(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率領域と低屈折率領域が平板に沿った１次元方向に一定周期で繰返し、その高屈折率領域及び低屈折率領域が平板の法線に対して一定のスラント角で傾いているスラント構造を有するスラント構造体が発光素子の発光層の光取出し面側に配置されており、前記平板の面の法線周りで前記スラント構造が２以上の整数回の回転対称に配置され、高屈折率領域相互あるいは高屈折率領域と低屈折率領域が空間的に重なる部分は高屈折率領域、低屈折率領域相互が空間的に重なる部分は低屈折率領域となっていることを特徴とする発光素子からの光取出し構造。
【請求項２】
前記発光層と前記スラント構造体の間に前記発光層側の屈折率より大きな高屈折率層が配置されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子からの光取出し構造。
【請求項３】
前記発光層の出射側にアレイ状に四角錐状あるいは屋根型の微小なプリズムを多数配置してなるプリズムアレイが配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子からの光取出し構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子からの光取出し構造に関し、特に、発光素子から効率良く光を取出すための光学構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子においては、その発光体の屈折率の影響のため、臨界角以上の出射角の光は全反射を起こし外部に取出すことができない。このため、発光体の屈折率が１．６とすると、発光量全体の２０％程度しか有効に利用できない。
【０００３】
この光の取出し効率を向上させる手法としては、特許文献１に示されるように、光取出し面側に回折格子やゾーンプレートを配置して光取出し効率を向上させるものが提案されている。
【０００４】
さらに、特許文献２、非特許文献１に示されるように、光取出し面側に高屈折率層とナノ多孔質層あるいはフォトニック結晶を配置して光取出し効率を向上させるものが提案されている。
【０００５】
また、特許文献３に示されるように、光取出し面側にプリズムレンズシートを配置して光取出し効率を向上させるものが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８２６号公報
【特許文献３】特開平９−７３９８３号公報
【非特許文献１】Appl.Phys.Lett,82,3779-3781(2003)
【非特許文献２】“ＳＰＩＥ”Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機エレクトロルミネッセンス素子等の発光素子の光取出し面側に従来の回折構造とは異なる回折構造を配置して発光素子の高効率化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の発光素子からの光取出し構造は、高屈折率領域と低屈折率領域が平板に沿った１次元方向に一定周期で繰返し、その高屈折率領域及び低屈折率領域が平板の法線に対して一定のスラント角で傾いているスラント構造を有するスラント構造体が発光素子の発光層の光取出し面側に配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
この場合、前記スラント構造体において、前記平板の面の法線周りで前記スラント構造が整数回の回転対称に配置されていることが望ましい。
【０００９】
そして、前記スラント構造体において、高屈折率領域相互あるいは高屈折率領域と低屈折率領域が空間的に重なる部分は高屈折率領域、低屈折率領域相互が空間的に重なる部分は低屈折率領域となっていることが望ましい。
【００１０】
また、前記発光層と前記スラント構造体の間に前記発光層側の屈折率より大きな高屈折率層が配置されているか、前記発光層の出射側にアレイ状に四角錐状あるいは屋根型の微小なプリズムを多数配置してなるプリズムアレイが配置されていることがより望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、上記のようなスラント構造を用いることにより光取出し効率が向上し、高効率な発光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の発光素子からの光取出し構造の原理と実施例を説明する。
【００１３】
本発明の光取出し構造の基本構造は、図１に断面図を示すように、平板１内において高屈折率空間領域２と低屈折率空間領域３（以下、空間領域は単に領域とする。）が平板１に沿った１次元方向に使用する光の波長からその波長の２倍程度の間の周期で繰返し、その高屈折率領域２及び低屈折率領域３が平板１の法線に対して一定のスラント角α（α≠０°，９０°）で傾いてなるスラント構造を持つスラント構造体１０を用い、この構造体１０を発光体の発光層１１の光取出し面側に透明性基板１２を介して配置することで、透明性基板１２を通して発光層１１から外へ取出す光量をより多く（高効率化）するものである。なお、高屈折率領域２と低屈折率領域３は空間的には平板状をしており、相互に平行に配置されている。
【００１４】
さらに、スラント構造体１０は、図２に断面図を示すように、図１のようなスラント角αで傾いている高屈折率領域２と低屈折率領域３の繰返しのスラント構造を平板１の法線に対して整数回（図２では２回）回転対称に配置されたもの（高屈折率領域２相互あるいは高屈折率領域２と低屈折率領域３が空間的に重なる部分は高屈折率領域、低屈折率領域３相互が空間的に重なる部分は低屈折率領域とする。）でも、透明性基板１２を通して発光層１１から外へ取出す光量をより多くすることができる。回転対称の回数を多くすることで、取出し効率の法線周りでの均一性が良くなる。
【００１５】
図３は、回転対称の回数とスラント構造の関係を示す平板１を＋ｚ軸（図１、図２）方向から見た平面図であり、図３（ａ）は３回、図３（ｂ）は４回、図３（ｃ）は５回、図３（ｄ）は６回、図３（ｅ）は８回の場合である。図３（ａ）の３回の回転対称の場合、図の３本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域２と低屈折率領域３の配置構造は、図１と同様に、高屈折率領域２が斜めにストライプ状に並んで配置される（図では、これを“／／／／／”で示してある。）。図３（ｂ）の４回の回転対称の場合、図の２本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域２と低屈折率領域３の配置構造は、図２と同様に、高屈折率領域２が交差格子状に並んで配置される（図では、これを“ＸＸＸＸＸ”で示してある。）。図３（ｃ）の５回の回転対称の場合、図の５本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域２と低屈折率領域３の配置構造は、図１と同様に、高屈折率領域２が斜めにストライプ状に並んで配置される。図３（ｄ）の６回の回転対称の場合、図の３本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域２と低屈折率領域３の配置構造は、図２と同様に、高屈折率領域２が交差格子状に並んで配置される。図３（ｅ）の８回の回転対称の場合、図の４本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域２と低屈折率領域３の配置構造は、図２と同様に、高屈折率領域２が交差格子状に並んで配置される。他の整数回の場合も同様であり、回転対称の回数が奇数の場合、回転対称の方向で図１と同様に高屈折率領域２が斜めにストライプ状に並んで配置される。回転対称の回数が偶数の場合、回転対称の方向で図２と同様に高屈折率領域２が交差格子状に並んで配置される。
【００１６】
さらに、図４に示すように、図１〜図３のスラント構造体１０の発光層１１側に透明性基板１２の屈折率より大きな高屈折率層１３を配置して、発光層１１から放射される光束の発散角を縮小し、その発散角内の光をスラント構造体１０に入射させるようにして、外へ取出す光量をより多くすることができる。
【００１７】
また、図５に示すように、発光層１１の出射側にアレイ状に四角錐状あるいは屋根型の微小なプリズムを多数配置してなる高屈折率のプリズムアレイ１４を配置し、このプリズムアレイ１４を比較的低屈折率の透明性基板１２中に埋込むように配置しても、発光層１１から放射される光束の発散角をそのプリズムアレイ１４で縮小し、その発散角内の光をスラント構造体１０に入射させることで、外へ取出す光量をより多くすることができる。
【００１８】
次に、本発明の発光素子からの光取出し構造の数値例を示す。スラント構造体１０の利用効率は、ベクトル回折理論（非特許文献２）により厳密に求めることができる。以下の説明で、ピッチ／波長、デューティ比、スラントを示すピッチ方向のズレ量、スラント角、溝深さ／波長等のパラメータは図６に示した通りである。ここで、若干説明を加えると、波長λは使用波長であり、ピッチΛは高屈折率領域２（低屈折率領域３）の平板１の面に沿った方向の繰返しピッチであり、デューティ比ｗ／Λは高屈折率領域２の１ピッチ当たりの割合であり、スラント角αは前記のように高屈折率領域２及び低屈折率領域３の平板１の法線に対する角度であり、スラントを示すピッチ方向のズレ量ｓは高屈折率領域２又は低屈折率領域３の平板１の表面と裏面でのズレ量であり、溝深さｄは高屈折率領域２及び低屈折率領域３が設けられた平板１の厚さである。
【００１９】
図３（ｂ）のような４回の回転対称のスラント構造体１０であって、発光層１１からＴＥ偏光とＴＭ偏光が等しく、入射角０〜９０°、方位角０〜９０°（方位角は実際には０〜３６０°であるが、対称性を考慮して０〜９０°で計算を行った。）で等方的に放射されてスラント構造体１０に入射する場合、高屈折率領域２の屈折率が１．５、低屈折率領域３の屈折率１（空気）である実施例１〜８について、そのスラント構造体１０のパラメータと光取出し効率を以下に示す。なお、波長λは１に規格化した。
実施例１  実施例２  実施例３  実施例４
ピッチ／波長（ｘ方向、ｙ方向共）    1.8       1.6       1.8       1.6   
デューティ比（ｘ方向、ｙ方向共）    0.4       0.5       0.4       0.5   
スラントを示すピッチ方向のズレ量    2.0       2.0       1.0       2.5   
スラント角                         38.7 °   42.4 °   24.2 °   41.6 °
溝深さ／波長                          4.5       3.5       4.0       4.5   
光取出し効率                         29.5 ％   29.5 ％   29.0 ％   28.8 ％
実施例５  実施例６  実施例７  実施例８
ピッチ／波長（ｘ方向、ｙ方向共）    1.8       1.8       1.2       1.8   
デューティ比（ｘ方向、ｙ方向共）    0.6       0.3       0.3       0.4   
スラントを示すピッチ方向のズレ量    2.0       1.0       2.0       1.5   
スラント角                         35.8 °   35.8 °   34.4 °   42.0 °
溝深さ／波長                          5.0       2.5       3.5       3.0   
光取出し効率                         28.7 ％   28.7 ％   28.6 ％   28.5 ％  。
【００２０】
比較例として、屈折率が１．５でスラント構造のない平板のみの場合の光取出し効率は約２３％である。
【００２１】
以上の実施例１〜８の場合の利用効率の入射角及び方位角依存性をそれぞれ図７〜図１４に示す。なお、図７〜図１４には平板の場合の入射角依存性も示してある。
【００２２】
以上、本発明の発光素子からの光取出し構造を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に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の光取出し構造における基本構造であるスラント構造を示す断面図である。
【図２】スラント構造体を偶数回の回転対称に配置されたものとする場合の断面図である。
【図３】回転対称の回数とスラント構造の関係を示す平面図である。
【図４】本発明の光取出し構造の変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の別の光取出し構造の変形例を示す断面図である。
【図６】スラント構造体の諸パラメータを説明するための図である。
【図７】実施例１の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図８】実施例２の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図９】実施例３の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図１０】実施例４の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図１１】実施例５の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図１２】実施例６の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図１３】実施例７の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【図１４】実施例８の利用効率の入射角及び方位角依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…平板
２…高屈折率空間領域（高屈折率領域）
３…低屈折率空間領域（低屈折率領域）
１０…スラント構造体
１１…発光層
１２…透明性基板
１３…高屈折率層
１４…プリズムアレイ
【図１】
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【図２】
0005057076.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005057076.tif 000005
【図５】
0005057076.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005057076.tif 000008
【図８】
0005057076.tif 000009
【図９】
0005057076.tif 000010
【図１０】
0005057076.tif 000011
【図１１】
0005057076.tif 000012
【図１２】
0005057076.tif 000013
【図１３】
0005057076.tif 000014
【図１４】
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