、有機エレクトロルミネセンス層と、該第一の電極に対向し透光性のある第二の電極と、保護膜と、を順に有する有機エレクトロルミネセンス発光素子であって、該基板の内部、該第一の電極の内部、該有機エレクトロルミネセンス層の内部、該第二の電極の内部、該保護膜の内部、該基板と該基板の外部との界面、該基板と該第一の電極との界面、該第一の電極と該有機エレクトロルミネセンス層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該第二の電極との界面、該第二の電極と該保護膜との界面、又は該保護膜と該保護膜の外部との界面のうち少なくとも1に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備え、
前記モード変換手段が、1次元、2次元、又は3次元の方向に、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期の規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造であり、
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎを持ち、
前記モード変換手段が、2次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を少なくとも2以上有し、該光学的構造の規則性が該光学的構造ごとに前記ゆらぎの範囲内で異なる周期を持つ
ことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項7】
前記基板の外表面又は前記保護膜の外表面に、導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備える光学機能層をさらに有することを特徴とする請求項に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項8】
基板上に、少なくとも、第一の電極と、有機エレクトロルミネセンス層と、該第一の電極に対向し透光性のある第二の電極と、保護膜と、を順に有し、かつ、該基板上のいずれかに1以上の導波層を有する有機エレクトロルミネセンス発光素子であって、該基板の内部、該第一の電極の内部、該有機エレクトロルミネセンス層の内部、該第二の電極の内部、該保護膜の内部、該導波層の内部、該基板と該基板の外部との界面、該基板と該第一の電極との界面、該第一の電極と該有機エレクトロルミネセンス層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該第二の電極との界面、該第二の電極と該保護膜との界面、該保護膜と該保護膜の外部との界面、該基板と該導波層との界面、該第一の電極と該導波層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該導波層との界面、該第二の電極と該導波層との界面、該保護膜と該導波層との界面、該導波層と該導波層の外部との界面、又は該導波層と該導波層との界面のうち少なくとも1に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備え、
前記モード変換手段が、1次元、2次元、又は3次元の方向に、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期の規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造であり、
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎを持ち、
前記モード変換手段が、2次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を少なくとも2以上有し、該光学的構造の規則性が該光学的構造ごとに前記ゆらぎの範囲内で異なる周期を持つ
ことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項9】
透明基板上に、少なくとも、透明電極と、有機エレクトロルミネセンス層と、該透明電極に対向する金属電極と、を順に有する有機エレクトロルミネセンス発光素子であって、該透明基板の内部、該透明電極の内部、該有機エレクトロルミネセンス層の内部、該金属電極の内部、該透明基板と該透明基板の外部との界面、該透明基板と該透明電極との界面、該透明電極と該有機エレクトロルミネセンス層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該金属電極との界面、又は該金属電極と該金属電極の外部との界面のうち少なくとも1に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備え、
前記モード変換手段が、1次元、2次元、又は3次元の方向に、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期の規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造であり、
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎを持ち、
前記モード変換手段が、2次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を少なくとも2以上有し、該光学的構造の規則性が該光学的構造ごとに前記ゆらぎの範囲内で異なる周期を持つ
ことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項10】
前記透明基板の外表面又は前記金属電極の外表面に、導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備える光学機能層をさらに有することを特徴とする請求項に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項11】
透明基板上に、少なくとも、透明電極と、有機エレクトロルミネセンス層と、該透明電極に対向する金属電極と、を順に有し、かつ、該透明基板上のいずれかに1以上の導波層を有する有機エレクトロルミネセンス発光素子であって、該透明基板の内部、該透明電極の内部、該有機エレクトロルミネセンス層の内部、該金属電極の内部、該導波層の内部、該透明基板と該透明基板の外部との界面、該透明基板と該透明電極との界面、該透明電極と該有機エレクトロルミネセンス層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該金属電極との界面、該金属電極と該金属電極の外部との界面、該透明基板と該導波層との界面、該透明電極と該導波層との界面、該有機エレクトロルミネセンス層と該導波層との界面、該金属電極と該導波層との界面、該導波層と該導波層の外部との界面、又は該導波層と該導波層との界面のうち少なくとも1に導波モードから放射モードへ変換するモード変換手段を備え、
前記モード変換手段が、1次元、2次元、又は3次元の方向に、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期の規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造であり、
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎを持ち、
前記モード変換手段が、2次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を少なくとも2以上有し、該光学的構造の規則性が該光学的構造ごとに前記ゆらぎの範囲内で異なる周期を持つ
ことを特徴とする有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項12】
前記基板と前記基板の外部との界面、前記基板と前記第一の電極との界面、前記第一の電極と前記有機エレクトロルミネセンス層との界面、前記有機エレクトロルミネセンス層と前記第二の電極との界面、又は前記第二の電極と前記第二の電極の外部との界面に備える前記光学的構造が、1次元又は2次元の方向に規則性のある界面の凹凸で構成されていることを特徴とする請求項1、2、3、6又は7に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項13】
前記基板と前記基板の外部との界面、前記基板と前記第一の電極との界面、前記第一の電極と前記有機エレクトロルミネセンス層との界面、前記有機エレクトロルミネセンス層と前記第二の電極との界面、前記第二の電極と前記第二の電極の外部との界面、前記基板と前記導波層との界面、前記第一の電極と前記導波層との界面、前記有機エレクトロルミネセンス層と前記導波層との界面、前記第二の電極と前記導波層との界面、前記導波層と前記導波層の外部との界面、又は前記導波層と前記導波層との界面に備える前記光学的構造が、1次元又は2次元の方向に規則性のある界面の凹凸で構成されていることを特徴とする請求項4、5又は8に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項14】
前記透明基板と前記透明基板の外部との界面、前記透明基板と前記透明電極との界面、前記透明電極と前記有機エレクトロルミネセンス層との界面、前記有機エレクトロルミネセンス層と前記金属電極との界面、又は前記金属電極と前記金属電極の外部との界面に備える前記光学的構造が、1次元又は2次元の方向に規則性のある界面の凹凸で構成されていることを特徴とする請求項9又は10に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項15】
前記透明基板と前記透明基板の外部との界面、前記透明基板と前記透明電極との界面、前記透明電極と前記有機エレクトロルミネセンス層との界面、前記有機エレクトロルミネセンス層と前記金属電極との界面、前記金属電極と前記金属電極の外部との界面、前記透明基板と前記導波層との界面、前記透明電極と前記導波層との界面、前記有機エレクトロルミネセンス層と前記導波層との界面、前記金属電極と前記導波層との界面、前記導波層と前記導波層の外部との界面、又は前記導波層と前記導波層との界面に備える前記光学的構造が、1次元又は2次元の方向に規則性のある界面の凹凸で構成されていることを特徴とする請求項11に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項16】
前記有機エレクトロルミネセンス発光素子は、2以上のモード変換手段を備え、該2以上のモード変換手段の規則性が同じ周期であることを特徴とする請求項から15のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項17】
前記2以上の光学的構造が、2次元の同一面内に形成されていることを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項18】
前記規則性は前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光の実効波長程度の周期と、実効波長程度の周期に対して周期の4分の1以下のゆらぎと、が混在していることを特徴とする請求項から17のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項19】
前記規則性は周期が徐々に変化することを特徴とする請求項から18のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項20】
前記2次元の方向に規則性のある屈折率分布が正方格子配置、三角格子配置、ハニカム格子配置、若しくは有限個数の単位要素で平面を埋め尽くすことのできる配置、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項から19のいずれか記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項21】
前記規則性のある屈折率分布がこれを設けない場合の材料の有する屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項から20のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項22】
前記高い屈折率を有する材料が、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光に対して透過性を有することを特徴とする請求項21に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項23】
前記規則性のある屈折率分布がこれを設けない場合の材料の有する屈折率よりも低い屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項から20のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項24】
前記低い屈折率を有する材料が、前記有機エレクトロルミネセンス層で発光する光に対して透過性を有することを特徴とする請求項23に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項25】
前記低い屈折率を有する材料が気体であることを特徴とする請求項23に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項26】
前記気体が空気又は不活性ガスであることを特徴とする請求項25に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項27】
前記有機エレクトロルミネセンス層が領域によって異なる発光波長を有することを特徴とする請求項から26のいずれかに記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。

【請求項28】
前記モード変換手段が、前記異なる発光波長の前記領域ごとに、前記異なる発光波長に対応した1次元、2次元、又は3次元の方向に規則性のある屈折率分布を持つ光学的構造を有することを特徴とする請求項27に記載の有機エレクトロルミネセンス発光素子。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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出願権利状態 登録
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