KR20150141955A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20150141955A
KR20150141955A KR1020157028203A KR20157028203A KR20150141955A KR 20150141955 A KR20150141955 A KR 20150141955A KR 1020157028203 A KR1020157028203 A KR 1020157028203A KR 20157028203 A KR20157028203 A KR 20157028203A KR 20150141955 A KR20150141955 A KR 20150141955A
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light
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layer
index layer
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KR1020157028203A
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야스히사 이나다
가즈유키 야마에
아키라 하시야
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

발광 장치는, 발광 소자(110)와, 상기 발광 소자(110)로부터 생긴 광을 투과시키는 광 취출 시트(120)를 구비한다. 발광 소자(110)는, 광 투과성을 갖는 제 1 전극(13)과, 제 2 전극(11)과 제 1 및 제 2 전극의 사이에 설치된 발광층(12)을 갖는다. 광 취출 시트(120)는, 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 투광성 기판(14)과, 투광성 기판(14)의 상기 제 1 주면의 측에 설치된 제 1 광 취출 구조(15)와, 투광성 기판(14)의 상기 제 2 주면의 측에 설치된 제 2 광 취출 구조(16)를 갖고 있다. 제 1 광 취출 구조(15)는, 투광성 기판(14)보다 굴절율이 낮은 저굴절율층(15a), 및 저굴절율층(15a)보다 굴절율이 높은 고굴절율층(15b)을 갖고, 고굴절율층(15b) 및 저굴절율층(15a)의 계면은 요철 형상을 가지고 있다. 제 2 광 취출 구조(16)는, 투광성 기판을 투과해서 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성되어 있다.

Description

발광 장치{LIGHT-EMITTING DEVICE}
본원은 발광 장치에 관한 것이다.
유기 전계 발광 소자(이하, 「유기 EL 소자」라고 한다.)로서, 투명 기판의 표면에 형성된 투명 전극(양극) 상에, 홀 수송층, 유기 발광층, 전자 수송층, 음극이 차례로 적층된 것이 알려져 있다. 양극과 음극의 사이에 전압을 인가함으로써, 유기 발광층으로부터 광이 발생한다. 발생한 광은, 투명 전극 및 투명 기판을 투과하여 외부로 취출된다.
유기 EL 소자는, 자(自)발광형의 소자인 것, 비교적 높은 효율의 발광 특성을 갖는 것, 각종 색조(色調)로 발광 가능한 것 등의 특징을 갖는다. 이 때문에, 표시 장치(예를 들면 플랫 패널 디스플레이)에 있어서의 발광체나, 광원(예를 들면 액정 표시 장치용의 백 라이트나 조명)에의 활용이 기대되고 있고, 일부의 것은 벌써 실용화되어 있다. 이러한 용도로 유기 EL 소자를 응용하기 위해, 보다 고효율·긴 수명·고휘도의 우수한 특성을 갖는 유기 EL 소자의 개발이 요구되고 있다.
유기 EL 소자의 효율을 지배하는 요인은, 주로, 전기-광 변환 효율, 구동 전압, 광 취출 효율의 3개이다.
전기-광 변환 효율에 대해서는, 최근의 이른바 인광 재료의 등장으로 인해, 외부 양자 효율이 20%를 넘는 것이 보고되고 있다. 이 값은, 내부 양자 효율로 환산하면 거의 100%에 상당한다고 생각할 수 있다. 즉, 전기-광 변환 효율이 거의 한계치에 도달한 예가 실험적으로 확인되었다고 말할 수 있다.
구동 전압에 대해서는, 에너지 갭에 상당하는 전압의 10~20% 증가 정도의 전압으로 비교적 높은 휘도의 발광을 행하는 소자를 얻을 수 있도록 되어 오고 있다. 환언하면, 구동 전압의 저감에 따른 유기 EL 소자의 효율 향상의 여지는 그다지 크지 않다.
따라서, 전기-광 변환 효율 및 구동 전압의 2개의 요인의 개선에 따른 유기 EL 소자의 효율의 향상은 별로 기대할 수 없다.
한편, 유기 EL 소자의 광 취출 효율은, 발광 패턴이나 내부의 층 구조에 따라서 다소 변동하지만, 일반적으로 20~30% 정도이며, 개선의 여지가 크다. 광 취출 효율이 이와 같이 낮아지는 이유로서, 광이 발생하는 부위 및 그 주변부를 구성하는 재료가, 고굴절율성 및 광 흡광성 등의 특성을 갖는 것을 들 수 있다. 이 때문에, 굴절율이 다른 계면에서의 전반사나 재료에 의한 광의 흡수가 생겨, 발광이 관측되는 외계(外界)로 유효하게 광이 전파될 수 없다고 하는 문제가 발생한다. 그 결과, 유기 EL 소자에서는, 활용할 수 없는 광이 전체 발광량의 70~80%를 차지하게 된다. 이 때문에, 광 취출 효율의 향상에 따른 유기 EL 소자의 효율 향상에의 기대는 매우 크다.
이러한 배경 하에서, 광 취출 효율을 향상하기 위한 시도가 지금까지 많이 이루어지고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1은, 계면에서의 전반사를 억제하기 위해서 회절 격자를 마련한 유기 EL 소자를 개시하고 있다. 특허문헌 2는, 투명 기판의 표면에 마이크로 렌즈 어레이를 마련한 유기 EL 소자를 개시하고 있다. 특허문헌 3은, 바인더(binder) 내로 비즈(beads)가 분산하는 광학층을 갖는 광학 시트를 마련한 유기 EL 소자를 개시하고 있다.
일본 특허 제 2991183호 명세서 일본 공개 특허 공보 제 2004-241130 호 일본 공개 특허 공보 제 2003-100444 호
그렇지만, 상술한 종래의 기술에서는, 광의 취출 효율을 향상시키는 효과는 한정적이며, 새로운 효율의 향상이 요구된다. 이 과제는, 상술한 유기 EL 소자에 한정하지 않고, 무기 EL 소자나 통상의 발광 다이오드 등을 이용한 다른 종류의 발광 장치에 대해서도 마찬가지로 해당한다.
본원의 한정적이 아닌 예시적인 실시 형태는, 광의 취출 효율을 높일 수 있는 발광 장치를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 형태인 광 취출 시트는, 제 1 주면(主面) 및 제 2 주면을 갖는 투광성 기판과, 상기 투광성 기판의 상기 제 1 주면의 측에 설치된 제 1 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판보다 굴절율이 낮은 저굴절율층, 및 상기 저굴절율층보다 굴절율이 높은 고굴절율층을 갖고, 상기 저굴절율층은 상기 투광성 기판 및 상기 고굴절율층의 사이에 형성되어 있고, 상기 고굴절율층 및 상기 저굴절율층의 계면은 요철 형상을 갖고 있는 제 1 광 취출 구조와, 상기 투광성 기판의 상기 제 2 주면의 측에 설치된 제 2 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판을 투과하여 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성된 제 2 광 취출 구조를 구비한다.
상술의 일반적이며 특정의 형태는, 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램을 이용하여 실장되고, 또는 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램의 조합을 이용하여 실현될 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 발광 장치에 의하면, 광의 취출 효율을 높일 수 있다.
도 1은 예시적인 실시의 형태에 있어서의 유기 EL 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 요철 구조의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2b는 요철 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3a는 마이크로 렌즈 어레이의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3b는 광 확산층의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 광 투과율의 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 5a는 마이크로 렌즈 어레이의 배열 예를 나타내는 평면도이다.
도 5b는 도 5a에 있어서의 A-A'선 단면도이다.
도 6a는 외부 광 취출층으로서 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 경우의 투과율의 입사 각도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 6b은 외부 광 취출층으로서 광 확산층을 이용한 경우의 투과율의 입사 각도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 6c는 외부 광 취출층으로서 광 확산층을 이용한 경우의 투과율의 입사 각도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 7은 외부 광 취출층으로 광이 어떤 각도 분포로 입사하는지를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8a은 시험 제작한 몇 개의 소자에 있어서의 단위 면적 당의 광 강도의 입사 각도 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 8b는 시험 제작한 소자의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 시험 제작한 소자의 요철 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 스넬(snell)의 법칙을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 저굴절율층의 굴절율을 변경했을 때의 광 강도의 입사 각도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 12는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 경우와 확산층을 이용한 경우로, 광 취출 효율의 저굴절율층의 굴절율 의존성이 어떻게 상이한지를 나타내는 실험 결과이다.
도 13은 광 취출 효율의 계산에 있어서, 발광층으로부터의 광의 각도 분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 경우와 확산층을 이용한 경우로, 광 취출 효율의 저굴절율층의 굴절율 의존성이 어떻게 상이한지를 나타내는 계산 결과이다.
도 15는 고굴절율층의 굴절율에 대한 광 취출 효율의 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 마이크로 렌즈의 어스펙트비에 대한 입사 각도 40~60도의 광의 투과율의 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 어스펙트비를 변경했을 때의 입사 각도에 대한 광 강도의 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 마이크로 렌즈 어레이의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 19는 외부 광 취출층의 구성을 변경했을 때의 입사 각도에 대한 광 강도의 의존성의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 20a는 외부 광 취출층으로서 피라미드 구조를 채용한 예를 나타내는 평면도이다.
도 20b는 도 20a에 있어서의 B-B'선 단면도이다.
도 21은 피라미드 구조를 채용했을 때의 입사각 40~60도의 광의 투과율의 꼭지각에 대한 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 22는 피라미드 구조의 꼭지각을 변경했을 때의 광 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 23은 요철 구조의 주기를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 요철 구조의 주기를 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 25(a)는 요철 구조의 제 1 예를 나타내는 도면이며, 도 25(b)는 요철 구조의 제 2 예를 나타내는 도면이며, 도 25(c)는 요철 구조의 제 3 예를 나타내는 도면이다.
도 26은 요철 형상의 폭에 대한 광 취출 효율의 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 27은 랜덤성이 제어된 요철 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 28은 요철 구조의 높이 h에 대한 광 취출 효율의 의존성과, 랜덤성의 정도에 따른 광 취출 효율의 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 29는 완전한 랜덤 패턴과 랜덤성이 제어된 랜덤 패턴의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 30(a)은 완전한 랜덤 패턴의 푸리에 성분을 나타내는 도면이며, 도 30(b)는 랜덤성이 제어된 패턴의 푸리에 성분을 나타내는 도면이다.
도 31은 요철 구조의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 32는 발광 강도의 각도 분포의 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 33a는 발광점의 위치에 따라서 광 강도의 입사 각도 의존성이 상이한 것을 나타내는 제 1 그래프이다.
도 33b는 발광점의 위치에 따라서 광 강도의 입사 각도 의존성이 상이한 것을 나타내는 제 2 그래프이다.
도 34는 발광점의 위치에 대한 발광 효율의 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 35는 발광점의 위치를 변경했을 때의 내부 광 취출층을 통과하는 광의 강도의 입사 각도 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 36은 발광점의 위치를 변경했을 때의 입사 각도가 0~20°, 20~40°, 40~60°의 각 범위에 포함되는 광의 총량의 변화를 나타내는 그래프이다.
구체적인 실시 형태를 설명하기 전에, 우선, 본 발명의 기초가 된 지견을 설명한다.
종래의 일반적인 유기 EL 소자에서는, 유기 발광층의 굴절율이 1.7~2.0, 투명 기판의 굴절율이 약 1.5이기 때문에, 유기 발광층과 투명 기판의 계면에서 전반사가 생긴다. 이 전반사에 의한 광의 로스(loss)는, 본 발명자 등의 해석에 의하면, 전방사광의 약 50% 이상에 이른다. 게다가, 투명 기판의 굴절율이 약 1.5, 공기의 굴절율이 약 1.0이기 때문에, 투명 기판과 공기의 계면에서 발생하는 전반사에 의한 광의 로스도 투명 기판의 계면에 도달하는 광의 약 50% 정도가 된다. 이와 같이, 이러한 2개의 계면에 있어서의 전반사 로스는 매우 크다.
본 발명자 등은, 이러한 2개의 계면에 있어서의 전반사 로스를 저감할 수 있는 신규 구성을 찾아냈다. 구체적으로는, 발광층과 투명 기판의 사이에, 광의 회절을 일으키게 하는 제 1 광 취출 구조를 마련하고, 투명 기판의 발광층과는 반대의 측에, 마이크로 렌즈 어레이 등의 제 2 광 취출 구조를 마련함으로써, 광 취출 효율을 향상시킬 수 있는 것을 찾아냈다. 이하, 이 지견에 근거하는 실시 형태를 설명한다.
본 발명의 실시 형태의 개요는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 일 형태인 발광 장치는, 평균 파장 λ의 광을 발생하는 발광 소자와, 상기 발광 소자로부터 생긴 광을 투과시키는 광 취출 시트를 구비한다. 상기 발광 소자는, 광 투과성을 갖는 제 1 전극과, 제 2 전극과, 상기 제 1 및 제 2 전극의 사이에 설치된 발광층을 갖는다. 상기 광 취출 시트는, 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 투광성 기판과, 상기 투광성 기판의 상기 제 1 주면의 측에 설치된 제 1 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판보다 굴절율이 낮은 저굴절율층, 및 상기 저굴절율층보다 굴절율이 높은 고굴절율층을 갖고, 상기 저굴절율층은 상기 투광성 기판 및 상기 고굴절율층의 사이에 형성되어 있고, 상기 고굴절율층 및 상기 저굴절율층의 계면은 요철 형상을 가지고 있는 제 1 광 취출 구조와, 상기 투광성 기판의 상기 제 2 주면의 측에 설치된 제 2 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판을 투과하여 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성된 제 2 광 취출 구조를 갖는다.
(2) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 요철 형상은, 복수의 오목부와 복수의 볼록부가 2 차원적으로 랜덤하게 배열된 형상이다.
(3) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 요철 구조는, 복수의 오목부와 복수의 볼록부가 2 차원적으로 주기적으로 배열된 구조이다.
(4) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 요철 형상은, 복수의 오목부와 복수의 볼록부가 2 차원적으로 배열된 형상이며, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각에 내접하는 타원의 단변의 길이의 최소치를 w로 할 때, 상기 요철 형상의 패턴의 공간 주파수 성분 중, 1/(2w)보다 작은 성분이, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부를 랜덤하게 배열한 경우와 비교하여 억제되어 있다.
(5) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 요철 형상은, 미리 정해진 개수 이상의 오목부 또는 볼록부가 1개의 방향으로 연속하지 않도록 구성되어 있다.
(6) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각은, 4각형 형상의 단면을 갖고, 상기 요철 형상은, 3 이상의 오목부 또는 볼록부가 1개의 방향으로 연속하지 않도록 구성되어 있다.
(7) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각은, 6각형 형상의 단면을 갖고, 상기 요철 형상은, 4 이상의 오목부 또는 볼록부가 1개의 방향으로 연속하지 않도록 구성되어 있다.
(8) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각에 내접하는 타원의 단변의 길이의 최소치는 0.73λ 이상이다.
(9) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각은, 동일한 단면 형상 및 동일한 사이즈를 가지고 있다.
(10) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각의 평균 주기는 14.5λ 이하이다.
(11) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 저굴절율층의 굴절율은 상기 투광성 기판의 굴절율의 0.98배 이하이다.
(12) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 발광층에 있어서의 발광점과 상기 제 2 전극의 표면과의 거리는 0.17λ 이상이다.
(13) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 저굴절율층의 굴절율은 1.47 이하이다.
(14) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 저굴절율층의 두께는 (1/2)λ 이상이다.
(15) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 투광성 기판의 굴절율은 1.5 이상이다.
(16) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 고굴절율층의 굴절율은 1.73 이상이다.
(17) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 제 2 광 취출 구조는 마이크로 렌즈 어레이에 의해서 형성되어 있다.
(18) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이의 어스펙트비는 0.5 이상이다.
(19) 임의의 실시 형태에 있어서, 상기 제 2 광 취출 구조는 피라미드 구조를 갖고, 상기 피라미드 구조의 꼭지각은 30도 내지 120도의 범위로 설정되어 있다.
(20) 본 발명의 다른 형태인 광 취출 시트는, 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 투광성 기판과, 상기 투광성 기판의 상기 제 1 주면의 측에 설치된 제 1 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판보다 굴절율이 낮은 저굴절율층, 및 상기 저굴절율층보다 굴절율이 높은 고굴절율층을 갖고, 상기 저굴절율층은 상기 투광성 기판 및 상기 고굴절율층의 사이에 형성되어 있고, 상기 고굴절율층 및 상기 저굴절율층의 계면은 요철 형상을 가지고 있는 제 1 광 취출 구조와, 상기 투광성 기판의 상기 제 2 주면의 측에 설치된 제 2 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판을 투과하여 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성된 제 2 광 취출 구조를 구비한다.
(실시의 형태)
이하, 보다 구체적인 실시의 형태를 설명한다. 본 실시의 형태에서는, 일례로서, 유기 EL 소자를 이용한 발광 장치를 설명한다.
[1. 전체 구성]
도 1은, 본 실시의 형태에 있어서의 유기 EL 소자(100)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 본 실시의 형태의 유기 EL 소자(100)는, 발광 소자(110)와, 발광 소자(110)로부터 발생한 광을 투과시키는 광 취출 시트(120)를 구비한다. 발광 소자(110)는, 광 반사성을 갖는 반사 전극(11)과, 광 투과성을 갖는 투명 전극(13)과, 이들 사이에 형성된 유기 발광층(12)을 가지고 있다. 광 취출 시트(120)는, 투명 기판(14)과, 투명 기판(14)의 제 1 주면측(도 1에 있어서의 아래측)에 설치된 내부 광 취출층(15)과, 투명 기판(14)의 제 2 주면측(도 1에 있어서의 위측)에 설치된 외부 광 취출층(16)을 가지고 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 반사 전극(11), 유기 발광층(12), 투명 전극(13), 내부 광 취출층(15), 투명 기판(14), 외부 광 취출층(16)은, 이 순서로 적층되고 있다. 내부 광 취출층(15)은, 상대적으로 굴절율이 낮은 저굴절율층(15a)과, 상대적으로 굴절율이 높은 고굴절율층(15b)을 포함한다. 저굴절율층(15a)과 고굴절율층(15b)의 계면은, 요철 형상을 가지고 있고, 입사한 광을 회절시키도록 구성되어 있다.
반사 전극(11)은 발광층(12)에 전자를 주입하기 위한 전극(음극)이다. 반사 전극(11)과 투명 전극(13)의 사이에 소정의 전압이 인가되면, 반사 전극(11)으로부터 발광층(12)으로 전자가 주입된다. 반사 전극(11)의 재료로서는, 예를 들면 은(Ag), 알루미늄(Al), 동(Cu), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 나트륨(Na)이나, 이들을 주성분으로 한 합금 등을 이용할 수 있다. 또, 이들 금속을 조합하여 적층함으로써 반사 전극(11)을 구성해도 좋고, 이들 금속에 접하도록 산화 인듐 주석(ITO)이나 PEDOT：PSS(폴리티오펜와 폴리스티렌 술폰산의 혼합물) 등의 투명 도전성 재료를 적층시킴으로써 반사 전극(11)을 구성해도 좋다.
투명 전극(13)은 발광층(12)에 홀을 주입하기 위한 전극(양극)이다. 투명 전극(13)은, 일 함수가 비교적 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 혹은 이들 혼합물 등의 재료로부터 구성될 수 있다. 투명 전극(13)의 재료로서는, 예를 들면 ITO, 산화 주석, 산화 아연, IZO(등록 상표), 요오드화 구리 등의 무기 화합물, PEDOT, 폴리아닐린 등의 도전성 고분자, 임의의 억셉터(accepter) 등으로 도핑한 도전성 고분자, 카본 나노 튜브 등의 도전성 광 투과성 재료를 들 수 있다.
투명 전극(13)은, 투명 기판(14) 상에 내부 광 취출층(15)을 형성한 후, 스패터(spatter)법, 진공 증착법, 도포법 등에 의해서 박막으로서 형성할 수 있다. 또, 투명 전극(13)의 시트 저항은, 예를 들면 수백 Ω/□ 이하로 설정되고, 임의의 예에서는 100 Ω/□ 이하로 설정될 수 있다. 투명 전극(13)의 막 두께는, 예를 들면 500 nm이하이며, 임의의 예에서는 10-200 nm의 범위로 설정될 수 있다. 투명 전극(13)을 얇게 할수록 광의 투과율이 향상되지만, 시트 저항이 막 두께에 반비례 하여 증가하기 때문에, 시트 저항이 증가한다. 그 결과, 유기 EL의 대면적화 시에, 고전압화의 문제나, 전압 강하로 인한 전류 밀도의 불균일화에 수반하는 휘도의 불균일화의 문제가 발생할 수 있다. 이 트레이드 오프(trade-off)를 회피하기 위해, 메탈 등의 보조 배선(그리드(grid))을 투명 전극(13) 상에 형성해도 좋다. 보조 배선의 재료로서는 도전성이 뛰어난 것이 사용될 수 있다. 예를 들면, Ag, Cu, Au, Al, Rh, Ru, Ni, Mo, Cr, Pd나 이들의 합금(MoAlMo, AlMo, AgPdCu 등)을 이용할 수 있다. 이때, 메탈 그리드가 차광 재료로서 활용되지 않도록, 그리드부에 전류가 흐르는 것을 막는 절연 처리를 실시해도 좋다. 또, 확산한 광이 그리드에 흡수되는 것을 막기 위해, 반사율이 높은 금속을 그리드에 이용해도 좋다.
또, 본 실시 형태에서는, 투명 전극(13)을 양극, 반사 전극(11)을 음극으로 하고 있지만, 이들 전극의 극성은 역이어도 좋다. 투명 전극(13)을 음극, 반사 전극(11)을 양극으로 하는 경우에도, 투명 전극(13) 및 반사 전극(11)에는, 상기와 같은 재료를 이용할 수 있다.
발광층(12)은, 투명 전극(13) 및 반사 전극(11)으로부터 주입되는 전자 및 홀의 재결합에 의해서 광을 발생하는 재료로 형성된다. 발광층(12)은, 예를 들면, 저분자 또는 고분자의 발광 재료나, 금속 착체 등의 일반적으로 알려진 임의의 발광 재료에 의해서 형성될 수 있다. 도 1에는 나타내지 않지만, 발광층(12)의 양측에는, 전자 수송층 및 홀 수송층이 설치되어 있어도 좋다. 전자 수송층은 반사 전극(11)(음극) 측에 배치되고, 홀 수송층은 투명 전극(13)(양극) 측에 배치된다. 또, 반사 전극(11)을 양극으로 하는 경우에는, 전자 수송층은 투명 전극(13) 측에 배치되고, 홀 수송층은 전극(11) 측에 배치된다. 전자 수송층은, 전자 수송성을 갖는 화합물의 군으로부터 적절히 선정할 수 있다. 이런 종류의 화합물로서는, 예를 들면, 전자 수송성 재료로서 알려진 Alq3와 같은 금속 착체나, 페난트롤린 유도체, 피리딘 유도체, 테트라진 유도체, 또는, 옥사디아졸 유도체 등의 헤테로사이클(heterocycle)을 갖는 화합물 등을 들 수 있다. 단, 이들 재료로 한정되는 것이 아니고, 일반적으로 알려진 임의의 전자 수송성 재료를 이용하는 것이 가능하다. 홀 수송층은, 정공 수송성을 갖는 화합물의 군으로부터 적절히 선정할 수 있다. 이런 종류의 화합물로서는, 예를 들면, 4, 4＇-비스[N-(나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(α-NPD), N, N＇-비스(3-메틸페닐)-(1, 1＇-비페닐)-4, 4＇-디아민(TPD), 2-TNATA, 4, 4＇, 4''-트리스(N-(3-메틸페닐) N-페닐아미노) 트리페닐아민(MTDATA), 4, 4＇-N, N＇-디카바졸비페닐(CBP), 스피로-NPD, 스피로-TPD, 스피로-TAD, 또는, TNB 등을 대표예로 하는 트리아릴아민계 화합물, 카바졸기를 포함하는 아민 화합물, 플루오렌 유도체를 포함한 아민 화합물 등을 들 수 있다. 단, 이러한 재료로 한정되는 것이 아니고, 일반적으로 알려진 임의의 정공 수송성 재료를 이용하는 것이 가능하다. 이와 같이, 반사 전극(11)과 투명 전극(13)의 사이에는, 발광층(12) 이외에도, 전자 수송층이나 홀 수송층 등의 다른 층이 설치될 수 있다. 이하의 설명에서는, 반사 전극(11)과 투명 전극(13)의 사이의 층 전체를 총칭해서 「유기 EL층」이라고 부른다.
유기 EL층의 구조는, 상술의 예에 한정되지 않고, 각종 구조를 채용할 수 있다. 예를 들면, 홀 수송층과 발광층(12)의 적층 구조나, 발광층(12)과 전자 수송층의 적층 구조를 채용해도 좋다. 또, 양극과 홀 수송층의 사이에 홀 주입층을 개재시켜도 좋고, 음극과 전자 수송층의 사이에 전자 주입층을 개재시켜도 좋다. 또, 발광층(12)은, 단층 구조에 한정되지 않고, 다층 구조를 가지고 있어도 좋다. 예를 들면, 소망의 발광색이 백색인 경우에는, 발광층(12) 중에 적색, 녹색, 청색의 3 종류의 불순물 색소를 도핑하도록 해도 좋다. 또, 청색 정공 수송성 발광층과 녹색 전자 수송성 발광층과 적색 전자 수송성 발광층의 적층 구조를 채용해도 좋고, 청색 전자 수송성 발광층과 녹색 전자 수송성 발광층과 적색 전자 수송성 발광층의 적층 구조를 채용해도 좋다. 또한, 양극과 음극을 사이에 두고 전압을 인가하면 발광하는 소자로 이루어지는 층을 1개의 발광 유닛으로 하여, 복수의 발광 유닛을 광 투과성 및 도전성을 갖는 중간층을 사이에 두고 적층한 구조(전기적으로 직렬 접속된 멀티 유닛 구조)를 채용해도 좋다.
투명 기판(14)은, 내부 광 취출층(15), 투명 전극(13), 발광층(12), 반사 전극(11)을 지지하기 위한 부재이다. 투명 기판(14)의 재료로서는, 예를 들면 유리나 수지 등의 투명 재료를 이용할 수 있다. 투명 기판(14)의 굴절율은, 예를 들면 1.45~1.65 정도이지만, 굴절율이 1.65 이상인 고굴절율 기판을 이용해도 좋고, 굴절율이 1.45보다 작은 저굴절율 기판을 이용해도 좋다.
내부 광 취출층(15)은, 투명 기판(14)과 투명 전극(13)의 사이에 설치되는 투광성의 층이다. 내부 광 취출층(15)은, 투명 기판(14) 측에 형성된 저굴절율층(15a)과, 투명 전극(13) 측에 형성된 고굴절율층(15b)을 갖는다. 이들의 계면은 요철 구조를 형성하고 있다. 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 저굴절율층(15a)은, 투명 기판(14)보다 굴절율이 낮은 투광성 재료에 의해서 형성된다. 한편, 고굴절율층(15b)은, 투명 기판(14)보다 굴절율이 높은 투광성 재료에 의해서 형성된다. 또, 고굴절율층(15b)은, 저굴절율층(15a)보다 굴절율이 낮으면, 투명 기판(14)보다 굴절율이 높은 재료로 형성되어 있어도 좋다.
도 2a는 본 실시 형태에 있어서의 요철 구조의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 도 2b는 요철 구조의 일부를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 2a에 있어서의 흑색 및 백색 영역은, 각각, 고굴절율층(15b)이 상대적으로 두껍게 형성된 부분(볼록부) 및 고굴절율층(15b)이 상대적으로 얇게 형성된 부분(오목부)을 나타내고 있다. 이 요철 구조는, 각각이 한 변의 길이(폭) w의 정사각형의 2 종류의 단위 구조(고저차 h)를 2 차원 형상으로 랜덤하게 배열한 것에 상당한다. 이하의 설명에서는, 각 단위 구조를 「블록」이라고 부른다. 이러한 요철 구조를 마련함으로써, 입사광을 회절시킬 수 있다. 또, 후술하는 바와 같이, 요철 구조의 패턴을 완전히 랜덤하게 하는 것이 아니라, 1개의 방향에 대해 동일 종류의 단위 구조가 연속해서 소정 회수 이상 출현하지 않도록, 랜덤성을 억제한 구조를 채용해도 좋다. 또, 요철 구조의 패턴으로서 주기적인 패턴을 채용해도 좋다. 또한, 요철 구조를 형성하는 대신에, 저굴절율층(15a)과 고굴절율층(15b)의 계면 부근에 고굴절율의 입자를 주입함으로써, 광의 회절을 일으키게 하도록 구성해도 좋다. 이들의 각 구성을 채용한 경우의 광 취출 효율에 대해서는 후술한다.
발광층(12)에서 발생한 광의 일부는, 투명 전극(13)을 지나 내부 광 취출층(15)에 입사한다. 이때, 임계각을 넘는 입사각으로 입사하는 광은, 본래 전반사하지만, 내부 광 취출층(15)의 회절 작용에 의해, 그 일부는 투명 기판(14)의 측으로 취출된다. 내부 광 취출층(15)에 의해서 취출되지 않은 광은, 반사에 의해, 각도를 변경하여 발광층(12) 쪽을 향하지만, 그 후 반사 전극(11)에서 반사하기 때문에, 재차 내부 광 취출층(15)으로 입사한다. 한편, 발광층(12)에서 발생한 광의 일부는, 전극(11)에서 반사한 후, 투명 전극(13)을 투과하여 내부 광 취출층(15)으로 입사한다. 이와 같이, 내부 광 취출층(15)을 마련함으로써, 다중 반사를 반복하면서 광을 외부로 취출하는 것이 가능하다.
외부 광 취출층(16)은, 투명 기판(14)의 표면(내부 광 취출층(15)이 설치된 면의 반대측의 면)에 설치된다. 외부 광 취출층(16)은, 예를 들면 마이크로 렌즈 어레이에 의해서 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 외부 광 취출층(16)은, 투명 기판(14)을 투과하여 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성된다. 외부 광 취출층(16)의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다. 외부 광 취출층(16)을 마련함으로써, 투명 기판(14)을 투과하여 임계각을 넘는 입사각으로 입사하는 광의 일부를 외부의 공기층으로 취출할 수 있다. 여기서 취출되지 않은 광은 재차 발광층(12)으로 돌아오게 되지만, 최종적으로는 반사 전극(11)에서 반사되어 재차 공기층으로 취출되는 것이 가능하다. 또, 공기층의 굴절율은, 예를 들면 1.0이다.
광이 취출되기까지 재료에 의한 광의 흡수가 발생하면 효율의 저하를 초래하기 때문에, 본 실시 형태에 있어서의 반사 전극(11), 발광층(12), 투명 전극(13), 내부 광 취출층(15)에는 광 흡수성이 낮은 재료가 이용될 수 있다.
[2. 각 구성요소의 상세 및 분석]
이하, 유기 EL 소자(100)의 각 구성요소의 상세 및 본 실시 형태의 구성에 이르기까지의 분석 결과를 설명한다.
[2-1. 외부 광 취출층(16)의 분석]
발광층(12)에서 발생한 광은, 투명 전극(13), 내부 광 취출층(15), 투명 기판(14)을 통과한 후, 외부 광 취출층(16)에 도달한다. 외부 광 취출층(16)은, 투명 기판(14)을 직접 가공함으로써 형성해도 좋지만, 광 취출 구조가 설치된 필름을 부착함으로써 형성할 수도 있다.
본 발명자 등은, 우선, 외부 광 취출층(16)의 예로서 도 3a에 나타내는 마이크로 렌즈 어레이의 필름과, 도 3b에 나타내는 확산계의 필름을 이용하여, 광 취출 구조의 분석을 행하였다. 이들의 광 취출 구조의 전반사 억제 효과를 검증하기 위해서, 각 필름의 광 투과율의 측정을 행하였다. 광 투과율의 측정 방법을, 도 4를 참조하면서 설명한다.
우선, 각 필름(혹은 기판)에, 투명 기판(14)의 굴절율과 동일한 정도의 반구(半球) 렌즈를 부착하여, 미소한 구멍을 마련한 적분구(積分球)에 의해서 반구 렌즈측으로부터 입사한 광을 검출함으로써 각 필름의 투과율을 측정했다. 이때, 입사광의 입사 각도를 변화시킴으로써, 투과율의 각도 의존성을 측정했다. 또, 이 실험과 마찬가지의 구성으로, 광선 추적에 의한 계산을 행하였다.
도 5a는 실험 및 계산에 이용한 마이크로 렌즈 어레이의 배열을 나타내는 평면도이다. 도 5b는 도 5a에 있어서의 A-A'선 단면도이다. 외부 광 취출층(16)의 표면의 마이크로 렌즈 어레이는, 도 5a에 나타내고 있는 벌집 형상의 배치로 배열함으로써, 최밀 충전(最密充塡)의 구조로 되기 때문에, 광 취출 효율이 가장 높아진다. 여기에서는, 각 마이크로 렌즈의 반경을 r, 구의 돌출량(높이)을 h로 하고, 어스펙트비 h/r=1.0으로 설정했다.
도 6a 및 도 6b는 상기의 실험 및 계산의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6a는 마이크로 렌즈 어레이의 필름에 대한 결과를 나타내고, 도 6b는 확산계의 필름에 대한 결과를 나타내고 있다. 각 도면의 그래프에 있어서의 실선은, 실험으로 측정한 결과를 나타내고, 파선은, 광선 추적에 의한 계산을 행한 결과를 나타내고 있다. 어느 경우도 실험 결과와 계산 결과가 잘 일치하고 있다. 도 6a에 나타내는 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이에서는, 투과율의 피크가 입사각 40도~60도에 있고, 60도 내지 90도에 걸쳐서 투과율이 급격히 작아진다. 이것에 대해서, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 확산계의 필름에서는, 투과율이 0도에서 90도에 걸쳐서 완만하게 떨어지고 있다. 양자를 비교하면, 0도~40도에서의 투과율은 대략 동일하고, 40도~60도에서의 투과율은 마이크로 렌즈 어레이의 쪽이 높고, 60도~80도에서의 투과율은 확산계의 필름의 쪽이 높다.
도 6c는 설계 조건을 다양하게 변경한 6 종류의 확산계 필름에 대해서, 입사 각도마다의 투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프가 나타내는 바와 같이, 확산계의 외부 광 취출층(16)을 이용한 경우, 투과율의 피크는 입사 각도가 작은 영역에 생기고, 40도~60도의 입사각으로 입사하는 광의 투과율은 그만큼 높지 않은 것을 알 수 있다.
본 발명자 등은, 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 경우에 있어서, 40도~60도의 투과율이 특이하게 높은 것에 주목했다. 발광층(12)으로부터의 광을 내부 광 취출층(15)에 의해서 취출할 때에, 40도~60도의 입사각의 범위에서 많은 광을 모아서, 60도~80도의 광을 억제하면, 유기 EL 소자(100) 전체적으로 광 취출 효율을 높일 수 있다고 생각했다.
[2-2. 외부 광 취출층(16)에 입사하는 광의 각도 분포의 분석]
그렇지만, 이러한 생각으로 외부 광 취출층(16)으로의 광의 입사 방향을 조정하기 위해서는, 원래 외부 광 취출층(16)에 광이 어떤 각도 분포로 입사할지를 분명히 할 필요가 있다. 그래서, 본 발명자 등은, 도 7에 나타내는 구성으로 광의 각도 분포의 측정을 행하였다. 도 7에 나타내는 구성은, 도 1의 유기 EL 소자(100)의 외부 광 취출층(16) 대신에, 유기 EL 소자(100)보다 충분히 큰 반구의 렌즈를 부착한 구성이다. 여기서, 반구 렌즈의 굴절율은, 투명 기판(14)의 굴절율과 거의 동일하다. 이러한 구성에 의해, 투명 기판(14)으로부터 반구 렌즈를 통해서 공기층까지 광이 굴절하지 않고 취출되기 때문에, 투명 기판(14)으로부터 출사하는 광의 각도 분포의 측정이 가능해진다. 또, 광의 분포 측정에는 분광 방사계를 이용하고, 발광층(12)에 있어서의 충분히 작은 영역의 광의 스폿(spot)으로부터의 광을 수광하도록 배치했다.
이상과 같은 측정을, 시험 제작한 몇개의 유기 EL 소자의 샘플에 대해서 행하였다. 결과를 도 8a에 나타낸다. 도 8a의 그래프에 있어서, 횡축은 입사 각도, 종축은 측정된 단위 면적 당의 광 강도(임의 단위)를 나타내고 있다. 샘플의 구성으로서, 도 8b 및 이하의 표 1에 나타내는 구성을 채용했다.
Figure pct00001
여기서, 투명 기판(14)으로서 굴절율 1.51의 유리를, 투명 전극(13)으로서 ITO를 이용했다. 유기 발광층(12)으로서는, 평균 파장 λ1=580 nm 및 λ2=470 nm의 광을 각각 발광하는 2개의 층을 포함하는 적층 구조를 채용했다. 여기서 평균 파장이란, 발광 스펙트럼에 있어서, 평균 파장보다 큰 파장의 광의 강도 합과, 평균 파장보다 작은 파장의 광의 강도 합이 동일해지도록 정의된 것이다. 각 샘플에 있어서의 2개의 발광층의 위치는, 표 1에 나타내는 바와 같다. 반사 전극(11)으로부터 평균 파장 λ1의 광을 발광하는 층까지의 거리를 d1, 이 층으로부터 투명 전극(13)까지의 거리를 d1＇, 반사 전극(11)으로부터 파장 λ2의 광을 발광하는 층까지의 거리를 d2, 이 층으로부터 투명 전극(13)까지의 거리를 d2＇로 하고 있다. 내부 광 취출층(15)에 대해서는, 저굴절율층(15a)의 재료로서 굴절율이 1.52인 수지를 이용하고, 고굴절율층(15b)의 재료로서 굴절율 1.76의 수지를 이용하여, 이들의 계면에 요철 구조를 형성했다. 요철 구조로서 도 9(a) 및 도 9(b)에 나타내는 2 종류의 패턴의 것을 채용했다.
샘플 1, 2, 3은, 2개의 발광층과 2개의 전극과의 위치 관계를 변화시킨 것이고, 요철 구조는 모두 도 9(a)에 나타내는 랜덤 구조(랜덤 1)이다. 샘플 2＿2는, 2개의 발광층의 위치가 샘플 2에 있어서의 것과 동일하고, 요철 구조를 도 9(b)에 나타내는 구조(랜덤 2)로 변경한 것이다. 랜덤 1의 구조는, 폭 0.6㎛, 고저차 0.6㎛의 2 종류의 블록을 랜덤하게 배열한 것에 상당한다. 한편, 랜덤 2의 구조는, 폭 1.2㎛, 고저차 0.6㎛의 2 종류의 블록을 랜덤하게 배열한 것에 상당한다. 다만, 랜덤 2에서는, 도 9(b)의 횡방향 및 종방향의 각각에 대해서, 동종의 블록이 3개 이상 연속해서 출현하지 않도록 랜덤성을 억제하고 있다. 비교예로서, 샘플 2의 구성으로부터 내부 광 취출층(15)을 제외한 샘플 2＿0, 및 샘플 2의 구성에 있어서의 요철 구조 대신에 산란계의 내부 광 취출층을 이용한 샘플 2＿1에 대해서도 측정을 행하였다. 여기서, 산란계의 내부 광 취출층이란, 저굴절율층(15a)과 고굴절율층(15b)의 경계 부근에 고굴절율의 입자를 주입함으로써 형성된 소자를 가리킨다.
도 8a에 나타내는 바와 같이, 내부 광 취출층(15)이 없는 샘플 2＿0(blank)에서는, 광 강도가 입사 각도에 대해서 별로 변화되어 있지 않다. 이것에 대해서, 내부 광 취출층(15)이 설치된 다른 샘플에서는, 확산계의 내부 광 취출층을 이용한 샘플 2＿1(diffusion)도 포함하여, 주로 고각도측의 광 강도가 증가하고, 60도~80도에 광 강도의 피크를 가지고 있는 것을 알 수 있다. 발광층(12)의 구성에 무관하게 이러한 경향을 볼 수 있기 때문에, 내부 광 취출층(15)에 의해서 주로 고각도 측으로 광을 취출하는 효과가 나타난다고 말할 수 있다. 도 8a에 나타내는 바와 같이, 고각도측에서 광 강도가 증가하는 경향은, 산란계의 내부 광 취출층보다, 요철 구조를 갖는 내부 광 취출층을 이용한 경우가 현저하다는 것을 알 수 있다. 특히, 랜덤성을 억제한 샘플 2＿2에서는, 이 경향이 보다 현저하다.
이상의 결과로부터, 내부 광 취출층(15)을 도입한 경우에는, 투명 기판(14)으로부터 외부 광 취출층(16)으로 60도~80도의 입사 각도로 입사하는 광의 강도가 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 유기 EL 소자에, 40도~60도의 입사 각도의 광에 대한 투과율이 특이하게 높은 마이크로 렌즈 어레이를 외부 광 취출층(16)으로서 채용했다고 해도, 즉시 광 취출 효율이 개선되는 것은 아니다.
[2-3. 내부 광 취출층(15)의 구성의 검토]
[2-3-1. 저굴절율층(15a)의 구성의 검토]
그래서, 본 발명자 등은, 내부 광 취출층(15)의 구성을 더 연구하여, 투명 기판(14)으로부터 출사하는 광의 강도가 피크가 되는 입사 각도를 시프트시키는 것을 검토했다. 구체적으로는, 저굴절율층(15a)으로서 투명 기판(14)에 이용되는 재료보다 저굴절율의 재료를 이용함으로써, 투명 기판(14)으로의 입사 각도를 시프트시키는 것을 검토했다. 이러한 구성으로 하면, 도 10에 나타내는 바와 같이, 저굴절율층(15a)으로부터 투명 기판(14)으로 광이 전파할 때에, 굴절에 의해 광이 휘어져서, 보다 낮은 입사각으로 외부 광 취출층(16)에 입사하도록 할 수 있다. 이 굴절에 의한 광의 각도의 변화는 스넬의 법칙에 의해 정해진다. 투명 기판(14)의 굴절율을 n1, 저굴절율층(15a)의 굴절율을 n2, 굴절각을 θ1, 입사각을 θ2로 하면, 스넬의 법칙은, n1sinθ1=n2sinθ2로 표현된다.
이상과 같은 생각에 근거하여, 저굴절율층(15a)의 굴절율을 변경한 복수의 소자를 제작하고, 이들의 소자에 대해서, 도 7과 같은 배치로 투명 기판(14) 내부의 광의 강도의 각도 분포를 측정했다. 도 11은 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에 있어서의 굵은 실선, 점선, 파선은, 각각 내부 광 취출층(15)에 있어서의 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.35, 1.45, 1.52인 경우의 단위 면적 당의 광 강도의 입사 각도 의존성을 나타내고 있다.
저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.52(투명 기판의 굴절율 1.51과 동등)일 때에는, 광은 0도~85도까지의 모든 각도에서 존재하고, 특히 70도 부근에 집중되어 있다. 한편, 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.35(투명 기판의 굴절율 1.51보다 작음)일 때에는, 64도 이상에서 광이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 저굴절율층(15a)으로부터 투명 기판(14)으로의 굴절에 의해, 광이 저각도 측으로 휘어짐으로써, 많은 광을 외부 광 취출층(16)(마이크로 렌즈 어레이)의 투과율이 높은 40도~60도(도 6a 참조)의 범위에 집중될 수 있다. 이와 같이, 내부 광 취출층(15)에 있어서의 저굴절율층(15a)의 굴절율을 낮게 하고, 외부 광 취출층(16)에 있어서의 높은 투과율의 각도 영역에 광을 집중시킴으로써, 전체적으로의 취출 효율을 높일 수 있다고 생각할 수 있다.
상기의 결과에 근거하여, 외부 광 취출층(16)(마이크로 렌즈 어레이)과 내부 광 취출층(15)의 조합의 효과를 실증하기 위해, 유기 EL 소자(100)의 시험 제작을 행하였다. 샘플의 구성은 도 1과 마찬가지의 구성이다. 투명 기판(14)으로서 굴절율 1.51의 유리, 고굴절율층(15b)의 재료로서 굴절율 1.76의 수지, 투명 전극(13)으로서 ITO를 이용했다. 유기 발광층(12)은, 440 nm~700 nm의 광(백색광)을 발광하도록 구성했다. 저굴절율층(15a)과 고굴절율층(15b)의 계면에 있어서의 요철 구조는, 도 2a 및 도 2b에 나타내는, 고저차(높이) h, 폭 w의 2 종류의 정사각형의 단위 구조(블록)를 랜덤하게 배열한 구성으로 했다. 1개의 블록의 한 변의 길이는 w=0.6㎛, 높이는 h=0.6㎛이다. 저굴절율층(15a)의 굴절율을 1.35, 1.45, 1.47, 1.52로 변경한 소자에 대해서, 각각 외부 광 취출층(16)으로서 마이크로 렌즈 어레이를 마련한 필름을 이용한 경우에 대해서 광의 취출 효율을 측정했다. 비교예로서, 외부 광 취출층(16)으로서 광 확산층을 마련한 필름을 이용한 경우에 대해서도 측정했다. 저굴절율층(15a) 및 고굴절율층(15b)의 두께는, 각각 1.5㎛ 및 2㎛이다. 광 취출 효율의 측정 결과를 도 12에 나타낸다. 도 12의 그래프에 있어서, 횡축은 저굴절율층(15a)의 굴절율, 종축은 광 취출 효율을 나타내고 있다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.45보다 높은 경우는 확산계의 필름을 부착한 경우의 쪽이 취출 효율이 높은데 대해, 저굴절율층(15b)의 굴절율이 1.45 이하인 경우는, 마이크로 렌즈 어레이의 필름을 부착하는 쪽이 효율이 높다는 것을 알 수 있다. 이 결과는, 계산에 의한 예측의 결과와 거의 일치하고 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 저굴절율층의 굴절율이 1.45보다 낮고, 또한 마이크로 렌즈 어레이의 필름을 마련한 구성이 채용될 수 있다.
상기의 효과를 더 검증하기 위해서, 광 취출 효율의 계산을 행하였다. 여기에서도 외부 광 취출층(16)으로서 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 실시예와, 확산계의 필름을 이용한 비교예로 구분하여 계산했다. 투명 기판(14)의 굴절율은 1.5, 저굴절율층(15a)의 굴절율은 1.0~1.6, 고굴절율층(15b)의 굴절율은 1.76, 이들의 두께는 각각 0.7 mm, 2㎛, 2㎛로 했다. 발광층(12)에 있어서의 광의 각도 분포는 도 13에 나타내는 분포(별도 샘플을 제작하여 실측한 데이터)를 적용했다. 요철 구조는, 주기 2㎛, 높이 0.6㎛의 회절 격자로 했다. 또, 계산의 알고리즘으로서는, 회절 격자 부분은 푸리에 형식적 방법(Fourier Modal mehtod)(RCWA법)을 적용하여, 그 계산 결과와 광선 추적의 결과를 제휴시킴으로써, 유기 EL 소자(100) 전체의 광 취출 효율의 산출을 행하였다.
저굴절율층(15a)의 굴절율에 대한 광 취출 효율의 의존성을 나타내는 계산 결과를 도 14에 나타낸다. 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.47보다 낮은 경우에는, 외부 광 취출층(16)으로서, 확산계의 필름보다 마이크로 렌즈 어레이를 이용하는 것이 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 이것은, 도 12의 실험 결과와 거의 동등의 모습이다. 이러한 결과로부터, 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.47보다 낮고, 또한 외부 광 취출층(16)으로서 마이크로 렌즈를 이용한 구성을 채용하는 것이 효과적인 것을 알 수 있다.
이와 같이, 투명 기판(14)의 굴절율 n1이 1.5인 경우, 저굴절율층(15a)의 굴절율 n2가 1.47보다 낮으면, 확산층보다 마이크로 렌즈 어레이를 이용하는 것이 광 취출 효율이 높아진다고 하는 결과를 얻을 수 있었다. 한편, 스넬의 법칙을 고려하면, n1와 n2의 비가 같으면, 같은 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, n2가 n1의 0.98배(=1.47/1.5)보다 작으면, 상기와 같은 효과를 얻을 수 있다고 생각할 수 있다.
이상의 분석 결과로부터, 본 실시 형태에서는, 저굴절율층(15a)의 굴절율 n2는, 투명 기판(14)의 굴절율 n1의 0.98배보다 작은 값으로 설정되는 것으로 한다. 다만, 이 예로 한정되지 않고, 저굴절율층(15a)의 굴절율 n2는, 투명 기판(4)의 굴절율 n1보다 작으면 어느 정도의 효과는 얻을 수 있다.
[2-3-2. 고굴절율층(15b)의 구성의 검토]
상기와 마찬가지의 계산에 의해, 고굴절율층(15b)의 굴절율에 대한 광 취출 효율의 의존성을 구했다. 또, 고굴절율층(15b)의 굴절율이 상이한 2 종류의 소자를 제작하고, 그들의 광 취출 효율을 계측하는 실험을 행하였다. 그들의 결과를 도 15에 나타낸다. 도 15의 그래프에 있어서, 횡축은 고굴절율층(15b)의 굴절율, 종축은 광 취출 효율을 나타내고 있다. 파선은 계산 결과를 나타내고, 사각형의 마커(marker)는 실험 결과를 나타내고 있다. 이 계산에서는, 저굴절율층(15a)의 굴절율을 1.45로 설정하고, 그 외의 계산 조건은 도 14의 계산에 있어서의 조건과 같다. 한편, 실험에 대해서는, 도 12에 나타내는 실험에서 이용한 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.45, 외부 광 취출층(16)이 마이크로 렌즈 어레이의 것과 마찬가지의 구성에서, 고굴절율층(15b)의 굴절율을 1.75, 1.80으로 변경한 2 종류의 소자를 사용했다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 고굴절율층(15b)의 굴절율이 높을 수록, 광 취출 효율이 커지는 것을 알 수 있었다.
그런데, 도 12의 실험에서는, 고굴절율층(15b)의 굴절율이 1.76, 저굴절율층(15a)의 굴절율이 1.45인 샘플에 있어서, 광 취출 효율이 약 69%라고 하는 결과가 얻어졌다. 이 효율을 기준으로 하여, 이 샘플보다 취출 효율이 높은 구성으로 하는 경우, 고굴절율층(15b)의 굴절율을 1.73 이상으로 하면 좋다.
[2-3-3. 요철 구조의 구성]
저굴절율층(15a)과 고굴절율층(15b)의 경계에 있어서의 요철 구조는, 예를 들면 저굴절율층(15a) 상에 요철 형상을 형성한 후, 고굴절율의 재료로 요철을 매립함으로써 형성할 수 있다. 그 후, 투명 전극(13), 유기 발광층(12), 반사 전극(11)을 형성하지만, 만일 고굴절율층(15b)의 표면의 평탄성이 나쁘면 투명 전극(13)-반사 전극(11) 간에 쇼트가 일어나기 쉬워진다. 그 경우, 소자가 발광하지 않게 될 가능성이 있어, 제조시의 수율이 나빠질 우려가 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 요철 형상의 높이를 가능한 한 낮게 하고, 고굴절율층(15b)의 매립 후의 평탄성을 확보할 수 있는 구성을 채용한다. 또, 이와 같이 요철 구조의 높이를 낮게 함으로써, 저굴절율층(15a)이나 고굴절율층(15b)의 재료의 사용량도 억제할 수 있기 때문에, 저비용화로도 이어진다.
한편, 광 취출 효율의 개선의 관점에서는, 요철 구조의 높이(크기)의 오더로서는 적어도 광의 파장의 1/4 정도는 필요하다. 이것에 의해, 광의 위상차를 충분히 확보할 수 있어, 광을 회절시킬 수 있기 때문에, 광을 취출하는 효율을 개선할 수 있다. 이상의 관점으로부터, 본 실시의 형태에서는, 요철 구조로서 높이(크기)가 1㎛ 전후의 랜덤 구조나 주기 구조 등의 회절 격자를 예로서 채용한다.
요철 구조 통과 후의 광은, 저굴절율층(15a)에 입사한다. 만일, 저굴절율층(15a)의 두께가 광의 파장의 1/2 이하인 경우, 광은 저굴절율층(15a) 내를 전파하지 않고, 표면장(evanescent field)을 거쳐서 투명 기판(14) 측으로 광이 투과해 버리기 때문에, 저굴절율층(15a)에 의해서 광을 저각도 방향으로 휘게 하는 효과는 기대할 수 없다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서의 저굴절율층(15a)의 두께는, 평균 발광 파장의 1/2 이상으로 설정될 수 있다.
[2-3-4. 내부 광 취출층(15)의 재료 및 제조 방법]
고굴절율층(15b)의 굴절율을 상기와 같이 1.73 이상으로 설정하는 경우, 고굴절율층(15b)에 이용하는 재료로서, 예를 들면 ITO(산화 인듐 주석), TiO2(산화 티탄), SiN(질화 실리콘), Ta2O5(5산화 탄탈), ZrO2(산화 지르코늄) 등의 비교적 높은 굴절율의 무기 재료 또는 고굴절율 수지 등을 사용할 수 있다.
투명 기판(14)으로서는, 유리나 수지 등을 이용하는 것이 일반적이고, 그들의 굴절율은 1.5~1.65 정도이다. 따라서, 저굴절율층(15a)에 이용하는 재료로서, 예를 들면 유리, SiO2(석영) 등의 무기 재료나, 수지 등을 이용할 수 있다.
내부 광 취출층(15)의 형성 방법으로서는, 예를 들면 투명 기판(14) 위에, 표면을 요철 형상으로 한 저굴절율층(15a)을 형성하고, 그 위부터 고굴절율 재료로 요철 구조를 매립하고, 그 위에 투명 전극(13), 유기 발광층(12), 반사 전극(11)을 형성하는 방법이 있다. 혹은, 기판 위에 반사 전극(11)을 형성하고, 그 위에 유기 발광층(12), 투명 전극(13), 표면을 요철 형상으로 한 고굴절율층(15b)을 형성하고, 그 위부터 저굴절율 재료로 요철 구조를 매립하고, 그 위에 투명 기판(14)을 형성하는 방법도 있다.
저굴절율층(15a)이나 고굴절율층(15b)의 재료로서 무기 재료를 이용하면, 일반적으로는 절삭이나 반도체 프로세스라고 하는 비교적 비용이 비싼 공법이 필요하게 된다. 한편, 저굴절율층(15a)이나 고굴절율층(15b)의 재료로서 상기와 같은 수지 재료를 이용하면, 도포, 나노 임프린팅(nano imprinting), 스핀 코팅(spin coating)이라고 하는 비교적 비용이 싼 공법으로 내부 광 취출층(15)을 형성할 수 있다.
[2-3-5. 외부 광 취출층(16)의 상세 분석]
위에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 도 5a 및 도 5b에 나타내는 마이크로 렌즈 어레이를 외부 광 취출층(16)으로서 이용하고 있다. 도 5a에 나타내는 벌집 형상의 배열을 채용함으로써, 최밀충전의 구조가 되기 때문에, 광 취출 효율이 가장 높아진다. 이 배열에 있어서, 각 마이크로 렌즈의 구의 돌출량(높이 h)을 변화시켰을 때의 입사각 40도~60도의 입사광의 투과율의 변화를 도 16에 나타낸다. 도 16의 그래프에 있어서, 횡축은 어스펙트비(=높이 h/구의 반경 r), 종축은 40도~60도의 입사각의 광의 평균 투과율을 나타내고 있다. 어스펙트비가 높을수록 평균 투과율이 높아져, 어스펙트비가 1인 구조(반구가 배열되어 있는 구조)가 가장 투과율이 높아지는 것을 알 수 있다. 또, 파선으로 나타낸 투과율(=42%)은, 도 6b에 나타낸 확산계의 필름에 입사각 40도~60도로 입사하는 광의 평균 투과율의 값이다. 도 16의 결과로부터, 투과율 42%를 초과하는 것은, 어스펙트비가 0.5 이상인 경우인 것을 알 수 있다.
도 17은, 어스펙트비가 0.33, 0.5, 0.67, 0.8, 1.0인 각 경우에 있어서의 단위 면적 당의 광 강도의 입사 각도 의존성을 나타내는 그래프이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 어스펙트비가 1.0에 가까울수록 입사 각도 40도~60도에 있어서의 광 강도의 피크가 현저하게 되는 것을 알 수 있다.
여기서, 비교를 위해, 도 18에 나타내는 정방 배치의 마이크로 렌즈 어레이를 외부 광 취출층(16)에 이용한 경우, 및 마이크로 렌즈 어레이를 마련하지 않은 경우에 대해서도 입사 각도마다의 광 투과율의 의존성을 조사했다. 도 19는, 이들의 비교 결과를 나타내는 그래프이다. 도 19에 있어서, 횡축은 입사 각도, 종축은 단위 면적 당의 광 강도를 나타내고 있다. 실선은 도 5a에 나타내는 최밀충전의 경우의 결과를, 점선은 도 18에 나타내는 정방 배치의 경우의 결과를, 파선은 마이크로 렌즈 어레이를 갖지 않는 경우의 결과를 나타내고 있다. 도 19의 그래프로 나타내는 바와 같이, 입사 각도 40도~60도의 광의 투과율이 특이하게 커지는 것은 최밀충전의 마이크로 렌즈를 마련한 경우 뿐인 것을 알 수 있다.
[3. 변형예]
[3-1. 외부 광 취출층(16)의 변형예]
외부 광 취출층(16)에 대해서, 본 실시의 형태에서는 마이크로 렌즈 어레이를 예로 들어 설명했다. 본 실시 형태에 있어서의 마이크로 렌즈 어레이는, 입사각이 40도~60도의 범위의 광에 대해서 투과율의 피크를 갖는다. 이 때문에, 마이크로 렌즈 어레이와 비교적 낮은 굴절율을 갖는 저굴절율층(15a)을 포함하는 내부 광 취출층(15)을 조합함으로써, 그 외의 구성에 비해 효율을 높일 수 있다. 이 효과는, 마이크로 렌즈 어레이에 한정되지 않고, 40도~60도의 입사각으로 입사하는 광의 투과율이 피크로 되도록 구성된 외부 광 취출층(16)이면 마찬가지로 실현할 수 있다. 그래서, 이하, 외부 광 취출층(16)의 변형예를 설명한다.
도 20a는 마이크로 렌즈 어레이의 유사 형상인 피라미드 구조를 나타내는 평면도이다. 도 20b는 도 20a에 있어서의 B-B'선 단면도이다. 도 21은 피라미드 구조의 꼭지각에 대한 입사각 40도~60도의 광의 투과율의 평균치의 의존성을 나타내는 그래프이다. 파선으로 나타낸 투과율(=42%)은, 도 6b에 나타낸 확산계의 필름에 입사각 40도~60도로 입사하는 광의 평균 투과율의 값이다. 도 21의 결과로부터, 꼭지각이 30도~120도의 범위내이면, 입사각 40도~60도의 광의 평균 투과율이 확산계의 필름을 이용한 경우보다 높아지는 것을 알 수 있다.
도 22는, 피라미드 구조의 꼭지각이 30도, 50도, 70도, 90도, 110도, 130도, 150도의 각 경우에 있어서의 단위 면적 당의 광 강도의 입사 각도 의존성을 나타내는 그래프이다. 이 결과로부터도, 꼭지각이 30도~120도의 범위내이면, 입사각 40도~60도의 광의 평균 투과율이 비교적 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 외부 광 취출층(16)으로서 피라미드 구조의 어레이를 채용하는 경우, 꼭지각을 30도~120도의 범위내로 설정하면 좋다.
[3-2. 요철 구조의 변형예]
계속해서, 요철 구조의 변형예를 설명한다.
우선, 도 23을 참조하면서, 요철 구조의 생각을 설명한다. 폭 w의 2 종류의 단위 구조(블록)를 랜덤하게 배열한 경우에는, 그 배열 방향의 평균 주기는 4 w로 된다. 한편, 폭 w의 블록을 주기적으로 배열한 경우에는, 그 배열 방향의 평균 주기는 2 w로 된다. 또, 블록을 랜덤하게 배열한 경우의 평균 주기 pexp는, 도 23의 말 풍선으로 나타내는 계산에 의해서 구할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 요철 구조의 랜덤성을 제어한 구조를 채용할 수 있다. 여기서, 「랜덤성을 제어한 구조」란, 완전하게 랜덤인 구조가 아니고, 1개의 방향에 대해 같은 종류의 블록이 연속해서 소정 회수 이상 출현하지 않도록 랜덤성이 억제된 구조를 의미한다. 도 8a를 참조하여 설명한 바와 같이, 랜덤성이 제어된 요철 구조를 채용함으로써, 광 취출 효율을 더 향상시킬 수 있다.
랜덤성을 제어한 구조에 있어서도 상기와 마찬가지의 생각으로 평균 주기를 구할 수 있다. 구조의 패턴으로부터 평균 주기를 구하는 방법을 도 24에 나타낸다. 여기서, 도 24에 나타내는 횡방향 및 종방향의 각각에 대해서, 연속하는 동종의 단위 구조의 군으로 이루어지는 영역에 내접하는 타원을 생각한다. 도 24의 아래의 도면에 있어서의 흰색 부분의 크기의 평균치는, 흰색 부분에 내접하는 타원의 축의 길이의 평균치를 계산함으로써 구할 수 있다. 여기서, 「축의 길이」란, 도 24의 위쪽의 도면에 나타내는 단축의 길이 a 또는 장축의 길이 b를 가리킨다. 흑색 부분에 대해서도 마찬가지이다. 이들의 평균치를 서로 더한 값을 평균 주기로 한다.
도 25(a)~(c)는, 랜덤성이 제어된 요철 구조의 일례(각각 평균 주기 3w, 3.3w, 3.4w)를 나타내는 도면이다. 도 25(c)에 나타내는 바와 같이, 요철 구조는 정사각형은 아니고 육각형 등의 다른 형상의 블록을 배열한 구조라도 좋다.
도 26은, 요철 형상의 폭 w에 대한 광 취출 효율의 의존성을 계산한 결과를 나타내는 그래프이다. 여기에서는, 구조의 높이 h를 1.0㎛로 하고 있다. 투명 기판(14)의 굴절율은 1.5, 저굴절율층(15a)의 굴절율은 1.35, 고굴절율층(15b)의 굴절율은 2.0으로 했다. 도면 내의 (●)은 도 23(a)에 나타내는 블록을 랜덤하게 배열한 요철 형상, (□)는 도 23(b)에 나타내는 블록을 주기적으로 배열한 요철 형상을 채용했을 때의 결과를 나타내고 있다. 랜덤인 구조를 채용한 경우는, w가 0.4~2㎛의 범위내에 있으면, 광 취출 효율을 69% 이상으로 할 수 있다. 주기 구조를 채용한 경우는, w가 0.4~4㎛의 범위내에 있으면, 광 취출 효율을 69% 이상으로 할 수 있다.
광은 파장보다 충분히 작은 구조에 의해서는 회절되지 않는다. 이 때문에, 랜덤 구조에서도 주기 구조에서도 400 nm 이하의 단위 구조를 배열했을 때에는 효과를 얻기 어렵다. 발광층(12)으로부터 발광하는 광의 평균 파장을 λ로 할 때, w는 예를 들면 0.73λ(=λ400/550) 이상으로 설정될 수 있다. 한편, 단위 구조가 파장보다 충분히 큰 영역에서는, 랜덤 구조에서는 w를 2㎛ 이하로, 주기 구조에서는 w를 4㎛ 이하로 하면, 광 취출 효율을 69% 이상으로 할 수 있다고 하는 결과가 얻어지고 있다. 랜덤 구조의 평균 주기는 4 w이며, 주기 구조의 평균 주기는 2 w이기 때문에, 광 취출 효율은, 구조의 패턴을 따르지 않고, 평균 주기로 정해져 있는 것을 알 수 있다. 평균 주기를 p로 하면, p는 예를 들면 8㎛ 이하로 설정될 수 있다. 또, 광의 회절 원리로부터, 광의 회절 패턴은 구조 사이즈(주기)와 광의 파장의 비(즉 p/λ)로 정해지기 때문에, 평균 주기 p는, 예를 들면 14.5(=8/0.55)λ 이하로 설정될 수 있다.
랜덤 구조에서도 주기적 구조에서도, 광 취출 효율에서 그만큼 큰 차이는 없지만, 주기 구조에서는, 회절 격자의 성질에 따라, 파장 의존성이 커지기 때문에, 시야각에 대한 색 얼룩이 커진다고 생각할 수 있다. 따라서, 시야각에 대한 색 얼룩을 저감시키기 위해서는, 요철 형상으로서, 랜덤하게 구조를 배열한 형상을 채용하면 좋다.
다음으로, 도 27 및 도 28을 참조하면서, 요철 구조의 높이 h에 대한 광 취출 효율의 의존성과 랜덤성의 정도에 따른 광 취출 효율의 의존성을 설명한다. 도 27에 나타내는 3 종류의 요철 구조를 갖는 유기 EL 소자의 샘플을 시험 제작하고, 각각에 대해 광 취출 효율을 측정했다. 도 28은 그 결과를 나타내는 그래프이다. 도 28에 있어서의(●)(△)(□)는, 도 27의 대응하는 랜덤 구조에 관해서 계산을 실시한 결과를 나타내고 있다. 여기서, 투명 기판(14)의 굴절율은 1.51, 저굴절율층(15a)의 굴절율은 1.45, 고굴절율층(15b)의 굴절율은 1.76으로 했다.
(●)의 구조는, 구조 사이즈 0.6㎛, 높이 0.2~0.8㎛의 직방체를 랜덤하게 배열한 것이다. (△)의 구조는, 구조 사이즈 1.2㎛, 높이 0.6㎛의 직방체를 랜덤하게 배열한 것이다. 다만, 동일 방향으로 3개 이상의 블록이 연속해 출현하지 않도록 랜덤성을 제어하고 있다. (□)의 구조는, 구조 사이즈(육각형의 내접원의 직경) 1.2㎛, 높이 0.6~1.2㎛의 육각기둥을 랜덤하게 배열한 것이다. 다만, 동일 방향으로 4개 이상의 블록이 연속해 출현하지 않도록 랜덤성을 제어하고 있다. 우선, 높이 의존성에 관해서는, 어느 구조에 있어서도 거의 효율에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 다음으로, 구조의 랜덤성에 관해서는, (●), (△), (□)의 순서로 효율이 향상되어 가는 것을 알았다. (●), (△)의 비교 결과로부터, 랜덤성을 제어하고, 블록이 연속해서 배열되는 것을 제한하는 쪽이 효율의 향상으로 이어지는 것을 알 수 있다. 이것은, 블록이 연속해서 배열되면, 실효적으로 구조의 사이즈가 커지는 영역으로 되어 버리고, 그 영역에 있어서의 취출 효율이 저하해 버리기 때문이다. 실제로 (●)의 랜덤 구조를 보면, 6개 이상 연속해서 동일 방향으로 블록이 배열되어 있는 개소가 존재한다. 즉, 국소적으로 3.6㎛(=0.6㎛×6) 이상의 크기의 구조가 존재한다. 도 26에 나타낸 주기 구조의 구조 사이즈 w에 대한 효율의 의존성의 결과를 참조하면, 만일 구조 사이즈가 3.6㎛인 경우는 취출 효율이 별로 높지 않은 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 이러한 큰 사이즈의 영역이 나타나는 것은 취출 효율의 저하로 이어지는 것을 알 수 있다.
또한, 사각형은 아니고 육각형을 배열한 것이 효율이 높아진다. 이것은, 정사각형인 경우, 대각의 길이는 변의 길이의 √2배이며, 정육각형의 경우는 대각의 길이는 변의 길이의 √3/2배이기 때문에, 정육각형이 방위 방향에 대한 의존성이 작은 것이 요인이다. 즉, 정사각형을 배열한 경우는, 변의 방향 혹은 대각의 방향의 어느 한쪽의 취출 효율이 낮아져 버리지만, 정육각형의 경우는, 방위에 치우치지 않고 높은 취출 효율을 얻을 수 있다. 도 28에 나타내는 (△), (□)의 실험 결과의 비교로부터도, 이것을 말할 수 있다.
랜덤성을 제어한 패턴의 효과를 보다 상세히 조사하기 위해서, 도 27에 나타내는 랜덤과 랜덤 2의 소자(높이 0.6㎛)에 대해서, 도 7과 마찬가지의 구성으로 투명 기판(14) 내의 광의 강도 분포를 측정했다. 그 결과를 도 29에 나타낸다. 이 결과를 보면, 특히 랜덤성을 제어한 구조가 고각도측(50~70도 부근)의 광이 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 랜덤성을 제어한 요철 구조를 갖는 내부 광 취출층(15)과, 입사각 40도~60도에 있어서의 투과율이 높은 외부 광 취출층(16)을 조합함으로써, 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.
이상과 같이, 연속해서 배열된 큰 블록의 발생을 억제하는 것에 의한 랜덤성의 제어 방법과 그 효과를 나타냈지만, 이러한 큰 블록의 억제에 대해서는, 랜덤 패턴을 푸리에 변환하는 것도 확인할 수 있다. 도 30은, 랜덤 패턴을 푸리에 변환하여, 공간 주파수 성분의 진폭을 나타낸 도면이다. 도 30의 우측의 분포도의 중심은, 공간 주파수가 0인 성분(직류 성분)을 나타내고 있다. 이 도면에 있어서 중심으로부터 외측을 향함에 따라, 공간 주파수가 높아지도록 표시하고 있다. 도면으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 도 30(a)에 나타내는 제어된 랜덤 패턴의 공간 주파수에서는, 도 30(b)에 나타내는 랜덤 패턴과 비교하여 저주파 성분이 억제되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 공간 주파수 성분중 1/(2w)보다 작은 성분이 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
또, 본 실시의 형태에서는, 동일 사이즈의 블록을 배열함으로써 요철 구조를 형성하고, 그것을 랜덤하게 배열한 경우, 도 26에 나타내는 바와 같이, w가 0.4~2㎛의 범위내의 값으로 설정되어 있는 경우에 있어서 광 취출 효율이 높아진다. 이것으로부터, 이 범위내에서 사이즈를 적절히 변경한 복수의 블록을 랜덤하게 배열해도 좋다.
또, 각각의 블록 높이에 따라서, 광에 대해서 위상차를 부여하고, 광을 회절함으로써 광을 취출하고 있다. 따라서, 블록의 높이 h는 일정하지 않아도 좋다. 예를 들면, 높이의 레벨을 복수 마련해도 좋다. 또, 각 블록에 있어서의 높이를 랜덤으로 할 수도 있다. 도 31은, 블록의 높이를 랜덤으로 한 구성의 일례를 나타내는 사시도이다. 도시되는 요철 구조(166)는, 제 1 높이를 갖는 제 1 단위 구조(166a)와, 제 2 높이를 갖는 제 2 단위 구조(166b)와, 제 3 높이를 갖는 제 3 단위 구조(166c)와, 제 4 높이를 갖는 제 4 단위 구조(166d)가 2 차원 형상으로 랜덤하게 배열된 구조를 가지고 있다. 요철 구조(166)에서는, 각각의 블록이 고굴절율 재료 및 저굴절율 재료로 충전되어 있으므로, 이들의 부분을 통과하는 광의 위상에 차가 생긴다. 따라서, 만일 높이가 랜덤이어도, 투과한 광의 평균 위상차는, 복수의 단위 구조의 평균 높이로 결정된다. 따라서, 이 경우에 있어서도, 투과한 광에 충분한 평균 위상차가 주어지므로, 높이가 랜덤이어도 좋다.
각각의 단면 형상에 있어서의 모퉁이의 부분을 곡선 형상(curved)으로 구성할 수도 있다. 실제로, 절삭 가공 및 반도체 프로세스 등에 의해 미크론 오더의 구조를 가공할 때에, 모퉁이의 부분이 곡선 형상으로 가공되거나 혹은, 단차의 부분이 경사면 형상으로 가공되는 경우가 있다. 내부 광 취출층(15)의 요철 구조를 가공할 때에, 이들의 요인이 생긴 경우에도, 상술한 랜덤 패턴의 성질이 없어지지 않는 한, 모퉁이의 부분이 곡선 형상으로 가공된 구조도 본 구성에 포함된다.
또, 제조시에 의도하지 않게 발생하는 크기 0.73λ 이하의 작은 구조(먼지 등이 원인으로 생긴다)나, 4㎛ 이상의 큰 구조(긁힌 상처 등)와 같은 노이즈가 있어도, 그들이 전체의 면적에 대해서 10% 정도이면 충분히 효과는 얻을 수 있다. 따라서, 의도적으로 이들의 노이즈를 10% 정도 넣어도, 효과를 얻을 수 있는 한, 본원 발명의 범위에 포함된다.
[2-3-5. 발광 소자(110)의 변형례]
다음으로, 발광 소자(110)의 변형예를 설명한다. 도 32에 나타내는 바와 같이, 유기 EL 소자(100)의 고굴절율층(15b) 상에 고굴절율의 반구 렌즈를 배치함으로써, 발광층(12)의 발광 강도의 각도 분포의 측정을 행하였다. 여기서, 발광 파장이 580 nm인 발광층(12)을 적층한 3 종류의 유기 EL 소자를 시험 제작했다. 그들의 소자의 발광점의 위치는, 반사 전극(11)의 표면으로부터 각각 70, 90, 290 nm의 위치로 설정했다. 고굴절율층(15b) 및 고굴절율 반구 렌즈의 굴절율은 1.77로 했다. 또, 비교를 위해서, 시뮬레이션도 행했다. 반사 전극(11)의 표면으로부터의 거리가 각각 50, 70, 90, 120, 160, 200, 240, 290 nm의 위치에, 발광 파장 580 nm의 발광점이 있는 모델로 계산을 행하였다. 측정 결과 및 계산 결과를 도 33a 및 도 33b에 나타낸다. 여기서, 반사 전극(11)의 표면으로부터의 거리가 160 nm 이하의 경우의 결과를 도 33a에 나타내고, 해당 거리가 200 nm 이상인 경우의 결과를 도 33b에 나타내고 있다. 실험 결과와 측정 결과가 잘 맞아 있다.
발광점의 위치가 90 nm 이하인 경우에는, 60도 이상의 광이 거의 존재하지 않는다. 이것은, 투명 전극(13)과 반사 전극(11)의 표면의 거리가 작은 경우에는, 고각도측의 광은 반사 전극의 표면 프라즈몬(plasmon)과 결합하여, 없어지기 때문이다. 발광층(12)의 굴절율을 1.75, 투명 기판(14)의 굴절율을 1.5로 하면, 발광층(12)으로부터 투명 기판(14)로 전파하는 광의 임계각은 대략 60도이다. 따라서, 60도 이상의 광이 존재하지 않는 경우에는, 원래 내부에 광 취출 구조를 마련할 필요가 없다.
또한, 도 34에, 발광점과 반사 전극(11)의 거리에 대한 발광 효율의 의존성을 계산한 결과를 나타낸다. 발광점의 위치가 반사 전극(11)의 표면으로부터 90 nm 이하인 경우에는, 발광 효율은 60% 이하이며, 40% 이상의 광이 표면 프라즈몬과 결합해서, 없어져 있는 것을 알 수 있다. 이러한 상황에서는, 아무리 취출 효율을 높여도, 원래 발생하는 전파광의 비율이 작기 때문에, 효율을 높이기에는 한계가 있다.
이상의 것을 근거로 하면, 발광점과 반사 전극(11)의 표면의 거리를 90 nm보다 길게 함으로써, 발광 효율을 높게 하는 것이 필요하다. 그렇지만, 그렇게 하면 임계각 이상(약 60도)의 광이 많이 발생하기 때문에, 내부 광 취출층(15)이 필요하다.
반사 전극(11)의 표면으로부터 70, 160, 290 nm의 위치에 발광 파장 580 nm의 발광점이 각각 설치된 3개의 모델에 대해서, 내부 광 취출층(15)을 도입했다. 내부 광 취출층(15)을 통과한 후의 투명 기판(14) 내의 광 강도의 각도 분포를 계산했다. 계산 결과를 도 35에 나타낸다. 여기서, 투명 기판(14)은 굴절율 1.51, 저굴절율층(15a)의 굴절율은 1.45, 고굴절율층(15b)의 굴절율은 1.76, 요철 구조는 랜덤 구조로 했다.
발광층(12)에 있어서, 본래 임계각 이상의 광이 별로 존재하지 않는 70 nm의 위치에 발광점이 있는 소자(도 33a 참조)에서는, 내부 광 취출층(15) 통과 후의 투명 기판(14) 내에 있어서도 광이 저각도 측에 많이 존재한다. 한편, 발광층(12)에 있어서, 임계각 이상의 광이 많이 존재하는 160, 290 nm의 위치에 발광점이 있는 소자(도 33a, 도 33b 참조)에서는, 내부 광 취출층(15) 통과 후의 투명 기판(14) 내에 있어서도 광이 고각도 측에 많이 존재한다.
보다 상세히 분석하기 위해서, 발광층(12)으로부터 반사 전극(11)의 표면까지의 거리가 50~290 nm인 범위에 대해 투명 기판(14) 내의 입사 각도에 대한 광의 강도 분포를 계산했다. 계산 결과 중, 입사 각도가 0~20°, 20~40°, 40~60°의 각 범위에 포함되는 광의 총량을, 발광점과 반사 전극(11)의 표면의 거리에 대해서 플롯한 결과를 도 36에 나타낸다. 결과를 보면, 반사 전극(11)의 표면으로부터 발광점까지의 거리가 100 nm 이상인 소자에서, 40~60°의 각도 범위에 있는 광의 총량이 가장 많은 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 발광 소자(110)에, 입사각 40도~60도로 입사하는 광의 투과율이 높은 외부 광 취출층(16)을 조합함으로써 높은 효율을 얻을 수 있다.
이와 같이, 발광 파장이 580 nm의 경우, 반사 전극(11)의 표면으로부터 발광층(12)에 있어서의 발광점까지의 거리가 100 nm 이상이면, 높은 광 취출 효율을 기대할 수 있는 것을 알 수 있었다. 광의 각도 분포는 간섭의 효과에 의해서 정해지므로, 발광 파장이 λ일 때에는, 반사 전극(11)의 표면으로부터 발광층(12) 내의 발광점까지의 거리가 0.17λ(=100/580×λ) 이상이면, 높은 광 취출 효율을 기대할 수 있다.
또, 상기의 실시 형태에 있어서의 발광 소자(110)는, 유기 EL에 의해서 발광하지만, 무기 EL 등의 다른 발광 소자를 이용해도 좋다. 환언하면, 내부 광 취출층(15), 투명 기판(14), 외부광 취출층(16)을 갖는 광 취출 시트(120)가 설치되어 있으면, 발광 소자(110)의 구성은 임의이다. 또, 상기의 설명에 있어서의 반사 전극(11) 대신에, 광 반사성을 갖지 않는 전극을 이용해도 좋다.
(산업상의 이용 가능성)
본원 개시의 발광 장치는, 예를 들면 플랫 패널 디스플레이, 액정 표시 장치용 백 라이트, 조명용 광원 등에 적용할 수 있다. 또, 본원 개시의 광 취출 시트는, 상기의 발광 장치에 적용할 수 있다.
11 : 반사 전극 12 : 발광층
13 : 투명 전극 14 : 투명 기판
15 : 내부 광 취출층 15a : 저굴절율층
15b : 굴절율층 16 : 외부 광 취출층
100 : 유기 EL 소자 110 : 발광 소자
120 : 광 취출 시트

Claims (20)

  1. 평균 파장 λ의 광을 발생하는 발광 소자와,
    상기 발광 소자로부터 생긴 광을 투과시키는 광 취출 시트
    를 구비하는 발광 장치로서,
    상기 발광 소자는,
    광 투과성을 갖는 제 1 전극과,
    제 2 전극과,
    상기 제 1 및 제 2 전극의 사이에 설치된 발광층
    을 갖고,
    상기 광 취출 시트는,
    제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 투광성 기판과,
    상기 투광성 기판의 상기 제 1 주면의 측에 설치된 제 1 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판보다 굴절율이 낮은 저굴절율층, 및 상기 저굴절율층보다 굴절율이 높은 고굴절율층을 갖고, 상기 저굴절율층은 상기 투광성 기판 및 상기 고굴절율층의 사이에 형성되어 있고, 상기 고굴절율층 및 상기 저굴절율층의 계면은 요철 형상을 갖고 있는 제 1 광 취출 구조와,
    상기 투광성 기판의 상기 제 2 주면의 측에 설치된 제 2 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판을 투과하여 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성된 제 2 광 취출 구조
    를 갖는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철 형상은, 복수의 오목부와 복수의 볼록부가 2 차원적으로 랜덤하게 배열된 형상인, 발광 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철 구조는, 복수의 오목부와 복수의 볼록부가 2 차원적으로 주기적으로 배열된 구조인, 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 요철 형상은, 복수의 오목부와 복수의 볼록부가 2 차원적으로 배열된 형상이며, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각에 내접하는 타원의 단변의 길이의 최소치를 w로 할 때, 상기 요철 형상의 패턴의 공간 주파수 성분 중, 1/(2w)보다 작은 성분이, 상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부를 랜덤하게 배열한 경우와 비교하여 억제되어 있는, 발광 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 요철 형상은, 미리 정해진 개수 이상의 오목부 또는 볼록부가 1개의 방향으로 연속하지 않도록 구성되어 있는, 발광 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각은, 4각형 형상의 단면을 갖고, 상기 요철 형상은, 3 이상의 오목부 또는 볼록부가 1개의 방향으로 연속하지 않도록 구성되어 있는, 발광 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각은, 육각형 형상의 단면을 갖고, 상기 요철 형상은, 4 이상의 오목부 또는 볼록부가 1개의 방향으로 연속하지 않도록 구성되어 있는, 발광 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각에 내접하는 타원의 단변의 길이의 최소치는 0.73λ 이상인, 발광 장치.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각은, 동일한 단면 형상 및 동일한 사이즈를 갖고 있는, 발광 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부 및 상기 복수의 볼록부의 각각의 평균 주기는 14.5λ 이하인, 발광 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저굴절율층의 굴절율은, 상기 투광성 기판의 굴절율의 0.98배 이하인, 발광 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광층에 있어서의 발광점과 상기 제 2 전극의 표면의 거리는, 0.17λ 이상인, 발광 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저굴절율층의 굴절율은, 1.47 이하인, 발광 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저굴절율층의 두께는 (1/2)λ 이상인, 발광 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투광성 기판의 굴절율은, 1.5 이상인, 발광 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고굴절율층의 굴절율은, 1.73 이상인, 발광 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 광 취출 구조는 마이크로 렌즈 어레이에 의해서 형성되어 있는, 발광 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 어스펙트비는 0.5 이상인, 발광 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 광 취출 구조는 피라미드 구조를 갖고, 상기 피라미드 구조의 꼭지각은 30도 내지 120도의 범위로 설정되어 있는, 발광 장치.
  20. 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 투광성 기판과,
    상기 투광성 기판의 상기 제 1 주면의 측에 설치된 제 1 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판보다 굴절율이 낮은 저굴절율층, 및 상기 저굴절율층보다 굴절율이 높은 고굴절율층을 갖고, 상기 저굴절율층은 상기 투광성 기판 및 상기 고굴절율층의 사이에 형성되어 있고, 상기 고굴절율층 및 상기 저굴절율층의 계면은 요철 형상을 갖고 있는 제 1 광 취출 구조와,
    상기 투광성 기판의 상기 제 2 주면의 측에 설치된 제 2 광 취출 구조로서, 상기 투광성 기판을 투과해서 40도 내지 60도의 입사각으로 입사하는 광의 평균 투과율이 42% 이상이 되도록 구성된 제 2 광 취출 구조
    를 구비하는 광 취출 시트.
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