(57)【要約】【課題】発光層からの光取り出し効率を改善し、さらに正面輝度が高く、解像度の高い自発光型表示装置を提供する。【解決手段】基板１の上に陽極２、発光層３、陰極４からなる発光素子が積層され、発光素子は封止膜５によって封止される。さらに封止膜５の光射出面側には光取り出し層７が封止膜と一体化されており、光取り出し層７の光入射面側には発光素子の位置と１対１に対応して凸部が形成される。さらに、凸部と凸部の間６には光取り出し層の屈折率よりも低い屈折率材料が充填される。これにより、従来では各層の表面で全反射されて外に取り出すことのできなかった斜め方向へ進行する光が、光取り出し層の凸部で全反射されて上方へ向けられるため、外部へと光を取り出すことができる。また、凸部が存在することで隣接する画素からの光が混ざりにくくなるため、従来の表示装置と比べて解像度を向上できる。【選択図】図１
2009110873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された自発光型素子と、
前記自発光型素子の発光面側に対向配置された光取り出し層と、
前記基板と光取り出し層との間に充填され、前記自発光型素子を包囲して基板と光取り出し層を一体化する透明の封止膜とを有し、
前記光取り出し層は、前記自発光型素子との対向面に凸部を有するとともに、隣接する凸部と凸部の間に凹部を有し、前記凹部に前記光取り出し層の屈折率よりも低い屈折率の材料によって充填された低屈折材料層を有する、
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記基板上に複数の自発光型素子が配置され、前記光取り出し層の凸部が複数の自発光型素子と一対一に対応して設けられていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記光取り出し層の凸部及び凹部の側壁が平面状の傾斜面によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項４】
前記光取り出し層の凸部及び凹部の側壁が一部曲面を含む傾斜面によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項５】
前記光取り出し層の低屈折材料層が空気層であることを特徴とする請求項１または２記載の表示装置。
【請求項６】
前記光取り出し層の前記自発光型素子との反対面にレンズ部を有することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項７】
前記自発光型素子は有機ＥＬ素子であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項８】
前記自発光型素子は前記基板上面に設けられた陽極と、前記陽極上に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられた陰極とを有する積層体であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子等の発光素子とそれを用いた表示装置に関するものであり、発光素子の取り出し効率向上のための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、有機ＥＬ素子は、自発光型の素子であるため視認性が高く、薄型化が可能なため、フラットパネルディスプレイへの応用が期待されている。有機材料を用いたＥＬに関する研究は古く、様々な研究がなされてきたが、当初は発光効率の悪さから中々実用化には至らなかった。
しかし、１９８７年にコダック社のC.W.Tang 等により、正孔輸送層と発光層の２層に分けた機能分離型有機ＥＬ素子が提案され、従来と比べて非常に高い発光効率を得ることが可能になった。それ以降、有機ＥＬ素子の研究が非常に盛んになり、特に有機ＥＬ素子は数Ｖ程度の低い電圧で高輝度の面発光が可能で、かつ蛍光物質を選択することで任意の色調の発光を行えることから、フラットパネルディスプレイや液晶表示バックライト、照明用光源として実用化を目指した開発が精力的になされている。
【０００３】
一般的な有機ＥＬ素子の構造は、例えば図４に示すように、ガラス基板１００に透光性ＩＴＯ膜１１０をスパッタなどによって形成し、このＩＴＯ膜１１０の表面に感光性レジストを塗布して露光・現像後、塩酸などのエッチング液でＩＴＯ膜をストライプ状にエッチングして透明電極パターンを形成する。そして、その表面にトリフェニルアミン系材料（ＴＰＤ）からなる正孔輸送層１２０を設け、その上にＡｌｑ３等のアルミニウム錯体からなる電子輸送層１４０を兼ねる発光層１３０を積層して有機層を形成する。さらにＡｌ、Ｌｉ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｉｎや、これらの合金からなる陰極１５０を上記透明電極パターンと直交させた向きにストライプ状に真空蒸着等の方法で形成した構造となる。
【０００４】
ここで、透明電極１１０と背面電極１５０に電圧を印加すると、両者の電極の交点において、正孔輸送層１２０から正孔が背面電極１５０方向に、電子輸送層１４０の電子が透明電極１１０方向に移動し、両層の境界付近で電子と正孔が結合して発光する。放射された光は全方位へ進行し、透明電極１１０側へ進行した光はそのまま透過してガラス基板１００から外部へ放出される。背面電極１５０側へ進行した光は電極１５０により反射した後、透明電極１１０側へ進行し、外部へ放出される。
【特許文献１】特開昭６４−７６３５号公報
【特許文献２】特開平６−３２３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなガラス基板１００を透過させて外部へ取り出す一般的な有機ＥＬの構造を用いた場合、エネルギー変換効率が非常に低いため、これを改善することが大きな課題となっている。有機ＥＬの発光効率は、蛍光体の発光効率が約２５％であり、蛍光体から放出された光のうち有機ＥＬ素子の外部へと取り出される割合である光取り出し効率が約２０％である。これらを合わせると有機ＥＬ素子のエネルギー変換効率は５％程度に過ぎない。
【０００６】
特に、従来の有機ＥＬの構造では、例えば図５に示すように、蛍光体から放出された光は、有機層１４０〜１２０、透明電極１１０、ガラス基板１００の屈折率差があるために起こる全反射効果によって光が閉じ込められるため、素子外部へと光を効率的に取り出すことができない。例えば、有機層１４０〜１２０の屈折率をＮ＝１．７、透明電極１１０の屈折率をＮ＝２．０、ガラス基板１００の屈折率をＮ＝１．５とすると、有機層１４０〜１２０から透明電極１１０へ透過する光は全発光光線の約４７％となり、透明電極１１０からガラス基板１００へ透過する光線は３４％、ガラス基板１００から大気層へ取り出される光線は１９％となり、８０％近い光線は界面での全反射により無駄に失われてしまうことになる（技術情報協会「有機ＥＬディスプレイにおける高輝度・高効率・超寿命化技術」Ｐ１０６）。このように、従来の有機ＥＬ素子の構成は、光の取り出し効率が低く発光層からの光を有効利用できていないという問題点を有する。
【０００７】
そこで従来は、このような光取り出し効率を改善するために様々な手法が提案されている。例えば、発光層を反射電極で挟み、発光層内部を導波した光を端面から取り出し、基板上に設置したマイクロミラーにより正面方向へ反射させることで光取り出し効率の改善が試みられている。
しかしこの方法は、発光素子のサイズが大きい場合は有効であるが、ドットマトリクスディスプレイのように発光素子が微細化すると、各素子に対応したマイクロミラーを形成することが非常に困難になる。
【０００８】
また、例えばガラス基板にメサ型の凹凸を形成し、凹凸頂部に有機ＥＬ素子を形成することで、基板内の導波モードを抑制する方法も提案されている。
しかしこの場合、基板の加工が困難であるという問題点がある。
【０００９】
また、別の方法としては、マイクロレンズをガラス基板表面に形成する方法が提案されている。この方法を用いれば、本来であればガラス基板表面で全反射されていた臨界角以上の光を、レンズの屈折効果により外部へ取り出すことができるため、光取り出し効率は向上する。
しかし、この場合、基板の法線方向から大きく傾いた光線がレンズに入射すると、レンズの集光効果が働かず、側面方向へ光が無駄に失われてしまうため正面輝度が十分に高められない。また、隣接する画素からの光が同じレンズに入射して混色することにより画面の解像度が低下する要因となる。
【００１０】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、取り出し効率が高く、さらに正面輝度と解像度が高い有機ＥＬ発光素子を実現できる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明の表示装置は、基板と、前記基板上に形成された自発光型素子と、前記自発光型素子の発光面側に対向配置された光取り出し層と、前記基板と光取り出し層との間に充填され、前記自発光型素子を包囲して基板と光取り出し層を一体化する透明の封止膜とを有し、前記光取り出し層は、前記自発光型素子との対向面に凸部を有するとともに、隣接する凸部と凸部の間に凹部を有し、前記凹部に前記光取り出し層の屈折率よりも低い屈折率の材料によって充填された低屈折材料層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の表示装置によれば、自発光型素子の発光面と対向配置された光取り出し層の光入射面に、自発光型素子の位置に対応して凸部を形成するとともに、隣接する凸部と凸部の間の凹部に光取り出し層の屈折率よりも低い屈折率の低屈折材料層を充填したことから、発光素子から放出された斜め方向の光を光取り出し層の傾斜面によって正面方向へ屈折させることができ、画面の正面輝度の向上や取出し効率の向上を図ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１〜図３は本発明の実施の形態による表示装置の積層構造を示す断面図であり、図１は光取り出し層の光射出面側が平面の場合（第１の例）を示し、図２は光取り出し層の光入射面側の凸部傾斜面が一部曲面を含む場合（第２の例）を示している。また、図３は光取り出し層の光射出面側に凸部が設けられている場合（第３の例）を示している。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態による第１の例の表示装置は、基板１の表面に陽極２、発光層３、陰極４からなる自発光型素子が形成されており、これらの素子は透明媒質からなる封止膜５により封止されている。
そして、封止膜５の観察者側には光取り出し層７が設けられ、この光取り出し層７と基板１は封止膜５を介して一体化されている。
さらに、光取り出し層７の発光素子側には発光素子の位置に対応して凸部７ａが形成されており、さらに凸部７ａと凸部７ａの間６には光取出し層７よりも低い屈折率を持つ材料（低屈折材料層）により充填されている。
【００１５】
このような表示装置において、基板１上の自発光型素子から放射された光は全方位へ進行するが、このうち、従来では大気層との界面で全反射して外に取り出すことのできなかった斜め方向へ進行する光線Ｌ２が、光取り出し層７の凸部７ａの傾斜面で全反射されるため、外部へ光を取り出すことが可能になる。
なお、凸形状としては、素子からの光を効果的に正面方向へ反射させるために、光射出面側に開く形で傾斜がついていることが望ましい。例えば素子の位置に円錐、三角錐、四角錐などの角錐、円錐台もしくは角錐台形状、または素子の側に凸の曲面形状を付与することにより、素子から放出した斜め方向の光を傾斜面で全反射させて効果的に外部へ取り出すことができる。或いは光取り出し層７の光入射面側にＶ字型の溝（凹部）を形成することでも同様の効果を得ることができる。
また、隣接する画素からの光線は、凸部７ａの傾斜面によって遮られているため混色がおこりにくく、本例の構成を用いることで解像度の良いディスプレイを提供することができる。
【００１６】
また、図２に示す本実施の形態による第２の例の表示装置は、図１に示した凸部７ａの傾斜面を曲面にしたものである。
【００１７】
さらに、図３に示すように、本実施の形態による第３の例の表示装置は、光取り出し層７の光射出面側に、発光素子の位置に対応して凸部８が形成されている。この凸部８を形成することで、発光素子から放出された斜め方向の光を正面方向へ屈折させることができ、画面の正面輝度を上げることができる。凸部形状としては、マイクロレンズ、レンチキュラーレンズ、フレネルレンズのようなレンズ構造や、三角錐台、四角錐台のような角錐台構造、三角錐や四角錐のような角錐、円錐のような錐体が挙げられる。
【００１８】
なお、図１に示す第１の例において、光取り出し層７の光入射面側の凸部７ａと凸部７ａの間が空気層により充填されていてもよい。低屈折率層を空気層とすることで界面の臨界角が小さくなるため、発光素子からの光をより効率的に全反射させることができる。
【００１９】
以下、本実施の形態の詳細な構成及び作用について具体的に説明する。
まず、図１において、基板１上の発光素子から放出される光は、拡散光として全方位へ進行する。その場合、基板の法線方向からあまり傾いていない角度に進行する光線Ｌ１は、光取り出し層７に入射後そのまま光射出面へ到達し、外部へ放出される。また、基板１の法線方向からある傾斜角以上傾いた光Ｌ２は、光取り出し層７の凸部７ａの傾斜面７ｂで全反射した後、光取り出し層７の光射出面７ｃに到達し、界面で屈折して外部へ放出される。
ここで、傾斜面７ｂの形状は図１（第１の例）に示すような平面状のものでも良いし、図２（第２の例）に示すように、曲面が一部含まれる形状であっても良い。傾斜面７ｂが平面の場合、傾斜面に対する入射角が臨界角に達しない一部の光線が低屈折率材料層へ透過してしまうが、傾斜面７ｂを曲面とすることで傾斜面に対する入射角が臨界角を超えるので、発光素子からの光を効率よく反射させることができる。
【００２０】
図３（第３の例）は、光取り出し層７の観察者側に発光素子の位置に対応してレンズ構造（凸部８）が設けられている場合を示す。発光素子から放出された光のうち、基板１の法線方向或いは法線方向近傍へ進行する光Ｌ４は、凸部７の傾斜面７ａで反射されることなくレンズ（凸部８）内部へ入射し、屈折して外部へと取り出される。基板１の法線方向からある傾斜角以上傾いた光Ｌ５は、凸部７の傾斜面７ａで全反射を受けた後、レンズ（凸部８）内部へ入射し、レンズ表面で屈折して外部へ取り出される。
【００２１】
ただし、レンズ（凸部８）の裾付近に入射する一部の光線Ｌ６は、レンズ表面で全反射を受けて基板１側に戻されるが、この場合、発光素子の電極に高反射性材料を用いることで再び利用することが可能である。もしくは、発光素子の径よりもレンズの径を大きく設計することで、レンズ面に対する光線の入射角が小さくなるため、レンズ内部での全反射を抑制することが可能である。
【００２２】
一般的な有機ＥＬの場合、発光層から基板を通して光を外部へ取り出すため、基板には光透過性のガラス基板や、或いは高平滑処理をしたプラスチック板、フィルムなどが用いられる。しかし、本実施の形態においては、基板とは反対側に光を取り出す構造となるため、基板にはこれらのような光透過性材料に限らず、金属板のような不透明材料を用いることも可能である。
【００２３】
また、陽極には、一般的にはＩＴＯのような透明電極が用いられるが、本実施の形態では陰極側へ光を放出するため、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｇなどの金属や、これらの合金からなる反射電極を用いる方が適している。
また、陰極には一般的には反射性電極を用いるが、本実施の形態では陰極側に光を放射する構成のため、ＩＴＯや、光透過率の高い薄い金属箔などの光透過性電極を用いる。
【００２４】
また、封止膜５は、発光層が外気中に含まれる水分により発光特性が劣化するのを防止するとともに、光取り出し層と基板を一体化するための接着層としての役割を果たす。
この封止膜材料としては、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂などからなる熱硬化性樹脂、もしくは光硬化性樹脂により構成されている。発光素子は熱に弱いため、熱硬化性樹脂は、できるだけＴｇの低い温度で硬化する樹脂を選定する必要がある。また、発光素子は紫外線によるダメージを受け易いため、光硬化性樹脂を用いる場合はＵＶ光を用いるよりは、可視光で硬化するものを用いるのが望ましい。
【００２５】
また、光取り出し層７はＥＬ素子とは別に作製され、その後、ＥＬ素子と光取り出し層を貼り合わせて一体化する構成をとる。
【００２６】
また、光取り出し層７の光入射面側に形成された凹凸と、光射出面側に作製された凹凸は、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）等を用いて、熱可塑性樹脂を用いたプレス成形または押し出し成形によって両面成形されたモノリシックな成形体より形成できる。あるいは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥ（ポリエチレン）等を基材として、その上に紫外線固化樹脂を配置する紫外線キュアリング成型法によって両面形成しても良い。
【００２７】
その他の方法として、マイクロレンズ形状を付与する場合、紫外線硬化樹脂を所定の位置にインクジェット法により滴下して、表面張力によりレンズ形状となった樹脂に対してＵＶ光を照射、硬化させることでマイクロレンズを作成することができる。もしくは、フォトリソグラフィー法により円柱形状レジストパターンを基材上に作成し、基材を過熱してレジストを溶融させることで、表面張力によりレンズ形状を得ることができる。もしくは、フォトマスクを用いてレジストの露光とエッチングを繰り返すことでもマイクロレンズを作成することができる。
【００２８】
あるいは、光入射面側の凹凸と、光射出面側の凹凸を前記方法により別々に作製した樹脂板もしくはフィルムを粘着剤もしくは接着剤により貼り合わせて一体化して作製する方法も可能である。
【００２９】
また、光取り出し層の光入射面側の凸部と凸部の間に低屈折率材料層を設ける方法としては、光取り出し層の光入射面側の凹凸を覆うように低屈折率の光硬化性材料をロールコート、バーコート、カーテンコートなどの方法でコーティングした後、凸部表面に残った樹脂をドクターブレードによって除去する方法を用いる。あるいは、低屈折率材料からなる粘着材を透明基材に塗布し、粘着材が凸部と凸部の間隙を埋没させるように透明基材と光取り出し層を圧着し、その後透明基材と封止膜を貼り合わせて一体化する方法などがある。
また、低屈折率材料層を空気層とする場合は、封止膜の厚みを凸部の厚みよりも薄く設定することで、光取り出し層を貼りあわせる際に凸部と凸部の間隙が封止膜によって埋没されないようにして一体化を行うことにより達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態による表示装置の積層構造を示す断面図であり、光取り出し層の光射出面側が平面の場合（第１の例）を示している。
【図２】本発明の実施の形態による表示装置の積層構造を示す断面図であり、光取り出し層の光入射面側の凸部傾斜面が一部曲面を含む場合（第２の例）を示している。
【図３】本発明の実施の形態による表示装置の積層構造を示す断面図であり、光取り出し層の光射出面側に凸部が設けられている場合（第３の例）を示している。
【図４】一般的な従来の有機ＥＬ素子の積層構造を示す断面図である。
【図５】図４に示す積層構造において、発光層からの光が素子の各層で全反射を受けることを説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１……基板、２……陽極、３……発光層、４……陰極、５……封止膜、７……光取り出し層。
【図１】
2009110873.tif 000003
【図２】
2009110873.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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