(57)【要約】【課題】輝度を向上させ、光の回折に起因するカラーシフトを低減可能な発光デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】発光部と、表面に周期格子構造が形成された回折格子基板と、光拡散性基材とを有する発光デバイスであって、光拡散性基材は、発光部からの発光光と、回折格子基板で反射又は透過した発光光を拡散して出光する構成とする。また、回折格子基板を、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造とし、ユニットの面積を３μｍ２〜１００００００μｍ２とすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部と、表面に周期格子構造が形成された回折格子基板と、光拡散性基材とを有する発光デバイスであって、前記光拡散性基材は、前記発光部からの発光光と、前記回折格子基板で反射又は透過した発光光を拡散して出光することを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記回折格子基板は、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、前記ユニットの面積が３μｍ２〜１００００００μｍ２であることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記回折格子基板の表面に形成された周期格子構造の高さが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記ユニットの形状が長方形または正方形であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記ユニット同士の間隔が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項６】
各ユニットに形成された前記周期格子構造の格子方位のズレが１５°以下できざまれていることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記周期格子構造が、６方最密充填格子で配置されていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記ピッチが発光中心波長の±２００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記回折格子基板が前記発光部からの発光光を反射する反射型回折格子基板であり、前記回折格子基板と前記光拡散性基材の間に前記発光部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記回折格子基板は、表面に金属の周期格子構造を有するプラズモニック基板であることを特徴とする請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記金属が銀、アルミニウム、及び金からなる金属から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記回折格子基板が前記発光部からの発光光を透過する透過型回折格子基板であり、前記発光部と前記光拡散性基材の間に前記回折格子基板が設けられており、前記光拡散性基材が、粘着材または接着剤により、前記回折格子基板に貼り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項１３】
前記発光部が有機ＥＬまたはＬＥＤであることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイ、照明等に使用される有機ＥＬ、蛍光、ＬＥＤなどに適用可能な発光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機ＥＬ、蛍光、ＬＥＤなどの発光デバイスの発光効率の改善のために、発光材料の改善、低電圧化、光取り出し効率の改善などが検討されている。
【０００３】
光取り出し効率を改善する方法として、光散乱層や低屈折率層の導入などが検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。さらに、光の回折を利用して、導波モードの光の進行方向を発光デバイス面方向に偏向させることにより、光取り出し効率を上げる方法も知られている（例えば、特許文献３）。また、発光部近傍に金属の周期格子構造もしくは微粒子の分散体を設け、表面プラズモンを励起することによって、高効率で光を外部に取り出す技術も考案されている（例えば、特許文献４、特許文献５、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５等）。
【０００４】
金属表面の伝播型表面プラズモンは、金属などの導電体表面に入射した電磁波（可視光など）により生じる自由電子の分極波が表面で横波の電場を形成しているものである。平坦な金属表面に存在する伝播型表面プラズモンの場合、伝播光の分散直線とプラズモンの分散曲線は交差しないため、伝播光はプラズモンを直接励起できない。しかし、金属表面に周期格子構造があると、格子によってブラッグ反射された回折波がプラズモンの分散曲線と交差するようになるため、入射した電磁波と金属表面の自由電子の分極波が共鳴状態をつくることができる（非特許文献６）。
【０００５】
このとき、表面プラズモンの波数ベクトルは光の波数と同程度の値となっており、励起子と光がコヒーレントに結合して励起子ポラリトンという状態になる。ポラリトンは自由電子の分極波と電磁波が共鳴によりエネルギーをやり取りしている状態である。周期格子構造のピッチや高さが実質的に一定の（周期格子構造の結晶性が高い）とき、表面プラズモンはひとつの波数ベクトルを持つようになり、特定の入射角、周波数（波長）の光と結合するようになる。
【０００６】
例えば非特許文献５においては、有機発光デバイス内の発光層について光と表面プラズモンの結合を誘発するために周期的な波形の格子構造を使用することにより、放出された光の横方向の透過及び導波を防止すると共に当該構造体の光出力及び効率を高めることが提案されている。理論的には、有機ＥＬ発光デバイス内の有機発光材料が放出した光の最大で９３％までをカプリングすることが可能である。
【０００７】
また、非特許文献３には半導体量子井戸構造の紫外光励起による青色光の発光効率が銀の周期構造により増強されることが示されている。また、非特許文献４には同じく銀の周期構造により、ＬＥＤの発光効率が増強されることが示されている。
【０００８】
今後、発光デバイスを表示装置として適用するに際し、輝度の向上に加えて視認性を向上させることが望まれる。特に、回折格子を適用して輝度の向上を図る場合には光の回折に起因するカラーシフトの影響を低減することが重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２３５６０５号公報
【特許文献２】国際公開第０２／３７５６８号
【特許文献３】特許第３５０３５７９号公報
【特許文献４】特開２００４−３１３５０号公報
【特許文献５】特開２００９−１５８４７８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Opt. Lett., 30, 2302（2005）Enhancement of EL through a two-dimensional corrugated metal film bygrating-induced surface plasmon cross coupling
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett., 93, 051106（2008）Enhancement of surface plasmon-mediated radiative energy transferthrough a corrugated metal cathode in organic light-emitting devices
【非特許文献３】Nature Mater., 3,601（2004）Surface Plasmon enhanced light emitters based on InGaN quantum wells
【非特許文献４】Appl. Phys. Lett., 77,15,2295（2000）Optimization of the emission characteristics of LED by SP andsurface waveguide mode
【非特許文献５】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８０，Ｎｏ．２０，  （２００２）
【非特許文献６】光ナノテクノロジーの基礎  オーム社  Ｐ．３５  （２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、輝度を向上させ、光の回折に起因するカラーシフトを低減可能な発光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、課題を解決するため、発光デバイスにおいて、回折格子基板と光拡散能を有するシート（板状体）またはフィルムを設けることにより、表面プラズモン共鳴を利用して光エネルギーの取り出し効率を向上するとともに、光の回折によるカラーシフトの視認レベルを低減させることを見出した。
【００１３】
本発明の発光デバイスは、発光部と、表面に周期格子構造が形成された回折格子基板と、光拡散性基材とを有する発光デバイスであって、光拡散性基材は、発光部からの発光光と、回折格子基板で反射又は透過した発光光を拡散して出光することを特徴とする。
【００１４】
本発明の発光デバイスにおいて、回折格子基板は、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、ユニットの面積が３μｍ２〜１００００００μｍ２であることが好ましい。
【００１５】
本発明の発光デバイスにおいて、回折格子基板の表面に形成された周期格子構造の高さが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。
【００１６】
本発明の発光デバイスにおいて、ユニットの形状が長方形または正方形であることが好ましい。
【００１７】
本発明の発光デバイスにおいて、ユニット同士の間隔が１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
本発明の発光デバイスにおいて、各ユニットに形成された周期格子構造の格子方位のズレが１５°以下できざまれていることが好ましい。
【００１９】
本発明の発光デバイスにおいて、周期格子構造が、６方最密充填格子で配置されていることが好ましい。
【００２０】
本発明の発光デバイスにおいて、ピッチが発光中心波長の±２００ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００２１】
本発明の発光デバイスにおいて、回折格子基板が発光部からの発光光を反射する反射型回折格子基板であり、回折格子基板と光拡散性基材の間に発光部が設けられていることが好ましい。
【００２２】
本発明の発光デバイスにおいて、回折格子基板が表面に金属の周期格子構造を有するプラズモニック基板であることが好ましい。
【００２３】
本発明の発光デバイスにおいて、金属が銀、アルミニウム、及び金からなる金属から選択される少なくとも１つであることが好ましい。
【００２４】
本発明の発光デバイスにおいて、回折格子基板が前記発光部からの発光光を透過する透過型回折格子基板であり、前記発光部と前記光拡散性基材の間に前記回折格子基板が設けられており、前記光拡散性基材が、粘着材または接着剤により、前記回折格子基板に貼り付けられていることが好ましい。
【００２５】
本発明の発光デバイスにおいて、発光部が有機ＥＬまたはＬＥＤであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の発光デバイスによれば、回折格子基板と光拡散性基材を設け、回折格子基板で反射又は透過した発光光を光拡散性基材で拡散して出光することにより、輝度を向上させると共に、光の回折に起因するカラーシフトを低減することができる。特に、回折格子基板を表面に金属の周期格子構造が設けられたプラズモニック結晶基板とする場合に、表面プラズモン共鳴を利用して発光デバイスの発光効率を効果的に向上させると共に、カラーシフトを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光デバイスの模式図。
【図２】本発明の実施の形態に係るプラズモニック多結晶基板の模式図。
【図３】本発明の実施例に係る原版の電子顕微鏡写真。
【図４】本発明の比較例に係る原版の電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
本発明の発光デバイス１００は、発光部１０２と、表面に周期格子構造が形成された回折格子基板１０１と、光拡散性基材１０３とを有し、光拡散性基材１０１は、発光部１０２から射出された発光光及び回折格子基板１０１で反射又は透過した発光光を拡散して出光する（図１（Ａ）、（Ｂ）参照）。
【００３０】
回折格子基板１０１を構成する材料に限定は無く、誘電体、半導体、金属等の材料を用いることができる。
【００３１】
回折格子基板１０１を反射型とする場合（図１（Ａ）参照）には、回折格子基板１０１上に発光部１０２を設け、当該発光部１０２上に光拡散性基材１０３を設けた構成、すなわち回折格子基板１０１と光拡散性基材１０３の間に発光部１０２を設けた構成とすることができる。この場合、回折格子基板１０１としては、表面に金属の周期格子構造を有するプラズモニック結晶基板とすることが好ましい。本明細書内では金属からなる回折格子を特にプラズモニック結晶基板とよぶ。なお、発光部１０２からの発光光を反射できるのであれば、回折格子基板１０１を誘電体や半導体、又はこれらと金属との組み合わせで形成することができる。
【００３２】
回折格子基板１０１を透過型とする場合（図１（Ｂ）参照）には、回折格子基板１０１上に発光部１０２を設け、発光部１０２が設けられた面と反対側の回折格子基板１０１の面側に光拡散性基材１０３を設けた構成、すなわち発光部１０２と光拡散性基材１０３の間に回折格子基板１０１を設けた構成とすることができる。この場合、発光部１０２の回折格子基板１０１が設けられた面と反対側の面に反射材１０４を設けてもよい。回折格子基板１０１を透過型とする場合には、回折格子基板１０１として、発光部１０２から射出された発光光を透過する材料（例えば、誘電体、半導体）を用いることが好ましい。
【００３３】
図１に示すように、発光デバイス１００において、回折格子基板１０１と光拡散性基材１０３を設け、回折格子基板１０１で反射又は透過した発光光を光拡散性基材１０３で拡散して出光することにより、輝度を向上させると共に、光の回折に起因するカラーシフトを低減することができる。
【００３４】
[発光部]
発光部１０２は、光を射出できるものであればよく、例えば、有機ＥＬ素子、蛍光、ＬＥＤ等で設けることができる。発光デバイスが有機ＥＬである場合には、陽極と、陰極と、当該陽極と陰極の間に形成される発光層が発光部１０２に相当する。
【００３５】
[光拡散性基材]
光拡散性基材１０３は、光拡散機能を有するシート（板状体）又は光拡散機能を有するシートで形成することができる。具体的には、光拡散性基材１０３としては、光拡散材がシート又はフィルム内に分散されたもの、光拡散性を有する構造がシート又はフィルム表面に形成されたもの、拡散材と光拡散性を有する構造を組み合わせたもの等を用いることができる。これらの中から発光デバイスで適用する波長の指向性等を考慮して適用すればよい。一例として、光拡散材がシート又はフィルム内に分散された光拡散性基材として、恵和株式会社製のオルパルスを適用でき、光拡散性を有する構造がシート又はフィルム表面に形成された光拡散性基材として、Ｌｕｍｉｎｉｔ社製のＬＩＧＨＴ  ＳＨＡＰＩＮＧ  ＤＩＦＦＵＳＥＲを適用することができる。
【００３６】
光拡散性基材１０３を構成するシート又はフィルムとしてはガラスや樹脂などを用いることができるが、加工性の良さや軽量であることなどから樹脂を用いることが好ましい。また、光拡散材としては空気などの低屈折率材料、酸化チタンなどの高屈折率材料を用いることができる。
【００３７】
また、光拡散性基材１０３の界面反射を減らすことにより光の取り出し効率があがるため、光拡散能を有するシート又はフィルムを粘着材または接着剤を用いて貼り付けることが好ましい。また、ガスバリア性の観点からも、光拡散能を有するシート又はフィルムを粘着材または接着剤を用いて貼り付けることにより空気層を設けない構成とすることが好ましい。
【００３８】
また、光拡散性基材１０３の片面もしくは両面にガスバリア機能を有する層（ガスバリア層）を設けてもよい。これにより、光拡散性基材１０３のガスバリア性をさらに向上することができる。ガスバリア層は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素などの無機酸化物や無機窒化物、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等で形成することができる。ガスバリア層は多層であっても構わない。十分なガスバリア性を発揮するためにはガスバリア層の厚みは５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上、さらに好ましくは５０ｎｍ以上とする。逆に厚くしすぎるとガスバリア層にクラックが入る等の不具合も生じるため、ガスバリア層の厚みは１０μｍ以下、さらには１μｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
[回折格子基板]
回折格子基板１０１は、表面に周期格子構造を有する基材で設ければよく、誘電体、半導体、金属のいずれかの材料を用いることができる。以下に、回折格子基板１０１の一例として、金属からなる回折格子基板（プラズモニック結晶基板）について詳細に説明する。
【００４０】
プラズモニック結晶基板は、例えば誘電体からなる多結晶性回折格子の上に金属膜を被覆する、あるいは、フラットな金属膜を形成しその後金属膜にパターニングを施すなどの手法により得られるが、製法には特に限定はない。本発明の発光デバイスにおけるプラズモニック結晶基板は、１５０ｎｍ〜１５００ｎｍのピッチの金属の周期格子構造を有する基板であることが好ましい。特に、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、前記ユニットの面積が３μｍ２〜１００００００μｍ２であることがより好ましい。すなわち、互いに異なる金属の周期格子構造を有する複数の領域(ユニット)を基板上に設けた構成とする。異なる金属の周期格子構造を得るには、金属の周期格子構造のピッチ、高さ及び格子方向の少なくともいずれか一つが異なるように形成すればよい。これにより、金属の周期格子構造に由来した回折に起因して発生するカラーシフトを効果的に抑制することができる。
【００４１】
また、金属の周期格子構造は、金属が周期構造を有するように設けるのであればどのように設けてもよく、例えば、表面に周期格子構造が異なる領域がランダムに形成された多結晶性回折格子基板上に金属膜を成膜することにより設けることができる。以下に、本発明発光デバイスに適用する多結晶性回折格子基板の一構成例に関して、図２を参照して説明する。なお、図２では、多結晶性回折格子基板の一例としてプラズモニック多結晶基板を例に挙げて説明する。
【００４２】
図２に示すプラズモニック多結晶基板は、金属の周期格子構造の格子方位及びピッチが互いに異なるユニットをランダムに配置した構成となっている。具体的には、各ユニットには金属の周期格子構造が６方最密充填格子配置で形成され、結晶方位（６方最密充填格子配置）が１５°きざみで異なる４つの周期格子構造をランダムに配置する場合を示している。また、各結晶方位について、それぞれピッチが４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍで設定されている。
【００４３】
（ユニット）
カラーシフトを効果的に低減させるためには、隣り合うユニット同士が異なる金属の周期格子構造（図２では、異なる格子方位及び／又はピッチ）を有していることが好ましい。また、各ユニットは、表面プラズモンカップリングを誘発することができる面積をもてばよく、複数のユニットのそれぞれの面積が、３μｍ２〜１００００００μｍ２とすることが好ましい。具体的なユニットの面積は、周期格子構造のサイズにより決めることができる。すなわち、放出された光の横方向の透過及び導波を防止すると共に当該構造体の光出力及び効率を高めるためには、ユニット内の格子個数は、各格子方位に５個以上あればよい。たとえばユニットの形状が正方形、格子形状が正方格子、格子サイズが５００ｎｍの場合、ユニットサイズ（ユニットの各辺の長さ）の下限は５００ｎｍ×５＝２５００ｎｍとなる。一方で、ユニットが１０００μｍより大きくなると各ユニット視認し易くなるため、１０００μｍ以下（面積では、１００００００μｍ２以下）であることが好ましい。
【００４４】
また、各ユニット間の隙間を狭くすることが好ましく、具体的には各ユニット間の隙間は人間の視認が困難な１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下であることが好ましい。ユニット形状には特に制限はなく、例えば三角形、六角形、八角形などであっても構わないが、製造プロセスが簡素化できることから図１のように長方形もしくは正方形形状のユニットが並んでいることが好ましい。また、ユニットの配置についても特に制限はないが、ユニット同士の隙間を狭くすることや製造プロセスを考慮すると、ユニットを格子状に配置することが好ましい。
【００４５】
（周期格子構造）
本発明の一側面の目的は、表面プラズモンによってディスプレイ、照明等に使用される有機ＥＬ、蛍光、ＬＥＤなどの発光効率を向上することである。そのためには、金属の周期格子構造で目的とする波長帯の表面プラズモンカップリングを効率よく励起することが必要である。金属の周期格子構造が１次元の場合（ライン／スペースの周期構造）より２次元の場合（ドットの周期構造）のほうが高い効果が得られる。また、周期格子構造が２次元の場合でも、２方向に周期構造がある配置（格子交差角度＝９０度）よりも３方向に周期構造がある配置（格子交差角度＝６０度、６方細密充填格子配置）のほうが、表面プラズモンを励起できる条件が多いため好ましい。
【００４６】
すなわち、図２で示す２次元的な６方最密充填格子配置の場合、３方向に周期構造が作製されるため、回折光を表面プラズモンと共鳴させる効率において最も優れた格子配置となり、発光効率の向上効果が高い。
【００４７】
（ピッチ）
周期格子構造のピッチは、発光デバイスの発光部からの発光光の実効波長程度の大きさに設定することが好ましい。したがって、ピッチは発光光の波長によって適宜選択される。例えば、可視光用の発光デバイスを想定する場合には１５０〜１５００ｎｍの範囲内であり、より好ましくは４００〜１０００ｎｍである。さらに好ましくは発光させたい波長とほぼ同等（発光させたい波長±２００ｎｍなど）であることが好ましく、最も好ましい範囲は２００〜１０００ｎｍである。
【００４８】
また、白色光を発光させたい用途においては、赤色用のピッチを有するユニット、緑色用のピッチを有するユニット、青色用のピッチを有するユニットをランダムに配列させることが好ましい。
【００４９】
（高さ）
周期格子構造の高さは、５〜５００ｎｍであればよく、より好ましくは１０〜２００ｎｍ、さらに好ましくは、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。５００ｎｍ以下であれば電極の短絡の原因が起き難く、５ｎｍ以上であれば表面プラズモンカプリングの効率が向上する。
【００５０】
（周期格子構造の方位）
格子の基準軸を任意に定め、そこから格子交差角度まで周期格子構造をずらす。各ユニットの周期格子構造の方位角は格子交差角度の１／４きざみ以下（例えば６方最密充填格子配置の場合では１５°きざみ以下）より好ましくは１／１０きざみ以下で（例えば６方最密充填格子配置の場合では６°きざみ以下））ずれていることが光の回折に起因するカラーシフトが視認されにくくなるため好ましい。
【００５１】
（金属種）
表面に周期格子構造を有する基材を被覆する金属は目的とする波長により適宜選択される。たとえば紫外光の発光デバイスに用いる場合においては、電磁波の振動に金属の自由電子が追従できなくなる周波数（プラズマ周波数）の高いアルミニウムが好ましく、可視域青色〜緑色、例えば３８０ｎｍ〜６５０ｎｍ領域の発光デバイスに用いる場合は、可視の全波長域において高い反射率をしめす銀、またはアルミニウムを用いることが好ましく、さらに誘電率の実部の絶対値の小さい銀を用いることが特に好ましい。可視域の赤色、例えば５８０〜７８０ｎｍにおいてはその波長帯における反射率の高い銀または金を用いることが好ましい。
【００５２】
基材に用いる材料は、目的とする波長域において、実質的に透明な材料であればよい。例えば可視域用の発光素子、発光デバイスに用いる場合には、珪素（Ｓｉ）の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はその複合物や、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニア（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バリウム（Ｂａ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、銅（Ｃｕ）などの金属の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はそれらの複合物（誘電体単体に他の元素、単体又は化合物が混ざった誘電体）を用いることができる。また、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂（ＣＯＰ）、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂などの非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などの樹脂基材も用いることができる。また、基材として樹脂基材などの有機物と、ガラスファイーバーなどの無機物とを組み合わせた構成とすることもできる。基材には樹脂基材を用いることが、フレキシブルで、また軽くできること、あるいはロール方式の製造方法が容易に適用できる等、量産の観点からも好ましい。
【００５３】
本発明の発光デバイスに適用するプラズモニック結晶基板は、ナノインプリント、ＥＢ描画、フォトリソグラフィー、干渉露光などにより作製することができる。
【００５４】
以下に、プラズモニック結晶基板を製造する好ましい方法について、一例を挙げて以下に具体的に説明する。
【００５５】
（原版作製）
まず、基板を準備する。基板としては、シリコン（Ｓｉ）、酸化珪素、ガラス、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化珪素等を用いることができる。
【００５６】
次に、基板上にレジスト膜を形成した後、マスクもしくはレチクルを用いてステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパ）を用いて、基板上のレジスト膜を露光する。マスクもしくはレチクルに形成された単位面積の微細パタンを接ぎ合わせる（接合させる）ようにショットを繰り返し、基板上のレジストを露光する（繰り返し露光法により接合する）。したがって、レジストには、単位微細パタンが接合して形成された連続凹凸格子パタン、連続微細パタンが転写されることとなる。各ショットにおいて、ショット同士の重ね合わせ量（露光回数が複数になる部分の量）は、接合が均一になるように任意に設定できる。基板上のレジスト膜を露光した後に、レジストに適した方法で現像を行い、ついで基板をエッチングして凹凸格子パタンを形成する。
【００５７】
原版作製方法に特に制限は無く、干渉露光法、ＥＢ描画、マスクを利用したステップ＆リピート露光など、任意の手法により作製できるが、大面積で作れることから、干渉露光法であることが好ましい。ここで、前記連続凹凸格子パタンが形成された部分の面積は、種々の用途に応用するために、できるだけ大きいことが好ましく、凹凸格子パタンが形成された部分は４００ｃｍ２以上であることが好ましく、６００ｃｍ２以上であることがより好ましく、１０００ｃｍ２以上であることが最も好ましい。この程度の大きさがあれば、プラズモニック多結晶基板を適用できるデバイスの数が広がる。一方で、大きさの上限に技術的制限は無い。また、凹凸格子パタンの形に特に制限はないが、凸部が離型性がよい蛾の目状、ドーム形状、あるいは円錐形状が好ましい。
【００５８】
（樹脂への転写）
次に得られた原版の形状を樹脂に転写する。転写の方法に特に制限は無く、熱可塑性樹脂への熱転写、もしくはＵＶ硬化樹脂への転写、熱硬化型樹脂への転写など、任意の手法をとることが可能である。なお、ここで得られた転写品は、誘電体からなる多結晶性回折格子基板である。
【００５９】
（Ｎｉスタンパ作製）
得られた転写フィルムに導電化処理をほどこした後、それぞれニッケル等を電気メッキし、ニッケルスタンパを作製する。上記樹脂への転写およびＮｉスタンパ作製の工程は必須ではないが、原版に損傷を与える機会を減らす意味でこれらの工程を経ることが好ましい。また、量産性を踏まえるとＮｉスタンパを溶接等の手法により円筒形に加工し、連続転写用のスタンパに加工することが好ましい。
【００６０】
（賦形）
以上のようにして得られたＮｉスタンパの形状を樹脂に転写する。転写の方法に特に制限は無く、熱可塑性樹脂への熱転写、もしくはＵＶ硬化樹脂への転写、熱硬化型樹脂への転写など、任意の手法をとることが可能であるが、生産性やＮｉスタンパへのダメージ低減などの観点からＵＶ硬化樹脂への転写を用いることが好ましい。また、量産性を踏まえるとロール・トゥ・ロールのＵＶ転写技術を用いることがさらに好ましい。
【００６１】
（金属薄膜形成）
金属薄膜の形成方法にはスパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤなどの乾式成膜法も無電解メッキなどの湿式成膜法も適用できるが、膜厚の均一性、再現性、低材料ロスなどの観点からスパッタリング法が好適に用いられる。
【００６２】
次に、発光部１０２を製造する好ましい方法について、一例を挙げて以下に具体的に説明する。
【００６３】
（発光体層形成）
（ａ  蛍光材の場合）
蛍光材の薄膜形成方法には真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤなどの乾式成膜法も無電解メッキ、溶液キャストなどの湿式成膜法も適用できるが、膜厚の均一性、再現性などの観点から乾式成膜法を用いることが好ましい。蛍光物質は、発光素子からの光を吸収して励起され、発光素子の発光色とは異なる波長（例えば補色関係を有する）の光に変換するものであり、ＹＡＧ蛍光体、窒化物蛍光体、その他の蛍光体を使用可能である。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、または、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩またはＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機および有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか１つ以上であることが好ましい。これらの蛍光体は、発光素子の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができるほか、これらの中間色である黄色、青緑色、橙色などに発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を様々と組み合わせて使用することにより、様々の発光色を有する発光装置を製造することができる。
【００６４】
（ｂ  有機ＥＬの場合）
基板上に陽極導電層、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極導電層のうち少なくとも陽極導電層、発光層、陰極導電層の３層を含む多層を順次積層して有機発光ダイオード素子を作製することが出来る。ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層については、一つの層が二つ以上の機能を兼ねてもよいし、ホール輸送層や電子輸送層は省略しても良い。ホールと電子が出会う場所として発光層は必要である。最も単純な系としては、陽極導電層と陰極導電層に挟まれた発光層だけがあれば良い。本発明の発光デバイスの発光部で用いる陽極導電層、ホール注入層、ホール移動層、発光層、電子移動層、電子注入層、陰極導電層の作製法は特に限定しないが、一般的な下面発光型有機発光ダイオードを例に取り説明すると以下のようになる。すなわち、陽極導電層および陰極導電層は真空蒸着法またはスパッタリング法などによって行い、ホール注入層、ホール移動層、発光層、電子移動層、電子注入層は有機蒸着法または薄膜塗工法によって行う。
【００６５】
各層の積層は基材に近い層から順に行われるので、最初に陽極導電層が形成される。下面発光型有機ＥＬの場合、陽極導電層は透明でなければならないので、材質はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）やＺｎＯ（Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺＴＯ（Ｚｉｎｃ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電材料が選択される。
【００６６】
次にホール注入・移動層として、芳香族アミン化合物などを成膜する。α−ＮＰＤやＣｕＰｃなどの芳香族アミン化合物は、イオン化ポテンシャルとホール輸送特性が適切であり、電気化学的に可逆であるため、ホール輸送材料として最も多く使用される。次に発光層を積層する。発光層に単独で用いられる材料は蛍光性色素化合物であるＢＢＡやＤＴＥ等が挙げられるが、ホールや電子輸送性化合物に蛍光性色素化合物をドープしても良い。蛍光発光性材料の置き換えで、りん光発光性材料を用いると、理論変換効率が約２５％から約１００％に向上するため好ましい。
【００６７】
次に電子輸送層を積層する。電子輸送層としては、オキサジオール系（ＰＢＤなど）、トリアゾール系（ＴＡＺなど）などが使用される。金属錯体系（Ａｌｑ３など）の物質を用いると、電子輸送層と発光層を兼ねることができ便利である。
【００６８】
最後に陰極導電層を積層する。陰極導電層の材料は一般にＬｉＦやＬｉ系化合物などをごく少量付けたあと、Ａｌ、ＡｇやＡｌ/Ａｇ合金などを積層するのが一般的である。本発明では基板上に作製した周期格子構造が有機ＥＬ素子からの発光光の回折光を生じ、陰極の表面プラズモンと共鳴状態をつくるようにする。有機ＥＬ素子からの発光光は、取り出し面である基材の方に進むものと、取り出せない陰極の金属面に進むものがあるが、陰極表面のプラズモニック結晶で光は表面プラズモンのエネルギーに一時的に変換され、後に高強度の輻射光として陰極表面から取り出し面側に向かって放射される。陰極表面から放射される輻射光は指向性が高く、光の取り出し効率を向上することが出来る。この目的のためには、陰極導電層の材料は電子の輸率が高くロスの少ない材料（仕事関数の低い材料）が適するので、Ａｇ、Ａｕなどを選択するか、一般に選択されるＡｌなどとの共蒸着（Ａｌ/Ａｇ等）を用いても良いが、材料選択は必ずしもこれらに限定されない。
【００６９】
下面発光型有機発光ダイオードでは、周期格子構造を付与した透明基材のうち構造面側に最初に陽極導電層を形成し、続いてホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極導電層を順次積層して完成する。この操作によって、周期格子構造の微細凹凸の形状は陰極導電層まで伝わり、陰極導電層がプラズモニック結晶の形状を持つようになる。つまり、陰極導電層がプラズモニック結晶基板に相当する。また、陽極導電層も微細凹凸形状となるため、陽極導電層を透過する際に発光光が回折する。なお、透明基材の形状が陰極導電層に伝わるためには各層の厚さは極力薄い必要があるが、通常有機発光ダイオードのこれら各層はおおよそ２０〜１００ｎｍ程度で形成するため問題ない。また、この場合、光拡散性基材１０３は、透明基材表面のうち凹凸形状が形成された面と反対側の面に設ければよい。また、界面反射低減及びガスバリア性の観点から、透明基材表面に光拡散性基材１０３を粘着材または接着剤を用いて貼り付けることが好ましい。
【００７０】
上面発光型有機発光ダイオードの場合は、周期格子構造を付与した透明基材のうち構造面側に最初に陰極導電層を形成し、続いて電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層、陽極導電層を順次積層して完成する。周期格子構造を有する基材上に陰極導電層を形成することにより、プラズモニック結晶基板として機能させることができる。また、この場合には、光拡散性基材１０３は、陽極導電層の上方側に設ければよい。
【実施例】
【００７１】
以下に本発明の実施の形態の一例を説明する。本発明の概念を用いるものである限り、必ずしも対象とする構造、構成、方式を限定するものではない。
［実施例１］
（原版作製）
干渉露光法により、ガラス基板上に２５０ｍｍ角にパタンを形成した。形成されたパタンは以下の通りである。
【００７２】
ピッチ：５５０ｎｍ
格子高さ：５０ｎｍ
周期格子形状：格子交差角度＝６０度（６方最密重点構造）
断面形状：蛾の目状（モスアイ構造）
【００７３】
（樹脂による複製）
パタンが形成されたガラス原版上に紫外線硬化性樹脂を０．０１ｍｍ塗布し、厚み０．２ｍｍのＰＥＴをガラス原版上に置き、さらに露光中のフィルムのカールを抑える目的で厚さ３ｍｍのガラス板をフィルムの上に置いた。そして、フィルム側から中心波長３６５ｎｍ、照射強度１０００ｍＪ／ｃｍ２の紫外線ランプを１分間照射し、微細凹凸格子を転写した。
【００７４】
（Ｎｉスタンパ作製）
得られた転写フィルムに導電化処理をほどこした後、それぞれニッケル等を電気メッキし、ニッケルスタンパを作製した。
【００７５】
（ＵＶ賦形）
Ｎｉスタンパ上に紫外線硬化性樹脂を０．０１ｍｍ塗布し、厚み０．２ｍｍのＰＥＴをＮｉ原版上に置き、さらに露光中のフィルムのカールを抑える目的で厚さ３ｍｍのガラス板をフィルムの上に置いた。そして、フィルム側から中心波長３６５ｎｍ、照射強度１０００ｍＪ／ｃｍ２の紫外線ランプを１分間照射し、微細凹凸格子を転写した。実施例１の電子顕微鏡写真を図３に示す。
【００７６】
（有機ＥＬ素子の作製）
ＵＶ賦形の終わった基材を用いて有機ＥＬ素子を作製した。有機ＥＬ素子は、基板が凹凸が付与されたＰＥＴフィルムよりなる。その上に、バッファー層、陰極、電子輸送層、ホール輸送層、陽極の順に積層した。各層の材料及び膜厚、成膜方法は以下の通りである。ここで、有機ＥＬ素子から射出される波長（中心波長）は５７０ｎｍである。
（１）バッファー層：ＳｉＯ２  １００ｎｍ  真空蒸着
（２）陰極：  Ａｇ  ４０ｎｍ  真空蒸着
（３）電子輸送層：  Ｔｒｉｓ−（８−ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉ  ｎｅ）ａｌｕｍｉｎｕｍ（Ａｌｑ３）  ４０ｎｍ  真空蒸着
（４）ホール輸送層：  Ｎ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−Ｎ，Ｎ’−ｂｉｓ（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−（１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ）−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ（ＮＰＢ）  ６０ｎｍ  真空蒸着
（５）陽極：  ＩＴＯ  １５０ｎｍ  スパッタリング
【００７７】
上記構成では、表面に周期格子構造が形成された基材上に陰極が成膜されることにより、プラズモニック結晶基板として機能する。
【００７８】
（拡散フィルム）
以上のように作製された、有機ＥＬ素子上に拡散フィルムを配置した。拡散フィルムには恵和株式会社製オルパルス（型番：ＰＢＳ−６３０Ｌ）を用いた。
【００７９】
［比較例１］
拡散フィルムを有機ＥＬ素子上に配置しないものを比較例１とした。
【００８０】
［比較例２］
ピッチを２５０ｎｍ、すなわち発光中心波長より３２０ｎｍ小さいピッチの周期構造とした以外は実施例と同様の作業で作製した有機ＥＬ素子を比較例２とした。比較例２の電子顕微鏡写真を図４に示す。
【００８１】
［ＥＬ強度の評価］
ＥＬスペクトルとＥＬ強度の比較のために、トプコンテクノハウス社製分光放射輝度計ＳＲ−３にて輝度を測定した。測定方向は発光面に対して垂直方向となるようにした。その結果を表１に示した。表１には、比較例２のＬｖ値を１として規格化した値を記した。表１から明らかな通り、表面に発光中心波長と同程度のピッチの凹凸を設けた実施例１および比較例１の輝度が高いことがわかる。
【００８２】
［カラーシフトの評価］
実施例および各比較例それぞれを発光させた状態で、サンプル周囲に白色の円筒形の紙をかぶせ、紙に投影された像を目視にて観察した。その結果、実施例１および比較例２では全面の色味が同等であったのに対し、比較例１においては円周方向１２０°おきに虹のような色味が観察された。これは、比較例１では周期構造に由来する回折により発光された光が波長ごとに分離されたことによる。実施例１および比較例２では、周期格子構造により回折（分光）された光の方位が拡散フィルムによりランダム化され紙に投影されるため、人間が視認できるレベルにおいては同一の色味に感じられることがわかった。
【００８３】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の発光デバイスは、液晶のバックライト光源や、ＬＥＤ照明、有機ＥＬ照明などの照明機器用途基板として好適に用いられる。
【符号の説明】
【００８５】
１００  発光デバイス
１０１  回折格子基板
１０２  発光部
１０３  光拡散性基材
１０４  反射材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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