JP2023155685A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロＬＥＤやマイクロ有機ＥＬ素子の出射光の損失を抑え、利用効率を向上できる表示装置を提供する。【解決手段】表示装置１は、複数の光源が配置された素子基板１０と、素子基板上に設けられ、光源を覆う保護層２０と、保護層上に設けられ、光源に対応して配置された複数の色フィルタを有するカラーフィルタ３０と、カラーフィルタ上に設けられ、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズ４１を有するレンズアレイと、レンズアレイ上に設けられてマイクロレンズを覆っており、マイクロレンズよりも低い屈折率を有する平坦化層５０とを備える。マイクロレンズの屈折率ｎｍ、平坦化層の屈折率ｎｔ、およびマイクロレンズのレンズ面の曲率半径ｒと高さＨとの比であるｒ／Ｈは、所定の式を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関する。

光源として、マイクロＬＥＤやマイクロ有機ＥＬ素子等を用いた、いわゆるマイクロディスプレイにおいては、高輝度化および低消費電力化のために、発光した光の利用効率を向上させ、高効率化することが求められている。

これに関連して、特許文献１には、発光素子上に半球状のマイクロレンズを配置することにより、光利用効率を高めることが記載されている。
また、特許文献２には、マイクロレンズ上に透光層を設けることで視野角特性を向上させることが記載されている。

特開２０２１－１３６２０８号公報 特開２０２０－１８４４８１号公報

マイクロＬＥＤやマイクロ有機ＥＬ素子は、光源としては出射光の指向性がそれほど高くないため、様々な角度でマイクロレンズに入射する。透光層とマイクロレンズとの界面に対して臨界角以上の角度で入射した光は全反射されてしまうため、有効な射出光成分として外部に取り出すことができず、輝度低下の原因となる。

発明者は、マイクロレンズの態様と透光層との関係について種々検討し、得られた知見に基づいて本発明を完成させた。

本発明は、マイクロＬＥＤやマイクロ有機ＥＬ素子の出射光の損失を抑え、利用効率を向上できる表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の光源が配置された素子基板と、素子基板上に設けられ、光源を覆う保護層と、保護層上に設けられ、光源に対応して配置された複数の色フィルタを有するカラーフィルタと、カラーフィルタ上に設けられ、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するレンズアレイと、レンズアレイ上に設けられてマイクロレンズを覆っており、マイクロレンズよりも低い屈折率を有する平坦化層とを備える表示装置である。
この表示装置において、マイクロレンズの屈折率ｎ_ｍ、平坦化層の屈折率ｎ_ｔ、およびマイクロレンズのレンズ面の曲率半径ｒと高さＨとの比であるｒ／Ｈは、下記式１を満たす。
０．３＜（ｎ_ｍ－ｎ_ｔ）-０．１（ｒ／Ｈ）^２＋０．２（ｒ／Ｈ）＜０．６…（１）

本発明によれば、マイクロＬＥＤやマイクロ有機ＥＬ素子の出射光の損失を抑え、利用効率を向上できる表示装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る表示装置の一部を示す模式断面図である。 同表示装置の平面視における有機ＥＬ素子、カラーフィルタ、およびマイクロレンズの位置関係を示す図である。 マイクロレンズの一形状における、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。 マイクロレンズの一形状における、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。 マイクロレンズの一形状における、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。本実施形態に係る表示装置１は、有機ＥＬ素子を光源とし、正面視において多数の画素が配列された構成を有する。

図１に、表示装置１の一画素分の模式断面図を示す。表示装置１は、有機ＥＬ素子（光源）１１が配置された素子基板１０と、素子基板１０上に形成された保護層２０、カラーフィルタ３０、レンズアレイ、および平坦化層５０を備える。
平坦化層５０上には、接着層６０により透光性基板７０が接合されており、使用者は、透光性基板７０側から表示装置１に表示される画像を見ることができる。

有機ＥＬ素子１１は、画素電極、共通電極、および機能層を含む公知の構成を有し、素子基板１０に設けられた図示しない配線と接続され、それぞれ独立して発光駆動される。
保護層２０は透明性を有し、有機ＥＬ素子１１を保護するとともに、平坦化してカラーフィルタ３０を設置しやすくする。保護層２０は、複数の層で構成されてもよく、ガスバリア性を有してもよい。
保護層２０内にサブ画素を区画する隔壁が形成されていてもよい。隔壁が形成されていることで、隣接するサブ画素への迷光を抑制できる。

カラーフィルタ３０は、各々の有機ＥＬ素子１１の上に設けられている。カラーフィルタ３０は、光の３原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の何れかの色の波長帯の光を透過させる複数の色フィルタを有する。色フィルタの数や透過する色は、表示装置の表示特性等に応じて決定でき、黄色等が含まれてもよい。

レンズアレイは、カラーフィルタ３０上に形成されており、カラーフィルタに対応して整列配置された複数のマイクロレンズ４１を有する。
本実施形態に係るマイクロレンズ４１は、いわゆる平凸レンズであり、少なくとも空気や平坦化層５０の屈折率よりも高い屈折率を有する。

図２に、図１に示された範囲の平面視における有機ＥＬ素子１１、カラーフィルタ３０、およびマイクロレンズ４１の位置関係を示す。
表示装置１の画素は、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）にそれぞれ対応する３つのサブ画素１０１、１０２、１０３で構成され、各サブ画素１０１、１０２、１０３には、それぞれカラーフィルタを構成する赤フィルタ３０Ｒ、緑フィルタ３０Ｇ、および青フィルタ３０Ｂが配置され、各サブ画素に対して一つの有機ＥＬ素子１１と３つのマイクロレンズ４１が配置されている。
上記は一例であり、サブ画素の平面視形状や配置される有機ＥＬ素子１１およびマイクロレンズ４１の数等は、表示特性等に応じて決定できる。

平坦化層５０は、マイクロレンズ４１の凹凸を吸収して平坦化し、透光性基板７０を接合しやすくする。このため、平坦化層５０の最大厚みは、マイクロレンズ４１の高さ以上とされる。

平坦化層５０は、少なくともマイクロレンズ４１の屈折率よりも低い屈折率を有する。平坦化層５０の屈折率が空気の屈折率に近くなるほど、平坦化層５０とマイクロレンズ４１の屈折率差を大きくすることができる。

平坦化層５０は、一例において、中空のフィラーおよび媒質を含有する。中空フィラーおよび媒質は、可視波長で透明性を有し、例えば可視波長の光に対して９０％以上の全光透過率を有する。中空フィラーは、平坦化層５０の屈折率を低くすることに寄与する。媒質は、中空フィラーの粒子間に介在し、中空フィラー同士を結合させ、平坦化層５０を安定させる。

中空フィラーの好適な材質として、二酸化珪素（シリカ、ＳｉＯ_２）を例示できる。シリカからなる中空フィラーは安価であり、可視波長に対する高い透明度及び物理的な安定性を有する。中空フィラーが低屈折率層中に位置することによって、平坦化層５０の内部に空気領域が散在する結果、平坦化層５０の屈折率が低下し、中空フィラーの含有率が上昇するにつれてその屈折率が空気の値に近づいていく。

表示装置１においては、駆動した有機ＥＬ素子１１から発せられた光が保護層２０およびカラーフィルタ３０を通ってマイクロレンズ４１に入射し、さらに平坦化層５０、接着層６０、および透光性基板７０を通って外部に取り出される。

上記過程においては、マイクロレンズ４１の上面（レンズ面）と平坦化層５０との界面においても光の屈折が生じる。この屈折は、レンズ面の形状と、マイクロレンズ４１および平坦化層５０の屈折率によって変化するため、発明者は、これを最適化することにより、効率よく光を取り出すことについて、光線追跡シミュレーションを用いて検討した。

シミュレーションに使用したモデルを以下に示す。
（固定パラメータ）
マイクロレンズの形状：半球状
画素（ギャップ）間のピッチＰＤ：２．８μｍ
平坦化層の膜厚：１．２μｍ
有機ＥＬ素子とマイクロレンズとの距離ＤＨ：２．６μｍ
（変動パラメータ）
マイクロレンズの形状
形状１
高さＨ：１．１μｍ、レンズ面の曲率半径ｒ：１．４μｍ（ｒ／Ｈ １．２７）
形状２
高さＨ：０．８μｍ、レンズ面の曲率半径ｒ：１．６μｍ（ｒ／Ｈ ２．０）
形状３
高さＨ：０．６μｍ、レンズ面の曲率半径ｒ：１．９μｍ（ｒ／Ｈ ３．１７）
マイクロレンズの屈折率：１．３から１．８まで０．１刻み
平坦化層の屈折率：１．１から１．５まで０．１刻み、および平坦化層なし（レンズアレイ上に接着層６０（屈折率１．７）が存在）
上記条件下において、マイクロレンズの屈折率を０．１ずつ変更して画素の正面方向における輝度を算出した。さらに、マイクロレンズの各形状１～３において、「マイクロレンズの屈折率１．６、平坦化層なし」の条件における輝度を基準として輝度の向上率または低下率を算出した。

形状１～３のシミュレーション結果を、それぞれ図３から図５に示す。
いずれの形状においても、平坦化層の屈折率をマイクロレンズの屈折率よりも低くすることで、基準に対して輝度が向上する傾向が認められたが、平坦化層の屈折率が低すぎたりマイクロレンズの屈折率が高すぎたりすると輝度の向上効果が低下することや、両者の屈折率差の最適な範囲が形状により変化することなどが、全く予想外の知見として得られた。

具体的には、マイクロレンズの高さが低くなり、レンズ面の曲率半径が大きくなる、すなわち、上記ｒ／Ｈの値が大きくなるほど、輝度向上効果が最大となる屈折率差の値が大きくなる傾向があることが分かった。今回の検討では、形状１における最適な屈折率差は０．３である一方、形状２および３における最適な屈折率差はそれぞれ０．４および０．５であり、ｒ／Ｈの値とパラレルに変化していた。また、いずれの形状においても、上記最適な屈折率差に対して±０．１の範囲内の屈折率差であれば、概ね良好な輝度向上効果が得られることも分かった。

表示装置においては、画素の寸法等によりマイクロレンズの各部寸法もさまざまに変化するため、発明者は、上記知見に基づき、良好な輝度向上効果が得られる条件を一般化することを試みた。その結果、以下の不等式１が満たされる場合に良好な輝度向上効果が得られることを見出した。
０．３＜（ｎ_ｍ－ｎ_ｔ）-０．１（ｒ／Ｈ）^２＋０．２（ｒ／Ｈ）＜０．６…（１）
なお、式１において、ｎ_ｍはマイクロレンズの屈折率を、ｎ_ｔは平坦化層の屈折率を、それぞれ意味する。

今回の検討では、ｒ／Ｈの範囲が１以上２未満である形状１においては、屈折率差の好適な範囲は０．２以上０．５以下であり、より好ましくは０．２以上０．４以下であった。ｒ／Ｈの範囲が２以上３未満である形状２においては、屈折率差の好適な範囲は０．３以上０．６以下であり、より好ましくは０．３以上０．５以下であった。ｒ／Ｈの範囲が３以上である形状３においては、屈折率差の好適な範囲は０．３以上であり、好ましくは０．６以上０．８以下であった。各形状におけるこれらの条件は、いずれも上記式１を満たしている。

本実施形態に係る表示装置１においては、上記知見に基づき、マイクロレンズおよび平坦化層の屈折率、並びにマイクロレンズの形状を、上記式１を満たすように設定しているため、有機ＥＬ素子１１のような、あまり指向性の高くない光源であっても出射される光の損失を抑え、利用効率を向上できる。その結果、画素の寸法等に左右されることなく有機ＥＬ素子１１から発生された光を効率よく装置の正面に導くことができ、輝度等の表示品質を著しく向上できる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。以下にいくつか変更を例示するが、これらはすべてではなく、それ以外の変更も可能である。これらの変更が２以上適宜組み合わされてもよい。

・本発明に係る表示装置において、光源は、上述した有機ＥＬ素子には限られず、マイクロＬＥＤ等の他の光源素子も使用できる。

・マイクロレンズの平面視形状は、上記実施形態で示した円形には限られない。例えば、エッチバック等の処理により、隣接するマイクロレンズがサブ画素の全体にわたって設けられた結果、サブ画素と同様の矩形等の平面視形状となってもよい。

１０ 素子基板
１１ 有機ＥＬ素子（光源）
２０ 保護層
３０ カラーフィルタ
３０Ｒ 赤フィルタ（色フィルタ）
３０Ｇ 緑フィルタ（色フィルタ）
３０Ｂ 青フィルタ（色フィルタ）
４１ マイクロレンズ
５０ 平坦化層
６０ 接着層
７０ 透光性基板

Claims (6)

1. 複数の光源が配置された素子基板と、
   前記素子基板上に設けられ、前記光源を覆う保護層と、
   前記保護層上に設けられ、前記光源に対応して配置された複数の色フィルタを有するカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に設けられ、前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するレンズアレイと、
   前記レンズアレイ上に設けられて前記マイクロレンズを覆っており、前記マイクロレンズよりも低い屈折率を有する平坦化層と、
   を備え、
   前記マイクロレンズの屈折率ｎ_ｍ、前記平坦化層の屈折率ｎ_ｔ、および前記マイクロレンズのレンズ面の曲率半径ｒと高さＨとの比であるｒ／Ｈが下記式１を満たす、
   表示装置。
   ０．３＜（ｎ_ｍ－ｎ_ｔ）-０．１（ｒ／Ｈ）^２＋０．２（ｒ／Ｈ）＜０．６…（１）
2. 前記ｒ／Ｈが１以上２未満であり、
   前記ｎ_ｍと前記ｎ_ｔとの差が０．２以上０．５以下である、
   請求項１に記載の表示装置。
3. 前記ｒ／Ｈが２以上３未満であり、
   前記ｎ_ｍと前記ｎ_ｔとの差が０．３以上０．６以下である、
   請求項１に記載の表示装置。
4. 前記ｒ／Ｈが３以上であり、
   前記ｎ_ｍと前記ｎ_ｔとの差が０．６以上０．８以下である、
   請求項１に記載の表示装置。
5. 複数の光源が配置された素子基板と、
   前記素子基板上に設けられ、前記光源を覆う保護層と、
   前記保護層上に設けられ、前記光源に対応して配置された複数の色フィルタを有するカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に設けられ、前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するレンズアレイと、
   前記レンズアレイ上に設けられて前記マイクロレンズを覆っており、前記マイクロレンズよりも低い屈折率を有する平坦化層と、
   を備え、
   前記マイクロレンズのレンズ面の曲率半径ｒと高さＨとの比であるｒ／Ｈが３以上であり、
   前記マイクロレンズの屈折率ｎ_ｍと前記平坦化層の屈折率ｎ_ｔとの差が０．３以上である、
   表示装置。
6. 前記光源が、有機ＥＬ素子またはマイクロＬＥＤである、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の表示装置。

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