JPWO2009031571A1 - 光抽出素子、光抽出素子の製造方法および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リフレクタ機能とカラーフィルタ機能とを兼ね備えた光抽出素子を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る光抽出素子２３は、発光層２１からの光の出射角度を変換する反射面を有する透光部２６を備え、透光部２６の少なくとも一部がカラーフィルタ２６Ｒ，２６Ｇ，１６Ｂとして形成されている。透光部２６は、発光層２１からの光の出射角度を変換するリフレクタとしての機能を有し、発光層２１から空気層８への光の取出効率を向上させる。また、透光部２６の少なくとも一部は、カラーフィルタとして形成されていることから、リフレクタとカラーフィルタを同一レイヤ上で構成することができることになる。これにより、リフレクタ機能とカラーフィルタ機能とを兼ね備えた光抽出素子を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ等の自発光ディスプレイの表示面に設置され、その光取出効率の向上を図った光抽出素子およびその製造方法、ならびに当該光抽出素子を備えた表示装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子等の自発光素子を用いた表示装置の開発が盛んに行われている。この種の自発光素子の発光部は、空気層よりも屈折率が高く構成されているため、発生した光を外部へ効率よく取り出せないという不都合があり、光の取出効率の向上が望まれている。また、発光素子の色純度やコントラストを高める措置を講じている。

光の取出効率を高めるための工夫として、発光層の光出射面にリフレクタを設ける構成が知られている（例えば特許文献１参照）。一般的なリフレクタの構成例を図７に示す。

赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の各発光素子１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを含む発光層１がパネル基板２の前面に形成されており、その発光層１の光出射面にリフレクタ３が接着層４を介して接合されている。リフレクタ３は透明基板５を備え、この透明基板５の内面側には、発光層１の出射光を外部へ導くための複数の透光部６が設けられている。各透光部６は、発光素子の各々に対応して配列されている。透光部６は、例えば透光性樹脂材料からなる逆円錐台形状の構造体であり、その傾斜した側周面には反射膜７が形成されている。接着層４、透明基板５および透光部６はそれぞれ同等の屈折率（１．５〜１．６）を有しており、発光層１は通常、これらよりも大きな屈折率（１．８以上）を有している。

異種媒体の境界面での光の屈折は、スネルの法則に支配される。屈折率ｎ１の媒体から屈折率ｎ２の媒体へ光が進行する場合、ｎ１＞ｎ２の条件下においては、境界面に対する光の入射角θが臨界角（ｓｉｎ^−１（ｎ２／ｎ１））以上だと光が境界面で全反射してしまうため、光を外部へ取り出すことができない。

ここで、リフレクタ３が設けられていない場合、図８（Ａ）に示すように、発光層１から出射された光Ｌは、発光層１を覆う透光層９を介して空気層８へ出射される。しかし、透光層９は空気層８よりも屈折率が高いため、空気層８と透光層９の境界面に対する入射角θが臨界角以上の光Ｌθは、境界面で全反射してしまい、空気層８側へ取り出せない。したがって、発光層１からの出射光の取出効率は、発光層１からの光の出射角によって大きく制限されてしまうことになる。

これに対して、リフレクタ３が設けられている場合、図８（Ｂ）に示すように、発光層１から出射された光は、透光部６および透明基板５を介して空気層８へ出射される。このうち、図８（Ａ）に示した光Ｌθに相当する出射角で発光層１から出射した光は、透光部６の側面で反射し、出射角度が変換されて透明基板５側へ向けられる。これにより、当該光（Ｌθ）は、透明基板５と空気層８の境界面における入射角が臨界角よりも小さくなるので、所定の屈折角で屈折されて空気層８側へ出射する。その結果、発光層１からの出射光の取出効率の向上を図れるようになる。

一方、発光素子の色純度やコントラストを高めるための措置としては、パネルの前面にカラーフィルタを設ける構成が知られている（例えば特許文献２参照）。自発光ディスプレイへのカラーフィルタの配置例を図９に示す。

図９において、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の各発光素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを含む発光層１１がパネル基板１２の前面に形成されており、その発光層１１の光出射面にカラーフィルタ１３が接着層１４を介して接合されている。カラーフィルタ１３は、赤色フィルタ部１３Ｒ、緑色フィルタ部１３Ｇおよび青色フィルタ部１３Ｂを有し、これら各色のフィルタ部は、同色の発光素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの各々に対応して配列されている。

発光層１の前面にカラーフィルタ１３を設置することによって、色純度が高められるとともに外光の反射を抑えることができるため、明所コントラストの向上が図れるようになる。

特許第３５７３３９３号公報 特開２００５−３２２６２３号公報

上述した２つのデバイス（リフレクタ３、カラーフィルタ１３）は、自発光ディスプレイの特性向上に有力ではあるが、両者は発光素子との距離を近づけなければ所期の効果は望めない。

リフレクタの光取出効率は、発光素子との距離が近くなるほど高くなる。リフレクタと発光素子との距離がある一定距離より離れてしまうと、逆に光取出効率は低下してしまう。一方、カラーフィルタについても同様に、発光素子からの距離が離れてしまうと、クロストーク（ある色の発光素子の出射光が隣接する他の色のフィルタ部を透過すること）が発生する。したがって、２つのデバイスをディスプレイへ取り付ける場合、一方のデバイスをディスプレイに近づけると、他方のデバイスはディスプレイから遠ざかってしまい、２つのデバイスを所望とする光学特性を発揮できる状態でディスプレイへ設置することが非常に困難である。

また、光取出効率や色純度等を高めるために上述した２つのデバイスを使用することは、表示装置の構成の複雑化を招くと同時にコスト高となり、更には、貼り合わせ工数の増大による歩留まりの低下や製造コストの上昇を招くという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、リフレクタ機能とカラーフィルタ機能とを兼ね備えた光抽出素子、その製造方法およびそれを備えた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、本発明の一形態に係る光抽出素子は、発光層の光出射面に設置される光抽出素子であって、前記発光層からの光の出射角度を変換する反射面を有する透光部を備え、前記透光部の少なくとも一部がカラーフィルタとして形成されている。

前記光抽出素子は、透光部と、反射面とを具備する。前記透光部は、着色料を含み、発光層から出射された光を透過させる。前記反射面は、前記透光部の周囲に形成され前記発光層からの光の出射角度を変換する。

反射面は、発光層からの光の出射角度を変換するリフレクタとしての機能を有していることから、発光層から空気層への光の取出効率を向上させることができる。また、透光部は着色料を含んでいることから、リフレクタとカラーフィルタを同一レイヤ上で構成することができることになる。これにより、リフレクタ機能とカラーフィルタ機能とを兼ね備えた光抽出素子を得ることができる。

上記光抽出素子においては、構成の簡素化を図れると同時に、発光層に対する貼り合わせも１回で済み、製造工数の増大を回避できる。更に、発光層に対するリフレクタとカラーフィルタの設置距離の最適化を図ることができるため、光取出効率が高くクロストークのない優れた光学特性を容易に得ることができる。

上記光抽出素子において、透光部は、透光性樹脂からなる構造体と、この構造体の側周面に形成された反射膜と、構造体の少なくとも一部を構成する着色層を有する構成とすることができる。透光性樹脂は、紫外線や電子線等のエネルギー線の照射によって硬化するエネルギー線硬化樹脂で構成することができる。反射面は、平面または曲面状に形成することができる。反射面の傾斜角度、曲率等を適宜調整することによって、出射光に所望の光学配向性を付与することができる。

着色層は、透光性樹脂に着色料を分散または溶解させて構成することができる。着色料には、顔料や染料が含まれる。構造体の全部を着色層で構成する例としては、着色料を含有した透光性樹脂で構造体を成形する方法が挙げられる。

また、構造体の一部を着色層で構成する例としては、着色料を含有した透光性樹脂と着色料を含有しない（すなわち透明な）透光性樹脂を用いて構造体を成形する方法が挙げられる。この場合、目的とする光学濃度を得るために着色層の濃度と層厚を自由に設定することができる。着色層と透明層の境界は平坦面でもよいし曲面でもよい。また、着色層と透明層の境界は明確である必要はなく、例えば着色料の濃度が徐々に変化するような構造であってもよい。

一方、本発明の一形態に係る光抽出素子の製造方法は、表面に複数の凹部が２次元的に配列された型基板を準備する工程を含む。前記凹部には、着色料を含有する透光性樹脂が供給される。前記透光性樹脂は硬化させられて透明基板上に転写される。硬化した前記透光性樹脂からなる構造体の側周面には反射膜が形成される。

上述した透光部は、上記型基板の凹部を用いた透光性樹脂の成形体として構成することができる。透光性樹脂に紫外線硬化樹脂等のエネルギー線硬化樹脂を用いることで、透明基板を介して凹部内の透光性樹脂を硬化させた後、型基板から透明基板へ構造体を容易に転写することができる。反射膜は、真空蒸着法やスパッタ法等の物理蒸着法を用いて形成することができる。

型基板は剛性の高いリジッド基板で構成されてもよいし、可撓性のあるフレキシブル基板で構成されてもよい。着色料を含有する透光性樹脂の凹部への供給は、インクジェット法を用いることができる。

そして、本発明の一形態に係る表示装置は、発光層と、透光部と、反射面とを具備する。前記透光部は、着色料を含み、前記発光層から出射された光を透過させる。前記反射面は、前記透光部の周囲に形成され前記発光層からの光の出射角度を変換する。

上記表示装置においては、構成の簡素化を図れると同時に、発光層に対する貼り合わせも１回で済み、製造工数の増大を回避できる。更に、発光層に対するリフレクタとカラーフィルタの設置距離の最適化を図ることができるため、光取出効率が高くクロストークのない優れた光学特性を容易に得ることができる。

本発明によれば、リフレクタ機能とカラーフィルタ機能を兼ね備えた光抽出素子を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態による光抽出素子およびこれを備えた表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態の表示装置２０は、発光画素領域を構成する赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の発光素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂを含む発光層２１を有する。発光層２１は、パネル基板２２の前面に形成されており、その発光層２１の光出射面に光抽出素子２３が設置されることで、表示装置２０が構成される。

発光素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機または無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子のように入力電流の大きさに応じて発光輝度が調整される公知の自発光素子で構成されている。また、これらの発光素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の発光素子で構成されているが、発光色はこれらの例に限られず、一部または全部が白色発光素子で構成されていてもよい。

本実施形態において、光抽出素子２３は、発光層２１の前面（光出射面）に接着層２４を介して接合されている。接着層２４は透明な接着材料で構成されており、発光層２１と光抽出素子２３との間を適宜の距離をおいて両者を接着している。

光抽出素子２３は、後述するようにリフレクタ機能とカラーフィルタ機能を兼ね備えた光学デバイスである。光抽出素子２３は、発光層（発光素子）２１からの光の出射角度を変換する反射面（反射膜２７）を有する透光部２６を備え、その透光部２６の少なくとも一部がカラーフィルタ（着色層２８ａ）として形成されている。

本実施形態の光抽出素子２３は、発光層２１から出射された光を透過させる透光部２６と、透光部２６の周囲に形成され発光層２１からの光の出射角度を変換する反射膜２７（反射面）とを有する。透光部２６は、着色層２８ａと透明層２８ｂとを含む構造体２８で構成されている。反射膜２７は構造体４８の側周面に形成されている。

透光部２６は、透光性樹脂からなる構造体２８と、この構造体２８の側周面に形成された反射膜２７と、構造体２８の少なくとも一部を着色する着色層２８ａを有している。

構造体２８は、図１において逆円錐台形状を有しており、その傾斜した側周面に反射膜２７が形成されている。後述するように、構造体２８は逆円錐台形状の凹部が形成された型基板を用いて成形される。構造体２８を構成する透光性樹脂には紫外線硬化樹脂が用いられ、特に、粘着層２４と同様な屈折率を有する材料が用いられる。具体的には、接着層２４が例えば屈折率１．５〜１．６の紫外線硬化樹脂で構成される場合、構造体２８を構成する透光性樹脂にはそれと同種の樹脂材料が用いられる。なお、接着層２４には熱硬化樹脂を用いることも可能である。

反射膜２７は、アルミニウムや銀等の金属膜が用いられ、真空蒸着法やスパッタ法等の物理的蒸着方法を用いて形成された蒸着膜あるいはスパッタ膜で構成される。反射膜２７として、白色ＰＥＴ等の樹脂膜を用いてもよい。反射膜２７は、透光部２６の反射面を構成し、成形された構造体２８の側周面を被覆するように形成される。したがって、構造体２８が逆円錐台形状のように回転対称な形状を有する場合、反射面は曲面状に形成される。

更に、構造体２８の側周面の断面の外形が直線的な場合、この上に形成される反射膜２７も図１に示すように直線的となる。これに対し、構造体２８の側周面の断面の外形が図２（Ａ）に示すように曲線的な場合、この上に形成される反射膜２７も図示するように曲線的となる。曲線（あるいは曲面）の種類は特に限定されず、双曲線、球面、非球面等、表示装置２０の用途、仕様等に応じて反射面の形状を適宜設定することができる。

例えば、本実施形態のように回転対称な反射面構造を有する透光部２６の場合、全ての角度に対して均一な放射角特性をもつリフレクタとなる。この場合、構造体２８の側周面の形状で配光特性が変化し、発散角が大きく広視野角な配光特性はテレビ用途として有効であり、集光性が高く狭視野角な配光特性はモバイル用途として有効である。一方、透光部の形状を回転対称形状ではなく、逆四角錐台形状のようにして水平方向と垂直方向とで異なる視野角特性をもたせた場合、反射面は平面状に形成される。この場合、特定方向の視野角を広くする設計や、特定方向からの覗き込みを防止する設計が可能となる。

次に、着色層２８ａについて説明する。着色層２８ａは、透光性樹脂に着色料を分散または溶解させて構成される。着色料には赤色、緑色、青色等の顔料や染料が用いられる。図１に示す構造体２８は、着色料を含有した透光性樹脂からなる着色層２８ａと、着色料を含有しない透光性樹脂からなる透明層２８ｂの２層構造を有している。これら着色層２８ａおよび透明層２８ｂは、後述するように同一の型基板内で成形されて一体化される。

図１に示した例では、着色料を含有した透光性樹脂が最初に型内に供給され、次いで、着色料を含有しない透明な透光性樹脂が型内に充填される。着色料を含有した透光性樹脂も、着色料を含有しない透明な透光性樹脂と同種の紫外線硬化樹脂で構成されるが、これに限られない。なお、これら樹脂の注入の順番を入れ替えることによって、図２（Ｂ）に示したように、着色層２８ａと透明層２８ｂの上下の位置を逆にすることができる。

着色層２８ａに含有される着色料の濃度、着色層の層厚は、透光部２６を透過する光の色純度の設計に応じて決定される。すなわち、低濃度の着色層を厚く形成してもよいし、高濃度の着色層を薄く形成してもよい。これにより、目的とする光学濃度を得ることができるので、構造体の大きさやプロセスの制約等に応じて設計自由度を高めることができる。図２（Ｃ）は低濃度の着色層２８ａで構造体２８の全部を構成した例を示し、図２（Ｄ）は高濃度の着色層２８ａを構造体２８の底部に薄く形成した例を示している。例えば、着色料に顔料を用い、比較的高濃度の着色層を形成する場合には、樹脂の吐出ノズルに目詰まりが生じる可能性がある。この場合、比較的低濃度の着色層を厚めに形成することによって、目的とする光学濃度を容易に得ることができる。

着色層２８ａと透明層２８ｂの境界は、平坦である場合に限られない。例えば図３（Ａ）に示すように、着色層２８ａと透明層２８ｂの境界が不規則な凹凸形状であってもよい。あるいは、図３（Ｂ）に示すように着色層２８ａと透明層２８ｂの境界面が明確でなく、境界面付近で着色層２８ａの濃度が徐々に低下するような形態であってもよい。この場合、着色層２８ａと透明層２８ｂの屈折率差に起因する境界面での光の反射を抑制することができる。一方、着色層２８ａの表面張力を利用して、図３（Ｃ）に示すように、着色層２８ａと透明層２８ｂの境界面を曲面形状に形成してもよい。これにより、境界面で所定のレンズ効果が得られるので、配光特性の設計自由度を高めることができる。

なお、以上の説明では、着色層２８ａと透明層２８ｂとが混和することなく層分離した形態で構造体２８を構成する例について説明したが、着色層２８ａと透明層２８ｂが相互に混和した状態で構造体２８が構成されていてもよい。

発光層２１から出射された光は光抽出素子２３を介して空気層８に取り出される。このとき、発光層２１側から空気層８側に向かって屈折率が小さくなるように光抽出素子２３を構成することで、層界面における光の反射を抑制できる。その結果、光の空気層８への取出効率を高めることが可能となる。一般に、着色料を含有する着色層は、着色料を含有しない透明層に比べて屈折率が高い。したがって、図２（Ａ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示した構成例は、光の進行方向に向かって屈折率を徐々に低下させることが可能であるので、光の取出効率の向上には有利であるといえる。

光抽出素子２３は、以上のように構成される透光部２６を複数備えるとともに、これらの透光部２６を支持する透明基板２５を備えている。透光部２６の配列ピッチは発光素子の配列ピッチに対応し、例えば９０μｍである。この場合、透光部２６の高さは、例えば５０μｍである。透明基板２５はガラス基板で構成されているが、プラスチック基板でもよい。透明基板２５の屈折率は、透光部２６を構成する透光性樹脂と同等の屈折率とすることができる。

複数の透光部２６は、発光素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂの各々に対応して２次元的に配列されており、発光素子の発光色に対応する色で各着色層２８ａが構成される。すなわち、赤色発光素子２１Ｒの直上に位置する透光部２６は赤色の着色層２８ａ（２６Ｒ）を有し、緑色発光素子２１Ｇの直上に位置する透光部２６は緑色の着色層２８ａ（２６Ｇ）を有し、青色発光素子２１Ｂの直上に位置する透光部２６は青色の着色層２８ａ（２６Ｂ）を有する。

隣接する透光部２６の間には、遮光部２９が形成されている。遮光部２９は、主に外光の吸収を目的とし、外光反射による表示画像の画質劣化を抑制する。遮光部２８は、例えばカーボンブラックを含有した黒色樹脂材料で構成される。また、隣接する透光部２６の間に形成される領域３０には透明あるいは非透明な樹脂材料が充填されることで、光抽出素子２３の発光層２１との接合界面が平坦になっている。なお、領域３０を単なる空間部（空気層）としてもよい。

以上のように構成される本実施形態の表示装置２０においては、各発光素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂが個々の画素を構成している。そして、各発光素子に対応して、光抽出素子２３の透光部２６がそれぞれ配置されている。したがって、各発光素子から出射された光は、粘着層２４、透光部２６および透明基板２５を介して、外部の空気層８へ出射される。

光抽出素子２３の各透光部２６は、発光層２１から透明基板２５に向かって開口径が増加する擂鉢形状を有するとともに、その側周面には反射膜２７が形成されている。したがって、発光層２１からの出射光のうち透光部２６の側周面に到達した光は、反射膜２７で反射されて光路が変えられることによって、出射角度が変換される。これにより、透明基板２５と空気層８の境界面に対する入射角が制限され、当該境界面において全反射される光の割合が大きく低減される結果、光の取出量が高められる。

また、透光部２６を透過する光は、着色層２８ａにおいて色純度が高められるので、画像の色再現性の向上が図られる。また、各透光部２８の着色層２８ａは外光反射を大きく低減できる効果を有し、これによって明所コントラストが大きく向上する。

以上のように本実施形態によれば、リフレクタ機能とカラーフィルタ機能とを兼ね備えた光抽出素子２３を構成することができる。これにより、リフレクタとカラーフィルタを別々に構成する場合に比べて、部品点数を減少させることができるとともに、ディスプレイへの貼合わせ工数を１回で済ませることができる。

また、リフレクタとカラーフィルタを発光層２１に近づけて設置することができるので、接着層２４の層厚を調整することによって、両機能の効果を同時に発揮し得る最適な設置条件を実現して、光取出効率が高くクロストークのない優れた光学特性を容易に得ることができる。

次に、以上のように構成される光抽出素子２３の製造方法について図４〜図６を参照して説明する。図４〜図６は、光抽出素子２３の製造方法を説明する工程断面図である。

まず、図４（Ａ）に示すように、表面に複数（図では単一）の凹部３２が２次元的に配列された型基板３１を準備する。凹部３２の形状は、透光部２６の形状に合致する。なお、型基板３１は金属材料で構成される。型基板３１の作製方法は特に限定されないが、例えば以下のようにして作製することができる。

ポリカーボネート基板に対して、ＫｒＦエキシマレーザを用いたマスクイメージング法により、透光部２６の形状に対応した凸部を形成する。次に、このポリカーボネート基板をＮｉ電鋳することで、上記凸部の形状に対応した凹部３２を有する金型（型基板３１）を得ることができる。なお、金型の製造方法は上記の例に限らず、バイトや集光レーザ等を用いて型を直接加工してもよい。

次に、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、ノズル３３を用いて着色層２８ａの材料となる紫外線硬化樹脂を凹部３２に滴下した後、透明層２８ｂの材料となる紫外線硬化樹脂を凹部３２へ供給する。着色樹脂の滴下には、インクジェット法を採用することができる。透明樹脂は凹部３２に充填される。透明樹脂の充填には、塗布法や印刷法を採用することができるが、勿論、インクジェット法を採用してもよい。

続いて、図４（Ｄ）に示すように、型基板３１の表面に透明基板２５を設置した後、この透明基板２５の上から型基板３１に紫外線（ＵＶ）を照射して樹脂を硬化させ、着色層２８ａと透明層２８ｂからなる構造体２８を成形する。同時に、成形した構造体２８と透明基板２５が一体的に接合される。

次に、図５に示すように、型基板３１から透明基板２５を剥離する。透光性樹脂の硬化工程によって成形された各々の構造体２８は透明基板２５に一体接合されるため、型基板３１からの透明基板２５の剥離の際に、各構造体２８は型基板３１から透明基板２５へ転写される。各構造体２８は透明基板２５上に支持された状態で、次工程である遮光部形成工程と反射膜形成工程が実施される。

図６Ａは遮光部形成工程を示している。遮光部２９の形成にはインクジェット法を用いることができ、吐出ノズル３４から隣接する構造体２８の間に黒色塗料を滴下する。黒色塗料のベース樹脂には、例えば紫外線硬化樹脂が用いられる。

次に、反射膜形成工程が行われる。この工程では先ず、図６（Ｂ）に示すように、構造体２８および遮光部２９を被覆するように反射膜２７を形成する。反射膜２７の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。次に、図６（Ｃ）に示すように、構造体２８の頂部に相当する面に形成された反射膜２７をラッピング法等によって除去する。これにより、構造体２８の側周面および遮光部２９の表面にのみ反射膜２７が形成されることになる。

なお、あらかじめ構造体２８の頂部にレジストを形成しておき、反射膜の形成後、上記レジスト層を除去して、構造体２８の頂部領域のみ反射膜を除去する方法を採用してもよい（リフトオフ法）。この場合、レジスト層は、構造体２８の成形型（凹部３２）の底部にあらかじめ形成することができる。
その後、構造体２８の間の領域３０に、所定の充填材が必要に応じて充填される。

以上のようにして本実施形態の光抽出素子２３が作製される。本実施形態によれば、リフレクタを構成する構造体２８の少なくとも一部が、カラーフィルタとして機能する着色層２８ａを含んだ構成であるため、リフレクタとカラーフィルタが同時に作製されることになる。したがって、リフレクタ機能とカラーフィルタ機能を兼ね備えた光抽出素子２３を効率良く製造することができるとともに、製造歩留まりを高めて生産性の向上を図ることができる。

＜第２の実施形態＞
図１０は、本発明の第２の実施形態による光抽出素子およびこれを備えた表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態の表示装置４０は、接着層２４を介して発光層２１に接合される光抽出素子４３の構成が、第１の実施形態に係る光抽出素子２３の構成と異なっている。

光抽出素子４３は、発光層２１から出射された光を透過させる透光部４６と、透光部４６の周囲に形成され発光層２１からの光の出射角度を変換する反射面４７とを有する。透光部４６は、着色層４８ａと透明層４８ｂとを含む構造体４８で構成されている。反射面４７は構造体４８の側周面と、隣接する構造体４８の間に形成された空間部３０との界面で形成されている。遮光部４９は、隣接する構造体４８の間に形成されている。

透明層４８ｂは、透明基板４５に一体的に形成されている。透明層４８ｂは、発光層２１の発光画素領域（発光素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ）に対応して複数形成されている。着色層４８ａは、透明層４８ｂの先端に形成されている。着色層４８ａは、着色料を含有した透光性樹脂からなる塗料で構成することができる。この場合、当該塗料を透明層４８ｂの先端に塗布あるいは転写することで着色層４８ａを形成することが可能である。着色層４８ａは、カラーフィルタの着色層で構成することも可能である。各着色層４８ａの色は、対向する発光素子２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂの発光色に対応している。

透明基板４５は、ガラス、プラスチック、セラミックス等の透光性材料で構成することができる。本実施形態において、各透明層４８ｂは、透明基板４５の一方の面を微細加工することによって形成される。

例えば、透明基板４５の表面に、透明層４８ａの形成領域を被覆するレジストマスクを形成し、これをエッチングマスクとして透明基板４５の表面をエッチングする。エッチング工程はドライエッチング法でもよいしウェットエッチング法でもよい。透明基板４５がガラス製である場合、ドライエッチング工程には、例えばフッ素を含有するガス（ＣＦガス、ＳＦガスなど）のプラズマを利用することができる。また、ウェットエッチング工程には、希フッ酸などのエッチング液を用いることができる。エッチング技術を用いて透明層４８ｂを形成することにより、円錐台形状あるいは角錐台形状の透明層４８ｂを容易に形成することができる。

なお、透明層４８ｂは、透明基板４５の表面に対するレーザ加工やバイト加工によっても形成することが可能である。

反射面４７は、構造体４８の側周面と空間部３０との界面で形成される。空間部３０は空気層で構成することができる。また、構造体４８よりも屈折率の低い材料で空間部３０を充填することも可能である。構造体４８と空間部３０との間の屈折率差が大きいほど、反射面４７における全反射条件を緩和できるため、光の取出効率を高めることが可能となる。

なお、構造体４８の側周面に反射膜を形成することで反射面４７を形成しても構わない。反射膜としては、銀、アルミニウム等の金属膜や白色の塗料などで形成することができる。

以上のように構成される本実施形態の表示装置４０においても、第１の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、構造体４８（透明層４８ｂ）を透明基板４５の表面加工によって形成することが可能である。

図１１は、本実施の形態の比較例として示す表示装置５０の概略構成図である。この比較例に係る表示装置５０は、発光層２１の光出射面に接着層２４を介して光抽出素子５３が接合された構成を有している。光抽出素子５３は、透明基板５５とカラーフィルタ５８と透光部５６の積層構造を有している。カラーフィルタ５８は、透明基板５５の上に直接形成され、透光部５６は、カラーフィルタ５８の上に接着層５４を介して接合されている。接着層５４は、広い意味でのリフレクタ（透光部５６）とカラーフィルタ（カラーフィルタ５８）の間に存在する層であり、例えば転写プロセスでカラーフィルタ基板上にリフレクタが直接形成された場合に、リフレクタ部とカラーフィルタ部の間に生じてしまう樹脂層などを含む。透光部５６は、図１０において逆円錐台形状を有する透明樹脂材料の成形体からなり、カラーフィルタ５８の着色領域（５８Ｒ、５８Ｇ、５８Ｂに対応して複数配置されている。透光部５８の側周面は、金属膜あるいは白色樹脂膜などからなる反射膜５７が形成されている。光抽出素子５３は、透光部５６を接着層２４に接合することによって、発光層２１と一体化されている。

上述したような構成の比較例に係る表示装置５０は、発光層２１から出射した光は、接着層２４、透光部５６、接着層５４、カラーフィルタ５８及び透明基板５５を介して空気層８へ出射される。このとき、透光部５６の側周面に向けて出射された光は、反射膜５７で反射されることでその出射角度が変換される。その結果、透明基板５５と空気層８との境界面における入射角が臨界角よりも小さくなるため、発光層２１からの出射光は当該境界面において所定の屈折角で屈折されて空気層８側へ出射される。また、透光部５６と透明基板５５との間にカラーフィルタ５８が介在しているため、発光素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから出射された光は着色層５８Ｒ、５８Ｇ、５８Ｂによって色純度が高められて、コントラストの向上が図れるようになる。

ここで、上述した第１の実施形態に係る表示装置２０と比較例に係る表示装置５０とを比較する。図１を参照して、本実施形態の表示装置２０における光抽出素子２３は、発光層２１側から空気層８側に向かって着色層２８ａ、透明層２８ｂ及び透明基板２５の順に各層が配置されている。着色層は着色料（顔料、染料）を含有するため、一般的に透明層よりも屈折率が高い。したがって、発光層２１から出射された光は、光抽出素子２３を透過するに際して屈折率が高い層から低い層へ向かって透過していくことになる。このため、層界面における光の反射ロスを低減して空気層８への取出効率を高めることが可能となる。

一方、比較例の表示装置５０における光抽出素子５３は、発光層２１側から空気層８側に向かって透光部５６（透明層）、着色層５８Ｒ、５８Ｇ、５８Ｂ（カラーフィルタ５８）及び透明基板５５の順に各層が配置されている。この場合、発光層２１から出射された光は、透光部５６とカラーフィルタ５８との界面における反射ロスが上述の光抽出素子２３の場合に比べて大きくなる。その結果、図１１に示した比較例に係る表示装置５０に関しては、図１に示した実施形態に係る表示装置２０と比較して、空気層８への光の取出効率が低くなる。

また、比較例に係る光抽出素子５３は、透光部５６と着色層（カラーフィルタ５８）との間に接着層５４が介在している。この接着層５４の厚みが大きいほど、反射膜５７で反射可能な光の量が低下する。その結果、空気層８側への光の取り出し効率が低下するとともに、斜め方向の輝度が低下する。

本発明者は、発光層の光出射面にカラーフィルタを積層した構成の表示装置（図９）を基準として光の取出効率の向上率をシミュレーションにより測定した。比較例に係る表示装置５０のシミュレーションモデルには、接着層５４の厚みが３μｍのサンプル（比較例１）と、１０μｍのサンプル(比較例２)の２種類を測定した。その結果、比較例１に係る表示装置５０のシミュレーションモデルでは４１．４％、比較例２に係る表示装置５０のシミュレーションモデルでは３２．８％であったのに対して、実施形態に係る表示装置２０のシミュレーションモデルでは４６．３％であった。

参考として、空気層に取り出される光の輝度配向特性を示すシミュレーション結果の一例を図１２に示す。図中「○」は、発光層の光出射面にカラーフィルタ（ＣＦ）を積層した構成の表示装置（図９）をシミュレーションモデルとした場合の輝度配向特性を示している。また、「□」は、実施形態に係る表示装置（図１）をシミュレーションモデルとした場合の輝度配向特性を示している。そして、「●」及び「■」はそれぞれ比較例１及び比較例２に係る表示装置（図１１）をシミュレーションモデルとした場合の輝度配向特性をそれぞれ示す。図１２から、比較例１及び比較例２に比べて、実施形態に係るシミュレーションモデルの方が、斜め方向の輝度が高いことが確認された。

本実施形態によれば、透光部と着色層との間に上記比較例のような接着層５４の厚みに相当する隙間が存在しない。このため、反射面（反射膜２７）における光の反射光量を高めて光の取り出し効率を高めることができるとともに、正面方向だけでなく斜め方向にも輝度を上昇させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、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。

例えば以上の実施形態では、１画素（１発光素子）につき１つの透光部２６を配置させたが、１画素領域内に複数の透光部を配置させるようにしてもよい。また、透光部２６を構成する構造体２８を各々同一の形状で形成したが、これに限られず、複数種の形状を有する構造体によって光抽出素子の透光部を構成してもよい。

また、以上の実施形態では、透光部２６を構成する構造体２８を成形するための型基板３１を金型で構成したが、これに限られない。例えば、成形した構造体２８との剥離性に優れたフレキシブル性のあるプラスチックシートを型基板として用いることにより、透明基板２５への構造体２８の転写性を高めることができる。

また、以上の実施形態では、着色層２８ａを硬化させないで透明層２８ｂを形成したが、透明層２８ｂを塗布する前に、着色層２８ａを硬化あるいは仮硬化させてもよい。

本発明の第１の実施形態による光抽出素子を備えた表示装置の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態による光抽出素子の透光部を構成する構造体の変形例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による光抽出素子の透光部を構成する構造体の変形例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による光抽出素子の製造方法を説明する要部の工程断面図である。 本発明の第１の実施形態による光抽出素子の製造工程の一部を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態による光抽出素子の製造方法を説明する要部の工程断面図である。 従来のリフレクタ機能を備えた表示装置の概略断面図である。 図７に示した表示装置のリフレクタ機能を説明する要部の断面図である。 従来のカラーフィルタ機能を備えた表示装置の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態による光抽出素子を備えた表示装置の概略断面図である。 比較例に係る光抽出素子を備えた表示装置の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る表示装置と比較例に係る表示装置の輝度配向分布の一例を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

８…空気層
２０、４０…表示装置
２１…発光層
２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ…発光素子
２３、４３…光抽出素子
２４…接着層
２５、４５…透明基板
２７、４７…反射膜（反射面）
２８、４８…構造体
２８ａ、４８ａ…着色層
２８ｂ、４８ｂ…透明層
２９、４９…遮光部
３０…空間部
３１…型基板
３２…凹部

Claims (16)

1. 発光層の光出射面に設置される光抽出素子であって、
   着色料を含み、前記発光層から出射された光を透過させる透光部と、
   前記透光部の周囲に形成され前記発光層からの光の出射角度を変換する反射面と
   を具備する光抽出素子。
2. 請求項１に記載の光抽出素子であって、
   前記透光部は、
   側周面を有し透光性樹脂で構成された構造体と、
   前記構造体の前記側周面に形成された反射膜と、
   前記構造体の少なくとも一部を構成する着色層とを有する
   光抽出素子。
3. 請求項２に記載の光抽出素子であって、
   前記着色層は、前記透光性樹脂に着色料を分散または溶解させてなる
   光抽出素子。
4. 請求項３に記載の光抽出素子であって、
   前記透光性樹脂は、エネルギー線硬化樹脂からなる
   光抽出素子。
5. 請求項３に記載の光抽出素子であって、
   前記構造体は、前記光出射面側から前記透明基板側に向かって屈折率が徐々に低くなるように形成されている
   光抽出素子。
6. 請求項１に記載の光抽出素子であって、
   前記反射面は、平面または曲面状に形成されている
   光抽出素子。
7. 請求項１に記載の光抽出素子であって、
   前記透光部は２次元的に複数配列されており、
   前記光抽出素子は、隣接する前記透光部の間に形成された遮光部をさらに具備する
   光抽出素子。
8. 請求項７に記載の光抽出素子であって、
   前記複数の透光部を支持する透明基板をさらに具備する
   光抽出素子。
9. 表面に複数の凹部が２次元的に配列された型基板を準備し、
   前記凹部に着色料を含有する透光性樹脂を供給し、
   前記透光性樹脂を硬化させて透明基板上に転写し、
   硬化した前記透光性樹脂からなる構造体の側周面に反射膜を形成する
   光抽出素子の製造方法。
10. 請求項９に記載の光抽出素子の製造方法であって、
    前記凹部に着色料を含有する透光性樹脂を供給する工程は、
    前記凹部に着色料を含有する透光性樹脂を滴下する工程と、
    前記凹部に着色料を含有しない透光性樹脂を充填する工程とを含む
    光抽出素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の光抽出素子の製造方法であって、
    前記透光性樹脂にエネルギー線硬化樹脂を用いる
    光抽出素子の製造方法。
12. 請求項１０に記載の光抽出素子の製造方法であって、
    前記着色料を含有する透光性樹脂の滴下をインクジェット法によって行う
    光抽出素子の製造方法。
13. 請求項９に記載の光抽出素子の製造方法であって、さらに、
    前記構造体を前記透明基板へ転写した後、前記反射膜を形成する前に、隣接する前記構造体の間に黒色材料層を形成する
    光抽出素子の製造方法。
14. 発光層と、
    着色料を含み、前記発光層から出射された光を透過させる透光部と、
    前記透光部の周囲に形成され前記発光層からの光の出射角度を変換する反射面と
    を具備する表示装置。
15. 請求項１４に記載の表示装置であって、
    前記光抽出素子を前記発光層に接合する接着材料層をさらに具備する
    表示装置。
16. 請求項１４に記載の表示装置であって、
    前記発光層は、複数の発光画素領域を有し、
    前記透光部は、前記複数の発光画素領域に対応して複数配列されている
    表示装置。

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