JP2009211868A - Structure for extracting light from light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子からの光取出し構造に関し、特に、発光素子から効率良く光を取出すための光学構造に関するものである。 The present invention relates to a light extraction structure from a light emitting element, and more particularly to an optical structure for efficiently extracting light from a light emitting element.
発光素子、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子においては、その発光体の屈折率の影響のため、臨界角以上の出射角の光は全反射を起こし外部に取出すことができない。このため、発光体の屈折率が1.6とすると、発光量全体の20%程度しか有効に利用できない。 In a light-emitting element, for example, an organic electroluminescence element, light having an emission angle greater than a critical angle is totally reflected and cannot be taken out due to the influence of the refractive index of the light-emitting body. For this reason, if the refractive index of the light emitter is 1.6, only about 20% of the total amount of light emission can be used effectively.
この光の取出し効率を向上させる手法としては、特許文献1に示されるように、光取出し面側に回折格子やゾーンプレートを配置して光取出し効率を向上させるものが提案されている。 As a technique for improving the light extraction efficiency, as disclosed in Patent Document 1, a technique is proposed in which a diffraction grating or a zone plate is arranged on the light extraction surface side to improve the light extraction efficiency.
さらに、特許文献2、非特許文献1に示されるように、光取出し面側に高屈折率層とナノ多孔質層あるいはフォトニック結晶を配置して光取出し効率を向上させるものが提案されている。
Furthermore, as shown in
また、特許文献3に示されるように、光取出し面側にプリズムレンズシートを配置して光取出し効率を向上させるものが提案されている。
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機エレクトロルミネッセンス素子等の発光素子の光取出し面側に従来の回折構造とは異なる回折構造を配置して発光素子の高効率化を図ることである。 The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and its purpose is to arrange a diffractive structure different from the conventional diffractive structure on the light extraction surface side of a light emitting element such as an organic electroluminescent element. This is to increase the efficiency of the light emitting element.
上記目的を達成する本発明の発光素子からの光取出し構造は、高屈折率領域と低屈折率領域が平板に沿った1次元方向に一定周期で繰返し、その高屈折率領域及び低屈折率領域が平板の法線に対して一定のスラント角で傾いているスラント構造を有するスラント構造体が発光素子の発光層の光取出し面側に配置されていることを特徴とするものである。 The light extraction structure from the light emitting device of the present invention that achieves the above object has a high refractive index region and a low refractive index region that repeat at a constant period in a one-dimensional direction along the flat plate. Is characterized in that a slant structure having a slant structure inclined at a constant slant angle with respect to the normal line of the flat plate is disposed on the light extraction surface side of the light emitting layer of the light emitting element.
この場合、前記スラント構造体において、前記平板の面の法線周りで前記スラント構造が整数回の回転対称に配置されていることが望ましい。 In this case, in the slant structure, it is desirable that the slant structure is arranged in an integer number of rotational symmetry around the normal of the plane of the flat plate.
そして、前記スラント構造体において、高屈折率領域相互あるいは高屈折率領域と低屈折率領域が空間的に重なる部分は高屈折率領域、低屈折率領域相互が空間的に重なる部分は低屈折率領域となっていることが望ましい。 In the slant structure, a high refractive index region or a portion where the high refractive index region and the low refractive index region are spatially overlapped is a high refractive index region, and a portion where the low refractive index region is spatially overlapped is a low refractive index. It is desirable to be an area.
また、前記発光層と前記スラント構造体の間に前記発光層側の屈折率より大きな高屈折率層が配置されているか、前記発光層の出射側にアレイ状に四角錐状あるいは屋根型の微小なプリズムを多数配置してなるプリズムアレイが配置されていることがより望ましい。 In addition, a high refractive index layer larger than the refractive index on the light emitting layer side is disposed between the light emitting layer and the slant structure, or a square pyramid or roof type microscopic array is formed on the emission side of the light emitting layer. It is more desirable that a prism array in which a large number of prisms are arranged is arranged.
本発明によると、上記のようなスラント構造を用いることにより光取出し効率が向上し、高効率な発光素子が得られる。 According to the present invention, by using the slant structure as described above, the light extraction efficiency is improved, and a highly efficient light emitting device can be obtained.
以下、本発明の発光素子からの光取出し構造の原理と実施例を説明する。 Hereinafter, the principle and examples of the light extraction structure from the light emitting device of the present invention will be described.
本発明の光取出し構造の基本構造は、図1に断面図を示すように、平板1内において高屈折率空間領域2と低屈折率空間領域3(以下、空間領域は単に領域とする。)が平板1に沿った1次元方向に使用する光の波長からその波長の2倍程度の間の周期で繰返し、その高屈折率領域2及び低屈折率領域3が平板1の法線に対して一定のスラント角α(α≠0°,90°)で傾いてなるスラント構造を持つスラント構造体10を用い、この構造体10を発光体の発光層11の光取出し面側に透明性基板12を介して配置することで、透明性基板12を通して発光層11から外へ取出す光量をより多く(高効率化)するものである。なお、高屈折率領域2と低屈折率領域3は空間的には平板状をしており、相互に平行に配置されている。
The basic structure of the light extraction structure of the present invention is a high refractive
さらに、スラント構造体10は、図2に断面図を示すように、図1のようなスラント角αで傾いている高屈折率領域2と低屈折率領域3の繰返しのスラント構造を平板1の法線に対して整数回(図2では2回)回転対称に配置されたもの(高屈折率領域2相互あるいは高屈折率領域2と低屈折率領域3が空間的に重なる部分は高屈折率領域、低屈折率領域3相互が空間的に重なる部分は低屈折率領域とする。)でも、透明性基板12を通して発光層11から外へ取出す光量をより多くすることができる。回転対称の回数を多くすることで、取出し効率の法線周りでの均一性が良くなる。
Further, as shown in a cross-sectional view in FIG. 2, the slant structure 10 has a repetitive slant structure of a high
図3は、回転対称の回数とスラント構造の関係を示す平板1を+z軸(図1、図2)方向から見た平面図であり、図3(a)は3回、図3(b)は4回、図3(c)は5回、図3(d)は6回、図3(e)は8回の場合である。図3(a)の3回の回転対称の場合、図の3本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域2と低屈折率領域3の配置構造は、図1と同様に、高屈折率領域2が斜めにストライプ状に並んで配置される(図では、これを“/////”で示してある。)。図3(b)の4回の回転対称の場合、図の2本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域2と低屈折率領域3の配置構造は、図2と同様に、高屈折率領域2が交差格子状に並んで配置される(図では、これを“XXXXX”で示してある。)。図3(c)の5回の回転対称の場合、図の5本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域2と低屈折率領域3の配置構造は、図1と同様に、高屈折率領域2が斜めにストライプ状に並んで配置される。図3(d)の6回の回転対称の場合、図の3本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域2と低屈折率領域3の配置構造は、図2と同様に、高屈折率領域2が交差格子状に並んで配置される。図3(e)の8回の回転対称の場合、図の4本の一点鎖線に沿った断面図では、高屈折率領域2と低屈折率領域3の配置構造は、図2と同様に、高屈折率領域2が交差格子状に並んで配置される。他の整数回の場合も同様であり、回転対称の回数が奇数の場合、回転対称の方向で図1と同様に高屈折率領域2が斜めにストライプ状に並んで配置される。回転対称の回数が偶数の場合、回転対称の方向で図2と同様に高屈折率領域2が交差格子状に並んで配置される。
FIG. 3 is a plan view of the flat plate 1 showing the relationship between the number of rotational symmetry and the slant structure as viewed from the + z-axis (FIGS. 1 and 2) direction, FIG. 3 (a) is three times, and FIG. Is 4 times, FIG. 3 (c) is 5 times, FIG. 3 (d) is 6 times, and FIG. 3 (e) is 8 times. In the case of the three-fold rotational symmetry in FIG. 3A, the arrangement structure of the high
さらに、図4に示すように、図1〜図3のスラント構造体10の発光層11側に透明性基板12の屈折率より大きな高屈折率層13を配置して、発光層11から放射される光束の発散角を縮小し、その発散角内の光をスラント構造体10に入射させるようにして、外へ取出す光量をより多くすることができる。 Further, as shown in FIG. 4, a high refractive index layer 13 larger than the refractive index of the transparent substrate 12 is disposed on the light emitting layer 11 side of the slant structure 10 of FIGS. The amount of light taken out can be increased by reducing the divergence angle of the luminous flux and making the light within the divergence angle incident on the slant structure 10.
また、図5に示すように、発光層11の出射側にアレイ状に四角錐状あるいは屋根型の微小なプリズムを多数配置してなる高屈折率のプリズムアレイ14を配置し、このプリズムアレイ14を比較的低屈折率の透明性基板12中に埋込むように配置しても、発光層11から放射される光束の発散角をそのプリズムアレイ14で縮小し、その発散角内の光をスラント構造体10に入射させることで、外へ取出す光量をより多くすることができる。 Further, as shown in FIG. 5, a high-refractive-index prism array 14 in which a large number of square pyramid or roof-shaped minute prisms are arranged in an array on the emission side of the light emitting layer 11 is arranged. Is embedded in the transparent substrate 12 having a relatively low refractive index, the divergence angle of the light beam emitted from the light emitting layer 11 is reduced by the prism array 14 and the light within the divergence angle is slanted. By making the light incident on the structure 10, the amount of light taken out can be increased.
次に、本発明の発光素子からの光取出し構造の数値例を示す。スラント構造体10の利用効率は、ベクトル回折理論(非特許文献2)により厳密に求めることができる。以下の説明で、ピッチ/波長、デューティ比、スラントを示すピッチ方向のズレ量、スラント角、溝深さ/波長等のパラメータは図6に示した通りである。ここで、若干説明を加えると、波長λは使用波長であり、ピッチΛは高屈折率領域2(低屈折率領域3)の平板1の面に沿った方向の繰返しピッチであり、デューティ比w/Λは高屈折率領域2の1ピッチ当たりの割合であり、スラント角αは前記のように高屈折率領域2及び低屈折率領域3の平板1の法線に対する角度であり、スラントを示すピッチ方向のズレ量sは高屈折率領域2又は低屈折率領域3の平板1の表面と裏面でのズレ量であり、溝深さdは高屈折率領域2及び低屈折率領域3が設けられた平板1の厚さである。
Next, numerical examples of the light extraction structure from the light emitting element of the present invention will be shown. The utilization efficiency of the slant structure 10 can be determined strictly by vector diffraction theory (Non-Patent Document 2). In the following description, parameters such as pitch / wavelength, duty ratio, pitch direction shift amount indicating slant, slant angle, groove depth / wavelength, and the like are as shown in FIG. Here, to add a little explanation, the wavelength λ is a used wavelength, the pitch Λ is a repetitive pitch in the direction along the surface of the flat plate 1 of the high refractive index region 2 (low refractive index region 3), and the duty ratio w / Λ is a ratio per pitch of the high
図3(b)のような4回の回転対称のスラント構造体10であって、発光層11からTE偏光とTM偏光が等しく、入射角0〜90°、方位角0〜90°(方位角は実際には0〜360°であるが、対称性を考慮して0〜90°で計算を行った。)で等方的に放射されてスラント構造体10に入射する場合、高屈折率領域2の屈折率が1.5、低屈折率領域3の屈折率1(空気)である実施例1〜8について、そのスラント構造体10のパラメータと光取出し効率を以下に示す。なお、波長λは1に規格化した。
実施例1 実施例2 実施例3 実施例4
ピッチ/波長(x方向、y方向共) 1.8 1.6 1.8 1.6
デューティ比(x方向、y方向共) 0.4 0.5 0.4 0.5
スラントを示すピッチ方向のズレ量 2.0 2.0 1.0 2.5
スラント角 38.7 ° 42.4 ° 24.2 ° 41.6 °
溝深さ/波長 4.5 3.5 4.0 4.5
光取出し効率 29.5 % 29.5 % 29.0 % 28.8 %
実施例5 実施例6 実施例7 実施例8
ピッチ/波長(x方向、y方向共) 1.8 1.8 1.2 1.8
デューティ比(x方向、y方向共) 0.6 0.3 0.3 0.4
スラントを示すピッチ方向のズレ量 2.0 1.0 2.0 1.5
スラント角 35.8 ° 35.8 ° 34.4 ° 42.0 °
溝深さ/波長 5.0 2.5 3.5 3.0
光取出し効率 28.7 % 28.7 % 28.6 % 28.5 % 。
FIG. 3B shows a four-fold rotationally symmetric slant structure 10 in which TE and TM polarized light are equal from the light emitting layer 11, and an incident angle of 0 to 90 ° and an azimuth angle of 0 to 90 ° (azimuth angle). Is actually 0 to 360 °, but calculation is performed at 0 to 90 ° in consideration of symmetry.) When isotropically radiated and incident on the slant structure 10, the high refractive index region For Examples 1 to 8 in which the refractive index of 2 is 1.5 and the refractive index of the low
Example 1 Example 2 Example 3 Example 4
Pitch / wavelength (both x and y directions) 1.8 1.6 1.8 1.6
Duty ratio (both x and y directions) 0.4 0.5 0.4 0.5
Amount of deviation in the pitch direction indicating slant 2.0 2.0 1.0 2.5
Slant angle 38.7 ° 42.4 ° 24.2 ° 41.6 °
Groove depth / wavelength 4.5 3.5 4.0 4.5
Light extraction efficiency 29.5% 29.5% 29.0% 28.8%
Example 5 Example 6 Example 7 Example 8
Pitch / wavelength (both x and y directions) 1.8 1.8 1.2 1.8
Duty ratio (both x and y directions) 0.6 0.3 0.3 0.4
Amount of deviation in the pitch direction indicating slant 2.0 1.0 2.0 1.5
Slant angle 35.8 ° 35.8 ° 34.4 ° 42.0 °
Groove depth / wavelength 5.0 2.5 3.5 3.0
Light extraction efficiency 28.7% 28.7% 28.6% 28.5%.
比較例として、屈折率が1.5でスラント構造のない平板のみの場合の光取出し効率は約23%である。 As a comparative example, the light extraction efficiency in the case of only a flat plate having a refractive index of 1.5 and no slant structure is about 23%.
以上の実施例1〜8の場合の利用効率の入射角及び方位角依存性をそれぞれ図7〜図14に示す。なお、図7〜図14には平板の場合の入射角依存性も示してある。 The incident angle dependency and the azimuth angle dependency of the utilization efficiency in Examples 1 to 8 are shown in FIGS. 7 to 14 also show the incident angle dependency in the case of a flat plate.
以上、本発明の発光素子からの光取出し構造を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。 The light extraction structure from the light emitting device of the present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made.
1…平板
2…高屈折率空間領域(高屈折率領域)
3…低屈折率空間領域(低屈折率領域)
10…スラント構造体
11…発光層
12…透明性基板
13…高屈折率層
14…プリズムアレイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
3. Low refractive index space region (low refractive index region)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Slant structure 11 ... Light emitting layer 12 ... Transparent substrate 13 ... High refractive index layer 14 ... Prism array
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