JP2008108514A - 色変換発光デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 色変換層を用いた発光デバイスにおいて、発光層から色変換層への取り出し効率や色変換層から大気への取り出し効率を向上させた発光デバイスを提供する。
【解決手段】 蛍光色素を含む色変換層と、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む半導体発光素子もしくは有機ＥＬ素子とを備えてなる発光デバイスにおいて、該発光層の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光層から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、 |ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ および ｎ_Z ≧ ｎ₁−０．２ を満たす構成の発光デバイスを提供する。
【選択図】 なし

Description

本発明は化合物半導体を用いたＬＥＤや有機ＥＬ素子等の発光素子で、色変換層を持つ発光デバイスに関するものである。

色変換層を用いた有機ＥＬパネルにおいて、発光層から色変換層への取り出し効率や色変換層から大気への取り出し効率を、屈折率を検討しながら向上させたものとしては下記の報告がある。
特許文献１は、色変換層、基板、下地層、電極１、発光層及び電極２をこの順に形成した発光デバイスにおいて、下地層の屈折率を、基板の屈折率より大きく電極１の屈折率により小さくし、光取り出し効率を向上させている。
特許文献２は、色変換層、保護層、電極１、発光層及び電極２をこの順に形成した発光デバイスにおいて、色変換層の屈折率と、保護層の連続的に変化する屈折率と、発光層の屈折率とを所定の関係式を満たす範囲とするにより、反射成分を少なくし、光取り出し効率を向上させている。
特許文献３は、有機ＥＬ層の上に低屈折率層を設けることで取り出し効率を向上させている。特許文献４は、色変換効率の高い色変換層を開示し、屈折率にも言及している。
しかし、発光層から色変換層への取り出し効率や色変換層から大気への取り出し効率の向上については、さらなる向上が求められている。
特開２００３−７７６８０号公報 特開２００３−１３３０６２号公報 特開２００１−２０２８２７号公報 特開２００１−１１９０６７号公報

本発明は、色変換層を用いた発光デバイスにおいて、発光層から色変換層への取り出し効率や色変換層から大気への取り出し効率を向上させた発光デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、蛍光色素を含む色変換層と、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む半導体発光素子もしくは有機ＥＬ素子とを備えてなる発光デバイスにおいて、該発光層の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光層から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、|ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ および ｎ_Z ≧ (ｎ₁−０．２) を満たす構成の発光デバイスを提供する。
また、本発明は、透明基板の色変換層を形成する色変換基板の形成ステップと、該色変換層の上に、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む発光部を形成するステップとを含んでなる発光デバイスの製造方法であって、該発光部の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光部から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、該発光部と該色変換層が |ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ を満たすように選択され、さらに ｎ_Z ≧ (ｎ₁−０．２) を満たす発光デバイスの製造方法を提供する。

色変換層の屈折率を有機ＥＬ発光素子等の発光部と略等しくすることにより、例えば１．６〜２倍程度の輝度の向上を得ることができる。ＣＣＭ（カラーチェンジングメディア）有機ＥＬカラーパネルの赤色が低輝度である問題に対する有力な手段となることができる。

本発明にて考慮した発光層を含む半導体もしくは有機ＥＬ素子と色変換層の断面図を図１に示す。図１は、一例として、発光層１３を含む平板状のＬＥＤ素子１０と２つの透光性材料２１、２２と色変換層３０を含む。ＬＥＤ素子１０は、光反射機能を持つ電極１１と導電層１２と発光層１３と導電層１４と透明電極１５を含む。このような平面型の発光デバイスの効率は、図中の太い矢印に示したように、発光層で発生した光は、一部が色変換層に進入し吸収される。吸収された光は、蛍光によって色変換されて発光するが、その発光した光の一部が大気中に取り出され、その他は内部を導波する。
したがって、変換された光の効率を決める重要なファクターは、１）色変換層の光吸収効率、２）色変換の効率：内部量子効率≡（発光フォトン数）／（吸収フォトン数）、３）発光層から色変換層への取り出し効率、４）色変換層から大気への取り出し効率、以上の４点によって決定される。本発明は、上記４つのファクターのうち、３）と４）の取り出し効率についてのものである。

本発明で考慮した平板状の色変換層と平面の発光層を併せ持つ発光デバイスの断面構造を図２に示す。図２には、ガラス等の支持基板４０と屈折率ｎ₀（ここでｎ₀＝１である。）を有する大気も示す。
まず、一般的な発光、色変換、光取り出し過程を考える。
有機ＥＬや半導体のＬＥＤのような電子およびホールの結合によって得られる発光は、図の発光部に円形にて示したように全ての方向に均等な光量になる。この層での全光発生量をＰ（フォトン／ｓｅｃ）とする。
発光部から色変換層への光取り出し効率をηとし、色変換層へのトータルの入射光量をＰ_inとすると、以下の式で表すことができる。

色変換層での光吸収係数をＫ_a、色変換の内部量子効率：Ｋ_e≡（発生フォトン数）／（吸収フォトン数）とすれば、色変換層での発生光量：Ｐ_c（フォトン／ｓｅｃ）は、以下の式で表せる。

また、色変換層での発光：Ｐ_cは全方向に均一な放射分布を持つため、図２には円形を用いて模式的に表現している。

さらに、ＲＧＢ（赤、緑、青）を持つ有機ＥＬパネル等は、特に正面から見た光量が重要である。そこで色変換層から大気への正面から見た取り出し効率をＤ_Rとすると、大気から見た正面光ｐ_Rは以下の式で表される。

以上の３式をまとめると、

（４）式においてＫ_aおよびＫ_eは、色変換材料固有の値で、大きい値をとれば正面から見た光量も多くなる。しかし、Ｄ_Rおよびηは取り出し効率なので、ηは発光部から色変換層までの光学設計に依存し、Ｄ_Rは色変換層から大気までの光学設計による。そこで、これらの取り出し効率について、スネル則を用いて議論する。

まず、発光層から色変換層への取り出し効率：ηを考える。
発光層の屈折率をｎ₁、色変換層の屈折率をｎ₂、発光層と色変換層の間にある透光性材料の屈折率（図１における１４、１５、２１および２２の各屈折率）をｎ₃とする。
例えばｎ₃＜ｎ_lの条件では図に示したように透光性材料と発光部の間に臨界角が存在して、ある角度より大きな光は色変換層に入射しない。したがって、透光性材料の屈折率は、発光部と同じか、もしくは若干大きい方が良い。
また、ｎ₂＜ｎ_l≦ｎ₃なる条件では、臨界角が透光性材料と色変換層の界面で発生してしまう。このときのηはスネル則を用いて以下の式で表せる。

次にＤ_Rについて考える。蛍光色素を含む色変換層での発光も、発光層と同様に全ての方向に均一な発光なので、上半分の光は大気へ放出され、下半分の光は発光部に反射されて大気へ放出される。今、色変換層から見た発光部の反射率をｒとすると、半球の立体角が２πであることを考慮して、以下の式が導かれる。

（４）〜（６）式をまとめると、
ｎ₂＜ｎ₁≦ｎ₃なる条件で、

ｎ₁≦ｎ₃かつｎ₁≦ｎ₂なる条件では、η＝１なので、

上記式にて反射電極にＡｌ等を用いると、反射率は０．９２以上が得られるので、１≒（１＋ｒ）／２が得られる。したがって光学的な設計に重要な項は屈折率が関与する部分で、その部分を以下のように定義する。
ｎ₂＜ｎ₁≦ｎ₃なる条件で、

ｎ₁≦ｎ₃かつｎ₁≦ｎ₂なる条件で、

発光部の屈折率ｎ₁を２．０とし、色変換部の屈折率ｎ₂を１．２〜２．４まで変化させたときのＫ_sの計算値を図３に示す。１．２＜ｎ₂＜２．０では（９）式が成立し、この領域ではｎ₂の増加に伴いＫ_Sが増加する。一方、ｎ₂＞２．０では（１０）式が成立し、ｎ₂の増加に伴いＫ_Sが減少する。したがって、色変換層と発光層の屈折率が等しい時に最大のＫ_sとなり、取り出し効率が最も高くなることが判る。

色変換層を用いた有機ＥＬパネルでのこれまで開示された特許において、色変換層の屈折率を規定したものと、本発明を比較する。
特許文献１では透明電極の屈折率ｎ₁と色変換層の屈折率ｎ₂に着目して、その間にある透光性材料の屈折率：ｎをｎ₁＞ｎ＞ｎ₂と中間の値をとる方法が開示されているが、これは界面反射に着目して、効率を考えたものである。屈折率差による界面の反射は確かに存在するが、その値は１０％以下で、むしろ本発明で示したように、臨界角の存在によって制限されるとりだし効率が、むしろ支配的である。特許文献２でも上記と同様な考えかたに基づく特許が開示されており、この場合は反射成分を少なくするために透光性材料の屈折率を連続的に変化させている。
また、特許文献３では、本発明による法式とは逆に、有機ＥＬ層の上に低屈折率層を設けることで取り出し効率を向上させる方法が開示されている。この方法は有機ＥＬ層が非常に薄い時に、スネル則が成立しなくなり、光が屈折せずに低屈折率層へ放射される原理に基づく方法である。ただし、我々の実験では、有機層の厚さが１００ｎｍ、透明電極厚さが１００ｎｍの素子でもスネル則が成立しており、実用的な厚さの素子では本発明に示した方法が最も効率が高い。

有機ＥＬから離れて、色変換材料と発光ダイオードを用いた類似の構造に、ＧａＮの青ＬＥＤ上に蛍光材料を塗布して白色化したＬＥＤが製造されている。この色変換層を用いたＬＥＤの開示された特許の中で、特許文献４では、請求項の中では屈折率を規定していないが、本文中にて屈折率に言及している。その部分を引用すると、「被覆体は、半導体発光素子の発光層の屈折率と実質的に同一の屈折率を有する蛍光体を含むため、被覆体全体を発光層の屈折率に近い屈折率で構成できるので、全反射の生じる限界の入射角を大きくでき、半導体発光素子から照射された光による被覆体との界面での反射を著しく抑制することができる。」という記述がある。
この記述部分は、本発明の原理に示したηにっいて説明した部分であるが、本発明で示した色変換層から大気への取り出し項については全く議論されていない。

したがって、開示された構造（図４（Ａ）に特許文献４の発光素子の構造の模式図を示す。）において、ηとＤ_Rを考慮すると、変換された光量が最大になる点は発光層の屈折率と色変換層の屈折率が近い場合なのだろうか？
図４（Ａ）の発光素子は、ＧａＮを用いたＬＥＤチップである発光部１１０、色変換層１３０およびＡｌ等の反射材からなるリードフレーム１４０を有する。ＬＥＤチップ１１０の断面模式図を図４（Ｂ）に示す。ＬＥＤチップ１１０は、負電極１１１、ｎ型半導体領域１１２、発光層１１３、ｐ型半導体領域１１４、正電極１１５、バッファ層１１６および基板１１７から構成される。
まず、図４によれば、光の取り出し方向は図面での上下、左右、さらに紙面の奥と手前方向の３軸が考えられる。図５に、模式化した色変換ＬＥＤを示す。色変換材料はチップ全体を包み込む様に配置されているために、上下方向だけではなく、３軸全ての方向の光をとり込む事になる。このことは、式（５）で示したηの３倍のとりだし効率が得られることを示す。したがって、

にて、３軸方向の取り出しが記述できる。

図６にｎ₁＝２．０の場合の本発明（１軸取り出し）の場合と３軸取り出しの場合のＫ_Sを比較する。図に示したように３軸取り出しでは、色変換層の屈折率ｎ₂＝１．５が最も効率が高い。屈折率１．５は通常のガラスや透明なエポキシ樹脂の屈折率で、発光層の屈折率２．０に近くなると効率はむしろ低下している。
以上の結果より、本発明で限定した屈折率は、図１や図２のような１方向へ光を取り出す場合に限られる。

本発明は、蛍光色素を含む色変換層と、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む半導体発光素子もしくは有機ＥＬ素子とを備えてなる発光デバイスにおいて、該発光層の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光部から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、|ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ および ｎ_Z ≧ ｎ₁−０．２ を満たす構成の発光デバイスを提供する。
本発明に用いる色変換層は、特に限定されるものではなく、通常の色変換フィルタ層が用いられる。色変換フィルタ層は、有機蛍光色素とマトリクス樹脂から構成される。有機蛍光色素は、発光体から発せられる近紫外領域ないし可視領域の光、特に青色ないし青緑色領域の光を吸収して異なる波長の可視光を蛍光として発光するものである。好ましくは、少なくとも赤色領域の蛍光を発する蛍光色素の１種類以上を用い、さらに緑色領域の蛍光を発する蛍光色素の１種類以上と組み合わせてもよい。

発光体から発する青色から青緑色領域の光を吸収して、赤色領域の蛍光を発する蛍光色素としては、例えばローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、ローダミン３Ｂ、ローダミン１０１、ローダミン１１０、スルホローダミン、ベーシックバイオレット１１、ベーシックレッド２などのローダミン系色素、シアニン系色素、１−エチル−２−［４−（ｐ−ジメチルアミノフェニル）−１，３−ブタジエニル〕−ピリジニウム パークロレート（ピリジン１）などのピリジン系色素、あるいはオキサジン系色素などが挙げられる。さらに、各種染料（直接染料、酸性染料、塩基性染料、分散染料など）も蛍光性があれば使用することができる。

発光体から発する青色ないし青緑色領域の光を吸収して、緑色領域の蛍光を発する蛍光色素としては、例えば３−（２'−ベンゾチアゾリル）−７−ジエチルアミノクマリン（クマリン６）、３−（２'−ベンゾイミダゾリル）−７−Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノクマリン（クマリン７）、３−（２'−Ｎ−メチルベンゾイミダゾリル）−７−Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノクマリン（クマリン３０）、２，３，５，６−１Ｈ，４Ｈ−テトラヒドロ−８−トリフルオロメチルキノリジン（９，９ａ，１−ｇｈ）クマリン（クマリン１５３）などのクマリン系色素、あるいはクマリン色素系染料であるベーシックイエロー５１、さらにはソルベントイエロー１１、ソルベントイエロー１１６などのナフタルイミド系色素などが挙げられる。さらに、各種染料（直接染料、酸性染料、塩基性染料、分散染料など）も蛍光性があれば使用することができる。

なお、本発明に用いる有機蛍光色素を、ポリメタクリル酸エステル、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂、アルキッド樹脂、芳香族スルホンアミド樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂及びこれらの樹脂混合物などに予め練り込んで顔料化して、有機蛍光顔料としてもよい。また、これらの有機蛍光色素や有機蛍光顔料（本明細書中で、前記２つを合わせて有機蛍光色素と総称する）は単独で用いてもよく、蛍光の色相を調整するために２種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明に用いる有機蛍光色素は、色変換フィルタ層に対して、該色変換フィルタ層の重量を基準として、好ましくは０．０１〜５重量％、より好ましくは０．１〜２重量％含有される。

本発明の色変換フィルタ層に用いられるマトリクス樹脂は、特に限定されず、光硬化性または光熱併用型硬化性樹脂（レジスト）を、光および／または熱処理して、ラジカル種またはイオン種を発生させて重合または架橋させ、不溶不融化させたものである。また、色変換フィルタ層のパターニングを行うために、該光硬化性または光熱併用型硬化性樹脂は、未露光の状態において有機溶媒またはアルカリ溶液に可溶性であることが望ましい。

具体的には、マトリクス樹脂は、（１）アクロイル基やメタクロイル基を複数有するアクリル系多官能モノマーおよびオリゴマーと、光または熱重合開始剤とからなる組成物を光または熱処理して、光ラジカルあるいは熱ラジカルを発生させ重合させた材料、（２）ボリビニル桂皮酸エステルと増感剤とからなる組成物を光または熱処理により架橋させた材料、（３）鎖状または環状オレフィンとビスアジドとからなる組成物を光または熱処理によりナイトレンを発生させポリオレフィンを重合および架橋させた材料、および（４）エポキシ基を有するモノマーと酸発生剤とからなる組成物を光または熱処理により酸を発生させて重合させた材料などを含む。特に（１）のアクロイル基やメタクロイル基を複数有するアクリル系多官能モノマーおよびオリゴマーを重合させた材料が、高精細なパターニングが可能であること、および耐溶剤性、耐熱性等の信頼性が高いことによって好ましい。

マトリクス樹脂は、光硬化性または光熱併用型硬化性樹脂および有機蛍光色素を含有する溶液または分散液を、支持基板上に塗布して樹脂の層を形成し、そして所望される部分の光硬化性または光熱併用型硬化性樹脂を露光することにより重合させて形成される。所望される部分に露光を行って光硬化性または光熱併用型硬化性樹脂を不溶化させた後に、パターニングを行う。該パターニングは、未露光部分の樹脂を溶解または分散させる有機溶媒またはアルカリ溶液を用いて除去するなどの、慣用の方法によって実施することができる。

色変換フィルタ層は、透明な支持基板に形成することができる。
支持基板の材料として好ましいものは、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート等の樹脂を含む。コーニングガラスが特に好ましいものである。支持基板の厚さは、特に限定されず、通常のものが使用できる。

支持基板上に、１種または複数種の色変換フィルタ層を所望されるパターンに形成したものを色変換フィルタ基板と呼ぶことにする。色変換フィルタ層は、蛍光変換色素およびマトリクス樹脂を含む組成物を支持基板上に塗布し、所望されるパターンを形成するためのマスクを通して露光され、パターニングされて、所望のパターンを有して作成される。色変換フィルタ層は、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは５〜２０μｍの厚さを有する。

カラーディスプレイを作成する際には、赤、緑および青の３種の色変換フィルタ層を形成することが好ましい。発光体として青色または青緑色を発光するものを用いる場合には、赤および緑の色変換フィルタ層と青のフィルタ層とを、あるいは赤の色変換フィルタ層と緑および青のフィルタ層とを形成することができる。また、発光体として青色または青緑色を発光するものを用いる場合には、赤、緑、青の発光を得るために、好ましくは、赤の色変換フィルタ層と緑の色変換フィルタ層のみを用いるか、または赤の色変換フィルタ層のみを用いることが好ましい。

色変換フィルタ層およびフィルタ層の所望されるパターンは、使用される用途に依存する。赤、緑および青の矩形または円形の区域を１組として、それを支持基板全面に作成してもよい。あるいはまた、赤、緑および青の平行するストライプ（所望される幅を有し、支持基板１の長さに相当する長さを有する区域）を１組とし、それを支持基板全面に作成してもよい。特定の色変換フィルタ層を、他の色の色変換フィルタ層よりも多く（数的および面積的に）配置することもできる。

本発明は、好ましくは半導体発光素子もしくは有機ＥＬ発光素子を用いる。
有機ＥＬ発光素子は、陽極と陰極との間に少なくとも有機発光層を扶持し、必要に応じ、正孔注入層や電子注入層を介在させた構造を有している。具体的には、（１）陽極／有機発光層／陰極、（２）陽極／正孔注入層／有機発光層／陰極、（３）陽極／有機発光層／電子注入層／陰極、（４）陽極／正孔注入層／有機発光層／電子注入層／陰極、又は（５）陽極／正孔注入層／正孔輸送層／有機発光層／電子注入層／陰極等の層構成からなるものが採用できる。

上記の層構成において、陽極および陰極の少なくとも一方は、該有機発光体の発する光の波長域において透明であることが望ましく、および透明である電極を通して光を発して、蛍光色変換フィルタ層に光を入射させる。当該技術において陽極を透明にすることが容易であることが知られており、本発明においても陽極を透明とすることが望ましい。
上記各層の材料としては、公知のものが使用される。青色から青緑色の発光を得るためには、有機発光層として、例えばベンゾチアゾール系、ベンゾイミダゾール系、べンゾオキサゾール系などの蛍光増白剤、金属キレート化オキソニウム化合物、スチリルベンゼン系化合物、芳香族ジメチリディン系化合物などが好ましく使用される。

発光層の厚さは、好ましくは２０ｎｍ〜２μｍであり、発光面側の陽極は好ましくはＩＴＯ、ＩＺＯ等の透明性導電膜、発光層を挟んで陽極に対向する陰極は、好ましくはＡｌ、Ａｇ、ＭｇＡｇ、ＡｌＬｉ等である。

発光層と色変換層との間には、半導体発光素子もしくは有機ＥＬ素子の透明電極に加えて、正孔注入層または電子注入層、正孔注入層にはさらに正孔輸送層が存在することができる。また、保護層やバッファ層としたガラス等の透明層が存在することができる。本発明によれば、これらの各屈折率をｎ_Zとすると、ｎ_Z ≧ ｎ₁−０．２ となることが必要である。これにより、発光層からの光の全反射を低減し、色変換層への入射光量の減少を抑止できるからである。

本発明によれば、蛍光色素を含む色変換層と、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む半導体素子もしくは有機ＥＬ素子とを備えてなる発光デバイスにおいて、該発光層の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光層から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、|ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ および ｎ_Z ≧ ｎ₁−０．２ を満たす構成の発光デバイスが提供できる。発光デバイスの具体例としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系酸化物蛍光物質にＣｅ³⁺とＥｕ³⁺を添加して、さらに酸素の一部を窒素に置換したＹ₃Ａｌ₅Ｎ_xＯ_(12-X)（式中、ｘは正数を表す）で、屈折率１．９〜２．０を有する色変換物質と、屈折率１．９のガラスとを体積率で３：７で混合し、バイダーとしてシリコーン樹脂を加えて焼結層を色変換層として用い、屈折率１．９を有する４，４'−ビス(２，２'−ジフェニルビニル)ビフェニルの発光層と組み合わせた発光デバイスが挙げられる。

以下に赤色発光素子に本発明を用いた場合の実施例について述べる。
＜高屈折率基板の作製＞
色変換物質にはイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系酸化物蛍光物質（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺）に数種類の金属元素を添加して、さらに酸素の一部を窒素に置換したものを用いた（Ｙ₃Ａｌ₅Ｎ_xＯ_(12-X)：Ｃｅ³⁺Ｅｕ³⁺）（式中、ｘは正数を表す）。この材料の屈折率は１．９〜２．０で、融点は約１６００℃である。この材料を約３μｍの粒径に造粒した。色変換物質を分散させる母材料として、低融点（融点５５０℃）、高屈折率（屈折率１．９）のガラスを用い、１μｍ以下の粒径に造粒した。
母材料と色変換物質を体積率で７：３で混合して、さらにバインダー（シリコーン樹脂）を１．０質量％加えて、アルコール中に分散させた。この溶液をスピナーでホウ珪酸ガラス（融点７５０℃、屈折率１．５）上に塗布して、乾燥後、酸素雰囲気中４５０℃で１時間焼結し、さらに真空炉で５５０℃、１０分の焼成を行った。以上の操作によって、気泡が入らず、母材ガラス中に色変換物質が分散した、色変換層が作製できる。

厚さ３０μｍの色変換層の光吸収と蛍光スペクトルを図７に示す。縦軸は相対値にプロットしてあるが、これは、吸収および蛍光が厚さに依存し、調整可能なためである。この図より、４００〜５７０ｎｍにて可視の吸収があり、蛍光は６３０ｎｍにピークを持つことが判る。
この蛍光材料の４９０ｎｍの吸収ピークが、垂直光の吸収率で０．８になるように厚さを調整した。そのときの厚さは約５０μｍだった。

この色変換層／基板ガラス上に、さらにアルコールにガラス母材のみ分散させたものを塗布し、乾燥後、上述した熱処理を加え、表面の平坦化を行った。この第２層の厚さは約５μｍで、さらに、ガラスが熱処理にて溶融したものなので、垂直方向の第２層の透過率はほぼ１００％である。
以上の工程によって、本発明に示した高い屈折率を持つ色変換層と高屈折率の透光性材料の２層構造が得られる。以後、この基板を高屈折率基板と呼ぶ。

＜低屈折率基板の作製＞
上記高屈折率基板と比較のために、低屈折率基板を以下の工程にて作製した。屈折率１．５７の透明なエポキシ樹脂（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、旭化成エポキシ社製ＡＥＲ−２６０）と前述した３μｍに造粒したＹＡＧ材料とを、体積比で７：３に混合した材料を真空に放置することで十分に奪気し、ガラス基板上に５０μｍの厚さになるようにスピナで塗布し、１２０℃１時間の熱処理にて固化させた、この上にさらに５ｕｍの厚さになるように透明エポキシ樹脂を塗布して、１２０℃１時間の熱処理にて固化させた。この低屈折率基板の垂直光で測定した４９０ｎｍの吸収率は、約０．８であった。

実施例１
高屈折率基板の上に有機ＥＬ素子を作製した。すなわち、透明電極（ＩＺＯ、ｎ＝２．１）をスパッタにて２００ｎｍ作製し、通常のフォトプロセスで、２ｍｍ幅のライン状に加工し、これを陽極とした。さらに、基板全面に２２０ｎｍの有機ホール輸送材料（Ｎ，Ｎ，Ｎ'，Ｎ’−テトラキス(４−ビフェニル)−４，４'−ベンジジン、ｎ＝１．９５）、４０ｎｍの発光層（４，４'−ビス(２，２'−ジフェニルビニル)ビフェニル、ｎ＝１．９０）、２０ｎｍの電子輸送材料（トリス(８−キノリノラト)アルミニウム錯体、ｎ＝１．７５）を蒸着法にて作製し、次に透明電極と直交する２ｍｍ幅のメタルマスクを用いて、ＬｉＦを１ｎｍ、Ａｌ（陰極）を２２０ｎｍ連続成膜した。
得られた素子の屈折率は、ガラス／色変換層／透明電極／ホール輸送層／発光層／電子輸送層の順で、１．５／１．９／２．１／１．９５／１．９／１．７５であり、本発明における構成になっていた。

比較例１
高屈折率基板に替えて低屈折率基板を用いた以外は、実施例１と同様にして、低屈折率基板の上に有機ＥＬ素子を作製した。
得られた素子の屈折率は、ガラス／色変換層／透明電極／ホール輸送層／発光層／電子輸送層の順で、１．５／１．５５／２．１／１．９５／１．９／１．７５であり、色変換層の屈折率が低く、本発明の構成にあたらなかった。

比較例２
高屈折率基板に替えてガラス基板を用いた以外は、実施例１と同様にして、ガラス基板の上に有機ＥＬ素子を作製した。
得られた素子の屈折率は、ガラス／透明電極／ホール輸送層／発光層／電子輸送層の順で、１．５／２．１／１．９５／１．９／１．７５であった。

実施例１と比較例１の２種類の色変換有機ＥＬデバイスの正面方向への出射光量を図８に示す。また、比較例２のガラス基板上に直接有機ＥＬを作製したときの正面への出射光量を図９に示す。
図８に示した６００ｎｍ以上がＥＬ光を吸収して変換された光であるが、本発明の高屈折率基板が、２倍以上の光量を得ていることが判る。６００ｎｍ以下の光は、ＥＬの透過光であるが、吸収係数を同等に調整したにもかかわらず低屈折率基板と高屈折率基板の透過光が相違して見える。この現象の理由は、以下のように考えられる。透明電極を含む有機ＥＬ素子の縦方向の厚さは４８０ｎｍであり、この値は図９に示した発光波長に比べて同程度なので、透明電極の直上に低屈折率の透光性材料がある場合この界面の反射率が高くなり、Ａｌと界面の間で干渉作用が発生して、その干渉の結果として外部に光が放出される。一方、高屈折率基板では、屈折率差が大きい界面が色変換層／ガラス基板であり、反射するキャビティ長は５５μｍと発光波長に比べて非常に長い。したがって干渉がほとんど起きずに色変換層に光が入射すると考えられる。すなわち、同じＥＬ素子でも干渉の相違があるので、色変換層に入射する光スペクトルが低屈折率基板と高屈折率基板で異なるので、透過光のスペクトルが違って見えると考えられる。

次に、本実施例の応用について述べる。
白色照明に応用する場合、本発明品でも用途によっては十分だが、本実施例で示した高屈折率基板のスペクトルは少し赤みが強い。より白色へ近づけるには、色変換層の厚さを減少させて、透過光と変換光のバランスをとれば良い。また、本実施例では発光領域を２ｍｍに限定したが、全面に有機ＥＬの発光領域を設ければ、簡単に面発光の照明が得られる。

また、微小なＲＧＢサブピクセルを持つ画像表示パネルの赤色発光素子として応用する場合には、色変換層等が基本的にはガラスで構成されているので、フォトプロセスによって微細化が可能である。さらに、赤色の純度としては十分でないので、ガラス基板と色変換層の間にカラーフィルターを設ける必要がある。また、６００ｎｍ以上の赤輝度をさらに向上させるためには、色変換物質の比率を高めて、吸収を強くすることが望ましい。さらに、５００ｎｍ以上の有機ＥＬ光の利用効率を高めるために、本実施例で用いた蛍光物質より５０ｎｍ程度長波長に吸収をもつ第２の色変換物質を加えることが望ましい。

本発明が適用される発光素子の断面構造を示す。 色変換過程の模式図を示す。 発光部の屈折率２．０とし、色変換層の屈折率を１．２〜２．４で変化させた場合の取り出し効率を示す。 特許文献４に開示された発光素子の構造を示す。 発光素子から３軸方向に光が取り出される場合の色変換過程の模式図を示す。 発光部の屈折率２．０とし、色変換層の屈折率を１．２〜２．４で変化させた場合の取り出し効率について、３軸方向への取り出し（ａ）と１軸方向への取り出し（ｂ）を示す。 実施例１で用いた蛍光物質の吸収スペクトル（ａ）及び発光スペクトル（ｂ）を示す。 実施例１の発光デバイス（ａ）と比較例１の発光デバイス（ｂ）の光量を示す。 比較例２の発光デバイスの光量を示す。

符号の説明

１０ＬＥＤ素子
１１ 電極
１２ 導電層
１３ 発光層
１４ 導電層
１５ 透明電極
２１ 透光性材料１
２２ 透光性材料２
３０ 色変換層
４０ 支持基板
１１０ ＬＥＤチップ
１１１ 負電極
１１２ ｎ型半導体領域
１１３ 発光層
１１４ ｐ型半導体領域
１１５ 正電極
１３０ 色変換層

Claims (5)

1. 蛍光色素を含む色変換層と、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む半導体素子もしくは有機ＥＬ素子とを備えてなる発光デバイスにおいて、該発光層の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光層から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、|ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ および ｎ_Z ≧ ｎ₁−０．２ を満たす構成の発光デバイス。
2. 上記色変換層が、赤と緑と青から選ばれる色の発光を可能とする請求項１に記載の発光デバイス。
3. 上記色変換層が、緑の発光を得るための変換層と赤の発光を得るための変換層を並列に配置したものであるか、又は赤のみの発光を得るための変換層である請求項１又は請求項２に記載の発光デバイス。
4. 透明基板に色変換層を形成する色変換基板の形成ステップと、該色変換層の上に、陽極と陰極に挟まれた平板状の発光層を含む発光部を形成するステップとを含んでなる発光デバイスの製造方法であって、該発光部の屈折率をｎ₁、該色変換層の屈折率をｎ₂、該発光部から該色変換層へ向かう任意の直線での屈折率をｎ_Zとすると、該発光部と該色変換層が |ｎ₂−ｎ₁| ≦ ０．２ を満たすように選択され、さらに ｎ_Z ≧ ｎ₁−０．２ を満たす発光デバイスの製造方法。
5. 上記発光部を形成するステップの前に、上記色変換基板の透明基板側の面に予め屈折率を調整するための透明層を形成するステップを設ける請求項４に記載の発光デバイスの製造方法。

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