(57)【要約】【課題】  上下の電極間に挟まれた発光層を有するＥＬ素子において、発光した光のうち発光層界面で全反射する光は外部へ取り出されることがないので、発光効率が低下する。【解決手段】  電極と発光層との間に金属微粒子を分散させた光散乱層を設けることとした。このような構成によれば、発光層からの光を金属微粒子により散乱させて外部へ取り出すことが可能となり、発光効率が向上する。さらに、金属微粒子によりプラズモンが誘起される場合には、発光層やその周囲の各層に閉じ込められた光を利用することができ、光の利用効率が向上する。【選択図】  図１
2007165284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電極層と第二電極層との間に設けられた発光層と、
前記第一電極層と前記発光層との間に設けられた、金属微粒子が分散された光散乱層を備えることを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
前記第二電極層と前記発光層との間に第二の光散乱層を備えることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
前記光散乱層が前記第一電極層と前記発光層との間にある換わりに前記第二電極層上にあることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
前記光散乱層は、粒子径が１ｎｍから３００ｎｍの間に分布する金属微粒子が誘電体材料中に分散する膜から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
前記光散乱層は、粒子の長径に対する粒子の短径の比を異にする金属微粒子が誘電体材料中に分散する膜から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
前記金属微粒子の粒子径と前記光散乱層の厚さとが略等し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エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項７】
前記金属微粒子は、誘電体から成る略球状のコア部と、前記コア部の表面に成膜された金属薄膜から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項８】
前記コア部と前記金属薄膜のサイズが異なる複数種の金属微粒子が混在することを特徴とする請求項７に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項９】
前記金属微粒子は、微粒子が複数個凝集したクラスターであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１０】
前記第一電極層と前記第二電極層の少なくとも一方が複数の電極に分離され、前記第一電極層と前記第二電極層が重なり合う積層部に画素を構成するとともに、
前記光散乱層は、ある画素に対応する第一光散乱領域と、他のある画素に対応する第二光散乱領域を有しており、前記第一光散乱領域から出光する散乱光と前記第二光散乱領域から出光する散乱光の波長特性が異なるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１１】
前記第一電極層と前記第二電極層の少なくとも一方が複数の電極に分離され、前記第一電極層と前記第二電極層が重なり合う積層部に画素を構成するとともに、
前記光散乱層のうち、ある画素に対応する第一光散乱領域と、他のある画素に対応する第二光散乱領域とは、前記金属微粒子の形状が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１２】
前記第一電極層と前記第二電極層の少なくとも一方が複数の電極に分離され、前記第一電極層と前記第二電極層が重なり合う積層部に画素を構成するとともに、
前記光散乱層は誘電体層で構成され、
前記光散乱層のうち、ある画素に対応する第一光散乱領域を構成する誘電体層と、他のある画素に対応する第二の光散乱領域を構成する誘電体層とは、その誘電率が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１３】
前記第一電極層と前記第二電極層の少なくとも一方が複数の電極に分離され、前記第一電極層と前記第二電極層が重なり合う積層部に画素を構成するとともに、
前記光散乱層は、ある画素に対応する第一光散乱領域と、他のある画素に対応する第二光散乱領域を有し、
前記発光層と前記光散乱層との間に設けられる誘電体層の膜厚が前記第一光散乱領域に対応する部位と前記第二光散乱領域に対応する部位で異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１４】
前記第一光散乱領域に含まれる金属微粒子の平均粒子径よりも、前記第二光散乱領域に含まれる金属微粒子の平均粒子径が大きいことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１５】
前記金属微粒子の長径に対する短径の比を形状比として、前記第一光散乱領域に含まれる金属微粒子の平均形状比よりも、前記第二光散乱領域に含まれる金属粒子の平均形状比が大きいことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１６】
前記金属微粒子は、誘電体で形成された略球状のコア部の表面に金属薄膜が成膜された構成であり、前記第一光散乱領域と前記第二光散乱領域では、金属微粒子の前記コア部と前記金属薄膜のサイズが異なることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１７】
前記第一電極層と前記第二電極層の少なくとも一方の電極層が３原色に対応するように分離され、前記第一電極層と前記第二電極層が重なり合う積層部に第一画素、第二画素、第三画素を構成するとともに、
前記光散乱層は、前記第一画素に対応する第一光散乱領域と、前記第二画素に対応する第二光散乱領域と、前記第三画素に対応する第三光散乱領域を備え、
前記第一光散乱領域に分散された前記金属微粒子のサイズは１０ｎｍから５０ｎｍの分布を持ち、前記第二光散乱領域に分散された前記金属微粒子のサイズは５０ｎｍから９０ｎｍの分布を持ち、前記第三光散乱領域に分散された前記金属微粒子のサイズは９０ｎｍから１４０ｎｍの分布を持つことを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１８】
前記金属微粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗのいずれかの金属又はこれらの合金からなることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１９】
前記金属微粒子は、プラズモンを誘起する微粒子であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載のエレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２０】
請求項１〜９のいずれかに記載された構成のエレクトロルミネッセンス素子と、前記エレクトロルミネッセンス素子の発光面側に設けられた非自発光型の表示素子を備えることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面発光体やディスプレイ装置などに用いられるエレクトロルミネッセンス素子、特に発光層の近傍に光散乱膜を設けて発光効率を向上させたエレクトロルミネッセンス素子（以下ＥＬ素子という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から発光層として無機物を用いた無機ＥＬ素子が知られている。また、近年では発光層に低分子有機膜あるいは高分子有機膜を用いた有機ＥＬ素子が開発されている。これらのＥＬ素子は、素子の厚さが薄いこと、また低消費電力で発光するなどの特徴がある。そのため、液晶ディスプレイを照明するための平面発光体として実用化され、あるいはドットマトリクス状に画素を構成したフルカラーの画像表示装置として研究開発がなされている。
【０００３】
図１３に、従来公知であるフルカラー表示型ＥＬ素子の断面構造を示す。図示するように、ガラス基板５１に背面電極５２を形成し、さらに、その上に絶縁層５３、３つの発光層（５４、５５、５６）、表示側絶縁層５７、透明電極５８を順次積層する。背面電極５２は紙面と平行な方向のストライプ状電極であり、透明電極５８は紙面と垂直な方向のストライプ状電極である。さらに、透明電極５８の上にはカラーフィルター層５９を形成している。発光層は、ＺｎＳ：Ｔｂ、Ｆからなる緑色発光層５４、ＳｒＳ：Ｃｅによる青緑色発光層５５、及びＺｎＳ：Ｍｎによる黄橙色発光層５６の３層が積層した構成である。また、カラーフィルター層５９は、赤色光透過フィルター５９ｒ、緑色光透過フィルター５９ｇ、青色光透過フィルター５９ｂがそれぞれ分離して透明電極５８を覆うようにして形成されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
このＥＬ素子では、背面電極５２と透明電極５８に駆動電圧が供給され、その交差部の各発光層５４、５５、５６が発光する。各発光層は緑色（以下Ｇと記す）、赤橙色（以下Ｒと記す）、青色（以下Ｂと記す）が同時に発光するので白色光となる。この白色光がカラーフィルター層５９に達すると、各交差部の画素ごとにカラーフィルター層５９の色以外の色の光が吸収され、カラーフィルター層５９の色の光のみが透過することになる。従って、発光させた光の多くはカラーフィルター層５９に吸収されることになる。
【０００５】
実際の駆動は、ストライプ状の多数に分離した背面電極５２又は透明電極５８を線順次に選択して走査して行う。即ち、透明電極５８を走査電極とし、背面電極５２を信号電極とすると、透明電極５８の一つの電極が選択されている間に背面電極５２に信号電圧を与えて、選択された電極が交差する交差部の発光層を発光させる。これを順次繰り返して走査し、フルカラー表示を得る。
【特許文献１】特開平１−３１５９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光層内で発生した光には、発光層の表面から垂直方向へ出射される光だけではなく、発光層内に閉じ込められる光が存在する。例えば、上述の従来構成で、可視光に対する屈折率が、絶縁層５３（または表示側絶縁層５７）より発光層５４（または発光層５６）のほうが大きい場合には、横方向の光は絶縁層と発光層との界面で全反射することとなり、発光層から外へ取り出すことができずに発光層内に閉じ込められる。そのため、平面発光体としての発光効率が低下するという課題があった。発光層５４、５５、５６から絶縁層５３（または表示側絶縁層５７）の屈折率が外側に行くほど低下する場合にも、同様に発光層で発生した光が発光層内に閉じ込められやすい。そのため、平面発光体としての発光効率を低下させる要因となった。
【０００７】
また、フルカラー表示装置としての上記公知例においては、発光層５４、５５、５６内で発光した光の多くを、カラーフィルター層５９によって吸収させている。例えば青色の光線を透過させる場合には緑色と赤橙光線を吸収させ、赤橙色を透過させる場合には青色と緑色の光線を吸収させている。そのために表示させるために取り出す光量が必然的に低下するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じた。すなわち、第一電極層と第二電極層との間に発光層を有するＥＬ素子において、第一電極層と発光層との間に金属微粒子を分散した光散乱層を形成した。金属微粒子として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗのいずれかの金属、又はこれらの合金を用いた。また、この金属微粒子は表面プラズモンを誘起する微粒子である。
【０００９】
また、光散乱層は、粒子径が１ｎｍから３００ｎｍの間に分布する金属微粒子が誘電体材料中に分散する膜である。あるいは、光散乱層を、粒子の長径に対する粒子の短径の比を異にする金属微粒子が誘電体材料中に分散する膜で構成した。あるいは、金属微粒子の粒子径と光散乱層の厚さが同じになるように構成した。
【００１０】
さらに、第二電極層と発光層との間に第二の光散乱層を備えることとした。
【００１１】
あるいは、光散乱層が第一電極層と発光層との間にある換わりに第二電極層上に設けることとした。
【００１２】
また、第一電極層と第二電極層の少なくとも一方を複数の電極に分離し、第一電極層と第二電極層が重なり合う積層部に画素を構成するとともに、光散乱層は、ある画素に対応する第一の光散乱領域と、他のある画素に対応する第二の光散乱領域を有しており、第一の光散乱領域から出光する散乱光と第二の光散乱領域から出光する散乱光の波長特性が異なるように構成した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発光層近傍に金属微粒子を分散させた光散乱層を設けることにより、平面発光体としての発光効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のＥＬ素子は、第一電極層と第二電極層との間に、発光層と、金属微粒子が分散された光散乱層とを備えている。この断面構成を図１に模式的に示す。図１の構成は、照明装置等の平面発光板として用いるＥＬ素子に適している。本図では、上述の構成要素が基板１上に設けられている。このように、発光層４の近傍に金属微粒子６を分散させた光散乱層３を設ける構成により、発光層４で発光した光は、光散乱層３に侵入して金属微粒子６に衝突し、第一電極２側に乱反射され、散乱光として取り出すことができる。
【００１５】
さらに、金属微粒子６として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗのいずれかの金属やこれらの合金を、または、表面プラズモンを誘起する微粒子を用いることとした。このような構成によれば、発光層４と光散乱層３の界面で光が全反射することにより発生する近接場光に金属微粒子６の電子が共鳴して誘起されるプラズモンにより光が放射され、この放射された光が外部へ取り出される。このように、発光層と光散乱層の界面で全反射する光、すなわち、発光層内に閉じ込められた光を発光層外へ散乱させることが可能となり、光の利用効率、発光体としての発光効率を高くすることができる。
【００１６】
これらの金属微粒子は、その粒子径が３００ｎｍ以下になると近接場光と相互作用してプラズモンを誘起させる。プラズモンとは、光の電界に金属微粒子の電子が共鳴する状態をいう。プラズモンは、屈折率の大きい物質から屈折率の小さい物質へ光が臨界角以下で入射して全反射し、屈折率の小さい物質へ浸み出す場合や、光の波長より径が小さい開口部に光が入射したときにその開口部から浸み出す場合の近接場光（これらの光をエバネッセント光という）に金属微粒子の電子が共鳴することによっても励起される。
【００１７】
発光層で発生した光が、例えば屈折率の大きい発光層から屈折率の小さい光散乱層へ臨界角以下で光が入射して全反射すると、屈折率の小さい光散乱層の界面近傍の数１００ｎｍ以下の領域に近接場光が発生する。この近接場光と光散乱層に分散する金属微粒子の自由電子とが相互作用し、共鳴振動する自由電子により光が放射され、その放射光が光散乱層の外へ散乱される。放射光の強度ピークは金属微粒子の粒子径や粒子の長軸と短軸の比の大きさによって異なる。
【００１８】
そこで、粒子径が１ｎｍから３００ｎｍの間に分布する金属微粒子を光散乱層に分散させることにより、発光層から放射される光が異なる波長が混在していても、所望の波長の散乱光を外部へ取り出すことができる。あるいは、粒子の長径に対する粒子の短径の比が異なる数種類の形の金属微粒子を光散乱層に分散させた場合にも同様の効果を得ることができる。
【００１９】
また、金属微粒子を、誘電体から成る略球状のコア部と、コア部の表面に成膜された金属薄膜で構成させてもよい。このとき、コア部と金属薄膜のサイズが異なる複数種の金属微粒子が光散乱層に混在するように構成すると、発光層から放射される光が異なる波長が混在していても、所望の波長の散乱光を外部へ取り出すことができる。また、金属微粒子を、微粒子が複数個凝集したクラスターで形成してもよい。
【００２０】
上述した構成のＥＬ素子を非自発光型の表示素子、例えば液晶パネルの照明装置として用い、表示装置を構成することができる。
【００２１】
次に、本発明のＥＬ素子をディスプレイ装置として用いる構成について説明する。すなわち、本発明のＥＬ素子は、第一電極層と第二電極層の少なくとも一方が複数の電極に分離され、第一電極層と第二電極層が重なり合う積層部に画素を構成し、第一電極層と第二電極層との間に、発光層と、金属微粒子が分散された光散乱層を備えるＥＬ素子である。このとき、光散乱層は、ある画素に対応する第一の光散乱領域と、他のある画素に対応する第二の光散乱領域を有しており、第一の光散乱領域から出光する散乱光と第二の光散乱領域から出光する散乱光の波長特性が異なるように構成した。このような構成によれば、単一色の発光層であっても、画素に応じて散乱光の色を変えることができるので、多色表示が可能になる。もちろん、このような構成のＥＬ素子を、ディスプレイ装置としてではなく、部分により発光色が異なる照明装置として用いることもできる。
【００２２】
あるいは、光散乱層は、ある画素に対応する第一の光散乱領域と、他のある画素に対応する第二の光散乱領域を有しており、第一の光散乱領域に含まれる金属微粒子の形状と、第二の光散乱領域に含まれる金属微粒子の形状が異なるように構成した。
【００２３】
これにより、発光層が特定の性質の光を発光するときでも、第一の光散乱領域により散乱される光と第二の光散乱領域により散乱される散乱光を互いに異なる性質の散乱光とすることができる。例えば、第一の光散乱領域から散乱される光の波長と第二の光散乱領域から散乱される散乱光の波長を異ならせることができる。あるいは、第一の光散乱領域から散乱される散乱光の散乱角度と第二の光散乱領域から散乱される散乱光の散乱角度を異なるようにすることができる。
【００２４】
より具体的には、第一の光散乱領域の金属微粒子の平均粒子径よりも、第二の光散乱領域の金属微粒子の平均粒子径を大きくする。金属微粒子によりプラズモンが誘起され光が散乱されている場合には、金属微粒子の粒子径が大きいほど散乱される光は長波長側にシフトする。従って、第一の光散乱領域で散乱される光を例えば緑色系統とし、第二の光散乱領域で散乱される光を赤色系統と設定できる。すなわち、異なる発光色を異なる画素に割り当てることができる。
【００２５】
また、金属微粒子の長径に対する短径の比を形状比として、第一の光散乱領域の金属微粒子の平均形状比よりも、第二の光散乱領域の金属微粒子の平均形状比を大きくする。金属微粒子によりプラズモンが誘起され、光が散乱されている場合には、金属微粒子の形状比が大きいほど散乱される光は長波長側にシフトする。従って、上記平均粒子径の場合と同様に、異なる画素に異なる発光色を割り当てることができる。
【００２６】
あるいは、光散乱層を誘電体層で構成し、光散乱層のうち、ある画素に対応する第一光散乱領域を構成する誘電体層と、他のある画素に対応する第二の光散乱領域を構成する誘電体層は、その誘電率が異なるように構成した。
【００２７】
あるいは、発光層と光散乱層の間に誘電体層が設けられるとともに、光散乱層は、ある画素に対応する第一の光散乱領域と、他のある画素に対応する第二の光散乱領域を有しており、誘電体層の膜厚が第一の光散乱領域に対応する第一の部位と第二の光散乱領域に対応する第二の部位で異なるように構成した。このように、それぞれの領域における誘電体層の厚さを異ならせることにより、一の画素の領域の発光層と他の画素の領域の発光層とに加わる電圧又は電流の大きさが異なるようになるため、発光強度の均一化を図ることができる。例えば、第一の部位に対応する画素の発光強度が、第二の部位に対応する画素の発光強度よりも大きい場合には、それぞれの画素の光強度のバランスが崩れる。そこで、各画素に対応する領域の誘電体層の膜厚を適切に設定して、発光層及び光散乱層からの散乱強度を各画素において均一にすることができる。
【００２８】
ここで用いる金属微粒子に、誘電体で形成された略球状のコア部の表面に金属薄膜が成膜された構成の粒子を用い、第一の光散乱領域と第二の光散乱領域では、粒子のコア部と金属薄膜のサイズが異なるように構成した。これにより、それぞれの領域での散乱効率に波長依存性を持たせることとなり、単色の発光層でも多色表示が可能になる。
【００２９】
また、３原色に対応する光散乱層を用いて多色表示を行うＥＬ素子について詳細に説明する。このようなＥＬ素子は第一電極と第二電極の少なくとも一方が３つの電極群に分離され、第一電極と第二電極が重なり合う積層部に第一画素、第二画素、第三画素を構成するとともに、光散乱層は、第一画素に対応する第一の光散乱領域と、第二画素に対応する第二の光散乱領域と、第三画素に対応する第三の光散乱領域を備え、第一の光散乱領域に分散された金属微粒子のサイズは１０ｎｍから５０ｎｍの分布を持ち、第二の光散乱領域に分散された金属微粒子のサイズは５０ｎｍから９０ｎｍの分布を持ち、第三の光散乱領域に分散された金属微粒子のサイズは９０ｎｍから１４０ｎｍの分布を持つこととした。これにより、ＲＧＢの３原色の組み合わせでカラー表示が可能になる。
【００３０】
金属微粒子として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗのいずれかの金属又はこれらの合金、あるいは、プラズモンを誘起する微粒子を例示できる。
【００３１】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１を用いて本実施例のＥＬ素子を説明する。図示するように、透明な基板１の上に透明な第一電極層２を形成し、次に誘電体材料の中に金属微粒子６を分散させた光散乱層３を形成し、次に発光層４を形成し、次に第二電極層５を形成する。本実施例では、発光平面板として利用するＥＬ素子を説明する。このようなＥＬ素子は、液晶表示装置の背面に設置する照明装置として利用することができる。図１に示すように、第一電極層と発光層の間に金属微粒子を分散した光散乱層を形成することにより、光を金属微粒子に衝突させて散乱させ、外部へ取り出すことができるようにした。
【００３３】
また、第一電極層と第二電極層の間に電圧を印加して電流を流すことにより、発光層に高エネルギーの電子が注入され、この電子と正孔が再結合することによりＥＬ素子は発光する。発光層内で発生した光は層に平行な方向や垂直な方向へ伝達する。この場合に、発光層と光散乱層の間や発光層と電極層の間の光屈折率の差、あるいは屈折率の分布によって、発光した光が発光層内に閉じ込められることがある。発光層４の屈折率が光散乱層３の屈折率よりも大きくなると、光の侵入する角度によって、発光層４と光散乱層３の間の界面で光が全反射する。発光層４と光散乱層３の界面で光が全反射すると、光散乱層３内に近接場光が発生する。そこで、金属微粒子６には、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗのいずれかの金属やこれらの合金を、または、表面プラズモンを誘起する微粒子を用いることとした。このような構成によれば、金属微粒子６の電子が前述の近接場光に共鳴してプラズモンが誘起され、入射した光の一部はこのプラズモンにより再放射されて基板１の外部へ散乱される。すなわち、発光層に閉じ込められていた光を金属微粒子６により外部へ取り出すことができるようになる。この結果、水平方向に伝達する光も外部へ取り出すことができ、発光体としての発光効率を向上させることができる。
【００３４】
また、発光層と光散乱層の間の界面で光が全反射するかどうかは、光の侵入する角度に依存する。全反射する角度の最大を臨界角という。発光層の屈折率が光散乱層の屈折率より大きくなるほど、発光層内に閉じ込められる光の割合が増加してくる。
【００３５】
また、プラズモンにより放射される光の波長は、金属微粒子６の粒子径に依存する。すなわち、粒子径が大きいほど散乱光の波長は長波長側へシフトする。従って、金属微粒子６の粒子径を、例えば１ｎｍから３００ｎｍの間で分散分布させることにより、発光層４において発光した光から所望の波長の光を選択的に散乱させることができる。液晶のバックライトに利用するにはこのような構成が望ましい。
【００３６】
図２に、発光層を二つの光散乱層で挟んだ構成のＥＬ素子を模式的に示す。ここで、図２のＥＬ素子が図１のＥＬ素子と異なる点は、第二電極層５と発光層４の間に第二の光散乱層３’を設けたことである。それ以外は図１と同様であるので、重複する説明は省略する。第二電極層５を透明電極とすることにより、基板１側だけでなく第二電極層５側にも散乱光を得ることができる。すなわち、このような構成により両面発光型のＥＬ素子が実現できる。
【００３７】
図３に、光散乱層３に含まれる金属微粒子６として、球状粒子ではなく長径と短径を持つ非球状の粒子を用いた構成のＥＬ素子を模式的に示す。非球状の金属微粒子の長径ｒ１に対する短径ｒ２の比を形状比とすると、金属微粒子６により散乱される散乱光は、この形状比が大きいほど界面に入射した入射光の波長が長波長側へシフトして散乱される。即ち、金属微粒子６が球状粒子の場合に、その粒子径が大きいほど散乱される散乱光は長波長側へシフトすると同様な効果を得ることができる。ここで、非球状の粒子として、円筒状又は直方体状の粒子が例示できる。
【００３８】
図１４は、光散乱層３に含まれる金属微粒子の他の構成を示す断面図である。ここで、金属微粒子は、誘電体からなるコア部２３と、その表面に厚み２４を持って成膜された金属薄膜２５から成る。コア部２３の材質はたとえばシリカであり、金属薄膜２５の材質はたとえばＡｕ、Ａｇである。コア部２３の直径２２と、金属薄膜２４の厚み２５の絶対値及び両者の比を変えることで、散乱効率に波長依存性を持たせることができる。
【００３９】
図４に、光散乱層３と発光層４との間に誘電体層７が設けられた構成を模式的に示す。このとき、誘電体層７の屈折率を発光層４の屈折率よりも小さい材料を使用すれば、発光層４と誘電体層７の間で全反射が起きることになる。あるいは、光散乱層３の屈折率を誘電体層７の屈折率よりも小さくすれば、誘電体層７と光散乱層３の界面において全反射が起きることとなる。誘電体層が薄ければ、光が全反射したときに発生する近接場光を光散乱層へ浸み出すことになる。その結果、この近接場光に光散乱層内の金属微粒子の電子が共鳴して誘起されるプラズモンにより光が放射され、この放射された光が基板１から外部へ取り出される。誘電体層の膜厚が１ｎｍから５０ｎｍの範囲であれば近接場光が光散乱層の金属粒子に作用できる。この範囲で膜厚を変えることで取り出し効率を調整することが可能になる。
【００４０】
このように、光散乱層と発光層の間に誘電体層を設ければ、誘電体層と発光層の界面において全反射の起こる条件を拡大させることができる。例えば、誘電体層として誘電率の小さな材料を用い、臨界角を大きくして全反射が発生しやすいようにする。これにより、近接場光をより多く発生させて金属微粒子による散乱光の量を増大させることができる。
【００４１】
図５に、光散乱層３の膜厚を金属微粒子６の粒子径と略等しくした構成のＥＬ素子を模式的に示す。例えば、金属微粒子６の粒子径が数１０ｎｍの場合は光散乱層３の膜厚も数１０ｎｍとする。このような構成により、電極層と発光層を金属微粒子を介して直接導通させることができる。通常、光散乱層には絶縁性誘電材料を用いるので、発光層４に無機ＥＬ層を用いる場合には発光層に印加される電界が降下することを防止でき、また、発光層４に有機ＥＬ層を用いる場合には発光層に注入される電子の流れが阻止されることが防止できる。したがって、電極層から発光層への電子又はホールの注入効率を高めることができるとともに、発光層内に閉じ込められた光を金属微粒子により散乱させて発光層外へ取り出すことができるので、平面発光体としての発光効率の向上を図ることができる。
【００４２】
図６に、発光色の異なる発光層が複数設けられた構成のＥＬ素子を模式的に示す。図示するように、発光層として赤色のＲ発光層４ｒ、緑色のＧ発光層４ｇ、青色のＢ発光層４ｂを積層させて、高輝度の白色ＥＬ素子を実現している。このように、発光する光の波長を異にする複数の発光層と金属微粒子が分散された光散乱層を設けることにより、必要な色の発光を得るとともに発光層に閉じ込められた光を外部に取り出すことができるので、平面発光体としての発光色選定の自由度を確保して発光効率を向上した平面発光体を得ることができる。
【００４３】
図８に、有機ＥＬ素子の断面構造を詳細に示す。有機ＥＬ素子の場合には正孔と電子が発光層において再結合して発光する。そこで、基板１の上に第一電極２、正孔注入層８、正孔輸送層９、光散乱層３、有機ＥＬ材料から成る発光層４、電子輸送層１０、電子注入層１１、第二電極５を順に積層して形成する。これにより、第一電極及び第二電極から注入する正孔や電子の注入効率及び輸送効率を高くして発光効率を上げることができる。光散乱層３には金属微粒子６が分散されている。ここでは、金属微粒子６として、約１ｎｍから３００ｎｍの粒径を持つ金（Ａｕ）微粒子を膜厚１ｎｍから１μｍのシリコン酸化膜中に分散させた。シリコン酸化物とＡｕ粒子とを混合した又は分散させたターゲットを用意し、これをＲＦスパッタリング法により堆積させて光散乱層を作製した。シリコン酸化膜の他にもアルミニュウム酸化物、シリコン窒化膜、銀酸化膜、タングステン酸化膜、コバルト酸化膜等の酸化物やセラミック材料を用いることができる。金属微粒子としては、Ａｕの他にＡｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗ等を用いることができる。金属微粒子６の粒子径は光散乱層３の膜厚の範囲内で分散分布させている。これにより、発光層４で発光された光の波長を分散させることができる。
【００４４】
また、発光層４として用いる有機ＥＬ材料には、ホスト材料としてＡｌｑ３やＢｅ−ベンゾキノリール（ＢｅＢｑ２）等が例示できる。また、発光層４のドーパントとして蛍光材料や燐光材料が例示できる。有機ＥＬの場合には、両電極から注入された電子とホールが再結合することによって発光するために注入する電子に高エネルギーを付与する必要が無く、駆動電圧を低下させることができる。
【００４５】
また、陽極である第一電極２と発光層４との間に正孔注入層８と正孔輸送層９が設けられているので、第一電極２からのホールの注入及び輸送が容易になる。これらの材料は、陽極である第一電極２の仕事関数と発光層４のイオン化ポテンシャルの間になるように選定する。例えば、フタロシアン誘導体やトリアゾール誘導体等の材料を用いることができる。さらに、電子注入層１１と電子輸送層１０を発光層４と第二電極５との間に設けており、第二電極５からの電子の注入及び輸送を容易にする。これらの材料は、電子親和力が第二電極５の仕事関数と発光層４の電子親和力との間になるように選定する。例えば、トリアゾール誘導体、トリアジン誘導体等の材料を用いることができる。
【００４６】
上述したさまざまな構成において、第二電極５は、Ａｌ等の金属、あるいは、ＩＴＯからなる透明導電性膜をスパッタリング法や真空蒸着法により形成した。本実施例では、発光層４で発光された光及び光散乱層３により散乱された光を基板１側から外部へ取り出している。これを、上部の第二電極５側から光を取り出す場合には、第一電極２を不透明な金属電極とし、第二電極５をＩＴＯなどから成る透明電極とすればよい。
【００４７】
また、無機材料の発光層４は、ＺｎＳにＳｍやＴｂをドーピングしたＥＬ材料を電子ビーム蒸着法により堆積させて形成した。ＺｎＳ系ＥＬ素子の場合には無機ＥＬであり、駆動電圧は高くなる。
【００４８】
本実施例では、基板１としてガラス基板を用いたが、透明プラスチック基板等の弾性体材料を用いることができる。また、本実施例では光を基板側へ取り出す構成のため、第一電極層２には透明電極を用いた。具体的には、インジウムと錫からなる酸化物（以下、ＩＴＯと言う）を真空蒸着法により堆積した。ＩＴＯの他にインジウムと亜鉛からなる酸化物を用いることもできる。
【実施例２】
【００４９】
図７は、本実施例のＥＬ素子の断面構成を部分的に示す模式図である。本実施例のＥＬ素子が実施例１と大きく異なる部分は、光散乱層３を第一電極と発光層の間に設ける換わりに、第二電極５の上に設けたことである。それ以外の構成や構成のアレンジについては実施例１と同様なので、重複する説明は省略する。本実施例の構成では、第一電極２を不透明な金属電極とし、第二電極５を透明電極とし、図中の上面から光散乱光を得ている。発光層４が第一電極２と第二電極５と接触するので、光散乱層３によって発光層４に印加される電圧の降下あるいは注入される電荷の阻害がないという利点がある。
【実施例３】
【００５０】
図９に、本実施例のＥＬ素子の部分断面を示す。本発明のＥＬ素子をディスプレイ装置として用いる構成について説明する。ここでは、分離された複数の電極が３種の光散乱領域のいずれかに対応するように構成されたＥＬ素子を例示している。図示するように、ガラス等の透明な基板１の上に第一電極２を形成する。第一電極２は紙面と平行に複数の分離したストライプ状の電極群のひとつである。第一電極２の上には光散乱層３を、光散乱層３の上には発光層４を形成している。発光層４の上には、第一電極２と交差するようにして複数の分離したストライプ状の第二電極Ｂ（５ｂ）、第二電極Ｇ（５ｇ）、第二電極Ｒ（５ｒ）を形成する。そして、第一電極２と第二電極５の重なり合う積層部において画素を構成し、第一電極２と第二電極Ｂ（５ｂ）の間に電圧を印加したときに、これらに挟まれた領域の発光層が発光する。同様に第一電極２と第二電極Ｇ（５ｇ）に電圧を印加したときに、これらに挟まれた領域の発光層が発光する。このように順次電極を選択することにより、ドットマトリクス表示を得ることができる。
【００５１】
ここで、光散乱層３は、画素に対応して光散乱領域Ｂ（３ｂ）、光散乱領域Ｇ（３ｇ）及び光散乱領域Ｒ（３ｒ）で構成されており、各領域の金属微粒子６はその平均粒子径を異にしている。即ち、光散乱領域Ｂ（３ｂ）の金属微粒子Ｂ（６ｂ）の平均粒子径より、光散乱領域Ｇ（３ｇ）の金属微粒子Ｇ（６ｇ）の平均粒子径が大きく、更に、光散乱領域Ｒ（３ｒ）の金属微粒子Ｒ（６ｒ）の平均粒子径が光散乱領域Ｇ（３ｇ）の金属微粒子Ｇ（６ｇ）の平均粒子径よりも大きい。このように各光散乱領域の金属微粒子の形状を変えることにより、散乱光の性質、例えば散乱光の波長特性や指向性を変えることができる。
【００５２】
すでに説明したように、金属微粒子６によりプラズモンが誘起されるときは、金属微粒子の粒子径が大きいほど散乱光は入射光の波長を長波長側へシフトさせる。本実施例においては、金属微粒子Ｂ（６ｂ）に散乱された光よりも金属微粒子Ｇ（６ｇ）に散乱された光の波長が長く、金属微粒子Ｒ（６ｒ）に散乱された光の波長は金属微粒子Ｇ（６ｇ）に散乱された光の波長よりも長い。発光層４を青色又は紫外光のＥＬ発光層とし、例えば金属粒子をＡｕ粒子として、金属微粒子Ｂ（６ｂ）の平均粒子径を概ね５０ｎｍ、金属微粒子Ｇ（６ｇ）の平均粒子径を概ね１００ｎｍ、金属微粒子Ｒ（６ｒ）の平均粒子径を概ね１５０ｎｍとすることにより、散乱光をそれぞれ青色、緑色、赤色とすることができる。
【００５３】
このように、各画素に対応する領域の光散乱層３はそれぞれ異なる色の散乱光を散乱させる。第一電極２を構成する複数の電極と第二電極５を構成する複数の電極とを順次走査することにより、フルカラー表示が可能なＥＬ素子を得ることができる。
【００５４】
図９に示した光散乱層３は以下のようにして製造することができる。光散乱層３に用いられる材料のターゲットにＡｕ粒子またはＡｇ粒子を混入あるいは分離して、ＲＦスパッタリング法により成膜する。成膜の際には、例えば３画素に１つの孔を設けたメタルマスクを用いる。一の平均粒子径の光散乱層３を成膜した後にメタルマスクを１画素分移動させ、次にＲＦスパッタリング条件を変えて成膜する。これを繰り返して平均粒子径の異なる光散乱層３を得ることができる。
【００５５】
図１０に、光散乱層３に含まれる金属微粒子６として、球状粒子ではなく長径と短径を持つ非球状の粒子を用いた構成のＥＬ素子を模式的に示す。例えば、円筒状、直方体状の粒子である。金属微粒子６の長径に対する短径の比を形状比として、金属微粒子６により散乱される散乱光は、上記形状比が大きいほど界面に入射した入射光の波長が長波長側へシフトする。即ち、光散乱領域Ｂ（３ｂ）の金属微粒子Ｂ（６ｂ）の平均形状比よりも、光散乱領域Ｇ（３ｇ）の金属微粒子Ｇ（６ｇ）の平均形状比が大きく、更に、光散乱領域Ｒ（３ｒ）の金属微粒子Ｒ（６ｒ）の平均形状比が金属微粒子Ｇ（６ｇ）の平均形状比よりも大きい。その結果、金属微粒子Ｂ（６ｂ）が散乱した散乱光の波長よりも金属微粒子Ｇ（６ｇ）が散乱した散乱光の波長が長く、更に、金属微粒子Ｒ（６ｒ）が散乱した散乱光の波長は金属微粒子Ｇ（６ｇ）が散乱する散乱光の波長よりも長い。このようにして、図９において説明したと同様に、フルカラーＥＬ素子を得ることができる。
【００５６】
図１１に、光散乱層３と発光層４の間に誘電体層７が設けられた構成を模式的に示す。ここでは、誘電体層７は各画素の領域ごとに異なる膜厚を有している。すなわち、図示するように、誘電体層７は光散乱層に分散される金属微粒子６の大きさが大きくなるほど膜厚を厚くする。各画素の領域に対応する金属微粒子Ｂ（６ｂ）、金属微粒子Ｇ（６ｇ）及び金属微粒子Ｒ（６ｒ）から散乱される光の強度が異なる。そこで、誘電体層７の膜厚を各画素の対応する領域ごとに変えることにより、散乱される光の強度を均一にする。誘電体層７の膜厚は例えばトンネル電流が流れる程度の膜厚とする。
【００５７】
図１２に、有機ＥＬ素子の断面構造を詳細に示す。ここで、光散乱層３と第一電極２の間に、正孔注入層８と正孔輸送層９を設け、有機ＥＬ材料から成る発光層４と第二電極５の間に、電子輸送層１０と電子注入層１１を設けている。このような構成によれば、電子と正孔の注入効率が向上することとなり低電圧駆動が可能となる。
【００５８】
なお、図９〜図１２に示した各画素を構成する領域に対応する光散乱層３を、領域ごとに異なる誘電率からなる光散乱層とすることができる。即ち、金属微粒子Ｂ（６ｂ）、金属微粒子Ｇ（６ｇ）、金属微粒子Ｒ（６ｒ）がそれぞれ分散する光散乱領域Ｂ（３ｂ）、光散乱領域Ｇ（３ｇ）、光散乱領域Ｒ（３ｒ）を互いに異なる誘電率とする。これにより、散乱光強度のピーク波長をさらに変化させることができる。
【００５９】
また、上述した各構成において、金属微粒子６は球状粒子や円筒状又は直方体状粒子について説明してきたが、本発明の範囲はこれに限られるものではなく、多角形や複雑な形状を有する粒子であってもよい。
【００６０】
図１５に、誘電体からなるコア部の表面に金属薄膜２５が設けられた構成の金属微粒子（図１４参照）がそれぞれの光散乱領域に分散された光散乱層３１を模式的に示す。すなわち、図９〜図１２で示した光散乱層３に置き換えることができ、図１５では光散乱層３１の上下の層の図示を略した。コア部の直径と金属薄膜の厚み絶対値あるいは両者の比を変えたものを用いて、それぞれの光散乱領域の散乱効率に波長依存性を持たせている。ここでは、光散乱層３１のうち、第二電極Ｂの直下部３２には、コアに比べて金属膜厚が比較的厚い金属微粒子３５が分散され、第二電極Ｒの直下部３４には、コアに比べて金属膜厚が比較的薄い金属微粒子３７が分散され、第二電極Ｇの直下部３３には、コアと金属膜圧の比が両脇の金属微粒子の中間的な値を持つ金属微粒子３６が分散される。このような構成にした光散乱層３１は、発光層（図示略）から発光した光のうち、波長の短い成分を金属微粒子３５が高効率で散乱し、波長の長い成分を金属微粒子３７が高効率で散乱し、波長の中間的な成分を金属微粒子３６が高効率で散乱する。これにより、フルカラー表示装置としてのＥＬ素子を得ることができる。
【００６１】
図１６に、微粒子が複数個凝集したクラスターを金属微粒子として用いた構成光散乱層４１を模式的に示す。すなわち、図９〜図１２で示した光散乱層３に置き換えることができ、図１６では光散乱層４１の上下の層の図示を略した。光散乱層４１のうち、第二電極Ｂの直下部４２には、比較的少数（たとえば数〜十個）の微粒子が凝集した金属微粒子クラスター４５が分散される。第二電極Ｒの直下部４４には、比較的多数（数十から百個）の微粒子が凝集した金属微粒子クラスター４７が分散される。第二電極Ｇの直下部４３には、凝集する微粒子の個数が上の中間的な数の金属微粒子クラスターが分散される。このような構成にした光散乱層４１は、発光層（図示略）から発光した光のうち、波長の短い成分を金属微粒子クラスター４５が高効率で散乱し、波長の長い成分は金属微粒子クラスター４７が高効率で散乱し、波長の中間的な成分は金属微粒子クラスター４６が高効率で散乱する。これにより、フルカラー表示装置としてのＥＬ素子を得ることができる。
【００６２】
また、上述の各実施例の構成では、第一電極２と第二電極５を複数のストライプ状電極とし、その交差部に画素を構成したパッシブ型のマトリックス表示について説明したが、各画素にＴＦＴ素子等を形成したアクティブ型マトリックスとし、第二電極を画素電極とし、各画素に上記の光散乱層３を有するＥＬ素子を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のＥＬ素子を模式的に示す部分断面図である。
【図２】本発明の両面発光型のＥＬ素子を模式的に示す部分断面図である。
【図３】本発明の実施例によるＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図４】本発明の実施例によるＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図５】本発明の実施例によるＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図６】本発明の実施例によるＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図７】本発明のＥＬ素子を模式的に示す部分断面図である。
【図８】本発明の実施例に係るＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図９】本発明のＥＬ素子を模式的に示す部分断面図である。
【図１０】本発明の実施例に係るＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図１１】本発明の実施例に係るＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図１２】本発明の実施例に係るＥＬ素子を表す模式的な部分断面図である。
【図１３】従来から公知のＥＬ素子の構成を模式的に示す部分断面図である。
【図１４】本発明の実施例に用いた金属微粒子を模式的に示す断面図である。
【図１５】本発明の実施例に用いた光散乱層を模式的に示す部分断面図である。
【図１６】本発明の実施令に用いた光散乱層を模式的に示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  基板
２  第一電極
３  光散乱層
４  発光層
５  第二電極
６  金属微粒子
７  誘電体層
８  正孔注入層
９  正孔輸送層
１０  電子輸送層
１１  電子注入層
【図１】
2007165284.tif 000003
【図２】
2007165284.tif 000004
【図３】
2007165284.tif 000005
【図４】
2007165284.tif 000006
【図５】
2007165284.tif 000007
【図６】
2007165284.tif 000008
【図７】
2007165284.tif 000009
【図８】
2007165284.tif 000010
【図９】
2007165284.tif 000011
【図１０】
2007165284.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2007165284.tif 000016
【図１５】
2007165284.tif 000017
【図１６】
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