発光素子
【課題】簡単な構成で光取り出し効率を向上させるとともに、色ずれも少なくした発光素子を提供することである。
【解決手段】透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子１０において、凹凸構造は、平面部２０ｂと、平面部２０ｂより凹んだ凹部２０ａとで形成され、光取り出し面を平面部２０ｂに垂直な方向に投影した面積に対する平面部２０ｂの面積の割合が０〜２５％であり、凹部２０ａの開口部ｄ２の長さに対する凹部２０ａの深さｈ２のアスペクト比が０．２５〜０．３であり、透明基板の屈折率をｎとした場合、透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さい構成とする。
【解決手段】透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子１０において、凹凸構造は、平面部２０ｂと、平面部２０ｂより凹んだ凹部２０ａとで形成され、光取り出し面を平面部２０ｂに垂直な方向に投影した面積に対する平面部２０ｂの面積の割合が０〜２５％であり、凹部２０ａの開口部ｄ２の長さに対する凹部２０ａの深さｈ２のアスペクト比が０．２５〜０．３であり、透明基板の屈折率をｎとした場合、透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さい構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、薄型の発光材料として有機発光素子やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが注目されている。例えば、有機発光素子は、低電力で高い輝度を得ることができ、視認性、応答速度、寿命、消費電力の点で優れている。一方、有機発光素子の光の利用効率は２０％程度であり、素子内での損失が大きい。
【０００３】
図２３は、従来の有機発光素子の概略断面図である。有機発光素子１００は、図中の下層から順に、金属電極１０１、屈折率が約１．８の有機発光層１０２、屈折率が約１．８の透明電極１０３、屈折率が約１．５の透明基板１０４が積層されて構成される。図中の１１０ａ〜１１０ｅの矢印は有機発光層１０２から発生した光のうち特徴的なものを示している。
【０００４】
光１１０ａは、発光面である有機発光層１０２に対して垂直方向の光であり、透明基板１０４を透過して光取り出し側（空気側）に取り出される。光１１０ｂは、透明基板１０４と空気との界面に臨界角以下の浅い角度で入射した光であり、透明基板１０４と空気との界面で屈折して光取り出し側に取り出される。光１１０ｃは、透明基板１０４と空気との界面に臨界角より深い角度で入射した光であり、透明基板１０４と空気との界面で全反射して光取り出し側に取り出せない光である。これによる損失を基板損失と呼び、通常２０％程度の損失がある。
【０００５】
光１１０ｄは、透明電極１０３と透明基板１０４との界面に臨界角より深い角度で入射した光のうち共振条件を満たした光であり、透明電極１０３と透明基板１０４との界面で全反射して導波モードが発生し、有機発光層１０２及び透明電極１０３内に閉じ込められる光である。これによる損失を導波損失と呼び、通常２０〜２５％程度の損失がある。光１１０ｅは、金属電極１０１へ入射して金属電極１０１内の自由電子と作用し、導波モードの一種であるプラズモンモードが発生して金属電極１０１の表面近傍に閉じ込められる光である。これによる損失をプラズモン損失と呼び、通常３０〜４０％程度の損失がある。
【０００６】
このように、従来の有機発光素子１００においては、基板損失、導波損失及びプラズモン損失があるので、それらの損失を少なくし、より多くの光を取り出すことが課題となっている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、基板損失を低減して光取り出し効率を向上させるために、基板表面にマイクロレンズシートを設けた構成が開示されている。また、特許文献２には、基板損失を低減して光取り出し効率を向上させるために、基板表面に光拡散層を設けた構成が開示されている。また、特許文献３には、基板損失を低減して光取り出し効率を向上させるとともに、観察角度による色味の変化を少なくするために、基板表面に透明樹脂及び微粒子を含んだ凹凸構造層を設けた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１２３４３６号公報
【特許文献２】特許第４３９３７８８号公報
【特許文献３】特許第４６１４０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１、２の技術は、いずれも透明基板の空気との界面の形状を工夫することによって基板損失を減らし、光取り出し効率を向上させようとするものであり、特許文献３は、それに加えて観察角度による色味の変化、いわゆる色ずれを少なくしようとするものである。
【００１０】
このように、特許文献１、２の構成では１つの課題（光取り出し効率向上）しか解決できないので、色ずれの課題を解決するためには他の構成を追加しなければならない。一方、特許文献３の構成では２つの課題を解決することができる。しかしながら、特許文献３の構成では凹凸構造の中に微粒子を混ぜ込まなければならず、複雑な構成となっている。構成が複雑になると生産性が低下するとともに、コストが上昇するという問題が生じる。そして、これらの問題は有機発光素子だけでなくＬＥＤなど他の発光素子でもいえることである。
【００１１】
そこで本発明は、簡単な構成で光取り出し効率を向上させるとともに、色ずれも少なくした発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部又は該平面部より突出した凸部とで形成され、前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比又は前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が、０．２５〜０．３であり、前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
上記の発光素子において、前記凹部又は凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることが望ましい。
【００１４】
また本発明は、透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部とで形成され、前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比が０．７５以上であり、前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする。
【００１５】
上記の発光素子において、前記凹部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることが望ましい。
【００１６】
また本発明は、透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より突出した凸部とで形成され、前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が１．０以上であり、前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする。
【００１７】
上記の発光素子において、前記凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることが望ましい。
【００１８】
また上記の発光素子において、前記凹凸構造と前記透明基板とが同じ屈折率を有することが望ましい。
【００１９】
また上記の発光素子において、前記凹凸構造と前記透明基板とが近い屈折率を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、光取り出し面の凹凸構造のアスペクト比と平面部の面積の割合と透明基板の空気配光分布とを最適化することにより、簡単な構成で光取り出し効率を向上させるとともに、色ずれも少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態の有機発光素子の概略断面図である。
【図２】図１の一部の平面図である。
【図３】図１のマイクロレンズシート部分の拡大図である。
【図４】ａ＜０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図である。
【図５】ａ＝０．５の半球の凹凸構造の断面図である。
【図６】ａ＞０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図である。
【図７】アスペクト比に対する１面透過率の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態の有機発光素子からマイクロレンズシートを省略した場合の透明基板内での配光分布を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態の有機発光素子からマイクロレンズシートを省略した場合の空気配光分布を示す図である。
【図１０】凸部のアスペクト比を変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフである。
【図１１】凸部のアスペクト比を変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【図１２】楕円半球の凹部を有する凹凸構造の断面図である。
【図１３】図１２の平面図である。
【図１４】凹部のアスペクト比を変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフである。
【図１５】凹部のアスペクト比を変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【図１６】正四角錐の凸部を有する凹凸構造の断面図である。
【図１７】図１６の平面図である。
【図１８】正四角錐の凹部を有する凹凸構造の断面図である。
【図１９】図１８の平面図である。
【図２０】正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比に対する光取り出し効率を平面部の各種面積比について示したグラフである。
【図２１】正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比に対する色ずれを平面部の各種面積比について示したグラフである。
【図２２】実施例１〜１０及び比較例１〜５の評価結果を示す図である。
【図２３】従来の有機発光素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の発光素子の一例として以下の実施形態では有機発光素子を用いて説明するが、無機発光素子、ＬＥＤなど各種発光素子にも同様に適用できる。
【００２３】
〈有機発光素子の構成〉
図１は、本発明の一実施形態の有機発光素子の概略断面図であり、図２は、その一部の平面図である。有機発光素子１０は、図中の下層から順に、裏面電極１１、有機発光層１２、透明電極１３、透明基板１４、マイクロレンズシート１５が積層されて構成される。この有機発光素子１０は、いわゆるボトムエミッション方式である。
【００２４】
説明の便宜上、図１において、紙面の左右方向をＸ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向、紙面の上下方向（各層の積層方向）をＺ方向と定義する。
【００２５】
裏面電極１１は、陽極又は陰極としての役割と光を透明基板１４側に反射させるミラーとしての役割があり、例えば、アルミニウム、銀、ニッケル、チタン、ナトリウム、カルシウム等の反射率が６０％以上の金属材料又はそれらの何れかを含む合金などを用いることができる。
【００２６】
有機発光層１２は、発光層を含む有機化合物または錯体の単層または複数層であり、例えば、陽極と接する正孔輸送層、発光材料で形成された発光層、陰極と接する電子輸送層等からなり、数ｎｍから数百ｎｍの厚みである。屈折率は１．８前後である。また、フッ化リチウム層や無機金属塩の層或いはそれらを含有する層等が、任意の位置に形成されていてもよい。発光層は少なくとも一種の発光材からなるもので、蛍光発光性化合物又は燐光発光性化合物等を用いることができる。
【００２７】
有機発光層１２の構成としては、上述の構成も含めて例えば、以下の（ｉ）〜（ｖ）の構成などを採用できる。
（ｉ）（陽極）／発光層／電子輸送層／（陰極）
（ii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／（陰極）
（iii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／（陰極）
（iv）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
（ｖ）（陽極）／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
【００２８】
正孔輸送層は正孔を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。正孔輸送層は単層または複数層設けることができる。
【００２９】
電子輸送層は電子を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。電子輸送層は単層または複数層設けることができる。
【００３０】
正孔阻止層とは広い意味では電子輸送層の機能を有し、電子を輸送する機能を有しつつ正孔を輸送する能力が著しく小さい正孔阻止材料からなり、電子を輸送しつつ正孔を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。
【００３１】
正孔注入層及び電子注入層とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために電極と発光層間に設けられる層のことである。
【００３２】
透明電極１３は、裏面電極１１の反対電極であり、例えば、ＣｕＩ、インジウムチンオキシド（ＩＴＯ）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透過率が４０％以上の導電性透明材料を用いることができる。屈折率は有機発光層１２と同じく１．８前後である。
【００３３】
透明基板１４は透明材料であり、例えば、０．１〜１ｍｍの厚みである。屈折率は１．５前後〜１．８前後である。
【００３４】
透明基板１４としては、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）等の樹脂や水晶などを用いることができる。好ましくは、有機発光素子にフレキシブル性を与えることが可能な樹脂フィルムである。透明基板１４をフレキシブルなフィルム状の基材で形成することにより、面光源を湾曲させることができ、種々の方向に向かって発光させることができる。
【００３５】
マイクロレンズシート１５は、光の角度を変える素子であり、光取り出し側の表面（光取り出し面）が凹凸形状（凹凸構造）であればよく、例えば、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐、四角錐台、その他の角錐、角錐台などの凹又は凸形状を採用できる。図１では凸形状の楕円半球を採用している。
【００３６】
図２に示すように、マイクロレンズシート１５の凹凸構造は、楕円半球の凸部１５ａと、凸部１５ａ同士の隙間の平面部１５ｂ（Ｘ−Ｙ面）とで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシート１５の凹凸構造は、平面部１５ｂと、平面部１５ｂより突出した凸部１５ａとで形成されている。
【００３７】
これにより、図２３に示した、透明基板と空気との界面で全反射して光取り出し側に取り出せなかった光１１０ｃが、マイクロレンズシート１５に入射し、その凹凸構造で角度を変えられて光１６ａ、１６ｂとして取り出されたり、角度を変えた反射によって光１６ｃ〜１６ｅとなり、再びマイクロレンズシート１５に入射して取り出されたりする。
【００３８】
そして、マイクロレンズシート１５は、透明基板１４との境界でのフレネル反射や全反射を抑える観点から、透明基板１４と近い値の屈折率を有することが望ましく（例えば、透明基板の屈折率が１．５の場合、マイクロレンズシートの屈折率が１．４〜１．６）、
透明基板１４と同じ値の屈折率を有することが最も望ましい（例えば、透明基板及びマイクロレンズシートの屈折率が１．５）。
【００３９】
そして、マイクロレンズシート１５を貼着した透明基板１４上に、透明電極１３と有機発光層１２と裏面電極１１とを積層し、一方の端部で透明電極１３を露出させ、他方の端部で裏面電極１１を露出させて電極部を形成し、この電極部を電源部（不図示）の各々の電源配線（不図示）に接続し、有機発光層１２に所定の直流電圧を印加して発光させる。
【００４０】
なお、有機発光素子の光取り出し面が凹凸構造であればよいので、マイクロレンズシート１５の代わりに、透明基板１４の表面に転写等で凹凸構造を形成してもよい。
【００４１】
なお、有機発光素子１０を構成する有機化合物は、水分や大気中の酸素により劣化するため、透湿防止層（ガスバリア層）で封止して外部雰囲気から遮断して使用される。この透湿防止層は、例えば、高周波スパッタリング法などにより形成することができる。
【００４２】
〈有機発光素子の作製方法〉
次に、有機発光素子１０の作製方法の一例として、マイクロレンズシート／透明基板／陽極／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／陰極からなる素子の作製法を説明する。
【００４３】
まず、マイクロレンズシート１５を貼着した透明基板１４上に陽極用物質からなる透明電極１３の薄膜を１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚になるように、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させ陽極を作製する。
【００４４】
そして、この上に有機発光層１２である正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔阻止層、電子輸送層、電子注入層等の有機化合物薄膜を形成させる。
【００４５】
これら各層の形成方法としては、蒸着法、ウェットプロセス（スピンコート法、キャスト法、インクジェット法、印刷法）等があり、均質な膜が得られやすく、且つピンホールが生成しにくい等の点からは、スピンコート法、インクジェット法、印刷法等の塗布法による成膜が好ましい。
【００４６】
有機発光層１２を溶解または分散する液媒体としては、例えば、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸エチル等の脂肪酸エステル類、ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン等の芳香族炭化水素類、シクロヘキサン、デカリン、ドデカン等の脂肪族炭化水素類、ＤＭＦ、ＤＭＳＯ等の有機溶媒を用いることができる。また分散方法としては、超音波、高剪断力分散やメディア分散等の分散方法により分散することができる。
【００４７】
これらの層を形成後、その上に陰極用物質からなる裏面電極１１の薄膜を１μｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の膜厚になるように、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させ陰極を作製する。このようにして有機発光素子１０が得られる。
【００４８】
〈凹凸構造の特徴〉
図３は、図１のマイクロレンズシート１５部分の拡大図である。凸部１５ａの基部、つまり凸部１５ａと平面部１５ｂとの境界は、円形であり、その長さ（ここでは直径）をｄ１とする。また、凸部１５ａの高さをｈ１とする。このとき、基部の直径ｄ１に対する凸部の高さｈ１のアスペクト比ａは、ｈ１／ｄ１で表せる。例えば、ａ＝０．５のとき凸部１５ａが半球になる。
【００４９】
図４はａ＜０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図、図５はａ＝０．５の半球の凹凸構造の断面図、図６はａ＞０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図である。
【００５０】
図４に示すように、ａ＜０．５の場合、凸部で１回全反射した光（図４の矢印）は２回目以降も凸部で全反射し、透明基板側に戻ることになる。また、図５に示すように、ａ＝０．５の場合も凸部で１回全反射した光（図５の矢印）は２回目以降も凸部で全反射し、透明基板側に戻ることになる。一方、図６に示すように、ａ＞０．５の場合、凸部で１回全反射した光（図６の矢印）は２回目以降（図６では二回目）に凸部から空気側へ出射することがある。
【００５１】
図７は、アスペクト比ａに対する１面透過率Ａの関係を示すグラフである。ここでいう１面透過率とは、一度凸部に入射した光が透明基板側に戻らずに出射する割合のことである。図７では、凸部での反射回数が１回、２回、３回、４回、１０００回の光について示している。
【００５２】
図７から、ａ≦０．５の場合は凸部での反射回数によらず１面透過率がほぼ同程度であるといえる。そして、ａ＞０．５の場合は凸部で２回以上反射して出射する光の割合が増加することで、全体の透過率がａ≦０．５の場合よりも向上している。透過率の向上は光取り出し効率の向上に直結する。
【００５３】
また、凸部で複数回反射した光が空気側に取り出されることで、透明基板内での配光からずれた偏光方向となるので、出射方向がランダムになり、後述する色ずれが緩和する効果もある。
【００５４】
ここまでの結果から、光取り出し効率の向上と色ずれの緩和を実現するためには、図１の有機発光素子１０において、凸部１５ａの形状をａ＞０．５の楕円半球とすることが好ましいと言える。
【００５５】
次に、色ずれについて検討する。光の波長、特に赤、緑、青の波長で配光分布が異なる場合、正面（０度方向）から見た色と斜め方向から見た色とがずれることに相当する。特に、照明光源等で白色光を取り出したい場合にこの色ずれが少ないことが重要となる。
【００５６】
ここでの色ずれは、正面（０度）方向、５度、１０度、・・・８０度というように、５度刻みで光を見た場合のそれぞれの角度での波長分布から決まる色度を定義し、色度を色座標で表現する。そして、正面方向での色座標を基準色座標とした場合、５度、１０度、・・・というようにそれぞれの角度での色座標の０度色座標からの座標ずれ量を各角度での色ずれとする。さらに、５〜８０度までの１６個の色ずれの最大値を最終的な色ずれと定義する。色ずれの値が小さい程、色ずれが小さい。
【００５７】
図８は有機発光素子１０からマイクロレンズシート１５を省略した場合の透明基板１４内での配光分布を示す図であり、図９は有機発光素子１０からマイクロレンズシート１５を省略した場合の空気配光分布（空気側に出射した光の分布）を示す図である。実線が青色光、長破線が緑色光、短破線が赤色光の分布であり、正面方向にて規格化している。ここでは、空気配光分布が１／ｎ２よりも小さな透明基板１４を用いている。
【００５８】
図８に示すように、透明基板１４内においては、斜めから見た場合、明らかに色ずれが生じていることがわかる。透明基板１４内の配光が理想的な円形のランバート配光である場合、透明基板１４の屈折率をｎとすると、透明基板１４の空気配光分布は１／ｎ２となることが知られている。例えば、ｎ＝１．５とすると、全反射角度が約４１度以内の光が空気側に出射することになる。図８では、全反射せずに空気側に出射する、約４１度以内の部分のエネルギーがランバート配光の場合よりも小さくなっている。これは、空気配光分布が１／ｎ２よりも小さな透明基板１４を用いたことによる。
【００５９】
また、図９の配光分布は図８の配光分布の中央部付近の分布をそのまま全体の角度に伸ばしたような形になっている。図９でも色ずれは生じていることがわかる。透明基板１４に入射した光を１００％としたとき、図９での光取り出し効率は２２％、色ずれは０．０７４となる。
【００６０】
次に、有機発光素子１０における凸部１５ａのアスペクト比ａと光取り出し効率と色ずれとの関係について検討する。
【００６１】
図１０は凸部１５ａのアスペクト比ａを変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフであり、図１１は凸部１５ａのアスペクト比ａを変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【００６２】
図１０に示すように、ａ≧０．２５で光取り出し効率が良いといえる。一方、図１１に示すように、ａ≧０．５でａが大きくなるにしたがって色ずれが小さくなっていることがわかる。そして、ａ≧１．０での色ずれは、色ずれが少ないといえる０．０４を下回っている。
【００６３】
したがって、ａ≧１．０の場合、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００６４】
また、透明基板１４内の配光分布において、図８のように、全反射以上の斜め方向の光が多い場合、凹凸構造が斜め配光に対して略垂直な形状であると、光取り出し効率が向上し、かつ、色ずれが少なくなる場合がある。図１１では、０．２５≦ａ≦０．３の領域で色ずれが局所的に少なく（０．０４以下）なっている。
【００６５】
したがって、上記のａ≧０．２５で光取り出し効率が良いという結果と合わせると、０．２５≦ａ≦０．３の場合、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００６６】
次に、マイクロレンズシートの凹凸構造が楕円半球の凹部と平面部とで構成される有機発光素子について説明する。凹凸構造以外は上記の有機発光素子１０と同様の構成である。図１２は楕円半球の凹部を有する凹凸構造の断面図、図１３はその平面図である。マイクロレンズシートの凹凸構造は、楕円半球の凹部２０ａと、凹部２０ａ同士の隙間の平面部２０ｂとで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシートの凹凸構造は、平面部２０ｂと、平面部２０ｂより凹んだ凹部２０ａとで形成されている。
【００６７】
凹部２０ａの開口部、つまり凹部２０ａと平面部２０ｂとの境界は、円形であり、その長さ（ここでは直径）をｄ２とする。また、凹部２０ａの深さをｈ２とする。このとき、開口部の直径ｄ２に対する凹部２０ａの深さｈ２のアスペクト比ａは、ｈ２／ｄ２で表せる。例えば、ａ＝０．５のとき凹部２０ａが半球になる。
【００６８】
この有機発光素子における凹部２０ａのアスペクト比ａと光取り出し効率と色ずれとの関係について検討する。
【００６９】
図１４は凹部２０ａのアスペクト比ａを変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフであり、図１５は凹部２０ａのアスペクト比ａを変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【００７０】
図１４に示すように、ａ≧０．２５で光取り出し効率が良いといえる。一方、図１５に示すように、ａ≧０．５でａが大きくなるにしたがって色ずれが小さくなっていることがわかる。そして、ａ≧０．７５での色ずれは、色ずれが少ないといえる０．０４を下回っている。
【００７１】
したがって、凹部２０ａを有する凹凸構造を採用したとき、ａ≧０．７５の場合に、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００７２】
また、０．２５≦ａ≦０．３の領域を見ても、局所的というわけではないが色ずれは少なく（０．０４以下）なっている。したがって、上記のａ≧０．２５で光取り出し効率が良いという結果と合わせると、０．２５≦ａ≦０．３の場合、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００７３】
上記では楕円半球の凸部１５ａ又は凹部２０ａを有する凹凸構造について説明したが、円錐凸部、円錐凹部、四角錐凸部、四角錐凹部、円錐台凸部、円錐台凹部、四角錐台凸部、四角錐台凹部でも同様の傾向を示す。すなわち、各形状の凸部において、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないのは、ａ≧１．０の場合と、０．２５≦ａ≦０．３の場合とである。一方、各形状の凹部において、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないのは、ａ≧０．７５の場合と、０．２５≦ａ≦０．３の場合とである。
【００７４】
図１６は正四角錐の凸部を有する凹凸構造の断面図、図１７はその平面図である。マイクロレンズシートの凹凸構造は、正四角錐の凸部２１ａと、凸部２１ａ同士の隙間の平面部２１ｂとで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシートの凹凸構造は、平面部２１ｂと、平面部２１ｂより突出した凸部２１ａとで形成されている。
【００７５】
凸部２１ａの基部、つまり凸部２１ａと平面部２１ｂとの境界は、正方形であり、その長さ（ここでは一辺の長さ）をｄ３とする。また、凸部２１ａの高さをｈ３とする。このとき、基部の一辺の長さｄ３に対する凸部２１ａの高さｈ３のアスペクト比ａは、ｈ３／ｄ３で表せる。
【００７６】
図１８は正四角錐の凹部を有する凹凸構造の断面図、図１９はその平面図である。マイクロレンズシートの凹凸構造は、正四角錐の凹部２２ａと、凹部２２ａ同士の隙間の平面部２２ｂとで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシートの凹凸構造は、平面部２２ｂと、平面部２２ｂより凹んだ凹部２２ａとで形成されている。
【００７７】
凹部２２ａの開口部、つまり凹部２２ａと平面部２２ｂとの境界は、正四角錐であり、その長さ（ここでは一辺の長さ）をｄ４とする。また、凹部２２ａの深さをｈ４とする。このとき、開口部の一辺の長さｄ４に対する凹部２２ａの深さｈ４のアスペクト比ａは、ｈ４／ｄ４で表せる。
【００７８】
次に、正四角錐の凹部２２ａの凹凸構造を例に平面部の面積について検討する。光取り出し効率を高く、色ずれを少なくするには平面部２２ｂの面積がなるべく小さいことが好ましい。しかし、凹凸構造を転写等によって形成する場合、加工上、ある程度の平面部２２ｂの面積が必要となる。
【００７９】
ここでは、マイクロレンズシートの各凹部２２ａを平面部２２ｂに垂直な方向（Ｚ方向）に投影した面積の和をＳ１とし、マイクロレンズシートの各平面部２２ｂの面積の和をＳ２とする。このとき、凹凸構造の平面部２２ｂの面積比は、マイクロレンズシートの光取り出し面を平面部２２ｂに垂直な方向（Ｚ方向）に投影した面積（Ｓ１＋Ｓ２）に対する平面部２２ｂの面積Ｓ２の割合として、Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）で表せる。
【００８０】
図２０は正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比ａに対する光取り出し効率を平面部の各種面積比について示したグラフである。図２１は正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比ａに対する色ずれを平面部の各種面積比について示したグラフである。図２０、２１では、平面部の面積比が０％、２５％、５０％、９０％の場合について示している。
【００８１】
図２０に示すように、平面部の面積比が０％の場合に最も光取り出し効率が良く、２５％でやや効率が落ち、５０、９０％では無視できないほど効率が落ちている。一方、図２１に示すように、ａ≧０．２５でａが大きくなるにしたがって大まかに色ずれが小さくなっていることがわかる。特に、ａ≧０．２５で色ずれが少ないといえる０．０４を下回っているのは、平面部の面積比が０％又は２５％の場合である。
【００８２】
したがって、正四角錐の凹部を有する凹凸構造を採用したとき、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないのは、ａ≧０．２５においては平面部の面積比が０〜２５％の場合であるといえる。
【００８３】
上記の各種凹凸構造の有機発光素子の一例を実施例１〜１０、比較例１〜５として図２２に評価結果を示す。比較例１の有機発光素子は、有機発光素子１０からマイクロレンズシート１５を省略したものである。実施例１の有機発光素子は、ａ＝１の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有する有機発光素子１０である。実施例２の有機発光素子は、ａ＝０．７５の楕円半球の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例３の有機発光素子は、ａ＝１の円錐の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例４の有機発光素子は、ａ＝０．７５の円錐の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例５の有機発光素子は、ａ＝１の正四角錐の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例６の有機発光素子は、ａ＝０．７５の正四角錐の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。
【００８４】
実施例７の有機発光素子は、ａ＝０．２５の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例８の有機発光素子は、ａ＝０．３の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。比較例３の有機発光素子は、ａ＝０．５の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。
【００８５】
実施例９の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例１０の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部と２５％の平面部とからなる凹凸構造を有するものである。比較例４の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部と５０％の平面部とからなる凹凸構造を有するものである。比較例５の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部と９０％の平面部とからなる凹凸構造を有するものである。
【００８６】
図２２において、光取り出し効率は、透明基板に入射した光を１００％としたときの空気側へ取り出される光の割合である。また、倍率は、比較例１の光取り出し効率に対する各光取り出し効率の倍率である。また、光取り出し効率が良好であるものを○印、不良であるものを×印で表し、色ずれが良好であるものを○印、不良であるものを×印で表し、総合評価として光取り出し効率及び色ずれが良好であるものを○印、光取り出し効率及び／又は色ずれが不良であるものを×印で表している。
【００８７】
この結果、実施例１〜１０は比較例１よりも光取り出し効率及び色ずれが良好であり、比較例２は光取り出し効率及び色ずれが不良であり、比較例３は色ずれが不良であり、比較例４は色ずれが不良であり、比較例５は光取り出し効率及び色ずれが不良である。よって、実施例１〜１０の有機発光素子であれば、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ない。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の発光素子は、表示デバイス、ディスプレイ、各種発光光源として用いることができる。発光光源として、例えば、照明装置（家庭用照明、車内照明）、時計や液晶用バックライト、看板広告、信号機、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源等が挙げられるが、これらに限定するものではない。特に液晶表示装置のバックライト、照明用光源としての用途に有効に用いることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 有機発光素子（発光素子）
１４ 透明基板
１５ａ 凸部
１５ｂ、２０ｂ 平面部
２０ａ 凹部
ｄ１ 基部の長さ
ｄ２ 開口部の長さ
ｈ１ 凸部の高さ
ｈ２ 凹部の深さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、薄型の発光材料として有機発光素子やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが注目されている。例えば、有機発光素子は、低電力で高い輝度を得ることができ、視認性、応答速度、寿命、消費電力の点で優れている。一方、有機発光素子の光の利用効率は２０％程度であり、素子内での損失が大きい。
【０００３】
図２３は、従来の有機発光素子の概略断面図である。有機発光素子１００は、図中の下層から順に、金属電極１０１、屈折率が約１．８の有機発光層１０２、屈折率が約１．８の透明電極１０３、屈折率が約１．５の透明基板１０４が積層されて構成される。図中の１１０ａ〜１１０ｅの矢印は有機発光層１０２から発生した光のうち特徴的なものを示している。
【０００４】
光１１０ａは、発光面である有機発光層１０２に対して垂直方向の光であり、透明基板１０４を透過して光取り出し側（空気側）に取り出される。光１１０ｂは、透明基板１０４と空気との界面に臨界角以下の浅い角度で入射した光であり、透明基板１０４と空気との界面で屈折して光取り出し側に取り出される。光１１０ｃは、透明基板１０４と空気との界面に臨界角より深い角度で入射した光であり、透明基板１０４と空気との界面で全反射して光取り出し側に取り出せない光である。これによる損失を基板損失と呼び、通常２０％程度の損失がある。
【０００５】
光１１０ｄは、透明電極１０３と透明基板１０４との界面に臨界角より深い角度で入射した光のうち共振条件を満たした光であり、透明電極１０３と透明基板１０４との界面で全反射して導波モードが発生し、有機発光層１０２及び透明電極１０３内に閉じ込められる光である。これによる損失を導波損失と呼び、通常２０〜２５％程度の損失がある。光１１０ｅは、金属電極１０１へ入射して金属電極１０１内の自由電子と作用し、導波モードの一種であるプラズモンモードが発生して金属電極１０１の表面近傍に閉じ込められる光である。これによる損失をプラズモン損失と呼び、通常３０〜４０％程度の損失がある。
【０００６】
このように、従来の有機発光素子１００においては、基板損失、導波損失及びプラズモン損失があるので、それらの損失を少なくし、より多くの光を取り出すことが課題となっている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、基板損失を低減して光取り出し効率を向上させるために、基板表面にマイクロレンズシートを設けた構成が開示されている。また、特許文献２には、基板損失を低減して光取り出し効率を向上させるために、基板表面に光拡散層を設けた構成が開示されている。また、特許文献３には、基板損失を低減して光取り出し効率を向上させるとともに、観察角度による色味の変化を少なくするために、基板表面に透明樹脂及び微粒子を含んだ凹凸構造層を設けた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１２３４３６号公報
【特許文献２】特許第４３９３７８８号公報
【特許文献３】特許第４６１４０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１、２の技術は、いずれも透明基板の空気との界面の形状を工夫することによって基板損失を減らし、光取り出し効率を向上させようとするものであり、特許文献３は、それに加えて観察角度による色味の変化、いわゆる色ずれを少なくしようとするものである。
【００１０】
このように、特許文献１、２の構成では１つの課題（光取り出し効率向上）しか解決できないので、色ずれの課題を解決するためには他の構成を追加しなければならない。一方、特許文献３の構成では２つの課題を解決することができる。しかしながら、特許文献３の構成では凹凸構造の中に微粒子を混ぜ込まなければならず、複雑な構成となっている。構成が複雑になると生産性が低下するとともに、コストが上昇するという問題が生じる。そして、これらの問題は有機発光素子だけでなくＬＥＤなど他の発光素子でもいえることである。
【００１１】
そこで本発明は、簡単な構成で光取り出し効率を向上させるとともに、色ずれも少なくした発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部又は該平面部より突出した凸部とで形成され、前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比又は前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が、０．２５〜０．３であり、前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
上記の発光素子において、前記凹部又は凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることが望ましい。
【００１４】
また本発明は、透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部とで形成され、前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比が０．７５以上であり、前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする。
【００１５】
上記の発光素子において、前記凹部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることが望ましい。
【００１６】
また本発明は、透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より突出した凸部とで形成され、前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が１．０以上であり、前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする。
【００１７】
上記の発光素子において、前記凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることが望ましい。
【００１８】
また上記の発光素子において、前記凹凸構造と前記透明基板とが同じ屈折率を有することが望ましい。
【００１９】
また上記の発光素子において、前記凹凸構造と前記透明基板とが近い屈折率を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、光取り出し面の凹凸構造のアスペクト比と平面部の面積の割合と透明基板の空気配光分布とを最適化することにより、簡単な構成で光取り出し効率を向上させるとともに、色ずれも少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態の有機発光素子の概略断面図である。
【図２】図１の一部の平面図である。
【図３】図１のマイクロレンズシート部分の拡大図である。
【図４】ａ＜０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図である。
【図５】ａ＝０．５の半球の凹凸構造の断面図である。
【図６】ａ＞０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図である。
【図７】アスペクト比に対する１面透過率の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態の有機発光素子からマイクロレンズシートを省略した場合の透明基板内での配光分布を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態の有機発光素子からマイクロレンズシートを省略した場合の空気配光分布を示す図である。
【図１０】凸部のアスペクト比を変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフである。
【図１１】凸部のアスペクト比を変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【図１２】楕円半球の凹部を有する凹凸構造の断面図である。
【図１３】図１２の平面図である。
【図１４】凹部のアスペクト比を変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフである。
【図１５】凹部のアスペクト比を変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【図１６】正四角錐の凸部を有する凹凸構造の断面図である。
【図１７】図１６の平面図である。
【図１８】正四角錐の凹部を有する凹凸構造の断面図である。
【図１９】図１８の平面図である。
【図２０】正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比に対する光取り出し効率を平面部の各種面積比について示したグラフである。
【図２１】正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比に対する色ずれを平面部の各種面積比について示したグラフである。
【図２２】実施例１〜１０及び比較例１〜５の評価結果を示す図である。
【図２３】従来の有機発光素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の発光素子の一例として以下の実施形態では有機発光素子を用いて説明するが、無機発光素子、ＬＥＤなど各種発光素子にも同様に適用できる。
【００２３】
〈有機発光素子の構成〉
図１は、本発明の一実施形態の有機発光素子の概略断面図であり、図２は、その一部の平面図である。有機発光素子１０は、図中の下層から順に、裏面電極１１、有機発光層１２、透明電極１３、透明基板１４、マイクロレンズシート１５が積層されて構成される。この有機発光素子１０は、いわゆるボトムエミッション方式である。
【００２４】
説明の便宜上、図１において、紙面の左右方向をＸ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向、紙面の上下方向（各層の積層方向）をＺ方向と定義する。
【００２５】
裏面電極１１は、陽極又は陰極としての役割と光を透明基板１４側に反射させるミラーとしての役割があり、例えば、アルミニウム、銀、ニッケル、チタン、ナトリウム、カルシウム等の反射率が６０％以上の金属材料又はそれらの何れかを含む合金などを用いることができる。
【００２６】
有機発光層１２は、発光層を含む有機化合物または錯体の単層または複数層であり、例えば、陽極と接する正孔輸送層、発光材料で形成された発光層、陰極と接する電子輸送層等からなり、数ｎｍから数百ｎｍの厚みである。屈折率は１．８前後である。また、フッ化リチウム層や無機金属塩の層或いはそれらを含有する層等が、任意の位置に形成されていてもよい。発光層は少なくとも一種の発光材からなるもので、蛍光発光性化合物又は燐光発光性化合物等を用いることができる。
【００２７】
有機発光層１２の構成としては、上述の構成も含めて例えば、以下の（ｉ）〜（ｖ）の構成などを採用できる。
（ｉ）（陽極）／発光層／電子輸送層／（陰極）
（ii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／（陰極）
（iii）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／（陰極）
（iv）（陽極）／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
（ｖ）（陽極）／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／（陰極）
【００２８】
正孔輸送層は正孔を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。正孔輸送層は単層または複数層設けることができる。
【００２９】
電子輸送層は電子を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。電子輸送層は単層または複数層設けることができる。
【００３０】
正孔阻止層とは広い意味では電子輸送層の機能を有し、電子を輸送する機能を有しつつ正孔を輸送する能力が著しく小さい正孔阻止材料からなり、電子を輸送しつつ正孔を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。
【００３１】
正孔注入層及び電子注入層とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために電極と発光層間に設けられる層のことである。
【００３２】
透明電極１３は、裏面電極１１の反対電極であり、例えば、ＣｕＩ、インジウムチンオキシド（ＩＴＯ）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透過率が４０％以上の導電性透明材料を用いることができる。屈折率は有機発光層１２と同じく１．８前後である。
【００３３】
透明基板１４は透明材料であり、例えば、０．１〜１ｍｍの厚みである。屈折率は１．５前後〜１．８前後である。
【００３４】
透明基板１４としては、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）等の樹脂や水晶などを用いることができる。好ましくは、有機発光素子にフレキシブル性を与えることが可能な樹脂フィルムである。透明基板１４をフレキシブルなフィルム状の基材で形成することにより、面光源を湾曲させることができ、種々の方向に向かって発光させることができる。
【００３５】
マイクロレンズシート１５は、光の角度を変える素子であり、光取り出し側の表面（光取り出し面）が凹凸形状（凹凸構造）であればよく、例えば、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐、四角錐台、その他の角錐、角錐台などの凹又は凸形状を採用できる。図１では凸形状の楕円半球を採用している。
【００３６】
図２に示すように、マイクロレンズシート１５の凹凸構造は、楕円半球の凸部１５ａと、凸部１５ａ同士の隙間の平面部１５ｂ（Ｘ−Ｙ面）とで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシート１５の凹凸構造は、平面部１５ｂと、平面部１５ｂより突出した凸部１５ａとで形成されている。
【００３７】
これにより、図２３に示した、透明基板と空気との界面で全反射して光取り出し側に取り出せなかった光１１０ｃが、マイクロレンズシート１５に入射し、その凹凸構造で角度を変えられて光１６ａ、１６ｂとして取り出されたり、角度を変えた反射によって光１６ｃ〜１６ｅとなり、再びマイクロレンズシート１５に入射して取り出されたりする。
【００３８】
そして、マイクロレンズシート１５は、透明基板１４との境界でのフレネル反射や全反射を抑える観点から、透明基板１４と近い値の屈折率を有することが望ましく（例えば、透明基板の屈折率が１．５の場合、マイクロレンズシートの屈折率が１．４〜１．６）、
透明基板１４と同じ値の屈折率を有することが最も望ましい（例えば、透明基板及びマイクロレンズシートの屈折率が１．５）。
【００３９】
そして、マイクロレンズシート１５を貼着した透明基板１４上に、透明電極１３と有機発光層１２と裏面電極１１とを積層し、一方の端部で透明電極１３を露出させ、他方の端部で裏面電極１１を露出させて電極部を形成し、この電極部を電源部（不図示）の各々の電源配線（不図示）に接続し、有機発光層１２に所定の直流電圧を印加して発光させる。
【００４０】
なお、有機発光素子の光取り出し面が凹凸構造であればよいので、マイクロレンズシート１５の代わりに、透明基板１４の表面に転写等で凹凸構造を形成してもよい。
【００４１】
なお、有機発光素子１０を構成する有機化合物は、水分や大気中の酸素により劣化するため、透湿防止層（ガスバリア層）で封止して外部雰囲気から遮断して使用される。この透湿防止層は、例えば、高周波スパッタリング法などにより形成することができる。
【００４２】
〈有機発光素子の作製方法〉
次に、有機発光素子１０の作製方法の一例として、マイクロレンズシート／透明基板／陽極／正孔注入層／正孔輸送層／発光層／正孔阻止層／電子輸送層／電子注入層／陰極からなる素子の作製法を説明する。
【００４３】
まず、マイクロレンズシート１５を貼着した透明基板１４上に陽極用物質からなる透明電極１３の薄膜を１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚になるように、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させ陽極を作製する。
【００４４】
そして、この上に有機発光層１２である正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔阻止層、電子輸送層、電子注入層等の有機化合物薄膜を形成させる。
【００４５】
これら各層の形成方法としては、蒸着法、ウェットプロセス（スピンコート法、キャスト法、インクジェット法、印刷法）等があり、均質な膜が得られやすく、且つピンホールが生成しにくい等の点からは、スピンコート法、インクジェット法、印刷法等の塗布法による成膜が好ましい。
【００４６】
有機発光層１２を溶解または分散する液媒体としては、例えば、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸エチル等の脂肪酸エステル類、ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン等の芳香族炭化水素類、シクロヘキサン、デカリン、ドデカン等の脂肪族炭化水素類、ＤＭＦ、ＤＭＳＯ等の有機溶媒を用いることができる。また分散方法としては、超音波、高剪断力分散やメディア分散等の分散方法により分散することができる。
【００４７】
これらの層を形成後、その上に陰極用物質からなる裏面電極１１の薄膜を１μｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の膜厚になるように、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させ陰極を作製する。このようにして有機発光素子１０が得られる。
【００４８】
〈凹凸構造の特徴〉
図３は、図１のマイクロレンズシート１５部分の拡大図である。凸部１５ａの基部、つまり凸部１５ａと平面部１５ｂとの境界は、円形であり、その長さ（ここでは直径）をｄ１とする。また、凸部１５ａの高さをｈ１とする。このとき、基部の直径ｄ１に対する凸部の高さｈ１のアスペクト比ａは、ｈ１／ｄ１で表せる。例えば、ａ＝０．５のとき凸部１５ａが半球になる。
【００４９】
図４はａ＜０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図、図５はａ＝０．５の半球の凹凸構造の断面図、図６はａ＞０．５の楕円半球の凹凸構造の断面図である。
【００５０】
図４に示すように、ａ＜０．５の場合、凸部で１回全反射した光（図４の矢印）は２回目以降も凸部で全反射し、透明基板側に戻ることになる。また、図５に示すように、ａ＝０．５の場合も凸部で１回全反射した光（図５の矢印）は２回目以降も凸部で全反射し、透明基板側に戻ることになる。一方、図６に示すように、ａ＞０．５の場合、凸部で１回全反射した光（図６の矢印）は２回目以降（図６では二回目）に凸部から空気側へ出射することがある。
【００５１】
図７は、アスペクト比ａに対する１面透過率Ａの関係を示すグラフである。ここでいう１面透過率とは、一度凸部に入射した光が透明基板側に戻らずに出射する割合のことである。図７では、凸部での反射回数が１回、２回、３回、４回、１０００回の光について示している。
【００５２】
図７から、ａ≦０．５の場合は凸部での反射回数によらず１面透過率がほぼ同程度であるといえる。そして、ａ＞０．５の場合は凸部で２回以上反射して出射する光の割合が増加することで、全体の透過率がａ≦０．５の場合よりも向上している。透過率の向上は光取り出し効率の向上に直結する。
【００５３】
また、凸部で複数回反射した光が空気側に取り出されることで、透明基板内での配光からずれた偏光方向となるので、出射方向がランダムになり、後述する色ずれが緩和する効果もある。
【００５４】
ここまでの結果から、光取り出し効率の向上と色ずれの緩和を実現するためには、図１の有機発光素子１０において、凸部１５ａの形状をａ＞０．５の楕円半球とすることが好ましいと言える。
【００５５】
次に、色ずれについて検討する。光の波長、特に赤、緑、青の波長で配光分布が異なる場合、正面（０度方向）から見た色と斜め方向から見た色とがずれることに相当する。特に、照明光源等で白色光を取り出したい場合にこの色ずれが少ないことが重要となる。
【００５６】
ここでの色ずれは、正面（０度）方向、５度、１０度、・・・８０度というように、５度刻みで光を見た場合のそれぞれの角度での波長分布から決まる色度を定義し、色度を色座標で表現する。そして、正面方向での色座標を基準色座標とした場合、５度、１０度、・・・というようにそれぞれの角度での色座標の０度色座標からの座標ずれ量を各角度での色ずれとする。さらに、５〜８０度までの１６個の色ずれの最大値を最終的な色ずれと定義する。色ずれの値が小さい程、色ずれが小さい。
【００５７】
図８は有機発光素子１０からマイクロレンズシート１５を省略した場合の透明基板１４内での配光分布を示す図であり、図９は有機発光素子１０からマイクロレンズシート１５を省略した場合の空気配光分布（空気側に出射した光の分布）を示す図である。実線が青色光、長破線が緑色光、短破線が赤色光の分布であり、正面方向にて規格化している。ここでは、空気配光分布が１／ｎ２よりも小さな透明基板１４を用いている。
【００５８】
図８に示すように、透明基板１４内においては、斜めから見た場合、明らかに色ずれが生じていることがわかる。透明基板１４内の配光が理想的な円形のランバート配光である場合、透明基板１４の屈折率をｎとすると、透明基板１４の空気配光分布は１／ｎ２となることが知られている。例えば、ｎ＝１．５とすると、全反射角度が約４１度以内の光が空気側に出射することになる。図８では、全反射せずに空気側に出射する、約４１度以内の部分のエネルギーがランバート配光の場合よりも小さくなっている。これは、空気配光分布が１／ｎ２よりも小さな透明基板１４を用いたことによる。
【００５９】
また、図９の配光分布は図８の配光分布の中央部付近の分布をそのまま全体の角度に伸ばしたような形になっている。図９でも色ずれは生じていることがわかる。透明基板１４に入射した光を１００％としたとき、図９での光取り出し効率は２２％、色ずれは０．０７４となる。
【００６０】
次に、有機発光素子１０における凸部１５ａのアスペクト比ａと光取り出し効率と色ずれとの関係について検討する。
【００６１】
図１０は凸部１５ａのアスペクト比ａを変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフであり、図１１は凸部１５ａのアスペクト比ａを変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【００６２】
図１０に示すように、ａ≧０．２５で光取り出し効率が良いといえる。一方、図１１に示すように、ａ≧０．５でａが大きくなるにしたがって色ずれが小さくなっていることがわかる。そして、ａ≧１．０での色ずれは、色ずれが少ないといえる０．０４を下回っている。
【００６３】
したがって、ａ≧１．０の場合、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００６４】
また、透明基板１４内の配光分布において、図８のように、全反射以上の斜め方向の光が多い場合、凹凸構造が斜め配光に対して略垂直な形状であると、光取り出し効率が向上し、かつ、色ずれが少なくなる場合がある。図１１では、０．２５≦ａ≦０．３の領域で色ずれが局所的に少なく（０．０４以下）なっている。
【００６５】
したがって、上記のａ≧０．２５で光取り出し効率が良いという結果と合わせると、０．２５≦ａ≦０．３の場合、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００６６】
次に、マイクロレンズシートの凹凸構造が楕円半球の凹部と平面部とで構成される有機発光素子について説明する。凹凸構造以外は上記の有機発光素子１０と同様の構成である。図１２は楕円半球の凹部を有する凹凸構造の断面図、図１３はその平面図である。マイクロレンズシートの凹凸構造は、楕円半球の凹部２０ａと、凹部２０ａ同士の隙間の平面部２０ｂとで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシートの凹凸構造は、平面部２０ｂと、平面部２０ｂより凹んだ凹部２０ａとで形成されている。
【００６７】
凹部２０ａの開口部、つまり凹部２０ａと平面部２０ｂとの境界は、円形であり、その長さ（ここでは直径）をｄ２とする。また、凹部２０ａの深さをｈ２とする。このとき、開口部の直径ｄ２に対する凹部２０ａの深さｈ２のアスペクト比ａは、ｈ２／ｄ２で表せる。例えば、ａ＝０．５のとき凹部２０ａが半球になる。
【００６８】
この有機発光素子における凹部２０ａのアスペクト比ａと光取り出し効率と色ずれとの関係について検討する。
【００６９】
図１４は凹部２０ａのアスペクト比ａを変化させた場合の光取り出し効率を示すグラフであり、図１５は凹部２０ａのアスペクト比ａを変化させた場合の色ずれを示すグラフである。
【００７０】
図１４に示すように、ａ≧０．２５で光取り出し効率が良いといえる。一方、図１５に示すように、ａ≧０．５でａが大きくなるにしたがって色ずれが小さくなっていることがわかる。そして、ａ≧０．７５での色ずれは、色ずれが少ないといえる０．０４を下回っている。
【００７１】
したがって、凹部２０ａを有する凹凸構造を採用したとき、ａ≧０．７５の場合に、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００７２】
また、０．２５≦ａ≦０．３の領域を見ても、局所的というわけではないが色ずれは少なく（０．０４以下）なっている。したがって、上記のａ≧０．２５で光取り出し効率が良いという結果と合わせると、０．２５≦ａ≦０．３の場合、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないといえる。
【００７３】
上記では楕円半球の凸部１５ａ又は凹部２０ａを有する凹凸構造について説明したが、円錐凸部、円錐凹部、四角錐凸部、四角錐凹部、円錐台凸部、円錐台凹部、四角錐台凸部、四角錐台凹部でも同様の傾向を示す。すなわち、各形状の凸部において、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないのは、ａ≧１．０の場合と、０．２５≦ａ≦０．３の場合とである。一方、各形状の凹部において、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないのは、ａ≧０．７５の場合と、０．２５≦ａ≦０．３の場合とである。
【００７４】
図１６は正四角錐の凸部を有する凹凸構造の断面図、図１７はその平面図である。マイクロレンズシートの凹凸構造は、正四角錐の凸部２１ａと、凸部２１ａ同士の隙間の平面部２１ｂとで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシートの凹凸構造は、平面部２１ｂと、平面部２１ｂより突出した凸部２１ａとで形成されている。
【００７５】
凸部２１ａの基部、つまり凸部２１ａと平面部２１ｂとの境界は、正方形であり、その長さ（ここでは一辺の長さ）をｄ３とする。また、凸部２１ａの高さをｈ３とする。このとき、基部の一辺の長さｄ３に対する凸部２１ａの高さｈ３のアスペクト比ａは、ｈ３／ｄ３で表せる。
【００７６】
図１８は正四角錐の凹部を有する凹凸構造の断面図、図１９はその平面図である。マイクロレンズシートの凹凸構造は、正四角錐の凹部２２ａと、凹部２２ａ同士の隙間の平面部２２ｂとで形成されている。換言すれば、マイクロレンズシートの凹凸構造は、平面部２２ｂと、平面部２２ｂより凹んだ凹部２２ａとで形成されている。
【００７７】
凹部２２ａの開口部、つまり凹部２２ａと平面部２２ｂとの境界は、正四角錐であり、その長さ（ここでは一辺の長さ）をｄ４とする。また、凹部２２ａの深さをｈ４とする。このとき、開口部の一辺の長さｄ４に対する凹部２２ａの深さｈ４のアスペクト比ａは、ｈ４／ｄ４で表せる。
【００７８】
次に、正四角錐の凹部２２ａの凹凸構造を例に平面部の面積について検討する。光取り出し効率を高く、色ずれを少なくするには平面部２２ｂの面積がなるべく小さいことが好ましい。しかし、凹凸構造を転写等によって形成する場合、加工上、ある程度の平面部２２ｂの面積が必要となる。
【００７９】
ここでは、マイクロレンズシートの各凹部２２ａを平面部２２ｂに垂直な方向（Ｚ方向）に投影した面積の和をＳ１とし、マイクロレンズシートの各平面部２２ｂの面積の和をＳ２とする。このとき、凹凸構造の平面部２２ｂの面積比は、マイクロレンズシートの光取り出し面を平面部２２ｂに垂直な方向（Ｚ方向）に投影した面積（Ｓ１＋Ｓ２）に対する平面部２２ｂの面積Ｓ２の割合として、Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）で表せる。
【００８０】
図２０は正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比ａに対する光取り出し効率を平面部の各種面積比について示したグラフである。図２１は正四角錐の凹部を有する凹凸構造におけるアスペクト比ａに対する色ずれを平面部の各種面積比について示したグラフである。図２０、２１では、平面部の面積比が０％、２５％、５０％、９０％の場合について示している。
【００８１】
図２０に示すように、平面部の面積比が０％の場合に最も光取り出し効率が良く、２５％でやや効率が落ち、５０、９０％では無視できないほど効率が落ちている。一方、図２１に示すように、ａ≧０．２５でａが大きくなるにしたがって大まかに色ずれが小さくなっていることがわかる。特に、ａ≧０．２５で色ずれが少ないといえる０．０４を下回っているのは、平面部の面積比が０％又は２５％の場合である。
【００８２】
したがって、正四角錐の凹部を有する凹凸構造を採用したとき、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ないのは、ａ≧０．２５においては平面部の面積比が０〜２５％の場合であるといえる。
【００８３】
上記の各種凹凸構造の有機発光素子の一例を実施例１〜１０、比較例１〜５として図２２に評価結果を示す。比較例１の有機発光素子は、有機発光素子１０からマイクロレンズシート１５を省略したものである。実施例１の有機発光素子は、ａ＝１の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有する有機発光素子１０である。実施例２の有機発光素子は、ａ＝０．７５の楕円半球の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例３の有機発光素子は、ａ＝１の円錐の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例４の有機発光素子は、ａ＝０．７５の円錐の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例５の有機発光素子は、ａ＝１の正四角錐の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例６の有機発光素子は、ａ＝０．７５の正四角錐の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。
【００８４】
実施例７の有機発光素子は、ａ＝０．２５の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例８の有機発光素子は、ａ＝０．３の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。比較例３の有機発光素子は、ａ＝０．５の楕円半球の凸部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。
【００８５】
実施例９の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部を接するように形成した凹凸構造を有するものである。実施例１０の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部と２５％の平面部とからなる凹凸構造を有するものである。比較例４の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部と５０％の平面部とからなる凹凸構造を有するものである。比較例５の有機発光素子は、ａ＝０．８の正四角錐の凹部と９０％の平面部とからなる凹凸構造を有するものである。
【００８６】
図２２において、光取り出し効率は、透明基板に入射した光を１００％としたときの空気側へ取り出される光の割合である。また、倍率は、比較例１の光取り出し効率に対する各光取り出し効率の倍率である。また、光取り出し効率が良好であるものを○印、不良であるものを×印で表し、色ずれが良好であるものを○印、不良であるものを×印で表し、総合評価として光取り出し効率及び色ずれが良好であるものを○印、光取り出し効率及び／又は色ずれが不良であるものを×印で表している。
【００８７】
この結果、実施例１〜１０は比較例１よりも光取り出し効率及び色ずれが良好であり、比較例２は光取り出し効率及び色ずれが不良であり、比較例３は色ずれが不良であり、比較例４は色ずれが不良であり、比較例５は光取り出し効率及び色ずれが不良である。よって、実施例１〜１０の有機発光素子であれば、光取り出し効率が十分高く、かつ、色ずれが少ない。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の発光素子は、表示デバイス、ディスプレイ、各種発光光源として用いることができる。発光光源として、例えば、照明装置（家庭用照明、車内照明）、時計や液晶用バックライト、看板広告、信号機、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源等が挙げられるが、これらに限定するものではない。特に液晶表示装置のバックライト、照明用光源としての用途に有効に用いることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 有機発光素子（発光素子）
１４ 透明基板
１５ａ 凸部
１５ｂ、２０ｂ 平面部
２０ａ 凹部
ｄ１ 基部の長さ
ｄ２ 開口部の長さ
ｈ１ 凸部の高さ
ｈ２ 凹部の深さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、
前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部又は該平面部より突出した凸部とで形成され、
前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、
前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比又は前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が、０．２５〜０．３であり、
前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記凹部又は凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、
前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部とで形成され、
前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、
前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比が０．７５以上であり、
前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記凹部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、
前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より突出した凸部とで形成され、
前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、
前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が１．０以上であり、
前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
前記凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
前記凹凸構造と前記透明基板とが同じ屈折率を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の発光素子。
【請求項８】
前記凹凸構造と前記透明基板とが近い屈折率を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の発光素子。
【請求項１】
透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、
前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部又は該平面部より突出した凸部とで形成され、
前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、
前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比又は前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が、０．２５〜０．３であり、
前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記凹部又は凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、
前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より凹んだ凹部とで形成され、
前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、
前記凹部の開口部の長さに対する前記凹部の深さのアスペクト比が０．７５以上であり、
前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記凹部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
透明基板上に凹凸構造の光取り出し面を有する発光素子において、
前記凹凸構造は、平面部と、該平面部より突出した凸部とで形成され、
前記光取り出し面を前記平面部に垂直な方向に投影した面積に対する前記平面部の面積の割合が０〜２５％であり、
前記凸部の基部の長さに対する前記凸部の高さのアスペクト比が１．０以上であり、
前記透明基板の屈折率をｎとした場合、前記透明基板の空気配光分布が１／ｎ２よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項６】
前記凸部の形状が、楕円半球、円錐、円錐台、四角錐又は四角錐台であることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
前記凹凸構造と前記透明基板とが同じ屈折率を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の発光素子。
【請求項８】
前記凹凸構造と前記透明基板とが近い屈折率を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【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２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−２４３４９５（Ｐ２０１２−２４３４９５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１０５６（Ｐ２０１１−１１１０５６）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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