JP2010287562A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光取り出し効率が高く、外光反射の抑制機能が良好な表示装置を提供する。
【解決手段】 赤色を発光する発光素子と、緑色を発光する発光素子と、青色を発光する発光素子を有し、各発光素子の光取り出し側に円偏光板40があり、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光取り出し側から取り出す周期構造30が各発光素子に配置され、各発光素子の周期構造30の周期は同じであり、周期構造30の周期が、200nmより大きく、380nm以下である。
【選択図】 図4
【解決手段】 赤色を発光する発光素子と、緑色を発光する発光素子と、青色を発光する発光素子を有し、各発光素子の光取り出し側に円偏光板40があり、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光取り出し側から取り出す周期構造30が各発光素子に配置され、各発光素子の周期構造30の周期は同じであり、周期構造30の周期が、200nmより大きく、380nm以下である。
【選択図】 図4
Description
本発明は表示装置に関するもので、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。
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機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、円偏光板と回折格子のような周期構造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、外光反射の抑制機能が良好な表示装置を提供することを目的とする。
よって本発明の発光素子は、基板の上に、第1電極と、光取り出し側にある第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周期構造と、前記光取り出し側に設けられる円偏光板と、を有する発光素子を複数有し、前記複数の発光素子は、赤色を発光する発光素子と、緑色を発光する発光素子と、青色を発光する発光素子を有し、前記周期構造の周期が、各発光素子で同じであり、前記周期構造の周期は、200nmより大きく、380nm以下であ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、外光反射の抑制機能が良好な表示装置を提供することが可能となる。
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、周期構造が形成され、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る。周期構造は、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、周期構造の周期が、発光素子の発光層の屈折率nに対して、380/(n+1)nmより大きく、380nm以下であるように構成される。
以下、本発明の発光素子として、有機EL素子を例示して説明するが、周期構造を有する無機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。また、本明細書で特に図示または記載されない部分は、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。
図1(a)は本発明の有機EL素子(以下、素子と記す場合がある)の構成例を模式的に表した断面概略図である。図1(a)において、10は基板、11は反射層、12は平坦化層、13は第1電極、14は有機化合物層、15は第2電極、16は隔壁、30は周期構造、40は円偏光板である。また、20は発光点、21は伝播光(素子から外部に取り出される光)、22は導波光(基板10の面内方向に伝播する光)、23は回折光である。なお、第1電極13と第2電極15は、光透過性を有する透明又は半透明の電極である。なお、光透過性を有するとは、素子から取り出される光のスペクトルの最大ピーク波長において、50%以上100%以下の透過率を有していることである。
図1(b)は本発明の素子の構成例を模式的に表した断面概略図であり、32は発光領域である。本発明の素子は、この発光領域32にフォトニック結晶(周期構造30)を有している。図1(b)では、周期構造30の周期を規定する2つの基本格子ベクトルをa1、a2としている。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。
図1(a)に示した素子は、まず、基板10上に反射層11が形成されている。この反射層11上に周期構造30が形成され、平坦化層12により周期構造30が覆われ、周期構造30の凹凸が平坦化されている。本構成例では、凹構造が反射層11と平坦化層12との間に周期的に形成されている。周期構造30は、凹構造だけでなく凸構造などでも良い。つまり、周期構造30は、凹構造と凸構造とが基板10の面内方向において周期的に配列された構造である。また、周期構造30は、図1(a)に示すように直角の頂点をなす構造である必要はなく、順テーパ構造、逆テーパ構造等の様々な構造を採ることができる。また、平坦化層12は、必要に応じて省略しても良い。周期構造30は、基板10の面内方向に周期的に屈折率が変化する構造である。図1(a)においては、周期構造30は、基板10の面内方向において陽極材料と平坦化層の材料とが周期的に配置される構造である。平坦化層12上に、第1電極13(陽極)が形成される。この第1電極13の周縁を覆うように絶縁材料からなる隔壁16が形成されている。隔壁16の開口部から露出する第1電極13の露出部の上に、発光層を含む有機化合物層14が積層され、その上に第2電極15(陰極)が形成されている。第1電極13と第2電極15に電圧を印加することによって、もしくは電流を流すことによって、第1電極13と第2電極15の間に配置された発光層が発光する。なお、第1電極13を陽極、第2電極15を陰極としたが、第1電極13を陰極、第2電極15を陽極としてもよい。
また、本発明の発光素子は、発光層よりも第1電極13側に反射面がある。反射面は、反射層11と平坦化層12の界面である。また、平坦化層12を設けない場合には、反射層11と第1電極13との界面が反射面となる。また、平坦化層12及び第1電極13を設けず、反射層11が第1電極13を兼ねる場合には、反射層11と有機化合物層14との界面が反射面となる。また、有機化合物層14上に形成される第2電極15が光取り出し側にある電極となり、発光層で発生した光が第2電極15側から素子の外部に取り出される。
さらに、外光反射を抑制するために、発光素子の光取り出し側に円偏光板40が設けられる。しかし、光取り出し効率を向上するために、単に周期構造を設けただけでは、円偏光板の外光反射の抑制機能が低下してしまう。
そこで、本発明では、上記構成に加え、周期構造30の周期を、有機化合物層14に含まれる発光層の屈折率nに対して、380/(n+1)nmより大きく、380nm以下としている。この構成により、後述するように、発光素子の外光反射の抑制機能を維持したまま、光取り出し効率が向上する。したがって、本発明により、光取り出し効率が高く、外光反射の抑制機能が良好な発光素子が提供できる。
<周期構造の周期>
まず、周期構造の周期の上限について説明する。周期の上限は、外光反射の抑制機能を維持するための条件として決定される。
まず、周期構造の周期の上限について説明する。周期の上限は、外光反射の抑制機能を維持するための条件として決定される。
一般に、光取り出し効率を向上するために周期構造や散乱構造などの平坦ではない光取り出し構造を設けることにより、円偏光板の外光反射の抑制機能が低下してしまう。図2(a)は、この外光反射の抑制機能の低下を模式的に示す図である。ここで、円偏光板40は、右円偏光のみを透過し、左円偏光は吸収する特性であるとする。素子の外部から入射する環境光24は、円偏光板40により、右円偏光入射光25のみが透過する。右円偏光入射光25の大部分は、素子の各層の界面で奇数回反射され、左円偏光正反射光26となり、円偏光板40により吸収される。しかしながら、光取り出し構造によって、右円偏光入射光25の一部は、円偏光状態が乱された非円偏光成分27となる。特に、周期構造の周期が波長に対して大きい場合や散乱構造の場合は、任意の角度に非円偏光成分27が放射されることになる。非円偏光成分27の約半分の右円偏光成分は、円偏光板40で吸収されずに反射光28として素子の外部に取り出され、外光の反射率が増加してしまう。つまり、外光反射の抑制機能が低下してしまう。一般的に人は正面から素子を見るので、素子に侵入した外光が、光取り出し構造によって、この正面方向X(基板に対して略垂直な方向)に放射されることが特に問題となる。略垂直とは、基板に水平な面から85°以上90°以下である角度のことである。
一方、図2(b)に示すように、非円偏光成分27が放射される角度を、正面方向Xとは異なる方向だけに制限できれば、外光反射の抑制機能を良好なものにすることができる。これは、光取り出し構造を周期構造とし、入射光に対して、0次の回折光(正反射の光)以外を発生しない周期に限定することで、正面方向Xに放射される外光の反射光を抑制することが可能となる。ここで、正反射とは、入射角と等しい反射角で反射されることである。
図1に示した素子において、周期構造30の周期をaとし、光取り出し側媒体(通常は空気)の屈折率をnairとし、素子内に侵入した環境光(外光)の波長をΛとする。
まず、環境光の入射角度をθambとすると、基板10に略垂直な方向(視認方向X)に回折光が生じるための回折条件は、位相整合条件から整数mとして、数1で与えられる。
数1から、環境光の入射角度θambが、−90°<θamb<90°の全ての場合に、回折光が生じないための条件は数2で与えられ、整理すると数3となる。なお、ここで、nair=1.0としている。
外光反射の抑制機能を維持するためには、可視光域380nm以上780nm以下の全域で、数3を満たす必要がある。したがって、周期構造30の周期aは380nm以下であればよい。図1(b)のように、周期aの正方格子(a1=a2=a)の場合、45°傾けた対角線の周期は約1.4倍となる。したがって、周期aは、380/1.4≒270nm以下であることが望ましい。
次に、周期構造30の周期aの下限について説明する。周期aの下限は、光取り出し効率を向上するための条件から決定される。光取り出し効率を向上するためには、図1(a)の光導波路31を基板10に水平な方向に伝播する導波光22に対して、周期構造30が回折光23を生じる必要がある。導波光22に対する有効屈折率をngmとする。ここで、有効屈折率ngmは、条件nair<ngm<nを満たす。また、発光素子の外に取り出される光のスペクトルの最大ピーク波長をλ、発光層の屈折率をnとする。このとき、回折光が生じる回折条件は位相整合条件から、整数m、回折角度θmとして、数4で与えられる。
数4から、回折光が発生するための条件が、数5で与えられ、整理すると数6となる。なお、ここで、nair=1.0としている。
数6と条件nair<ngm<nから、導波光に対して回折光を生じるためには、数7の条件が必要となる。さらに、少なくともm=1とすれば、光取り出し効率が向上するので、数7を整理すると数8の条件式となる。
可視光域380nm以上780nm以下のいずれかで光取り出し効率向上の効果が生じる必要があるため、周期構造30の周期aは380/(n+1)nmより大きければよい。なお、有機EL素子では、通常、発光層の屈折率はn=1.6乃至2.0程度である。したがって、周期構造30の周期aは、125nmより大きいことが望ましい。
したがって、周期構造30の周期aを、有機化合物層14に含まれる発光層の屈折率nに対して、380/(n+1)nmより大きく、380nm以下とすることにより、光取り出し効率が高く、かつ、外光反射の抑制機能が良好な発光素子が提供可能となる。
これまでは、周期構造が、発光層よりも第1電極側にある反射面に配置される構成について説明してきたが、光取り出し側である第2電極側に配置される構成であってもよい。具体的には、第2電極の発光層側とは反対側に、金属薄膜で形成される周期構造が配置される構成であってもよい。
さらに、これまでは、基板と反対側が光取り出し側となるトップエミッション型の構成について説明してきたが、基板側が光取り出し側となるボトムエミッション構成においても本発明は実施可能である。この場合、例えば図3のような素子の構成を採ることができる。具体的には、基板10上に、光透過性を有する周期構造30が配置され、その上に、平坦化層を兼ねた第2電極15が形成される。さらに、その第2電極15上に、発光層を含む有機化合物層14が形成され、その上に反射層を兼ねる第1電極13が形成されている。発光層で発生した光は、第2電極15側から取り出される。そして、光取り出し側である基板10側に円偏光板40が配置され、周期構造30の周期は発光層の屈折率nに対して、380/(n+1)nmより大きく、380nm以下である。この構成においても、本発明の効果が得られる。また、周期構造30が発光層を含む有機化合物層14よりも基板10側に配置されるので、有機化合物層14に周期構造30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。また、周期構造30は金属薄膜で形成され、第2電極15はITOなどの酸化物透明導電材料からなることが好ましい。
また、本発明の他の素子の構成例としては、基板側から順に、第2電極、発光層、第1電極、周期構造、反射層の順に形成され、反射面が第1電極と反射層との界面であり、反射面に周期構造が形成される構成を挙げることができる。つまり、発光層よりも第1電極側にある反射面に周期構造が形成される構成である。この場合も基板側が光取り出し側となるボトムエミッション構成であり、基板側に円偏光板が配置される。この周期構造の周期を、発光層の屈折率nに対して、380/(n+1)nmより大きく、380nm以下とすることで、本発明の効果が得られる。
また、図4で示すように、本発明の発光素子を基板の上に複数有する表示装置に応用することも考えられる。特に、赤色を発光する発光素子Rと緑色を発光する発光素子Gと青色を発光する発光素子Bとをそれぞれ複数有するフルカラーの表示装置において、製造を容易にする上で、各発光素子の周期構造30を共通に形成し、その周期を各発光素子で同じにすることが好ましい。なお、可視光のうち、赤色は600nm以上750nm以下の波長帯域、緑色は495nm以上570nm以下の波長帯域、青色は430nm以上495nm以下の波長帯域にあたる。この表示装置において、最も波長の長い素子である赤色の発光素子においても光取り出し効率を向上させるには、全ての発光素子で共通に形成される周期構造30の周期が、600/(n+1)より大きいことが好ましい。なお、nは発光素子の発光層の屈折率であり、n=1.6乃至2.0である。よって、全ての発光素子の光取り出し効率を向上させ、かつ、外光反射の抑制機能を良好にするためには、全ての発光素子で共通に形成される周期構造30の周期が、200nmより大きく380nm以下であることが望ましい。さらに、周期構造30の周期は、230nmより大きく380nm以下であることが望ましい。さらに、周期構造30が正方格子の場合、その周期は、380/1.4≒270nm以下であることが望ましい。また、この表示装置においては、円偏光板40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。
また、図4では、発光層よりも第1電極13側にある反射層11上に周期構造30が配置される構成であるが、発光層よりも光取り出し側にある第2電極15側に周期構造30が設けられる構成であってもよい。さらに、図4では、発光素子R,G,B間に周期構造30は配置されていないが、発光素子R,G,B間(隔壁16の下部)に周期構造30が設けられる構成であってもよい。後者の構成の場合には、隔壁16にまで伝播した光を外部に取り出すことができ、光取り出し効率が大きくなる。
以下、本発明の発光素子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10上の反射層11に、周期構造30を形成する。
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10上の反射層11に、周期構造30を形成する。
石英からなる基板10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周期構造パターンをKrF露光機により露光し、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、周期構造30は周期aが200nm、直径が120nmとする。次に、エッチング深さ40nmでドライエッチング加工し、レジストを剥離して基板10上に周期構造(非図示)を形成する。この上に、スパッタリングにより、Al合金(AlSi)を100nmの膜厚で成膜し、周期構造30が設けられた反射層11を形成する。反射層11は、周期構造30がない平坦な場合に、可視光の波長域(λ=380nm以上780nm以下)で分光反射率70%以上の高反射層である。Al合金以外に、Ag合金などを用いてもよい。
次に、平坦化層12として、スピンコートによりSOGを30nmの膜厚で形成し、周期構造30の凹凸を平坦化する。さらに、スパッタリングによりIZO(登録商標)を50nmの膜厚で形成して、電極のパターニングを行い、フォトニック結晶(周期構造30)付きの第1電極(陽極)13を形成する。
さらに、ポリイミドの隔壁16を1μmの膜厚で形成した後、図1(b)の発光領域32となる開口部をエッチングし、第1電極13を露出させる。
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14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55nm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、青色を発光する発光層を形成する。この発光層としては、ホストとして上記に示す化合物[II]と発光性化合物[III]とを共蒸着して35nm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(以下Bphenという)を真空蒸着法にて20nm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、BphenとCs2CO3とを共蒸着(重量比90:10)し、60nmの膜厚で形成する。蒸着時の真空度は3×10−4Pa、成膜速度は0.2nm/secである。電子注入層まで形成した基板を、真空を破ること無しにスパッタ装置に移動し、光取り出し側の第2電極15として、スパッタリングによりIZOを30nmの膜厚で形成する。
その後、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(非図示)で封止する。最後に、キャップガラス上に円偏光板40を粘着材により張り合わせることにより、有機EL素子を得る。
つまり、反射層と円偏光板の間に周期構造を有し、周期構造の周期が200nmであり、380nm以下である構成とされている。また、有機化合物層14の形成前に、基板10上の反射層11に周期構造30を形成するので、有機化合物層14に製造プロセスでの損傷を与えることが抑制される。
<実施例2>
周期構造30の周期aが250nm、直径が150nmであること以外は、実施例1と同様である。
周期構造30の周期aが250nm、直径が150nmであること以外は、実施例1と同様である。
<比較例1>
図1(a)において、周期構造30が形成されず、反射層11が平坦であること以外は、実施例1と同様である。
図1(a)において、周期構造30が形成されず、反射層11が平坦であること以外は、実施例1と同様である。
<比較例2>
周期構造30の周期aが1500nm、直径が900nmであること以外は、実施例1と同様である。
周期構造30の周期aが1500nm、直径が900nmであること以外は、実施例1と同様である。
<比較例3>
周期構造30の周期aが3000nm、直径が1500nmであること以外は、実施例1と同様である。
周期構造30の周期aが3000nm、直径が1500nmであること以外は、実施例1と同様である。
<比較例4>
図1(a)において、周期構造30が形成されず、反射層11が平坦であること以外は、光取り出し側の第2電極15として、IZOを30nmの膜厚で形成するまで、実施例1と同様である。次に、別基板(非図示)上に、窒化酸化シリコン(SiNxOy)膜中に直径200nm程度の空孔を単層で不規則に分散した拡散構造(非図示)を形成する。この別基板に形成された拡散構造をエポキシ樹脂により、第2電極15上に配置する。最後に、円偏光板40を粘着材により張り合わせることにより、有機EL素子を得る。
図1(a)において、周期構造30が形成されず、反射層11が平坦であること以外は、光取り出し側の第2電極15として、IZOを30nmの膜厚で形成するまで、実施例1と同様である。次に、別基板(非図示)上に、窒化酸化シリコン(SiNxOy)膜中に直径200nm程度の空孔を単層で不規則に分散した拡散構造(非図示)を形成する。この別基板に形成された拡散構造をエポキシ樹脂により、第2電極15上に配置する。最後に、円偏光板40を粘着材により張り合わせることにより、有機EL素子を得る。
表1に、実施例1(P200nm)、実施例2(P250nm)、比較例1(構造なし)、比較例2(P1500nm)、比較例3(P3000nm)、比較例4(拡散構造)の視感反射率Rvの測定値と相対値を示す。視感反射率RVは、反射スペクトルR(λ)、環境光スペクトルS(λ)、比視感効率V(λ)として、数9で定義されている。なお、視感反射率Rvの測定値は、照度17000lxの環境光が45°で入射した際の基板10に垂直な方向(正面方向X)で測定した視感反射率Rvの値であり、相対値は比較例1の値を基準としている。また、P200nmの表記は、周期構造30の周期aが200nmであることを表している。
表1から、実施例1と実施例2の視感反射率は、比較例1の視感反射率とほぼ同等で、良好な外光反射の抑制機能を維持することが可能である。一方、周期構造の周期が環境光の波長サイズより大きい比較例2と比較例3の場合、比較例1よりも視感反射率が4倍から10倍と大きく、外光反射の抑制機能が低下してしまうことがわかる。同様に、拡散構造の大きさが環境光のサブ波長程度であるが周期的でなく不規則な比較例4の場合も、比較例1よりも視感反射率が5倍と大きく、外光反射の抑制機能が低下してしまうことがわかる。
さらに、周期構造を有する実施例1と実施例2は、発光効率が比較例1よりも1.1倍改善し、光取り出し効率が向上する。
したがって、本発明により、光取り出し効率が高く、外光反射の抑制機能が良好な発光素子が提供可能となる。
13 第1電極
15 第2電極
30 周期構造
40 円偏光板
15 第2電極
30 周期構造
40 円偏光板
Claims (4)
- 基板の上に、第1電極と、光取り出し側にある第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周期構造と、前記光取り出し側に設けられる円偏光板と、を有する発光素子を複数有し、
前記複数の発光素子は、赤色を発光する発光素子と、緑色を発光する発光素子と、青色を発光する発光素子を有し、
前記周期構造の周期が、各発光素子で同じであり、
前記周期構造の周期は、200nmより大きく、380nm以下であることを特徴とする表示装置。 - 前記周期構造が、前記発光層よりも前記基板側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 前記周期構造が、前記発光層よりも第1電極側にある反射面に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の表示装置。
- 前記周期構造の周期が、230nmより大きく、380nm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の表示装置。
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