CN102620235A - 光取出膜及应用其的发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光取出膜，包括一微透镜阵列薄膜以及至少一光学薄膜。微透镜阵列薄膜具有相对一第一表面与一第二表面，且具有多个微透镜设于第一表面上。光学薄膜覆盖于第一表面上，且光学薄膜包括多个光学粒子以及一膜层，其中光学粒子设于膜层中。本发明提升了发光元件的出光效率。

Description

光取出膜及应用其的发光元件
技术领域
本发明关于一种光取出膜及应用其的发光元件，尤指一种结合微透镜阵列薄膜与具有散射粒子的光学薄膜的光取出膜及应用其的发光元件。
背景技术
有机电激发光元件为自发光性(self emission)元件，且因具有轻薄、低消耗功率、反应时间短(fast response time)以及可挠曲的特性，而可广泛的应用于照明等领域。
请参考图1，图1为现有有机电激发光元件的剖面示意图。如图1所示，现有有机电激发光元件10包括一透明基板12、一透明电极层14、一有机发光层16以及一金属电极18。透明电极层14设于透明基板12上，且作为有机电激发光元件10的阳极。有机发光层16设于透明电极层14上。金属电极18设于有机发光层16上，以作为有机电激发光元件10的阴极，且在有机发光层16产生光线时金属电极18亦可作为反射层将光线朝透明基板12射出。
然而，从有机发光层16所产生的光线并非全部都能从透明基板12射出。一般而言，有机发光层16所产生的光线约有30％会在有机发光层16与金属电极18之间的介面形成表面电浆子共振而损失掉。另外，有机发光层16与透明电极层14的折射率较透明基板12为高，使有机发光层16与透明电极层14形成光波导模态，而将光线局限在有机发光层16与透明电极层14之间，造成30％的光线损失。此外，透明基板12的折射率较空气为高，形成基板模态，因此光线在通过透明基板12与空气之间的介面时亦容易被全反射，而有20％的光线损失。由此可知，一般有机发光层16所产生的光线仅约20％可被有效利用，因此若能将局限于元件中的光线撷取出于元件外，必能有效地提升有机电激发光元件的出光效率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光取出膜及应用其的发光元件，以提升发光元件的出光效率。
为达上述的目的，本发明提供一种光取出膜，包括一微透镜阵列薄膜以及至少一光学薄膜。微透镜阵列薄膜具有相对一第一表面与一第二表面，且具有多个微透镜设于第一表面上。光学薄膜覆盖于第一表面上，且光学薄膜包括多个光学粒子以及一膜层，光学粒子设于膜层中。
为达上述的目的，本发明提供一种发光元件，包括一光源、一微透镜阵列薄膜以及至少一光学薄膜。光源具有一发光面。微透镜阵列薄膜设于光源的发光面上，且具有相对一第一表面与一第二表面，并具有多个微透镜设于第一表面上，其中第二表面与发光面相接触。光学薄膜覆盖于第一表面上，且光学薄膜包括多个光学粒子以及一膜层，光学粒子设于膜层中。
本发明通过于光源的发光面设置光取出膜，且微透镜阵列薄膜设于光学薄膜与光源之间。当光线穿透光学薄膜，可先通过微透镜阵列薄膜萃取出局限于基板模态中的光线，然后再通过光学薄膜散射。藉此，本发明的发光元件所产生的光线可具有较佳的光线能量增益与较佳的光线色彩的稳定性，且在0度至90度的视角范围具有较均匀的光线分布。
附图说明
图1为现有有机电激发光元件的剖面示意图；
图2为本发明一第一较佳实施例的发光元件的剖面示意图；
图3为类型1的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线；
图4为类型2的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线；
图5为类型3的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线；
图6为类型4的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线；
图7为本发明一第二较佳实施例的光取出膜的剖面示意图；
图8为本发明一第三较佳实施例的光取出膜的剖面示意图；
图9为本发明一第四较佳实施例的光取出膜的剖面示意图；
图10为本发明一第五较佳实施例的光取出膜的剖面示意图；
图11为本发明一第六较佳实施例的光取出膜的剖面示意图。
其中，附图标记：
10    有机电激发光元件      12    透明基板
14    透明电极层            16    有机发光层
18    金属电极              100   发光元件
102   光源                  102a  发光面
104   光取出膜              106   透明基板
106a  入光面                108   第一电极层
110   有机发光层            112   第二电极层
114   微透镜阵列薄膜        114a  第一表面
114b  第二表面              116   光学薄膜
118   膜层                  120   光学粒子
130   光取出膜              132   光学粒子
132a  散射粒子              132b  荧光粒子
140   光取出膜              142   荧光粒子
150   光取出膜              152   光学薄膜
152a  膜层                  152b  光学粒子
160   光取出膜              162   散射粒子
164   荧光粒子              170   光取出膜
具体实施方式
为使熟习本发明所属技术领域的一般技艺者能更进一步了解本发明，下文特列举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。
请参考图2，图2为本发明一第一较佳实施例的发光元件的剖面示意图。如图2所示，发光元件100包括一光源102以及一光取出膜104。于本实施例中，光源102为一有机电激发光二极管，且包括一透明基板106、一第一电极层108、一有机发光层110以及一第二电极层112。其中，透明基板106具有一出光面以及一入光面106a，且第一电极层108、有机发光层110以及第二电极层112依序堆叠于透明基板106的入光面106a上。透明基板106的材料可为例如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、玻璃等透明材料，但不限于此，且透明基板106具有一第四折射率，例如：1.6。第一电极层108由一具有透明特性且高功函数(workfunction)的导电材料所构成，例如：氧化铟锡或氧化铟锌，而可作为有机电激发光二极管的阳极。第二电极层112可由一具有反射特性且低功函数的导电材料所构成，例如：钙、铝、银或镁，而可作为有机电激发光二极管的阴极。由上述可知，由有机发光层110所产生的光线可由透明基板106射出，使光源102具有一发光面102a，亦即透明基板106的出光面，且光取出膜104设于光源102的发光面102a上，并与光源102相接触。本发明的光源并不限为有机电激发光二极管，亦可为其他种类的光源，例如发光二极管。
此外，本实施例的光取出膜104包括一微透镜阵列薄膜114以及一光学薄膜116。微透镜阵列薄膜114设置于光源102的发光面102a上，且具有彼此相对的一第一表面114a与一第二表面114b。微透镜阵列薄膜114具有多个微透镜114c，设置于第一表面114a上，且微透镜阵列薄膜114的第二表面114b与光源102的发光面102a相接触。并且，各微透镜114c可为一半球面、一弧面或一椭圆面形状，藉此微透镜阵列薄膜114可用于将光线萃取出，并使光线进入光学薄膜116中，但本发明的各微透镜114c并不限于上述形状。微透镜阵列薄膜114具有一第一折射率，例如：1.5。为了避免从透明基板106进入微透镜阵列薄膜114的光线产生全反射，微透镜阵列薄膜114的第一折射率较佳大于或等于透明基板106的第四折射率，以提升光线的取出效率。微透镜阵列薄膜114的材料可由例如硅氧树脂(silicone)、二氧化硅(silica)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)等透明材料所构成，但不以此为限。
此外，光学薄膜116覆盖于微透镜阵列薄膜114的第一表面114a上，且包括一膜层118以及多个光学粒子120。膜层118具有一第二折射率，例如：1.48，小于第一折射率，并大于空气的折射率，且第二折射率较佳接近空气的折射率，以减少光线从光学薄膜116进入空气产生全反射的数量。膜层118的材料可由例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘酸乙酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺(PI)或硅基材料，例如硅氧树脂(polysinoxanes)所构成，但不限于此。并且，光学粒子120设置于膜层118中，并均匀散布于膜层118中，以用于散射穿透光学薄膜116的光线，进而均匀化从光学薄膜116射出的光线。值得注意的是，各光学粒子120具有纳米等级的大小，亦即具有一粒径，实质上介于200纳米与500纳米之间。藉此，在光线为可见光的情况下，若粒子的粒径远大于可见光波长时因光线容易在粒子间来回扩散而造成光线的能量在扩散时被吸收产生耗损，因此本实施例的光学粒子120的粒径与光线波长处于同等级大小可避免光线损耗，而有效地散射可见光光线。于本实施例中，各光学粒子120分别为一散射粒子，且具有一第三折射率，例如：2，大于膜层118的第二折射率，以有效散射光线。光学粒子120的材料可包括二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)或氧化铝等透明材料，但不限于此。值得一提的是，本实施例的光取出膜104先利用微透镜阵列薄膜114收集光源102所射出的光线，然后再通过光学薄膜116散射光线，使本实施例的发光元件100可产生高亮度且高均匀性的光线。
以下将进一步说明本实施例的发光元件的功效。请参阅表1，并请一并参考图3至图6，于表1中，类型1代表仅由光源所构成的发光元件；类型2代表由光源与设于光源的发光面的光学薄膜所构成的发光元件；类型3代表本实施例的由光源与光取出膜所构成的发光元件；以及类型4代表仅由光源与设于光源的发光面的微透镜阵列薄膜所构成的发光元件，而图3为表1中类型1的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线，图4为表1中类型2的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线，图5为表1中类型3的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线，且图6为表1中类型4的发光元件所产生的相对光线亮度与视角的关系曲线。其中，光线能量增益指经由积分球测量各类型的发光元件所产生的光线能量与类型1的发光元件所产生的光线能量的比值，比值愈大，光线能量增益愈佳。且视角为0度与60度的坐标距离指各类型的发光元件在视角为0度与60度的情况下所观看到的光线颜色在CIELUV色度空间中的坐标间的距离差值，差值愈小，表示色偏愈小，反之亦然。如表1与图3至图6所示，比较类型1以及类型2、类型3与类型4的发光元件所产生的光线，虽然类型2的光学薄膜可将光线散射，使类型2具有较佳的光线色彩的稳定性，且在0度至90度的视角范围下具有较均匀的光线分布，但类型2的光线能量增益小于代表本实施例发光元件的类型3以及类型4的光线能量增益。另外，虽然类型4的微透镜阵列薄膜可提高光线能量增益，使类型4具有较佳的光线能量增益，但类型4的光线颜色在不同视角下的色偏大于类型1，且在0度至90度的视角范围光线分布较不均匀。代表本实施例的发光元件的类型3利用包含有微透镜阵列薄膜与设于微透镜阵列薄膜上的光学薄膜的光取出膜来收集光源所射出的光线，并散射光线，使本实施例的发光元件相较于类型1可同时具有较佳的光线能量增益与较佳的光线色彩的稳定性，且在0度至90度的视角范围具有较均匀的光线分布。
表1
Figure BSA00000687089900061
本发明的光取出膜并不以上述实施例为限。下文将继续揭示本发明的其它实施例或变化形，然为了简化说明并突显各实施例或变化形之间的差异，下文中使用相同标号标注相同元件，并不再对重复部分作赘述。
请参考图7，图7为本发明一第二较佳实施例的光取出膜的剖面示意图。如图7所示，相较于第一实施例，本实施例的光取出膜130的光学粒子132包括多个散射粒子132a与多个荧光粒子132b，且散射粒子132a与荧光粒子132b设于膜层118中。更明确地说，本实施例的一部分的光学粒子132为荧光粒子132b，而其他部分的光学粒子132仍为散射粒子132a。其中，荧光粒子132b用于将光源所产生的光线颜色转换为具有不同颜色的光线，例如：荧光粒子132b由钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet，YAG)所构成时，可将光源所产生的光线转换为黄色光线，或者荧光粒子132b由氮化物所构成，可将光源所产生的光线转换为红色光线，但本发明的荧光粒子132b并不限为上述材料。
请参考图8，图8为本发明一第三较佳实施例的光取出膜的剖面示意图。如图8所示，相较于第一实施例，本实施例的光取出膜140的各光学粒子分别为一荧光粒子142，用于将光源所产生的光线颜色转换为具有不同颜色的光线，例如：荧光粒子142由钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet，YAG)所构成时，可将光源所产生的光线转换为黄色光线，或者荧光粒子142由氮化物所构成，可将光源所产生的光线转换为红色光线，但本发明的荧光粒子142并不限为上述材料。
请参考图9，图9为本发明一第四较佳实施例的光取出膜的剖面示意图。如图9所示，相较于第一实施例，本实施例的光取出膜150包括多层光学薄膜152，依序堆叠于微透镜阵列薄膜114的第一表面114a上，且各光学薄膜152分别具有一膜层152a与多个光学粒子152b。并且，光学薄膜152邻近微透镜阵列薄膜114的其中一者的膜层152a的折射率大于光学薄膜152远离微透镜阵列薄膜114的其中另一者的膜层152a的折射率，亦即光学薄膜152的膜层152a随着越接近微透镜阵列薄膜114而具有越高的折射率。于本实施例中，各光学薄膜152中的各光学粒子152b分别为散射粒子，但本发明不限于此。
请参考图10，图10为本发明一第五较佳实施例的光取出膜的剖面示意图。如图10所示，相较于第四实施例，本实施例的光取出膜160的光学薄膜152的其中一者的各光学粒子分别为一散射粒子162，且光学薄膜152的其中另一者的各光学粒子分别为一荧光粒子164。藉此，当光线穿透光学薄膜152时不仅可被具有散射粒子162的光学薄膜152散射，亦可通过具有荧光粒子164的光学薄膜152来转换光线的颜色。并且，由于荧光粒子164将光线转换为不同颜色的光线的能量转换效率并非100％，因此于本实施例中，光学粒子为散射粒子162的光学薄膜152较佳设于光学粒子为荧光粒子164的光学薄膜152与微透镜阵列薄膜114之间，亦即光学粒子为荧光粒子164的光学薄膜152位于最外侧，使从微透镜阵列薄膜114萃取出的光线可先经过散射粒子162的散射，然后再通过荧光粒子164转换光线的颜色，以呈现出较均匀的光线分布。
请参考图11，图11为本发明一第六较佳实施例的光取出膜的剖面示意图。如图11所示，相较于第五实施例，本实施例的光取出膜170的光学薄膜152的其中一者的各光学粒子分别为一散射粒子162，且光学薄膜152的其中另一者的光学粒子包括散射粒子162与荧光粒子164。并且，具有散射粒子162的光学薄膜152设于具有散射粒子162与荧光粒子164的光学薄膜152与微透镜阵列薄膜114之间，以呈现出较均匀的光线分布。
综上所述，本发明通过于光源的发光面设置光取出膜，且微透镜阵列薄膜设于光学薄膜与光源之间，当光线穿透光学薄膜，可先通过微透镜阵列薄膜萃取出局限于基板模态中的光线，然后再通过光学薄膜散射。藉此，本发明的发光元件所产生的光线可具有较佳的光线能量增益与较佳的光线色彩的稳定性，且在0度至90度的视角范围具有较均匀的光线分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (27)

1.一种光取出膜，其特征在于，包括：
一微透镜阵列薄膜，具有相对一第一表面与一第二表面，且具有多个微透镜设于该第一表面上；以及
至少一光学薄膜，覆盖于该第一表面上，且该光学薄膜包括多个光学粒子以及一膜层，所述光学粒子设于该膜层中。
2.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，所述光学粒子包括多个散射粒子与多个荧光粒子。
3.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，各该光学粒子分别为一散射粒子或一荧光粒子。
4.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，该微透镜阵列薄膜具有一第一折射率，该膜层具有一第二折射率，且该第二折射率小于该第一折射率并大于空气的折射率。
5.根据权利要求4所述的光取出膜，其特征在于，各该光学粒子具有一第三折射率，且该第三折射率大于该第二折射率。
6.根据权利要求5所述的光取出膜，其特征在于，各该光学粒子包括二氧化钛、氧化锆或氧化铝。
7.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，该膜层包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘酸乙酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺或硅基材料。
8.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，各该微透镜为一半球面、一弧面或一椭圆面形状。
9.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，该至少一光学薄膜为多层光学薄膜。
10.根据权利要求9所述的光取出膜，其特征在于，所述光学薄膜依序堆叠于该微透镜阵列薄膜上，且所述光学薄膜邻近该微透镜阵列薄膜的其中一者的该膜层的折射率大于所述光学薄膜远离该微透镜阵列薄膜的其中另一者的该膜层的折射率。
11.根据权利要求9所述的光取出膜，其特征在于，所述光学薄膜的其中一者的各该光学粒子分别为一散射粒子，且所述光学薄膜的其中另一者的各该光学粒子分别为一荧光粒子。
12.根据权利要求9所述的光取出膜，其特征在于，所述光学薄膜的其中一者的各该光学粒子分别为一散射粒子，且所述光学薄膜的其中另一者的所述光学粒子包括多个散射粒子与多个荧光粒子。
13.根据权利要求1所述的光取出膜，其特征在于，各该光学粒子具有一粒径，实质上介于200纳米与500纳米之间。
14.一种发光元件，其特征在于，包括：
一光源，具有一发光面；
一微透镜阵列薄膜，设于该光源的该发光面上，且具有相对一第一表面与一第二表面，且具有多个微透镜设于该第一表面之上，其中该第二表面与该发光面相接触；以及
至少一光学薄膜，覆盖于该第一表面上，且该光学薄膜包括多个光学粒子以及一膜层，所述光学粒子设于该膜层中。
15.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，所述光学粒子包括多个散射粒子与多个荧光粒子。
16.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，各该分别光学粒子为一散射粒子或一荧光粒子。
17.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，该微透镜阵列薄膜具有一第一折射率，该膜层具有一第二折射率，且该第二折射率小于该第一折射率并大于空气的折射率。
18.根据权利要求17所述的发光元件，其特征在于，各该光学粒子具有一第三折射率，且该第三折射率大于该第二折射率。
19.根据权利要求18所述的发光元件，其特征在于，各该光学粒子包括二氧化钛、氧化锆或氧化铝。
20.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，该光源为一发光二极管或一有机发光二极管。
21.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，该膜层包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘酸乙酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺或硅基材料。
22.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，各该微透镜为一半球面、一弧面或一椭圆面形状。
23.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，该至少一光学薄膜为多层光学薄膜。
24.根据权利要求23所述的发光元件，其特征在于，所述光学薄膜依序堆叠于该微透镜阵列薄膜上，且所述光学薄膜邻近该微透镜阵列薄膜的其中一者的该膜层的折射率大于所述光学薄膜远离该微透镜阵列薄膜的其中另一者的该膜层的折射率。
25.根据权利要求23所述的发光元件，其特征在于，所述光学薄膜的其中一者的各该光学粒子分别为一散射粒子，且所述光学薄膜的其中另一者的各该光学粒子分别为一荧光粒子。
26.根据权利要求23所述的发光元件，其特征在于，所述光学薄膜的其中一者的各该光学粒子分别为一散射粒子，且所述光学薄膜的其中另一者的所述光学粒子包括多个散射粒子与多个荧光粒子。
27.根据权利要求14所述的发光元件，其特征在于，各该光学粒子具有一粒径，实质上介于200纳米与500纳米之间。
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