JP4989367B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、反射・屈折角を乱れさせる領域を設けて光取り出し効率を向上する場合に、有機エレクトロルミネッセンス素子から出射される光の成分の量が所望の程度になるように有機エレクトロルミネッセンス素子の有機発光層の厚みを設計する有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法に関する。

図２は光透過性の基板６上に光透過性の電極１、ホール輸送層８、発光層３、電子輸送層９、光反射性の電極２が順次形成された有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）を示す。この図２により従来の有機ＥＬ素子の設計方法を説明する。

特許文献１では、光反射性の電極２と、これに隣接する有機層４（ここでは電子輸送層９）の界面で光が反射する際には、外面反射であるので反射前後で位相シフトπが生じることを前提とし、発光層３から基板６側へ向かう光２１と、発光層３から光反射性の電極２へ向かった後にこの電極２の表面で反射されてから基板６側に向かう光２２とが干渉して強め合うようにするために、発光層３における発光源１０と光反射性の電極２の表面との間の膜厚ｄに屈折率を乗じて導出される光学膜厚Ｄを光の波長λの１／４の奇数倍と略等しくなるようにし、これにより基板６から正面方向に外部に出射する光の成分の量が極大値となるようにすることができることが開示されている。

しかし、特許文献２で説明されているように、光反射性の電極２の表面で生じる位相シフトはπではなく、有機層４（電子輸送層９）の屈折率ｎ₁と消衰係数ｋ₁、並びに光反射性の電極２の屈折率ｎ₂と消衰係数ｋ₂に基づき、次の式（１）で表される位相シフトφである。

特許文献２ではこの位相シフトφを考慮して、基板６から外部へ出射する光の成分の量が極大値となるようにするために、発光源１０から電極２の表面までの光学膜厚Ｄが次の式（２）〜（４）を満たすようにすることが記載されている。

２π／９≦φ≦１５π／１８ …（２）
Ｆ＝φ×λ／４π …（３）
０．７３Ｆ≦Ｄ≦１．１５Ｆ …（４）
ここで、図２において有機ＥＬ素子の発光層３の発光源１０から斜めに発光した光２３の伝搬について説明する。尚、実際には発光源１０から光反射性の電極２へ向かう光も存在するが、ここでは省略している。屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質へ光が伝搬するとき、その界面では媒質間の屈折率により、スネルの法則から臨界角が決定され、その臨界角以上の光は界面で全反射して、屈折率の高い媒質に閉じ込められ、導波光として失われる。例えば、図２の有機ＥＬ素子で、基板６の屈折率が１．５である場合に、基板６から屈折率１．０の大気１１へと出射する光の臨界角は約４２°である。つまり、発光源１０から発光した光２３が基板６から大気１１へ出射するとき、大気１１への入射角θが約４２°より大きい光は基板６に閉じ込められ、導波光として失われる。立体角を考慮すると、基板６まで伝搬してきた光のうち、基板６から大気１１へ出射する光の割合は約２６％となり、残りの約７４％は基板６に閉じ込められ、導波光として失われる。

この導波光を外部へ取り出すための手法として、例えば図３の有機ＥＬ素子のように基板６と大気１１の間に反射・屈折角を乱れさせる領域７を形成することが挙げられる。この場合、スネルの法則を崩して、本来導波光として全反射される約４２°以上の光の伝搬角を変化させることができ、これにより光の屈折角を変化させて全反射条件にある光を減らすことができる。このような手法としては、例えば透光性基体上に単粒子層を並べた拡散部材による光拡散層を形成する方法（特許文献３）が挙げられる。

このような光拡散層を形成する場合に、基板６の中で導波する光を効率良く取り出すための設計方法が特許文献４で提案されている。これは基板６から大気１１へ出射される発光光の正面輝度値と５０〜７０°方向の輝度値が次の式（５）の関係を満たすようにし、或いは更に発光源１０と光反射性の電極２の表面との間の寸法をｄ、発光層３に用いている発光材料の蛍光発光スペクトルのピーク波長をλ、発光層３と反射性電極との間の有機層４の屈折率をｎとした場合に次の式（６）の関係を満たすようにするものである。

（正面輝度値）＜（５０〜７０°方向の輝度値） …（５）
（３／ｎ）λ＜ｄ＜（０．５／ｎ）λ …（６）
この設計方法によれば、正面方向の光は干渉により弱め合うが、通常は導波光として素子内に閉じ込められる広角度成分の光が強めあい、この光を光拡散層を設けることで外部に出射することで全体的な光の取り出し効率を向上しようというものである。
特開２０００−２４３５７３号公報 特開２００４−１６５１５４号公報 特開２００１−３５６２０７号公報 特開２００４−２９６４２３号公報

しかし、上記特許文献１に記載の方法では、光反射性の電極２での反射の際の位相シフトが正確に考慮されておらず、この方法に従って発光源１０から光反射性の電極２の表面までの寸法を設計しても、基板６から正面方向に外部へ出射する光の成分の量を極大値とすることができない。

また、特許文献２に記載の方法では、上記位相シフトを正確に考慮していることから、基板６から外部へ正面方向に出射する光の成分の量が極大値となるように設計することができるが、基板６を導波して失われる約７０％の光の成分は考慮されておらず、このため光拡散層を設けて本来失われる光を取り出すようにした場合には、光取出し効率が必ずしも最も高くなるとはいえない。

また、特許文献４に記載の方法では、光拡散層を設けることで基板６を導波して失われる光を取り出す際に、光取り出し効率を向上することができるが、干渉効果によって変化する光の成分の量の一つの極大値のみを導出するものであって、発光源１０と光反射性の電極２の表面との間の寸法を前記極大値とすることができない場合、例えば発光層３を複数層設ける場合のように発光源１０と光反射性の電極２の表面との間の寸法が前記極大値を取り得る寸法を超えざるを得ないような場合には対応することができないものであった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板と大気との間に反射・屈折角を乱れさせる領域を設けることで本来基板を導波する光を外部に取り出して光取り出し効率を向上するにあたり、広い範囲のなかで有機発光層の厚みを設定することで、外部に出射する光の成分の量を向上することができる有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法を提供することを目的とするものである。

請求項１に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法は、光透過性の電極１と光反射性の電極２との間に発光層３と他の有機層４とを含む有機発光層５を設けると共に前記光透過性の電極１の有機発光層５とは反対側の表面に光透過性の基板６を備えて構成される有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法であって、前記基板６、光透過性の電極１、発光層３及び他の有機層４の、各厚み、屈折率及び消衰係数、並びに前記光反射性の電極２の屈折率及び消衰係数と、発光層３における発光材料のフォトルミネッセンススペクトルと、発光層３における発光点の位置及び発光分布とをファクターとして、光学伝搬解析を行うことにより、前記基板６内部を導波する光の成分の量と、上記発光点から光反射性の電極２の表面までの寸法との間の関係を導出し、この関係に基づいて、基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設ける場合の有機発光層５の厚みを設計することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、上記光の成分の量が、視感度を考慮した光束であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１において、上記光の成分の量が、光子数であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１において、上記光の成分の量が、エネルギーであることを特徴とする。

有機エレクトロルミネッセンス素子は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法で設計されたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、光の反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けていない状態での、基板６内部を導波する光の成分の量と、発光点の位置から光反射性の電極２の表面までの寸法との間の関係から、有機発光層５の厚みを決定することで、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光の成分の量が所望の程度になるようにすることができるものであり、またこのとき有機発光層５の広い厚み範囲に亘って前記関係を導出しておけば、広い厚み範囲に亘って有機発光層５の厚みを設計することができるものである。

また、請求項２に係る発明によれば、光の反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けていない状態での、基板６内部を導波する光束と、発光点の位置から光反射性の電極２の表面までの寸法との間の関係から有機発光層５の厚みを決定することで、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光束が所望の程度になるようにすることができるものであり、またこのとき有機発光層５の広い厚み範囲に亘って前記関係を導出しておけば、広い厚み範囲に亘って有機発光層５の厚みを設計することができるものである。

また、請求項３に係る発明によれば、光の反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けていない状態での、基板６内部を導波する光子数と、発光点の位置から光反射性の電極２の表面までの寸法との間の関係から、有機発光層５の厚みを決定することで、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光子数或いは量子効率が所望の程度になるようにすることができるものであり、またこのとき有機発光層５の広い厚み範囲に亘って前記関係を導出しておけば、広い厚み範囲に亘って有機発光層５の厚みを設計することができるものである。

また、請求項４に係る発明によれば、光の反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けていない状態での、基板６内部を導波する光のエネルギーと、発光点の位置から光反射性の電極２の表面までの寸法との間の関係から、有機発光層５の厚みを決定することで、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光のエネルギーが所望の程度になるようにすることができるものであり、またこのとき有機発光層５の広い厚み範囲に亘って前記関係を導出しておけば、広い厚み範囲に亘って有機発光層５の厚みを設計することができるものである。

また、有機エレクトロルミネッセンス素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光の成分の量が所望の程度になるように設計された有機エレクトロルミネッセンス素子を得ることができるものである。

以下、本発明の実施をするための最良の形態について説明する。

図２に有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）の構成の一例を示す。

この有機ＥＬ素子は、透明な基板６の一面側に、光透過性の電極１、有機発光層５、光反射性の電極２が、この順に順次積層成形されている。前記有機発光層５は、発光材料を含む発光層３に必要に応じて電子注入層、電子輸送層９、正孔注入層、正孔輸送層等の適宜の有機層４を積層して構成される。図示の例では、光反射性の電極２と発光層３との間に電子輸送層９を介在させ、光透過性の電極１と発光層３との間にホール輸送層８を介在させている。

有機ＥＬ素子を構成する各層の材質は、有機ＥＬ素子に適用されている適宜のものを採用することができ、特に制限されない。

このような有機ＥＬ素子の設計にあたり、本発明では、光学伝搬解析を行うことにより、有機ＥＬ素子の基板６内部を導波する光の成分の量（導波成分量）と、上記発光点から光反射性の電極２の表面までの寸法（発光点位置寸法）との間の関係を求め、前記関係に基づいて有機発光層５の厚みの設計を行うものである。

ここで、上記の光の成分とは、有機エレクトロルミネッセンスの発光を評価するための成分であり、例えば視感度を考慮した光束、量子効率を求めるための光子数、或いは光のエネルギー（放射束）等、必要に応じて適宜のものが選択される。

上記光学伝搬解析を行うにあたっては、基板６、光透過性の電極１、発光層３及び前記発光層３以外の有機層４を有する場合はその有機層４の各厚み、屈折率及び消衰係数、並びに前記光反射性の電極２の屈折率及び消衰係数と、発光層３における発光材料のフォトルミネッセンススペクトル（ＰＬスペクトル）と、発光層３における発光点の位置及び発光分布とを、ファクターとする。

発光層３における発光点の位置及び発光分布は、発光層３内に一つの発光点を設定し、発光分布としては前記発光点を基準にした発光層３内における厚み方向の発光源１０の分布を設定したものを用いることができる。発光点の位置は、通常は発光層３内の最も強く発光する位置又はそれに相当する位置に設定することができる。また、発光分布としては、例えばデルタ分布、矩形分布、ガウス分布、発光点をピークとして指数関数的に減少する分布など、有機ＥＬ素子の構成に応じて発光源１０の分布をよく反映するものを設定することができる。

例えば、発光層３内の発光材料としてＡｌｑ３等を用いる場合のように発光層３における電子移動度がホール移動度に比べて遙かに大きくなる場合には、主としてホール輸送層８と発光層３の界面で電子とホールの再結合が起こり最も強い発光が生じると考えられる。この場合、発光点の位置をホール輸送層８と発光層３の界面に設定し、発光分布をデルタ分布と設定することができる。

また、発光層３の厚みが１ｎｍ程度、或いはそれ以下の場合のように極く薄い場合には、発光層３の厚み方向の中心に発光点を設定すると共に、発光分布は発光層３の厚みと同一幅の矩形分布とみなして設定したり、或いは発光分布は発光点のみに分布するもの（分布なし）と設定しても良い。

また、発光層３内の発光点の位置と発光分布が不明な場合は、あらかじめ対象となる構成の有機ＥＬ素子を作製して、この素子から取り出される光の成分の量の角度特性を実測しておき、一方で後述する光学伝搬解析によって前記構成の有機ＥＬ素子について発光層３での発光点の位置と発光分布を変化させながら光の成分の量の角度特性を求め、両者を対比することで実測と一致する発光点の位置と発光分布とを設定しても良い。

また、発光層３における発光材料のＰＬスペクトルとしては文献値を使用しても良いが、実測値を使用することが好ましい。実測を行う場合には、例えばガラス製の基板６上に発光層３のみを蒸着法等により厚み数十ｎｍに成膜し、この発光層３に紫外線を照射して発光させ、その発光を積分球等を用いて計測することで発光材料の発光スペクトルを測定することができる。

また、光透過性の電極１、発光層３、有機層４及び光反射性の電極２の、屈折率及び消衰係数については、文献値を利用しても良いが、実測値を使用することが好ましい。実測する場合には、例えばガラス製の基板６上に各層を形成するための材料のみを蒸着法等により厚み数十ｎｍに成膜し、この層について分光法とエリプソメータや垂直入射式透過反射屈折率計とを用いて透過率と反射率を計測し、ローレンツモデルから誘電率を決定し、その値から逆算して屈折率と消衰係数とを求めることができる。屈折率と消衰係数は、波長ごとに求める。

これらのファクターを用いた光学伝搬解析にあたっては、有機ＥＬ素子では基板６を除き各層の厚みは数ｎｍ〜数１００ｎｍ程度であり、可視光の波長３８０〜７８０ｎｍと同程度であるため、有機ＥＬ素子内では光の多重干渉が生じる。

そこで、上記ファクターを用いることにより、有機ＥＬ素子の各層の材料の波長ごとの屈折率及び消衰係数と、発光層３での発光点の位置、発光分布及びＰＬスペクトルとを考慮した光の成分の量の角度特性を解析する光学伝搬解析を行うものである。この光学伝搬解析にあたっては、例えば、フレネル理論と特性マトリクス計算を組み合わせた波動光学に基づく理論計算（フレネル理論解析）やマクスウェル方程式を時間領域差分法で解く数値計算（ＦＤＴＤ法）等を適用することができる。

光学伝搬解析により導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係を求めるにあたっては、光学伝搬解析のためのプログラムを用いたコンピュータによる情報処理によって行うことができる。この場合の、コンピュータが実行する手順のフローの一例について、図１を参照して説明する。

（Ｓ１）まず作業者がコンピュータ上で光学伝搬解析プログラムを起動する。

（Ｓ２）次に作業者によって、設計する有機ＥＬ素子の層構成と、各層の材料、構成、膜厚の値とが入力されると、その入力値を光学伝搬解析のファクターとして設定する。このとき、有機層４の厚みについては、発光点位置寸法と相関する有機層４の厚みは変数とし、残りの有機層４の厚みを設定する。例えば図１に示す構成の有機ＥＬ素子においては、発光層３と光反射性の電極２との間に介在する電子輸送層９の厚みを変数とし、また複数の有機層４が介在する場合にはこれらの有機層４の厚みを変数とする。

（Ｓ３）次に作業者によって前記各層の材料について波長ごとの屈折率と消衰係数が入力されると、その入力値を光学伝搬解析のファクターとして設定する。尚、コンピュータのメモリや適宜の記憶媒体等に予め有機ＥＬ素子に汎用される材料の波長ごとの屈折率と消衰係数を記憶させておき、上記材料の設定の際に設定された材料についての波長ごとの屈折率と消衰係数を自動的に読み込んで設定するものであっても良い。

（Ｓ４）次に作業者によって、発光層３に用いる材料のＰＬスペクトルが入力されると、これらを光学伝搬解析のファクターとして設定する。

（Ｓ５）次に作業者によって発光点の位置及び発光分布が入力されると、これらを光学伝搬解析のファクターとして設定する。

（Ｓ６）次に、作業者によって取得する光の成分の種類が入力されると、この光の成分の種類を設定する。

（Ｓ７）次に、作業者によって発光点位置寸法の範囲（初期値及び最大値）と刻み幅が入力されると、この寸法範囲と刻み幅を設定する。尚、作業者による入力を不要とし、あらかじめ寸法範囲と刻み幅を設定しておいても良い。例えば初期値を４０ｎｍ、最大値を７４０ｎｍ、刻み幅を１０ｎｍと設定することができる。

（Ｓ８）次に発光点位置寸法を、Ｓ７で設定された初期値に設定すると共に、Ｓ２において変数とされている電子輸送層９等の有機層４の厚みを、発光点位置寸法の前記設定値と合致する値に設定する。尚、二層以上の有機層４の厚みが変数とされている場合には、例えばこの二層以上の有機層４同士の厚みの比率を一定に保ったり、特定の一つの有機層４の厚みを変更して他の有機層４の厚みを固定するなど、適宜の手法により有機層４の厚みを設定することができる。

上記Ｓ２〜Ｓ８を実行する順序は上記のものに限られず、適宜順序を入れ替えても良い。

（Ｓ９）次に有機ＥＬ素子内の光についてフレネル理論解析等の光学伝搬解析を実行し、導波成分量を取得する。ここでは光学伝搬解析としてフレネル理論解析を用いる。

このＳ９における処理は、例えば下記Ｔ１〜Ｔ１０の手順を実行することで行うことができる。このとき、発光層３内の発光源１０は、上記発光点の位置及び発光分布に従って分布する点光源であり、全方位に向けて等方的に光を放射するものと仮定する。また、同一の発光源１０からは全方位に向けて光が同位相で放射され、発光層３内で多重干渉が生じるが、異なる発光源１０から放射される光同士は干渉しないと仮定する。また、各層間の界面は平坦であると仮定する。また、光の成分の量はｓ偏光とｐ偏光の平均値であると仮定する。

また、導波成分量を導出する際には、基板６がこの基板６と同一の屈折率及び同一の消衰係数を有する層と接触すると仮定した場合に基板６から出射される光の成分の量を導出し、基板６が大気１１に直接と接触すると仮定した場合に基板６から出射される光の成分の量とを、それぞれ導出し、前者の値から後者の値を減じた値を、導波成分量として導出する。

（Ｔ１）まず、発光源１０からの上層側及び下層側への光の放射角度、発光波長、及び発光源１０の発光層３内での位置をパラメータとし、各値の初期値を設定する。

（Ｔ２）次に、上記の光の放射角度、発光波長、及び発光源１０の発光層３内での位置の設定値と、基板６、光透過性の電極１、発光層３及びこの発光層３以外の有機層４（電子輸送層９、ホール輸送層８等）の、各厚み、屈折率及び消衰係数、並びに前記光反射性の電極２の屈折率及び消衰係数の設定値とに基づき、基板６の外部には基板６と同一の屈折率及び消衰係数を有する層が積層されていると仮定した上で発光層３よりも下層と上層の各多層膜をそれぞれ光学的に等価な単層膜に変換し、特性マトリクス計算を実行することで、有効フレネル係数として、発光層３とその上層との界面での光の反射係数及び透過係数、並びに発光層３とその下層との界面での反射係数を導出する。

このとき、まず発光層３とその上層との界面での有効フレネル係数を導出するにあたっては、発光層３よりも上層側に配置されている基板６までの層数ｓの多層膜について、ｊ番目の層の特性マトリクスＭ_ｊ及び多層膜の特性マトリックスＭを下記式から導く。式中のλは発光波長の設定値である。ｄ_ｊはｊ番目の層の厚みの設定値である。ｎ_ｊ、ｋ_ｊはそれぞれｊ番目の層の屈折率及び消衰係数の設定値である。θ_ｊはｊ番目の層からの光の入射角であって、光の放射角度の設定値に基づき、各層につきスネルの法則から導かれるものである。

この特性マトリクスＭを用い、規格化された電界及び磁界の各振幅Ｂ，Ｃを、下記式から導く。式中のθ_ｓは基板６からの光の入射角である。

この結果に基づき、発光層３とその上層の仮想的な単層膜との界面での有効フレネル係数である反射係数ρ_Ａと位相変化φ_Ａを下記式にて算出する。式中のｎ_０、ｋ_０はそれぞれ発光層３の屈折率及び消衰係数の設定値である。θ_０は発光層３からの光の入射角であって、光の放射角度の設定値に基づいて導かれるものである。

また、発光層３とその下層との界面での有効フレネル係数を導出するにあたっては、上記と同様にして、発光層３よりも下層側に配置されている光反射性の電極２までの多層膜について特性マトリックス計算を行い、発光層３とその下層の仮想的な単層膜との界面での反射係数ρ_Ｂと位相変化φ_Ｂを算出する。

（Ｔ３）次に、設定波長に基づき、上記導出された有効フレネル係数を境界条件として、発光源１０から上面側と下面側にそれぞれ同一角度で放射される光につき、下記式に示すような多重干渉計算を実行することにより、発光源１０から有機ＥＬ素子の外部に出射される光のエネルギー透過率Ｔが算出される。この光のエネルギー透過率Ｔに、発光材料のフォトルミネッセンススペクトルから取得される設定波長での光のエネルギーを積算することで有機ＥＬ素子から外部に出射される光のエネルギーを算出する。尚、有機ＥＬ素子から外部に出射される光のエネルギーの精度を上げるために、発光層３と有機ＥＬ素子外部の屈折率差に伴う立体角の変化を補正したり、膜厚の厚い基板６部分の透過率を補正しても良い。下記式中のｎ_０は発光層３の屈折率の設定値である。θ_０は発光層３からの光の入射角であって、光の放射角度の設定値に基づいて導かれるものである。ｄ_０は発光層３の膜厚である。Ｚは発光源１０から電子輸送層９までの界面までの距離であって、発光源１０の位置の設定値に基づいて導かれるものである。

（Ｔ４）次に、基板６の外部には大気１が直接接していると仮定する以外はＴ２と同様にして特性マトリクス計算を実行することで、有効フレネル係数として、発光層３とその上層との界面での光の反射係数及び透過係数、並びに発光層３とその下層との界面での反射係数を導出する。

（Ｔ５）次に、発光材料のフォトルミネッセンススペクトルから取得される設定波長での光のエネルギーに基づき、Ｔ４で導出された有効フレネル係数を境界条件とし、発光源１０から上面側と下面側にそれぞれ同一角度で放射される光につき、Ｔ３と同様に多重干渉計算を実行することにより、有機ＥＬ素子から外部に出射される光のエネルギーを算出する。

（Ｔ６）次に、Ｔ３で算出した光のエネルギーから、Ｔ５で算出した光のエネルギーを減じることで、基板内を導波する光のエネルギーを算出する。

尚、この算出される光の成分の量には、後述する反射・屈折角を乱れさせる領域７の角度特性に基づく補正を施しても良い。この場合、更に正確に有機ＥＬ素子の設計を行うことができる。例えば、予め領域７のみを基板６に積層したものについて、基板６側から入射角を変化させながら光を照射すると共に入射角ごとに出射光の光の成分の量を計測したり、ＦＤＴＤ法等による解析を行ったりするなどして、領域７から出射される光の成分の量の角度特性を導出し、この角度特性に基づき、光の成分の量を補正することができる。

（Ｔ７）次に、発光源１０の位置の設定値を変更し、上記Ｔ２〜Ｔ６の手順を繰り返す。この手順は全ての発光源１０の位置が順次設定されるまで繰り返し行う。ここで、発光源１０の位置は、設定されている発光点の位置と発光分布とに基づいて導出されたものを用いる。

（Ｔ８）次に、発光波長の設定値を変更し、上記Ｔ２〜Ｔ７の手順を繰り返す。このとき発光波長の設定値は、例えば可視光の波長３８０〜７８０ｎｍの範囲で順次変更する。

（Ｔ９）次に、発光源１０からの放射角度の設定値を変更し、上記Ｔ２〜Ｔ８の手順を繰り返す。このとき放射角度の設定値は例えば０°〜９０°の範囲で順次変更する。

（Ｔ１０）次に、導波成分量を導出し、メモリや各種記憶媒体に記憶させる。このとき、上記Ｓ６において光の成分の量として光のエネルギーが設定されている場合には、Ｔ２〜Ｔ９の手順においてＴ６で順次算出した基板内を導波する光のエネルギーの積分値を導波成分量として導出する。また、上記Ｓ６において光の成分の量として光子数が設定されている場合には、前記光のエネルギーをｃｈν（ｃ：光速、ｈ：プランク定数、ν：波長の逆数）の値で除することで導波成分量を導出する。また、上記Ｓ６において光の成分の量として光束が設定されている場合には、導波成分量は、Ｔ２〜Ｔ９の手順においてＴ６で順次算出した基板内を導波する光のエネルギーからＣＩＥ標準比視感度と最大視感度とに基づいて導出する。

（Ｓ１０）次に、この時点で設定されている発光点位置寸法の値を、Ｓ８で設定された発光点位置寸法の最大値と比較する。

（Ｓ１１）Ｓ１０において、発光点位置寸法の設定値が前記最大値よりも小さいと判定されたら、この設定値をＳ７で設定された刻み幅分だけ増大させた値に変更すると共に、電子輸送層９等の発光点位置寸法と相関する有機層４の厚みの設定値をＳ８と同様にして発光点位置寸法の前記設定値と合致する値に変更し、その後、上記Ｓ９（Ｔ１〜Ｔ１０）の処理を繰り返す。これにより、発光点位置寸法の設定範囲内における、導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係が記録される。尚、Ｓ１１においては、導波成分量の極大値付近では発光点位置寸法の設定値を前記設定された刻み幅よりも小さな値だけ増大させることで、極大値付近の光の成分の量を詳細に導出するようにしても良い。

（Ｓ１２）また、Ｓ１０において、設定値が前記最大値まで達していると判定されたら、上記のようにして得られた、導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係を、メモリや適宜の記憶媒体等に電子データとして記憶させて保存する。

このＳ１１の処理においては、上記導波成分量の極大値と、この極大値に対応する発光点位置寸法との組み合わせを導出し、これをメモリや適宜の記憶媒体等に電子データとして記憶させて保存しても良い。このとき、光の干渉効果により有機発光層５の膜厚の設定範囲内で複数の極大値が現れている場合には、各極大値につき、この極大値と、対応する発光点位置寸法との組み合わせを保存する。また、極大値ごとに、この極大値に対応する発光点位置寸法を中心とした一定幅（例えば±４０ｎｍ）の発光点位置寸法の範囲、或いはこの範囲内における導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係を導出して保存しても良い。また、これらの結果をディスプレイ等の表示装置に出力して表示しても良い。

以上のようにして得られた導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係は、図３に示すように有機ＥＬ素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けることで導波成分を外部に取り出す場合の、有機発光層５の厚みの設計に利用する。この反射・屈折角を乱れさせる領域７は、基板６内からのこの基板６とその外部との界面に到達した光を拡散させるなどすることにより本来前記界面で反射して基板６内を導波する光を外部に出射させる機能を有するものであり、例えばシリカやアルミナ等の透光性微粒子を透光性を有する結着剤中に分散させるなどして構成される光拡散層を形成することができる。

ここで、導波成分量は、反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けず基板６が大気１１に直接曝されている状態で、外部に出射されず基板６内に閉じ込められて導波光として失われる光の成分の量に相当するが、既述のとおり、この導波成分量は、発光層３から基板６内に到達する光の成分の量の約７４％にも達する。このため、基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設ける場合の有機ＥＬ素子の発光量は、このような領域７を設けない場合に有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量（出射成分量）よりも、前記導波成分量によって支配されることとなる。

従って、導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係を利用して有機発光層５の厚みの設計を行えば、反射・屈折角を乱れさせる領域７を設ける場合に有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量が所望の程度となるように、有機発光層５の厚みの設計を行うことができるものである。

有機発光層５の厚みの設計は、導波成分量が所望の値となるように発光点位置寸法を調整することで行うことができる。この発光点位置寸法の調整は、発光点位置寸法の値と相関する電子輸送層９等の有機層４の厚みを、所望の発光点位置寸法と対応する値になるようにすることで行うことができる。

このように有機発光層５の厚みを設計するにあたり、導波成分量が極大値あるいはその近傍の値をとるように有機発光層５の厚みを設計することで、基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合に有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量を著しく向上することができる。

ここで、光学伝搬解析の際に発光点位置寸法の設定範囲を広くとっていれば、上記極大値として第一の極大値だけでなく、第二の極大値或いは第三以降の極大値と、発光点位置寸法との関係も導出される。このため、導波成分量が、複数の極大値のうちのいずれかの値又はその近傍の値をとるように、有機発光層５の厚みを設計することができる。

また、上記のように導波成分量が極大値又はその近傍をとるようにするだけでなく、この値が適宜の値をとるように有機発光層５の厚みを設計することができ、このとき導波成分量と、発光点位置寸法との間の関係から、導波成分量が充分に大きくなるように有機発光層５の厚みを設計することで、有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量を向上することができる。

また、有機ＥＬ素子の構成によっては発光点位置寸法が制限される場合がある。その具体的な例としては、有機ＥＬ素子が複数の発光層３を含むことで、この有機ＥＬ素子の各発光層３における発光点ごとの発光点位置寸法の範囲が一定の範囲に制限される場合が挙げられる。このような場合であっても、上記のように有機発光層５の厚み設計を広い範囲で行うことができるので、各発光層３ごとに、その発光点位置寸法の制限範囲内で、導波成分量が極大値又はその近傍をとるように、或いはこのような値でなくても導波成分量が前記制限範囲内で最も高い値をとるなどのように充分に大きい値をとるように、有機発光層５の厚みの設計を行うことができる。

ここで、複数の発光層３から発せられる光の成分のうち、全ての発光層３からの導波成分量が極大値をとるように厚み設計をすると、光の取り出し効率を非常に高くすることができるが、少なくとも一つの発光層３からの導波成分量が極大値をとるようにすれば、光の取り出し効率の向上に寄与することができる。また、導波成分量がいずれも極大値をもとることができない場合でも、上述のように有機エレクトロルミネッセンスから出射される光の成分の量が所望のものとなるように有機発光層５の厚みを設計することができる。

以下に、有機ＥＬ素子の設計の具体例を示す。

有機ＥＬ素子として、膜厚０．７ｍｍのガラスの基板６上に、ＩＴＯからなる膜厚１５０ｎｍの光透過性の電極１、ＮＰＤからなる膜厚４０ｎｍのホール輸送層８、ルブレン（Ｒｕｂｒｅｎｅ）を６重量％ドープしたＡｌｑ３からなる膜厚３０ｎｍの発光層３、下記［化１］のＴｍＰｙＰｈＢからなり膜厚が変数となる電子輸送層９、Ａｌからなる膜厚８０ｎｍの光反射性の電極２を積層したものを想定する。

このとき、発光層３に用いられるルブレン（Ｒｕｂｒｅｎｅ）を６重量％ドープしたＡｌｑ３の、光のエネルギー（放射束）のＰＬスペクトルを実測すると、図４に示すようなものとなり、スペクトルのピーク波長は５５９ｎｍである。尚、図４の縦軸は光のエネルギーの規格化強度を示す。

また、発光層３内の発光点の位置と発光分布は、本例のようにＡｌｑ３を用いる場合には発光層３における電子移動度がホール移動度より３桁程度大きくなるため、発光点の位置をホール輸送層８と発光層３の界面に設定し、発光分布はデルタ分布と設定することができる。

図５は、上記のような形態の有機ＥＬ素子において、電子輸送層９の厚みを変化させることにより発光点位置寸法を変化させた場合の、光束の導波成分量と、発光点位置寸法との関係を、上記のようなフレネル理論解析により導出した結果を示す。図５の縦軸は光束の相対値を示している。尚、このフレネル理論解析においては光の反射・屈折角を乱れさせる領域７の角度特性に基づく補正は行っていない。

また、図５には、併せて基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けない場合に有機ＥＬ素子から出射される光束（出射成分量）と発光点位置寸法との関係、並びに導波成分量と出射成分量との和と発光点位置寸法との関係も、併せて示している。

この出射成分量と発光点位置寸法との関係は、上記の光学伝搬解析のフローにおいて、Ｔ４〜Ｔ６の手順を行わず、Ｔ１０においてＴ３で導出された光のエネルギーの積分値を基に光束を導出することで得られる。

また、導波成分量と出射成分量との和は、発光層３から基板６に到達した光が全て有機ＥＬ素子から出射される場合の、この有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量に相当し、反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合に有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量の最大値に相当する。

図示のように、導波成分量と、出射成分量とは、共に発光点位置寸法が増大するに従って変化してそれぞれ複数の極大値をとるが、その変化の傾向は相違しており、極大値をとる発光点位置寸法の値にずれが生じている。

すなわち、出射成分量については、発光点位置寸法が７０ｎｍで第一の極大値が現れ、２５０ｎｍで第二の極大値が現れるが、導波成分量については発光点位置寸法が１００ｎｍで第一の極大値が、３４０ｎｍで第二の極大値が現れる。このため、導波成分量と発光点位置寸法との関係に基づけば、導波成分量の極大値をとるように有機発光層５の厚みを設計することで、出射成分量に基づく場合よりも、光の反射・屈折角を乱れさせる領域７が設けられた有機ＥＬ素子から出射される光束を増大させることができる。例えば、導波成分量が第二の極大値をとるように有機発光層５の厚み設計を行った場合には、出射成分量が第二の極大値をとるように有機発光層５の厚み設計をした場合と比べて、導波成分量と出射成分量との和が１．０８倍に増加している。また、導波成分量が前記第二の極大値をとる場合には、出射成分量は大きく落ち込んでいるため、出射成分量に基づいて有機発光層４の厚みを設計する場合にはこのような導波成分量が極大値をとるような有機発光素層４の厚みを設計することはできず、光の反射・屈折角を乱れさせる領域７が設けられた有機ＥＬ素子から出射される光束を充分に増大させることができないことがわかる。

また、ここでは光の成分の量として光束を採用した場合について述べているが、光の成分の量として光子数を採用した場合にも、同様に導波成分量と発光点位置寸法との関係を利用して、有機ＥＬ素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光子数或いは量子効率が所望の程度になるように有機発光層５の厚み設計を行うことができ、またこのとき有機発光層５の広い厚み範囲に亘って有機発光層５の厚みを設計することができるものである。また、光の成分の量として光のエネルギー（放射束）を採用した場合にも、同様に導波成分量と発光点位置寸法との関係を利用して、有機ＥＬ素子の基板６に反射・屈折角を乱れさせる領域７を設けた場合の出射光の光のエネルギーが所望の程度になるように有機発光層５の厚み設計を行うことができ、またこのとき有機発光層５の広い厚み範囲に亘って有機発光層５の厚みを設計することができるものである。

このようにして導出された導波成分量と発光点位置寸法との関係が、実際の有機ＥＬ素子から出射される光の成分の量を反映していることを、以下に検証する。

図７は、上記構成を有する有機ＥＬ素子を実際に作製し、この有機ＥＬ素子における導波成分量、出射成分量、並びに導波成分量と出射成分量との和を計測した結果を示す。図７の縦軸は光束の相対値を示している。この計測は次のようにして行ったものである。

まず、図５に示す関係を導出するために想定したものと同一の構成を有する有機エレクトルミネッセンス素子を、電子輸送層９の厚みを異ならせて複数個作製する。

各有機ＥＬ素子につき、図６に示すように、基板６の表面に半球レンズ１２を設ける。この半球レンズ１２は基板６と同一の材質で形成したものであり、一面側が平面、他面側が球面となったレンズである。この半球レンズ１２は、その平面を基板６の表面と密接させるようにして基板６に設ける。

この状態で有機ＥＬ素子を発光させて、光を半球レンズ１２から出射させ、出射光を積分球を用いて計測する。このとき、基板６の屈折率は約１．５であるから、半球レンズ１２を設けない場合はスネルの法則により基板６から大気１１側へ出射する光の臨界角は約４２°となり、入射角θが臨界角よりも小さい光２３は大気１１側に出射されるが、入射角θが臨界角よりも大きい光２３は基板６と大気１１との界面で全反射して基板６内を導波する。しかし、前記半球レンズ１２を設けることで本来全反射するはずの光２３も半球レンズ１２へ入射される。また半球レンズ１２へ入射した光２３は球面側から出射するため、半球レンズ１２から大気１１への入射角が低減され、半球レンズ１２へ入射した光２３の殆どを球面側から大気１１に出射することができる。このため、半球レンズ１２から出射される光の成分の量は、導波成分量と出射成分量との和に相当するものとなる。

また、上記半球レンズ１２を設けない状態で、同様に有機ＥＬ素子からの出射光を計測した。このとき出射される光の成分の量は、出射成分量に相当するものになる。

また、上記のように計測された導波成分量と出射成分量との和から、出射成分量を減じることにより、導波成分量を算出したものである。

図５と図７を対比すると、光学伝搬解析にて導出された図５に示す導波成分量、出射成分量、並びに導波成分量と出射成分量との和と、発光点位置寸法との関係は、図７に示す実測結果と非常によく近似しており、光学伝搬解析にて導出される導波成分量と出射成分量との和と発光点位置寸法との関係に基づけば、有機ＥＬ素子の設計を正確に行うことができることを確認することができる。

本発明の実施の形態の一例を示すフローチャートである。 反射・屈折角を乱れさせる領域が設けられていない有機エレクトロルミネッセンス素子の一例を示す断面図である。 反射・屈折角を乱れさせる領域が設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子の一例を示す断面図である。 ルブレンを６重量％ドープしたＡｌｑ３のフォトルミネッセンススペクトルの測定結果を示すグラフである。 光学伝搬解析を行うことにより導出された、導波光量、出射光量、並びに導波光量と出射光量との和と、発光点位置寸法との間の関係の一例を示すグラフである。 半球レンズが設けられた有機エレクトロルミネッセンス素子の一例を示す断面図である。 実測により得られた、導波光量、出射光量、並びに導波光量と出射光量との和と、発光点位置寸法との間の関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 光透過性の電極
２ 光反射性の電極
３ 発光層
４ 有機層
５ 有機発光層
６ 基板
７ 反射・屈折角を乱れさせる領域

Claims (4)

1. 光透過性の電極と光反射性の電極との間に発光層と他の有機層とを含む有機発光層を設けると共に前記光透過性の電極の有機発光層とは反対側の表面に光透過性の基板を備えて構成される有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法であって、
   前記基板、光透過性の電極、発光層及び他の有機層の、各厚み、屈折率及び消衰係数、並びに前記光反射性の電極の屈折率及び消衰係数と、発光層における発光材料のフォトルミネッセンススペクトルと、発光層における発光点の位置及び発光分布とをファクターとして、光学伝搬解析を行うことにより、
   前記基板内部を導波する光の成分の量と、上記発光点から光反射性の電極の表面までの寸法との間の関係を導出し、この関係に基づいて、基板に反射・屈折角を乱れさせる領域を設ける場合の有機発光層の厚みを設計することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法。
2. 上記光の成分の量が、視感度を考慮した光束であることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法。
3. 上記光の成分の量が、光子数であることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法。
4. 上記光の成分の量が、エネルギーであることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の設計方法。

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