CN102779946B - 有机el元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机EL元件，包含：包含透明电极、反射电极和发光层的有机EL层；被设置在透明电极的光出射侧的透明层；和被设置在透明层的光出射侧并具有带有倾斜部分的突起的形状的光提取结构。透明层和光提取结构具有比发光层大的折射率。在反射电极与倾斜部分之间所形成的两个倾角φ₁和φ₂最大处的、沿与反射电极垂直的面切取的截面中，光提取结构的倾斜部分满足用于将从发光层发射并入射到光提取结构上的导波光从光提取结构提取到有机EL元件的外部的条件1或条件2。

Description

有机EL元件

技术领域

本发明涉及有机电致发光（EL）元件，更特别地，涉及具有用于沿正面方向（front direction）提取导波光（guided wave light）的结构的有机EL元件。

背景技术

为了减少有机EL元件的功耗，必须增加有机EL元件的发光强度。已知的方法通过提取从有机EL元件的发光层发射的光之中的由于全内反射而在有机EL元件中俘获（trap）的光来增加有机EL元件的发光强度。

图10是相关技术的有机EL元件101的示意性截面图。将参照图10描述由于全内反射导致的光俘获。典型地，基板102由玻璃（具有约1.5的折射率）制成，透明电极106由氧化铟锡（ITO）或氧化铟锌（IZO^TM）（具有约1.9～2.1的折射率）制成，并且，有机EL层104内的发光层105由Alq₃等（具有约1.7～1.9的折射率）制成。基本上平行地层叠这些材料。当光从具有高的折射率的介质行进到具有低的折射率的介质时，根据Snell定律，在超过临界角的入射角处，出现全内反射。在有机EL元件101中，大致出现两种全内反射。

由于基板102具有比发光层105低的折射率，因此，在透明电极106和基板102之间的界面处出现第一全内反射。由于全内反射光在被基板102与透明电极106之间的界面和反射电极103与有机EL层104之间的界面反复地反射的同时变成沿基板102的表面传播的传播光111，因此，所述光在有机EL元件101中被俘获。由于该传播光111不被提取到有机EL元件101的外部区域110（空气），因此它降低有机EL元件101的发光强度。因此，为了增加发光强度，不应在发光层105和外部区域110之间设置具有比发光层105低的折射率的介质。

由于外部区域110（空气）具有比发光层105低的折射率，因此，在基板102与外部区域110之间的界面处出现第二全内反射。由于全内反射光在被基板102与外部区域110之间的界面和反射电极103与有机EL层104之间的界面反复地反射的同时变成传播光111′，因此，所述光被俘获在有机EL元件101中。为了使从有机EL元件101发射的光供人眼观察，所述光需要被提取到外部区域110。因此，不能如第一全内反射的情况那样替代使用具有高折射率的材料。因此，为了增加发光强度，必须通过改变有机EL元件101与外部区域110之间的界面的角度或通过使得光在所述界面处散射，防止有机EL元件101与外部区域110之间的界面满足全内反射条件。

Akiyoshi Mikami SID′09DIGEST P.90760.4L提出用于减少上述的两种全内反射的配置，其中，基板由具有比发光层高的折射率（2.0）的材料制成，使得在发光层和有机EL元件的外部区域之间不存在具有比发光层低的折射率的材料，并且，其中，在相对于外部区域的界面处，在基板上形成球面透镜。根据该报告，该配置提高将光提取到外部的效率。

日本专利公开No.2005-055481提出用于减少上述的第二全内反射的配置，其中，在相对于外部区域的界面处，在有机EL元件上设置作为具有倾斜部分的三维体的方锥形光提取结构。具有设置在有机EL元件的光出射侧的倾斜部分的光提取结构改变有机EL元件与外部区域之间的界面关于导波光的角度。日本专利公开No.2005-055481通过设定倾斜部分的角度使得不太可能出现全内反射而提高将光提取到外部的效率。

发明内容

通过在Akiyoshi Mikami SID′09DIGEST P.90760.4L中提出的对于表面光源即有机EL元件设置多个具有高的折射率的透镜的配置，可能提高将光提取到外部的效率和高角度侧的发光强度，而不太可能提高特别重要的沿正面方向的发光强度。这是由于，对于沿所有的方向发光而没有任何方向性的诸如有机EL元件的表面光源设置多个透镜使得不可能采取用于沿意图的方向聚焦光的光学设计。

另一方面，在相对于透镜充分地减小有机EL元件的发光区域的尺寸以使得所述有机EL元件用作点光源的配置中，可通过对于点光源采用最佳透镜设计来增加沿正面方向的发光强度。但是，发光区域的尺寸越小，则有机EL元件发光所需要的电流的密度越大，从而增加有机EL元件的发光强度的劣化速度。

并且，在日本专利公开No.2005-055481中所公开的具有倾斜部分的光提取结构由具有比发光层高的折射率的材料制成的配置中，如在Akiyoshi Mikami SID′09DIGEST P.90760.4L中那样，不总是增加沿正面方向的发光强度。即，仅将光提取结构的倾斜部分的角度设为最佳值不总是足以沿正面方向提取大量的传播光。

本发明通过提供用于沿正面方向提取大量的传播光的结构提供在不减小其发光区域的尺寸的情况下实现沿正面方向的发光强度的增加的有机EL元件。

本发明提供一种有机EL元件，该有机EL元件包含：包含透明电极、反射电极和设置在透明电极与反射电极之间的发光层的有机EL层；被设置在透明电极的光出射侧的透明层；和被设置在透明层的光出射侧并具有突起的形状的光提取结构，所述突起的形状具有从透明层侧起逐渐变窄的倾斜部分。透明层和光提取结构具有比发光层大的折射率。在反射电极与倾斜部分之间形成的两个倾角φ₁和φ₂最大处的、沿与反射电极垂直的面切取的截面中，光提取结构的倾斜部分被设计为满足用于将从发光层发射并入射到光提取结构上的导波光从光提取结构提取到有机EL元件的外部的条件1或条件2。在后面详细说明条件1和条件2。

本发明使得不管有机EL元件的发光区域的尺寸如何都能够沿正面方向提取大量的传播光。因此，可以增加有机EL元件的沿正面方向的发光强度。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是本发明的有机EL元件的示意性截面图。

图2A和图2B示出用于增加有机EL元件的沿正面方向的发光强度的机制。

图3A和图3B是例子1的有机EL元件的示意图。

图4A和图4B是例子2的有机EL元件的示意图。

图5A和图5B是例子3和例子4的有机EL元件的示意图。

图6A和图6B是根据比较例子1的有机EL元件的示意图。

图7A和图7B是例子5的有机EL元件的示意图。

图8A和图8B是例子6和例子7的有机EL元件的示意图。

图9是表示倾斜角与相对于比较例子2的正面发光强度比之间的关系的示图。

图10是相关技术的有机EL元件的示意性截面图。

具体实施方式

将参照附图描述本发明的有机EL元件的实施例。注意，没有在本公开中示出或描述的部分使用本领域已知的技术或公知的技术。本发明不限于以下描述的实施例。

图1是本发明的有机EL元件1的示意性截面图。有机EL元件1从透明层7的内表面侧起依次包含透明电极6、包含发光层5的有机EL层（有机化合物层）4、反射电极3，并且包含被设置在透明层7的外表面侧的光提取结构8。在本公开中，透明层7的发光层侧的表面被称为“透明层7的内表面”，并且，透明层7的与发光层相对的侧的表面（即，透明层7的光出射侧的表面）被称为“透明层7的外表面”。基板2由玻璃、塑料或硅等制成。基板2可被设置有诸如薄膜晶体管（TFT）的开关器件（未示出）。向着光出射侧反射从有机EL元件1发射的光的反射电极3被设置在基板2上。希望反射电极3由具有高反射率的金属或它们的合金制成；Al、Ag、Pt、Au、Cu、Pd、Ni等是特别合适的。反射电极3可以是在上述的金属或它们的合金的顶部层叠诸如ITO或IZO^TM的具有高功函的氧化物透明导电材料的分层体。

在反射电极3上形成至少包含发光层5的有机EL层4。除了发光层5以外，有机EL层4可包含空穴注入层、空穴传输层、电子阻挡层、空穴阻挡层、电子传输层、电子注入层等。这些层可由已知的有机EL材料制成。

在有机EL层4上形成具有比发光层5高的折射率的透明电极6。希望透明电极6由具有低的光吸收率和高的透射率的材料制成；诸如ITO或IZO^TM的氧化物透明导电材料是特别合适的。

在透明电极6形成具有比发光层5高的折射率的透明层7。希望透明层7由具有低的光吸收率和高的透射率的材料制成；诸如氮化硅（SiN）或氮化钛（TiN）的无机氮化物，诸如氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化锆（ZrO）、氧化铟锡（ITO）或氧化铟锌（IZO^TM）的无机氧化物，或诸如Alq₃或αNPD的有机材料是特别合适的。透明层7可由与透明电极6相同的材料制成，或者它可以是由具有比发光层5高的折射率的材料制成的分层体。透明层7还可用作保护层，或者它还可通过采用氧化物透明导电层而用作透明电极6。

在透明层7上形成具有比发光层5高的折射率的光提取结构8。希望光提取结构8由具有低的光吸收率和高的透射率的材料制成；诸如SiN或TiN的无机氮化物，诸如TiO₂、ZnO、Al₂O₃、ZrO、ITO或IZO^TM的无机氧化物，或诸如Alq₃或αNPD的有机材料是特别合适的。并且，光提取结构8可由与透明电极6或透明层7相同的材料制成。

光提取结构8包含不与反射电极3平行的倾斜部分9a和9b。换句话说，光提取结构8是突起的，并且具有从透明层侧起逐渐变窄的倾斜部分9a和9b。更具体地讲，希望光提取结构8在沿与反射电极3垂直的表面切取的截面中具有三角形形状。光提取结构8的数量可为一个或更多个。

希望光提取结构8的倾斜部分的外侧（即，有机EL元件1的外部区域10）由具有比光提取结构8低的折射率的材料制成；诸如空气或氮气的气体，诸如丙烯酸树脂或聚酰亚胺树脂的有机材料，或诸如氧化硅（SiO₂）的无机氧化物是特别合适的。

在图1中的有机EL元件中，光从透明层7的外表面和光提取结构8的倾斜部分9a和9b出射，并且，基板2、反射电极3、有机EL层4、发光层5、透明电极6和透明层7被平行层叠。

下面，将参照图2A和图2B，描述用于增加本发明的有机EL元件的沿正面方向的发光强度的两种机制。这些机制的特征在于，被光提取结构8与外部区域10之间的界面全内反射之后的有机EL元件1中的导波光11被反射电极3反射，并且沿正面方向被提取。这里的“正面方向”意指与反射电极3垂直并且从反射电极3向着光出射侧取向的方向。

图2A示出作为本发明的有机EL元件的第一正面发光强度（沿正面方向的发光强度）增加机制的“三反射模式”。在“三反射模式”中，有机EL元件1中的导波光11被光提取结构8与外部区域10之间的界面反射两次，并然后被反射电极3反射，由此沿有机EL元件1的正面方向被提取。图2A是沿与反射电极3垂直的表面切取的截面图，在该截面处，在反射电极3与光提取结构8的倾斜部分9a的延长线之间形成的倾角φ₁和在反射电极3与倾斜部分9b的延长线之间形成的倾角φ₂最大。在图2A中省略有机EL层的图示。

如图2A所示，在从发光层5发射的光中，由于发光层5的折射率n₁和外部区域10的折射率n₀而满足全内反射条件的光在被反射电极3和透明层7与外部区域10之间的界面重复地反射的同时在透明层7与反射电极3之间的层中被引导。在导波光11与反射电极3的法线之间形成的角度θ₁处于由式1-1表达的范围中。

式1-1

当导波光11入射到光提取结构8上时，根据Snell定律，通过使用发光层5的折射率n₁、角度θ₁和光提取结构8的折射率n₂，光提取结构8内在导波光11与反射电极3的法线之间形成的角度θ₂由式1-2表达。

n₁sinθ₁=n₂sinθ₂    式1-2

为了使得入射到光提取结构8上的光被倾斜部分9a全内反射，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀和倾角φ₁需要满足式1-3的条件。

$\sin ({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\φ}}_1)\≥\frac{n_0}{n_2}$ 式1-3

被倾斜部分9a全内反射的导波光11被引向倾斜部分9b。导波光11以相对于倾斜部分9b的法线的180°-θ₂-2φ₁-φ₂的角度入射到倾斜部分9b上。为了使得导波光11被倾斜部分9b与外部区域10之间的界面全内反射，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀以及倾角φ₁和φ₂需要满足式1-4的条件。

式1-4

被倾斜部分9b全内反射的导波光11被引向反射电极3。导波光11然后被反射电极3反射，并被引向倾斜部分9b。导波光11以相对于倾斜部分9b的法线的180°-θ₂-2φ₁-3φ₂的角度入射到倾斜部分9b上。虽然导波光11在光提取结构8与透明层7之间的界面处折射，但是，导波光11从光提取结构8射出，并且返回光提取结构8。因此，该折射不影响在被反射电极3反射之后入射到倾斜部分9b上的导波光11的角度。

为了使得导波光11穿过倾斜部分9b与外部区域10之间的界面进入外部区域10，需要防止导波光11在倾斜部分9b与外部区域10之间的界面处被全内反射。因此，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀和倾角φ₁和φ₂需要满足式1-5的条件。

式1-5

提取到外部区域10中的导波光11以相对于倾斜部分9b的法线的sin^-1((n₂/n₀)·sin(180°-θ₂-2φ₁-3φ₂))的角度行进。为了使得导波光11沿有机EL元件1的正面方向被提取，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀以及倾角φ₁和φ₂需要满足式1-6的条件。

式1-6

如所述的那样，在“三反射模式”中，可通过满足所有的式1-1～1-6沿有机EL元件1的正面方向提取导波光11，并且可增加沿正面方向的发光强度。以下，满足所有的式1-1～1-6被称为满足条件1。在本发明中，光提取结构8的折射率n₂以及倾角φ₁和φ₂被设计以满足条件1或以下规定的条件2。即，满足条件1和条件2中的至少一个。

并且，第一正面发光强度增加机制是在一个光提取结构8中而不是在多个光提取结构8中出现的现象。即，被倾斜部分9b和反射电极3全内反射的导波光11不从相邻的光提取结构8的倾斜部分9a和9b被提取到外部区域10中。换句话说，满足条件1意味着在仅一个光提取结构8中出现上述的机制。因此，在用于增加沿正面方向的发光强度的光学设计中，只需要确定一个光提取结构8的折射率n₂以及倾角φ₁和φ₂，因此，光学设计被简化。

图2B示出作为本发明的有机EL元件的第二正面发光强度增加机制的“二反射模式”。在“二反射模式”中，有机EL元件1中的导波光11被光提取结构8与外部区域10之间的界面反射一次，然后被反射电极3反射，由此沿有机EL元件1的正面方向被提取。图2B是沿与反射电极3垂直的表面切取的截面的图，在该截面处，在反射电极3与光提取结构8的倾斜部分9a的延长线之间形成的倾角φ₁和在反射电极3与倾斜部分9b的延长线之间形成的倾角φ₂最大。在图2B中省略有机EL层的图示。

如图2B所示，在从发光层5发射的光之中，由于发光层5的折射率n₁和外部区域10的折射率n₀而满足全内反射条件的光在被反射电极3和透明层7与外部区域10之间的界面重复地反射的同时在透明层7与反射电极3之间的层中被引导。在导波光11与反射电极3的法线之间形成的角度θ₃处于由式2-1表达的范围中。

式2-1

当导波光11入射到光提取结构8上时，根据Snell定律，通过使用发光层5的折射率n₁、光提取结构8的折射率n₂和角度θ₃，光提取结构8内的在导波光11与反射电极3的法线之间形成的角度θ₄由式2-2表达。

n₁sinθ₃=n₂sinθ₄    式2-2

导波光11以相对于倾斜部分9b的法线的角度θ₄-φ₂入射于倾斜部分9b上。为了使得导波光11被倾斜部分9a与外部区域10之间的界面全内反射，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀、角度θ₄和倾角φ₂需要满足式2-3的条件。

$\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\φ}}_2)\≥\frac{n_0}{n_2}$ 式2-3

被倾斜部分9b全内反射的导波光11被引向反射电极3。导波光11然后被反射电极3反射并被引向倾斜部分9b。导波光11以相对于倾斜部分9b的法线的角度θ₄-3φ₂入射到倾斜部分9b上。为了使得导波光11穿过倾斜部分9b与外部区域10之间的界面进入外部区域10中，需要防止导波光11在倾斜部分9b与外部区域10之间的界面处被全内反射。因此，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀、角度θ₄和倾角φ₂需要满足式2-4的条件。

$-\frac{n_0}{n_2}<\sin ({\mathrm{\&theta;}}_4-3{\mathrm{\&phi;}}_2)<\frac{n_0}{n_2}$ 式2-4

提取到外部区域10中的导波光11以相对于倾斜部分9b的法线的sin^-1((n₂/n₀)·sin(θ₄-3φ₂))的角度行进。为了使得导波光11沿有机EL元件1的正面方向被提取，光提取结构8的折射率n₂、外部区域10的折射率n₀、角度θ₄和倾角φ₂需要满足式2-5的条件。

${\sin }^{-1}\left(\frac{n_2}{n_0}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_4-3{\mathrm{\&phi;}}_2)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2=0$ 式2-5

如所述的那样，在“二反射模式”中，可通过满足所有的式2-1～2-5沿有机EL元件1的正面方向提取导波光11，并且可增加沿正面方向的发光强度。以下，满足所有的式2-1～2-5被称为满足条件2。在本发明中，光提取结构8的折射率n₂以及倾角φ₁和φ₂被设计以满足条件1或条件2。第二正面发光强度增加机制是在一个光提取结构8中而不是在多个光提取结构8中出现的现象。换句话说，满足条件2意味着在仅一个光提取结构8中出现上述的机制。因此，在用于增加沿正面方向的发光强度的光学设计中，只需要确定一个光提取结构8的折射率n₂以及倾角φ₁和φ₂，因此，光学设计被简化。

通过采用满足上述的用于增加正面发光强度的条件1或条件2的配置，可显著地增加本发明的有机EL元件的沿正面方向的发光强度。并且，本发明的有机EL元件被配置为在倾角φ1和φ2最大的截面处满足条件1或条件2。这是由于，光提取结构8不管其形状如何都具有倾角φ1和φ2最大的截面，并且，通过采用使得能够在该截面处沿正面方向提取导波光11的结构，可以沿正面方向提取大量的导波光11。发光层内的在导波光11与反射电极3之间形成的角度θ₁和θ₃可以相同或者不同。

当在发光区域中的透明层7的外表面侧（发光区域的光出射侧）设置光提取结构8的情况下，导波光11从倾斜部分9a的方向和倾斜部分9b的方向两者被引向光提取结构8。因此，通过使得倾角φ₁和φ₂相等，可以在倾斜部分9a和倾斜部分9b两者处沿正面方向提取导波光11。即，可以沿正面方向提取更大量的导波光11。因此，在光提取结构8至少被设置在发光区域中的透明层7的外表面侧的情况下以及在光提取结构8的倾角φ₁和φ₂相等的情况下，可进一步增加沿正面方向的发光强度。因此，如果光提取结构8位于发光区域之上，那么希望使得光提取结构8的倾角φ₁和φ₂相等。在光提取结构8的倾角φ₁和φ₂相等的情况下，根据发光层的折射率n₁和光提取结构的折射率n₂，希望倾角φ₁和φ₂处于表1所示的范围中。外部区域10的折射率为1.0。光提取结构8的优选的形状包含锥体（conic solid）、锥台（frustum）和棱（prism）。

在光提取结构8位于发光区域之上并且倾角φ₁和φ₂相等的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，希望倾角φ₁和φ₂处于22°～32°的范围中，并且更希望其处于25°～28°的范围中。并且，发光层5的折射率n₁处于1.7～1.9的范围中，并且，光提取结构8的折射率n₂处于1.7～2.0的范围中。

表1

发光层的折射率	光提取结构的折射率	倾斜部分9a、9b的倾角
			1.70	1.70	24°-32°
1.70	1.80	25°-28°
			1.80	1.80	24°-32°
1.80	1.90	25°-28°
			1.90	1.90	22°-32°
1.90	2.00	24°-28°

希望光提取结构8的折射率n₂以及倾角φ₁和φ₂被设计为满足条件2而不是条件1。以下将描述其原因。典型地，由于立体角随着从发光层的辐射角度增加而增加，因此，该辐射角度处的光强度增加。并且，满足条件2的辐射角度θ₁比满足条件1的辐射角度θ₁大。因此，与满足条件1相比，满足条件2使得能够沿正面方向提取更大量的光，并因此具有更大的增加沿正面方向的发光强度的效果。

在仅在发光区域外部的透明层7的外表面侧设置光提取结构8的情况下，可在发光区域中提取不在透明层7与外部区域10之间的界面处全内反射的光，并且，可在发光区域外部提取在发光区域内全内反射的导波光11。因此，由于可以沿正面方向提取导波光11，因此，该配置也可增加沿正面方向的发光强度。由于该配置使得能够仅在例如包含多个发光区域的显示器中的发光区域外部的透明层7的外表面侧设置光提取结构8，因此，可以减小上面形成光提取结构8的区域的尺寸。并且，由于光提取结构8不被设置在发光区域上，因此，沿正面方向从发光区域辐射的光当从有机EL元件1被发射时不太可能由于光提取结构8而沿正面方向以外的方向被发射，由此，可进一步增加沿正面方向的发光强度。

如果光提取结构8仅被设置在发光区域外部的透明层7的外表面侧，那么希望光提取结构8的倾角φ₁和φ₂不同。由于通过使得倾角φ₁和φ₂不同地来满足条件1和2，因此，沿正面方向的发光强度增加。倾角φ₁较接近发光区域，而倾角φ₂较远离发光区域。

在光提取结构8被设置在发光区域外部的透明层7的外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在发光区域中被全内反射的导波光11更可能入射到光提取结构8上。因此，可沿正面方向提取更大量的导波光11。因此，通过该配置，可进一步增加沿正面方向的发光强度。可能或者是一个光提取结构8以单层包围发光区域的外周，或者是，多个光提取结构8包围发光区域的外周。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外部的透明层7的外表面侧的情况下，或者，在光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，希望光提取结构8的倾角φ₁处于发光区域侧而倾角φ₂处于发光区域侧的相对侧。在光提取结构8的倾角φ₂被设为24°、26°、28°、30°和32°的情况下，根据发光层的折射率n₁和光提取结构的折射率n₂，希望倾角φ₁处于表2所示的范围中。外部区域10的折射率为1.0。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外部的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于24°～32°的范围中时，希望倾角φ₁处于11°～45°的范围中。并且，发光层5的折射率n₁处于1.7～1.9的范围中，并且，光提取结构8的折射率n₂处于1.7～2.1的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外部的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于24°～30°的范围中时，希望倾角φ₁处于16°～45°的范围中、更希望其处于32°～35°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外部的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于24°～28°的范围中时，希望倾角φ₁处于20°～45°的范围中、更希望其处于32°～38°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于24°～26°的范围中时，希望倾角φ₁处于25°～45°的范围中、更希望其处于32°～40°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于26°～32°的范围中时，希望倾角φ₁处于11°～42°的范围中、更希望其处于27°～33°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于26°～30°的范围中时，希望倾角φ₁处于16°～42°的范围中、更希望其处于27°～35°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于26°～28°的范围中时，希望倾角φ₁处于20°～42°的范围中、更希望其处于27°～38°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于28°～32°的范围中时，希望倾角φ₁处于11°～39°的范围中、更希望其处于23°～33°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于28°～30°的范围中时，希望倾角φ₁处于16°～39°的范围中、更希望其处于23°～35°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，在光提取结构8的折射率n₂大于或等于发光层5的折射率n₁（即，n₂≥n₁）的条件下，并且，当倾角φ₂处于30°～32°的范围中时，希望倾角φ₁处于11°～36°的范围中、更希望其处于18°～33°的范围中。

在光提取结构8仅被设置在发光区域外面的透明层7的外表面侧或者光提取结构8被设置在所述外表面侧以包围发光区域的外周的情况下，当倾角φ₂为24°时，希望倾角φ₁处于30°～45°的范围中、更希望其处于32°～43°的范围中。当倾角φ₂为26°时，希望倾角φ₁处于25°～42°的范围中、更希望其处于27°～40°的范围中。当倾角φ₂为28°时，希望倾角φ₁处于20°～39°的范围中、更希望其处于23°～38°的范围中。当倾角φ₂为30°时，希望倾角φ₁处于16°～36°的范围中、更希望其处于18°～35°的范围中。当倾角φ₂为32°时，希望倾角φ₁处于11°～34°的范围中、更希望其处于13°～33°的范围中。

表2

在本发明的有机EL元件中，希望透明层7的厚度与光提取结构8的高度的比为2.0或更小、更希望其为1.0或更小。这是由于，随着透明层7的厚度相对于光提取结构8的高度减小，导波光11更可能入射到光提取结构8上，从而使得能够沿正面方向提取更大量的导波光11。因此，为了增加沿正面方向的发光强度，希望透明层7相对于光提取结构8的高度具有更小的厚度。

本发明的有机EL元件可被用于诸如照明设备和曝光光源的发光装置中。具有本发明的有机EL元件的发光装置可被用于诸如打印机的图像形成装置中，并且，这种图像形成装置包括通过发光装置曝光的感光体。本发明的多个有机EL元件的阵列可被用于诸如电视机的图像形成装置的显示器和具有图像拾取器件的图像形成装置的显示器或取景器中。这种阵列也可被用于诸如便携式电话、智能电话和平板装置的便携式信息终端中。在本发明的有机EL元件被用于这些电子装置中的情况下，所述电子装置还具有与有机EL元件分开的用于控制有机EL元件的发光的控制电路。

例子

在本发明的有机EL元件上执行使用Monte Carlo方法的光线跟踪模拟，以评价沿正面方向的发光强度和将光提取到外部的效率。为了评价有机EL元件的发光强度，在离开有机EL元件30cm的位置处设置光检测器。

例子1

图3A和图3B是本例子的有机EL元件的示意图。图3A是从正面观察的有机EL元件的示意性平面图，图3B是沿包含图3A中的线段IIIB的面切取的有机EL元件的示意性截面图。

在本例子中，通过使用以下的模拟模型执行模拟。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件（即，条件1和条件2中的至少一个）。本例子的反射电极3、有机EL层4、发光层5、透明层7、光提取结构8和外部区域10的细节如下。

反射电极3具有95%的反射率；

有机EL层4具有0.1μm的厚度和1.85的折射率，并且没有吸收性；

发光层5具有1.85的折射率，并且没有吸收性。通过利用有机EL层4的厚度方向的中间部分作为发光层5，并且通过在发光层5周围设置绝缘层12，发光区域15的直径被设为27μm；

透明电极6具有0.1μm的厚度、2.00的折射率和1%/μm的吸收率；

透明层7具有0.9μm的厚度、1.95的折射率和1%/μm的吸收率；

光提取结构8各自具有带直脊16的棱形，在直脊16处，光提取结构8的高度最大，具有1.95的折射率和1%/μm的吸收率。倾角φ₁和φ₂最大的截面中基部的宽度为10.0μm。光提取结构8各自具有25°的倾角φ₁和25°的倾角φ₂；

外部区域10具有1.0的折射率。

例子2

图4A和图4B是本例子的有机EL元件的示意图。图4A是从正面观察的有机EL元件的示意性平面图，图4B是沿包含图4A中的线段IVB的面切取的有机EL元件的示意性截面图。

本例子的有机EL元件与例子1的不同在于，透明层7具有1.85的折射率，并且，光提取结构8具有其基部的一个边具有10μm的长度的方锥形状，并具有1.85的折射率。除了这些点以外，本例子的有机EL元件由与例子1相同的材料制成并具有与例子1相同的配置。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件。

例子3

图5A和图5B是本例子的有机EL元件的示意图。图5A是从正面观察的有机EL元件的示意性平面图，图5B是沿包含图5A中的线段VB的面切取的有机EL元件的示意性截面图。

本例子的有机EL元件与例子2的不同在于，光提取结构8具有其基部的半径为3.5μm的圆锥形状并且倾角φ₁和φ₂均为30°。除了这些点以外，本例子的有机EL元件由与例子2相同的材料制成并具有与例子2相同的配置。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件。

比较例子1

图6A和图6B是本比较例子的有机EL元件的示意图。图6A是从正面观察的有机EL元件的示意性平面图，图6B是沿包含图6A中的线段VIB的面切取的有机EL元件的示意性截面图。

本比较例子的有机EL元件与例子2的不同在于，作为光提取结构8的替代，在透明层7的外表面侧设置半球透镜13。除了这些点以外，本比较例子的有机EL元件由与例子2相同的材料制成并具有与例子2相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。本比较例子的透镜13的细节如下：

透镜13具有半径为3.5μm的半球形状，并具有1.85的折射率和1%/μm的吸收率。

比较例子2

本比较例子的有机EL元件与例子2的不同在于，不在透明层7的外表面侧设置光提取结构8。除了这点以外，本例子的有机EL元件由与例子2相同的材料制成并具有与例子2相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

例子4

本例子的有机EL元件与例子3的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为25°。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与例子3相同的材料制成并具有与例子3相同的配置。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件。

比较例子3

本比较例子的有机EL元件与例子3的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为20°。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与例子3相同的材料制成并具有与例子3相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子4

本比较例子的有机EL元件与例子3的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为35°。除了该点以外，本比较例子的有机EL元件由与例子3相同的材料制成并具有与例子3相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子5

本比较例子的有机EL元件与例子3的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为45°。除了该点以外，本比较例子的有机EL元件由与例子3相同的材料制成并具有与例子3相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子6

本比较例子的有机EL元件与例子3的不同在于，透明层7具有1.50的折射率，光提取结构8具有1.50的折射率并且倾角φ₁和φ₂均为20°。除了这些点以外，本例子的有机EL元件由与例子3相同的材料制成并具有与例子3相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子7

本比较例子的有机EL元件与比较例子6的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为25°。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与比较例子6相同的材料制成并具有与比较例子6相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子8

本比较例子的有机EL元件与比较例子6的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为30°。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与比较例子6相同的材料制成并具有与比较例子6相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子9

本比较例子的有机EL元件与比较例子6的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为35°。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与比较例子6相同的材料制成并具有与比较例子6相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子10

本比较例子的有机EL元件与比较例子6的不同在于，光提取结构8的倾角φ₁和φ₂均为45°。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与比较例子6相同的材料制成并具有与比较例子6相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

比较例子11

本比较例子的有机EL元件与比较例子6的不同在于，不在透明层7的外表面侧设置光提取结构8。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与比较例子6相同的材料制成并具有与比较例子6相同的配置。本比较例子的模拟模型不满足本发明的上述的条件。

例子5

图7A和图7B是本例子的有机EL元件的示意图。图7A是从正面观察的有机EL元件的示意性平面图，图7B是沿包含图7A中的线段VIIB的面切取的有机EL元件的示意性截面图。

本例子的有机EL元件在光提取结构8上与例子2不同。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与例子2相同的材料制成并具有与例子2相同的配置。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件。本例子的光提取结构8的细节如下：

光提取结构8各自具有半径为5.75μm的圆锥形状，并具有1.85的折射率、1%/μm的吸收率、30°的倾角φ₁和30°的倾角φ₂。如图7A和图7B所示，10个光提取结构8以圆形被设置在发光区域的外周，而不是发光区域的光出射侧。

例子6

图8A和图8B是本例子的有机EL元件的示意图。图8A是从正面观察的有机EL元件的示意性平面图，图8B是沿包含图8A中的线段VIIIB的面切取的有机EL元件的示意性截面图。

本例子的有机EL元件在光提取结构8上与例子2不同。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与例子2相同的材料制成并具有与例子2相同的配置。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件。本例子的光提取结构8的细节如下：

如图8A和图8B所示，光提取结构8具有包围发光区域的外周的环形形状，并且不被设置在发光区域的光出射侧。光提取结构8具有1.85的折射率和1%/μm的吸收率。光提取结构8具有光提取结构8的高度最大的脊部16，并且，脊部16的中心与发光区域的中心对准。光提取结构8的高度从脊部16向内周和外周逐渐减小。脊部16的内周部分构成倾角φ₁，并且，脊部16的外周部分构成倾角φ₂。倾角φ₁和φ₂最大的截面中基部的宽度为11.5μm。倾角φ₁为30°，并且，倾角φ₂为30°。

例子7

本例子的有机EL元件与例子6的不同在于，光提取结构8具有20°的倾角φ₁。除了该点以外，本例子的有机EL元件由与例子6相同的材料制成并具有与例子6相同的配置。本例子的模拟模型满足本发明的上述的条件。

模拟结果

表3表示例子1～7和比较例子1～11的模拟结果。表3表示正面发光强度和将光提取到外部的效率相对于不设置光提取结构8的比较例子2的比。将参照表3，执行模拟结果的比较和评价。

表3

例子1～3与比较例子1和2的模拟结果的比较与评价

在例子1中，正面发光强度显著增加为比较例子2的2.2倍。在例子1中，将光提取到外部的效率也显著增加为比较例子2的1.7倍。在例子2中，正面发光强度显著增加为比较例子的2.4倍。在例子3中，正面发光强度显著增加为比较例子2的2.0倍。

另一方面，在比较例子1中，虽然将光提取到外部的效率显著增加为比较例子2的2.2倍，但是，正面发光强度减小为比较例子2的0.9倍。因此，半球透镜不能增加正面发光强度。

因此，如例子1～3的情况那样，即使光提取结构8具有不同的形状，只要满足本发明的上述的条件，本发明的有机EL元件就可增加正面发光强度。

例子3和4与比较例子2～11的模拟结果的比较与评价

图9是表示表3中的例子3和4与比较例子2～11的模拟结果中的光提取结构8的倾角φ₁和φ₂与正面发光强度比之间的关系的示图。

在例子3和4以及比较例子2～5中，透明层7和光提取结构8具有1.85的折射率。在比较例子2中，由于不设置光提取结构8，因此，倾角φ₁和φ₂为0°。如图9所示，在例子3和4中，正面发光强度增加到比较例子2的至少2倍。如果光提取结构8具有1.85的折射率，则满足条件1或条件2的倾角φ₁和φ₂处于24°～32°的范围中。由于例子4和例子5中的倾角φ₁和φ₂分别为30°和25°，因此，本发明的有机EL元件可增加正面发光强度。另一方面，在比较例子3～5中，正面发光强度低，即，为比较例子2的1.1～1.3倍。因此，通过满足本发明的上述的条件，本发明的有机EL元件可急剧地增加正面发光强度。

在比较例子6～11中，透明层7和光提取结构8具有1.50的折射率。在比较例子11中，由于不设置光提取结构8，因此，倾角φ₁和φ₂为0°。虽然正面发光强度在倾角φ₁和φ₂为35°时最大，但是，如在比较例子9中那样，值仍是比较例子2的1.4倍，该值比例子3和4中的值低。这是因为，如上所述，由于透明层7具有比发光层5低的折射率，因此导波光11的一部分在透明电极6与透明层之间的界面处被全内反射。因此，入射于光提取结构8上的光减少，并且，在比较例子6～11中，正面发光强度低，即，为比较例子2中的0.9～1.4倍。如上所述，不仅光提取结构8的倾角φ₁和φ₂，而且本发明的有机EL元件的折射率需要满足条件1或条件2。

例子5～7和比较例子2的模拟结果的比较与评价

在例子5中，正面发光强度增加为比较例子2的1.6倍。如所示的那样，通过在发光区域的外周、不在发光区域中的透明层7的外表面侧设置光提取结构8，正面发光强度可增加。这是由于，本发明的有机EL元件的特征在于，导波光11沿正面方向被提取。在例子6中，正面发光强度显著增加为比较例子2的3.1倍。可以这样解释正面发光强度的这种显著的增加，即，光提取结构8被设置为包围发光区域的外周，这使得导波光11更可能入射到光提取结构8上，由此增加正面发光强度。在例子7中，正面发光强度更显著地增加到比较例子2的3.5倍。该结果表明，如果光提取结构8被设置在发光区域的外部，则倾角φ₁和φ₂不必具有相同的值。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种有机EL元件，包含：

有机EL层，所述有机EL层包含透明电极、反射电极和设置在所述透明电极与所述反射电极之间的发光层；

透明层，所述透明层被设置在所述透明电极的光出射侧；和

光提取结构，所述光提取结构被设置在所述透明层的光出射侧并具有突起的形状，所述突起的形状具有从所述透明层侧起逐渐变窄的倾斜部分，

其中，所述透明层和光提取结构具有比发光层大的折射率，并且，

其中，所述光提取结构的所述倾斜部分被设计为，在所述反射电极与所述倾斜部分之间所形成的两个倾角φ₁和φ₂最大处的、沿与所述反射电极垂直的面切取的截面中，满足用于将从所述发光层发射并入射到所述光提取结构上的导波光从所述光提取结构提取到所述有机EL元件的外部的条件1和条件2中的至少一个，其中，

条件1由

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，

$\sin ({\mathrm{\&theta;}}_2+{\mathrm{\&phi;}}_1)\&GreaterEqual;\frac{n_0}{n_2},$

和

给出，以及，

条件2由

n₁sinθ₃＝n₂sinθ₄，

$\sin ({\mathrm{\&theta;}}_4+{\mathrm{\&phi;}}_2)\&GreaterEqual;\frac{n_0}{n_2},$

$-\frac{n_0}{n_2}<\sin ({\mathrm{\&theta;}}_4-{3\mathrm{\&phi;}}_2)<\frac{n_0}{n_2}$ 和

${\sin }^{-1}\left(\frac{n_2}{n_0}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_4-{3\mathrm{\&phi;}}_2)\right)+{\mathrm{\&phi;}}_2=0$ 给出，

其中，n0表示所述有机EL元件的外部区域的折射率，n1表示所述发光层的折射率，n2表示所述光提取结构的折射率，θ1和θ3表示所述发光层内在导波光与所述反射电极的法线之间形成的角度，θ2和θ4表示所述光提取结构内在导波光与所述反射电极的法线之间形成的角度，并且

其中，在所述光提取结构位于发光区域的外部的情况下，倾角φ1较接近发光区域，倾角φ2较远离发光区域；以及，在所述光提取结构位于发光区域中的情况下，倾角φ1和倾角φ2相同。

2.根据权利要求1所述的有机EL元件，

其中，所述光提取结构仅被设置在发光区域的外部。

3.根据权利要求2所述的有机EL元件，其中，所述光提取结构被设置为包围所述发光区域的外周。

4.根据权利要求2所述的有机EL元件，其中，两个倾角φ₁和φ₂不同。

5.根据权利要求1所述的有机EL元件，

其中，所述光提取结构至少被设置在所述发光区域上，并且，两个倾角φ₁和φ₂相等。

6.根据权利要求5所述的有机EL元件，

其中，两个倾角φ₁和φ₂处于22°～32°的范围中。

7.根据权利要求5所述的有机EL元件，

其中，两个倾角φ₁和φ₂处于25°～28°的范围中。

8.根据权利要求4所述的有机EL元件，

其中，较远离所述发光区域的倾角φ₂处于24°～32°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于11°～45°的范围中。

9.根据权利要求4所述的有机EL元件，

其中，较远离所述发光区域的倾角φ₂处于24°～30°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于16°～45°的范围中。

10.根据权利要求4所述的有机EL元件，

其中，较远离所述发光区域的倾角φ₂处于24°～28°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于20°～45°的范围中。

11.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于24°～26°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于25°～45°的范围中。

12.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于26°～32°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于11°～42°的范围中。

13.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于26°～30°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于16°～42°的范围中。

14.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于26°～28°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于20°～42°的范围中。

15.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于28°～32°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于11°～39°的范围中。

16.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于28°～30°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于16°～39°的范围中。

17.根据权利要求4所述的有机EL元件，其中，

较远离所述发光区域的倾角φ₂处于30°～32°的范围中，并且，较接近所述发光区域的倾角φ₁处于11°～36°的范围中。

18.一种图像拾取装置，包括：根据权利要求1的有机EL元件，以及，图像拾取器件。

19.一种显示装置，包括：多个根据权利要求1所述的有机EL元件。

20.一种图像形成装置，包括：根据权利要求1所述的有机EL元件，以及，通过所述有机EL元件曝光的感光体。