JP2009070764A - 発光装置および電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】外光反射を低減し、かつ発光のうち放出される光の効率を高めることが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置は、発光素子と反射層と半透明半反射層を有する共振器構造に加えて、カラーフィルタを備える。共振器構造を有する発光素子の反射層から半透明半反射層までの光学的距離d1が、外光反射を低減するのに好適な条件を示す式で算出される値と、発光のうち放出される光の効率を高めるのに好適な条件を示す式で算出される値の間の値である。
【選択図】図1

Description

本発明は、エレクトロルミネセンスにより発光する発光装置および電子機器に関する。
薄型で軽量な発光源として、OLED(organic light emitting diode)、つまり有機EL(electro luminescent)素子が注目を集めており、多数の有機EL素子を備える画像表示装置が開発されている。有機EL素子は、有機材料で形成された少なくとも一層の有機薄膜を画素電極と対向電極とで挟んだ構造を有する。
有機EL素子の分野において、増幅的干渉すなわち共振を利用して、発光した光のうち特定の波長の光を強める技術が知られている(例えば、特許文献1)。この技術では、発光色の色純度を高めたり、発光に対する放出される光の効率を高めたりすることができる。
有機EL素子には、表示面の外光反射によって表示画像の品質が劣化する問題がある。これを解決するため、例えば表示面側に円偏光板を配置することが提案されている。しかし、円偏光板は、発光層で発生した光を半分以下に減衰させるので、輝度が低下してしまう。
また、カラーフィルタを有機EL素子に重ねることによって、外光反射を低減する方法も提案されている。この方法は、透過させる目的の波長以外の波長の光をカラーフィルタに吸収させる方法である。しかし、単にカラーフィルタを用いる方法では、有機EL素子の放出する光と異なる色の光の反射が低減されるが、有機EL素子の放出する光と同じ色または類似の色の光の反射率がそれほど低減しない。
さらに、特許文献2には、有機発光素子の半透過性反射性の電極での外光の反射光の位相と、反射性の電極での外光の反射光の位相とが反転するように調整する技術が開示されている。
国際公開WO01/39554号パンフレット 特許第3944906号公報
特許文献2に記載のように、ある面での反射光の位相と他の面での反射光の位相を逆にした場合には、減衰的干渉によって反射光が低減するかもしれない。しかし、この条件の下では、有機発光素子の発光のうち放出される光の効率を高めることに限界がある。特許文献2では、有機発光素子は、半透過性反射性の電極と反射性の電極を備え、これらの電極の間で光が往復するようになっており、光を共振させる共振器構造を有すると記載されているが、たとえ電極の間で光が往復する構造であっても、光学的距離などの光学的要因が不適切では、光は共振せず光の利用効率を高めることはできない。
そこで、本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明に係る発光装置は、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極および前記第2の電極の間に配置された発光機能層とを有する発光素子と、前記発光機能層で発せられた光を前記発光機能層に向けて反射する反射層と、前記発光機能層を挟んで前記反射層の反対側に配置され、前記発光機能層で発せられた光の一部を前記発光機能層に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層と、前記半透明反射層を挟んで前記発光機能層の反対側に配置され、前記半透明半反射層を透過した光を透過させるカラーフィルタとを備え、前記反射層から前記半透明半反射層までの光学的距離d1が、式(1)で算出されるd1aと、式(2)で算出されるd1bの間の値であることを特徴とする。
1a=(p+1/2)・λ/2−(φ1−φ2)・λ/4π−nz・tz ...(1)
1b=m・λ/2+(φ32)・λ/4π ...(2)
ここで、λは前記カラーフィルタの透過率のピークに相当する波長であり、φ1は、前記発光機能層とは反対側から前記半透明半反射層に進行する波長λの光が、前記半透明半反射層の前記発光機能層とは反対側の界面で反射するときの位相変化であり、φ2は、前記発光機能層側から前記反射層に進行する波長λの光が、前記反射層で反射するときの位相変化であり、φ3は、前記発光機能層側から前記半透明半反射層に進行する波長λの光が、前記半透明半反射層の前記発光機能層側の界面で反射するときの位相変化であり、pは、正の整数であり、mは、正の整数であり、nzは、波長λの光に関する前記半透明半反射層の屈折率であり、tzは、前記半透明半反射層の厚さである。
つまり、本発明に係る発光装置は、発光素子と反射層と半透明半反射層を有する共振器構造に加えて、カラーフィルタを備える。共振器構造を有する発光素子の反射層から半透明半反射層までの光学的距離d1は、外光反射を低減するのに好適な条件を示す式(1)で算出される値と、発光のうち放出される光の効率を高めるのに好適な条件を示す式(2)で算出される値の間の値である。このように光学的距離d1を設定することによって、外光反射を低減し、かつ発光のうち放出される光の効率を高めることが可能である。
前記反射層から前記半透明半反射層までの光学的距離d1が、式(1)で算出されるd1aと、式(2)で算出されるd1bの平均値であってもよい。この場合には設計が容易である。
本発明に係る発光装置は、前記半透明半反射層を透過する光の色が異なる複数の前記発光素子と、透過する光のピーク波長λが異なる複数の前記カラーフィルタとを備え、前記カラーフィルタの各々は、複数の前記発光素子のいずれかに対応する位置に配置されて、一つのカラーフィルタと一つの発光素子のセットを構成し、前記セットの各々において、反射層から前記半透明半反射層までの光学的距離d1が、式(1)で算出されるd1aと、式(2)で算出されるd1bの間の値であってもよい。
例えば、半透明半反射層を通じて青色、緑色、赤色の光をそれぞれ放出する複数発光素子と、青色、緑色、赤色の光をそれぞれ透過するカラーフィルタとを備える発光装置において、青色のカラーフィルタと青色の発光素子のセットでの光学的距離d1が上記のような中間値であり、緑色のカラーフィルタと緑色の発光素子のセットでの光学的距離d1が上記のような中間値であり、赤色のカラーフィルタと赤色の発光素子のセットでの光学的距離d1が上記のような中間値であればよい。これにより、いずれのセットにおいても外光反射を低減し、かつ発光のうち放出される光の効率を高めることが可能である。
本発明に係る電子機器は、前記のいずれかの発光装置を備える。
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異なる。
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る有機EL装置(発光装置)1の概略を示す断面図である。有機EL装置1は、発光パネル3と、カラーフィルタパネル30とを備える。
発光パネル3は、図示のように複数の発光素子(画素)2(2R,2G,2B)を有する。この実施の形態の有機EL装置1は、フルカラーの画像表示装置として使用される。発光素子2Rは放出光の色が赤色である発光素子であり、発光素子2Gは放出光の色が緑色である発光素子であり、発光素子2Bは放出光の色が青色である発光素子である。図1では、3つの発光素子2しか示されていないが、実際には、図示よりも多数の発光素子が設けられている。以下、構成要素の添字のR,G,Bは、発光素子2R,2G,2Bに対応する。
図示の発光パネル3はトップエミッションタイプである。発光パネル3は、基板10を有する。基板10は、例えばガラスのような透明材料で形成してもよいし、例えばセラミックまたは金属のような不透明材料で形成してもよい。
基板10上の少なくとも発光素子2と重なる位置には、一様な厚さの反射層12が形成されている。反射層12は、例えばアルミニウムまたは銀などの反射率の高い材料から形成されており、発光素子2から進行してくる光(発光素子2での発光を含む)を図1の上方に向けて反射する。
反射層12を覆うように基板10上には、絶縁体透明層14が形成されている。絶縁体透明層14は、例えばSiN等の絶縁体で透光性が高い材料から形成されている。図示しないが、絶縁体透明層14には、各発光素子2に給電するためのTFT(薄膜トランジスタ)および配線が埋設されている。反射層12上の絶縁体透明層14の厚さは、重なっている発光素子2の発光色にかかわらず一様である。
絶縁体透明層14の上には、発光素子2を区分する隔壁(セパレータ)16が形成されている。隔壁16は、例えばアクリル、エポキシまたはポリイミドなどの絶縁性の樹脂材料で形成されている。
各発光素子2は、第1の電極層18と、第2の電極層22と、第1の電極18および第2の電極22の間に配置された発光機能層20とを有する。この実施の形態では、第1の電極層18(18R,18G,18B)は、画素(発光素子2)にそれぞれ設けられる画素電極であり、例えば陽極である。第1の電極層18は、例えばITO(indium tin oxide)またはZnO2のような透明材料から形成されている。第1の電極層18の厚さは、発光色に応じて異なっている。つまり、第1の電極層18R,18G、18Bは、互いに異なる厚さを有する。
この実施の形態では、発光機能層20は、複数の発光素子2に共通に形成されており、発光素子2の発光色にかかわらず一様な厚さを有する。発光機能層20は、少なくとも有機発光層を有する。この有機発光層は電流が流れると白色で発光する。つまり赤色、緑色および青色の光成分を有する光を発する。有機発光層は、単層でもよいし、複数の層(例えば電流が流れると主に青色で発光する青色発光層と、電流が流れると赤色と緑色を含む光を発する黄色発光層)で構成されていてもよい。
図示しないが、発光機能層20は、有機発光層のほかに、正孔輸送層、正孔注入層、電子ブロック層、正孔ブロック層、電子輸送層、電子注入層などの層を有していてもよい。発光機能層20が複数の層から構成される場合、個々の層も、発光素子2の発光色にかかわらず一様な厚さを有する。
第2の電極層(半透明半反射層)22は、例えばMgAl、MgCu、MgAu、MgAgのような半透明半反射性の合金または金属材料から形成されている。第2の電極22はこの実施の形態では、複数の画素(発光素子)に共通に設けられる共通電極であり、例えば陰極である。第2の電極層22は、発光素子2の発光色にかかわらず一様な厚さを有する。第2の電極22は、発光機能層20から進行してきた光(発光機能層20からの光を含む)の一部を図の上方に透過し、これらの光の他の一部を図の下方つまり第1の電極18に向けて反射する。
隔壁16に形成された開口(画素開口)の内部において、発光機能層20は、第1の電極層18と接触しており、ある発光素子2において、第1の電極18と第2の電極22の間に電流を流すと、その発光素子2における発光機能層20には第1の電極層18から正孔が供給され、第2の電極層22から電子が供給され、正孔と電子が結合して発光する。従って、隔壁16に形成された画素開口で発光素子2の発光領域がおおよそ画定される。つまり隔壁16の画素開口は発光素子2を区分する。
図2にのみ示すが、第2の電極層22の図の上面には、極めて薄いパッシベーション層27が形成されている。パッシベーション層27は、例えばSiONのような透明な無機材料で形成されており、発光素子2の特に発光機能層20を水分または酸素による劣化から防止する。このようにして発光パネル3が形成されている。
発光機能層20は白色発光するが、反射層12と第2の電極層22との間で光が往復することにより、個々の発光素子2は特定の波長の光が増幅された光を放出する。つまり、発光素子2Rでは赤色の波長の光が増幅されて放出され、発光素子2Gでは緑色の波長の光が増幅されて放出され、発光素子2Bでは青色の波長の光が増幅されて放出される。この目的のため、発光素子2R,2G,2Bでは、反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1(d1R、d1G、d1B)が異なっている。なお、図中のd1(d1R、d1G、d1B)およびd2(d2R、d2G、d2B)は、光学的距離を示しており、実際の距離を示しているのではない。
発光パネル3には、透明な接着剤28によってカラーフィルタパネル30が接合されている。カラーフィルタパネル30は、例えばガラスのような透明材料で形成された基板32と、基板32に形成されたブラックマトリクス34と、ブラックマトリクス34に形成された開口に配置されたカラーフィルタ36(36R.36G,36B)を備える。接着剤28は、カラーフィルタパネル30のカラーフィルタ36と発光パネル3のパッシベーション層27(図2参照)の間に配置され、カラーフィルタパネル30における基板32とカラーフィルタ36を発光パネル3の各層に対して平行に支持する。
カラーフィルタ36はそれぞれ、発光素子2、特に第1の電極層18に重なる位置に配置されている。カラーフィルタ36は、半透明半反射性の第2の電極層22を挟んで発光機能層20の反対側に配置され、重なった発光素子2の第2の電極層22を透過した光を透過させる。以下により具体的に説明する。
カラーフィルタ36Rは発光素子2Rに重なっており、一つのカラーフィルタ36Rと一つの発光素子2Rとで一つのセットを構成する。カラーフィルタ36Rは赤色の光を透過させる機能を有し、その透過率のピークは610nmの波長にある。カラーフィルタ36Rは、重なった発光素子2Rの第2の電極層22を透過した赤色が増幅された光のうち、赤色の光を透過させ、赤色の純度を高める。また、カラーフィルタ36Rは、緑色および青色の光の多くを吸収する。
カラーフィルタ36Gは発光素子2Gに重なっており、一つのカラーフィルタ36Gと一つの発光素子2Gとで一つのセットを構成する。カラーフィルタ36Gは緑色の光を透過させる機能を有し、その透過率のピークは520nmの波長にある。カラーフィルタ36Gは、重なった発光素子2Gの第2の電極層22を透過した緑色が増幅された光のうち、緑色の光を透過させ、緑色の純度を高める。また、カラーフィルタ36Gは、赤色および青色の光の多くを吸収する。
カラーフィルタ36Bは発光素子2Bに重なっており、一つのカラーフィルタ36Bと一つの発光素子2Bとで一つのセットを構成する。カラーフィルタ36Bは青色の光を透過させる機能を有し、その透過率のピークは470nmの波長にある。カラーフィルタ36Bは、発光素子2Bに重なっており、発光素子2Bの第2の電極層22を透過した青色が増幅された光のうち、青色の光を透過させ、青色の純度を高める。また、カラーフィルタ36Bは、赤色および緑色の光の多くを吸収する。
図2は、カラーフィルタ36を通じて発光パネル3の発光素子2に向けて外光が到来したときの光の軌跡を簡略的に示す模式図である。カラーフィルタ36を透過した外光は、透明な接着剤28を通って、さらにパッシベーション層27を透過し、半透明半反射性の第2の電極層22に到達する。外光の一部は、パッシベーション層27と第2の電極層22の界面(第2の電極層22の発光機能層20とは反対側の界面)で反射する。この反射のときの位相変化をφ1とする。
また外光の他の一部は、半透明半反射性の第2の電極層22を透過し、さらに発光機能層20、第1の電極層18および絶縁体透明層14を透過し、反射層12の発光機能層20側の面で反射する。この反射のときの位相変化をφ2とする。反射層12での反射光は、絶縁体透明層14、第1の電極層18、発光機能層20を透過し、その一部が半透明半反射性の第2の電極層22を透過して発光素子2から接着剤28へと進行し、上述したパッシベーション層27と第2の電極層22の界面での反射光と干渉する。なお、図2において各界面での光の屈折による光路変化の図示は省略して、光路は直線で示している。
以上のような別個の界面での反射光を減衰的干渉により低減するには、式(3)を充足することが好適である。
2・d2=(p+1/2)・λ−(φ1−φ2)・λ/2π ...(3)
ここで、d2は、反射層12の発光機能層20側の界面と、第2の電極層22の発光機能層20とは反対側の界面との間の光学的距離(nm)である。光学的距離d2は、絶縁体透明層14、第2の電極層22およびこれらの間の層の屈折率と厚さの積の総和である。
式(3)のλは、減衰させたい光成分の波長(nm)である。問題にしている外光は、カラーフィルタ36を透過して発光パネル3に向けて進行してくる光であるから、カラーフィルタ36の透過波長領域の光である。従って、式(3)のλとしては、カラーフィルタの透過率のピークに相当する波長をとることが適切である。
式(3)のφ1は、発光機能層20とは反対側から第2の電極層22に進行する波長λの光が、半透明半反射性の第2の電極層22の発光機能層20とは反対側の界面で反射するときの位相変化(rad)であり、φ2は、発光機能層20側から反射層12に進行する波長λの光が、反射層12で反射するときの位相変化(rad)である。またpは正の整数であり、好ましくは1である。
式(3)は式(4)に書き換えることができる。
2=(p+1/2)・λ/2−(φ1−φ2)・λ/4π ...(4)
また、各発光素子2R,2G,2Bについては、式(4)は式(5)〜式(7)のように書き換えることができる。
2R=(p+1/2)・λR/2−(φ1R−φ2R)・λR/4π ...(5)
ここで、d2Rは、発光素子2Rについての光学的距離d2、λRはカラーフィルタ36Rの透過率のピークに相当する波長610nm、φ1Rは波長λRでのφ1、φ2Rは波長λRでのφ2である。
2G=(p+1/2)・λG/2−(φ1G−φ2G)・λG/4π ...(6)
ここで、d2Gは、発光素子2Gについての光学的距離d2、λGはカラーフィルタ36Gの透過率のピークに相当する波長520nm、φ1Gは波長λGでのφ1、φ2Gは波長λGでのφ2である。
2B=(p+1/2)・λB/2−(φ1B−φ2B)・λB/4π ...(7)
ここで、d2Bは、発光素子2Bについての光学的距離d2、λBはカラーフィルタ36Bの透過率のピークに相当する波長470nm、φ1Bは波長λBでのφ1、φ2Bは波長λBでのφ2である。
反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1(nm)と、反射層12の発光機能層20側の界面と第2の電極層22の発光機能層20とは反対側の界面との間の光学的距離d2の間には、式(8)に示す関係がある。
1
=d2−nz・tz
=(p+1/2)・λ/2−(φ1−φ2)・λ/4π−nz・tz ...(8)
ここで、nzは波長λの光に関する第2の電極層22の屈折率であり、tzは第2の電極層22の厚さである。
従って、各発光素子2R,2G,2Bについては、式(8)は式(9)〜式(11)のように書き換えることができる。
1R=(p+1/2)・λR/2−(φ1R−φ2R)・λR/4π−nzR・tz ...(9)
ここで、d1Rは、発光素子2Rについての光学的距離d1、nzRは波長λRの光に関する第2の電極層22の屈折率nzである。
1G=(p+1/2)・λG/2−(φ1G−φ2G)・λG/4π−nzG・tz ...(10)
ここで、d1Gは、発光素子2Gについての光学的距離d1、nzGは波長λGの光に関する第2の電極層22の屈折率nzである。
1B=(p+1/2)・λB/2−(φ1B−φ2B)・λB/4π−nzB・tz ...(11)
ここで、d1Bは、発光素子2Bについての光学的距離d1、nzBは波長λBの光に関する第2の電極層22の屈折率nzである。
以上、別個の界面での反射光を減衰的干渉により低減するために好適な条件を説明した。
他方、発光素子2での発光のうち第2の電極層22を通じてカラーフィルタ36側に放出される所望の波長の光を増幅的干渉(共振)によって強めるには、式(12)を充足することが好適である。
1=m・λ/2+(φ32)・λ/4π ...(12)
ここで、λは増幅させたい光成分の波長(nm)である。発光素子2の放出光は、最終的にはカラーフィルタ36を透過して放出されるから、式(12)のλとしても、カラーフィルタの透過率のピークに相当する波長をとることが適切である。
式(12)のφ3は、発光機能層20側から半透明半反射性の第2の電極層22に進行する波長λの光が、第2の電極層22の発光機能層20側の界面で反射するときの位相変化(rad)であり、mは正の整数であり、好ましくは1である。
各発光素子2R,2G,2Bについては、式(12)は式(13)〜式(15)のように書き換えることができる。
1R=m・λR/2+(φ3R2R)・λR/4π ...(13)
ここで、φ3Rは、波長λRでのφ3である。
1G=m・λG/2+(φ3G2G)・λG/4π ...(14)
ここで、φ3Gは、波長λGでのφ3である。
1B=m・λB/2+(φ3B2B)・λB/4π ...(15)
ここで、φ3Bは、波長λBでのφ3である。
以上、発光素子2での発光のうち所望の波長の光を増幅的干渉によって強めるために好適な条件を説明した。
この実施の形態では、外光反射の低減、および所望の波長の光の利用効率の向上を両立するために、反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1を、式(8)で求められるd1の値(d1aと呼ぶ)と、式(12)で求められるd1の値(d1bと呼ぶ)の中間値に設定する。従って、発光素子2Rについては、光学的距離d1Rを式(9)で求められるd1Rの値と、式(13)で求められるd1Rの値の中間値に設定する。発光素子2Gについては、光学的距離d1Gを式(10)で求められるd1Rの値と、式(14)で求められるd1Gの値の中間値に設定する。発光素子2Bについては、光学的距離d1Bを式(11)で求められるd1Rの値と、式(15)で求められるd1Bの値の中間値に設定する。
<第1の実施の形態に関するシミュレーション結果>
以下、具体的な材料およびパラメータを挙げながら、第1の実施の形態の構造に関してシミュレーションした結果を説明する。以下のシミュレーションには、株式会社豊田中央研究所が製作した光学シミュレーションプログラムである商品名「OptDesigner」を使用したが、他のシミュレーションプログラムでも同様の結果が得られると推定する。
<第1比較例のシミュレーション結果>
まず、所望の波長の光の利用効率の向上に適した第1比較例をシミュレーションによって得た。このシミュレーションでは、各層の材料を選択して、その光学特性をシミュレーションプログラムに入力して、発光素子2Rの発光のうちの波長λR(610nm)の光成分、発光素子2Gの発光のうちの波長λG(520nm)の光成分、発光素子2Bの発光のうちの波長λB(470nm)の光成分が最大になるように、各層の厚さを求めた。このシミュレーションでは、絶縁体透明層14の厚さ、発光機能層20の厚さ、第2の電極層22の厚さは発光素子2R,2G,2Bで共通にし、第1の電極層18の厚さが発光素子2R,2G,2Bに応じて異なることを条件とした。
表1は、第1比較例での層の材料およびパラメータを示す。表1に示すように、発光素子2R,2G,2Bに共通に絶縁体透明層14としてSiNを使用する場合、その厚さは90nmとシミュレーションで算出された。この厚さは、光学的距離d1に関連する部分の厚さ、つまり絶縁体透明層14のうち反射層12に重なっている部分の厚さである。
Figure 2009070764
第1の電極層18としてITOを使用する場合、発光素子2Rの第1の電極層18Rの厚さは108nm、発光素子2Gの第1の電極層18Gの厚さは64.8nm、発光素子2Bの第1の電極層18Bの厚さは27nmとシミュレーションで算出された。
発光素子2R,2G,2Bに共通に発光機能層20として有機発光材料を使用する場合、その厚さは94nmとシミュレーションで算出された。この厚さは、各第1の電極層18に重なっている部分の厚さである。
表1にこれらの層の屈折率を示す。屈折率は波長依存性があり、表1には、波長λR(610nm)、λG(520nm)、λB(470nm)での屈折率を示す。例えば、第1の電極層18の波長λRでの屈折率は1.89、波長λGでの屈折率は1.97、波長λBでの屈折率は2.03である。
反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1は、絶縁体透明層14の厚さと屈折率の積、第1の電極層18の厚さと屈折率の積、および発光機能層20の厚さと屈折率の積の和として計算される。この計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d1Rは541.620nm、発光素子2Gの光学的距離d1Gは468.876nm、発光素子2Bの光学的距離d1Bは399.750nmである。
また、所望の波長の光の利用効率の向上に適した光学的距離d1R、d1G、d1Bは、上述の通り、式(13)〜式(15)で計算することができる。式(13)〜式(15)に代入されるべきパラメータを表2に示す。φ3(φ3R、φ3G、φ3B)に関連する第2の電極層22として、厚さ12.5nmのMgAg合金(MgとAgの比率は1:10)を使用することにした。この厚さは、各第1の電極層18に重なっている部分の厚さである。
Figure 2009070764
表2のパラメータを式(13)〜式(15)に適切に代入して計算を行った。この式(13)〜式(15)に従った計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d1Rは540.430nm、発光素子2Gの光学的距離d1Gは451.590nm、発光素子2Bの光学的距離d1Bは402.558nmである。このように、シミュレーションで得られた構造の光学的距離d1R、d1G、d1Bは、式(13)〜式(15)で得られたそれらとほとんど一致する。
以上のように、絶縁体透明層14、第1の電極層18、発光機能層20、第2の電極層22の条件を定めて、発光パネル3の正面での反射率をシミュレーションで計算した。この反射率は、等エネルギ白色光がカラーフィルタ36を透過して発光パネル3に到達したと仮定し、その反射光がカラーフィルタ36を透過した結果の光の強度と元の等エネルギ白色光の強度の比である。
図3は、第1比較例の発光パネル3の正面(入射角0°)での反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。図3において、曲線Rは発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率を示し、曲線Gは発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率を示し、曲線Bは発光素子2Bおよびカラーフィルタ36Bに関する反射率を示す。この第1比較例は、所望の波長の光の利用効率の向上に適しているが、反射率低減のために算出されていないので、発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率(曲線R)、発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率(曲線G)は高い。
また、多数の発光素子2をカラーフィルタ36越しに総合的に見た場合の反射率である視感度反射率は、発光パネル3の正面(入射角0°)では、図3のグラフを積分して得られる。この視感度反射率は、5.17%と算出された。
外光反射は正面からの外光だけでなく、他の入射角での外光反射も考慮する必要がある。そこで、入射角45°での発光パネル3の反射率をシミュレーションで計算した。シミュレーションの条件は、入射角0°でのシミュレーションと同じであり、反射率は、等エネルギ白色光がカラーフィルタ36を透過して発光パネル3に到達したと仮定し、その反射光がカラーフィルタ36を透過した結果の光の強度と元の等エネルギ白色光の強度の比である。
図4は、第1比較例の入射角45°での発光パネル3の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。図4において、曲線Rは発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率を示し、曲線Gは発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率を示し、曲線Bは発光素子2Bおよびカラーフィルタ36Bに関する反射率を示す。
また、カラーフィルタ36越しの視感度反射率は、発光パネル3に45°傾いた角度(入射角45°)では、図4のグラフを積分して得られる。この視感度反射率は、2.55%と算出された。第1比較例の入射角0°での視感度反射率と入射角45°での視感度反射率の平均値は3.86%であった。
<第2比較例のシミュレーション結果>
次に、外光反射の低減に適した第2比較例をシミュレーションによって得た。このシミュレーションでは、絶縁体透明層14の厚さ、発光機能層20の厚さ、第2の電極層22の厚さは発光素子2R,2G,2Bで共通、かつ第1比較例と同じ値にし、第1の電極層18の厚さが発光素子2R,2G,2Bに応じて異なることを条件とした。そして、このシミュレーションでは、発光素子2Rからの反射光のうちの波長λR(610nm)の光成分、発光素子2Gからの反射光のうちの波長λG(520nm)の光成分、発光素子2Bからの反射光のうちの波長λB(470nm)の光成分が最小になるように、発光素子2R,2G,2Bの第1の電極層18R,18G、18Bの厚さおよび発光素子2R,2G,2Bに共通する半透明半反射性の第2の電極層22の厚さを求めた。
表3は、第2比較例での層の材料およびパラメータを示す。絶縁体透明層14および発光機能層20に関するパラメータは表1と同じである。
Figure 2009070764
第1の電極層18としてITOを使用する場合、発光素子2Rの第1の電極層18Rの厚さは86.4nm、発光素子2Gの第1の電極層18Gの厚さは43.2nm、発光素子2Bの第1の電極層18Bの厚さは27nmとシミュレーションで算出された。
発光素子2R,2G,2Bに共通に半反射性の第2の電極層22として上述したMgAg合金を使用する場合、その厚さは12.5nmとシミュレーションで算出された。この厚さは、光学的距離d2に関連する部分の厚さ、つまり各第1の電極層18に重なっている部分の厚さである。上述したように、式(8)〜式(11)のtzは第2の電極層22の厚さである。
表3に示すように、波長λR(610nm)での第2の電極層22の屈折率(式(9)のnzR)は1.232であり、波長λG(520nm)での第2の電極層22の屈折率(式(10)のnzG)は1.4042であり、波長λB(470nm)での第2の電極層22の屈折率(式(11)のnzB)は1.68989である。
反射層12の発光機能層20側の界面と第2の電極層22の発光機能層20とは反対側の界面との間の光学的距離d2は、絶縁体透明層14の厚さと屈折率の積、第1の電極層18の厚さと屈折率の積、発光機能層20の厚さと屈折率の積、および第2の電極層22の厚さと屈折率の積の和として計算される。この計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d2Rは516.196nm、発光素子2Gの光学的距離d2Gは443.877nm、発光素子2Bの光学的距離d2Bは420.986nmである。
また、反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1は、絶縁体透明層14の厚さと屈折率の積、第1の電極層18の厚さと屈折率の積、および発光機能層20の厚さと屈折率の積の和として計算される。この計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d1Rは500.796nm、発光素子2Gの光学的距離d1Gは426.324nm、発光素子2Bの光学的距離d1Bは399.750nmである。
別個の界面での所望の波長の反射光を減衰的干渉により低減するのに適した光学的距離d2R、d2G、d2Bは、上述の通り、式(5)〜式(7)で計算することができ、別個の界面での所望の波長の反射光を減衰的干渉により低減するのに適した光学的距離d1R、d1G、d1Bは、上述の通り、式(9)〜式(11)で計算することができる。式(5)〜式(11)に代入されるべきパラメータを表4に示す。
Figure 2009070764
表4のパラメータを式(5)〜式(11)に適切に代入して計算を行った。式(5)〜式(7)に従った計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d2Rは466.238nm、発光素子2Gの光学的距離d2Gは398.690nm、発光素子2Bの光学的距離d2Bは360.354nmである。式(8)〜式(11)に従った計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d1Rは450.838nm、発光素子2Gの光学的距離d1Gは381.137nm、発光素子2Bの光学的距離d1Bは339.118nmである。
このように、シミュレーションで得られた構造の光学的距離d1R、d1G、d1Bは、式(8)〜式(11)で得られたそれらと約45nm〜約60nmの相違がある。このような相違は、実際には式(8)〜式(11)では考慮されていない他の界面での反射があるためと考えられる。
以上のように、絶縁体透明層14、第1の電極層18、発光機能層20、第2の電極層22の条件を定めて、発光パネル3の正面での反射率を第1比較例と同様にシミュレーションで計算した。
図5は、第2比較例の発光パネル3の正面(入射角0°)での反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。図5において、曲線Rは発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率を示し、曲線Gは発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率を示し、曲線Bは発光素子2Bおよびカラーフィルタ36Bに関する反射率を示す。この第2比較例は、反射率低減のために算出されたので、発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率(曲線R)、発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率(曲線G)は、図3の第1比較例よりも低い。
また、多数の発光素子2をカラーフィルタ36越しに総合的に見た場合の反射率である視感度反射率は、発光パネル3の正面(入射角0°)では、図5のグラフを積分して得られる。この視感度反射率は、2.69%と算出された。
外光反射は正面からの外光だけでなく、他の入射角での外光反射も考慮する必要がある。そこで、入射角45°での発光パネル3の反射率をシミュレーションで計算した。シミュレーションの条件は、入射角0°でのシミュレーションと同じであり、反射率は、等エネルギ白色光がカラーフィルタ36を透過して発光パネル3に到達したと仮定し、その反射光がカラーフィルタ36を透過した結果の光の強度と元の等エネルギ白色光の強度の比である。
図6は、第2比較例の入射角45°での発光パネル3の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。図6において、曲線Rは発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率を示し、曲線Gは発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率を示し、曲線Bは発光素子2Bおよびカラーフィルタ36Bに関する反射率を示す。
また、カラーフィルタ36越しの視感度反射率は、発光パネル3に45°傾いた角度(入射角45°)では、図6のグラフを積分して得られる。この視感度反射率は、4.18%と算出された。第2比較例の入射角0°での視感度反射率と入射角45°での視感度反射率の平均値は3.44%であった。
上記のように、第2比較例は、反射率低減のために算出されたものである。しかし、図4および図6を比較すると明らかなように、入射角45°では、第2比較例での発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率と、発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率は、第1比較例よりも劣っている。この理由を以下に考察する。
カラーフィルタパネル30側から発光パネル3に対して入射角45°で入射した外光は、屈折率が2程度のパッシベーション層27を透過して屈折し、第2の電極層22から20°程度の入射角で発光機能層20に入射する。このため、発光機能層20に入射した光の波長は、元の外光(カラーフィルタを透過した外光)の波長の約0.94倍になる。例えば、カラーフィルタ36Rを透過した外光の透過率のピークに相当する波長λR(610nm)は573.4nmにシフトし、波長λG(520nm)は488.8nmにシフトし、波長λB(470nm)は441.8nmにシフトする。従って、光学的距離の適正化によって、カラーフィルタを透過した外光の正面(入射角0°)での反射率を低減しても、入射角45°での反射率を低減することにはつながらず、却って他の場合よりも劣ることがあると考えられる。
また、第1比較例と第2比較例について、同一の光度、200カンデラを得るのに必要な消費電力を調査した。第2比較例は、反射率低減には適しているが、光の利用効率の向上のために算出されていないので、第1比較例よりも多くの電力を消費する。調査の結果、第2比較例での消費電力は第1比較例での消費電力の1.2倍であった。
表5は、第1比較例と第2比較例について計算された光学的距離d1、d2を示す。表中、式(9)〜式(11)で求められるd1の値をd1aと呼び、式(13)〜式(15)で求められるd1の値をd1bと呼ぶ。表5から明らかなように、いずれの発光素子2R,2G,2Bについても、d1aよりもd1bは大きい。
Figure 2009070764
<実施例のシミュレーション結果>
実施例は、第1比較例と第2比較例の中間条件に相当するパラメータに設定した。上述した第1比較例と第2比較例では、発光素子2Rの第1の電極層18Rの厚さと、発光素子2Gの第1の電極層18Gの厚さが異なるだけである。実施例では、発光素子2Rの第1の電極層18Rの厚さを第1比較例の108nmと第2比較例の86.4nmの平均値の97.2nmとし、発光素子2Gの第1の電極層18Gの厚さを第1比較例の64.8nmと第2比較例の43.2nmの平均値の54nmとして、他のパラメータを第1比較例および第2比較例と同じにした。表6は、実施例での層の材料およびパラメータを示す。
Figure 2009070764
反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1は、絶縁体透明層14の厚さと屈折率の積、第1の電極層18の厚さと屈折率の積、および発光機能層20の厚さと屈折率の積の和として計算される。この計算によれば、発光素子2Rの光学的距離d1Rは521.208nm、発光素子2Gの光学的距離d1Gは447.600nm、発光素子2Bの光学的距離d1Bは399.750nmである。これらの値を表5に示す。
表5から明らかなように、実施例の光学的距離d1(d1R、d1G、d1B)は、理論式で計算される第1比較例の光学的距離d1と、理論式で計算される第2比較例の光学的距離d1aの中間にある。また、実施例の光学的距離d1(d1R、d1G、d1B)は、第1比較例の屈折率と厚さの総和として計算される光学的距離d1と、第2比較例の屈折率と厚さの総和として計算される光学的距離d2の平均値である。
図7は、実施例の発光パネル3の正面(入射角0°)での反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。図7において、曲線Rは発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率を示し、曲線Gは発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率を示し、曲線Bは発光素子2Bおよびカラーフィルタ36Bに関する反射率を示す。この実施例では、発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率(曲線R)、発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率(曲線G)は、図5の第2比較例よりも高いが、図3の第1比較例の半分程度に低減できる。
また、多数の発光素子2をカラーフィルタ36越しに総合的に見た場合の反射率である視感度反射率は、発光パネル3の正面(入射角0°)では、図7のグラフを積分して得られる。この視感度反射率は、3.54%と算出された。
外光反射は正面からの外光だけでなく、他の入射角での外光反射も考慮する必要がある。そこで、入射角45°での発光パネル3の反射率をシミュレーションで計算した。シミュレーションの条件は、入射角0°でのシミュレーションと同じであり、反射率は、等エネルギ白色光がカラーフィルタ36を透過して発光パネル3に到達したと仮定し、その反射光がカラーフィルタ36を透過した結果の光の強度と元の等エネルギ白色光の強度の比である。
図8は、実施例の入射角45°での発光パネル3の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。図8において、曲線Rは発光素子2Rおよびカラーフィルタ36Rに関する反射率を示し、曲線Gは発光素子2Gおよびカラーフィルタ36Gに関する反射率を示し、曲線Bは発光素子2Bおよびカラーフィルタ36Bに関する反射率を示す。
また、カラーフィルタ36越しの視感度反射率は、発光パネル3に45°傾いた角度(入射角45°)では、図8のグラフを積分して得られる。この視感度反射率は、3.19%と算出された。この点では、実施例は第2比較例より良好である。実施例の入射角0°での視感度反射率と入射角45°での視感度反射率の平均値は3.37%であって、第1比較例および第2比較例のいずれよりも良好であった。
また、実施例についても、第1比較例と第2比較例と同一の光度、200カンデラを得るのに必要な消費電力を調査した。調査の結果、実施例での消費電力は第1比較例での消費電力のわずか1.03倍であった。つまり第1比較例と大差ない消費電力で第1比較例と同じ照度を実現できる。
表7は、シミュレーションで得られた第1比較例、第2比較例および実施例の性能を示す。
Figure 2009070764
以上のように、外光反射を低減するのに好適な条件を示す式で算出される値と、発光のうち放出される光の効率を高めるのに好適な条件を示す式で算出される値の間の値に光学的距離d1を設定することによって、外光反射を低減し、かつ発光のうち放出される光の効率を高めることが可能である。
第1の実施の形態では、発光素子2R,2G,2Bに応じて、第1の電極層18の厚さを異ならせている。しかし、本発明はこの実施の形態に限定されず、発光素子2R,2G,2Bに応じて、絶縁体透明層14の厚さを異ならせてもよい。また、可能である限り、発光機能層20の厚さを発光素子2R,2G,2Bに応じて異ならせてもよい。
<第2の実施の形態>
図9は、本発明の第2の実施の形態に係る有機EL装置(発光装置)41の概略を示す断面図である。以降、図面においては第1の実施の形態と共通する構成要素を示すために同一の符号を使用し、それらを詳細には説明しない。第1の実施の形態では、白色発光する発光機能層20は複数の発光素子2R,2G,2Bに共通に配置されているが、図9に示すように第2の実施の形態では、発光素子2R,2G,2Bにそれぞれ専用の発光機能層20R,20G,20Bが設けられている。発光機能層20R,20G,20Bの各々は、隔壁16の画素開口内に配置されている。発光機能層20Rは赤色で発光し、発光機能層20Gは緑色で発光し、発光機能層20Bは青色で発光する。
この実施の形態でも、発光素子2R,2G,2Bに応じて、第1の電極層18の厚さを異ならせている。そして、第1の実施の形態と同様に、外光反射の低減、および所望の波長の光の利用効率の向上を両立するために、反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1を、式(8)で求められるd1の値(d1aと呼ぶ)と、式(12)で求められるd1の値(d1bと呼ぶ)の中間値に設定する。従って、発光素子2Rについては、光学的距離d1Rを式(9)で求められるd1Rの値と、式(13)で求められるd1Rの値の中間値に設定する。発光素子2Gについては、光学的距離d1Gを式(10)で求められるd1Rの値と、式(14)で求められるd1Gの値の中間値に設定する。発光素子2Bについては、光学的距離d1Bを式(11)で求められるd1Rの値と、式(15)で求められるd1Bの値の中間値に設定する。
以上のように、外光反射を低減するのに好適な条件を示す式で算出される値と、発光のうち放出される光の効率を高めるのに好適な条件を示す式で算出される値の間の値に光学的距離d1を設定することによって、外光反射を低減し、かつ発光のうち放出される光の効率を高めることが可能である。
図10は、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る有機EL装置(発光装置)51の概略を示す断面図である。この変形例では、発光機能層20R,20G,20Bの厚さを発光素子2R,2G,2Bに応じて異ならせることによって、光学的距離d1R、d1G、d1Bを上記の中間値に設定する。
図11は、本発明の第2の実施の形態の他の変形例に係る有機EL装置(発光装置)61の概略を示す断面図である。この変形例では、発光素子2R,2G,2Bに応じて、絶縁体透明層14の厚さを異ならせることによって、光学的距離d1R、d1G、d1Bを上記の中間値に設定する。
<他の変形>
上述した実施の形態では、透明な第1の電極層18が陽極、半透明半反射性の第2の電極層22が陰極であるが、第1の電極層18が陰極で第2の電極層22が陽極であってもよい。
上述した実施の形態では、第1の電極層18と反射層12が別個の層であるが、第1の電極層18を反射層と兼用してもよい。
上述した実施の形態では、第2の電極層22が半透明反射層であるが、第2の電極層22を透明にして、第2の電極層22を挟んで発光機能層20の反対側に別の半透明半反射層を設けてもよい。
上述した実施の形態に係る発光装置は、トップエミッションタイプであるが、本発明に係る発光装置は、ボトムエミッションタイプであってもよい。つまり反射層を発光機能層より基板から遠い層に配置し、半透明反射層を発光機能層より基板に近い層に配置してもよい。
上述した実施の形態に係る発光装置は、有機EL装置であるが、本発明に係る発光装置は、無機EL装置であってもよい。
反射層12と第2の電極層22との間の光学的距離d1を、式(8)で求められるd1の値(d1aと呼ぶ)と、式(12)で求められるd1の値(d1bと呼ぶ)の平均値にしてもよい。この場合には、設計が容易である。
<応用>
次に、本発明に係る有機EL装置を適用した電子機器について説明する。図12は、上記実施形態に係る発光装置を画像表示装置に利用したモバイル型のパーソナルコンピュータの構成を示す斜視図である。パーソナルコンピュータ2000は、表示装置としての有機EL装置1と本体部2010とを備える。本体部2010には、電源スイッチ2001およびキーボード2002が設けられている。
図13に、上記実施形態に係る発光装置を適用した携帯電話機を示す。携帯電話機3000は、複数の操作ボタン3001およびスクロールボタン3002、ならびに表示装置としての有機EL装置1を備える。スクロールボタン3002を操作することによって、有機EL装置1に表示される画面がスクロールされる。
図14に、上記実施形態に係る発光装置を適用した情報携帯端末(PDA:Personal Digital Assistant)を示す。情報携帯端末4000は、複数の操作ボタン4001および電源スイッチ4002、ならびに表示装置としての有機EL装置1を備える。電源スイッチ4002を操作すると、住所録やスケジュール帳といった各種の情報が有機EL装置1に表示される。
本発明に係る有機EL装置が適用される電子機器としては、図12から図14に示したもののほか、デジタルスチルカメラ、テレビ、ビデオカメラ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電子ペーパー、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、ビデオプレーヤ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。
本発明の第1の実施の形態に係る発光装置の概略を示す断面図である。 図1の発光装置において、カラーフィルタを通じて発光パネルの発光素子に向けて外光が到来したときの光の軌跡を簡略的に示す模式図である。 第1の実施の形態に関する第1比較例の発光パネルの正面(入射角0°)での反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 第1比較例の入射角45°での発光パネル3の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 第1の実施の形態に関する第2比較例の発光パネルの正面(入射角0°)での反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 第2比較例の入射角45°での発光パネル3の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 第1の実施の形態の実施例の発光パネルの正面(入射角0°)での反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例の入射角45°での発光パネル3の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第2の実施の形態に係る発光装置の概略を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の変形例に係る発光装置の概略を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の他の変形例に係る発光装置の概略を示す断面図である。 本発明に係る有機EL装置を適用した電子機器を示す斜視図である。 本発明に係る有機EL装置を適用した他の電子機器を示す斜視図である。 本発明に係る有機EL装置を適用したさらに他の電子機器を示す斜視図である。
符号の説明
1,41,51,61…有機EL装置(発光装置)、2(2R,2G,2B)…発光素子、3…発光パネル、10…基板、12…反射層、14…絶縁体透明層、18(18R,18G、18B)…第1の電極層、20,20R,20G,20B…発光機能層、22…第2の電極層(半透明半反射層)、30…カラーフィルタパネル、36(36R.36G,36B)…カラーフィルタ。

Claims (4)

  1. 第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極および前記第2の電極の間に配置された発光機能層とを有する発光素子と、
    前記発光機能層で発せられた光を前記発光機能層に向けて反射する反射層と、
    前記発光機能層を挟んで前記反射層の反対側に配置され、前記発光機能層で発せられた光の一部を前記発光機能層に向けて反射し、他の一部を透過させる半透明半反射層と、
    前記半透明反射層を挟んで前記発光機能層の反対側に配置され、前記半透明半反射層を透過した光を透過させるカラーフィルタとを備え、
    前記反射層から前記半透明半反射層までの光学的距離d1が、式(1)で算出されるd1aと、式(2)で算出されるd1bの間の値であることを特徴とする発光装置。
    1a=(p+1/2)・λ/2−(φ1−φ2)・λ/4π−nz・tz ...(1)
    1b=m・λ/2+(φ32)・λ/4π ...(2)
    ここで、λは前記カラーフィルタの透過率のピークに相当する波長であり、
    φ1は、前記発光機能層とは反対側から前記半透明半反射層に進行する波長λの光が、前記半透明半反射層の前記発光機能層とは反対側の界面で反射するときの位相変化であり、
    φ2は、前記発光機能層側から前記反射層に進行する波長λの光が、前記反射層で反射するときの位相変化であり、
    φ3は、前記発光機能層側から前記半透明半反射層に進行する波長λの光が、前記半透明半反射層の前記発光機能層側の界面で反射するときの位相変化であり、
    pは、正の整数であり、
    mは、正の整数であり、
    zは、波長λの光に関する前記半透明半反射層の屈折率であり、
    zは、前記半透明半反射層の厚さである。
  2. 前記反射層から前記半透明半反射層までの光学的距離d1が、式(1)で算出されるd1aと、式(2)で算出されるd1bの平均値であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記半透明半反射層を透過する光の色が異なる複数の前記発光素子と、
    透過する光のピーク波長λが異なる複数の前記カラーフィルタとを備え、
    前記カラーフィルタの各々は、複数の前記発光素子のいずれかに対応する位置に配置されて、一つのカラーフィルタと一つの発光素子のセットを構成し、
    前記セットの各々において、反射層から前記半透明半反射層までの光学的距離d1が、式(1)で算出されるd1aと、式(2)で算出されるd1bの間の値であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の発光装置を備える電子機器。
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