JP4504640B2 - 多孔質アルミナを含む発光デバイスとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光デバイスに関し、前面と裏面とを有する透明基板を含む例えば背面発光型で、その裏面は、基板を通過して前面から射出される発光を発生するための手段が着手された発光デバイスに関する。

フォトニクス結晶の基礎をなす理論は、Yablonovitchの研究に始まり、例えば、半導体結晶が電子に影響を与えるのと同様に、光子の性質に影響を及ぼすような特性を有する材料を得る可能性を導き出した。
１９８７年に、Yablonovitchは、屈折率の周期的変化を与える構造の材料が、その内部で光子のモードの性質を急激に変化させ得ることが可能であることを証明した。この観測結果は、物質の光伝達および発光の性質の制御と操作という文脈で、新たな展望を広げた。

本発明の目的は、光源から提供される可視電磁波が最善の方法により方向付けることのできる背面発光デバイスとシステムとを提供することである。

本発明によれば、発光デバイス、特に、前面と裏面とを有する透明基板を含む背面発光型のようなデバイスによって上記の目的を達成されて、裏面には、基板を通過して前面から出射される電磁波放射を発生するための手段が取着されている。そのデバイスは、電磁波が基板の平面内にある方向に伝播するのを抑制する機能を有する多孔質アルミナの層を含み、それにより基板から光を取り出す効率を高めて発光の指向性を上昇することを特徴とする。本発明に係るデバイスとその製造方法の好ましい特徴は、本明細書の不可欠な一部を成している添付の特許請求の範囲に示している。

さらに別の目的は、本発明の特徴および利点は、後の詳細な説明により、そして、単に説明用の手段であって、これに限定されない実施例により提供される添付の図面により、明瞭になる。

本発明は、発光を最適方法で指向させるために、特定のフォトニクス結晶構造体を、表示装置や照射システムの分野の用途に背面発光として利用される光源と組み合わせることができるという事実の認知に基づいている。

より詳細には、半導体結晶中を移動する電子は、結晶自体を構成する原子核との相互作用によって生じる周期的なポテンシャルによって影響を受ける。この相互作用により、禁制エネルギー帯によって分離された一連の許容エネルギー帯の構造が得られる。
同様の現象が、フォトニクス結晶の中での光子にも適用でき、このフォトニクス結晶は、一般に、透明な誘電体材料のブロックから成形されて、該誘電体材料には、内部に規則的に連続した微小空隙を含んでおり、その空隙中にホストマトリクスとは大きく異なる屈折率を有する空気や他の手段が捕捉されている。この屈折率の違いにより、所定の波長の光子は、フォトニクス結晶の空隙内に制限される。

光子（又は電磁波）が多孔質マトリクスと空隙との屈折率差のために受ける制限は、禁制エネルギー領域で分離された許容エネルギー領域の構造を与える。禁制エネルギー領域は、「光子のバンドギャップ」（ＰＢＧｓ）と呼ばれる。この事実から、フォトニクス結晶の２つの基本的性質が結果として生じる。
i）寸法、微小空隙の間隔および屈折率差の制御により、特定の波長の光子の伝播と自然発光を防止することができる。
ii）半導体の場合と同様に、もしドーパント不純物が存在すれば、光子のバンドギャップ内に許容エネルギーレベルを形成することができる。

フォトニクス結晶の性質を規定するパラメータの数値を適切に選択して、特定の波長のＩＲ放射の伝播および自然放出を防止でき、同様に紫外線放射の伝播および自然放出を抑制することができる。
フォトニクス結晶の性質は、１つ又はそれ以上の軸方向における、異なる誘電率の材料の周期性により記述される。

本発明に基づく別の事実は、背面発光の応用に用いるＰＢＧ材料としては、多孔質アルミニウムが特に魅力的であるということである。

以前は、多孔質アルミナフィルムは、アルミニウムコンデンサの誘電体フィルム、有機被膜の保持用フィルム、及びアルミニウム基板の保護フィルムのような応用に注目が集まっていた。

代わりに、本発明の場合では、多孔質アルミナは、良好な２次元フォトニクス結晶を提供して、該フォトニクス結晶の、２軸方向で周期性があり、第３軸方向に均一であるという事実を利用する。そのようなフォトニクス結晶の構造は、空気で形成された中空の柱状格子として理想化されてアルミナマトリクスの中に埋め込むことができる。多孔質アルミナは、高純度アルミニウムシートや、ガラス、水晶、ケイ素等の基板上のアルミニウムフィルムを陽極酸化処理して得ることができる。

本発明の発光デバイスは、基板の平面の横方向における電磁波放射の伝播を抑制するように機能する多孔質アルミナの層を含むので、基板から光を取り出す効率を高めて発光の指向性を上昇することができる。

本発明の発光デバイスは、前面と裏面とを有する透明基板と、当該裏面に取着された電磁波放射を発生するための手段と、発生した電磁波が基板の平面内に伝播するのを抑制する機能を有する多孔質アルミナの層と、を含む。
アルミナ層は、透明基板の前面上に取着することができる。
電磁波発光の発生手段は、電極の機能を有する透明材料の第１の層と、電極の機能を有する材料の第２の層と、を含み、エレクトロルミネセンス材料の少なくとも１層が、第１および第２の層の間に配置することができる。
本発明のデバイスは、第１および第２の層の間に、エレクトロルミネセンス材料の層に加えて電荷輸送層を配置することができる。
上記第１の層は、上記裏面に直接に接触して提供することができる。

本発明の発光デバイスは、アルミナ層を第１の層の上に取着して、エレクトロルミネセンス材料の少なくとも１層をアルミナ層と第１の層とから形成される集合体の上に配置し、そしてアルミナ層が、アルミナの孔部にエレクトロルミネセンス材料を充填するように構成して、且つエレクトロルミネセンス材料は、第１の層と第２の層との双方と接触することができる。

また、本発明の発光デバイスは、アルミナ層を透明基板の裏面上に取着して、第１の層をアルミナ層の上に析出してアルミナの孔部の内壁を被覆して、そしてエレクトロルミネセンス材料の少なくとも１層をアルミナ層と第１の層とから形成された集合体の上に配置することができて、且つ当該エレクトロルミネセンス材料の一部をアルミナの孔部に充填することができる。

上記第１の層は、ＩＴＯ層、もしくは浸透層又はメソポーラス材料が利用できる。
エレクトロルミネセンス材料は、有機エレクトロルミネセンス材料、無機および有機の半導体、金属ナノ結晶、及び発光性希土類からなる群から選択することができる。
電磁波発光の発生手段は、紫外線放射を可視光に転換するように設計されたフォトルミネセンス蛍光体を含むことができる。
透明基板は、蛍光灯光源の封入ガラスを構成することができる。
また、透明基板は、陰極管（ＣＲＴ）又は平面パネル型ディスプレイ（ＦＰＤ）の前面ガラスを構成することができる。

図１は、Ｓで示された適当な基板上のアルミニウムフィルムを陽極酸化して得られた多孔質アルミナフィルム１の一部分を、単なる一例として図示している。アルミナ層１は、直線的に互いに近接し、各々が基板Ｓの表面と実質的に垂直な孔部Ｐを形成する真直ぐな中心孔を有する連続した六角形のセルＣから形成されている。
基板Ｓと対応する部分の中にある各セルＣの端部は、実質的に半球形状の封止部を有しており、一連の封止部は、全体としては、フィルム１の多孔質でない部分を形成する。

多孔質アルミナフィルム１は、処理時の電解液と物理的、化学的、および電気化学的なパラメータとを適切に選択してモフォロジーを制御することにより得ることができる。酸性電解液（リン酸、シュウ酸、および硫酸）中で、適切な処理条件（電圧、電流、攪拌、および温度）下で、高い規則性を有する多孔質フィルムを得ることができる。このために、セルＣの寸法と密度、孔部Ｐの直径、および多孔質アルミナフィルム１の高さを変更することができる。例えば、孔部Ｐの普通の直径は、５０〜４００ｎｍであるが、化学的処理法によって大きく又は小さくすることができる。

前述したように、フォトニクス結晶の周期性と、それによる異なる誘電率の媒体の交互入換りが、光子のバンドギャップを提供し、それによって、特定の方向への特定の周波数帯内の発光の伝播を不可能にする。従って、アルミナフィルム１により構成されたフォトニクス結晶の寸法及び孔部Ｐ間の間隔の制御によって、基板面に沿った伝播の全ての方向について、可視波長域に属する周波数帯内のバンドギャップを得ることができる。

図２は、例えば、数十ナノメータから数ミクロンの間の範囲の厚さの多孔質アルミナ１から成るフィルムを、ガラス製の透明基板又は支持体２の前面部の上に適用して、背面発光の一部を形成することにより得られた指向性の可視光放射の効果の概略図である。
上記背面発光デバイスの詳細に説明なしに、支持体２の裏面は、実質的にランベルト発光ローブ（例えば、上記基板上に析出した有機又は無機のエレクトロルミネセンス材料やフォトルミネセンス材料）により可視光を発光することを仮定している。図２の左側部分の場合のようにアルミナフィルムがないと、支持体２の表面から発光した光の発光ローブＬＬは、まだ実質的にランベルト発光である。しかしながら、伝播方向と上記表面の法線との成す角度が、内部全反射（ＴＩＲ）の角度より大きい限り、支持体の裏面で発光した光のかなりの部分は、表面から出てくることができない。上記部分は、板状体の内部に捕獲されて、板状体自身の外縁部に達するまで全反射により伝播する。

図２の右側部分は、代わりに、どのように多孔質アルミナフィルム１が、支持体２の表面の法線に対してＴＩＲ角度より大きい角度を成す方向、すなわち内部全反射が起きる方向の光の伝播を抑制するかを示している。伝播が起こる方向に対応する光の部分は、垂直方向に対してＴＩＲ角度より小さく実質的に板状体の前面から出てくるような角度で伝播する発光に転換される。正味の効果は、背面発光デバイスからより多くの光を取り出し、同時に支持体の前面から出てくる光の発光ローブＬＲを狭くすることである。ＴＩＲ角度より大きい角度の方向への伝播の抑制は、基板の面内で多孔質アルミナの光子バンドギャップに関連している。抑制は、基板の面内に沿った伝播の方向（すなわち、法線に対して９０°の角度）に関してのみは完全であるが、効果は、より小さい角度にも次第に減少するように広がっている。

本発明は、発光デバイス、特に背面発光デバイスを製造する方法であって、前面と裏面とを有する透明な基板（２）を提供する工程と、基板（２）を通過して前面から出射できる電磁波放射を発生するための発生手段（３、５）を上記裏面に取着する工程と、を含み、上記製造方法が、高純度のアルミニウムのシート又はフィルムの陽極酸化処理工程を含んで基板平面に平行な方向における発光の伝播を抑制するように機能し、それにより基板から光を取り出す効率を高めて発光の指向性を上昇させる多孔質アルミナ層（１）を形成する。

本発明の製造方法では、アルミナ層（１）は、上記前面上に直接に形成することができる。
発生手段（３、４、５）は、電極（３）の機能を有する透明材料の第１の層と、エレクトロルミネセンス材料（４）の第２の層と、電極（５）の機能を有する材料の第３の層と、の析出により得ることができる。

本発明の製造方法は、透明な基板（２）の裏面上に第１の層（３）を直接に析出して、第１の層の上にアルミナ層（１）を形成して、アルミナ層（１）と第１の層とから形成された集合体の上に第２の層（４）を析出して、第２の層の上に第３の層（５）を析出することができる。

本発明の製造方法は、上記裏面上にアルミナ層（１）を形成して、アルミナ層（１）の上に第１の層（３）を析出してアルミナの孔部の内壁を被覆して、アルミナ層（１）と第１の層（３）とから形成された集合体の上に第２の層（４）を析出して当該第２の層（４）の一部をアルミナの孔部に充填して、第２の層の上に第３の層（５）を析出することができる。

本発明によれば、表示装置や照明システムの分野への応用において、フォトニクス結晶としての多孔質アルミナの性質を活用して、この構成の材料を光源と組み合わせることを提案する。

本発明は、多孔質アルミナの利用方法であって、発光デバイスおよびシステム、例えば背面発光デバイスおよびシステムにおいて、二次元フォトニクス結晶として陽極酸化処理した多孔質アルミナを利用して、透明板状体の平面に平行な方向における光の伝播を抑制して、それにより基板から光を取り出す効率を高めて発光の指向性を上昇させるものである。

また、本発明の別の多孔質アルミナの利用方法では、照明用の蛍光灯において、二次元フォトニクス結晶として陽極酸化処理した多孔質アルミナを利用して、透明板状体の平面に平行な方向における発光の伝播を抑制して、それにより基板から光を取り出す効率を高めて発光の指向性を上昇させるものである。

図３は、実施例として、本発明に係るアルミナフィルムを含む発光デバイスの第１の実施形態を示す。
図に示したように、透明の支持体又は基板２の裏面上、即ち光が装置から出る時に通過する面に対向した面の上には、３で示したナノメートルの厚さのインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）フィルムのようなアノードとして機能する透明な抵抗層が析出してある。次に、ＴＩＯフィルム３の表面上に、例えば気相析出法やスパッタリング法により析出したアルミニウム層を陽極酸化して、透明な多孔質アルミナが得られる。アルミナフィルム１を得た後、図１に図示した多孔質でない壁部Ｔを除去して、後者の構造体の底部を開口する。これは、例えば、既知のエッチング法によって達成することができる。アルミナフィルム１は、次に、例えば、有機蛍光体、無機および有機の半導体、金属ナノ結晶、及び発光性希土類から選ばれる適当な有機又は無機のエレクトロルミネセンス材料の層４に埋めこまれる。

従って、この実施形態では、貫通した空隙の形状の多孔質アルミナフィルム１は、エレクトロルミネセンス材料４によって充填される。
そして、このデバイスは、カソードとして機能する金属材料の層５の析出により完成する。
エレクトロルミネセンス材料と電極との間に、他のエレクトロルミネセンス層及び／又は電荷輸送層を含むことができる。

デバイスの通常の動作では、アルミナフィルム１から成るフォトニクス結晶構造体は、前に説明したように、材料４で発生した光の発光を、該発光が支持体自身の前面から所定の方向に出るように、支持体２を通じて方向付ける。

図４は、本発明に係る多孔質アルミナフィルムを含む発光デバイスの第２の実施例を示す。
この実施形態では、透明なアルミナフィルム１が、基板または支持体２の前面、即ちデバイスから出てくる発光が通過する表面上に得られる。支持体２の裏面上に、ＩＴＯフィルム３を析出し、続いて、その上にエレクトロルミネセンス材料４の層とカソードとして機能する金属層５とを析出する。本実施例では、透明なアルミナフィルム１の多孔質ではない部分Ｔは、除去されず、ＩＴＯフィルム３とカソード５は、エレクトロルミネセンス材料の層４に直接に接触していることを意味する。

この場合には、材料４で発する電磁波放射は、支持体２を通過して、そして該支持体の前面から発光する。この前面で、透明なアルミナフィルム１は、ＴＩＲ角度より大きい角度の発光の伝播を抑制して、それにより、前に説明したように発光を所望の方向に方向付ける。
エレクトロルミネセンス材料と電極との間に、他のエレクトロルミネセンス層及び／又は電荷輸送層を含むことができる。

最後に、図５は、本発明に係るアルミナフィルムを含む発光デバイスの第３の実施例を示す。この実施形態では、透明なアルミナフィルム１が、透明な基板または支持体２の裏面、即ち光が発光する方の面に対向した表面上に、直接に得られる。次に、当該フィルム１の上に、例えば、気相析出法、スパッタリング法、又はゾル−ゲル法により、ＩＴＯフィルム３を析出して、陽極酸化したアルミナの孔部の内部表面を被覆する。このようにして得られた構造体は、エレクトロルミネセンス材料４に埋め込まれ、そして、該材料の上に、カソードとして機能する材料層５を配置する。
また、この場合には、透明なアルミナフィルム１の多孔質ではない部分Ｔは、除去されず、ＩＴＯフィルム３とカソード５は、エレクトロルミネセンス材料の層４に直接に接触する。

図３の場合と同様に、デバイスの通常の動作では、アルミナフィルム１から得られるフォトニクス結晶構造体は、ＴＩＲ角度より大きい角度の発光の伝播を抑制して、それにより、材料４で発生した発光を支持体２を通して方向付けて、そして当該発光が支持体の前面から出てくる。
図３の場合と同様に、エレクトロルミネセンス材料と電極との間に、他のエレクトロルミネセンス層及び／又は電荷輸送層を含むことができる。

もちろん、構造の細部や実施形態は、本発明の本質を損なうことなく、単に実施例として本明細書に記載し図示したことに関して変更することができる。
例えば、３で示した透明な抵抗層は、ＩＴＯの代わりに、金属浸透層（metallic percolated layer）やメソポーラス酸化物から形成することができる。

本発明によれば、２次元フォトニクス結晶としての陽極酸化した多孔質アルミナの用途には、さらに、基板面に平行な方向における光の発光の伝播を抑制するために、そして、それにより基板自身からの光の取り出し効率を高めて発光した光の指向性を増加するために、照明用の蛍光灯との組み合わせが考えられる。この見通しでは、透明基板２は、蛍光灯の封入ガラスから形成することができる。
本発明によれば、デバイスの光発生手段は、紫外線放射を可視光に転換可能なフォトルミネセンス蛍光体の層を含むことができる。
透明基板２は、陰極管（ＣＲＴ）や平面パネル型ディスプレイの前面ガラスから成ることができる。

厚さナノメータ寸法の多孔質アルミナの一部分の概略斜視図である。 図１に示したのと同一の型のフィルムで部分的に被覆した表面を有する背面発光デバイスの透明基板の概略断面図である。 本発明によって得られる第１の背面発光デバイスの概略断面図である。 本発明によって得られる第２の背面発光デバイスの概略断面図である。 本発明によって得られる第３の背面発光デバイスの概略断面図である。

符号の説明

１ 多孔質アルミナフィルム
２ 基板
３ 電極（アノード）
４ エレクトロルミネセンス材料層
５ 電極（カソード）
Ｐ 多孔質アルミナフィルムの孔部

Claims (8)

1. 前面と裏面とを有する透明基板（２）と、
   上記裏面上に取着された透明な多孔質アルミナ層（１）と、
   上記多孔質アルミナ層（１）の上に配置された電磁波放射を発生する手段（３、４、５）と、を含む発光デバイスであって、
   上記電磁波放射を発生する手段（３、４、５）は、
   電極の機能を有する透明材料の第１の層（３）と、
   エレクトロルミネセンス材料の第２の層（４）と、
   電極の機能を有する材料の第３の層（５）と、
   を含み、
   上記第１の層（３）は、上記多孔質アルミナ層（１）の孔部の内壁を被覆しており、
   上記第２の層（４）は、上記多孔質アルミナ層（１）と上記第１の層（３）とから形成された集合体の上に配置されて、上記第２の層（４）の一部が上記多孔質アルミナ層（１）の上記孔部に充填されており、
   上記第３の層（５）は、上記第２の層（４）の上に配置されおり、
   前記多孔質アルミナ層（１）は、２軸方向で周期性があり且つ第３軸方向に均一である２次元フォトニクス結晶であり、基板の平面に平行な方向における電磁波放射の伝播を抑制するように機能することを特徴とする発光デバイス。
2. 上記第１の層（３）と上記第３の層（５）との間に、上記第２の層（４）に加えて電荷輸送層が配置されている請求項１に記載の発光デバイス。
3. 上記第２の層（４）が上記第１の層（３）と上記第３の層（５）との双方に接触している請求項１に記載の発光デバイス。
4. 上記第１の層（３）が、ＩＴＯ層、もしくは浸透層又はメソポーラス材料である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光デバイス。
5. 上記エレクトロルミネセンス材料が、有機エレクトロルミネセンス材料、無機および有機の半導体、金属ナノ結晶、及び発光性希土類からなる群から選択された材料である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
6. 上記透明基板（２）が、蛍光灯光源の封入ガラスを構成している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
7. 上記透明基板（２）が、陰極管（ＣＲＴ）又は平面パネル型ディスプレイ（ＦＰＤ）の前面ガラスを構成している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
8. 発光デバイスを製造する方法であって、
   前面と裏面とを有する透明な基板（２）を提供する工程と、
   上記裏面上に、透明な多孔質アルミナ層（１）を形成するアルミナ層形成工程と、
   上記多孔質アルミナ層（１）の上に、電磁波放射を発生する手段（３、４、５）を形成する発生手段形成工程と、を含み、
   上記アルミナ層形成工程が、高純度のアルミニウムのシート又はフィルムを陽極酸化処理する過程を含み、
   上記電磁波放射を発生する手段（３、４、５）が、電極の機能を有する透明材料の第１の層（３）と、エレクトロルミネセンス材料の第２の層（４）と、電極の機能を有する材料の第３の層（５）とから成り、
   上記発生手段形成工程が、
   上記多孔質アルミナ層（１）の上に上記第１の層（３）を析出して上記多孔質アルミナ層（１）の孔部の内壁を被覆する過程と、
   上記多孔質アルミナ層（１）と上記第１の層（３）とから形成された集合体の上に上記第２の層（４）を析出して、当該第２の層（４）の一部を上記多孔質アルミナ層（１）の孔部に充填する過程と、
   上記第２の層の上に上記第３の層（５）を析出する過程と、を含み、
   前記多孔質アルミナ層（１）は、２軸方向で周期性があり且つ第３軸方向に均一である２次元フォトニクス結晶であり、基板の平面に平行な方向における電磁波放射の伝播を抑制するように機能することを特徴とする発光デバイスの製造方法。

Images