WO2023234066A1 - 表示素子、及び表示装置 - Google Patents

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WO2023234066A1
WO2023234066A1 PCT/JP2023/018678 JP2023018678W WO2023234066A1 WO 2023234066 A1 WO2023234066 A1 WO 2023234066A1 JP 2023018678 W JP2023018678 W JP 2023018678W WO 2023234066 A1 WO2023234066 A1 WO 2023234066A1
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WO
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light
wavelength
display element
conversion
layer
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PCT/JP2023/018678
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良太 大橋
泰 吉正
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キヤノン株式会社
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    • G02B5/20—Filters
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic light-emitting element covered by group H10K50/00
    • H10K59/10—OLED displays

Definitions

  • the present invention relates to a display element and a display device.
  • a technique using a light emitting layer containing quantum dots is known as a method for achieving high color purity and high luminous efficiency in display elements and display devices that display images.
  • the light emitting layer converts the wavelength and is therefore sometimes referred to as a color conversion layer.
  • Patent Document 1 discloses a high-performance LED that reduces manufacturing costs and improves macroscopic light utilization efficiency by monolithically configuring an inorganic micro-LED array that emits blue light and a color conversion layer array that corresponds to sub-pixels of each RGB color. A resolution display device is disclosed. Patent Document 1 further discloses a back optical arrangement in which blue light is incident as excitation light from behind a color conversion layer array corresponding to sub-pixels of each RGB color, and color-converted light is emitted toward the front of the color conversion layer array. Discloses that it will take.
  • Patent Document 1 With this arrangement of the rear optical system, the display device described in Patent Document 1 ensures an optical coupling area between the light emitting element and the color conversion layer, and prevents light from passing from the light emitting element to the wavelength conversion layer. This ensures macroscopic light usage efficiency, which is propagation efficiency.
  • Patent Document 1 discloses an embodiment in which a color conversion layer includes quantum dots and a light scattering material. Further, the color conversion layer may be referred to as a wavelength conversion layer.
  • the wavelength conversion layer ensures the amount of light emitted after wavelength conversion by making the optical density of quantum dots present in the layer thickness direction equal to or higher than a predetermined value.
  • the optical paths used by the primary light (excitation light) and the secondary light (light after wavelength conversion) are arranged in the same direction.
  • there is a first window which is a coupling area for guiding the primary light to the wavelength conversion layer, and a light emitting surface where the wavelength conversion layer emits light toward the viewer.
  • the second window corresponding to the second window has an overlapping arrangement in which the second window and the second window overlap each other when viewed in the layer thickness direction of the length reduction conversion layer.
  • the primary light (excitation light) and the secondary light (light after wavelength conversion) are coaxially arranged.
  • the optical density of the quantum dots is increased by adjusting the concentration of the quantum dots, the extinction coefficient, the layer thickness of the wavelength conversion layer, etc., and the penetration depth of the primary light is increased. This makes it possible to increase the luminous intensity per unit depth.
  • the absorption per unit depth of at least one of the primary light and the secondary light also increases, and the effect of light emission and the effect of light absorption are counterbalanced, so that the macroscopic light The increase in utilization efficiency will reach a plateau. That is, with the pixel configuration of the back optical system adopted in Patent Document 1, there is a limit to the improvement of macroscopic light utilization efficiency by adjusting the optical density.
  • the optical density of quantum dots in the wavelength conversion layer is similarly decreased, the absorption of primary light and secondary light per unit depth decreases, but the primary light reaches the light emitting surface side of the color conversion layer. As a result, the color purity of the emitted light is reduced.
  • it is adopted to provide an optical filter on the light emitting surface side of the wavelength conversion layer in order to reduce the color purity, the macroscopic light utilization efficiency of the emitted light after color conversion is limited by the optical filter.
  • these methods of adjusting the optical density in the layer thickness direction of the wavelength conversion layer cause at least one of the mutually contradictory problems of the upper limit of brightness and the reduction of color purity, and fundamentally affect the macroscopic light utilization efficiency of the wavelength conversion layer. Improvements were sought in areas that did not lead to significant improvements.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a display element and a display device in which both the macroscopic light utilization efficiency and color purity of a wavelength conversion layer are improved.
  • a display element includes a light-emitting layer array including a plurality of light-emitting layers arranged two-dimensionally and emitting light of a first wavelength, and a part of the plurality of light-emitting layers optically coupled.
  • a first coupling part and the first coupling part are arranged so as to face each other so as to alternately reflect the light of the first wavelength received through the first coupling part and guide the light in a direction away from the first coupling part.
  • a plurality of first extracting parts and a first reflecting part each of which emits a second wavelength of light obtained by converting the first wavelength of light through the first extracting part; a conversion layer array comprising a first conversion layer.
  • the display element according to the present invention it is possible to provide a display element and a display device in which both the macroscopic light utilization efficiency and color purity of the wavelength conversion layer are improved.
  • FIG. 2 is a pixel cross-sectional view of the green display element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a partially developed pixel plan view of the green display element according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of an array display element according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a pixel cross-sectional view of the red display element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a pixel of the blue display element according to the first embodiment.
  • 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a display element according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of a display element according to a conventional form.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional pixel arrangement.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional pixel arrangement.
  • FIG. 3 is a diagram showing waveguide characteristics of a conversion layer applicable to each embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a sixth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a seventh embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel cross-sectional view of a display element according to an eighth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a brightness distribution profile of a display element according to an eighth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel cross-sectional view of a display element according to a ninth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a brightness distribution profile of a display element according to a ninth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a brightness distribution profile of a display element according to a ninth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel cross-sectional view of a display element according to a tenth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a luminance distribution profile of a display element according to a tenth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel cross-sectional view of a display element according to an eleventh embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel plane of a display element according to an eleventh embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel cross-sectional view of a display element according to a twelfth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel plane of a display element according to a twelfth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a pixel plane of a display element according to a twelfth embodiment.
  • FIG. 7 is a pixel plan view of a display element according to a thirteenth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pixel of a display element according to a thirteenth embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of an array of display elements according to a thirteenth embodiment.
  • FIG. 7 is a pixel plan view of a display element according to a fourteenth embodiment.
  • FIG. 7 is a pixel cross-sectional view of a display element according to a fourteenth embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of an array of display elements according to a fourteenth embodiment.
  • FIGS. 1A and 1B are a cross-sectional view showing a pixel structure of a green display element 100G according to this embodiment, and a plan view showing a partially developed pixel structure of the green display element 100G, respectively.
  • FIG. 1C is a plan view of the arrayed display elements 100 arranged in a matrix according to the present embodiment.
  • FIG. 1D and FIG. 1E are cross-sectional views showing the pixel structures of the blue display element 100B and the blue display element 100B according to the present embodiment, respectively. Note that the two-dimensional arrangement of the display elements can be changed as appropriate, including a delta arrangement ( ⁇ arrangement), depending on the target display performance.
  • green, red, and blue are treated as wavelength bands having maximum values at least in the respective bands of 515 nm or more and 545 nm or less, 615 nm or more and 645 nm or less, and 445 nm or more and 475 nm or less. More preferably, green, red, and blue colors are used whose maximum wavelengths are within the respective bands of 528 nm to 532 nm, 628 nm to 632 nm, and 458 nm to 462 nm. Furthermore, in each of the embodiments described below, green, red, and blue light as secondary light having the second to fourth wavelengths all have an upper limit of the bandwidth (full width at half maximum FWHM) of 10 nm. is preferably adopted.
  • the green display element 100G that displays green color will be explained using FIGS. 1A to 1C, FIG. 2A, and FIG. 2C.
  • the green display elements 100G are a two-dimensional array of 100-1 arranged in a matrix along the first direction D1 and the third direction D3.
  • the green display element 100G may be replaced with each of the two-dimensional arrays 100-2 and 100-3, or may be arranged in part or all of the display element arrays 100-1, 100-2, and 100-3. good.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of the display element 100 taken along the plane AA' whose plan view is shown in FIG. 1B.
  • FIG. 1B shows a portion of the light shielding section 10s, the first extraction section 24, and the first conversion section 26 partially trimmed in order to understand the elements arranged overlapping in the layer direction. ing.
  • the green display element 100G includes a light emitting layer array 10A including a plurality of light emitting layers 10 arranged two-dimensionally and each emitting light L1 of a first wavelength. Be prepared.
  • the light emitting layer array 10A employs self-luminous elements such as inorganic semiconductor light emitting diodes (LEDs), organic light emitting diodes (OLEDs), and semiconductor laser elements.
  • LEDs inorganic semiconductor light emitting diodes
  • OLEDs organic light emitting diodes
  • semiconductor laser elements semiconductor laser elements.
  • a micro light emitting diode (LED) having a microcavity structure or a micro organic light emitting diode (OLED) is employed as the light emitting element constituting the first light emitting layer 10.
  • Such a light emitting element is a directional light source, it is possible to guide the light L1 of the first wavelength to the first conversion unit 20 so as to take a waveguide mode.
  • the light-emitting layer array 10A guides light L1 of a first wavelength to a first coupling portion 22 provided in a first conversion layer 20, which will be described later, and prevents light from leaking to the periphery of the light-emitting layer 10. , is provided with a light shielding part 10s that shields the periphery of the light emitting layer 10 from light, leaving a region coupled with the first coupling part 22.
  • the green display element 100G converts the light L1 of the first wavelength guided from the light emitting layer array 10A into the light L2 of the second wavelength, and converts the light L1 of the first wavelength and the light L1 of the second wavelength.
  • the conversion layer array 20A includes a plurality of first conversion layers 20 that change the propagation direction of the light L2. As shown in FIGS. 1A and 1B, the light propagation direction changes the light propagation direction within the first conversion layer 20, and can be referred to as the light transport direction or the direction in which light is utilized. There are cases.
  • the first conversion layer 20 includes a first coupling portion 22 that optically couples with a portion of the plurality of light emitting layers 10. Further, the first conversion layer 20 alternately reflects the light L1 of the first wavelength ( ⁇ 1) received through the first coupling part 22 and directs it in the direction D1 away from the first coupling part 22. It has a waveguide-like optical structure that multiple-reflects and guides the light L1 of the first wavelength. This waveguide-like optical structure includes a first extraction section 24 and a first reflection section 28 that are arranged opposite to each other.
  • the first conversion layer 20 includes a first conversion section 26 containing a plurality of photoresponsive nanoparticles 30 serving as quantum dots, as shown in FIGS. 1A and 2C.
  • Light L2 with a first wavelength ( ⁇ 2) that is wavelength-shifted to the longer wavelength side than light L1 with the first wavelength ( ⁇ 1) is emitted.
  • the second wavelength ⁇ 2 is longer than the first wavelength ⁇ 1.
  • the first conversion layer 20 is a light emitting layer that reduces the bandwidth ⁇ 1 of the center wavelength of the light L1 of the first wavelength to have a bandwidth ⁇ 2, and generates secondary light L2 having higher color purity than the primary light L1. It is said that there is.
  • the first conversion layer 20 can be replaced with a form in which wavelength conversion is performed using a bandpass filter (color filter) instead of quantum dots.
  • the first conversion layer 20-1 and the second conversion layer 20-2 are those that convert the light L1 having the first wavelength into light having a wavelength different from the wavelength of the light L1 having the first wavelength.
  • the conversion layer array 20A includes a first conversion layer 20-1 that converts light L1 of a first wavelength into light L2 of a second wavelength, and a first conversion layer 20-1 that converts light L1 of the first wavelength into light L3 of a third wavelength. and a second conversion layer 20-2 for conversion. Green light is used as the second wavelength light L2, and red light is used as the third wavelength light L3.
  • the thickness of the first conversion layer and the second conversion layer 20-2 in this embodiment is preferably 4 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and more preferably 6 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • phosphor particles are dispersed in a resin.
  • the phosphor particles may be made of inorganic or organic materials, it is particularly preferable to use quantum dots. This is because quantum dots exhibit light emission with a narrow full width at half maximum of the emission spectrum and excellent color purity.
  • the inorganic particles used in quantum dots are sometimes called nanoparticles because of their size.
  • Materials for quantum dots include, for example, semiconductor crystals, including group IV semiconductors, compound semiconductors of group III-V, group II-VI, group II, group III, group IV, group V, and group VI elements. Examples include nanoparticles such as compound semiconductors consisting of a combination of three or more. Specific examples of materials that emit light in the wavelength range for display elements include CsS, CdSe, CdZnSe, CdSeTe, ZnSe, ZnTeSe, ZnTeS, InP, CuInS 2 , AgInS 2 , and Pb-based perovskite.
  • a core-shell structure may be used in which these are used as the nucleus of the quantum dot and the quantum dot material is covered with a coating compound. In this case, the shell portion is provided with a ligand.
  • the average particle size of the quantum dots is preferably 2 nm or more and 15 nm or less.
  • quantum dots when the particle size of the quantum dots is reduced to a size smaller than the Bohr radius of the intrinsic exciton, a phenomenon occurs in which the band gap of the quantum dots changes due to the quantum size effect.
  • the Bohr radius of InP which is a III-V semiconductor, is said to be approximately 10 nm to 14 nm. That is, if the average particle size of the quantum dots is 15 nm or less, the band gap can be controlled by the quantum size effect.
  • the average particle size of the quantum dots By setting the average particle size of the quantum dots to 2 nm or more, crystal growth of the quantum dots can be easily controlled during quantum dot synthesis.
  • Quantum dots have ligands on their surfaces.
  • the ligand When the ligand has a first quantum dot and a second quantum dot, it may have a crosslinked structure that bridges both.
  • Crosslinking refers to the bonding of one molecule to a first quantum dot and a second quantum dot.
  • the distance between quantum dots can be controlled by the molecular length of the organic ligand.
  • the crosslinking structure may be a hydroxyl group, a thiol group, or a carboxyl group. It is preferable to have at least one organic molecule between the quantum dots. When there are many organic ligands, both ends of the organic molecule are strongly bonded to the quantum dot surface, which improves heat resistance and environmental resistance, and increases the stability of luminescent properties.
  • quantum dots having a full width at half maximum of less than 50 nm can be preferably used.
  • quantum dots such as InP/ZnS quantum dot product numbers 776769, 776750, 776793, 776777, 776785 from Sigma-Aldrich.
  • Product number 776750 is preferred as the first conversion layer
  • product number 776777 is preferred as the second conversion layer 20-2.
  • product numbers 905062, 900746, 900747, and 900748 can be used as perovskite quantum dots.
  • Product number 905062 or 900746 is preferred as the first conversion layer
  • product number 900748 is preferred as the second conversion layer 20-2.
  • monofunctional monomers and bifunctional monomers are used as the material for the polymer matrix, and examples thereof include acrylic resin, polyester resin, polyurethane resin, polyamide resin, etc. .
  • the viscosity and surface tension can be made suitable for film formation by photolithography or inkjet method (inkjet printing).
  • the monomer concentration is 85 to 98 wt%
  • the photopolymerization initiator concentration is 2 to 5 wt%.
  • the resin portion 17 contains a light scattering material such as titanium oxide that scatters blue light (L3), but the concentration is preferably 5 wt % or less, which is a concentration that does not cause multiple scattering.
  • the first extraction section 24 is configured to move the light L2 of the second wavelength, which is wavelength-converted within the first conversion layer 20 and propagates radially, along the first direction D1 away from the first coupling section 22.
  • a structure is adopted that has a high spectral reflectance for the light L1 of the first wavelength that propagates.
  • the first extraction section 24 adopts a structure in which the spectral transmittance of the light L2 having the second wavelength is higher than that of the light L1 having the first wavelength. As a result, the light L1 of the first wavelength mixed in the first conversion layer 20 is restricted from being emitted from the display surface, and the light L2 of the second wavelength is allowed to be emitted from the display surface. Ensures color purity.
  • the spectral reflection characteristics or spectral transmission characteristics of the first extraction section 24 are obtained by the difference in refractive index n between both surfaces of the first conversion section 26 in the layer thickness direction (z direction) and an optical member (not shown) in contact with the first conversion section 26 .
  • the refractive index n1 of the first conversion section 26 is made higher than the refractive index n2 of the optical structure on the interface side of the first extraction section 24.
  • the first extraction portion 24 may employ a dielectric multilayer film, or may have a core/clad configuration that utilizes a refractive index difference like the first extraction portion 24.
  • FIGS. 5A to 5F which deal with the display element 200 of the thirteenth embodiment.
  • the first reflecting section 28 has a structure that has a higher spectral reflectance for the light L2 of the second wavelength than the first extraction section 24.
  • the light L1 of the first wavelength which is the source of the light L2 of the second wavelength, is absorbed in the layer. Propagation is ensured, and the generation range of the light L2 of the second wavelength is ensured.
  • the spectral reflection characteristics of the first reflecting section 28 are obtained from the difference in refractive index n between both surfaces of the first converting section 26 in the layer thickness direction (z direction) and an optical member (not shown) in contact with the first converting section 26 .
  • the display element 100 of the present embodiment has a refractive index n1 of the first converting section 26 higher than a refractive index n2 of an optical structure (not shown) on the interface side of the first reflecting section 28. ing.
  • the first reflecting section 28 employs a metal reflecting member that utilizes plasmon reflection and has low wavelength dependence, but it may also employ a dielectric multilayer film, or it may be refracted in the same way as the first extraction section 24. It may also be a core/clad configuration that utilizes a rate difference.
  • the first conversion layer 20 has an end light shielding part 20s at the end opposite to the first coupling part 22 in the first direction D1.
  • the optical member forms an interface with the converting section 26 and forms the extraction section 24 or the reflecting section 28 .
  • the optical member constituting the take-out part 24 is made of a translucent material that transmits the secondary light transmitted by the take-out part 24, such as an organic resin or an inorganic glass material.
  • a transparent resin having a transmittance of 85% or more, preferably 90% or more for blue light, green light, and red light can be used.
  • the refractive index of the resin used as the optical member can be 1.45 or more and 1.5.
  • the refractive index of the optical member is set so that the conversion layer 20 functions as a waveguide.
  • the refractive index (n 1 ) of the conversion layer varies depending on the type and concentration of quantum dots, but when the concentration is 0.01 to 5 wt%, n 1 is approximately in the range of 1.45 to 1.50.
  • the red display element 100R that displays red will be explained using FIG. 1C and FIG. 1D.
  • the red display elements 100R are a two-dimensional array of 100-2 arranged in a matrix along the first direction D1 and the third direction D3.
  • the red display element 100R may be replaced with each of the two-dimensional arrays 100-1 and 100-3, or may be arranged in part or all of the display element arrays 100-1, 100-2, and 100-3. good.
  • the cross-sectional structure of the red display element 100R of this embodiment is shown in FIG. 1D as the second display element array 100A.
  • the red display element 100R of this embodiment has a light emitting layer array 10A including a plurality of light emitting layers 10 and a conversion layer array 20A including a plurality of second conversion layers 40, similarly to the green display element 100G.
  • the second conversion layer 40 wavelength-converts the first wavelength light L1 (primary light) including blue or ultraviolet color to the long wavelength side, and converts the light L1 (primary light) of the first wavelength including blue or ultraviolet color to the long wavelength side, This includes a mode in which the secondary light is output from the second extraction section 44 as the third wavelength light L3.
  • the second conversion layer 40 makes the first wavelength light L1 (primary light) containing blue or ultraviolet color narrower than the first wavelength light L1. This includes a mode in which light L3 of a second wavelength, which is red secondary light, is generated and emitted from the second extraction section 44.
  • the second conversion layer 40 like the first conversion layer 20, includes a second coupling section 42, a second extraction section 44, a second reflection section 48, and a second conversion section 46.
  • the second conversion layer 40 converts the wavelength of the first wavelength light L1 received through the second coupling part 42 to generate the third wavelength light L3, The light L3 of the third wavelength is emitted using the second extraction section 44 as a display surface.
  • the conversion layer array 20A includes a plurality of second coupling portions that optically couple with the plurality of light emitting layers 10 in areas other than the portions where the light emitting layer array 10A optically couples with the plurality of first conversion layers 20. It has a second conversion layer 40 comprising 42. The second conversion layer 40 further alternately reflects the light L1 of the first wavelength received through the plurality of second coupling parts 42 and guides the light in a direction D1 away from the second coupling parts 42. It has a second take-out part and a second reflection part which are arranged opposite to each other. The second conversion layer 40 emits light L3 of a third wavelength obtained by wavelength-converting the light L1 of the first wavelength through the second extraction portion 44.
  • the second conversion layer 40 like the first conversion layer 20, contains second photoresponsive nanoparticles that convert the first wavelength light L1 into the third wavelength light L3.
  • the second extraction section 44 adopts a structure in which the spectral reflectance of the first wavelength light L1 is higher than that of the third wavelength light L3. Further, like the first extraction section 24, the second extraction section 44 adopts a structure in which the spectral transmittance of the light L3 of the third wavelength is higher than that of the light L1 of the first wavelength.
  • the second reflecting section 48 adopts a structure in which the spectral reflectance for the third wavelength light L3 is higher than that of the second extraction section 44.
  • the blue display element 100B that displays blue will be described using FIG. 1C and FIG. 1E.
  • the blue display elements 100B are a two-dimensional array of 100-3 arranged in a matrix along the first direction D1 and the third direction D3.
  • the blue display element 100B may be replaced with each of the two-dimensional arrays 100-1 and 100-2, or may be arranged in part or all of the display element arrays 100-1, 100-2, and 100-3. good.
  • the cross-sectional structure of the blue display element 100B of this embodiment is shown in FIG. 1D as the second display element array 100A.
  • the blue display element 100B of this embodiment includes a light emitting layer array 10A including a plurality of light emitting layers 10 and a conversion layer array including a plurality of third conversion layers 50 in the same way as the green display element 100G and the red display element 100R. It has 20A.
  • the third conversion layer 50 receives the light L1 (primary light) of the first wavelength including blue or ultraviolet color in the same manner as the green display element 100G, and the third conversion layer 50 receives the light L1 (primary light) of the first wavelength including blue or ultraviolet color, and has a narrower blue band than the light L1 of the first wavelength.
  • the third conversion layer 50 changes the propagation direction in the propagation optical path from the third coupling part 52 to the third extraction part 54, but includes a form in which the third conversion layer 50 does not convert the wavelength of the light L1 having the first wavelength. It will be done.
  • the third conversion layer 50 like the first conversion layer 20, includes a third coupling section 52, a third extraction section 54, a third reflection section 58, and a third conversion section 56.
  • the third conversion layer 50 converts the wavelength of the first wavelength light L1 received through the third coupling part 52 to generate the fourth wavelength light L4,
  • the light L4 of the fourth wavelength is emitted using the third extraction section 54 as a display surface.
  • the conversion layer array 20A includes a plurality of third coupling portions that optically couple with the plurality of light emitting layers 10 in areas other than the portions where the light emitting layer array 10A optically couples with the plurality of first conversion layers 20. It has a third conversion layer 50 comprising 52. The third conversion layer 50 further alternately reflects the light L1 of the first wavelength received through the plurality of third coupling parts 52 and guides the light in a direction D1 away from the third coupling parts 52. It has a second take-out part and a second reflection part which are arranged opposite to each other. The third conversion layer 50 emits light L4 having a fourth wavelength, which is obtained by wavelength-converting the light L1 having the first wavelength, through the third extraction portion 54.
  • the third conversion layer 50 converts the light L1 of the first wavelength into light L4 of the fourth wavelength, which is closer to the first wavelength than the second and third wavelengths. It may contain a third photoresponsive nanoparticle that converts.
  • the fourth wavelength includes a form that is longer than the first wavelength and shorter than either the second wavelength or the third wavelength.
  • the third extraction section 54 adopts a structure in which the spectral reflectance of the light L1 of the first wavelength is higher than that of the light L4 of the fourth wavelength. Further, like the first extraction section 24, the third extraction section 54 adopts a structure in which the spectral transmittance of the light L4 having the fourth wavelength is higher than that of the light L1 having the first wavelength.
  • the third reflecting section 58 adopts a structure in which the spectral reflectance for the fourth wavelength light L4 is higher than that of the third extraction section 54.
  • the first converter 26, the second converter 46, and the third converter 56 may contain a light scattering material such as titanium oxide that scatters the light L1 of the first wavelength.
  • concentration of the light scattering material in the first conversion section 26, the second conversion section 46, and the third conversion section 56 is desirably a concentration below which multiple scattering occurs between the light scattering materials, and is 5 wt% or below. will be adopted.
  • FIG. 2A shows a cross-sectional structure of the display element 100 according to the first embodiment
  • FIG. 2C is a diagram showing the intralayer structure of the first conversion layer 20 according to the first embodiment
  • FIG. 2B shows a cross-sectional structure of a display element 900 according to the conventional technique
  • FIG. 2D shows an intralayer structure of the conversion layer 920 of the display element 900 according to the conventional technique
  • FIGS. 2C and 2D are diagrams showing the dispersion state of the photoresponsive nanoparticles 30 included in the first conversion section 26 of the display element 100 and the conversion section 926 of the display element 900, respectively.
  • the display element 100 and the display element 900 differ in the following points A, B, and C.
  • Difference A is whether the primary light propagation path and the propagation path using secondary light are non-coaxial or coaxial in the light propagation path from the coupling part to the extraction part.
  • the display element 100 takes a non-coaxial arrangement in which the directions of the propagation paths of primary light and secondary light are different.
  • the display element 900 takes a coaxial arrangement in which the propagation paths of the primary light and the secondary light are in the same direction in the light propagation path from the coupling portion 922 to the extraction portion 924.
  • the first coupling portion 22 is arranged so as not to overlap the first extraction portion 24.
  • the layer thickness direction D2 of the conversion layer 20 can be referred to as the light extraction direction.
  • the display element 100 is arranged such that the first coupling section 22 and the first extraction section 24 do not overlap in the first light propagation direction D1 of the conversion layer 20.
  • Difference B is whether the reflective section can be placed over the entire area at a position facing the take-out section.
  • the display element 100 has a non-coaxial optical propagation path from the first coupling part 22 to the first extraction part 24, while the display element 900 has a non-coaxial optical propagation path from the coupling part 922 to the extraction part 924. takes a coaxial arrangement.
  • Difference C is whether the optical density of the photoresponsive nanoparticles can be made sparse so that the absorption of propagating primary light and secondary light does not exceed the effect of light emission.
  • the optical elements having different functions of the first coupling portion 22 and the first reflecting portion 28 can be arranged at appropriate positions. Therefore, in the display element 100, the lighting characteristics from the light-emitting layer 10 to the first conversion layer 20 and the reflection characteristics of the first reflection section 28 are independently controlled by suitable optical characteristics can be assigned. That is, the first coupling part 22 can set a high transmittance for the light L1 of the first wavelength, which is the primary light, and the first reflection part 28 can set a high transmittance for the light L1 of the first wavelength ( It is possible to set a high reflectance for both the light L2 of the second wavelength (primary light) and the second wavelength light L2 (secondary light). Furthermore, in the display element 100, it is possible to configure the reflective section 28 with a metal layer having a robust wavelength dependence, and to provide the reflective section 28 in the entire rear side of the take-out section 24. The utilization efficiency of macroscopic light from 20 can be improved.
  • an optical coupling element for collecting the primary light from the light emitting layer 910 and an optical coupling element in the conversion layer 920 are provided at the position 922. It is necessary to arrange a reflecting element that also serves as a reflector for reflecting the secondary light generated in the . Therefore, in the display element 900, at least one of the transmittance and reflectance of the interface 922 is restricted, or it is necessary to divide the area 922 and assign characteristics. The macroscopic light utilization efficiency from layer 920 is constrained.
  • the propagation path of the light L1 having the first wavelength is from the layer thickness direction (z direction) of the display element 900 to the layer plane direction (xy in-plane direction) substantially parallel to the layer plane, and the propagation distance is Increase by about one digit. Therefore, the display element 100 can have a sparse structure in which the optical density of photoresponsive nanoparticles is lowered by about one order of magnitude compared to the display element 900, and has a difference C.
  • the generation of secondary light is not easily restricted by the absorption of primary light and secondary light, and the macroscopic light usage efficiency in the first conversion layer 20 is It is higher than the element 900.
  • the display element 900 includes a light-emitting layer 910 that emits light L1 (blue, primary light) of a first wavelength, and a light-emitting layer 910 that emits light L2 (green, secondary light) of a second wavelength upon receiving the primary light from the light-emitting layer 910.
  • a conversion layer 920 containing light-responsive nanoparticles that emit light is laminated via a bonding portion 922. The thickness of the conversion layer 920 is from several ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the conversion layer 920 contains photoresponsive nanoparticles 30 at a concentration of 10 to 30 wt%, as shown in FIG. 2D, in order to completely absorb the light L1 of the first wavelength through the propagation path of such a layer thickness.
  • the conversion layer 920 contains 10 to 30 wt% of titanium oxide or the like as a light scattering material 38 for the purpose of improving the utilization efficiency of the first wavelength light L1 and reducing light leakage to the extraction surface 924.
  • the conversion layer 920 scatters the light L1 of the first wavelength many times within the layer due to the scattering of the light scattering material 38, thereby increasing the photoresponsiveness per unit thickness in the layer thickness direction (depth direction, z direction).
  • the wavelength conversion efficiency is increased by increasing the chances of the nanoparticles 30 absorbing the light L1 of the first wavelength.
  • the photoresponsive nanoparticles 30 quantum dots
  • the luminous efficiency is likely to decrease due to self-absorption.
  • the photoresponsive nanoparticles 30 are close to each other, luminous efficiency is likely to decrease due to fluorescence resonance energy transfer (FRET).
  • FRET fluorescence resonance energy transfer
  • the wavelength-converted light which is secondary light, is also scattered by the light scattering material 38, and the effective optical distance is extended, resulting in a decrease in light extraction efficiency.
  • the light that recursively enters the conversion layer 920 is caused by self-absorption by the photoresponsive nanoparticles 30 and light scattering. It is considered that the light is attenuated due to the shielding effect of the material 38 and the light extraction efficiency tends to decrease.
  • an optical member 918 is provided behind the conversion layers 920-1 to 920-3 (on the side of the light emitting layer 910) to form a coupling portion 922.
  • the coupling portion 922 has a function of scattering the primary light L1 forward (toward the optical member 914) by utilizing the difference in refractive index between the conversion layers 920-1 to 920-3 and the optical member 918. At least one of the reflection characteristics and transmission characteristics of the coupling portion 922 is limited as described above from the viewpoint of achieving both the lighting efficiency of the primary light L1 from the light emitting layers 910-1 to 910-3 and the forward reflection characteristics.
  • a dielectric multilayer film 917 is provided behind the conversion layers 920-1 to 920-3 (on the side of the light emitting layer 910) to form a coupling portion 922.
  • the return light of the secondary lights L2 and L3 propagating to the light-emitting layers 910-1 to 910-3 is used.
  • At least one of the reflection characteristics and transmission characteristics of the coupling portion 922 is limited as described above from the viewpoint of achieving both the lighting efficiency of the primary light L1 from the light emitting layers 910-1 to 910-3 and the forward reflection characteristics.
  • the conversion layer 20 functions as a waveguide for the first wavelength light L1 (primary light) propagating in the first direction D1.
  • the light L1 (blue light) having the first wavelength is guided by total reflection along the layer surface direction of the conversion layer 20 having the function of a waveguide, and the wavelength is converted into secondary light.
  • the optical path length through which the first wavelength light L1, that is, the blue light that is the primary light, propagates while converting the wavelength can be made longer than the conventional configuration.
  • the optical path length can be 100 ⁇ m in the transverse direction or 300 ⁇ m in the longitudinal direction.
  • concentration of quantum dots (concentration of photoresponsive nanoparticles) contained in the conversion layer 20 can be reduced.
  • the display element 100 of the embodiment can increase the optical path length for the light L1 of the first wavelength by about one order of magnitude, so that the concentration of quantum dots can be increased by one order of magnitude. It is possible to reduce it by an order of magnitude. Furthermore, when the quantum dots have a low concentration, a decrease in luminous efficiency due to self-absorption and FRET is also suppressed, so it is possible to increase luminous efficiency. Therefore, the concentration of quantum dots in the configuration of this embodiment can be 0.01 to 5 wt%. The density of the quantum dots is determined by the pixel size corresponding to the propagation optical path length of the primary light, as well as the required display performance, primary light driving conditions, etc.
  • the reflecting section 28 does not need to be a wavelength selective mirror, and a metal mirror such as Al or Ag can be used.
  • a wavelength-selective mirror made of a dielectric multilayer film.
  • the refractive index (n2) of the optical member constituting the interface that is the first extraction portion 24 is At first, the first conversion layer 20 functions as a waveguide.
  • the first wavelength light L1 primary light, blue light
  • FIG. 1B only a portion of the second wavelength light L2, which is the wavelength-converted light generated within the first conversion layer 20, is shown for understanding; Routes etc. are omitted.
  • the second wavelength light L2 is actually generated on the propagation path of the first wavelength light L1, which is composed of a plurality of optical paths, and around the propagation path by the light diffusing material.
  • the secondary light generated within the first conversion layer 20 passes through scattering by the light diffusing material and reflection by the reflection section 28, or directly reaches the extraction section 24 from the light emitting point (wavelength conversion point). It is taken out in front of the first conversion layer 20.
  • the waveguide mode is adopted for the first wavelength light L1 (primary light, blue, violet), and from the point of light extraction, the second wavelength light L2 (green), the third wavelength
  • the light L3 (red) is set so that there is a light emission mode component with relatively few waveguide mode components. More preferably, the light L2 of the second wavelength and the light L3 of the third wavelength have a form in which the emission mode is more dominant than the waveguide mode.
  • the waveguide mode and the light emission mode are handled using the waveguide parameter V used in the optical waveguide.
  • V ⁇ 2.405 (Formula 1)
  • d is the film thickness
  • ⁇ 0 is the wavelength of light
  • n1 and n2 are the refractive indices of the core layer and cladding layer.
  • the film thickness When the film thickness is as thick as 10 ⁇ m or more, it becomes a multimode waveguide, and the number of waveguide modes increases, resulting in a decrease in light extraction efficiency.
  • the thickness of the wavelength conversion section is 10 ⁇ m or less so that the wavelength conversion section can sufficiently function as a waveguide, but it is also possible to use a film that is thicker than this.
  • the blue light, green light, and red light that constitute the display colors are 460 nm, 530 nm, and 630 nm, respectively. Since the waveguide parameters become smaller as the wavelength becomes longer, the number of waveguide modes decreases. That is, the film thickness and the relative refractive index difference can be set so that it is single mode for green light and red light and multimode for blue light. By doing this, the wavelength conversion section functions as a multimode waveguide for blue light, while giving priority to the radiation mode for wavelength-converted light, making it possible to efficiently extract light. becomes.
  • the film thickness becomes even thicker, it becomes impossible to actually manufacture it.
  • the relative refractive index difference ⁇ is constant, the thinner the film thickness is, the more the light extraction efficiency increases. become.
  • the cladding layer may contain quantum dots and have a wavelength conversion function.
  • FIGS. 5A to 5F Modified form 1 of conversion layer
  • the second to seventh embodiments each correspond to a modification of the first embodiment in which the optical arrangement of the conversion layer including the coupling portion is different from the first embodiment.
  • the display element 110 according to the second embodiment shown in FIG. 5A is different from the first embodiment in that it has a coupling section 23 spaced apart from the light emitting layer 10 and the first conversion section 26 with a gap therebetween. It differs from
  • the display element 120 according to the third embodiment shown in FIG. 5B has a coupling part 23 separated from the luminescent layer 10 via a coupling member 15 between the first and second embodiments. This is different from the embodiment.
  • the light shielding portion 10s of this embodiment extends to the outer edge of the coupling member 15.
  • the display element 130 according to the fourth embodiment shown in FIG. 5C has a coupling part 23 separated from the light emitting layer 10 via a direction changing member 15 that changes the propagation direction between the display element 130 and the light emitting layer 10.
  • the light blocking portion 10s of this embodiment extends to the outer edge of the direction changing member 15.
  • the emitting direction of the primary light from the light emitting layer 10 of this embodiment corresponds to the second direction D2 parallel to the layer thickness direction of the first conversion layer 20.
  • the extraction area of the secondary light L from the first extraction part 24 and the output area of the primary light L1 from the light emitting layer 10 are arranged in a non-coaxial manner so as not to overlap in the x direction. There is.
  • the display element 140 according to the fifth embodiment shown in FIG. This is different from the first to fourth embodiments.
  • the terminal side of the first light emitting layer 20 does not need to propagate the light L1 of the first wavelength in the waveguide mode in the direction away from the coupling part 20 any more, and the light L1 of the first wavelength does not need to be propagated further away from the coupling part 20 at the position where the window 24d is provided.
  • the window 24d is provided because the component of the light L1 is substantially absorbed.
  • the display element 150 according to the sixth embodiment shown in FIG. 5E is different from the first to fifth embodiments in that a front reflecting section 28p is provided locally in the vicinity of the coupling section 2 of the first take-out section 4. It differs from This is because on the upstream side of the propagation path in the first light emitting layer 20, the component ratio of the light L1 of the first wavelength to the light L2 of the second wavelength is high, and the wavelength selectivity of the extraction unit 24 is such that the component ratio is higher than that of the light L1 in front of the primary light L1. This is to relieve the inability to reduce leakage.
  • a display element 160 according to the seventh embodiment shown in FIG. 5F differs from the first to sixth embodiments in that a light shielding section 24s is provided near the coupling section 2 of the first extraction section 4.
  • the light shielding part 24s corresponds to an extension of the light shielding part 10s.
  • the light shielding section 24s provides the same effect as the front reflecting section 28p of the sixth embodiment.
  • FIGS. 6A to 6J display elements 170 to 210 according to eighth to twelfth embodiments will be explained using FIGS. 6A to 6J.
  • the eighth to twelfth embodiments each have a first conversion layer 20 that is different from the first embodiment in that the optical density of the photoresponsive nanoparticles in the first conversion layer 20 has a specific intralayer distribution. This corresponds to a variant of the embodiment.
  • the display element 170 according to the eighth embodiment shown in FIG. 6A has a first conversion portion 26u containing photoresponsive nanoparticles at a constant optical density (broken line) in the first direction D1 as shown in FIG. 6B.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the first conversion layer 20u has the following characteristics.
  • the amount of light L2 of the second wavelength emitted from the first conversion part 26u is determined in the range from the coupling part 22 to the terminal light shielding part 20s. It has a logarithmic distribution.
  • the brightness profile shown in FIG. 6B is relaxed using the spectral characteristics of other optical elements such as the first extraction section 24 and the first reflection section 28. direction can be.
  • the amount of light emitted is shown as the amount of light emitted per unit area in the first extraction portion 24 as luminance.
  • the display element 180 according to the ninth embodiment shown in FIG. 6C has an optical density distribution in which the optical density of the photoresponsive nanoparticles increases stepwise as the distance from the coupling portion 22 increases in the first direction D1 as shown in FIG. 6D. (broken line) is different from the first and eighth embodiments.
  • the display element 180 adjusts the distribution of the amount of light emitted by the second wavelength light L2 in the range from the coupling portion 22 to the terminal light shielding portion 20s according to the Beer-Lambert law according to the eighth embodiment. It is smooth compared to the shape.
  • the display element 190 according to the tenth embodiment shown in FIG. 6E has an optical density distribution (see FIG. 6F) in which the optical density of the photoresponsive nanoparticles continuously increases as the distance from the coupling portion 22 increases in the first direction D1.
  • This embodiment is different from the first, eighth, and ninth embodiments in that it has a dashed line). That is, the first conversion layer 20 of this embodiment has a structure in which the optical density of the photoresponsive nanoparticles 38 increases as the distance from the first bonding portion 22 in the layer plane direction of the first conversion layer 20 increases. In other words, it has a first optical gradient.
  • FIG. 6E shows the configuration of a pixel whose display color is green
  • the configuration of a pixel whose display color is red is omitted, but it has a configuration similar to the display element 190 whose display color is green.
  • Brightness smoothing is achieved. That is, the second conversion layer 20-2 has a structure in which the optical density of the photoresponsive nanoparticles 38 increases as the distance from the second bonding portion 22 in the layer plane direction of the second conversion layer 20-2 increases. This results in a configuration having a second optical gradient.
  • the display element 180 adjusts the distribution of the amount of light emitted by the second wavelength light L2 in the range from the coupling portion 22 to the terminal light shielding portion 20s according to the Beer-Lambert law according to the ninth implementation. It is much smoother compared to its shape.
  • the display element 200 according to the eleventh embodiment shown in FIGS. 6G and 6H has a wedge-shaped structure in which the optical density of the photoresponsive nanoparticles spatially increases continuously as the distance from the coupling portion 22 increases as shown in FIG. 6H.
  • This embodiment differs from other embodiments in that it includes an inactive region 25.
  • the wedge-shaped inactive region 25 can be formed of a region that does not contain only the photoresponsive nanoparticles among the components contained in the first conversion section 26.
  • the display element 210 according to the twelfth embodiment shown in FIGS. 6I and 6J differs from other embodiments in that the light emitting layer 10 is provided in the center of the first coupling part 20 as shown in FIGS. 6I and 6J. It differs from the form.
  • the first conversion layer 20 of this embodiment like the eighth embodiment, contains photoresponsive nanoparticles with a constant optical density in the direction in the xy plane away from the bonding part 22.
  • the second wavelength light L2 (light after wavelength conversion) has a brightness distribution in the xy plane, but the emitted beam distribution within the pixel is approximately concentric rectangular. It has an annular luminescence distribution, and it is possible to align the luminescence center of gravity of each RGB color with the pixel center.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the display element 220 of FIG. 7A taken along the cross-section DD'.
  • the display element 220 of this embodiment includes a plurality of display elements 130-G, 130-R, and 130-B arranged in a matrix as green, red, and blue sub-pixels, as shown in FIGS. 7A and 7C. .
  • the subscripts -G, -R, -B representing the emitted light color of each pixel are replaced with branch numbers -1, -2, -3 in the drawings. There is.
  • the display element 220 includes a black matrix 20s that defines the periphery of a pixel, and a first light-emitting layer 10-1 and a second light-emitting layer in three areas surrounded by the black matrix 20s. It has a layer 10-2 and a third light-emitting layer 10-3. Furthermore, the display element 220 includes first to third light-emitting layers optically coupled to the first to third light emitting layers 10-1 to 10-3, respectively, within the three types of regions surrounded by the black matrix 20s. It includes conversion layers 20-1 to 20-3.
  • the display element 220 further includes an optical member 124 having a lower refractive index than the conversion layers 20-1 to 20-3 in front of the first to third conversion layers 20-1 to 20-3, respectively, and has a take-out portion. 24-1 to 24-3 are configured.
  • the display element 220 further includes optical members 128 having a lower refractive index than the conversion layers 20-1 to 20-3, respectively, behind the first to third conversion layers 20-1 to 20-3. -1 to 28-3 are configured.
  • the black matrix 20s and the optical member 28 are joined to a multilayer dielectric film 29.
  • the display element 220 is arranged on the xy plane so that the first take-out part 24-G and the second take-out part 24-R have at least a portion that does not overlap when viewed along an axis parallel to the layer thickness direction. juxtaposed.
  • the display element 220 is configured such that the second take-out portion 24-R and the third take-out portion 24-B have at least a portion that does not overlap when viewed along an axis parallel to the layer thickness direction. They are juxtaposed on the xy plane. Note that in FIG. 7B, the first take-out part 24-G and the second take-out part 24-R are omitted for simplicity.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the display element 230 of FIG. 8A taken along the cross-section EE'.
  • display elements 230-R, 230-G, and 230-B constituting each red, green, and blue pixel are arranged as a layer of a conversion layer 20-R. It differs from the display element 220 in that the layers are stacked in the thickness direction.
  • the display element 230 is stacked in the z direction such that the first takeout part 24-G and the second takeout part 24-R have at least an overlapping part when viewed along an axis parallel to the layer thickness direction. It is located. Similarly, when the display element 230 is viewed along an axis parallel to the layer thickness direction, the second take-out portion 24-R and the third take-out portion 24-B have at least an overlapping portion. Laminated in the z direction. Note that in FIG. 8B, the first take-out part 24-G and the second take-out part 24-R are omitted for simplicity.
  • the display element 230 includes a black matrix 20s that defines the periphery of the pixel, and a first light-emitting layer 10-1 and a second light-emitting layer 10 within one pixel area surrounded by the black matrix 20s. -2, it has a third light emitting layer 10-3. Furthermore, the display element 230 includes first to third light-emitting layers optically coupled to the first to third light emitting layers 10-1 to 10-3, respectively, within the three types of regions surrounded by the black matrix 20s. It includes conversion layers 20-1 to 20-3.
  • the display element 230 further includes an optical member 35 having a lower refractive index than the conversion layers 20-1 to 20-3 in front of the first to third conversion layers 20-1 to 20-3, respectively, and has a take-out portion. 24-1 to 24-3 are configured.
  • the display element 230 further includes an optical member 35 having a lower refractive index than the conversion layers 20-1 to 20-3 behind the first to third conversion layers 20-1 to 20-3, respectively. -1 to 28-3 are configured.
  • the black matrix 20s and the lowermost optical member 128 are bonded to a multilayer dielectric film 29.
  • display elements 230-B, 230-R, and 230-G forming sub-pixels stacked in the light extraction direction are stacked in this order from the display surface.
  • optical layers 34 and 36 having wavelength selectivity are provided between the conversion layers 20-B, 20-G, and 20-R.
  • the optical layer 34 is arranged between the conversion layers 20-B and 20-G, and reflects blue light and transmits green light and red light, or absorbs blue light, and has wavelength selectivity for both of them. It is provided as a layer having.
  • the optical layer 36 is disposed between the conversion layers 20-G and 20-R, and serves as a layer that reflects green light and transmits red light, or absorbs green light, or has wavelength selectivity for both.
  • Wavelength selectivity may be referred to as spectral characteristics.
  • the optical layer 34 and the optical layer 36 may be provided with a low refractive index layer having a lower refractive index than the optical member 35.
  • the refractive index of the optical member 35 is preferably 1.10 or more and 1.30 or less, and preferably 1.10 or more and 1.15 or less. More preferred.
  • the optical layers 34 and 36 are wavelength-selective reflective layers.
  • the light emitted forward is extracted as is, and the light emitted backward is reflected by the optical layer 34 and extracted.
  • the light emitted forward passes through the optical layer 34 and the conversion layer 230-B and is extracted, and the light emitted backward is reflected by the optical layer 36. and retrieved in the same way.
  • the light emitted forward is transmitted through the optical layer 36 and the conversion layer 230-G, and further through the optical layer 34 and the conversion layer 230-B, and is extracted to the rear. The emitted light is reflected by the reflective layer 20 and extracted in the same way.
  • the area of the conversion layer is three times that of the display element 220, and even when light absorption due to the stacking is taken into account, Expected to improve brightness.
  • the conversion layers are stacked in a configuration in which the projected area as seen in the z direction is the same as in FIG. 8B, the pixel size will be 1 ⁇ 3 that of the display element 220, and the resolution will be tripled.
  • Example 1 Preparation of cladding layer
  • a film containing 4.5 at % of TiO 2 on SiO 2 was formed to a thickness of 1 ⁇ m (substrate A1).
  • the refractive index was measured, it was 1.477, and the relative refractive index difference ⁇ was 1.5.
  • an optical film containing 4.5 at% TiO 2 on SiO 2 was formed to 1 ⁇ m by sputtering SiO 2 and TiO 2 simultaneously. A film was formed (substrate A2).
  • Substrate B1 By simultaneously sputtering SiO 2 and TiO 2 on a quartz substrate, a 1 ⁇ m thick film containing 8.0 at % of TiO 2 on SiO 2 was formed (substrate B1). The refractive index was measured to be 1.495, and the relative refractive index difference ⁇ was 0.35. there were. Similarly, after forming a 100 nm thick Al film as a reflective film on a quartz substrate by sputtering, a 1 ⁇ m film containing 8.0 at% TiO 2 on SiO 2 was formed by simultaneously sputtering SiO 2 and TiO 2 . (Substrate B2).
  • the solvent was removed by blowing a dry nitrogen stream onto the above CsPbBr 3 dispersion, and the mixture was treated with 1 wt% of CsPbBr 3 nanocrystals, 94 wt% of 3,3,5-trimethylcyclohexyl acrylate (TMCHA), and 5 wt% of 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone (Omnirad 184). % to obtain an ink composition A.
  • TMCHA 3,3,5-trimethylcyclohexyl acrylate
  • Omnirad 184 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone
  • the above ink composition was coated on a glass substrate, and the refractive index was calculated from the reflection spectrum to be 1.500.
  • a conversion layer of 100 ⁇ m in width x 300 ⁇ m in height x 10 ⁇ m in thickness is printed on the optical film formed on substrate A2 using a material printer (manufactured by Fujifilm Dimatix, DMP-2850) from the edge of the substrate. It was printed as follows. Immediately after printing, it was sandwiched between the optical film formed on the substrate A1 and cured by UV irradiation, thereby producing a display element that emits green light L2 of the second wavelength.
  • Example 2 A display element was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the conversion layer was 3 ⁇ m.
  • Example 3 A display element was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the conversion layer was 1.5 ⁇ m.
  • Example 4 A display element was produced in the same manner as in Example 1, except that the substrate A1 was changed to the substrate B1, the substrate A2 was changed to the substrate B2, and the thickness of the conversion layer was 3 ⁇ m.
  • Example 5 A display element was produced in the same manner as in Example 1, except that the conversion layer was printed to have a width of 300 ⁇ m, a length of 100 ⁇ m, and a thickness of 3 ⁇ m from the edge of the substrate.
  • Example 6 In the same manner as in Example 1, the solvent was removed by blowing a dry nitrogen stream onto the CsPbBr 3 dispersion, and 1 wt% of CsPbBr 3 nanocrystals, 89 wt% of 3,3,5-trimethylcyclohexyl acrylate (TMCHA), and 1-hydroxycyclohexyl were added.
  • Ink composition B was obtained by adjusting the contents of phenyl ketone (Omnirad 184) to 5 wt% and titanium oxide to 5 wt%.
  • Example 2 printing was performed in the same manner as in Example 1 so that the conversion layer was 80 ⁇ m wide x 300 ⁇ m long x 10 ⁇ m thick from the edge of the substrate.
  • a display element was produced by printing on the side using ink composition B so as to have a thickness of 20 ⁇ m in width x 300 ⁇ m in height x 10 ⁇ m in thickness. This configuration corresponds to FIG. 7B.
  • Example 7 A display element was produced in the same manner as in Example 6 except that the substrate A1 was changed to the substrate B1, the substrate A2 was changed to the substrate B2, and the thickness of the conversion layer was set to 3 ⁇ m. This configuration corresponds to FIG. 7B.
  • Example 8 This example is an example in which sub-pixels are stacked in the light extraction direction shown in FIGS. 8A to 8C.
  • the optical layer 34 and optical layer 36 used here refer to a wavelength-selective layer that selectively reflects or transmits a specific wavelength.
  • a wavelength-selective layer can be obtained by a dielectric multilayer film.
  • the dielectric constituting the dielectric multilayer film may be an inorganic material, an organic material, or a combination thereof. Examples of the organic material include polyester resin, urethane resin, and acrylic resin.
  • inorganic materials such as fluoride materials and oxide materials can be used.
  • the fluoride material AlF 2 (1.36), MgF 2 (1.38), CaF 2 (1.43), etc. can be used.
  • SiO 2 (1.45), Al 2 O 3 (1.64), MgO (1.72), Y 2 O 3 (1.88), HfO 2 (2.05), SrTiO 3 (2.44), TiO 2 (2.49), etc. can be used.
  • the numerical value in parentheses is a reference value of the refractive index.
  • the dielectric multilayer film is composed of a multilayer film in which low refractive index materials and high refractive index materials selected from these material types are alternately laminated.
  • the optical layer 34 is made of a dielectric material so as to reflect blue light (460 nm) and transmit green light (530 nm) from the green sub-pixel, which is emitted from the conversion layer, and red light (630 nm) from the red sub-pixel.
  • a multilayer film is designed.
  • the optical layer 36 is a dielectric multilayer film designed to reflect green light (530 nm) from the green sub-pixel and transmit red light (630 nm) from the red sub-pixel.
  • the film thicknesses of SiO 2 and TiO 2 are determined according to the center wavelength of the reflection band for incident light at an incident angle of 0 degrees. As an example of the optical layer 34, when the center wavelength of the reflection band is 400 nm, the film thicknesses of SiO 2 and TiO 2 are 69 nm and 40 nm, respectively, and the total film thickness is 1090 nm.
  • the width of the reflection band is approximately 133 nm.
  • the optical layer 36 when the center wavelength of the reflection band is 470 nm, the film thicknesses of SiO 2 and TiO 2 are 81 nm and 47 nm, respectively, and the total film thickness is 1282 nm. At this time, the width of the reflection band is approximately 156 nm.
  • the reflective layer can be formed by forming a film using a sputtering method, an ion beam evaporation method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, or the like.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, a green sub-pixel display element in which the conversion layer emits green light is produced using a substrate on which the optical layer 34 is formed, and a green sub-pixel display element in which the conversion layer emits red light is produced using a substrate on which the optical layer 36 is formed. A certain red sub-pixel display element was fabricated. The area of the conversion layer was 300 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m. Using an ink composition obtained by removing CsPbBr 3 nanocrystals from ink composition B, a resin portion containing a light scattering material of 300 ⁇ m x 300 ⁇ m was prepared in the same manner as in Example 1, and a blue sub-pixel display element was prepared. A red sub-pixel display element, a green sub-pixel display element, and a blue sub-pixel display element were laminated in this order on an Al reflective film to produce a display element.
  • a dielectric multilayer mirror that transmits blue light and reflects green and red light was formed on a quartz substrate by ion beam evaporation.
  • This dielectric multilayer mirror transmits incident light of 0 to 30 degrees for blue light (460 nm) and reflects incident light of 30 degrees or more. Furthermore, for green light (530 nm) and red light (630 nm), light at all incident angles is reflected.
  • a multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 was used, and a reflective layer was used in which the multilayer films were laminated, and the center wavelengths of the reflection bands were 580 nm, 670 nm, and 760 nm, respectively.
  • the film thicknesses of SiO 2 and TiO 2 are 100 nm and 58 nm, 116 nm and 67 nm, and 131 nm and 76 nm, respectively.
  • the number of repetitions for each band was 5, and the total thickness of the reflective layer was 2.7 ⁇ m.
  • Example 2 the CsPbBr 3 dispersion was sprayed with a dry nitrogen stream to remove the solvent, and the CsPbBr 3 nanocrystals were 10 wt%, 3,3,5-trimethylcyclohexyl acrylate (TMCHA) 75 wt%, and 1-hydroxycyclohexyl.
  • Ink composition C was obtained by adjusting the contents of phenyl ketone (Omnirad 184) to 5 wt% and titanium oxide to 10 wt%.
  • a display element was prepared by printing the conversion layer on a dielectric multilayer mirror formed on a quartz substrate using ink composition C in the same manner as in Example 1 so that the conversion layer was 100 ⁇ m wide x 300 ⁇ m long x 10 ⁇ m thick. Created. This configuration corresponds to FIG. 3B.
  • a display element was produced by printing on a quartz substrate using the same ink composition C as in Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1 so that the conversion layer was 100 ⁇ m wide x 300 ⁇ m long x 10 ⁇ m thick. This configuration corresponds to FIG. 3A.
  • Comparative example 3 In the same manner as Comparative Example 1, the content was adjusted to 1 wt% of CsPbBr 3 nanocrystals, 84 wt% of 3,3,5-trimethylcyclohexyl acrylate (TMCHA), 5 wt% of 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone (Omnirad 184), and 10 wt% of titanium oxide. Ink composition D was obtained.
  • a display element was produced by printing on a quartz substrate using the same ink composition D as in Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1 so that the conversion layer was 100 ⁇ m wide x 300 ⁇ m long x 10 ⁇ m thick. This configuration corresponds to FIG. 3A.
  • Blue light with a peak emission wavelength of 460 nm was guided through an optical fiber as excitation light, and the emitted light was imaged by a lens and entered the conversion layer from the side. At this time, the amount of blue light irradiation (intensity x area) was kept constant. In other words, the blue light intensity per unit area increases as the film thickness decreases.
  • Example 5 is larger. An integrating sphere was placed directly above the conversion layer, and the integrated value of the emission spectrum of 530 nm ⁇ 30 nm for green and 630 nm ⁇ 30 nm for red was measured as brightness using a multichannel spectrometer C10027-01 (Hamamatsu Photonics).
  • Table 1 shows the brightness values of green and red.
  • Example 1 From Example 1 and Comparative Example 1, the film thickness is 10 ⁇ m and the configuration with a reflective layer provided on the bottom surface is the same, and in Comparative Example 1, the concentration of luminescent nanocrystals is 10 wt%, but the brightness of green and red is different. It has become relatively small. This means that the light extraction efficiency of Example 1 is excellent. When the concentration of luminescent nanocrystals was the same as 1 wt%, the brightness of green and red colors further decreased (Comparative Example 2). Furthermore, when no reflective layer was provided on the bottom surface, the brightness of green and red was also reduced (Comparative Example 3).

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Abstract

表示素子が二次元に配列され第１の波長の光を発光する複数の発光層を備える発光層アレイと、複数の発光層の一部と光学的に結合する第１の結合部と、第１の結合部を介して採光された第１の波長の光を交互に反射させ第１の結合部から離れる方向に向けて導光するように対向配置された第１の取り出し部と第１の反射部と、を有するとともに、第１の波長の光を波長変換した第２の波長の光を第１の取り出し部を介して出射する複数の第１の変換層を備える変換層アレイと、を有する。

Description

表示素子、及び表示装置
　本発明は、表示素子、及び表示装置に関する。
　画像を表示する表示素子、及び表示装置において、高い色純度と高い発光効率とを実現するための手法として、量子ドットを含む発光層を用いる技術が知られている。発光層は励起光として一次光を用いる場合はかかる発光層は波長変換を行うため色変換層と換言される場合がある。
　特許文献１は、青色を発光する無機系マイクロＬＥＤアレイとＲＧＢ各色のサブピクセルに対応する色変換層アレイとをモノリシックに構成することで、製造コストの削減とマクロな光利用効率が向上した高解像度の表示装置を開示している。特許文献１は、さらに、ＲＧＢ各色のサブピクセルに対応する色変換層アレイの後方から青色光を励起光として入射し、色変換層アレイの前方に向けて色変換した光を放射する背面光学配置をとることを開示している。このような背面光学系の配置により、特許文献１に記載された表示装置は、発光素子と色変換層との間の光学的な結合面積を担保し、発光素子から波長変換層への光の伝搬効率であるマクロな光利用効率を担保している。特許文献１は、色変換層が量子ドットと光散乱材とを含む形態を開示している。また、色変換層は波長変換層と換言される場合がある。
特開２０２０－８６４６１号公報
　特許文献１に記載の背面光学系の画素構成では、波長変換層は層厚方向に存在する量子ドットの光学密度を所定値以上にすることで波長変換後の光の発光量が担保される。かかる背面光学系の画素構成では、一次光（励起光）と二次光（波長変換後の光）が利用する光路が同方向配置をとる。また、かかる背面光学系の画素構成では、一次光が波長変換層に導光されるための結合領域である第１の窓と、波長変換層が視聴者に向けて光を放出する光放出面に対応する第２の窓と、が減長変換層の層厚方向に見て重なる部分を有する重畳配置をとる。換言すると、特許文献１に記載の背面光学系の画素構成では、一次光（励起光）と二次光（波長変換後の光）とが、同軸配置をとっている。
　特許文献１に記載の背面光学系の画素構成では、量子ドットの濃度、吸光係数、波長変換層の層厚等のいずれかの調整により量子ドットの光学密度を増加させ、一次光の侵入深さにおける単位深さあたりの発光強度を高めることが可能となる。一方で、ランベルト・ベール則に従い一次光および二次光の少なくともいずれかの単位深さあたりの吸収も増大し発光の効果と吸光の効果の拮抗により、量子ドットの光学密度の増加に対するマクロな光利用効率の増加は頭打ちとなる。すなわち、特許文献１が採用する背面光学系の画素構成では、光学密度の調整によるマクロな光利用効率の向上には限界があった。
　また、同様にして波長変換層における量子ドットの光学密度を減少させた場合、単位深さあたりの一次光および二次光の吸光は減少するものの、一次光が色変換層の光放出面側まで到達することで取り出される放出光の色純度が低下する。色純度の低下に対しては光学フィルタを波長変換層の光放出面側に設けることが採用されるが、色変換後の放出光のマクロな光利用効率は光学フィルタにより制限を受ける。
　すなわち、これらの波長変換層の層厚方向の光学密度を調整する手法は、輝度の上限と色純度低下という互いに相反する問題の少なくともいずれか生じ、波長変換層のマクロな光利用効率の抜本的な改善には繋がらないことについて改善が求められていた。
　本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、波長変換層のマクロな光利用効率と色純度とがともに高められた表示素子ならびに表示装置を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態に係る表示素子は、二次元に配列され第１の波長の光を発光する複数の発光層を備える発光層アレイと、前記複数の発光層の一部と光学的に結合する第１の結合部と、前記第１の結合部を介して採光された前記第１の波長の光を交互に反射させ前記第１の結合部から離れる方向に向けて導光するように対向配置された第１の取り出し部と第１の反射部と、を有するとともに、前記第１の波長の光を波長変換した第２の波長の光を前記第１の取り出し部を介して出射する複数の第１の変換層を備える変換層アレイと、を有する。
　本発明に係る表示素子によれば、波長変換層のマクロな光利用効率と色純度とがともに高められた表示素子ならびに表示装置を提供することができる。
第１の実施形態に係る緑色表示素子の画素断面図である。 第１の実施形態に係る緑色表示素子を部分展開した画素平面図である。 第１の実施形態に係るアレイ状表示素子の平面図である。 第１の実施形態に係る赤色表示素子の画素断面図である。 第１の実施形態に係る青色表示素子の画素断面図である。 第１の実施形態に係る表示素子の断面構造を示す図である。 従来形態に係る表示素子の断面構造を示す図である。 第１の実施形態に係る波長変換層の層内構造を示す図である。 従来形態に係る波長変換層の層内構造を示す図である。 従来形態の画素配置を示す断面図である。 従来形態の画素配置を示す断面図である。 各実施形態に適用可能な変換層の導波路特性を示す図である。 第２の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第３の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第４の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第５の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第６の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第７の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第８の実施形態に係る表示素子の画素断面図を示す図である。 第８の実施形態に係る表示素子の輝度分布プロファイルを示す図である。 第９の実施形態に係る表示素子の画素断面図を示す図である。 第９の実施形態に係る表示素子の輝度分布プロファイルを示す図である。 第１０の実施形態に係る表示素子の画素断面図を示す図である。 第１０の実施形態に係る表示素子の輝度分布プロファイルを示す図である。 第１１の実施形態に係る表示素子の画素断面図を示す図である。 第１１の実施形態に係る表示素子の画素平面を示す図である。 第１２の実施形態に係る表示素子の画素断面図を示す図である。 第１２の実施形態に係る表示素子の画素平面を示す図である。 第１３の実施形態に係る表示素子の画素平面図である。 第１３の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第１３の実施形態に係る表示素子のアレイ平面図である。 第１４の実施形態に係る表示素子の画素平面図である。 第１４の実施形態に係る表示素子の画素断面図である。 第１４の実施形態に係る表示素子のアレイ平面図である。
　以下、本発明の実施形態に係る表示素子について詳細に説明するが本発明はそれに限定されない。
　＜第１の実施形態＞
　第１の実施形態に係る表示素子１００について、図１Ａ～図１Ｅ、図２Ａ、図２Ｃを用いて説明する。
　図１Ａ、図１Ｂは、それぞれ、本実施形態に係る緑色表示素子１００Ｇの画素構造を示す断面図、緑色表示素子１００Ｇの一部を展開した画素構造を示す平面図である。図１Ｃは、本実施形態のマトリクス配置されたアレイ状表示素子１００の平面図である。図１Ｄ、図１Ｅは、それぞれ、本実施形態に係る青色表示素子１００Ｂ、青色表示素子１００Ｂの画素構造を示す断面図である。なお、表示素子の二次元状の配置はターゲットとする表示性能に応じてデルタ配列（Δ配列）を含み適宜配置を変えることができる。
　なお、本願明細書において、緑色、赤色、青色は、それぞれ、波長帯域として、少なくとも、５１５ｎｍ以上５４５ｎｍ以下、６１５ｎｍ以上６４５ｎｍ以下、４４５ｎｍ以上４７５ｎｍ以下のそれぞれの帯域に極大値を有するものとして扱う。より好ましくは、緑色、赤色、青色は、その極大値をとる波長が、５２８ｎｍ以上５３２ｎｍ以下、６２８ｎｍ以上６３２ｎｍ以下、４５８ｎｍ以上４６２ｎｍ以下、のそれぞれの帯域内にあるものが採用される。また、後述する各実施形態において、第２～第４の波長の光である二次光としての緑色、赤色、青色は、いずれも、帯域幅（全値半幅ＦＷＨＭ）の上限が１０ｎｍであるものが好ましく採用される。
　（第１の表示素子アレイ）
　次に、緑色を表示する緑色表示素子１００Ｇについて、図１Ａ～図１Ｃ、図２Ａ、図２Ｃを用いて説明する。緑色表示素子１００Ｇは、図１Ｃに示すように、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に沿って行列状に配置された１００－１の二次元アレイである。緑色表示素子１００Ｇは、１００－２、１００－３の各二次元アレイに置き換えても良いし、１００－１、１００－２、１００－３の表示素子アレイの一部または全部に配置されても良い。なお、図１Ａは、図１Ｂに平面図を示した表示素子１００の面Ａ－Ａ’における断面の構造を示す断面図である。また、図１Ｂは、層方向において重なって配置される要素の理解のために、部分的に、遮光部１０ｓ、第１の取り出し部２４、第１の変換部２６の一部をトリミングして示している。
　（発光層アレイ）
　本実施形態に係る緑色表示素子１００Ｇは、図１Ａ、図１Ｂに示すように、二次元に配列されそれぞれが第１の波長の光Ｌ１を発光する複数の発光層１０を備える発光層アレイ１０Ａを備える。発光層アレイ１０Ａは、無機半導体による発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、半導体レーザ素子、等の自発光素子が採用される。第１の発光層１０を構成する発光素子は、マイクロキャビティー構造を有するマイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）や、マイクロ有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）が採用される。
　このような発光素子は指向性を有する光源であるため、導波モードをとるように第１の波長の光Ｌ１を第１の変換部２０に導光することができる。
　発光層アレイ１０Ａは、後述する、第１の変換層２０が備える第１の結合部２２に、第１の波長の光Ｌ１を導光し、発光層１０の周辺への光の漏洩を防ぐため、第１の結合部２２と結合する領域を残して、発光層１０の周囲を遮光する遮光部１０ｓを備える。
　（変換層アレイ）
　さらに、緑色表示素子１００Ｇは、発光層アレイ１０Ａから導光された第１の波長の光Ｌ１を第２の波長の光Ｌ２に変換し、かつ、第１の波長の光Ｌ１と第２の波長の光Ｌ２の伝搬方向を変更する複数の第１の変換層２０を備える変換層アレイ２０Ａ、を有する。図１Ａ、図１Ｂに示すように、光の伝搬方向は、第１の変換層２０の層内における光の伝搬方向を変えるものであり、光の輸送方向、光を利用する方向、と換言する場合がある。
　第１の変換層２０は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、複数の発光層１０の一部と光学的に結合する第１の結合部２２を備える。また、第１の変換層２０は、第１の結合部２２を介して採光された第１の波長（λ１）の光Ｌ１を交互に反射させるとともに第１の結合部２２から離れる方向Ｄ１に向けて第１の波長の光Ｌ１を多重反射させて導光する導波路状の光学構造を有している。かかる導波路状の光学構造は、互いに対向配置された第１の取り出し部２４、第１の反射部２８と、を有している。
　（変換部）
　また、第１の変換層２０は、図１Ａ、図２Ｃに示すように、量子ドットとなる複数の光応答性ナノ粒子３０を含有する第１の変換部２６を備える。第１の波長（λ１）の光Ｌ１より長波長側に波長シフトした第１の波長（λ２）の光Ｌ２を発する。第２の波長λ２は、第１の波長λ１より長いと換言される。
　なお、第１の変換層２０は、第１の波長の光Ｌ１の中心波長の帯域幅Δλ１を縮小し帯域幅Δλ２とし、一次光Ｌ１より色純度が高い二次光Ｌ２を生成する発光層であると換言される。第１の変換層２０は、量子ドットではなく帯域フィルタ（カラーフィルタ）により波長変換を行う形態に置換することが可能である。
　第１の変換層２０－１、第２の変換層２０－２は、第１の波長の光Ｌ１を第１の波長の光Ｌ１の波長と異なる波長の光に変換するものが採用される。変換層アレイ２０Ａは、第１の波長の光Ｌ１を第２の波長の光Ｌ２に変換する第１の変換層２０－１と、第１の波長の光Ｌ１を第３の波長の光Ｌ３に変換する第２の変換層２０－２とを含む。第２の波長の光Ｌ２は緑色が採用され、第３の波長の光Ｌ３は赤色光が採用される。本実施形態における第１の変換層、及び第２の変換層２０－２の厚さは、４μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、６μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。
　蛍光体粒子が樹脂中に分散された変換層を含み構成される。蛍光体粒子としては、無機材料、有機材料を問わないが、特に量子ドットを用いることが好ましい。量子ドットは、発光スペクトルの半値全幅が狭く色純度に優れた発光を示すためである。
　量子ドットに用いられる無機粒子はその大きさからナノ粒子と呼ばれることもある。量子ドットの材料としては、例えば、半導体結晶があり、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ－Ｖ族、ＩＩ－ＶＩ族の化合物半導体、ＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族、Ｖ族、および、ＶＩ族元素の内３つ以上の組み合わせからなる化合物半導体、などのナノ粒子が挙げられる。表示素子用の波長域で発光を示す材料として、具体的には、ＣｓＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＳｅＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅＳｅ、ＺｎＴｅＳ、ＩｎＰ、ＣｕＩｎＳ２、ＡｇＩｎＳ２、Ｐｂ系ペロブスカイトなどが挙げられる。これらを量子ドットの核（コア）とし、量子ドット材料を被覆化合物で覆ったコアシェル構造であってもよい。この場合、シェル部に配位子が設けられる。
　量子ドットの平均粒径は、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましい。量子ドットでは内在する励起子のボーア半径以下の大きさまで量子ドットの粒径を小さくすると、量子サイズ効果により量子ドットのバンドギャップが変化する現象が生じる。例えば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体であるＩｎＰでは、ボーア半径は１０ｎｍ～１４ｎｍ程度であると言われている。すなわち、量子ドットの平均粒径が、１５ｎｍ以下であれば、量子サイズ効果によるバンドギャップの制御が可能となる。量子ドットの平均粒径を２ｎｍ以上とすることで、量子ドットの合成において、量子ドットの結晶成長を制御し易くすることができる。
　量子ドットは、表面に配位子を有している。配位子は、第一の量子ドットと第二の量子ドットとを有する場合に、両者を架橋する架橋構造を有してよい。架橋とは１分子が第一の量子ドットおよび第二の量子ドットに結合することである。有機配位子により架橋される場合、有機配位子の分子長により量子ドット間の距離を制御することができる。架橋する構造は具体的には、水酸基、チオール基、カルボキシル基であってよい。量子ドット間には、少なくとも１個以上の有機分子を有することが好ましい。有機配位子が多いと、有機分子の両端が量子ドット表面と強く結合するため、耐熱性、及び耐環境性が向上し、発光特性の安定性が増す。
　本実施形態の第１の変換層や第２の変換層に用いられる蛍光体粒子として、５０ｎｍ未満の半値全幅を有する量子ドットが好ましくは用いることができる。例えば、量子ドットとして、一般に利用可能な量子ドット、例えば、Ｓｉｇｍａ－ＡｌｄｒｉｃｈからＩｎＰ／ＺｎＳ量子ドット製品番号７７６７６９、７７６７５０、７７６７９３、７７６７７７、７７６７８５を用いることができる。第１の変換層として、製品番号７７６７５０が好ましく、第２の変換層２０－２として、製品番号７７６７７７が好ましい。また、ペロブスカイト量子ドットとして、製品番号９０５０６２、９００７４６、９００７４７、９００７４８を用いることができる。第１の変換層として、製品番号９０５０６２、あるいは９００７４６が好ましく、第２の変換層２０－２として、製品番号９００７４８が好ましい。
　本実施形態に係る第１～第３の変換部２６において、ポリマーマトリックスとなる材料は、単官能モノマー、２官能モノマーが採用され、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、などを挙げられる。これらを光応答性ナノ粒子とともに混合することで、フォトリソグラフィやインクジェット方式による成膜（インクジェット印刷）に適した粘度や表面張力とすることができる。また、モノマーの濃度８５～９８ｗｔ％に対し、光重合開始剤の濃度は２～５ｗｔ％が採用される。酸化チタンは含有しない。樹脂部１７は青色光（Ｌ３）を散乱する酸化チタンなどの光散乱材を含有するが、多重散乱が生じない濃度である５ｗｔ％以下であることが望ましい。
　（取り出し部）
　第１の取り出し部２４は、第１の変換層２０の層内で波長変換され放射状に伝搬する第２の波長の光Ｌ２よりも、第１の結合部２２から離れる第１の方向Ｄ１に沿って伝搬する第１の波長の光Ｌ１に対する分光反射率が高い構造が採用される。このような第１の取り出し部２４を採用することにより、後述する第１の反射部２８の採用とともに、第２の波長の光Ｌ２の供給源となる第１の波長の光Ｌ１の層内の伝搬性を担保し、第２の波長の光Ｌ２の発生域を担保する。
　第１の取り出し部２４は、第１の波長の光Ｌ１より第２の波長の光Ｌ２に対する分光透過率が高い構造が採用される。これにより、第１の変換層２０の層内に混在する第１の波長の光Ｌ１の表示面からの出射を制限し、第２の波長の光Ｌ２の表示面からの出射を許容し、高い色純度を担保する。
　第１の取り出し部２４の分光反射特性または分光透過特性は、第１の変換部２６の層厚方向（ｚ方向）における両面と接する不図示の光学部材との屈折率ｎの差により得られる。本実施形態の表示素子１００は、図１Ａに示すように、第１の変換部２６の屈折率ｎ１を、第１の取り出し部２４の界面側の光学構造の屈折率ｎ２より高くしている。
　第１の取り出し部２４は、誘電体多層膜を採用しても良いし、第１の取り出し部２４のように屈折率差を利用したコア／クラッド形態としても良い。
　第１の取り出し部２４と第１の変換部２６との導波路状の光学構造については、第１３の実施形態の表示素子２００を扱う図５Ａ～図５Ｆを用いて詳述する。
　（反射部）
　第１の反射部２８は、第１の取り出し部２４より、第２の波長の光Ｌ２に対する分光反射率が高い構造が採用される。このような第１の反射部２８を採用することにより、前述の第１の取り出し部２４の採用とともに、第２の波長の光Ｌ２の供給源となる第１の波長の光Ｌ１の層内の伝搬性を担保し、第２の波長の光Ｌ２の発生域を担保する。
　第１の反射部２８の分光反射特性は、第１の変換部２６の層厚方向（ｚ方向）における両面と接する不図示の光学部材との屈折率ｎの差により得られる。本実施形態の表示素子１００は、図１Ａに示すように、第１の変換部２６の屈折率ｎ１を、第１の反射部２８の界面側の不図示の光学構造の屈折率ｎ２より高くしている。
　第１の反射部２８は、プラズモン反射を利用した波長依存性の低い金属反射部材が採用されるが、誘電体多層膜を採用しても良いし、第１の取り出し部２４と同様にして屈折率差を利用したコア／クラッド形態としても良い。
　第１の変換層２０は、第１の方向Ｄ１において、第１の結合部２２と反対側の終端に終端遮光部２０ｓを有している。
　［光学部材］
　光学部材は、変換部２６との間で界面を構成し、取り出し部２４または反射部２８を構成する。取り出し部２４を構成する光学部材は、取り出し部２４が透過する二次光を透過する透光性の材料が採用され、有機樹脂、無機のガラス材料等が採用される。光学部材としては、青色光、緑色光、赤色光に対しての透過率が８５％以上、より好ましくは９０％以上の透明な樹脂を用いることができる。光学部材として用いられる樹脂の屈折率は１．４５以上１．５とすることができる。
　ここで、変換層２０が導波路として機能するように光学部材の屈折率は設定される。変換層の屈折率（ｎ１）は、量子ドットの種類と濃度によって変化するが、濃度が０．０１～５ｗｔ％である場合、ｎ１はおおむね１．４５～１．５０の範囲である。光学部材の屈折率（ｎ２）は、比屈折率差Δ＝（ｎ１－ｎ２）／２ｎ１においてΔ＝０．３～２．０％となるように設定することが好ましい。例えば、変換層の屈折率ｎ１が１．５０とすると、Δ＝０．３５％の場合ｎ２＝１．４９０であり、Δ＝１．５％の場合ｎ２＝１．４５５となる。
　（第２の表示素子アレイ）
　次に、赤色を表示する赤色表示素子１００Ｒについて、図１Ｃ、図１Ｄを用いて説明する。赤色表示素子１００Ｒは、図１Ｃに示すように、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に沿って行列状に配置された１００－２の二次元アレイである。赤色表示素子１００Ｒは、１００－１、１００－３の各二次元アレイに置き換えても良いし、１００－１、１００－２、１００－３の表示素子アレイの一部または全部に配置されても良い。
　本実施形態の赤色表示素子１００Ｒは、第２の表示素子アレイ１００Ａとして、図１Ｄにその断面構造が示されている。
　本実施形態の赤色表示素子１００Ｒは、緑色表示素子１００Ｇと同様にして、複数の発光層１０を備える発光層アレイ１０Ａと、複数の第２の変換層４０を備える変換層アレイ２０Ａを有する。第２の変換層４０は、第１の変換層２０と同様にして、青色または紫外色を含む第１の波長の光Ｌ１（一次光）を、長波長側に波長変換して、赤色の二次光を第３の波長の光Ｌ３として、第２の取り出し部４４から出射する形態が含まれる。第２の変換層４０は、第１の変換層２０と同様にして、青色または紫外色を含む第１の波長の光Ｌ１（一次光）を、第１の波長の光Ｌ１より狭帯域化して赤色の二次光である第２の波長の光Ｌ３を生成し第２の取り出し部４４から出射する形態が含まれる。
　第２の変換層４０は、第１の変換層２０と同様にして、第２の結合部４２、第２の取り出し部４４、第２の反射部４８、第２の変換部４６、を備える。第２の変換層４０は、かかる構成を採用することにより、第２の結合部４２を介して採光された第１の波長の光Ｌ１を波長変換し第３の波長の光Ｌ３を生成し、第３の波長の光Ｌ３を第２の取り出し部４４を表示面として出射する。
　すなわち、変換層アレイ２０Ａは、発光層アレイ１０Ａが複数の第１の変換層２０と光学的に結合する部分以外の領域において複数の発光層１０と光学的に結合する複数の第２の結合部４２を備える第２の変換層４０を有している。第２の変換層４０は、さらに、複数の第２の結合部４２を介して採光された第１の波長の光Ｌ１を交互に反射させ第２の結合部４２から離れる方向Ｄ１に導光するように対向配置された第２の取り出し部と第２の反射部と、を有する。第２の変換層４０は、第１の波長の光Ｌ１を波長変換した第３の波長の光Ｌ３を第２の取り出し部４４を介して出射する。
　第２の変換層４０は、第１の変換層２０と同様に、第１の波長の光Ｌ１を第３の波長の光Ｌ３に変換する第２の光応答性ナノ粒子を含有する。
　第２の取り出し部４４は、第１の取り出し部２４と同様に、第３の波長の光Ｌ３より第１の波長の光Ｌ１に対する分光反射率が高い構造が採用される。また、第２の取り出し部４４は、第１の取り出し部２４と同様に、第１の波長の光Ｌ１より第３の波長の光Ｌ３に対する分光透過率が高い構造が採用される。
　第２の反射部４８は、第１の反射部２８と同様に、第２の取り出し部４４より、第３の波長の光Ｌ３に対する分光反射率が高い構造が採用される。
　（第３の表示素子アレイ）
　次に、青色を表示する青色表示素子１００Ｂについて、図１Ｃ、図１Ｅを用いて説明する。青色表示素子１００Ｂは、図１Ｃに示すように、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に沿って行列状に配置された１００－３の二次元アレイである。青色表示素子１００Ｂは、１００－１、１００－２の各二次元アレイに置き換えても良いし、１００－１、１００－２、１００－３の表示素子アレイの一部または全部に配置されても良い。
　本実施形態の青色表示素子１００Ｂは、第２の表示素子アレイ１００Ａとして、図１Ｄにその断面構造が示されている。
　本実施形態の青色表示素子１００Ｂは、緑色表示素子１００Ｇ、赤色表示１００Ｒ、と同様にして、複数の発光層１０を備える発光層アレイ１０Ａと、複数の第３の変換層５０を備える変換層アレイ２０Ａを有する。第３の変換層５０は、緑色表示素子１００Ｇと同様にして、青色または紫外色を含む第１の波長の光Ｌ１（一次光）を採光し、第１の波長の光Ｌ１より狭帯域の青色の二次光である第４の波長の光Ｌ４を生成し、第３の取り出し部５４から出射する形態が含まれる。すなわち、第３の変換層５０は、第３の結合部５２から第３の取り出し部５４までの伝搬光路において伝搬方向を変えるが、第１の波長の光Ｌ１の波長変換は行わない形態が含まれる。
　第３の変換層５０は、第１の変換層２０と同様にして、第３の結合部５２、第３の取り出し部５４、第３の反射部５８、第３の変換部５６、を備える。第３の変換層５０は、かかる構成を採用することにより、第３の結合部５２を介して採光された第１の波長の光Ｌ１を波長変換し第４の波長の光Ｌ４を生成し、第４の波長の光Ｌ４を第３の取り出し部５４を表示面として出射する。
　すなわち、変換層アレイ２０Ａは、発光層アレイ１０Ａが複数の第１の変換層２０と光学的に結合する部分以外の領域において複数の発光層１０と光学的に結合する複数の第３の結合部５２を備える第３の変換層５０を有している。第３の変換層５０は、さらに、複数の第３の結合部５２を介して採光された第１の波長の光Ｌ１を交互に反射させ第３の結合部５２から離れる方向Ｄ１に導光するように対向配置された第２の取り出し部と第２の反射部と、を有する。第３の変換層５０は、第１の波長の光Ｌ１を波長変換した第４の波長の光Ｌ４を第３の取り出し部５４を介して出射する。
　第３の変換層５０は、第１の変換層２０と同様に、第１の波長の光Ｌ１を第２の波長および第３の波長より第１の波長に近い第４の波長の光Ｌ４に変換する第３の光応答性ナノ粒子を含有する場合がある。第４の波長は、第１の波長より長く、第２の波長および第３の波長のいずれよりも短い形態が含まれる。
　第３の取り出し部５４は、第４の波長の光Ｌ４より第１の波長の光Ｌ１に対する分光反射率が高い構造が採用される。また、第３の取り出し部５４は、第１の取り出し部２４と同様に、第１の波長の光Ｌ１より第４の波長の光Ｌ４に対する分光透過率が高い構造が採用される。
　第３の反射部５８は、第１の反射部２８と同様に、第３の取り出し部５４より、第４の波長の光Ｌ４に対する分光反射率が高い構造が採用される。
　第１の変換部２６、第２の変換部４６、第３の変換部５６は、第１の波長の光Ｌ１を散乱する酸化チタンなどの光散乱材を含有してもよい。第１の変換部２６、第２の変換部４６、第３の変換部５６中の光散乱材の濃度は、光散乱材同士の多重散乱が生じない濃度以下とすることが望ましく、５ｗｔ％以下が採用される。
　＜技術的意義＞
　次に、図２Ａ～図２Ｄ、図３Ａ、図３Ｂを用いて、本実施形態に係る表示素子１００と、従来技術に係る表示素子９００とを対比し、表示素子１００が備える構造的な特徴と、かかる特徴が発現する本実施形態に固有の効果を説明する。
　図２Ａは、第１の実施形態に係る表示素子１００の断面構造を示すものであり、図２Ｃは、第１の実施形態に係る第１の変換層２０の層内構造を示す図である。一方、図２Ｂは、従来技術に係る表示素子９００の断面構造を示すものであり、図２Ｄは、従来技術に係る表示素子９００の変換層９２０の層内構造を示す図である。図２Ｃ、図２Ｄは、表示素子１００の第１の変換部２６、表示素子９００の変換部９２６がそれぞれ備える光応答性ナノ粒子３０の分散状態を示す図であると換言される。
　表示素子１００と表示素子９００は、以下の点Ａ、Ｂ、Ｃにおいて相違する。
　相違点Ａは、結合部から取り出し部までの光伝搬経路において、一次光の伝搬経路と、二次光を利用する伝搬経路と、が非同軸か、同軸かである。表示素子１００は、第１の結合部２２から第１の取り出し部２４までの光伝搬経路において、一次光と二次光の伝搬経路の方向が異なる非同軸な配置をとる。これに対し、表示素子９００は、結合部９２２から取り出し部９２４までの光伝搬経路において一次光と二次光の伝搬経路が同方向の同軸な配置をとる。すなわち、表示素子１００は、変換層２０の層厚方向Ｄ２に平行な軸に沿って見たとき、第１の結合部２２は第１の取り出し部２４とは重ならないように配置されている。変換層２０の層厚方向Ｄ２は光取り出し方向に換言される。また、表示素子１００は、変換層２０の第１の光の伝搬方向Ｄ１において、第１の結合部２２は第１の取り出し部２４とは重複しないように配置されていると換言される。
　相違点Ｂは、取り出し部と対向する位置に反射部を全域に配置できるか否かである。表示素子１００は、第１の結合部２２から第１の取り出し部２４までの光伝搬経路が非同軸な配置をとり、一方、表示素子９００は、結合部９２２から取り出し部９２４までの光伝搬経路が同軸な配置をとる。
　相違点Ｃは、伝搬する一次光、二次光の吸収が、発光の効果を上回らないように、光応答性ナノ粒子の光学密度を疎とできるか否かである。
　以上の相違点Ａ～Ｃについて以下に説明する。
　本実施形態に係る表示素子１００は、相違点ＡおよびＢにより、第１の結合部２２と第１の反射部２８との異なる機能を担う光学要素をそれぞれ適切な位置に配置することができる。このため、表示素子１００は、発光層１０から第１の変換層２０への採光特性と、第１の反射部２８の反射特性と、が互いに制約を受けずに、独立に、それぞれ好適な光学的特性を割り付けることができる。すなわち、第１の結合部２２は一次光である第１の波長の光Ｌ１に対し高い透過率を設定することが可能であり、第１の反射部２８は、第１の波長の光Ｌ１（一次光）と第２の波長の光Ｌ２（二次光）の両方に対し高い反射率と設定することが可能となる。また、表示素子１００は、波長依存性がロバストな金属層により反射部２８を構成すること、取り出し部２４の後方側全域に反射部２８を設けること、のそれぞれが可能となり、第１の変換層２０からのマクロな光の利用効率の向上が図られる。
　これに対し、従来技術に係る表示素子９００は、相違点ＡおよびＢを有しないため、符号９２２の位置に、発光層９１０から一次光を採光するための光学的結合要素と、変換層９２０内で発生した二次光を反射する反射部要素を、兼用して配置する必要がある。このため、表示素子９００は、符号９２２の界面の透過率および反射率の少なくともいずれかが制約されたものとなるか、符号９２２の領域を分割して特性を割り付ける等の制約が必要となり、変換層９２０からのマクロな光の利用効率は制約を受けたものとなる。
　本実施形態に係る表示素子１００は、第１の波長の光Ｌ１の伝搬経路が表示素子９００の層厚方向（ｚ方向）から層面に略平行な層面方向（ｘｙ面内方向）となり伝搬距離が１桁程度増加する。このため表示素子１００は、表示素子９００に対して、光応答性ナノ粒子の光学密度を１桁程度低下させた疎なものとすることが可能であり、相違点Ｃを有する。
　このため、本実施形態に係る表示素子１００は、一次光、二次光の吸光により、二次光の生成が制約を受け難く、第１の変換層２０におけるマクロな光の利用効率が、表示素子９００に対して高いものとなる。
　本実施形態に係る表示素子１００と従来技術に係る表示素子９００との、より具体的な対比を以下で説明する。
　表示素子９００は、第１の波長の光Ｌ１（青色、一次光）を発する発光層９１０と、発光層９１０からの一次光を受けて第２の波長の光Ｌ２（緑色、二次光）を発する光応答性ナノ粒子を含有する変換層９２０と、が結合部９２２を介して積層されている。変換層９２０の層厚は、数μｍから１０μｍが採用される。変換層９２０は、第１の波長の光Ｌ１をかかる層厚の伝搬経路で全吸収するために、光応答性ナノ粒子３０を、図２Ｄのように、１０～３０ｗｔ％の濃度で含有する。変換層９２０は、第１の波長の光Ｌ１の利用効率向上や取り出し面９２４への漏れ光の低減を目的として、光散乱材３８を、として酸化チタンなどを１０～３０ｗｔ％含有する。変換層９２０は、光散乱材３８の散乱により、第１の波長の光Ｌ１を層内で多数回散乱させて、層厚方向（深さ方向、ｚ方向）の単位厚みあたりの、光応答性ナノ粒子３０に対する第１の波長の光Ｌ１の吸光の機会を増やして波長変換効率を高めている。
　ここで、光応答性ナノ粒子３０（量子ドット）はストークスシフトが小さく、発光帯と励起帯の一部が重なっている為、自己吸収が生じ易い。よって光応答性ナノ粒子３０の光学密度が高い場合、自己吸収による発光効率の低下が生じ易くなる。加えて、光応答性ナノ粒子３０同士の相互の距離が近接するため、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）による発光効率の低下が生じ易くなる。また、光散乱材３８により二次光である波長変換光も散乱が生じ、実効的な光学距離の延長により光取り出し効率が低下することになる。
　特に、光取り出し方向Ｄ１と反対方向に伝搬し変換層９２０の層外に出射した二次光のうち、変換層９２０に再帰入射する光は、光応答性ナノ粒子３０による自己吸収と、光散乱材３８による遮蔽効果とにより減衰し光取り出し効率が低下しやすいと考えられる。
　従来技術に係るＲＧＢ画素配列の形態について図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。
　図３Ａに係る表示素子９０９は、変換層９２０－１～３の後方（発光層９１０の側）に光学部材９１８を設けて結合部９２２を構成している。結合部９２２は、変換層９２０－１～３と光学部材９１８との屈折率の差を利用して一次光Ｌ１を前方（光学部材９１４の側）に向けて散乱する機能を有する。結合部９２２は、発光層９１０－１～３からの一次光Ｌ１の採光効率と、前方への反射特性の両立の観点からその反射特性、透過特性は少なくとも一方は、前述の通り制限される。
　図３Ｂに係る表示素子９９０は、変換層９２０－１～３の後方（発光層９１０の側）に誘電体多層膜９１７を設けて結合部９２２を構成している。これにより、波長変換光のうち、発光層９１０－１～３の側に伝搬する二次光Ｌ２、Ｌ３の再帰光を利用する。
　以上申し述べたように、表示素子９０９、９９０のいずれにおいても、変換層９２０－１～３そのものによる損失と、後方に放出された二次光（波長変換後の光）の利用効率の低下、によりマクロは光利用効率が低下すると考えられる。変換層９２０－１～３そのものによる損失は、量子ドットによる自己吸収と光散乱材による遮蔽効果と、が含まれる。
　結合部９２２は、発光層９１０－１～３からの一次光Ｌ１の採光効率と、前方への反射特性の両立の観点からその反射特性、透過特性は少なくとも一方は、前述の通り制限される。
　一方、本実施形態に係る表示素子１００は、変換層２０が第１の方向Ｄ１へ伝搬する第１の波長の光Ｌ１（一次光）に対して導波路として機能する。導波路の機能を有する変換層２０の層面方向に沿って第１の波長の光Ｌ１（青色光）を全反射により導波させながら二次光に波長変換する。本実施形態の構成によれば、従来の構成よりも、第１の波長の光Ｌ１すなわち、一次光である青色光が波長変換しながら伝搬する光路長を長くすることができる。例えば、１００μｍ×３００μｍのサブ画素の場合、光路長は短手方向１００μｍ、あるいは長手方向３００μｍとすることができる。ランベルト・ベール則に従い、吸収の光路長が大きくなると、変換層２０が含有する量子ドット濃度（光応答性ナノ粒子の濃度）を減少することができる。
　すなわち、従来の表示素子９００、９０９、９９０に対し、実施形態の表示素子１００は、第１の波長の光Ｌ１に対する光路長が一桁程度大きくすることが可能なため、量子ドットの濃度を一桁小さくすることが可能である。さらに、量子ドットが低濃度である場合、自己吸収やＦＲＥＴによる発光効率の低下も抑制されるため、発光効率を高めることが可能となる。よって、本実施形態の構成における量子ドットの濃度は０．０１～５ｗｔ％とすることができる。量子ドットの濃度は、要求される表示性能、一次光の駆動条件、等と並び、一次光の伝搬光路長に対応する画素サイズによって決定される。また、本実施形態の構成では、反射部２８は波長選択性ミラーである必要はなく、Ａｌ、Ａｇ等の金属ミラーを用いることが可能である。あるいは、誘電体多層膜で構成された波長選択性のミラーを用いることが可能である。
　（導波モードと発光モード）
　次に、導波路状の第１～第３の変換層２０－１～３について、動作モードを図１Ａ～図１Ｅ、図４を用いて説明する。
　本発明の構成では、図１Ａに示すように、第１の変換層２０の屈折率（ｎ１）に対して、第１の取り出し部２４である界面を構成する光学部材の屈折率（ｎ２）は低く、第１の変換層２０は導波路として機能する。この結果、第１の波長の光Ｌ１（一次光、青色光）は、第１の変換層２０の層内で全反射を繰り返しながら伝搬され導波される。なお、図１Ｂにおいては、第１の変換層２０内で生成した波長変換後の光である第２の波長の光Ｌ２は理解のために一部のみ示され、第１の反射部２８を経た経路等は省略されている。第２の波長の光Ｌ２は、実際には複数の光路で構成される第１の波長の光Ｌ１の伝搬路上および光拡散材により伝搬路の周辺で発生する。第１の変換層２０の層内で発生した二次光は、光拡散材の散乱、反射部２８の反射を経るか、または、発光点（波長変換点）から直接に取り出し部２４に至り、第１の変換層２０の前方に取り出される。
　屈折率の高い層（コア）が、屈折率の低い層（クラッド）に挟まれたサンドイッチ構成の場合、コア層内を伝搬する光のクラッド層への入射角度が臨界角より大きくなる場合に全反射が生じ、コア／クラッド界面で反射を繰り返すことで導波路として機能する。一般に、コア層から等方的に放射された光の全放射モードのうち、コア層内で全反射を繰り返す光を導波モード、コア層から取り出される光が発光モードと呼ばれる。
　ここで、第１の波長の光Ｌ１（一次光、青色、紫色）に対しては導波モードが採用され、光取り出しの点から、第２の波長の光Ｌ２（緑色）、第３の波長の光Ｌ３（赤色）に対しては導波モードの成分が相対的に少ない発光モードの成分があるように設定される。より好ましくは、第２の波長の光Ｌ２、第３の波長の光Ｌ３は、発光モードが導波モードより多く支配的である形態が採用される。
　ここで、本願明細書においては、光導波路で用いられる導波路パラメータＶを用いて導波モードと発光モードを取り扱う。
Ｖ＜２．４０５　　　（式１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　の式１、式２を考える。
　ここでｄは膜厚、λ０は光の波長、ｎ１とｎ２はコア層とクラッド層の屈折率である。導波路パラメータＶ＜２．４０５の場合、シングルモード導波路となり、任意の波長に対しては、基本の導波モードのみが導波可能となり、その他の放射モードは発光モードとなる。また、任意のコアとクラッドの比屈折率差Δ＝（ｎ１－ｎ２）／２ｎ１を決定した場合、膜厚を薄くすることで、導波モード数を減少させ、発光モードを増加させて光取り出し効率を高めることが可能となる。膜厚が１０μｍ以上と厚い場合、マルチモード導波路となり、導波モードが多くなるため、光取り出し効率が低下する。本発明の構成においては、波長変換部が導波路として十分に機能する、厚さが１０μｍ以下であることが望ましいが、これ以上の厚膜であっても適用可能である。
　ここで、表示色を構成する青色光、緑色光、赤色光をそれぞれ４６０ｎｍ、５３０ｎｍ、６３０ｎｍと仮定する。導波路パラメータは、長波長であるほど小さくなるため、導波モードを少なくなる。すなわち、緑色光、赤色光に対してシングルモードであり、青色光に対してマルチモードとなるように、膜厚と比屈折率差を設定することができる。こうすることで、波長変換部が、青色光に対してはマルチモード導波路として機能する一方で、波長変換光に対しては、放射モードが優先となり、効率的に光取り出しされる構成が可能となる。
　図４に、青色光、緑色光、赤色光それぞれに対して、比屈折率差Δと膜厚の関係において、導波路パラメータＶ＝２．４０５となる境界線を示す。任意の比屈折率差Δと膜厚を決定したプロットした場合、そのプロット点よりも各色の境界線が右側にある場合はその色はシングルモードとなり、左側にある場合はその色はマルチモードとなる。
　例えば、膜厚が３μｍの場合、比屈折率差Δ＝０．３５とすると、青色光に対してマルチモードであり、波長変換光（緑色光、赤色光）に対しては、シングルモードとなる。すなわち、青色光に対しては導波路として機能し、波長変換光に対しては発光モードが優先となる。膜厚が１０μｍの場合、同様の構成にするには、比屈折率差Δ＝０．０３とする必要があり、波長変換光に対してシングルモードとする構成を作製するのは難しくなる。
　膜厚がさらに厚くなると実際に作製するのは不可になる。ただし、完全にシングルモードとならなくても、シングルモード条件に近づけることによる導波モードの低減効果はあるため、比屈折率差Δが一定とすると膜厚が薄くなるほど光取り出し効率が増加することになる。また、シングルモード導波路の場合、導波光（ここでは青色光）の一部はクラッド層にエバネッセント波として漏れ出すため、クラッド層が量子ドットを含有し、波長変換機能を有していてもよい。
　（変換層の変形形態１）
　次に、第２～第７の実施形態に係る表示素子１１０～１６０を、図５Ａ～図５Ｆを用いて説明する。第２～第７の実施形態は、それぞれ、結合部を含む変換層の光学的配置が第１の実施形態と相違する第１の実施形態の変形形態に該当する。
　＜第２の実施形態＞
　図５Ａに示す第２の実施形態に係る表示素子１１０は、発光層１０と第１の変換部２６との間に空隙を介し離間した形態の結合部２３を有する点で、第１の実施形態と相違する。
　＜第３の実施形態＞
　図５Ｂに示す第３の実施形態に係る表示素子１２０は、発光層１０との間に結合部材１５を介し発光層１０と離間した形態の結合部２３を有する点で、第１、第２の実施形態と相違する。本実施形態の遮光部１０ｓは、結合部材１５の外縁まで延長されている。
　＜第４の実施形態＞
　図５Ｃに示す第４の実施形態に係る表示素子１３０は、発光層１０との間に伝搬方向を変更する変向部材１５を介し発光層１０と離間した形態の結合部２３を有する点で、第１～第３の実施形態と相違する。本実施形態の遮光部１０ｓは、変向部材１５の外縁まで延長されている。本実施形態の発光層１０からの一次光の出射方向は、第１の変換層２０の層厚方向に平行な第２の方向Ｄ２に一致する。しかしながら、第１の取り出し部２４からの二次光Ｌの取り出し領域と発光層１０からの一次光Ｌ１の出射領域は、ｘ方向において重ならないようにずれて配置された非同軸な形態となっている。
　＜第５の実施形態＞
　図５Ｄに示す第５の実施形態に係る表示素子１４０は、第１の取り出し部２４の結合部２０との反対側の終端付近に波長選択性の低い窓２４ｄを有している点において、第１～第４の実施形態と相違する。第１の発光層２０の終端側はこれ以上結合部２０から離れる方向に導波モードで第１の波長の光Ｌ１を伝搬する必要が無く、窓２４ｄを設けた位置において、第１の波長の光Ｌ１の成分は実質的に吸光されているために、窓２４ｄが設けられる。
　＜第６の実施形態＞
　図５Ｅに示す第６の実施形態に係る表示素子１５０は、第１の取り出し部４の結合部２付近に前面反射部２８ｐを居所的に設けている点において、第１～第５の実施形態と相違する。これは、第１の発光層２０における伝搬経路の上流側において、第１の波長の光Ｌ１の第２の波長の光Ｌ２に対する成分比が高く取り出し部２４の波長選択性では一次光Ｌ１の前方への漏れを低減しきれないことを救済するものである。
　＜第７の実施形態＞
　図５Ｆに示す第７の実施形態に係る表示素子１６０は、第１の取り出し部４の結合部２付近に遮光部２４ｓを設けている点において、第１～第６の実施形態と相違する。遮光部２４ｓは遮光部１０ｓが延長されたものに該当する。遮光部２４ｓは、第６の実施形態の前面反射部２８ｐと同じ効果をもたらす。
　（変換層の変形形態２）
　次に、第８～第１２の実施形態に係る表示素子１７０～２１０を、図６Ａ～図６Ｊを用いて説明する。第８～第１２の実施形態は、それぞれ、第１の変換層２０の光応答性ナノ粒子の光学密度において特定の層内分布を有している点において第１の実施形態と相違する第１の実施形態の変形形態に該当する。
　＜第８の実施形態＞
　図６Ａに示す第８の実施形態に係る表示素子１７０は、図６Ｂのように第１の方向Ｄ１において一定の光学密度（破線）で光応答性ナノ粒子が含有される第１の変換部２６ｕを有する第１の変換層２０ｕとした点において第１の実施形態と相違する。
　このような第１の変換層２０ｕは、ランベルト・ベール則により結合部２２から終端遮光部２０ｓに向かう範囲において、第１の変換部２６ｕからの発光する第２の波長の光Ｌ２の発光量が対数的な分布を有している。画素の発光重心を画素の中心に配置するためには、他の光学要素である第１の取り出し部２４、第１の反射部２８、等の分光特性を用いて図６Ｂの輝度プロファイルを緩和する方向することができる。
　なお、図６Ｂ、図６Ｄ、図６Ｆにおいては、発光量は第１の取り出し部２４における単位面積あたりの発光量を輝度として示している。
　＜第９の実施形態＞
　図６Ｃに示す第９の実施形態に係る表示素子１８０は、図６Ｄのように第１の方向Ｄ１に結合部２２から離れるに従い光応答性ナノ粒子の光学密度が階段状に増加する光学密度分布（破線）を有している点で、第１、第８の実施形態と相違する。
　表示素子１８０は、これにより、図６Ｄに示すように、ランベルト・ベール則により結合部２２から終端遮光部２０ｓに向かう範囲における、第２の波長の光Ｌ２の発光量の分布を第８の実施形態に比べて平滑化している。
　＜第１０の実施形態＞
　図６Ｅに示す第１０の実施形態に係る表示素子１９０は、図６Ｆのように第１の方向Ｄ１に結合部２２から離れるに従い光応答性ナノ粒子の光学密度が連続に増加する光学密度分布（破線）を有している点で、第１、第８、第９の実施形態と相違する。すなわち、本実施形態の第１の変換層２０は、第１の変換層２０の層面方向における第１の結合部２２からの距離の増加に伴い光応答性ナノ粒子３８の光学密度が増加するような第１の光学的勾配を有する形態と換言される。
　図６Ｅは緑色を表示色とする画素の構成を示しているが、赤色を表示色とする画素の構成の図示は省略されているが、緑色を表示色とする表示素子１９０と同様な構成で輝度の平滑化は実現される。すなわち、第２の変換層２０－２は、２の変換層２０－２の層面方向における第２の結合部２２からの距離の増加に伴い光応答性ナノ粒子３８の光学密度が増加するような第２の光学的勾配を有する構成となる。
　表示素子１８０は、これにより、図６Ｄに示すように、ランベルト・ベール則により結合部２２から終端遮光部２０ｓに向かう範囲における、第２の波長の光Ｌ２の発光量の分布を第９の実施形態に比べてより一層、平滑化している。
　＜第１１の実施形態＞
　図６Ｇ、図６Ｈに示す第１１の実施形態に係る表示素子２００は、図６Ｈのように結合部２２から離れるに従い光応答性ナノ粒子の光学密度が連続に空間的に増加するように楔状の不活性領域２５を有している点で、他の実施形態と相違する。
　楔状の不活性領域２５は、第１の変換部２６に含有される成分のうち光応答性ナノ粒子のみが含有しない領域で構成することができる。
　＜第１２の実施形態＞
　図６Ｉ、図６Ｊに示す第１２の実施形態に係る表示素子２１０は、図６Ｉ、図６Ｊのように発光層１０が第１の結合部２０の中央に設けられている点で、他の実施形態と相違する。本実施形態の第１の変換層２０は、第８の実施形態と同様に、結合部２２から離れるｘｙ面内の方向において、一定の光学密度で光応答性ナノ粒子を含有している。
　このため、表示素子２１０は、微視的には、ｘｙ面内で第２の波長の光Ｌ２（波長変換後の光）は輝度分布を有するが、画素内の発光ビーム分布は、略同心矩形の環状発光分布となっており、ＲＧＢ各色の発光重心を画素中心に一致させることが可能となっている。
　＜第１３の実施形態＞
　次に第１の実施形態の表示素子１００の変形形態である第１３の実施形態の表示素子２２０について、図７Ａ～図７Ｃを用いて説明する。図７Ｂは、図７Ａの表示素子２２０を断面Ｄ－Ｄ’で切断した断面図である。
　本実施形態の表示素子２２０は、図７Ａ、図７Ｃのように、緑色、赤色、青色のサブ画素として複数の表示素子１３０－Ｇ、１３０－Ｒ、１３０－Ｂ、を行列状に備えている。簡単のために、本実施形態では、図面上、各画素の発光色を表す添え字－Ｇ、－Ｒ、－Ｂを、－１、－２、－３と枝番に置換して表記する場合がある。
　表示素子２２０は、図７Ｂのように、画素の周縁を規定するブラックマトリクス２０ｓ、ブラックマトリクス２０ｓで囲まれた３種の領域内のそれぞれに、第１の発光層１０－１、第２の発光層１０－２、第３の発光層１０－３を有している。さらに、表示素子２２０は、ブラックマトリクス２０ｓで囲まれた３種の領域内のそれぞれに、第１～第３の発光層１０－１～１０－３と光学的に結合する第１～第３の変換層２０－１～２０－３を備えている。表示素子２２０は、さらに、第１～第３の変換層２０－１～２０－３の前方に、それぞれ、屈折率が変換層２０－１～２０－３より低い光学部材１２４を備え、取り出し部２４－１～２４－３を構成させている。表示素子２２０は、さらに、第１～第３の変換層２０－１～２０－３の後方に、それぞれ、屈折率が変換層２０－１～２０－３より低い光学部材１２８を備え反射部２８－１～２８－３を構成させている。ブラックマトリクス２０ｓおよび光学部材２８は、多層誘電膜２９と接合されている。
　表示素子２２０は、層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、第１の取り出し部２４－Ｇと第２の取り出し部２４－Ｒとは少なくとも重ならない部分を有するようにｘｙ面上に並置されている。同様にして、表示素子２２０は、層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、第２の取り出し部２４－Ｒと第３の取り出し部２４－Ｂとは少なくとも重ならない部分を有するようにｘｙ面上に並置されている。なお、図７Ｂでは、第１の取り出し部２４－Ｇと第２の取り出し部２４－Ｒは、簡単のために、省略されている。
　＜第１４の実施形態＞
　次に第１３の実施形態の表示素子２３０の変形形態である第１４の実施形態の表示素子２３０について、図８Ａ～図８Ｃを用いて説明する。図８Ｂは、図８Ａの表示素子２３０を断面Ｅ－Ｅ’で切断した断面図である。
　本実施形態の表示素子２３０は、図８Ａ、図８Ｃのように、赤色、緑色、青色の各画素を構成する表示素子２３０－Ｒ、２３０－Ｇ、２３０－Ｂを変換層２０－Ｒの層厚方向に積層している点において、表示素子２２０と相違する。
　表示素子２３０は、層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、第１の取り出し部２４－Ｇと第２の取り出し部２４－Ｒとは、少なくとも重なる部分を有するようにｚ方向に積層配置されている。同様にして、表示素子２３０は、層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、第２の取り出し部２４－Ｒと第３の取り出し部２４－Ｂとは、少なくとも重なる部分を有するようにｚ方向に積層配置されている。なお、図８Ｂでは、第１の取り出し部２４－Ｇと第２の取り出し部２４－Ｒは、簡単のために、省略されている。
　表示素子２３０は、図８Ｂのように、画素の周縁を規定するブラックマトリクス２０ｓ、ブラックマトリクス２０ｓで囲まれた一つ画素領域内に、第１の発光層１０－１、第２の発光層１０－２、第３の発光層１０－３を有している。さらに、表示素子２３０は、ブラックマトリクス２０ｓで囲まれた３種の領域内のそれぞれに、第１～第３の発光層１０－１～１０－３と光学的に結合する第１～第３の変換層２０－１～２０－３を備えている。表示素子２３０は、さらに、第１～第３の変換層２０－１～２０－３の前方に、それぞれ、屈折率が変換層２０－１～２０－３より低い光学部材３５を備え、取り出し部２４－１～３を構成させている。表示素子２３０は、さらに、第１～第３の変換層２０－１～２０－３の後方に、それぞれ、屈折率が変換層２０－１～２０－３より低い光学部材３５を備え反射部２８－１～２８－３を構成させている。ブラックマトリクス２０ｓおよび最下層の光学部材１２８は、多層誘電膜２９と接合されている。
　図８Ｂに示すように、表示素子２３０は、光取り出し方向に積層されたサブ画素を構成する表示素子２３０－Ｂ、２３０－Ｒ、２３０－Ｇが、表示面からこの順で積層されている。
　ここで、変換層２０－Ｂ、２０－Ｇ、２０－Ｒの間には、波長選択性を有する光学層３４、３６を有している。光学層３４は、変換層２０－Ｂ、２０－Ｇの間に配置され、青色光を反射し緑色光と赤色光を透過する、もしくは青色光を吸収する、さらにはそれらの両方の波長選択性を有する層として設けられる。光学層３６は、変換層２０－Ｇ、２０－Ｒの間に配置され、緑色光を反射し赤色光を透過する、もしくは緑色光を吸収する、さらにはその両方の波長選択性を有する層として設けられる。波長選択性は、分光特性と換言される場合がある。
　光学層３４と光学層３６に、光学部材３５より低い屈折率を有する低屈折率層が設けられていてもよい。光学部材３５の屈折率は、骨格材料として二酸化ケイ素ＳｉＯ２（屈折率＝１．４５）を用いる場合、１．１０以上１．３０以下が好ましく、１．１０以上１．１５以下であることがより好ましい。
　ここで、光学層３４、３６が波長選択性の反射層である場合を考える。変換層２３０－Ｂから放出された光のうち、前方に放出された光はそのまま取り出され、後方に放出された光は、光学層３４によって反射され取り出される。変換層２３０－Ｇから放出された光のうち、前方に放出された光は、光学層３４と変換層２３０－Ｂを透過して取り出され、後方に放出された光は、光学層３６によって反射され、同様に取り出される。変換層２３０－Ｒから放出された光のうち、前方に放出された光は、光学層３６と変換層２３０－Ｇ、さらには光学層３４と変換層２３０－Ｂを透過して取り出され、後方に放出された光は、反射層２０によって反射され、同様に取り出される。
　図８Ｂのような積層型のサブ画素を有する表示素子２３０は、図７Ｂに示す表示画素の解像度が同じ場合、変換層の面積が表示素子２２０の３倍となり、積層による吸光を考慮しても輝度の向上が期待される。あるいは、図８Ｂと変換層のｚ方向から見た投影面積を同じにした構成で積層すると、画素サイズが表示素子２２０の１／３になり解像度が３倍になる。
　以下に本発明の実施例に係る表示素子を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
　［実施例１］
　（クラッド層の作製）
　石英基板上にＳｉＯ２とＴｉＯ２を同時スパッタすることにより、ＳｉＯ２にＴｉＯ２を４．５ａｔ％含有する膜を１μｍ成膜した（基板Ａ１）。屈折率を測定すると１．４７７であり、比屈折率差Δは１．５であった。同様に、石英基板上に反射膜としてＡｌをスパッタリング法により１００ｎｍ成膜した後、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を同時スパッタすることにより、ＳｉＯ２にＴｉＯ２を４．５ａｔ％含有する光学膜を１μｍ成膜した（基板Ａ２）。
　石英基板上にＳｉＯ２とＴｉＯ２を同時スパッタすることにより、ＳｉＯ２にＴｉＯ２を８．０ａｔ％含有する膜を１μｍ成膜した（基板Ｂ１）。屈折率を測定すると１．４９５であり、比屈折率差Δは０．３５であった。あった。同様に、石英基板上に反射膜としてＡｌをスパッタリング法により１００ｎｍ成膜した後、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を同時スパッタすることにより、ＳｉＯ２にＴｉＯ２を８．０ａｔ％含有する膜を１μｍ成膜した（基板Ｂ２）。
　（変換層の作製）
　炭酸セシウム１０部、オレイン酸２７部、１－オクタデセン３８５部をフラスコに入れ、液温を１２０℃に加熱し真空ポンプで３０分脱気した。さらに乾燥窒素気流下で液温１５０℃に加熱し３０分保持し、カチオン原料液を得た。
　別途、臭化鉛（ＩＩ）１０部、１－オクタデセン４９４部をフラスコに入れ、液温を１２０℃に加熱し真空ポンプで１時間脱気した。オレイン酸８９部、オレイルアミン３１部、を添加しさらに真空ポンプで３０分脱気した。その後窒素フローに代えて液温を１８５℃とした。
　カチオン原料液４０部を添加し５秒後に氷冷した。酢酸エチル２０００部を添加し遠心分離を行ない、上澄み液を除去した。得られた残渣をトルエンに分散して固形分濃度を１重量％に調整し、ＣｓＰｂＢｒ３のペロブスカイト型結晶構造を有する発光性ナノ結晶の分散液を得た。
　上記ＣｓＰｂＢｒ３分散液に、乾燥窒素気流を吹き付けて溶媒を除去し、ＣｓＰｂＢｒ３ナノ結晶１ｗｔ％、３，３，５－トリメチルシクロヘキシルアクリレート（ＴＭＣＨＡ）９４ｗｔ％、１－ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Ｏｍｎｉｒａｄ１８４）５ｗｔ％となるように調製しインク組成物Ａを得た。
　上記インク組成物をガラス基板上に塗膜し、反射スペクトルから屈折率を算出すると１．５００であった。
　上記インク組成物Ａを用いて、マテリアルプリンター（富士フイルムＤｉｍａｔｉｘ社製、ＤＭＰ－２８５０）により、基板Ａ２の成膜した光学膜に、基板端部から変換層が横１００μｍ×縦３００μｍ×厚さ１０μｍとなるように印刷した。印刷後速やかに基板Ａ１の成膜した光学膜と挟んでＵＶ照射して硬化させ、緑色を第２の波長の光Ｌ２とする表示素子を作製した。
　ＣｓＰｂＢｒ３をＣｓＰｂ（Ｂｒ０．３５Ｉ０．６５）３とした組成で同様の検討を行い、変換層が赤色発光である場合の表示素子を作製した。
　［実施例２］
　変換層の厚さを３μｍとした以外は実施例１と同様にして表示素子を作製した。
　［実施例３］
　変換層の厚さを１．５μｍとした以外は実施例１と同様にして表示素子を作製した。
　［実施例４］
　基板Ａ１を基板Ｂ１、基板Ａ２を基板Ｂ２とし、変換層の厚さを３μｍとした以外は実施例１と同様にして表示素子を作製した。
　［実施例５］
　変換層が基板端部から横３００μｍ×縦１００μｍ×厚さ３μｍとなるように印刷した以外は実施例１と同様にして表示素子を作製した。
　［実施例６］
　実施例１と同様に、ＣｓＰｂＢｒ３分散液に、乾燥窒素気流を吹き付けて溶媒を除去し、ＣｓＰｂＢｒ３ナノ結晶１ｗｔ％、３，３，５－トリメチルシクロヘキシルアクリレート（ＴＭＣＨＡ）８９ｗｔ％、１－ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Ｏｍｎｉｒａｄ１８４）５ｗｔ％、酸化チタン５ｗｔ％となるように調製しインク組成物Ｂを得た。
　まず、変換層が基板端部から横８０μｍ×縦３００μｍ×１０μｍ厚となるように実施例１と同様にして印刷した。その横にインク組成物Ｂを用いて横２０μｍ×縦３００μｍ×１０μｍ厚となるように印刷し表示素子を作製した。この構成は図７Ｂに対応する。
　［実施例７］
　基板Ａ１を基板Ｂ１、基板Ａ２を基板Ｂ２とし、変換層の厚さを３μｍとした以外は実施例６と同様にして表示素子を作製した。この構成は図７Ｂに対応する。
　［実施例８］
　本実施例は、図８Ａ～図８Ｃに示す光取り出し方向に積層されたサブ画素を構成した例である。
　まず石英基板の上に光学層３４と光学層３６を形成した基板をそれぞれ作製した。ここで用いる光学層３４、光学層３６は特定の波長を選択的に反射、あるいは透過する波長選択性の層のことを指す。このような波長選択性の層は誘電体多層膜によって得ることができる。誘電体多層膜を構成する誘電体は、無機材料でも有機材料でもよく、これらの組み合わせでもよい。有機材料としては、例えば、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂などが挙げられる。無機材料としては、フッ化物材料や酸化物材料などの無機材料などを用いることができる。例えば、フッ化物材料としては、ＡｌＦ２（１．３６）、ＭｇＦ２（１．３８）、ＣａＦ２（１．４３）、などを用いることができる。酸化物材料としては、ＳｉＯ２（１．４５）、Ａｌ２Ｏ３（１．６４）、ＭｇＯ（１．７２）、Ｙ２Ｏ３（１．８８）、ＨｆＯ２（２．０５）、ＳｒＴｉＯ３（２．４４）、ＴｉＯ２（２．４９）などを用いることができる。ここで、括弧内の数値は屈折率の参考値である。
　誘電体多層膜は、これらの材料種から選択される低屈折率材料と高屈折率材料が交互に積層された多層膜により構成される。
　このとき各層の厚さｄは反射帯域の中心波長λ０における各層の屈折率ｎに対し、ｄ＝λ０／４ｎとすることで、層の境界で反射した光が打ち消しあうことで透過率が減少し反射帯域が形成される。高屈折率材料の屈折率をｎＨ、低屈折率材料の屈折率をｎＬ、とすると、中心波長の両側に幅Ｗ＝２／π×Ｓｉｎ［（ｎＨ－ｎＬ）／（ｎＨ＋ｎＬ）］×λ０の反射帯域が形成される。
　光学層３４は、青色光（４６０ｎｍ）を反射し、変換層からの発光である緑サブ画素からの緑色光（５３０ｎｍ）と、赤サブ画素からの赤色光（６３０ｎｍ）を透過するように誘電体多層膜が設計される。光学層３６は、緑サブ画素からの緑色光（５３０ｎｍ）を反射し、赤サブ画素からの赤色光（６３０ｎｍ）を透過するように誘電体多層膜が設計される。
　以下、ＳｉＯ２を低屈折率材料とし、ＴｉＯ２を高屈折率材料として用いた例で説明する。ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層したものを１回とし、これを１０回繰り返してできる多層膜として用いた例について述べる。光学層３４は、入射角度が０度の入射光に対し、反射帯域の中心波長に応じてＳｉＯ２とＴｉＯ２の膜厚が決定される。光学層３４の例として、反射帯域の中心波長を４００ｎｍとした場合、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の膜厚は、それぞれ６９ｎｍと４０ｎｍであり、全膜厚は１０９０ｎｍである。このとき、反射帯域の幅は約１３３ｎｍとなる。光学層３６の例として、反射帯域の中心波長を４７０ｎｍとした場合、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の膜厚は、それぞれ８１ｎｍと４７ｎｍであり、全膜厚は１２８２ｎｍである。このとき、反射帯域の幅は約１５６ｎｍである。反射層は、スパッタ法やイオンビーム蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより成膜することで作製可能である。
　実施例１と同様にして、光学層３４を形成した基板を用いて変換層が緑色発光である緑色サブ画素表示素子を作製し、光学層３６を形成した基板を用いて変換層が赤色発光である赤色サブ画素表示素子を作製した。変換層の面積を３００μｍ×３００μｍとした。インク組成物ＢからＣｓＰｂＢｒ３ナノ結晶を除いたインク組成物を用いて、実施例１と同様にして光散乱材を含有する樹脂部３００μｍ×３００μｍを作製し、青色サブ画素表示素子を作製した。Ａｌ反射膜上に赤色サブ画素表示素子、緑色サブ画素表示素子、青色サブ画素表示素子をこの順に積層し、表示素子を作製した。
　［比較例１］
　石英基板上に青色光を透過し、緑色光と赤色光を反射する誘電体多層膜ミラーをイオンビーム蒸着法により形成した。この誘電体多層膜ミラー青色光（４６０ｎｍ）に対しては０から３０度の入射光を透過し、３０度以上の入射光を反射する。また、緑色光（５３０ｎｍ）と赤色光（６３０ｎｍ）に対しては、全ての入射角の光を反射する。構成としては、ＳｉＯ２とＴｉＯ２からなる多層膜を用い、反射帯域の中心波長が、それぞれ５８０ｎｍ、６７０ｎｍ、７６０ｎｍである多層膜を積層した反射層を用いた。ＳｉＯ２とＴｉＯ２の膜厚は、それぞれ１００ｎｍと５８ｎｍ、１１６ｎｍと６７ｎｍ、１３１ｎｍと７６ｎｍである。各帯域の繰り返し数は５回であり、反射層の膜厚の合計は２．７μｍである。
　実施例１と同様に、ＣｓＰｂＢｒ３分散液に、乾燥窒素気流を吹き付けて溶媒を除去し、ＣｓＰｂＢｒ３ナノ結晶１０ｗｔ％、３，３，５－トリメチルシクロヘキシルアクリレート（ＴＭＣＨＡ）７５ｗｔ％、１－ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Ｏｍｎｉｒａｄ１８４）５ｗｔ％、酸化チタン１０ｗｔ％となるように調製しインク組成物Ｃを得た。
　石英基板上に形成した誘電体多層膜ミラー上に、インク組成物Ｃを用いて、変換層が横１００μｍ×縦３００μｍ×１０μｍ厚となるように実施例１と同様にして印刷して表示素子を作製した。この構成は図３Ｂに対応する。
　［比較例２］
　石英基板上に、比較例１と同じインク組成物Ｃを用いて、変換層が横１００μｍ×縦３００μｍ×１０μｍ厚となるように実施例１と同様にして印刷し表示素子を作製した。この構成は図３Ａに対応する。
　［比較例３］
　比較例１と同様に、ＣｓＰｂＢｒ３ナノ結晶１ｗｔ％、３，３，５－トリメチルシクロヘキシルアクリレート（ＴＭＣＨＡ）８４ｗｔ％、１－ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Ｏｍｎｉｒａｄ１８４）５ｗｔ％、酸化チタン１０ｗｔ％となるように調製しインク組成物Ｄを得た。
　石英基板上に、比較例１と同じインク組成物Ｄを用いて、変換層が横１００μｍ×縦３００μｍ×１０μｍ厚となるように実施例１と同様にして印刷し表示素子を作製した。この構成は図３Ａに相当する。
　＜輝度の評価＞
　励起光としてピーク発光４６０ｎｍ波長の青色光を光ファイバで導波し、出射した光をレンズで結像して横から変換層に入射した。この時、青色光の照射量（強度×面積）が一定となるようにした。つまり、単位面積当たりの青色光強度は膜厚が薄くなるほど大きくなる。実施例５のほうが大きくなる。変換層の直上に積分球を設置し、マルチチャンネル分光器Ｃ１００２７－０１（浜松ホトニクス）により、緑色は５３０ｎｍ±３０ｎｍ、赤色は６３０ｎｍ±３０ｎｍの発光スペクトルの積分値を輝度として測定した。
　表１に緑色、赤色の輝度値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　導波路の比屈折率差Δ＝１．５とした場合、膜厚が減少すると緑色と赤色の輝度が向上した（実施例１－３）。これは、導波モードが減少するためだと考えられる。
　導波路の膜厚を３μｍで一定とした場合、比屈折率差Δが小さくなると緑色と赤色の輝度が向上した（実施例２、実施例４）。これは、導波モードが減少するためだと考えられる。
　青色光入射方向が長手か短手に寄らず輝度はほぼ同じであった（実施例２、実施例５）。
　末端に散乱部を導入すると、緑色と赤色の輝度が向上した。これは、導波モードの光が光散乱部で散乱され、発光モードとして光取り出しされるようになったためだと考えられる（実施例６、実施例７）。
　積層型の構成にすることで、緑色と赤色の輝度が向上した。これは、変換層の面積が３倍になっているためである（実施例８）。
　実施例１と比較例１より、膜厚が１０μｍと下面に反射層を設けた構成は同じであり、比較例１は発光性ナノ結晶の濃度が１０ｗｔ％であるが、緑色と赤色の輝度は相対的に小さくなった。これは、実施例１の光取り出し効率が優れていることを意味する。発光性ナノ結晶の濃度を１ｗｔ％と同じにした場合はさらに緑色と赤色の輝度が低下した（比較例２）。また、下面に反射層を設けない場合も緑色と赤色の輝度が低下した（比較例３）。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０２２年５月３０日提出の日本国特許出願特願２０２２－０８７８３８を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。
　１００　表示素子
　１０Ａ　発光層アレイ
　１０　発光層
　２０Ａ　変換層アレイ
　２０　第１の変換層
　２２　第１の結合部
　２４　第１の取り出し部
　２６　第１の変換部
　２８　第１の反射部

Claims (24)

  1. 　二次元に配列され第１の波長の光を発光する複数の発光層を備える発光層アレイと、
    　前記複数の発光層の一部と光学的に結合する第１の結合部と、前記第１の結合部を介して採光された前記第１の波長の光を交互に反射させ前記第１の結合部から離れる方向に向けて導光するように対向配置された第１の取り出し部と第１の反射部と、を有するとともに、前記第１の波長の光を波長変換した第２の波長の光を前記第１の取り出し部を介して出射する複数の第１の変換層を備える変換層アレイと、を有する表示素子。
  2. 　前記複数の第１の変換層は、前記第１の波長の光を前記第２の波長の光に変換する第１の光応答性ナノ粒子を含有する請求項１に記載の表示素子。
  3. 　前記第１の取り出し部は、前記第２の波長の光より前記第１の波長の光に対する分光反射率が高い請求項１または２に記載の表示素子。
  4. 　前記第１の取り出し部は、前記第１の波長の光より前記第２の波長の光に対する分光透過率が高い請求項１から３のいずれか１項に記載の表示素子。
  5. 　前記第２の波長は、前記第１の波長より長い請求項１から４のいずれか１項に記載の表示素子。
  6. 　前記第１の反射部は、前記第１の取り出し部より、前記第２の波長の光に対する分光反射率が高い請求項１から５のいずれか１項に記載の表示素子。
  7. 　前記第１の変換層は、前記層面方向における前記第１の結合部からの距離の増加に伴い前記光応答性ナノ粒子の光学密度が増加するような第１の光学的勾配を有する請求項２に記載の表示素子。
  8. 　前記変換層アレイは、前記発光層アレイが前記複数の第１の変換層と光学的に結合する部分以外の領域において前記複数の発光層と光学的に結合する複数の第２の結合部と、前記複数の第２の結合部を介して採光された前記第１の波長の光を交互に反射させ前記第２の結合部から離れる方向に向けて導光するように対向配置された第２の取り出し部と第２の反射部と、を有するとともに、前記第１の波長の光を波長変換した第３の波長の光を前記第２の取り出し部を介して出射する複数の第２の変換層、をさらに備える請求項１から７のいずれか１項に記載の表示素子。
  9. 　前記複数の第２の変換層は、前記第１の波長の光を前記第３の波長の光に変換する第２の光応答性ナノ粒子を含有する請求項８に記載の表示素子。
  10. 　前記第２の取り出し部は、前記第３の波長の光より前記第１の波長の光に対する分光反射率が高い請求項８または９に記載の表示素子。
  11. 　前記第２の取り出し部は、前記第１の波長の光より前記第３の波長の光に対する分光透過率が高い請求項８から１０のいずれか１項に記載の表示素子。
  12. 　前記第３の波長は、前記第１の波長および前記第２の波長より長い請求項８から１１のいずれか１項に記載の表示素子。
  13. 　前記第２の反射部は、前記第２の取り出し部より、前記第３の波長の光に対する分光反射率が高い請求項８から１２のいずれか１項に記載の表示素子。
  14. 　前記第２の変換層は、前記層面方向における前記第２の結合部からの距離の増加に伴い前記光応答性ナノ粒子の光学密度が増加するような第２の光学的勾配を有する請求項９に記載の表示素子。
  15. 　前記変換層アレイは、前記発光層アレイが前記複数の第１の変換層または前記複数の第２の変換層と光学的に結合する部分以外の領域において前記複数の発光層と光学的に結合する第３の結合部と、前記第３の結合部を介して採光された前記第１の波長の光を交互に反射させ前記第３の結合部から離れる方向に向けて導光するように対向配置された第３の取り出し部と第３の反射部と、を有するとともに、前記第１の波長の光を波長変換した第４の波長の光または前記第１の波長の光のうち少なくとも一方を前記第３の取り出し部を介して出射する複数の第３の変換層、をさらに備える請求項１から１４のいずれか１項に記載の表示素子。
  16. 　前記複数の第３の変換層は、前記第１の波長の光を前記第２の波長および前記第３の波長より前記第１の波長に近い第４の波長の光に変換する第３の光応答性ナノ粒子を含有する請求項１５に記載の表示素子。
  17. 　前記第３の取り出し部は、前記第４の波長の光より前記第１の波長の光に対する分光反射率が高い請求項１５または１６に記載の表示素子。
  18. 　前記第３の取り出し部は、前記第４の波長の光より前記第１の波長の光に対する分光反射率が高い請求項１５から１７のいずれか１項に記載の表示素子。
  19. 　前記第４の波長は、前記第１の波長より長い請求項１５から１８のいずれか１項に記載の表示素子。
  20. 　前記第３の反射部は、前記第３の取り出し部より、前記第４の波長の光に対する分光反射率が高い請求項１５から１９のいずれか１項に記載の表示素子。
  21. 　前記複数の第３の変換層は、前記第３の結合部から前記第３の取り出し部までの伝搬光路において伝搬方向を変えるが、前記第１の波長の光の波長変換は行わない請求項１５から２０のいずれか１項に記載の表示素子。
  22. 　前記層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、前記第１の結合部は前記第１の取り出し部とは重ならないように配置されている請求項１から２１のいずれか１項に記載の表示素子。
  23. 　前記層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、前記第１の取り出し部と前記第２の取り出し部とは、重ならない部分を有するように配置される請求項８から１４のいずれか１項に記載の表示素子。
  24. 　前記層厚方向に平行な軸に沿って見たとき、前記第１の取り出し部と前記第２の取り出し部とは、重なる部分を有するように配置される請求項８から１４のいずれか１項に記載の表示素子。
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