JP2011100715A - 発光装置、表示装置および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光層の劣化を早めることなく、光取り出し効率を維持しながら、外光反射を抑制し、屋内外の環境下で高視認性を確保する。
【解決手段】基板の上に、発光素子と、発光素子が発する光を集光する集光レンズ８と、集光レンズ８を覆う反射層９と、反射層９を覆う光吸収層１０と、を備え、反射層９と光吸収層１０が、集光レンズ８の中央部を露出させる開口部を有している。
【選択図】図１
【解決手段】基板の上に、発光素子と、発光素子が発する光を集光する集光レンズ８と、集光レンズ８を覆う反射層９と、反射層９を覆う光吸収層１０と、を備え、反射層９と光吸収層１０が、集光レンズ８の中央部を露出させる開口部を有している。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光装置、並びにこれを用いた表示装置および撮像装置に関する。
携帯電話機や個人情報端末（ＰＤＡ）等のモバイル用途に用いられる表示装置、デジタルカメラ等の撮像装置では、液晶表示素子、有機発光素子の高画質化や、屋内外における高視認性が求められている。高画質化および高視認性を有する表示装置等の製品化を実現するためには、光取り出し効率の向上と、外光反射の防止とを両立させることが重要である。
特に有機発光素子は、屋内環境下では高画質であるが、太陽光の影響を受ける屋外環境下では画質コントラストの低下を伴うことが知られており、光取り出し効率の更なる向上が期待されている。
ここで発光装置に含まれる発光素子の光取り出し効率を向上させる技術としては、例えば、対となる電極のうち、観察面と反対側の電極を反射層とし、観察面側にレンズ構造を配する有機ＥＬ装置が提案されている（特許文献１参照）。
ところで、特許文献１の有機ＥＬ装置では、観察面と反対側の電極を反射層とし、観察面側にレンズ構造を配しているので、屋外環境下ではこの反射層により外光が反射してしまい、画質コントラスト低下に繋がるという問題があった。
一方、発光素子の光取り出し効率の向上のみを追求しようとすると、発光層の劣化を早める結果を招くという問題があった。
このように従来の技術では、発光素子の高画質および屋内外の高視認性を実現するために、光取り出し効率の向上と、外光反射の防止とを両立させることが困難であった。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、発光層の劣化を早めることなく、光取り出し効率を維持しながら、外光反射を抑制し、屋内外の環境下で高視認性を確保できる発光素子、これを用いた表示装置および撮像装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。
即ち、本発明に係る発光装置は、基板の上に、発光素子と、前記発光素子が発する光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを覆う反射層と、前記反射層を覆う光吸収層と、を備え、前記反射層と前記光吸収層が、前記集光レンズの中央部を露出させる開口部を有することを特徴とする。
本発明によれば、集光レンズの上に開口部を設けた反射層と光吸収層とを設け、集光レンズと反射層の機能により開口部から光を取り出している。したがって、発光層の劣化を早めることなく、光取り出し効率を維持しながら、光吸収部（光吸収層）によって外光反射を抑制し、屋内外の環境下で高視認性を確保できるという優れた効果を奏する。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
〔発光装置〕
まず、図１を参照して、本発明に係る発光装置の一実施形態の構成について説明する。図１は、本発明に係る発光装置の一実施形態の構成を示す模式図である。
まず、図１を参照して、本発明に係る発光装置の一実施形態の構成について説明する。図１は、本発明に係る発光装置の一実施形態の構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態の発光装置１は、基板２上に、少なくとも、一対の電極（反射電極層３、透明電極５）と、これら電極間にＥＬ（エレクトロルミネッセンス）層４と、を有する発光素子を備えている。
本実施形態において、基板２の材質にはガラスを用いているが、これに限定されず、例えば、プラスチック等を用いても構わない。
基板２上には、反射電極層３が積層されている。反射電極層３には、一般的にはアルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金などの金属薄膜の単層が用いられるが、これに限定されず、例えば、金属薄膜や絶縁体などの反射膜上に透明電極層を形成した積層体であっても構わない。
ＥＬ層４とは、例えば、発光材料や電荷注入・輸送性材料である有機化合物からなる薄膜状の有機ＥＬ層があるが、これに限定されない。例えば、発光材料や電荷注入・輸送性材料である無機化合物からなる薄膜状の無機ＥＬ層であってもよい。本実施形態で例示する有機ＥＬ層は、陽極側にある正孔注入輸送層、陰極側にある電子注入輸送層、および発光層等を適宜組み合わせた構造を有する。正孔注入輸送層または電子注入輸送層は、電極からの正孔または電子の注入効率と、輸送性（移動度）が優れた材料を組み合わせてなる層であってもよい。
このように本実施形態で例示する有機ＥＬ層は、例えば、正孔輸送層、発光層および電子輸送層の３層で構成されるが、これに限定されない。すなわち、有機ＥＬ層は発光層の単層のみで構成されてもよく、あるいは２層、４層などの複数の層で構成されてもよい。
正孔輸送層には、構成材料として、例えば、ＮＰＤ（Ｎ，Ｎ’−ｄｉ（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−（１，１’−ｂｉｐｈｅｎｙｌ）−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ）が使用されている。ただしこれに限定されず、これ以外の材料を用いてもよい。
発光層は、発光色毎に配され、シャドウマスクによりパターン化される。ＲＧＢの発光色を呈する表示装置を構成する場合、赤色発光層としては、例えば、ＣＢＰ（４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾール−ビフェニール）にＩｒ（ｐｉｑ）3をドープしたものが使用される。また、緑色発光層としては、例えば、Ａｌｑ3にクマリンをドープしたものが使用される。一方、青色発光層としては、例えば、Ｂ−Ａｌｑ3にＰｅｒｙｌｅｎｅをドープしたものが使用される。ただしこれに限定されず、上記以外の材料を用いてもよい。
電子輸送層には、例えば、電子受容性のＢａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｒｏｌｉｎｅが使用される。ただし、これに限定されず、それ以外の材料を用いてもよい。
ＥＬ層４上には透明電極層５が積層されており、対となる電極（反射電極層３、透明電極５）によって有機発光材料などを含有するＥＬ層４が挟持されることにより、自発光素子を構成している。本実施形態の透明電極層５には、例えば、無機導電体層としてのＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）膜を用いている。これに限定されず、無機導電体層としては、酸化インジウム亜鉛、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、Ｉｎ2Ｏ3などを含む膜を用いてもよい。さらに、透明電極層５は、銀、銀合金などの金属薄膜であってもよい。
電極層（反射電極層３、透明電極５）およびＥＬ層４の形成には、一般的には蒸着成膜を用いる。電極層（３、５）およびＥＬ層４を蒸着成膜する際には、基板２上に画素を分離する隔壁６を設けることが望ましい。隔壁６は、一般的には、反射電極層３と透明電極層５とのショートによる表示不良を防ぐために設けられ、ショートがない構造や、画素を分離する必要がない場合には設ける必要はない。
発光素子および隔壁６の上、即ち、透明電極層５および隔壁６の上には、封止層７が積層されている。封止層７は、外部からの水分や異物を遮断する透明な材料であればよく、例えば、アクリル樹脂等の透明な合成樹脂等を用いることができる。
さらに、封止層７の上、即ち、上記発光素子の光取り出し面側には、ＥＬ層４から出射した光を集光する集光レンズ８を設置している。集光レンズ８は、上記封止層７と同等あるいは異なる透明材料、例えば、アクリル樹脂等の高分子材料や、Ｓｉ窒化物またはＳｉ酸化物等からなる無機材料などで形成される。
集光レンズ８の形成方法は、集光レンズ８を形成するための透明材料を成膜した後、所望のレンズ形状になるようなハーフ露光マスク等を用いたフォトリソグラフィや、金型を用いた成型等により、封止層７上に直接形成してもよい。あるいは、封止層７の上に、既存の集光レンズ８を直接設置してもよい。
より好ましくは、素子上に集光レンズ８を直接形成することによる素子へのダメージを防ぐため、素子が形成された基板２とは異なる基板上にて集光レンズ８を作製し、素子が形成された基板２と集光レンズ８とを貼り合わせることが望ましい。設置された集光レンズ８は、有機発光層を覆うような寸法で形成され、その寸法は表示画素領域の大きさに依存する。具体的には、集光レンズ８の寸法は、隔壁６のテーパー部に形成されるＥＬ層の幅と同等かそれ以上に大きく、断面における左右の隔壁６の幅より小さいことが好ましい。
集光レンズ８の上は、反射層９で覆われている。この反射層９は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金や銀、銀合金などの金属薄膜であることが望ましが、これに限定されない。さらに、反射層９の上は、光吸収層１０で覆われている。この光吸収層１０は、例えば、公知のブラックマトリックス材料を用いることができる。
これらの反射層９および光吸収層１０には、集光レンズ８の中央部を露出させる開口部１１が形成される。開口部１１とは遮光されない領域をいい、集光された光を開口部１１から透過させるようになっている。開口部１１は、発光素子の発光部１２よりも小さい領域になるように設けられる。よって、反射層９および光吸収層１０は、例えば、フォトリソグラフィ等によりパターニング形成されることが望ましい。
基板２の面内方向において、上記発光部１２の面積に対する開口部１１の面積比率（開口率）は７０％以上１００％未満であることが好ましく、７５％以上９０％未満であることがより好ましい。さらに好ましくは、集光レンズ８の曲率が５．５以上６．５以下であり、上記開口率が７５％以上８５％以下であることが望ましい。これらの数値範囲の根拠については、後述する実施例の説明において詳述する。
本実施形態の発光装置１によれば、集光レンズ８の上に開口部１１を設けた反射層９と光吸収層１０とを設け、集光レンズ８と反射層９の機能により開口部１１から光を取り出している。したがって、発光機能層４の劣化を早めることなく、光取り出し効率を維持しながら、光吸収層１０によって外光反射を抑制し、屋内外の環境下で高視認性を確保できる。なお、上述した発光装置は、トップエミッション型の構成、つまり、基板２とは反対側から発光素子が発する光が出射される構成であったが、本発明は、ボトムエミッション型の発光装置にも適用できる。つまり、基板２側から発光素子が発する光が出射される構成でも適用できる。この場合には、集光レンズ８、反射層９、光吸収層１０は、発光素子の上ではなく、基板２の発光素子が形成される側とは反対側に設けられる。
〔表示装置〕
上記発光装置１は、携帯電話機や個人情報端末（ＰＤＡ）等の表示装置として構成することができる。この種の表示装置は、上記発光装置１を１つの画素として二次元的に配列された表示部と、各発光装置１を駆動する駆動手段と、を備えて構成される。なお、発光装置１のうち、レンズ８、反射電極層４及び発光層以外は、隣接する発光装置（画素）と一体とすることができる。
上記発光装置１は、携帯電話機や個人情報端末（ＰＤＡ）等の表示装置として構成することができる。この種の表示装置は、上記発光装置１を１つの画素として二次元的に配列された表示部と、各発光装置１を駆動する駆動手段と、を備えて構成される。なお、発光装置１のうち、レンズ８、反射電極層４及び発光層以外は、隣接する発光装置（画素）と一体とすることができる。
本実施形態の発光装置１を用いて表示装置を構成することにより、発光機能層４の劣化を早めることなく、光取り出し効率を維持しながら、外光反射を抑制し、屋内外の環境下で高視認性を確保できる自発光素子を備えた表示装置が実現可能である。
〔撮像装置〕
上記発光装置１は、デジタルカメラ等の撮像装置として構成することができる。この種の撮像装置は、上記発光装置１を１つの画素として二次元的に配列された表示部と、各発光装置１を駆動する駆動手段と、ＣＣＤ等の撮像部と、を備えて構成される。なお、発光装置１のうち、レンズ８、反射電極層４及び発光層以外は、隣接する発光装置（画素）と一体とすることができる。
上記発光装置１は、デジタルカメラ等の撮像装置として構成することができる。この種の撮像装置は、上記発光装置１を１つの画素として二次元的に配列された表示部と、各発光装置１を駆動する駆動手段と、ＣＣＤ等の撮像部と、を備えて構成される。なお、発光装置１のうち、レンズ８、反射電極層４及び発光層以外は、隣接する発光装置（画素）と一体とすることができる。
本実施形態の発光装置１を用いて撮像装置を構成することにより、発光機能層４の劣化を早めることなく、光取り出し効率を維持しながら、外光反射を抑制し、屋内外の環境下で高視認性を確保できる自発光素子を備えた撮像装置が実現可能である。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、上記発光装置１を用いた装置として、表示装置および撮像装置を例示したが、発光素子を利用する装置であれば他の形式の装置にも適用することができる。
以下、実施例を挙げて、本発明に係る表示モジュールをさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
実施例１では、発光素子の上に、集光レンズ８、反射層９および光吸収層１０を備える図１に例示した発光装置１を形成した。
実施例１では、発光素子の上に、集光レンズ８、反射層９および光吸収層１０を備える図１に例示した発光装置１を形成した。
集光レンズ８として、屈折率が１．５であるアクリル樹脂製レンズを用いた。また、発光部１２の直径を２ｍｍとし、集光レンズ８の膜厚を１ｍｍとした。さらに、集光レンズ８の上に、反射層９としてアルミニウムを３００ｎｍ成膜した後、この反射層９上に光吸収層１０としてブラックマトリックス材料を２０００ｎｍ成膜した。そして、反射層９および光吸収層９に、フォトリソグラフィにて１．６ｍｍの開口部１１を形成した。上記発光部１２の面積に対する開口部１１の面積比率（開口率）は８０％である。
〔比較例１〕
比較例１では、集光レンズ８、反射層９および光吸収層１０を備えていない発光素子を形成した。その他の条件は、実施例１と同様に構成した。
比較例１では、集光レンズ８、反射層９および光吸収層１０を備えていない発光素子を形成した。その他の条件は、実施例１と同様に構成した。
〔比較例２〕
比較例２では、集光レンズ８を備えているが、反射層９および光吸収層１０を備えていない発光素子を形成した。その他の条件は、実施例１と同様に構成した。
比較例２では、集光レンズ８を備えているが、反射層９および光吸収層１０を備えていない発光素子を形成した。その他の条件は、実施例１と同様に構成した。
〔駆動試験〕
実施例１、ならびに比較例１および２で作製した発光装置を駆動させた。その結果、実施例１では、比較例１および２に対して、光取り出し効率を１．４倍に改善し、さらに外光反射を２０％に低減することができた。
実施例１、ならびに比較例１および２で作製した発光装置を駆動させた。その結果、実施例１では、比較例１および２に対して、光取り出し効率を１．４倍に改善し、さらに外光反射を２０％に低減することができた。
〔比較検討およびその結果〕
実施例１、ならびに比較例１および２の比較検討を行うために、実施例１、比較例１および２について、光取り出し効率および外光反射のシミュレーション計算を実施した。
実施例１、ならびに比較例１および２の比較検討を行うために、実施例１、比較例１および２について、光取り出し効率および外光反射のシミュレーション計算を実施した。
〈光取り出し効率〉
光取り出し効率の計算では、まず、比較例１および２について、集光レンズ８の屈折率を１．５、発光部１２の直径を１００としたとき、集光レンズ８上の開口部１１の直径と集光レンズ８の曲率を変化させて計算を行った。集光レンズ８上の開口部１１の直径は９９，９０，８５，８０，７５，７０，６０，５０とした場合、集光レンズ７の曲率は４．０，５．０，５．５，６．０、６．５，８．０、１０とした場合である。
光取り出し効率の計算では、まず、比較例１および２について、集光レンズ８の屈折率を１．５、発光部１２の直径を１００としたとき、集光レンズ８上の開口部１１の直径と集光レンズ８の曲率を変化させて計算を行った。集光レンズ８上の開口部１１の直径は９９，９０，８５，８０，７５，７０，６０，５０とした場合、集光レンズ７の曲率は４．０，５．０，５．５，６．０、６．５，８．０、１０とした場合である。
その計算結果を下記表１に示す。ここで、比較例１よりも光取り出し効率が低下する場合は×を、向上する場合は◎，○，△，×を付した。なお、同じ曲率で開口率が１００の場合、つまり、比較例２を基準とし、その基準の光取り出し効率と同等（効率９５％以上１００％未満）のものに◎を、やや劣るもの（７０％以上９５％未満）に○を、かなり劣るもの（５０％以上７０％未満）には△を付した。×は比較例２よりも５０％未満のものを示す。
表１の結果より、発光部１２の面積に対する開口部１１の面積（開口率）は７０％以上１００％未満が望ましいことが判る。また、集光レンズ８の曲率は５．０以上６．５以下が好ましいことが判る。
さらに、集光レンズ８の曲率が５．５以上６．５以下であって、開口率が７５％以上８５％以下であると、より効果があることが判る。即ち、この範囲では、集光レンズ８の曲率と開口率との双方が◎を示している。
〈外光反射〉
外光反射の計算では、実施例１のように、集光レンズ８の上に、反射層９および光吸収層１０を配し、これら反射層９および光吸収層１０には、発光部１２よりも小さい領域になるように開口部１１を設けた。その他の条件は、光取り出し効率の計算で求めた良好な範囲と同じ範囲における外光反射の計算を試みた。この外光反射の計算は、素子からの発光の正反射ピークに対する４５度入射角の外光を比較例１および２との比で計算した。
外光反射の計算では、実施例１のように、集光レンズ８の上に、反射層９および光吸収層１０を配し、これら反射層９および光吸収層１０には、発光部１２よりも小さい領域になるように開口部１１を設けた。その他の条件は、光取り出し効率の計算で求めた良好な範囲と同じ範囲における外光反射の計算を試みた。この外光反射の計算は、素子からの発光の正反射ピークに対する４５度入射角の外光を比較例１および２との比で計算した。
ここで、比較例１よりも外光反射が大きくなることはなかった。小さくなった例には◎，○，△を付した。また、比較例２を基準とし、その基準の外光反射と同等（外光反射低減率７５％以上１００％未満）のものに◎を、やや小さくなるもの（５０％以上７５％未満）に○を、かなり小さくなるもの（５０％未満）には△を付した。
表２の結果より、比較例１および２よりも、外光反射の抑制効果があることが判る。さらに、上記開口率は９０％未満であることが望ましい。また、光取り出し効率と外光反射との双方の計算を考慮すると、集光レンズ８の曲率５．５以上６．５以下であって、開口率が７５％以上８５％以下に設定することが望ましい。
１：発光装置、２：基板、３：反射電極層、４：ＥＬ層、５：透明電極層、６：隔壁、７：封止層、８：集光レンズ、９：反射層、１０：光吸収層、１１：開口部、１２：発光部
Claims (7)
- 基板の上に、発光素子と、
前記発光素子が発する光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズを覆う反射層と、
前記反射層を覆う光吸収層と、を備え、
前記反射層と前記光吸収層が、前記集光レンズの中央部を露出させる開口部を有することを特徴とする発光装置。 - 前記基板の面内方向における前記発光素子の発光部の面積に対する前記開口部の面積比率が７０％以上１００％未満であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記発光部の面積に対する前記開口部の面積比率が７５％以上９０％未満であることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
- 前記集光レンズの曲率が５．５以上６．５以下であって、前記発光部の面積に対する前記開口部の面積比率が７５％以上８５％以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の発光装置。
- 前記ＥＬ層が有機ＥＬ層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置が二次元的に配列された表示部と、前記発光装置を駆動する駆動手段と、を備えていることを特徴とする表示装置。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置が二次元的に配列された表示部と、前記発光装置を駆動する駆動手段と、撮像部と、を備えていることを特徴とする撮像装置。
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