日本機械学会 第23回設計工学・システム部門講演会・2013.10.23-25 Copyright (C) 2013 一般社団法人日本機械学会
[No.13-22] 日本機械学会 第23回設計工学・システム部門講演会講演論文集 2013.10.23-25,沖縄県読谷村
2405
有機 EL 素子に け 射出光特性向上 ため 多目的最適設計に関 検討
長崎 花
*1
，中 正行
*2
A Study on Multi-Objective Optimum Design of OLED Thin Film Structure
for Improving Emission Properties
Noka NAGASAKI
*1and Masayuki NAKAMURA
*2*1 Graduate School of Shinshu University, *2 Faculty of Engineering, Shinshu University 4-17-1 Wakasato, Nagano City, Nagano, 380-8553 Japan
Optical characteristics of design specifications required for organic light emitting diode are emitted light intensity, spectrum, color rendering and so on. The multi-objective design of the OLED thin film structure is studied for simultaneously satisfying these specifications using a weighted sum method and a satisficing trade-off method. It is hardly to balance between objectives with trade-off relationship in the weight sum method. On the other hand, it is possible to easily perform OLED thin-film structure design considering multiple emission properties by appropriately setting the aspiration level in the satisficing trade-off method.
Key Words : Optimum Design, Multi-objective Optimization, Organic Light Emitting Diode, Thin Film Structure
1. めに
有機EL 高輝 ，高画質，省 ネ性 特徴
1
活 ， フ ン プ や照明技術 実用化 あ 有機 EL 求 光学特性 ，色彩や射出光 強 ，演色性 多様化 ， 用途 応 特性 複数 同時 要求 高輝 大画面 び高速CPU搭載 高機能化 ネ 消費 低減 電池容 長持 両立 フ ン 開発 一例 あ 一方 ，有 機EL 射出光 光学特性 関 各設計仕様 フ 関係 あ ， 同時 考慮
複数 目的関数 扱う最適化手法 適用 必要 あ 有機EL 射出 ペ 薄膜部各層 膜厚 光物性 値 依存 ， 要求仕様 応 設計 多目的最適化手法 適用 い 検討 ， 各種光学特性 設計仕様 対 最適化結果 い 考察
2. 有機EL素子構造 最適化
2 1 有機EL素子 射出光解析
有機EL素子 発光層 発光 光 ，直接外部 向 う光L1 陰極や各層 射 外部 向 う 光L2 2 光 分 ， 渉 L1 L2 渉強 Im
びフ タ 分光特性F
，発光 料 持 ペ S
考慮 ，最終的 外部 射出 射出光 ペ 式 1 表2
e
s n
dxd F S x D x y I P
d m
0
, 1
，s e 計算開始波長 計算終了波長 あ ，D
x 発光層 け 発光強 分 表*1
学生員，信 大学 大学院 〒380-8553 長 県長 若 4-17-1
*2
正員，信 大学 工学部 E-mail: [email protected]
2 2 最適設計
射出光 ペ 素子内部 け 光波 渉効果 大 く変化 ，膜厚 け く屈折率 光物性 値 依存 ，有機EL素子 構造最適化 膜厚 け 最適化 不十分 あ 代替 料 使 用 光物性値 設計 タ 同時最適化 必要 あ 光物性値 決定 料 選択
，使用可能 料 種類 制限， 製膜装置 製膜精 制限 け ， 問 題 料選択 膜厚 実数値 タ 混合最適化問題 ，本研究 最適化手法 遺伝的 ゴ 用い ，光物性値 使用 料 膜厚 最適 組 合わ 決定 組合
最適化問題 帰着 解く 遺伝的 ゴ 用い 最適設計
3
， 1 う 各層 使用可能 料 中 最適 物性値 持 料 膜厚 選択 ，設計仕様 満 薄膜構造 決定
Thickness
d1
dj Selectable
materials Filter
Cathode
Anode Glass
EML
Metal Anode
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
A，B，C D，E F，G，H
L，M N，O，P，Q
I，J，K
A E
P G K L Selected material
. . .
The number of layer
1
. . .
j
HIL HTL ETL EIL
Fig.1 The optimum design system for OLED structure
3. 最適化問題 定義
本研究 扱う最適化問題 以 う 定義
最適化 タ
d1,d2,,dj
d 2
j j jnj
j N1,N 2,,N
N 3
制約条件
N
N
j j j
j d d
d min max, 4
評価関数 f
W 5
適応
F cW
1
1 6
，最適化 タ 各層 膜厚dj 料 光物性値
jnj
N あ ，j 層 番号，nj j 層 用い
可能 薄膜 料数 表 各層 膜厚 薄膜部全体 厚 や製膜装置 製膜精 考慮 決
，制約条件 各層 膜厚 許容範 ，用い 料 あ 用意 料N 選択 djmax
j 層目 膜厚 限値，djmin 膜厚 限値 あ 制約条件 ほ 隣接 可能 膜同士
種類 制限 考慮 可能 あ 評価関数 f 設計者 考慮 い項目 表 ，最適化
手法 遺伝的 ゴ 採用 い ，各個体 対 設計仕様 達成 適応 関数 F
評価 値 1 近い個体ほ 設計仕様 満足 い c 正 定数 以 ， 射出光 仕様 関 評価関数 最 化 最大化 有機EL薄膜構造 使用 料 各層 膜厚 値 ，各層
使用可能 料 膜厚 限制約 決定
4. 多目的最適化 4 1 目的関数について
有機EL 求 複数 光学性能 同時 満足 ，薄膜構造 多目的最適化 い 検討 多目的設計問題 ， 目的関数 同時 最 化 う 解 ，目的 競合 一般 存在
い ， 解 求 解 合 最終的 解 決定 設計者 価値 断
必要 ， 価値 断 情報 う 入 いく プ チ 存在 本研
究 有機EL構造 最適化 対 荷 和法 満足化 フ法 適用 検討 4 2 荷重和法を用いた多目的最適化
荷 和法
4
，複数 目的関数 係数 掛け合わ 値 足 合わ 評価関数W 次 う 定
min
1
L
l l lf
c
W 7
，cl 係数 表 い L 目的 fl 項目数 表
一例 色変換方式有機EL 薄膜構造 多目的最適化 行う 各層 選択 料 屈折率値 2 示 う 仮定 ，膜厚 制約条件 全 層 い 5nmdj 100nm 色変換方式有機EL 青 色発光 料 用い，赤 緑 蛍光体 照射 光 励起 各色 出 ，高純 青色 射出光
ペ 要求 500nm以 波長 い 高強 射出光 ペ 得 う 目標値
設定 射出光 ペ 対 色 け 着目 素子構造 最適化 場合，設計者 必要 い 射 出強 得 限 い ，射出強 け 着目 最適化 場合 い 同様 ，必要 い
射出光 ペ 得 限 い ，両者 同時 評価 評価関数 W 次 示
0 min.
2 0
1
P
c P a c a
W 8
式 ，射出 光 色 標 目標色 標 距離 a 最 ，射出光 ペ 面積 表 強 P 最大 評価関数 W 最 a0 P0 規格化 値 あ
次 ， 係数 値 c1:c20.7:0.3 Example 1.1 び0.3:0.7 Example 1.2 場合 い ，前述
最適設計 用い 最適化 行 結果 示 Example 1.1 Example 1.2 射出光 ペ 色 標
3 4 示 前者 場合 色 け 大 く ，射出強 低い 目標色 近い色
結果 得 一方 ，後者 場合 射出強 け 大 く ，目標色 離 色 い 前者 比 射出強 高い結果 得 い 以 結果 ， 係数 比 組合
変え 各項目 視 結果 得 確認 ，荷 和法 ， け 項目 極
端 視 う傾向 あ
Fig.2 An example of selectable refractive indexes in each layer
Fig.3 Results of emission spectrum for Example 1 Fig.4 Optimum results plotted in chromaticity diagram for Example 1
4 3 満足化 レー オフ法を用いた多目的最適化
満足化 フ法
5
各項目 目標値 あ 希求水準 直接入力 最適化問題 解く手法 あ 評価関 数W 次 う 定
min. max
1 *
1 *
z
k k k
k k k
k k k z
k f f
f f f
f f
W f 9
式 9 い ，fk 目的関数，fk 希求水準，fk* 理想点 示 ，最 化 目的 関数 式 9 用い い ，最大化 目的 評価項目 式 検討 必要 あ 有機EL薄膜構造設計
評価項目 一 あ 射出光強 最大化 目的 い ，目的関数
fmaxfk
fmaxfk 大 い値 考慮 場合 評価関数 W 第一項 次式 う
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 .0
0 0.10.20.30.40.50.60.70.8 Target point Example 1.1 Example 1.2
y
x 0
5 10 15 20 25 30
380 480 580 680 780
EL intensity a.u.
Wavelength nm
Example 1.1 Example 1.2 The number of
layer Filter
Cathode
Anode Glass
EML
Metal Anode
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・ 1
2 3 4 5 6 7
1.53, 1.62, 1.70, 1.79, 1.97
HTL ETL
HIL
EIL 1.62, 1.71, 1.80, 1.89, 2.08
1.68, 1.78, 1.87, 1.96, 2.16
1.53, 1.62, 1.71, 1.79, 1.97 0.74, 0.78, 0.82, 0.86, 0.95 (-2.6, -2.7, -2.9, -3.0, -3.2)*
Selectable refractive index
1.53, 1.62, 1.70, 1.79, 1.97 ( )* : Extinction coefficient
ffmaxmax ffkk
ffmaxmaxffkk*
ffkk*ffkk 10評価項目 大 く 目的関数 く
満足化 フ法 用い ，目標 色 達成 射出光 強 評価項目 青色発光 料 用い 有機EL照明 設計 行う 目標 色 ，xy色 青色領域内 色 標 0.11，0.17 ，色 理想点 ，射出 光 色 標 目標色 標 距離 最 値 0.0
*
f ，強 理想点 十分大
値 4000
*
f
，希求水準 目標色 近い色彩 あ ， 高い射出強 出 う設定 色 希求
水準f =0.1，強1 希求水準 f =10002 設定 Example 2.1 表1 希求水準 び最適化結果 示
希求水準 最 近い解 出 結果 あ ，表1 結果 う 希求水準 達成不可能 あ 場合
，得 解 不達成 ン ン 目立 あ ，得 結果 満足 い場合 ， 全体 ン 考え希求水準 再考
6
色 希求水準 ， 以 犠牲 望 色彩 得 い
可能性 あ ，射出強 希求水準 犠牲 ，f =0.1，1 f =5002 変更 Example 2.2 ，表2
う 希求水準 満足 結果 得 結果 5 6
Table 1 Aspiration levels and results (Example 2.1) Table 2 Aspiration levels and results (Example 2.2)
Aspiration level Result Aspiration level Result
Distance a 0.1 0.05 Distance a 0.1 0.09
Area S 1000 439 Area S 500 635
Fig.5 Results of emission spectrum for Example 2 Fig.6 Optimum results plotted in chromaticity diagram for Example 2
5. わ に
本研究 有機EL 素子薄膜構造 多目的最適化手法 い 検討 行 荷 和法 フ 関係 あ 項目間 ン くい傾向 あ ，満足化 フ法 出 解 検討 ，各 目的関数 一方 程 視 ， う一方 程 犠牲 いう ン 考え 方 考慮 有機 EL 薄膜構造設計 可能 あ 特徴 光波 渉効果 射出光 性質 大 く変化 最 適解 存在 領域 狭い 考え 有機EL薄膜構造 最適化 適 い 有機EL用 料開発 進 ， 使用可能 種類 増大 複雑化 有機EL 薄膜構造設計 い ，本研究 用い 最適化 手法 ，設計者 意 映 効率的 最適化 可能 考え
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 .0
0 0.1 0.20.30.40.50.60.70.8 Ideal point Example 2.1 Example 2.2
x
y
0 2 4 6 8 10 12 14
380 480 580 680 780
EL intensity a.u.
Wavelength nm
Example 2.1 Example 2.2
文 献
1 山﨑 浩， LED EL照明設計入門 ，日刊工業新聞社， 2010
2 滝沢旬 ，高橋史晴，中 正行， 有機EL素子 薄膜構造最適化 射出光 ペ 設計 ，日本 機械学会第22回計算力学講演会 CDROM論文 ，No. 0912, 2009 ，pp. 422423
3 滝沢旬 ，中 正行， 有機EL素子 構造最適化 射出光 色彩設計法 ，第35回光学 ン ウ 講演予稿 ， 2010 ，pp. 5758
4 柏 孝義，白鳥正樹，于 強， 実験計画法 非線形問題 最適化 ，朝倉書店， 1998 ，pp. 2732 5 中山弘隆， 多目的計画 対 満足化 フ法 提案 ，計測自動制御学会論文 ，第20巻，第1
号， 1984 ，pp. 2935
6 中山弘隆，岡部達哉，荒 生，尹 禮分，多目的最適化 工学設計― や 工学 プ チ
― ，現代 書， 2007 ，pp. 2124
