(57)【要約】本発明の面光源素子は、面発光素子３と、面発光素子３の出射面１３に設けられた少なくとも片面に複数の凸部１０が設けられた出射光制御シート２とからなり、前記凸部１０が前記面発光素子の出射面１３に光学的に密着しており、空隙部１１の屈折率が前記凸部１０の屈折率よりも低く、かつ、面発光素子の出射面１３において、前記面発光素子３の主面の法線とαの角度を成して進む光線の輝度をＡ(α)とした場合に、Ａ(α)×sin(α)×cos(α)の値が最大となる角度をα1とし、前記面発光素子３の主面の法線と前記凸部１０の側面の傾き角度をβとしたときに、前記凸部１０の側面の８割以上において（α1／２）−５°＜β＜（α1／２）＋１１°であることを特徴とする。それにより、光利用効率を高めると共に、正面輝度を大きく向上させる面光源素子が得られる。
2010058755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と発光層を封止する透明材料で覆われた面発光素子と、面発光素子の出射面側に設けられた少なくとも片面に複数の凸部を備えた出射光制御シートとからなり、前記凸部が前記面発光素子の出射面に向けて収縮した形状で、前記凸部が前記面発光素子の出射面に光学的に密着しており、前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域の屈折率が前記凸部の屈折率よりも低く、かつ、面発光素子の出射面において、前記面光源素子の主面の法線とαの角度を成して進む光線の輝度をＡ(α)とし、Ａ(α)×sin(α)×cos(α)の値が最大となる角度をα1とした場合、前記面発光素子の主面の法線に対する前記凸部の側面の傾き角度をβとしたときに、前記凸部の側面の８割以上において
（α1／２）−５°＜β＜（α1／２）＋１１°
であることを特徴とする面光源素子。
【請求項２】
前記凸部の側面の傾きβが、前記凸部の側面の８割以上において
（α1／２）−２°＜β＜（α1／２）＋８°
であることを特徴とする請求項１に記載の面光源素子。
【請求項３】
前記凸部が円錐台形状をしていることを特徴とする請求項１または２に記載の面光源素子。
【請求項４】
前記出射光制御シートに設けられた複数の凸部が三角格子構造に配列していることを特徴とする請求項３に記載の面光源素子。
【請求項５】
前記出射光制御シートに設けられた複数の凸部が最密に充填されていることを特徴とする請求項４に記載の面光源素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を配置することを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の面光源素子を用いた照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、面発光素子を備えた面発光体及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報機器の多様化に伴って、消費電力が少なく、容積が小さい面発光素子のニーズが高まっている。特に、面発光素子の中でもエレクトロルミネッセンス(ＥＬ)方式に注目が集まっている。そして、このようなＥＬ方式は、使用する材料によって無機ＥＬ素子と有機ＥＬ素子とに大別される。【０００３】
ここで、無機ＥＬ素子は、一般に発光部に高電界を作用させ、電子をこの高電界中で加速して発光中心に衝突させ、これにより発光中心を励起させて発光させるようになっている。一方、有機ＥＬ素子は、電子注入電極とホール注入電極とからそれぞれ電子とホールとを発光層内に注入し、このように注入された電子とホールとを発光層内で結合させて、有機材料を励起状態にし、この有機材料が励起状態から基底状態に戻る時に発光するようになっており、無機ＥＬ素子に比べて低い電圧で駆動できるという利点がある。【０００４】
また有機ＥＬ素子の場合には、発光材料を選択することによって適当な色彩に発光する発光素子を得ることができ、また発光材料を適当に組み合わせることによって白色光を得ることもでき、液晶表示素子や広告媒体などのバックライトとして利用することも期待されている。【０００５】
ここで、液晶表示素子等のバックライトとして利用する場合、一般に２０００〜４０００ｃｄ／ｍ２程度の正面輝度が必要になるが、上記のようなＥＬ素子等の面発光素子を発光させた場合、発光された光は、様々な方向に進行し、面発光素子の出射面等において全反射することで面発光素子の内部に閉じ込められる光も多く存在することから、十分な正面輝度を得ることが困難であり、特に、有機ＥＬ素子の場合においては、充分な発光寿命が得られるようにするためには、１０００〜１５００ｃｄ／ｍ２程度の正面輝度しか得られないという問題があった。【０００６】
そのため、有機ＥＬ素子等の面発光素子を発光させた場合において、その内部に閉じ込められる光を取り出して、その正面輝度を向上させるために、面発光素子の出射面に凹凸が設けるようにしたものや（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）、面発光素子の出射面に凹凸が設けられた平面部材を表面に凹凸が現れるようにして取り付けたものが提案されている（特許文献２参照）。【０００７】
しかし、上記のように面発光素子の光出射面に微小な凹凸を設けたり、面発光素子の出射面に凹凸を有する部材を粘着剤を介して貼り合わせたりするような構成にした場合、表面における凹凸によって光が散乱され、正面輝度を充分に向上させることができないという問題があった。【０００８】
このような問題を解決するために特許文献３、４では、凸部形状が透光性基板出射面にむけて収縮し、先端面を透光性基板の出射面に接着させると共に、凸部と面発光素子の出射面との間に形成される空間部に、屈折率が調光シートの屈折率より低くすることによって面発光素子を備えた面発光体から出射される光の正面輝度を大きく向上させている。凸部と出射面が接着している部分に関しては光を取り出すことができ、光利用効率と正面輝度が向上するが、面発光素子の角度輝度特性と凸部の形状との関係については詳細な記載がない。この面発光素子の角度輝度特性と凸部の形状が最適化されていない場合向上できる効率と輝度が低下する課題がある。【０００９】
また非特許文献２に記載されているように有機ＥＬ素子は、各層の厚みが非常に薄く１００ｎｍ前後の厚みからなるため干渉などの光学薄膜に特有の影響を大きくうける。特に陽極と反射層を兼ねる金属電極と発光素子との距離、金属の材質、薄膜の構成によって透明材料内部の光の角度輝度は大きく異なることが知られている。そのため各面光源素子によって正面輝度を向上させるためには凸部の形状を最適化することが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−６３７６７号公報
【特許文献２】特開平５−４５５０５号公報
【特許文献３】特開２００７−１４９５９１号公報
【特許文献４】特開２０００−１４８０３２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Journal  of  applied  physics  Volume  91,  Number5  3324-3327(2002)
【非特許文献２】SID（Society  for  Information  Display）Int.  Symp.  Dig.  Tech.  Pap.  39  (2008)522.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで本発明の目的は、自発光素子内の光の角度輝度分布に対して光制御フィルムの凸部の形状を最適化することによって面光源素子の光利用効率を高めると共に、正面輝度を大きく向上させる面光源素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の面光源素子は、発光層と発光層を封止する透明材料で覆われた面発光素子と、面発光素子の出射面に設けられた少なくとも片面に複数の凸部を備えた出射光制御シートとからなり、前記凸部が前記発光素子の出射面に向けて収縮した形状で、前記凸部が前記面発光素子の出射面に光学的に密着しており、前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域（以下、空隙部と称することがある）の屈折率が前記凸部の屈折率よりも低く、かつ、面発光素子の出射面において、前記面光源素子の主面の法線とαの角度を成して進む光線の輝度をＡ(α)とし、Ａ(α)×sin(α)×cos(α)の値が最大となる角度をα1とした場合、前記面発光素子の主面の法線に対する凸部の側面の傾き角度をβとしたときに、前記凸部の側面の８割以上において、
（α1／２）−５°＜β＜（α1／２）＋１１°
であり、より好ましくは、
（α1／２）−２°＜β＜（α1／２）＋８°
であることを特徴としている。ここで、前記「出射面に向けて向けて収縮した形状」とは、凸部の出射面に平行な断面の大きさが、出射光制御シート側から発光素子の出射面に向けて小さくなっている形状をいう。
本明細書に記載の面発光素子は、片面発光、両面発光両方を含める。両面発光の場合は片面だけに出射光制御シートを貼り合せても、両面に貼り合せてもよい。【００１４】
また、本発明の面光源素子は、上記の出射光制御シートに設けられた、凸部が円錐台形状をしていてもよく、また、前記円錐台形状の凸部が三角格子構造で配列していてもよく、さらに該三角格子構造での配列において最密にパターンが充填されていてもよい。【００１５】
また、本発明は、表示素子と請求項１に記載の面光源素子を備え、該面光源素子を前記表示素子のバックライトとして用いることを特徴とする画像表示装置である。【００１６】
また本発明は、請求項１に記載の面光源素子を照明として用いることを特徴とする照明装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の面光源素子は、面発光素子内で最も光量的に大きな値を持つα1方向に進行する光を正面方向集める能力が向上する。また前記角度αが大きい光は面発発光素子内部を図５に示すように全反射するため、実際に凸部の先端部から入射する光量は角度α1よりも５°ほど大きな角度αMAXの光量が大きくなる。この角度は各面発光素子によってそれぞれ異なる。そのためβはαMAXに合わせて設計することで正面輝度を大幅に向上させることができる。【００１８】
さらには前記出射光制御シートに付与された凸部が円錐台形状をしていることによってあらゆる方向に進行する光を面発光素子の主面に対して法線方向に向けることが可能となり面発光素子の正面輝度がさらに向上する。【００１９】
また、前記出射光制御シートに付与された凸部が円錐台形状かつ凸部が三角格子構造で配列していることによって一定面積内に占める凸部の割合が向上し結果として正面輝度向上効果が上がると共に光取り出し効率も向上し、細密にパターンが充填されることによって円錐台形状パターンが一定面積内に占める割合が最大となり結果として正面輝度向上効果が上がると共に光取り出し効率も向上する。【００２０】
本発明の面光源素子をバックライトとして用いることによって正面の明るさが明るく面内分布が均一な表示装置を得ることができる。【００２１】
本発明の面光源素子を照明として用いることによって正面方向が明るい照明器具を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る面光源素子の概略側面図である。
【図２】上記の出射光制御シートの概略側面図である。
【図３】本発明における他の出射光制御シートの概略側面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る出射光制御シート凸部の概略図である。
【図５】上記の凸部に入射する多重反射光の概略図である。
【図６】上記の面発光素子出射面角度輝度特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態３に係る出射光制御シートの概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、この発明の実施形態に係る面光源素子について図面に基づいて説明する。なおこの発明に係る面光源素子は、以下の実施形態に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものとする。
【００２４】
[実施形態１]
図１に本発明の面光源素子１の概略図を示す。本発明では図１の光出射制御シート２を含まない構成を面発光素子３とし、光出射制御シート２を含むものを面光源素子１とする。この面光源素子１は自発光タイプの発光層５を透明電極４と反射電極６で挟み込んだ構造である。電極４，６はそれぞれ保護層ではさまれた構造をしている。さらにこの面光源素子１は出射光制御シート２として面発光素子の出射面１３に対向する面に対して、図４で示されるような先端側が収縮した円錐台形状の凸部１０が２次元状に連続して形成されたシートである。ここで先端側が収縮したとは、凸部１０を前記シートの主面に対して平行な面で切った断面積が、シート側よりも先端側で小さくなっていることをいう。凸部１０の形状は円錐台形状だけに限らず四角錐台形状等のように面発光素子の光出射面先端側が収縮するような形であればよい。
【００２５】
また面光源素子１の正面輝度を向上させるには図２に示した凸部１０の側面の傾き角度βは、面発光素子３中における光の角度分布特性によって適切な値をとることが必要となる。傾き角度βが不適切な値であると凸部１０と空隙部１１との界面で全反射された光は面光源素子１の正面方向には進行せず斜め方向に進行することで正面輝度の向上が充分でなくなる。そのためにβを適切な角度にする必要がある。光量を考えた場合、前記面光源素子１の主面の法線とαの角度を成して進む光線の強度をＡ(α)とした場合に、Ａ(α)×sin(α)×cos(α)の値が最も大きくなる角度α1の光量が最も大きくなる。ここで、α1は非特許文献２に記載されるように、図６に示すような角度輝度分布のピーク位置から求めることができる。また、凸部１０の側面の傾き角度は円錐台形状のように一定であっても良いし、図３に示すように変化していてもよい。
【００２６】
一方、図５に示すように実際に凸部１０に入射する光は多重反射の影響を受けて、光線１、光線２他のように複数の光線が入射することになることから、実際に凸部１０に入射する光の角度強度で最も多くなる光量は角度α1からdegree(deg)単位で５°ほど大きな角度αMAXになる。このことから、αMAX角度付近の光を面光源素子１の正面方向に向けることで正面輝度は向上する。そのためdegree単位でβの角度は、（α1／２）−５°＜β＜（α1／２）＋１１°の範囲であることが望ましく、より望ましくは（α1／２）−２°＜β＜（α1／２）＋８°、更に望ましくは（α1／２）＋１°＜β＜（α1／２）＋５°である。
【００２７】
また面発光素子の出射面１３に出射光制御シートの凸部１０が接着されることによって、凸部１０と該出射面１３の間の領域すなわち空隙部１１には、通常屈折率が低い空気が充填される。ここには、空気の代わりに低屈折率材料を充填してもよい。
【００２８】
このような構成にすることによって、出射光制御シート２を設けない場合には、全反射されて面発光素子３の側面から出射する光や、面発光素子内で吸収されていた光が、出射光制御シート２の凸部１０と面発光素子の出射面１３の接着部分から取り込まれる。取り込まれた光は凸部１０と空隙部１１の界面で、全反射され面光源素子１の主面に対して垂直方向に近づけられて出射する。
【００２９】
凸部１０の屈折率と空隙部１１の屈折率の差は０．２以上であることが望ましく、より望ましくは０．３以上で更に望ましくは０．４以上である。屈折率差が少ないと凸部１０と空隙部１１で全反射が起こらなり、出射光が面光源素子の出射面の主面に対して垂直方向に向きにくくなるため効果が低減する。
【００３０】
また、出射光制御シート２の表面形状は、スタンパまたは雌金型などを用いて、熱プレス法、紫外線硬化によるフォトポリマー法、熱硬化によるキャスト法、射出成形法などによって透明な基材上に形成することができる。該透明な基材としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン樹脂等の樹脂またはガラスが用いられる。出射光制御シートの作製に用いるスタンパは、例えばガラス基板上にネガ型あるいはポジ型の感光性樹脂をコーティングし、この感光性樹脂をフォトマスクを介して露光し、現像後、電鋳を行うことにより作製することができるし、切削工程によって作製することもできる。出射光制御シート２はシート状である必要はなく、フィルム状であってもよい。また、本発明における出射光制御シート２が備えた凸部１０は、１次元的配置のレンチキュラーレンズの様なパターンのほかに２次元的配置のレンズアレイタイプでもよい。
【００３１】
[実施形態２]
実施形態２においては、前記出射光制御シート２が備えた凸部１０が円錐台形状、かつ、凸部１０が三角格子構造で最密に配列していること以外は実施形態１と同様である。図７に示すように、凸部形状が三角格子構造で最密に配列されることによって最も多く凸部を一定面積内に配置することが可能となる。このことによって凸部先端と前記面発光素子の出射面に光学的に密着する面積が大きくなることによって従来全反射していた光をより多く取り出すことができ効率の向上と正面輝度の向上する。
【００３２】
本発明において光源として使用するＥＬ光源のエレクトロルミネッセンス層を形成する材料は有機、無機のいずれでもよい。また、本発明は透明基板で覆われたＥＬ光源内で起こる全反射によりＥＬ光源内に閉じ込められる光を、取り出そうとするものであるから、ＥＬ光源の構成如何にかかわらず利用することができる。また本発明は高屈折率な材料から光が発光するタイプの光源であればＥＬ光源にかかわらず利用することが可能である。
【実施例】
【００３３】
本発明を実施例により説明する。なお本発明は実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
実施例１においては、面発光素子内部の光出射面において非特許文献２に記載されている面光源素子内部の角度輝度特性は図６のような角度輝度分布を持ちＡ(α)×sin(α)×cos(α)のピークα1は４０度に存在する。上記の実施の形態１に示すように、屈折率１．５７のＰＥＴフィルムの片面に面発光素子の主面の法線と凸部１０の側面が成す角度βが２５°、高さ２７μｍの円錐台状の凸部１０が図５に示すように三角格子配列で細密充填され、屈折率１．５１の光硬化性樹脂によって連続して形成された出射光制御シート２と、図１に示すように面発光素子の出射面１３に凸形状のある透明基材７とを接着剤を介して貼りあわせた。透明基材７の平坦面に粘着剤を形成し、透明電極４、発光素子５および反射電極６をガラス基板１０で挟んだ面光源素子に貼りあわせた。反射電極６の反射率は９６％、発光素子５と透明電極４とを合わせた吸収率は７％である。【００３４】
＜実施例２＞
実施例２は、凸部角度βが２０°である以外は実施例１と同様の条件とした。【００３５】
＜比較例１＞
比較例１においては、出射光制御シート２を備えず面発光素子３のみの構成で、反射電極６の反射率は９６％、発光素子５と透明電極４とを合わせた吸収率は７％である。
＜比較例２＞
比較例２においては、凸部１０の側面の傾き角度βが１５°である以外は実施例１と同様の条件で実施した。【００３６】
実施例と比較例について光線追跡により正面輝度と光利用効率を計算により求めた結果をまとめて表１に示す。表中、正面輝度と光利用効率は比較例１における正面輝度と光利用効率を１．０として規格化したものである。【００３７】
【表１】
2010058755.tif 000003
【００３８】
この結果から本発明において実施例の構成は比較例よりも、正面輝度の向上に効果があることがわかる。
【符号の説明】
【００３９】
１：面光源素子、２：出射光制御シート、３：面発光素子
４：透明電極、５：発光層、６：反射電極
７：透明基材、８：接着層、９：ガラス基板
１０：凸部、１１：凸部と発光素子の出射面との間に形成される領域（空隙部）
１２：出射光制御シートの出射面、１３：面発光素子の出射面
【図１】
2010058755.tif 000004
【図２】
2010058755.tif 000005
【図３】
2010058755.tif 000006
【図４】
2010058755.tif 000007
【図５】
2010058755.tif 000008
【図６】
2010058755.tif 000009
【図７】
2010058755.tif 000010
【国際調査報告】
2010058755.tif 000011
2010058755.tif 000012
2010058755.tif 000013