JP2013254643A - Ｅｌ素子及びそれを具備した照明機器、画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
光の取出効率が高く、カラーシフトを低減し、意匠性の高い有機ＥＬ素子、また、前記有機ＥＬ素子を用いた照明機器及び画像表示装置を提供する。
【解決手段】
屈折率Ｎｇｍの透明基板の一方の面に、透明電極、有機層からなる発光層、金属電極を順次積層し、且つ、前記透明基板の他方の面に、高屈折率拡散層と低屈折率拡散層とを順次積層してなるＥＬ素子であって、
前記高屈折率拡散層は、屈折率Ｎ_ｓｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｓｆの粒子をＷｓ重量％含有し、また、前記低屈折率拡散層は、屈折率Ｎ_ｃｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｃｆの粒子をＷｃ重量％含有し、且つ、下記の条件（１）を満たすことを特徴とするＥＬ素子である。
（１）１．０＜Ｎ_ｃｍ＜Ｎ_ｇｍ
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、並びに、これを用いた照明機器及び画像表示装置に関する。

面状発光素子の代表的なものであるＥＬ素子は、蛍光性化合物に電場を加えるか、電流を注入するかにより発光する素子であり、使用する材料によって無機ＥＬと有機ＥＬとに分けられる。

蛍光性化合物における電気エネルギー刺激による発光は、無機化合物や有機化合物において観測されるが、それぞれの発光中心の励起機構は異なる。無機ＥＬ素子の発光は、蛍光体中に電子が高電界下において加速されて発光中心に衝突し励起することで生じ、一方、有機ＥＬの発光は、外部から電子とホール（正孔）を注入し、それらの再結合エネルギーによって発光中心を励起することで生じる。無機ＥＬ、有機ＥＬはともに発光層を電極で挟んだサンドイッチ構造であり、電極の少なくとも一方の電極を透明にすることによって、面状の発光素子を得ることが可能になっている。

図４に非常に簡単な有機ＥＬ素子１００の構成について説明する模式図を示す。図４に示す有機ＥＬ素子１００は、背面電極１０１、有機層１０２、透明電極１０４、及びガラス基板１０５を順に積層して構成され、有機層１０２内に発光層１０３を含んでいる。図４中の符合１０６は空気層を示している。このような有機ＥＬ素子１００では、背面電極１０１と透明電極１０４との間に電圧を印加することによって発光層１０３内で発光が起こり、この光を透明電極１０４側から素子外部へ、すなわち空気層１０６側へ取り出すことが可能となっている。

なお、図４では、背面電極１０１、有機層１０２、発光層１０３、透明電極１０４、ガラス基板１０５のみを示しているが、実際の素子では、電子輸送層やホール輸送層等のさまざまな薄膜層がいくつも積層されて構成されている。また、ガラス基板１０５をプラスチック基板にすることでもフレキシブルなＥＬ素子も作製可能であるため、以下では、ガラス基板１０５を、単に基板１０５と呼ぶものとする。

ところで、発光層１０３で発光した光は、透明電極１０４や基板１０５を通って空気層１０６へ射出されるが、一般に有機層１０２、透明電極１０４、基板１０５に用いられる材料の屈折率は異なり、各界面で全反射が起こる。

たとえば、有機層１０２側に位置する入射側材料（屈折率：ｎ_ｉ）に対して、空気層１０６側に位置する射出側材料（屈折率：ｎ_ｓ）の屈折率が低い場合、つまり、ｎ_ｉ＞ｎ_ｓの場合には、図５のＰ１，Ｐ２に参照されるように、入射した光に関して全反射が起こってしまう。すなわち、図５では、透明電極１０４から基板１０５に入射しようとする光が全反射された様子（Ｐ１）、及び、基板１０４から空気層１０５に入射しようとする光が全反射された様子（Ｐ２）が示されている。このような全反射の発生は入射する光の角度に依存するものであり、全反射が生じる角度である臨界角θｃは、下記の数１で表現できる。臨界角θｃ以上の角度で入射した光は全反射が起こり、材料の吸収を無視すると１００％反射が起こる。そのため、素子外部へ光を取り出すことが出来ずに大きな損失となってしまう。

このように屈折率の異なる材料を積層してなる有機ＥＬ素子では、外部への光の取出効率（素子内部で発する光をどれくらい素子の外へ出すことができるかを示した割合）のロスが生じてしまう問題がある。具体的な例を挙げると、屈折率１．５のガラス平板を基板１０５と屈折率１．７の有機層１０２を用いたときには、外部に取り出される光の取出効率は、一般に２０％程度と言われている。

また、一般的に有機層１０２、透明電極１０４は１μｍ以下の薄膜であるため、発光した光は薄膜干渉が起こり、波長によって配光分布が異なる。そのため、観察角度によって色が変わるというカラーシフトという現象が起こる。

以上の問題を解決するために、前記全反射を抑え、臨界角θｃ以上の光を取り出し、光の取出効率を向上させる方法として様々な発明がなされている。例えば、光源装置の出光面に、プリズムを設けること（特許文献１）、微小レンズアレイを設けること（特許文献２）などが提案されている。また、カラーシフトを低減するため、拡散層を設けること（特許文献３）などが提案されている。しかし、まだ光の取出効率の要求は依然高く、また、表面に構造をつける必要があるため、外見上の問題も発生する。

特許第４７１１０２７号 特開２００３−５９６４１号公報 特許第４６１４０１２号

本発明は係る実情に鑑みてなされたものであり、光の取出効率の更なる向上、カラーシフトの低減、外観・意匠性の向上を目的とする。本発明の目的は、光の取出効率が高く、カラーシフトを低減し、意匠性の高い有機ＥＬ素子、また、前記有機ＥＬ素子を用いた照明機器及び画像表示装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、屈折率Ｎ_ｇｍの透明基板の一方の面に、透明電極、有機層からなる発光層、金属電極を順次積層し、且つ、前記透明基板の他方の面に、高屈折率拡散層と低屈折率拡散層とを順次積層してなるＥＬ素子であって、
前記高屈折率拡散層は、屈折率Ｎ_ｓｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｓｆの粒子をＷｓ重量％含有し、また、前記低屈折率拡散層は、屈折率Ｎ_ｃｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｃｆの粒子をＷｃ重量％含有し、且つ、下記の条件（１）を満たすことを特徴とするＥＬ素子である。
（１）１．０＜Ｎ_ｃｍ＜Ｎ_ｇｍ

また、請求項２に係る発明は、前記透明基板と前記高屈折率拡散層の間に、屈折率Ｎ_ｂｍの材料からなる層、または、前記高屈折率拡散層と低屈折率拡散最表層の間に、屈折率Ｎ_ｐｍの材料からなる層を介し、且つ、下記の条件（２）、（３）、（４）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。
（２）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｓｍ
（３）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｂｍ
（４）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｐｍ

また、請求項３に係る発明は、下記の条件（５）、（６）、（７）、（８）を満たすこ
とを特徴とする請求項１または２に記載のＥＬ素子である。
（５）−０．１≦Ｎ_ｃｍ−Ｎ_ｃｆ≦−０．０１、又は、０．０１≦Ｎ_ｃｍ−Ｎ_ｃｆ≦０．１
（６）Ｎ_ｓｍ−Ｎ_ｇｍ≦０．０５
（７）Ｗｓ≦３０重量％
（８）Ｗｃ≦５重量％

また、請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載のＥＬ素子を用いたことを特徴とする照明機器である。

また、請求項５に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載のＥＬ素子を用いたことを特徴とする画像表示装置である。

本発明の請求項１、２によれば、前記透明基板の一方の面に積層された発光層からの光を、前記透明基板の他方の面に積層された高屈折率拡散層及び低屈折率拡散層を介して、高い光の取出効率を得ることができる。

また、本発明の請求項３によれば、各層での界面での反射を減らすことができ、また、低屈折率拡散層に混入した粒子により生じる表面の凹凸を減らすことができる。

このような作用効果により、光取り出し効率が高く、カラーシフトを低減し、最表面が平坦な、意匠生の高いＥＬ素子を提供することができる。また、このようなＥＬ素子を用いることにより、高輝度で高品位な照明機器や画像表示装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＥＬ素子を模式的に示す断面図である。 比較参照するＥＬ素子を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るＥＬ素子を模式的に示す断面図である。 ＥＬ素子の構造を説明する図である。 ＥＬ素子の構造内の全反射を説明する図である。

以下、図をもとに本発明を具体的に説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係るＥＬ素子を模式的に示す断面図である。
本発明は、屈折率Ｎ_ｇｍの透明基板１０５の一方の面に、透明電極１０４、有機層１０２からなる発光層１０３、金属電極１０１を順次積層し、且つ、前記透明基板１０５の他方の面に、高屈折率拡散層１０７と低屈折率拡散層１０８とを順次積層してなるＥＬ素子であって、前記高屈折率拡散層１０７は、屈折率Ｎ_ｓｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｓｆの粒子をＷｓ重量％含有し、また、前記低屈折率拡散層１０８は、屈折率Ｎ_ｃｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｃｆの粒子をＷｃ重量％含有し、且つ、下記の条件（１）を満たすことを特徴とするＥＬ素子である。
（１）１．０＜Ｎ_ｃｍ＜Ｎ_ｇｍ

本発明に係る前記高屈折率拡散層１０７及び前記低屈折率拡散層１０８に用いられる透明材料としては、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂などの透明樹脂が主に使われるが、透明な樹脂ならその限りではない。

また、前記粒子は無機、有機材料とも使用することができ、無機材料としては、シリカ、
酸化アルミ、酸化チタン、酸化亜鉛など、有機材料としてはアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂などを使用することができるが、特に限定するものではない。

上記透明樹脂の屈折率Ｎ_ｃｆは透明樹脂の屈折率Ｎ_ｃｍに対して、差が大きい方が散乱は大きくなる。そのために、Ｎ_ｃｆ−Ｎ_ｃｍ≦−０．０１、あるいは、Ｎ_ｃｆ−Ｎ_ｃｍ≧０．０１を満たすとよりよく光を散乱させることができる。しかし、前記透明粒子と前記透明樹脂の屈折率の差Ｎ_ｃｆ−Ｎ_ｃｍが大きすぎる場合は、散乱が大きくなるとともに後方散乱（発光層側に散乱）も大きくなるので、光の取出効率は低下してしまう。そのために、Ｎ_ｃｆ−Ｎ_ｃｍ≦０．１、あるいは、Ｎ_ｃｆ−Ｎ_ｃｍ≧−０．１を満たすことで、後方散乱を抑えることが可能である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。

＜実施例１＞
図１示す構成のＥＬ素子を以下の方法で作製した。
金属電極１０１をアルミニウム（Ａｌ）、有機層１０２の平均屈折率ｎを１．７５、透明電極１０４をＩＴＯ、透明基板１０５をガラス（屈折率Ｎ_ｇｍ＝１．５２）、高屈折率拡散層１０７を透明樹脂（屈折率Ｎ_ｓｍ＝１．６）内に平均粒径２μｍの透明粒子（Ｎ_ｍｆ＝１．５）をＷｓ＝３０重量％混入した厚み１００μｍの拡散層とし、低屈折率拡散層１０８を透明樹脂（屈折率Ｎ_ｓｍ＝１．４）内に平均粒径２μｍの透明粒子（Ｎ_ｍｆ＝１．４２）をＷｓ＝５重量％混入した厚さ３０μｍの拡散層で構成したＥＬ素子を作製した。

＜実施例２＞
図３示す構成のＥＬ素子を以下の方法で作製した。
金属電極１０１をアルミニウム（Ａｌ）、有機層１０２の平均屈折率ｎを１．７５、透明電極１０４をＩＴＯ、透明基板１０５をガラス（屈折率Ｎ_ｇｍ＝１．５２）、接着層１０９を透明樹脂（屈折率Ｎ_ｂｍ１＝１．５２）、透明基材１１０をＰＥＴ（屈折率Ｎ_ｂｍ２＝１．５７）、高屈折率拡散層１０７を透明樹脂（屈折率Ｎ_ｓｍ＝１．６）内に平均粒径２μｍの透明粒子（Ｎ_ｍｆ＝１．５）をＷｓ＝３０重量％混入した厚み１００μｍの拡散層とし、低屈折率拡散層１０８を透明樹脂（屈折率Ｎ_ｃｍ＝１．４）内に平均粒径２μｍの透明粒子（Ｎ_ｍｆ＝１．４２）をＷｓ＝５重量％混入した厚さ３０μｍの拡散層で構成したＥＬ素子を作製した。

＜比較例１＞
低屈折率拡散層１０８を除いた以外は第１の実施形態と同様にして、図２に示す構成のＥＬ素子を作製した。

＜評価＞
実施例１及び２、比較例１と、拡散層を有していない一般なＥＬ素子（図４）の全光束を測定し、実施例１及び２、比較例１の光の取出効率を、一般なＥＬ素子の全光束を１としたときの比率で表し、その結果を以下の表１に示した。

＜評価結果＞
実施例１の本発明品では、先ず、発光層で発光した光はＩＴＯを通り、透明基板１０５に伝搬する。次に、高屈折率拡散層１０７に伝搬するが、（２）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｓｍから、ガ
ラス内のどの角度に射出された光も高屈折率拡散層１０７に伝搬することが出来る。次に、高屈折率拡散層１０７内で拡散した後、低屈折率拡散層１０８へ伝搬するが、（１）１．０＜Ｎ_ｃｍ＜Ｎ_ｇｍと（２）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｓｍから、全ての光は低屈折率拡散層に伝搬しない。しかし、高屈折率拡散層１０７内で拡散し、光は角度を変えるため、何度か拡散・反射した後、低拡散層１０８へ伝搬する。その後、低拡散層１０８から外部へ放射される。この時の光の取り出し効率は、比較例１による比較例品よりも２％向上した。

低屈折率拡散層１０８を有していない比較例１との違いは、最表面の屈折率の違いによる。実施例１では、低屈折率拡散層１０８（Ｎ_ｃｍ＝１．４）が最表面であり、比較例１では、高屈折率拡散層１０７（Ｎ_ｓｍ＝１．６）が最表面となっている。

上記の屈折率の違いから、各例の最表面での臨界角は異なり、実施例１の臨界角の方が小さい値となる。そのために、最表面から取り出せる光は実施例１の方が多くなり、ＥＬ素子の光の取出効率は高くなる結果となった。

また、実施例２の本発明品でも、この時の光の取出効率は、実施例１と同様に、比較例１による比較例品よりも約２％向上した。

本発明に係る実施例１及び２のＥＬ素子を適当な大きさ、例えば１０×１０ｃｍ四方で作成すれば、表面に凹凸構造のない意匠性の高い面状の照明機器を提供することが可能となる。

また、上記ＥＬ素子をカラーフィルタや、液晶パネルに具備することにより、光の取出効率に優れた画像表示装置を提供することが可能となる。

１００ ＥＬ素子
１０１ 金属電極
１０２ 有機層
１０３ 発光層
１０４ 透明電極
１０５ ガラス基板（透明基板）
１０６ 空気層
１０７ 高屈折率拡散層
１０８ 低屈折率拡散層
１０９ 接着層
１１０ 透明基材

Claims (5)

1. 屈折率Ｎ_ｇｍの透明基板の一方の面に、透明電極、有機層からなる発光層、金属電極を順次積層し、且つ、前記透明基板の他方の面に、高屈折率拡散層と低屈折率拡散層とを順次積層してなるＥＬ素子であって、
   前記高屈折率拡散層は、屈折率Ｎ_ｓｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｓｆの粒子をＷｓ重量％含有し、
   また、前記低屈折率拡散層は、屈折率Ｎ_ｃｍの透明材料に対して屈折率Ｎ_ｃｆの粒子をＷｃ重量％含有し、
   且つ、下記の条件（１）を満たすことを特徴とするＥＬ素子。
   （１）１．０＜Ｎ_ｃｍ＜Ｎ_ｇｍ
2. 前記透明基板と前記高屈折率拡散層の間に、屈折率Ｎ_ｂｍの材料からなる層、または、前記高屈折率拡散層と低屈折率拡散最表層の間に、屈折率Ｎ_ｐｍの材料からなる層を介し、且つ、下記の条件（２）、（３）、（４）を満たすことを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
   （２）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｓｍ
   （３）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｂｍ
   （４）Ｎ_ｇｍ≦Ｎ_ｐｍ
3. 下記の条件（５）、（６）、（７）、（８）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のＥＬ素子。
   （５）−０．１≦Ｎ_ｃｍ−Ｎ_ｃｆ≦−０．０１、又は、０．０１≦Ｎ_ｃｍ−Ｎ_ｃｆ≦０．１
   （６）Ｎ_ｓｍ−Ｎ_ｇｍ≦０．０５
   （７）Ｗｓ≦３０重量％
   （８）Ｗｃ≦５重量％
4. 請求項１から３のいずれかに記載のＥＬ素子を用いたことを特徴とする照明機器。
5. 請求項１から３のいずれかに記載のＥＬ素子を用いたことを特徴とする画像表示装置。

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