WO2015194359A1 - 電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法 - Google Patents

電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法 Download PDF

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孝二郎 関根
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Definitions

  • the present invention relates to a method for designing an electroluminescent element, an electroluminescent element manufactured using the design method, and a method for manufacturing an electroluminescent element using the design method.
  • An electroluminescent element is composed of a photon generation layer sandwiched between a flat cathode and an anode, but in general, the anode is often a transparent electrode and the cathode is a metal reflective electrode.
  • a metal electrode light is extracted from the transparent anode side and used as a single-sided light emitting device. Further, when both electrodes are transparent electrodes, a transparent light emitting element can be realized, and application to decorative lighting or the like is expected. On the other hand, not all the light emitted inside the photon generation layer is extracted, but the substrate mode in which the light is confined in the transparent substrate, the waveguide mode in which the light is confined in the photon generation layer and the transparent electrode, and the light in the metal electrode. There is a plasmon mode that is confined, which is a factor that limits the luminous efficiency of the device.
  • the color and brightness of the light coming out are important, but the color and brightness of the light extracted outside are changed by the interference of the optical multilayer film and are difficult to control. A problem exists. Estimating the color and brightness of light extracted outside is important in applications.
  • Non-Patent Document 1 As a method for designing the color coordinates, luminance, and the like of light that can be extracted to the outside, methods for calculating based on the photoluminescence spectrum of a light-emitting material are disclosed in JP 2010-147337 A (Patent Document 1) and JP 2009-054382 A. (Patent Document 2). Further, a detailed light extraction efficiency calculation method is disclosed in R. Meerheim et. Al., Appl. Phys. Lett., 97, 253305 (2010) (Non-Patent Document 1).
  • Patent Documents 1 and 2 the external spectrum is calculated based on the photoluminescence spectrum, and there is a problem that the electroluminescence spectrum in the current injection state of the actual device cannot be accurately calculated.
  • Non-Patent Document 1 it is necessary to assume the spectrum inside the photon generation layer, but details of how the ratio between the electron injection and the internal spectral intensity and the internal spectral shape are set to reduce errors in experiments and calculations. There is not enough explanation or explanation about the difference between the photoluminescence spectrum and the electroluminescence spectrum, and the difference between the experiment and the calculation remains.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and more accurately calculates an external emission spectrum output to the outside in a current injection state, and accurately estimates the amount and / or color of light extracted to the outside.
  • An electroluminescent element design method, an electroluminescent element manufactured using the design method, and an electroluminescent element manufacturing method using the design method are provided.
  • the photon generating layer sandwiched between the first functional layer and the second functional layer is provided between the first electrode and the second electrode which are transparent electrodes.
  • the first transparent member, the first electrode, the first functional layer, the first based on the electroluminescence spectrum in the air or the first transparent member measured by passing a current through The thicknesses and the complex relative dielectric constants of the bifunctional layer, the photon generation layer, and the second electrode are obtained.
  • the second electrode is a transparent electrode, and has a second transparent member on the opposite side of the second electrode from the side where the photon generation layer is provided, and the design variable is the above It further includes the complex relative dielectric constant and thickness of the second transparent member.
  • an optical buffer layer is provided between at least one of the second electrode and the first transparent member, or between the second electrode and the second transparent member.
  • the method further includes designing the thickness, complex relative dielectric constant, and structural constant of each film constituting the optical buffer film as design variables.
  • the first optical fine structure that disturbs the amplitude and phase conditions of light is further included in any region between the transparent member and the photon generation layer, and the first optical fine structure is used as a design variable. It further includes designing the structural constant and complex dielectric constant of the structure.
  • the interface between the first transparent member and the outside includes a second optical microstructure that disturbs the amplitude and phase conditions of light, and the structural constant of the second optical microstructure as a design variable and Includes complex dielectric constant.
  • the electroluminescent device designed using the electroluminescent device design method according to the present invention is designed using any of the electroluminescent device design methods described above.
  • the electroluminescent device design method based on the present invention the electroluminescent device manufactured based on the design variable obtained by any of the electroluminescent device design methods described above is inspected, and current drive characteristics are obtained. And measuring and analyzing the electroluminescence element measured and analyzed as a reference element, obtaining the design variable by the electroluminescent element design method according to any one of the above, based on the design variable, And a step of manufacturing an electroluminescent element.
  • an external emission spectrum output to the outside in a current injection state can be calculated more accurately, and the amount and / or color of light extracted to the outside can be accurately estimated. It is possible to provide a design method of a light emitting element, an electroluminescent element manufactured using the design method, and a method of manufacturing an electroluminescent element using the design method.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the design method described in Patent Documents 1 and 2 described above.
  • the conditions assumed in the calculation are (1) the photoluminescence (PL) spectrum of the luminescent material, and (2) the material, refractive index, and film thickness of the luminescent layer (S0).
  • step 1 (S1) a PL spectrum is set based on the generated light intensity and the number of generated photons.
  • S2 conditions for the position of the light emitting point, the film thickness, and the refractive index are set.
  • S3 the light extraction efficiency is calculated.
  • desired characteristics such as external light intensity, external photon number, LPW (lumen / W), EQE (external quantum efficiency) are calculated based on the results of S1 and S3.
  • S3 and S4 are repeatedly executed (S5). Thereafter, when the desired characteristics are maximized in S6, calculation results such as a calculated value, light extraction efficiency, external light intensity, number of external photons, desired characteristics, and the like are obtained.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an outline of the design method of the electroluminescent element in the present embodiment.
  • Conditions assumed in the calculation are (1) the external emission spectrum of the reference element, and (2) the material, refractive index, and film thickness of the light emitting layer (S00).
  • step 11 (S11) an experimental value of the reference element is obtained from the generated light intensity and the number of generated photons.
  • S12 the light extraction efficiency calculation value of the reference element is obtained.
  • S13 the light emitting point position, film thickness, and refractive index conditions are set.
  • S14 the light extraction efficiency is calculated.
  • the ratio of the light extraction efficiency with the reference element is calculated based on the values and conditions obtained in S12 and S14.
  • S16 desired characteristics such as external light intensity, external photon number, LPW, EQE and the like are calculated based on the experimental values and ratios obtained in S11 and S15.
  • S14, S15, and S16 are repeatedly executed (S17). Thereafter, in S18, when the desired characteristics are maximized, calculation results such as calculated values, light extraction efficiency, external light intensity, number of external photons, desired characteristics, and the like are obtained.
  • the electroluminescence spectrum actually measured externally in the reference element the light extraction efficiency calculated from the optical constant and the film thickness of the reference element, the optical constant of the analysis element, and
  • This is a design method for calculating the external emission spectrum of the analysis element based on the light extraction efficiency calculated from the film thickness.
  • the external emission spectrum output to the outside in the current injection state can be more accurately calculated, and the amount and / or color of the light extracted to the outside can be accurately estimated.
  • a light emitting element design method can be realized.
  • first electroluminescent element (First electroluminescent element)
  • first electroluminescent device “a plurality of functional layers sandwiched between the transparent electrode and the second electrode and at least one photon generation layer are provided.
  • a configuration example of an “electroluminescent device in which a transparent member is in contact with the surface of the transparent electrode opposite to the photon generation layer” will be described.
  • 3 to 7 are first to fifth cross-sectional views showing a configuration example of the electroluminescent element in the present embodiment.
  • the electroluminescent element 1A shown in FIG. 3 has an ITO (Indium Tin Oxide) electrode, a light emitting layer 14 and a second electrode 15 as a transparent electrode (first electrode) 13 on the first transparent member 10.
  • Metal (Ag) reflective electrodes are formed in this order.
  • the light emitting layer 14 includes a plurality of functional layers and a photon generation layer, and a transparent glass substrate is used for the first transparent member 10.
  • the electroluminescent element 1B shown in FIG. 4 has a conductive resin 13a, a thin film Al (thin film metal electrode) 13b, and a conductive resin as the transparent electrode (first electrode) 13 as compared with the configuration of the electroluminescent element 1A.
  • a laminated structure of 13c is used.
  • the light emitting layer 14 is made of an organic material as compared with the structure of the electroluminescent element 1A.
  • the light emitting layer includes a hole injection layer 14a and a hole transport layer 14b.
  • the carrier balance in the photon generation layer 14c can be improved, and efficient light emission can be implement
  • the electroluminescent element 1D shown in FIG. 6 has a configuration in which a thin film Ag is used for the transparent electrode 13, and the same effect as the electroluminescent element 1C can be obtained.
  • a metal (Ag) reflective electrode can be used as the second electrode 15.
  • the electroluminescent element 1C shown in FIGS. 5 and 6 is a bottom emission element.
  • 3 to 6 exemplify an element (bottom emission element) that constitutes a functional layer on the first transparent member 10 using a transparent substrate, a configuration in which a reflective electrode is provided on an opaque member (top emission).
  • the present embodiment is also applied to the device.
  • FIG. 7 shows an electroluminescent element 1E which is a configuration example of a top emission element.
  • a reflective electrode is provided as the second electrode 15 on the support substrate 16, the light emitting layer 14, the thin film Ag as the transparent electrode 13, and the sealing member as the first transparent member 10 on the second electrode 15, They are formed in this order.
  • the light emitting layer 14 includes an electron injection layer 14e, an electron transport layer 14d, a photon generation layer 14c, a hole transport layer 14b, and a hole injection layer 14a from the second electrode 15 side.
  • a transparent sealing member (first transparent member 10), an inert gas for sealing, or air is often provided on the transparent electrode 13.
  • the transparent member of the present embodiment indicates a sealing member, an inert gas, or air.
  • FIG. 8 to FIG. 10 are sixth to eighth cross-sectional views showing examples of the configuration of the electroluminescent element according to this embodiment.
  • the electroluminescent element 1F shown in FIG. 8 includes an ITO electrode as the transparent electrode 13, a light emitting layer 14, an ITO electrode as the second electrode 15, and the second transparent member 17 on the first transparent member 10. They are formed in this order. By adopting this configuration, it is possible to realize a transparent light emitting element that is transparent on both sides and emits light on both sides or one side.
  • the second transparent member 17 is made of, for example, ITO or a thin film metal electrode.
  • the second transparent member 17 can be made of the same material as that of the first transparent member 10.
  • a thin film metal film (Ag) is used as the second electrode 15 as compared with the configuration of the electroluminescent element 1F.
  • a thin film metal film (Ag) is used for both the transparent electrode 13 and the second electrode 15 as compared with the configuration of the electroluminescent element 1F.
  • FIG. 11 to FIG. 13 are ninth to thirteenth cross-sectional views showing examples of the configuration of the electroluminescent element according to the present embodiment.
  • the electroluminescent element 1I shown in FIG. 11 has a conductive resin as the transparent electrode 13, a light emitting layer 14, a thin film metal film (Ag) as the second electrode 15, and an optical buffer layer 18 on the first transparent member 10.
  • a thick multilayer metal film (Ag) is formed in this order as the dielectric multilayer film and the reflecting member 45.
  • the electroluminescent element 1J shown in FIG. 12 has a dielectric multilayer film as a second optical buffer layer 19 between the first transparent member 10 and the transparent electrode 13 as compared with the configuration of the electroluminescent element 1I. Have. By adopting such a configuration, it is possible to optically design the color, the luminance ratio, and the light distribution of light emitted from both sides in the single-sided light emitting device.
  • the electroluminescent element 1K shown in FIG. 13 includes a dielectric multilayer film as a second optical buffer layer 19 between the first transparent member 10 and the transparent electrode 13. In addition, it has a second transparent member instead of the reflecting member. By adopting such a configuration, it is possible to optically design the color, luminance ratio, and light distribution of light emitted from both sides in the double-sided light emitting device.
  • the electroluminescent element 1L shown in FIG. 14 has an internal scattering layer between the first transparent member 10 and the thin film Ag as the transparent electrode 13 as compared with the configuration of the bottom emission element of the electroluminescent element 1D shown in FIG.
  • a first optical microstructure 21 including is provided.
  • the first optical fine structure 21 has a structure in which a smooth layer 21c is provided on a layer in which scattering particles as the light scattering layer 21b are held by a binder as the light scattering layer 21a.
  • the thickness of the light scattering layer 21b is equal to the wavelength of light, and the size of the scattering particles has a fine structure that is several times less than the wavelength of light.
  • the first optical microstructure 21 is provided between the second electrode 15 and the electron injection layer 14e as compared with the configuration of the electroluminescent element 1E shown in FIG. ing.
  • the fine structure 21 includes a metal uneven structure 21d and a transparent conductive film 21e.
  • the entire element above the second electrode 12 has a fine waveform, except for the first transparent member 10, as compared with the configuration of the electroluminescent element 1M shown in FIG. It is also a shape.
  • an optical fine structure is provided on the second electrode 12 that is a reflective electrode, it is useful because plasmon mode loss absorbed by the electrode can be reduced.
  • the above-described optical fine structure may be provided in the electroluminescent elements 1F to 1H, which are the transparent light emitting elements shown in FIGS.
  • FIG. 17 is a fifteenth cross-sectional view illustrating a configuration example of the electroluminescent element according to the present embodiment.
  • the second optical microstructure 31 is provided on the first transparent member 10 as compared with the configuration of the bottom emission element of the electroluminescent element 1D shown in FIG.
  • a commercially available light extraction sheet can be used as the second optical microstructure 31.
  • Specific examples of the structure include a structure in which the light scattering particles 31a are contained inside the transparent layer 31b and a structure in which the surface of the transparent member has irregularities, as illustrated.
  • Examples of the structural constant in this case include surface unevenness height, width, unit structure period, or the size, density, and shape of scattering particles.
  • FIG. 18 shows a configuration example of an electroluminescent element 1P including a plurality of photon generation layers.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the electroluminescent element 1P.
  • the electroluminescent element 1P includes a transparent electrode 13, a light emitting layer 14A, a charge generating layer 14B, a second light emitting layer 14C, a charge generating layer 14D, a third light emitting layer 14E, and a reflective electrode on the transparent member 10. 45 are stacked in this order.
  • a power source is connected between the transparent electrode 13 and the reflective electrode 45.
  • Such an electroluminescent element can generate more light with the same current and is suitable for a highly efficient electroluminescent element.
  • the electroluminescent element design method in this embodiment can be applied to such an electroluminescent element.
  • the ratio of the light-emitting dopant in each light-emitting layer may be further included in the design variable.
  • FIG. 19 shows an electroluminescent element 1Q configured so that a plurality of light emitting layers can be driven independently.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the electroluminescent element 1Q.
  • the electroluminescent element 1Q includes a transparent electrode 13, a light emitting layer 14A, a second electrode (transparent electrode) 15, a second light emitting layer 14C, a third electrode (transparent electrode) 23, a first electrode on the transparent member 10.
  • Three light emitting layers 14E and the reflective electrode 45 are laminated in this order.
  • the power source 1 is provided between the transparent electrode 13 and the second electrode (transparent electrode) 15, and the power source 2 and the third electrode (second electrode) are provided between the second electrode (transparent electrode) 15 and the third light emitting layer 14E.
  • a power source 3 is connected between the transparent electrode) 23 and the reflective electrode 45.
  • an optical buffer layer may be included between the plurality of photon generation layers as shown in FIG. FIG. 20 is a cross-sectional view of the electroluminescent element 1R.
  • the electroluminescent element 1R includes an optical buffer layer 41, a transparent electrode 13, a light emitting layer 14A, a second electrode (transparent electrode) 15, an optical buffer layer 42, and a third electrode (transparent electrode) on the transparent member 10. 23, second light emitting layer 14C, fourth electrode (transparent electrode) 24, optical buffer layer 43, fifth electrode (transparent electrode) 25, third light emitting layer 14E, sixth electrode (transparent electrode) 26
  • the optical buffer layer 44 and the reflective electrode 45 are laminated in this order.
  • Such a configuration makes it possible to arbitrarily control the spectrum and light distribution of the emitted light. Further, when such an optical buffer layer forms a microcavity at a specific wavelength, the emission rate of the specific wavelength can be increased.
  • the electroluminescent device design method of the present embodiment including the optical buffer layer it is possible to efficiently design a configuration that realizes an electroluminescent device having a strong emission intensity at a desired wavelength and a desired angle. It becomes possible.
  • the configuration including a plurality of light emitting layers may be applied to the double-sided light emitting element.
  • an electroluminescent element that emits light on both sides and realizes a high efficiency or a desired spectrum can be efficiently designed.
  • First transparent member 10 / second transparent member 17 The material which can be used as the 1st transparent member 10 or the 2nd transparent member 17 is illustrated.
  • glass, plastic, etc. can be mentioned, but it is not limited to these.
  • the transparent member preferably used include glass, quartz, and a transparent resin film.
  • the glass examples include silica glass, soda lime silica glass, lead glass, borosilicate glass, and alkali-free glass. From the viewpoint of adhesion to the scattering layer, durability, and smoothness, the surface of these glass materials is subjected to physical treatment such as polishing, coatings made of inorganic or organic materials, A hybrid film combining the films can be formed.
  • polyesters such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene, polypropylene, cellophane, cellulose diacetate, cellulose triacetate (TAC), cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate ( CAP), cellulose esters such as cellulose acetate phthalate, cellulose nitrate or derivatives thereof, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polyethylene vinyl alcohol, syndiotactic polystyrene, polycarbonate, norbornene resin, polymethylpentene, polyether ketone, polyimide , Polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide, polysulfone , Polyetherimide, polyetherketoneimide, polyamide, fluororesin, nylon, polymethylmethacrylate, acrylic or polyarylate, arton ((registered trademark) manufactured by JSR) or abortion ((registered trademark): product
  • PET polyethylene
  • Such coatings and hybrid coatings have a water vapor permeability (25 ⁇ 0.5 ° C., relative humidity 90 ⁇ 2% RH) measured by a method according to JIS K 7129-1992, of 0.01 g / (m 2 24h)
  • the following gas barrier film also referred to as a barrier film or the like
  • the oxygen permeability measured by a method according to JIS K 7126-1987 is 1 ⁇ 10 ⁇ 3 ml / (m 2 ⁇ 24 h ⁇ atm) or less
  • the water vapor permeability is 1 ⁇ 10 ⁇ 5 g /
  • a high gas barrier film of (m 2 ⁇ 24 h) or less is preferable.
  • the material for forming the gas barrier film as described above may be any material that has a function of suppressing the intrusion of substances that cause deterioration of the element such as moisture and oxygen.
  • silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitride, the aforementioned polysilazane, or the like can be used.
  • the method for forming the gas barrier film there is no particular limitation on the method for forming the gas barrier film.
  • a polymerization method, a plasma CVD method, a laser CVD method, a thermal CVD method, a coating method, and the like can be used, but those obtained by atmospheric pressure plasma polymerization described in JP-A-2004-68143 and polysilazane (containing liquid) can be used.
  • Particularly preferred is a material subjected to a modification treatment by irradiation with vacuum ultraviolet rays having a wavelength of 100 nm to 230 nm.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2004-68143 discloses that the strength (kV / mm) of a high-frequency electric field applied from the first electrode is V1, and the high-frequency electric field applied from the second electrode is a thin film forming method using an atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus.
  • the strength (kV / mm) is V2 and the strength of the discharge start electric field (kV / mm) is IV, the relationship is V1 ⁇ IV> V2 or V1> IV ⁇ V2, and applied from the second electrode. It describes that a high frequency electric field having a power density of 1 W / cm 2 or more is applied to form a thin film.
  • the design variables of the present embodiment related to the transparent member include the thickness of the member and the complex relative dielectric constant.
  • the complex dielectric constant is calculated from the refractive index and the extinction constant using the formula (3) described later.
  • the complex relative dielectric constant has a birefringence, it is defined as a tensor amount having a component in the three-dimensional axial direction. .
  • Transparent electrode 13 / second electrode 15 The material used as the transparent electrode 13 or the 2nd electrode 15 is illustrated.
  • a transparent thin film metal is particularly desirable because it has an effect of lowering the effective refractive index of the waveguide mode and facilitating scattering of the waveguide mode by the scattering layer.
  • the transparent thin film metal layer is a light transmissive thin film made of a thin film metal. How thin the light can be transmitted can be expressed using the imaginary part of the refractive index. When the refractive index n and the extinction coefficient ⁇ are used, the phase change ⁇ and the transmittance T that occur when passing through a medium having a thickness d [m] can be expressed by the following equation (1).
  • ⁇ is the wavelength of light in vacuum.
  • Ld at which the light intensity is attenuated by e 1/2 from the equation (1) is expressed by the following equation (2).
  • Transparent thin metal layer in order to have sufficient transmittance is preferably thinner than the distance L d of the formula (2).
  • the transparent dielectric layer is a layer made of a dielectric.
  • the definition of the dielectric will be described below. Whether the object is a metal that contains many free electrons and does not transmit much light, or a dielectric that contains few free electrons and transmits light, can be examined using the complex relative permittivity.
  • the complex relative dielectric constant ⁇ c is an optical constant related to interface reflection, and is a physical quantity represented by the following formula (3) using the refractive index n and the extinction coefficient ⁇ .
  • a medium having a negative real part of the complex relative dielectric constant is a metal
  • a substance having a positive real part of the complex relative dielectric constant is a dielectric
  • a material having a high electron transporting property tends to have a small refractive index n and a large extinction coefficient ⁇ .
  • n is about 0.1
  • the extinction coefficient ⁇ has a large value of 2 to 10
  • the rate of change with respect to the wavelength is large. Therefore, even if the refractive index n is the same, the extinction coefficient ⁇ is greatly different, and the electron transport performance is often greatly different.
  • a metal having a small refractive index n in order to lower the effective refractive index of the waveguide mode and a large extinction coefficient ⁇ in order to improve the response of electrons.
  • aluminum (Al), silver (Ag), and calcium (Ca) are desirable.
  • gold (Au) which has an advantage that is not easily oxidized can be considered.
  • copper (Cu) is Another material which is characterized by good conductivity.
  • platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium, osmium, and the like are listed as materials that have good thermal and chemical properties and are not easily oxidized even at high temperatures and do not cause chemical reaction with the substrate material.
  • an alloy using a plurality of metal materials may be used.
  • MgAg and LiAl are often used as thin film transparent metal electrodes.
  • a conductive resin that can be produced at low cost by using a coating method may be used for the transparent electrode.
  • a fullerene derivative such as a perylene derivative or PCBM (phenyl C61 butyric acid methyl ester) can be considered.
  • PCBM phenyl C61 butyric acid methyl ester
  • the conductive resin material used as the hole transporting electrode is PEDOT (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)) / PSS (Poly (4-styrenesulfonate)), P3HT (Poly (3-hexylthiphene)), P3OT (Poly ( 3-octylthiophene), P3DDT ((Poly (3-dodecylthiophene-2,5-Diyl))), F8T2 (a copolymer of fluorene and bithiophene) and the like.
  • PEDOT Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)
  • PSS Poly (4-styrenesulfonate
  • P3HT Poly (3-hexylthiphene
  • P3OT Poly ( 3-octylthiophene
  • P3DDT ((Poly (3-dodecylthiophene-2,5-Diyl))
  • F8T2 a copolymer
  • a metal mesh, metal nanowire, metal nanoparticle or the like may be used in combination.
  • the electronic conductivity of the electrode using the metal nanowire is increased, the average refractive index tends to be low, and the reflectance as viewed from the light emitting layer tends to be high.
  • a transparent electrode material having a low reflectance as viewed from the light emitting layer is desirable because the light scattered in the waveguide mode can be efficiently extracted to the transparent substrate.
  • a metal mesh, metal nanowire, or metal nanoparticle it has an effect of scattering the waveguide mode by the electrode itself and taking it out to the outside, which is desirable for realizing a highly efficient light-emitting element.
  • the design variables of the present embodiment relating to the transparent electrode include the thickness of the member and the complex relative dielectric constant.
  • the complex relative dielectric constant is calculated from the refractive index and the extinction constant using the formula (3), and when it has a birefringence, it is defined as a tensor amount having a component in the three-dimensional axial direction.
  • a variable for determining the structure of each member and a complex relative dielectric constant are included in the design variables. For example, in the case of a metal mesh electrode, the height, width, period, material, combination of materials, etc. of the mesh can be included in the design variables.
  • Photon generation layer 14c / functional layer When an organic material is used as the photon generation layer 14c or the functional layer, it typically has a refractive index of 1.6 to 1.8 in the visible light region.
  • a material for the photon generation layer it is preferable to use an organometallic complex as a material for an organic EL element from the viewpoint of preferably obtaining effects such as improvement of external extraction quantum efficiency of the element and extension of emission lifetime.
  • the metal involved in complex formation is preferably any one metal belonging to Groups 8 to 10 of the periodic table, Al or Zn, and in particular, the metal is Ir, Pt, Al or Zn. Is preferred.
  • the design variables of the present embodiment relating to the photon generation layer include the thickness of the member and the complex relative dielectric constant.
  • the complex relative dielectric constant is calculated from the refractive index and the extinction constant using the formula (3), and when it has a birefringence, it is defined as a tensor amount having a component in the three-dimensional axial direction.
  • a variable for determining the structure of each member and a complex relative dielectric constant are included in the design variable.
  • Reflective electrode (second electrode) 15 As the material of the reflective electrode, the metal materials exemplified as the material of the transparent thin film metal layer can be used. Other alloys and inks containing metal nanoparticles may be used. Further, a transparent electrode, a dielectric multilayer mirror, a metal uneven structure, and a photonic crystal may be used in combination with the reflective layer. When a dielectric multilayer mirror, a metal uneven structure, or a photonic crystal is used as a reflective layer, there is an advantage that plasmon loss in the reflective layer can be eliminated.
  • the design variables of the present embodiment relating to the reflective electrode include the thickness of the member and the complex dielectric constant.
  • the complex relative dielectric constant is calculated from the refractive index and the extinction constant using the formula (3), and when it has a birefringence, it is defined as a tensor amount having a component in the three-dimensional axial direction.
  • a variable for determining the structure of each member and a complex relative dielectric constant are included in the design variable.
  • Optical buffer layer As the optical buffer layer, in addition to the dielectric multilayer film, a photonic crystal structure can be used. In order to create a dielectric multilayer film or a photonic crystal structure, it is necessary to combine materials having a plurality of dielectric constants, and the dielectric material is preferably transparent at a wavelength at which light is generated in the photon generation layer.
  • the resin material examples include vinyl chloride, acrylic, polyethylene, polypropylene, polystyrene, ABS, nylon, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, Teflon (registered trademark), polyimide, phenol resin, and a refractive index of 1.4 to There is 1.8.
  • the design variables of the present embodiment relating to the optical buffer layer include the thickness and complex relative dielectric constant of each member constituting the buffer layer.
  • the complex relative dielectric constant is calculated from the refractive index and the extinction constant using the formula (3), and when having a birefringence, it is defined as a tensor amount having a component in the three-dimensional axial direction.
  • variables for determining the structure of each member and optical constants are included in the design variables.
  • the film thickness and complex relative dielectric constant of each optical thin film constituting the dielectric multilayer film can be included in the design variables.
  • the optical buffer layer is configured as a photonic crystal
  • the dielectric structure of the unit cell of the photonic crystal and the complex relative dielectric constant of the material forming the unit cell can be included in the design variables.
  • optical microstructure examples include a layer containing scattering particles, a layer having a concavo-convex structure, and a structure in which the entire light emitting layer has a corrugated structure.
  • a design variable is composed of a variable for determining the size and shape of the structure and a complex relative dielectric constant of each structure.
  • the complex relative dielectric constant is calculated from the refractive index and the extinction constant using the formula (3), and when it has a birefringence, it is defined as a tensor amount having a component in the three-dimensional axial direction.
  • the light extraction efficiency is the number of photons extracted to the transparent member or air when the number of photons generated in the photon generation layer is 1.
  • the calculation method disclosed in Patent Documents 1 and 2 shown in the background art hereinafter referred to as the calculation method in the background art
  • the calculation method in the present embodiment is different in the following two points.
  • the first difference between the calculation method in the background art and the calculation method in the present embodiment is that “in both the reference element and the desired analysis element, the light extraction efficiency from the photon generation layer to the transparent member or air is calculated.
  • the ratio of the light extraction efficiency between the reference element and the analysis element is calculated, and the relationship between the thickness of each layer constituting the reference element and the analysis element and the complex relative permittivity of each layer and the ratio of the light extraction efficiency is calculated. It's a point to seek. This makes it possible to correct the difference between the photoluminescence spectrum and the electroluminescence spectrum caused by electron injection or the microcavity effect during the experiment.
  • the second difference between the calculation method in the background art and the calculation method in the present embodiment is that “quantum optical analysis” is performed.
  • the characteristic noticed in the present embodiment is various characteristics of external light at the time of electron injection.
  • the calculation method in the background art is not explained, in order to calculate the characteristics at the time of electron injection, it is necessary to obtain the internal quantum efficiency by quantum optical analysis.
  • a precise calculation is performed by calculating a change in the light emission rate due to the microcavity effect and solving a rate equation relating to light emission recombination.
  • a rate equation related to luminescent recombination is written as the following equation (4).
  • N exc is the exciton density in the photon generation layer
  • N inj is the exciton injection density
  • the light emission recombination probability ⁇ is calculated by the following equation (6).
  • the calculation of the light emission recombination rate can be performed by combining the light emission lifetime unique to the material and the calculation method disclosed in Non-Patent Document 1.
  • the analysis is performed by combining the light emission lifetime specific to the material and the existing electromagnetic field analysis methods such as the finite time difference method (FDTD method), the transfer matrix method, and the like.
  • FDTD method finite time difference method
  • the transfer matrix method and the like.
  • ⁇ e is the electron-exciton conversion efficiency determined by the spin injection rule
  • ⁇ is the luminescence recombination probability
  • ⁇ OE is the “light extraction efficiency” to the transparent member or air, and includes quantum optical analysis It has become.
  • the front spectrum S front ( ⁇ ) of the analysis element is calculated as the following equation (9) by the ratio G front ( ⁇ ) of the air total angle spectrum and the air front spectrum obtained by calculation.
  • the calculation of the color coordinates and the luminous flux [lm] after the desired spectrum is obtained can be performed according to the definition of CIE.
  • this calculation method can be applied not only to the full angle spectrum of air but also to the full angle spectrum inside the transparent member.
  • a method for obtaining the full angle spectrum inside the transparent member by experiment there is a method in which a hemispherical lens sufficiently larger than the light emitting region is closely attached to the transparent member using matching oil and measured using an integrating sphere.
  • a simple method is to perform exhaustive calculation within a desired range of design variables and achieve desired color coordinates or efficiency. In this case, a large number of levels can be calculated efficiently with a small number of levels when calculated based on the experimental design method.
  • Each level is computationally efficient when it is computed in parallel by a plurality of cluster machines. In order to increase the calculation speed, it is desirable to perform parallel calculation using a graphic processor.
  • optimization calculations It is desirable to combine the optimized algorithm with the steepest descent method, the conjugate gradient method, the linear programming method, the genetic algorithm, etc. regarding the desired characteristics. In optimization, it is desirable to perform optimization in consideration of robustness. As a specific robustness calculation method, it is desirable to perform a plurality of calculations for design variables in the vicinity of a certain level, evaluate by the magnitude of variation in desired characteristics, and select a level with small variation.
  • FIG. 21 shows the procedure of the design method in the present embodiment.
  • This design method mainly includes a current drive characteristic of the reference element and a part R100 for performing analysis, and an optimization loop 200 for the analysis element. Below, the design method of the essential part of the design method in this Embodiment is demonstrated.
  • the design variable of the reference element is determined based on the film thickness, complex non-dielectric constant, structural constant, etc. (S110). Thereafter, a reference element is created (S120). Next, the reference element is measured (S130). Specifically, the measurement of the electroluminescence spectrum during current driving and the external quantum efficiency during current driving are measured. The measurement result of the reference element is input to S250 in the optimization loop R200 described later.
  • the reference element is calculated based on the determination of the design variable of the reference element (S110) (S140). Specifically, the reference element is calculated using quantum optical analysis, electromagnetic field analysis, and ray tracing. The calculation result of the reference element is input to S240 in the optimization loop R200 described later.
  • the design variable of the analysis element is determined based on the film thickness, complex non-dielectric constant, structural constant, etc. (S210). Thereafter, the analysis element is calculated (S220). Specifically, the analysis element is calculated using quantum optical analysis, electromagnetic field analysis, and ray tracing.
  • the calculation result of the analysis element is obtained (S230). Specifically, the calculation results of the wavelength dependency of the relative light emission rate, the wavelength dependency of the light extraction efficiency, and the wavelength and angle dependency of the element emission intensity are obtained.
  • the emission intensity ratio between the analysis element and the reference element is calculated. Specifically, the ratios of the wavelength dependency of the relative light emission rate, the wavelength dependency of the light extraction efficiency, and the wavelength and angle dependency of the device emission intensity are calculated.
  • the electroluminescence spectrum of the analysis element is calculated (S250). Specifically, the wavelength dependence of the light extraction efficiency and the wavelength and angle dependence of the element emission intensity are calculated.
  • desired characteristics of the analysis element are calculated (S260). Specifically, characteristics calculated from external quantum efficiency, front luminance, front color coordinates, angle dependency of color coordinates, light emission efficiency [lm / w], and other emission spectrum and its angle dependency, and power efficiency Value.
  • the target value of the desired characteristic is compared with the analysis value, and the design variable is changed to approach the target value (S270).
  • S270 random calculation, experimental design, steepest descent method, Newton method, conjugate gradient method, and genetic algorithm are used as calculation methods.
  • the process returns to S210 again, the design variable of the analysis element is determined (S210), and the above optimization loop R200 is executed.
  • This embodiment has a plurality of functional layers sandwiched between a transparent electrode and a second electrode and at least one photon generation layer, and is transparent on the surface of the transparent electrode opposite to the photon generation layer.
  • the present invention relates to a method for designing an electroluminescent element in contact with a member.
  • a typical example of the electroluminescence element is an organic EL electroluminescence element 100 as shown in FIG.
  • the organic EL electroluminescent element 100 shown in FIG. 22 is provided with ITO (film thickness 150 nm) as a transparent electrode 113 on a glass substrate as a transparent member 110, and a first functional layer 114a and a photon generation layer 114c (by a vacuum evaporation method).
  • the second functional layer 114e is provided. Thereafter, an Ag film (film thickness: 100 nm) as a reflective electrode was provided as the second electrode 15.
  • the photon generation layer 114c was formed using a green phosphorescent material having an emission peak wavelength of 520 nm.
  • the first functional layer 114a was provided with a hole injection layer, a hole transport layer, and an electron block layer (total 35 nm).
  • the second functional layer 114e was provided with a hole blocking layer, an electron transport layer, and an electron injection layer (total xnm).
  • the transparent member 110 is in contact with the surface of the transparent electrode 113 opposite to the photon generation layer 114c.
  • the design variables in the design of the organic EL electroluminescent element 100 shown in FIG. 22 are the thicknesses of the transparent member 110, the transparent electrode 113, the first functional layer 114a, the second functional layer 114e, and the second electrode 115, And the complex relative dielectric constant, and the position and distribution of the light emitting points in the photon generation layer 114c.
  • the purpose of the design method of the present embodiment is to realize a design that optimizes external characteristics during current driving.
  • the external characteristic during current driving is an index as a desired characteristic shown in FIG. 29 to be described later, or an arbitrary index calculated using values in FIGS. 23 and 25 to 28 described later.
  • Specific examples of indices include power efficiency, current efficiency, external quantum efficiency, front luminance, front color coordinates (x, y), front color temperature, color rendering, and angle dependency of color coordinates.
  • the reference element can be created by a vacuum deposition method or the like.
  • FIG. 23 summarizes the design variables used for the reference element. The design variable is composed of the film thickness and complex relative dielectric constant of each constituent member.
  • the transparent substrate 110 is made of a glass substrate, has a film thickness of 700 micrometers (0.7 mm), and a complex relative dielectric constant of ⁇ 1.
  • the transparent electrode 113 is made of ITO, has a film thickness of 150 nm, and a complex relative dielectric constant of ⁇ 2.
  • the first functional layer 114a includes a hole injection layer, a hole transport layer, and an electron block layer, and has a film thickness of 35 nm and a complex relative dielectric constant of ⁇ 3.
  • the photon generation layer 114c is composed of a light emitting layer, and has a film thickness of 20 nm and a complex relative dielectric constant of ⁇ 4.
  • the second functional layer 114e includes a hole blocking layer, an electron transport layer, and an electron injection layer, and has a film thickness of 50 nm and a complex relative dielectric constant of ⁇ 5.
  • the second electrode 115 is made of an Ag film, has a film thickness of 100 nm, and a complex relative dielectric constant of ⁇ 6. It is assumed that the position of the light emitting point is the center of the photon generation layer 114c and the distribution is concentrated at the center in a delta function.
  • FIG. 24 shows an example of the configuration of an apparatus 1000 for measuring the external emission spectrum.
  • the external emission spectrum of the reference element 100 may be a full angle spectrum measured using an integrating sphere 1100. Therefore, the reference element 100 is placed on the central portion of the integrating sphere 1100 using the platform 1200.
  • the control device 1300 when measuring the spectrum of the reference element 100, it is preferable to record the number of photons for each wavelength in the control device 1300 using the spectroscope 1400. Further, the conditions (current and voltage) of the power supplied to the reference element 100 are recorded by the control device 1300 during measurement. In this way, the measurement data of the reference element 100 can be used for later analysis.
  • FIG. 25 shows a specific example of measurement data.
  • driving current (symbol I in , unit [A])
  • driving voltage (symbol V in , unit [V])
  • electroluminescence spectrum (symbol S EL1 ( ⁇ ), unit [/ S / nm])
  • Element area (symbol S dev , unit [m 2 ])
  • element temperature (symbol T dev , unit [K])
  • front luminance (symbol I cd , unit [cd / m 2 ])
  • front chromaticity x (symbol) x, unit dimensionless)
  • front chromaticity y (symbol y, unit dimensionless)
  • front color temperature (symbol T, unit [K]).
  • the electroluminescence spectrum measured here is converted into the number of photons per unit time and unit wavelength.
  • the electroluminescence spectrum measured in another unit can be converted into the number of photons per unit time and unit wavelength based on the measurement conditions.
  • it can convert into an intensity spectrum by applying the energy per photon to the optical spectrum in units of the number of photons.
  • Items to be calculated include relative emission recombination rate (parcel factor) wavelength dependence (symbol F 1 ( ⁇ ), unitless dimension, analysis method (quantum optical analysis / electromagnetic field analysis)), light extraction efficiency into air ( Symbol ⁇ Air1 ( ⁇ ), unit dimensionless, analysis method (electromagnetic field analysis, ray tracing)), angular distribution of air light intensity at a specific wavelength (symbol D Air1 ( ⁇ ), unit [/ sr], analysis method (electromagnetic field analysis) , Ray tracing)), light extraction efficiency to transparent member (symbol ⁇ Sub1 ( ⁇ ), unitless dimension, analysis method (electromagnetic field analysis, ray tracing)), and angular distribution of light intensity in transparent member at specific wavelength ( Symbol D Sub1 ( ⁇ ), unit [/ sr], analysis method (electromagnetic field analysis, ray tracing)).
  • each analysis method can be calculated based on Patent Documents 1 and 2 and the electromagnetic field analysis method. It is assumed that the intensity angular distribution is standardized to be 1 when integrated over a solid angle (see Equation 11). In the case of designing an element that emits light on both sides, it is assumed that the standardization of Expression 11 is made for light emission in each direction.
  • the parcel factor is the ratio of the light emission recombination rate to the light emission recombination rate of the light emitting material alone when there is a microcavity composed of a dielectric, metal, or the like in the periphery. ⁇ ). This completes the description of the measurement / analysis of the current drive characteristics of the reference element.
  • the design variable of the element to be analyzed is determined (S210).
  • the value of the design variable shown in FIG. 23 is changed.
  • Specific methods of changing include a steepest descent method and a genetic algorithm that increase desired characteristics to be described later.
  • This combination of input variables is vectorized, and the first loop is x [1], the second loop is x [2],..., And the Nth loop is x [N].
  • Items calculated for the N-th loop analysis element include relative emission recombination rate (parcel factor) wavelength dependence (symbol F [N] ( ⁇ ), unitless dimension, analysis method (quantum optical analysis / electromagnetic field analysis) ), Light extraction efficiency into air (symbol ⁇ Air [N] ( ⁇ ), unitless dimension, analysis method (electromagnetic field analysis, ray tracing)), angular distribution of air light intensity at a specific wavelength (symbol D Air [N] ( ⁇ ), unit [/ sr], analysis method (electromagnetic field analysis, ray tracing)), light extraction efficiency to transparent member (symbol ⁇ Sub [N] ( ⁇ ), unit dimensionless, analysis method (electromagnetic field analysis, light ray) Tracking)), and angular distribution of light intensity in the transparent member at a specific wavelength (symbol D Sub [N] ( ⁇ ), unit [/ sr], analysis method (electromagnetic field analysis, ray tracing)).
  • the light extraction efficiency represents the ratio of light generated in the photon generation layer to the air or the transparent member.
  • EQE external quantum efficiency
  • a ratio for calculating the electroluminescence spectrum of the analysis element is calculated using the measurement items measured at the time of current injection of the reference element shown in FIG. 25 (S240). In addition, the electroluminescence spectrum of the analysis element is calculated using the intensity ratio described above (S250). The items and symbols calculated here are defined as shown in FIGS.
  • the items calculated for the analysis element of the N-th loop are the intensity ratio of energy in the air with the reference element (symbol G Air [N] ( ⁇ ), unit dimensionless), reference element and Intensity ratio (symbol G Sub [N] ( ⁇ ), unit dimensionless), electroluminescence spectrum calculation value (symbol S EL [N] ( ⁇ ), unit [/ s / nm]), In addition, the calculated value of electroluminescence spectrum in the transparent member (symbol S ELSub [N] ( ⁇ ), unit [/ s / nm]).
  • the index values calculated for the analysis element of the N-th loop are power efficiency (symbol LPW [N], dimension [lm / W]), current efficiency (symbol LPA [N], dimension [lm] / A]), external quantum efficiency (symbol EQE [N], dimensionless), front luminance (symbol Y [N], dimension [cd / m 2 ]), front color coordinate x (symbol x [N], dimensionless) ), Front color coordinate y (symbol y [N], dimensionless), front color temperature (symbol T [N], [K]), front color rendering (symbol Ra [N], dimensionless), angle of color coordinate Dependency x (symbol x ⁇ [N] ( ⁇ ), dimensionless) and angle dependency y (symbol y ⁇ [N] ( ⁇ ), dimensionless) of color coordinates are included.
  • the measurement of the reference element 100 shown in FIG. 24 is a measurement of the spectrum that appears in the air outside the element.
  • the intensity ratio and the external emission spectrum calculation value shown in FIG. 28 are calculated by the equation (12) using the experimental electroluminescence spectrum shown in FIG.
  • the intensity ratio of energy in the air between the reference element and the analysis element is calculated using the existing quantum optical analysis method, electromagnetic field analysis method, and ray tracing method shown in FIG.
  • the electroluminescence spectrum of the analytical element is calculated using the measured value of the electroluminescence spectrum of the reference element (S130), the calculation result of the reference element (S140), and the calculation result of the analytical element (S230). (S240, S250). By calculating in this way, it becomes possible to accurately calculate the external emission electroluminescence spectrum at the time of current injection.
  • the air in the arbitrary Nth calculation, or the external emission spectrum wavelength distribution inside the transparent member and the angular distribution of the light intensity are analyzed (S260). If the user is interested in the color coordinates of the emitted light, the color coordinates can be calculated by calculating according to the definition of CIE (International Commission on Illumination) using the calculated spectrum and angular distribution.
  • CIE International Commission on Illumination
  • the power efficiency of the analysis element can be calculated based on the driving conditions of the reference element shown in FIG. 25 and the calculation results shown in FIGS. Furthermore, by using the angle distribution characteristics shown in FIG. 27, the angle distribution of luminance and color coordinates can also be calculated.
  • FIG. 29 lists indexes that can be calculated as desired characteristics.
  • Desired characteristics are not limited to the indices listed in FIG. 29, but may include any indices calculated using the values listed in FIG. 23 and FIGS.
  • Desired characteristics are not limited to the indices listed in FIG. 29, but may include any indices calculated using the values listed in FIG. 23 and FIGS.
  • a design variable is slightly changed in the vicinity of a design variable and the variation of the index value is used as a new index value and optimization is performed to minimize the variation
  • the design suitable for can be made.
  • the color rendering properties of the color targets R1 to R15 may be independently evaluated as an index of the color rendering properties.
  • the transparent substrate 110 is composed of a glass substrate, the film thickness is 700 micrometers (0.7 mm), and the complex relative dielectric constant is ⁇ 1.
  • the transparent electrode 113 is made of ITO, has a film thickness of 150 nm, and a complex relative dielectric constant of ⁇ 2.
  • the first functional layer 114a includes a hole injection layer, a hole transport layer, and an electron block layer, and has a film thickness of 37 nm and a complex relative dielectric constant of ⁇ 3.
  • the photon generation layer 114c is composed of a light emitting layer, and has a film thickness of 20 nm and a complex relative dielectric constant of ⁇ 4.
  • the second functional layer 114e includes a hole blocking layer, an electron transport layer, and an electron injection layer, and has a film thickness of 113 nm and a complex relative dielectric constant of ⁇ 5.
  • the second electrode 115 is made of an Ag film, has a film thickness of 100 nm, and a complex relative dielectric constant of ⁇ 6.
  • the (N + 1) th calculation is performed to bring the desired characteristic closer to the target value (S270).
  • the iterative calculation algorithm include a steepest descent method, a conjugate gradient method, and a genetic algorithm that increase desired characteristics. Also, any existing optimization algorithm may be used.
  • the optimization loop R200 is continued. The optimization loop R200 is terminated when it is determined that the desired characteristics are sufficiently close, or when the prescribed number of repetitions is completed.
  • an evaluation function at the time of optimization and design an algorithm so that the evaluation function is minimized or maximized. For example, when optimization is performed to bring the front color coordinate (x, y) close to the target color coordinate (x target , y target ), an error of the color coordinate is determined as an evaluation function by the following equation (13), and the evaluation function is minimized. It is desirable to design the steepest descent method, conjugate gradient method, genetic algorithm, etc.
  • design variables x [1], x [2]... X [N] are determined in advance based on the experimental design method, and parallel calculation is performed for combinations of N design variables. It is good to do.
  • For parallel computation computation using a GPU (Graphics Processing Unit), computation using a cluster machine, computation using a multi-CPU, and the like are used.
  • the element shown in FIG. 23 is used as the reference element, the desired characteristic is the front color coordinate (x, y) of the element, and the target front color coordinate is brought closer to the green coordinate (0.30, 0.60) of sRGB.
  • the optimization calculation was performed as follows. As the design variable, the thicknesses of a plurality of functional layers were used. The experimental design was used as the optimization method, and multiple levels were calculated simultaneously by multi-CPU parallel calculation.
  • FIG. 31 shows the optimization calculation results. Note that the level number N is reassigned in the order of large error.
  • FIG. 31 shows that the combination x [256] of design variables has the smallest difference ⁇ xy among the calculated values and is a desirable combination of design variables.
  • FIG. 30 shows a design variable x [256] as an optimization result. It can be seen that the reference element and the design variable in FIG. 23 are changed. Thus, by deriving the “relationship between the design variable and the desired characteristic”, it can be understood that the optimization for bringing the desired characteristic closer to the target value can be performed.
  • FIG. 32 shows a flow when the design method in the above embodiment is applied to a method of manufacturing an electroluminescent element.
  • the optimization loop R200 is once turned to output the optimum design.
  • an electroluminescent element is manufactured based on the optimum design variable.
  • the manufactured electroluminescent device is inspected, and current drive characteristics are measured and analyzed.
  • the optimization loop R200 is turned again using the inspected electroluminescent element as a reference element to feed back to the manufacturing process. In this way, by applying the design method in the above embodiment to the manufacturing method, it becomes possible to stably manufacture an electroluminescent element having a desired characteristic value.
  • the organic EL electroluminescent element 100 to be analyzed has a structure shown in FIG. 22, ITO (film thickness 150 nm) is provided as the transparent electrode 113 on the glass substrate as the transparent member 110, and the first functional layer is formed by vacuum deposition. 114a, a photon generation layer 114c (film thickness 20 nm), and a second functional layer 114e are provided. Thereafter, an Ag film (film thickness: 100 nm) as a reflective electrode was provided as the second electrode 15.
  • the photon generation layer 114c was formed using a green phosphorescent material having an emission peak wavelength of 520 nm.
  • the first functional layer 114a was provided with a hole injection layer, a hole transport layer, and an electron block layer (total 35 nm).
  • the second functional layer 114e was provided with a hole blocking layer, an electron transport layer, and an electron injection layer (total xnm). Experiments and calculations were compared while changing the total film thickness from the hole blocking layer to the electron injection layer.
  • FIG. 33 shows a result of comparison between the experimental results, the analysis method in the background art, and the analysis method in this example.
  • FIG. 34 shows the error between experiment and analysis. It can be seen that the present example can calculate the experimental chromaticity and the external quantum efficiency more accurately. By using the analysis method of this embodiment, more accurate chromaticity and efficiency can be calculated. The same analysis can be applied to the analysis of the electroluminescent element of the single-sided light emitting element shown in FIGS.
  • the design method of the present embodiment can be applied to the electroluminescent elements 1F to 1H which are the transparent light emitting elements shown in FIGS.
  • the electroluminescent device design method of this embodiment for a transparent light emitting device, the amount and color of the light extracted outside both sides can be accurately estimated.
  • the design method of the present embodiment can be applied to the electroluminescent elements 1I to 1J including the optical buffer layer shown in FIGS.
  • By optimizing the design using the light emission efficiency improvement effect by the microcavity effect of the optical multilayer film by the design method of the present embodiment it is possible to design an element having the efficiency optimized with a desired color.
  • the design method of the present embodiment can be applied to the electroluminescent elements 1K to 1M including the optical microstructure shown in FIGS.
  • a light emitting element with high light emission efficiency and small emission intensity and small color shift can be realized.
  • the design method of the present embodiment can be applied to the electroluminescent element 1O including the second optical fine structure shown in FIG.
  • the electroluminescent elements 1A to 1O designed by applying the design method of the present embodiment shown in FIGS. 5 to 17 are useful as surface-emitting light sources capable of emitting a desired color with high efficiency. The same applies to the electroluminescent elements 1P to 1R shown in FIGS.
  • the design method of the electroluminescent element in the background art calculates the external light spectrum of the electroluminescent element by current injection based on the photoluminescence spectrum, and calculates the external emission spectrum and calculation of the actual electroluminescent element.
  • the emission spectrum and color coordinates of the electroluminescent device cannot be accurately calculated due to different external emission spectra.
  • the efficiency and color coordinates are calculated accurately by calculating the external emission spectrum of the analysis element based on the external emission spectrum of the reference element.
  • the efficiency and color coordinates are calculated accurately by calculating the external emission spectrum of the analysis element based on the external emission spectrum of the reference element.
  • the external emission spectrum output to the outside in the current injection state can be calculated more accurately, and the amount and color of the light extracted to the outside can be accurately estimated.
  • the present embodiment for a transparent light emitting element, it is possible to accurately estimate the amount and color of light extracted outside both sides.
  • by optimizing the design using the light emission efficiency improvement effect by the microcavity effect of the optical multilayer film by the method of the present embodiment it is possible to design an electroluminescence device having the efficiency optimized with a desired color.
  • an electroluminescent device with high light emission efficiency and small light emission intensity and color shift at each angle.
  • the scattering efficiency of the substrate mode light using the design method of the present embodiment, it is possible to realize an electroluminescent device with high luminous efficiency and small luminous intensity and small color shift for each angle.
  • an electroluminescent element designed using the design method of the present embodiment can achieve desired chromaticity with high efficiency.

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Abstract

　この電界発光素子の設計方法は、電界発光素子の構成を備える基準素子、および、電界発光素子の構成を備える所望の解析素子を準備し、第１の透明部材、第１の電極、第１機能層、第２機能層、光子発生層、および、第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率、並びに、光子発生層における発光点の位置、および、光子発生層における発光点の分布を設計変数として、量子光学解析、電磁場解析、および光線追跡を行ない、基準素子と解析素子との両方において、光子発生層から透明部材または空気への光取り出し効率を計算して、基準素子と解析素子との「光取り出し効率の比」を算出し、さらに、基準素子および解析素子をそれぞれ構成する各層の厚みおよび各層の複素比誘電率と「光取り出し効率の比」との関係を求め、上記関係および基準素子に電流を流すことで測定される空気または第１の透明部材におけるエレクトロルミネッセンススペクトルに基づいて、設計変数として、第１の透明部材、第１の電極、第１機能層、第２機能層、光子発生層、および、第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率を得る。

Description

電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法
　本発明は、電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法に関する。
　近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機ＥＬ等の電界発光素子を用いた発光効率の高い面発光素子が注目を集めている。電界発光素子は平面型の陰極と陽極に挟まれた光子発生層から構成されるが、一般的には陽極を透明電極とし陰極を金属反射電極に構成される場合が多い。
　一方、金属電極で構成した場合には光は透明陽極側から取り出され、片面発光型の発光デバイスとして用いられている。また、両方の電極を透明電極とした場合は、透明な発光素子が実現でき装飾照明等への応用が期待されている。一方で、光子発生層内部で発光した光はすべて取り出されるわけではなく、透明基材に光が閉じ込められる基板モード、光子発生層や透明電極に光が閉じ込められる導波モード、金属電極に光が閉じ込められるプラズモンモードなどが存在し、素子の発光効率を制限する要因となっている。
　また、照明や装飾光源として用いる場合には外部に出てくる光の色や輝度が重要であるが、外部に取り出される光の色や輝度は光学多層膜干渉によって変化してしまいその制御が難しい問題が存在している。外部に取り出される光の色や輝度を見積もることは応用において重要である。
　外部に取り出せる光の色座標や輝度等を設計する方法として、発光材料のフォトルミネッセンススペクトルを元に計算する方法が、特開２０１０－１４７３３７号公報（特許文献１）、および、特開２００９－０５４３８２号公報（特許文献２）に開示されている。さらに、詳細な光取り出し効率計算方法は、R.　Meerheim　et.　al.,　Appl.　Phys.　Lett.,　97,　253305　(2010)（非特許文献１）に開示されている。
特開２０１０－１４７３３７号公報 特開２００９－０５４３８２号公報
R.　Meerheim　et.　al.,　Appl.　Phys.　Lett.,　97,　253305　(2010).
　しかしながら、特許文献１，２においては、フォトルミネッセンススペクトルを元に外部スペクトルを計算しており、実際の素子の電流注入状態におけるエレクトロルミネッセンススペクトルを正確に計算できない問題があった。
　非特許文献１においては光子発生層内部のスペクトルを仮定する必要があるが、電子注入と内部スペクトル強度との比や内部スペクトル形状をどのように設定すると実験と計算で誤差が少なくなるかの詳細な説明や、フォトルミネッセンススペクトルとエレクトロルミネッセンススペクトルとの違いに関する説明が不足しており、実験と計算の差が残存していた。
　本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量および／または色を正確に見積もることのできる、電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法を提供する。
　この発明に基づいた電界発光素子の設計方法によれば、透明電極である第１の電極と第２の電極の間に、第１機能層および第２機能層に挟まれる光子発生層を有し、上記第１の電極の上記光子発生層が設けられる側とは反対側には第１の透明部材を有する電界発光素子の設計方法であって、上記電界発光素子の構成を備える基準素子、および、上記電界発光素子の構成を備える所望の解析素子を準備し、上記第１の透明部材、上記第１の電極、上記第１機能層、上記第２機能層、上記光子発生層、および、上記第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率、並びに、上記光子発生層における発光点の位置、および、上記光子発生層における発光点の分布を設計変数として、量子光学解析、電磁場解析、および光線追跡を行ない、上記基準素子と上記解析素子との両方において、上記光子発生層から上記透明部材または空気への光取り出し効率を計算して、上記基準素子と上記解析素子との「光取り出し効率の比」を算出し、さらに、上記基準素子および上記解析素子をそれぞれ構成する上記各層の厚みおよび上記各層の複素比誘電率と上記「光取り出し効率の比」との関係を求め、上記関係および上記基準素子に電流を流すことで測定される空気または上記第１の透明部材におけるエレクトロルミネッセンススペクトルに基づいて、設計変数として、上記第１の透明部材、上記第１の電極、上記第１機能層、上記第２機能層、上記光子発生層、および、上記第２の電極の、それぞれの上記厚み、および、それぞれの上記複素比誘電率を得る。
　他の形態においては、上記第２の電極は透明電極であり、かつ、上記第２の電極の上記光子発生層が設けられる側と反対側に第２の透明部材を有し、設計変数として上記第２の透明部材の複素比誘電率と厚みとをさらに含む。
　他の形態においては、上記第２の電極と上記第１の透明部材との間、または上記第２の電極と上記第２の透明部材との間の少なくともいずれか一方の間に光学バッファ層をさらに有し、設計変数として上記光学バッファ膜を構成する各膜の厚み、複素比誘電率、および構造定数を設計することをさらに含む。
　他の形態においては、上記透明部材と上記光子発生層との間のいずれかの領域に光の振幅および位相条件を乱す第１の光学微細構造をさらに含み、設計変数として上記第１の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を設計することをさらに含む。
　他の形態においては、上記第１の透明部材と外部との界面に、光の振幅および位相条件を乱す第２の光学微細構造を含み、設計変数として上記第２の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を含む。
　この発明に基づいた電界発光素子の設計方法を用いて設計された電界発光素子においては、上述のいずれかに記載の電界発光素子の設計方法を用いて設計されている。
　この発明に基づいた電界発光素子の設計方法によれば、上述のいずれかに記載の電界発光素子の設計方法により得られた上記設計変数の基づき製造された電界発光素子を検査し、電流駆動特性を測定および解析する工程と、上記測定および解析された上記電界発光素子を基準素子として、上述のいずれかに記載の電界発光素子の設計方法により上記設計変数を得て、上記設計変数に基づき、電界発光素子の製造を行なう工程と、と備える。
　この電界発光素子の製造方法によれば、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量および／または色を正確に見積もることのできる、電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法の提供を可能とする。
背景技術における電界発光素子の設計方法を示すブロック図である。 実施の形態における電界発光素子の設計方法の概略を示すブロック図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第２断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第３断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第４断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第５断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第６断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第７断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第８断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第９断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１０断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１１断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１２断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１３断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１４断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１５断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１６断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１７断面図である。 実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１８断面図である。 実施の形態における電界発光素子の設計方法の詳細を示すブロック図である。 実施例における電界発光素子の構成例を示す断面図である。 基準素子に用いた電界発光素子の設計変数を示す図である。 外部発光スペクトルを測定する装置の構成の一例を示す図である。 基準素子の測定データの項目を示す図である。 基準素子の計算される項目と解析手法の選択を示す図である。 Ｎループ目の解析素子について計算される項目の一覧を示す図である。 Ｎループ目の解析素子について計算される強度比および外部発光スペクトルを示す図である。 電界発光素子の計算されうる指標の例を示す図である。 最適化ループにおける水準番号Ｎと、色座標の目標座標との差Δｘｙとの関係示す図である。 最適化素子の設計変数を示す図である。 本実施の形態における電界発光素子の設計方法を用いた電界発光素子の製造方法を示す図である。 実施例における測定値と計算値とを示す図である。 実施例における測定値に関する誤差絶対値を示す図である。
　［１．概要］
　図１に上述した特許文献１および２に記載の設計方法をブロック図で示す。計算で仮定する条件は、（１）発光材料のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル、および（２）発光層の材料、屈折率、膜厚である（Ｓ０）。ステップ１（Ｓ１）において、発生光強度および発生フォトン数により、ＰＬスペクトルを設定する。Ｓ２において、発光点の位置、および、膜厚、屈折率の条件設定が行なわれる。Ｓ３において、光取出し効率が計算される。Ｓ４において、Ｓ１およびＳ３の結果に基づき、外部光強度、外部フォトン数、ＬＰＷ（lumen/W）、ＥＱＥ（external　quantum　efficiency：外部量子効率）等の所望の特性が計算される。所望の特性の最大化を求めるため、Ｓ３およびＳ４を繰り返し実行する（Ｓ５）。その後、Ｓ６において、所望の特性の最大化が得られた場合には、計算値、光取り出し効率、外部光強度、外部フォトン数、所望の特性等の計算結果が得られる。
　このように、特許文献１および２に記載の設計方法によれば、発光材料単体のＰＬスペクトルと発光層の屈折率膜厚とを元に計算した光取り出し効率を元に所望の外部特性を計算している。しかしながら、フォトルミネッセンススペクトルを元にした計算はマイクロキャビティ効果や、電子注入と光励起の特性の差により実際の素子の電流注入状態におけるエレクトロルミネッセンススペクトルを正確に計算できない問題があった。また、非特許文献１に開示される方法においては、発光層内部のスペクトルを仮定する必要があるがどのように内部スペクトルを設定すると実験と計算で誤差が少なくなるかの詳細な説明が不足していた。
　図２に、本実施の形態における電界発光素子の設計方法の概略をブロック図で示す。計算で仮定する条件は、（１）基準素子の外部発光スペクトル、および（２）発光層の材料、屈折率、膜厚である（Ｓ００）。ステップ１１（Ｓ１１）において、発生光強度および発生フォトン数により、基準素子の実験値を得る。Ｓ１２において、基準素子の光取り出し効率計算値を得る。Ｓ１３において、発光点の位置、および、膜厚、屈折率の条件設定を行なう。Ｓ１４において、光取出し効率が計算される。Ｓ１５において、Ｓ１２およびＳ１４で得られた値および条件に基づき、基準素子との光取り出し効率の比を計算する。さらに、Ｓ１６において、Ｓ１１およびＳ１５によって得られた実験値および比に基づき、外部光強度、外部フォトン数、ＬＰＷ、ＥＱＥ等の所望の特性が計算される。所望の特性の最大化を求めるため、Ｓ１４、Ｓ１５、およびＳ１６を繰り返し実行する（Ｓ１７）。その後、Ｓ１８において、所望の特性の最大化が得られた場合には、計算値、光取り出し効率、外部光強度、外部フォトン数、所望の特性等の計算結果が得られる。
　上述のように、本実施の形態においては、基準素子において実際に外部で測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルと、基準素子の光学定数および膜厚から算出される光取り出し効率と、解析素子の光学定数および膜厚から算出される光取り出し効率とを元に、解析素子の外部発光スペクトルを計算する設計方法である。本実施の形態の設計手法を用いることで、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量および／または色を正確に見積もることのできる電界発光素子の設計方法の実現を可能としている。
　［２．電界発光素子の設計方法］
　『２．１　電界発光素子の構成』
　本実施の形態における電界発光素子の構成について説明する。以下では有機電界発光素子を例に説明するが、本設計方法は有機電界発光素子の設計に限定されず、無機材料で構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）等の設計にも用いることができる。
　（第１の電界発光素子）
　以下、図３から図７を参照して、第１の電界発光素子として、「透明電極と第２の電極との間に狭持された複数の機能層と少なくとも１層の光子発生層とを有し、透明電極の光子発生層とは反対側の面に透明部材が接している電界発光素子」の構成例について説明する。図３から図７は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１から第５断面図である。
　図３に示す電界発光素子１Ａは、第１の透明部材１０の上に、透明電極（第１の電極）１３としてＩＴＯ（Indium　Tin　Oxide）電極、発光層１４、および、第２の電極１５として金属（Ａｇ）反射電極が、この順で形成されている。発光層１４は、複数の機能層と光子発生層とにより構成され、第１の透明部材１０には、透明ガラス基板が用いられる。
　図４に示す電界発光素子１Ｂは、電界発光素子１Ａの構成と比較して、透明電極（第１の電極）１３として、導電性樹脂１３ａ、薄膜Ａｌ（薄膜金属電極）１３ｂ、および導電性樹脂１３ｃの積層構造が用いられている。
　図５に示す電界発光素子１Ｃは、電界発光素子１Ａの構成と比較して、発光層１４が、有機材料で構成されており、例えば発光層は、正孔注入層１４ａ、正孔輸送層１４ｂ、光子発生層１４ｃ、電子輸送層１４ｄ、および、電子注入層１４ｅで構成されている。このように多数の機能層で構成することにより、光子発生層１４ｃにおけるキャリアバランスを改善し、効率的な発光が実現できるようになる。
　図６に示す電界発光素子１Ｄは、透明電極１３に薄膜Ａｇが用いられている構成であり、電界発光素子１Ｃと同一の作用効果が得られる。
　なお、電界発光素子１Ｃおよび電界発光素子１Ｄのいずれにおいても、第２の電極１５として金属（Ａｇ）反射電極を用いることができる。なお、図５および図６に示す、電界発光素子１Ｃは、ボトムエミッション素子である。
　図３～図６においては、透明基板を用いた第１の透明部材１０上に機能層を構成する素子（ボトムエミッション素子）を例示してきたが、不透明部材上に反射電極を設ける構成（トップエミッション素子）にも本実施の形態は適用される。
　図７にトップエミッション素子の構成例である電界発光素子１Ｅに示す。支持基板１６の上に第２の電極１５として反射電極が設けられ、第２の電極１５の上に、発光層１４、透明電極１３として薄膜Ａｇ、第１の透明部材１０として封止部材が、この順で形成されている。発光層１４は、第２の電極１５側から、電子注入層１４ｅ、電子輸送層１４ｄ、光子発生層１４ｃ、正孔輸送層１４ｂ、および、正孔注入層１４ａで構成されている。
　トップエミッション素子の場合、透明電極１３上に透明な封止部材（第１の透明部材１０）、あるいは封止用の不活性気体、あるいは空気を設けることが多い。本実施の形態の透明部材は、封止部材あるいは不活性気体、あるいは空気を示す。
　（第２の電界発光素子）
　以下、図８から図１０を参照して、第２の電界発光素子として、「第２の電極が透明電極でありかつ第２の電極の発光層が設けられる側と反対側に第２の透明部材を有する電界発光素子」の構成例について説明する。図８から図１０は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第６から第８断面図である。
　図８に示す電界発光素子１Ｆは、第１の透明部材１０の上に、透明電極１３としてＩＴＯ電極、発光層１４、第２の電極１５としてＩＴＯ電極、および、第２の透明部材１７が、この順で形成されている。この構成を採用することで、両面側が透明となり、両面もしくは片面に発光する透明発光素子を実現できる。第２の透明部材１７は、たとえばＩＴＯや薄膜金属電極で構成される。また、第２の透明部材１７は、第１の透明部材１０と同様の材料が適用可能である。
　図９に示す電界発光素子１Ｇは、電界発光素子１Ｆの構成と比較して、第２の電極１５として薄膜金属膜（Ａｇ）が用いられている。このような構成を取ることで、発光層から見た第２の電極側の反射率が発光層から見た透明電極の反射率よりも高くなり、片側に偏った発光が可能となる。
　図１０に示す電界発光素子１Ｈは、電界発光素子１Ｆの構成と比較して、透明電極１３および第２の電極１５のいずれにも薄膜金属膜（Ａｇ）が用いられている。このような構成を取ることで発光層から見た両方の電極の反射率を高くすることができ、マイクロキャビティ効果により発光効率を向上させたり、色純度を高めたりすることができる。
　（第３の電界発光素子）
　以下、図１１から図１３を参照して、第３の電界発光素子として、「透明電極と透明部材の間、もしくは第２の電極と第２の透明部材の間の少なくとも一方に光学多層膜を有する電界発光素子」の構成例について説明する。図１１から図１３は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第９から第１３断面図である。
　図１１に示す電界発光素子１Ｉは、第１の透明部材１０の上に、透明電極１３として導電性樹脂、発光層１４、第２の電極１５として薄膜金属膜（Ａｇ）、光学バッファ層１８として、誘電体多層膜、および、反射部材４５として厚膜金属膜（Ａｇ）が、この順で形成されている。この構成を採用することで、電界発光素子から発生する光の色度や配光を適切に制御できる。なお、図１１に示した光学バッファ層１８は、透明発光素子にも適用可能である。
　図１２に示す電界発光素子１Ｊは、電界発光素子１Ｉの構成と比較して、第１の透明部材１０と透明電極１３との間に、第２の光学バッファ層１９として、誘電体多層膜を有している。このような構成を採用することで、片面発光素子において両面から発光する光の色や輝度割合ならびに配光を光学的に設計することが可能になる。
　図１３に示す電界発光素子１Ｋは、電界発光素子１Ｉの構成と比較して、第１の透明部材１０と透明電極１３との間に、第２の光学バッファ層１９として、誘電体多層膜を有しているほか、反射部材の替わりに第２の透明部材を有している。このような構成を採用することで、両面発光素子において両面から発光する光の色や輝度割合ならびに配光を光学的に設計することが可能になる。
　（第４の電界発光素子）
　以下、図１４から図１６を参照して、第４の電界発光素子として、「透明部材と光子発生層との間に光の振幅および位相条件を乱す光学微細構造を含む電界発光素子」の構成例について説明する。図１４から図１６は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１２から第１４断面図である。
　図１４に示す電界発光素子１Ｌは、図６に示す電界発光素子１Ｄのボトムエミッション素子の構成と比較して、第１の透明部材１０と透明電極１３としての薄膜Ａｇとの間に内部散乱層を含む第１の光学微細構造２１が設けられている。第１の光学微細構造２１は、光散乱層２１ｂとしての散乱粒子を光散乱層２１ａとしてのバインダで保持した層の上に平滑層２１ｃを設けた構造を有する。光散乱層２１ｂの厚みとしては光の波長と同等であり、散乱粒子の大きさとしては光の波長の数倍以下の微細構造を有する。このような構成を採用することで、発光層１４の内部を伝搬する導波モードを効率的に散乱できる。
　図１５に示す電界発光素子１Ｍは、図７に示す電界発光素子１Ｅの構成と比較して、第２の電極１５と電子注入層１４ｅとの間に、第１の光学微細構造２１が設けられている。この微細構造２１は、金属凹凸構造２１ｄおよび透明導電膜２１ｅを含む。
　図１６に示す電界発光素子１Ｎは、図１５に示す電界発光素子１Ｍの構成と比較して、第１の透明部材１０を除き、第２の電極１２より上の素子全体が微細に波形になっている形状でもある。特に、反射電極である第２の電極１２の上に光学微細構造を設けた場合には、電極で吸収されるプラズモンモード損失を低減できるため有用である。また、図８から図１０に示した透明発光素子である、電界発光素子１Ｆ～１Ｈに、上述の光学微細構造を設けてもよい。
　（第５の電界発光素子）
　以下、図１７を参照して、第５の電界発光素子として、「透明部材と外部の界面に、光の振幅および位相条件を乱す第２の光学微細構造を含む電界発光素子」の構成例について説明する。図１７は、本実施の形態における電界発光素子の構成例を示す第１５断面図である。
　図１７に示す電界発光素子１Ｏは、図６に示す電界発光素子１Ｄのボトムエミッション素子の構成と比較して、第１の透明部材１０に第２の光学微細構造３１が設けられている。第２の光学微細構造３１としては、市販の光取り出しシートを用いることができる。具体的な構造としては、図示するように、透明層３１ｂの内部に光散乱粒子３１ａが含有している構造、透明部材の表面に凹凸がある構造等が挙げられる。この場合の構造定数としては、表面凹凸高さ、幅、単位構造の周期、あるいは散乱粒子の大きさ、密度、形状などが挙げられる。
　なお、上記した第１から第５の電界発光素子１Ａ～１Ｏは、発光層が単層の場合を示しているが、発光層は単一に限らず複数であっても良い。図１８に複数の光子発生層を含む電界発光素子１Ｐの構成例を示す。図１８は、電界発光素子１Ｐの断面図である。この電界発光素子１Ｐは、透明部材１０の上に、透明電極１３、発光層１４Ａ、電荷発生層１４Ｂ、第２の発光層１４Ｃ、電荷発生層１４Ｄ、第３の発光層１４Ｅ、および、反射電極４５がこの順で積層されている。また、透明電極１３と反射電極４５との間に電源が接続されている。
　このような電界発光素子は、同一の電流でより多くの光を発生でき、高効率の電界発光素子に適している。このような電界発光素子に本実施の形態における電界発光素子の設計方法を適用できる。この場合、各発光層における発光ドーパントの比率をさらに設計変数に含めると良い。本実施の形態の電界発光素子の設計方法を適用することで所望のスペクトルで効率の高い素子を効率良く設計することが可能になる。
　また、複数の発光層は独立に駆動できるように電極を構成してもよい。図１９に複数の発光層を独立に駆動できるように構成の電界発光素子１Ｑを示す。図１９は、電界発光素子１Ｑの断面図である。この電界発光素子１Ｑは、透明部材１０の上に、透明電極１３、発光層１４Ａ、第２の電極（透明電極）１５、第２の発光層１４Ｃ、第３の電極（透明電極）２３、第３の発光層１４Ｅ、および、反射電極４５がこの順で積層されている。また、透明電極１３と第２の電極（透明電極）１５との間に電源１、第２の電極（透明電極）１５と第３の発光層１４Ｅとの間に電源２、第３の電極（透明電極）２３と反射電極４５との間に電源３が接続されている。このように構成することで、任意の色で発光する電界発光素子を実現できる。
　さらに、図２０のように複数の光子発生層の間に光学バッファ層を含んでも良い。図２０は、電界発光素子１Ｒの断面図である。この電界発光素子１Ｒは、透明部材１０の上に、光学バッファ層４１、透明電極１３、発光層１４Ａ、第２の電極（透明電極）１５、光学バッファ層４２、第３の電極（透明電極）２３、第２の発光層１４Ｃ、第４の電極（透明電極）２４、光学バッファ層４３、第５の電極（透明電極）２５、第３の発光層１４Ｅ、第６の電極（透明電極）２６、光学バッファ層４４、および、反射電極４５がこの順で積層されている。また、透明電極１３と第２の電極（透明電極）１５との間に電源１、第３の電極（透明電極）２３と第４の電極（透明電極）２４との間に電源２、および、第５の電極（透明電極）２５と第６の電極（透明電極）２６との間に電源３が接続されている。
　このように構成することで発光する光のスペクトルや配光分布を任意に制御することが可能となる。また、このような光学バッファ層は特定の波長でマイクロキャビティを構成するようにすると、特定の波長の発光レートを増大させることができる。光学バッファ層も含めて本実施の形態の電界発光素子の設計方法を適用することで、所望の波長、所望の角度の発光強度が強い電界発光素子を実現する構成を、効率良く設計することが可能となる。
　また、これまでは片側発光素子の例で説明してきたが、複数の発光層を含む構成は両側発光素子に適用してもよい。この場合は、両側に発光する、高効率、あるいは所望のスペクトルを実現する電界発光素子を効率よく設計できる。
　『２．２　構成部材の詳細』
　以下に、上述した電界発光素子１Ａ～１Ｎを構成する各種部材（材料）の詳細について説明する。
　（第１の透明部材１０／第２の透明部材１７）
　第１の透明部材１０または第２の透明部材１７として用いることのできる材料を例示する。たとえば、ガラス、プラスチック等を挙げることができるが、これらに限定されない。好ましく用いられる透明部材としては、ガラス、石英、透明樹脂フィルムを挙げることができる。
　ガラスとしては、たとえば、シリカガラス、ソーダ石灰シリカガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、無アルカリガラス等が挙げられる。これらのガラス材料の表面には、散乱層との密着性、耐久性、平滑性の観点から、必要に応じて、研磨等の物理的処理を施したり、無機物または有機物からなる被膜や、これらの被膜を組み合わせたハイブリッド被膜を形成したりできる。
　樹脂フィルムとしては、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、セロファン、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）、セルロースアセテートフタレート、セルロースナイトレート等のセルロースエステル類またはそれらの誘導体、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンビニルアルコール、シンジオタクティックポリスチレン、ポリカーボネート、ノルボルネン樹脂、ポリメチルペンテン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン類、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、ナイロン、ポリメチルメタクリレート、アクリルあるいはポリアリレート類、アートン（（登録商標）：商品名ＪＳＲ社製）あるいはアペル（（登録商標）：商品名三井化学社製）といったシクロオレフィン系樹脂等が挙げられる。樹脂フィルムの表面には、無機物または有機物からなる被膜や、これらの被膜を組み合わせたハイブリッド被膜が形成されていてもよい。
　このような被膜およびハイブリッド被膜は、ＪＩＳ　Ｋ　７１２９－１９９２に準拠した方法で測定された水蒸気透過度（２５±０．５℃、相対湿度９０±２％ＲＨ）が、０．０１ｇ／（ｍ２・２４ｈ）以下のガスバリアー性フィルム（バリア膜等ともいう）であることが好ましい。さらには、ＪＩＳ　Ｋ　７１２６－１９８７に準拠した方法で測定された酸素透過度が、１×１０－３ｍｌ／（ｍ２・２４ｈ・ａｔｍ）以下、水蒸気透過度が、１×１０－５ｇ／（ｍ２・２４ｈ）以下の高ガスバリアー性フィルムであることが好ましい。
　以上のようなガスバリアー性フィルムを形成する材料としては、水分や酸素等素子の劣化をもたらす物質の浸入を抑制する機能を有する材料であればよい。たとえば、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素や、前述のポリシラザン等を用いることができる。さらに、当該ガスバリアー性フィルムの脆弱性を改良するために、これら無機層と有機材料からなる層（有機層）の積層構造を持たせることがより好ましい。無機層と有機層との積層順については特に制限はないが、両者を交互に複数回積層させることが好ましい。
　ガスバリアー性フィルムの形成方法については特に限定はなく、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、クラスターイオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、プラズマＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、コーティング法等を用いることができるが、特開２００４－６８１４３号公報に記載の大気圧プラズマ重合法によるものや、ポリシラザン（含有液）に波長１００ｎｍ～２３０ｎｍの真空紫外線を照射し、改質処理したものが特に好ましい。
　特開２００４－６８１４３号公報には、大気圧プラズマ放電処理装置を用いる薄膜形成方法により、第１電極から印加する高周波電界の強さ（ｋＶ／ｍｍ）をＶ１、第２電極から印加する高周波電界の強さ（ｋＶ／ｍｍ）をＶ２、放電開始電界の強さ（ｋＶ／ｍｍ）をＩＶとしたとき、Ｖ１≧ＩＶ＞Ｖ２またはＶ１＞ＩＶ≧Ｖ２なる関係を有し、第２電極から印加する高周波電界の出力密度が１Ｗ／ｃｍ２以上である高周波電界を印加して薄膜を形成させることが記載されている。
　透明部材に関わる本実施の形態の設計変数としては部材の厚みと複素比誘電率が挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数とから後述する式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は、３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。
　（透明電極１３／第２の電極１５）
　透明電極１３、あるいは第２の電極１５として用いられる材料を例示する。透明電極１３としては、特に透明薄膜金属が、導波モードの実効屈折率を下げ、導波モードを散乱層で散乱させやすくする効果を持つので望ましい。透明薄膜金属層は薄膜金属で構成される光透過性を有する薄膜である。どの程度の薄さであれば光が透過するかは、屈折率の虚部を用いて表すことができる。屈折率ｎと消衰係数κを用いた場合、厚さｄ［ｍ］の媒質を通過する際に生じる位相変化φと透過率Ｔとは、以下の式（１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、λは真空中における光の波長である。式（１）より光の強度がｅ２分の１に減衰する距離Ｌｄは、以下の式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　十分な透過率を有するために透明薄膜金属層は式（２）で示される距離Ｌｄより薄いことが望ましい。
　透明誘電体層は誘電体で構成されている層である。誘電体の定義について以下で説明する。物体が自由電子を多く含みあまり光を透過しない金属か、自由電子が少なく光を透過する誘電体であるかは複素比誘電率を用いて調べることができる。複素比誘電率εｃは界面反射に関係する光学定数であり屈折率ｎと消衰係数κを用いて、以下の式（３）で表される物理量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ＰとＥはそれぞれ分極と電界、ε０は真空中の誘電率である。式（３）からｎが小さくκが大きいほど複素比誘電率の実部が小さくなることがわかる。これは電界の振動に対して電子の振動によって分極応答の位相がずれる効果を現している。
　式（３）で示される複素比誘電率の実部が負になると、電界振動と分極応答が逆転することを意味し、これが金属の特性となる。逆に、素比誘電率の実部が正の場合は電界の方向と分極応答の方向が一致し、誘電体としての分極応答を示す。まとめると、複素比誘電率の実部が負である媒質が金属であり、複素比誘電率の実部が正の物質が誘電体である。
　一般に、屈屈折率ｎが小さく消衰係数κが大きいほど電子がよく振動する材料であることを意味する。電子輸送性が高い材料は屈折率ｎが小さく消衰係数κが大きい傾向がある。
　特に金属電極においては、ｎが０．１程度であるのに対し、消衰係数κは、２～１０と大きな値を持ち波長に対する変化率も大きい。従って屈折率ｎが同じ値でも消衰係数κの値が大きく違い、電子輸送性能に大きな差がでることが多い。
　本実施の形態の構成を実施する上では、導波モードの実効屈折率を下げるために屈折率ｎが小さく、電子の応答を良くするために消衰係数κが大きい金属がのぞましい。たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、カルシウム（Ｃａ）が望ましい。他の例では、酸化され難い利点も持つ金（Ａｕ）が考えられる。別の材料として銅（Ｃｕ）があり、同材料は導電性がよいという特徴を持つ。その他には熱的性質や化学的性質が良く高温でも酸化されにくく基板材料との化学反応も起さない特徴がある材料として、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミニウムなどが挙げられる。また、複数の金属材料を用いた合金を用いてもよい。特に、ＭｇＡｇやＬｉＡｌは薄膜透明金属電極としてもよく用いられる。
　透明電極層においては透明酸化物半導体の他に塗布法を用いて低コストで作成が可能な導電性樹脂を透明電極に用いてもよい。電子輸送性電極として用いられる導電性樹脂材料としては、ペリレン誘導体やＰＣＢＭ（フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）等のフラーレン誘導体が考えられる。たとえば、ＰＣＢＭの場合は可視光の光学定数は、屈折率ｎ＝２．２、消衰係数κ＝０．２５であり、発光層から見た電極反射率は、屈折率ｎ＝１．５の樹脂と比較して高くなる。
　正孔輸送性電極として用いられる導電性樹脂材料は、ＰＥＤＯＴ（Poly（3,4-ethylenedioxythiophene））／ＰＳＳ（Poly（4-styrenesulfonate））、Ｐ３ＨＴ（Poly（3-hexylthiphene））、Ｐ３ＯＴ（Poly（3-octylthiophene）、Ｐ３ＤＤＴ（（Poly（3-dodecylthiophene-2,5-Diyl））））、Ｆ８Ｔ２（フルオレンとバイチオフェンとの共重合体）などが例示される。たとえばＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの場合は、可視光の光学定数は屈折率ｎ＝１．５、消衰係数κ＝０．０１であり、発光層から見た電極反射率は、屈折率ｎ＝１．５の樹脂と同等の値を取り、ＰＣＢＭよりも反射率は低めになる。
　さらに、透明電極の電気伝導度を高めるために金属メッシュ、金属ナノワイヤ、金属ナノ粒子等を併用してもよい。この場合は、金属ナノワイヤを用いた電極の電子伝導性が高まるために、平均的な屈折率が低くなり、発光層から見た反射率が高くなる傾向がある。本実施の形態の構成を実施する上では、発光層から見た反射率が低い透明電極材料が導波モードを散乱させた光を効率良く透明基板に取り出せるので望ましい。また、金属メッシュ、金属ナノワイヤ、金属ナノ粒子を用いた場合には、電極自体で導波モードを散乱させて外部に取り出す効果も有し、高効率の発光素子を実現する上で望ましい。
　透明電極に関わる本実施の形態の設計変数としては部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、透明電極が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と複素比誘電率とを設計変数に含める。たとえば金属メッシュ電極の場合は、メッシュの高さや幅、周期、材料、材料の組み合わせなどが設計変数に含まれうる。
　（光子発生層１４ｃ／機能層）
　光子発生層１４ｃや機能層として有機材料を用いる場合には可視光の領域で典型的には１．６～１．８の間の屈折率を持つ。特に、光子発生層の材料は、素子の外部取りだし量子効率の向上、発光寿命の長寿命化等の効果を好ましく得る観点から、有機ＥＬ素子用材料として有機金属錯体を用いることが好ましい。さらに、錯体形成に係る金属が元素周期表の８族～１０族に属するいずれか１種の金属、ＡｌまたはＺｎであることが好ましく、特に上記金属が、Ｉｒ、Ｐｔ、ＡｌまたはＺｎであることが好ましい。
　光子発生層に関わる本実施の形態の設計変数としては部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、光子発生層が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と複素比誘電率を設計変数に含める。
　（反射電極（第２の電極）１５）
　反射電極の材料としては透明薄膜金属層の材料として例示した金属材料を用いることができる。その他の合金、金属ナノ粒子を含有したインクなどを用いてもよい。また、透明電極と誘電体多層膜ミラー、金属凹凸構造、フォトニック結晶を反射層と組み合わせて用いてもよい。誘電体多層膜ミラー、金属凹凸構造、フォトニック結晶を反射層として用いた場合には、反射層でのプラズモン損失をなくすことができる利点がある。
　反射電極に関わる本実施の形態の設計変数としては、部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、反射電極が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と複素比誘電率を設計変数に含める。
　（光学バッファ層）
　光学バッファ層としては誘電体多層膜のほか、フォトニック結晶構造を用いることができる。誘電体多層膜やフォトニック結晶構造を作成するためには、複数の誘電率を持つ材料を組み合わせる必要があり、誘電体材料は光子発生層で光が発生する波長において透明であることが望ましい。透明な材料としては、透明部材として用いられる材料を利用できる。具体的な材料としては、ＴｉＯ２（屈折率ｎ＝２．５）、ＳｉＯｘ（屈折率ｎ＝１．４～３．５）などを用いることができる。その他の誘電体材料の例としては、ダイヤモンド、弗化カルシウム（ＣａＦ）、チッ化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などが例示できる。
　樹脂材料としても塩化ビニル、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、テフロン（登録商標）、ポリイミド、フェノール樹脂などが例示され、屈折率も１．４～１．８のものが存在する。またナノ粒子などを混合して屈折率を高くしたり低くしたり制御する技術も存在し、中空ナノシリカを混合したプラスチック材料では屈折率を１に近づけることが可能である。また、ＴｉＯ２等の高屈折率材料の粒子を樹脂に混合することにより、２に近い屈折率を実現することも可能である。
　光学バッファ層に関わる本実施の形態の設計変数としてはバッファ層を構成する各部材の厚みと複素比誘電率とが挙げられる。なお、複素比誘電率は、屈折率と消衰定数とから式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。また、光学バッファ層が複数の部材で構成される場合は、それぞれの部材の構造を決めるための変数と光学定数を設計変数に含める。たとえば、光学バッファ層が誘電体多層膜で構成される場合には、誘電体多層膜を構成する各光学薄膜の膜厚と複素比誘電率を設計変数に含みうる。また、たとえば、光学バッファ層がフォトニック結晶として構成される場合には、フォトニック結晶の単位格子の誘電体構造、単位格子を構成する材料の複素比誘電率が設計変数に含まれうる。
　（光学微細構造）
　光学微細構造としては、散乱粒子を含有する層、凹凸構造を有する層、発光層全体が波形構造を有する構造などが挙げられる。いずれの場合においても、構造の大きさや形を決めるための変数と、各構造の複素比誘電率から設計変数が構成される。なお、複素比誘電率は屈折率と消衰定数から式（３）を用いて計算され、複屈折率を有する場合は３次元の軸方向に成分をもつテンソル量として定義される。
　『２．３　光取り出し効率と外部光の諸特性計算方法』
　本節においては、本実施の形態における光取り出し効率の計算方法について説明する。光取り出し効率は、光子発生層で発生した光子数を１とした場合に、透明部材あるいは空気に取り出される光子数である。具体的な計算方法については、背景技術で示した特許文献１、２に開示される計算方法（以下、背景技術における計算方法、と称する。）を用いることができるが、背景技術における計算方法と本実施の形態における計算方法とは、以下の２つの点で異なっている。
　背景技術における計算方法と本実施の形態における計算方法との一つ目の相違点は、『基準素子と所望の解析素子の両方において、光子発生層から透明部材あるいは空気への光取り出し効率を計算し、基準素子と解析素子の「光取り出し効率の比」を算出し、基準素子および解析素子をそれぞれ構成する各層の厚みおよび各層の複素比誘電率と「光取り出し効率の比」との関係を求める』点である。このことにより、実験時に電子注入やマイクロキャビティ効果によって生じるフォトルミネッセンススペクトルとエレクトロルミネッセンススペクトルの違いを実験によって補正することが可能になる。
　また、背景技術における計算方法と本実施の形態における計算方法との二つ目の相違点は、『量子光学解析』を行う点である。本実施の形態で注目する特性は、電子注入時の外部光の諸得性である。背景技術における計算方法は説明されていないが、電子注入時の特性を計算するためには量子光学解析により、内部量子効率を求めておく必要がある。一般的には、マイクロキャビティ効果による発光レートの変化を計算し、発光再結合に関わるレート方程式を解くことで厳密な計算を行なう。ここでは、簡単のため発光再結合と非発光再結合とのみが存在する場合について説明する。発光再結合のレートをｋｒ、非発光再結合のレートをｋｎｒとおくと、発光再結合に関わるレート方程式は、以下の式（４）のように書き下される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここでＮｅｘｃは光子発生層における励起子密度、Ｎｉｎｊは励起子注入密度である。定常状態においては、時間微分が零であるので結局、以下の式（５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　すなわち、発光再結合の確率φは、以下の式（６）と計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　発光再結合レートの計算は、材料固有の発光寿命と、非特許文献１に開示される計算方法を組み合わせることで計算できる。そのほか、材料固有の発光寿命と既存の電磁場解析手法である有限時間差分法（ＦＤＴＤ法）、転送行列法、等を組み合わせることで解析される。特に発光再結合レートの計算をする上では非特許文献１に開示されるパーセルファクタを計算結果に含めておくことが望ましい。
　より正確な計算を行うための指針を以下に示す。ｋｒは素子の構造と発光波長に依存するため、実際の計算においては素子の構造依存と波長依存も考慮して重み付け計算を行うとよい。また、有機電界発光素子の場合には、励起三重項失活や、一重項－三重項失活の効果もレート方程式に組み込むことでより正確な解析を行い、「光取り出し効率」の修正係数を計算しておく。
　最終的に注入電子数で規格化した外部に取り出される光子数（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、下記式（７）と計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、γｅはスピン注入規則できまる電子から励起子への変換効率、φは発光再結合確率、ηＯＥは透明部材あるいは空気への「光取り出し効率」で、量子光学解析を含んだ値になっている。
　全体の具体的な計算方法について下記に示す。背景技術における計算方法（既存の解析手法）と量子光学計算を組み合わせて、基準素子の光取り出し効率の波長依存性η０（λ）と、解析素子の光取り出し効率η１（λ）を計算する。また、実験で測定された基準素子の空気全角度光スペクトルをＳ０（λ）とする。このとき、解析素子の空気における全角度スペクトルＳ１（λ）は、下記式（８）で計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　この後、解析素子の正面スペクトルＳｆｒｏｎｔ（λ）は、計算によって求められる空気全角度スペクトルと空気正面スペクトルとの比Ｇｆｒｏｎｔ（λ）によって、下記の式（９）と算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　他の角度のスペクトルも同様である。計算によって求めた空気全角度スペクトルと角度スペクトルの比をＧａｎｇ（λ、θ）とおくと、下記式（１０）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、所望のスペクトルが求められた後の色座標や光束［ｌｍ］の計算についてはＣＩＥの定義に従った計算で行なえる。
　さらに、この計算方法は空気全角度スペクトルのみならず透明部材の内部の全角度スペクトルに関しても適用できる。具体的に透明部材の内部の全角度スペクトルを実験で求める方法としては、発光領域よりも十分大きい半球レンズを透明部材にマッチングオイルを用いて密着させ積分球を用いて測定する方法がある。
　『２．４　最適化計算手法』
　ここでは、図２を参照しながら、最適化計算の望ましい方法について説明する。電界発光素子の設計変数一つ一つに関して、『２．３　光取り出し効率と外部光の諸特性計算方法』で説明した方法で外部スペクトルを計算することにより外部量子効率、発光輝度、色座標が計算される。
　単純には設計変数の所望の範囲で網羅計算を行ない、所望の色座標あるいは効率を達成する方法が考えられる。この場合には、多数の水準は実験計画法に基づいて計算すると少ない水準で効率良く計算される。また、各水準は、複数のクラスタマシンによって並列計算されると計算効率がよい。またグラフィックプロセッサを用いて並列計算されることが計算速度を上げるために望ましい。
　また、最適化計算を組み合わせることが望ましい。最適化アルゴリムには、所望特性に関する最急降下法、共役勾配法、線形計画法、遺伝的アルゴリズムなどを組み合わせることが望ましい。また、最適化においてはロバストネスを考慮した最適化を行うことが望ましい。具体的なロバストネスの計算方法としては、ある水準の付近の設計変数に関して複数計算を行い、所望特性のばらつきの大きさで評価し、ばらつきの小さな水準を選択する手法が望ましい。
　［３．設計方法の詳細］
　『３．１　概要』
　図２１に本実施の形態における設計方法の手順を示す。この設計手法は主に基準素子の電流駆動特性ならびに解析を行う部分Ｒ１００と、解析素子に対する最適化ループ２００で構成される。以下では、本実施の形態における設計方法の本質的部分の設計方法について説明する。
　電流駆動特性ならびに解析を行う部分Ｒ１００は、膜厚、複素非誘電率、構造定数等に基づき、基準素子の設計変数が決定される（Ｓ１１０）。その後、基準素子が作成される（Ｓ１２０）。次に、基準素子の測定が行なわれる（Ｓ１３０）。具体的には、電流駆動時のエレクトロルミネッセンススペクトルの測定、電流駆動時の外部量子効率が測定される。基準素子の測定結果は、後述の最適化ループＲ２００内のＳ２５０に入力される。
　一方、基準素子の設計変数の決定（Ｓ１１０）に基づき、基準素子の計算が行なわれる（Ｓ１４０）。具体的には、量子光学解析、電磁場解析、および、光線追跡を用いて、基準素子の計算が行なわれる。この基準素子の計算結果は、後述の最適化ループＲ２００内のＳ２４０に入力される。
　最適化ループＲ２００においては、膜厚、複素非誘電率、構造定数等に基づき、解析素子の設計変数が決定される（Ｓ２１０）。その後、解析素子の計算が行なわれる（Ｓ２２０）具体的には、量子光学解析、電磁場解析、および、光線追跡を用いて、解析素子の計算が行なわれる。
　次に、解析素子の計算結果が得られる（Ｓ２３０）。具体的には、相対発光レートの波長依存性、光取り出し効率の波長依存性、素子発光強度の波長および角度依存性の計算結果が得られる。
　次に、Ｓ１４０で計算された計算結果とＳ２３０で計算された計算結果とに基づき、解析素子と基準素子との発光強度比の計算を行なう。具体的には、相対発光レートの波長依存性、光取り出し効率の波長依存性、素子発光強度の波長および角度依存性についての比が計算される。
　次に、Ｓ２４０とＳ１３０とで計算された結果に基づき、解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトル計算が行なわれる（Ｓ２５０）。具体的には、光取り出し効率の波長依存性、および、素子発光強度の波長および角度依存性が計算される。
　次に、Ｓ２５０で得られた計算結果に基づき、解析素子の所望の特性が計算される（Ｓ２６０）。具体的には、外部量子効率、正面輝度、正面色座標、色座標の角度依存性、発光効率［ｌｍ／ｗ］、その他、発光スペクトルとその角度依存性、および、電力効率から算出される特性値、が計算される。
　次に、Ｓ２６０での解析素子の所望の特性の計算結果に基づき、所望の特性の目標値と解析値とを比較して、設計変数を目標値に近づけるように変化させる（Ｓ２７０）。この場合、計算方法として、ランダム計算、実験計画法、最急降下法、ニュートン法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズムが用いられる。その後、再度、Ｓ２１０に戻り、解析素子の設計変数が決定され（Ｓ２１０）、上記の最適化ループＲ２００が実行される。
　本実施の形態は、透明電極と第２の電極との間に挟持された複数の機能層と少なくとも一層の光子発生層とを有し、透明電極の光子発生層とは反対側の面に透明部材が接している電界発光素子の設計方法に関する。電界発光素子としては、図２２に示したような有機ＥＬ電界発光素子１００が典型例である。
　図２２に示す有機ＥＬ電界発光素子１００は、透明部材１１０としてのガラス基板上に、透明電極１１３としてＩＴＯ（膜厚１５０ｎｍ）を設け、真空蒸着法によって第１機能層１１４ａ、光子発生層１１４ｃ（膜厚２０ｎｍ）、第２機能層１１４ｅを設ける。その後、第２の電極１５として、反射電極であるＡｇ膜（膜厚１００ｎｍ）を設けた。なお、光子発生層１１４ｃは、発光ピーク波長が５２０ｎｍである緑色の燐光発光材料を用いた。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層（合計３５ｎｍ）を設けた。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層（合計ｘｎｍ）を設けた。透明部材１１０は、透明電極１１３の光子発生層１１４ｃとは反対側の面に接している。
　図２２に示した有機ＥＬ電界発光素子１００の設計における設計変数は、透明部材１１０、透明電極１１３、第１機能層１１４ａ、第２機能層１１４ｅ、および、第２の電極１１５のそれぞれの厚み、および複素比誘電率、並びに、光子発生層１１４ｃにおける発光点の位置および分布である。
　本実施の形態の設計方法は、電流駆動時の外部特性を最適化する設計を実現することを目的とする。なお、電流駆動時の外部特性とは後述する図２９に示す所望の特性としての指標や、後述する図２３、図２５～図２８の値を用いて計算される任意の指標である。具体的な指標の例としては、電力効率、電流効率、外部量子効率、正面輝度、正面色座標（ｘ，ｙ）、正面色温度、演色性、色座標の角度依存性が挙げられる。以下では、図２１の各ステップにおける解析方法を説明する。
　『３．２　基準素子の電流駆動特性測定・解析』
　（３．２．１　基準素子の設計変数決定、基準素子作成）
　最初に基準素子の設計変数を決定する（Ｓ１１０）。典型的には各機能を実現するために最低必要な膜厚で作成するとよい。ここでは、図２２に示した膜厚と、ｘ＝５０ｎｍを設定した例で説明する。基準素子は真空蒸着法等で作成できる。図２３に、基準素子に用いた設計変数をまとめる。設計変数は各構成部材の膜厚と複素比誘電率とで構成される。
　透明基板１１０はガラス基板で構成され、膜厚は７００マイクロメートル（０．７ｍｍ）、複素比誘電率はε１である。透明電極１１３は、ＩＴＯで構成され、膜厚は１５０ｎｍ、複素比誘電率はε２である。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層で構成され、膜厚は３５ｎｍ、複素比誘電率はε３である。光子発生層１１４ｃは、発光層で構成され、膜厚は２０ｎｍ、複素比誘電率はε４である。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層で構成され、膜厚は５０ｎｍ、複素比誘電率はε５である。第２の電極１１５は、Ａｇ膜で構成され、膜厚は１００ｎｍ、複素比誘電率はε６である。なお、発光点の位置は光子発生層１１４ｃの中心とし、分布はデルタ関数状に中心に集中しているものとした。
　（３．２．２　基準素子の測定）
　作成した基準素子（Ｓ１２０）の電極に電圧を印加し、外部発光スペクトルを測定する（Ｓ１３０）。図２４に外部発光スペクトルを測定する装置１０００の構成の一例を示す。基準素子１００の外部発光スペクトルは積分球１１００を用いて全角度スペクトルを測定するとよい。よって、基準素子１００は、積分球１１００の中心部に、台１２００を用いて載置される。
　また、基準素子１００のスペクトル測定の際は、分光器１４００を用いて波長ごとの光子数を制御装置１３００に記録するとよい。さらに、測定時には基準素子１００に供給した電源の条件（電流、電圧）を制御装置１３００によって記録しておく。このようにしておくことで後の解析に基準素子１００の測定データを使用することができる。
　図２５に具体的な測定データ例を示す。測定データとしては、駆動電流（記号Ｉｉｎ、単位［Ａ］）、駆動電圧（記号Ｖｉｎ、単位［Ｖ］）、エレクトロルミネッセンススペクトル（記号ＳＥＬ１（λ）、単位［／Ｓ／ｎｍ］）、素子面積（記号Ｓｄｅｖ、単位［ｍ２］）、素子温度（記号Ｔｄｅｖ、単位［Ｋ］）、正面輝度（記号Ｉｃｄ、単位［ｃｄ／ｍ２］）、正面色度ｘ（記号ｘ、単位　無次元）、正面色度ｙ（記号ｙ、単位　無次元）、正面色温度（記号Ｔ、単位［Ｋ］）が挙げられる。
　図２５に示さないデータ（たとえば気圧等）も、後の解析に必要な場合は記録するとよい。なお、外部発光スペクトルは、単位時間、単位波長あたりの光子数の単位で測定すると、外部量子効率等の特性を換算しやすい。ここで測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルは単位時間、単位波長あたりの光子数に換算されているものとする。また、別の単位で測定されたエレクトロルミネッセンススペクトルも測定条件を元に、単位時間、単位波長あたりの光子数に換算可能である。また、光子数の単位の光スペクトルに光子１個あたりのエネルギーをかけることで強度スペクトルに変換可能である。
　（３．２．３　基準素子の計算）
　図２１に戻り、引き続き、基準素子の計算を実施する（Ｓ１４０）。基準素子の計算は量子光学解析、電磁場解析、光線追跡といった手法で構成され、それぞれ計算できる項目が異なる。ここでは、計算される項目と解析手法の選択について、図２６にまとめる。
　計算される項目としては、相対発光再結合レート（パーセルファクタ）波長依存性（記号　Ｆ１（λ）、単位　無次元、解析手法（量子光学解析・電磁場解析））、空気への光取出し効率（記号　ηＡｉｒ１（λ）、単位　無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、特定波長における空気光強度の角度分布（記号　ＤＡｉｒ１（λ）、単位　［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、透明部材への光取り出し効率（記号　ηＳｕｂ１（λ）、単位　無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、および、特定波長における透明部材内光強度の角度分布（記号　ＤＳｕｂ１（λ）、単位　［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））が挙げられる。
　いずれの解析においても図２３に示した設計変数を解析に用いる。各解析手法については、特許文献１，２と電磁場解析手法に基づいて計算が可能である。なお、強度の角度分布においては立体角をかけて積分した際に１になるように規格化されているものとする（式１１参照）。なお、両面に発光する素子の設計の場合は、それぞれの方向の発光に関して式１１の規格化が成されているものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　また、パーセルファクタは、周囲に誘電体や金属等で構成されるマイクロキャビティが存在する場合の発光再結合レートの、発光材料単体の発光再結合レートに対する比であり、非特許文献１におけるＦ（λ）に相当する。以上で、基準素子の電流駆動特性測定・解析に関する説明を終わる。
　『３．３　最適化ループ』
　以下では、図２１を参照しながら、最適化ループ内の各手順について説明する。
　（３．３．１　解析素子の設計変数決定）
　解析したい素子の設計変数を決定する（Ｓ２１０）。ここでは、図２３に示した設計変数の値を変化させることとする。具体的な変化のさせ方としては、後述する所望の特性を上げるような最急降下法、遺伝的アルゴリズムが挙げられる。この入力変数の組み合わせをベクトル化して、１ループ目はｘ［１］、２ループ目はｘ［２］、・・・、Ｎループ目をｘ［Ｎ］とおくこととする。
　（３．３．２　解析素子の計算）
　　次に、解析素子の計算を行なう（Ｓ２２０、Ｓ２３０）。ここで計算される項目は図２６に示した基準素子の計算される項目と同じである。ただし、設計変数について１ループ目はｘ［１］、２ループ目はｘ［２］、・・・、Ｎループ目がｘ［Ｎ］と変化している点に注意する。ここではＮループ目の解析結果について、図２７に定めるように記号を決めるものとする。
　Ｎループ目の解析素子について計算される項目としては、相対発光再結合レート（パーセルファクタ）波長依存性（記号　Ｆ［Ｎ］（λ）、単位　無次元、解析手法（量子光学解析・電磁場解析））、空気への光取出し効率（記号　ηＡｉｒ［Ｎ］（λ）、単位　無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、特定波長における空気光強度の角度分布（記号　ＤＡｉｒ［Ｎ］（λ）、単位　［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、透明部材への光取り出し効率（記号　ηＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位　無次元、解析手法（電磁場解析、光線追跡））、および、特定波長における透明部材内光強度の角度分布（記号　ＤＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位　［／ｓｒ］、解析手法（電磁場解析、光線追跡））が挙げられる。なお、光取り出し効率は、光子発生層で発生した光が空気、あるいは透明部材に出てくる比率を表す。光取り出し効率やＥＱＥ（外部量子効率）の計算に関しては、前述した相対発光再結合レート（パーセルファクタ）の波長依存性を用いて、非特許文献１の方法で補正しておくことが望ましい。このようにすることで、電流注入時の光取り出し効率を正確に計算できるようになる。
　（３．３．３　解析素子と基準素子の発光強度比、エレクトロルミネッセンススペクトル計算）
　図２５に示す基準素子の電流注入時に測定された測定項目を用いて、解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトルを計算するための比を計算する（Ｓ２４０）。また、上述の強度比を用いて解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトルを計算する（Ｓ２５０）。ここで計算される項目と記号とを、図２８および図２９のように定義する。
　図２８を参照して、Ｎループ目の解析素子について計算される項目は、基準素子との空気にでるエネルギーの強度比（記号　ＧＡｉｒ［Ｎ］（λ）、単位　無次元）、基準素子との透明部材にでるエネルギーの強度比（記号　ＧＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位　無次元）、エレクトロルミネッセンススペクトル計算値（記号　ＳＥＬ［Ｎ］（λ）、単位　［／ｓ／ｎｍ］）、および、透明部材内エレクトロルミネッセンススペクトル計算値（記号　ＳＥＬＳｕｂ［Ｎ］（λ）、単位　［／ｓ／ｎｍ］）が挙げられる。
　図２９を参照して、Ｎループ目の解析素子について計算される指標値は、電力効率（記号　ＬＰＷ［Ｎ］、次元［ｌｍ／Ｗ］）、電流効率（記号　ＬＰＡ［Ｎ］、次元［ｌｍ／Ａ］）、外部量子効率（記号　ＥＱＥ［Ｎ］、無次元）、正面輝度（記号　Ｙ［Ｎ］、次元［ｃｄ／ｍ２］）、正面色座標ｘ（記号　ｘ［Ｎ］、無次元）、正面色座標ｙ（記号　ｙ［Ｎ］、無次元）、正面色温度（記号　Ｔ［Ｎ］、［Ｋ］）、正面演色性（記号　Ｒａ［Ｎ］、無次元）、色座標の角度依存性ｘ（記号　ｘθ［Ｎ］（θ）、無次元）、および、色座標の角度依存性ｙ（記号　ｙθ［Ｎ］（θ）、無次元）が挙げられる。
　ここでは、図２４に示した基準素子１００の測定が、素子の外部空気に出てくるスペクトルを測定したものとして説明する。図２８に示した強度比と外部発光スペクトル計算値は、図２５に示した実験エレクトロルミネッセンススペクトルを用いて、式（１２）により計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　基準素子と解析素子との空気にでるエネルギーの強度比については、図２７に示す既存の量子光学解析手法、電磁場解析手法、および、光線追跡手法を用いて計算される。
　ここで重要なのは、基準素子のエレクトロルミネッセンススペクトル測定値（Ｓ１３０）と、基準素子の計算結果（Ｓ１４０）と、解析素子の計算結果（Ｓ２３０）を用いて、解析素子のエレクトロルミネッセンススペクトルを計算している点である（Ｓ２４０，Ｓ２５０）。このように計算することで、電流注入時の外部発光エレクトロルミネッセンススペクトルを正確に計算できるようになる。
　（３．３．４　解析素子の所望の特性の計算）
　上記、３．３．３説までの解析結果により、任意のＮ番目の計算における空気、あるいは透明部材内部における外部発光スペクトル波長分布と光強度の角度分布が解析されることになる（Ｓ２６０）。また、発光する光の色座標等に興味がある場合は、計算されたスペクトルと角度分布を用いて、ＣＩＥ(国際照明委員会)の定義に従って計算することで色座標を計算できる。
　また、図２５に示す基準素子の駆動条件と、図２６～図２８に示した計算結果により、解析素子の電力効率も計算できる。さらに、図２７に示す角度分布特性を用いることで、輝度や色座標の角度分布も計算可能である。図２９に所望の特性として計算されうる指標を列挙する。
　所望の特性は、図２９に挙げた指標に限らず、図２３、図２５～図２８に挙げた値を用いて計算される任意の指標を含みうる。たとえば、ある設計変数の近傍で微少に設計変数を変化させ指標値のばらつきを新たな指標値として用い、ばらつきを最小化するように最適化を行う場合には、ロバストな設計解を導出でき量産に適した設計が可能になる。また、図２９には例示していないが演色性の指標としてＲａ意外にもＲ１～Ｒ１５の色標の演色性を独立に評価してもよい。このように独立の色標の演色性を評価することによって、どの色がよく再現されているかを定量化でき、照明としての性能をよりきめ細やかに設計することが可能になる。
　（３．３．５　所望の特性の目標値と解析値を比較して設計変数を目標値に近づけるように変化させる）
　これまでの説明により、設計変数をベクトルとしてまとめたＮ番目の設計変数ｘ［Ｎ］が定まると、図３０に例示される所望の特性が、基準素子の実験で求めたエレクトロルミネッセンススペクトルから計算される。
　図３０を参照して、最適化素子の設計変数としては、透明基板１１０はガラス基板で構成され、膜厚は７００マイクロメートル（０．７ｍｍ）、複素比誘電率はε１である。透明電極１１３は、ＩＴＯで構成され、膜厚は１５０ｎｍ、複素比誘電率はε２である。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層で構成され、膜厚は３７ｎｍ、複素比誘電率はε３である。光子発生層１１４ｃは、発光層で構成され、膜厚は２０ｎｍ、複素比誘電率はε４である。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層で構成され、膜厚は１１３ｎｍ、複素比誘電率はε５である。第２の電極１１５は、Ａｇ膜で構成され、膜厚は１００ｎｍ、複素比誘電率はε６である。
　この結果を基にＮ＋１番目の計算を行ない、所望の特性を目標値に近づける（Ｓ２７０）。繰り返し計算のアルゴリズムとしては、所望の特性を上げるような最急降下法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズムが挙げられる。また、既存の任意の最適化アルゴリズムを用いてもよい。以下、３．３．１節に戻り最適化ループＲ２００を続ける。最適化ループＲ２００は所望の特性が十分に近づいたと判断するか、規定の繰り返し回数を完了したら終了するものとする。
　最適化時には評価関数を定め、評価関数を最小化あるいは最大化するようにアルゴリズムを設計することが望ましい。たとえば正面色座標（ｘ,ｙ）を目標色座標（ｘｔａｒｇｅｔ，ｙｔａｒｇｅｔ）に近づける最適化を行なう際には評価関数として色座標の誤差を、下記式（１３）により定め、評価関数を最小化するように最急降下法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズム等を設計することが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　また、計算の効率を上げるためにはあらかじめ設計変数ｘ［１］，ｘ［２］・・・ｘ［Ｎ］を実験計画法に基づいて決めておき、Ｎ個の設計変数の組み合わせについて並列計算を行なうとよい。並列計算についてはＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）を用いた計算、クラスタマシンを用いた計算、マルチＣＰＵを用いた計算などが用いられる。
　（３．３．６　具体的な最適化ループの実施例）
　基準素子としては図２３に示した素子を用い、所望の特性としては素子の正面色座標（ｘ，ｙ）とし、目標正面色座標をｓＲＧＢの緑座標（０．３０，０．６０）に近づけるように最適化計算を行なった。設計変数としては複数の機能層の膜厚を用いた。最適化手法には実験計画法を用い、マルチＣＰＵによる並列計算によって複数水準を同時計算した。
　所望の特性としては（ｘ，ｙ）色座標の目標座標との差Δｘｙ（下記の式（１４）参照)を用い、目標値としてはΔｘｙ＝０とした。また、最適化計算はＮ＝２５６で打ち切った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　図３１に最適化計算結果を示す。なお、水準番号Ｎは、誤差が大きい順番に振り直している。図３１より設計変数の組み合わせｘ［２５６］が、計算した中でもっとも差Δｘｙが小さく、望ましい設計変数の組み合わせであることがわかる。図３０に最適化結果の設計変数ｘ［２５６］を示す。図２３の基準素子と設計変数とが変化していることがわかる。このようにして、「設計変数と所望の特性の関係」を導出することによって、所望の特性を目標値に近づける最適化を実施できることがわかる。
　［４．電界発光素子の製造方法の詳細］
　図３２に電界発光素子の製造方法に上記実施の形態における設計方法を適用した場合の流れを示す。［３．設計方法の詳細］で説明したように、いったん最適化ループＲ２００を回し、最適設計を出力する。次に、その最適設計変数に基づいて電界発光素子の製造を行なう。その後、製造した電界発光素子を検査し、電流駆動特性を測定し解析する。
　さらに、その検査した電界発光素子を基準素子として再度最適化ループＲ２００を回し製造工程へフィードバックを行なう。このようにして製造方法に上記実施の形態における設計方法を適用することにより、所望の特性値をもった電界発光素子を安定に製造することが可能になる。
　（実施例）
　［５．１　片面発光素子］
　以下では、本実施の形態の効果をより詳細に説明するために、有機電界発光素子の解析を例に説明する。解析する有機ＥＬ電界発光素子１００は、図２２に示す構造を有し、透明部材１１０としてのガラス基板上に、透明電極１１３としてＩＴＯ（膜厚１５０ｎｍ）を設け、真空蒸着法によって第１機能層１１４ａ、光子発生層１１４ｃ（膜厚２０ｎｍ）、第２機能層１１４ｅを設ける。その後、第２の電極１５として、反射電極であるＡｇ膜（膜厚１００ｎｍ）を設けた。なお、光子発生層１１４ｃは、発光ピーク波長が５２０ｎｍである緑色の燐光発光材料を用いた。第１機能層１１４ａは、正孔注入層、正孔輸送層、および電子ブロック層（合計３５ｎｍ）を設けた。第２機能層１１４ｅは、正孔阻止層、電子輸送層、および電子注入層（合計ｘｎｍ）を設けた。正孔阻止層から電子注入層までの総膜厚を変化させながら、実験と計算を比較した。
　図３３に、実験結果と背景技術における解析方法、本実施例における解析方法を比較した結果を示す。また、図３４に実験と解析の誤差を示す。本実施例の方が実験の色度と外部量子効率とを正確に計算できていることがわかる。本実施例の解析手法を用いることでより正確な色度と、効率を計算できるようになる。また、同様の解析は図５から図２０に示した片面発光の素子の電界発光素子の解析に適用できる。
　［５．２　透明発光素子］
　図８から図１０に示した透明発光素子である電界発光素子１Ｆ～１Ｈに本実施の形態の設計方法は適用可能である。透明な発光素子について本実施の形態の電界発光素子の設計方法を実施することにより、両側の外部に取り出される光の量や色を正確に見積もることができる。
　［５．３　光学バッファ層を含む構成］
　図１１および図１２に示した光学バッファ層を含む電界発光素子１Ｉ～１Ｊに本実施の形態の設計方法は適用可能である。光学多層膜のマイクロキャビティ効果による発光効率向上効果を利用した設計を本実施の形態の設計方法で最適化することにより、所望の色で効率を最適化した素子を設計できる。
　［５．４　光学微細構造を含む構成］
　図１３から図１６に示した光学微細構造を含む電界発光素子１Ｋ～１Ｍに本実施の形態の設計方法は適用可能である。導波モード光やプラズモン光の取り出し効率を本実施の形態の設計方法で設計することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな発光素子を実現できる。
　［５．５　第２の光学微細構造を含む構成］
　図１７に示した第２の光学微細構造を含む電界発光素子１Ｏに本実施の形態の設計方法は適用可能である。基板モード光を効率良く散乱できる設計を実現することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな発光素子を実現できる。
　［５．６　電界発光素子］
　図５～図１７に示した、本実施の形態の設計方法を適用して設計した電界発光素子１Ａ～１Ｏは、高効率で所望の色を出せる面発光光源として有用である。また、図１８～図２０に示した電界発光素子１Ｐ～１Ｒも同様である。
　以上、背景技術における電界発光素子の設計方法は、フォトルミネッセンススペクトルを元に、電流注入による電界発光素子の外部光スペクトルを計算しており、実際の電界発光素子の外部発光スペクトルと計算で求めた外部発光スペクトルが異なり、電界発光素子の発光効率や色座標を正確に計算できない課題があった。
　しかし、上記本実施の形態の電界発光素子の設計方法においては、基準素子の外部発光スペクトルを元に、解析素子の外部発光スペクトルを計算することで、正確な効率や色座標を計算し、所望の特性を最適化して、電界発光素子の製造を行なうことを可能としている。
　以上、上記実施の形態によれば、電流注入状態において外部に出力される外部発光スペクトルをより正確に計算し、外部に取り出される光の量や色を正確に見積もることができる。また、透明な発光素子に本実施の形態を採用することにより、両側の外部に取り出される光の量や色を正確に見積もることができる。また、光学多層膜のマイクロキャビティ効果による発光効率向上効果を利用した設計を本実施の形態の手法で最適化することにより、所望の色で効率を最適化した電界発光素子を設計できる。
　さらに、導波モード光やプラズモン光の取り出し効率を本実施の形態の設計方法を用いて設計することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな電界発光素子を実現できる。また、基板モード光の散乱効率を本実施の形態の設計方法を用いて設計することで、発光効率が高く、角度ごとの発光強度や色ずれの小さな電界発光素子を実現できる。さらに、本実施の形態の設計方法を用いて設計された電界発光素子は、高い効率で所望の色度を実現できる。
　以上、本実施の形態における電界発光素子の設計方法、その設計方法を用いて製造された電界発光素子、および、その設計方法を用いた電界発光素子の製造方法について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｉ，１Ｊ，１Ｋ，１Ｌ，１Ｎ，１Ｍ，１Ｏ，１Ｐ，１Ｑ，１Ｒ　（有機41）電界発光素子、１０　第１の透明部材（封止部材）、１３　透明電極（第１の電極）、１３ａ，１３ｃ　導電性樹脂、１３ｂ　薄膜Ａｌ（薄膜金属電極）、１４，１４Ａ　発光層、１４Ｂ，１４Ｄ　電荷発生層、１４Ｃ　第２の発光層、１４Ｅ　第３の発光層、１４ａ　正孔注入層、１４ｂ　正孔輸送層、１４ｃ　光子発生層、１４ｄ　電子輸送層、１４ｅ　電子注入層、１４ｃ　光子発生層、１５　反射電極（第２の電極）、１６　支持基板、１７　第２の透明部材、１９　第２の光学バッファ層、２１　第１の光学微細構造、２１ａ，２１ｂ　光散乱層、２１ｃ　平滑層、２１ｄ　金属凹凸構造、２１ｅ　透明導電膜、２３　第３の電極（透明電極）、２４　第４の電極（透明電極）、２５　第５の電極（透明電極）、２６　第６の電極（透明電極）、３１　第２の光学微細構造、３１ｂ　透明層、３１ａ　光散乱粒子、４０　反射部材（Ａｇ）、４１，４２，４３，４４　光学バッファ層、４５　反射部材、１００　有機ＥＬ電界発光素子、１１０　透明部材、１１３　透明電極、１１４ａ　第１機能層、１１４ｃ　光子発生層、１１４ｅ　第２機能層、１１５　第２の電極。

Claims (7)

  1. 　透明電極である第１の電極と第２の電極の間に、第１機能層および第２機能層に挟まれる光子発生層を有し、前記第１の電極の前記光子発生層が設けられる側とは反対側には第１の透明部材を有する電界発光素子の設計方法であって、
    　前記電界発光素子の構成を備える基準素子、および、前記電界発光素子の構成を備える所望の解析素子を準備し、
    　前記第１の透明部材、前記第１の電極、前記第１機能層、前記第２機能層、前記光子発生層、および、前記第２の電極の、それぞれの厚み、および、それぞれの複素比誘電率、並びに、前記光子発生層における発光点の位置、および、前記光子発生層における発光点の分布を設計変数として、量子光学解析、電磁場解析、および光線追跡を行ない、
    　前記基準素子と前記解析素子との両方において、前記光子発生層から前記透明部材または空気への光取り出し効率を計算して、前記基準素子と前記解析素子との「光取り出し効率の比」を算出し、さらに、
    　前記基準素子および前記解析素子をそれぞれ構成する前記各層の厚みおよび前記各層の複素比誘電率と前記「光取り出し効率の比」との関係を求め、
    　前記関係および前記基準素子に電流を流すことで測定される空気または前記第１の透明部材におけるエレクトロルミネッセンススペクトルに基づいて、設計変数として、前記第１の透明部材、前記第１の電極、前記第１機能層、前記第２機能層、前記光子発生層、および、前記第２の電極の、それぞれの前記厚み、および、それぞれの前記複素比誘電率を得る、電界発光素子の設計方法。
  2. 　前記第２の電極は透明電極であり、かつ、前記第２の電極の前記光子発生層が設けられる側と反対側に第２の透明部材を有し、設計変数として前記第２の透明部材の複素比誘電率と厚みとをさらに含む、請求項１に記載の電界発光素子の設計方法。
  3. 　前記第２の電極と前記第１の透明部材との間、または前記第２の電極と前記第２の透明部材との間の少なくともいずれか一方の間に光学バッファ層をさらに有し、
    　設計変数として前記光学バッファ膜を構成する各膜の厚み、複素比誘電率、および構造定数を設計することをさらに含む、請求項２に記載の電界発光素子の設計方法。
  4. 　前記透明部材と前記光子発生層との間のいずれかの領域に光の振幅および位相条件を乱す第１の光学微細構造をさらに含み、
    　設計変数として前記第１の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を設計することをさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法。
  5. 　前記第１の透明部材と外部との界面に、光の振幅および位相条件を乱す第２の光学微細構造を含み、
    　設計変数として前記第２の光学微細構造の構造定数および複素比誘電率を含む、請求項１から請求項４にいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法を用いて設計された電界発光素子。
  7. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法により得られた前記設計変数の基づき製造された電界発光素子を検査し、電流駆動特性を測定および解析する工程と、
    　前記測定および解析された前記電界発光素子を基準素子として、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電界発光素子の設計方法により前記設計変数を得て、前記設計変数に基づき、電界発光素子の製造を行なう工程と、
    と備える、電界発光素子の製造方法。
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