JP5891962B2 - 面発光体 - Google Patents

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Description

本発明は複数の面発光素子を有する面発光体の構造に関する。
新たな光源として、たとえば有機EL(Electro−Luminescence)を用いた面発光素子が挙げられる。一般的には、この有機ELを用いた面発光素子は、一辺が5cm〜10cmの正四角形である。この面発光素子を用いて大きな発光面積(一辺が数十cm以上)を実現するためには、複数の面発光素子を配列する必要がある。
特開2005−158369号公報(特許文献1)には、複数の収容部が区画された部材の中に発光素子を収容する照明装置に関する構造が開示されている。この照明装置においては、隣接する発光素子の間の部分が暗くなることを防止する構造として、発光素子からの出射光を基板部へ導くことが提案されている。
特開2005−353560号公報(特許文献2)には、隣接する発光パネルの間の部分が暗くなることを防止する構造として、発光パネルの出射光側に配置される部材の発光パネルの間に相当する位置に、V字形状の溝を設けることが提案されている。
特開2005−158369号公報 特開2005−353560号公報
有機EL素子等を用いた面発光素子を複数配列して、大面積の面発光体を実現する場合には、容易に大面積を実現できること、発光面において光のムラがないこと、コストを削減するために用いる面発光素子は少ないこと、等の要求が挙げられる。
しかしながら、単純に隣接する面発光素子の間の隙間を大きくして並べるだけでは、隙間部分の非発光部によって、面発光体の発光面に明るさのムラが生じる。面発光素子の発光面側に拡散板を設けて、明るさのムラを打ち消すことも考えられる。
しかし、拡散板を設けて明るさのムラを打ち消すためには、面発光体と拡散板と間に、面発光体から発光された光が隙間部分にまで広がるためのある程度の隙間が必要となる。その結果、拡散板を含めた面発光素子の厚さが厚くなってしまい、薄型である面発光素子を用いた面発光体の薄型という特長が生かせなくなる。
本発明の目的は、複数の面発光素子を用いて構成される面発光体において、発光面の明るさのムラ発生の抑制を図るとともに、容易に面発光体を製造することのできる面発光体を提供することにある。
この発明に基づいた面発光体においては、光を発生する発光部、上記発光部の一方側の面に設けられ上記発光部から発生した光の通過が可能である透明基材、および、上記透明基材の上記発光部が位置する面とは反対側の面に設けられ、上記発光部から発生した光の通過が可能である光通過層を含む面発光素子と、上記面発光素子から発生した光を通過させる導光シートとを備える。
上記光通過層の側面は、上記透明基材側から上記導光シート側に向かうにしたがって上記透明基材の側面よりも外側に広がる傾斜面を含み、上記導光シートには、上記面発光素子が所定の間隔を隔てて複数配置されている。
他の形態では、上記導光シートは可撓性を有する材料である。
他の形態では、上記導光シートの上記面発光素子が位置する面とは反対側の面には、上記導光シートからの光の取り出し効率を高める光取出層が設けられている。
この発明によれば、複数の面発光素子を用いて構成される面発光体において、発光面の明るさのムラ発生の抑制を図るとともに、容易に面発光体を製造することのできる面発光体を提供することを可能とする。
実施の形態1における面発光体の図2中のI−I線矢視断面図である。 実施の形態1における面発光体の平面図である。 図1中のIIIで囲まれた領域の拡大断面図である。 他の実施の形態1における、図3中のIIIで囲まれた領域の拡大断面図である。 さらに他の実施の形態1における、図3中のIIIで囲まれた領域の拡大断面図である。 さらに他の実施の形態1における、図3中のIIIで囲まれた領域の拡大断面図である。 実施の形態2における面発光体の構造を示す分解断面図である。 図7のVIIIで囲まれた領域における組立後の断面図である。 実施の形態2における面発光体の構造を示す断面図である。 面発光素子の輝度分布の計算結果を示す図である。 図10に示す計算に用いた面発光の構造を示す断面図である。 面発光素子の間隔を変化させた場合の輝度不均一の計算結果を示す図である。
本発明に基づいた各実施の形態における面発光体について、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、各実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。
(実施の形態1:面発光体1)
図1から図3を参照して、本発明に基づいた実施の形態1における面発光体1の構造について説明する。図1は、本実施の形態における面発光体1の図2中のI−I線矢視断面図、図2は、本実施の形態における面発光体1の平面図、図3は、図1中のIIIで囲まれた領域の拡大断面図である。
本実施の形態における面発光体1は、複数の面発光素子10と、この複数の面発光素子10が配列された導光シート20と、導光シート20の面発光素子10が位置する面とは反対側の面には、導光シート20からの光の取り出し効率を高める光取出層である光取出フィルム(散乱部材)41とを備える。本実施の形態の面発光体1は、2つの面発光素子10を所定の間隔を隔てて導光シート20上に並べた構造を有しているが、面発光素子10の数量は2つに限定されない。また、面発光素子10の配列も、格子状、千鳥状、その他様々な配置形態を採用することができる。
また、面発光素子10の形状も図示するような四角形に限定されず、三角形、五角形、六角形、その他の多角形、円形、楕円形等、様々な形態を面発光素子10に採用することができる。
本実施の形態では、面発光素子10として有機EL素子を用いている。面発光素子10は、光を発生する発光部材13、発光部材13の一方側の面に設けられ発光部材13から発生した光の通過が可能である透明基材12、および、透明基材12、の発光部材13が位置する面とは反対側の面に設けられ、発光部材13から発生した光の通過が可能である光通過層11と含む。
発光部材13は、発光層13aと、発光層13aを挟み込む透明の陽極電極層13bおよび薄膜金属電極層(陰極)13cとを含む。陽極電極層13bは、透明基材12側に設けられている。
発光部材13には、たとえば有機EL発光層が用いられ、層厚さは数十nm程度である。有機EL発光層は、複数の層から構成されており、電子注入層・電子輸送層・RGB発光層・正孔輸送層・正孔注入層など、複数の機能層・材料の積層から構成されている。
陽極電極層13bは、たとえば、透明酸化物半導体(IZO(インジウム酸化物と亜鉛酸化物の混合体)、IGZO(アモルファス酸化物半導体)などの透明導電膜、導電ナノワイヤー、導電ナノ粒子等の導電性材料を分散させた透明導電膜、透明なぐらい薄い金属薄膜(たとえばAg、Alなど)、それらの組み合わせた膜等が用いられ、厚さは約数nm〜数百nm程度である。
発光部材13の電極層12とは反対側の面には、薄膜金属電極層13cが設けられている。薄膜金属電極層13cには、たとえば、Al、Ag、Au、Cu、その他導電性金属膜が用いられる。厚さは約数nm〜数百nm程度である。不透明でよいが、先に述べた陽極電極層13bと同じ材質、膜厚にしてもよい。
なお、有機EL発光層を用いる発光部材13は、有機EL発光層が水分などに弱いため、発光部材13の全体が封止層・封止構造でカバーされて、水分が侵入しないように構成されている(図示省略)。
光通過層11には、ガラス基板の他、発光波長に対して透明な材料であれば良く、石英、サファイア等の無機材料、アクリル、ポリカーボネート、PET(Polyethylene terephthalate:ポリエチレンテレフタラート)、PEN(Polyethylene naphthalate:ポリエチレンナフタレート)等の有機材料が用いられ、層厚さは約1mm〜約20mm程度であり、好ましくは、約1mm〜5mm程度である。
光通過層11の側面は、電極層12側から導光シート20側に向かうにしたがって電極層12の側面よりも外側に広がる傾斜面11aを含んでいる。傾斜面11aの傾斜角度(α)は本実施の形態では、約45度である。
なお、傾斜面11aの傾斜角は、45度に限定されるものではなく、傾斜角度範囲としては、75度〜15度程度である。傾斜面の角度が大きい(より垂直に近い)場合は、発光部材13で積分した光量は若干悪くなるが、パネルの開口としては小さいので単位面積あたりの輝度は大きい、角度が小さい(より水平に近い)場合は、全体の光量はやや多くなるが、発光面が大きいので、単位面積あたりの輝度は小さくなる。よってその両者のバランスを見て角度を決めるのが望ましく、範囲としては75度〜15度程度、より好ましくは、60度〜30度がよい。
導光シート20は、光通過層11の電極層12とは反対側の面に位置する。たとえば、導光シート20としては、透明で吸収が無い・少ない材質が良く、光通過層11に用いられる材料と同様、ガラス、石英、サファイア、アクリル、ポリカ、PET、PENなどが用いられる。柔軟性を確保する場合は、樹脂で柔軟な材料を用いる。導光シート20の厚さは、約0.3mm〜約20mm程度であり、好ましくは、約0.5mm〜5mm程度である。
光取出フィルム41には、マイクロレンズアレイ(凹凸)状のシートや拡散シートを用いるとよい。また、マイクロレンズアレイ、拡散シートを用いる以外に、導光シート20自体の表面(表側の場合、裏側の場合、両面の場合の3通り)に凹凸を設ける構造、あるいは導光シート20の内部の全体、またはその一部に散乱粒子を分散させる構造を用いてもよい。
マイクロレンズアレイの加工例としては、直径が約30μm程度の半球を2次元に配列する。直径は、1μm〜100μmが好ましい。1μm以上であれば、回折の効果および色付きが発生しにくく、100μm以下であれば薄型化を図ることができる。
また、拡散シートには、たとえば、株式会社きもと製の拡散フィルム「ライトアップ(登録商標)100NSH」を用いた。この「ライトアップ(登録商標)100NSH」は、100μmのPET基材に、拡散ビーズを分散させた拡散層が積層された構成である。
なお、図1および図3では、導光シート20の表面の全面に光取出フィルム41を形成した構成示しているがこの構成に限定されない。たとえば、面発光素子10の間の非発光領域NRに対応する領域にのみ光取出フィルム41を形成してもよい。
また、導光シート20の表面の全面に光取出フィルム41を形成する場合であっても、導光シート20の表面の輝度の差に応じて、場所ごとに散乱度合いに変化を与えることで、光取出フィルム41による光取出し効果を変化させて、面発光体1C全体として発光面の輝度が均一となるように調整してもよい。
有機ELを発光部材13に用いた場合、陰極層にマイナス電位を印加し、電極層(陽極層)12にプラス電位を印加すると、陰極層に注入した自由電子と電極層(陽極層)12に注入した正孔とが発光部材13で結合して、この発光部材13の有機物が励起状態になり、元の安定状態に戻るときに発光する。
光通過層11の側面に、傾斜面11aが設けられていることにより、傾斜面11aに至った光は、空気側へ反射させられ、光の取り出し効率を向上させる。これにより、導光シート20に入射する光の量が増加し、結果として非発光領域NRにおいても、取り出される光の量が増加することができる。
さらに、図3に示すように、発光部材13から発光した光は、電極層12、光通過層11を通過して、導光シート20に至る。導光シート20においては、導光シート20内を横方向に伝搬した光を、非発光領域NRより取り出すことを可能とする。特に、光取出フィルム(散乱部材)41と組み合わせることで、非発光領域NRから光をより効果的に取り出すことを可能とする。
導光シート20にて反射された光(L2)も反射された角度が入射角度とは変化するため、光通過層11、電極層12、発光部材13、陰極層(図示省略)を経由し、陰極層(図示省略)で再び反射され発光部材13、電極層12を経て光通過層11に戻ってきた光は、導光シート20内を横方向に伝播しながら、光取出フィルム41を経由して再び空気に取り出される機会を得る。1回で取り出されなくても複数回の反射を繰り返すことでいずれ空気側に出射される。
このように、導光シート20を用いることにより、光り(L3)の取り出し効率の向上を図るとともに、導光シート20を繰り返し反射し横方向に伝播した光は、面発光素子10の間の非発光領域NRにおいて、光取出フィルム41を経由して再び空気に取り出される(漏れ出る)機会を得ることとなる。
その結果、面発光素子10の間の非発光領域NRにおいても光(L3)が取り出され、非発光領域NRと発光領域HRとの間における輝度の差を低減させることが可能となる。これにより、面発光体1の発光面における光のムラの発生を抑制することが可能となる。
また、導光シート20の上に、複数の面発光素子10を配置することから、面発光体1の厚さ方向に大型化を招くこともない。
また、隣接する面発光体1の間に所定間隔(S)の隙間を設けることができるため、必要な面積の面発光体1を作製するときに、必要な面発光素子10の枚数を削減することが可能となり、面発光体1の低コスト化を図ることも可能となる。
また、導光シート20に可撓性を有する材料を用いることで、隣接する面発光体1の間に所定間隔(S)の隙間を設けることができるため、この隙間部を湾曲領域として、面発光体1を全体として湾曲させることも可能となる(後述の図9参照)。
(実施の形態1の他の形態)
図4から図6を参照して、上記実施の形態1の面発光体1の他の形態における面発光体1A,1B,1Cについて説明する。
(面発光体1A)
図4に示す面発光体1Aは、隣接する面発光素子10の光通過層11が設けられない、導光シート20が露出する表面に、Al、Agなどが成膜された光反射鏡30を設けるようにしたものである。
光反射鏡30は、面発光体1の隣接する面発光素子10の間において、光が発光部材13側に出射されることを防止し、導光シート20での光(L3)の取出し効率の向上を図っている。
(面発光体1B)
また、図5の面発光体1Bに示すように、光反射鏡30と導光シート20との間に、光を散乱するための光散乱部40を設けるようにしてもよい。これにより、導光シート20による、さらなる光(L3)の取出し効率の向上を図ることを可能とする。光散乱部40は、導光シート20の裏面の表面を乱す、導光シートの裏面に凹凸を形成する、微粒子を分散した散乱層を形成する等の構成により構成することができる。
(面発光体1C)
なお、図6の面発光体1Cに示すように、導光シート20の面発光素子10が位置する面とは反対側の面に、光取出フィルム41を設けない構成を採用することでも、導光シート20においては、導光シート20内を横方向に伝搬した光を、非発光領域NRより取り出すことが可能である。
(実施の形態2:面発光体2)
次に、図7から図9を参照して、実施の形態2における面発光体2の構成について説明する。図7は、本実施の形態における面発光体の構造を示す分解断面図、図8は、図7のVIIIで囲まれた領域における組立後の断面図、図9は、本実施の形態における面発光体の構造を示す断面図である。
本実施の形態における面発光体2は、基本的構成は、上記実施の形態1と同じであり、複数の面発光素子10Aと、この複数の面発光素子10Aが配列された導光シート20とを備える。
図8に示すように、本実施の形態における面発光素子10Aは、予め成形された形状を有する光通過層11Aを用いている。光通過層11Aには、発光部材13を受け入れる凹部領域111を形成するための底面111aおよび側面111bが形成されている。その他の構成は、上記実施の形態1と同じであり、重複する説明は繰り返さない。
図7に示すように、面発光素子10Aの製造工程においては、光通過層11Aと電極層12との位置合わせを、凹部領域111を用いて行なうことができるため、面発光素子10Aの製造コストの低減を図ることができる。なお、導光シート20に光通過層11Aを取り付けた後に、光通過層11Aに電極層12および発光部材13を取り付ける工程と、あらかじめ、光通過層11Aに電極層12および発光部材13を取り付けた後に光通過層11Aを導光シート20に取り付ける工程とは、いずれの工程を採用してもよい。
なお、本実施の形態では、光通過層11Aに凹部領域111を設けることで、光通過層11Aと電極層12との位置合わせを容易にする場合を説明しているが、他の位置合わせ方法を用いてもよい。たとえば、光通過層11Aに凸部、電極層12に凹部を設けることによる位置合わせ方法、光通過層11Aに位置合わせマークを設けることによる電極層12の位置合わせ方法を採用してもよい。
このように、面発光素子10Aの製造工程における製造コストの低減を図ることにより、複数枚の面発光素子10Aを導光シート20に貼着する場合にも低コストで実施することが可能となり、大面積を有する面発光体2を低コストで得ることが可能となる。
また、図9に示すように、隣接する面発光素子10Aの間には導光シート20しか存在しない。この場合、導光シート20に、可撓性を有する材料を用いることで、隣接する面発光体1の間に所定間隔(S)の隙間を設けていることから、この隙間部を湾曲領域として、大面積を有する面発光体1Aを全体として任意の形状に湾曲させることも可能となる。
(輝度分布の計算結果)
ここで、図10に面発光素子の輝度分布の計算結果を示す。面発光素子の構造としては、図11に示す構造を有する面発光体1Cに基づき計算した。この面発光体1Cは、図6に示した面発光体1Cと同じである。
面発光素子10の光通過層11の間隔S(mm)を5mmとし、導光シート20の厚さDmmを、0mm(ラインa)、0.67mm(ラインb)、2mm(ラインc)、4mm(ラインd)、6mm(ラインe)、8mm(ラインf)、および10mm(ラインg)に変化させた。
ただし、簡単化のため、光は光通過層11の表面よりランバート配光で均一な光が出ている場合を仮定し、図10の縦軸は、各計算結果の最大値で規格化した値を表示している。また、横軸の相対位置の0mmは、図11中の面発光素子10の隣接する光通過層11の中心位置(CL)を示している。
図10に示す結果より、導光シート20が無い場合(ラインa)、隣接する面発光素子10の隙間(非発光領域NR)では全く発光しないため、輝度が0に低下している。一方、導光シート20の厚さが増加するに従って、隙間(非発光領域NR)部分でも発光しており、非発光領域NRと発光領域HRとの間における輝度の差を低減させている。これにより、面発光体1Cの発光面における光のムラの発生が改善されていることが分かる。
(面発光素子の間隔を変化させた場合の輝度不均一の計算結果)
次に、図12に面発光素子の光通過層の間隔を変化させた場合の輝度不均一の計算結果を示す。図11に示す構造を有する面発光体1Cに基づき計算した。
隣接する面発光素子10の光通過層11の間隔S(mm)を、0.67mm(ラインA)、2mm(ラインB)、3.34mm(ラインC)、4.67mm(ラインD)、6mm(ラインE)、7.34mm(ラインF)、8.67mm(ラインG)、10mm(ラインH)、11.34mm(ラインI)、12.67mm(ラインJ)、14mm(ラインK)に変化させたときの輝度不均一性を計算した。
横軸は導光シート20の厚さD(mm)を示し、縦軸は輝度不均一性の指標として、計算で得られた輝度分布の(最大値−最小値)/(最大値+最小値)を示す。縦軸の値が1の時に輝度ムラが最大であり、0に近づくほど輝度ムラは小さいことを意味する。
図12に示すように、光通過層11の間隔S(mm)がいずれの場合であっても、導光シート20の厚さが増加することで、輝度ムラを減少させることができる。たとえば、光通過層11の間隔S(mm)が2mm(ラインB)に対して、導光シート20の厚さD(mm)が、0.67mm(≒[間隔S(mm)÷3])の場合に、輝度不均一性は約0.7、導光シート20の厚さD(mm)が、1mm(≒[間隔(S)÷2])の場合に、輝度不均一性は約0.6、導光シート20の厚さD(mm)が、2mm(≒[間隔S(mm))の場合に、輝度不均一性は約0.3となり、導光シート20の厚さD(mm)が厚くなるにしたがって、輝度不均一性が改善されていることが分かる。
図10および図12から、光通過層11の間隔S(mm)と導光シート20の厚さD(mm)の関係において、導光シート20の厚さD(mm)は、光通過層11の間隔S(mm)の[1/3]、好ましくは[1/2]、より好ましくは導光シート20の厚さD(mm)と光通過層11の間隔S(mm)とが略同じであるが好ましいといえる。
以上、上記各実施の形態における面発光体によれば、大面積を有する面発光体を実現する際に必要となる面発光素子の枚数(面積)が小さくすることができる。また、複数の面発光素子を容易に導光シートに配置することができる。これにより、大面積発光体を低コストに実現できる。また、発光面において、非発光領域NRと発光領域HRとの間における輝度の差を低減させることを可能としていることで、大面積でより均一な面発光体の実現を可能とする。
また、導光シート20を用いることで、隣接する面発光素子10の間の部分には(特許文献1のような)構造物がないので、面発光体の軽量化を図ることができ、また、可撓性部材を用いた場合には、面発光体に湾曲面を与えることができる。
また、面発光素子の間に隙間を設けることで、温度変化による膨張などによる面発光素子同時の接触・破損を避けることもできる。
以上、本発明の各実施の形態における面発光体について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1,1A,1B,1C,2 面発光体、10,10A 面発光素子、11,11A 光通過層、11a, 傾斜面、12 透明基材、13 発光部材、13a 発光層、13b 陽極電極層、13c 薄膜金属電極層(陰極)、20 導光シート、30 光反射鏡、40 光散乱部、41 光取出フィルム、111 凹部領域、111a 底面、111b 側面。

Claims (5)

  1. 光を発生する発光部、前記発光部の一方側の面に設けられ前記発光部から発生した光の通過が可能である透明基材、および、前記透明基材の前記発光部が位置する面とは反対側の面に設けられ、前記発光部から発生した光の通過が可能である光通過層を含む面発光素子と、
    前記面発光素子から発生した光を通過させる導光シートと、を備え、
    前記光通過層の側面は、前記透明基材側から前記導光シート側に向かうにしたがって前記透明基材の側面よりも外側に広がる傾斜面を含み、
    前記導光シートには、前記発光素子が所定の間隔を隔てて複数配置されており、
    隣接する前記面発光素子の光通過層の間隔Sと、前記導光シートの厚さDの関係において、D≧S/3の関係を満たす、
    面発光体。
  2. 前記導光シートは可撓性を有する材料である、請求項1に記載の面発光体。
  3. 前記導光シートは柔軟性を有し、厚さが0.3〜20mmの範囲に含まれる、請求項1に記載の面発光体。
  4. 前記導光シートの前記面発光素子が位置する面とは反対側の面には、前記導光シートからの光の取り出し効率を高める光取出層が設けられている、請求項1または2に記載の面発光体。
  5. 前記導光シートにおける前記光取出層が設けられた面の輝度に応じて、前記光取出層における光の取り出し効率が変化させられている、請求項4に記載の面発光体。
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