(57)【要約】【課題】  簡易な作製方法で作製し、かつ発光層から出射した光を効率よく外部に取り出し、光取り出し効率を向上する。【解決手段】  第１の電極２００と、第２の電極３００と、それらの間に配置された発光層１０２とを有し、発光層１０２からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、放射光を取り出す方向に順に第１の電極２００，放射光を取り出すナノ構造層４００，発光層１０２及びナノ構造層４００の平均屈折率より低い屈折率である間隙８１が配置された発光素子。【選択図】図１
2005251488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有し、前記発光層からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、
前記放射光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記放射光を取り出す光取り出し層、前記発光層及び前記光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置されたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の発光素子において、
前記低屈折率層が気体層であることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の発光素子において、
前記光取り出し層が可視波長で略透明であり、
前記光取り出し層の紫外波長での光散乱が可視波長での光散乱よりも大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の発光素子において、
前記発光素子が基板上に形成されており、前記発光層に対して前記基板が配置された側とは反対側から光を取り出すことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
請求項３記載の発光素子において、
前記発光素子は有機発光ダイオード素子であることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
請求項３記載の発光素子において、
前記光取り出し層は、厚さ４０ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする発光素子。
【請求項７】
請求項３記載の発光素子において、
前記光取り出し層は、空孔を有することを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項７記載の発光素子において、
前記光取り出し層は、親水性であることを特徴とする発光素子。
【請求項９】
請求項３記載の発光素子において、
前記光取り出し層の波長５５５ｎｍにおけるヘイズ値が０％以上１％以下であり、380ｎｍにおけるヘイズ値が０％以上１％以下であることを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有し、前記発光層からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、
前記放射光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記発光層の平均屈折率より低い屈折率を有する光取り出し層が配置され、
前記光取り出し層は、親水性を有することを特徴とする発光素子。
【請求項１１】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有し、前記発光層からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、
前記放射光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記放射光を取り出す光取り出し層、前記発光層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置され、
前記光取り出し層が、周期構造を有することを特徴とする発光素子。
【請求項１２】
請求項１１記載の発光素子において、
前記周期構造の周期ｄ，入射される外光の波長λ，前記低屈折率層の屈折率ｎとした場合、ｄ＜λ／２・ｎを満たすことを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
請求項１１記載の発光素子において、
前記周期構造の周期は、１７５ｎｍから２００ｎｍであることを特徴とする発光素子。
【請求項１４】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有し、前記発光層からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、
前記放射光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記第１の電極の平均屈折率より高い屈折率を有する高屈折率層、前記放射光を取り出す光取り出し層が配置され、
前記光取り出し層の平均屈折率は、前記発光層の平均屈折率より低いことを特徴とする発光素子。
【請求項１５】
請求項１４記載の発光素子において、
前記発光素子が基板上に形成されており、前記発光層に対して前記基板が配置された側とは反対側から光を取り出すことを特徴とする発光素子。
【請求項１６】
請求項１４記載の発光素子において、
前記発光素子が基板上に形成されており、前記発光層に対して前記基板が配置された側から光を取り出すことを特徴とする発光素子。
【請求項１７】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有し、前記発光層からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、
前記放射光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記放射光を取り出す光取り出し層、前記発光層の平均屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層が配置され、
前記光取り出し層は金属層を含むことを特徴とする発光素子。
【請求項１８】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有する発光素子において、
前記発光層から放射する光を取り出す方向に順に、前記第１の電極、前記発光層の平均屈折率より低い平均屈折率を有する光取り出し層が配置され、
前記光取り出し層は光散乱層であることを特徴とする発光素子。
【請求項１９】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有する発光素子において、
前記発光層から放射する光を取り出す方向に順に、前記第１の電極、前記放射する光を取り出す光取り出し層が配置され、
前記光取り出し層の平均屈折率は、１.１以上１.５以下であることを特徴とする発光素子。
【請求項２０】
請求項１８に記載の発光素子において、
前記発光層と前記光取り出し層の間に設けられる層の平均屈折率が前記光取り出し層の平均屈折率よりも高いことを特徴とする発光素子。
【請求項２１】
請求項１８に記載の発光素子において、
前記光取り出し層は、透明媒体中に前記透明媒体と屈折率の異なる微小透明体が分散されたものであることを特徴とする発光素子。
【請求項２２】
請求項２１に記載の発光素子において、
前記微小透明体の平均屈折率は前記透明媒体の平均屈折率より低いことを特徴とする発光素子。
【請求項２３】
請求項２０に記載の発光素子において、
前記微小透明体の平均径が約１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする発光素子。
【請求項２４】
複数有し、各々が第１の電極と第２の電極間に配置された発光層を有する発光素子を有し、
複数の前記発光素子はマトリクス状に配置され、
前記発光層に対して前記発光層から放射する光を取り出す側に円偏光板を有し、
前記発光素子の発光動作を制御して表示を行う発光型表示装置において、
前記放射する光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記放射光を取り出す光取り出し層、前記発光層及び前記光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置され、
前記光取り出し層が可視波長で略透明であり、
前記光取り出し層の可視波長での光散乱は紫外波長での光散乱よりも小さいことを特徴とする発光型表示装置。
【請求項２５】
複数有し、各々が第１の電極と第２の電極間に配置された発光層を有する発光素子を有し、
複数の前記発光素子はマトリクス状に配置され、
前記発光素子の発光動作を制御して表示を行う発光型表示装置において、
前記放射する光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記放射光を取り出す光取り出し層、前記発光層及び前記光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置され、
前記第２の電極は、可視波長において低反射率であることを特徴とする発光型表示装置。
【請求項２６】
請求項２３から２４記載の発光型表示装置において、
前記第１の電極と前記光取り出し層の間、または、前記光取り出し層と前記低屈折率層の間に、青色を緑色に、または青色を赤色に変換する蛍光色素を有する色変換層を有することを特徴とする発光型表示装置。
【請求項２７】
請求項２４から２５記載の発光型表示装置において、
前記発光層は白色光を発光し、
前記発光層からの白色の一部の波長を透過するカラーフィルタを有することを特徴とする発光型表示装置。
【請求項２８】
複数有し、各々が第１の電極と第２の電極間に配置された発光層を有する発光素子を有し、
複数の前記発光素子はマトリクス状に配置され、
前記発光素子の発光動作を制御して表示を行う発光型表示装置において、
前記放射する光を取り出す方向に順に前記第１の電極、前記第１の電極の平均屈折率より高い屈折率を有する高屈折率層、前記放射光を取り出す光取り出し層が配置され、
前記光取り出し層の平均屈折率は、前記発光層の平均屈折率より低いことを特徴とする発光型表示装置。
【請求項２９】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有する発光素子において、
前記発光層から放射する光を取り出す方向に順に、前記第１の電極、空孔を有する第１の光取り出し層、空孔を有し、第１の光取り出し層とは屈折率が異なる第２の光取り出し層が配置され、
前記第１の光取り出し層の空孔の平均径は、前記第２の光取り出し層の空孔の平均系より小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項３０】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有する発光素子において、
前記発光層から放射する光を取り出す方向に順に、前記第１の電極，空孔を有する第１の光取り出し層，空孔を有し、第１の光取り出し層とは屈折率が異なる第２の光取り出し層が配置され、
前記第１の光取り出し層における空孔の占める割合は、前記第２の光取り出し層における空孔の占める割合より小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項３１】
マトリックス状に配置した複数の発光素子を備え、前記発光素子からの発光動作を制御して表示行う発光型表示装置において、
前記発光素子が、請求項１〜１７，２９，３０のいずれか１項に記載の発光素子であることを特徴とする発光型表示装置。
【請求項３２】
少なくとも一つの発光素子を備え、前記発光素子からの発光を用いて照明する照明装置において、
前記発光素子が、請求項１から２３記載の発光素子であることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子，本発光素子をマトリクス状に配置し発光動作を制御して表示を行う発光型表示装置、及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光ダイオード（Organic Light-Emitting Diode）素子は、有機薄膜からなる発光層に正負の電荷を注入することにより電気エネルギーを光エネルギーに変換して発光する素子である。発光素子として有機発光ダイオード素子を備える発光型表示装置（以下
「ＯＬＥＤディスプレイ」という。）は、液晶表示装置に代表される非発光型の表示装置とは異なり、自発光型であるためバックライトなどの補助光源が不要なことから薄型，軽量である。さらにＯＬＥＤディスプレイは視野角が広く、表示の応答速度が早いといった特徴を有する。
【０００３】
ＯＬＥＤは、基板に透明電極，ホール輸送層，発光層，電子輸送層，光反射性の金属からなる反射電極を順次積層した構造となっている。透明電極と反射電極との間に直流電圧を印加すると、発光層から所定の波長の発光が生じる。発光層から出射する光の一部は透明電極を通過して観察者に観察される。しかし、この際、積層面に略平行な方向に出射する光や、各層の界面において光の入射角度が臨界角より大きい光は積層面に平行な方向に導波し、観察者側には出射しないため表示光として有効に利用されないという問題点がある。
【０００４】
一般に、光取り出し効率（発光層から出射する発光量に対し、素子から観察者側に取り出される光量の比率）は古典光学的な見積によると２０％程度といわれており、発光層から出射した光の多くは積層面に平行な方向に導波し、損失となっている。このため、低消費電力で明るいＯＬＥＤディスプレイを実現するには、導波損失を低減し、光取り出し効率を向上することが重要である。
【０００５】
この課題に対して、特許文献１には、マトリクス状に設けられた発光層と、発光層に電子又はホールを供給する透明導電層と、発光層の発光を制御するマトリクス制御回路が形成されたＴＦＴ基板とを有するアクティブマトリクス型発光素子において、透明導電層の発光層と反対側の面に屈折率が１.０１〜１.３の範囲である低屈折率層を設けることを特徴とするアクティブマトリクス型発光素子が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２，３には、陽極と陰極間に発光層を含む一層以上の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子において、素子界面での全反射を抑制する位置に回折格子又はゾーンプレートが形成されていることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２７８４７７号公報
【特許文献２】特公２９９１１８３号公報
【特許文献３】特開２００３−１６３０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、低屈折率層の屈折率は、一般的な物質では実現できない低い屈折率であり、特許文献１においてはシリカエアロゲルといった特殊な材料を用いることにより実現したものである。このシリカエアロゲルの作製には、特殊な作製方法を必要とし、作製が難しいという問題点があった。
【０００９】
また、従来の回折格子を用いる場合は、回折格子を設けない場合に素子界面を透過していた光線も回折格子で回折されるため、波長，視角によっては、光量が変化することがおきた。また、外光も回折されるために回折格子で回折した光の偏光状態が変化してしまうために、コントラストが低下してしまうという問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、簡易な作製方法で、発光層から出射した光を効率よく外部に取り出すための光取り出し効率を向上することである。
【００１１】
また、コントラストの低下を抑制し、且つ光取り出し効率を向上する発光型表示装置及び照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、第１の電極と、第２の電極と、それらの間に配置された発光層とを有し、発光層からの発光の一部を放射光として取り出す発光素子において、放射光を取り出す方向に順に第１の電極，放射光を取り出す光取り出し層，発光層及び光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置された構成とする。
【００１３】
また、放射光を取り出す方向に順に第１の電極、発光層の平均屈折率より低い屈折率を有する光取り出し層が配置され、光取り出し層は、親水性を有する構成とする。
【００１４】
また、放射光を取り出す方向に順に第１の電極，放射光を取り出す光取り出し層，発光層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置され、光取り出し層が、周期構造を有する構成とする。
【００１５】
また、放射光を取り出す方向に順に第１の電極、第１の電極の平均屈折率より高い屈折率を有する高屈折率層，放射光を取り出す光取り出し層が配置され、光取り出し層の平均屈折率は、発光層の平均屈折率より低い構成とする。
【００１６】
また、放射光を取り出す方向に順に第１の電極，放射光を取り出す光取り出し層，発光層の平均屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層が配置され、光取り出し層は金属層を含む構成とする。
【００１７】
また、発光層から放射する光を取り出す方向に順に、第１の電極，発光層の平均屈折率より低い平均屈折率を有する光取り出し層が配置され、光取り出し層は光散乱層である構成とする。
【００１８】
また、発光層から放射する光を取り出す方向に順に、第１の電極，放射する光を取り出す光取り出し層が配置され、光取り出し層の平均屈折率は、１.１以上１.５以下である構成とする。
【００１９】
また、発光層から放射する光を取り出す方向に順に、第１の電極，空孔を有する第１の光取り出し層，空孔を有し、第１の光取り出し層とは屈折率が異なる第２の光取り出し層が配置され、第１の光取り出し層の空孔の平均径は、第２の光取り出し層の空孔の平均系より小さい構成とする。
【００２０】
また、第１の光取り出し層における空孔の占める割合は、第２の光取り出し層における空孔の占める割合より小さい構成とする。
【００２１】
また、複数有し、各々が第１の電極と第２の電極間に配置された発光層を有する発光素子を有し、複数の発光素子はマトリクス状に配置され、発光層に対して発光層から放射する光を取り出す側に円偏光板を有し、発光素子の発光動作を制御して表示を行う発光型表示装置において、放射する光を取り出す方向に順に第１の電極，放射光を取り出す光取り出し層，発光層及び光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置され、光取り出し層が可視波長で略透明であり、光取り出し層の可視波長での光散乱は紫外波長での光散乱よりも小さい構成である。
【００２２】
また、放射する光を取り出す方向に順に第１の電極，放射光を取り出す光取り出し層，発光層及び光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置され、第２の電極は、可視波長において低反射率である構成とする。
【００２３】
また、少なくとも一つの発光素子を備え、発光素子からの発光を用いて照明する照明装置において、その発光素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された発光層とを有し、放射光を取り出す方向に順に第１の電極，放射光を取り出す光取り出し層，発光層及び光取り出し層の平均屈折率より低い屈折率である低屈折率層が配置された構成とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、簡易な作製方法で作製でき、且つ発光層から出射した光を効率よく外部に取り出すための光取り出し効率が向上できる。
【００２５】
また、コントラストの低下が抑制でき、且つ光取り出し効率が向上できる発光型表示装置及び照明装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の発光素子，表示装置及び照明装置は、光取り出し効率を向上するために、発光層から出射し積層面に略平行な方向に導波する導波モードを放射モードに変換する光取り出し手段を設けたものである。
【００２７】
また、本発明の発光素子，表示装置及び照明装置は、波長以下の微細なランダム構造又は周期構造をもった光取り出し構造を設けることにより、導波することなく発光素子より直接取り出される透過モード及び可視波長の外光への影響を低減し、かつ導波モードを放射モードに変換することができるようにしたものである。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の発光素子の一実施例の断面図である。
【００２９】
本実施例の発光素子は、基板６とは反対方向から光を取り出す、所謂トップエミッション型の有機発光ダイオード（以下、ＯＬＥＤ）素子である。基板６上に形成され、反射膜としても機能する反射電極３００上に、ＯＬＥＤ素子を構成する有機層１００が形成されている。有機層１００上に透明電極２００が形成されており、透明電極２００と反射電極３００とに直流電圧を印加し、電流を流すと、有機層１００から所定の色に対応する波長の光が発光する。透明電極２００と反射電極３００は一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。ここでは透明電極２００が陽極として機能し、反射電極３００が陰極として機能する場合を説明する。有機層１００には、陽極と陰極の間に陰極側から順に電子輸送層１０１，発光層１０２，ホール輸送層１０３を３層積層配置した。有機層１００の構成は３層に限らず、陽極とホール輸送層の間にさらにホール注入層を設ける４層構造や、発光層と電子輸送層を一つの層で兼用する２層構造としてもよい。以下ではＯＬＥＤ素子を構成する陰極と陽極の間に形成される発光層を含む薄膜層を単に有機層１００という。
【００３０】
透明電極２００上には、光取り出し層として機能するナノ構造層４００を形成し、間隙８１を設け、透明封止板９０を用いて有機層１００を密閉封止した。透明封止板９０上には、本発光素子を発光型表示装置に用いた場合に発光型表示装置のコントラスト低下を抑えるために、１／４波長板７００，偏光板６００を積層配置した円偏光板７１０が配置されている。円偏光板７１０を設けることにより、反射電極３００で反射した外光９０８が外に出てくることを抑制し、コントラスト低下を抑えている。
【００３１】
本実施例では、ナノ構造層４００として、有機層１００からの発光のうち放射モードである透過光９００にはほとんど影響せず透過し、透明電極２００または有機層１００に閉じ込められて導波する導波モードの導波光９０４に対して散乱層として機能する波長以下の構造を有する膜を用いた。ナノ構造層４００としては、母材中に波長以下の微細な空孔あるいは微粒子を分散させたものが望ましく、可視光に対する平均屈折率が透明電極200または有機層１００よりも小さな層を用いることが望ましい。
【００３２】
ここで、ナノ構造層４００の光取り出しに係わる機能について説明する。有機層１００で発光し、透明電極２００とナノ構造層４００の界面及びナノ構造層４００を間隙８１との界面での臨界角よりも小さな入射角度で入射した光は、透明電極２００，ナノ構造層
４００を順次透過し、透過光９００として発光素子より放射される。残りの光は、透明電極２００及び有機層１００の屈折率が高いため、これらの層に閉じ込められ導波する。従来のＯＬＥＤディスプレイでは、この導波光９０４の割合が多く、光取り出し効率が低い要因となっていた。そこで、本実施例では、ナノ構造層４００によりこの導波光９０４を散乱させ、光取り出し効率を向上した。ナノ構造層４００の屈折率が低いため、導波光
９０４は透明電極２００または有機層１００内を導波するが、導波の際導波光９０４の一部は、エバネッセント光としてナノ構造層４００にしみ出す。このエバネッセント波の波長λeは、高屈折率媒体の屈折率をｎ1、低屈折率媒体の屈折率をｎ2とすると、
【００３３】
【数１】
2005251488.tif 000003
と表される。本実施例では、ｎ1は透明電極２００の屈折率、ｎ2はナノ構造層４００の屈折率を示す。また、λ0は真空中での波長を示し、高屈折率媒体中での波長をλ1、低屈折率媒体中での波長をλ2とすると、
【００３４】
【数２】
2005251488.tif 000004
と表される。エバネッセント波は数学的には界面に垂直な方向の波数が虚数と表されるため、（１）式のように波長λeが真空中での波長λ0よりも短くなる。波長以下の構造による散乱はレイリー散乱によって表され、レイリー散乱による散乱強度は波長の４乗に反比例する。したがって、ナノ構造層４００にしみ出したエバネッセント波は、ナノ構造層
４００の微細な構造により強く光散乱を受け、散乱光９０２として放射モードに変換され、外に取り出されることになる。この際、以下で説明するように表示装置においてコントラストを低下させないためには、透過光９００はほとんど散乱を受けないことが望ましい。本実施例では、透過光９００に対してはほとんど影響せず、導波光９０２のエバネッセント波をより強く散乱して取り出すことができるように、ナノ構造層４００の散乱体のサイズを制御した。
【００３５】
ナノ構造層４００内において、透過光９００とエバネッセント化した導波光９０４との散乱断面積の比は、おおよそ(ｎ2／ｎ1)4となるため、エバネッセント波の散乱を大きくし、透過光９００の散乱を小さくするためには、ｎ1を大きく、ｎ2を小さくすることが望ましい。さらに、ｎ2 が大きいとナノ構造層４００で散乱した散乱光が、再び全反射によりナノ構造層４００内に閉じ込められるため、この閉じ込めを抑制するためにも、ｎ2 は小さいことが望ましい。したがって、ナノ構造層４００として特に望ましい形態は、微小な空孔を分散させることで平均屈折率を小さくした構造である。
【００３６】
次に、エバネッセント波の強度が１／ｅ2となる厚さを示すエバネッセント波の侵入深さｚdは、
【００３７】
【数３】
2005251488.tif 000005
と表される。ナノ構造層４００において、透明電極２００からおおよそこの侵入深さ内にある散乱体により、エバネッセント波が散乱され、取り出される。このように、入射角度が大きくなると侵入深さが小さくなるが、エバネッセント波の波長も短くなり散乱強度は波長の４乗に反比例して大きくなるため、特に入射角度の大きな光線が強く光散乱を受けることになる。また、入射角度の大きな光線は散乱層と相互作用する時間も長い。このことから、界面近傍での散乱体の分布が特に重要であることが示される。したがって、散乱体は、ナノ構造層４００全体に均一に存在する必要はなく、この侵入深さ程度の範囲に光散乱体があればよい。特に、θ2＝９０°の時の侵入深さｚ90
【００３８】
【数４】
2005251488.tif 000006
にある光散乱体により強く光散乱を受けるため、透明電極２００に接したこの侵入深さの範囲に光散乱体が多くあることが望ましい。
【００３９】
ナノ構造層４００による光取り出し効率向上のためには、ナノ構造層４００の散乱強度が強いことが望ましいが、一方、透過光９００に対しては散乱が小さいことが望ましい。透過光９００に対して散乱を小さくするためには、ナノ構造層４００の膜厚を薄くすることが望ましい。ナノ構造層４００に生じたエバネッセント波を散乱するためには、ナノ構造層４００の膜厚は、（４）式より求まる侵入深さの数倍、望ましくは５倍程度、より望ましくは３倍程度あればよい。また、（４）式より求まる侵入深さ以下でもよく、上記のように界面での散乱が大きいため、侵入深さの１／２以上あれば効果がある。
【００４０】
ナノ構造層４００は、導波光９０４として導波する全光エネルギーに対し、エバネッセント化する割合が大きい程、導波光９０４を散乱する効果が大きくなる。そのためには、導波層は薄いことが望ましく、さらに屈折率が高いことが望ましい。したがって、透明電極２００は、有機層１００よりも屈折率が高いことが望ましく、必要とする電気抵抗を有し光干渉による色変化が問題にならない程度に薄くすることが望ましい。あるいは、透明電極２００とナノ構造層４００との間に、透明電極２００より屈折率の高い膜を薄く形成してもよい。
【００４１】
さらに、ナノ構造層４００は光取り出し側に強く光散乱することが望ましく、例えば、空孔を含む母材部分は光が導波できるようにネットワークを形成していることが望ましい。
【００４２】
ナノ構造層４００は、波長以下の構造を持つ媒体であるので、可視波長において光学的には平均的な屈折率を持った一様な媒体とみなすことができる。ナノ構造層４００の屈折率が測定できる場合は、ｎ2 として測定した値を用いればよい。平均屈折率の測定は、エリプソメトリ，プリズムカプラ等の屈折率測定装置を用いればよい。あるいは、分光光度計を用いて透過率・反射率を測定し、これらから計算式に代入して求めてもよく、また、反射スペクトル又は透過スペクトルの干渉パターンから求めることもできる。測定できない場合は、平均媒質近似
【００４３】
【数５】
2005251488.tif 000007
を用いて計算した値を用いてもよい。ｖA，ｖBはそれぞれ媒体Ａ及び媒体Ｂの体積分率、εA，εBはそれぞれ媒体Ａ及び媒体Ｂの誘電率を示す。それぞれの誘電率εは、屈折率ｎより、
【００４４】
【数６】
2005251488.tif 000008
から求めればよい。ナノ構造層４００の場合は、母材と空孔をそれぞれ媒体Ａ及び媒体Ｂとすればよい、ただし、ナノ構造層４００は、ナノ構造層４００全体が光学的に均質である必要はなく、透明電極２００との界面側での光散乱性が強くてもよく、また屈折率異方性を有してもよい。屈折率異方性を有する場合には、界面に平行な方向の屈折率が垂直な方向よりも小さいことが望ましい。これら屈折率分布がある場合においても、ナノ構造層４００の平均屈折率は、全体の平均的な屈折率とすればよい。
【００４５】
また、発光層１０２の屈折率として、発光層１０２単体の屈折率としてもよく、また、有機層１００の平均的な屈折率を用いてもよい。有機層１００を構成する膜は、膜厚が薄く、単層での屈折率の評価がむずかしく、また、電子輸送層１０１，発光層１０２，ホール輸送層１０３の屈折率の差はあまり大きくないためである。
【００４６】
一般的に、有機層１００の屈折率は、１.７〜１.８程度であり、透明電極２００の屈折率は、１.８〜２.１程度である。また、上記のようにナノ構造層４００としては、屈折率が小さいほうが光取り出し効率への寄与が大きい。したがって、可視波長においては、
（４）式より求まる侵入深さｚ90は、８０ｎｍ以下であるため、ナノ構造層４００の厚さは、４００ｎｍ以下、特に２４０ｎｍ以下が望ましい。また、４０ｎｍ以上、望ましくは、８０ｎｍ以上あれば、十分光取り出し層として機能するものである。
【００４７】
このように、薄いナノ構造層４００を設けた場合に、間隙８１を設けず透明封止板９０を直接ナノ構造層４００に貼り付けると、エバネッセント波が透明封止板９０にトンネル結合し、透明封止板９０に透過することが起こる。この透過光は、透明封止板９０内で導波光となり、取り出し光に寄与しなくなる。そのため、間隙８１を設けない場合には、ナノ構造層４００をエバネッセント波の侵入深さよりも十分に厚くする必要があり、透過光９００に対して光散乱を小さくするためにはナノ構造層４００の光散乱性を小さくする必要がある。したがって、エバネッセント波の光散乱が弱くなり、光取り出し効率の向上の効果は弱い。このことは、ボトムエミッション構造においても同様であり、本実施例は、トップエミッション構造において間隙８１等の低屈折率層を設けた場合に特に効果が大きいものである。
【００４８】
つまり、間隙８１は、低屈折率層として機能しているものであり、間隙８１の屈折率をｎ3、有機層１００または発光層１０２の屈折率をｎeとすると、
ｎ1＞ｎ2＞ｎ3
とすることが望ましく、さらに、望ましくは、
ｎe＞ｎ2
とすることである。
【００４９】
本実施例の発光素子をマトリックス状に配置して画素を構成し、画素ごとに表示を切り替えて画像を表示することにより、発光型表示装置を構成できる。さらに、本実施例の発光素子は、照明装置としても用いることができるものであり、照明装置として用いる場合は全面一括して点灯するようにすればよい。あるいは、照明装置においても小領域に分割し、領域ごとにスイッチングまたは光量の調整をできるようにしてもよい。また、照明装置として用いる場合には、円偏光板７１０は用いなくてもよい。
【００５０】
以下、本実施例の発光素子を発光型表示装置に用いた場合について説明する。
【００５１】
まず、本実施例の発光型表示装置の画素構造について説明する。
【００５２】
図３は１画素付近の模式断面図である。図４は上記発光型表示装置１における画素の平面構造の一部を説明するための模式平面図であり、図３は図４上のＡ−Ａ′線に沿った断面構造を示す１画素付近の模式断面図である。図５も本発明の発光型表示装置の一部断面を示す模式断面図であり、赤色の光を放射する有機層１００Ｒ，緑色の光を放射する有機層１００Ｇ，青色の光を放射する有機層１００Ｂに塗り分けられている状態を示す。並置して示した赤色発光画素６０Ｒ，緑色発光画素６０Ｇ，青色発光画素６０Ｂからなる３つの画素で一つのカラー１画素を構成し、これら３つの画素が発光する各色の光を加法混色することで所定の色を表示する。なお、これらの画素６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂは単位画素、あるいは副画素とも称し、モノクロ表示装置の場合は、単位画素がモノクロ１画素となる。
【００５３】
本実施例の発光型表示装置は、薄膜トランジスタからなるスイッチング素子および有機発光ダイオード素子を有するアクティブマトリクス駆動型のＯＬＥＤ表示装置であり、有機発光ダイオード素子７０が形成される基板６とは反対方向から光を取り出す、所謂トップエミッション型のＯＬＥＤ表示装置である。
【００５４】
図３及び図４を参照しながら発光型表示装置１の１画素付近の構造を説明する。この発光型表示装置はガラスなどの絶縁性の材料から成る表面が平坦な基板６の上に薄膜トランジスタからなるスイッチング素子を備える。画素の回路を構成するドライバトランジスタ１０やスイッチトランジスタ３０などのスイッチング素子はポリシリコン薄膜トランジスタから構成される。ポリシリコン薄膜トランジスタはソース・ドレイン領域１３，１７やチャネルポリシリコン層１４などを含むポリシリコン層の上にゲート絶縁膜１６，ゲート電極層１５，第１の層間絶縁膜１８，ソース・ドレイン電極層１９，第２の層間絶縁膜
２０を有する。
【００５５】
また、ポリシリコン薄膜トランジスタと基板６との間には基板６からポリシリコン層
１４及びゲート絶縁膜１６へのＮａやＫなどのイオンの混入をブロックするためにSiNx膜からなる第１の下地膜１１を有し、さらに第１の下地膜１１とポリシリコン層の間には
ＳｉＯｘ膜からなる第２の下地膜１２を有する。
【００５６】
スイッチングトランジスタ３０，ドライバトランジスタ１０，データ線７，ゲート線８，共通電位配線９などの非発光領域、第３の層間絶縁膜２１が形成される。光反射面としても機能する反射電極３００上には有機層１００が形成される。有機層１００は反射電極３００上に画素を覆うように形成されるが、発光領域６１以外の領域では第３の層間絶縁膜２１によって透明電極２００とは隔離される。
【００５７】
図６は発光型表示装置１の全体のレイアウトを模式的に示すブロック図であり、図７はその表示部２に構成されたアクティブマトリクスの等価回路図である。
【００５８】
図６（ａ）に示すように、発光型表示装置１は、ガラスなどの透明な絶縁性の材料から構成される基板６のほぼ中央部に表示部２が設けられる。表示部２の上側には、データ線７に対して画像信号を出力するデータ駆動回路３、左側にはゲート線８に対して走査信号を出力する走査駆動回路４が設置されている。これらの駆動回路３，４はＮチャネル型とＰチャネル型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）による相補型回路から構成されるシフトレジスタ回路，レベルシフタ回路，アナログスイッチ回路などから構成される。なお、発光型表示装置１は、図６（ｂ）に示すように脚５で支持され、テレビ映像，コンピュータ画像などのモニター装置として利用でき、また、テレビチューナを内蔵させて、単独としてテレビ受像機としても利用できる。
【００５９】
発光型表示装置１は、アクティブマトリクス駆動型の液晶表示装置と同様、基板６上に複数のゲート線と、該ゲート線の延在方向に対して交差する方向に延在させた複数のデータ線が設けられており、図７に示すごとくｍ本のゲート線Ｇ１，Ｇ２，…，Ｇｍとｎ本のデータ線Ｄ１，Ｄ２，…，Ｄｎとの交差するところにマトリクス状に画素６０が配置される。
【００６０】
各画素は有機発光ダイオード素子７０と、蓄積容量４０と、ゲート電極がゲート線に接続し、ソース・ドレイン電極の一方がデータ線に接続され、他方が蓄積容量４０に接続されているＰチャネル型のＴＦＴからなるスイッチトランジスタ３０と、ゲート電極が該蓄積容量４０に接続し、ソース電極が上記データ線と同じ方向に延在する共通電位配線９に接続され、ドレイン電極が有機発光ダイオード素子７０の一方の電極に接続されているＮチャネル型のＴＦＴからなるドライバトランジスタ１０とから構成される。また、有機発光ダイオード素子７０の他方の電極は、全画素共通の電流供給線に接続されて一定の電位Ｖａに保たれる。
【００６１】
次に各画素の駆動について図７を参照して説明する。画素の駆動は１行目のゲート線
Ｇ１からターンオン電圧を順次供給し、１フレーム期間内にｍ行のゲート線に対して順次この電圧（走査信号）を供給する。走査信号によってスイッチトランジスタ３０がオン状態になるとデータ線から画像信号がスイッチトランジスタ３０を介して蓄積容量４０に書き込まれる。つまり、この駆動スキームではあるゲート線にターンオン電圧が供給されている間はそのデータ線に接続されたスイッチトランジスタ３０は全て導通状態となり、それに同期してｎ列のデータ線にデータ電圧が供給される。
【００６２】
データ電圧はゲート線にターンオン電圧が供給されている間に蓄積容量４０に蓄えられ、ドライバトランジスタ１０のゲート電極は、スイッチトランジスタ３０がオフ状態になっても、蓄積容量４０により画像信号に相当する電位に１フレーム期間はほぼ保持される。蓄積容量４０の電圧値はドライバトランジスタ１０のゲート電圧を規定し、これによりドライバトランジスタ１０を流れる電流値が制御され有機発光ダイオード素子７０の発光が制御される。発光の停止は、ドライバトランジスタ１０をオフ状態とすることで実現する。
【００６３】
つまり、発光量を制御すべき画素に対応したゲート線にターンオン電圧が印加されるのに同期して、画像情報に対応した電圧を、データ線を介して印加することで画素の発光量を制御することができる。したがって、表示部２を構成する複数の画素の発光量を画像情報に応じて制御することで所望の画像を表示することができる。なお、有機発光ダイオード素子に電流が流れてから発光が始まるまでの応答時間は通常１μｓ以下であるため、動きの速い画像を遅れることなく表示することができる。
【００６４】
陽極として機能する透明電極２００としては仕事関数の高い透明な電極材料を用いれば良く、例えばＩＴＯ（Indium tin oxide）が好適である。また、ＩｎＺｎＯを用いることもできる。
【００６５】
陰極として機能する反射電極３００には仕事関数の低いＡｌ，Ｍｇ，Ｍｇ−Ａｇ合金やＡｌ−Ｌｉ合金などを用いることができる。反射電極３００をＡｌ単体とする場合は駆動電圧が高く、寿命が短くなることから有機層１００との界面に極薄いＬｉ化合物（酸化リチウムＬｉ2Ｏ，フッ化リチウムＬｉＦなど）を挿入してＡｌ−Ｌｉ合金に匹敵する特性を得るようにしてもよい。また、陰極に接する部分の有機層１００をリチウムやストロンチウムなどの反応性の高い金属でドーピングして駆動電圧を低くするようにしてもよい。なお、反射電極３００は光の反射率が高い材料で構成することが、有機層１００から放射する光を効率よく表示装置の外部に取り出すために望ましい。さらに、反射電極３００は、入射した円偏光を回転方向が逆の円偏光として反射する鏡面状の光反射面であることが外光反射の低減、及び有機層１００から放射する光を表示装置の外部、つまり、有機層
１００から放射する光を観察者１００００側に取り出す光利用効率の向上という面から望ましい。
【００６６】
本実施例においては、反射電極３００は、電極としての機能のほかに有機層１００の裏面に設けられる光反射面としても機能するものであって、反射層と電極層とを兼用するものである。但し、反射層と電極層とを兼用せずに、反射電極３００が設けられる位置に仕事関数が適切に制御された透明な導電材料からなる透明な電極を配置し、さらにその裏面に透明な電極とは別の光反射面として機能する光反射性の金属膜或いは誘電体多層膜を設ける構成としてもよい。
【００６７】
有機発光ダイオード素子７０を構成する有機層１００としては陽極と陰極の間に陰極側から順に電子輸送層１０１，発光層１０２，ホール輸送層１０３を積層配置したものを用いることができる。或いは、陽極とホール輸送層の間にさらにホール注入層を設ける４層構造や、発光層と電子輸送層を一つの層で兼用する２層構造としてもよい。
【００６８】
有機層１００は透明電極２００と反射電極３００とに直流電圧を印加し、電流を流すと、透明電極２００から注入されたホールがホール輸送層１０３を経由して、また、反射電極３００から注入された電子が電子輸送層１０１を経由して、それぞれ発光層１０２に到達し、電子−ホールの再結合が生じてここから所定の色に対応する波長の光が生じるものである。本実施例ではフルカラー表示の発光型表示装置を実現するために、マトリクス状に配置する画素を構成する発光薄膜層として赤色，緑色，青色のいずれかの光を発するものを所定の順序で塗り分ける。つまり、発光薄膜層の発光色を画素毎に所定の配列で赤色，緑色，青色の３原色に対応した発光層を含む有機層１００(図５では１００Ｒ,１００Ｇ，１００Ｂ）が所定の配置で塗り分けられる。
【００６９】
赤色発光の発光薄膜層の材料として、例えば、ホール輸送層は、α−ＮＰＤ（Ｎ，Ｎ′−ジ（α−ナフチル）−Ｎ，Ｎ′−ジフェニル１，１′−ビフェニル−４，４′−ジアミン）や、トリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤ（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），電子輸送性発光層（電子輸送層と発光層を兼用）は、Ａｌｑ３（トリス（８−キノリノレート）アルミニウム）にＤＣＭ−１（４−（ジシアノメチレン）−２−メチル−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−４Ｈ−ピランを分散したものを用いることができる。
【００７０】
緑色発光の発光薄膜層の材料として、例えば、ホール輸送層は、α−ＮＰＤや、トリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤ，電子輸送性発光層（電子輸送層と発光層を兼用）は、Alq3や、Ｂｅｂｑや、キナクリドンでドーピングしたＡｌｑ３を用いることができる。
【００７１】
青色発光の発光薄膜層の材料として、例えば、ホール輸送層は、α−ＮＰＤや、トリフェニルジアミン誘導体ＴＰＤ、発光層は、ＤＰＶＢｉ（４，４′−ビス（２，２−ジフェニルビニル）ビフェニル）や、これとＢＣｚＶＢｉ（４，４′−ビス（２−カルバゾールビニレン）ビフェニル）からなる材料、或いはジスチリルアリレーン誘導体をホストとし、ジスチリルアミン誘導体をゲストとしてドーピングしたもの、電子輸送層としては、
Ａｌｑ３を用いることができる。また、電子輸送性発光層（電子輸送層と発光層を兼用）としてＺｎ（ｏｘｚ）２（２−（ｏ−ヒドロキシフェニル）−ベンズオキサゾールの亜鉛錯体）を用いることができる。
【００７２】
さらに、上記低分子系の材料の他にポリマー系の材料を用いることができる。ポリマー系の材料としてはＰＥＤＴ／ＰＳＳ（Polyethylene dioxythiopheneとPolystylene 
sulphonateの混合層）とＰＰＶ(poly(p-phenylene vinylen)) の積層膜をホール輸送層，発光層として用いることができる。また、緑色の発光はＰＰＶに緑インクを調合したもの、赤色の発光は緑インクに赤発光ドーパントとしてローダミンを添加調合したもので実現でき、青色の発光層としてはＦ８(Poly(dioctylfluorene)) を用いることができる。なお、Ｆ８は電子輸送層としても機能する。また、ポリマー系の材料としてはこの他にＰＶＫ（ポリビニルカルバゾール）のような色素含有ポリマーを用いることができる。
【００７３】
有機層１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂの塗り分けは、低分子系の場合は公知のシャドウマスクによる真空蒸着有機膜のパターニング成膜技術を用いることができる。この工程の際、第３の層間絶縁膜２１はシャドウマスクの突き当て部材として使用することができる。
【００７４】
また、発光層１０２をポリマー系の材料で構成する場合は公知のインクジェットパターニング技術を用いることができる。この工程の際、第３の層間絶縁膜２１は画素領域を分離する土手として機能させることができる。
【００７５】
また、発光層１０２としては燐光型発光材料あるいは三重項発光材料と呼ばれる発光効率の高い発光材料を用いることもできる。励起子形成において、三重項励起状態が統計理論的に生成確率が高いことから、燐光型発光材料は発光効率が高い。燐光型発光材料は、例えば、ＩｒやＰｔを中心金属に持つ重金属錯体を用いることで実現するもので、現状では、緑色と赤色には高い発光効率が得られる材料があるが、青色に対しては緑色や赤色と同等の効率が得られる発光材料がない状態である。このため、例えば、赤色，緑色，青色の各画素を構成する発光薄膜層に燐光型発光材料を適用して白色表示する場合を想定すると、赤色と緑色の光の強度は効率の低い青色に合わせて小さくする必要があるため、せっかく赤色と緑色の発光効率が高くても明るい白色表示が実現できなかった。
【００７６】
これに対し、本実施例のように、ナノ構造層４００を用いて光取り出し効率を向上する場合、特に波長の短い光に対して光取り出し効率を向上の効果が大きいものであり、本実施例により特に青色の光取り出し効率を向上することにより、赤色及び緑色に燐光型発光材料を適用しても、燐光型発光材料の高い発光効率を活かした明るい白色表示ができる発光型表示装置を実現ができる。また、表示装置から観察者側へ取り出される赤色，緑色，青色のバランスがよくなり、発光効率が高い燐光型発光材料の性能を活かしたより明るい白色表示が実現できる。
【００７７】
いずれの場合も、有機層１００を構成する各層は数十ｎｍ程度と薄く、これを通過する光の偏光状態はほぼ維持されるものである。
【００７８】
有機層１００の上には透明電極２００が全面的に形成され、図示しない電流供給線と接続される。
【００７９】
本実施例のナノ構造層４００は、親水塗料を塗布し、塗膜を加熱し熱硬化させることで形成した。
【００８０】
親水塗料は、加熱により塗膜の表面近傍が速やかに硬化する一方、その後塗膜内部の塗料由来の溶媒が揮発する際、表面近傍の硬化した塗膜を透過できず、内部に微細な空孔を形成する。この微細な空孔が、導波モードの光散乱に寄与する。
【００８１】
このナノ構造層４００の作製方法について説明する。
【００８２】
塗料の塗布に先立ち、まずナノ構造層４００を上部に形成する基材に紫外光照射、或いは酸素プラズマ照射，酸素プラズマ雰囲気に放置，オゾン雰囲気に放置等することで基材表面の濡れ性を向上させる。本実施例においては、透明電極２００上にナノ構造層４００を形成するため、透明電極２００が基材に相当する。あるいは、ナノ構造層４００との密着性を向上する目的で、非常に薄い樹脂層を形成してもよい。樹脂としては、ポリカーボネート，ＰＭＭＡ、またポリエチレン，ポリプロピレン等のハイドロカーボン系樹脂等を用いることが出来る。紫外光照射は高圧水銀ランプや超高圧水銀ランプでも可能であるが、ＤｅｅｐＵＶランプ，低圧水銀ランプ等のように、２５４ｎｍや１８５ｎｍといったオゾンを生成しやすい紫外光を照射するランプが効果的である。この処理は、基材の水との接触角を低減するためのものであり、７０°以下または５０°以下とすることが望ましい。紫外光照射の際、基材を加熱してもよい。基材に樹脂を用いる場合には、加熱の温度を樹脂の熱変形温度の近傍（具体的には熱変形温度±２０℃）に設定するとよい。樹脂基材の場合は、加熱を行うことで、ナノ構造層４００の硬度を向上することができる。次に親水塗料を塗布する。塗布の方法としてはディップコート，スピンコート，スプレーコート，バーコーターでの塗布等通常の塗布方法を用いることができる。
【００８３】
親水塗料は親水材料，親水材料を保持するための保持体材料、及び溶媒から構成される。
【００８４】
（１）親水材料
親水材料としてはポリエチレングリコールやポリビニルアルコール等の有機高分子材料や親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子あるいはチタニア粒子といった無機の材料が挙げられる。この中で長期間水に浸漬しても溶け出さないものが親水性を長く保てるという点で親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子といった無機の材料が優れている（これら無機の材料は無機酸化物となる）。またこれら無機の微粒子は水に分散されている場合が多く、その場合塗料として水の含有率が増えるため基材表面に塗布した後乾燥する際に水の含有率が増え、結果として基材表面で弾かれる可能性が出てくる。これは水の表面張力が７２ｍＮ／ｍと汎用の有機溶媒に比べて大きいためである。そのため分散する溶媒は水よりもアルコール，エチルメチルケトン等の表面張力が２０〜３０ｍＮ／ｍと言った小さなものを使った方が製膜性に優れる。本発明で用いる親水材料としてはアルコールエチルメチルケトン等の有機溶媒に分散できる点で親水性シリカ粒子が特に好ましい。
【００８５】
（２）保持体材料
保持体材料としてはポリエチレングリコールやポリビニルアルコール等の有機高分子材料やアクリルアミドのように加熱により重合し保持体となる有機材料，シリカゾルのように加熱により無機の保持体となる材料等が挙げられる。この中で長期間水に浸漬しても溶け出さないものが親水性を長く保てるという点でアクリルアミド，シリカゾル、チタニアゾル等の材料が優れている。また上記親水材料を保持する際の相性もあり、無機の親水材料にはシリカゾルが特に好適である。
【００８６】
シリカゾルはアルコキシシランを希塩酸，希硝酸、或いは希リン酸で酸性となった水中、或いは水−アルコール混合液中で加熱することにより自己重合し分子量数千になったもののことである。アルコキシシランとしてはメチルトリメトキシシラン，エチルトリメトキシシラン，ブチルトリメトキシシラン，テトラメトキシシラン，テトラエトキシシラン等が挙げられる。なお液性や溶媒が合えばアルコキシシランの代わりにアルコキシチタンを用いても良い。アルコキシチタンとしてはテトラ−ｉ−プロピルチタネート，テトラ−ｎ−ブチルチタネート，テトラステアリルチタネート，トリエタノールアミンチタネート，チタニウムアセチルアセトネート，チタニウムエチルアセトアセテート，チタニウムラクテート，テトラオクチレングリコールチタネート等が挙げられる。またこれらの化合物が数分子重合したものも用いることが可能である。
【００８７】
ところで、シリカゾルの代わりにアミノ基を有するアルコキシシランを用いても上記シリカゾルと同様の保持性能を発揮することができる。しかも酸性のガスの雰囲気に晒すことでアミノ基がアンモニウム塩構造に変化し、結果として膜の親水性を更に向上させることも可能である。このような材料としてはＮ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン，３−アミノプロピルトリエトキシシラン，３−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。
【００８８】
（３）溶媒
溶媒は親水材料や保持体材料との相性（分散性，相溶性）の良いものであり、熱硬化の際、容易に揮発するものが望ましい。特に親水膜中に空隙を形成するためには溶媒の沸点は熱硬化温度よりも低いものが望まれる。上記親水材料のうち、耐久性が高く好ましい材料である親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子をよく分散するという点ではアルコール系の溶媒が好適である。保持体材料として好適なシリカゾルとの相溶性が高いという点でもアルコール系の溶媒、例えばメタノール，エタノール，ｎ−プロパノール，イソプロパノールが望ましい。
【００８９】
上記親水塗料を基材に塗布した後最後に加熱する。これにより親水膜中に空隙が形成される。また硬化の際、塗膜表面を速やかに硬化温度で加熱する。これにより親水膜中に空隙が形成しやすくなる。
【００９０】
さらに、本親水性膜上に撥水膜を形成してもよい。例えば、含フッ素化合物からなる単分子層を形成することで作製可能である。撥水膜に潤滑性があるので耐擦性が向上することができる。
【００９１】
作製した親水膜の断面を調べたところ、大きさが１０〜２００ｎｍの空隙が確認された。また、空隙は親水膜の体積の８０％以上形成することができた。したがって、シリカ粒子を用いた場合には、平均屈折率を１.１から１.５の間で変えることができる。また、チタニア粒子を用いた場合には、１.２４から２.２の間で変えることができた。
【００９２】
本実施例に用いたナノ構造層４００は、内部に微細な空孔を含んでおり、屈折率が親水材料や保持体材料よりも低い。空孔のサイズを制御することにより、可視波長においては略透明であり、紫外波長においては光散乱性を有するようにした。
【００９３】
また、本実施例のナノ構造層４００は低温で形成できるため、有機層１００を形成したあとに有機層１００にダメージを与えることなく透明電極２００上に作製することができ、トップエミッション構造のＯＬＥＤに好適なものである。
【００９４】
本実施例のナノ構造層４００により、光取り出し効率が１.５ 倍以上、条件によっては２倍以上向上することができた。つまり、ナノ構造層４００を形成した場合に透明電極
２００および有機層１００における伝搬損失は、１画素の長さにおいて０.６ｄＢ 以上、良好な場合には１.３ｄＢ 以上となる。なお、画素の長さとしては、長い方の辺の長さとすればよい。例えば、１００ppi においては画素サイズが約２５０μｍとなるため、透明電極２００上にナノ構造層４００を設けた発光層１０２の伝搬損失が２４ｄＢ／cm以上、望ましくは５２ｄＢ／cmとなるナノ構造層４００を選べばよい。
【００９５】
さらに、ナノ構造層４００は、透明電極２００または有機層１００と間隙８１の中間と中間の屈折率を有しているため、有機層１００からの発光及び外光９０８に対する反射防止効果も有している。したがって、有機層１００からの透過光９００に対する透過率が向上し、光取り出し効率の向上にも寄与する。
【００９６】
屈折率ｎ1の媒体１と屈折率ｎ3の媒体３中に、屈折率ｎ2の媒体２の層を設けて反射率を低減する場合、
【００９７】
【数７】
2005251488.tif 000009
となるようにし、波長λに対して、媒体２の膜厚ｔを
【００９８】
【数８】
2005251488.tif 000010
した場合に、最も反射率が低くなる。可視波長全体で反射率を低くするためには、波長λとして可視波長の中間付近の波長を用いればよく、５１０ｎｍから５８０ｎｍを用いればよい。本実施例において、透明電極２００表面での反射を小さくする場合には、透明電極２００が媒体１、間隙８１が媒体３、ナノ構造層４００が媒体２に相当する。したがって、反射防止の効果が必要な場合には、ナノ構造層４００の屈折率ｎ2として、１.３から
１.４１ 程度が望ましく、厚さは９０ｎｍから１１０ｎｍ程度が望ましい。したがって、上記の光取り出し向上の効果と反射率低減の効果とを得るために、本実施例のナノ構造層４００において実現可能で望ましい屈折率の範囲は、１.１ から１.４１ 、あるいは、
１.１から１.３であり、これら屈折率範囲においてはナノ構造層４００の膜厚を９０ｎｍから１４０ｎｍとすることが望ましい。
【００９９】
ナノ構造層４００としては、母材と微粒子あるいは空孔との屈折率差が大きい方が、光散乱が大きくなり望ましく、平均屈折率は小さいことが望ましい。しがたって、光取り出し効率向上のためには、母材には高屈折率を用いることが望ましく、ＴｉＯ2 等の屈折率２以上の高屈折率な無機材料を用いることが望ましい。あるいは、屈折率２以下の母材の場合には、ＴｉＯ2等の高屈折率なナノ粒子を混ぜて屈折率を大きくしてもよい。
【０１００】
本実施例のナノ構造層４００は、親水性であるとともに、表面抵抗率が１×１０11Ω以下となる特徴がある。そのため、表面が帯電しにくく作製時等にゴミ等の付着を防止する効果があり、信頼性・歩留まりを向上できる。
【０１０１】
有機発光ダイオード素子７０の光取り出し面側には１／４波長板７００，偏光板６００が積層配置されている。偏光板６００と１／４波長板７００はいわゆる円偏光板７１０を構成するものであり、少なくとも表示部２の全面を覆うように配置する。偏光板６００はこれを通過する光のうち特定の１方向に偏光面を持つ直線偏光は透過し、これと偏光軸が直交する直線偏光は吸収するものである。また、１／４波長板７００は偏光板６００を通過した直線偏光の位相をπ／２ずらして、円偏光に変換する機能を有するものを用いる。
【０１０２】
偏光板６００はポリビニルアルコール系の高分子フィルムにヨウ素または二色性染料を吸着させて延伸することで偏光機能を付与した膜の片側または両側にトリアセチルセルロースフィルムなどの透明な保護層を接着したものを用いことができる。
【０１０３】
１／４波長板７００としては透明な高分子フィルムを適宜な方法で延伸することで形成される位相差フィルムを用いることができる。高分子フィルムとしては延伸により光学異方性を付与できるものを用いればよく、例えばポリビニルアルコール，ポリカーボネート，ポリサルフォン，ポリスチレン，ポリアリレート，ノルボルネン等を用いることができる。
【０１０４】
なお、一般に位相差フィルムには屈折率の波長依存性があるため、太陽光や照明光などの外光や、白色光のように波長領域が広い光に対しては一枚の位相差フィルムで１／４波長の位相差を与えることが困難である。このため屈折率の波長依存性（波長分散）が異なる２種類の位相差フィルムをその遅相軸が直交するように積層する方法、或いは１／４波長の位相差値を有する位相差フィルムと、１／２波長の位相差値を有する位相差フィルムを少なくとも１層、それらの遅相軸が交差するように積層する方法により、広い波長範囲で１／４波長の位相差を与える１／４波長板を構成するようにするとよい。後者の方法の場合は、位相差フィルムの屈折率の波長依存性が小さいフィルム、例えば非晶質オレフィンポリマーからなるフィルムを用いるとより理想に近い１／４波長板が実現できる。
【０１０５】
さらに広い視野角範囲に対して、１／４波長板として機能し、広い視野角範囲で高い反射防止効果が得られる円偏光板を実現するために２軸性位相差フィルムの積層体を用いるとよい。
【０１０６】
また、１／４波長板としては液晶性化合物からなる複屈折層や、この複屈折層と位相差フィルムとの積層体を用いてもよい。液晶性化合物としては棒状液晶化合物を用いこれをホモジニアス配向した状態で重合反応により固定することで複屈折層を形成する。この場合、液晶性化合物からなる複屈折層は数μｍと薄くできるため、位相差フィルムの積層体よりも薄い１／４波長板が実現できる。
【０１０７】
ここで、図２を用いて、外光９０８に対する円偏光板７１０の効果とナノ構造層４００の特性を説明する。表示部２に入射した外光９０８が、各層の表面，界面で反射して戻るとコントラストの低下を招く。特に、反射電極３００の反射率が高いためここでの反射によるコントラスト低下が大きい。さらに、トップエミッション構造では透明電極２００の屈折率が高く、間隙８１との屈折率が大きいため、この表面での反射の影響も大きい。本実施例では、円偏光板７１０を設け、これら反射によるコントラスト低下を抑制している。外光の約半分は円偏光板７１０により吸収され、残りの約半分が円偏光となって円偏光板７１０を透過する。表面，界面，反射電極３００で反射した光は、入射した円偏光とは逆の円偏光となるため、円偏光板７１０で吸収され、外には出てこない。一方、有機層
１００で発光した光は無偏光であるので、約半分は円偏光板７１０により吸収されるが、残りの約半分が円偏光となって円偏光板７１０を透過し、表示に寄与する。
【０１０８】
このように、外光反射によるコントラスト低下を抑制するためには、ナノ構造層４００においても偏光を崩さずに外光９０８を反射及び透過する必要がある。そのため、ナノ構造層４００は、可視波長の外光９０８に対して、円偏光状態を崩さない程度に散乱が弱いことが必要である。
【０１０９】
上記のように、本実施例のナノ構造層４００は、有機層１００からの可視波長の発光である透過光９００に対して散乱が弱いものであり、このことは同時に可視波長の外光908についても散乱が小さいことが成り立つ。一方、導波光９０４におけるエバネッセント波に対して散乱が大きいものであり、このことは、紫外波長の外光９０８に対して散乱が大きいことを示す。したがって、ナノ構造層４００として好ましい特性は、可視波長の外光９０８に対しては散乱が小さくほぼ透明であるのに対し、紫外波長に対しては散乱が大きいことである。
【０１１０】
可視波長は、一般的に約３８０〜約７８０ｎｍの範囲とされており、紫外波長としては約３８０ｎｍ以下とすればよい。
【０１１１】
ナノ構造層４００における、可視波長と紫外波長の散乱性は、偏光して入射した外光
７０８に対する偏光度の変化で評価できる。つまり、可視波長に対してはコントラスト低下が問題とならない程度に偏光度の解消度が小さく、一方近紫外の波長では偏光度を維持する必要がなく散乱性が大きいことが望ましい。可視光における光散乱は、視感度の高い波長５５５ｎｍにおけるコントラスト低下が特に問題である。この波長において、ナノ構造層４００を一回透過した場合の光散乱（つまり、ヘイズ値）が０％以上１％以下、特に０.２％ 以下とすることが望ましい。このように光散乱を小さくすることにより、コントラストの低下を半分以下にとどめることが出来るため望ましい。
【０１１２】
一方、ＩＴＯの屈折率は２程度であるため、（１）式よりナノ構造層４００にしみ出すエバネッセント波の波長は、真空中の波長の約半分となる。したがって、エバネッセント波の波長は、上記可視波長に対して約１９０ｎｍ〜３９０ｎｍに短くなることになる。したがって、紫外線に対しては、概ね紫外波長と可視波長の境界となる３８０ｎｍまたは半分の波長である１９０ｎｍの間において、ナノ構造層４００を一回透過した場合の１％以上、特に５％以上の光散乱が生じることが望ましい。
【０１１３】
通常、有機層１００は大気中の水分などにより劣化しやすい。このため外気と触れないように透明封止板９０を用いて密閉封止することが望ましい。
【０１１４】
透明封止板９０としてはガラス板や、ガスバリア処理を施した高分子フィルム、薄いガラス板と樹脂フィルムを積層したものなどを用いることができる。高分子フィルムとしてはキャスティング法により成膜したポリカーボネートフィルムや、トリアセチルセルロースフィルム等のポリマーフィルム、或いは射出成形により形成した脂環式アクリル樹脂等の光学的に等方なプラスチックシートやプラスチックフィルムなどを用いることができる。なお、高分子フィルムや樹脂板を用いる場合は、ガスバリア層を形成するなどのガスバリア処理を施すか、厚さ数十μｍ程度のガラスを貼り合わせてガスバリア性を持たせることが必要である。ただし、透明封止板９０は光学的に等方であることが望ましい。
【０１１５】
本実施例では、第３の層間絶縁膜２１をスペーサとして、可視光に対して透明でガスバリア性を有する透明封止板９０と基板６とを表示装置の表示部の周囲に枠状に塗布した接着性のあるシール剤により固定した。あるいは、透明封止板９０と基板６は表示装置の表示部の周囲に位置する部分に枠状に塗布したビーズやロッドなどのスペーサー材料を混入した接着性のあるシール剤により密閉封止してもよい。
【０１１６】
透明封止板９０と光散乱部材の間には、上記のように空気と同程度の屈折率の間隙８１を設けることが望ましい。間隙８１には窒素ガスなどの不活性な気体を封入すると良く、透明封止板９０と基板６を固定する際、窒素ガスを封入し、密閉接着することで実現すればよい。さらに、透明封止板９０と基板６との間であって表示部２の邪魔とならない位置に必要に応じて乾燥剤を設けるとよい。なお、本実施例に用いたナノ構造層４００は親水性の多孔質な膜であるため、吸湿材としての役割を持たせることもできる。
【０１１７】
透明封止板９０には１／４波長板７００及び偏光板６００が配置される。１／４波長板７００及び偏光板６００は、それぞれアクリル系の透明接着剤により接着される。１／４波長板７００及び偏光板６００の全て、あるいはいずれかに十分なガスバリア性能が得られるような処理を施すのであれば、透明封止板９０をなくしてもよい。
【０１１８】
あるいは、透明電極２００上に直接、透明電極２００よりも屈折率が高くガスバリア性の高い膜を積層することで封止部材を構成するようにしてもよい。このように、封止部材を用いず間隙８１が生じない場合には、光取り出し側の空気を低屈折率層とみなせばよい。
【０１１９】
また、透明封止板９０を気体が入らないように全面を密着してもよいが、このときには間隙８１はナノ構造層４００よりも屈折率の小さい透明体で満たすとよい。ナノ構造層
４００よりも屈折率を小さくするためには、ナノ構造層４００よりも空孔率あるいは空孔サイズを変えたナノ構造層を用いることが望ましい。間隙８１を充填することにより、発光型表示装置の強度を向上することができる。
【０１２０】
上記したように、本発明の表示装置は、従来では導波により損失となっていた光を取り出し光として効率よく利用できる。このため、同じ消費電力であれば、輝度が高く、明るい表示の表示装置を実現できる。或いは、同じ輝度（明るさ）であれば発光素子に流れる電流を小さくできるので消費電力が小さくなり、寿命の長い表示装置を実現できる。
【０１２１】
本実施例では、表示部全体に同じナノ構造層４００を用いたが、各画素の発光波長に合わせてナノ構造のサイズを変えれば、さらに光取り出し効率を向上することもできる。
【０１２２】
本実施例の表示装置として、アクティブマトリクス駆動の発光型表示装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を設けずに本発明に係る発光素子の電極をそれぞれ垂直走査線，水平走査線に直結して駆動する単純マトリクス駆動の発光型表示装置に適用してもよい。
【０１２３】
またさらに、本発明は、有機発光ダイオード素子として、例えば、J. Kido他、“High Efficiensy Organic EL Devices having Charge Generation Layers”，2003 SID 
International Symposium DIGEST p964-965 (2003)にあるように、有機発光ダイオードユニットを複数積層したいわゆるマルチフォトン素子にも適用できる。マルチフォトン素子においては、最上部の透明電極上に光取り出し層を設ければよい。
【実施例２】
【０１２４】
図８は、本発明発光素子の一実施例の断面図である。
【０１２５】
本実施例の発光素子は、反射電極３００上に、有機発光ダイオード素子を構成する有機層１００が形成され、その上に透明電極２００が形成されている。さらに、透明電極200上に、高屈折率層５０２，光取り出し層として機能するナノ構造層４００が形成されている。有機層１００は、透明封止板９０を用い、透明封止板９０とナノ構造層４００との間には間隙８１を設けて密閉封止した。透明封止板９０上には、円偏光板７１０を設けており、反射電極３００や界面で反射した外光９０８が外に出てくることを抑制し、本実施例の発光素子を発光型表示装置に用いた場合のコントラスト低下を抑える。
【０１２６】
本実施例のナノ構造層４００は、実施例１と同じものであるが、ナノ構造層４００と透明電極２００の間に高屈折率層５０２を設けることにより、光取り出し効率を向上したものである。高屈折率層５０２には、透明電極２００よりも屈折率の高い材料を用いた。有機層１００で発光した光のうち一部は、透明電極２００を透過し、透過光９００として発光素子より取り出し光１０００として出射される。残りの光は、透明電極２００，有機層１００及び高屈折率層５０２に閉じ込められ導波する。このとき、高屈折率層５０２の屈折率が透明電極２００よりも高いため、導波する光の電場強度は、高屈折率層５０２で強くなる。高屈折率層５０２を薄く形成することにより、ナノ構造層４００にしみだすエバネッセント光の電場強度を高屈折率層５０２を用いない場合に比べて強くすることができる。そのため、ナノ構造層４００によって散乱される光強度が増加し、取り出される光の割合を向上できる。つまり、本実施例では、透過光９００とエバネッセント化した導波光９０２との散乱断面積の比は、おおよそ（ｎ2／ｎ1）4となるため、ｎ1を大きくするとともに、高屈折率層５０２を導波する電場強度を強くすることによってさらに取り出し効率を向上したものである。
【０１２７】
さらに、導波光９０４は、高屈折率層５０２に強く閉じ込められるため、有機層１００や反射電極３００における電場強度が弱くなり、有機層１００や反射電極３００による光吸収を低減する効果もある。この光吸収の低減においても、光取り出し効率を向上することが出来る。
【０１２８】
したがって、有機層１００，透明電極２００，高屈折率層５０２，ナノ構造層４００の屈折率をそれぞれ、ｎe，ｎ1，ｎ2，ｎ3としたときに、
ｎ1＜ｎ2
ｎe＞ｎ3
とすることが望ましい。
【０１２９】
高屈折率層５０２は、均一な膜でもよく、あるいは、光散乱性を付加した膜でも良い。光散乱性を持たせる場合には、高屈折率層５０２を透過する光線に対しては、偏光が変化しない程度に散乱が小さくほぼ透明であることが望ましい。一方、導波光に対しては光取り出し効率に寄与する程度に光散乱性が強いことが望ましい。
【０１３０】
本実施例においては、高屈折率層５０２にＴｉＯ2 膜を用いたため、屈折率２.２〜2.5とした。高屈折率層５０２としては、他にＺｎＳ，ＺｎＯ，ＳｉＮ等の膜を用いることが望ましく、これらの中にＳｉＯ2 等の微粒子を分散して光散乱性を付与してもよい。あるいは、屈折率の高い樹脂中に、ＴｉＯ2 等の微粒子を分散して平均屈折率を高くした膜を用いてもよい。この場合、樹脂として屈折率１.７ 以上の材料を用いることにより、
ＴｉＯ2等の微粒子を混合することで平均屈折率を２.０以上とできるため、望ましい。
【０１３１】
また、高屈折率層５０２は、透明電極２００と有機層１００とを合わせた厚さよりも薄くすることが望ましく、透明電極２００よりも薄いことがさらに望ましい。したがって、高屈折率層５０２は、膜厚０.１〜１０μｍが望ましく、特に、０.１〜０.５μｍが望ましい。
【０１３２】
あるいは、高屈折率層５０２に変えて、光透過性を有する程度に薄い金属層を設けることも有効である。金属膜に発生する表面プラズモンによって、電場が強く金属膜に結合するためである。この場合、金属膜として、光透過性を有するように膜厚を５〜５０ｎｍとすることが望ましく、表面プラズモンが生じやすいように金あるいは銀等の薄膜を用いることが望ましい。
【０１３３】
本実施例では、高屈折率層５０２を設けたため、（４）式で表される侵入深さを小さくすることができた。そのため、ナノ構造層４００を薄くしても必ずしも間隙８１を設ける必要はない。したがって、間隙８１部をナノ構造層４００よりも屈折率の高い材料で充填しても良く、または、透明封止板９０を直接ナノ構造層４００に固着してもよい。また、本実施例は、トップエミッション構造に限定するものではなく、ボトムエミッション構造にも適用できるものである。ボトムエミッション構造においては、基板６側から、ナノ構造層４００，高屈折率層５０２，透明電極２００，有機層１００，反射電極３００の順になるように配置すればよい。なお、これら層間に他の機能を有する層を挿入することを制限するものではない。
【０１３４】
以下の実施例においても同様であるが、第１の実施例と同じく本実施例の発光素子をマトリックス状に配置して画素を構成し、画素ごとに表示を切り替えて画像を表示することにより、発光型表示装置を構成できる。さらに、本実施例の発光素子は、照明装置としても用いることができるものであり、照明装置として用いる場合は全面一括して点灯するようにすればよい。照明装置として用いる場合には、スイッチング素子，円偏光板７１０は用いなくてもよい。
【実施例３】
【０１３５】
図９は、本発明発光素子の一実施例の断面図である。
【０１３６】
本実施例の発光素子は、反射電極３００上に、有機発光ダイオード素子を構成する有機層１００が形成され、その上に透明電極２００が形成されている。さらに、透明電極200上に、光取り出し層として機能する柱状ナノ構造層４０２が形成されている。有機層100は、透明封止板９０を用い、透明封止板９０と柱状ナノ構造層４０２との間には間隙８１を設けて密閉封止した。透明封止板９０上には、円偏光板７１０を設けており、反射電極３００や界面で反射した外光９０８が外に出てくることを抑制し、本実施例の発光素子を発光型表示装置に用いた場合のコントラスト低下を抑える。
【０１３７】
本実施例の柱状ナノ構造層４０２は、ナノサイズの柱状の構造を用いたものであり、柱状構造をランダムに配置することで導波光９０４に対して光散乱層として機能する。有機層１００で発光した光のうち一部は、透明電極２００を透過し、透過光９００として発光素子より出射される。残りの光は、透明電極２００及び有機層１００に閉じ込められ導波する。この導波光のうち、柱状ナノ構造層４０２にしみ出したエバネッセント光が散乱され、取り出し光１０００として取り出される。
【０１３８】
柱状ナノ構造層４０２による光散乱強度を大きくするためには、柱状構造の屈折率が高いことが望ましい。そのため、ＴｉＯ2 等の高屈折率な無機膜を用いることができる。柱状ナノ構造層４０２の屈折率を向上するために、屈折率の高い媒体中にさらに屈折率の高い微粒子を混ぜてもよい。微粒子を混ぜることで平均的な屈折率が高くなるとともに、微粒子がエバネッセント波の散乱体としても機能する。特に、屈折率１.７以上の樹脂に、ＴｉＯ2 等の微粒子を混ぜることにより、透明電極２００または有機層１００の屈折率よりも高くした樹脂材料を用いると柱状ナノ構造層４０２の作製が容易となり望ましい。また、柱状ナノ構造層４０２の柱状構造は、散乱した光線を導波する導波構造としても機能するため、散乱光を正面側に伝える役割も果たすものである。そのため、柱状構造を先端にかけて細くする、或いは太くすると散乱光による正面の輝度を向上することができる。
【０１３９】
この柱状ナノ構造層４０２においては、実施例１と同じく、可視波長においては散乱性が小さく透明であることが望ましく、紫外波長においては散乱性が強いことが望ましい。そのため、柱状構造の径は１００ｎｍ以下が望ましく、特に５０ｎｍ以下の構造がのぞましい。また、柱状ナノ構造層４０２の平均屈折率は小さいことが望ましく、柱状構造も密度を制御することで平均屈折率を定めることができる。柱状ナノ構造層４０２において、反射率を低減するために、平均屈折率を１.１から１.３、または１.１から１.４１、または１.１から１.５とするためには、柱状構造の密度を、１０％以上，４１％以下、望ましくは３０％以下とすればよい。
【０１４０】
本実施例の柱状構造の作製には、微細なパターンを形成した金型を樹脂層に押し付けて形成するいわゆるナノインプリントを用いた。柱状ナノ構造層４０２は、ナノサイズの柱状構造であるため、金型を剥がすときに柱状構造が伸びる。そのため、金型のサイズよりも柱状構造を微細化することが出来る。あるいは、無機材料等を用いる場合には、フォトリソグラフィの手法を用い、エッチングにより柱状に加工してもよい。
【０１４１】
本実施例においては、柱状構造の形状，屈折率，密度により、光散乱強度や平均屈折率を制御できるため、所望の特性となるように設計がしやすいとともに、安定してナノ構造層の特性を得ることができる。
【０１４２】
また、本実施例では、柱状の構造について説明したが、形状は柱状に限定するものではなく、ピラミッド形状等としてもよく、あるいは、膜中に孔を形成して、光散乱性と低屈折率化を実現してもよい。
【実施例４】
【０１４３】
図１０は、本発明発光素子の一実施例の断面図である。
【０１４４】
本実施例の発光素子は、反射電極３００上に、有機発光ダイオード素子を構成する有機層１００が形成され、その上に透明電極２００が形成されている。さらに、透明電極200上に光取り出し層として機能する周期構造層４１０が形成されている。有機層１００は、透明封止板９０を用い、透明封止板９０と周期構造層４１０との間には間隙８１を設けて密閉封止した。透明封止板９０上には、円偏光板７１０を設けており、反射電極３００や界面で反射した外光９０８が外に出てくることを抑制し、本実施例の発光素子を発光型表示装置に用いた場合のコントラスト低下を抑える。
【０１４５】
本実施例では、周期構造層である回折格子４１０で反射した外光が回折されると偏光を崩しコントラストを低下させる要因となるので、回折格子４１０を発光層からの発光波長以下の周期構造を有する層とし、可視波長の外光に対して反射回折が生じないようにした。さらに、透明電極２００，有機層１００に閉じ込められて導波する導波光９０４については、回折格子４１０で回折することにより透過あるいは反射して取り出すことができる。
【０１４６】
次に、可視波長の外光は反射回折せず、導波光９０４については回折して取り出すための回折格子４１０の条件を示す。第１の媒体の屈折率をｎ1 ，第２の媒体の屈折率をｎ2 とした場合、媒体ｊから入射角度ｉで周期ｄの周期構造に入射した波長λの光線が媒体ｋで回折する場合の回折角度θは、
【０１４７】
【数９】
2005251488.tif 000011
となる。ｍは回折次数を示す。本実施例においては、透明電極２００が第１の媒体（屈折率ｎ1）、間隙８１が第２の媒体（屈折率ｎ2）に相当する。
【０１４８】
これらの式から、波長λの外光が、周期構造により反射回折しない条件は、
【０１４９】
【数１０】
2005251488.tif 000012
となる。この条件において、有機層１００での発光のうち周期構造がない場合に透明電極２００を透過する光は、回折格子４１０の影響を受けずに透過できるため、回折格子410がない場合と同等以上の光量を取り出すことができる。次に、第１の媒体の内部を伝搬する光が回折格子４１０で回折し、第２の媒体側に透過回折光の生じる条件は、
【０１５０】
【数１１】
2005251488.tif 000013
を満たす必要があり、さらに、第１の媒体の内部を伝搬する光が回折格子４１０で第１の媒体側に反射回折し、伝播角度が変化する条件は、
【０１５１】
【数１２】
2005251488.tif 000014
を満たす必要がある。回折格子４１０で第１の媒体側に反射回折した光線は、伝播角度が変化するため、回折後主に反射電極３００で反射し、透明電極２００より取り出すことができる。
【０１５２】
本実施例においては、ｎ1＞ｎ2であるため、以上の条件を考慮すると
【０１５３】
【数１３】
2005251488.tif 000015
となるように回折格子４１０の周期ｄを選べば、波長λの外光が周期構造で反射回折を起こさず、反射光の偏光が崩れることがない。さらに、有機層１００での発光のうち回折格子４１０を設けない場合に透明電極２００を透過する光に対しても、周期構造は影響せず、周期構造がない場合と同じように透過する。一方、導波光に対しては、回折格子４１０により回折が起こり、透過或いは反射を起こして透明電極２００から取り出すことができ、光取り出し効率を向上できる。
【０１５４】
特に、
【０１５５】
【数１４】
2005251488.tif 000016
とすれば、導波光に対して、透過回折と反射回折がともに生じるため回折による光取り出し効率向上の効果が大きく望ましい。但し、
【０１５６】
【数１５】
2005251488.tif 000017
の場合においても、導波光に対して反射回折による光取り出し効率の向上ができるものである。
【０１５７】
特に、本実施例においては間隙８１を設けているため、上記の式においてｎ2＝１ とすればよい。ｎ1 としてＩＴＯの屈折率１.８〜２.１を用いると、周期ｄを１７５ｎｍから２００ｎｍとすることで、波長３５０から７００ｎｍ、ないし４００ｎｍから８００ｎｍとなり、ほぼ可視波長をカバーすることができる。したがって、全面同じ周期の回折格子４１０を設ける場合には、周期ｄを１７５ｎｍから２００ｎｍとすることが望ましい。このように格子周期を定めると、紫外線の外光に対しては、周期構造層が回折格子４１０として働き、反射回折が生じる。つまり、本実施例の周期構造層は、略可視波長の外光反射に対しては平均屈折率を持った媒体として働き、近紫外波長については外光反射に対して回折格子として機能するものである。
【０１５８】
また、画素の色に合わせて周期ｄを変えてもよい。その場合、赤く見える波長は５７０ｎｍから７８０ｎｍであり、緑については５００ｎｍから５７０ｎｍ、青ｎついては380ｎｍから５００ｎｍであるため、各色の画素について周期ｄは、Ｒ画素１９５ｎｍ以上
３９０ｎｍ以下，Ｇ画素１４２ｎｍ以上２５０ｎｍ以下，Ｂ画素１２５ｎｍ以上１９０
ｎｍ以下とすることが望ましい。あるいは、Ｂ画素とＧ画素とを同じ周期とし、Ｒ画素のみ周期を変えてもよい。この場合、Ｂ画素とＧ画素の周期を１４２ｎｍから１９０ｎｍ、Ｒ画素の周期を１９５ｎｍから２１０ｎｍをすることが望ましい。このように、Ｒ画素の周期を選ぶことにより、Ｒ画素の回折格子４１０で回折される可視光は４２０ｎｍ以下となり、視感度の小さい波長となるため望ましい。
【０１５９】
このように、間隙８１を設けることによりｎ2 が小さくなり、(１５)式に従って大きな周期ｄの回折格子４１０を用いることができた。周期が大きいため、回折格子４１０の作製が容易となった。
【０１６０】
本実施例の周期構造は、露光用のレーザ光を２の光束に分け、これらの光束を角度を付けて感光性材料に照射する、いわゆる２光束レーザ干渉法を用いて感光性材料上にパターンを形成した。感光性材料としては、露光量によって溶解性の変化するレジストを用いてもよく、露光量に応じて表面形状が変化するアゾ色素ポリマー等を用いることもできる。ＲＧＢに対応して周期を変える場合は、２光束の照射角度、又はレーザの波長を変えればよい。
【０１６１】
２光束レーザ干渉法の換わりにフォトマスクを用いて露光してもよい。あるいは、金型を作製し、樹脂等に金型を押さえつけることで転写するいわゆるナノインプリントを用いても周期構造を作製できる。これらの手法を用いると、回折格子４１０を２方向に周期構造を持つ２次元的な周期構造とすることができる。この場合、２つの周期方向ともに、上記格子周期を満たすようにするればよい。
【０１６２】
また、本実施例の回折格子４１０は、可視波長の外光を回折しないため、可視波長の外光に対して反射防止効果もある。特に、反射防止効果を大きくするためには、透明電極
２００から間隙８１にかけて徐々に周期構造の幅を減少させ、徐々に平均屈折率が変化することが望ましい。つまり、この場合、反射防止効果のためには、周期構造層を形成する材料は、透明電極２００の屈折率に近いものを用いることが望ましい。さらに、周期構造のアスペクト比は、２以上が望ましい。
【０１６３】
また、間隙８１を設けず、低屈折率材料を用いて充填し、低屈折率材料に透明封止板
９０を貼り付けてもよい。有機層１００の屈折率をｎe、低屈折率材料の屈折率をｎ2とすると、
ｎe＞ｎ2
とすることが望ましい。低屈折率材料は上記のように屈折率が小さいことが望ましく、実施例１に用いた低屈折率の親水膜が好適である。また、低屈折率材料を用いて充填する場合には、本実施例のトップエミッション構造に限定することなく、ボトムエミッション構造にも適用できるものである。
【０１６４】
またさらに、周期構造層上に薄い金属層を設け、表面プラズモンによる伝搬を利用し回折効率を向上することもできる。この場合、表面プラズモンが生じ易いように、５〜５０ｎｍの金、あるいは銀等の薄膜を用いることが望ましい。
【実施例５】
【０１６５】
図１１は、本発明装置の一実施例の断面図である。
【０１６６】
本実施例の発光型表示装置は実施例１で説明した発光型表示装置において、赤色発光画素，緑色発光画素，青色発光画素と塗り分けられていた有機層を全て青色発光の有機層とし、赤色、及び緑色を表示する画素に相当する位置の導波層中に青色の光を受けて赤色の蛍光を発する色変換層、及び青色の光を受けて緑色の蛍光を発する色変換層をそれぞれ設けたものである。ここで、ＯＬＥＤ表示装置のフルカラー化に関してはいくつかの方式が提案・実証されており、その中のひとつに青色発光素子と蛍光性の色変換層（ＣＣＭ：
color changing mediums）を組み合わせた方式（以下、ＣＣＭ法）がある。ＣＣＭ法は青色発光層で発生した光で蛍光性の色変換用蛍光色素層を励起し、青色から緑色，赤色へ変換し３原色発光を得るものである（情報映像メディア学会誌 Vol.54,No8,pp1115〜1120参照）。
【０１６７】
本実施例は、本発明にかかる表示装置にＣＣＭ法を適用したもので、青色発光画素に関しては第１の実施例と同じく透明電極２００上にナノ構造層４００を設けたものであり、赤色、及び緑色の発光画素に関しては図１１に示すように、突起部５５０で囲まれる窪地状の領域に第１のナノ構造層４００ａ，色変換層６０２，第２のナノ構造層４００ｂをこの順に積層形成したものである。
【０１６８】
有機層１００で発光し、透明電極２００及び有機層１００を導波する導波光は、第１のナノ構造層４００ａ中にエバネッセント波を発生し、第１のナノ構造層４００ａにより散乱されて色変換層６０２に取り出される。色変換層６０２においては、有機層１００で発光した青色の光を所望の色に色変換する。色変換層６０２における発光は、ランダムな方向に出射されるため、一部が色変換層６０２内を導波する。この導波光を第１のナノ構造層４００ａ及び第２のナノ構造層４００ｂで散乱して取り出す。
【０１６９】
本実施例において、突起部５５０は、色変換層６０２を塗り分ける場合に画素ごとを分離する役目を果たす。また、画素を分離し、色変換層６０２から放出される光が他の画素へ漏れて、そこから観察者１０００側へ出射することで生じる光学的なクロストークや表示のにじみといった画質の劣化を抑制する効果もある。さらに、反射膜５１０が反射膜として機能し、有機層１００からの発光を反射して正面方向に取り出すことができる。
【０１７０】
ナノ構造層４００によるエバネッセント波の散乱は、波長が短いほど大きく、したがって青色に対して効果が大きいものである。つまり、本実施例におけるように、有機層を全て青色発光の有機層とすることで、青色の光取り出し効率を向上することができるものである。この光取り出し効率の向上した青色の光を用いて、緑と赤の色変換層６０２を励起するため、表示装置全体として輝度を向上できる。第１のナノ構造層４００ａはすべての画素で同じものを形成すればよく、表示部全体に塗布等により形成すればよい。
【０１７１】
また、第２のナノ構造層４００ｂ上に間隙８１を設けるのと同じく、第１のナノ構造層４００ａと色変換層６０２との間に第１のナノ構造層４００ａ及び色変換層６０２よりも屈折率の低い低屈折率層を設けてもよい。この低屈折率層は、ナノ構造層４００の空孔率を大きくしたものでもよく、あるいはナノ構造層４００の空孔率を上部にかけて大きくなるようにしてもよい。
【０１７２】
また、透明電極２００と色変換層６０２との間の光結合が十分大きい場合には、色変換層６０２と透明電極２００間のナノ構造層４００ａは、用いなくてもよい。
【実施例６】
【０１７３】
図１２は、本発明装置の一実施例の断面図である。
【０１７４】
この発光型表示装置は、有機層１００Ｗの内部発光色が白色であること、カラーフィルタ５３０Ｒ，５３０Ｇ，５３０Ｂを有することなどが異なる。
【０１７５】
図１２に示すとおり、有機層１００を全て白色発光の有機層１００Ｗとし、透明封止板９０に赤色，緑色，青色に相当する光を透過するカラーフィルタ５３０Ｒ，５３０Ｇ，
５３０Ｂを塗り分けたものである。透明電極２００上にナノ構造層４００を形成し、有機層１００Ｗから発光した光の光取り出し効率を向上した。白色発光の発光薄膜層を実現する方法としては、発光色の異なる複数の発光層を積層する方法と、一つの発光層中に発光色が異なる色素をドーピングする方法がある。前者としては例えばＴＰＤと、部分的にナイルレッドでドープしたＡｌｑ３と、１，２，４−トリアゾール誘導体（ＴＡＺ）を組み合わせたものがある。また、後者としてはＰＶＫに３種類の色素、例えば１，１，４，４−テトラフェニル−１，３−ブタジエン（ＴＰＢ），クマリン６，ＤＣＭ１をドープしたものがある。いずれにせよ、白色発光の有機層１００Ｗとしては発光効率が高く、寿命の長い白色発光が得られるものを用いることができる。
【０１７６】
カラーフィルタは透明封止板９０に金属クロム，酸化クロム、あるいは光吸収性の顔料を分散した感光性樹脂からなるブラックマトリクス５２０をパターン形成したのち、染色法，顔料分散法、あるいは印刷法などの公知の技術によってそれぞれ赤色，緑色，青色に相当する光が透過し、それ以外の光は吸収する部分を塗り分けることで実現する。
【０１７７】
カラーフィルタ５３０Ｒ，５３０Ｇ，５３０Ｂ、が形成された透明封止板９０は、画素を構成する有機層１００Ｗの位置と、塗り分けられたカラーフィルタの位置が略一致するように位置合せをした上で、基板６と固定する。
【０１７８】
なお、本実施例では有機層１００は全て白色の光を放射する有機層１００Ｗとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。つまり、赤色の画素には赤色の光を放射する有機層１００を形成し、赤色透過のカラーフィルタ５３０Ｒを配置し、緑色の画素には緑色の光を放射する有機層１００を形成し、緑色透過のカラーフィルタ５３０Ｇを配置し、青色の画素には青色の光を放射する有機層１００を形成し、青色透過のカラーフィルタ530Bを配置してもよい。この場合、有機層１００から放射してカラーフィルタで吸収される光が小さくなるため、光利用効率が高い発光型表示装置が実現できる。
【０１７９】
白色発光の有機層１００Ｗを用いることにより、発光効率が高く、寿命の長い発光材料を用いることができる。さらに、本実施例において光取り出し効率を向上したため、有機発光ダイオード素子に流す電流密度を小さくでき、さらに、有機発光ダイオード素子の長寿命化を実現できた。
【０１８０】
また、本実施例においてカラーフィルタを設けない場合には、照明装置としても好適なものである。
【実施例７】
【０１８１】
図１３は、本発明装置の一実施例の断面図である。
【０１８２】
この発光型表示装置は、反射電極３００上に、有機発光ダイオード素子を構成する有機層１００が形成され、その上に透明電極２００が形成されている。さらに、透明電極200上に導波層５００を形成し、導波層５００上に光取り出し層として機能するナノ構造層
４００が形成されている。有機層１００は、透明封止板９０を用い、透明封止板９０とナノ構造層４００との間には間隙８１を設けて密閉封止した。透明封止板９０上には、円偏光板７１０を設けており、反射電極３００や界面で反射した外光９０８が外に出てくることを抑制し、本実施例の発光素子を発光型表示装置に用いた場合のコントラスト低下を抑える。
【０１８３】
導波層５００は、透明電極２００と同程度または透明電極２００よりも屈折率の高い材料を用いることが望ましく、この場合、有機層１００で発光した光は、透明電極を透過し、導波層５００に入射する。導波層５００の表面に臨界角より小さな角度で入射する光は導波層５００を透過し、臨界角より大きな角度で入射する光は導波層５００の表面で全反射して、主に導波層５００内を導波する。導波層５００からナノ構造層４００にしみ出したエバネッセント波は、散乱され、取り出される。さらに、導波層５００を導波する光は、斜面に形成された反射膜５１０に至り、反射膜５１０で照明に反射されて画像光となる。
【０１８４】
導波層５００には、Ｔｉ０2膜や高屈折率な樹脂材料にＴｉ０2等の微粒子と分散して高屈折率とした材料を用いることができる。微粒子を混ぜた場合は、微粒子は、導波層500を導波光の散乱体としても機能し、光取り出し効率が向上する。この場合、導波層５００を透過する透過光に対しては、導波層５００を通る距離は短く、散乱される割合は小さいが、導波層５００を導波する光に対しては、導波層５００の厚さに比べて長い距離を導波するため、より多くの散乱を受け、光取り出しに寄与する。導波層５００を導波した光線は、本実施例では、反射膜５１０に至るまでに導波光が散乱光に変換されるため、有機層１００や反射電極３００で吸収される割合が少なく、ナノ構造層４００を設けない場合に比べて、取り出し効率を向上することができる。
【０１８５】
導波層５００に樹脂を用いる場合には、反射膜５１０の面に撥液処理をした後、バインダー樹脂成分と溶剤からなる組成物をスピンコート法，ブレードコート法などの成膜法を用いて成膜後、乾燥固化させることで形成することができる。或いは、バインダー樹脂成分と溶剤からなる組成物をインクジェット法などの印刷技術を用いて反射膜５１０の面に囲まれた領域に選択的に成膜後、乾燥固化することで形成しても良い。
【０１８６】
さらに、本発明の表示装置は、導波層５００が第３の層間絶縁膜による突起部５５０で画素毎に分離されているため、ある画素から出射する光が他の画素領域に導波し、そこから出射することで生じる光学的なクロストークや表示のにじみといった画像の劣化がなく、くっきりとした高品位な表示を実現することができる。
【０１８７】
また、導波層５００により、駆動素子や配線などが形成された基板において、駆動素子や配線などの段差が存在する部分も含め、その表示部を平坦化してもよい。この場合、有機材料をスピンコート法などで成膜することでその表面は比較的容易に平坦化できる。表示部２を平坦化することにより、スピンコート法等によりナノ構造層４００を表示部２全体に均一に形成することができる。印刷，ナノインプリント法等によっても、表示部２全体に均一に光取り出し層、例えばナノ構造層４００，柱状ナノ構造層，周期構造層を容易に形成できるようになる。特にこの平坦化は、照明装置として用いる場合に有効である。
【０１８８】
またさらに、この平坦化した導波層５００をガスバリア性の高い透明で緻密な導波層とすることで、透明封止板９０をなくすこともできる。あるいは、導波層５００とナノ構造層４００との間に透明で緻密な膜を設け、ガスバリア層とすることもできる。ガスバリア性導波層としては窒化シリコン，酸化チタンなどの無機膜を用いればよく、このような無機膜をＣＶＤ法などにより成膜する際、供給するガス流量等の条件を最適化し、できるだけ緻密な膜を形成するようにする。尚、ガスバリア性導波層は単層ではなく、複数層で構成するようにしてもよい。
【０１８９】
本実施例を照明装置に用いる場合には、円偏光板７１０を設ける必要はなく、導波層
５００をガスバリア層としても機能させる場合には、透明封止板９０も設け無くてもよい。
【０１９０】
また、本実施例を表示装置に用いる場合には、円偏光板７１０は、ナノ構造層４００と間隙８１との間にナノ構造層４００よりも屈折率の小さな材料を設けてもよく、あるいは、ナノ構造層４００に直接貼り付けてもよい。ナノ構造層４００上に貼り付ける場合は、エバネッセント波の侵み出し深さよりも十分に厚いことが望ましい。
【０１９１】
また、さらに必要に応じて、光学的なクロストークがないくっきりとした画像を表示するために、導波層５００をフォトリソグラフィ技術等を適用することで画素毎に光学的に分離した状態とすることが望ましい。透明封止板９０がないことで、より薄く，より軽い表示装置が実現できるという効果がある。
【０１９２】
突起部５５０は絶縁性の材料をフォトリソグラフィ法などによりパターニングすることで形成される。突起部５５０としてはシリコン酸化物やシリコン窒化物などの無機物、あるいはアクリル，ポリイミド等の誘電体材料を用いればよい。尚、突起部５５０はこれにより反射膜５１０の高さ、及び導波層５００の厚さが決まるため、高い光取り出し効率を実現するために数μｍ以上の高さがあることが望ましく、このような高さの突起を比較的短時間に形成するためには有機材料を用いることが現実的であり望ましい。突起部５５０は基板６から遠ざかるにしたがい幅が狭くなる断面形状をしており、その側面が基板面に対して傾斜した傾斜面となっている。尚、突起部５５０は所望の傾斜面を形成できるのであればどんな形成方法で形成しても良く、例えばスクリーン印刷法や、インクジェットによる直接描画といった方法でもよい。
【実施例８】
【０１９３】
図１４は、本発明発光素子の一実施例の断面図である。
【０１９４】
本実施例の発光素子は、黒化電極３１０上に、有機発光ダイオード素子を構成する有機層１００が形成され、その上に透明電極２００が形成されている。さらに、透明電極200上に光取り出し層として機能するナノ構造層４００が形成されている。有機層１００は、透明封止板９０を用い、透明封止板９０とナノ構造層４００との間には間隙８１を設けて密閉封止した。透明封止板９０には、反射防止膜９２ａおよび９２ｂを形成しており、本実施例の発光素子を光型表示装置に用いた場合に透明封止板９０での外光反射によるコントラスト低下を抑える。
【０１９５】
黒化電極３１０は、光透過性を有する薄い金属膜，透明導電膜，金属膜の三層で構成される。これら３層の複素屈折率と膜厚を制御することで、可視波長の正面反射率を１％以下に抑えることができる。このように、黒化電極３１０により、正面から入射する外光の反射率を抑えることができるため、黒化電極３１０からの外光反射によるコントラスト低下を抑えることができる。そのため、本実施例においては、円偏光板を用いる必要がない。有機層１００での発光のうち黒化電極３１０側に発光したものは、黒化電極３１０で吸収されるため、有機層１００での発光のうち約半分は黒化電極３１０で吸収される。しかし、円偏光板を用いていないため、透過光９００の光量は、円偏光板を用いた場合と同程度得られる。さらに、本実施例においては、透明電極２００，ナノ構造層４００，間隙
８１の順に屈折率が小さくなるため、ナノ構造層４００が透明電極２００の反射防止膜としも機能する。反射防止の効果を大きくするためには、（７）式と（８）式に示したように、ナノ構造層４００の屈折率ｎ2 と膜厚ｔを選ぶことが望ましい。本実施例においては、ｎ1は、１.８〜２.１程度であり、ｎ2≒１であるので、ｎ3は、１.３４から１.４１ が望ましく、１.１〜１.４１としても反射防止の効果が得られるものである。表示装置において画素ごとにナノ構造層４００の厚さを変える場合には、（８）式のλとして各画素のピーク波長とすればよく、表示全体でナノ構造層４００の厚さを同じとする場合には、緑の波長に合わせればよい。したがって、この場合、ナノ構造層４００の膜厚としては、
９０ｎｍから１２５ｎｍが望ましい。
【０１９６】
本実施例において、ナノ構造層４００を設けることにより、透明電極２００からの反射率を１％以下とすることができる。
【０１９７】
黒化電極３１０については、本実施例に限定するものではなく、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔａ等の低反射率な金属膜を用いてもよく、または、これら金属の上に透明導電膜を設けて反射率を低減してもよい。
【０１９８】
黒化電極３１０の反射率は、コントラスト低下を抑制するために透明電極２００からの反射率よりも小さい必要があり、１５％以下、望ましくは１０％以下とする必要がある。
【０１９９】
本実施例では、黒化電極３１０を用いることによりコントラスト低下を抑制することができ、円偏光板を用いていなくてもよいため構成が簡単となる。
【実施例９】
【０２００】
図１５は、本発明の発光素子の一実施例の断面図である。
【０２０１】
これまで述べてきたように、本発明の発光素子を表示装置に用いる場合には、周囲環境から表示装置に入射する外光を考慮する必要があった。つまり、本発明の発光素子に備えられる光取り出し層は外光反射を抑制することが必要であり、可視波長域の光はほとんど散乱又は回折せず、これに入射する光の偏光状態が略維持されることが重要であった。しかしながら、発光素子を液晶表示装置のバックライトなどの照明装置の光源として用いる場合には、特に外光の影響を考慮する必要がないため、光取り出し層は上記ナノ構造に限定されるものではない。つまり、光取り出し層としての機能に注目すると、光取り出し層は低屈折率な光散乱層としての特性が重要であり、照明装置に用いる場合は可視波長域の光も散乱する膜であって良い。
【０２０２】
図１５はバックライト等の照明装置の光源に利用できる本発明の発光素子の概略構造を示す一部断面図である。この発光素子は有機発光ダイオード素子７０が形成された基板６とは反対方向から光を取り出す、所謂トップエミッション型の素子である。ここでは以下、上記と同様、反射電極３００と、透明電極２００と、これら電極間にホール輸送層，発光層，電子輸送層などを順次積層した有機層１００からなる有機発光ダイオード素子７０に光取り出し層４５０を付加した発光素子ついて説明するが本発明はこれに限定されるものでない。つまり、本発明は発光層に無機材料を用いるエレクトロルミネッセンス素子や発光ダイオード素子に適用しても有用なものである。
【０２０３】
バックライトなどの照明装置の光源としては白色で発光することが望まれる。白色発光を実現する有機層１００としては、発光色の異なる複数の発光層を積層する構成と、一つの発光層中に発光色が異なる色素をドーピングする構成がある。
【０２０４】
前者の構成としては例えばＴＰＤ，Ａｌｑ３のＡｌｑ３を部分的にナイルレッドでドープし、さらに１，２，４−トリアゾール誘導体（ＴＡＺ）を組み合わせたものがある。また、後者としてはＰＶＫに３種類の色素、例えば１，１，４，４−テトラフェニル−１，３−ブタジエン（ＴＰＢ），クマリン６，ＤＣＭ１をドープしたものがある。いずれにしても、白色発光の有機層としては発光効率が高く、寿命の長い白色発光が得られるものを用いることが望ましい。
【０２０５】
光取り出し層４５０は発光層から放射する光を取り出す側に設けるもので、透明電極
２００の光取り出し側に直接、或いは必要に応じて形成される図示しない透明な膜を介して形成する。また、光取り出し層４５０は外部への光取り出しを増やすため発光層を含む有機層１００よりも屈折率を低くする。ここで、光取り出し層４５０は屈折率の異なる領域を混在させることで低屈折率を実現する層であるため、その屈折率のことを平均屈折率と呼ぶこととする。
【０２０６】
発光層１０２と光取り出し層４５０の間に設けられる層の屈折率は光取り出し層の平均屈折率よりも高くすることが外部への光取り出しを増加させるより明るい発光素子を実現するために重要である。言い換えると、光取り出し層４５０の平均屈折率は発光層１０２及び発光層１０２と光取り出し層４５０の間に設けられる層の屈折よりも低くすることが重要である。
【０２０７】
これは、もし、発光層１０２と光取り出し層４５０の間に屈折率の低い層があると、その層の界面で全反射を生じ、基板６の面内方向へ伝播する光が増えて外部に取り出される光の量が制限されてしまうためである。
【０２０８】
このため、光取り出し層４５０は有機発光ダイオード素子７０にできるだけ近い位置に形成し、光取り出し層４５０と有機発光ダイオード素子７０との間にガラス基板などの屈折率が発光層よりも低いものを介在させないことが望ましい。これを実現するには本実施例のようにトップエミッション型の素子の光取り出し側の電極、つまり本実施例においては透明電極２００上に光取り出し層４５０を形成することが望ましい。
【０２０９】
尚、上記の通り、光取り出し層４５０はその平均屈折率が低いことで外部に取り出される光の量が増えるものである。このため、従来の発光素子に対して実用的な効果を得ること、つまり、光取り出し層４５０の付加によるコスト上昇に見合った効果を得ることを考慮すると光取り出し層４５０の平均屈折率は１.１以上１.５以下、より望ましくは1.45以下とすることが必要である。
【０２１０】
光取り出し層４５０としては、少なくとも可視光に対して透明な樹脂などからなる透明媒体４５１中に透明媒体４５１とは屈折率が異なる少なくとも可視光に対して透明な微粒子、或いは気泡からなる微小透明体４５２を分散したものを用いることができる。
【０２１１】
透明媒体４５１としては光硬化性の透明樹脂，熱可塑性の透明樹脂，熱硬化性の透明樹脂、或いはそれ自体に粘着剤としての機能を付加した透明樹脂を用いることができるが、成膜工程において有機膜にダメージを与えないことに留意する必要がある。
【０２１２】
尚、光取り出し層４５０を成膜する際の有機発光ダイオード素子７０へのダメージを防止、あるいは緩和するために図示しない透明な層を透明電極２００と光取り出し層４５０の間に形成しても良い。このような透明層としては酸化シリコン，窒化シリコン、または酸化チタンなどを用いることができる。外部に取り出される光をより多くするためには透明層の屈折率は発光層と同等、或いはそれよりも高いことが望ましく、これを実現するには窒化シリコンまたは酸化チタンを用いることが望ましい。
【０２１３】
微小透明体４５２は透明媒体４５１と屈折率が異なる透明な微粒子または気泡などの空隙から構成する。透明な微粒子としてはガラス微粒子，メラミン系微粒子，スチレン系微粒子，ベンゾグアナミン系微粒子，４フッ化エチレン微粒子等を用いることができる。その形状としては球，玉砂利，直方体等いずれも使用できるが、光を等方的に散乱できる球状微粒子の使用が好ましい。
【０２１４】
微小透明体４５２の大きさは可視波長域の光を効率よく散乱するために１以上１０μｍ以下程度の大きさが望ましいが、外部への光取り出し量を向上するという観点からは近紫外波長領域を散乱する数十ｎｍ以上１μｍ以下程度の大きさのものを含んでも良い。つまり約１０ｎｍ以上１０μｍ以下程度の大きさが良い。
【０２１５】
光取り出し層４５０の具体的な例としては、透明媒体４５１として屈折率１.４７ のアクリル系の透明粘着材を用い、微小透明体４５２として平均粒子径２μｍ，屈折率1.57の（真比重１.４） のベンゾグアナミン系の微粒子を用い、透明媒体４５１中に微小透明体４５２を３０部（粘着剤固形分に対する重量部数）配合し、分散させた膜厚２０μｍのものを用いることができる。この場合、光取り出し層４５０の平均屈折率は約１.４９６ となり、発光層１０２の屈折率（約１.７） よりも低くなる。従って、光取り出し層４５０を設けない場合よりも外部へ取り出される光の量が増加して、同じ消費電力であればより明るい発光素子が実現できる。
【０２１６】
或いは、光取り出し層４５０としては屈折率１.４７ のアクリル系の透明粘着材に平均粒子径２μｍ，屈折率１.３５ の４フッ化エチレン樹脂の微粒子を体積比で２５％分散させた膜厚２０μｍのものを用いることができる。この場合、光取り出し層４５０の平均屈折率は１.４４となり発光層の屈折率（約１.７）よりも低くなる。従って、光取り出し層４５０を設けない場合よりも外部へ取り出される光の量が増加して、同じ消費電力であればより明るい発光素子が実現できる。
【０２１７】
微小透明体４５２を実現する微粒子の屈折率は上記した通り、透明媒体４５１より高くても低くても良いが、光取り出し層４５０の平均屈折率をより低くするには微粒子として透明媒体４５１よりも屈折率の低いものを用いることが有利である。さらに微小透明体
４５２として透明な微粒子ではなく、気泡からなる空隙を用いれば平均屈折率がより低い光取り出し層４５０を実現するうえで有利となる。透明媒体４５１中に気泡からなる微小透明体４５２を含有する光取り出し層４５０は透明樹脂に発泡剤を添加し、発泡剤の加熱分解により生じるガスにより気泡を発生させることで実現できる。
【０２１８】
尚、通常、有機層１００は大気中の水分などによって劣化しやすい。このため光取り出し層４５０の光取り出し側には外気と触れないように図１５に例示する通り、透明封止板９０を用いて密閉封止することが望ましい。透明封止板９０としてはガラス板や、ガスバリヤー処理を施した樹脂フィルム、薄いガラス板と樹脂フィルムを積層したものなどを用いることができる。透明封止板９０と基板６とは周囲に枠状に塗布した接着性のあるシール剤により密閉接着するとよい。
【０２１９】
尚、光取り出し層４５０と透明封止板９０は密着させてもよいし、図１５に例示する通り、透明封止板９０と光取り出し層４５０との間に間隙８１を設け、この間隙８１に透明封止板９０、あるいは光取り出し層４５０との屈折率差が小さくなる屈折率１.４〜１.６程度の透明体を満たしてもよい。この場合、光取り出し層４５０と間隙８１との界面、あるいは間隙８１と透明封止板９０との界面での反射が小さくなり、外部に取り出される光が増える。
【０２２０】
或いは、間隙８１には窒素ガスなどの不活性な気体を封入しても良い。この場合は、光取り出し層４５０の表面を凹凸形状や微小なレンズアレイ形状とすることで外部に取り出される光の量が増えるようにすると良い。また、この場合は必要に応じて吸湿剤を透明封止板９０と基板６の間であって発光層から放射する光の妨げにならない位置に設ける、或いは透明な吸湿膜を透明封止板９０の光取り出し層４５０側に塗布してもよい。
【０２２１】
ところで、有機発光ダイオード素子などの発光素子では厚みが数十から数百ｎｍと光の波長程度、あるいはそれ以下で、屈折率の異なる薄膜を積層した構造となっている。さらに反射電極３００は鏡面状となることが多いため、発光層１０２から放射する光は干渉の影響を受けやすい。このため、通常の有機発光ダイオード素子ではこの干渉効果のために実際に外部に取り出される光１０００はその出射方向の違いにより発光スペクトルが変化して、色が変化するという課題がある。これと同様な課題は無機のエレクトロルミネッセンス素子でも生じる。
【０２２２】
ここで、本発明の発光素子は、照明装置などの光源として用いる場合には光取り出し層４５０として可視波長域の光も散乱する低屈折率散乱層を用いることを特徴としている。この場合、素子から放出される光は散乱されて様々な進行方向及び位相差の光が混合されることになるため、干渉が原因で生じる光の出射方向の違いに対する色の変化が大幅に低減するという効果が得られる。尚、本発明の発光素子では特に光取り出し層４５０として低屈折率散乱層を用いるため、干渉効果による色の変化を抑制できると同時に、外部に取り出される光の量を増加できるという効果がある。
【０２２３】
つまり、同じ消費電力であればより明るく、光の出射方向の違いによる色の変化が小さい発光素子が得られる。換言すると、同じ明るさであればより低電力で光の出射方向の違いによる色の変化が小さい発光素子が得られる。
【実施例１０】
【０２２４】
図１６は、本発明発光素子の一実施例の断面図である。
【０２２５】
本実施例の発光素子は、反射電極３００上に、有機発光ダイオード素子を構成する有機層１００が形成され、その上に透明電極２００が形成されている。さらに、透明電極200上に、光取り出し層として機能するナノ構造層４００，低屈折率層となるナノ構造層401が形成されている。有機層１００は、透明封止板９０を用い、透明封止板９０とナノ構造層４００との間にナノ構造層４０１を設けて密閉封止した。
【０２２６】
本実施例のナノ構造層４００は、実施例１と同じものであるが、さらに、ナノ構造層
４０１を設けることにより、発光素子の強度を向上した。有機層１００で発光した光のうち一部は、透明電極２００を透過し、透過光９００として発光素子より取り出し光1000として出射される。さらに、透明電極２００及び有機層１００に閉じ込められ導波する光は、ナノ構造層４００により散乱して、取り出される。
【０２２７】
ナノ構造層４０１は、内部に設ける空孔５４６の空孔率又は空孔のサイズをナノ構造層４００とは変えることにより、平均屈折率を異なるようにしたものである。ナノ構造層
４０１は、実施例１における間隙８１に変えて用いることができ、この場合、ナノ構造層４０１の平均屈折率は、ナノ構造層４００よりも小さくする。ナノ構造層４０１の平均屈折率を小さくすることは、空孔５４６の空孔率を大きくすることにより実現できる。この場合、ナノ構造層４００を紫外線の散乱性の大きな薄い層とし、ナノ構造層４０１を散乱性の小さな透明性の高い膜とすることが望ましい。つまりナノ構造層４００（第１の光取り出し層）の空孔の平均径をナノ構造層４０１（第２の光取り出し層）の空孔の平均系より小さくすることが望ましく、また、ナノ構造層４００（第１の光取り出し層）における空孔の占める割合は、ナノ構造層４０１（第２の光取り出し層）における空孔の占める割合より小さくすることが望ましい。
【０２２８】
また、ナノ構造層４０１は、光学的な機能を持たせることもでき、たとえば、ナノ構造層４０１の膜厚，平均屈折率を制御することにより、視角による色変化等の特性を改善することもできる。この場合は、ナノ構造層４０１は、ナノ構造層４００と透明封止板９０の間の屈折率とすることもできる。剛性を有するナノ構造層４０１を用いたことにより、間隙を設けた場合に比べて光学特性を安定させることができる。またあるいは、実施例９と同様に、ナノ構造層４０１に光散乱性を持たせ、出射方向の違いによる色の変化を低減することもできる。
【０２２９】
ナノ構造層４０１を用いて、間隙を用いずに透明封止板９０を設けたため、発光素子が強固となるとともに、吸湿材を設ける必要がない。この場合、ナノ構造層４００、又はナノ構造層４０１を親水性とすれば、吸湿効果を持たせることもでき、発光素子の長寿命化する効果も得られる。
【０２３０】
ナノ構造層４０１は、ナノ構造層４００上に形成してもよく、あるいは、透明封止板
９０上に形成した後、貼り付けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２３１】
光取り出し層を設けたことにより、発光層から出射した光を効率よく外部に取り出すことができ、明るい表示または照明を行う表示装置及び照明装置を提供することができる。
【０２３２】
光取り出し効率向上の効果は、発光素子単体に対しても生かせるものである。本発明は、ＯＬＥＤ素子をもとに説明したが、無機のエレクトルミネッセンス素子や、発光ダイオード素子にも適用できるのであり、光取り出し効率が高く明るいこれら素子を実現することができる。
【０２３３】
発光型表示装置は、モニター，テレビ等のディスプレイに適用でき、光取り出し効率を向上したために低消費電力化でき、携帯電話等の携帯機器のディスプレイにも有効に適用できる。
【０２３４】
また、照明装置は、バックライトに加えて、室内照明の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２３５】
【図１】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例１）
【図２】実施例１の発光素子に入射した外光について説明する図である。
【図３】実施例１の発光素子を用いた発光型表示装置の実施方法を示した断面図である。
【図４】実施例１の発光素子を用いた発光型表示装置の実施方法を示した正面図である。
【図５】実施例１の発光素子を用いた発光型表示装置の実施方法を示した断面図である。
【図６】実施例１の発光素子を用いた発光型表示装置の全体を示した図である。
【図７】実施例１の発光素子を用いた発光型表示装置のアクティブマトリックスの等価回路図である。
【図８】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例２）
【図９】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例３）
【図１０】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例４）
【図１１】本発明の発光型表示装置の実施方法を示した断面図である。（実施例５）
【図１２】本発明の発光型表示装置の実施方法を示した断面図である。（実施例６）
【図１３】本発明の発光型表示装置の実施方法を示した断面図である。（実施例７）
【図１４】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例８）
【図１５】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例９）
【図１６】本発明の発光素子の実施方法を示した断面図である。（実施例１０）
【符号の説明】
【０２３６】
１…発光型表示装置、２…表示部、３…データ駆動回路、４…走査駆動回路、５…脚、６…基板、７…データ線、８…ゲート線、９…共通電位配線、１０…ドライバトランジスタ、１１…第１の下地膜、１２…第２の下地膜、１３…ソース領域、１４…チャネルポリシリコン層、１５…ゲート電極層、１６…ゲート絶縁膜、１７…ドレイン領域、１８…第１の層間絶縁膜、１９…ソース・ドレイン電極層、２０…第２の層間絶縁膜、２１…第３の層間絶縁膜、３０…スイッチトランジスタ、４０…蓄積容量、６０…画素、６１…発光領域、７０…有機発光ダイオード素子、８０…保護膜、８１…間隙、９０…透明封止板、９２ａ，９２ｂ…反射防止膜、１００…有機層、１０１…電子輸送層、１０２…発光層、１０３…ホール輸送層、２００…透明電極、３００…反射電極、３１０…黒化電極、400，４０１…ナノ構造層、４０２…柱状ナノ構造層、４１０…回折格子、４５０…光取り出し層、４５１…透明媒体、４５２…微小透明体、４５４，４５６…空隙、５００…導波層、５０２…高屈折率層、５１０…反射膜、５２０…ブラックマトリクス、５３０…カラーフィルタ、５５０…突起部、６００…偏光板、６０２…色変換層、７００…１／４波長板、７１０…円偏光板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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