JP2011203701A - Diffraction grating substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction grating substrate which is applicable to a diffraction grating, a plasmonic polycrystal, or the like for improving light extraction, and reduces color shift due to light diffraction.SOLUTION: The diffraction grating substrate has periodic grating structures having a pitch of 150 to 1,500 nm. Furthermore, the diffraction grating substrate has a structure where units having periodic grating structures different in at least one of pitch, height, and grating orientation are disposed at random, and it is preferable that an area of each of the units is 3 to 1,000,000 μm.

Description

本発明は、ディスプレイ、照明等に使用される有機EL、蛍光、LEDなどに適用可能な回折格子基板及びそれを用いた光学システムに関するものである。   The present invention relates to a diffraction grating substrate applicable to organic EL, fluorescence, LED and the like used for displays, illumination, and the like, and an optical system using the same.

近年、有機EL、蛍光、LEDなどの発光デバイスの発光効率の改善のために、発光材料の改善、低電圧化、光取り出し効率の改善などが検討されている。   In recent years, in order to improve the light emission efficiency of light emitting devices such as organic EL, fluorescent light, and LED, improvement of light emitting materials, lowering of voltage, improvement of light extraction efficiency, and the like have been studied.

光取り出し効率を改善する方法として、光散乱層や低屈折率層の導入などが検討されている(例えば、特許文献1、特許文献2等)。さらに、光の回折を利用して、導波モードの光の進行方向を発光デバイス面方向に偏向させることにより、光取り出し効率を上げる方法も知られている(例えば、特許文献3)。また、発光部近傍に金属の周期格子構造もしくは微粒子の分散体を設け、表面プラズモンを励起することによって、高効率で光を外部に取り出す技術も考案されている(例えば、特許文献4、特許文献5、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4、非特許文献5等)。   As a method for improving the light extraction efficiency, introduction of a light scattering layer or a low refractive index layer has been studied (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, etc.). Furthermore, a method of increasing the light extraction efficiency by deflecting the traveling direction of light in the waveguide mode toward the light emitting device surface by utilizing light diffraction is also known (for example, Patent Document 3). In addition, a technique has been devised in which a metal periodic lattice structure or a fine particle dispersion is provided in the vicinity of the light emitting portion and the surface plasmon is excited to extract light outside with high efficiency (for example, Patent Document 4, Patent Document). 5, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 5, etc.).

金属表面の伝播型表面プラズモンは、金属などの導電体表面に入射した電磁波(可視光など)により生じる自由電子の分極波が表面で横波の電場を形成しているものである。平坦な金属表面に存在する伝播型表面プラズモンの場合、伝播光の分散直線とプラズモンの分散曲線は交差しないため、伝播光はプラズモンを直接励起できない。しかし、金属表面に周期格子構造があると、格子によってブラッグ反射された回折波がプラズモンの分散曲線と交差するようになるため、入射した電磁波と金属表面の自由電子の分極波が共鳴状態をつくることができる(非特許文献6)。   Propagation type surface plasmon on a metal surface is a surface in which a polarization wave of free electrons generated by electromagnetic waves (such as visible light) incident on a conductor surface such as metal forms a transverse wave electric field on the surface. In the case of propagating surface plasmons existing on a flat metal surface, the propagating light cannot directly excite the plasmons because the propagating light dispersion line does not intersect the plasmon dispersion curve. However, if the metal surface has a periodic grating structure, the diffracted wave reflected by the grating crosses the dispersion curve of the plasmon, so the incident electromagnetic wave and the polarization wave of free electrons on the metal surface create a resonance state. (Non-Patent Document 6).

このとき、表面プラズモンの波数ベクトルは光の波数と同程度の値となっており、励起子と光がコヒーレントに結合して励起子ポラリトンという状態になる。ポラリトンは自由電子の分極波と電磁波が共鳴によりエネルギーをやり取りしている状態である。周期格子構造のピッチや高さが実質的に一定の(周期格子構造の結晶性が高い)とき、表面プラズモンはひとつの波数ベクトルを持つようになり、特定の入射角、周波数(波長)の光と結合するようになる。   At this time, the wave number vector of the surface plasmon has the same value as the wave number of light, and the exciton and light are coherently coupled to form a state of exciton polaritons. Polariton is a state where free-electron polarization waves and electromagnetic waves exchange energy by resonance. When the pitch and height of the periodic grating structure are substantially constant (the crystallinity of the periodic grating structure is high), the surface plasmon has one wave vector, and light with a specific incident angle and frequency (wavelength). Will come to join.

例えば非特許文献5においては、有機発光デバイス内の発光層について光と表面プラズモンの結合を誘発するために周期的な波形の格子構造を使用することにより、放出された光の横方向の透過及び導波を防止すると共に当該構造体の光出力及び効率を高めることが提案されている。理論的には、有機EL発光デバイス内の有機発光材料が放出した光を最大で93%までカプリングすることが可能である。   For example, in Non-Patent Document 5, by using a periodically corrugated lattice structure to induce light and surface plasmon coupling for the light emitting layer in an organic light emitting device, the lateral transmission of emitted light and It has been proposed to prevent waveguides and increase the light output and efficiency of the structure. Theoretically, it is possible to couple up to 93% of the light emitted by the organic light emitting material in the organic EL light emitting device.

また、非特許文献3には半導体量子井戸構造の紫外光励起による青色光の発光効率が銀の周期構造により増強されることが示されている。また、非特許文献4には同じく銀の周期構造により、LEDの発光効率が増強されることが示されている。   Non-Patent Document 3 shows that the luminous efficiency of blue light by ultraviolet light excitation of a semiconductor quantum well structure is enhanced by the periodic structure of silver. Non-Patent Document 4 also shows that the luminous efficiency of the LED is enhanced by the periodic structure of silver.

特開2008−235605号公報JP 2008-235605 A 国際公開第02/37568号International Publication No. 02/37568 特許第3503579号Japanese Patent No. 3503579 特開2004−31350号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-31350 特開2009−158478号公報JP 2009-158478 A

Opt. Lett., 30, 2302(2005)Enhancement of EL through atwo-dimensional corrugated metal film bygrating-induced surface plasmon crosscouplingOpt. Lett., 30, 2302 (2005) Enhancement of EL through atwo-dimensional corrugated metal film bygrating-induced surface plasmon crosscoupling Appl. Phys. Lett., 93, 051106(2008)Enhancement of surface plasmon-mediatedradiative energy transferthrough a corrugated metal cathode in organiclight-emitting devicesAppl. Phys. Lett., 93, 051106 (2008) Enhancement of surface plasmon-mediatedradiative energy transferthrough a corrugated metal cathode in organiclight-emitting devices Nature Mater., 3,601(2004)Surface Plasmon enhanced light emittersbased on InGaN quantum wellsNature Mater., 3,601 (2004) Surface Plasmon enhanced light emittersbased on InGaN quantum wells Appl. Phys. Lett., 77,15,2295(2000)Optimization of the emissioncharacteristics of LED by SP andsurface waveguide modeAppl. Phys. Lett., 77, 15, 2295 (2000) Optimization of the emission characteristics of LED by SP and surface waveguide mode Appl.Phys.Lett.,Vol.80,No.20,(2002)Appl.Phys.Lett., Vol.80, No.20, (2002) 光ナノテクノロジーの基礎 オーム社 P.35 (2003)Basics of Optical Nanotechnology 35 (2003)

本発明は、光取り出し向上用回折格子やプラズモニック結晶などに適用でき、光の回折に起因するカラーシフトを低減可能な回折格子基板を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a diffraction grating substrate that can be applied to a diffraction grating for improving light extraction, a plasmonic crystal, and the like, and that can reduce color shift caused by light diffraction.

本発明者は、前記課題を解決するため、基板に150nm〜1500nmのピッチの周期格子構造を有する回折格子とすることで、光の回折に起因するカラーシフトを低減することを見出した。さらに、基板にピッチ、高さ、格子の方位のうち少なくとも一つが異なる周期格子構造のユニットをランダムに配列させて多結晶性回折格子とすることで、光の回折に起因するカラーシフトをより低減することを見出した。さらに、基板がプラズモニック結晶である場合には、表面プラズモン共鳴を利用して光エネルギーの取り出し効率を向上するとともに、光の回折によるカラーシフトの視認レベルを低減させることを見出した。ここで言うプラズモニック結晶とは、例えば多結晶性回折格子の上に金属膜を被覆したもの、フラットな金属膜を形成しその後パターニングを施したものなどを指す。特に、ピッチ、高さ、格子の方位のうち少なくとも一つが異なる周期格子構造を有するユニットが表面にランダムに設けられた多結晶凹凸基材を形成し、当該多結晶凹凸基板上に金属膜を被覆することにより、プラズモニック多結晶基板を容易に形成できることを見出した。   In order to solve the above problems, the present inventor has found that a color shift caused by light diffraction is reduced by using a diffraction grating having a periodic grating structure with a pitch of 150 nm to 1500 nm on the substrate. Furthermore, by arranging the units of the periodic grating structure with at least one of pitch, height, and grating orientation on the substrate at random to form a polycrystalline diffraction grating, the color shift caused by light diffraction is further reduced. I found out. Furthermore, when the substrate is a plasmonic crystal, the present inventors have found that surface plasmon resonance is used to improve the light energy extraction efficiency and to reduce the level of color shift visibility due to light diffraction. The plasmonic crystal here refers to, for example, a polycrystalline diffraction grating coated with a metal film, a flat metal film formed and then patterned. In particular, a polycrystalline concavo-convex base material in which units having a periodic lattice structure different in at least one of pitch, height, and lattice orientation are randomly provided on the surface is formed, and a metal film is coated on the polycrystalline concavo-convex substrate By doing so, it was found that a plasmonic polycrystalline substrate can be easily formed.

本発明の回折格子基板は、150nm〜1500nmのピッチの周期格子構造を有する基板であることを特徴としている。さらに、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、ユニットの面積が3μm〜1000000μmであることを特徴としている。 The diffraction grating substrate of the present invention is a substrate having a periodic grating structure with a pitch of 150 nm to 1500 nm. Further comprising pitch, a unit having at least any one is different periodic grating structure height and the grating orientation are arranged in random structure, and wherein the area of the unit is 3μm 2 ~1000000μm 2.

本発明の回折格子基板において、回折格子基板が樹脂からなることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the diffraction grating substrate is preferably made of a resin.

本発明の回折格子基板において、回折格子基板が金属からなることが好ましい。この場合、プラズモニック多結晶基板として適用することができる。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the diffraction grating substrate is preferably made of metal. In this case, it can be applied as a plasmonic polycrystalline substrate.

本発明の回折格子基板において、回折格子基板上の表面に金属の薄膜が被覆された構造であることが好ましい。この場合、プラズモニック多結晶基板として適用することができる。   The diffraction grating substrate of the present invention preferably has a structure in which a metal thin film is coated on the surface of the diffraction grating substrate. In this case, it can be applied as a plasmonic polycrystalline substrate.

本発明の回折格子基板において、金属の周期格子構造の高さが10nm〜200nmであることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the metal periodic grating structure preferably has a height of 10 nm to 200 nm.

本発明の回折格子基板において、ユニットの形状が長方形または正方形であることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the unit shape is preferably rectangular or square.

本発明の回折格子基板において、ユニット同士の間隔が100μm以下であることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the interval between the units is preferably 100 μm or less.

本発明の回折格子基板において、各ユニットに形成された金属の周期格子構造の格子方位のズレが15°以下できざまれていることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, it is preferable that the deviation of the grating orientation of the metal periodic grating structure formed in each unit is 15 ° or less.

本発明の回折格子基板において、金属の周期格子構造が、6方最密充填格子で配置されていることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the metal periodic grating structure is preferably arranged in a six-way closest packed grating.

本発明の回折格子基板において、金属が銀、アルミニウム、及び金からなる金属から選択される少なくとも1つであることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the metal is preferably at least one selected from metals consisting of silver, aluminum, and gold.

本発明の回折格子基板において、ピッチが発光中心波長の±200nmの範囲であることが好ましい。   In the diffraction grating substrate of the present invention, the pitch is preferably in the range of ± 200 nm of the emission center wavelength.

本発明の回折格子は、光取り出し向上用回折格子やプラズモニック多結晶などに適用でき、光の回折に起因するカラーシフトを低減することができる。特に、プラズモニック結晶として適用する場合に、表面プラズモン共鳴を利用して発光デバイスの発光効率を向上させると共に、カラーシフトを低減することができる。   The diffraction grating of the present invention can be applied to a diffraction grating for improving light extraction, plasmonic polycrystal, and the like, and can reduce color shift caused by light diffraction. In particular, when applied as a plasmonic crystal, the surface plasmon resonance can be used to improve the light emission efficiency of the light emitting device and reduce the color shift.

本発明の実施の形態に係るプラズモニック格子基板の電子顕微鏡写真。The electron micrograph of the plasmonic lattice board | substrate which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るプラズモニック格子基板の電子顕微鏡写真。The electron micrograph of the plasmonic lattice board | substrate which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るプラズモニック多結晶基板の模式図。The schematic diagram of the plasmonic polycrystalline substrate which concerns on embodiment of this invention.

以下に、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described in detail below.

本発明の回折格子基板は、150nm〜1500nmのピッチの周期格子構造を有する基板であることを特徴としている。中でも、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、前記ユニットの面積が3μm〜1000000μmであることが好ましい。なお、回折格子基板を構成する材料に限定は無く、誘電体、半導体、金属、いずれかを用いることができる。本明細書内では金属からなる回折格子基板を特にプラズモニック結晶基板とよぶことにする。 The diffraction grating substrate of the present invention is a substrate having a periodic grating structure with a pitch of 150 nm to 1500 nm. Among them, pitch, units having at least any one is different periodic grating structure height and the grid orientation has a structure that is randomly arranged, it is preferable that the area of the unit is 3μm 2 ~1000000μm 2. There is no limitation on the material constituting the diffraction grating substrate, and any of dielectric, semiconductor, and metal can be used. In the present specification, a diffraction grating substrate made of metal is particularly called a plasmonic crystal substrate.

プラズモニック結晶基板は、例えば誘電体からなる結晶性回折格子の上に金属膜を被覆する、あるいは、フラットな金属膜を形成しその後パターニングを施すなどの手法により得られるが、製法には特に限定はない。本発明のプラズモニック結晶は、150nm〜1500nmのピッチの金属の周期格子構造を有する基板であることを特徴としている。さらに、ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、前記ユニットの面積が3μm〜1000000μmであることが好ましい。すなわち、金属の周期格子構造を有する複数の領域(ユニット)を基板上に設ける。さらに、互いに異なる金属の周期格子構造を有する複数の領域(ユニット)を基板上に設けてもよい。異なる金属の周期格子構造を得るには、金属の周期格子構造のピッチ、高さ及び格子方向の少なくともいずれか一つが異なるように形成すればよく、異なる金属の周期格子構造とすることで、金属の周期格子構造に由来した回折に起因して発生するカラーシフトをより大きく抑制することができる。 A plasmonic crystal substrate can be obtained, for example, by coating a metal film on a crystalline diffraction grating made of a dielectric material, or by forming a flat metal film and then patterning it, but the manufacturing method is particularly limited. There is no. The plasmonic crystal of the present invention is characterized in that it is a substrate having a metal periodic lattice structure with a pitch of 150 nm to 1500 nm. Further, the pitch, the unit having at least any one is different periodic grating structure height and the grid orientation has a structure that is randomly arranged, it is preferable that the area of the unit is 3μm 2 ~1000000μm 2. That is, a plurality of regions (units) having a metal periodic grating structure are provided on the substrate. Furthermore, a plurality of regions (units) having different periodic metal grating structures may be provided on the substrate. In order to obtain a periodic grating structure of different metals, at least one of the pitch, height, and grating direction of the metal periodic grating structure may be different. The color shift generated due to the diffraction derived from the periodic grating structure can be greatly suppressed.

また、金属の周期格子構造は、金属が周期構造を有するように設けるのであればどのように設けてもよく、例えば、表面に回折格子基板上に金属膜を成膜することにより設けることができる。以下に、本発明の回折格子基板の一構成例に関して、図1、図2に示す。なお、図1、図2では、多結晶性回折格子基板の一例としてプラズモニック結晶基板を例に挙げて説明する。   The metal periodic grating structure may be provided in any manner as long as the metal has a periodic structure. For example, the metal periodic grating structure can be provided by forming a metal film on the diffraction grating substrate on the surface. . Hereinafter, a configuration example of the diffraction grating substrate of the present invention is shown in FIGS. In FIGS. 1 and 2, a plasmonic crystal substrate will be described as an example of a polycrystalline diffraction grating substrate.

図1に示すプラズモニック結晶基板は、金属の周期格子構造を有する構成となっている。具体的には、各ユニットが、ピッチ500nmに設定されている。図2に示すプラズモニック結晶基板は、金属の周期格子構造を有する構成となっている。具体的には、各ユニットが、ピッチ250nm、高さ180nmに設定されている。   The plasmonic crystal substrate shown in FIG. 1 has a metal periodic lattice structure. Specifically, each unit is set to a pitch of 500 nm. The plasmonic crystal substrate shown in FIG. 2 has a metal periodic lattice structure. Specifically, each unit is set to a pitch of 250 nm and a height of 180 nm.

さらに、表面に周期格子構造が異なる領域がランダムに形成された多結晶性回折格子基板上に金属膜を成膜することにより設けることができる。以下に、本発明の多結晶性回折格子基板の一構成例に関して、図3を参照して説明する。なお、図3では、多結晶性回折格子基板の一例としてプラズモニック多結晶基板を例に挙げて説明する。   Furthermore, it can be provided by forming a metal film on a polycrystalline diffraction grating substrate in which regions having different periodic grating structures are randomly formed on the surface. Hereinafter, one structural example of the polycrystalline diffraction grating substrate of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, a plasmonic polycrystalline substrate will be described as an example of a polycrystalline diffraction grating substrate.

図3に示すプラズモニック多結晶基板は、金属の周期格子構造の格子方位及びピッチが互いに異なるユニットをランダムに配置した構成となっている。具体的には、各ユニットには金属の周期格子構造が6方最密充填格子配置で形成され、結晶方位(6方最密充填格子配置)が15°きざみで異なる4つの周期格子構造をランダムに配置する場合を示している。また、各結晶方位について、それぞれピッチが450nm、550nm、650nmで設定されている。   The plasmonic polycrystalline substrate shown in FIG. 3 has a configuration in which units having different lattice orientations and pitches of a metal periodic lattice structure are randomly arranged. Specifically, in each unit, a metal periodic lattice structure is formed in a hexagonal close-packed lattice arrangement, and four periodic lattice structures whose crystal orientations (hexagonal close-packed lattice arrangement) are different by 15 ° are randomly selected. The case where it arrange | positions to is shown. Further, the pitch is set to 450 nm, 550 nm, and 650 nm for each crystal orientation.

(ユニット)
カラーシフトを効果的に低減させるためには、隣り合うユニット同士が異なる金属の周期格子構造(図3では、異なる格子方位及び/又はピッチ)を有していることが好ましい。また、各ユニットは、表面プラズモンカップリングを誘発することができる面積をもてばよく、複数のユニットのそれぞれの面積が、3μm〜1000000μmとすることが好ましい。具体的なユニットの面積は、周期格子構造のサイズにより決めることができる。すなわち、放出された光の横方向の透過及び導波を防止すると共に当該構造体の光出力及び効率を高めるためには、ユニット内の格子個数は、各格子方位に5個以上あればよい。たとえばユニットの形状が正方形、格子形状が正方格子、格子サイズが500nmの場合、ユニットサイズ(ユニットの各辺の長さ)の下限は500nm×5=2500nmとなる。一方で、ユニットが1000μmより大きくなると各ユニット視認し易くなるため、1000μm以下(面積では、1000000μm以下)であることが好ましい。
(unit)
In order to effectively reduce the color shift, it is preferable that adjacent units have different metal periodic grating structures (different grating orientations and / or pitches in FIG. 3). Moreover, each unit may be able to have an area capable of inducing the surface plasmon coupling, the area of each of the plurality of units, it is preferable to 3μm 2 ~1000000μm 2. The specific unit area can be determined by the size of the periodic grating structure. That is, in order to prevent the transmitted light from being transmitted and guided in the lateral direction and to increase the light output and efficiency of the structure, the number of lattices in the unit may be 5 or more in each lattice direction. For example, when the unit shape is square, the lattice shape is a square lattice, and the lattice size is 500 nm, the lower limit of the unit size (the length of each side of the unit) is 500 nm × 5 = 2500 nm. On the other hand, since it becomes easy to visually recognize each unit when the unit is larger than 1000 μm, it is preferably 1000 μm or less (in terms of area, 1 million μm 2 or less).

また、各ユニット間の隙間を狭くすることが好ましく、具体的には各ユニット間の隙間は人間の視認が困難な100μm以下、より好ましくは30μm以下であることが好ましい。ユニット形状には特に制限はなく、例えば三角形、六角形、八角形などであっても構わないが、製造プロセスが簡素化できることから図3のように長方形もしくは正方形形状のユニットが並んでいることが好ましい。また、ユニットの配置についても特に制限はないが、ユニット同士の隙間を狭くすることや製造プロセスを考慮すると、ユニットを格子状に配置することが好ましい。   In addition, it is preferable to narrow the gap between the units. Specifically, the gap between the units is preferably 100 μm or less, more preferably 30 μm or less, which is difficult for humans to visually recognize. The unit shape is not particularly limited, and may be, for example, a triangle, a hexagon, or an octagon. However, since the manufacturing process can be simplified, rectangular or square units may be arranged as shown in FIG. preferable. Further, the arrangement of the units is not particularly limited, but it is preferable to arrange the units in a lattice shape in consideration of narrowing the gap between the units and the manufacturing process.

(周期格子構造)
本発明の目的は、表面プラズモンによってディスプレイ、照明等に使用される有機EL、蛍光、LEDなどの発光効率を向上することである。そのためには、金属の周期格子構造で目的とする波長帯の表面プラズモンカップリングを効率よく励起することが必要である。金属の周期格子構造が1次元の場合(ライン/スペースの周期構造)より2次元の場合(ドットの周期構造)のほうが高い効果が得られる。また、周期格子構造が2次元の場合でも、2方向に周期構造がある配置(格子交差角度=90度)よりも3方向に周期構造がある配置(格子交差角度=60度、6方細密充填格子配置)のほうが、表面プラズモンを励起できる条件が多いため好ましい。
(Periodic lattice structure)
An object of the present invention is to improve the light emission efficiency of organic EL, fluorescence, LED, etc. used for display, illumination, etc. by surface plasmon. For this purpose, it is necessary to efficiently excite surface plasmon coupling in a target wavelength band with a metal periodic grating structure. A higher effect can be obtained when the metal periodic lattice structure is one-dimensional (dot / periodic structure) than when it is one-dimensional (line / space periodic structure). Further, even when the periodic grating structure is two-dimensional, the arrangement having the periodic structure in three directions (lattice crossing angle = 60 degrees, 6-way fine packing) than the arrangement having the periodic structure in two directions (lattice crossing angle = 90 degrees). (Lattice arrangement) is preferable because there are many conditions that can excite surface plasmons.

すなわち、図3で示す2次元的な6方最密充填格子配置の場合、3方向に周期構造が作製されるため、回折光を表面プラズモンと共鳴させる効率において最も優れた格子配置となり、発光効率の向上効果が高い。   That is, in the case of the two-dimensional 6-way close packed lattice arrangement shown in FIG. 3, since the periodic structure is produced in three directions, the lattice arrangement is the most excellent in the efficiency of resonating the diffracted light with the surface plasmon. The improvement effect is high.

(ピッチ)
周期格子構造のピッチは、発光デバイスの発光光の実効波長程度の大きさに設定することが好ましい。したがって、ピッチは発光光の波長によって適宜選択される。例えば、可視光用の発光デバイスを想定する場合には150〜1500nmの範囲内であり、より好ましくは400〜1000nmである。さらに好ましくは発光させたい波長とほぼ同等(発光させたい波長±200nmなど)であることが好ましく、最も好ましい範囲は200〜1000nmである。
(pitch)
The pitch of the periodic grating structure is preferably set to a size that is about the effective wavelength of the light emitted from the light emitting device. Therefore, the pitch is appropriately selected depending on the wavelength of the emitted light. For example, when a light-emitting device for visible light is assumed, it is in the range of 150 to 1500 nm, more preferably 400 to 1000 nm. More preferably, it is preferably approximately the same as the wavelength to be emitted (wavelength to be emitted ± 200 nm or the like), and the most preferable range is 200 to 1000 nm.

また、白色光を発光させたい用途においては、赤色用のピッチを有するユニット、緑色用のピッチを有するユニット、青色用のピッチを有するユニットをランダムに配列させることが好ましい。   In applications where white light is desired to be emitted, it is preferable to randomly arrange units having a red pitch, units having a green pitch, and units having a blue pitch.

(高さ)
周期格子構造の高さは、5〜500nmであればよく、より好ましくは10〜200nm、さらに好ましくは、20nm〜100nmである。500nm以下であれば電極の短絡の原因が起き難く、5nm以上であれば表面プラズモンカプリングの効率が向上する。
(height)
The height of the periodic grating structure may be 5 to 500 nm, more preferably 10 to 200 nm, and still more preferably 20 nm to 100 nm. If it is 500 nm or less, the cause of the short circuit of an electrode does not occur easily, and if it is 5 nm or more, the efficiency of surface plasmon coupling is improved.

(周期格子構造の方位)
格子の基準軸を任意に定め、そこから格子交差角度まで周期格子構造をずらす。各ユニットの周期格子構造の方位角は格子交差角度の1/4きざみ以下(例えば6方最密充填格子配置の場合では15°きざみ以下)より好ましくは1/10きざみ以下で(例えば6方最密充填格子配置の場合では6°きざみ以下))ずれていることが光の回折に起因するカラーシフトが視認されにくくなるため好ましい。
(Orientation of periodic grating structure)
The reference axis of the grating is arbitrarily determined, and the periodic grating structure is shifted from there to the grating crossing angle. The azimuth angle of the periodic grating structure of each unit is ¼ or less of the lattice crossing angle (for example, 15 ° or less in the case of a 6-way close packed lattice arrangement), more preferably 1/10 or less (for example, 6-way maximum) In the case of a closely packed lattice arrangement, it is preferable that the shift is 6 ° or less))) because the color shift due to light diffraction is less visible.

(金属種)
表面に周期格子構造を有する基材を被覆する金属は目的とする波長により適宜選択される。たとえば紫外光の発光デバイスに用いる場合においては、電磁波の振動に金属の自由電子が追従できなくなる周波数(プラズマ周波数)の高いアルミニウムが好ましく、可視域青色〜緑色、例えば380nm〜650nm領域の発光デバイスに用いる場合は、可視の全波長域において高い反射率をしめす銀、またはアルミニウムを用いることが好ましく、さらに誘電率の実部の絶対値の小さい銀を用いることが特に好ましい。可視域の赤色、例えば580〜780nmにおいてはその波長帯における反射率の高い銀または金を用いることが好ましい。
(Metal type)
The metal that coats the substrate having the periodic grating structure on the surface is appropriately selected depending on the target wavelength. For example, when used for an ultraviolet light emitting device, aluminum having a high frequency (plasma frequency) at which metal free electrons cannot follow the vibration of electromagnetic waves is preferable, and for a light emitting device in the visible blue to green, for example, 380 nm to 650 nm region. When used, it is preferable to use silver or aluminum exhibiting high reflectivity in the entire visible wavelength range, and it is particularly preferable to use silver having a small absolute value of the real part of the dielectric constant. In the red in the visible range, for example, 580 to 780 nm, it is preferable to use silver or gold having high reflectance in the wavelength band.

基材に用いる材料は、目的とする波長域において、実質的に透明な材料であればよい。例えば可視域用の発光素子、発光デバイスに用いる場合には、珪素(Si)の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はその複合物や、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、イットリウム(Y)、ジルコニア(Zr)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、バリウム(Ba)、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、銅(Cu)などの金属の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はそれらの複合物(誘電体単体に他の元素、単体又は化合物が混ざった誘電体)を用いることができる。また、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂(COP)、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂などの非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などの樹脂基材も用いることができる。また、基材として樹脂基材などの有機物と、ガラスファイーバーなどの無機物とを組み合わせた構成とすることもできる。基材には樹脂基材を用いることが、フレキシブルで、また軽くできること、あるいはロール方式の製造方法が容易に適用できる等、量産の観点からも好ましい。   The material used for the substrate may be a material that is substantially transparent in the target wavelength range. For example, when used for a light-emitting element and a light-emitting device for the visible range, silicon (Si) oxide, nitride, halide, carbide alone or a composite thereof, aluminum (Al), chromium (Cr), yttrium (Y), zirconia (Zr), tantalum (Ta), titanium (Ti), barium (Ba), indium (In), tin (Sn), zinc (Zn), magnesium (Mg), calcium (Ca), cerium Use of oxides, nitrides, halides and carbides of metals such as (Ce) and copper (Cu), or composites thereof (dielectrics in which other elements, simple substances or compounds are mixed in a single dielectric) Can do. Polymethyl methacrylate resin, polycarbonate resin, polystyrene resin, cycloolefin resin (COP), cross-linked polyethylene resin, polyvinyl chloride resin, polyarylate resin, polyphenylene ether resin, modified polyphenylene ether resin, polyetherimide resin, polyether Amorphous thermoplastic resins such as sulfone resin, polysulfone resin, polyether ketone resin, polyethylene terephthalate resin (PET), polyethylene naphthalate resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polybutylene terephthalate resin, aromatic polyester resin, polyacetal Resin, polyamide thermoplastic resins and other crystalline thermoplastic resins, acrylic, epoxy and urethane UV curable resins and resin substrates such as thermosetting resins are also used Rukoto can. Moreover, it can also be set as the structure which combined organic substances, such as a resin base material, and inorganic substances, such as glass fiber, as a base material. It is also preferable from the viewpoint of mass production that a resin base material is used as the base material because it is flexible and lightweight, or a roll manufacturing method can be easily applied.

本発明のプラズモニック結晶基板は、ナノインプリント、EB描画、フォトリソグラフィー、干渉露光などにより作製することができる。   The plasmonic crystal substrate of the present invention can be produced by nanoimprint, EB drawing, photolithography, interference exposure and the like.

プラズモニック結晶基板を製造する好ましい方法について、一例を挙げて以下に具体的に説明する。   A preferred method for producing a plasmonic crystal substrate will be specifically described below with an example.

(原版作製)
まず、基板を準備する。基板としては、シリコン(Si)、酸化珪素、ガラス、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化アルミニウム、炭化珪素等を用いることができる。
(Original plate production)
First, a substrate is prepared. As the substrate, silicon (Si), silicon oxide, glass, gallium nitride, gallium arsenide, aluminum oxide, silicon carbide, or the like can be used.

次に、基板上にレジスト膜を形成した後、マスクもしくはレチクルを用いてステップ・アンド・リピート方式の露光装置(ステッパ)を用いて、基板上のレジスト膜を露光する。マスクもしくはレチクルに形成された単位面積の微細パタンを接ぎ合わせる(接合させる)ようにショットを繰り返し、基板上のレジストを露光する(繰り返し露光法により接合する)。したがって、レジストには、単位微細パタンが接合して形成された連続凹凸格子パタン、連続微細パタンが転写されることとなる。各ショットにおいて、ショット同士の重ね合わせ量(露光回数が複数になる部分の量)は、接合が均一になるように任意に設定できる。基板上のレジスト膜を露光した後に、レジストに適した方法で現像を行い、ついで基板をエッチングして凹凸格子パタンを形成する。   Next, after a resist film is formed on the substrate, the resist film on the substrate is exposed using a step-and-repeat type exposure apparatus (stepper) using a mask or a reticle. The shot is repeated so that the fine patterns of unit area formed on the mask or reticle are joined (joined), and the resist on the substrate is exposed (joined by repeated exposure). Therefore, the continuous concavo-convex lattice pattern and the continuous fine pattern formed by joining the unit fine patterns are transferred to the resist. In each shot, the amount of overlap between the shots (the amount of the portion where the number of exposures becomes plural) can be arbitrarily set so that the joining is uniform. After the resist film on the substrate is exposed, development is performed by a method suitable for the resist, and then the substrate is etched to form an uneven lattice pattern.

ここで、前記連続凹凸格子パタンが形成された部分の面積は、種々の用途に応用するために、できるだけ大きいことが好ましく、凹凸格子パタンが形成された部分の最少外接円の直径としては20cm以上であることが好ましく、25cm以上であることがより好ましく、30cm以上であることが最も好ましい。この程度の大きさがあれば、プラズモニック結晶基板を適用できるデバイスの数が広がる。一方で、大きさの上限に技術的制限は無く、たとえば干渉露光法によれば、100cm角以上の面積にわたり、適度に周期性の崩れたパタンを形成する事も可能であり、最小外接円の直径としては150cm程度となる。また、凹凸格子パタンの形に特に制限はないが、凸部が離型性がよいドーム形状、あるいは円錐形状が好ましい。   Here, the area of the portion where the continuous concavo-convex grid pattern is formed is preferably as large as possible for application to various applications, and the diameter of the minimum circumscribed circle of the portion where the concavo-convex lattice pattern is formed is 20 cm or more. It is preferable that it is 25 cm or more, and it is most preferable that it is 30 cm or more. This size increases the number of devices to which the plasmonic crystal substrate can be applied. On the other hand, there is no technical limitation on the upper limit of the size. For example, according to the interference exposure method, it is possible to form a pattern with a moderate periodicity over an area of 100 cm square or more. The diameter is about 150 cm. The shape of the concavo-convex lattice pattern is not particularly limited, but a dome shape or a conical shape having a good releasability is preferable.

(樹脂への転写)
次に得られた原版の形状を樹脂に転写する。転写の方法に特に制限は無く、熱可塑性樹脂への熱転写、もしくはUV硬化樹脂への転写、熱硬化型樹脂への転写など、任意の手法をとることが可能である。なお、ここで得られた転写品は、誘電体からなる回折格子基板である。
(Transfer to resin)
Next, the shape of the obtained original plate is transferred to a resin. There is no particular limitation on the transfer method, and any method such as thermal transfer to a thermoplastic resin, transfer to a UV curable resin, or transfer to a thermosetting resin can be employed. The transfer product obtained here is a diffraction grating substrate made of a dielectric.

(Niスタンパ作製)
得られた転写フィルムに導電化処理をほどこした後、それぞれニッケル等を電気メッキし、ニッケルスタンパを作製する。上記樹脂への転写およびNiスタンパ作製の工程は必須ではないが、原版に損傷を与える機会を減らす意味でこれらの工程を経ることが好ましい。また、量産性を踏まえるとNiスタンパを溶接等の手法により円筒形に加工し、連続転写用のスタンパに加工することが好ましい。
(Ni stamper production)
The obtained transfer film is subjected to a conductive treatment and then electroplated with nickel or the like to produce a nickel stamper. The steps of transferring to the resin and preparing the Ni stamper are not essential, but it is preferable to go through these steps in order to reduce the chance of damaging the original. In view of mass productivity, it is preferable that the Ni stamper is processed into a cylindrical shape by a technique such as welding and processed into a stamper for continuous transfer.

(賦形)
以上のようにして得られたNiスタンパの形状を樹脂に転写する。転写の方法に特に制限は無く、熱可塑性樹脂への熱転写、もしくはUV硬化樹脂への転写、熱硬化型樹脂への転写など、任意の手法をとることが可能であるが、生産性やNiスタンパへのダメージ低減などの観点からUV硬化樹脂への転写を用いることが好ましい。また、量産性を踏まえるとロール・トゥ・ロールのUV転写技術を用いることがさらに好ましい。
(Shaping)
The shape of the Ni stamper obtained as described above is transferred to a resin. There is no particular limitation on the transfer method, and any method such as thermal transfer to a thermoplastic resin, transfer to a UV curable resin, or transfer to a thermosetting resin can be used. It is preferable to use transfer to a UV curable resin from the viewpoint of reducing damage to the surface. In view of mass productivity, it is more preferable to use a roll-to-roll UV transfer technique.

(金属薄膜形成)
金属薄膜の形成方法にはスパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、CVDなどの乾式成膜法も無電解メッキなどの湿式成膜法も適用できるが、膜厚の均一性、再現性、低材料ロスなどの観点からスパッタリング法が好適に用いられる。
(Metal thin film formation)
As a method for forming a metal thin film, a dry film forming method such as sputtering, vacuum evaporation, ion plating, and CVD and a wet film forming method such as electroless plating can be applied. However, the film thickness uniformity, reproducibility, and low material loss From the viewpoint of the above, the sputtering method is preferably used.

(発光体層形成)
(a 蛍光材の場合)
蛍光材の薄膜形成方法には真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、CVDなどの乾式成膜法も無電解メッキ、溶液キャストなどの湿式成膜法も適用できるが、膜厚の均一性、再現性などの観点から乾式成膜法を用いることが好ましい。蛍光物質は、発光素子からの光を吸収して励起され、発光素子の発光色とは異なる波長(例えば補色関係を有する)の光に変換するものであり、YAG蛍光体、窒化物蛍光体、その他の蛍光体を使用可能である。例えば、Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、Eu等のランタノイド系、Mn等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、または、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩またはEu等のランタノイド系元素で主に賦活される有機および有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか1つ以上であることが好ましい。これらの蛍光体は、発光素子の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができるほか、これらの中間色である黄色、青緑色、橙色などに発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を様々と組み合わせて使用することにより、様々の発光色を有する発光装置を製造することができる。
(Light emitter layer formation)
(A For fluorescent materials)
For the thin film forming method of fluorescent material, dry film forming methods such as vacuum deposition, sputtering, ion plating, and CVD as well as wet film forming methods such as electroless plating and solution casting can be applied. From the viewpoint of the above, it is preferable to use a dry film forming method. The fluorescent material is excited by absorbing light from the light emitting element, and converts it into light having a wavelength different from the light emission color of the light emitting element (for example, having a complementary color relationship). YAG phosphor, nitride phosphor, Other phosphors can be used. For example, nitride phosphors / oxynitride phosphors mainly activated by lanthanoid elements such as Eu and Ce, lanthanoid phosphors such as Eu, and alkalis mainly activated by transition metal elements such as Mn Earth halogen apatite phosphor, alkaline earth metal borate halogen phosphor, alkaline earth metal aluminate phosphor, alkaline earth silicate, alkaline earth sulfide, alkaline earth thiogallate, alkaline earth silicon nitride At least selected from organic and organic complexes mainly activated by lanthanoid elements such as germanate or lanthanoid elements such as Ce, rare earth aluminates, rare earth silicates or Eu Any one or more are preferable. These phosphors can use phosphors having emission spectra in yellow, red, green, and blue by the excitation light of the light-emitting element, and emission spectra in yellow, blue-green, orange, etc., which are intermediate colors between them. A phosphor having the following can also be used. By using these phosphors in various combinations, light emitting devices having various emission colors can be manufactured.

(b 有機ELの場合)
基板上に陽極導電層、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極導電層のうち少なくとも陽極導電層、発光層、陰極導電層の3層を含む多層を順次積層して有機発光ダイオード素子を作製することが出来る。ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層については、一つの層が二つ以上の機能を兼ねてもよいし、ホール輸送層や電子輸送層は省略しても良い。ホールと電子が出会う場所として発光層は必要である。最も単純な系としては、陽極導電層と陰極導電層に挟まれた発光層だけがあれば良い。本発明で用いる陽極導電層、ホール注入層、ホール移動層、発光層、電子移動層、電子注入層、陰極導電層の作製法は特に限定しないが、一般的な下面発光型有機発光ダイオードを例に取り説明すると以下のようになる。すなわち、陽極導電層および陰極導電層は真空蒸着法またはスパッタリング法などによって行い、ホール注入層、ホール移動層、発光層、電子移動層、電子注入層は有機蒸着法または薄膜塗工法によって行う。
(B For organic EL)
A multilayer comprising at least three layers of an anode conductive layer, a hole injection layer, a hole transport layer, a light-emitting layer, an electron transport layer, an electron injection layer, and a cathode conductive layer on the substrate, including at least an anode conductive layer, a light-emitting layer, and a cathode conductive layer, sequentially. An organic light emitting diode element can be fabricated by stacking. Regarding the hole injection layer, hole transport layer, light emitting layer, electron transport layer, and electron injection layer, one layer may serve two or more functions, or the hole transport layer and the electron transport layer may be omitted. . A light emitting layer is necessary as a place where holes and electrons meet. The simplest system need only have a light emitting layer sandwiched between an anode conductive layer and a cathode conductive layer. A method for producing the anode conductive layer, hole injection layer, hole transfer layer, light emitting layer, electron transfer layer, electron injection layer, and cathode conductive layer used in the present invention is not particularly limited, but a general bottom emission organic light emitting diode is used as an example. The explanation is as follows. That is, the anode conductive layer and the cathode conductive layer are formed by a vacuum vapor deposition method or a sputtering method, and the hole injection layer, the hole transfer layer, the light emitting layer, the electron transfer layer, and the electron injection layer are formed by an organic vapor deposition method or a thin film coating method.

各層の積層は基材に近い層から順に行われるので、最初に陽極導電層が形成される。下面発光型有機ELの場合、陽極導電層は透明でなければならないので、材質はITO(Indium Tin Oxide)やZnO(Zinc Oxide)、ZTO(Zinc Tin Oxide)などの透明導電材料が選択される。   Since lamination of each layer is performed in order from a layer close to the base material, an anode conductive layer is first formed. In the case of a bottom emission organic EL, the anode conductive layer must be transparent, and therefore, a transparent conductive material such as ITO (Indium Tin Oxide), ZnO (Zinc Oxide), or ZTO (Zinc Tin Oxide) is selected.

次にホール注入・移動層として、芳香族アミン化合物などを成膜する。α−NPDやCuPcなどの芳香族アミン化合物は、イオン化ポテンシャルとホール輸送特性が適切であり、電気化学的に可逆であるため、ホール輸送材料として最も多く使用される。次に発光層を積層する。発光層に単独で用いられる材料は蛍光性色素化合物であるBBAやDTE等が挙げられるが、ホールや電子輸送性化合物に蛍光性色素化合物をドープしても良い。蛍光発光性材料の置き換えで、りん光発光性材料を用いると、理論変換効率が約25%から約100%に向上するため好ましい。   Next, an aromatic amine compound or the like is formed as a hole injecting / moving layer. Aromatic amine compounds such as α-NPD and CuPc are most often used as hole transport materials because they have appropriate ionization potential and hole transport properties and are electrochemically reversible. Next, a light emitting layer is laminated. Examples of the material used alone for the light emitting layer include fluorescent dye compounds such as BBA and DTE, but holes and electron transport compounds may be doped with the fluorescent dye compound. It is preferable to use a phosphorescent material instead of a fluorescent material because the theoretical conversion efficiency is improved from about 25% to about 100%.

次に電子輸送層を積層する。電子輸送層としては、オキサジオール系(PBDなど)、トリアゾール系(TAZなど)などが使用される。金属錯体系(Alqなど)の物質を用いると、電子輸送層と発光層を兼ねることができ便利である。 Next, an electron transport layer is laminated. As the electron transport layer, an oxadiol type (such as PBD) or a triazole type (such as TAZ) is used. Use of a metal complex (such as Alq 3 ) substance is convenient because it can serve both as an electron transporting layer and a light emitting layer.

最後に陰極導電層を積層する。陰極導電層の材料は一般にLiFやLi系化合物などをごく少量付けたあと、Al、AgやAl/Ag合金などを積層するのが一般的である。本発明では基板上に作製した周期格子構造がEL発光した光の回折光を生じ、陰極の表面プラズモンと共鳴状態をつくるようにする。有機EL素子からの発光光は、取り出し面である基材の方に進むものと、取り出せない陰極の金属面に進むものがあるが、陰極表面のプラズモニック結晶で光は表面プラズモンのエネルギーに一時的に変換され、後に高強度の輻射光として陰極表面から取り出し面側に向かって放射される。陰極表面から放射される輻射光は指向性が高く、光の取り出し効率を向上することが出来る。この目的のためには、陰極導電層の材料は電子の輸率が高くロスの少ない材料(仕事関数の低い材料)が適するので、Ag、Auなどを選択するか、一般に選択されるAlなどとの共蒸着(Al/Ag等)を用いても良いが、材料選択は必ずしもこれらに限定されない。   Finally, a cathode conductive layer is laminated. The material for the cathode conductive layer is generally formed by laminating Al, Ag, an Al / Ag alloy or the like after adding a very small amount of LiF or Li-based compound. In the present invention, the periodic grating structure produced on the substrate generates diffracted light of the light emitted from the EL, and creates a resonance state with the surface plasmon of the cathode. The light emitted from the organic EL element is directed toward the base material, which is the extraction surface, and is directed toward the metal surface of the cathode, which cannot be extracted. However, the light is temporarily transferred to the energy of the surface plasmon by the plasmonic crystal on the cathode surface. And then emitted as high-intensity radiation from the cathode surface toward the extraction surface. Radiant light emitted from the cathode surface has high directivity and can improve light extraction efficiency. For this purpose, the material of the cathode conductive layer is preferably a material having a high electron transport number and a low loss (a material having a low work function). Therefore, Ag, Au, or the like is selected, or Al or the like, which is generally selected. However, the material selection is not necessarily limited to these.

下面発光型有機発光ダイオードの場合は、周期格子構造を付与した透明基材のうち構造面側に最初に陽極導電層を形成し、続いてホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極導電層を順次積層して完成する。この操作によって、周期格子構造の微細凹凸の形状は陰極導電層まで伝わり、陰極導電層がプラズモニック結晶の形状を持つようになる。形状が伝わるためには各層の厚さは極力薄い必要があるが、通常有機発光ダイオードのこれら各層はおおよそ20〜100nm程度で形成するため問題ない。   In the case of a bottom-emitting organic light-emitting diode, an anode conductive layer is first formed on the structural surface side of a transparent substrate provided with a periodic lattice structure, followed by a hole injection layer, a hole transport layer, a light-emitting layer, and an electron transport layer. Then, an electron injection layer and a cathode conductive layer are sequentially laminated to complete. By this operation, the shape of the fine irregularities of the periodic grating structure is transmitted to the cathode conductive layer, and the cathode conductive layer has the shape of a plasmonic crystal. In order for the shape to be transmitted, the thickness of each layer needs to be as thin as possible. However, these layers of the organic light emitting diode are usually formed with a thickness of about 20 to 100 nm, and there is no problem.

以下に本発明の実施の形態の一例を説明する。本発明の概念を用いるものである限り、必ずしも対象とする構造、構成、方式を限定するものではない。
[実施例1]
(原版作製)
ウェハーサイズとして直径300mmのSi基板を用い、基板内部の直径約280mm内にパタンを形成した。パタンの形成には、以下の複数のユニットパターンが描画された10mm×10mmのマスクを用い、ステップ・アンド・リピート露光法により行った。つまり、本実施例では、ユニット毎にピッチ及び格子方位が異なる構成とした。
An example of the embodiment of the present invention will be described below. As long as the concept of the present invention is used, the target structure, configuration, and system are not necessarily limited.
[Example 1]
(Original plate production)
A Si substrate having a diameter of 300 mm was used as a wafer size, and a pattern was formed within a diameter of about 280 mm inside the substrate. The pattern was formed by a step-and-repeat exposure method using a 10 mm × 10 mm mask on which the following plurality of unit patterns were drawn. That is, in this embodiment, the pitch and the lattice orientation are different for each unit.

ユニット内ピッチ:530nm、590nm、650nm
格子高さ:50nm
周期格子形状:格子交差角度=60度(6方最密重点構造)
格子方位:0°、15°、30°、45°
ユニットサイズ:50μm×50μm
断面形状:略矩形
In-unit pitch: 530 nm, 590 nm, 650 nm
Lattice height: 50 nm
Periodic lattice shape: lattice crossing angle = 60 degrees (6-way close-packed structure)
Lattice orientation: 0 °, 15 °, 30 °, 45 °
Unit size: 50μm × 50μm
Cross-sectional shape: almost rectangular

(樹脂による複製)
パタンが形成されたSi原版上に紫外線硬化性樹脂を0.01mm塗布し、厚み0.2mmのPETをSi原版上に置き、さらに露光中のフィルムのカールを抑える目的で厚さ3mmのガラス板をフィルムの上に置いた。そして、フィルム側から中心波長365nm、照射強度1000mJ/cmの紫外線ランプを1分間照射し、微細凹凸格子を転写した。
(Replication with resin)
A glass plate having a thickness of 3 mm for the purpose of applying 0.01 mm of UV curable resin on the Si original plate on which the pattern is formed, placing PET having a thickness of 0.2 mm on the Si original plate, and further suppressing curling of the film during exposure. Was placed on the film. Then, an ultraviolet lamp having a central wavelength of 365 nm and an irradiation intensity of 1000 mJ / cm 2 was irradiated from the film side for 1 minute to transfer the fine uneven grating.

(Niスタンパ作製)
得られた転写フィルムに導電化処理をほどこした後、それぞれニッケル等を電気メッキし、ニッケルスタンパを作製した。
(Ni stamper production)
The obtained transfer film was subjected to a conductive treatment and then electroplated with nickel or the like to produce a nickel stamper.

(UV賦形)
Niスタンパ上に紫外線硬化性樹脂を0.01mm塗布し、厚み0.2mmのPETをNi原版上に置き、さらに露光中のフィルムのカールを抑える目的で厚さ3mmのガラス板をフィルムの上に置いた。そして、フィルム側から中心波長365nm、照射強度1000mJ/cmの紫外線ランプを1分間照射し、微細凹凸格子を転写した。
(UV shaping)
An ultraviolet curable resin is applied to a Ni stamper by 0.01 mm, a PET having a thickness of 0.2 mm is placed on the Ni original plate, and a glass plate having a thickness of 3 mm is placed on the film for the purpose of suppressing curling of the film during exposure. placed. Then, an ultraviolet lamp having a central wavelength of 365 nm and an irradiation intensity of 1000 mJ / cm 2 was irradiated from the film side for 1 minute to transfer the fine uneven grating.

(有機EL素子の作製)
UV賦形の終わった基材を用いて有機EL素子を作製した。有機EL素子は、基板が凹凸が付与されたPETフィルムよりなる。その上に、バッファー層、陰極、電子輸送層、ホール輸送層、陽極の順に積層した。ここで、電子輸送層が発光層を兼ねる。各層の材料及び膜厚、成膜方法は以下の通りである。
(1)バッファー層:SiO 100nm 真空蒸着
(2)陰極:Ag 40nm 真空蒸着
(3)電子輸送層:Tris−(8−hydroxyquinoli ne)aluminum(Alq) 40nm 真空蒸着
(4)ホール輸送層:N,N’−diphenyl−N,N’−bis(1−naphthyl)−(1,1’−biphenyl)−4,4’−diamine(NPB) 60nm 真空蒸着
(5)陽極: ITO 150nm スパッタリング
(Production of organic EL element)
An organic EL element was produced using the substrate after UV shaping. The organic EL element is made of a PET film having a substrate with irregularities. On top of that, a buffer layer, a cathode, an electron transport layer, a hole transport layer, and an anode were laminated in this order. Here, the electron transport layer also serves as the light emitting layer. The material and film thickness of each layer and the film formation method are as follows.
(1) Buffer layer: SiO 2 100 nm Vacuum deposition (2) Cathode: Ag 40 nm Vacuum deposition (3) Electron transport layer: Tris- (8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq 3 ) 40 nm Vacuum deposition (4) Hole transport layer: N, N′-diphenyl-N, N′-bis (1-naphthyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine (NPB) 60 nm Vacuum deposition (5) Anode: ITO 150 nm sputtering

[比較例1]
周期格子構造をもたない平滑なNi板を用いて、実施例1と全く同じ操作でフラットなUV硬化樹脂が積層されたPET基材上に有機EL素子を形成したものを比較例1とした。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 was obtained by forming an organic EL element on a PET base material on which a flat UV curable resin was laminated by the same operation as Example 1 using a smooth Ni plate having no periodic grating structure. .

[実施例2]
全面同一の構造、すなわちユニットは存在せずに、全面のピッチ、格子方位が完全にそろった周期構造が形成されたPETフィルムを用いて、実施例1と全く同じ操作で有機EL素子を形成したものを実施例2とした。なお、ピッチは590nmとした。
[Example 2]
An organic EL device was formed in exactly the same manner as in Example 1, using a PET film having a periodic structure in which the entire surface had the same structure, that is, no unit, and the pitch and lattice orientation of the entire surface were completely aligned. This was designated as Example 2. The pitch was 590 nm.

[EL強度の評価]
ELスペクトルとEL強度の比較のために、トプコンテクノハウス社製分光放射輝度計SR−3にて輝度を測定した。測定方向は発光面に対して垂直方向となるようにした。その結果を表1に示した。表1には、比較例1のLv値を1として規格化した値を記した。表1から明らかな通り、表面に凹凸を設けた実施例1および実施例2の輝度が高いことがわかる。
[Evaluation of EL intensity]
For comparison between the EL spectrum and the EL intensity, the luminance was measured with a spectral radiance meter SR-3 manufactured by Topcon Technohouse. The measurement direction was set to be perpendicular to the light emitting surface. The results are shown in Table 1. Table 1 shows values normalized by setting the Lv value of Comparative Example 1 to 1. As is clear from Table 1, it can be seen that the brightness of Example 1 and Example 2 in which unevenness is provided on the surface is high.

[カラーシフトの評価]
実施例および各比較例それぞれを発光させた状態で、サンプル周囲に白色の円筒形の紙をかぶせ、紙に投影された像を目視にて観察した。その結果、実施例1および比較例1では全面の色味が同等であったのに対し、実施例2においては円周方向120°おきに虹のような色味(分光)が観察された。これは、実施例2では周期構造に由来する回折により発光された光が波長ごとに分離されたことによるが、ほとんど目に見えるカラーシフトは無い。実施例1では各ユニットが様々な周期、格子方位を有するために、各ユニットでの回折がランダム化され布に投影されるため、人間が視認できるレベルにおいては同一の色味に感じられる。
[Evaluation of color shift]
In the state in which each of the example and each comparative example was made to emit light, white cylindrical paper was placed around the sample, and the image projected on the paper was visually observed. As a result, in Example 1 and Comparative Example 1, the color of the entire surface was the same, whereas in Example 2, a rainbow-like color (spectrum) was observed every 120 ° in the circumferential direction. This is because in Example 2, the light emitted by diffraction originating from the periodic structure was separated for each wavelength, but there was almost no visible color shift. In Example 1, since each unit has various periods and lattice orientations, diffraction in each unit is randomized and projected onto the cloth, so that the same color is felt at a level that can be visually recognized by humans.

本発明の回折格子基板は、プラズモニック多結晶基板等の発光デバイス用の基板として好適に用いられる。   The diffraction grating substrate of the present invention is suitably used as a substrate for a light emitting device such as a plasmonic polycrystalline substrate.

Claims (12)

150nm〜1500nmのピッチの周期格子構造を有する回折格子基板。   A diffraction grating substrate having a periodic grating structure with a pitch of 150 nm to 1500 nm. ピッチ、高さ及び格子方位の少なくともいずれか一つが異なる周期格子構造を有するユニットがランダムに配置された構造を有し、前記ユニットの面積が3μm〜1000000μmであることを特徴とする請求項1に記載の回折格子基板。 Pitch, claims unit having at least any one is different periodic grating structure height and the grid orientation has its structure arranged randomly, the area of the unit is characterized in that it is a 3μm 2 ~1000000μm 2 The diffraction grating substrate according to 1. 前記回折格子基板が樹脂からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to claim 1 or 2, wherein the diffraction grating substrate is made of a resin. 前記回折格子基板が金属からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to claim 1, wherein the diffraction grating substrate is made of metal. 前記回折格子基板上の表面に金属の薄膜が被覆された構造であることを特徴とする請求項3に記載の回折格子基板。   4. The diffraction grating substrate according to claim 3, wherein a surface of the diffraction grating substrate is covered with a metal thin film. 前記金属の周期格子構造の高さが10nm〜200nmであることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の多結晶性回折格子基板。   6. The polycrystalline diffraction grating substrate according to claim 4, wherein the metal periodic grating structure has a height of 10 nm to 200 nm. 前記ユニットの形状が長方形または正方形であることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれかに記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to any one of claims 2 to 6, wherein the unit has a rectangular or square shape. 前記ユニット同士の間隔が100μm以下であることを特徴とする請求項2から請求項7のいずれかに記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to claim 2, wherein an interval between the units is 100 μm or less. 各ユニットに形成された前記金属の周期格子構造の格子方位のズレが15°以下できざまれていることを特徴とする請求項4から請求項8のいずれかに記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to any one of claims 4 to 8, wherein a deviation of a grating orientation of the periodic metal grating structure formed in each unit is set to 15 ° or less. 前記金属の周期格子構造が、6方最密充填格子で配置されていることを特徴とする請求項4から請求項9のいずれかに記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to any one of claims 4 to 9, wherein the metal periodic grating structure is arranged in a hexagonal close-packed grating. 前記金属が銀、アルミニウム、及び金からなる金属から選択される少なくとも1つであることを特徴とする請求項4から請求項10のいずれかに記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to any one of claims 4 to 10, wherein the metal is at least one selected from silver, aluminum, and gold. 前記ピッチが発光中心波長の±200nmの範囲であることを特徴とする請求項1から請求項11のいずれかに記載の回折格子基板。   The diffraction grating substrate according to any one of claims 1 to 11, wherein the pitch is in a range of ± 200 nm of the emission center wavelength.
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