JP5177899B2 - 有機ｅｌ光源 - Google Patents

Description

本発明は、有機ＥＬ（有機Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）光源に関する。なお、有機ＥＬはＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とも呼ばれる。

有機ＥＬ光源は、通電から発光までの時間が非常に短く応答性に優れ、またその応答性が温度によってほとんど変化せず、さらに視野角が１８０度に近いという特性を有している。自ら発光しない液晶と異なり、バックライトが不要で、薄型軽量化が可能である。これらの理由から、近年、有機ＥＬ光源は、液晶表示装置に代わる表示装置、さらには照明用途として注目されている。

図６は、一般的な有機ＥＬ光源９の構成を示す断面図である。図６で示すように、有機ＥＬ光源９の主要部である発光層４は、電気を流すことにより発光する有機発光素子１と、光透過性を有する透明電極２と、光反射性を有する対向電極３とを有している。また、有機発光素子１が、透明電極３と対向電極３との間に具備されることによって、発光層４が構成されている。さらに、透明電極２の、有機発光素子１が接する面の反対に位置する面には発光層４を固定するための透光性材料基板５が具備されている。

有機ＥＬ光源９では、大気に比べ屈折率の高い有機発光素子１で発光が起こり、透明電極２、透光性材料基板５、大気の順に光が伝播していく。各々の媒質の屈折率は、用いられる素材にもよるが、有機発光素子１、透明電極２、透光性材料基板５、大気という順で小さくなる関係を有するのが一般的である。

屈折率が高い媒質から低い媒質に光が進むとき、光がその界面を通過せず、全反射が発生することがある。全反射は、界面の法線と入射する光とがなす入射角がある角度以上の場合に起こる（一般に臨界角と言われる）。全反射はスネルの法則に従い、２つの媒質の屈折率の差が大きいほど臨界角は小さくなり、全反射の発生する入射角の領域は増える。

有機ＥＬ光源９において、屈折率の差は透光性材料基板５と大気との間で最も大きく、有機発光素子１で発光した光のうち、全反射により透光性材料基板５の内部に閉じ込められる光が発生してしまう。有機発光素子１で発光した光を外部に出射する効率（以下、「発光効率」と称す）は２０％〜３０％程度しかないといわれている。

また、有機ＥＬ光源９の用途として注目されている液晶表示装置や照明装置は、使用者が正面から観察することが多いため、正面輝度が高いことが望まれる。そのため、有機ＥＬ光源９の活用にあっては、発光効率を改善し、正面輝度を高めることが課題となっている。

そこで、特許文献１及び特許文献２では、図７に示すような、透明な樹脂で形成された輝度向上フィルム１４を用いて発光効率を改善する方法が開示されている。図７は、従来の有機ＥＬ光源９に輝度向上フィルム１４を固定させたときの断面図である。輝度向上フィルム１４が、透光性材料基板５の、発光層４が接する面の反対に位置する面に設けられている。輝度向上フィルム１４の屈折率は、透光性材料基板５の屈折率よりも小さく、大気の屈折率よりも大きい。すなわち、透光性材料基板５と輝度向上フィルム１４との界面における臨界角は、透光性材料基板５と大気との界面における臨界角よりも大きくなる。したがって、透光性材料基板５と大気との界面では全反射して透光性材料基板５から出射されないような入射角を持った光であっても、透光性材料基板５から輝度向上フィルム１４に入射することができる。よって、より多くの光が輝度向上フィルム１４を通して外部に出射される。

また、輝度向上フィルム１４は、図７で示すように、透光性材料基板５と接する入射面１０に平坦な面を有しており、輝度向上フィルム１４の、入射面１０の反対に位置する面に複数の凸部を備えた出射面１１を有している。出射面１１には、凸部の先端に入射面１０と平行な上面１２を備え、先端に行くほど面積が小さくなるように入射面１０に対して傾いた傾斜面１３が形成されている。

したがって、上面１２では臨界角以上の入射角になってしまう光Ｌ３であっても、傾斜面１３では臨界角以下となり、輝度向上フィルム１４を透過させることができ（光Ｌ４）、発光効率が改善される。

特開２００４−１８４７９２号公報 特開２００４−２３３９５７号公報 特許３９９１８６２号公報

しかしながら、発光効率改善のために輝度向上フィルムを用いると、輝度向上フィルムの費用や透光性材料基板への接着工程が増加し、コストアップするかもしれない。また、輝度向上フィルムの損傷や剥離により、有機ＥＬ光源の発光効率が低下する虞がある。

そこで、特許文献３では、輝度向上フィルムを用いることなく発光効率を改善する手法が開示されている。特許文献１や特許文献２における輝度向上フィルムの形状を透光性材料基板に設けることによって、透光性材料基板の内部に閉じ込められる光を削減し、発光効率を高めている。しかし、特許文献３では、透光性材料基板の形状として、光を出射する面を凸状にする台形形状、湾曲形状、三角形状等を挙げているが、具体的な寸法例示はされていない。

また、特許文献２では、輝度向上フィルムにおける凸部の形状、具体的には凸部の底面に対する凸部の上面の面積比、及び入射面の法線と傾斜面とがなす角の範囲が開示されている。これらは、輝度向上フィルムにおける形状の範囲であって、透光性材料基板に凸部を設ける場合の形状の範囲は示されていない。

そこで、本発明は、透光性材料基板から大気へ光が出射する有機ＥＬ光源において、高い発光効率を得ることができる透光性材料基板の形状を提供することを目的とする。本願発明でいう透光性材料基板は、透光性材料からなる基板単体だけでなく、透光性材料からなるベース板と該ベース板上に光学接触された透明体とからなるものも含む。

上記目的を達成するために、本発明は、通電されることによって発光する発光層と、該発光層が固定された底面と該底面に対向する上面とを有する四角錘台形の透光性材料基板と、を備えている有機ＥＬ光源において、底面の少なくとも一辺の長さに対する、該一辺と同じ延在方向に関する上面の一辺の長さの比が、０．３以上０．９５以下であり、且つ透光性材料基板の厚さに対する、底面の一辺の長さの比が１０以下であることを特徴とする。

本発明によれば、透光性材料基板から大気へ光が出射する有機ＥＬ光源において、高い発光効率を得ることができる。

本発明の一実施形態における有機ＥＬ光源の構成を示す斜視図である。 有機ＥＬ光源の構成を示す断面図である。 従来の透光性材料基板の形状における光の反射を説明する図である。 本発明の透光性材料基板の形状における光の反射を説明する図である。 本発明の透光性材料基板の形状でシミュレーションしたときの発光効率の変化を示した図である。 従来における有機ＥＬ光源の構成を示す断面図である。 従来の有機ＥＬ光源に輝度向上フィルムを固定したときの断面図である。

以下に、この発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態における有機ＥＬ光源９の構成を示す斜視図であり、図２は図１における有機ＥＬ光源９のＡ−Ａ断面図である。図５に示す、従来の有機ＥＬ光源９と同様に、発光層４には、通電されることによって自ら発光する有機発光素子１が具備されている。有機発光層１の片方の面には透明電極２が設けられており、有機発光層１の透明電極２が設けられている面の反対に位置する面には対向電極が具備されている。また、発光層４を固定するための透光性材料基板５が、透明電極２の、有機発光素子１が接する面の反対に位置する面に設けられている。

透明電極２には光透過性を有するＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が用いられ、対向電極３には光反射性を有するアルミニウムが用いられるのが一般的である。また、透光性材料基板５としては、ポリカーボネート等の透明な高透過率の樹脂や、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を主成分とするガラス等が用いられる。

本発明の実施形態においては、透明電極２としてＩＴＯを、対向電極３としてアルミニウムを、透光性材料基板５としてガラスを用いて構成している。

有機ＥＬ光源９の使用者は、有機発光素子１に対して垂直な方向で、且つ透明電極２が具備されている側の延長上において使用するのが一般的である。すなわち、本発明における有機ＥＬ光源９の正面輝度は、有機発光素子１から発光された光が、有機発光素子１に対して垂直な方向で、且つ透明電極２の具備されている側に進路を設けることによって高められる。

本発明の実施形態において、図１で示すように、透光性材料基板５は、四角錘台形であり、透明電極２と接する底面６と、透光性材料基板５の底面６の反対に位置する上面７と、底面６と上面７との対向する辺を結ぶ側面８で構成されている。底面６は一辺の長さがｂの四角形であり、上面７は該底面６の長さｂの一辺と同じ延在方向に関する一辺の長さがａの四角形である（ただし、ａはｂ以下である）。また、透光性材料基板５の厚さ（底面６と上面７との距離）はｃである。

続いて本発明における発光効率を高めるメカニズムを図３及び図４を用いて説明する。

図３は、従来の透光性材料基板５の内部における光の進路を説明する図であり、図４は本発明における透光性材料基板５の内部における光の進路を説明する図である。

図１に示す有機ＥＬ光源９では、大気に比べ屈折率の高い有機発光素子１（屈折率は約１．７）で発光が起こり、透明電極２（屈折率は約１．６）、透光性材料基板５（屈折率は約１．５）、大気（屈折率は約１．０）の順に屈折率の低い媒質へと光が伝播していく。したがって、透光性材料基板５の屈折率と大気の屈折率との差が最も大きく、全反射が起こりやすい。すなわち、透光性材料基板５の内部において、有機発光素子１で発光した光が閉じ込められやすい。

図３及び図４に示すように、透光性材料基板５の底面６とほぼ垂直な進路をもつ光Ｌ１の、上面７を通過する際の入射角は、臨界角に比べ小さいため、光Ｌ１は上面７で全反射されることなく透光性材料基板５から出射される。

しかし、透光性材料基板５の底面６に対してある程度傾いた進路をもつ光Ｌ２の、上面７を通過する際の入射角は、臨界角に比べ大きいため、光Ｌ２は上面７において全反射が起こる。また、上面７で全反射した後の光Ｌ２は、上面７における入射角が保存されたまま底面６に向かうため、底面６においても同じ入射角で入射する。したがって、光Ｌ２は、底面６においても同じ角度を保持したまま透光性材料基板５の内部で進路を形成する。その後、光Ｌ２は再度上面７へ達したとしても、同様に上面７で全反射が起こり、透光性材料基板５から出射されない。

光Ｌ２が全反射を繰り返し、側面８に達した場合、側面８における入射角は、上面７における入射角と異なる値になる。図３に示す、従来の透光性材料基板５では、光Ｌ２の側面８における入射角が臨界角以上であれば、側面８においても全反射が起こり、再度上面７に達する。側面８で全反射をした光Ｌ２の上面７における入射角も、側面８で全反射する前の上面７における入射角と等しいため、入射角は臨界角以上であり、上面７で全反射がおこる。つまり、光Ｌ２は透光性材料基板５の内部で全反射を繰り返し、外部に出射されることはなく、消失する。よって、発光効率は低下してしまう。

また、光Ｌ２の側面８における入射角が臨界角未満の場合では、光Ｌ２は側面８を透過して透光性材料基板５の外部へ出射される。しかしながら、側面８から出射される光Ｌ２は、上面７の垂直な方向へ進んでいない。したがって、側面８から出射された光Ｌ２は有機ＥＬ光源９の正面輝度を高めるように作用しない。

図４に示す、本発明における透光性材料基板５の内部では次のようになる。

透光性材料基板５の内部で全反射を繰り返してきた光Ｌ２が側面８に達し、側面８における入射角が臨界角未満であれば、光Ｌ２は側面８から出射される。さらに、図４で示すように、側面８から出射された光は、上面７の垂直な方向へ屈折するため、正面輝度を高めるように作用する。

光Ｌ２の側面８における入射角は、側面８が底面６に対して傾いた位置関係にあるため、図３における透光性材料基板５の形状の場合よりも小さくなる。したがって、従来の透光性材料基板５の形状の場合よりも、全反射が発生する領域は小さくなる。したがって、透光性材料基板５に閉じ込められる光は削減され、発光効率が高められる。

続いて、透光性材料基板５の形状の違いによる発光効率の違いをシミュレーションによって求める。シミュレーションを行う透光性材料基板５の形状は、図１に示す四角錘台形で行った。シミュレーションは光線追跡法を用いて行った。

図５は、シミュレーションの結果を示す図である。有機発光素子１から１［ａ．ｕ．］の光が発光したときの有機ＥＬ光源９から取り出される光の量の変化を縦軸とし、横軸を上面７の一辺の長さａと、該長さａの一辺と同じ延在方向に関する底面６の一辺の長さｂとの比（ａ／ｂ）として示した図である。

また、底面６の一辺の長さｂと透光性材料基板５の厚さｃとの比（ｂ／ｃ）が、５０、２５、１０、５、３．３３、１．６６、１の場合を、それぞれ実線、長２点鎖線、長１点鎖線、長破線、１点鎖線、破線、点線で示している。

図５に示す結果から、透光性材料基板５の上面７の一辺の長さａと底面６の一辺の長さｂとの比（ａ／ｂ）が、０．３以上０．９５以下であると、透過性材料基板４が直方体である場合に比べ、発光効率が向上していることが分かる。また、透光性材料基板５の底面６の一辺の長さｂと透光性材料基板５の厚さｃとの比（ｂ／ｃ）が、１０以下であると、発光効率が向上することが分かる。

底面６の一辺の長さｂと、透光性材料基板５の厚さｃとの比（ｂ／ｃ）の下限はとくに定めていないが、ｂ／ｃを小さくするには、底面６の一辺の長さｂを小さくする、又は透光性材料基板５の厚さｃを大きくすることになる。底面６の一辺の長さｂを小さくするということは、有機ＥＬ光源９の発光面積を小さくすることになり、液晶表示装置や照明装置の大型化要求に反する。また、透光性材料基板５の厚さｃを大きくするということは、有機ＥＬ光源９を厚くすることを意味し、液晶表示装置や照明装置の薄型軽量化の要求に反する。したがって、有機ＥＬ光源９の発光面積や重量等を考慮して下限が定められる。

以上記述したように、本発明の実施形態によれば、入射面に対して傾斜を有する凸部が設けられている透光性材料層において、良好な発光効率を得ることができる。

透光性材料基板５の下面６及び上面７は、長方形でも同様の効果を得られる。さらに透光性材料基板５の形状と発光効率のシミュレーションは、四角錘台形で行ったが、透光性材料基板５が円錐台形においても同様の効果を得ることができる。透光性材料基板５が円錐台形の場合、上面７の半径をａとし、底面６の半径をｂとすることによって、図５と同様の関係を得ることが出来る。

また、透光性材料基板５を直方体のベース板として形成し、該ベース板としての透光性材料基板５の上面６に四角錘台形の透明体を光学接触させることによっても発光効率の改善を得ることが出来る。透光性材料基板５で用いられるガラスに近い屈折率を有する材質を透明体として用いて、透光性材料基板５上に光学接触すれば、透光性材料基板５と透明体との界面で全反射は発生しない。このような透明体の材質としては、アクリルやポリカーボネードが挙げられる。

高い発光効率を得られる透明体の形状も、図５と同様の関係が得られる。この場合、ｂは透明体の底面の一辺の長さに相当し、ａは透明体の底面の長さｂの一辺と同じ延在方向に関する一辺の長さに相当する。また、ｃは透明体の厚さとなる。

なお、透明性材料基板からなるベース板上への透明体の光学接触は、透光性材料基板と透明体とに近い屈折率を有する樹脂などで接着させることで実現できる。

１ 有機発光素子
２ 透明電極
３ 対向電極
４ 発光層
５ 透光性材料基板
６ 底面
７ 上面
８ 側面
９ 有機ＥＬ光源
１０ 入射面
１１ 出射面
１２ 上面
１３ 傾斜面
１４ 輝度向上フィルム
ａ、ｂ 辺の長さ
ｃ 厚さ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 光

Claims (4)

1. 通電されることによって発光する発光層と、
   該発光層が固定された底面と該底面に対向する上面とを有する四角錘台形の透光性材料基板と、を備えている有機ＥＬ光源において、
   前記底面の少なくとも一辺の長さに対する、該一辺と同じ延在方向に関する前記上面の一辺の長さの比が、０．３以上０．９５以下であり、且つ前記透光性材料基板の厚さに対する、前記底面の一辺の長さの比が１０以下であることを特徴とする有機ＥＬ光源。
2. 前記透光性材料基板はガラスによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ光源。
3. 前記透光性材料基板は、透光性材料からなるベース板と、該ベース板上に光学接触された透明体とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ光源。
4. 前記透明体はアクリル、又はポリカーボネードによって構成されていることを特徴する請求項３に記載の有機ＥＬ光源。

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