(57)【要約】【課題】光の取り出し効率の向上を図ることができ、輝度ムラ、ちらつきを低減させることが可能となる表示装置を提供する。【解決手段】複数の画素で構成され、該複数の画素における各画素が、  発光層と、面内で屈折率分布を有する回折格子と、該発光層と該回折格子の間に位置して少なくとも１層以上の層で形成される中間層と、を有する表示装置であって、  前記中間層は、該発光層から放射された光が外部に取り出される割合を平均化するため、該中間層の面内に前記光の波長の所定倍以上の光路長差を有する凹凸構造を備えている。【選択図】            図１
2012002896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素で構成され、該複数の画素における各画素が、
発光層と、面内で屈折率分布を有する回折格子と、該発光層と該回折格子の間に位置して少なくとも１層以上の層で形成される中間層と、を有する表示装置であって、
前記中間層は、該発光層から放射された光が外部に取り出される割合を平均化するため、該中間層の面内に前記光の波長の所定倍以上の光路長差を有する凹凸構造を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記中間層の光路長差は、Ｋの値が次の式（１）で求められるとき、前記光の波長のＫ倍以上の光路長差を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
2012002896.tif 000008
但し、
ｎｍ：中間層の平均屈折率
ｎＬ：発光層の屈折率
【請求項３】
前記中間層の平均屈折率は、前記面内で屈折率分布を有する回折格子の有効屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記中間層は、異なる２層以上の誘電体層を有し、該誘電体層により前記Ｋ倍以上の光路長差を有する凹凸構造が構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記中間層は、電極を含む層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記中間層の凹凸構造は、周期的な凹凸構造で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項７】
前記凹凸構造の周期が、画素サイズの２分の１以下の周期であることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
前記凹凸構造は周期が、５μｍ以上の周期であることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
【請求項９】
前記中間層の凹凸構造は、非周期的な凹凸構造で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記中間層は、無機材料で形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置に関し、特に、回折格子を用いて光の取り出し効率を高める表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蛍光性物質などを用いた電子放出素子型ディスプレイ・有機ＥＬディスプレイ・ＬＥＤディスプレイなどの自発光型表示装置の開発が行われ、大画面化が急速に進んでいる。
電子放出素子型ディスプレイは、電子源から放出させた電子を励起源とし、蛍光体などから成る発光層を励起・発光させ、外部に光を取り出す構成である。
有機ＥＬディスプレイ・ＬＥＤディスプレイは、励起源として電流を発光層に注入し、発光させ、外部に光を取り出す構成となる。
いずれの構成においても、発光層から射出した光は、前面板や電極などを介して外部に光を取り出す。
しかしながら、発光層・前面板・電極などの界面で屈折率差が生じるため、発光層から射出した光のうち臨界角以上の射出角の光は全反射を起こす。このため、外部に光を取り出すことができず、光の取り出し効率が低くくなり、表示装置の輝度が低下する。
従来において、光の取り出し効率を向上させる手法として、例えば特許文献１では、発光層の表面側または裏面側に回折格子（屈折率分布層）を形成し、発光層からの光を回折させ、外部に光を取り出す有機エレクトロルミネッセンス素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第０２９９１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例の特許文献１のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、上記従来例のものでは、発光層と回折格子を直接隣接させて作製することは困難であり、また、発光層の発光特性を悪化させる要因になる。こうした発光特性の悪化を回避するためには、発光層と回折格子の間に中間層を形成する必要がある。
しかし、表示装置の大画面化に伴い、表示装置の全面（全画素）で中間層の膜厚を均一に作製することは困難である。光の取り出し効率は中間層の膜厚に非常に敏感であるため、表示装置の画素ごとに中間層の膜厚がばらついていれば、光の取り出し効率が画素ごとに変化する。結果として、表示装置の輝度ムラまたはちらつきとなり、表示装置の視覚特性を劣化させることとなる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、光の取り出し効率の向上を図ることができ、輝度ムラ、ちらつきを低減させることが可能となる表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の表示装置は、複数の画素で構成され、該複数の画素における各画素が、
発光層と、面内で屈折率分布を有する回折格子と、該発光層と該回折格子の間に位置して少なくとも１層以上の層で形成される中間層と、を有する表示装置であって、
前記中間層は、該発光層から放射された光が外部に取り出される割合を平均化するため、該中間層の面内に前記光の波長の所定倍以上の光路長差を有する凹凸構造を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光の取り出し効率の向上を図ることができ、輝度ムラ、ちらつきを低減させることが可能となる表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の表示装置の断面概略図。
【図２】実施例１の規格化した光路長と光の取り出し効率の関係を示すグラフ。
【図３】実施例１の表示装置の断面概略図。
【図４】実施例１の光路長と光の取り出し効率の関係を示すグラフ。
【図５】実施例１の光路長と光の取り出し効率の関係を示すグラフ。
【図６】実施例１の表示装置の断面概略図。
【図７】実施例２の表示装置の断面概略図。
【図８】実施例３の表示装置の製造プロセスを表す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明における表示装置を実施するための形態を、以下の実施例により図面を参照して説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例】
【００１０】
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した表示装置の構成例について、図１を用いて説明する。
図１には、複数の画素で形成される電界放出素子型ディスプレイの単一画素の断面概略図が示されている。
本実施例の表示装置は、電子源１０１から放出させた電子１０２を、蛍光体から成る発光層１０３に照射し、各画素に対応した色の発光を放射させるように構成されている。
放射した光は中間層１０４を介し、回折格子１０５で一部の光が回折され外部に取り出される。
但し、回折格子１０５は面内で屈折率分布を有する構造である。また、中間層は面内に上記光の波長の所定倍以上の光路長差を有する凹凸構造を備えている。
具体的には、中間層１０４は、Ｋの値が次の式（１）で求められるとき、面内で波長のＫ倍以上の光路長差を有する凹凸構造から成る。
但し、ｎｍは中間層の平均屈折率、ｎＬは発光層の屈折率である。
2012002896.tif 000003
【００１１】
ここで、発光層１０３から放射した光が外部に取り出される割合（光の取り出し効率）は、中間層の光路長に応じて、波長のＫ倍の周期で増減する。
そこで、画素内で中間層１０４を波長のＫ倍以上の光路長差を有する凹凸構造を設けると、画素内の領域ごとに光の取り出し効率は変化するが、単一画素内全体の光の取り出し効率は画素内の領域ごとの効率が平均化され一定値となる。
このとき、画素間で中間層の膜厚が製造誤差等により異なる値に揺らいでも、各画素は平均化された一定の光の取り出し効率の値をもつため、表示装置全面の画素の光の取り出し効率は全て同じ一定値となる。
以上より、中間層に凹凸構造を設けることで、中間層の膜厚に対する光の取り出し効率の敏感度を低下させることができる。結果として、画素内や画素間の膜厚の揺らぎによる光の取り出し効率の変化を低減させ、表示装置の輝度ムラまたはちらつきを低減させることができる。
但し、中間層は単一層に限らず複数層で構成して、層ごとに凹凸形状を作製してもよい。
また、凹凸形状は回折格子の形状とは異なる形状であり、周期的でもよいし、非周期的でもよい。
【００１２】
ここで、光の取り出し効率ηが中間層１０４の光路長（膜厚）に応じて周期的に変化する理由を詳細に説明する。
まず、光の取り出し効率ηは中間層１０４に応じて、次の式（２）で示すように変化する。
2012002896.tif 000004
【００１３】
ここで、αは中間層での反射光間の位相差、η０、Δηはそれぞれ光の取り出し効率の平均値、光の取り出し効率の変化量である。η０、Δηは発光層１０３・回折格子１０５などの屈折率・構成により異なる値を示す。
また、光の取り出し効率ηとは発光層１０３から等方的に放射した光が前面板１０６の外部（空気）に取り出される割合である。
図２に中間層での反射光間の位相差αと光の取り出し効率の関係を示す。
【００１４】
このとき、光の取り出し効率の高い領域と低い領域が生じる理由を説明する。発光層１０３と回折格子１０５の間に中間層１０４を形成すると、臨界角より大きな角で発光層から放射した光は、中間層または発光層の界面で多重反射し、中間層や発光層内に閉じ込められる。
閉じ込められた光は、中間層や発光層内を伝播しながら、回折格子と結合し外部に取り出される（図３（ａ））。
中間層の界面で多重反射する成分の位相が合致し強め合うとき（α＝（４ｍ＋１）π／２  ｍは０以上の整数）、発光層から放射した光は中間層への閉じ込めが強くなる（図３（ｂ））。
中間層に閉じ込められた光は損失が少なく、回折格子との結合効率が高くなるため、光の取り出し効率が高くなる（図２領域１）。
一方、中間層の界面で多重反射する成分の位相が弱め合うとき、中間層への光の閉じ込めが弱くなり、発光層から放射した光は主に発光層に閉じ込められる（図３（ｃ））。
発光層に閉じ込められた光は、発光層内の蛍光体に再吸収されたり、裏面から放射されたり、画素端の吸収材料に到達し吸収される。このように放射した光の一部が損失となるため、光の取り出し効率は低くなる（図２領域２）。
【００１５】
次に、中間層での反射光間の位相差αは、中間層の光路長ｎｍｄを用いて、次の式（３）で表される。
2012002896.tif 000005
【００１６】
但し、ｎｍは中間層の平均屈折率、ｄは中間層の膜厚、λ０は真空中の波長である。
中間層の平均屈折率は、中間層の光路長を中間層の総膜厚で除した値とする。また、θｍは中間層を伝播する光の角であり、スネルの法則より次の式（４）を満たす。
2012002896.tif 000006
【００１７】
ここで、ｎＬは発光層の屈折率であり、θＬは発光層を伝播する光の角で８０°から９０°である。
つまり、θＬが８０°から９０°の光が、光の取り出し効率の増減に寄与する。これは、立体角が大きいほど発光層から放射する光量が大きくなるためである。また、初期位相（α０）は、中間層で発生するエバネッセント波と回折格子との結合により生じ、エバネッセント波の侵入長に起因している。
上記した式（１）（２）（３）（４）より、光の取り出し効率ηは、次の式（５）で示す周期Λで変化する。
2012002896.tif 000007
【００１８】
中間層の光路長ｎｍｄの差が波長のＫ倍以上のとき、光の取り出し効率は１周期以上の増減を有する。
このとき、画素全体の光の取り出し効率は領域ごとの効率が平均化された光の取り出し効率の平均値η０が得られる。
また、中間層の光路長が揺らいでも、光の取り出し効率の平均値η０は変化しない。
このため、画素間で製造誤差などによる膜厚の変化が生じても、各画素の光の取り出し効率が光の取り出し効率の平均値η０となる。結果として、表示画面の全体で輝度ムラ・ちらつきを低減することできる。
【００１９】
つぎに、数値実施例について説明をする。
表示装置は１画素内に横１００μｍ、縦２５０μｍの発光層１０３を有し、発光層１０３は屈折率１．７、中心波長５５０ｎｍで発光する蛍光体を含む層で構成される。
回折格子１０５は屈折率１．８、膜厚９５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３に直径１４５０ｎｍの空孔を三角格子状に周期２３００ｎｍで形成する。
中間層は少なくとも１層以上の層で形成され、本数値実施例での中間層１０４は透明電極と高誘電体層、低誘電体層の３層で構成される。
そして、この異なる２層以上の誘電体層によって、Ｋ倍以上の光路長差を有する凹凸構造が構成される。
透明電極は屈折率１．８、膜厚３００ｎｍのＩＴＯで形成し、高誘電体層は屈折率２．２のＴｉＯ２で形成し、低誘電体層は屈折率１．４６のＳｉＯ２で形成する。
また、高誘電体層と低誘電体層は周期１０μｍの波状形状で接した構造とする。このとき、中間層の面内の最短光路長と最長光路長の差（光路長差）を１μｍとする。
よって、中間層の光路長差は波長の１．８倍となり、式（４）のＫ（＝１．５）より大きくなる。
このとき、発光層１０３から放射した光は中間層の光路長に応じて、図５に示すように光の取り出し効率が周期的に変化する。
本実施例では中間層を波状構造とし、画素内に１周期以上の変化を有したことで、画素全体から平均化された値η０＝５７．５％が得られる。
このとき、中間層の膜厚に対する光の取り出し効率の敏感度を低くすることができ、輝度ムラやちらつきを低減させた表示装置を得ることができる。
【００２０】
本実施例では、中間層１０４の平均屈折率は回折格子１０５の有効屈折率より大きい構成としたが、必ずしも回折格子の有効屈折率より大きい必要はない。
但し、中間層の平均屈折率が回折格子の有効屈折率より大きいと、発光層から放射した光が中間層に強く閉じ込める。
中間層に閉じ込められた光は損失が少なく、回折格子との結合効率が高いため、中間層の平均屈折率は回折格子の有効屈折率より大きい方が望ましい。
但し、回折格子の有効屈折率とは、回折格子を構成する材料ごとの充填率と屈折率の積を総和した値である。
また、本実施例では中間層の光路長差を２層の高誘電体層、低誘電体層のみで形成したが、必ずしも、２層の誘電体層で構成しなくてもよい。しかしながら、２層以上で形成すると、中間層の光路長を面内で変化させ、かつ、中間層を平坦化させることができるため望ましい。
また、誘電体層のみで形成した方が作製プロセスが少なく、容易に作製できるため望ましい。
【００２１】
また、本実施例では、中間層１０４にＩＴＯから成る電極を含む構成としたが、必ずしも、中間層に電極層を必要とせず、前面板と回折格子の間に電極を形成してもよく、回折格子を電極で形成してもよい。
しかしながら、発光層近傍に電極を形成したほうが、発光層の内部量子効率が向上するため望ましい。
また、本実施例では、凹凸構造を周期的な波状の形状で構成した。ただし、中間層の光路長差を有すれば、図６に示すような非周期構造な構成としてもよい。
また、凹凸構造が周期構造であるとき、画素サイズの２分の１以下の周期であることが望ましい。
これは、単一画素内に複数個の光路長差を有する構造をもつ方が、全体の光の取り出し効率の誤差が小さくなるためである。また、より望ましくは周期を画素サイズの４分の１以下にすればよい。
また、周期構造の周期は５μｍ以上であることが望ましい。これは、発光層から放射した光は中間層を伝播する。十分に安定して伝播するために、５μｍ以上の構造周期であることが望ましい。
また、本実施例では、中間層を無機材料であるＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＩＴＯで形成したが、必ずしも無機材料のみで形成する必要はなく、有機材料を用いて形成してもよい。ただし、無機材料で形成すると、発光層で発生する熱にも強い構成となり、高い耐久性が得られるため望ましい。
【００２２】
つぎに、発光層１０３の発光波長のみが異なる場合の数値実施例について説明する。
発光層から放射する光の波長が４５０ｎｍ、６５０ｎｍのとき、中間層の光路長と光の取り出し効率は図５（ａ）（ｂ）に示すようになる。
このとき、中間層の光路長差はそれぞれ波長の２．２倍、１．５倍となり、式（４）のＫ（＝１．５）より大きくなり、画素内に１周期以上の光の取り出し効率の変化を有する。よって、画素全体からそれぞれ平均化された値η０＝５６．０％、５４．５％が得られる。
以上により、中間層の膜厚に対する光の取り出し効率の敏感度を低くすることができ、輝度ムラやちらつきを低減させた表示装置を得ることができる。
【００２３】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の表示装置の構成例について、図７を用いて説明する。
図７には、複数の画素で形成される有機ＥＬディスプレイの単一画素の断面概略図が示されている。
本実施例の表示装置は、電極２０１と透明電極２１４に電位差を与え、電流を注入することで、発光層２０３を励起させ、各画素に対応した色の発光を放射させるように構成されている。
放射した光は、中間層２０４である透明電極２１４、誘電体層２２４を介し、回折格子２０５で一部の光が回折され外部に取り出される。回折格子２０５は、周期的な回折格子、対称性が高い準フォトニック結晶、非周期に配列された微粒子などの回折格子であればいずれの構成でもよい。
また、誘電体層２２４はランダムに配列されたシリカ微粒子をＴｉＯ２膜で埋めた膜であり、膜厚は２．５μｍである。このとき、発光層２０３の発光波長が５５０ｎｍであれば、誘電体層２２４の領域により光路長差１．０μｍ以上の構成を得ることができる。
【００２４】
したがって、式（４）のＫ（＝１．５）より大きくなる。そのため、画素内に１周期以上の光の取り出し効率の変化を有する構造を得るため、単一画素全体からそれぞれ平均化された値が得られる。
また、画素間で膜厚が変動しても、各画素の平均化された値は変化しないため、画素間での光の取り出し効率が一定値となり、輝度ムラやちらつきを低減させた表示装置を得ることができる。
本実施例では、中間層の光路長差をランダムに分散させた微粒子球と背景媒質の屈折率差で形成した。このとき、エッチングプロセスがなく、低コストで作製できる。
【００２５】
［実施例３］
実施例３として、実施例１または実施例２などの製造プロセスを、図８を用いて説明する。
本実施例の製造プロセスは、まず、ガラス基板１０６に回折格子３０５を形成するため、材料１を積層する（図８（ａ））。
続いて、レジスト膜を蒸着またはスパッタし、所定位置を感光してレジストマスク３０７を形成する（図８（ｂ））。
その後、ＲＩＥなどのエッチング手法により、材料１を所定の深さまでエッチングし、アッシング等によりレジストマスク３０７を除去する（図８（ｃ））。
次に、材料１に形成した空孔に、誘電体などから成る材料２を埋めこむ（図８（ｄ））。
続いて、凹凸構造を有する中間層を形成するため、材料３を凹凸構造にエッチング、または分散させる（図８（ｅ））。
その後、必要に応じてリフロー法などにより、材料３を変形させてもよいし（図８（ｆ））、直進性のよいスパッタまたは蒸着等により材料４を堆積させ波状に形成させる。
次に、材料３または材料４と屈折率の異なる材料５を積層させ、中間層を平坦化させる。
このとき、必要があればＣＭＰ法などの平坦化処理をしてもよい。続いて、必要に応じてＩＴＯなどの電極３１４を蒸着またはスパッタし、中間層３０４を形成する（図８（ｇ））。
その後、発光層３０３を形成し（図８（ｈ））、必要に応じて、電極または後面板を作製し表示装置を得る。
【符号の説明】
【００２６】
１、２、３、４、５：材料
１０１：電子源
１０２：電子
１０３、２０３、３０３：発光層
１０４、２０４、３０４：中間層
１０５、２０５、３０５：回折格子
１０６：前面板
３０７：レジストマスク
【図１】
2012002896.tif 000009
【図２】
2012002896.tif 000010
【図３】
2012002896.tif 000011
【図４】
2012002896.tif 000012
【図５】
2012002896.tif 000013
【図６】
2012002896.tif 000014
【図７】
2012002896.tif 000015
【図８】
2012002896.tif 000016