(57)【要約】  【課題】  指向性のない光を出射する発光層を備えた発光素子において、指向性を有する光を、光取り出し効率高く出力させる。  【解決手段】  基板10の一方の面10ａ上に、透明陽極11と、発光層12と、陰極13が、該発光層12を陽極11および陰極13により挟むように積層されてなり、陽極11および陰極13間に電圧を印加することにより発光層12から種々の方向の光が発光し、透明陽極11側の端面から光を出力する発光素子１において、透明陽極11と端面との間に、該透明電極11側から順に、入射した光の進行方向を変化させる角度変換層15と、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層16とを備える。【選択図】          図１
2005310539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方の面上に、陽極と、発光層と、陰極が、該発光層を前記陽極および陰極により挟むように積層されてなり、前記陽極および陰極のいずれか一方が透明電極であり、前記陽極および陰極間に電圧を印加することにより前記発光層から種々の方向の光が発光し、前記透明電極側の端面から光を出力する発光素子であって、
前記発光層と前記端面との間に、該発光層側から順に、入射した光の進行方向を変化させる角度変換層と、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層とを備えてなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記角度選択層が、誘電体多層膜もしくはフォトニック結晶により構成されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記角度変換層が、拡散板により構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
【請求項４】
前記角度変換層が、前記入射した光のうち、特定の入射角範囲の光のみの進行方向を変化させるものであることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光層が、有機ＥＬ材料もしくは無機ＥＬ材料からなることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の発光素子。
【請求項６】
前記基板が透明基板であり、
前記角度変換層および前記角度選択層が、前記基板の他方の面上にこの順に積層されており、
前記他方の面側が前記端面であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の発光素子。
【請求項７】
前記基板が透明基板であり、
前記陽極および陰極のうち前記透明電極が前記基板側に配置されており、
前記角度変換層が、前記基板の前記一方の面と前記透明電極との間に設けられ、
前記角度選択層が、前記基板の他方の面に設けられていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の発光素子。
【請求項８】
前記基板が透明基板であり、
前記陽極および陰極のうち前記透明電極が前記基板側に配置されており、
前記角度変換層および前記角度選択層が、前記基板の前記一方の面と前記透明電極との間に、設けられていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）やＬＥＤ（発光ダイオード）など無指向の光源を備えた、指向性を有する光を出力する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬやＬＥＤなどは、指向性のない光を発光する光源として知られている。用途によっては、高指向性を有する光であることが望ましい場合があり、また、このような光源を備えた素子においては、発光した光が全反射により素子内に閉じ込められてしまうために取り出し効率が低いという問題がある。
【０００３】
そこで、このような指向性のない光を発光する光源を備えた発光素子においては、素子内部にレンズを作り付けることにより指向性をあげる方法（特許文献１から３参照）や、素子の陰極部を凹面構造にすることにより陰極部で反射する光の角度変換を行わせるようにして指向性を上げる方法（特許文献４参照）などが提案されている。しかし、これらの方法で十分な指向性を得るためには、発光点に対してレンズや凹面構造の直径を大きく取らなければならないため、ディスプレーなどアレイ状に素子を並べるような用途においては画素密度が小さくなってしまうなどの問題がある。
【０００４】
また、指向性を向上させるために、素子内部の全反射を生じる界面（具体的には透明基板と透明電極との界面）に前方散乱フィルムを設ける方法（特許文献５および６参照）なども提案されている。
【特許文献１】特開平9-171892号公報
【特許文献２】特開平10-172756号公報
【特許文献３】特開2002-184567号公報
【特許文献４】特開2001-217078号公報
【特許文献５】特開2002-359068号公報
【特許文献６】特開2002-359069号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献５および６に記載の方法は、界面で全反射を繰り返すような角度で入射する光を散乱あるいは回折させて界面で全反射しない入射角度となるように進行方向を変換させることにより出力させ、界面で全反射を繰り返す角度外の光は、弱散乱あるいは透過させて出力させるという方法である。この方法によれば、光取り出し効率を多少向上させることができる。しかし、全反射角未満で光出力端面に入射した光は全て出力されるため、出力された光が、十分な指向性を有するものとはいえない。
【０００６】
その他、素子中に微小共振器を設け、特定の角度成分の光を増幅するような方法も提案されているが、微小共振器構造には波長依存性があるため、特定の波長において指向性を持たせることはできるが、有機ＥＬやＬＥＤなどブロードな波長スペクトルを持つような発光素子においてすべての波長領域において共通の指向性を持たせることは困難である。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、指向性のない光を発光する発光部を備えた発光素子において、光の取り出し効率（出力効率）を向上させるとともに、出力光の指向性を向上させた発光素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光素子は、基板の一方の面上に、陽極と、発光層と、陰極が、該発光層を前記陽極および陰極により挟むように積層されてなり、前記陽極および陰極のいずれか一方が透明電極であり、前記陽極および陰極間に電圧を印加することにより前記発光層から種々の方向の光が発光し、前記透明電極側の端面から光を出力する発光素子であって、
前記発光層と前記端面との間に、該発光層側から順に、入射した光の進行方向を変化させる角度変換層と、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層とを備えてなることを特徴とするものである。
【０００９】
角度選択層としては、誘電体多層膜、フォトニック結晶などにより構成されるものが挙げられる。
【００１０】
角度変換層としては、拡散板により構成されているものが挙げられる。
【００１１】
なお、角度変換層としては、入射した光のうち、特定の入射角範囲の光のみの進行方向を変化させるものであることがより望ましい。
【００１２】
上記発光層は、有機ＥＬ材料もしくは無機ＥＬ材料からなるものであることが望ましい。
【００１３】
前記基板に対する角度変換層および角度選択層等の具体的な積層位置および素子構造としては、例えば、以下の形態が挙げられる。
【００１４】
（１）基板が透明基板であり、角度変換層および角度選択層が、基板の他方の面上にこの順に積層されており、該他方の面側が前記端面であるもの、（２）基板が透明基板であり、陽極および陰極のうち前記透明電極が基板側に配置されており、角度変換層が、基板の前記一方の面と透明電極との間に設けられ、角度選択層が、基板の他方の面に設けられているもの、（３）基板が透明基板であり、陽極および陰極のうち前記透明電極が基板側に配置されており、角度変換層および角度選択層が、基板の前記一方の面と透明電極との間に設けられているもの、などである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発光素子は、透明電極と前記端面との間に、該透明電極側から順に、入射した光の進行方向を変化させる角度変換層と、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層とを備えてなり、角度変換層で光の進行方向（端面への入射角度）を変換させ、光の反射と角度変換を繰り返すことにより、結果として端面に対して好ましい入射角に変換させて、出力させることができるため、光取り出し効率を向上させることができる共に、角度選択層により、好ましい入射角度で入射した光のみを出力させるので、出力光（取り出す光）に指向性を持たせることができる。
【００１６】
特に、角度変換層が、入射した光のうち、特定の入射角範囲の光のみの進行方向を変化させるものであれば、所定の角度の光については変換することなく、出力させることができるため、光取り出し効率をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態による発光素子である有機ＥＬ素子の一部の概略断面形状を示すものである。
【００１９】
本実施形態の有機ＥＬ素子１は、透明ガラス基板10と、このガラス基板10の一面10ａに順次積層された透明陽極11、発光層を含む有機化合物層12および金属陰極13と、ガラス基板10の他面10ｂに順次積層された、光の進行方向を変化させる角度変換層15および所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層16とを備えてなる。なお、本素子１は、角度選択層16の表面により光出力端面が構成されている。
【００２０】
透明陽極11の材料としては、酸化錫、酸化錫インジウム（ITO）、酸化亜鉛インジウム等、透明電極材料として従来公知の化合物を適宜用いることができるが、その他、金や白金など仕事関数が大きい金属からなる薄膜を用いてもよい。また、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールまたはこれらの誘導体などの有機化合物を用いることもできる。
【００２１】
金属陰極13は、仕事関数の低いLi、Ｋなどのアルカリ金属、Mg、Caなどのアルカリ土類金属、およびこれらの金属とAgやAlなどとの合金や混合物等の金属材料から形成されるのが好ましい。
【００２２】
また本実施形態の有機ＥＬ素子１は、有機化合物層12として正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子注入層を有するものである。さらに、電子輸送層を備えるものであってもよい。
【００２３】
本実施形態における発光素子のより具体的な構成を説明する。
【００２４】
具体的には、本実施形態の有機ＥＬ素子１は、ガラス基板10の一面10ａ上に透明陽極11としてITO層100ｎｍ、正孔注入層としてCuPc（銅フタロシアニン錯体）層を10ｎｍ、正孔輸送層としてNPD層を50ｎｍ、発光層としてAlq（アルミニウム錯体）層を60ｎｍ、電子注入層としてLiF（フッ化リチウム）を１ｎｍ、さらに陰極13としてAlが積層されてなるものである。正孔注入層から電子注入層までが有機化合物層12であり、図１においてはこれらをまとめて１層として示しある。
【００２５】
また、ガラス基板10の他面10ｂ側に設けられている角度変換層15は、ガラス基板10の他面10ｂにブラスト加工を施して設けられたランダムで微細な凹凸からなる。すなわち、角度変換層15はガラス基板10の一部に設けられてなるものである。また、角度選択層16は、TiO2/SiO2からなる誘電体多層膜ミラーにより構成されている。誘電体多層膜ミラーは、角度選択ミラーであり、図２に示すように、波長450ｎｍの光に対して、入射角度20°を境に透過率が大きく低減し、入射角度23°以上でほぼゼロとなるような特性を有するものである。
【００２６】
なお、この積層構造の有機ＥＬ素子は、角度変換層15および角度選択層16を備えない有機ＥＬ素子と比較して、440〜460nmの波長範囲の光についての角度指向性が向上し、角度成分30°（立体角30°）以下で出射端面から出力する光が2.5倍ほど増加した。
【００２７】
図３は、本発明の第２の実施形態による発光素子である有機ＥＬ素子の一部の概略断面形状を示すものである。
【００２８】
本実施形態の有機ＥＬ素子２は、透明ガラス基板10と、このガラス基板10の一面10ａに順次積層された、光の進行方向を変化させる角度変換層15と、透明陽極11、発光層を含む有機化合物層12および金属陰極13と、ガラス基板10の他面10ｂに設けられた、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層16とを備えてなる。なお、本素子２は、角度選択層16の表面により光出力端面が構成されている。本実施形態の素子２は、角度変換層15が基板10と透明電極11との間に設けられている点で第１の実施形態と異なる。
【００２９】
本実施形態の発光素子２におけるより具体的な構成を説明する。
【００３０】
具体的には、本実施形態の有機ＥＬ素子２は、ガラス基板10の一面10ａにブラスト加工を施し、ランダムで微細な凹凸を設けて角度変換層15とし、その凹部が満たされるようにTiO2を積層し、この積層面を研磨により平坦とし、該平坦化された積層面上に、透明陽極11としてITO層100ｎｍ、正孔注入層としてCuPc層を10ｎｍ、正孔輸送層としてNPD層を50ｎｍ、発光層としてAlq層を60ｎｍ、電子注入層としてLiFを１ｎｍ、さらに陰極13としてAlが積層されてなる。また、ガラス基板10の他面10ｂに設けられている角度選択層16は、第1の実施形態と同様に図２に示す特性を有するTiO2/SiO2からなる誘電体多層膜ミラーにより構成されている。
【００３１】
なお、この積層構造の有機ＥＬ素子は、角度変換層15および角度選択層16を備えない有機ＥＬ素子と比較して、440〜460nmの波長範囲の光についての角度指向性が向上し、立体角30°以下で出射端面から出力する光が3.5倍ほど増加した。また、角度変換層15を、基板10と透明電極11との界面に設けたことにより、該角度変換層15を設けなかった場合に透明電極11と発光層内に閉じ込められてしまう光の一部を取り出すことができるため、取り出し効率としても1.5倍ほど増加した。
【００３２】
図３は、本発明の第３の実施形態による発光素子である有機ＥＬ素子の一部の概略断面形状を示すものである。
【００３３】
本実施形態の有機ＥＬ素子３は、透明ガラス基板10と、このガラス基板10の一面10ａに順次積層された、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層16と、光の進行方向を変化させる角度変換層15と、透明陽極11、発光層を含む有機化合物層12および金属陰極13とを備えてなる。なお、本素子３は、ガラス基板10の他面10ｂにより光出力端面が構成されている。本実施形態の素子３は、角度変換層15および角度選択層16が基板10と透明電極11との間に設けられている点に特徴がある。
【００３４】
本実施形態の発光素子３におけるより具体的な構成を説明する。
【００３５】
具体的には、本実施形態の有機ＥＬ素子３は、ガラス基板10の一面10ａに角度選択層16として、入射角20°以下で入射した光のみを透過する特性を有するTiO2/SiO2からなる誘電体多層膜ミラーを積層し、さらに、SiO2を1μｍ程度積層し、SiO2の積層面に対してブラスト加工を施すことによりランダムで微細な凹凸を設けて角度変換層15とし、その凹部が満たされるようにTiO2を積層し、このTiO2の積層面を研磨により平坦とし、該平坦化された積層面上に、透明陽極11としてITO層100ｎｍ、正孔注入層としてCuPc層を10ｎｍ、正孔輸送層としてNPD層を50ｎｍ、発光層としてAlq層を60ｎｍ、LiFを１ｎｍ、さらに陰極13としてAlが積層されてなるものである。
【００３６】
なお、この積層構造の有機ＥＬ素子は、角度変換層15および角度選択層16を備えない有機ＥＬ素子と比較して、440〜460nmの波長範囲の光についての角度指向性が向上し、立体角30°以下で出射端面から出力する光が４倍ほど増加した。
【００３７】
上記第1および第２の実施形態の有機ＥＬ素子においては、光の閉じ込められる層の厚さ（角度選択層と陰極間の距離）が大きいため、層に平行な方向への光の伝播が大きくなり、発光点に対し光が出力する領域（光を取り出す領域）の面積が非常に大きくなる。発光素子をバックライトなどの用途に用いる場合は問題ないが、ディスプレーの画素として発光素子をアレイ状に配列し、個別に発光させる必要がある場合においては、画素間のクロストークが問題となる。
【００３８】
一方、第３の実施形態の有機ＥＬ素子は、角度選択層と陰極との距離が小さく、すなわち光を閉じこめる層の厚さが小さくなったことにより、層に平行な方向への光の広がりを抑えることができる。図５（ａ）は、第1の実施形態の有機ＥＬ素子がディスプレーの画素として用いられる場合の光の広がりを示す概念図であり、同図（ｂ）は、第３の実施形態の有機ＥＬ素子がディスプレーの画素として用いられる場合の光の広がりを示す概念図である。図５に示すように、現実には、基板10の厚みは発光層等と比較して相当に厚い。具体的な基板の厚みは、0.5〜１ｍｍ程度であり、その際、第1の実施形態の有機ＥＬ素子では層方向への光の広がりは数ｍｍ程度となるが、第３の実施形態の有機ＥＬ素子では、10μｍ程度の広がりに抑えることができる。なお、第２の実施形態の有機ＥＬ素子の場合も第１の実施形態の素子と同様に、光の広がりは数ｍｍ程度となる。現実のディスプレーなどの画素サイズは約80〜100μｍ程度であるため、層方向への光の広がりを10μｍ程度に抑えることができる第３の実施形態の有機ＥＬ素子は、ディスプレーなどの画素として好適である。また、第３の実施形態の有機ＥＬ素子においては、層に平行な方向への光の伝播を抑制することができるので、層に垂直な素子端面から漏れる光の割合も低減することができ、結果として取り出し効率もアップさせることができる。
【００３９】
図６は、本発明の第４の実施形態による発光素子である有機ＥＬ素子の一部の概略断面形状を示すものである。
【００４０】
本実施形態の有機ＥＬ素子４は、基板10と、この基板10の一面10ａに順次積層された、陽極11と、発光層を含む有機化合物層12と、透明陰極13と、光の進行方向を変化させる角度変換層15と、所定の角度で入射した光のみを選択的に透過させ、該所定の角度以外で入射した光を反射する角度選択層16とを備えてなる。なお、本素子４においては、角度選択層16の表面により光出力端面が構成されている。本実施形態の素子４は、陰極13が透明電極となっており、該陰極13側から光が出力されるトップエミッション型の素子である点で、上述の第１から第３の実施形態の素子と異なる。なお、この場合、基板10は透明であることを要しない。
【００４１】
本素子においても光出力端面と透明電極13との間に角度変換層と角度選択層が設けられているため、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、有機ＥＬ素子を例に挙げて説明したが、発光層として無機ＥＬ材料からなる発光層を備えた発光素子においても、また、ＬＥＤを発光層とする発光素子においても、同様に角度変換層と角度選択層を備えることにより上記と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態において角度変換層および角度選択層をガラス基板の一面もしくは他面側に設ける構成の素子について説明したが、角度変換素子および角度選択層はガラス基板で挟むように、ガラス基板中に設けてもよい。
【００４４】
以下に、本発明の理論を述べる。
【００４５】
発光点から発光した指向性を有しない光は角度変換層たる散乱体に達し、この散乱体によって散乱される。散乱された光は、全方向の角度成分に変換されうる。つまり、一部は、発光点側への角度成分をもち発光点側に戻り、一部は、角度選択層側への角度成分をもち、角度選択層に達するものとなる。前者の光は出射端面とは反対の素子構造下層側の反射構造（具体的には金属電極面など）により反射され、再び散乱体に戻ってくる。一方、後者の光は、角度選択層によって望ましい特定の角度成分の光のみが透過され、それ以外の角度成分の光は反射される。反射された光は、再び散乱体に達し、散乱され角度変換される。この繰り返しにより、いずれは、角度選択層を透過して望ましい角度成分の光として取り出すことができる。
【００４６】
角度選択層におけるロスをLmir、各層における吸収をLabs、下層反射構造によるロスをLrefとおくと、散乱体を備えた発光素子構造における、所望の立体角の光の取り出し効率は
【数１】
2005310539.tif 000003
【００４７】
と表せ、ロスのない理想的な系であれば、100％の光が取り出せる。ここで、αは望ましい角度成分として角度選択層を透過してくる光の、該角度選択層に入射する全入射角度成分の光に対する割合を示す。
【００４８】
一般には有機ＥＬのような層構造をとる発光素子においては、透明電極であるITO層に閉じ込められ取り出すことのできない光が存在する。そのような光の割合をLinとおくと、実際の取り出し効率は
【数２】
2005310539.tif 000004
【００４９】
となる。
【００５０】
ここで、本発明のように、散乱体（角度変換層）および角度選択層を備えた発光素子において、該素子から空気中へ光を取り出す（出力させる）場合について考える。素子端面から出力される光の望ましい角度成分を立体角30°以内とするとガラス端面内部側では19.5°以内の立体角でなければならず、この立体角の範囲の入射角度で角度選択層に入射して該角度選択層を透過してくる光の、角度選択層への全入射角度成分の光に対する割合α＝5.8%である。ここで、Lref =5％、Labs =2％、Lmir=10％、とすると、上記式（２）から演算される取り出し効率は23％となる。一方、ガラス基板中に散乱体と角度選択層がない場合は、この好ましい角度範囲の光の取り出し効率は4.5％であり、ITO層と基板の界面に散乱体のみを設けた場合の上記好ましい角度範囲の光の取り出し効率は5.8％である。すなわち、角度変換層および角度選択層を備えたことにより、30°以内の角度成分で出力される光は、両層を備えない場合の約５倍、散乱体のみをITO層と基板の界面に設けた場合の約４倍程度となる。
【００５１】
なお、角度変換層として、特開2000-35506号公報記載の技術を用いて作製した特定の入射角の光のみを散乱させるような光制御板や住友スリーエム社の輝度増強フィルム(商品名BEF : Brightness Enhancement Film II) を用いることにより更なる指向性、取り出し効率を向上させることができる。
【００５２】
さらに、第３の実施形態の素子のように角度変換層をITO層とガラス基板との界面に設けることにより、角度変換層がない場合にはITO層に閉じ込められ取り出すことのできない光を取り出すことが可能となり、取り出し効率の向上の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態による有機ＥＬ素子を示す概略構成を示す断面図
【図２】上記有機ＥＬ素子の角度選択層の特性を示す図
【図３】本発明の第２の実施形態による有機ＥＬ素子を示す概略構成を示す断面図
【図４】本発明の第３の実施形態による有機ＥＬ素子を示す概略構成を示す断面図
【図５】発光層からの層に平行な方向への光の広がりを示す概念図
【図６】本発明の第４の実施形態による有機ＥＬ素子を示す概略構成を示す断面図
【符号の説明】
【００５４】
1、２、３、４    有機ＥＬ素子
10    ガラス基板
11    陽極
12    発光層を含む有機化合物層
13    陰極
15    角度変換層
16    角度選択層
【図１】
2005310539.tif 000005
【図２】
2005310539.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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