JP2020145425A - 画像表示素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】色変換効率の低減を抑制する技術を提供する。【解決手段】ＬＥＤ素子が発した光源光を長波長光に変換して射出する波長変換層と、波長変換層の、光源光の光入射面側に設けられ、長波長光を反射する第２の機能層と、波長変換層の、光射出面側に設けられ、光源光を反射し、長波長光を透過する第１の機能層と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示素子に関する。
従来、微細なＬＥＤ素子であるマイクロＬＥＤ素子を複数備えた画像表示素子が知られている。このような画像表示素子では、シリコン基板上に駆動回路を形成するとともに、当該基板の表面に微小な紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを配置し、紫外光を赤色、緑色、および青色の可視光へ変換する波長変換層を設ける事で、カラー画像を表示するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載されているような画像表示素子は小型でありながら、輝度が高く、耐久性も高いという特性を有しており、ＡＲ（Augmented Reality）用眼鏡型端末や、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）用の表示素子として期待されている。
また、こういった画像表示素子において、光源側に配置された、光源光である青色光を透過するバンドパスフィルタと、波長変換する蛍光体と、カラーフィルタと、が積層された構造の液晶表示素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２には、蛍光体部分と、カラーフィルタ部分と、の各画素間がブラックマトリックスで埋められており、このブラックマトリクスが、側壁を覆う反射体と吸収体で構成されている構造の液晶表示素子が開示されている。この技術は、直視型の比較的大きな表示素子が対象である。
また、光源光の漏れを防ぐために、波長変換層の光射出面に、光源光を反射し、変換後の光を透過するバンドパスフィルタが形成されているものもある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−１４１４９２号公報 国際公開第２０１０／１４３４６１号 特開２０１３−２１３９３２号公報
ところで、ＡＲ用眼鏡型端末等に用いる投影型の小型の画像表示素子では、表示画像を高精細化する為に、画素サイズを数μｍ程度まで微細化する必要がある。一方で、励起光となる光源光を波長変換層に吸収させて、十分に波長変換する為には、必要な波長変換層の厚さが数μmから１０μm超となる。このため、波長変換層のアスペクト比（高さ／幅の比）が大きくなり（例えば２以上）、波長変換層のパターニングが非常に難しくなる。波長変換層のパターニングを容易にするには、波長変換層の厚さを薄くしなければならないが、その為には、波長変換層の励起光入射側に、励起光を透過し、波長変換された長波長光を反射する層（以下反射層と呼ぶ）を配置し、波長変換層の放射側に、励起光を反射し、波長変換された長波長光を透過する層（以下透過層と呼ぶ）を配置する必要がある。このような構成とする事で、波長変換された長波長光を効率的に放射すると共に、励起光を波長変換層に閉じ込め、変換効率を向上する事ができる。
しかしながら、光源であるマイクロＬＥＤが微細になればなるほど、上述した反射層、および透過層が導光経路となったクロストークの影響が大きくなるため、反射層と透過層を全面的に形成した場合は画質が低下してしまう。
同時に、小型の画像表示素子の微細化に伴って、各構成要素も微小化するため、光源であるマイクロＬＥＤから発生する熱が表示素子にこもり易くなる。特に色変換材料とマイクロＬＥＤとの距離が近くなることから、色変換材料の温度が上がることで色変換効率が低下する恐れがある。
本発明の一態様は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、色変換効率の低減を抑制する技術を提供することを目的とする。
（１）本発明の一実施形態は、駆動回路基板に実装された、光源光を発する複数のＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子の前記駆動回路基板とは反対側に積層され、前記ＬＥＤ素子が発した前記光源光を長波長光に変換して、前記長波長光を前記駆動回路基板とは反対側に射出する波長変換層と、前記波長変換層の、前記長波長光の光射出面側に設けられ、前記光源光を反射し、前記長波長光を透過する第１の機能層と、を備えている画像表示素子。
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、前記第１の機能層は、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られている画像表示素子。
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）または（２）の構成に加え、前記波長変換層の、前記光源光の光入射面側に設けられ、前記長波長光を反射する第２の機能層を備えている画像表示素子。
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（３）の構成に加え、前記第２の機能層は、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られている画像表示素子。
（５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）または、上記（４）の構成に加え、前記第１の機能層の光射出面は、耐湿性を有する第１の膜で覆われている画像表示素子。
（６）また、本発明のある実施形態は、上記（３）または、上記（４）の構成に加え、前記第２の機能層の光射出面は、耐湿性を有する第２の膜で覆われている画像表示素子。
（７）また、本発明のある実施形態は、上記（２）の構成に加え、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られている前記第１の機能層の間が、前記第１の機能層とは異なる第１の充填材料で充填されている画像表示素子。
（８）また、本発明のある実施形態は、上記（３）の構成に加え、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られている前記第２の機能層の間が、前記第２の機能層とは異なる第２の充填材料で充填されている画像表示素子。
（９）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、上記（６）、上記（７）または、上記（８）の構成に加え、前記第１の機能層は、誘電体から成る画像表示素子。
（１０）また、本発明のある実施形態は、上記（３）、上記（４）または、上記（８）の構成に加え、前記第２の機能層は、誘電体から成る画像表示素子。
（１１）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、上記（６）、上記（７）、上記（８）、上記（９）または、上記（１０）の構成に加え、前記波長変換層は、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られており、それぞれ異なる厚みを有している画像表示素子。
本発明の一態様によれば、色変換効率を向上させ、高輝度且つ高い色域を実現する技術を提供することができる。
本発明の実施形態１に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態１に係る画像表示素子の上面図である。 本発明の実施形態２に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態３に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態４に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態５に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態６に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態７に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態８に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態９に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態１０に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態１１に係る画像表示素子の断面図である。 本発明の実施形態１１に係る画像表示素子の変形例を示す断面図である。
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１に係る画像表示素子２００について、詳細に説明する。図１は、実施形態１に係る画像表示素子２００の断面図である。図２は、画像表示素子２００の上面図である。図１の断面図は、図２に示したＹ−Ｙ‘線での画像表示素子２００の断面図である。
（画像表示素子２００の全体構成について）
図１に示すように、画像表示素子２００は、複数のマイクロＬＥＤ素子１００を光源として備えている。画像表示素子２００は、画素領域１と、共通接続領域２と、ダミー領域３と、外周部４と、を含んでいる。
図２に示すように、画素領域１には、画素５がアレイ状に配置されている。各画素５は、青サブ画素６、赤サブ画素７、および緑サブ画素８を含んでいる。青サブ画素６、赤サブ画素７、緑サブ画素８は、それぞれ強度が調整可能な、青色光、赤色光、緑色光を発する。画像表示素子２００は、青サブ画素６、赤サブ画素７、緑サブ画素８の発光強度をそれぞれ調整することで、画素５として、様々な色の光を発することができるように構成されている。なお、図２では、サブ画素は短冊形状でストライプ配列を示しているが、サブ画素の形状や配列はこれに限定されず、ドット形状によるモザイク配列や三角形によるデルタ配列、正方形によるベイヤー配列であってもよい。
図１、および図２に示すように、青サブ画素６は光源光を発するマイクロＬＥＤ素子１００Ｂを含み、赤サブ画素７は光源光を発するマイクロＬＥＤ素子１００Ｒを含み、緑サブ画素８は光源光を発するマイクロＬＥＤ素子１００Ｇを含んでいる。マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇは、互いに同一の構造を有しており、青色光を発する。以下の説明において、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇの全体を指す場合には、マイクロＬＥＤ素子１００と記す。
マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇは、窒化物半導体層１４と、Ｐ電極１９Ｐ（第１の電極）と、共通Ｎ電極５６（第２の電極）とを備え、駆動回路基板５０に実装されている。共通Ｎ電極５６は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇの光出射面側に配置されている。Ｐ電極１９Ｐは、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇの駆動回路基板５０側に配置されている。
Ｐ電極１９Ｐは、駆動回路基板５０に搭載されたＰ側電極５１に接続されている。共通Ｎ電極５６は、共通接続領域２において、プラグ５５を介して、駆動回路基板５０に搭載されたＮ側電極５２に接続されている。
マイクロＬＥＤ素子１００は、それぞれ対応するＰ側電極５１から電流が供給されて、発光する。マイクロＬＥＤ素子１００の光射出方向は、駆動回路基板５０とは、反対の方向であり、共通Ｎ電極５６の側である。
マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇは、画素分離溝１５によって個別に分割されている。また、画素分離溝１５は、埋込材２０によって埋められている。
ダミー領域３は、画像表示素子２００の画素領域１、共通接続領域２、および外周部４以外の領域である。ダミー領域３には、窒化物半導体層１４が配置されているが、発光せず、画像表示素子２００の表面の平坦性を確保するために配置されている領域である。
ダミー領域３には、例えばマイクロＬＥＤ素子１００を形成する際に必要なアライメントマーク、マイクロＬＥＤ素子１００を駆動回路基板５０に実装する際に必要なアライメントマーク、または画像表示素子２００を製造するのに必要となる補助的な構造が含まれていても良い。駆動回路基板５０の画素領域１、および共通接続領域２には、各画素の駆動回路が配置されている。また、駆動回路基板５０には、主にダミー領域３に、行選択回路、列信号出力回路、画像処理回路、入出力回路、等の回路が配置されている。また、駆動回路基板５０に設けられたダミー電極１９Ｄは、窒化物半導体層１４を駆動回路基板５０に固定すると共に、行選択回路、列信号出力回路、画像処理回路、入出力回路、等の回路を遮光するために配置されている。
外周部４は、画像表示素子２００の外縁を規定し、画像表示素子２００を個片に切り離すための切断領域や、ワイヤーボンドパッド等の外部回路との接続部となる外部接続電極５４を含んでいる。外周部４では、窒化物半導体層１４は除去されている。
（画素５の構成）
青サブ画素６は、共通Ｎ電極５６の上に散乱粒子を含む透明樹脂パターンからなる散乱材２１を有している。青サブ画素６は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂが発する青色光を、散乱材２１の散乱粒子により放射方向を広げ、波長変換すること無く、そのまま外部へ放出する。
赤サブ画素７は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒに対して駆動回路基板５０とは反対側に積層された赤色変換部（波長変換層）２２を有している。赤色変換部２２は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒが発する青色の光源光を、青色光よりも長波長の光である赤色光に波長変換する材料を含んでいる。赤サブ画素７は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒが発する青色光を赤色変換部２２により赤色光に波長変換して、赤色光を、駆動回路基板５０とは反対側の光射出方向に外部へ放出する。
緑サブ画素８は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇに対して駆動回路基板５０とは反対側に積層された緑色変換部（波長変換層）２３を有している。緑色変換部２３は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇが発する青色の光源光を、青色光よりも長波長の光である緑色光に波長変換する材料を含んできる。緑サブ画素８は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇが発する青色光を緑色変換部２３により緑色光に波長変換して、緑色光を駆動回路基板５０とは反対側の光射出方向に外部へ放出する。
赤色変換部２２と、緑色変換部２３と、の材質は問わないが、より微細な加工を行う為には、樹脂材料を母材とし、波長変換材料である蛍光体や量子ドット（ＱＤ）が分散された材料であることが望ましい。
また、散乱材２１と、赤色変換部２２と、緑色変換部２３をマイクロＬＥＤ素子上に形成するにあたって、図１は直接形成する様子を示しているが、各材料の密着性向上の為、マイクロＬＥＤ素子表面に接着層となる材質を修飾しておいてもよい。この場合、マイクロＬＥＤ素子から照射される光の透過率が高い材質であることが好ましい。加えて、この接着層が導光路とならないよう、出来るだけ薄くすることが望ましく、例えば１μｍ未満がより好ましい。
画素５の間、及び各サブ画素６，７，８の間は、例えば遮光性の樹脂材料などで充填されており、遮光部材層２４を形成している。画素５の間、及び各サブ画素６，７，８の間で、隣のマイクロＬＥＤ素子１００から斜め方向に照射される光は、遮光部材層２４によって遮光される。このため、隣のマイクロＬＥＤ素子１００からの光が赤色変換部２２、または緑色変換部２３に入射するのを抑制することができる。遮光部材層２４に用いる材料は、隣のマイクロＬＥＤ素子１００からの光を遮光する機能を発現する材料であれば良く、例えば顔料を含んだ有色樹脂や光吸収性の微粒子を含んだ樹脂、または光を反射する金属、若しくは樹脂表面に光反射性の高い金属膜を形成したものでもよい。
マイクロＬＥＤ素子１００Ｂ，１００Ｒ，１００Ｇは、窒化物半導体層１４を含んでいる。窒化物半導体層１４は、マイクロＬＥＤ素子１００の光射出面側から順に、Ｎ側層１１と、発光層１２と、Ｐ側層１３と、を含んでいる。Ｎ側層１１は、共通Ｎ電極５６によって全体が接続されている。共通Ｎ電極５６は、共通接続領域２にあるプラグ５５を介して、駆動回路基板５０に含まれるＮ側電極５２に、電気的に接続されている。Ｐ側層１３は、それぞれがＰ側電極５１に接続されている。なお、共通Ｎ電極５６は、マイクロＬＥＤ素子１００から射出される光を減衰させない材料であることが好ましく、例えばＩＴＯが挙げられる。
また、赤サブ画素７と、緑サブ画素８とには、赤色変換部２２と、緑色変換部２３との光射出側に、青反射層（第１の機能層）２５が配置されている。青反射層２５は、青色光を反射し、青色光より長波長の光を透過する特性を有している。青反射層２５は、例えば、酸化チタン薄膜と二酸化ケイ素薄膜よりなる誘電体多層膜で構成されている。
赤サブ画素７では、赤色変換部２２により発生した赤色光は青反射層２５を透過して、光射出方向に外部へ放出される。また、赤サブ画素７では、青色光は、青反射層２５によって反射され、赤色変換部２２へ戻され、再び赤色変換部２２に吸収される。このため、赤色変換部２２から光射出方向に外部へ放射される青色光の光量は極めて少なくなる。このように、赤色変換部２２の光射出側に青反射層２５を設けることで、赤サブ画素７からの青色光の外部への放出を低減するとともに、赤色変換部２２での変換効率を高めることができる。なお、この青反射層２５は、光学的に分離されていることがより好ましい。この青反射層２５を設けることによる効果を活用することで、赤色変換部２２をより薄くすることができる。
なお、緑サブ画素８についても、上述した赤サブ画素７と同様の構成の青反射層２５を備えている。つまり、赤サブ画素７と、緑サブ画素８とでは、赤色変換部２２、および緑色変換部２３の、波長変換した光の射出面側には、青色光を反射し、青色光より長波長の光を透過する特性を有している青反射層２５が設けられている。
また、青反射層２５は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒに対応する領域と、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇに対応する領域とが、光学的に分離されていることがより好ましい。このように、青反射層２５を、マイクロＬＥＤ素子１００毎に区切られている構成とすることで、青反射層２５が導光経路となって隣接するサブ画素７，８へ光が漏れ出る、所謂クロストークを防ぐことができる。例えば、画素５のサイズが３０μｍ以上の場合には、クロストークの影響は大きくない。一方で、サイズが３０μｍより小さなサイズへ微細化した画素５においては、隣接するサブ画素へ青色光が導かれてしまい、色再現性が低下する。より具体的には、ディスプレイの解像度を上げるために、画素サイズを１０μｍより小さくした場合、例えば画素間は１μｍ程となり、画素サイズに対してクロストークの影響が無視できない光路幅となる。よって、画素間領域は青反射層２５を除去しておくことが望ましい。青反射層２５を領域ごとに分割する為には、青反射層２５を形成する前にリフトオフレジストを加工しておくことで分割する方法や、全体に成膜した後にエッチングによって不要な部分を除去する方法が挙げられるが、手法は問わない。
なお、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒに対応する領域と、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇに対応する領域の最表面に、透過光の波長を制御する材料として、例えばカラーフィルタが形成されても良い。カラーフィルタによって、照射光の波長をより厳密に制御し、ディスプレイの色域を向上させることも可能となる。
上述したように、実施形態１の構成によれば、各サブ画素７、８における色変換効率を向上させ、輝度と色再現性を向上することができる。
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態２に係る画像表示素子２００ａは、上述した実施形態１の画像表示素子２００に対して、赤・緑反射層２８が色変換層とマイクロＬＥＤ素子１００の間に形成されている点のみが異なり、その他の構成については、実施形態１の画像表示素子２００と同様である。
マイクロＬＥＤ素子１００Ｒと、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇと、の領域では、共通Ｎ電極５６の表面に、それぞれ赤・緑反射層（第２の機能層）２８が形成されている。赤・緑反射層２８は、例えば誘電体材料の多層構造を有している。赤・緑反射層２８は、例えば、酸化チタン薄膜と二酸化ケイ素薄膜よりなる誘電体多層膜によって構成されている。赤・緑反射層２８は、青色光を透過し、青色光より長波長の光を反射する特性を有している。赤・緑反射層２８は、少なくとも、緑色光の波長領域（例えば波長５２０ｎｍ±１５ｎｍ）と赤色光の波長領域（例えば波長６３０ｎｍ±１５ｎｍ）との光に対しては、高い反射特性を有している。
赤サブ画素７では、赤色変換部２２により発生した赤色光は青反射層２５を透過して、光射出方向に外部へ放出される。また、赤サブ画素７では、青色光は、青反射層２５によって反射され、赤色変換部２２へ戻され、再び赤色変換部２２に吸収される。赤色変換部２２に吸収されずに、マイクロＬＥＤ１００Ｒ側へ進んだ青色光は、赤・緑反射層２８を透過し、Ｐ電極１９ＰとＰ側層１３との界面へ入射する。従って、青色光は青反射層２５と、Ｐ電極１９ＰとＰ側層１３との界面との間に閉じ込められる。このため、赤色変換部２２から光射出方向に外部へ放射される青色光の光量は極めて少なくなる。また、青色光は、青反射層２５によって反射されることで赤色変換部２２を何度も通過する内に、波長変換が進むため、赤色変換部２２の変換効率が高くなる。
一方、赤・緑反射層２８が無い場合には、赤色変換部２２により発生した赤色光の一部がマイクロＬＥＤ素子１００Ｒに入射し、Ｐ電極１９ＰとＰ側層１３との界面で反射される。しかしながら、窒化物半導体と金属電極界面とでの可視光の反射率は、一般には低い為に、赤サブ画素７での光のロスが大きくなる。
例えば、Ｐ電極１９Ｐの、電極材料が銀である場合には、可視光に対する反射率を９０％以上とするこができるが、Ｐ電極１９ＰとＰ側層１３とのオーミックコンタクトが取り難くなる。また、銀はマイグレーションによる不良を起こしやすいため、図３に示したような構造に適用することは難しい。
また、Ｐ電極１９ＰとＰ側層１３とのオーミックコンタクトが容易なパラジウムをＰ電極１９Ｐの材料として用いた場合には、可視光の反射率は５０％前後しか無く、赤サブ画素７での光のロスが大きくなる。また、Ｐ電極１９Ｐとして、Ｎｉ／ＩＴＯの複合層を用いることもできるが、この場合、可視光の反射率は５０％以下である。
従って、上述したように、多層膜による赤・緑反射層２８を用いて、長波長光の反射率を上げるのが望ましい。これにより、赤サブ画素７からの赤色光の取出し効率を向上することができ、画像表示素子２００ａにおける赤色光の発光効率を高める事ができる。また、赤色変換部２２に用いられている色変換部材は、一般的に温度が上がると変換効率が低下する。そこで、赤色変換部２２のマイクロＬＥＤ１００Ｒ側に熱伝導性の低い部材から構成された赤・緑反射層２８を共通Ｎ電極５６との間に挟むことで、赤色変換部２２の色変換効率の低下を抑制することができるという補助的な効果も奏する。
なお、緑サブ画素８についても上述した赤サブ画素７と同様の構成の赤・緑反射層２８を備えている。つまり、赤サブ画素７と、緑サブ画素８とでは、赤色変換部２２、および緑色変換部２３の、マイクロＬＥＤ素子１００からの光の入射面側に、青色光より長波長の光を反射する特性を有している赤・緑反射層２８が設けられている。
なお、赤・緑反射層２８は、青色光より長波長領域全体において、高い反射率を有する必要は無く、上述した、緑色光の波長領域と赤色光の波長領域とにおいて、反射率のピークを有する方が良い場合が有る。赤色変換部２２、および緑色変換部２３の発光ピークが広い場合には、緑色光の波長領域と赤色光の波長領域との光を強く反射することで、各波長変換部２２，２３から放射される長波長光のスペクトルをシャープに成形し、色純度を高める事ができる。赤・緑反射層２８の反射率のピーク値は、７０％以上である事が好ましい。
また、赤・緑反射層２８は、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒに対応する領域と、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇに対応する領域とが、光学的に分離されていることがより好ましい。このように、赤・緑反射層２８を、マイクロＬＥＤ素子１００毎に区切られている構成とすることで、赤・緑反射層２８が導光経路となって隣接するサブ画素７，８へ光が漏れ出る、所謂クロストークを防ぐことができる。例えば、画素５のサイズが３０μｍ以上の場合には、クロストークの影響は大きくない。一方で、サイズが３０μｍより小さなサイズへ微細化した画素５においては、隣接するサブ画素へ青色光が導かれてしまい、色再現性が低下する。より具体的には、ディスプレイの解像度を上げるために、画素サイズを１０μｍより小さくした場合、例えば画素間は１μｍ程となり、画素サイズに対してクロストークの影響が無視できない光路幅となる。よって、画素間領域は青反射層２５を除去しておくことが望ましい。
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態３に係る画像表示素子２００ｂは、上述した実施形態２の画像表示素子２００ａに対して、赤・緑反射層２８の間に、分離層ａ３０が形成されている点のみが異なり、その他の構成については、実施形態２の画像表示素子２００ａと同様である。
図４は、実施形態３に係る画像表示素子２００ｂの断面図である。図４に示すように、サブ画素６，７，８間には、赤・緑反射層２８を区切る分離層ａ３０が形成されている。分離層ａ３０は、遮光性材料（第１の充填材料）から構成され、マイクロＬＥＤ素子１００毎に区切られている赤・緑反射層２８の間を、赤・緑反射層２８とは異なる材料である遮光性材料により充填することで設けられている。
このように、遮光性材料から構成された分離層ａ３０により赤・緑反射層２８をマイクロＬＥＤ素子１００毎に区切ることで、隣接するサブ画素６，７，８へ光が漏れ出るクロストークを抑制することができる。また、赤・緑反射層２８間に分離層ａ３０を設けることにより、散乱材２１、赤色変換部２２、および緑色変換部２３を加工する際の加工面の平坦性を担保することができる。
例えば、散乱材２１、赤色変換部２２、および緑色変換部２３の材料をフォトリソグラフィで加工する場合、加工面の凹凸が大きいと加工精度が低下する恐れがある。本実施形態では、赤・緑反射層２８を画素間で分離した後、その間を別の材料で構成された分離層ａ３０により埋めることで画素５の最表面を平坦化することができる。
なお、分離層ａ３０に適用される材料は問わないが、有機材料の場合はカーボンブラックのような光を吸収する材料を含むことが望ましく、フォトリソグラフィにより分離層ａ３０を形成することができる。また、分離層ａ３０に適用される材料が金属材料の場合は、チタンやパラジウムなどを用いた、蒸着などの手法により分離層ａ３０を形成することができる。
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１、２、３にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態４に係る画像表示素子２００ｃは、上述した実施形態３の画像表示素子２００ｂに対して、青サブ画素６のマイクロＬＥＤ素子１００Ｂに対応する部分に、散乱材２１が設けられていない点が異なり、その他の構成については、実施形態３の画像表示素子２００ｂと同様である。
図５は、実施形態４に係る画像表示素子２００ｃの断面図である。図５に示すように、画像表示素子２００ｃは、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂの表面に、散乱材２１を備えていないことで、青サブ画素６では、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂから照射された青色光の指向性を高めることができる。また、青サブ画素６において、散乱材２１を設ける必要が無いため、デバイス製造の工数を減らすことができ、コスト低減を図ることができる。
〔実施形態５〕
本発明の実施形態５について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜３にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態５に係る画像表示素子２００ｄは、上述した実施形態３の画像表示素子２００ｂに対して、赤・緑反射層２８と青反射層２５との光射出側の表面がパッシベーションによって覆われている点と、カラーフィルタを形成した点が異なり、その他の構成については、実施形態３の画像表示素子２００ｂと同様である。
図６は、実施形態５に係る画像表示素子２００ｄの断面図である。図６に示すように、画像表示素子２００ｄでは、赤・緑反射層２８の光射出側の表面が耐湿性を有するパッシベーション２６（第２の膜）によって覆われている。また、青反射層２５の光射出側の表面は、耐湿性を有するパッシベーション２７（第１の膜）によって覆っている。
例えば、赤・緑反射層２８が誘電体による多層膜である場合には、一般的に吸湿性が高いものが多く、大気中に接する場合や色変換層加工時に劣化し易い。このため、赤・緑反射層２８の表面をパッシベーション２６の膜で全体を覆うことが好ましい。パッシベーション２６の膜は窒化シリコン膜のようなＣＶＤ膜でも良いし、シリコーン樹脂のような樹脂材料の膜でも良い。
また、パッシベーション２６は、平坦に形成されているのが望ましく、これにより以降に加工する散乱材２１、赤色変換部２２、および緑色変換部２３の加工性を向上することができる。
同様に、青反射層２５が誘電体による多層膜である場合にも、青反射層２５の表面をパッシベーション２７で全体を覆う事が好ましい。パッシベーション２７は窒化シリコン膜のようなＣＶＤ膜でも良いし、シリコーン樹脂のような樹脂材料の膜でも良い。
このように、赤・緑反射層２８の光射出側の表面、および青反射層２５の光射出側の表面を、耐湿性を有する膜で覆うことで、誘電体による多層膜が吸湿により劣化するのを防ぐことができる。
さらに、パッシベーション２７によって最表面が平坦化されることで、赤カラーフィルタ３２や緑カラーフィルタ３３をより精密に加工することが可能となる。このようにカラーフィルタを追加で加工することによって、各サブ画素から照射される光の波長をより厳密に制御し、ディスプレイの色域を向上させることが可能となる。
なお、パッシベーション２６及びパッシベーション２７に関しては、これら自体が導光路となることが無いよう、出来るだけ薄く形成することが望ましく、例えば１μｍ以下に加工することが望ましい。
また、サブ画素６，７，８間には、青反射層２５を区切る分離層ｂ３１が形成されていてもよい。例えば、分離層ｂ３１は、遮光性材料（第２の充填材料）から構成され、マイクロＬＥＤ素子１００毎に区切られている青反射層２５の間を、青反射層２５とは異なる材料である遮光性材料により充填することで設けられている。
〔実施形態６〕
本発明の実施形態６について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜５にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態６に係る画像表示素子２００ｅは、上述した実施形態５の画像表示素子２００ｄに対して、マイクロＬＥＤ素子１００ｈの構成が異なる点とカラーフィルタが無い点が異なり、その他の構成については、実施形態５の画像表示素子２００ｄと同様である。
実施形態１〜５に示した画像表示素子が備えるマイクロＬＥＤ素子１００は、駆動回路基板５０に対向する側にＰ電極１９Ｐを有し、駆動回路基板５０に対向する側とは反対側の光射出側に共通Ｎ電極５６を有する、所謂、上下電極型であった。一方で、実施形態６に係る画像表示素子２００ｅは、片側にＰ側電極と、Ｎ側電極との両電極を有する構成のマイクロＬＥＤ素子１００ｈを備えている。
図７は、実施形態６に係る画像表示素子２００ｅの断面図である。図７に示すように、マイクロＬＥＤ素子１００ｈは駆動回路基板５０ｈ側にＰ電極１９ｈＰとＮ電極１９ｈＮを有している。なお、マイクロＬＥＤ素子１００ｈは、青サブ画素６の光源光を発するマイクロＬＥＤ素子１００Ｂｈと、赤サブ画素７の光源光を発するマイクロＬＥＤ素子１００Ｒｈと、緑サブ画素８の光源光を発するマイクロＬＥＤ素子１００Ｇｈとを総称する物である。
駆動回路基板５０ｈは、サブ画素６，７，８毎に配置されたＰ側電極５１ｈとＮ側電極５２ｈとを備えている。Ｐ側電極５１ｈとＮ側電極５２ｈとは、それぞれ、Ｐ電極１９ｈＰとＮ電極１９ｈＮとに接続され、マイクロＬＥＤ素子１００ｈのそれぞれに所定の電流を流し、発光を制御する。このように、片側にＰ側電極と、Ｎ側電極との両電極を有する構成のマイクロＬＥＤ素子１００ｈを備えている構成とすることで、画像表示素子２００ｅの製造工程において、共通Ｎ電極５６の製造工程を省略することができる。これにより、画像表示素子２００ｅの製造が容易であり、共通Ｎ電極５６によって、光源から照射される青色光が減少することがないという利点が生じる。
なお、画像表示素子２００ｅとしてみれば、マイクロＬＥＤ素子１００ｈの電極配置が異なるものの、赤・緑反射層２８と青反射層２５とによる効果は、上述した第２の実施形態と同様である。つまり、緑色変換部２３と赤色変換部２２との光射出側に、青反射層２５を設け、緑色変換部２３と赤色変換部２２との励起光源側に、赤・緑反射層２８を設けることで、緑色変換部２３と赤色変換部２２との厚さを薄くすることができると共に、発光効率を改善する事ができる。これによって、緑色変換部２３と赤色変換部２２との構造の微細化を容易にすることができると共に、高価な波長変換材料の使用量を減らすことができで、生産コストを下げる効果を得ることができる。
また、図７は前述のようにカラーフィルタは図示していないが、色再現性の向上のためにカラーフィルタを追加で形成させてもよい。
〔実施形態７〕
本発明の実施形態７について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜６にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態７に係る画像表示素子２００ｆは、上述した実施形態６の画像表示素子２００ｅに対して、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂｈの表面に散乱材２１が存在しない点のみが異なり、その他の構成については、実施形態６の画像表示素子２００ｅと同様である。
図８は、実施形態７に係る画像表示素子２００ｆの断面図である。図８に示すように、画像表示素子２００ｆは、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂｈの表面に散乱材２１を備えていない。これによって、マイクロＬＥＤ素子１００Ｂｈから照射された青色光の指向性を向上することができ、散乱材２１を形成する必要がないため、デバイス製造の工数を減らすことによるコスト低減を図ることができる。
〔実施形態８〕
本発明の実施形態８について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜７にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態８に係る画像表示素子２００ｇは、上述した実施形態６の画像表示素子２００ｅに対して、波長変換層に当たる部分の構造が異なる点のみが異なり、その他の構成については、実施形態６の画像表示素子２００ｅと同様である。
図９は、実施形態８に係る画像表示素子２００ｇの断面図である。図９に示すように、画像表示素子２００ｇでは、マイクロＬＥＤ素子１００ｈの光射出方向に形成された色変換材料である赤色変換部２２と緑色変換部２３との厚みがそれぞれ異なっている。また、実施形態１〜７と異なり、赤色変換部２２と緑色変換部２３が順テーパー形状となっている。
図９では例えとして、緑色変換部２３の厚みが、赤色変換部２２の厚みに比べて厚い例を図示している。画像表示素子２００ｇはこれに限らず、赤色変換部２２の厚みが、緑色変換部２３の厚みに比べて厚い構成であってもよい。
赤色変換部２２、および緑色変換部２３といった色変換層を微細に加工する手法の一つとして、フォトリソグラフィが挙げられる。フォトリソグラフィを採用して、赤色変換部２２、および緑色変換部２３を形成した場合、加工材料、または加工順に起因して、各色変換層の厚みに違いが生じ、且つ形状も順テーパー形状になりやすい。一方で、各材料の色変換効率と、形成した色変換層の厚みによって射出する光の色域を制御することが可能となり、表示画面として必要な仕様を満たすことが可能となる。
なお、赤色変換部２２と緑色変換部２３との厚みがそれぞれ異なる場合、青反射層２５は色変換層ごとに形成されることが望ましい。そして、青反射層２５を色変換層ごとに形成した場合には、青反射層２５はサブ画素６，７，８毎に分割されて形成されることになる。よって、隣接するサブ画素６，７，８間での青反射層２５を経由した光漏れを防ぐことが可能になる。
このように、波長変換層である赤色変換部２２と緑色変換部２３とが、マイクロＬＥＤ素子１００ｈ毎に区切られており、且つ、それぞれ異なる厚みを有している構成とすることで、各サブ画素６，７，８から射出する光の色域を適切に制御することができるとともに、隣接するサブ画素６，７，８間でのクロストークを防ぐことができる。
〔実施形態９〕
本発明の実施形態９について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜８にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態９に係る画像表示素子２００ｈは、上述した実施形態８の画像表示素子２００ｇに対して、第２の機能層である赤・緑反射層に当たる部分の構造が異なり、その他の構成については、実施形態８の画像表示素子２００ｇと基本的に同様である。
図１０は、実施形態９に係る画像表示素子２００ｈの断面図である。図１０に示すように、画像表示素子２００ｈは、複数のマイクロＬＥＤ素子１００ｈのうち、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒｈに、赤反射層２８Ｒが設けられ、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇｈに、緑反射層２８Ｇが設けられている。このように、画像表示素子２００ｈは、各マイクロＬＥＤ素子１００ｈの光射出側に形成される波長変換後の光を反射する膜が、波長変換層から射出される光の波長に対応している。
このように、サブ画素６，７，８ごとに形成する、波長変換後の光を反射する反射層を波長に応じて変えることで、反射層の設計をより単純化し、波長変換層によって長波長に変換された光の反射率をより高めることが可能となる。また各サブ画素６，７，８を分割することで隣接するサブ画素間でのクロストークが抑制されるという効果を奏する。
〔実施形態１０〕
本発明の実施形態１０について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜９にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態１０に係る画像表示素子２００ｉは、上述した実施形態９の画像表示素子２００ｈに対して、励起光の光源であるマイクロＬＥＤ素子と、第１の機能層、第２の機能層、色変換層に当たる構造が異なる。なお、画像表示素子２００ｉは、その他の構成については、実施形態９の画像表示素子２００ｈと同様である。
図１１は、実施形態１０に係る画像表示素子２００ｉの断面図である。図１１に示すように、マイクロＬＥＤ素子１００ｕｖは、主に紫外領域の光を光源光として照射する。画像表示素子２００ｉは、マイクロＬＥＤ素子１００ｕｖからの光を励起光として、青、赤、緑の蛍光を発する青変換部２１ａ、赤色変換部２２、緑色変換部２３を色変換部材として備えている。マイクロＬＥＤ素子１００ｕｖは、青サブ画素６に対応するマイクロＬＥＤ素子１００Ｂｕｖと、赤サブ画素７に対応するマイクロＬＥＤ素子１００Ｒｕｖと、緑サブ画素８に対応するマイクロＬＥＤ素子１００Ｇｕｖとを総称するものである。青変換部２１ａ、赤色変換部２２、緑色変換部２３は、それぞれマイクロＬＥＤ素子１００Ｂｕｖ、マイクロＬＥＤ素子１００Ｒｕｖ、マイクロＬＥＤ素子１００Ｇｕｖの光照射側に形成されている。
マイクロＬＥＤ素子１００ｕｖと、青変換部２１ａ、赤色変換部２２、および緑色変換部２３との間には、紫外領域の光を透過し、それぞれ青、赤、緑の光の反射率が高い機能層としての青反射層２８Ｂ、赤反射層２８Ｒ、および緑反射層２８Ｇが形成されている。青反射層２８Ｂと、赤反射層２８Ｒと、緑反射層２８Ｇとの間は、例えば樹脂などから形成される分離層ａ３０で分割されている。なお、図示はしていないがこれらの反射層は、耐湿性を有する膜（例えばパッシベーション膜）で表面を覆われていてもよい。
青変換部２１ａ、赤色変換部２２、緑色変換部２３の光照射側には、それぞれ紫外領域の光を反射し、可視光領域の光を透過する紫外反射層２５ＵＶが形成されている。また、紫外反射層２５ＵＶは、サブ画素６，７，８毎に分割されている。このように、紫外反射層２５ＵＶを、サブ画素６，７，８毎に分割されている構成とすることで、サブ画素６，７，８間でのクロストークを低減することができる。
なお、図１１では第２の機能層である青反射層２８Ｂと、赤反射層２８Ｒ、および緑反射層２８Ｇと、波長変換層である青変換部２１ａ、赤色変換部２２、および緑色変換部２３とは、同一の高さで示しているが、それぞれの高さが異なってもよい。各サブ画素６，７，８は、光射出側の最表面に、紫外反射層２５ＵＶを保護するためのパッシベーションや、各サブ画素から照射される波長をより厳密に制御するためのカラーフィルタなどを備えている構成であってもよい。
〔実施形態１１〕
本発明の実施形態１１について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１〜１０にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態１１に係る画像表示素子２００ｊは、上述した実施形態６の画像表示素子２００ｅに対して、緑色変換部２３、赤色変換部２２、散乱材２１を有せず、画素５の全体に黄色反射層４０と、黄色波長変換部６０と、を有し、各サブ画素６，７，８に青、緑、赤の各カラーフィルタを有する点で構成が異なる。その他の構成については、実施形態６の画像表示素子２００ｅと同様である。
図１２は、実施形態１１に係る画像表示素子２００ｊの断面図である。図１２に示すように、画像表示素子２００ｊは、画素領域１の全体に黄色波長変換部６０が形成されている。黄色波長変換部６０は、青色光によって励起され、黄色光を発光し、全体として白色光を発する部材である。青サブ画素６、赤サブ画素７、緑サブ画素８には、それぞれ、青カラーフィルタ３１、赤カラーフィルタ３２、緑カラーフィルタ３３が配置されており、それぞれのサブ画素より、青色光、赤色光、緑色光を発する。
黄色波長変換部６０には、例えばＹＡＧ蛍光体微粒子を用いることができる。ＹＡＧ蛍光体は、量子ドットに比べ、安定性が高く、比較的高い温度でも使用することができ蛍光体である。これにより、画像表示素子２００ｊは、量子ドット、またはＹＡＧ蛍光体とは異なる他の蛍光体材料を用いた素子に比べ、よりハイパワーで動作させることができ、大きな光出力が必要な場合に有用な構成を有している。
このように、画像表示素子２００ｊは、波長変換層として、黄色波長変換部６０を形成するだけで済むため、製造工程が非常に簡単である。また、サブ画素６，７，８毎に波長変換層を加工する必要が無く、一般に用いられるカラーフィルタ技術を使用することができるため、技術的にも容易である。よって、本実施形態によれば、画像表示素子２００ｊにおいて、コストアップを最小限に抑制しながら、光出力を向上することができる。
（実施形態１１の変形例）
図１３は、実施形態１１に係る画像表示素子２００ｊの変形例の断面図である。図１３に示すように、画像表示素子２００ｋは、青サブ画素６に当たる部分に、黄色反射層４０、および黄色波長変換部６０ではなく、散乱材２１が設けられている構成であってもよい。なお、この場合には、青サブ画素６には、青カラーフィルタ３１は形成されない。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
５ 画素
６、７、８ サブ画素
２１ａ 青変換部（波長変換層）
２２ 赤色変換部（波長変換層）
２３ 緑色変換部（波長変換層）
２５、２５Ｂ 青反射層（第１の機能層）
２８Ｇ 緑反射層（第２の機能層）
２８Ｒ 赤反射層（第２の機能層）
２５ＵＶ 紫外反射層（第１の機能層）
２６ パッシベーション（第２の膜）
２７ パッシベーション（第１の膜）
２８ 赤・緑反射層（第２の機能層）
３０ 分離層ａ
６０ 黄色波長変換部（波長変換層）
４０ 黄色反射層（第１の機能層）
５０、５０ｈ 駆動回路基板
１００、１００Ｂ、１００Ｒ、１００Ｇ、１００ｈ、１００Ｂｈ、１００Ｒｈ、１００Ｇｈ、１００ｕｖ、１００Ｂｕｖ、１００Ｒｕｖ、１００Ｇｕｖ マイクロＬＥＤ素子（ＬＥＤ素子）
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ｇ、２００ｈ、２００ｉ、２００ｊ、２００ｋ 画像表示素子

Claims (11)

  1. 駆動回路基板に実装された、光源光を発する複数のＬＥＤ素子と、
    前記複数のＬＥＤ素子の前記駆動回路基板とは反対側に積層され、前記複数のＬＥＤ素子が発した前記光源光を長波長光に変換して、前記長波長光を前記駆動回路基板とは反対側に射出する波長変換層と、
    前記波長変換層の、前記長波長光の光射出面側に設けられ、前記光源光を反射し、前記長波長光を透過する第１の機能層と、を備えていることを特徴とする画像表示素子。
  2. 前記第１の機能層は、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示素子。
  3. 前記波長変換層の、前記光源光の光入射面側に設けられ、前記長波長光を反射する第２の機能層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示素子。
  4. 前記第２の機能層は、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られていることを特徴とする請求項３に記載の画像表示素子。
  5. 前記第１の機能層の光射出面は、耐湿性を有する第１の膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示素子。
  6. 前記第２の機能層の光射出面は、耐湿性を有する第２の膜で覆われていることを特徴とする請求項３に記載の画像表示素子。
  7. 前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られている前記第１の機能層の間が、前記第１の機能層とは異なる第１の充填材料で充填されていることを特徴とする請求項２に記載の画像表示素子。
  8. 前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られている前記第２の機能層の間が、前記第２の機能層とは異なる第２の充填材料で充填されていることを特徴とする請求項４に記載の画像表示素子。
  9. 前記第１の機能層は、誘電体から成ることを特徴とする請求項１に記載の画像表示素子。
  10. 前記第２の機能層は、誘電体から成ることを特徴とする請求項３に記載の画像表示素子。
  11. 前記波長変換層は、前記複数のＬＥＤ素子毎に区切られていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示素子。
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