JP2010272465A - 発光素子及びそれを有する発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光取り出し効率が高く、外光反射の抑制性能が良好な発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子の光取り出し側に円偏光板４０１があり、発光層で発生し発光素子の面内方向に導波する光を発光素子の光取り出し側から取り出す光取り出し構造３００があり、さらに発光層で発生した光の発光色を透過し、発光色の補色を遮光する補色遮光部材４００が、光取り出し側でかつ、光取り出し構造を覆う位置に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光素子に関するもので、光取り出し効率を向上させ、かつ、明所コントラストを良好にするものに関する。

有機ＥＬ素子（発光素子）は、薄膜で自発光を特徴としており、新方式のフラットパネルディスプレイとして応用されている。有機ＥＬ素子は、陰極と陽極から成る一対の電極と、この一対の電極の間に形成される有機化合物層とから構成されている。有機ＥＬ素子の発光は、陰極から電子、陽極からホールを有機化合物層に注入し、有機化合物層中の発光層で励起子を生成させ、この励起子によって発光層内の分子が励起状態にされ、分子が励起状態から基底状態にもどる際に光が放出される原理を利用している。発光層は、蛍光性有機化合物もしくは燐光性有機化合物、量子ドットなどの発光性材料からなる。

有機ＥＬ素子の屋外での視認性を良くするために、明所コントラストを高めることが重要である。明所コントラストを高めるための一つの要素は、外光反射を抑制することであり、有機ＥＬ素子の光取り出し側に円偏光板を配置することが提案されている。また、もう一つの要素は、発光効率を向上して最大発光輝度を大きくすることである。特許文献１では、素子内部に発光した光が閉じ込められることを抑制して発光効率を向上させるために、有機化合物層の上部や下部（光取り出し側やその反対側）に周期構造（回折格子）を配置する有機ＥＬ素子が開示されている。

特開平１１−２８３７５１号公報

しかしながら、この２つの要素を組み合せた構成、つまり円偏光板を配置した有機ＥＬ素子に周期構造を設ける構成の場合、周期構造が素子内部に侵入した外光の円偏光状態を乱すために、円偏光板による外光反射の抑制性能が低下してしまうという課題がある。

なお、このような問題は有機ＥＬ素子に限らず、円偏光板と、周期構造のような光取り出し構造とを有する発光素子においても問題となる。

本発明は、上記課題に鑑み、光取り出し効率が高く、外光反射の抑制性能が良好な発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明に係る発光素子は、基板の上に、光取り出し側にある第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間にある発光層と、前記発光層で発生した光を前記光取り出し側から取り出すための光取り出し構造と、前記光取り出し側に設けられる円偏光板と、を有する発光素子であって、前記発光層で発生した光の発光色を透過し、前記発光色の補色を遮光する補色遮光部材が、前記光取り出し側でかつ、前記光取り出し構造を覆う位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、光取り出し効率が高く、外光反射の抑制性能が良好な発光素子を提供することが可能となる。

（ａ）本発明に係る発光素子の断面概略図、（ｂ）本発明に係る発光素子の平面概略図 （ａ）各発光素子の発光スペクトルを例示する図、（ｂ）各発光素子の反射スペクトルを例示する図 補色遮光部材の透過スペクトルを例示する図 （ａ）本発明に係る他の発光素子の断面概略図、（ｂ）本発明に係る他の発光素子の平面概略図

以下、本発明の原理を構成例に基づいて説明する。本発明では、発光素子の光取り出し効率を向上するために、光取り出し構造が形成され、また、外光反射を抑制するために素子の光取り出し側に円偏光板が配置されている。光取り出し構造は、発光層で発生し基板の面内方向に導波する光を発光素子の外に取り出す構造のことである。さらに、光取り出し側でかつ、光取り出し構造を覆う位置に、発光層から発光される色の補色を遮光する補色遮光部材が配置される。

本発明の有機ＥＬ素子の構成例を模式的に表した断面概略図を図１（ａ）に、平面概略図を図１（ｂ）に示す。なお、図示例では有機ＥＬ素子を示したが、無機ＥＬ素子や発光層に量子ドット（ＱＤ）を用いたＱＤ−ＬＥＤ素子などであっても実施できる。

図１（ａ）において、１００は基板、１０１は有機化合物層、１０２は反射電極、１０３は透明電極、１１０は隔壁、３００は光取り出し構造である。また、２０１は発光点、２０２は出射光、２０３は導波光、２０４は回折光である。図１（ｂ）において、３０２は発光領域であり、この発光領域３０２に光取り出し構造を有している。なお、発光領域とは、基板に垂直な方向において、有機化合物層を挟む２つの電極のうち、一方の電極を他方の電極に投影させたときに重なる領域であって、この２つの電極の間に隔壁が形成されていない領域を指す。また、図１では、光取り出し構造３００は周期構造であり、その周期を規定する２つの基本格子ベクトルをａ_１、ａ_２としている。さらに、光取り出し構造３００が存在する部分と存在しない部分が、より大きな周期で配列されている。ここで、より大きな周期を規定する２つの基本格子ベクトルはＡ_１、Ａ_２である。

図１（ａ）に示した有機ＥＬ素子（以下素子と記す場合がある）は、基板１００上に陽極として透明電極１０３が形成されている。透明電極１０３には、一部に金属により構成される光取り出し構造３００が形成されている。なお、本実施の形態では透明電極１０３が、光取り出し側にある第１電極であり、発光層で発生した光が第１電極側から取り出される。

また、この陽極の周縁を覆うように絶縁材料からなる隔壁１１０が形成されている。隔壁１１０の開口部から露出する陽極の露出部の上に、発光層を含む有機化合物層１０１が積層され、陰極である反射電極１０２が形成されている。本実施の形態では反射電極１０２が第２電極である。

光取り出し構造の図１における構成例では、ドット構造が基板１００と透明電極１０３との間に周期的に形成されている。光取り出し構造は、ドット構造だけでなくホール構造や凸構造、凹構造などでも良い。光取り出し構造は、図１（ａ）に示すように直角の頂点を有するテーパ構造である必要はなく、順テーパ構造、逆テーパ構造等様々な構造にすることができる。また、光取り出し構造は、周期的な構造である必要はなく、不規則に配列された構造でも良い。本構成例では、光取り出し構造３００は、金属により構成されている。なお、図１（ａ）の透明電極１０３、有機化合物層１０１、反射電極１０２が積層された隔壁１１０の開口部に対応するのが、図１（ｂ）の電圧を印加することにより発光する発光領域３０２である。さらに、外光反射を抑制し、明所での視認性を良くするために、円偏光板４０１が光取り出し側に配置される。つまり、上記の構成は、光取り出し構造３００が形成された素子に円偏光板４０１が配置された構成である。

ここで、２つの素子について比較を行う。１つは光取り出し構造３００が形成されない素子Ａ、もう１つは光取り出し構造（例としてフォトニック結晶）３００が形成された素子Ｂであり、ともに円偏光板を有している。図２（ａ）において、一点破線は、素子Ａの発光スペクトルを示し、破線は、素子Ｂの発光スペクトルを示している。なお、発光スペクトルは基板１００に垂直な方向に取り出される光のものである。また、図２（ｂ）において、一点破線は、素子Ａの反射スペクトルを示し、破線は、素子Ｂの反射スペクトルを示している。ここで、反射スペクトルは、照度１４８００ｌｘの環境光が４５°で入射した際の基板１００に垂直な方向で測定した反射光のスペクトルである。

図２（ａ）から、光取り出し構造が形成された素子は、光取り出し構造が形成されない素子より、光取り出し効率が向上することがわかる。一方、図２（ｂ）より、光取り出し構造が形成された素子は、光取り出し構造が形成されない素子より、比視感度を考慮した視感反射率が大きくなり、外光反射の抑制性能が低下することがわかる。

そこで、本発明の素子は、図１（ａ）のように、上述した素子Ｂにさらに、発光層で発生した光の発光色を透過し、この発光色の補色を遮光する補色遮光部材４００が、光取り出し側でかつ、光取り出し構造３００を覆う位置に配置されている。「光取り出し構造を覆う位置」とは、基板に垂直な方向において、光取り出し構造の配置された領域と基板に水平な面内方向での重なりを持つ位置のことである。補色遮光部材４００は、光取り出し構造３００の形成されている領域全体を覆う位置に配置されていることが好ましいが、その一部のみを覆う位置に配置されていてもよい。また、この補色遮光部材４００の透過スペクトルの一例を図３に示す。

本発明の光取り出し構造３００と補色遮光部材４００が形成された素子の発光スペクトル及び反射スペクトルを、図２（ａ）及び（ｂ）の実線で示す。図２（ａ）および図２（ｂ）から、補色遮光部材４００が形成されない素子と比較して、光取り出し効率は同等のまま、視感反射率を１／２．５に改善できることがわかる。したがって、本発明により、光取り出し効率が高く、外光反射の抑制性能が良好な素子が可能となる。

これまでは、基板側が光取り出し側となるボトムエミッション型の構成について説明してきたが、図４（ａ）に示すように、基板の反対側が光取り出し側となるトップエミッション構成においても本発明は実施可能である。図４（ａ）では、基板１００側より反射電極１０２、反射電極１０２上の透明電極１０３Ｂ、有機化合物層１０１、金属半透明電極１０４が順に積層されている。なお、この構成においては、第１電極が金属半透明電極で構成され、第２電極が反射電極と透明電極で構成されている。ただし、第１電極は、金属半透明電極上にＩＴＯなどの酸化物透明導電層を有する積層構造であってもよいし、金属半透明導電極に替えて、酸化物透明導電層のみからなる電極であってもよい。また、第２電極は反射電極のみで構成されていてもよい。また、光取り出し構造３００は、反射電極１０２と反射電極１０２上の透明電極１０３Ｂの間に形成され、図４に示すように、発光領域３０２の周縁部に配置されている。補色遮光部材４００は、光取り出し構造３００が配置された領域のみを覆うように配置され、発光領域３０２の中央部に開口部が形成されている。このため、一般的に人が素子を見る方向、つまり基板１００に略垂直な方向にこの開口部から取り出される光は、補色遮光部材４００による吸収がなく、発光領域３０２全域に補色遮光部材４００が設けられる構成よりも光取り出し効率が向上する。また、光取り出し構造３００によって円偏光状態が乱された外光の回折光が基板１００に略垂直な方向に取り出されることを抑制する構成であるので、外光反射の抑制性能も維持される。

また、光取り出し構造が発光層を含む有機化合物層よりも基板側に配置されているので、有機化合物層に光取り出し構造の製造プロセスによる損傷を与えることがなく、良好な発光を得ることができる。

本発明の素子を発光装置に用いることが可能である。この場合、発光装置は、発光素子からなる画素を複数有する発光装置であって、各画素の各々の発光を制御する駆動回路を備えており、少なくとも一つの画素が、本発明の発光素子により構成されている。なお、本発明において、画素とは、独立して発光の制御が可能である最小の単位を示す。

また、本発明の発光装置を表示装置に用いることもできる。この場合には、複数の画素ユニットがマトリックス状に配列され、各画素ユニットは、発光色の異なる複数の画素、例えば、赤色発光画素、緑色発光画素及び青色発光画素で構成されるようにするのが良い。なお、画素ユニットとは、発光色の異なる複数の画素で構成され、各画素の混色によって所望の色の発光を可能とする最小の単位を示す。

また、発光装置又は表示装置においては、円偏光板は、各発光素子に共通で一体に設けられることが、製造を容易にする上で好ましい。

なお、本実施形態においては、全ての画素が本発明の素子であっても良いし、一部の画素のみが本発明の素子であっても良い。即ち、本発明の素子と従来の素子を両方有する構成であっても良い。この場合には、両者の割合を調整することで、表示装置の発光特性を調整することができる。また、このように両方有する場合には、本発明の素子と従来の素子を規則的に配列しても良いが、本発明の素子が不規則に点在するように配置していても良い。

本発明の発光装置は、照明やプリンタヘッド、露光装置や表示装置用のバックライト等の様々な用途に適用することができる。また、本発明の発光装置を表示装置として使用する場合には、テレビ受像機、パーソナルコンピュータのディスプレイ、撮像装置の背面表示部、携帯電話の表示部、携帯ゲーム機の表示部等が挙げられる。その他、携帯音楽再生装置の表示部、携帯情報端末（ＰＤＡ）の表示部、カーナビゲーションシステムの表示部等が挙げられる。

以下、本発明の発光素子として、有機ＥＬ素子を例に挙げてその製造方法を実施例として説明するが、本発明は本実施例によって何ら限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１（ａ）に示す構成の有機ＥＬ素子を以下に示す方法で作製する。まず基板１００上に、リフトオフ加工により、Ａｌからなる光取り出し構造３００を形成する。

まず、基板１００上に、ポジ型のレジストをスピンコートしプリベークを行う。その後、レジストに図１（ｂ）に示すような正方格子の光取り出し構造パターンを電子線（ＥＢ）露光し、現像、ポストベークを行い、レジストパターンを形成する。本実施例では、光取り出し構造３００は周期２４０ｎｍ、一辺の長さ１００ｎｍとされる。また、１０周期ごとに光取り出し構造３００が存在する部分と平坦な部分とが交互に並んでいる。

次に、蒸着によりＡｌを３０ｎｍの膜厚で形成する。露光部分では基板１００上にＡｌが形成され、露光部分以外ではレジスト上にＡｌが形成される。その後、レジストを剥離し、レジスト上のＡｌごと取り除くことにより、Ａｌからなる光取り出し構造３００を形成する。この上に、スパッタリングによりＩＺＯを１０５ｎｍの膜厚で形成し、その後、電極のパターニングを行い、フォトニック結晶（光取り出し構造）付きの陽極を形成する。

さらに、ポリイミドの隔壁１１０を１μｍの膜厚で形成した後、図１（ｂ）の発光領域３０２となる開口部をエッチングし、フォトニック結晶を配置した陽極基板を作製する。

これをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、次いで、煮沸洗浄後乾燥する。その後、ＵＶ／オゾン洗浄してから有機化合物層１０１を真空蒸着により形成する。

まず、下記構造式で示される化合物［Ｉ］を、ホール輸送層として７０ｎｍの膜厚で形成する。この際の真空度は１×１０^−４Ｐａ、蒸着レートは、０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

次に、緑を発光するの発光層を形成する。ホストとしてｔｒｉｓ‐（８‐ｈｙｄｒｏｘｙｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）Ａｌｕｍｉｎｕｍと、発光性化合物３‐（２’‐Ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）‐７‐Ｎ，Ｎ‐ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏｃｏｕｍａｒｉｎとを共蒸着して２５ｎｍの膜厚で発光層を形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。

さらに、電子輸送層として、１，１０‐Ｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅを真空蒸着法にて３５ｎｍの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は１×１０^−４Ｐａ、成膜速度は０．２ｎｍ／ｓｅｃである。次に、電子注入層として、ＬｉＦを０．５ｎｍの膜厚で形成し、さらに、陰極として、Ａｌを１００ｎｍの膜厚で形成する。Ａｌからなる反射電極１０２は、可視光の波長域（λ＝４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下）で分光反射率７０％以上の高反射電極である。Ａｌ以外に、Ａｌ合金やＡｇ合金などを用いてもよい。

次に、有機ＥＬ素子の周辺部に吸湿剤を配置し、エッチングされたキャップガラスで封止する。さらに、補色遮光部材４００として、別基板（非図示）に形成され、図３の透過スペクトルを有する緑色のカラーフィルターを、基板１００の有機ＥＬ素子の形成された側とは反対側に、さらに、光取り出し側であって、光取り出し構造３００を覆う位置に、エポキシ樹脂により配置する。最後に、円偏光板４０１をカラーフィルターの形成された別基板に粘着材によって張ることにより、有機ＥＬ素子を得る。

なお、補色遮光部材４００として、緑色カラーフィルターを別基板に形成する代わりに、基板１００と光取り出し構造３００の間に緑色カラーフィルターを形成しても良い。この構成の場合、円偏光板４０１は、基板１００の有機ＥＬ素子の形成された側とは反対側に粘着材によって張り合わせることにより、有機ＥＬ素子を得ることも可能である。

＜比較例１＞
図１（ａ）において、光取り出し構造３００が形成されず、補色遮光部材４００が配置されないこと以外は、実施例１と同様である。

＜比較例２＞
図１（ａ）において、補色遮光部材４００が配置されないこと以外は、実施例１と同様である。

表１に、実施例１と比較例１、比較例２における発光効率比（基板に対して垂直な方向）と視感反射率の評価値（実施例１の値は計算値、比較例１と比較例２は測定値）を示す。比較例２は、比較例１より、発光効率比が約１．２倍と改善するものの、視感反射率が約５倍と大幅に低下してしまう。一方、実施例１では、発光効率比の改善（比較例１に対して約１．１倍）を保ちつつ、視感反射率を抑制（比較例２に対して約１／２．５）できることがわかる。

１０２ 反射電極
１０３ 透明電極
１０３Ｂ 反射電極上の透明電極
１０４ 金属半透明電極
３００ 光取り出し構造
４００ 補色遮光部材
４０１ 円偏光板

Claims (4)

1. 基板の上に、光取り出し側にある第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間にある発光層と、前記発光層で発生した光を前記光取り出し側から取り出すための光取り出し構造と、前記光取り出し側に設けられる円偏光板と、を有する発光素子であって、
   前記発光層で発生した光の発光色を透過し、前記発光色の補色を遮光する補色遮光部材が、前記光取り出し側でかつ、前記光取り出し構造を覆う位置に配置されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記光取り出し構造が前記発光層よりも前記基板側にあることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記光取り出し構造が前記光取り出し構造を覆う位置にのみ配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 発光素子を有する複数の画素と、前記画素の各々の発光を制御する駆動回路とを有する発光装置であって、前記複数の画素のうち少なくとも一つの画素は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光素子を有することを特徴とする発光装置。

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