JP5307307B1 - シート及び発光装置 - Google Patents

Abstract

発光層を含む複数の層を備える発光装置に用いられるシートであって、複数の凸部（６０）を有する第１の層（５１）と、第１の層（５１）の上に形成された第２の層（５２）と、を備え、複数の凸部（６０）のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、第２の層（５２）は、少なくとも段差部の上面に形成され、第１の層（５１）の実効屈折率をｎ_１、第２の層（５２）の実効屈折率をｎ_２、第２の層（５２）の上に位置する大気の屈折率をｎ_０としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる関係を満たすシート。

Description

本発明は、シート及び発光装置に関し、特に、一方の面を発光体に隣接させて用いられる透明なシート及びそれを用いた発光装置に関するものである。

ディスプレイ又は照明などとして用いられる発光装置には、例えば、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）が用いられるものがある。図１９は、一般的な有機ＥＬ素子を用いた発光装置の断面構成の概要と光が伝搬する様子を示す図である。

図１９に示すように、有機ＥＬ素子を用いた発光装置１００は、基板１０１と、基板１０１の上に順次形成された、反射電極１０２、発光層１０３、及び透明電極１０４と、透明電極１０４の上に設けられた透明基板１０５とを備える。この発光装置１００では、反射電極１０２と透明電極１０４との間に電圧が印加されることで、発光層１０３が発光する。このとき、例えば、図１９に示すように、発光層１０３の内部の発光点Ｓで発光したとすると、この光は、直接、もしくは反射電極１０２で反射した後、透明電極１０４を透過し、透明基板１０５の表面上の点Ｐにおいて当該表面の面法線に対して角度θ_１の入射角で入射し、この点Ｐにおいて屈折角θ_０で屈折して空気層２０側に出射する。

ここで、透明基板１０５の屈折率をｎとすると、入射角θ_１が臨界角θｃ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）より大きくなった場合に、全反射が発生する。例えば、発光層１０３の点Ｓからの光が臨界角θｃ以上の入射角で透明基板１０５の表面上の点Ｑに入射すると、この光は点Ｐにおいて全反射し、空気層２０側に出射することはない。

次に、図１９における発光層１０３上の透明層（透明電極１０４及び透明基板１０５）が多層構造である場合の光取り出し効率について、図２０Ａを用いて説明する。図２０Ａは、図１９に示す発光装置における透明層が多層構造を有していると仮定した場合に、光が伝搬する様子を示す図である。

図２０Ａに示すように、発光層１０３の屈折率をｎ_ｋ、空気層２０の屈折率をｎ_０、発光層１０３と空気層２０との間に介在する複数の透明層の屈折率を発光層１０３に近い側から順にｎ_ｋ−１、ｎ_ｋ−２、・・・、ｎ_１とする。発光層１０３内の発光点Ｓで発光する光の伝搬方位（屈折面の面法線となす角）をθ_ｋとする。各屈折面での屈折角を発光層１０３に近い側から順にθ_ｋ−１、θ_ｋ−２、・・・、θ_１、θ_０とする。このとき、スネルの法則より次の（式１）が成り立つ。

ｎ_ｋｓｉｎθ_ｋ＝ｎ_ｋ−１ｓｉｎθ_ｋ−１＝・・・＝ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_０ｓｉｎθ_０…（式１）

そして、この（式１）から、次の（式２）が成り立つ。

ｓｉｎθ_ｋ＝ｓｉｎθ_０×ｎ_０／ｎ_ｋ…（式２）

（式２）は、発光層１０３が空気層２０に直接接触する場合のスネルの法則に他ならず、発光層１０３と空気層２０との間に介在する透明層の各層の屈折率には関係せずに、θ_ｋ≧θｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_０／ｎ_ｋ）で全反射が発生することを表している。

また、図２０Ｂは、図１９に示す発光装置において、発光層から取り出せる光の範囲を模式的に示したものである。

図２０Ｂに示すように、発光層１０３から取り出せる光は、２対の円錐体３０１、３０２、すなわち、発光層１０３の発光点Ｓを頂点、臨界角θｃの２倍を頂角とし、屈折面の面法線に沿ったｚ軸を中心軸とする２対の円錐体の内部に含まれることになる。ここで、発光点Ｓからの光が、全方位に等強度の光を放射するものとし、屈折面での透過率が臨界角θｃ以内の入射角で１００％とすれば、発光層１０３からの光取り出し効率ηは、球面３０３の表面積に対する、円錐体３０１、３０２により球面３０３を切り取った面積の比に等しくなり、次の（式３）で与えられる。

η＝１−ｃｏｓθｃ…（式３）

なお、実際の光取り出し効率ηは、臨界角θ_Ｃ以内の透過率が１００％とはならないので、（１−ｃｏｓθｃ）よりも小さくなる。また、発光装置としての全効率は、発光層１０３の発光効率を上記取り出し効率ηに乗じた値となる。

例えば、（式２）においてｎ_０＝１．０、ｎ_ｋ＝１．４５７とすると、臨界角θｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_０／ｎ_ｋ）＝４３．３４度となり、光取り出し効率ηは、１−ｃｏｓθｃ＝０．２７３程度と小さく、ｎ_ｋ＝１．７０の場合になると、光取り出し効率ηは、０．１９１程度まで下がる。このように、従来の発光装置では、全反射により発光エネルギーの２割程度しか利用することが出来ず、輝度の低下や消費電力の増大の原因となっている。

そこで、視野角特性を劣化させることなく発光効率を向上させることを目的として、発光波長によらず臨界角以上の光を透過させる構造を有するシートが提案されている（特許文献１）。

図２１に、特許文献１に開示された光取り出し構造を示す。図２１の（ａ）は、特許文献１に開示された光取り出し構造における表面構造のパターン図であり、図２１の（ｂ）は、図２１の（ａ）に示すパターン図の一部拡大図であり、図２１の（ｃ）は、図２１の（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図である。

図２１に示すように、特許文献１に開示された光取り出し構造４００は、全体を、一定の幅ｗ（以下、「境界幅」と呼ぶ）で一定の深さｄの碁盤の目（正方形の微小領域）に仮想的に隙間無く分割し、凹部４０１と凸部４０２とをランダムに割り当てた凹凸構造となっている。

このように、凹凸構造とすることで臨界角以上の入射角で入射する光を取り出すことができ、また、凹部と凸部とをランダムに配置することで方位の偏りなく光を取り出すことができる。これにより、全光束を増加させることができるとともに輝度及び色視野角の改善効果を得ることができる。従って、特許文献１に開示された光取り出し構造を有するシートを用いることで、ディスプレイや照明等の発光装置において、外観を損ねること無く光取り出し効率を向上させることができ、輝度向上、消費電力の低減及び素子寿命の延長を図ることができる。

特開２００９−２１７２９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された光取り出し構造は、発光装置内部で反射を繰り返す光の吸収が考慮されておらず、選択する材料や有機ＥＬの構成により、発光装置全体としての全効率が変動するという問題があった。

本発明は、一回目取り出し効率を向上させ、発光装置内部の光吸収の影響を受け難いシート及び発光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るシートの一態様は、発光層を含む複数の層を備える発光装置に用いられるシートであって、複数の凸部を有する第１の層と、前記第１の層の上に形成された第２の層と、を備え、前記複数の凸部のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、前記第２の層は、少なくとも前記段差部の上面に形成され、前記第１の層の実効屈折率をｎ_１、前記第２の層の実効屈折率をｎ_２、前記第２の層の上に位置する大気の屈折率をｎ_０としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる関係を満たすことを特徴とする。

また、本発明に係る発光装置の一態様は、発光層を含む複数の層を備える発光装置であって、複数の凸部を有する第１の層と、前記第１の層の上に形成された第２の層と、前記第２の層の上に形成された第３の層と、を備え、前記複数の凸部のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、前記第２の層は、少なくとも前記段差部の上面に形成され、前記第１の層の実効屈折率をｎ_１、前記第２の層の実効屈折率をｎ_２、前記第３の層の屈折率をｎ_３としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３なる関係を満たし、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層は、前記発光層から大気へ向かう方向に、前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層の順に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、入射角が臨界角以上である最初（一回目）の光を効率良く取り出すことができるので、多重反射時における発光装置内部の光吸収の影響を受け難くすることができる。これにより、発光装置内部が光吸収の多い構造又は光吸収の多い材料であったとしても光取り出し効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の断面構成と光の伝搬の様子を示す図である。 図２の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の透明基板における表面構造の拡大平面図であり、図２の（ｂ）は、図２の（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 図３の（ａ）は、屈折率が１．５の媒質Ａに高さＨの段差を作製した場合の模式断面図であり、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の電磁波解析の結果を示す電場コンター図である。 図４の（ａ）〜（ｈ）は、屈折面における光の場の境界条件を説明する図である。 図５の（ａ）〜（ｃ）は、段差構造における段差の角部における電場ベクトルを説明する図である。 図６の（ａ）は、段差が１段である表面構造（シングルレベル）の透明基板を有する比較例１に係る発光装置の拡大断面図であり、図６の（ｂ）は、段差が２段である表面構造（マルチレベル）の透明基板を有する本発明の実施の形態１に係る発光装置の拡大断面図である。 図７の（ａ）は、図６の（ａ）に示すシングルレベルの構造（比較例１）における透過率の構造高さ依存性を示す図であり、図７の（ｂ）は、図６の（ｂ）に示すマルチレベルの構造（本発明）における透過率の構造高さ依存性を示す図である。 図８は、図６の（ａ）に示すシングルレベル構造（比較例１）及び図６の（ｂ）に示すマルチレベル構造（本発明）のそれぞれに第２の層を形成したときの表面構造において、透過率の膜厚依存性を構造高さごとに比較した図である。 図９の（ａ）は、図２に示す本発明の実施の形態１に係る発光装置における表面構造の拡大断面図であり、図９の（ｂ）は、本発明の実施の形態１の変形例に係る発光装置における表面構造の拡大断面図であり、図９の（ｃ）は、比較例２に係る発光装置における表面構造の拡大断面図である。 図１０は、図９の（ａ）〜（ｃ）に示す構造において入射角θに対する透過率の第２の層の膜厚依存性を示す図であり、図１０の（ａ）は入射角θがθ＝３０°の場合、図１０の（ｂ）は入射角θがθ＝４５°の場合、図１０の（ｃ）は入射角θがθ＝６０°の場合の透過率特性を示している。 図１１の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の表面構造における凸部周辺の拡大断面図であり、図１１の（ｂ）は、同発光装置の表面構造における透過率のＷａ依存性を示す図である。 図１２の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の表面構造における凹部（凸部間）周辺の拡大断面図であり、図１２の（ｂ）は、同発光装置の表面構造における透過率のＷｂ依存性を示す図である。 図１３は、図６の（ａ）に示す比較例１に係る表面構造（シングルレベル）及び図６の（ｂ）に示す本実施の形態に係る表面構造（マルチレベル）における一回取り出し効率を比較した図である。 図１４は、マルチレベルの構造の発光装置における各段差部の高さと一回取り出し効率との関係を示す図である。 図１５は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の表面構造において、凸部の全幅又は段差幅と一回取り出し効率との関係を示す図である。 図１６は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の表面構造において、第２の層又は屈折率と一回取り出し効率との関係を示す図である。 図１７の（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る発光装置の拡大断面図であり、図１７の（ｂ）は、図１７の（ａ）に示す同発光装置の表面構造において、凸部の全幅又は段差幅と一回取り出し効率との関係を示す図である。 図１８の（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る発光装置の断面図であり、図１８の（ｂ）は、図１８の（ａ）に示す同発光装置の表面構造周辺の拡大図である。 図１９は、一般的な有機ＥＬ素子を用いた発光装置の断面構成の概要と光が伝搬する様子を示す図である。 図２０Ａは、図１９に示す発光装置における透明層が多層構造を有していると仮定した場合に、光が伝搬する様子を示す図である。 図２０Ｂは、図１９に示す発光装置において、発光層から取り出せる光の範囲を模式的に示したものである。 図２１の（ａ）は、特許文献１に開示された光取り出し構造における表面構造のパターン図であり、図２１の（ｂ）は、図２１の（ａ）に示すパターン図の一部拡大図であり、図２１の（ｃ）は、図２１の（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図である。 図２２は、特許文献１に開示された光取り出し構造における凹凸構造の深さｄに対する光取り出し効率ηの境界幅依存性を示す図である。

本発明の実施の形態を説明する前に、特許文献１に開示された光取り出し構造において、発光装置内部の光吸収を考慮すると、選択する材料や有機ＥＬの構成によっては、発光装置全体としての全効率が変動するという問題について、図２２を用いて説明する。

図２２は、特許文献１に開示された光取り出し構造における凹凸構造の深さｄに対する光取り出し効率ηの境界幅依存性を示す図である。図２２において、発光点から発生した光（λ＝６３５ｎｍ、４５０ｎｍ）のうち、最初（一回目）に凹凸構造に入射したときの光の透過特性から求めた光取り出し効率を一回目取り出し効率と称し、また、一回目の取り出し後に凹凸構造で反射して発光装置内（反射電極等）で再反射して凹凸構造に再入射したときの光の透過特性から求めた光取り出し効率を二回目取り出し効率と称する。なお、図２２において、二点差線は鏡面での取り出し効率を表している。

図２２に示すように、凹凸構造を用いた場合、各深さｄにおいて境界幅ｗの依存性が見られるが、取り出し効率が最大の点を見ても、一回目取り出し効率は、鏡面取り出し効率に対して１．１倍程度である。一方、凹凸構造がない場合には、二回目取り出し効率は鏡面に関してはゼロである（すなわち臨界角以上では光は永久に取り出されない）が、図２２に示すように、凹凸構造を用いることにより二回目以降の反射においても光取り出しの効果を得ることが出来る。

一方、凹凸構造を用いた場合における一回目取り出し効率が鏡面の場合の光取り出し効率と同程度であるということは、全光取り出し効果のほとんどを、二回目以降の取り出し効果に依存しているということも言える。

すなわち、特許文献１に開示された光取り出し構造における凹凸構造は、多重反射によって光取り出し効率を向上させている。

しかしながら、このような構造では、発光装置内部が光吸収の多い構造又は光吸収の多い材料である場合、発光装置内部に光が留まっているほど光が吸収されてしまうため、多重反射による取り出し効率の向上が期待できず、発光装置を含めた全効率を向上させることができないという問題がある。

本実施の形態は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、一回目取り出し効率を向上させ、発光装置内部の光吸収の影響を受け難いシート及び発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施の形態に係るシートの一態様は、発光層を含む発光装置に用いられるシートであって、複数の凸部を有する第１の層と、前記第１の層の上に形成された第２の層と、を備え、前記複数の凸部のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、前記第２の層は、少なくとも前記段差部の上面に形成され、前記第１の層の実効屈折率をｎ_１、前記第２の層の実効屈折率をｎ_２、前記第２の層の上に位置する大気の屈折率をｎ_０としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる関係を満たすことを特徴とする。

また、本実施の形態に係るシートの一態様において、前記複数の段差部のそれぞれの高さは、０．２μｍ以上であってもよい。

また、本実施の形態に係るシートの一態様において、前記第２の層の膜厚は、０．６μｍ以下であってもよい。

また、本実施の形態に係るシートの一態様において、前記複数の凸部は、周期的に配列されていてもよい。

また、本実施の形態に係るシートの一態様において、前記複数の凸部は、ランダムに配列されていてもよい。

また、本実施の形態に係るシートの一態様において、前記第２の層は、有機膜もしくは無機膜により構成されていてもよい。

また、本実施の形態に係るシートの一態様において、前記第２の層は、前記段差部の側面にも形成されていてもよい。

また、本発明の実施の形態に係る発光装置の一態様は、上記いずれかのシートを備えることを特徴とする。

また、本実施の形態に係る発光装置の一態様において、前記第１の層及び前記第２の層は、前記発光層から大気へ向かう方向に、前記第１の層、前記第２の層の順に配置されていてもよい。

また、本発明の他の実施の形態に係る発光装置の一態様は、発光層を含む発光装置であって、複数の凸部を有する第１の層と、前記第１の層の上に形成された第２の層と、前記第２の層の上に形成された第３の層と、を備え、前記複数の凸部のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、前記第２の層は、少なくとも前記段差部の上面に形成され、前記第１の層の実効屈折率をｎ_１、前記第２の層の実効屈折率をｎ_２、前記第３の層の屈折率をｎ_３としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３なる関係を満たし、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層は、前記発光層から大気へ向かう方向に、前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層の順に配置されることを特徴とする。

また、本実施の形態に係る発光装置の一態様において、前記第２の層の膜厚は、０．６μｍ以下であってもよい。

また、本実施の形態に係る発光装置の一態様において、前記複数の凸部は、周期的に配列されていてもよい。

また、本実施の形態に係る発光装置の一態様において、前記複数の凸部は、ランダムに配列されていてもよい。

また、本実施の形態に係る発光装置の一態様において、前記第２の層は、有機膜もしくは無機膜により構成されていてもよい。

また、本実施の形態に係る発光装置の一態様において、前記第２の層は、前記段差部の側面にも形成されていてもよい。

以下、より具体的な本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素及び構成要素の配置位置等は、一例であって、本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る発光装置１０の全体構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る発光装置の断面構成と光の伝搬の様子を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る発光装置１０は、面発光層を含む複数の層を備える面発光装置であって、基板１と、基板１の上に設けられた反射電極２と、反射電極２の上に設けられた発光層３と、発光層３の上に設けられた透明電極４と、透明電極４の上に設けられた透明基板５とを備える。本実施の形態では、基板１、反射電極２、発光層３及び透明電極４によって有機ＥＬ素子（発光体）が構成される。なお、発光装置１０の周囲には空気層（大気）２０が存在し、透明基板５は空気層２０に露出している。

基板１は、例えば、ガラス基板又は可撓性を有する透明樹脂基板である。反射電極２は、例えば、Ａｌ又は銀合金ＡＰＣ等からなる反射性を有する金属電極である。発光層３は、有機発光材料によって構成された有機ＥＬ層からなる面発光層であり、反射電極２と透明電極４とに所定の電圧が印加されることにより有機発光材料が励起されて発光する。発光層３の屈折率は、一例として１．７５程度とすることができる。透明電極４は、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）又はインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の透明金属酸化物からなる電極である。本実施の形態では、屈折率が２．０のＩＴＯを用いて透明電極４を構成した。なお、反射電極２と透明電極４との間には、発光層３の他に、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層又は電子注入層等の機能層が含まれていてもよい。

透明基板５は、例えば透明樹脂基板又はガラス基板をベースとして形成されたシート状の光学シートであって、表面に微細な凹凸を有する階段構造からなる表面構造５０を備える。透明基板５は、接着部材（不図示）によって透明電極４に貼り合わされる。

このように構成される発光装置１０において、反射電極２と透明電極４とに所定の電圧が印加されると発光層３が発光する。この場合、図１に示すように、例えば発光点Ｓで発生した光は、透明電極４を透過し、透明基板５の表面構造５０の点Ｐにおいて表面の面法線に対して角度θの入射角で入射し、この点Ｐにおいて表面構造５０によって屈折及び回折して空気層２０に伝播していく。

次に、透明基板５の表面構造５０の詳細構成について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る発光装置における透明基板の表面構造を説明するための図であり、（ａ）は表面構造の拡大平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、透明基板５は、第１の層５１と、第１の層５１の上に形成された第２の層５２とを備える。

図２の（ｂ）に示すように、第１の層５１は、基底部（ベース部）７０と、基底部７０上に形成された複数の凸部６０とを有する。複数の凸部６０のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有する階段構造となっている。本実施の形態において、各凸部６０は、２段構成となっており、径大の第１の段差部６１と、第１の段差部６１の上に位置する径小の第２の段差部６２とからなる。第１の段差部６１の直径は、第２の段差部６２の直径よりも大きい。第１の層５１は、所定の屈折率を有する樹脂等によって構成することができる。

第２の層５２は、第１の層５１の全面を覆うように形成された低屈折率薄膜であり、基底部７０の表面上及び凸部６０の表面上に形成されている。より具体的には、第２の層５２は、第１の段差部６１の側面及び上面と、第２の段差部６２の側面及び上面と、凸部６０同士の間で構成される基底部７０の表面上に形成されている。なお、後述するように、第２の層５２は、第１の段差部６１及び第２の段差部６２における少なくとも上面（天井面）に、つまり、少なくとも各段差部における基板面と略平行な面（積層方向に略垂直な面）上に形成されていればよい。また、第２の層５２は、有機膜又は無機膜によって構成することができる。例えば、第２の層５２は、所定の屈折率を有する樹脂によって構成することができる。本実施の形態において、第２の層５２は、透明基板５の最表面層であり、空気層２０に露出し、大気にさらされている。

このように構成される透明基板５（表面構造５０）は、第１の層５１の屈折率（実効屈折率）をｎ_１とし、第２の層５２の屈折率（実効屈折率）をｎ_２とし、第２の層５２の上に位置する空気層２０の屈折率をｎ_０としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる関係を満たしている。なお、第１の層５１の屈折率ｎ_１としては、１．２１≦ｎ_１≦３．０とすることができ、また、第２の層５２の屈折率ｎ_２としては、１．２≦ｎ_２≦２．９とすることができる。

なお、本実施の形態において、透明基板５は発光装置１０における最上層に設けられており、表面構造５０は空気層２０との接触面に配置されているが、表面構造５０は、図１に示す発光装置１０における層内の全反射が起こる界面の何処に配置されていても良い。但し、どの層に配置しても、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる屈折率差を満たしていることが必要である。

また、本実施の形態において、透明基板５における凸部６０は、断面矩形上の段差部におけるエッジ（段差の角部）を有しており、各段差部の高さ（積層方向の長さ）は、０．２μｍ以上とすることが好ましい。すなわち、第１の段差部６１の高さをＨ１とし、第２の段差部６２の高さをＨ２とすると、Ｈ１≧０．２μｍ、Ｈ２≧０．２μｍとすることが好ましい。

また、本実施の形態において、凸部６０における最小加工幅（本実施の形態では、第２の段差部６２の上面の直径）をＷａとし、凸部６０同士の間（凹部）の最小加工幅（凸部６０間距離）をＷｂとし、各段差部の最小加工幅（段差幅）をＷｃとすると、０．２μｍ≦Ｗａ≦８．０μｍ、０．２μｍ≦Ｗｂ≦８．０μｍ、０．２μｍ≦Ｗｃ≦８．０μｍとすることが好ましい。

また、本実施の形態において、第２の層５２の屈折率は、第１の層５１との屈折率界面のうち、少なくとも基板１の主面と平行な面における部分の屈折率がｎ_２であればよい。なお、第２の層５２において、基板面垂直方向（積層方向）の厚み（膜厚）をｔ１（＞０）とし、基板面平行方向の厚み（壁面厚み）をｔ２（≧０）とする。この場合、膜厚ｔ１は、製造上、０．６μｍ以下であることが好ましい。また、第１の段差部６１及び第２の段差部６２の側面に形成される第２の層５２は存在しなくても良い（つまり、ｔ２＝０でもよい）。なお、本実施の形態では、ｔ１＝ｔ２としている。

また、本実施の形態における表面構造５０は、図２の（ａ）に示すように、基板面垂直方向に円柱状の微細構造が格子状配列で並んで構成された複数の凸部６０を有する第１の層５１を有するが、各段差部の高さが０．２μｍ以上であり、かつ基板面垂直方向に一定の厚みｔ１を有し屈折率ｎ_２の第２の層５２が形成されていれば、各凸部６０の個々の微細構造の形状は矩形状の柱状構造（四角柱）でも良い。また、複数の凸部６０の平面視方向の配列に関しても、格子状配列に限らず、三角格子配列等の他の配列を用いてもよい。また、本実施の形態では、複数の凸部６０は周期的に配列された周期構造であるが、ランダムに配列されたランダム構造であってもよい。その他リッジ構造等の配列を用いることもできる。また、第２の層５２の屈折率ｎ_２は実効的な屈折率であれば良いので、例えばモスアイ構造のような微細構造とすることで第２の層５２の実効的な屈折率をｎ_２（ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０）としても良い。

次に、本実施の形態に係る発光装置１０の透明基板５（表面構造５０）における光取り出し効率の向上効果について、本発明に至った経緯も含めて以下詳細に説明する。なお、本実施の形態において、表面構造５０は、発光装置１０の全反射が起こる層のどこに適用しても良いが、ここでは簡単のため、図１に示すように、透明基板５に、すなわち空気層２０との界面に形成されている場合を説明する。

図１において、空気層２０の屈折率をｎ_０とし、透明基板５の屈折率をｎ_１とすると、表面構造５０（凸部６０）が存在しない場合（透明基板の表面が平面の場合）には、発光層３から透明基板５と空気層２０との界面に向かって入射する光の入射角θが、臨界角θｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_０／ｎ_１）より大きくなると全反射が発生する。

これに対して、透明基板５の表面に表面構造５０（凸部６０）が存在する場合には、境界回折効果により、上記臨界角θｃ以上の角度で光が入射しても全反射することなく透過するエネルギーが発生し、発光層３で発する光の一部は透明基板５を透過して空気層２０側へと出射する（一回目の光取り出し）。また、表面構造５０に入射したエネルギーの一部はランダムな方向に反射する光のエネルギーとなり、発光層３で発する光の他の一部は表面構造５０において反射して発光層３側へと戻る。反射した光は、反射電極２で反射した後、再び表面構造５０に入射し、上記同様に、その一部は空気層２０に出射し（二回目の光取り出し）、残りは再び反射する。発光層３で発する光は、以上の過程をほぼ無限に繰り返すことになる。

このように、透明基板５に表面構造５０（凸部６０）が存在しない場合には、全反射により二回目以降の光取り出しはゼロになるため、透明基板５に表面構造５０（凸部６０）を形成することにより、鏡面に対して光取り出し効率を向上させることができる。

このとき、発光装置の内部の層が光吸収の多い層である場合、反射を繰り返す程、外部に取り出される迄の光路長が長くなるため、必然的に発光装置の内部の層に吸収される光の割合は多くなる。このため、図２１に示した従来の光取り出し構造のように、一回目の光取り出し効率が低い構造を、光吸収が多い発光装置に適用した場合、十分な光取り出し効率を得ることができない。このため、光吸収が多い発光装置においても同様の効果を得ようとする場合には、一回目の光取り出し効率を向上させる構造設計を行う必要がある。

ここで、段差（凸部）を有する表面構造において、当該段差に対して臨界角以上の入射角で光が入射する場合における光取り出しのメカニズムについて、図３〜図５を用いて説明する。

まず、図３を用いて、段差を有する表面構造体の電磁波解析について説明する。図３は、屈折率が１．５の媒質Ａに高さＨの段差を作製した場合の電磁波解析を示しており、（ａ）はその模式断面図であり、（ｂ）はその電磁波解析の結果を示す電場コンター図である。

図３の（ａ）に示すように、この解析では、臨界角以上（図３では４５°）の入射角で段差に対して平面波を入射し、屈折率が１．５の媒質Ａから屈折率が１．０の媒質Ｂに光が伝播する場合を考えた。また、この場合に光が伝播していく様子を電磁界解析によって求めたものが、図３の（ｂ）である。なお、図３の（ｂ）において、白色部は、電場強度の高い領域を示しており、また、白色の太実線は、段差を有する表面構造体（媒質Ａ）と媒質Ｂとの境界線を示している。

図３の（ｂ）に示すように、この解析結果により、段差の角部（エッジ）の部分を中心として電場の集中が起こり、段差の角部から斜め方向に伝播光が発生している様子が確認できる。この現象は、次のようなメカニズムで発生していると考察される。以下、図４を用いて、このメカニズムについて説明する。

図４の（ａ）〜（ｈ）は、屈折面における光の場の境界条件を模式的に示したものであり、幅Ｗの光が屈折面Ｔに入射する場合を考えている。なお、マックスウェルの方程式から、電界ベクトル又は磁界ベクトルに関して、屈折面Ｔを挟んで周回する経路Ａに沿った積分（周回積分Ａ）はゼロである。ただし、周回経路の内部には電荷や光源がなく、屈折面Ｔに沿った電界ベクトル又は磁界ベクトルの強度や位相は連続していることが前提条件である。

図４の（ａ）に示すように、光の幅Ｗが十分大きい場合には、屈折面Ｔに直交する幅ｔを、屈折面Ｔに沿った幅ｓに比べて無視できるほど小さくでき、周回積分の内、屈折面Ｔに沿った成分しか残らない。この関係から、屈折面Ｔを挟んで電界ベクトル又は磁界ベクトルが連続することが求められる。この連続性の関係を利用して導出されるのがフレネルの式であり、この式により反射や屈折の法則あるいは全反射の現象等が完全に解き明かされる。

また、図４の（ｂ）に示すように、光の幅Ｗが波長の数十倍以下まで小さくなると、幅ｔは無視できなくなる。この場合、経路Ａを経路Ｂと経路Ｂとに分けて、周回積分Ａを周回積分Ｂと周回積分Ｃとに２分割すると、図４の（ｃ）に示すようになる。このうち周回積分Ｂは光束内に含まれるのでゼロになる。残った周回積分Ｃは、光束外での電界ベクトル又は磁界ベクトルがゼロなので、図４の（ｄ）に示すように、光束内にある経路ＰＱの積分値だけが残る。従って、周回積分Ｃはゼロではなくなり、計算上周回経路内で光が発光することと等価になる。

さらに、光の幅Ｗが波長の１／１０程度まで小さくなると、図４の（ｅ）に示すように、周回積分Ｃと周回積分Ｃ’が近接し、経路ＰＱと経路Ｑ’Ｐ’とが重なるので、周回積分Ｃと周回積分Ｃ’とを合わせた周回積分がゼロになり、周回経路内で光が発光することはなくなる。

次に、図４の（ｆ）に示すように、πだけ位相差がある光Ｗ、Ｗ’が並んで屈折面Ｔに入射する場合に、これらの光束をまたがる周回積分Ａを考える。

この場合も光の幅Ｗが波長の数十倍以下まで小さくなると幅ｔは無視できなくなる。この時、図４の（ｇ）に示すように、周回積分Ａを周回積分Ｂと周回積分Ｃと周回積分Ｂ’とに３分割すると、このうち周回積分Ｂと周回積分Ｂ’とは光束内に含まれるのでゼロになる。一方、残った周回積分Ｃは屈折面Ｔに沿った成分を無視することができ、図４の（ｈ）に示すように、２つの光束の境界に沿った経路ＰＱと経路Ｑ’Ｐ’との積分値だけが残る。光束の位相がπの場の経路Ｑ’Ｐ’での積分は光束の位相が０の場の経路Ｐ’Ｑ’での積分に等しいので、周回積分Ｃは経路ＰＱでの積分の２倍の大きさになり、計算上周回経路内で光が発光することと等価になる。

このように、図４の（ａ）〜（ｈ）で示したように、幅の狭い光の場合だけでなく、狭い幅を介して位相が異なる光が並ぶ場合でも幅の境界付近で光が発生する。なお、このような現象は、実際に発光するのではなく、実効的に発光と同じ振る舞いをする現象であり、回折理論の成立前にヤングが提唱した境界回折という現象に似ているので境界回折効果と呼ぶ。

以上のとおり、屈折面Ｔにおいてどのような入射条件であろうとも屈折面Ｔ上で発光があると、その光は屈折面Ｔを挟んだ両方の媒質内に伝搬する。すなわち、臨界角以上の入射角で入射する光であっても、計算上屈折面Ｔで発光が生じるような構成であれば、全反射しないで透過光が発生すると考えられる。

ここで、段差構造における段差の角部における電場ベクトルを、図５に示す。図５の（ａ）に示すように、図４と同様にして段差部の側面と上面とにおける電場ベクトルの周回積分を考えると、図５の（ｂ）に示すように、屈折率境界がある面に対して平行な成分のみ電場ベクトルが残留する。そして、段差の上面と側面とに残留した電場ベクトルは、最終的に段差の角部で合流し、当該段差の角部が光源のように振る舞う。これにより、段差から外部に向かう光は、図５の（ｃ）に示すように、段差の角部を中心にした斜め方向に放射光として伝播していくと考えられる。

以上、図３〜図５を用いて説明したように、段差（凸部）を有する表面構造では、臨界角以上の入射角で光を入射させた場合であっても、光を取り出すことができるということが分かる。

次に、段差を有する表面構造に関し、表面構造の高さ及び段差の数に応じて光取り出し効果が異なる点について、図６及び図７を用いて説明する。図６は、単位段差の全体の高さがＨである表面構造を示しており、（ａ）は、段差が１段である表面構造を有する透明基板を備える比較例１に係る発光装置の拡大断面図であり、（ｂ）は、段差が２段である表面構造を有する透明基板を備える本実施の形態に係る発光装置の拡大断面図である。なお、図６の（ａ）のように段差が１段の場合の表面構造５５０をシングルレベルと称し、図６の（ｂ）のように段差が２段以上の場合の表面構造５０をマルチレベルと称する。また、図７は、図６の（ａ）及び（ｂ）において第２の層５２の厚みがゼロの場合に、表面構造５０を有する透明基板５及び表面構造５５０を有する透明基板５０５に対して臨界角以上の入射角でパワーを１とする平面波を入射したときにおける、透過率の高さＨ依存性を示したものである。図７において、（ａ）はシングルレベルの場合における透過率の高さＨ依存性を示す図であり、（ｂ）はマルチレベルの場合の透過率の高さＨ依存性を示す図である。なお、図７は、図６において、第１の層５１の屈折率ｎ_１をｎ_１＝１．５とし、空気層の屈折率ｎ_０をｎ_０＝１．０とし、平行波（λ＝５５５ｎｍ）の入射角θがθ＝４５°の場合と６０°の場合とを示している。また、図６の（ｂ）においては、Ｗｃ＝０．６μｍとしている。

図７の（ａ）及び図７の（ｂ）に示すように、入射角が臨界角以上のエネルギーを有する光の透過率は、シングルレベルの表面構造５５０（透明基板５０５）及びマルチレベルの表面構造５０（透明基板５）の両方とも、表面構造の高さＨが高いほど上昇することが分かる。すなわち、表面構造の高さが高いほど、光取り出し効率が向上することが分かる。以下、この表面構造の高さＨに対する透過率の向上効果について考察する。

段差を伝播した光のうち、基板方向に近い成分は再び物質内の電磁気的性質を表す構成方程式において、非磁性媒質内の電束密度Ｄは、分極をＰ、電界Ｅ、真空中の誘電率をε_０とすると、次の式で表される。

Ｄ＝ε_０Ｅ＋Ｐ

また、分極Ｐと電界Ｅの関係が線形関係で表せるとき、電束密度Ｄは、比誘電率εと電気感受率χ_Ｅを用いて、次の３つの関係式で記述できる。

Ｄ＝εε_０Ｅ
ε＝１＋χ_Ｅ
Ｐ＝ε_０χ_ＥＥ

また、比誘電率εは、屈折率ｎを用いて、次の式で関係付けられる。

ε＝ｎ^２

ここで、分極Ｐは電界Ｅが存在するときに、光を誘起するという物理的意味を有しているため、屈折率ｎが高いということは上式より分極Ｐが大きいことを意味する。つまり、屈折率ｎが高い部分に光が集中しやすいことが分かる。

このため、段差を有する表面構造において、段差の高さが低い、あるいは、段差の角部（エッジ）同士の距離が近いなどの要因で、伝播光が発生する段差角部近傍に分極の高い高屈折率領域が存在すると、段差から取り出された光が再度段差に引き戻されてしまうこととなり、光取り出し効率が低減してしまう。従って、光取り出し効率を向上させるには、分極は極力低減する必要がある。

分極を低減して光取り出し効率を向上させるためには、図７に示すように、表面構造の高さＨを増加することで段差角部近傍から高屈折率領域を遠ざける方法と、表面構造を実効的に低屈折率とみなせる構成を付加する方法とが考えられる。

本願発明者は、表面構造を実効的に低屈折率とみなせる構成を付加することによって段差角部近傍の分極を低減する手段について検討し、段差の表面に当該段差の屈折率よりも低い屈折率の薄膜を形成することについて検討した。以下、この検討結果について、再び図６を用いて説明する。

図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、段差を有する第１の層５１の表面に低屈折率の第２の層５２を被覆した場合について考える。このとき、臨界角以上の入射角で平行波が第１の層５１から空気層に向かって進行したときの透過率を図８に示す。図８におけるそれぞれのグラフは、透過率における第２の層５２の膜厚ｔ１の依存性を表している。また、図８の左側のグラフは、図６の（ａ）に示す比較例１に係る発光装置（シングルレベル＋第２の層）の透過率を示しており、図８の右側のグラフは、図６の（ｂ）に示す本発明の実施形態に係る発光装置（マルチレベル＋第２の層）の透過率を示している。また、図８の各図は、それぞれ、高さＨが異なる構造に対して、平行波（λ＝５５５ｎｍ）の入射角θがθ＝４５°の場合とθ＝６０°の場合の透過率を表している。また、図８では、ｎ_１＝１．５１、ｎ_２＝１．３４、ｎ_０＝１．０、Ｗｃ＝０．６μｍ、としている。

図８に示すように、入射角θが４５°の場合、比較例１に係る発光装置（シングルレベル）及び本実施の形態に係る発光装置（マルチレベル）の両方とも、第２の層５２の膜厚ｔ１が増大していくにつれて、透過率が上昇していくことが分かる。

一方、入射角θが６０°の場合の透過率を見ると、比較例１に係る発光装置（シングルレベル）においては第２の層５２の膜厚ｔ１を増大させても、透過率の上昇効果はあまり見込めないことが分かる。これに対して、本実施の形態に係る発光装置（マルチレベル）においては、表面構造の高さＨがＨ＝１．２μｍ以上になると、第２の層５２を付加することで、透過率の上昇効果が得られることが分かる。従って、表面構造を複数の段差部（マルチレベル）を有する凸部とし、さらに、当該凸部に第２の層５２を形成することにより、より広角の入射光を伝播光に変換することが出来るということが分かる。これは、凸部６０を複数段の階段構造とすることで、伝播光が発生するエッジ（段差の角部）の数が増えたためであること、さらには、凸部６０の幾何的な配置によりエッジ近傍の分極が低減したためであると考えられる。

以上のとおり、本実施の形態に係る発光装置１０における透明基板５（表面構造５０）は、少なくとも２段以上の段差部によって構成された凸部６０を有する第１の層５１と、当該第１の層５１の上に形成された第２の層５２とを備える。この構成により、発光層３から透明基板５に向かって入射する光の入射角θが臨界角以上に大きい場合であっても、段差部において入射光を効率良く伝播光に変換することができるので、光取り出し効率を向上させることができる。

次に、凸部６０における段差の角部（エッジ）近傍の分極に対して第２の層５２が与える影響に関して、図９及び図１０を用いて説明する。

図９は、第１の層５１の凸部６０の複数の段差部（マルチレベル）に第２の層５２が形成された表面構造において、第２の層５２の成形位置が異なる３つのケースを示したものである。図９の（ａ）は、図２に示す本発明の実施の形態１に係る発光装置における表面構造の拡大断面図である。図９の（ｂ）は、本発明の実施の形態１の変形例に係る発光装置における表面構造の拡大断面図であり、図９の（ｃ）は、比較例２に係る発光装置における表面構造の拡大断面図である。

図９の（ａ）に示すように、本発明の実施の形態１に係る発光装置１０における表面構造５０（透明基板５）では、第１の層５１の段差の全面に第２の層５２が形成されている。すなわち、第２の層５２は第１の層５１の全体を覆うように形成されており、第１の段差部６１の上面及び側面と第２の段差部６２の上面及び側面とに第２の層５２が形成されている。

また、図９の（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態１の変形例に係る発光装置における表面構造５０Ａ（透明基板５Ａ）は、第１の層５１の段差の上面にのみ第２の層５２が形成されている。すなわち、本変形例における第２の層５２は、第１の段差部６１の上面と第２の段差部６２の上面とには形成されているが、第１の段差部６１の側面と第２の段差部６２の側面とには形成されていない。

また、図９の（ｃ）に示すように、比較例２における表面構造６５０（透明基板６０５）は、第１の層５１の段差の側面にのみ第２の層５２が形成されている。すなわち、この比較例における第２の層５２は、第１の段差部６１の側面と第２の段差部６２の側面とには形成されているが、第１の段差部６１の上面と第２の段差部６２の上面とには形成されていない。

次に、図９の（ａ）〜（ｃ）に示す第２の層５２の形成位置が異なる３つのケースのそれぞれにおいて、入射角θに対する透過率の関係について図１０を用いて説明する。図１０の各図は、上記３つのケースのそれぞれにおける入射角θに対する透過率の第２の層の膜厚依存性を比較した図を示したものであり、（ａ）は、入射角θがθ＝３０°の場合の透過率特性を示しており、（ｂ）は、入射角θがθ＝４５°の場合の透過率特性を示しており、（ｃ）は、入射角θがθ＝６０°の場合の透過率特性を示している。なお、図１０において、ｎ_１＝１．５１、ｎ_２＝１．３４、ｎ_０＝１．０、Ｈ＝１．０μｍ、Ｗｃ＝０．４μｍとし、第２の層５２の膜厚ｔ１を変数として透過率を算出した。また、発光層３から第１の層５１に入射させる光は平行波（λ＝５５５ｎｍ）とした。

図１０の（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、第１の層５１の段差部の上面に第２の層５２が形成されていない場合、第２の層５２の膜厚ｔ１が増大しても透過率の向上が無いことが分かる。これに対して、第１の層５１の段差部の上面に第２の層５２が形成されている場合、透過率が向上することが分かる。さらに、この場合、凸部６０における段差部の側面にも第２の層５２が形成されることで、さらに透過率が向上することも分かる。このように、段差部における第２の層５２の形成位置に応じて透過率が変化する現象は、図７と図８との比較における第２の層５２（低反射膜）の付与の効果とは別の事由によるものであることを表している。

次に、本実施の形態に係る発光装置１０の表面構造５０（透明基板５）において、第１の層５１の凸部６０における第２の段差部６２（最上の段差部）の上面の長さと透過率との関係について、図１１を用いて説明する。図１１の（ａ）は、本実施の形態に係る発光装置の表面構造における凸部周辺の拡大断面図であり、図１１の（ｂ）は、本実施の形態に係る発光装置の表面構造における透過率のＷａ依存性を示す図である。なお、図１１の（ｂ）では、凸部６０における最小加工幅（第２の段差部６２の上面の直径）Ｗａをパラメータとし、Ｗｃ＝０．６μｍ、Ｈ＝１．２μｍ、ｔ１＝０．２μｍ、ｎ_１＝１．５１、ｎ_２＝１．３４、ｎ_０＝１．０と固定した場合において、入射角θ＝４５°、６０°で平行波（λ＝５５５ｎｍ）が入射したときの透過率を比較して示している。

図１１の（ｂ）から分かるように、Ｗａが１μｍよりも小さい領域では、θ＝４５°の場合もθ＝６０°の場合もともに透過率が低く、Ｗａが大きくなるにつれて透過率が向上していく。これは、入射角θを大きくしていったときに、段差部の角部（エッジ）に入射する光が構造自身によって遮られずに入射できるようになるためであると考えられる。

次に、本実施の形態に係る発光装置１０の表面構造５０（透明基板５）において、第１の層５１の凸部６０における段差部間の距離（エッジ間の距離）と透過率との関係について、図１２を用いて説明する。図１２の（ａ）は、本実施の形態に係る発光装置の表面構造における凹部（凸部間）周辺の拡大断面図であり、図１２の（ｂ）は、本実施の形態に係る発光装置の表面構造における透過率のＷｂ依存性を示す図である。なお、図１２の（ｂ）では、凸部６０同士の間（凹部）の最小加工幅Ｗｂをパラメータとし、図１１の（ｂ）と同様に、Ｗｃ＝０．６μｍ、Ｈ＝１．２μｍ、ｔ１＝０．２μｍ、ｎ_１＝１．５１、ｎ_２＝１．３４、ｎ_０＝１．０と固定した場合において、入射角θ＝４５°、６０°で平行波（λ＝５５５ｎｍ）が入射したときの透過率を比較して示している。

図１２の（ｂ）に示すように、凹部の幅Ｗｂの大きさに依存して透過率が向上していくことが分かる。これはＷｂを拡大することで、段差部の角部（エッジ）から発生した伝播光が再度高屈折率領域側に取り込まれないようになるためであると考えられる。

以上の知見により、複数の段差部からなる階段構造の凸部（マルチレベル）を有する表面構造を用いて、各段差部の角部近傍に分極が少なく、かつ当該角部に対して光が入射される状態であれば、一回取り出し効率を向上させることができることが分かる。

ここで、図１３を用いて、図６の（ａ）に示す比較例１に係る表面構造（シングルレベル）及び図６（ｂ）に示す本実施の形態に係る表面構造（マルチレベル）をそれぞれ周期的な格子配列とした場合における一回取り出し効率について説明する。なお、図１３では、シングルレベル及びマルチレベルの両方とも表面構造の高さＨをＨ＝１．０μｍとして算出している。この場合、シングルレベルでは、一つ当たりの凸部の幅ＷをＷ＝２．０μｍとし、凸部のピッチを２．６μｍとし、マルチレベルでは、Ｗａ＝０．８μｍ、Ｗｂ＝０．６μｍ、Ｗｃ＝０．６μｍとしている。なお、シングルレベル及びマルチレベルのいずれにおいても、第２の層５２の厚みはｔ１＝０．１６μｍとし、第１の層５１の屈折率はｎ_１＝１．５１とし、第２の層５２の屈折率はｎ_２＝１．３４とし、空気層２０の屈折率はｎ_０＝１．０として、一回取り出し効率を算出している。

図１３に示す結果から明らかなように、マルチレベルの構造において第２の層５２を付加したものにおいては顕著に一回取り出し効率の向上を図ることができる。

ここで、図１４を用いて、マルチレベルの構造（第２の層なし）における各段差部の高さＨと一回取り出し効率との関係について説明する。なお、図１４では、ｎ_１＝１．５１、ｎ_０＝１．０、Ｗａ＝２．３μｍ、Ｗｂ＝０．０５μｍ、Ｗｃ＝０．６μｍとしている。

図１４に示すように、各段差部の高さＨが０．０５μｍ以上の場合は、段差が無い場合と比較して一回取り出し効率が向上していることが分かる。さらに、同図に示すように、０．２μｍを境界にして一回取り出し効率の変化率が上がっていることが分かるので、各段差部の高さＨは０．２μｍ以上とすることが好ましい。

また、図１５を用いて、図２に示す本実施の形態に係る発光装置（マルチレベル）の表面構造において、１つの凸部６０の全幅（Ｗａ＋２×Ｗｃ）及び段差幅Ｗｃの一回取り出し効率への影響について説明する。なお、図１５では、Ｈ１＝Ｈ２＝０．６μｍ、Ｗａ＝１．４μｍ、Ｗｂ＝０．６μｍ、ｎ_１＝１．５１、ｎ_２＝１．３４、ｎ_０＝１．０として、一回取り出し効率を算出している。また、第２の層５２の膜厚ｔ１は、０．１６μｍで固定している。

図１５に示すように、凸部６０の全幅（Ｗａ＋２×Ｗｃ）を拡大することにより、一回取り出し効率を大幅に向上できることが分かる。また、段差幅Ｗｃを拡大することによって、さらに一回取り出し効率を大幅に向上できることも分かる。

また、図１６を用いて、図２に示す本実施の形態に係る発光装置（マルチレベル）の表面構造において、第２の層５２の膜厚ｔ１と屈折率ｎ_２とをパラメータとした場合の一回取り出し効率を説明する。なお、図１６では、Ｈ１＝０．６μｍ、Ｈ２＝０．６μｍ、Ｗａ＝２．２μｍ、Ｗｂ＝０．６μｍ、Ｗｃ＝０．４μｍ、ｎ_１＝１．５１、ｎ_０＝１．０として、一回取り出し効率を算出している。

図１６に示すように、第２の層５２の膜厚ｔ１が増大するにつれて、一回取り出し効率が向上していくことが分かる。また、屈折率ｎ_２に関しても、屈折率ｎ_２が約１．３４〜約１．３７の範囲において最大値を示し、鏡面比１．５倍を超える一回取り出しが可能であることが明らかになった。

以上、本発明の実施の形態１に係る発光装置１０によれば、当該発光装置１０に用いられる透明基板５が、それぞれが複数の段差部（マルチレベル）を有する複数の凸部６０が表面に形成された第１の層５１（屈折率ｎ_１）と、複数の段差部の少なくとも上面に形成された第２の層５２（屈折率ｎ_２）とを含み、かつ、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０の関係を満たしている。これにより、発光層３から透明基板５に入射する光のうち入射角が臨界角以上である光の最初（一回目）の光を効率良く取り出すことができるので、発光装置内部が光吸収の多い構造又は光吸収の多い材料であったとしても光取り出し効率を向上させることができる。従って、発光装置の全光束及び輝度を向上させることができるとともに、消費電力の低減及び素子寿命の延長を図ることができる。

また、本実施の形態において、第２の層５２は、図９の（ａ）に示すように、第１の層５１の凸部６０の段差部の全面（上面も側面も）に形成してもよいし、図９の（ｂ）に示すように、第１の層５１の凸部６０の段差部の上面にのみ形成してもよい。

なお、図９の（ａ）の構成は、図１０に示すように、入射角がより広角の場合に透過率を向上させることができるだけではなく、凹凸構造の第１の層５１に対して第２の層５２を容易に成膜することができる。また、図９の（ｂ）の構成は、図９の（ａ）の構成と比べて、モスアイ構造に適した構成である。

（実施例）
以下、本発明の実施の形態１に係る発光装置に用いられる光学シートの実施例について説明する。図２に示す本実施の形態に係る発光装置１０に用いられる光学シートの表面構造は、次のようにして作製することができる。

まず、ＳｉＯ_２に対してリソグラフィー及びエッチングを施すことにより、図２の（ｂ）に示す第１の層５１の反転パターンが形成されたモールドを作製し、その後、当該モールド上に離型処理を施した上で、ＵＶナノインプリントを用いてシート基材に第１の層５１の構造を転写する。これにより、複数の凸部６０を有する第１の層５１を作製することができる。

このとき、シート基材としては、例えば東洋紡績株式会社製のＰＥＴフィルム（コスモシャイン（登録商標））を用いることができる。また、ＵＶナノインプリント用の樹脂としては、例えば東洋合成工業株式会社製のＰＡＫ０２を用いることができる。

なお、第１の層５１の階段構造を形成する方法としては、ＵＶナノインプリントに限らず、熱インプリントや射出成形、あるいは、ゾル−ゲルインプリント法を用いてもよく、材質はそれぞれの作製方法に適したものを用いればよい。

次に、作製した第１の層５１の上に、フッ素樹脂等の低屈折率樹脂を、膜厚を変えずに塗布することで、第１の層５１の表面に第２の層５２を形成することができる。

このとき、フッ素樹脂としては、例えば、旭硝子株式会社製のアモルファスフッ素樹脂（サイトップ）等を用いることができる。また、第２の層の形成方法としては、低屈折率の樹脂を塗布する方法に限らず、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の真空プロセスにより成膜してもよいし、ゾル−ゲル法やＬＰＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により塗布形成してもよい。なお、第２の層５２に相当する部分は、実効的な屈折率が等価であれば良く、例えば第２の層５２の代わりにモスアイ構造のような微小構造を作製してもよい。

このようにして、段差部を有する複数の凸部６０が形成された第１の層５１と、当該第１の層５１の上に形成された第２の層５２とからなる表面構造５０を備える光学シートを作製することができる。なお、作製した光学シートは、例えば、本実施の形態のように、発光装置における透明基板そのものとして用いて、接着部材によって透明電極４の上に直接貼り付けてもよいし、あるいは、発光装置の最表面に設けられた平板状の透明基板の上に接着部材によって貼り付けてもよい。

なお、本実施例において、透明基板５の第１の層５１は、金型を用いてシート基材に転写して凹凸構造を形成したが、これに限らない。例えば、平板状の透明基板の表面に直接エッチング等の微細加工を施すことによって、凹凸構造を有する第１の層５１を作製することもできる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る発光装置について、図１７を用いて説明する。図１７の（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る発光装置の拡大断面図であり、図１７の（ｂ）は、（ａ）に示す同発光装置の表面構造において、１つの凸部の全幅（Ｗａ＋２×Ｗｃ）及び段差幅Ｗｃ（全て同じ）と一回取り出し効率との関係を示す図である。なお、図１７において、図２における構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付しており、詳しい説明は省略する。

図１７の（ａ）に示すように、本実施の形態に係る発光装置の表面構造５０Ｂ（透明基板５Ｂ）は、第１の層の凸部が３つの段差部を有する点で、第１の層の凸部が２つの段差部を有する実施の形態１に係る発光装置１０の透明基板５と異なる。なお、本実施の形態に係る発光装置における表面構造５０Ｂは、実施の形態１と同様に、複数の段差部を有するマルチレベルである。

本実施の形態における表面構造５０Ｂ（透明基板５Ｂ）は、第１の層５１Ｂと、第１の層５１Ｂの上に形成された第２の層５２とを備える。第１の層５１Ｂは、基底部７０上に設けられた複数の凸部６０Ｂを有し、複数の凸部６０Ｂのそれぞれは３段構成となっている。すなわち、本実施の形態における凸部６０Ｂは、径大の第１の段差部６１と、第１の段差部６１の上に位置する径中の第２の段差部６２と、第２の段差部６２上に位置する径小の第３の段差部６３とからなる。

なお、第２の層５２は、実施の形態１と同様に、第１の層５１の全面を覆うように形成されているが、少なくとも、第１の段差部６１、第２の段差部６２及び第３の段差部の各上面に形成されていればよく、各段差部の側面には必ずしも第２の層５２を形成する必要はない。また、本実施の形態においても、第１の層５１の実効屈折率ｎ_１、第２の層５２の実効屈折率ｎ_２、及び、空気層２０の屈折率ｎ_０は、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる関係を満たしている。さらに、本実施の形態においても、表面構造５０Ｂは、発光装置における層内の全反射が起こる界面の何処に配置しても良い。

また、図１７の（ｂ）では、凸部６０Ｂの全高Ｈ＝１．２μｍ（Ｈ１＝Ｈ２＝Ｈ３＝０．４μｍ）、Ｗａ＝０．１μｍ〜３．３μｍ、Ｗｂ＝０．６μｍ、ｎ_１＝１．５１、ｎ_２＝１．３４、ｎ_０＝１．０、ｔ１＝０．１６μｍとし、凸部６０Ｂの全幅（Ｗａ＋２×Ｗｃ）及び段差幅Ｗｃ（全て同じ）をパラメータとして一回取り出し効率を算出している。

この結果、図１７の（ｂ）に示すように、凸部６０Ｂの全幅（Ｗａ＋４×Ｗｃ）が約２．０μｍ以上であれば、一回取り出し効率が向上することが分かる。さらに、Ｗｃ＝０．３〜０．４μｍの寸法の場合には、凸部６０Ｂの全幅（Ｗａ＋４×Ｗｃ）が約２．８μｍを超えると、一回取り出し効率が大幅に向上することが分かる。また、図１５と比較して分かるように、２段の場合と比べて、一回取り出し効率を高めることが可能であることも分かる。

以上、本発明の実施の形態２に係る発光装置によれば、３段の段差部を有する表面構造５０Ｂを有する透明基板５Ｂを備えているので、実施の形態１に係る発光装置１０と比べて、さらに、入射角が臨界角以上である最初（一回目）の光を効率良く取り出すことができる。

なお、本実施の形態に係る発光装置における透明基板５Ｂ（表面構造５０Ｂ）は、実施の形態１の実施例と同様のプロセス及び材料によって作製することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る発光装置１０Ｃについて、図１８を用いて説明する。図１８の（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る発光装置の断面図であり、図１８の（ｂ）は、（ａ）に示す同発光装置の表面構造周辺の拡大図である。なお、図１８において、図１及び図２における構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付しており、詳しい説明は省略する。

図１８の（ａ）に示すように、本実施の形態に係る発光装置１０Ｃは、２段以上の段差部からなる凸部を有する階段構造が発光装置の内部に形成されている点で、階段構造が発光装置の表面構造として形成されている実施の形態１に係る発光装置と異なる。なお、本実施の形態に係る発光装置の表面構造も、複数の段差部を有するのでマルチレベルである。

図１８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る発光装置１０Ｃは、複数の凸部６０Ｃを有する第１の層５１Ｃ（透明電極４Ｃ）と、第１の層５１Ｃ（透明電極４Ｃ）の上に形成された低屈折率膜である第２の層５２Ｃと、第２の層５２Ｃの上に形成された第３の層５３Ｃ（透明基板５Ｃ）とを備える。

第１の層５１Ｃは、透明電極４Ｃに対応し、基底部（ベース部）７０Ｃと、基底部７０Ｃ上に設けられた複数の凸部６０Ｃとを有する。また、複数の凸部６０Ｃのそれぞれは２段構成となっており、径大の第１の段差部６１Ｃと、第１の段差部６１Ｃの上に位置する径小の第２の段差部６２Ｃとからなる。

第１の層５１Ｃとしての透明電極４Ｃの材料は、実施の形態１の透明電極４と同様に、例えば、ＩＴＯ又はＩＺＯ等の透明金属酸化物を用いることができる。本実施の形態では、屈折率が２．０であるＩＴＯを用いて透明電極４Ｃを構成した。また、第１の層５１Ｃ（透明電極４Ｃ）の凹凸構造は、例えば、エッチング等によってパターン形成することができる。

第２の層５２Ｃは、第１の層５１Ｃの全面を覆うように形成されており、第１の層５１Ｃの第１の段差部６１Ｃの側面及び上面と、第２の段差部６２Ｃの側面及び上面と、凸部６０Ｃ同士の間で構成される基底部７０Ｃの表面上に形成されている。なお、第２の層５２Ｃは、実施の形態１の第２の層５２と同様の材料を用いることができ、有機膜又は無機膜によって構成することができる。また、第２の層５２Ｃは、少なくとも第２の層５２Ｃの凸部６０Ｃの段差部の上面に形成されていればよい。

第３の層５３Ｃは、透明基板５Ｃに対応し、凹凸構造の第２の層５２Ｃの全面を覆うように形成されている。第３の層５３Ｃは、例えば、第２の層５２Ｃの表面上に所定の屈折率を有する透明樹脂等を塗布することによって形成することができる。

このように、第１の層５１Ｃ、第２の層５２Ｃ及び第３の層５３Ｃで構成される階段構造５０Ｃは、第１の層５１Ｃの実効屈折率をｎ_１、第２の層５２Ｃの実効屈折率をｎ_２、第３の層５３Ｃの実効屈折率の屈折率をｎ_３としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３なる関係を満たしている。

以上、本発明の実施の形態３に係る発光装置１０Ｃによれば、発光装置１０Ｃの内部に上記構成の階段構造５０Ｃを備えているので、実施の形態１と同様の効果を奏することができ、入射角が臨界角以上である最初（一回目）の光を効率良く取り出すことができる。

なお、本実施の形態において、階段構造５０Ｃは透明電極４Ｃと透明基板５Ｃとの界面に形成したが、当該階段構造５０Ｃは、発光装置１０Ｃにおける層内の全反射が起こる界面の何処に形成しても構わない。但し、どの層に配置しても、第２の層５２Ｃを挟む第１の層５１Ｃと第３の層５３Ｃとは、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３なる屈折率差を満たしていることが必要である。

また、本実施の形態においても、第２の層５２Ｃの膜厚ｔ１は、０．６μｍ以下であることが好ましい。

また、本実施の形態においても、階段構造５０Ｃにおける複数の凸部６０Ｃは、格子状配列又は三角格子配列等とすることができる。あるいは、複数の凸部６０Ｃは、周期構造、ランダム構造又はリッジ構造等とすることもできる。

以上、本発明に係る発光装置及びシートについて、実施の形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記の実施の形態１、２では、透明基板をシートとして用いたが、これに限らない。階段構造を有する表面構造が形成されたシートを、平板状の透明基板とは別に準備し、透明電極の上に貼り合わせた平板状の透明基板上に、別途準備したシートを貼り合わせても構わない。

その他、各実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態及び変形例における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

本発明に係るシート及び発光装置は、照明装置又はディスプレイ等において広く利用することができる。特に、本発明に係るシートは、光取り出し効率を向上させることができるので、有機ＥＬ素子を用いたディスプレイ用シート、有機ＥＬ素子を用いた照明用シート、又は、ＬＥＤ用シート等として有用であり、輝度向上を目的とした様々な光源や発光体に広く適用することができる。

１、１０１ 基板
２、１０２ 反射電極
３、１０３ 発光層
４、４Ｃ、１０４ 透明電極
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、１０５、５０５、６０５ 透明基板
１０、１０Ｃ、１００ 発光装置
２０ 空気層
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５５０、６５０ 表面構造
５０Ｃ 階段構造
５１、５１Ｂ、５１Ｃ 第１の層
５２、５２Ｃ 第２の層
５３Ｃ 第３の層
６０、６０Ｂ、６０Ｃ、４０２ 凸部
６１、６１Ｃ 第１の段差部
６２、６２Ｃ 第２の段差部
６３ 第３の段差部
７０、７０Ｃ 基底部
３０１、３０２ 円錐体
３０３ 球面
４００ 光取り出し構造
４０１ 凹部

Claims (15)

1. 発光層を含む発光装置に用いられるシートであって、
   複数の凸部を有する第１の層と、
   前記第１の層の上に形成された第２の層と、を備え、
   前記複数の凸部のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、
   前記第２の層は、少なくとも前記段差部の上面に形成され、
   前記第１の層の実効屈折率をｎ_１、前記第２の層の実効屈折率をｎ_２、前記第２の層の上に位置する大気の屈折率をｎ_０としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_０なる関係を満たす、
   シート。
2. 前記複数の段差部のそれぞれの高さは、０．２μｍ以上である、
   請求項１に記載のシート。
3. 前記第２の層の膜厚は、０．６μｍ以下である、
   請求項１に記載のシート。
4. 前記複数の凸部は、周期的に配列されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のシート。
5. 前記複数の凸部は、ランダムに配列されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のシート。
6. 前記第２の層は、有機膜もしくは無機膜により構成されている、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のシート。
7. 前記第２の層は、前記段差部の側面にも形成されている、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のシート。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のシートを備える、
   発光装置。
9. 前記第１の層及び前記第２の層は、前記発光層から大気へ向かう方向に、前記第１の層、前記第２の層の順に配置される、
   請求項８に記載の発光装置。
10. 発光層を含む発光装置であって、
    複数の凸部を有する第１の層と、
    前記第１の層の上に形成された第２の層と、
    前記第２の層の上に形成された第３の層と、を備え、
    前記複数の凸部のそれぞれは、少なくとも２段以上の複数の段差部を有し、
    前記第２の層は、少なくとも前記段差部の上面に形成され、
    前記第１の層の実効屈折率をｎ_１、前記第２の層の実効屈折率をｎ_２、前記第３の層の屈折率をｎ_３としたときに、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３なる関係を満たし、
    前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層は、前記発光層から大気へ向かう方向に、前記第１の層、前記第２の層、前記第３の層の順に配置される、
    発光装置。
11. 前記第２の層の膜厚は、０．６μｍ以下である、
    請求項１０に記載の発光装置。
12. 前記複数の凸部は、周期的に配列されている、
    請求項１０又は１１に記載の発光装置。
13. 前記複数の凸部は、ランダムに配列されている、
    請求項１０又は１１に記載の発光装置。
14. 前記第２の層は、有機膜もしくは無機膜により構成されている、
    請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の発光装置。
15. 前記第２の層は、前記段差部の側面にも形成されている、
    請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の発光装置。

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