KR20180041638A - 전계 발광 소자 - Google Patents

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KR20180041638A
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고우 오사와
고우지로 세키네
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코니카 미놀타 가부시키가이샤
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Abstract

동일 색을 발광하는 2 이상의 발광 유닛(110A, 110B, 110C)을 수직으로 겹친 전계 발광 소자이며, 각각의 발광 유닛(110A, 110B, 110C)을 단체로 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성의 정면 방향에서 본 제1 극대 각도 또는 강도 최대 각도가, 각각의 발광 유닛(110A, 110B, 110C)에 있어서 상이하도록 구성되어 있고, 모든 발광 유닛(110A, 110B, 110C)을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 한 경우, 하기 식 (1)을 구비하는, 전계 발광 소자.
Figure pat00038

Description

전계 발광 소자 {ELECTROLUMINESCENT DEVICE}
본 실시 형태는 전계 발광 소자에 관한 것이다.
최근, 발광 다이오드(LED)나 유기 EL 등의 전계 발광 소자를 사용한 발광 효율이 높은 전계 발광 소자가 주목을 모으고 있다. 전계 발광 소자는 평면형의 음극과 양극 사이에 끼워진 광자 발생층(발광층)으로 구성되지만, 일반적으로는 양극을 투명 전극으로 하고, 음극을 금속 반사 전극으로 하여 구성되는 경우가 많다. 전계 발광 소자의 용도로서, 장식 조명용 다운라이트, 극장의 유색 스포트라이트, 신호용 유색 손전등, 신호기, 차의 유색 프론트 라이트나 백 라이트나 브레이크 램프 등의 특정한 색으로 특정한 각도의 범위에서의 휘도를 확보하는 것이 필요한 조명이 있다.
그러나, 일반적으로 전계 발광 소자를 사용한 전계 발광 소자에 있어서 광 강도의 각도 분포(배광)는 cosθ로 표시되는 램버트 배광으로 되어, 특정한 각도 범위에서 강하게 빛나는 광원을 실현할 수 없었다.
한편, 종래 기술로서는, 디스플레이용으로 정면 휘도를 높게 하는 구성이나, 멀티 유닛에서 백색의 효율을 높이는 구성에 대한 개시가 있다.
일본 특허 공개 제2010-287484호 공보에 개시되는 유기 발광 소자는, 각 발광 유닛에 상이한 색의 발광층을 형성하여 각 색의 광 취출 효율을 높이는 것이 가능한 유기 전계 발광 소자를 개시하고 있다. 그러나, 각 발광 유닛이 동일 색으로 합쳤을 때의 배광을 원하는 특성으로 하는 구성이 불명확하다고 하는 과제가 있다.
일본 특허 공개 제2014-225415호 공보에 개시되는 유기 일렉트로 루미네센스 소자는, 3 유닛으로 백색 소자를 실현하는 것이다. 그러나, 특허문헌 1에 개시되는 유기 발광 소자와 마찬가지로, 각 발광 유닛이 동일 색으로 합쳤을 때의 배광을 원하는 특성으로 하는 구성이 불명확하다고 하는 과제가 있다.
본 실시 형태는 이러한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 정면으로부터 일정한 각도 범위에서 광 강도를 확보하기 위한 단색의 전계 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면을 반영한 전계 발광 소자는, 동일 색을 발광하는 2 이상의 발광 유닛을 겹친 전계 발광 소자이며, 각각의 상기 발광 유닛을 단체로 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성의 정면 방향에서 본 제1 극대 각도 또는 강도 최대 각도가, 각각의 상기 발광 유닛에 있어서 상이하도록 구성되어 있고, 모든 상기 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 할 경우, 하기 식 (1)을 구비하는, 전계 발광 소자이다.
Figure pat00001
다른 형태에 있어서는, θD는 30도이다.
다른 형태에 있어서는, 상기 발광 유닛의 수가 3이고, 발광의 시인측으로부터 각 상기 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, θ1>θ2>θ3을 만족한다.
다른 형태에 있어서는, 상기 발광 유닛의 수가 3이고, 발광의 시인측으로부터 각 상기 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, θ1<θ2<θ3을 만족한다.
다른 형태에 있어서는, 상기 발광 유닛의 수가 4 이상이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부한 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은, 실시 형태 1에서의 전계 발광 소자를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2는, 실시 형태 1에서의 면 발광 패널의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은, 실시 형태 1에서의 면 발광 패널의 발광 영역의 기본 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4는, 실시 형태 1에서의 멀티 유닛형 면 발광 패널의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 5는, 도 4에 도시하는 면 발광 패널을 광학적으로 등가의 모델로 치환한 모식 단면도이다.
도 6은, 도 5에 도시되는 구성에 대하여, 발광 기능층의 막 두께와 반사 전극으로부터의 거리를 변화시킨 경우에 어떠한 각도에 강도의 극대가 나타나는지를 조사한 결과를 도시하는 도면이다.
도 7은, 반사 전극으로부터 발광점으로 돌아오는 광과 발광점의 광의 간섭이 서로 강화되는 조건(조건 (a))을 도시하는 단면 모식도이다.
도 8은, 반사 전극과 투명 전극에서 반사되어 발광점으로 돌아오는 광과 발광점의 광의 간섭이 서로 강화되는 조건(조건 (b))을 도시하는 단면 모식도이다.
도 9는, 도 5에 도시하는 구성에 있어서 프레넬 반사 이론에 따라 전체의 위상 변화가 서로 강화되는 간섭으로 되는 조건을 조사한 결과를 도시하는 도면이며, 공기의 각도 0도에서, 도 7에 도시하는 조건 (a)의 경우를 도시한다.
도 10은, 도 5에 도시하는 구성에 있어서 프레넬 반사 이론에 따라 전체의 위상 변화가 서로 강화되는 간섭으로 되는 조건을 조사한 결과를 도시하는 도면이며, 공기의 각도 0도에서, 도 8에 도시하는 조건 (b)의 경우를 도시한다.
도 11은, 도 5에 도시하는 구성에 있어서 프레넬 반사 이론에 따라 전체의 위상 변화가 서로 강화되는 간섭으로 되는 조건을 조사한 결과를 도시하는 도면이며, 공기의 각도 25도에서, 도 7에 도시하는 조건 (a)의 경우를 도시한다.
도 12는, 도 5에 도시하는 구성에 있어서 프레넬 반사 이론에 따라 전체의 위상 변화가 서로 강화되는 간섭으로 되는 조건을 조사한 결과를 도시하는 도면이며, 공기의 각도 25도에서, 도 8에 도시하는 조건 (b)의 경우를 도시한다.
도 13은, 도 9 및 도 10의 조건과 도 6을 겹쳐 그린 도면이다.
도 14는, 도 11 및 도 12의 조건과 도 6을 겹쳐 그린 도면이다.
도 15는, 실시 형태 1의 조건을 만족하는 구성의 설계 스텝을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 16은, 정면 강도 우선의 설계인 경우의 도 15에 도시하는 플로우를 실시한 결과의 설계예를 도시하는 도면이다.
도 17은, 도 16에 도시하는 각 발광 유닛을 1 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 18은, 도 16에 도시하는 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 19는, 기울기 강도 우선의 설계인 경우에 도 15에 도시하는 플로우를 실시한 결과의 설계예를 도시하는 도면이다.
도 20은, 도 19에 도시하는 각 발광 유닛을 1 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 21은, 도 19에 도시하는 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 22는, 도 16에 도시한 설계예와 동일한 설계예를 도시하는 도면이다.
도 23은, 도 19에 도시한 설계예와 동일한 설계예를 도시하는 도면이다.
도 24는, 발광 유닛수가 4인 경우의 설계예를 도시하는 도면이다.
도 25는, 실시 형태 2에서의 도 5에 도시하는 면 발광 패널의 설계예를 도시하는 도면이다.
도 26은, 도 25의 설계예에 있어서 각 발광 유닛을 1 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 27은, 도 25의 설계예에 있어서 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 28은, 실시 형태 2에서의 2 유닛 소자의 면 발광 패널을 광학적으로 등가의 모델로 치환한 모식 단면도이다.
도 29는, 실시 형태 2에서의 2 유닛 소자의 면 발광 패널을 실현하는 설계를 행한 결과를 도시하는 도면이다.
도 30은, 실시 형태 2에서의 2 유닛 소자의 면 발광 패널에 있어서, 각 발광 유닛을 1 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 31은, 실시 형태 2에서의 2 유닛 소자의 면 발광 패널에 있어서, 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 32는, 실시 형태 2에서의 다른 형태의 2 유닛 소자의 면 발광 패널을 실현하는 설계를 행한 결과를 도시하는 도면이다.
도 33은, 실시 형태 2에서의 다른 형태의 2 유닛 소자의 면 발광 패널에 있어서, 각 발광 유닛을 1 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 34는, 실시 형태 2에서의 다른 형태의 2 유닛 소자의 면 발광 패널에 있어서, 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 35는, 실시 형태 3에서의 톱 에미션형 전계 발광 소자의 단면 구조를 도시하는 도면이다.
도 36은, 실시 형태 3에서의 투명 발광형 전계 발광 소자의 모식 단면도이다.
도 37은, 전계 발광 소자의 도광 부재 및 산란 부재가 존재하지 않는 경우, 투명 부재로부터 관측자측으로 방사되는 광의 휘도의 각도 의존성을 도시하는 모식도이다.
도 38은, 전계 발광 소자의 발광 영역에서 발광한 광의 투명 부재 내에서의 광 강도의 발광부면 법선에 대한 각도 의존성을 도시하는 모식도이다.
본 실시 형태에 기초한 각 실시 형태에서의 전계 발광 소자에 대하여, 이하, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시 형태에 있어서, 개수, 양 등을 언급하는 경우, 특별히 기재가 있는 경우를 제외하고, 실시 형태의 범위는 반드시 그 개수, 양 등에 한정되는 것은 아니다. 또한, 동일한 부품, 상당 부품에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙여, 중복되는 설명은 반복되지 않는 경우가 있다. 또한, 각 실시 형태에서의 구성을 적절히 조합하여 사용하는 것은 당초부터 예정되어 있는 것이다.
(실시 형태 1)
도 1을 참조하여, 본 실시 형태에서의 전계 발광 소자(1)의 개략 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에서의 전계 발광 소자(1)를 모식적으로 도시한 단면도이다. 전계 발광 소자(1)는, 투명 기판(101) 상에 투명 전극(111c), 제1 발광 유닛(110A), 제2 발광 유닛(110B), 제3 발광 유닛(110C) 및 반사 전극(111a)을 순서대로 적층한 구조를 갖고 있다. 각 발광 유닛은 동일한 발광 파장을 갖도록 구성되어 있다.
발광 유닛 단체로 발광했을 때의 발광 강도의 각도 의존성의 정면 방향에서 본 제1 극대 각도 또는 강도 최대 각도가 각각 상이하도록 구성되어 있고, 또한 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성(배광 특성)을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 한 경우, 하기 식 (1)을 만족한다. 단, θ는 발광 유닛의 법선 방향(정면 방향)으로부터의 각도이다. 이와 같이 구성함으로써, 정면으로부터 일정한 각도 이내에서 광 강도를 확보하기 위한 단색의 면 발광 광원을 실현할 수 있다.
Figure pat00002
동일한 발광 파장을 갖는다고 하는 것은, 각 발광 유닛의 에너지가 시인측에서 봤을 때 우위에 서게 겹치는 것을 나타낸다. 예를 들어, 피크 파장이, 다른 발광 유닛의 스펙트럼 피크로부터 그 발광 유닛의 반값 전체 폭 이내에 수용되면 된다. 여기서는, 모든 발광 유닛이 발광했을 때의 에너지의 무게 중심 파장을 λp라고 해 두고, 전계 발광 소자의 발광 파장이라고 칭한다.
도 1의 각 발광 유닛을 투명 기판(101)측부터 제1 발광 유닛(110A)을 발광 유닛 1, 제2 발광 유닛(110B)을 발광 유닛 2, 제3 발광 유닛(110C)을 발광 유닛 3이라고 칭한다. 각각의 발광 유닛 단체를 발광시켰을 때의 광 에너지의 각도 분포를 발광 유닛 1은 D1(θ), 발광 유닛 2는 D2(θ), 발광 유닛 3은 D3(θ)이라고 한다. 이때, 발광 유닛 1, 발광 유닛 2 및 발광 유닛 3은 각각 서로 다른 강도 피크를 갖도록 구성되어 있다. 이와 같이 함으로써, 모든 발광 유닛을 발광시킨 경우에 있어서, 정면으로부터 일정한 각도 이내에서 광 강도를 확보하기 위한 단색의 면 발광 광원을 실현할 수 있다.
도 1에 있어서, 바람직하게는 θD=30도이면 된다. 일반적으로, 인간의 정보 수용 능력이 우수한 시야각은 ±30도라고 말해지고 있지만, 이와 같이 ±30도의 범위에 있어서 광 강도를 확보함으로써, 정면과 인간이 시인할 수 있는 기울기의 한계에서 동일한 발광 강도를 확보할 수 있다.
도 1에 있어서, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, 하기 식 (2)를 만족하면 된다.
Figure pat00003
투명 기판(101)과 반사 전극(111a)을 갖는 전계 발광 소자(1)의 배광 특성은, 발광점이 반사 전극(111a)으로부터 이격됨에 따라 간섭의 영향으로 기울기 성분이 증가하는 경향이 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 발광 유닛을 적층하여 생산할 때, 생산하기 쉬운 구성을 실현할 수 있다.
특히, 본 실시 형태를 실시할 때에는, 유닛수가 많은 쪽이 배광 형상을 제어하기 쉽다. 그로 인해, 예를 들어 유닛수는 3에 한정되지 않고 4 이상인 것이 바람직하다. 또한, 유닛수는 2여도 된다.
이하, 본 실시 형태의 전계 발광 소자를 실시하는 데 있어서 바람직한 부재 등의 요소에 대하여 설명한다.
[1.1 투명 부재]
본 실시 형태를 실시하기 위해 사용되는 투명 부재로서 바람직한 재료에 대하여 설명한다. 균일한 면 발광 및 고효율의 면 발광을 실현하기 위해서는, 투명 부재의 투과율이 높은 쪽이 바람직하다. 구체적으로는 JIS K 7361-1:1997(플라스틱-투명 재료의 전체 광선 투과율의 시험 방법)에 준거한 방법으로 측정한 가시광 파장 영역에서의 전체 광선 투과율이 80％ 이상인 것이 투명 부재로서 바람직하게 사용된다. 또한, 투명 부재로서는, 가요성이 우수한 재질이 바람직하게 사용된다.
투명 부재로서는, 예를 들어 수지 기판, 수지 필름 등을 적절하게 들 수 있지만, 생산성의 관점과, 경량성 및 유연성과 같은 성능의 관점에서, 투명 수지 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 투명 수지 필름이란, JIS K 7361-1:1997(플라스틱-투명 재료의 전체 광선 투과율의 시험 방법)에 준거한 방법으로 측정한 가시광 파장 영역에서의 전체 광선 투과율이 50％ 이상인 것을 말한다.
바람직하게 사용할 수 있는 투명 수지 필름에는 특별히 제한은 없고, 그 재료, 형상, 구조, 두께 등에 대해서는 공지된 것 중에서 적절히 선택할 수 있다. 이러한 투명 수지 필름으로서는, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트, 변성 폴리에스테르 등의 폴리에스테르계 수지 필름, 폴리에틸렌(PE) 수지 필름, 폴리프로필렌(PP) 수지 필름, 폴리스티렌 수지 필름, 환형 올레핀계 수지 등의 폴리올레핀류 수지 필름, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴 등의 비닐계 수지 필름, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지 필름, 폴리술폰(PSF) 수지 필름, 폴리에테르술폰(PES) 수지 필름, 폴리카르보네이트(PC) 수지 필름, 폴리아미드 수지 필름, 폴리이미드 수지 필름, 아크릴 수지 필름, 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 수지 필름 등을 들 수 있다.
상기 전체 광선 투과율이 80％ 이상인 수지 필름이면, 본 실시 형태에 따른 투명 부재로서 보다 바람직하게 사용된다. 이러한 투명 부재로서는, 그 중에서도 투명성, 내열성, 취급의 용이성, 강도 및 비용의 관점에서, 2축 연신 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 2축 연신 폴리에틸렌나프탈레이트 필름, 폴리에테르술폰 필름 또는 폴리카르보네이트 필름이 바람직하고, 2축 연신 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 또는 2축 연신 폴리에틸렌나프탈레이트 필름이 보다 바람직하다.
또한, 필름형의 기재의 표면 또는 이면에는, 무기물의 피막, 유기물의 피막, 또는 무기물 및 유기물의 하이브리드 피막이 형성되어 있어도 되며, 이러한 피막이 형성된 기재는, JIS K 7129-1992에 준거한 방법으로 측정한 수증기 투과도(25±0.5℃, 상대 습도 (90±2)％RH)가 1×10-3g/(m2ㆍ24h) 이하인 배리어성 필름인 것이 바람직하고, 나아가 JIS K 7126-1987에 준거한 방법으로 측정한 산소 투과도가 1×10-3ml/m2ㆍ24hㆍatm 이하, 수증기 투과도(25±0.5℃, 상대 습도 (90±2)％RH)가 1×10-3g/(m2ㆍ24h) 이하인 고배리어성 필름인 것이 바람직하다.
고배리어성 필름으로 하기 위해 필름형의 기재의 표면 또는 이면에 형성되는 배리어막을 형성하는 재료로서는, 수분, 산소 등과 같은 소자의 열화를 초래하는 것의 침입을 억제하는 기능을 갖는 재료이면 되며, 예를 들어 산화규소, 이산화규소, 질화규소 등을 사용할 수 있다. 또한, 당해 배리어막의 취약성을 개량하기 위해, 이들 무기층과 유기 재료를 포함하는 층의 적층 구조를 갖게 하는 것이 보다 바람직하다. 무기층과 유기층의 적층순에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 양자를 교대로 복수회 적층시키는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 투명 부재에는, 습윤성 및 접착성을 확보하기 위해, 표면 처리를 실시하거나 접착 용이층을 형성할 수 있다. 표면 처리 및 접착 용이층에 대해서는, 종래 공지된 기술을 사용할 수 있다. 예를 들어, 표면 처리로서는 코로나 방전 처리, 화염 처리, 자외선 처리, 고주파 처리, 글로우 방전 처리, 활성 플라즈마 처리, 레이저 처리 등의 표면 활성화 처리를 들 수 있다. 또한, 접착 용이층으로서는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 비닐계 공중합체, 부타디엔계 공중합체, 아크릴계 공중합체, 비닐리덴계 공중합체, 에폭시계 공중합체 등을 들 수 있다. 접착 용이층은 단층이어도 되지만, 접착성을 향상시키기 위해 2층 이상의 구성으로 해도 된다.
[1.2 면 발광 패널(110)]
면 발광 패널로서는 유기 EL 발광 패널이 사용될 수 있다. 도 2 및 도 3에 면 발광 패널(보텀 에미션)(110)의 구성을 모식적으로 도시한다. 도 2는 면 발광 패널(보텀 에미션)(110)의 개략 구성을 도시하는 단면도, 도 3은 발광 영역의 기본 구성을 도시하는 단면도이다.
면 발광 패널(110)은 투명 기판(101) 상에 발광 영역(111)을 설정하고, 그 후에 유기 EL을 열화시키는 수분의 침입을 방지하는 밀봉 부재(120)로 밀봉을 함으로써 구성된다. 투명 기판(101) 및 발광 영역(111)이, 상술한 전계 발광 소자(1)의 구성을 구비한다.
발광 영역(111)의 주위에는 밀봉 성능을 유지하기 위해 일정 영역의 비발광 영역(112)이 존재한다. 투명 기판(101) 상에 형성되는 발광 영역(111)의 더 상세한 기본 구성을 도 3에 도시한다. 투명 기판(101)/투명 전극(양극)(111c)/정공 주입층(HIL: Hole Injection Layer)(111b5)/정공 수송층(HTL: Hole Transfer Layer)(111b4)/광자 발생층(EML: Emissive Layer)](111b3)/전자 수송층(ETL: Electron Transfer Layer)(111b2)/전자 주입층(EIL: Electron Injection Layer)(111b1)/반사 전극(111a)에 의해 구성된다.
본 실시 형태는, 발광 영역(111)이 도 3의 구성에 한정되는 것은 아니다. 다른 발광 영역의 구성으로서는, 예를 들어 양극/광자 발생층/전자 수송층/음극을 포함하는 것, 양극/정공 수송층/광자 발생층/전자 수송층/음극을 포함하는 것, 양극/정공 수송층/광자 발생층/정공 저지층/전자 수송층/음극을 포함하는 것, 양극/정공 수송층/광자 발생층/정공 저지층/전자 수송층/음극 버퍼층/음극을 포함하는 것, 양극/양극 버퍼층/정공 수송층/광자 발생층/정공 저지층/전자 수송층/음극 버퍼층/음극을 포함하는 것 등을 들 수 있다.
투명 기판(101)이나 밀봉 부재(120)에는 가요성을 갖는 플렉시블 수지 기판을 사용하는 것이 바람직하며, 이것은 전술한 투명 부재의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 투명 기판(101)이나 밀봉 부재(120)가 가소성을 가져도 된다. 가소성을 가지면, 한번 구부린 상태를 유지할 수 있기 때문에, 예를 들어 곡면에 부착할 때 고정 중의 응력을 완화할 수 있다고 하는 장점이 있다.
또한, 금회는 보텀 에미션의 예로 설명하였지만, 밀봉측을 향하여 광이 발광하는 톱 에미션 구성을 사용해도 된다.
면 발광 패널(110)은, 발광 영역(111)의 열화를 방지하기 위한 밀봉 영역이나, 급전을 위한 전극을 설치하기 위해 면 발광 패널(110)의 일부에 비발광 영역(112)이 포함된다. 면 발광 패널(110)은 가요성을 갖고 있으면 임의의 형상을 따라 배치할 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 특히 비발광 영역(112)은 발광 영역(111)보다 가요성을 갖고 있어 발광 영역(111)보다 얇으면, 타일링했을 때 겹쳐 비발광 영역(112)의 폭을 축소할 수 있다고 하는 이점을 갖는다.
[1.3 투명 전극(111c)]
투명 전극(111c)의 보다 구체적인 재료로서, 박막 금속 전극을 들 수 있다. 그 중에서 특히 일본 특허 제5266532호 공보에 개시되는 바와 같이 질소 함유의 하지층과 박막 금속(Ag)을 조합한 투명 전극(도 4 참조)을 사용하는 것이 바람직하다. 질소 함유의 하지층은 박막 금속을 연속막으로 성막시키는 성질을 갖는다. 연속막으로서 성막된 박막 금속은 계면의 프레넬 반사율이 높기 때문에, 광의 간섭 효과를 높게 할 수 있다.
여기서 말하는 금속이란, 면 발광 패널의 발광 파장에 있어서 복소 비유전율의 실부가 부(負)인 재료이다. 복소 비유전율 εc는 계면 반사에 관계된 광학 상수이며, 굴절률 n과 소쇠 계수 γ를 사용하여, 하기 식 (3)으로 표시되는 물리량이다.
Figure pat00004
여기서 P와 E는 각각 분극과 전계, εo는 진공 중의 유전율이다. 식 (3)으로부터 n이 작고 κ가 클수록 복소 비유전율의 실부가 작아지는 것을 알 수 있다. 이것은 전계의 진동으로부터 전자의 진동에 의해 분극 응답의 위상이 어긋나는 효과를 나타내고 있다. 식 (3)으로 표시되는 복소 비유전율의 실부가 부로 되면, 전계 진동과 분극 응답이 역회전함을 의미하며, 이것이 금속의 특성으로 된다. 반대로, 복소 비유전율의 실부가 정(正)인 경우에는 전계의 방향과 분극 응답의 방향이 일치하여, 유전체로서의 분극 응답을 나타낸다. 정리하면, 복소 비유전율의 실부가 부인 매질이 금속이고, 복소 비유전율의 실부가 정인 물질이 유전체이다.
일반적으로, 굴절률 n이 작고 소쇠 계수 κ가 클수록 전자가 잘 진동하는 재료임을 의미한다. 전자 수송성이 높은 재료는 굴절률 n이 작고 κ가 큰 경향이 있다. 특히 금속 전극에 있어서는 n이 0.1 정도인 것에 반해, κ는 2 내지 10으로 큰 값을 갖고 파장에 대한 변화율도 크다. 따라서, n이 동일한 값이라도 κ의 값이 크게 달라, 전자 수송 성능에 큰 차이가 나는 일이 많다.
본 실시 형태를 실시하는 데 있어서는, 투명 전극 재료는 프레넬 반사율을 높이는 금속인 것이 바람직하다. 보다 구체적인 굴절률의 요건으로서는 n이 작고, 전자의 응답을 좋게 하기 위해 κ가 큰 금속이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄(Al), 은(Ag), 칼슘(Ca)이 바람직하다. 다른 예에서는, 산화되기 어려운 이점도 갖는 금(Au)이 고려된다. 다른 재료로서 구리(Cu)가 있으며, 동 재료는 도전성이 좋다고 하는 특징을 갖는다. 그 밖에는 열적 성질이나 화학적 성질이 좋고 고온에서도 산화되기 어렵고 기판 재료와의 화학 반응도 일으키지 않는 특징이 있는 재료로서, 백금ㆍ로듐ㆍ팔라듐ㆍ루테늄ㆍ이리듐ㆍ오스뮴 등을 들 수 있다. 또한, 복수의 금속 재료를 사용한 합금을 사용해도 된다. 특히 MgAg나 LiAl은 박막 투명 금속 전극으로서도 자주 사용된다.
특히 바람직한 박막 금속의 막 두께 d로서는 소쇠 계수 κ와 발광 파장 λ를 사용하여 광 강도 1/e로 감쇠하는 거리로부터, 하기 식 (4)를 들 수 있다.
Figure pat00005
보다 구체적인 숫자로 말하면 파장 475nm에 있어서 Ag 박막을 사용한 경우에는 소쇠 상수가 2.7이기 때문에, 하기 식 (5)로 된다. 따라서 막 두께는 13.9nm 이하가 바람직하다.
Figure pat00006
[1.4 특정한 각도 θD에 대하여]
본 실시 형태는, 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 한 경우, 하기 식 (6)을 만족하는 것을 상기에서 설명하였다(상기 식 (1)과 동일한 식).
Figure pat00007
이 특정한 각도 θD에 대하여 어떻게 정해질 수 있는지 예시한다. 우선, 법령 등으로 정해지는 경우가 있다. 도로 운송 차량의 보안 기준(1951년 7월 28일 일본 운수성령 제67호, 개정된 2015년 1월 22일 일본 국토 교통성령 제3호)과 그에 관련된 고시에는, 차의 전조등 등에 필요로 되는 각도 특성이 개시되어 있다. 전계 발광 소자를 이러한 전조등, 전방부 안개등, 측방 조사등, 저속 주행시 측방 조사등, 차폭등, 전방부 상측 단부등, 측방등, 번호등, 미등, 후방부 안개등, 주차등, 후방부 상측 단부등, 제동등, 보조 제동등, 후퇴등, 방향 지시기, 보조 방향 지시기, 비상 점멸 표시등, 긴급 제동 표시등, 및 후방면 충돌 경고 표시등 등에 사용하는 경우에는, 적어도 특정한 각도 θD 이하의 범위의 특정한 휘도값을 얻는 것이 필요하다.
이어서, 인간의 시각으로 느낄 수 있는 각도 범위로부터 정의할 수 있다. 사람에게 보여지는 것을 전제로 하는 조명(신호기, 신호등 및 차의 테일램프 등)은 적어도 인간이 보이는 각도 범위에 있어서 특정한 휘도가 얻어지는 것이 중요하다. 인간의 시각은, 「정보 수용 능력이 우수한 유효 시야는 수평 30도, 수직 20도 정도에 지나지 않으며, 주시점이 신속히 안정되어 보이는 안정 주시야는 수평으로 60도 내지 90도, 수직으로 45도 내지 70도 정도라고 말해지고 있다(http://www.lab.ime.cmc.osaka-u.ac.jp/~kiyo/cr/kiyokawa-2002-03-Hikari-Report/kiyokawa-2002-03-Hikari-Report.pdf). 따라서, θD=30도라고 하면, 밝은 범위의 각도에 있어서 정보 수용 능력이 우수한 유효 시야의 범위 내에서 신호가 점등하고 있다고 하는 정보를 보내는 것이 가능하게 된다.
[1.5 본 실시 형태의 보다 구체적인 실시예]
[1.5.1 전계 발광 소자의 상세한 구성과 공기에서의 발광 강도의 피크 각도의 관계]
이하에서는, 보다 구체적인 본 실시 형태를 실시한 전계 발광 소자에 대하여 설명한다. 도 4에 멀티 유닛형 면 발광 패널(보텀 에미션)의 구성을 모식적으로 도시한다. 면 발광 패널은 투명 기판(101) 상에 발광 영역(111)을 설정하고, 그 후에 유기 EL을 열화시키는 수분의 침입을 방지하는 밀봉 부재(도 2 참조)로 밀봉을 함으로써 구성된다. 발광 영역(111)의 주위에는 밀봉 성능을 유지하기 위해 일정 영역의 비발광 영역(112)이 존재한다(도 2 참조).
본 실시 형태에 있어서는, 사이에 전하 발생층(111b6)을 끼워 「정공 주입층(HIL)(111b5)/정공 수송층(HTL)(111b4)/광자 발생층(EML)(111b3)/전자 수송층(ETL)(111b2)/전자 주입층(111b1)」을 복수 발광 유닛 적층시킨 멀티 유닛형 면 발광 패널을 사용한다. 이하에서는 3 발광 유닛의 소자에 대하여 설명하지만, 본 실시 형태는 3 발광 유닛에 한정되지 않고, 예를 들어 2 발광 유닛이나 4 발광 유닛, 5 발광 유닛, 또는 5 발광 유닛 이상이어도 된다.
발광 영역은 더욱 상세하게는, 투명 기판(101)/투명 전극(양극)(111c)/제1 발광 유닛(110A)/전하 발생층(111b6)/제2 발광 유닛(110B)/전하 발생층(111b6)/제3 발광 유닛(110C)/반사 전극(111a)에 의해 구성된다.
제1 발광 유닛(110A), 제2 발광 유닛(110B) 및 제3 발광 유닛(110C)은, 모두 정공 주입층(HIL: Hole Injection Layer)(111b5)/정공 수송층(HTL: Hole Transfer Layer)(111b4)/광자 발생층(EML: EMissive Layer)(111b3)/전자 수송층(ETL: Electron Transfer Layer)(111b2)/전자 주입층(EIL: Electron Injection Layer)(111b1)에 의해 구성된다.
또한, 전자 수송층(ETL: Electron Transfer Layer)(111b2)과 전하 발생층(111b6)의 사이에 전자 주입층(EIL: Electron Injection Layer)(111b1)을 형성하고 있는데, 이것은 전자 주입 효율을 향상시키기 위해서이다. 따라서, 전자 주입층(EIL)(111b1)을 형성하지 않아도 되는 경우도 있다.
제1 발광 유닛(110A), 제2 발광 유닛(110B) 및 제3 발광 유닛(110C)에 있어서, 각각의 광자 발생층(EML)(111b3)은 동일한 발광색을 갖고, 주입된 전류에 따라 발광한다. 이와 같이 멀티 유닛 구조를 취함으로써, 주입 전류당 발광량을 증가시킬 수 있다. 구동 수명은 주입 전류가 낮을수록 길어지므로, 동일 휘도에서의 구동 수명을 향상시킬 수 있다.
여기서 「동일한 발광색을 갖는다」란, 각 발광 유닛의 에너지가 시인측에서 봤을 때 우위에 서게 겹치는 것을 나타낸다. 예를 들어, 피크 파장이, 다른 발광 유닛의 스펙트럼 피크로부터 그 발광 유닛의 반값 전체 폭 이내에 수용되면 된다. 또한, 어느 발광 유닛의 발광 무게 중심 파장에 있어서, 다른 발광 유닛의 스펙트럼의 겹침이 50％ 이상, 바람직하게는 80％ 이상 있으면 된다. 이와 같이 함으로써 거의 동일한 색으로 모든 발광 유닛이 발광하게 된다.
또한, 이와 같이 함으로써 국제 조명 위원회(CIE)가 정하는 Yxy 색 공간에서 봤을 때, 발광 유닛마다의 색 편차를 작게 할 수 있다. 발광 유닛마다의 색 편차는 Yxy 색 공간에서 봤을 때, 0.1 미만인 것이 바람직하다. 또한, 인간의 감각에 가까운 지표로서 CIE가 정하는 CIE 1976 UCS 색도도 상의 u' v' 좌표에서의 거리가 0.1 미만인 것이 바람직하다.
상기와 같은 각 발광 유닛이 동일 색이라고 하는 특성은, 예를 들어 자동차의 테일램프나 신호 등에서 중요한 특성이다. 또한, 특히 자동차에의 응용에 있어서는 법령에서 정한 색도의 범위에 모든 발광 유닛을 단체로 빛나게 한 경우의 색이 수용됨으로써 「동일한 발광색」이 실현된다. 이 경우, 발광색은 백색이 아니라 단색성이 높은 것이 바람직하다. 특히 1978년에 알비 레이 스미스(Alvy Ray Smith)에 의해 고안된 HSV 색 공간에서 봤을 때에는 채도가 50％ 이상인 것이 바람직하고, 국제 조명 위원회(CIE)가 정하는 Yxy 색 공간에서 봤을 때는 백색 6500K의 백색점으로부터의 xy 거리가 0.1 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이, 백색점으로부터 충분히 이격됨으로써, 시각했을 때 색의 정보를 시인자에게 전달할 수 있다.
도 4를 참조하여, 상세한 설계의 설명을 계속해서 행한다. 여기서는, 모든 발광 유닛이 적색 단색으로 발광하는 전계 발광 소자를 실현하는 예로 설명한다. 즉, θD=30도로 하여 「모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 한 경우, D(θ)≥D(0)cosθ(0<θ≤θD≤60도)를 만족하는」 면 발광 패널을 설계한다.
발광 강도의 각도 의존성은 광학 다층막의 해석 방법을 사용하여 설계된다. 계산 방법으로서는 공지된 문헌(가지카와 고타로우 외 저서, "액티브ㆍ플라즈모닉스", 코로나사, 초판 제1쇄, 2013년)의 제5장 1절에서 설명되어 있는 방법을 사용하였다. 또한, 그 이외에도 공지된 전자장 해석 방법인 FDTD(Finite Difference Time Domain)법이나, 유한 요소법 등을 사용할 수도 있다.
또한, 계산에 있어서 소자의 발광 스펙트럼을 계산하기 위해, 기준 소자의 전류 주입시의 일렉트로 루미네센스 스펙트럼(EL 스펙트럼)을 사용하여 발광층의 내부 발광 스펙트럼을 역산하고, 전류 주입시의 발광 스펙트럼을 정확하게 어림잡는 것을 행하였다. 이와 같이 하여 기준 소자의 일렉트로 루미네센스 스펙트럼과 기준 소자의 광 취출 효율로부터 역산된, 각 발광 유닛의 발광 스펙트럼은 파장 625nm에서 피크 파장을 갖고, 스펙트럼 반값 전체 폭이 70nm인 광 스펙트럼을 갖고 있었다.
이와 같이, 기준 소자의 전류 주입 스펙트럼을 사용하는 내부 스펙트럼을 추정하는 방법은, 재료의 포토 루미네센스 스펙트럼을 사용하여 내부 발광 스펙트럼을 추정하는 방법과 비교하면 전류 주입시의 내부 스펙트럼을 보다 정확하게 추정할 수 있는 이점이 있다. 이하에서는, 스펙트럼 피크 파장 625nm에 주목하여 본 실시 형태를 실시하는 데 바람직한 설계에 대하여 설명한다.
도 5에, 도 4에 도시하는 면 발광 패널을 광학적으로 등가의 모델로 치환한 모식 단면도를 도시한다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 광학적으로는 「투명 기판(101)/투명 전극(111c)/발광 기능층(110F)/반사 전극(111a)」의 4층의 적층 구조로 하고, 각 발광 유닛의 발광점은 유기 재료층의 어느 하나의 지점에 존재한다고 간략화된다. 발광 기능층(110F)의 굴절률은 발광 기능층(110F)에 포함되는 다층막 전체의 등가 굴절률로서 nEML이라고 하는 기호로 표시하기로 한다. 등가 굴절률 nEML은 발광 기능층(110F)에 포함되는 재료의 복소 비유전율을 각 층의 막 두께로 가중치 부여하여 평균한 값을 εc라고 했을 때, 하기 식 (7)로 표시된다.
Figure pat00008
본 실시 형태에 있어서는 「각각의 발광 유닛 단체로 발광했을 때의 발광 강도의 각도 의존성의 강도 최대 각도가 각각 상이하도록 구성」되는 것이 필요하다. 여기서, 도 5에 도시되는 구성에 대하여, 발광 기능층(110F)의 막 두께 L과 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d를 변화시킨 경우에 어떠한 각도에 강도의 극대가 나타나는지를 조사한 결과를 도 6에 도시한다. 도 6 중의 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60은, 공기 중에서의 발광 강도 피크 각도[deg]를 나타내고, 횡축은 발광 기능층(110F)의 막 두께 L을 나타내고, 종축은 반사 전극(111a)부터 발광점까지의 거리 d를 나타낸다. 여기서, 발광점은 광자 발생층 중에서 도펀트 농도가 가장 높은 위치이며, 편의상은 광자 발생층의 중심으로 해도 된다.
또한, 계산에 있어서 반사 전극(111a)의 후막의 금속 Ag의 막 두께는 100nm로 하고, 발광 기능층(110F)의 등가 굴절률 nEML은 1.74로 하고, 투명 전극(111c)을 구성하는 박막 금속(Ag)(111c1)의 막 두께는 10nm, 및 하지층(111c2)의 굴절률은 1.84로 하고, 막 두께는 10nm로 하고, 투명 기판(101)을 구성하는 수지 필름의 굴절률은 1.50으로 하고, 막 두께는 250㎛로 하였다.
금속 Ag의 굴절률은 복소수 표기로 1.23+6.06i로 하고 있다. 도 6에 있어서 반사 전극으로부터의 거리 d는 발광 기능층의 막 두께 L보다 작기 때문에 도면의 좌측 상반부에는 등고선은 존재하지 않는다. 도 6에 도시한 바와 같이, 발광 강도 피크 각도는 발광 기능층(110F)의 막 두께 L과 반사 전극으로부터의 거리 d에 의존한다.
도 7 및 도 8에, 광의 간섭이 서로 강화되기 위한 조건을 나타내기 위한 모식도를 도시한다. 도 7은, 반사 전극(111a)으로부터 발광점으로 돌아오는 광과 발광점의 광의 간섭이 서로 강화되는 조건(조건 (a))을 도시하는 단면 모식도이고, 도 8은, 반사 전극(111a)과 투명 전극(111c)에서 반사되어 발광점으로 돌아오는 광과 발광점의 광의 간섭이 서로 강화되는 조건(조건 (b))을 도시하는 단면 모식도이다.
도 7을 참조하여, 이 경우에 위상이 서로 강화되는 조건(조건 (a))은, 하기 식 (8)로 표시된다.
Figure pat00009
도 8을 참조하여, 이 경우에 위상이 서로 강화되는 조건(조건 (b))은, 하기 식 (9)로 표시된다.
Figure pat00010
또한, λ는 진공 중의 파장, θEML은 발광 기능층(110F) 내부의 광의 각도, θ는 공기에서의 광의 각도를 나타내고, 각각 스넬의 법칙에 사용하여 관계지어진다. 또한, 발광 기능층(110F)과 반사 전극(111a) 계면의 반사에 의한 위상 변화 φm과, 발광 기능층(110F)에서 투명 전극(111c)과 투명 기판(101)을 본 경우의 발광 기능층(110F)과 투명 전극(111c) 계면의 반사에 의한 위상 변화 φe는 각도에 따라 변화하는 θEML의 함수로 되어 있다.
공기의 각도가 25도이고, 도 5에 도시하는 구성의 경우, nEML=1.74이고, θEML=14도로 된다. 식 (8)로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 7의 반사 전극(111a)으로부터 발광점으로 돌아오는 광과 발광점의 광의 간섭이 서로 강화되는 조건은, 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d에만 의존한다. 마찬가지로 식 (9)로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 8의 반사 전극(111a)과 투명 전극(111c)에서 반사되어 발광점으로 돌아오는 광의 간섭이 서로 강화되는 조건은 발광 기능층(110F)의 막 두께 L에만 의존한다.
도 5에 도시하는 구성에 있어서 프레넬 반사 이론에 따라 전체의 위상 변화가 서로 강화되는 간섭으로 되는 조건을 조사한 결과를, 도 9 내지 도 12에 도시한다. 도 9는 공기의 각도 0도에서, 도 7에 도시하는 조건 (a)의 경우를 도시하고, 도 10은 공기의 각도 0도에서, 도 8에 도시하는 조건 (b)의 경우를 도시하고, 도 11은 공기의 각도 25도에서, 도 7에 도시하는 조건 (a)의 경우를 도시하고, 도 12는 공기의 각도 25도에서, 도 8에 도시하는 조건 (b)의 경우를 도시한다.
도 9 내지 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 공기에 있어서 정면(0도)이 강해지는 조건과, 기울기(25도)가 강해지는 조건이 상이하다. 본 실시 형태는 이 점을 고려하여 정면과 기울기의 양쪽에서 강도를 확보하기 위해 바람직한 구성을 개시하는 것이다.
이어서, 도 6과, 도 9 내지 도 12의 정합성을 확인한다. 도 13에, 도 9 및 도 10의 조건과 도 6을 겹쳐 그린 도면을 도시한다. 도 13은, 도 6에서 공기에서의 광 강도 피크 각도가 0도로 되는 영역을 흑색으로 빈틈없이 칠하고 있다. 또한, 도 9의 조건(조건 (a))은 가로의 점선, 도 10의 조건(조건 (b))은 세로의 점선으로 나타내고 있다. 도 9의 조건과 도 10의 조건이 거의 대응하고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 10의 조건에서 막 두께가 얇은 측에서 여유가 보인다. 따라서, 도 10의 조건을 엄밀하게 만족하지 않아도 0도 방향으로 광을 향하게 할 수 있고, 0도 방향은 설계로서 여유가 있다.
마찬가지로, 도 14에, 도 11 및 도 12의 조건과 도 6을 겹쳐 그린 도면을 도시한다. 도 14는, 도 6에서 공기에서의 광 강도 피크 각도가 25±5도로 되는 영역을 흑색으로 빈틈없이 칠하고 있다. 또한, 도 11의 조건(조건 (a))은 가로의 점선, 도 12의 조건(조건 (b))은 세로의 점선으로 나타내고 있다. 도 11의 조건과 도 12의 조건이 거의 대응하고 있음을 알 수 있다. 도 13과 비교하면 도 14는 조건 (b)에 대한 여유가 적다.
또한, 도 6, 도 13, 도 14를 잘 보면, 반사 전극(111a)부터 발광점까지의 거리 d가 먼 경우에는, 발광 기능층(110F)의 막 두께 L이 일정해도, 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d가 변화한 경우의 광 강도의 피크 각도가 변화하기 쉽다는 것을 알 수 있다. 즉, 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d가 먼 곳에서는 d에 의해 공기에서의 발광 강도의 피크 각도가 변화하기 쉽다. 마찬가지로, 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d가 가까운 곳에서는, 발광 기능층(110F)의 막 두께 L로 공기의 피크 각도가 거의 결정되어, d에 의해 공기에서의 발광 강도의 피크 각도가 변화하기 어렵다. 본 실시 형태는 이 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d와 발광 기능층(110F)의 막 두께 L이, 공기에서의 발광 강도 각도 피크에 미치는 영향의 차이에 기초하여 이루어진 것이다.
[1.5.2 바람직한 설계 위치]
[1.5.2.1 정면 강도 우선의 설계]
다시 도 6을 참조하여 바람직한 제1 설계 위치에 대하여 설명한다. [1.5.1]에서 설명한 바와 같이 반사 전극(111a)부터 발광점까지의 거리 d가 가까운 설계 위치일수록 d의 변동에 대한 각도의 변화가 적다. 제1 발광 유닛의 반사 전극으로부터의 거리를 고려한 경우, 제3 발광 유닛보다 많은 층에 의존하여 반사 전극(111a)으로부터의 거리 d가 변동하게 된다. 따라서, 제1 발광 유닛, 제2 발광 유닛 및 제3 발광 유닛을 비교한 경우, 가장 막 두께 변동에 대하여 피크 각도가 변동되기 어려운 것은 제3 발광 유닛이다.
따라서, 정면 강도 우선의 설계를 고려한 경우, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, 하기 식 (10)을 만족하는 것이 바람직한 조건으로 된다.
Figure pat00011
이러한 설계로 함으로써, 정면의 강도 성분의 막 두께 변동에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 정면 강도 우선의 설계가 요구되는 것으로서는, 특히 0도 내지 20도의 강도를 확보하는 응용을 들 수 있다. 보다 구체적으로는 자동차의 헤드램프, 테일램프, 신호등 등을 들 수 있다.
도 6과 식 (8) 및 식 (9)를 참조하여, 식 (10)의 조건을 만족하는 구체적인 설계의 스텝에 대하여 설명한다. 설계 스텝을 도 15에 도시한다. 즉, 본 실시 형태의 조건을 만족하는 설계 스텝은 적어도 이하의 S10 내지 S70의 스텝을 갖는다.
발광 유닛수 nunit을 결정한다(S10). 이어서, 발광 기능층(110F)의 총 막 두께 L에 관한 차수 l을 「l=nunit-1」로서 결정한다(S20). 이어서, 각 발광 유닛의 피크 강도 각도 θ={θ1, θ2, θ3,…, θnunit}을 결정한다(S30).
이어서, 발광 기능층(110F)의 총 막 두께 L을 결정한다(S40). 이어서, 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛의 발광점의, 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정한다(S50). 이어서, 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit-1번째 발광 유닛의 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정한다(S60).
이어서, 발광 기능층(110F)의 총 막 두께 L과 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit번째 발광 유닛의 발광 강도 피크 각도와 모든 발광 유닛이 발광한 상태의 발광 강도 각도 분포를 계산하여, 발광 기능층의 총 막 두께 L과 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit번째 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 미세 조정한다(S70).
이하에서는 도 15를 참조하면서, 본 실시 형태의 조건을 만족하는 구성의 설계 스텝을 구체적으로 설명한다.
[S10: 발광 유닛수 nunit을 결정하는 스텝]
적어도 10도 간격으로, 바람직하게는 5도 간격으로 피크 각도가 상이한 발광 유닛을 준비하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 0도 내지 30도의 발광 강도를 확보한 경우, 이때 30/10=3으로 되고, nunit≥3 발광 유닛이면 된다. 예를 들어 nunit=3으로 한다.
[S20: 발광 기능층(110F)의 총 막 두께 L에 관한 차수 l을 「l=nunit-1」로서 결정하는 스텝]
예를 들어, S10에서 nunit=3으로 했으므로, l=nunit-1=2로 한다.
[S30: 각 발광 유닛의 피크 강도 각도를 결정하는 스텝]
적어도 10도 간격, 보다 바람직하게는 5도 간격 이하로 피크 각도가 상이한 발광 유닛을 준비하는 것이 바람직하다. 또한, 일반적으로, 기울어진 피크 각도를 갖는 경우에 있어서도 정면의 각도 성분은 일정 정도 확보되기 때문에, 정면 방향으로 피크 각도를 갖는 발광 유닛을 생략하는 것도 가능하다.
일반적으로는, 발광 유닛의 수가 nunit이고, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3, …, θnunit이라고 했을 때, 하기 식 (11)을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
Figure pat00012
예를 들어, 정면 방향을 강하게 하면서 기울기 성분도 확보하는 설계로서, θ1=15도, θ2=10도, θ3=5도로 한다. 이것은 「발광 유닛의 수가 3이고, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, θ1>θ2>θ3이다」라는 조건을 만족한다. 또한, θ1=15도로 하고 있지만, 설정 각도±5도 정도는 강도를 확보할 수 있기 때문에, 본 설정은 20도까지 강도를 확보하는 설계에 상당한다.
[S40: 발광 기능층의 총 막 두께 L을 결정하는 스텝]
발광 기능층의 총 막 두께 L은 이하에 나타내는 바와 같이 결정된다. 식 (9)보다 특정한 각도 피크에서 서로 강화되는 조건은, 이하의 식 (12)로 제공된다.
Figure pat00013
또한, 도 6을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 어느 정도의 차수가 높지 않으면 각각의 발광 유닛에 다른 각도의 피크를 제공할 수 없다. 각각의 발광 유닛에 상이한 각도 피크를 제공하기 위해서는, L에 대한 차수가 nunit-1 이상일 필요가 있다. 또한, 차수가 지나치게 높아지면, 막 두께가 지나치게 두꺼워져 재료 비용의 증대를 수반한다. 따라서, L에 대한 차수는 nunit-1이 최적이다.
또한, 식 (12)는 엄밀한 위상 정합 조건인데, 위상이 2π의 정수배로부터 10％ 정도 어긋나도 대략 일치하고, 피크 각도는 목표에 가까운 상태로 된다. 따라서, 보다 실용상 바람직한 L의 범위에 대해서는, 하기 식 (13)을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure pat00014
앞서 설명한 바와 같이 가장 반사 전극에 가까운, 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛이 막 두께 변동에 대한 피크 각도의 변동이 적다. 이로부터 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛에 대하여, L의 차수를 설정하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 여기서는 3번째 발광 유닛에 대하여, θ3=5도로 하고 있기 때문에, 식 (13)에 있어서 l=3-1=2, nEML=1.74, 프레넬 반사율의 이론으로부터 θEML=2.9도, φm=-0.83π, φe=-0.63π로 하고 있으므로 바람직한 막 두께의 범위는 하기 식 (14)에 의해 구해진다. 또한, 여기서는 L=491nm로 하였다.
Figure pat00015
[S50: 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛의 발광점의, 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정하는 스텝]
전술한 바와 같이, 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛이 막 두께 변동에 대한 피크 각도의 변동이 적으며, 우선적으로 발광점 위치를 결정한다. 여기서 식 (8)을 참조하여, 특정한 각도 피크에서 서로 강화되는 발광점 위치 d에 관한 조건은, 하기 식 (15)로 고쳐 쓰여진다.
Figure pat00016
여기서 도 6, 도 13 및 도 14를 참조하여, 차수가 높은 것일수록 반사 전극부터 발광점까지의 거리가 멀어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛이 m이 가장 작은 것을 채용하고, 발광의 시인측에 근접함에 따라 m이 큰 것을 채용하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는 nunit번째 발광 유닛이 「m=0」, id_unit번째 발광 유닛이 「m=nunit-id_unit」를 채용하는 것이 바람직하다.
또한, 식 (15)는 엄밀한 위상 정합 조건인데, 위상이 2π의 정수배로부터 10％ 정도 어긋나도 대략 일치하고, 피크 각도는 목표에 가까운 상태로 된다. 따라서, 보다 실용상 바람직한 L의 범위에 대해서는, 하기 식 (16)으로 제공된다.
Figure pat00017
예를 들어, 여기서는 nunit=3으로 한 경우, 발광의 시인측으로부터 세어 3번째 발광 유닛에 대하여 식 (15)의 m=0의 발광점 위치를 채용하고, 식 (16)보다 바람직한 발광점의 위치 d는, 식 (17)로 제공된다. 여기서는 발광의 시인측으로부터 세어 3번째 발광 유닛에 대하여 d3=56nm로 하였다.
Figure pat00018
[S60: 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit-1번째 발광 유닛의 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정하는 스텝]
발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit-1번째 발광 유닛에 관한 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 식 (15)와 식 (16)을 사용하여 결정한다. 전술한 바와 같이, 발광점의 시인측에 근접함에 따라 m이 큰 것을 채용하는 것이 바람직하다. 즉, 광의 시인측으로부터 세어 id_unit번째 발광 유닛에 대하여, 하기 식 (18)을 만족하면 된다.
Figure pat00019
또한, 식 (15)와 식 (16)에 있어서는 S30에서 결정한 θ를 채용하기로 하고, 식 (15)와 식 (16)에 의해 광의 시인측으로부터 세어 id_unit번째 발광 유닛의 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정한다.
예를 들어, nunit=3인 경우의 발광 유닛 1과 발광 유닛 2의 반사 전극으로부터 발광점까지의 거리 d에 대하여 설명한다.
(1) 발광 유닛 1
m=3-1=2로 한다. S30에서 정한 바와 같이 θ=θ1=15도로 한다. 식 (16)에 의해 420nm≤d1≤456nm로 된다. 여기서는 d1=456nm로 한다.
(2) 발광 유닛 2
m=3-2=1로 한다. S30에서 정한 바와 같이 θ=θ2=10도로 한다. 식 (16)에 의해 237nm≤d1≤273nm로 된다. 여기서는 d1=270nm로 한다.
[S70: 발광 기능층의 총 막 두께 L과 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit번째 발광 유닛의 발광 강도 피크 각도와 모든 발광 유닛이 발광한 상태의 발광 강도 각도 분포를 계산하여, 발광 기능층의 총 막 두께 L과 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit번째 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 미세 조정하는 스텝]
S10 내지 S70에 의해, 일단, 발광 기능층의 총 막 두께가 결정되고, 각 발광 유닛의 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d가 결정되지만, 최종적인 모든 발광 유닛이 발광한 상태의 발광 강도 각도 분포에 의해, 각각의 파라미터를 미세 조정하면 된다.
그 때는, L과 d는 식 (13)과 식 (15)로 표시되는 값의 범위 내에서 조정하면 된다. 또한, 조정의 지표로서는 「모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 할 경우, D(θ)≥D(0)cosθ(0<θ≤θD≤60도)를 만족한다」는 조건을 만족하는지 여부의 판정 함수를 사용하면 된다. 보다 구체적으로는 판정 함수 I를 하기 식 (19)로 하고, I의 값이 최대로 되도록 설계하면 된다.
Figure pat00020
또한, 식 (19)에서는 f(x)로서는 스텝 함수를 사용했지만, 수렴하기 쉽게 하기 위해서는 미분 가능한 매끄러운 스텝 함수를 사용하면 된다. 최적화 알고리즘에는, 원하는 특성에 관한 최급강하법, 공액구배법, 선형계획법 및 유전적 알고리즘 등을 조합하는 것이 바람직하다. 또한, 최적화에 있어서는 강인성(robustness)을 고려한 최적화를 행하는 것이 바람직하다. 구체적인 강인성의 계산 방법으로서는, 어느 수준의 부근의 설계 변수에 관하여 복수 계산을 행하고, 원하는 특성의 변동의 크기로 평가하여, 변동이 작은 수준을 선택하는 방법이 바람직하다.
이상, S10 내지 S70을 실시한 결과의 설계예를 도 16에 도시한다. 또한, 이때의 각 발광 유닛을 1 발광 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를, 도 17에 도시한다. 피크 각도의 설계값과, 계산에서 구한 피크 각도가 1도 내지 2도 어긋나 있는데, 이것은 발광 기능층의 막 두께 L과 발광점 위치 d에 관한 간섭 조건이 어긋나 있고, 피크 각도의 위치에는 엄밀하게는 약간의 어긋남이 있는 것에 기인하는 것이다. 이들 어긋남은 S70에서 각 발광 유닛의 피크 각도 어긋남을 오차 함수에 도입함으로써 해소될 수 있다.
도 16에 도시하는 설계에 있어서, 모든 발광 유닛을 동시에 발광시킨 경우의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산 결과를 도 18에 도시한다. 도면 중에, 비교를 위한 것으로서 cosθ를 포함하는 배광을 도시한다. 본 실시 형태는 θD=20도로 하여 「동일 색을 발광하는 2 이상의 발광 유닛을 수직으로 겹친 전계 발광 소자에 있어서, 각각의 발광 유닛 단체로 발광했을 때의 발광 강도의 각도 의존성의 강도 최대 각도가 각각 상이하도록 구성되어 있고, 또한 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 한 경우에 D(θ)≥D(0)cosθ(0<θ≤θD≤60°)를 만족한다」는 조건을 충족한다.
[1.5.2.2 기울기 강도 우선의 설계]
기울기의 강도를 우선하여 설계하는 경우라도, 기본적으로는 [1.5.2.1 정면 강도 우선의 설계]의 도 15에 도시한 설계 방법을 사용한다. 스텝이 상이한 곳은 S30의 「각 발광 유닛의 피크 강도 각도를 결정하는 스텝」이다. 여기서는 「각 발광 유닛의 피크 강도 각도를 결정하는 스텝」에 대해서만 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이 가장 반사 전극에 가깝고, 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛이 막 두께 변동에 대한 피크 각도의 변동이 적다. 따라서, nunit번째 발광 유닛을 원하는 기울기 각도의 광을 내도록 설계하는 것이 바람직하다.
이때, 발광 유닛의 수가 nunit이고, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3, …, θnunit라고 했을 때, 하기 식 (20)을 만족하고 있는 것이 바람직하다.
Figure pat00021
이와 같이 함으로써, 가장 내고 싶은 각도의 광을 내는 발광 유닛의 막 두께 변동에 대한 강인성을 향상시킬 수 있다. 이러한 설계로 함으로써, 특정한 각도의 강도 성분의 막 두께 변동에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 기울기의 각도에 대한 강도가 요구되는 것으로서는, 특히 10도 내지 40도의 강도를 확보하는 응용을 들 수 있다. 보다 구체적으로는 자동차의 차폭등, 측방등, 번호등, 미등, 주차등, 제동등, 보조 제동등, 후퇴등, 방향 지시기, 보조 방향 지시기, 비상 점멸 표시등, 긴급 제동 표시등, 및 후방면 충돌 경고 표시등 등의 넓은 각도로 외부에 정보를 전달하는 것을 목적으로 하는 조명 장치 등을 들 수 있다.
예를 들어 3 발광 유닛의 설계인 경우 「발광 유닛의 수가 3이고, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, 하기 식 (21)인 것이 바람직하다.
Figure pat00022
이하에서는 도 5에 도시한 3 발광 유닛의 경우에 있어서 보다 구체적인 설계에 대하여 설명한다.
[S10: 발광 유닛수 nunit을 결정하는 스텝]
여기서는 nunit=3으로 한다.
[S20: 발광 기능층의 총 막 두께 L에 관한 차수 l을 「l=nunit-1」로서 결정하는 스텝]
l=nunit-1=2로 한다.
[S30: 각 발광 유닛의 피크 강도 각도를 결정하는 스텝]
5도 간격 이하로 피크 각도를 설정하는 예로서, θ1=15도, θ2=20도, θ3=25도로 한다. 이와 같이 함으로써 약간 광각측에 강도의 무게 중심을 둔 설계가 가능하게 된다. 또한, 「θ1<θ2<θ3」이라고 하는 조건을 만족한다.
[S40: 발광 기능층의 총 막 두께 L을 결정하는 스텝]
식 (13)에 있어서 θ=θ3=25도로 해 둔다. 또한, l=3-1=2, nEML=1.74, 프레넬 반사율의 이론으로부터 θEML=14.1도, φm=-0.83π, φe=-0.64π로서 계산하면, 하기 식 (22)로 된다. 여기서는 L=498nm로 하였다.
Figure pat00023
[S50: 발광의 시인측으로부터 세어 nunit번째 발광 유닛의 발광점의, 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정하는 스텝]
여기서는 nunit=3으로 한 경우, 발광의 시인측으로부터 세어 3번째 발광 유닛에 대하여, 식 (15)에 있어서, m=0의 발광점 위치를 채용하고, θ=θ3=25도로 하며, 식 (16)보다 바람직한 발광점의 위치 d는, 하기 식 (23)으로 된다. 여기서는 발광의 시인측으로부터 세어 3번째 발광 유닛에 대하여 d3=96nm로 하였다.
Figure pat00024
[S60: 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit-1번째 발광 유닛의 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 결정하는 스텝]
발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit-1번째 발광 유닛에 관한 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 식 (15)와 식 (17)을 사용하여 결정한다. 전술한 바와 같이, 발광점의 시인측에 근접함에 따라 m이 큰 것을 채용하는 것이 바람직하다. 즉, 광의 시인측으로부터 세어 id_unit번째 발광 유닛에 대해서는, 하기 식 (24)를 만족하면 된다.
Figure pat00025
(1) 발광 유닛 1
m=3-1=2로 한다. S30에서 정한 바와 같이 θ=θ1=15도로 한다. 식 (16)에 의해 420nm≤d1≤457nm로 된다. 여기서는 d1=420nm로 한다.
(2) 발광 유닛 2
m=3-2=1로 한다. S30에서 정한 바와 같이 θ=θ2=20도로 한다. 식 (16)에 의해 241nm≤d1≤278nm로 된다. 여기서는 d1=241nm로 한다.
[S70: 발광 기능층의 총 막 두께 L과 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit번째 발광 유닛의 발광 강도 피크 각도와 모든 발광 유닛이 발광한 상태의 발광 강도 각도 분포를 계산하여, 발광 기능층의 총 막 두께 L과 발광의 시인측으로부터 세어 1 내지 nunit번째 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d를 미세 조정하는 스텝]
S10 내지 S70에 의해, 일단, 발광 기능층의 총 막 두께가 결정되고, 각 발광 유닛의 발광점의 반사 전극으로부터의 거리 d가 결정되지만, 최종적인 모든 발광 유닛이 발광한 상태의 발광 강도 각도 분포에 의해, 각각의 파라미터를 미세 조정하면 된다.
이상, S10 내지 S70을 실시한 결과의 설계예를 도 19에 도시한다. 또한, 이때의 각 발광 유닛을 1 유닛씩 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산예를, 도 20에 도시한다. 피크 각도의 설계값과, 계산에서 구한 피크 각도가 1도 내지 3도 어긋나 있는데, 이것은 발광 기능층의 막 두께 L과 발광점 위치 d에 관한 간섭 조건이 어긋나 있고, 피크 각도의 위치에는 엄밀하게는 약간의 어긋남이 있는 것에 기인하는 것이다. 이들 어긋남은 S70에서 각 발광 유닛의 피크 각도 어긋남을 오차 함수에 도입함으로써 해소될 수 있다.
또한, 모든 발광 유닛을 동시에 발광시킨 경우의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)의 계산예를 도 21에 도시한다. 도 21 중에, 비교를 위한 것으로서 cosθ를 포함하는 배광을 도시한다. 본 실시 형태는, θD=30도로 하여 「동일 색을 발광하는 2 이상의 발광 유닛을 수직으로 겹친 전계 발광 소자에 있어서, 각각의 발광 유닛 단체로 발광했을 때의 발광 강도의 각도 의존성의 강도 최대 각도가 각각 상이하도록 구성되어 있고, 또한 모든 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ), 특정한 각도를 θD라고 한 경우에 D(θ)≥D(0)cosθ(0<θ≤θD≤60도)를 만족한다」는 조건을 만족하고, 또한 「발광 유닛의 수가 3이고, 발광의 시인측으로부터 각 발광 유닛을 단체로 발광시킨 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2, θ3이라고 했을 때, θ1<θ2<θ3이다」는 조건을 만족한다. 또한, 특히 이러한 조건으로 한 경우, 일정한 정면 강도를 유지하면서, θD에 가까운 큰 각도의 성분을 안정적으로 확보할 수 있는 효과가 있다.
[1.5.2 설계예]
이하에서는 [1.5.1]에서 설명한 설계예를 포함하여 바람직한 설계의 예를 나타낸다. 도 22는, 도 16에 도시한 설계예와 동일하다. 도 23은, 도 19에 도시한 설계예와 동일하다. 도 24는 발광 유닛수가 4인 설계예이다. 이와 같이, 발광 유닛수를 4 이상으로 함으로써 보다 세세하게 여러가지 각도 성분을 포함하는 것이 가능하게 된다. 또한, 발광 유닛수가 4인 경우, 「θ1<θ2<θ3<θ4」라고 하는 조건은 반사 전극에 가장 가까운 θ4의 성분을 안정적으로 확보하는 것이 목적이므로, 「θ1<θ3<θ2<θ4」라는 조건으로도 본 실시 형태의 요건을 만족한다.
또한, 마찬가지로 정면 방향의 강도를 안정적으로 확보하기 위한 「θ1>θ2>θ3>θ4」라고 하는 조건은, 「θ1>θ3>θ2>θ4」라고 하는 조건으로 치환해도 마찬가지로 성립한다. 즉, 제1 발광 유닛으로부터 제nunit에 대하여 각 발광 유닛을 단체로 발광시켰을 때의 피크 각도를 θ[1] 내지 θ[nunit-1]로 하고, 하기 식 (25) 또는 식 (26)으로 하는 것이 본 실시 형태의 각 발광 유닛 발광 강도 피크 각도의 보다 일반화된 조건이다.
Figure pat00026
Figure pat00027
식 (25)의 조건을 만족하는 경우, 가장 깊은 각도의 광을 발생하는 발광 유닛을 막 두께 변동에 대하여 피크 각도의 변동이 적은 위치로 할 수 있는 효과가 있고, 넓은 각도로 발광량을 필요로 하는 응용에 적합하다. 또한, 식 (26)의 조건을 만족하는 경우, 가장 정면에 가까운 각도의 광을 발생하는 발광 유닛을 막 두께 변동에 대하여 피크 각도의 변동이 적은 위치로 할 수 있는 효과가 있고, 정면에 가까운 각도의 발광량을 필요로 하는 응용에 적합하다.
또한, 식 (25)와 식 (26)의 조건은, 각각 하기 식 (27) 및 식 (28)이라고 하는 조건을 만족하면, 보다 넓은 각도로 광 강도를 유지하는 구성을 실현할 수 있다.
Figure pat00028
Figure pat00029
경사로 간섭이 서로 강화되는 구성에 있어서도 정면 강도가 일정량 유지되는 효과를 이용하는 것이다. 식 (25)와 식 (26)의 조건과 비교하여, 식 (27)과 식 (28)은 적은 발광 유닛수로 넓은 각도로 광 강도를 유지하는 구성을 실현할 수 있다.
또한, 각 발광 유닛은 발광 유닛순으로 피크 각도의 대소가 규정되어 있으면 된다. 즉, 이하의 식 (29) 또는 식 (30)인 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 인접한 발광 유닛과 간섭이 어긋나는 양을 억제할 수 있다.
Figure pat00030
Figure pat00031
[실시 형태 2]
[2.1 발광 강도 각도 의존성의 제1 극대가 최대 강도가 아닌 예]
상기 실시 형태에 있어서는 발광 강도 각도 의존성의 제1 극대가 최대 강도로 되는 예를 사용하여 설명하였지만, 본 실시 형태는 그것에 한정되지 않는다. 이하에서는 도 5를 참조하여, 3 발광 유닛의 경우에 있어서, 발광 강도 각도 의존성의 제1 극대 이외의 극대가 최대 강도로 되는 예에 대하여 설명한다. 발광 강도 각도 의존성의 제1 극대 이외의 극대가 최대 강도로 되는 경우에는, 본 실시 형태에 있어서는 최대 강도로 되는 각도를 그 발광 유닛의 발광 강도 각도 의존성의 피크 각도로서 설계하는 것이 바람직하다.
도 5의 모델에서의 설계예를 도 25에 도시한다. 도 25에 도시하는 설계에 있어서는 발광 유닛 3에 있어서 제2 극대가 최대로 되도록 구성되어 있다. 도 26과 도 27에, 1 발광 유닛씩 발광시킨 경우의 각 발광 유닛의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)와, 3 발광 유닛 모두를 발광한 경우의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)를 도시한다. 이와 같이, 제2 극대 이상의 고차의 극대를 이용함으로써 보다 깊은 각도의 성분의 광을 증가시킬 수 있다.
[2.2 2 발광 유닛의 설계예]
본 실시 형태는 2 발광 유닛의 소자에 있어서도 실현된다. 도 28에 도 5와 마찬가지로 2 발광 유닛 소자의 광학적으로 등가인 모델을 도시한다. 3 발광 유닛의 설계와 마찬가지로 본 실시 형태를 실현하는 설계를 행한 결과를 도 29에 도시한다. 또한, 도 30 및 도 31에, 1 발광 유닛씩 발광시킨 경우의 각 발광 유닛의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)와, 모든 발광 유닛을 동시에 발광한 경우의 발광 강도의 각도 의존성 D(θ)를 도시한다.
이와 같이 θ1<θ2의 구성이 실현된다. 또한, 특정한 각도 θD=30도로 하여, 본 실시 형태의 요건 「D(θ)≥D(0)cosθ(0≤θ≤θD≤60도」가 실현된다. 이와 같이, 발광의 시인측의 발광 유닛의 피크 각도를 정면측에 구성함으로써, 정면 방향의 강도를 막 두께 변동에 대하여 안정적으로 설계할 수 있음과 동시에, 일정한 각도의 범위에서 광 강도를 확보할 수 있다.
또한, 마찬가지로 2 발광 유닛에 있어서, 본 실시 형태를 실현하는 다른 설계를 행한 결과를 도 32에 도시한다. 또한, 도 33 및 도 34에, 1 발광 유닛씩 발광시킨 경우의 각 발광 유닛의 D(θ)와, 발광 유닛 모두를 동시에 발광한 경우의 D(θ)를 도시한다. 이와 같이 θ1>θ2의 구성이 실현된다.
또한, 특정한 각도 θD=30도로 하여, 본 실시 형태의 요건 「D(θ)≥D(0)cosθ(0≤θ≤θD≤60도)」가 실현된다. 이와 같이, 발광의 시인측의 발광 유닛의 피크 각도를 큰 각도측에 구성함으로써, 큰 각도 방향의 강도를 막 두께 변동에 대하여 안정적으로 설계할 수 있음과 동시에, 일정한 각도의 범위에서 광 강도를 확보할 수 있다.
또한, 도 31의 소자는 특정한 각도 θD=31도로 하여, 하기 식 (31)을 만족하는 구성의 예이기도 하다.
Figure pat00032
마찬가지로 도 34의 소자는 특정한 각도 θD=33도로 하여, 하기 식 (32)를 만족하는 구성의 예이기도 하다.
Figure pat00033
이러한 구성을 취함으로써 특정한 각도 범위에서 시인성이 좋고, 특정한 범위를 벗어난 영역에서 보이지 않게 되는 발광면을 실현할 수 있다. 이러한 특성은, 신호 등 특정한 각도 범위에서 밝기 정보를 전달하는 것을 목적으로 한 조명을 실현하는 데 있어서 유리하다.
[실시 형태 3]
이제까지, 보텀 에미션형 전계 발광 소자의 실시 형태를 사용하여 설명하였지만, 본 실시 형태는 도 35에 도시하는 바와 같은 톱 에미션형 전계 발광 소자에 응용될 수 있다. 이 경우에는, 시인측은 반사 전극(111a)과 반대측의 밀봉 부재(120)측에 상당한다. 또한, 도 35에 있어서는 발광의 시인측으로부터 순서대로 발광 유닛 1, 발광 유닛 2, 발광 유닛 3으로 번호를 붙임으로써 이제까지 설명한 상기 각 실시 형태의 설계의 사고 방식을 사용할 수 있다.
[실시 형태 4]
또한, 상기 각 실시 형태의 사고 방식은, 편측 발광하는 전계 발광 소자 이외에도, 비발광시에 투명한 발광 소자에도 응용될 수 있다. 이 경우, 발광의 시인측이라고 하는 사고 방식은, 발광 강도의 면 방향 의존성에 따라 이루어지면 된다. 즉, 양면의 발광 강도의 적분값을 비교한 경우, 많은 광 강도가 출사되는 방향을 「주요 시인측」으로 하여 이제까지 설명한 상기 각 실시 형태의 사고 방식이 적용된다. 도 36에 투명 발광형 전계 발광 소자의 모식 단면도를 도시한다. 이와 같이, 많은 광이 출사되는 방향이 「주요 시인측」으로서 설계되면 된다. 투명 발광 소자를 이용함으로써 소등시에 맞은편측이 들여다 보이기 때문에, 시계를 가로막지 않는 신호 등이 발광하고 있는 상태를 외부로 전달하기 위한 발광 소자가 실현된다.
또한, 이러한 응용시에는, 「주요 시인측」과 「주요 시인측과 반대면」의 비율을 고려한 경우, 「주요 시인측의 발광 강도 각도 의존성 최댓값」이, 「주요 시인측과 반대면의 발광 강도 각도 의존성 최댓값」의 2배 이상, 바람직하게는 5배 이상, 더욱 바람직하게는 10배 이상이면 된다. 이와 같이 구성함으로써, 「시인측과 반대면」에 잘못된 정보를 전달하기 어려워진다고 하는 이점이 있다.
보다 구체적으로 말하면, 시인측의 면에 있고 투명 전극과 접하는 투명 부재(수지 필름, 밀봉 부재 등, 발광하는 광의 파장보다 두꺼운 재료)의 굴절률이, 시인측과 반대면에 있고 투명 전극과 접하는 투명 부재(수지 필름, 밀봉 부재 등, 발광하는 광의 파장보다 두꺼운 재료)의 굴절률보다 높은 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 시인측의 광의 상태 밀도를 높게 하여, 보다 많은 광을 시인측으로 가져오는 것이 가능하게 된다. 또한, 시인측과 반대면측에 있는 투명 전극의 복소 비유전율의 실부를 부로 하고, 시인측의 면측에 있는 투명 전극의 복소 비유전율의 실부를 정으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 시인측과 반대면측에 있는 투명 전극의 발광층에서 본 반사율을, 시인측의 면측에 있는 투명 전극의 발광층에서 본 반사율보다 높게 할 수 있고, 보다 많은 광을 시인측으로 가져오는 것이 가능하게 된다. 또한, 발광을 치우치게 하는 방법은 이 방법에 한정되지 않고, 예를 들어 하프 미러나 편광 미러 등의 광학 부재를 사용하여 발광을 편측에 치우치게 하는 것이 가능하다.
[상기 각 실시 형태에서 사용되는 용어의 설명]
이하에서는 상기 각 실시 형태에서 사용되는 용어의 설명을 행한다.
[각 발광 유닛을 단체로 빛나게 한 경우의 광 강도의 피크 각도]
본문 중에서는 「발광 강도 피크 각도」, 혹은 단순히 「피크 각도」라고 표기하는 경우가 있다. 이하에서는 피크 각도의 정의에 대하여 설명한다. 도 37 및 도 38에 설명을 위한 도면을 도시한다. 도 37을 참조하여, 공기 중에 면 발광 패널(110)을 배치하고, 면 발광 패널(110)의 면 법선으로부터 각도 θ를 이루는 방향으로 디텍터(600)를 배치하여, 광 강도의 각도 의존성 D(θ)를 측정한다. 여기서, 면 발광 패널(110)은 하나의 발광 유닛만 발광하는 상태로 해 둔다.
또한, 도 37 및 도 38 중에 있어서, 디텍터(600)에 의해 휘도 또는 강도 측정을 행한다. 휘도 측정은, 광 전력의 파장 의존성에 시감도를 곱한 것으로서 CIE(국제 조명 위원회)의 정의에 의해 계산된다. 강도 측정에 있어서는 광 강도를 그대로 측정한다. 또한, 산란 부재에 발광한 광을 흡수하는 형광 입자를 섞음으로써, 보다 균일한 휘도를 실현하거나 색 보정을 실현할 수 있거나 하지만, 그 경우에는 형광 부재의 감도 파장에서 강도의 가중치 부여를 행하면 된다.
도 38을 참조하여, 「발광 영역(111)에서 발생한 광의 투명 부재(113) 내에서의 광 강도의 발광부면 법선에 대한 각도 의존성」은, 면 발광 패널의 발광 영역(111)에서 발생한 광이, 투명 부재(113)의 내부에서 어떠한 각도로 분포하는지를 측정한 양이다.
실험적으로는 발광 영역(111)의 면적보다 충분히(예를 들어 10배) 크고, 투명 부재(113)와 동일한 굴절률을 갖는 반구 렌즈(700)를 준비하고, 투명 부재(113)와 반구 렌즈(700)의 사이에 굴절률이 매칭되는 매칭 오일을 충전하여, 발광면 법선에 대한 광 강도의 각도 의존성을 측정한다. 또한, 전술한 바와 같이 형광 부재를 산란 부재에 혼재시켜도 되지만, 그 경우, 광 강도는, 형광의 감도 파장으로 가중치 부여가 이루어져 있으면 된다.
예를 들어, 도 4에 도시하는 면 발광 패널에서 발광 유닛 1만 측정하는 경우에는, 발광 유닛 1의 발광층만 발광하도록 한다. 보다 구체적으로는, 광학 시뮬레이터로 도 37 및 도 38에 도시하는 모델을 사용하고, 발광 유닛 1만 발광하는 상태에서의 광 강도의 각도 의존성 D(θ)를 계산하면 된다. 또한, 광학적으로 등가인 소자를 작성하여 공기 중에서 측정하면 된다.
이와 같이 하여 측정된 D(θ)를 그래프에 그리고, 극대값으로 되는 각도를 구한다. 설계에 따라서는 피크 각도가 2개 이상 나타나는 경우가 있지만, 상기 각 실시 형태에 있어서는 가장 강도가 강한 극대 피크, 혹은 가장 정면에 가까운 극대 피크를 이용하기로 한다.
또한, 광 강도에 대해서는, 전체 파장의 적분 강도, 또는 시감도로 가중치 부여가 된 휘도 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 특히, 인간의 시각에 맞춘 광 강도를 측정할 수 있으므로, 시감도로 가중치 부여가 된 휘도를 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 특정한 각도 θD에 대하여, 하기 식 (33)을 만족하는 것이 필요한지, 그 의미에 대하여 보충한다.
Figure pat00034
일반적으로 완전 확산광의 광 강도의 각도 의존성에 있어서는, 이하의 식 (34)가 성립한다.
Figure pat00035
여기서 D(0)는 정면 강도이다. 따라서, D(0)cosθ보다 강도가 강하다고 하는 것은 확산 반사하는 판보다 시인성이 좋음을 나타낸다. 이것은, 특정한 각도 범위에 있어서 시인성 좋게 정보를 전달하기 위한 조명(장식 조명용 다운라이트, 극장의 유색 스포트라이트, 신호용 유색 손전등, 신호기, 차의 유색 프론트 라이트나 백 라이트나 브레이크 램프 등)의 응용시에 중요한 특성이다. 또한, 이러한 응용의 경우, 특정한 각도 이상에 있어서는 그다지 빛나 보이지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 하기 식 (35)를 만족하는 것이 보다 바람직하다.
Figure pat00036
[설계에서 사용하는 파장]
설계에서 사용하는 파장은 광 강도의 정의에 따라 설정되면 된다. 예를 들어 피크 파장의 강도에 착안하는 경우에는 피크 파장으로 계산이 이루어지면 된다. 또한, 전체 파장의 적분 강도의 경우에는, 발광 스펙트럼의 무게 중심 파장에 있어서 설계가 이루어지면 된다. 또한, 시감도로 가중치 부여가 된 휘도를 사용하는 경우에는, 발광 스펙트럼 강도를 시감도로 가중치 부여한 후의 무게 중심 파장에서 설계가 이루어지면 된다. 이와 같이 함으로써, 최종적인 광 강도를 본 실시 형태의 요건을 만족하도록 설계할 수 있다.
설계예에서는 파장 625nm의 적색 소자를 사용하여 설명하였지만, 상기 각 실시 형태는 적색에 한정되지 않고, 예를 들어 청색, 녹색, 황색의 소자로 실현될 수 있다. 보다 상세하게는 파장 380nm 내지 780nm의 가시광에 발광 성분을 갖는 임의의 전계 발광 소자에 적용될 수 있다. 또한, 마찬가지의 설계 지침은 특정한 범위의 각도에서 발광 강도를 확보하기 위한 적외광원(리모콘용, 데이터 통신용), 자외광원(살균등, 포토리소그래피 노광 장치, 자외 여기 형광 현미경용 조명) 등의 가시광 이외의 소자에도 적용될 수 있다.
[발광 기능층과 반사 전극 계면의 반사에 의한 위상 변화 φm]
발광 기능층과 반사 전극의 프레넬 계수를 A라고 했을 때, A의 위상으로 표시되는 물리량이다. 프레넬 계수는 전송 행렬법, 유한 요소법, 엄밀파 결합법, 유한 시간 영역 차분법 등의 기존의 전자장 해석 방법을 이용하여 계산될 수 있다. 프레넬 계수는 각도에 따라 변화하는 것에 주의할 필요가 있다. 상기 각 실시 형태에 있어서는 특히 반사율이 높은 S파의 반사 계수를 사용하면 되지만, S파와 P파를 광 강도에 따라 가중치 부여하면 된다.
[발광 기능층에서 투명 전극과 투명 기판을 본 경우의 발광 기능층과 투명 전극 계면의 반사에 의한 위상 변화 φe]
발광 기능층/투명 전극/투명 기판이라고 하는 광학 다층막을 고려한 경우, 발광 기능층과 투명 전극의 계면에서의 프레넬 계수를 A라고 했을 때, A의 위상으로 표시되는 물리량이다. 프레넬 계수는 전송 행렬법, 유한 요소법, 엄밀파 결합법, 유한 시간 영역 차분법 등의 기존의 전자장 해석 방법을 이용하여 계산될 수 있다. 프레넬 계수는 각도에 따라 변화하는 것에 주의할 필요가 있다. 상기 각 실시 형태에 있어서는 특히 반사율이 높은 S파의 반사 계수를 사용하면 되지만, S파와 P파를 광 강도에 따라 가중치 부여하면 된다.
[투명 전극(보충)]
투명 전극으로서 박막 금속을 들 수 있지만, 하지층으로서는 일본 특허 공개 제2014-182997호 공보에 사용되는 재료를 사용하면 된다. 일본 특허 공개 제2014-182997호 공보에는, 질소 원자 함유의 하지층을 투명 전극 전에 성막함으로써, 박막 금속 전극의 연속성을 향상시키고, 투과율을 높일 수 있음이 개시되어 있다.
투명 전극으로서 정공 주입에 적합한 일함수를 갖는 투명 산화물 반도체 전극(ITO, IZO 등)이 사용된다. 투명 전극층으로서는 투명 산화물 반도체 외에 도포법을 사용하여 저비용으로 작성 가능한 도전성 수지를 투명 전극에 사용해도 된다. 전자 수송성 전극으로서 사용되는 도전성 수지 재료로서는, 페릴렌 유도체나 PCBM(페닐 C61 부티르산 메틸에스테르) 등의 풀러렌 유도체가 고려된다. 예를 들어 PCBM의 경우에는 가시광의 광학 상수는 (굴절률 n=2.2, 소쇠 계수 k=0.25)이고, 발광 기능층에서 본 전극 반사율은 굴절률 1.5의 수지와 비교하여 높아진다.
정공 수송성 전극으로서 사용되는 도전성 수지 재료는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))/PSS(폴리(4-스티렌술포네이트)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), P3OT(폴리(3-옥틸티오펜), P3DDT(폴리(3-도데실티오펜-2,5-디일))), F8T2(플루오렌과 비티오펜의 공중합체) 등이 예시된다.
예를 들어, PEDOT/PSS의 경우에는 가시광의 광학 상수는 (굴절률 n=1.5, 소쇠 계수 k=0.01)이고, 발광 기능층에서 본 전극 반사율은 굴절률 n=1.5의 수지와 동등의 값을 취하고, PCBM보다 반사율은 조금 낮아진다. 또한, 투명 전극의 전기 전도도를 높이기 위해 금속 메쉬, 금속 나노와이어, 금속 나노입자 등을 병용해도 된다. 이 경우에는, 금속 나노와이어를 사용한 전극의 전자 전도성이 높아지기 때문에, 평균적인 굴절률이 낮아지고, 발광층에서 본 반사율이 높아지는 경향이 있다. 상기 각 실시 형태를 실시하는 데 있어서는 발광층에서 본 반사율이 낮은 투명 전극 재료가 도파 모드를 산란시킨 광을 효율적으로 투명 기판에 취출할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 개시되고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (3)

  1. 동일 색을 발광하는 두개의 발광 유닛을 겹친 전계 발광 소자로서,
    반사 전극과 투명 전극의 사이에, 실질적으로 동일한 색을 발광하는 발광 유닛을 두개 적층하고, 각 발광 유닛의 발광색과 실질적으로 동일한 색의 발광을 투명 전극측으로부터 취출하는 전계 발광 소자이며,
    각각의 발광 유닛을 단체(單體)로 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성이 상이하고,
    투명 전극측으로부터 각 상기 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 경우의 강도 최대 각도를 θ1, θ2로 했을 때,
    θ1 < θ2를 만족하는, 전계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 유닛을 단체로 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성에서의 각도는 0도 이상 90도 미만인 것을 특징으로 하는, 전계 발광 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    모든 상기 발광 유닛을 동시에 발광시켰을 때의 발광 강도의 각도 의존성을 D(θ)라고 하고, 상기 전계 발광 소자의 면 법선으로부터 이루는 각도록 θ라고 하고, 특정의 각도를 θD라고 한 경우에, 하기의 식 (1)을 만족하는, 전계 발광 소자.
    Figure pat00037
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