KR100590237B1 - 발광소자기판 및 이를 이용한 발광소자 - Google Patents

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KR100590237B1 KR1020040033232A KR20040033232A KR100590237B1 KR 100590237 B1 KR100590237 B1 KR 100590237B1 KR 1020040033232 A KR1020040033232 A KR 1020040033232A KR 20040033232 A KR20040033232 A KR 20040033232A KR 100590237 B1 KR100590237 B1 KR 100590237B1
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Abstract

본 발명은 광투명성기판(10) 상에 굴절률이 광투명성기판(10)보다도 높은 제 1 층(30), 굴절률이 제 1 층(30)보다도 낮은 제 2 층(40)을 구비하고, 또 그 위에 제 2 층(40) 보다도 굴절률이 낮은 전극층(60)을 형성한다. 이와 같은 층구조로 함으로써 발광소자의 발광층의 점광원으로부터 전방향으로 출사된 구면파 형상의 파면은 기판내에서 평면파 형상의 파면으로 변환되고, 기판외로 효율적으로 출사하는 것이 가능해져, 광 취출 효율이 우수한 발광소자기판 및 이를 이용한 발광소자를 제공하는 것을 특징으로 한다.
파면변환, 구면파, 평면파, 굴절률, 광취출효율

Description

발광소자기판 및 이를 이용한 발광소자{light-emitting element substrate and light-emitting element using the same}
도 1 내지 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광소자기판의 단면 모식도의 일례,
도 4 내지 9는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광소자의 단면모식도의 일례 및
도 10은 광제어층 구조의 일례를 도시한 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명)
10 : 광투명성 기판 20 : 광제어층
30 : 제 1 층 40 : 제 2 층
50 : 발광소자기판 60 : 전극층
70 : 반사방지막 80 : 양극
90 : 절연층 100 : 무기발광층
120 : 음극 130 : 발광층
140 : 정공수송층 150 : 청색 발광층
160 : 백색 발광층 501, 504 : 청색 출사광
502, 505 : 녹색 출사광 503, 506 : 적색 출사광
507 : 백색발광 510, 511 : 색변환 필터
520, 521, 522 : 칼라필터
본 발명은 발광소자용 기판 및 이를 이용한 광학소자에 관한 것으로서, 본 발명의 광학소자는 디스플레이 등의 표시 디바이스에 이용된다. 또, 본 발명은 유기EL소자용 봉지재에 이용된다.
유기전계발광(EL)소자는 전계를 인가함으로써 양극에서 주입된 정공과, 음극에서 주입된 전자의 재결합 에너지에 의해 형광성 물질이 발광하는 원리를 이용한 자발광소자이다. 적층형 저전압 구동 유기 전계발광소자의 보고가 이루어진 이래, 유기재료를 구성재료로 하는 유기 전계발광소자에 관한 연구가 활발히 행해지고 있다. Tang 등은 트리스(8-퀴놀리놀)알루미늄을 발광층에, 트리페닐디아민 유도체를 정공수송층에 이용하고 있다. 적층형 구조의 이점으로서는, 발광층으로의 정공의 주입 효율을 높이고, 음극으로부터 주입된 전자를 블록하여 재결합에 의해 생성하는 여기자의 생성효율을 높이고, 발광층내에서 생성한 여기자를 봉쇄할 수 있는 것 등을 들 수 있다. 이 예와 같이 유기 전계발광소자의 소자 구조로서는, 정공수송(주입)층, 전자수송성발광층의 2층형, 또는 정공수송(주입)층, 발광층, 전자수송(주입)층의 3층형 등이 잘 알려져 있다. 이와 같은 적층형 소자에서는 주입된 정공과 전자의 재결합 효율을 높이기 위해, 소자구조나 형성방법의 연구가 이루어져 있다. 그러나, 유기 전계발광소자에서는 캐리어 재결합시에 스핀통계의 의존성으로 인해 일중항 생성의 확률에 제한이 있고, 발광확률에 상한이 생긴다. 이 상한값은 약 25%라고 알려져 있다.
또, 적어도 발광층을 음극과 양극에서 끼운 유기전계발광소자와 같은 구면파 형상의 파면을 갖는 면발광소자에서는, 발광체의 굴절률이 기판이나 공기보다도 높기 때문에 임계각 이상의 출사각의 광은 기판/공기계면 등에서 전반사를 일으켜, 기판으로부터 외부로 취출할 수 없다. 발광체의 굴절률을 1.6으로 하면 발광량 전체의 20% 정도밖에 유효하게 이용할 수 없다고 예상되고 있다. 이 때문에 에너지의 변환효율의 한계로서는 일중항 생성 확률을 합해 전체 5% 정도로 저효율이 되지 않을 수 없다. 발광확률에 강한 제한이 생기는 유기 전계발광소자에서는 낮은 광 취출 효율은 치명적이라고도 할 수 있는 에너지 변환 효율의 저하를 초래하게 된다.
이 광 취출 효율을 향상시키는 수법으로서, 종래 여러가지 제안이 이루어져 있다.
일본 특개소63-314795호 공보에는 기판에 렌즈를 형성하는 방법이 기재되어 있다. 동 문헌에서는 기판으로 셀폭(selfoc)이나 볼록렌즈 등의 집광성이 있는 기판이 이용되고 있다.
일본 특개평1-220394호 공보에는 광 취출 효율을 향상시키는 수법으로서, 반사면을 형성하는 방법이 기재되어 있다. 동 문헌 기재의 기술은 발광층의 한쪽면에 광을 반사하는 미러를 설치한 것을 특징으로 하며, 미러의 형상을 절구형상으로 형성함으로써 발광층의 주위로의 광의 손실을 개선하고 있다.
일본 특개2001-202827호 공보에는 저굴절률층을 기판과 전극층 사이에 배치하는 방법이 제안되고 있다. 상기 개시 기술에서는 저굴절률층의 적어도 한쪽 표면에 접해 투명도전성막(전극층)을 갖게 하여 저굴절률층을 통과하는 광은 대기로의 취출율이 높아지고, 광을 외부로 취출하는 취출율이 높아지고, 저굴절률층의 굴절률이 1.003 내지 1.300이므로, 저굴절률층을 통과하는 광은 대기로의 취출률이 높아지고, 광을 외부로 취출하는 취출률이 높아지고, 또 저굴절률층으로서 실리카에어로겔을 사용함으로써, 1에 가까운 초저굴절률을 실현하고 있다.
일본 특개2003-31374호 공보에는 발광층과 기판사이에 고굴절률층, 저굴절률층 및 고굴절률층이 상기 순서로 적층한 반사방지막을 구비하는 발광소자가 기재되어 있다. 동 문헌의 도 1에는 유리로 이루어진 기판(1)과 유기EL층(3) 사이에 고굴절률층(H1), 저굴절률층(L1) 및 고굴절률층인 양극층(2A)이 이 순서로 적층하여 이루어진 광학 다층체(2)를 설치한 구조가 기재되어 있다. 그리고, 단락 0025에는 이 광학다층체(2)는 반사방지기능을 갖고 있고, 기판(1)으로부터의 광 취출 효율이 향상된다고 기재되어 있다.
이른바 반사방지막은 단일막으로 구성하는 경우, nd=λ/4(물리막두께를 “d”, 사용파장을 “λ”라고 함)을 만족할 때, 광의 간섭작용에 의해 반사광이 상쇄된다. 상기 문헌 기재의 기술은 이와 같은 반사방지막의 일종이고, 다층 구조를 갖고 있다. 실시예에서 기재되어 있는 구조에서는 고굴절률층(H1), 저굴절률층(L1) 및 양극층(2A)의 두께는 각각 14.2nm, 41.5nm 및 139.8nm이고(단락0015), 각 층의 두께는 발광파장 400∼700nm에 대해 반파장 이하의 두께로 되어 있다. 이 문헌에 기재되어 있는 다층막은, 이른바 반사방지막의 일종이다.
그러나, 상기 종래기술의 기술은 이하의 점에서 개선의 여지를 갖고 있다.
일본 특개소63-314795호 및 일본 특개평1-220394호에 기재되어 있는, 기판에 렌즈를 형성하는 방법이나 반사면을 형성하는 방법은 발광면적이 큰 소자에 대해서는 유효하지만, 도트매트릭스 디스플레이 등의 화소면적이 미소한 소자에서는 집광성을 갖게 하는 렌즈나 측면의 반사면 등의 형성 가공이 곤란하다. 특히 유기 전계발광소자에서는 발광층의 막두께가 수㎛이하가 되므로, 테이퍼형상의 가공을 실시하여 소자 측면에 반사경을 형성하는 것은 현재의 미세가공의 기술로는 곤란하고, 대폭 비용상승을 초래하는 것은 명백하다.
일본 특개2001-202827호에 기재되어 있는, 저굴절률층을 기판과 전극층 사이에 기재하는 방법에서는 임계각 내에 광을 수집하여 광 취출 효율을 향상시키는 점에서는 유효하지만, 양극과 저굴절률층의 계면에서 광의 반사가 발생하므로, 광 취출 효율의 개선은 아직 불충분하다고 할 수 있다. 또, 초저굴절률층을 얻기 위해 구멍이 있는 실리카에어로겔막을 사용한 경우, 막의 기계강도가 매우 약하다. 또, 구멍이 있는 막의 표면 요철에 기인한 전극의 쇼트가 발생하고, 비발광부(다크 스팟)가 발생한다. 이와 같이 유기 전계발광소자에 유효한 광 취출 기술은 아직 불충분하다.
일본 특개2003-31374호에 기재되어 있는 반사방지막을 설치하는 방법에서는, 그 기능상 광 취출 효율의 향상에 한계가 있었다(실시예의 항에서 후술).
또, 잘 알려져 있는 바와 같이, 반사방지막은 파장 의존성이 크므로 상기 구조에서는 발광파장에 의해 광 취출 효율이 크게 변동한다. 이 때문에 동 문헌 기재의 기술을 백색 발광의 소자에 적용한 경우, 기판 외부로 방출되는 광량이 파장에 따라서 크게 상위하게 되어 화이트밸런스의 열화가 문제가 된다.
또, 반사방지막은 광의 간섭을 이용하여 광의 반사를 상쇄하는 것이므로, 막두께나 굴절률이 소정 조건을 만족하도록 형성될 필요가 있다. 따라서, 제조요인에 따라서 막두께가 미묘하게 변동하면 반사방지막의 반사율이 변동하게 되므로, 소자 성능의 편차가 발생하기 쉽다.
광 취출 기술의 개발은 유기 전계발광소자 등의 발광소자의 저전압 구동화에 연결되는 중요한 기술이고, 소자의 저소비전력화의 실현에 불가피하다.
본 발명의 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는 상기 종래기술이 갖는 과제를 해결한 광 취출 효율이 우수한 발광소자기판 및 이를 이용한 발광소자를 제공하는데 있다.
종래기술에서 나타낸 바와 같이, 기판에 집광성을 부여하거나, 기판과 발광영역 사이에 반사를 방지하는 막을 설치하는 관점에서의 제안은 현재까지 이루어져 있다. 이에 대해 본 발명자는 이와 같은 제안과는 다른 관점에서 검토를 실시하여, 광 취출 효율을 현저히 개선하는데 성공했다. 즉, 본 발명자는 광투명성기판 상에 발광을 파면 변환하여 광투명성기판으로 인도하는 광제어부를 설치함으로써, 광 취출 효율을 향상시킬 수 있는 것을 발견하여 본 발명의 완성에 이르렀다.
본 발명에 의하면 광투명성기판과, 상기 광투명성기판 상에 설치되어, 구면파의 입사광을 평면파 형상의 광으로 변환하여 상기 광투명성기판으로 인도하는 광제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광소자기판이 제공된다.
또, 본 발명에 의하면 광투명성기판과, 상기 광투명성기판 상에 설치되어 구면파의 입사광을 평면파 형상의 광으로 변환하여 상기 투명기판으로 인도하는 광제어부와, 상기 광제어부 상에 설치된 전극층과, 상기 전극층 상에 설치된 발광층을 구비하는 것을 특징으로 하는 발광소자가 제공된다.
본 발명에 의하면 광투명성기판 상에 설치된 광제어부의 작용에 의해, 광 취출 효율이 현저히 향상된다. 상기 광제어부는 그 상부에 배치되는 발광영역이 발한 구면파 형상의 발광을 표면파형상의 광으로 파면 변환하고, 투명기판으로 인도하도록 구성되어 있다. 평면파 형상의 광이 광투명성기판으로 인도되므로, 광투명성기판과 이에 인접하는 층과의 사이에서의 반사나 손실을 효과적으로 저감할 수 있고, 이 결과, 광 취출 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
여기서, 「평면파 형상의 광」이라는 것은 광의 포인팅벡터가 대략 평행한 것을 말한다. 광진행 방향에 대해 수직인 면에서의 광의 위상은 반드시 갖춰져 있지 않아도 좋다. 「파면변환」이라는 것은 광의 지향성을 높이도록 파면을 변환하는 것을 말하며, 포인팅벡터가 확산되는 형태의 구면파를 상기와 같은 평면파 형상의 광으로 변환하는 것을 말한다. 평면파 형상의 광으로 파면 변환하는 구체적 구 성으로서는 여러가지 형태를 채용할 수 있다. 예를 들면 광제어부 중에 굴절률 변조 영역을 도입하고, 광의 진행을 적절히 조정함으로써 파면 변환할 수 있다.
또, 「발광소자기판」이라는 것은 광제어부의 상부에 발광영역을 탑재하여 이용되는 기판을 말한다. 발광영역은 여러가지 형태를 채용할 수 있다. 예를 들면, 유기 또는 무기의 전계발광소자의 발광층 등으로 할 수 있다.
본 발명에서, 상기 광제어부는 상기 광투명성기판 상에 설치되어 층 중에 굴절률 분포를 갖는 광제어층으로 이루어진 것으로 할 수 있다.
이와 같은 구성에서는, 저굴절률 영역 및 고굴절률 영역이 인접하는 부분이 파면 변환 영역이 될 수 있다. 즉, 저굴절률 영역에서 고굴절률 영역으로 광이 도입될 때, 상기 영역의 계면에 광의 파면이 변환되고, 구면파 형상의 발광이 평면파 형상의 광이 된다. 상기 구성으로 한 경우, 광제어부가 층의 형태를 갖고 있으므로, 제조 안정성이 우수한 이점도 얻을 수 있다.
이상과 같이, 소자를 구성하는 층 구조 중에 파면 변환 기능을 가진 광제어부를 설치함으로써, 광 취출 효율이 현저히 향상된다. 그러나, 이와 같은 광제어부를 설치한 경우, 층구조 중에 새로운 광손실부가 발생하는 것이 있다. 이 경우, 광제어의 효과가 광손실분맘큼 떨어지게 된다. 즉, 파면 변환 기능을 가진 광제어부를 설치한 경우, 이에 수반하여 새로운 과제가 생기게 된다. 따라서, 본 발명은 이와 같은 과제에 대해 이하의 구성을 제공한다.
즉, 본 발명에서 광제어층이 광투명성기판 측에서 상부를 향해 굴절률이 감소하는 굴절률 분포를 갖는 구성을 채용할 수 있다.
고굴절률 영역에서 저굴절률 영역으로 광이 진행되는 경우, 상기 영역의 계면에서 광의 반사나 손실이 발생한다. 상기 구성에 의하면 광제어층 상에 발광부를 설치하여 광투명성기판으로부터 광을 출사하도록 했을 때, 광이 진행하는 방향을 따라서 굴절률이 낮아지는 층구조가 된다. 이 때문에, 상기와 같은 광의 반사나 손실이 발생하는 계면이 발생하지 않아 광 취출 효율이 현저하게 개선된다. 상기 구성의 굴절률 분포는 광투명성기판 측에서 상부를 향해 굴절률이 감소하지만, 그 태양은 계단형상으로 감소하는 것이라도 좋고, 연속적으로 감소하는 것이라도 좋다. 또, 광제어층 전체에 걸쳐 막두께 방향으로 굴절률이 감소하는 것이라도 좋고, 굴절률이 일부의 영역에서 감소하는 것이라도 좋다.
본 발명에 있어서, 광제어층 상에 전극층을 추가로 구비하고, 상기 광제어층의 상면 근방의 굴절률은 상기 전극층의 굴절률 보다도 큰 구성으로 할 수 있다. 이 구성에 의하면 광제어층과 그 위의 계면의 광의 반사나 손실 발생이 억제된다. 즉, 광제어층으로부터 전극층에 걸쳐 상부를 향할수록 굴절률이 감소하는 굴절률 분포가 된다. 따라서, 광 취출 효율이 더욱 현저히 개선된다.
상기 광제어층은 상기 광투명성기판 상에 설치된 제 1 층과, 상기 제 1 층상에 접해 설치되어 상기 제 1 층 보다도 낮은 굴절률을 가진 제 2 층을 포함하는 구성으로 할 수 있다.
이와 같은 구성에서는 제 1 및 제 2 층의 계면이 파면 변환 영역이 된다. 이 계면에서 광의 파면이 변환되고, 구면파 형상의 발광이 평면파 형상의 광이 된다. 층의 계면에서 파면 변환이 이루어지므로, 광투명성기판으로 평면파 형상의 광이 효율적으로 안정적으로 인도되어, 광 취출 효율이 안정적으로 개선된다.
여기서, 제 1 층은 상기 광투명성기판에 접해 설치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 평면파 형상으로 변환된 광이 그대로 광투명성기판으로 인도되므로, 종래 문제로 되어 있던 광투명성기판과 상부층의 계면의 반사나 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 발광소자기판에 탑재되는 발광소자의 발광 피크 파장을 “λ”로 하고, 제 1 층의 굴절률을 “n1”, 층두께를 “d1”으로 했을 때, n1d1≥λ2로 할 수 있다.
또, 제 2 층의 굴절률을 “n2”, 층두께를 “d2”로 했을 때, n2d2≥λ2로 할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 제 1 및 제 2 층의 계면에서 발광이 적절히 파면 변환되어 평면파 형상의 광이 되고, 광 취출효율의 향상 효과가 안정적으로 얻어진다.
본 발명에 따른 투명기판에는 발광소자 구동회로가 설치되어 있어도 좋다. 예를 들면, TFT 등의 소자가 형성되어 있어도 좋다.
또, 상기 발명에 있어서, 광투명성기판 측으로부터 광제어부로 향하는 방향을 「상부」방향이라고 규정하고 있다.
(발명의 실시형태)
본 발명에 따른 발광소자기판은 전압 등의 외부 자극에 대해 발광하는 발광소자에 이용할 수 있고, 예를 들면 유기전계발광소자, 무기전계발광소자, 플라즈마디스플레이, LED 등의 발광소자에 이용할 수 있다. 특히, 발광영역의 발광이 점발 광이 되는 소자에 대해 현저한 효과를 발휘한다. 예를 들면 EL소자의 발광은 발광층의 발광 중심으로부터의 점발광의 집합이고, 본 발명의 효과가 현저해진다.
본 발명은 광제어층의 작용에 의해 광 취출 효율이 향상된다. 이 광 취출 효율 작용은 반사방지막에 비해 파장 의존성이 작다. 따라서, 예를 들면 백색 발광소자에 적용한 경우, 기판 외부로 방출되는 광량이 파장에 따라서 크게 상위하지 않고, 화이트밸런스가 비교적 양호하게 유지된다. 또, 제조 요인 등에 의한 소자 성능의 편차가 생기기 어렵고, 이 점에서도 이점이 있다.
본 발명의 상기 목적, 특징 및 이점을 명확히 하기 위해, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 이하에 상술한다. 또, 본 명세서에서, 「굴절률」이라는 것은 특별히 언급이 없는 한, 발광층으로부터의 출사광의 피크파장의 굴절률을 나타내는 것으로 한다. 또, 이하의 실시형태에서, 동일부호를 붙인 부분은 동일 부재를 나타내고, 일부 설명을 생략한다.
(제 1 실시형태)
도 1은 본 실시형태에 따른 발광소자기판의 모식적 단면도이다. 즉, 본 발명의 발광소자기판(50)은 광투명성 기판(10)의 한쪽 면에 광제어층(20)을 구비한다. 상기 광제어층(20)은 상기 광투명성 기판(10)의 굴절률 보다도 높은 굴절률을 가진 제 1 층(30)과, 제 1 층(3)의 굴절률 보다도 낮은 굴절률을 가진 제 2 층(40)으로 이루어지고, 이것들이 상기 광투명성 기판(10)측으로부터 이 순서로 적층한 구조를 갖고 있다.
이 광학소자기판은 상기 광제어층(20)의 상부에 발광영역을 탑재하고, 발광 소자의 기판으로서 사용된다. 상기 광제어층(20)은 그 상부로부터 도입된 발광의 구면파 형상의 파면을 평면파 형상의 파면으로 변환한다. 유기El소자 등의 발광층의 발광 중심은 점광원으로서 취급되고, 점광원으로부터의 출사광은 360도 전방향으로 진행한다. 통상의 광투과성 기판만으로는 이 구면파 형상의 파면은 발광 중심에서 기판외로 출사해가고, 임계각 이상의 출사 각도는 전반사에 의해 기판내로 반사하고, 기판외로 출사할 수는 없다. 그러나, 본 실시형태에서는 제 1 층(30)과 제 2 층(40)의 계면에서, 구면파 형상의 파면이 평면파 형상의 파면으로 변환되어 고지향성 광이 된다. 이에 의해 점광원으로부터 출사된 구면파 형상의 파면은 광제어층(20)을 통과 후, 평면파 형상의 파면으로 변환되고, 지향성을 가진 상태로 광투명성 기판(10)을 통과한다. 이 때문에 전반사하는 광의 양이 적고, 광투명성 기판(10)의 외측에 의해 많은 광이 출사되고, 그 결과로서 광 취출 효율이 향상된다. 기판외로의 출사광은 평면파 형상의 파면이고, 구면파 형상의 파면이나 원통파 형상의 파면이 아니다. 또, 본 실시형태에 따른 발광소자기판을 구성하는 각 층은 광학적으로 평활하고, 또 기계적 강도가 높은 박막재료를 선택할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 발광소자를 제공할 수 있다. 즉, 기판 표면의 요철에 기인하는 쇼트를 억제할 수 있고, 또 기판의 변형에 따른 박막의 크랙을 억제할 수 있다.
도 2는 도 1의 발광소자기판(50)의 상면에 접해 전극층(60)을 설치한 기판의 단면도이다. 상기 전극층(60)은 제 2 층(40)보다도 낮은 굴절률을 갖는다.
이 발광소자기판에서는 광 취출 효율을 향상시키기 위해, 2개의 계면이 중요한 기능을 하고 있다. 하나는 광투명성 기판(10)과 제 1 층(30)과의 계면이고, 또 하나는 제 1 층(30)과 제 2 층(40)과의 계면이다. 이 2개의 계면에서 발광층으로부터 구면파 형상의 파면으로서 확장되는 광을 평면파 형상의 파면으로 변환하는 것이 가능해진다. 따라서, 이 2개의 계면의 구성 및 이 계면에 광을 도입하기까지의 구성이 본 실시형태에 따른 중요한 요소로 되어 있다. 본 실시형태에 따른 구성에서는 발광층으로부터의 출사광은 전극층(60)을 통과하고, 계속해서 제 2 층(40), 계속해서 제 1 층(30), 마지막으로 광투명성 기판(10)을 통과하여, 광투명성 기판(10)외로 출사된다. 따라서, 본 실시형태에서는 도 2의 굴절률의 상대값으로 나타내는 바와 같이, 전극층(60)으로부터 광투명성 기판(10)을 향해 굴절률은 올라가고, 더 올라가 광투명성 기판(10)에서 내려가는 구성이 된다.
상기한 바와 같이, 고굴절률 층에서 저굴절률 층으로 광이 진행하는 계면이 존재하면, 그 계면에서 광의 반사나 손실이 발생한다. 도 2의 구성에서는 상기 전극층(60)으로부터 상기 광제어층(20)에 이르는 영역에서, 이와 같은 계면이 존재하지 않으므로 우수한 광 취출 효율을 나타낸다.
이하, 본 실시형태에 따른 발광소자기판(50)을 구성하는 각 부에 대해 상세히 설명한다.
상기 광투명성 기판(10)은 발광소자의 광 취출 기판으로서 사용된다. 적어도 가시광 영역의 일부의 파장을 투과하는 것이다. 본 실시형태의 광투명성 기판(10)이라는 것은 파장이 400 내지 800nm의 적어도 일부의 광을 통하게 하면 좋고, 재질은 무기물이나 유기물이나 관계없다. 무기물로서는 예를 들면 유리가 있고, 유기물로서는 플라스틱 등을 사용할 수 있다. 유리로서는 용융석영, 무알칼리 유리, 소다유리, 중 프린트유리의 광학유리를 이용할 수 있다. 플라스틱으로서는 폴리에틸설폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 엔지니어링플라스틱을 이용할 수 있다. 상기 광투명성 기판(10)의 굴절률로서는 1.4 내지 2.1정도의 것이 바람직하다. 상기 광투명성 기판(10)에는 수분이나 산소의 투과를 억제하는 배리어층을 코팅해도 관계없다. 또, 색변환 필터나 칼라필터를 구비해도 관계없다. 상기 광투명성 기판(10)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 실용상의 관점에서 0.1 내지 2mm정도가 바람직하다.
도 1 및 도 2에 도시한 기판은 발광소자기판이고, 상기 광투명성 기판(10)에는 발광소자의 구동회로가 형성된다. 도 9는 TFT를 구비한 유기전계발광소자의 개략 구조를 모식적으로 도시한 것이다. 광투명성 기판(10)에는 TFT소자부(530)가 형성되어 있다. 본 실시형태에 따른 기판은 이와 같은 소자에 바람직하게 이용된다.
또, 본 실시형태에 따른 발광소자기판(50)은 상기 광투명성 기판(10)상에 상기 제 1 층(30), 상기 제 2 층(40)을 순차 적층하여 제조된다. 본 실시형태에 따른 광학소자는 그 발광소자기판(50)상에 적어도 전극층(60) 및 발광층을 적층하여 제조된다. 이 때문에, 상기 광투명성 기판(10)의 표면에 요철이 있으면 상기 전극층(60)이나 발광층에도 그 요철이 영향을 미치고, 전극의 쇼트의 원인이 될 가능성이 있다. 따라서 상기 광투명성 기판(10)은 평활한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 액티브매트릭스 구동용 기판에서는 적어도 발광소자를 동작시키는 화소부에서 평활한 것이 바람직하다.
상기 제 1 층(30)은 상기 광투명성 기판(10)보다도 높은 굴절률을 갖는다. 예를 들면, 상기 광투명성 기판(10)의 굴절률이 1.45인 경우, 상기 제 1 층(30)의 굴절률은 1.45보다도 높고, 1.46정도의 것에서 2.5정도의 것이 실용상 바람직하다. 상기 광투명성 기판(10)의 굴절률에 대한 상기 제 1 층(30)의 굴절률의 비(제 1 층(30)의 굴절률/광투명성 기판(10)의 굴절률)은 큰 것이 바람직하다. 그 비는 1 보다도 크면 좋지만, 바람직하게는 1.15이상, 더 바람직하게는 1.3이상이다. 이와 같이 함으로써, 상기 광투명성 기판(10)으로서 굴절률 1.45정도의 범용성이 높은 기판을 이용할 수 있고, 또 그 광투명성 기판상에 높은 파면 변환 기능을 하는 광제어층을 형성하는 것이 가능해진다.
여기서, 발광층으로부터의 출사광의 피크 파장을 “λ(㎛)”, 상기 제 1 층(30)의 굴절률을 “n1”, 그 층두께를 “d1”으로 했을 때, 제 1 층(30)의 광학두께, 즉 n1d1은 0.5 λ를 초과하는 값으로 하는 것이 바람직하고, λ를 초과하는 값으로 하는 것이 더 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 상기 제 2 층(40)으로부터 입사된 광이 바람직하게 파면 변환되어 평면파 형상의 광이 되고, 광 취출 효율의 향상 효과를 안정적으로 얻을 수 있다. n1d1의 상한에 대해서는, 예를 들면 10λ이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 평면파 형상의 광으로의 파면 변환이 안정적으로 실현된다.
발광소자기판의 상기 제 1 층(30)을 구성하는 재료로서는 유기물이나 무기물이나 관계없다. 유기물로서는 폴리이미드, 폴리우레탄 등을 이용할 수 있고, 무기물로서는 SiO2, TiO2, SiNx, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, CeO2, Y2O3, MgO, Nb2O5, ITO 등 이 있다. 상기 재료는 단독으로 이용해도 관계없고, 2종류 이상의 재료의 조합이라도 관계없다. 열안정성 등의 이유로 인해 무기물인 것이 바람직하다.
상기 제 1 층(30)은 400 내지 800nm의 파장의 광의 적어도 일부를 통하게 하면 좋다. 이것들의 광학 박막은 웨트성막 또는 드라이성막 등으로 제조할 수 있다. 웨트성막법으로서는 졸겔법 등을 이용할 수 있고, 또 드라이성막법으로서는 화학기상성장법(CVD)이나 증착법, 플라즈마스퍼터링법, 이온빔스퍼터링법 등의 물리기밀성장법을 이용할 수 있다. 자세하게는, CVD법으로서는 PECVD, MOCVD, 레이저CVD, 포토케미컬CVD 및 일렉트론사이클로트론공명CVD법 등을 이용할 수 있다. 또, 증착법으로서는 저항가열증착법, 전자빔증착법, 레이저증착법, 아크방전증착법 및 고주파가열증착법 등을 이용할 수 있다. 플라즈마 스퍼터링법으로서는 직류 스퍼터링법, 고주파 스퍼터링법, 대향 타겟 스퍼터링법 및 마그네트론 스퍼터링법 등이 있다. 또, 이온빔 스퍼터링법의 이온원으로서는 페닝형, 홀로캐소드형 및 듀오플라즈마토론형이 있다.
상기 제 2 층(40)은 상기 제 1 층(30)과 함께 파면 변환 기능을 가진 계면을 형성하는 층이다.
상기 제 1 층(30)의 굴절률을 “n1”, 상기 제 2 층(40)의 굴절률을 “n2”, 상기 전극층(6)의 굴절률을 “n3”으로 했을 때,
n1≥n2≥n3
으로 되어 있다. 예를 들면, 상기 제 1 층(30)의 굴절률이 2.4이고, 형성하는 전극층(60)의 굴절률이 1.75인 경우, 상기 제 2 층(40)의 굴절률은 이 사이의 굴절률로 한다. n1/n2의 값은 1을 초과하는 값이면 좋지만, 바람직하게는 1.1이상, 더 바람직하게는 1.25이상이다.
여기서, 발광층으로부터의 출사광의 피크 파장을 “λ(㎛)”, 상기 제 2 층(40)의 굴절률을 “n2”, 층 두께를 “d2”로 했을 때, 상기 제 2 층(40)의 광학 두께, 즉 n2d2는 0.5λ를 초과하는 값으로 하는 것이 바람직하고, λ를 초과하는 값으로 하는 것이 더 바람직하다. 이와 같이 함으로써 상기 제 2 층(40)으로부터 출사된 광이 상기 제 2 층(40)과 상기 제 1 층(30)사이의 계면에서 효율적으로 파면 변환되어 평면파형상의 광이 되고, 광 취출 효과의 향상 효과가 안정적으로 얻어진다. n2d2의 상한에 대해서는, 예를 들면 10λ이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 평면파 형상의 광으로의 파면 변환이 안정적으로 실현된다. 또, 상기 제 2 층의 굴절률은 1.35이상으로 하는 것이 바람직하다. 상기 제 2 층의 굴절률의 값이 너무 작으면 상기 제 2 층의 밀도가 너무 작아져 충분한 기계적 강도를 얻을 수 없는 것이 있다.
발광소자기판의 상기 제 2 층(40)을 구성하는 재료로서는 유기물이나 무기물이나 관계없다. 유기물로서는 폴리이미드, 폴리우레탄 등을 이용할 수 있고, 무기물로서는 SiO2, TiO2, SiNx, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, CeO2, Y2O3, MgO, Nb2O5, ITO 등이 있다. 상기 재료는 단독으로 이용해도 관계없고, 2종류 이상의 재료의 조합이라도 관계없다. 열안정성 등의 이유로 인해 무기물인 것이 바람직하다.
상기 제 2 층(40)은 400 내지 800nm의 파장의 광의 적어도 일부를 통하게 하면 좋다. 상기 광학 박막은 웨트성막 또는 드라이성막 등으로 제조할 수 있다. 웨트성막법으로서는 졸겔법 등을 이용할 수 있고, 또 드라이성막법으로서는 화학기상성장법(CVD)이나 증착법, 플라즈마 스퍼터링법, 이온빔 스퍼터링법 등의 물리기밀성장법을 이용할 수 있다. 자세하게는 CVD법으로서는 PECVD, MOCVD, 레이저CVD, 포토케미컬CVD 및 일렉트론사이클로트론공명CVD법 등을 이용할 수 있다. 또, 증착법으로서는 저항가열증착법, 전자빔증착법, 레이저증착법, 아크방전증착법 및 고주파가열증착법 등을 이용할 수 있다. 플라즈마스퍼터링법으로서는 직류스퍼터링법, 고주파스퍼터링법, 대향타겟 스퍼터링법 및 마그네트론 스퍼터링법 등이 있다. 또, 이온빔스퍼터링법의 이온원으로서는 페닝형, 홀로캐소드형 및 듀오플라즈마트론형 등이 있다.
여기서, 상기 제 2 층(40)은 상기 제 1 층(30) 후에 성막되는 관계상, 상기 제 1 층(30)이 분해 등이 되지 않는 성막방법을 선택하는 것이 바람직하다.
또, 상기 제 1 층(30) 및 상기 제 2 층(40)은 그 위에 형성되는 전극층이나 발광층의 제조 공정에 적응하는 재료를 선택할 필요가 있다.
본 실시형태에서, 상기 제 1 층(30) 또는 상기 제 2 층(40)을 상기 전극층(60)의 저항을 낮추는 보조전극으로서 이용할 수 있다. 상기 층은 발광소자의 광학특성에 기여할 뿐만 아니라 전기특성에도 기여할 수 있다. 보조전극으로서 이용할 경우에는 구성재료에 ITO 등의 도전성 재료를 사용하고, 상기 전극층(60)과 접속하고, 상기 전극층(60)의 저항을 낮춘다. 상기 제 2 층(40)을 보조전극으로 할 경우는 상기 전극층(60)과 직접 접속할 수 있고, 상기 제 1 층(30)을 보조 전극으로 할 경우에는 상기 전극층(60)과 콘택홀 등으로 접속할 수 있다.
본 실시형태에 따른 발광소자기판은 반사방지막을 구비하고 있어도 좋다. 본 실시형태에 따른 제 1 형태에서는 반사방지막은 출사광이 발광소자기판(50)을 통과하고, 대기중에 방출될 때의 계면, 즉 공기층과 광투명성 기판(10)의 계면에 반사방지막을 구비함으로써 광 취출 효율의 개선이 보인다. 도 3은 반사방지막을 형성한 광학소자의 단면 모식도이다. 광투명성 기판(10)의 한쪽면에 반사방지층(70)을 형성하고, 또 한쪽 면에 상기 광투명성 기판(10)의 굴절률보다도 높은 굴절률을 가진 제 1 층(30)과, 제 1 층(30)의 굴절률보다도 낮은 굴절률을 가진 제 2 층(40)으로 이루어진 광제어층(20)을 구비하고 있다. 본 실시형태에 따른 제 1 형태에서는 제 1 층(30)의 굴절률은 전극층(60)의 굴절률 이상이므로, 발광층으로부터의 출사광이 광제어층(20)에 들어가기까지 큰 반사는 발생하지 않는다. 따라서, 발광층으로부터 구면파 형상의 파면으로서 확장되는 광은 큰 반사를 받지 않고, 광제어층(20)에 입사되고 여기서 평면파 형상의 파면으로 변환된다. 큰 반사를 받는 것은 공기층/광투명성 기판(10)이 계면이고, 여기에 반사방지막을 배치하는 것은 유효하지만, 그외의 장소로의 반사방지막을 배치하면 구면파 형상의 파면을 평면파 형상의 파면으로 변환하는 효율을 저하시키는 것이 있다.
(제 2 실시형태)
도 4는 본 실시형태에 따른 발광소자기판을 이용한 무기전계발광소자의 단면 모식도의 일례이다. 광투명성 기판(10)의 한쪽 면에 광제어부(20)를 구비하고, 그 위에 전극층(60), 절연층(90), 무기발광층(100), 절연층(90), 전극층(61)을 순차 구비한다. 상기 광제어층(20)은 상기 광투명성 기판(10)의 굴절률보다도 높은 굴 절률을 가진 제 1 층(30)과, 상기 제 1 층(30)의 굴절률보다도 낮은 굴절률을 가진 제 2 층(40)을 상기 광투명성 기판(10)측으로부터 순차 구비한다. 상기 제 1 층(30)은 상기 광투명성 기판(10)측에 위치한다. 또, 무기전계발광소자 구성이나 구성재료는 공지된 것을 임의로 선택할 수 있다.
본 실시형태의 구성에 의하면 상기 발광층(100)으로부터 전방향으로 출사된 구면파 형상의 파면이 상기 광제어층(20)에서 평면파 형상의 파면으로 변환된다. 이 결과, 기판외로 효율적으로 광을 취출할 수 있다.
(제 3 실시형태)
본 실시형태에서는 제 1 실시형태에서 설명한 발광소자기판을 유기전계발광소자에 적용한 예를 나타낸다. 도 5는 본 실시형태에 따른 유기전계발광소자의 소자 구조의 단면모식도의 일례이다. 본 실시형태에 따른 발광소자기판(50) 상에 양극(80), 발광층(130), 음극(120)을 순차 구비하고 있다.
도 6은 본 실시형태에 따른 유기전계발광소자의 다른 소자 구조의 단면 모식도의 일례이다. 본 실시형태에 따른 발광소자기판(50) 상에 양극(80), 정공수송층(140), 발광층(130), 음극(120)을 순차 구비하는 것이다. 그 외 양극/정공수송층/발광층/전자수송층/음극으로 이루어진 구조, 양극/발광층/전자수송층/음극으로 이루어진 구조 등의 구조를 예를 들 수 있다. 또, 본 실시형태에 따른 유기전계발광소자는 저분자 타입, 고분자 타입 양쪽을 이용할 수 있다. 또, 본 실시형태에 따른 유기EL소자에서는 발광소자기판(50)은 발광층으로부터의 출사광이 발광소자기판(50)을 통과하도록 배치된다.
정공수송재료로서는 여러가지 사용할 수 있다. 구체적으로는 비스(디(P-트릴)아미노페닐)-1,1-시클로헥산, N-N’-디페닐-N-N’-비스(3-메틸페닐)-1-1’-비페닐-4-4’-디아민, N-N’-디페닐-N-N-비스(1-나프틸)-1-1’-비페닐)-4-4’-디아민 등의 트리페닐디아민류나 스타바스트형 분자 등을 예로 들 수 있다.
전자수송재료로서는 여러가지 사용할수 있다. 구체적으로는 2-(4-비페닐)-5-(4-t-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸, 비스{2-(4-t-부틸페닐}-1,3,4-옥사디아졸}-m-페닐렌 등의 옥사디아졸 유도체, 트리아졸유도체, 퀴놀리놀 금속착체 등을 예로 들 수 있지만, 특별히 이에 한정되지 않는다.
발광재료로서는 예를 들면, 트리스(8-퀴놀리놀) 알루미늄 착체(A1q3)나 비스디페닐비닐비페닐(BDPVBi), 1,3-비스(p-t-부틸페닐-1,3,4-옥사디아졸일)페닐(OXD-7), N, N’-비스(2,5-디-t-부틸페닐) 페릴렌테트라카르본산 디이미드(BPPC), 1,4비스(p-트릴-p-메틸스티릴페닐)나프탈렌 등이 있다. 또, 전하수송재료에 형광재료를 도프한 층을 발광재료로서 이용할 수도 있다. 예를 들면, 상기 Alq3 등의 퀴놀리놀 금속착체에 4-디시아노메틸렌-2-메틸-6-(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피란(DCM), 2,3-퀴나크리돈[7] 등의 퀴나크리돈 유도체, 3-(2’-벤조티아졸)-7-디에틸아미노 쿠마린등의 쿠마린 유도체를 도프한 층, 또는 전자수송재료 비스(2-메틸-8-히드록시퀴놀린)-4-페닐페놀-알루미늄 착체에 페릴렌 등의 축합 다고리 방향족을 도프한 층, 또는 정공수송재료 4,4’-비스(m-트릴페닐아미노)비페닐(TPD)에 루브렌 등을 도핑한 층을 이용할 수 있다.
도 5 및 도 6의 소자에 있어서, 양극(80)은 정공을 정공수송층에 주입하는 역할을 담당하고, 4.5eV이상의 일함수를 갖는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 이용되는 양극(80)재료의 구체 예로서는 산화인듐주석 합금(ITO), 산화물(NESA), 금, 은, 백금, 구리 등을 들 수 있지만, 특히 ITO가 유효하다. 또, 본 실시형태에 따른 제 2 층(40)의 굴절률과 유기전계발광소자의 양극(80)의 굴절률은 어느쪽이 높아도 관계없지만, 상기 제 2 층(40)이 상기 양극(80)과 접해 있는 경우, 굴절률이 양극(80)의 굴절률보다도 높은 것이 바람직하다.
한편, 음극(120)으로서는 전자수송대 또는 발광층에 전자를 주입하는 목적으로 일함수가 작은 재료가 바람직하다. 음극(120) 재료는 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는 인듐, 알루미늄, 마그네슘, 마그네슘-인듐 합금, 마그네슘-알루미늄 합금, 알루미늄-리튬 합금, 알루미늄-스칸듐-리튬합금, 마그네슘-은합금 등을 사용할 수 있다. 또 본 실시형태에 따른 유기전계발광소자는 패시브구동으로 이용할 수도 있고, 박막트랜지스터(TFT) 등의 액티브소자를 부가하여, 액티브구동으로 이용할 수도 있다. 본 실시형태에서의 유기전계발광소자의 각 층의 형성방법은 특별히 한정되지 않고, 공지된 방법에서 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 진공증착법, 분자선증착법(MBE법), 또는 용매에 녹인 용액의 디핑법, 스핀코팅법, 캐스팅법, 바코팅법, 롤코팅법 등의 도포법 등을 들 수 있다.
광제어층(20)은 발광층의 발광 중심으로부터 발광된 구면파 형상의 파면을 평면파 형상의 파면으로 변환하는 기능을 갖고 있다. 이 때문에 광제어층(20)을 통과한 광은 평면파 형상의 파면을 갖고, 광투명성 기판(10)내를 지향성을 가진 상태로 전파한다. 이와 같은 이유 때문에 색변환 필터나 칼라필터를 형성한 경우, 그것들의 기능을 유효하게 이용할 수 있다. 즉, 발광층으로부터 발광된 광이 인접 화소에 들어가는 것이 억제되어, 색의 순도가 저하되지 않는 이점이 있다.
상기 필터를 배치하는 장소로서는, 본 실시형태에 따른 발광소자기판 중 어떤 면이라도 관계없지만, 본 실시형태에 따른 발광소자기판에서는 상기 필터를 발광층과 반대측 면에 배치해도 표시는 높은 색순도를 유지할 수 있다. 일반적으로 색변환 필터나 칼라필터 상에 전극이나 발광층을 형성하는 것은 제조 공정상 곤란하다. 이에 대해, 발광층과 반대측의 광투명성 기판(10)면에 배치하는 경우, 색변환 필터나 칼라필터의 제조 공정은 전극이나 발광층의 제조 공정과는 독립되어 제조가 용이해진다. 예를 들면 발광소자를 형성한 후에 색변환 필터나 칼라필터를 형성하는 것도 가능하다. 색변환 필터를 사용하는 경우, 발광층의 발광색이나 색변환필터의 종류는 임의의 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 청색 발광층을 사용하여, 청색을 적색으로 변환하는 적색변환필터 및 청색을 녹색으로 변환하는 녹색 변환필터를 평평하게 놓는 것에 의해 풀칼라표시가 얻어진다.
도 7은 색변환 필터를 구비한 유기전계발광소자의 단면모식도의 일례이다. 광투과성기판(10)의 한쪽 면에 적색 변환필터(510), 녹색 변환필터(511)를 구비하고, 그것과 반대면에 광제어층(20), 양극(80), 청색 발광층(150), 음극(120)을 구비하고 있다. 청색 출사광(501)은 적색 변환 필터에서 적색 출사광(503)으로, 녹색 변환필터에서 녹색 출사광(502)으로 변환된다. 이 때, 청색 출사광은 그대로 출사시켜도 관계없고, 칼라필터를 설치하고, 또 순도를 향상시킨 후에 출사시켜도 관계없다. 상기한 바와 같이, 상기 광제어층(20)을 통과한 후의 광은 평면파 형상 의 파면을 갖고, 상기 광투명성기판(10)내를 지향성을 갖고 진행하므로, 적색, 녹색, 청색의 각 화소의 사이즈가 미소하게 되어도 색에 얼룩이 없는 표시가 얻어진다.
도 8은 칼라필터를 구비한 유기전계발광소자의 단면모식도의 일례이다. 백색발광층을 사용하여, 적색, 녹색, 청색 칼라필터로 풀칼라를 표시할 수 있다. 즉, 광투과성기판(10)의 한쪽 면에 적색 칼라필터(520), 녹색 칼라필터(521), 청색 칼라필터(522)를 구비하고, 그것과 반대면에 광제어층(20), 양극(80), 백색 발광층(160), 음극(120)을 구비하고 있다. 백색 발광층으로부터의 백색 발광은 적색 칼라필터(520), 녹색 칼라필터(521), 청색 칼라필터(522)에서 각각 적색 출사광(503), 녹색 출사광(502) 및 청색 출사광(501)으로 분리된다. 상기한 바와 같이, 광제어층(20)을 통과한 후의 광은 평면파 형상의 파면을 갖고, 광투명성 기판(10)내를 지향성을 갖고 진행하므로, 적색, 녹색, 청색의 각 화소의 사이즈가 미소하게 되어도 색에 얼룩이 없는 표시가 얻어진다.
본 실시형태에 따른 발광소자기판은 유기EL소자의 봉지재로서도 이용할 수 있다. 상기한 바와 같이 본 실시형태에 따른 유기EL소자에서는 발광소자기판은 발광층으로부터의 출사광이 발광소자기판을 통과하도록 배치된다. 전극층(60)이나 발광층을 형성한 기판측과 반대 방향으로 발광층으로부터의 광을 출사시키는 유기EL소자의 탑이미션형 또는 리버스형에서는, 본 실시형태에 따른 발광소자기판은 봉지재로서 이용할 수 있다. 봉지재로서 이용하는 경우, 감압하에서 발광소자의 최표면에 부착하는 것이 바람직하다.
도 4 내지 도 8에서는 발광소자부의 층구조를 나타냈지만, 실제로는 광투명성기판(10)에 TFT소자 등의 발광소자 구동회로를 구비하고 있다 도 9는 TFT를 구비한 유기전계발광소자의 개략 구조를 모식적으로 도시한 도면이다. 광투명성기판(10)의 구동회로 형성 영역에는 TFT소자부(530)가 형성되어 있다. 한편, 광투명성 기판(10)의 발광소자 형성 영역에는 광제어층(20), 양극(80), 발광층(130) 및 음극(120)으로 이루어진 발광소자가 형성되어 있다. 발광소자의 층 구조는 도시한 것에 한정되지 않고, 여러가지 것이 사용 가능하다. 또, 이 도면에서는 칼라필터나 색변환 필터는 도시하지 않고 있다. 여기서, TFT기판의 화소표시부에 고굴절률막을 갖는 구성으로 한 경우, 그 고굴절률막을 제 1 층(30)으로서 이용할 수도 있다.
(제 4 실시형태)
본 실시형태에 따른 발광소자기판의 구성을 도 10에 도시한다. 광제어층(25)은 층중에 불순물 금속이 도핑된 유도체로 이루어진다. 상기 광제어층(25) 중의 불순물 농도 분포는 광투명성기판(10)측에서 전극층(60)을 향해 점점 고농도가 되도록 구성되어 있다. 이에 의해 광투명성기판(10) 측에서 상기 전극층(60)을 향해 굴절률이 점차적으로 감소하도록 되어 있다.
상기 광제어층(25)은, 예를 들면 SiO2 또는 MgF2와 불순물과의 혼합물에 의해 구성된다. 불순물 금속으로서는 Cr, Ag, Al 등을 들 수 있다. 금속의 도핑량은 적절히 선택할 수 있지만, 통상은 상기 광제어층(25)을 구성하는 재료 전체에 대해 5mol%이하로 한다. 이와 같이 함으로써, 금속의 흡수에 의한 투과율의 저하 를 억제할 수 있다.
본 실시형태에서는 불순물 농도의 조정에 의해 광제어층(25) 중의 굴절률을 변조시키고 있다. 광 진행방향에 대해 굴절률이 증가하는 영역에서 파면 변환이 이루어지고, 구면파 형상에서 표면파형상의 광으로 변환되어, 광의 지향성이 증대하도록 되어 있다. 본 실시형태에서는 이와 같은 파면 변환이 단일 계면에서 실시되지 않고, 광제어층(25) 중의 굴절률 변조 부분에서 수차례에 걸쳐 실시된다. 이 때문에 평면파 형상의 광으로의 파면 변환이 확실히 실현된다.
본 실시형태에 의한 기판은 상기한 구성을 갖기 때문에, 상기 광제어층(25)과 상기 광투명성기판(10)과의 사이의 계면의 광의 반사나 손실이 저감되고, 광 취출 효율이 현저하게 향상된다.
이상, 실시형태에 기초하여 본 발명을 설명했다. 상기 실시형태는 예시이고, 여러가지 변형예가 가능하며, 또 그와 같은 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는 EL소자의 예를 들어 설명했지만, 발광다이오드 등, 다른 발광소자에 적용할 수도 있다. 발광소자는, 예를 들면 표시소자로서 이용된다.
또, 광제어층(20)으로서 2층 구조의 것을 예시했지만, 이에 한정되지 않고, 3층 이상의 다층 구조로 해도 좋다. 이 경우, 발광층으로부터 투명기판으로 향할수록 굴절률이 증대하는 굴절률 분포로 하는 것이 바람직하다.
(실시예)
실시예에 기초하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예에서, 유기전계발광소자의 발광 특성의 특정은 휘도계(TOPCON BM-5A)를 기판 법선방향으로 배치하여, 집광각 0.1도의 조건으로 실시했다. 또, 유기전계발광소자의 발광부의 면적은 4㎟으로 하고, 이 소자에 직류전압을 인가하여 휘도 100cd/㎡일 때의 전류효율을 측정했다. 또, 사용한 광투명성기판의 두께는 모두 0.7mm이다.
실시예 1
광투명성기판으로서, 굴절률 1.457의 용융석영을 사용하고, 그 광투명성 기판의 한쪽 면에 스퍼터링법에 의해 광제어층의 제 1 층으로서 굴절률 2.30의 TiO2막을 700nm의 두께로 성막하고, 또 그 위에 광제어층의 제 2 층으로서 스퍼터링법에 의해 1.99의 굴절률을 가진 TiO2/SiO2 혼합막을 378nm의 두께로 성막하여 발광소자기판을 제작했다.
또, 제작한 발광소자기판 상에 양극으로서 ITO를 스퍼터링법에 의해 시트 저항이 20Ω/□가 되도록 성막했다. ITO의 막두께는 100nm이고, 굴절률은 1.78로 했다.
계속해서, ITO상에 유기층으로서 이하의 2층을 형성했다. 우선 정공수송층으로서, N,N’-비스(3-메틸페닐)-N,N’-디페닐)-[1, 1’-비페닐]-4,4’-디아민을 진공증착법으로 50nm 형성하고, 계속해서 발광층으로서 트리스(8-퀴놀리노라트)알루미늄을 진공증착법으로 70nm 형성했다. 마지막으로, 음극으로서 마그네슘-은합금을 증착속도비 9:1로 진공증착법으로 공증착한 막을 150nm 형성하여 녹색 발광(피크 파장 530nm)의 유기 전계발광 소자를 제작했다. 그 결과, 전류효율은 7.0cd/A 이고, 비교예 1에서 얻어진 결과의 약 2.3배였다.
실시예 2
실시예 1에서 제작한 유기전계발광소자에 있어서, TiO2 막두께를 200nm으로 변경했다. 전류효율은 6.3cd/A이고, 비교예 1의 결과를 상회하는 결과가 얻어졌다.
실시예 3
실시예 1에서 제작한 유기전계발광소자에 있어서, TiO2 막두께를 2000nm으로 변경했다. 전류효율은 4.9cd/A이고, 비교예 1의 결과를 상회하는 결과가 얻어졌다.
실시예 4
실시예 1에서 제작한 유기전계발광소자에 있어서, TiO2 /SiO2 혼합 막두께를 200nm으로 변경했다. 전류효율은 6.0cd/A이고, 비교예 1의 결과를 상회하는 결과가 얻어졌다.
실시예 5
실시예 1에서 제작한 유기전계발광소자에 있어서, TiO2 /SiO2 혼합 막두께를 3000nm으로 변경했다. 전류효율은 4.0cd/A이고, 비교예 1의 결과를 상회하는 결과가 얻어졌다.
실시예 6
실시예 1에서 제작한 유기전계발광소자에 있어서, TiO2 막두께를 116nm, TiO2 /SiO2 혼합 막두께를 134nm으로 변경했다. 전류효율은 3.6cd/A이고, 비교예 1의 결과를 상회하는 결과가 얻어졌다.
비교예 1
광제어층을 구비하지 않는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 층 구조, 제조방법으로 유기전계발광소자를 얻었다. 이 소자의 전류효율은 3.0cd/A이였다.
비교예 2
광제어층의 제 1 층을 구비하지 않고, 광제어층의 제 2 층만을 광투명성 기판에 스퍼터링법에 의해 2.30의 굴절률을 가진 TiO2 막을 378nm의 두께로 성막하는 것 이외에는 비교예 1과 동일한 층 구조, 제조방법에 의해 유기전계발광소자를 얻었다. 이 소자의 전류 효율은 2.9cd/A이였다.
비교예 3
광제어층의 제 2 층을 구비하지 않고, 광제어층의 제 1 층만을 스퍼터링법에 의해 굴절률 2.30의 TiO2 막/SiO2 혼합막을 700nm의 두께로 성막하는 것 이외에는 비교예 1과 동일한 층 구조, 제조방법에 의해 유기 전계발광소자를 얻었다. 이 소자의 전류 효율은 2.4cd/A이였다.
비교예 4
TiO2 막(제 1 층)의 두께를 15nm으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 층구조, 제조방법에 의해 유기 전계발광소자를 얻었다. 이 소자의 전류효율은 2.9cd/A이고 광 취출 효율의 개선은 관찰되지 않았다. 이 예에서는 제 1 층의 두께가 너무 얇기 때문에, 제 1 및 제 2 층의 계면이 충분한 파면 변환 기능을 갖지 못해, 광 취출 효율의 향상이 도모되지 않았다고 생각된다.
비교예 5
광투명성 기판으로서, 굴절률 1.512의 소다 유리를 사용하는 것 및 광제어층을 구비하지 않는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 층구조, 제조방법에 의해 유기 전계발광소자를 얻었다. 이 소자의 전류 효율은 3.0cd/A이였다.
비교예 6
광제어층의 제 2 층으로서, 졸겔법에 의해 굴절률 1.25의 SiO2 막을 사용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 층 구조, 제조방법에 의해 유기 전계발광 소자를 얻었다. 제작한 유기 전계발광소자의 발광효율은 3.1cd/A이였지만, 발광하지 않는 점(다크스팟)이 다수 관찰되었다.
비교예 7
광제어층을 대신하여 반사방지막을 설치한 것 이외에는 모두 실시예 1과 동일한 층구조, 제조방법에 의해 유기 전계발광소자를 얻었다. 반사방지막으로서는 스퍼터링법에 의해 굴절률 1.59의 TiO2 막/SiO2 혼합막을 84nm의 두께로 성막한 막을 사용했다. 이 소자의 전류 효율은 2.8cd/A이고, 광 취출 효율의 개선은 관찰되지 않았다. 반사방지막을 설치하는 방법에서는, 그 기능상 충분히 광 취출 효율을 향상시키는 것이 곤란한 것이 명확해졌다.
상기 실시예 및 비교예의 평가 결과를 이하에 나타낸다. 하기 표 중, 제 1 층의 굴절률을 “n1”, 층두께를 “d1”, 제 2 층의 굴절률을 “n2”, 층두께를 “d2”, 양극의 굴절률을 “n3”으로 했다. 또, 투명기판의 굴절률을 “n(sub)”로 했다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
제1층 굴절률 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30 2.30
제1층 막두께(nm) 700 200 2000 700 700 116
제2층 굴절률 1.99 1.99 1.99 1.99 1.99 1.99
제2층 막두께(nm) 378 378 378 200 3000 134
전극층 굴절률 1.78 1.78 1.78 1.78 1.78 1.78
전극층 막두께(nm) 100 100 100 100 100 100
발광파장(nm) 530 530 530 530 530 530
전류효율(cd/A) 7.0 6.3 4.9 6.0 4.0 3.6
n1d1/λ 3.04 0.87 8.68 3.04 3.04 0.50
n2d2/λ 1.42 1.42 1.42 0.75 11.26 0.50
n1/n(sub) 1.56 1.56 1.56 1.56 1.56 1.56
n1/n2 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16 1.16
n2/n3 1.12 1.12 1.12 1.12 1.12 1.12
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
제1층 굴절률 - - 2.30 2.30
제1층 막두께(nm) - - 700 15
제2층 굴절률 - 2.30 - 1.99
제2층 막두께(nm) - 378 - 378
전극층 굴절률 1.78 1.78 1.78 1.78
전극층 막두께(nm) 100 100 100 100
발광파장(nm) 530 530 530 530
전류효율(cd/A) 3.0 2.9 2.4 2.9
n1d1/λ - - 3.04 0.07
n2d2/λ - 1.64 - 1.42
n1/n(sub) - - 1.56 1.56
n1/n2 - - - 1.16
n2/n3 - 1.29 - 1.12
비교예 5 비교예 6 비교예 7
제1층 굴절률 - 2.30 1.59
제1층 막두께(nm) - 700 84
제2층 굴절률 - 1.25 -
제2층 막두께(nm) - 530 -
전극층 굴절률 1.78 1.78 1.78
전극층 막두께(nm) 100 100 100
발광파장(nm) 530 530 530
전류효율(cd/A) 3.0 3.1 2.8
n1d1/λ - 3.03 0.25
n2d2/λ - 1.25 -
n1/n(sub) - 1.37 1.08
n1/n2 - 1.61 -
n2/n3 - 0.70 -
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 구면파의 입사광을 평면파 형상의 광으로 변환하여 투명기판으로 인도하는 광제어부를 구비한 구성을 갖기 때문에, 출사광을 기판외로 효율적으로 취출할 수 있다. 이 때문에, 휘도가 높아 시인성이 우수한 발광소자를 제공하는 것이 가능해진다.

Claims (20)

  1. 광투명성기판; 및
    상기 광투명성기판 상에 설치되어, 구면파의 입사광을 평면파 형상의 광으로 변환하여 상기 광투명성기판으로 인도하는 광제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광제어부는 상기 광투명성기판 상에 설치되어 층 중에 굴절률 분포를 갖는 광제어층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광제어층은 상기 광투명성기판의 측에서 상부를 향해 굴절률이 감소하는 굴절률 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광제어층 상에 전극층을 더욱 구비하며,
    상기 광제어층의 상면 근방의 굴절률은 상기 전극층의 굴절률보다도 큰 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 광제어층은 상기 광투명성기판 상에 설치된 제 1 층 및 상기 제 1 층상에 접해 설치되어, 상기 제 1 층보다도 낮은 굴절률을 가진 제 2 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광소자기판은 발광 피크 파장(λ)의 발광소자가 탑재된 기판으로서,
    상기 제 1 층의 굴절률을 “n1”, 층두께를 “d1”으로 했을 때, n1d1≥λ/2인 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광소자기판은 발광 피크 파장(λ)의 발광소자가 탑재된 기판으로서,
    상기 제 2 층의 굴절률을 “n2”, 층두께를 “d2”로 했을 때 n2d2≥λ/2인 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명기판에 발광소자 구동회로가 설치된 것을 특징으로 하는 발광소자기판.
  9. 광투명성기판;
    상기 광투명성기판 상에 설치되어, 구면파의 입사광을 평면파 형상의 광으로 변환하여 상기 광투명성기판으로 인도하는 광제어부;
    상기 광제어부 상에 설치된 전극층; 및
    상기 전극층 상에 설치된 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광제어부는 상기 광투명성기판 상에 설치되어 층 중에 굴절률 분포를 가진 광제어층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광제어층은 상기 광투명성기판의 측에서 상부를 향해 굴절률이 감소하는 굴절률 분포를 가진 것을 특징으로 하는 발광소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광제어층의 상면 근방의 굴절률은 상기 전극층의 굴절률 보다도 큰 것을 특징으로 하는 발광소자.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광제어층은 상기 광투명성기판 상에 설치된 제 1 층과, 상기 제 1 층상에 접해 설치되어, 상기 제 1 층보다도 낮은 굴절률을 가진 제 2 층을 포함하는 것 을 특징으로 하는 발광소자.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광층의 발광 피크 파장을 “λ”, 상기 제 1 층의 굴절률을 “n1”, 층두께를 “d1”으로 했을 때, n1d1≥λ/2인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광층의 발광 피크 파장을 “λ”, 상기 제 2 층의 굴절률을 “n2”, 층두께를 “d2”로 했을 때, n2d2≥λ/2인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 광투명성 기판에 색변환 필터가 설치된 것을 특징으로 하는 발광소자.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 투명기판에 칼라필터가 설치된 것을 특징으로 하는 발광소자.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 발광층으로부터의 발광이 단색광인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단색광이 청색광인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  20. 제 9 항에 있어서,
    유기전계발광소자인 것을 특징으로 하는 발광소자.
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