JP4403596B2 - 光学的素子及び光学的素子用の基体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的素子、例えば、発光部の光を基板から外部へ取出す平面型ディスプレイであって、特に、有機薄膜を電界発光層に用いる有機電界発光ディスプレイに好適な光学的素子及び光学的素子用の基体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア指向の商品を初めとして、人間と機械とのインターフェースの重要性が高まってきている。人間がより快適に効率良く機械操作するためには、操作される機械からの情報を誤りなく、簡潔に、瞬時に、充分な量で取り出す必要があり、そのために、ディスプレイを初めとする様々な表示素子について研究が行われている。
【０００３】
また、機械の小型化に伴い、表示素子の小型化、薄型に対する要求も日々、高まっているのが現状である。
【０００４】
例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、ノート型ワードプロセッサなどの、表示素子一体型であるラップトップ型情報処理機器の小型化には目を見張る進歩があり、それに伴い、その表示素子である液晶ディスプレイに関しての技術革新も素晴らしいものがある。
【０００５】
今日、液晶ディスプレイは、様々な製品のインターフェースとして用いられており、ラップトップ型情報処理機器はもちろんのこと、小型テレビや時計、電卓を初めとして、我々の日常使用する製品に多く用いられている。
【０００６】
これらの液晶ディスプレイは液晶が低電圧駆動、低消費電力であるという特徴を生かし、小型から大容量表示デバイスに至るまで、人間と機械のインターフェースとして、表示素子の中心として研究されてきた。
【０００７】
しかし、この液晶ディスプレイは自発光性がないため、バックライトを必要とし、このバックライト駆動に、液晶を駆動するよりも大きな電力を必要とするため、結果的に内蔵蓄電池等では使用時間が短くなり、使用上の制限がある。
【０００８】
さらに、液晶ディスプレイは視野角が狭いため、大型ディスプレイ等の大型表示素子には適していなく、また、液晶分子の配向状態による表示方法なので、視野角の中においても、角度によりコントラストが変化してしまうのも大きな問題である。
【０００９】
また、駆動方式から考えれば、駆動方式の一つであるアクティブマトリクス方式は、動画を扱うに十分な応答速度を示すが、ＴＦＴ駆動回路を用いるため、画素欠陥により画面サイズの大型化が困難である。ＴＦＴ駆動回路を用いることは、コストダウンの点から考えても好ましくない。
【００１０】
別の駆動方式である、単純マトリクス方式は低コストである上に画面サイズの大型化が比較的容易であるが、動画を扱うに十分な応答速度を有していないという問題がある。
【００１１】
これに対し、自発光性表示素子は、プラズマ表示素子、無機電界発光素子、有機電界発光素子等が研究されている。
【００１２】
プラズマ表示素子は低圧ガス中でのプラズマ発光を表示に用いるので、大型化、大容量化には適しているが、薄型化、コストの面での問題を抱えている。また、駆動に高電圧の交流バイアスを必要とし、携帯用デバイスには適していない。
【００１３】
無機電界発光素子は、緑色発光ディスプレイ等が商品化されたが、プラズマ表示素子と同様に、交流バイアス駆動であり、駆動には数百Ｖ必要であり、またフルカラー化は困難であると思われる。
【００１４】
一方、有機化合物による電界発光現象は、1960年代前半に、強く螢光を発生するアントラセン単結晶へのキャリア注入による発光現象が発見されて以来、長い期間、研究されてきたが、低輝度、単色で、しかも単結晶であったため、有機材料へのキャリア注入という基礎的研究として行われていた。
【００１５】
しかし、1987年にEastman Kodak 社のTangらが低電圧駆動、高輝度発光が可能なアモルファス発光層を有する積層構造の有機薄膜電界発光素子を発表して以来、各方面で、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色の発光、安定性、輝度上昇、積層構造、作製方法等の研究開発が盛んに行われている。
【００１６】
さらに、有機材料の特徴であるが、分子設計等により様々な新規材料が発明され、直流低電圧駆動、薄型、自発光性等の優れた特徴を有する、有機電界発光表示素子のカラーディスプレイへの応用研究も盛んに行われ始めている。
【００１７】
有機電界発光素子（以下、有機ＥＬ素子と称することがある。）は、電流を注入することにより電気エネルギーを光エネルギーに変換して面状に発光するなど、自発光型の表示デバイスとして理想的な特徴を有している。
【００１８】
図13は、従来の有機ＥＬ素子10の一例を示す。この有機ＥＬ素子10は、透明基板（例えばガラス基板）６上に、ＩＴＯ（Indium tin oxide）透明電極５、ホール輸送層４、発光層３、電子輸送層２、陰極（例えばアルミニウム電極）１を例えば真空蒸着法で順次製膜したものである。
【００１９】
そして、陽極である透明電極５と陰極１との間に直流電圧７を選択的に印加することによって、透明電極５から注入されたキャリアとしてのホールがホール輸送層４を経て、また陰極１から注入された電子が電子輸送層２を経て、それぞれ発光層３に到達して電子−ホールの再結合が生じ、ここから所定波長の発光８が生じ、透明基板６の側から観察できる。
【００２０】
発光層３には、例えば発光物質であるアントラセン、ナフタリン、フェナントレン、ピレン、クリセン、ペリレン、ブタジエン、クマリン、アクリジン、スチルベン等を併用してよい。こうした螢光物質等との混合物は、電子輸送層２に含有させることができる。
【００２１】
図14は、別の従来例を示すものであり、この例においては、発光層３を省略し、電子輸送層２に上記の螢光物質との混合物を含有させ、電子輸送層２とホール輸送層４との界面から所定波長の発光８が生じるように構成した有機ＥＬ素子10Ａを示すものである。
【００２２】
図15は、上記の有機ＥＬ素子の具体例を示す。即ち、各有機層（ホール輸送層４、発光層３又は電子輸送層２）の積層体を陰極１と陽極５との間に配するが、これらの電極をマトリクス状に交差させてストライプ状に設け、輝度信号回路11、シフトレジスタ内蔵の制御回路12によって時系列に信号電圧を印加し、多数の交差位置（画素）にてそれぞれ発光させるように構成している。
【００２３】
従って、このような構成により、ディスプレイとして勿論、画像再生装置としても使用可能となる。なお、上記のストライプパターンを赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色毎に配し、フルカラー又はマルチカラー用として構成することができる。
【００２４】
こうした有機ＥＬ素子を用いた、複数の画素からなる表示デバイスにおいて、発光する有機薄膜層２、３、４は一般に、透明電極５と金属電極１との間に挟まれており、透明電極５側に発光するが、このような従来の有機ＥＬ素子も、改善の余地は多い。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光素子のカラーディスプレイへの応用に際しては、高効率の安定した発光は必要不可欠な条件であるが、最適構造の発光素子においても、外部への光取り出し効率は約２０％程度であり、発光した光のほとんどは、基体界面での全反射により、基体の側面に散逸、散乱してしまう。従って、発光輝度を得るための高電圧駆動を引き起こし、ひいては素子の劣化に繋がる要因の一つになっていることが多い。
【００２６】
このことは、有機材料の研究開発の結果、発光効率の良い材料を組み合わせて発光素子を構成することができても、外部への光の取り出し効率を改善しない限り、素子のストレスが大きくなり、素子の長寿命化の阻害要因は解消されない。
【００２７】
そこで本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電界発光素子における発光の如き発光部の光が素子の基体を透過して高効率で外部へ取出せると共に、低電圧駆動や低光量下でも高輝度が得られる高寿命な光学的素子及び光学的素子用の基体を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、光透過性の基体上に、互いに分離された複数の画素を形成する素子構成層が設けられている光学的素子であって、前記基体のうち、前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが、前記基体の厚み方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、前記光ファイバーによって、前記基体が面内方向には周期的な屈折率分布を有すると共に厚み方向には所定の屈折率の連続層を有しており）、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下である、光学的素子（以下、本発明の光学的素子と称する。）に係るものである。
【００２９】
本発明の光学的素子によれば、基体の画素に相当する領域（画素領域）のみが、基体の厚み方向に添って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、光ファイバーによって、基体の面内方向には周期的な屈折率分布を、基体の厚み方向には所定の屈折率の連続層を有し）、かつ素子構成層側の表面粗度が３００ｎｍ以下に形成されているので、次のような顕著な効果が得られる。基体として光ファイバー集合体の如き導光体を用いる場合で説明すると、まず、基体の厚み方向では、各光ファイバーにおいて発光部からの光が全反射の条件である臨界角以内で入射した後はファイバー内に閉じ込めながら効率良く導波され、上記連続層内を透過することができる。しかも、基体の面内方向には、上記連続層が一定間隔で配列されて上記の周期的な屈折率分布を形成し、かつその表面粗度が３００ｎｍ以下の平坦さに仕上げられているので、入射光は界面での乱反射や散乱が少ない状態で基体の画素領域で十分かつ一様な光量で光ファイバー集合体を通して透過し、出射することができる。その結果、入射光は基体の側面へ抜ける量が激減し、入射光は十分な透過量又は強度で透過光として取出せる効率が増大し、低駆動電圧や低光量下においても高輝度を得ることができる。
【００３０】
また、本発明は、互いに分離された複数の画素を形成する光学的素子構成層が設けられる光透過性の基体であって、前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが、厚み方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、前記光ファイバーによって、基体面内方向には周期的な屈折率分布を有すると共に基体厚み方向には所定の屈折率の連続層を有しており）、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下である、光学的素子用の基体（以下、本発明の基体と称する。）に係るものである。
【００３１】
本発明の基体によれば、上記した光学的素子と同等の効果が奏せられる光学的素子用の基体を提供することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３３】
本実施の形態による光学的素子及び基体を理解する上で、図１に、基体２１が図２に示すような光ファイバー１５の集合体からなり、この集合体の各光ファイバー１５がこの基体２１の厚みｔ方向に沿った状態で配列されている場合を示す。この光ファイバー１５はこの上に形成される画素領域に存在するものが有効に作用するため、少なくとも画素領域に存在していればよいが、本実施の形態では、図４に示すように、例えばガラス製基体のこの画素領域１７にのみ光ファイバー１５を設ける。いずれの場合も各ファイバー間では、屈折率の大きいコアと屈折率の小さいクラッドとの繰返しにより面内方向での屈折率分布が周期的となっている。
【００３４】
このように、面内方向で周期的な屈折率分布を示すように光ファイバー１５で又は光ファイバー１５を用いて基体２１又は２０Ａを構成し、かつ、基体の表面粗度を３００ｎｍ以下と極めて小さくすることにより、例えば図３に示すように、この上に形成される画素ＰＸから発する光は、界面で乱反射して散逸する光量が著しく減少するから、この光ファイバーに入射した入射光は透過光Ｌとして基体２１から効率良く取出すことができる。
【００３５】
即ち、図２は光ファイバー１５内を全反射して透過する光を示すが、臨界角以内からコア３１に入射した光Ｌは、屈折率の小さいクラッド３０との界面で反射し、屈折率の大きいコア３１内を全反射しながら透過する。
【００３６】
また、本実施の形態における基体は、面内方向に周期的な屈折率分布を持つが、光ファイバー１５の種類や規格による屈折率の大きさや周期及びパターンによって限定されるものではない。
【００３７】
更に、板厚方向に所定の屈折率の連続層を持つが、屈折率の大きさや、パターンによって限定されるものではない。例えば、板厚方向において、入射面積が小さく、出射面積が大きいような円錐台型又は角錐台型のパターンでも構わない。このようなパターンを用いれば、小さい発光面積を拡大して表示することも可能である。
【００３８】
例えば、図５に示すように、基体２０Ｂの画素領域１７に、図６（ａ）に示すような円錐台型の光ファイバー１８又は図６（ｂ）に示すような四角錐台型の光ファイバー１９をそれぞれ単数設けてもよく、または図７に示すような細長い円錐台状の光ファイバー２９を複数設けてもよい。なお、このような光ファイバーの配置を上下逆とし、出射領域を縮小して分散させてもよい。
【００３９】
そして、この光ファイバーが石英ガラスファイバー又はポリマーファイバーで形成され、接着剤（例えば紫外線硬化樹脂）でファイバー同士を接着後に、光ファイバーの集合体をファイバー長方向と交差する方向に切断してこの基体が図１又は図４の如く形成されていることが望ましい。
【００４０】
一般的に面内方向に周期的な屈折率分布を持ち、かつ板厚方向に連続的な屈折率を持つ基体の代表的な例としては、石英ガラスファイバーやポリマーファイバーの集合体を薄く切断したものが挙げられるが、光ファイバーを構成する材質はファイバー中心部（コア）とファイバー外周部（フラッド又はその外周部）で異なるので、切断後に表面の研磨を行っても２μｍ程度の表面粗度が生じてしまう。
【００４１】
従って、切断後にこの基体の面内全体が図３に符号１６として示すように、有機材料又は無機材料で覆われ、基体の表面粗度が３００ｎｍ以下、好ましくは数ｎｍに仕上げられていることが高効率で透過光を取出すために望ましい。
【００４２】
この場合、切断後、入念にかつ慎重に表面の研磨を行えば、５００ｎｍ程度の凸凹に抑えることは可能であるが、この後の工程で基体上に形成される透明電極の一般的な厚さが１００〜３００ｎｍであることを考えれば、基体に存在する凸凹はキャンセルできるだけの大きさではないことがあり、結果的に透明電極の表面粗度が大きくなってしまう。
【００４３】
そして、透明電極の表面粗度が大きいと、有機ＥＬデバイス作製時における初期のダークスポットの発生が多くなり、また、ショート等の原因になり、安定で長寿命なデバイスを得ることは困難となる。
【００４４】
従って、切断後に表面研磨され、この研磨面上を覆う前記有機材料又は無機材料が更に表面研磨されて３００ｎｍ以下の表面粗度となるように仕上げることが望ましい。
【００４５】
そして、光ファイバー同士の接着用としての有機材料としては、光学的レンズ接着用紫外線硬化樹脂が用いられ、無機材料としては、フリットガラスが用いられていることが好適に表面研磨するためにも望ましい。
【００４６】
本実施の形態における基体は、表面粗度を改善するために、基体の面内全体を有機材料又は無機材料で覆うものであるが、用いる有機材料や無機材料によって限定されるものではない。しかし、好ましくは表面性が良く表面粗度が小さくなるような材質である方がよい。
【００４７】
また、上記した表面研磨は、基体の面内全体を有機材料又は無機材料で覆った後に行っても良い。更に、基体の面内全体を有機材料又は無機材料で覆った後に、例えばガラスのような表面性の良い材質の基体を接着してもよい。
【００４８】
上記した本実施の形態の基体は、この基体上に発光領域を含む有機物質の積層体が形成されるのに好適であり、これにより既述した図１３の如く、基体６上に、光学的に透明な電極５、有機正孔輸送層４、有機発光層３及び／又は有機電子輸送層２、及び金属電極１が順次積層された、良好な有機電解発光素子として構成することができる。
【００４９】
また、例えば、図８に示すように、基体２１上に、ＩＴＯアノード電極２２、正孔注入層２３、正孔輸送層２４、発光層２５、電子輸送層２６、カソード電極２７を形成するのがよい。
【００５０】
しかし、有機電界発光素として構成する場合、この構成材料に限定はない。例えば、正孔輸送層２４であるならばベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、ヒドラゾン誘導体等の正孔輸送材料を用いてもよい。
【００５１】
また、ＩＴＯアノード電極２２、正孔注入層２３、正孔輸送層２４、発光層２５、電子輸送層２６、カソード電極２７は、それぞれが複数層からなる積層構造であってもよい。
【００５２】
更に、発光層２５の発光スペクトルの制御のために微量分子の共蒸着を行ってもよく、例えば、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、ビラン系色素等の有機物質を微量含む有機薄膜であってもよい。
【００５３】
また、カソード電極２７の材料については、効率良く電子を注入するために、電極材料の真空準位からの仕事関数の小さい金属を用いるのが好ましく、例えば、ｌｎ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｌｉ等の低仕事関数金属を単体で、または他の金属との合金を用いて安定性を高めてもよい。
【００５４】
本実施の形態においては、アノード電極側から発光を取り出すため、アノード電極２２には透明電極であるＩＴＯを用いたが、効率良く正孔を注入するために、アノード電極材料も真空準位からの仕事関数が大きいもの、例えばＡｕ、ＳｎＯ2 ＋Ｓｂ、ＺｎＯ＋Ａｌ等の電極を用いてもよい。
【００５５】
更に、素子の安定性を高めるために、図８に仮想線で示すようにゲルマニウム酸化物等で保護層を形成して封止行い、大気中の酸素等の影響を排してもよく、勿論、真空に引いた状態で素子を駆動してもよい。
【００５６】
また、基体はその大きさによって限定されるものではなく、例えば２インチ程度の大きさの基板の端面をフリットガラス等を用いて貼り合わせ、大きなサイズの基体として用いることも可能である。
【００５８】
なお、使用する材料及び表面粗度の異なる組合わせにより、以下に示す例１〜８を作製して、輝度及び発光効率を比較した。
【００５９】
＜例１＞
この例では、石英ガラスファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝１．０ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上にフリットガラスを全面にコーティングして更に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均３０ｎｍ程度になるようにした。
【００６０】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次にこのＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として、図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００６１】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ（リチウム・フッ素合金）及びＡｌを積層し、シングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００６２】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで２００００ｃｄ／ｍ2 であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2 で２．２ｌｍ／Ｗであった。
【００６３】
＜例２＞
この例では、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝１．０ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上にフリットガラスを全面にコーティングして更に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均３０ｎｍ程度になるようにした。
【００６４】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次にこのＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として、図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００６５】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ、Ａｌを積層し、シングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００６６】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで２１０００ｃｄ／ｍ2 であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2 で２．３ｌｍ／Ｗであった。
【００６７】
＜例３＞
この例では、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝０．５ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上に光学レンズ接着用紫外線硬化樹脂を全面にコーティングし、その上に板厚０．５ｍｍの液晶用ガラスを全面に接着し紫外線硬化した。その後に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均２０ｎｍ程度になるようにした。
【００６８】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次にこのＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として、図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００６９】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ、Ａｌを積層しシングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００７０】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで２４０００ｃｄ／ｍ2 であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2 で２．５ｌｍ／Ｗであった。
【００７１】
＜例４＞
この例では、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝０．５ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上に光学レンズ接着用紫外線硬化樹脂を全面にコーティングし、その上に板厚０．５ｍｍの液晶用ガラスを全面に接着した。その後に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均２０ｎｍ程度になるようにした。
【００７２】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、この上に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2 Ｓ4 ：Ｃｅからなる無機ＥＬ素子を作製した。
【００７３】
こうして作製した無機ＥＬ素子を６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は１５ｃｄ／ｍ2 であった。
【００７４】
＜例５＞
この例では、上記した例１で用いたファイバーからなる基板の代わりに、板厚１．０ｍｍの２インチ液晶用ガラス基板を用いて有機ＥＬ素子を作製した。まず、基板表面の研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均３０ｎｍ程度になるようにした。
【００７５】
そして、この基板上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、上記例１と同様にこのＩＴＯ基板に、ＳｉＯ2蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次に、このＩＴＯ基板上に正孔注入層２３の材料として図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine）を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００７６】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。その後、カソードとしてＬｉＦ、Ａｌを積層しシングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００７７】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで１６５００ｃｄ／ｍ2であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2で２．０ｌｍ／Ｗであった。これを例１と比較すると、低輝度領域、即ち低電圧駆動領域での輝度及び輝度上昇が低く、例１の方が効率良く外部に光を放出していることは明らかである（これについては、後で詳しく説明する）。
【００７８】
＜例６＞
この例では、上記した例２の如く、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝１．０ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これの表面研磨を行い、フリットガラス等によるコーティングなしに表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均４００ｎｍ程度になるようにした。
【００７９】
そして、この基板上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次に、このＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００８０】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ、Ａｌを積層しシングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００８１】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、発光面全体にダークスポットが存在し、実用に耐えるデバイスではなかった。この原因は、ポリマーファイバー集合体からなる基板の切断面の表面粗度が大きいために、この基板上に作製したＩＴＯ透明電極表面の粗度が大きかったことによるものと考えられる。接触式段差測定装置を用いて、最表面の表面粗度の測定を行ったところ、平均２００ｎｍ程度の段差が存在していた。
【００８２】
＜例７＞
この例では、例５と同様に板厚１．１ｍｍの液晶用ガラス基板を用い、この基板の表面の研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均２０ｎｍ程度になるようにした。
【００８３】
そして、この基板上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2Ｓ4：Ｃｅからなる上記した例４同様の無機ＥＬ素子を作製した。
【００８４】
こうして作製した無機ＥＬ素子を６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は８ｃｄ／ｍ2であった。しかし、例４と比較すると、輝度が低く、例４の方が効率良く外部に光を放出していることは明らかである。
【００８５】
図１２は、上記の如く作製した例１と、例５の有機ＥＬで得られた輝度及び発光効率を示すデータのグラフである。
【００８６】
図示の如く、ファイバーの集合体を基板として用いた例１は、ガラスを基板として用いた例５よりも、特に低電圧駆動領域における輝度が向上している。これは、光ファイバーを基板に用いる方が、素子の発光領域での発光を効率良く取出すことができることの証明である。
＜例８＞
図４は、本発明に基づく例を示すものであって、ガラス基板２０Ａの画素（形成）領域１７の部分を方形（又は円形等）とし、上記した例と同様のファイバー１５の群を画素領域１７のみに設置している。
【００８７】
以上に説明したように、光ファイバーの長さ方向と交差する方向にファイバーの集合体を切断して有機ＥＬ素子の基板を作製し、基板の面内方向には光ファイバーを一定間隔で配列し、素子形成側の基板面を３００ｎｍ以下の平坦さに仕上げると、素子内部からの発光が基板界面で乱反射することなく、基板に入射し、基板を構成する光ファイバーの屈折率で効率良く導波されながら基板を透過する。従って、それぞれの画素から基板を透過して外部へ取出せる光の取出し効率が従来のガラス基板に比べて著しく改善され、低電圧でも良好な輝度が得られ、ガラス基板に比べて輝度を数倍以上に改善することが可能である。
【００８８】
上記した例は本発明の技術的思想に基づいて種々変形が可能である。
【００８９】
例えば、光ファイバーの集合体のパターン、形状及び構造、配列状態、材質など、更にはその集合体で形成される基板のサイズは上述の例以外の適宜のサイズに作製することができ、コーティングの材料もフリットガラスや光学レンズ接着用紫外線硬化樹脂以外でも同等の性能を有するものであれば任意に使用することができる。
【００９１】
また、図５及び図６に示すように、画素（形成）領域１７においてガラス基板２０Ｂに円錐台型のファイバー１８又は四角錐台型のファイバー１９を設置してもよく、またこの部分に、図７に示すように円錐台状のファイバー１９を複数設置することもできる。
【００９２】
また、上記した例に使用した基板は、ＥＬ素子用としてのみでなく、ＬＣＤ（液晶表示装置）用などの他の光学的素子の基板にも適用することが可能である。
【００９３】
【発明の作用効果】
上述した如く、本発明は、光透過性の基体上に素子構成層が設けられ、基体の画素に相当する領域（画素領域）のみが、基体の厚み方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、光ファイバーによって、基体の面内方向には周期的な屈折率分布を、基体の厚み方向には所定の屈折率の連続層を有し）、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下であるので、次のような顕著な効果が得られる。基体の厚み方向では、各光ファイバーにおいて発光部からの光が全反射の条件である臨界角以内で入射した後はファイバー内に閉じ込めながら効率良く導波され、上記連続層内を透過することができる。しかも、基体の面内方向には、上記連続層が一定間隔で配列されて上記の周期的な屈折率分布を形成し、かつその表面粗度が３００ｎｍ以下の平坦さに仕上げられているので、入射光は界面での乱反射や散乱が少ない状態で基体の画素領域で十分かつ一様な光量で光ファイバー集合体を通して透過し、出射することができる。その結果、入射光は基体の側面へ抜ける量が激減し、入射光は十分な透過量又は強度で透過光として取出せる効率が増大し、低駆動電圧や低光量下においても高輝度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を説明するための有機ＥＬ素子用基板を示す概略斜視図である。
【図２】同、基板を構成するファイバーの拡大斜視図である。
【図３】同、有機ＥＬ素子の画素近傍の拡大断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態による有機ＥＬ素子用基板を示す概略斜視図である。
【図５】同、基板の他の変形例を示す概略斜視図である。
【図６】同、ファイバーの変形例を示し、（ａ）は円錐台型、（ｂ）は四角錐台型の斜視図である。
【図７】同、ファイバーの他の変形例を示す斜視図である。
【図８】 同、有機ＥＬ素子を示す概略断面図である。
【図９】 有機ＥＬ素子に使用したｍ−ＭＴＤＡＴＡの構造式である。
【図１０】 有機ＥＬ素子に使用したα−ＮＰＤの構造式である。
【図１１】 有機ＥＬ素子に使用したＡｌｑ3 の構造式である。
【図１２】 有機ＥＬ素子の特性を比較して示したグラフである。
【図１３】従来例による有機ＥＬ素子の一例を示す概略断面図である。
【図１４】同、他の有機ＥＬ素子の他の例を示す概略断面図である。
【図１５】同、有機ＥＬ素子の具体例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１５、１８、１９、２９…光ファイバー、１６…接着剤、
１７…画素（形成）領域、２０…ガラス基板、２１…基板、
２２…ＩＴＯ透明電極、２３…正孔注入層、２４…正孔輸送層、
２５…発光層、２６…電子輸送層、２７…金属電極（カソード）、
３０…クラッド、３１…コア、３２…有機ＥＬ素子、Ｌ…光、ｌ…長さ、
ｔ…厚さ、ｗ…幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的素子、例えば、発光部の光を基板から外部へ取出す平面型ディスプレイであって、特に、有機薄膜を電界発光層に用いる有機電界発光ディスプレイに好適な光学的素子及び光学的素子用の基体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア指向の商品を初めとして、人間と機械とのインターフェースの重要性が高まってきている。人間がより快適に効率良く機械操作するためには、操作される機械からの情報を誤りなく、簡潔に、瞬時に、充分な量で取り出す必要があり、そのために、ディスプレイを初めとする様々な表示素子について研究が行われている。
【０００３】
また、機械の小型化に伴い、表示素子の小型化、薄型に対する要求も日々、高まっているのが現状である。
【０００４】
例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、ノート型ワードプロセッサなどの、表示素子一体型であるラップトップ型情報処理機器の小型化には目を見張る進歩があり、それに伴い、その表示素子である液晶ディスプレイに関しての技術革新も素晴らしいものがある。
【０００５】
今日、液晶ディスプレイは、様々な製品のインターフェースとして用いられており、ラップトップ型情報処理機器はもちろんのこと、小型テレビや時計、電卓を初めとして、我々の日常使用する製品に多く用いられている。
【０００６】
これらの液晶ディスプレイは液晶が低電圧駆動、低消費電力であるという特徴を生かし、小型から大容量表示デバイスに至るまで、人間と機械のインターフェースとして、表示素子の中心として研究されてきた。
【０００７】
しかし、この液晶ディスプレイは自発光性がないため、バックライトを必要とし、このバックライト駆動に、液晶を駆動するよりも大きな電力を必要とするため、結果的に内蔵蓄電池等では使用時間が短くなり、使用上の制限がある。
【０００８】
さらに、液晶ディスプレイは視野角が狭いため、大型ディスプレイ等の大型表示素子には適していなく、また、液晶分子の配向状態による表示方法なので、視野角の中においても、角度によりコントラストが変化してしまうのも大きな問題である。
【０００９】
また、駆動方式から考えれば、駆動方式の一つであるアクティブマトリクス方式は、動画を扱うに十分な応答速度を示すが、ＴＦＴ駆動回路を用いるため、画素欠陥により画面サイズの大型化が困難である。ＴＦＴ駆動回路を用いることは、コストダウンの点から考えても好ましくない。
【００１０】
別の駆動方式である、単純マトリクス方式は低コストである上に画面サイズの大型化が比較的容易であるが、動画を扱うに十分な応答速度を有していないという問題がある。
【００１１】
これに対し、自発光性表示素子は、プラズマ表示素子、無機電界発光素子、有機電界発光素子等が研究されている。
【００１２】
プラズマ表示素子は低圧ガス中でのプラズマ発光を表示に用いるので、大型化、大容量化には適しているが、薄型化、コストの面での問題を抱えている。また、駆動に高電圧の交流バイアスを必要とし、携帯用デバイスには適していない。
【００１３】
無機電界発光素子は、緑色発光ディスプレイ等が商品化されたが、プラズマ表示素子と同様に、交流バイアス駆動であり、駆動には数百Ｖ必要であり、またフルカラー化は困難であると思われる。
【００１４】
一方、有機化合物による電界発光現象は、1960年代前半に、強く螢光を発生するアントラセン単結晶へのキャリア注入による発光現象が発見されて以来、長い期間、研究されてきたが、低輝度、単色で、しかも単結晶であったため、有機材料へのキャリア注入という基礎的研究として行われていた。
【００１５】
しかし、1987年にEastman Kodak 社のTangらが低電圧駆動、高輝度発光が可能なアモルファス発光層を有する積層構造の有機薄膜電界発光素子を発表して以来、各方面で、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色の発光、安定性、輝度上昇、積層構造、作製方法等の研究開発が盛んに行われている。
【００１６】
さらに、有機材料の特徴であるが、分子設計等により様々な新規材料が発明され、直流低電圧駆動、薄型、自発光性等の優れた特徴を有する、有機電界発光表示素子のカラーディスプレイへの応用研究も盛んに行われ始めている。
【００１７】
有機電界発光素子（以下、有機ＥＬ素子と称することがある。）は、電流を注入することにより電気エネルギーを光エネルギーに変換して面状に発光するなど、自発光型の表示デバイスとして理想的な特徴を有している。
【００１８】
図13は、従来の有機ＥＬ素子10の一例を示す。この有機ＥＬ素子10は、透明基板（例えばガラス基板）６上に、ＩＴＯ（Indium tin oxide）透明電極５、ホール輸送層４、発光層３、電子輸送層２、陰極（例えばアルミニウム電極）１を例えば真空蒸着法で順次製膜したものである。
【００１９】
そして、陽極である透明電極５と陰極１との間に直流電圧７を選択的に印加することによって、透明電極５から注入されたキャリアとしてのホールがホール輸送層４を経て、また陰極１から注入された電子が電子輸送層２を経て、それぞれ発光層３に到達して電子−ホールの再結合が生じ、ここから所定波長の発光８が生じ、透明基板６の側から観察できる。
【００２０】
発光層３には、例えば発光物質であるアントラセン、ナフタリン、フェナントレン、ピレン、クリセン、ペリレン、ブタジエン、クマリン、アクリジン、スチルベン等を併用してよい。こうした螢光物質等との混合物は、電子輸送層２に含有させることができる。
【００２１】
図14は、別の従来例を示すものであり、この例においては、発光層３を省略し、電子輸送層２に上記の螢光物質との混合物を含有させ、電子輸送層２とホール輸送層４との界面から所定波長の発光８が生じるように構成した有機ＥＬ素子10Ａを示すものである。
【００２２】
図15は、上記の有機ＥＬ素子の具体例を示す。即ち、各有機層（ホール輸送層４、発光層３又は電子輸送層２）の積層体を陰極１と陽極５との間に配するが、これらの電極をマトリクス状に交差させてストライプ状に設け、輝度信号回路11、シフトレジスタ内蔵の制御回路12によって時系列に信号電圧を印加し、多数の交差位置（画素）にてそれぞれ発光させるように構成している。
【００２３】
従って、このような構成により、ディスプレイとして勿論、画像再生装置としても使用可能となる。なお、上記のストライプパターンを赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色毎に配し、フルカラー又はマルチカラー用として構成することができる。
【００２４】
こうした有機ＥＬ素子を用いた、複数の画素からなる表示デバイスにおいて、発光する有機薄膜層２、３、４は一般に、透明電極５と金属電極１との間に挟まれており、透明電極５側に発光するが、このような従来の有機ＥＬ素子も、改善の余地は多い。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光素子のカラーディスプレイへの応用に際しては、高効率の安定した発光は必要不可欠な条件であるが、最適構造の発光素子においても、外部への光取り出し効率は約２０％程度であり、発光した光のほとんどは、基体界面での全反射により、基体の側面に散逸、散乱してしまう。従って、発光輝度を得るための高電圧駆動を引き起こし、ひいては素子の劣化に繋がる要因の一つになっていることが多い。
【００２６】
このことは、有機材料の研究開発の結果、発光効率の良い材料を組み合わせて発光素子を構成することができても、外部への光の取り出し効率を改善しない限り、素子のストレスが大きくなり、素子の長寿命化の阻害要因は解消されない。
【００２７】
そこで本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電界発光素子における発光の如き発光部の光が素子の基体を透過して高効率で外部へ取出せると共に、低電圧駆動や低光量下でも高輝度が得られる高寿命な光学的素子及び光学的素子用の基体を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、光透過性の基体上に、互いに分離された複数の画素を形成する素子構成層が設けられている光学的素子であって、前記基体のうち、前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが、前記基体の厚み方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、前記光ファイバーによって、前記基体が面内方向には周期的な屈折率分布を有すると共に厚み方向には所定の屈折率の連続層を有しており）、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下である、光学的素子（以下、本発明の光学的素子と称する。）に係るものである。
【００２９】
本発明の光学的素子によれば、基体の画素に相当する領域（画素領域）のみが、基体の厚み方向に添って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、光ファイバーによって、基体の面内方向には周期的な屈折率分布を、基体の厚み方向には所定の屈折率の連続層を有し）、かつ素子構成層側の表面粗度が３００ｎｍ以下に形成されているので、次のような顕著な効果が得られる。基体として光ファイバー集合体の如き導光体を用いる場合で説明すると、まず、基体の厚み方向では、各光ファイバーにおいて発光部からの光が全反射の条件である臨界角以内で入射した後はファイバー内に閉じ込めながら効率良く導波され、上記連続層内を透過することができる。しかも、基体の面内方向には、上記連続層が一定間隔で配列されて上記の周期的な屈折率分布を形成し、かつその表面粗度が３００ｎｍ以下の平坦さに仕上げられているので、入射光は界面での乱反射や散乱が少ない状態で基体の画素領域で十分かつ一様な光量で光ファイバー集合体を通して透過し、出射することができる。その結果、入射光は基体の側面へ抜ける量が激減し、入射光は十分な透過量又は強度で透過光として取出せる効率が増大し、低駆動電圧や低光量下においても高輝度を得ることができる。
【００３０】
また、本発明は、互いに分離された複数の画素を形成する光学的素子構成層が設けられる光透過性の基体であって、前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが、厚み方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、前記光ファイバーによって、基体面内方向には周期的な屈折率分布を有すると共に基体厚み方向には所定の屈折率の連続層を有しており）、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下である、光学的素子用の基体（以下、本発明の基体と称する。）に係るものである。
【００３１】
本発明の基体によれば、上記した光学的素子と同等の効果が奏せられる光学的素子用の基体を提供することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３３】
本実施の形態による光学的素子及び基体を理解する上で、図１に、基体２１が図２に示すような光ファイバー１５の集合体からなり、この集合体の各光ファイバー１５がこの基体２１の厚みｔ方向に沿った状態で配列されている場合を示す。この光ファイバー１５はこの上に形成される画素領域に存在するものが有効に作用するため、少なくとも画素領域に存在していればよいが、本実施の形態では、図４に示すように、例えばガラス製基体のこの画素領域１７にのみ光ファイバー１５を設ける。いずれの場合も各ファイバー間では、屈折率の大きいコアと屈折率の小さいクラッドとの繰返しにより面内方向での屈折率分布が周期的となっている。
【００３４】
このように、面内方向で周期的な屈折率分布を示すように光ファイバー１５で又は光ファイバー１５を用いて基体２１又は２０Ａを構成し、かつ、基体の表面粗度を３００ｎｍ以下と極めて小さくすることにより、例えば図３に示すように、この上に形成される画素ＰＸから発する光は、界面で乱反射して散逸する光量が著しく減少するから、この光ファイバーに入射した入射光は透過光Ｌとして基体２１から効率良く取出すことができる。
【００３５】
即ち、図２は光ファイバー１５内を全反射して透過する光を示すが、臨界角以内からコア３１に入射した光Ｌは、屈折率の小さいクラッド３０との界面で反射し、屈折率の大きいコア３１内を全反射しながら透過する。
【００３６】
また、本実施の形態における基体は、面内方向に周期的な屈折率分布を持つが、光ファイバー１５の種類や規格による屈折率の大きさや周期及びパターンによって限定されるものではない。
【００３７】
更に、板厚方向に所定の屈折率の連続層を持つが、屈折率の大きさや、パターンによって限定されるものではない。例えば、板厚方向において、入射面積が小さく、出射面積が大きいような円錐台型又は角錐台型のパターンでも構わない。このようなパターンを用いれば、小さい発光面積を拡大して表示することも可能である。
【００３８】
例えば、図５に示すように、基体２０Ｂの画素領域１７に、図６（ａ）に示すような円錐台型の光ファイバー１８又は図６（ｂ）に示すような四角錐台型の光ファイバー１９をそれぞれ単数設けてもよく、または図７に示すような細長い円錐台状の光ファイバー２９を複数設けてもよい。なお、このような光ファイバーの配置を上下逆とし、出射領域を縮小して分散させてもよい。
【００３９】
そして、この光ファイバーが石英ガラスファイバー又はポリマーファイバーで形成され、接着剤（例えば紫外線硬化樹脂）でファイバー同士を接着後に、光ファイバーの集合体をファイバー長方向と交差する方向に切断してこの基体が図１又は図４の如く形成されていることが望ましい。
【００４０】
一般的に面内方向に周期的な屈折率分布を持ち、かつ板厚方向に連続的な屈折率を持つ基体の代表的な例としては、石英ガラスファイバーやポリマーファイバーの集合体を薄く切断したものが挙げられるが、光ファイバーを構成する材質はファイバー中心部（コア）とファイバー外周部（フラッド又はその外周部）で異なるので、切断後に表面の研磨を行っても２μｍ程度の表面粗度が生じてしまう。
【００４１】
従って、切断後にこの基体の面内全体が図３に符号１６として示すように、有機材料又は無機材料で覆われ、基体の表面粗度が３００ｎｍ以下、好ましくは数ｎｍに仕上げられていることが高効率で透過光を取出すために望ましい。
【００４２】
この場合、切断後、入念にかつ慎重に表面の研磨を行えば、５００ｎｍ程度の凸凹に抑えることは可能であるが、この後の工程で基体上に形成される透明電極の一般的な厚さが１００〜３００ｎｍであることを考えれば、基体に存在する凸凹はキャンセルできるだけの大きさではないことがあり、結果的に透明電極の表面粗度が大きくなってしまう。
【００４３】
そして、透明電極の表面粗度が大きいと、有機ＥＬデバイス作製時における初期のダークスポットの発生が多くなり、また、ショート等の原因になり、安定で長寿命なデバイスを得ることは困難となる。
【００４４】
従って、切断後に表面研磨され、この研磨面上を覆う前記有機材料又は無機材料が更に表面研磨されて３００ｎｍ以下の表面粗度となるように仕上げることが望ましい。
【００４５】
そして、光ファイバー同士の接着用としての有機材料としては、光学的レンズ接着用紫外線硬化樹脂が用いられ、無機材料としては、フリットガラスが用いられていることが好適に表面研磨するためにも望ましい。
【００４６】
本実施の形態における基体は、表面粗度を改善するために、基体の面内全体を有機材料又は無機材料で覆うものであるが、用いる有機材料や無機材料によって限定されるものではない。しかし、好ましくは表面性が良く表面粗度が小さくなるような材質である方がよい。
【００４７】
また、上記した表面研磨は、基体の面内全体を有機材料又は無機材料で覆った後に行っても良い。更に、基体の面内全体を有機材料又は無機材料で覆った後に、例えばガラスのような表面性の良い材質の基体を接着してもよい。
【００４８】
上記した本実施の形態の基体は、この基体上に発光領域を含む有機物質の積層体が形成されるのに好適であり、これにより既述した図１３の如く、基体６上に、光学的に透明な電極５、有機正孔輸送層４、有機発光層３及び／又は有機電子輸送層２、及び金属電極１が順次積層された、良好な有機電解発光素子として構成することができる。
【００４９】
また、例えば、図８に示すように、基体２１上に、ＩＴＯアノード電極２２、正孔注入層２３、正孔輸送層２４、発光層２５、電子輸送層２６、カソード電極２７を形成するのがよい。
【００５０】
しかし、有機電界発光素として構成する場合、この構成材料に限定はない。例えば、正孔輸送層２４であるならばベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、ヒドラゾン誘導体等の正孔輸送材料を用いてもよい。
【００５１】
また、ＩＴＯアノード電極２２、正孔注入層２３、正孔輸送層２４、発光層２５、電子輸送層２６、カソード電極２７は、それぞれが複数層からなる積層構造であってもよい。
【００５２】
更に、発光層２５の発光スペクトルの制御のために微量分子の共蒸着を行ってもよく、例えば、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、ビラン系色素等の有機物質を微量含む有機薄膜であってもよい。
【００５３】
また、カソード電極２７の材料については、効率良く電子を注入するために、電極材料の真空準位からの仕事関数の小さい金属を用いるのが好ましく、例えば、ｌｎ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｌｉ等の低仕事関数金属を単体で、または他の金属との合金を用いて安定性を高めてもよい。
【００５４】
本実施の形態においては、アノード電極側から発光を取り出すため、アノード電極２２には透明電極であるＩＴＯを用いたが、効率良く正孔を注入するために、アノード電極材料も真空準位からの仕事関数が大きいもの、例えばＡｕ、ＳｎＯ2 ＋Ｓｂ、ＺｎＯ＋Ａｌ等の電極を用いてもよい。
【００５５】
更に、素子の安定性を高めるために、図８に仮想線で示すようにゲルマニウム酸化物等で保護層を形成して封止行い、大気中の酸素等の影響を排してもよく、勿論、真空に引いた状態で素子を駆動してもよい。
【００５６】
また、基体はその大きさによって限定されるものではなく、例えば２インチ程度の大きさの基板の端面をフリットガラス等を用いて貼り合わせ、大きなサイズの基体として用いることも可能である。
【００５８】
なお、使用する材料及び表面粗度の異なる組合わせにより、以下に示す例１〜８を作製して、輝度及び発光効率を比較した。
【００５９】
＜例１＞
この例では、石英ガラスファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝１．０ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上にフリットガラスを全面にコーティングして更に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均３０ｎｍ程度になるようにした。
【００６０】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次にこのＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として、図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００６１】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ（リチウム・フッ素合金）及びＡｌを積層し、シングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００６２】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで２００００ｃｄ／ｍ2 であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2 で２．２ｌｍ／Ｗであった。
【００６３】
＜例２＞
この例では、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝１．０ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上にフリットガラスを全面にコーティングして更に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均３０ｎｍ程度になるようにした。
【００６４】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次にこのＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として、図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００６５】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ、Ａｌを積層し、シングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００６６】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで２１０００ｃｄ／ｍ2 であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2 で２．３ｌｍ／Ｗであった。
【００６７】
＜例３＞
この例では、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝０．５ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上に光学レンズ接着用紫外線硬化樹脂を全面にコーティングし、その上に板厚０．５ｍｍの液晶用ガラスを全面に接着し紫外線硬化した。その後に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均２０ｎｍ程度になるようにした。
【００６８】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次にこのＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として、図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００６９】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ、Ａｌを積層しシングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００７０】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで２４０００ｃｄ／ｍ2 であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2 で２．５ｌｍ／Ｗであった。
【００７１】
＜例４＞
この例では、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝０．５ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これを表面研磨した後、この上に光学レンズ接着用紫外線硬化樹脂を全面にコーティングし、その上に板厚０．５ｍｍの液晶用ガラスを全面に接着した。その後に表面研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均２０ｎｍ程度になるようにした。
【００７２】
そして、この基板２１上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、この上に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2 Ｓ4 ：Ｃｅからなる無機ＥＬ素子を作製した。
【００７３】
こうして作製した無機ＥＬ素子を６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は１５ｃｄ／ｍ2 であった。
【００７４】
＜例５＞
この例では、上記した例１で用いたファイバーからなる基板の代わりに、板厚１．０ｍｍの２インチ液晶用ガラス基板を用いて有機ＥＬ素子を作製した。まず、基板表面の研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均３０ｎｍ程度になるようにした。
【００７５】
そして、この基板上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、上記例１と同様にこのＩＴＯ基板に、ＳｉＯ2蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次に、このＩＴＯ基板上に正孔注入層２３の材料として図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine）を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００７６】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。その後、カソードとしてＬｉＦ、Ａｌを積層しシングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００７７】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、最高輝度は９．０Ｖで１６５００ｃｄ／ｍ2であった。また、この緑色発光の有機ＥＬ素子の発光効率は２００ｃｄ／ｍ2で２．０ｌｍ／Ｗであった。これを例１と比較すると、低輝度領域、即ち低電圧駆動領域での輝度及び輝度上昇が低く、例１の方が効率良く外部に光を放出していることは明らかである（これについては、後で詳しく説明する）。
【００７８】
＜例６＞
この例では、上記した例２の如く、ポリマーファイバーの集合体を図１に示すように板厚ｔ＝１．０ｍｍに切断し、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３０ｍｍサイズの基板２１を作製し、これの表面研磨を行い、フリットガラス等によるコーティングなしに表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均４００ｎｍ程度になるようにした。
【００７９】
そして、この基板上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板２１に、ＳｉＯ2 蒸着によりサイズａが２ｍｍ×２ｍｍの発光領域以外をマスクした有機ＥＬ素子作製用のＩＴＯ基板を作製した。次に、このＩＴＯ基板２１上に正孔注入層２３の材料として図９に示す構造式のｍ−ＭＴＤＡＴＡ（4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。
【００８０】
次に、正孔輸送層２４の材料として、図１０に示す構造式のα−ＮＰＤ（4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着し、電子輸送性発光層２６の材料として図１１に示す構造式のＡｌｑ3 （8-hydroxy quinorine alminum)を５０ｎｍ厚みに真空蒸着した。最後に、カソード電極２７としてＬｉＦ、Ａｌを積層しシングルヘテロ型緑色発光の有機ＥＬ素子を作製した。
【００８１】
こうして作製した有機ＥＬ素子を直流電圧駆動したところ、発光面全体にダークスポットが存在し、実用に耐えるデバイスではなかった。この原因は、ポリマーファイバー集合体からなる基板の切断面の表面粗度が大きいために、この基板上に作製したＩＴＯ透明電極表面の粗度が大きかったことによるものと考えられる。接触式段差測定装置を用いて、最表面の表面粗度の測定を行ったところ、平均２００ｎｍ程度の段差が存在していた。
【００８２】
＜例７＞
この例では、例５と同様に板厚１．１ｍｍの液晶用ガラス基板を用い、この基板の表面の研磨を行い、表面粗度が接触式段差測定装置による測定で平均２０ｎｍ程度になるようにした。
【００８３】
そして、この基板上にスパッタリングによりＩＴＯ電極２２（膜厚約１００ｎｍ）を設け、このＩＴＯ基板に、発光中心の蛍光体がＣａＧａ2Ｓ4：Ｃｅからなる上記した例４同様の無機ＥＬ素子を作製した。
【００８４】
こうして作製した無機ＥＬ素子を６０Ｈｚで駆動したところ、最高輝度は８ｃｄ／ｍ2であった。しかし、例４と比較すると、輝度が低く、例４の方が効率良く外部に光を放出していることは明らかである。
【００８５】
図１２は、上記の如く作製した例１と、例５の有機ＥＬで得られた輝度及び発光効率を示すデータのグラフである。
【００８６】
図示の如く、ファイバーの集合体を基板として用いた例１は、ガラスを基板として用いた例５よりも、特に低電圧駆動領域における輝度が向上している。これは、光ファイバーを基板に用いる方が、素子の発光領域での発光を効率良く取出すことができることの証明である。
＜例８＞
図４は、本発明に基づく例を示すものであって、ガラス基板２０Ａの画素（形成）領域１７の部分を方形（又は円形等）とし、上記した例と同様のファイバー１５の群を画素領域１７のみに設置している。
【００８７】
以上に説明したように、光ファイバーの長さ方向と交差する方向にファイバーの集合体を切断して有機ＥＬ素子の基板を作製し、基板の面内方向には光ファイバーを一定間隔で配列し、素子形成側の基板面を３００ｎｍ以下の平坦さに仕上げると、素子内部からの発光が基板界面で乱反射することなく、基板に入射し、基板を構成する光ファイバーの屈折率で効率良く導波されながら基板を透過する。従って、それぞれの画素から基板を透過して外部へ取出せる光の取出し効率が従来のガラス基板に比べて著しく改善され、低電圧でも良好な輝度が得られ、ガラス基板に比べて輝度を数倍以上に改善することが可能である。
【００８８】
上記した例は本発明の技術的思想に基づいて種々変形が可能である。
【００８９】
例えば、光ファイバーの集合体のパターン、形状及び構造、配列状態、材質など、更にはその集合体で形成される基板のサイズは上述の例以外の適宜のサイズに作製することができ、コーティングの材料もフリットガラスや光学レンズ接着用紫外線硬化樹脂以外でも同等の性能を有するものであれば任意に使用することができる。
【００９１】
また、図５及び図６に示すように、画素（形成）領域１７においてガラス基板２０Ｂに円錐台型のファイバー１８又は四角錐台型のファイバー１９を設置してもよく、またこの部分に、図７に示すように円錐台状のファイバー１９を複数設置することもできる。
【００９２】
また、上記した例に使用した基板は、ＥＬ素子用としてのみでなく、ＬＣＤ（液晶表示装置）用などの他の光学的素子の基板にも適用することが可能である。
【００９３】
【発明の作用効果】
上述した如く、本発明は、光透過性の基体上に素子構成層が設けられ、基体の画素に相当する領域（画素領域）のみが、基体の厚み方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり（特に、光ファイバーによって、基体の面内方向には周期的な屈折率分布を、基体の厚み方向には所定の屈折率の連続層を有し）、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下であるので、次のような顕著な効果が得られる。基体の厚み方向では、各光ファイバーにおいて発光部からの光が全反射の条件である臨界角以内で入射した後はファイバー内に閉じ込めながら効率良く導波され、上記連続層内を透過することができる。しかも、基体の面内方向には、上記連続層が一定間隔で配列されて上記の周期的な屈折率分布を形成し、かつその表面粗度が３００ｎｍ以下の平坦さに仕上げられているので、入射光は界面での乱反射や散乱が少ない状態で基体の画素領域で十分かつ一様な光量で光ファイバー集合体を通して透過し、出射することができる。その結果、入射光は基体の側面へ抜ける量が激減し、入射光は十分な透過量又は強度で透過光として取出せる効率が増大し、低駆動電圧や低光量下においても高輝度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を説明するための有機ＥＬ素子用基板を示す概略斜視図である。
【図２】同、基板を構成するファイバーの拡大斜視図である。
【図３】同、有機ＥＬ素子の画素近傍の拡大断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態による有機ＥＬ素子用基板を示す概略斜視図である。
【図５】同、基板の他の変形例を示す概略斜視図である。
【図６】同、ファイバーの変形例を示し、（ａ）は円錐台型、（ｂ）は四角錐台型の斜視図である。
【図７】同、ファイバーの他の変形例を示す斜視図である。
【図８】 同、有機ＥＬ素子を示す概略断面図である。
【図９】 有機ＥＬ素子に使用したｍ−ＭＴＤＡＴＡの構造式である。
【図１０】 有機ＥＬ素子に使用したα−ＮＰＤの構造式である。
【図１１】 有機ＥＬ素子に使用したＡｌｑ3 の構造式である。
【図１２】 有機ＥＬ素子の特性を比較して示したグラフである。
【図１３】従来例による有機ＥＬ素子の一例を示す概略断面図である。
【図１４】同、他の有機ＥＬ素子の他の例を示す概略断面図である。
【図１５】同、有機ＥＬ素子の具体例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１５、１８、１９、２９…光ファイバー、１６…接着剤、
１７…画素（形成）領域、２０…ガラス基板、２１…基板、
２２…ＩＴＯ透明電極、２３…正孔注入層、２４…正孔輸送層、
２５…発光層、２６…電子輸送層、２７…金属電極（カソード）、
３０…クラッド、３１…コア、３２…有機ＥＬ素子、Ｌ…光、ｌ…長さ、
ｔ…厚さ、ｗ…幅
Claims (22)
- 光透過性の基体上に、互いに分離された複数の画素を形成する素子構成層が設けられている光学的素子であって、
前記基体のうち、前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが、前記基体の厚み 方向に沿って配置されてその厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり、かつ前記素 子構成層の側での表面粗度が３００ｎｍ以下である、
光学的素子。 - 前記光ファイバーによって、前記基体が面内方向には周期的な屈折率分布を有すると共に厚み方向には所定の屈折率の連続層を有している、請求項１に記載した光学的素子。
- 前記基体のうち、前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが光ファイバーの集合体からなり、この集合体の各ファイバーが前記基体の厚み方向に沿った状態で配列されている、請求項１又は２に記載した光学的素子。
- 前記光ファイバーの導光断面が、前記基体の厚み方向において順次拡大又は縮小されている、請求項１に記載した光学的素子。
- 前記光ファイバーが石英ガラスファイバー又はポリマーファイバーからなっている、請求項１に記載した光学的素子。
- 前記光ファイバーの集合体が、光ファイバーの集合体をファイバー長方向と交差する方向に切断して形成されている、請求項３に記載した光学的素子。
- 前記基体の面内全体が有機材料又は無機材料で覆われ、前記基体の表面粗度が３００ｎｍ以下に仕上げられている、請求項６に記載した光学的素子。
- 前記切断による切断面が表面研磨され、この研磨面上を覆う前記有機材料又は無機材料が更に表面研磨されている、請求項７に記載した光学的素子。
- 前記有機材料として、光学的レンズ接着用紫外線硬化樹脂が用いられ、前記無機材料として、フリットガラスが用いられている、請求項７に記載した光学的素子。
- 前記基体上に、発光領域を含む有機物質の積層体が形成されている、請求項１に記載した光学的素子。
- 前記基体上に、光学的に透明な電極、有機ホール輸送層、有機発光層及び／又は有機電子輸送層、及び金属電極が順次積層され、有機電界発光素子が構成されている、請求項１０に記載した光学的素子。
- 互いに分離された複数の画素を形成する光学的素子構成層が設けられる光透過性の基体であって、
前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが、厚み方向に沿って配置されてその 厚み方向に光を導びく光ファイバーからなり、かつ前記素子構成層の側での表面粗度が ３００ｎｍ以下である、
光学的素子用の基体。 - 前記光ファイバーによって、基体面内方向には周期的な屈折率分布を有すると共に基体厚み方向には所定の屈折率の連続層を有している、請求項１２に記載した光学的素子用の基体。
- 前記複数の画素のそれぞれに相当する領域のみが光ファイバーの集合体からなり、この集合体の各ファイバーが基体厚み方向に沿った状態で配列されている、請求項１２又は１３に記載した光学的素子用の基体。
- 前記光ファイバーの導光断面が、基体厚み方向において順次拡大又は縮小されている、請求項１２に記載した光学的素子用の基体。
- 前記光ファイバーが石英ガラスファイバー又はポリマーファイバーからなっている、請求項１２に記載した光学的素子用の基体。
- 前記光ファイバーの集合体が、光ファイバーの集合体をファイバー長方向と交差する方向に切断して形成されている、請求項１４に記載した光学的素子用の基体。
- 面内全体が有機材料又は無機材料で覆われ、表面粗度が３００ｎｍ以下に仕上げられている、請求項１７に記載した光学的素子用の基体。
- 前記切断による切断面が表面研磨され、この研磨面上を覆う前記有機材料又は無機材料が更に表面研磨されている、請求項１８に記載した光学的素子用の基体。
- 前記有機材料として、光学的レンズ接着用紫外線硬化樹脂が用いられ、前記無機材料として、フリットガラスが用いられる、請求項１８に記載した光学的素子用の基体。
- 発光領域を含む有機物質の積層体が形成される、請求項１２に記載した光学的素子用の基体。
- 光学的に透明な電極、有機ホール輸送層、有機発光層及び／又は有機電子輸送層、及び金属電極が順次積層され、有機電界発光素子が構成される、請求項２１に記載した光学的素子用の基体。
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