JP5509789B2 - 光学部材及びｅｌ表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス：Electro Luminescence）素子やＦＥＤ（Field Emission Display／電界放出ディスプレイ)等の自発光型の面状発光素子において輝度向上を図る光学部材、並びに、これを用いたＥＬ表示装置に関する。

面状発光素子の代表的なものであるＥＬ素子は、蛍光性化合物に電場を加えるか、電流を注入するかにより発光する素子であり、使用する材料によって無機ＥＬと有機ＥＬとに分けられる。

蛍光性化合物における電気エネルギー刺激による発光は、無機化合物や有機化合物において観測されるが、それぞれの発光中心の励起機構は異なる。無機ＥＬ素子の発光は、蛍光体中に電子が高電界下において加速されて発光中心に衝突し励起することで生じ、一方、有機ＥＬの発光は、外部から電子とホール（正孔）を注入し、それらの再結合エネルギーによって発光中心を励起することで生じる。無機ＥＬ、有機ＥＬはともに発光層を電極で挟んだサンドイッチ構造であり、電極の少なくとも一方の電極を透明にすることによって、面状の発光素子を得ることが可能になっている。

図９に非常に簡単な有機ＥＬ素子１００の構成について説明する模式図を示す。図９に示す有機ＥＬ素子１００は、背面電極１０１、有機発光層１０２、透明電極１０３、及びガラス基板１０４を順に積層して構成されている。図中の符合１０５は空気層を示している。このような有機ＥＬ素子１００では、背面電極１０１と透明電極１０３との間に電圧を印加することによって有機発光層１０２内で発光が起こり、この光を透明電極１０３側から素子外部へ、すなわち空気層１０５側へ取り出すことが可能となっている。
なお、図９では、背面電極１０１、有機発光層１０２、透明電極１０３、ガラス基板１０４のみを示しているが、実際の素子では、電子輸送層やホール輸送層等のさまざまな薄膜層がいくつも積層されて構成されている。また、ガラス基板１０４をプラスチック基板にすることでもフレキシブルなＥＬ素子も作製可能であるため、以下では、ガラス基板１０４を、単に基板１０４と呼ぶものとする。

ところで、有機発光層１０２で発光した光は、透明電極１０３や基板１０４を通って空気層１０５へ射出されるが、一般に有機発光層１０２、透明電極１０３、基板１０４に用いられる材料の屈折率は異なるため、有機ＥＬ素子ではフレネル反射による光取り出しロスが生じる。異なった屈折率を有する材料が接する界面で生じるフルネル反射の指標としてのフレネル反射率（Ｒ）は、相互に接する第１の材料の屈折率をｎ１、第２の材料の屈折率をｎ２とした場合に、これら屈折率ｎ１，ｎ２を用いて表現することができ、例えば、垂直入射の場合には、次式（１）で表現される。このようなフレネル反射率（Ｒ）の数値が高いほど、光取り出しロスは大きくなる。

また、有機発光層１０２側に位置する入射側材料（屈折率：ｎｉ）に対して、空気層１０５側に位置する射出側材料（屈折率：ｎｓ）の屈折率が低い場合、つまり、ｎｉ＞ｎｓの場合には、図９のＰ１，Ｐ２に参照されるように、入射した光に関して全反射が起こる場合がある。すなわち、図９では、透明電極１０３から基板１０４に入射しようとする光が全反射された様子（Ｐ１）、及び、基板１０４から空気層１０５に入射しようとする光が全反射された様子（Ｐ２）が示されている。このような全反射の発生は入射する光の角度に依存するものであり、全反射が生じる角度である臨界角θｃは、次式（２）で表現できる。臨界角θｃ以上の角度で入射した光は全反射が起こり、材料の吸収を無視すると１００％反射が起こる。そのため、素子外部へ光を取り出すことが出来ずに大きな損失となってしまう。

このように屈折率の異なる材料を積層してなる有機ＥＬ素子では、外部への光取り出し効率（素子内部で発する光をどれくらい素子の外へ出すことができるかを示した割合）のロスが生じてしまう問題がある。具体的な例を挙げると、屈折率１．５のガラス平板を基板１０４に用いたときには、外部に取り出される光取り出し効率は、一般に２０％以下と言われている。このため、素子外部への光取り出し効率を改善する手法が種々提案されており、例えば特許文献１には、素子基板上にマイクロレンズを設け、素子外部への光取り出し効率を改善する技術が開示されている。

特許第２７７３７２０号公報

しかしながら、特許文献１に係る構成において、空気との界面で生じる全反射を効果的に抑制するためには、マイクロレンズが発光面積に対して十分大きなレンズ径を有することが必要であり、素子内の発光面積に対して十分に大きな径のマイクロレンズを設けることが困難である場合には、十分な全反射抑制効果を得ることができない。典型的な例を挙げれば、ディスプレイ用途等の高精細な画素サイズの実現をねらった素子用途では、素子のレイアウトに高密度化が要求され、大きさも小型であることが望まれるが、画素間でのマイクロレンズ同士の物理的な干渉や画素の高密度化等の点からみて、画素面積に対して十分大きなマイクロレンズを具備することが困難な場合があり、十分な全反射抑制効果を得ることができない場合があった。

また、特許文献１に係る構成では、マイクロレンズが凸状となるため、かかる凸状部位に傷がつきやすく、また、汚れがつきやすくなってしまい、耐久性、耐汚性が良好といい難い点があり、さらには、マイクロレンズが複数並ぶときには、凹凸構造が形成されるため、マイクロレンズに対し他の光学部材を取付けにくい構造でもあった。

本発明は係る実情に鑑みてなされたものであり、比較的薄く有機ＥＬ等の面状発光素子を嵩張らせない構成で、損失となる素子最表面である基板と空気層との界面で全反射される光を減らすことにより、外部に取り出される光の光取り出し効率の向上を実現するとともに、耐久性、耐汚性及び他の部材の取り付け性も向上させることのできる光学部材等の提供を目的とする。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、面状発光素子の光取出し面側に配することで光の取出し効率の向上を図る光学部材であって、前記光取出し面側に配した際に前記光取出し面の法線に対し斜めとなるように、屈折率の異なる材料を積層した多層膜光学部材を備え、該多層膜光学部材は、前記屈折率の異なる材料が積層される積層方向、及び、前記屈折率の異なる材料が繰り返し積層される積層間隔の少なくともいずれかが異なる複数の領域に、前記光取出し面から見て空間分割されていることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、多層膜光学部材を、屈折率の異なる材料を光取出し面の法線に対し斜めに積層して構成することで、この積層方向に近い角度で入射した光については、略反対方向に向けて反射させて面状発光素子に再度入射させることができ、この再度入射させた光を面状発光素子において反射、散乱させて、一部を光学部材の外側へ取り出し可能な角度に変換することが可能となる。なお、「積層方向」とは、屈折率の異なる材料が接する面の法線方向を指し、換言すれば、屈折率の異なる材料の繰り返し積層される間隔が最小となる方向である。
また、積層方向に対して逆の角度（略直角に近い角度）で入射した光については、先ず、多層膜光学部材内を直進させ、当該多層膜光学部材の外側の空気層との間の界面で反射させて、再度多層膜光学部材内を直進させることができ、そして、ここで反射した光は積層方向に近い角度となるため、多層膜光学部材で略反対方向に向けて反射させることができ、再度、当該多層膜光学部材の外側の空気層との間の界面で反射させ、面状発光素子側に戻すことが可能となる。これにより、面状発光素子において反射、散乱させて、一部を光学部材の外側へ取り出し可能な角度に変換することができる。
この結果、上記のいずれの角度で入射した光も多層膜光学部材により逆方向に変換できることから、多層膜光学部材の無い場合に比べて、多層膜光学部材の無い場合には外部に取り出せない光、すなわち臨界角以上の角度で入射する光の空気層と多層膜光学部材の界面との間での反射の回数、及び、面状発光素子での反射、散乱を繰り返す回数を多くすることが可能となり、光の取出し効率を向上させることができる。
また、屈折率の異なる材料が光取出し面の法線に対し斜めに積層される構造であるため、面状発光素子側から入射する光の反射率に波長選択性を持たせることが可能となる。
つまり、屈折率の異なる材料の厚さを調整することで、特定波長の光を反射させるのに最適な光路長を容易に設定できるため、特定波長に近しい波長の光のみに作用させることができ、これによって、ひいては特定色の色純度を高めることができる。
さらに、屈折率の異なる材料が光取出し面の法線に対し斜めに積層される構造であるため、マイクロレンズやプリズムのような凹凸構造を用いない形状（典型的にはフィルム状等）で光取出し効率を向上させる光学部材を構成することができるため、比較的薄く面状発光素子を嵩張らせない構成にすることができ、耐久性、対汚性の向上とともに、他の光学部材との組み合わせが容易となって、他の部材との取り付け性も向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光学部材において、前記多層膜光学部材は、前記複数の領域の組み合わせにより形成された単位領域が複数配列されることにより、前記光取出し面から見て空間分割されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の光学部材において、前記単位領域は、前記積層方向及び前記積層間隔の少なくともいずれかが異なる３つの領域の組み合わせからなることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学部材において、入射される光を拡散させる拡散光学部材を備えることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、多層膜光学部材に拡散光学部材を組み合わせることで、多層膜光学部材によって反射した光に対する反射、拡散の作用を大きくすることができ、より多くの光を取出し可能な角度に変換することが可能となる。なお、多層膜光学部材に対する拡散光学部材の配置は、光の取出し面側、面状発光素子側のどちらでも良い。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材において、前記多層膜光学部材の前記光取出し面側の材料又は空間の屈折率をｎ_ｏｕｔ、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ_ｉｎとした場合、前記多層膜光学部材の積層方向の角度が、前記光取出し面の法線方向に対し、ｎ_ｏｕｔ，ｎ_ｉｎで決定される臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_ｏｕｔ／ｎ_ｉｎ）以上であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、光取出し面側の材料又は空間の屈折率をｎ _ｏｕｔ 、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ _ｉｎ とした場合に、多層膜光学部材の積層方向の角度を、ｎ _ｏｕｔ 、ｎ _ｉｎ から決定される臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ _ｏｕｔ ／ｎ _ｉｎ ）以上にすることで、本発明に係る光学部材が無い場合には利用できない臨界角以上の光をより一層多く反射させることができ、光取り出し効率のより一層の向上を図ることができる。
また、本発明に係る光学部材が無い場合にも取り出すことの可能な正面方向、すなわち面状発光素子の光取出し側面の法線に沿う方向で入射する光については、多層膜光学部材の積層方向と大きく異なるため、多層膜光学部材による反射作用は働かず、この光が面状発光素子側に戻る現象を抑えることが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学部材において、前記多層膜光学部材は、前記屈折率の異なる材料を前記光取出し面の法線に対し斜めに積層する積層構造を複数有し、各積層構造は、前記積層方向及び前記積層間隔の少なくともいずれかが異なることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、多層膜光学部材における積層構造が複数あることで、最適波長、入射光、反射光の最適角度を複数設定することができ、一組の最適波長、入射光、反射光の最適角度以外の波長や角度の光に対しても、最適波長、入射光、反射光の最適角度を設定することができ、反射作用を与えることが可能となって利用できる光量が増加するため、更なる輝度向上を図ることが可能となる。なお、最適波長とは、光学部材において所定の積層間隔に設定された積層構造による反射作用が強く働く光の波長をいい、入射光、反射光の最適角度とは、積層構造によって略逆向き反射させることのできる光の角度である。

請求項７に記載の発明は、面状発光素子と、該面状発光素子の光取出し面側に配された請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学部材と、を備えることを特徴とするＥＬ表示装置である。
請求項７に記載の発明によれば、光の取出し効率が向上し、輝度向上効果を得ることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のＥＬ表示装置において、前記面状発光素子は、複数の表示画素を有し、前記光学部材は、前記多層膜光学部材の前記複数の領域が、前記表示画素ごとに同じ組み合わせとなるように配されていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のＥＬ表示装置において、前記表示画素は、赤色光を発光する赤領域と、緑色光を発光する緑領域と、青色光を発光する青領域と、を有し、前記多層膜光学部材の前記複数の領域は、前記赤領域、前記緑領域、及び前記青領域に対応して、前記積層方向及び前記積層間隔の少なくともいずれかが異なる３種類の領域からなることを特徴とする。
請求項９に記載の発明によれば、画像表示装置の多くは画素ごとに赤、緑、青のように異なる色の画素の組み合わせにより画像を表示するため、各々の画素に対し、多層膜光学部材の積層方向や、積層間隔を設定することにより、輝度の向上と共に、積層構造の波長選択性により、色補正効果を付加することも可能となる。

本発明によれば、外部に取り出される光の光取り出し効率の向上を実現するとともに、耐久性、耐汚性及び他の部材の取り付け性も向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ素子の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ素子の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学部材の構造を示す図である、 本発明の第２の実施形態に係る有機ＥＬ素子の構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学部材の構造を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る有機ＥＬ表示装置の縦断面図である。 本発明の実施例を説明する図である。 本発明の実施例を説明する図である。 従来の有機ＥＬ素子の構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を基に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１，図２は本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ素子１の構造を示す図（Ｘ−Ｚ平面；入射面）である。第１の実施形態において上述の図９で説明したものと同様の構成要素については同一符号で示す。

図１，図２に示すように有機ＥＬ素子１は、背面電極１０１、有機発光層１０２、透明電極１０３、及びガラス基板１０４を順に積層してなる有機ＥＬ素子本体２の光取出し面側（図中矢印Ｈ側）に、光取出し効率の向上を図る光学部材１０を配することで構成されている。図中符合１０５は空気層を示している。

有機ＥＬ素子本体２は、背面電極１０１と透明電極１０３との間に電圧を印加することによって有機発光層１０２内で発光を起こし、この光を透明電極１０３側から素子外部すなわち空気層１０５側である光取出し面側へ光を射出するものである。有機発光層１０２は、通電により所定の色に自然発光可能な蛍光有機化合物として構成されるものとするが、カラーフィルターを重ねることにより、放射される光に彩色を施す構成等により所望の色を発光させる構成であっても良い。

透明電極１０３は有機発光層１０２からの光を透過すべく透明な材質から形成されており、具体的にはＩＴＯ，ＩＺＯ等を蒸着もしくはスパッタ等のドライプロセスにて形成されるものである。ガラス基板１０４は、プラスチック基板にすることでもフレキシブルなＥＬ素子も作製可能であるため、以下では、ガラス基板１０４を、単に基板１０４と呼ぶものとする。なお、実際の有機ＥＬ素子では、電子輸送層やホール輸送層等のさまざまな薄膜層がいくつも積層されて構成されるが本実施形態では図示都合上記載を省略している。

図３を参照し、光学部材１０は、樹脂材料からシート或いはフィルム状に形成されており、屈折率の異なる材料を有機ＥＬ素子本体２の光取出し面の法線Ｖに対し斜めに積層して構成されるものであって、すなわち、多層膜の光学部材（多層膜光学部材）として構成されるものである。

より具体的に説明すると、光学部材１０は屈折率の異なる材料として高屈折率部材１１と低屈折率部材１２とを有しており、有機ＥＬ素子本体２の光取出し面の法線Ｖに対し角度α傾いた矢印で示す積層方向１３に、所定の膜厚に設定された高屈折率部材１１及び低屈折率部材１２を繰り返し（複数）積層することで構成され、かつ、有機ＥＬ素子本体２の光取出し面に沿うシート或いはフィルム状として構成されるものである。換言すれば、光学部材１０は、高屈折率部材１１と低屈折率部材１２とが接する面を有機ＥＬ素子本体２の光取出し面の法線Ｖに対し傾け、高屈折率部材１１と低屈折率部材１２を繰り返し積層してなるものである。

高屈折率部材１１と低屈折率部材１２の屈折率は、基板１０４や空気層１０５の屈折率に応じて適宜設定されるものであり、積層方向１３の角度αについては、有機発光層１０２から発光される光のうち特に反射させようとする光の角度等に応じて適宜設定されるものである。また、図３においてＤ１は高屈折率部材１１と低屈折率部材１２を繰り返し積層する間隔（積層間隔）を示しており、このような積層間隔、つまり各材料の膜厚も有機発光層１０２から発光される光の波長等に応じて適宜設定可能とされるものである。なお、積層方向１３は、屈折率の異なる材料の繰り返し積層される間隔が最小となる方向ともいえる。

以上に説明した有機ＥＬ素子１における有機発光層１０２からの光の挙動（光学部材１０による光に対しての作用）を図１〜図３を参照しながら説明すると、本実施形態では、光学部材１０を、高屈折率材料１１と低屈折率材料１２とを積層することで構成し、かつ、高屈折率材料１１と低屈折率材料１２を光取出し面の法線Ｖに対し斜めの積層方向１３に沿って繰り返し積層して構成することで、この積層方向１３に近い角度で入射した光Ｌ１（図１，図３参照）については、略反対方向に向けて反射させて有機ＥＬ素子本体２に再度入射させることができる（図中Ｌ１’）。なお、光Ｌ１は、図１に参照されるように有機発光層１０２から照射され、透明電極１０３、基板１０４で適宜屈折された後、光学部材１０に入射し、一部は光学部材１０を透過する。

また、積層方向１３に対して逆の角度（略直角に近い角度）で入射した光Ｌ２（図２，図３参照）については、先ず、光学部材１０内を直進させ、光学部材１０の外側の空気層１０５との間の界面で反射させて、再度光学部材１０内を直進させることができ、そして、ここで反射した光は、図中矢印に参照されるように積層方向に近い角度となるため、光学部材１０で略反対方向に向けて反射させることができ、再度、光学部材１０の外側の空気層１０５との間の界面で反射させ、有機ＥＬ素子本体２に戻すことが可能となる（図中Ｌ２’）。なお、光Ｌ２は、図２に参照されるように有機発光層１０２から照射され、透明電極１０３、基板１０４で適宜屈折された後、光学部材１０に入射する。

このため本実施形態では、上記のいずれの角度で入射した光も光学部材１０により逆方向に変換できることから、この再度入射させた光を有機ＥＬ素子本体２において反射、散乱（図中Ｓ１，Ｓ２参照）させて、一部を光学部材１０の外側へ取り出し可能な角度に変換することが可能となり、光学部材１０の無い場合に比べて、光学部材１０の無い場合には外部に取り出せない光、すなわち臨界角（本実施形態では基板１０４と空気層１０５との屈折率で決定される）以上の角度で入射する光の空気層１０５と光学部材１０の界面との間での反射の回数、及び、有機ＥＬ素子本体２内での反射、散乱を繰り返す回数を多くすることが可能となり、光の取出し効率の向上させることができる。

また、本実施形態では、屈折率の異なる材料が光取出し面の法線に対し斜めに積層される構造であることで、有機ＥＬ素子本体２側から入射する光の反射率に波長選択性を持たせることが可能であり、つまり、屈折率の異なる材料の厚さを調整することで、特定波長の光を反射させるのに最適な光路長を容易に設定できるため、特定波長に近しい波長の光のみに作用させることができ、大きく異なる波長や積層方向に対して大きく異なる方向の光に対しての作用をほとんどなくせる。これによって、ひいては特定色の色純度を高めることも可能となる。さらに、光学部材１０はマイクロレンズやプリズムのような凹凸構造を用いないシート或いはフィルム形状であり、比較的薄く面状発光素子を嵩張らせない構成であるため、耐久性、対汚性の向上とともに、他の光学部材との組み合わせを容易となり、他の部材の取り付け性も向上させることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
次に本発明の第２の実施形態について説明する。図４は本実施形態に係る有機ＥＬ素子２０の構造を示す図（Ｘ−Ｚ平面；入射面）である。第１の実施形態で説明したものと同様の構成要素については同一符号で示し説明は省略するものとする。

図４に示すように有機ＥＬ素子２０は、背面電極１０１、有機発光層１０２、透明電極１０３、及び基板１０４を順に積層してなる有機ＥＬ素子本体２の（図中矢印Ｈ側）に、拡散光学部材２１と多層膜光学部材２２とを組み合わせてなる光学部材２３を配することで構成されるものである。

基板１０４の光取出し面側に配される拡散光学部材２１は、シート或いはフィルム状に形成されるものであって、例えば透明樹脂に光拡散粒子を分散させることで構成されている。透明樹脂としては一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができ、光拡散粒子としては、無機酸化物又は樹脂からなる透明粒子を用いることができる。本実施形態では拡散光学部材２１は透明樹脂に光拡散粒子を分散させることで構成されるものとするが他の態様であっても構わない。

多層膜光学部材２２は第１の実施形態で説明した光学部材１０と同様のものであって、有機ＥＬ素子本体２の光取出し面の法線Ｖに対し角度α傾いた積層方向１３（第１の実施形態参照）に、所定の膜厚に設定された高屈折率部材１１及び低屈折率部材１２を繰り返し（複数）積層することで構成され、かつ、有機ＥＬ素子本体２の光取出し面に沿うシート或いはフィルム状として構成されるものである。すなわち、本実施形態では光学部材２３が拡散光学部材２１と多層膜光学部材２２とで構成されている。

このような有機ＥＬ素子２０における有機発光層１０２からの光の挙動は上記第１の実施形態で説明したものと同様であり、図１〜図３も援用して説明すると、拡散光学部材２１を透過し積層方向１３に近い角度で入射した光については、略反対方向に向けて反射させて有機ＥＬ素子本体２に再度入射させることができる。また、拡散光学部材２１を透過し積層方向１３に対して逆の角度（略直角に近い角度）で入射した光についても、光学部材２３の外側の空気層１０５との間の界面で反射させ、有機ＥＬ素子本体２に戻すことが可能となる。

そして、ここで本実施形態では、多層膜光学部材２２に拡散光学部材２１を組み合わせることで光学部材２３が構成されるため、多層膜光学部材２１によって反射した光に対する反射、拡散の作用を大きくすることができ（図４、Ｓ３参照）、このため、より多くの光を取出し可能な角度に変換することが可能できる。なお、多層膜光学部材２２に対する拡散光学部材２１の配置は、光の取出し面側、有機ＥＬ素子本体２側のどちらであっても構わない。

＜第３の実施形態＞
次に本発明の第３の実施形態について説明する。図５（Ａ）には本実施形態に係る光学部材３０が示されている。光学部材３０は第１の実施形態、第２の実施形態で説明した光学部材１０，２３と構造が相違するものであるが、有機ＥＬ素子に対する配置位置等は第１の実施形態、第２の実施形態と同様である。

図５（Ａ）に示すように光学部材３０は、屈折率の異なる材料を光取出し面の法線に対し斜めに積層する積層構造を複数重ね合わせてなる（換言すれば、複数有する）ものであって、屈折率の異なる材料が積層される積層方向及び屈折率の異なる材料が繰り返し積層される積層間隔が異なる積層構造を複数有して構成されるものである。

すなわち、図５（Ａ）を参照しながら説明すると光学部材３０は、所定の積層間隔Ｄ２（膜厚）を設定された高屈折率部材３１及び低屈折率部材３２を、有機ＥＬ素子の光取出し面の法線Ｖに対し角度β傾いた積層方向３３に繰り返し積層した積層構造３４に対して、所定の積層間隔Ｄ３（膜厚）を設定された高屈折率部材３５及び低屈折率部材３６を、有機ＥＬ素子の光取出し面の法線Ｖに対し角度η傾いた積層方向３７に繰り返し積層した積層構造３８を重ね合わせることで構成されている。つまり、光学部材３０は、二種類の積層パターンである積層構造３４及び積層構造３８を複数有してなるものである。なお、角度ηは角度βよりも大きい角度に設定され、積層間隔Ｄ２は積層間隔Ｄ３よりも長く設定されている。また、高屈折率部材３１及び高屈折率部材３５は同じ材質のものであり、低屈折率部材３２及び低屈折率部材３６も同じ材質のものである。

このような第３の実施形態に係る光学部材３０を用いた場合には、最適波長、入射光、反射光の最適角度を複数設定することができ、一組の最適波長、入射光、反射光の最適角度以外の波長や角度の光に対しても、最適波長、入射光、反射光の最適角度を設定することが可能であり、複数の特定波長に光に対して反射作用を与えることが可能となって利用できる光量が増加するため、更なる輝度向上を図ることが可能となる。なお、最適波長とは、光学部材３０において所定の積層間隔に設定された積層構造による反射作用が強く働く光の波長をいい、入射光、反射光の最適角度とは、積層構造によって略逆向き反射させることのできる光の角度である。

また、図５（Ａ）では、光取出し面の法線Ｖに対し同方向側で傾く積層構造３４及び積層構造３８が重なり合う構成を説明したが、図５（Ｂ）に示すように光取出し面の法線Ｖに対し異なる方向側（逆方向側）で傾く積層構造を重ね合わせるような構成であっても良い。すなわち、図５（Ｂ）に示す光学部材３０’では、一方の積層構造が角度δに向く積層方向を設定され、他方の積層構造が角度δと法線Ｖを挟んで反対側へ傾く角度γに積層方向を設定されている。なお、このような構成は同一入射面ではなくでも良く、また、本実施形態では、積層構造３４と積層構造３８との間で、積層方向及び積層間隔の双方を異ならせたが、積層方向及び積層間隔のいずれかを異ならせるようにしても良く、重ね合わせる数を三以上としても良い。

＜第４の実施形態＞
次に本発明の第４の実施形態について説明する。図６は本実施形態に係るＥＬ表示装置４０の縦断面図（Ｘ−Ｙ断面図、Ｚは光取り出し側面）を示している。

図６に示すＥＬ表示装置４０は画素ごとに、赤領域４１、緑領域４２、青領域４３に分かれている（赤領域４１、緑領域４２、青領域４３を併せて単一画素を構成する）。ＥＬ表示装置４０におけるＥＬ素子は、例えば第２の実施形態で説明した有機ＥＬ素子２０と同様の構成の有機ＥＬ素子４４を用いている。各画素の発光波長のピークは赤領域４１では６５０ｎｍ、緑領域４２では５５０ｎｍ、青領域４３では４５０ｎｍに設定されている。

有機ＥＬ素子４４は、第２の実施形態で説明した構成と同様の光学部材４５を備えており、この光学部材４５は、各画素の位置と色に対応するように積層方向及び積層間隔の少なくとも一つを変えた領域（４５Ｒ，４５Ｇ，４５Ｂ）に空間分割されて作製されている。

このような本実施形態に係るＥＬ表示装置４０では、各々の画素に対し、光学部材４５の積層方向や、積層間隔を設定することにより、光学部材４５が各画素に最適な構成となるように構成されており、輝度の向上と共に、積層構造の波長選択性により、色補正効果を付加することが可能となる。

次に以下では、本発明の実施例について説明する。 本実施例は、第２の実施形態に係る有機ＥＬ表示装置２０の各構成要素に対して、屈折率等を具体的に設定したものである。

図７，図８を参照し、有機発光層１０２は、波長５３０ｎｍ付近の光を発光するものとして緑色を発光可能な緑色有機発光層として構成し、その屈折率は「１．７」とした。透明電極１０３は屈折率「２．０」とし、ガラス基板１０４は屈折率「１．５」とした。この場合、基板１０４と空気層（屈折率１．０）の臨界角θｃは４１．８度となる。

光学部材２３における高屈折率材料１１の屈折率ｎ_ａについては「ｎ_ａ＝１．６」とし、低屈折率材料１２の屈折率ｎ_ｂについては「ｎ_ａ＝１．５」とし、それぞれ膜厚ｄ_ａ＝１６６ｎｍ、ｄ_ｂ＝１７７ｎｍで積層し、光路長ｎ×ｄ＝５３２／２とした。また、積層方向は表面の法線に対し５０度で構成した。

この実施例における光の挙動を観察したところ、図７，図８を参照し、有機発光層１０２から基板１０４正面（０度）付近に出る光Ｌ３はそのまま、各界面で若干の屈折が起こり、拡散光学部材２１まで到達し、そして、拡散光学部材２１を通過後、多層膜光学部材２２まで到達するが、多層膜光学部材２２の積層方向の５０度から、大きく異なる角度で入射するため、反射も起こらず、空気層へ射出することが可能であることを確認できた。

有機発光層１０２で４０度で射出された光Ｌ４の振る舞いを観察したところ、先ず、有機発光層１０２と透明電極１０３の界面により屈折が起こり、透明電極１０３内で３３．１度の方向に進む。次に、透明電極１０３と、基板１０４の界面による屈折により４６．８度に曲がり、この４６．８度の入射角で拡散光学部材２１を通過し、多層膜光学部材２２に入射する。最適照明光角度５０度に近しい角度で入射するため、ほぼ同じ角度で反射され光線は逆の光路をたどり、拡散光学部材２１へ到達した（Ｌ４’）。ここで、光は拡散され、一部は空気層１０５へ取出し可能な角度に変換されるため、取り出し効率の向上を確認できた。また、一部は臨界角以上のまま、有機発光層を１０２経て、背面電極１０１にて反射し、多層膜光学部材１０まで、再び戻り、同じ工程を繰り返すことを確認できた。

有機発光層で６２度以上の光３３の振る舞いを観察したところ、有機発光層１０２と透明電極１０３の界面により屈折が起こり、透明電極内で４８．６度以上になる。そのため、透明電極１０３と、基板１０４の界面により全反射がおこり、基板へ取り出せず、損失となった。また、拡散光学部材２１を透過し積層方向１３に対して逆の角度（略直角に近い角度）で入射した光については、上述したように空気層１０５との間の界面で反射させ、有機ＥＬ素子本体２に戻すことが可能である。

以上により、光学部材２３における積層方向を、表面の法線に対し臨界角θｃである４１．８度以上の５０度にしたところ、有機発光層１０２内で４０〜５０度付近の光を有効に取り出すことが可能となり、光の取出し効率が向上されることを確認できた。すなわち、多層膜光学部材２２における積層構造の積層方向を、光取出し面側の材料又は空間の屈折率をｎ_ｏｕｔ（この例では空気層１０５の「１．０」）、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ_ｉｎ（この例では基板１０４の「１．５」）とした場合に、ｎ_ｏｕｔ、ｎ_ｉｎから決定される臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_ｏｕｔ／ｎ_ｉｎ）以上とすると、臨界角以上の光をより多く反射させることができ、光取り出し効率のより一層の向上を図ることができることを確認できた。

なお、以上で本発明の実施形態及び実施例を説明したが、上記実施形態における構成はこの発明の一例であり、当該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、有機ＥＬ素子に対して本発明に係る光学部材を用いた例を説明したが、無機ＥＬやＦＥＤにおいても本発明は好適に用いることができる。

１，２０，４４ 有機ＥＬ素子
１０，２３，３０，４５ 光学部材
２１ 拡散光学部材
２２ 多層膜光学部材
３１，３５ 高屈折材料
３２，３６ 低屈折材料
３４，３８ 積層構造
４０ ＥＬ表示装置
１０１ 背面電極
１０２ 有機発光層
１０３ 透明電極
１０４ ガラス基板
１０５ 空気層

Claims (9)

1. 面状発光素子の光取出し面側に配することで光の取出し効率の向上を図る光学部材であって、
   前記光取出し面側に配した際に前記光取出し面の法線に対し斜めとなるように、屈折率の異なる材料を積層した多層膜光学部材を備え、
   該多層膜光学部材は、
   前記屈折率の異なる材料が積層される積層方向、及び、前記屈折率の異なる材料が繰り返し積層される積層間隔の少なくともいずれかが異なる複数の領域に、前記光取出し面から見て空間分割されている
   ことを特徴とする光学部材。
2. 前記多層膜光学部材は、
   前記複数の領域の組み合わせにより形成された単位領域が複数配列されることにより、前記光取出し面から見て空間分割されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
3. 前記単位領域は、前記積層方向及び前記積層間隔の少なくともいずれかが異なる３つの領域の組み合わせからなる
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学部材。
4. 入射される光を拡散させる拡散光学部材を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学部材。
5. 前記多層膜光学部材の前記光取出し面側の材料又は空間の屈折率をｎ_ｏｕｔ、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ_ｉｎとした場合、
   前記多層膜光学部材の積層方向の角度が、前記光取出し面の法線方向に対し、ｎ_ｏｕｔ，ｎ_ｉｎで決定される臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_ｏｕｔ／ｎ_ｉｎ）以上である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材。
6. 前記多層膜光学部材は、
   前記屈折率の異なる材料を前記光取出し面の法線に対し斜めに積層する積層構造を複数有し、各積層構造は、前記積層方向及び前記積層間隔の少なくともいずれかが異なる
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学部材。
7. 面状発光素子と、
   該面状発光素子の光取出し面側に配された請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学部材と、
   を備える
   ことを特徴とするＥＬ表示装置。
8. 前記面状発光素子は、
   複数の表示画素を有し、
   前記光学部材は、
   前記多層膜光学部材の前記複数の領域が、前記表示画素ごとに同じ組み合わせとなるように配されている
   ことを特徴とする請求項７に記載のＥＬ表示装置。
9. 前記表示画素は、
   赤色光を発光する赤領域と、緑色光を発光する緑領域と、青色光を発光する青領域と、を有し、
   前記多層膜光学部材の前記複数の領域は、
   前記赤領域、前記緑領域、及び前記青領域に対応して、前記積層方向及び前記積層間隔の少なくともいずれかが異なる３種類の領域からなる
   ことを特徴とする請求項８に記載のＥＬ表示装置。

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