(57)【要約】【課題】強度の高い光が得られる発光素子を提供する。【解決手段】本発明の発光素子１は、励起光を射出する発光部３と、発光部３の光射出側に設けられ、励起光の照射により蛍光を生じる蛍光体を含み、蛍光体が蛍光を発することにより発光部からの光の色を変換する色変換部７と、発光部３と色変換部７との間に設けられ、表面プラズモン現象を発現する複数の金属ナノ粒子６を含有する誘電体媒質９からなる誘電体層６と、を備える。色変換部７の誘電体層６に接する側の面から誘電体層６中に存在する金属ナノ粒子５までの平均距離が、金属ナノ粒子５の平均直径以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を射出する発光部と、
前記発光部の光射出側に設けられ、前記励起光の照射により蛍光を生じる蛍光体を含み、前記蛍光体が蛍光を発することにより前記発光部からの光の色を変換する色変換部と、
前記発光部と前記色変換部との間に設けられ、表面プラズモン現象を発現する複数の金属ナノ粒子を含有する誘電体媒質からなる誘電体層と、
を備え、
前記色変換部の前記誘電体層に接する側の面から前記誘電体層中に存在する前記金属ナノ粒子までの平均距離が、前記金属ナノ粒子の平均直径以下であることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光部から発せられる光が青色光であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記色変換部が、前記蛍光として青色光以外の色光を発する蛍光体層と、前記発光部から発せられる青色光を透過させる光透過層と、を含み、
前記色変換部のうち、前記蛍光体層の形成領域に対応する前記誘電体層に前記金属ナノ粒子が含有され、前記光透過層の形成領域に対応する前記誘電体層には前記金属ナノ粒子が含有されていないことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記誘電体媒質の比誘電率が、１．７１以上、４．５８以下であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記金属ナノ粒子が、ロッド状の形状を有し、前記金属ナノ粒子の長軸方向が略前記誘電体層の厚さ方向を向くように配向していることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記色変換部の光射出側に、カラーフィルターが設けられたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記色変換部の内部に、表面プラズモン現象を発現する複数の金属ナノ粒子を含有することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子の周囲が、蛍光分子を含有させた誘電体で被覆されていることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置等に用いる発光素子の一つとして、有機エレクトロルミネッセンス素子が従来から知られている。エレクトロルミネッセンス（Electro-Luminescence）を以下、「ＥＬ」と略記する。有機ＥＬ素子を多色発光素子とする方法として、下記の特許文献１に、有機ＥＬ材料部と蛍光材料部とを備え、有機ＥＬ材料部が発する青色光の一部を蛍光材料部の蛍光発光で緑色光や赤色光に変換し、多色発光を実現した「有機ＥＬ素子」が開示されている。
【０００３】
この種の有機ＥＬ素子において、発光効率を向上させて強度の高い光を得る手段として、下記の特許文献２に、一組の反射層間で特定の波長の光を多重反射させて共振させ、光強度を増強させる微小共振器構造を備えた「有機ＥＬディスプレイ」が開示されている。また、下記の特許文献３には、青色光を発する発光層と、赤色用、緑色用の色変換層および青色用の透過層と、を備え、色変換層および透過層に表面プラズモン現象を発現する金属ナノ粒子を含有させた「有機ＥＬ素子」が開示されている。特許文献３によれば、色変換層および透過層に金属ナノ粒子を含有させることで蛍光変換が増強される、という効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１５２８９７号公報
【特許文献２】特開２００９−２０５９２８号公報
【特許文献３】国際公開第１１／１０４９３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載の有機ＥＬディスプレイにおいて、一組の反射層間の光学距離を色毎に精度良く調整することは難しい。光学距離が最適値からずれると、強度の高い光が得られない。また、特許文献３に記載の有機ＥＬ素子においては、蛍光分子の発光波長と金属ナノ粒子の共鳴波長を一致させると、蛍光分子からの発光が金属ナノ粒子によって再吸収されるという現象がある。そのため、輝度を大きく増強させることは難しい。
【０００６】
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、強度の高い光が得られる発光素子を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の発光素子は、励起光を射出する発光部と、前記発光部の光射出側に設けられ、前記励起光の照射により蛍光を生じる蛍光体を含み、前記蛍光体が蛍光を発することにより前記発光部からの光の色を変換する色変換部と、前記発光部と前記色変換部との間に設けられ、表面プラズモン現象を発現する複数の金属ナノ粒子を含有する誘電体媒質からなる誘電体層と、を備え、前記色変換部の前記誘電体層に接する側の面から前記誘電体層中に存在する前記金属ナノ粒子までの平均距離が、前記金属ナノ粒子の平均直径以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記発光部から発せられる光は、青色光であってもよい。
【０００９】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記色変換部は、前記蛍光として青色光以外の色光を発する蛍光体層と、前記発光部から発せられる青色光を透過させる光透過層と、を含み、前記色変換部のうち、前記蛍光体層の形成領域に対応する前記誘電体層に前記金属ナノ粒子が含有され、前記光透過層の形成領域に対応する前記誘電体層には前記金属ナノ粒子が含有されていない構成であってもよい。
【００１０】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記誘電体媒質の比誘電率は、１．７１以上、４．５８以下であってもよい。
【００１１】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記金属ナノ粒子は、ロッド状の形状を有し、前記金属ナノ粒子の長軸方向が略前記誘電体層の厚さ方向を向くように配向していてもよい。
【００１２】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記色変換部の光射出側に、カラーフィルターが設けられていてもよい。
【００１３】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記色変換部の内部に、表面プラズモン現象を発現する複数の金属ナノ粒子が含有されていてもよい。
【００１４】
本発明の一つの態様の発光素子において、前記金属ナノ粒子の周囲は、蛍光体分子を含有させた誘電体で被覆されていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一つの態様によれば、強度の高い光が得られる発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の発光素子を示す断面図である。
【図２】（Ａ）銀ナノ粒子近傍に増強電界が形成される様子を示す図、（Ｂ）周囲媒質の比誘電率が変化した時の、銀ナノ粒子近傍における電界増強度の波長依存性を示すグラフ、（Ｃ）青色励起光を増強させるために、周囲媒質の比誘電率を２．５６とした時の銀ナノ粒子近傍における電界増強度の波長依存性を示すグラフ、である。
【図３】（Ａ）エネルギー移動効率を計算するためのモデルを示す図、（Ｂ）銀ナノ粒子近傍での規格化電界強度およびモル吸光係数の波長依存性を示すグラフ、である。
【図４】（Ａ）銀ナノ粒子と蛍光分子との距離を示す図、（Ｂ）銀ナノ粒子−蛍光分子間の距離とエネルギー移動効率との関係を示すグラフ、（Ｃ）蛍光強度の波長依存性を示すグラフ、である。
【図５】（Ａ）銀ナノ粒子−蛍光分子間の距離とエネルギー移動効率との関係を示すグラフ、（Ｂ）銀ナノ粒子近傍での規格化電界強度およびモル吸光係数の波長依存性を示すグラフ、である。
【図６】（Ａ）従来の発光素子の作用を示す図、（Ｂ）本実施形態の発光素子の作用を示す図、（Ｃ）蛍光強度と銀ナノ粒子含有誘電体層の光吸収割合との関係を示すグラフ、である。
【図７】第２実施形態の説明に用いる図であり、誘電体媒質の比誘電率を変えたときの電界強度の増強度の波長依存性を示すグラフ、である。
【図８】第２実施形態の発光素子の作用、効果を示す図であり、（Ａ）蛍光の増強度と誘電媒質の比誘電率との関係を示すグラフ、（Ｂ）蛍光強度の増強度と銀ナノ粒子含有誘電体層の光吸収割合との関係を示すグラフ、である。
【図９】第３実施形態の発光素子を示す断面図である。
【図１０】銀ナノロッド近傍に増強電界が形成される様子を示す図である。
【図１１】（Ａ）銀ナノロッド近傍における電界強度の増強度の波長依存性を示すグラフ、（Ｂ）蛍光強度の増強度と銀ナノ粒子含有誘電体層の光吸収割合との関係を示すグラフ、である。
【図１２】第４実施形態の発光素子を示す断面図である。
【図１３】（Ａ）有機ＥＬ発光部から発せられた光のスペクトルを示す図、（Ｂ）青色画素領域から発せられた光のスペクトルを示す図、である。
【図１４】第５実施形態の発光素子を示す断面図である。
【図１５】銀ナノ粒子近傍に増強電界が形成される様子を示す図である。
【図１６】（Ａ）第５実施形態の発光素子の色変換層を示す断面図、（Ｂ）第６実施形態の発光素子の色変換層を示す断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
図１は、第１実施形態の発光素子を示す断面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の発光素子１は、第１基板２と、発光部３と、第２基板４と、複数の金属ナノ粒子５を含む誘電体層６と、蛍光体を含む色変換部７と、第３基板８と、を備える。第１基板２の第１面２ａに、発光部３と第２基板４とが第１基板２側からこの順に積層されている。第１基板２の第２面２ｂに、誘電体層６、色変換部７および第３基板８が第１基板２側からこの順に積層されている。発光部３は、第１基板２上に形成された有機ＥＬ素子で構成されている。誘電体層６および色変換部７は、第１基板２の第２面２ｂに形成されている。
【００１９】
発光部３は、色変換部７の蛍光体を励起させるための励起光を射出する。色変換部７は、発光部３の光射出側（図１における上層側）に設けられている。色変換部７は、励起光の照射により蛍光を生じる蛍光体を含む。色変換部７では、蛍光体が励起光を吸収して、励起光とは異なる色の蛍光を発する。これにより、発光部３から射出された励起光の色が変換される。誘電体層６は、発光部３と色変換部７との間に設けられている。誘電体層６は、表面プラズモン現象を発現する複数の金属ナノ粒子５を含有する誘電体媒質９から構成されている。
【００２０】
第１基板２としては、例えば、ガラス、石英等からなる無機材料基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリカルバゾール、ポリイミド等を含むプラスティック基板、アルミナ等を含むセラミックス基板等の絶縁性基板、もしくは、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）等を含む金属基板、または、基板上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）、有機絶縁材料等を含む絶縁物を表面にコーティングした基板、Ａｌ等を含む金属基板の表面を陽極酸化等の方法で絶縁化処理を施した基板等を挙げることができる。しかし、本実施形態で使用できる基板は、これらの基板に限定されるものではない。例えば基板の材料をガラスとした場合、高温プロセスによっても変形が起こらず、水分を透過させないため、有機ＥＬ素子の劣化が抑えられる点で好適である。また、第２基板４についても、第１基板２と同様の基板を用いることができる。
【００２１】
図１では図示を省略したが、第２基板４の第１基板２と対向する側の面にＴＦＴ回路が設けられている。ＴＦＴ回路は、発光部３のスイッチング用素子および駆動用素子として機能する。ＴＦＴ回路の具体的な構成としては、公知のＴＦＴ回路を用いることができる。
【００２２】
発光部３は、陰極１１と、陽極１２と、陰極１１と陽極１２との間に挟持された有機発光層１３と、を備える。有機発光層１３は、例えば電子注入層１４、電子輸送層１５、正孔防止層１６、発光体層１７、正孔輸送層１８、正孔注入層１９が陰極１１側からこの順に積層された構成を有する。発光体層１７は、青色光を発光する。
【００２３】
有機発光層１３は、本実施形態の構成に限定されず、発光体層１７の単層構造でもよいし、発光体層１７と正孔輸送層１８、電子輸送層１５等を含む多層構造でもよい。例えば、下記の９種類の構成が挙げられるが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
（１）発光体層 
（２）発光体層／正孔輸送層
（３）電子輸送層／発光体層
（４）電子輸送層／発光体層／正孔輸送層
（５）電子輸送層／発光体層／正孔輸送層／正孔注入層
（６）電子注入層／電子輸送層／発光体層／正孔輸送層／正孔注入層
（７）電子輸送層／正孔防止層／発光体層／正孔輸送層／正孔注入層
（８）電子注入層／電子輸送層／正孔防止層／発光体層／正孔輸送層／正孔注入層
（９）電子注入層／電子輸送層／正孔防止層／発光体層／電子防止層／正孔輸送層／正孔注入層
ここで、発光体層、正孔注入層、正孔輸送層、正孔防止層、電子防止層、電子輸送層および電子注入層の各層は、単層構造でも多層構造でもよい。
【００２４】
発光部３は、マイクロキャビティ効果を発現する構造であってもよい。マイクロキャビティ効果を発現する構造としては、例えば、有機発光層１３の厚さを、増強したい光の波長に合致するように設定することが望ましい。有機ＥＬ素子においては、一対の電極で有機発光層１３が挟持されている。そのうち、一方の電極を鏡面の全反射素材とし、他方の電極を誘電体ミラーの半透過素材とし、さらに有機発光層１３の厚みを、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光で増強したい光の波長に合わせて形成する。これにより、発光体層１７で発光した光が一対の電極間で多重反射を繰り返し、共振することで、所望の波長に増強されて出力する。これにより、発光体層１７からの光に指向性を持たせることができ、正面での発光効率を高めることができる。これにより、光をより効率良く色変換部７へ供給することができ、正面輝度を高めることができる。また、干渉効果により発光スペクトルの調整が可能となる。これにより、赤色、緑色蛍光体をより効果的に励起できるスペクトルに制御できるとともに、青色画素の色純度を向上させることができる。
【００２５】
発光体層１７は、以下に例示する有機発光材料のみから構成されていてもよく、発光性のドーパントおよびホスト材料の組み合わせから構成されていてもよく、任意に正孔輸送材料、電子輸送材料、添加剤（ドナー、アクセプター等）等を含んでいてもよく、これらの材料が高分子材料（結着用樹脂）または無機材料中に分散された構成であってもよい。発光効率・寿命の観点からは、ホスト材料中に発光性のドーパントが分散されたものが好ましい。
【００２６】
有機発光材料としては、有機ＥＬ用の公知の発光材料を挙げることができる。このような発光材料は、低分子発光材料、高分子発光材料等に分類され、これらの具体的な化合物を以下に例示するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。また、有機発光材料としては、蛍光材料、燐光材料等に分類されるものでもよく、低消費電力化の観点で、発光効率の高い燐光材料であることが好ましい。
【００２７】
ここで、具体的な化合物を以下に例示するが、本発明はこれらの化合物に限定されるものではない。
低分子有機発光材料としては、例えば、４，４’−ビス（２，２’−ジフェニルビニル）−ビフェニル（ＤＰＶＢｉ）等の芳香族ジメチリデン化合物、５−メチル−２−［２−［４−（５−メチル−２−ベンゾオキサゾリル）フェニル］ビニル］ベンゾオキサゾール等のオキサジアゾール化合物、３−（４−ビフェニルイル）−４−フェニル−５−ｔ−ブチルフェニル−１，２，４−トリアゾール（ＴＡＺ）等のトリアゾール誘導体、１，４−ビス（２−メチルスチリル）ベンゼン等のスチリルベンゼン化合物、フルオレノン誘導体等の蛍光性有機材料等が挙げられる。
【００２８】
高分子発光材料としては、例えば、ポリ（２−デシルオキシ−１，４−フェニレン）（ＤＯ−ＰＰＰ）、等のポリフェニレンビニレン誘導体、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン）（ＰＤＡＦ）等のポリスピロ誘導体が挙げられる。
【００２９】
発光体層１７に任意に含まれる発光性のドーパントとしては、有機ＥＬ素子用の公知のドーパント材料を挙げることができる。このようなドーパント材料として、例えば、スチリル誘導体等の蛍光発光材料、ビス［（４，６−ジフルオロフェニル）−ピリジナト−Ｎ，Ｃ２’］ピコリネートイリジウム（ＩＩＩ）（ＦＩｒｐｉｃ）、ビス（４’，６’−ジフルオロフェニルポリジナト）テトラキス（１−ピラゾイル）ボレートイリジウム（ＩＩＩ）（ＦＩｒ６）等の燐光発光有機金属錯体等が挙げられる。
【００３０】
ドーパントを使用する時のホスト材料としては、有機ＥＬ素子用の公知のホスト材料を挙げることができる。このようなホスト材料としては、上述した低分子発光材料、高分子発光材料、４，４’−ビス（カルバゾール）ビフェニル、９，９−ジ（４−ジカルバゾール−ベンジル）フルオレン（ＣＰＦ）、３，６−ビス（トリフェニルシリル）カルバゾール（ｍＣＰ）、（ＰＣＦ）等のカルバゾール誘導体、４−（ジフェニルフォスフォイル）−Ｎ，Ｎ−ジフェニルアニリン（ＨＭ−Ａ１）等のアニリン誘導体、１，３−ビス（９−フェニル−９Ｈ−フルオレン−９−イル）ベンゼン（ｍＤＰＦＢ）、１，４−ビス（９−フェニル−９Ｈ−フルオレン−９−イル）ベンゼン（ｐＤＰＦＢ）等のフルオレン誘導体等が挙げられる。
【００３１】
電荷は、正孔と電子とを含む。正孔、電子の電極からの注入と発光体層１７への輸送（注入）とをより効率良く行なう目的で、正孔注入層１９、正孔輸送層１８、電子輸送層１５、電子注入層１４等が用いられる。これらの層は、以下に例示する電荷注入輸送材料のみから構成されていてもよく、任意に添加剤（ドナー、アクセプター等）等を含んでいてもよく、これらの材料が高分子材料（結着用樹脂）または無機材料中に分散された構成であってもよい。
【００３２】
電荷注入輸送材料としては、有機ＥＬ素子用、有機光導電体用の公知のものを使用することができる。このような電荷注入輸送材料は、正孔注入輸送材料及び電子注入輸送材料に分類され、これらの具体的な化合物を以下に例示するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。
【００３３】
正孔注入層及び正孔輸送層の材料としては、例えば、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化モリブデン（ＭｏＯ２）等の酸化物、無機ｐ型半導体材料、ポルフィリン化合物、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ビス（フェニル）−ベンジジン（ＴＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン（ＮＰＤ）等の芳香族第三級アミン化合物、ヒドラゾン化合物、キナクリドン化合物、スチリルアミン化合物等の低分子材料、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリアニリン−樟脳スルホン酸（ＰＡＮＩ−ＣＳＡ）、３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンサルフォネイト（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）、ポリ（トリフェニルアミン）誘導体（Ｐｏｌｙ−ＴＰＤ）、ポリビニルカルバゾール（ＰＶＣｚ）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）、ポリ（ｐ−ナフタレンビニレン）（ＰＮＶ）等の高分子材料等が挙げられる。
【００３４】
陽極１２からの正孔の注入及び輸送をより効率良く行なうという観点から、正孔注入層１９の材料としては、正孔輸送層１８の材料よりも最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギー準位が低い材料であることが好ましい。また、正孔輸送層１８の材料としては、正孔注入層１９の材料よりも正孔の移動度が高い材料であることが好ましい。
【００３５】
正孔の注入・輸送性をより向上させるため、アクセプターをドープすることが好ましい。アクセプターとしては、有機ＥＬ素子用の公知のアクセプター材料を使用することができる。これらの具体的な化合物を以下に例示するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。
【００３６】
アクセプター材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ，Ｉｒ、ＰＯＣｌ３、ＡｓＦ６、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化モリブデン（ＭｏＯ２）等の無機材料、ＴＣＮＱ（７，７，８，８，−テトラシアノキノジメタン）、ＴＣＮＱＦ４（テトラフルオロテトラシアノキノジメタン）、ＴＣＮＥ（テトラシアノエチレン）、ＨＣＮＢ（ヘキサシアノブタジエン）、ＤＤＱ（ジシクロジシアノベンゾキノン）等のシアノ基を有する化合物、ＴＮＦ（トリニトロフルオレノン）、ＤＮＦ（ジニトロフルオレノン）等のニトロ基を有する化合物、フルオラニル、クロラニル、ブロマニル等の有機材料が挙げられる。このうち、ＴＣＮＱ、ＴＣＮＱＦ４、ＴＣＮＥ、ＨＣＮＢ、ＤＤＱ等のシアノ基を有する化合物がよりキャリア濃度を効果的に増加させることが可能であるため、より好ましい。
【００３７】
電子注入層１４及び電子輸送層１５の材料としては、例えば、ｎ型半導体である無機材料、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、チオピラジンジオキシド誘導体、ベンゾキノン誘導体、ナフトキノン誘導体、アントラキノン誘導体、ジフェノキノン誘導体、フルオレノン誘導体、ベンゾジフラン誘導体等の低分子材料；ポリ（オキサジアゾール）（Ｐｏｌｙ−ＯＸＺ）、ポリスチレン誘導体（ＰＳＳ）等の高分子材料等が使用される。特に電子注入層１４には、特にフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）等のフッ化物、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）等の酸化物等が挙げられる。
【００３８】
陰極１１からの電子の注入・輸送をより効率良く行なうという観点から、電子注入層１４の材料としては、電子輸送層１５の材料よりも最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギー準位が高い材料が好ましく、電子輸送層１５の材料としては、電子注入層１４の材料よりも電子移動度が高い材料が好ましい。
【００３９】
電子の注入効率および電子の輸送性をより向上させるため、電子注入層１４および電子輸送層１５の材料に、ドナーをドープすることが好ましい。ドナーとしては、有機ＥＬ素子用の公知のドナー材料を使用することができる。これらの具体的な化合物を以下に例示するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。
【００４０】
ドナー材料としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ等の無機材料、アニリン類、フェニレンジアミン類、ベンジジン類（Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラフェニルベンジジン、Ｎ，Ｎ’−ビス−（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ビス−（フェニル）−ベンジジン、Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−ベンジジン等）、トリフェニルアミン類（トリフェニルアミン、４，４’,４“−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニル−アミノ）−トリフェニルアミン、４，４’,４”−トリス（Ｎ−３−メチルフェニル−Ｎ−フェニル−アミノ）−トリフェニルアミン、４，４’,４”−トリス（Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ）−トリフェニルアミン等）、トリフェニルジアミン類（Ｎ，Ｎ’−ジ−（４−メチル−フェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−１，４−フェニレンジアミン）等の芳香族３級アミンを骨格にもつ化合物、フェナントレン、ピレン、ペリレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等の縮合多環化合物（ただし、縮合多環化合物は置換基を有してもよい）、ＴＴＦ（テトラチアフルバレン）類、ジベンゾフラン、フェノチアジン、カルバゾール等の有機材料がある。このうち、芳香族３級アミンを骨格にもつ化合物、縮合多環化合物、アルカリ金属がよりキャリア濃度を効果的に増加させることが可能であるため、より好ましい。
【００４１】
正孔注入層１９、正孔輸送層１８、発光体層１７、電子輸送層１５、電子注入層１４等を含む有機発光層１３は、上述したこれらの層の材料を溶剤に溶解、分散させた発光層形成用塗液を用いて、スピンコーティング法、ディッピング法、ドクターブレード法、吐出コート法、スプレーコート法等の塗布法、インクジェット法、凸版印刷法、凹版印刷法、スクリーン印刷法、マイクログラビアコート法等の印刷法等による公知のウエットプロセス、上記の材料を抵抗加熱蒸着法、電子線（ＥＢ）蒸着法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、スパッタリング法、有機気相蒸着（ＯＶＰＤ）法等の公知のドライプロセス、または、レーザー転写法等により形成することができる。なお、ウエットプロセスにより有機発光層１３を形成する場合には、発光層形成用塗液は、レベリング剤、粘度調整剤等の塗液の物性を調整するための添加剤を含んでいてもよい。
【００４２】
上記各層の膜厚は、例えば１〜１０００ｎｍ程度であるが、１０〜２００ｎｍが好ましい。膜厚が１０ｎｍ未満であると、本来必要とされる物性（電荷の注入特性、輸送特性、閉じ込め特性）が得られない。また、ゴミ等の異物による画素欠陥が生じるおそれがある。また、膜厚が２００ｎｍを超えると発光層の抵抗成分により駆動電圧の上昇が生じ、消費電力の上昇に繋がる。
【００４３】
陰極１１および陽極１２のうち、光を取り出す側の電極は、発光体層１７から発せられる光の少なくとも一部を透過させるものでなければならない。本実施形態では、発光体層１７から発せられた光を陽極１２側から取り出すものとする。なお、積層順を本実施形態とは逆にして、陰極１１から光を取り出し、陽極１２は光を反射させるものであってもよい。
【００４４】
陰極１１および陽極１２を形成する電極材料としては、公知の電極材料を使用することができる。陽極１２を形成する電極材料としては、有機発光層１３への正孔の注入をより効率良く行なえる観点から、仕事関数が４．５ｅＶ以上の金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、及び、インジウム（Ｉｎ）及び錫（Ｓｎ）を含む酸化物（ＩＴＯ）、錫（Ｓｎ）の酸化物（ＳｎＯ２）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物（ＩＺＯ）等が透明電極材料として挙げられる。陰極１１を形成する電極材料としては、有機発光層１３への電子の注入をより効率良く行なえる観点から、仕事関数が４．５ｅＶ以下のリチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、セリウム（Ｃｅ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属、または、これらの金属を含有するＭｇ：Ａｇ合金、Ｌｉ：Ａｌ合金等の合金が挙げられる。
【００４５】
封止層２１は、発光部３の側面を封止している。封止層２１は、任意の絶縁材料を用いて形成することができる。絶縁材料としては、有機材料、無機材料のいずれであってもよい。
【００４６】
本実施形態の発光部３の一例では、第１基板２および第２基板４として、厚さ０．７ｍｍのガラス基板を用いる。陽極１２として、膜厚が１００ｎｍのＩＴＯをスパッタ法により形成する。正孔注入層１９として、膜厚が１００ｎｍの１，１−ビス−ジ−４−トリルアミノ−フェニル−シクロヘキサン（ＴＡＰＣ）を抵抗加熱蒸着法により形成する。正孔輸送層１８として、膜厚が４０ｎｍのＮ，Ｎ’−ｄｉ−ｌ−ナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−１，１’−ビフェニル−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（ＮＰＤ）を抵抗加熱蒸着法により形成する。発光体層１７として、膜厚が３０ｎｍのシクロペンタジエン誘導体（ＰＰＣＰ：１，２，３，４，５−Pentaphenyl−１，３−cyclopentadiene）を、蒸着速度０．１５ｎｍ／秒の条件下で抵抗加熱蒸着法により形成する。正孔防止層１６として、膜厚が１０ｎｍの２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（ＢＣＰ）を形成する。電子輸送層１５として、膜厚が３０ｎｍのトリス（８−ヒドロキシキノリン）アルミニウム（Ａｌｑ３）を形成する。電子注入層１４として、膜厚が０．５ｎｍのフッ化リチウム（ＬｉＦ）を形成する。陰極１１として、膜厚が１ｎｍのマグネシウム銀合金を、蒸着速度０．０１ｎｍ／秒（マグネシウム）、０．０９ｎｍ／秒（銀）、の条件下で共蒸着による真空蒸着法により形成する。
【００４７】
誘電体層６は、第１基板２の第２面２ｂに形成されている。誘電体層６は、例えば銀等の金属ナノ粒子５を含む誘電体媒質９で構成されている。金属ナノ粒子５には、表面プラズモン現象を発現することができ、発光部３から発せられる光の波長域に共鳴波長を有するものを用いる。金属ナノ粒子５は、後述する赤色画素領域ＰＲおよび緑色画素領域ＰＧに対応する領域に配置されており、青色画素領域ＰＢに対応する領域には配置されていない。
【００４８】
誘電体媒質９として、可視域において高い透明度を有するものが好ましく、例えば、ポリスチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、４，４’-[p-スルホニルビス(フェニレンスルファニル)]ジフタル酸無水物（ＤＰＳＤＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ系樹脂等が用いられる。誘電体媒質９の比誘電率εは、それぞれε＝２．２０〜２．４０、ε＝２．５６、ε＝３．２４、ε＝３．５０〜４．５０、ε＝２．５０〜６．００程度である。なお、誘電体媒質９は、上記以外であってもよい。
また、誘電体媒質９の形成には、塗布法による手段を用いることが好ましいが、それ以外の手段を用いて形成されてもよい。
【００４９】
金属ナノ粒子５の具体例は、以下に示すものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。金属ナノ粒子５は、表面プラズモン現象を誘起できるものであればよい。「表面プラズモン現象」とは、光の電界に金属ナノ粒子５等の微粒子の電子が共鳴する状態をいう。表面プラズモン現象は、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、または、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（エバネッセント光）に金属粒子等の電子が共鳴することによっても励起される。
【００５０】
金属ナノ粒子５としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎａ等、およびこれらの金属の中から２種類以上の金属を適宜選んで形成された合金、例えば、Ｍｇ：Ａｇ，Ａｌ：Ｌｉ，Ａｌ：Ｃａ，Ｍｇ：Ｌｉを挙げることができる。
【００５１】
金属ナノ粒子５は、銀に限らず、青色領域に共鳴波長を有するのであれば、アルミニウムやインジウム等であってもよい。また、励起した金属ナノ粒子５の近傍の増強電界を、各色変換層に効率良く吸収させる必要がある。そのため、誘電体層６の厚みと金属ナノ粒子５の平均直径とはほぼ等しい必要がある。また、金属ナノ粒子５の粒径が小さい程、光吸収が強く、散乱が弱い。そのため、金属ナノ粒子５の粒径は、平均直径２０ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、金属ナノ粒子５の平均直径が１０ｎｍの場合、誘電体層６の膜厚を約１０ｎｍとする。なお、粒径のバラツキは小さい方が好ましい。平均直径１０ｎｍに対しては１０±２ｎｍ程度になる粒径分布が好ましく、平均直径２０ｎｍに対しては、２０±２ｎｍ程度になる粒径分布が好ましい。
【００５２】
色変換部７は、赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４の２つの蛍光体層と、１つの透過層２５と、から構成されている。赤色蛍光体層２３は、赤色画素領域ＰＲに対応する領域に配置されている。緑色蛍光体層２４は、緑色画素領域ＰＧに対応する領域に配置されている。透過層２５は、青色画素領域ＰＢに対応する領域に配置されている。透過層２５は、青色光を透過させ、配光状態を調整する機能を有する。本実施形態の発光素子１において、発光部３から放出される青色光は、色変換部７に入射する。赤色蛍光体層２３に入射する青色光は、赤色光に変換されて射出される。緑色蛍光体層２４に入射する青色光は、緑色光に変換されて射出される。透過層２５に入射する青色光は、配光状態が調整され、青色光のまま射出される。
【００５３】
赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４は、以下に例示する蛍光体材料のみから構成されていてもよく、任意に添加剤等を含んでいてもよく、これらの材料が高分子材料（結着用樹脂）または無機材料中に分散された構成であってもよい。また、隣り合う２つの蛍光体層間、および蛍光体層と透過層との間には、ブラックマトリックス２６が形成されている。
【００５４】
本実施形態の蛍光体材料としては、公知の蛍光体材料を使用することができる。このような蛍光体材料は、有機系蛍光体材料と無機系蛍光体材料に分類され、これらの具体的な化合物を以下に例示するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。
【００５５】
有機系蛍光体材料としては、青色の励起光を緑色光に変換する蛍光色素として、クマリン系色素：２，３，５，６−１Ｈ、４Ｈ−テトラヒドロ−８−トリフロメチルキノリジン（９，９ａ、１−ｇｈ）クマリン（クマリン１５３）、３−（２′−ベンゾチアゾリル）―７−ジエチルアミノクマリン（クマリン６）、３−（２′−ベンゾイミダゾリル）―７−Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノクマリン（クマリン７）、ナフタルイミド系色素：ベーシックイエロー５１、ソルベントイエロー１１、ソルベントイエロー１１６等が挙げられる。
【００５６】
青色の励起光を赤色光に変換する蛍光色素として、シアニン系色素：４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−（ｐ−ジメチルアミノスチルリル）−４Ｈ−ピラン、ピリジン系色素：１−エチル−２−［４−（ｐ−ジメチルアミノフェニル）−１，３−ブタジエニル］−ピリジニウム−パークロレート、およびローダミン系色素：ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、ローダミン３Ｂ、ローダミン１０１、ローダミン１１０、ベーシックバイオレット１１、スルホローダミン１０１等が挙げられる。
【００５７】
無機系蛍光体材料としては、青色の励起光を緑色光に変換する蛍光体として、（ＢａＭｇ）Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ２＋、（ＳｒＢａ）Ａｌ１２Ｓｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋、（ＢａＭｇ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ７−Ｓｒ２Ｂ２Ｏ５：Ｅｕ２＋、（ＢａＣａＭｇ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋、Ｓｒ２Ｓｉ３Ｏ８−２ＳｒＣｌ２：Ｅｕ２＋、Ｚｒ２ＳｉＯ４、ＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｃｅ３＋，Ｔｂ３＋、Ｂａ２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｓｒ２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、（ＢａＳｒ）ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
【００５８】
青色の励起光を赤色光に変換する蛍光体として、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋、ＹＡｌＯ３：Ｅｕ３＋、Ｃａ２Ｙ２（ＳｉＯ４）６：Ｅｕ３＋、ＬｉＹ９（ＳｉＯ４）６Ｏ２：Ｅｕ３＋、ＹＶＯ４：Ｅｕ３＋、ＣａＳ：Ｅｕ３＋、Ｇｄ２Ｏ３：Ｅｕ３＋、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋、Ｙ（Ｐ，Ｖ）Ｏ４：Ｅｕ３＋、Ｍｇ４ＧｅＯ５．５Ｆ：Ｍｎ４＋、Ｍｇ４ＧｅＯ６：Ｍｎ４＋、Ｋ５Ｅｕ２．５（ＷＯ４）６．２５、Ｎａ５Ｅｕ２．５（ＷＯ４）６．２５、Ｋ５Ｅｕ２．５（ＭｏＯ４）６．２５、Ｎａ５Ｅｕ２．５（ＭｏＯ４）６．２５等が挙げられる。
【００５９】
また、赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４は、上記の蛍光体材料と樹脂材料とを溶剤に溶解、分散させた蛍光体層形成用塗液を用いて、スピンコーティング法、ディッピング法、ドクターブレード法、吐出コート法、スプレーコート法等の塗布法、インクジェット法、凸版印刷法、凹版印刷法、スクリーン印刷法、マイクログラビアコート法等の印刷法等による公知のウエットプロセス、上記の材料を抵抗加熱蒸着法、電子線（ＥＢ）蒸着法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、スパッタリング法、有機気相蒸着（ＯＶＰＤ）法等の公知のドライプロセス、または、レーザー転写法等により形成することができる。
【００６０】
赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４の膜厚は、例えば、１００ｎｍ〜１００μｍ程度であるが、１〜１００μｍが好ましい。膜厚を１００ｎｍ以上とすることで、発光部３からの青色光を十分吸収することができ、発光効率の向上、青色光の混色を抑制することによる色純度の向上といった効果を得ることができる。さらに、発光部３からの光の吸収を高め、色純度の悪影響を及ぼさない程度に青色の透過光を低減するためには、膜厚を１μｍ以上とすることが好ましい。また、膜厚が１００μｍであれば、発光部３からの青色光を十分吸収することから、これ以上の厚さとする場合に比べて、十分な効率を維持しつつ、材料の消費を抑え、材料コストを低下させることができる。なお、本実施形態では、蛍光体による自己吸収（再吸収）の影響を小さくするため、赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４の膜厚を、１〜１００μｍの範囲のうち、比較的薄い膜厚である３μｍとした。
【００６１】
また、本実施形態の誘電体層６を形成する際には、例えば、銀ナノ粒子水溶液（粒径：２０ｎｍ、濃度：０．０２ｍｇ／ｍＬ、Sigma-Aldrich製）に対し、ポリビニルアルコール(ＰＶＡ，８０％hydrolyzed, Sigma- Aldrich製)を重量比で１０％分散させる。この溶液を、第１基板２上に、６０００rpm、３０秒スピンコートすることで、約２０ｎｍの厚さの薄膜を形成する。最後に、青色画素領域ＰＢに存在する粒子を、ＦＩＢや電子ビーム露光による手段によって除去することにより、銀ナノ粒子を含有した誘電体層を形成する。
【００６２】
色変換部７を形成する際には、誘電体層６を形成した後、幅が３ｍｍの赤色蛍光体層２３、緑色蛍光体層２４および透過層２５を、抵抗加熱蒸着法により形成する。赤色蛍光体層２３に用いる赤色色素として、発光波長が６２７ｎｍ、内部量子収率が０．９５のCresyl violet色素を用いる。緑色蛍光体層２４に用いる緑色色素として、発光波長が５０２ｎｍ、内部量子収率が１．００のクマリン６を用いる。透過層２５の材料には、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いる。
また、第３基板８として、厚さ０．７ｍｍのガラス基板を用いる。
【００６３】
本実施形態においては、色変換部７の誘電体層６に接する側の面から誘電体層６に存在する金属ナノ粒子５までの平均距離は、金属ナノ粒子５の平均直径以下である。すなわち、誘電体層６は、その膜厚が金属ナノ粒子５を均等に２層積層した厚さよりも薄くなるように形成されている。言い換えると、誘電体層６は、金属ナノ粒子５が２段には重ならない程度の厚さに形成されている。
【００６４】
以下、射出光の高輝度化を実現すべく、本発明者らが検討した内容について説明する。
青色励起光を効率良く増強するために、以下の２つの条件を満たす必要がある。
第１の条件は、金属ナノ粒子５の共鳴波長帯域と青色励起光の吸収波長帯域とが重なることである。
図２（Ａ）は、発光部３から射出された入射電界Ｅexc（λ）の青色励起光Ｌｂを金属ナノ粒子５に照射したとき、金属ナノ粒子５の近傍に増強電界Ｅenが形成される様子を示している。
【００６５】
ここで、増強電界Ｅenが形成される原理を以下に示す。
入射電界Ｅexc（λ）の青色励起光Ｌｂを金属ナノ粒子５に照射したとき、金属ナノ粒子５の分極率をα（λ）とすると、金属ナノ粒子５の近傍に、下記の（１）式で表される双極子モーメントｐ（λ）が誘起される。
ｐ（λ）＝α（λ）Ｅexc（λ）  …（１）
【００６６】
このとき、双極子モーメントｐ（λ）は、金属ナノ粒子５の近傍に自らの電界Ｅ（図示せず）を発生させる。電界Ｅは、入射電界Ｅexc（λ）と同じ方向を向き、双極子からの距離をｒとしたとき、１／ｒ３の依存性をもって急激に減衰する場である（近接場光）。結局、金属ナノ粒子５は、外からの光による入射電界Ｅexc（λ）以外に、電界Ｅを感じるため、入射電界Ｅexc（λ）が増強され、増強電界Ｅen（λ）となる、という仕組みである。
【００６７】
ここで、金属ナノ粒子５の平均直径Ｄを、Ｄ＝２０ｎｍとする。また、金属ナノ粒子５としては銀ナノ粒子を用いる。
図２（Ｂ）に、青色波長域（３８０〜４８０ｎｍ）において、銀ナノ粒子の周囲媒質（誘電体媒質）の比誘電率εが変化した時の電界増強度の波長依存性を示した。図２（Ｂ）の横軸は波長［ｎｍ］であり、縦軸は電界増強度である。なお、電界増強度は、｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜２で表される。これより、比誘電率εが、ε＝１．７１〜４．４０を満たすならば、青色波長域３８０〜４８０ｎｍの範囲内に、銀ナノ粒子由来の共鳴ピーク波長が存在することが分かる。
【００６８】
本実施形態では、銀ナノ粒子の周囲の誘電体媒質（ポリビニルアルコール）の比誘電率εを、ε＝２．５６とした。図２（Ｃ）は、ε＝２．５６のとき、青色発光材料の発光波長域に、銀ナノ粒子近傍における電界増強度の共鳴ピーク波長が存在することを示したグラフである。これは、波長が４１３ｎｍの青色励起光Ｌｂを金属ナノ粒子５に対して入射させたとき、同波長での電界強度が約３０倍に増大することを意味する。
【００６９】
次に、増強した励起光を用いて色変換を効率良く起こすには、第２の条件を満たす必要がある。
第２の条件は、金属ナノ粒子５の近傍の増強電界Ｅen（λ）が及ぶ範囲内に蛍光分子２８が存在することである。
【００７０】
図３（Ａ）に、第２の条件である増強電界Ｅen（λ）の範囲を明確にするための計算モデルを示す。電界範囲は、双極子−双極子カップリングによるエネルギー移動（ＦＲＥＴ）効率ηを、以下の理論式（２）〜（４）に基づいて決定する。また、図３（Ｂ）に、以下の理論式中の規格化された増強電界スペクトル、蛍光分子のモル吸光係数を示す。
【００７１】
【数１】
2016004721.tif 000003
【００７２】
【数２】
2016004721.tif 000004
【００７３】
【数３】
2016004721.tif 000005
【００７４】
ただし、
Ｒ0：フェルスター距離［ｎｍ］
ｒ： 双極子−双極子間距離［ｎｍ］ 
Ｑ0: 元の蛍光量子収率
ｎ: 誘電体媒体の屈折率（ｎ＝√ε: εは比誘電率)
ＮＡ: アボガドロ数［mol−１］
κ２: 双極子配向因子
Ｊ: 重なり積分
ｆＤ（λ）： 規格化された増強電界スペクトル（図３（Ｂ）参照）
εＡ（λ）: 蛍光分子のモル吸光係数［Ｍ−１ｃｍ−１］（図３（Ｂ）参照）
【００７５】
図４（Ａ）は金属ナノ粒子５と蛍光分子との距離を示す図であり、図４（Ｂ）はＦＲＥＴ効率ηの計算結果を示すグラフである。図４（Ｂ）の横軸は金属ナノ粒子と蛍光分子との距離ｒ［ｎｍ］を示し、縦軸はＦＲＥＴ効率ηを示す。蛍光分子としては、赤色蛍光体層に用いるローダミン色素（Ｒｈ６Ｇ）を想定した。金属ナノ粒子５の表面から蛍光分子までの距離ｒを、ｒ＝２，５，１０，１４．６と４通りに変化させ、距離ｒだけ離れた位置をそれぞれ位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとした。
【００７６】
図４（Ｂ）に示すように、金属ナノ粒子５の表面から蛍光分子までの距離ｒを、ｒ＝２，５，１０，１４．６と増加させるに従い、金属ナノ粒子５の近傍の増強電界強度Ｅ（λ）がＥ（λ＝４１３ｎｍ）＝３０，１９，３，１（＝入射電界強度）と減少した。距離ｒが１４．６のとき、増強電界強度Ｅは１であり、入射電界強度に等しい。したがって、増強電界強度Ｅが１以上（入射電界強度以上）となる条件は、金属ナノ粒子５の表面から蛍光分子までの距離が約１５ｎｍ以内の範囲である。ここでは、金属ナノ粒子５の平均直径を２０ｎｍと設定した。したがって、金属ナノ粒子５の表面から蛍光分子までの距離は、金属ナノ粒子５の平均直径よりも小さいことが望ましい。
【００７７】
また、図４（Ｃ）には、増強電界Ｅenを反映した各位置（Ａ〜Ｄ）でのローダミン色素（Ｒｈ６Ｇ）の蛍光スペクトルを示す。
なお、蛍光強度Ｉem（λ）は、下記の（５）式に従って算出している。
Ｉem（λ）＝ΦＩen（λ）＝Φ｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜２・Ｉexc（λ）∝|Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）|２  …（５）
【００７８】
これにより、増強電界Ｅen（λ）の及ぶ距離が長いと、その位置での蛍光強度Ｉem（λ）が増大する。着目すべき点は、励起光増強を用いた場合、金属ナノ粒子５の表面近傍ではＦＲＥＴ効率が高く、金属ナノ粒子５による消光の影響を全く受けないことにある。その理由は、蛍光分子の発光波長と金属ナノ粒子５の共鳴波長が重ならないためである。このことから、発光増強でなく、励起光増強を用いた方がより高輝度な発光に繋がると考えられる。
【００７９】
次に、ローダミン色素（Ｒｈ６Ｇ）を用いた赤色蛍光体層２３だけでなく、別の材料を用いた赤色蛍光体層２３についても、ＦＲＥＴ効率を算出した。別の赤色蛍光分子としては、Cresyl violet perchlorate色素（ＣＶＰ）を想定した。
図５（Ａ）は、ＦＲＥＴ効率ηの計算結果を示すグラフである。
図５（Ａ）の縦軸はＦＲＥＴ効率ηであり、横軸は金属ナノ粒子５の表面から蛍光分子までの距離である。実線のグラフはＣＶＰ色素を示し、破線のグラフはローダミン色素を示す。
【００８０】
図５（Ａ）に示す通り、赤色蛍光体層２３、別の材料を用いた赤色蛍光体層２３ともに、金属ナノ粒子５の近傍に生ずる増強電界Ｅen（λ）の距離的な影響はほぼ同等と言える。
ただし、（２）、（３）、（４）式において、
Ｑ０: 元の赤色蛍光量子収率
εＡ: 赤色蛍光分子のモル吸光係数［Ｍ−１ｃｍ−１］（図５（Ｂ）参照）
【００８１】
従来の発光素子１０１は、図６（Ａ）に示すように、赤色蛍光体層２３、緑色蛍光体層２４、透過層２５のそれぞれに金属ナノ粒子５が含有されていた。これに対して、本実施形態の発光素子１は、図６（Ｂ）に示すように、発光部３と赤色蛍光体層２３、緑色蛍光体層２４、透過層２５のそれぞれとの間に、金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６が形成されている。本実施形態の発光素子１では、蛍光体層とは別に、金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６を備えることにより、より高輝度の射出光を得ることができる。
【００８２】
図６（Ｃ）は、本実施形態の発光素子１と従来の発光素子１０１とで蛍光強度を比較したグラフである。図６（Ｃ）の横軸は、金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６の光吸収割合［％］であり、縦軸は蛍光強度［任意単位］および増強度である。従来の発光素子１０１は、金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６を備えていないため、誘電体層６の光吸収割合が０％の点が従来の発光素子１０１の蛍光強度を示している。
【００８３】
例えば図６（Ｃ）に示すように、本実施形態の発光素子１における蛍光強度の増強度は、従来の発光素子１０１における蛍光強度の１倍よりも大きく、約１．４４倍となる。このように、本実施形態の発光素子１によれば、より高輝度の射出光を得ることができる。
【００８４】
図６（Ｃ）の計算の根拠は、以下の通りである。例えば励起光の強度Ｉexc（λ＝４１３ｎｍ）を１、蛍光体量子収率Φを０．９５と仮定したとき、従来の発光素子１０１の蛍光強度Ｉem（λ＝５５１ｎｍ）が、Ｉem（蛍光強度のピーク波長）＝Φ×Ｉexc（励起光強度のピーク波長）＝０．９５×１＝０．９５、となる、と定義する。これに対して、本実施形態の発光素子１の蛍光強度Ｉem（λ＝５５１ｎｍ）は、蛍光体層由来の発光強度と、金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６由来の発光強度と、の合計となる。金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６の光吸収割合を０．８（８０％）とすると、蛍光体層由来の発光強度は、０．９５×１×（１−０．８）＝０．１９である。誘電体層６由来の発光強度は、０．９５×（Ａ／３０００）×９３０×０．８＝１．０９である。ただし、上記のＡは、下の（６）式で表される。なお、（Ａ／３０００）は、蛍光体層の膜厚３０００ｎｍに対する、粒子表面から蛍光体層へエネルギーが移動する距離の比を示している。
【００８５】
【数４】
2016004721.tif 000006
【００８６】
したがって、本実施形態の発光素子１の蛍光強度Ｉem（λ＝５５１ｎｍ）は、０．１９＋１．０９＝１．２８となる。
【００８７】
上記の増強度の倍率について簡単に説明すると、
（ｉ） 金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６の光吸収割合が０％のとき、すなわち、誘電体層６中に金属ナノ粒子５が存在しない場合、蛍光体層の膜厚が薄いため、励起光の一部が蛍光体層で吸収され、残りは透過される。このときの蛍光（λ＝５５１ｎｍ）の増強度は１倍となる。
（ii） 金属ナノ粒子５を含有する誘電体層６の光吸収割合が１００％のとき、すなわち、金属ナノ粒子５が密に詰まっている場合、励起光の全てが誘電体層６で吸収されることになる。そのときの増強度は１．４４倍と最大となる。ただし、この場合は、膜ではなく、励起光を全て吸収できる程に粒子間距離が短い場合を意味しており、粒子によって局在化した表面プラズモンが生じる条件であればよい。
【００８８】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７、図８を用いて説明する。
本実施形態の発光素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、誘電体層の媒質が第１実施形態と異なる。
【００８９】
本実施形態の発光素子において、誘電体層は、複数の銀ナノ粒子が分散された誘電率媒質で構成されている。誘電率媒質には、例えば第１実施形態で用いた誘電体媒質よりも高い比誘電率であって、可視域での高い透明度を実現可能な、硫黄を含有する高比誘電率ポリイミドが最適である。高比誘電率ポリイミドの比誘電率εは、例えば３．２４である。このとき、図８（Ａ）に示すように、蛍光の増強度は、１.７５倍となった。
【００９０】
この種の誘電体層を形成する際には、まず、スルフィド結合の一部をスルホン結合に置き換えた４，４’−［ｐ−スルホニルビス（フェニレンスルファニル）］ジフタル酸無水物（ＤＰＳＤＡ）を合成する。銀ナノ粒子水溶液（粒径２０ｎｍ、 濃度０．０２ｍｇ／ｍＬ; Sigma-Aldrich製）に対し、ＤＰＳＤＡを重量比で１０％分散させる。その後、芳香族ジアミンとして３ＳＤＡを用いて重合させ、これを、基板上に、６０００ｒｐｍ、３０秒でスピンコートすることにより、厚さ約２０ｎｍの薄膜(ホストの比誘電率ε≒３．２４)を形成する。ここで、銀ナノ粒子を含有する誘電体層で吸収される光の割合を８０％とし、残り２０％が、蛍光体層で吸収される光の割合となるように誘電体層中に銀ナノ粒子が分散されている。最後に、青色画素領域に存在する銀ナノ粒子を、ＦＩＢや電子ビーム露光による手段によって除去することにより、銀ナノ粒子含有誘電体層を形成する。
【００９１】
第１実施形態を説明する際に用いた図２によれば、銀ナノ粒子近傍での電界強度増強度は、以下の通りとなる。
第１実施形態（ε＝２．５６、波長λ＝４１３ｎｍ）の場合、
｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜2＝９３０
第２実施形態（ε＝３．２４、波長λ＝４４５ｎｍ）の場合、
｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜2＝１２７３
【００９２】
図８（Ｂ）は、蛍光強度の増強度と金属ナノ粒子を含有した誘電体層の光吸収割合との関係を示すグラフである。グラフの横軸は金属ナノ粒子を含有した誘電体層の光吸収割合［％］であり、縦軸は蛍光強度の増強度である。
上記の電界強度の増強効果を反映させた図８（Ｂ）に示すように、第１実施形態（比誘電率：ε＝２．５６）と第２実施形態（比誘電率：ε＝３．２４）とを比較した場合、比誘電率が高い誘電体媒質を用いた第２実施形態の発光素子では、第１実施形態の発光素子に比べて蛍光強度の増強度が大きくなる。
【００９３】
本実施形態の発光素子によれば、電界強度がより高くなるため、より高輝度な蛍光を得ることができる。例えば、従来の発光素子に対する蛍光強度の増強度は、第１実施形態では１〜１．４４倍であるのに対し、本実施形態では１〜１．９７倍となり、本実施形態の蛍光強度の増強度は第１実施形態に比べて大きくなる。
【００９４】
また、図８（Ａ）によれば、誘電体媒質に、高い比誘電率を有するポリメチルメタクリレート（ε＝４．５８）を用いた場合、蛍光の増強度はちょうど１.００倍となった。他方、低い比誘電率を有するポリスチレン（ε＝２．２０）を用いた場合、蛍光の増強度が１．００倍以上となった。
【００９５】
仮に、青色波長域に共鳴ピーク波長がなくても、比誘電率ε＝４．５８であれば、波長４８０ｎｍでの電界増強度がピーク値の約５０％減少するが、このときでさえ蛍光強度が増加し、その増強度は１.００倍となった。しかし、さらに比誘電率εを増加させ、例えば比誘電率ε＝４．５９としたとき、誘電体層中に粒子を分散させたときの蛍光増強度は、０．９７倍と減少した。他方、比誘電率ε＝１．７０としたときも同様に、誘電体層中に粒子を分散させたときの蛍光増強度は、０．９９倍と減少した。
【００９６】
以上のことから、誘電体層に用いる誘電体媒質の比誘電率εが、ε＝１．７１〜４．５８を満たす場合、粒子分散による効果として、蛍光増強度が常に１.００倍以上となる。
これは、励起光が粒子に直接照射され、エネルギーの一部が分子へ移動、発光する分と、粒子を透過して蛍光体層に照射、発光する分、の二つの発光の足し合わせ結果として蛍光強度が増加することを意味する。
【００９７】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図９〜図１１を用いて説明する。
本実施形態の発光素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、金属ナノ粒子の形状が第１実施形態と異なる。
図９は、第３実施形態の発光素子を示す断面図である。
図９において、第１実施形態で用いた図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００９８】
第１、第２実施形態の発光素子においては、誘電体層に含有される金属ナノ粒子の形状は球状であった。これに対して、第３実施形態の発光素子３１においては、誘電体層３２に含有される金属ナノ粒子３３の形状は棒状（ロッド）である。よって、本実施形態では、以下、金属ナノ粒子のことを金属ナノロッド３３と称する。本実施形態では、図９に示すように、複数の金属ナノロッド３３は、誘電体層３２の内部で金属ナノロッド３３の長軸方向が誘電体層３２の厚さ方向を向くように配列されている。本実施形態では、複数の金属ナノロッド３３がこのように一方向に配列されていることが望ましいが、ランダムに配列されていてもよい。
【００９９】
また、図１０に示すように、金属ナノロッド３３の近傍では、金属ナノロッド３３の長軸方向に沿って増強電界Ｅen（λ）が発生する。金属ナノロッド３３の長軸由来の電界強度は、長波長側程大きい。そのため、本実施形態の発光部３においては、波長４８０〜５００ｎｍに発光ピーク波長を有する青色発光材料を用いる。
【０１００】
以下、本実施形態で使用する青色発光材料の作製方法について説明する。
第１実施形態および第２実施形態で用いたシクロペンタジエン誘導体（ＰＰＣＰ）に代えて、１，４−ビス−トリフェニルシリル−ベンゼン（ＵＧＨ−２）（ホスト材料）とビス［（４，６−ジフルオロフェニル）−ピリジナト−Ｎ，Ｃ２’］ピコリネートイリジウム（III）（ＦＩｒｐｉｃ,発光波長４９６ｎｍ）（青色燐光発光ドーパント）とを、それぞれの蒸着速度が１．５Å／秒、０．２Å／秒となる条件下で共蒸着し、膜厚が３０ｎｍとなるように成膜して有機発光層を形成する。
【０１０１】
図１０に示すように、金属ナノロッド３３の長軸方向の長さをａ、金属ナノロッド３３の短軸方向の長さをｂとする。このとき、金属ナノロッド３３の近傍での電界強度の増強度｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜2は、
｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜2＝｜１＋２×αnanorod（λ）／４πａｂ２｜
(αnanorod（λ）: 金属ナノロッド長軸由来の分極率）
で表される。
【０１０２】
図１１（Ａ）に、金属ナノロッド３３の近傍における電界強度の増強度の波長依存性を示すグラフを示す。グラフの横軸は波長［ｎｍ］であり、縦軸は電界強度の増強度である。
図１１（Ａ）に示すように、アスペクト比ＲをＲ＝ａ／ｂとすると、球状の金属ナノ粒子を用いた第１実施形態（Ｒ＝１．０）の場合、
｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜2＝９３０ 
金属ナノロッドを用いた本実施形態（Ｒ＝１．６＠λ＝４８９ｎｍ）の場合、
｜Ｅen（λ）／Ｅexc（λ）｜2 ≒ ２１６４
となる。
【０１０３】
以上により、第１実施形態（Ｒ＝１．０）と本実施形態（Ｒ＝１．６）を比較した場合、金属ナノ粒子のアスペクト比が高い本実施形態の誘電体層３２では、電界強度の増強度が第１実施形態よりも大きい。これは、αnanorod（λ）内の反電界係数Ｌが、金属ナノ球（Ｌ＝１／３）のときよりも小さい値（Ｌ＜１／３）を取ることに由来する。すなわち、反電界係数Ｌが小さいほど、電界強度の増強度が大きくなる。これにより、分極率の値がαnanosphere（λ）<αnanorod（λ）となることから、金属ナノロッドの長軸由来の電界増強度の方が高くなる。
【０１０４】
本実施形態の発光素子３１によれば、誘電体層３２に金属ナノロッド３３を含有させたことにより電界強度がより高くなるため、より高輝度な蛍光が得られる。
図１１（Ｂ）に、蛍光強度の増強度と金属ナノロッドを含有する誘電体層の光吸収割合との関係を示すグラフを示す。グラフの横軸は誘電体層の光吸収割合［％］であり、縦軸は蛍光強度の増強度である。
従来の発光素子に対する蛍光強度の増強度は、第１実施形態では１〜１．４４倍であるのに対し、本実施形態では１〜３．３４倍となる。このように、本実施形態の発光素子３１は蛍光強度の増強度が高い。
【０１０５】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１２、図１３を用いて説明する。
本実施形態の発光素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、発光部の発光色が第１実施形態と異なる。
図１２は、第４実施形態の発光素子を示す断面図である。
図１２において、第１実施形態で用いた図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【０１０６】
第１〜第３実施形態の発光素子において、発光部から射出される光は青色光であった。これに対して、第４実施形態の発光素子４１においては、発光部４２から射出される光は青緑色光である。すなわち、本実施形態の発光部４２の発光スペクトルは、第１〜第３実施形態の発光部の発光スペクトルよりも長波長成分を含んでいる。さらに、本実施形態では、図１２に示すように、青色画素領域ＰＢに対応する透過層２５の上側に、青緑色波長域よりも長波長側の光をカットし、青色波長域の光を透過するカラーフィルター４３を備えている。カラーフィルター４３は、金属ホールアレイ構造で形成されるものを用いることができる。ただし、これに限らず、誘電体多層膜で形成したカラーフィルターを用いてもよい。赤色画素領域ＰＲおよび緑色画素領域ＰＧの構成は、第１実施形態と同様である。
【０１０７】
本実施形態の発光素子４１において、発光部４２の発光スペクトルの一例を図１３（Ａ）に示す。このように発光部４２から射出された光の波長域のうち、青緑波長域の光、すなわち波長４８０〜５００ｎｍ以上の光は、カラーフィルター４３により殆どカットされる。その結果、図１３（Ｂ）に示すように、青色波長域の光、すなわち波長３８０〜４８０ｎｍの光のみが青色画素領域ＰＢから射出される。
【０１０８】
本実施形態の発光素子４１によれば、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の光を射出することができ、カラートライアングルの範囲が広くなる。これにより、より広い色域に対応する色を表現することができる。
【０１０９】
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１４、図１５を用いて説明する。
本実施形態の発光素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、色変換部の構成が第１実施形態と異なる。
図１４は、第４実施形態の発光素子を示す断面図である。
図１４において、第１実施形態で用いた図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【０１１０】
第１〜第４実施形態の発光素子において、誘電体層の内部に金属ナノ粒子が含有され、色変換部の内部には金属ナノ粒子が含有されていなかった。これに対し、図１４に示すように、第５実施形態の発光素子５１においては、誘電体層６の内部に加えて、色変換部７を構成する赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４の内部にも金属ナノ粒子５が含有されている。透過層２５の内部には、金属ナノ粒子５は含有されていない。
【０１１１】
本実施形態の場合、図１５に示すように、赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４の内部にも金属ナノ粒子５が含有されているため、青色励起光によって生じる金属ナノ粒子５の近傍の増強電界Ｅen（λ）を蛍光分子に効率良く吸収させることができる。また、励起光増強による蛍光増強のため、赤色蛍光体層２３および緑色蛍光体層２４の内部で発した蛍光が、金属ナノ粒子５によって再吸収されることがなく、効率が良い。
【０１１２】
本実施形態の発光素子５１によれば、第１実施形態と比較して、より高輝度な発光素子を実現することができる。例えば、従来の発光素子に対する蛍光強度の増強度は、第１実施形態では１〜１．４４倍であるのに対し、本実施形態では１．４４〜５倍程度となり、本実施例の蛍光強度の増強度は高い。
【０１１３】
［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図１６を用いて説明する。
本実施形態の発光素子の基本構成は第５実施形態と同様であり、金属ナノ粒子の形態が第５実施形態と異なる。
【０１１４】
第５実施形態の発光素子５１では、色変換部、例えば赤色蛍光体層２３は、図１６（Ａ）に示すように、蛍光分子２８と金属ナノ粒子５とが均等に混合されていた。これに対し、本実施形態の発光素子６１では、図１６（Ｂ）に示すように、金属ナノ粒子５の周囲は、蛍光分子２８を含有させた誘電体層６２により被覆されている。金属ナノ粒子５の周囲を被覆する誘電体層６２は、例えば厚さが数ｎｍのシリカ層で構成されている。
【０１１５】
金属ナノ粒子５の共鳴波長が励起光の波長（蛍光分子の吸収波長）と一致している場合、励起光は、金属ナノ粒子５の近傍のプラズモンにより電界増強される。すなわち、励起光増強が生じる。この場合、金属による消光は起こらないと考えられる。金属ナノ粒子５の表面から距離が遠ざかるに従って、増強電界強度が及ぼす範囲が小さくなるため、増強電界強度が及ぼす範囲内に蛍光分子２８を配置させる必要がある。
【０１１６】
その点、本実施形態の発光素子６１によれば、金属ナノ粒子５の周囲が蛍光分子２８を含有させた誘電体層６２により被覆されているため、金属ナノ粒子５から十分に近い位置に蛍光分子２８が存在する。これにより、少量の蛍光分子２８で効率良く発光が生じる。すなわち、蛍光増強に寄与しない蛍光分子２８が存在しないため、同じ厚みでもより高輝度な蛍光が得られる。
【０１１７】
［その他の構成要素］
第４実施形態に限らず、他の実施形態においても、光取り出し側の第３基板８と色変換部７との間にカラーフィルターが設けられていてもよい。カラーフィルターの使用により、赤色画素領域、緑色画素領域、青色画素領域の色純度を高めることが可能となり、発光素子の色再現範囲を拡大することができる。この場合、赤色蛍光体層上に配置された赤色カラーフィルター、緑色蛍光体層上に配置された緑色カラーフィルターが、外光の青色成分、紫外成分を吸収するため、外光による蛍光体層の発光を低減または防止することが可能となる。その結果、コントラストの低下を低減または防止することができる。
【０１１８】
さらに、第３基板８の光射出側に、偏光板が設けられていてもよい。偏光板として、直線偏光板とλ／４板とを組み合わせたものを使用することができる。偏光板を設けることにより、発光素子の電極からの外光反射、および第３基板の表面での外光反射を防止することが可能である。その結果、表示装置のコントラストを向上させることができる。
【０１１９】
なお、上記の実施形態においては、発光部３が有機ＥＬ発光層の場合について説明したが、これに限られない。例えば、発光部として、青色発光ダイオード等の発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用してもよい。また、ＬＥＤを採用する場合、液晶によって発光した光の遮断と透過とを制御してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明の発光素子は、各種表示装置に利用が可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１，３１，４１，５１，６１…発光素子、３，４２…発光部、５…金属ナノ粒子、６，３２，６２…誘電体層、７…色変換部、９…誘電体媒質、２３…赤色蛍光体層、２４…緑色蛍光体層、２５…透過層、３３…金属ナノロッド、４３…カラーフィルター。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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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１６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図１０】
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【図１５】
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