KR20160070142A - 유기 전계 발광 소자, 조명 장치 및 표시 장치 - Google Patents

유기 전계 발광 소자, 조명 장치 및 표시 장치 Download PDF

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야스히사 이나다
아키라 하시야
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Abstract

유기 전계 발광 소자는, 광 투과성 기판(1)과, 제1 전극(3), 발광층(5), 및 제2 전극(4)을 가지는 발광 적층체(10)와, 요철 구조(20)를 가지는 광 추출 구조(2)를 구비하고 있다. 발광층(5)은, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 굴절율이, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 굴절율보다 큰 복굴절율성을 가진다. 요철 구조(20)는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부(11)가 매트릭스형의 요철 1구획마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되고, 평면에서 볼 때의 단위 영역에서의 볼록부(11)의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일하다.

Description

유기 전계 발광 소자, 조명 장치 및 표시 장치{ORGANIC ELECTROLUMINESCENT ELEMENT, ILLUMINATION DEVICE, AND DISPLAY DEVICE}
유기 전계 발광 소자, 및 이것을 사용한 조명 장치 및 표시 장치가 개시된다. 더욱 상세하게는, 광 추출 구조를 구비한 유기 전계 발광 소자가 개시된다.
유기 전계 발광 소자(이하 「유기 EL 소자」라고도 함)로서, 광 투과성을 가지는 기판의 표면에, 양극, 홀 수송층, 발광층, 전자 주입층 및 음극을 가지는 발광 적층체가 적층된 구조가 일반적으로 알려져 있다. 유기 EL 소자에서는, 양극과 음극의 사이에 전압을 인가함으로써, 발광층에서 발한 광이, 광 투과성을 가지는 전극 및 기판을 통해 외부로 추출된다.
유기 EL 소자의 광 추출 효율에 대해서는, 일반적으로 20∼30 % 정도로 알려져 있다. 이는, 이른바 발광으로서 유효하게 활용되고 있지 않은 광이 전체 발광량의 70∼80 %를 차지한다는 의미이다. 굴절율이 상이한 계면에서의 전반사, 재료에 의한 광의 흡수 등에 의해, 발광을 관측하는 외계로 유효하게 광을 전파할 수 없기 때문이다. 따라서, 광 추출 효율 향상에 의한 유기 EL 소자 효율 향상에 대한 기대치는 매우 크다.
광 추출 효율을 향상시키기 위한 시도가 지금까지 매우 많이 이루어지고 있다. 그 중에서도 특히, 유기층으로부터 기판으로의 도달 광을 증가시키는 시도가 많이 이루어지고 있다. 일반적으로, 유기층의 굴절율이 약 1.7 이상이며, 또한 통상적으로, 기판으로서 사용되는 유리의 굴절율이 약 1.5이므로, 유기층과 유리와의 계면에서 발생하는 전반사 손실(박막 도파(導波) 모드)은, 전체 방사광의 약 50%에 달한다. 이 유기층-기판 사이의 전반사 손실을 저감함으로써, 유기 EL 소자의 광 추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
전반사 손실을 저감하는 방법으로서, 최근, 쌍극자의 원리를 이용한 방법이 개발되어 있다(예를 들면, S. -Y. Kim et al., "Organic Light-Emitting Diodes with 30%External Quantum Efficiency Based on a Horizontally Oriented Emitter," Adv. Funct. Mater. 2013, DOI: 10.1002/adfm.201300104, 2013 참조). 이 방법에 의하면, 분자의 배향에 의해 광 추출 효율이 높아져 있다.
그러나, 유기 EL 소자에 있어서는, 상기한 문헌에 기재된 것과 같은 방법에 의해서도 광 추출 효율은 충분히 높아져 있다고 할 수 없으며, 이것보다 광 추출성을 더욱 높이는 구조가 요구되고 있다.
S. -Y. Kim et al., "Organic Light-Emitting Diodes with 30%External Quantum Efficiency Based on a Horizontally Oriented Emitter," Adv. Funct. Mater. 2013, DOI: 10.1002/adfm.201300104, 2013
본 개시의 목적은, 광 추출 효율이 높은 유기 EL 소자, 조명 장치 및 표시 장치를 제공하는 것이다.
유기 전계 발광 소자가 개시된다. 유기 전계 발광 소자는, 광 투과성 기판과, 광 투과성을 가지는 제1 전극, 발광층, 및 제2 전극을 상기 광 투과성 기판측으로부터 이 순서로 가지는 발광 적층체와, 요철 구조를 가지는 광 추출 구조를 구비하고 있다. 상기 발광층은, 상기 광 투과성 기판의 표면과 평행한 방향에서의 굴절율이, 상기 광 투과성 기판의 표면에 수직인 방향에서의 굴절율보다 큰 복굴절율성을 가지고 있다. 상기 광 추출 구조는, 상기 제1 전극보다 광 추출 측으로 배치되어 있다. 상기 요철 구조는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부가 매트릭스형의 요철 1구획마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되고, 평면에서 볼 때의 단위 영역에 있어서의 상기 볼록부의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일하다.
조명 장치가 개시된다. 조명 장치는, 상기한 유기 전계 발광 소자와, 배선을 구비하고 있다.
표시 장치가 개시된다. 표시 장치는, 상기한 유기 전계 발광 소자와, 배선을 구비하고 있다.
본 개시의 유기 전계 발광 소자는, 발광층이 복굴절율성을 가지고, 제1 전극보다 광 추출측으로 광 추출 구조가 설치되는 것에 의해, 발광층으로부터의 광을 더욱 외부로 많이 추출할 수 있다. 그 결과, 광 추출 효율이 높고, 발광 특성이 우수한 유기 전계 발광 소자, 조명 장치 및 표시 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 유기 전계 발광 소자의 층 구성의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 유기 전계 발광 소자를 설명하기 위한 3차원 개념도이다.
도 3은 도 3의 A 및 도 3의 B에 의해 구성된다. 도 3은, 쌍극자의 진동 방향과 방사광의 배향의 관계를 나타낸 설명도(개념도)이다. 도 3의 A는 진동 방향이 수평 배향인 경우, 도 3의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우를 나타낸다.
도 4는 도 4의 A 및 도 4의 B에 의해 구성된다. 도 4는, 쌍극자의 진동 방향과 방사광의 배향의 관계를 나타낸 설명도(단면도)이다. 도 4의 A는 진동 방향이 수평 배향인 경우, 도 4의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우를 나타낸다.
도 5는 도 5의 A 및 도 5의 B에 의해 구성된다. 도 5는, 쌍극자의 진동 방향과 방사광의 배향의 관계를 나타낸 설명도(사시도)이다. 도 5의 A는 진동 방향이 수평 배향인 경우, 도 5의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우를 나타낸다.
도 6은 도 6의 A 및 도 6의 B에 의해 구성된다. 도 6은, 쌍극자의 진동 방향과 방사광의 배향의 관계를 나타낸 설명도(단면도)이다. 도 6의 A는 진동 방향이 수평 배향인 경우, 도 6의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우를 나타낸다.
도 7은 도 7의 A 및 도 7의 B에 의해 구성된다. 도 7은, 쌍극자의 진동 방향과 방사광의 배향의 관계를 나타낸 설명도(평면도)이다. 도 7의 A는 진동 방향이 수평 배향인 경우, 도 7의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우를 나타낸다.
도 8은 굴절율의 상이한 매질의 계면(굴절율 계면)을 통과하는 광의 굴절을 설명하는 모식도이다.
도 9는, 도 9의 A, 도 9의 B 및 도 9의 C에 의해 구성된다. 도 9는, 쌍극자를 포함하는 발광층을 가지는 유기 EL 소자의 층 구성의 모델이다. 도 9의 A는 진동 방향이 랜덤 배향인 경우, 도 9의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우, 도 9의 C는 진동 방향이 수평 배향인 경우를 나타낸다.
도 10은, 도 10의 A, 도 10의 B 및 도 10의 C에 의해 구성된다. 도 10은, 쌍극자를 포함하는 발광층을 가지는 유기 EL 소자에서의, 발광점과 반사층과의 거리와, 광의 분포와의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 10의 A는 진동 방향이 랜덤 배향인 경우, 도 10의 B는 진동 방향이 수직 배향인 경우, 도 10의 C는 진동 방향이 수평 배향인 경우를 나타낸다.
도 11은, 도 11의 A 및 도 11의 B에 의해 구성된다. 도 11은, 요철 구조의 일례를 설명하는 설명도이며, 도 11의 A는 평면도, 도 11의 B는 단면도를 나타낸다.
도 12는, 도 12의 A 및 도 12의 B에 의해 구성된다. 도 12의 A는, 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 12의 B는 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 13은 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이며, 평균 피치를 구하는 방법의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 14는 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이며, 평균 피치를 구하는 방법의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 15는, 도 15의 A, 도 15의 B 및 도 15의 C에 의해 구성된다. 도 15의 A는, 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 15의 B는, 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 15의 C는, 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 16은, 도 16의 A, 도 16의 B, 도 16의 C 및 도 16의 D에 의해 구성된다. 도 16의 A는 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 16의 B는, 도 16의 A의 요철 구조를 푸리에 변환한 상태를 나타낸 분포도이다. 도 16의 C는 요철 구조의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 16의 D는, 도 16의 C의 요철 구조를 푸리에 변환한 상태를 나타낸 분포도이다.
도 17은 도 17의 A∼도 17의 E에 의해 구성된다. 도 17은, 광학 구조의 모델을 나타내고 있다. 도 17의 A는 요철 구조를 가지는 광 추출 구조, 도 17의 B는 마이크로 렌즈 어레이 구조, 도 17의 C는 마이크로 피라미드 어레이 구조, 도 17의 D는 산란 구조, 도 17의 E는 경면 구조를 나타내고 있다.
도 18은 광학 구조를 변화시킨 경우에 있어서의, 광의 입사 각도와 투과율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 19는 다중 반사를 고려한 경우의 광 추출 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 20은 요철 구조를 변화시킨 경우에 있어서의, 광의 입사 각도와 투과율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 21은 톱니 구조를 가지는 광 추출 구조의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 22는 유기 전계 발광 소자의 층 구성의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 23은 유기 전계 발광 소자의 층 구성의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 24는 도 24의 A, 도 24의 B 및 도 24의 C에 의해 구성된다. 도 24는, 복굴절율성을 가지는 매질에 침입하는 광의 개념도이다. 도 24의 A는, 광이 수직 방향으로 진행되는 경우를 나타낸다. 도 24의 B는, 비교적 작은 입사 각도로 광이 경사 방향으로 진행되는 경우를 나타낸다. 도 24의 C는, 비교적 큰 입사 각도로 광이 경사 방향으로 진행되는 경우를 나타낸다.
도 25는 조명 장치의 일례를 나타낸 개략 사시도이다.
도 26은 표시 장치의 일례를 나타낸 개략적인 구성도이다.
유기 전계 발광 소자(유기 EL 소자)가 개시된다. 유기 전계 발광 소자는, 광 투과성 기판(1)과, 광 투과성을 가지는 제1 전극(3), 발광층(5), 및 제2 전극(4)을 광 투과성 기판(1) 측으로부터 이 순서로 가지는 발광 적층체(10)와, 요철 구조(20)를 가지는 광 추출 구조(2)를 구비하고 있다. 발광층(5)은, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 굴절율이, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 굴절율보다 큰 복굴절율성을 가지고 있다. 광 추출 구조(2)는, 제1 전극(3)보다 광 추출 측으로 배치되어 있다. 요철 구조(20)는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부가 매트릭스형의 요철 1구획마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되어 있다. 요철 구조(20)는, 평면에서 볼 때의 단위 영역에 있어서의 볼록부의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일하다.
유기 EL 소자에서는, 발광층(5)이 복굴절율성을 가지는 것에 의해, 저각도의 광을 더욱 많이 발광층(5)으로부터 출사할 수 있다. 또한, 발광층(5)이 복굴절율성을 가지는 것에 의해, 플라즈몬의 영향을 억제할 수 있고, 광을 더욱 많이 외부로 출사할 수 있다. 또한, 복굴절율성을 가지는 발광층(5)으로부터의 광은, 저각도로 진행하는 광을 추출하기 쉬운 상기한 광 추출 구조(2)에 의해 추출되므로, 광 추출성이 높아진다. 그 결과, 광 추출 효율이 높고, 발광 특성이 우수한 유기 EL 소자를 얻을 수 있다. 이하, 추가로 설명한다.
[복굴절율성]
도 1은, 유기 EL 소자의 일례이다. 유기 EL 소자는, 광 투과성 기판(1)과 발광 적층체(10)과 광 추출 구조(2)를 구비하고 있다. 발광 적층체(10)는, 제1 전극(3), 발광층(5), 및 제2 전극(4)을 가진다. 제1 전극(3)은 광 투과성을 가진다. 제1 전극(3), 발광층(5), 및 제2 전극(4)은, 광 투과성 기판(1) 측으로부터 이 순서로 배치되어 있다. 광 추출 구조(2)는, 요철 구조(20)를 가진다. 광 투과성 기판(1)은 발광 적층체(10)를 지지하는 기판으로서 기능한다. 이 유기 EL 소자에서는, 광 추출 측은 기판 측이 된다. 유기 EL 소자는, 이른바 보텀 이미션 구조로 되어 있다. 보텀 이미션 구조란, 지지 기판으로부터 광이 추출되는 구조를 가리킨다. 광 추출 구조(2)는, 제1 전극(3)보다 광 추출 측으로 배치되어 있다. 도 1의 형태에서는, 광 추출 구조(2)는, 제1 전극(3)과 광 투과성 기판(1)의 사이에 배치되어 있다. 광 추출 구조(2)는 광 투과성 기판(1)의 표면에 설치되어 있다. 도 1에서는, 발광점으로부터의 광의 출사를 화살표로 표시하고 있다.
제1 전극(3) 및 제2 전극(4)은 쌍으로 되는 전극이다. 제1 전극(3) 및 제2 전극(4) 중 한쪽은 양극이 되고, 다른 쪽이 음극이 된다. 바람직한 일태양에서는, 제1 전극(3)이 양극으로 구성되며, 제2 전극(4)이 음극으로 구성된다. 물론, 제1 전극(3)이 음극으로 구성되며, 제2 전극(4)이 양극으로 구성될 수도 있다.
제2 전극(4)은, 광 반사성을 가지는 것이 바람직하다. 제2 전극(4)이 광 반사성을 가지는 경우, 발광층(5)으로부터의 광을 반사시켜 광 투과성 기판(1) 측으로 향하는 광으로 변환할 수 있어, 광 추출성을 높일 수 있다. 이 경우에, 제2 전극(4)은 반사 전극으로서 구성된다. 반사 전극은, 광을 반사시키는 반사층으로서 기능할 수 있다.
도 1의 유기 EL 소자는, 발광층(5)과 전극의 사이에, 전하 이동층(6)을 가진다. 전하 이동층(6)은, 발광층(5)으로 전하(전자 또는 정공)를 이동시키는 기능을 가진다. 전하 이동층(6)은, 발광층(5)과 양극의 사이에 배치되는 전하 이동층(6)과, 발광층(5)과 음극의 사이에 배치되는 전하 이동층(6)으로 구분된다. 발광층(5)과 양극의 사이에 배치되는 전하 이동층(6)으로서는, 정공 수송층, 정공 주입층 등이 예시된다. 발광층(5)과 음극의 사이에 배치되는 전하 이동층(6)으로서는, 전자 수송층, 전자 주입층 등이 예시된다. 제1 전극(3)과 발광층(5)의 사이의 전하 이동층(6)은, 제1 전하 이동층(6a)으로 정의된다. 제2 전극(4)과 발광층(5)의 사이의 전하 이동층(6)은, 제2 전하 이동층(6b)으로 정의된다. 제1 전극(3)이 양극인 경우, 제1 전하 이동층(6a)은, 정공 주입층 및 정공 수송층 중 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 것이라도 된다. 제2 전극(4)이 음극인 경우, 제2 전하 이동층(6b)은, 전자 주입층 및 전자 수송층 중 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 것이라도 된다.
발광층(5)은, 복굴절율성을 가지고 있다. 복굴절율성이란, 굴절율에 이방성을 가지는 구조이다. 유기 EL 소자에서는, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 발광층(5)의 굴절율이, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 발광층(5)의 굴절율보다 크다. 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향은, 유기 EL 소자의 발광면과 평행한 방향과 같다. 이 방향은, 유기 EL 소자의 면 방향이라고 할 수도 있다. 이 방향은, 발광 적층체(10)를 구성하는 층이 넓어지는 방향이라고 할 수도 있다. 면 방향은 2차원일 수 있다. 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향은, 유기 EL 소자의 두께 방향과 같다. 이 방향은, 발광 적층체(10)의 적층 방향이라고 할 수도 있다. 적층 방향은 1차원이다. 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향과, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향은, 직교한다.
발광층(5)이 복굴절율성을 가지는 것에 의해, 발광층(5)에 의해 발생하는 광을 더욱 많이 광 투과성 기판(1) 측으로 진행시킬 수 있다. 그러므로, 광 추출성을 향상시킬 수 있다.
도 2는, 유기 EL 소자를 설명하기 위한 3차원 개념도이다. 도 2에 의해, 공간 좌표가 설명된다. 도 2에서는, 유기 EL 소자로부터, 발광층(5)과 광 투과성 기판(1)을 발췌하여 도시하고 있다. 도 2에서는, 층의 배치를 도 1과는 상하 역전하여 묘화하고 있다. 즉, 도 2에서는, 광의 출사 방향을 위로 하고 있다. 도 2가, 도 1의 유기 EL 소자를 설명하는 것임을 이해할 수 있을 것이다. 도 2에서는, 광의 출사를 탈색 화살표로 표시하고 있다.
도 2에 나타낸 xyz의 3차원 좌표계를 사용하여, 광의 진행 방향에 대하여 생각해 보기로 한다. 3차원 좌표계에서는, x축과 y축과 z축이 직교한다. x축, y축 및 z축은 직선이다. 3차원 좌표계의 중심은, 발광점으로 가정한다. 발광점이란, 발광층(5) 내에 있어서 발광이 생기는 포인트이다. 발광 분자의 진동 중심이라고 할 수도 있다. z축은, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향을 따른 축으로서 정의된다. z축은, 두께 방향으로 연신(延伸)하는 직선이 된다. z축 방향이란, 발광층(5)으로부터 광 투과성 기판(1) 측을 향하는 방향을 지칭하기로 한다. x축 및 y축은, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향을 따른 축으로서 정의된다. x축 및 y축은, 면 방향(층이 넓어지는 방향)을 따르고 있다고 할 수 있다. x축과 y축에 의해, xy 평면이 형성된다. xy 평면은, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 면이다. xy 평면은, 발광층(5)의 표면과 평행이라고 할 수도 있다. z축 방향 및 그 역 방향을, 수직 방향으로 정의한다. xy 평면의 면 방향을, 수평 방향으로 정의한다.
발광층(5)에 있어서의 복굴절율성은, xy 평면과 평행한 방향에서의 굴절율이, z축 방향에서의 굴절율보다 큰 성질이라고 바꿔 말할 수 있다. 굴절율의 기호 n을 사용하면, xy 평면과 평행한 방향의 굴절율은, nxy로 표시할 수 있다. z축 방향의 굴절율은, nz로 표시할 수 있다. 그러므로, 발광층(5)의 복굴절율성은, nxy>nz로 표시할 수 있다.
발광층(5)에 있어서, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 발광층(5)의 굴절율 nxy는, 예를 들면, 1.6∼2.2의 범위로 할 수 있다. 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 발광층(5)의 굴절율 nz는, 예를 들면, 1.5∼2.0의 범위로 할 수 있다. 유기 EL 소자의 광의 추출 구조의 설계에 있어서는, 통상, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향(두께 방향)에서의 발광층(5)의 굴절율 nz를 발광층(5)의 굴절율로서 사용할 수 있다. 두께 방향으로 진행되는 광이 외부로의 출사에 많이 기여하기 때문이다. 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 발광층(5)의 굴절율 nxy와, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 발광층(5)의 굴절율 nz의 굴절율 차는, 0.1 이상인 것이 바람직하고, 0.2 이상인 것이 보다 바람직하며, 0.3 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이 굴절율 차가 커질수록, 광 추출성을 높일 수 있다. 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 발광층(5)의 굴절율 nxy와, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 발광층(5)의 굴절율 nz의 굴절율 차의 상한은, 특별히 없지만, 제조의 용이성의 관점 등을 고려하여, 예를 들면, 이 굴절율 차는, 0.5 이하로 할 수 있다. 발광층(5)에서의 굴절율은, 분광 엘립소메트리에 의해 구해지는 값이라도 된다. 측정 장치로서는, 분광 엘립소미터 등을 사용할 수 있다.
발광층(5)에 있어서의 복굴절율성은, 발광 분자의 배향에 의해 실현될 수 있다. 발광 분자(간단히 「분자」라고도 함)는 쌍극자 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이 때, 발광 분자는 쌍극자로서 가정된다. 쌍극자는 전기 쌍극자이다. 발광 분자에 있어서의 쌍극자의 진동 방향을 제어함으로써 복굴절율성이 발현된다. 발광 분자는, 이른바 도판트라도 된다.
쌍극자의 구조를 가지는 분자가 배향한 분자 배향막에서는, 분자의 배치 구조가 이방성을 가지게 된다. 그리고, 분자의 배치 구조가 이방성를 가지는 것에 의해, 그 분자를 가지는 막은 굴절율에 있어서 이방성을 나타내게 된다. 여기서, 쌍극자의 진동 방향이 수평 방향으로 배향하여 분자가 수평 배향이 된 경우에는, 수평 방향의 굴절율 nxy가, 수직 방향의 굴절율 nz보다 커지는 경향이 있다. 분자 배향하고 있는 방향의 굴절율이 높아진다. 이와 같이, 분자 배향한 발광층(5)을 형성함으로써, 광 추출성을 높일 수 있다.
도 3은, 쌍극자(전기 쌍극자)의 진동 방향과 광의 배향성의 관계를 나타낸 개념도이다. 도 3은 도 3의 A 및 도 3의 B에 의해 구성된다. 도 3에서는, 수평 방향을 따라 유기 EL 소자의 측방으로부터 쌍극자를 본 모양을 나타내고 있다. 쌍극자의 진동은, 양 방향의 화살표로 도시되어 있다. 양 방향의 화살표의 중앙이 진동 중심이다. 도 3의 A는, 수평 방향으로 진동한 쌍극자의 진동과 광의 배향성과의 관계를 나타내고 있다. 도 3의 A에서는, 분자는 수평 배향하고 있다. 수평 배향이란, 쌍극자의 진동 방향이 수평 방향으로 배향하고 있는 것을 말한다. 도 3의 B는, 수직 방향으로 진동한 쌍극자의 진동과 광의 배향성과의 관계를 나타내고 있다. 도 3의 B에서는, 분자는 수직 배향하고 있다. 수직 배향이란, 쌍극자의 진동 방향이 수직 방향으로 배향하고 있는 것을 말한다. 도 3에 있어서, 화살표는 진동하는 방향을 나타내고 있다. 도3에 있어서, 방사상으로 묘화되고 농담(濃淡)이 부여된 원이, 방산되는 광을 나타내고 있다. 이 원에 있어서는, 광의 양이 많은 곳에는 진하게 그려지고, 광의 양이 적은 곳에는 엷게 그려져 있다.
도 3의 A 및 도 3의 B에서는, 광이 일정하게 퍼지고 있지 않고, 광이 소정 방향으로 배향하고 있다. 여기서, 광이 배향하고 있는 것이란, 발광층(5)에서 발생하는 쌍극자로부터의 방사광의 진동 방향이 수평 방향 또는 수직 방향으로 편재하고 있는 것을 의미한다. 쌍극자가 배향되어 있지 않은 통상의 유기 EL 소자에서는, 수평 방향 및 수직 방향의 방사광이 랜덤하게 출현하여, 광의 배향성은 없어진다. 광의 배향성이 없는 배향을, 편의 상, 랜덤 배향이라고 한다. 랜덤 배향에는 배향성이 없는 것은 물론이다.
수직 방향을 따라 진행하는 광(기판을 향하는 방사광)을 생각하면, 도 3의 A에 나타낸 바와 같이, 쌍극자가 수평 배향한 경우, 수평 방향으로 진동하는 쌍극자로부터의 방사광은, 도 3의 B에 나타낸 바와 같은 수직 방향으로 진동하는 쌍극자로부터의 방사광보다 많이 존재한다. 예를 들면, 수직 방향의 광의 강도와 수평 방향의 광의 강도의 비는, 2:1이 되거나, 3:1이 된다. 광의 강도가 높으면, 광의 양도 많아진다. 이와 같이, 발광 분자(쌍극자)의 배향에 의해 진행하는 광의 강도가 변화한다. 그리고, 쌍극자가 수평 배향함으로써, 기판을 향하는 광의 양이 많아지므로, 광 추출 효율을 더욱 높일 수 있다. 그리고, 수직 방향으로 진행하는 광에는, 기판을 향하는 광과 기판과는 반대측을 향하는 광이 존재하지만, 기판의 반대측을 향하는 광은 반사에 의해 반전시켜, 기판을 향하는 광으로 변환할 수 있다. 그러므로, 전체적으로 추출되는 광은, 쌍극자가 수평 배향으로 되어 수직 방향의 방사광이 많은 경우가 많아진다.
도 4는, 쌍극자의 진동 방향과 광의 배향성과의 관계를 나타낸 개념도이다. 도 4는 도 4의 A 및 도 4의 B에 의해 구성된다. 도 4의 A는 쌍극자가 수평 배향한 경우를 나타내고, 도 4의 B는 쌍극자가 수직 배향한 경우를 나타낸다. 쌍극자의 진동은, 양 방향의 화살표로 도시되어 있다. 양 방향의 화살표의 중앙이 진동 중심이다. 도 4에서는, 쌍극자에 의한 광의 배향성에 더하여, 광 투과성 기판(1)의 표면을 기판 표면(1a)으로서 모식적으로 도시하고 있다. 쌍극자와 기판 표면(1a)의 사이의 거리는 실제로는 이 도면에서 나타내는 거리보다 커도 된다. 도 4에서는, 색의 농담으로 광의 양을 표시하고 있다. 도 4의 A와 도 4의 B를 비교하면, 광 투과성 기판(1)을 향하는 광은, 쌍극자가 수평 배향한 도 4의 A 쪽이 많은 것을 알 수 있다.
도 5는, 광의 방사 패턴을 3차원적으로 나타낸 모식도이다. 도 5는 도 5의 A 및 도 5의 B에 의해 구성된다. 도 5의 A는 쌍극자가 수평 배향한 경우를 나타내고, 도 5의 B는 쌍극자가 수직 배향한 경우를 나타낸다. 도 5에서는, 쌍극자의 진동 방향과 광의 방사 패턴이 xyz 좌표계로 도시되어 있다.
도 5에서는, 광의 방사를 벡터 μ로 나타내고 있다. 벡터 μ는, 각도와 크기(강도)를 가진다. 쌍극자의 진동은 벡터 v로 나타내고 있다. 벡터 μ와 y축이 이루는 각도는 φ로 나타낸다. 벡터 μ와 z축이 이루는 각도는 θ로 나타낸다.
도 5의 A 및 도 5의 B에서는, 광의 방사 패턴을 선(50)으로 나타내고 있다. 도 5의 A에서는, 쌍극자의 진동 방향은 x축의 방향으로 되어 있다. 이 경우에, 방사광의 패턴은 장축이 수직 방향을 따른 2개의 타원체 또는 2개의 구체(球體)가 된다. 도 5의 B에서는, 쌍극자의 진동 방향은 z축의 방향으로 되어 있다. 이 경우에, 방사광의 패턴은, 수평 방향을 따른 2개의 구체가 된다. 도 5의 A 및 도 5의 B의 방사 패턴(선(50))을 비교하여도, 도 5의 A 쪽이 유리한 것을 알 수 있다.
도 6은, 도 5의 광의 방사 패턴을 수평 방향으로부터 본 상태를 나타낸 도면이다. 도 6은 도 6의 A 및 도 6의 B에 의해 구성된다. 도 6의 A는 쌍극자가 수평 배향한 경우를 나타내며, 도 5의 A에 대응한다. 도 6의 B는 쌍극자가 수직 배향한 경우를 나타내며, 도 5의 B에 대응한다. 도 6에서는, 도 5에서의 쌍극자의 진동 방향과 광의 방사 패턴을 나타낸 도면이, yz 평면에 있어서의 단면(斷面)으로 묘화되어 있다. 도 6에서는, 또한, 굴절율이 상이한 매질의 계면을 통과하는 것에 의한 광의 굴절이 묘화되어 있다. 광은 화살표로 나타내고 있다. 분자의 진동은 벡터 v로 나타내고 있다. 임계각은 θc로 나타내고 있다. 광의 방사 패턴이 선(50)으로 나타나 있다. 도 6에서 나타낸 바와 같이, 임계각 θc보다 작은 각도의 광의 성분의 양은, 도 6의 B의 경우보다, 도 6의 A의 경우가 많아지는 경향이 있다. 즉, 도 6의 A는 도 6의 B보다 광의 출사량이 많아지기 쉽다. 그러므로, 도 6의 A가, 광 추출성에 유리한 것을 알 수 있다.
도 7은, 쌍극자의 진동 방향과 광의 배향성과의 관계를 나타낸 개념도이다. 도 7은 도 7의 A 및 도 7의 B에 의해 구성된다. 도 7에서는, 발광층을 평면에서 볼 때의 광의 배향을 나타내고 있다. 평면에서 볼 때란, 기판의 표면과 수직인 방향을 따라 본 경우이다. 도 7의 A는 쌍극자가 수평 배향한 경우를 나타내며, 도 5의 A에 대응한다. 도 7의 B는 쌍극자가 수직 배향한 경우를 나타내며, 도 5의 B에 대응한다. 도 7에서의 x 및 y는, 3차원 좌표계에 있어서의 x축 및 y축에 대응한다. x 및 y가 0의 위치가 쌍극자의 진동의 중심이다. 색의 농담은 광의 양을 나타내고 있다. 도 7은, xy 평면에서의 단면이라고 할 수 있다. 도 7의 A에서는, 쌍극자의 진동을 양 방향의 백색 화살표로 나타내고 있다. 도 7의 A에서는, 진동 방향을 알기 쉽게 하기 위해 백색 화살표로 기재하고 있지만, 실제로는 이 백색 화살표의 부분은, 주위의 색조로부터 알 수 있는 바와 같이, 흑색이 진하게 되어 있다. 도 7의 B에서는, 쌍극자의 진동은, 지면(紙面)에 수직인 방향이며, 검은 점으로 나타나고 있다. 도 7의 B에서는, 진동 방향을 알기 쉽게 하기 위해 검은 점을 기재하고 있지만, 실제로는 이 검은 점 부분은, 주위의 색조로부터 알 수 있는 바와 같이, 백색이 진하게 되어 있다.
도 7의 A에서는, 쌍극자가 수평 배향하고 있다. 도 7의 A에서는, 쌍극자의 진동 방향을 x축 및 y축을 따른 양 방향의 화살표로 나타내고 있지만, 쌍극자의 진동 방향은, x축 및 y축을 따른 것뿐만 아니라, xy 평면 상에 랜덤하게 존재하는 것이라도 된다. 도 7의 A의 경우, 쌍극자의 중심에서의 색이 진하게 되어 있어, 광이 중앙으로 많은 것을 알 수 있다. 이는, 도 4의 A, 도 5의 A 및 도 6의 A에서 설명한 바와 같이, 많은 방사광이 z축의 방향을 따르므로, 평면에서 볼 때의 중앙 부분에 있어서 광의 양이 많아지기 때문이다. 한편, 도 7의 B의 경우, 쌍극자의 중심에서는 색이 엷고, 쌍극자의 원형이 된 주위에서 색이 진해져 있다. 이는, 도 4의 B, 도 5의 B 및 도 6의 B에서 설명한 바와 같이, 방사광이 xy 평면의 면 방향을 따르기 때문에, 평면에서 볼 때의 중앙 부분에서는 광의 양이 적어지기 때문이다. 도 7의 A와 도 7의 B의 비교로부터도, 도 7의 A 쪽이 유리한 것을 알 수 있다.
다음으로, 상기한 광의 방사 패턴의 모식도를 이용하여, 발광층으로부터 발해지는 광이 대기중으로 추출되는 전체 방사속(放射束)을 계산에 의해 구한다.
도 8은, 상이한 굴절율을 가지는 매질을 진행하는 광의 굴절을 나타내는 설명도이다. 도 8의 모델에 의해, 광의 굴절 및 편광을 설명한다. 광이 굴절율 n1의 매질로부터 굴절율 n2의 매질로 입사각 θ1으로 입사한 경우, 굴절율 n1의 매질과 굴절율 n2의 매질과의 계면에서는 굴절이 발생하고, 광의 진행 방향은, 출사각 θ2의 방향으로 된다. 굴절율이 상이한 2개의 매질의 경계 부분의 계면은, 굴절율 계면으로 정의된다. 여기서, θ1 및 θ2는, 굴절율 계면(2개의 매질의 계면)에 대하여 수직인 방향에 대한 각도이다. 광에는, p 편광과 s 편광이 존재한다. 도 8에서는, p 편광은 수직 방향의 광으로서 화살표로 기재되어 있다. s 편광은 수평 방향의 광으로서 동그라미로 둘러싼 X 표시로 기재하고 있다. 동그라미로 둘러싼 X 표시는, 지면에 수직인 방향을 나타내는 마크이다. p 편광의 방사속 Tp 및 s 편광의 방사속 Ts는, 하기의 식으로 표시할 수 있다.
[수식 1]
Figure pct00001
여기서, 상이한 굴절율의 매질을 통과하는 광에서의 굴절율과 각도의 관계에 있어서는,
n1sinθ1 = n2sinθ2
의 식이 성립한다.
전반사가 발생하는 임계각을 생각해 보기로 한다. 임계각은 θc로서 표시된다. 따라서, θ1=θc로 된다. 이 때, 임계각은 광의 전반사가 발생하는 각도이므로, θ2가 90°로 되는 경우이며, 라디안 단위로,
θ2=π/2
가 된다.
또한, 대기의 굴절율을 고려하면, 대기(공기)의 굴절율은 1이므로, n2=1이 된다. 그리고, 대기인 외부와 발광층의 사이에는 다른 층도 존재하지만, 그 사이의 층의 굴절율과 각도의 관계에 있어서도 각각, 상기한 관계가 성립되며, 결국, 외부로 추출되는 광을 생각할 때에는, 대기와 발광층의 사이의 굴절율 차를 고려하면 된다.
그리고, 상기한 식으로부터,
sinθc = 1/n1
이 성립된다.
이들 조건을 고려하여, 계산을 행한다.
표 1은, 쌍극자의 배향 패턴에서의, 대기 중에 추출되는 광의 전체 방사속의 계산식을 나타낸 표이다. 이 표에는, p 편광 성분 및 s 편광 성분도 기재되어 있다. 광의 성분은, p 편광과 s 편광으로 나누어지며, p 편광 및 s 편광을 고려함으로써, 광 추출성을 더욱 높일 수 있다. 공기(대기)의 굴절율은 1이다. 그러므로, 대기중에 추출되는 광의 전체 방사속은, 굴절율 1의 매질에 추출되는 광의 전체 방사속이 된다. 대기 중에 추출되는 광의 전체 방사속은, 전체 광으로부터 외부로 출사하는 광이며, 광 추출 효율을 의미한다.
표 1에서의 각도 θ 및 φ는, 도 5에서 설명한 각도와 동일하다. 또한, u는, 도 5에서 설명한 벡터 u의 크기이다. 또한, Tp는 p 편광의 투과율이며, Ts는 s 편광의 투과율이다. 또한, Ep는 p 편광의 광 강도 성분이며, Es는 s 편광의 광 강도 성분이다. 표 1에 있어서, θc는 임계각이다.
[표 1]
Figure pct00002
이상의 조건을 바탕으로, 굴절율이 변화된 경우에 있어서의 배향성의 상이에 의한 광 추출 효과를 시뮬레이션에 의해 구한다.
표 2에 결과를 나타내었다. 표 2에서는, 쌍극자가, 랜덤 배향한 경우, 수직 배향한 경우 및 수평 배향한 경우에 있어서의 광 추출 효율이 나타나 있다. 표 2는, 굴절율 n1의 발광층으로부터 굴절율 n2=1인 공기로의 광 추출 효율을 나타내고 있다. 그리고, 표 2에서는, 발광층의 굴절율 n1을 유기층 전체의 굴절율로 하고 있다. 또한, 기판의 굴절율은 무시하고 있다. 이와 같이 생각하더라도, 광 추출성을 높이기 위한 구조의 경향은 확인할 수 있는 것이며, 소자 설계에 문제는 없다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 랜덤 배향을 기준으로서 본 경우, 수직 배향에서는 광 추출 효율이 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 수평 배향에서는 랜덤 배향보다 광 추출 효율이 향상되어 있다. 이는, 수평 방향으로 진동하는 분자로부터의 광은 굴절율 계면에 대하여 비교적 입사 각도가 작은 것이 많으며, 쌍극자의 수평 배향에서는, 전반사가 일어나지 않는 영역에 방사되는 광이 상대적으로 많기 때문인 것으로 여겨진다. 반대로, 수직 방향으로 진동하는 분자로부터의 광은 입사 각도가 큰 광이 많기 때문에, 쌍극자의 수직 배향에서는, 대부분의 광이 굴절율 계면에서 전반사하여, 광 추출 효율이 낮아지는 것으로 여겨진다. 이 결과에 의해서도, 쌍극자, 즉 발광 분자의 진동 방향을 수평 배향시키는 것이 유리한 것을 알 수 있다.
[표 2]
Figure pct00003
쌍극자가 수평 배향된 구조는, 플라즈몬 로스(loss)를 억제하는 관점에서도 유효하다. 플라즈몬은 반사층의 표면에서 광이 없어지는 현상이다. 따라서, 광 추출 측과는 반대측의 전극을 광 반사성 전극으로서 구성한 경우나, 광 추출 측과는 반대측에 반사성의 층을 배치한 경우에 바람직하다. 반사층에 입사하는 광은, 유기층과 반사층과의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬과의 결합에 의해, 반사되지 않고, 없어지는 경우가 있다. 반사층이 금속층인 경우에, 이 현상은 현저하다. 플라즈몬과의 결합에 의해 광이 소실되면, 광 추출성이 저하된다. 이 때, 쌍극자를 수평 배향시키는 것에 의해, 표면 플라즈몬과의 결합을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 높일 수 있다. 플라즈몬 로스의 영향은, 시뮬레이션과 실험에 의해 구할 수 있다.
도 9는, 유기 EL 소자의 층 구성의 모델이다. 도 9는, 도 9의 A, 도 9의 B 및 도 9의 C에 의해 구성된다. 도 9에서는, 기판(51), 유기층(52), 반사층(53)의 적층 구성으로 되어 있다. 광은 유기층(52) 내에서 발생한다. 광이 기판(51)을 통하여, 외부(54)로 추출된다. 반사층(53)은 반사 전극으로서 구성될 수 있다. 반사층(53)은, 전술한 제2 전극(4)을 구성할 수 있다. 모델에서, 제1 전극(3)은 생략하고 있지만, 제1 전극(3)은 유기층(52)에 포함되어 있는 것으로 여겨도 된다.
도 9의 모델을 사용하여 광의 분포를 구한다. 도 9에서는, 외부인 대기(공기)의 굴절율을 1로 하고, 기판의 굴절율을 1.5로 하고, 유기층의 굴절율을 1.8로 하고, 반사층(반사 전극)의 굴절율을 0.13-i3.3으로 할 수 있다. 기판의 굴절율은 유리의 경우를 고려하여 선정되어 있다. 반사층의 굴절율은 Ag 전극의 경우를 고려하여 선정되어 있다. 광의 파장은 대표 파장으로서 550 ㎚로 선정되어 있다. 파장 550 ㎚는, 가시광 영역 내의 광이며, 시인성(視認性)이 높은 녹색 영역의 광이므로, 설계에 적합하다.
도 9의 A는, 쌍극자가 랜덤 배향한 유기 EL 소자의 모델이다. 도 9의 B는, 쌍극자가 수직 배향한 유기 EL 소자의 모델이다. 도 9의 C는, 쌍극자가 수평 배향한 유기 EL 소자의 모델이다. 쌍극자의 진동 방향은 양 방향의 화살표로 나타내고 있다. 화살표의 방향을 보면, 쌍극자의 배향은 이해될 것이다. 쌍극자의 중심 위치는 발광점이 된다. 발광점과 반사층(53)의 사이의 거리(53A)가 플라즈몬 로스에 영향을 미친다.
도 10은, 도 9의 모델로부터 얻어지는 광의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 10은, 도 10의 A, 도 10의 B 및 도 10의 C에 의해 구성된다. 도 10의 A는, 쌍극자가 랜덤 배향한 유기 EL 소자에서의 광의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 10의 A는, 도 9의 A의 모델로부터 얻어진다. 도 10의 B는, 쌍극자가 수직 배향한 유기 EL 소자에서의 광의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 10의 B는, 도 9의 B의 모델로부터 얻어진다. 도 10의 C는, 쌍극자가 수평 배향한 유기 EL 소자에서의 광의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 10의 C는, 도 9의 C의 모델로부터 얻어진다. 도 10에서는, 가로축이 발광점과 반사층의 거리(도 9의 거리(53A))로 되어 있다. 도 10에서는, 세로축이 광의 분포이며, 어느 모드로 광이 이행(移行)하는지에 대하여 비율로 나타내고 있다. 광의 이행은, 플라즈몬, 유기층, 기판, 공기의 각각의 모드로 구분된다. 플라즈몬 모드는, 플라즈몬에 의해 광이 흡수되는 영역이다. 유기층 모드는, 유기층 내에서 광이 소실하는 영역이다. 기판 모드는, 기판 내에서 광이 소실하는 영역이다. 공기 모드가, 외부로 추출되는 광이 된다.
도 10의 A로부터, 분자의 배향성을 고려하지 않는 랜덤 배향의 경우, 플라즈몬의 영향을 가능한 한 받지 않기 위해서는, 발광점과 반사층의 사이의 거리는 약 200 ㎚를 상회하도록 하면 되는 것을 알 수 있다. 그러나, 광의 추출성에 영향을 미치는 요인에는, 플라즈몬 이외의 요인도 있어, 단순하게 이 거리를 크게 하는 설계는 반드시 유리하다고는 할 수 없다.
도 10의 B에 나타낸 바와 같이, 수직 배향에서는, 플라즈몬의 영향을 받기 쉽고 되어 있고, 발광점과 반사층의 사이의 거리가 100 ㎚를 하회하면, 플라즈몬 로스에 의해 광이 극히 추출되기 어려워지고 있다. 따라서, 쌍극자의 수직 배향은 플라즈몬의 영향을 받기 쉬운 배향이라고 할 수 있다.
도 10의 C에 나타낸 바와 같이, 수평 배향에서는, 플라즈몬 로스가 다른 배향에 비해 감소되어 있다. 발광점과 반사층의 사이의 거리가 100 ㎚를 상회하면, 플라즈몬의 영향을 실질적으로 거의 없애는 것이 가능하게 된다. 도 10의 C에서는, 쌍극자가 수평 배향하고 있으므로, 플라즈몬의 영향을 받기 어려운 것으로 여겨진다. 유기 EL 소자에서는, 반사층(반사 전극)에 가장 가까운 발광층이 반사층으로부터 100 ㎚ 이상 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직한 일태양이라고 할 수 있다. 또한, 간섭에 의해 광의 강도를 높이는 관점에서는, 반사층에 가장 가까운 발광층과 반사층과의 거리는 가까운 것이 바람직한 경우도 있다. 그러므로, 유기 EL 소자에서는, 반사층(반사 전극)에 가장 가까운 발광층이 반사층으로부터 300 ㎚ 이하의 위치에 배치되는 것이 바람직하고, 이 거리는 200 ㎚ 이하가 더욱 바람직하다고 할 수 있다. 물론, 이 거리는, 100 ㎚ 이하라도 된다. 이러한 경우에, 광의 간섭 조건에 있어서 1st 캐비티로 불리는 정면에 가장 광이 나오는 위치에 발광층을 용이하게 배치시킬 수 있다. 광의 간섭은, 예를 들면, 도 10의 A 및 도 10의 C에 있어서, 공기 모드의 분포가 파형으로 되어 있는 것에 의해 이해할 수 있다.
도 10의 A∼도 10의 C의 비교로부터도 명백한 바와 같이, 플라즈몬 로스를 억제하는 관점에서, 쌍극자의 진동 방향을 수평 방향으로 배향시키는 것이 유리한 것을 알 수 있다. 여기서, 반사층인 전극이 금속인 경우, p 편광이 표면 플라즈몬과 결합하여 로스가 된다. 한편, s 편광은 플라즈몬과는 결합하기 어렵다. 그러므로, 쌍극자를 수평 배향시켜, s 편광의 성분을 많게 하는 것이, 플라즈몬의 영향을 더욱 적게 할 수 있다.
쌍극자의 배향성에 대하여 설명한다. 상기에서는 이론적으로 설명하기 위하여, 쌍극자가 완전히 수평 배향한 경우나, 쌍극자가 완전히 수직 배향한 경우를 설명하였으나, 배향은 완전하지 않아도 된다. 예를 들면, 수평 배향에 있어서는, 발광 분자(쌍극자)의 배향은, xy 평면으로부터 경사져 있어도 된다. 그러한 경우에도 광 추출성이 유리한 것은, 상기한 설명으로부터 이해할 수 있을 것이다. 3차원 좌표계에서 설명하면, 수평 배향이란, 쌍극자의 진동 방향과 z축과의 이루는 각도가 45°를 초과하는 것이면 된다. 수평 배향에서는, 바람직하게는, 쌍극자의 진동 방향과 z축과의 이루는 각도가 60°를 초과하며, 더욱 바람직하게는 이 각도는 75°를 초과하는 것이다. 요컨대, 발광 분자를 구성하는 쌍극자의 진동 방향이, 광 투과성 기판(1)의 표면과 수직인 방향에 대하여 경사져 있으면 된다고 할 수 있다.
발광 분자(쌍극자)의 배향성은, 발광층에 포함되는 발광 분자 중 일부가 가지고 있어도 되고, 전부가 가지고 있어도 된다. 광 추출성을 높이기 위해서는, 발광층에 포함되는 발광 분자 중 전부가 배향성을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 발광 분자에 있어서는, 배향성의 방향이 약간 어긋나 있어도 된다. 발광층 전체에서, 발광 분자에 배향성이 부여되어 있으면, 광 추출성을 높일 수 있다. 이와 같은 발광층 전체로서의 발광 분자의 배향성은 복굴절율성으로서 나타난다. 그러므로, 발광층이 복굴절율성을 가지는 것이 바람직하다.
유기 EL 소자는 백색 발광이라도 된다. 상기한 구성은 백색 발광의 경우에 유리하다. 백색 발광은, 복수의 도판트의 발광색의 혼합에 의해 얻을 수 있다. 예를 들면, 청색 발광 재료와 녹색 발광 재료와 적색 발광 재료를 사용하면, 백색 발광이 가능하게 된다. 유기 EL 소자는, 복수의 발광층을 구비하는 것이면 된다. 복수의 발광층 중 적어도 1개가 복굴절율성을 가지는 것이 바람직하다. 복수의 발광층 모두가 복굴절율성을 가지는 것이 더욱 바람직하다.
발광 분자인 쌍극자가 수평 배향된 경우, 비교적 입사 각도가 작은 광이 많아진다. 따라서, 비교적 입사 각도가 작은 광을 더욱 유효하게 외부로 추출하는 구조를 설치하는 것이 광 추출 효율을 높이는 관점에서 유리하다. 여기서, 도 1의 유기 EL 소자는, 제1 전극(3)보다 광 추출 측으로, 요철 구조(20)를 가지는 광 추출 구조(2)를 구비하고 있다. 요철 구조(20)는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부가 매트릭스형의 요철 1구획마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되어 있다. 요철 구조(20)는, 평면에서 볼 때의 단위 영역에 있어서의 볼록부의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일하다. 이와 같은 요철 구조(20)를 구비함으로써, 쌍극자가 수평 배향된 경우에 있어서, 광을 더욱 유효하게 추출할 수 있다. 또한, 광 추출 구조(2)를 설치함으로써, 시야각 특성을 개선할 수 있다. 따라서, 광 추출성이 높고, 발광 특성이 우수한 유기 EL 소자를 얻을 수 있다.
이하, 광 추출 구조(2)의 바람직한 태양에 대하여 설명한다.
[광 추출 구조]
도 1의 형태에서는, 광 추출 구조(2)는, 제1 투명 재료층(21)과 제2 투명 재료층(22)에 의해 구성되어 있다. 광 추출 구조(2)는, 광 투과성 기판(1) 측으로부터 제1 투명 재료층(21)과 제2 투명 재료층(22)을 가지고 있는 것이 바람직하다. 이로써, 2개의 층의 계면에서 용이하게 요철 구조(20)를 형성할 수 있다. 제2 투명 재료층(22)은, 광 투과성 기판(1)보다 굴절율이 큰 것이 바람직하다. 이로써, 굴절율 차를 저감하여, 광 추출 효율을 더욱 높이는 것이 가능하다. 제1 투명 재료층(21)과 제2 투명 재료층(22)과의 계면에, 요철 구조(20)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 계면에 요철 구조(20)를 가지는 복층 구성의 광 추출 구조(2)에 의해, 요철 구조(20)에 의해 광이 확산되므로, 광 추출성을 더욱 높이는 것이 가능하다. 광 추출 구조(2)는 층으로서 형성될 수 있다.
또한, 광 추출 구조(2)가 2개의 투명 재료층(21, 22)으로 구성되어 있으면, 제2 투명 재료층(22)이 피막층으로서 기능하여, 요철 구조(20)가 평탄화되므로, 발광 적층체(10)를 안정적으로 설치할 수 있다. 그러므로, 요철에 기인하는 단선 불량이나 쇼트 불량을 억제할 수 있다. 또한, 피복층을 형성한 경우, 높이(깊이)가 큰 요철 구조(20)를 설치한 경우라도, 발광 적층체(10)를 양호하게 적층 형성하는 것이 가능하게 된다. 이와 같이, 제2 투명 재료층(22)은 평탄화층으로서 기능하는 것이 가능하므로 바람직하다. 또한, 2개의 투명 재료층(21, 22)은 투명하며 광 투과성을 가지므로, 광을 유효하게 추출할 수 있다.
광 추출 구조(2)는, 예를 들면, 제1 투명 재료층(21)을 저굴절율층으로서 구성하고, 제2 투명 재료층(22)을 고굴절율층으로서 구성할 수 있다. 제1 투명 재료층(21)의 가시광 파장 영역에서의 굴절율이 1.3∼1.5의 범위 내이고, 또한 제2 투명 재료층(22)의 가시광 파장 영역에서의 굴절율이 1.75 이상인 것이 더욱 바람직하다.
광 추출 구조(2)(제1 투명 재료층(21) 및 제2 투명 재료층(22))는, 수지에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 굴절율을 용이하게 조정할 수 있고, 또한 요철의 형성과 요철의 평탄화를 간단하게 행할 수 있다. 수지 재료를 사용한 경우, 비교적 고굴절율인 것을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 수지는 도포에 의해 층을 형성할 수 있으므로, 오목부에 수지를 침입시켜 표면이 평탄면이 된 층을 보다 간단하게 형성할 수 있다.
제1 투명 재료층(21)에 사용하는 재료로서는, 아크릴계나 에폭시계 등의 유기 수지가 예시된다. 또한, 수지에는, 수지를 경화시키기 위한 첨가제(경화제, 경화 촉진제, 경화 개시제 등)가 첨가되어 있어도 된다. 제1 투명 재료층(21)의 재료는, 소쇠(消衰) 계수 k가 가능한 작은 것이 바람직하고, 이상적으로는 k=0(또는 측정 불가능한 레벨의 수치)이 되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 투명 재료층(21)은, 바람직하게는 전체 가시 파장 영역에서 소쇠 계수 k=0이지만, 재료의 막 두께로 따라 허용되는 범위가 결정되는 것이면 된다. 그리고, 수지 이외의 재료로서는, 무기계 재료가 예시된다. 예를 들면, 스핀 온 유리(spin-on glass)를 사용하여 제1 투명 재료층(21)을 구성할 수 있다.
제2 투명 재료층(22)의 재료로서는, TiO2 등의 고굴절율 나노 입자를 분산한 수지 등을 예로 들 수 있다. 수지는, 아크릴계나 에폭시계 등의 유기 수지이면 된다. 또한, 수지에는, 수지를 경화시키기 위한 첨가제(경화제, 경화 촉진제, 경화 개시제 등)가 첨가되어 있어도 된다. 또한, 제2 투명 재료층(22)의 재료는, 소쇠 계수 k가 가능한 작은 것이 바람직하고, 이상적으로는 k=0(또는 측정 불가능한 레벨의 수치)이 되는 것이 바람직하다. 그리고, 수지 이외의 재료로서는, SiN 등으로 구성되는 무기막이나, 무기 산화물(SiO2 등)의 막 등이 예시된다.
제2 투명 재료층(22)에 의해 피복된 표면(제1 전극(3) 측의 면)은 평탄한 면인 것이 바람직하다. 이로써, 쇼트 불량이나 적층 불량을 억제하여, 발광 적층체(10)를 더욱 안정적으로 형성할 수 있다.
그리고, 제2 투명 재료층(22)을 형성하지 않아도 발광 성능 등에 영향이 없다면, 제2 투명 재료층(22)은 설치되지 않아도 된다. 제2 투명 재료층(22)을 설치하지 않을 경우, 층의 수를 감소할 수 있으므로, 소자를 더욱 간단하게 제조하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 제1 투명 재료층(21)의 요철 형상의 높이가 상층(上層)의 성막에 영향을 주지 않는 정도의 높이라면, 제2 투명 재료층(22)은 설치하지 않도록 할 수도 있다. 제2 투명 재료층(22)을 설치하지 않은 경우라도, 요철 구조(20)로 구성된 광 추출 구조(2)에 의해 광 추출성을 높이는 것이 가능하다. 단, 쇼트 불량이나 단선 불량을 억제하기 위해서는 전술한 바와 같이 제2 투명 재료층(22)을 형성하는 것이 바람직하다.
제1 투명 재료층(21) 및 제2 투명 재료층(22)은, 그 재료를 도포함으로써 광 투과성 기판(1)의 표면에 설치할 수 있다. 재료의 도포 방법은, 적절한 코팅법을 채용할 수 있으며, 스핀 코팅을 사용할 수도 있고, 또는 슬릿 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 등의 방법을 용도나 기판 사이즈 등에 따라 채용할 수 있다.
제1 투명 재료층(21)과 제2 투명 재료층(22)의 사이의 요철 구조(20)는 적절한 방법에 의해 형성할 수 있다. 임프린트법에 의해 요철 구조(20)의 요철을 형성하는 것이 바람직한 일태양이다. 임프린트법에 의하면, 미세한 요철을 효율적으로 또한 높은 정밀도로 형성할 수 있다. 또한, 요철 구획마다 볼록부 또는 오목부를 할당하여 요철을 형성하는 경우, 임프린트법을 사용하면, 높은 정밀로 미세한 요철을 형성하는 것이 가능하게 된다. 임프린트법에 의해 요철을 형성하는 경우, 1개의 요철 구획은, 프린트를 행하는 1도트에 의해 구성되는 것이면 된다. 임프린트법은 미세 구조를 형성할 수 있는 것이 바람직하고, 예를 들면, 나노 임프린트로 일컬어지는 방법을 사용할 수 있다.
임프린트법은 크게 UV 임프린트법과 열 임프린트법으로 나눌 수 있으며, 양자 중 어느 쪽을 사용해도 된다. 예를 들면, UV 임프린트법을 사용할 수 있다. UV 임프린트법에 의해 간단하게 요철을 프린트(전사)하여 요철 구조(20)를 형성할 수 있다. UV 임프린트법에서는, 예를 들면, 주기 2㎛, 높이 1㎛의 직사각형(필러(pillar)) 구조를 패터닝한 Ni 마스터 몰드로부터 형(型)을 만든 필름 몰드를 사용한다. 그리고, UV 경화성 임프린트용 투명 수지를 기판에 도포하고, 이 기판의 수지 표면에 몰드를 가압한다. 그 후, UV 광(예를 들면, 파장 λ=365 ㎚의 i선 등)을 기판측으로부터 기판을 통하여, 또는 몰드 측으로부터 필름 몰드를 통하여 조사하여 수지를 경화시킨다. 그리고, 수지 경화 후에 몰드를 박리한다. 이 때, 몰드에는 사전에 이형(離型) 처리(불소계 코팅제 등)가 행해져 있는 것이 바람직하고, 이로써, 기판으로부터 몰드를 용이하게 박리할 수 있다. 이로써, 몰드의 요철 형상을 기판에 전사할 수 있다. 그리고, 이 몰드에는, 요철 구조(20)의 형상에 대응한 요철이 형성되어 있다. 그러므로, 몰드의 요철이 전사되었을 때는, 원하는 요철 형상이 투명 재료의 층에 형성된다. 예를 들면, 몰드로서 불규칙하게 오목부가 구획마다 할당되고 형성되어 있는 것을 사용하면, 볼록부가 불규칙하게 할당된 요철 구조(20)를 얻을 수 있다.
도 11은, 광 추출 구조(2)의 요철 구조(20)의 일례이다. 도 11은 도 11의 A 및 도 11의 B에 의해 구성된다. 광 추출 구조(2)에서의 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 면형으로 배치된 구조인 것이 바람직하다. 이로써, 쌍극자가 수평 배향된 경우에 생기는 발광에 있어서, 보다 많은 광을 외부로 추출할 수 있다. 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 배치되는 면은 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 면이면 된다. 도 11에서는, 복수의 볼록부(11)가 면형으로 배치되어 있는 모양을 나타내고 있다. 또한, 복수의 오목부(12)가 면형으로 배치된 모양을 나타내고 있다고 할 수도 있다. 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11) 및 오목부(12)가 면형으로 배치된 구조라도 된다.
광 추출 구조(2)에 있어서의 요철 구조(20)에 있어서는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 복수의 볼록부(11) 또는 오목부(12)는, 격자형의 구획에 1구획분의 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 랜덤으로 할당되고 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 각도 의존성 없이 광의 확산 작용을 높여, 보다 많은 광을 외부로 추출할 수 있다. 격자형의 구획의 일례는, 1구획이 사각형으로 된 것이다. 사각형은 정사각형인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우에, 복수의 사각형이 가로 세로로 채워져 깔린 매트릭스형의 격자(사각 격자)가 된다. 격자형 구획의 다른 일례는, 1구획이 육각형으로 된 것이다. 육각형은 정육각형인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우에, 복수의 육각형이 충전 구조로 채워져 깔린 허니컴형의 격자(육각 격자)가 된다. 그리고, 격자로서는, 삼각형이 채워져 깔린 삼각 격자라도 되지만, 사각 격자 또는 육각 격자가 요철의 제어가 용이하게 된다.
도 11의 요철 구조(20)는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부(11)가 매트릭스형의 요철 1구획(격자형의 구획)마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되는 것이다. 그리고, 요철 구조(20)는, 평면에서 볼 때의 단위 영역에서의 볼록부(11)의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일하도록 형성되어 있다. 이와 같은, 요철 구조(20)를 설치함으로써, 광 추출성을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
도 11의 요철 구조(20)에 있어서, 도 11의 A는 광 투과성 기판(1)의 표면과 수직인 방향으로부터 본 모양을 나타내고, 도 11의 B는 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향으로부터 본 모양을 나타내고 있다. 도 11의 A에서는 볼록부(11)가 설치되어 있는 구획을 사선으로 나타내고 있다. 도 11의 A에서의 라인 L1, L2, L3는, 도 11의 B에서의 라인 L1, L2, L3에 각각 대응한다.
도 11의 A에 나타낸 바와 같이, 이 요철 구조(20)는, 가로 세로로 복수의 정사각형이 모눈(행렬형)처럼 나란하게 구성되는 매트릭스형의 요철 구획에, 볼록부(11)가 할당되고 배치되어 형성되어 있다. 각각의 요철 구획은 면적이 동일하게 형성되어 있다. 요철 1구획(1개의 요철 구획)에는 1개의 볼록부(11) 및 오목부(12) 중 어느 하나가 할당되어 있다. 볼록부(11)의 할당은 규칙적일 수도 있고, 불규칙할 수도 있다. 도 11의 형태에서는, 랜덤으로 볼록부(11)가 할당되어 있는 형태가 나타나 있다. 도 11의 B에 나타낸 바와 같이, 볼록부(11)가 할당된 구획에서는, 요철 구조(20)를 구성하는 재료가 제1 전극(3) 측으로 돌출함으로써 볼록부(11)를 형성하고 있다. 또한, 복수의 볼록부(11)는 높이가 대략 동일하게 설치되어 있다. 여기서, 볼록부(11)의 높이가 대략 동일한 것이란, 예를 들면, 볼록부(11)의 높이를 평균한 경우, 평균 높이의 ±10% 이내로, 더욱 바람직하게는 ±5% 이내로, 볼록부(11)의 높이가 가지런하게 되면 된다.
도 11의 B에서는, 볼록부(11)의 단면 형상은 직사각형으로 되어 있지만, 주름형, 역삼각형상, 사다리꼴 등 적절한 형상이면 된다. 하나의 볼록부(11)와 다른 볼록부(11)가 인접하는 부분에서는, 볼록부(11)는 연결되어, 큰 볼록부(11)가 형성되어 있다. 또한, 하나의 오목부(12)와 다른 오목부(12)가 인접하는 부분에서는, 오목부(12)는 연결되어, 큰 오목부(12)가 형성되어 있다. 볼록부(11) 및 오목부(12)의 연결 개수는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 연결 개수가 커지면 미세한 요철 구조(20)가 되지 않게 될 우려가 있으므로, 예를 들면, 100개 이하, 20개 이하, 10개 이하 등으로 적절하게 설정할 수 있다. 3개 이상 또는 2개 이상 연속으로 오목부(12) 또는 볼록부(11)가 계속되었을 경우에 다음 영역을 반전(오목한 경우에는 볼록, 볼록한 경우에는 오목)시키는 설계 룰을 설치할 수도 있다. 이 룰에 의해, 광 확산 효과가 높아져, 효율 및 색차의 개선을 기대할 수 있다.
요철 구조(20)에 있어서는, 단위 영역에서의 볼록부(11)의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일하도록 형성된다. 예를 들면, 도 11의 A에서는, 세로 10개, 가로 10개의 합계 100개의 요철 구획이 도시되어 있고, 이와 같은 100 구획분의 영역을 단위 영역으로 할 수 있다. 그리고, 이 때, 요철 구조(20)의 면 내에 있어서, 볼록부(11)가 형성된 면적율은, 각 단위 영역마다 대략 동일하게 된다. 즉, 도 11의 A에 나타낸 바와 같이, 단위 영역에 있어서, 50개분의 볼록부(11)가 설치되어 있다고 하면, 요철의 구획 수가 동일하고 면적이 동일한 다른 영역에 있어서도 50개분 정도(예를 들면 45∼55 개 또는 48∼52 개)의 볼록부(11)가 설치되는 것이라도 된다. 단위 영역은 100 구획분으로 한정되지 않고, 적절한 구획수분의 크기로 할 수 있다. 예를 들면, 1000구획, 10000구획, 1000000구획, 또는 그 이상의 구획수라도 된다. 볼록부(11)의 면적율은, 영역을 잡는 방법에 따라 다소 상이한 경우가 있지만, 본 예에서는, 면적율은 대략 동일하도록 한다. 예를 들면, 면적율의 상한 및 하한의 범위를 평균의 10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 5% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 3% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하고, 1% 이하로 하는 것이 가장 바람직하다. 면적율이 동일하게 되는 의해 면 내에 있어서 보다 균일하게 광 추출성을 높일 수 있다. 단위 영역에서의 볼록부(11)의 면적율은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 20∼80 %의 범위 내로, 바람직하게는 30∼70 %의 범위 내로, 더욱 바람직하게는 40∼60 %의 범위 내로 설정할 수 있다.
볼록부(11) 및 오목부(12)는, 단위 영역 내에 있어서 랜덤으로 할당되고 배치되는 것이 바람직한 일태양이다. 이로써, 광을 더욱 많이 추출할 수 있다. 이 때, 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11)와 복수의 오목부(12)가 랜덤으로 배치된 구조가 된다. 볼록부(11) 및 오목부(12)가 랜덤으로 배치된 구조는, 파장 대역이 넓은 경우에 유효하다. 특히 백색 발광의 유기 EL 소자에 이용할 수 있다. 또한, 볼록부(11) 및 오목부(12)가 랜덤으로 배치된 구조는, 시야각 특성을 개선할 수 있다. 시야각 특성이란 보는 각도로 따라서 발광하는 색이 상이한 것이다. 시야각 특성이 개선되면 보는 각도에 의한 색의 차이가 작아진다.
요철 구조(20)는, 미세한 요철인 것이 바람직하다. 이로써, 광 추출성를 더욱 높일 수 있다. 예를 들면, 요철 1구획을 한 변이 0.1∼100 ㎛인 정사각형의 범위로 함으로써, 미세 요철 구조를 형성할 수 있다. 요철 1구획을 형성하는 정사각형의 한 변은 0.4∼10 ㎛라도 되며, 예를 들면, 이 한 변을 1㎛로 하면, 미세한 요철 구조(20)를 양호한 정밀도로 형성할 수 있다. 또한, 단위 영역은, 가로 1 ㎜×세로 1 ㎜의 정사각형의 영역으로 하거나, 또는 가로 10 ㎜×세로 10 ㎜의 정사각형의 영역으로 할 수 있다. 그리고, 요철 구조(20)에서는, 오목부(12)에는 요철 구조(20)를 구성하는 재료가 설치되어 있지 않아도 된다. 그러한 경우에, 요철 구조(20)에서의 하층(제1 투명 재료층(21))은, 면 전체에서 다수의 미세한 볼록부(11)가 섬(island)형으로 분산된 층으로 되어 있어도 된다. 예를 들면, 오목부(12)의 부분에 있어서, 제2 투명 재료층(22)이 광 투과성 기판(1)에 직접 접하고 있어도 된다.
볼록부(11)의 높이는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 0.1∼100 ㎛의 범위이면 된다. 이로써, 광 추출성이 높은 요철 구조(20)를 얻을 수 있다. 예를 들면, 볼록부(11)의 높이를 1∼10 ㎛의 범위로 하면, 미세한 요철을 양호한 정밀도로 형성할 수 있다.
요철 구조(20)를 구성하는 복수의 볼록부(11)는 동일 형상이며 된다. 도 11의 A에서는, 볼록부(11)가 1개의 요철 구획 전체에 설치되고, 평면에서 볼 때의 형상이 사각형(직사각형 또는 정사각형)인 볼록부(11)를 나타내고 있지만, 이것으로 한정되지 않으며, 볼록부(11)의 평면 형상은 다른 형상이라도 된다. 예를 들면, 원형이나, 다각형상(삼각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등)이라도 된다. 이 때, 볼록부(11)의 입체 형상은, 원기둥형, 각기둥형(삼각기둥, 사각기둥 등), 각뿔형(삼각뿔, 사각뿔 등)과 같은 적절한 형상이라도 된다.
요철 구조(20)는, 회절 광학 구조로서 형성되어 있는 것이 바람직한 일태양이다. 이 때, 볼록부(11)는 회절 구조가 되도록 일정한 규칙성을 가지고 설치되어 있는 것이 바람직하다. 회절 광학 구조에서는 주기성을 가지고 볼록부(11)가 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 광 추출 구조(2)가 회절 광학 구조를 가지는 경우, 광 추출성을 향상시킬 수 있다. 이 때, 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11)와 복수의 오목부(12)가 주기적으로 배치된 구조로 된다. 이 구조에서는, 특정한 파장이나 방향에 대하여 보다 광 추출성을 높이는 것이 가능하다.
회절 광학 구조에 있어서는, 2차원의 요철 구조(20)의 주기 P(주기성이 없는 구조의 경우에는, 요철 구조의 평균적인 주기)는, 매질 내의 파장을 λ(진공 중의 파장을 매질의 굴절율로 나눈 값)로 하고, 대략 파장 λ의 1/4∼100 배의 범위에서 적절하게 설정하는 것이 바람직하다. 이 범위는, 발광층(5)에서 발광하는 광의 파장이 300∼800 ㎚의 범위 내에 있는 경우에 설정되면 된다. 이 때, 기하 광학적인 효과, 즉, 입사각이 전반사각 미만이 되는 표면의 광면적화(廣面積化)에 의해, 광 추출 효율을 향상시키거나, 또는 회절광에 의한 전반사각 이상의 광을 추출하는 작용에 의해, 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 특히 작은 주기 P(예를 들면, λ/4∼λ의 범위)로 설정한 경우에는, 요철 구조부 부근의 유효 굴절율이 기판의 표면으로부터의 거리가 커짐에 따라 서서히 저하된다. 그러므로, 기판과, 요철 피복의 층, 또는 양극과의 사이에, 요철 구조를 형성하는 층의 매질의 굴절율과 피복층 또는 양극의 굴절율과의 중간의 굴절율을 가지는 박막층을 개재시키는 것과 동등하게 되며, 프레넬 반사를 저감하는 것이 가능하게 된다. 요컨대, 주기 P를 λ/4∼100λ의 범위로 설정하면, 반사(전반사 또는 프레넬 반사)를 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 이 중에서도, 주기 P가 λ보다 작은 경우에는 프레넬 손실 억제 효과 밖에 발휘할 수 없게 되어 광 추출 효과가 작아질 우려가 있다. 한편, 20λ을 넘으면 그에 대응하여 요철의 높이도 크게 할 필요가 있고(위상차를 얻기 위해), 피복층(제2 투명 재료층(22))에서의 평탄화가 용이하지 않게 될 우려가 있다. 피복층을 매우 두껍게 하는 방법(예를 들면, 10㎛ 이상)도 고려할 수 있지만, 투과율의 저하나 재료 비용, 수지 재료의 경우에는 아웃 가스 증가 등, 매우 폐해가 많기 때문에, 두껍게 하는 방법은 불이익이 생길 우려도 있다. 그러므로, 주기 P를, 예를 들면, λ∼20λ와 같이 설정하는 것이 바람직하다.
요철 구조(20)는, 경계 회절 구조라도 된다. 경계 회절 구조는, 볼록부(11)를 랜덤으로 배치하고 형성되는 것이라도 된다. 또한, 경계 회절 구조로서, 면 내에 부분적으로 미세 영역 내에서 형성된 회절 구조가, 일면에 설치된 구조를 사용할 수도 있다. 이 경우에, 면 내에 독립된 복수의 회절 구조가 형성되어 있는 구조라고 할 수도 있다. 경계 회절 구조에서는, 미세한 회절 구조에 의해, 회절을 이용하여 광을 추출하고, 또한 면 전체의 회절 작용이 지나치게 강해지는 것을 억제하여, 광의 각도 의존성을 저하시킬 수 있다. 그러므로, 각도 의존성을 억제하면서 광 추출 효과를 높일 수 있다.
도 11과 같이 랜덤으로 볼록부(11) 및 오목부(12)를 설치하는 경우, 볼록부(11) 또는 오목부(12)가 지나치게 연속되면 충분히 광 추출성을 높일 수 없게 될 우려가 있다. 이에, 더욱 바람직한 요철 구조(20)에 대하여 설명한다.
[요철 구조의 랜덤 제어]
요철 구조(20)의 요철은, 랜덤성이 제어되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 요철 구조(20)의 형상에 대하여, 다음과 같이 정의한다. 요철이 완전히 랜덤으로 배치되는 경우에는 완전 랜덤 구조라고 한다. 요철이 있는 일정한 룰 하에서 랜덤으로 배치되는 경우에는 제어 랜덤 구조라고 한다. 요철이 랜덤은 아니며 일정한 주기성을 가지고 규칙적으로 배치되는 경우에는 주기 구조라고 한다. 그리고, 격자형의 구획의 하나를 블록으로서 생각한다. 1개의 블록의 사이즈를 w로 정의한다. 블록의 사이즈는, 사각형인 경우, 한 변으로 생각할 수 있다. 블록의 사이즈는, 육각형인 경우, 이 육각형에 내접하는 원의 직경으로 생각할 수 있다. 볼록부(11)가 연결되어 형성된 큰 볼록부(11)에 있어서, 하나의 볼록부(11)와 이 볼록부(11)에 이격되어 인접하는 다른 볼록부(11)의 동일한 측의 단연(端緣) 사이의 거리를 평균 주기로서 규정한다. 평균 주기는, 이른바 평균 피치와 동일하다.
제어 랜덤 구조에 있어서의 제어에서는, 동일한 블록(볼록부(11) 및 오목부(12) 중 한쪽)이 연속하여 소정 개수 이상 배열되지 않는다는 룰을 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 볼록부(11)는, 격자형의 구획에 동일 방향으로 소정 개수 이상 연속하여 배열되지 않도록 배치되고, 오목부(12)는, 격자형의 구획에 동일 방향으로 소정 개수 이상 연속하여 배열되지 않도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 광 추출 효율을 높일 수 있다. 또한, 발광색의 각도 의존성을 저감할 수 있다. 볼록부(11) 및 오목부(12)가 연속하여 배열되지 않는 소정의 개수는, 10개 이하가 바람직하고, 8개 이하가 보다 바람직하고, 5개 이하가 더욱 바람직하고, 4개 이하가 가장 바람직하다.
도 12에 의해 요철 구조(20)의 개념에 대하여 설명한다. 도 12는 도 12의 A 및 도 12의 B에 의해 구성된다. 도 12의 A는 완전 랜덤 구조의 요철 구조(20)를 나타내고, 도 12의 B는 주기 구조의 요철 구조(20)를 나타내고 있다. 사선 부분이 볼록부(11)이며, 탈색 부분이 오목부(12)이다. 이후의 요철 구조(20)의 설명도에서도 마찬가지로 한다.
도 12의 B와 같이, 어느 사이즈 w의 블록을 주기적으로 규칙성을 가지고 배열한 경우, 평균 주기는 2w가 된다. 즉, 볼록부(11)와 오목부(12)가 교호적(交互的)으로 배치되는 구조이므로, 2 블록분의 평균 주기로 볼록부(11)가 배치된다. 그리고, 도 12의 B의 예에서는, 요철 구조(20)는, 체크형이 된다.
도 12의 A와 같이, 어느 사이즈 w의 블록을 완전히 랜덤으로 배열한 경우, 평균 주기는 4w가 된다.
완전 랜덤 구조에 있어서의 평균 주기는, 확률론에 의해 구할 수 있다. 랜덤한 배치에서는, 동일한 블록이 배열될 확률을 고려한다. 먼저, 폭 w의 블록(볼록부(11))가 존재할 확률은 1/2이다. 다음으로, 동일한 블록이 2개 배열될 확률은, (1/2)＾2이다. 또한, 동일한 블록이 3개 배열될 확률은, (1/2)＾3이다. 「＾n」는 n제곱을 나타낸다. 이후, 4개 이상 같은 블록이 배열된 확률을 고려한다. 이와 같이 하여, 동일한 블록이 연속하여 형성되는 영역의 폭의 기대값이 산출된다. 이 방법에서는, 블록으로서, 볼록부(11)와 오목부(12)의 2 종류를 고려할 수 있다. 따라서, 평균 주기는, 상기한 기대값을 사용하여 산출된다. 이와 같이 하여, 완전히 랜덤으로 블록이 배치된 경우의 평균 주기는 4w가 된다. 육각 격자의 경우도 마찬가지로 확률론적인 개념으로, 평균 주기 4w를 구할 수 있다.
마찬가지로 확률론적인 개념으로, 랜덤성을 제어한 구조(제어 랜덤 구조)에 있어서도, 평균 주기를 구할 수 있다. 소정 개수 이상의 동종의 블록이 배열되지 않도록 제어하는 경우에는, 소정 개수 이상의 블록이 배열될 확률을 제거하고, 기대값을 산출함으로써, 평균 주기를 구할 수 있다.
또한, 완전 랜덤 구조에서의 평균 주기는, 구조의 패턴으로부터 평균 주기를 구할 수도 있다. 도 13은, 평균 주기를 구조적으로 구하는 방법을 나타내는 설명도이다. 격자의 폭은 w로 나타내고 있다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 동일한 블록(볼록부(11) 또는 오목부(12))이 연속된 부분에는, 경계선에 내접한 타원 Q를 묘화할 수 있다. 타원 Q를 묘화하여 원이될 때에는 내접원을 묘화한다. 그리고, 이 타원 Q의 장축의 길이 및 단축의 길이를 사용하여 평균 주기를 구한다. 내접원인 경우에는 직경을 사용한다. 도 13의 예에서는, 내접하는 타원의 단축의 길이의 최소값은 w, 즉 경계 폭이 된다. 또한, 내접하는 타원의 장축의 길이의 최대값은 10w로 생각할 수 있다. 그리고, 확률 1/2로 동일한 블록을 배치한 경우, 무한하게 동일한 블록이 연속된 배치도 있을 수 있다. 예를 들면, n개 연속하여 볼록부(11)가 배열될 확률은 (1/2)＾n이 된다. 여기서, 10개 연속하여 배열될 확률은, (1/2)＾10=1/1028=0.00097이 된다. 즉, 10개 이상 배열된 배열은, 0.1% 이하로 되어, 매우 작아 무시할 수 있다. 그러므로, 전술한 바와 같이, 내접하는 타원의 장축의 길이의 최대값은 10w로 생각해도 된다. 그리고, 구조적인 계산으로부터, 내접하는 타원 Q의 축의 길이의 평균값으로서 2w가 정해진다. 이 2w는 평균 경계 폭이다. 평균 피치에 있어서는, 볼록부(11) 및 오목부(12)의 합계이므로, 2배가 된다. 따라서, 평균 피치는 4w가 된다.
도 14는, 육각 격자의 완전 랜덤 구조를 가지는 요철 구조(20)의 일례이다. 격자의 폭은 w로 나타내고 있다. 평균 피치는, 사각 격자와 마찬가지로 내접하는 타원 Q의 축의 길이로 생각할 수 있다. 그러면, 내접하는 타원의 단축의 길이의 최소값은 w, 즉 경계 폭이 된다. 또한, 내접하는 타원의 장축의 길이의 최대값은 10 w로 생각할 수 있다. 그리고, 내접하는 타원 Q의 축의 길이의 평균값으로서 2w가 구해진다. 이 2w는 평균 경계 폭이다. 따라서, 평균 피치는 4w가 된다.
도 15에 제어 랜덤 구조의 요철 구조(20)의 예를 나타낸다. 도 15는, 도 15의 A, 도 15의 B 및 도 15의 C에 의해 구성된다. 도 15의 A는, 사각 격자의 구조이며 평균 피치는 3w이다. 도 15의 B는, 사각 격자의 구조이며 평균 피치는 3.3w이다. 도 15의 C는, 육각 격자의 구조이며 평균 피치는 3.4 w이다. 이들 평균 피치는, 전술한 방법에 의해 도출된다. 도 15의 A, 도 15의 B에서는, 동일 방향으로 3개의 블록(볼록부(11) 또는 오목부(12))가 연속하여 배치되지 않도록 제어되고 있다. 도 15의 C에서는, 동일 방향으로 4개의 블록(볼록부(11) 또는 오목부(12))이 연속하여 배치되지 않도록 제어되고 있다.
요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11) 및 복수의 오목부(12)의 평균 피치가, 복수의 볼록부(11) 및 복수의 오목부(12)가 랜덤으로 배치되었을 때의 평균 피치보다 작은 것이 바람직하다. 그러한 경우에, 광을 더욱 많이 추출할 수 있다. 요철 구조(20)는, 제어 랜덤 구조인 것이 바람직한 것이다. 제어 랜덤 구조는, 저주파 성분을 제거한 구조라고도 할 수 있다. 그러므로, 제어 랜덤 구조는, 저주파 제거 구조라고 할 수도 있다. 복수의 볼록부(11) 및 복수의 오목부(12)의 평균 피치는, 예를 들면, 2w보다 크고, 4w보다 작은 값으로 설정할 수 있다. w는 1개의 요철의 구획의 폭이다. 평균 피치는 평균 주기와 동일한 것으로 생각해도 된다.
이상과 같이, 연속하여 배열된 큰 블록을 억제하는 것에 의한 랜덤성의 제어 방법과 그 효과를 나타내었으나, 이와 같은 큰 블록을 제어하는 것에 의한 작용에 대해서는, 랜덤 패턴을 푸리에 변환하는 것에 의해서도 확인할 수 있다.
도 16에, 랜덤 패턴을 푸리에 변환하고, 공간 주파수 성분의 진폭을 나타낸 도면을 나타낸다. 도 16은, 도 16의 A∼도 16의 D에 의해 구성된다. 도 16의 A는 제어 랜덤 구조의 랜덤 패턴을 나타내고, 도 16의 B는, 도 16의 A를 푸리에 변환한 것을 나타내고 있다. 도 16의 C는 완전 랜덤 구조의 랜덤 패턴을 나타내고, 도 16의 D는, 도 16의 C를 푸리에 변환한 것을 나타내고 있다.
도 16의 B 및 도 16의 D에 있어서, 도면의 중심은, 공간 주파수가 0인 성분(직류 성분)을 나타내고 있다. 중심으로부터 외측으로 향함에 따라, 공간 주파수가 높아지도록 표시하고 있다. 이 도면으로부터 이해되는 바와 같이, 제어된 랜덤 패턴의 공간 주파수에서는, 저주파 성분이 억제되어 있는 것이 확인된다. 특히, 공간 주파수 성분 중 1/2w보다 작은 성분이 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 그러므로, 요철 구조(20)는, 공간 주파수 성분 중 1/2w보다 작은 성분이 억제되는 구조가 바람직하다. 이와 같이, 랜덤성을 제어한 경우, 저주파 성분이 제거된다. 제어 랜덤 구조를 저주파 제거 구조라고 한 것이 이해될 것이다.
랜덤성을 제어한 경우에도 평균 피치를 구할 수 있다. 그리고, 경계 폭(구조 사이즈) w는, 0.73λ 이상이 더욱 바람직하다고 할 수 있다. 이 0.73은 400/550으로부터 도출된다. 평균 피치의 상한은 8㎛가 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 구조 사이즈 w(격자형의 1구획의 길이)는, 0.4∼4 ㎛인 것이 바람직하다. 구조 사이즈 w는, 더욱 바람직하게는, 0.4∼2 ㎛이다.
그리고, 상기한 요철 구조(20)에 있어서는, 요철의 높이를 일정하게 하였지만, 각각의 높이를 랜덤으로 할 수도 있다. 요철 구조(20)에서는, 2개의 투명 재료의 적층에 의해 구조가 형성될 수 있으므로, 이들 부분을 통과하는 광의 위상차에 차가 생긴다. 따라서, 만약 높이가 랜덤하더라도, 투과한 광의 평균 위상차는, 복수의 평균 높이로 결정된다. 따라서, 이 경우에도, 투과한 광에 충분한 평균 위상차를 부여하여 광을 추출할 수 있으므로, 높이가 랜덤해도 된다.
[광학 매칭]
복굴절율성을 가지는 발광층(5)과 상기한 광 추출 구조(2)와의 광학적인 매칭에 대하여 설명한다.
상기한 바와 같이, 쌍극자를 수평 배향시킨 광의 제어가 유효하다. 그리고, 유기 EL 소자에 있어서는, 상기에서 설명한 광 추출 구조(2)를 사용하고 있으므로, 쌍극자의 진동 방향이 수평 방향으로 배향한 경우에 있어서, 광 추출 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 쌍극자의 수평 배향의 설명에서는, 기판, 유기층 및 대기의 계면이 평탄한 경우(광 추출 구조(2) 등의 광학 구조가 없는 경우)를 전제로 시뮬레이션 등을 행하였으나, 광학 구조의 적합화에 의해 광 추출성을 더욱 높이는 것이 가능하다. 복굴절율성을 가지는 발광층(5)과, 산란 구조나 확산 구조 등의 광학 구조를 조합하는 데 있어서는, 광학 구조의 적합화가 중요하게 된다. 이는, 광학 구조에 따라서는, 오히려 본래 전반사하지 않는 광이 추출되기 어려워지는 경우도 있는 것으로 여겨지기 때문이다.
도 17은, 광학 구조의 모델을 나타내는 모식도이다. 도 17은, 도 17의 A∼도 17의 E에 의해 구성된다. 도 17에서는, 발광원 함유층(60)의 표면에, 각종 광학 구조가 형성된 모델을 모식적으로 나타내고 있다. 도 17의 A는, 상기에서 설명한 요철 구조(20)를 가지는 광 추출 구조(2)이다. 이 광 추출 구조(2)는 저주파 제거 구조(요철이 제어 랜덤 배치된 구조)이다. 도 17의 B는, 마이크로 렌즈 어레이 구조이다. 마이크로 렌즈 어레이 구조는 미세한 반구형 렌즈(61)가 복수 면형으로 설치된 구조이다. 도 17의 C는, 마이크로 피라미드 어레이 구조이다. 마이크로 피라미드 어레이 구조는 미세한 피라미드 형상(사각뿔형)의 구조(62)가 복수 면형으로 설치된 구조이다. 도 17의 D는, 산란 구조이다. 이 산란 구조는, 광 산란성을 가지는 입자가 분산된 산란층(63)이 형성된 구조이다. 도 17의 E는, 경면 구조이며, 광을 추출하기 위한 광학 구조를 설치하지 않는 구조이다.
도 17의 모델을 사용하여, 광의 입사 각도에 대한 광투과율을 광학 시뮬레이션에 의해 산출하였다. 도 17의 A에서는 광의 입사 각도를 θ로 나타내고 있다. 광의 파장은, 550 ㎚로 하였다. 발광원 함유층(60)의 굴절율은 1.51로 하였다. 이 굴절율은 유리를 상정(想定)하고 있다. 엄밀하게는 유기층의 굴절율을 고려해도 되지만, 대기로 추출되는 광을 고려할 때는, 이와 같이 설정해도 시뮬레이션 상, 문제가 되지는 않는다. 광 추출 측(외부 측)의 굴절율은, 공기를 상정(想定)하여, 1로 하였다.
도 17의 A의 제어 랜덤형(저주파 제거 구조)의 모델에서는, 요철의 구획을 육각 격자의 배열로 하고, 요철 높이를 800 ㎚로 하고, 요철 평균 주기를 1800 ㎚로 하였다. 도 17의 B의 마이크로 렌즈 어레이 구조의 모델에서는, 렌즈의 직경을 15㎛로 하고, 렌즈의 높이를 7.5㎛로 하였다. 도 17의 C의 마이크로 피라미드 구조의 모델에서는, 피라미드 구조의 피치를 10㎛로 하고, 피라미드의 꼭지각을 60°로 하였다. 도 17의 D의 산란 구조의 모델에서는, 광 산란 입자의 반경을 2.5㎛로 하고, 광 산란 입자의 충전율을 30 체적%로 하였다. 이들 파라미터는, 광의 파장 550 ㎚에 있어서 전체적인 투과율이 양호한 것으로서 선택되었다.
도 18은, 광학 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프이다. 도 18에서는, 광의 입사 각도를 가로축에 나타내고, 광의 투과율을 세로축에 나타내고 있다. 도 18에 있어서, (A)∼(E)는, 각각, 도 17의 A∼도 17의 E의 모델에 대응한다.
도 18에 나타낸 바와 같이, 제어 랜덤 구조를 사용한 (A)에서는 저각도 측의 투과율이, 다른 구조보다 높아져 있다. 쌍극자가 수평 배향이 되었을 때 생기는 광은, 저각도로 입사하는 성분이 많이 분포한다. 그러므로, 복굴절율성을 가지는 구조는, (A)의 광학 구조(요철 구조(20))와 매칭이 양호하여, 효율적으로 광을 외부로 추출하는 것이 가능한 것을 나타내고 있다.
그런데, (E)의 경면 구조(광을 추출하기 위한 구조를 설치하지 않는 구조)에 있어서도, 전반사가 발생하지 않는 임계각 이하의 각도에 있어서 투과율이 높아져 있다. 임계각은 약 42°이다. 그러나, 경면 구조는 전반사한 광이 각도를 변환하여 재입사되었을 때의 광의 추출이 기대할 수 없는 구조이다. 경면 구조에서는 광의 진행 방향이 변하지 않기 때문에, 일단 임계각 이상에서 입사한 광은, 몇 번 반사해도 임계각 이상이 되어, 추출이 불가능하기 때문이다. 한편, 저주파 제거 구조 등과 같이 요철을 가지는 광학 구조가 있는 경우, 만일 1회째의 입사로 광이 투과되지 않았다고 하더라도, 반사 시에 각도가 변환되므로, 2회째 이상의 재입사로 광을 추출하는 것이 가능하게 된다. 그러므로, 토탈해서 본 경우에는, 광을 추출하기 위한 구조가 있는 것이 유리하고, 상기한 광 추출 구조(2)를 설치하는 것이 유효하다.
도 19는, 다중 반사를 고려한 저주파 제거 구조(제어 랜덤 구조)와 경면 구조와의 광 추출 효율의 차이를 나타낸 그래프이다. 저주파 제거 구조를 (A)로 나타내고, 경면 구조를 (E)로 나타내고 있다. 1회 투과만 고려한 경우의 광 추출 효율을 좌측에 기재하고, 다중 반사를 고려한 경우의 광 추출 효율을 우측에 기재하고 있다. 광 추출 효율은, 경면 구조에서의 1회 투과의 경우의 광 추출 효율을 1로서 규격화하고 있고, 각각의 광 추출 효율은 상대값으로 나타나 있다.
도 19에 나타낸 바와 같이, 1회의 투과에서는 경면 구조와 저주파 제거 구조는 광 추출성에 있어서 거의 변하지 않지만, 다중 반사를 고려하면, 저주파 제거 구조 쪽이 압도적으로 효율이 양호한 것으로 나타나 있다. 유기 EL 소자에서는, 통상, 반사층이 형성되므로, 다중 반사 구조가 채용되는 경우가 많다. 그러므로, 저주파 제거 구조(제어 랜덤 구조) 쪽이 유리한 것이 이해된다.
도 20은, 광 추출 구조(2)에서의 요철 구조(20)의 상이에 의한 광투과율의 차이를 나타낸 그래프이다. 도 20에서는, 광의 입사 각도를 가로축으로 나타내고, 광의 투과율을 세로축으로 나타내고 있다. 도 20의 그래프에서는, 저주파 제거 구조(제어 랜덤 구조)를 (A1)으로 나타내고고, 완전 랜덤 구조를 (A2)로 나타내고, 회절 구조(회절 격자)를 (A3)로 나타내고 있다.
도 20의 시뮬레이션에 있어서는, (A1)의 제어 랜덤 구조(저주파 제거 구조)에서는, 요철의 구획을 육각 배열로 하고, 요철 높이를 800 ㎚로 하고, 요철 평균 주기를 1800 ㎚로 하였다. (A2)의 완전 랜덤 구조에서는, 요철의 구획을 정방 배열로 하고, 요철 높이를 800 ㎚로 하고, 요철 평균 주기를 600 ㎚로 하였다. (A3)의 회절 격자에서는, 요철 높이를 600 ㎚로 하고, 요철 평균 주기를 1800 ㎚로 하였다. 이들 파라미터는, 광의 파장 550 ㎚에 있어서, 토탈해서 광투과율이 높아지는 것을 선택하였다.
도 20에 나타낸 바와 같이, (A1)∼(A3) 모두 임계각 이하의 광 추출 성능이 양호하다. 따라서, 상기한 광 추출 구조(2)는, 쌍극자가 수평 배향한 구조와의 매칭이 양호한 것으로 여겨진다. 이들 중에서도, 랜덤성을 제어한 저주파 제거 구조(A1)가 우수한 효과를 나타내고 있다.
[광 추출 구조의 변화]
광 추출 구조(2)의 바람직한 태양, 및 변형예에 대하여 설명한다.
광 추출 구조(2)는, 입사한 광에 있어서의 s 편광의 광투과율이, 입사한 광에 있어서의 p 편광의 광투과율보다 큰 것이 바람직하다. 상기에서 설명한 바와 같이, 쌍극자가 수평 배향한 경우, s 편광의 성분이 많아진다. 그러므로, 광 추출 구조(2)에 있어서는, s 편광의 광투과율이 p 편광의 광투과율보다 크면, s 편광의 광을 더욱 많이 추출하는 구조로 되므로, 광 추출성에 유리하게 된다.
표 3은, 쌍극자를 배향시켜 형성한 발광층(5)으로부터의 광에 있어서의 p 편광 및 s 편광의 비율을 나타내고 있다. 이 비율은, 방사 모델의 계산에 의해 구해진다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 수평 배향된 쌍극자로부터 방사하는 광은, s 편광의 광과 p 편광의 광을 3:1의 비율로 포함하고 있다. 한편, 수직 배향된 쌍극자로부터 방사하는 광은 p 편광 밖에 포함하지 않는다. 그리고, 랜덤 배향에서는, s 편광과 p 편광의 비율은 동일하다. 이와 같이, 수평 배향의 쌍극자에서는, s 편광의 비율이 많기 때문에, 광 추출 구조(2)는, s 편광의 투과율이 높은 것이 유리한 것을 알 수 있다. 그리고, s 편광의 투과율은 s파 투과율로 정의된다. p 편광의 투과율은 p파 투과율로 정의된다.
[표 3]
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s 편광의 광투과율이 p 편광의 광투과율보다 커지는 광 추출 구조(2)는, 광 추출 구조(2)의 재료 및 작성 방법을 선정하는 것에 의해, 실현할 수 있다. 예를 들면, 톱니 구조를 가지는 광 추출 구조(2)를 형성함으로써, 광 추출 구조(2)의 s 편광의 광투과율을 p 편광보다 높일 수 있다.
도 21은, 톱니 구조(30)를 가지는 광 추출 구조(2)의 일례를 나타낸 설명도이다. 도 21에서는, 톱니 구조(30)의 단면 형상이 나타나 있다. 톱니 구조(30)는, 톱의 톱니와 같은 형상을 가지는 구조이면 된다. 톱니란, 들쭉날쭉한 형상을 일컫는다. 도 21에서는, 톱니 구조(30)를 형성하는 볼록부(31)가, 층 표면에 대하여 수직 방향으로 돌출된 부분(31a)과, 층 표면에 대하여 경사 방향으로 돌출된 부분(31b)을 구비하는 것에 의해, 톱니 구조(30)가 형성되어 있다. 복수의 볼록부(31)는, 동일한 높이(높이(31h))로, 소정의 피치(피치(31p)로 배치되어 있다. 복수의 볼록부(31)의 피치는, 예를 들면, 1∼10 ㎛의 범위 내로 할 수 있다. 복수의 볼록부(31)의 피치는, 볼록부(31)의 폭이라고 할 수도 있다. 볼록부(31)의 높이는, 예를 들면, 1∼10 ㎛의 범위 내로 할 수 있다. 볼록부(31)의 높이와 피치(폭)는 대략 동일해도 된다. 예를 들면, 높이 1.5㎛의 볼록부(31)를 피치 1.5㎛로 배치하면, s 편광 투과율이 p 편광 투과율보다 큰 광 추출 구조(2)를 형성하는 것이 가능하게 된다. 물론, 도 21의 예는, 광 추출 구조(2)의 일례에 지나지 않는다.
상기에서는 광 추출 구조(2)가 광 투과성 기판(1)과 발광층(5)의 사이에 배치되는 형태를 설명하였으나, 광 추출 구조(2)의 배치는, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
도 22는, 광 추출 구조(2)를 가지는 유기 EL 소자의 층 구성의 다른 태양을 나타낸 도면이다. 도 22에서는, 광 추출 구조(2)는, 광 투과성 기판(1)의 외측에 설치되어 있다. 광 추출 구조(2)는, 광 투과성 기판(1)의 표면에 설치되는 것이라도 된다. 이와 같이, 광 추출 구조(2)가 광 투과성 기판(1)의 외부 측에 설치되는 것에 의해서도, 쌍극자가 수평 배향이 된 발광층(5)으로부터 생기는 광에서의 광 추출성을 높일 수 있다.
도 22의 광 추출 구조(2)는, 상기에서 설명한 투명 재료층으로 구성되어 있어도 된다. 또는, 광 투과성 기판(1)에 직접 요철 구조(20)가 설치되어도 된다. 그리고, 피복층은 가지고 있어도 되고, 가지고 있지 않아도 된다. 도 22에서는, 피복층을 가지지 않고, 광 추출 구조(2)가 1층에 의해 구성되어 있다.
광 투과성 기판(1)의 외부 측에 설치되는 광 추출 구조(2)는, 도 1에서 설명한 광 추출 구조(2)와 동일한 구성이라도 된다. 이 광 추출 구조(2)에 있어서는, 요철 구조(20)는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부(11)가 매트릭스형의 요철 1구획마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되고, 평면에서 볼 때의 단위 영역에서의 볼록부(11)의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일한 것이 바람직하다. 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11)와 복수의 오목부(12)가 랜덤으로 배치된 구조인 것이 바람직한 일태양이다. 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11)와 복수의 오목부(12)가 배치된 구조이며, 복수의 볼록부(11) 및 복수의 오목부(12)의 평균 피치가, 복수의 볼록부(11) 및 복수의 오목부(12)가 랜덤으로 배치되었을 때의 평균 피치보다 작은 것이 바람직한 일태양이다. 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(11)와 복수의 오목부(12)가 주기적으로 배치된 구조인 것이 바람직한 일태양이다. 이들 바람직한 태양은 상기에서 설명한 광 추출 구조(2)와 동일해도 된다.
도 23은, 광 추출 구조(2)를 복수 가지는 유기 EL 소자의 층 구성을 나타낸 도면이다.
광 추출 구조(2)는 복수 설치되어 있어도 된다. 유기 EL 소자에서는, 상기한 광 추출 구조(2)를 광 투과성 기판(1)의 표면과 수직인 방향으로 복수 구비하고 있는 것이 바람직한 일태양이다. 광 추출 구조(2)를 복수 가지는 것에 의해, 광 추출성을 더욱 높일 수 있다.
도 23에서는, 광 추출 구조(2)는, 광 투과성 기판(1)의 외측과 내측의 양쪽에 설치되어 있다. 광 추출 구조(2)는, 광 투과성 기판(1)의 양면에 설치되는 것이면 된다. 이와 같이, 광 추출 구조(2)가 광 투과성 기판(1)의 외부 측과 내부 측의 양쪽에 설치되는 것에 의해, 쌍극자가 수평 배향이 된 발광층(5)으로부터 생기는 광에서의 광 추출성을 더욱 높일 수 있다. 내부 측의 광 추출 구조(2)는, 제1 광 추출 구조(2a)로 정의된다. 외부 측의 광 추출 구조(2)는, 제2 광 추출 구조(2b)로 정의된다. 제2 광 추출 구조(2b)는, 추가적인 광 추출 구조로 불러도 된다.
제1 광 추출 구조(2a)는, 상기에서 설명한 제1 전극(3)과 광 투과성 기판(1)의 사이에 배치되는 광 추출 구조(2)와 동일한 구성을 채용할 수 있다. 제2 광 추출 구조(2b)는, 도 22의 형태에서 설명한 광 투과성 기판(1)의 외부 측에 배치되는 광 추출 구조(2)와 동일한 구성을 채용할 수 있다.
그리고, 도 23의 형태에서는, 광 추출 구조(2)의 양쪽이, 상기에서 설명한 요철 구조(20)를 가지는 광학 구조로 되어 있지만, 광 추출 구조(2) 중 한쪽이, 다른 광학 구조라도 된다. 예를 들면, 제2 광 추출 구조(2b)가, 광 산란 입자를 함유하는 광 산란층으로 형성되거나, 광학 필름으로 형성되거나, 구획이 설정되지 않은 요철이 형성된 층으로 형성되어도 된다. 또는, 제2 광 추출 구조(2b)가, 광 투과성 기판(1)의 표면의 조면화(粗面化)에 의해 형성되어 있어도 된다.
[기판의 변화]
광 투과성 기판(1)은, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 굴절율이, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 굴절율보다 큰 복굴절율성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 이로써, 쌍극자가 수평 배향한 발광층(5)으로부터의 광을 더욱 많이 외부로 추출할 수 있어, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
복굴절율성을 가지는 광 투과성 기판(1)으로서는, 예를 들면, 수지 기판을 사용하는 것이 유효하다. 특히, 제조 과정에 있어서 수평 방향으로 길게 늘여진 수지 기판이 바람직하다. 수지 기판을 구성하는 수지로서는, 예를 들면, PEN(폴리에틸렌나프탈레이트)나, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 등이 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 이들 수지로 형성되는 기판은, 광학 특성, 기계적 특성 또는 내열성을 개선하기 위하여, 수평 방향으로 길게 늘여져 형성되는 경우가 많다. 이들 수지는, 결정성을 가질 수 있다. 그러므로, 수지 기판은, 굴절율이 이방성을 가기지 쉽다. 압연 성형된 수지가 바람직하다고도 할 수 있다.
도 24는 복굴절율성을 가지는 매질에 침입하는 광의 거동(擧動)을 나타내는 설명도이다. 도 24는, 도 24의 A, 도 24의 B 및 도 24의 C에 의해 구성된다. 도 24의 A는, 광이 수직 방향으로 진행되는 경우를 나타낸다. 도 24의 B는, 비교적 작은 입사 각도로 광이 경사 방향으로 진행되는 경우를 나타낸다. 도 24의 C는, 비교적 큰 입사 각도로 광이 경사 방향으로 진행되는 경우를 나타낸다. 상이한 굴절율의 매질의 경계 부분의 계면은 굴절율 계면이다.
도 24의 A에 나타낸 바와 같이, 굴절율 계면에 수직으로 침입하는 광의 경우에는, 편광 성분을 고려하지 않아도 된다. 한편, 도 24의 B 및 도 24의 C에 나타낸 바와 같이, 광이 굴절율 계면에 대하여, 경사 방향으로 침입하는 경우, s 편광과 p 편광이 중요하게 된다. 여기서, 복굴절율성을 가지는 매질에서는, xy 평면을 따른 방향에서의 굴절율 nxy가, z축을 따른 방향에서의 굴절율 nz보다 커질 수 있다. 말하자면, nxy>nz가 된다. 이 때, 스넬의 법칙(Snell's law)에 따르면, s 편광 쪽이 입사 시의 각도가 작아져서, 정면 방향으로 세워지는 광이 되기 쉽다. 그러므로, 경우에 따라 다르지만, p 편광은 전반사되지만, s 편광은 전반사되지 않고 매질에 투과하는 현상도 생길 수 있다(도 24의 C 참조). 상기한 바와 같이, 쌍극자가 수평 배향한 경우, s 편광의 광이 많아지므로, 광 투과성 기판(1)이 복굴절율성을 가짐으로써, 광 추출 효율을 더욱 높이는 것이 가능하다.
광 투과성 기판(1)이 복굴절율성을 가지는 경우, 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nxy는, 예를 들면, 1.6∼2.2의 범위로 할 수 있다. 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nz는, 예를 들면, 1.5∼2.0의 범위로 할 수 있다. 유기 EL 소자의 광의 추출 구조의 설계에 있어서는, 통상, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향(두께 방향)에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nz를 광 투과성 기판(1)의 굴절율로서 사용할 수 있다. 두께 방향으로 진행하는 광이 외부로의 출사에 많이 기여하기 때문이다. 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nxy와, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nz와의 굴절율 차는, 0.1 이상인 것이 바람직하고, 0.2 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.3 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이 굴절율 차가 커질수록, 광 추출성을 높일 수 있다. 광 투과성 기판(1)의 표면과 평행한 방향에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nxy와, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에서의 광 투과성 기판(1)의 굴절율 nz와의 굴절율 차의 상한은 특별히 제한은 없지만, 제조의 용이성의 관점 등에서, 예를 들면, 이 굴절율 차는, 0.5 이하로 할 수 있다. 광 투과성 기판(1)에서의 굴절율은, 분광 엘립소메트리에 의해 구해지는 값이라도 된다. 측정 장치로서는, 분광 엘립소미터 등을 사용할 수 있다.
[발광층의 변화]
상기에서는 적어도 1개의 발광층(5)에 대하여 복굴절율성을 가지는 것이 바람직하다고 설명하였으나, 복수의 발광층(5)을 가지는 경우에 있어서는, 복수의 발광층(5)에 있어서 복굴절율성을 가지는 것이 바람직하다. 복수의 발광층(5)이 모두 복굴절율성을 가지는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기한 구성은, 멀티 유닛 구조의 유기 EL 소자에 대해서도 적용할 수 있다. 멀티 유닛 구조란, 발광 유닛을 복수 가지는 구조이다. 발광 유닛이란, 양극과 음극으로 협지했을 때 발광을 발생하는 구조이다. 발광 유닛은, 1 이상의 발광층(5)을 구비하고 있다. 발광 유닛 내의 발광층(5)이 복굴절율성을 가지는 것에 의해, 광 추출성을 높일 수 있다.
[유기 EL 소자의 재료]
유기 EL 소자를 구성하는 재료 및 층의 형성 방법을 설명한다. 유기 EL 소자는, 유기 EL 소자를 제조하기 위해 통상적으로 사용되는 적절한 재료로 형성될 수 있다. 도 1의 층 구성의 제작 방법을 대표예로서 설명하지만, 그 외의 층 구성에 있어서도 적용할 수 있다.
광 투과성 기판(1)으로서는, 유리 기판을 사용할 수 있다. 유리로서는 소다 유리를 사용할 수 있다. 무알칼리 유리를 사용할 수도 있지만, 소다 유리 쪽이 일반적으로 저가이며, 비용면에서 유리하다. 또한, 소다 유리를 사용해도, 광 추출 구조(2)가 유기층의 바탕층으로서 존재하고 있으므로, ITO 등의 제1 전극(3)으로의 알칼리 확산의 영향을 억제할 수 있다. 물론, 상기한 바와 같이, 광 투과성 기판(1)은, 수지 기판으로 구성할 수도 있다. 광 투과성 기판(1)이 유리로 구성되는 경우, 그 굴절율은, 예를 들면, 1.3∼1.6의 범위이면 된다.
광 추출 구조(2)는, 제1 투명 재료층(21)과 제2 투명 재료층(22)과의 적층에 의해 형성할 수 있다.
광 추출 구조(2) 상에, 발광 구조를 구성하는 발광 적층체(10)가 형성된다. 발광 적층체(10)는, 제1 전극(3)과 제2 전극(4)의 사이에, 발광층(5)을 포함하는 유기층이 형성된 구성으로 되어 있다. 여기서는, 유기층이란, 제1 전극(3)과 제2 전극(4)의 사이의 층으로서 정의한다. 유기층은, 예를 들면, 양극 측으로부터, 홀 수송층, 발광층(5), 전자 수송층, 전자 주입층을 구비하는 구성으로 할 수 있다. 유기 EL 소자에서는, 광 투과성을 가지는 제1 전극(3)을 양극으로서 구성하고, 광 반사성을 가지는 제2 전극(4)을 음극으로서 구성할 수 있다. 물론, 제1 전극(3)을 음극으로 구성하고, 제2 전극(4)을 양극으로 구성할 수도 있다. 유기층의 굴절율은, 유기층을 구성하는 각 층의 굴절율에, 그 층에서의 유기층 내에서의 두께의 비율을 곱한 값의 합계에 의해 산출되는 것이면 된다. 유기층의 굴절율은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 1.5∼2.0의 범위로 설정되어 있어도 된다.
유기층의 적층 구조는, 전술한 예로 한정되지 않고, 예를 들면, 발광층의 단층 구조나, 홀 수송층과 발광층과 전자 수송층과의 적층 구조나, 홀 수송층과 발광층과의 적층 구조나, 발광층과 전자 수송층과의 적층 구조 등이라도 된다. 또한, 양극과 홀 수송층의 사이에 홀 주입층을 개재시켜도 된다. 또한, 발광층은, 단층 구조라도 되고 다층 구조라도 되며, 예를 들면, 원하는 발광색이 백색인 경우에는, 발광층 중에 적색, 녹색, 청색의 3종류의 도판트 색소를 도핑하도록 해도 된다. 또는, 청색 정공 수송성 발광층과 녹색 전자 수송성 발광층과 적색 전자 수송성 발광층과의 적층 구조를 채용할 수도 있고, 청색 전자 수송성 발광층과 녹색 전자 수송성 발광층과 적색 전자 수송성 발광층과의 적층 구조를 채용할 수도 있다. 또한, 양극과 음극으로 협지하여 전압을 인가하면 발광하는 기능을 가지는 유기층을 1개의 발광 유닛으로 하여, 복수의 발광 유닛을 광 투과성 및 도전성을 가지는 중간층을 통하여 적층한 멀티 유닛 구조를 채용할 수도 있다. 멀티 유닛 구조란, 1개의 양극과 1개의 음극의 사이에, 두께 방향으로 중첩되는 복수의 발광 유닛이 전기적으로 직렬로 접속되어 배치된 구조이다.
제1 전극(3) 및 제2 전극(4)은, 한쪽이 양극을 구성하고, 다른 쪽이 음극을 구성한다. 유기 EL 소자의 바람직한 일태양에서는, 제1 전극(3)이 광 투과성을 가지는 양극이며, 제2 전극(4)이 광 반사성을 가지는 음극이다. 제1 전극(3)의 굴절율은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 1.2∼2.0의 범위 내이면 된다.
양극은, 홀을 주입하기 위한 전극이며, 일함수가 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 혹은 이들의 혼합물로 이루어지는 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하고, HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위와의 차가 지나치게 커지지 않도록 일함수가 4 eV 이상 6 eV 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 양극의 전극 재료로서는, 예를 들면, ITO, 산화 주석, 산화 아연, IZO 등의 금속 산화물이나, 요오드화 동 등의 금속 화합물, PEDOT, 폴리아닐린 등의 도전성 고분자 및 임의의 억셉터(acceptor) 등으로 도핑한 도전성 고분자, 카본 나노 튜브 등의 도전성 광 투과성 재료가 있다. 여기서, 양극은, 광 투과성 기판(1)에 설치된 광 추출 구조(2)의 표면에, 스퍼터법, 진공 증착법, 도포법 등에 의해 박막으로서 형성할 수 있다. 그리고, 양극의 시트 저항은 수백 Ω/□ 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 바람직하게는 100 Ω/□ 이하이다. 여기서, 양극의 막 두께는 500 ㎚ 이하로 하고, 10∼200 ㎚의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 양극을 얇게 형성할수록 광의 투과율이 개선되지만, 시트 저항이 막 두께와 반비례하여 증가하므로, 유기 EL 소자의 대면적화 시에 고전압화나 휘도 균제도(均齊度)의 불균일화(전압 하강에 의한 전류 밀도 분포의 불균일화에 의함)가 발생한다. 이 트레이드오프(trade off)를 회피하기 위하여, 메탈 등의 보조 배선(그리드)을 투명한 양극 상에 형성하는 것도 일반적으로 유효하다. 재료로서는 도전성이 우수한 것이 바람직하고, Ag, Cu, Au, Al, Rh, Ru, Ni, Mo, Cr, Pd 등이나 이들의 합금, 예를 들면, MoAlMo, AlMo, AgPdCu 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 메탈 그리드가 차광 재료로서 작용하지 않도록, 그리드부에 전류가 흐르지 않도록 절연 처리를 행하면 더욱 바람직하다. 또한, 확산된 광이 그리드로 흡수되는 영향을 최소화하기 위하여, 그리드에 사용하는 금속은 가능한 고반사율인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
양극에 ITO를 사용하는 경우, ITO가 결정화(結晶化)하는 150℃ 이상에서 성막하거나, 저온 성막한 후 어닐링(annealing) 처리(150℃ 이상)를 행하는 것이 바람직하다. 결정화시키면 도전성이 개선되어, 상기 트레이드오프 조건이 완화된다. 또한, 구조가 밀(密)하게 되므로, 광 추출 구조(2)에 수지를 사용한 경우에 발생하는 아웃가스(물 등)가 유기층에 전달되는 것을 억제하는 효과도 기대된다.
홀 주입층에 사용되는 재료는, 홀 주입성의 유기 재료, 금속 산화물, 이른바 억셉터계의 유기 재료 또는 무기 재료, p-도프층 등을 사용하여 형성할 수 있다. 홀 주입성의 유기 재료는, 홀 수송성을 가지고, 또한 일함수가 5.0∼6.0 eV 정도이며, 양극과의 견고한 밀착성을 나타내는 재료 등을 그 예로서 들 수 있다. 예를 들면, CuPc, 스타버스트 아민 등이 그 예이다. 또한, 홀 주입성의 금속 산화물은, 예를 들면, 몰리브덴, 레늄, 텅스텐, 바나듐, 아연, 인듐, 주석, 갈륨, 티탄, 알루미늄 중 어느 하나를 함유하는 금속 산화물이다. 또한, 1종의 금속 만의 산화물이 아닌, 예를 들면, 인듐과 주석, 인듐과 아연, 알루미늄과 갈륨, 갈륨과 아연, 티탄과 니오브 등, 상기한 어느 하나의 금속을 함유하는 복수의 금속의 산화물이라도 된다. 또한, 이들 재료로 이루어지는 홀 주입층은, 증착법, 전사법 등의 건식 프로세스에 의해 성막할 수도 있고, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 다이 코팅법, 그라비아 인쇄법 등의 습식 프로세스에 의해 성막하는 것이라도 된다.
홀 수송층에 사용하는 재료는, 예를 들면, 홀 수송성을 가지는 화합물의 군으로부터 선정할 수 있다. 이 종류의 화합물로서는, 예를 들면, 4,4'-비스[N-(나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(α-NPD), N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-비페닐)-4,4'-디아민(TPD), 2-TNATA, 4,4',4"-트리스(N-(3-메틸페닐)N-페닐아미노)트리페닐아민(MTDATA), 4,4'-N,N'-디카르바졸비페닐(CBP), 스피로-NPD, 스피로-TPD, 스피로-TAD, TNB 등을 대표예로 하는, 아릴아민계 화합물, 카르바졸기를 포함하는 아민 화합물, 플루오렌 유도체를 포함하는 아민 화합물 등이 있지만, 일반적으로 알려진 임의의 홀 수송 재료를 사용할 수 있다.
발광층(5)의 재료로서는, 유기 EL 소자용의 재료로서 알려진 임의의 재료가 사용 가능하다. 예를 들면, 안트라센, 나프탈렌, 피렌, 테트라센, 코로넨, 페릴렌, 프탈로페릴렌, 나프탈로페릴렌, 디페닐부타디엔, 테트라페닐부타디엔, 쿠마린, 옥사디아졸, 비스벤즈옥사졸린, 비스스티릴, 시클로펜타디엔, 퀴놀린 금속 착체, 트리스(8-하이드록시퀴놀리네이트)알루미늄 착체, 트리스(4-메틸-8-퀴놀리네이트)알루미늄 착체, 트리스(5-페닐-8-퀴놀리네이트)알루미늄 착체, 아미노퀴놀린 금속 착체, 벤조퀴놀린 금속 착체, 트리(p-터페닐-4-일)아민, 1-아릴-2,5-디(2-티에닐)피롤 유도체, 피란, 퀴나클리돈, 루브렌, 디스티릴벤젠 유도체, 디스티릴알릴렌 유도체, 디스티릴아민 유도체 및 각종 형광 색소 등, 전술한 재료계 및 그의 유도체를 비롯하여 다양한 것이 있지만, 이것들로 한정하는 것은 아니다. 또한, 이들 화합물 중에서 선택되는 발광 재료를 적절하게 혼합하여 사용하는 것도 바람직하다. 또한, 상기 화합물로 대표되는 형광 발광을 발생하는 화합물뿐만 아니라, 스핀 다중항으로부터의 발광을 나타내는 재료계, 예를 들면, 인광(燐光) 발광이 발생하는 인광 발광 재료, 및 이들로 이루어지는 부위를 분자 내의 일부에 가지는 화합물도 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 이들 재료로 이루어지는 발광층(5)은, 증착법, 전사법 등의 건식 프로세스에 의해 성막할 수도 있고, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 다이 코팅법, 그라비아 인쇄법 등, 습식 프로세스에 의해 성막하는 것이라도 된다.
전자 수송층에 사용하는 재료는, 전자 수송성을 가지는 화합물의 군으로부터 선정할 수 있다. 이 종류의 화합물로서는, Alq3 등의 전자 수송성 재료로서 알려진 금속 착체나, 페난트롤린 유도체, 피리딘 유도체, 테트라진 유도체, 옥사디아졸 유도체 등의 헤테로 환을 가지는 화합물 등을 예로 들 수 있지만, 이들로 한정되지 않으며, 일반적으로 알려진 임의의 전자 수송 재료를 사용할 수 있다.
전자 주입층의 재료는, 예를 들면, 불화 리튬이나 불화 마그네슘 등의 금속 불화물, 염화 나트륨, 염화 마그네슘 등으로 대표되는 금속 염화물 등의 금속 할로겐화물이나, 알루미늄, 코발트, 지르코늄, 티탄, 바나듐, 니오브, 크롬, 탄탈, 텅스텐, 망간, 몰리브덴, 루테늄, 철, 니켈, 동, 갈륨, 아연, 실리콘 등의 각종 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 산화 질화물 등, 예를 들면, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 철, 질화 알루미늄, 질화 실리콘, 탄화 실리콘, 산질화 실리콘, 질화 붕소 등의 절연물이 되는 것이나, SiO2나 SiO 등을 비롯한 규소 화합물, 탄소 화합물 등으로부터 임의로 선택하여 사용할 수 있다. 이들 재료는, 진공 증착법이나 스퍼터법 등에 의해 형성함으로써 박막형으로 형성할 수 있다.
음극은, 발광층 중에 전자를 주입하기 위한 전극이며, 일함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어지는 전극 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 음극은, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위와의 차가 지나치게 커지지 않도록 일함수가 1.9 eV 이상 5 eV 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 음극의 전극 재료로서는, 예를 들면, 알루미늄, 은, 마그네슘 등, 및 이들과 다른 금속과의 합금, 예를 들면, 마그네슘-은 혼합물, 마그네슘-인듐 혼합물, 알루미늄-리튬 합금을 예로서 들 수 있다. 또한, 금속의 도전 재료, 금속 산화물 등, 및 이들과 다른 금속과의 혼합물, 예를 들면, 산화 알루미늄로 이루어지는 극박막(極薄膜)(여기서는, 터널 주입에 의해 전자를 흐르게 할 수 있는 1 ㎚ 이하의 박막)과 알루미늄으로 이루어지는 박막과의 적층막 등도 사용 가능하다.
유기 EL 소자가 멀티 유닛 구조를 가지는 경우, 발광 유닛의 사이에는, 중간층이 형성되는 것이 바람직하다. 중간층은 전하 발생층으로서 기능하는 층일 수 있다. 중간층은, 각각의 발광 유닛에 대하여 전하를 발생시킬 수 있는 재료에 의해 형성할 수 있다. 광을 추출하기 위해서는, 광 투과성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속 박막에 의해 중간층을 구성할 수 있다. 은, 알루미늄 등이 예시된다. 또한, 유기 재료를 사용하여 중간층을 구성할 수도 있다.
유기 EL 소자에 있어서는, 발광 적층체(10)는 봉지재(封止材)에 의해 봉지되는 것이 바람직하다. 유기층은 물 등에 약하기 때문에, 공기와의 접촉을 피하기 위하여, 이슬점 관리(예를 들면 -70℃ 이하)된 글로브박스 내에서 캡 유리 등을 사용하여 광 투과성 기판(1)의 유기층 측이 봉지된다. 건조제 등을 봉지의 내부에 포함시키는 것에 의해, 보관 수명을 더욱 개선할 수 있다.
그리고, 광 추출 구조(2)가 광 투과성 기판(1)의 외부 측에 설치되는 경우, 광 추출 구조(2)는, 필름이나 시트 등으로 설치될 수도 있다. 이로써, 간단하게 광 추출 구조(2)를 설치할 수 있다. 예를 들면, 광 추출 구조(2)는, 접착제로 접합한 확산 필름, 프리즘 시트, 마이크로 렌즈 시트 등으로 구성할 수 있다. 이 때, 상기한 요철 구조(20)를 가지는 재료를 사용하면, 쌍극자가 수평 배향된 발광층(5)으로부터의 광을 더욱 많이 추출할 수 있는 광 추출 구조(2)를 설치할 수 있다. 또는, 광 추출 구조(2)는, 광 투과성 기판(1)을 블라스트(blast)나 에칭 등으로 직접 가공하여 얻을 수도 있다.
여기서, 발광층(5)은 복굴절율성을 가지도록 형성되도록 한다. 발광층(5)의 복굴절율성은, 쌍극자가 수평 배향함으로써 실현된다. 쌍극자의 수평 배향은 완전하지 않아도 된다. 쌍극자의 진동 방향이 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직이 되지 않는 것이 바람직하다. 쌍극자의 진동 방향은, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에 대하여, 45° 이상인 것이 바람직하고, 60° 이상인 것이 더욱 바람직하다. 쌍극자의 진동 방향이, 광 투과성 기판(1)의 표면에 수직인 방향에 대하여, 90°일 때가, 쌍극자가 완전히 수평 배향한 경우라고 할 수 있다.
발광층(5)의 복굴절율성은, 예를 들면, 발광층(5) 내의 분자 구조를 제어하는 것에 의해 얻을 수 있다. 분자 구조의 제어에서는, 쌍극자의 배향이 소정 방향으로 쉽게 배향하는 구조로 하는 것이 가능하며, 수평 방향으로 쌍극자 모멘트를 배향시키는 구조를 채용함으로써, 원하는 분자 배향을 얻을 수 있다. 예를 들면, 청색 형광 도판트의 분자 구조를 제어하는 것이 유효하다. 또한, 예를 들면, 저분자 인광 재료를 사용하는 것이 유효하다. 또한, 예를 들면, 발광층(5)의 재료로서, TCTA: B3PYMAPM: Ir(ppy)2(acac)를 사용하는 것이 바람직한 일례로서 예시된다. 이 재료에 있어서는, 수평 방향으로 발광 분자가 배향한 발광층(5)를 형성하기 쉽게 할 수 있다. 그러므로, 광 추출 효율을 높일 수 있다. 또한, 수평 방향으로 분자를 배향시키는 방법은, 유기 단결정, 고분자막, 또는 액정 등에 있어서 알려져 있으며, 이들 방법을 채용할 수 있다. 유기 EL 소자에 있어서는, 고분자계 재료로 성막할 때, 러빙(마찰)된 기판으로 막을 도포하는 것 등에 의해 특정 방향으로 분자 배향시키는 것이 비교적 용이하므로, 도포법으로 형성하는 것이 바람직한 일태양이다. 도포법은, 고분자계의 층에 있어서 적용이 용이하다. 또한, 저분자계에서도 분자 배향은 가능하다. 기판의 가열 성막 등의 증착에 의해 분자를 배향시킬 수 있다. 요컨대, 발광층(5)의 복굴절율성이 발휘되면 된다.
복굴절율성을 가지는 발광층(5)에서는, 적어도 발광 분자가 분자 배향되어 있는 것이 바람직하다. 복굴절율성을 가지는 발광층(5)에서는, 발광 분자 및 층 매체(호스트)의 양쪽이 분자 배향되어 있어도 된다. 이로써, 광 추출성을 높일 수 있다.
[조명 장치 및 표시 장치]
상기한 유기 EL 소자에 의해, 조명 장치를 얻을 수 있다. 조명 장치는, 상기한 유기 EL 소자를 구비한다. 이에 따라, 광 추출성이 우수하고, 전력이 절약되는 조명 장치를 얻을 수 있다. 조명 장치는, 복수의 유기 EL 소자가 면형으로 배치된 것이면 된다. 조명 장치는, 1개의 유기 EL 소자로 구성되는 면형의 조명체라도 된다. 조명 장치는, 유기 EL 소자에 급전하기 위한 배선 구조를 구비하는 것이면 된다. 조명 장치는, 유기 EL 소자를 지지하는 하우징을 구비하는 것이면 된다. 조명 장치는, 유기 EL 소자와 전원을 전기적으로 접속하는 플러그를 구비하는 것이면 된다. 조명 장치는, 패널형으로 구성할 수 있다. 조명 장치는, 두께를 얇게 하기 위하여, 공간 절약형 조명 기구를 제공할 수 있다. 상기한 유기 EL 소자에서는, p 편광이 감소하므로, 검사용 조명으로서 특히 유용하다. 이는, 산란광에 의한 결함을 검지 가능하게 되기 때문이다.
도 25는, 조명 장치의 일례이다. 이 조명 장치(100)는, 유기 EL 소자(101)와, 하우징(102)과, 플러그(103)와, 배선(104)을 가진다. 이 도면에서는, 복수(4개)의 유기 EL 소자(101)가 면형으로 설치되어 있다. 유기 EL 소자(101)는, 하우징(102)에 수용되어 있다. 플러그(103) 및 배선(104)을 통하여 전기가 공급되어 유기 EL 소자(101)가 발광하고, 조명 장치(100)로부터 광이 출사한다.
상기한 유기 EL 소자에 의해, 표시 장치를 얻을 수 있다. 표시 장치는, 상기한 유기 EL 소자를 구비한다. 이로써, 광 추출성이 우수하며, 전력이 절약되는 표시 장치를 얻을 수 있다. 표시 장치는, 복수의 유기 EL 소자가 면형으로 배치된 것이면 된다. 표시 장치는, 1개의 유기 EL 소자로 구성되는 면형인 것이라도 된다. 표시 장치는, 유기 EL 소자에 급전하기 위한 배선 구조를 구비하는 것이면 된다. 표시 장치는, 유기 EL 소자를 지지하는 하우징을 구비하는 것이면 된다. 표시 장치는, 유기 EL 소자와 전원을 전기적으로 접속하는 플러그를 구비하는 것이면 된다. 표시 장치는, 패널형으로 구성할 수 있다. 표시 장치는, 두께를 얇게 하기 위하여, 공간 절약형 표시체를 제공할 수 있다. 상기한 유기 EL 소자에서는, p 편광이 감소하므로, 액정 디스플레이용 백라이트로서 특히 유용하다.
도 26은, 표시 장치의 일례이다. 이 표시 장치(200)는, 유기 EL 소자(201)와, 하우징(202)과, 액정(203)과, 배선(204)과, 내부 전원(205)을 가진다. 유기 EL 소자(201)는, 하우징(202)에 수용되고며, 액정의 후방에 배치되어 있다. 유기 EL 소자(201)는 액정(203)의 백라이트가 된다. 유기 EL 소자(201)는, 배선(204)을 통하여 내부 전원(205)과 전기적으로 접속되어 있다. 내부 전원(205)으로부터 전기가 공급되어 유기 EL 소자(201)가 발광하고, 표시 장치(200)의 액정 표시가 선명하게 된다. 이 도면에서는 탈색 화살표는 광의 출사를 나타낸다.

Claims (9)

  1. 광 투과성 기판;
    광 투과성을 가지는 제1 전극, 발광층, 및 제2 전극을 상기 광 투과성 기판측으로부터 이 순서로 가지는 발광 적층체; 및
    상기 제1 전극보다 광 추출 측으로 배치되고, 요철 구조를 가지는 광 추출 구조를 포함하고,
    상기 발광층은, 상기 광 투과성 기판의 표면과 평행한 방향에서의 굴절율이, 상기 광 투과성 기판의 표면에 수직인 방향에서의 굴절율보다 큰 복굴절율성을 가지고,
    상기 요철 구조는, 높이가 대략 동일한 복수의 볼록부가 매트릭스형의 요철 1구획마다 할당되고 면형으로 배치됨으로써 형성되고, 평면에서 볼 때의 단위 영역에 있어서의 상기 볼록부의 면적율이 각각의 영역에 있어서 대략 동일한, 유기 전계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철 구조는, 상기 복수의 볼록부와 복수의 오목부가 랜덤으로 배치된 구조인, 유기 전계 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요철 구조는, 상기 복수의 볼록부와 복수의 오목부가 배치된 구조이며,
    상기 요철 구조는, 상기 복수의 볼록부 및 상기 복수의 오목부의 평균 피치가, 상기 복수의 볼록부 및 상기 복수의 오목부가 랜덤으로 배치되었을 때의 평균 피치보다 작은, 유기 전계 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 요철 구조는, 상기 복수의 볼록부와 복수의 오목부가 주기적으로 배치된 구조인, 유기 전계 발광 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 추출 구조를 상기 광 투과성 기판의 표면과 수직인 방향으로 복수 포함하고 있는, 유기 전계 발광 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 추출 구조는, 입사한 광에 있어서의 s 편광의 광투과율이, 입사한 광에 있어서의 p 편광의 광투과율보다 큰, 유기 전계 발광 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판은, 상기 광 투과성 기판의 표면과 평행한 방향에서의 굴절율이, 상기 광 투과성 기판의 표면에 수직인 방향에서의 굴절율보다 큰 복굴절율성을 가지고 있는, 유기 전계 발광 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 유기 전계 발광 소자; 및 배선을 포함한, 조명 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 유기 전계 발광 소자; 및 배선을 포함한, 표시 장치.
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