JP2006156270A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ上に形成された発光素子の発光強度及び開口率を向上することを目的とする。
【解決手段】 本発明の発光素子は、
断面が略円形の透明絶縁材からなるファイバ２を基板として、その上に透明電極膜３が形成されている。透明電極膜３の上には、さらに発光層４と反射層５が形成されている。透明電極膜３の上部に形成される発光層４、反射層５、及び発光層４と反射層５が形成されない開口部６のそれぞれの領域を所定の範囲で形成することにより、発光層４から発した光を効率的に開口部６から出射させることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表示画面などに使用しうる発光素子に関し、より詳しくは、ファイバの表面に透明電極膜及び発光層等を形成した発光素子に関する。

現在主流のアクティブマトリックス型平面表示装置は、表示面にＴＦＴ(Thin Film Transistor)からなる画素駆動スイッチと画素表示媒体からなる平面ディスプレイであり、出発点の基板はソーダライム等の透明ガラス板である。基板としてはプラスチックフィルムを用いる試みがなされているが、未だ実用化に至らず、表示媒体としては液晶が、アクティブマトリックスとしてはa-SiＴＦＴ(Amorphous-Silicon-TFT)が現在のところ主流であり、ＰＣ用、モニタ用等に１０”〜２０”対角サイズのディスプレイが量産されている。

表示媒体としてのＬＣＤ(Liquid Crystal Display)は、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)と比較した時、テレビジョン動画の表示性能、特に白色、ホワイトピーク、応答性に問題がある。これに対して、最近開発、製品化が進められている有機ＬＥＤ（（ＯＬＥＤ：Organic Light-Emitting-Diode)は自発光であり、白色、ホワイトピーク応答性等ＬＣＤより優れた画質を実現できる。

一方、ＴＦＴも最近、低温プロセスの多結晶Si（p-Si）の開発、製品化が急速に進められている。これはまずp-SiのＴＦＴ性能が高く周辺回路内蔵が可能、従ってコスト低減のメリットがあるためである。これに加えて、ＯＬＥＤの駆動には駆動電流密度の面からa-SiＴＦＴでは対応困難であり、ＬＣＤへの適用も含めてＴＦＴは低温p-Siへの移行が全体的傾向である。

アクティブマトリックス型平面表示装置をはじめとする全ての表示装置における市場の要求は、常に、表示サイズの大型化、高精細化、低コストの３点である。これらの要求に対して、現在主流のa-SiＴＦＴ−ＬＣＤは、性能改良の余地は僅かで、大型化に関しては４０”対角テレビジョン、高精細化に対しては２０”以下のディスプレイが実質的な限界で、コスト対応はガラス基板の大型化が唯一の手段といってよい状況である。また、そのガラス基板は高精度の平坦性が要求され、湾曲面を有する基板を用いることは難しい。

これに対して、下記の特許文献１には、ＯＬＥＤ素子が形成されたファイバを基板上に並べてディスプレイ装置を構成することが記載されている。図２及び図３に、特許文献１に記載のＯＬＥＤ素子が形成されたファイバの実施例を示す。図２は前記ファイバの斜視図であり、図３は前記ファイバの長手方向の断面図である。

特許文献１に記載の発光素子１１は、断面が矩形のファイバ１２、透明電極１３、発光層１４、反射導電体１５、及び電極１６等から構成されている。発光層１４はＯＬＥＤ素子で形成されており、発光層１４から発せられた光は、透明電極層１３及びファイバ１２を経由して、出射面１７から出射される。また、ファイバ１２には側面の一方又は両方に反射層１５が設けられている。

従来の２次元基板を用いた場合は、ディスプレイを大型化すると画素数は画面の大きさの２乗に比例して多くなる。その結果、画素の不良発生率が同じ場合には、画面を大型化することにより歩留まりは著しく低下してしまう。

また、１枚あたりの製造コストも当然高くなるので、歩留まりに逆比例して製造コストが著しく上がってしまうという問題があった。これは、画面上の一箇所でも素子に不良があると、その部分あるいはその周辺だけを交換して修理するということができないからである。

特許文献１によれば、不良となったファイバのみを交換することで修理可能なため、歩留まりを大幅に改善できるという利点があった。
特表２００２−５３８５０２号公報

しかしながら、特許文献１によれば、図２、３に示すように発光素子１１は、断面矩形のファイバ１２の上面に発光層１４を載置し、ファイバ１２の一方あるいは両方の側面に反射層１５を設け、上面から発光させているが、この場合の発光強度は供給電力に比べて決して高いものではない。

その理由を図６を用いて以下に説明する。図６は、特許文献１に記載の発光素子１１の発光層１４から発せられた光の軌跡の例を示す。発光層１４から発せられた光３１は出射面１７から出射される一方、一部の光３２が出射面１７でファイバ１２内に反射され出射面１７から出射されないためと考えられる。一部の光３２が出射面１７でファイバ１２内に反射されるのは、出射面１７と大気との屈折率差によるものである。

また、発光層１４は必ずしもファイバ１２の全投影面に形成できるわけではないため、ディスプレイとした場合に光が出射される面積は発光層１４が形成された領域と対向する領域１７に限られ、いわゆる開口率が低下するという課題がある。

そこで、本発明はファイバ上に形成された発光素子の発光強度及び開口率を向上することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、断面が略円形の透明絶縁材からなるファイバの表面に透明電極膜を形成し、前記透明電極膜上に発光層を形成してなる発光素子であって、前記ファイバの表面に形成された反射層をさらに有し、前記発光層を前記ファイバ外周の１／８以上１／４以下の領域に形成し、前記反射層を前記発光層の端部から両側対称に形成し、前記反射層が形成された領域は前記ファイバ外周の１／４以上１／２以下である、ことを特徴とする発光素子である。

本発明の第２の態様は、前記反射層は金属であることを特徴とする発光素子である。

本発明の第３の態様は、前記反射層は導電体であることを特徴とする発光素子である。

本発明の第４の態様は、前記反射層は前記透明電極膜と導通していることを特徴とする発光素子である。

本発明によれば、発光層から発した光が外周に沿って配置された反射層により反射されて出射面に至るので発光強度を高めることが可能である。また、出射光は発光層に垂直な方向だけでなく広がりももって出射されるため、みかけの開口率が向上するという効果が得られる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態を説明する図である。本発明の発光素子１は、断面が略円形の透明絶縁材からなるファイバ２を基板として、その上に以下で説明する複数の層を形成したものである。ファイバ２を形成する透明絶縁材としては、例えば石英を用いることができ、ファイバ２は石英ガラスファイバであってよい。

本発明の発光素子１に適用可能な透明ファイバには、この他ホウケイ酸塩、もしくは、ソーダ石灰ガラスやサファイア、その他の適切なガラス材料等のガラスファイバと、メタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート、アクリル、ポリエステル、ポリイミド、その他の適切なプラスチック材料等のプラスチックファイバが含まれる。

ファイバ２の表面上に形成される第一の層は、透明電極膜３である。透明電極膜３としては、例えば酸化インジウム（ＩＴＯ）／酸化亜鉛（ＺｎＯ）／酸化錫（ＳｎＯ_２）等を用いることができる。透明電極膜３は、一例としてスパッタにより約１００ｎｍの厚さに形成される。

前記第一の層の上には、さらに発光層４と反射層５が形成されている。発光層４には、例えば有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）を用いることができる。又、反射層５は後述するように金属で形成することができる。一例として、クロム、アルミニウムを順に形成した二重構造か、チタン、アルミニウムを順に形成した二重構造とすることができる。

本実施形態では、透明電極膜３の上に発光層４と反射層５の２種類の層が形成されていることから、以下では発光層４と反射層５とを形成するときの条件について、図４を用いて説明する。

本実施形態の第二層は、発光層４と反射層５が形成されているが、これに加えて発光層４及び反射層５とも形成されていない領域６は、光が放出される開口部の機能を有している。従って、第二層は発光層４と反射層５及び開口部６の３つの領域を適切な割合で形成する必要がある。

本実施形態では、発光層４を形成する領域Ａはファイバ２の外周Ｌの少なくとも１／８以上設けるものとする。また、反射層５及び開口部６の領域を確保するため、発光部４を形成する領域Ａは最大でも外周Ｌの１／４以下にするものとしている。

すなわち、発光層４を形成する領域Ａは
１／８・Ｌ ≦ Ａ ≦ １／４・Ｌ （１）
とする。

反射層５は、発光層４の両端部から対称になるように反射層５（ａ）と反射層５（ｂ）が形成されている。反射層５（ａ）と反射層５（ｂ）が形成される領域Ｂ１とＢ２は等しく、両者を合わせた反射層全体の領域は、ファイバ２の外周Ｌの少なくとも１／４以上設けるものとする。従って、反射層５（ａ）が形成される領域Ｂ１と反射層５（ｂ）が形成される領域Ｂ２は、それぞれファイバ２の外周Ｌの少なくとも１／８以上形成されることになる。

また、発光部４の場合と同様に、発光部４及び開口部６の領域を確保するため、反射層５（ａ）と反射層５（ｂ）を形成する領域Ｂ１とＢ２は、両者を合わせて最大でも外周Ｌの１／２以下にするのが望ましい。

以上から、反射層５（ａ）と反射層５（ｂ）を形成する領域Ｂ１とＢ２に対する条件は、
１／４・Ｌ ≦ （Ｂ１＋Ｂ２） ≦ １／２・Ｌ （２）
Ｂ１ ＝ Ｂ２
となる。

以上の結果、発光部４の領域Ａと反射層５の領域（Ｂ１＋Ｂ２）をともに最大まで確保した場合でも、開口部６の領域Ｃは少なくともファイバ２の外周Ｌの１／４を確保することができる。

逆に、発光部４の領域Ａと反射層５の領域（Ｂ１＋Ｂ２）をともに最小とした場合には、開口部の領域Ｃは最大としてファイバ２の外周Ｌの５／８を確保することになり、ファイバ２の外周Ｌの半分以上を開口部とすることも可能である。

発光部４の領域Ａと反射層の領域Ｂ１，Ｂ２は、本発明の発光素子１の用途に応じて、上記式（１）及び式（２）を満たす範囲で適切に決定される。

透明電極膜３の上部に形成される発光層４、反射層５、及び開口部６を上記のように構成することにより、本実施形態では発光層４から発した光を効率的に開口部６から出射させることが可能となる。

本実施形態において発光層４から発した光が効率的に開口部６から出射できることを、図５に基づいて以下に説明する。なお、図２及び図３に示した従来の発光素子１１における出射の様子を図６に示すこととし、図５と図６を比較しながら説明する。

図５は、本実施形態において発光層４から発した光が開口部６から出射されるまでにファイバ２内で反射される様子を説明する図であり、図６は、図２に示した従来の発光素子１１において、発光層１４から発した光が開口部１７から出射されるまでにファイバ１２内で反射される様子を説明する図である。

本実施形態では、発光層４から発した光２１は直接開口部６から出射されるが、一部の光２３は出射面２２で反射されてファイバ２内に戻るものもある。この理由は、従来技術の課題として前述したものと同じ（図６の光３２の発生理由）であり、出射面２２と大気の屈折率差により出射面２２で反射されるためである。

しかしながら、本実施形態においては出射面２２で反射された光２３は、反射層５で再び反射された後（光２４）開口部６から出射する（光２５）ことが可能となる。但し、反射層６による反射は１回だけとは限らず（図５の例では２回反射）、反射角によっては反射層６で複数回反射された後開口部６から出射することが可能となる。

また、発光層４から発した光２６は直接反射層５に向かっており、反射層５で反射された後に開口部６から出射されている。反射光が発光層４に入射するのは、発光層４に対向する位置にある出射面２２で反射された光など極わずかであり、発光層４から発した光は大部分が直接又は反射層５で反射された後に開口部６から出射されることになる。

これに対し図６に示した従来の発光素子１１では、発光層１４から発した光３１は対向する位置に設けられた出射面１７から出射されるように構成されているが、出射面１７で反射された光３２は大部分が発光層１２に戻ってしまう。発光層１４の両側に反射層１５が設けられているが、反射層１５で反射して出射面１７から出射される光はわずかである。

上記で説明したように、本発明の発光素子１では、発光層４から発せられた光は直接開口部６に到達して出射されるだけでなく、直接開口部６に到達しない光も反射層５により反射されて開口部６に至るので発光強度を高めることができる。

さらに、本実施形態では反射層５で反射された光は、発光層４と対向する方向以外にも出射されることから、出射光は広がりをもって出射されることになる。このことから、本発明の発光素子１はみかけの開口率を大幅に向上させることができる。

これに対し従来の発光素子１１では、発光層１４を必ずしもファイバ１２の全投影面に形成できるわけではないため、ディスプレイとして光が出射される領域は発光層１４が形成された領域に対向する領域に限られることになる。そのため、従来の発光素子１１では開口率が低下してしまうことになる。

本発明のファイバ２を基板とした発光素子１の光強度を定量的に評価するために、従来から用いられているガラス基板の上に発光層及び透明電極を形成した平板基板の発光素子の光強度と比較した結果を図７に示す。

図７において、本発明の発光素子１に係わる光強度の結果は、反射層５の周方向の長さを変えて開口部６の幅を１８０ｕｍ〜２９０ｕｍまで変化させたときの、光強度の角度依存性を算出したものである。計算に用いた光の波長（計算波長）は、緑（５３０ｎｍ）である。

図７より、平板基板の発光素子に比較して、本発明の発光素子１は約２倍以上の光強度を示しており、開口部６の幅を２６０ｕｍ以下にしても見かけの光強度は増加せず、ファイバ２の内部に閉じ込められることになる。また、２６０ｕｍ以上にすると、視野角は広がるが、光強度が減少する傾向が見られる。

本発明の発光素子１の反射層５を導体とし、透明電極膜３と導通させた場合は、透明電極を補強する補助電極としても機能する。反射層５としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉなどが導電率、反射率の観点から好ましい。

図１は、本発明の実施形態に係る発光素子の断面図である。 図２は、従来技術である発光素子の斜視図である。 図３は、従来技術である発光素子の長手方向の断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る発光素子の発光層及び反射層の領域を説明するための断面図である。 図５は、本発明の実施形態に係る発光素子において、発光層から出射された光の軌跡を説明するための断面図である。 図６は、従来技術である発光素子において、発光層から出射された光の軌跡を説明するための断面図である。 図７は、本発明の発光素子の光強度を、従来の平板基板の発光素子と比較したグラフである。

符号の説明

１、１１：発光素子
２、１２：ファイバ
３、１３：透明電極膜
４、１４：発光層
５、５（ａ）、５（ｂ）：反射層
６：開口部
１５：反射層
１６：電極
１７：出射面
２１：出射光
２２：出射面
２３、２４，２５：反射光
３１：出射光
３２：反射光

Claims (4)

1. 断面が略円形の透明絶縁材からなるファイバの表面に透明電極膜を形成し、前記透明電極膜上に発光層を形成してなる発光素子であって、
   前記ファイバの表面に形成された反射層をさらに有し、
   前記発光層を前記ファイバ外周の１／８以上１／４以下の領域に形成し、
   前記反射層を前記発光層の端部から両側対称に形成し、
   前記反射層が形成された領域は前記ファイバ外周の１／４以上１／２以下である、
   ことを特徴とする発光素子。
2. 前記反射層は金属である
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記反射層は導電体である
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記反射層は前記透明電極膜と導通している
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の発光素子。
   

Images