(57)【要約】  この電界発光素子の設計方法は、電界発光素子の構成を備える基準素子、および、電界発光素子の構成を備える所望の解析素子を準備し、第１の透明部材、第１の電極、第１機能層、第２機能層、光子発生層、および、第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率、並びに、光子発生層における発光点の位置、および、光子発生層における発光点の分布を設計変数として、量子光学解析、電磁場解析、および光線追跡を行ない、基準素子と解析素子との両方において、光子発生層から透明部材または空気への光取り出し効率を計算して、基準素子と解析素子との「光取り出し効率の比」を算出し、さらに、基準素子および解析素子をそれぞれ構成する各層の厚みおよび各層の複素比誘電率と「光取り出し効率の比」との関係を求め、上記関係および基準素子に電流を流すことで測定される空気または第１の透明部材におけるエレクトロルミネッセンススペクトルに基づいて、設計変数として、第１の透明部材、第１の電極、第１機能層、第２機能層、光子発生層、および、第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率を得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極である第１の電極と第２の電極の間に、第１機能層および第２機能層に挟まれる光子発生層を有し、前記第１の電極の前記光子発生層が設けられる側とは反対側には第１の透明部材を有する電界発光素子の設計方法であって、
前記電界発光素子の構成を備える基準素子、および、前記電界発光素子の構成を備える所望の解析素子を準備し、
前記第１の透明部材、前記第１の電極、前記第１機能層、前記第２機能層、前記光子発生層、および、前記第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率、並びに、前記光子発生層における発光点の位置、および、前記光子発生層における発光点の分布を設計変数として、量子光学解析、電磁場解析、および光線追跡を行ない、
前記基準素子と前記解析素子との両方において、前記光子発生層から前記透明部材または空気への光取り出し効率を計算して、前記基準素子と前記解析素子との「光取り出し効率の比」を算出し、さらに、
前記基準素子および前記解析素子をそれぞれ構成する前記各層の厚みおよび前記各層の複素比誘電率と前記「光取り出し効率の比」との関係を求め、
前記関係および前記基準素子に電流を流すことで測定される空気または前記第１の透明部材におけるエレクトロルミネッセンススペクトルに基づいて、設計変数として、前記第１の透明部材、前記第１の電極、前記第１機能層、前記第２機能層、前記光子発生層、および、前記第２の電極の、それぞれの前記厚み、および、それぞれの前記複素比誘電率を得る、電界発光素子の設計方法。
【請求項２】
前記第２の電極は透明電極であり、かつ、前記第２の電極の前記光子発生層が設けられる側と反対側に第２の透明部材を有し、設計変数として前記第２の透明部材の複素比誘電率と厚みとをさらに含む、請求項１に記載の電界発光素子の設計方法。
【請求項３】
前記第２の電極と前記第１の透明部材との間、または前記第２の電極と前記第２の透明部材との間の少なくともいずれか一方の間に光学バッファ層をさらに有し、
設計変数として前記光学バッファ膜を構成する各膜の厚み、複素比誘電率、および構造定数を設計することをさらに含む、請求項２に記載の電界発光素子の設計方法。
【請求項４】
前記透明部材と前記光子発生層との間のいずれかの領域に光の振幅および位相条件を乱す第１の光学微細構造をさらに含み、
設計変数として前記第１の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を設計することをさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法。
【請求項５】
前記第１の透明部材と外部との界面に、光の振幅および位相条件を乱す第２の光学微細構造を含み、
設計変数として前記第２の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を含む、請求項１から請求項４にいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法を用いて設計された電界発光素子。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法により得られた前記設計変数の基づき製造された電界発光素子を検査し、電流駆動特性を測定および解析する工程と、
前記測定および解析された前記電界発光素子を基準素子として、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法により前記設計変数を得て、前記設計変数に基づき、電界発光素子の製造を行なう工程と、
と備える、電界発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機ＥＬ等の電界発光素子を用いた発光効率の高い面発光素子が注目を集めている。電界発光素子は平面型の陰極と陽極に挟まれた光子発生層から構成されるが、一般的には陽極を透明電極とし陰極を金属反射電極に構成される場合が多い。【０００３】
一方、金属電極で構成した場合には光は透明陽極側から取り出され、片面発光型の発光デバイスとして用いられている。また、両方の電極を透明電極とした場合は、透明な発光素子が実現でき装飾照明等への応用が期待されている。一方で、光子発生層内部で発光した光はすべて取り出されるわけではなく、透明基材に光が閉じ込められる基板モード、光子発生層や透明電極に光が閉じ込められる導波モード、金属電極に光が閉じ込められるプラズモンモードなどが存在し、素子の発光効率を制限する要因となっている。【０００４】
また、照明や装飾光源として用いる場合には外部に出てくる光の色や輝度が重要であるが、外部に取り出される光の色や輝度は光学多層膜干渉によって変化してしまいその制御が難しい問題が存在している。外部に取り出される光の色や輝度を見積もることは応用において重要である。【０００５】
外部に取り出せる光の色座標や輝度等を設計する方法として、発光材料のフォトルミネッセンススペクトルを元に計算する方法が、特開２０１０−１４７３３７号公報（特許文献１）、および、特開２００９−０５４３８２号公報（特許文献２）に開示されている。さらに、詳細な光取り出し効率計算方法は、R.  Meerheim  et.  al.,  Appl.  Phys.  Lett.,  97,  253305  (2010)（非特許文献１）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１４７３３７号公報
【特許文献２】特開２００９−０５４３８２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R.  Meerheim  et.  al.,  Appl.  Phys.  Lett.,  97,  253305  (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１，２においては、フォトルミネッセンススペクトルを元に外部スペクトルを計算しており、実際の素子の電流注入状態におけるエレクトロルミネッセンススペクトルを正確に計算できない問題があった。【０００９】
非特許文献１においては光子発生層内部のスペクトルを仮定する必要があるが、電子注入と内部スペクトル強度との比や内部スペクトル形状をどのように設定すると実験と計算で誤差が少なくなるかの詳細な説明や、フォトルミネッセンススペクトルとエレクトロルミネッセンススペクトルとの違いに関する説明が不足しており、実験と計算の差が残存していた。【００１０】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量および／または色を正確に見積もることのできる、電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に基づいた電界発光素子の設計方法によれば、透明電極である第１の電極と第２の電極の間に、第１機能層および第２機能層に挟まれる光子発生層を有し、上記第１の電極の上記光子発生層が設けられる側とは反対側には第１の透明部材を有する電界発光素子の設計方法であって、上記電界発光素子の構成を備える基準素子、および、上記電界発光素子の構成を備える所望の解析素子を準備し、上記第１の透明部材、上記第１の電極、上記第１機能層、上記第２機能層、上記光子発生層、および、上記第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率、並びに、上記光子発生層における発光点の位置、および、上記光子発生層における発光点の分布を設計変数として、量子光学解析、電磁場解析、および光線追跡を行ない、上記基準素子と上記解析素子との両方において、上記光子発生層から上記透明部材または空気への光取り出し効率を計算して、上記基準素子と上記解析素子との「光取り出し効率の比」を算出し、さらに、上記基準素子および上記解析素子をそれぞれ構成する上記各層の厚みおよび上記各層の複素比誘電率と上記「光取り出し効率の比」との関係を求め、上記関係および上記基準素子に電流を流すことで測定される空気または上記第１の透明部材におけるエレクトロルミネッセンススペクトルに基づいて、設計変数として、上記第１の透明部材、上記第１の電極、上記第１機能層、上記第２機能層、上記光子発生層、および、上記第２の電極の、それぞれの上記厚み、および、それぞれの上記複素比誘電率を得る。【００１２】
他の形態においては、上記第２の電極は透明電極であり、かつ、上記第２の電極の上記光子発生層が設けられる側と反対側に第２の透明部材を有し、設計変数として上記第２の透明部材の複素比誘電率と厚みとをさらに含む。【００１３】
他の形態においては、上記第２の電極と上記第１の透明部材との間、または上記第２の電極と上記第２の透明部材との間の少なくともいずれか一方の間に光学バッファ層をさらに有し、設計変数として上記光学バッファ膜を構成する各膜の厚み、複素比誘電率、および構造定数を設計することをさらに含む。【００１４】
他の形態においては、上記透明部材と上記光子発生層との間のいずれかの領域に光の振幅および位相条件を乱す第１の光学微細構造をさらに含み、設計変数として上記第１の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を設計することをさらに含む。【００１５】
他の形態においては、上記第１の透明部材と外部との界面に、光の振幅および位相条件を乱す第２の光学微細構造を含み、設計変数として上記第２の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を含む。【００１６】
この発明に基づいた電界発光素子の設計方法を用いて設計された電界発光素子においては、上述のいずれかに記載の電界発光素子の設計方法を用いて設計されている。【００１７】
この発明に基づいた電界発光素子の設計方法によれば、上述のいずれかに記載の電界発光素子の設計方法により得られた上記設計変数の基づき製造された電界発光素子を検査し、電流駆動特性を測定および解析する工程と、上記測定および解析された上記電界発光素子を基準素子として、上述のいずれかに記載の電界発光素子の設計方法により上記設計変数を得て、上記設計変数に基づき、電界発光素子の製造を行なう工程と、と備える。
【発明の効果】
【００１８】
この電界発光素子の製造方法によれば、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量および／または色を正確に見積もることのできる、電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法の提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】背景技術における電界発光素子の設計方法を示すブロック図である。
【図２】実施の形態における電界発光素子の設計方法の概略を示すブロック図である。
【図３】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１断面図である。
【図４】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第２断面図である。
【図５】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第３断面図である。
【図６】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第４断面図である。
【図７】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第５断面図である。
【図８】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第６断面図である。
【図９】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第７断面図である。
【図１０】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第８断面図である。
【図１１】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第９断面図である。
【図１２】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１０断面図である。
【図１３】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１１断面図である。
【図１４】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１２断面図である。
【図１５】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１３断面図である。
【図１６】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１４断面図である。
【図１７】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１５断面図である。
【図１８】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１６断面図である。
【図１９】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１７断面図である。
【図２０】実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１８断面図である。
【図２１】実施の形態における電界発光素子の設計方法の詳細を示すブロック図である。
【図２２】実施例における電界発光素子の構成例を示す断面図である。
【図２３】基準素子に用いた電界発光素子の設計変数を示す図である。
【図２４】外部発光スペクトルを測定する装置の構成の一例を示す図である。
【図２５】基準素子の測定データの項目を示す図である。
【図２６】基準素子の計算される項目と解析手法の選択を示す図である。
【図２７】Ｎループ目の解析素子について計算される項目の一覧を示す図である。
【図２８】Ｎループ目の解析素子について計算される強度比および外部発光スペクトルを示す図である。
【図２９】電界発光素子の計算されうる指標の例を示す図である。
【図３０】最適化ループにおける水準番号Ｎと、色座標の目標座標との差Δｘｙとの関係示す図である。
【図３１】最適化素子の設計変数を示す図である。
【図３２】本実施の形態における電界発光素子の設計方法を用いた電界発光素子の製造方法を示す図である。
【図３３】実施例における測定値と計算値とを示す図である。
【図３４】実施例における測定値に関する誤差絶対値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［１．概要］
図１に上述した特許文献１および２に記載の設計方法をブロック図で示す。計算で仮定する条件は、（１）発光材料のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル、および（２）発光層の材料、屈折率、膜厚である（Ｓ０）。ステップ１（Ｓ１）において、発生光強度および発生フォトン数により、ＰＬスペクトルを設定する。Ｓ２において、発光点の位置、および、膜厚、屈折率の条件設定が行なわれる。Ｓ３において、光取出し効率が計算される。Ｓ４において、Ｓ１およびＳ３の結果に基づき、外部光強度、外部フォトン数、ＬＰＷ（lumen/W）、ＥＱＥ（external  quantum  efficiency：外部量子効率）等の所望の特性が計算される。所望の特性の最大化を求めるため、Ｓ３およびＳ４を繰り返し実行する（Ｓ５）。その後、Ｓ６において、所望の特性の最大化が得られた場合には、計算値、光取り出し効率、外部光強度、外部フォトン数、所望の特性等の計算結果が得られる。
【００２１】
このように、特許文献１および２に記載の設計方法によれば、発光材料単体のＰＬスペクトルと発光層の屈折率膜厚とを元に計算した光取り出し効率を元に所望の外部特性を計算している。しかしながら、フォトルミネッセンススペクトルを元にした計算はマイクロキャビティ効果や、電子注入と光励起の特性の差により実際の素子の電流注入状態におけるエレクトロルミネッセンススペクトルを正確に計算できない問題があった。また、非特許文献１に開示される方法においては、発光層内部のスペクトルを仮定する必要があるがどのように内部スペクトルを設定すると実験と計算で誤差が少なくなるかの詳細な説明が不足していた。
【００２２】
図２に、本実施の形態における電界発光素子の設計方法の概略をブロック図で示す。計算で仮定する条件は、（１）基準素子の外部発光スペクトル、および（２）発光層の材料、屈折率、膜厚である（Ｓ００）。ステップ１１（Ｓ１１）において、発生光強度および発生フォトン数により、基準素子の実験値を得る。Ｓ１２において、基準素子の光取り出し効率計算値を得る。Ｓ１３において、発光点の位置、および、膜厚、屈折率の条件設定を行なう。Ｓ１４において、光取出し効率が計算される。Ｓ１５において、Ｓ１２およびＳ１４で得られた値および条件に基づき、基準素子との光取り出し効率の比を計算する。さらに、Ｓ１６において、Ｓ１１およびＳ１５によって得られた実験値および比に基づき、外部光強度、外部フォトン数、ＬＰＷ、ＥＱＥ等の所望の特性が計算される。所望の特性の最大化を求めるため、Ｓ１４、Ｓ１５、およびＳ１６を繰り返し実行する（Ｓ１７）。その後、Ｓ１８において、所望の特性の最大化が得られた場合には、計算値、光取り出し効率、外部光強度、外部フォトン数、所望の特性等の計算結果が得られる。
【００２３】
上述のように、本実施の形態においては、基準素子において実際に外部で測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルと、基準素子の光学定数および膜厚から算出される光取り出し効率と、解析素子の光学定数および膜厚から算出される光取り出し効率とを元に、解析素子の外部発光スペクトルを計算する設計方法である。本実施の形態の設計手法を用いることで、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量および／または色を正確に見積もることのできる電界発光素子の設計方法の実現を可能としている。
【００２４】
［２．電界発光素子の設計方法］
『２．１  電界発光素子の構成』
本実施の形態における電界発光素子の構成について説明する。以下では有機電界発光素子を例に説明するが、本設計方法は有機電界発光素子の設計に限定されず、無機材料で構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）等の設計にも用いることができる。
【００２５】
（第１の電界発光素子）
以下、図３から図７を参照して、第１の電界発光素子として、「透明電極と第２の電極との間に狭持された複数の機能層と少なくとも１層の光子発生層とを有し、透明電極の光子発生層とは反対側の面に透明部材が接している電界発光素子」の構成例について説明する。図３から図７は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１から第５断面図である。
【００２６】
図３に示す電界発光素子１Ａは、第１の透明部材１０の上に、透明電極（第１の電極）１３としてＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）電極、発光層１４、および、第２の電極１５として金属（Ａｇ）反射電極が、この順で形成されている。発光層１４は、複数の機能層と光子発生層とにより構成され、第１の透明部材１０には、透明ガラス基板が用いられる。
【００２７】
図４に示す電界発光素子１Ｂは、電界発光素子１Ａの構成と比較して、透明電極（第１の電極）１３として、導電性樹脂１３ａ、薄膜Ａｌ（薄膜金属電極）１３ｂ、および導電性樹脂１３ｃの積層構造が用いられている。
【００２８】
図５に示す電界発光素子１Ｃは、電界発光素子１Ａの構成と比較して、発光層１４が、有機材料で構成されており、例えば発光層は、正孔注入層１４ａ、正孔輸送層１４ｂ、光子発生層１４ｃ、電子輸送層１４ｄ、および、電子注入層１４ｅで構成されている。このように多数の機能層で構成することにより、光子発生層１４ｃにおけるキャリアバランスを改善し、効率的な発光が実現できるようになる。
【００２９】
図６に示す電界発光素子１Ｄは、透明電極１３に薄膜Ａｇが用いられている構成であり、電界発光素子１Ｃと同一の作用効果が得られる。
【００３０】
なお、電界発光素子１Ｃおよび電界発光素子１Ｄのいずれにおいても、第２の電極１５として金属（Ａｇ）反射電極を用いることができる。なお、図５および図６に示す、電界発光素子１Ｃは、ボトムエミッション素子である。
【００３１】
図３〜図６においては、透明基板を用いた第１の透明部材１０上に機能層を構成する素子（ボトムエミッション素子）を例示してきたが、不透明部材上に反射電極を設ける構成（トップエミッション素子）にも本実施の形態は適用される。
【００３２】
図７にトップエミッション素子の構成例である電界発光素子１Ｅに示す。支持基板１６の上に第２の電極１５として反射電極が設けられ、第２の電極１５の上に、発光層１４、透明電極１３として薄膜Ａｇ、第１の透明部材１０として封止部材が、この順で形成されている。発光層１４は、第２の電極１５側から、電子注入層１４ｅ、電子輸送層１４ｄ、光子発生層１４ｃ、正孔輸送層１４ｂ、および、正孔注入層１４ａで構成されている。
【００３３】
トップエミッション素子の場合、透明電極１３上に透明な封止部材（第１の透明部材１０）、あるいは封止用の不活性気体、あるいは空気を設けることが多い。本実施の形態の透明部材は、封止部材あるいは不活性気体、あるいは空気を示す。
【００３４】
（第２の電界発光素子）
以下、図８から図１０を参照して、第２の電界発光素子として、「第２の電極が透明電極でありかつ第２の電極の発光層が設けられる側と反対側に第２の透明部材を有する電界発光素子」の構成例について説明する。図８から図１０は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第６から第８断面図である。
【００３５】
図８に示す電界発光素子１Ｆは、第１の透明部材１０の上に、透明電極１３としてＩＴＯ電極、発光層１４、第２の電極１５としてＩＴＯ電極、および、第２の透明部材１７が、この順で形成されている。この構成を採用することで、両面側が透明となり、両面もしくは片面に発光する透明発光素子を実現できる。第２の透明部材１７は、たとえばＩＴＯや薄膜金属電極で構成される。また、第２の透明部材１７は、第１の透明部材１０と同様の材料が適用可能である。
【００３６】
図９に示す電界発光素子１Ｇは、電界発光素子１Ｆの構成と比較して、第２の電極１５として薄膜金属膜（Ａｇ）が用いられている。このような構成を取ることで、発光層から見た第２の電極側の反射率が発光層から見た透明電極の反射率よりも高くなり、片側に偏った発光が可能となる。
【００３７】
図１０に示す電界発光素子１Ｈは、電界発光素子１Ｆの構成と比較して、透明電極１３および第２の電極１５のいずれにも薄膜金属膜（Ａｇ）が用いられている。このような構成を取ることで発光層から見た両方の電極の反射率を高くすることができ、マイクロキャビティ効果により発光効率を向上させたり、色純度を高めたりすることができる。
【００３８】
（第３の電界発光素子）
以下、図１１から図１３を参照して、第３の電界発光素子として、「透明電極と透明部材の間、もしくは第２の電極と第２の透明部材の間の少なくとも一方に光学多層膜を有する電界発光素子」の構成例について説明する。図１１から図１３は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第９から第１３断面図である。
【００３９】
図１１に示す電界発光素子１Ｉは、第１の透明部材１０の上に、透明電極１３として導電性樹脂、発光層１４、第２の電極１５として薄膜金属膜（Ａｇ）、光学バッファ層１８として、誘電体多層膜、および、反射部材４５として厚膜金属膜（Ａｇ）が、この順で形成されている。この構成を採用することで、電界発光素子から発生する光の色度や配光を適切に制御できる。なお、図１１に示した光学バッファ層１８は、透明発光素子にも適用可能である。
【００４０】
図１２に示す電界発光素子１Ｊは、電界発光素子１Ｉの構成と比較して、第１の透明部材１０と透明電極１３との間に、第２の光学バッファ層１９として、誘電体多層膜を有している。このような構成を採用することで、片面発光素子において両面から発光する光の色や輝度割合ならびに配光を光学的に設計することが可能になる。
【００４１】
図１３に示す電界発光素子１Ｋは、電界発光素子１Ｉの構成と比較して、第１の透明部材１０と透明電極１３との間に、第２の光学バッファ層１９として、誘電体多層膜を有しているほか、反射部材の替わりに第２の透明部材を有している。このような構成を採用することで、両面発光素子において両面から発光する光の色や輝度割合ならびに配光を光学的に設計することが可能になる。
【００４２】
（第４の電界発光素子）
以下、図１４から図１６を参照して、第４の電界発光素子として、「透明部材と光子発生層との間に光の振幅および位相条件を乱す光学微細構造を含む電界発光素子」の構成例について説明する。図１４から図１６は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１２から第１４断面図である。
【００４３】
図１４に示す電界発光素子１Ｌは、図６に示す電界発光素子１Ｄのボトムエミッション素子の構成と比較して、第１の透明部材１０と透明電極１３としての薄膜Ａｇとの間に内部散乱層を含む第１の光学微細構造２１が設けられている。第１の光学微細構造２１は、光散乱層２１ｂとしての散乱粒子を光散乱層２１ａとしてのバインダで保持した層の上に平滑層２１ｃを設けた構造を有する。光散乱層２１ｂの厚みとしては光の波長と同等であり、散乱粒子の大きさとしては光の波長の数倍以下の微細構造を有する。このような構成を採用することで、発光層１４の内部を伝搬する導波モードを効率的に散乱できる。
【００４４】
図１５に示す電界発光素子１Ｍは、図７に示す電界発光素子１Ｅの構成と比較して、第２の電極１５と電子注入層１４ｅとの間に、第１の光学微細構造２１が設けられている。この微細構造２１は、金属凹凸構造２１ｄおよび透明導電膜２１ｅを含む。
【００４５】
図１６に示す電界発光素子１Ｎは、図１５に示す電界発光素子１Ｍの構成と比較して、第１の透明部材１０を除き、第２の電極１２より上の素子全体が微細に波形になっている形状でもある。特に、反射電極である第２の電極１２の上に光学微細構造を設けた場合には、電極で吸収されるプラズモンモード損失を低減できるため有用である。また、図８から図１０に示した透明発光素子である、電界発光素子１Ｆ〜１Ｈに、上述の光学微細構造を設けてもよい。
【００４６】
（第５の電界発光素子）
以下、図１７を参照して、第５の電界発光素子として、「透明部材と外部の界面に、光の振幅および位相条件を乱す第２の光学微細構造を含む電界発光素子」の構成例について説明する。図１７は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１５断面図である。
【００４７】
図１７に示す電界発光素子１Ｏは、図６に示す電界発光素子１Ｄのボトムエミッション素子の構成と比較して、第１の透明部材１０に第２の光学微細構造３１が設けられている。第２の光学微細構造３１としては、市販の光取り出しシートを用いることができる。具体的な構造としては、図示するように、透明層３１ｂの内部に光散乱粒子３１ａが含有している構造、透明部材の表面に凹凸がある構造等が挙げられる。この場合の構造定数としては、表面凹凸高さ、幅、単位構造の周期、あるいは散乱粒子の大きさ、密度、形状などが挙げられる。
【００４８】
なお、上記した第１から第５の電界発光素子１Ａ〜１Ｏは、発光層が単層の場合を示しているが、発光層は単一に限らず複数であっても良い。図１８に複数の光子発生層を含む電界発光素子１Ｐの構成例を示す。図１８は、電界発光素子１Ｐの断面図である。この電界発光素子１Ｐは、透明部材１０の上に、透明電極１３、発光層１４Ａ、電荷発生層１４Ｂ、第２の発光層１４Ｃ、電荷発生層１４Ｄ、第３の発光層１４Ｅ、および、反射電極４５がこの順で積層されている。また、透明電極１３と反射電極４５との間に電源が接続されている。
【００４９】
このような電界発光素子は、同一の電流でより多くの光を発生でき、高効率の電界発光素子に適している。このような電界発光素子に本実施の形態における電界発光素子の設計方法を適用できる。この場合、各発光層における発光ドーパントの比率をさらに設計変数に含めると良い。本実施の形態の電界発光素子の設計方法を適用することで所望のスペクトルで効率の高い素子を効率良く設計することが可能になる。
【００５０】
また、複数の発光層は独立に駆動できるように電極を構成してもよい。図１９に複数の発光層を独立に駆動できるように構成の電界発光素子１Ｑを示す。図１９は、電界発光素子１Ｑの断面図である。この電界発光素子１Ｑは、透明部材１０の上に、透明電極１３、発光層１４Ａ、第２の電極（透明電極）１５、第２の発光層１４Ｃ、第３の電極（透明電極）２３、第３の発光層１４Ｅ、および、反射電極４５がこの順で積層されている。また、透明電極１３と第２の電極（透明電極）１５との間に電源１、第２の電極（透明電極）１５と第３の発光層１４Ｅとの間に電源２、第３の電極（透明電極）２３と反射電極４５との間に電源３が接続されている。このように構成することで、任意の色で発光する電界発光素子を実現できる。
【００５１】
さらに、図２０のように複数の光子発生層の間に光学バッファ層を含んでも良い。図２０は、電界発光素子１Ｒの断面図である。この電界発光素子１Ｒは、透明部材１０の上に、光学バッファ層４１、透明電極１３、発光層１４Ａ、第２の電極（透明電極）１５、光学バッファ層４２、第３の電極（透明電極）２３、第２の発光層１４Ｃ、第４の電極（透明電極）２４、光学バッファ層４３、第５の電極（透明電極）２５、第３の発光層１４Ｅ、第６の電極（透明電極）２６、光学バッファ層４４、および、反射電極４５がこの順で積層されている。また、透明電極１３と第２の電極（透明電極）１５との間に電源１、第３の電極（透明電極）２３と第４の電極（透明電極）２４との間に電源２、および、第５の電極（透明電極）２５と第６の電極（透明電極）２６との間に電源３が接続されている。
【００５２】
このように構成することで発光する光のスペクトルや配光分布を任意に制御することが可能となる。また、このような光学バッファ層は特定の波長でマイクロキャビティを構成するようにすると、特定の波長の発光レートを増大させることができる。光学バッファ層も含めて本実施の形態の電界発光素子の設計方法を適用することで、所望の波長、所望の角度の発光強度が強い電界発光素子を実現する構成を、効率良く設計することが可能となる。
【００５３】
また、これまでは片側発光素子の例で説明してきたが、複数の発光層を含む構成は両側発光素子に適用してもよい。この場合は、両側に発光する、高効率、あるいは所望のスペクトルを実現する電界発光素子を効率よく設計できる。
【００５４】
『２．２  構成部材の詳細』
以下に、上述した電界発光素子１Ａ〜１Ｎを構成する各種部材（材料）の詳細について説明する。
【００５５】
（第１の透明部材１０／第２の透明部材１７）
第１の透明部材１０または第２の透明部材１７として用いることのできる材料を例示する。たとえば、ガラス、プラスチック等を挙げることができるが、これらに限定されない。好ましく用いられる透明部材としては、ガラス、石英、透明樹脂フィルムを挙げることができる。
【００５６】
ガラスとしては、たとえば、シリカガラス、ソーダ石灰シリカガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、無アルカリガラス等が挙げられる。これらのガラス材料の表面には、散乱層との密着性、耐久性、平滑性の観点から、必要に応じて、研磨等の物理的処理を施したり、無機物または有機物からなる被膜や、これらの被膜を組み合わせたハイブリッド被膜を形成したりできる。
【００５７】
樹脂フィルムとしては、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、セロファン、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）、セルロースアセテートフタレート、セルロースナイトレート等のセルロースエステル類またはそれらの誘導体、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンビニルアルコール、シンジオタクティックポリスチレン、ポリカーボネート、ノルボルネン樹脂、ポリメチルペンテン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン類、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、ナイロン、ポリメチルメタクリレート、アクリルあるいはポリアリレート類、アートン（（登録商標）：商品名ＪＳＲ社製）あるいはアペル（（登録商標）：商品名三井化学社製）といったシクロオレフィン系樹脂等が挙げられる。樹脂フィルムの表面には、無機物または有機物からなる被膜や、これらの被膜を組み合わせたハイブリッド被膜が形成されていてもよい。
【００５８】
このような被膜およびハイブリッド被膜は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１２９−１９９２に準拠した方法で測定された水蒸気透過度（２５±０．５℃、相対湿度９０±２％ＲＨ）が、０．０１ｇ／（ｍ２・２４ｈ）以下のガスバリアー性フィルム（バリア膜等ともいう）であることが好ましい。さらには、ＪＩＳ  Ｋ  ７１２６−１９８７に準拠した方法で測定された酸素透過度が、１×１０−３ｍｌ／（ｍ２・２４ｈ・ａｔｍ）以下、水蒸気透過度が、１×１０−５ｇ／（ｍ２・２４ｈ）以下の高ガスバリアー性フィルムであることが好ましい。
【００５９】
以上のようなガスバリアー性フィルムを形成する材料としては、水分や酸素等素子の劣化をもたらす物質の浸入を抑制する機能を有する材料であればよい。たとえば、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素や、前述のポリシラザン等を用いることができる。さらに、当該ガスバリアー性フィルムの脆弱性を改良するために、これら無機層と有機材料からなる層（有機層）の積層構造を持たせることがより好ましい。無機層と有機層との積層順については特に制限はないが、両者を交互に複数回積層させることが好ましい。
【００６０】
ガスバリアー性フィルムの形成方法については特に限定はなく、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、クラスターイオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、プラズマＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、コーティング法等を用いることができるが、特開２００４−６８１４３号公報に記載の大気圧プラズマ重合法によるものや、ポリシラザン（含有液）に波長１００ｎｍ〜２３０ｎｍの真空紫外線を照射し、改質処理したものが特に好ましい。
【００６１】
特開２００４−６８１４３号公報には、大気圧プラズマ放電処理装置を用いる薄膜形成方法により、第１電極から印加する高周波電界の強さ（ｋＶ／ｍｍ）をＶ１、第２電極から印加する高周波電界の強さ（ｋＶ／ｍｍ）をＶ２、放電開始電界の強さ（ｋＶ／ｍｍ）をＩＶとしたとき、Ｖ１≧ＩＶ＞Ｖ２またはＶ１＞ＩＶ≧Ｖ２なる関係を有し、第２電極から印加する高周波電界の出力密度が１Ｗ／ｃｍ２以上である高周波電界を印加して薄膜を形成させることが記載されている。
【００６２】
透明部材に関わる本実施の形態の設計変数としては部材の厚みと複素比誘電率が挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数とから後述する式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は、３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。
【００６３】
（透明電極１３／第２の電極１５）
透明電極１３、あるいは第２の電極１５として用いられる材料を例示する。透明電極１３としては、特に透明薄膜金属が、導波モードの実効屈折率を下げ、導波モードを散乱層で散乱させやすくする効果を持つので望ましい。透明薄膜金属層は薄膜金属で構成される光透過性を有する薄膜である。どの程度の薄さであれば光が透過するかは、屈折率の虚部を用いて表すことができる。屈折率ｎと消衰係数κを用いた場合、厚さｄ［ｍ］の媒質を通過する際に生じる位相変化φと透過率Ｔとは、以下の式（１）で表すことができる。
【００６４】
【数１】
2015194359.tif 000003
【００６５】
ここで、λは真空中における光の波長である。式（１）より光の強度がｅ２分の１に減衰する距離Ｌｄは、以下の式（２）で表される。
【００６６】
【数２】
2015194359.tif 000004
【００６７】
十分な透過率を有するために透明薄膜金属層は式（２）で示される距離Ｌｄより薄いことが望ましい。
【００６８】
透明誘電体層は誘電体で構成されている層である。誘電体の定義について以下で説明する。物体が自由電子を多く含みあまり光を透過しない金属か、自由電子が少なく光を透過する誘電体であるかは複素比誘電率を用いて調べることができる。複素比誘電率εｃは界面反射に関係する光学定数であり屈折率ｎと消衰係数κを用いて、以下の式（３）で表される物理量である。
【００６９】
【数３】
2015194359.tif 000005
【００７０】
ここで、ＰとＥはそれぞれ分極と電界、ε０は真空中の誘電率である。式（３）からｎが小さくκが大きいほど複素比誘電率の実部が小さくなることがわかる。これは電界の振動に対して電子の振動によって分極応答の位相がずれる効果を現している。
【００７１】
式（３）で示される複素比誘電率の実部が負になると、電界振動と分極応答が逆転することを意味し、これが金属の特性となる。逆に、素比誘電率の実部が正の場合は電界の方向と分極応答の方向が一致し、誘電体としての分極応答を示す。まとめると、複素比誘電率の実部が負である媒質が金属であり、複素比誘電率の実部が正の物質が誘電体である。
【００７２】
一般に、屈屈折率ｎが小さく消衰係数κが大きいほど電子がよく振動する材料であることを意味する。電子輸送性が高い材料は屈折率ｎが小さく消衰係数κが大きい傾向がある。
【００７３】
特に金属電極においては、ｎが０．１程度であるのに対し、消衰係数κは、２〜１０と大きな値を持ち波長に対する変化率も大きい。従って屈折率ｎが同じ値でも消衰係数κの値が大きく違い、電子輸送性能に大きな差がでることが多い。
【００７４】
本実施の形態の構成を実施する上では、導波モードの実効屈折率を下げるために屈折率ｎが小さく、電子の応答を良くするために消衰係数κが大きい金属がのぞましい。たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、カルシウム（Ｃａ）が望ましい。他の例では、酸化され難い利点も持つ金（Ａｕ）が考えられる。別の材料として銅（Ｃｕ）があり、同材料は導電性がよいという特徴を持つ。その他には熱的性質や化学的性質が良く高温でも酸化されにくく基板材料との化学反応も起さない特徴がある材料として、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミニウムなどが挙げられる。また、複数の金属材料を用いた合金を用いてもよい。特に、ＭｇＡｇやＬｉＡｌは薄膜透明金属電極としてもよく用いられる。
【００７５】
透明電極層においては透明酸化物半導体の他に塗布法を用いて低コストで作成が可能な導電性樹脂を透明電極に用いてもよい。電子輸送性電極として用いられる導電性樹脂材料としては、ペリレン誘導体やＰＣＢＭ（フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）等のフラーレン誘導体が考えられる。たとえば、ＰＣＢＭの場合は可視光の光学定数は、屈折率ｎ＝２．２、消衰係数κ＝０．２５であり、発光層から見た電極反射率は、屈折率ｎ＝１．５の樹脂と比較して高くなる。
【００７６】
正孔輸送性電極として用いられる導電性樹脂材料は、ＰＥＤＯＴ（Poly（3,4-ethylenedioxythiophene））／ＰＳＳ（Poly（4-styrenesulfonate））、Ｐ３ＨＴ（Poly（3-hexylthiphene））、Ｐ３ＯＴ（Poly（3-octylthiophene）、Ｐ３ＤＤＴ（（Poly（3-dodecylthiophene-2,5-Diyl））））、Ｆ８Ｔ２（フルオレンとバイチオフェンとの共重合体）などが例示される。たとえばＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの場合は、可視光の光学定数は屈折率ｎ＝１．５、消衰係数κ＝０．０１であり、発光層から見た電極反射率は、屈折率ｎ＝１．５の樹脂と同等の値を取り、ＰＣＢＭよりも反射率は低めになる。
【００７７】
さらに、透明電極の電気伝導度を高めるために金属メッシュ、金属ナノワイヤ、金属ナノ粒子等を併用してもよい。この場合は、金属ナノワイヤを用いた電極の電子伝導性が高まるために、平均的な屈折率が低くなり、発光層から見た反射率が高くなる傾向がある。本実施の形態の構成を実施する上では、発光層から見た反射率が低い透明電極材料が導波モードを散乱させた光を効率良く透明基板に取り出せるので望ましい。また、金属メッシュ、金属ナノワイヤ、金属ナノ粒子を用いた場合には、電極自体で導波モードを散乱させて外部に取り出す効果も有し、高効率の発光素子を実現する上で望ましい。
【００７８】
透明電極に関わる本実施の形態の設計変数としては部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、透明電極が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と複素比誘電率とを設計変数に含める。たとえば金属メッシュ電極の場合は、メッシュの高さや幅、周期、材料、材料の組み合わせなどが設計変数に含まれうる。
【００７９】
（光子発生層１４ｃ／機能層）
光子発生層１４ｃや機能層として有機材料を用いる場合には可視光の領域で典型的には１．６〜１．８の間の屈折率を持つ。特に、光子発生層の材料は、素子の外部取りだし量子効率の向上、発光寿命の長寿命化等の効果を好ましく得る観点から、有機ＥＬ素子用材料として有機金属錯体を用いることが好ましい。さらに、錯体形成に係る金属が元素周期表の８族〜１０族に属するいずれか１種の金属、ＡｌまたはＺｎであることが好ましく、特に上記金属が、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｌまたはＺｎであることが好ましい。
【００８０】
光子発生層に関わる本実施の形態の設計変数としては部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、光子発生層が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と複素比誘電率を設計変数に含める。
【００８１】
（反射電極（第２の電極）１５）
反射電極の材料としては透明薄膜金属層の材料として例示した金属材料を用いることができる。その他の合金、金属ナノ粒子を含有したインクなどを用いてもよい。また、透明電極と誘電体多層膜ミラー、金属凹凸構造、フォトニック結晶を反射層と組み合わせて用いてもよい。誘電体多層膜ミラー、金属凹凸構造、フォトニック結晶を反射層として用いた場合には、反射層でのプラズモン損失をなくすことができる利点がある。
【００８２】
反射電極に関わる本実施の形態の設計変数としては、部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、反射電極が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と複素比誘電率を設計変数に含める。
【００８３】
（光学バッファ層）
光学バッファ層としては誘電体多層膜のほか、フォトニック結晶構造を用いることができる。誘電体多層膜やフォトニック結晶構造を作成するためには、複数の誘電率を持つ材料を組み合わせる必要があり、誘電体材料は光子発生層で光が発生する波長において透明であることが望ましい。透明な材料としては、透明部材として用いられる材料を利用できる。具体的な材料としては、ＴｉＯ２（屈折率ｎ＝２．５）、ＳｉＯｘ（屈折率ｎ＝１．４〜３．５）などを用いることができる。その他の誘電体材料の例としては、ダイヤモンド、弗化カルシウム（ＣａＦ）、チッ化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などが例示できる。
【００８４】
樹脂材料としても塩化ビニル、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、テフロン（登録商標）、ポリイミド、フェノール樹脂などが例示され、屈折率も１．４〜１．８のものが存在する。またナノ粒子などを混合して屈折率を高くしたり低くしたり制御する技術も存在し、中空ナノシリカを混合したプラスチック材料では屈折率を１に近づけることが可能である。また、ＴｉＯ２等の高屈折率材料の粒子を樹脂に混合することにより、２に近い屈折率を実現することも可能である。
【００８５】
光学バッファ層に関わる本実施の形態の設計変数としてはバッファ層を構成する各部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は、屈折率と消衰定数とから式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、光学バッファ層が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と光学定数を設計変数に含める。たとえば、光学バッファ層が誘電体多層膜で構成される場合には、誘電体多層膜を構成する各光学薄膜の膜厚と複素比誘電率を設計変数に含みうる。また、たとえば、光学バッファ層がフォトニック結晶として構成される場合には、フォトニック結晶の単位格子の誘電体構造、単位格子を構成する材料の複素比誘電率が設計変数に含まれうる。
【００８６】
（光学微細構造）
光学微細構造としては、散乱粒子を含有する層、凹凸構造を有する層、発光層全体が波形構造を有する構造などが挙げられる。いずれの場合においても、構造の大きさや形を決めるための変数と、各構造の複素比誘電率から設計変数が構成される。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。
【００８７】
『２．３  光取り出し効率と外部光の諸特性計算方法』
本節においては、本実施の形態における光取り出し効率の計算方法について説明する。光取り出し効率は、光子発生層で発生した光子数を１とした場合に、透明部材あるいは空気に取り出される光子数である。具体的な計算方法については、背景技術で示した特許文献１、２に開示される計算方法（以下、背景技術における計算方法、と称する。）を用いることができるが、背景技術における計算方法と本実施の形態における計算方法とは、以下の２つの点で異なっている。
【００８８】
背景技術における計算方法と本実施の形態における計算方法との一つ目の相違点は、『基準素子と所望の解析素子の両方において、光子発生層から透明部材あるいは空気への光取り出し効率を計算し、基準素子と解析素子の「光取り出し効率の比」を算出し、基準素子および解析素子をそれぞれ構成する各層の厚みおよび各層の複素比誘電率と「光取り出し効率の比」との関係を求める』点である。このことにより、実験時に電子注入やマイクロキャビティ効果によって生じるフォトルミネッセンススペクトルとエレクトロルミネッセンススペクトルの違いを実験によって補正することが可能になる。
【００８９】
また、背景技術における計算方法と本実施の形態における計算方法との二つ目の相違点は、『量子光学解析』を行う点である。本実施の形態で注目する特性は、電子注入時の外部光の諸得性である。背景技術における計算方法は説明されていないが、電子注入時の特性を計算するためには量子光学解析により、内部量子効率を求めておく必要がある。一般的には、マイクロキャビティ効果による発光レートの変化を計算し、発光再結合に関わるレート方程式を解くことで厳密な計算を行なう。ここでは、簡単のため発光再結合と非発光再結合とのみが存在する場合について説明する。発光再結合のレートをｋｒ、非発光再結合のレートをｋｎｒとおくと、発光再結合に関わるレート方程式は、以下の式（４）のように書き下される。
【００９０】
【数４】
2015194359.tif 000006
【００９１】
ここでＮｅｘｃは光子発生層における励起子密度、Ｎｉｎｊは励起子注入密度である。定常状態においては、時間微分が零であるので結局、以下の式（５）となる。
【００９２】
【数５】
2015194359.tif 000007
【００９３】
すなわち、発光再結合の確率φは、以下の式（６）と計算される。
【００９４】
【数６】
2015194359.tif 000008
【００９５】
発光再結合レートの計算は、材料固有の発光寿命と、非特許文献１に開示される計算方法を組み合わせることで計算できる。そのほか、材料固有の発光寿命と既存の電磁場解析手法である有限時間差分法（ＦＤＴＤ法）、転送行列法、等を組み合わせることで解析される。特に発光再結合レートの計算をする上では非特許文献１に開示されるパーセルファクタを計算結果に含めておくことが望ましい。
【００９６】
より正確な計算を行うための指針を以下に示す。ｋｒは素子の構造と発光波長に依存するため、実際の計算においては素子の構造依存と波長依存も考慮して重み付け計算を行うとよい。また、有機電界発光素子の場合には、励起三重項失活や、一重項−三重項失活の効果もレート方程式に組み込むことでより正確な解析を行い、「光取り出し効率」の修正係数を計算しておく。
【００９７】
最終的に注入電子数で規格化した外部に取り出される光子数（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、下記式（７）と計算される。
【００９８】
【数７】
2015194359.tif 000009
【００９９】
ここで、γｅはスピン注入規則できまる電子から励起子への変換効率、φは発光再結合確率、ηＯＥは透明部材あるいは空気への「光取り出し効率」で、量子光学解析を含んだ値になっている。
【０１００】
全体の具体的な計算方法について下記に示す。背景技術における計算方法（既存の解析手法）と量子光学計算を組み合わせて、基準素子の光取り出し効率の波長依存性η０（λ）と、解析素子の光取り出し効率η１（λ）を計算する。また、実験で測定された基準素子の空気全角度光スペクトルをＳ０（λ）とする。このとき、解析素子の空気における全角度スペクトルＳ１（λ）は、下記式（８）で計算される。
【０１０１】
【数８】
2015194359.tif 000010
【０１０２】
この後、解析素子の正面スペクトルＳｆｒｏｎｔ（λ）は、計算によって求められる空気全角度スペクトルと空気正面スペクトルとの比Ｇｆｒｏｎｔ（λ）によって、下記の式（９）と算出される。
【０１０３】
【数９】
2015194359.tif 000011
【０１０４】
他の角度のスペクトルも同様である。計算によって求めた空気全角度スペクトルと角度スペクトルの比をＧａｎｇ（λ、θ）とおくと、下記式（１０）となる。
【０１０５】
【数１０】
2015194359.tif 000012
【０１０６】
また、所望のスペクトルが求められた後の色座標や光束［ｌｍ］の計算についてはＣＩＥの定義に従った計算で行なえる。
【０１０７】
さらに、この計算方法は空気全角度スペクトルのみならず透明部材の内部の全角度スペクトルに関しても適用できる。具体的に透明部材の内部の全角度スペクトルを実験で求める方法としては、発光領域よりも十分大きい半球レンズを透明部材にマッチングオイルを用いて密着させ積分球を用いて測定する方法がある。
【０１０８】
『２．４  最適化計算手法』
ここでは、図２を参照しながら、最適化計算の望ましい方法について説明する。電界発光素子の設計変数一つ一つに関して、『２．３  光取り出し効率と外部光の諸特性計算方法』で説明した方法で外部スペクトルを計算することにより外部量子効率、発光輝度、色座標が計算される。
【０１０９】
単純には設計変数の所望の範囲で網羅計算を行ない、所望の色座標あるいは効率を達成する方法が考えられる。この場合には、多数の水準は実験計画法に基づいて計算すると少ない水準で効率良く計算される。また、各水準は、複数のクラスタマシンによって並列計算されると計算効率がよい。またグラフィックプロセッサを用いて並列計算されることが計算速度を上げるために望ましい。
【０１１０】
また、最適化計算を組み合わせることが望ましい。最適化アルゴリムには、所望特性に関する最急降下法、共役勾配法、線形計画法、遺伝的アルゴリズムなどを組み合わせることが望ましい。また、最適化においてはロバストネスを考慮した最適化を行うことが望ましい。具体的なロバストネスの計算方法としては、ある水準の付近の設計変数に関して複数計算を行い、所望特性のばらつきの大きさで評価し、ばらつきの小さな水準を選択する手法が望ましい。
【０１１１】
［３．設計方法の詳細］
『３．１  概要』
図２１に本実施の形態における設計方法の手順を示す。この設計手法は主に基準素子の電流駆動特性ならびに解析を行う部分Ｒ１００と、解析素子に対する最適化ループ２００で構成される。以下では、本実施の形態における設計方法の本質的部分の設計方法について説明する。
【０１１２】
電流駆動特性ならびに解析を行う部分Ｒ１００は、膜厚、複素非誘電率、構造定数等に基づき、基準素子の設計変数が決定される（Ｓ１１０）。その後、基準素子が作成される（Ｓ１２０）。次に、基準素子の測定が行なわれる（Ｓ１３０）。具体的には、電流駆動時のエレクトロルミネッセンススペクトルの測定、電流駆動時の外部量子効率が測定される。基準素子の測定結果は、後述の最適化ループＲ２００内のＳ２５０に入力される。
【０１１３】
一方、基準素子の設計変数の決定（Ｓ１１０）に基づき、基準素子の計算が行なわれる（Ｓ１４０）。具体的には、量子光学解析、電磁場解析、および、光線追跡を用いて、基準素子の計算が行なわれる。この基準素子の計算結果は、後述の最適化ループＲ２００内のＳ２４０に入力される。
【０１１４】
最適化ループＲ２００においては、膜厚、複素非誘電率、構造定数等に基づき、解析素子の設計変数が決定される（Ｓ２１０）。その後、解析素子の計算が行なわれる（Ｓ２２０）具体的には、量子光学解析、電磁場解析、および、光線追跡を用いて、解析素子の計算が行なわれる。
【０１１５】
次に、解析素子の計算結果が得られる（Ｓ２３０）。具体的には、相対発光レートの波長依存性、光取り出し効率の波長依存性、素子発光強度の波長および角度依存性の計算結果が得られる。
【０１１６】
次に、Ｓ１４０で計算された計算結果とＳ２３０で計算された計算結果とに基づき、解析素子と基準素子との発光強度比の計算を行なう。具体的には、相対発光レートの波長依存性、光取り出し効率の波長依存性、素子発光強度の波長および角度依存性についての比が計算される。
【０１１７】
次に、Ｓ２４０とＳ１３０とで計算された結果に基づき、解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトル計算が行なわれる（Ｓ２５０）。具体的には、光取り出し効率の波長依存性、および、素子発光強度の波長および角度依存性が計算される。
【０１１８】
次に、Ｓ２５０で得られた計算結果に基づき、解析素子の所望の特性が計算される（Ｓ２６０）。具体的には、外部量子効率、正面輝度、正面色座標、色座標の角度依存性、発光効率［ｌｍ／ｗ］、その他、発光スペクトルとその角度依存性、および、電力効率から算出される特性値、が計算される。
【０１１９】
次に、Ｓ２６０での解析素子の所望の特性の計算結果に基づき、所望の特性の目標値と解析値とを比較して、設計変数を目標値に近づけるように変化させる（Ｓ２７０）。この場合、計算方法として、ランダム計算、実験計画法、最急降下法、ニュートン法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズムが用いられる。その後、再度、Ｓ２１０に戻り、解析素子の設計変数が決定され（Ｓ２１０）、上記の最適化ループＲ２００が実行される。
【０１２０】
本実施の形態は、透明電極と第２の電極との間に挟持された複数の機能層と少なくとも一層の光子発生層とを有し、透明電極の光子発生層とは反対側の面に透明部材が接している電界発光素子の設計方法に関する。電界発光素子としては、図２２に示したような有機ＥＬ電界発光素子１００が典型例である。
【０１２１】
図２２に示す有機ＥＬ電界発光素子１００は、透明部材１１０としてのガラス基板上に、透明電極１１３としてＩＴＯ（膜厚１５０ｎｍ）を設け、真空蒸着法によって第１機能層１１４ａ、光子発生層１１４ｃ（膜厚２０ｎｍ）、第２機能層１１４ｅを設ける。その後、第２の電極１５として、反射電極であるＡｇ膜（膜厚１００ｎｍ）を設けた。なお、光子発生層１１４ｃは、発光ピーク波長が５２０ｎｍである緑色の燐光発光材料を用いた。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層（合計３５ｎｍ）を設けた。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層（合計ｘｎｍ）を設けた。透明部材１１０は、透明電極１１３の光子発生層１１４ｃとは反対側の面に接している。
【０１２２】
図２２に示した有機ＥＬ電界発光素子１００の設計における設計変数は、透明部材１１０、透明電極１１３、第１機能層１１４ａ、第２機能層１１４ｅ、および、第２の電極１１５のそれぞれの厚み、および複素比誘電率、並びに、光子発生層１１４ｃにおける発光点の位置および分布である。
【０１２３】
本実施の形態の設計方法は、電流駆動時の外部特性を最適化する設計を実現することを目的とする。なお、電流駆動時の外部特性とは後述する図２９に示す所望の特性としての指標や、後述する図２３、図２５〜図２８の値を用いて計算される任意の指標である。具体的な指標の例としては、電力効率、電流効率、外部量子効率、正面輝度、正面色座標（ｘ，ｙ）、正面色温度、演色性、色座標の角度依存性が挙げられる。以下では、図２１の各ステップにおける解析方法を説明する。
【０１２４】
『３．２  基準素子の電流駆動特性測定・解析』
（３．２．１  基準素子の設計変数決定、基準素子作成）
最初に基準素子の設計変数を決定する（Ｓ１１０）。典型的には各機能を実現するために最低必要な膜厚で作成するとよい。ここでは、図２２に示した膜厚と、ｘ＝５０ｎｍを設定した例で説明する。基準素子は真空蒸着法等で作成できる。図２３に、基準素子に用いた設計変数をまとめる。設計変数は各構成部材の膜厚と複素比誘電率とで構成される。
【０１２５】
透明基板１１０はガラス基板で構成され、膜厚は７００マイクロメートル（０．７ｍｍ）、複素比誘電率はε１である。透明電極１１３は、ＩＴＯで構成され、膜厚は１５０ｎｍ、複素比誘電率はε２である。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層で構成され、膜厚は３５ｎｍ、複素比誘電率はε３である。光子発生層１１４ｃは、発光層で構成され、膜厚は２０ｎｍ、複素比誘電率はε４である。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層で構成され、膜厚は５０ｎｍ、複素比誘電率はε５である。第２の電極１１５は、Ａｇ膜で構成され、膜厚は１００ｎｍ、複素比誘電率はε６である。なお、発光点の位置は光子発生層１１４ｃの中心とし、分布はデルタ関数状に中心に集中しているものとした。
【０１２６】
（３．２．２  基準素子の測定）
作成した基準素子（Ｓ１２０）の電極に電圧を印加し、外部発光スペクトルを測定する（Ｓ１３０）。図２４に外部発光スペクトルを測定する装置１０００の構成の一例を示す。基準素子１００の外部発光スペクトルは積分球１１００を用いて全角度スペクトルを測定するとよい。よって、基準素子１００は、積分球１１００の中心部に、台１２００を用いて載置される。
【０１２７】
また、基準素子１００のスペクトル測定の際は、分光器１４００を用いて波長ごとの光子数を制御装置１３００に記録するとよい。さらに、測定時には基準素子１００に供給した電源の条件（電流、電圧）を制御装置１３００によって記録しておく。このようにしておくことで後の解析に基準素子１００の測定データを使用することができる。
【０１２８】
図２５に具体的な測定データ例を示す。測定データとしては、駆動電流（記号Ｉｉｎ、単位［Ａ］）、駆動電圧（記号Ｖｉｎ、単位［Ｖ］）、エレクトロルミネッセンススペクトル（記号ＳＥＬ１（λ）、単位［／Ｓ／ｎｍ］）、素子面積（記号Ｓｄｅｖ、単位［ｍ２］）、素子温度（記号Ｔｄｅｖ、単位［Ｋ］）、正面輝度（記号Ｉｃｄ、単位［ｃｄ／ｍ２］）、正面色度ｘ（記号ｘ、単位  無次元）、正面色度ｙ（記号ｙ、単位  無次元）、正面色温度（記号Ｔ、単位［Ｋ］）が挙げられる。
【０１２９】
図２５に示さないデータ（たとえば気圧等）も、後の解析に必要な場合は記録するとよい。なお、外部発光スペクトルは、単位時間、単位波長あたりの光子数の単位で測定すると、外部量子効率等の特性を換算しやすい。ここで測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルは単位時間、単位波長あたりの光子数に換算されているものとする。また、別の単位で測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルも測定条件を元に、単位時間、単位波長あたりの光子数に換算可能である。また、光子数の単位の光スペクトルに光子１個あたりのエネルギーをかけることで強度スペクトルに変換可能である。
【０１３０】
（３．２．３  基準素子の計算）
図２１に戻り、引き続き、基準素子の計算を実施する（Ｓ１４０）。基準素子の計算は量子光学解析、電磁場解析、光線追跡といった手法で構成され、それぞれ計算できる項目が異なる。ここでは、計算される項目と解析手法の選択について、図２６にまとめる。
【０１３１】
計算される項目としては、相対発光再結合レート（パーセルファクタ）波長依存性（記号  Ｆ１（λ）、単位  無次元、解析手法（量子光学解析・電磁場解析））、空気への光取出し効率（記号  ηＡｉｒ１（λ）、単位  無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、特定波長における空気光強度の角度分布（記号  ＤＡｉｒ１（λ）、単位  ［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、透明部材への光取り出し効率（記号  ηＳｕｂ１（λ）、単位  無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、および、特定波長における透明部材内光強度の角度分布（記号  ＤＳｕｂ１（λ）、単位  ［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））が挙げられる。
【０１３２】
いずれの解析においても図２３に示した設計変数を解析に用いる。各解析手法については、特許文献１，２と電磁場解析手法に基づいて計算が可能である。なお、強度の角度分布においては立体角をかけて積分した際に１になるように規格化されているものとする（式１１参照）。なお、両面に発光する素子の設計の場合は、それぞれの方向の発光に関して式１１の規格化が成されているものとする。
【０１３３】
【数１１】
2015194359.tif 000013
【０１３４】
また、パーセルファクタは、周囲に誘電体や金属等で構成されるマイクロキャビティが存在する場合の発光再結合レートの、発光材料単体の発光再結合レートに対する比であり、非特許文献１におけるＦ（λ）に相当する。以上で、基準素子の電流駆動特性測定・解析に関する説明を終わる。
【０１３５】
『３．３  最適化ループ』
以下では、図２１を参照しながら、最適化ループ内の各手順について説明する。
【０１３６】
（３．３．１  解析素子の設計変数決定）
解析したい素子の設計変数を決定する（Ｓ２１０）。ここでは、図２３に示した設計変数の値を変化させることとする。具体的な変化のさせ方としては、後述する所望の特性を上げるような最急降下法、遺伝的アルゴリズムが挙げられる。この入力変数の組み合わせをベクトル化して、１ループ目はｘ［１］、２ループ目はｘ［２］、・・・、Ｎループ目をｘ［Ｎ］とおくこととする。
【０１３７】
（３．３．２  解析素子の計算）
次に、解析素子の計算を行なう（Ｓ２２０、Ｓ２３０）。ここで計算される項目は図２６に示した基準素子の計算される項目と同じである。ただし、設計変数について１ループ目はｘ［１］、２ループ目はｘ［２］、・・・、Ｎループ目がｘ［Ｎ］と変化している点に注意する。ここではＮループ目の解析結果について、図２７に定めるように記号を決めるものとする。
【０１３８】
Ｎループ目の解析素子について計算される項目としては、相対発光再結合レート（パーセルファクタ）波長依存性（記号  Ｆ［Ｎ］（λ）、単位  無次元、解析手法（量子光学解析・電磁場解析））、空気への光取出し効率（記号  ηＡｉｒ［Ｎ］（λ）、単位  無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、特定波長における空気光強度の角度分布（記号  ＤＡｉｒ［Ｎ］（λ）、単位  ［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、透明部材への光取り出し効率（記号  ηＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位  無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、および、特定波長における透明部材内光強度の角度分布（記号  ＤＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位  ［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））が挙げられる。なお、光取り出し効率は、光子発生層で発生した光が空気、あるいは透明部材に出てくる比率を表す。光取り出し効率やＥＱＥ（外部量子効率）の計算に関しては、前述した相対発光再結合レート（パーセルファクタ）の波長依存性を用いて、非特許文献１の方法で補正しておくことが望ましい。このようにすることで、電流注入時の光取り出し効率を正確に計算できるようになる。
【０１３９】
（３．３．３  解析素子と基準素子の発光強度比、エレクトロルミネッセンススペクトル計算）
図２５に示す基準素子の電流注入時に測定された測定項目を用いて、解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトルを計算するための比を計算する（Ｓ２４０）。また、上述の強度比を用いて解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトルを計算する（Ｓ２５０）。ここで計算される項目と記号とを、図２８および図２９のように定義する。
【０１４０】
図２８を参照して、Ｎループ目の解析素子について計算される項目は、基準素子との空気にでるエネルギーの強度比（記号  ＧＡｉｒ［Ｎ］（λ）、単位  無次元）、基準素子との透明部材にでるエネルギーの強度比（記号  ＧＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位  無次元）、エレクトロルミネッセンススペクトル計算値（記号  ＳＥＬ［Ｎ］（λ）、単位  ［／ｓ／ｎｍ］）、および、透明部材内エレクトロルミネッセンススペクトル計算値（記号  ＳＥＬＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位  ［／ｓ／ｎｍ］）が挙げられる。
【０１４１】
図２９を参照して、Ｎループ目の解析素子について計算される指標値は、電力効率（記号  ＬＰＷ［Ｎ］、次元［ｌｍ／Ｗ］）、電流効率（記号  ＬＰＡ［Ｎ］、次元［ｌｍ／Ａ］）、外部量子効率（記号  ＥＱＥ［Ｎ］、無次元）、正面輝度（記号  Ｙ［Ｎ］、次元［ｃｄ／ｍ２］）、正面色座標ｘ（記号  ｘ［Ｎ］、無次元）、正面色座標ｙ（記号  ｙ［Ｎ］、無次元）、正面色温度（記号  Ｔ［Ｎ］、［Ｋ］）、正面演色性（記号  Ｒａ［Ｎ］、無次元）、色座標の角度依存性ｘ（記号  ｘθ［Ｎ］（θ）、無次元）、および、色座標の角度依存性ｙ（記号  ｙθ［Ｎ］（θ）、無次元）が挙げられる。
【０１４２】
ここでは、図２４に示した基準素子１００の測定が、素子の外部空気に出てくるスペクトルを測定したものとして説明する。図２８に示した強度比と外部発光スペクトル計算値は、図２５に示した実験エレクトロルミネッセンススペクトルを用いて、式（１２）により計算される。
【０１４３】
【数１２】
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【０１４４】
基準素子と解析素子との空気にでるエネルギーの強度比については、図２７に示す既存の量子光学解析手法、電磁場解析手法、および、光線追跡手法を用いて計算される。
【０１４５】
ここで重要なのは、基準素子のエレクトロルミネッセンススペクトル測定値（Ｓ１３０）と、基準素子の計算結果（Ｓ１４０）と、解析素子の計算結果（Ｓ２３０）を用いて、解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトルを計算している点である（Ｓ２４０，Ｓ２５０）。このように計算することで、電流注入時の外部発光エレクトロルミネッセンススペクトルを正確に計算できるようになる。
【０１４６】
（３．３．４  解析素子の所望の特性の計算）
上記、３．３．３説までの解析結果により、任意のＮ番目の計算における空気、あるいは透明部材内部における外部発光スペクトル波長分布と光強度の角度分布が解析されることになる（Ｓ２６０）。また、発光する光の色座標等に興味がある場合は、計算されたスペクトルと角度分布を用いて、ＣＩＥ(国際照明委員会)の定義に従って計算することで色座標を計算できる。
【０１４７】
また、図２５に示す基準素子の駆動条件と、図２６〜図２８に示した計算結果により、解析素子の電力効率も計算できる。さらに、図２７に示す角度分布特性を用いることで、輝度や色座標の角度分布も計算可能である。図２９に所望の特性として計算されうる指標を列挙する。
【０１４８】
所望の特性は、図２９に挙げた指標に限らず、図２３、図２５〜図２８に挙げた値を用いて計算される任意の指標を含みうる。たとえば、ある設計変数の近傍で微少に設計変数を変化させ指標値のばらつきを新たな指標値として用い、ばらつきを最小化するように最適化を行う場合には、ロバストな設計解を導出でき量産に適した設計が可能になる。また、図２９には例示していないが演色性の指標としてＲａ意外にもＲ１〜Ｒ１５の色標の演色性を独立に評価してもよい。このように独立の色標の演色性を評価することによって、どの色がよく再現されているかを定量化でき、照明としての性能をよりきめ細やかに設計することが可能になる。
【０１４９】
（３．３．５  所望の特性の目標値と解析値を比較して設計変数を目標値に近づけるように変化させる）
これまでの説明により、設計変数をベクトルとしてまとめたＮ番目の設計変数ｘ［Ｎ］が定まると、図３０に例示される所望の特性が、基準素子の実験で求めたエレクトロルミネッセンススペクトルから計算される。
【０１５０】
図３０を参照して、最適化素子の設計変数としては、透明基板１１０はガラス基板で構成され、膜厚は７００マイクロメートル（０．７ｍｍ）、複素比誘電率はε１である。透明電極１１３は、ＩＴＯで構成され、膜厚は１５０ｎｍ、複素比誘電率はε２である。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層で構成され、膜厚は３７ｎｍ、複素比誘電率はε３である。光子発生層１１４ｃは、発光層で構成され、膜厚は２０ｎｍ、複素比誘電率はε４である。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層で構成され、膜厚は１１３ｎｍ、複素比誘電率はε５である。第２の電極１１５は、Ａｇ膜で構成され、膜厚は１００ｎｍ、複素比誘電率はε６である。
【０１５１】
この結果を基にＮ＋１番目の計算を行ない、所望の特性を目標値に近づける（Ｓ２７０）。繰り返し計算のアルゴリズムとしては、所望の特性を上げるような最急降下法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズムが挙げられる。また、既存の任意の最適化アルゴリズムを用いてもよい。以下、３．３．１節に戻り最適化ループＲ２００を続ける。最適化ループＲ２００は所望の特性が十分に近づいたと判断するか、規定の繰り返し回数を完了したら終了するものとする。
【０１５２】
最適化時には評価関数を定め、評価関数を最小化あるいは最大化するようにアルゴリズムを設計することが望ましい。たとえば正面色座標（ｘ,ｙ）を目標色座標（ｘｔａｒｇｅｔ，ｙｔａｒｇｅｔ）に近づける最適化を行なう際には評価関数として色座標の誤差を、下記式（１３）により定め、評価関数を最小化するように最急降下法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズム等を設計することが望ましい。
【０１５３】
【数１３】
2015194359.tif 000015
【０１５４】
また、計算の効率を上げるためにはあらかじめ設計変数ｘ［１］，ｘ［２］・・・ｘ［Ｎ］を実験計画法に基づいて決めておき、Ｎ個の設計変数の組み合わせについて並列計算を行なうとよい。並列計算についてはＧＰＵ（Graphics  Processing  Unit）を用いた計算、クラスタマシンを用いた計算、マルチＣＰＵを用いた計算などが用いられる。
【０１５５】
（３．３．６  具体的な最適化ループの実施例）
基準素子としては図２３に示した素子を用い、所望の特性としては素子の正面色座標（ｘ，ｙ）とし、目標正面色座標をｓＲＧＢの緑座標（０．３０，０．６０）に近づけるように最適化計算を行なった。設計変数としては複数の機能層の膜厚を用いた。最適化手法には実験計画法を用い、マルチＣＰＵによる並列計算によって複数水準を同時計算した。
【０１５６】
所望の特性としては（ｘ，ｙ）色座標の目標座標との差Δｘｙ（下記の式（１４）参照)を用い、目標値としてはΔｘｙ＝０とした。また、最適化計算はＮ＝２５６で打ち切った。
【０１５７】
【数１４】
2015194359.tif 000016
【０１５８】
図３１に最適化計算結果を示す。なお、水準番号Ｎは、誤差が大きい順番に振り直している。図３１より設計変数の組み合わせｘ［２５６］が、計算した中でもっとも差Δｘｙが小さく、望ましい設計変数の組み合わせであることがわかる。図３０に最適化結果の設計変数ｘ［２５６］を示す。図２３の基準素子と設計変数とが変化していることがわかる。このようにして、「設計変数と所望の特性の関係」を導出することによって、所望の特性を目標値に近づける最適化を実施できることがわかる。
【０１５９】
［４．電界発光素子の製造方法の詳細］
図３２に電界発光素子の製造方法に上記実施の形態における設計方法を適用した場合の流れを示す。［３．設計方法の詳細］で説明したように、いったん最適化ループＲ２００を回し、最適設計を出力する。次に、その最適設計変数に基づいて電界発光素子の製造を行なう。その後、製造した電界発光素子を検査し、電流駆動特性を測定し解析する。
【０１６０】
さらに、その検査した電界発光素子を基準素子として再度最適化ループＲ２００を回し製造工程へフィードバックを行なう。このようにして製造方法に上記実施の形態における設計方法を適用することにより、所望の特性値をもった電界発光素子を安定に製造することが可能になる。
【０１６１】
（実施例）
［５．１  片面発光素子］
以下では、本実施の形態の効果をより詳細に説明するために、有機電界発光素子の解析を例に説明する。解析する有機ＥＬ電界発光素子１００は、図２２に示す構造を有し、透明部材１１０としてのガラス基板上に、透明電極１１３としてＩＴＯ（膜厚１５０ｎｍ）を設け、真空蒸着法によって第１機能層１１４ａ、光子発生層１１４ｃ（膜厚２０ｎｍ）、第２機能層１１４ｅを設ける。その後、第２の電極１５として、反射電極であるＡｇ膜（膜厚１００ｎｍ）を設けた。なお、光子発生層１１４ｃは、発光ピーク波長が５２０ｎｍである緑色の燐光発光材料を用いた。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層（合計３５ｎｍ）を設けた。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層（合計ｘｎｍ）を設けた。正孔阻止層から電子注入層までの総膜厚を変化させながら、実験と計算を比較した。
【０１６２】
図３３に、実験結果と背景技術における解析方法、本実施例における解析方法を比較した結果を示す。また、図３４に実験と解析の誤差を示す。本実施例の方が実験の色度と外部量子効率とを正確に計算できていることがわかる。本実施例の解析手法を用いることでより正確な色度と、効率を計算できるようになる。また、同様の解析は図５から図２０に示した片面発光の素子の電界発光素子の解析に適用できる。
【０１６３】
［５．２  透明発光素子］
図８から図１０に示した透明発光素子である電界発光素子１Ｆ〜１Ｈに本実施の形態の設計方法は適用可能である。透明な発光素子について本実施の形態の電界発光素子の設計方法を実施することにより、両側の外部に取り出される光の量や色を正確に見積もることができる。
【０１６４】
［５．３  光学バッファ層を含む構成］
図１１および図１２に示した光学バッファ層を含む電界発光素子１Ｉ〜１Ｊに本実施の形態の設計方法は適用可能である。光学多層膜のマイクロキャビティ効果による発光効率向上効果を利用した設計を本実施の形態の設計方法で最適化することにより、所望の色で効率を最適化した素子を設計できる。
【０１６５】
［５．４  光学微細構造を含む構成］
図１３から図１６に示した光学微細構造を含む電界発光素子１Ｋ〜１Ｍに本実施の形態の設計方法は適用可能である。導波モード光やプラズモン光の取り出し効率を本実施の形態の設計方法で設計することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな発光素子を実現できる。
【０１６６】
［５．５  第２の光学微細構造を含む構成］
図１７に示した第２の光学微細構造を含む電界発光素子１Ｏに本実施の形態の設計方法は適用可能である。基板モード光を効率良く散乱できる設計を実現することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな発光素子を実現できる。
【０１６７】
［５．６  電界発光素子］
図５〜図１７に示した、本実施の形態の設計方法を適用して設計した電界発光素子１Ａ〜１Ｏは、高効率で所望の色を出せる面発光光源として有用である。また、図１８〜図２０に示した電界発光素子１Ｐ〜１Ｒも同様である。
【０１６８】
以上、背景技術における電界発光素子の設計方法は、フォトルミネッセンススペクトルを元に、電流注入による電界発光素子の外部光スペクトルを計算しており、実際の電界発光素子の外部発光スペクトルと計算で求めた外部発光スペクトルが異なり、電界発光素子の発光効率や色座標を正確に計算できない課題があった。
【０１６９】
しかし、上記本実施の形態の電界発光素子の設計方法においては、基準素子の外部発光スペクトルを元に、解析素子の外部発光スペクトルを計算することで、正確な効率や色座標を計算し、所望の特性を最適化して、電界発光素子の製造を行なうことを可能としている。
【０１７０】
以上、上記実施の形態によれば、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量や色を正確に見積もることができる。また、透明な発光素子に本実施の形態を採用することにより、両側の外部に取り出される光の量や色を正確に見積もることができる。また、光学多層膜のマイクロキャビティ効果による発光効率向上効果を利用した設計を本実施の形態の手法で最適化することにより、所望の色で効率を最適化した電界発光素子を設計できる。
【０１７１】
さらに、導波モード光やプラズモン光の取り出し効率を本実施の形態の設計方法を用いて設計することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな電界発光素子を実現できる。また、基板モード光の散乱効率を本実施の形態の設計方法を用いて設計することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな電界発光素子を実現できる。さらに、本実施の形態の設計方法を用いて設計された電界発光素子は、高い効率で所望の色度を実現できる。
【０１７２】
以上、本実施の形態における電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１７３】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｉ，１Ｊ，１Ｋ，１Ｌ，１Ｎ，１Ｍ，１Ｏ，１Ｐ，１Ｑ，１Ｒ  （有機41）電界発光素子、１０  第１の透明部材（封止部材）、１３  透明電極（第１の電極）、１３ａ，１３ｃ  導電性樹脂、１３ｂ  薄膜Ａｌ（薄膜金属電極）、１４，１４Ａ  発光層、１４Ｂ，１４Ｄ  電荷発生層、１４Ｃ  第２の発光層、１４Ｅ  第３の発光層、１４ａ  正孔注入層、１４ｂ  正孔輸送層、１４ｃ  光子発生層、１４ｄ  電子輸送層、１４ｅ  電子注入層、１４ｃ  光子発生層、１５  反射電極（第２の電極）、１６  支持基板、１７  第２の透明部材、１９  第２の光学バッファ層、２１  第１の光学微細構造、２１ａ，２１ｂ  光散乱層、２１ｃ  平滑層、２１ｄ  金属凹凸構造、２１ｅ  透明導電膜、２３  第３の電極（透明電極）、２４  第４の電極（透明電極）、２５  第５の電極（透明電極）、２６  第６の電極（透明電極）、３１  第２の光学微細構造、３１ｂ  透明層、３１ａ  光散乱粒子、４０  反射部材（Ａｇ）、４１，４２，４３，４４  光学バッファ層、４５  反射部材、１００  有機ＥＬ電界発光素子、１１０  透明部材、１１３  透明電極、１１４ａ  第１機能層、１１４ｃ  光子発生層、１１４ｅ  第２機能層、１１５  第２の電極。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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