発光パネル装置
【課題】 色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、消費電力を低減でき、高輝度化を図ることができる発光パネル装置を得る。
【解決手段】 発光素子１と、発光素子１の上に配置され、発光素子１に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面２ａ及び２ｂまたは曲面を有する構造体２と、発光素子１と構造体２との間の隙間に充填される充填材層３とを備えることを特徴としている。
【解決手段】 発光素子１と、発光素子１の上に配置され、発光素子１に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面２ａ及び２ｂまたは曲面を有する構造体２と、発光素子１と構造体２との間の隙間に充填される充填材層３とを備えることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）などの発光素子からの取り出し光量を増加させることができる発光パネル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光体の輝度を向上させる技術としては、発光材料自体の高輝度化や、光伝播経路でのロスの低減構造等が報告されている。例えば、非特許文献１及び非特許文献２においては、発光材料そのものの発光効率を制御することが報告されている。また、特許文献１及び特許文献２においては、発光体から出射された光が、大気中に伝播する経路における損失を最小限に抑えることに関する報告がなされている。
【０００３】
しかしながら、例えば発光効率を向上させるためには、材料の基礎的な研究から量産に至るまでの費用と長い研究時間、さらには環境・人体に対する安全性等を明らかにする必要がある。また、伝播経路における光の損失を低減するには、材料の選択や作製技術の複雑化に伴う生産費用の上昇等の問題があり、簡便な技術による効果的な輝度の向上が求められている。
【０００４】
特許文献３においては、発光体の表面に構造体を配置することにより、輝度を高めることが報告されている。この報告の具体例としては、代表的な平面表示装置である液晶表示装置（ＬＣＤ）に用いられる輝度向上フィルムが挙げられる。この輝度向上フィルムの原理は、発光体の表面から任意の方向に出射された光を、特定の構造体を用いることにより、一定の方向に集光させるものである。しかしながら、この方法における問題として、輝度の向上とともに、色ずれや二重映り等の画質の劣化が生じることが挙げられる。この問題を解決するため、このフィルムを発光体であるバックライトとＬＣＤとの間に配置することにより、ＬＣＤを透過する際にこれらの劣化の原因が排除され、結果としてＬＣＤを透過した際の輝度が向上するとされている。
【０００５】
特許文献４においては、発光体の正面に構造体を配置して輝度を向上させる方法が報告されている。しかしながら、この方法においても画質に同様の劣化が生じることが容易に推測される。
【０００６】
また、特許文献５及び特許文献６においても、構造体を配置することにより輝度を向上させることが提案されているが、いずれも同様の画質の劣化を生じるものである。
【特許文献１】特開２００４−１４６２００号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８０３２号公報
【特許文献３】特表２００３−５１８２６３号公報
【特許文献４】特開２００１−７６５２１号公報
【特許文献５】特開２００１−１４８０３２号公報
【特許文献６】特開平９−１０１４０５号公報
【非特許文献１】Applied Physics letters，Vol．51，pp913-915，1987
【非特許文献２】Applied Physics letters，Vol．75，pp4-6，1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、低消費電力または高輝度化を図ることができる発光パネル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、発光素子と、該発光素子の上に配置され、発光素子に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面または曲面を有する構造体と、発光素子と構造体との間の隙間に充填される充填材層とを備える発光パネル装置である。
【０００９】
本発明の発光パネル装置においては、発光素子に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面または曲面を有する構造体が、発光素子の上に配置されており、発光素子と構造体との間の隙間に充填材が充填され充填材層が形成されている。発光素子の上にこのような充填材層を介して上記構造体を設けることにより、色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの光を正面に出射することができ、取り出し光量を増加させることができる。従って、消費電力を低減させることができ、輝度を高めることができる。
【００１０】
本発明の構造体における少なくとも２つの傾斜面または曲面により形成される形状は、例えば、断面三角形の柱状、断面台形の柱状、断面半円形の柱状、または三角錐や四角錐などの角錘状が挙げられる。
【００１１】
また、本発明の構造体において、発光素子側の先端部は曲率を有していることが好ましい。発光素子側の先端部が曲率を有することにより、正面に出射される発光素子からの光量を増加させることができ、輝度を高めることができる。
【００１２】
また、本発明における充填材層の屈折率は、１．４３〜１．５６の範囲内であることが好ましい。このような範囲内にすることにより、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、輝度をさらに高めることができる。
【００１３】
本発明の発光パネル装置において、発光素子は、特に限定されるものではないが、本発明は発光素子として有機エレクトロルミネッセンス素子を用いる場合に特に有用である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、消費電力を低減することができ、高輝度化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明に従う一実施例の発光パネル装置を示す断面図である。
【００１７】
本実施例の発光パネル装置１０においては、発光素子１の上に構造体２を配置し、発光素子１と構造体２の間の隙間に、充填材層３が設けられている。構造体２は、発光素子１に向かって互いに近づき合う２つの傾斜面２ａ及び２ｂを有している。発光素子１は、例えば有機ＥＬ素子などである。
【００１８】
図２は、図１に示す点線で囲む領域の拡大図である。図２に示すように、構造体２の先端部２ｃは曲率を有している。
【００１９】
図３及び図４は、本発明における構造体の形状の例を示す斜視図である。図３（ａ）に示すように、本発明の構造体における少なくとも２つの傾斜面または曲面により形成される形状は、断面三角形の柱状、すなわち三角柱状であってもよいし、図３（ｂ）に示すように、断面台形の柱状であってもよいし、図３（ｃ）に示す断面半円形の柱状であってもよい。なお、図１に示す構造体２は、図３（ａ）の最も左側に示す断面三角形の柱状の形状を有している。
【００２０】
また、図４に示すように、四角錐状、いわゆるピラミッド状の形状であってもよい。なお、図４に示す四角錐状の先端部は丸みを帯びており曲率を有している。また、このような四角錐部分の配置は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように種々の配置で設けることができる。
【００２１】
図５は、画素を有する発光素子と構造体との位置関係を示す斜視図である。図５に示すように、発光素子１には複数の画素１ａが設けられており、このような複数の画素１ａをまたがるように構造体２を配置することができる。
【００２２】
以下、本発明の発光パネル装置の作用効果について説明する。
【００２３】
まず、発光素子から出射する一般的な光の透過経路について説明する。
【００２４】
図６（ａ）は、点光源１１から発光した光が大気中に出射される状態を示す模式図である。点光源１１から発光された光は、発光側に設けられた基板１１ａを通り大気中に出射される。図６（ｂ）に示すように、大気の屈折率をｎ１とし、基板１１ａの屈折率をｎ２とすると、出射光が基板１１ａの法線に対してなす角度をθ2とし、基板１１ａから出射される出射光が基板１１ａの法線に対してなす角度をθ1とすると、大気の屈折率ｎ１及び基板の屈折率ｎ２と、以下のような関係を満たす。
【００２５】
ｎ１・ｓｉｎ（θ1）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ2） …（１）
ここで、θ2が９０°の場合のθ1を、臨界角θｃという。θ1がθｃの場合、図６（ａ）に示すように、光は大気と基板１１ａとの界面で反射され、大気中に出ない。大気の屈折率ｎ１は一般に１であり、基板１１ａがガラスである場合ｎ２は１．５４であり、このときの臨界角θｃは約４０．５度である。
【００２６】
臨界角θｃよりも小さい角度で基板と大気の界面に入射した光が、大気中に放射され視覚化される。従って、大気中に出射される光が多いほど輝度が高くなる。
【００２７】
図７は、特許文献５及び特許文献６などに開示された従来の構造を示す断面図である。図７（ａ）においては、基板１１ａの上に、構造体１２が設けられており、基板１１ａと構造体１２の間の隙間には一般に大気が存在している。図７（ｂ）は、構造体１２の上下関係を逆にして基板１１ａ上に配置した状態である。
【００２８】
図７（ａ）に示すように、点光源１１から出射された光は基板１１ａを出て、構造体１２との間の隙間に存在する大気を通り、構造体１２に入射する。図７（ａ）に示すように、構造体１２の傾斜面１２ａ及び１２ｂに入射した光は屈折して、基板１１ａに対し法線方向に出射される。このため、輝度が上昇する。しかしながら、点光源１１から出射された光は、あたかも２つの点光源から出射された光として視認されることとなる。従って、輝度が増加したとしても、画像が距離Ｌ離れて二重に見えることになり、画質が低下することとなる。
【００２９】
図７（ｂ）で示す状態で構造体１２を配置した場合も、同様に構造体１２の傾斜面１２ｃ及び１２ｄを出射する光は屈折して基板１１ａに対し法線方向に出射され輝度が上昇するが、画像が距離Ｌ離れて二重に見えることになり、画質が低下する。
【００３０】
次に、距離Ｌがどの程度の距離になれば二重映りになるかについて検討した。以下の検討においては、視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から判別できるか否かを基準とした。
【００３１】
＜視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から判別できる間隙の距離＞
文献（http://www.nidek.co.jp/landolt.html）における視力の定義では、５ｍ離れた所から１．５ｍｍの間隙を認識できる能力を視力１．０としており、この１．５ｍｍの間隙を距離の１．２倍（６ｍ）離れた場所で認識できる能力が視力１．２、距離の１／２（２．５ｍ）離れた場所で認識できる能力が視力０．５としている。
【００３２】
視力１．２の人が３０ｃｍ離れた場所で認識できる間隙は、以下の式から計算上７５μｍと導出されるが、概略１００μｍとして検討した。
【００３３】
３０（ｃｍ）×１．５（ｍｍ）／６（ｍ）＝０．０７５（ｍｍ）＝７５（μｍ）
以上の結果から、視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から判別できる間隙の距離はおよそ１００μｍであることがわかった。従って、距離Ｌが１００μｍ以下の場合、視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から見て二重映りには見えないことになる。
【００３４】
図８は、図９に示す発光パネル装置１０において、充填材層３の屈折率を変化させたときの分解能Δの計算結果を示す図である。図８において実線Ａは計算結果を示している。図９に示す発光パネル装置１０においては、発光素子の出射側基板１１ａの上に、構造体２が配置されており、構造体２と基板１１ａとの間の隙間に充填材層３が設けられている。
【００３５】
図９に示す構造体２において、傾斜面２ａと傾斜面２ｂからなるプリズム部の周期ａは５０μｍとしており、プリズム部の高さｂは３０μｍとしており、透明基板１１ａの厚さｃは１０００μｍとしている。また、透明基板１１ａの屈折率をｎ１、構造体２の屈折率をｎ２、充填材層３の屈折率をｎ３としている。また、点光源１１から出射した光の角度をθ１、構造体２のプリズム部の傾斜面２ａ及び２ｃが基板１１ａの表面となす角度をθ４としている。この角度θ４は、プリズム部の周期ａ及びプリズム部の高さｂと、以下のような関係を有している。
【００３６】
ｔａｎ（θ４）＝ｂ／（ａ／２）
点光源１１から発した光は、透明基板１１ａと充填材層３との界面及び充填材層３と構造体２との界面で、スネルの法則（式（１）：図１０におけるｎｉ・ｓｉｎ（θｉ）＝ｎｊ・ｓｉｎ（θｊ）の関係）に従って屈折し、構造体２ａの表面から垂直に出光する。ここでは簡略のため、充填材層３と構造体２の界面での屈折位置は、構造体の傾斜面２ａ及び２ｂの中央部とした。この簡略化による横方向の誤差は、構造体周期が５０μｍの場合、約１０μｍ程度であり、視力１．２の人が視認する間隙と比較すると無視できる値である。点光源１１から光が屈折する透明基板／充填材層の界面までの距離をＬ１、透明基板／充填材層の界面から充填材層／構造体までの距離をＬ２とすると、点光源１１から出射された光が二重に見える距離Δは、２×（Ｌ１＋Ｌ２）で表わされる。ちなみにＬ１は以下の式で表される。
【００３７】
Ｌ１＝ｃ・ｔａｎ（θ１）
図１１に、各界面近傍での光の屈折状態を詳細に示す。透明基板／充填材層の界面における入射角をθ１、出射角をθ３′とし、充填材層／構造体での入射角をθ３、出射角をθ２とすると、以下の式が導出される。
【００３８】
θ２＝θ４
θ３′＋θ３＝θ４
ｎ１・ｓｉｎ（θ１）＝ｎ３・ｓｉｎ（θ３′）
ｎ３・ｓｉｎ（θ３）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ２）
これらの式を整理して、屈折率（ｎ１，ｎ２，ｎ３）とθ４を用いて、θ１，θ２，θ３，θ３′，Ｌ２を書き換えると以下の式となる。
【００３９】
ｓｉｎ（θ３）＝（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎ（θ４）
ｓｉｎ（θ１）＝（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ（θ３′）
＝（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ（θ４−θ３）
＝（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉ
ｎ（θ４）｝〕
Ｌ２＝（ｂ／２）・ｔａｎ｛θ４−θ３｝
＝（ｂ／２）・ｔａｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎ（θ４）｝〕
これらをまとめて、点光源から出た光が二重に見える距離Δを整理すると、以下のようになる。
【００４０】
Δ＝２（Ｌ１＋Ｌ２）
＝２（Ｃ・ｔａｎ（θ１）＋（ｂ／２）・ｔａｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３
）・ｓｉｎ（θ４）｝〕）
ここでθ１、θ４は以下の通りである。
【００４１】
θ１＝ｓｉｎ-1｛（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉ
ｎ（θ４）｝〕｝
θ４＝ｔａｎ-1｛ｂ／（ａ／２）｝
以上のようにして計算した結果が図８に示す実線Ａである。上述のように、パラメータであるａ、ｂ、ｃ、ｎ１、及びｎ２については、ａ＝５０μｍ、ｂ＝３０μｍ、ｃ＝１０００μｍ、ｎ１＝１．５４、ｎ２＝１．４９とし、充填材層の屈折率ｎ３を変化させて計算している。なお、ｎ１＝１．５４は、透明ガラス基板の屈折率である。また、ｎ２＝１．４９は、アクリル系樹脂（ポリメタクリル酸メチル、文献値）の値である。
【００４２】
図８に示すように、充填材層の屈折率１．４９までは、充填材層の屈折率が高くなるにつれて分解能Δは小さくなっている。分解能Δは、充填材層の屈折率１．４９で最小となった後、充填材層の屈折率の増加とともに大きくなっている。充填材層の屈折率が１．４９のときに、分解能Δが最小となっているのは、充填材層の屈折率と構造体の屈折率が同一となり、光学的に区別がつかなくなったためであり、屈折率１．４９の平行平板が透明基板上に配置されたことに相当するようになったためであると思われる。このような状態で、点光源が２つに分かれる要因がなくなり、分解能Δが極小になったと考えられる。
【００４３】
また、図８には、〇で実測結果を示している。この実測結果は、図１２に示す発光パネル装置を用いて測定した。図１２に示す発光パネル装置２０は、有機ＥＬ素子である発光素子２１のガラス基板２１ａの上に、構造体２を配置し、基板２１ａと構造体２の間の隙間に充填材層３を形成している。
【００４４】
発光素子２１においては、ガラス基板２１ａの上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透明導電膜２１ｂが形成されている。透明導電膜２１ｂの上の画素以外の領域には、アクリル系樹脂からなる厚さ約１０００ｎｍの絶縁膜２１ｅが設けられている。画素領域の幅ｅは約１００μｍとなるように設定されている。絶縁膜２１ｅ及び画素領域の透明導電膜２１ｂの上には、厚さ２００ｎｍの有機発光層２１ｃが設けられている。有機発光層２１ｃの上には、Ａｌからなる厚さ３００ｎｍの反射電極２１ｄが設けられている。
【００４５】
基板２１ａの上には、上述のように、構造体２が設けられている。構造体２のプリズム部の周期ａは５０μｍであり、プリズム部の高さｂは３０μｍである。また、構造体２の高さｄは１５５μｍである。また、基板２１ａの厚みｃは１０００μｍである。
【００４６】
構造体２と基板２１ａの間の隙間には、充填材層３が設けられており、充填材層３は、市販の感光性カップリング剤を用いて形成されており、充填後紫外線を照射することにより硬化されている。
【００４７】
構造体２は、アクリル系樹脂から形成されており、その屈折率は１．４９である。基板２１ａは無アルカリガラスから形成されており、その屈折率は１．５４である。
【００４８】
充填材層３の屈折率は、使用するカップリング剤の種類及び配合を変化させることによって変化させた。
【００４９】
以上のような発光パネル素子２０を光学顕微鏡の下で発光させ、二重に映った距離を測定した。距離の測定には、光学顕微鏡に備え付けられたマイクロメーターを用いた。測定結果は、図８に〇で示す通りである。図８から明らかなように、計算結果と測定結果はほぼ一致していることがわかる。従って、充填材層の屈折率を１．４３〜１．５６の範囲内とすることにより、二重映り等の画質の劣化を抑制できることがわかる。
【００５０】
＜基板、構造体及び充填材層の屈折率についての検討＞
基板、構造体及び充填材層の屈折率の関係について検討した。図９に示す発光パネル装置１０において、ａを５０μｍ、ｂを３０μｍ、ｃを１０００μｍとし、透明基板１１ａの屈折率をｎ１、構造体２の屈折率をｎ２、充填材層３の屈折率をｎ３として、ｎ１、ｎ２及びｎ３の関係について検討した。ｎ１については、１．１（ＬｉＦの屈折率）、１．５４（ガラスの屈折率）、２．０（ＺｎＯの屈折率）、２．６（ＴｉＯ2の屈折率）とし、ｎ２については、１．１（ＬｉＦの屈折率）、１．４９（メタクリル酸メチル樹脂の屈折率）、２．１（ＡｇＣｌの屈折率）、２．６（ＴｉＯ2の屈折率）とし、ｎ３については１．１〜２．６の範囲で変化させた。屈折率の範囲としては、日本化学会編 改訂３版 化学便覧 基礎編IIの表１４・７に記載されている「固体の屈折率（１）」と「固体の屈折率（２）」における最大値と最小値を参考にして定めた。
【００５１】
ｎ１、ｎ２及びｎ３の値として上記の値を用い、ｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３を表１に示す値とした時に、上記の「＜視力１．２の人が３０ｃｍ離れたところから判別できる感覚の距離＞」において説明した距離Ｌの値を、上記の計算式（図８に示す実線Ａの結果を求めるのに使用した計算式）から算出した。計算結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１は、ｎ１／ｎ３（あるいはｎ３／ｎ１）及びｎ２／ｎ３が所定の値である時の点光源１１から出射された光が二重に見える距離Δの値を示している。距離Δが１００μｍ未満となる部分を表１においては網かけで示している。距離Δが１００μｍより小さくなる時のｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係をフィッティング法により求めた。
【００５４】
図１９は、０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示している。また、図２０は、１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示している。
【００５５】
図１９に示す領域におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を式で示すと以下のようになる。
【００５６】
６．９０×１０4・（ｎ２／ｎ３）4−２．６０×１０5・（ｎ２／ｎ３）3＋３．６６×１０5・（ｎ２／ｎ３）2−２．２９×１０5・（ｎ２／ｎ３）＋５．３４×１０4≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
図２０に示す領域におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を式で示すと以下のようになる。
【００５７】
−７．０４×１０3・（ｎ２／ｎ３）3＋２．２２×１０4・（ｎ２／ｎ３）2−２．３２×１０4・（ｎ２／ｎ３）＋８．０８×１０3≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
以上のことから、基板の屈折率ｎ１、構造体の屈折率ｎ２、及び充填材層の屈折率ｎ３が、
０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合
６．９０×１０4・（ｎ２／ｎ３）4−２．６０×１０5・（ｎ２／ｎ３）3＋３．６６×１０5・（ｎ２／ｎ３）2−２．２９×１０5・（ｎ２／ｎ３）＋５．３４×１０4≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足し、
１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合
−７．０４×１０3・（ｎ２／ｎ３）3＋２．２２×１０4・（ｎ２／ｎ３）2−２．３２×１０4・（ｎ２／ｎ３）＋８．０８×１０3≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足する時、点光源から出た光が二重に見える距離Δが１００μｍよりも小さくなり、二重写りが見えなくなることがわかる。
【００５８】
本発明において用いる充填材の具体的な材料としては、光に対して透明であり、構造体の表面と発光素子の表面に気泡を発生しにくい材料であることが好ましい。このような材料としては、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、またはフッ素系樹脂を主体とする熱硬化型または光硬化型の光学カップリング剤が好ましく用いられる。
【００５９】
＜構造体先端部の曲率についての検討＞
図１３（ａ）に示す発光パネル装置においては、基板２１ａの上に構造体２を設け、構造体２と基板２１ａの間に充填材層３を形成している。構造体２の先端部２ｃはその角度が９０度となっており、曲率を有しない先端部となっている。
【００６０】
ここで、基板２１ａの屈折率ｎ１は１．５４としており、構造体２の屈折率は１．４９としている。また、構造体２のプリズム部の周期は２０μｍ、プリズム部の高さは１３μｍとしている。
【００６１】
図１３（ａ）に示す発光パネル装置においては、図に矢印で示すように、基板２１ａから出射された光は、構造体２の先端部２ｃで外方向に散乱される。従って、測定位置での光の密度が減少し、輝度が低下することになる。
【００６２】
図１３（ｂ）は、構造体２の先端部２ｃに曲率を付与した場合を示す図である。曲率半径として２μｍとしている。この場合、図１３（ｂ）に示すように、基板２１ａから出射される構造体２の先端部２ｃに入射した光は、内部に集光され、光の密度が上昇する。このため、輝度が向上する。
【００６３】
次に、先端部の曲率と輝度向上率との関係について計算した。図１４はこの結果を示している。ここで、先端部の曲率は、以下の式で定義されるものである。
【００６４】
先端部の曲率＝〔（先端部の曲率半径）／（構造体の高さ）〕×１０
従って、先端部の曲率が１０の場合、構造体は断面半円の柱状の形状となる。
【００６５】
図１４に示すように、先端部の曲率が５となるまでは、先端部の曲率が増加するに従って輝度向上率が高くなっており、先端部の曲率が５のとき最大値の１．１１６に達し、先端部の曲率が５を超えると、輝度向上率が低下し始め、先端部の曲率が１０になると輝度向上率は１．００５程度になる。このように先端部の曲率が高くなりすぎると低下する原因は、以下の通りであると考えられる。
【００６６】
すなわち、図１５に示すように、（ａ）及び（ｂ）のように先端部の曲率が小さい場合には曲率半径が大きくなるに従って、集光される光量は大きくなるが、（ｃ）に示すように、先端部の曲率が大きくなりすぎると、光の焦点が次第に基板側に近づくため、結果として測定位置における光の密度が低減するためであると考えられる。従って、先端部の曲率は、２〜８の範囲内とすることが好ましく、さらに好ましくは４〜６の範囲内であることがわかる。
【００６７】
次に、図１２に示すのと同様の発光パネル装置において、構造体２の先端部２ｃに曲率を付与し、その曲率を変化させて実際の輝度向上率を測定した。測定結果を図１７に示す。
【００６８】
なお、輝度の測定は、図１６に示す装置を用いて測定した。図１６に示すように、試料台３１の上に、試料サンプルとなる発光パネル装置３２を置き、その上に輝度計３３（ミノルタ社製ＣＳ−１００Ａ）を配置し、輝度計３３と、発光パネル装置３２との間の距離Ｄを３０ｃｍとした。なお、測定した発光パネル装置における有機ＥＬ素子の発光層の平面サイズは１００μｍ×４０μｍの大きさであり、発光層は約３０μｍの間隔を空けて平面的に配置されているものを用いた。
【００６９】
図１７において、実測値は■で示している。図１７に示すように、輝度向上率の計算値と実測値はほぼ一致している。
【００７０】
なお、先端部に曲率を持たせた構造体は以下のようにして作製した。
【００７１】
＜先端部に曲率を有する構造体の作製方法＞
先端部に曲率を有する構造体は、シリコン製の金型を用いて作製した。
【００７２】
金型の作製は、単結晶シリコン基板へのエッチング加工技術を利用して作製した。単結晶シリコン基板（１１１）面に熱酸化膜を形成し、所望の周期の窓をフォトリソグラフィー法とフッ酸系水溶液を用いて形成した。窓の部分には、シリコン（１１１）面が現れており、他の領域は熱酸化膜で覆われている。この基板を、選択性エッチング液（ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム水溶液）２２％）に浸漬することにより、窓部を逆台形の形状にエッチングすることができる。窓の周期とエッチング時間を適宜選択することにより、任意の逆台形形状を形成することができる。このようにしてエッチングした後、等方性エッチング液に浸漬することにより、さらに逆台形形状の角部が取れ、曲率の付いた逆三角形の先端部を形成することができる。等方性エッチング液としては、ＣＰ・４Ａ液（フッ酸：硫酸：酢酸を体積比３：５：３で混合した溶液）を用いることができる。最後に、フッ酸系水溶液を用いて残りの熱酸化膜を剥離し、シリコン製の金型を形成することができる。
【００７３】
このようにして溝が形成されたシリコン製の金型に、紫外線硬化性または熱硬化性の樹脂を塗布し、硬化させた後、剥離することにより所定の曲率を有した構造体を形成することができる。なお、ここではシリコン（１１１）面を用いているが、他の結晶面とエッチング液の組み合わせによっても、逆三角形形状の作製は可能である。
【００７４】
＜構造体先端部の頂角についての検討＞
次に、構造体先端部の頂角、すなわち傾斜面２ａと傾斜面２ｂがなす角について検討した。図１８は、先端部曲率の場合と同様にして計算した結果と測定結果を示す図である。図１８において◆は計算結果を示しており、■は測定結果を示している。具体的には、図１２に示す発光パネル装置について、図１６に示す輝度測定装置を用いて測定した。基板の屈折率は１．５９、構造体の屈折率は１．４１、充填材層の屈折率は１．５３である。例えば、頂角の角度が７０度の構造体の場合、ａ＝１００μｍ、ｂ＝７０μｍ程度であり、厚さｄは２００μｍ程度である。頂角の角度が１２０度の構造体の場合、ａ＝１３１μｍ、ｂ＝３８μｍ程度であり、厚さｄは２３０μｍ程度である。また、基板の厚みｃは１００μｍ程度である。
【００７５】
図１８に示すように、頂角が９０度より低い場合、角度が低くなるに従って輝度が向上していることがわかる。これは、三角形のプリズム部の傾斜面で反射された光が、充填材層を通り対向する三角形の傾斜面でさらに反射することを繰り返して、最終的に大気中に取り出されるためであると考えられる。なお、角度が０度の場合は、光ファイバーのコア部に相当し、光の減衰が計算上０となることが推測される。
【００７６】
また、頂角が９０度よりも高い場合には、角度の増加とともに一旦輝度は上昇し、角度１８０度で輝度の増加は０となっている。これは、三角形のプリズム部の内部に侵入した光が、同じ三角形のプリズム部の他方の傾斜面で再度反射を受けて大気中に出されるためであり、この際反射光の最適値が角度に依存するため輝度に極大値が現れていると考えられる。頂角１８０度は、平板を配した構造に相当し、光吸収がないと仮定しているため、得られる値は誤差の範囲で頂角９０度の場合と同じである。
【００７７】
上記の計算結果と、実測の値を比較すると、実測結果はほぼ計算結果と同様の傾向を示していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に従う一実施例の発光パネル装置を示す断面図。
【図２】図１に示す点線の領域を拡大して示す断面図。
【図３】本発明における発光パネル装置の構造体の例を示す斜視図。
【図４】本発明における発光パネル装置の構造体の例を示す斜視図。
【図５】本発明に従う他の実施例における発光パネル装置の構造体と画素の配置状態を示す斜視図。
【図６】点光源から出射した光が透光性基板を通り出射するときの光の経路を示す図。
【図７】従来の構造体の配置関係を示す断面図。
【図８】充填材層の屈折率と分解能との関係を示す図。
【図９】図８に示す分解能の計算方法を説明するための図。
【図１０】図８に示す分解能の計算方法を説明するための図。
【図１１】図８に示す分解能の計算方法を説明するための図。
【図１２】図８に示す実測結果の測定に用いた発光パネル装置を示す断面図。
【図１３】構造体先端部に曲率を形成した場合と形成しない場合についての光の透過経路の計算結果を示す図。
【図１４】先端部の曲率と輝度向上率との関係を示す図。
【図１５】先端部の曲率と輝度向上率との関係を示す図。
【図１６】輝度測定装置を示す模式図。
【図１７】先端部の曲率と輝度向上率の計算結果及び実測結果を示す図。
【図１８】構造体先端部の頂角と輝度向上率の計算結果と測定結果を示す図。
【図１９】０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示す図。
【図２０】１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示す図。
【符号の説明】
【００７９】
１…発光素子
１ａ…発光素子の画素
２…構造体
２ａ，２ｂ…傾斜面
２ｃ…構造体の先端部
３…充填材層
１０…発光パネル装置
１１…点光源
１１ａ…基板
２０…発光パネル装置
２１…有機ＥＬ素子
２１ａ…基板
２１ｂ…透明導電膜
２１ｃ…有機発光層
２１ｄ…反射電極
２１ｅ…絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）などの発光素子からの取り出し光量を増加させることができる発光パネル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光体の輝度を向上させる技術としては、発光材料自体の高輝度化や、光伝播経路でのロスの低減構造等が報告されている。例えば、非特許文献１及び非特許文献２においては、発光材料そのものの発光効率を制御することが報告されている。また、特許文献１及び特許文献２においては、発光体から出射された光が、大気中に伝播する経路における損失を最小限に抑えることに関する報告がなされている。
【０００３】
しかしながら、例えば発光効率を向上させるためには、材料の基礎的な研究から量産に至るまでの費用と長い研究時間、さらには環境・人体に対する安全性等を明らかにする必要がある。また、伝播経路における光の損失を低減するには、材料の選択や作製技術の複雑化に伴う生産費用の上昇等の問題があり、簡便な技術による効果的な輝度の向上が求められている。
【０００４】
特許文献３においては、発光体の表面に構造体を配置することにより、輝度を高めることが報告されている。この報告の具体例としては、代表的な平面表示装置である液晶表示装置（ＬＣＤ）に用いられる輝度向上フィルムが挙げられる。この輝度向上フィルムの原理は、発光体の表面から任意の方向に出射された光を、特定の構造体を用いることにより、一定の方向に集光させるものである。しかしながら、この方法における問題として、輝度の向上とともに、色ずれや二重映り等の画質の劣化が生じることが挙げられる。この問題を解決するため、このフィルムを発光体であるバックライトとＬＣＤとの間に配置することにより、ＬＣＤを透過する際にこれらの劣化の原因が排除され、結果としてＬＣＤを透過した際の輝度が向上するとされている。
【０００５】
特許文献４においては、発光体の正面に構造体を配置して輝度を向上させる方法が報告されている。しかしながら、この方法においても画質に同様の劣化が生じることが容易に推測される。
【０００６】
また、特許文献５及び特許文献６においても、構造体を配置することにより輝度を向上させることが提案されているが、いずれも同様の画質の劣化を生じるものである。
【特許文献１】特開２００４−１４６２００号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８０３２号公報
【特許文献３】特表２００３−５１８２６３号公報
【特許文献４】特開２００１−７６５２１号公報
【特許文献５】特開２００１−１４８０３２号公報
【特許文献６】特開平９−１０１４０５号公報
【非特許文献１】Applied Physics letters，Vol．51，pp913-915，1987
【非特許文献２】Applied Physics letters，Vol．75，pp4-6，1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、低消費電力または高輝度化を図ることができる発光パネル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、発光素子と、該発光素子の上に配置され、発光素子に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面または曲面を有する構造体と、発光素子と構造体との間の隙間に充填される充填材層とを備える発光パネル装置である。
【０００９】
本発明の発光パネル装置においては、発光素子に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面または曲面を有する構造体が、発光素子の上に配置されており、発光素子と構造体との間の隙間に充填材が充填され充填材層が形成されている。発光素子の上にこのような充填材層を介して上記構造体を設けることにより、色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの光を正面に出射することができ、取り出し光量を増加させることができる。従って、消費電力を低減させることができ、輝度を高めることができる。
【００１０】
本発明の構造体における少なくとも２つの傾斜面または曲面により形成される形状は、例えば、断面三角形の柱状、断面台形の柱状、断面半円形の柱状、または三角錐や四角錐などの角錘状が挙げられる。
【００１１】
また、本発明の構造体において、発光素子側の先端部は曲率を有していることが好ましい。発光素子側の先端部が曲率を有することにより、正面に出射される発光素子からの光量を増加させることができ、輝度を高めることができる。
【００１２】
また、本発明における充填材層の屈折率は、１．４３〜１．５６の範囲内であることが好ましい。このような範囲内にすることにより、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、輝度をさらに高めることができる。
【００１３】
本発明の発光パネル装置において、発光素子は、特に限定されるものではないが、本発明は発光素子として有機エレクトロルミネッセンス素子を用いる場合に特に有用である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、色ずれや二重映り等の画質の劣化を生じることなく、発光素子からの取り出し光量を増加させることができ、消費電力を低減することができ、高輝度化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明に従う一実施例の発光パネル装置を示す断面図である。
【００１７】
本実施例の発光パネル装置１０においては、発光素子１の上に構造体２を配置し、発光素子１と構造体２の間の隙間に、充填材層３が設けられている。構造体２は、発光素子１に向かって互いに近づき合う２つの傾斜面２ａ及び２ｂを有している。発光素子１は、例えば有機ＥＬ素子などである。
【００１８】
図２は、図１に示す点線で囲む領域の拡大図である。図２に示すように、構造体２の先端部２ｃは曲率を有している。
【００１９】
図３及び図４は、本発明における構造体の形状の例を示す斜視図である。図３（ａ）に示すように、本発明の構造体における少なくとも２つの傾斜面または曲面により形成される形状は、断面三角形の柱状、すなわち三角柱状であってもよいし、図３（ｂ）に示すように、断面台形の柱状であってもよいし、図３（ｃ）に示す断面半円形の柱状であってもよい。なお、図１に示す構造体２は、図３（ａ）の最も左側に示す断面三角形の柱状の形状を有している。
【００２０】
また、図４に示すように、四角錐状、いわゆるピラミッド状の形状であってもよい。なお、図４に示す四角錐状の先端部は丸みを帯びており曲率を有している。また、このような四角錐部分の配置は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように種々の配置で設けることができる。
【００２１】
図５は、画素を有する発光素子と構造体との位置関係を示す斜視図である。図５に示すように、発光素子１には複数の画素１ａが設けられており、このような複数の画素１ａをまたがるように構造体２を配置することができる。
【００２２】
以下、本発明の発光パネル装置の作用効果について説明する。
【００２３】
まず、発光素子から出射する一般的な光の透過経路について説明する。
【００２４】
図６（ａ）は、点光源１１から発光した光が大気中に出射される状態を示す模式図である。点光源１１から発光された光は、発光側に設けられた基板１１ａを通り大気中に出射される。図６（ｂ）に示すように、大気の屈折率をｎ１とし、基板１１ａの屈折率をｎ２とすると、出射光が基板１１ａの法線に対してなす角度をθ2とし、基板１１ａから出射される出射光が基板１１ａの法線に対してなす角度をθ1とすると、大気の屈折率ｎ１及び基板の屈折率ｎ２と、以下のような関係を満たす。
【００２５】
ｎ１・ｓｉｎ（θ1）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ2） …（１）
ここで、θ2が９０°の場合のθ1を、臨界角θｃという。θ1がθｃの場合、図６（ａ）に示すように、光は大気と基板１１ａとの界面で反射され、大気中に出ない。大気の屈折率ｎ１は一般に１であり、基板１１ａがガラスである場合ｎ２は１．５４であり、このときの臨界角θｃは約４０．５度である。
【００２６】
臨界角θｃよりも小さい角度で基板と大気の界面に入射した光が、大気中に放射され視覚化される。従って、大気中に出射される光が多いほど輝度が高くなる。
【００２７】
図７は、特許文献５及び特許文献６などに開示された従来の構造を示す断面図である。図７（ａ）においては、基板１１ａの上に、構造体１２が設けられており、基板１１ａと構造体１２の間の隙間には一般に大気が存在している。図７（ｂ）は、構造体１２の上下関係を逆にして基板１１ａ上に配置した状態である。
【００２８】
図７（ａ）に示すように、点光源１１から出射された光は基板１１ａを出て、構造体１２との間の隙間に存在する大気を通り、構造体１２に入射する。図７（ａ）に示すように、構造体１２の傾斜面１２ａ及び１２ｂに入射した光は屈折して、基板１１ａに対し法線方向に出射される。このため、輝度が上昇する。しかしながら、点光源１１から出射された光は、あたかも２つの点光源から出射された光として視認されることとなる。従って、輝度が増加したとしても、画像が距離Ｌ離れて二重に見えることになり、画質が低下することとなる。
【００２９】
図７（ｂ）で示す状態で構造体１２を配置した場合も、同様に構造体１２の傾斜面１２ｃ及び１２ｄを出射する光は屈折して基板１１ａに対し法線方向に出射され輝度が上昇するが、画像が距離Ｌ離れて二重に見えることになり、画質が低下する。
【００３０】
次に、距離Ｌがどの程度の距離になれば二重映りになるかについて検討した。以下の検討においては、視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から判別できるか否かを基準とした。
【００３１】
＜視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から判別できる間隙の距離＞
文献（http://www.nidek.co.jp/landolt.html）における視力の定義では、５ｍ離れた所から１．５ｍｍの間隙を認識できる能力を視力１．０としており、この１．５ｍｍの間隙を距離の１．２倍（６ｍ）離れた場所で認識できる能力が視力１．２、距離の１／２（２．５ｍ）離れた場所で認識できる能力が視力０．５としている。
【００３２】
視力１．２の人が３０ｃｍ離れた場所で認識できる間隙は、以下の式から計算上７５μｍと導出されるが、概略１００μｍとして検討した。
【００３３】
３０（ｃｍ）×１．５（ｍｍ）／６（ｍ）＝０．０７５（ｍｍ）＝７５（μｍ）
以上の結果から、視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から判別できる間隙の距離はおよそ１００μｍであることがわかった。従って、距離Ｌが１００μｍ以下の場合、視力１．２の人が３０ｃｍ離れた所から見て二重映りには見えないことになる。
【００３４】
図８は、図９に示す発光パネル装置１０において、充填材層３の屈折率を変化させたときの分解能Δの計算結果を示す図である。図８において実線Ａは計算結果を示している。図９に示す発光パネル装置１０においては、発光素子の出射側基板１１ａの上に、構造体２が配置されており、構造体２と基板１１ａとの間の隙間に充填材層３が設けられている。
【００３５】
図９に示す構造体２において、傾斜面２ａと傾斜面２ｂからなるプリズム部の周期ａは５０μｍとしており、プリズム部の高さｂは３０μｍとしており、透明基板１１ａの厚さｃは１０００μｍとしている。また、透明基板１１ａの屈折率をｎ１、構造体２の屈折率をｎ２、充填材層３の屈折率をｎ３としている。また、点光源１１から出射した光の角度をθ１、構造体２のプリズム部の傾斜面２ａ及び２ｃが基板１１ａの表面となす角度をθ４としている。この角度θ４は、プリズム部の周期ａ及びプリズム部の高さｂと、以下のような関係を有している。
【００３６】
ｔａｎ（θ４）＝ｂ／（ａ／２）
点光源１１から発した光は、透明基板１１ａと充填材層３との界面及び充填材層３と構造体２との界面で、スネルの法則（式（１）：図１０におけるｎｉ・ｓｉｎ（θｉ）＝ｎｊ・ｓｉｎ（θｊ）の関係）に従って屈折し、構造体２ａの表面から垂直に出光する。ここでは簡略のため、充填材層３と構造体２の界面での屈折位置は、構造体の傾斜面２ａ及び２ｂの中央部とした。この簡略化による横方向の誤差は、構造体周期が５０μｍの場合、約１０μｍ程度であり、視力１．２の人が視認する間隙と比較すると無視できる値である。点光源１１から光が屈折する透明基板／充填材層の界面までの距離をＬ１、透明基板／充填材層の界面から充填材層／構造体までの距離をＬ２とすると、点光源１１から出射された光が二重に見える距離Δは、２×（Ｌ１＋Ｌ２）で表わされる。ちなみにＬ１は以下の式で表される。
【００３７】
Ｌ１＝ｃ・ｔａｎ（θ１）
図１１に、各界面近傍での光の屈折状態を詳細に示す。透明基板／充填材層の界面における入射角をθ１、出射角をθ３′とし、充填材層／構造体での入射角をθ３、出射角をθ２とすると、以下の式が導出される。
【００３８】
θ２＝θ４
θ３′＋θ３＝θ４
ｎ１・ｓｉｎ（θ１）＝ｎ３・ｓｉｎ（θ３′）
ｎ３・ｓｉｎ（θ３）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ２）
これらの式を整理して、屈折率（ｎ１，ｎ２，ｎ３）とθ４を用いて、θ１，θ２，θ３，θ３′，Ｌ２を書き換えると以下の式となる。
【００３９】
ｓｉｎ（θ３）＝（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎ（θ４）
ｓｉｎ（θ１）＝（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ（θ３′）
＝（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ（θ４−θ３）
＝（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉ
ｎ（θ４）｝〕
Ｌ２＝（ｂ／２）・ｔａｎ｛θ４−θ３｝
＝（ｂ／２）・ｔａｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎ（θ４）｝〕
これらをまとめて、点光源から出た光が二重に見える距離Δを整理すると、以下のようになる。
【００４０】
Δ＝２（Ｌ１＋Ｌ２）
＝２（Ｃ・ｔａｎ（θ１）＋（ｂ／２）・ｔａｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３
）・ｓｉｎ（θ４）｝〕）
ここでθ１、θ４は以下の通りである。
【００４１】
θ１＝ｓｉｎ-1｛（ｎ３／ｎ１）・ｓｉｎ〔θ４−ｓｉｎ-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉ
ｎ（θ４）｝〕｝
θ４＝ｔａｎ-1｛ｂ／（ａ／２）｝
以上のようにして計算した結果が図８に示す実線Ａである。上述のように、パラメータであるａ、ｂ、ｃ、ｎ１、及びｎ２については、ａ＝５０μｍ、ｂ＝３０μｍ、ｃ＝１０００μｍ、ｎ１＝１．５４、ｎ２＝１．４９とし、充填材層の屈折率ｎ３を変化させて計算している。なお、ｎ１＝１．５４は、透明ガラス基板の屈折率である。また、ｎ２＝１．４９は、アクリル系樹脂（ポリメタクリル酸メチル、文献値）の値である。
【００４２】
図８に示すように、充填材層の屈折率１．４９までは、充填材層の屈折率が高くなるにつれて分解能Δは小さくなっている。分解能Δは、充填材層の屈折率１．４９で最小となった後、充填材層の屈折率の増加とともに大きくなっている。充填材層の屈折率が１．４９のときに、分解能Δが最小となっているのは、充填材層の屈折率と構造体の屈折率が同一となり、光学的に区別がつかなくなったためであり、屈折率１．４９の平行平板が透明基板上に配置されたことに相当するようになったためであると思われる。このような状態で、点光源が２つに分かれる要因がなくなり、分解能Δが極小になったと考えられる。
【００４３】
また、図８には、〇で実測結果を示している。この実測結果は、図１２に示す発光パネル装置を用いて測定した。図１２に示す発光パネル装置２０は、有機ＥＬ素子である発光素子２１のガラス基板２１ａの上に、構造体２を配置し、基板２１ａと構造体２の間の隙間に充填材層３を形成している。
【００４４】
発光素子２１においては、ガラス基板２１ａの上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透明導電膜２１ｂが形成されている。透明導電膜２１ｂの上の画素以外の領域には、アクリル系樹脂からなる厚さ約１０００ｎｍの絶縁膜２１ｅが設けられている。画素領域の幅ｅは約１００μｍとなるように設定されている。絶縁膜２１ｅ及び画素領域の透明導電膜２１ｂの上には、厚さ２００ｎｍの有機発光層２１ｃが設けられている。有機発光層２１ｃの上には、Ａｌからなる厚さ３００ｎｍの反射電極２１ｄが設けられている。
【００４５】
基板２１ａの上には、上述のように、構造体２が設けられている。構造体２のプリズム部の周期ａは５０μｍであり、プリズム部の高さｂは３０μｍである。また、構造体２の高さｄは１５５μｍである。また、基板２１ａの厚みｃは１０００μｍである。
【００４６】
構造体２と基板２１ａの間の隙間には、充填材層３が設けられており、充填材層３は、市販の感光性カップリング剤を用いて形成されており、充填後紫外線を照射することにより硬化されている。
【００４７】
構造体２は、アクリル系樹脂から形成されており、その屈折率は１．４９である。基板２１ａは無アルカリガラスから形成されており、その屈折率は１．５４である。
【００４８】
充填材層３の屈折率は、使用するカップリング剤の種類及び配合を変化させることによって変化させた。
【００４９】
以上のような発光パネル素子２０を光学顕微鏡の下で発光させ、二重に映った距離を測定した。距離の測定には、光学顕微鏡に備え付けられたマイクロメーターを用いた。測定結果は、図８に〇で示す通りである。図８から明らかなように、計算結果と測定結果はほぼ一致していることがわかる。従って、充填材層の屈折率を１．４３〜１．５６の範囲内とすることにより、二重映り等の画質の劣化を抑制できることがわかる。
【００５０】
＜基板、構造体及び充填材層の屈折率についての検討＞
基板、構造体及び充填材層の屈折率の関係について検討した。図９に示す発光パネル装置１０において、ａを５０μｍ、ｂを３０μｍ、ｃを１０００μｍとし、透明基板１１ａの屈折率をｎ１、構造体２の屈折率をｎ２、充填材層３の屈折率をｎ３として、ｎ１、ｎ２及びｎ３の関係について検討した。ｎ１については、１．１（ＬｉＦの屈折率）、１．５４（ガラスの屈折率）、２．０（ＺｎＯの屈折率）、２．６（ＴｉＯ2の屈折率）とし、ｎ２については、１．１（ＬｉＦの屈折率）、１．４９（メタクリル酸メチル樹脂の屈折率）、２．１（ＡｇＣｌの屈折率）、２．６（ＴｉＯ2の屈折率）とし、ｎ３については１．１〜２．６の範囲で変化させた。屈折率の範囲としては、日本化学会編 改訂３版 化学便覧 基礎編IIの表１４・７に記載されている「固体の屈折率（１）」と「固体の屈折率（２）」における最大値と最小値を参考にして定めた。
【００５１】
ｎ１、ｎ２及びｎ３の値として上記の値を用い、ｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３を表１に示す値とした時に、上記の「＜視力１．２の人が３０ｃｍ離れたところから判別できる感覚の距離＞」において説明した距離Ｌの値を、上記の計算式（図８に示す実線Ａの結果を求めるのに使用した計算式）から算出した。計算結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１は、ｎ１／ｎ３（あるいはｎ３／ｎ１）及びｎ２／ｎ３が所定の値である時の点光源１１から出射された光が二重に見える距離Δの値を示している。距離Δが１００μｍ未満となる部分を表１においては網かけで示している。距離Δが１００μｍより小さくなる時のｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係をフィッティング法により求めた。
【００５４】
図１９は、０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示している。また、図２０は、１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示している。
【００５５】
図１９に示す領域におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を式で示すと以下のようになる。
【００５６】
６．９０×１０4・（ｎ２／ｎ３）4−２．６０×１０5・（ｎ２／ｎ３）3＋３．６６×１０5・（ｎ２／ｎ３）2−２．２９×１０5・（ｎ２／ｎ３）＋５．３４×１０4≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
図２０に示す領域におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を式で示すと以下のようになる。
【００５７】
−７．０４×１０3・（ｎ２／ｎ３）3＋２．２２×１０4・（ｎ２／ｎ３）2−２．３２×１０4・（ｎ２／ｎ３）＋８．０８×１０3≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
以上のことから、基板の屈折率ｎ１、構造体の屈折率ｎ２、及び充填材層の屈折率ｎ３が、
０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合
６．９０×１０4・（ｎ２／ｎ３）4−２．６０×１０5・（ｎ２／ｎ３）3＋３．６６×１０5・（ｎ２／ｎ３）2−２．２９×１０5・（ｎ２／ｎ３）＋５．３４×１０4≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足し、
１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合
−７．０４×１０3・（ｎ２／ｎ３）3＋２．２２×１０4・（ｎ２／ｎ３）2−２．３２×１０4・（ｎ２／ｎ３）＋８．０８×１０3≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足する時、点光源から出た光が二重に見える距離Δが１００μｍよりも小さくなり、二重写りが見えなくなることがわかる。
【００５８】
本発明において用いる充填材の具体的な材料としては、光に対して透明であり、構造体の表面と発光素子の表面に気泡を発生しにくい材料であることが好ましい。このような材料としては、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、またはフッ素系樹脂を主体とする熱硬化型または光硬化型の光学カップリング剤が好ましく用いられる。
【００５９】
＜構造体先端部の曲率についての検討＞
図１３（ａ）に示す発光パネル装置においては、基板２１ａの上に構造体２を設け、構造体２と基板２１ａの間に充填材層３を形成している。構造体２の先端部２ｃはその角度が９０度となっており、曲率を有しない先端部となっている。
【００６０】
ここで、基板２１ａの屈折率ｎ１は１．５４としており、構造体２の屈折率は１．４９としている。また、構造体２のプリズム部の周期は２０μｍ、プリズム部の高さは１３μｍとしている。
【００６１】
図１３（ａ）に示す発光パネル装置においては、図に矢印で示すように、基板２１ａから出射された光は、構造体２の先端部２ｃで外方向に散乱される。従って、測定位置での光の密度が減少し、輝度が低下することになる。
【００６２】
図１３（ｂ）は、構造体２の先端部２ｃに曲率を付与した場合を示す図である。曲率半径として２μｍとしている。この場合、図１３（ｂ）に示すように、基板２１ａから出射される構造体２の先端部２ｃに入射した光は、内部に集光され、光の密度が上昇する。このため、輝度が向上する。
【００６３】
次に、先端部の曲率と輝度向上率との関係について計算した。図１４はこの結果を示している。ここで、先端部の曲率は、以下の式で定義されるものである。
【００６４】
先端部の曲率＝〔（先端部の曲率半径）／（構造体の高さ）〕×１０
従って、先端部の曲率が１０の場合、構造体は断面半円の柱状の形状となる。
【００６５】
図１４に示すように、先端部の曲率が５となるまでは、先端部の曲率が増加するに従って輝度向上率が高くなっており、先端部の曲率が５のとき最大値の１．１１６に達し、先端部の曲率が５を超えると、輝度向上率が低下し始め、先端部の曲率が１０になると輝度向上率は１．００５程度になる。このように先端部の曲率が高くなりすぎると低下する原因は、以下の通りであると考えられる。
【００６６】
すなわち、図１５に示すように、（ａ）及び（ｂ）のように先端部の曲率が小さい場合には曲率半径が大きくなるに従って、集光される光量は大きくなるが、（ｃ）に示すように、先端部の曲率が大きくなりすぎると、光の焦点が次第に基板側に近づくため、結果として測定位置における光の密度が低減するためであると考えられる。従って、先端部の曲率は、２〜８の範囲内とすることが好ましく、さらに好ましくは４〜６の範囲内であることがわかる。
【００６７】
次に、図１２に示すのと同様の発光パネル装置において、構造体２の先端部２ｃに曲率を付与し、その曲率を変化させて実際の輝度向上率を測定した。測定結果を図１７に示す。
【００６８】
なお、輝度の測定は、図１６に示す装置を用いて測定した。図１６に示すように、試料台３１の上に、試料サンプルとなる発光パネル装置３２を置き、その上に輝度計３３（ミノルタ社製ＣＳ−１００Ａ）を配置し、輝度計３３と、発光パネル装置３２との間の距離Ｄを３０ｃｍとした。なお、測定した発光パネル装置における有機ＥＬ素子の発光層の平面サイズは１００μｍ×４０μｍの大きさであり、発光層は約３０μｍの間隔を空けて平面的に配置されているものを用いた。
【００６９】
図１７において、実測値は■で示している。図１７に示すように、輝度向上率の計算値と実測値はほぼ一致している。
【００７０】
なお、先端部に曲率を持たせた構造体は以下のようにして作製した。
【００７１】
＜先端部に曲率を有する構造体の作製方法＞
先端部に曲率を有する構造体は、シリコン製の金型を用いて作製した。
【００７２】
金型の作製は、単結晶シリコン基板へのエッチング加工技術を利用して作製した。単結晶シリコン基板（１１１）面に熱酸化膜を形成し、所望の周期の窓をフォトリソグラフィー法とフッ酸系水溶液を用いて形成した。窓の部分には、シリコン（１１１）面が現れており、他の領域は熱酸化膜で覆われている。この基板を、選択性エッチング液（ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム水溶液）２２％）に浸漬することにより、窓部を逆台形の形状にエッチングすることができる。窓の周期とエッチング時間を適宜選択することにより、任意の逆台形形状を形成することができる。このようにしてエッチングした後、等方性エッチング液に浸漬することにより、さらに逆台形形状の角部が取れ、曲率の付いた逆三角形の先端部を形成することができる。等方性エッチング液としては、ＣＰ・４Ａ液（フッ酸：硫酸：酢酸を体積比３：５：３で混合した溶液）を用いることができる。最後に、フッ酸系水溶液を用いて残りの熱酸化膜を剥離し、シリコン製の金型を形成することができる。
【００７３】
このようにして溝が形成されたシリコン製の金型に、紫外線硬化性または熱硬化性の樹脂を塗布し、硬化させた後、剥離することにより所定の曲率を有した構造体を形成することができる。なお、ここではシリコン（１１１）面を用いているが、他の結晶面とエッチング液の組み合わせによっても、逆三角形形状の作製は可能である。
【００７４】
＜構造体先端部の頂角についての検討＞
次に、構造体先端部の頂角、すなわち傾斜面２ａと傾斜面２ｂがなす角について検討した。図１８は、先端部曲率の場合と同様にして計算した結果と測定結果を示す図である。図１８において◆は計算結果を示しており、■は測定結果を示している。具体的には、図１２に示す発光パネル装置について、図１６に示す輝度測定装置を用いて測定した。基板の屈折率は１．５９、構造体の屈折率は１．４１、充填材層の屈折率は１．５３である。例えば、頂角の角度が７０度の構造体の場合、ａ＝１００μｍ、ｂ＝７０μｍ程度であり、厚さｄは２００μｍ程度である。頂角の角度が１２０度の構造体の場合、ａ＝１３１μｍ、ｂ＝３８μｍ程度であり、厚さｄは２３０μｍ程度である。また、基板の厚みｃは１００μｍ程度である。
【００７５】
図１８に示すように、頂角が９０度より低い場合、角度が低くなるに従って輝度が向上していることがわかる。これは、三角形のプリズム部の傾斜面で反射された光が、充填材層を通り対向する三角形の傾斜面でさらに反射することを繰り返して、最終的に大気中に取り出されるためであると考えられる。なお、角度が０度の場合は、光ファイバーのコア部に相当し、光の減衰が計算上０となることが推測される。
【００７６】
また、頂角が９０度よりも高い場合には、角度の増加とともに一旦輝度は上昇し、角度１８０度で輝度の増加は０となっている。これは、三角形のプリズム部の内部に侵入した光が、同じ三角形のプリズム部の他方の傾斜面で再度反射を受けて大気中に出されるためであり、この際反射光の最適値が角度に依存するため輝度に極大値が現れていると考えられる。頂角１８０度は、平板を配した構造に相当し、光吸収がないと仮定しているため、得られる値は誤差の範囲で頂角９０度の場合と同じである。
【００７７】
上記の計算結果と、実測の値を比較すると、実測結果はほぼ計算結果と同様の傾向を示していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に従う一実施例の発光パネル装置を示す断面図。
【図２】図１に示す点線の領域を拡大して示す断面図。
【図３】本発明における発光パネル装置の構造体の例を示す斜視図。
【図４】本発明における発光パネル装置の構造体の例を示す斜視図。
【図５】本発明に従う他の実施例における発光パネル装置の構造体と画素の配置状態を示す斜視図。
【図６】点光源から出射した光が透光性基板を通り出射するときの光の経路を示す図。
【図７】従来の構造体の配置関係を示す断面図。
【図８】充填材層の屈折率と分解能との関係を示す図。
【図９】図８に示す分解能の計算方法を説明するための図。
【図１０】図８に示す分解能の計算方法を説明するための図。
【図１１】図８に示す分解能の計算方法を説明するための図。
【図１２】図８に示す実測結果の測定に用いた発光パネル装置を示す断面図。
【図１３】構造体先端部に曲率を形成した場合と形成しない場合についての光の透過経路の計算結果を示す図。
【図１４】先端部の曲率と輝度向上率との関係を示す図。
【図１５】先端部の曲率と輝度向上率との関係を示す図。
【図１６】輝度測定装置を示す模式図。
【図１７】先端部の曲率と輝度向上率の計算結果及び実測結果を示す図。
【図１８】構造体先端部の頂角と輝度向上率の計算結果と測定結果を示す図。
【図１９】０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示す図。
【図２０】１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合におけるｎ１／ｎ３とｎ２／ｎ３との関係を示す図。
【符号の説明】
【００７９】
１…発光素子
１ａ…発光素子の画素
２…構造体
２ａ，２ｂ…傾斜面
２ｃ…構造体の先端部
３…充填材層
１０…発光パネル装置
１１…点光源
１１ａ…基板
２０…発光パネル装置
２１…有機ＥＬ素子
２１ａ…基板
２１ｂ…透明導電膜
２１ｃ…有機発光層
２１ｄ…反射電極
２１ｅ…絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子の上に配置され、前記発光素子に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面または曲面を有する構造体と、
前記発光素子と前記構造体との間の隙間に充填される充填材層とを備える発光パネル装置。
【請求項２】
前記構造体における前記少なくとも２つの傾斜面または曲面により形成される形状が、断面三角形の柱状、断面台形の柱状、断面半円形の柱状、または角錘状であることを特徴とする請求項１に記載の発光パネル装置。
【請求項３】
前記構造体の前記発光素子側の先端部が曲率を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の発光パネル装置。
【請求項４】
前記発光素子が基板を有する発光素子であり、該基板の上に前記構造体が配置されており、前記基板の屈折率をｎ１、前記構造体の屈折率をｎ２、前記充填材層の屈折率をｎ３とすると、ｎ１、ｎ２及びｎ３が、
０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合
６．９０×１０4・（ｎ２／ｎ３）4−２．６０×１０5・（ｎ２／ｎ３）3＋３．６６×１０5・（ｎ２／ｎ３）2−２．２９×１０5・（ｎ２／ｎ３）＋５．３４×１０4
≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足し、
１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合
−７．０４×１０3・（ｎ２／ｎ３）3＋２．２２×１０4・（ｎ２／ｎ３）2−２．３２×１０4・（ｎ２／ｎ３）＋８．０８×１０3
≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光パネル装置。
【請求項５】
前記充填材層の屈折率が、１．４３〜１．５６の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光パネル装置。
【請求項６】
前記発光素子が有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光パネル装置。
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子の上に配置され、前記発光素子に向かって互いに近づき合う少なくとも２つの傾斜面または曲面を有する構造体と、
前記発光素子と前記構造体との間の隙間に充填される充填材層とを備える発光パネル装置。
【請求項２】
前記構造体における前記少なくとも２つの傾斜面または曲面により形成される形状が、断面三角形の柱状、断面台形の柱状、断面半円形の柱状、または角錘状であることを特徴とする請求項１に記載の発光パネル装置。
【請求項３】
前記構造体の前記発光素子側の先端部が曲率を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の発光パネル装置。
【請求項４】
前記発光素子が基板を有する発光素子であり、該基板の上に前記構造体が配置されており、前記基板の屈折率をｎ１、前記構造体の屈折率をｎ２、前記充填材層の屈折率をｎ３とすると、ｎ１、ｎ２及びｎ３が、
０．９≦（ｎ２／ｎ３）≦１の場合
６．９０×１０4・（ｎ２／ｎ３）4−２．６０×１０5・（ｎ２／ｎ３）3＋３．６６×１０5・（ｎ２／ｎ３）2−２．２９×１０5・（ｎ２／ｎ３）＋５．３４×１０4
≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足し、
１＜（ｎ２／ｎ３）≦１．０８の場合
−７．０４×１０3・（ｎ２／ｎ３）3＋２．２２×１０4・（ｎ２／ｎ３）2−２．３２×１０4・（ｎ２／ｎ３）＋８．０８×１０3
≦（ｎ１／ｎ３）≦２．３８
の関係を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光パネル装置。
【請求項５】
前記充填材層の屈折率が、１．４３〜１．５６の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光パネル装置。
【請求項６】
前記発光素子が有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光パネル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００６−３３８９０９（Ｐ２００６−３３８９０９Ａ）
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５９４０３（Ｐ２００５−１５９４０３）
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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