(57)【要約】【課題】ＳＰＰモード光の発生を抑制し、かつ金属層における光の吸収も抑制することができる有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供する。【解決手段】本発明の有機ＥＬ素子１０は、第１電極２と、発光層を含む有機層３と、第２電極４と、低屈折率層５と、高屈折率層７と、金属層６とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、前記第２電極４は透光性導電材料からなり、前記高屈折率層７の屈折率が前記低屈折率層５の屈折率よりも高いことを特徴とする。【選択図】図２
2015090799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極と、低屈折率層と、高屈折率層と、金属層とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、
前記第２電極は透光性導電材料からなり、
前記高屈折率層の屈折率が前記低屈折率層の屈折率よりも高いことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項２】
前記高屈折率層の屈折率が、前記有機層よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項３】
前記高屈折率層の膜厚が、１０〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の有機ＥＬ素子。
【請求項４】
前記低屈折率層の屈折率はさらに、前記有機層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項５】
前記低屈折率層の屈折率は、前記第２電極の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項６】
前記第１電極の有機層と反対側に、屈折率変調構を造有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項７】
前記屈折率変調構造が、回折格子、レンズ、フォトニック結晶のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項８】
前記第１電極の有機層と反対側に、拡散散乱体を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ素子は、広視野角、高速応答、鮮明な自発光表示等の特徴を有し、また、薄型軽量で低消費電力であること等の理由から、次世代の照明装置や画像表示装置等の柱として期待されている。
有機ＥＬ素子は、有機発光層で発生した光が取り出される向きに応じて、支持基板側から光が取り出されるボトムエミッション型と、支持基板の反対側から光が取り出されるトップエミッション型とに分けられる。
【０００３】
ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子において、発光層で発光した光のうち、透明基板に垂直に入射した光は透明基板を透過して素子の外部に取り出される。また、発光層で発光した光のうち、透明基板（例えば、ガラス（代表的な屈折率：１．５２））と空気（屈折率：１．０）との界面に臨界角以下の小さい入射角（入射光線と入射する界面の法線がなす角度）で入射した光は、その界面で屈折して素子の外部に取り出される。本明細書では、これらの光を外部モード（External Mode）光という。
これに対して、発光層で発光した光のうち、透明基板と空気との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光はその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を基板モード（Substrate Mode）光という。
また、発光層で発光した光のうち、透明導電性酸化物からなる透明電極（例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ（代表的な屈折率：１．８２））と透明基板との界面に臨界角より大きい入射角で入射した光もその界面で全反射されて素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光を導波モード（Waveguide Mode）光という。
また、金属陰極のような金属層が有機ＥＬ素子中に存在する場合、発光層で発光した光のうち、金属層に入射して金属表面の自由電子振動と結合し、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ；Surface Plasmon Polariton）として金属電極の表面に捕捉された光も素子の外部に取り出されず、最終的に材料に吸収されうる。本明細書では、この光をＳＰＰモード（SPP Mode）光という。
【０００４】
有機ＥＬ素子の光取り出し効率（発光層で発光した光に対して素子の外部に取り出される光の割合）は一般に２０％程度に留まっている（例えば、特許文献１）。すなわち、発光層で発光した光のうち、約８０％が損失となっており、これらの損失を低減して光の取り出し効率を向上させることが大きな課題となっている。
ここで、基板モード光の取り出しについては透明基板上に光拡散シートなどを設けることで対処できる（例えば、特許文献２）が、導波モード光及びＳＰＰモード光の低減や取り出し、特にＳＰＰモード光の低減や取り出しについては研究が緒に就いたばかりといえる。
【０００５】
ＳＰＰモード光の対策としては、まだ十分な検討はされていないが、金属の表面にＳＰＰとして捕捉された光を、金属層／低屈折率媒質／高屈折率媒質というOtto型配置によって、捕捉されたＳＰＰモード光を高屈折率媒質中に取り出すことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１０７１７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４３６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしOtto型配置では、捕捉されたＳＰＰモード光を完全に取り出すことはできない。このことについて、図１を用いて説明する。
図１はOtto型配置の有機ＥＬ素子９０を模式的に示した図である。基板９１に、陽極９２、有機層９３、陰極９４、低屈折率層９５、金属層９６が順に積層されている。ここで、有機層９３又は陰極９４の屈折率が低屈折率層９５の屈折率より大きい。この時、金属層９６／低屈折率層９５／有機層９３又は陰極９４が金属／低屈折媒質／高屈折率媒質のOtto型配置となっている。
【０００８】
まず金属の表面に捕捉されたＳＰＰモード光を取り出す説明の前に、金属の表面にＳＰＰモード光として光が捕捉される原理について説明する。Otto型配置の有機ＥＬ素子において、金属層９６の表面（低屈折率層９５との界面）に光が捕捉される過程は二通り存在する。
一つ目の過程は、矢印Ａ１で示した、有機層９３で発光した光が直接金属層９６に捕捉される過程である。有機層９３で発光した光は、発光体を振動するダイポールとみなすことができるので、この発光点のダイポール場を介して、ダイポールが金属層９６の表面に存在するＳＰＰモード光とエネルギーのやり取りを行うことで、金属層９６の表面にＳＰＰモード光（矢印Ａ２）として光が捕捉される（以下、過程１という）。このようなダイポールからＳＰＰモード光へのエネルギー移動は、一般的な有機ＥＬ素子において、発光分子と金属層が近い場合に生じることが広く知られている。
【０００９】
二つ目の過程は、低屈折率層９５中のエバネッセント波を介して金属層９６に補足される過程である。次に、これについて説明する。
金属層／低屈折率媒質／高屈折率媒質からなるOtto型配置において、金属層表面に生成されるＳＰＰモード光の波数の、層の面内方向成分の実部をｋ’ｓｐとすると、この分散関係は、金属層の比誘電率の実部ε１と、金属層表面に接触する低屈折率媒質の比誘電率ε２によって決まり、近似的に次式（１）によって与えられる（ｋ０は前記発光層で発光する光のピーク波長における真空中の光の波数）。
【数１】
2015090799.tif 000003
【００１０】
また高屈折率媒質中を伝播角θで伝播する光の、面内方向成分の大きさは、高屈折率媒質の比誘電率をε３として式（２）で表される。
【数２】
2015090799.tif 000004
【００１１】
従って、ε３が十分大きい場合、式（２）における角度θを適当に選ぶことによって、この金属層表面のＳＰＰモード光の波数と、伝播光の分散曲線とが発光光の角周波数の位置に交点を有することができる（以下このときのθをθ３とおく）。この場合、高屈折率媒質中伝播光のモードとＳＰＰモードが結合して互いにエネルギーをやり取りできるようになり、金属層表面のＳＰＰモード光を高屈折率媒質中に伝播光として取り出すことができるようになる。より具体的に言い換えると、金属層表面に生じたＳＰＰモード光が、低屈折媒質側に沁み出す自身の電磁場を介して、高屈折率媒質中へエネルギー移動を起こし、角度θ３で高屈折率媒質中を伝播する伝播光となる。
【００１２】
従って、有機ＥＬ素子９０のように、例えば、有機層９３（比誘電率ε３）の近傍に有機層９３から遠い側から順に金属層９６（比誘電率の実部ε１）／低屈折率層９５（比誘電率ε２）を設けると、金属層９６表面に励起されたＳＰＰモード光はOtto型配置構造において低屈折率層９５中に生成されるエバネッセント波を介して所定の角度θ３で有機層９３中に放射される伝播光として有機層中９３に取り出すことが可能となる。
【００１３】
ただし、ＳＰＰモード光と有機層９３中の伝播光モードが結合していることは、ＳＰＰモード光からの取り出しだけでなく、有機層９３中の光がＳＰＰとして金属層９６表面に捕捉される過程も同時に生じうることを意味している。
すなわち、有機層９３を伝播する光が、高屈折率媒質（有機層９３又は陰極９４）と低屈折率層９５の界面に所定の角度θ３で入射し全反射すると、低屈折率層中にエバネッセント波が発生し、このエバネッセント波が金属層９６の表面に存在するＳＰＰモード光とエネルギーのやり取りを行うことで、有機層９３中の伝播光が金属層９６の表面にＳＰＰモード光として捕捉される（以下、過程２という）。
なお、所定の角度θ以外の角度で全反射した光も低屈折率層９５中にエバネッセント波を生み出すが、このエバネッセント波の分散曲線とＳＰＰモード光の分散曲線とは発光光の各周波数位置に交点を持たないため、エネルギーのやり取りを行うことができない。
【００１４】
つまり、Otto型配置においては、過程１で発生したＳＰＰモード光（矢印Ａ２）は、ＳＰＰモード光の電磁場を介し（矢印Ａ３）、所定の角度θ３で有機層９３に取り出される（矢印Ａ４）。このようにして取り出された光の一部は陽極９２、基板９１を介して外部へ取り出されうる（矢印Ａ４ｅ）。
一方外部へ取り出されずに有機層９３側へ反射で戻された光（矢印Ａ４’）は、低屈折率層９５側へ入射すると、過程２によって再びＳＰＰモード光として捕捉され（矢印Ａ５）、金属層表面を伝播する間に熱として散逸しうる（矢印Ａ６）。さらに、発光点からＳＰＰモード光とならずに有機層中９３へ放射されて伝播する光も、伝播角θ３のもの（矢印Ｂ１、Ｂ１’）は、同様に過程２によって再びＳＰＰモードとして捕捉されうる（矢印Ｂ２、Ｂ３）。
従ってOtto型配置では、発生したＳＰＰモード光を全て取り出すことができないという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、ＳＰＰモード光の発生を抑制し、かつ金属層における光の吸収も抑制することができる有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置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】
【００１６】
低屈折率層と金属層の間に、低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層を備えた第２電極側構造を導入することで、ＳＰＰモード光として捕捉される光を抑制し、かつ金属層における光の吸収も抑制することを実現した。
【００１７】
上記課題を解決するため、概要を説明した本発明は以下の構成を採用する。
（１）第１電極と、発光層を含む有機層と、第２電極と、低屈折率層と、高屈折率層と、金属層とを順に具備する有機ＥＬ素子であって、前記第２電極は透光性導電材料からなり、前記高屈折率層の屈折率が前記低屈折率層の屈折率よりも高いことを特徴とする有機ＥＬ素子。
（２）前記高屈折率層の屈折率が、前記有機層よりも高いことを特徴とする（１）に記載の有機ＥＬ素子。
（３）前記高屈折率層の膜厚が、１０〜３００ｎｍであることを特徴とする（１）〜（２）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（４）前記低屈折率層の屈折率はさらに、前記有機層の屈折率よりも低いことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（５）前記低屈折率層の屈折率は、前記第２電極の屈折率よりも低いことを特徴とする（４）に記載の有機ＥＬ素子。
（６）前記第１電極の有機層と反対側に、屈折率変調構造を有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（７）前記屈折率変調構造が、回折格子、レンズ、フォトニック結晶のいずれかであることを特徴とする（６）に記載の有機ＥＬ素子。
（８）前記第１電極の有機層と反対側に、拡散散乱体を有することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子。
（９）（１）〜（８）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。
（１０）（１）〜（８）のいずれか一項に記載の有機ＥＬ素子を備えたことを特徴とする照明装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＳＰＰモード光の発生を抑制し、かつ金属層における光の吸収も抑制することができる有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】Otto型配置の有機ＥＬ素子９０の断面を模式的に示した断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る有機ＥＬ素子を説明するための断面模式図である。
【図３】Otto型配置の有機ＥＬ素子９０におけるＳＰＰモード光の波数ｋ’ｓｐとエバネッセント波の波数ｋの関係と、本発明の有機ＥＬ素子１０におけるＳＰＰモード光の波数ｋ’’ｓｐとエバネッセント波の波数ｋの関係とを模式的に示した図である。
【図４】本発明の有機ＥＬ素子１０（図４（ｂ））とOtto型配置の有機ＥＬ素子９０（図４（ａ））を用いて、ＳＰＰの電磁場振幅の膜厚方向分布を模式的に示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る有機ＥＬ素子の第１電極側構造に係る変形例を模式的に示した断面模式図である。
【図６】本発明の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置の一例を説明するための断面模式図である。
【図７】本発明の有機ＥＬ素子を備えた照明装置の一例を説明するための断面模式図である。
【図８】シミュレーションで用いた本発明の有機ＥＬ素子のモデル構造を示す断面模式図である。
【図９】シミュレーションで用いた本発明の有機ＥＬ素子のモデル構造のうち、発光点から金属層側について具体的に示す断面模式図であって、実施例において高屈折率層７の厚さを一定とした場合の断面模式図である。
【図１０】図９で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す図である。
【図１１】シミュレーションで用いた本発明の有機ＥＬ素子のモデル構造のうち、発光点から金属層側について具体的に示す断面模式図であって、実施例において低屈折率層５の厚さを一定とした場合の断面模式図である。
【図１２】図１１で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す図である。
【図１３】シミュレーションで用いた本発明の有機ＥＬ素子のモデル構造のうち、発光点から金属層側について具体的に示す断面模式図であって、実施例において高屈折率層７の厚さを一定とし、陰極４を金属とした場合の断面模式図である。
【図１４】図１３で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す図である。
【図１５】シミュレーションで用いた本発明の有機ＥＬ素子のモデル構造のうち、発光点から金属層側について具体的に示す断面模式図であって、実施例において低屈折率層５の厚さを一定とし、陰極４を金属とした場合の断面模式図である。
【図１６】図１５で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を適用した有機ＥＬ素子並びにそれを備えた画像表示装置及び照明装置について、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本発明の有機ＥＬ素子は、いわゆるボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも、いずれを適用してもよい。
本発明において、第１電極及び第２電極は一方が陽極で他方が陰極であるが、以下では、第１電極を陽極、第２電極を陰極とする構成を例に挙げて説明する。
また、本発明の有機ＥＬ素子は本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層や構造を備えてもよい。例えば、第１電極側（基板、第１電極および有機層）に、導波モード光を効率的に基板に垂直な方向に取り出すため、屈折率変調構造等を用いてもよい。
【００２１】
（有機ＥＬ素子の構造）
図２は本発明の一実施形態に係る有機ＥＬ素子の一例を説明するための断面模式図である。図２に示す有機ＥＬ素子は、基板１と、陽極（第１電極）２と、発光層を含む有機層３と、陰極（第２電極）４と、低屈折率層５と、高屈折率層７と、金属層６とを順に具備する有機ＥＬ素子１０であって、陰極４は透光性導電材料からなり、高屈折率層７の屈折率が低屈折率層５の屈折率よりも高い。
上記のように陰極４側の構造について屈折率の比較を行う場合には、有機層３の屈折率とは、有機ＥＬ材料からなる発光層を含む全ての層の平均の屈折率をいう。
【００２２】
まず、従来のOtto型配置の有機ＥＬ素子９０と本発明の有機ＥＬ素子１０の相違点を明確にするために、過程１および過程２による光の捕捉が、本発明の有機ＥＬ素子１０においてどのような振舞いをするかについて説明する。以降では有機ＥＬ素子９０との比較のために、有機ＥＬ素子１０の低屈折率層５、金属層６は、それぞれ有機ＥＬ素子９０の低屈折率層９５、金属層９６と同一の部材からなる場合を考え、比誘電率の実部をそれぞれε１、ε２としている。
図３は、Otto型配置の有機ＥＬ素子９０におけるＳＰＰモード光の波数ｋ’ｓｐとエバネッセント波の波数ｋの関係と、本発明の有機ＥＬ素子１０におけるＳＰＰモード光の波数ｋ’’ｓｐとエバネッセント波の波数ｋの関係とを模式的に示した図である。
Otto型配置の有機ＥＬ素子９０において、そのＳＰＰモード光の波数ｋ’ｓｐは式（１）で表され、有機層３中の伝播光の波数ｋの面内成分は式（２）でそれぞれ表される。有機層３の比誘電率ε３が十分大きい場合、式（１）と式（２）の分散曲線において、図３で示すように発光光の振動数ω０で交点を有するような伝播角θ３が存在するようになり、有機層中をこの伝播角θ３で伝播する光のエネルギーがＳＰＰモード光として捕捉されるようになる。
一方、本発明の有機ＥＬ素子１０は低屈折率層５と金属層６との間に高屈折率層７を導入することにより、金属層６の表面に生成されるＳＰＰモード光の波数は、金属層６の比誘電率の実部ε１と、金属層６表面に接触する高屈折率層７の比誘電率εｈによって決まり、近似的に次式（３）によって与えられる（ｋ０は前記発光層で発光する光のピーク波長における真空中の光の波数）。
【数３】
2015090799.tif 000005
すなわち、ε１＜０であることに注意すると、金属層６に隣接する層が低屈折率層５である場合の式（１）と比較して、εｈ＞ε２であることから、ＳＰＰモード光の波数がｋ’ｓｐに比べ大きくなっていることが分かる。
【００２３】
つまり本発明の有機ＥＬ素子におけるＳＰＰモード光の波数ｋ’’ｓｐは、図３中の分散曲線で示すように大きくなり、有機層３中を伝播する光の分散曲線（式（２））と、どのような伝播角θでも交点を有しなくなる。
すなわち、ＳＰＰモードと有機層３中の伝播光モードは結合せず、有機層３中の伝播光が過程２により金属層６表面にＳＰＰモード光として捕捉されることが無くなる。
【００２４】
図４は、本発明の有機ＥＬ素子１０とOtto型配置の有機ＥＬ素子９０を用いて、ＳＰＰの電磁場振幅の膜厚方向分布を模式的に示した図である。
本発明の有機ＥＬ素子１０は、低屈折率層と金属層の間に高屈折率層を有するために、過程１によるＳＰＰへ捕捉も抑制される。これについて説明する。
有機ＥＬ素子９０において、金属層９６表面を伝播するＳＰＰの、低屈折率層９５中における波数の垂直方向性分は、波数の面内方向成分ｋ’ｓｐを用いて
【数４】
2015090799.tif 000006
となる。したがって、金属層／低屈折率層界面から距離ｚの低屈折率層９５中でのＳＰＰの電磁場振幅Ｓ１は、ｚ＝０での値を１として近似的に
【数５】
2015090799.tif 000007
となる。ただし、各界面におけるフレネル反射の影響は無視する。
同様に、有機ＥＬ素子１０において、高屈折率層／低屈折率層界面から距離ｚの低屈折率層中におけるＳＰＰの電磁場振幅Ｓ２は、ｚ＝０での値を１として近似的に
【数６】
2015090799.tif 000008
となる。
ここで前述したようにｋ’ｓｐ＜ｋ’’ｓｐであるから、有機ＥＬ素子１０の低屈折率層中における電磁場振幅（図４（ｂ））の方が、有機ＥＬ素子９０の低屈折率層中の電磁場振幅（図４（ａ））より急激に減衰していることがわかる。さらに、有機ＥＬ素子１０では金属層６表面のＳＰＰモードは有機層３中の伝播光モードと結合していないので、ＳＰＰモードの電磁場は有機層３中でエバネッセント波となり、指数関数的に急激に減衰する。一方、有機ＥＬ素子９０においては金属層９６表面のＳＰＰモードと有機層９３中の伝播光モードが結合しているため、有機層９３中の電磁場はエバネッセント波とならず、指数関数的な減少は起こらない。すなわち、有機ＥＬ素子１０では、有機層中の発光点に達するＳＰＰの電磁場が非常に小さく抑えられている。このために、低屈折率層と金属層の間に高屈折率層を有する有機ＥＬ素子１０では、過程１による発光点からＳＰＰへのエネルギー移動が有機ＥＬ素子９０に比べて大きく抑制される。
【００２５】
ここで示したように、本発明の有機ＥＬ素子１０では、高屈折率層７を備えた第2電極構造を導入することにより、過程１および過程２の経路で、光が金属層６の表面にＳＰＰモード光として捕捉されることがなくなる。つまり、従来のOtto型配置構造の有機ＥＬ素子９０では、過程２の経路で捕捉された光の一部をロスしていたが、本発明の有機ＥＬ素子１０では、そもそも過程１および過程２の経路で光が金属層６の表面に捕捉されることが無いため、光をロスすることなく効率的に光を取り出すことができる。
【００２６】
前述の過程１および過程２を抑制する作用は、高屈折率層７を金属層６と陰極４の間に形成し、低屈折率層５を有しない有機ＥＬ素子でも得られると考えられる。しかし、このような有機ＥＬ素子では、有機層３の発光点から陰極側に放射された光は金属層６の表面に入射しそのまま金属反射されて、有機層３側に伝播光として戻されるため、過程１および過程２を抑制する効果は小さい。
これに対して、本発明の有機ＥＬ素子１０では、低屈折率層５を導入することで陰極４と低屈折率層５の界面で全反射による反射を利用することができる。
金属反射は、吸収によりその光の一部をロスするが、全反射の場合は入射した光を全て反射するためロスがほとんどない。
つまり高屈折率層７と低屈折率層５を、陰極４と金属層６の間に導入する第２電極構造により、金属層６の表面に捕捉させる光を無くすだけでなく、反射する際のロスを減少させ、光をより効率的に取り出すことができる。
【００２７】
（各層の構成）
本発明の有機ＥＬ素子１０は、ボトムエミッション型（陽極２から見て有機層３と反対側に基板１がある場合）、トップエミッション型（金属層６から見て低屈折率層５と反対側に基板がある場合）の有機ＥＬ素子のいずれにも適用できる。
ボトムエミッション型に適用する場合には、基板１は透光性の基板であり、通常、可視光に対して透明であることが必要である。ここで、「可視光に対し透明である」とは、発光層から発する波長の可視光を透過することができればよいという意味であり、可視光領域全域にわたり透明である必要はない。４００〜７００ｎｍの可視光における透過率が５０％以上で、平滑な基板が好ましい。また、透過率が７０％以上であることがより好ましい。
基板１を構成する材料として具体的には、ガラス、ポリマー等が挙げられる。ガラスとしては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマーとしては、ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルファイド、ポリサルフォン等を挙げることができる。
なお、発光光が可視光でない場合も、少なくとも発光波長領域に対して、可視光の場合と同様に透明であることが必要である。透過率としては、発光が最大強度となる波長に対し、５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることが更に好ましい。
トップエミッション型に適用するためには、上記記載と同様なものの他に、不透明な材料も使用できる。具体的には、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ，Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｌの単体、またはこれらの元素を含んだ合金、あるいはステンレスなどの金属材料、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、サファイアなどの非金属材料、その他のトップエミッション型の有機ＥＬ素子で通常用いられる基板材料を用いることができる。また、素子の発光に伴い生じる熱を逃がすため、熱伝導率の高い材料を基板に用いることが好ましい。
【００２８】
基板１の厚さは、要求される機械的強度にもより、特に限定はされないが、好ましくは、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍ、より好ましくは０．０５ｍｍ〜２ｍｍである。
【００２９】
陽極２は陰極４との間で電圧を印加し、陽極２より有機層３に正孔を注入するための電極であり、仕事関数の大きい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましく、陽極２に接する有機層３のＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital）準位との差が過大にならないように仕事関数が４ｅＶ以上６ｅＶ以下のものを用いるのが好ましい。陽極２の材料としては透光性でかつ導電性の材料であれば特に制限はないが、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化錫、酸化亜鉛などの透明無機酸化物、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリンなどの導電性高分子および任意のアクセプタなどでドープした導電性高分子、カーボンナノチューブなどの導電性光透過性材料、薄膜金属、薄膜状に形成された金属ナノワイヤ、これらを含む複合材料を挙げることができる。ここにおいて、陽極２は、基板１上に例えば、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などによって形成することができる。
陽極２の厚さは特に限定はされないが、例えば１０〜２０００ｎｍであり、好ましくは５０〜１０００ｎｍである。１０ｎｍより薄いと陽極２のシート抵抗が増大し、また、２０００ｎｍより厚いと有機層３の平坦度を保てなくなると共に、陽極２の透過率が低下する。
【００３０】
有機層３は、有機ＥＬ材料からなる発光層の他、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層等を備えてもよい。発光層の材料としては、有機ＥＬ素子用の材料として知られる任意の材料を用いることができる。
正孔注入層は陽極２から有機層３への正孔注入を助ける層であり、イオン化エネルギーが通常５．５ｅＶ以下と低い。このような正孔注入層としてはより低い電界強度で正孔を有機層３に注入する材料が好ましいが、形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。また、正孔輸送層は発光領域まで正孔を輸送する層であって、正孔移動度が大きい。このような正孔輸送層として形成する材料は、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
電子注入層は陰極４から有機層３への電子注入を助ける層である。このような電子注入層としてはより低い電界強度で電子を有機層３に注入する材料が好ましいが、形成する材料としては、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。また、電子輸送層は発光領域まで電子を輸送する層であって、電子移動度が大きい。このような電子輸送層として形成する材料は、上記の機能を担えるものであれば特に制限はなく、公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
【００３１】
有機層３は、蒸着法、転写法などの乾式プロセスによって成膜してもよいし、スピンコート法、スプレーコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など、湿式プロセスによって成膜してもよい。
有機層３の厚さは特に限定はされないが、例えば５０〜２０００ｎｍであり、好ましくは１００〜１０００ｎｍである。５０ｎｍより薄いと突き抜け電流による内部量子効率の低下や、金属層６による損失性表面波モードカップリング（lossy surface wave mode coupling）など、SPPカップリング以外の消光が起こり、また、２０００ｎｍより厚いと駆動電圧が上昇する。
【００３２】
陰極４は、発光層に電子を注入するための電極であり、仕事関数の小さい金属、合金、導電性化合物、あるいはこれらの混合物からなる材料を用いることが好ましく、陰極４に接する有機層３のＬＵＭＯ(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)準位との差が過大にならないように仕事関数が１．９ｅＶ以上５ｅＶ以下のものを用いるのが好ましい。
陰極４の材料としては、Otto型配置の陰極側構造を形成するために、透光性の導電材料とする必要がある。そのため、上記の陽極材料と同じものを用いることができる。
陰極４の厚さは特に限定はされないが、例えば３０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは５０〜５００ｎｍである。３０ｎｍより薄いとシート抵抗が増加して、駆動電圧が上昇し、また、１μｍより厚いと成膜時の熱や放射線によるダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積するからである。
【００３３】
低屈折率層５は、陰極４の有機層３とは反対側の面に備えられており、有機層３よりも屈折率の低い材料からなることが好ましい。
低屈折率層５の屈折率が有機層３よりも小さいと、陰極４に金属を用いた場合でも、低屈折率層５／陰極４／有機層３が低屈折率媒質／金属／高屈折率媒質のＫｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置となるため、陰極４の低屈折率層５界面に捕捉されたＳＰＰモード光を取り出すことができる。
また、低屈折率層５は、陰極４を構成する透光性導電材料よりも屈折率の低い材料からなることが好ましい。
発光層で発光した光が陰極４側に伝播し、陰極４と低屈折率層５との界面に達したとき、臨界角以上の角度で入射すると全反射が起き、金属層６での金属反射による光のロスを抑えることができる。
【００３４】
このような低屈折率層５の材料としては、有機層３よりも屈折率の低い材料であれば特に制限はなく、例えば、有機層３の全ての層の平均屈折率が１．７２の場合、この屈折率条件を満たすＳＯＧ、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２（代表的な屈折率１．３８））等の金属フッ化物、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ（代表的な屈折率１．３５））等の有機フッ素化合物、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２（代表的な屈折率１．４５））、各種の低融点ガラス、多孔性物質が挙げられる。また、低屈折率層５は空気層を含む層からなり、陰極４を構成する透光性導電材料より低い屈折率を有するものでもよい。
【００３５】
金属層６は、陰極４の、有機層３とは反対側に低屈折率層５および高屈折率層７を介して備えられている。
金属膜６の材料としては有機層３中で生じた発光光を陽極側へ反射することができればよいのでほとんどの金属の単体または合金を用いることができるが、比複素誘電率の実部が絶対値が大きな負の値を持つような材料が好ましい。かかる材料としては例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の単体や、ＡｕとＡｇとの合金、ＡｇとＣｕとの合金、真鍮等の合金が挙げられる。また、金属層６は、２層以上の積層構造であってもよい。
金属層６の厚さは特に限定はされないが、例えば２０〜２０００ｎｍであり、好ましくは５０〜５００ｎｍである。２０ｎｍより薄いと反射率が低くなり正面輝度が低下し、また、２０００ｎｍより厚いと成膜時の熱や放射線ダメージ、膜応力による機械的ダメージが電極や有機層に蓄積する。
【００３６】
高屈折率層７の材料としては、低屈性率層５よりも高い屈折率を有する材料であれば特に制限はされない。
例えば、低屈折率層５がフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２、屈折率１．３８）からなる場合、高屈折率層７の材料としては、屈折率が１．３８より高いＳＯＧ（代表的な屈折率：１．１〜２．０）、シリカ（ＳｉＯ２）をはじめとするケイ素酸化物（代表的な屈折率：１．４５）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）(代表的な屈折率：１．７４)、酸化亜鉛（ＺｎＯ）（代表的な屈折率：２．０２）をはじめとする酸化物、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）をはじめとする窒化物、アルミニウム酸窒化物（ＡｌＯＮ）やケイ素酸窒化物をはじめとする酸窒化物、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ（代表的な屈折率：１．７７））やメラミン樹脂等をはじめとする高分子化合物樹脂、などから選択して用いることができる。また、これらよりなる多孔質性材料、混合物、また、無機材料の微粒子を透明媒質中に分散させたものなどを用いることができる。
また、低屈性率層５の屈折率が１．３８より低い場合には、前記の材料の他に、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）（代表的な屈折率：１．３８）をはじめとする金属ハロゲン化物、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ（代表的な屈折率：１．３５））をはじめとするフッ素系樹脂、ポリメチルメタクリレート（代表的な屈折率：１．４９）などからも選択して用いることができる。
【００３７】
高屈折率層７の膜厚が、１０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましく、２０〜１００ｎｍであることがより好ましく、３０〜６０ｎｍであることがさらに好ましい。１０ｎｍ以下では、高屈折率層の膜厚が薄いため、ｋ’’ｓｐが十分に大きくならず、過程１および過程２の経路で金属層６の表面に捕捉される光が一部生じて光取り出し効率が低下する。また３００ｎｍ以上では、高屈折率層７中を光が導波して光取り出し効率が低下する。
【００３８】
本発明の有機ＥＬ素子は、第１電極側（基板、第１電極、有機層および素子外部）に、第２電極側構造によって有機層まで取り出されたＳＰＰモード光を導波モードにすることなく効率的に基板に導くための、凹凸形状、複数のマイクロレンズ、回折格子、フォトニック結晶、反射構造体等の屈折率変調構造や、低屈折率領域と高屈折率領域がランダムに分散した拡散散乱体などの第１電極側構造を用いてもよい。
図５に、図２に示す有機ＥＬ素子１０の陽極（第１電極）側構造の変形例を示す。図５（ａ）は基板１と陽極２の間に、互いに屈折率の異なる透光性材料１７と１８からなる屈折率変調構造を用いる一例である。変調構造が周期性を持つ場合は、回折格子、フォトニック結晶構造として機能し、導波モード光を効率的に取り出すことができる。図５（ｂ）は、陽極２と屈折率の異なる透光性材料１７を用いて、同様の屈折率変調構造とする一例である。図５（ｃ）は、互いに屈折率の異なる陽極２と有機層３を用いて、同様の屈折率変調構造とする一例である。図５（ｄ）は、互いに屈折率の異なる有機層３と誘電体層８を用いて、同様の屈折率変調構造とする一例である。図５（ｅ）、図５（ｆ）は、互いに屈折率の異なる有機層３と誘電体層８／陽極２の積層構造、または、互いに屈折率の異なる有機層３と誘電体層８／陽極２／基板１の一部の積層構造を用いて同様の屈折率変調構造とする例である。
なお、屈折率変調構造とは、具体的には、異なる屈折率の物質が素子面内の少なくとも一方向に繰り返して配置されることによりできる複数の屈折率界面が、素子面に対して垂直または垂直に近い構造を意味する。
屈折率変調構造は、周期性を有する構造であっても、周期性を有しない非周期的な構造であってもよい。屈折率変調構造が周期性を有する場合、屈折の効果に加えて、透過型回折格子（以下、単に「回折格子」ということがある）としての回折効果（素子面に対して所定の角度に屈折される効果）や、フォトニック結晶としての効果（特定の周波数の光の面内導波を禁制する効果）によって、導波モード光を素子面に垂直な方向に取り出すことが可能となる。
非周期的な構造の場合は、この第１電極側構造に入射した光がランダムな方向・位相で回折されるため、特定の放射角度光が強め合って放射されることはない。従って、第１電極側にこのような構造を持つことによって、拡散性の高い（角度依存性がなだらかな）配光特性を得ることができる。
つまり、第１電極側構造が周期的な構造の場合は、回折格子による出射光の強め合いの効果により、ある特定の放射角の光強度が強くなる配向特性を得ることができるのに対し、第１電極側構造が非周期的な構造の場合は、拡散性の高い配向特性を得ることができる。そのため、第１電極側構造は、必要とされる配光特性に応じて周期性を有する構造にするか、非周期的な構造にするかを選択することができる。
【００３９】
（画像表示装置）
次に、上記の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置１００について説明を行う。上記の有機ＥＬ素子１０を備えた画像表示装置について説明する。また、有機ＥＬ素子はボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも良いが、以下ではボトムエミッション構造の例で説明を行う。
図６は、上記の有機ＥＬ素子を備えた画像表示装置の一例を説明した図である。
図６に示した画像表示装置１００は、いわゆるパッシブマトリクス型の画像表示装置であり、有機ＥＬ素子１０の他に、陽極配線１０４、陽極補助配線１０６、陰極配線１０８、絶縁膜１１０、陰極隔壁１１２、封止プレート１１６、シール材１１８とを備えている。
【００４０】
本実施の形態において、有機ＥＬ素子１０の基板１上には、複数の陽極配線１０４が形成されている。陽極配線１０４は、一定の間隔を隔てて平行に配置される。陽極配線１０４は、透明導電膜により構成され、例えばＩＴＯを用いることができる。また陽極配線１０４の厚さは例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍとすることができる。そして、それぞれの陽極配線１０４の端部の上には、陽極補助配線１０６が形成される。陽極補助配線１０６は陽極配線１０４と電気的に接続されている。このように構成することにより、陽極補助配線１０６は、基板１の端部側において外部配線と接続するための端子として機能し、外部に設けられた図示しない駆動回路から陽極補助配線１０６を介して陽極配線１０４に電流を供給することができる。陽極補助配線１０６は、例えば、厚さ５００ｎｍ〜６００ｎｍの金属膜によって構成される。
【００４１】
また、有機ＥＬ素子１０上には、複数の陰極配線１０８が設けられている。複数の陰極配線１０８は、それぞれが平行となるよう、かつ、陽極配線１０４と直交するように配設されている。陰極配線１０８には、Ａｌ又はＡｌ合金を使用することができる。陰極配線１０８の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。また、陰極配線１０８の端部には、陽極配線１０４に対する陽極補助配線１０６と同様に、図示しない陰極補助配線が設けられ、陰極配線１０８と電気的に接続されている。よって、陰極配線１０８と陰極補助配線との間に電流を流すことができる。
【００４２】
更に基板１上には、陽極配線１０４を覆うように絶縁膜１１０が形成される。絶縁膜１１０には、陽極配線１０４の一部を露出するように矩形状の開口部１２０が設けられている。複数の開口部１２０は、陽極配線１０４の上にマトリクス状に配置されている。この開口部１２０において、陽極配線１０４と陰極配線１０８の間に有機ＥＬ素子１０が設けられる。すなわち、それぞれの開口部１２０が画素となる。従って、開口部１２０に対応して表示領域が形成される。ここで、絶縁膜１１０の膜厚は、例えば、２００ｎｍ〜１０００ｎｍとすることができ、開口部１２０の大きさは、例えば、１００μｍ×１００μｍとすることができる。
【００４３】
有機ＥＬ素子１０は、開口部１２０において陽極配線１０４と陰極配線１０８の間に位置している。そしてこの場合、有機ＥＬ素子１０の陽極２が陽極配線１０４と接触し、陰極４が陰極配線１０８と接触する。有機ＥＬ素子１０の厚さは、例えば、１５０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。
【００４４】
絶縁膜１１０の上には、複数の陰極隔壁１１２が陽極配線１０４と垂直な方向に沿って形成されている。陰極隔壁１１２は、陰極配線１０８の配線同士が導通しないように、複数の陰極配線１０８を空間的に分離するための役割を担っている。従って、隣接する陰極隔壁１１２の間にそれぞれ陰極配線１０８が配置される。陰極隔壁１１２の大きさとしては、例えば、高さが２μｍ〜３μｍ、幅が１０μｍのものを用いることができる。
【００４５】
また、基板１は、封止プレート１１６とシール材１１８を介して貼り合わせられている。これにより、有機ＥＬ素子１０が設けられた空間を封止することができ、有機ＥＬ素子１０が大気中の水分により劣化するのを防ぐことができる。封止プレート１１６としては、例えば、厚さが０．７ｍｍ〜１．１ｍｍのガラス基板を使用することができる。封止プレート１１６は、素子がボトムエミッション型のように光を基板１側から取り出す場合は、透明でなくてもよい。一方、素子がトップエミッション型のように光を封止プレート１１６側から取り出す場合は、封止プレート１１６は発光波長域の少なくとも一部の波長に対して透明である必要がある。
【００４６】
このような構造の画像表示装置１００において、図示しない駆動装置により、陽極補助配線１０６、図示しない陰極補助配線を介して、有機ＥＬ素子１０に電流を供給し、発光層を発光させることができる。そして基板１から基板１を通し、光を出射させることができる。そして、上述の画素に対応した有機ＥＬ素子１０の発光、非発光を制御装置により制御することにより、画像表示装置１００に画像を表示させることができる。
【００４７】
（照明装置）
次に、上記の有機ＥＬ素子を用いた照明装置について説明を行う。上記の有機ＥＬ素子１０を備えた照明装置について説明する。また、有機ＥＬ素子はボトムエミッション構造でもトップエミッション構造でも良いが、以下ではボトムエミッション構造の例で説明を行う。
図７は、上記の有機ＥＬ素子１０を備える照明装置の一例を説明した図である。
図７に示した照明装置２００は、上述した有機ＥＬ素子１０と、有機ＥＬ素子１０の基板１上に設置され陽極２（図２参照）に接続される端子２０２と、陰極４（図２参照）に接続される端子２０３と、端子２０２と端子２０３とに接続し有機ＥＬ素子１０を駆動するための点灯回路２０１とから構成される。
【００４８】
点灯回路２０１は、図示しない直流電源と図示しない制御回路を内部に有し、端子２０２と端子２０３を通して、有機ＥＬ素子１０の陽極層２と陰極４との間に電圧を印加して電流を供給する。そして、有機ＥＬ素子１０を駆動し、発光層を発光させて、基板１を通して光を出射させ、照明光として利用する。発光層は白色光を出射する発光材料より構成されていてもよく、また緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）を出射する発光材料を使用した有機ＥＬ素子１０をそれぞれ複数個設け、その合成光が白色となるようにしてもよい。
【００４９】
（有機ＥＬ素子の製造方法）
以下では、本発明の各実施形態の有機ＥＬ素子の製造方法についてそれぞれ一例に挙げて説明する。特に言及しなくても、一実施形態の有機ＥＬ素子の製造方法の工程や手法を他の実施形態の有機ＥＬ素子の製造方法に適用することもできるは言うまでもない。
【００５０】
まず、基板１上に、陽極２を形成する。この陽極２の形成方法は特に限定はされないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などの乾式プロセスのほか、塗布法など各種の湿式プロセスも用いることができる。
なお、陽極２を形成した後に、陽極２の表面処理を行うことで、オーバーコートされる層の性能（陽極２との密着性、表面平滑性、ホール注入障壁の低減化など）を改善することができる。表面処理の具体的方法としては、高周波プラズマ処理を始めとしてスパッタリング処理、コロナ処理、ＵＶオゾン照射処理、紫外線照射処理、または酸素プラズマ処理などが挙げられる。
【００５１】
更に、陽極２の表面処理の表面処理を行う代わりに、もしくは表面処理に追加して、図示しない陽極バッファ層を形成することで表面処理と同様の効果が期待できる。そして、陽極バッファ層はウェットプロセスにて作製することができ、具体的な成膜方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、インクジェットプリント法等の塗布法、浸漬法、電気化学的方法などが挙げられる。
【００５２】
次に、陽極２の上に、有機層３を形成する。有機層３の形成には従来公知の方法を用いることができ、特に限定はされないが、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、ＬＢ法等の方法を用いることができる。
【００５３】
陰極４の形成も陽極２の形成と同様の方法を用いることができ、特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【００５４】
低屈折率層５の形成方法は特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
低屈折率層５を、空気層を含んでなる低屈折率層とする場合は、例えば、ＳＯＧ層を形成した後に、ＳＯＧ層のうち、フォトリソグラフィを用いて所定箇所だけＳＯＧ材料を残すようにＳＯＧ層をエッチング除去して、ＳＯＧ層を除去した部分が空気層となるようにして、低屈折率層を形成する。
【００５５】
高屈折率層７の形成方法は特に限定されないが、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【００５６】
金属層６の形成方法には特に限定されないが、例えば、蒸着法、スパッタリングを用いることができる。
【００５７】
また本発明は、ボトムエミッション構造に限定されるものではなく、基板上に反射層６から順に、上述の工程の逆の順に形成してもよい。
【００５８】
以上の工程により、有機ＥＬ素子１０を製造することができる。これら一連の工程後、有機ＥＬ素子１０を長期安定的に駆動し、有機ＥＬ素子１０を外部の水分、酸素等から保護するための保護層や保護カバー（図示せず）を装着することが好ましい。保護層としては、高分子化合物、金属酸化物、金属フッ化物、金属ホウ化物、窒化ケイ素、酸化ケイ素等のシリコン化合物などを用いることができる。また、亜鉛等の比較的イオン化傾向の比較的大きい金属を犠牲層（その後の工程で除去する保護層）として用いることも可能である。そして、これらの積層体も用いることができる。また、保護カバーとしては、ガラス板、表面に低透水率処理を施したプラスチック板、金属などを用いることができる。この保護カバーは、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂、フリットガラスで基板１と貼り合わせて密閉する方法を採ることが好ましい。またこの際に、スペーサを用いることで所定の空間を維持することができ、外部からの力により保護カバーが接触し有機ＥＬ素子１０が傷つくのを防止できるため好ましい。そして、この空間に窒素、アルゴン、ヘリウムのような不活性なガス、またはパーフルオロカーボンなど各種の不活性液体を封入すれば、上側の金属層６の酸化を防止しやすくなる。特にヘリウムを用いた場合、熱伝導が高いため、電圧印加時に有機ＥＬ素子１０より発生する熱を効果的に保護カバーに伝えることができるため、好ましい。更に酸化バリウム等の乾燥剤をこの空間内に設置することにより上記一連の製造工程で吸着した水分が有機ＥＬ素子１０にダメージを与えるのを抑制しやすくなる。
【実施例】
【００５９】
本発明の有機ＥＬ素子の実施例について以下に説明する。
【００６０】
本発明においては、各実施形態の有機ＥＬ素子の光取り出し効率への効果の確認をシミュレーションにより行った。最初に、シミュレーションに用いた有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ method：Finite Difference Time Domain  Method）について説明する。ＦＤＴＤ法は、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、空間の各点における電磁界の時間変化を追跡する解析手法である。ＦＤＴＤ法により有機ＥＬ素子の光取出し効率を計算するには、発光層における発光を微小ダイポールからの放射と捉えて、その放射の強度を計数する。より具体的には、ダイポールの全放射強度に対する基板まで取り出された光の割合を光取り出し効率として、その振動数依存性を計算する。以降ではこの光取り出し効率を計算した結果をグラフで示す。横軸のλはダイポールの振動数を真空中の波長で表示したもの、縦軸のηは光取り出し効率である。以降の図においても同じである。
計算は、現実に近い発光現象をシミュレートするために、発光源であるダイポールをランダム（ダイポールのモーメントが全ての方向にランダム）として行った。
【００６１】
（実施例１）
図８は、シミュレーションで用いた有機ＥＬ素子１０のモデル構造を示す断面図である。低屈折率層と金属層の間に、低屈折率層よりも屈折率の高い高屈折率層を備えた第２電極側構造によって、有機層まで取り出されたＳＰＰモード光を導波モードにすることなく効率的に基板に導くために、陽極２側に第１電極側構造の一例である屈折率変調構造を導入した。具体的には、陽極２と有機層３との間に複数の孔部を備えた誘電体層８を設け、有機層３は少なくとも、孔部の内側面を被覆する孔部内側面被覆部を有するものとし、誘電体層８の屈折率は孔部内側面被覆部と異なるものとし、陽極２には、孔部に連通する陽極孔部を設け、有機層３はさらに、陽極孔部の陽極孔部内側面を被覆する陽極孔部内側面被覆部と、誘電体層８及び孔部内側面被覆部と陰極４との間に配置する層状部を有するものとした。
基板１はガラスからなるとして、屈折率としては１．５２を用いた。陽極２および陰極４はＩＴＯからなるとして、屈折率としては５５０ｎｍで１．８２＋０．００９ｉを用い、その他の波長はローレンツモデルで外挿した。また、有機層３の屈折率としては１．７２を用いた。また低屈折率層５は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）からなるとして屈折率としては屈折率１．３８を用いた。また、金属層６は銀（Ａｇ）からなるとして、屈折率としては５５０ｎｍで０．１２５+３．３４ｉを用い、その他の波長はドルーデモデルで外挿した。また高屈折率層７は酸化チタン（ＴｉＯ２）からなるとして、屈折率としては５５０ｎｍで２．１３を用い、その他の波長はローレンツモデルで外挿した。
また陽極２側の屈折率変調構造としては、図５（ｅ）の構造（但し、有機層３が層状部を有する）を導入した。なお、誘電体層８は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなるとして、屈折率としては１．４５を用いた。
また、陽極２の層厚、誘電体層８の層厚、有機層３の発光点から誘電体層８までの膜厚方向の距離はそれぞれ、１５０ｎｍ、１２０ｎｍ、８０ｎｍとした。その他の層の層厚に関しては、以下の検討で種々変化させた。
また、有機ＥＬ素子１０の屈折率変調構造において、誘電体層８の孔部および陽極２の陽極孔部が連通する孔は、平面視形状が円形であり、連通する孔が正方格子状に配列するものとし、隣接する陽極孔部の中心間の距離を１０００ｎｍ、陽極孔部の間隙幅を４００ｎｍ、陽極孔部の直径を６００ｎｍとした。電流は陽極孔部を流れるため、本実施例では陽極孔部の中心（図８の星印の箇所）を発光点とした。
また、比較のため、高屈折率層７を導入しないOtto型配置の有機ＥＬ素子９０についても光取り出し効率を計算した。これらのOtto型配置の有機ＥＬ素子９０も、実施例の有機ＥＬ素子１０と同じ屈折率変調構造を備えるものとした。
【００６２】
実施例１では、図９（ａ）〜（ｃ）のように、高屈折率層７の膜厚を３０ｎｍで一定とし、低屈折率層５の膜厚を変化させた。さらに比較のために、図９（ｄ）〜（ｆ）のように、高屈折率層７を導入しないOtto型配置の有機ＥＬ素子９０の光取り出し効率も計算した。ただし図９（ａ）〜（ｆ）では陽極２側の第１電極側構造は図示せず、発光点から金属層６までの構成のみを抜き出して描いてある。
ここで、図９（ａ）と図９（ｄ）は高屈折率層７を有しているか否かの違いを有しているが、有機層３の発光点から金属層６までの光学距離（距離に屈折率の実部をかけた値）が同じとなっている。そのため図９（ａ）と図９（ｄ）は光学的には、発光点から陽極側へ直接放射する光と、発光点から陰極側へ放射されたあと金属層６に反射されて陽極側へ進む光とによって素子内に生じる干渉パターン形状はほぼ同一である。同様の理由で、図９（ｂ）と図９（ｅ）、図９（ｃ）と図９（ｆ）はそれぞれ光学距離を同一としつつ、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。
具体的には、金属層６、陰極４の膜厚は図９（ａ）〜（ｆ）の全ての素子で、それぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍとした。低屈折率層５の層厚と有機層３の発光点から陰極４までの最短距離は、図９（ａ）〜（ｆ）に示すとおりである。
【００６３】
図１０は、図９で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す。図の符号は、それぞれ図９の符号の有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率の結果に対応する。
図１０のグラフの（ａ）と（ｄ）を比較すると、高屈折率層７を有しない（ｄ）に比べ、高屈折率層７を有する（ａ）の光取り出し効率が向上していることが確認できる。同様に、（ｂ）と（ｅ）を比較すると（ｂ）が、（ｃ）と（ｆ）を比較すると（ｃ）が光取り出し効率が向上していることが分かる。つまり、同一の光学距離を有する場合において、高屈折率層７を導入することにより、光をロスすることなく効率的に光を取り出すことができるようになることが分かる。
【００６４】
（実施例２）
実施例２では、図１１（ａ）〜（ｃ）のように、低屈折率層５の膜厚を１００ｎｍで一定とし、高屈折率層７の膜厚を変化させた。さらに比較のために、図１１（ｄ）〜（ｆ）のように、高屈折率層７を導入しないOtto型配置の有機ＥＬ素子９０の光取り出し効率も計算した。ただし図１１（ａ）〜（ｆ）では陽極２側の第１電極側構造は図示せず、発光点から金属層６までの構成のみを抜き出して描いてある。
ここで、図１１（ａ）と図１１（ｄ）は、有機層３の発光点から金属層６までの光学距離（距離に屈折率の実部をかけた値）が同じとなっているが、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。同様に、図１１（ｂ）と図１１（ｅ）、図１１（ｃ）と図１１（ｆ）はそれぞれ光学距離を同一としているが、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。
具体的には、金属層６、陰極４の膜厚は図１１（ａ）〜（ｆ）の全ての素子で、それぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍとした。高屈折率層７の層厚を図１１（ａ）〜（ｃ）において、それぞれ３０ｎｍ、４５ｎｍ、６０ｎｍと変化させた。また低屈折率層５の層厚と有機層３の発光点から陰極４までの最短距離は、図１１（ａ）〜（ｆ）に示すとおりである。
【００６５】
図１２は、図１１で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す。図の符号は、それぞれ図１２の符号の有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率の結果に対応する。
図１２のグラフの（ａ）と（ｄ）を比較すると、高屈折率層７を有する（ａ）が光取り出し効率が向上していることが確認できる。同様に、（ｂ）と（ｅ）を比較すると（ｂ）が、（ｃ）と（ｆ）を比較すると（ｃ）が光取り出し効率が向上していることが分かる。つまり、同一の光学距離を有する場合において、高屈折率層７を導入することにより、光をロスすることなく効率的に光を取り出すことができることが分かる。
また高屈折率層７の膜厚が３０ｎｍの（ａ）が（ｂ）および（ｃ）と比較して、光取り出し効率が向上している。これは３０ｎｍあれば、金属層６でのＳＰＰモード光による光の捕捉を十分に抑制することができ、かつ高屈折率層７内を導波する光を少なくすることができるためと考えられる。
【００６６】
（実施例３）
実施例３では、図８において陰極４を銀（Ａｇ）からなるとした以外は実施例１と同様に高屈折率層７を一定にして低屈折率層５の層厚を変化させて計算を行った。なお陰極４は、屈折率としては５５０ｎｍで０．１２５+３．３４ｉを用い、その他の波長はドルーデモデルで外挿した。
また高屈折率層７の膜厚を図１３（ａ）〜（ｃ）のように、３０ｎｍで一定とし、低屈折率層５の膜厚を変化させた時の、それぞれの光取り出し効率を計算したグラフである。さらに比較のために、図１３（ｄ）〜（ｆ）のように、高屈折率層７を導入しないOtto型配置の有機ＥＬ素子９０の光取り出し効率も計算した。ただし図１３（ａ）〜（ｆ）では陽極２側の第１電極側構造は図示せず、発光点から金属層６までの構成のみを抜き出して描いてある。
ここで、図１３（ａ）と図１３（ｄ）は、有機層３の発光点から金属層６までの光学距離（距離に屈折率の実部をかけた値）が同じとなっているが、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。同様に、図１３（ｂ）と図１３（ｅ）、図１３（ｃ）と図１３（ｆ）はそれぞれ光学距離を同一としているが、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。
具体的には、金属層６、陰極４の膜厚は図１３（ａ）〜（ｆ）の全ての素子で、それぞれ１００ｎｍ、１５ｎｍとした。低屈折率層５の層厚と有機層３の発光点から陰極４までの最短距離は、図１３（ａ）〜（ｆ）に示すとおりである。
【００６７】
図１４は、図１３で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す。図の符号は、それぞれ図１３の符号の有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率の結果に対応する。
図１４のグラフの（ａ）と（ｄ）を比較すると、高屈折率層７を有する（ａ）が光取り出し効率が向上していることが確認できる。同様に、（ｂ）と（ｅ）を比較すると（ｂ）が、（ｃ）と（ｆ）を比較すると（ｃ）が光取り出し効率が向上していることが分かる。つまり、同一の光学距離を有する場合において、高屈折率層７を導入することにより、光をロスすることなく効率的に光を取り出すことができることが分かる。
【００６８】
（実施例４）
実施例４では、実施例３と同様に、図８において陰極４を銀（Ａｇ）からなるとした以外は実施例２と同様に低屈折率層５を一定にして高屈折率層７の層厚を変化させて計算を行った。
実施例４では、低屈折率層５の膜厚を図１５（ａ）〜（ｃ）のように、１３０ｎｍで一定とし、高屈折率層７の膜厚を変化させた時の、それぞれの光取り出し効率を計算したグラフである。さらに比較のために、図１５（ｄ）〜（ｆ）のように、高屈折率層７を導入しないOtto型配置の有機ＥＬ素子９０の光取り出し効率も計算した。ただし図１５（ａ）〜（ｆ）では陽極２側の第１電極側構造は図示せず、発光点から金属層６までの構成のみを抜き出して描いてある。
ここで、図１５（ａ）と図１５（ｄ）は、有機層３の発光点から金属層６までの光学距離（距離に屈折率の実部をかけた値）が同じとなっているが、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。同様に、図１５（ｂ）と図１５（ｅ）、図１５（ｃ）と図１５（ｆ）はそれぞれ光学距離を同一としているが、高屈折率層７を有しているか否かの違いを有している。
具体的には、金属層６、陰極４の膜厚は図１５（ａ）〜（ｆ）の全ての素子で、それぞれ１００ｎｍ、１５ｎｍとした。高屈折率層７の層厚を図１５（ａ）〜（ｃ）において、それぞれ３０ｎｍ、４５ｎｍ、６０ｎｍと変化させた。また低屈折率層５の層厚と有機層３の発光点から陰極４までの最短距離は、図１５（ａ）〜（ｆ）に示すとおりである。
【００６９】
図１６は、図１５で示した有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率を、ＦＤＴＤ法を用いてコンピューターシュミレーションで求めた結果を示す。図の符号は、それぞれ図１５の符号の有機ＥＬ素子１０の光取り出し効率の結果に対応する。
図１６のグラフの（ａ）と（ｄ）を比較すると、高屈折率層７を有する（ａ）が光取り出し効率が向上していることが確認できる。同様に、（ｂ）と（ｅ）を比較すると（ｂ）が、（ｃ）と（ｆ）を比較すると（ｃ）が光取り出し効率が向上していることが分かる。つまり、同一の光学距離を有する場合において、高屈折率層７を導入することにより、光をロスすることなく効率的に光を取り出すことができることが分かる。
【００７０】
これらの結果から、低屈折率層５および高屈折率層７の膜厚を変更しても、陰極４の材料を変更しても、いずれの場合においても、高屈折率層７を導入する第２電極側構造により、光取り出し効率が向上していることが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
１０、９０  有機ＥＬ素子
１、９１  基板
２、９２  陽極
３、９３  有機層
４、９４  陰極
５、９５  低屈折率層
６、９６  金属層
７    高屈折率層
８  誘電体層
１７、１８  透光性材料
１００  画像表示装置
１０４  陽極配線
１０６  陽極補助配線
１０８  陰極配線
１１０  絶縁膜
１１２  陰極隔壁
１１６  封止プレート
１１８  シール材
１２０  開口部
２００  照明装置
２０１  点灯回路
２０２  端子
２０３  端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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