JP2005276581A - 平面発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、光の取り出し効率の良い平面発光装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明の平面発光装置１０は、透明の絶縁基板１２と、絶縁基板１２上に形成された透明電極１４と、透明電極１４の上に形成され、発光をおこなう有機発光層１６と、絶縁基板１２下に複数形成された透明の突起物１８とを含む。有機発光層１６で発光した光が透明電極１４、絶縁基板１２、突起物１８を通って外部に取り出される。光が取り出されるときに突起物１８によって光の取り出し効率が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光の取り出し効率（有機発光層で発光された光量と平面発光装置から出力される光量の比）の高い平面発光装置に関する。

近年、有機ＥＬ素子が注目されている（非特許文献１）。有機ＥＬ素子は、ディスプレイとして使用する以外にも平面発光装置としても使用が想定されている。

図１４に示すように、有機ＥＬ素子３０は、ガラス基板１２上に透明電極（陽極）１４、有機発光層１６、金属電極（陰極）２４を順番に形成し、有機発光層１６が酸素に触れないようにキャップ２６で封止した構造である。また、透明電極１４と有機発光層１６の間にホール輸送層２０、有機発光層１６と金属電極２４の間に電子注入層２２を設けてもよい。有機発光層１６が発した光はガラス基板１２を介して外部に導かれる。このような構造はボトムエミッション構造と呼ばれている。なお、陰極２４およびキャップ２６を透明にし、キャップ２６から光を取り出す構造は、トップエミッション構造と呼ばれている。

ガラス基板１２を透過する光量の割合は、有機発光層１６で発光した光量の２０パーセント程度であることが知られている（非特許文献２）。この光量が減少する主な原因は、ガラス基板１２の表面における反射や散乱などが影響するからである。

上述したように、有機ＥＬ素子３０は、ディスプレイに使用されるだけではなく、照明用の光源としての利用も想定されている。例えば、室内の照明における蛍光灯の替わりであったり、携帯用ライトの光源に利用されたりすることが想定されている。これは、一般的な蛍光灯や電球よりも、低い消費電力で同程度の輝度を得ることが期待できるからである。

フラットパネルディスプレイの表示用素子に用いられる有機ＥＬ素子３０は、輝度が２００ｃｄ／ｍ^２程度であれば、使用に堪えることができる。しかし、照明用の光源として使用する場合には、一般的には８０００ｃｄ／ｍ^２以上の輝度が必要とされている。また、輝度を高く得るためには、一般的に高い電力を維持する必要がある。したがって、必然的に有機ＥＬ素子３０の消費電力が上昇すると共に、有機ＥＬ素子３０の寿命も短くなり、信頼性が低下する。

従来、有機ＥＬ素子３０において光取り出し効率を高めるために、幾つかの出願がなされている（特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１の発明においては、トップエミッション構造の有機ＥＬ素子において、封止用キャップの内面（発光層側）及び外面（視認側）に反射防止膜を設けることで、封止用キャップにおける光の反射を防止して光の取り出し効率を高めている。この発明においては、反射防止膜を設けることで封止用キャップにおける光の反射は減少すると思われる。

しかし、反射防止膜自体で光が幾らか減衰したり、反射防止膜と封止用キャップとの境界で幾らかの反射が生じたりすることで光の減衰が生じる。したがって、特許文献１の発明の技術的思想では、有機ＥＬ素子全体としての光取り出し効率の更なる向上を図ることは困難である。

特許文献２の発明においては、可視光の波長以下の微細な突起構造を、観察者側の透明部材の表面に設けている。この突起構造で反射防止機能が発現し空気界面での反射がなくなる。これにより表示素子から出射する光の利用効率が向上する効果があると記載されている。

しかし、表示素子に求められる輝度よりも照明用の光源として求められる輝度の方が高い。したがって、光源として使用できる輝度の光を取り出すことが求められている。

特開２００１−２３００７２号公報 特開２００２−１２２７０２号公報（第６−７頁、第３図） 「有機ＥＬのすべて」 城戸淳二著 日本実業出版社刊 ２００３年２月２０日発行 N. C. Greenham, R. H. Friendand D. D. C. Bradley: Adv. Mater. 6(1994) 491.

本発明の目的は、光の取り出し効率の良い平面発光装置を提供することにある。

本発明に係る平面発光装置は、透明の絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面に形成された透明電極と、前記透明電極の上に形成され、発光をおこなう有機発光層と、前記絶縁基板の他方の面に複数形成された透明の突起物とを含む。本発明の平面発光装置は、有機発光層で発光した光が透明電極、絶縁基板、突起物を通って外部に取り出される。光が取り出されるときに突起物によって光の取り出し効率が向上する。

前記突起物はランダムに配置されてもよい。

前記突起物の形状は、円錐、角錐、円柱、角柱、円錐台、または、角錐台を含む。

本発明は、有機発光層が発光した光を絶縁基板に形成された透明の突起物によって、外部への光の取り出し効率を向上させる効果がある。これは、突起物によって光の反射、散乱を防止するためである。突起物の配置をランダムにすることによって、突起物が大きくなっても光の干渉がおこりにくくなる効果もある。

次に本発明に係る平面発光装置の実施形態について図面を用いて説明する。本発明の平面発光装置はボトムエミッション構造の有機ＥＬ素子を用いたものである。

図１に示すように、本発明の平面発光装置１０は、透明の絶縁基板１２と、絶縁基板１２上に形成された透明電極１４と、透明電極１４の上に形成され、発光をおこなう有機発光層１６と、絶縁基板１２下に複数形成された透明の突起物１８とを含む。

絶縁基板１２は、光が良好に透過するガラス基板や樹脂基板などを使用する。

透明電極１４は、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）やＩＴＯ（Indium
Tin Oxide）である。透明電極１４は陽極として機能する。

有機発光層１６は、例えばアルミニウム錯体（Ａｌｑ_３）である。平面発光装置１０を照明として利用するためには、有機発光層１６は白色の光を発することが望ましい。

有機発光層１６と透明電極１４との間にはホール輸送層２０を設けてもよい。ホール輸送層２０としてトリフェニルジアミン誘導体（ＴＰＤ）を使用する。また、有機発光層１６において、ホール輸送層２０が形成された面の反対面には電子注入層２２を設けてもよい。電子注入層２２としてフッ化リチウム（ＬｉＦ）を使用する。有機発光層１６以外にホール輸送層２０などを設けることによって、有機発光層１６への電子とホールの注入が効率よくおこなわれ、発光効率を向上させることができる。また、有機発光層１６を薄くすることができ、有機発光層１６への印加電圧も低くすることができる。

透明の突起物１８は、正または負の感光性フォトレジストで形成することができる。突起物１８の形状は、円錐、角錐、円柱、角柱、円錐台、角錐台の内から選択される。また、これらの形状において、角が丸まったり、直線が曲線になったりしたものなども本発明の突起物１８の中に含まれる。突起物１８の底面は、例えば一辺が約４００ｎｍ〜２０μｍの四角形の中に入る大きさである。突起物１８の高さは、例えば約４００ｎｍ〜１０μｍである。突起物１８の大きさは、可視光領域の光の波長よりも大きくなっている。

突起物１８は、周期的に整列して配置させずに、ランダムに配置することが好ましい。これは、突起物１８が可視光領域の波長よりも大きくなっており、光の干渉が発生するため、その光の干渉を防止するためである。突起物１８をランダムに配置して光の干渉を防止するため、平面発光装置３０からの光によって、被照射物に干渉縞が発生するのを防止することができる。突起物１８の密度の一例としては、約５０００〜１００００００個／ｍｍ^２である。

その他、電子注入層２２の上にはアルミニウムなどで形成された金属電極２４を有する。この金属電極２４が陰極となる。また、有機発光層１６が酸素や水分に触れて劣化しないために、有機発光層１６を封止するためのキャップ２６を設ける。封止する際に、絶縁基板１２とキャップ２６で囲まれる箇所を不活性ガスで満たして、有機発光層１６が劣化しにくくする。さらに、金属電極２４と対向するキャップ２６の面に乾燥剤を配置し、有機発光層１６が劣化しにくいようにする。

次に、平面発光装置１０の製造方法の一例を説明する。（１）透明の絶縁基板１２の洗浄などをおこない、突起物１８などを形成するための準備をおこなう。

（２）絶縁基板１２の一方の面に複数の突起物１８を形成する。突起物１８の形成は、次の（Ａ）〜（Ｃ）の手順でおこなう。（Ａ）絶縁基板１２に正または負の感光性フォトレジストを塗布する。（Ｂ）マスクパターンを介して感光性フォトレジストに光を照射する。感光性フォトレジストにおいて、突起物１８となる箇所またはその逆の箇所に光が照射される。（Ｃ）バッファフッ酸（ＨＦ：ＮＨ_４Ｆ＝１：６）でエッチングをおこなう。最終的に、このエッチングによって突起物１８が形成される。突起物１８の形状を円錐や角錐にするのであれば、周知のテーパーエッチングをおこなうようにする。

（３）絶縁基板１２のもう一方の面に、透明電極１４／ホール輸送層２０／有機発光層１６／電子注入層２２／金属電極２４を材料の積層とパターニングを繰り返して形成する。それらの材料と厚みの一例はＩＺＯ（２００ｎｍ）／ＴＰＤ（５０ｎｍ）／Ａｌｑ_３（５０ｎｍ）／ＬｉＦ（１ｎｍ）／Ａｌ（７０ｎｍ）である。材料の積層方法は、スパッタ法や真空蒸着などである。

（４）有機発光層１６が外気に触れないように、有機発光層１６などをキャップ２６でカバーする。カバーする際、絶縁基板１２とキャップ２６で囲まれる部分は不活性ガスを充填することが好ましい。また、キャップ２６の金属電極２４と対向する面に乾燥剤を配置することも好ましい。

上記（２）の工程は、（３）の工程や（４）の工程の後におこなってもよい。

以上、本発明は、絶縁基板１２の一面に複数の微小な突起物１８を設けることによって、有機発光層１６で発光した光の取り出し効率を向上させることができる。これは、突起物１８によって、絶縁基板１２表面と空気との界面における光の反射を防止することができ、さらに絶縁基板１２を透過した光の散乱を防止することができるためである。言い換えると、絶縁基板１２内を進行した光は、素直に空気中に放射される。

突起物１８が比較的大きくなることによって、突起物１８による光の干渉が発生する問題が発生するが、突起物１８の配置をランダムにすることによって、突起物１８による光の干渉を防ぐことができる。突起物１８が比較的大きくなることによって、突起物１８の製造も簡易になり、製造コストを下げることができる。

トップエミッション構造の有機ＥＬ素子の場合、有機発光層１６を形成した後に透明電極の材料をスパッタ法で積層するため、有機発光層１６にダメージを与えてしまう。本発明は、ボトムエミッション構造の有機ＥＬ素子１０であるため、有機発光層１６を積層した後に透明電極を積層することはないので、有機発光層１６にダメージを与えることなく製造することができる。トップエミッション構造の有機ＥＬ素子よりも歩留まりがよくなる。

次に、突起物１８を整列配置させたり、ランダムに配置させたりした種々の実験結果について説明する。

実験に使用した本発明の平面発光装置１０は、円錐台の突起物１８を用いており、底面の直径が２μｍ、高さが１μｍである。突起物１８は、４μｍ間隔に整列配置させた。また、比較対照物として突起物１８のない従来の平面発光装置３０を用いた。本発明と従来の平面発光装置１０，３０の絶縁基板１２の面積は２５×２５ｍｍ^２である。

図２〜図６に本発明と従来の平面発光装置１０，３０の実験結果を示す。図２は、有機発光層１６に印加する電圧と電流密度の関係を示す。本発明と従来の平面発光装置１０，３０の有機発光層１６が、同じ電流密度であることがわかる。図２より、本発明と従来の平面発光装置１０，３０は、ほぼ同じ有機発光層１６を有していることがわかる。したがって、以下の実験結果における本発明と従来の平面発光装置１０，３０の相違点は、突起物１８の影響となる。

図３は、本発明と従来の平面発光装置１０，３０の発光効率の関係を示す。グラフ上違いが少ないように見えるが、縦軸が対数であるため、発光効率に大きな差が出ているのがわかる。

図４は、平面発光装置１０，３０の発する光の各波長の分布を示す。本発明と従来の平面発光装置１０，３０が発する光の分布は、約５５０ｎｍ〜６４０ｎｍの範囲で異なっている。これは、突起物１８を整列配置したために、光の干渉がおこってしまったためである。

図５と図６は、平面発光装置１０，３０における輝度を示す。従来と本発明の平面発光装置１０，３０は、図２〜図４に示すように、ほぼ同じ有機発光層１６を使用しているが、平面発光装置１０，３０の外部への輝度は本発明の方が高くなっていることがわかる。図５に示すように、１００ｍＡ／ｃｍ^２のとき、従来の平面発光装置３０の輝度が４６５０ｃｄ／ｍ^２であるのに対し、本発明の平面発光装置１０は６０７０ｃｄ／ｍ^２である。本発明は従来と比較して、輝度が約３０％向上している。

図２〜図６に示す実験結果より、本発明の平面発光装置１０は、絶縁基板１２に設けた微小な突起物１８によって外部への輝度が向上しているのがわかる。

実施例１では、突起物１８は４μｍ間隔に整列していたが、実施例２は突起物１８の配置をランダムにした場合について説明する。突起物１８の密度は、６２５００個／ｍｍ^２である。その他は、実施例１と同じ構成である。

図７は、実施例１の図２に対応しており、本発明の平面発光装置１０の有機発光層１６が従来の平面発光装置３０の有機発光層１６とほぼ同じ機能を有することがわかる。したがって、以下の実験結果における本発明と従来の平面発光装置１０，３０の相違点は、突起物１８の影響となる。

図８は、実施例１の図３に対応しており、本発明の平面発光装置１０が従来の平面発光装置３０よりも発光効率が向上しているのがわかる。

図９は、実施例１の図４に対応している。本発明と従来の平面発光装置１０，３０から発せられる光の分布は、同じになっている。これは、突起物１８をランダム配置したために、光の干渉がおこらないためである。実施例１の場合と異なり、発光する光の分布が本願と従来とで同じになっており、突起物１８をランダム配置する方が、発光装置として理想的な光の分布を示すことが確認できる。

図１０と図１１は、平面発光装置１０，３０における輝度を示す。本発明と従来の平面発光装置１０．３０は、ほぼ同じ有機発光層１６を有しているが、平面発光装置１０，３０の外部への輝度は本発明の方が高くなっていることがわかる。図１０に示すように、１００ｍＡ／ｃｍ^２のとき、従来の平面発光装置３０の輝度が４３５０ｃｄ／ｍ^２であるのに対し、本発明の平面発光装置１０は４９００ｃｄ／ｍ^２である。本発明は従来と比較して輝度が約１２．５％向上している。また、突起物１８をランダムに配置したことによって、光の干渉が発生しない。

図７〜図１１の実験結果より、突起物１８によって平面発光装置１０の輝度が向上しているのがわかる。さらに、突起物１８をランダム配置することによって、光の干渉が発生せず、理想的な光を発光することができることがわかる。

平面発光装置１０，３０の角度による発光強度および輝度の違いについて説明する。図１２ａは、突起物１８を整列させて形成した平面発光装置１０と従来の突起物１８のない平面発光装置３０の発光強度を示す。なお、図１２ａは、平面発光装置１０，３０の絶縁基板１２に対する垂線を０°とし、各角度での発光強度を示している。また、図１２ａは、０°のときの発光強度を１とした相対値で表している。さらに、図１２ａの点線は、各角度の余弦（ｃｏｓ）である。一般的に、測定される発光強度は０°（絶縁基板に対する垂線）が一番強く、９０°（絶縁基板と同一線）に近づくにつれて弱くなるため、発光強度は図１２ａの点線と同じになることが理想である。

図１２ａにおいて、本発明の平面発光装置１０の発光強度は点線と一致せず、点線の内外にばらついている。これは突起物１８を整列させたために、光が干渉しているためである。

図１２ｂは、平面発光装置１０，３０の角度による輝度を示している。従来の平面発光装置３０と比較して、本発明の平面発光装置１０は、各角度で輝度が高いことが確認できる。しかし、平面発光装置１０の突起物１８を整列させているために、光が干渉し、きれいな円になっていないのが確認できる。

次に、突起物１８をランダムに配置した場合の発光強度および輝度について説明する。図１３ａと図１３ｂは、それぞれ図１２ａと図１２ｂに対応している。図１３ａより、本発明の平面発光装置１０の発光強度が点線と一致している。これは、突起物１８の配置をランダムにしたことによって、突起物１８による光の干渉が発生していないためである。

また、図１３ｂより、本発明の平面発光装置１０の輝度は、従来の平面発光装置３０の輝度と比較して、全ての角度で高くなっている。さらに、本発明の平面発光装置１０の輝度は、突起物１８による光の干渉が発生せず、きれいな円になっているのが確認できる。

実施例１から実施例３より、平面発光装置１０の絶縁基板１２に突起物１８を設けたことによって、従来の平面発光装置３０と比較して、平面発光装置１０の輝度が上昇することが確認できた。また、突起物１８は整列させるよりもランダムに配置することによって、光の干渉が発生せず、良好な平面発光装置１０となることも確認できた。さらに、突起物１８は比較的大きくなっており、突起物１８の形成も比較的簡単である。本発明によって有機ＥＬ素子を平面発光装置１０として用いることができるため、既存の照明と比較して低消費電力の平面発光装置となる。

以上、本発明について説明したが本発明は上記の実施形態に限定されることはない。その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明における平面発光装置の断面図である。 有機発光層に印加する電圧と電流密度の関係を示すグラフである。 平面発光装置の発光効率を示すグラフである。 平面発光装置の発した光の各波長の分布を示すグラフである。 平面発光装置における輝度と電流密度の関係を示すグラフである。 平面発光装置における輝度と電流密度の関係を示すグラフである。 有機発光層に印加する電圧と電流密度の関係を示すグラフである。 平面発光装置の発光効率を示すグラフである。 平面発光装置が発した光の各波長の分布を示すグラフである。 平面発光装置における輝度と電流密度の関係を示すグラフである。 平面発光装置における輝度と電流密度の関係を示すグラフである。 有機発光層で発光した光の角度依存性を示すグラフであり、（ａ）は平面発光装置の絶縁基板に対する垂線を０°とし、各角度での平面発光装置の発光強度を相対値で示すグラフであり、（ｂ）は平面発光装置の角度による実験で得られた輝度を示すグラフである。 有機発光層で発光した光の角度依存性を示すグラフであり、（ａ）は平面発光装置の絶縁基板に対する垂線を０°とし、各角度での平面発光装置の発光強度を相対値で示すグラフであり、（ｂ）は平面発光装置の角度による実験で得られた輝度を示すグラフである。 従来の平面発光装置の断面図である。

符号の説明

１０，３０：平面発光装置（有機ＥＬ素子）
１２：絶縁基板
１４：透明電極
１６：有機発光層
１８：突起物
２０：ホール輸送層
２２：電子注入層
２４：金属電極
２６：キャップ

Claims (3)

1. 透明の絶縁基板と、
   前記絶縁基板の一方の面に形成された透明電極と、
   前記透明電極の上に形成され、発光をおこなう有機発光層と、
   前記絶縁基板の他方の面に複数形成された透明の突起物と、
   を含む平面発光装置。
2. 前記突起物がランダムに配置されている請求項１に記載の平面発光装置。
3. 前記突起物の形状が、円錐、角錐、円柱、角柱、円錐台、または、角錐台を含む請求項１または２に記載の平面発光装置。

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