KR20150107900A - 반도체 발광 소자용 광추출체 및 발광 소자 - Google Patents

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KR20150107900A
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후지토 야마구치
준 고이케
아야 다카기와
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아사히 가세이 이-매터리얼즈 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 발광 소자용 광추출체(1)는, 표면에 요철 구조(11a)가 형성되며 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층(11)과, 요철 구조(11a)의 볼록부 상에 형성된 제1 광추출층(12a)을 구비하고, 제1 광추출층(12a)은, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 제1 광추출층(12a)의 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv와의 사이의 거리 Lcv가 식(1) 10 nm≤Lcv≤5000 nm을 만족하고, 요철 구조(11a)는, 볼록부 평균 높이 H가 식(2) 10 nm≤H≤5000 nm을 만족하는 동시에, 평균 피치 P가 식(3) 50 nm≤P≤5000 nm을 만족하면서, 거리 Lcv 및 볼록부 평균 높이 H가 식(4) 50 nm≤Lcv+H≤6000 nm을 만족한다. 광추출체(1)를 이용한 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율을 개선할 수 있고, 더구나, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 발광 소자용 광추출체 및 발광 소자{LIGHT EXTRACTION BODY FOR SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT, AND LIGHT-EMITTING ELEMENT}
본 발명은 반도체 발광 소자용 광추출체 및 발광 소자에 관한 것이며, 예컨대, 유기 EL 소자나 LED 등의 반도체 발광 소자에 적합하게 이용되는 반도체 발광 소자용 광추출체 및 발광 소자에 관한 것이다.
최근, 유기 EL 소자, 형광체, LED 등의 반도체 발광 소자에 있어서의 발광 효율을 향상시키기 위해서, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율의 개선이 검토되고 있다. 이러한 반도체 발광 소자는, 고굴절율 영역이 저굴절율 영역에 의해서 사이에 끼워지는 구성을 취하는 동시에, 발광부가 고굴절율 영역 내부에 포함된다. 그 때문에, 발광부에서 발광된 발광광은, 고굴절율 영역 내부를 도파하는 도파 모드가 되어, 고굴절율 영역 내부에 가둬지는 동시에, 도파 과정에서 흡수되어 감쇠된다. 따라서, 빛을 반도체 발광 소자 외부로 추출할 수 없어, 광추출 효율은 크게 감소한다.
광추출 효율을 효과적으로 향상시키기 위해서는, 도파 모드를 조기에 타파할 필요가 있다. 그래서, 광추출 효율을 개선하기 위해서, 저굴절율 영역과 고굴절율 영역 사이에 중간의 굴절율층을 형성하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 고굴절 영역과 중간의 굴절율층과의 계면 및 중간의 굴절율층과 저굴절 영역과의 계면에 있어서의 빛의 전반사를 타파할 수 없다. 이 때문에, 전반사된 빛이 도파 모드를 유지하여 감쇠되어, 대폭적인 광추출 효율의 개선은 기대할 수 없다.
또한, 도파 모드에 의해 가둬진 빛을, 소자 계면에 있어서의 전반사를 억제하는 위치에 설치한 회절 격자 또는 존 플레이트에 의해, 회절광으로서 추출하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조). 특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 고굴절율 영역의 굴절율에 가까운 재료가 필요하고, 또한 회절광에 의해 도파 모드를 타파하기 때문에, 임계각 이상의 빛에 관해서만 광추출 효율이 향상되게 되어, 광추출 효율의 발본적인 향상은 기대할 수 없다. 또한, 회절광 특유의 회절색에 기초한 글래어가 생긴다. 즉, 발광 소자의 사용자가 발광하는 발광 소자를 봤을 때에 글래어를 기억하여, 발광 소자에 대한 시인성이 저하되고, 또한 자연광과 같은 빛의 부드러움이 저하된다.
나아가서는, 회절광에 의해 도파 모드를 타파하기 때문에, 파장마다의 회절각 의존성이 현저하게 되어, 시인하는 각도에 따라서 발광광의 색이 달리 보이는 소위 컬러 시프트가 커지는 문제도 생긴다.
한편, 도파 모드를 타파하여 광추출 효율을 개선한 다른 예로서, 고굴절율 영역에서 저굴절율 영역으로 스며나오는 에바네센트파(evanescent wave)를 추출하는 광추출 필름이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 3). 특허문헌 3에 기재된 광추출 필름에서는, 가요성 기재 상에 제1 굴절율을 갖는 구조화층을 형성하고, 이 구조화층 위에 제2 굴절율을 갖는 재료를 포함하는 충전재층을 형성한다. 이 충전재층은, 구조화층의 표면에 형성된 요철 구조를 충전하면서, 구조화층과는 반대쪽의 면이 평탄화되도록 형성되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 광추출용 필름에서는, 제2 굴절율을 갖는 충전제층의 표면과 발광 소자의 고굴절율 영역이 접촉했을 때에, 제1 굴절율을 갖는 구조화층의 요철 구조가 에바네센트 영역 내에 포함되도록 설계된다. 그 때문에, 고굴절율 영역에서 반사하여 발광 소자의 내부로 되돌아가는 도파 모드 광의 고굴절율 영역과 충전재층과의 계면에서 발생하는 에바네센트파를, 구조화층에 의해 추출할 수 있기 때문에, 광추출 효율을 개선할 수 있다.
나아가서는, 도파 모드를 타파하여 광추출 효율을 개선한 또 다른 예로서, 발광부 표면에 배치되는 광투과층의 표면에, 복수의 유전체 안테나를 설치한 면발광 장치가 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 4 참조).
특허문헌 1: 일본 특허공개 소62-172691호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제2991183호 공보 특허문헌 3: 일본 특허공표 2010-533932호 공보 특허문헌 4: 일본 특허공개 2010-273122호 공보
그러나, 특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 투명 도전층 계면에 있어서의 반사를 어지럽혀 광추출 효율을 올리는 경우에, 투명 도전층 표면의 면정밀도를 높게 유지하기가 어렵게 되고, 그 때문에, 반도체 발광 소자(유기 일렉트로루미네센트 소자)의 장기간 신뢰성이 저하된다고 생각된다. 또한, 도파 모드를 어지럽히기 위해서 회절 격자를 이용하기 때문에, 회절광 특유의 회절색에 기초한 강한 글래어가 생긴다. 즉, 발광 소자의 사용자가 발광하는 발광 소자를 봤을 때에 글래어를 기억하여, 발광 소자에 대한 시인성이 저하되거나, 또한 자연광과 같은 빛의 부드러움이 저하되거나 한다.
또한, 특허문헌 3에 기재된 광학 필름에서는, 충전제층의 표면이 평탄화되어 있기 때문에, 구조화층의 요철 구조와 충전재층의 표면 사이의 거리의 분포가 작아진다. 이 때문에, 에바네센트파는 광회절로서 추출되어, 발광 소자의 사용자가 회절광 특유의 글래어를 느끼는 문제가 있다. 즉, 발광 소자의 사용자가, 발광 소자의 발광광을 봤을 때에 글래어를 느끼기 때문에, 발광 소자에 대한 시인성의 저하나, 자연광에서 볼 수 있는 빛의 부드러움이 저하되는 문제가 있다. 또한, 광추출 효율을 보다 향상시키기 위해서는, 평탄화층을 구성하는 부재의 굴절율을 투명 도전층의 굴절율에 가깝게 할 필요가 있다. 이러한 고굴절율 재료는 생산이 곤란하여 고가일 뿐만 아니라, 입자로서 안정화되는 경향이 강하기 때문에, 평탄화층 표면의 평탄성이 악화되어 거칠기를 갖기 쉽다. 이 때문에, 충전재층 상에 형성되는 투명 도전막층의 막 두께에 분포가 생겨, 전류 집중에 기인한 반도체 발광 소자로서의 장기간 신뢰성이 저하된다고 생각된다.
또한, 특허문헌 4에 기재된 면발광 장치에서는, 발광층과 광투과층과의 계면, 광투과층의 표면, 또는 다층막에 의해 구성되는 광투과층 중 어느 한 계면에 대하여, 복수의 유전체 안테나를 설치하기 때문에, 면발광 장치를 직접 가공하거나, 또는 노출된 유전체 안테나를 구비하는 기재에 대하여 면발광 장치를 조립할 필요가 있다. 이러한 경우, 유전체 안테나는 나노 스케일의 구조체이기 때문에, 면발광 장치 제조의 스루풋이 저하되거나, 또는 면발광 장치에의 결함이 증가하거나 한다고 생각된다. 또한, 특허문헌 4에 기재된 면발광 장치는, 유전체 안테나를 광투과층이나 각 층의 계면에 설치하므로, 유전체 안테나의 물리적 장기간 안정성이 반드시 충분히 얻어지지 않는 경우도 생각할 수 있다.
본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율을 개선할 수 있으면서, 빛의 컬러 시프트와 글래어도 억제할 수 있고, 또한, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 발광 소자용 광추출체 및 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체는, 표면에 요철 구조가 형성되며 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층과, 상기 요철 구조 위에 형성되며 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 구비하고, 상기 제1 굴절율(n1)과 상기 제2 굴절율(n2)이 실질적으로 다르고, 상기 광추출층은, 상기 요철 구조의 볼록부 상에 형성된 제1 광추출층을 포함하고, 상기 제1 광추출층은, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 상기 제1 광추출층의 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv 사이의 거리 Lcv가 하기 식(1)을 만족하고, 상기 요철 구조는, 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(2)을 만족하는 동시에, 평균 피치 P가 하기 식(3)을 만족하면서, 상기 거리 Lcv 및 상기 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(4)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
식(1) 10 nm≤Lcv≤5000 nm
식(2) 10 nm≤H≤5000 nm
식(3) 50 nm≤P≤5000 nm
식(4) 50 nm≤Lcv+H≤6000 nm
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체는, 표면에 요철 구조가 형성되며 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층과, 상기 요철 구조 위에 형성되며 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 구비하고, 상기 제1 굴절율(n1)과 상기 제2 굴절율(n2)이 실질적으로 다르고, 상기 광추출층은, 상기 요철 구조의 오목부 내에 형성된 제2 광추출층을 포함하고, 상기 제2 광추출층은, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 상기 제2 광추출층의 오목부 내 계면 평균 위치 Scc 사이의 거리 Lcc 및 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(5)을 만족하고, 상기 요철 구조는, 상기 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(2)을 만족하는 동시에, 평균 피치 P가 하기 식(3)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
식(2) 10 nm≤H≤5000 nm
식(3) 50 nm≤P≤5000 nm
식(5) 0.0 H＜Lcc＜1.0 H
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체는, 표면에 요철 구조가 형성되며 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층과, 상기 요철 구조 위에 형성되며 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 구비하고, 상기 제1 굴절율(n1)과 상기 제2 굴절율(n2)이 실질적으로 다르고, 상기 광추출층은, 상기 요철 구조의 볼록부 상에 형성된 제1 광추출층 및 상기 요철 구조의 오목부 내에 형성된 제2 광추출층을 포함하고, 상기 제2 광추출층은, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 상기 제2 광추출층의 오목부 내 계면 평균 위치 Scc 사이의 거리 Lcc 및 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(5)을 만족하는 동시에, 상기 제1 광추출층은, 상기 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 상기 요철 구조의 볼록부 상에 형성된 제1 광추출층의 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv 사이의 거리 Lcv 및 상기 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(6)을 만족하고, 상기 요철 구조는, 상기 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(2)을 만족하는 동시에, 평균 피치 P가 하기 식(3)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
식(2) 10 nm≤H≤5000 nm
식(3) 50 nm≤P≤5000 nm
식(5) 0.0 H＜Lcc＜1.0 H
식(6) 0.0 H＜Lcv≤1.5 H
이들 구성에 따르면, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체의 광추출층면 측을 얇은 접착층을 통해 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)에 접촉함으로써, 발광층면과 접착층과의 계면에서 스며나오는 도파 모드 유래의 삼출광을, 광추출층 및 요철 구조층 쌍방에 의한 광회절로 추출할 수 있게 된다.
특히, 반도체 발광 소자용 광추출체의 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층이 도트 형상 또는 홀 형상, 혹은 울타리 형상체 또는 격자의 구조이면서, 그 요철 구조의 평균 피치가 소정 범위를 만족하는 경우는, 이하의 효과를 발휘할 수 있게 된다.
(1) 접착층의, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층의 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 있어서의 에너지적으로 안정적인 막 두께를 작게 할 수 있다. 즉, 요철 구조층의 요철 구조 위에 접착층을 배치했을 때의, 접착층의 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 있어서의 표면 위치와 요철 구조의 오목부 위에 있어서의 표면 위치의 차를 작게 할 수 있다. 이 때문에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조의 꼭대기부와 발광층면과의 거리를 나노 스케일로 얇으면서 또한 균등하게 할 수 있게 된다. 이상으로부터, 우선 접착층의 막 두께 균등성을 높임으로써, 발광층면의 면정밀도를 높게 유지할 수 있게 되고, 그 결과, 반도체 발광 소자의 전류 집중에 의한 열화나 파괴를 억제할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 장기간 안정성을 향상시킬 수 있게 된다. 이어서, 접착층의 막 두께를 나노 스케일로 얇게 할 수 있게 됨으로써, 접착층과 발광층면과의 계면으로부터 스며나와, 반도체 발광 소자의 두께 방향에서 거리의 지수함수적으로 감쇠하는 삼출광을 효과적으로 제2 굴절율을 갖는 광추출층 및 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층에 전파할 수 있게 되고, 그 결과, 광추출층 및 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 요철 구조에 의해 상기 삼출광을 추출할 수 있게 되어, 광추출 효율이 향상된다고 생각된다.
(2) 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상, 혹은 울타리 형상체 또는 격자이며, 소정의 평균 피치를 만족함으로써, 제2 굴절율을 갖는 광추출층의, 반도체 발광 소자용 광추출체의 면내 방향에 대한 크기를 작게 할 수 있다. 이 때문에, 발광층면으로부터 반도체 발광 소자용 광추출체에 입광된 발광광(임계각 내의 입사 발광광)의, 반도체 발광 소자용 광추출체 내부에서의 반사를 억제할 수 있다. 즉, 발광층면에 대한 임계각 내의 입사 발광광이 발광층면 쪽으로 되돌아가는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 상기 설명한 삼출광을 추출하는 동시에, 발광층면에 대한 임계각 내의 입사 발광광의 추출도 유지할 수 있게 된다.
(3) 광추출층의 제2 굴절율(n2) 및 요철 구조층의 제1 굴절율(n1)은 실질적으로 다르기 때문에, 회절 모드가 서로 다른 것으로 되어, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 2개의 회절점 그룹을 서로 겹친 것과 같은 기능이 발현된다고 추정된다. 이에 따라, 광추출층 및 요철 구조층으로부터 추출되는 삼출광 및 임계각 내의 입사 발광광의 출광 특성이 보다 흐트러지기 때문에, 광산란성이 발현된다고 생각된다. 이러한 광산란은 도파 모드를 어지럽히는 효과가 크기 때문에, 광추출 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상, 혹은 울타리 형상체 또는 격자인 경우, 상기 요철 구조에 대하여 흐트러짐(배열이나 형상의 흐트러짐)을 도입하기가 용이하게 된다. 이 때문에, 출광되는 빛의 산란성은 강해지게 되고, 컬러 시프트는 저감되어, 보다 자연광에 가까운 출광을 얻을 수 있다. 이것은, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치보다도 충분히 큰 경우는, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 대응하는 광산란성 때문이라고 추정된다. 한편, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치와 같은 정도 이하인 경우는, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서 생기는 광회절의 모드수가 증가하면서 광회절 모드에 분산이 포함된다고 생각된다. 즉, 수십 마이크로미터와 같은 거시적 스케일에서는, 복수의 광회절 모드의 평균적 광이 관찰되기 때문이다. 같은 이유에서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층에 대하여 흐트러짐(형상이나 배열)을 도입하는 것도 용이하고, 그 때문에, 컬러 시프트의 억제 효과를 발현할 수 있다. 이 결과, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수도 있다.
또한, 이들 구성에 의해, 볼록부 상의 제1 광추출층 및 오목부 내부의 제2 광추출층을 갖는 경우에는, 접착층 및 발광층면 계면과 광추출층 사이의 거리에 분포가 생기기 때문에, 발광층면과 접착층과의 계면에서 도파 모드를 형성하는 발광광에 있어서의 상기 계면으로부터 스며나오는 삼출광을, 제1 광추출층, 제2 광추출층 및 요철 구조층에 의한 광회절로 추출할 수 있게 된다. 이때, 제1 광추출층, 제2 광추출층 및 요철 구조층은, 굴절율이 실질적으로 다르기 때문에, 회절 모드가 서로 다른 것으로 되어, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되게 되어, 상기 산란성이 보다 강해지기 때문에, 광추출 효율이 보다 향상된다고 생각된다. 나아가서는, 상기 설명한 요철 구조의 형상이나 배열에 대하여 흐트러짐을 가했을 때의, 산란성의 향상 정도가 커진다고 생각되기 때문에, 컬러 시프트 저감 효과도 보다 강하게 된다고 추정된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 요철 구조층 및 상기 광추출층을 덮도록 형성되며 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층을 구비하고, 상기 제1 굴절율(n1), 상기 제2 굴절율(n2) 및 상기 제3 굴절율(n3)이 하기 식(7)∼식(9) 중 어느 것을 만족하고, 상기 평탄화층은, 상기 제1 광추출층의 상기 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv와 상기 평탄화층의 표면과의 사이의 평균 거리 Lor가 하기 식(10)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(7) n2＞n3≥n1이면서 (n2-n3)≥0.1
식(8) n3＞n2＞n1이면서 (n3-n2)≥0.1
식(9) n3≥n1＞n2이면서 (n1-n2)≥0.1
식(10) 0 nm≤Lor≤800 nm
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 요철 구조층 및 상기 광추출층을 덮도록 형성되며 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층을 구비하고, 상기 제1 굴절율(n1), 상기 제2 굴절율(n2) 및 상기 제3 굴절율(n3)이 하기 식(7)∼식(9) 중 어느 것을 만족하고, 상기 평탄화층은, 상기 제2 광추출층의 상기 오목부 내 계면 평균 위치 Scc와 상기 평탄화층의 표면과의 사이의 평균 거리 Lor 및 상기 거리 Lcc가 하기 식(11)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(7) n2＞n3≥n1이면서 (n2-n3)≥0.1
식(8) n3＞n2＞n1이면서 (n3-n2)≥0.1
식(9) n3≥n1＞n2이면서 (n1-n2)≥0.1
식(11) Lcc≤Lor≤800 nm
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 요철 구조층 및 상기 광추출층을 덮도록 형성되며 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층을 구비하고, 상기 제1 굴절율(n1), 상기 제2 굴절율(n2) 및 상기 제3 굴절율(n3)이 하기 식(7)∼식(9) 중 어느 것을 만족하고, 상기 평탄화층은, 상기 제2 광추출층의 상기 오목부 내 계면 평균 위치 Scc와 상기 평탄화층의 표면과의 사이의 평균 거리 Lor, 상기 거리 Lcc 및 상기 거리 Lcv가 하기 식(12)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(7) n2＞n3≥n1이면서 (n2-n3)≥0.1
식(8) n3＞n2＞n1이면서 (n3-n2)≥0.1
식(9) n3≥n1＞n2이면서 (n1-n2)≥0.1
식(12) (Lcc+Lcv)≤Lor≤800 nm
이들 구성에 따르면, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 광추출 효율을 향상시키면서 또한 컬러 시프트를 억제하는 효과도 발휘한다. 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층 및 광추출층 상에 형성되는 평탄화층의, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층의 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에서의 에너지적으로 안정적인 막 두께를 작게 할 수 있기 때문에, 평탄화층의 막 두께를 나노 스케일로 얇게 한 경우라도, 표면정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 여기서, 표면정밀도란, 미시적(요철 구조 하나하나의 스케일)으로 본 경우의 막 두께 정밀도와, 거시적(수십 마이크로미터 이상의 스케일)으로 본 경우의 막 두께 정밀도이다. 즉, 반도체 발광 소자용 광추출체의 면내에 있어서의 평탄화층의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조의 꼭대기부와 평탄화층의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과의 계면과의 거리를 나노 스케일로 얇으면서 균등하게 할 수 있게 된다. 이상으로부터, 우선 평탄화층의 막 두께 균등성을 높일 수 있게 됨으로써, 발광층면의 면정밀도를 높게 유지할 수 있게 되고, 그 결과, 반도체 발광 소자의 전류 집중에 의한 열화나 파괴를 억제할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 장기간 안정성을 향상시킬 수 있게 된다. 이어서, 평탄화층의 막 두께를 나노 스케일로 얇게 함으로써, 평탄화층의 표면과 광추출층 사이의 거리 및 요철 구조층과 광추출층 사이의 거리가 소정 범위로 되기 때문에, 평탄화층과 반도체 발광 소자의 발광층면이 접촉했을 때에, 발광층면과 평탄화층과의 계면에서 도파 모드를 형성하는 발광광에 있어서의 그 계면으로부터 스며나오는 삼출광을, 삼출광이 다 감쇠되기 전에, 광추출층 및 요철 구조층으로 전파할 수 있게 되고, 광추출층 및 요철 구조층 쌍방에 의한 광회절로 추출할 수 있게 된다. 이때, 광추출층 및 요철 구조층은, 굴절율이 상기 식(7)∼상기 식(9)의 관계를 만족하기 때문에, 광추출층 및 요철 구조층 쌍방에 의한 광회절 정도가 커져, 광추출 효율이 향상된다. 또한, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 경우, 회절 모드가 서로 다른 것으로 되어, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 2개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현된다고 생각된다. 이에 따라, 광추출층 및 요철 구조층으로부터 추출되는 삼출광의 출광 특성이 흐트러지기 때문에, 광산란성이 발현된다고 추정된다. 이러한 광산란은 도파 모드를 어지럽히는 효과가 크기 때문에, 광추출 효율의 향상 정도가 커진다고 생각된다. 나아가서는, 상기 설명한 요철 구조의 형상이나 배열에 대한 흐트러짐을 더한 경우의, 흐트러짐에 의한 산란성의 향상이 커지기 때문에, 출광하는 빛은 산란성을 발휘한다. 즉, 컬러 시프트는 억제되고, 보다 자연광에 가까운 발광광을 만드는 것도 가능하게 된다. 이 결과, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다.
특히, 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이, 상기 식(7)의 관계를 만족하는 경우에는, 제2 굴절율과 제1 굴절율과의 차가 커지기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 제2 굴절율을 갖는 광추출층과 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 이질성이 강해진다. 즉, 평탄화층에 의해 전파되는 삼출광의, 광추출층 및 요철 구조층에 의한 다른 회절 모드에서의 추출이 향상되기 때문에, 광추출 효율이 향상된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열에 흐트러짐을 더했을 때의 산란성의 증가 정도가 커지기 때문에, 광추출 효율의 향상을 유지하면서 컬러 시프트를 저감할 수 있다고 생각된다. 이러한 제2 굴절율이 가장 크고, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차가 큰 상태, 즉 광추출 작용의 중심이 제2 굴절율을 갖는 광추출층 및 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층인 경우라도, 요철 구조층의 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상, 혹은 울타리 형상체 또는 격자임으로써, 제2 굴절율을 갖는 광추출층의 반도체 발광 소자용 광추출체의 면내 방향에 있어서의 크기를 제한할 수 있기 때문에, 제2 굴절율을 갖는 광추출층에 있어서의 임계각 내의 입사 발광광에 대한 반사를 억제할 수 있게 되어, 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다고 생각된다. 또한, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 요철 구조 및 제2 굴절율을 갖는 광추출층에 흐트러짐(형상이나 배열)을 가한 경우, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치보다도 충분히 큰 경우는, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포 콘트라스트가 커진다고 생각된다. 즉, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 따른 광산란성의 정도가 커진다고 생각되기 때문에, 컬러 시프트 개선 효과가 크다고 추정된다. 한편, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치 정도 이하인 경우는, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서 생기는 광회절 모드의 분산도가 높아지기 때문에, 수십 마이크로미터와 같은 거시적인 관찰에서 볼 수 있는 광산란성이 강해져, 컬러 시프트가 보다 효과적으로 저감된다고 추정된다.
또한, 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이, 상기 식(8)의 관계를 만족하는 경우에는, 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 평탄화층과의 계면에 있어서의 전반사 광량을 작게 할 수 있으므로, 도파 모드를 형성하는 발광 광량을 작게 할 수 있다. 또한, 제3 굴절율과 제1 굴절율의 차를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본, 평탄화층과 요철 구조층의 이질성을 강하게 할 수 있다. 이 때문에, 평탄화층 내부를 전파한 삼출광의, 요철 구조층에 의한 추출 효율이 향상된다고 생각된다. 또한, 광추출층 및 요철 구조층에 의해 각각 다른 회절 모드로 추출되는 빛, 및 임계각 내의 입사 발광광의 요철 구조층과 평탄화층과의 계면 및 광추출층과 평탄화층과의 계면에 있어서의 반사를, 나노 구조 특유의 빛의 평균적 작용(유효 매질 근사)에 의해 억제할 수 있다고 추정된다. 이 때문에, 평탄화층 내부로 유도된 삼출광이 효과적으로 출광면 측에 도달하여, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율이 향상된다. 이에 따라, 반도체 발광 소자 내부에서 도파 모드를 형성하여, 원래라면 반도체 발광 소자의 외부로 출광하지 않는 발광광을, 반도체 발광 소자의 외부로 추출할 수 있게 된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열에 흐트러짐을 가한 경우라도, 상기 원리는 성립하기 때문에, 큰 광추출 효율과 컬러 시프트의 저감과 글래어의 저감을 양립할 수도 있다.
또한, 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이, 상기 식(9)의 관계를 만족하는 경우에는, 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 평탄화층과의 계면에 있어서의 전반사를 작게 할 수 있으므로, 도파 모드를 형성하는 발광광의 비율을 저감할 수 있다. 또한, 제3 굴절율과 제2 굴절율의 차를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본, 평탄화층과 광추출층의 이질성을 강하게 할 수 있고, 이 때문에, 발광층면과 평탄화층과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광의, 광추출층에 의한 추출 효율이 향상된다고 생각된다. 또한, 발광층면과 평탄화층과의 계면으로부터의 삼출광을, 광추출층 및 요철 구조층에 의해 각각 다른 회절 모드의 회절 현상으로서 추출할 수 있게 되어, 광추출 효율을 개선할 수 있다고 생각된다. 또한, 같은 원리에서, 광추출층에 흐트러짐(배열이나 형상)을 가함으로써 광산란성의 정도를 많게 할 수 있게 되고, 컬러 시프트의 저감과 글래어 저감의 효과도 커진다고 생각된다.
한편, (1) 요철 구조의 볼록부 상의 제1 광추출층 및 오목부 내의 제2 광추출층을 갖는 경우에는, 평탄화층 및 발광층면의 계면과 광추출층 사이의 거리에 분포가 생기기 때문에, 삼출광을, 제1 광추출층, 제2 광추출층 및 요철 구조층에 의한 광회절로 추출하는 것이 가능하게 된다. 이때, 광추출층 및 요철 구조층은, 굴절율의 관계식 (7)∼(9)를 만족하기 때문에, 회절 모드가 서로 다른 것으로 되어, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되게 되기 때문에, 산란성이 강해져, 도파 모드를 어지럽히는 효과가 커지므로, 광추출 효율이 보다 향상된다고 생각된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열에 흐트러짐을 가한 경우라도 상기 원리는 성립하기 때문에, 높은 광추출 효율과 컬러 시프트의 저감과 글래어 저감을 양립할 수도 있다.
또한, (2) 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 제1 광추출층을 갖는 경우에는, 평탄화층 및 발광층면 계면과 광추출층과의 사이의 거리를 작게 하는 것이 용이하게 된다. 발광층면과 평탄화층과의 계면에서 도파 모드를 형성하는 발광광에 있어서의 그 계면으로부터 스며나오는 삼출광은, 반도체 발광 소자의 두께 방향에서 거리의 지수함수적으로 감쇠하기 때문에, 평탄화층 및 발광층면 계면과 광추출층 사이의 거리를 작게 함으로써, 보다 효과적으로 추출할 수 있게 된다고 생각된다. 또한, 요철 구조층의 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상, 혹은 울타리 형상체 또는 격자이면서 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 광추출층이 형성되는 경우, 광추출층의 꼭대기부 면적을 작게 할 수 있게 된다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광 중, 발광층면에 대하여 임계각 내에서 입사된 빛의 반사를 억제할 수 있게 된다. 즉, 발광층면과 평탄화층과의 계면으로부터 발생하는 삼출광을 추출하는 동시에, 발광층면에 대하여 임계각 내에서 평탄화층에 입사된 발광광의, 발광층면 측으로의 귀환광을 작게 할 수 있으므로, 광추출 효율이 향상된다고 추정된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체는, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 의해 구성되며, 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 나노 입자를 포함하여 이루어지는 반도체 발광 소자용 광추출체로서, 상기 제1 굴절율(n1)과 상기 제2 굴절율(n2)과의 차의 절대치(|n1-n2|)가 0.1 이상이면서, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체는, 서로 대략 평행한 제1면 및 제2면을 지니고, 상기 복수의 나노 입자는, 상기 제1면 및 상기 제2면에 대략 평행한 면을 가로지르는 상기 나노 입자의 수가 최대가 되는 가상면을 중심면으로 한 경우에, 상기 중심면에 대략 평행한 가상면을 가로지르는 상기 나노 입자의 수가, 상기 중심면에서 멀어짐에 따라서 감소하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 내에, 제1 굴절율(n1)과는 실질적으로 다른 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 나노 입자가 분산되는 동시에, 이 복수의 나노 입자의 수가 중심면에서 멀어짐에 따라서 감소하도록 배치되기 때문에, 나노 입자가 광추출체 내에 랜덤하게 분산되는 일이 없다. 이에 따라, 중심면 근방에서 나노 입자에 기초한 광추출 기능이 최대한으로 발현되기 때문에, 반도체 발광 소자용 광추출체 내에 입광된 반도체 발광 소자로부터의 발광광이, 중심면 근방에 배치된 복수의 나노 입자에 의해서 광산란 또는 광회절된다. 이 결과, 반도체 발광 소자의 발광층면 측과 광추출체와의 계면으로부터 스며나오는 삼출광의 나노 입자에 의한 추출의 균질성이 향상되기 때문에, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율을 용이하게 개선할 수 있는 광추출체를 실현할 수 있다. 또한, 광추출체 내부에 랜덤하게 나노 입자를 배치하는 경우와 비교하여, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질의 표면의 평탄성을 양호하게 유지할 수 있게 된다. 이 경우, 광추출체를 기재로 하여 반도체 발광 소자를 조립한 경우, 반도체 발광 소자의 투명 도전층의 표면정밀도를 향상시킬 수 있다. 투명 도전층 표면에 급격한 불규칙이 존재하는 경우, 상기 볼록부에 대한 전류 집중에 의해 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성이 저하되게 된다. 즉, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자가 중심면에서 떨어지도록 형성됨으로써, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 한편, 나노 입자가 랜덤하게 분산되어 있는 경우에는, 반도체 발광 소자에 첨착하면, 표면이 낮은 평탄성에 의해, 투명 도전층 표면과의 사이에 공극이 형성된다. 이것은 큰 굴절율 갭을 만들어내기 때문에, 광추출 효율을 저하시키는 원인으로 된다. 즉, 본 발명의 광추출체에서는, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자가 중심면에서 떨어지도록 형성됨으로써, 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 나노 입자의 수를 적게 할 수 있게 되기 때문에, 광추출체의 물리적 내구성이 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 복수의 나노 입자는, 상기 중심면 내에 있어서의 평균 피치가 50 nm 이상 1500 nm 이하이고, 상기 중심면의 면내 방향에 있어서의 평균 직경이, 1 nm 이상 1000 nm 이하이면서, 상기 평균 피치가 상기 평균 직경보다도 큰 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 광추출체 내부의 복수의 나노 입자의 배열 규칙성이 적절한 범위로 되는 동시에, 나노 입자에 의해 광산란 또는 광회절이 생기는 영역의 밀도를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자로부터의 발광광을, 복수의 나노 입자에 의한 광산란 또는 광회절로서 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 또한, 나노 입자의 간격 및 직경을 소정의 범위 내로 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자에서 광추출체로 입광하는 발광광 중 임계 각도 내의 발광광의 반사를 억제할 수 있게 되어, 광추출 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 나노 입자의 크기를 소정 범위 내로 제한할 수 있기 때문에, 광추출체 표면의 평탄성을 보다 양호하게 유지할 수 있게 되고, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 중심면 내를 가로지르는 상기 복수의 나노 입자는, 상기 중심면에 대한 수직 방향에 있어서의 평균 두께가 10 nm 이상 1000 nm 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 복수의 나노 입자의 평균 피치를 비교적 크게 한 경우에도, 나노 입자에 의해 광산란이나 광회절을 생기게 하는 것이 가능하게 되어, 광추출 효율이 더욱 향상된다. 또한, 나노 입자의 크기가 적절히 작아지기 때문에, 나노 입자의 물리적 안정성을 향상시킬 수 있게 되는 동시에, 광추출체 표면의 평탄성을 보다 양호하게 유지할 수 있게 되어, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 중심면을 가로지르는 상기 복수의 나노 입자는, 상기 제1면 측의 평균 단부 위치(Spt)와 상기 제1면과의 사이의 거리(Lort)가 0 nm를 넘고 1000 nm 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 광추출체의 제1면과 반도체 발광 소자의 발광층면과의 계면과, 나노 입자와의 사이의 거리를 적절한 범위로 할 수 있기 때문에, 그 계면 위치에서 스며나오는 삼출광을, 나노 입자로 효과적으로 전파할 수 있게 된다. 그리고, 전파된 삼출광은, 나노 입자에 의해서 광산란 또는 광회절로서 추출되기 때문에, 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 제2 굴절율(n2)과 상기 제1 굴절율(n1)의 차의 절대치(|n1-n2|)가 0.2 이상인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 나노 입자와 광추출체를 구성하는 매질과의 광학적인 이질성이 커지기 때문에, 광추출체 내에서의 반도체 발광 소자로부터의 발광광의 나노 입자에 의한 광산란성이 향상된다. 이 광산란성의 향상에 의해, 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 중심면을 가로지르는 상기 복수의 나노 입자의 상기 제2면 측의 평균 단부 위치(Spb)와 상기 제2면 사이의 거리(Lorb)는, 상기 거리(Lort) 이상인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 중심면 내에 배열되는 나노 입자의 배치 제어성을 향상시킬 수 있게 되는 동시에, 광추출체의 연속 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 광추출체의 물리 강도를 향상시킬 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자에의 광추출체의 적용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 요철 구조층 또는 상기 나노 입자가, 면내에 속하는 제1 방향에서, 복수의 상기 볼록부 또는 상기 볼록부 혹은 복수의 상기 나노 입자가 피치(Py)로 배열된 복수의 볼록부열 또는 오목부열 혹은 나노 입자열을 지니고, 상기 복수의 볼록부열 또는 오목부열 혹은 나노 입자열은, 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서 피치(Px)로 병렬되어 있으며, 상기 피치(Px) 및 상기 피치(Py)는 각각 50 nm 이상 5000 nm 이하이고, 상기 피치(Py) 및 상기 피치(Px)는 어느 한쪽이 일정 간격이고 다른 쪽이 부정 간격이거나, 또는 모두 부정 간격인 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 요철 구조층의 요철 구조가 소정의 구조를 형성하면서 나노 스케일의 요철 구조로 된다. 따라서, 광추출층의 형상도 소정의 구조를 형성하면서 나노 스케일의 요철 구조로 된다. 이 때문에, 상기 광추출층 및 요철 구조층에 의한 광산란성이나 광회절을 한층 더 발현하기 쉽게 되어, 광추출 효율 향상 효과와 장기간 신뢰성 향상 효과를 한층 더 높일 수 있게 된다.
특히, 피치가 5000 nm 이하이므로, 광추출층의 꼭대기부 면적을 작게 할 수 있게 된다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광 중, 발광층면에 대하여 임계각 내에서 입사된 빛의, 반사를 억제할 수 있게 된다. 즉, 발광층면과 평탄화층과의 계면에서 발생하는 삼출광을 추출하는 동시에, 발광층면(예컨대, 투명 도전층)에 대하여 임계각 내에서 평탄화층에 입사된 발광광의, 발광층면 측으로의 귀환광을 작게 할 수 있기 때문에, 광추출 효율이 향상된다고 추정된다. 또한, 피치가 5000 nm 이하이므로, 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 위치하는 평탄화층(접착층)의, 에너지적으로 안정적인 상태에서의 체적을 작게 할 수 있게 된다. 이 때문에, 평탄화층은 요철 구조의 표면 윤곽에 따른 에너지의 영향을 받기 어렵게 되어, 평탄화층 표면의 면정밀도를 향상시킬 수 있게 되고, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 피치가 50 nm 이상이므로, 평탄화층, 광추출층 및 요철 구조층의 배열이나 형상에 따른 광산란이나 광회절을 효과적으로 생기게 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 발광층면과 평탄화층과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광의 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 피치가 50 nm 이상이므로, 요철 구조층의 요철 구조의 배열이나 형상 및 광추출층의 배열이나 형상에 흐트러짐을 가한 경우의, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포 콘트라스트를 크게 할 수 있게 되기 때문에, 추출되는 빛의 산란성을 강화하는 것이 가능하다고 생각된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열에 흐트러짐을 가함으로써 발현되는 산란성을, 상기 설명한 장기간 신뢰성과 광추출 효율 향상을 유지한 상태에서 발현하는 것도 가능하다고 생각된다. 즉, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성, 광추출 효율을 향상시키면서 컬러 시프트를 동시에 저감할 수도 있다.
또한, 이 구성에 의해, 광추출체 내부의 복수의 나노 입자의 배열 규칙성이 적절한 범위로 되는 동시에, 나노 입자에 의해 광산란 또는 광회절이 생기는 영역의 밀도를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자로부터의 발광광을, 복수의 나노 입자에 의한 광산란 또는 광회절로서 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 나노 입자를 광추출체에 적용한 경우는, 상기 피치는 1500 nm 이하이면, 광산란 또는 광회절이 생기는 영역의 밀도를 높여, 광산란성 또는 광회절성을 효과적으로 기능하게 할 수 있어 특히 바람직하다.
또한, 피치(Py) 및 피치(Px)가 어느 한쪽이 일정 간격이고, 다른 쪽이 부정 간격이거나, 또는 모두 부정 간격인 구성에 따르면, 평탄화층, 광추출층, 요철 구조층의 계면, 혹은 나노 입자에 의해 추출되는 삼출광에 흐트러짐을 가할 수 있게 된다. 즉, 요철 구조나 나노 입자의 하나하나와 같은 미시적인 스케일에서는, 삼출광은 광회절에 의해 추출되는데, 이들 광회절광의 출광 방향으로 흐트러짐을 가할 수 있게 되기 때문에, 거시적(수십 마이크로미터 이상의 스케일)으로 본 경우, 광산란성을 발휘하게 되어, 광추출 효율을 향상시키면서 컬러 시프트를 저감할 수 있게 된다.
특히, 요철 구조 혹은 나노 입자의 평균 피치가 나노 스케일인 경우, 평탄화층, 광추출층, 요철 구조층 및 나노 입자에 의해 만들어지는 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 따른 광산란성을 발현할 수 있게 되어, 컬러 시프트를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 이러한 요철 구조의 배열에 흐트러짐을 포함하는 경우라도, 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상체 또는 격자임으로써, 평탄화층의 막 두께 정밀도를 미시적 및 거시적 정밀도를 높게 유지할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다. 이것은, 도트 형상 또는 홀 형상 구조, 혹은 울타리 형상 또는 격자형 구조임으로써, 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 형성되는 평탄화층(접착층도 포함함)의, 에너지적으로 안정적인 막 두께를 작게 하는 것이 가능하게 됨에 따른 것이다.
여기서, 피치(Py)와 피치(Px)가 함께 부정 간격인 경우에는, 주기성의 흐트러짐에 의한 광산란 효과와 컬러 시프트 저감 효과를 높일 수 있다. 즉, 도파 모드를 효과적으로 타파하여 광추출 효율을 개선하는 동시에, 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되어, 글래어의 억제에 효과적이다.
한편, 피치(Py) 또는 피치(Px) 중 어느 한쪽이 부정 간격이고, 다른 한쪽이 일정 간격인 경우는, 피치(Py) 및 피치(Px)가 함께 부정 간격인 경우에 비해서, 광추출층 및 요철 구조의 주기성의 흐트러짐이 감소하여, 광산란 효과는 감소한다. 그 때문에, 자연광에 가까운 발광 특성은 저하되지만, 회절 현상에 의한 광추출 효율이 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 부정 간격의 상기 피치(Py)는, 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자의 각각의 중심 사이의 거리와 같고, 부정 간격의 상기 피치(Px)는, 상기 복수의 볼록부열 또는 오목부열 혹은 상기 나노 입자열 사이 거리와 같으면서, 상기 피치(Py) 및 상기 피치(Px)는, 상기 볼록부의 직경 또는 상기 오목부의 개구경 혹은 상기 나노 입자의 직경보다 크고, 상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자 사이의 상기 피치 (Py)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)가 하기 식(13)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 피치 (Py)1∼(Py)n으로 구성되는 볼록부 그룹 또는 오목부 그룹 혹은 나노 입자 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고, 상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 볼록부열 또는 오목부열 혹은 나노 입자열 사이의 상기 피치 (Px)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 하기 식(14)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 피치 (Px)1∼(Px)n으로 구성되는 상기 볼록부열 그룹 또는 상기 오목부열 그룹 혹은 상기 나노 입자열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것이 바람직하다.
식(13) (Py)1＜(Py)2＜(Py)3＜…＜(Py)a＞…＞(Py)n
식(14) (Px)1＜(Px)2＜(Px)3＜…＜(Px)a＞…＞(Px)n
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 부정 간격의 상기 피치(Py)는, 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자의 각각의 중심 사이의 거리와 같고, 부정 간격의 상기 피치(Px)는, 상기 복수의 볼록부열 또는 오목부열 혹은 상기 나노 입자열 사이 거리와 같으면서, 상기 피치(Py) 및 상기 피치(Px)는, 상기 볼록부의 직경 또는 상기 오목부의 개구경 혹은 상기 나노 입자의 직경보다 크고, 상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 볼록부 또는 오목부 사이 혹은 나노 입자 사이의 상기 피치 (Py)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)가, 하기 식(13)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 피치 (Py)1∼(Py)n으로 구성되는 볼록부 그룹 또는 오목부 그룹 혹은 나노 입자 그룹이 장주기 Lyz로 반복하여 배열되고, 상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 볼록부열 또는 오목부열 혹은 상기 나노 입자열 사이의 상기 피치 (Px)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 하기 식(14)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 피치 (Px)1∼(Px)n으로 구성되는 볼록부열 그룹 또는 오목부열 그룹 혹은 나노 입자열 그룹이 장주기 Lxz로 반복하여 배열되는 것이 바람직하다.
식(13) (Py)1＜(Py)2＜(Py)3＜…＜(Py)a＞…＞(Py)n
식(14) (Px)1＜(Px)2＜(Px)3＜…＜(Px)a＞…＞(Px)n
이들 구성에 의하면, 요철 구조의 피치(Px) 및 피치(Py)의 양쪽 또는 어느 한쪽이 부정 간격이므로, 요철 구조 및 광추출층 혹은 나노 입자의 나노 오더에서의 주기성은 흐트러지게 되기 때문에, 평탄화층, 광추출층 및 요철 구조층의 계면, 혹은 나노 입자에 의해 추출되는 삼출광 및 임계각 내의 입사 발광광의 광회절성에 흐트러짐을 가할 수 있게 된다. 즉, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적인 스케일에서는, 삼출광은 광회절에 의해 추출되는데, 이들 광회절광의 출광 방향으로 흐트러짐을 가하는 것이 가능하게 되기 때문에, 거시적(수십 마이크로미터 이상의 스케일)으로 본 경우, 광산란성을 발휘하게 되어, 광추출 효율을 향상시키면서 컬러 시프트를 저감할 수 있게 된다. 특히, 요철 구조 혹은 나노 입자의 평균 피치가 나노 스케일인 경우, 평탄화층, 광추출층 및 요철 구조층, 혹은 나노 입자에 의해 만들어지는 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포를 크게 할 수 있게 된다. 이 때문에, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 따른 광산란성을 발현할 수 있게 되고, 컬러 시프트를 효과적으로 억제할 수 있다. 특히, 요철 구조 혹은 나노 입자의 배열은 장주기 Lz의 주기성을 갖기 때문에, 유효 매질 근사적 굴절율(Nem)의 분포는 장주기 Lz에 따른 주기를 갖게 된다. 이 때문에, 흐트러짐 중에도 광회절 현상을 가할 수 있게 된다. 즉, 요철 구조 혹은 나노 입자의 하나하나와 같은 미시적 스케일에 의한 광회절과, 장주기 Lxz, Lyz에 따른 광회절을 이용할 수 있게 되기 때문에, 광추출 효율의 향상 정도가 보다 향상되는 동시에, 컬러 시프트 저감 효과도 얻어진다고 생각된다. 또한, 이러한 요철 구조의 배열에 흐트러짐을 포함하는 경우라도, 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상, 혹은 울타리 형상 또는 격자임으로써, 평탄화층의 막 두께 정밀도를 미시적 및 거시적 정밀도를 높게 유지할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다. 이것은, 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형 구조임으로써, 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 위에 형성되는 평탄화층(접착층도 포함함)의, 에너지적으로 안정적인 막 두께를 작게 할 수 있게 됨에 따른 것이다.
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 볼록부의 직경 또는 상기 오목부의 개구경 혹은 상기 나노 입자의 직경이, 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대응하여 증감하고, 상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자의 상기 직경 또는 상기 개구경(Dyn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)이, 하기 식(15)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 직경 또는 상기 개구경 (Dy)1∼(Dy)n으로 구성되는 볼록부 그룹 또는 오목부 그룹 혹은 나노 입자 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고, 상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자의 상기 직경 혹은 상기 개구경(Dxn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은, 하기 식(16)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 직경 또는 상기 개구경 Dx1∼Dxn으로 구성되는 볼록부열 그룹 또는 오목부열 그룹 혹은 나노 입자열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것이 바람직하다.
식(15) Dy1＜Dy2＜Dy3＜…＜Dya＞…＞Dyn
식(16) Dx1＜Dx2＜Dx3＜…＜Dxa＞…＞Dxn
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 볼록부의 직경 또는 상기 오목부의 개구경 혹은 상기 나노 입자의 직경이, 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대응하여 증감하고, 상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자의 상기 직경 혹은 상기 개구경(Dyn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)이, 하기 식(15)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 직경 또는 상기 개구경 (Dy)1∼(Dy)n으로 구성되는 볼록부 그룹 또는 오목부 그룹 혹은 나노 입자 그룹이 장주기 단위 Lyz로 반복하여 배열되고, 또한 상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부 혹은 상기 나노 입자의 상기 직경 혹은 상기 개구경(Dxn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이며, n=m-1)은, 하기 식(16)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 직경 또는 상기 개구경 Dx1∼Dxn으로 구성되는 볼록부열 그룹 또는 오목부열 그룹 혹은 나노 입자열 그룹이 장주기 단위 Lxz로 배열되는 것이 바람직하다.
식(15) Dy1＜Dy2＜Dy3＜…＜Dya＞…＞Dyn
식(16) Dx1＜Dx2＜Dx3＜…＜Dxa＞…＞Dxn
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 볼록부 또는 상기 오목부의 각각의 높이가, 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대응하여 증감하고, 상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부의 높이 Hyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이며, n=m-1)는, 하기 식(17)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 높이 Hy1∼Hyn으로 구성되는 볼록부 그룹 또는 오목부 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고, 상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부의 높이 Hxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 하기 식(18)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 높이 Hx1∼Hxn으로 구성되는 볼록부열 그룹 또는 오목부열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것이 바람직하다.
식(17) Hy1＜Hy2＜Hy3＜…＜Hya＞…＞Hyn
식(18) Hx1＜Hx2＜Hx3＜…＜Hxa＞…＞Hxn
또한, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 볼록부 또는 상기 오목부의 높이가, 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대응하여 증감하고, 상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부의 높이 Hyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이며, n=m-1)는, 하기 식(17)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 높이 Hy1∼Hyn으로 구성되는 볼록부 그룹 또는 오목부 그룹이 장주기 단위 Lyz로 반복하여 배열되고, 상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 볼록부 또는 상기 오목부의 높이 Hxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이며, n=m-1)는, 하기 식(18)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 높이 Hx1∼Hxn으로 구성되는 볼록부열 그룹 또는 오목부열 그룹이 장주기 단위 Lxz로 반복하여 배열되는 것이 바람직하다.
식(17) Hy1＜Hy2＜Hy3＜…＜Hya＞…＞Hyn
식(18) Hx1＜Hx2＜Hx3＜…＜Hxa＞…＞Hxn
상기 구성에서도, 상기한 것과 마찬가지로, 요철 구조 및 광추출층 혹은 나노 입자의 나노 오더에서의 주기성이 흐트러지는 데다가, 장주기 Lxz, Lyz의 광회절성이 가해짐으로써, 광추출 효율의 향상과 컬러 시프트 저감과 글래어 억제에 효과적이다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는 서로 인접하는 제1 볼록부열 및 제2 볼록부열, 제1 오목부열 및 제2 오목부열 또는 제1 나노 입자열 및 제2 나노 입자열 사이의 상기 제1 방향에 있어서의 시프트량 α1과, 서로 인접하는 상기 제2 볼록부열 및 제3 볼록부열, 상기 제2 오목부열 및 제3 오목부열 또는 상기 제2 나노 입자열 및 제3 나노 입자열 사이의 상기 제1 방향에 있어서의 시프트량 α2가 서로 다른 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 요철 구조 및 광추출층 혹은 나노 입자의 나노 오더에서의 주기성이 흐트러지기 때문에, 도파 모드 유래의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 평탄화층(또는 상술한 접착층)면으로의 삼출광의 추출에 대하여, 회절광에 의한 광추출 향상 정도에 비해서, 상대적으로 광산란성을 강하게 발현시킬 수 있다. 이 광산란성에 의해, 광추출 효율을 높이는 동시에, 광추출층 및 요철 구조의 나노 오더에서의 균일성이 흐트러짐으로써, 컬러 시프트를 저감하고, 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되어, 글래어를 억제할 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 시프트량 α1 및 상기 시프트량 α2의 차분이 일정하지 않은 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 요철 구조 및 광추출층 혹은 나노 입자의 주기성이 보다 크게 흐트러지기 때문에, 회절광에 의한 광추출 향상 정도와 비교하여 상대적으로 보다 광산란성 효과를 높일 수 있게 되어, 광산란성에 의해 광추출 효율을 높일 수 있다. 또한, 광추출층 및 요철 구조 혹은 나노 입자의 균일성이 흐트러짐으로써, 컬러 시프트를 저감하여, 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되어, 글래어를 보다 억제할 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 인접하는 볼록부 또는 오목부 사이에 형성된 극소 볼록부 또는 극소 오목부를 갖는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 반도체 발광 소자용 광추출체의 두께 방향에 있어서의 광추출층의 분포를 크게 할 수 있게 되기 때문에, 도파 모드 유래의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 평탄화층면으로의 삼출광의 추출에, 복수의 회절 모드를 이용할 수 있어, 광산란성 효과를 보다 높일 수 있게 된다고 추정된다. 이 때문에, 광추출 효율이 향상되는 동시에, 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되어, 글래어를 보다 억제할 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 요철 구조의 상기 복수의 볼록부 또는 상기 오목부는, 제1 높이를 갖는 복수의 제1 볼록부 또는 오목부와, 상기 제1 높이보다도 낮은 제2 높이를 갖는 복수의 제2 볼록부 또는 오목부를 포함하고, 상기 제2 볼록부 또는 오목부는, 상기 요철 구조의 볼록부 평균 높이 h에 대하여 하기 식(19)을 만족하는 볼록부 높이 hn를 갖는 동시에, 상기 요철 구조에 있어서 하기 식(20)을 만족하는 확률 Z로 존재하는 것이 바람직하다.
식(19) 0.9 h≥hn
식(20) 1/10000≤Z≤1/5
이 구성에 따르면, 볼록부 평균 높이 h보다도 낮은 볼록부를 소정의 확률로 포함하기 때문에, 광추출층의 광추출체 평면 방향의 분포 및 체적 분포가 커져, 회절에 의한 광추출 향상에 대하여 상대적으로 광산란성 효과가 커진다고 생각된다. 그리고, 강화된 광산란성에 의해, 광추출 효율을 높이는 동시에, 광산란 효과에 의해 컬러 시프트를 저감하여, 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되고, 글래어를 억제할 수 있다. 특히, 식(19)을 만족하는 볼록부의 존재 확률 Z이 1/10000 이상임으로써, 추출되는 빛에 대한 산란성을 강하게 부가할 수 있게 된다. 이것은, 식(19)을 만족하는 볼록부와 식(19)을 만족하지 않는 볼록부는 광회절의 모드가 다름에 의한 것이다. 즉, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서는 광회절로서 추출되는 빛이라도, 수십 마이크로미터 이상의 거시적 스케일에서의 관찰에 있어서는, 복수의 회절 모드의 평균적인 빛으로서 관찰되기 때문에, 산란성을 발휘하게 된다. 한편, 존재 확률 Z이 1/5 이하임으로써, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 요철 구조, 제2 굴절율을 갖는 광추출층 및 제3 굴절율을 갖는 평탄화층(또는 접착층)의 각 계면 형상의 제어성이 향상되기 때문에, 광추출에 대한 제어성을 향상시킬 수 있다. 즉, 식(19)을 만족하지 않는 요철 구조에 기인하는 광회절성을 중심으로 한 설계를 할 수 있기 때문에, 광추출 효율과 컬러 시프트 저감의 밸런스를 잡기가 용이하게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 복수의 볼록부 또는 오목부의 볼록부 평균 위치 scv 내의 선분 lcv 상에서 상기 제2 볼록부 또는 오목부를 통해 인접하는 상기 제1 볼록부 또는 오목부 사이의 거리 tcv와, 상기 인접하는 볼록부 또는 오목부 사이의 간격 P이 하기 식(21)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(21) 1.0 P＜tcv≤9.5 P
이들 구성에 따르면, 볼록부 평균 높이 h보다도 낮은 볼록부의 집합하는 수(크기)를 제한할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자용 광추출체의 평면 방향에 있어서의 광추출층의 크기를 제한할 수 있게 된다. 이 때문에, 소정 사이즈 이하의 광추출층을 포함하게 되어, 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 평탄화층 계면에 있어서의 삼출광에 대한 광회절에 의한 추출 효율이 향상된다. 또한, 반도체 발광 소자용 광추출체의 평탄화층의 표면을, 반도체 발광 소자의 발광층면의 표면에 접촉시켜 도광 모드 유래의 삼출광을 추출함으로써, 반도체 발광 소자용 광추출체 내부로 유도한 발광광의 요철 구조층과 평탄화층 계면(또는 상술한 접착층 계면) 및 광추출층과 평탄화층 계면에 있어서의 반사를 억제할 수 있기 때문에, 효과적으로 빛을 기재가 노출되는 면으로 유도할 수 있게 된다고 생각된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 복수의 나노 입자는, 상기 중심면의 면내 방향에 있어서의 제1 직경을 갖는 복수의 제1 나노 입자와, 상기 제1 직경보다도 큰 제2 직경을 갖는 복수의 제2 나노 입자를 포함하고, 상기 제1 직경은, 상기 평균 피치, 상기 피치(Px) 또는 상기 피치(Py)보다도 작고, 상기 제2 직경은, 상기 평균 피치, 상기 피치(Px) 또는 상기 피치(Py)보다도 크며, 이들의 9.5배 크기 이하인 동시에 상기 제2 직경을 갖는 제2 나노 입자는, 상기 제1 직경을 갖는 제1 나노 입자에 대하여 1/10000 이상 1/5 이하의 비율로 존재하는 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 크기가 다른 나노 입자를 소정의 확률로 포함하기 때문에, 나노 입자의 중심면의 면내 방향에 있어서의 분포 및 체적 분포가 커져, 광산란성 효과가 커진다. 그리고, 강화된 광산란성에 의해, 광추출 효율을 높이는 동시에, 광산란 효과에 의해 컬러 시프트를 저감하여 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되어, 글래어를 억제할 수 있다. 또한, 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는 나노 입자의 크기를 소정의 사이즈 이하로 제한할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자로부터의 발광광의 나노 입자와 매질과의 계면에 있어서의 반사를 억제할 수 있어, 제2면으로부터 출광하는 발광광을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 광추출체의 상기 요철 구조층 또는 상기 나노 입자열이 형성되어 있는 주면과 마주 대하는 주면 상에 형성된 단층 혹은 다층의 반사방지층 또는 나노 스케일의 간격으로 배열한 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 반사방지층을 갖는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 도파 모드를 타파하여 추출되는 빛 및 임계각 내의 평탄화층에의 투과광과 같은 반도체 발광 소자용 광추출체 내부로 유도된 발광광의 요철 구조층의 출광면 측에 있어서의 반사를 억제할 수 있다. 즉, 반도체 발광 소자용 광추출체 내부로의 귀환광량을 작게 할 수 있다. 또한, 반도체 발광 소자의 사용자가, 소자를 시인했을 때에, 외광이 소자에 비춰 들어가는 것을 억제할 수 있으므로, 시인성이 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 광추출체의 상기 요철 구조층 또는 상기 나노 입자열이 형성되어 있는 주면과 마주 대하는 주면 상에 형성되며 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재를 지니고, 상기 제4 굴절율(n4)과 상기 제1 굴절율(n1)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체를 제조할 때의 스루풋이 향상되는 동시에, 요철 구조층의 요철 구조의 제조 제어성이 향상된다. 또한, 새롭게 설치되는 기재의 굴절율(n4)이, 요철 구조층의 굴절율(n1)과 실질적으로 같기 때문에, 요철 구조층 및 광추출층 혹은 나노 입자에 의해 추출된 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 평탄화층과의 계면으로부터의 삼출광 및 임계각 내의 평탄화층으로의 투과광은, 요철 구조층과 기재와의 계면을 거의 인식하지 않게 되어, 그 계면에 있어서의 반사를 억제할 수 있게 되어, 효과적으로 발광광을 기재의 노출되는 면으로 유도할 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 기재가 가스 배리어 기능 또는 수증기 배리어 기능의 적어도 어느 한쪽의 기능을 갖는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 발광 소자로서의 신뢰성이 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 상기 기재의 표면 위에 형성된 도트 또는 홀을 지니고, 상기 도트 또는 상기 홀의 평균 피치가 100 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 도파 모드를 타파하여 추출되는 빛 및 임계각 내의 평탄화층으로의 투과광이, 기재의 출광면에서 반사되어, 반도체 발광 소자용 광추출체 내부로의 귀환광으로 되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때에 외광이 소자에 비춰 들어가는 것을 억제할 수 있으므로, 시인성이 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체에서는, 가스 배리어 기능, 수증기 배리어 기능, 내마모 기능, 방오 기능, 소수성 기능, 친수성 기능, 대전 방지 기능, 컬러 필터 기능, 컬러 시프트 기능, 편광 수정 기능, 반사 방지 기능, 광 재지향 기능, 확산 기능 및 광학 회전 기능으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 기능층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이 구성에 따르면, 기능층을 더 포함함으로써 반도체 발광 소자용 광추출체를 사용하여 제작된 발광 소자의 소자 기능이 향상된다. 예컨대, 가스 배리어성이나 수증기 배리어성을 더 포함함으로써, 유기 EL 소자의 발광부의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 또한, 예컨대, 기재의 노출되는 면 위에 내마모 기능, 방오 기능, 소수성 기능, 친수성 기능, 대전 방지 기능 등을 더 포함함으로써, 소자에 부착되는 오물의 양을 저감하는 동시에, 닦아내기가 용이하게 된다. 또한, 예컨대, 기재의 노출되는 면 위에 반사 방지 기능을 부가함으로써 시인성이 향상된다.
본 발명의 발광 소자는, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체와, 상기 요철 구조층 혹은 상기 나노 입자열이 형성되어 있는 주면 측에 설치된 발광부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 톱 에미션형 유기 EL 소자는, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체와, 상기 광추출층 상에 접착층을 통해 형성된 발광층을 구비하고, 상기 발광층면과 상기 접착층과의 계면 및 상기 접착층과 상기 광추출층과의 계면의 거리가 10 nm 이상 800 nm 이하인 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의해, 용이하게 유기 EL 소자 내부에서 도파하는 발광광을 추출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 톱 에미션형 유기 EL 소자는, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체와, 상기 평탄화층의 표면 위에 설치된 발광층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의해, 용이하게 유기 EL 소자 내부에서 도파하는 발광광을 추출할 수 있게 된다.
본 발명의 보텀 에미션형 유기 EL 소자는, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체와, 상기 평탄화층 상에 형성된 투명 도전막과, 상기 투명 도전막 상에 설치된 발광부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의해, 용이하게 유기 EL 소자 내부에서 도파하는 발광광을 추출할 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법은, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법으로서, 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재의 표면 위에 전사법에 의해 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층을 형성하는 요철 구조층 형성 공정과, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층 원료의 희석액을 상기 요철 구조층 상에 도공하고, 잉여 용제를 제거하여 상기 요철 구조층 상에, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 형성하는 광추출층 형성 공정과, 상기 광추출층 및 상기 요철 구조층을 덮도록 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층을 형성하는 평탄화층 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 따르면, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체의 각 요소의 제어 성이 향상되는 동시에, 제조시의 스루풋이 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 요철 구조층 형성 공정 전에, 상기 기재의 표면 위에 접착층을 형성하는 접착층 형성 공정, 또는 상기 기재의 표면 위를 친수화하는 친수화 처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이 방법에 의해, 요철 구조의 배치 정밀도가 향상된다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법은, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법으로서, 상기 제3 굴절율(n3)을 갖는 상기 기재의 표면 위에, 전사법에 의해 상기 제1 굴절율(n1)을 갖는 상기 매질을 포함하는 요철 구조층을 형성하는 요철 구조층 형성 공정과, 상기 요철 구조 형성 공정에서 형성한 상기 요철 구조층 상에 나노 입자 원료를 포함하는 용액을 도공하여, 상기 요철 구조층의 오목부 내부에만, 상기 제2 굴절율(n2)을 갖는 상기 나노 입자를 배열시키는 나노 입자 배열 공정과, 상기 요철 구조층 및 상기 요철 구조층의 상기 오목부 내부에 배열한 상기 나노 입자 위에 상기 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 원료의 용액을 도공하여, 상기 나노 입자 및 상기 요철 구조층을 덮도록 상기 제1 굴절율(n1)을 갖는 평탄화층을 형성하는 평탄화층 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 요철 구조층은, 적어도 요철 구조 표면이 소수성인 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 나노 입자 원료를 포함하는 용액은 수계 용제를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 나노 입자 원료가 금속 알콕시드를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 요철 구조층 형성 공정 전에, 상기 기재의 표면 위에 접착층을 형성하는 접착층 형성 공정, 또는 상기 기재의 표면 위를 친수화하는 친수화 처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 평탄화층 형성 공정에 있어서, 상기 매질 원료의 용액을 상기 요철 구조층 상 및 상기 나노 입자 위에 도공하고 나서, 경면을 상기 매질 원료에 접합 및 압압한 후, 상기 매질 원료로부터 상기 경면을 박리하여 상기 평탄화층을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 경면을 상기 매질 원료에 접합 및 압압한 상태에서 에너지선을 조사하고 나서, 상기 매질 원료로부터 상기 경면을 박리하여 상기 평탄화층을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법은, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법으로서, 광전사법에 의해 원통형 몰드 표면에 구비되는 요철 구조를 전사하고, 필름형 기재의 주면 상에 요철 구조를 부여하여 필름형 몰드를 얻는 몰드 형성 공정과, 상기 필름형 몰드의 요철 구조면 위에, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층의 희석 용액을 도공하고, 잉여 용제를 제거하여, 상기 요철 구조의 오목부 내부에 광추출층을 형성하는 광추출층 충전 공정과, 상기 광추출층이 충전 배치된 필름형 몰드의 요철 구조면을, 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재의 표면 위에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층 원료를 통해 접합하고, 에너지선을 조사한 후에, 필름형 몰드를 박리하여, 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재/제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층/요철 구조층의 볼록부 꼭대기부 위에 형성되는 제2 굴절율을 갖는 광추출층으로 구성되는 반도체 발광 소자용 광추출체를 얻는 광추출층 전사 공정과, 상기 광추출층 전사 공정 후에, 광추출층 및 요철 구조층을 덮도록 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층을 형성하는 평탄화층 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법은, 상기 반도체 발광 소자용 광추출체의 제조 방법으로서, 광전사법에 의해 원통형 몰드 표면에 구비되는 요철 구조를 전사하고, 필름형 기재의 주면 상에 요철 구조를 부여하여 제1 필름형 몰드를 얻는 제1 몰드 형성 공정과, 상기 제1 필름형 몰드의 요철 구조를 광전사법에 의해 전사하고, 필름형 기재의 주면 상에 상기 원통형 몰드의 요철 구조와 실질적으로 동등한 요철 구조를 부여하여 제2 필름형 몰드를 얻는 제2 몰드 형성 공정과, 상기 제2 필름형 몰드의 요철 구조면 상에, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층의 희석 용액을 도공하고, 잉여 용제를 제거하여, 상기 요철 구조의 오목부 내부에 광추출층을 형성하는 광추출층 충전 공정과, 상기 광추출층이 충전 배치된 상기 제2 필름형 몰드의 요철 구조면을, 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재의 표면 위에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층 원료를 통해 접합하고, 에너지선을 조사한 후에, 상기 제2 필름형 몰드를 박리하여, 상기 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재/상기 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층/상기 요철 구조층의 볼록부 꼭대기부 위에 형성되는 상기 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층으로 구성되는 반도체 발광 소자용 광추출체를 얻는 광추출층 전사 공정과, 상기 광추출층 전사 공정 후에, 광추출층 및 요철 구조층을 덮도록 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층을 형성하는 평탄화층 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이들 방법에 따르면, 연속 프로세스에 의해 스루풋성이 높게 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체를 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 발광 소자로부터의 발광에 있어서의 컬러 시프트와 글래어를 저감하면서, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율을 개선할 수 있고, 더구나, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 발광 소자용 광추출체 및 발광 소자를 실현할 수 있다.
도 1은 제1 양태에 따른 광추출체의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 2는 제1 양태에 따른 광추출체의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다.
도 3은 제2 양태에 따른 광추출체의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 4는 제2 양태에 따른 광추출체의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다.
도 5는 제1 및 제2 양태의 형태에 따른 광추출체에 있어서의 오목부 내 계면 평균 위치의 설명도이다.
도 6은 제1 양태의 형태에 따른 광추출체의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다.
도 7은 제1 실시형태에 따른 제1 요철 구조를 도시하는 사시 모식도이다.
도 8은 제1 실시형태에 따른 제1 요철 구조를 도시하는 상면 모식도이다.
도 9는 제2 실시형태에 따른 제2 요철 구조를 도시하는 사시 모식도이다.
도 10은 제2 실시형태에 따른 제2 요철 구조를 도시하는 상면 모식도이다.
도 11은 제3 실시형태에 따른 제3 요철 구조를 도시하는 모식도이다.
도 12는 제4 실시형태에 따른 요철 구조를 도시하는 평면 모식도이다.
도 13은 제3 양태의 형태에 따른 광추출체를 도시하는 단면 모식도이다.
도 14는 제4 양태에 따른 광추출체를 도시하는 단면 모식도이다.
도 15는 제4 양태에 따른 광추출체의 나노 입자를 도시하는 단면 모식도이다.
도 16은 제4 양태에 따른 광추출체의 나노 입자의 중심면 내에 있어서의 단면 모식도이다.
도 17은 제4 양태에 따른 광추출체의 나노 입자의 형상의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 18은 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 배열 LP을 도시하는 모식도이다.
도 19는 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 제2 방향에 있어서의 도트열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 20은 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 배열 LP을 도시하는 모식도이다.
도 21은 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 배열 LP을 도시하는 모식도이다.
도 22는 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조층을 도시하는 모식도이다.
도 23은 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 제2 방향에 있어서의 다른 도트 직경을 갖는 도트열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 24는 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 제2 방향에 있어서의 다른 도트 높이를 갖는 도트열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 25는 제1 및 제2 실시형태에 따른 요철 구조에 있어서의 복수의 볼록부 또는 오목부의 배열 α을 도시하는 모식도이다.
도 26은 도 7에서의 1점쇄선 VII-VII에 따른 수직 단면도이다.
도 27은 도 9의 1점쇄선 IX-IX에 따른 수직 단면도이다.
도 28은 제4 양태에 따른 광추출체의 나노 입자의 형상 분포 DF를 도시하는 단면 모식도이다.
도 29는 제4 양태에 따른 광추출체의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다.
도 30은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 1의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 31은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 1의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 32는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 1의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 33은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 1의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 34는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 1의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 35는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 1의 일 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 36은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 37은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 광전사법의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 38은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 릴형 몰드 G2의 제조 공정을 도시하는 모식도이다.
도 39는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 광추출층 충전 공정을 도시하는 모식도이다.
도 40은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 광추출층 전사 공정을 도시하는 모식도이다.
도 41은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 광추출층 전사 공정을 도시하는 모식도이다.
도 42는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 평탄화층 형성 공정을 도시하는 모식도이다.
도 43은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 평탄화층 형성의 후속 공정을 도시하는 모식도이다.
도 44는 본 발명의 실시예 13에 따른 광추출체의 투과형 전자현미경 사진이다.
도 45는 본 발명의 실시예의 결과를 도시하는 그래프이다.
도 46은 본 발명의 비교예의 결과를 도시하는 그래프이다.
도 47은 본 발명의 실시예 15의 결과를 도시하는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 상세히 설명한다.
반도체 발광 소자에서는, 배경기술에서 설명한 것과 같이, 발광광이 고굴절율 매체 내부에 가둬지는 도파 모드를 형성한다. 이 때문에, 발광한 빛이 디바이스 외부로 방출되는 효율(광추출 효율)이 크게 감소한다. 도파 모드를 어지럽혀 광추출 효율을 향상시키기 위해서는, 특허문헌 2에 기재되어 있는 것과 같이, 발광 소자 내부에서의 전반사를 일으키는 계면에 요철 구조를 형성하는 방법이 효과적이다. 특히, 반도체 발광 소자를 구성하는 부재의 굴절율의 관계로부터, 발광광의 투명 도전층 계면에 있어서의 반사를 어지럽혀 도파 모드를 억제하는 것이 효과적이다. 이러한 관점에서 생각하면, 투명 도전층 자체에 요철 구조를 부여함으로써 도파 모드의 흐트러짐은 커져 광추출 효율이 크게 향상된다고 생각된다. 그러나, 투명 도전층의 막 두께 분포나 투명 도전층 표면의 급격한 불균일은 전류 집중을 야기하기 때문에, 디바이스의 열화를 촉진한다. 즉, 투명 도전층에 대한 요철 구조를 부여함으로써, 광학적으로는 도파 모드가 흐트러져 광추출 효율을 향상시키는 것은 가능하다고 생각되지만, 반도체 발광 소자로서는 장기간 신뢰성이 저하된다고 생각할 수 있다. 따라서, 투명 도전층 자체에 직접 요철 구조를 형성하지 않고서, 광추출 효율을 향상시키는 수법이 필요하다.
특허문헌 3에 기재된 방법은, 투명 도전층 계면으로부터 스며나오는 에바네센트파를 추출하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 광추출 효율을 보다 향상시키기 위해서는, 평탄화층을 구성하는 부재의 굴절율을 투명 도전층의 굴절율에 가깝게 할 필요가 있다. 이러한 고굴절율 재료는 생산이 곤란하며 고가일 뿐만 아니라, 입자로서 안정화되는 경향이 강하기 때문에, 평탄화층 표면의 평탄성이 악화되어, 즉 투명 도전층의 막 두께 분포가 악화되어, 반도체 발광 소자로서의 장기간 신뢰성이 저하된다고 생각된다. 즉, 투명 도전층 자체에 요철 구조를 형성하지 않으면서 투명 도전층의 막 두께 제어가 용이한 광추출 방법이 필요하다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 방법은, 회절 격자 또는 존 플레이트를 사용하는 것을 특징으로 하기 때문에, 광회절 특유의 강한 글래어를 일으키게 된다. 특허문헌 3에 기재된 방법의 경우, 투명 도전층 계면으로부터 발생하는 에바네센트파를 추출한다. 이 때문에, 충전제층과 구조화층의 굴절율차와, 요철 구조층의 요철 구조의 형상 및 배열에 의해 결정되는 광회절에 의해 광추출 효율을 개선하게 된다. 이 경우, 에바네센트파로부터 본 광추출 요소의 계면은 충전층과 요철 구조층의 계면뿐이다. 이 때문에, 광회절 특유의 소정 각도로의 출광을 만족하게 되어, 강한 글래어를 일으키게 된다.
본 발명은, 이러한 점에 주목하여, 디바이스로서의 장기간 신뢰성과 광추출 효율을 동시에 향상시키는 것을 목적으로 하여 강구된 것이다. 또한, 반도체 발광 소자를 디스플레이나 조명, 특히 디스플레이에 사용할 때에, 반도체 발광 소자의 컬러 시프트를 억제하는 것이 중요하다는 데에도 주목했다. 즉, 본 발명의 골자는, 디바이스로서의 장기간 신뢰성을 향상시키면서 광추출 효율도 동시에 향상시키고, 또 반도체 발광 소자로부터 출광되는 빛의 컬러 시프트와 글래어를 저감하는 데에 있다.
이러한 배경에서 검토한 결과, 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형의 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층의 요철 구조 상의 소정 위치에 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 설치한 반도체 발광 소자용 광추출체(이하, 단순히 광추출체라고도 함)를 사용함으로써 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 알아냈다. (1) 즉, 광추출체를 사용하여 반도체 발광 소자를 제조할 때의, 투명 도전층의 성막성을 안정화시킬 수 있다. 투명 도전층의 성막성이 안정됨으로써, 투명 도전층의 막 두께 분포나 투명 도전층 표면의 불균일을 억제할 수 있기 때문에, 전류 집중을 억제할 수 있고, 그 결과, 디바이스로서의 장기간 신뢰성이 향상된다. 이것은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형이기 때문이다. 보다 구체적으로는, 요철 구조 상에 배치되는 매질의 에너지적 안정성을 제어할 수 있기 때문이다. 또한, (2) 투명 도전층과 광추출층과의 거리를 나노 스케일로 용이하게 작게 할 수 있기 때문에, 투명 도전층 표면으로부터 스며나오는 삼출광을 용이하게 추출할 수 있게 되어, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 투명 도전층을 투과한 발광광의, 광추출층에 의한 반사를 억제할 수 있기 때문에, 광추출 효율의 향상 정도가 보다 커진다. 이들은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형이기 때문이다. 또한, 투명 도전층으로부터 스며나오는 삼출광으로부터 본 계면수를 크게 할 수 있기 때문에, 광회절에 복수의 모드를 둘 수 있게 되므로, 추출되는 빛은 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 복수의 회절점이 존재하는 것과 같이 거동하여, 광산란성이 증가한다. 이 때문에, 도파 모드의 흐트러짐은 커져, 광추출 효율이 보다 향상된다.
나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열에 대한 흐트러짐을 제어하는 것이 용이하게 되기 때문에, 흐트러짐에 기인한 광산란성을 발현시키는 것도 가능하게 된다. 이 때문에 컬러 시프트가 저감된다고 생각된다. 또한, 투명 도전층과 광추출층과의 거리의 분산 제어도 용이하게 되기 때문에, 컬러 시프트의 저감이 한층 더 용이하게 된다. 광추출 작용을 광회절에 의해 달성하는 경우, 추출되는 빛은 소정 각도에 대하여 강하게 추출된다. 그러나, 투명 도전층과 광추출층과의 거리에 분포를 둠으로써, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적인 스케일에서의 광회절의 모드에 분산이 포함되게 된다. 즉, 미시적인 스케일에서는, 광회절에 의해 광추출을 할 수 있고, 또한, 수십 마이크로미터 이상의 거시적인 관찰에서는, 나노 스케일의 광회절의 흐트러짐의 평균적 광이 관찰되기 때문에, 광산란성을 발휘한다. 특히, 제1 요철 구조층의 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상임으로써, 요철 구조에 대한 흐트러짐을 자의적으로 가할 수 있게 되어, 컬러 시프트 저감 효과가 한층 더 향상된다.
본 발명자들은, 표면에 요철 구조가 형성된 요철 구조층 상에, 이 요철 구조를 평탄화하도록 요철 구조층과는 다른 굴절율을 갖는 광추출층을 형성한 광추출체에서는, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율을 개선할 수 있는 한편, 반도체 발광 소자로부터의 삼출광을 효과적으로 추출하여 광추출 효율을 향상시키기 위해서는 고굴절율 재료가 필요하기 때문에, 평탄화층 표면의 평탄성이 악화되어 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성이 저하하는 데에 주목했다. 또한, 반도체 발광 소자로부터의 삼출광이 발생하는 반도체 발광 소자와의 면과, 요철 구조층 또는 광추출층과의 사이의 거리 분포가 작아지는 동시에, 삼출광을 추출하는 매질 계면이 하나임에 따른 회절광에 기초한 발광광의 글래어가 생기는 데에 주목했다. 그리고, 본 발명자들은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형의 요철 구조층 상에, 제1 굴절율(n1)과는 실질적으로 다른 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 형성하는 동시에, 광추출층과 입광면 사이의 거리를 소정 범위로 함으로써, 반도체 소자로부터의 빛의 추출 효율의 개선과 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성의 향상을 함께 실현할 수 있다는 것을 알아냈다. 나아가서는, 글래어의 저감도 실현할 수 있다는 것을 알아냈다.
또한, 본 발명자들은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층 상에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층과 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층 사이에, 제1 굴절율(n1) 및/또는 제3 굴절율(n3)과는 실질적으로 다른 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층을 형성하는 동시에, 광추출층과 입광면 사이의 거리를 소정 범위로 함에 의해서도, 상술한 반도체 발광 소자로부터의 빛의 추출 효율의 개선과, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성의 향상을 함께 실현할 수 있다는 것을 알아냈다. 나아가서는, 발광광의 글래어의 저감도 실현할 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
더 나아가, 본 발명자들은, 상기한 배경을 더 검토한 결과, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 박막의 소정의 면내에 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자를 포함하는 광추출체를 사용함으로써 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 알아냈다. (1) 즉, 광추출체를 사용하여 반도체 발광 소자를 제조할 때의, 투명 도전층의 성막성을 안정화시킬 수 있다. 투명 도전층의 성막성이 안정됨으로써, 투명 도전층의 막 두께 분포나 투명 도전층 표면의 불균일을 억제할 수 있기 때문에, 전류 집중을 억제할 수 있고, 그 결과, 디바이스로서의 장기간 신뢰성이 향상된다. 이것은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 박막 내의 소정의 면내에 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자를 포함하기 때문이다.
보다 구체적으로는, 나노 입자가 제1 굴절율(n1)을 갖는 박막 내의 면 방향 및 두께 방향으로 분산되어 있는 경우, 제1 굴절율(n1)을 갖는 박막의 표면은, 나노 입자의 영향을 받아, 평탄성이 악화되기 때문이다. 또한, (2) 투명 도전층과 나노 입자와의 거리를 나노 스케일로 용이하게 작게 할 수 있기 때문에, 투명 도전층 표면으로부터 스며나오는 삼출광을 용이하게 추출할 수 있게 되어, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 투명 도전층과 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 계면에 대하여 임계각 내의 발광광의 반사를 억제할 수 있다. 이것은, 제2 굴절율(n2)을 갖는 입자가 나노 입자인 것과, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자 이외의 매질은 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질이며, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자 사이에는 광학적 계면이 존재하지 않는 것에 의한 것이다. 또한, (3) 나노 입자의 형상이나 소정의 면내에 있어서의 배열에 분포를 더함으로써, 컬러 시프트를 억제하는 것도 가능하다고 생각된다. 예컨대, 나노 입자의 배열에 의해 광회절을 이용하여 광추출 효율을 향상시키는 경우, 추출되는 빛은 소정 각도에 대하여 강하게 추출된다. 그러나, 나노 입자의 형상이나 배열에 분포를 둠으로써, 나노 입자 하나하나와 같은 미시적인 스케일에서의 광회절의 모드에 분산이 포함되게 된다. 즉, 미시적인 스케일에서는, 광회절에 의해 광추출을 행할 수 있으면서, 수십 마이크로미터 이상의 거시적인 관찰에서는, 나노 스케일의 광회절의 흐트러짐의 평균적 광이 관찰되기 때문에, 광산란성을 발휘한다. 따라서, 컬러 시프트는 저감된다고 생각된다.
본 발명자들은, 반도체 발광 소자로부터의 발광광의 추출에 이용하는 광추출체에서는, 광추출체를 구성하는 매질의 굴절율을 제어하여 도파 모드를 타파하는 것이 유효한 한편, 광추출체를 구성하는 매질의 굴절율 제어가 곤란하다는 데에 주목했다. 그리고, 본 발명자들은, 소정의 굴절율을 갖는 매질에 의해서 구성된 광추출체 내에, 광추출체를 구성하는 매질과는 실질적으로 다른 굴절율을 갖는 복수의 나노 입자를, 광추출체 내의 특정 면으로부터 멀어짐에 따라서 감소하도록 배열함으로써, 복수의 나노 입자에 의해서 반도체 발광 소자로부터의 발광광의 추출 효율을 향상시킬 수 있음을 알아내어, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 골자는, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 의해 구성되고, 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 나노 입자를 포함하여 이루어지는 광추출체로서, 제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)과의 차의 절대치(|n1-n2|)가 0.1 이상이면서, 광추출체는 서로 평행한 제1면 및 제2면을 지니고, 나노 입자는, 제1면 및 제2면에 대략 평행한 면을 가로지르는 나노 입자의 수가 최대가 되는 면을 중심면으로 한 경우에, 이 중심면에 대략 평행한 면을 가로지르는 나노 입자의 수가, 중심면에서 멀어짐에 따라서 감소하도록 배치된 광추출체이다. 이 광추출체에 따르면, 광추출체를 구성하는 매질과는 실질적으로 다른 굴절율을 갖는 복수의 나노 입자가 광추출체의 중심면 근방에 분포하는 동시에, 복수의 나노 입자의 수가 중심면에서 떨어짐에 따라서 감소하도록 배치되기 때문에, 광추출체 내에 랜덤하게 나노 입자를 배치하는 경우와 비교하여 나노 입자에 기초한 광학 기능을 효과적으로 발현할 수 있다. 이에 따라, 중심면 근방에서의 복수의 나노 입자에 의한 반도체 발광 소자로부터의 발광광의 추출 효율이 향상되는 동시에, 나노 입자의 수를 삭감하여도 충분히 발광광을 추출할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자로부터 용이하게 빛을 추출할 수 있는 광추출체를 실현할 수 있다. 또한, 나노 입자가 랜덤하게 배치된 경우와 비교하여, 광추출체의 표면에 대한 나노 입자의 영향을 억제할 수 있으므로, 광추출체 표면의 평탄성을 양호하게 유지할 수 있게 되어, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성 및 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서의 굴절율은, 통상의 광학 굴절율계, 분광 엘립소메트리 등으로 측정할 수 있으며, 특히 미소한 영역의 굴절율은 TEM-EELS 등으로부터 측정되는 유전 함수로부터 구할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
＜제1 양태＞
도 1은 본 발명의 제1 양태(어스펙트)에 따른 반도체 발광 소자용 광추출체(1)(이하, 단순히 「광추출체(1)」라고 함)의 단면 모식도이다. 한편, 이하의 설명에서는, 도 1에 도시하는 상측을 반도체 발광 소자(도시되지 않음)로부터 광추출체(1)로의 빛의 입광 방향으로 하고, 도 1에 도시하는 하측을 광추출체(1)로부터의 빛의 출광 방향으로 한다. 또한, 광추출체(1)의 상면을 입광면(1a)으로 하고, 광추출체(1)의 하면을 출광면(1b)으로 한다. 도 1에서 화살표 A는 입광을 나타낸다.
도 1에 도시하는 것과 같이, 제1 양태에 따른 광추출체(1)는, 표면에 요철 구조(11a)가 형성되며, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층(11)과, 이 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a) 상에 형성되며, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(12)과, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a) 위 및 광추출층(12)을 덮도록 형성되며, 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층(13)을 구비한다. 이 광추출체(1)는, 평탄화층(13)의 상면(입광면(1a))이 반도체 발광 소자(도시되지 않음)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층) 측의 표면에 배치되어 사용된다. 이하, 투명 도전층으로 대표되는 발광층면을 단순히 투명 도전층면이라고 기재한다. 광추출체(1)의 입광면(1a)으로부터 광추출체(1) 내에 입광된 반도체 발광 소자의 발광광은, 요철 구조층(11)의 하면(출광면(1b))으로부터 출광된다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)의 입광면(1a)으로부터 입광되는 빛은, 반도체 발광 소자의 발광층으로부터 발광한 발광광이며, 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫째로, 투명 도전층면에 대하여 임계각 내의 각도로 입광하는 발광광이다(이하, 「임계각 내의 발광광」이라고도 함). 바꿔 말하면, 임계각 내의 발광광은 투명 도전층면에 대하여 전반사를 일으키지 않는 입사각으로 입광되는 발광광이다. 둘째로, 반도체 발광 소자 내부에서 도파 모드를 형성한 발광광이, 투명 도전층면에서 반사할 때에 투명 도전층면에서부터 입광면(1a) 측으로 스며나오는 삼출광(이하, 단순히 「삼출광」이라고도 함)이다. 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 향상시키기 위해서는, 임계각 내의 발광광 및 삼출광 양쪽을, 광추출체(1)의 출광면(1b)으로부터 출광시킬 필요가 있다. 즉, 제1 양태에 따른 광추출체(1)를 사용하여 반도체 발광 소자를 제조함으로써, 원래 반도체 발광 소자의 외부로 추출되지 않는 삼출광을 추출하여 광추출체(1)의 출광면(1b)으로부터 추출할 수 있게 되는 동시에, 임계각 내의 발광광이 광추출체(1)의 내부에서 반사되어 광추출체(1)의 입광면(1a)으로 되돌아가는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 광추출 효율을 개선할 수 있다. 입광면(1a)으로부터 입광한 임계각 내의 발광광은, 요철 구조층의 요철 구조, 광추출층 및 평탄화층의 각 계면 형상과, 제1 굴절율(n1), 제2 굴절율 및 제3 굴절율(n3)의 관계에 기초하여, 광회절을 일으켜 출광면(1b)으로 향한다. 여기서, 요철 구조(11a)의 형상을 기초로 상기 계면 형상은 결정되기 때문에, 요철 구조(11a)의 형상을 소정의 형상으로 함으로써, 임계 각도 내의 발광광의 광추출체(1) 내에서의 반사를 억제하여, 효과적으로 출광면(1b)으로 유도할 수 있게 된다. 한편, 삼출광은, 광추출체(1)의 입광면(1a)과 투명 도전층면과의 계면으로부터 입광면(1a) 측으로 스며나와, 평탄화층(13) 내부를 전파하여 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 도달한다. 전파된 삼출광은, 요철 구조층의 요철 구조, 광추출층 및 평탄화층의 각 계면 형상과, 제1 굴절율(n1), 제2 굴절율 및 제3 굴절율(n3)의 관계에 기초하여, 광회절에 의해 추출되어, 출광면(1b)으로 향한다. 여기서, 삼출광은 광추출체의 두께 방향에 대한 거리의 지수함수적으로 감쇠하기 때문에, 광추출층 및 요철 구조(11a)와 입광면(1a)과의 거리는 나노 스케일로 작게 할 필요가 있다. 제1 실시형태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)가 소정 형상 및 크기를 만족하므로, 광추출층 및 요철 구조층의 요철 구조(11a)와 입광면(1a)과의 거리를 용이하게 나노 스케일로 얇게 할 수 있게 되어, 삼출광을 추출할 수 있게 된다.
또한, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)의 형상 및 크기가 소정의 범위를 만족하므로, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 위치하는 평탄화층의 표면 위치와, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 상에 위치하는 평탄화층의 표면 위치의 차를 작게 할 수 있게 된다. 즉, 입광면(1a)의 표면정밀도를 높게 유지할 수 있다. 이 때문에, 반도체 발광 소자에 있어서의 전류 집중에 주로 기인한 열화를 억제할 수 있어, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조(11a)는 소정의 구조를 만족하므로, 요철 구조(11a)에 대한 배열이나 형상의 흐트러짐을 자의적으로 용이하게 가할 수 있게 된다. 이 때문에, 제1 굴절율(n1), 제2 굴절율(n2) 및 제3 굴절율(n3)이 소정의 관계를 만족하기 때문에, 입광면(1a)으로부터 입광되는 삼출광 및 임계각 내의 발광광은, 광추출체(1) 내부에서 복수의 흐트러진 계면을 인식할 수 있게 된다. 즉, 요철 구조(11a)의 배열에 의해 광추출층(12) 및 평탄화층(13)의 배열을 제한한 경우라도, 삼출광 및 임계각 내의 발광광은, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 복수의 흐트러진 회절점 그룹이 존재하는 것처럼 거동할 수 있게 된다. 따라서, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적인 스케일에서는 각 계면 위치에 대응한 광회절을 일으키게 되는데, 이들 회절 모드는 복수의 모드를 포함하게 된다. 이 때문에, 수십 마이크로미터 이상과 같은 거시적인 스케일에서 본 경우, 추출되는 빛은 산란성을 발휘하게 되고, 컬러 시프트를 저감하는 것도 가능하다고 생각된다. 또한, 임계각 내의 발광광의 반사를 최대한 작게 하도록 요철 구조(11a)의 크기를 보다 작게 한 경우라도, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 따른 광산란성으로서, 삼출광을 추출할 수 있게 된다.
요철 구조(11a)는, 서로 이격되어 형성된 복수의 볼록부(11b) 또는 오목부(11c)와, 각 볼록부(11b) 또는 오목부(11c) 사이에 형성된 복수의 오목부(11c) 또는 볼록부(11b)를 포함한다. 요철 구조(11a)는, 광추출체(1)의 표면 내에 걸쳐 연속하여 형성되어 있다. 한편, 서로 이격되어 형성된 복수의 볼록부(11b)와, 각 볼록부(11b) 사이에 형성된 연속된 오목부(11c)를 포함하는 요철 구조(11a)를 도트 형상(후술하는 제1 요철 구조(101a))(도 7 참조)이라고 표기한다. 또한, 서로 이격되어 형성된 복수의 오목부(11c)와, 각 오목부(11c) 사이에 형성된 연속된 볼록부(11b)를 포함하는 요철 구조(11a)를 홀 형상(후술하는 제2 요철 구조(111a))(도 9 참조)라고 표기한다.
또한, 요철 구조층(11)은, 광추출체(1)의 표면 내에 걸쳐, 연속해서 형성된 울타리 형상체라도 좋다. 한편, 복수의 울타리 형상체가 서로 평행하게 배열한 상태를 울타리 형상(후술하는 제3 요철 구조(121a))(도 11 참조)이라고 표기한다. 또한, 복수의 울타리 형상체가 교차하도록 설치된 상태를 격자형(후술하는 제4 요철 구조(131a))(도 12 참조)이라고 표기한다.
또한, 광추출체(1)에 있어서의 요철 구조층(11)의 미세 구조가, 울타리 형상 또는 격자형으로 구성되는 경우에는, 라인의 장축 방향을 제1 방향 D1이라고 정의한다. 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2으로 배열된 복수의 라인 열에서, 인접하는 라인의 중앙선 사이의 최단 거리가 피치 Px에 상당한다. 바꿔 말하면, 상기 도트 형상의 설명에서, 제1 방향 D1으로 피치 Py로 배열하는 도트열의 피치 Py를 제로에 점근(漸近)하여, 인접하는 도트를 이은 상태가 울타리 형상 구조에 상당한다.
광추출층(12)은, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 형성된 제1 광추출층(12a)과, 오목부(11c) 내에 형성된 제2 광추출층(12b)을 포함한다. 한편, 광추출층(12)은, 반드시 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b) 쌍방을 가질 필요는 없다. 예컨대, 광추출층(12)은, 도 2A에 도시하는 것과 같이, 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a)만을 형성하여도 좋고, 도 2B에 도시하는 것과 같이, 오목부(11c) 내에 제2 광추출층(12b)만을 형성하여도 좋다.
또한, 광추출층(12)이 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b) 쌍방을 갖는 경우에는, 도 1에 도시하는 것과 같이, 반드시 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)를 분리하여 형성할 필요는 없다. 광추출층(12)은, 제2 광추출층(12b)이 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 안을 완전히 충전하지 않도록 형성한 것이라면, 제1 광추출층(12a)과 제2 광추출층(12b)이 연속되도록 형성하여도 좋다. 즉, 광추출층(12)은, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내에서부터 볼록부(11b)의 꼭대기부에 걸쳐 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)을 연속적으로 형성하여도 좋다. 이러한 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)이 연속적으로 형성되는 경우라도, 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)에 의해 형성되는 요철 구조에 의해 삼출광을 추출할 수 있다. 이러한 경우, 제1 광추출층에 의해 삼출광을 추출하고, 제1 광추출층(12a)과 제2 광추출층(12b)과의 거리를 크게 하여 임계각 내에 발광광의 반사를 억제하면 바람직하다.
평탄화층(13)은, 삼출광을, 요철 구조(11a) 및 광추출층(12)으로 전파한다. 광추출층(12)은, 평탄화층(13)에 의해 전파된 삼출광을, 광회절 또는 광회절 및 광산란 현상에 의해 추출한다. 요철 구조(11a)는, 광추출층(12)을 지지하는 동시에, 평탄화층(13)에 의해 전파된 삼출광을, 광회절 또는 광회절과 광산란 현상에 의해 추출한다.
상기 설명한 것과 같이, 본 발명의 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 삼출광을 광회절 또는 광회절 및 광산란에 의해 추출할 수 있다. 이러한 추출 형식의 차이는, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)의 배열과, 반도체 발광 소자의 발광광의 파장에 의해 결정된다. 본 명세서에서의 광회절은, 발광광의 파장이 요철 구조(11a)의 평균 피치 P보다도 같은 정도 이하인 경우에 생기는 광학 현상을 의미한다. 한편, 광회절과 광산란은, 발광광의 파장이 요철 구조(11a)의 평균 피치 P보다도 큰 경우에 생기는 광학 현상을 의미한다. 이것은, 입사광의 파장이 요철 구조의 평균 피치 P보다도 큰 경우, 요철 구조는 입사광으로부터 봤을 때 평균화되는 유효 매질 근사적 작용에 기초한 것이다. 이 경우, 발광광으로부터 봤을 때 형성되는 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포 및 콘트라스트에 따른 광학 현상을 일으키게 되어, 그 분포가 랜덤하고 또는 발광광보다도 충분히 크면 광산란 현상을 발현하게 되고, 그 분포가 발광광의 파장과 같은 정도 이상이라면 광회절 현상을 발현하게 된다.
한편, 이하의 설명에서는, 특별히 언급해 두지 않는 한, 광회절이라는 표현을 대표하여 사용하는 것으로 한다.
＜제2 양태＞
이어서, 본 발명의 제2 양태에 따른 광추출체(2)에 관해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2 양태에 따른 광추출체(2)의 단면 모식도이다. 도 3에 도시하는 것과 같이, 이 광추출체(2)는, 도 1에 도시한 광추출체(1)로부터 평탄화층(13)을 제외한 구성을 갖는다. 광추출체(2)는, 접착층(13a)을 통해 광추출층(12)(제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b))의 표면에 반도체 발광 소자의 투명 도전층면을 접촉시켜 사용된다. 즉, 상술한 제1 양태에 따른 광추출체(1)는, 제2 양태에 따른 광추출체(2)를 사용할 때에 필요한 접착층(13a)이 평탄화층(13)으로서 미리 구비된 것으로 생각할 수 있다.
제2 양태에 따른 광추출체(2)의 요철 구조 또는 광추출층의 형상이나 배치, 또한 사용하는 효과나 그 원리는, 상기 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서 설명한 것과 마찬가지이며, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 설명에서 사용한 평탄화층을 접착층으로 바꿔 읽을 수 있다.
＜광추출체＞
이하, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에 기초하여 설명하지만, 특별히 언급해 두지 않는 한, 광추출체(1)의 설명에 관해서, 평탄화층(13)을 접착층(13a)이라고 바꿔 읽음으로써, 제2 양태에 따른 광추출체(2)를 동시에 설명하는 것으로 한다. 또한, 이하에서는, 도 1에 도시한 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a) 및 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b) 양쪽이 형성되어 있는 경우를 대표하여 설명하지만, 특별히 언급해 두지 않는 한, 볼록부(11b) 상에만 제1 광추출층(12a)이 형성되는 경우나, 오목부(11c) 내에만 제2 광추출층(12b)이 형성되는 경우도 같은 정의로 한다.
우선, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 제2 양태에 따른 광추출체(2)의 경우는, 광추출체(2)를 사용할 때의 접착층(13a)의 굴절율이 이하에 설명하는 제3 굴절율을 만족하는 것으로 한다. 또한, 본 명세서에서, 「굴절율이 실질적으로 동등」이란, 굴절율(nA)의 매질(A) 및 굴절율(nB)의 매질(B)의 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1보다 작은 경우이며, 「굴절율이 같다」란, 굴절율(nA)의 매질(A) 및 굴절율(nB)의 매질(B)의 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0인 경우이다.
굴절율이 실질적으로 동등한 경우, 굴절율(nA)을 갖는 매질(A)과 굴절율(nB)을 갖는 매질(B)과의 계면에 있어서의 빛의 반사는 0.1% 이하로 억제되고, 빛은 굴절율(nA)의 매질과 굴절율(nB)의 매질과의 계면을 대략 인식하지 않게 된다. 이 때문에, 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1보다 작은 경우를 굴절율이 실질적으로 동등하다고 정의한다. 한편, 이들 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)는 0.07 이하인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 각 매질 (A), (B)의 계면에 있어서의 빛의 반사를 0.05% 이하로 억제할 수 있다.
3 종류 이상의 매질에 대하여도 2 종류의 매질의 경우와 마찬가지로, 굴절율차의 절대치가 0.1보다 작은 경우를 「굴절율이 실질적으로 동등」이라고 하고, 굴절율차가 0인 경우를 「굴절율이 같다」라고 한다. 예컨대, 굴절율(nA)을 갖는 매질(A), 굴절율(nB)을 갖는 매질(B) 및 굴절율(nC)을 갖는 매질(C)이 있는 경우, (|nA-nB|), (|nA-nC|) 및 (|nC-nB|)의 모든 값이 0.1보다 작을 때는, 굴절율(nA)의 매질(A), 굴절율(nB)의 매질(B) 및 굴절율(nC)을 갖는 매질(C)은 서로 굴절율이 실질적으로 동등한 매질로서 취급한다.
또한, 본 명세서에서, 「상호 굴절율이 다른 상태」란, 굴절율차의 절대치가 0.1 이상인 경우이다. 즉, 굴절율(nA)과 굴절율(nB)이 서로 다른 상태란, 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1 이상인 경우로서 정의한다.
3 종류 이상의 매질에 대하여도 2 종류의 매질의 경우와 마찬가지로 굴절율차의 절대치가 0.1 이상인 경우를 서로 굴절율이 다른 상태로서 취급한다. 예컨대, 굴절율(nA)을 갖는 매질(A), 굴절율(nB)을 갖는 매질(B) 및 굴절율(nC)을 갖는 매질(C)이 있는 경우, (|nA-nB|), (|nA-nC|) 및 (|nC-nB|)의 모든 값이 0.1 이상일 때를, 굴절율(nA)의 매질(A), 굴절율(nB)의 매질(B) 및 굴절율(nC)의 매질(C)은, 서로 굴절율이 다른 매질로서 취급한다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 하기 식(7)∼식(9)에 나타내는 굴절율의 관계식을 만족한다.
식(7) n2＞n3≥n1이면서 (n2-n3)≥0.1
식(8) n3＞n2＞n1이면서 (n3-n2)≥0.1
식(9) n3≥n1＞n2이면서 (n1-n2)≥0.1
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 평탄화층(13)의 표면(입광면(1a))과 반도체 발광 소자의 투명 도전층면(도시되지 않음)의 표면이 접촉했을 때에, 삼출광을, 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 의해 광회절로서 추출한다. 그리고, 추출된 삼출광은, 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)를 통해 출광면(1b)으로부터 반도체 발광 소자의 외부로 추출된다.
이때, 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 상기 식(7)의 관계를 만족하는 경우에는, 제2 굴절율과 제1 굴절율의 차가 커지기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 제2 굴절율을 갖는 광추출층과 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층과의 이질성이 강해진다. 즉, 광추출층 및 요철 구조층은 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 회절점 그룹을 2개 겹친 것과 같은 기능을 발현한다고 생각된다. 이 때문에, 삼출광은 다른 회절 모드로 추출되게 되어 산란성을 발현하기 때문에, 도파 모드는 효과적으로 흐트러져 광추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 제2 굴절율이 가장 크고, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차가 큰 상태, 즉 광추출 작용의 중심이 제2 굴절율을 갖는 광추출층 및 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층인 경우라도, 요철 구조층의 요철 구조가 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형임으로써, 제2 굴절율을 갖는 광추출층의 광추출체(1)의 면내 방향에 있어서의 크기를 제한할 수 있으므로, 제2 굴절율을 갖는 광추출층에 있어서의 임계각 내의 발광광에 대한 반사를 억제할 수 있게 되어, 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다고 생각된다. 또한, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 요철 구조 및 제2 굴절율을 갖는 광추출층에 흐트러짐(형상이나 배열)을 가한 경우, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치보다도 충분히 큰 경우라도, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포 콘트라스트가 커져, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 따른 광산란성의 정도가 커지기 때문에, 컬러 시프트 개선 효과가 크다고 추정된다. 한편, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치 정도 이상인 경우, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서의 광회절 모드의 분산이 커지고, 수십 마이크로미터 이상과 같은 거시적 스케일에서의 광산란성이 보다 강하게 된다고 생각된다.
또한, 광추출층(12)이 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b) 쌍방을 갖는 경우는, 제1 광추출층(12a), 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조(11a)에 의해, 서로 다른 회절 모드로 삼출광을 추출한다고도 생각된다. 이 때문에, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 서로 겹친 것과 같은 기능이 발현되어, 강한 광산란성이 발현된다고 추정된다. 이러한 광산란은, 도파 모드를 어지럽히는 효과가 크기 때문에, 광추출 효율을 보다 향상시킬 수 있다고 생각된다. 또한, 요철 구조의 형상이나 배열에 대하여 자의적으로 흐트러짐을 가한 경우의 흐트러짐에 기인한 산란성을 보다 강하게 할 수 있게 된다. 이 때문에, 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성을 만족하지 않기 때문에, 컬러 시프트는 억제되어, 보다 자연광에 가까운 발광광을 만들 수 있게 된다. 그 때문에, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다.
또한, 상기 식(7)에서는, 제2 굴절율(n2)과 제3 굴절율(n3)과의 차분치(n2-n3)가 0.1 이상을 만족하기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 광추출층(12)의 이질성이 높아진다. 즉, 삼출광은, 평탄화층(13)과 광추출층(12)과의 계면에서, 제3 굴절율(n3)과 제2 굴절율(n2)과의 굴절율차에 기초한 광회절이 생기게 되기 때문에, 삼출광을 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 특히, 상기 효과를 더한층 발휘한다는 관점에서, 제2 굴절율(n2)과 제3 굴절율(n3)과의 차분치(n2-n3)는 0.15 이상인 것이 바람직하고, 0.25인 것이 보다 바람직하고, 0.3 이상인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 식(7)에서는, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)과의 차분치(n3-n1)는 특별히 한정되지 않지만, (n3-n1)≥0을 만족하는 것이 바람직하다. (n3-n1)≥0이라면, 삼출광 및 임계각 내의 발광광의 출광면(1b) 측으로의 투과를 촉진할 수 있다. 또한, 식(7)을 만족하는 범위에서 (n3-n1)을 크게 한 경우, 요철 구조(11a)에 의한 삼출광의 광회절에 의한 추출 성능을 향상시킬 수 있다고 생각된다. 한편, 식(7)을 만족하는 범위에서, 제3 굴절율(n3)이 작은 경우, 예컨대 제3 굴절율(n3)이 제1 굴절율(n1)과 동등하거나 또는 제1 굴절율(n1)에 점근하는 경우라도, 후술하는 거리 Lor가 소정의 범위를 만족하기 때문에, 삼출광은, 평탄화층(13) 안을 전파하여, 광추출층(12)에 의해 추출된다.
상기 식(7)을 만족하면서, 제3 굴절율(n3)을 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)의 굴절율(nsc)에 가깝게 함으로써, 임계각 내의 발광광의 비율을 증가시킬 수 있다. 즉, 도파 모드를 형성하는 발광광을 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 제3 굴절율(n3)과 반도체 발광 소자의 발광층 표면의 굴절율(nsc)과의 차분치의 절대치(|n3-nsc|)는, 평탄화층(13)과 반도체 발광 소자의 투명 도전층면과의 계면에 있어서의 반사를 억제한다는 관점에서, 0.5 이하인 것이 바람직하다. 또한, 차분치의 절대치(|n3-nsc|)는, 발광층과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 발광광의 전반사 광량을 작게 한다는 관점에서, 0.3 이하인 것이 바람직하고, 0.15 이하인 것이 보다 바람직하고, 실질적으로 동등한 굴절율 관계를 만족하는 0.1 미만인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 식(7)을 만족하면서, 제3 굴절율(n3)을 제1 굴절율(n1)에 가깝게 함으로써, 삼출광의 추출 작용의 중심을 광추출층으로 할 수 있게 된다. 이 경우, 제3 굴절율과 제2 굴절율(n2)의 차에 기초한 광회절에 의해 삼출광을 추출하는 동시에, 임계각 내의 발광광의 평탄화층과 요철 구조층과의 계면에 있어서의 반사를 작게 할 수 있게 된다.
또한, 상기 식(7)을 만족하는 범위에서 요철 구조층(11)의 굴절율(n1)을 작게 함으로써, 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 의한 삼출광의 추출 효율이 한층 더 향상된다. 또한, 도파 모드를 타파하여 추출되는 빛 및 임계각 내의 발광광의 출광면(1b) 측으로의 투과를 촉진할 수 있다.
또한, 상기 설명한 원리에 의해 삼출광을 추출하는 동시에, 임계각 내의 발광광을 출광면(1b)으로 유도하기 때문에, 평탄화층을 만드는 재료의 선택성을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 평탄화층의 표면(입광면(1a))의 면정밀도를 보다 높게 유지하기가 쉬워지므로, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 상기 식(8)을 만족함으로써, 평탄화층(13)의 표면(입광면(1a))과 투명 도전층면이 접촉했을 때에, 투명 도전층면과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 전반사를 작게 할 수 있다. 즉, 도파 모드를 형성하는 발광광을 감소시키고, 임계각 내의 발광광을 증가시킬 수 있다. 또한, 제3 굴절율과 제1 굴절율과의 차를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본, 평탄화층과 요철 구조층과의 이질성을 강하게 할 수 있다. 이 때문에, 평탄화층 내부를 전파한 삼출광의, 요철 구조층에 의한 추출 효율이 향상된다고 생각된다. 또한, 임계각 내의 발광광의 요철 구조층(11)과 평탄화층(13)과의 계면 및 광추출층(12)과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 반사를, 나노 구조 특유의 평균적(유효 매질적) 작용 및 제2 굴절율(n2)에 의한 중간의 굴절율 작용에 의해 억제할 수 있게 된다고 생각된다. 이 때문에, 입광면(1a)으로부터 평탄화층(13) 내부로 진행된 임계각 내의 발광광은, 효과적으로 광추출체(1)의 출광면(1b)에 도달하여, 반도체 발광 소자의 광추출 효율이 향상된다고 생각된다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 투명 도전층면과 평탄화층과의 계면에서 평탄화층 내부로 유도된 삼출광이 효과적으로 출광면 측에 도달하여, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율이 향상된다.
한편, 삼출광은, 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 의해 추출된다. 이때, 광추출층(12)에 의한 회절 모드와 요철 구조(11a)에 의한 회절 모드는 다르기 때문에, 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성은 흐트러지게 되어, 광산란성이 발현된다고 추정된다. 즉, 광추출층(12)과 요철 구조(11a)는 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 2개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능을 발현한다고 생각된다.
또한, 광추출층(12)으로서, 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)를 갖는 경우에는, 제1 광추출층(12a), 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조(11a)에 의해, 다른 회절 모드로 삼출광을 추출한다고도 생각된다. 이 때문에, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되어, 강한 광산란성을 갖는다고도 추정된다. 이러한 광산란은 도파 모드를 어지럽히는 효과가 크기 때문에, 광추출 효율 향상의 효과가 크다고 추정된다. 또한, 요철 구조의 형상이나 배열의 흐트러짐을 제어함으로써 생기는 산란성을 보다 강화할 수 있게 된다. 이 때문에, 추출되는 발광광은, 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성을 만족하지 않으므로, 컬러 시프트는 억제되어, 보다 자연광에 가까운 발광광을 만들 수 있게 된다. 그 때문에, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다.
상기 식(8)에서는, 제3 굴절율(n3)과 제2 굴절율(n2)과의 차분치(n3-n2)가 0.1 이상을 만족하기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 광추출층(12)의 이질성이 높아진다. 즉, 삼출광은, 평탄화층(13)과 광추출층(12)과의 계면에서, 광회절을 일으키게 된다. 그 때문에, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12)에 의해 추출할 수 있게 된다. 특히, 상기 효과를 더한층 발휘한다는 관점에서, 평탄화층(13)의 굴절율(n3)과 광추출층(12)의 굴절율(n2)과의 차분치(n3-n2)는 0.15 이상인 것이 바람직하고, 0.25인 것이 보다 바람직하고, 0.3 이상인 것이 가장 바람직하다.
한편, 차분치(n3-n2)가 0.1 이상의 범위에서 작은 값인 경우라도, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차분치(n2-n1)가 0.1 이상의 범위에서 증가함으로써, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 요철 구조(11a)의 이질성이 높아진다. 즉, 삼출광은, 평탄화층(13)과 요철 구조(11a)와의 계면에서, 광회절을 생기게 한다고 생각된다. 그 때문에, 삼출광을 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 본 모드에 의해 광추출 효율을 향상시키는 경우는, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차분치(n2-n1)는 0.15 이상인 것이 바람직하고, 0.25인 것이 보다 바람직하고, 0.3 이상인 것이 가장 바람직하다.
상기 식(8)을 만족하면서, 제3 굴절율(n3)을 반도체 발광 소자의 투명 도전층면의 굴절율(nsc)에 가깝게 함으로써, 임계각 내의 발광광을 증가시킬 수 있다. 즉, 도파 모드를 형성하는 발광광을 감소시킬 수 있다. 평탄화층(13)과 투명 도전층면과의 계면에 있어서의 반사를 억제한다고 하는 관점에서는, 제3 굴절율(n3)과 발광층면의 굴절율(nsc)과의 차분의 절대치(|n3-nsc|)는 0.5 이하인 것이 바람직하다. 이 차분의 절대치는, 발광층면과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 발광광의 전반사 광량을 작게 한다는 관점에서, 0.3 이하인 것이 바람직하고, 0.15 이하인 것이 보다 바람직하고, 실질적으로 동등한 굴절율 관계를 만족하는 0.1 미만인 것이 가장 바람직하다. 또한, 이 경우, 제3 굴절율(n3)과 제2 굴절율(n2)과의 차분이 커지는 경향이 있기 때문에, 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 의한 삼출광의 회절 현상에 의한 추출 효율이 향상된다고 추정된다.
한편, 상기 식(8)을 만족하는 범위에서 제1 굴절율(n1)을 작게 함으로써, 추출된 삼출광 및 임계각 내의 발광광의 광추출체(1)의 출광면(1b)에의 투과를 촉진할 수 있다. 또한, 요철 구조층(11)과 평탄화층(13)과의 계면 및 광추출층(12)과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 임계각 내의 발광광의 반사를, 나노 구조 특유의 평균적(유효 매질적) 작용에 의해 억제할 수 있다고 추정된다.
또한, 상기 설명한 원리에 의해 삼출광을 추출하는 동시에, 임계각 내의 발광광을 출광면(1b)으로 유도하기 때문에, 평탄화층을 만드는 재료의 선택성을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 평탄화층의 표면(입광면(1a))의 면정밀도를 보다 높게 유지하기가 쉬워지므로, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 상기 식(9)을 만족함으로써, 평탄화층(13)의 상면(입광면(1a))과 반도체 발광 소자의 투명 도전층면이 접촉했을 때에, 발광층면과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 전반사 광량을 작게 할 수 있다. 또한, 삼출광을 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 의해 광회절로서 추출할 수 있게 된다. 이 때문에, 반도체 발광 소자 내부에서 도파 모드를 형성하고 있었던 발광광은, 그 삼출광이 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 의한 광회절로서 추출되기 때문에, 반도체 발광 소자의 외부로 광산란성을 발휘하여 추출된다. 또한, 제3 굴절율과 제2 굴절율과의 차를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본, 평탄화층과 광추출층과의 이질성을 강하게 할 수 있고, 이 때문에, 투명 도전층면과 평탄화층과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광의, 광추출층에 의한 추출 효율이 향상된다고 생각된다. 또한, 요철 구조의 형상이나 배열에 흐트러짐을 가함으로써 광산란성에 대하여 상기 원리를 적용할 수 있으므로, 광산란성의 정도를 많게 할 수 있게 되어, 컬러 시프트를 효과적으로 저감할 수도 있다고 생각된다. 또한, 투명 도전층면과 평탄화층과의 계면으로부터의 삼출광을, 광추출층 및 요철 구조층에 따라 각각 다른 회절 모드의 회절 현상으로서 추출하는 것이 가능하게 되어, 광추출 효율을 개선할 수 있다고 생각된다.
이때, 광추출층(12)에 의한 회절 모드와, 요철 구조층(11)에 의한 회절 모드는 다르기 때문에, 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성은 흐트러지게 되어, 광산란성이 발현된다고 추정된다. 즉, 광추출층(12)과 요철 구조(11a)는 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 2개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능을 발현한다고 생각된다. 또한, 광추출층(12)이 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)을 갖는 경우에는, 제1 광추출층(12a), 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조(11a)에 따라, 다른 회절 모드로 삼출광을 추출한다고도 생각된다. 이 때문에, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되어, 강한 광산란성을 갖는 것으로도 추정된다. 이러한 광산란에 의해 추출되는 발광광은, 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성을 만족하지 않으므로, 컬러 시프트는 억제되어, 보다 자연광에 가까운 발광광을 만들 수 있게 된다. 그 때문에, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다.
제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)과의 차분치(n1-n2)는 0.1 이상을 만족하기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본, 광추출층(12)의 이질성이 높아진다. 즉, 삼출광은, 평탄화층(13)과 광추출층(12)과의 계면에서, 광회절을 일으키게 된다. 그 때문에, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 의해 추출할 수 있게 된다. 특히, 상기 효과를 더한층 발휘한다는 관점에서, 제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)과의 차분치(n1-n2)는 0.15 이상인 것이 바람직하고, 0.25인 것이 보다 바람직하고, 0.3 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 차분치(n1-n2)를 크게 하는 경우에는, 예컨대, 공기나 불활성 가스로 대표되는 기체나, 다공질 SiO2 등으로 대표되는 다공질 재료, 이온 액체로 대표되는 액체 등을 광추출층(12)으로서 이용하는 것을 들 수 있다.
제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)과의 차분(n3-n1)은 특별히 제한되지 않고, (n3-n1)≥0을 만족하면 된다. (n3-n1)≥0임으로써, 추출된 삼출광 및 임계각 내의 발광광의 광추출체(1)의 출광면(1b) 측으로의 투과를 촉진할 수 있다.
상기 식(9)을 만족하는 범위에서 제3 굴절율(n3)을 반도체 발광 소자의 투명 도전층의 굴절율(nsc)에 가깝게 함으로써, 임계각 내의 평탄화층으로의 투과광량을 증가시킬 수 있다. 특히, 발광층면의 굴절율(nsc)과 평탄화층의 굴절율(n3)의 차분의 절대치(|nsc-n3|)가 0.5 이하인 것이 바람직하다. 투명 도전층면과 평탄화층(13)과의 계면에 있어서의 발광광의 전반사 광량을 작게 한다는 관점에서, 차분의 절대치(|nsc-n3|)는 0.3 이하인 것이 바람직하고, 0.15 이하인 것이 보다 바람직하고, 실질적으로 동등한 굴절율 관계를 만족하는 0.1보다 작은 경우가 가장 바람직하다.
또한, 상기 식(9)을 만족하는 범위에서 제1 굴절율(n1)을 작게 함으로써, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)에 의한 회절에 의한 광추출 효율이 향상된다. 또한, 추출된 삼출광 및 임계각 내의 발광광의 광추출체(1)의 출광면(1b) 측으로의 투과를 촉진할 수 있다.
또한, 상기 설명한 원리에 의해 삼출광을 추출하는 동시에, 임계각 내의 발광광을 출광면(1b)으로 유도하기 때문에, 평탄화층을 만드는 재료의 선택성을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 평탄화층의 표면(입광면(1a))의 면정밀도를 보다 높게 유지하기가 쉬워지므로, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(12)은 2층 이상의 복수의 층으로 구성하여도 좋다. 예컨대, 광추출층(12)은, (굴절율(nα)을 갖는 층/굴절율(nβ)을 갖는 층)의 2층으로 구성하여도 좋고, 굴절율(nα)을 갖는 층 위에 굴절율(nβ)을 갖는 층을 순차 적층한 (굴절율(nα)을 갖는 층/굴절율(nβ)을 갖는 층)을 m층(m≥2) 다층으로 한 구성으로 하여도 좋다. 마찬가지로, 광추출층(12)은, 굴절율이 서로 다른 3층 이상의 층으로 구성하여도 좋다.
광추출층(12)을 서로 굴절율이 다른 복수의 층으로 구성하는 경우에는, 상기 식(7)∼상기 식(9)의 제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)과의 관계에서는, 제1 광추출층(12a)에 대해서는, 요철 구조층(11) 측에 가장 가까운 층(요철 구조(11a)의 볼록부(11b)의 꼭대기부에 가장 가까운 층)의 굴절율을 제2 굴절율(n2)로 하고, 제2 광추출층(12b)에 대해서는, 요철 구조층(11) 측에 가장 가까운 층(요철 구조(11a)의 오목부(11c)의 바닥부에 가장 가까운 층)의 굴절율을 제2 굴절율(n2)로 한다. 또한, 제3 굴절율(n3)과 제2 굴절율(n2)과의 관계에서는, 제1 광추출층(12a)에 대하여도, 제2 광추출층(12b)에 대하여도, 평탄화층(13) 측에 가장 가까운 층의 굴절율을 제3 굴절율(n3)로 한다.
예컨대, 광추출체(1)의 평탄화층(13) 측으로부터 요철 구조층(11) 측으로 3층(굴절율(nα)의 층/굴절율(nβ)의 층/굴절율(nγ)의 층)으로 광추출층(12)을 구성한 경우, 제1 굴절율(n1)과의 관계에서는, 제2 굴절율(n2)로서 적어도 굴절율(nγ)을 이용하면 되고, 제3 굴절율(n3)과의 관계에서는, 제2 굴절율(n2)로서 적어도 굴절율(nα)을 이용하면 된다. 즉, 굴절율(nβ)에 관해서는, 반드시 제2 굴절율(n2)로서 상기 식(7)∼상기 식(9)의 관계를 만족할 필요는 없다. 한편, 복수의 층으로 광추출층(12)을 구성하는 경우에는, 각 층의 굴절율 모두가 상기 식(7)∼상기 식(9)을 만족하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 복수의 층으로 광추출층(12)을 구성하는 경우의 광추출체(1)의 두께 방향에 있어서의 평균 막 두께는 각각 5 nm 이상인 것이 바람직하고, 15 nm 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 광추출층(12)으로서는, 상술한 다층 구조 이외에 상 분리를 포함한 구조라도 좋다. 이 경우에는, 상기 식(7)∼상기 식(9)에서의 굴절율(n2)로서는, 광추출층(12)에 포함되는 모든 상의 굴절율의 평균 굴절율을 이용한다. 예컨대, 광추출층(12)으로서는, 굴절율(nα)을 갖는 상 및 굴절율(nβ)을 갖는 상의 2상을 포함하고, 이 2상이 상 분리되어 있는 상태인 것을 이용하여도 좋다. 이 경우, 제2 굴절율(n2)로서는, 굴절율(nα) 및 굴절율(nβ)의 평균을 이용한다. 또한, 상 분리 사이즈는 50 nm 이상 800 nm 이하인 것이 바람직하다.
제2 양태에 따른 광추출체(2)에서는, 요철 구조층(11)의 제1 굴절율(n1)과 광추출층(12)의 제2 굴절율(n2)이 실질적으로 다르다. 여기서, 광추출체(2)에서, 「굴절율이 실질적으로 다르다」란, 상술한 것과 같이, 굴절율(nA)의 매질(A) 및 굴절율(nB)의 매질(B)의 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1 이상임을 의미한다.
＜요철 구조＞
이어서, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)의 구성에 관해서 상세히 설명한다. 요철 구조층(11)은, 상세한 것은 후술하는 것과 같이, 요철 구조층(11)의 표면 내에 속하는 제1 방향 D1을 따라서 뻗어 있는 복수의 볼록부(11b)(또는 오목부(11c), 이하 마찬가지)를 갖는다. 이 볼록부(11b)는, 도 1 및 도 3에 도시한 예에서는, 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2을 따라서, 서로 소정의 간격을 두고 이격하여 형성되어 있다. 볼록부(11b)는, 광추출체(1)의 두께 방향을 따른 단면에서 봤을 때(직교 방향에 수직인 단면에서 봤을 때)에, 요철 구조층(11)의 주면에 대하여 수직인 방향으로 돌출되어 있다. 볼록부(11b) 사이에는 오목부(11c)가 형성되어 있다. 이 볼록부(11b) 및 오목부(11c)에 의해 요철 구조(11a)를 구성하고 있다.
이어서, 광추출체(1)의 요철 구조(11a)를 설명할 때에 사용하는 용어에 관해서 설명한다. 이하에서는, 도 1 및 도 3에 도시한 예에 기초하여 설명하지만, 특별히 언급해 두지 않는 한, 상세한 것은 후술하는 제1 요철 구조(101a) 및 제2 요철 구조(111a)에 관해서도 같은 용어를 이용하는 것으로 한다.
도 1에 기재한 기호 Sh는, 요철 구조의 볼록부(11b)의 볼록부 꼭대기부 평균 위치를 의미한다. 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh는, 각 볼록부(11b)의 꼭대기부 위치의 면내 평균의 위치를 의미한다. 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh는, 10점 이상의 볼록부(11b) 꼭대기부의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다.
도 1에 기재한 기호 Sd는, 요철 구조의 오목부(11c)의 오목부 바닥부 평균 위치를 의미한다. 오목부 바닥부 평균 위치 Sd는, 각 오목부(11c)의 바닥부 위치의 면내 평균의 위치이다. 오목부 바닥부 평균 위치 Sd는, 10점 이상의 오목부(11c) 바닥부의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다.
도 1에 기재한 기호 H는, 요철 구조(11a)의 평균 높이(깊이)를 의미한다. 즉, 요철 구조(11a)의 오목부 바닥부 평균 위치 Sd와 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이의 최단 거리이다. 평균 높이(깊이) H는, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12)에 의해 추출한다는 관점에서, 10 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이 삼출광의 추출 효율을 향상시킨다는 관점에서, 50 nm 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 상한치는, 광추출층의 물리적 안정성을 향상시켜 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서, 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 오목부(11c) 내부에만 광추출층(12)(제2 광추출층(12b))이 형성되는 경우의 평균 높이(깊이)도, 같은 효과 때문에, 상기 범위를 만족하면 바람직하다.
한편, 볼록부(11b) 위에만 광추출층(12)(제1 광추출층(12a))이 형성되는 경우의 평균 높이(깊이) H는, 삼출광을 효과적으로 제1 광추출층(12a)에 의해 추출한다는 관점 및 제1 광추출층(12a)의 물리적 안정성의 관점에서, 10 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 삼출광에 대한 광회절 작용을 향상시킨다는 관점에서, 30 nm 이상이 바람직하다. 한편 상한치는, 광추출층의 물리적 안정성을 향상시켜 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 1000 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 임계 각도 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서, 800 nm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 600 nm 이하이면 보다 바람직하고, 400 nm 이하이면 가장 바람직하다.
도 1에 기재한 기호 Scc는, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내에 형성된 제2 광추출층(12b)과 평탄화층(13)이 접촉하는 계면의 평균 위치를 의미한다. 오목부 내 계면 평균 위치 Scc는, 제2 광추출층(12b)과 평탄화층(13)과의 계면의 면내 평균 위치를 의미한다. 오목부 내 계면 평균 위치 Scc는, 10점 이상의 계면의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다.
한편, 제2 양태에 따른 광추출체(2)의 경우는, 도 3에 도시하는 오목부 내 계면 평균 위치 Scc는, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내에 형성된 제2 광추출층(12b)의 표면(노출되는 면) 위치의 평균 위치를 의미한다. 오목부 내 계면 평균 위치 Scc는, 제2 광추출층(12b)과 오목부(11c)에 충전되는 접착층(13a)과의 계면의 면내 평균의 위치를 의미한다.
오목부 내 계면 평균 위치 Scc는, 제2 광추출층(12b)과 평탄화층(13)과의 계면이 곡면을 형성하는 경우이며, 이 곡면이 아래로 볼록한 곡면을 형성하고 있는 경우에는, 제2 광추출층(12b)의 당해 곡면의 수직 방향에 있어서의 최하점을 가지고서 구한다. 즉, 제2 광추출층(12b)이 요철 구조(11a)의 오목부(11c)의 내벽에 부분적으로 부착되어 있는 경우라도, 제2 광추출층(12b)의 가장 낮은 곳을 가지고서 오목부 내 계면 평균 위치 Scc를 구한다(도 5A 참조). 또한, 이 곡면이 위로 볼록한 곡면을 형성하고 있는 경우에는, 제2 광추출층(12b)의 수직 방향에 있어서의 가장 높은 곳을 가지고서 오목부 내 계면 평균 위치 Scc를 구한다(도 5B 참조).
도 1에 기재한 기호 Lcc는, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 오목부 내 계면 평균 위치 Scc 사이의 최단 거리를 의미한다. 즉, 요철 구조(11a)의 평균 높이(깊이) H로부터 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)의 수직 방향에 있어서의 두께를 감한 값의 평균치를 의미한다.
거리 Lcc는 0.0 H＜Lcc＜1.0 H를 만족한다. Lcc＜1.0 H의 범위를 만족함으로써, 평탄화층을 전파한 삼출광을, 광추출층에 의해 효율적으로 추출할 수 있다. 또한, 거리 Lcc가 Lcc＜0.0 H를 만족하는 경우에는, 제2 광추출층(12b)이 오목부(11c)를 전부 충전하여, 요철 구조(11a) 상에 제2 광추출층(12b)의 박막이 형성되는 것을 의미한다. 이 경우, 삼출광을 추출할 때에, 광회절의 이용 정도가 크게 감소할 뿐만 아니라, 임계각 내의 발광광의 평탄화층과 광추출층(12)과의 계면에 있어서의 반사가 증가하여, 광추출 효율이 크게 감소한다. 그 때문에, Lcc의 하한치는 0.0 H＜Lcc인 것이 바람직하다.
상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 거리 Lcc로서는, 0.0 H＜Lcc≤0.6 H의 범위를 만족하는 것이 바람직하고, 0.0 H＜Lcc≤0.4 H의 범위를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.0 H＜Lcc≤0.2 H의 범위를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, Lcc는 0에 점근하여도 좋다. 한편, 오목부(11c) 내부에만 광추출층(12)(제2 광추출층(12b))이 형성되는 경우라도, 상기 Lcc의 범위를 만족함으로써, 같은 효과를 발현한다고 생각된다.
한편, 볼록부(11b) 상에만 광추출층(12)(제1 광추출층(12a))이 형성되는 경우는, 오목부(11c) 내부에 제2 광추출층(12b)이 형성되지 않는다. 이 때문에, 상기 거리 Lcc의 정의를 사용하면, Lcc=1.0 H라고 표현할 수 있다. 거리 Lcc가 요철 구조(11a)의 평균 높이(깊이) H인 경우, 평탄화층(13)은, 요철 구조(11a) 및 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a)을 덮도록 형성된다. 이 경우라도, 삼출광을 효율적으로 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a) 및 요철 구조(11a)에 의해 추출할 수 있다.
요철 구조(11a)의 높이에 따라 다르기도 하지만, 거리 Lcc의 만족하는 범위에 따라, 광추출체(1)를 사용하여 광추출 효율을 향상시키는 원리가 변화된다고 추정된다. 거리 Lcc가 작아지면 작아질수록, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)와 평탄화층(13)이 접하는 계면적(界面積)은 감소하여, 평탄화층(13) 내부에 포함되는 요철 구조(11a)의 체적이 감소한다. 이 경우, 광추출체(1) 내부로 유도된 발광광으로부터 보면, 평탄화층(13) 내부에 포함되는 요철 구조(11a)의 체적이 나노 스케일로 매우 작아지기 때문에, 빛의 평균적 작용(유효 매질 근사)에 의해, 발광광은 그 체적을 인식하기 어렵게 된다. 즉, 삼출광은, 평탄화층(13)에 의해 전파되어, 광추출층(12)에 의해 추출된다고 추정된다. 이 경우, 광추출체(1)에 있어서 광추출층(12)에 의한 광추출 성능이 상대적으로 요철 구조층(11)에 의한 광추출 성능보다 커진다고 추정된다. 이러한 모드로서는, 거리 Lcc가 대략 Lcc≤0.2 H의 범위 내라고 생각되며, Lcc≤0.1 H이면 이러한 모드가 한층 더 강해진다고 생각된다. 즉, 거리 Lcc가 이러한 범위를 만족하는 경우에는, 광추출체(1)에 있어서 광추출층(12)이 거의 광추출의 기능을 지배한다고 생각된다.
반대로, 거리 Lcc가 커지면 커질수록, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)와 평탄화층(13)과의 계면적은 증가하여, 평탄화층(13) 내부에 포함되는 요철 구조(11a)의 체적은 증가한다. 또한, 거리 Lcc가 커지는 것은, 반도체 발광 소자와 평탄화층(13)과의 계면에서부터 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)까지의 거리가 커지는 것을 의미한다. 삼출광은, 광추출체(1)의 두께 방향에 대하여 거리의 지수함수적으로 감소한다. 따라서, 이 경우, 삼출광은, 평탄화층(13)에 의해 전파되어, 요철 구조(11a) 및 제1 광추출층(12a)에 의해 우선적으로 추출된다고 추정된다.
또한, 거리 Lcc가 커지는 것은, 반도체 발광 소자 및 평탄화층(13)의 계면에서부터 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)까지의 거리와 그 계면에서부터 요철 구조(11a)까지의 거리와의 차가 커지는 것을 의미한다. 이 때문에, 요철 구조(11a)와 광추출층(12a)에 의한 광회절 모드는 크게 다르게 되어, 산란의 정도가 향상된다고 생각된다. 이러한 모드로서는, 거리 Lcc가 대략 Lcc≥0.5 H의 범위 내로 추정된다. 즉, 거리 Lcc가 이러한 범위를 만족하는 경우, 광추출체(1)에 있어서 요철 구조층(11)이 거의 광추출의 기능을 지배한다고 생각된다. 한편, 대략 0.5 H≤Lcc≤0.2 H의 범위에서는, 광추출층(12)에 의한 광추출과 요철 구조층(11)에 의한 광추출 양쪽이 발현된다고 추정된다.
또한, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내부에 형성되는 제2 광추출층(12b) 및 평탄화층(13)의 계면 위치와 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이의 거리가 ±25% 이하의 분포를 가지면, 제2 굴절율(n2)의 광추출층(12)에 의한 광추출에 크게 산란성을 부여할 수 있다고 생각할 수 있다. 삼출광의 광산란성에 의한 추출 향상 정도를, 회절에 의한 그것보다도 상대적으로 크게 할 수 있기 때문에, 컬러 시프트를 저감할 수 있게 되어, 보다 자연광에 가까운 발광 소자로부터의 발광 스펙트럼을 얻을 수 있다. 즉, 글래어가 저하된다. 한편, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내부에 형성되는 제2 광추출층(12b) 및 평탄화층(13)의 계면 위치와 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이 거리의 평균치는 거리 Lcc에 상당한다. 또한, 광추출체(2)의 경우는, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내부에 형성되는 광추출층(12b)의 표면(노출되는 면) 위치와 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이의 거리가 ±25% 이하의 분포를 가짐으로써, 상기와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
도 1에 기재한 기호 Scv는, 볼록부 상 계면 평균 위치이며, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 형성된 제1 광추출층(12a)의 정상면 위치의 면내 평균의 위치이다. 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv는, 10점 이상의 평균치에 의해 구하는 것이 바람직하다.
한편, 제2 양태에 따른 광추출체(2)의 경우는, 도 3에 기재한 기호 Scv는, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b)의 볼록부 꼭대기부에 형성된 제1 광추출층(12a)의 표면(노출되는 면) 위치의 면내 평균 위치를 의미한다(도 3 참조). 이 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv는, 제1 광추출층(12a)과 볼록부(11b) 상의 접착층(13a)과의 계면의 면내 평균의 위치를 의미한다.
또한, 제1 광추출층(12a)과 평탄화층(13) 사이의 계면이 곡면을 형성하는 경우이며, 이 곡면이 아래로 볼록한 곡면을 형성하는 경우도, 이 곡면이 위로 볼록한 곡면을 형성하는 경우도, 제1 광추출층(12a)의 두께가 가장 두꺼운 곳을 가지고서 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv를 구한다.
도 1에 기재한 기호 Lcv는, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh와 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv 사이의 최단 거리를 의미한다. 즉, 볼록부(11b) 상에 형성된 제1 광추출층(12a)의 평균 두께를 의미한다. 거리 Lcv가 0인 경우, 평탄화층(13)은, 요철 구조(11a) 및 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)를 덮도록 형성된다. 이 경우라도, 삼출광을 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조(11a)에 의해 추출할 수 있다.
거리 Lcv의 상한치로서는, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 형성된 제1 광추출층(12a) 및 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b) 양쪽의 광추출 효과를 발휘한다는 관점에서, 1.5 H인 것이 바람직하다. 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 거리 Lcv는, 0.0 H＜Lcv≤1.0 H인 것이 바람직하고, 0.0 H＜Lcv≤0.45 H인 것이 보다 바람직하고, 0.0 H＜Lcv≤0.3 H인 것이 가장 바람직하다. 한편, 오목부(11c) 내부에만 광추출층(12)이 형성되는 경우(제2 광추출층(12b)만이 형성되는 경우)는, 볼록부(11b) 상부의 광추출층(12)(제1 광추출층(12a))은 배치되지 않기 때문에, 상기 Lcv를 이용하면, Lcv=0.0 H라고 표현할 수 있다.
한편, 광추출층(12)이, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)을 갖지 않고, 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a)만을 갖는 경우, 제1 광추출층(12a)에 의해, 삼출광을 추출하게 된다. 이 경우에는, 제1 광추출층(12a)에 의해, 삼출광을 추출한다는 관점에서, 거리 Lcv가 10 nm≤Lcv＜5000 nm을 만족하는 것이 바람직하다. 특히, 3000 nm 이하임으로써 제1 광추출층의 물리적 안정성을 향상시키는 것이 가능하게 되어, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 1500 nm 이하라면, 입광면(1a)의 면정밀도를 보다 향상시켜, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 600 nm 이하인 것이 가장 바람직하다. 한편, 하한치는, 제1 광추출층에 의해 광추출 효율을 향상시킨다는 관점에서, 30 nm 이상이면 바람직하고, 50 nm 이상이면 보다 바람직하고, 80 nm 이상이면 가장 바람직하다.
또한, 광추출층(12)이, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)을 갖지 않고, 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a)만을 갖는 경우, 평탄화층(13)의 배치 정밀도 및 삼출광의 전파 특성의 관점에서, 거리 Lcv와 요철 구조(11a)의 평균 높이(깊이) H와의 합(Lcv+H)이, 50 nm 이상 5000 nm 이하를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점 및 제1 광추출층(12a)의 물리적 안정성의 관점에서, Lcv+H는 100 nm 이상 3000 nm 이하이면 바람직하고, 100 nm 이상 1500 nm 이하이면 보다 바람직하다. 가장 바람직하게는 100 nm 이상 800 nm 이하이다.
요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 형성되는 제1 광추출층(12a) 및 평탄화층(13)의 계면과 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이의 거리는, ±25% 이하의 분포를 가지면, 제1 광추출층(12a)에 의한 광추출에 크게 산란성을 부여할 수 있다고 생각된다. 또한, 삼출광의 광산란성에 의한 추출 향상 정도를, 회절에 의한 그것보다도 상대적으로 크게 할 수 있다. 이 때문에, 컬러 시프트를 저감할 수 있게 되어, 보다 자연광에 가까운 발광 소자로부터의 발광 스펙트럼을 얻을 수 있어, 글래어가 저하된다.
요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 형성되는 제1 광추출층(12a) 및 평탄화층(13)의 계면과 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이 거리의 평균치는 거리 Lcv에 상당한다. 한편, 광추출체(2)의 경우는, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에 형성되는 제1 광추출층(12a)의 표면(노출되는 면)과 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh 사이의 거리는, ±25% 이하의 분포를 가지면, 상기와 동일한 효과를 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다.
한편, 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b)(평균 높이(깊이) H에서 거리 Lcc를 뺀 두께를 갖는 광추출층(12)) 및 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a)(유한한 거리 Lcv의 두께를 갖는 광추출층(12))은 연속되어 있어도 좋다. 예컨대, 광추출층(12)은, 요철 구조층(11)과 평탄화층(13)과의 계면이 존재하지 않고, 평탄화층(13)이 광추출층(12)만을 덮도록 형성하여도 좋다. 이러한, 평균 높이(깊이) H에서 거리 Lcc를 뺀 두께를 갖는 제2 광추출층(12b)과 유한한 거리 Lcv의 두께를 갖는 제1 광추출층(12a)이 연속되어 있는 경우라도, 거리 Lcv 및 거리 Lcc의 정의 및 이들이 만족하는 범위는 상기 범위를 만족하는 것으로 한다. 이러한 제1 광추출층과 제2 광추출층이 연속되는 경우, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서, 거리 Lcc는 0.1 H 이상이면 바람직하고, 0.2 H 이상이면 보다 바람직하고, 0.3 H 이상이면 가장 바람직하다.
도 1에 기재한 기호 Lor는, 오목부 내 계면 평균 위치 Scc와 평탄화층(13)의 상면(입광면(1a)) 사이 거리의 평균치이다. 평균 거리 Lor는, 10점 이상의 평균치에 의해 구하는 것이 바람직하다. 한편, 볼록부(11b) 상에만 광추출층(12)(제1 광추출층(12a))이 형성되는 경우(도 2A)는, 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv와 평탄화층(13)의 상면(입광면(1a)) 사이 거리의 평균치가 Lor이다. 한편, 오목부(11c) 내에만 광추출층(12)(제2 광추출층(12b))이 형성되는 경우(도 2B), 오목부 내 계면 평균 위치 Scc와 평탄화층(13)의 상면(입광면(1a)) 사이 거리의 평균치가 Lor이다.
한편, 제2 양태에 따른 광추출체(2)의 경우는, 접착층(13a)를 통해 반도체 발광 소자의 투명 도전층면의 표면에 광추출체(2)의 광추출층(12)을 배치한다. 그 때문에, 반도체 발광 소자에 배치된 광추출체(2)의 상태에서, 오목부 내 계면 평균 위치 Scc와 투명 도전층면의 표면(접착층(13a)의 상면) 사이의 거리의 평균치를 Lor로 한다. 한편, 볼록부(11b) 상에만 광추출층(12)(제1 광추출층(12a))이 형성되는 광추출체(2)의 경우는, 반도체 발광 소자에 배치된 광추출체(2)의 상태에서, 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv와 접착층(13a)의 상면 사이의 거리의 평균치를 Lor로 한다. 즉, 광추출체(2)를 사용하는 경우는, 접착층(13a)의 두께를, 이하에 설명하는 광추출체(1)의 경우의 Lor의 범위를 만족하도록 제어하는 것이 바람직하다.
평균 거리 Lor는, 삼출광을, 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 효과적으로 전파한다고 하는 관점에서, (Lcc+Lcv)≤Lor≤800 nm의 범위 내인 것이 바람직하다. 한편, 오목부(11c)에만 광추출층(12)을 형성하는 경우(제2 광추출층(12b)만을 갖는 경우: 도 2B) Lcc≤Lor≤800 nm을 만족하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
평균 거리 Lor의 하한치는, 상기 효과의 관점에서, (Lcc+Lcv) 이상인 것이 바람직하다. 광추출체의 핸들링이나, 광추출체(1)를 반도체 발광 소자에 적용할 때의 용이성 또는 반도체 발광 소자의 신뢰성 등의 관점에서는, 1.1(Lcv+Lcc) 이상인 것이 바람직하고, 1.2(Lcv+Lcc) 이상인 것이 보다 바람직하고, 1.3(Lcv+Lcc) 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 삼출광의 전파성이라는 관점에서, Lor는 500 nm 이하이면 보다 바람직하다. 한편, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내부에만 광추출층(제2 광추출층(12b))이 형성되는 경우(도 2B)는, 상기 설명에서 Lcv=0으로 대입하면 된다.
한편, 볼록부(11b) 상에만 광추출층(12)이 형성되는 경우(제1 광추출층(12a)만이 형성되는 경우: 도 2A)는, 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv와 평탄화층(13)의 상면 사이의 거리의 평균치로서 정의되는 Lor는, 10 nm 이상 800 nm 이하이면, 삼출광을 광추출층(12)(12a)에 의해 효과적으로 추출할 수 있다. 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 제1 광추출층(12a)만이 형성되는 경우의 Lor는, 30 nm 이상 500 nm 이하이면 보다 바람직하고, 30 nm 이상 300 nm이면 가장 바람직하다.
평균 거리 Lor의 상한치가 800 nm 이하이면, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 전파할 수 있다. 이 상한치는, 반도체 발광 소자의 발광층으로부터 발하는 빛에 따라 적절하게 설계할 수 있다. 예컨대, 상한치가 파장 λ의 발광광에 대하여 0.8 λ 이하의 값이라면, 상기 삼출광을 광추출층(12)까지 효과적으로 전파할 수 있다. 상한치는, 0.65 λ 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.55 λ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 발광 디바이스로부터의 발광광에 복수의 파장 성분이 포함되는 경우, 추출하고 싶은 빛의 최단 파장 또는 평균 파장을 상술한 λ로서 설계할 수 있다. 상기한 관점에서, 삼출광이, 평탄화층(13) 내부를 전파할 때의 감쇠를 억제하기 위해서는, 대략 Lor≤500 nm인 것이 바람직하고, Lor≤300 nm인 것이 보다 바람직하고, Lor≤150 nm인 것이 가장 바람직하다. 평균 거리 Lor는, 상기 범위에서 작을수록 전파 특성이 향상되기 때문에 바람직하다. 예컨대, RGB의 발광 파장을 갖는 유기 EL 소자의 경우, 가장 단파장인 B(청색의 빛)의 파장을 상기 λ로서 생각하여도, R(적색의 빛), G(녹색의 빛) 및 B(청색의 빛)의 각 파장의 평균치를 λ로서 설정하여도 좋다. 단, 그 계면으로부터의 삼출은, 광추출체의 두께 방향에 대하여, 거리의 지수함수적으로 감소한다. 즉, 보다 단파장의 발광광일수록 빠르게 감쇠한다. 이 때문에, 예컨대, 상기 설명한 것과 같이 RGB의 발광 파장을 갖는 발광 소자의 경우, 가장 단파장인 청색 빛의 파장을 λ로 하여, 평균 거리 Lor를 설계하는 것이 바람직하다.
도 4는 제2 양태에 따른 광추출체의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다. 상술한 제2 양태에 따른 광추출체(2)에서, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에만 광추출층(12)이 형성되는(제1 광추출층(12a)만이 형성되는) 경우(도 4A)에는, 거리 Lcv가 하기 식(1)의 관계를 만족하고, 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(2)의 관계를 만족하는 동시에, 거리 Lcv와 볼록부 평균 높이 H와의 합(Lcv+H)이 하기 식(4)을 만족한다. 이 구성에 의해 삼출광을 효과적으로 광추출층(12)에 전파할 수 있다. 요철 구조층(11), 광추출층(12), 평탄화층(13)은 상기 굴절율의 관계식을 만족하기 때문에, 효과적으로 전파된 삼출광을 추출할 수 있고, 이에 따라 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
식(1) 10 nm≤Lcv≤5000 nm
식(2) 10 nm≤H≤5000 nm
식(4) 50 nm≤Lcv+H≤6000 nm
또한, 상술한 제2 양태에 따른 광추출체(2)에서, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내에만 광추출층(12)이 형성되는(제2 광추출층(12b)만이 형성되는) 경우(도 4B)에는, 거리 Lcc 및 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(5)의 관계를 만족한다. 이 구성에 의해, 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 접착층(13a)과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광을, 효과적으로 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 전파할 수 있다. 요철 구조층(11), 광추출층(12) 및 접착층(13a)은 상기 굴절율의 관계식을 만족하기 때문에, 효과적으로 전파된 삼출광을 추출할 수 있고, 이에 따라, 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
식(5) 0.0 H＜Lcc＜1.0 H
또한, 상술한 제2 양태에 따른 광추출체(2)에서, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상 및 오목부(11c) 내 양쪽에 광추출층(12)이 형성되는(제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)이 형성되는) 경우(도 3)에는, 요철 구조(11a)는, 거리 Lcc 및 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(5)을 만족하고, 거리 Lcv 및 볼록부 평균 높이 H가 하기 식(6)을 만족한다. 이 구성에 의해, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12)에 전파할 수 있다. 요철 구조층, 광추출층, 평탄화층은 상기 굴절율의 관계식을 만족하기 때문에, 효과적으로 전파된 삼출광을 추출할 수 있고, 이에 따라, 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
식(5) 0.0 H＜Lcc＜1.0 H
식(6) 0.0 H＜Lcv≤1.5 H
또한, 상술한 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상에만 광추출층(12)이 형성되는(제1 광추출층(12a)만이 형성되는) 경우(도 2A)에는, 상술한 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 상기 식(7)∼식(9)을 만족하고, 평균 거리 Lor가 하기 식(10)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12) 및 요철 구조(11a)에 전파할 수 있다. 요철 구조층(11), 광추출층(12), 평탄화층(13)은 상기 굴절율의 관계식을 만족하기 때문에, 효과적으로 전파된 삼출광을 추출할 수 있고, 이에 따라, 제1 광추출층(12a)과 평탄화층(13)의 표면 사이의 거리가 적절한 범위로 되기 때문에, 삼출광의 전파 특성이 향상되어, 광추출 효율이 더욱 개선된다.
식(10 ) 0 nm≤Lor≤800 nm
또한, 상술한 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서, 요철 구조(11a)의 오목부(11c) 내에만 광추출층(12)이 형성되는(제2 광추출층(12b)만이 형성되는) 경우(도 2B)에는, 상술한 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 상기 식(7)∼식(9)을 만족하고, 평균 거리 Lor 및 거리 Lcc가 하기 식(11)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해 삼출광을 효과적으로 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 전파할 수 있다. 요철 구조층(11), 광추출층(12), 평탄화층(13)은 상기 굴절율의 관계식을 만족하기 때문에, 효과적으로 전파된 삼출광을 추출할 수 있고, 이에 따라, 제2 광추출층(12b)과 평탄화층(13)의 표면 사이의 거리가 적절한 범위로 되기 때문에, 삼출광의 전파 특성이 향상되어, 광추출 효율이 더욱 개선된다.
식(11) Lcc≤Lor≤800 nm
또한, 상술한 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서, 요철 구조(11a)의 볼록부(11b) 상 및 오목부(11c) 내 양쪽에 광추출층(12)이 형성되는(제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b)이 형성되는) 경우(도 1)에는, 상술한 제1 굴절율(n1)∼제3 굴절율(n3)이 상기 식(7)∼식(9)을 만족하고, 요철 구조(11a)는, 평균 거리 Lor, 거리 Lcc 및 거리 Lcv가 하기 식(12)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 삼출광을 효과적으로 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 전파할 수 있다. 요철 구조층(11), 광추출층(12), 평탄화층(13)은 상기 굴절율의 관계식을 만족하기 때문에, 효과적으로 전파된 삼출광을 추출할 수 있고, 이에 따라, 제1 광추출층(12a)과 평탄화층(13)의 표면 사이의 거리가 적절한 범위로 되는 동시에, 제2 광추출층(12b)과 평탄화층(13)의 표면 사이의 거리가 적절한 범위로 되기 때문에, 삼출광의 전파 특성이 향상되어, 광추출 효율이 더욱 개선된다.
식(12) (Lcc+Lcv)≤Lor≤800 nm
상기 제1 양태에 따른 광추출체(1) 및 상기 제2 양태에 따른 광추출체(2)에서는, 요철 구조층(11)과 광추출층(12)이 실질적으로 다른 굴절율을 갖기 때문에, 광추출층(12)에 의한 회절 모드와 요철 구조층(11)에 의한 회절 모드는 다른 것으로 된다. 이 결과, 회절광 특유의 소정 각도로의 출광 특성은 흐트러지게 되기 때문에, 광산란성이 발현된다고 추정된다. 즉, 광추출층(12)과 요철 구조층(11)은 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 2개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능을 발현한다고 생각된다.
또한, 제1 광추출층(12a) 및 제2 광추출층(12b) 양쪽을 갖는 경우에는, 제1 광추출층(12a), 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조층(11)에 의해, 서로 다른 회절 모드로 삼출광을 추출할 수 있게 된다. 이 때문에, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되어, 강한 산란성이 발현된다고 추정된다.
상기 원리에 의해, 삼출광이, 평탄화층(13)(또는 접착층(13a))에 의해 효과적으로 요철 구조(11a) 및 광추출층(12)으로 전파되고, 전파된 삼출광을 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)의 광회절에 의해 추출할 수 있게 되기 때문에, 광추출 효율이 크게 향상된다. 또한, 요철 구조의 형상이나 배열의 흐트러짐을 제어한 경우라도, 상기 원리는 성립한다. 즉, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서는, 요철 구조(11a)의 배열에 따른 광회절에 의해 삼출광은 추출되게 되는데, 추출될 때의 회절 모드가 다르기 때문에, 수십 마이크로미터 이상의 거시적 스케일에서는 산란성을 발휘하게 된다. 따라서, 회절광 특유의 컬러 시프트를 저감하여, 보다 자연광에 가까운 글래어가 적은 빛으로서, 효과적으로 반도체 발광 소자로부터 추출할 수 있게 된다고 생각할 수 있다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조층(11)은, 요철 구조층(11) 내부에서 굴절율의 구배를 갖고 있어도 좋다. 여기서의 굴절율의 구배란, 광추출체(1)의 두께 방향으로의 구배이다. 굴절율의 구배로서는, 광추출체(1)의 평탄화층(13) 측의 표면에서부터 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 표면을 향해 감소하여도 좋고, 증가하여도 좋다. 특히, 요철 구조층(11)이, 광추출체(1)의 평탄화층(13) 측의 표면에서부터 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 측으로 굴절율이 감소하는 굴절율의 구배를 지님으로써, 광추출체(1) 내부로 유도된 발광광의 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 측으로 투과하는 투과광의 비율이 증가한다.
굴절율의 구배는, 미립자나 필러에 의한 농도 구배나, 2 종류 이상의 수지의 밀도차를 이용한 구배에 의해 형성할 수 있다. 한편, 굴절율의 구배는, 발광광의 파장의 반보다 작은 사이즈의 제1 굴절율(n1)과 다른 굴절율을 갖는 층에 의해 형성되는 것으로 정의한다. 그 때문에, 발광광의 파장을 λ라 표기한 경우, 상기 미립자나 필러의 사이즈 및 2 종류 이상의 수지의 밀도 불균일 사이즈는 λ/2보다 작은 것으로 정의한다.
또한, 요철 구조층(11)은, 발광광의 파장의 반(λ/2) 이상 800 nm 이하의 제1 굴절율(n1)과 실질적으로 다른 굴절율을 갖는 상을 포함하여도 좋다. 이러한 상을 포함함으로써, 광추출체(1) 내부로 유도된 발광광을, 요철 구조(11a)의 내부에서 산란시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 광추출체(1)를 이용함으로써 컬러 시프트를 저감할 수 있어, 보다 자연광에 가까운 빛을 발하는 반도체 발광 소자로 된다. 이러한 상으로서 예컨대 미립자나 필러를 첨가한 층을 들 수 있다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 평탄화층(13)은, 평탄화층(13)의 내부에서 굴절율의 구배를 갖고 있어도 좋다. 여기서의 굴절율의 구배란, 광추출체(1)의 두께 방향으로의 구배이다. 굴절율의 구배는, 평탄화층(13)의 입광면(13a) 측에서 요철 구조층(11)으로 감소하여도 좋고, 증가하여도 좋다. 특히, 평탄화층(13)이 입광면(13a) 측에서부터 요철 구조층(11) 측으로 감소하는 농도 구배를 지님으로써, 평탄화층(13)과 반도체 발광 소자의 투명 도전층면과의 계면에 있어서의 전반사 광량을 작게 할 수 있다. 또한, 광추출층(12)과 평탄화층(13)과의 계면 부근에 있어서의 광추출층(12)의 제2 굴절율(n2)과 평탄화층(13)의 제3 굴절율(n3)과의 차를 크게 마련하기가 쉬워진다. 이 때문에, 광추출체(1) 내부로 유도되는 빛으로부터 본 광추출층(12)의 이질성이 커져, 삼출광의 광추출층(12)에 의한 추출 성능이 향상된다.
굴절율의 구배는, 미립자나 필러에 의한 농도 구배나, 2 종류 이상의 수지의 밀도차를 이용한 구배 등에 의해 형성할 수 있다. 한편, 굴절율의 구배는, 발광광의 파장의 반보다 작은 사이즈의 제3 굴절율(n3)과 다른 굴절율을 갖는 상에 의해 형성되는 것으로 정의한다. 그 때문에, 발광광의 파장을 λ라고 표기한 경우, 상기 미립자나 필러의 사이즈 및 2 종류 이상의 수지의 밀도 불균일 사이즈는 λ/2보다 작은 것으로 정의한다.
또한, 평탄화층(13)은, 발광광의 파장의 반(λ/2) 이상 800 nm 이하의 제3 굴절율(n3)과 실질적으로 다른 굴절율을 갖는 상을 포함하여도 좋다. 이러한 상을 포함함으로써, 삼출광의 추출을 보다 향상시킬 수 있는 동시에, 광추출체(1) 내부로 유도된 발광광에 산란성을 부여할 수 있게 되어, 컬러 시프트를 저감하여, 보다 자연광에 가까운 스펙트럼을 얻을 수 있게 된다. 이러한 상으로서는, 예컨대, 미립자나 필러가 첨가된 상 등을 들 수 있다. 이 경우, 발광광의 파장의 반(λ/2) 이상 800 nm 이하의 제3 굴절율(n3)과 실질적으로 다른 굴절율을 갖는 상의 굴절율은, 상기 굴절율(n3)보다도 0.1 이상 큰 것이 바람직하고, 0.2 이상 크면 보다 바람직하고, 0.3 이상 크면 가장 바람직하다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 상에 별도의 요철 구조를 마련하여도 좋다. 별도의 요철 구조를 형성함으로써, 별도의 요철 구조의 크기와 추출되는 빛의 파장에 따른 광학 현상을 발현할 수 있다. 별도의 요철 구조의 평균 피치가 수십 마이크로미터 이상임으로써 광산란성을 발휘하고, 파장과 같은 정도 이상임으로써 광회절성을 발휘하고, 파장 이하임으로써 유효 매질 근사성을 발휘하게 된다. 특히, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 상에 나노 스케일의 요철 구조를 형성하여도 좋다. 요철 구조의 사이즈가 나노 스케일이면, 요철 구조층(11)의 출광면(1b)에 있어서의 발광광의 투과율이 향상되고, 또한 외광이 비춰들어가는 것을 저감할 수 있게 된다. 나노 스케일의 요철 구조로서는, 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 상에 요철 구조를 형성하여도 좋고, 출광면(1b) 상에 별도 요철 구조층을 형성하여도 좋다.
또한, 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 상에 새롭게 설치하는 요철 구조의 평균 피치로서는, 100 nm 이상 800 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히 평균 피치가 300 nm 이하이면, 광추출체(1)를 구비한 반도체 발광 소자를 사용자가 사용한 경우에 빛이 비춰 들어가는 것을 저감할 수 있다.
요철 구조층(11) 상에 새롭게 설치하는 요철 구조의 구조 형상으로서는, 특별히 제한되지 않지만, 당해 요철 구조의 표면에 대한 빛의 반사율이 0.15% 이하인 것이 바람직하고, 0.1% 이하인 것이 보다 바람직하다. 이러한 광학 성능을 얻을 수 있는 요철 구조로서는, 예컨대, 육방 배열로 복수의 볼록부가 배열되고, 볼록부의 평균 피치가 200 nm 정도이며, 볼록부 바닥부의 직경이 180 nm 정도이고, 어스펙트비(볼록부의 높이/볼록부 바닥부의 직경)가 0.8∼2.5 정도인 요철 구조를 들 수 있다.
또한, 마이크로 스케일의 요철 구조(도시되지 않음)를 설치하여도 좋다. 특히, 요철 구조의 사이즈가 마이크로 스케일이면, 출광하는 발광광의 산란성이 향상되어, 보다 자연광에 가까운 출광을 얻을 수 있게 된다. 마이크로 스케일의 요철 구조는, 출광면(1b) 상에 형성하여도 좋고, 출광면(1b) 상에 별도로 요철 구조층으로서 형성하여도 좋다. 특히, 요철 구조의 평균 피치가 1 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하이면 바람직하다. 특히 평균 피치가 2 ㎛ 이상이면, 광추출체를 구비한 발광 소자를, 사용자가 사용한(본) 경우의, 글래어를 보다 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
한편, 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 상에 별도로 요철 구조층을 형성하는 경우에는, 요철 구조층(11)의 출광면(1b)과 새롭게 형성하는 요철 구조층과의 계면에 있어서의 발광광의 반사 및 외부로부터의 빛의 반사를 억제한다는 관점에서, 새롭게 설치하는 요철 구조층의 굴절율과 제1 굴절율(n1)이 실질적으로 동등한 것이 바람직하다.
또한, 상세한 점에 관해서는 후술하는 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)의 형상이나 배열, 및 후술하는 배열 LP, 배열 α 및 분포 DF를, 이들의 평균 피치가 상기 범위를 만족하는 범위에서 새롭게 설치하는 요철 구조의 형상이나 배열에 이용할 수 있다. 또한, 새롭게 설치하는 요철 구조층 대신에, 단층 또는 다층의 반사방지층을 성막하여도 좋다. 특히, 요철 구조층(11)의 제1 굴절율(n1)과 공기의 굴절율과의 차, 또는 요철 구조층(11)의 제1 굴절율(n1)과 반도체 발광 소자에 사용하는 밀봉재의 굴절율과의 차가 큰 경우(예컨대, 0.1 이상)에 유효하다. 상기 요철 구조나 반사방지층을 설치함으로써, 상기 굴절율차가 0.5 이상이나 0.7 이상과 같은 매우 큰 경우도, 광추출체(1)로부터 추출되는 투과광 강도를 증가하면서 외광의 반사를 억제할 수 있다.
도 6은 제1 양태의 형태에 따른 광추출체의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다. 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 요철 구조층(11)의 출광면(1b) 상에 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(14)를 마련하는 것이 바람직하다. 기재(14)를 설치함으로써, 광추출체(1)를 제조할 때의 스루풋이 향상되면서, 광추출체(1)를 반도체 발광 소자에 적용할 때의 용이성도 향상된다. 또한, 가스 배리어성이나 수증기 배리어성과 같은 기능을 갖는 기재를 이용함으로써, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성이 향상된다. 여기서, 기재(14)로서는, 제4 굴절율(n4)과 요철 구조층(11)의 제1 굴절율(n1)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 굴절율 관계를 만족하는 기재(14)를 설치함으로써, 추출된 삼출광 및 임계각 내의 발광광은, 요철 구조층(11)과 기재(14)와의 계면에 있어서의 반사의 영향을 받는 일없이, 효과적으로 광추출체(1)의 기재(14)의 출광면 측으로부터 추출된다.
또한, 상기 설명한 것과 같은 효과 때문에, 기재(14)의 출광면 상에, 상기 설명한 출광면(1b) 상에 형성되는 별도의 요철 구조 또는 단층(다층)의 반사방지막을 설치하여도 좋다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)의 광추출층(12)은, 오목부(11c) 내부에만 배치되어도(도 2B), 오목부(11c) 및 볼록부(11b) 상에 배치(도 1)되어도, 볼록부(11b) 상에만 배치(도 2A)되어도 좋다. 오목부(11c) 내부 및 볼록부(11b) 상부에 광추출층(12)이 형성되는 구성(도 1)에 의해 평탄화층(13) 및 투명 도전층면과의 계면과 광추출층(12)과의 사이의 거리에 분포가 생기기 때문에, 투명 도전층면과 평탄화층(13)과의 계면에서 도파 모드를 형성하는 발광광에 있어서의 그 계면으로부터 스며나오는 삼출광을, 볼록부(11b) 상의 제1 광추출층(12a), 오목부(11c) 내의 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조(11a)에 의한 광회절로 추출할 수 있게 된다고 생각된다. 이때, 회절 모드가 서로 다른 것으로 되어, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 3개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되게 되어, 광산란성이 발현된다고 생각된다. 광산란성을 이용한 광추출은 효과가 크기 때문에, 광추출 효율이 보다 향상한다고 생각된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열의 흐트러짐을 제어한 경우, 흐트러짐에 따른 광산란성 효과를 강화할 수 있다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다고 생각된다. 또한, 연속 프로세스로 광추출체를 제조하는 것이 가능하게 되어, 제조시의 스루풋이 향상된다.
오목부(11c) 내에만 제2 광추출층(12b)이 형성되는 구성(도 2B)의 경우, 평탄화층(13) 및 투명 도전층면의 계면과 광추출층(12)과의 사이의 거리와, 평탄화층(13) 및 발광층과의 계면과 요철 구조층(11)과의 사이의 거리가 다르기 때문에, 삼출광을, 오목부(11c) 내부의 제2 광추출층(12b) 및 요철 구조(11a)에 의한 광회절로 추출할 수 있게 된다. 이때, 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)은, 굴절율이 실질적으로 다르기 때문에, 회절 모드가 서로 다른 것으로 되어, 마치 다른 광회절 현상을 일으키는 2개의 회절점 그룹을 겹친 것과 같은 기능이 발현되게 되어, 광산란성이 발현된다고 생각된다. 광산란성을 이용한 광추출은 효과가 크기 때문에, 광추출 효율이 보다 향상된다고 생각된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열의 흐트러짐을 제어한 경우, 흐트러짐에 따른 광산란성 효과를 강화할 수 있다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다고 생각된다. 또한, 오목부(11c) 내부에만 제2 광추출층(12b)이 형성되는 구성의 경우, 광추출층(12)은 요철 구조층(11)에 의해 주위가 지지되기 때문에, 물리적인 안정성이 향상된다.
볼록부(11b) 상에만 제1 광추출층(12a)이 형성되는 경우(도 2A)는, 평탄화층(13) 및 투명 도전층면의 계면과 광추출층(12)과의 사이의 거리를 작게 하기가 쉬워진다. 삼출광은, 반도체 발광 소자의 두께 방향에서 거리의 지수함수적으로 감쇠되기 때문에, 평탄화층(13) 및 발광층의 계면과 광추출층(12)과의 사이의 거리를 작게 함으로써, 투명 도전층면과 평탄화층(13)과의 계면에서 도파 모드를 형성하는 발광광에 있어서의 그 계면으로부터 스며나오는 삼출광을 보다 효과적으로 추출할 수 있게 된다고 생각된다. 또한, 연속 프로세스로 광추출체를 제조하기가 쉬워져, 제조시의 스루풋이 향상된다.
이어서, 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)의 구성에 관해서 상세히 설명한다. 요철 구조(11a)는 도트 형상 또는 홀 형상 혹은 울타리 형상 또는 격자형이라면 그 배열이나 형상은 특별히 제한되지 않고, 반도체 발광 소자의 발광 스펙트럼이나 반도체 발광 소자의 사용 방법에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 이러한 요철 구조(11a)로서는, 이하의 제1 내지 제4 실시형태에 나타내는 제1 내지 제4 요철 구조를 들 수 있다. 이 제1 요철 구조 및 제2 요철 구조 혹은 제3 요철 구조 및 제4 요철 구조에 의해, 반도체 발광 소자의 발광층면과 광추출체의 평탄화층 계면으로부터 스며나오는 발광광을, 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 의해 효과적으로 산란성을 부여하여 추출할 수 있다.
＜제1 실시형태＞
도 7 및 도 8은 제1 실시형태에 따른 제1 요철 구조를 도시하는 모식도이다. 도 7은 요철 구조층(101)을 도시하는 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시하는 요철 구조층의 평면도이다.
도 7에 도시하는 것과 같이, 이 제1 요철 구조(101a)는, 요철 구조층(101)의 한쪽의 주면 S에 대하여 수직 방향 위쪽을 향해 돌출되는 독립된 복수의 볼록부(101b)를 포함한다. 복수의 볼록부(101b)는 각각 소정의 간격을 두고서 배치되어 있다. 서로 인접하는 볼록부(101b) 사이는, 요철 구조층(101)의 일 주면 S에 대하여 수직 방향 아래쪽을 향해 함몰된 오목부(101c)에 의해 연속적으로 이어져 있다.
제1 요철 구조(101a)에서는, 복수의 볼록부(101b)의 형상이 기둥 형상체(추상체)이며, 볼록부(101b) 사이의 오목부(101c)가 연속성이 있는 상태이다. 즉, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서 요철 구조층(101)이 제1 요철 구조(101a)를 갖는 경우에는, 오목부(101c) 내의 제2 광추출층(12b)은 연속적인 박막을 형성한다. 그리고, 이 제2 굴절율(n2)을 갖는 박막은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 복수의 오목부(홀)(101c) 내에 형성되는 구조가 된다.
한편, 볼록부(101b) 상의 제1 광추출층(12a)은 서로 독립된 복수의 도트를 형성한다. 그리고, 이 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 독립된 도트는, 제3 굴절율(n3)을 갖는 평탄화층(13)에 의해, 볼록부(101b)와 접하는 면 이외의 주위가 둘러싸이는 구조로 된다.
볼록부(101b)의 형상으로서는, 예컨대, 원추, 바닥면의 원이 변형된 추상체, 원기둥, 삼각추, 삼각기둥, 사각추, 사각기둥, 바닥면의 코너가 둥글게 된 다각추, 바닥면의 코너가 둥글게 된 다각기둥, 다각추, 다각기둥이나, 이들의 측면이 위로 볼록하게 또는 아래로 볼록하게 휜 형상, 혹은 링 형상 및 이중 링 형상 등을 들 수 있다.
복수의 볼록부(101b)의 평균 피치로서는, 반도체 발광 소자로부터의 삼출광의 추출 효율을 향상시키는 동시에, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제하다는 관점 및 평탄화층의 표면(입광면(1a))의 평탄성을 향상시켜 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 50 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 삼출광을 광회절에 의해 추출하여 광추출 효율을 향상시킨다는 관점에서, 100 nm 이상이 바람직하고, 150 nm 이상이 보다 바람직하고, 200 nm 이상이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 입광면(1a)의 면정밀도를 향상시켜, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하다.
여기서, 복수의 볼록부(101b)의 평균 피치란, 다음과 같이 정의된다. 어떤 볼록부의 중심과 이 볼록부에 가장 근접하는 볼록부의 중심과의 사이의 중심간 거리가 피치이다. 도 8에 도시하는 것과 같이, 어떤 볼록부 A1에서 가장 가깝게 있는 볼록부 B1을 선택하고, 볼록부 A1의 중심과 볼록부 B1의 중심과의 거리 PA1B1를 피치 P라고 정의한다. 그러나, 이 도 8에 도시하는 것과 같이, 복수의 볼록부(101b)가 불균일하게 배치되어, 선택하는 볼록부에 따라 피치가 다른 경우는, 선택된 각각의 볼록부 A1, A2 … AN에 인접하는 볼록부 B1, B2 … BN과의 사이의 피치 PA1B1, PA2B2∼PANBN을 각각 측정한다. 그리고, 이들의 상가평균치를, 복수의 볼록부(101b)의 평균 피치 P라고 정의한다. 즉, (PA1B1+PA2B2+…+PANBN)/N=P라고 정의한다. 한편, 상기 상가평균치를 구할 때에 선택하는 볼록부의 수 N이 10점 이상인 것이 바람직하다. 또, 제1 요철 구조(101a)의 볼록부(101b)의 구조 배열(패턴)로서는, 후술하는 배열 LP, 배열 α 또는 분포 DF의 어느 것이나 이용할 수 있다.
요철 구조(101a)가 도트 형상임으로써, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 평탄화층을 요철 구조(101a) 상에 형성하는 경우도, 접착층을 통해 요철 구조(101a)와 투명 도전층면을 접착하는 경우도, 요철 구조(101a)에 대한 평탄화층 재료(접착층 재료)의 습윤성이 중요하게 된다. 예컨대, 평탄화층 재료를 요철 구조(101a) 상에 도공한 경우, 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 재료는, 볼록부 꼭대기부 가장자리에 있어서의 핀 고정 효과를 평탄화층 재료의 박막 내부에 포함하게 되어, 볼록부 꼭대기부 가장자리에 있어서의 접촉각은 커진다. 즉, 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각과, 오목부(101c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각은 다른 것이 되어, 요철 구조(101a)의 볼록부 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 상태와, 오목부(101c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 상태는 동일하게 되지 않는다. 이 때문에, 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 표면 위치와, 오목부(101c) 상에 위치하는 평탄화층 표면 위치가 일치하지 않는 경우가 있다. 이러한 경우, 평탄화층 표면(입광면(1a))의 평탄성은 감소하고, 이 때문에 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 감소시키게 된다. 요철 구조(101a)가 도트 형상임으로써, 볼록부(101b) 꼭대기부의 면적을 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 설명한 핀 고정 효과에 의한 접촉 각도의 향상이 생기는 경우라도, 그 접촉각에 기인한 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 체적은 나노 스케일로 작아진다. 이 때문에, 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(101c) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 볼록부(101b) 꼭대기부의 직경은 평균 피치의 0.5배 이하이면 바람직하고, 0.3배 이하이면 보다 바람직하고, 0.2배 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 제1 광추출층이 형성되는 경우는, 상기 설명한 볼록부(101b)를 제1 광추출층이라고 바꿔 읽을 수 있다.
또한, 요철 구조(101a)의 볼록부(101b)의 꼭대기부는, 볼록부(101b)의 바닥부 직경보다도 작으면 상기 효과를 보다 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 이러한 볼록부(101b)가 경사를 갖는 구조임으로써, 핀 고정된 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각을 작게 할 수 있다. 즉, 볼록부(101b)에서 꼭대기부 직경이 바닥부 직경보다도 작음으로써, 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 체적을 나노 스케일로 작게 할 수 있다. 이 때문에, 볼록부(101b) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(101c) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 볼록부(101b)의 꼭대기부 직경은 바닥부 직경의 2분의 1 이하이면 바람직하고, 5분의 1 이하이면 보다 바람직하고, 10분의 1 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 볼록부(101b) 꼭대기부와 볼록부 측면이 매끄럽게 이어져 있는 경우, 바꿔 말하면 볼록부(101b) 꼭대기부에 평탄면이 없는 경우이다. 한편, 제1 광추출층이 형성되는 경우는, 상기 설명한 볼록부(101b)를 제1 광추출층이라고 바꿔 읽을 수 있다.
상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 요철 구조(101a)의 충전율은, 충전율이 45% 이상인 것이 바람직하고, 55% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 요철 구조(101a)의 볼록부(101b)의 면적을 보다 크게 하여, 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 충전율은 65% 이상이면 바람직하다. 또한, 요철 구조(101a)의 재료의 선택성을 향상시킬 수 있게 되기 때문에, 70% 이상이 바람직하고, 75% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이면 가장 바람직하다. 한편, 충전율이란, 단위면적 중에 포함되는 요철 구조(101a)의 볼록부(101b)의 바닥부 면적/단위면적×100에 의해 구해지는 값이다. 한편, 제1 광추출층이 형성되는 경우는, 상기 설명한 볼록부(101b)를 제1 광추출층이라고 바꿔 읽을 수 있다.
또한, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층의 요철 구조가 도트형이기 때문에, 그 요철 구조에 대하여 분포(배열이나 형상의 흐트러짐)를 도입하기가 쉬워진다. 요철 구조의 분포에 관해서는 후술한다. 이 때문에, 출광하는 빛의 산란성은 강해지게 되고, 컬러 시프트는 저감되어, 보다 자연광에 가까운 출광을 얻을 수 있다. 이것은, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치보다도 충분히 큰 경우는, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 대응하는 광산란성 때문이라고 추정된다. 한편, 발광광의 파장이 요철 구조의 평균 피치와 같은 정도 이하인 경우는, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서 생기는 광회절의 모드수가 증가하고, 또한 광회절 모드에 분산이 포함된다고 생각된다. 즉, 수십 마이크로미터와 같은 거시적 스케일에서는, 복수의 광회절 모드의 평균적 광이 관찰되기 때문이다. 같은 이유에서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층에 대하여 흐트러짐(형상이나 배열)을 도입하는 것도 용이하고, 그 때문에, 컬러 시프트의 억제 효과를 발현할 수 있다. 이 결과, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수도 있다.
＜제2 실시형태＞
도 9 및 도 10은 제2 실시형태에 따른 제2 요철 구조를 도시하는 모식도이다. 도 9는 요철 구조층(111)을 도시하는 사시도이고, 도 10은 도 9에 도시하는 요철 구조층(111)을 도시하는 평면도이다.
도 9에 도시하는 것과 같이, 제2 요철 구조(111a)는, 요철 구조층(111)의 일주면 측에 대하여 수직 방향 아래쪽을 향해 함몰되는 복수의 오목부(111b)를 포함한다. 복수의 오목부(111b)는 서로 독립적이며, 소정의 간격을 두고서 배치되어 있다. 서로 인접하는 오목부(111b) 사이는, 요철 구조층(111)의 일 주면이 남겨져 있고, 그것이 볼록부(111c)를 형성하고 있다. 볼록부(111c)는 서로 연속되어 있어도 좋고, 독립되어 있어도 좋다.
복수의 각각 독립된 오목부(111b)와, 이 복수의 오목부(111b)를 둘러싸도록 형성된 볼록부(111c)를 포함한다. 제2 요철 구조(111a)에서는, 복수의 오목부(111b)(기둥형(추형) 구멍)가 요철 구조층(111)의 상면에 형성되어 있고, 인접하는 오목부(111b)끼리는 볼록부(111c)에 의해 격리되어 있다.
즉, 제1 양태에 따른 광추출체(1)가 제2 요철 구조(111a)를 갖는 경우에는, 오목부(111b) 내부의 제2 광추출층(12b)은 서로 독립된 기둥 형상체(추상체)를 형성한다. 그리고, 이 제2 굴절율(n2)을 갖는 기둥 형상체(추상체)가 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 의해 주위가 둘러싸인 구조로 된다. 광추출체(1)가 제2 요철 구조(111a)를 갖는 경우에는, 볼록부(111c) 상의 제1 광추출층(12a)은 연속적인 박막을 형성한다. 그리고, 이 제2 굴절율(n2)을 갖는 연속적인 박막은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 연속된 볼록부(111c)(요철 구조가 남겨진 한 주면) 상에 형성되는 구조가 된다.
오목부(111b)의 형상으로서는, 예컨대, 원추, 바닥면의 원이 변형된 추상체, 원기둥, 삼각추, 삼각기둥, 사각추, 사각기둥, 바닥면의 코너가 둥글게 된 다각추, 바닥면의 코너가 둥글게 된 다각기둥, 다각추, 다각기둥 또는 이들의 측면이 위로 볼록하게 또는 아래로 볼록하게 휜 형상, 혹은 링 형상 및 이중 링 형상 등을 들 수 있다.
복수의 오목부(111b)의 평균 피치는, 제1 실시형태와 같은 효과 때문에, 상기 제1 실시형태에 관해서 설명한 범위를 만족하면 바람직하다.
여기서, 복수의 오목부(111b)의 평균 피치란, 다음과 같이 정의된다. 어떤 오목부의 중심과 이 오목부에 가장 근접하는 오목부의 중심 사이의 중심간 거리가 피치이다. 도 10에 도시하는 것과 같이, 어떤 오목부 A1로부터 가장 가까이 있는 오목부 B1을 선택하여, 오목부 A1의 중심과 오목부 B1의 중심과의 거리 PA1B1을 피치 P라고 정의한다. 그러나, 이 도 10에 도시하는 것과 같이, 복수의 오목부(111b)가 불균일하게 배치되어, 선택하는 오목부에 따라 피치 P가 다른 경우는, 선택된 각각의 오목부 A1, A2 … AN에 인접하는 오목부 B1, B2 … BN과의 사이의 피치 PA1B1, PA2B2∼PANBN를 각각 측정한다. 그리고, 이들의 상가평균치를 복수의 오목부(111b)의 평균 피치 P라고 정의한다. 즉, (PA1B1+PA2B2+ … +PANBN)/N=P라고 정의한다. 한편, 상기 상가평균치를 구할 때에 선택하는 오목부의 수 N이 10점 이상인 것이 바람직하다. 한편, 제2 요철 구조(111a)의 오목부(111b)의 구조 배열(패턴)로서는, 후술하는 배열 LP, 배열 α 또는 분포 DF의 어느 것을 이용하여도 좋다.
요철 구조(111a)가 홀 형상임으로써, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 평탄화층을 요철 구조(111a) 상에 형성하는 경우도, 접착층을 통해 요철 구조(111a)와 투명 도전층면을 접착하는 경우도, 요철 구조(111a)에 대한 평탄화층 재료(접착층 재료)의 습윤성이 중요하게 된다. 예컨대, 평탄화층 재료를 요철 구조(111a) 상에 도공한 경우, 볼록부(111c) 상의 평탄화층 재료는, 볼록부 꼭대기부 가장자리에 있어서의 핀 고정 효과를 평탄화층 재료의 박막 내부에 포함하게 되어, 볼록부 꼭대기부 가장자리에 있어서의 접촉각은 커진다. 즉, 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각과, 오목부(111b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각은 다르게 되어, 요철 구조(111a)의 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 상태와, 오목부(111b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 상태는 동일하게 되지 않는다. 이 때문에, 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 표면 위치와, 오목부(111b) 상에 위치하는 평탄화층 표면 위치가 일치하지 않는 경우가 있다. 이러한 경우, 평탄화층 표면(입광면(1a))의 평탄성은 감소하고, 이 때문에 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 감소시키게 된다. 요철 구조(111a)가 홀 형상임으로써, 볼록부(111c) 꼭대기부의 면적을 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 설명한 핀 고정 효과에 의한 접촉 각도의 향상이 생기는 경우라도, 상기 접촉각에 기인한 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 체적은 나노 스케일로 작아진다. 이 때문에, 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(111b) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 요철 구조(111a)의 개구율은, 개구율이 45% 이상인 것이 바람직하고, 55% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 요철 구조(111a)의 볼록부(111c) 면적을 보다 감소시켜, 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 개구율은 65% 이상이면 바람직하다. 또한, 요철 구조(111a)의 재료의 선택성을 향상시킬 수 있게 되기 때문에, 70% 이상이 바람직하고, 75% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이면 가장 바람직하다.
또한, 요철 구조(111a)의 오목부(111b)의 개구부는, 오목부(111b)의 바닥부 직경보다도 크면 상기 효과를 보다 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 이러한 오목부(111b)가 경사를 갖는 구조임으로써, 핀 고정된 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각을 작게 할 수 있다. 즉, 오목부(111b)의 개구경이 오목부(111b)의 바닥부 직경보다도 큼으로써, 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 체적을 나노 스케일로 작게 할 수 있다. 이 때문에, 볼록부(111c) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(111b) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 오목부(111b) 개구부의 직경은, 오목부(111b) 바닥부의 직경의 2배 이상이면 바람직하고, 5배 이상이면 보다 바람직하고, 10배 이상이면 가장 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 오목부(111b)의 바닥부와 오목부 측면이 매끄럽게 이어져 있는 경우, 바꿔 말하면 오목부(111b)의 바닥부에 평탄면이 없는 경우이다. 또한, 볼록부(111c)의 꼭대기부와 오목부(111b)의 측면이 연속적으로 이어져 있음으로써 상기 효과를 한층 더 발휘하기 때문에 바람직하다. 한편, 제1 광추출층에 대하여도 마찬가지이다.
또한, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층(111)의 요철 구조(111a)가 홀 형상이기 때문에, 그 요철 구조(111a)에 대하여 분포(배열이나 형상의 흐트러짐)를 도입하기가 쉬워진다. 요철 구조(111a)의 분포에 관해서는 후술한다. 이 때문에, 출광하는 빛의 산란성은 강해지게 되고, 컬러 시프트는 저감되어, 보다 자연광에 가까운 출광을 얻을 수 있다. 이것은, 발광광의 파장이 요철 구조(111a)의 평균 피치보다도 충분히 큰 경우는, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포에 대응하는 광산란성 때문이라고 추정된다. 한편, 발광광의 파장이 요철 구조(111a)의 평균 피치와 같은 정도 이하인 경우는, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서 생기는 광회절의 모드수가 증가하면서, 또한 광회절 모드에 분산이 포함된다고 생각된다. 즉, 수십 마이크로미터와 같은 거시적 스케일에서는, 복수의 광회절 모드의 평균적 광이 관찰되기 때문이다. 같은 이유에서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층에 대하여 흐트러짐(형상이나 배열)을 도입하는 것도 용이하며, 그 때문에, 컬러 시프트의 억제 효과를 발현할 수 있다. 이 결과, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수도 있다.
한편, 상술한 설명에서는, 상기 식(7) 및 상기 식(9)에서는, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)이 실질적으로 다른 경우에 관해서 설명했지만, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)은 반드시 실질적으로 다를 필요는 없고, 실질적으로 동등하거나 또는 같아도 좋다. 이하, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 경우에 관해서 설명한다. 한편, 이하의 설명에서는, 상기 설명한 제1 형태 및 제2 형태와 다른 부분을 설명한다.
＜제3 실시형태＞
도 11은 제3 실시형태에 따른 제3 요철 구조를 도시하는 모식도이다. 한편, 도 11에서는, 요철 구조층(121)을 상면에서 본 상태를 모식적으로 나타내고 있다.
도 11에 도시하는 것과 같이, 제3 요철 구조(121a)는, 요철 구조층(121)의 주면 내에 속하는 제1 방향 D1을 따라서 뻗어 있는 서로 평행한 복수의 울타리 형상체(볼록부)(121b)를 포함한다. 각 울타리 형상체(121b)는, 요철 구조층(121)의 주면에서 수직 상측을 향해 돌출되도록 형성되어 있고, 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2으로 소정의 두께(폭)를 갖고 있다. 또한, 각 울타리 형상체(121b) 사이에는, 요철 구조층(121)의 일 주면이 남겨져 있고, 그것이 각 울타리 형상체(121b) 사이에 형성된 오목부(121c)를 구성하고 있다.
즉, 제1 양태에 따른 광추출체(1)가 제3 요철 구조(121a)를 갖는 경우에는, 오목부(121c) 내에 형성된 제2 광추출층(12b)는 서로 독립적이면서 평행한 울타리 형상체를 형성한다. 이 제2 굴절율(n2)을 갖는 울타리 형상체는, 제1 굴절율(n1)의 매질에 의해 둘러싸인 구조가 된다. 한편, 제3 요철 구조(121a)에서는, 상술한 볼록부의 평균 높이(깊이) H란, 평균 울타리 형상체 높이이며, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh란, 울타리 형상체 꼭대기부 평균 위치이고, 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv란, 울타리 형상체 상 계면 평균 위치이다. 울타리 형상체(121b) 상에 형성되는 제1 광추출층(12a)은 서로 독립적이면서 평행한 울타리 형상체(121b)를 형성한다. 그리고, 이 제2 굴절율(n2)을 갖는 서로 독립적이면서 평행한 울타리 형상체(121b)는 제1 굴절율(n1)을 갖는 울타리 형상체(121b) 상에 형성되는 구조가 된다.
울타리 형상체(121b)의 단면 형상으로서는, 정방형, 직사각형, 사다리꼴, 삼각형, 사다리꼴의 사변이 내측 또는 외측으로 만곡된 형상이나, 이들 형상에 있어서 선단이 둥글게 된 형상 등을 들 수 있다.
울타리 형상체(121b)의 평균 피치로서는, 삼출광의 추출 효율이 향상된다는 관점에서, 50 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 삼출광을 광회절에 의해 추출하여 광추출 효율을 향상시킨다는 관점에서, 100 nm 이상이 바람직하고, 150 nm 이상이 보다 바람직하고, 200 nm 이상이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 입광면(1a)의 면정밀도를 향상시켜, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하다.
여기서, 복수의 울타리 형상체(121b)의 평균 피치란 다음과 같이 정의된다. 어떤 울타리 형상체의 중심선과 이 울타리 형상체에 가장 근접하는 울타리 형상체의 중심선과의 중심선 사이 거리가 피치이다. 도 11에 도시하는 것과 같이, 어떤 울타리 형상체 A1에서 가장 근처에 있는 울타리 형상체 B1을 선택하고, 울타리 형상체 A1의 중심선과 울타리 형상체 B1의 중심선 사이의 최단 거리 PA1B1를 피치 P라고 정의한다. 또한, 선택하는 울타리 형상체에 따라 피치 P가 다른 경우에는, 임의의 복수의 울타리 형상체 A1, A2 … AN을 선택하고, 선택된 각각의 울타리 형상체 A1, A2 … AN에 인접하는 울타리 형상체 A1, B2 … BN에 대하여 각각 피치 P를 측정하여, 이들의 상가평균치를 복수의 울타리 형상체의 평균 피치로서 정의한다. 즉, (PA1B1+PA2B2+ … +PANBN)/N=P라고 정의한다. 한편, 상기 상가평균치를 구할 때에 샘플로서 선택하는 울타리 형상체의 수 N이 10점 이상인 것이 바람직하다. 또한, 복수의 울타리 형상체의 배열(패턴)은 후술하는 배열 LP을 이용할 수 있다.
울타리 형상체의 피치를, 요철 구조를 구성하는 요소로서 생각한 경우, 상기 설명한 요철 구조의 분포인 비율(표준편차/상가평균)은 식(i)을 만족한다.
식(i) 0.025≤(표준편차/상가평균)≤0.5
광추출 효율과 컬러 시프트 억제 양쪽의 효과를 보다 높인다는 관점에서, 상기 가장 넓은 범위 (0.025∼0.5) 중에서, 0.03 이상 0.4 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 산란성의 부여에 의한 컬러 시프트 저감에 양호하게 기여하게 되고, 0.4 이하임으로써 보다 임계각 내의 발광광의 반사를 억제함에 따른 광추출 효율 향상에 양호하게 기여하게 된다. 같은 관점에서, 0.035 이상이 바람직하고, 0.04 이상이 보다 바람직하다. 또한, 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하가 보다 바람직하고, 0.15 이하가 가장 바람직하다.
또한, 요철 구조(121a)의 볼록부(121b)의 꼭대기부는, 볼록부(121b)의 바닥부의 폭보다도 작으면 광추출 효율 개선과 컬러 시프트 저감 효과에 더하여, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상할 수 있다고 생각할 수 있기 때문에 바람직하다. 이러한 볼록부(121b)가 경사를 갖는 구조임으로써, 핀 고정된 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각을 작게 할 수 있다. 즉, 볼록부(121b)의 꼭대기부 폭이 볼록부(121b)의 바닥부 폭보다도 작음으로써, 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 체적을 나노 스케일로 작게 할 수 있다. 이 때문에, 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(121c) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 되어, 투명 도전층의 표면정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 전류 집중 등에 의한 반도체 발광 소자의 열화를 억제할 수 있다. 상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 볼록부(121b)의 꼭대기부의 폭은, 볼록부(121b)의 바닥부의 폭의 2분의 1 이하이면 바람직하고, 5분의 1 이하이면 보다 바람직하고, 10분의 1 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 볼록부(121b)의 꼭대기부와 볼록부 측면이 매끄럽게 이어져 있는 경우, 바꿔 말하면 볼록부(121b)의 꼭대기부에 평탄면이 없는 경우이다. 한편, 제1 광추출층이 형성되는 경우는, 상기 설명한 볼록부(121b)를 제1 광추출층이라고 바꿔 읽을 수 있다.
또한, 울타리 형상체의 볼록부 바닥부의 폭은, 평균 피치 P의 0.1배 이상 0.8배 이하이면, 광추출 효율의 향상과 컬러 시프트의 저감을 양립할 수 있기 때문에 바람직하다. 특히, 0.1배 이상임으로써, 상기 식(i)의 요철 구조의 분포에 의한 광산란성의 부여가 효과적이게 되어, 컬러 시프트를 저감할 수 있다. 같은 효과 때문에, 울타리 형상체의 볼록부 바닥부의 폭은, 평균 피치 P의 0.25배 이상이면 바람직하고, 0.35배 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 0.8배 이하임으로써, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제할 수 있기 때문에, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 같은 관점에서, 0.7배 이하가 바람직하고, 0.6배 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 울타리 형상체의 볼록부의 높이는, 평균 피치 P의 2배 이하이면 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다고 생각되기 때문에 바람직하다. 특히, 평균 피치 P 이하의 경우, 요철 구조, 광추출층 및 평탄화층의 굴절율 분포가, 발광광으로부터 봤을 때 적절하게 되기 때문에, 광추출 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 요철 구조의 높이는 평균 피치 P의 0.8배 이하가 보다 바람직하고, 0.6배 이하가 가장 바람직하다.
또한, 높이 H에 대한 (표준편차)/(상가평균)은, 상기 가장 넓은 범위 (0.025∼0.5) 중에서, 0.03 이상 0.40 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광산란성 부여에 의한 컬러 시프트 저감에 양호하게 기여하게 되고, 0.40 이하임으로써 임계각 내의 발광광의 반사 억제에 의한 광추출 효율 향상에 양호하게 기여하게 된다. 같은 관점에서, 0.04 이상이 바람직하고, 0.05 이상이 보다 바람직하고, 0.12 이상이 가장 바람직하다. 또한, 0.35 이하가 바람직하고, 0.3 이하가 보다 바람직하고, 0.25 이하가 가장 바람직하다.
반도체 발광 소자에서는, 투명 도전층 표면에 불균일이나 물결침이 존재하는 경우, 그 볼록 부위에서 전류 집중이 발생하여, 반도체 발광 소자의 열화를 촉진한다. 이러한 전류 집중을, 평탄화층 표면의 면정밀도에 의해 억제한다는 관점에서, 도 11에 도시하는 요철 구조(121a)의 충전율(단위면적에 포함되는 볼록부 바닥부의 면적/단위면적×100)은, 충전율이 45% 이상인 것이 바람직하고, 55% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 요철 구조(121a)의 볼록부(울타리 형상체)(121b)의 면적을, 요철 구조(121a)의 개구부(오목부(121c))의 면적보다도 충분히 크게 하여 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 충전율은 65% 이상이면 바람직하다. 또한, 요철 구조(121a)의 재료 선택성을 향상시킬 수 있게 되기 때문에 70% 이상이 바람직하고, 75% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이면 가장 바람직하다. 이것은 이하의 이유에 의한 것이다. 평탄화층을 요철 구조(121a) 상에 형성하는 경우도, 접착층을 통해 요철 구조(121a)와 투명 도전층면을 접착하는 경우도, 요철 구조(121a)에 대한 평탄화층 재료(접착층 재료)의 습윤성이 중요하게 된다. 예컨대, 평탄화층 재료를 요철 구조(121a) 상에 도공한 경우, 볼록부(121b) 상의 평탄화층 재료는, 볼록부 꼭대기부 가장자리에 있어서의 핀 고정 효과를 평탄화층 재료의 박막 내부에 포함하게 되어, 볼록부 꼭대기부 가장자리에 있어서의 접촉각은 커진다. 즉, 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각과, 오목부(121c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각은 다르게 되어, 요철 구조(121a)의 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 상태와, 오목부(121c) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 상태는 동일하게 되지 않는다. 이 때문에, 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 표면 위치와, 오목부(121c) 상에 위치하는 평탄화층 표면 위치가 일치하지 않는 경우가 있다. 그러나, 상기 충전율이 소정 범위를 만족함으로써, 핀 고정 효과에 의한 접촉각 향상의 영향을 작게 할 수 있게 된다. 이 때문에, 볼록부(121b) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(121c) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 한편, 울타리 형상체의 볼록부 꼭대기부의 폭이 바닥부의 폭보다 작은 경우, 상기 효과를 보다 발휘할 수 있게 된다.
＜제4 실시형태＞
도 12는 제4 실시형태에 따른 요철 구조를 도시하는 평면 모식도이다. 한편, 도 12에서는, 요철 구조층(131)의 상면을 모식적으로 나타내고 있다.
도 12에 도시하는 것과 같이, 제4 요철 구조(131a)는, 요철 구조층(131)의 표면 내에 속하는 제1 방향 D1을 따라서 배열된 복수의 울타리 형상체(볼록부)(131b)와, 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2을 따라서 배열된 복수의 울타리 형상체(볼록부)(131c)를 갖는다. 복수의 울타리 형상체(131b, 131c)는, 요철 구조층(131)의 표면에서 수직 상측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 복수의 울타리 형상체(131b, 131c)는 서로 대략 직교하도록 격자형으로 형성되어 있다. 복수의 울타리 형상체(131b, 131c)에 의해서 둘러싸인 영역에는, 요철 구조층(131)의 일 주면이 남겨져 있고, 그것이 각 울타리 형상체(131b, 131c) 사이에 형성된 오목부(131d)를 구성하고 있다.
즉, 제1 양태에 따른 광추출체(1)가 제4 요철 구조(131a)를 갖는 경우에는, 제2 광추출층(12b)은 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 의해 격자형으로 구획되어, 서로 독립된 구획을 형성한다. 그 결과, 광추출체(1)의 표면 내에 제1 굴절율(n1)을 갖는 울타리 형상체(131b, 131c)에 의해서 둘러싸인 제2 굴절율(n2)을 갖는 제2 광추출층(12b)이 지그재그 격자형으로 복수 배열된 구조가 된다. 한편, 제4 요철 구조(131a)에서는, 상술한 볼록부의 평균 높이(깊이) H란, 평균 울타리 형상체 높이이고, 볼록부 꼭대기부 평균 위치 Sh란, 울타리 형상체 꼭대기부 평균 위치이고, 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv란, 울타리 형상체 상 계면 평균 위치이다. 광추출체(1)가 제4 요철 구조(131a)를 갖는 경우에는, 제1 광추출층(12a)은, 요철 구조층(131)의 표면 내에 속하는 제1 방향 D1을 따라서 배열된 복수의 울타리 형상체와, 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2을 따라서 배열된 복수의 울타리 형상체를 형성한다. 그리고 이들 복수의 제1 광추출층은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 울타리 형상체(131b, 131c)의 상부에 형성된다.
울타리 형상체(131b, 131c)의 단면 형상으로서는, 정방형, 직사각형, 사다리꼴, 삼각형, 사다리꼴의 사변이 내측 또는 외측으로 만곡된 형상이나, 이들 형상에서 선단이 둥글게 된 형상 등을 들 수 있다. 또한, 격자로서는, 삼각 격자, 사각 격자, 다각 격자라도 좋다.
격자의 평균 피치로서는, 도파 모드 유래의 삼출광의 추출 효율이 향상된다는 관점에서, 50 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 특히, 삼출광을 광회절에 의해 추출하여 광추출 효율을 향상시킨다는 관점에서, 100 nm 이상이 바람직하고, 150 nm 이상이 보다 바람직하고, 200 nm 이상이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 입광면(1a)의 면정밀도를 향상시켜, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하다.
여기서, 격자의 평균 피치란, 다음과 같이 정의된다. 격자에 의해 둘러싸이는 제2 굴절율(n2)을 갖는 구획의 중심과 이 구획에 인접하는 다른 구획의 중심과의 사이의 중심간 거리가 피치이다. 도 12에 도시하는 것과 같이, 어떤 구획 A1에 인접하는(제1 굴절율(n1)을 갖는 격자의 한 변에 의해 이격되어 형성되는) 구획 B1을 선택하고, 구획 A1의 중심과 구획 B1의 중심 사이의 최단 거리 PA1B1를 피치 P라고 정의한다. 이 도 12에 도시하는 것과 같이, 선택하는 구획에 따라 피치 P가 다른 경우에는 임의의 복수의 구획 A1, A2 … AN을 선택하여, 선택된 각각의 구획 A1, A2 … AN에 인접하는 B1, B2 및 BN에 대하여 각각 피치 P를 측정하고, 이들의 상가평균치를 격자의 평균 피치로서 정의한다. 즉, (PA1B1+PA2B2+ … +PANBN)/N=P라고 정의한다. 한편, 상술한 상가평균치를 구할 때에 샘플로서 선택하는 구획의 수가 20점 이상인 것이 바람직하다. 또한, 격자의 배열(패턴)은, 후술하는 배열 LP 또는 분포 DF의 어느 것이나 이용할 수 있다.
격자의 피치를, 요철 구조를 구성하는 요소로서 생각한 경우, 상기 설명한 요철 구조의 분포인 비율(표준편차/상가평균)은, 광추출 효율과 컬러 시프트 억제 효과 양쪽을 보다 높인다는 관점에서, 상기 가장 넓은 범위 (0.025∼0.5) 중에서, 0.03 이상 0.4 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 산란성의 부여에 의한 컬러 시프트 저감에 양호하게 기여하게 되고, 0.4 이하임으로써 임계각 내의 발광광의 반사를 억제함에 따른 광추출 효율 향상에 양호하게 기여하게 된다. 같은 관점에서, 0.035 이상이 바람직하고, 0.04 이상이 보다 바람직하다. 또한, 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하가 보다 바람직하고, 0.15 이하가 가장 바람직하다.
또한, 요철 구조(131a)의 볼록부(131b)의 꼭대기부는, 볼록부(131b)의 바닥부 폭보다도 작으면 광추출 효율 개선과 컬러 시프트 저감 효과에 더하여, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다고 생각할 수 있기 때문에 바람직하다. 이러한 볼록부(131b)가 경사를 갖는 구조임으로써, 핀 고정된 볼록부(131b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 접촉각을 작게 할 수 있다. 즉, 볼록부(131b)의 꼭대기부 폭이 볼록부(131b)의 바닥부 폭보다도 작음으로써, 볼록부(131b) 상에 위치하는 평탄화층 재료의 에너지적으로 안정적인 체적을 나노 스케일로 작게 할 수 있다. 이 때문에, 볼록부(131b) 상에 위치하는 평탄화층 재료와 오목부(131d) 상에 위치하는 평탄화층 재료 사이에 존재하는 에너지 구배는 작아져, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 향상시킬 수 있게 되어, 투명 도전층의 표면정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 전류 집중 등에 의한 반도체 발광 소자의 열화를 억제할 수 있다. 상기한 원리에서, 평탄화층의 표면(입광면(1a)) 정밀도를 보다 향상시키기 위해서, 볼록부(131b)의 꼭대기부의 폭은, 볼록부(131b)의 바닥부의 폭의 2분의 1 이하이면 바람직하고, 5분의 1 이하이면 보다 바람직하고, 10분의 1 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 볼록부(131b)의 꼭대기부와 볼록부(131b)의 측면이 매끄럽게 이어져 있는 경우, 바꿔 말하면 볼록부(131b)의 꼭대기부에 평탄면이 없는 경우이다. 한편, 제1 광추출층이 형성되는 경우는, 상기 설명한 볼록부(131b)를 제1 광추출층이라고 바꿔 읽을 수 있다.
또한, 격자의 볼록부 바닥부의 폭은, 평균 피치 P의 0.1배 이상 0.8배 이하이면, 광추출 효율의 향상과 컬러 시프트의 저감을 양립할 수 있기 때문에 바람직하다. 특히, 0.1배 이상임으로써, 상기 식(i)의 요철 구조의 분포에 의한 광산란성의 부여가 효과적이게 되어, 컬러 시프트를 저감할 수 있다. 같은 효과 때문에, 울타리 형상체의 볼록부 바닥부의 폭은, 평균 피치 P의 0.25배 이상이면 바람직하고, 0.35배 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 0.8배 이하임으로써, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제할 수 있기 때문에, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 같은 관점에서, 0.7배 이하가 바람직하고, 0.6배 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 격자의 볼록부의 높이는, 평균 피치 P의 2배 이하이면 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다고 생각되기 때문에, 바람직하다. 특히, 평균 피치 P 이하인 경우, 요철 구조, 광추출층 및 평탄화층의 굴절율 분포가, 발광광으로부터 봤을 때 적절하게 되기 때문에, 광추출 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 이 관점에서, 요철 구조의 높이는 평균 피치 P의 0.8배 이하가 보다 바람직하고, 0.6배 이하가 가장 바람직하다.
또한, 높이 H에 대한 (표준편차)/(상가평균)은, 상기 가장 넓은 범위 (0.025∼0.5) 중에서, 0.03 이상 0.40 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광산란성 부여에 의한 컬러 시프트 저감에 양호하게 기여하게 되고, 0.40 이하임으로써 임계각 내의 발광광의 반사 억제에 의한 광추출 효율 향상에 양호하게 기여하게 된다. 같은 관점에서, 0.04 이상이 바람직하고, 0.05 이상이 보다 바람직하고, 0.12 이상이 가장 바람직하다. 또한, 0.35 이하가 바람직하고, 0.3 이하가 보다 바람직하고, 0.25 이하가 가장 바람직하다.
또한, 평탄화층 표면의 면정밀도를 향상시켜, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 요철 구조(131a)의 충전율은, 충전율이 45% 이상인 것이 바람직하고, 55% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 요철 구조(131a)의 볼록부(131c) 면적을 보다 증가시켜, 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 충전율은 65% 이상이면 바람직하다. 또한, 요철 구조(131a)의 재료의 선택성을 향상시킬 수 있게 되기 때문에, 70% 이상이 바람직하고, 75% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이면 가장 바람직하다.
한편, 상술한 설명에서는, 상기 식(7) 및 상기 식(9)에서는, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)이 실질적으로 다른 경우에 관해서 설명했지만, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)은 반드시 실질적으로 다를 필요는 없고, 실질적으로 동등하거나 또는 같아도 좋다. 이하, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 경우에 관해서 설명한다. 한편, 이하의 광추출체(140)의 설명에서는, 상기 설명한 본 실시형태의 광추출체(1) 및 광추출체(2)와 다른 부분을 설명한다.
＜제3 양태＞
도 13은 본 발명의 제3 양태의 형태에 따른 광추출체(140)를 도시하는 단면 모식도이다. 이 광추출체(140)에서는, 요철 구조층(141)의 제1 굴절율(n1)과 평탄화층(143)의 제3 굴절율(n3)이 실질적으로 동등하거나 또는 같기 때문에, 광추출체(140) 내부로 유도되는 발광광(삼출광 및 임계각 내의 발광광)이 요철 구조층(141)과 평탄화층(143)과의 계면을 인식할 수 없게 된다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광 중 광추출체(140) 내부로 유도된 빛으로부터 보면, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(142)만이 광추출체(1) 내부의 소정의 면내에 부유되는 상태를 형성한다. 바꿔 말하면, 도 1에 도시되는 제1 양태에 따른 광추출체(1)에 있어서 요철 구조층(11)과 평탄화층(13)과의 계면이 없는 상태가 된다.
즉, 광추출체(140) 내부로 유도된 발광광(삼출광 및 임계각 내의 발광광)으로부터 보면, 광추출체(140)에 있어서 제2 굴절율(n2)을 갖는 매질이, 제2 굴절율(n2)과는 다른 굴절율을 갖는 매질에 의해 둘러싸여 있는 상태를 만들 수 있게 되어, 삼출광을 광회절에 의해 추출할 수 있다. 한편, 이하의 설명에서는, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)을 통합하여, 굴절율(n0)이라고 표기한다.
또한, 광추출층(142)의 광추출체(140) 표면의 면내 방향에 있어서의 배열에서, 광추출층(142)의 간격이 큰 경우나, 부분적으로 광추출층(142)이 없는 경우라도, 광추출체(140) 내부로 유도된 발광광(삼출광 및 임계각 내의 발광광)은, 광추출층(142)의 주위를 둘러싸는 매질은 1 종류밖에 없는 것처럼 거동한다. 이 때문에, 임계각 내의 발광광의 반사를 억제할 수 있다고 생각된다. 한편, 제1 굴절율(n1)과 제3 굴절율(n3)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 경우, 상술한 제1 양태에 따른 요철 구조(11a)의 볼록부 상 계면 평균 위치 Scv나 오목부 내 계면 평균 위치 Scc는 정의의 의미를 잃는다. 이 경우의 광추출체(1)는 하기 요건을 만족하는 것으로 한다.
광추출체(140)는, 입광면(140a)(제1면)과 출광면(140b)(제2면)을 적어도 지니고, 입광면(140a)이 반도체 발광 소자의 투명 도전층면 측에 형성된다. 광추출체(140)는, 두께 방향에서 봤을 때에, 입광면(140a)과 출광면(140b) 사이에 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(142)을 포함한다. 이 광추출층(142)은, 요철 구조층(141) 및 평탄화층(143)에 의해 제2 굴절율(n2)과는 다른 굴절율(n0)을 포함하는 매질에 의해 주위가 둘러싸여 형성된다. 또한, 광추출층(142)은, 입광면(141a) 및 출광면(141b)과 평행한 면내(지면 전후 방향 및 좌우 방향)에서 넓어짐을 갖도록 형성된다.
또한, 광추출체(140)의 내부에서, 입광면(140a) 및 출광면(140b)에 평행한 면내에 있어서의 제2 굴절율(n2)의 넓어짐은 적어도 1층 이상 존재한다. 즉, 제1 광추출층(142a)만을 갖는 경우, 제2 광추출층(142b)만을 갖는 경우, 및 제1 광추출층(142a)과 제2 광추출층(142b)이 연속되어 있는 경우에는, 광추출체(140) 내부에서의 제2 굴절율(n2)의 넓어짐은 1층이 되고, 제1 광추출층(142a) 및 제2 광추출층(142b)이 서로 이격되어 있는 경우에는, 광추출체(140) 내부에서의 제2 굴절율(n2)의 넓어짐은 2층이 된다.
제2 굴절율(n2)의 넓어짐이 2층으로 되는 경우에는, 입광면(140a)으로부터 입광하는 삼출광이, 각 층에 의해 회절광으로서 추출된다. 이때, 각 층에 있어서의 회절 모드가 다르기 때문에, 광산란성이 발현된다. 광산란성을 이용한 광추출 효율의 효과는 크기 때문에, 광추출 효율이 크게 향상된다고 생각된다. 나아가서는, 요철 구조의 형상이나 배열의 흐트러짐을 제어한 경우, 흐트러짐에 따른 광산란성의 효과를 강화할 수 있다. 이 때문에, 회절 현상 특유의 소정 각도로의 출향 특성을 만족하지 않고, 컬러 시프트가 억제되어, 보다 자연광에 가까운 발광광을 만들 수 있게 된다고 생각된다. 그 때문에, 반도체 발광 소자의 사용자가 소자를 시인했을 때의 글래어를 억제할 수 있다.
반도체 발광 소자부터의 발광광은, 제2 굴절율(n2)과 굴절율(n0)의 차가 클수록, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(142)과 굴절율(n0)을 포함하는 매질과의 이질성을 강하게 느낀다. 즉, 제2 굴절율(n2)과 굴절율(n0)의 차가 클수록, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(142)이, 광추출체(140) 내부에 배치되어 있음을 인식한다. 이 때문에, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(142)과 굴절율(n0)의 매질과의 계면에서, 광회절을 발현시킬 수 있게 되어, 광추출 효율 개선에 공헌할 수 있다. 이러한 굴절율차를 만족하는 범위로서, 0.1≤|n2-n0|인 것이 바람직하고, 0.15≤|n2-n0|인 것이 보다 바람직하고, 0.25≤|n2-n0|인 것이 더욱 바람직하고, 0.3≤|n2-n0|인 것이 특히 바람직하다. 특히, 상기 |n2-n0|에서, n2-n0＞0인 경우, 출광면에서의 반사를 억제할 수 있으므로 바람직하다.
이하의 설명에서는, 광추출체(140)를 단면에서 보았을 때, 광추출체(140)의 입광면(140a)과 평행한 면내에 포함되는 광추출층의 굴절율(n2)의 집합이 2 종류 있는 경우, 광추출체의 입광면(140a)에 가까운 측의 광추출층(142)의 집합을 제1층(144)으로 하고, 광추출체(140)의 출광면(140b)에 가까운 측의 광추출층(142)의 집합을 제2층(145)으로 한다. 한편, 광추출체(140)를 단면에서 보았을 때, 광추출체(140)의 입광면(140a)과 평행한 면내에 포함되는 제2 굴절율(n2)의 집합이 1 종류뿐인 경우, 이 층을 제1층(144)으로서 정의한다.
한편, 광추출체(140)를 단면에서 보았을 때, 광추출체(140)의 입광면(140a)과 평행한 면내에 포함되는 제2 굴절율(n2)의 집합이 1 종류밖에 존재하지 않는 경우란, 상술한 거리 Lcv가 0인 경우(제2 광추출층(12b)만이 형성되는 경우), 제1 광추출층(12a)만이 형성되는 경우)나 유한한 거리 Lcv의 두께를 갖는 제1 광추출층(142a)과 제2 광추출층(142b)이 연속되어 있는 경우이다. 이 광추출체(140)의 입광면(140a)에 가까운 제1층(144)과 출광면(140b)에 가까운 제2층(145)의 차는 다음과 같이 생각한다.
제1층(144)의 두께는 평균 두께로서 정의한다. 평균 두께란, 제1층(144)에 포함되는 광추출층(142)의 두께의 평균치로서 정의한다. 제1층(144)에 포함되는 각 광추출층(142)의 두께는, 광추출체(140)의 두께 방향에 있어서의 최대 두께를 이용한다. 각 광추출층(142)의 최대 두께를 20점 이상 측정하여, 이들을 평균한 것이 제1층(144)의 두께이다. 제1층(144)의 두께는, 5000 nm 이하이면, 삼출광을 효과적으로 제1 광추출층(142a)(제1층(144))에 의해 추출할 수 있기 때문에 바람직하다. 광추출층(142a)의 물리적 안정성을 향상시켜 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 1400 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 임계 각도 내의 발광광의 반사를 억제한다는 관점에서, 800 nm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 600 nm 이하이면 보다 바람직하고, 400 nm 이하이면 가장 바람직하다.
특히, 제2 광추출층(142b)(제2층(145)) 및 제1 광추출층(142a)(제1층(144))에 의해 삼출광을 추출하는 경우는, 제1층(144)의 두께는 300 nm 이하인 것이 바람직하고, 140 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 제1층(144)에 포함되는 각 제1 광추출층(142a)의 두께는, ±25% 이하의 분포를 지니면, 제1층(144)에 의한 광추출에 크게 산란성을 부여할 수 있다.
한편 제1 광추출층(142a)(제1층(144))에 의해서만 삼출광을 추출하는 경우는, 제1층(144)의 두께는 5000 nm 이하이면 보다 바람직하다. 광추출층(142a)의 물리적 안정성을 향상시켜 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 1400 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 하한치는, ±25% 이하의 각 제1 광추출층(142a)의 두께 분포에 의해 광산란성을 부여한다는 관점에서, 10 nm 이상이면 바람직하고, 30 nm 이상이면 보다 바람직하고, 140 nm 이상이면 가장 바람직하다.
제2층(145)의 두께는 평균 두께로서 정의한다. 평균 두께란, 제2층(145)에 포함되는 광추출층(142)의 두께의 평균치로서 정의한다. 제2층(145)에 포함되는 각 광추출층(142)의 두께는, 광추출체(140)의 두께 방향에 있어서의 최대 두께를 이용한다. 각 광추출층(142)의 최대 두께를 20점 이상 측정하여, 이들을 평균한 것이 제2층(145)의 두께이다.
제2층(145)의 두께는, 삼출광을 효과적으로 제2 광추출층(142b)(제2층(145))에 의해 추출한다는 관점에서, 10 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 제1 광추출층(142a) 및 제2 광추출층(142b)(제1층(144) 및 제2층(145))에 의해 삼출광을 추출한다는 관점에서, 제2층(145)의 두께는 50 nm 이상인 것이 바람직하고, 140 nm 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 광추출층(142b)의 물리적 안정성을 향상시켜 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성을 향상시킨다는 관점에서, 3000 nm 이하인 것이 바람직하고, 1500 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 1400 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 제2층(145)에 포함되는 각 광추출층(142)의 두께는, ±25% 이하의 분포를 지니면, 제2층(145)에 의한 광추출에 크게 산란성을 부여할 수 있다.
도 13에 도시하는 것과 같이, 광추출체(140)의 입광면(140a) 및 출광면(140b)에 평행한 면내에서, 제2층(145)의 출광면(140b)에 가까운 측의 면을 S1로 하고, 제2층(145)의 입광면에 가까운 측의 면을 S2로 한다. 이들 면 S1, S2는 20점 이상의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다. 한편, 면 S1은 제2층(145)의 내부에서, 광추출체(140)의 두께 방향에 있어서의 출광면(140b)과 제2층(145)에 포함되는 제2 광추출층(142b) 사이의 가장 가까운 거리의 평균치로서 구한다. 또한, 면 S2는, 제2층(145)의 내부에서, 광추출체의 두께 방향에 있어서의 출광면(140b)과 제2층(145)에 포함되는 제2 광추출층(142b) 사이의 가장 먼 거리의 평균치로서 구한다.
또한, 광추출체(140)의 입광면(140a) 및 출광면(140b)에 평행한 면내에서, 제1층(144)의 출광면(140b)에 가까운 측의 면을 S3으로 하고, 제1층(144)의 입광면(140a)에 가까운 측의 면을 S4로 한다. 이들 면 S3, S4는 20점 이상의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다. 한편, 면 S4는, 제1층(144)의 내부에서, 광추출체의 두께 방향에 있어서의 입광면(140a)과 제1층(144)에 포함되는 제1 광추출층(142a) 사이의 가장 가까운 거리의 평균치로서 구한다. 면 S3은, 제1층(144)의 내부에서, 광추출체의 두께 방향에 있어서의 입광면(140a)과 제1층(144)에 포함되는 제1 광추출층(142a) 사이의 가장 먼 거리의 평균치로서 구한다.
상술한 거리 Lor에 상당하는 광추출체(140)의 입광면(140a)에서부터 제2층(145)까지의 최단 거리의 평균치는, 상기 면 S2 및 면 S3 사이의 거리와, 제1층(144)의 평균 두께(면 S3과 면 S4 사이의 거리)와의 합보다 크고 800 nm 이하인 것이 바람직하다. 이 평균치가, 상기 면 S2 및 면 S3 사이의 거리와, 제1층(144)의 평균 두께와의 합보다 큼으로써, 광추출체(140)를 반도체 발광 소자의 투명 도전층면 측에 배치할 때의 핸들링성이나 광추출체(140)를 사용한 반도체 발광 소자를 제조할 때의 안정성이 향상된다. 이 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 0 nm 이상인 것이 바람직하고, 10 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 20 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 800 nm 이하임으로써, 도파 모드 유래의 삼출광을 효과적으로 광추출층(142)에 전파할 수 있게 된다.
한편, 제1층(144)만이 형성되는 경우, 상술한 Lor에 상당하는 거리는, 광추출체(140)의 입광면(140a)에서부터 제1층(144)의 면 S4까지의 최단 거리이며, 이 거리는, 0 nm 이상 800 nm 이하이면, 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 입광면(140a)과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광을, 제1층(144) 내부의 제1 광추출층(142a)에 의해 효과적으로 추출할 수 있다. 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, Lor는 10 nm 이상 600 nm 이하이면 보다 바람직하고, 30 nm 이상 500 nm 이하이면 가장 바람직하다.
이어서, 제3 양태에 따른 광추출체(140)에 있어서의 상술한 제1 요철 구조(101a), 제2 요철 구조(111a), 제3 요철 구조(121a), 제4 요철 구조(131a)의 배열에 관해서 설명한다.
이하, 제3 요철 구조(121a)와 제4 요철 구조(131a)는 그 단면 구조가 동일하기 때문에, 제1 요철 구조(101a)로 대표하여 설명한다.
(제1 요철 구조)
우선, 도 7에 도시한 제1 요철 구조(101a)와의 관계에 관해서 설명한다.
제1층(144)은 도 7에 도시하는 복수의 볼록부(101b)의 배열과 같은 배열을 보인다. 광추출체(140)의 두께 방향에서, 제1층(144)에 포함되는 제1 광추출층(142a)은, 도 7에 도시하는 것과 같이 복수의 볼록부(101b)의 꼭대기부 상에서 소정의 두께를 가지며, 이들의 평균 두께가 제1층(144)의 두께가 된다.
제2층(145)은 도 7의 오목부(101c) 내부에 형성되기 때문에 연속성을 갖는다. 광추출체(140)의 입광면 측에서 본 경우, 도 8에서, 원형 형상으로 나타내어져 있는 복수의 볼록부(101b)가 제1층(144)에 포함되는 복수의 제1 광추출층(142a)이며, 복수의 제1 광추출층(142a) 사이의 연속된 간극이 제2층(145)을 구성하는 제2 광추출층(142b)이다. 즉, 입광면(140a) 및 출광면(140b)에 평행한 면내에서, 입광면(140a)과 출광면(140b) 사이에서, 제2층(145)은, 굴절율(n0)을 갖는 복수의 서로 독립된 홀(기둥형(추상)의 구멍)을 구비하는 제2 굴절율(n2)을 갖는 연속체(막)가 된다.
한편, 입광면(140a)과 출광면(140b) 사이에서의 입광면(140a)과 출광면(140b)에 평행한 면내에서, 제1층(144)은, 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 서로 독립된 도트(볼록형)를 구성하고, 주위가 굴절율(n0)을 갖는 매질에 의해 둘러싸인 층으로 된다.
또한, 광추출체(140)의 두께 방향에서, 제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)의 출광면(140b) 측에는, 제2층(145) 내부에 포함되는 굴절율(n0)을 갖는 매질이 형성된다. 제1층(144)의 내부에 포함되는 굴절율(n0)을 갖는 매질의 출광면(140b) 측에는, 제2층(145)을 구성하는 제2 굴절율(n2)을 갖는 제2 광추출층(142b)이 형성된다.
제1층(144) 및 제2층(145)으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 및 복수의 독립된 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)으로만 광추출층(142)이 구성되는 경우, 광추출층(142)의 배열 피치는, 제1층(144) 내부에서 제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)에 대하여, 상술한 제1 요철 구조(101a)의 볼록부(101b)의 정의를 이용할 수 있다. 한편, 연속된 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)만으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 제1층(144) 내부에서 제1층(144)을 구성하는 굴절율(n0)의 매체에 대하여, 상술한 제1 요철 구조(101a)의 볼록부(101b)의 정의를 이용할 수 있다.
한편, 후술하는 배열 LP, 배열 α 및 분포 DF에서는, 제1층(144) 및 제2층(145)으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 및 복수의 독립된 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)으로만 광추출층(142)이 구성되는 경우, 요철 구조층(141)의 요철 구조의 배열을, 제1층(144) 내부에서, 제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)의 배열로 치환할 수 있다. 한편, 연속된 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)만으로 광추출층이 구성되는 경우, 요철 구조층(141)의 요철 구조의 배열을, 제1층(144) 내부에서 제1층(144)을 구성하는 굴절율(n0)의 매체의 배열로 치환할 수 있다.
(제2 요철 구조)
이어서, 도 9에 도시한 제2 요철 구조(111a)와의 대응에 관해서 설명한다.
제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)은 도 9에 도시한 볼록부(111c)와 같은 배열을 이용할 수 있다. 그 때문에, 제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)는 연속적인 박막을 형성한다. 광추출체(140)의 두께 방향에서, 제1층(144)에 포함되는 제1 광추출층(142a)은, 도 9에 도시하는 것과 같이, 볼록부(111c)의 꼭대기부 상에서 소정의 두께를 가지며, 이들의 평균 두께가 제1층(144)의 두께가 된다.
한편, 제2층(145)을 구성하는 제2 광추출층(142b)은, 도 9에 도시하는 오목부(111b) 내부에 형성되기 때문에 서로 독립적이다. 광추출체(140)의 입광면(140a) 측에서 본 경우, 도 10에서, 원형 형상으로 표현되어 있는 복수의 오목부(111b)가 제2층(145)에 포함되는 제2 광추출층(142b)이며, 이 제2 광추출층(142b) 사이의 연속된 간극이 제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)이다.
즉, 입광면(140a)과 출광면(140b) 사이에서의 입광면(140a)과 출광면(140b)에 평행한 면내에서, 제1층(144)은, 굴절율(n0)을 갖는 복수의 서로 독립된 홀을 구비하는 제2 굴절율(n2)을 갖는 연속체가 된다. 한편, 입광면(140a)과 출광면(140b) 사이에서의 입광면(140a)과 출광면(140b)에 평행한 면내에서, 제2층(145)은, 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 서로 독립된 도트(볼록형)를 구비하며, 주위가 굴절율(n0)을 갖는 매질에 의해 둘러싸인 층으로 된다. 또한, 광추출체(1)의 두께 방향에서, 제1층(144)을 구성하는 제1 광추출층(142a)의 출광면(140b) 측에는, 제2층(145) 내부에 포함되는 굴절율(n0)을 갖는 매질이 배치되고, 제1층(144) 내부에 포함되는 굴절율(n0)의 매질의 출광면(140b) 측에는, 제2층(145)을 구성하는 제2 굴절율(n2)을 갖는 제2 광추출층(142b)이 형성된다.
제1층(144) 및 제2층(145)으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 상술한 제2 요철 구조(111a)의 오목부(111b)의 정의를, 제2층(145) 내부에서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 제2 광추출층(142b)에 적용함으로써 정의할 수 있다. 독립된 복수의 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)만으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 상술한 제2 요철 구조(111a)의 오목부(111b)의 정의를, 제1층(144) 내부에서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(142)에 적용함으로써 정의할 수 있다. 연속된 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)만으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 상술한 제2 요철 구조(111a)의 오목부(111b)의 정의를, 제1층(144) 내부에서, 굴절율(n0)을 갖는 매체에 적용함으로써 정의할 수 있다. 제2층(145)의 형상으로서는, 제1 요철 구조(111a)의 볼록부(11b)의 형상을 이용할 수 있다.
한편, 후술하는 배열 LP, 배열 α 및 분포 DF에서는, 제1층(144) 및 제2층(145)으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 요철 구조층(141)의 요철 구조(볼록부 또는 오목부)의 배열을, 제2층(145) 내부에서, 제2층(145)을 구성하는 광추출층(142)에 적용할 수 있다. 독립된 복수의 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)만으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 요철 구조층(141)의 요철 구조(볼록부 또는 오목부)의 배열을, 제1층(144) 내부에서, 제1층(144)을 구성하는 광추출층(142)에 적용할 수 있다. 연속된 광추출층(142)을 포함하는 제1층(144)만으로 광추출층(142)이 구성되는 경우, 요철 구조층(141)의 요철 구조(볼록부 또는 오목부)의 배열을, 제1층(144) 내부에서, 굴절율(n0)을 갖는 매체에 적용할 수 있다.
＜제4 양태＞
도 14는 제4 양태에 따른 광추출체를 도시하는 단면 모식도이다. 도 14에 도시하는 것과 같이, 제4 양태에 따른 광추출체(211)는, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질로 구성되며, 내부에 제1 굴절율(n1)과는 실질적으로 다른 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 나노 입자(212)를 포함한다. 이 광추출체(211)는, 서로 대략 평행한 한 쌍의 주면을 갖고 있고, 한쪽의 주면이 반도체 발광 소자(210) 측에 배치되는 입광면(제1면)(211a)으로 되고, 다른 쪽의 주면이 반도체 발광 소자(210)로부터 입광된 빛을 출광하는 출광면(제2면)(211b)으로 된다. 여기서 대략 평행하다는 것은, 반드시 완전한 평행만을 의미하는 것이 아니라, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 다소의 오차를 허용하는 것이다.
이 광추출체(211)는, 입광면(211a)와 출광면(211b) 사이에 복수의 나노 입자(212)를 포함하여 구성되는 층을 갖는다. 이 복수의 나노 입자(212)는, 주위가 제2 굴절율(n2)과는 실질적으로 다른 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 의해서 채워져 있다. 또한, 복수의 나노 입자(212)는, 복수의 나노 입자(212)를 포함하여 구성되는 층 내에서, 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대하여 대략 평행한 면내에서 소정의 넓어짐을 갖고 있고, 서로 소정의 간격을 두고서 배열되어 있다. 복수의 나노 입자(212)가 포함되는 층의 내부에는, 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대하여 대략 평행하며, 복수의 나노 입자(212)를 가로지르는 수가 최대가 되는 중심면(211c)이 포함된다.
즉, 제4 양태에 따른 광추출체(211)는, 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 나노 입자(212)를 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 내부에 포함하면서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)가, 입광면(211a) 및 출광면(211b)과 대략 평행한 중심면(211c) 내(지면 전후 방향 및 좌우 방향)에서 소정의 넓어짐을 갖도록 배치된다. 또한, 중심면(211c)을 가로지르는 복수의 나노 입자(212)는, 중심면(211c) 내에서 소정의 간격을 두고서 배치된다.
이어서, 나노 입자(212)의 분포에 관해서 설명한다. 제4 양태에 따른 광추출체(211)에서는, 광추출체(211) 내의 가상면 안을 가로지르는 나노 입자(212)의 수에 의해 중심면(211c)이 정의된다. 구체적으로는, 광추출체(211) 내에, 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대하여 대략 평행한 복수의 가상면을 두었을 때에, 그 복수의 가상면 중에서 나노 입자(212)를 가로지르는 수가 최대가 되는 가상면을 중심면(211c)으로서 설정한다.
도 14에 도시하는 예에서는, 광추출체(211)의 입광면(211a)과 출광면(211b) 사이에, 입광면(211a) 측에서 출광면(211b) 측으로 향해 5개의 가상면 A∼가상면 E를 두고 있다. 이 가상면 A∼가상면 E 중에서는, 광추출체(211)의 막 두께 방향에 있어서의 중앙부 근방의 가상면 C를 가로지르는 나노 입자(212)의 수가 12개로 최대가 된다. 따라서, 가상면 C가 중심면(211c)으로 된다. 이 중심면(211c)에 대하여 입광면(211a) 측의 가상면 B, 가상면 A에서는, 입광면(211a)을 향해 중심면(211c)에서 멀어짐에 따라서, 가상면 B, 가상면 A를 가로지르는 나노 입자(212)의 수가, 12개, 9개, 0개와 같이 순차 단조 감소한다. 또한, 중심면(211c)에 대하여 출광면(211b) 측의 가상면 D, 가상면 E에서는, 출광면(211b)으로 향해 중심면(211c)에서 멀어짐에 따라서, 가상면 D, E를 가로지르는 나노 입자의 수가 12개, 2개, 0개와 같이 순차 단조 감소한다.
이와 같이, 제4 양태에 따른 광추출체(211)에서는, 복수의 나노 입자(212)는, 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대략 평행한 가상면 A∼가상면 E 중, 나노 입자(212)가 가로지르는 수가 최대가 되는 가상면 C가 중심면(211c)으로 되고, 이 중심면(211c)에서 멀어짐에 따라서 가상면 A, B, D, E를 가로지르는 나노 입자(212)의 수가 감소하도록 배치되어 있다. 이 구성에 의해, 광추출체(211)를 구성하는 매질과는 실질적으로 다른 굴절율을 갖는 복수의 나노 입자(212)가, 중심면(211c)에서 멀어짐에 따라서 감소하기 때문에, 광추출체(211) 내에 랜덤하게 나노 입자(212)를 배치하는 경우와 비교하여 나노 입자(212)에 기초한 광학 기능을 효과적으로 발현할 수 있다고 생각된다. 이에 따라, 중심면(211c) 근방에서의 복수의 나노 입자(212)에 의한 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광의 추출 효율이 향상되는 동시에, 나노 입자(212)의 수를 삭감하여도 충분히 발광광을 추출할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자(210)로부터 용이하게 빛을 추출할 수 있는 광추출체를 실현할 수 있다. 또한, 중심면(211c) 근방에 복수의 나노 입자(212)가 형성되기 때문에, 나노 입자(212)의 입광면(211a)에 주는 영향을 억제할 수 있게 되어, 입광면(211a)의 평탄성을 양호하게 유지할 수 있게 된다. 이 때문에, 제4 양태에 따른 광추출체(211)를 보텀 에미션형 유기 EL 소자에 적용한 경우에는, 유기 EL 소자의 단락을 억제할 수 있게 되어, 유기 EL 소자에 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다고 추정된다. 한편, 톱 에미션형 유기 EL 소자에 적용한 경우는, 광추출체의 유기 EL 소자에 대한 밀착성이 향상되기 때문에, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 복수의 면을 가로지르는 복수의 나노 입자(212)의 수는, 반드시 완전히 단조 감소하고 있을 필요는 없고, 본 발명이 효과를 발휘하는 범위에서 적절하게 분산된 양태를 포함하는 것으로 한다.
또한, 광추출체(211)를, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측(예컨대, 투명 도전층)에 배치했을 때에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 내부의 발광광은, 소정의 가상면(예컨대, 중심면(211c) 내)을 가로지르도록 형성된 복수의 나노 입자(212)에 의해 산란된다. 특히, 복수의 나노 입자(212)가 소정의 면내에 포함되기 때문에, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측(예컨대, 투명 도전층)과 광추출체(211)와의 계면으로부터 스며나오는 삼출광을 복수의 나노 입자(212)로 추출할 때의 균질성이 향상되는 동시에, 광추출체(211) 내부의 나노 입자(212)의 수를 적게 할 수 있게 되어, 광추출체(211)의 물리적 내구성이 향상된다.
이어서, 제4 양태에 따른 나노 입자(212)의 배열 및 형상 등에 관해서 상세히 설명한다.
도 15는 제4 양태에 따른 광추출체의 나노 입자를 도시하는 단면 모식도이다. 한편, 도 15에서는, 도 14와 마찬가지로 광추출체(211)의 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대하여 직교하는 단면을 나타내고 있다.
·평균 단부 위치(Spt)
도 15에 기재한 평균 단부 위치(Spt)는, 광추출체(211)의 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대략 평행한 면이며, 복수의 나노 입자(212)의 입광면(211a) 측의 선단에 의해 형성되는 평균면이다. 이 평균 단부 위치(Spt)는, 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 복수의 나노 입자(212)의 입광면(211a) 측의 선단과 입광면(211a) 사이의 최단 거리의 평균치로서 구한다. 복수의 나노 입자(212)의 입광면(211a) 측의 선단과 입광면(211a) 사이의 최단 거리는, 주사형 전자현미경 혹은 투과형 전자현미경 관찰, 또는 투과형 전자현미경과 에너지 분산형 X선 분광법을 병용한 수법을 이용함으로써 측정할 수 있다. 평균 단부 위치(Spt)를 구하기 위한 평균 점수는 20점 이상이 바람직하다.
·평균 단부 위치(Spb)
도 15에 기재한 평균 단부 위치(Spb)는, 광추출체(211)의 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대략 평행한 면내이며, 복수의 나노 입자(212)의 출광면(211b)의 선단에 의해 형성되는 평균면이다. 이 평균 단부 위치(Spb)는, 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 복수의 나노 입자(212)의 출광면(211b) 측의 선단과 출광면(211b) 사이의 최단 거리의 평균치로서 구한다. 복수의 나노 입자(212)의 출광면(211b) 측의 선단과 출광면(211b) 사이의 최단 거리는, 주사형 전자현미경 혹은 투과형 전자현미경 관찰, 또는 투과형 전자현미경과 에너지 분산형 X선 분광법을 병용한 수법을 이용함으로써 측정할 수 있다. 평균 단부 위치(Spb)를 구하기 위한 평균 점수는 20점 이상이 바람직하다. 한편, 평균 단부 위치(Spt)와 평균 단부 위치(Spb) 사이의 최단 거리는, 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 복수의 나노 입자(212)의 평균 사이즈(이하, 「평균 두께(Z)」라고 함)가 된다.
중심면(211c) 내로 가로지르는 복수의 나노 입자(212)는, 광추출체(211)의 중심면(211c)에 대한 수직 방향(막 두께 방향 M)에 있어서의 평균 두께(Z)가 10 nm 이상 1000 nm 이하인 것이 바람직하다. 나노 입자(212)의 평균 두께(Z)가 10 nm 이상임으로써, 후술하는 나노 입자(212)의 두께 분포 효과를 충분히 발휘할 수 있게 되어, 광산란성에 의해 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다고 추정된다. 한편, 나노 입자(212)의 평균 두께(Z)가 1000 nm 이하임으로써, 나노 입자(212)의 물리적 안정성을 향상시킬 수 있고, 또한 광추출체(211)의 입광면(211a)의 거칠기를 저감할 수 있다. 이 결과, 복수의 나노 입자(212)의 평균 피치를 비교적 크게 한 경우에도, 나노 입자(212)에 의해 광산란이나 광회절을 생기게 할 수 있게 되어, 광추출 효율이 더욱 향상된다. 또한, 나노 입자(212)의 크기가 적절히 작아지기 때문에, 나노 입자(212)의 물리적 안정성을 향상시킬 수 있게 된다. 이 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 나노 입자(212)의 평균 두께(Z)는, 30 nm 이상 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 50 nm 이상 500 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
또한, 나노 입자(212)는, 광추출 효율의 향상과 장기간 신뢰성의 향상을 유지하면서 컬러 시프트를 저감시킨다는 관점에서, 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 나노 입자(212)의 두께(높이)에 ±25% 이하의 변동을 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 변동은, 20개 이상의 나노 입자(212)에 대하여, 각각의 나노 입자(212)의 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 두께(높이)를 측정하여 산출되는 값이다. 변동이 작을수록, 회절에 의한 광추출은 산란에 의한 광추출에 비해서 상대적으로 높아진다. 한편, 변동이 존재하는 경우, 산란성의 정도가 커져, 광추출 효율을 향상시키면서 컬러 시프트를 저감할 수 있다고 생각된다. 그러나, ±25%를 넘는 변동을 갖는 경우, 광추출체(211)의 입광면(211a)에서 각 나노 입자(212)까지의 거리의 변동이 커져, 입광면(211a)으로부터 입광되는 전파광의 추출 성능이 저하되는 나노 입자(212)가 나타나고, 이 때문에, 광추출 효율의 효율 향상 정도가 저하된다고 추정된다. 즉, 나노 입자의 막 두께 방향 M에 있어서의 두께의 불균일성을 ±25% 이내로 함으로써, 광추출 효율을 향상시키면서 컬러 시프트가 적은 자연광에 가까운 출광을 얻을 수 있다. 한편, 20개 이상의 나노 입자(212)에 대하여, 각각의 나노 입자(212)의 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 두께(높이)를 측정하며, 측정된 각 나노 입자(212)의 평균치가, 나노 입자의 막 두께 방향 M에 있어서의 평균 두께(Z)에 상당한다.
·거리(Lort)
도 15에 기재한 거리(Lort)는, 입광면(211a)과 평균 단부 위치(Spt) 사이의 최단 거리이다. 이 거리(Lort)는, 복수의 나노 입자(212)의 입광면(211a) 측의 평균 단부 위치(Spt)와 광추출체(211)의 입광면(211a) 사이의 평균 거리이다. 즉, 입광면(211a)으로부터 입광되는 발광광이, 광추출체(211) 내의 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 내를 전파하여, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 의해 산란될 때까지의 평균 거리를 의미한다.
거리(Lort)는 0 nm를 넘고 1000 nm 이하의 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 이 범위를 만족함으로써, 광추출체(211)의 입광면(211a)을 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측(예컨대, 투명 도전층)에 접촉했을 때에, 광추출체(211)의 입광면(211a) 및 반도체 발광 소자(210)의 발광층면의 계면과 나노 입자(212)와의 사이의 거리를 적절한 범위로 할 수 있기 때문에, 입광면(211a)과 발광층과의 계면으로부터 스며나오는 도파 모드 유래의 삼출광이 제1 굴절율(n1)의 매질 내부를 전파하여, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)로 효과적으로 전파된다. 즉, 상기 범위를 만족함으로써, 전파된 삼출광이 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 의해 광산란 또는 광회절로서 외부로 추출되기 때문에, 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
거리(Lort)의 상한치는, 반도체 발광 소자(210)의 발광층으로부터 발생하는 빛에 따라 적절하게 설계할 수 있다. 예컨대, 거리(Lort)의 상한치가, 파장(λ)의 발광광에 대하여 0.8 λ 이하의 값이라면, 도파 모드 유래의 삼출광의 나노 입자(212)에서의 추출을 효과적으로 행할 수 있다. 특히, 거리(Lort)의 상한치는 0.65 λ 이하인 것이 바람직하고, 0.55 λ 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 후술하는 거리(Lort)의 하한치를 만족하는 범위 내에서, 거리(Lort)는 작을수록 바람직하다.
발광 디바이스로부터의 발광광에 복수의 파장 성분이 포함되는 경우, 광추출체(211)는, 추출하고 싶은 빛의 최단 파장 또는 평균 파장을 상술한 λ로서 설계할 수 있다. 예컨대, 반도체 발광 소자(10)의 발광 파장이 RGB의 파장을 갖는 경우, 광추출체(211)는, 적색(R)의 파장(λR), 녹색(G)의 파장(λG) 및 청색(B)의 파장(λB)의 평균 파장을 상기 λ로서 설정하여도, 최단 파장인 λB를 상기 λ로서 설정하여도 좋다. 특히, 평균 거리(Lort) 안을 전파하는 삼출광은, 광추출체(211)의 막 두께 방향 M으로 향해 감소한다. 예컨대, 파장(λ)의 빛은, 광추출체(211)의 막 두께 방향 M(출광면(211b) 방향)으로 감소하여, 대략 강도가 1/e가 되는 거리가 λ/2 정도이다. 이 때문에, λR, λG, λB가 혼재하는 경우, λB가 가장 빠르게 감쇠하게 된다. 그 때문에, 반도체 발광 소자(210) 외부로 추출할 필요가 있는 파장 중에서, 최단 파장의 발광광의 파장을 상기 λ로서 설정하는 것이 바람직하다.
상기한 관점에서, 도파 모드 유래의 삼출광이, 제1 굴절율(n1)의 매질을 전파할 때의 감쇠를 억제하기 위해서는, 거리(Lort)는 대략 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 300 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 150 nm 이하인 것이 가장 바람직하다. 상기 범위 내에서 거리(Lort)가 작을수록 전파 특성이 향상된다. 한편, 거리(Lort)의 하한치는 0 nm를 넘는 것이 바람직하다. 0 nm보다도 작은 경우는, 나노 입자(212)가 광추출체(211)의 입광면(211a)에서 비어져 나와 있는, 즉 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질이 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)의 주위를 완전히 채우지 못한 상태를 의미하며, 입광면(211a)에 나노 입자(212) 유래의 거칠기가 발생한다.
광추출체(211)의 입광면(211a)을 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측(예컨대, 투명 도전층)에 접촉하는 경우, 입광면(211a)과 발광층면 측(예컨대, 투명 도전층)과의 계면에 보이드가 발생하는 것을 피할 필요가 있다. 예컨대, 이 계면에 공기가 감겨 들어가 에어 보이드가 발생한 경우, 공기의 굴절율은 대략 1이기 때문에, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 공기와의 계면에 있어서의 굴절율의 차가 커지고, 도파 모드가 보다 촉진되어, 광추출 효율이 크게 감소하게 된다. 또한, 예컨대, 유기 EL 소자의 경우, 발광층은 외기에 대하여 취약하기 때문에, 에어 보이드는 발광층의 수명을 크게 감소시킨다. 또한, 보텀 에미션형 유기 EL 소자에 경우, 입광면 상에 유기 EL 소자를 성막 제조했을 때에, 투명 도전층의 표면정밀도가 악화되어, 단락의 원인이 된다. 이상의 관점에서, 거리(Lort)의 최소치는 0 nm를 넘는 것이 바람직하다. 특히, 나노 입자(212)의 형상에 의해, 입광면(211a)에 거칠기가 발생하는 것을 억제한다는 관점에서, 거리(Lort)는 10 nm 이상이면 바람직하고, 30 nm 이상이면 보다 바람직하다. 가장 바람직하게는 50 nm 이상이다.
·거리(Lorb)
도 15에 기재한 거리(Lorb)는, 광추출체(211)의 출광면(211b)과 평균 단부 위치(Spb) 사이의 최단 거리이다. 이 거리(Lorb)는, 복수의 나노 입자(212)의 출광면(211b) 측의 평균 단부 위치(Spb)와 광추출체(211)의 출광면(211b) 사이의 평균 거리이다. 즉, 거리(Lort), 거리(Lorb) 및 복수의 나노 입자(212)의 광추출체(211)의 막 두께 방향 M에 있어서의 평균 두께(Z)의 합이 광추출체(211)의 평균 두께가 된다.
상술한 것과 같이, 거리(Lort) 및 나노 입자(212)의 평균 두께(Z)는 나노 스케일이다. 그 때문에, 거리(Lorb)가 매우 작은 경우, 광추출체(211) 전체의 막 두께가 매우 얇아져, 광추출체(211)의 물리적 강도가 감소한다. 광추출체(211)의 물리적 강도를 향상시킨다는 관점에서, 거리(Lorb)는 거리(Lort) 이상이면 바람직하다. 특히, 광추출체의 연속 생산성을 향상시키는 동시에, 광추출체를 반도체 발광 소자에 적용할 때의 편리성을 향상시키기 위해서, 거리(Lort)에 대하여 2배 이상의 크기인 것이 바람직하다. 이 경우에는, 중심면(211c) 내에 배열되는 나노 입자(212)의 배치 제어성을 향상시킬 수 있게 된다. 이들 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 거리(Lorb)는 거리(Lort)의 2.5배 이상인 것이 바람직하고, 3.0배 이상인 것이 가장 바람직하다. 거리(Lorb)의 상한치는 특별히 제한되지 않지만, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질의 사용량을 감소시켜, 환경 대응을 도모한다는 관점에서, 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 6 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 하한치의 범위를 만족하는 범위에서 거리(Lorb)는 작을수록 바람직하다.
이어서, 도 16을 참조하여, 평면에서 보았을 때의 광추출체(211)의 구성에 관해서 상세히 설명한다. 도 16은 도 15에 도시한 광추출체(211)의 중심면(211c) 내에서의 단면 모식도이다. 즉, 도 16에서는, 도 15에 도시한 중심면(211c)을 따라서 광추출체(211)를 슬라이스하여, 입광면(211a)으로부터 광추출체(211)를 관찰했을 때의 평면도를 나타내고 있다. 도 16에 도시하는 것과 같이, 중심면(211c)은 복수의 나노 입자(212)를 가로지르기 때문에, 입광면(211a) 측에서 관찰하면, 중심면(211c) 내에는 복수의 나노 입자(212)가 중심면 내에 나뉘어 배치되어 있다.
·평균 피치
도 16에 도시하는 것과 같이, 중심면(211c) 내에서, 인접하는 나노 입자(212)의 중심간 거리가 피치(P)이다. 여기서 중심이란, 중심면(211c)의 면내 방향에서, 나노 입자(212)가 점대칭인 경우는 그 중심이며, 비대칭인 경우는 무게 중심을 중심으로서 정의한다. 선택하는 나노 입자(212)에 따라 피치(P)가 다른 경우는, 임의로 복수의 나노 입자(212)를 선택하여, 이들 피치(P)의 평균치를 평균 피치로 한다. 평균 피치를 구할 때의 평균 점수는 20점 이상이 바람직하다.
평균 피치는 50 nm 이상 1500 nm 이하인 것이 바람직하다. 평균 피치가 50 nm 이상임으로써, 광추출체(211)의 입광면(211a)이 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측(예컨대, 투명 도전층)에 접촉했을 때에, 입광면(211a)와 발광층 사이의 계면으로부터 스며나오는 삼출광을, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 의해 광회절로서 추출할 때의 추출 효율이 향상되는 동시에, 임계각 내의 빛이 나노 입자에 의해 반사되어 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측으로 되돌아가는 것을 억제할 수 있다. 또한, 평균 피치가 1500 nm 이하임으로써, 광산란성을 부여하는 밀도를 향상시킬 수 있게 되는 동시에, 반도체 발광 소자(210)의 발광 파장에 따른 광산란이나 광회절의 강도를 향상시킬 수 있어, 광추출 효율이 향상된다고 생각된다. 또한, 평균 피치가 1500 nm 이하임으로써, 나노 입자(212)의 입광면(211a)에 미치는 영향을 억제할 수 있기 때문에, 입광면(211a)의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 평균 피치는 200 nm 이상 1000 nm 이하가 보다 바람직하고, 250 nm 이상 800 nm 이하가 가장 바람직하다. 한편, 상기 평균 피치를 만족하는 범위라면, 나노 입자(212)는, 중심면(211c) 내 방향에서, 랜덤하게 분산된 상태라도 좋다. 피치는 ±50% 이하의 분포를 갖더라도 좋다. 이 경우, 나노 입자 하나하나와 같은 미시적 스케일에서의 광회절의 모드수를 증가시킬 수 있다고 추정된다. 이 때문에, 출광면(211b)으로부터 출광되는 빛은, 복수의 회절 모드의 평균적 광이 되므로 산란성을 발휘한다고 생각된다. 즉, 피치가 분포를 지님으로써, 광추출 효율 및 장기간 신뢰성을 향상시킨 상태에서, 더욱 컬러 시프트를 저감시킬 수 있다. 컬러 시프트의 억제라는 관점에서, 피치의 분포는 ±1% 이상이면 바람직하다. 회절 모드를 보다 증가시켜 산란성을 강하게 한다는 관점에서, 피치의 분포는 ±5% 이상이 보다 바람직하고, ±7% 이상이 가장 바람직하다. 한편, 국소적으로 나노 입자(212)가 근접한 경우, 그 나노 입자끼리의 간격은 반도체 발광 소자의 발광광보다도 충분히 작아진다. 이 경우, 발광광은 개개의 나노 입자를 인식하지 않고, 평균적인 굴절율의 분포로서 근접한 나노 입자를 동시에 인식하게 된다. 즉, 근접한 2개의 나노 입자를 하나의 나노 입자로서 인식하기 때문에, 외관상 나노 입자의 직경이 증대된다. 나노 입자의 직경이 커진 경우, 그 나노 입자에 의해 발광광의 일부가 반사되어, 광추출체 내부에서 입광면(211a) 측으로 되돌아가는 경우가 있다. 이것은 광추출 효율의 저하를 의미한다. 이러한 현상을 억제한다는 관점에서, 피치는 ±35% 이하이면 보다 바람직하고, ±20% 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 후술하는 것과 같이, 피치의 분포에 주기성이 주어진 경우, 피치의 분포에 따른 광회절 현상을 발현할 수 있게 된다. 즉, 나노 입자 하나하나와 같은 미시적 광회절에, 나노 입자 그룹에 의한 거시적 광회절을 가할 수 있기 때문에, 마치 복수의 회절 현상을 발현하는 회절점이나 회절 격자를 갖춘 나노 입자(212)의 배열을 실현할 수 있다. 이 경우, 광추출 효과가 큰 광회절을 이용하여, 광추출과 산란성을 동시에 발현할 수 있기 때문에, 광추출 효율의 향상과 컬러 시프트 저감 효과를 보다 발현할 수 있다고 생각된다.
·평균 직경
도 16에 도시하는 것과 같이, 중심면(211c)에 의해 할단(割斷)된 나노 입자(212)의 분할 단면의 직경(D)의 평균치를 나노 입자(212)의 평균 직경으로 한다. 이 평균 직경은, 임의로 복수의 나노 입자(212)를 선택하여, 이들의 직경(D)의 평균치로서 산출한다. 평균 점수는 20점 이상이 바람직하다. 또한, 평균 직경을 구할 때의 중심면(211c)은, 평균 단부 위치(Spt)와 평균 단부 위치(Spb) 사이의 중앙에 설정된 중앙면(도시되지 않음)이다. 여기서, 중앙면이란, 다음과 같이 정의한다. 평균 단부 위치(Spt)와 평균 단부 위치(Spb) 사이의 거리를 Z로 한다. 중앙면이란, 평균 단부 위치(Spt)에서 출광면(211b) 방향으로 Z/2 하강한 면, 즉, 평균 단부 위치(Spb)에서 입광면(211a) 방향으로 Z/2 상승한 면이다.
평균 직경은 1 nm 이상1000 nm 이하인 것이 바람직하다. 평균 직경이 1 nm 이상임으로써, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 입광면(211a)과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광의 추출 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 평균 직경이 1000 nm 이하임으로써, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 입광면(211a)과의 계면으로부터 입광하는 임계각 내의 발광광이, 나노 입자에 의해 반사되어 그 계면으로 되돌아가는 것을 억제할 수 있다. 이 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 평균 직경은 50 nm 이상 800 nm 이하인 것이 바람직하고, 100 nm 이상 700 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 200 nm 이상 600 nm 이하가 가장 바람직하다.
나노 입자(212)의 직경은 ±25% 이하의 분포를 갖더라도 좋다. 나노 입자(212)의 직경이 분포를 가짐으로써, 나노 입자 하나하나와 같은 미시적 스케일에서의 광회절의 모드에 분포를 포함하는 것이 가능하다고 생각할 수 있다. 즉, 규칙 바르게 나노 입자(212)가 배열되어 있는 경우라도, 나노 입자의 직경이 분포를 가짐으로써, 개개의 나노 입자에 있어서의 광회절 모드를 다른 상태로 할 수 있다. 즉, 미시적 광학 현상의 평균적 거동이 관찰되는 출광면(211b)으로부터 출광되는 빛은 산란성을 발휘하기 때문에, 컬러 시프트를 저감할 수 있다. 컬러 시프트의 저감이라는 관점에서, 나노 입자(212)의 직경의 분포는 ±1% 이상이면 바람직하고, ±5% 이상이면 보다 바람직하다. 또한, 분포가 큰 것은 큰 직경을 갖는 나노 입자(212)를 포함하는 것을 의미한다. 이 경우, 큰 직경을 갖는 나노 입자에 의해 발광광의 일부는 반사되어, 광추출 효율을 저하시킬 가능성이 있다. 이러한 현상을 억제한다는 관점에서, 나노 입자(212)의 직경의 분포는 ±15% 이하가 보다 바람직하고, ±10% 이하가 가장 바람직하다.
제4 양태에 따른 광추출체(211)에서는, 복수의 나노 입자(212)는, 중심면(211c) 내에 있어서의 평균 피치가 50 nm 이상 1500 nm 이하이고, 중심면(211c)의 면내 방향에 있어서의 평균 직경이 1 nm 이상 1000 nm 이하이면서 평균 피치가 평균 직경보다도 큰 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 광추출체(211) 내부의 복수의 나노 입자(212)의 배열 규칙성이 적절한 범위로 되는 동시에, 나노 입자(212)에 의해 광산란 또는 광회절이 생기는 영역의 밀도를 크게 할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광을, 복수의 나노 입자에 의한 광산란 또는 광회절로서 효과적으로 추출할 수 있게 된다.
이어서, 나노 입자(212)의 형상에 관해서 상세히 설명한다. 나노 입자(212)의 형상으로서는, 상기 나노 입자(212)의 배치 부위, 크기, 굴절율을 만족하는 것이면, 특별히 제한은 없다. 나노 입자(212)의 형상으로서는 예컨대, 삼각기둥, 삼각추, 사각기둥, 사각추, 다각기둥, 다각추, 원추, 원기둥, 타원추, 타원기둥 및 이들의 바닥면이 변형된 형상, 이들의 측면이 만곡된 형상, 또는 구체, 원반형, 렌즈형, 편평타원체형(편구상), 편장타원체형(장구상) 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 특히, 원추, 원기둥, 타원추, 타원기둥과 같이, 바닥면의 코너가 적은 형상이 바람직하다. 이들 형상으로 함으로써, 광추출율을 한층 더 향상시킬 수 있다고 추정된다. 바닥면을 타원으로 한 경우의 장축 반경과 단축 반경과의 비율(장축 반경/단축 반경)은 1 이상인 것이 바람직하다. 비율(장축 반경/단축 반경)이 1인 경우가 원이다. 후술하는 배열에서, 나노 입자의 밀도를 향상시켜, 광산란성을 크게 발현한다는 관점에서, 바닥면이 타원인 나노 입자의 경우, 비율(장축 반경/단축 반경)은 5 이하인 것이 바람직하다.
나노 입자(212)의 형상은 분포를 포함하면, 광추출 효율과 장기간 신뢰성을 향상시키면서 컬러 시프트를 저감할 수 있으므로 바람직하다. 여기서, 나노 입자(212)의 형상 분포란, 나노 입자(212)의 형상을 표현하는 변수의 분포이다. 나노 입자(212)의 형상은, 나노 입자(212)의 높이(두께), 측면의 각도, 측면의 변곡점의 수, 측면의 길이, 상면 혹은 하면의 평탄면의 면적(직경), 상면 혹은 하면의 곡율, 상면 혹은 하면의 변곡점의 수, 상면 또는 하면 또는 측면의 러프니스(거칠기), 어스펙트비(높이/하면의 직경 혹은 높이/상면의 직경), 혹은 상면 혹은 하면과 측면이 만드는 곡율 등에 의해 정의된다. 이들을, 나노 입자(212)를 표현하는 변수 x로 한다. 변수 x에 대한 표준편차와 상가평균의 비율(표준편차/상가평균)이 0.025 이상임으로써, 나노 입자 하나하나와 같은 미시적 스케일에서의 회절 모드수가 증가하고, 이에 따라 출광면으로부터 출광되는 빛에 산란성이 부여된다고 생각된다.
(상가평균)
상가평균치는, 어떤 요소(변량) X의 N개의 측정치를 x1, x2…, xn으로 한 경우에, 다음의 식으로 정의된다.
Figure pat00001
(표준편차)
요소(변량) X의 N개의 측정치를 x1, x2…, xn으로 한 경우에, 상기 정의된 상가평균치를 사용하여, 다음 식으로 정의된다.
Figure pat00002
상가평균을 산출할 때의 샘플 점수 N은 10 이상으로서 정의한다. 또한, 표준편차 산출시의 샘플 점수는 상가평균 산출시의 샘플 점수 N과 같다고 하자.
또한, 표준편차/상가평균은, 면내에 있어서의 값이 아니라, 국소적인 값으로서 정의한다. 즉, 면내에 걸쳐 N점을 계측하여 표준편차/상가평균을 산출하는 것이 아니라, 국소적 관찰을 하여, 그 관찰 범위 내에서의 표준편차/상가평균을 산출한다. 여기서, 관찰에 사용하는 국소적 범위란, 평균 피치 P의 5배∼50배 정도의 범위로서 정의한다. 예컨대, 평균 피치 P가 500 nm라면, 2500 nm∼25000 nm의 관찰 범위 내에서 관찰을 한다.
상술한 것과 같이, 나노 입자(212)의 형상은, 변수에 의해 표기 가능하며, 그 변수에 대한 표준편차/상가평균이 0.025 이상이라면 회절 모드의 수가 증가한다고 생각할 수 있고, 산란성을 강하게 부가할 수 있게 된다. 보다 산란성을 강하게 하여, 컬러 시프트를 저감한다는 관점에서, 표준편차/상가평균은 0.03 이상이면 바람직하다. 한편, 상한치는, 삼출광의 추출 효율이나 임계각 내의 발광광의 반사 억제의 관점에서 결정되며, 0.5 이하이면 바람직하다. 삼출광의 추출 효율, 임계각 내의 발광광의 반사 억제, 컬러 시프트의 저감 및 나노 입자(212)의 제어성이라는 관점에서, 표준편차/상가평균은 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.15 이하인 것이 가장 바람직하다. 특히, 요소 x가, 높이(두께), 상면 혹은 하면의 직경(면적) 혹은 어스펙트이면, 상기 (표준편차/상가평균) 범위에서의 산란성의 효과가 크기 때문에 바람직하다. 또한, 나노 입자(212)의 배열은 피치를 변수 x로 함으로써 표현할 수 있다. 이 경우도 같은 효과 때문에 상기 범위를 만족하면 바람직하다.
나노 입자(212)의 피치를 요철 구조를 구성하는 요소로서 생각한 경우, 상기 설명한 비율(표준편차/상가평균)은, 광추출 효율과 컬러 시프트 억제 양쪽의 효과를 보다 높인다는 관점에서, 상기 가장 넓은 범위 (0.025∼0.5) 중에서, 0.03 이상 0.4 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 산란성의 부여에 의한 컬러 시프트 저감에의 기여가 양호하게 되고, 0.4 이하임으로써 임계각 내의 발광광의 반사를 억제함에 따른 광추출 효율 향상에의 기여가 양호하게 된다. 같은 관점에서, 0.035 이상이 바람직하고, 0.04 이상이 보다 바람직하다. 또한, 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하가 보다 바람직하고, 0.15 이하가 가장 바람직하다.
또한, 나노 입자(212)의 꼭대기부(입광면 측의 선단부) 직경과, 나노 입자(212)의 바닥부(출광면 측의 선단부) 직경이 다르면, 광추출 효율 개선과 컬러 시프트 저감 효과에 더하여, 반도체 발광 소자(10)의 장기간 신뢰성을 향상시킬 수 있다고 생각할 수 있기 때문에 바람직하다. 즉, 나노 입자(212)의 측면은, 광추출체(211)의 두께 방향에서 구배를 가지면 바람직하다. 이러한 나노 입자(212)가 경사를 갖는 구조임으로써, 후술하는 광추출체(211)의 제조 방법으로, 나노 입자(212)의 형상 안정성이나 입광면(211a)의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 본 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 나노 입자(212)의 꼭대기부(입광면 측의 선단부) 직경과, 나노 입자(212)의 바닥부(출광면 측의 선단부) 직경은 2배 이상 다르면 바람직하고, 5배 이상 다르면 보다 바람직하고, 10배 이상 다르면 가장 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 나노 입자(212)의 꼭대기부(입광면 측의 선단부) 직경 혹은 나노 입자(212)의 바닥부(출광면 측의 선단부) 직경이 0에 점근하는 상태, 바꿔 말하면 나노 입자(212)의 상면 혹은 하면에 평탄면이 없는 경우이다.
또한, 높이(두께)에 대한 (표준편차)/(상가평균)은, 상기 가장 넓은 범위 (0.025∼0.5) 중에서, 0.03 이상 0.40 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광산란성 부여에 의한 컬러 시프트 저감에 양호하게 기여하게 되고, 0.40 이하임으로써 임계각 내의 발광광의 반사 억제에 의한 광추출 효율 향상에 양호하게 기여하게 된다. 같은 관점에서, 0.04 이상이 바람직하고, 0.05 이상이 보다 바람직하고, 0.12 이상이 가장 바람직하다. 또한, 0.35 이하가 바람직하고, 0.3 이하가 보다 바람직하고, 0.25 이하가 가장 바람직하다.
도 17A∼도 17D는 제4 양태에 따른 광추출체의 나노 입자의 형상의 일례를 도시하는 단면 모식도이다. 한편, 도 17A∼도 17D에서는, 도 14와 마찬가지로, 광추출체(211)의 입광면(211a) 및 출광면(211b)에 대한 수직 단면을 보이고 있다.
도 17A∼도 17D에 도시하는 것과 같이, 나노 입자(212)의 형상은, 비점대칭이고, 중심면(211c)에 대하여 평행한 방향의 선분 X에 대하여 비선대칭이면서 중심면(211c)에 대한 수직 방향의 선분 Y에 대하여 대략 선대칭인 것이 바람직하다. 여기서의 대략 선대칭이란, 완전한 선대칭만을 의미하는 것이 아니라, 본 발명이 효과를 발휘하는 범위 내에서 대칭성이 무너진 선대칭도 허용하는 것이다. 이러한 나노 입자(212)의 형상으로서는, 입광면(211a) 측의 선단이 입광면(211a) 측으로 돌출되고, 출광면(211b) 측의 선단이 출광면(211b)에 대하여 대략 평행한 형상을 갖는 것이어도 좋고(도 17A 참조), 출광면(211b) 측의 선단이 출광면(211b) 측으로 돌출되고, 입광면(211a) 측의 선단이 입광면(211a)에 대하여 대략 평행한 형상을 갖는 것이라도 좋다(도 17B 참조). 또한, 나노 입자(212)의 형상은, 입광면(211a) 측의 선단이 입광면(211a) 측으로 돌출되고, 출광면(211b) 측의 선단이 입광면(211a) 측으로 향해 우묵하게 들어간 형상을 갖는 것이라도 좋고(도 17C 참조), 출광면(211b) 측의 선단이 출광면(211b) 측으로 돌출되고, 입광면(211a) 측의 선단이 출광면(211b) 측으로 향해 우묵하게 들어간 형상을 갖는 것이라도 좋다(도 17D 참조). 이러한 나노 입자(212)를 이용함으로써, 중심면(211c) 내에서의 나노 입자(212)의 배열 규칙성이 향상되기 때문에, 나노 입자(212)에 의한 광회절성이 향상되고, 그 결과, 반도체 발광 소자(210)의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 제1 굴절율(n1)의 매질과 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와의 굴절율 관계에 관해서 설명한다. 굴절율의 차는 빛으로부터 본 매질의 이질성에 직결된다. 즉, 굴절율차가 클수록, 매질 사이의 이질성을 빛이 인식하여, 광산란이나 회절과 같은 광학 현상을 발현하기 쉽게 된다. 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광은, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차가 클수록, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질과의 이질성을 강하게 느낀다. 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)과의 차가 클수록, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)가, 광추출체(211)의 내부에 배치되어 있는 것을 인식한다. 이 때문에, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와 제1 굴절율(n1)의 매질과의 계면에서, 광산란이 생기게 된다.
본 실시형태에서는, 제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)은 서로 다르다. 본 명세서에서, 「서로 굴절율이 다른 상태」란, 굴절율차의 절대치가 0.1 이상인 경우이다. 즉, 굴절율(nA)과 굴절율(nB)이 서로 다른 상태란, 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1 이상인 경우로서 정의한다.
제4 양태에 따른 광추출체(211)에서는, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질과 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와의 계면에 있어서의 광산란에 의해 삼출광을 추출하여, 출광면(211b)으로부터의 광추출 효율을 향상시키는 동시에, 추출한 빛의 컬러 시프트를 저감한다는 관점에서, 광추출체(211)에 있어서의 제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)의 굴절율차(|n1-n2|)가 0.15 이상인 것이 바람직하다. 또한, 나노 입자(212)와 광추출체(211)를 구성하는 매질과의 광학적인 이질성을 크게 하여, 광추출체(211) 내에서의 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광의 나노 입자(212)에 의한 광산란성이 향상된다는 관점에서, 제1 굴절율(n1)과 제2 굴절율(n2)의 굴절율차(|n1-n2|)는 0.2 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.25 이상인 것이 더욱 바람직하고, 0.3 이상인 것이 특히 바람직하다.
또한, 제1 굴절율(n1)의 매질에의 반도체 발광 소자(210)의 발광광의 입광성을 향상시킨다는 관점에서는, n1＞n2이면 바람직하고, 나노 입자(212)의 안정성 및 반도체 발광 소자(210)의 장기간 신뢰성의 관점에서는 n2＞n1인 것이 바람직하다. n1＞n2를 만족하는 범위에서 큰 굴절율차를 실현하여, 광산란성을 크게 하기 위해서는, 예컨대, 나노 입자(212)로서 중공 실리카나 메소포러스 실리카, 불활성 가스로 대표되는 기체, 이온 액체로 대표되는 액체 등을 채용할 수 있다. 한편, n2＞n1을 만족하는 범위에서 큰 굴절율차를 실현하여, 광산란성을 크게 하기 위해서는, 예컨대, 나노 입자(212)로서 금속 나노 입자, 금속 산화물 나노 입자, 유기 무기 하이브리드 나노 입자 등을 채용할 수 있다. 특히, n1＞n2의 관계를 만족하는 경우, 광추출체(211)의 출광면(211b) 상에 요철 구조를 부여함으로써, 출광면(211b)에 있어서의 추출광의 반사를 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 이러한 출광면(211b) 상의 요철 구조에 관해서는 후술한다.
한편, 본 명세서에서, 「굴절율이 실질적으로 동등」이란, 굴절율(nA)의 매질(A) 및 굴절율(nB)의 매질(B)의 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1보다 작은 경우이며, 「굴절율이 같다」란, 굴절율(nA)의 매질(A) 및 굴절율(nB)의 매질(B)의 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0인 경우이다. 굴절율이 실질적으로 동등한 경우, 굴절율(nA)을 갖는 매질(A)과 굴절율(nB)을 갖는 매질(B)과의 계면에 있어서의 빛의 반사는 0.1% 이하로 억제되어, 빛은 굴절율(nA)의 매질과 굴절율(nB)의 매질과의 계면을 대략 인식하지 않게 된다. 이 때문에, 굴절율차의 절대치(|nA-nB|)가 0.1보다 작은 경우를 굴절율이 실질적으로 동등하다고 정의한다.
이어서, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 관해서 설명한다. 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질은 광학적으로 투명한 매질인 것이, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 내부를 전파하는 빛의 흡수 감쇠를 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기서, 광학적으로 투명하다는 것은, 감쇠 계수(k)가 0인 것이라고 정의한다. k=0임으로써, 흡수 계수를 0으로 할 수 있게 된다. 이 때문에, 광추출체(211)의 입광면(211a)에서 광추출체(211) 내로 유도된 발광광이 광추출체(211)의 출광면(211b)에 투과할 때까지, 광추출체(211) 내부에서 흡수되어 감쇠하는 것을 억제할 수 있다. 여기서, 감쇠 계수 k가 0인 경우란, k≤0.01을 만족하는 범위라고 정의한다. 이 범위를 만족함으로써 상기 효과를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 특히, 다중 반사를 억제한다는 관점에서 k≤0.001이면 보다 바람직하다. 한편, k는 작을수록 바람직하다.
제1 굴절율(n1)을 갖는 매질을 구성하는 재료로서는, 상기 굴절율의 관계 및 감쇠 계수 k를 만족하는 것이면 특별히 제한은 없다. 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질의 재료로서는, 예컨대, 광학적으로 투명한 수지, 광학적으로 투명한 유전체 등을 채용할 수 있다.
한편, 제1 굴절율(n1)의 매질은, 제1 굴절율(n1)과 실질적으로 굴절율이 같은 다른 매질을 포함할 수 있다. 제1 굴절율(n1)의 매질 내부에 다른 굴절율(nK)을 갖는 매질이 포함되어도, nK와 n1은 실질적으로 같기 때문에, 광학적으로는 n1의 매질만이 존재하는 것처럼 거동한다. 그 때문에, 제1 굴절율(n1)과 실질적으로 같은 굴절율을 갖는 다른 매질은 몇 종류 포함되어도 상관없다. 이러한 제1 굴절율(n1)과 실질적으로 굴절율이 같은 다른 매질을 포함함으로써, 광추출체의 물리적 강도나 사용 환경에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 관해서 설명한다. 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)로서는, 이미 설명한 굴절율 관계, 형상 및 크기를 만족할 수 있는 것이라면 특별히 제한은 없다.
또한, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)는 다층 나노 입자라도 좋다. 여기서 다층 나노 입자란, 광추출체의 막 두께 방향 M으로 적층된 나노 입자이다. 예컨대, 굴절율(nA)의 층, 굴절율(nB)의 층 및 굴절율(nC)의 층이, 광추출체(211)의 출광면(211b)에서 입광면(211a) 측으로 적층되어 하나의 나노 입자(212)를 구성하는 경우를 생각하자. 이 경우, 입광면(211a)에 가장 가까운 굴절율(nC)이 상기 제2 굴절율(n2)을 만족하면, 다른 굴절율(nA) 및 굴절율(nB)은, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 관계를 만족하지 않아도 된다. 즉, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)란, 광추출체(211)의 입광면(211a) 측이 제2 굴절율(n2)이면 되고, 출광면(211b) 측에는 제2 굴절율(n2)과 서로 다른 굴절율의 층이 형성되어 있어도 좋다.
제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)의 감쇠 계수에 특별히 제한은 없다. 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)는, 금속 산화물 등의 유전체로 구성하는 경우에는, 광학적으로 투명한 것이 바람직하다. 즉, 나노 입자(212)로서는, 금속 등의 흡수가 있는 물질도 선정할 수 있다.
이어서, 광추출체(211)의 나노 입자(212)의 배열에 관해서 상세히 설명한다. 나노 입자(212)의 배열은, 광추출체(211)를 중심면(211c)에서 슬라이스했을 때에 노출되는 광추출체(211)의 입광면(211a) 측의 면에 대하여 정의된다.
나노 입자(212)의 중심면(211c) 내에서의 배열은, 상술한 평균 피치의 범위를 만족하는 범위라면 특별히 제한은 없다. 또한, 나노 입자(212)의 배열로서는, 이하에 설명하는 배열 LP 및 배열 α 중 어느 것을 채용함으로써, 산란성을 강하게 발현한 상태에서, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 이하에 설명하는 배열 LP 및 배열 α은, 위에서 설명한 피치에 대한 표준편차/상가평균의 범위를 만족하는 예이다. 특히, 배열 LP의 경우 그 원리 때문에, 본 발명의 광추출체를 유기 EL 소자에 적용한 경우에, 유기 EL 소자의 광추출 효율을 향상시키는 동시에, 더욱 색 온도를 조정할 수 있다고 추정된다.
＜요철 구조의 배열＞
이어서, 상술한 제1 양태에 따른 광추출체(1)에 있어서의 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)의 배열에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 특별히 설명하지 않는 한, 제2 양태에 따른 광추출체(2), 제3 양태에 따른 광추출체(140), 제4 양태에 따른 광추출체(211)도 광추출체(1)와 같은 구성을 이용할 수 있다.
또한 광추출체(1)에 있어서의 요철 구조층(11)의 미세 구조가, 상기한 울타리 형상 또는 격자형으로 구성되는 경우에는, 라인의 장축 방향을 제1 방향 D1이라고 정의한다. 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2으로 배열된 복수의 라인 열에 있어서, 인접하는 라인의 중앙선 사이의 최단 거리가 피치 Px에 상당한다. 바꿔 말하면, 후술하는 도트 형상의 설명에 있어서, 제1 방향 D1으로 피치 Py로 배열되는 도트열의 피치 Py를 제로에 점근하여, 인접하는 도트를 이은 상태가 울타리 형상 구조에 상당한다.
또한, 제4 양태에 따른 광추출체(211)에 있어서의 나노 입자(212)의 배열에 관해서는, 광추출체(211)를 중심면(211c)에서 슬라이스했을 때에 노출되는 광추출체(211)의 입광면(211a) 측의 면에 대하여 정의되며, 이하 도트와 광추출층을 나노 입자, 도트 직경을 나노 입자 단직경, 도트 높이를 나노 입자 장직경이라고 바꿔 읽어 정의된다.
도 1에 도시하는 요철 구조층(11)의 요철 구조(11a)로서는, 상술한 형상 및 배열에 의해, 평탄화층(13) 내부를 전파하는 삼출광을 광추출층(12) 및 요철 구조층(11)에 의해 추출할 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없기 때문에, 육방 배열, 준육방 배열, 사방 배열, 준사방 배열 등을 채용할 수 있다. 또한, 요철 구조(11a)의 배열로서, 이하에 설명하는 배열 LP, 배열 α 및 분포 DF 중 어느 것을 이용함으로써, 평탄화층(13) 내부를 전파하는 삼출광을 추출할 때에, 광산란성을 보다 강하게 발현시킬 수 있게 되기 때문에, 광추출 효율이 향상된다. 또한, 요철 구조의 형상이나 배열의 흐트러짐을 제어함으로써 발현되는 광산란성을 회절에 의한 광추출에 대하여 상대적으로 강하게 할 수 있기 때문에, 컬러 시프트는 저감되고, 보다 자연광에 가까운 반도체 발광 소자로 할 수도 있다. 한편, 이하에 기재하는 배열 LP, 배열 α 및 분포 DF에 나타내는 구성은 광추출층(12)의 배열에 이용할 수도 있다.
＜배열 LP＞
이하에서는, 상술한 제1 요철 구조(101a)에 있어서의 복수의 볼록부(101b) 또는 제2 요철 구조(111a)의 복수의 오목부(111b), 또한 제4 양태에 따른 광추출체(211)에 있어서의 나노 입자(212)를 함께 「도트(230)」라고 칭하여 설명한다. 즉, 이하의 설명에서 사용하는 「도트(230)」는, 제1 요철 구조(101a)의 볼록부(101b) 또는 제2 요철 구조(111a)의 오목부(111b), 또는 제4 나노 입자(212)라고 바꿔 읽음으로써, 제1 요철 구조(101a)의 배열 또는 제2 요철 구조(111a)의 배열, 혹은 제4 나노 입자(212)의 배열에 반영시킬 수 있다.
도 18은 제1 양태에 따른 요철 구조의 배열 LP를 도시하는 모식도이며, 요철 구조층을 상면에서 본 상태를 나타내고 있다. 도 18에 도시하는 것과 같이, 도트(230)는, 광추출체(1)의 주면 내의 제1 방향 D1에서, 복수의 도트(230)가 부정 간격(Py)(피치 (Py)1, (Py)2, (Py)3, …)으로 배열된 복수의 도트열(230-1∼230N)을 구성한다. 또한, 각 도트열은, 광추출체(1)의 주면 내에서 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2에서, 부정 간격(Px)(피치 (Px)1, (Px)2, (Px)3, …)으로 배치되어 있다.
여기서, 서로 다른 피치(Px)로 부정 간격으로 배치된 제2 방향 D2에서의 도트열의 배치예에 관해서 설명한다. 도 19는 제1 양태에 따른 요철 구조의 제2 방향 D2에서의 도트열의 배치예를 도시하는 모식도이다. 도 19에 도시하는 것과 같이, 제2 방향 D2에서의 도트열 DL은, 8열씩 특정 간격(피치(Px))으로 배치되어 있으면서 8열의 도트열 DL이 반복하여 배치되어 있다. 이 8열의 도트열로 구성된 단위를, 장주기 Lz(단, z는 양의 정수)라고 칭한다. 한편, 서로 다른 피치(Py)로 부정 간격으로 배치된 제1 방향 D1에서의 도트에 관해서도 이하의 설명과 같이 배치할 수 있다.
피치(Px)는 인접하는 도트열 사이의 거리이다. 여기서, 장주기 Lz에서의 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 도트열 사이의 피치 (Px)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)에는 하기 식의 관계가 성립한다.
(Px)1＜(Px)2＜(Px)3＜…＜(Px)a＞…＞(Px)n
한편, 각 도트(230)의 직경(볼록부의 바닥부 직경 또는 오목부의 개구부 직경)은 피치 (Px)n보다 작다. 피치 (Px)1부터 (Px)n까지의 길이는, 장주기 Lz를 구성한다. 도 19는, 장주기 Lz가 8열의 도트열로 구성되는 경우, 즉, m=8인 경우를 나타내고 있다. 이 경우, n=7, a=3이 되기 때문에, 장주기 L1에 있어서, 도트열 사이의 피치 (Px)n에는 하기 식에 나타내는 관계가 성립되고 있다.
(Px)1＜(Px)2＜(Px)3＞(Px)4＞(Px)5＞(Px)6＞(Px)7
또한, 장주기 Lz에 있어서의 피치(Px)는, 피치(Px)의 최대치((Px)(max))와, 최소치((Px)(min))의 차로 나타내어지는 최대 위상 어긋남 δ이, ((Px)(min))×0.01＜δ＜((Px)(min))×0.66, 바람직하게는 ((Px)(min))×0.02＜δ＜((Px)(min))×0.5, 보다 바람직하게는 ((Px)(min))×0.1＜δ＜((Px)(min))×0.4를 만족하도록 설정되어 있다.
예컨대, 도 19에 도시하는 장주기 L1에서는, 각 도트열 사이의 피치 (Px)n는 다음과 같이 나타내어진다.
(Px)1=(Px)(min)
(Px)2=(Px)(min)+δa
(Px)3=(Px)(min)+δb=(Px)(max)
(Px)4=(Px)(min)+δc
(Px)5=(Px)(min)+δd
(Px)6=(Px)(min)+δe
(Px)7=(Px)(min)+δf
단, δa에서부터 δf의 값은 (Px)(min)×0.01＜(δa∼δf)＜(Px)(min)×0.5를 만족한다.
또한, 장주기 Lz에 있어서의 z의 최대치는 4≤z≤1000, 바람직하게는 4≤z≤100, 보다 바람직하게는 4≤z≤20을 만족하도록 설정되어 있다. 한편, 제1 방향 D1 및 제2 방향 D2에서의 장주기 Lz는 서로 동일할 필요는 없다.
상기한 각 도트열 사이의 피치 (Px)n의 관계를 갖는 복수의 도트열을 도트열 그룹이라고 정의하며, 도 19에 도시한 장주기 L1를 갖는 도트열 그룹, 장주기 L2를 갖는 도트열 그룹이 해당된다. 도트열 그룹은 적어도 1개 이상 배열되어 있는 것이 바람직하다.
피치(Py)의 부정 간격의 배치는, 상술한 서로 다른 피치(Px)로 부정 간격으로 배치된 제2 방향 D2에서의 도트열의 배치예에 있어서, 도트열을 도트라고 바꿔 읽음으로써 정의되며, 각 도트 사이의 피치 (Py)n의 관계를 갖는 복수의 도트를 도트 그룹으로서 마찬가지로 바꿔 읽음으로써 정의된다. 도트 그룹도 적어도 1개 이상 배열되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 도트 사이의 피치 (Py)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)이 하기 식(13)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 피치 (Py)1∼(Py)n으로 구성되는 도트 그룹이 장주기 Lyz로 반복하여 배열되고, 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 도트열 사이의 피치 (Px)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는 하기 식(14)의 관계를 만족하는 동시에, 제2 방향 D2에서, 피치 (Px)1∼(Px)n으로 구성되는 도트열 그룹이 장주기 Lxz로 반복하여 배열되는 것이 바람직하다.
식(13) (Py)1＜(Py)2＜(Py)3＜…＜(Py)a＞…＞(Py)n
식(14) (Px)1＜(Px)2＜(Px)3＜…＜(Px)a＞…＞(Px)n
피치(Px) 및 피치(Py)는 나노 오더이면서 각각 50 nm 이상 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 피치(Px) 및 (Py)가 이 범위 내에 있으면, 평탄화층 내부를 전파하는 삼출광을, 요철 구조층(11) 및 광추출층(12)에 의해, 산란광 및 회절광으로서 추출할 수 있게 되어, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 피치(Px) 및 피치(Py)는 100 nm 이상 1000 nm 이하이면 보다 바람직하고, 100 nm 이상 800 nm 이하이면 가장 바람직하다.
한편, 서로 다른 피치(Py)로 부정 간격으로 배치된 제1 방향 D1에서의 도트의 배치예는, 위에서 설명한 서로 다른 피치(Px)로 부정 간격으로 배치된 제2 방향 D2에서의 도트열의 배치예에 있어서, 도트열을 도트라고 바꿔 읽음으로써 정의된다. 각 도트(230)의 직경(볼록부의 바닥부 직경 또는 오목부의 개구부 직경)은 피치(Px) 및 피치(Py)보다 작다.
도 20 및 도 21은 제1 및 제2 양태에 따른 요철 구조의 배열 LP을 도시하는 모식도이다. 요철 구조(101a, 111a)의 배열 LP에서는, 제1 방향 D1 및 제2 방향 D2에 관해서 함께 상술한 것과 같은 부정 간격의 피치(Px) 및 (Py)로 배치하여도 좋고(도 20 참조), 제1 방향 D1 또는 제2 방향 D2 중 어느 한쪽만을 상술한 것과 같은 부정 간격의 피치로 배치하고, 다른 쪽을 일정 간격의 피치로 배치할 수도 있다(도 21 참조). 한편, 도 21에서는, 제1 방향 D1에서의 도트가 부정 간격으로 배치되고, 제2 방향 D2에서의 도트열이 일정 간격으로 배치되어 있다.
또한, 제1 방향 D1에서의 도트 사이 거리, 또는 제2 방향 D2에서의 도트열 사이 거리가 일정 간격으로 형성되는 경우에는, 일정 간격의 피치에 대한 부정 간격의 피치의 비가 특정 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 부정 간격의 피치(Py)가 각 도트의 중심 사이의 거리와 같고, 부정 간격의 피치(Px)가, 복수의 도트열 사이 거리와 같으면서, 피치(Py) 및 피치(Px)는 각 도트의 직경보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 도 12에 도시하는 상기 제4 요철 구조(131a)에서는, 부정 간격의 피치(Py)는 울타리 형상체(131c)의 중심선 사이 거리와 같고, 부정 간격의 피치(Px)는 울타리 형상체(131b)의 중심선 사이 거리와 같으면서, 피치(Py) 및 피치(Px)는 각 울타리 형상체(131b, 131c)의 선폭보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 도 11에 도시하는 상기 제3 요철 구조(121a)에서는, 부정 간격의 피치(Px)는, 울타리 형상체(121b)의 중심선 사이 거리와 같으면서, 피치(Px)는 각 울타리 형상체(121b)의 선폭보다도 큰 것이 바람직하다.
여기서, 제1 방향 D1에서의 도트가 일정 간격 (Py)c으로 배치되고, 제2 방향 D2에서의 도트열이 부정 간격(Px)으로 형성되는 예에 관해서 설명한다. 이 경우에는, 일정 간격의 피치 (Py)c에 대한 부정 간격의 피치(Px)의 비는, 85%∼100%의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 일정 간격의 피치 (Py)c에 대한 부정 간격의 피치(Px)의 비가 85% 이상이라면, 인접하는 도트 사이의 겹침이 작아진다. 또한, 일정 간격의 피치(Py)c에 대한 부정 간격의 피치(Px)의 비가 100% 이하라면, 도트를 구성하는 볼록부 또는 오목부의 충전율이 향상된다. 한편, 일정 간격의 피치 (Py)c에 대한 부정 간격의 피치(Px)의 비는 90%∼95%의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직하다.
또한, 하나의 장주기 Lz는, 5개 이상의 도트 혹은 도트열로 구성되면(속하는 피치(Px) 또는 피치(Py)가 4 이상인 경우), 광추출체(1)의 면내 방향에 있어서의 굴절율의 장주기의 변동이, 나노 오더에서 멀어져, 광산란이 생기기 쉽게 된다. 한편, 충분한 광산란성에 의한 광추출 효율 향상 효과를 얻기 위해서는, 장주기 Lz는 1001개 이하의 도트 혹은 도트열로 구성되는(속하는 피치(Px) 또는 (Py)가 1000 이하인) 것이 바람직하다.
요철 구조(101a, 111a)를 복수의 도트로 구성되는 장주기 Lz를 반복해서 늘어놓음으로써, 장주기 Lz마다 굴절율이 변화되어, 장주기 Lz를 구성하는 복수의 도트가 1 단위가 되어 반복된 경우와 동일한 효과가 생기게 된다. 바꿔 말하면, 파장과 같은 정도 이하의 피치의 복수의 도트인 경우, 평균적인 굴절율 분포로 빛의 거동을 설명할 수 있기 때문에(유효 매질 근사), 공간의 평균 굴절율 분포를 계산하면, 마치 장주기 Lz의 복수의 도트가 1 단위로서 반복된 것과 같이 빛에 작용한다. 이와 같이 장주기 Lz로 나란히 된 복수의 도트는 광산란 효과를 발휘한다. 한편, 파장과 같은 정도 이상의 피치의 복수의 도트인 경우, 피치에 대응한 광회절이 생기는데, 도트는 장주기 Lz 범위에서 피치가 변조되고 있기 때문에, 도트마다의 광회절의 회절각은 흐트러지게 되어, 장주기 Lz에 따른 산란성을 발휘한다고 생각된다.
또한, 나노 오더의 요철이 형성됨으로써, 요철의 간격에 조화된 회절을 이용하여, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에 있어서의 평탄화층(13) 내부를 전파하는 삼출광을 추출할 수 있게 된다. 즉, 국소적으로 보면, 평탄화층(13)의 내부를 전파하는 삼출광이, 요철 구조(101a, 111a) 및 광추출층(12)에 의해 회절광으로서 추출된다. 보다 광역의 범위에서 보면, 이들 회절 현상에 의해 추출되는 빛은, 평균적인 굴절율 분포를 갖는 장주기 Lz 유래의 광산란성을 갖는다고 생각된다. 즉, 광추출 효율을 향상시키면서, 회절광 특유의 소정 각도로의 출향을 억제할 수 있기 때문에, 컬러 시프트는 저감되어, 보다 자연광에 가까운 발광을 얻을 수 있다.
또한, 요철 구조(101a, 111a)를 나노 오더로 하면서, 피치(Py)와 피치(Px) 양쪽 또는 어느 한쪽을 부정 간격으로 함으로써, 요철 구조(101a, 111a)의 나노 오더에서의 주기성이 흐트러지게 되기 때문에, 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)으로부터의 삼출광에 대하여, 광산란성을 강하게 발현시켜 추출할 수 있다. 이 광산란성에 의해서, 광추출 효율을 높일 수 있게 된다. 아울러, 요철의 나노 오더에서의 균일성이 흐트러짐으로써, 컬러 시프트를 저감하여, 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있기 때문에, 글래어를 억제할 수 있다.
또한, 피치(Py) 및 피치(Px)를 함께 부정 간격으로 한 경우에는, 요철 구조(101a, 111a)의 나노 오더에서의 주기성이 흐트러지게 되어, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에 있어서의 평탄화층(13)과 반도체 발광 소자의 발광층과의 계면으로부터 스며나오는 도파 모드 유래의 삼출광을, 강한 광산란에 의해 추출할 수 있다. 이에 따라, 회절에 의해 추출되는 발광광의 컬러 시프트를 저감할 수 있게 되는 동시에, 글래어를 억제할 수 있게 된다.
한편, 피치(Py) 또는 피치(Px) 중 어느 한쪽이 부정 간격이고, 또 한쪽이 일정 간격인 경우에는, 피치(Py) 및 피치(Px)가 함께 부정 간격인 경우에 비해서, 주기성의 흐트러짐이 감소하여, 산란 효과가 감소한다. 이 때문에, 자연광에 가까운 발광 특성은 저하되는 한편, 회절에 의한 광추출 효율이 향상된다.
피치(Py) 및 피치(Px) 양쪽을 부정 간격으로 하는지, 또는 피치(Py) 또는 피치(Px) 중 어느 한쪽을 부정 간격으로 하는지는, 반도체 발광 소자의 특성과 용도 등에 따라 다양하게 선택하여, 최적의 구조를 선택할 수 있다. 예컨대, 비교적 컬러 시프트가 문제가 되지 않는 일반 조명 용도의 경우에는, 회절에 의한 광추출 효율 향상 효과를 보다 높이기 위해서, 피치(Py) 또는 피치(Px) 중 어느 한쪽을 부정 간격으로 하는 구조를 채용하면 좋다. 반대로, 색 특성이나 각도 의존성이 문제가 되기 쉬운 디스플레이 용도의 경우는, 피치(Py) 및 피치(Px) 양쪽을 부정 간격으로 하는 구조를 채용하면 된다.
도 22는 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조층을 도시하는 모식도이다. 도 22는 요철 구조층(11)의 미세 구조가 상기한 격자형인 경우의 요철 구조층을, 요철 구조층을 상면에서 본 상태를 나타내고 있다. 도 22에 도시하는 것과 같이, 울타리 형상 볼록부(220)는, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 주면 내의 제1 방향 D1으로 뻗어 있는 울타리 형상 볼록부(220-1∼220-N)와, 제1 방향 D1에 직행하는 제2 방향 D2으로 뻗어 있는 울타리 형상 볼록부(220-a∼220-d)를 포함한다. 제1 방향 D1으로 뻗어 있는 울타리 형상 볼록부(220-1∼220-N)는 부정 간격(Px)(피치 (Px)1, (Px)2, (Px)3, …)로 제2 방향 D2으로 배열된다. 또한, 제2 방향 D2으로 뻗어 있는 울타리 형상 볼록부(220-a∼220-d)는, 부정 간격(Py)(피치 (Py)1, (Py)2, (Py)3, …)으로, 제1 방향 D1으로 배열된다.
여기서, 서로 다른 피치(Px)로 부정 간격으로 배치된 제2 방향 D2으로 뻗어 있는 울타리 형상 볼록부(도 22에서, 220-a∼220-d)의 배치에 있어서도, 상기한 도 22에 도시하는 것과 같은 피치 (Py), (Px)를 취할 수 있고, 식(13), 식(14)에 도시한 배치로 할 수 있다.
제1 및 제2 실시형태에 따른 제1 요철 구조(101a, 111a)에서는, 도트의 각각의 직경이, 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대응하여 증감하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에서, 도트의 각각의 직경이 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대응하여 증감한다는 것은, 피치(Py) 또는 피치(Px)의 증가에 동반하여, 도트의 각각의 직경이 증가하거나 혹은 감소하는 어느 하나를 가리킨다.
이하, 피치에 대응하여 증감하는 도트 직경의 예에 관해서 상세히 설명한다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서, 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 직경 Dyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은, 하기 식(15)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 도트 직경 Dy1∼Dyn으로 구성되는 도트 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고, 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 직경 Dxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은 하기 식(16)의 관계를 만족하는 동시에, 제2 방향 D2에서, 도트 직경(Dx1∼Dxn)으로 구성되는 도트열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것이 바람직하다.
식(15) Dy1＜Dy2＜Dy3＜…＜Dya＞…＞Dyn
식(16) Dx1＜Dx2＜Dx3＜…＜Dxa＞…＞Dxn
또한, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 직경 Dyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은, 상기 식(15)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 도트 직경 Dy1∼Dyn으로 구성되는 도트 그룹이 장주기 단위(Lyz)로 반복해서 배열되면서, 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 직경 Dxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은, 상기 식(16)의 관계를 만족하는 동시에, 제2 방향 D2에서, 도트 직경 Dx1∼Dxn으로 구성되는 도트열 그룹이 장주기 단위 Lxz로 반복하여 배열되는 것이 바람직하다.
도 23은 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 제2 방향 D2에서의 도트열의 배치예를 도시하는 모식도이다. 도 23은 장주기 단위 Lxz가 8열의 도트열로 구성되는 경우, 즉, m=8인 경우를 나타내고 있다. 이 경우, n=7, a=3이 되기 때문에, 장주기 L1에 있어서, 도트열을 구성하는 각 도트의 직경 Dxn에는 상기 식(16)의 관계가 성립되고 있다.
도 23에서는, 인접하는 도트 간격이 넓어지면, 도트 직경이 작아지고, 도트 간격이 좁아지면 도트 직경이 커지고 있다. 증감하는 도트 직경의 증감 범위는, 지나치게 크면 인접하는 도트와 접하게 되어 바람직하지 못하고, 지나치게 작으면, 광추출 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 동일한 장주기 단위 Lxz 내에서의, 도트의 평균 직경에 대하여, ±20% 이내이면, 광추출 효율이 증가하여 바람직하다.
상기한 설명은, 도트를 구성하는 피치가 감소하면, 도트 직경이 증가하는 예에 관해서이지만, 마찬가지로, 도트를 구성하는 피치가 감소하면, 그에 대응하여 도트 직경이 감소하여도 좋다. 어느 경우라도 도트 직경의 증감의 장주기는, 도트를 구성하는 피치의 증감의 장주기와 일치하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의해, 발광광에 대한 도트에 의한 주기성의 흐트러짐이 커져, 반도체 발광 소자에 있어서의 광추출 효율이 증가하게 된다.
또한, 제1 요철 구조(101a, 111a)의 미세 구조를 구성하는 도트 형상(요철 구조)에서는, 각 도트의 각각의 높이가, 피치(Py) 및/또는 피치(Px)에 대하여 증감하는 것이 바람직하다.
이하, 피치에 대응하여 증감하는 도트 높이의 예에 관해서 상세히 설명한다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서, 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 높이 Hyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 하기 식(17)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 도트 높이 Hy1∼Hyn으로 구성되는 도트 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고, 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 도트 높이 Hxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 하기 식(18)의 관계를 만족하는 동시에, 제2 방향 D2에서, 도트 높이 Hx1∼Hxn으로 구성되는 도트열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것이 바람직하다.
식(17) Hy1＜Hy2＜Hy3＜…＜Hya＞…＞Hyn
식(18) Hx1＜Hx2＜Hx3＜…＜Hxa＞…＞Hxn
또한, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 높이 Hyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 상기 식(17)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 도트 높이 Hy1∼Hyn으로 구성되는 도트 그룹이 장주기 단위 Lyz로 반복하여 배열되고, 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 높이 Hxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는, 상기 식(18)의 관계를 만족하는 동시에, 또한, 제2 방향 D2에서, 도트 높이 Hx1∼Hxn으로 구성되는 도트열 그룹이 장주기 단위 Lxz로 반복하여 배열되는 것이 바람직하다.
도 24는 제1 양태에 따른 광추출체의 요철 구조의 제2 방향 D2에 있어서의 도트열의 배치예를 도시하는 모식도이다. 도 24는, 장주기 단위 Lxz가 8열의 도트열로 구성되는 경우, 즉 m=8인 경우를 나타내고 있다. 이 경우, n=7, a=3이 되기 때문에, 장주기 L1에 있어서, 도트열을 구성하는 각 도트의 높이 Hxn에는 상기 식(18)의 관계가 성립하고 있다.
도 24에서는, 인접하는 도트 간격 P이 넓어지면 , 도트 높이 DH가 작아지고, 도트 간격 P이 좁아지면 도트 높이 DH가 커지고 있다. 증감하는 도트 높이 DH의 증감 범위는, 지나치게 크면, 그 부분에서의 광추출 효율의 불균일이 커져 바람직하지 못하고, 지나치게 작으면, 도트 높이 DH의 증감에 의한 광추출 효율의 향상 효과가 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 동일한 장주기 단위 Lxz 내에서의, 도트의 평균 높이에 대하여, ±20% 이내이면, 광추출 효율이 불균일 없이 증가하여 바람직하다.
상기 구성에 의해, 발광광에 대한 도트에 의한 주기성의 흐트러짐이 커져, 유기 EL 발광 디바이스에 있어서의 광추출 효율이 증가하게 된다.
＜배열 α＞
이하에서는, 상술한 제1 요철 구조(11a)에 있어서의 복수의 볼록부(11b) 또는 제2 요철 구조(111a)의 복수의 오목부(111b), 또한 제4 나노 입자(212)를 함께 「도트(230)」라고 칭하여 설명한다. 즉, 이하의 설명에서 사용하는 「도트(230)」는 제1 요철 구조(101a)의 볼록부(101b) 또는 제2 요철 구조(111a)의 오목부(111b) 또는 제4 나노 입자(212)라고 바꿔 읽음으로써, 제1 요철 구조(101a)의 배열 또는 제2 요철 구조(111a) 혹은 제4 나노 입자(212)의 배열에 반영시킬 수 있다.
도 25는 제1 및 제2 실시형태에 따른 요철 구조에 있어서의 복수의 볼록부 또는 오목부의 배열 α을 도시하는 모식도이다. 도 25는, 요철 구조(101a)(111a)의 복수의 볼록부(101b)(또는 복수의 오목부(111b))의 배열 α의 설명도이며, 광추출체(1)(2)의 상면을 모식적으로 나타내고 있다. 도 25A에 도시하는 것과 같이, 도트(230)(볼록부(101b) 또는 오목부(111b))는, 광추출체(1) 주면 내의 제1 방향 D1에서, 복수의 도트(230)가 부정 간격(Py)(피치 (Py)1, (Py)2, (Py)3, …)으로 배열된 복수의 도트열(230-1∼130-N)을 구성한다. 또한, 각 도트열은, 광추출체(1)의 주면(기재 주면) 내에서 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2에서, 일정 간격의 피치(Px)로 배치되어 있고, 인접하는 도트열 사이에 제1 방향 D1에서 시프트량 α(위치차)이 생기도록 배치되어 있다.
도 25A에서, 인접하는 도트열(230-1) 및 도트열(230-2) 사이의 제1 방향 D1에서의 시프트량 α1과, 인접하는 도트열(230-2) 및 도트열(230-3) 사이의 제1 방향 D1에서의 시프트량 α2는 서로 다르도록 설치되어 있다. 이 구성에 의해, 제1 방향 D1-제2 방향 D2 평면 내에서의 비스듬한 방향의 복수의 도트 사이의 피치(피치 P3∼P5 등)가 불규칙(랜덤)하게 되어, 반복 패턴의 주기성이 저감되기 때문에, 광산란 효과를 발휘한다. 이에 따라, 광추출체(1)의 평탄화층(13)과 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광을 추출할 때에, 회절에 의해 추출보다도 광산란에 의해 추출을 상대적으로 크게 할 수 있기 때문에, 컬러 시프트를 억제할 수 있게 되어, 보다 자연광에 가까운 글래어를 억제한 발광을 얻을 수 있다.
또한, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 시프트량 α1 및 시프트량 α2의 차분이 일정하지 않은 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 복수의 도트에 의한 반복 패턴의 주기성이 더욱 저감되어, 전술한 효과를 한층 더 발휘할 수 있다.
한편, 상기 제1 요철 구조(101a) 또는 제2 요철 구조(111a)에서는, 볼록부(101b)와 오목부(111b)가 혼재하도록 형성하여도 좋다.
도 25A에 도시하는 예에서, 피치(Px)는, 제2 방향 D2에서 인접하여 형성된 도트열(볼록부(101b) 또는 오목부(111b)) 사이의 거리를 가리킨다. 마찬가지로, 피치(Py)는, 제1 방향 D1에서 인접하여 형성된 도트(230)(볼록부(101b) 또는 오목부(111b)) 사이의 거리를 가리킨다. 즉, 피치(Px) 및 피치(Py)는, 볼록부 꼭대기부 중심점 사이의 거리 또는 오목부 개구부 중심점 사이의 거리로 정의된다. 여기서, 중심이란 다음과 같이 정의한다. 볼록부 꼭대기부 중심점은, 평면에서 보았을 때의 볼록부 형상이 점대칭인 경우에는 그 중심점이며, 비대칭인 경우에는 평면에서 보았을 때의 볼록부의 무게중심 위치로 정의된다. 오목부 개구부 중심점은, 평면에서 보았을 때의 오목부 형상이 점대칭인 경우에는 그 중심점이며, 비대칭인 경우에는 평면에서 보았을 때의 오목부의 무게중심 위치로 정의된다.
도 25A에 도시하는 예에서, 시프트량 α은, 제2 방향 D2에서 인접하여 배열된 도트열(230-1∼230-N)을 구성하는 도트 사이의 제1 방향 D1의 위치차(거리차)로 정의된다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 피치(Px)가 피치(Py)보다도 작은 것이 바람직하다. 광추출체(1)에서는, 도트열(230-1∼230-N) 사이에서의 제1 방향 D1의 시프트량 α은 피치(Py)의 위상(0∼±π)의 범위가 된다. 이 때문에, 피치(Px)가 피치(Py)보다 작은 경우에는, 인접하여 배열된 도트(230) 사이의 거리가 작아지기 때문에, 제1 및 제2 요철 구조(101a, 111a)에 있어서의 볼록부(101b, 111b)의 충전율이 증대된다.
도 25B는 시프트량 α이 최대로 어긋난 상태를 도시하고 있다. 이 경우, (Px)=(Py)×sin60°=0.866×(Py)의 관계가 된다. 도 25B에 도시하는 예에서는, 도트(230)끼리의 겹침이 없고, 시프트량 α이 최대인 상태이기 때문에, 이 2개의 도트열(230-1, 230-2) 사이는 육방 최밀 충전으로 되어 도트(230)의 배열에 주기성이 생긴다. 이 때문에, 어느 정도 도트(230)끼리의 겹침을 생기게 하여, 충전율을 올릴 수 있는 범위에서, 적절하게 (Py)에 대하여 (Px)를 결정함으로써, 패턴의 규칙성을 저감시켜 광산란 효과를 향상시킴으로써, 회절광에 의한 글래어를 억제할 수 있다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)에서는, 피치(Py)에 대한 피치(Px)의 비가 85%∼100%의 범위인 것이 바람직하다. 피치(Py)에 대한 피치(Px)의 비가 85% 이상이라면, 인접하는 도트(볼록부(11b) 또는 오목부(21b)) 사이의 겸칩이 작아지기 때문에 바람직하고, 100% 이하라면, 도트(볼록부(11b) 또는 오목부(21b))의 충전율이 향상되기 때문에 바람직하다. 피치(Py)에 대한 피치(Px)의 비는 90%∼95%의 범위인 것이 보다 바람직하다.
＜분포 DF＞
이어서 도 26 및 도 27을 참조하여 분포 DF에 관해서 설명한다. 도 26은 도 7에서의 1점쇄선 VII-VII을 따른 수직 단면도이고, 도 27은 도 9의 1점쇄선 IX-IX을 따른 수직 단면도이다. 도 26 및 도 27에서는, 제1 요철 구조(101a), 제2 요철 구조(111a)의 구성을 모식적으로 나타내고 있다.
우선, 제1 요철 구조(101a)에 관해서 설명한다. 도 26에 도시하는 것과 같이, 이 단면에서는, 복수의 볼록부(301, 302, 303, 304)가 서로 간격을 두고서 나란하게 되어 있다. 각 볼록부(301∼304) 사이는 오목부(310)(도 1의 오목부(11c)에 상당)에 의해 연속적으로 이어져 있다. 이하, 도 26 중에 기재하는 각종 기호와 용어의 정의에 관해서 설명한다.
우선, 도 26에 기재한 기호 scv란, 볼록부 평균 위치를 나타내고 있다. 볼록부 평균 위치 scv는, 제1 요철 구조(101a)의 볼록부(301∼304)의 볼록부 꼭대기부(300a)의 면내 평균 위치를 의미하고 있다. 바꿔 말하면, 여기서의 설명에서는, 요철 구조층(101)의 주면 S에 대한 수직 방향에서, 요철 구조층(101)의 주면 S에서부터 각 볼록부(301∼304)의 가장 먼 위치에 해당하는 볼록부 꼭대기부(300a)까지의 거리의 평균에 상당하는 위치를, 볼록부 평균 위치 scv라고 정의하고 있다. 볼록부 평균 위치 scv는, 30점 이상의 볼록부 꼭대기부(300a)의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다.
도 26에 도시하는 것과 같이 복수의 볼록부(301∼304)의 높이는, 주로 같은 높이이지만 균일하지 않고, 곳곳에 높이가 낮은 볼록부(303)가 혼재하고 있다. 이 때문에, 볼록부(301∼304)의 볼록부 평균 위치 scv는, 볼록부(301, 302, 304)의 볼록부 꼭대기부(300a)보다도 낮은 위치로 되어 있다.
한편, 도 26에 기재한 기호 scc는 오목부 평균 위치를 나타내고 있다. 오목부 평균 위치 scc는, 제1 요철 구조(101a)의 오목부(310)의 오목부 꼭대기부(310a)의 면내 평균 위치를 의미한다. 바꿔 말하면, 여기서의 설명에서는, 요철 구조층(101)의 주면에 대한 수직 방향에서, 요철 구조층(101)의 주면 S에서부터 오목부(310)의 가장 가까운 위치인 오목부 꼭대기부(310a)까지의 거리의 평균에 상당하는 위치를, 오목부 평균 위치 scc라고 정의하고 있다.
또한, 도 26에 기재한 기호 lcv는, 볼록부 평균 위치 scv에 의해 형성되는 평면상의 선분을 나타내고 있다. 따라서, 선분 lcv은 요철 구조층(101)의 주면 S에 대하여 평행하다. 한편, 제3 요철 구조(121a)의 경우, 각 울타리 형상체(볼록부)(121b)의 연장 방향과 평행하며, 각 울타리 형상체(121b) 상에 배치되면서, 볼록부 평균 위치 scv에 의해 형성되는 평면상의 선분을 lcv라고 정의한다.
또한, 도 26 중에 기재한 기호 h는 볼록부 평균 높이를 나타내고 있다. 볼록부 평균 높이 H란, 볼록부 평균 위치 scv와 오목부 평균 위치 scc 사이의 거리이다. 따라서, 볼록부 평균 높이 H는, 요철 구조(111a)의 복수의 볼록부(301∼304)의 볼록부 높이 hn의 평균치에 상당한다.
또한, 도 26 중에 기재한 기호 φcv는 오목부 평균 위치 scc에 있어서의 볼록부(301∼304)의 바닥부의 폭을 나타내고 있다.
도 26 중에 기재한 기호 tcv는, 선분 lcv 상에서의 인접하는 볼록부(302) 및 볼록부(304) 사이의 윤곽끼리의 최단 거리를 나타내고 있다. 즉, 도 26에서는, (1) 우선, 볼록부 평균 위치 scv로 구성되는 평면 내의 선분 lcv은, 복수의 볼록부(301, 302 및 304)를 가로지른다. 여기서, 하나의 볼록부(302)와 선분 lcv과의 교점을, 도 26에서 A 및 B로 나타낸다. (2) 이어서, 이 볼록부(302)와 선분 lcv 상에서 인접하는 볼록부(304)와, 선분 lcv과의 교점을, 도 26에서 C 및 D로 나타낸다. (3) 선분 lcv을 일 방향에서 봤을 때에, 각 교점은 A, B, C, D의 순으로 배열되어 있는데, 이들 중 교점 B와 교점 C의 거리를 tcv라고 정의하고 있다.
도 26 중에 기재한 기호 hn은 각 볼록부(301∼304)의 볼록부 높이를 나타낸다. 볼록부 높이 hn은, 오목부 평균 위치(scc)에 있어서의 각 볼록부(301∼304)의 바닥부의 중심(300b)과 볼록부 꼭대기부(300a) 사이의 거리를 의미한다. 즉, 볼록부 높이 hn은, 오목부 평균 위치(scc)를 기준으로 한 각 볼록부(301∼304)의 볼록부 꼭대기부(300a)의 높이에 상당한다. 따라서, 볼록부 높이 hn의 평균치는 전술한 볼록부 평균 높이 H에 상당한다.
도 26 중에 기재한 P는, 복수의 볼록부(301∼304) 중, 서로 인접하는 2개의 볼록부의 간격이다. 간격 P에 관해서는 후에 상술한다.
이어서, 제2 요철 구조(111a)에 관해서 설명한다. 도 27에 도시하는 것과 같이, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 단면에서는, 복수의 오목부(321∼324)가 서로 독립적으로 나란하게 되어 있다. 각 오목부(321∼324) 사이에는 볼록부(330)가 존재하며, 각 오목부(321∼324)를 서로 분리하고 있다.
이하, 도 27 중에 기재한 각종 기호와 용어의 정의에 관해서 설명한다. 도 27에서 기호 scv는, 볼록부(330)의 볼록부 평균 위치를 나타내고 있다. 볼록부 평균 위치 scv는, 요철 구조(111a)의 볼록부(330)의 볼록부 꼭대기부의 면내 평균 위치를 의미하고 있다. 바꿔 말하면, 여기서의 설명에서는, 요철 구조층(111)의 주면 S에 대한 수직 방향에서, 요철 구조층(111)의 주면 S에서부터 각 볼록부(330)의 가장 가까운 위치에 해당하는 볼록부 꼭대기부까지의 거리의 평균에 상당하는 위치를, 볼록부 평균 위치 scv라고 정의하고 있다. 볼록부 평균 위치 scv는, 30점 이상의 볼록부 꼭대기부의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다.
단, 이 예에서는, 요철 구조층(111)의 주면 S이 볼록부(330)를 형성하고 있기 때문에, 주면 S과 볼록부 평균 위치 scv가 형성하는 면은 실질적으로 동일하다.
또한, 도 27 중에 기재한 기호 scc는, 복수의 오목부(321∼324)의 오목부 평균 위치를 나타내고 있다. 오목부 평균 위치 scc는, 요철 구조(111a)의 오목부(321∼324)의 오목부 꼭대기부(320a)의 면내 평균 위치를 의미한다. 바꿔 말하면, 여기서의 설명에서는, 요철 구조층(111)의 주면 S에 대한 수직 방향에서, 요철 구조층(111)의 주면 S에서부터 오목부(321∼324)의 가장 먼 위치인 오목부 꼭대기부(320a)까지의 거리의 평균에 상당하는 위치를, 오목부 평균 위치 scc라고 정의하고 있다. 오목부 평균 위치 scc는, 30점 이상의 오목부 꼭대기부(320a)의 평균에 의해 구하는 것이 바람직하다.
도 27에 도시하는 것과 같이, 복수의 오목부(321∼324)의 깊이는 주로 같지만 균일하지 않고, 곳곳에 깊이가 얕은 오목부(323)가 혼재되어 있다. 이 때문에, 오목부(321∼324)의 오목부 평균 위치 scc는, 오목부(321, 322, 324)의 오목부 꼭대기부(320a)보다도 얕은 위치로 되어 있다.
도 27 중에 기재한 기호 lcc는, 오목부 평균 위치(scc)에 의해 형성되는 평면상의 선분을 나타낸다. 따라서, 선분 lcc은 주면 S에 대하여 평행하다.
도 27 중에 기재한 기호 d는, 오목부(321∼324)의 평균 오목부 깊이를 나타낸다. 평균 오목부 깊이 d는, 볼록부 평균 위치 scv와 오목부 평균 위치 scc 사이의 거리이다. 즉, 요철 구조(111a)의 복수의 오목부(321∼324)의 오목부 깊이의 평균치에 상당한다.
도 27 중에 기재한 기호 φcc는, 볼록부 평균 위치 scv에서의 복수의 오목부(321∼324)의 개구부의 폭을 나타내고 있다.
도 27 중에 기재한 기호 dn은, 복수의 오목부(321∼324)의 오목부 깊이를 나타낸다. 오목부 깊이 dn는, 볼록부 평균 위치 scv에서의 각 오목부(321∼324)의 개구부의 중심(320b)과 오목부(321∼324)의 오목부 꼭대기부(320a) 사이의 거리를 의미한다. 즉, 오목부 깊이(dn)는, 볼록부 평균 위치 scv를 기준으로 한 경우의 각 오목부(321∼324)의 깊이이다. 따라서, 오목부 깊이 dn의 평균치는, 상술한 평균 오목부 깊이 d에 상당한다.
도 27 중에 기재한 기호 tcc는, 선분 lcc 상에서의 인접하는 오목부(322 및 324) 사이의 윤곽끼리의 최단 거리를 나타내고 있다. 즉, 도 27에서, (1) 우선, 오목부 평균 위치 scc로 구성되는 평면 내의 선분 lcc은 복수의 오목부(321, 322 및 324)를 가로지른다. 여기서, 하나의 오목부(322)와 선분 lcc과의 교점을, 도 27에서 A 및 B로 나타낸다. (2) 이어서, 이 오목부(322)와 선분 lcc 상에서 인접하는 오목부(324)와, 선분 lcc과의 교점을, 도 27에서 C 및 D로 나타낸다. (3) 선분 lcc을 일 방향에서 봤을 때에, 각 교점은 A, B, C, D의 순으로 배열되어 있는데, 이들 중 교점 B와 교점 C의 거리를 tcc라고 정의하고 있다.
도 27 중에 기재한 P는, 복수의 오목부(321∼324) 중, 서로 인접하는 2개의 간격이다. 간격 P에 관해서는 후에 상술한다.
상기 설명한 볼록부 평균 위치 scv 및 오목부 평균 위치 scc에 관해서는, 요철 구조(11a, 21a)의 볼록부(300) 및 오목부(320) 중에서 임의의 것을 샘플로서 선택하여, 이들의 평균을 구하고 있다. 본 발명에서는, 이들의 평균을 구할 때에 샘플로서 선택하는 볼록부(300) 및 오목부(320)의 수가 30 이상인 것이 바람직하다.
이하, 상술한 기호 및 용어의 정의를 이용하여, 분포 DF에 있어서의 제1 요철 구조(101a)에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 이하의 설명은, 도 11에 도시하는 제3 요철 구조(121a) 및 도 12에 도시하는 제4 요철 구조(131a)에 관해서도 마찬가지이다. 우선, 분포 DF에서는, 피치 P가 하기 조건을 만족한다.
50 nm≤P≤5000 nm
피치 P가, 50 nm 이상 5000 nm 이하임으로써, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 평탄화층(13)과 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과의 계면으로부터 스며나오는 도파 모드 유래의 발광광의 삼출광을 광회절 또는/및 광산란에 의해 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 특히, 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 피치 P는 50 nm≤P≤800 nm을 만족하는 것이 바람직하고, 100 nm≤P≤500 nm을 만족하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 제1 실시형태에 따른 제1 요철 구조(101a)에서는, 도 26에 도시하는 것과 같이, 복수의 볼록부(301∼304)의 볼록부 높이 hn가 균일하지 않고, 도 26 중에 나타내는 볼록부(303)와 같이, 거의 동일한 볼록부 높이를 갖는 볼록부(301, 302, 304)보다도 볼록부 높이 hn가 낮은, 바꿔 말하면, 볼록부 평균 높이 H에 비해서 볼록부 높이 hn가 낮은 볼록부(이하, 극소 볼록부라고 함)가 소정의 확률로 존재한다. 즉, 극소 볼록부의 볼록부 높이 hn는, 제1 요철 구조(101a)의 볼록부 평균 위치 scv와 오목부 평균 위치 scc 사이의 거리에 상당하는 볼록부 평균 높이 H에 대하여 하기 식(19)을 만족하면서, 극소 볼록부가 존재할 확률(이하, 존재 확률이라고도 함) Z이 하기 식(20)을 만족한다.
식(19) 0.9 h≥hn
식(20) 1/10000≤Z≤1/5
여기서, 확률 Z은, 제1 요철 구조(101a)에 관해서, 어떤 범위 내에 존재하는 복수의 볼록부(300)의 볼록부 높이 hn을 측정하여, 볼록부 높이 hn가 식(19)의 조건을 만족하는 볼록부(300)를 극소 볼록부라고 판정한다. 이어서, 볼록부(300)의 총수와 극소 볼록부의 총수를 계수하여, 볼록부(300)의 총수를 분모, 극소 볼록부의 총수를 분자로 하는 확률 Z을 구할 수 있다.
볼록부 높이 hn가 식(19)을 만족하는 극소 볼록부의 존재에 의해, 광회절에 의한 추출에 대하여 광산란성을 부여할 수 있게 된다고 생각된다. 극소 볼록부의 볼록부 높이 hn으로서는, 광산란성을 보다 발휘한다는 관점에서 0.8 h≥hn을 만족하는 것이 바람직하고, 0.6 h≥hn을 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.3 h≥hn을 만족하는 것이 가장 바람직하다.
특히, 식(19)을 만족하는 극소 볼록부의 존재 확률 Z이, 식(20)을 만족함으로써, 산란성 부여에 기초한 광추출 효율 향상을 실현할 수 있다. 존재 확률 Z은, 광산란성 부여의 관점에서, 1/3000≤Z≤1/10를 만족하는 것이 바람직하고, 1/1000≤Z≤1/10를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 1/500≤Z≤1/10를 만족하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상술한 거리 tcv가 볼록부(301∼304)의 피치 P에 대하여 하기 식(21)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(21) 1.0 P＜tcv≤9.5 P
도 26에 도시하는 것과 같이, 거리 tcv는, 선분 lcv 상에서의 인접하는 볼록부(302) 및 볼록부(304) 사이의 윤곽끼리의 최단 거리를 나타내고 있기 때문에, 양자 사이에 존재하는 극소 볼록부(도 26에서 303)의 수 및 크기가 최대치 9.5 P를 넘지 않도록 제한되어 있는 것을 보이고 있다.
거리 tcv가 식(21)을 만족함으로써, 광추출에 대하여 광산란성을 크게 부여하는 동시에, 도파 모드 유래의 발광광의 삼출광의 반사를 억제할 수 있게 되어, 광추출 효율이 한층 더 향상된다고 생각된다. 거리 tcv로서는, 이 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 1.0 P＜tcv≤4.5 P를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 1.0 P＜tcv≤1.5 P를 만족하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 극소 볼록부의 볼록부 높이 hn가 하기 식(22)을 만족하고, 존재 확률 Z이 하기 식(23)을 만족하면서 거리 tcv가 하기 식(24)을 만족하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 극소 볼록부의 볼록부 높이 hn가 식(22)을 만족함으로써 나노 스케일로 강한 산란성을 부여할 수 있게 되고, 동시에 존재 확률 Z이 식(23)을 만족함으로써 종합적인 산란성의 정도가 향상되기 때문에, 광추출력이 커진다. 또한, 거리 tcv가 식(24)을 만족함으로써, 도파 모드 유래의 발광광의 삼출광의 반사를 억제할 수 있게 되어, 광추출 효율이 한층 더 향상된다고 생각된다.
식(22) 0.6 h≥hn
식(23) 1/3000≤Z≤1/10
식(24) 1.0 P＜tcv≤4.5 P
또한, 이 경우에 있어서, 극소 볼록부의 높이 hn가 하기 식(25)을 만족하는 것이, 나노 스케일에서의 광산란성의 부여라는 관점에서 바람직하다. 이 경우도, 식(23)에 나타내는 존재 확률 및 식(24)에 나타내는 거리 tcv의 범위를 만족하기 때문에, 나노 스케일에서 강화된 산란성에 의해, 종합적인 광산란성에 의한 광추출을 할 수 있게 된다고 추정된다.
식(25) 0.1 h≥hn
또한, 볼록부(301∼304)의 어스펙트비 hn/φcv는, 요철 구조(101a)의 볼록부(301∼304)의 바닥부의 폭(φcv)과 볼록부 높이 hn와의 비율(hn/φcv)이다. 어스펙트비 hn/φcv는, 광회절 및 광산란성, 광추출층의 물리적 안정성의 관점에서, 0.1 이상 3.0 이하의 범위가 바람직하다. 특히 이 효과를 더한층 발휘한다는 관점에서, 어스펙트비 hn/φcv는 0.5 이상 2.5 이하인 것이 바람직하다. 한편, 제3 요철 구조(121a) 및 제4 요철 구조(131a)의 경우, 어스펙트비는 마찬가지로 hn/φcv로서 정의되는데, φcv는 울타리 형상체의 바닥부의 폭으로서 정의된다.
이어서, 분포 DF에 있어서의 제2 요철 구조(111a)에 관해서 상세히 설명한다. 우선, 오목부(111b)(320)의 간격(피치) P는 하기 조건식을 만족한다.
50 nm≤P≤5000 nm
피치 P가, 50 nm 이상 5000 nm 이하임으로써, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 평탄화층(13)과 반도체 발광 소자의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과의 계면으로부터 스며나오는 도파 모드 유래의 발광광의 삼출광을 광회절 또는/및 광산란에 의해 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 특히, 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 피치 P는 50 nm≤P≤800 nm를 만족하는 것이 바람직하고, 100 nm≤P≤500 nm를 만족하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 제2 요철 구조(111a)에서는, 도 27에 도시하는 것과 같이, 복수의 오목부(321∼324)의 오목부 깊이 dn가 균일하지 않고, 도 27 중에 도시하는 오목부(323)와 같이, 거의 동일한 깊이를 갖는 복수의 오목부(321, 322, 324)보다도 오목부 깊이 dn가 얕은, 바꿔 말하면, 평균 오목부 깊이 d에 비해서 오목부 깊이 dn가 얕은 오목부(이하, 극소 오목부라고 함)가 소정의 확률로 존재한다. 즉, 극소 오목부의 오목부 깊이 dn는, 제2 요철 구조(111a)의 볼록부 평균 위치 scv와 오목부 평균 위치 scc와의 거리에 상당하는 오목부 평균 깊이 d에 대하여 하기 식(26)을 만족하면서 극소 오목부가 존재할 확률(이하, 존재 확률이라고도 함) Z이 하기 식(20)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
식(20) 1/10000≤Z≤1/5
식(26) 0.9 d≥dn
여기서, 확률 Z은, 제2 요철 구조(111a)에 관해서, 어떤 범위 내에 존재하는 복수의 오목부(320)의 오목부 깊이 dn를 측정하여, 오목부 깊이 dn가 식(26)의 조건을 만족하는 오목부(320)를 극소 오목부라고 판정한다. 이어서, 오목부(320)의 총수와 극소 오목부의 총수를 계수하여, 오목부(320)의 총수를 분모, 극소 오목부의 총수를 분자로 하는 확률 Z을 구할 수 있다.
오목부 깊이 dn가 식(26)을 만족하는 극소 오목부의 존재에 의해, 광회절에 의한 추출에 대하여 광산란성을 부여할 수 있다. 여기서, 오목부 깊이 dn는, 광산란성을 보다 발휘한다는 관점에서 0.8 d≥dn을 만족하는 것이 바람직하고, 0.6 d≥dn을 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.3 d≥dn을 만족하는 것이 가장 바람직하다.
특히, 식(26)을 만족하는 극소 오목부가 존재할 확률 Z이 식(20)을 만족함으로써, 산란성 부여에 기초한 광추출 효율 향상을 실현할 수 있다. 여기서, 존재 확률 Z로서는, 광산란성 부여의 관점에서 1/3000≤Z≤1/10을 만족하는 것이 바람직하고, 1/1000≤Z≤1/10을 만족하는 것이 보다 바람직하고, 1/500≤Z≤1/10을 만족하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 제2 요철 구조(111a)에서는, 상술한 거리 tcc가, 오목부(320)의 간격(피치) P에 대하여 하기 식(27)을 만족하는 것이 바람직하다.
식(27) 1.0 P＜tcc≤9.5 P
도 27에 도시하는 것과 같이, 거리 tcc는, 선분 lcc 상에서의 인접하는 오목부(322) 및 오목부(324) 사이의 윤곽끼리의 최단 거리를 나타내고 있기 때문에, 양자 사이에 존재하는 극소 오목부(도 27에서 233)의 수나 크기가 최대치 9.5 P를 넘지 않도록 제한되어 있음을 보이고 있다.
거리 tcc가 식(27)을 만족함으로써, 광추출에 대하여 광산란성을 크게 부여하는 동시에, 도파 모드 유래의 발광광의 삼출광의 반사를 억제할 수 있게 되어, 광추출 효율이 한층 더 향상된다고 생각된다. 거리 tcc는, 이 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 1.0 P＜tcc≤4.5 P를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 1.0 P＜tcc≤1.5 P를 만족하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 극소 오목부의 오목부 깊이 dn가 하기 식(28)을 만족하고, 존재 확률 Z이 하기 식(29)을 만족하면서, 거리 tcc가 하기 식(30)을 만족하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 극소 오목부의 오목부 깊이 dn가 식(28)을 만족함으로써 나노 스케일로 강한 산란성을 부여할 수 있게 되고, 동시에 존재 확률 Z이 식(29)을 만족함으로써 종합적인 산란성의 정도가 향상되기 때문에, 나노 스케일로 강화된 산란성에 의해, 종합적인 광산란성에 의한 광추출을 할 수 있게 된다고 추정된다.
식(28) 0.6 d≥dn
식(29) 1/3000≤Z≤1/10
식(30) 1.0 P＜tcc≤4.5 P
또한, 이 경우에 있어서, 극소 오목부의 오목부 깊이 dn가 하기 식(31)을 만족하는 것이 나노 스케일에서의 광산란성의 부여라는 관점에서 바람직하다. 이 경우에도, 식(29)에 도시하는 존재 확률 Z 및 식(30)에 도시하는 거리 tcc의 범위를 만족하기 때문에, 나노 스케일에서 강화된 산란성에 의해, 종합적인 광산란성에 의한 광추출을 하는 것이 가능하게 된다고 추정된다.
식(31) 0.1 d≥dn
또한, 오목부(320)의 어스펙트비 d/φcc는, 요철 구조(111a)의 오목부(320)의 개구부의 폭 φcc과 오목부 깊이 d와의 비율이다. 어스펙트비 d/φcc는, 광회절 및 광산란성, 광추출층의 물리적 안정성이라는 관점에서, 0.1 이상 3.0 이하의 범위가 바람직하다. 특히, 이 효과를 더한층 발휘한다는 관점에서, 어스펙트비 d/φcc는, 0.5 이상 2.5 이하인 것이 바람직하다.
이어서, 나노 입자(212)의 형상 분포에 관해서 상세히 설명한다. 나노 입자(212)에서도, 이하에 설명하는 분포 DF를 채용함으로써, 산란성을 강하게 발현된 상태에서 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 28은 제4 양태에 따른 나노 입자의 형상 분포 DF를 도시하는 단면 모식도이며, 광추출체(211)를 중심면(211c)에서 슬라이스한 상태를 입광면(211a) 측에서 본 상태를 나타내고 있다. 도 28에 도시하는 것과 같이, 나노 입자(212)는, 중심면(211c)에서 할단된 단면 형상에 있어서, 제1 직경(D1)을 갖는 복수의 제1 나노 입자(212a)와, 제1 직경(D1)보다도 큰 제2 직경(D2)을 갖는 복수의 제2 나노 입자(212b)를 포함한다. 여기서, 직경(D1, D2)이란, 각 나노 입자(212a, 212b)의 최대 직경을 의미한다.
도 28에 도시하는 예에서는, 평균 피치는, 제1 나노 입자(212a) 및 제2 나노 입자(212b) 전부에 대하여, 임의로 20점 이상의 인접하는 나노 입자(212a, 212b)의 중심간 거리를 산출하여, 이들의 평균치로서 결정된다. 평균 피치보다도 직경(D)이 작은 제1 직경(D1)을 갖는 나노 입자를 제1 나노 입자(212a)라고 정의한다. 또한, 평균 피치보다도 직경이 큰 제2 직경(D2)을 갖는 나노 입자를 제2 나노 입자(212b)라고 정의한다. 제2 직경(D2)을 갖는 제2 나노 입자(212b)의 직경은 평균 피치보다도 크며, 평균 피치의 9.5배 이하의 크기이다. 이들 범위를 만족함으로써, 우선, 나노 입자경에 분포가 생기기 때문에, 입광면(211a)에서 제1 굴절율(n1)의 매질에 입광된 빛으로부터 본, 제2 굴절율(n2)의 매질의 중심면 방향에 있어서의 분포가 커진다. 즉, 광산란성을 발휘한다고 생각되며, 그 결과, 광산란성이 강하게 발현되어, 광추출 효율을 향상시킬 수 있게 되고, 컬러 시프트를 억제할 수 있다고 추정된다. 한편, 나노 입자의 직경이란 최대 직경으로서 정의한다.
한편, 제2 나노 입자(212b)의 직경이, 평균 피치의 9.5배 이하인 것은, 제2 나노 입자(212b)의 최대 사이즈에 상한을 두는 것을 의미한다. 제2 나노 입자(212b)의 크기를 제한함으로써, 제1 굴절율(n1)의 매질과 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와의 계면에 있어서의 빛의 반사를 억제할 수 있게 된다. 즉, 제1 굴절율(n1)의 매질에 입광된 발광광이, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 의해 반사되어, 입광면(211a) 방향으로 되돌아가는 것을 억제할 수 있다. 이 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 제2 나노 입자(212b)의 직경은 평균 피치의 4.5배 이하인 것이 바람직하고, 1.5배 이하인 것이 가장 바람직하다.
또한, 제2 직경(D2)을 갖는 제2 나노 입자(212b)는, 제1 직경(D1)을 갖는 제1 나노 입자(212a)에 대하여 1/10000 이상 1/5 이하의 비율로 존재한다. 이 범위를 만족함으로써, 제2 나노 입자(212b)에 의한 광추출체(211) 표면의 면내 방향에 있어서의 제2 굴절율(n2)의 면내 분포를 크게 잡는 것이 가능하게 되어, 광산란성에 의한 광추출 효율 향상이 실현된다고 추정된다. 즉, 크기가 다른 나노 입자(212)를 소정의 확률로 포함하기 때문에, 나노 입자(212)의 중심면(211c)의 면내 방향에 있어서의 분포 및 체적 분포가 커져, 광산란성 효과가 커진다. 그리고, 강화된 광산란성에 의해, 광추출 효율을 높이는 동시에, 광산란 효과에 의해 컬러 시프트를 저감하여 보다 자연광에 가까운 발광 특성을 얻을 수 있게 되어, 글래어를 억제할 수 있다. 또한, 제1 직경(D1)보다 큰 제2 직경(D2)을 갖는 나노 입자(212)의 크기를 소정의 사이즈 이하로 제한할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광의 나노 입자(212)와 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질과의 계면에 있어서의 반사를 억제할 수 있어, 제2면으로부터 출광하는 발광광을 증가시킬 수 있게 된다.
상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 제2 직경(D2)을 갖는 제2 나노 입자(212b)는, 제1 직경(D1)을 갖는 제1 나노 입자(212a)에 대하여 1/10 이상 1/3000 이하의 비율을 만족하는 것이 바람직하고, 1/10 이상 1/1000 이하의 비율을 만족하면 보다 바람직하고, 1/10 이상 1/500 이하의 비율을 만족하는 것이 가장 바람직하다.
이어서, 상기 실시형태에 따른 광추출체(211)를 사용한 반도체 발광 소자(210)로부터의 추출 동작에 관해서 설명한다. 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광은 광추출체(211)의 입광면(211a)으로부터 입광된다. 반도체 소자로부터 광추출체(211) 내에 입광된 발광광은, 주로 광추출체의 입광면(211a)과 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과의 계면으로부터 입광되는 발광광(임계각 내의 발광광)과, 이 계면으로부터 광추출체의 막 두께 방향 M(입광면(211a)에서 출광면(211b) 방향)으로 스며나오는 삼출광의 2 종류가 존재한다. 반도체 발광 소자(210)의 광추출 효율을 향상시키기 위해서는, 임계각 내의 발광광 비율을 증가시키거나 또는 삼출광을 반도체 발광 소자(210) 외부로 추출, 즉, 광추출체(211)의 출광면(211b)으로부터 출광시킬 필요가 있다.
광추출체(211) 내부로 입광된 발광광은, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차가 클수록, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질과의 이질성을 강하게 느낀다. 즉, 제2 굴절율(n2)과 제1 굴절율(n1)의 차가 클수록, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)가, 광추출체(211)의 내부에 배치되어 있음을 인식한다. 이 때문에, 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)와 제1 굴절율(n1)의 매질과의 계면에서, 광산란이 생기게 된다. 이 광산란에 의해 삼출광을 추출하여, 출광면(211b)으로부터 출광시키는 동시에, 컬러 시프트를 저감한 보다 자연광에 가까운 발광(출광) 특성을 얻을 수 있다.
광추출체(211)의 입광면(211a)과 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과의 계면으로부터 광추출체(211)의 막 두께 방향 M(입광면(211a)에서 출광면(211b) 방향)으로 스며나오는 삼출광은, 그 계면으로부터 출광면(211b) 방향을 향해, 거리의 지수함수적으로 감소한다. 이 때문에, 상기 굴절율 범위를 만족하는 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)가 존재하더라도, 나노 입자(212)가 존재하는 위치까지 제1 굴절율(n1)의 매질 내부를 삼출광이 전파되지 않으면, 삼출광의 추출 효율이 저하된다. 여기서는, 삼출광을 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 의해 효과적으로 추출하기 위해서, 중심면(211c) 안을 가로지르는 복수의 나노 입자(212)의 입광면(211a) 측의 평균 단부 위치(Spt)와 입광면(211a) 사이의 거리(Lort)는 0 nm를 넘고 1000 nm 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이, 중심면(211c)을 가로지르는 나노 입자(212)가, 입광면(211a)에서부터 나노 스케일의 거리 영역에 배치됨으로써, 입광면(211a)으로부터 입광되는 삼출광의 추출 효율이 향상되고, 그 결과, 반도체 발광 소자(210)의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다고 생각된다.
또한, 중심면(211c)을 가로지르는 복수의 나노 입자(212)가, 중심면(211c) 내에서 나노 스케일의 소정 간격을 두고서 배열됨으로써, 반도체 발광 소자(210)의 발광 파장에 따른 광산란이나 광회절 현상을 적용할 수 있게 되어, 삼출광의 추출능이 향상된다. 즉, 중심면(211c) 내에 복수의 나노 입자(212)가 소정 간격으로 배열되면서 중심면(211c) 내의 복수의 나노 입자(212)의 입광면(211a) 측의 평균 위치와 입광면(211a) 사이의 거리(Lort)가 나노 스케일인 광추출체(211)를 반도체 발광 소자(210)에 적용함으로써, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대, 투명 도전층)과 입광면(211a)과의 계면으로부터 스며나오는 삼출광을 보다 효과적으로 추출할 수 있게 된다.
＜산란성＞
상기 배열 LP, 배열 α 및 분포 DF를 적용함으로써, 추출된 빛에 산란성을 부여할 수 있다. 발광광의 파장이 요철 구조나 광추출층의 크기보다도 충분히 큰 경우, 요철 구조나 광추출층은 유효 매질 근사에 의해 평균화되어, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)을 갖는 박막으로서 기능한다. 그러나, 배열 LP, 배열 α 또는 분포 DF를 지님으로써, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)에 분포를 부여할 수 있게 된다고 생각된다. 이 때문에, 유효 매질 근사적 굴절율(Nema)의 분포 및 그 콘트라스트에 따른 광학 현상을 새롭게 부여할 수 있게 되어, 추출되는 빛은 산란성을 발휘하게 된다. 한편, 발광광의 파장이 요철 구조나 광추출층의 크기와 같은 정도 이하인 경우, 발광광은 광회절에 의해 추출되게 된다. 여기서, 배열 LP, 배열 α 또는 분포 DF를 만족함으로써, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 스케일에서의 광회절의 모드수가 증가하기 때문에, 수십 마이크로미터와 같은 거시적 스케일에서 본 경우, 복수의 회절 모드의 평균적 광을 관찰할 수 있으므로, 산란성을 발휘한다고 생각된다.
이러한 메카니즘의 본질은 요철 구조나 광추출층의 흐트러짐이다. 「요철 구조(광추출층을 포함함, 이하 마찬가지)가 흐트러짐을 포함한다」에는 2가지의 경우를 생각할 수 있다.
첫 번째는, 요철 구조의 요소의 적어도 하나가 규칙성 또는 균질성을 갖는 동시에, 다른 요철 구조의 요소의 적어도 하나에 불규칙성 또는 불균질성이 있는 경우이다.
두 번째는, 요철 구조가, 요철 구조의 요소의 적어도 하나가 규칙성 또는 균질성을 갖는 주된 부위 외에, 요철 구조의 요소가 주된 부위와 다른 부위(이하, 특이 부위)를 포함하는 것을 말한다.
바꿔 말하면, 「요철 구조가 흐트러짐을 포함한다」란, 원래의 요철 구조에 광학 현상을 발휘하는 볼록부 또는 오목부의 구조 혹은 배열(이하, 기본 구조라고 부름)을 갖는 동시에, 그 기본 구조로부터 어긋난 볼록부 또는 오목부의 구조 혹은 배열이며 기본 구조와는 다른 광학 현상을 발휘하는 것(이하, 특이 구조라고 부름)를 갖는 것을 말한다.
예컨대, 요철 구조의 형상에 흐트러짐이 있는 경우, 상기 메카니즘에 의해 산란성을 발현하게 되어, 분포 DF는 형상의 흐트러짐에 포함된다. 한편, 배열에 흐트러짐이 있는 경우, 상기 메카니즘으로부터 산란성을 발휘하는 것이 가능하게 되어, 상기 배열 LP 및 배열 α은 배열의 흐트러짐에 포함된다. 요철 구조나 광추출층의 볼록부의 형상은, 볼록부 높이(두께), 볼록부 꼭대기부의 폭, 볼록부 바닥부의 폭, 볼록부 측면의 각도, 볼록부 측면의 변곡점의 수와 같은 변수에 의해 기재할 수 있다. 한편, 배열은 피치를 변수로 함으로써 기재할 수 있다. 여기서, 변수를 x로 했을 때에, x에 대한 표준편차와 상가평균의 비율(표준편차/상가평균)이 0.025 이상임으로써, 산란성을 강하게 부가할 수 있다. 여기서, 표준편차/상가평균은, 요철 구조를 구성하는 요소에 대한 값이다. 예컨대, 요철 구조가 요소 A, B, C의 3개로 구성되는 경우, 요소 A에 대한 표준편차/요소 A에 대한 상가평균과 같이, 동일한 요소에 대한 표준편차와 상가평균에 대한 비율로서 정의한다.
(상가평균)
상가평균치는, 어떤 요소(변량) X의 N개의 측정치를 x1, x2…, xn으로 한 경우에, 다음 식으로 정의된다.
Figure pat00003
(표준편차)
요소(변량) X의 N개의 측정치를 x1, x2…, xn으로 한 경우에, 상기 정의된 상가평균치를 사용하여, 다음 식으로 정의된다.
Figure pat00004
상가평균을 산출할 때의 샘플 개수 N은 10 이상으로서 정의한다. 또한, 표준편차 산출시의 샘플 개수는 상가평균 산출시의 샘플 개수 N과 같다고 하자.
또한, 표준편차/상가평균은, 면내에서의 값이 아니라, 국소적인 요철 구조나 광추출층에 대한 값으로서 정의한다. 즉, 면내에 걸쳐 N점을 계측하여 표준편차/상가평균을 산출하는 것이 아니라, 국소적 관찰을 하여, 그 관찰 범위 내에서의 표준편차/상가평균을 산출한다. 여기서, 관찰에 사용하는 국소적 범위란, 요철 구조의 평균 피치 P의 5배∼50배 정도의 범위로서 정의한다. 예컨대, 평균 피치 P가 300 nm이라면, 1500 nm∼15000 nm의 관찰 범위 중에서 관찰을 한다. 그 때문에, 예컨대 2500 nm의 시야상을 촬상하고, 그 촬상을 사용하여 표준편차와 상가평균을 구하여, 표준편차/상가평균을 산출한다.
상술한 것과 같이, 요철 구조나 광추출층은, 변수에 의해 표기 가능하며, 그 변수에 대한 표준편차/상가평균이 0.025 이상이라면 산란성을 강하게 부가할 수 있게 된다. 보다 산란성을 강하게 하여, 컬러 시프트를 저감한다는 관점에서, 표준편차/상가평균은 0.03 이상이면 바람직하다. 한편, 상한치는, 삼출광의 추출 효율이나 임계각 내의 발광광의 반사 억제의 관점에서 결정되며, 0.5 이하이면 바람직하다. 삼출광의 추출 효율, 임계각 내의 발광광의 반사 억제, 컬러 시프트의 저감 및 요철 구조의 제어성의 관점에서, 표준편차/상가평균은 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.15 이하인 것이 가장 바람직하다.
이어서, 도 29를 참조하여 광추출체(211)의 다른 구성예에 관해서 설명한다. 한편, 도 29는 제4 양태를 가지고서 설명하는데, 제1 양태, 제2 양태 및 제3 양태에 관해서도 마찬가지이다.
도 29는 제4 양태에 따른 광추출체(211)의 다른 예를 도시하는 단면 모식도이다. 도 29에 도시하는 것과 같이, 이 광추출체(211)는, 출광면(211b) 상에 설치되며 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(213)를 갖춘다. 이 광추출체(211)에서는, 기재(213)의 제4 굴절율(n4)과 광추출체(211)를 구성하는 제1 굴절율(n1)의 차의 절대치(|n4-n1|)가 0.1 이하인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질과 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(213)가 실질적으로 동등한 굴절율로 되기 때문에, 광추출체를 구성하는 매질과 기재(213)와의 계면에 있어서의 반사를 억제할 수 있어, 광추출 효율 향상을 손상하는 일없이, 기재(213)를 설치함에 의한 광추출체의 핸들링성이나 물리적 내구성의 향상을 실현할 수 있게 된다.
또한, 이 광추출체(211)에서는, 기재(213)를 설치함으로써, 광추출체(211)를 제조할 때의 스루풋이 향상되면서 광추출체(211)의 물리적 강도가 향상된다. 또한, 광추출체(211)의 나노 입자(212)의 정밀도(배열, 형상 등)를 높일 수 있게 된다. 이 때문에, 광추출체(211)를 반도체 발광 소자(210)에 적용할 때의 용이성이 향상되어, 반도체 발광 소자(210)로부터의 광추출 효율도 향상된다.
또한, 기재(213)로서는, 가스 배리어 기능 또는 수증기 배리어 기능의 적어도 어느 한쪽의 기능을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 기재를 이용함으로써, 반도체 발광 소자(210)의 장기간 안정성을 향상시킬 수 있다. 특히, 유기 EL 소자와 같이 발광층이 외기에 대하여 취약한 반도체 발광 소자(210)의 경우에 유용하다.
제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(213)로서는, 제4 굴절율(n4)과 제1 굴절율(n1)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 것을 이용한다. 이러한 굴절율 관계를 만족하는 기재(213)를 설치함으로써, 입광면(211a)과 반도체 발광 소자(210)의 발광층면(예컨대 투명 도전층)과의 계면으로부터 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)에 의해 추출된 발광광 및 그 계면에 있어서의 임계각 내의 발광광은, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질의 출광면(211b)과 기재(213)와의 계면에 있어서의 반사의 영향을 받는 일없이, 효과적으로 광추출체(211)의 기재(213)의 출광면(213b) 측에서 추출된다.
또한, 기재(213)의 출광면(213b) 상에 요철 구조(도트 또는 홀)를 형성하여도 좋다. 기재(213)의 출광면(213b)에서 출광되는 발광광에 대하여, 도트 또는 홀의 평균 피치에 따른 광학 현상을 부여할 수 있다. 예컨대, 평균 피치가 발광광의 파장보다 작은 영역에서는, 출광하는 빛의 비율을 증가시킬 수 있는 동시에, 시인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 평균 피치가 파장의 수십 배 이하라면, 광회절을 이용할 수 있으므로, 회절색에 따른 색감을 부가할 수 있다. 또한, 평균 피치가 파장의 수십 배 이상이라면, 산란성을 발휘할 수 있게 되기 때문에, 컬러 시프트를 크게 저하시킬 수 있다.
또한, 도트의 평균 피치가 50 nm 이상 250 nm 이하이고, 도트의 바닥부 직경은 평균 피치의 8할 이상이며, 도트의 높이와 바닥부 직경의 비율(높이/직경)로 나타내어지는 어스펙트비가 0.5부터 3.5라면, 기재(213)의 출광면(213b)(반도체 발광 소자(210)를 사용할 때의 사용자가 시인하는 면)에 대해 외광이 비춰 들어가는 것을 저감할 수 있어, 시인성이 향상된다.
한편, 기재(213)의 출광면(213b) 상에 별도로 요철 구조(도트 또는 홀)을 형성하는 경우는, 새롭게 형성하는 요철 구조의 굴절율과 기재의 제4 굴절율(n4)이 실질적으로 동등한 것이, 기재(213)의 표면과 새롭게 형성하는 요철 구조와의 계면에 있어서의 발광광의 반사 및 외부로부터의 빛의 반사를 억제할 수 있다는 관점에서 바람직하다.
또한, 기재(213)의 표면 위에 단층 또는 다층의 반사방지층을 성막하여도 좋다. 이 반사방지층은, 기재(213)의 제4 굴절율(n4)과 공기의 굴절율, 또는 반도체 발광 소자(210)에 사용하는 밀봉재의 굴절율과의 차가 큰 경우(예컨대, 0.1 이상인 경우)에 유효하다. 상기 요철 구조나 반사방지층을 형성함으로써, 굴절율차가 0.5 이상이나 0.7 이상과 같은 매우 큰 범위에서도, 광추출체(211)로부터 추출되는 투과광 강도를 증가하고, 또한 외광의 반사를 억제할 수 있다. 이 결과, 기재(213) 표면에 대해 외광이 비춰 들어가는 것을 억제할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자(210)를 사용할 때의 시인성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상 설명한 것과 같이, 상기와 같은 광추출체(211)에 따르면, 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 내에, 제1 굴절율(n1)과는 실질적으로 다른 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(212)가 분산되는 동시에, 이 나노 입자(212)가 광추출체(211)의 중심면(211c) 근방에 기울어 배치되어, 광추출체(211) 내에 랜덤하게 분산되는 일이 없다. 이에 따라, 중심면(211c) 근방에서 나노 입자(212)에 기초한 광추출 기능이 최대한으로 발현되기 때문에, 광추출체(211) 내에 입광된 반도체 발광 소자(210)로부터의 발광광이, 중심면(211c) 근방에 배치된 복수의 나노 입자(212)에 의해서 산란되어, 반도체 발광 소자(210)의 발광층면 측과 광추출체(211)와의 계면으로부터 스며나오는 삼출광의 나노 입자(212)에 의한 추출의 균질성이 향상된다. 이 결과, 반도체 발광 소자(210)부터의 광추출 효율을 용이하게 개선할 수 있는 광추출체(211)를 실현할 수 있다. 또한, 광추출체(211) 내부에 랜덤하게 나노 입자(212)를 배치하는 경우와 비교하여 나노 입자(212)의 수를 적게 할 수 있게 되기 때문에, 광추출체(211)의 물리적 내구성이 향상된다.
＜재질＞
이어서, 제1 양태에 따른 광추출체(1)에 있어서의 요철 구조층(11), 광추출층(12) 및 평탄화층(13)의 재질에 관해서 설명한다. 한편, 이들 층을 만드는 재질은, 상술한 제1 굴절율(n1), 제2 굴절율(n2) 및 제3 굴절율(n3)이 상기 식(7)∼상기 식(9)을 만족하는 것이라면, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 요철 구조층(11), 광추출층(12) 및 평탄화층(13)을 구성하는 재질은, 감쇠 계수(k)가 0인 것이 바람직하다. k=0임으로써, 흡수 계수를 0으로 할 수 있게 된다. 이 때문에, 광추출체(1)의 입광면(1a)에서 광추출체(1) 내로 유도된 발광광이 출광면(1b)에 투과할 때까지, 광추출체(1)의 내부에서 흡수되어 감쇠되는 것을 억제할 수 있다. 여기서, 감쇠 계수 k가 0인 경우란, k≤0.01을 만족하는 범위라고 정의한다. 이 범위를 만족함으로써 상기 효과를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 특히, 각 층에서의 다중 반사를 억제한다는 관점에서 k≤0.001이면 보다 바람직하다. 한편, k는 작을수록 바람직하다.
또한, 상기 식(7)∼상기 식(9) 및 감쇠 계수 k의 범위를 만족하는 요철 구조층(11), 광추출층(12) 및 평탄화층(13)을 구성하는 재질로서는, 예컨대, 스퍼터나 증착이 가능한 투명 유전체, 유리, 석영, 사파이어, 무기 전구체의 경화체(예컨대 금속 알콕시드로 대표되는 졸겔 반응에 의해, 가수분해·중축합을 일으켜 경화되는 재료의 경화체), 수지(열경화성 수지의 경화체, 광중합성 수지의 경화체, 열가소성 수지), 유기 무기 하이브리드 분자의 경화체, 투명 유전체 미립자, 투명 유전체 필러나 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 어느 재질을 사용하는지는, 반도체 발광 소자의 특성이나 사용 환경 및 광추출체의 제조 방법 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 특히, 평탄화층(13)을 구성하는 재료는 흡수성이 낮은 재료에 의해 구성되거나, 또는 평탄화층(13)이 노출되는 면 위에 흡수성이 낮은 층을 더욱 설치하면, 반도체 발광 소자의 장기간 신뢰성이 향상되기 때문에 바람직하다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)는, 가스 배리어 기능, 수증기 배리어 기능, 내마모 기능, 방오 기능, 소수성 기능, 친수성 기능, 대전 방지 기능, 컬러 필터 기능, 컬러 시프트 기능, 편광 수정 기능, 반사 방지 기능, 광 재지향 기능, 확산 기능 및 광학 회전 기능으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 기능층을 더욱 포함하여도 좋다. 이들 기능층을 더욱 포함함으로써, 광추출체를 사용하여 제작된 반도체 발광 소자의 소자 기능이 향상된다. 예컨대, 가스 배리어성이나 수증기 배리어성을 더욱 포함함으로써, 유기 EL 소자의 발광부의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 또한, 기재의 노출되는 면 위에 내마모 기능, 방오 기능, 소수성 기능, 친수성 기능, 대전 방지 기능 등을 더욱 포함함으로써, 소자에 부착되는 오물의 양을 저감하는 동시에, 닦아내기가 용이하게 된다. 또한, 기재의 노출되는 면 위에 반사 방지 기능을 부가함으로써 시인성이 향상된다. 이들 기능을 발현하기 위한 구성이나 재질은 특별히 한정되지 않고, 반도체 발광 소자의 특성이나 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
＜광추출체의 제조 방법＞
제1 양태에 따른 광추출체(1)의 제조 방법으로서는, 상기 식(7)∼상기 식(9)의 굴절율을 만족하는 광추출체(1)를 얻을 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.
요철 구조의 형상을 제어하여 제조한다고 한다는 관점에서, 예컨대, 상술한 투명 유전체(유리, 석영, 사파이어, 열가소성 수지 등)를 직접 가공하는 가공 방법을 이용한 제조 방법을 들 수 있다.
예컨대, 광학적으로 투명한 유리 표면의 나노 스케일에서의 가공 방법으로서는, 전자선 묘화, 포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 열 나노임프린트, 자기조직화막을 마스크로 한 리소그래피, 미립자를 마스크로 한 리소그래피 등을 들 수 있다. 열 나노임프린트의 경우, 적어도 요철 구조를 표면에 갖는 몰드를 가열하여, 그 상태에서 기재에 요철 구조를 압압함으로써, 기재를 리소그래피 공정 없이 가공할 수 있다.
또한, 표면에 요철 구조를 갖는 몰드의 요철 구조와 기재 사이에 레지스트를 협지하여, 열 나노임프린트 리소그래피를 적용하는 경우는, 레지스트의 유리 전이점(Tg)보다 높은 온도에서 압압하고 Tg보다 낮은 온도에서 몰드를 박리한다. 광 나노임프린트 리소그래피를 적용하는 경우는 압압 상태에서 빛을 조사한 후에 몰드를 박리한다. 얻어진 요철 구조를 표면에 갖는 레지스트층/기재로 구성되는 적층체에 대하여, 레지스트층면 측에서 레지스트층의 잔막을 제거(예컨대, 산소를 사용한 드라이 에칭)하고, 이어서, 레지스트층을 마스크로 하여 기재를 에칭하는 방법을 들 수 있다.
한편, 광학적으로 투명한 요철 구조층을 광학적으로 투명한 기재 위에 별도 형성하는 방법으로서는, 전사법(광 나노임프린트법, 열 나노임프린트법, 실온 나노임프린트법 등)을 들 수 있다. 전사법으로서는, 피전사 재료를, 요철 구조를 구비한 몰드와 기재 사이에 협지하고, 몰드를 박리함으로써 피전사 재료 표면에 요철 구조를 형성하는 방법을 들 수 있다. 이때에, 상술한, 무기 전구체(예컨대 금속 알콕시드로 대표되는 졸겔 반응에 의해, 가수분해·중축합을 일으켜 경화되는 재료), 수지(열경화성 수지, 광중합성 수지, 열가소성 수지), 유기 무기 하이브리드 분자나, 이들 재료와 투명 유전체 미립자 또는 투명 유전체 필러의 혼합립(混合粒) 등을 피전사 재료로서 사용할 수 있다.
이어서, 요철 구조층 상에 광추출층을 배치하는 방법으로서는, 예컨대, 광추출층의 희석 용액을 요철 구조층의 요철 구조면 상에 도공하는 방법이나, 스퍼터나 증착에 의해 성막하는 방법을 들 수 있다. 도공 방법으로서는, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법, 다이코트법 등을 채용할 수 있다. 광추출층을 희석하여 도공한 경우는, 잉여 용제를 제거하면 바람직하다. 제거 방법으로서는, 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다.
평탄화층(13)의 성막 방법으로서는, 예컨대, 평탄화층(13)을 구성하는 재료의 희석 용액을, 충전 재배치 후의 요철 구조의 잔존 거칠기면에 도공하는 방법이나, 스퍼터나 증착에 의해 성막하는 방법을 들 수 있다. 도공 방법으로서는, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법, 다이코트법 등을 채용할 수 있다. 평탄화층을 희석하여 도공한 경우는, 잉여 용제를 제거하면 바람직하다. 제거 방법으로서는, 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다.
[제조 방법 1]
도 30∼도 34는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다. 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법에서는, 상기 제조 방법 중에서도, 적어도 하기 (1)∼(3)의 공정을 이 순서로 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 특히, 요철 구조층의 오목부 내부만, 또는 요철 구조층의 오목부 내부 및 볼록부 상부에 광추출층을 배치할 때에 유용하다. 이에 따라, 각 구성 요소의 제어성이 향상되는 동시에, 제조시의 스루풋이 향상된다.
(1) 요철 구조층 형성 공정(도 30A 참조)
제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(513)의 일 주면 상에 전사법에 의해 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층(514)을 형성하는 공정
(2) 광추출층 형성 공정(나노 입자 배열 공정)(도 30B 참조)
요철 구조층(514)의 요철 구조 상에, 희석된 충전 재료, 혹은 나노 입자 원료를 포함하는 용액을 도공하고, 여분의 용제를 제거하여 광추출층(512) 혹은 나노 입자(512)를 배치하는 공정
(3) 평탄화층 형성 공정(도 30C 참조)
광추출층, 혹은 나노 입자가 형성된 요철 구조층(514)의 요철 구조 상에, 희석된 평탄화 재료를 도공하고, 여분의 용제를 제거하여 요철 구조층(514) 및 광추출층 혹은 나노 입자(512) 상부를 덮도록 평탄화층(515)을 형성하는 공정
한편, 공정(2) 광추출층 형성 공정까지 행한 경우가 상기 광추출체(2)이며, (3) 평탄화층 형성 공정까지 행한 것이 상기 광추출체(1)이다. 또한, 공정(2)의 나노 입자 배열 공정에서는, 요철 구조층(514)의 오목부 내부에만 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(512)를 배열시킨다.
(1) 요철 구조층 형성 공정
요철 구조의 전사 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 피전사재에 의해 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 피전사재가 광경화성 수지인 경우, 표면에 요철 구조를 갖는 몰드(516)의 요철 구조와 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(513) 사이에 제1 굴절율(n1)을 갖는 피전사재를 협지하고(도 31A, 도 31B), 기재 측 또는 몰드(516) 측 중 어느 한쪽에서 빛을 조사하여 피전사재를 경화시킨 후, 몰드(516)를 박리함으로써 요철 구조를 형성할 수 있다(도 31C 참조). 이 전사 방법은, 일반적으로 광 나노임프린트라고 불린다.
조사하는 빛의 종류는 특별히 한정되지 않고, 피전사재의 특성에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 조사하는 빛의 종류로서는, 예컨대, X선, 자외광선, 가시광선, 적외광선 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 자외광선을 이용함으로써, 광 나노임프린트에 의한 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조의 전사 정밀도가 향상된다. 자외광선으로서는, 특히 250 nm∼450 nm 파장 영역의 자외광선이 바람직하다. 에너지선의 선원으로서는, 예컨대, 각종 방전등, 크세논 램프, 저압 수은등, 고압 수은등, 메탈 할라이드 램프 발광 소자 및 레이저를 이용할 수 있다. 레이저로서는, 예컨대, 자외광 LED, Ar 가스 레이저, 엑시머 레이저, 반도체 레이저 등을 이용할 수 있다. 적산 광량은, 전사 정밀도가 향상된다는 관점에서, 500 mJ/㎠∼5000 mJ/㎠의 범위인 것이 바람직하고, 800 mJ/㎠∼2500 mJ/㎠인 것이 보다 바람직하다. 한편, 빛을 조사하는 경우는, 이산화탄소나 펜타플루오로프로판 가스로 대표되는 압축성 가스 환경 하나, 질소나 아르곤 가스 환경 하나 감압(진공) 하에서 행하여도 좋다.
또한, 에너지선의 조사에서는, 복수의 선원을 사용하여 조사를 하여도 좋다. 이에 따라, 상술한 적산 광량의 범위를 만족하기 쉽게 되어 전사 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 2 이상의 선원에 있어서, 파장 대역이 다른 선원을 포함함으로써, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조의 전사 정밀도 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 복수의 선원을 이용하는 조사 방법으로서는, 예컨대, 자외선 LED를 2대 사용하여, 한 대의 주파 길이를 λx로 하고, 두 번째의 주파 길이를 λynm으로 하는(λx≠λy, λx=365, 385, 395, 405 nm 등, λy=365, 385, 395, 405 nm 등) 방법이나, 발광 스펙트럼의 샤프한 자외선 LED와 광대역의 파장 성분을 포함하는 메탈 할라이드 광원이나 고압 수은등 광원을 병용하는 방법을 들 수 있다.
기재(513)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 평판형의 기재(513)라면, 스핀코트법, 캐스트법, 잉크젯법 등에 의해 기재의 일 주면 상에 피전사 재료를 성막하여 피전사 재료에 몰드를 접합 및 압압할 수 있다. 이 경우, 몰드(516)로서는, 평판형 몰드나, 필름(릴)형 몰드를 이용할 수 있고, 전사 정밀도의 관점에서 필름(릴)형 몰드인 것 바람직하다. 한편, 기재(513)가 유리 필름이나 수지 필름으로 대표되는 필름(릴)형인 경우, 롤투롤 프로세스를 적용할 수 있기 때문에, 생산성이 향상된다.
예컨대, 피전사재가 무기 전구체인 경우, 기재(513)와 표면에 요철 구조를 갖는 몰드(516)의 요철 구조와의 사이에 피전사재를 협지하여, 열이나 빛에 의해 피전사재를 경화시킨 후, 몰드(516)를 박리함으로써 요철 구조를 형성할 수 있다. 특히, 몰드(516)를 박리한 후에, 가열 처리를 함으로써 피전사 재료의 경화를 촉진할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 피전사재가 무기 전구체 중에 광중합성 작용기나 광산발생제가 포함되는 경우, 기재(513)와 표면에 요철 구조를 갖는 몰드(516)의 요철 구조와의 사이에 피전사재를 협지하고, 몰드 측 또는 기재 측에서 빛을 조사함으로써, 피전사재의 경화 속도를 빠르게 할 수 있게 되어, 전사 정밀도 및 스루풋성을 향상시킬 수 있다. 이러한 무기 전구체를 사용하는 경우, 몰드로서는 수지 몰드를 사용하면 바람직하다. 이것은, 무기 전구체의 경화 반응 중에 발생하는 성분을, 수지 몰드가 흡수 또는 수지 몰드를 투과시켜 제거할 수 있기 때문이다. 예컨대, 광경화성 수지의 경화물로 구성되는 수지 몰드나 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 구성되는 수지 몰드를 적합하게 사용할 수 있다. 광경화성 수지로서는 우레탄계 수지를 포함하면 바람직하다.
한편 (1) 요철 구조층 형성 공정 전에, 기재(513)의 일 주면 상에 접착층(13a)을 형성하는 공정 또는 기재의 일 주면을 친수화하는 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 접착층(13a)에 관해서는, 도 3에 도시하는 제2 양태에 따른 광추출체(2)에서 설명하고 있다. 이들 공정을 실시함으로써, 상기 피전사재의 기재에의 밀착성이 향상되고, 이에 따라 전사 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
접착층(13a)으로서는, 기재 및 피전사재 양쪽에 밀착성이 있으면 한정되지 않고, 수 nm 이상의 박막부터 수 nm 이하의 분자층까지 채용할 수 있다. 예컨대, 말단 작용기 변성의 실란커플링재 증기에 노출하는 방법이나, 말단 작용기 변성 실란커플링 용액에 침지 또는 스핀코트함으로써 단분자층막을 형성하는 방법 등에 의해, 접착층(13a)을 형성할 수 있다. 특히, 접착층(13a)의 두께가 수 nm 이상인 경우, 접착층(13a)의 재질은 광학적으로 투명하면 바람직하다. 단분자층에 가까운 수 nm 이하인 경우, 접착층(13a)에 의한 빛의 흡수나 다중 반사 효과는 매우 작아지기 때문에, 이 경우의 특성은 특별히 한정되지 않지만, 광학적으로 투명하면 바람직하다.
한편 (1) 요철 구조층 형성 공정의 후((2) 광추출층 형성 공정 전)에 요철 구조를 안정화시키는 공정을 더하여도 좋다. 여기서 안정화란, 요철 구조 중에 남는 미반응 부위를 감소시키는 것, 또는 요철 구조층 중에 포함되는 수분을 제거하는 것을 의미한다. 전자의 경우, 피전사재의 특성에 따라 안정화 방법은 적절하게 선택할 수 있는데, 예컨대, 가열 처리나 에너지선 조사 처리를 들 수 있다. 가열 처리 온도는, 40℃∼300℃의 범위에서 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 에너지선 조사 처리의 경우는, 위에 설명한 에너지선을 사용할 수 있다. 한편, 에너지선에 의해 안정화를 도모하는 경우, 감압 하나 불활성 가스 분위기 하와 같은 산소가 적은 환경 하에서 행하면, 안정화 효과가 커지기 때문에 바람직하다.
(2-1) 광추출층 형성 공정
광추출층의 도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법, 다이코트법 등을 이용할 수 있다. 도공에 있어서의 희석 용액의 도공 막 두께(hc)와, 광추출층 재료의 희석 용액의 체적 농도(C)와, 단위면적(Sc)의 영역 하에 존재하는 요철 구조의 오목부 체적(Vc)이 Sc·hc·C＜Vc을 만족하는 도공 조건을 설정하고, 도공 후에 잉여 용제를 제거함으로써 광추출층을 배치할 수 있게 된다. 용제 제거 방법은, 특별히 한정되지 않고 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다. 특히, 요철 구조층의 오목부 내부에만 광추출층을 배치하는 경우는, 요철 구조층 표면을 소수성으로 하면서 개구율을 65% 이상으로 설정하면 배치 정밀도가 향상된다. 여기서 소수성이란, 요철 구조 표면 위에서의 물의 접촉각이 90도보다 큰 상태로 정의한다. 또한, 광추출층의 원료 용액의 희석 용제를 수계(친수계) 용제로 함으로써, 요철 구조층의 요철 구조의 오목부 내부에만 광추출층을 배치하는 경우의, 배치 정밀도가 향상된다.
가열 처리인 경우의 온도 및 시간은, 특별히 한정은 되지 않고, 광추출층으로서 이용하는 재료의 희석 용액을 제작할 때에 사용하는 용제의 증기압이나 비점 등 및 도공 막 두께(hc)에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 가열 처리 조건으로서는, 대략 온도 20℃∼300℃, 시간 30초∼1시간의 범위이면, 광추출층의 배치 정밀도가 높아지기 때문에 바람직하다. 또한, 사용 용제의 비점을 Ts로 했을 때에, 온도(T)가 T＜Ts를 만족하는 용제 제거 공정(1)을 포함하면, 광추출층의 배치 정밀도가 보다 향상되기 때문에 바람직하고, T＜Ts/2를 만족하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용제 제거 공정(1) 후에, T≒Ts를 만족하는 용제 제거 공정(2)을 포함하면, 상기 효과를 한층 더 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, T≒Ts는 대략 T=Ts±20%이다.
예컨대, 평판형 기재를 사용한 경우라면, 스핀코트법이나 캐스트법, 잉크젯법 등에 의해 요철 구조층의 요철 구조면 상에 광추출층의 희석 용액을 성막하고, 잉여 용제를 제거하는 공정을 거칠 수 있다. 특히, 스핀코트법의 경우는 저증기압 용제를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 기재가 유리 필름이나 수지 필름으로 대표되는 필름(릴)형인 경우, 롤투롤 프로세스를 적용할 수 있기 때문에, 생산성이 향상된다. 또한 (2) 광추출층 형성 공정 전에, 요철 구조층의 요철 구조 표면에의 처리를 더하여도 좋다. 처리로서는, 산소 플라즈마 처리나 UV-O3 처리 등을 들 수 있다.
한편 (2-1) 광추출층 형성 공정 후((3) 평탄화층 형성 공정 전)에 안정화시키는 공정을 더하여도 좋다. 여기서 안정화란, 요철 구조층 및 광추출층에 남는 미반응 부위를 감소시키는 것, 또는 요철 구조층 및 광추출층 중에 포함되는 수분을 제거하는 것을 의미한다. 전자의 경우, 피전사재나 광추출층의 특성에 따라 적절하게 선택할 수 있는데, 예컨대, 가열 처리나 에너지선 조사 처리를 들 수 있다. 가열 처리의 온도는, 40℃∼300℃의 범위에서 적절하게 선택하면 바람직하고, 에너지선 조사 처리의 경우는 상기 설명한 에너지선을 사용할 수 있다. 한편, 에너지선에 의해 안정화를 도모하는 경우, 감압 하나 불활성 가스 분위기 하와 같은 산소가 적은 환경 하에서 행하면, 안정화의 효과가 커지기 때문에 바람직하다.
(2-2) 나노 입자 배열 공정
나노 입자 원료의 희석 용액의 도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 다이코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법 등을 이용할 수 있다. 도공에 있어서의 나노 입자 원료의 희석 용액의 도공 막 두께(hc)와, 나노 입자 원료의 희석 용액의 체적 농도(C)와, 단위면적(Sc)의 영역 하에 존재하는 요철 구조의 오목부 체적(Vc)이, Sc·hc·C＜Vc을 만족하는 도공 조건을 설정하여 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)을 (A) 요철 구조 형성 공정에서 제작한 요철 구조층(514)의 요철 구조면 상에 도공하고(도 32A, 도 32B 참조). 그 후, 잉여 용제를 제거함으로써 나노 입자(512)를 요철 구조층(514)의 오목부 내부에 배치할 수 있게 된다(도 32C 참조).
요철 구조층(514)의 오목부 내부에만 나노 입자(512)를 배치하기 위해서는, 하기 요건을 만족하면 바람직하다. 하기 요건을 만족함으로써, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부에의 배치가 용이하게 되기 때문에, 제조상의 마진이 확대되면서 관리가 용이하게 된다. 또한, 나노 입자(512)의 배치 정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 제4 양태에 따른 광추출체(211)를 이용한 광추출 성능이 향상된다.
요철 구조에 대한 물방울의 접촉각이 60도 이상 180도 미만이면서, 요철 구조의 평균 개구율이 45% 이상 100% 미만인 것이 바람직하다. 우선, 물방울의 접촉각이 60도 이상임으로써, 요철 구조층(514)의 요철 구조에 대한 나노 입자(512)의 배치 정밀도가 향상된다. 같은 효과 때문에, 70도 이상이면 보다 바람직하고, 80도 이상이면 가장 바람직하다. 또한, 요철 구조층(514)의 요철 구조의 표면 에너지를 보다 저하시켜, 요철 구조층(514)의 볼록부 꼭대기부 상에 나노 입자(512)가 배치되는 것을 억제한다는 관점에서, 85도 이상이면 바람직하고, 90도 이상이면 보다 바람직하고, 95도 이상이면 가장 바람직하다. 한편, 접촉각은 후술하는 상한치를 만족하는 범위에서 클수록 바람직하다. 요철 구조층(514)의 요철 구조의 표면 에너지가 작아질수록 요철 구조층(514)의 요철 구조에 대한 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 도공 정밀도가 저하된다. 이것은, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)과 요철 구조층(514)의 요철 구조의 접촉 면적을 극소화하도록 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)이 형상을 바꾸기 때문이다. 후술하는 공정(3) 평탄화층 형성 공정에서의 성막성이 향상된다는 관점에서, 160도 이하이면 보다 바람직하고, 140도 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 120도 이하라면, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 표면 자유 에너지 마진이 커지기 때문에 보다 바람직하다.
요철 구조층(514)의 요철 구조의 표면 에너지가 낮은 경우, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)은 요철 구조층(514)의 요철 구조와의 접촉 면적을 작게 하도록 거동하기 때문에, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 도공 정밀도는 저하된다. 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)과 요철 구조층(514)의 요철 구조의 관계로서, Cassie-Baxter 모드에서 Wenzel 모드에 전위할 때의 압력, 요철 구조의 내부로부터 요철 구조의 볼록부에 가해지는 포텐셜에 기인한 Wenzel 모드에서 Cassie-Baxter 모드로 역전이, 및 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 안정화되는 크기와 요철 구조의 대소 관계를 고려하고, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 도공에서부터 시작되는 물리 현상이 최종적으로 반드시 Wenzel 모드로 되는 조건을 고려하면, 요철 구조층(514)의 요철 구조 표면의 에너지가 낮은 경우라도, 요철 구조가 소정의 개구율을 만족함으로써 나노 입자(512)의 요철 구조에의 배치 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 이들 관점에서, 요철 구조층(514)의 요철 구조의 평균 개구율이 45% 이상 100% 미만이지만 바람직하다. 이 범위임으로써, 요철 구조에 대한 나노 입자(512)의 배치 정밀도, 즉, 오목부 내부만으로의 나노 입자(512)의 충전 배치 정밀도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 요철 구조층(514)의 요철 구조의 평균 개구율은, 50% 이상이면 보다 바람직하고, 55% 이상이면 가장 바람직하다. 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 표면 자유 에너지의 마진을 크게 한다는 관점에서, 65% 이상이면 바람직하고, 70% 이상이면 보다 바람직하고, 75% 이상이면 가장 바람직하다. 또한, 나노 입자(512)를 배치할 때의 온도나 진동과 같은 마진을 한층 더 확장하기 위해서, 80% 이상이면 바람직하다. 한편, 개구율이란, 요철 구조층(514)의 요철 구조의 볼록부의 정상면에 의해 형성되는 면내에서, 그 면내의 단위면적당 포함되는 구멍(오목부 개구부 면적)의 비율로서 정의한다. 또, 접촉각은, 『기판 유리 표면의 습윤성 시험 방법』으로서, JISR3257(1999)에 제정된 접촉각 측정 방법을 채용하고, 접촉각 측정 대상이 되는 기재로서, 본 실시형태에 따른 요철 구조층(514)의 요철 구조면을 사용하는 것으로 한다.
또한, 상기 설명한 접촉각 및 개구율의 범위를 만족하는데다, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)에 사용하는 용제를 수계(친수성) 용제로 함으로써, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)의 요철 구조층(514)의 요철 구조에의 도공성을 향상시키는 동시에, 요철 구조층(514)의 오목부 내부만으로의 나노 입자(512)의 배치 정밀도를 향상시킬 수 있다. 수계 용제는 특별히 한정되지 않고, 알코올, 에테르, 케톤류 용제 등을 들 수 있다. 또한, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)에 사용하는 용제는, 나노 입자 원료를 용제에 3 중량%의 농도로 용해시킨 경우의 관성 반경이 5 nm 이하인 용제를 선정하면, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부에의 배치 정밀도가 향상되기 때문에 바람직하다. 특히, 관성 반경은 3 nm 이하가 바람직하고, 1.5 nm 이하가 보다 바람직하고, 1 nm 이하가 가장 바람직하다. 여기서 관성 반경이란, 파장 0.154 nm의 X선을 사용한 소각 X선 산란에 의한 측정으로부터 얻어지는 측정 결과에 대하여, Gunier(기니에) 플롯을 적용하여 계산되는 반경으로 한다.
용제 제거 방법은 특별히 한정되지 않고, 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다.
한편, 나노 입자 원료로서는, 금속 알콕시드로 대표되는 졸겔 반응을 유발하는 재료나, 1 분자 내에 유기 도메인과 무기 도메인을 갖는 유기 무기 하이브리드 분자나, 금속 미립자 또는 금속 산화물 미립자, 그리고 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.
특히, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S) 중에, 희석 도공 후의 용제 휘발 과정에서 양태가 변화되는 나노 입자 원료를 포함하면, 나노 입자 원료 자체의 면적을 작게 한다고 하는 드라이빙 포스도 동시에 작용한다고 추정되므로, 보다 효과적으로 나노 입자(512)가 요철 구조층(514)의 오목부 내부에 충전 배치되기 때문에 바람직하다. 양태의 변화란, 예컨대 발열 반응이나, 점도가 커지는 변화를 들 수 있다. 예컨대, 금속 알콕시드로 대표되는 졸겔 재료를 포함하면, 용제 휘발 과정에서, 공기 중의 수증기와 반응하여, 졸겔 재료가 중축합된다. 이에 따라, 졸겔 재료의 에너지가 불안정화되기 때문에, 용제 건조에 따라 저하되는 용제 액면(용제와 공기 계면)으로부터 멀어지고자 하는 드라이빙 포스가 작용하고, 그 결과, 졸겔 재료가 양호하게 요철 구조층(514)의 오목부 내부에 충전되어, 요철 구조층(514)의 오목부 내부에만 나노 입자(512)가 충전 배열된 상태를 형성한다.
특히, 나노 입자 원료가, 금속 원소 Me가 산소를 통해 연속된 메탈록산 결합(-Me-O-Me-)을 포함함으로써, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)으로서의 밀도가 향상되는 동시에, 반응성이 저하된다. 이 때문에, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부에 대한 배치 정밀도가 향상된다. 또한, 나노 입자 원료 중의 Si 원소 농도(CpSi)와, Si 이외의 금속 원소 M1의 원소 농도(CpM1)의 비율(CpM1/CpSi)이 0.02 이상임으로써, 소정의 금속 원소 농도비의 범위 내에서, 메탈록산 결합을 포함하는 용액을 형성하기 때문에, 밀도의 조정이 용이하게 되어, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부에의 충전 배치 정밀도를 향상시키는 동시에, 나노 입자(512)의 굴절율 제어가 용이하게 된다. 같은 효과 때문에, 0.05 이상이면 바람직하고, 0.1 이상이면 가장 바람직하다. 또한, 나노 입자(512)의 물리적 안정성(경도)을 향상시킨다는 관점에서, 0.3 이상이면 보다 바람직하고, 0.5 이상이면 가장 바람직하다. 한편, Si 이외의 금속 원소 M1은 복수 포함할 수 있다. 예컨대, 2종 이상의 금속 원소를 포함하는 경우, 이들 금속 원소의 합계 농도를 Si 이외의 금속 원소 M1의 원소 농도(CpM1)로 한다.
또한, Si 이외의 금속 원소 M1이 Ti, Zr, Zn, Sn, B, In 및 Al로 이루어지는 그룹에서 선택됨으로써, 메탈록산 결합의 안정성이 향상되기 때문에, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부에 대한 배치 정밀도가 향상된다. 특히, 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, Si 이외의 금속 원소 M1은, Ti, Zr, Zn 및 B로 이루어지는 그룹에서 선택되면 바람직하고, Ti 혹은 Zr에서 선택되면 가장 바람직하다.
한편, 상기 메탈록산 결합(-Me-O-Me-)은, 적어도 4개 이상의 금속 원소가 산소 원자를 통해 연속된 상태로 정의한다. 즉, -O-Ma-O-Mb-O-Mc-O-Md-O-(단, Ma, Mb, Mc, Md는 전부 동일 원소라도 다르더라도 좋다) 이상으로 금속 원소가 축합된 상태라고 정의한다. 예컨대, Si-O-Ti-O-Si-O-로 이루어지는 메탈록산 결합을 포함하는 경우, [-Ti-O-Si-O-]n의 화학식에 있어서 n≥2의 범위에서 본 발명에 따른 메탈록산 결합으로 한다. 단, -O-Ti-O-Si-와 같이, 서로 교대로 배열하는 것은 아니다. 그 때문에, -O-Ma-O-Mb-O-Mc-O-Md-O-라는 화학식에서, Ma, Mb, Mc 및 Md는 서로 달라도 같아도 좋은 것으로 한다. 단, 이미 설명한 굴절율의 제어성이라는 관점에서는, 적어도 1 이상의 Si를 포함하면 바람직하다. 메탈록산 결합을 화학식 [-Me-O-]n(단, Me는 Si 또는 Si 이외의 금속 원소 M1)으로 한 경우에, n이 10 이상이면 나노 입자(512)의 배치 정밀도 및 굴절율의 제어성이 보다 향상된다. 같은 효과 때문에, n은 15 이상이 바람직하다.
또한, 상기 메탈록산 결합 외에, 실록산 결합을 포함하면 바람직하다. 여기서, 실록산 결합을 [-Si-O-]n(단, n≥10)으로 정의한다. n≥10임으로써, 실록산 결합 특유의 레벨링성이 발현되어, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부로의 충전 배치 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 실록산 결합을 포함함으로써, 금속 원소 M1끼리의 거리를 멀게 할 수 있으므로, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)으로서의 환경(습도) 안정성을 향상시킬 수 있기 때문에, 이에 따라, 나노 입자(512)의 배치 정밀도가 향상된다. 이들 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, n≥30이 바람직하고, n≥50이 보다 바람직하고, n≥100이 가장 바람직하다. 또한, 요철 구조층(514)의 오목부 내부에서의 레벨링성을 보다 발휘한다는 관점에서, n≥200이 바람직하고, n≥500이 보다 바람직하다. 한편, 나노 입자(512)의 굴절율을 높게 유지한다는 관점에서, n≤100000이 바람직하고, n≤10000이 보다 바람직하고, n≤8000이 가장 바람직하다.
또한, Me-OR(단, R은 HOR이라 기재했을 때에 알코올이 되는 화학 구조)를 포함하면, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)을 요철 구조층(514)의 요철 구조에 도공했을 때에 양태의 변화를 이용할 수 있는 동시에, 나노 입자(512)의 밀도를 향상시킬 수 있다. 즉, 나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부에의 배치 정밀도가 향상되는 동시에, 나노 입자(512)의 굴절율을 높게 제어하기가 쉬워진다. Me-OR이라 기재한 경우의 R로서는, 예컨대, 에톡시기, 메톡시기, 프로필기 혹은 이소프로필기 등을 들 수 있다.
나노 입자(512)의 요철 구조층(514)의 오목부 내부에의 충전 배치 정밀도라는 관점에서, 나노 입자 원료는, 25℃에서의 점도가 30 cP 이상 10000 cP 이하이면 바람직하다. 특히, 굴절율을 용이하게 높게 제어한다는 관점에서 50 cP 이상이면 바람직하고, 100 cP 이상이면 보다 바람직하고, 150 cP 이상이면 가장 바람직하다. 요철 구조층(514)의 오목부 내부에의 충전 배치 정밀도라는 관점에서, 8000 cP 이하이면 보다 바람직하고, 5000 cP 이하이면 가장 바람직하다. 한편, 점도는, 용제 함유량이 5% 이하인 경우에 측정되는 값으로 한다.
한편, 상기한 설명에서, -A-B-와 같이 화학 조성을 표현했다. 이것은, 원소 A와 원소 B의 결합을 설명하기 위한 표현이며, 예컨대, 원소 A가 결합수를 3 이상 갖는 경우라도 같은 표현을 사용한다. 즉, -A-B-라고 표기함으로써, 원소 A와 원소 B가 화학 결합하는 것을 적어도 표현하고 있으며, 원소 A가 원소 B 이외의 것과 화학 결합을 형성하는 것도 포함하고 있다.
또한, 나노 입자 배열 공정에서 요철 구조층(514)의 오목부 내부에 배열된 나노 입자(512)의 제2 굴절율(n2)은 후의 공정에서 변화되는 경우가 있는데, 이 굴절율 변화도 포함시켜 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(512)라고 부른다.
잉여 용제를 제거할 때의 가열 처리에 있어서, 온도 및 시간은 특별히 한정되지는 않고, 나노 입자 원료로서 이용하는 재료의 희석 용액을 제작할 때에 사용하는 용제의 증기압이나 비점 등, 및 도공 막 두께(hc)에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 가열 처리 조건으로서는, 대략 온도 20℃∼300℃, 시간 30초∼1시간의 범위이면, 나노 입자 원료의 배치 정밀도가 높아지기 때문에 바람직하다. 또한, 사용 용제의 비점을 Ts로 했을 때에, 온도(T)가 T＜Ts를 만족하는 용제 제거 공정(1)을 포함하면, 나노 입자 원료의 배치 정밀도가 보다 향상되기 때문에 바람직하고, T＜Ts/2를 만족하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용제 제거 공정 후에, T≒Ts를 만족하는 용제 제거 공정을 포함하면, 상기 효과를 한층 더 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, T≒Ts는 대략 T=Ts±20%이다.
예컨대, 기재(513)로서 평판형 기재를 사용한 경우라면, 스핀코트법이나 캐스트법, 잉크젯법 등에 의해 요철 구조면 상에 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)을 성막하고, 잉여 용제를 제거하는 공정을 거칠 수 있다. 특히, 스핀코트법의 경우는 저증기압 용제를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 스핀코트법의 경우, 나노 입자 원료의 희석 용액(512S)을 캐스트하고, 그 요철 구조면이 상기 희석 용액(512S)으로 피복된 후에, 회전을 하여 박막화하면, 나노 입자(512)의 배치 정밀도가 향상되기 때문에 바람직하다. 한편, 기재가 유리 필름이나 수지 필름으로 대표되는 필름(릴)형인 경우, 롤투롤 프로세스를 적용할 수 있기 때문에 생산성이 향상된다. 한편 나노 입자 배열 공정 전에, 요철 구조 표면에의 처리를 더하여도 좋다. 처리로서는, 산소 플라즈마 처리나 UV-O3 처리 등을 들 수 있다.
한편, (2-2) 나노 입자 배열 공정 후, (3) 평탄화층 형성 공정 전에 요철 구조층(514) 및 나노 입자(512)를 안정화시키는 공정을 더하여도 좋다. 여기서 안정화란, 요철 구조층(514) 및 나노 입자(512)의 원료에 남는 미반응 부위를 감소시키는 것, 또는 요철 구조층(514) 및 나노 입자(512)의 원료 중에 포함되는 수분을 제거하는 것을 의미한다. 전자의 경우, 제1 굴절율(n1)의 매질 원료나 나노 입자 원료의 특성에 따라 적절하게 선택할 수 있는데, 예컨대, 가열 처리나 에너지선 조사 처리를 들 수 있다. 가열 처리 온도는, 40℃∼300℃의 범위에서 적절하게 선택하면 바람직하고, 에너지선 조사 처리의 경우는, UV, IR, X선 등을 채용할 수 있다. 에너지선을 사용하는 경우, 조사하는 빛의 종류는 특별히 한정되지 않고, 요철 구조층 및 나노 입자층의 특성에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 조사하는 빛의 종류로서는, 예컨대 UV, IR, X선 등을 들 수 있다. UV의 경우, 그 광원으로서는, UV-LED 광원, 메탈 할라이드 광원, 고압 수은등 광원 등을 이용할 수 있다. 또한, 적산 광량은, 안정화, 즉 미반응기의 반응성이라는 관점에서 500 mJ/㎠∼3000 mJ/㎠의 범위인 것이 바람직하고, 800 mJ/㎠∼2500 mJ/㎠인 것이 보다 바람직하다. 한편, 광조사에 사용하는 광원은 2 이상의 광원을 복수 병용하여도 좋다. 복수 병용함으로써, 광원마다 다른 스펙트럼의 파장을 가지고서 광조사를 하게 된다. 이 경우, 미반응기의 반응성이 향상되어 안정성이 향상된다. 또한, 2 이상의 광원을 이용하는 경우, 같은 광원을 선정할 수도 있다. 이 경우, 상기 적산 광량을 실현하기 쉽게 되어, 안정성이 향상된다. 한편, 빛을 조사하는 경우는, 이산화탄소나 펜타플루오로프로판 가스로 대표되는 압축성 가스 환경 하에서나, 질소나 아르곤 가스 환경 하에서나 감압(진공) 하에서 행하여도 좋다.
(3) 평탄화층 형성 공정
기재(513) 표면에 요철 구조층(514)이 형성되고, 광추출층 혹은 나노 입자(512)가 배치된 요철 구조층(514)의 요철 구조면 상에, 평탄화층 재료의 희석 용액(515S)을 도공하고, 여분의 용제를 제거함으로써, 요철 구조층(514) 및 광추출층 혹은 나노 입자(512) 상부를 덮는 평탄화층(515)을 형성할 수 있다(도 33A∼도 33C). 도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법, 바코트법등을 이용할 수 있다. 용제 제거 방법은, 특별히 한정되지 않고 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다.
가열 처리인 경우의 온도 및 시간은, 특별히 한정되지는 않고, 평탄화층 재료의 희석 용액을 제작할 때에 사용하는 용제의 증기압이나 비점 등, 및 도공 막 두께에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 가열 처리 조건으로서는, 평탄화층의 배치 정밀도가 높아진다는 관점에서, 대략 온도 20℃∼300℃, 시간 30초∼1시간의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 사용 용제의 비점을 Ts로 했을 때에, 온도(T)가 T＜Ts를 만족하는 용제 제거 공정(1)을 포함하면, 평탄화층의 배치 정밀도가 보다 향상되기 때문에 바람직하고, T＜Ts/2를 만족하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용제 제거 공정(1) 후에, T≒Ts를 만족하는 용제 제거 공정(2)을 포함하면, 상기 효과를 한층 더 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, T≒Ts는 대략 T=Ts±20%이다. 예컨대, 광추출체를 보텀 에미션형 유기 EL 소자에 적용하는 경우, 평탄화층면의 면정밀도가 요구되기 때문에, 사용하는 용제나 가열 처리를 적절히 제어하여, 레벨링성을 향상시키면 바람직하다. 그 밖에도, 평탄화층의 노출되는 면을 평탄화하는 방법으로서, 평탄화층 형성 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼나 릴을, 평탄화층의 노출되는 면 위에 접합 및 압압하는 방법을 들 수 있다.
예컨대, 평판형 기재를 사용한 경우라면, 스핀코트법, 캐스트법, 잉크젯법 등에 의해 광추출층이 배치된 요철 구조층의 나머지 표면 거칠기면 상에 평탄화층의 희석 용액을 성막하고, 잉여 용제를 제거하는 공정을 거칠 수 있다. 특히, 스핀코트법인 경우는 저증기압 용제를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 기재가 유리 필름이나 수지 필름으로 대표되는 필름(릴)형인 경우, 롤투롤 프로세스를 적용할 수 있기 때문에, 생산성이 향상된다.
한편 (3) 평탄화층 형성 공정 전에, 광추출층 혹은 나노 입자(512)가 배치된 요철 구조층의 거칠기면에의 처리를 더하여도 좋다. 이러한 처리로서는, 산소 플라즈마 처리나 UV-O3 처리 등을 들 수 있다.
또 (3) 평탄화층 형성 공정 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼나 릴을, 평탄화층(515)의 노출되는 면 위에 접합 및 압압하는 공정을 거쳐도 좋다. 이 공정을 거침으로써, 평탄화층(515)의 면정밀도를 향상시킬 수 있게 되어, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 평탄화층(입광면(1a)) 상에 투명 도전막 등을 배치할 때의 배치 정밀도나, 반도체 발광 소자(10)의 신뢰성이 향상된다. 평탄화 방법으로서, 예컨대, 도 34A∼도 34C에 도시하는 것과 같이, 평탄화층(515) 형성 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(517)(또는 릴, 이하 마찬가지)를, 평탄화층(515)의 표면 위에 접합 및 압압하고, 그 후, 그 웨이퍼(517)를 박리하는 방법을 들 수 있다.
한편, 경면을 표면에 구비하는 릴은, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(예컨대, 실리콘 웨이퍼)의 표면을 릴에 전사 형성함으로써 제작할 수 있다. 도 35는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법의 한 공정을 도시하는 단면 모식도이다. 예컨대, 도 35A∼도 35C에 도시하는 것과 같이, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(517)의 그 표면과 릴(518)을 전사 재료(519)(광경화성 수지 등)를 통해 협지하고, 이어서 에너지선을 조사하여 그 전사 재료를 경화시킨다. 마지막으로, 웨이퍼(517)와 릴(518)을 분리함으로써 표면에 경면(전사 재료(519)의 표면)을 갖는 릴(518)을 제조할 수 있다. 혹은, 경면 연마한 원통 표면정밀도를, 광경화성 수지를 사용한 전사법에 의해 릴(518) 표면에 연속적으로 경면을 제작할 수도 있다. 특히, 연속적으로 평탄한 면을 갖는 평탄화층(515)을 얻는다는 관점에서, 평탄화층 재료가 광중합성 물질이며, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(517)나 릴(518)을, 평탄화층(515)의 표면 위에 접합 및 압압한 상태에서 광조사를 하여, 평탄화층(515)을 경화시키고, 이어서, 경면체를 박리하는 방법이 바람직하다.
또, 평탄화층 형성 공정 후에 안정화시키는 공정을 더하여도 좋다. 여기서 안정화란, 요철 구조층, 광추출층 혹은 나노 입자 원료 및 평탄화층에 남는 미반응 부위를 감소시키는 것, 또는 요철 구조층, 광추출층 혹은 나노 입자 원료 및 평탄화층 중에 포함되는 수분을 제거하는 것을 의미한다. 전자의 경우, 제1 굴절율(n1)의 매질 원료, 나노 입자 원료의 특성에 따라 적절하게 선택할 수 있는데, 예컨대, 가열 처리나 에너지선 조사 처리를 들 수 있다. 가열 처리 온도는, 40℃∼300℃의 범위에서 적절하게 선택하면 바람직하고, 에너지선 조사 처리의 경우는 UV, IR, X선 등을 채용할 수 있다.
에너지선을 사용하는 경우, 조사하는 빛의 종류는 특별히 한정되지 않고, 요철 구조층, 광추출층 혹은 나노 입자 및 평탄화층의 특성에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 조사하는 빛의 종류로서는, 예컨대 UV, IR, X선 등을 들 수 있다. UV의 경우, 그 광원으로서는, UV-LED 광원, 메탈 할라이드 광원, 고압 수은등 광원 등을 이용할 수 있다. 또한, 적산 광량은, 안정화, 즉 미반응기의 반응성이라는 관점에서 500 mJ/㎠∼3000 mJ/㎠의 범위인 것이 바람직하고, 800 mJ/㎠∼2500 mJ/㎠인 것이 보다 바람직하다. 한편, 광조사에 사용하는 광원은 2 이상의 광원을 복수 병용하여도 좋다. 복수 병용함으로써, 광원마다 다른 스펙트럼의 파장을 가지고서 광조사를 하게 된다. 이 경우, 미반응기의 반응성이 향상되어 안정성이 향상된다. 또한, 2 이상의 광원을 이용하는 경우, 같은 광원을 선정할 수도 있다. 이 경우, 상기 적산 광량을 실현하기 쉽게 되어, 안정성이 향상된다. 한편, 빛을 조사하는 경우는, 이산화탄소나 펜타플루오로프로판 가스로 대표되는 압축성 가스 환경 하에서나, 질소나 아르곤 가스 환경 하에서나 감압(진공) 하에서 행하여도 좋다.
또한, 평탄화층 형성 후에, 흡수성이 낮은 재료로 이루어지는 박막을 평탄화층 상에 더욱 성막하여도 좋다. 이러한 새롭게 설치하는 층의 굴절율은, 평탄화층의 굴절율(n3)과 실질적으로 동등하거나 같으면 바람직하다. 이러한 재료로서, 예컨대, 금속 알콕시드로 대표되는 졸겔 재료는, 스핀온글라스, 수소실세스키옥산 등을 들 수 있다.
한편, 상술한 광추출체의 제조 방법에 있어서의 몰드로서는, 생산성이나 전사성이 향상된다는 관점에서, 이하에서 설명하는 릴형 몰드를 채용하는 것이 바람직하다.
[제조 방법 2]
도 36은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다. 본 실시형태에 따른 광추출체의 다른 제조 방법에서는, 상기 제조 방법 중에서도, 적어도 하기 (1)∼(4)의 공정을 이 순서로 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 특히, 요철 구조층의 볼록부 상부에만 광추출층을 배치하는 경우에 유익하다. 이에 따라, 각 구성 요소의 제어성이 향상되는 동시에, 제조시의 스루풋이 향상된다.
(1) 릴형 몰드 형성 공정
요철 구조를 표면에 구비한 원통형 마스터 몰드의 요철 구조를, 광전사법에 의해 필름형 기재(661) 표면에 연속적으로 전사하여, 요철 구조(662)를 표면에 구비한 릴형 몰드(520)를 얻는 공정(도 36A 참조).
(2) 광추출층(나노 입자) 충전 공정
릴형 몰드(520)의 요철 구조면에 대하여, 광추출층(나노 입자 원료)의 희석 용액을 도공하고, 여분의 용제를 제거하여, 릴형 몰드(520)의 오목부 내부에 광추출층(나노 입자)(512)을 배치하는 공정(도 36B 참조).
(3) 광추출층(나노 입자) 전사 공정
광추출층(나노 입자)(512)이 배치된 릴형 몰드(520)의 요철 구조면을, 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(513)의 표면 위에, 제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층 원료를 통해 접합하고, 에너지선을 조사한 후에, 릴형 몰드(520)를 박리하여, ＜제4 굴절율(n4)을 갖는 기재(513)＞/＜제1 굴절율(n1)을 갖는 요철 구조층(514)＞/＜요철 구조층의 볼록부 꼭대기부 상에 형성되는 제2 굴절율을 갖는 광추출층(나노 입자(512))＞으로 구성된 광추출체를 얻는 공정(도 36C 참조).
(4) 평탄화층 형성 공정
제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 원료의 용액을 요철 구조층(514) 및 광추출층(나노 입자)(512) 상에 도공하여 광추출층(나노 입자)(512) 및 상기 요철 구조층(514)을 덮도록 제1 굴절율(n1)을 갖는 평탄화층(515)을 형성하는 공정(도 36D 참조)
(1) 릴형 몰드 형성 공정
릴형 몰드(520)의 전사 형성 방법으로서는 특별히 한정되지 않지만, 롤투롤로 행할 수 있는 광전사법을 적용하면 바람직하다. 광전사법으로서는, 예컨대, 도 37에 도시하는 방법(연속 프로세스)을 들 수 있다. 도 37은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법에 있어서의 광전사법의 일례를 도시하는 모식도이다.
(1-1): 필름형 기재(661) 상에 광경화성 수지 조성물(이하, 단순히 수지라고도 함)(601)을 도포하는 공정(수지를 도공하는 공정)
(1-2): 도포한 수지(601)를, 이형 처리를 실시한 원통형 마스터 몰드(이하, 단순히 마스터 몰드라고 함)(602)에 포합(抱合)시키는 공정(수지를 주형에 압압하는 공정)
(1-3): 필름형 기재(661) 측에서 광조사를 하여, 수지(601)를 광라디칼 중합시켜 경화물(603)을 얻는 공정(수지를 광경화시키는 공정)
(1-4): 경화물(603)을 마스터 몰드(602)로부터 박리하여, 마스터 몰드(602)의 패턴 형상의 반전 형상을 구비한 요철 구조를 얻는 공정(경화물을 주형으로부터 박리하는 공정)
이 결과, 필름형 기재(661) 상에 요철 구조(662)를 갖는 릴형 몰드(520)를 얻을 수 있다.
한편, 공정(1-4)에서 얻어진 릴형 몰드(520)를 주형 G1로 하여, 릴형 몰드 G2를 제작하고, 이 릴형 몰드 G2를 이용하여 (2) 광추출층(나노 입자) 충전 공정 이후를 행하여도 좋다. 이러한 릴형 몰드 G2는, 예컨대, 도 38에 도시하는 이하의 공정(1-5)∼공정(1-8)에 의해 제조할 수 있다. 도 38은, 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 릴형 몰드 G2의 제조 공정을 도시하는 모식도이다.
(1-5): 필름형 기재(661a) 상에 수지(601)를 도포하는 공정(수지를 도포하는 공정)
(1-6): 도포한 수지(601)를 릴형 몰드 G1에 포합시켜, 라미네이트 롤(700)로 압압하는 공정(수지를 주형에 압압하는 공정)
(1-7): 릴형 몰드 G1의 기재 측과 릴형 몰드 G2 기재 측의 양쪽 또는 어느 한쪽에서 광조사를 하여, 수지(601)를 광라디칼 중합시켜 경화물(603)을 얻는 공정(수지를 광경화시키는 공정).
(1-8): 경화물(603)을 릴형 몰드 G1로부터 박리하여, 도 38에 도시하는 마스터 몰드(602)의 패턴 형상과 같은 형상을 구비한 요철 구조를 얻는 공정(경화물로부터 주형을 박리하는 공정, 릴형 몰드 G2를 얻는 공정).
이 결과 얻어지는 릴형 몰드 G2는, 도 38에 도시하는 것과 같이, 필름형 기재(661a) 상에 요철 구조(662a)를 갖는다.
공정(1-1), 공정(1-5)에서의 도공 방법으로서는, 롤러코트법, 바코트법, 다이코트법, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 잉크젯법, 분무코트법, 에어나이프코트법, 플로우코트법, 커튼코트법 등을 적용할 수 있다.
공정(1)에서 제작되는 요철 구조 중에, 도공 개선 구조를 포함하여도 좋다. 도공 개선 구조는, 원하는 광추출층(나노 입자) 배열을 제작하기 위한 기본 구조를 끼워넣도록 배치되어 있고, 도공 개선 구조의 피치는, 기본 구조보다도 큰 것이 바람직하다. 특히, 도공 개선 구조 중의 피치가, 기본 구조 측에서 필름 단부로 서서히 커지는 것이 바람직하다.
공정(1-3), 공정(1-7)에서, 조사하는 빛의 종류는 특별히 한정되지 않고, 광경화성 수지 조성물의 특성에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 조사하는 빛의 종류로서는, 예컨대, UV, IR, X선 등을 들 수 있다. UV의 경우, 그 광원으로서는, UV-LED 광원, 메탈 할라이드 광원, 고압 수은등 광원 등을 이용할 수 있다. 또한, 적산 광량은, 전사 정밀도가 향상된다는 관점에서, 500 mJ/㎠∼3000 mJ/㎠의 범위인 것이 바람직하고, 800 mJ/㎠∼2500 mJ/㎠인 것이 보다 바람직하다. 한편, 빛을 조사하는 경우는, 이산화탄소나 펜타플루오로프로판 가스로 대표되는 압축성 가스 환경 하나, 질소나 아르곤 가스 환경 하나 감압(진공) 하에서 행하여도 좋다. 또한, 광조사에 사용하는 광원은 2 이상의 광원을 복수 병용하여도 좋다. 복수 병용함으로써, 광원마다 다른 스펙트럼의 파장을 가지고서 광조사를 하게 된다. 이 경우, 광경화성 수지 조성물의 반응성(반응율)이 향상되어, 전사 정밀도 및 안정성이 향상된다. 또한, 2 이상의 광원을 이용하는 경우, 같은 광원을 선정할 수도 있다. 이 경우, 상기 적산 광량을 실현하기 쉽게 되어, 안정성이 향상된다.
릴형 몰드 G1로부터 릴형 몰드 G2를 제조하는 요령으로, 릴형 몰드 G2로부터 릴형 몰드 G3을, 릴형 몰드 G3으로부터 릴형 몰드 G4를 제조할 수 있다. 즉, 릴형 몰드 GN에서 릴형 몰드(GN+1)를 제작하고, 몰드(GN+1)를 상기 설명한 릴형 몰드 (G1)로 판단하여, (2) 나노 입자 충전 공정 이후를 행하여도 좋다.
한편, 릴형 몰드(GN)의 패턴이 광경화성 수지(GN)로 구성되어 있으면서, 릴형 몰드(GN+1)의 패턴도 광경화성 수지(GN+1)로 구성되는 경우는, 광경화성 수지(GN, GN+1) 모두 불소 함유 광경화성 수지인 것이 바람직하다. 불소 함유 광경화성 수지임으로써, 광경화성 수지(GN)의 패턴부 표면에 불소 성분을 편석시킬 수 있다. 이에 따라, 릴형 몰드(GN)는, 패턴부의 이형성을 구비하면서 기재와의 밀착성도 담보할 수 있으므로, 양호하게 릴형 몰드(GN+1)를 얻을 수 있다. 이러한 릴형 몰드(GN) 또는 릴형 몰드(GN+1)는, 표면부의 불소 원소 농도(Es)가, 패턴을 구성하는 수지 중의 평균 불소 원소 농도(Eb)보다도 큰 것이 바람직하다.
릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층 중의 평균 불소 원소 농도(Eb)와 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드 (N+1)을 구성하는 수지층의 미세 패턴 표면부의 불소 원소 농도(Es)와의 비(Es/Eb)가 1＜Es/Eb≤30000를 만족함으로써 상기 효과를 보다 발휘하기 때문에 보다 바람직하다. 특히, 3≤Es/Eb≤1500, 10≤Es/Eb≤100의 범위가 됨에 따라서, 보다 이형성이 향상되기 때문에 바람직하다.
한편, 상기한 가장 넓은 범위(1＜Es/Eb≤30000) 중에서, 20≤Es/Eb≤200의 범위라면, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층 표면부의 불소 원소 농도(Es)가, 수지층 중의 평균 불소 농도(Eb)보다 충분히 높아져, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1) 표면의 자유 에너지가 효과적으로 감소하기 때문에, 제1 굴절율(n1)의 매질이나, 나노 입자(512)와의 이형성이 향상된다. 또한, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층 중의 평균 불소 원소 농도(Eb)를 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층 표면부의 불소 원소 농도(Es)에 대하여 상대적으로 낮게 함으로써, 수지 자체의 강도가 향상되는 동시에, 필름형 기재(지지 필름) 부근에서는, 자유 에너지를 높게 유지할 수 있기 때문에, 필름형 기재(지지 필름)와의 밀착성이 향상된다. 이에 따라, 필름형 기재(지지 필름)와의 밀착성이 우수하고, 제1 굴절율(n1)의 매질 및 제2 굴절율(n2)을 갖는 나노 입자(512)와의 이형성이 우수하고, 더구나, 나노 미터 사이즈의 요철 형상을 수지로부터 수지에 반복해서 전사할 수 있는 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 얻을 수 있기 때문에 특히 바람직하다.
또한, 26≤Es/Eb≤189의 범위라면, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층 표면의 자유 에너지를 보다 낮게 할 수 있고, 반복 전사성이 양호하게 되기 때문에 바람직하다. 또한, 30≤Es/Eb≤160의 범위라면, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층 표면의 자유 에너지를 감소시키는 동시에, 수지의 강도를 유지할 수 있고, 반복 전사성이 보다 향상되기 때문에 바람직하며, 31≤Es/Eb≤155라면 보다 바람직하다. 46≤Es/Eb≤155라면, 상기 효과를 보다 한층 더 발현할 수 있기 때문에 바람직하다.
릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층의 패턴면 측 영역이란, 예컨대, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층의 패턴면 측 표면에서부터, 필름형 기재(지지 필름) 측을 향해, 대략 1%∼10% 막 두께 방향으로 침입한 부분, 또는 막 두께 방향으로 2 nm∼20 nm 침입한 부분을 의미한다. 한편, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층의 패턴면 측 영역의 불소 원소 농도(Es)는 XPS법에 의해 정량할 수 있다. XPS법의 X선의 침입 길이는 수 nm로 얕기 때문에, Es치를 정량하는 데에 적합하다. 다른 해석 방법으로서, 투과형 전자현미경을 사용한 에너지 분산형 X선 분광법(TEM-EDX)을 이용하여, Es/Eb를 산출할 수도 있다. 또한, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층을 구성하는 수지 중의 평균 불소 농도(Eb)는, 함유량으로부터 계산하거나 또는 가스 크로마토그래프 질량 분석계(GC/MS)로 측정할 수 있다. 예컨대, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층을 물리적으로 박리하여 가스크로마토그래프 질량 분석에 걺으로써, 평균 불소 원소 농도를 확인할 수 있다. 한편, 릴형 몰드(GN) 및/또는 릴형 몰드(GN+1)를 구성하는 수지층을 물리적으로 박리한 절편을, 플라스크연소법으로 분해하고, 이어서 이온 크로마토그래프 분석에 걸어도 수지 중의 평균 불소 원소 농도(Eb)를 확인할 수 있다.
한편, 상기 설명한 Es/Eb의 범위를 만족시켜 효과를 발휘한다는 관점에서, 광경화성 수지 조성물은, 광중합성 아크릴 모노머, 불소 함유 (메트)아크릴레이트 및 광중합개시재를 적어도 포함하는 것이 바람직하다. 불소 함유 (메트)아크릴레이트는, 하기 화학식(1)으로 나타내어지는 불소 함유 우레탄(메트)아크릴레이트이면, 수지 중의 평균 불소 원소 농도(Eb)를 낮게 한 상태에서, 효과적으로 표면부의 불소 원소 농도(Es)를 높게 할 수 있어, 기재에의 접착성과 이형성을 한층 더 효과적으로 발현할 수 있기 때문에 보다 바람직하다. 이러한 우레탄(메트)아크릴레이트로서는, 예컨대, 다이킨고교사 제조의 「오프툴 DAC」를 이용할 수 있다.
Figure pat00005
(화학식(1)에서, R1은 하기 화학식(2)을 나타내고, R2는 하기 화학식(3)을 나타낸다.
Figure pat00006
(화학식(2)에서, n은 1 이상 6 이하의 정수이다)
Figure pat00007
(화학식(3)에서, R은 H 또는 CH3이다)
(2) 광추출층(나노 입자) 충전 공정
광추출층(나노 입자 원료)의 도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 다이코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법 등을 이용할 수 있다. 도 39는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 광추출층 충전 공정을 도시하는 모식도이다. 도공에 있어서의 희석 용액의 도공 막 두께(hc)와, 나노 입자 원료의 희석 용액의 체적 농도(C)와, 단위면적(Sc)의 영역 하에 존재하는 요철 구조의 오목부 체적(Vc)이, Sc·hc·C＜Vc을 만족하는 도공 조건을 설정하여, 필름형 기재(661) 및 요철 구조(662)를 구비하는 릴형 몰드(520)의 요철 구조(662)면 상에 광추출층(나노 입자 원료)의 희석 용액(512S)을 도공하고(도 39A, 도 39B), 도공 후에 잉여 용제를 제거함으로써 광추출층(나노 입자)(512)을 배치할 수 있게 된다(도 39C). 용제 제거 방법은, 특별히 한정되지 않고 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다.
한편, 광추출층(나노 입자)(512)을 요철 구조층(514)(도 30 참조)의 오목부 내부에만 충전 배치할 때의 정밀도 및 마진을 확대하기 위해서, 상기 [제조 방법 1]의 (2) 광추출층(나노 입자) 배열 공정에서 설명한 요철 구조층(514)의 요철 구조에의 접촉각, 요철 구조층(514)의 요철 구조(662)의 개구율, 나노 입자 원료 및 나노 입자 원료를 희석하는 용제를 같은 효과 때문에 사용할 수 있다. 한편, 나노 입자 원료 중에, 아크릴기, 메타크릴기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴옥시기, 메타크릴옥시기, 비닐기, 에폭시기 또는 옥세탄기 중 어느 것을 포함하고, 광중합개시재를 더욱 포함함으로써, 후술하는 (3) 광추출층(나노 입자) 전사 공정에 있어서의 광추출층(나노 입자)(512)의 전사 정밀도를 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 한층 더 발휘한다는 관점에서, 아크릴기, 메타크릴기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴옥시기, 메타크릴옥시기, 비닐기를 함유하면 바람직하다.
또한, 광추출층(나노 입자) 충전 공정에서 요철 구조의 오목부 내부에 배열된 광추출층(나노 입자)(512)의 제2 굴절율(n2)은 후의 공정에서 변화되는 경우가 있는데, 이 굴절율 변화도 포함시켜 제2 굴절율(n2)을 갖는 광추출층(나노 입자)(512)이라고 칭한다.
가열 처리인 경우의 온도 및 시간은, 특별히 한정되지는 않고, 상기 [제조 방법 1]의 (2) 광추출층(나노 입자) 배열 공정에서 설명한 조건을 같은 효과 때문에 채용할 수 있다.
한편 (2) 광추출층(나노 입자) 충전 공정 후((3) 광추출층(나노 입자) 전사 공정 전)에 광추출층(나노 입자)(512)을 안정화시키는 공정을, 상기 [제조 방법 1]의 (2) 광추출층(나노 입자) 배열 공정에서 설명한 것과 같은 식으로 더하여도 좋다.
(3) 광추출층(나노 입자) 전사 공정
도 40 및 도 41은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 광추출층 전사 공정을 도시하는 모식도이다. 기재(513)가 필름형 기재인 경우는, 도 40에 도시하는 것과 같이, 기재(513)의 일 주면 상에 제1 굴절율(n1)의 매질 원료를 도공하여 요철 구조층(514)을 형성한다. 광추출층(나노 입자)(512)이 배치된 릴형 몰드(520)의 나노 입자면 측과, 요철 구조층(514)을 구성하는 매질 원료를, 라미네이트 롤(700)을 이용하여 접합하는 동시에 에너지선을 조사하고, 이어서, 릴형 몰드(520)를 박리함으로써, 광추출층(나노 입자)(512)을 전사 배열시킬 수 있다.
도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 다이코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법 등을 이용할 수 있다.
기재(513)가 평판형 기재인 경우는, 도 41에 도시하는 것과 같이, 기재(513)의 일 주면 상에 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 원료를 도공하여 요철 구조층(514)을 형성한다. 광추출층(나노 입자)(512)이 배치된 릴형 몰드(520)의 나노 입자면 측과, 요철 구조층(514)을 구성하는 매질 원료를, 라미네이트 롤(700)을 사용하여 접합하는 동시에(도 41A 참조), 에너지선을 조사하고(도 41B 참조), 이어서, 릴형 몰드(520)를 박리(도 41C 참조)함으로써, 광추출층(나노 입자)(512)을 전사 배열할 수 있다.
도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고 스핀코트법이나 잉크젯법 등을 이용할 수 있다. 한편, 다음 방법으로도 광추출층(나노 입자)(512)의 전사 배열을 할 수 있다. 즉, 광추출층(나노 입자)(512)이 배치된 릴형 몰드(520)의 나노 입자면 측에 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 원료를 도공한다. 이어서, 기재(513)의 일 주면과 매질 원료를, 라미네이트 롤(700)을 사용하여 접합하는 동시에, 에너지선을 조사한다. 이어서, 릴형 몰드(520)를 박리한다.
도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 다이코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트법, 잉크젯법 등을 이용할 수 있다.
기재(513)의 일 주면 상에 도공하는 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질 원료가 용제를 포함하는 경우는, 접합 전에 용제를 제거하여도 좋다. 이 경우, 가열 처리를 들 수 있다. 온도 및 시간은, 특별히 한정되지는 않고, 용제의 증기압이나 비점 등, 및 도공 막 두께에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 가열 처리 조건으로서는, 대략 온도 20℃∼300℃, 시간 30초∼1시간의 범위이면, 제1 굴절율을 갖는 구조화층의 전사 형성 정밀도가 높아지기 때문에 바람직하다. 또한, 사용 용제의 비점을 Ts로 했을 때에, 온도(T)가 T＜Ts를 만족하는 용제 제거 공정(1)을 포함하면, 도공 정밀도가 향상되기 때문에 바람직하고, T＜Ts/2를 만족하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용제 제거 공정(1) 후에, T≒Ts를 만족하는 용제 제거 공정(2)을 포함하면, 상기 효과를 한층 더 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, T≒Ts는 대략 T=Ts±20%이다.
조사하는 빛의 종류는 특별히 한정되지 않고, 피전사재의 특성에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 조사하는 빛의 종류로서는, 예컨대, UV, IR, X선 등을 들 수 있다. UV의 경우, 그 광원으로서는, UV-LED 광원, 메탈 할라이드 광원, 고압 수은등 광원 등을 이용할 수 있다. 또한, 적산 광량은, 전사 정밀도가 향상된다는 관점에서, 500 mJ/㎠∼3000 mJ/㎠의 범위인 것이 바람직하고, 800 mJ/㎠∼2500 mJ/㎠인 것이 보다 바람직하다. 한편, 빛을 조사하는 경우는, 이산화탄소나 펜타플루오로프로판 가스로 대표되는 압축성 가스 환경 하에서나, 질소나 아르곤 가스 환경 하에서나 감압(진공) 하에서 행하여도 좋다. 또한, 광조사에 사용하는 광원은 2 이상의 광원을 복수 병용하여도 좋다. 복수 병용함으로써, 광원마다 다른 스펙트럼의 파장을 가지고서 광조사를 행하게 된다. 이 경우, 광경화성 수지 조성물의 반응성(반응율)이 향상되고, 전사 정밀도 및 안정성이 향상된다. 또한, 2 이상의 광원을 이용하는 경우, 같은 광원을 선정할 수도 있다. 이 경우, 상기 적산 광량을 실현하기 쉽게 되어, 안정성이 향상된다.
상기 공정(3) 광추출층(나노 입자) 전사 공정 전에, 기재(513)에 전처리를 실시하는 것이 바람직하다. 전처리로서는, 접착층의 형성이나 친수화를 들 수 있다.
접착층으로서는, 기재(513) 및 제1 굴절율(n1)의 매질 양쪽에 밀착성이 있으면 한정되지 않고, 수 nm 이상의 박막부터 수 nm 이하의 분자층까지 채용할 수 있다. 예컨대, 말단 작용기 변성의 실란커플링재 증기에 노출하는 방법이나, 말단 작용기 변성 실란커플링 용액에 침지 또는 스핀코트함으로써 단분자층막을 형성하는 방법 등에 의해 접착층을 형성할 수 있다. 특히, 접착층 두께가 수 nm 이상인 경우, 접착층의 재질은 광학적으로 투명한 것이 바람직하다. 단분자층에 가까운 수 nm 이하인 경우, 접착층에 의한 빛의 흡수나 다중 반사 효과는 매우 작아지기 때문에, 이 경우의 특성은 특별히 한정되지 않지만, 광학적으로 투명한 것이 바람직하다.
(4) 평탄화층 형성 공정
상기 공정(3) 광추출층(나노 입자) 전사 공정 후에, 광추출층(나노 입자) 원료 및 요철 구조층(514)을 덮도록 제1 굴절율(n1)을 갖는 평탄화층(515)을 형성하는 평탄화층 형성 공정을 거침으로써 본 발명의 광추출체를 제조할 수 있다.
한편 평탄화층 형성 공정 전에, 광추출층(나노 입자)(512)이 배치된 요철 구조층(514)의 거칠기면에의 처리를 더하여도 좋다. 이러한 처리로서는, 산소 플라즈마 처리나 UV-O3 처리 등을 들 수 있다.
도 42는 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 평탄화층 형성 공정을 도시하는 모식도이다. 평탄화층 형성 공정은, 광추출층(나노 입자)(512)이 배치된 요철 구조층(514)의 요철 구조면 상에, 평탄화층 재료의 희석 용액(515S)을 도공(도 42A, 도 42B)하고, 여분의 용제를 제거함으로써, 요철 구조층(514) 및 광추출층(나노 입자)(512) 상부를 덮는 평탄화층(515)을 형성하는 공정(도 42A, 도 42B, 도 42C)이다. 도공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 그라비아코트법, 마이크로그라비아코트법, 다이코트법, 블레이드코트법, 와이어바코트법, 에어나이프코트법, 딥코트법, 콤마나이프코트법, 스프레이코트법, 커튼코트, 잉크젯법, 스핀코트법 등을 이용할 수 있다. 용제 제거 방법은, 특별히 한정되지 않고, 가열 처리, 감압(진공) 처리나 이들의 조합에 의한 처리를 들 수 있다.
가열 처리인 경우의 온도 및 시간은, 특별히 한정되지는 않고, 평탄화층 재료의 희석 용액(515S)을 제작할 때에 사용하는 용제의 증기압이나 비점 등, 및 도공 막 두께에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 가열 처리 조건으로서는, 평탄화층(515)의 배치 정밀도가 높아진다는 관점에서, 대략 온도 20℃∼300℃, 시간 30초∼1시간의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 사용 용제의 비점을 Ts로 했을 때에, 온도(T)가 T＜Ts를 만족하는 용제 제거 공정(1)을 포함하면, 평탄화층(515)의 배치 정밀도가 보다 향상되기 때문에 바람직하고, T＜Ts/2를 만족하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용제 제거 공정(1) 후에, T≒Ts를 만족하는 용제 제거 공정(2)을 포함하면, 상기 효과를 한층 더 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, T≒Ts는 대략 T=Ts±20%이다. 예컨대, 광추출체(1)를 보텀 에미션형 유기 EL 소자에 적용하는 경우, 평탄화층면의 면정밀도가 요구되기 때문에, 사용하는 용제나 가열 처리를 적절히 제어하여, 레벨링성을 향상시키면 바람직하다. 그 밖에도, 평탄화층(515)의 노출되는 면을 평탄화하는 방법으로서, 평탄화층 형성 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼나 릴을, 평탄화층(515)의 노출되는 면 위에 접합 및 압압하는 방법을 들 수 있다.
한편, (3) 평탄화층 형성 공정 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼나 릴을, 평탄화층의 노출되는 면 위에 접합 및 압압하는 공정을 거쳐도 좋다. 이 공정을 거침으로써, 평탄화층의 면정밀도를 향상시킬 수 있게 되어, 광추출체의 평탄화층(515) 상에 투명 도전막 등을 배치할 때의 배치 정밀도나, 반도체 발광 소자(10)의 신뢰성이 향상된다. 도 43은 본 실시형태에 따른 광추출체의 제조 방법 2에 있어서의 평탄화층 형성의 후속 공정을 도시하는 모식도이다. 평탄화 방법으로서, 예컨대, 도 43A 내지 도 43C에 도시하는 것과 같이, 평탄화층(515) 형성 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(517)(또는 릴)를, 평탄화층(515)의 표면 위에 접합 및 압압(도 43A, 도 43B 참조)하고, 그 후, 웨이퍼(517)(또는 릴)를 박리하는(도 43C 참조) 방법을 들 수 있다. 한편, 경면을 표면에 구비하는 릴은, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(예컨대 실리콘 웨이퍼)의 표면을 릴에 전사 형성함으로써 제작할 수 있다. 예컨대, 도 35에 도시하는 것과 같이, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(517)의 그 표면과 릴(518)을 전사 재료(519)(광경화성 수지 등)를 통해 협지하고, 이어서 에너지선을 조사하여 전사 재료(519)를 경화시킨다. 마지막으로, 웨이퍼(517)와 릴(518)을 분리함으로써 표면에 경면(전사 재료(519)의 표면)을 갖는 릴(518)을 제조할 수 있다. 또는, 경면 연마한 원통 표면정밀도를, 광경화성 수지를 사용한 전사법에 의해 릴(518)의 표면에 연속적으로 경면을 제작할 수도 있다.
특히, 연속적으로 평탄한 면을 갖는 평탄화층(515)을 얻는다는 관점에서, 평탄화층 재료가 광중합성 물질이며, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼(517)나 릴(518)을, 평탄화층(515)의 노출되는 면 위에 접합 및 압압한 상태에서 광조사를 하여, 평탄화층(515)을 경화시키고, 이어서, 상기 경면체를 박리하는 방법이 바람직하다.
한편, 평탄화층 형성 공정 후에 안정화시키는 공정을 더하여도 좋다. 여기서 안정화란, 요철 구조층(514), 광추출층(나노 입자 원료)(512) 및 평탄화층(515)에 남는 미반응 부위를 감소시키는 것, 또는 요철 구조층(514), 광추출층(나노 입자 원료)(512) 및 평탄화층(515) 중에 포함되는 수분을 제거하는 것을 의미한다. 전자의 경우, 피전사재, 나노 입자 원료나 평탄화층(515)의 특성에 따라 적절하게 선택할 수 있는데, 예컨대, 가열 처리나 에너지선 조사 처리를 들 수 있다. 가열 처리 온도는, 40℃∼300℃의 범위에서 적절하게 선택하면 바람직하고, 에너지선 조사 처리의 경우는, UV, IR, X선 등을 채용할 수 있다. 에너지선을 사용하는 경우, 조사하는 빛의 종류는 특별히 한정되지 않고, 요철 구조층(514), 광추출층(나노 입자층) 및 평탄화층(515)의 특성에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 조사하는 빛의 종류로서는, 예컨대 UV, IR, X선 등을 들 수 있다. UV의 경우, 그 광원으로서는, UV-LED 광원, 메탈 할라이드 광원, 고압 수은등 광원 등을 이용할 수 있다. 또한, 적산 광량은, 안정화, 즉 미반응기의 반응성이라는 관점에서 500 mJ/㎠∼3000 mJ/㎠의 범위인 것이 바람직하고, 800 mJ/㎠∼2500 mJ/㎠인 것이 보다 바람직하다. 한편, 광조사에 사용하는 광원은 2 이상의 광원을 복수 병용하여도 좋다. 복수 병용함으로써, 광원마다 다른 스펙트럼의 파장을 가지고서 광조사를 하게 된다. 이 경우, 미반응기의 반응성이 향상되어 안정성이 향상된다. 또한, 2 이상의 광원을 이용하는 경우, 같은 광원을 선정할 수도 있다. 이 경우, 상기 적산 광량을 실현하기 쉽게 되어, 안정성이 향상된다. 한편, 빛을 조사하는 경우는, 이산화탄소나 펜타플루오로프로판 가스로 대표되는 압축성 가스 환경 하에서나, 질소나 아르곤 가스 환경 하에서나 감압(진공) 하에서 행하여도 좋다.
또한, 평탄화층 형성 후에, 흡수성이 낮은 재료로 이루어지는 박막을 평탄화층(515) 상에 더욱 성막하여도 좋다. 이러한 새롭게 설치하는 층의 굴절율은, 평탄화층(515)의 굴절율(n3)과 실질적으로 동등하거나 같으면 바람직하다. 이러한 재료로서, 예컨대, 금속 알콕시드로 대표되는 졸겔 재료는, 스핀온글라스, 수소 실세스키옥산 등을 들 수 있다.
＜반도체 발광 소자＞
상기 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는, LED나 유기 EL 등의 반도체 발광 소자로서 적합하게 이용할 수 있다.
이어서, 상기 적층체를 이용한 유기 EL 소자에 관해서 설명한다. 유기 EL 소자의 광추출 방식으로서는, 톱 에미션 방식(이하, 「톱 에미션형 유기 EL 소자」라고 함)과 보텀 에미션 방식(이하, 「보텀 에미션형 유기 EL 소자」라고 함)이 있다. 톱 에미션형 유기 EL 소자는, 상기 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 평탄화층(13)을 유기 EL 소자의 발광층면(예컨대, ITO로 대표되는 투명 도전층) 위에 접합함으로써, 광추출이 향상된 유기 EL 소자를 얻을 수 있다. 또한, 제2 양태에 따른 광추출체(2)의 광추출층면 측을, 유기 EL 소자의 발광층면(예컨대, ITO로 대표되는 투명 도전층) 상에 접착층(13a)을 통해 접합함으로써, 광추출이 향상된 유기 EL 소자를 얻을 수 있다. 한편, 제2 양태에 따른 광추출체(2)를 사용하는 경우의 접착층(13a)은, 유기 EL 소자의 신뢰성이 한층 더 향상되기 때문에 밀봉재인 것이 바람직하다. 여기서, 유기 EL 소자의 발광층면으로서는, ITO로 대표되는 투명 도전막면을 들 수 있다. 상술한 평균 거리 Lor의 범위를 만족하면 효과를 발휘할 수 있기 때문에, 평탄화층(13)의 평탄성은 높을수록 바람직하지만, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 접합하여 사용하기 때문에, 유기 EL 소자의 발광층면(예컨대, ITO로 대표되는 투명 도전층)과 평탄화층(13)의 밀착성이 높은 것이 바람직하다. 예컨대, 평탄화층(13)을 구성하는 재료가 적어도 바인더 수지, 반응성 희석재 및 개시재를 포함함으로써 열에 의해 압착(접합·접착)할 수 있게 된다. 압착 후에, 빛이나 열을 가하여 개시재를 활성화시켜, 반응성 희석 재료를 반응시킴으로써, 강고하게 접착할 수 있다.
보텀 에미션 방식의 경우, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 평탄화층(13) 상에 적어도 투명 도전층과 발광층을 이 순서로 형성함으로써, 광추출 효율이 개선된 유기 EL 소자를 제조할 수 있다. 이 경우, 유기 EL 소자의 단락을 억제하여 유기 EL 소자의 신뢰성을 향상시키기 위해서, 투명 도전층의 유기 EL 소자의 적층 방향에 대한 막 두께 분포를 작게 할 필요가 있다. 그 때문에, 제1 양태에 따른 광추출체(1)의 평탄화층(13)의 표면은 평활할수록 바람직하다. 예컨대, 원자간력 현미경에 의해 구해지는 Ra(5 ㎛×5 ㎛)를 이용하면, Ra는 0 nm에 가까울수록 바람직한데, 대략 Ra≤10 nm 이하가 바람직하고, Ra≤5 nm 이하가 보다 바람직하고, Ra≤2.5 nm 이하가 가장 바람직하다. 즉, 보텀 에미션형 유기 EL 소자에, 상기 제1 양태에 따른 광추출체(1)를 적용하는 경우에는, 평탄화층(13) 표면의 평탄도를 제어하기 위해서, 평탄화층(13) 형성 공정에 있어서의 용제 건조시의 레벨링 제어나, 평탄화층(13) 형성 공정 후에, 경면을 표면에 구비하는 웨이퍼나 릴을, 평탄화층(13)의 표면 위에 접합 및 압압하는 공정 등을 거치면 바람직하다.
제1 양태에 따른 광추출체(1)의 기재의 종류로서는, 특별히 한정되지 않지만, 광학적으로 투명한 가요성 기재나 광학적으로 투명한 무기 기재인 것이 바람직하고, 또한 유리로 대표되는 수증기 배리어성이나 가스 배리어성을 갖는 기재이면 보다 바람직하다. 상술한 톱 에미션형 유기 EL 소자의 제조에 제1 양태에 따른 광추출체(1)를 이용하는 경우, 기재로서는, 가요성 기재이면 적층체의 접합성이 향상된다. 또한, 가요성 기재를 사용함으로써, 적층체의 연속 생산성이 향상된다. 가요성 기재의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 내열 환경에서 사용하는 경우는, 유리(유리 필름)나 투명 폴리이미드 등을 들 수 있고, 그 이외의 경우는, 광학적으로 투명한 수지 필름, 예컨대, PET, TAC, PEN, COP 등을 들 수 있다. 한편, 유기 EL 소자의 장기간 신뢰성을 향상시키기 위해서, 기재로서 유리판이나 유리 필름 또는 유리 필름과 수지 필름의 적층체를 사용할 수도 있다.
한편, 보텀 에미션형 유기 EL 소자에 적용하는 경우는, 광학적으로 투명한 무기 기재나 내열성 기재이면, 적층체의 평탄화층면 위에 투명 도전막을 배치하기가 용이하게 된다. 그 재질은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 유리, 석영, 수정, 사파이어, 투명 폴리이미드 등을 들 수 있다. 특히, 연속 생산성과 장기간 신뢰성의 관점에서, 기재로서 유리판이나 유리 필름 또는 유리 필름과 수지 필름의 적층체를 사용할 수도 있다.
한편, 상기 광학적으로 투명하다는 것은, 감쇠 계수(굴절율의 허수부)가 0인 경우로 정의한다. 복소 굴절율을 N으로 했을 때에 N=n-ik라고 표현할 수 있다. 여기서, i는 허수이며 i2=-1을 의미한다. 이때, n을 굴절율(의 실수부), k를 감쇠 계수(굴절율의 허수부)라고 칭한다. 즉, k=0의 매질을 광학적으로 투명한 매질로서 정의한다. 또, k는 빛의 매질에의 흡수를 나타내는 지표이며, 흡수 계수 α와 α=4πk/λ의 관계를 만족한다. λ는 파장이다. 즉, k=0이라면 흡수 계수는 0이 되어, 빛의 흡수가 생기지 않는 매질로 된다. 여기서, k=0인 경우란, k가 0.01 이하인 경우라고 정의한다. 이 범위를 만족함으로써, 광학적인 투명성이 향상되기 때문에 바람직하다.
실시예
이하, 본 발명의 효과를 명확히 하기 위해서 행한 실시예에 관해서 설명한다. 한편, 본 발명은 이하의 실시예에 의해서 하등 제한되는 것은 아니다.
＜광추출체 A: 도트형 요철 구조＞
(원통형 몰드의 제작)
원통형 몰드의 기재로서는, 직경 80 mm, 길이 50 mm의 원통형의 석영 유리 롤을 이용했다. 이 석영 유리 롤 표면에 레지스트층을 성막하고, 이 레지스트층의 표면에, 반도체 펄스 레이저를 이용한 직접 묘화 리소그래피법에 의해 요철 구조를 형성했다. 요철 구조의 종류는 복수 제작했지만, 이하, 장주기 구조를 갖는 요철 구조(배열 LP)에 관해서 대표적으로 기재한다.
우선, 석영 유리 롤의 표면에 스퍼터링법에 의해 레지스트층을 성막했다. 이어서, 레지스트층이 성막된 석영 유리 롤을 선속도 s=1.0 m/sec으로 회전시키면서, 이하의 조건으로 노광했다.
노광용 반도체 레이저 파장: 405 nm
노광 레이저 파워: 3.6 mW
X축 방향 피치(Px): 433 nm
X축 방향 피치(Px)에 대한 변동 폭 δ2: 108 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 (Px)L: 5000 nm
Y축 방향 피치(Py): 500 nm
Y축 방향 피치(Py)에 대한 변동 폭 δ1: 125 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 (Py)L: 5000 nm
Y축 방향 피치(Py)는 다음과 같이 결정된다. 스핀들의 Z상 신호를 기준으로, 1주에 드는 시간 T이 측정되고, 선속도 s로부터 원주 L가 계산되어, 하기 식(A)을 얻을 수 있다.
식(A) L=T×s
목표 피치를 (Py)로 하고, L/(Py)가 정수가 되도록 목표 피치(Py)의 0.1% 이하의 값을 더하여 조정하여, 실효 피치(Py)'를 하기 식(B)에 의해서 얻는다.
식(B) L/(Py)'=m(m은 정수)
목표 피치(Py)와 실효 피치(Py)'는 엄밀하게는 (Py)≠(Py)'이지만, L/(Py)≒107이기 때문에, |(Py)/(Py)'|/(Py)'≒10-7이 되어, 실질적으로 같은 것으로서 취급할 수 있다. 마찬가지로, 장주기 (Py)L도 L/(Py)L이 정수가 되도록 실효 장주기 (Py)L'를 하기 식(C)에 의해서 얻는다.
식(C) L/(Py)L'=n(n은 정수)
이 경우도, 엄밀하게는 (Py)L≠(Py)L'이지만, L/(Py)L≒105이기 때문에, |(Py)L/(Py)L'|/(Py)L'≒10-5가 되어, 실질적으로 같은 것으로서 취급할 수 있다.
이어서, 실효 피치(Py)'로부터, 하기 식(D), 하기 식(E)에 의해, 기준 펄스 주파수 fy0, 변조 주파수 fyL이 산출된다.
식(D) fy0=s/(Py)'
식(E) fyL=s/(Py)L'
마지막으로, 상기 식(D), 상기 식(E)으로부터, 스핀들 모터의 Z상 신호로부터의 경과 시간 t에 있어서의 펄스 주파수 fy가 하기 식(F)과 같이 결정된다.
식(F) fy=fy0+δ1×sin(t×(fyL/fy0)×2π)
X축 방향의 축 이송 속도는 다음과 같이 결정된다. 스핀들 모터의 Z상 신호를 기준으로, 1주에 드는 시간 T이 측정되어, X축 방향 피치(Px)로부터, 축 방향의 기준 이송 속도 Vx0이 하기 식(G)과 같이 결정된다.
식(G) Vx0=(Px)/T
X축 방향의 장주기 (Px)L로부터, 시각 t에 있어서의 축 이송 속도 Vx를 하기 식(H)으로 결정하여, 스캔한다.
식(H) Vx=Vx0+Vδ2·sin((Px)/(Px)L×t×2π)
여기서, Vδ2는, x축 방향의 장주기 (Px)L에 있어서의 속도 변동 폭이며, 장주기 (Px)L의 피치 변동 폭 δ2, (Px)L, Vx0에 의해, 하기 식(I)으로 나타내어진다.
식(I) Vδ2=δ2×Vx0/(Px)L
상기 조작에 의해 노광한 후에, 레지스트층을 현상하고, 현상한 레지스트층을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의해 석영 유리의 에칭을 행했다. 이어서, 표면에 요철 구조가 부여된 석영 유리 롤로부터, 잔사의 레지스트층만을 박리하여 원통형 몰드(전사용 몰드)를 제작했다.
(릴형 몰드 G1의 제작)
얻어진 원통형 몰드에 대하여, 듀라서프 HD-1101Z(다이킨가가쿠고교사 제조)를 도포하여, 60℃에서 1시간 가열한 후, 실온에서 24시간 정치, 고정화했다. 그 후, 듀라서프 HD-ZV(다이킨가가쿠고교사 제조)로 3회 세정하고, 이형 처리를 실시했다.
이어서, 불소계 첨가재(다이킨고교사 제조 OPTOOL DAC HP), 트리메틸올프로판(EO 변성)트리아크릴레이트(도아고세이사 제조 M350), 1-히드록시시클로헥실페닐케톤(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 184) 및 2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부타논-1(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 369)을 중량부로 15:100:5.5:2.0의 비율로 혼합하여 광경화성 수지를 조제했다. 이어서, 이 광경화성 수지를 PET 필름(A4100, 도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에 마이크로그라비아코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 6 ㎛가 되도록 도포했다.
이어서, 원통형 몰드에 대하여, 광경화성 수지를 도포한 PET 필름을 닙롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 1000 mJ/㎠가 되도록, UV 노광 장치(퓨전UV시스템·재팬사 제조, H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하여 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 요철 구조가 반전 전사된 릴형 몰드 G1을 얻었다. 이 릴형 몰드 G1은 길이 200 m, 폭 300 mm였다.
릴형 몰드 G1을 하기 주사형 전자현미경으로 관찰한 바, 단면 형상이 φ 450 nm, h 800 nm인 볼록부가 다음의 장주기 구조를 갖는 주기 구조로 형성되어 있었다.
X축 방향 피치(Px): 433 nm
X축 방향 피치(Px)에 대한 변동 폭 δ2: 108 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 (Px)L: 5000 nm
Y축 방향 피치(Py): 500 nm
Y축 방향 피치(Py)에 대한 변동 폭 δ1: 125 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 (Py)L: 5000 nm
(주사형 전자현미경)
장치; HITACHI s-5500
가속 전압; 10 kV
MODE; Normal
(릴형 몰드 G2의 제작)
이어서, PET 필름(A4100, 도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에, 상기 광경화성 수지를 마이크로그라비아코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 2 ㎛가 되도록 도포했다.
이어서, 상기 릴형 몰드 G1에, 광경화성 수지를 도포한 PET 필름을 닙롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 1000 mJ/㎠가 되도록, UV 노광 장치(퓨전UV시스템·재팬사 제조, H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하여 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 요철 구조가 반전 전사된 릴형 몰드 G2를 얻었다. 이 릴형 몰드 G2는 길이 200 mm, 폭 300 mm였다.
릴형 몰드 G2를 하기 주사형 전자현미경으로 관찰한 바, 단면 형상이 φ 450 nm, 오목부 깊이 h가 800 nm인 오목부가 다음의 장주기 구조를 갖는 주기 구조로 형성되어 있었다.
X축 방향 피치(Px): 433 nm
X축 방향 피치(Px)에 대한 변동 폭 δ2: 108 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 (Px)L: 5000 nm
Y축 방향 피치(Py): 500 nm
Y축 방향 피치(Py)에 대한 변동 폭 δ1: 125 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 (Py)L: 5000 nm
(주사형 전자현미경)
장치; HITACHI s-5500
가속 전압; 10 kV
MODE; Normal
한편, 얻어진 릴형 몰드 G1 및 릴형 몰드 G2의 요철 구조면에 대하여, 하기의 XPS 측정을 하여, 표층 불소 원소 농도 Es를 구해, 요철 구조층을 구성하는 수지 중의 평균 불소 원소 농도 Eb로 나눠 Es/Eb를 산출한 바, 구조에 따라 값은 변동되었지만 대략 40∼80 사이였다.
(불소 원소 농도 측정)
릴형 몰드를 약 2 mm 사방의 소편으로서 잘라내고, 1 mm×2 mm의 슬롯형의 마스크를 씌워 하기 조건으로 XPS 측정에 제공했다.
XPS 측정 조건
사용 기기; 서모피셔 ESCALAB250
여기원; mono.AlKα 15 kV×10 mA
분석 사이즈; 약 1 mm(형상은 타원)
취득 영역
Survey scan; 0∼1, 100 eV
Narrow scan; F 1s, C 1s, O 1s, N 1s
Pass energy
Survey scan; 100 eV
Narrow scan; 20 eV
＜실시예 1∼실시예 5＞
(요철 구조층의 제작)
상기 릴형 몰드 G1을 50 cm의 길이로 잘라냈다. 이어서, 폭 300 mm, 길이 600 mm의 유리 필름(굴절율 1.52) 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 하기 재료(1)를 바코팅법에 의해 도공했다. 한편, 유리 필름의 주면 위는, 아크릴옥시 말단의 실란커플링재(3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란)로, 미리 처리한 것을 사용했다. 도공 막 두께는 용제 휘발 후의 고형분 막 두께가 800 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 실온 하에서 2분간 정치하고, 잘라낸 릴형 몰드 G1의 요철 구조 형성면 측을, 유리 필름의 하기 재료(1)를 도공한 면에 0.01 Mpa의 압력 하에서 접합했다. 이어서, 릴형 몰드 G1 측에서 적산 광량 1000 mJ/㎠의 UV광을 조사하여, 105℃에서 2분 가열한 후에, 릴형 몰드 G1을 박리했다. 박리 후, 얻어진 요철 구조층/기재로 구성되는 적층체를, 200℃에서 30분간 진공 하에서 가열했다.
재료(1)… 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란(신에츠실리콘사 제조, KBM-5103):트리시클로데칸디메틸디아크릴레이트:불소계 첨가재(다이킨고교사 제조 OPTOOL DAC HP)=20 g:80 g:5 g을 혼합하여, 80℃의 분위기 하에서 부분적으로 중축합을 한 재료 100 중량부에, 1-히드록시시클로헥실페닐케톤(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 184)을 2 중량부 첨가한 재료.
(광추출층의 형성)
요철 구조층/기재로 구성되는 적층체의 요철 구조층의 요철 구조 위에, 상기 재료(1), 하기 재료(2), 하기 재료(3) 중 어느 것을 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석하고, 바코트법으로 도공했다. 여기서는, 단위면적 하의 요철 구조의 체적이 단위면적당 고형분량보다도 커지도록 설정했다. 도공 후, 25℃, 습도 50%의 환경 하에서 3분간 정치하고, 또한 80℃에서 60초 가열했다. 그 후, 진공 하에, 200℃의 분위기 속에서 30분간 가열 처리했다. 본 조작으로 얻어진 광추출체는, 기재, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층 및 제2 굴절율을 갖는 광추출층으로 구성되는, 도 3에 도시하는 제2 양태에 따른 광추출체(2)이다.
재료(2)… 테트라-n-부톡시지르코늄:테트라에톡시실란=90 g:10 g으로 혼합하여, 25℃, 습도 50%의 환경 하에서 교반했다. 이어서, 3.25%로 에탄올로 희석한 물을 적하하여 가수분해를 촉진했다. 그 후, 80℃의 분위기 속에서 중축합을 촉진하고, 마지막으로 진공 상태로 함으로써 잉여 알코올을 제거한 재료.
재료(3)… 재료(2)에 있어서, 테트라-n-부톡시지르코늄:테트라에톡시실란=52 g:48 g으로 한 재료.
(평탄화층의 형성)
4 인치φ의 실리콘 웨이퍼 표면을 UV-O3으로 15분간 처리했다. 이어서, Durasurf 1101Z를 스핀코트 제막하고, 25℃, 습도 50%의 분위기 속에서 12시간 정치했다. 그 후, Durasurf HD-ZV 용액을 이용하여, 스핀코트 세정을 3회 실시했다.
광추출층이 형성된 요철 구조층/기재의 적층체의 광추출층 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 및 메틸이소부틸케톤으로 희석한 상기 재료(1)∼상기 재료(3) 중 어느 것을 바코트법으로 도공했다. 도공 후, 실온(25℃)에서 1분간 정치하고, 그 후 80℃에서 30초 가열했다.
이어서, 상기 재료(1)를 평탄화층으로서 사용한 경우는, 상기 재료(1)의 도공된 면 위에, 표면 처리된 실리콘 웨이퍼의 처리면을 배치하고, 0.01 Mpa의 압력으로 압압하는 동시에, 기재면 측에서 UV광을 적산 광량 1000 mJ/㎠이 되도록 조사했다. UV 조사 후, 실리콘 웨이퍼를 제거하여, 제1 양태에 따른 광추출체(1)를 얻었다.
한편, 상기 재료(2) 또는 하기 재료(4) 중 어느 것을 평탄화층으로서 사용한 경우는, 상기 재료(2) 또는 하기 재료(4)의 도공된 면 위에, 표면 처리된 실리콘 웨이퍼의 처리면을 배치하고, 0.01 Mpa의 압력으로 3분간 압압했다. 압압 후, 압력을 풀고, 25℃, 습도 50%의 환경 하에서 1시간 정치했다. 그 후, 실리콘 웨이퍼를 제거하고, 진공 하에, 200℃의 분위기 속에서, 30분 가열 처리하여 광추출체(1)를 제작했다. 이 평탄화층의 표면정밀도는, 원자간력 현미경에 의해 5 ㎛×5 ㎛의 범위를 측정한 바, 어느 시료에 대하여도 Ra로서 5 nm 이하였다. 실시예 1∼실시예 5에서 제작한 광추출체의 구성을 하기 표 1에 나타낸다.
재료(4)… 티탄테트라부톡시드:디에톡시디페닐실란:테트라에톡시실란:말단 OH 변성 실리콘(신에츠실리콘사 제조 X21-5841):페닐 변성 실리콘(도오레·다우코닝사 제조 SH710)=65 g:22.4 g:4.2 g:4.2 g:4.2 g으로 혼합한 재료에, 3.25%로 에탄올로 희석한 물을 2260 ul 교반하면서 적하하여, 80℃의 분위기 하에서 중축합을 촉진시킨 재료.
＜실시예 6∼실시예 7＞
(광추출층이 충전된 필름형 몰드의 제작)
상기 얻어진 릴형 몰드 G2(L 200m, W 300 mm)를 풀어내어, 요철 구조면 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 상기 재료(2)를 도공액으로 하여, 마이크로그라비아에 의해 도공했다. 도공 막 두께는, 단위면적 하의 요철 구조의 체적이, 단위면적당 고형분량보다도 커지도록 설정했다. 도공 후, 릴형 몰드 G2를 반송하는 동시에, 습도 50%, 온도 80℃의 환경 하에서 2분간 건조하고, 권취하여 회수했다.
(광추출층의 전사)
상기 광추출층이 충전된 릴형 몰드 G2를 50 cm의 길이로 잘라냈다. 이어서, 폭 300 mm, 길이 600 mm의 유리 필름(굴절율 1.52) 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 하기 재료(5)를 바코팅법에 의해 도공했다. 한편, 유리 필름의 주면 위는, 아크릴옥시 말단의 실란커플링재(3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란)로, 미리 처리한 것을 사용했다. 도공 막 두께는 용제 휘발 후의 고형분 막 두께가 800 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 실온 하에서 2분간 정치하고, 잘라낸 광추출층의 충전된 릴형 몰드 G2의 요철 구조 형성면 측을, 유리 필름의 하기 재료(5)를 도공한 면에 0.01 Mpa의 압력 하에서 접합했다. 이어서, 광추출층이 충전된 릴형 몰드 G2 측에서 적산 광량 1000 mJ/㎠의 UV광을 조사하고, 105℃에서 2분 가열한 후에, 릴형 몰드 G2를 박리했다. 박리 후, 얻어진 광추출층/요철 구조층/기재로 구성되는 광추출체를, 200℃에서 30분간 진공 하에서 가열했다.
재료(5)… 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란(신에츠실리콘사 제조, KBM-5103):트리시클로데칸디메틸디아크릴레이트=20 g:80 g을 혼합하여, 80℃의 분위기 하에서 부분적으로 중축합을 한 재료 100 중량부에, 1-히드록시시클로헥실페닐케톤(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 184)을 2 중량부 첨가한 재료.
한편, 본 조작으로 얻어진 적층체는, 기재, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층 및 제2 굴절율을 갖는 광추출층으로 구성되는, 제2 양태에 따른 광추출체(2)이다.
평탄화층의 형성은, 실시예 1∼실시예 5의 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층의 오목부 내부에 제2 굴절율을 갖는 광추출층이 배치된 광추출체와 같은 식으로 행했다. 실시예 6∼실시예 7에서 제작한 광추출체의 구성을 하기 표 1에 나타낸다.
＜비교예 1＞
요철 구조층, 광추출층 및 평탄화층을 설치하지 않고서 기재만을 광추출체로서 사용했다. 그 구성을 하기 표 2에 나타낸다.
＜비교예 2＞
요철 구조층, 광추출층 및 평탄화층을 전부 재료(1)로 구성한 것 이외에는 실시예 1과 같은 식으로 하여 광추출체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 2에 나타낸다.
＜비교예 3＞
요철 구조층, 광추출층 및 평탄화층을 전부 재료(5)로 구성한 것 이외에는 실시예 6과 같은 식으로 하여 광추출체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 2에 나타낸다.
＜비교예 4＞
광추출층을 두지 않고, 평탄화층의 Lor를 200 nm로 한 것 이외에는 실시예 1과 같은 식으로 하여 광추출체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 2에 나타낸다. 한편, 이 경우의 Lor는, 요철 구조층의 볼록부 꼭대기부 평균 위치와, 평탄화층의 노출되는 면과의 거리를 의미한다.
＜비교예 5＞
피치 Px 및 피치 Py를 10배로 하고, 장주기를 없앤 것 이외에는 비교예 4와 같은 식으로 하여 광추출체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 2에 나타낸다.
＜반도체 발광 소자(유기 EL 소자)의 제작＞
실시예 1∼실시예 7 및 비교예 1∼비교예 5에 따른 광추출체를 이용하여 하기의 조건으로 유기 EL 소자를 제작하고, 제작한 유기 EL 소자에 관해 평가했다.
(보텀 에미션형 유기 EL 소자)
광추출체(도 1에 도시하는 제1 양태에 따른 광추출체(1))의 평탄화층면 상에, 양극, 홀 수송층, 전자 수송층, 음극의 순으로 적층하여 보텀 에미션형 유기 EL 소자를 제작했다. 각 층의 재료, 막 두께 및 성막 방법을 이하에 나타낸다.
(1) 양극: ITO 130 nm 스퍼터링
(2) 홀 수송층: N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-(1,1'-비페닐)-(4,4'-디아민)(NPB) 60 nm 진공 증착
(3) 전자 수송층: 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3) 40 nm 진공 증착
(4) 음극: Al 100 nm 진공 증착
(톱 에미션형 유기 EL 소자)
평판형 유리 상에, 버퍼층을 성막하고, 이어서, 음극, 전자 수송층, 홀 수송층, 양극의 순서로 적층하고, 그 후, 광추출체(도 3에 도시하는 제2 양태에 따른 광추출체(2))의 광추출층면을 실리콘계 실란트를 접착층(13a)로 하여, 양극에 접촉하여, 톱 에미션형 유기 EL 소자를 제작했다. 각 층의 재료, 막 두께 및 성막 방법을 이하에 나타낸다.
(1) 버퍼층: SiO2 100 nm 진공 증착
(2) 음극: Ag 40 nm 진공 증착
(3) 전자 수송층: 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3) 40 nm 진공 증착
(4) 홀 수송층: N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-(1,1'-비페닐)-(4,4'-디아민)(NPB) 60 nm 진공 증착
(5) 양극: ITO 150 nm 스퍼터링
Figure pat00008
Figure pat00009
한편, 표 1∼표 4에서, 굴절율의 열은 굴절율의 관계식을 나타내고 있다.
표 1 및 표 2로부터 분명한 것과 같이, 비교예 2에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자와 비교하여, 실시예 1∼실시예 7에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자의 발광 강도는 증가하고 있었다. 이것은 소정의 구조와 굴절율의 관계를 만족함으로써, 평탄화층 내부를 전파하는 도파 모드 유래의 발광광을 추출하고 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 요철 구조가 장주기 변동하는 실시예 5 및 실시예 7에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자는, 실시예 1∼실시예 4 및 실시예 6에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자에 대하여, 발광 강도가 보다 강하고, 보다 글래어가 억제되었다. 이것은, 구조가 장주기 변동함으로써, 광추출에 산란성이 강하게 부여되었기 때문이라고 생각된다. 이 결과로부터, 장주기 변동의 요철 구조를 지님으로써, 유기 EL 소자로부터의 빛의 추출 효율이 향상된다는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 4, 비교예 5에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자는, 기재만(비교예 1)을 이용한 유기 EL 소자 및 실질적으로 굴절율이 같은 동일 재료로 구성된 요철 구조층, 광추출층 및 평탄화층을 갖는 광추출체(비교예 2 및 비교예 3)를 이용한 유기 EL 소자에 대하여, 발광 강도가 크게 증가하고 있었다. 이 결과는, 요철 구조층에 의한 평탄화층 내부를 전파하는 삼출광을, 회절 현상으로서 추출하고 있기 때문이라고 추정된다. 그러나, 비교예 4, 비교예 5에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자는, 컬러 시프트가 많아, 시인했을 때에 눈이 부셨다. 이 결과는, 광추출층을 갖지 않음으로써, 또한 요철 구조층의 구조 배열이 규칙적이기 때문에, 요철 구조층과 평탄화층과의 계면에 기초한 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성을 억제할 수 없었기 때문이라고 생각된다.
＜광추출체 B: 울타리 형상 요철 구조＞
(원통형 몰드의 제작)
원통형 몰드의 기재로서는, 직경 80 mm, 길이 50 mm의 원통형의 석영 유리 롤을 이용했다. 이 석영 유리 롤 표면에 레지스트층을 성막하고, 이 레지스트층의 표면에, 반도체 펄스 레이저를 이용한 직접 묘화 리소그래피법에 의해 요철 구조를 형성했다. 요철 구조의 종류는 복수 제작했지만, 이하, 장주기 구조를 갖는 요철 구조(배열 LP)에 관해서 대표적으로 기재한다.
우선, 석영 유리 롤의 표면에 스퍼터링법에 의해 레지스트층을 성막했다. 이어서, 레지스트층이 성막된 석영 유리 롤을 선속도 s=1.0 m/sec로 회전시키면서 이하의 조건으로 노광했다.
노광용 반도체 레이저 파장: 405 nm
노광 레이저 파워: 3.6 mW
Y축 방향 피치(Py): 500 nm
Y축 방향 피치(Py)에 대한 변동폭 δ: ±10%
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 (Py)L: 5000 nm
즉, 원통형 석영 롤의 표면에, 원주 방향으로 라인형의 노광을 실시했다. 여기서, 하나의 라인과 인접하는 라인과의 거리가 피치(Py)에 상당한다. 피치 Py의 중심은 500 nm이며, 450 nm∼550 nm 사이의 변동을 갖는다. 이 변동은, 중심 피치(Py)에 대하여 ±10%이고, 사인파를 곱해 변조를 건 것이다. 즉, 450 nm∼550 nm의 진폭을 지니고, 파장이 5000 nm인 사인파의 진폭을 피치 Py로 하고 있다.
상기 조작에 의해 노광한 후에, 레지스트층을 현상했다. 레지스트층의 현상은, 0.03 wt%의 글리신 수용액을 이용하여, 처리 시간 240초의 조건으로 실시했다. 이어서, 현상한 레지스트층을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의해 석영 유리의 에칭을 했다. 이어서, 표면에 요철 구조가 부여된 석영 유리 롤로부터 잔사의 레지스트층만을 박리하여 원통형 몰드(전사용 몰드)를 제작했다.
(릴형 몰드 G1의 제작)
얻어진 원통형 몰드에 대하여, 듀라서프 HD-1101Z(다이킨가가쿠고교사 제조)를 도포하여, 60℃에서 1시간 가열한 후, 실온에서 24시간 정치, 고정화했다. 그 후, 듀라서프 HD-ZV(다이킨가가쿠고교사 제조)로 3회 세정하고, 이형 처리를 실시했다.
이어서, 불소계 첨가재(다이킨고교사 제조 OPTOOL DAC HP), 트리메틸올프로판(EO 변성)트리아크릴레이트(도아고세이사 제조 M350), 1-히드록시시클로헥실페닐케톤(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 184) 및 2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부타논-1(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 369)를 중량부로 15:100:5.5:2.0의 비율로 혼합하여 광경화성 수지를 조제했다. 이어서, 이 광경화성 수지를 PET 필름(A4100, 도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에 마이크로그라비아코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 6 ㎛가 되도록 도포했다.
이어서, 원통형 몰드에 대하여, 광경화성 수지를 도포한 PET 필름을 닙롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 1000 mJ/㎠가 되도록, UV 노광 장치(퓨전UV시스템·재팬사 제조, H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하여 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 요철 구조가 반전 전사된 릴형 몰드 G1을 얻었다. 이 릴형 몰드 G1은 길이 200 m, 폭 300 mm였다.
릴형 몰드 G1을 하기 주사형 전자현미경으로 관찰한 바, 단면 형상이 φ 450 nm, h 800 nm인 볼록부가 다음의 장주기 구조를 갖는 주기 구조로 형성되어 있었다.
Y축 방향 피치(Py): 500 nm
Y축 방향 피치(Py)에 대한 변동 폭 δ:±10%
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 (Py)L: 5000 nm
(주사형 전자현미경)
장치; HITACHI s-5500
가속 전압; 10 kV
MODE; Normal
(릴형 몰드 G2의 제작)
이어서, PET 필름(A4100, 도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에, 상기 광경화성 수지를 마이크로그라비아코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 2 ㎛가 되도록 도포했다.
이어서, 상기 릴형 몰드 G1에, 광경화성 수지를 도포한 PET 필름을 닙롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 1000 mJ/㎠가 되도록, UV 노광 장치(퓨전UV시스템·재팬사 제조, H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하여 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 요철 구조가 반전 전사된 릴형 몰드 G2를 얻었다. 이 릴형 몰드 G2는 길이 200 mm, 폭 300 mm였다.
릴형 몰드 G2를 하기 주사형 전자현미경으로 관찰한 바, 단면 형상이 φ 450 nm, 오목부 깊이 h가 800 nm인 오목부가 다음의 장주기 구조를 갖는 주기 구조로 형성되어 있었다.
Y축 방향 피치(Py): 500 nm
Y축 방향 피치(Py)에 대한 변동 폭 δ1: ±10%
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 (Py)L: 5000 nm
(주사형 전자현미경)
장치; HITACHI s-5500
가속 전압; 10 kV
MODE; Normal
한편, 얻어진 릴형 몰드 G1 및 릴형 몰드 G2의 요철 구조면에 대하여 하기의 XPS 측정을 하여, 표층 불소 원소 농도 Es를 구하고, 요철 구조층을 구성하는 수지 중의 평균 불소 원소 농도 Eb로 나눠 Es/Eb를 산출한 바, 구조에 따라 값은 변동되었지만 대략 40∼80 사이였다.
(불소 원소 농도 측정)
릴형 몰드를 약 2 mm 사방의 소편으로서 잘라내고, 1 mm×2 mm의 슬롯형의 마스크를 씌워 하기 조건으로 XPS 측정에 제공했다.
XPS 측정 조건
사용 기기; 서모피셔 ESCALAB250
여기원; mono.AlKα 15 kV×10 mA
분석 사이즈; 약 1 mm(형상은 타원)
취득 영역
Survey scan; 0∼1, 100 eV
Narrow scan; F 1s, C 1s, O 1s, N 1s
Pass energy
Survey scan; 100 eV
Narrow scan; 20 eV
＜실시예 8∼실시예 9＞
(요철 구조층의 제작)
상기 릴형 몰드 G1을 50 cm의 길이로 잘라냈다. 이어서, 폭 300 mm, 길이 600 mm의 유리 필름(굴절율 1.52) 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 재료(1)를 바코팅법에 의해 도공했다. 한편, 유리 필름의 주면 위는, 아크릴옥시 말단의 실란커플링재(3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란)로, 미리 처리한 것을 사용했다. 도공 막 두께는 용제 휘발 후의 고형분 막 두께가 800 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 실온 하에서 2분간 정치하고, 잘라낸 릴형 몰드 G1의 요철 구조 형성면 측을, 유리 필름의 하기 재료(1)를 도공한 면에 0.01 Mpa의 압력 하에서 접합했다. 이어서, 릴형 몰드 G1 측에서 적산 광량 1000 mJ/㎠의 UV광을 조사하고, 105℃에서 2분 가열한 후에, 릴형 몰드 G1을 박리했다. 박리 후, 얻어진 요철 구조층/기재로 구성되는 적층체를 200℃에서 30분간 진공 하에서 가열했다.
(광추출층의 형성)
요철 구조층/기재로 구성되는 적층체의 요철 구조층의 요철 구조 위에, 재료(2)를 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석하여, 바코트법으로 도공했다. 여기서는, 단위면적 하의 요철 구조의 체적이, 단위면적당 고형분량보다도 커지도록 설정했다. 도공 후, 25℃, 습도 50%의 환경 하에서 3분간 정치하고, 또한 80℃에서 60초 가열했다. 그 후, 진공 하에, 200℃의 분위기 속에서 30분간 가열 처리했다. 본 조작으로 얻어진 적층체는, 기재, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층 및 제2 굴절율을 갖는 광추출층으로 구성되는 제2 양태에 따른 광추출체(2)이다.
(평탄화층의 형성)
4 인치φ의 실리콘 웨이퍼 표면을 UV-O3으로 15분간 처리했다. 이어서, Durasurf 1101Z를 스핀코트 제막하고, 25도, 습도 50%의 분위기 속에서 12시간 정치했다. 그 후, Durasurf HD-ZV 용액을 이용하여, 스핀코트 세정을 3회 실시했다.
광추출층이 형성된 요철 구조층/기재의 적층체의 적층층 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 및 메틸이소부틸케톤으로 희석한 상기 재료(1)∼상기 재료(3) 중 어느 것을 바코트법으로 도공했다. 도공 후, 실온(25℃)에서 1분간 정치하고, 그 후 80℃에서 30초 가열했다.
이어서, 상기 재료(1)를 평탄화층으로서 사용한 경우는, 상기 재료(1)의 도공된 면 위에, 표면 처리된 실리콘 웨이퍼의 처리면을 배치하고, 0.01 Mpa의 압력으로 압압하는 동시에, 기재면 측에서 UV광을 적산 광량 1000 mJ/㎠가 되도록 조사했다. UV 조사 후, 실리콘 웨이퍼를 제거하여, 제1 양태에 따른 광추출체(1)를 얻었다.
한편, 상기 재료(2)를 평탄화층으로서 사용한 경우는, 상기 재료(2)의 도공된 면 위에, 표면 처리된 실리콘 웨이퍼의 처리면을 배치하고, 0.01 Mpa의 압력으로 3분간 압압했다. 압압 후, 압력을 풀어, 25℃, 습도 50%의 환경 하에서 1시간 정치했다. 그 후, 실리콘 웨이퍼를 제거하고, 진공 하에, 200℃의 분위기 속에서, 30분 가열 처리하여 제1 양태에 따른 광추출체(1)를 제작했다. 이 평탄화층의 표면정밀도는, 원자간력현미경에 의해 5 ㎛×5 ㎛의 범위를 측정한 바, 어느 시료에 대하여도 Ra로서 5 nm 이하였다. 실시예 8∼실시예 9에서 제작한 반도체 발광 소자용 광추출 적층체의 구성을 하기 표 3에 나타낸다.
＜비교예 6＞
요철 구조층, 광추출층 및 평탄화층을 전부 재료(1)로 구성한 것 이외에는 실시예 8과 같은 식으로 하여 반도체 발광 소자용 광추출 적층체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 3에 나타낸다.
＜비교예 7＞
요철 구조층의 요철 구조의 피치에 대한 분포가 다른 것 이외에는, 실시예 8과 같은 식으로 제작했다.
＜비교예 8＞
광추출층을 두지 않고, 평탄화층의 Lor를 200 nm로 한 것 이외에는 실시예 8과 같은 식으로 하여 반도체 발광 소자용 광추출 적층체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 3에 나타낸다. 한편, 이 경우의 Lor는, 요철 구조층의 볼록부 꼭대기부 평균 위치와, 평탄화층의 노출되는 면과의 거리를 의미한다.
＜비교예 9＞
피치 Px 및 피치 Py를 10배로 하고, 장주기를 부여하지 않는 것 이외에는 비교예 8과 같은 식으로 하여 반도체 발광 소자용 광추출 적층체를 제작했다. 그 구성을 하기 표 3에 나타낸다.
＜반도체 발광 소자(유기 EL 소자)의 제작＞
실시예 8, 실시예 9 및 비교예 6∼비교예 9에 따른 반도체 발광 소자용 광추출 적층체를 이용하여 하기의 조건으로 유기 EL 소자를 제작하고, 제작한 유기 EL 소자에 관해서 평가했다.
(보텀 에미션형 유기 EL 소자)
광추출체(도 1에 도시하는 제1 양태에 따른 광추출체(1))의 평탄화층면 상에, 양극, 홀 수송층, 전자 수송층, 음극의 순으로 적층하여 보텀 에미션형 유기 EL 소자를 제작했다. 각 층의 재료, 막 두께 및 성막 방법을 이하에 나타낸다.
(1) 양극: ITO 130 nm 스퍼터링
(2) 홀 수송층: N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-(1,1'-비페닐)-(4,4'-디아민)(NPB) 60 nm 진공 증착
(3) 전자 수송층: 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3) 40 nm 진공 증착
(4) 음극: Al 100 nm 진공 증착
Figure pat00010
표 3에 나타내는 것과 같이, 비교예 6에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자와 비교하여, 실시예 8 및 실시예 9에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자의 발광 강도는 증가하고 있다. 이것은 소정의 구조와 굴절율의 관계를 만족함으로써, 평탄화층 내부를 전파하는 도파 모드 유래의 발광광을 추출하고 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 비교예 7과 비교하여, 실시예 8 및 실시예 9의 유기 EL 소자의 컬러 시프트는 저하되어 있었다. 이것은, 피치에 대한 분포(표준편차/흐트러짐)가 크기 때문에, 도파 모드를 어지럽히는 회절 모드수가 증가하여, 관찰되는 발광광에 산란성이 부여되었기 때문으로 추정된다.
또한, 비교예 8, 비교예 9에 따른 광추출체를 이용한 유기 EL 소자는, 기재만(비교예 1)을 이용한 유기 EL 소자 및 실질적으로 굴절율이 같은 동일 재료로 구성된 요철 구조층, 광추출층 및 평탄화층을 갖는 광추출체(비교예 6)를 이용한 유기 EL 소자에 대하여, 발광 강도가 크게 증가하고 있었다. 이 결과는, 요철 구조층에 의한 평탄화층 내부를 전파하는 도파 모드 유래의 삼출광을, 회절 현상으로서 추출하고 있기 때문으로 추정된다. 그러나, 비교예 8, 비교예 9에 따른 적층체를 이용한 유기 EL 소자는, 컬러 시프트가 많아, 시인했을 때에 눈이 부시고 있었다. 이 결과는, 광추출층을 갖지 않음으로써, 또 요철 구조층의 구조 배열이 규칙적이기 때문에, 요철 구조층과 평탄화층과의 계면에 기초한 회절광 특유의 소정 각도로의 출향 특성을 억제할 수 없었기 때문이라고 생각된다.
＜광추출체 C: 나노 입자 분산 구조＞
광추출체 A와 같은 식으로 릴형 몰드 G1 및 릴형 몰드 G2를 제작했다.
＜실시예 10∼실시예 14＞
(요철 구조층의 제작)
상기 릴형 몰드 G1을 50 cm의 길이로 잘라냈다. 이어서, 폭 300 mm, 길이 600 mm의 유리 필름(굴절율 1.52) 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 재료(1)를 바코팅법에 의해 도공했다. 한편, 유리 필름의 주면 위는, 아크릴옥시 말단의 실란커플링재(3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란)로, 미리 처리한 것을 사용했다. 도공 막 두께는 용제 휘발 후의 고형분 막 두께가 800 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 실온 하에서 2분간 정치하고, 잘라낸 릴형 몰드 G1의 요철 구조 형성면 측을, 유리 필름의 상기 재료(1)를 도공한 면에 라미네이트 롤을 사용하여 0.01 Mpa의 압력 하에서 접합했다. 이어서, 릴형 몰드 G1 측에서 적산 광량 1200 mJ/㎠의 UV광을 조사하여, 105℃에서 2분 가열한 후에, 릴형 몰드 G1을 박리했다. 박리 후, 얻어진 요철 구조층/기재로 구성되는 광추출체를, 200℃에서 30분간 진공 하에서 가열했다.
(나노 입자의 형성)
요철 구조층/기재로 구성되는 광추출체의 요철 구조층의 요철 구조 상에, 재료(2)를 프로필렌글리콜모노메틸에테르 및 메틸에틸케톤의 혼합 용제로 희석하여, 바코트법으로 도공했다. 여기서는, 단위면적 하의 요철 구조의 체적이, 단위면적당 고형분량보다도 커지도록 설정했다. 도공 후, 25℃, 습도 50%의 환경 하에서 3분간 정치하고, 또한 80℃에서 60초 가열했다. 그 후, 진공 하에, 200℃의 분위기 속에서 30분간 가열 처리했다. 본 조작으로 얻어진 광추출체는, 기재, 제1 굴절율을 갖는 요철 구조층 및 제2 굴절율을 갖는 나노 입자로 구성되는 광추출체이다.
(나노 입자가 충전 배열된 필름형 몰드의 제작)
상기 얻어진 릴형 몰드 G2(L 200 m, W 300 mm)를 풀어내어, 요철 구조면 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 재료(2)를 도공액으로 하여, 마이크로그라비아에 의해 도공했다. 도공 막 두께는, 단위면적 하의 요철 구조의 체적이, 단위면적당 고형분량보다도 커지도록 설정했다. 도공 후, 릴형 몰드 G2를 반송하는 동시에, 습도 50%, 온도 80℃의 환경 하에서 2분간 건조하고, 권취하여 회수했다.
(나노 입자 전사)
상기 나노 입자가 충전된 릴형 몰드 G2를 50 cm의 길이로 잘라냈다. 이어서, 폭 300 mm, 길이 600 mm의 유리 필름(굴절율 1.52) 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 및 메틸에틸케톤의 혼합 용제로 희석한 재료(5)를 바코팅법에 의해 도공했다. 한편, 유리 필름의 주면 위는, 아크릴옥시 말단의 실란커플링재(3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란)로, 미리 처리한 것을 사용했다. 도공 막 두께는 용제 휘발후 의 고형분 막 두께가 500 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 실온 하에서 2분간 정치하고, 잘라낸 나노 입자가 충전된 릴형 몰드 G2의 요철 구조 형성면 측을, 유리 필름의 하기 재료(5)를 도공한 면에 라미네이트 롤을 사용하여 0.01 Mpa의 압력 하에서 접합했다. 이어서, 나노 입자가 충전된 릴형 몰드 G2 측에서 적산 광량 1300 mJ/㎠의 UV광을 조사하여, 120℃에서 30초 가열한 후에, 릴형 몰드 G2를 박리했다. 박리 후, 얻어진 광추출체를 200℃에서 30분간 진공 하에 가열했다.
(평탄화층 형성)
4 인치φ의 실리콘 웨이퍼 표면을 UV-O3으로 15분간 처리하여, 표면을 친수화하는 동시에 클리닝했다. 이어서, Durasurf 1101Z를 스핀코트 제막하고, 25도, 습도 50%의 분위기 속에서 12시간 정치했다. 그 후, Durasurf HD-ZV 용액을 이용하여, 스핀코트 세정을 3회 실시했다.
나노 입자/＜제1 굴절율(n1)의 매질＞/기재의 광추출체의 나노 입자 상에, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 및 메틸이소부틸케톤으로 희석한 상기 재료(1) 혹은 재료(3)를 바코트법으로 도공했다. 도공 후, 실온(25℃)에서 1분간 정치하고, 그 후 80℃에서 30초 가열했다.
이어서, 상기 재료(1)가 도공된 면 위에, 표면 처리된 실리콘 웨이퍼의 처리면을 배치하고, 0.01 Mpa의 압력으로 압압하는 동시에, 기재면 측에서 UV광을 적산 광량 1300 mJ/㎠가 되도록 조사했다. UV 조사 후, 실리콘 웨이퍼를 제거하여, 광추출체를 얻었다.
제작한 광추출체의 상세한 것을 표 4에 기재했다. 제1 굴절율을 갖는 매질 및 제2 굴절율을 갖는 나노 입자의 굴절율은, 석영 위에 별도로 제작한 요철 구조가 없는 평탄막에 대한 분광 엘립소메트리를 이용한 측정에 의해 구했다. Lorb는 주사형 전자현미경에 의한 광추출체의 단면 관찰상으로부터 구했다. 나노 입자의 높이 및 Lort은, 투과형 전자현미경 및 에너지 분산형 X선 분광법을 병용하여, Ti의 맵핑을 행함으로써 구했다. 표 4에 기재한 실시예 10부터 실시예 14에서는, 나노 입자는 광추출체의 막 두께 M 방향으로, 중심면에서부터 감소하도록 배치되어 있음이, 투과형 전자현미경 및 에너지 분산형 X선 분광법을 병용한 Ti의 맵핑으로부터 확인되었다. 대표예로서 실시예 13의 광추출체의 나노 입자의 분산성 확인 결과를 도 44에 도시한다. 도 44는 실시예 13에 따른 광추출체의 투과형 전자현미경 사진이다. 도 44에서는, 투과형 전자현미경 및 에너지 분산형 X선 분광법을 병용하여, Ti의 맵핑을 행한 결과를 도시하고 있다. 한편, 도 44에서, 위쪽에 입광면(제1면)이 존재하고, 아래쪽에 출광면(제2면)이 존재한다. 한편, 도 44에서는, 매우 고배율에 의한 관찰이기 때문에, 도 44 중에 입광면 및 출광면은 포함되어 있지 않다.
도 44에 도시하는 것과 같은 관찰상으로부터, 나노 입자수가 최대가 되는 중심면을 설정했다. 이어서, 중심면에서부터 도 44에서의 위 방향(+ 방향) 및 아래 방향(- 방향)으로 20 nm 피치의 중심면과 평행한 가상면에 있어서의 나노 입자의 수를 측정했다. 측정 결과를 하기 표 4에 나타낸다. 하기 표 4에서의 좌측의 열은 중심면으로부터의 위치를 의미한다. 0 nm의 셀이 중심면을 나타낸다. 한편 우측의 열은 나노 입자의 개수를 나타낸다. 또, 제1면 및 제2면 근방까지, 같은 수법에 의해 관찰한 결과도 기재하고 있다. 도 45에 하기 표 5의 내용을 정리한 결과를 도시한다. 도 45로부터 알 수 있는 것과 같이, 중심면에서 멀어짐에 따라서, 나노 입자의 수는 증가하지 않고, 감소하고 있음을 알 수 있다. 이것은, 얻어진 광추출체에서는, 중심면 내로의 나노 입자의 넓어짐은 있지만, 광추출체의 막 두께 방향으로의 넓어짐은 제한되어 있음을 의미한다. 이러한 수법을 이용하여, 나노 입자수의 광추출체의 막 두께 M 방향으로의 분포를 조사했다.
Figure pat00011
Figure pat00012
실시예 11, 실시예 12 및 실시예 14의 나노 입자의 배열은, 장주기 PxL 및 장주기 PyL을 갖는다. 또한, 이들 나노 입자는 가이드를 이용한 전사법에 의해 제작되어 있다. 여기서, 장주기를 갖는 가이드를 이용함으로써, 장주기에 따라 나노 입자의 높이가 변화되는 것이 확인되었다. 구체적으로는, 장주기에 의해 만들어지는 개구율이 높은 부분일수록 나노 입자의 높이가 높고, 개구율이 낮은 부분일수록 나노 입자의 높이가 낮은 것이 확인되었다. 즉, 실시예 11, 실시예 12 및 실시예 14의 나노 입자는, 배열로서 피치에 분포를 포함하는 동시에, 나노 입자의 높이에도 분포를 포함한다.
＜비교예 10＞
상기 실시예에서 사용한 재료(1)에 대하여, 평균 입경 25 nm의 TiO2 미립자를 분산시켰다. 구체적으로는 다음과 같이 행했다.
우선, 프로필렌글리콜모노메틸에테르와 에탄올의 혼합 용매에, TiO2 미립자를 10 중량% 가하여, 강교반했다. 이어서, 60℃로 따뜻하게 하여 1.5시간 초음파 처리를 했다. 그 후, 강교반 하에서 자연 방냉했다.
실온으로 되돌아간 TiO2 분산액에 대하여, 강교반 하에서 상기 재료(1)를 서서히 적하했다. 제작한 용액을, 상기 사용한 기재에 대하여 바코터를 사용하여 도공했다. 도공 후, 26도 습도 49%의 환경 분위기 하에서 2.5분 정치하고, 이어서, PET 필름에 라미네이트 롤을 사용하여 0.01 Mpa로 접합했다. 그 후, 적산 광량이 1200 mJ/㎠가 되도록 UV광을 조사하여, PET 필름을 박리했다.
얻어진 광추출체에 대하여, 주사형 전자현미경, 투과형 전자현미경 및 에너지 분산형 X선 분광법을 이용하여 해석을 했다. 광추출체의 단면 관찰로부터, TiO2 미립자는 광추출체 내에 분산되어 있음이 확인되었다. 또한, 1차 입경 25 nm의 TiO2 미립자는, 2차 입경 약 100 nm의 TiO2 응집체를 형성하고 있음이 확인되었다. TiO2 응집체로부터 TiO2 입자 하나하나를 분해하여 측정하는 것은 매우 곤란했기 때문에, TiO2 입자의 막 두께 방향에 대한 분산성은 응집체를 가지고서 판단했다. 실시예와 마찬가지로 단, 분해능을 100 nm로 하여 나노 입자의 수를 측정한 결과를 도 46에 도시한다. 도 46은 도 45와 마찬가지로, 나노 입자의 중심면으로부터의 분포를 도시하는 도면이다. 도 46으로부터 알 수 있는 것과 같이, 얻어진 광추출체 내의 나노 입자는, 중심면에서 멀어짐에 따라서 증가와 감소를 반복하는 것을 알 수 있다. 이것은, 나노 입자가 광추출체의 두께 M 방향으로도 큰 분포를 가지고서 넓어지고 있음을 의미한다.
＜반도체 발광 소자(유기 EL 소자)의 제작＞
실시예 10∼실시예 14 및 비교예 10에 따른 광추출체를 이용하여 하기의 조건으로 유기 EL 소자를 제작하고, 제작한 유기 EL 소자에 관해서 평가했다.
광추출체의 입광면 상에, 양극, 홀 수송층, 전자 수송층, 음극의 순으로 적층하여 보텀 에미션형 유기 EL 소자를 제작하고, 제작한 유기 EL 소자에 관해서 평가했다. 각 층의 재료, 막 두께 및 성막 방법을 이하에 나타낸다.
(1) 양극: ITO 130 nm 스퍼터링
(2) 홀 수송층: N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-(1,1'-비페닐)-(4,4'-디아민)(NPB) 60 nm 진공 증착
(3) 전자 수송층: 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(Alq3) 40 nm 진공 증착
(4) 음극: Al 100 nm 진공 증착
실시예 10∼실시예 14의 광추출체를 사용한 경우와 비교하여, 비교예 10의 광추출체를 사용한 경우, 유기 EL 소자의 출광 강도가 낮은 결과가 되었다. 이것은, 비교예 10의 경우, 광추출체 전체에 걸쳐 나노 입자가 분산되어 있기 때문에, 제1면의 거칠기가 나쁘고, 그 거칠기가 발광 특성에 영향을 준 것으로 추정된다. 실제로, 실시예 10∼14의 제1면의 거칠기는 원자간력현미경에 있어서의 5 ㎛×5 ㎛ 레인지의 측정에 의해, 어느 샘플이나 Ra≤5 nm임이 확인되어 있다. 한편, 비교예 10의 샘플에서는, Ra가 약 50 nm였다. 또한, 비교예 10의 샘플에서는, 장시간의 발광에 의해 다크 스폿이 발생하는 것도 확인되었다. 이것은, 앞서 말한 제1면의 거칠기에 의해 ITO 표면에 스파이크가 형성되고, 그 스파이크부에 있어서의 단락이 원인이라고 생각된다. 실시예 중에서는, 실시예 14보다도 실시예 12의 경우가, 실시예 12보다도 실시예 11의 경우가, 실시예 13보다도 실시예 10의 경우가 유기 EL 소자의 출광 강도가 강했다. 이것은, 제1면과 나노 입자와의 평균적 거리인 Lort이 얇아서, ITO 계면으로부터 스며나오는 삼출광의 전파성이 향상되고 있기 때문이라고 생각된다. 또한, 실시예 10 및 실시예 13과, 실시예 11, 실시예 12 및 실시예 14를 비교하면, 실시예 11, 실시예 12 및 실시예 14의 경우 쪽이, 유기 EL 소자의 출광광에 산란 성분이 많은 결과가 되었다. 이것은, 실시예 11, 실시예 12 및 실시예 14의 경우, 나노 입자의 면내 병렬이, 나노 스케일의 배열과 마이크로 스케일의 배열을 아울러 지닌 배열이기 때문에, 나노 입자 사이끼리의 회절광이 거시적으로 산란하고 있기 때문으로 추정된다.
＜실시예 15＞
X축 방향 피치(Px)를 606 nm, Y축 방향 피치(Py): 700 nm로 하고, 배열 α로 한 것 이외에는, 실시예 12와 같은 식으로 광추출체를 제작했다. 광추출체를 이용하여 하기의 조건으로 유기 EL 소자를 제작하고, 제작한 유기 EL 소자에 관해서 평가했다. 각 층의 재료, 막 두께 및 성막 방법을 이하에 나타낸다.
(1) 양극: ITO 150 nm 스퍼터링
(2) PEDOT 50 nm 스핀코트
(3) NPB 40 nm 진공 증착
(4) 발광층(R) 5 nm 진공 증착
(5) 발광층(B) 15 nm 진공 증착
(6) Alq3 25 nm 진공 증착
(7) 음극: Al 100 nm 진공 증착
얻어진 유기 EL 소자의 발광 각도마다의 색차(Δu'v')를 발광 각도마다 측정했다.
얻어진 결과를 도 47에 도시한다. 실시예 15의 유기 EL 소자에서는, 비교예 1로부터 얻어진 발광 소자보다도 색차(Δu'v')가 적고, 특히, 발광 각도에 대한 의존성이 적은 것을 알 수 있다. 이것은, 소자를 어느 방향에서 보더라도, 발광색에 차이가 없음을 보이고 있으며, 컬러 시프트가 크게 저감되었다.
한편, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있다. 상기 실시형태에서, 첨부 도면에 도시되어 있는 크기나 형상 등은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절하게 변경할 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 양태 및 요철 구조의 실시형태 등은 적절하게 조합하여 실시할 수 있다. 그 밖에, 본 발명은, 본 발명의 원하는 범위를 일탈하지 않는 한 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.
본 발명은, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율을 개선할 수 있고, 더구나 빛의 글래어와 컬러 시프트를 저감할 수 있다고 하는 효과를 지니며, 특히, 유기 EL 소자나 LED에 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 휘도를 향상시켜, 빛의 회절에 기인하는 컬러 시프트를 저감할 수 있는 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 발광 소자용 광추출체 및 반도체 발광 소자는, 컬러 시프트를 억제하면서 높은 발광 효율을 갖기 때문에, 전력을 유효 활용할 수 있어, 에너지 절약에 크게 공헌할 수 있다.
본 출원은, 2012년 4월 13일 출원의 일본 특원 2012-092266, 2012년 6월 27일 출원의 일본 특원 2012-144616, 2012년 10월 12일 출원의 일본 특원 2012-227296, 2012년 10월 12일 출원의 일본 특원 2012-227297 및 2012년 10월 12일 출원의 일본 특원 2012-227298에 기초한다. 이들 내용은 전부 여기에 포함시켜 놓는다.

Claims (20)

  1. 제1 굴절율(n1)을 갖는 매질에 의해 구성되며, 제2 굴절율(n2)을 갖는 복수의 나노 입자를 포함하여 이루어지는 반도체 발광 소자용 광추출체로서,
    상기 제1 굴절율(n1)과 상기 제2 굴절율(n2)과의 차의 절대치(|n1-n2|)가 0.1 이상이고, 또한
    상기 반도체 발광 소자용 광추출체는, 서로 평행한 제1면 및 제2면을 지니고,
    상기 복수의 나노 입자는, 상기 제1면 및 상기 제2면에 평행한 면을 가로지르는 상기 나노 입자의 수가 최대가 되는 가상면을 중심면으로 한 경우에, 상기 중심면에 평행한 가상면을 가로지르는 상기 나노 입자의 수가, 상기 중심면에서 멀어짐에 따라서 감소하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노 입자는, 상기 중심면 내에 있어서의 평균 피치가, 50 nm 이상 1500 nm 이하이고, 상기 중심면의 면내 방향에 있어서의 평균 직경이, 1 nm 이상 1000 nm 이하이면서, 상기 평균 피치가 상기 평균 직경보다도 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중심면 내를 가로지르는 상기 복수의 나노 입자는, 상기 중심면에 대한 수직 방향에 있어서의 평균 두께가, 10 nm 이상 1000 nm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중심면을 가로지르는 상기 복수의 나노 입자는, 상기 제1면 측의 평균 단부 위치(Spt)와 상기 제1면과의 사이의 거리(Lort)가, 0 nm를 넘고 1000 nm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 굴절율(n2)과 상기 제1 굴절율(n1)과의 차의 절대치(|n1-n2|)가 0.2 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 중심면을 가로지르는 상기 복수의 나노 입자의 상기 제2면 측의 평균 단부 위치(Spb)와 상기 제2면과의 사이의 거리(Lorb)는, 상기 거리(Lort) 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 나노 입자가, 면내에 속하는 제1 방향에서, 복수의 상기 나노 입자가 피치(Py)로 배열된 복수의 나노 입자열을 지니고, 상기 나노 입자열은, 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서 피치(Px)로 병렬되어 있으며, 상기 피치(Px) 및 상기 피치(Py)는, 각각 50 nm 이상 5000 nm 이하이고,
    상기 피치(Py) 및 상기 피치(Px)는 어느 한쪽이 일정 간격이고 다른 쪽이 부정 간격이거나, 또는 모두 부정 간격인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  8. 제7항에 있어서, 부정 간격의 상기 피치(Py)는, 상기 나노 입자의 각각의 중심 사이의 거리와 같고, 부정 간격의 상기 피치(Px)는, 상기 복수의 나노 입자열 사이 거리와 같으면서, 상기 피치(Py) 및 상기 피치(Px)는 상기 나노 입자의 직경보다 크고,
    상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 나노 입자 사이의 상기 피치 (Py)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)가 하기 식(13)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 피치 (Py)1∼(Py)n으로 구성되는 나노 입자 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고,
    상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 나노 입자열 사이의 상기 피치 (Px)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는 하기 식(14)의 관계를 만족하는 동시에,
    상기 제2 방향에서, 상기 피치 (Px)1∼(Px)n으로 구성되는 상기 나노 입자열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체:
    식(13) (Py)1＜(Py)2＜(Py)3＜…＜(Py)a＞…＞(Py)n
    식(14) (Px)1＜(Px)2＜(Px)3＜…＜(Px)a＞…＞(Px)n.
  9. 제7항에 있어서, 부정 간격의 상기 피치(Py)는, 상기 나노 입자의 각각의 중심 사이의 거리와 같고, 부정 간격의 상기 피치(Px)는, 상기 복수의 상기 나노 입자열 사이 거리와 같으면서, 상기 피치(Py) 및 상기 피치(Px)는 상기 나노 입자의 직경보다 크고,
    상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 나노 입자 사이의 상기 피치 (Py)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)가 하기 식(13)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 피치 (Py)1∼(Py)n으로 구성되는 나노 입자 그룹이 장주기 Lyz로 반복하여 배열되고,
    상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 나노 입자열 사이의 상기 피치 (Px)n(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)는 하기 식(14)의 관계를 만족하는 동시에,
    상기 제2 방향에서, 상기 피치 (Px)1∼(Px)n으로 구성되는 나노 입자열 그룹이 장주기 Lxz로 반복해서 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체:
    식(13) (Py)1＜(Py)2＜(Py)3＜…＜(Py)a＞…＞(Py)n
    식(14) (Px)1＜(Px)2＜(Px)3＜…＜(Px)a＞…＞(Px)n.
  10. 제8항에 있어서, 상기 나노 입자의 직경이, 피치(Py) 또는 피치(Px) 또는 둘 다에 대응하여 증감하고,
    상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 나노 입자의 상기 직경(Dyn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1 )이 하기 식(15)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 직경 (Dy)1∼(Dy)n으로 구성되는 나노 입자 그룹이 적어도 1개 이상 배열되고,
    상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 나노 입자의 상기 직경(Dxn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은 하기 식(16)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 직경 Dx1∼Dxn으로 구성되는 나노 입자열 그룹이 적어도 1개 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체:
    식(15) Dy1＜Dy2＜Dy3＜…＜Dya＞…＞Dyn
    식(16) Dx1＜Dx2＜Dx3＜…＜Dxa＞…＞Dxn.
  11. 제9항에 있어서, 상기 나노 입자의 직경이, 피치(Py) 또는 피치(Px) 또는 둘 다에 대응하여 증감하고,
    상기 피치(Py)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 나노 입자의 상기 직경(Dyn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)이 하기 식(15)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제1 방향에서, 상기 직경 (Dy)1∼(Dy)n으로 구성되는 나노 입자 그룹이 장주기 단위 Lyz로 반복해서 배열되고, 또한,
    상기 피치(Px)가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 상기 피치를 구성하는 상기 나노 입자의 상기 직경(Dxn)(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1, 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은 하기 식(16)의 관계를 만족하는 동시에, 상기 제2 방향에서, 상기 직경 Dx1∼Dxn으로 구성되는 나노 입자열 그룹이 장주기 단위 Lxz로 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체:
    식(15) Dy1＜Dy2＜Dy3＜…＜Dya＞…＞Dyn
    식(16) Dx1＜Dx2＜Dx3＜…＜Dxa＞…＞Dxn.
  12. 제7항에 있어서, 서로 인접하는 제1 나노 입자열 및 제2 나노 입자열 사이의 상기 제1 방향에 있어서의 시프트량 α1과, 서로 인접하는 상기 제2 나노 입자열 및 제3 나노 입자열 사이의 상기 제1 방향에 있어서의 시프트량 α2가 서로 다른 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 시프트량 α1 및 상기 시프트량 α2의 차분이 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  14. 제7항에 있어서, 상기 복수의 나노 입자는, 상기 중심면의 면내 방향에 있어서의 제1 직경을 갖는 복수의 제1 나노 입자와, 상기 제1 직경보다도 큰 제2 직경을 갖는 복수의 제2 나노 입자를 포함하고,
    상기 제1 직경은, 상기 평균 피치, 상기 피치(Px) 또는 상기 피치(Py)보다도 작고,
    상기 제2 직경은, 상기 평균 피치, 상기 피치(Px) 또는 상기 피치(Py)보다도 크며, 이들의 9.5배의 크기 이하인 동시에,
    상기 제2 직경을 갖는 제2 나노 입자는, 상기 제1 직경을 갖는 제2 나노 입자에 대하여 1/10000 이상 1/5 이하의 비율로 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  15. 제7항에 있어서, 상기 광추출체의 상기 나노 입자열이 형성되어 있는 주면과 마주 대하는 주면 상에 형성된 단층 혹은 다층의 반사방지층 또는 나노 스케일 간격으로 배열된 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 반사방지층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  16. 제7항에 있어서, 상기 광추출체의 상기 나노 입자열이 형성되어 있는 주면과 마주 대하는 주면 상에 형성되며 제4 굴절율(n4)을 갖는 기재를 지니고,
    상기 제4 굴절율(n4)과 상기 제1 굴절율(n1)이 실질적으로 동등하거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기재가, 가스 배리어 기능 또는 수증기 배리어 기능의 적어도 어느 한쪽의 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  18. 제16항에 있어서, 상기 기재의 표면 위에 형성된 도트 또는 홀을 지니고, 상기 도트 또는 상기 홀의 평균 피치가 100 nm 이상 5000 nm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  19. 제16항에 있어서, 가스 배리어 기능, 수증기 배리어 기능, 내마모 기능, 방오 기능, 소수성 기능, 친수성 기능, 대전 방지 기능, 컬러 필터 기능, 컬러 시프트 기능, 편광 수정 기능, 반사 방지 기능, 광 재지향 기능, 확산 기능 및 광학 회전 기능으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 기능층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 광추출체.
  20. 제7항에 기재한 반도체 발광 소자용 광추출체와, 상기 반도체 발광 소자의 나노 입자열이 형성되어 있는 주면 측에 형성된 발광부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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