発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子
【課題】高い光取り出し効率で光を取り出すことができる発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子を提供する。
【解決手段】有機ＥＬ素子１は、光入射面２ａ及び光出射面２ｂとを備えたガラス基板２と、ガラス基板２の光入射面２ａに形成されたライトガイド膜３と、ライトガイド膜３上に形成された透明導電膜４と、発光体として透明導電膜４上に形成された有機ＥＬ層５と、有機ＥＬ層５上に形成されたＡｌ等の反射電極６とを備えている。
【解決手段】有機ＥＬ素子１は、光入射面２ａ及び光出射面２ｂとを備えたガラス基板２と、ガラス基板２の光入射面２ａに形成されたライトガイド膜３と、ライトガイド膜３上に形成された透明導電膜４と、発光体として透明導電膜４上に形成された有機ＥＬ層５と、有機ＥＬ層５上に形成されたＡｌ等の反射電極６とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ、ＬＥＤなどの発光デバイスでは、発光層で発生した光が透明基板に入射する際、透明基板の屈折率ｎｓと発光層の屈折率ｎｏで規定される臨界角ｑｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｏ／ｎｓ）以上の角度で入射した光は界面で全反射されてしまい、外部に取り出すことが出来ない。たとえば、ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子では一般的に、ガラス基板／透明導電膜／有機層／反射電極の構成になっているが、有機層で発光した光の約５０％が有機層および透明導電膜に導波モード光として閉じ込められてしまう。また、有機層で発光した光の約３０％が基板内に基板モードとして閉じ込められてしまう。そのため、実際に外部に取り出される放射モード光は２０％程度に留まる。
【０００３】
そのため、発光光を効果的に利用するために有機層で発光した光を効率的に取り出す手法が種々考案されている。例えば、特許文献１には、ガラス基板から基板モードを効果的に取り出すために反射防止膜を基板の素子外部側に形成した有機ＥＬが提案されている。
【０００４】
一方、特許文献２には、導波モード光を効果的に取り出すために、円柱や角柱の複数のナノロッド発光構造体を基板上に周期的に配列させたフォトニック結晶を用いた発光素子が提案されている。
【０００５】
また、特許文献３には、基板上に微細な柱状空隙を設け、レイリー散乱により光の取り出し効率を上げることができる発光素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３３９９２７号公報
【特許文献２】特開２００９−３３１８１号公報
【特許文献３】特開２００８−４１４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の有機ＥＬ素子の反射防止膜は生産性に優れるが、反射防止膜は反射率が光の入射角に依存し、入射角の小さい範囲においてのみ効果はあるが、高入射角での光取出しには不向きである。従来、屈折率が１．５のガラス基板では、ガラス基板／大気界面では入射角０°の光は、その約４％が反射されてしまう。そこでガラス／大気界面にＭｇＦやＳｉＯ２などの反射防止膜を設けると、入射角０°の光の反射率は１%以下に低減させることが出来る。しかし、入射角度が大きくなるにつれ、反射防止効果が低くなり、効果が得られなくなるという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２の発光素子では、円柱や角柱の複数のナノロッド発光構造体を基板上に周期的に配列させたフォトニック結晶は複雑な構造を有するため、量産性やコスト、大面積化に問題がある。
【０００９】
また、特許文献３の発光素子は、空隙のサイズによって、光取り出し効果の得られる波長が限定されるなどの課題がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い光取り出し効率で光を取り出すことができる発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る発光素子は、光入射面と光出射面とを備えたガラス基板と、前記ガラス基板の光入射面側に発光体を備えた発光素子であって、前記ガラス基板の光入射面上に柱状構造を有するライトガイド膜が形成されている。このライトガイド膜により、発光体からの光をガラス基板側に導波しやすくなるライトガイド効果が現れる。これは、従来の発光素子ではガラス基板の光入射面で全反射していた光が、本発明の発光素子では、ライトガイド膜により臨界角以内の低入射角にガイドされることで、ガラス基板内に取り入れられるからである。特に従来のボトムエミッション型の有機ＥＬ素子ではガラス基板の表面で光が全反射していた光が、本発明の有機ＥＬ素子を用いれば、効率的にガラス基板内に取り入れられる。
【００１２】
ガラス基板内に取り入れられた光は、ガラス基板と空気層との界面での入射角が小さく、臨界角以内の入射光の割合が高くなるため、基板外への光の取り出し効率も向上させることが出来る。また臨界角以上の入射光は、柱状構造内部で多重反射を繰り返すことで、効率的に取り出すことができる。
【００１３】
また、ガラス基板の光出射面に反射防止膜が形成されていることが好ましい。このようにすれば、発光体で発せられた光がライトガイド膜を透過し、ガラス基板に対して低入射角にガイドされることで、ガラス基板内に効率よく光が取り入れられることに加え、ガラス基板内の光をほぼ無反射で効率的に取り出すことができ、さらに光取り出し効率が高くなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、柱状構造を有するライトガイド膜をガラス基板の光入射面側に形成してあるため、高い光取り出し効率で光を取り出すことができる発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を実施した一実施形態に係る有機ＥＬ素子の略図的断面図である。
【図２】ガラス基板上に形成されたライトガイド膜のＳＥＭ像である。
【図３】本発明を実施した他実施形態に係る有機ＥＬ素子の略図的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１に示す有機ＥＬ素子１を例に挙げて説明する。なお、有機ＥＬ素子１は、単なる例示である。本発明に係る発光素子は、有機ＥＬ素子１に何ら限定されず、ＬＥＤ素子にも利用可能である。
【００１７】
図１に示す有機ＥＬ素子１は、光入射面２ａ及び光出射面２ｂとを備えたガラス基板２と、ガラス基板２の光入射面２ａに形成されたライトガイド膜３と、ライトガイド膜３上に形成された透明導電膜４と、発光体として透明導電膜４上に形成された有機ＥＬ層５と、有機ＥＬ層５上に形成されたＡｌ等の反射電極６とを備えている。
【００１８】
ライトガイド膜３は、図２に示すように、ガラス基板２の光入射面２ａとほぼ垂直方向に並んだ複数の柱からなる柱状構造を有している。このライトガイド膜３は、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法により成膜することによって柱状構造が得られる。
【００１９】
透明導電膜４は、有機ＥＬ素子の陽極であり、ＩＴＯ膜からなることが好ましい。
【００２０】
また、有機ＥＬ層５は、真空蒸着装置を用いて成膜し、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、ホールブロック層及び電子注入層を備えている。
【００２１】
また、ライトガイド膜３と透明導電膜４との界面での反射を少なくするために、ライトガイド膜３の屈折率はガラス基板２よりも大きいことが好ましく、発光層と同程度以上の１．７以上であればさらに好ましい。
【００２２】
ライトガイド膜３は、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Iｎ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｉ及びＭｇの群から選択される１種以上の金属の酸化物、硫化物又窒化物からなることが好ましく、特に酸化ジルコニウムからなることが好ましい。
【００２３】
また、ライトガイド膜３を透過してガラス基板２に入射した光の配光特性は、柱状構造の柱の径と膜厚に影響を受ける。可視光におけるライトガイド効果は柱の径が０．１μｍ以上で発現し、３０μｍ以上では臨界角以上に入射する光の割合が多くなるため、柱の径は０．１μｍ〜３０μｍの範囲が好ましい。
【００２４】
また、ライトガイド膜３の膜厚は、０．１μｍ以上であれば可視域のライトガイド効果が起こる。
【００２５】
また、ライトガイド膜３は、ライトガイド効果を得るためには柱がガラス基板の光入射面２ａに対してほぼ垂直方向に並んでいる必要があり、柱の長軸とガラス基板２の光入射面２ａとの傾きが、−１０°〜＋１０°であることが好ましい。
【００２６】
また、図３の有機ＥＬ素子１０は、ガラス基板２の光出射面２ｂ側に反射防止膜７を有しており、それ以外は図１の有機ＥＬ素子１と同様の構造を備えている。
【００２７】
反射防止膜７は、ガラス基板２よりも屈折率が低いＭｇＦやＳｉＯ２を単層コーティングしたものや、多層コートしたもののいずれでもよい。ＳｉＯ２は、シリカ系溶液をスピンコート等により塗布される。
【符号の説明】
【００２８】
１ 有機ＥＬ素子
２ ガラス基板
３ ライトガイド膜
４ 透明導電膜
５ 有機ＥＬ層
６ 反射電極
７ 反射防止膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ、ＬＥＤなどの発光デバイスでは、発光層で発生した光が透明基板に入射する際、透明基板の屈折率ｎｓと発光層の屈折率ｎｏで規定される臨界角ｑｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｏ／ｎｓ）以上の角度で入射した光は界面で全反射されてしまい、外部に取り出すことが出来ない。たとえば、ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子では一般的に、ガラス基板／透明導電膜／有機層／反射電極の構成になっているが、有機層で発光した光の約５０％が有機層および透明導電膜に導波モード光として閉じ込められてしまう。また、有機層で発光した光の約３０％が基板内に基板モードとして閉じ込められてしまう。そのため、実際に外部に取り出される放射モード光は２０％程度に留まる。
【０００３】
そのため、発光光を効果的に利用するために有機層で発光した光を効率的に取り出す手法が種々考案されている。例えば、特許文献１には、ガラス基板から基板モードを効果的に取り出すために反射防止膜を基板の素子外部側に形成した有機ＥＬが提案されている。
【０００４】
一方、特許文献２には、導波モード光を効果的に取り出すために、円柱や角柱の複数のナノロッド発光構造体を基板上に周期的に配列させたフォトニック結晶を用いた発光素子が提案されている。
【０００５】
また、特許文献３には、基板上に微細な柱状空隙を設け、レイリー散乱により光の取り出し効率を上げることができる発光素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３３９９２７号公報
【特許文献２】特開２００９−３３１８１号公報
【特許文献３】特開２００８−４１４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の有機ＥＬ素子の反射防止膜は生産性に優れるが、反射防止膜は反射率が光の入射角に依存し、入射角の小さい範囲においてのみ効果はあるが、高入射角での光取出しには不向きである。従来、屈折率が１．５のガラス基板では、ガラス基板／大気界面では入射角０°の光は、その約４％が反射されてしまう。そこでガラス／大気界面にＭｇＦやＳｉＯ２などの反射防止膜を設けると、入射角０°の光の反射率は１%以下に低減させることが出来る。しかし、入射角度が大きくなるにつれ、反射防止効果が低くなり、効果が得られなくなるという問題がある。
【０００８】
また、特許文献２の発光素子では、円柱や角柱の複数のナノロッド発光構造体を基板上に周期的に配列させたフォトニック結晶は複雑な構造を有するため、量産性やコスト、大面積化に問題がある。
【０００９】
また、特許文献３の発光素子は、空隙のサイズによって、光取り出し効果の得られる波長が限定されるなどの課題がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い光取り出し効率で光を取り出すことができる発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る発光素子は、光入射面と光出射面とを備えたガラス基板と、前記ガラス基板の光入射面側に発光体を備えた発光素子であって、前記ガラス基板の光入射面上に柱状構造を有するライトガイド膜が形成されている。このライトガイド膜により、発光体からの光をガラス基板側に導波しやすくなるライトガイド効果が現れる。これは、従来の発光素子ではガラス基板の光入射面で全反射していた光が、本発明の発光素子では、ライトガイド膜により臨界角以内の低入射角にガイドされることで、ガラス基板内に取り入れられるからである。特に従来のボトムエミッション型の有機ＥＬ素子ではガラス基板の表面で光が全反射していた光が、本発明の有機ＥＬ素子を用いれば、効率的にガラス基板内に取り入れられる。
【００１２】
ガラス基板内に取り入れられた光は、ガラス基板と空気層との界面での入射角が小さく、臨界角以内の入射光の割合が高くなるため、基板外への光の取り出し効率も向上させることが出来る。また臨界角以上の入射光は、柱状構造内部で多重反射を繰り返すことで、効率的に取り出すことができる。
【００１３】
また、ガラス基板の光出射面に反射防止膜が形成されていることが好ましい。このようにすれば、発光体で発せられた光がライトガイド膜を透過し、ガラス基板に対して低入射角にガイドされることで、ガラス基板内に効率よく光が取り入れられることに加え、ガラス基板内の光をほぼ無反射で効率的に取り出すことができ、さらに光取り出し効率が高くなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、柱状構造を有するライトガイド膜をガラス基板の光入射面側に形成してあるため、高い光取り出し効率で光を取り出すことができる発光素子及びそれを用いた有機ＥＬ素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を実施した一実施形態に係る有機ＥＬ素子の略図的断面図である。
【図２】ガラス基板上に形成されたライトガイド膜のＳＥＭ像である。
【図３】本発明を実施した他実施形態に係る有機ＥＬ素子の略図的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１に示す有機ＥＬ素子１を例に挙げて説明する。なお、有機ＥＬ素子１は、単なる例示である。本発明に係る発光素子は、有機ＥＬ素子１に何ら限定されず、ＬＥＤ素子にも利用可能である。
【００１７】
図１に示す有機ＥＬ素子１は、光入射面２ａ及び光出射面２ｂとを備えたガラス基板２と、ガラス基板２の光入射面２ａに形成されたライトガイド膜３と、ライトガイド膜３上に形成された透明導電膜４と、発光体として透明導電膜４上に形成された有機ＥＬ層５と、有機ＥＬ層５上に形成されたＡｌ等の反射電極６とを備えている。
【００１８】
ライトガイド膜３は、図２に示すように、ガラス基板２の光入射面２ａとほぼ垂直方向に並んだ複数の柱からなる柱状構造を有している。このライトガイド膜３は、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法により成膜することによって柱状構造が得られる。
【００１９】
透明導電膜４は、有機ＥＬ素子の陽極であり、ＩＴＯ膜からなることが好ましい。
【００２０】
また、有機ＥＬ層５は、真空蒸着装置を用いて成膜し、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、ホールブロック層及び電子注入層を備えている。
【００２１】
また、ライトガイド膜３と透明導電膜４との界面での反射を少なくするために、ライトガイド膜３の屈折率はガラス基板２よりも大きいことが好ましく、発光層と同程度以上の１．７以上であればさらに好ましい。
【００２２】
ライトガイド膜３は、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Iｎ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｉ及びＭｇの群から選択される１種以上の金属の酸化物、硫化物又窒化物からなることが好ましく、特に酸化ジルコニウムからなることが好ましい。
【００２３】
また、ライトガイド膜３を透過してガラス基板２に入射した光の配光特性は、柱状構造の柱の径と膜厚に影響を受ける。可視光におけるライトガイド効果は柱の径が０．１μｍ以上で発現し、３０μｍ以上では臨界角以上に入射する光の割合が多くなるため、柱の径は０．１μｍ〜３０μｍの範囲が好ましい。
【００２４】
また、ライトガイド膜３の膜厚は、０．１μｍ以上であれば可視域のライトガイド効果が起こる。
【００２５】
また、ライトガイド膜３は、ライトガイド効果を得るためには柱がガラス基板の光入射面２ａに対してほぼ垂直方向に並んでいる必要があり、柱の長軸とガラス基板２の光入射面２ａとの傾きが、−１０°〜＋１０°であることが好ましい。
【００２６】
また、図３の有機ＥＬ素子１０は、ガラス基板２の光出射面２ｂ側に反射防止膜７を有しており、それ以外は図１の有機ＥＬ素子１と同様の構造を備えている。
【００２７】
反射防止膜７は、ガラス基板２よりも屈折率が低いＭｇＦやＳｉＯ２を単層コーティングしたものや、多層コートしたもののいずれでもよい。ＳｉＯ２は、シリカ系溶液をスピンコート等により塗布される。
【符号の説明】
【００２８】
１ 有機ＥＬ素子
２ ガラス基板
３ ライトガイド膜
４ 透明導電膜
５ 有機ＥＬ層
６ 反射電極
７ 反射防止膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と光出射面とを備えたガラス基板と、前記ガラス基板の光入射面側に発光体を備えた発光素子であって、
前記ガラス基板の光入射面上に柱状構造を有するライトガイド膜が形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ライトガイド膜は、屈折率がガラス基板よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ガラス基板の光出射面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記反射防止膜は、屈折率がガラス基板よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子を用いたことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【請求項１】
光入射面と光出射面とを備えたガラス基板と、前記ガラス基板の光入射面側に発光体を備えた発光素子であって、
前記ガラス基板の光入射面上に柱状構造を有するライトガイド膜が形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ライトガイド膜は、屈折率がガラス基板よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ガラス基板の光出射面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記反射防止膜は、屈折率がガラス基板よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子を用いたことを特徴とする有機ＥＬ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１３８６７６（Ｐ２０１１−１３８６７６Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９７５１５（Ｐ２００９−２９７５１５）
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【出願人】（０００２３２２４３）日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Ｆターム（参考）】
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