発光素子
【課題】 発光素子において、高い光取り出し効率を有する発光素子を得る。
【解決手段】 基板と、該基板表面上に位置する発光層とを有する発光素子であって、発光層は少なくとも一部の領域に媒質と該媒質とは屈折率が異なる分散体とを備え、分散体は、一部の領域が発光層の他の領域よりも光が散乱するように、媒質中に分散されており、他の領域の屈折率が基板の屈折率よりも大きい
【解決手段】 基板と、該基板表面上に位置する発光層とを有する発光素子であって、発光層は少なくとも一部の領域に媒質と該媒質とは屈折率が異なる分散体とを備え、分散体は、一部の領域が発光層の他の領域よりも光が散乱するように、媒質中に分散されており、他の領域の屈折率が基板の屈折率よりも大きい
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光取り出し効率が高く、高い輝度を有する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な構成の発光素子が知られている。その一例として、図８に断面図を示す構成の発光素子が知られている。図８に示す発光素子１０００は、前面板１００１と発光層１００２と、発光層１００２を励起するための励起源の一部である透明電極１００３を備えている。前面板１００１は、可視光に対して透明な媒質で形成され、例えばガラスやプラスチックなどで形成される。励起源は、例えば、前面板１００１と対向して配置された電子放出素子１００５と前面板１００１に設けられた透明電極１００３とで構成される。このような構成において、電子放出素子１００５に電界を加えることで放出された電子が、前面板に配置された透明電極１００３によって加速された後、発光層に入射することで光が生成される。生成された光は、前面板１００１を透過し、外部に抽出されることで、表示光１００４となる。発光層で生成された光のうち、外部に抽出され、表示光１００４となる光の割合を光取り出し効率と呼ぶ。
【０００３】
発光素子１０００において、光取り出し効率が低下する要因の一つとして、前面板１００１と励起源の透明電極１００３との界面、あるいは発光層１００２と励起源の透明電極１００３との界面における全反射損失がある。高屈折率媒質から低屈折率媒質に向けて光が伝搬すると、臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は全反射され、高屈折率媒質に閉じ込められる。このような光１００５は、低屈折率媒質中に抽出されず、高屈折率媒質中を伝搬し、損失となる。
【０００４】
光取り出し効率を向上させるため、例えば、特許文献１では、図９に示すように、発光層１１０２内の一部に反射構造体１１０５を設けることが開示されている。図９に示す発光素子１１００は、前面板１１０１，発光層１１０２、透明電極１１０３、電極層１１０４とを有し、電極層１１０４，発光層１１０２，透明電極層１１０３の一部に反射構造体１１０５が設けられている。これによって、発光層１１０２の内部を伝搬する光が、反射構造体１１０５にて反射され、臨界角以内の角度で伝搬する光に変換されることで、外部に抽出される光１１０６を増大させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１に記載されている手法では、光取り出し効率の向上に改善が求められている。図９において、反射構造体１１０５によって外部に抽出される光の量は、反射構造体１１０５の反射面の角度と入射する光の角度によって決まる。反射面がｘｙ面に対して４５度に近い角度の場合、水平方向に近い角度で伝搬する光１１０８のみが外部に抽出される。一方、反射面がｘｙ面に対して４５度よりも小さい角度あるいは大きい角度の場合、斜め方向に伝搬する光１１０７のみが外部に抽出される。このように反射構造体１１０５によって外部に抽出される光は、発光層１１０２内を特定の角度で伝搬する光のみに限定され、光取り出し効率を十分に向上させるには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本願発明は、
基板と、該基板表面上に位置する発光層とを有する発光素子であって、前記発光層は少なくとも一部の領域に媒質と該媒質とは屈折率が異なる分散体とを備え、前記分散体は、前記一部の領域が前記発光層の他の領域よりも光が散乱するように、前記媒質中に分散され、前記他の領域の屈折率が前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の発光素子及び発光素子が備える発光層のｘｚ断面図。
【図２】本発明の他の実施形態の発光素子及び発光素子が備える発光層のｘｚ断面図。
【図３】本発明の更に他の実施形態の発光素子及び発光素子が備える発光層のｘｚ断面図。
【図４】本発明の一実施形態の発光素子が備える発光層の作成工程を示す図。
【図５】本発明の他の実施形態の発光素子が備える発光層の作成工程を示す図。
【図６】本発明の実施形態における光取り出し効率を示す図。
【図７】本発明の実施例２における発光素子のｘｚ断面図。
【図８】従来の発光素子のｘｚ断面図。
【図９】従来の他の発光素子のｘｚ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本実施形態の発光素子を図１の（ａ）、（ｂ）に示す。図１の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、本実施形態の発光素子１００のｘｚ断面図およびｘｙ平面図を示す。発光素子１００は、前面板１０１と発光層１０２とを備え、更に好ましい形態として励起源の一部である透明電極１０３を有している。励起源は、前面板１０１と対向する部材（例えば基材）上に形成された後述の電子放出素子１１２と、前面板１０１上に設けられた透明電極１０３とを備えている。そして図１に示す本実施の形態のように、前面板１０１の表面に励起源の一部である透明電極１０３を有し、この上に発光層１０２を備える場合、前面板１０１とその表面の透明電極１０３とをまとめて基板１１１という。つまり、発光層１０２が設けられている部材全体が基板１１１である。
【００１２】
前面板１０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えば、ガラスで形成されている。発光層１０２は、少なくとも２つの領域を備え、前面板１０１と透明電極１０３とを有する基板１１１の表面上に配置されており、具体的には透明電極１０３の表面に配置されることで、基板表面上に位置している。図１に示す本実施の形態において、発光層１０２は、一部に媒質とこの媒質とは屈折率が異なる分散体とを備える領域１０５を有しており、以下この領域を散乱領域１０５ともいう。また、発光層１０２の一部に設けられた散乱領域１０５以外の他の領域１０４を、以下では伝搬領域１０４ともいう。このように、図１に示す形態では、発光層１０２は２つの領域を備えている。尚、伝搬領域１０４は、本実施形態における基板１１１を構成する前面板１０１あるいは透明電極１０３よりも屈折率が大きく、図１に示す本実施形態では、励起手段の一部である透明電極１０３よりも屈折率が大きい。
【００１３】
伝搬領域１０４は、発光媒質、例えば、蛍光体で構成され、電子照射などにより可視波長域である波長３５０ｎｍから８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。上述の通り、発光層１０２の散乱領域１０５とは他の領域である伝搬領域１０４の屈折率は、本実施形態における基板１１１を構成する励起手段の透明電極１０３よりも屈折率が大きい。このため伝搬領域１０４では、発光すると少なくとも一部の光が、内部で全反射しながら伝搬する。発光層１０２のうちの一部の領域である散乱領域１０５は、発生した光の少なくとも一部を散乱光に変換する領域である。このような構成において、上述の励起源の電子放出素子１１２に電界を加えると電子が放出され、放出された電子が励起源の透明電極１０３によって加速された後、発光層１０２に照射し、光が発生する。発生した光は、発光層１０２および前面板１０１を透過し、外部に射出されることで出力光１０６となる。
【００１４】
本実施形態における発光素子１００が、高い光取り出し効率、高い輝度を得ることができる理由を次に述べる。
【００１５】
図１において、伝搬領域１０４で発生した光のうち、伝搬領域１０４と励起源の透明電極１０３との界面の臨界角よりも大きな角度で伝播する光１０７は、伝搬領域１０４内を全反射を繰り返しながら伝播し、散乱領域１０５に到達する。散乱領域１０５に到達した光は、光を分散させるための微粒子等からなる分散体によって散乱され、様々な方向に向かう散乱光となる。尚、以下において、分散体を散乱体という場合もある。散乱領域１０５内では、分散体による散乱が何度も起こるため、散乱領域１０５に入射する光の角度（伝搬領域１０４を伝搬する光の角度）によらず、様々な方向に向かう散乱光が発生する。このうち、散乱領域１０５と励起源の透明電極１０３との界面を透過し、前面板１０１と外部との界面における臨界角よりも小さい角度で伝搬する光は、外部に射出される出力光１０６となる。また、散乱光のうち、散乱領域１０５と励起源の透明電極１０３との界面の臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は、全反射されるが、散乱体によって再び散乱されて、伝搬方向が変化し、一部の光は前面板１０１を透過する出力光１０６となる。これらの効果により、伝搬領域１０４を伝搬する光の角度によらず、伝搬光を出力光１０６に変換することができ、光取り出し効率が向上し、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。なお、発光媒質中に分散体を設けると、発光媒質の品質が劣化し、発光効率の低下を招く。さらに、分散体によって、発光層１０２に占める発光媒質の体積が減少し、発光量が低下する。それゆえ、発光層１０２の全領域に光を散乱させる分散体を設け、発光層１０２の全領域を散乱領域１０５とすると、発光量が減少し、輝度の低下を招く。本実施形態の発光素子においては、散乱領域１０５を発光層１０２の一部に設けることで、発光量の低下を防ぎ、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。
【００１６】
次に本実施形態の構成において、散乱領域１０５と伝搬領域１０４との間に、中間領域１０８を設けた発光素子１１０の概略図を図２に示す。図２の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ発光素子１１０のｘｚ断面とｘｙ平面を示す図である。発光素子１１０の前面板１０１、励起源の透明電極１０３と電子放出素子１１２伝搬領域１０４は、発光素子１００と同じ構成となっている。中間領域１０８は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間に配置され、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の屈折率の間の有効屈折率を有している。散乱領域１０５および中間領域１０８の有効屈折率Ｎｅｆｆは、散乱体およびその周囲を構成する媒質の屈折率と、各媒質が空間に占める体積比率で決定され、次式で表すことができる。
【００１７】
【数１】
【００１８】
式１において、ＮｓｃａｔｔおよびＮｂａｃｋは、散乱体および周囲の媒質の屈折率、ｆｆｓｃａｔｔおよびｆｆｂａｃｋは、各媒質が空間に占める体積比率をあらわしている。散乱領域１０５および中間領域１０８は、例えば、媒質中に散乱体として微粒子を分散することで構成され、充填率が異なる領域となっている。尚、本発明における媒質とは、散乱体の周りの物質を意味し、気体（空気）や真空を意味する場合もある。
【００１９】
中間領域１０８を有する構成における発光素子１１０によって、光取り出し効率を更に高めることができる理由を次に述べる。
【００２０】
伝搬領域１０４を伝搬し、伝搬領域１０４と中間領域１０８の界面１０に光が入射するとき、ならびに中間領域１０８を伝搬し、中間領域１０８と散乱領域１０５の界面１１に光が入射するとき、各界面で屈折率差があると反射光が発生する。この反射光は、伝搬領域１０４を散乱領域１０５および中間領域１０８に向かう向きとは反対の方向に向かって伝搬し、発光媒質による吸収や、伝搬領域１０４内での全反射の際に、表面散乱の影響を受けて減衰し、損失となる。しかし、本実施形態の中間領域１０８は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の屈折率を有するため、各界面における屈折率差が小さくなり、この反射光による損失を低減することができる。よって、伝搬領域１０４を伝搬する光を無駄なく散乱光に変換して、出力光１０６にすることができ、高い光取り出し効率を得ることができる。
【００２１】
上述の各実施形態においては、媒質中に分散体としての微粒子を分散することで、散乱領域１０５および中間領域１０８を構成することができる。そして微粒子の充填率や媒質を適切に選択することで、所望の散乱特性と有効屈折率を有する領域を構成することができる。
【００２２】
なお、中間領域の屈折率は、勾配を有していてもよい。図３に屈折率の勾配を有する中間領域１０９を設けた発光素子１２０の概略図を示す。図３の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、発光素子１２０のｘｚ断面とｘｙ平面を示す図である。発光素子１２０の前面板１０１、励起源の透明電極１０３と電子放出素子１１２、伝搬領域１０４は、発光素子１００と同じ構成となっている。中間領域１０９は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間に設けている。中間領域１０９は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の屈折率を有し、伝搬領域１０４から散乱領域１０５に向かうにつれて、屈折率が低下あるいは増加する構成となっている。例えば、中間領域１０９を複数の領域に分割し、各領域を構成する媒質や分散体としての微粒子の充填率を適切に選択することで、屈折率を調整することができる。このような構成とすると、各領域の界面における屈折率差を更に小さくすることができ、界面で発生する反射光を更に低減することができる。そして、反射光による損失を低減し、効率良く散乱光を発生することで出力光１０６を増大し、より高い光取り出し効率を得ることが出来る。
【００２３】
本発明に含まれる発光層１０２は、図１および図２で示した構成に制限されるものではない。
例えば、発光層１０２の各領域（伝搬領域１０４と散乱領域１０５、好ましくは更に中間領域１０８，１０９）に、分散体となる微粒子が分散され、この分散体である微粒子の充填率あるいは粒子径が互いに異なるように構成してもよい。例えば、伝搬領域１０４を微粒子の充填率が高い領域あるいは径が小さい微粒子を含有する領域とし、散乱領域１０５を、微粒子の充填率が低い領域あるいは径が大きい微粒子を含有する領域とする。分散体である微粒子の充填率を高くすると、微粒子同士が接する面が増え、均質な媒質に近い状態となる。あるいは、発光波長と比べて十分に小さい微粒子で構成すると、微粒子単体の散乱効率が非常に小さくなる。これにより、伝搬領域１０４は、全反射による光の伝搬が起こる領域となる。一方、分散体である微粒子の充填率を低くすると、微粒子と周囲の媒質が接する面が増え、散乱が発生しやすくなり、径が大きい微粒子で構成すると、微粒子単体の散乱効率が大きくなる。これにより、散乱領域１０５は、伝搬領域１０４よりも光が散乱しやすい領域となる。
【００２４】
また、各領域（伝搬領域１０４と散乱領域１０５、好ましくは中間領域１０８，１０９）を、微粒子の周囲の媒質が互いに異なる構成としてもよい。例えば、伝搬領域１０４を、周囲の媒質が微粒子と同じ屈折率を有する媒質で構成し、散乱領域１０５を、周囲の媒質が微粒子とは異なる屈折率を有する媒質で構成する。これによって伝搬領域１０４では、微粒子と周囲の媒質との屈折率差が無くなることで散乱が減少し、全反射による光の伝搬が起こる領域となる。一方散乱領域１０５では、屈折率差によって、散乱光が発生する領域となる。このように各領域で、微粒子の大きさ、充填率、周囲の媒質を適切に選択することで、所望の散乱特性と有効屈折率を有する領域を構成することができ、前記で述べた効果を得ることができる。つまり、これらの知見に基づいて、分散体を媒質中に適宜の状態で分散させることで、散乱領域１０５が、伝搬領域１０４よりも光が散乱するように制御することが可能となる。換言すると、分散体は、一部の領域である散乱領域１０５が、他の領域である伝搬領域１０４よりも光が散乱するように、媒質中に分散されており、光が散乱するようにするためには、上述のとおり、分散体の粒径や、媒質中における充填率や、また媒質との組み合わせ（屈折率の差）などを所望に整えた分散状態にすればよい。具体的には、一部の領域である散乱領域１０５における分散体の充填率が、他の領域である伝搬領域１０４における分散体の充填率よりも小さくする、または散乱領域１０５における分散体の径が、伝搬領域１０４における分散体の径よりも大きくするとよい。また、一部の領域である散乱領域１０５における媒質と分散体との屈折率差が、他の領域である伝搬領域１０４における媒質と分散体との屈折率差よりも大きくするとよい。
【００２５】
尚、各領域の有効屈折率は微粒子の充填率や媒質の屈折率に伴って変化する。
例えば、中間領域１０８を、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の充填率で構成すると、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の有効屈折率を有する中間領域を構成できる。また、中間領域１０８を、伝搬領域１０４および散乱領域１０５で用いた周囲媒質の間の屈折率を有する媒質を用いて構成することで、両領域の間の屈折率を有する領域を構成できる。
【００２６】
次に、本実施形態の発光層１０２の作成方法について説明する。図４の（ａ）〜（ｃ）および図５の（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の発光層１０２のｘｚ面内の断面図で示している。まず、前面板１０１に透明電極層１０３を形成し、その上に、散乱体として微粒子１２を塗布する（図４の（ａ））。微粒子１２の塗布は例えばインクジェットの技術を用いることで、所定の領域に微粒子１２を塗布することができる。次に、発光媒質１３を散乱体１２を含む前面板１０１に塗布することで、散乱領域１０５と伝搬領域１０４を形成することができる（図４の（ｂ））。また、大きさや充填率が異なる散乱体１２、１４を領域毎に塗り分けた後、発光媒質１３を塗布することで、中間領域１０８を含む発光層１０２を作製することもできる（図４の（ｃ））。
【００２７】
あるいは、前面板１０１に透明電極層１０３を形成し、その上に発光媒質で形成された微粒子１５を塗布する（図５の（ａ））。更に、一部の領域に、微粒子１５と同じ屈折率を有する媒質１６を微粒子１５の間に充填することで伝搬領域１０４を作製することができる（図５の（ｂ））。尚、媒質１６が無い領域は、微粒子１５が散乱体として機能し、散乱領域１０５となる。また、領域によって異なる媒質１６、１７を充填することで、中間領域１０８を含む発光層１０２を作製することもできる（図５の（ｃ））。
【００２８】
なお、散乱領域１０５の有効屈折率は、伝搬領域１０４の屈折率よりも小さいことが望ましい。散乱領域１０５で散乱され、前面板１０１を伝搬する光のうち、前面板１０１と外部との臨界角以内の角度で伝搬する光は出力光１０６となり、それ以上の光は全反射され、損失となる。前面板１０１における光の伝搬角度は、散乱領域１０５の有効屈折率と前面板１０１の屈折率から、スネルの法則で決定される。散乱領域１０５の有効屈折率を小さくすると、前面板１０１を伝搬する光の角度は小さくなり、臨界角よりも小さい角度で伝搬する散乱光が増加する。これにより、外部に射出される出力光１０６が増加し、光取り出し効率を高くすることができる。
【００２９】
また、本実施の形態において、伝搬領域１０４を発光層１０２の中央に位置させ、散乱領域１０５を伝搬領域１０４の周囲に位置させることが好ましい。伝搬領域１０４を伝搬する光は、全反射を繰り返し、発光層１０２の外周部のいずれかの位置に到達する。しかし散乱領域１０５が伝搬領域１０４の周囲に位置しているので、伝搬光は必ず散乱領域１０５に入射することとなり、前記で述べた効果を得ることができ、光取り出し効率が高い発光素子を得ることができる。
【００３０】
更に、本実施の形態において、散乱領域１０５の基板１１１と対面しない部分に反射部材を設けてもよい。散乱領域１０５で発生した散乱光のうち、基板１１１とは対面しない部分、つまり電子放出素子１１２と対面する部分（下面）や、基板１１１に対面する部分と電子放出素子１１２に対面する部分との間の部分（側面）に透過した光は出力光とはならず、損失となる。しかしこれらの部分に反射部材を設けると、これら損失となる光が反射され、散乱領域１０５に再び入射する。散乱領域に入射した光は、再び散乱され、一部の光は、出力光１０６に変換される。これにより、伝搬光を出力光１０６に更に効率良く変換することができ、光取り出し効率が更に高い発光素子を得ることができる。
【００３１】
尚、前面板１０１は、可視光に対して透明な材料であればよく、プラスチックで形成してもよい。また、励起源は、発光層１０２の裏面に電極を備え、更にその後方に電子放出素子を設けた構成であってもよい。あるいは励起源は、前面板１０１と発光層１０２との間および発光層１０２の裏面とに、陽極と陰極を設けた構成であってもよい。両電極間に電流を印加し、電子と正孔を注入することで、発光層１０２で光を発生させることができる。あるいは、励起源は、前面板上に電極を配置し、発光層１０２の裏面に、セルと電極を配列し、セル内にプラズマによって紫外線を発生するガスを封入した構成としてもよい。このような構成とし、セルに含まれるガスに電流を流すと、紫外線が発生し、蛍光体粒子に照射されることで、蛍光体粒子が励起され、光を発生させることができる。
【実施例１】
【００３２】
本実施例における発光素子を図１に示す。前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、励起源として、発光層１０２と前面板１０１の間に屈折率１．８の媒質で形成された透明電極１０３が配置され、発光層１０２の裏面に電子放出素子１１２が配置されている。発光層１０２の背面の領域は真空となっている。発光層１０２の伝搬領域１０４は、発光媒質として屈折率が２．２の媒質（蛍光体）で構成されている。また、散乱領域１０５は、伝搬領域１０４を構成する屈折率が２．２の媒質（蛍光体）中に屈折率が１．０の散乱体を充填率７０％で分散させた領域となっている。このとき散乱領域１０５の有効屈折率は１．３６であった。
【００３３】
また、図２に示す発光素子１１０も用意した。図２に示す発光素子１１０の前面板１０１、励起源の透明電極１０３と電子放出素子１１２は、発光素子１００と同じ構成を有している。また発光層１０２の伝搬領域１０４および散乱領域１０５は、発光素子１００と同じ構成を有している。中間領域１０８は、伝搬領域１０４を構成する屈折率が２．２の媒質中に屈折率が１．０の散乱体を充填率３５％で分散させた領域となっている。このとき中間領域１０８の有効屈折率は、１．７８であった。
【００３４】
図６は、このような発光素子１００、１１０において、光取り出し効率を計算した結果を示す図である。図６の縦軸は光取り出し効率を示している。図６には、比較として散乱領域１０５および中間領域１０８を設けない従来の構成（図８にします発光素子１０００）における光取り出し効率も示した。従来の構成は、発光素子１０００において、前面板１００１の屈折率を１．５、励起源の透明電極１００３の屈折率を１．８、発光層１００２の屈折率を２．２、としている。
【００３５】
なお、散乱領域１０５の内部に入射した光はすべて散乱光に変換されるとし、各領域の界面で反射された光は損失として計算した。図６に示すように、本発明の構成において、散乱領域１０５を設けることで、従来よりも高い光取り出し効率を得ることができる。また、中間領域１０８を設けた構成によって、更に高い光取り出し効率を得ることができる。
【００３６】
上記発光素子１００においては、発光層１０２の一部に散乱領域１０５を設け、伝搬領域１０４を伝搬する光の一部を散乱させ、外部に出力することにより、高い光取り出し効率が得られる。さらに、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間に中間領域１０８を設け、有効屈折率が、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の屈折率の間の屈折率となるように構成することにより、各領域の界面における反射を低減し、光取り出し効率を更に高くすることができる。そして、輝度が高い発光素子を得ることができる。
【００３７】
なお、本発明の各領域の構成や用いる媒質は、本実施例で示した構成および媒質とは異なっていてもよい。
【実施例２】
【００３８】
図７に本実施例の発光素子２００の概略を示す。図７は本実施例の発光素子２００のｘｚ断面図である。発光素子２００は、前面板２０１と、前面板２０１上に設けられた励起源の透明電極２０８と、透明電極２０８上に設けられた赤色、緑色、青色の光を発生する発光層２０５、２０６，２０７とを備える。各発光層は光吸収性を有する媒質で形成された隔壁２１５によって区切られている。図７には、３つの発光層２０５，２０６，２０７を示しており、このような発光層を複数個配列することで、カラー画像を表示することが可能となる。前面板２０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えば、ガラスで形成されている。
【００３９】
発光層２０５、２０６、２０７は、中央に伝搬領域２０９、２１０、２１１が配置され、その周囲に散乱領域２１２、２１３、２１４が配置されている。各発光層２０５、２０６、２０７には、赤色、緑色、青色の各波長の光を発生する蛍光体を含んでいる。
【００４０】
また、励起源の一部である電子放出素子発光層に対向して配置されている。このように例えば、励起源は電子放出素子２２０と透明電極２０８とで構成される。このような構成において、電子放出素子２２０に電界を加えると、発光層に向けて電子が放出され、発光層２０４，２０５，２０６に電子が供給され、発光する。発生した光は、前面板２０１を透過し、外部に抽出されることで、表示光となる。
【００４１】
本実施例２にかかる発光素子２００では、各色毎の発光層を構成する媒質や発光波長に応じて、伝搬領域２０９、２１０、２１１、散乱領域２１２、２１３、２１４の散乱特性、有効屈折率、発光層に占める散乱領域の面積を適切に設定する。これにより、各色毎の発光層において、光取り出し効率を向上させることができ、全発光層で同じ散乱領域を設けた場合と比べて、表示光の輝度が高い発光素子を得ることが出来る。なお、散乱領域２１２、２１３、２１４の発光層に占める面積は小さい方が望ましい。外部から発光素子に光が入射すると、散乱領域２１２、２１３、２１４で外光が散乱され、一部の光は拡散反射光となる。この拡散反射光は、黒表示の際に、最低輝度を増加させ、コントラストが低下する要因となる。散乱領域１０５の面積を小さくすることで、外光が散乱光に変換されるのを低減し、拡散反射を抑制することができる。具体的に、本実施例においては、基板に平行な面内において、各発光層中に占める散乱領域の面積が、青色の光を発生する発光層、緑色の光を発生する発光層、赤色の光を発生する発光層の順で大きくなるように構成した。伝播領域から散乱領域に入射した光は、一部の光が散乱光に変換され、残りの光は散乱されずに散乱領域を透過する。散乱領域を大きくすると、散乱光に変換される確率が増加し、透過光が減少する。波長が長い光は、分散体による散乱の影響を受けにくく、散乱光に変換されずに透過光となりやすい。このような構成とすると、各波長の光を十分に散乱させることができ、有効に取り出すことができる。また、各発光層において、散乱領域の面積を減らすことができるため、上述した理由で拡散反射を抑制することができ、良好なフルカラー表示が実現できた。
【符号の説明】
【００４２】
１００，１１０，１２０，２００，１０００，１１００ 発光素子
１０１，２０１，１００１，１１０１ 前面板
１０２，２０５，２０６，２０７，１００２，１１０２ 発光層
１０４，２０９，２１０，２１１ 伝搬領域（他の領域）
１０５，１０８，１０９，２１２，２１３，２１４ 散乱領域（一部の領域）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光取り出し効率が高く、高い輝度を有する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々な構成の発光素子が知られている。その一例として、図８に断面図を示す構成の発光素子が知られている。図８に示す発光素子１０００は、前面板１００１と発光層１００２と、発光層１００２を励起するための励起源の一部である透明電極１００３を備えている。前面板１００１は、可視光に対して透明な媒質で形成され、例えばガラスやプラスチックなどで形成される。励起源は、例えば、前面板１００１と対向して配置された電子放出素子１００５と前面板１００１に設けられた透明電極１００３とで構成される。このような構成において、電子放出素子１００５に電界を加えることで放出された電子が、前面板に配置された透明電極１００３によって加速された後、発光層に入射することで光が生成される。生成された光は、前面板１００１を透過し、外部に抽出されることで、表示光１００４となる。発光層で生成された光のうち、外部に抽出され、表示光１００４となる光の割合を光取り出し効率と呼ぶ。
【０００３】
発光素子１０００において、光取り出し効率が低下する要因の一つとして、前面板１００１と励起源の透明電極１００３との界面、あるいは発光層１００２と励起源の透明電極１００３との界面における全反射損失がある。高屈折率媒質から低屈折率媒質に向けて光が伝搬すると、臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は全反射され、高屈折率媒質に閉じ込められる。このような光１００５は、低屈折率媒質中に抽出されず、高屈折率媒質中を伝搬し、損失となる。
【０００４】
光取り出し効率を向上させるため、例えば、特許文献１では、図９に示すように、発光層１１０２内の一部に反射構造体１１０５を設けることが開示されている。図９に示す発光素子１１００は、前面板１１０１，発光層１１０２、透明電極１１０３、電極層１１０４とを有し、電極層１１０４，発光層１１０２，透明電極層１１０３の一部に反射構造体１１０５が設けられている。これによって、発光層１１０２の内部を伝搬する光が、反射構造体１１０５にて反射され、臨界角以内の角度で伝搬する光に変換されることで、外部に抽出される光１１０６を増大させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１に記載されている手法では、光取り出し効率の向上に改善が求められている。図９において、反射構造体１１０５によって外部に抽出される光の量は、反射構造体１１０５の反射面の角度と入射する光の角度によって決まる。反射面がｘｙ面に対して４５度に近い角度の場合、水平方向に近い角度で伝搬する光１１０８のみが外部に抽出される。一方、反射面がｘｙ面に対して４５度よりも小さい角度あるいは大きい角度の場合、斜め方向に伝搬する光１１０７のみが外部に抽出される。このように反射構造体１１０５によって外部に抽出される光は、発光層１１０２内を特定の角度で伝搬する光のみに限定され、光取り出し効率を十分に向上させるには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本願発明は、
基板と、該基板表面上に位置する発光層とを有する発光素子であって、前記発光層は少なくとも一部の領域に媒質と該媒質とは屈折率が異なる分散体とを備え、前記分散体は、前記一部の領域が前記発光層の他の領域よりも光が散乱するように、前記媒質中に分散され、前記他の領域の屈折率が前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の発光素子及び発光素子が備える発光層のｘｚ断面図。
【図２】本発明の他の実施形態の発光素子及び発光素子が備える発光層のｘｚ断面図。
【図３】本発明の更に他の実施形態の発光素子及び発光素子が備える発光層のｘｚ断面図。
【図４】本発明の一実施形態の発光素子が備える発光層の作成工程を示す図。
【図５】本発明の他の実施形態の発光素子が備える発光層の作成工程を示す図。
【図６】本発明の実施形態における光取り出し効率を示す図。
【図７】本発明の実施例２における発光素子のｘｚ断面図。
【図８】従来の発光素子のｘｚ断面図。
【図９】従来の他の発光素子のｘｚ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本実施形態の発光素子を図１の（ａ）、（ｂ）に示す。図１の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、本実施形態の発光素子１００のｘｚ断面図およびｘｙ平面図を示す。発光素子１００は、前面板１０１と発光層１０２とを備え、更に好ましい形態として励起源の一部である透明電極１０３を有している。励起源は、前面板１０１と対向する部材（例えば基材）上に形成された後述の電子放出素子１１２と、前面板１０１上に設けられた透明電極１０３とを備えている。そして図１に示す本実施の形態のように、前面板１０１の表面に励起源の一部である透明電極１０３を有し、この上に発光層１０２を備える場合、前面板１０１とその表面の透明電極１０３とをまとめて基板１１１という。つまり、発光層１０２が設けられている部材全体が基板１１１である。
【００１２】
前面板１０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えば、ガラスで形成されている。発光層１０２は、少なくとも２つの領域を備え、前面板１０１と透明電極１０３とを有する基板１１１の表面上に配置されており、具体的には透明電極１０３の表面に配置されることで、基板表面上に位置している。図１に示す本実施の形態において、発光層１０２は、一部に媒質とこの媒質とは屈折率が異なる分散体とを備える領域１０５を有しており、以下この領域を散乱領域１０５ともいう。また、発光層１０２の一部に設けられた散乱領域１０５以外の他の領域１０４を、以下では伝搬領域１０４ともいう。このように、図１に示す形態では、発光層１０２は２つの領域を備えている。尚、伝搬領域１０４は、本実施形態における基板１１１を構成する前面板１０１あるいは透明電極１０３よりも屈折率が大きく、図１に示す本実施形態では、励起手段の一部である透明電極１０３よりも屈折率が大きい。
【００１３】
伝搬領域１０４は、発光媒質、例えば、蛍光体で構成され、電子照射などにより可視波長域である波長３５０ｎｍから８００ｎｍのいずれかの波長を含む光を発生する。上述の通り、発光層１０２の散乱領域１０５とは他の領域である伝搬領域１０４の屈折率は、本実施形態における基板１１１を構成する励起手段の透明電極１０３よりも屈折率が大きい。このため伝搬領域１０４では、発光すると少なくとも一部の光が、内部で全反射しながら伝搬する。発光層１０２のうちの一部の領域である散乱領域１０５は、発生した光の少なくとも一部を散乱光に変換する領域である。このような構成において、上述の励起源の電子放出素子１１２に電界を加えると電子が放出され、放出された電子が励起源の透明電極１０３によって加速された後、発光層１０２に照射し、光が発生する。発生した光は、発光層１０２および前面板１０１を透過し、外部に射出されることで出力光１０６となる。
【００１４】
本実施形態における発光素子１００が、高い光取り出し効率、高い輝度を得ることができる理由を次に述べる。
【００１５】
図１において、伝搬領域１０４で発生した光のうち、伝搬領域１０４と励起源の透明電極１０３との界面の臨界角よりも大きな角度で伝播する光１０７は、伝搬領域１０４内を全反射を繰り返しながら伝播し、散乱領域１０５に到達する。散乱領域１０５に到達した光は、光を分散させるための微粒子等からなる分散体によって散乱され、様々な方向に向かう散乱光となる。尚、以下において、分散体を散乱体という場合もある。散乱領域１０５内では、分散体による散乱が何度も起こるため、散乱領域１０５に入射する光の角度（伝搬領域１０４を伝搬する光の角度）によらず、様々な方向に向かう散乱光が発生する。このうち、散乱領域１０５と励起源の透明電極１０３との界面を透過し、前面板１０１と外部との界面における臨界角よりも小さい角度で伝搬する光は、外部に射出される出力光１０６となる。また、散乱光のうち、散乱領域１０５と励起源の透明電極１０３との界面の臨界角よりも大きな角度で伝搬する光は、全反射されるが、散乱体によって再び散乱されて、伝搬方向が変化し、一部の光は前面板１０１を透過する出力光１０６となる。これらの効果により、伝搬領域１０４を伝搬する光の角度によらず、伝搬光を出力光１０６に変換することができ、光取り出し効率が向上し、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。なお、発光媒質中に分散体を設けると、発光媒質の品質が劣化し、発光効率の低下を招く。さらに、分散体によって、発光層１０２に占める発光媒質の体積が減少し、発光量が低下する。それゆえ、発光層１０２の全領域に光を散乱させる分散体を設け、発光層１０２の全領域を散乱領域１０５とすると、発光量が減少し、輝度の低下を招く。本実施形態の発光素子においては、散乱領域１０５を発光層１０２の一部に設けることで、発光量の低下を防ぎ、高い輝度を有する発光素子を得ることができる。
【００１６】
次に本実施形態の構成において、散乱領域１０５と伝搬領域１０４との間に、中間領域１０８を設けた発光素子１１０の概略図を図２に示す。図２の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ発光素子１１０のｘｚ断面とｘｙ平面を示す図である。発光素子１１０の前面板１０１、励起源の透明電極１０３と電子放出素子１１２伝搬領域１０４は、発光素子１００と同じ構成となっている。中間領域１０８は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間に配置され、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の屈折率の間の有効屈折率を有している。散乱領域１０５および中間領域１０８の有効屈折率Ｎｅｆｆは、散乱体およびその周囲を構成する媒質の屈折率と、各媒質が空間に占める体積比率で決定され、次式で表すことができる。
【００１７】
【数１】
【００１８】
式１において、ＮｓｃａｔｔおよびＮｂａｃｋは、散乱体および周囲の媒質の屈折率、ｆｆｓｃａｔｔおよびｆｆｂａｃｋは、各媒質が空間に占める体積比率をあらわしている。散乱領域１０５および中間領域１０８は、例えば、媒質中に散乱体として微粒子を分散することで構成され、充填率が異なる領域となっている。尚、本発明における媒質とは、散乱体の周りの物質を意味し、気体（空気）や真空を意味する場合もある。
【００１９】
中間領域１０８を有する構成における発光素子１１０によって、光取り出し効率を更に高めることができる理由を次に述べる。
【００２０】
伝搬領域１０４を伝搬し、伝搬領域１０４と中間領域１０８の界面１０に光が入射するとき、ならびに中間領域１０８を伝搬し、中間領域１０８と散乱領域１０５の界面１１に光が入射するとき、各界面で屈折率差があると反射光が発生する。この反射光は、伝搬領域１０４を散乱領域１０５および中間領域１０８に向かう向きとは反対の方向に向かって伝搬し、発光媒質による吸収や、伝搬領域１０４内での全反射の際に、表面散乱の影響を受けて減衰し、損失となる。しかし、本実施形態の中間領域１０８は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の屈折率を有するため、各界面における屈折率差が小さくなり、この反射光による損失を低減することができる。よって、伝搬領域１０４を伝搬する光を無駄なく散乱光に変換して、出力光１０６にすることができ、高い光取り出し効率を得ることができる。
【００２１】
上述の各実施形態においては、媒質中に分散体としての微粒子を分散することで、散乱領域１０５および中間領域１０８を構成することができる。そして微粒子の充填率や媒質を適切に選択することで、所望の散乱特性と有効屈折率を有する領域を構成することができる。
【００２２】
なお、中間領域の屈折率は、勾配を有していてもよい。図３に屈折率の勾配を有する中間領域１０９を設けた発光素子１２０の概略図を示す。図３の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、発光素子１２０のｘｚ断面とｘｙ平面を示す図である。発光素子１２０の前面板１０１、励起源の透明電極１０３と電子放出素子１１２、伝搬領域１０４は、発光素子１００と同じ構成となっている。中間領域１０９は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間に設けている。中間領域１０９は、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の屈折率を有し、伝搬領域１０４から散乱領域１０５に向かうにつれて、屈折率が低下あるいは増加する構成となっている。例えば、中間領域１０９を複数の領域に分割し、各領域を構成する媒質や分散体としての微粒子の充填率を適切に選択することで、屈折率を調整することができる。このような構成とすると、各領域の界面における屈折率差を更に小さくすることができ、界面で発生する反射光を更に低減することができる。そして、反射光による損失を低減し、効率良く散乱光を発生することで出力光１０６を増大し、より高い光取り出し効率を得ることが出来る。
【００２３】
本発明に含まれる発光層１０２は、図１および図２で示した構成に制限されるものではない。
例えば、発光層１０２の各領域（伝搬領域１０４と散乱領域１０５、好ましくは更に中間領域１０８，１０９）に、分散体となる微粒子が分散され、この分散体である微粒子の充填率あるいは粒子径が互いに異なるように構成してもよい。例えば、伝搬領域１０４を微粒子の充填率が高い領域あるいは径が小さい微粒子を含有する領域とし、散乱領域１０５を、微粒子の充填率が低い領域あるいは径が大きい微粒子を含有する領域とする。分散体である微粒子の充填率を高くすると、微粒子同士が接する面が増え、均質な媒質に近い状態となる。あるいは、発光波長と比べて十分に小さい微粒子で構成すると、微粒子単体の散乱効率が非常に小さくなる。これにより、伝搬領域１０４は、全反射による光の伝搬が起こる領域となる。一方、分散体である微粒子の充填率を低くすると、微粒子と周囲の媒質が接する面が増え、散乱が発生しやすくなり、径が大きい微粒子で構成すると、微粒子単体の散乱効率が大きくなる。これにより、散乱領域１０５は、伝搬領域１０４よりも光が散乱しやすい領域となる。
【００２４】
また、各領域（伝搬領域１０４と散乱領域１０５、好ましくは中間領域１０８，１０９）を、微粒子の周囲の媒質が互いに異なる構成としてもよい。例えば、伝搬領域１０４を、周囲の媒質が微粒子と同じ屈折率を有する媒質で構成し、散乱領域１０５を、周囲の媒質が微粒子とは異なる屈折率を有する媒質で構成する。これによって伝搬領域１０４では、微粒子と周囲の媒質との屈折率差が無くなることで散乱が減少し、全反射による光の伝搬が起こる領域となる。一方散乱領域１０５では、屈折率差によって、散乱光が発生する領域となる。このように各領域で、微粒子の大きさ、充填率、周囲の媒質を適切に選択することで、所望の散乱特性と有効屈折率を有する領域を構成することができ、前記で述べた効果を得ることができる。つまり、これらの知見に基づいて、分散体を媒質中に適宜の状態で分散させることで、散乱領域１０５が、伝搬領域１０４よりも光が散乱するように制御することが可能となる。換言すると、分散体は、一部の領域である散乱領域１０５が、他の領域である伝搬領域１０４よりも光が散乱するように、媒質中に分散されており、光が散乱するようにするためには、上述のとおり、分散体の粒径や、媒質中における充填率や、また媒質との組み合わせ（屈折率の差）などを所望に整えた分散状態にすればよい。具体的には、一部の領域である散乱領域１０５における分散体の充填率が、他の領域である伝搬領域１０４における分散体の充填率よりも小さくする、または散乱領域１０５における分散体の径が、伝搬領域１０４における分散体の径よりも大きくするとよい。また、一部の領域である散乱領域１０５における媒質と分散体との屈折率差が、他の領域である伝搬領域１０４における媒質と分散体との屈折率差よりも大きくするとよい。
【００２５】
尚、各領域の有効屈折率は微粒子の充填率や媒質の屈折率に伴って変化する。
例えば、中間領域１０８を、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の充填率で構成すると、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間の有効屈折率を有する中間領域を構成できる。また、中間領域１０８を、伝搬領域１０４および散乱領域１０５で用いた周囲媒質の間の屈折率を有する媒質を用いて構成することで、両領域の間の屈折率を有する領域を構成できる。
【００２６】
次に、本実施形態の発光層１０２の作成方法について説明する。図４の（ａ）〜（ｃ）および図５の（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の発光層１０２のｘｚ面内の断面図で示している。まず、前面板１０１に透明電極層１０３を形成し、その上に、散乱体として微粒子１２を塗布する（図４の（ａ））。微粒子１２の塗布は例えばインクジェットの技術を用いることで、所定の領域に微粒子１２を塗布することができる。次に、発光媒質１３を散乱体１２を含む前面板１０１に塗布することで、散乱領域１０５と伝搬領域１０４を形成することができる（図４の（ｂ））。また、大きさや充填率が異なる散乱体１２、１４を領域毎に塗り分けた後、発光媒質１３を塗布することで、中間領域１０８を含む発光層１０２を作製することもできる（図４の（ｃ））。
【００２７】
あるいは、前面板１０１に透明電極層１０３を形成し、その上に発光媒質で形成された微粒子１５を塗布する（図５の（ａ））。更に、一部の領域に、微粒子１５と同じ屈折率を有する媒質１６を微粒子１５の間に充填することで伝搬領域１０４を作製することができる（図５の（ｂ））。尚、媒質１６が無い領域は、微粒子１５が散乱体として機能し、散乱領域１０５となる。また、領域によって異なる媒質１６、１７を充填することで、中間領域１０８を含む発光層１０２を作製することもできる（図５の（ｃ））。
【００２８】
なお、散乱領域１０５の有効屈折率は、伝搬領域１０４の屈折率よりも小さいことが望ましい。散乱領域１０５で散乱され、前面板１０１を伝搬する光のうち、前面板１０１と外部との臨界角以内の角度で伝搬する光は出力光１０６となり、それ以上の光は全反射され、損失となる。前面板１０１における光の伝搬角度は、散乱領域１０５の有効屈折率と前面板１０１の屈折率から、スネルの法則で決定される。散乱領域１０５の有効屈折率を小さくすると、前面板１０１を伝搬する光の角度は小さくなり、臨界角よりも小さい角度で伝搬する散乱光が増加する。これにより、外部に射出される出力光１０６が増加し、光取り出し効率を高くすることができる。
【００２９】
また、本実施の形態において、伝搬領域１０４を発光層１０２の中央に位置させ、散乱領域１０５を伝搬領域１０４の周囲に位置させることが好ましい。伝搬領域１０４を伝搬する光は、全反射を繰り返し、発光層１０２の外周部のいずれかの位置に到達する。しかし散乱領域１０５が伝搬領域１０４の周囲に位置しているので、伝搬光は必ず散乱領域１０５に入射することとなり、前記で述べた効果を得ることができ、光取り出し効率が高い発光素子を得ることができる。
【００３０】
更に、本実施の形態において、散乱領域１０５の基板１１１と対面しない部分に反射部材を設けてもよい。散乱領域１０５で発生した散乱光のうち、基板１１１とは対面しない部分、つまり電子放出素子１１２と対面する部分（下面）や、基板１１１に対面する部分と電子放出素子１１２に対面する部分との間の部分（側面）に透過した光は出力光とはならず、損失となる。しかしこれらの部分に反射部材を設けると、これら損失となる光が反射され、散乱領域１０５に再び入射する。散乱領域に入射した光は、再び散乱され、一部の光は、出力光１０６に変換される。これにより、伝搬光を出力光１０６に更に効率良く変換することができ、光取り出し効率が更に高い発光素子を得ることができる。
【００３１】
尚、前面板１０１は、可視光に対して透明な材料であればよく、プラスチックで形成してもよい。また、励起源は、発光層１０２の裏面に電極を備え、更にその後方に電子放出素子を設けた構成であってもよい。あるいは励起源は、前面板１０１と発光層１０２との間および発光層１０２の裏面とに、陽極と陰極を設けた構成であってもよい。両電極間に電流を印加し、電子と正孔を注入することで、発光層１０２で光を発生させることができる。あるいは、励起源は、前面板上に電極を配置し、発光層１０２の裏面に、セルと電極を配列し、セル内にプラズマによって紫外線を発生するガスを封入した構成としてもよい。このような構成とし、セルに含まれるガスに電流を流すと、紫外線が発生し、蛍光体粒子に照射されることで、蛍光体粒子が励起され、光を発生させることができる。
【実施例１】
【００３２】
本実施例における発光素子を図１に示す。前面板１０１は屈折率が１．５の媒質で形成されている。また、励起源として、発光層１０２と前面板１０１の間に屈折率１．８の媒質で形成された透明電極１０３が配置され、発光層１０２の裏面に電子放出素子１１２が配置されている。発光層１０２の背面の領域は真空となっている。発光層１０２の伝搬領域１０４は、発光媒質として屈折率が２．２の媒質（蛍光体）で構成されている。また、散乱領域１０５は、伝搬領域１０４を構成する屈折率が２．２の媒質（蛍光体）中に屈折率が１．０の散乱体を充填率７０％で分散させた領域となっている。このとき散乱領域１０５の有効屈折率は１．３６であった。
【００３３】
また、図２に示す発光素子１１０も用意した。図２に示す発光素子１１０の前面板１０１、励起源の透明電極１０３と電子放出素子１１２は、発光素子１００と同じ構成を有している。また発光層１０２の伝搬領域１０４および散乱領域１０５は、発光素子１００と同じ構成を有している。中間領域１０８は、伝搬領域１０４を構成する屈折率が２．２の媒質中に屈折率が１．０の散乱体を充填率３５％で分散させた領域となっている。このとき中間領域１０８の有効屈折率は、１．７８であった。
【００３４】
図６は、このような発光素子１００、１１０において、光取り出し効率を計算した結果を示す図である。図６の縦軸は光取り出し効率を示している。図６には、比較として散乱領域１０５および中間領域１０８を設けない従来の構成（図８にします発光素子１０００）における光取り出し効率も示した。従来の構成は、発光素子１０００において、前面板１００１の屈折率を１．５、励起源の透明電極１００３の屈折率を１．８、発光層１００２の屈折率を２．２、としている。
【００３５】
なお、散乱領域１０５の内部に入射した光はすべて散乱光に変換されるとし、各領域の界面で反射された光は損失として計算した。図６に示すように、本発明の構成において、散乱領域１０５を設けることで、従来よりも高い光取り出し効率を得ることができる。また、中間領域１０８を設けた構成によって、更に高い光取り出し効率を得ることができる。
【００３６】
上記発光素子１００においては、発光層１０２の一部に散乱領域１０５を設け、伝搬領域１０４を伝搬する光の一部を散乱させ、外部に出力することにより、高い光取り出し効率が得られる。さらに、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の間に中間領域１０８を設け、有効屈折率が、伝搬領域１０４と散乱領域１０５の屈折率の間の屈折率となるように構成することにより、各領域の界面における反射を低減し、光取り出し効率を更に高くすることができる。そして、輝度が高い発光素子を得ることができる。
【００３７】
なお、本発明の各領域の構成や用いる媒質は、本実施例で示した構成および媒質とは異なっていてもよい。
【実施例２】
【００３８】
図７に本実施例の発光素子２００の概略を示す。図７は本実施例の発光素子２００のｘｚ断面図である。発光素子２００は、前面板２０１と、前面板２０１上に設けられた励起源の透明電極２０８と、透明電極２０８上に設けられた赤色、緑色、青色の光を発生する発光層２０５、２０６，２０７とを備える。各発光層は光吸収性を有する媒質で形成された隔壁２１５によって区切られている。図７には、３つの発光層２０５，２０６，２０７を示しており、このような発光層を複数個配列することで、カラー画像を表示することが可能となる。前面板２０１は、可視光に対して透明な媒質で形成されており、例えば、ガラスで形成されている。
【００３９】
発光層２０５、２０６、２０７は、中央に伝搬領域２０９、２１０、２１１が配置され、その周囲に散乱領域２１２、２１３、２１４が配置されている。各発光層２０５、２０６、２０７には、赤色、緑色、青色の各波長の光を発生する蛍光体を含んでいる。
【００４０】
また、励起源の一部である電子放出素子発光層に対向して配置されている。このように例えば、励起源は電子放出素子２２０と透明電極２０８とで構成される。このような構成において、電子放出素子２２０に電界を加えると、発光層に向けて電子が放出され、発光層２０４，２０５，２０６に電子が供給され、発光する。発生した光は、前面板２０１を透過し、外部に抽出されることで、表示光となる。
【００４１】
本実施例２にかかる発光素子２００では、各色毎の発光層を構成する媒質や発光波長に応じて、伝搬領域２０９、２１０、２１１、散乱領域２１２、２１３、２１４の散乱特性、有効屈折率、発光層に占める散乱領域の面積を適切に設定する。これにより、各色毎の発光層において、光取り出し効率を向上させることができ、全発光層で同じ散乱領域を設けた場合と比べて、表示光の輝度が高い発光素子を得ることが出来る。なお、散乱領域２１２、２１３、２１４の発光層に占める面積は小さい方が望ましい。外部から発光素子に光が入射すると、散乱領域２１２、２１３、２１４で外光が散乱され、一部の光は拡散反射光となる。この拡散反射光は、黒表示の際に、最低輝度を増加させ、コントラストが低下する要因となる。散乱領域１０５の面積を小さくすることで、外光が散乱光に変換されるのを低減し、拡散反射を抑制することができる。具体的に、本実施例においては、基板に平行な面内において、各発光層中に占める散乱領域の面積が、青色の光を発生する発光層、緑色の光を発生する発光層、赤色の光を発生する発光層の順で大きくなるように構成した。伝播領域から散乱領域に入射した光は、一部の光が散乱光に変換され、残りの光は散乱されずに散乱領域を透過する。散乱領域を大きくすると、散乱光に変換される確率が増加し、透過光が減少する。波長が長い光は、分散体による散乱の影響を受けにくく、散乱光に変換されずに透過光となりやすい。このような構成とすると、各波長の光を十分に散乱させることができ、有効に取り出すことができる。また、各発光層において、散乱領域の面積を減らすことができるため、上述した理由で拡散反射を抑制することができ、良好なフルカラー表示が実現できた。
【符号の説明】
【００４２】
１００，１１０，１２０，２００，１０００，１１００ 発光素子
１０１，２０１，１００１，１１０１ 前面板
１０２，２０５，２０６，２０７，１００２，１１０２ 発光層
１０４，２０９，２１０，２１１ 伝搬領域（他の領域）
１０５，１０８，１０９，２１２，２１３，２１４ 散乱領域（一部の領域）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板表面上に位置する発光層とを有する発光素子であって、前記発光層は少なくとも一部の領域に媒質と該媒質とは屈折率が異なる分散体とを備え、前記分散体は、前記一部の領域が前記発光層の他の領域よりも光が散乱するように、前記媒質中に分散され、前記他の領域の屈折率が前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記一部の領域と前記他の領域との間に中間領域を備え、該中間領域の有効屈折率は、該一部の領域と該他の領域の有効屈折率の間の大きさを有していることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記中間領域は、前記他の領域から前記一部の領域に向かって、該他の領域の屈折率から該一部の領域の有効屈折率に変化する、屈折率の勾配を有していることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記他の領域が、前記媒質と該媒質中に分散された前記分散体とから構成され、前記一部の領域における前記媒質中の前記分散体の充填率が、前記他の領域における前記媒質中の前記分散体の充填率よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記他の領域が、前記媒質と該媒質中に分散された前記分散体とから構成され、前記一部の領域における前記分散体の径が、前記他の領域における前記分散体の径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記他の領域が、前記媒質とは異なる他の媒質と、該他の媒質中に分散された前記分散体とから構成され、前記一部の領域における前記媒質と該媒質中に分散された前記分散体との屈折率の差が、前記他の領域における前記他の媒質と該他の媒質中に分散された前記分散体との屈折率の差よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記他の領域は、前記発光層の中央に位置し、前記一部の領域は、前記他の領域の周囲に位置していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記一部の領域の有効屈折率は、前記他の領域の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記一部の領域の、前記基板表面と対面しない部分に、反射部材を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記発光素子は、赤色、青色、または緑色の光を発生する複数の発光層を備え、前記基板に平行な面内において、各発光層中に占める前記一部の領域の面積が、前記青色の光を発生する発光層、前記緑色の光を発生する発光層、前記赤色の光を発生する発光層の順で大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１】
基板と、該基板表面上に位置する発光層とを有する発光素子であって、前記発光層は少なくとも一部の領域に媒質と該媒質とは屈折率が異なる分散体とを備え、前記分散体は、前記一部の領域が前記発光層の他の領域よりも光が散乱するように、前記媒質中に分散され、前記他の領域の屈折率が前記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記一部の領域と前記他の領域との間に中間領域を備え、該中間領域の有効屈折率は、該一部の領域と該他の領域の有効屈折率の間の大きさを有していることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記中間領域は、前記他の領域から前記一部の領域に向かって、該他の領域の屈折率から該一部の領域の有効屈折率に変化する、屈折率の勾配を有していることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記他の領域が、前記媒質と該媒質中に分散された前記分散体とから構成され、前記一部の領域における前記媒質中の前記分散体の充填率が、前記他の領域における前記媒質中の前記分散体の充填率よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記他の領域が、前記媒質と該媒質中に分散された前記分散体とから構成され、前記一部の領域における前記分散体の径が、前記他の領域における前記分散体の径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記他の領域が、前記媒質とは異なる他の媒質と、該他の媒質中に分散された前記分散体とから構成され、前記一部の領域における前記媒質と該媒質中に分散された前記分散体との屈折率の差が、前記他の領域における前記他の媒質と該他の媒質中に分散された前記分散体との屈折率の差よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記他の領域は、前記発光層の中央に位置し、前記一部の領域は、前記他の領域の周囲に位置していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記一部の領域の有効屈折率は、前記他の領域の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記一部の領域の、前記基板表面と対面しない部分に、反射部材を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記発光素子は、赤色、青色、または緑色の光を発生する複数の発光層を備え、前記基板に平行な面内において、各発光層中に占める前記一部の領域の面積が、前記青色の光を発生する発光層、前記緑色の光を発生する発光層、前記赤色の光を発生する発光層の順で大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１１９０７６（Ｐ２０１２−１１９０７６Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５１００（Ｐ２０１０−２６５１００）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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