JP5023442B2 - 面発光光源および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（以下「有機ＥＬ素子」ともいう）等の電界発光素子でなる面発光光源およびこれを備えた液晶表示装置に関する。

従来より、液晶表示装置のバックライトには、冷陰極型の蛍光ランプが広く用いられている。冷陰極型の蛍光ランプは、発光波長域や輝度等に関しては優れた特性を有しているものの、面全体を照明するために反射板や導光板等を必要とし部品コストが嵩む、消費電力が高い等の改善すべき点がある。

そこで近年、有機ＥＬ素子等の面発光デバイスをバックライトに用いた液晶表示装置が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。有機ＥＬ素子は自発光素子であり、薄膜プロセスで製造でき、消費電力が低く、波長選択範囲が広い等の数多くの優れた点を有している。

図９は有機ＥＬ素子の基本構成を示している。一般に、有機ＥＬ素子１は、ガラス基板等の透明基板２上に、陽極としての透明電極３、有機ＥＬ層を含む発光層４および陰極としての反射電極５を積層した構成となっている。透明電極３はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜等で形成され、反射電極５はアルミニウム膜等で形成されている。発光層４は種々の構造が知られているが、例えば、正孔輸送層６、有機ＥＬ層７、電子輸送層８の３層型で構成されている。

このような構成の有機ＥＬ素子１においては、透明電極３と反射電極５との間に直流電圧を印可することにより、透明電極３から注入された正孔（ホール）が正孔輸送層６を経て、また反射電極５から注入された電子が電子輸送層８を経て、有機ＥＬ層７に導入される。有機ＥＬ層７では、導入された正孔と電子の再結合が生じることで所定波長の光が発生し、発生した光は透明電極３および透明基板２を介して外部へ面状に射出される。

ところで、この種の有機ＥＬ素子１においては、以下の理由で発光層４で発生した光の取り出し効率が低いという問題がある。

すなわち、発光層４における発光効率は、正孔と電子の再結合により励起された有機ＥＬ層分子の励起状態に依存する。有機ＥＬ層の発光は、励起１重項状態からの発光（蛍光）と、励起３重項状態からの発光（燐光）に分けられる。これらの励起状態は有機分子の電子スピンの方向で決まり、その生成確率は、励起１重項状態が２５％、励起３重項状態が７５％と見積もられている。しかし、有機ＥＬ層７の多くは、励起３重項状態からの発光（燐光）が禁制であるため、励起エネルギーは熱エネルギーとして消失される。従って、発光層４においては、励起１重項状態からの発光のみが得られることになる。

また、発光層４で発生した光は、陽極（透明電極）３および透明基板２を通して外部へ取り出される。しかし、発光層４と透明電極３、透明基板２および空気層の屈折率の影響を受けて、図１０に示すように、発光層４で発生した光が、発光層４と透明電極３との界面における全反射作用および透明電極３と透明基板２との界面における全反射作用によって、外部への出射効率が低下する。例えば発光層４の屈折率を１．７とした場合、取り出し効率は２０％以下になってしまう。

このような問題を解決するため、従来の有機ＥＬ素子においては、
（１）光の取り出し側にプリズムや半円柱状のマイクロレンズを形成する（下記特許文献２，３参照）、
（２）透明基板と発光層の間に回折格子等の光学素子を設ける（下記特許文献４参照）、（３）発光層内に光を拡散させる粒子を分散したり発光層に隣接して光拡散層を設ける（下記特許文献５参照）、
（４）透明基板と発光層の間に低屈折率層を設ける（下記特許文献６参照）、
（５）発光層を反射層とハーフミラーで挟みキャビティ効果を生じさせる（下記特許文献７参照）等の方法で、光の取り出し効率を高める試みがなされている。

特開平１０−１２５４６１号公報 特許第２６７０５７２号公報 特開２００４−２２７９２９号公報 特許第２９９１１８３号公報 特開平１１−３２９７４２号公報 特開２００３−７７６４７号公報 特開平９−１９０８８３号公報

しかしながら、上記（１）および（４）の方法では、透明基板中での全反射光の取り出しには有効であるが、発光層内での全反射光に対する効果はない。また、（２）では陽極と発光層の界面の加工に問題があり、実施が難しいという問題がある。

さらに、上記（３）の発光層内に光拡散粒子を導入する方法では、平滑性と薄膜であることが要求される発光層に異物を入れることになり、素子性能の低下が懸念される。発光層に隣接して拡散層を形成する場合も表面の平滑性の問題があり、寿命等の素子性能を低下させるおそれがある。透明基板の外側に拡散層を形成する場合も、（１）のマイクロレンズを設ける場合と本質的に同じである。

一方、上記（４）の方法では、各内層での全反射に対しては効果がなく、（５）の方法では正面方向の光取り出し効率は向上するが、見る角度により共鳴波長が変化し、色変化を起こすという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、光の取り出し効率を高めて輝度の向上を図ることができる面発光光源および液晶表示装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の面発光光源は、基板の表面に、透明電極と発光層と反射電極の積層体でなる発光素子が形成された面発光光源であって、上記発光素子は、基板表面において多面構造を有している。

本発明では、発光素子を多面構造とすることにより発光層に屈曲部をもたせ、発光層内の全反射光を当該屈曲部から有効に取り出せるようにしている。これにより、光の取り出し効率が高められ、輝度の向上が図れることになる。

また、発光素子を多面構造とすることにより、発光面積の増大による実質上の輝度向上が図れるようになる。更にこの多面体の構造を種々変更することにより、光の放射パターンをコントロールすることが可能となる。例えば、発光素子を頂角９０度のプリズム構造とすることにより、正面方向の光照射強度を高めることができる。

本発明に係る発光素子は、真空蒸着法やスパッタ法等の真空薄膜プロセスを用いて基板表面に形成することができる。そして、当該基板の表面を多面構造とすることにより、本発明に係る発光素子を容易に形成することができる。この場合、発光素子の傾斜面は、平滑な平面または曲面に形成できるので、寿命等の素子性能の低下を抑えることができる。

本発明に係る発光素子は、傾斜面を含む多面体構造とすることにより、光の取り出し効率の改善を図ることができる。具体的に、発光素子の多面体構造には、少なくとも一方向に周期性をもつ立体構造、例えばプリズム構造、半円柱状構造、台形構造あるいはそれらの複合構造が採用可能である。また、直交する２方向に周期性をもつ三角錐、四角錐、六角錐、円錐等の錐体構造であってもよい。

なお、本発明に係る発光素子は、有機ＥＬ素子のほか、無機ＥＬ素子といった電界発光素子、あるいは発光ダイオード等の他の自発光素子で構成することができる。

以上述べたように、本発明の面発光光源によれば、基板上の発光素子が多面構造を有しているので、層内における全反射光を効果的に外部へ取り出すことができる。これにより、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。
また、本発明の液晶表示装置によれば、上記構成の面発光光源をバックライトに備えているので、装置の薄型化、軽量化、部品コストの低減等を図ることができる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による面発光光源１０の構成を示している。本実施の形態の面発光光源１０は、例えば液晶表示装置用のバックライトに用いられる。ここで、図１Ａは面発光光源１０の発光素子１１側から見たときの形態を模式的に示す斜視図、図１Ｂはその要部断面模式図である。

面発光光源１０は、透明基板１２の表面１２ａに、陽極としての透明電極１３、発光層１４および陰極としての反射電極１５を順に積層した構造を備えている。これら透明電極１３、発光層１４および反射電極１５の積層体１１は、本発明に係る「発光素子」を構成し、特に本実施の形態では有機ＥＬ素子を構成している。

透明基板１２には、ガラス、プラスチック等の光透過率が７０％以上の透明性の基板が用いられている。プラスチック基板としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）等を用いることができる。透明基板１２はリジッド性（自己支持性）のあるものに限らず、フレキシブル性のあるもので構成されてもよい。

透明基板１２の表面１２ａは、傾斜面を含む多面構造を有している。特に本実施の形態では、一方向に周期性をもって形成された断面三角形状のプリズム構造に形成されている。このプリズム形状の構造面は、例えば透明基板１２の表面１２ａを高温プレスして形成することができる。一方、本実施の形態において、透明基板１２の裏面１２ｂは、平坦な平面に形成されている。

なお、透明基板１２の表面１２ａは、プリズム構造に形成される場合に限らず、半円柱状構造、台形構造あるいはそれらの複合構造であってもよい。また、傾斜面を含まない凹凸形状でも構わない。

透明電極１３、発光層１４および反射電極１５は、透明基板１２の表面１２ａに、真空蒸着法やスパッタ法等の真空成膜手段を用いて成膜される。これらの積層体でなる発光素子１１は、透明基板１２の表面１２ａにならって一定の膜厚で成膜されることにより、透明基板１２の表面において傾斜面Ｐを含む多面構造のプリズム構造面１１Ａが形成されている。

透明電極１３は、ＩＴＯ膜や酸化錫膜等の光透過性のある導電性酸化膜が用いられる。一方、反射電極１５は、発光層４で発生した光を透明基板１２側へ向けさせるために光反射性をもたせており、例えばアルミニウム、白金、金、クロム、タングステン、ニッケル等で形成される。

発光層１４は、例えば、正孔輸送層／有機ＥＬ層／電子輸送層でなる３層型で構成されているが、これ以外にも、単層型や、正孔注入層および電子注入層を含む５層型等の他の素子構造を採用してもよい。発光層１４は基板１２の表面１２ａにベタ状に形成されてもよいし、パターン状に分布形成されてもよい。パターン形状は特に制限されず、マス状、ストライプ状等の種々の形状が採用可能である。

なお、発光層１４は発光色に応じて材料が選定される。発光色は、白色単色光でもよいし、ＲＧＢ（赤、緑、青）の各単色光でもよい。発光層１４の構成材料は公知のものを用いることができ、ここではその例示を省略する。

本実施の形態の面発光光源１０においては、透明電極１３と反射電極１５との間に直流電圧を印加することにより、透明電極１３からは正孔が発光層１４へ導入され、反射電極１５からは電子が発光層１４へ導入される。発光層１４においては、導入された正孔と電子の再結合により有機ＥＬ分子が励起され、所定波長の光が発生する。発生した光は、透明電極１３および透明基板１２を通じて、外部（図１Ｂにおいて下方）へ面状に射出される。

本実施の形態では、発光素子１１が透明基板１２の表面１２ａ上において、図１Ｂに示したように、頂部（稜）Ｔと底部（谷）Ｂとを有する多面のプリズム構造に形成されているので、発光層１４が頂部Ｔと底部Ｂの各々に対応する部位で屈曲部が生成される。その結果、発光層１４で発光した光のうち、透明電極１３、反射電極１５および透明基板１２のそれぞれの界面において発生する全反射光は、当該発光層１４の屈曲部から出射する。出射した光は隣接プリズム面を屈折透過するが、その一部は透明基板１２の裏面１２ｂで全反射した後、基板表面１２ａのプリズム面での反射を経て、最終的に基板裏面１２ｂから出射される。

以上のように、本実施の形態によれば、発光素子１１の内層で全反射する光を外部へ有効に取り出すことが可能となるので、光の取り出し効率を従来よりも向上させることができる。また、発光素子１１を多面構造とすることにより、発光面積の増大による実質上の輝度向上が図れるようになる。

例えば図２は、上記構成の面発光光源１０の配向特性の一例を示す輝度分布図（シミュレーション結果）である。図２には、１８０度方向をフィルム正面方向とし、ここから左右９０度にわたって測定した輝度データが示されている。径方向の軸は輝度の大きさを示している。比較として図４Ｂに、図４Ａおよび図９に示したような発光面が平坦な従来構造の有機ＥＬ素子１の場合における輝度分布を示す。本実施の形態によれば、正面方向の輝度向上効果が認められ、全体の発光強度を従来に比べて１．２８倍高めることができることが確認された。

なお、この例では、透明基板を厚さ１μｍ（屈折率１．５）、透明電極の膜厚を１５０ｎｍ（屈折率２．０）、発光層の膜厚を１５０ｎｍ（屈折率１．７）、反射電極の膜厚を１５０ｎｍ、基板表面１２ａのプリズム頂角θ（図１Ａ参照）を９０度、プリズム形成ピッチｄ（図１Ａ参照）を２０μｍとした。

上述した透明基板１２の構成において、その表面１２ａに形成されたプリズムの頂角θや形成ピッチｄは、その上に成膜される透明電極層１３、発光層１４、反射電極層１５のカバレージ性を確保できる大きさであれば特に制限されない。

具体的に、頂角θは１０度以上１７０度以下、好ましくは３０度以上１５０度以下、更に好ましくは４０度以上１４０度以下とする。頂角θが１０度未満ではプリズム頂部が鋭利すぎてその上に積層される透明電極と反射電極間が短絡するおそれがある。また、頂角θが１７０度を超えると、実質的に発光素子が平坦である場合と変わらなくなる。

また、プリズムの頂部（稜）と底部（谷）の形成ピッチｄは例えば５０ｎｍ以上５００μｍ以下の範囲で選定される。頂部（稜）と底部（谷）を連絡する傾斜面Ｐは平面で形成されているが、曲面でもよい。特に本実施の形態によれば、真空薄膜形成プロセスを用いて発光素子１１を形成しているので、傾斜面Ｐを平滑面に形成でき、これにより寿命等の素子性能の低下を抑えることができる。
なお、発光素子１１の各構成薄膜を成膜するに際しては、基板１２を真空槽内で遊星運動させることで、面内の膜厚均一性を高めることができる。

そして、以上の構成の面発光光源１０を液晶表示装置のバックライトに適用することにより、液晶表示装置全体の薄型化、軽量化を図ることができるとともに、バックライトの部品コストの低減等を図ることができる。

更に、上述のように基板１２の表面１２ａをプリズム構造とする場合、例えば図３に示したように、透明基板１２の表面１２ａと透明電極１３との間に、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に複数積層した誘電体多層膜１６を介在させることにより、発光層１４で発光した光をＰ波偏光成分とＳ波偏光成分とに分離する偏光分離機能をもたせることができる。この場合、液晶パネルの偏光板の透過軸を出射偏光方向に平行に配置することにより、液晶パネルでの光利用効率を高めて、更なる輝度の向上が図れるようになる。

（第２の実施の形態）
続いて図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。ここで、図５Ａは本発明の第２の実施の形態による面発光光源２０の発光素子１１側から見たときの形態を模式的に示す斜視図、図５Ｂはその要部断面模式図である。なお、図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態の面発光光源２０は、透明基板１２の表面１２ａがプリズム構造を有し、この上に積層される発光素子１１もまたプリズム構造面１１Ａを形成する点で上述の第１の実施の形態と共通する。しかし、本実施の形態では、透明基板１２の裏面１２ｂにも同様なプリズム構造を形成している点で上述の第１の実施の形態と異なっている。

透明基板１２の裏面１２ｂをプリズム構造とすることにより、発光層１４で発生し透明基板１２から射出される光を、基板裏面１２ｂ側のプリズム面による屈折透過作用で正面方向に向けて出射させることが可能となる。これにより、正面方向の輝度の向上を図ることができる。

図６は、上記構成の面発光光源２０の配向特性の一例を示す輝度分布図（シミュレーション結果）である。図中実線は水平方向の輝度分布、破線は水平方向の輝度分布をそれぞれ示している。図４Ｂと比較して明らかなように、本実施の形態によれば正面輝度が大きく増加している。また、上記構成により、全体の発光強度が従来に比べて２．２４倍高まることが確認された。

本実施の形態では、透明基板１２の裏面１２ｂのプリズム頂角およびピッチを、その表面１２ａ側のプリズム構造と同等に構成したが、勿論これに限られない。また、基板１２の表面１２ａ側と裏面１２ｂ側とで、プリズムの頂部と底部とが互いに逆となるような関係に両プリズム構造を形成したが、他の構成を採用してもよい。更に、表面１２ａ側と裏面１２ｂ側とでプリズムの延在方向を直交させてもよい。

（第３の実施の形態）
図７及び図８は本発明の第３の実施の形態を示している。ここで、図７は本実施の形態の面発光光源３０の発光素子１１側から見たときの形態を模式的に示す斜視図、図８はその配向特性の一例を示す輝度分布図（シミュレーション結果）である。なお、図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施の形態では、透明基板１２の表面１２ａ上に形成される発光素子１１を、直交する２方向に周期性をもたせた四角錐形状の多面構造１１Ｂとした点で、上述の各実施の形態と異なっている。このような構成の発光素子１１Ｂは、下地である透明基板１２の表面を同様な四角錐形状の２次元配列構造とすることで形成することができる。また、本実施の形態では透明基板１２の裏面１２ｂ側にも同様な四角錐形状の二次元配列構造を形成している。

このような構成の面発光光源３０によっても上述の各実施の形態と同様な光取り出し効率の向上を図ることができ、面内輝度の向上を図ることができる。また、透明基板１２の裏面１２ｂ側にも錐体形状の構造面を多数配列させることにより、取り出し光の集光性を高めて正面方向の輝度向上効果を図ることができる。図８のシミュレーション結果から、上記構成により、面内の発光強度を従来の１．８９倍にまで高められることが確認された。

なお、発光層１１の多面構造１１Ｂは、上述した例に挙げたような四角錐形状の２次元配列構造に限らず、三角錐、六角錐等の他の多角錐形状や円錐形状の２次元配列構造で形成してもよい。また、透明基板１２の裏面１２ｂ側は、上述の第２の実施の形態で説明したようなプリズム構造であってもよい。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、透明基板１２上に形成した発光素子１１を有機ＥＬ素子で構成したが、これに代えて、他の電界発光素子、すなわち無機ＥＬ素子で構成することも可能である。また、発光ダイオード等の他の自発光素子についても本発明は適用可能である。

また、以上の実施の形態では、発光層１４で発生した光を透明電極１３および透明基板１２を介して外部へ取り出すようにしたが、これに代えて、陰極１５側を透明電極材料で構成することにより、光を陰極側から射出するいわゆるトップエミッション型を採用することも可能である。この場合、基板１２は光透明性のものに限られない。

本発明の第１の実施の形態による面発光光源１０を模式的に示す図であり、Ａは発光素子１１側から見たときの斜視図、Ｂは要部断面図である。 面発光光源１０の配向特性の一例を示す輝度分布のシミュレーション結果である。 本発明の第１の実施の形態の変形例を示す要部断面模式図である。 従来の有機ＥＬ素子でなる面発光光源を説明する図であり、Ａは斜視図、Ｂは輝度分布の一例を示すシミュレーション結果である。 本発明の第２の実施の形態による面発光光源２０を模式的に示す図であり、Ａは発光素子１１側から見たときの斜視図、Ｂは要部断面図である。 面発光光源２０の配向特性の一例を示す輝度分布のシミュレーション結果である。 本発明の第３の実施の形態による面発光光源３０を発光素子１１側から見たときの斜視図である。 面発光光源３０の配向特性の一例を示す輝度分布のシミュレーション結果である。 従来の有機ＥＬ素子の構成を説明する断面図である。 従来の有機ＥＬ素子の問題点を説明する断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０…面発光光源、１１…発光素子（有機ＥＬ素子）、１１Ａ，１１Ｂ…構造面、１２…透明基板、１２ａ…表面、１２ｂ…裏面、１３…透明電極（陽極）、１４…発光層、１５…反射電極（陰極）、１６…誘電体多層膜、Ｐ…傾斜面。

Claims (8)

1. 一方向に周期性をもつ第１のプリズム構造を有する表面と、前記一方向に前記第１のプリズム構造と同一のピッチで形成された第２のプリズム構造を有する裏面とを有し、前記表面側と前記裏面側とでプリズムの頂部と底部とが互いに逆となるような関係に前記第１及び第２のプリズム構造が形成された基板と、
   前記基板の前記表面に形成され、透明電極と発光層と反射電極の積層体からなり前記一方向に周期性をもつプリズム構造の発光素子と
   を具備する面発光光源。
2. 前記基板は光透過性のある材料で形成されている
   請求項１に記載の面発光光源。
3. 前記プリズムの頂部と底部の形成ピッチは５０ｎｍ以上５００μｍ以下である
   請求項１に記載の面発光光源。
4. 前記基板の表面と前記発光素子との間に形成され、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層させた誘電体多層膜をさらに具備する
   請求項１に記載の面発光光源。
5. 前記透明電極は陰極であり、前記発光素子はトップエミッション型である
   請求項１に記載の面発光光源。
6. 前記発光素子は、電界発光素子である
   請求項１に記載の面発光光源。
7. 前記発光素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子である
   請求項６に記載の面発光光源。
8. 液晶パネルと、
   一方向に周期性をもつ第１のプリズム構造を有する表面と前記一方向に前記第１のプリズム構造と同一のピッチで形成された第２のプリズム構造を有する裏面とを有し、前記表面側と前記裏面側とでプリズムの頂部と底部とが互いに逆となるような関係に前記第１及び第２のプリズム構造が形成された基板と、前記基板の前記表面に形成され透明電極と発光層と反射電極の積層体からなり前記一方向に周期性をもつプリズム構造の発光素子とを有し、前記液晶パネルの背面側に配置され照明光を照射する面発光光源と
   を具備する液晶表示装置。

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