(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両方が透明である２つの電極間に電圧を印加したときにその２つの電極間の発光層中の発光点から発光する電界発光素子において、前記発光層の裏面に設けられた一方の透明電極の裏面側に体積型ホログラム層が配置され、前記体積型ホログラム層の前記一方の透明電極と反対側に反射層が設けられてなり、前記体積型ホログラム層は前記反射層で反射され他方の透明電極の外側の界面に臨界角以上で入射する発光成分を反射側にその臨界角より小さい角度で回折し、前記反射層で反射され他方の透明電極の外側の界面に臨界角より小さい角度で入射する発光成分を透過する体積型ホログラム層であることを特徴とする電界発光素子。
【請求項２】
前記体積型ホログラム層が反射型ホログラムからなることを特徴とする請求項１記載の電界発光素子。
【請求項３】
前記体積型ホログラム層は多層積層ホログラムあるいは多重記録ホログラムからなることを特徴とする請求項２記載の電界発光素子。
【請求項４】
前記体積型ホログラム層は２層積層ホログラムからなり、各層に２つの体積型ホログラムが二重記録され、２層のホログラム層の干渉縞が相互に交差するように配置されていることを特徴とする請求項２記載の電界発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界発光素子に関し、特に、外部発光効率が高く明るいディスプレイ装置用の薄膜型の有機電界発光素子等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機電界発光素子（有機ＥＬ素子）は、図６に代表的な構成を示すように、透明基板１上にＩＴＯ等の透明電極２が形成され、その上にホール注入層３、発光層４の順に積層され、発光層４の上にカソード電極５が形成されてなる。この透明電極２とカソード電極５の間に電源６から電圧を印加し、ホール注入層３とカソード電極５からホールと電子を注入し、それらが発光層４中で再結合して活性子を作り、このエネルギーが発光層４中の蛍光体を励起することで発光点７から発光を行うものである。通常、有機ＥＬ素子では、発光点７からの発光光が透明基板１を通して外部に放射され、これが観察者の眼に入って初めて表示として認識される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光層４の中で発生する光は方向性を持たず、発光点７から等方的に均一に光が放出されるため、発光で得られた光の中、実際に透明基板１を通り抜けられる光は、図６に示すように、透明基板１表面に対して臨界角以下の角度で発光した光８のみであり、臨界角を超える光９は透明基板１の表面で全反射してしまい、透明基板１の端面からしか外に出ることが出来ず、有効に使われない。発光層４から透明基板１と反対の裏面側に放射された光も、背面のカソード電極５で反射され、同じように透明基板１の臨界角以内の角度の光のみが外に向かって放射される。
【０００４】
有機ＥＬ素子の光の取り出し効率は凡そ２０％でしかなく、有機ＥＬ素子における外部発光効率を制限している最大の要因となっている。
【０００５】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電界発光素子において発光層から発光する光が界面で全反射して外部に取り出せない部分をホログラムを利用して取り出し可能にすることにより外部発光効率を高め明るい表示を可能にすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の電界発光素子は、少なくとも一方が透明である２つの電極間に電圧を印加したときにその２つの電極間の発光層中の発光点から発光する電界発光素子において、透明電極の外側に界面に臨界角以上で入射する発光成分を臨界角より小さい角度で入射する光に変換する体積型ホログラム層を配置したことを特徴とするものである。
【０００７】
この場合、体積型ホログラム層が透過型ホログラムからなることができる。
【０００８】
その場合に、体積型ホログラム層は多層積層ホログラムあるいは多重記録ホログラムからなることが望ましい。
【０００９】
また、体積型ホログラム層は２層積層ホログラムからなり、各層に２つの体積型ホログラムが二重記録され、２層のホログラム層の干渉縞が相互に交差するように配置されていることが望ましい。
【００１０】
また、少なくとも一方が透明である２つの電極間に、電荷注入層と発光層を有する有機電界発光素子であり、基板と透明電極の間にその体積型ホログラム層が配置されているものとすることができる。
【００１１】
また、両方が透明である２つの電極間に、電荷注入層と発光層を有する有機電界発光素子であり、発光層の裏面に設けられた透明電極の裏面側に体積型ホログラム層が配置され、その前記体積型ホログラム層の透明電極と反対側に反射層が設けられている構成とすることもできる。
【００１２】
この場合に、体積型ホログラム層は反射型ホログラムからなることが望ましい。
【００１３】
そして、その体積型ホログラム層は多層積層ホログラムあるいは多重記録ホログラムからなるか、２層積層ホログラムからなり、各層に２つの体積型ホログラムが二重記録され、２層のホログラム層の干渉縞が相互に交差するように配置されていることが望ましい。
【００１４】
本発明においては、透明電極の外側に界面に臨界角以上で入射する発光成分を臨界角より小さい角度で入射する光に変換する体積型ホログラム層を配置したので、本来は界面に臨界角以上の角度で入射して全反射されるために外部に取り出すことができない発光成分を取り出せるようになり、電界発光素子の外部発光効率を大幅に高めることができ、明るい表示等が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の基本原理は、電界発光素子の表示側の透明層の界面に対して臨界角以上の角度で放射される光を有効に利用するために、透明電極の射出側に、その光を臨界角より小さい角度の光に変換する体積型ホログラム層を設けて、外部取り出し割合を高めて外部発光効率を高めることである。
【００１６】
体積ホログラムは、よく知られているように、フォトポリマー等の体積ホログラム感光材料中に屈折率差を持った干渉縞が記録されてなるホログラムで、入射光を選択的に回折する機能を有しており、回折効率の波長選択性と角度選択性が比較的高いものである。
【００１７】
そこで、図１に示すように、発光点７から図の右側に透明基板１表面に対して臨界角を超える角度で放射される光９をその臨界角より小さい角度方向に回折する体積型ホログラム層１０を透明電極２と透明基板１の間に設けて、その光９を体積型ホログラム層１０で回折させて外部に取り出せるようにする。体積型ホログラム層１０は上記のように回折効率の角度選択性が高いので、臨界角以下の角度で発光した光８は体積型ホログラム層１０では回折されずに、従来の場合と同様（図６）に外部に取り出せる。したがって、図１の右側に臨界角を超える角度で放射され体積型ホログラム層１０で回折された光９の分、外部発光効率が高くなる。
【００１８】
なお、図１は、図６と同様、有機ＥＬ素子の場合で、透明基板１上の体積型ホログラム層１０の上にＩＴＯ等の透明電極２が形成され、その上にホール注入層３、発光層４の順に積層され、発光層４の上にカソード電極５が形成されてなり、透明電極２とカソード電極５の間に電源６が接続され、電源６から電圧を印加可能にして、ホール注入層３とカソード電極５からホールと電子を注入し、それらが発光層４中で再結合して活性子を作り、このエネルギーが発光層４中の蛍光体を励起することで発光点７から発光を行うものである。
【００１９】
ところで、図１の場合、発光点７から図の左側に透明基板１表面に対して臨界角を超える角度で放射される光９’については、体積型ホログラム層１０の回折効率の角度選択性により回折されない。そこで、図２に示すように、このような光９’も光９と同様に回折する二重記録体積型ホログラム層１０’を透明電極２と透明基板１の間に設けることが望ましい。この二重記録体積型ホログラム層１０’は、図１の体積型ホログラム層１０の干渉縞と同じ干渉縞と、その干渉縞をホログラム層の法線の周りで１８０°回転した干渉縞とを二重に記録してなるもので、一方の干渉縞で光９、他方の干渉縞で光９’を回折する作用を持ち、臨界角以下の角度の光８は何れの干渉縞でも回折せずに透過するものである。あるいは、体積型ホログラム層１０’として、図１の体積型ホログラム層１０を２層重ね合わせたものであってもよい。ただし、その場合は、他方の体積型ホログラム層１０を一方の体積型ホログラム層１０のホログラム層の法線の周りで１８０°回転して重ね合わせて構成する。このように、二重記録あるいは二層積層体積型ホログラム層１０’を用いることにより、図２の左右に臨界角を超える角度で放射され体積型ホログラム層１０で回折された光９の分、外部発光効率がより高くなる。
【００２０】
以上は、図２の面の左右に透明基板１表面に対して臨界角を超える角度で放射される光９、９’を外部に取り出せるようにする例であったが、図２の面の表裏側にもその臨界角を超える角度で放射される光成分が存在する。その光成分も同様に回折させて外部に取り出せるようにするには、図３に示すように、図２の体積型ホログラム層１０’と同様の体積型ホログラム層１０”をホログラム層の法線の周りで相対的に９０°回転して重ね合わせて、お互いの干渉縞が相互に直交する方向にしておけば、軸（法線）の周りの全ての方向に臨界角を超える角度で放射される光を外部に取り出せるようになる。
【００２１】
なお、以上の図１〜図３の実施例においては、体積型ホログラム層１０、１０’、１０”は何れも透明基板１と透明電極２の間に配置したが、透明基板１の表面側（透明電極２と反対側）に配置しても同様の効果が得られる。ただし、発光層４とホログラム層の間の間隔が大きくなると、ホログラム層で回折されない光８と回折された光９、９’の間の視差が大きくなり、表示が見難くなったり、解像力が低下するので、体積型ホログラム層１０、１０’、１０”は可能な限り透明電極２に近接して配置するのが望ましい。
【００２２】
ところで、以上のような体積型ホログラム層１０、１０’の作製方法（撮影方法）の１例を図４の配置図を用いて説明する。レーザ２０から出た光はハーフミラー２１で２つの光束に分割され、ハーフミラー２１で反射された光は、ビーム拡大系２３でビーム径が拡大されて、プリズム２４を介して、体積型ホログラム層１０、１０’による回折光の方向に進む物体光２５として、透明基板１の裏面に設けられたフォトポリマーのような体積型ホログラム感光材料１１に入射させられ、ハーフミラー２２を透過した光は、ミラー２２、２２’を経てビーム拡大系２３’でビーム径が拡大されて、プリズム２４を介して、光９の方向に進む参照光２６として体積型ホログラム感光材料１１に入射させられ、この二光束２５、２６が体積型ホログラム感光材料１１で干渉することにより体積型ホログラム層１０が撮影される。その後、感光材料１１の法線ｎの周りで９０°回転して同様に別の干渉縞を二重記録することにより、体積型ホログラム層１０’が作製される。
【００２３】
発光層４中の発光点７からの発光は、前記したように、等方的に放出される。そのため、図５に示すように、発光点７から発光された光の中には、裏面のカソード電極５’側に放射される光１８、１９、１９’も存在する。その中の裏面正面方向に進む成分１８は、裏面で正反射された場合に、成分８と同様に、透明基板１表面に対して臨界角以下の角度となる。これに対して、裏面の斜め方向に進む成分１９、１９’は、裏面で正反射された場合に、成分９、９’と同様に、透明基板１表面に対して臨界角以上の角度となる。
【００２４】
そこで、裏面のカソード電極５’も透明電極とし、カソード電極５’の裏面側に反射型の体積型ホログラム層１２、１２’を配置し、そのさらに裏面側に反射層１３を設ける。
【００２５】
ここで、体積型ホログラム層１２は、発光点７から図の左右に裏面で正反射されたときに透明基板１表面に対して臨界角を超える角度で放射される光１９、１９’を、反射側にその臨界角より小さい角度方向に回折する反射型の体積型ホログラム層であり、体積型ホログラム層１０’と同様に、二重記録体積型ホログラム層あるいは二層積層体積型ホログラム層からなるもので、裏面で正反射されたときに臨界角以下の角度の光１８は回折せずに透過するものである。また、体積型ホログラム層１２’は、体積型ホログラム層１２と同様の反射型の体積型ホログラム層をホログラム層の法線の周りで相対的に９０°回転してなるもので、図５の面の表裏に裏面で正反射されたときに透明基板１表面に対して臨界角を超える角度で放射される光を、反射側にその臨界角より小さい角度方向に回折する反射型の体積型ホログラム層である。
【００２６】
したがって、発光点７から裏面側に全ての方向に上記の臨界角を超える角度で放射される光１９、１９’は、体積型ホログラム層１２と１２’により表面側に臨界角より小さい角度方向に回折されて外部に取り出されると共に、裏面正面方向に臨界角より小さい角度で放射される光１８は、体積型ホログラム層１２と１２’を透過し、その裏面の反射層１３で正反射され、透明基板１表面に臨界角以下の角度で入射し、外部に取り出され、高い外部発光効率で表示等に利用される。
【００２７】
なお、このような反射型の体積型ホログラム層１２、１２’を作製するには、例えば図４のような二光束干渉法によって撮影できるが、反射型の場合は、物体光２５と参照光２６を体積型ホログラム感光材料１１の相互に反対側から入射させる必要がある。
【００２８】
以上において、図３の場合は、発光層４の表面側前方へ臨界角を超える角度で放射される光を外部に取り出せるようにする構成であり、図５の場合は、発光層４の裏面側へ臨界角を超える角度で放射される光を外部に取り出せるようにする構成であるが、同時に両方の構成を備えるように構成することにより、より外部発光効率の高いものとすることができる。
【００２９】
ところで、以上の実施例は有機ＥＬ素子を前提にして説明してきたが、本発明の体積型ホログラム層を適用できる電界発光素子としては、これに限定されず、無機ＥＬ素子にも適用できることはその原理から明らかであろう。
【００３０】
以上、本発明の電界発光素子を原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例等に限定されず種々の変形が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電界発光素子によれば、透明電極の外側に界面に臨界角以上で入射する発光成分を臨界角より小さい角度で入射する光に変換する体積型ホログラム層を配置したので、本来は界面に臨界角以上の角度で入射して全反射されるために外部に取り出すことができない発光成分を取り出せるようになり、電界発光素子の外部発光効率を大幅に高めることができ、明るい表示等が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の有機電界発光素子の断面図である。
【図２】本発明の別の実施例の有機電界発光素子の断面図である。
【図３】本発明のさらに別の実施例の有機電界発光素子の断面図である。
【図４】図１〜図３の構成で用いる体積型ホログラム層の作製方法を説明するための配置図である。
【図５】本発明のもう１つの実施例の有機電界発光素子の断面図である。
【図６】有機電界発光素子の代表的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…透明基板
２…透明電極
３…ホール注入層
４…発光層
５…カソード電極
５’…透明カソード電極
６…電源
７…発光点
８…臨界角以下の角度で発光した光
９，９’…臨界角を超える角度で発光した光
１０、１０’、１０”…透過型の体積型ホログラム層
１１…体積型ホログラム感光材料
１２、１２’…反射型の体積型ホログラム層
１３…反射層
１８…臨界角以下の角度で発光した光
１９、１９’…臨界角を超える角度で発光した光
２０…レーザ
２１…ハーフミラー
２２、２２’…ミラー
２３、２３’…ビーム拡大系
２４…プリズム
２５…物体光
２６…参照光
ｎ…法線
【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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