(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の領域と第２の領域と、を有する基材と、
前記第１の領域上に形成された、第１の領域の第１の不透明電極と、
前記第１の領域の第１の不透明電極上に形成された、第１の領域の第１の有機発光材料層と、
前記第１の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第２の不透明電極と、
前記第１の領域の第２の不透明電極上に形成された、第１の領域の電気絶縁材料層と、
前記第１の領域の電気絶縁材料上に形成された、第１の領域の第３の不透明電極と、
前記第１の領域の第３の不透明電極上に形成された、第１の領域の第２の有機発光材料層と、
前記第１の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第４の不透明電極と、
前記第２の領域上に形成された、第２の領域の第１の有機発光材料層と、
前記第２の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第２の領域の透明材料層と、
前記第２の領域の透明材料層上に形成された、第２の領域の第２の有機発光材料層と、
前記第２の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第２の領域のミラーと、を含み、
前記第２の領域の透明材料層の膜厚が、前記第１の領域の第２の不透明電極の膜厚より大きく、前記第１の領域の第１の不透明電極の前記第１の領域の第１の有機発光材料層に対向する面に第１周期構造が形成され、前記第１の領域の第３の不透明電極の前記第１の領域の第２の有機発光材料層に対向する面に前記第１周期構造が形成され、前記第２の領域の第１の有機発光材料層の前記第２の領域の透明材料層に対向する面に第２周期構造が形成され、前記第２の領域の第２の有機発光材料層の前記第２の領域のミラーに対向する面に前記第２周期構造が形成され、前記第１の領域の第１の有機発光材料層で発光した光が前記第２の領域の第１の有機発光材料層を介して前記第２の領域から出力されるよう、前記第１の領域と前記第２の領域とが隣接している、ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
第１の領域と第２の領域と、を有する基材と、
前記第１の領域上に形成された、第１の領域の第１の不透明電極と、
前記第１の領域の第１の不透明電極上に形成された、第１の領域の第１の有機発光材料層と、
前記第１の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第２の不透明電極と、
前記第１の領域の第２の不透明電極上に形成された、第１の領域の電気絶縁材料層と、
前記第１の領域の電気絶縁材料上に形成された、第１の領域の第３の不透明電極と、
前記第１の領域の第３の不透明電極上に形成された、第１の領域の第２の有機発光材料層と、
前記第１の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第４の不透明電極と、
前記第２の領域上に形成された、第２の領域の第１の有機発光材料層と、
前記第２の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第２の領域の透明材料層と、
前記第２の領域の透明材料層上に形成された、第２の領域の第２の有機発光材料層と、
前記第２の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第２の領域のミラーと、を含み、
前記第２の領域の透明材料層の膜厚が、前記第１の領域の第２の不透明電極の膜厚より大きく、前記第１の領域の第１の不透明電極の前記第１の領域の第１の有機発光材料層に対向する面に第１周期構造が形成され、前記第１の領域の第３の電極の前記第１の領域の第２の有機発光材料層に対向する面に前記第１周期構造が形成され、前記第２の領域の第１の有機発光材料層の前記第２の領域の透明材料層に対向する面に第２周期構造が形成され、前記第２の領域の第２の有機発光材料層の前記第２の領域のミラーに対向する面に前記第２周期構造が形成され、前記第１の領域の第２の有機発光材料層で発光した光が前記第２の領域の第２の有機発光材料層を介して前記第２の領域から出力されるよう、前記第１の領域と前記第２の領域とが隣接している、ことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発光素子において、
前記第１の領域の第１の有機発光材料層の前記第１の領域の第２の電極に対向する面に前記第１周期構造が形成されている、ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１の領域の電気絶縁材料の前記第１の領域の第３の電極に対向する面に前記第１周期構造が形成されている、ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１の領域の第２の有機発光材料層の前記第１の領域の第４の電極に対向する面に前記第１周期構造が形成されている、ことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第２の領域の透明材料層の前記第２の領域の第２の有機発光材料層に対向する面に前記第２周期構造が形成されている、ことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１周期構造は３００〜４５０ｎｍの範囲のピッチを有する、ことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第２周期構造のピッチが前記第１周期構造のピッチの２倍である、ことを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１周期構造が回折格子の形状を有する、ことを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１周期構造がチャーピング格子の形状を有する、ことを特徴とする発光素子。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１の領域が前記第２の領域を取り囲む、ことを特徴とする発光素子。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子において、
前記第１の領域の第１の有機発光材料層が１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する、ことを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の発光素子において、
前記第１の領域の第１の有機発光材料層が共役ポリマーを含む、ことを特徴とする発光素子。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の発光素子において、
前記第１の領域の第１の有機発光材料層がポリフルオレン誘導体を含む、ことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に、基材上に構成された有機発光材料層を含有する構造を有する発光素子、発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基材上に構成された有機発光材料層を含有する構造を有する従来の発光素子は、基材、透明電極、有機発光材料層および第２の電極がこの順で構成されてなる。このような発光素子では、正孔を発光材料へと一方電極（通常透明電極）から注入し、電子を他方電極から注入する。発光または活性材料における電子正孔再結合は光を生じる。発生した光は素子から透明電極および基材を通って放出される。これらの従来の素子は低効率を有し、比較的低強度のむしろ全般的スペクトルの出力を提供する。これらの特性は望ましくないが、いくつかの用途では黙認することができる。しかし光通信のような用途では致命的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述の不都合を緩和した、基材上に構成された有機発光材料層を含有する構造を有する発光素子を提供することである。
【０００４】
本発明に係る発光素子の一態様は、第１の領域と第２の領域と、を有する基材と、前記第１の領域上に形成された、第１の領域の第１の不透明電極と、前記第１の領域の第１の不透明電極上に形成された、第１の領域の第１の有機発光材料層と、前記第１の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第２の不透明電極と、前記第１の領域の第２の不透明電極上に形成された、第１の領域の電気絶縁材料層と、前記第１の領域の電気絶縁材料上に形成された、第１の領域の第３の不透明電極と、前記第１の領域の第３の不透明電極上に形成された、第１の領域の第２の有機発光材料層と、前記第１の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第４の不透明電極と、前記第２の領域上に形成された、第２の領域の第１の有機発光材料層と、前記第２の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第２の領域の透明材料層と、前記第２の領域の透明材料層上に形成された、第２の領域の第２の有機発光材料層と、前記第２の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第２の領域のミラーと、を含み、前記第２の領域の透明材料層の膜厚が、前記第１の領域の第２の不透明電極の膜厚より大きく、前記第１の領域の第１の不透明電極の前記第１の領域の第１の有機発光材料層に対向する面に第１周期構造が形成され、前記第１の領域の第３の不透明電極の前記第１の領域の第２の有機発光材料層に対向する面に前記第１周期構造が形成され、前記第２の領域の第１の有機発光材料層の前記第２の領域の透明材料層に対向する面に第２周期構造が形成され、前記第２の領域の第２の有機発光材料層の前記第２の領域のミラーに対向する面に前記第２周期構造が形成され、前記第１の領域の第１の有機発光材料層で発光した光が前記第２の領域の第１の有機発光材料層を介して前記第２の領域から出力されるよう、前記第１の領域と前記第２の領域とが隣接している、ことを特徴とする。
本発明に係る発光素子の他の態様は、第１の領域と第２の領域と、を有する基材と、前記第１の領域上に形成された、第１の領域の第１の不透明電極と、前記第１の領域の第１の不透明電極上に形成された、第１の領域の第１の有機発光材料層と、前記第１の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第２の不透明電極と、前記第１の領域の第２の不透明電極上に形成された、第１の領域の電気絶縁材料層と、前記第１の領域の電気絶縁材料上に形成された、第１の領域の第３の不透明電極と、前記第１の領域の第３の不透明電極上に形成された、第１の領域の第２の有機発光材料層と、前記第１の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第１の領域の第４の不透明電極と、前記第２の領域上に形成された、第２の領域の第１の有機発光材料層と、前記第２の領域の第１の有機発光材料層上に形成された、第２の領域の透明材料層と、前記第２の領域の透明材料層上に形成された、第２の領域の第２の有機発光材料層と、前記第２の領域の第２の有機発光材料層上に形成された、第２の領域のミラーと、を含み、前記第２の領域の透明材料層の膜厚が、前記第１の領域の第２の不透明電極の膜厚より大きく、前記第１の領域の第１の不透明電極の前記第１の領域の第１の有機発光材料層に対向する面に第１周期構造が形成され、前記第１の領域の第３の電極の前記第１の領域の第２の有機発光材料層に対向する面に前記第１周期構造が形成され、前記第２の領域の第１の有機発光材料層の前記第２の領域の透明材料層に対向する面に第２周期構造が形成され、前記第２の領域の第２の有機発光材料層の前記第２の領域のミラーに対向する面に前記第２周期構造が形成され、前記第１の領域の第２の有機発光材料層で発光した光が前記第２の領域の第２の有機発光材料層を介して前記第２の領域から出力されるよう、前記第１の領域と前記第２の領域とが隣接している、ことを特徴とするものでもよい。
【０００５】
上記発光素子において、前記第１の領域の第１の有機発光材料層の前記第１の領域の第２の電極に対向する面に前記第１周期構造が形成されている、ことが好ましい。また、前記第１の領域の電気絶縁材料の前記第１の領域の第３の電極に対向する面に前記第１周期構造が形成されている、ことが好ましい。また、前記第１の領域の第２の有機発光材料層の前記第１の領域の第４の電極に対向する面に前記第１周期構造が形成されている、ことが好ましい。また、前記第２の領域の透明材料層の前記第２の領域の第２の有機発光材料層に対向する面に前記第２周期構造が形成されている、ことが好ましい。また、前記第１周期構造は３００〜４５０ｎｍの範囲のピッチを有する、ことが好ましい。また、前記第２周期構造のピッチが前記第１周期構造のピッチの２倍である、ことが好ましい。また、前記第１周期構造が回折格子の形状を有する、ことが好ましい。また、前記第１周期構造がチャーピング格子の形状を有する、ことが好ましい。また、前記第１の領域が前記第２の領域を取り囲む、ことが好ましい。また、前記第１の領域の第１の有機発光材料層が１０００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する、ことが好ましい。また、前記第１の領域の第１の有機発光材料層が共役ポリマーを含む、ことが好ましい。また、前記第１の領域の第１の有機発光材料層がポリフルオレン誘導体を含む、ことが好ましい。
【０００８】
本発明によれば、従来の構成に対して、基材上に提供された活性層を２つの不透明電極間に挟んだ発光素子を提供する。
【０００９】
ある種の電子ポンプレーザー素子（electronically pumped laser devices）内に波型表面を使用する提案がなされていたことは理解されている。しかし、このような素子は基本的に、本発明が適用する発光素子に比べて、異なる構造および動作モードを有する。更に、従来の提案は主に理論的性質のものであり、実際に組み立てることは不可能ではないにしても、非常に困難な素子を想定していた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様を、ここで添付の図面を参照しながら更なる実施例で記載する。
【００１１】
２つの電極間に挟まれた活性な発光材料を包含する構造を有する従来の発光素子は、活性材料で発生した光が活性材料のプレーナ層に垂直に、透明電極および基材を通って発光することに基いて動作する。活性材料層は導波路として機能し、発生した光の実質部分を活性材料内の導波路モード（waveguide mode）にトラップすることができることが見出されている。活性な発光材料の屈折率が高いほど、発光材料中の導波路モードにトラップされる発生した光の割合が大きくなる。この考えは、発光層用として有機材料の使用、特に共役ポリマーを活性材料として使用する場合に特に重要である。これは、有機材料、特に共役ポリマーが、有機材料から発光される光の波長付近で高い屈折率を有するからである。このメカニズムにより、従来の素子の低効率および低出力強度を生じると考えられる。
【００１２】
すでに記載したように、従来の構成と正反対に、本発明は基材上に提供された活性層を（基材の第１の領域において）２つの不透明電極間に挟んだ発光素子を提供する。本発明では、２つの電極間の活性材料層の少なくとも１つのプレーナ表面を波型形成することによって、活性材料内の放射（即ち活性材料層、基材等に垂直な従来の素子の出力）モードと光伝搬の導波路（トラップ）モードを接合する。このようにして、高い割合の発生光が導波路モード中を基材の第２の領域へと伝搬する。
【００１３】
好ましくは、活性材料が基材の第１および第２の領域に渡って連続して伸びているが、必ずしも同一平面構造ではない。本質的な点は、第１の領域中の活性材料からの光が第２の領域中の活性材料に入ることである。また、第２の領域中の活性材料も少なくとも１つの波型表面を有する。ここで波型表面の機能は放射モードと導波路モードを接合することである。第２の領域では、第１の領域中の活性材料からきた導波路モード中の光は、放射モードに接合し、これによって光は基材の第２の領域において素子から出力される。素子の第２の領域の大きさ（有効出力開口）は光発生領域（第１の領域）に比べて小さく作ることができ、このようにして、出力強度を実質的に増加させることができる。
【００１４】
本発明のメカニズムは素子の出力を横方向に単純にシフトしたものではない。最も重要なことには、波型表面によって生じた伝搬モードの接合が波長選択性（鋭いピークの出力；非常に良好な色純度）を生じ、劇的に素子によって発生した光の出力の割合を増加させ、よって実質的に出力強度を増加させる。本発明による素子は従って、光通信システム、光ディスク、プリンター等での用途に好適である。更に、以下に説明するように、本発明による素子は比較的簡単に組み立てることができ、大型の製品に好適である。
【００１５】
先の記載に従って本発明の第１の実施態様をここで図１を参照しながら説明する。
【００１６】
図１に示すように、素子１０は：基材１２、第１の不透明電極１８、活性材料２０、第２の不透明電極２２および不透明ミラー層２４を包含する。基材１２は、例えば、ガラスから形成されたベース１４と透明樹脂層１６を包含する。樹脂層１６を提供することによって、以下に更に詳しく説明するように、活性材料２０の波型表面の形成（直接的におよび電極１８を介して）を容易にする。
【００１７】
陰極である電極２２を、低仕事率を有する材料、例えば、Ａｌ、Ｃａ等から形成する。電極１８は陽極で例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ等の材料から選択される。
【００１８】
使用の際は電圧を印加して表示素子を駆動する。典型的に、電圧は２Ｖ〜１０Ｖの範囲である。正の電圧を陽極に印加し、陰極を接地することができる。
【００１９】
活性材料の波型表面のピッチの選択は重要であり、以下に詳しく説明する。好ましい構成では、基材の第２の領域での波型表面のピッチが基材の第１の領域での波型表面のピッチの２倍であるというべきである。
【００２０】
本発明の第２の実施態様を図２に示す。第２の実施態様は光発生層を積み重ねる概念を例示する。説明を簡単にするために、図１で使用した符号を図２に用いて堆積層素子の上層を示す。図２は本質的に二重堆積素子を示し、ここでは第２の堆積物が、基材と図１に示す電極／活性材料層との間に設けられる。基材の第１の領域では、第２の堆積物は：不透明陽極２６、活性材料層２８および不透明陰極３０を包含する。電気絶縁材料層３２を第２の堆積物の陰極３０と第１の堆積物の陽極１８の間に提供する。第２の領域では、第２の堆積物は活性材料３４を包含する。図示されるように、第２の堆積物はミラー層を含まない、なぜならこれは第２の領域において第１の堆積物からの発光を遮断するからである。第２の領域中で、活性材料３４と活性材料２０の間の透明材料３６は、電極や活性材料層の厚さより大きい厚さを有することによって、第１および第２の領域における活性材料２０の正確な位置決めを可能とする。
【００２１】
陽極は正孔注入を提供し、陰極は電子注入を提供する。従って、異なる材料が２つの電極に要求される。陽極は高い仕事関数（典型的に約５ｅＶ）の材料であるべきであり、例えば、金、白金、または銅のような材料を使用してもよい。陰極材料は低い仕事関数を有するべきであり、例えば、Ｌｉ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｎｄ、ＳｍおよびＧａのような材料を使用してもよい。
【００２２】
図１および２は部分図であり、従って、いわゆる基材の第２の領域（即ちミラー２４を含む）は、いわゆる基材の第１の領域（即ち不透明電極１８および２２を含む）で取り囲まれてもよいことは明らかである。もちろん、正確な設計の多くのバリエーションが可能であり、ここでの記載は主に第１および第２の領域の主な構造および機能に関する。
【００２３】
図２に示す実施態様を用いて単純に出力強度を増加させることができる。また、これを使用することによって、１画素から幾つか別個の波長を出力することができる。従って、異なる活性材料および異なる波型構造（特にピッチに関する）を異なる堆積物に使用することができる。堆積物の順序は通常、波長に依存する。
【００２４】
本発明は活性層が波型表面を有する発光素子を提供する。波型のピッチは、その幅が小さいほど、以下に記載するように、素子の機能に影響する。しかし、本発明の実施可能な実施態様について、特に留意すべき４つの領域がある。これらは：製造方法、活性層中の光損失、波型のピッチおよび波型の周期構造である。特に留意すべきこれらの４つの領域のそれぞれを以下に議論し、次に多くの具体的実施例を記載する。
【００２５】
（製造方法）
本発明の有効性は、多くの異なった組み立て方法が本発明による発光素子を製造する際の使用に好適であることである。
【００２６】
本発明による発光素子で使用するための基材を形成する方法を、図３に例示する。この構成では、基材１２は２つの構成要素、即ち透明ベース１４と光重合樹脂１６を含有する。図３ａに示すように、光重合樹脂１６をベース材料１４の上側表面に塗布する。図３ｂに示すように、光重合樹脂１６はスタンピング型（stamping mold）４０の波型部分の領域と少なくとも同じ大きさの領域を覆っている。スタンピング型を光重合樹脂１６に押し付けるのだが、ここでこれは光重合樹脂１６を均一な厚さの層へと平らに伸ばす効果を有する（過剰の樹脂はエッジから外に流れる）。この操作は好ましくは、真空中で行われ、樹脂層中に泡が発生するのを防止するようにする。図３ｃに示すように、ＵＶ放射線を透明ベース１４を介して照射することによって、樹脂１６を硬化する。樹脂を硬化した後、スタンピング型を除去して、波型の上側表面４２を有する完成した基材１２を残す。この波型表面を用いて波型の活性層を形成する。この方法は特に大型の製品に適している。
【００２７】
導電性ポリマー層を溶液からのスピン塗布によって形成する。導電性ポリマー層の表面も波型を有する。これは光重合層上の波型と正確に同じではなく、僅かに浅めで丸めである。また、導電性ポリマー層の代わりに、正孔輸送層も適用可能である。スピンコートはポリマータイプの正孔輸送層に好適であり、蒸着が低分子タイプの正孔輸送層に好適である。発光層については、（ポリマータイプか、低分子タイプかという）タイプに依存して、スピンコートまたは蒸着のいずれかの方法を用いる。陰極については、金属蒸着により形成することができる。
【００２８】
図３の方法により形成された基材を使用する代わりに、第１の電極がその上に形成され、電極上に形成された導電性ポリマーフィルムを備えた透明基材の構成を使用することができる。ここで導電性ポリマーに波型表面を設ける。このような別の構成要素を形成する方法を図４に示す。
【００２９】
図４では、構成要素１２０を、第１の電極１２４をその上に有する透明基材１２２を提供することによって形成する。図４ａに示すように、透明ポリマーマトリックスに埋め込まれた共役ポリマーの溶液１２６を、次に電極１２４の上側表面に塗布する。図４ｂに示すように、溶液１２６はスタンピング型１２８の波型部分の領域と少なくとも同じ大きさの領域を覆っている。スタンピング型を溶液１２６しっかりとに押し付けるのだが、ここでこれは溶液を均一な厚さの層へと平らに伸ばす効果を有する。この構成を次に加熱することによって乾燥させ溶液１２６中の固形含有物を固化させる。固形含有物を固化した後、スタンピング型を除去して、波型の上側表面１３０を有する完成した基材１２０を残す。
【００３０】
金属（例えば、ニッケル）のスタンピング型を図３の方法で使用することはできるが、金属スタンピング型の使用は、溶剤の蒸発が乾燥工程中に要求される図４の方法には適さないと判断されるであろう。従って、図４の方法では、溶剤が浸透することができるポリマー製のスタンピング型を使用してもよい。更に、図４の方法は真空乾燥の使用を含んでもよい。
【００３１】
構成要素１２０を形成する別の方法を図５に示す。図５の方法は２つの構成要素を形成し、これを１つの構成要素へと積層することを包含する。まず、導電性ポリマー材料１３２をスタンピング型１３４上にスピン塗布することによって塗布する。図５ａに示すように、スピンコートされた材料１３２はスタンピング型１３４の波型に従った波型の上側表面を有してもよい。透明基材１３８、電極１４０および導電性ポリマー１４２から成る構成要素を、図５ｂに示すように、別に形成する。スピンコートされたスタンピング型１３４を逆さにし他方の構成要素の上に配置して、ポリマー１３２と１４２が互いに接するようにする。図５ｃに示すように、圧力（熱でもよい）をかけて２つの構成要素を一体に積層する。ポリマー１３２と１４２は結びついて単一層１４４を形成する。ポリマー１３２と１４２はその表面形態において違いはなく、可塑特性によって、ポリマーは結合して単一層１４４を形成する。その後、スタンピング型１３４を図５ｄに示すように除去して、透明ベース１３８、その上に形成された電極１４０および電極上に形成され、波型の上側表面１４６を有する導電性ポリマー層１４４を有する単一の構成要素を残す。
【００３２】
所望の構成要素を形成するまた更なる方法を図６に示す。この方法は図４のポリマー溶液法と図５の積層法の組み合わせを用いる。具体的には、図６ａに示すように、導電性ポリマー材料１４８をスタンピング鋳型１５０にスピン塗布することによって塗布する。別に、その上に電極１５４を有する透明基材１５２を、図６ｂに示すように、導電性ポリマー溶液１５６を電極表面に塗布することにより調製する。次に、図６ｃに示すように、スピン塗布された型１５０を逆さにしポリマー溶液１５６に押し付ける。次に熱を印加して、溶剤を蒸発させ、ポリマー１４８と１５６から単一層１５８を形成する。使用するポリマーが積層法にとって十分な可塑性がない場合でも、この方法は波型表面を有する単一層を形成することができる。先と同様に、型の除去により、透明ベース、その上に形成された電極および、電極上に形成され、波型の上側表面を示す導電性ポリマーを有する単一の構成要素を残す。
【００３３】
すでに記載したように、波型表面の基本的機能は導波路伝播モードを放射モードと接合することである。制限内で、波型の深さまたは幅はモード間の接合の強さを制御する（深さが深いほど高い接合を提供する）。典型的に、波型の深さは５０ｎｍ程度、即ち活性層の深さと同様でよい。しかし、もっと重要なことは恐らく、波型の周期である。
【００３４】
（周期）
図７は、制御されるべき波型活性層のいろいろなパラメータを示す。この観点において、色々なパラメータに関して、以下のような式が誘導されうる。
【００３５】
特に以下の記載は基材の第２の領域に関して与えられるものであるが、第１の領域で起こる接合を同様に理解することができることは明白である。
【００３６】
活性層の高さ（または深さ）をｈで表す。図７に示すように、活性層中の導波路モード内を伝播する光は活性層の上側および下側表面から角度θｍで反射される（ここでｍを用いてモード数を示す）。この表面からの反射があるところで相変化があり、これは活性材料とその各側の材料との間のそれぞれの屈折率に依存する。上側および下側表面におけるこれらの相変化を符号φａおよびφｂでそれぞれ示す。λｏを所望の（真空中での）出力波長とし、真空中での伝播定数（propagation constant）をｋとし、βを活性材料中での伝播定数とし、波型のピッチを示すためにΛおよび整数を示すためにｎを用いると、これらのパラメータは次の式によって関係付けられる：
２ｎｈｋｃｏｓθｍ−２φａ−２φｂ＝２ｍπ
β＝ｎｋｓｉｎθｍ
ｋ＝２π／λｏ
活性層の波型表面に沿った隣接部分を考えると、位相差が各隣接部分からの放射線の発光において存在することは明らかである。放射モード出力は従って、波型ピッチの長さによって分離される部分からの出力が一相内にあるように確保することによって増強される。従って、活性層に沿った位相差、Δφが波型のピッチ、Λと、活性層内の伝播定数、βの積に等しくなるように構成すべきである。例えば、図７において矢印ＡおよびＢで示す２つの地点での放射線の出射は、互いに一相内にあるべきである、即ちΔφ＝βΛを確保するように構成される。従って強力な放射モードの発光のためには：
Δφ＝βΛ＝２πｖ（ｖ＝１，２，３．．．）
故に：Λ＝ｖλｏ／ｎｓｉｎθｍ
である。
【００３７】
即ち、波長λｏの放射モードにおいて強力な発光を達成するのに必要なピッチは角θｍの比較的単純な関数であり、この角は活性層の深さおよび屈折率および接合される導波路伝播モード数によって決定される。
【００３８】
（周期構造）
波型表面は、図８（ａ）の３つの実施例の第１番目に示すように、単純な回折格子の形状を有することは図３〜６から理解されるであろう。これは１つの事例かもしれないが、これに限らず他の周期パターンを用いてもよい。一次元の周期構造として考えられる他の形状を図８（ａ）に他の２つの実施例として示す。更に、例えば、図８（ｂ）に示すフォーマットを有する２または３次元の周期構造として考えられるものを使用することができる。これらは本質的に光子の禁止帯幅構造である。これらはある波長でのある方向の伝搬を止める。図８（ｂ）に示す２つの実施例のうち、オフセットパターン（２番目の実施例）が、全てのドット間距離がΛに等しいことを示しているので、最も効果的であると考えられる。更に別の例は、図８（ｃ）に示す例の、いわゆるチャープ格子（chirping grating）を使用することである。通常、格子の使用は狭いスペクトルを生じる。しかし、狭い格子の制限なく高効率が要求される場合には、チャーピング格子を用いることができる。これは幅広いスペクトルを生じる。効率は改良され、素子からの発光は材料の本来の発光特性により依存する。
【００３９】
（光損失）
放射モードに接合した導波路モードから強力な発光を得るために、導波路モードでの光損失を最小にすることが必要である。導波路における光は放射モードで直接発光された光に比べて非常に長い距離を移動する。たとえ少しの吸収でも活性層中に閉じ込められたフィールド強度を弱めることとなり、放射モードに接合した導波路モードからの発光を少なくすることになる。
【００４０】
波型表面を有さない平坦な導波路から来る光と、波型の導波路を通った光を考えると；光の幾分かは平面から外に屈折し、残りの部分は導波路内に反射する。電界強度は指数関数的である。平面領域での強度は入射光と反射光の合計である。波型領域での減衰曲線はＩ＝ｅ−γｘとして記載することができ、ここでγは導波路モードの放射モードとの接合係数を表す。導波路での吸収は、即ちＩ＝ｅ−αｘで記載することができ、ここでαは吸収係数である。導波路モードから強力な発光を有するために、好ましくは少なくとも１０のファクターで、接合係数γは吸収係数よりも小さくあるべきである。
【００４１】
活性材料、例えば、発光低分子および発光共役ポリマーの基礎吸収は接合係数に比べて透過スペクトル領域において（例えば、１０００ｃｍ−１以下）十分小さい。導波路モードでの吸収は活性層での吸収からだけでなく、隣接層による吸収からも発生する。隣接層からの吸収は、隣接層に存在する一過性の光のエネルギーを隣接層の媒体が吸収することができるために、発生する。陰極は金属で作られており、これは大きい吸収を有するので、陰極が活性層上に形成される場合には、導波路での吸収は金属によって規定される。吸収の程度は１０００ｃｍ−１であるので、活性層上に陰極を有する構造を本発明に使用することができるが、恐らく理想的ではない。電子輸送被覆層を好ましくは、活性層と陰極の間に配置する。電子輸送被覆層は、高い電子移動度および陰極の仕事関数に対するそのＬＵＭＯレベルの良好なマッチングを有する材料から作られるべきである。高い移動度に関して、低分子系は共役ポリマーよりこの目的により適しているかもしれない。
【００４２】
導波路での低吸収を達成するための好ましい構造を図９に示す。この構造は、その上に光重合層２１０を有する基材２００を包含する。基材２００と接する表面と反対側の光重合層２１０の表面は波型で透明電極２２０がその上に提供される。次に導電性ポリマー層または正孔輸送層２３０が電極２２０上に提供され、次いで発光層２４０が配置される。電子輸送層２５０が発光層上に提供され、構造の最上部は電極２６０である。層２１０の波型に電極２６０を含む全ての後続の層が従う。この構造では、電子輸送層の厚さは発光層と電子輸送層の界面での一過性の光の侵入深さより厚くあるべきである。
【００４３】
活性層での散乱も光損失を増加させる。散乱光はしかし、素子から発光され、従って散乱は効率を低下させない。しかし、散乱が大きい場合には、（波型パターンの周期により）素子に期待されるべき狭いスペクトル出力を得ることが困難である。低分子系は一般に、粗い表面を有し、多くの散乱点を有する。非晶質共役ポリマーはその低散乱特性のために、活性層により好適である。
【００４４】
導波路モードでの光損失は活性層による吸収からでけでなく、隣接層による吸収からも生じる。隣接層による吸収は、活性層界面での反射が理想表面からの反射でなく、実際には界面深さを横断する反射であるために、生じる。更に、ドメインオーダリングが活性層中に生じ、これは多結晶構造に類似している。即ち、散乱が生じこれも導波路モードでの光損失を起こす。
【００４５】
活性材料の吸収係数αは、導波路モードでの光損失を低減するのに重要である。典型的に、低分子系は５００ｃｍ−１〜１０００ｃｍ−１の範囲に吸収係数を有する。
【００４６】
低分子系を用いた組み立て方法は層中に欠陥を生じ、高度の散乱を生じる。これに比べて、ポリマー材料はインクジェット技術を用いて塗布でき、従って、低欠陥、低散乱の活性層を塗布することができる。
【００４７】
材料中での光損失の強度は、以下のように、材料における吸収係数α、距離ｘに依存する。
Ｉ＝ｅ−αｘ
従って、吸収係数が大きいと、材料の深さ（例えば、１０μｍ以内）で吸収に激しい変化を生じる。１０μｍの層厚は大きい接合を生じず、従って１０μｍは下側限界と考えることができる。１００ｃｍ−１の吸収係数は１００μｍの吸収深さに対応することになり、これは所望の接合を形成するのに十分良好である。故に、共役ポリマーのような材料の使用は、活性層として低分子系の使用より望ましい。また、もちろん多くの異なったポリマー材料があり、多結晶タイプの相を示すものもあれば、非晶質相を示すものもある。本発明による素子の活性層用には非晶質共役ポリマーを使用するのが好ましい。ポリフルオレン誘導体が特に、本発明による素子において強力な発光を有する好適な材料である。
【００４８】
本発明の実施態様を好ましくは、１０００ｃｍ−１以下、より好ましくは５００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する発光材料を用いる。
【００４９】
以下、本発明をより具体的な実施例に沿って更に詳細に説明する。
【００５０】
【実施例】
（第1の実施例）
第1の実施例には本質的に図３の方法が適用される。この実施例はガラス基材およびエポキシ光重合樹脂を使用する。フォトリソグラフィーによってパターン化された電着ニッケルスタンパーを用いて波型表面を形成する。３００、３３０、３６０、３９０および４５０ｎｍのピッチサイズを有する一次元周期構造を有するスタンパーを用い波型の深さを５０ｎｍにセットする。ガラス基材をシリルカップラーで処理して、樹脂層との十分な接着性を確保する。電極層を、樹脂層上に１２０ｎｍの厚さに塗布する。Ｆ８ＢＴ、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−２，１，３−ベンゾチアジアゾール）で形成された活性層をスピン塗布によって電極層上に塗布する。Ｆ８ＢＴは低い光損失を有する非晶質材料である。活性層は１４０ｎｍの厚さおよび１００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する。Ｃａ１００ｎｍ／Ａｌ３００ｎｍで形成された金属電極を蒸着塗装によって活性層上に提供する。
【００５１】
（第2の実施例）
第２の実施例には本質的に図４の方法が適用される。この実施例は平坦な電極層を備えたガラス基材を使用する。導電性ポリマー層を、ＰＥＤＯＴ（ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン）およびＰＳＳ（ポリ−スチレン−スルホン酸）の１：５〜１：１００の割合の混合物の水溶液を用いて形成する。ＰＳＳは本質的にＰＥＤＯＴ材料用の可撓性マトリックスとして使用する。ＰＰＳは従来のポリマーであって、これはスタンピングおよび鋳造処理を行うのが比較的容易である。ＰＥＤＯＴは共役ポリマーであって、これは非共役ポリマーほど容易に処理されない。これはより高い導電性を有するが、より低可塑性のバルク特性を有する。薄層の使用は、導電性の重要性を低減するので希釈されたＰＥＤＯＴの使用は許容できる。
【００５２】
（ニッケルスタンパーを用いて形成された）ポリマースタンパー型を用いて導電性ポリマー層の表面に波型を形成する。即ち、ポリマー溶液を電極層上に塗布しポリマースタンパー鋳型を溶液に適用し、８０℃で２４時間放置して乾燥させる。鋳型を次に除去し活性層をスピン塗布によって塗布する。活性層はＦ８ＢＴ、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−コ−２，１，３−ベンゾチアジアゾール）で１４０ｎｍの厚さに形成する。吸収係数は１００ｃｍ−１以下である。Ｃａ１００ｎｍ／Ａｌ３００ｎｍで形成された金属電極を蒸着塗装によって活性層上に提供する。
【００５３】
第２の実施例の第１の改良バージョンは、本質的に図５の方法を用いて形成する。即ち、導電性ポリマー溶液をニッケルスタンパーおよび電極層上にスピン塗布する。このように形成された２つの構成要素を一体に真空中で２００℃で５分間プレスし、次いでニッケルスタンパーを引き離す。
【００５４】
第２の実施例の第２の改良バージョンを、本質的に図６の方法を用いて形成する。即ち、導電性ポリマー溶液を可塑性の鋳型および電極層上にスピン塗布する。２つの構成要素を一体に結合させ、真空中で８０℃で２４時間乾燥する。次いで可塑性の鋳型を除去する。
【００５５】
（第３の実施例）
第３の実施例を本質的に第１の実施例で使用した方法および材料に従って形成するが、この場合にはスタンパーをドットの配列に浮き彫りにする。即ち、周期構造は図８(ｂ)に示すタイプである。第３の実施例は高指向性の出力を示し、発光ピークは第１の実施例のものの２．５倍である。第１の実施例の一次元周期構造は「線」の出力指向性を生じるが、第３の実施例の二次元周期構造は「柱状」の出力指向性を生じる。
【００５６】
（第４の実施例）
第４の実施例を本質的に第１の実施例で使用した方法および材料に従って形成するが、この場合にはスタンパーを「チャーピング」（chirping）格子に浮き彫りにする。即ち、周期構造は図８(ｃ)に示すタイプである。
【００５７】
（第５の実施例）
第５の実施例は本質的に第１の実施例で使用した方法および材料に従っているが、この場合にはスタンパーは異なる周期または異なる設計の格子を同じ基材上に備えている。従って、格子のそれぞれ１つを有する各領域は各波長をそれぞれ強め、従って実施例は複数色の出力を提供する。出力の高指向性は液晶表示パネルで従来から実用化されているもののような表示素子用としての素子の有用性を低減する。しかし、出力の高指向性は投影表示装置のようないろいろな別の用途に特に好適な素子を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる発光素子を示す断面図。
【図３】本発明の発光素子に使用するための基材を形成する方法の例をその工程に沿って示す断面図。
【図４】本発明による発光素子に使用するための基材を形成する別の方法をその工程に沿って示す断面図。
【図５】本発明による発光素子に使用するための基材を形成する更なる方法をその工程に沿って示す断面図。
【図６】本発明による発光素子に使用するための基材を形成する更に別の方法をその工程に沿って示す断面図。
【図７】活性層のためのピッチ選択に関する種々のパラメータを示す線図。
【図８】本発明を実行する際に採用することができる種々の周期構造を示す図。
【図９】導波路における低吸収を達成するための発光素子の好ましい構造を示す断面図。
【符号の説明】
１０ 発光素子
１２ 基材
１４ ベース
１６ 透明樹脂層
１８ 第1の不透明電極
２０ 活性材料層
２２ 第２の不透明電極
２４ ミラー
【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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