(57)【要約】      （修正有）【課題】良好な輝度効率及び輝度を示すことができる有機ＥＬ素子を提供する。【解決手段】基礎有機エレクトロルミネッセンス素子と、素子に対して、金属系粒子集合体層５０とを含み、金属系粒子集合体層５０は３０個以上の金属系粒子５１が互いに離間して二次元的に配置されて、金属系粒子５１の平均粒径が２００〜１６００ｎｍ、平均高さが５５〜５００ｎｍ、アスペクト比が１〜８、隣り合う金属系粒子５１間の平均距離が１〜１５０ｎｍ、の各々範囲内であり、基礎有機エレクトロルミネッセンス素子は、カソード層１０、有機発光材料を含有する発光層２０及びアノード層３０をこの順に含み、かつカソード層１０側からの発光の強度Ａとアノード層３０側からの発光の強度Ｂとの比が０．２以上であり、カソード層１０とアノード層３０との間に微小共振器構造を含む、有機エレクトロルミネッセンス素子。【選択図】図１
2020004569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記基礎有機エレクトロルミネッセンス素子に対して付設される金属系粒子集合体層とを含む有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記金属系粒子集合体層は、３０個以上の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されてなり、前記金属系粒子の平均粒径が２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の範囲内であり、平均高さが５５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内であり、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が１以上８以下の範囲内であり、隣り合う金属系粒子間の平均距離が１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内であり、
前記基礎有機エレクトロルミネッセンス素子は、カソード層、有機発光材料を含有する発光層及びアノード層をこの順に含み、
前記基礎有機エレクトロルミネッセンス素子は、前記カソード層側からの発光の強度Ａと前記アノード層側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２以上であり、
前記カソード層と前記アノード層との間の光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）が、いずれかの自然数ｍにおいて下記式（１）を満たす、有機エレクトロルミネッセンス素子。
【数１】
2020004569.tif 000009
［式中、
Ｍは、前記カソード層と前記アノード層との間の光学的共振器長（ｎｍ）を表す。
ｍは、任意の自然数を表す。
λは、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光スペクトルの最大ピークにおける極大波長（ｎｍ）を表す。］
【請求項２】
前記カソード層、前記発光層、前記アノード層及び前記金属系粒子集合体層をこの順に含む、請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記カソード層、前記発光層、前記アノード層、前記金属系粒子集合体層及び基板をこの順に含む、請求項１又は２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記アノード層と前記金属系粒子集合体層との間に絶縁層をさらに含む、請求項２又は３に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
前記金属系粒子が、紫外〜可視光領域においてプラズモン共鳴可能な金属系材料で構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
前記発光層の厚みが１０ｎｍ以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項７】
前記アスペクト比が１を超える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【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」ともいう。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子をナノサイズにまで微細化すると、バルク状態では見られなかった機能を発現するようになることが従来知られており、中でも応用が期待されているのが「局在プラズモン共鳴」である。プラズモンとは、金属ナノ構造体中の自由電子の集団的な振動によって生起する自由電子の粗密波のことである。
【０００３】
近年、上記プラズモンを扱う技術分野は、「プラズモニクス」と呼ばれ大きな注目を集めているとともに活発な研究が行われており、かかる研究は、金属ナノ粒子の局在プラズモン共鳴現象を利用した発光素子の発光効率向上を目的とするものを含む。
【０００４】
例えば、特許文献１には、局在プラズモン共鳴現象を利用して蛍光を増強させる技術及び該技術を用いた光励起発光素子が開示されている。特許文献２には、金属系粒子集合体のプラズモン共鳴を利用した有機ＥＬ素子が開示されている。非特許文献１には、銀ナノ粒子による局在プラズモン共鳴に関する研究及び局在プラズモン共鳴を利用して発光を増強させた単分子膜を発光層とする光励起発光素子が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３９５４０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７９０１７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Fukuura and M. Kawasaki, "Long Range Enhancement of Molecular Fluorescence by Closely Packed Submicro-scale Ag Islands", e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 2009, 7, 653
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２に記載の有機ＥＬ素子は、金属系粒子集合体を有しない有機ＥＬ素子に比べて高い輝度効率及び輝度を示すが、さらに改善の余地があった。
そこで、本発明の目的は、良好な輝度効率及び輝度を示すことができる有機ＥＬ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下に示す有機ＥＬ素子及び有機ＥＬ素子の発光増強方法を提供する。
［１］  基礎有機エレクトロルミネッセンス素子と、前記基礎有機エレクトロルミネッセンス素子に対して付設される金属系粒子集合体層とを含む有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記金属系粒子集合体層は、３０個以上の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されてなり、前記金属系粒子の平均粒径が２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の範囲内であり、平均高さが５５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内であり、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が１以上８以下の範囲内であり、隣り合う金属系粒子間の平均距離が１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内であり、
前記基礎有機エレクトロルミネッセンス素子は、カソード層、有機発光材料を含有する発光層及びアノード層をこの順に含み、
前記基礎有機エレクトロルミネッセンス素子は、前記カソード層側からの発光の強度Ａと前記アノード層側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２以上であり、
前記カソード層と前記アノード層との間の光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）が、いずれかの自然数ｍにおいて下記式（１）を満たす、有機エレクトロルミネッセンス素子。
【数１】
2020004569.tif 000003
［式中、
Ｍは、前記カソード層と前記アノード層との間の光学的共振器長（ｎｍ）を表す。
ｍは、任意の自然数を表す。
λは、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光スペクトルの最大ピークにおける極大波長（ｎｍ）を表す。］
［２］  前記カソード層、前記発光層、前記アノード層及び前記金属系粒子集合体層をこの順に含む、［１］に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
［３］  前記カソード層、前記発光層、前記アノード層、前記金属系粒子集合体層及び基板をこの順に含む、［１］又は［２］に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
［４］  前記アノード層と前記金属系粒子集合体層との間に絶縁層をさらに含む、［２］又は［３］に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
［５］  前記金属系粒子が、紫外〜可視光領域においてプラズモン共鳴可能な金属系材料で構成されている、［１］〜［４］のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
［６］  前記発光層の厚みが１０ｎｍ以上である、［１］〜［５］のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
［７］  前記アスペクト比が１を超える、［１］〜［６］のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【発明の効果】
【０００９】
良好な輝度効率及び輝度を示すことができる有機ＥＬ素子を提供することができる。
本発明に係る有機ＥＬ素子は、ディスプレイ（画像表示装置）や照明装置に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る有機ＥＬ素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る有機ＥＬ素子の他の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】実験例１で得られた積層体における金属系粒子集合体層を直上から見たときのＳＥＭ画像（１００００倍及び５００００倍スケール）である。
【図４】実験例１で得られた積層体における金属系粒子集合体層のＡＦＭ画像である。
【図５】実験例１、実験例２及び実験例３で得られた積層体の吸光スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜有機ＥＬ素子＞
本発明に係る有機ＥＬ素子は、基礎有機エレクトロルミネッセンス素子と、基礎有機エレクトロルミネッセンス素子に対して付設される金属系粒子集合体層とを含む。
基礎有機エレクトロルミネッセンス素子は、カソード層、有機発光材料を含有する発光層及びアノード層をこの順に含む。
以下、実施の形態を示して、本発明をより詳細に説明する。
【００１２】
（１）有機ＥＬ素子の構造
図１は、本発明に係る有機ＥＬ素子の一例を模式的に示す断面図である。図１に示される有機ＥＬ素子１は、カソード層（カソード電極）１０；有機発光材料を含有する発光層２０；アノード層（アノード電極）３０；絶縁層４０；金属系粒子集合体層５０をこの順に含む。金属系粒子集合体層５０は、３０個以上の金属系粒子５１が互いに離間して二次元的に配置されてなる層である。
有機ＥＬ素子１において、基礎有機ＥＬ素子は、カソード層１０、発光層２０、アノード層３０及び絶縁層４０からなる。
有機ＥＬ素子１において、光は、少なくともカソード層１０側から取り出され、通常はカソード層１０側及びアノード層３０側の両面から取り出される。ただし、後述のように、カソード層１０側からの発光の強度Ａとアノード層３０側からの発光の強度Ｂとは、所定の関係を有する。
【００１３】
本発明に係る有機ＥＬ素子は、他の構成要素を含んでいてもよい。例えば、本発明に係る有機ＥＬ素子は、図２に示される有機ＥＬ素子２のように、金属系粒子集合体層５０における絶縁層４０とは反対側に配置され、金属系粒子集合体層５０を支持するための基板（支持基板）６０を含んでいてもよい。
また、本発明に係る有機ＥＬ素子は、カソード層１０とアノード層３０との間に配置される、発光層２０以外の他の層を１種以上含むことができる。他の層の具体例については後述する。
【００１４】
本発明に係る有機ＥＬ素子に含まれる基礎有機エレクトロルミネッセンス素子において、カソード層１０側からの発光の強度Ａとアノード層３０側からの発光の強度Ｂとは、所定の関係を有する。具体的には、基礎有機エレクトロルミネッセンス素子において、カソード層１０側からの発光の強度Ａとアノード層３０側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂは、通常０．２以上、好ましくは０．２２以上、より好ましくは０．２３以上、さらに好ましくは０．２４以上である。
【００１５】
有機ＥＬ素子における金属系粒子集合体層５０の位置は、カソード層１０側からの発光の強度Ａを高める観点から、カソード層１０側からの発光が金属系粒子集合体層５０によって吸収されることがないように、アノード層３０における発光層２０とは反対側に配置されることが好ましい。本発明に係る有機ＥＬ素子において、より好ましくは、カソード層１０、発光層２０、アノード層３０及び金属系粒子集合体層５０がこの順に配置され、さらに好ましくは、カソード層１０、発光層２０、アノード層３０、絶縁層４０及び金属系粒子集合体層５０がこの順に配置される。図２に示される有機ＥＬ素子２のように、金属系粒子集合体層５０を支持するための基板６０が含まれる場合、カソード層１０、発光層２０、アノード層３０、絶縁層４０、金属系粒子集合体層５０及び基板６０がこの順に配置されることが好ましい。
以下、有機ＥＬ素子を構成する各層について説明する。
【００１６】
（２）金属系粒子集合体層
金属系粒子集合体層５０は、３０個以上の金属系粒子５１が互いに離間して二次元的に配置されてなる層である。
金属系粒子集合体層５０は、有機ＥＬ素子の発光増強に特に有利な所定形状の金属系粒子集合体からなる層である。すなわち、金属系粒子集合体層５０を構成する金属系粒子５１の平均粒径は２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の範囲内、平均高さは５５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内、平均高さに対する平均粒径の比で定義されるアスペクト比は１以上８以下の範囲内であり、かつ、隣り合う金属系粒子５１間の平均距離（以下、「平均粒子間距離」ともいう。）は１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内である。
【００１７】
上記所定の構造を有する金属系粒子集合体層５０は、強いプラズモン共鳴を示すことができるため、これを含む有機ＥＬ素子において、発光層２０の発光を効果的に増強させることができ、これにより有機ＥＬ素子の輝度効率及び輝度を向上させることができる。
金属系粒子集合体層５０が示すプラズモン共鳴の強さは、特定波長における個々の金属系粒子５１が示す局在プラズモン共鳴の単なる総和ではなく、それ以上の強さである。すなわち、３０個以上の所定形状の金属系粒子５１が所定の平均粒子間距離で密に配置されることにより、個々の金属系粒子５１が相互作用して強いプラズモン共鳴が発現する。これは、金属系粒子５１の局在プラズモン間の相互作用により発現したものと考えられる。
【００１８】
一般的に、プラズモン材料は、吸光光度法で吸光スペクトルを測定したとき、紫外〜可視光領域におけるピークとしてプラズモン共鳴ピーク（以下、「プラズモンピーク」ともいう。）が観測され、このプラズモンピークの極大波長における吸光度値の大小から、そのプラズモン材料のプラズモン共鳴の強さを略式に評価することができる。
上記所定の構造を有する金属系粒子集合体層５０は、これをガラス基板上に積層した状態で吸光光度法により吸光スペクトルを測定したとき、紫外〜可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が１以上、さらには１．５以上、なおさらには２程度となり得る。
【００１９】
金属系粒子集合体層５０の吸光スペクトルは、ガラス基板上に形成したものを測定サンプルとして、吸光光度法によって測定することができる。具体的には、吸光スペクトルは、金属系粒子集合体層５０が積層されたガラス基板の裏面側（金属系粒子集合体層５０とは反対側）であって、基板面に垂直な方向から紫外〜可視光領域の入射光を照射し、金属系粒子集合体層５０側に透過した全方向における透過光の強度Ｉと、該測定サンプルの基板と同じ厚み及び同じ材質の基板であって、金属系粒子集合体層５０が積層されていない基板の面に垂直な方向から先と同じ入射光を照射し、入射面の反対側から透過した全方向における透過光の強度Ｉ０とを、それぞれ積分球分光光度計を用いて測定することにより得られる。このとき、吸光スペクトルの縦軸である吸光度は、下記式：
吸光度＝−ｌｏｇ１０（Ｉ／Ｉ０）
で表される。
吸光スペクトルは、一般の分光光度計を用いて測定することができる。
【００２０】
また、紫外〜可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長やその吸光度を測定するにあたっては、対物レンズと分光光度計を用い、測定視野を絞って吸光スペクトル測定を行ってもよい。
【００２１】
従来のプラズモン材料（金属ナノ粒子又はその集合体）の局在プラズモン共鳴現象を利用した発光増強においては、局在プラズモン共鳴の作用範囲が金属ナノ粒子表面から１０ｎｍ以下と極めて狭い範囲内に限定されるという問題があった。これは、金属ナノ粒子と励起される分子との距離を大きくしていくと、局在プラズモン共鳴が有効に影響しなくなることによって有機ＥＬ素子に対する発光増強効果は徐々に弱まり、フェルスター機構のエネルギー移動が発現する範囲（１ｎｍ〜１０ｎｍ）を超えると、発光増強効果をほとんど得ることができなかったためである。
例えば上記特許文献１には、互いに独立する多数の平板状金属粒子からなる粒子集合体を、局在プラズモン共鳴現象を利用して蛍光増強素子として用いることが開示されているが、この発光増強方法においても、効果的な発光増強効果を得るために有効な金属ナノ粒子と励起される分子との間の距離は１０ｎｍ以下とされている。
【００２２】
従って、従来の金属ナノ粒子又はその集合体の局在プラズモン共鳴現象を利用した有機ＥＬ素子の発光増強効果は、局在プラズモン共鳴の作用範囲の制限のために必ずしも十分満足のいくものではなかった。例えば、有機ＥＬ素子が厚み数十ｎｍ又はそれ以上の発光層を有している場合には、仮に金属ナノ粒子を発光層に近接、あるいは内在させて配置することができたとしても、局在プラズモン共鳴による直接的な発光増強効果は、発光層の一部でしか得ることができないため、輝度効率及び輝度の向上効果は部分的なものであった。
【００２３】
これに対して、上記所定の構造を有する金属系粒子集合体層５０は、これを構成する金属系粒子５１が、一般に発光増強効果が小さくなると考えられている比較的大粒径の粒子であるにもかかわらず（特許文献１の段落００１０及び００１１参照）、特定の形状を有する金属系粒子５１が特定の平均粒子間距離で離間して配置されていることに起因して、強いプラズモン共鳴を示すとともに、伸長されたプラズモン共鳴の作用範囲（プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲）を示す。
上記所定の構造を有する金属系粒子集合体層５０によれば、従来では概ねフェルスター距離の範囲内（約１０ｎｍ以下）に限定されていたプラズモン共鳴の作用範囲を、例えば数百ｎｍ程度まで伸長することができる。この作用範囲の伸長によって、発光層２０の厚みが大きい場合や、金属系粒子集合体層５０を配置する位置が発光層２０から離れている場合であっても発光層２０の全体を増強させることが可能になり、これにより有機ＥＬ素子の輝度効率及び輝度を向上させることができる。
上記のようなプラズモン共鳴の作用範囲の伸長効果もまた、３０個以上の所定形状の金属系粒子５１を所定間隔で密に配置したことによって生じた金属系粒子５１の局在プラズモン間の相互作用により発現したものと考えられる。
【００２４】
上記所定の構造を有する金属系粒子集合体層５０は、強いプラズモン共鳴を示し、さらにはプラズモン共鳴の作用範囲が伸長されているため、例えば、１０ｎｍ以上、さらには２０ｎｍ以上、なおさらには３０ｎｍ以上の厚みを有する発光層２０の全体を増強させる能力を有し得る。
また、例えば１０ｎｍ以上、さらには数十ｎｍ（例えば２０ｎｍ、３０ｎｍ又は４０ｎｍ）以上、なおさらには数百ｎｍ以上離れた位置に配置された発光層２０をも発光増強させる能力を有し得る。
【００２５】
また、上記所定の構造を有する金属系粒子集合体層５０は、紫外〜可視光領域における吸光スペクトルにおいて、金属系粒子５１の平均粒径及び平均粒子間距離に依存して、プラズモンピークの極大波長が特異なシフトを示し得る。
具体的には、平均粒子間距離を一定にして金属系粒子５１の平均粒径を大きくするに従い、紫外〜可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長が短波長側にシフト（ブルーシフト）する。同様に、金属系粒子５１が比較的大型である場合において、金属系粒子５１の平均粒径を一定にして平均粒子間距離を小さくするに従い（金属系粒子５１をより密に配置すると）、紫外〜可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長が短波長側にシフトする。この特異な現象は、プラズモン材料に関して一般的に認められているミー散乱理論〔この理論に従えば、粒径が大きくなるとプラズモンピークの極大波長は長波長側にシフト（レッドシフト）する。〕に反するものである。
【００２６】
上記のような特異なブルーシフトもまた、特定の形状を有する金属系粒子５１が特定の平均粒子間距離で離間して配置されていることに伴い、金属系粒子５１の局在プラズモン間の相互作用が生じていることによるものと考えられる。
金属系粒子集合体層５０（ガラス基板上に積層した状態）は、金属系粒子５１の形状や平均粒子間距離に応じて、吸光光度法によって測定される紫外〜可視光領域における吸光スペクトルにおいて、最も長波長側にあるプラズモンピークが、例えば３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下又は３５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長領域に極大波長を示し得る。また、金属系粒子集合体層５０は、金属系粒子５１が十分に長い粒子間距離（例えば１μｍ）を置いて配置される場合と比較して、典型的には３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下（例えば３０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下）のブルーシフトを生じ得る。
【００２７】
このような、従来のものと比べてプラズモンピークの極大波長がブルーシフトしている金属系粒子集合体層５０、例えば青色又はその近傍の波長領域にプラズモンピークを有する金属系粒子集合体層５０は、励起光源に紫外光又は紫色光を用い、青色又はその近傍の波長領域の発光を生じる有機発光材料を含む発光層２０を用いる場合にとりわけ有用である。すなわち、青色又はその近傍の波長領域の発光を効果的に増強させることができる。
【００２８】
次に、金属系粒子集合体層５０の具体的構成についてより詳細に説明する。
金属系粒子５１を構成する金属系材料は、紫外〜可視光領域においてプラズモン共鳴可能な材料である。紫外〜可視光領域においてプラズモン共鳴可能な材料とは、ナノ粒子又はその集合体としたときに、吸光光度法による吸光スペクトル測定において紫外〜可視光領域に現れるプラズモンピークを示す材料であることを意味する。
紫外〜可視光領域においてプラズモン共鳴可能な金属系材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム等の貴金属；アルミニウム、タンタル等の貴金属以外の金属；該貴金属及び貴金属以外の金属から選択される金属を含有する合金；該貴金属及び貴金属以外の金属から選択される金属を含む金属化合物（金属酸化物や金属塩等）が挙げられる。中でも、紫外〜可視光領域においてプラズモン共鳴可能な金属系材料としては、金、銀、銅、白金、パラジウム等の貴金属が好ましく、安価で吸収が小さい（可視光波長において誘電関数の虚部が小さい）という観点からは銀であることがより好ましい。
【００２９】
金属系粒子５１の平均粒径は２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の範囲内であり、発光層２０の発光を増強させる効果を効果的に得るために、好ましくは２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下、より好ましくは２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、さらに好ましくは３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。
金属系粒子５１の平均粒径は、金属系粒子５１を構成する金属系材料の種類に応じて適切に選択されることが好ましい。
【００３０】
金属系粒子５１の平均粒径とは、二次元的に金属系粒子５１が配置された金属系粒子集合体層５０の直上からのＳＥＭ観察画像において、無作為に粒子を１０個選択し、各粒子像内に無作為に接線径を５本引き（ただし、接線径となる直線はいずれも粒子像内部のみを通ることができ、このうち１本は粒子内部のみ通り、最も長く引ける直線であるものとする）、その平均値（以下、この平均値を「接線径平均値」ともいう。）を各粒子の粒径としたときの、選択した１０個の粒子についての粒径の平均値である。接線径とは、粒子の輪郭（投影像）をこれに接する２本の平行線で挟んだときの間隔（日刊工業新聞社  「粒子計測技術」，１９９４，第５頁）を結ぶ垂線と定義する。
【００３１】
平均粒径の測定方法についてより具体的に説明すると、まずＳＥＭ観察画像は、日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡「ＪＳＭ−５５００」を用いて測定する。次いで、得られた観察画像を、アメリカ国立衛生研究所製のフリー画像処理ソフト「ＩｍａｇｅＪ」を用いて横１２８０ピクセル×縦９６０ピクセルで読み込む。次に、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ社製の表計算ソフト「Ｅｘｃｅｌ」の乱数発生関数「ＲＡＮＤＢＥＴＷＥＥＮ」を用いて、１〜１２８０から１０個の乱数（ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４、ｘ５、ｘ６、ｘ７、ｘ８、ｘ９、ｘ１０）、１〜９６０から１０個の乱数（ｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４、ｙ５、ｙ６、ｙ７、ｙ８、ｙ９、ｙ１０）をそれぞれ得る。得られた各１０個の乱数から１０組の乱数組み合わせ（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）、（ｘ４，ｙ４）、（ｘ５，ｙ５）、（ｘ６，ｙ６）、（ｘ７，ｙ７）、（ｘ８，ｙ８）、（ｘ９，ｙ９）及び（ｘ１０，ｙ１０）を得る。１〜１２８０から発生させた乱数の数値をｘ座標、１〜９６０から発生させた乱数の数値をｙ座標として、１０組の座標点（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）、（ｘ４，ｙ４）、（ｘ５，ｙ５）、（ｘ６，ｙ６）、（ｘ７，ｙ７）、（ｘ８，ｙ８）、（ｘ９，ｙ９）及び（ｘ１０，ｙ１０）を得る。そして、当該座標点を含む合計１０個の粒子像のそれぞれについて上記の接線径平均値を得、次いで当該１０個の接線径平均値の平均値として平均粒径を得る。１０組の乱数組み合わせである１０個の座標点の少なくともいずれか１つが粒子像内に含まれない場合、あるいは同一粒子内に２つ以上の座標点が含まれる場合には、この乱数組み合わせを破棄し、１０個の座標点がすべて異なる粒子像内に含まれるまで乱数発生を繰り返す。
【００３２】
金属系粒子５１の平均高さは、５５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内であり、発光層２０の発光を増強させる効果を効果的に得るために、好ましくは５５ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは７０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内である。金属系粒子５１の平均高さとは、金属系粒子集合体層５０のＡＦＭ観察画像において、無作為に粒子を１０個選択し、これら１０個の粒子の高さを測定したときの、１０個の測定値の平均値である。
【００３３】
金属系粒子５１のアスペクト比は１以上８以下の範囲内であり、発光層２０の発光を増強させる効果を効果的に得るために、好ましくは２以上８以下、より好ましくは２．５以上８以下の範囲内である。金属系粒子５１のアスペクト比は、上記平均高さに対する上記平均粒径の比（平均粒径／平均高さ）で定義される。金属系粒子５１は真球状であってもよいが、発光層２０の発光を増強させる効果を効果的に得るために、アスペクト比が１を超える扁平形状を有していることが好ましい。
【００３４】
金属系粒子５１は、効果の高いプラズモンを励起する観点から、その表面が滑らかな曲面からなることが好ましく、とりわけ表面が滑らかな曲面からなる扁平形状を有していることがより好ましいが、表面に微小な凹凸（粗さ）を幾分含んでいてもよく、このような意味において金属系粒子５１は不定形であってもよい。
【００３５】
金属系粒子集合体層５０の面内におけるプラズモン共鳴の強さの均一性に鑑み、金属系粒子５１間のサイズのバラツキはできるだけ小さいことが好ましい。ただし、粒径に多少バラツキが生じたとしても、大型粒子間の距離が大きくなることは好ましくなく、その間を小型の粒子が埋めることで大型粒子間の相互作用を発現しやすくすることが好ましい。
【００３６】
金属系粒子集合体層５０において金属系粒子５１は、その隣り合う金属系粒子５１との平均距離（平均粒子間距離）が１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内となるように配置される。このように金属系粒子５１を密に配置することにより、強いプラズモン共鳴及びプラズモン共鳴の作用範囲の伸長等の効果を発現させることができる。
平均粒子間距離は、発光層２０の発光を増強させる効果を効果的に得るために、好ましくは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内である。平均粒子間距離が１ｎｍ未満であると、粒子間でデクスター機構に基づく電子移動が生じ、局在プラズモンの失活の点で不利となる。
【００３７】
金属系粒子５１が互いに離間して配置されている金属系粒子集合体層５０は、当該層として導電性を示さないものであることが好ましく、具体的には、金属系粒子集合体層５０にマルチメーター〔テスター（ヒューレット・パッカード社製「Ｅ２３７８Ａ」）〕の一対のテスタープローブを１０ｍｍ〜１５ｍｍ離して接触させたとき、レンジ設定「３０ＭΩ」のときに、当該測定条件にて抵抗値が３０ＭΩ以上である結果、「オーバーロード」と表示されることが好ましい。
一部もしくは全ての金属系粒子５１間で電子の授受が可能であると、プラズモン共鳴効果が低減する傾向にある。従って、金属系粒子５１間は確実に離間されており、金属系粒子５１間には導電性物質が介在されないことが好ましい。
【００３８】
平均粒子間距離とは、二次元的に金属系粒子５１が配置された金属系粒子集合体層５０の直上からのＳＥＭ観察画像において、無作為に粒子を３０個選択し、選択したそれぞれの粒子について、隣り合う粒子との粒子間距離を求めたときの、これら３０個の粒子の粒子間距離の平均値である。隣り合う粒子との粒子間距離とは、すべての隣り合う粒子との距離（表面同士間の距離である）をそれぞれ測定し、これらを平均した値である。
【００３９】
平均粒子間距離の測定方法についてより具体的に説明すると、まずＳＥＭ観察画像は、日本電子株式会社製の走査型電子顕微鏡「ＪＳＭ−５５００」を用いて測定する。次いで、得られた観察画像を、アメリカ国立衛生研究所製のフリー画像処理ソフト「ＩｍａｇｅＪ」を用いて横１２８０ピクセル×縦９６０ピクセルで読み込む。次に、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ社製の表計算ソフト「Ｅｘｃｅｌ」の乱数発生関数「ＲＡＮＤＢＥＴＷＥＥＮ」を用いて、１〜１２８０から３０個の乱数（ｘ１〜ｘ３０）、１〜９６０から３０個の乱数（ｙ１〜ｙ３０）をそれぞれ得る。得られた各３０個の乱数から３０組の乱数組み合わせ（ｘ１，ｙ１）から（ｘ３０，ｙ３０）を得る。１〜１２８０から発生させた乱数の数値をｘ座標、１〜９６０から発生させた乱数の数値をｙ座標として、３０組の座標点（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ３０，ｙ３０）を得る。そして、当該座標点を含む合計３０個の粒子像のそれぞれについて、当該粒子と隣り合う粒子との粒子間距離を得、次いで当該３０個の隣り合う粒子との粒子間距離の平均値として平均粒子間距離を得る。３０組の乱数組み合わせである３０個の座標点の少なくともいずれか１つが粒子像内に含まれない場合、あるいは同一粒子内に２つ以上の座標点が含まれる場合には、この乱数組み合わせを破棄し、３０個の座標点がすべて異なる粒子像内に含まれるまで乱数発生を繰り返す。
【００４０】
金属系粒子集合体層５０に含まれる金属系粒子５１の数は３０個以上であり、好ましくは５０個以上である。金属系粒子５１を３０個以上含む粒子集合体を形成することにより、金属系粒子５１の局在プラズモン間の相互作用によって強いプラズモン共鳴及びプラズモン共鳴の作用範囲の伸長が発現する。
【００４１】
有機ＥＬ素子の一般的な素子面積に照らせば、金属系粒子集合体層５０に含まれる金属系粒子５１の数は、例えば３００個以上、さらには１７５００個以上となり得る。金属系粒子集合体層５０における金属系粒子５１の数密度は、７個／μｍ２以上であることが好ましく、１５個／μｍ２以上であることがより好ましい。
【００４２】
本発明に係る有機ＥＬ素子において、金属系粒子集合体層５０は、図２に示されるように、基板（支持基板）６０上に金属系粒子集合体層５０が積層された積層体として有機ＥＬ素子に組み込まれてもよい。有機ＥＬ素子において、基板６０は、金属系粒子集合体層５０における発光層２０側とは反対側に配置される。金属系粒子集合体層５０を形成するために製法上用いることができる形成用基板を、基板６０としてそのまま用いることもできる。
上記積層体において、金属系粒子集合体層５０は、基板６０上に直接積層されることが好ましい。
【００４３】
本発明に係る有機ＥＬ素子に含まれる金属系粒子集合体層５０において、金属系粒子５１間は互いに絶縁されている、換言すれば、隣り合う金属系粒子５１との間に関して非導電性であることが好ましい。
一部もしくは全ての金属系粒子５１間で電子の授受が可能であると、プラズモン共鳴効果が低減する傾向にある。従って、基板６０上に金属系粒子集合体層５０が積層された積層体が有機ＥＬ素子に組み込まれる場合、基板６０は、非導電性材料からなることが好ましい。
基板６０を構成する非導電性材料としては、マイカ、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ガラス等の無機絶縁材料、熱可塑性樹脂等が挙げられる。金属系粒子集合体層５０が形成される基板６０の表面は、平滑であることが好ましい。
基板６０は、透光性を有する基板又は光学的に透明な基板であってもよいし、非透光性（光吸収性）であってもよい。
アノード層３０側から光を取り出す場合、基板６０は、透光性を有する基板又は光学的に透明な基板であることが好ましい。この場合、基板６０は、発光層２０から出射される光に関して、８０％以上の光透過率を有することが好ましく、９０％以上の光透過率を有することがより好ましい。
基板６０の厚みは特に制限されず、例えば１０μｍ以上１０ｍｍ以下であり、好ましくは２０μｍ以上５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは３０μｍ以上１ｍｍ以下である。
【００４４】
本発明に係る有機ＥＬ素子において、金属系粒子５１の表面を覆う、あるいはさらに金属系粒子５１間の間隙を埋める保護層を設けてもよい。金属系粒子５１間の電気的絶縁性を確保するために、保護層は、絶縁材料からなることが好ましい。保護層を構成する絶縁材料については、絶縁層４０を構成する絶縁材料についての後述の記述が引用される。
図１に示されるように、後述する絶縁層４０が上記保護層を兼ねていてもよい。
【００４５】
発光層２０から出射される光の極大発光波長は、金属系粒子集合体層５０のプラズモンピークの極大波長と一致するか又は近いことが好ましい。これにより、プラズモン共鳴による増強効果をより効果的に高めることができる。金属系粒子集合体層５０のプラズモンピークの極大波長は、これを構成する金属系粒子６１の構成材料、平均粒径、平均高さ、アスペクト比及び／又は平均粒子間距離の調整により制御可能である。
【００４６】
金属系粒子集合体層５０は、例えば次のような方法によって作製することができる。
〔ａ〕基板（例えば基板６０）上において微小な種（ｓｅｅｄ）から金属系粒子５１を成長させていくボトムアップ法、
〔ｂ〕所定の形状を有する金属系粒子５１を所定の厚みを有する両親媒性材料からなる保護層で被覆した後、ＬＢ（Ｌａｎｇｍｕｉｒ  Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）膜法により、これを基板（例えば基板６０）上にフィルム化する方法、
〔ｃ〕その他、蒸着又はスパッタリングにより作製した薄膜を後処理する方法、レジスト加工、エッチング加工、金属系粒子が分散された分散液を用いたキャスト法など。
【００４７】
例えば国際公開第２０１３／０４２４４９号には、上記〔ａ〕の一例として、スパッタンリング等により金属系粒子を基板上に成長させる製造方法が記載されている。また例えば国際公開第２０１４／０４５８５２号には、上記〔ｃ〕の一例として、金属系粒子が分散された分散液を基板上に塗布し、得られた薄膜を金属系粒子集合体層へ形態変化させる製造方法が記載されている。本発明においても、これらの製造方法を好適に用いることができる。また、上記〔ａ〕の他の例として、金属系粒子を構成する金属カチオンを含む液体に基板を接触させた状態で金属カチオンを還元し、これにより金属系粒子集合体層を基板上に形成する方法を挙げることもできる。
【００４８】
（３）カソード層及びアノード層
本発明に係る有機ＥＬ素子は、微小共振器（マイクロキャビティ）構造を有する。このために、カソード層１０及びアノード層３０は、発光層２０が発する光に関して、通常、反射性能を有する。
カソード層１０を構成する材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属及び周期表１３族金属等が挙げられ、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム、ランタノイド元素等の金属；前記金属から選択される２種以上の合金；前記金属から選択される１種以上と、金、銀、白金、銅、パラジウム、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル及びタングステンから選択される１種との合金；金、白金、銀、銅；酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）；ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等の有機物；又は、グラファイトもしくはグラファイト層間化合物が好ましい。
上記合金としては、例えば、マグネシウム−銀合金、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、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金が挙げられる。
カソード層１０は、異種材料からなる２層以上の多層構造であってもよい。
【００４９】
カソード層１０の厚みは、通常１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、より好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
【００５０】
カソード層１０の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、金属薄膜を熱圧着するラミネート法及び塗布法等が挙げられる。塗布法としては、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、オフセット印刷法及びインクジェットプリント法等が挙げられる。
【００５１】
アノード層３０を構成する材料としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、金、白金、銀、及び銅等が挙げられ、これらの中でもＩＴＯ、ＩＺＯ、又は酸化スズが好適に用いられる。アノード層３０として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等の有機物の透明導電膜を用いてもよい。
アノード層３０は、異種材料からなる２層以上の多層構造であってもよい。
【００５２】
アノード層３０の厚みは、例えば１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
アノード層３０の形成方法としては、カソード層１０の形成方法と同様の方法が挙げられる。
【００５３】
本発明に係る有機ＥＬ素子は、カソード層１０とアノード層３０との間の光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）が、いずれかの自然数ｍにおいて上記式（１）を満たす。上記式（１）を満たすことにより、微小共振器（マイクロキャビティ）構造を含むことに起因する輝度効率及び輝度の向上効果を得ることができる。
輝度効率及び輝度を向上させる観点から、本発明に係る有機ＥＬ素子は、光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）が、いずれかの自然数ｍにおいて、好ましくは式（２）を満たし、より好ましくは式（３）を満たし、さらに好ましくは式（４）を満たし、なおさらに好ましくは式（５）を満たし、特に好ましくは式（６）を満たす。式（２）〜式（６）において、ｍ及びλの意味は、式（１）における意味と同じである。
【００５４】
【数２】
2020004569.tif 000004
【００５５】
式（１）〜式（６）において、カソード層１０とアノード層３０との間の光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）は、下記式で表される。
【００５６】
【数３】
2020004569.tif 000005
【００５７】
式（７）中、Ｍ１は、カソード層１０とアノード層３０との間の光学光路長（すなわち、カソード層１０とアノード層３０との間に介在する各層の光学光路長（ｎｍ）の総和）であり、式（８）で表される。式（８）中、λは式（１）における意味と同じであり、ｎ（λ）は波長がλ（ｎｍ）である光についての、上記各層のそれぞれの屈折率を表し、Ｌｉは上記各層のそれぞれの厚み（ｎｍ）を表す。
式（７）中、Ｍ２は、カソード層１０とアノード層３０との間に介在する各層の界面で光が反射するときに生じる位相シフト（ｎｍ）の総和であり、式（９）で表される。式（９）中、λは式（１）における意味と同じであり、ｎｓは反射面に対して光入射・反射側の物質の屈折率の実部を表し、ｎｍは反射面に対して光入射・反射側と逆側の物質の屈折率の実部を表し、ｋｍは反射面に対して光入射・反射側と逆側の物質の屈折率の虚部を表す。
【００５８】
カソード層１０とアノード層３０との間の光学的共振器長Ｍは、カソード層１０とアノード層３０との間に介在する１以上の層の屈折率（材質）及び／又は厚みを調整することによって制御できる。
【００５９】
（４）発光層
発光層２０は発光する機能を有する層であり、有機発光材料を含有する。発光層２０は、当該分野において従来公知の材料で構成することができる。有機発光材料は、例えば、従来公知の有機燐光発光材料（燐光発光性高分子等）や有機蛍光発光材料（蛍光発光性高分子等）等である。
本発明に係る有機ＥＬ素子は、１層又は２層以上の発光層を有していてもよい。
【００６０】
より具体的には、有機発光材料としては、発光性低分子及び発光性高分子等が挙げられる。発光性低分子としては、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体〔トリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム錯体；Ａｌｑ３〕、ビス（ベンゾキノリノラト）ベリリウム錯体〔ＢｅＢｑ〕等が挙げられる。発光性低分子を含む発光層２０は、例えば、スピンコート法、蒸着法等のドライ成膜法又はウェット成膜法によって得ることができる。
【００６１】
発光性高分子としては、ポリ(９，９−ジオクチルフルオレン−ａｌｔ−ベンゾチアジアゾール）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリアルキルチオフェン等のπ共役系高分子等が挙げられる。発光性高分子を含む発光層２０は、例えばスピンコート法など、発光性高分子含有液を用いたウェット成膜法によって得ることができる。
発光層２０は、発光性低分子又は発光性高分子がマトリックス中に分散された層であってもよい。マトリックス材料としては、導電性高分子及び半導体高分子等の透明高分子を用いることができる。
【００６２】
発光層２０は、色素分子の単分子膜からなるもの、又はマトリックス中に色素分子を分散させたものであってもよい。単分子膜からなる発光層２０は、色素分子含有液をスピンコートした後、溶媒を除去する方法により得ることができる。色素分子としては、Ｅｘｃｉｔｏｎ社から販売されているローダミン１０１、ローダミン１１０、ローダミン５６０、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、ローダミン６４０、ローダミン７００等のローダミン系色素、Ｅｘｃｉｔｏｎ社から販売されているクマリン５０３等のクマリン系色素等が挙げられる。
【００６３】
マトリックス中に色素分子を分散してなる発光層２０は、色素分子及びマトリックス材料を含有する液をスピンコートした後、溶媒を除去する方法により得ることができる。マトリックス材料としては、導電性高分子及び半導体高分子等の透明高分子を用いることができる。
【００６４】
本発明によれば、強いプラズモン共鳴を示すとともに、プラズモン共鳴の作用範囲（プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲）が伸長された金属系粒子集合体層５０を備えるため、発光層２０が例えば１０ｎｍ以上、さらには２０ｎｍ以上、なおさらには３０ｎｍ以上の厚みを有する場合であっても、発光層２０全体の発光増強、ひいては輝度効率及び輝度の向上が可能である。発光層２０の厚みの上限は特に制限されないが、好ましくは３００ｎｍであり、より好ましくは２００ｎｍである。
本発明によれば、強いプラズモン共鳴を示すとともに、プラズモン共鳴の作用範囲（プラズモンによる増強効果の及ぶ範囲）が伸長された金属系粒子集合体層５０を備えるため、発光層２０の金属系粒子集合体層５０側の表面と金属系粒子集合体層５０の発光層２０側の表面との間の距離が例えば１０ｎｍ以上、さらには２０ｎｍ以上、なおさらには３０ｎｍ以上の厚みを有する場合であっても、発光層２０の発光増強、ひいては輝度効率及び輝度の向上が可能である。
【００６５】
本発明に係る有機ＥＬ素子は、発光層２０の金属系粒子集合体層５０側の表面と金属系粒子集合体層５０の発光層２０側の表面との間の距離が２０ｎｍ以上であっても、発光層２０に含有される有機発光材料のフォトルミネッセンス量子収率（放出されたフォトン数／吸収されたフォトン数）が、金属系粒子集合体層５０を有しないこと以外は同じ構成を有する有機ＥＬ素子（基礎有機ＥＬ素子）と比べて、１．５倍以上、さらには２倍以上、なおさらには３倍以上となり得る。
本発明に係る有機ＥＬ素子は、発光層２０の金属系粒子集合体層５０側の表面と金属系粒子集合体層５０の発光層２０側の表面との間の距離が２０ｎｍ以上であっても、発光層２０に含有される有機発光材料のフォトルミネッセンス量子収率（放出されたフォトン数／吸収されたフォトン数）が、金属系粒子集合体層５０を有しないこと以外は同じ構成を有する有機ＥＬ素子（基礎有機ＥＬ素子）と比べて、１．５倍以上、さらには２倍以上、なおさらには３倍以上となり得る。
１．５倍以上のフォトルミネッセンス量子収率を得るためには、上記距離は、好ましくは１５０ｎｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは８０ｎｍ以下である。
【００６６】
金属系粒子集合体層５０のプラズモン共鳴による発光増強効果は、発光層２０と金属系粒子集合体層５０との間の距離が大きくなるほど小さくなる傾向にある。かかる観点から、発光層２０の金属系粒子集合体層５０側の表面と金属系粒子集合体層５０の発光層２０側の表面との距離は、例えば２００ｎｍ以下であり、好ましくは１５０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１００ｎｍ以下である。
【００６７】
（５）絶縁層
アノード層３０と金属系粒子集合体層５０との間に配置され得る絶縁層４０は、アノード層３０と金属系粒子集合体層５０との間の電気的絶縁性を図るための層である。アノード層３０と金属系粒子集合体層５０との間の電気的絶縁性を確保することにより、金属系粒子集合体層５０に電流が流れてプラズモン共鳴による発光増強効果が十分に得られないおそれを防ぐことができる。
絶縁層４０は、図１に示されるように、金属系粒子５１間の間隙を埋めるように形成されていてもよく、この場合、絶縁層４０は、金属系粒子５１間の電気的絶縁性を確保する役割をも果たす。
【００６８】
本発明に係る有機ＥＬ素子は、アノード層３０と金属系粒子集合体層５０との間に１層又は２層以上の絶縁層を有していてもよい。絶縁層を２層以上有する場合、これらは、互いに異なる材料で構成されていていてもよい。例えば、絶縁層４０は、金属系粒子５１の表面を覆う、あるいはさらに金属系粒子５１間の間隙を埋める上述の保護層と、その上に積層される絶縁材料からなる１以上の層との積層構造であってもよい。
【００６９】
絶縁層４０を構成する材料としては、良好な絶縁性を有するものであれば特に制限されず、例えば、スピンオングラス（ＳＯＧ；例えば有機シロキサン材料を含有するもの）のほか、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４、樹脂（例えば、熱可塑性樹脂、硬化樹脂）等を用いることができる。
【００７０】
絶縁層４０の厚みは、所望の絶縁性を確保する観点から、好ましくは２０ｎｍ以上であり、より好ましくは３０ｎｍ以上である。
また、絶縁層４０の厚みは、発光層２０の金属系粒子集合体層５０側の表面と金属系粒子集合体層５０の発光層２０側の表面との距離を小さくする観点からは、好ましくは２００ｎｍ以下であり、より好ましくは１５０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１００ｎｍ以下であり、なおさらに好ましくは８０ｎｍ以下である。
【００７１】
（６）有機ＥＬ素子が有し得る他の構成要素
本発明に係る有機ＥＬ素子は、カソード層１０とアノード層３０との間に配置される、発光層２０以外の他の層を１種以上含むことができる。
他の層としては、カソード層１０と発光層２０との間に設ける層、アノード層３０と発光層２０との間に設ける層が挙げられる。
【００７２】
カソード層１０と発光層２０との間に設ける層としては、電子注入層、電子輸送層、正孔ブロック層等が挙げられる。これらの層はそれぞれ、２層以上設けられてもよい。
電子注入層は、カソード層１０からの電子注入効率を改善する機能を有する層であり、電子輸送層は、電子注入層又はカソード層１０により近い電子輸送層からの電子注入を改善する機能を有する層である。
【００７３】
また、電子注入層又は電子輸送層が正孔の輸送を堰き止める機能を有する場合には、これらの層を正孔ブロック層と称することがある。
正孔の輸送を堰き止める機能を有することは、例えば、ホール電流のみを流す素子を作製し、その電流値の減少で堰き止める効果を確認することが可能である。
【００７４】
アノード層３０と発光層２０との間に設ける層としては、正孔注入層、正孔輸送層、電子ブロック層等が挙げられる。これらの層はそれぞれ、２層以上設けられてもよい。
正孔注入層は、アノード層３０からの正孔注入効率を改善する機能を有する層であり、正孔輸送層とは、正孔注入層又はアノード層３０により近い正孔輸送層からの正孔注入を改善する機能を有する層である。
【００７５】
また、正孔注入層又は正孔輸送層が電子の輸送を堰き止める機能を有する場合には、これらの層を電子ブロック層と称することがある。
電子の輸送を堰き止める機能を有することは、例えば、電子電流のみを流す素子を作製し、その電流値の減少で堰き止める効果を確認することが可能である。
【００７６】
アノード層３０からカソード層１０までの層構成の例を挙げれば、例えば次のとおりである。
ａ）アノード層３０／発光層２０／カソード層１０
ｂ）アノード層３０／正孔注入層／発光層２０／カソード層１０
ｃ）アノード層３０／正孔注入層／発光層２０／電子注入層／カソード層１０
ｄ）アノード層３０／正孔注入層／発光層２０／電子輸送層／カソード層１０
ｅ）アノード層３０／正孔輸送層／発光層２０／電子注入層／カソード層１０
ｆ）アノード層３０／正孔輸送層／発光層２０／電子輸送層／電子注入層／カソード層１０
ｇ）アノード層３０／正孔注入層／発光層２０／電子輸送層／電子注入層／カソード層１０
ｈ）アノード層３０／正孔注入層／正孔輸送層／発光層２０／カソード層１０
ｉ）アノード層３０／正孔注入層／正孔輸送層／発光層２０／電子注入層／カソード層１０
ｊ）アノード層３０／正孔注入層／正孔輸送層／発光層２０／電子輸送層／カソード層１０
ｋ）アノード層３０／正孔注入層／正孔輸送層／発光層２０／電子輸送層／電子注入層／カソード層１０
ｌ）アノード層３０／発光層２０／電子注入層／カソード層１０
ｍ）アノード層３０／発光層２０／電子輸送層／電子注入層／カソード層１０
記号「／」は、記号「／」を挟む各層が隣接して積層されていることを示す。
【００７７】
（７）カソード層側からの発光の強度とアノード層側からの発光の強度との比
本発明に係る有機ＥＬ素子に含まれる基礎有機ＥＬ素子において、カソード層１０側からの発光の強度Ａとアノード層３０側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂは、０．２以上であり、好ましくは０．２２以上、より好ましくは０．２３以上、さらに好ましくは０．２４以上である。このような発光特性を有する基礎有機ＥＬ素子に対して、アノード層３０における発光層２０とは反対側に金属系粒子集合体層５０を配置すれば、カソード層１０側からの発光の強度を大きくすることができる。
【００７８】
上記比Ａ／Ｂは、通常３以下であり、典型的には２以下であり、より典型的には１．５以下である。
上記比Ａ／Ｂは、カソード層１０とアノード層３０との間に介在する１以上の層の屈折率（材質）及び／又は厚みを調整することによって制御できる。
【００７９】
基礎有機ＥＬ素子は、金属系粒子集合体層５０を有する有機ＥＬ素子から金属系粒子集合体層５０を取り除いた部分構造であり、少なくともカソード層１０、発光層２０及びアノード層３０をこの順に含み、典型的には、カソード層１０からアノード層３０に至る積層構造部を含む。
例えば、カソード層１０、発光層２０、アノード層３０、絶縁層４０、金属系粒子集合体層５０及び基板６０がこの順に配置された有機ＥＬ素子において、基礎有機ＥＬ素子の比Ａ／Ｂは、基板６０上に金属系粒子集合体層５０を形成しないこと以外は上記有機ＥＬ素子と同様にして金属系粒子集合体層５０を有しない有機ＥＬ素子を作製したときの当該有機ＥＬ素子の比Ａ／Ｂとして求めることができる。
【００８０】
＜有機ＥＬ素子の発光増強方法＞
上述のとおり、カソード層、有機発光材料を含有する発光層及びアノード層をこの順に含み、カソード層側からの発光の強度Ａとアノード層側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２以上である基礎有機ＥＬ素子に対して所定の構造を有する金属系粒子集合体層を配置することによって有機ＥＬ素子を構成するとともに、カソード層とアノード層との間の光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）が、いずれかの自然数ｍにおいて式（１）を満たすように有機ＥＬ素子を構成することにより、有機ＥＬ素子の発光を増強させることができ、これにより有機ＥＬ素子の輝度効率及び輝度を向上させることができる。
すなわち、本発明は、下記に示す有機ＥＬ素子の発光増強方法にも関する。
カソード層、有機発光材料を含有する発光層及びアノード層をこの順に含み、前記カソード層側からの発光の強度Ａと前記アノード層側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２以上である基礎有機ＥＬ素子に対して、
３０個以上の金属系粒子が互いに離間して二次元的に配置されてなり、前記金属系粒子の平均粒径が２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の範囲内であり、平均高さが５５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内であり、前記平均高さに対する前記平均粒径の比で定義されるアスペクト比が１以上８以下の範囲内であり、隣り合う金属系粒子間の平均距離が１ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内である金属系粒子集合体層を付設すること、及び
前記カソード層と前記アノード層との間の光学的共振器長Ｍ（ｎｍ）が、いずれかの自然数ｍにおいて下記式（１）を満たすように有機ＥＬ素子を構成することを特徴とする、有機ＥＬ素子の発光増強方法。
【数４】
2020004569.tif 000006
［式中、
Ｍは、前記カソード層と前記アノード層との間の光学的共振器長（ｎｍ）を表す。
ｍは、任意の自然数を表す。
λは、有機エレクトロルミネッセンス素子の発光スペクトルの最大ピークにおける極大波長（ｎｍ）を表す。］
【実施例】
【００８１】
以下、具体例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。
【００８２】
＜実験例１：金属系粒子集合体層の作製＞
直流マグネトロンスパッタリング装置を用いて、下記の条件で、支持基板としての無アルカリガラス基板（０．７ｍｍ厚）上に、銀粒子を極めてゆっくりと成長させ、支持基板表面の全面に金属系粒子集合体の薄膜を形成して、支持基板と金属系粒子集合体層との積層体を得た。
使用ガス：アルゴン
チャンバ内圧力（スパッタガス圧）：１０Ｐａ
基板・ターゲット間距離：１００ｍｍ
スパッタ電力：４Ｗ
平均粒径成長速度（平均粒径／スパッタ時間）：０．９ｎｍ／分
平均高さ成長速度（＝平均堆積速度＝平均高さ／スパッタ時間）：０．２５ｎｍ／分
基板温度：３００℃
基板サイズ及び形状：７ｍｍ×１１ｍｍの長方形
【００８３】
図３は、得られた積層体における金属系粒子集合体層を直上から見たときのＳＥＭ画像である。図３（ａ）は１００００倍スケールの拡大像であり、図３（ｂ）は５００００倍スケールの拡大像である。また図４は、得られた積層体における金属系粒子集合体層を示すＡＦＭ画像である。ＡＦＭ像撮影にはキーエンス社製「ＶＮ−８０１０」を用いた（以下同様）。図４に示される画像のサイズは５μｍ×５μｍである。
【００８４】
ＡＦＭ画像から、実験例１の金属系粒子集合体層を構成する銀粒子の「平均高さ」を求めた。また、ＳＥＭ画像から、上記の測定方法に従って、実験例１の金属系粒子集合体層を構成する銀粒子の「平均粒径」及び「平均粒子間距離」を求め、得られた平均粒径及び平均高さから「アスペクト比」（平均粒径／平均高さ）を算出した。その結果、平均粒径は３３５ｎｍ、平均粒子間距離は１６．７ｎｍ、平均高さは９６．２ｎｍ、アスペクト比は３．４８であった。さらにＳＥＭ画像より、本製造例の金属系粒子集合体層は、約１．９３×１０９個（約２５個／μｍ２）の銀粒子を有することがわかる。
テスター〔マルチメーター（ヒューレット・パッカード社製「Ｅ２３７８Ａ」）〕を用いた上述の方法により、実験例１の金属系粒子集合体層の導電性の有無を確認したところ、上述の測定条件にて抵抗値が３０ＭΩ以上である結果、「オーバーロード」と表示された。実験例１の金属系粒子集合体層は、導電性を有していないことが確認された。
【００８５】
＜実験例２及び３：金属系粒子集合体層の作製＞
直流マグネトロンスパッタリング法のスパッタ時間を変更したこと以外は実験例１と同様にして、支持基板と金属系粒子集合体層との積層体を２種類作製した（実験例２及び実験例３）。実験例２の金属系粒子集合体層は、金属系粒子の平均高さが約１０ｎｍであること以外は実験例１と略同じ粒子形状、アスペクト比及び平均粒子間距離を有し、実験例３の金属系粒子集合体層は、金属系粒子の平均高さが約３０ｎｍであること以外は実験例１と略同じ粒子形状、アスペクト比及び平均粒子間距離を有するものであった。
【００８６】
〔金属系粒子集合体層積層基板の吸光スペクトル測定〕
図５は、実験例１、実験例２及び実験例３で得られた金属系粒子集合体層を有する積層体の吸光光度法により測定された吸光スペクトルである（吸光スペクトルの測定方法は上述のとおり）。非特許文献（K. Lance Kelly, et al., "The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment", The Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107, 668）に示されているように、実験例１のような扁平形状の銀粒子は、平均粒径が２００ｎｍのとき約５５０ｎｍ付近に、平均粒径が３００ｎｍのときは６５０ｎｍ付近にプラズモンピークを持つことが一般的である（いずれも銀粒子単独の場合である）。
【００８７】
一方、実験例１の積層体は、これを構成する銀粒子の平均粒径が約３００ｎｍ（３３５ｎｍ）であるにもかかわらず、図５に示されるように、紫外〜可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長は約４５０ｎｍ付近と、短波長側にシフトしていることがわかる。
プラズモンピークの極大波長は金属系粒子の平均粒径にも依存する。例えば、実験例２及び実験例３では、平均粒径が小さいために実験例１と比較してかなり長波長側にプラズモンピークを有しており、その極大波長は、それぞれ約５１０ｎｍ、約４７０ｎｍである。
また実験例１では、紫外〜可視光領域において最も長波長側にあるプラズモンピークの極大波長における吸光度が約１．９と、実験例２及び実験例３に比べて極めて高く、これより実験例１の金属系粒子集合体層は、極めて強いプラズモン共鳴を示すことがわかる。
【００８８】
＜実施例１：有機ＥＬ素子の作製＞
実験例１に従って積層体を作製した後ただちに、スピンオングラス（ＳＯＧ）溶液を金属系粒子集合体層上にスピンコートして、平均厚み３０ｎｍの絶縁層を積層した。ＳＯＧ溶液には、有機系ＳＯＧ材料である東京応化工業株式会社製「ＯＣＤ  Ｔ−７  ５５００Ｔ」をエタノールで希釈したものを用いた。
【００８９】
次に、イオンスパッタリング法により、アノード層としてのＩＴＯ層（厚み２０ｎｍ）を絶縁層上に積層した後、正孔注入層形成用溶液をアノード層上にスピンコートして、平均厚み２０ｎｍの正孔注入層を積層した。正孔注入層形成用溶液には、ＰＬＥＸＴＲＯＮＩＣＳ社製、商品名「Ｐｌｅｘｃｏｒｅ  ＡＱ  １２００」を、エタノールを用いて希釈したものを用いた。
【００９０】
ついで、正孔輸送材料を含有するキシレン溶液を正孔注入層上にスピンコートして、２０ｎｍ厚の正孔輸送層を形成した。正孔輸送材料は、特開２０１３−４７３１５号公報に従って合成した高分子化合物である。
次に、正孔輸送層上に、真空蒸着法によって発光層としてのＡｌｑ３を厚み３０ｎｍで成膜した。
【００９１】
その後、真空蒸着法により、電子注入層としてのＮａＦ層（４ｎｍ厚）、カソード層としてのＭｇ層（４ｎｍ厚）及びＡｇ層（１６ｎｍ厚）をこの順で発光層上に積層し、乾燥剤付きガラスで封止して、有機ＥＬ素子を得た。
【００９２】
＜実施例２：有機ＥＬ素子の作製＞
発光層としてのＡｌｑ３の厚みを４５ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００９３】
＜比較例１〜４：有機ＥＬ素子の作製＞
発光層としてのＡｌｑ３の厚みをそれぞれ６５ｎｍ（比較例１）、８０ｎｍ（比較例２）、１２０ｎｍ（比較例３）、１４５ｎｍ（比較例４）としたこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【００９４】
＜参考例１〜２、比較参考例１〜４＞
無アルカリガラス基板（０．７ｍｍ厚）上に、金属系粒子集合体層を形成することなく、絶縁層、アノード層、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層及びカソード層を順に形成したこと以外はそれぞれ実施例１〜２、比較例１〜４と同様にして、金属系粒子集合体層を有しない参考例１〜２、比較参考例１〜４の有機ＥＬ素子を作製した（参考例１〜２、比較参考例１〜４はそれぞれ実施例１〜２、比較例１〜４に対応する）。
【００９５】
（光学的共振器長Ｍの算出）
実施例１〜２及び比較例１〜４の有機ＥＬ素子について、カソード層とアノード層との間の光学的共振器長Ｍを、下記の数値に基づき、上記式（７）〜（９）に従って算出した。結果を表１に示す。
λ：５３０ｎｍ
ｎ（λ）：１．４（絶縁層）
１．９（アノード層）
１．６３（正孔注入層）
１．７５（発光層）
１．４（電子注入層）
Ｌｉ（正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層の厚み）：上記のとおり
ｎｓ：１．４
ｎｍ：０．１７６
ｋｍ：３．２９１
【００９６】
（カソード層側からの発光の強度Ａとアノード層側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂの取得）
参考例１〜２、比較参考例１〜４で作製した金属系粒子集合体層を有しない有機ＥＬ素子について上記比Ａ／Ｂを求め、これらをそれぞれ実施例１〜２、比較例１〜４の有機ＥＬ素子に含まれる基礎有機ＥＬ素子の比Ａ／Ｂとした。Ａ／Ｂの値を表１に示す。
カソード層側からの発光の強度Ａは、カソード層側が検出器に相対するように有機ＥＬ素子を装置にセットし、有機ＥＬ素子に対して０〜１２Ｖの電圧を掃引して印加したときの最大輝度効率（Ｃｄ／Ａ）及び最大輝度効率となる電圧印加時の輝度（Ｃｄ／ｍ２）として測定した。
アノード層側からの発光の強度Ｂは、アノード層側（無アルカリガラス基板側）が検出器に相対するように金属系粒子集合体層を有しない有機ＥＬ素子を装置にセットし、該有機ＥＬ素子に対して０〜１２Ｖの電圧を掃引して印加したときの最大輝度効率（Ｃｄ／Ａ）及び最大輝度効率となる電圧印加時の輝度（Ｃｄ／ｍ２）として測定した。
【００９７】
（有機ＥＬ素子の最大輝度効率及び最大輝度効率となる電圧印加時の輝度の評価）
実施例１〜２、比較例１〜４の有機ＥＬ素子について、次の方法に従って、カソード層側から出射される光の最大輝度効率及び最大輝度効率となる電圧印加時の輝度（最大輝度）を測定し、評価した。
輝度測定装置を用いて、電圧を掃引して、有機ＥＬ素子の基板発光面から垂直上面方向にて観測される輝度（Ｃｄ／ｍ２）を測定した。
観測された輝度が１０００Ｃｄ／ｍ２であったときの電流値（単位：Ａ）を測定し、当該輝度をその電流値で割ってＣｄ／Ａ  ＠１０００Ｃｄ／ｍ２を求めた。
結果を表１に示す。実施例１及び実施例２の有機ＥＬ素子の最大輝度効率及び最大輝度効率となる電圧印加時の輝度は、比較例１〜４の有機ＥＬ素子に比べて有意に向上していた。
【００９８】
【表１】
2020004569.tif 000007
【００９９】
＜実施例３：有機ＥＬ素子の作製＞
厚み３０ｎｍのＡｌｑ３を成膜する代わりに、発光材料を含有するキシレン溶液を正孔輸送層上にスピンコートして、厚み１４５ｎｍの発光層を形成したこと以外は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。発光材料は、特開２０１２−２１６８１５号公報に記載の方法に従って合成した青色蛍光発光性の発光高分子材料である。
【０１００】
＜比較例５：有機ＥＬ素子の作製＞
無アルカリガラス基板（０．７ｍｍ厚）上に、金属系粒子集合体層の代わりに、厚み１００ｎｍのＡｇ連続膜を真空蒸着法で形成したこと以外は実施例３と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。
【０１０１】
＜参考例３＞
無アルカリガラス基板（０．７ｍｍ厚）上に、金属系粒子集合体層を形成することなく、絶縁層、アノード層、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層及びカソード層を順に形成したこと以外は実施例３と同様にして、金属系粒子集合体層を有しない参考例３の有機ＥＬ素子を作製した。
【０１０２】
（光学的共振器長Ｍの算出）
実施例３の有機ＥＬ素子について、カソード層とアノード層との間の光学的共振器長Ｍを、下記の数値に基づき、上記式（７）〜（９）に従って算出した。結果を表２に示す。
λ：４７５ｎｍ
ｎ（λ）：１．４（絶縁層）
１．９（アノード層）
１．６３（正孔注入層）
１．８（正孔輸送層）
１．８（発光層）
１．４（電子注入層）
Ｌｉ（正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層の厚み）：上記のとおり
ｎｓ：１．４
ｎｍ：０．１７６
ｋｍ：３．２９１
【０１０３】
（カソード層側からの発光の強度Ａとアノード層側からの発光の強度Ｂとの比Ａ／Ｂの取得）
参考例３で作製した金属系粒子集合体層を有しない有機ＥＬ素子について上記比Ａ／Ｂを求め、これを実施例３の有機ＥＬ素子に含まれる基礎有機ＥＬ素子の比Ａ／Ｂとした。Ａ／Ｂの値を表２に示す。Ａ及びＢの測定方法は上記と同じである。
【０１０４】
（有機ＥＬ素子の最大輝度、最大輝度効率及び外部量子効率（ＥＱＥ）の評価）
実施例３、比較例５の有機ＥＬ素子について、カソード層側から出射される光の最大輝度、最大輝度効率及び外部量子効率（ＥＱＥ）を測定し、評価した。
最大輝度及び最大輝度効率の測定方法は、上記と同じである。外部量子効率（ＥＱＥ）は、観測された輝度が１０００Ｃｄ／ｍ２であったときの当該輝度、発光スペクトル、印加電圧及び電流量からＥＱＥ  ＠１０００Ｃｄ／ｍ２を求めた。
結果を表２に示す。実施例３の有機ＥＬ素子の最大輝度、最大輝度効率及びＥＱＥは、比較例５の有機ＥＬ素子に比べて有意に向上していた。
【０１０５】
【表２】
2020004569.tif 000008
【符号の説明】
【０１０６】
１，２  有機ＥＬ素子、１０  カソード層、２０  発光層、３０  アノード層、４０  絶縁層、５０  金属系粒子集合体層、５１  金属系粒子、６０  基板。
【図１】
2020004569.tif 000010
【図２】
2020004569.tif 000011
【図３】
2020004569.tif 000012
【図４】
2020004569.tif 000013
【図５】
2020004569.tif 000014