(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む薄膜層が透明基板に密着固定されるとともに該発光層から出射された光が該透明基板を通じて外部に放射されるディスプレイ装置において、
前記透明基板内に前記発光層から出射された光の出射角度を変換して外部に放射する角度変換手段が形成されており、
前記薄膜層は複数の発光画素領域を含み、
前記角度変換手段は前記発光画素領域の各々に設けられている、ことを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項２】
前記角度変換手段は前記発光層から出射された光のうち前記透明基板の外部との境界面に対して臨界角よりも大きい角度で出射された光の角度を該臨界角よりも小さい角度に変換するものであることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項３】
前記角度変換手段は前記透明基板の外部との境界面に対して臨界角よりも大きい角度をもって前記発光層から出射された光の角度を前記臨界角よりも小さい角度に変換して、変換された光を前記境界面に入射させることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
【請求項４】
前記角度変換手段は前記発光層から出射された光を反射する反射部材からなることを特徴とする請求項１ないしは請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項５】
前記角度変換手段は前記透明基板とは屈折率の異なる透明部材で構成され前記透明基板を経て入射された光を屈折させることでその角度を変換するものであることを特徴とする請求項１ないしは請求項３に記載のディスプレイ装置。
【請求項６】
前記複数の発光画素領域はそれぞれ矩形状に形成されかつマトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のディスプレイ装置。
【請求項７】
前記角度変換手段は断面が楔状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のディスプレイ装置。
【請求項８】
前記発光層は有機化合物からなることを特徴とする請求項１ないしは７に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子等を用いるディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス板、あるいは透明な有機フィルム上に形成した蛍光体に電流を流して発光させる有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と称する）が知られている。有機ＥＬ素子としては、図９に示すように、金属電極である陰極６と透明電極である陽極２との間に、有機化合物からなる有機正孔輸送層３、有機化合物からなる有機発光層４、有機化合物からなる有機電子輸送層５、及び陰極６が順に積層された構造に代表される。陽極２と陰極６は外部の電源７に接続され通電される。
【０００３】
有機正孔輸送層３は陽極２から正孔を輸送する機能と電子をブロックする機能とを有し、有機電子輸送層５は陰極から電子を輸送する機能を有している。これら有機ＥＬ素子において、陽極２の外側にはガラス基板９１が配されており、陰極６から注入された電子と陽極２から有機発光層４へ注入された正孔との再結合によって励起子が生じ、この励起子が放射失活する過程で光を放ち、この光が陽極２及びガラス基板９１を介して外部に放出される。
【０００４】
陽極２には、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯという）、錫酸化物等の仕事関数が大きく、発光を外部に放出させる透明導電性材料が用いられる。また、陰極６には、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、インジウム
（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）の単体金属又はこれらのＡｌ−Ｍｇ，Ａｇ−Ｍｇ等の合金であって仕事関数が小さな材料が用いられる。
【０００５】
また、有機発光層４には、例えば８−ヒドロキシキノリンのアルミニウム錯体等が用いられ、有機正孔輸送層３には、例えばＮ′−ジフェニル−Ｎ，Ｎ′−ビス（３メチルフェニル）−１，１′−ビフェニル−４，４′−ジアミン（ＴＰＤ）が好ましく用いられている。有機電子輸送層５には、例えば８−ヒドロキシキノリンのアルミニウム錯体等が用いられる。
【０００６】
図１０は上述した有機ＥＬ素子を画素対応にマトリクス状に構成した有機ＥＬ素子によるディスプレイ装置の部分斜視図である。図１０では、図９における有機正孔輸送層３、有機発光層４、有機電子輸送層５を総称して有機層２１で示している。他のガラス基板９１、陽極２、陰極６は図９と同じ部材で同じ働きをする。
以上説明した各電極層、各有機層の厚さは数十〜数百ナノメータオーダーと極めて薄いためそれに対し比較的厚いミリオーダーの基板に固定して補強する必要があり、この補強のために一般には透明なガラス基板が用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した構造の有機ＥＬ素子は有機発光層から発光面に対し０〜１８０度の広範囲の方向にわたって出射された光が有機正孔輸送層、ＩＴＯの透明導電膜、ガラス基板を経て大気中に放射される。ところが、光が各層の境界面を通過する際に入射側の物質の屈折率が出射側の物質の屈折率よりも大きい場合、臨界角、すなわち屈折波の出射角が９０度となる角度よりも大きい角度で入射する光は境界面で全反射されてしまう。
【０００８】
異種媒体の境界面での光の屈折率の関係は、スネルの法則により、屈折率ｎ１  の媒体から屈折率ｎ２  の媒体へ光が進行する場合、ｎ１  ＞ｎ２  であればそのときの臨界角θは、
θ＝ｓｉｎ−１（ｎ２  ／ｎ１  ）
で与えられることでよく知られている。
図１１に有機ＥＬ素子の放射光の原理を示す図である。例えばガラス基板１から大気中に放射される光の場合、図１１に示すように通常のガラスの屈折率１．５に対し空気の屈折率は１であるので、この場合の臨界角は、
θ＝ｓｉｎ−１（１／１．５）＝４１．８゜
となり、θがこの臨界角を越える発光部３１からの出射光はガラス基板９１と空気の境界面で全反射を生じ大気中に放射されなくなってしまう。
【０００９】
従って、全反射される光はガラス基板９１の外部まで到達できないので視覚的に有効な光量が減少し、発光された光の取り出し効率が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、光の取り出し効率の高いディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の発明は、発光層を含む薄膜層が透明基板に密着固定されるとともに発光部から出射された光が透明基板を通じて外部に放射されるディスプレイ装置において、透明基板内に発光部から出射された光の出射角度を変換して外部に放射する角度変換手段が形成されており、該薄膜層は複数の発光画素領域を含み、該角度変換手段は該発光画素領域の各々に設けられている、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のディスプレイ装置において、角度変換手段は発光層から出射された光のうち透明基板の外部との境界面に対して臨界角よりも大きい角度で出射された光の角度を臨界角よりも小さい角度に変換するものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のディスプレイ装置において、角度変換手段は透明基板の外部との境界面に対して臨界角よりも大きい角度をもって発光部から出射された光の角度を臨界角よりも小さい角度に変換して、変換された光を境界面に入射させることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないしは請求項３に記載のディスプレイ装置において、角度変換手段は発光部から出射された光を反射する反射部材からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないしは請求項３に記載のディスプレイ装置において、該角度変換手段は該透明基板とは屈折率の異なる透明部材で構成され該透明基板を経て入射された光を屈折させることでその角度を変換するものであることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のディスプレイ装置において、該複数の発光画素領域はそれぞれ矩形状に形成されかつマトリクス状に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のディスプレイ装置において、該角度変換手段は断面が楔状に形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないしは７に記載のディスプレイ装置において、発光層は有機化合物からなることを特徴としている。
【００１９】
【作用】
透明基板内に角度変換手段を設けたことにより、透明基板と外部との境界面で反射されて透明基板外へ放射されなくなる光を少なくすることができるから、従来装置に比べ発光された光の取り出し効率を向上させることができる。  また、角度変換手段の変換特性を適宜選択することにより、透明基板から放射される光の角度変換特性、すなわち視覚特性を選択することができるので、一つの発光層から様々な視覚特性を得ることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図１、図２を参照しつつ説明する。
図１及び図２は、本発明による有機ＥＬ素子の構造を示す図である。図１は、有機ＥＬ素子を構成する各層の形態を示し、図２は各画素に対する有機ＥＬ素子のマトリクス構造を示す図である。図１において、ガラス基板１上に図１に示すようなパターンを有するＩＴＯの透明導電膜の陽極２が成膜され、その上に陽極端子１３からの発光駆動電流を各透明導電膜の陽極２へ供給するメタルバスライン８を形成し、次に陽極２を他の層から絶縁する絶縁膜９、透明導電膜の赤、青、緑のそれぞれに対応した各有機発光膜（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）で構成される有機層２１、陰極隔壁６ａを有する陰極６が順次形成されている。
【００２１】
次に、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素に対する各層は、図２に示すように各陽極の接続線に対し左右対称に同一色の画素を形成する電極が構成され、Ｒ，Ｇ，Ｂの各電極は互いにずらして配置され同一平面上に構成されている。
一方陰極６は、上記陽極２の接続線に対し直交するように各２列を同一陰極でカバーされるように構成されている。従って陰極６と陽極２の各一つを選択すれば２つの同一色の隣合った電極を指定することが可能である。
なお図１、図２に示されるように各画素は所定の間隙を挟んで配置されており、上記したメタルバスライン８、陰極隔壁６ａはこの間隙に設置されている。
【００２２】
次に、角度変換手段の具体例について図３を参照して説明する。
図３は本発明における有機ＥＬ素子の角度変換手段としての楔状部材の部分斜視図である。図３に示すように、上述の構成の有機ＥＬ素子の各画素に対応する発光領域を囲むように角度変換手段として金属製の楔状部材１１をガラス基板１に埋め込む。楔状部材１１はその断面形状が二等辺三角形をなし、その等辺によって有機発光層からなる発光部３１からの放射光の一部を反射することによって、その反射光がガラス基板１を透過し大気中に放射される際に、ガラス基板１と空気の境界面での入射角がガラスと空気の臨界角よりも小さくなるように設定する。図４は図３から楔状部材を取り除いた状態を示す。図２からもわかるように各画素は所定の間隙１４を挟んでマトリクス状に配置されているが楔状部材１１は間隙１４に設置される。よって、楔状部材１１はメタルバスライン８、陰極隔壁６ａに対向する位置に配置されることとなる。
【００２３】
次に図５を用いて上述のように構成された楔状部材１１の作用について説明する。図５は透過光の臨界角の原理を示す図である。すなわち、楔状部材１１は頂角がφの角度を有する二等辺三角形の断面を有し、有機発光層の一画素を囲むように画素間に配置され、有機発光層の一画素に対応する発光部３１の発光面の一発光点を通り発光面に垂直な軸とθ０  の角度をなすように放射された光は楔状部材１１の壁面で反射され、発光部３１の発光面に垂直な軸、すなわちガラス基板１に垂直な軸に対しθ１  の角度でガラス基板１と空気の境界面へ進行する。これはガラス基板１と空気の境界面への入射角がθ１  ということである。このθ１  は、図５から明らかなようにθ１  ＋φ／２＝θ０  −φ／２からθ１  ＝θ０  −φの関係を持つ。
【００２４】
従ってガラス基板１と空気の境界面への入射角θ１  は発光部３１からの放射角θ０  よりもφだけ小さくすることができ、楔状部材１１がない場合のガラス基板１と空気の場合の臨界角よりも実質的にφだけ大きな放射角で発光された光まで大気中に放射することが可能となる。
【００２５】
なお、光量は楔状部材１１で反射されることによっても若干損失するため、発光部から臨界角より小さな角度で放射される光は、極力楔状部材１１で反射させずに直接境界面に到達させるようにした方が良い。
【００２６】
楔状部材１１の高さ及び底辺の幅は、発光部の面積、形状等様々な条件に応じて適宜変更することで、全体として最も光の取り出し効率の良い条件を選択することができる。
【００２７】
次に、このような楔状部材を形成する方法について説明する。その一方法は、ガラス基板１をバイトにより削り、所望の溝を形成する。次にエッチングにより溝を整形した後、反射壁となる金属の楔状部材１１を蒸着により形成する。また、ガラス基板１の代わりに樹脂による成形溝を有する成形樹脂基板を用い、金属を蒸着して楔状部材１１とすることもできる。
【００２８】
次に、本発明による有機ＥＬ素子を用いた場合の大気中への放射光量を、従来の有機ＥＬ素子との比としてシミュレーションした結果を図６に示し、その場合の画素及び楔状部材の寸法条件を図７に示す。図６では楔状部材の高さを変化させた場合の全体光量を、従来構造の有機ＥＬ素子（楔状部材がない場合）の全体光量に対する比として求めた。
【００２９】
図６において、記号ａで示した曲線は楔状部材１１の底面幅を３０μｍとした場合の楔状部材１１の高さと光量比の関係である。また、記号ｂで示した曲線は楔状部材１１の底面幅を２０μｍとした場合の楔状部材１１の高さと光量比の関係である。図６からわかるように、いずれの底辺幅に対しても楔状部材の高さが２０μｍでは約３０％の光量増となり、楔状部材１１の高さが３０μｍ〜１００μｍでは幅の狭い２０μｍの方が３０μｍの方よりも光量増加が大きく、概ね５０％を越える光量増加が見込めることが分かる。
【００３０】
なお図７に示すように、シミュレーションモデルの寸法は、一画素が７５×１３５（μｍ）の長方形であり、画素の周囲には楔状部材１１を設置するスペースとして幅３０（μｍ）の間隙が設けられている。
【００３１】
以上の説明では、楔状部材の形状を二等辺三角形の断面を有するものとして説明したが、この形状に限らず、断面形状が台形の反射部材や、反射面が曲面、球面の反射部材等、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な形状が選択できることはいうまでもない。なお、楔状部材の反射壁の形状を変更するとディスプレイの視覚特性も変化するので、楔状部材１１の形状を適宜選択することにより、所望の視覚特性を得ることが可能である。
【００３２】
次に、角度変換手段である金属反射壁の楔状部材に代わってガラス基板等の透明基板より屈折率が小さな透明部材を楔状部材とすることによっても光量増加を図ることができる。その場合の例を図８に示す。図８において、楔状部材４１をガラス基板よりも屈折率が小さい部材で構成することにより、ガラス基板１から楔状部材４１へ光が入射するとその入射角が臨界角よりも大きい図８のｂで示す光路のように大気中へ放射される。図８のａで示す光路はガラス基板を介して直接大気中に放射される場合を示す。
【００３３】
図８のｃで示す光路は、その一部は図８のｂの場合と同様にガラス基板と楔状部材４１の境界面で反射され、残りの部分は図８のｄで示すようにガラス基板から楔状部材４１へ進入する際に屈折され、さらに楔状部材４１からもう一度ガラス基板に進入する際に屈折され、最後にガラス基板から大気中に進入する際に屈折される。屈折の程度は、楔状部材４１とガラス基板の屈折率に依存するが、その進行方向はガラス基板１と楔状部材４１の境界面の傾斜角度により変化する。
【００３４】
なお、以上説明した角度変換手段である楔状部材は、その底面の一部を導電性の部材とすることによって隣接する層である透明導電膜の陽極のバスラインとして用いることも可能である。すなわち、図１に示したように、メタルバスライン８は陽極２の透明導電膜の画素間上に陰極６と直交して金属薄膜の蒸着等により形成されているのが一般的であるが、メタルバスライン８はガラス基板１と陽極２の間に設けても動作及び性能的に問題を生じない。従って楔状部材の底面の一部を導電性としたり、導電膜を形成させることで陽極バスラインとして用いることができる。
【００３５】
以上、有機ＥＬ素子の発光ディスプレイ装置において角度変換手段を用いた場合について説明したが、無機ＥＬ素子を用いたディスプレイ装置等、発光部が透明基板に密着固定され発光部から出射された光を透明基板を通じて外部に放射する形態のディスプレイ装置であれば本発明が利用可能であることはもちろんであり、また、楔状部材も金属以外の材質でも構成でき、形状も前述したように楔状以外でも利用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、透明基板内に角度変換手段を設けたことにより、透明基板と外部との境界面で反射されて透明基板外へ放射されなくなる光を少なくすることができるから、従来装置に比べ発光された光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３７】
また、角度変換手段の変換特性を適宜選択することにより、透明基板から放射される光の角度変換特性、すなわち視覚特性を選択することができるので、一つの発光層から様々な視覚特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における有機ＥＬ素子の構造を示す図である。
【図２】本発明における有機ＥＬ素子のマトリクス構造を示す図である。
【図３】本発明における有機ＥＬ素子の楔状部材の部分斜視図である。
【図４】図３の楔状部材に対向する側の斜視図である。
【図５】透過光の臨界角の原理を示す図である。
【図６】本発明における有機ＥＬ素子の楔状部材の高さによる放射光量の関係を示すグラフである。
【図７】図６のグラフの寸法条件を示す図である。
【図８】本発明における他の実施の形態の有機ＥＬ素子の構造を示す図である。
【図９】従来における有機ＥＬ素子の構造を示す図である。
【図１０】従来における有機ＥＬ素子の構造を示す斜視図である。
【図１１】従来における有機ＥＬ素子の放射光の原理を示す図である。
【符号の説明】
１，９１・・・・ガラス基板
２・・・・陽極（ＩＴＯ透明導電膜）
３・・・・有機正孔輸送層
４・・・・有機発光層
５・・・・有機電子輸送層
６・・・・陰極
６ａ・・・陰極隔壁
７・・・・電源
８・・・・メタルバスライン
９・・・・絶縁膜
１１，４１・・・・楔状部材
１２・・・・一画素透明導電膜
１３・・・・陽極接続線
１４・・・・間隙
２１・・・・有機層
３１・・・・発光部
【図１】
0003573393.tif 000002
【図２】
0003573393.tif 000003
【図３】
0003573393.tif 000004
【図４】
0003573393.tif 000005
【図５】
0003573393.tif 000006
【図６】
0003573393.tif 000007
【図７】
0003573393.tif 000008
【図８】
0003573393.tif 000009
【図９】
0003573393.tif 000010
【図１０】
0003573393.tif 000011
【図１１】
0003573393.tif 000012