JP2015532511A - 光取出し下部構造を有するｏｌｅｄ及びこれを組み込んでいる表示デバイス - Google Patents

光取出し下部構造を有するｏｌｅｄ及びこれを組み込んでいる表示デバイス Download PDF

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Abstract

光取出し下部構造及びダイオード上部構造を有する有機発光ダイオードが提供される。光取出し下部構造は離散光取出し導波路素子及びガラス基板の導波路面上に広がる光放出マトリックスを有する。光放出マトリックスは、光取出し下部構造のダイオード上部構造が係合する側の平坦性を高める、かつ、離散光取出し導波路素子の導波路素子終端点に光取出しサイトを設けるために、異なる厚さで広げられる。動作において、ダイオード上部構造の有機発光半導体材料内で発した光は光取出し下部構造の離散導波路素子に結合され、それぞれの結合モードは、上部構造導波路から光取出し下部構造の離散導波路素子の１つに光学モードが結合されるに必要な伝搬距離として定義される近似結合長で特徴づけられる。

Description

関連出願の説明
本出願は２０１２年１０月１日に出願された米国仮特許出願第６１/７０８１９６号の米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記仮特許出願の明細書の内容に依存し、上記仮特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
本開示は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）及びこれを組み込んでいる表示デバイスに関する。例えば、考えられる表示デバイスには、光源、画像ディスプレイ、可視インジケータまたはその機能を満たすために１つ以上の光源を利用する他のいずれかのデバイスがあるが、これらには限定されない。
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）は一般に表示用途にとって魅力的である。ＯＬＥＤの動作効率を高め、その他の性能パラメータを向上させるため、特許文献１，２及び３並びに特許文献４，５及び６に提案されるＯＬＥＤ構成を含む、様々なＯＬＥＤ構成が提案されている。ＬＥＤ及び、特に、ＯＬＥＤの分野における継続的な課題は、デバイスからの光取出しの最適化である、本開示の技術は新規な光取出しシステムによるＯＬＥＤ性能の向上の一法として紹介される。
米国特許第７８３４５３９号明細書 米国特許第７８２４５４１号明細書 米国特許第７４３２６４９号明細書 米国特許出願公開第２０１２/０１５５０９３号明細書 米国特許出願公開第２０１２/０１１２２２５号明細書 米国特許出願公開第２００７/０２５２１５５号明細書
本発明の発明者等は、ＯＬＥＤデバイスにおいて光は効率的に発生され得るが、発生された光の多くがデバイスに閉じ込められたままであることを認識した。実際、多くのデバイスでは、発生光のほぼ２５％しか周囲に抜け出すことができず、ほぼ４５％がデバイスの有機材料内に閉じ込められ、ほぼ３０％がデバイスのガラス層に閉じ込められたままである。本開示の主題にしたがえば、ＯＬＥＤデバイスの有機材料からの光取出しを向上させ、デバイスのガラス層内への閉じ込めを軽減する、光取出し下部構造が提供される。提案される下部構造は、例えばイオン交換ガラスのような、化学的強化ガラスを組み入れることができる。さらに、提案される下部構造のガラスは、例えばフュージョンドロープロセスを用いて、大量生産することができる。
本開示の一実施形態において、光取出し下部構造及びダイオード上部構造を有する有機発光ダイオードが提供される。光取出し下部構造は、ガラス基板、ガラス基板の導波路面上に分散する複数の離散光取出し導波路素子及び、離散光取出し素子及びガラス基板の導波路面上に広がる光放出マトリックスを有する。離散光取出し導波路素子は導波路素子終端点の間に延びる。光放出マトリックスは、光取出し下部構造の複数のダイオード上部構造に係合する側の平坦性を高め、かつ、離散光取出し導波路素子の導波路素子終端点に光放出部を設けるために、異なる厚さで広がる。上部構造導波路及び光取出し下部構造は、動作において、ダイオード上部構造の有機発光半導体材料で発された光が光取出し下部構造の離散導波路素子に結合されるように構成され、それぞれの結合モードは、光学モードが上部構造導波路から光取出し構造の離散導波路素子の１つに結合されるに必要な伝搬距離として定義される近似結合長ＬＣで特徴づけられる。離散光取出し導波路素子、または少なくともその大半は、長さ，ＬＴを有し、およそＬＣ≦ＬＴ≦５ＬＣである。
本開示の別の実施形態において、離散光取出し導波路素子の大半の、上部構造導波路によって定められる光伝搬方法に沿う導波路素子終端点間の長さが、ほぼ２０μｍより小さい、有機発光ダイオードが提供される。光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)は上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)及び離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)より少なくともほぼ０.２は小さい。さらに、上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)と離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)の差はほぼ０.２より小さい。さらに、上部構造導波路の厚さｘ(Ｏ)及び離散光取出し導波路素子と光放出マトリックスマトリックスの複合厚さｘ(ＷＧ＋Ｐ)の差は１.５μｍより小さく、離散光取出し導波路素子からの上部構造導波路の距離はほぼ１.５μｍより小さい。
以下の、本開示の特定の実施形態の詳細な説明は、以下の図面とともに読むと、最の良く理解することができる、同じ構造は同じ参照数字で示される。
図１は、本開示の一実施形態にしたがう、ＯＬＥＤの重層構造の概略図である。 図２は走査型電子顕微鏡で撮られた光取出し下部構造のほぼ３０μｍ×２０μｍの表面領域の画像である。 図３は図２の表面画像の一部を示す。 図４は、本開示の一実施形態にしたがう、ＯＬＥＤの考えられる屈折率プロファイルである。 図５は、本開示にしたがって考えられるＯＬＥＤにおいて、離散光取出し導波路素子と上部構造導波路の間の離隔距離ｘがトンネル振幅に影響する態様を示す。 図６Ａは図１の概略図にしたがって、ただし平滑化層または平坦化層は無しに、作製したデバイスについて得られた強度を示す。デバイスの左側にはＯＬＥＤ上にナノ粒子があり、右側にはＯＬＥＤしか無い。 図６Ｂは図６Ａに示される強度差をグラフで示し、散乱サイトが存在する側では強度が３.４倍に高められていることを示す。 図７Ａは総厚が〜２μｍの散乱層及び平坦化層をもつガラスのＳＥＭ像であり、散乱層は下側界面にある白い点として表れ、平坦化層は散乱層の上方の粗化表面である。 図７Ｂは総厚が〜３.７μｍの散乱層及び平坦化層をもつガラスのＳＥＭ像であり、図７Ａと同じく、散乱層は下側界面にある白い点として表れ、平坦化層は散乱層の上方の粗化表面である。
図１は本開示の一実施形態にしたがうＯＬＥＤ１００の重層構造の概略図である。図示される有機発光ダイオード１００は、ダイオード上部構造１０及び光取出し下部構造２０を有する。ダイオード上部構造１０は、合わせて上部構造導波路１５を定めるための、アノード１２，カソード１４及び、アノード１２とカソード１４の間に配された有機発光半導体材料１６を有する。光取出し下部構造２０は、ガラス基板２２と、ガラス基板２２の導波路面２６の上に分散する複数の離散光取出し導波路素子，ＬＴ，２４と、離散光取出し素子２４及びガラス基板２２の導波路面２６上に広がる光放出マトリックス３０とを有する。ＯＬＥＤ１００は封入層４０をさらに有することができる。
図２は走査型電子顕微鏡で撮られた考えられる光取出し下部構造２０の、ほぼ３０μｍ×２０μｍの表面領域の画像を表し、図３は、図２の表面画像の一部の拡大した詳細を示す。図１〜３に示されるように、離散光取出し導波路素子，ＬＴ，２４は、導波路素子終端点２４Ａ，２４Ｂ間を、上部構造導波路１５で定義されたＺ軸に概ね沿って走る光伝搬方向に沿って延びる。いくつかの場合、Ｙ及びＺによって定められる領域内で、光取出し導波路素子によって占められるスペースの総量は約３５％〜約６５％になり得る。すなわち、図２に示されるような表面領域は約３５〜６５％の光取出し導波路素子を含むことになるであろう。
光放出マトリックス３０は、光取出し下部構造２０の複数のダイオード上部構造に係合する側２５の平坦性を高め、かつ、離散光取出し導波路素子２４の導波路素子終端点２４Ａ，２４Ｂに結合された光をそこから周囲に散乱させることができる光放出サイト３５を設けるために、異なる厚さで広がる。
上部構造導波路１５及び光取出し下部構造２０は、動作において、ダイオード上部構造１０の有機発光半導体材料１６内で発した光が光取出し下部構造２０の離散導波路素子，ＬＴ，２４に結合されるように構成され、それぞれの結合モードは、光学モードが上部構造導波路１５から光取出し下部構造２０の離散導波路素子２４の１つに結合されるに必要な伝搬距離として定義される近似結合長，ＬＣで特徴づけられる。結合距離は、導波路形状寸法、導波路屈折率、波長、及び、以下でさらに詳細に説明される結合される導波路モードの実効屈折率の間の不整合によって、決定される。
本開示のいくつかの実施形態において、導波路終端点間の離散光取出し素子ＬＴの大半または実質的に全ての直線の長さ（the linear extent）が、約結合長から結合長の約５倍と同等の長さである、すなわちＬＣ≦ＬＴ≦５ＬＣであることが十分保証される。別の実施形態において、離散光取出し素子の大半または実質的に全てが、導波路終端点２４Ａ，２４Ｂの間で２０μｍ未満の長さを有することが十分保証される。いずれの場合も、上部構造導波路１５からの光の取出しは、離散導波路素子２４が上部構造導波路１５からミクロンレベルまたはサブミクロンレベルで離れていて、かつ、離散導波路素子２４を含む光取出し下部構造２０が上部構造導波路１５と同様の実効屈折率及び寸法を有していれば、非常に高められ得る。
図３を参照すれば、離散光取出し導波路素子は、光伝搬方向と直交する方向に沿ってほぼ０.４μｍ、上部構造導波路から隔てることができると考えられる。この場合、近似結合長は一般に１０μｍ以下であり、導波路素子終端点２４Ａ，２４Ｂの間の離散光取出し導波路素子２４の長さは１０μｍ以下である。離散光取出し導波路素子２４が上部構造導波からほぼ０.３μｍ隔てられている場合は、近似結合長は一般に５μｍ以下であり、離散光取出し導波路素子の長さはほぼ５μｍ以下である。ほとんどの場合、離散光取出し導波路素子２４の大半または実質的に全ては、導波路素子終端点２４Ａ，２４Ｂの間で、ほぼ１μｍからほぼ２０μｍの長さで延びることになろう。
図２及び３はガラス基板２２の導波路面２６上の離散光取出し導波路素子２４の分散を示す。導波路素子を疑似ランダム分布で定義するのが有益であろう。本開示の目的のため、疑似ランダム分布は、最も重要な導波路素子２４，すなわち長さがほぼ１μｍからほぼ２０μｍの素子２４の一様分布を保証するに十分な程度まで制御されたランダム分布であることに注意されたい。
図４に簡略に示される屈折率プロファイルを次に参照すれば、いくつかの考えられる実施形態において、光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)が上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)及び離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)よりほぼ０.２は小さいことを保証することで、高められた光取出しを達成することができる。上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)と離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)の差が０.２以下であることを保証することがさらに好ましい。さらに、図１を参照すれば、上部導波路構造の厚さｘ(Ｏ)及び離散光取出し導波路素子と光放出マトリックスの複合厚さｘ(ＷＧ＋Ｐ)は、その差が、概ねＺ軸に沿って延びる光伝搬方向と直交する方向に沿って、ほぼ１.５μｍ未満、いくつかの実施形態においては１.０μｍ未満、であるようにつくり込むことができる。上述したように、上部構造導波路１５は、光伝搬方向と直交する方向に沿って離散光取出し導波路素子からほぼ１.５μｍ未満、いくつかの実施形態においては１.０μｍ未満、隔てられることが多い。
さらに詳しくは、それぞれの上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)と離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)の差はほぼ０.２以下、いくつかの場合にはほぼ０.１以下、または０.０５以下とすることができ、光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)とガラス基板の屈折率η(Ｇ)はほぼ等しくするか、あるいは、差を約０.２以下、または約０.１以下とすることができる。限定ではなく、例として、上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)はほぼ１.８とすることができ、離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)は約１.７，１.７５，１.８，１.９または２.０より大きくすることができると考えられる。
有効なデバイス設計への一般的指針として、上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)、離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)、光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)及びガラス基板の屈折率η(Ｇ)は、以下の関係、
１.６≧η(Ｐ)≧１.３
２.０≧ηeff(Ｏ)≧１.７
ηeff(ＷＧ)＞１.７
１.６≧η(Ｇ)≧１.４
|η(Ｐ)−η(Ｇ)｜＜０.２
|ηeff(Ｏ)−ηeff(ＷＧ)｜≦０.３
ηeff(Ｏ)−η(Ｐ)≧０.２
を満たすことができると考えられ、光の取出し及び放出をさらに高めるために、以下のさらに狭範囲の関係、
ηeff(ＷＧ)≧１.７５
|ηeff(Ｏ)−ηeff(ＷＧ)｜≦０.２
ηeff(Ｏ)−η(Ｐ)≧０.２５
が代わりに適用され得ることが了解されると考えられる。
別の実施形態は以下の関係、
１.５５≧η(Ｐ)≧１.４５
１.８５≧ηeff(Ｏ)＞１.７５
ηeff(ＷＧ)＞１.７
１.５５≧η(Ｇ)≧１.４５
|η(Ｐ)−η(Ｇ)｜＜０.１
|ηeff(Ｏ)−ηeff(ＷＧ)｜≦０.１
ηeff(Ｏ)−η(Ｐ)≧０.２
を満たすことができると考えられ、光の取出し及び放出をさらに高めるために、以下のさらに狭範囲の関係、
ηeff(ＷＧ)≧１.７５
|ηeff(Ｏ)−ηeff(ＷＧ)｜≦０.０５
ηeff(Ｏ)−η(Ｐ)≧０.２５
が代わりに適用され得ることが了解されると考えられる。
上述したように、上部構造導波路１５からの光の取出しは、離散導波路素子２４が上部構造導波路１５からミクロンレベルまたはサブミクロンレベルで離れていれば、及び離散導波路素子２４を含む光取出し下部構造２０が上部構造導波路１５と同様の実効屈折率及び寸法を有していれば、非常に高められ得る。この目的のためには、図１を参照すれば、離散光取出し導波路素子２４と光放出マトリックス３０の複合厚さｘ(ＷＧ＋Ｐ)が光伝搬方向と直交する方向に沿ってほぼ１.５μｍ以下であることを保証することが好ましいようである。いくつかの実施形態において、離隔距離はほぼ０.５μｍ以下であることを保証することが好ましいであろう。さらに、光取出し下部構造２０のダイオード上部構造に係合する側２５の特徴は、ほぼ２０ｎｍ以下のＲＭＳ表面粗さであり、これは十分な厚さの光放出マトリックス３０を与えることで達成することができる。いずれにしても、光放出マトリックス３０が、上部構造導波路境界において平滑な界面を可能にするに十分に厚いが、上部構造導波路１５から離散導波路素子への有意なトンネリングを可能にするに十分に薄いことを保証するために注意が払われるべきである。
上部構造導波路１５から離散導波路素子へのトンネリングの確率は、
Ｐ＝ｅ(−２ｑｄ)
で与えられ、ここで、
ｑ＝２πλ(η１ ２−ηeff ２)−１/２
である。上記の屈折率値、１.６５の上部構造形態の実行屈折率及び０.７５μｍの離隔距離に対して、トンネリングの確率は１０−８のオーダーであり、これは非常に小さい。しかし、光が結合できる導波路が存在すれば、結合長は近似的に、
[２πＰ(λ)/λ]１/２
で与えられる。図５は、結合長に正比例するパラメータである、導波路離隔距離の関数としてのｐ１/２のプロットである。導波路のパラメータが整合していなければ導波路間の結合が指数関数的に低下することに注意することが重要である。この部分低下は、
Ｃ２/(Ｃ２＋(Δβ/２)２)
で与えられる。Ｃが一般に小さな数、例えば、１０−３または１０−４である以上、導波路の実効屈折率間の差は、
Δβ＝(２π/λ)Δｎeff
であるから、比較的小さくなければならない。ここで、Δｎeffは導波路の実効屈折率の差である。
図１を参照すれば、ダイオード上部構造１０のアノード１２，カソード１４及び有機発光半導体材料１６に選ばれる特定の材料は、本開示の範囲をこえ、本題に関する従来の及び開発途上の教示から知見を得ることができる。しかし、アノード１２は、有機発光半導体材料１６によって放射される光に対して透明であり、光取出し下部構造２０のダイオード上部構造が係合する側２５との適する界面を与える、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような、導電性透明酸化物であることに注意されたい。さらに、カソードは発光材料に整合する適切な仕事関数を有するいずれかの導電材料を含むことができる。例えば、カソードは、Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｓｍ，Ｔｍ，Ｙｂ，あるいは、Ｃａ：Ａｌ，Ｅｕ：ＹｂまたはＴｍ：Ｙｂなどの二元金属材料を含むことができる。カソードの厚さは、約７０〜４００ｎｍ、約７０〜３００ｎｍ、または約７０〜２００ｎｍの範囲にあることができる。いくつかの場合、カソード材料厚が７０ｎｍより小さければ、光はカソード側からも抜け出すことができるから、デバイスは双方向性になり得る。これは、カソードから抜け出る光を集めるために追加のコンポーネントが用いられる、いくつかの状況の下では有利であり得る。したがって、いくつかの実施形態は、約１０ｎｍ〜約７０ｎｍまたは約７０ｎｍ未満の厚さを、あるいはＯＬＥＤから発せられる光の１％より多くがカソードを通して放射されるような厚さを有するカソードを含むことができる。
上部構造導波路の厚さｘ(Ｏ)はほぼ１.０μｍ以下であり、いくつかの場合には、ほぼ０.５μｍ以下であることに注意されたい。
同様に、ガラス基板に対して選ばれる材料も、既存の、及び開発途上の、教示から知見を得ることができる。しかし、本開示の概念は、例えば、フュージョンドロープロセスを用いて大量に生産されるガラス及び化学的に強化されたイオン交換ガラスを含む様々なタイプのガラスに十分よく適することに注意されたい。
離散導波路素子２４に対しては、本明細書に説明される様々なパラメータ及び特徴を材料選択が可能にすることを保証するために注意が払われなければならない。限定ではなく、例として、離散導波路素子２４は集合してチタニア凝集塊を形成するチタニア及び結合剤を含むことができると考えられる。あるいは、導波路素子２４は、チタニア、ジルコニア、アルミナ、酸化スズ、酸化亜鉛、またはこれらの組合せを含むことができると考えられる。結合剤は界面活性剤（一般に＜１重量％；＜０.５重量％）とすることができ、非イオン性及び非反応性であることができ、無機酸化物粒子の荷電に影響するべきではない。結合剤はナノ粒子溶液に良好な分散特性を与えるように選ぶこともでき、水性ナノ粒子溶液の表面張力を（２５℃において、〜３.４×１０−４Ｎに）低めて、可ディップコーティング溶液に一様性を与えることもできる。限定ではなく、例として、非イオン性界面活性剤は、ダウケミカル社(Dow Chemical Company)から入手できる非イオン性界面活性剤であるＴｅｒｇｉｔｏｌ（商標）と同様の界面活性剤から選ばれる。適する結合剤には、例えば、主として水酸基で終端する二官能性ブロック共重合体界面活性剤であり、ＢＡＳＦ社(BASF Corporation)から入手できる、Ｐｌｕｒｏｎｉｃｓ Ｐ１２３（登録商標）と同様の界面活性剤を含めることができる。
導波路素子及び／または層を作製するためのコーティング法には、導波路素子密度及び分散剤濃度を変えて最終製品に必要な導波路素子密度を与えることができる、所望の特性をもつ表面を形成するであろう技術上既知の方法がある。そのような方法には、ディップコーティング、スピンコーティング、スクリーン印刷、インクジェットコーティング、スプレーコーティング、蒸着または粒子堆積、ロールコーティング、またはロール−ロール法、等があるがこれらには限定されない。
光放出マトリックス３０の光放出材料は結合剤及び平滑化／平坦化層と見なすこともでき、ガラス基板２２の屈折率と実質的に同様の屈折率を有することができる。例えば、光放出材料は「スピンオンガラス」として与えることができる。光放出マトリックス３０は、比較的高い耐クラック性（低硬化後収縮）を特徴とすることができ、ナノスケールの空隙を埋めることができ、概ね熱的に安定であり得る。一般に、光放出マトリックスは空気中でほぼ２５０〜３００℃まで熱的に安定である。この温度をこえると、マトリックス材料は熱的に不安定になり得る、及び／または分解し得る。限定ではなく、例として、光放出材料は、不完全重合ポリメチルシロキサン（例えば、Ｔ-１２，５１２Ｂ，Ｔ-１１スピンオンガラス（ハネウエル(Honeywell)社）、ポリジメチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、不完全重合ポリシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン（ＨａｒｄＳｉｌ（商標）ＡＭ，Gelest Chemicals）、ポリフェニルシルセスキオキサン、及びポリメチルフェニルシルセスキオキサン（ＨａｒｄＳｉｌ ＡＰ，Gelest Chemicals）の内の１つ以上で形成することができる。
図６は図１の概略図にしたがって作製されているが、平滑化層または平坦化層はない、デバイスについて得られた強度（図６Ａ）を示す。デバイスの左側はＯＬＥＤ上にナノ粒子を含み、右側にはＯＬＥＤしかない。グラフ（図６Ｂ）には強度差が示され、散乱サイトが存在する側では強度が高められている（×３.４）。
図７は散乱層及び偏光層を含むガラスのＳＥＭ写真を示す。図７Ａは〜２μｍの総厚を示し、図７Ｂは３.７μｍの総厚を示す。いずれの写真においても、散乱層は下側界面にある白色粒子として表れ、平坦化層は散乱層上の粗化表面である。
表１は図７Ａ（〜２μｍ厚）及び７Ｂ（３.７μｍ厚）に示される、対応するＳＥＭ写真についてのＡＦＭ ＲＭＳ粗さ測定値を示す。総ＲＭＳ表面粗さは結合剤深さ及び凝集塊径のいずれにも依存性を示す。
Figure 2015532511
 本開示において、「下部」構造及び「上部」構造のそれぞれへの本明細書における言及が、特許請求されるＯＬＥＤ及びＯＬＥＤデバイスをいずれかの特定の方位に限定することは目的とされていないことに注意されたい。むしろ、これらの術語は集合アセンブリの２つの主要部分を区別するための便宜手段として導入されているに過ぎない。
本開示の主題を詳細に、またその特定の実施形態を参照して、説明したが、本明細書に開示される様々な詳細は、本明細書に添付される図面のそれぞれに特定の要素が示される場合であっても、本明細書に説明される様々な実施形態の基本コンポーネントである要素にそれらの詳細が関係するととられるべきではないことに注意されたい。例えば、図１は本開示の一実施形態にしたがうＯＬＥＤ１００の重層構造の概略図に過ぎない。本開示では様々なＯＬＥＤ構成が考えられ、それらの構造詳細は本説明、添付図面及び添付される特許請求の範囲から簡便に得ることができる。図１は説明の目的のために示され、本明細書に示される様々な態様のそれぞれが本開示で考えられる様々な実施形態の必要要素であると思わせることは目的とされていない。
本明細書に添付される特許請求の範囲は、本開示の範囲及び本明細書に説明される様々な実施形態の対応する範囲の唯一の代表であるととられるべきである。さらに、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱しない改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様は本明細書において好ましいかまたは特に有利であると認定されるが、本開示がそれらの態様に限定される必要はないと考えられる。
添付される特許請求項の１つ以上においては「〜を特徴とする(wherein)」が転換句として用いられていることに注意されたい。本開示を定める目的のため、この述語は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる制約の無い転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる制約の無い前置句「含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
本明細書における「少なくとも１つ」のコンポーネント、要素、等の叙述は、変わりの冠詞’ａ’または‘ａｎ’の使用が単数のコンポーネント、要素等に限定されるべきであると推論させるために用いられるべきではないことにも注意されたい。
さらに、特定の特性を具現化するために、または特定の態様で機能させるために、特定の仕方で「構成されている」本開示のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述に対するものとしての構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成されている」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造的特徴の限定的叙述としてとられるべきである。
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような述語は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定する、または、特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるかまたは肝要であることを意味するため、または重要であることを意味するためにさえ、用いられてはいないことに注意されたい。むしろ、これらの述語は、本開示の実施形態の特定の態様を識別すること、または本開示の特定の実施形態に用いられていてもいなくても差し支えない別のまたは追加の特徴を強調することが目的とされているに過ぎない。
本開示において、述語「実質的に」及び「ほぼ」は、いずれかの定量的な比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の本質的な大きさを表すために本明細書に用いられることに注意されたい。述語「実質的に」及び「ほぼ」は、定量的表現がとりあげられている主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から変わり得る大きさを表すためにも本明細書に用いられる。
１０ ダイオード上部構造
１２ アノード
１４ カソード
１５ 上部構造導波路
１６ 有機発光半導体材料
２０ 光取出し下部構造
２２ ガラス基板
２４ 離散光取出し導波路素子
２４Ａ，２４Ｂ 導波路素子終端点
２５ 光取出し下部構造のダイオード上部構造係合側
２６ ガラス基板の導波路面
３０ 光放出マトリックス
３５ 光放出サイト
４０ 封入層
１００ ＯＬＥＤ
図１は本開示の一実施形態にしたがうＯＬＥＤ１００の重層構造の概略図である。図示される有機発光ダイオード１００は、ダイオード上部構造１０及び光取出し下部構造２０を有する。ダイオード上部構造１０は、合わせて上部構造導波路１５を定めるための、アノード１２，カソード１４及び、アノード１２とカソード１４の間に配された有機発光半導体材料１６を有する。光取出し下部構造２０は、ガラス基板２２と、ガラス基板２２の導波路面２６の上に分散する複数の離散光取出し導波路素子２４と、離散光取出し素子２４及びガラス基板２２の導波路面２６上に広がる光放出マトリックス３０とを有する。ＯＬＥＤ１００は封入層４０をさらに有することができる。
図２は走査型電子顕微鏡で撮られた考えられる光取出し下部構造２０の、ほぼ３０μｍ×２０μｍの表面領域の画像を表し、図３は、図２の表面画像の一部の拡大した詳細を示す。図１〜３に示されるように、離散光取出し導波路素子２４は、導波路素子終端点２４Ａ，２４Ｂ間を、上部構造導波路１５で定義されたＺ軸に概ね沿って走る光伝搬方向に沿って延びる。いくつかの場合、Ｙ及びＺによって定められる領域内で、光取出し導波路素子によって占められるスペースの総量は約３５％〜約６５％になり得る。すなわち、図２に示されるような表面領域は約３５〜６５％の光取出し導波路素子を含むことになるであろう。
上部構造導波路１５及び光取出し下部構造２０は、動作において、ダイオード上部構造１０の有機発光半導体材料１６内で発した光が光取出し下部構造２０の離散導波路素子２４に結合されるように構成され、それぞれの結合モードは、光学モードが上部構造導波路１５から光取出し下部構造２０の離散導波路素子２４の１つに結合されるに必要な伝搬距離として定義される近似結合長，ＬＣで特徴づけられる。結合距離は、導波路形状寸法、導波路屈折率、波長、及び、以下でさらに詳細に説明される結合される導波路モードの実効屈折率の間の不整合によって、決定される。
本開示のいくつかの実施形態において、導波路終端点間の離散光取出し素子の大半または実質的に全ての直線の長さ（the linear extent）が、約結合長から結合長の約５倍と同等の長さである、すなわちＬＣ≦ＬＴ≦５ＬＣであることが十分保証される。別の実施形態において、離散光取出し素子の大半または実質的に全てが、導波路終端点２４Ａ，２４Ｂの間で２０μｍ未満の長さを有することが十分保証される。いずれの場合も、上部構造導波路１５からの光の取出しは、離散導波路素子２４が上部構造導波路１５からミクロンレベルまたはサブミクロンレベルで離れていて、かつ、離散導波路素子２４を含む光取出し下部構造２０が上部構造導波路１５と同様の実効屈折率及び寸法を有していれば、非常に高められ得る。

Claims (8)

  1. 光取出し下部構造及びダイオード上部構造を有する有機発光ダイオードにおいて、
    前記ダイオード上部構造が、合わせて上部構造導波路を定めるための、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードの間に配された有機発光半導体材料とを有し、
    前記光取出し下部構造が、ガラス基板と、前記ガラス基板の導波路面上に分散する複数の離散光取出し導波路素子と、前記離散光取出し導波路素子と前記ガラス基板の前記導波路面上に広がる光放出マトリックスとを有し、
    前記離散光取出し導波路素子が、導波路素子終端点の間を、前記上部構造導波路によって定められる光伝搬方向に沿って延びるものであり、
    前記光放出マトリックスが、前記光取出し下部構造の前記ダイオード上部構造が係合する側の平坦性を高め、かつ、前記離散光取出し導波路素子の前記導波路素子終端点に光放出サイトを設けるために、異なる厚さで広げられ、
    動作において、前記ダイオード上部構造の前記有機発光半導体材料内で発した光が前記光取出し下部構造の前記離散導波路素子に結合されるように、前記上部構造導波路及び前記光取出し下部構造が構成され、それぞれの結合モードは、光学モードが前記上部構造導波路から前記離散光取出し導波路素子の１つに結合されるに必要な伝搬距離として定義される近似結合長で特徴づけられ、
    前記導波路素子終端点の間の前記離散光取出し導波路素子の大半の直線の長さが前記結合長の５倍をこえない、
    ことを特徴とする有機発光ダイオード。
  2. 前記離散光取出し導波路素子の大半の前記導波路素子終端点の間に延びる長さが、ほぼ２０μｍより小さく、
    前記光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)が、前記上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)及び前記離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)より、少なくともほぼ０.２は小さく、
    前記上部構造導波路の厚さｘ(Ｏ)と、前記離散光取出し導波路素子及び前記光放出マトリックスの複合厚さｘ(ＷＧ＋Ｐ)との、前記光伝搬方向と直交する方向の差が、ほぼ１.５μｍより小さく、
    前記上部構造導波路の前記光伝搬方向と直交する方向における前記離散光取出し導波路素子からの離隔距離が、ほぼ１.５μｍより小さい、
    ことを特徴とする請求項１に記載の有機発光ダイオード。
  3. 前記上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)と、前記離散光取出し素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)と、前記光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)とが以下の関係、
    １.６≧η(Ｐ)≧１.３
    ２.０≧ηeff(Ｏ)≧１.７
    ηeff(ＷＧ)＞１.７
    |ηeff(Ｏ)−ηeff(ＷＧ)｜≦０.３
    ηeff(Ｏ)−η(Ｐ)≧０.２
    を満たすことを特徴とする請求項２に記載の有機発光ダイオード。
  4. 前記上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)と、前記離散光取出し素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)と、前記光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)と、前記ガラス基板の屈折率η(Ｇ)とが以下の関係、
    １.６≧η(Ｐ)≧１.３
    ２.０≧ηeff(Ｏ)≧１.７
    ηeff(ＷＧ)＞１.７
    １.６≧η(Ｇ)≧１.４
    |η(Ｐ)−η(Ｇ)｜＜０.２
    |ηeff(Ｏ)−ηeff(ＷＧ)｜≦０.３
    ηeff(Ｏ)−η(Ｐ)≧０.２
    を満たすことを特徴とする請求項２または３に記載の有機発光ダイオード。
  5. 前記結合長が、前記上部構造導波路と前記光取出し下部構造の前記離散導波路素子の選ばれた１つを隔てる距離の関数であり、
    前記離散光取出し導波路素子の前記光伝搬方向と直交する方向に沿う前記上部構造導波路からの離隔距離が、ほぼ０.５μｍ以下であり、
    前記近似結合長が、２０μｍ以下であり、
    前記離散光取出し導波路素子の大半の前記導波路終端点間の直線の長さが、ほぼ２０μｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の有機光発光ダイオード、
  6. ダイオード上部構造及び光取出し下部構造を有する有機発光ダイオードにおいて、
    前記ダイオード上部構造が、合わせて上部構造導波路を定めるためのカソードと、アノードと、前記カソード及び前記アノードの間に配された有機発光半導体材料とを有し、
    前記光取出し下部構造が、ガラス基板と、前記ガラス基板の導波路面上に分散する複数の離散光取出し導波路素子と、前記離散光取出し導波路素子と前記ガラス基板の前記導波路面上に広がる光放出マトリックスとを有する、
    前記離散光取出し導波路素子の大半の前記上部構造導波路によって定められる光伝搬方向に沿って導波路素子終端点の間に延びる長さが、ほぼ２０μｍより小さく、
    前記光放出マトリックスが、前記光取出し下部構造の前記ダイオード上部構造が係合する側の平坦性を高め、かつ、前記離散光取出し導波路素子の前記導波路素子終端点に光放出サイトを設けるために、異なる厚さで広げられ、
    前記光放出マトリックスの屈折率η(Ｐ)が、前記上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)及び前記離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)より、少なくともほぼ０.２は小さく、
    前記上部構造導波路の実効屈折率ηeff(Ｏ)と、前記離散光取出し導波路素子の実効屈折率ηeff(ＷＧ)との差が、ほぼ０.３以下であり、
    前記上部構造導波路の厚さｘ(Ｏ)と、前記離散光取出し導波路素子及び前記光放出マトリックスの複合厚さｘ(ＷＧ＋Ｐ)との、前記光伝搬方向と直交する方向に沿う差が、ほぼ１.５μｍより小さく、
    前記上部構造導波路の前記光伝搬方向と直交する方向における前記離散光取出し導波路素子からの離隔距離が、ほぼ１.５μｍより小さい、
    ことを特徴とする有機発光ダイオード。
  7. 表示デバイスにおいて、請求項１から６のいずれかに記載の有機発光ダイオードを１つ以上組み込んでいる表示デバイス。
  8. 請求項１から６のいずれかに記載の有機発光ダイオードの形成方法において、
    ａ．基板上に離散光取出し導波路素子を形成する工程と、
    ｂ．前記離散光取出し導波路素子上に光放出マトリックスを形成する工程と、
    ｃ．前記光放出マトリックス上にダイオード上部構造を形成する工程と、
    ｄ．必要に応じて、前記ダイオード上部構造上に封入層を形成する工程と、
    を含み、
    前記ダイオード上部構造は、
    ｉ． カソード、
    ii． アノード、及び
    iii．前記カソードと前記アノードの間に配された有機発光半導体材料、
    を有すことを特徴とする方法。
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