CN105027671B - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

发光装置具备发光元件(110)和使从上述发光元件(110)产生的光透射的光取出片(120)。发光元件(110)具有：具有光透射性的第1电极(13)、第2电极(11)、和设在第1及第2电极之间的发光层(12)。光取出片(120)具有：透光性基板(14)，具有第1主面及第2主面；第1光取出构造(15)，设在透光性基板(14)的上述第1主面侧；第2光取出构造(16)，设在透光性基板(14)的上述第2主面侧。第1光取出构造(15)具有折射率比透光性基板(14)低的低折射率层(15a)及折射率比低折射率层(15a)高的高折射率层(15b)，高折射率层(15b)及低折射率层(15a)的界面具有凹凸形状。第2光取出构造(16)构成为，使得透射过透光性基板并以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及发光装置。
背景技术
作为有机电致发光元件(以下，称作“有机EL元件”)，已知在形成于透明基板的表面的透明电极(阳极)上依次层叠空穴输送层、有机发光层、电子输送层、阴极而得到的元件。通过在阳极与阴极之间施加电压，从有机发光层产生光。产生的光透过透明电极及透明基板被取出到外部。
有机EL元件具有以下等特征：是自发光型的元件，具有比较高效的发光特性，能够以各种色调发光。因此，被期待灵活运用于显示装置(例如平板显示器)的发光体、或光源(例如液晶显示装置用的背灯或照明)，并且一部分已经被实用化。为了在这些用途中应用有机EL元件，希望具有更高效率、长寿命、高亮度的良好特性的有机EL元件的开发。
支配有机EL元件的效率的因素主要是电―光变换效率、驱动电压、光取出效率这3个。
关于电―光变换效率，由于最近的所谓磷光材料的出现，报告了外量子效率超过20％的情况。该值如果换算为内量子效率，则可以认为大致相当于100％。即，可以说在实验上确认到电―光变换效率大致达到极限值的例子。
关于驱动电压，能够得到在增加与能隙相当的电压的10％～20％左右的电压下进行比较高的亮度的发光的元件。换言之，通过驱动电压的降低来提高有机EL元件的效率的余地不怎么大。
因而，不怎么能够期待通过电―光变换效率及驱动电压这两个因素的改善来提高有机EL元件的效率。
另一方面，有机EL元件的光取出效率根据发光图案及内部的层构造而稍稍变动，但一般是20％～30％左右，改善的余地较大。作为光取出效率这样变低的理由可以举出，构成产生光的部位及其周边部的材料具有高折射率性及光吸收性等特性。因此会发生以下问题：发生在折射率不同的界面处的全反射及材料对光的吸收，光不能有效地向观测发光的外界传播。结果，在有机EL元件中，无法灵活利用的光占整个发光量的70％～80％。因此，非常大地期待通过光取出效率的提高来提高有机EL元件的效率。
基于这样的背景，以前进行了许多用来提高光取出效率的尝试。例如，专利文献1公开了一种为了抑制界面处的全反射而设有衍射光栅的有机EL元件。专利文献2公开了一种在透明基板的表面设有微透镜阵列的有机EL元件。专利文献3公开了一种设有光学片的有机EL元件，该光学片具有在粘接剂中分散着微珠(beads)的光学层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特许第2991183号说明书
专利文献2：特开2004―241130号公报
专利文献3：特开2003―100444号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述的现有技术中，将光的取出效率提高的效果是有限的，要求进一步的效率的提高。该课题并不限于上述的有机EL元件，关于无机EL元件或采用通常的发光二极管等的其他种类的发光装置也同样适用。
本申请的非限定性的例示性的一个实施方式，提供一种能够提高光的取出效率的发光装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，作为本发明的一技术方案的光取出片具备：透光性基板，具有第1主面及第2主面；第1光取出构造，设在上述透光性基板的上述第1主面侧，具有折射率比上述透光性基板低的低折射率层以及折射率比上述低折射率层高的高折射率层，上述低折射率层形成在上述透光性基板及上述高折射率层之间，上述高折射率层及上述低折射率层的界面具有凹凸形状；第2光取出构造，设在上述透光性基板的上述第2主面侧，构成为使得透射过上述透光性基板并以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。
上述一般性且特定的形态能够利用系统、方法及计算机程序来实现，或者能够利用系统、方法及计算机程序的组合来实现。
发明效果
根据本发明的一技术方案的发光装置，能够提高光的取出效率。
附图说明
图1是表示例示性的实施方式的有机EL元件的剖面图。
图2A是表示凹凸构造的一例的平面图。
图2B是表示凹凸构造的一例的剖面图。
图3A是示意地表示微透镜阵列的例子的图。
图3B是示意地表示光扩散层的例子的图。
图4是表示光透射率的测量方法的图。
图5A是表示微透镜阵列的排列例的平面图。
图5B是图5A的A―A’线剖面图。
图6A是表示作为外部光取出层而使用微透镜阵列的情况下的透射率的入射角度依存性的图。
图6B是表示作为外部光取出层而使用光扩散层的情况下的透射率的入射角度依存性的图。
图6C是表示作为外部光取出层而使用光扩散层的情况下的透射率的入射角度依存性的图。
图7是表示测量光以怎样的角度分布向外部光取出层入射的方法的图。
图8A是表示试制出的一些元件的每单位面积的光强度的入射角度依存性的曲线图。
图8B是用来说明试制出的元件的结构的图。
图9是表示试制出的元件的凹凸构造的图。
图10是用来说明斯涅尔法则的图。
图11是表示改变了低折射率层的折射率时的光强度的入射角度依存性的图。
图12是表示在使用微透镜阵列的情况和使用扩散层的情况中、光取出效率的低折射率层的折射率依存性怎样地不同的实验结果。
图13是在光取出效率的计算中表示来自发光层的光的角度分布的图。
图14是表示在使用微透镜阵列的情况和使用扩散层的情况中、光取出效率的低折射率层的折射率依存性怎样地不同的计算结果。
图15是表示光取出效率对于高折射率层的折射率的依存性的曲线图。
图16是表示入射角度40～60度的光的透射率对于微透镜的纵横比的依存性的曲线图。
图17是表示改变了纵横比时的光强度相对于入射角度的依存性的曲线图。
图18是表示微透镜阵列的变形例的图。
图19是表示改变了外部光取出层的结构时的光强度对于入射角度的依存性的变化的曲线图。
图20A是表示作为外部光取出层而采用金字塔构造的例子的平面图。
图20B是表示图20A的B―B’线剖面图。
图21是表示采用金字塔构造时的入射角40～60度的光的透射率对于顶角的依存性的曲线图。
图22是表示改变了金字塔构造的顶角时的光强度的变化的曲线图。
图23是用来说明凹凸构造的周期的图。
图24是用来说明凹凸构造的周期的另一图。
图25的(a)是表示凹凸构造的第1例的图，图25的(b)是表示凹凸构造的第2例的图，图25的(c)是表示凹凸构造的第3例的图。
图26是表示光取出效率对于凹凸形状的宽度的依存性的曲线图。
图27是表示随机性受到控制的凹凸构造的例子的图。
图28是表示光取出效率对于凹凸构造的高度h的依存性、和由随机性的程度带来的光取出效率的依存性的曲线图。
图29是表示完全的随机图案与随机性受到控制的随机图案的差异的曲线图。
图30的(a)是表示完全的随机图案的傅立叶成分的图，图30的(b)是表示随机性受到控制的图案的傅立叶成分的图。
图31是表示凹凸构造的变形例的图。
图32是表示发光强度的角度分布的测量方法的图。
图33A是表示根据发光点的位置而光强度的入射角度依存性不同的第1曲线图。
图33B是表示根据发光点的位置而光强度的入射角度依存性不同的第2曲线图。
图34是表示发光效率对于发光点的位置的依存性的曲线图。
图35是表示改变了发光点的位置时的穿过内部光取出层的光的强度的入射角度依存性的曲线图。
图36是表示改变了发光点的位置时的入射角度包含在0°～20°、20°～40°、40°～60°的各范围中的光的总量的变化的曲线图。
具体实施方式
在说明具体的实施方式之前，首先说明作为本发明的基础的认识。
在以往的通常的有机EL元件中，有机发光层的折射率是1.7～2.0，透明基板的折射率是约1.5，所以在有机发光层和透明基板的界面发生全反射。根据本发明者们的解析，该全反射带来的光的损失达到放射光整体的约50％以上。进而，由于透明基板的折射率是约1.5，空气的折射率是约1.0，所以在透明基板与空气的界面发生的全反射带来的光的损失也为到达透明基板的界面的光的约50％左右。这样，这两个界面处的全反射损失非常大。
本发明者们发现了能够降低这两个界面处的全反射损失的新的结构。具体而言，发现了如下情况：通过在发光层与透明基板之间设置产生光的衍射的第1光取出构造、并在透明基板的与发光层相反的一侧设置微透镜阵列等第2光取出构造，能够使光取出效率提高。以下，说明基于该认识的实施方式。
本发明的实施方式的概要是以下这样的。
(1)作为本发明的一技术方案的发光装置，具备：发光元件，产生平均波长λ的光；光取出片，使从上述发光元件产生的光透射。上述发光元件具有：第1电极，具有光透射性；第2电极；发光层，设在上述第1及第2电极之间。上述光取出片具有：透光性基板，具有第1主面及第2主面；第1光取出构造，设在上述透光性基板的上述第1主面侧，具有折射率比上述透光性基板低的低折射率层以及折射率比上述低折射率层高的高折射率层，上述低折射率层形成在上述透光性基板及上述高折射率层之间，上述高折射率层及上述低折射率层的界面具有凹凸形状；第2光取出构造，设在上述透光性基板的上述第2主面侧，构成为使得透射过上述透光性基板并以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。
(2)在一实施方式中，上述凹凸形状是将多个凹部和多个凸部2维随机排列得到的形状。
(3)在一实施方式中，上述凹凸构造是将多个凹部和多个凸部2维周期性排列得到的构造。
(4)在一实施方式中，上述凹凸形状是将多个凹部和多个凸部2维排列得到的形状，设与上述多个凹部及上述多个凸部的各自内切的椭圆的短边的长度的最小值为w时，上述凹凸形状的图案的空间频率成分中的比1/(2w)小的成分相比于将上述多个凹部及上述多个凸部随机排列的情况受到抑制。
(5)在一实施方式中，上述凹凸形状构成为，使得在1个方向上不连续有预先设定的个数以上的凹部或凸部。
(6)在一实施方式中，上述多个凹部及上述多个凸部分别具有四边形状的截面，上述凹凸形状构成为使得在1个方向上不连续有3个以上的凹部或凸部。
(7)在一实施方式中，上述多个凹部及上述多个凸部分别具有六边形状的截面，上述凹凸形状构成为，使得在1个方向上不连续有4个以上的凹部或凸部。
(8)在一实施方式中，与上述多个凹部及上述多个凸部的各自内切的椭圆的短边的长度的最小值是0.73λ以上。
(9)在一实施方式中，上述多个凹部及上述多个凸部的各自具有相同的截面形状及相同的尺寸。
(10)在一实施方式中，上述多个凹部及上述多个凸部的各自的平均周期是14.5λ以下。
(11)在一实施方式中，上述低折射率层的折射率是上述透光性基板的折射率的0.98倍以下。
(12)在一实施方式中，上述发光层中的发光点与上述第2电极的表面之间的距离是0.17λ以上。
(13)在一实施方式中，上述低折射率层的折射率是1.47以下。
(14)在一实施方式中，上述低折射率层的厚度是(1/2)λ以上。
(15)在一实施方式中，上述透光性基板的折射率是1.5以上。
(16)在一实施方式中，上述高折射率层的折射率是1.73以上。
(17)在一实施方式中，上述第2光取出构造由微透镜阵列形成。
(18)在一实施方式中，上述微透镜阵列的纵横比是0.5以上。
(19)在一实施方式中，上述第2光取出构造具有金字塔构造，上述金字塔构造的顶角被设定为30度到120度的范围。
(20)作为本发明的另一技术方案的光取出片，具备：透光性基板，具有第1主面及第2主面；第1光取出构造，设在上述透光性基板的上述第1主面侧，具有折射率比上述透光性基板低的低折射率层以及折射率比上述低折射率层高的高折射率层，上述低折射率层形成在上述透光性基板及上述高折射率层之间，上述高折射率层及上述低折射率层的界面具有凹凸形状；第2光取出构造，设在上述透光性基板的上述第2主面侧，构成为使得透射过上述透光性基板并以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。
(实施方式)
以下，说明更具体的实施方式。在本实施方式中，作为一例，说明使用有机EL元件的发光装置。
[1.整体结构]
图1是表示本实施方式的有机EL元件100的概略结构的剖面图。本实施方式的有机EL元件100具备发光元件110和使从发光元件110产生的光透射的光取出片120。发光元件110具有：具有光反射性的反射电极11、具有光透射性的透明电极13、以及形成在它们之间的有机发光层12。光取出片120具有透明基板14、设在透明基板14的第1主面侧(图1中的下侧)的内部光取出层15、以及设在透明基板14的第2主面侧(图1中的上侧)的外部光取出层16。如图1所示，反射电极11、有机发光层12、透明电极13、内部光取出层15、透明基板14、外部光取出层16依次层叠。内部光取出层15包括折射率相对较低的低折射率层15a和折射率相对较高的高折射率层15b。低折射率层15a与高折射率层15b的界面具有凹凸形状，构成为使入射的光衍射。
反射电极11是用来向发光层12注入电子的电极(阴极)。当在反射电极11与透明电极13之间施加规定的电压时，从反射电极11向发光层12注入电子。作为反射电极11的材料，例如可以使用银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)、或以它们为主成分的合金等。此外，既可以通过将这些金属组合层叠而构成反射电极11，也可以通过以与这些金属接触的方式层叠氧化铟锡(ITO)或PEDOT：PSS(聚噻吩(polythiophene)与聚苯乙烯磺酸(polystyrene sulfonate)的混合物)等透明导电性材料来构成反射电极11。
透明电极13是用来向发光层12注入空穴的电极(阳极)。透明电极13可以由功函数比较大的金属、合金、电传导性化合物或它们的混合物等材料构成。作为透明电极13的材料，例如可以举出ITO、氧化锡、氧化锌、IZO(注册商标)、碘化铜等无机化合物、PEDOT、聚苯胺等导电性高分子、用任意的受主等掺杂的导电性高分子、碳纳米管(carbon nanotube)等导电性光透射性材料。
透明电极13可以在透明基板14上形成内部光取出层15后，通过溅射法、真空蒸镀法、涂敷法等形成为薄膜。另外，透明电极13的片电阻(sheet resistor)设定为例如几百Ω/□以下，在一例中可以设定为100Ω/□以下。透明电极13的膜厚例如是500nm以下，在一例中可以设定在10～200nm的范围中。使透明电极13越薄则光的透射率越提高，但由于片电阻与膜厚成反比例而增加，所以片电阻增加。结果，在有机EL的大面积化时，会发生高电压化的问题、和伴随着由电压下降带来的电流密度不均匀化的亮度不均匀化的问题。为了避免该权衡(trade-off)，可以在透明电极13上形成金属等的辅助布线(格栅(grid))。作为辅助布线的材料，可以使用导电性良好的材料。例如可以使用Ag、Cu、Au、Al、Rh、Ru、Ni、Mo、Cr、Pd或它们的合金(MoAlMo、AlMo、AgPdCu等)。此时，可以是，以使金属格栅不作为遮光材料发挥作用的方式，实施防止电流流过格栅部的绝缘处理。此外，为了防止扩散后的光被格栅吸收，可以对格栅使用反射率高的金属。
另外，在本实施方式中，将透明电极13作为阳极，将反射电极11作为阴极，但这些电极的极性也可以相反。在将透明电极13作为阴极、将反射电极11作为阳极的情况下，也可以对透明电极13及反射电极11使用与上述同样的材料。
发光层12由通过从透明电极13及反射电极11注入的电子及空穴的复合而产生光的材料形成。发光层12例如可以由低分子或高分子的发光材料或金属络合物等一般周知的任意的发光材料形成。在图1中虽未表示，但可以在发光层12的两侧设置电子输送层及空穴输送层。电子输送层配置在反射电极11(阴极)侧，空穴输送层配置在透明电极13(阳极)侧。另外，在将反射电极11作为阳极的情况下，电子输送层配置在透明电极13侧，空穴输送层配置在电极11侧。电子输送层可以从具有电子输送性的化合物的群中适当选择。作为这种化合物，例如可以举出作为电子输送性材料而已知的Alq3那样的金属络合物、邻菲咯啉(phenanthroline)衍生物、吡啶(pyridine)衍生物、四嗪(tetrazine)衍生物或噁二唑(oxadiazole)衍生物等具有杂环的化合物等。但是，并不限定于这些材料，可以使用一般周知的任意的电子输送性材料。空穴输送层可以从具有空穴输送性的化合物的群中适当选择。作为这种化合物，例如可以举出以4，4’―双[N―(萘基)―N―苯基―氨基]联苯(α―NPD)、N，N’―双(3―甲基苯基)―(1，1’―联苯)―4，4’―二胺(TPD)、2―TNATA、4，4’，4”―三(N―(3―甲基苯基)N―苯基氨基)三苯基胺(MTDATA)、4，4’―N，N’―二咔唑联苯(CBP)、螺环―NPD、螺环―TPD、螺环―TAD或TNB等为代表例的三芳胺类化合物、含有咔唑基的胺化合物、含有芴衍生物的胺化合物等。但是，并不限定于这些材料，能够使用一般周知的任意的空穴输送性材料。这样，在反射电极11与透明电极13之间，除了发光层12以外还可以设置电子输送层、空穴输送层等其他层。在以下的说明中，有将反射电极11与透明电极13之间的层整体一起称作“有机EL层”的情况。
有机EL层的构造并不限于上述例子，可以采用各种构造。例如也可以采用空穴输送层与发光层12的层叠构造、或发光层12与电子输送层的层叠构造。此外，也可以使空穴注入层夹在阳极与空穴输送层之间，也可以使电子注入层夹在阴极与电子输送层之间。此外，发光层12并不限于单层构造，也可以具有多层构造。例如，在所希望的发光色是白色的情况下，可以在发光层12中掺杂红色、绿色、蓝色这3种掺杂物色素。此外，可以采用蓝色空穴输送性发光层、绿色电子输送性发光层和红色电子输送性发光层的层叠构造，也可以采用蓝色电子输送性发光层、绿色电子输送性发光层和红色电子输送性发光层的层叠构造。进而，也可以采用如下构造：将由在用阳极和阴极夹着施加电压时发光的元件构成的层作为1个发光单元，将多个发光单元隔着具有光透射性及导电性的中间层层叠(电串联连接的多单元构造)。
透明基板14是用来支承内部光取出层15、透明电极13、发光层12、反射电极11的部件。作为透明基板14的材料，可以使用例如玻璃或树脂等透明材料。透明基板14的折射率例如是1.45～1.65左右，但也可以使用折射率为1.65以上的高折射率基板，也可以使用折射率比1.45小的低折射率基板。
内部光取出层15是设在透明基板14与透明电极13之间的透光性的层。内部光取出层15具有形成在透明基板14侧的低折射率层15a、和形成在透明电极13侧的高折射率层15b。它们的界面形成凹凸构造。如后述那样，本实施方式的低折射率层15a由折射率比透明基板14低的透光性材料形成。另一方面，高折射率层15b由折射率比透明基板14高的透光性材料形成。另外，高折射率层15b只要折射率比低折射率层15a低，也可以由折射率比透明基板14高的材料形成。
图2A是示意地表示本实施方式的凹凸构造的一例的平面图。图2B是示意地表示凹凸构造的一部分的剖面图。图2A中的黑及白的区域分别表示高折射率层15b形成得相对较厚的部分(凸部)及高折射率层15b形成得相对较薄的部分(凹部)。该凹凸构造分别相当于将一边的长度(宽度)为w的正方形的两种单位构造(高低差h)呈2维状随机地排列的结构。在以下的说明中，有时将各单位构造称作“块”。通过设置这样的凹凸构造，能够使入射光衍射。另外，如后述那样，也可以不是使凹凸构造的图案完全随机，而是采用抑制了随机性以使得在1个方向上相同种类的单位构造不连续出现规定次数以上的构造。此外，作为凹凸构造的图案，也可以采用周期性的图案。进而，也可以代替形成凹凸构造而构成为，通过向低折射率层15a与高折射率层15b的界面附近注入高折射率的粒子来产生光的衍射。关于采用这些各结构的情况下的光取出效率，在后面进行叙述。
由发光层12产生的光的一部分经过透明电极13向内部光取出层15入射。此时，以超过临界角的入射角入射的光本来进行全反射，但由于内部光取出层15的衍射作用，其一部分被向透明基板14侧取出。没有被内部光取出层15取出的光通过反射改变角度而朝向发光层12的方向，但由于之后在反射电极11进行反射，所以再次向内部光取出层15入射。另一方面，由发光层12产生的光的一部分在电极11进行反射后，透射过透明电极13而向内部光取出层15入射。这样，通过设置内部光取出层15，能够一边反复进行多重反射一边将光向外部取出。
外部光取出层16设在透明基板14的表面(设有内部光取出层15的面的相反侧的面)。外部光取出层16例如可以通过微透镜阵列形成。如后述那样，外部光取出层16构成为，透射过透明基板14以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。关于外部光取出层16的具体的结构在后面进行叙述。通过设置外部光取出层16，能够将透射过透明基板14并以超过临界角的入射角入射的光的一部分向外部的空气层取出。这里没有被取出的光再次向发光层12返回，但最终被反射电极11反射，能够再次向空气层取出。另外，空气层的折射率例如是1.0。
如果在光被取出之前发生材料对光的吸收，则导致效率的下降，所以对于本实施方式的反射电极11、发光层12、透明电极13、内部光取出层15可以使用光吸收性低的材料。
[2.各构成要素的详细情况及分析]
以下，说明有机EL元件100的各构成要素的详细情况以及达成本实施方式的结构之前的分析结果。
[2―1.外部光取出层16的分析]
由发光层12产生的光在穿过透明电极13、内部光取出层15、透明基板14后，到达外部光取出层16。外部光取出层16可以通过将透明基板14直接加工而形成，但也可以通过粘贴设有光取出构造的膜来形成。
作为外部光取出层16的例子，本发明者们首先使用图3A所示那样的微透镜阵列的膜和图3B所示那样的扩散类的膜，进行了光取出构造的分析。为了验证这些光取出构造的全反射抑制效果，进行了各膜的光透射率的测量。参照图4说明光透射率的测量方法。
首先，在各膜(或基板)上粘贴与透明基板14的折射率相同程度的半球透镜，通过用设有微小的孔的积分球检测从半球透镜侧入射的光，测量各膜的透射率。此时，通过使入射光的入射角度变化，测量了透射率的角度依存性。此外，在与该实验同样的结构下，进行了基于光线追踪的计算。
图5A是表示在实验及计算中使用的微透镜阵列的排列的平面图。图5B是图5A的A―A’线剖面图。外部光取出层16的表面的微透镜阵列通过排列为图5A所示的蜂巢状的配置，成为最密填充的构造，所以光取出效率变得最高。这里，将各微透镜的半径设定为r，将球的鼓出量(高度)设定为h，设定为纵横比h/r＝1.0。
图6A、图6B是表示上述实验及计算的结果的曲线图。图6A表示关于微透镜阵列的膜的结果，图6B表示关于扩散类的膜的结果。各图的曲线图中的实线表示由实验测量的结果，虚线表示进行了基于光线追踪的计算的结果。在各种情况下实验结果与计算结果都良好地一致。如图6A所示，在微透镜阵列中，透射率的峰值处于入射角40度～60度，从60度到90度透射率急剧地变小。相对于此，如图6B所示，在扩散类的膜中，透射率从0度到90度平缓地下降。如果将两者比较，则0度～40度下的透射率大致相等，40度～60度下的透射率在微透镜阵列的情况下较高，60度～80度下的透射率在扩散类的膜的情况下较高。
图6C是表示对于将设计条件各种各样地改变后的6种扩散类膜而测量每个入射角度的透射率的结果的曲线图。如该曲线图所示，可知在使用扩散类的外部光取出层16的情况下，透射率的峰值产生在入射角度小的区域，以40度～60度的入射角入射的光的透射率不怎么高。
本发明者们关注到，在使用微透镜阵列的情况下，40度～60度的透射率特别地高。认为当由内部光取出层15取出来自发光层12的光时，如果将较多的光集中在40度～60度的入射角的范围中，抑制60度～80度的光，则作为有机EL元件100整体能够提高光取出效率。
[2―2.向外部光取出层16入射的光的角度分布的分析]
但是，为了基于这样的思想来调整向外部光取出层16的光的入射方向，需要弄清楚最开始光是以怎样的角度分布向外部光取出层16入射的。所以，本发明者们以图7所示那样的结构进行了光的角度分布的测量。图7所示的结构是代替图1的有机EL元件100的外部光取出层16而粘贴有与有机EL元件100相比充分大的半球透镜的结构。这里，半球透镜的折射率与透明基板14的折射率大致相同。通过这样的结构，从透明基板14经由半球透镜到空气层将光不折射地取出，所以能够进行从透明基板14射出的光的角度分布的测量。另外，在光的分布测量中使用分光放射计，配置为将来自发光层12中的充分小的区域的光的光斑的光受光。
对试制出的一些有机EL元件的试样进行了以上那样的测量。将结果表示在图8A中。在图8A的曲线图中，横轴表示入射角度，纵轴表示测量出的每单位面积的光强度(任意单位)。作为试样的结构，采用图8B及以下的表1所示的结构。
[表1]
d1(nm) d1’(nm) d2(nm) d2’(nm) 凹凸构造
试样1 56 312 168 200 随机1 w＝0.6μm
试样2 104 264 168 200 随机1 w＝0.6μm
试样2_0 104 264 168 200 无
试样2_1 104 264 168 200 散射类
试样2_2 104 264 168 200 随机2 w＝1.2μm
试样3 104 264 207 161 随机1 w＝0.6μm
这里，作为透明基板14而使用折射率1.51的玻璃，作为透明电极13而使用ITO。作为有机发光层12，采用包含分别发出平均波长λ1＝580nm及λ2＝470nm的光的两个层的层叠构造。这里，所谓平均波长，是定义为在发光光谱中比平均波长大的波长的光的强度和与比平均波长小的波长的光的强度和相等的波长。各试样中的两个发光层的位置如表1所示。设从反射电极11到发出平均波长λ1的光的层的距离为d1，从该层到透明电极13的距离为d1’，从反射电极11到发出波长λ2的光的层的距离为d2，从该层到透明电极13的距离为d2’。关于内部光取出层15，作为低折射率层15a的材料而使用折射率为1.52的树脂，作为高折射率层15b的材料而使用折射率1.76的树脂，在它们的界面形成凹凸构造。作为凹凸构造，采用图9的(a)、图9的(b)所示的两种图案。
试样1、2、3是使两个发光层和两个电极的位置关系变化的试样，凹凸构造都是图9的(a)所示的随机构造(随机1)。试样2_2中，两个发光层的位置与试样2相同，将凹凸构造改变为图9的(b)所示的构造(随机2)。随机1的构造相当于将宽度0.6μm、高低差0.6μm的两种块随机地排列的构造。另一方面，随机2的构造相当于将宽度1.2μm、高低差0.6μm的两种块随机地排列的构造。但是，在随机2中，对于图9的(b)的横向及纵向分别抑制了随机性，以使同种的块不连续出现3个以上。作为比较例，对于从试样2的结构中去除了内部光取出层15得到的试样2_0、以及代替试样2的结构中的凹凸构造而使用散射类的内部光取出层的试样2_1也进行了测量。这里，所谓散射类的内部光取出层，是指通过向低折射率层15a与高折射率层15b的边界附近注入高折射率的粒子而形成的元件。
如图8A所示可知，在没有内部光取出层15的试样2_0(blank)中，光强度相对于入射角度不怎么变化。相对于此，在设有内部光取出层15的其他试样中，也包括使用扩散类的内部光取出层的试样2_1(diffusion)，主要是高角度侧的光强度增加，在60度～80度具有光强度的峰值。由于不论发光层12的结构如何都能够看到这样的趋势，所以可以说通过内部光取出层15带来主要向高角度侧取出光的效果。如图8A所示可知，与散射类的内部光取出层相比，使用具有凹凸构造的内部光取出层的情况下，在高角度侧光强度增加的趋势更显著。特别是，在抑制了随机性的试样2_2中，该趋势更显著。
根据以上的结果可知，在导入了内部光取出层15的情况下，从透明基板14向外部光取出层16以60度～80度的入射角度入射的光的强度较大。因而，在这样的有机EL元件中，即使采用对于40度～60度的入射角度的光的透射率特别高的微透镜阵列作为外部光取出层16，光取出效率也不会立即改善。
[2―3.内部光取出层15的结构的研究]
[2―3―1.低折射率层15a的结构的研究]
所以，本发明者们研究了通过对内部光取出层15的结构加以精心设计而改变从透明基板14射出的光的强度为峰值的入射角度的情况。具体而言，研究了通过作为低折射率层15a而使用比在透明基板14中使用的材料低折射率的材料而改变向透明基板14的入射角度的情况。根据这样的结构，如图10所示，当光从低折射率层15a向透明基板14传播时，光通过折射而弯折，能够以更低的入射角向外部光取出层16入射。由该折射带来的光的角度的变化由斯涅尔(snell)法则决定。如果设透明基板14的折射率为n1、低折射率层15a的折射率为n2、折射角为θ1、入射角为θ2，则斯涅尔法则用n1sinθ1＝n2sinθ2表示。
基于以上那样的考虑，制作改变了低折射率层15a的折射率的多个元件，对于这些元件，以图7那样的配置测量了透明基板14内部的光的强度的角度分布。图11是表示测量结果的曲线图。图11中的粗实线、点线、虚线分别表示内部光取出层15的低折射率层15a的折射率为1.35、1.45、1.52的情况下的每单位面积的光强度的入射角度依存性。
在低折射率层15a的折射率为1.52(与透明基板的折射率1.51同等)时，光存在于0度到85度的全部角度，特别集中在70度附近。另一方面，可知，当低折射率层15a的折射率为1.35(比透明基板的折射率1.51小)时，光不存在于64度以上。进而，通过从低折射率层15a向透明基板14的折射，光向低角度侧弯折，由此能够将较多的光集中到外部光取出层16(微透镜阵列)的透射率高的40度～60度(参照图6A)的范围中。这样，可以认为，通过使内部光取出层15的低折射率层15a的折射率较低，将光集中到外部光取出层16的高透射率的角度区域，从而能够提高整体的取出效率。
基于上述结果，为了实证外部光取出层16(微透镜阵列)与内部光取出层15的组合的效果，进行了有机EL元件100的试制。试样的结构是与图1同样的结构。作为透明基板14使用折射率1.51的玻璃，作为高折射率层15b的材料使用折射率1.76的树脂，作为透明电极13使用ITO。有机发光层12构成为发出440nm～700nm的光(白色光)。低折射率层15a和高折射率层15b的界面处的凹凸构造为图2A、图2B所示那样的将高低差(高度)h、宽度w的两种正方形的单位构造(块)随机地排列的结构。1个块的一边的长度是w＝0.6μm，高度是h＝0.6μm。关于对于将低折射率层15a的折射率改变为1.35、1.45、1.47、1.52的元件分别使用设有微透镜阵列的膜作为外部光取出层16的情况测量了光的取出效率。作为比较例，关于使用设有光扩散层的膜作为外部光取出层16的情况也进行了测量。低折射率层15a及高折射率层15b的厚度分别是1.5μm及2μm。在图12中表示光取出效率的测量结果。在图12的曲线图中，横轴表示低折射率层15a的折射率，纵轴表示光取出效率。
如图12所示可知，在低折射率层15a的折射率比1.45高的情况下，粘贴着扩散类的膜的情况下取出效率高，而在低折射率层15b的折射率为1.45以下的情况下，粘贴着微透镜阵列的膜的情况下效率高。该结果与基于计算的预测的结果大致一致。由此，在本实施方式中，采用低折射率层的折射率比1.45低、并且设有微透镜阵列的膜的结构。
为了进一步验证上述效果，进行了光取出效率的计算。这里，也分为作为外部光取出层16使用微透镜阵列的实施例和使用扩散类的膜的比较例进行了计算。设透明基板14的折射率为1.5，低折射率层15a的折射率为1.0～1.6，高折射率层15b的折射率为1.76，它们的厚度分别为0.7mm、2μm、2μm。发光层12中的光的角度分布应用图13所示的分布(另行试制试样并实测的数据)。凹凸构造设为周期2μm、高度0.6μm的衍射光栅。另外，作为计算的算法，衍射光栅部分采用傅立叶模型法(RCWA法)，通过使该计算结果与光线追踪的结果配合，进行了有机EL元件100整体的光取出效率的计算。
在图14中表示光取出效率相对于低折射率层15a的折射率的依存性的计算结果。在低折射率层15a的折射率比1.47低的情况下，可知作为外部光取出层16，与扩散类的薄膜相比使用微透镜阵列的情况下效率变高。这是与图12的实验结果大致同等的动作。根据这些结果可知，采用低折射率层15a的折射率比1.47低、并且作为外部光取出层16而使用微透镜的结构是有效的。
这样，在透明基板14的折射率n1是1.5的情况下，如果低折射率层15a的折射率n2比1.47低，则得到与扩散层相比使用微透镜阵列的情况下的光取出效率变高的结果。另一方面，考虑到斯涅尔法则，可知只要n1与n2的比相同，就能够得到同样的效果。因而，可以认为，如果n2比n1的0.98倍(＝1.47/1.5)小，则能够得到与上述同样的效果。
根据以上的分析结果，在本实施方式中，低折射率层15a的折射率n2被设定为比透明基板14的折射率n1的0.98倍小的值。但是，并不限定于该例，低折射率层15a的折射率n2只要比透明基板4的折射率n1小，就能够得到一定程度的效果。
[2―3―2.高折射率层15b的结构的研究]
通过与上述同样的计算，求出光取出效率相对于高折射率层15b的折射率的依存性。此外，制作高折射率层15b的折射率不同的两种元件，进行了计测它们的光取出效率的实验。在图15中表示这些结果。在图15的曲线图中，横轴表示高折射率层15b的折射率，纵轴表示光取出效率。虚线表示计算结果，四边形的标志表示实验结果。在该计算中，将低折射率层15a的折射率设定为1.45，其他计算条件与图14的计算中的条件相同。另一方面，关于实验，使用以与图12所示的实验中使用的低折射率层15a的折射率为1.45、外部光取出层16为微透镜阵列的结构同样的结构、将高折射率层15b的折射率改变为1.75、1.80的两种元件。如图15所示，可知高折射率层15b的折射率越高，光取出效率越大。
然而，在图12的实验中，在高折射率层15b的折射率为1.76、低折射率层15a的折射率为1.45的试样中，得到了光取出效率为约69％的结果。以该效率为基准，在做成取出效率比该试样高的结构的情况下，只要将高折射率层15b的折射率设为1.73以上就可以。
[2―3―3.凹凸构造的结构]
低折射率层15a与高折射率层15b的边界处的凹凸构造例如可以通过在低折射率层15a上形成凹凸形状后、用高折射率的材料将凹凸填埋来形成。然后，形成透明电极13、有机发光层12、反射电极11，但如果高折射率层15b的表面的平坦性较差，则在透明电极13―反射电极11间容易发生短路。在此情况下，元件有可能不发光，制造时的成品率有可能变差。由此，在本实施方式中，采用使凹凸形状的高度尽可能低、能够确保高折射率层15b的埋入后的平坦性的结构。此外，通过这样使凹凸构造的高度较低，还能够抑制低折射率层15a及高折射率层15b的材料的使用量，所以还带来低成本化。
另一方面，根据光取出效率的改善的观点，作为凹凸构造的高度(大小)的量级，至少需要光的波长的1/4左右。由此，能够充分地确保光的相位差，能够使光衍射，所以能够改善将光取出的效率。根据以上的观点，在本实施方式中，作为凹凸构造，作为例子而采用高度(大小)为1μm左右的随机构造或周期构造等的衍射光栅。
穿过凹凸构造后的光向低折射率层15a入射。如果在低折射率层15a的厚度为光的波长的1/2以下的情况下，则光不在低折射率层15a中传播，光经由倏逝(evanescent)场向透明基板14侧透射，所以不能期待通过低折射率层15a使光向低角度方向弯折的效果。由此，可以将本实施方式的低折射率层15a的厚度设定为平均发光波长的1/2以上。
[2―3―4.内部光取出层15的材料及制造方法]
在将高折射率层15b的折射率如上述那样设定为1.73以上的情况下，作为在高折射率层15b中使用的材料，可以使用例如ITO(氧化铟锡)、TiO2(氧化钛)、SiN(氮化硅)、Ta2O5(五氧化钽)、ZrO2(氧化锆)等比较高折射率的无机材料或高折射率树脂等。
作为透明基板14，一般使用玻璃或树脂等，它们的折射率是1.5～1.65左右。由此，作为在低折射率层15a中使用的材料，例如可以使用玻璃、SiO2(石英)等无机材料或树脂等。
作为内部光取出层15的形成方法，有例如在透明基板14之上形成使表面为凹凸形状的低折射率层15a、从其上方用高折射率材料将凹凸构造埋入、在其上形成透明电极13、有机发光层12、反射电极11的方法。或者，也有在基板之上形成反射电极11、在其上形成有机发光层12、透明电极13、使表面为凹凸形状的高折射率层15b、从其上方用低折射率材料将凹凸构造埋入、在其上形成透明基板14的方法。
如果作为低折射率层15a或高折射率层15b的材料而使用无机材料，则一般需要切削及半导体工艺等成本比较高的加工方法。另一方面，如果作为低折射率层15a或高折射率层15b的材料而使用上述那样的树脂材料，则能够用涂敷、纳米压印、旋涂等成本比较低的加工方法形成内部光取出层15。
[2―3―5.外部光取出层16的详细分析]
如上述那样，在本实施方式中，使用图5A、图5B所示那样的微透镜阵列作为外部光取出层16。由于通过采用图5A所示的蜂巣状的排列，成为最密填充的构造，所以光取出效率变得最高。在图16中表示在该排列中使各微透镜的球的鼓出量(高度h)变化时的入射角40度～60度的入射光的透射率的变化。在图16的曲线图中，横轴表示纵横比(＝高度h/球的半径r)，纵轴表示40度～60度的入射角的光的平均透射率。可知纵横比越高则平均透射率越高，纵横比为1的构造(排列着半球的构造)透射率最高。另外，用虚线表示的透射率(＝42％)是图6B所示的以入射角40度～60度向扩散类的膜入射的光的平均透射率的值。根据图16的结果可知，透射率超过42％的是纵横比为0.5以上的情况。
图17是表示纵横比为0.33、0.5、0.67、0.8、1.0的各情况下的每单位面积的光强度的入射角度依存性的曲线图。如该图所示，可知纵横比越接近于1.0则入射角度40度～60度的光强度的峰值越变得显著。
这里，为了比较，对于图18所示那样的将正方配置的微透镜阵列用于外部光取出层16的情况、以及没有设置微透镜阵列的情况也调查了各入射角度的光透射率的依存性。图19是表示它们的比较结果的曲线图。在图19中，横轴表示入射角度，纵轴表示每单位面积的光强度。实线表示图5A所示的最密填充的情况下的结果，点线表示图18所示的正方配置的情况下的结果，虚线表示不具有微透镜阵列的情况下的结果。如图19的曲线图所示，可知入射角度40度～60度的光的透射率特别变大的只是设有最密填充的微透镜的情况。
[3.变形例]
[3―1.外部光取出层16的变形例]
关于外部光取出层16，在本实施方式中举微透镜阵列为例进行了说明。本实施方式的微透镜阵列对于入射角为40度～60度的范围的光具有透射率的峰值。因此，通过将微透镜阵列与包含具有比较低的折射率的低折射率层15a的内部光取出层15组合，与其他结构相比能够提高效率。该效果并不限于微透镜阵列，如果是构成为使以40度～60度的入射角入射的光的透射率成为峰值的外部光取出层16则也能够同样地实现。所以，以下说明外部光取出层16的变形例。
图20A是表示作为微透镜阵列的类似形状的金字塔构造的平面图。图20B是图20A的B―B’线剖面图。图21是表示入射角40度～60度的光的透射率的平均值对于金字塔构造的顶角的依存性的曲线图。由虚线表示的透射率(＝42％)是图6B所示的以入射角40度～60度向扩散类的膜入射的光的平均透射率的值。根据图21的结果可知，如果顶角是30度～120度的范围内，则入射角40度～60度的光的平均透射率变得比使用扩散类的膜的情况高。
图22是表示金字塔构造的顶角为30度、50度、70度、90度、110度、130度、150度的各情况下的每单位面积的光强度的入射角度依存性的曲线图。根据该结果也可知，如果顶角是30度～120度的范围内，则入射角40度～60度的光的平均透射率变得比较高。因而，在作为外部光取出层16而采用金字塔构造的阵列的情况下，只要将顶角设定在30度～120度的范围内就可以。
[3―2.凹凸构造的变形例]
接着，说明凹凸构造的变形例。
首先，参照图23说明凹凸构造的考虑方式。在将宽度w的两种单位构造(块)随机地排列的情况下，其排列方向的平均周期为4w。另一方面，在将宽度w的块周期性地排列的情况下，其排列方向的平均周期为2w。另外，将块随机地排列的情况下的平均周期Pexp通过图23的引出框中表示的计算来求出。
在本实施方式中，能够采用控制了凹凸构造的随机性的构造。这里，所谓“控制了随机性的构造”，意味着不是完全随机性的构造，而是抑制了随机性以使得在1个方向上相同种类的块不连续出现规定次数以上的构造。如参照图8A说明的那样，通过采用控制了随机性的凹凸构造，能够使光取出效率进一步提高。
在控制了随机性的构造中，也能够以与上述同样的考虑方式求出平均周期。在图24中表示根据构造的图案求出平均周期的方法。这里，对于图24所示的横向及纵向分别考虑与由连续的同种的单位构造的群构成的区域内切的椭圆。图24的下图中的白部分的大小的平均值能够通过计算与白部分内切的椭圆的轴的长度的平均值来求出。这里，所谓“轴的长度”，是指图24的上图所示的短轴的长度a或长轴的长度b的某个。关于黑部分也是同样的。设将它们的平均值相加后的值为平均周期。
图25的(a)～图25的(c)是表示随机性受到控制的凹凸构造的一例(各自平均周期是3w、3.3w、3.4w)的图。如图25的(c)所示，凹凸构造也可以不是正方形而是将六边形等其他形状的块排列得到的构造。
图26是表示计算光取出效率对于凹凸形状的宽度w的依存性得到的结果的曲线图。这里，设构造的高度h为1.0μm。透明基板14的折射率为1.5，低折射率层15a的折射率为1.35，高折射率层15b的折射率为2.0。图中的(●)表示采用将图23的(a)所示的块随机地排列的凹凸形状时的结果，(□)表示采用将图23的(b)所示的块周期地排列的凹凸形状时的结果。在采用了随机的构造的情况下，如果w处于0.4～2μm的范围内，则能够使光取出效率成为69％以上。在采用周期构造的情况下，如果w处于0.4～4μm的范围内，则能够使光取出效率成为69％以上。
光不因与波长相比充分小的构造而衍射。因此，不论是随机构造还是周期构造，在将400nm以下的单位构造排列时都难以得到效果。当设从发光层12产生的光的平均波长为λ时，w例如可以设定为0.73λ(＝λ×400/550)以上。另一方面，在单位构造与波长相比充分大的区域，如果在随机构造中使w为2μm以下、在周期构造中使w为4μm以下，则可得到能够使光取出效率成为69％以上的结果。由于随机构造的平均周期是4w，周期构造的平均周期是2w，所以可知光取出效率不取决于构造的图案而由平均周期决定。如果设平均周期为p，则可以将p例如设定为8μm以下。此外，根据光的衍射原理，光的衍射图案由构造尺寸(周期)与光的波长之比(即p/λ)决定，所以平均周期p例如可以设定为14.5(＝8/0.55)λ以下。
不论是随机构造还是周期构造，在光取出效率中都没有那么大的差异，但在周期构造中，根据衍射光栅的性质，波长依存性变大，所以可以认为对于视场角的颜色不匀变大。由此，为了使对于视场角的颜色不匀减小，只要作为凹凸形状而采用随机排列构造的形状就可以。
接着，参照图27、图28，说明光取出效率对于凹凸构造的高度h的依存性、和基于随机性的程度的光取出效率的依存性。试制具有图27所示的3种凹凸构造的有机EL元件的试样，对其分别测量了光取出效率。图28是表示其结果的曲线图。图28中的(●)(△)(□)表示关于图27的对应的随机构造进行计算的结果。这里，设透明基板14的折射率为1.51，低折射率层15a的折射率为1.45，高折射率层15b的折射率为1.76。
(●)的构造是将构造尺寸0.6μm、高度0.2～0.8μm的长方体随机地排列的构造。(△)的构造是将构造尺寸1.2μm、高度0.6μm的长方体随机地排列的构造。但是，控制了随机性以使得在相同方向上不连续出现3个以上的块。(□)的构造是将构造尺寸(六边形的内切圆的直径)1.2μm、高度0.6～1.2μm的六边柱随机地排列的构造。但是，控制了随机性以使得在相同方向上不连续出现4个以上的块。首先，关于高度依存性，可知在哪个构造中都几乎不对效率带来影响。接着，关于构造的随机性，可知按(●)、(△)、(□)的顺序效率提高。根据(●)、(△)的比较结果可知，控制随机性、限制块连续地排列带来效率的提高。这是因为，如果块连续排列，则出现构造的尺寸实效地变大的区域，该区域中的取出效率下降。如果实际观察(●)的随机构造，则存在连续在同一方向上排列有6个以上的块的部位。即，局部地存在3.6μm(＝0.6μm×6)以上的大小的构造。参照图26所示的效率对于周期构造的构造尺寸w的依存性的结果可知，如果在构造尺寸为3.6μm的情况下，则取出效率不怎么高。因此可知，出现这样的较大的尺寸的区域会带来取出效率的下降。
进而，不是四边形而是将六边形排列的结构效率变高。这是因为，在正方形的情况下，对角的长度是边的长度的√2倍，在正六边形的情况下，对角的长度是边的长度的√3/2倍，所以正六边形其对于方位方向的依存性较小是主要因素。即，在将正方形排列的情况下，边的方向或对角的方向的某个的取出效率变低，而在正六边形的情况下，不论方位如何都能够得到较高的取出效率。根据图28所示的(△)、(□)的实验结果的比较也可以说是这样的。
为了更详细地调查控制了随机性的图案的效果，对于图27所示的随机和随机2的元件(高度0.6μm)，以与图7同样的结构测量了透明基板14内的光的强度分布。将其结果表示在图29中。观察该结果可知，特别是在控制了随机性的构造的情况下高角度侧(50～70度附近)的光增加。由此，通过将这样的具有控制了随机性的凹凸构造的内部光取出层15与入射角40度～60度的透射率高的外部光取出层16组合，能够得到更高的效率。
如以上这样，表示了通过抑制连续排列的大块的产生而实现的随机性的控制方法及其效果，但关于这样的大块的抑制，通过将随机图案进行傅立叶变换也能够确认。图30是将随机图案傅立叶变换、表示空间频率成分的振幅的图。图30的右侧的分布图的中心表示空间频率为0的成分(直流成分)。在该图中显示为，随着从中心朝向外侧，空间频率变高。根据图可以理解，在图30的(a)所示的被控制的随机图案的空间频率中，可以确认到，与图30的(b)所示的随机图案相比低频成分被抑制。特别是，可知空间频率成分中的比1/(2w)小的成分被抑制。
另外，在本实施方式中，在通过将相同尺寸的块排列而形成凹凸构造、并将其随机地排列的情况下，如图26所示，在w被设定为0.4～2μm的范围内的值的情况下光取出效率变高。因此，也可以将在该范围内适当地变更了尺寸的多个块随机地排列。
此外，通过各个块高度，对光赋予相位差，通过将光衍射而将光取出。由此，块的高度h也可以不是一定的。例如，也可以设置多个高度的水平。此外，也可以使各块的高度为随机的。图31是表示使块的高度为随机的结构的一例的立体图。图示的凹凸构造166具有将具有第1高度的第1单位构造166a、具有第2高度的第2单位构造166b、具有第3高度的第3单位构造166c和具有第4高度的第4单位构造166d以2维状随机地排列的构造。在凹凸构造166中，由于各个块被用高折射率材料及低折射率材料填充，所以在穿过这些部分的光的相位中产生差。由此，即使高度是随机的，透射过的光的平均相位差也由多个单位构造的平均高度决定。因而，在此情况下，由于能够对透射过的光赋予充分的平均相位差，所以高度也可以是随机的。
也可以将各个截面形状中的角的部分构成为曲线状。实际上，当通过切削加工及半导体工艺等加工微米量级的构造时，有将角的部分加工为曲线状、或者将阶差的部分加工为斜面状的情况。当加工内部光取出层15的凹凸构造时，即使在发生了这些因素的情况下，只要不失去上述的随机图案的性质，角的部分被加工为曲线状的构造就也包含在本结构中。
此外，即使有在制造时意外发生的大小0.73λ以下的较小构造(因灰尘等而产生)、或4μm以上的较大构造(拉伤等)那样的噪声，只要它们相对于整体的面积是10％左右，就能够充分地得到效果。因而，即使故意地引入10％左右的这些噪声，只要能够得到效果，就包含在本发明的范围中。
[2―3―5.发光元件110的变形例]
接着，说明发光元件110的变形例。如图32所示，通过在有机EL元件100的高折射率层15b上配置高折射率的半球透镜，进行了发光层12的发光强度的角度分布的测量。这里，试制了将发光波长为580nm的发光层12层叠得到的3种有机EL元件。这些元件的发光点的位置设定在距反射电极11的表面分别为70、90、290nm的位置。高折射率层15b及高折射率半球透镜的折射率设为1.77。此外，为了比较还进行了模拟。以在距反射电极11的表面的距离分别为50、70、90、120、160、200、240、290nm的位置有发光波长580nm的发光点的模型进行了计算。将测量结果及计算结果表示在图33A及图33B中。这里，将距反射电极11的表面的距离为160nm以下的情况下的结果表示在图33A中，将该距离为200nm以上的情况下的结果表示在图33B中。实验结果与测量结果很匹配。
在发光点的位置为90nm以下的情况下，几乎不存在60度以上的光。这是因为，在透明电极13与反射电极11的表面之间的距离较小的情况下，高角度侧的光向反射电极的表面等离子体耦合而损失。如果设发光层12的折射率为1.75、透明基板14的折射率为1.5，则从发光层12向透明基板14传播的光的临界角是约60度。由此，在不存在60度以上的光的情况下，原本就不需要在内部设置光取出构造。
进而，在图34中表示计算发光效率对于发光点与反射电极11之间的距离的依存性的结果。可知在发光点的位置距反射电极11的表面为90nm以下的情况下，发光效率是60％以下，40％以上的光向表面等离子体耦合而损失。在这样的状况下，不论怎样提高取出效率，由于原本产生的传播光的比例较小，在提高效率方面都有限度。
根据以上，需要通过使发光点与反射电极11的表面之间的距离比90nm长来提高发光效率。但是，如果这样，则临界角以上(约60度)的光较多地产生，所以需要内部光取出层15。
对于在距反射电极11的表面为70、160、290nm的位置分别设有发光波长580nm的发光点的3个模型，导入了内部光取出层15。计算出穿过内部光取出层15后的透明基板14内的光强度的角度分布。将计算结果表示在图35中。这里，设透明基板14的折射率为1.51、低折射率层15a的折射率为1.45、高折射率层15b的折射率为1.76、凹凸构造为随机构造。
在发光层12中，在原本不怎么存在临界角以上的光的70nm的位置存在发光点的元件(参照图33A)中，在穿过内部光取出层15后的透明基板14内，光也较多存在于低角度侧。另一方面，在发光层12中，在较多存在临界角以上的光的160、290nm的位置存在发光点的元件(参照图33A、图33B)中，在穿过内部光取出层15后的透明基板14内，光也较多存在于高角度侧。
为了更详细地分析，在从发光层12到反射电极11的表面的距离为50～290nm的范围中，计算出透明基板14内的对于入射角度的光的强度分布。在计算结果中，将入射角度包含在0°～20°、20°～40°、40°～60°的各范围中的光的总量相对于发光点与反射电极11的表面之间的距离进行标绘的结果表示在图36中。观察结果可知，在从反射电极11的表面到发光点的距离为100nm以上的元件中，处于40°～60°的角度范围的光的总量最多。由此，通过对这样的发光元件110组合以入射角40度～60度入射的光的透射率高的外部光取出层16，能够得到较高的效率。
这样，可知在发光波长为580nm的情况下，只要从反射电极11的表面到发光层12中的发光点的距离是100nm以上，就能够期待较高的光取出效率。由于光的角度分布由干涉的效果决定，所以当发光波长为λ时，只要从反射电极11的表面到发光层12内的发光点的距离是0.17λ(＝100/580×λ)以上，就能够期待较高的光取出效率。
另外，上述实施方式的发光元件110通过有机EL发光，但也可以使用无机EL等其他发光元件。换言之，只要设有具有内部光取出层15、透明基板14、外部层取出层16的光取出片120，发光元件110的结构就是任意的。此外，也可以代替上述说明中的反射电极11而使用不具有光反射性的电极。
产业上的可利用性
本公开的发光装置能够应用到例如平板显示器、液晶显示装置用背灯、照明用光源等中。此外，本公开的光取出片能够应用到上述发光装置中。
标号说明
11 反射电极
12 发光层
13 透明电极
14 透明基板
15 内部光取出层
15a 低折射率层
15b 高折射率层
16 外部光取出层
100 有机EL元件
110 发光元件
120 光取出片

Claims (20)

1.一种发光装置，具备：
发光元件，产生平均波长λ的光；以及
光取出片，使从上述发光元件产生的光透射；
该发光装置的特征在于，
上述发光元件具有：
第1电极，具有光透射性；
第2电极；以及
发光层，设在上述第1电极及第2电极之间；
上述光取出片具有：
透光性基板，具有第1主面及第2主面；
第1光取出构造，设在上述透光性基板的上述第1主面侧，具有折射率比上述透光性基板低的低折射率层以及折射率比上述低折射率层高的高折射率层，上述低折射率层形成在上述透光性基板及上述高折射率层之间，上述高折射率层及上述低折射率层的界面具有凹凸形状；以及
第2光取出构造，设在上述透光性基板的上述第2主面侧，构成为使得透射过上述透光性基板并以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
上述凹凸形状是将多个凹部和多个凸部2维随机排列得到的形状。
3.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
上述凹凸形状是将多个凹部和多个凸部2维周期性排列得到的构造。
4.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，
上述凹凸形状是将多个凹部和多个凸部2维排列得到的形状，在设与上述多个凹部及上述多个凸部的各自内切的椭圆的短边的长度的最小值为w时，上述凹凸形状的图案的空间频率成分中的比1/(2w)小的成分相比于将上述多个凹部及上述多个凸部随机排列的情况受到抑制。
5.如权利要求4所述的发光装置，其特征在于，
上述凹凸形状构成为，使得在1个方向上不连续有预先设定的个数以上的凹部或凸部。
6.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于，
上述多个凹部及上述多个凸部分别具有四边形状的截面，上述凹凸形状构成为，使得在1个方向上不连续有3个以上的凹部或凸部。
7.如权利要求5所述的发光装置，其特征在于，
上述多个凹部及上述多个凸部分别具有六边形状的截面，上述凹凸形状构成为，使得在1个方向上不连续有4个以上的凹部或凸部。
8.如权利要求2～7中任一项所述的发光装置，其特征在于，
与上述多个凹部及上述多个凸部的各自内切的椭圆的短边的长度的最小值是0.73λ以上。
9.如权利要求2～7中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述多个凹部及上述多个凸部分别具有相同的截面形状及相同的尺寸。
10.如权利要求9所述的发光装置，其特征在于，
上述多个凹部及上述多个凸部的各自的平均周期是14.5λ以下。
11.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述低折射率层的折射率是上述透光性基板的折射率的0.98倍以下。
12.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述发光层中的发光点与上述第2电极的表面之间的距离是0.17λ以上。
13.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述低折射率层的折射率是1.47以下。
14.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述低折射率层的厚度是0.5λ以上。
15.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述透光性基板的折射率是1.5以上。
16.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述高折射率层的折射率是1.73以上。
17.如权利要求1～7、10中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述第2光取出构造由微透镜阵列形成。
18.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于，
上述微透镜阵列的纵横比是0.5以上。
19.如权利要求1～7、10、18中任一项所述的发光装置，其特征在于，
上述第2光取出构造具有金字塔构造，上述金字塔构造的顶角被设定为30度到120度的范围。
20.一种光取出片，其特征在于，具备：
透光性基板，具有第1主面及第2主面；
第1光取出构造，设在上述透光性基板的上述第1主面侧，具有折射率比上述透光性基板低的低折射率层以及折射率比上述低折射率层高的高折射率层，上述低折射率层形成在上述透光性基板及上述高折射率层之间，上述高折射率层及上述低折射率层的界面具有凹凸形状；以及
第2光取出构造，设在上述透光性基板的上述第2主面侧，构成为使得透射过上述透光性基板并以40度到60度的入射角入射的光的平均透射率为42％以上。
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