表示装置
【課題】有機ＥＬ素子を用いた表示装置において有機化合物層よりも高い屈折率の透明層を伝播する伝播光を効率的に外部に取り出しながらも、表示装置にとって問題となる表示像のにじみを低減する。
【解決手段】画素４内に異なる発光色を発光する複数の副画素１，２，３を有し、各副画素１，２，３が有機ＥＬ素子を備えた表示装置において、有機ＥＬ素子に、有機ＥＬ素子の有機化合物層よりも屈折率の高い高屈折率透明層を設け、さらに、該高屈折率透明層に光取り出し構造物７を設け、隣り合う二つの画素に含まれる最近接の副画素１，３間の距離６を、それぞれの副画素の発光の導波距離の和以上とする。
【解決手段】画素４内に異なる発光色を発光する複数の副画素１，２，３を有し、各副画素１，２，３が有機ＥＬ素子を備えた表示装置において、有機ＥＬ素子に、有機ＥＬ素子の有機化合物層よりも屈折率の高い高屈折率透明層を設け、さらに、該高屈折率透明層に光取り出し構造物７を設け、隣り合う二つの画素に含まれる最近接の副画素１，３間の距離６を、それぞれの副画素の発光の導波距離の和以上とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子を備えた表示装置に関するものであり、特に、１画素が異なる色を発光する複数の副画素からなる、フルカラー表示の表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、数ボルト程度の低駆動電圧で自己発光する有機発光素子が注目を集めている。有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子は、面発光特性、軽量、視認性といった優れた特徴を活かし薄型ディスプレイや照明器具、ヘッドマウントディスプレー、また電子写真方式プリンタのプリントヘッド用光源など発光装置としての実用化が進みつつある。
【０００３】
有機ＥＬ素子は、有機材料からなる発光層やその他の機能分離された複数の有機材料からなる層を陽極及び陰極で挟んだ構造を有しており、少なくとも一方の光出射側の電極は透明である。この積層構造ゆえに、発光層の屈折率や光出射側の媒質、最終的な光の放出の行われる空気の屈折率で決定される各界面における臨界角以上の方向に進行する光は、全反射を受けて素子内部に伝播光として閉じ込められる。伝播光は素子内部の有機化合物層及び金属電極により吸収され、外部に取り出されなくなり、光取り出し効率が低下する。
【０００４】
光取り出し効率改善を目的として、伝播光を外部に取り出すために、光出射側の表面に微細凹凸構造或いはレンズ構造など、光の進行方向を変化させ全反射条件を破る方法が多く提案されている。特に、改善効果が高い方法として、透明電極の光出射側に接して屈折率が発光層と同等以上の透明層を設け、更に、この透明層の光出射側もしくは内部に光の反射・散乱角に乱れを生じさせる領域を設ける方法が提示されている（特許文献１）。
【０００５】
この方法は、古典的なスネルの法則によれば発光層で発光した光の約８０％を占める発光層内の伝播光を、発光層よりも高屈折率である高屈折率透明層に引き込むことで、透明層内の伝播光に変換する。その伝播光を透明層の表面もしくは内部の光の反射・散乱角に乱れを生じさせる領域によって外部に取り出せるようにしている。
【０００６】
しかしながら、こうした高屈折率透明層内に光を伝播させる方法にはディスプレイなど表示装置に適用する場合に特有の課題が生じる。高屈折率透明層に導かれ光の反射・散乱角に乱れを生じさせる領域によって最終的に空気に出射する光は本来であれば全反射されていた臨界角以上の角度で進行する光を含む。従って、高屈折率透明層の厚さに起因した視差により実際の発光点とは異なる位置からの発光と認識されるため表示像のにじみの問題が発生する。これに対しては、高屈折率透明層ではないものの、光が伝播する基板の厚みを画素サイズの一定割合以下に抑える方法が提案されている（特許文献２）。
【０００７】
更に、高屈折率透明層に導かれた光が反射・散乱角に乱れを生じさせる領域に入射した際に、必ずしも一回の入射で空気側に取り出されるわけではない。反射・散乱角に乱れを生じさせる領域によって進行方向を変えた光であっても、高屈折率透明層と空気界面の臨界角以上の角度に進む光は再度、全反射を受けて高屈折率透明層内を伝播する。この結果、光は高屈折率透明層内を横方向に伝播し、いずれ全反射条件が破れた発光点とは離れた位置で空気側に出射することになるため、やはり、表示像のにじみの問題が発生する。特に透明層の屈折率が高いほど、高角度成分の光が多いため反射・散乱角に乱れを生じさせる領域に入射する回数が減少、空気側に取り出されるまでの横方向の導波距離が長くなり、問題が顕著になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２９６４２９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２２４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、有機ＥＬ素子を用いた表示装置において有機化合物層よりも高い屈折率の透明層を伝播する伝播光を効率的に外部に取り出しながらも、表示装置にとって問題となる表示像のにじみを低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の表示装置は、有機ＥＬ素子の光出射側の透明電極に隣り合う有機化合物層よりも高い高屈折率透明層に光取り出し構造を設けることでより多くの光が素子内部から取り出されるような画素からなる表示装置である。本出願人等は、高屈折率透明層を横方向に伝播する光の導波距離に着目し、本発明を達成した。
【００１１】
即ち本発明は、異なる色を発光する複数の副画素を有する画素を複数備え、
前記副画素がそれぞれ、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された発光層を含む有機化合物層とを有する有機ＥＬ素子を備えた表示装置であって、
前記有機ＥＬ素子の光出射側に前記有機化合物層よりも屈折率の高い高屈折率透明層を有し、
前記高屈折率透明層は光取り出し構造物を有し、前記光取り出し構造物が各副画素上にはなく各副画素の外周部を取り囲んで設けられ、
隣り合う二つの画素に含まれる最近接の副画素間の距離が、それぞれの副画素の発光の導波距離の和以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光取り出し効率を向上させつつ表示像のにじみが低減された表示装置を提供できる。光取り出し効率の向上により全方位に対して輝度が上昇するため、低消費電力の表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の表示装置の一実施形態の画素の平面レイアウトを示す上面模式図である。
【図２】本発明の表示装置の一実施形態の光取り出し構造物の平面レイアウトを模式的に示す図である。
【図３】本発明の表示装置の好ましい実施形態の断面模式図である。
【図４】本発明の表示装置の好ましい実施形態の有機ＥＬ素子の断面模式図である。
【図５】本発明に係る発光の導波距離の説明図である。
【図６】本発明の表示装置の他の実施形態の構成を示す上面模式図と断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
有機ＥＬ素子は、第１電極上に発光領域を備えた発光層を含むいくつかの有機化合物層と第２電極とを有している。そして、該第１電極と第２電極間に電圧を印加して有機化合物層に注入された正孔と電子が再結合する際に生じるエネルギーを利用して発光する素子である。第１電極と第２電極の一方は反射電極であり、他方は透明電極である。また、第１電極と第２電極の一方は陽極、他方は陰極である。本発明の表示装置は、第１電極として反射電極を支持基板上に形成し、透明電極側から発光を取り出す。本発明の表示装置は、有機ＥＬ素子内で発光した光を効果的に外部に取り出すために、透明電極に隣接して有機化合物層よりも高い屈折率を有する高屈折率透明層が設けられ、更に、該高屈折率透明層に隣接して光を取り出すための光取り出し構造物が配置されている。係る構成により、発光層からの光は全反射せずに光取り出し構造物まで達し、効果的に外へ取り出されることになる。
【００１５】
本発明においては、前記光取り出し構造物が副画素上にはなく、各副画素の外周部を取り囲んで設けられていることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、互いに異なる画素に属する最近接の副画素間の距離が互いの副画素の発光の導波距離の和以上となることを特徴としている。これにより、隣り合う画素間同士の混色で発生する表示像のにじみを抑制することができる。
【００１７】
以下、本発明の発光装置の実施の形態について説明する。図１（ａ）は、本発明の表示装置の一実施形態の画素の平面レイアウトを示す。本実施形態では、青、緑、赤の光の三原色をそれぞれ発光する副画素１，２，３により一つの画素４が形成されている。ここで画素４は少なくとも３つの副画素１，２，３と２つの副画素間領域５からなる。一方、画素間領域６は隣り合う二つの画素４の間の領域であり、より詳しく言えば、隣り合う画素間にそれぞれ含まれる副画素１と３の間、１と１の間、２と２の間、３と３の間の領域のことである。また、画素間領域６のＸ方向とＹ方向の距離をＰxとＰyと定義しておく。また、図１（ｂ）は本発明の表示装置の一実施形態の画素の平面レイアウトの別例を示したものであり、画素が三角格子様に配置されたものである。この場合も副画素間の距離を定義することができる。例えば、副画素１と副画素２の中心線上にあってその端部間の距離をＰ12と定義する。同様に副画素１と副画素３間の距離はＰ13、副画素２と副画素３間の距離はＰ23と定義する。以下では、三角格子様に配置されたレイアウトをもとに実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図２は、図１（ｂ）の表示装置に設けた光取り出し構造物７の平面レイアウトを示す図である。本発明の表示装置では、図２に示すように副画素１，２，３の発光領域上には光取り出し構造物７がなく、光取り出し構造物７は発光領域の外周を取り囲んで設けられている。光取り出し構造物７は、図２（ａ）のように複数の円錐状構造が発光領域の外周を取り囲んでいてもよく、或いは図２（ｂ）のように、円錐状構造が一つなぎになった、一つのリング状構造が一重に発光領域の外周を取り囲んでいてもよい。
【００１９】
本発明の表示装置では副画素１，２，３の発光領域は後述する支持基板側に形成された、パターニングされた電極の面積で決まる。その場合、表示装置は図３に模式的に示すような断面構造になる。この場合は後述する反射電極１９の電極面積がそれぞれの副画素１，２，３の領域となる。
【００２０】
また、図３の構成では、画素間のクロストーク、ショート、電極配線の断線などの回避、又は電極間を絶縁して発光領域を限定するために、隔壁１５を設けているが、なくても構わない。図３の場合、それぞれの副画素に隔壁１５によって設けられた開口部が図１の副画素１，２，３に対応する。
【００２１】
各副画素１，２，３は、それぞれの発光色を発光する有機ＥＬ素子からなる。図３においては、支持基板９上にそれぞれ第１電極として反射電極１９を有し、該反射電極１９上に有機化合物層１６，１７，１８を備え、さらに光出射側に第２電極として透明電極２０を備えている。有機化合物層１６，１７，１８はそれぞれ、副画素１，２，３の発光色に応じた発光を行う発光層を備えている。透明電極２０は表示領域全体にわたって連続して形成されており、有機化合物層１６，１７，１８よりも屈折率の高い高屈折率透明層１０を有している。そしてさらに、高屈折率透明層１０は光取り出し構造物７を備えている。
【００２２】
各副画素１，２，３に用いられる有機ＥＬ素子の断面構造の構成例を図４に示す。支持基板９上に設けられた第１電極として反射電極２２及び透明電極２３と、第２電極としての透明電極２０との間に、発光層を含むいくつかの有機化合物層があり、発光効率、駆動寿命、光学干渉などの観点から様々な積層構成があることはよく知られている。尚、図３では第１電極として反射電極１９のみを示したが、図４の構成では第１電極を反射電極２２と透明電極２３とで構成しており、本発明では反射性を有する電極構成であればいずれの構成でも構わない。
【００２３】
図４の例では、図３の有機化合物層１６，１７，１８として、正孔注入層２４、正孔輸送層２５、発光層２６、電子輸送層２７、電子注入層２８を設けた構成を示す。本発明は、各層に含まれる材料には限定されない。例えば、発光層２６を構成する材料は、蛍光材料、燐光材料のいずれでもよく、ホスト材料、発光材料の他に、少なくとも一種類以上の化合物が素子性能向上のために含まれていてもよい。また、正孔輸送層２５は電子ブロック層として機能してもよく、電子輸送層２７は正孔ブロック層として機能してもよい。
【００２４】
有機化合物層１６，１７，１８のうち、発光層２６の発光位置と反射電極２２の反射面との間の膜厚を調節することで、発光層２６内部の放射分布を制御することができる。表示装置としては特に正面方向の輝度が高くなるように各有機化合物層の膜厚を設定することで、光学干渉により発光色も制御され、より高効率に正面方向に光が放出されるようになる。より具体的には、発光層２６の発光位置から透明電極２１と反射電極２２の界面までの光学距離を発光波長のｎ／４（ｎ＝１、３、５、・・・）に調整することで、発光層２６から光取り出し方向に向けた正面輝度をより高めることができる。
【００２５】
光取り出し効率を高めるためには反射電極２２の反射率はより高い方が好ましい。例えば、反射電極２２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）電極よりも銀（Ａｇ）電極の方が好ましい。更に反射率を高める手段として誘電多層膜ミラーのように屈折率の異なる層を積層する手法を用いてもよい。
【００２６】
図４の例では第２電極に透明電極２０を用いることで素子内に発光が閉じ込められなくなり、この透明電極２０に隣接して高屈折率透明層１０を設けることで、閉じ込め及び全反射することなく、光取り出し構造物７へ光が取り出されてくる。即ち、高屈折率透明層１０と空気或いは別の媒体などとの間で起こる全反射を光取り出し構造物７を設けることで回避し、効果的に内部の光を外部に取り出すことができる。このようにして、有機ＥＬ素子の光取り出し効率は通常２０％程度と言われるものが飛躍的に向上する。
【００２７】
また第２電極の透明電極２０に代わって金属薄膜などの半透明電極を用いてもよい。その場合は第２電極の反射率が上昇し、光学共振器としての特性が発現してくる。しかしながら発光層２６からの高角度放射光成分の発生は、程度は少なくても発生している。ゆえに、透明電極２０に比べて光取り出し効率の増加は小さいが効果はあるといえる。第２電極が透明かどうかそのものに特に限定されるものではない。
【００２８】
高屈折率透明層１０は水蒸気や酸素などのガスの侵入に対するバリア層として用いてもよい。バリア層として機能するには用いる材料にもよるが、数μｍ程度の膜厚であればよいが、０．５μｍ以上６．０μｍ以下の範囲である。好ましい膜厚は光取り出し構造物７のサイズにもよるため、規定する必要はない。高屈折率透明層１０の膜厚が６．０μｍより大きいと該高屈折率透明層１０中を長距離伝播し易くなり、隣の画素４上の光取り出し構造物７から光が取り出されやすくなるので好ましくない。高屈折率透明層１０の膜厚は、光取り出し効率の向上という点では、より好ましくは０．５μｍ以上１．０μｍ以下である。
【００２９】
有機化合物層１６，１７，１８の屈折率は材料によっても変化するが、概ね青の発光領域で１．６乃至２．０、緑では１．５乃至１．９、赤では１．５乃至１．８程度である。従って高屈折率透明層１０は、青、緑、赤の各発光領域それぞれで少なくとも有機ＥＬ素子に用いる有機化合物層１６，１７，１８よりも高い屈折率であればよい。
【００３０】
また、高屈折率透明層１０としては、バリア層としても十分機能する窒化ケイ素膜（ＳｉＮx）を用いるが、酸化チタン、酸化亜鉛など他材料でも上述の光学特性を満たす材料であれば適宜選択することができる。窒化ケイ素膜の元素組成及び元素組成比は特に限定されるものではなく、窒素、ケイ素を主成分としてその他の元素が混合されていてもよい。窒化ケイ素膜を得る成膜プロセスとしてはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられる。窒化ケイ素膜は成膜条件、例えば基板温度や成膜速度などによっても、光学定数は変化するが、本発明においては有機化合物層１６，１７，１８よりも高い屈折率を有する透明層であればよい。高屈折率透明層１０の光透過率は、可視光域で８５％以上が好ましく、より好ましくは９０％以上である。
【００３１】
本発明に係る光取り出し構造物７は高屈折率透明層１０を直接加工して形成されてもよい。或いは、上述の構成では有機化合物層を作製後、高屈折率透明層を成膜しその上に光取り出し構造物７を作製する方法を示したが、次の別形態での実施も可能である。つまり、支持基板９上に予め所望の光取り出し構造物７と同様の形状（例えば後述のリング形状）を形成しておき、その上に有機化合物層１６，１７，１８及び透明電極２０を順次形成していけば、この形状に沿って有機膜と透明電極が成膜される。その結果、最終的に所望の形状をもった高屈折率透明層１０を別途成膜した場合と同等の効果を持つ構造を得ることができる。なぜなら透明電極２０として一般的なＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）は有機化合物層１６，１７，１８よりも屈折率が大きいためである。つまり、予め基板上に作製しておいた形状と有機膜／透明電極の積層構造が光取り出し構造として機能することになる。従って、以下では光取り出し構造物７は高屈折率透明層１０を直接加工して実施する方法について詳細に説明するが、ここに記した別形態を採用してもよい。
【００３２】
光取り出し構造物７は少なくとも光取り出し方向に対して凸な形状であって、その断面形状は三角形、台形、或いは多角形でありそれらの足し合わせからなるものであってもよい。このような構造物があると画素上に取り出されないような高角度放射成分の光が進入してきた際に、内部反射を利用した光変角によって、さまざまに任意角度の光を強めることができる。同時に光取り出し効率も向上する。特に頂角１２０乃至１３５°の二等辺三角形の断面形状、のものであれば正面輝度の光取り出し効率を効果的に高めることができる。本発明ではさらに二つの底角が２５°前後のものが正面輝度をより高められるため、ディスプレイ用途として好ましい。このようにして、有機ＥＬ素子の光取り出し効率は通常２０％程度と言われるものが飛躍的に向上する。また、副画素１，２，３が円形の場合の各外周部を囲うようにリング状の光取り出し構造物７が配置された構成であることが望ましい。
【００３３】
該光取り出し構造物７及び予め支持基板上に作り込む所望の形状を持つ構造物の製造方法については、特に限定するものではない。例えばフォトリソグラフィによってＳｉＮxなどの膜上にレジストパターンを形成後、ドライエッチを行って所望の構造に形成してもよい。また、ナノインプリントによって所望のモールドのパターンをＳｉＮ上に転写した後、ドライエッチによってＳｉＮxを加工してもよい。
【００３４】
画素４内部の副画素２と副画素３の間の副画素間領域５上に光取り出し構造物７が設けられていると、該副画素間領域５に隣り合った副画素から発光した光は高屈折率透明層１０を伝播して互いの副画素に侵入し取り出されることになる。しかしながら、画素４内の光取り出し構造物７によって起こる混色、例えば、青、緑、赤の間での混色は階調制御された色同士の加法混色なので、所望の色度を得るための制御に対して影響は与えない。むしろ隣り合う副画素へ伝播した光が取り出させるため取り出し効率が向上するという利点がある。
【００３５】
一方、画素間領域６上に設けられた光取り出し構造物７からは、それぞれ別の階調制御された副画素の発光が混ざり合うことになる。例えば互いに異なる画素４に含まれ、画素間領域６を挟んで隣り合う赤色副画素３と青色副画素１の混色は、それぞれの副画素の階調制御が取り出したい発光色に合わせたものにならないため、全く意図しない加法混色された光として取り出される。
【００３６】
ここでＭａｃＡｄａｍの偏差楕円を例にとって考える。緑は赤や青よりも色度ずれに対して鈍感であり、青は色度ずれに対しては非常に敏感である。よって、図１の構成において発光色が青色の青色副画素１を例にとって表示像のにじみについて説明する。青色副画素１への他色の異なる階調制御された副画素からの光の侵入は青の色度ずれにつながる。この時、青色副画素１の色は所望の色度で発光しているが、隣り合う画素間領域６上の光取り出し構造物７によって取り出される発光色は隣の赤色副画素３の色が混ざった色度のずれた発光である。ゆえに、青色副画素１上は所定の青に近いが画素間領域６上に所定の青色とは違う色が認識される。青色副画素１は赤色が混ざった発光色で認識されることになり、色がにじむことになる。また、画素間領域６では、画像を表示するための画素単位の所定の階調制御に対する色度のずれが起こるため表示された画像のエッジ部のにじみにつながる。尚、画素４内での副画素の配置が、青色副画素１，赤色副画素３，緑色副画素２の順であれば、画素間領域６において、該画素間領域６を挟んで隣り合う青色副画素１と緑色副画素２の混色が生じる。
【００３７】
このように、光取り出し効率を向上させるために高屈折率透明層１０を導入した表示装置では、光が高屈折率透明層１０内を横方向に長距離伝播する結果、発せられた光は隣り合う画素にまで達し、にじみの原因となる。
【００３８】
本発明においては、このにじみを抑制するために画素間領域の幅を光の導波距離以上に設定した。ここで導波距離とは、発光層で発光された発光が高屈折率透明層１０を横方向に光が高屈折率透明層１０と空気層界面において全反射しつつ減衰しながら伝播し、輝度がゼロに漸近する距離と定義する。輝度がゼロに漸近することは、発光点で輝度の１％以下になることをいう。導波距離は、有機ＥＬ素子の構造や材料（例えば反射電極の反射率や有機層の吸収係数）など多くの因子によって決まる。
【００３９】
第１の因子は、高屈折率透明層１０中を伝播する光のある波長に対する高屈折率透明層１０の屈折率と吸収係数である。特に吸収係数は導波距離に顕著に影響を与える。なぜなら、伝播光は高屈折率透明層１０を全反射しながら複数回通過するので、例え小さな吸収係数であっても、減衰が大きくなり、導波距離が短くなるからである。
【００４０】
第２の因子は、高屈折率透明層１０に備えられた光取り出し構造物７の形状、屈折率、数密度が挙げられる。光取り出し構造物７の機能は高屈折率透明層１０から空気側に光が出射する際に全反射で高屈折率透明層１０側に光が逆戻りするのを回避し、空気側に取り出すことである。従って、この光取り出し構造物７の数密度が小さい場合、光が光取り出し構造物７に衝突する単位距離当たりの回数が減少する。結果として、光は空気側に取り出されることなく高屈折率透明層１０に向かって全反射される頻度が上昇し、導波距離が長くなる。また、光取り出し構造の形状によっても導波距離は変化することになる。
【００４１】
こうした主たる因子を用いて計算機による光学シミュレーションで、伝播光が減衰する様子を計算することも可能ではある。光学シミュレーションとしては、光線追跡法やＦＤＴＤ法などがあるが、計算できる高屈折率透明層１０の膜厚や光取り出し構造物７のサイズなど計算できる範囲は限られている。そのため、任意の形状の光取り出し構造物７や素子構造で導波距離を必ずしも算出できるものではない。
【００４２】
そこで、本発明においては、導波距離を実験で求めることとする。図５を参照しながら具体的に説明する。支持基板９上に発光層を含む有機化合物層１６，１７，１８、さらにその上に光取り出し構造物７を備えた高屈折率透明層１０を考える。円形の発光領域５１を対象として、その通電領域と非通電領域の境界線５２の正面発光輝度を１と規格化する。図中矢印で示した光は高屈折率透明層１０を伝播しながら、光取り出し構造物７によって空気層側に出射、或いは、吸収されていくうちに減衰し、やがて、その輝度はゼロに漸近する。実験的には図中右の光取り出し構造物７から任意の距離で高屈折率透明層１０上に光強度検出用のディテクターとして同じ形状の光取り出し構造物８を設ける。そして、この光取り出し構造物８における出射光の強度を観察すれば、輝度がゼロに漸近、つまり境界線５２の正面発光輝度の１％にまで強度が減衰した時の距離を求めることができ、これを導波距離（Ｌ）とする。
【００４３】
有機ＥＬ素子を備えた表示装置においては、例えば図１（ｂ）に例示したような発光領域即ち副画素１，２，３が青色、緑色、赤色ごとに配置されている。例えば、各色の副画素について、導波距離を求め、青色、緑色、赤色それぞれの発光の導波距離がＬB、ＬG、ＬRとなったとする。第１の画素内の赤色副画素３と、第２の画素内の青色副画素１が隣りあう（最近接する）配置である場合、にじみを抑制するには、これら副画素間の距離を、赤色副画素の発光の導波距離（ＬR）と青色副画素の発光の導波距離（ＬB）の和よりも大きくすればよい。しかしながら、係る副画素間距離を大きくとると、表示装置の解像度が低下するので、より好ましくは、赤色副画素の発光の導波距離と青色副画素の発光の導波距離の和が副画素間距離と等しい方がよい。
【００４４】
尚、本発明の表示装置を駆動するための回路、配線などは特に規定するものではなく、必要な性能を得るために所望の設計を施し具備してよい。
【００４５】
また、本発明の表示装置では光取り出し構造は素子内部に閉じ込められる光を外に取り出すためのものであり、該光取り出し構造上にさらにガラスキャップや板ガラスなどの封止ガラスで封止してもよい。該封止ガラス上には色度の改善のためカラーフィルタや、外光反射低減のために円偏光板を具備してもよい。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００４７】
（実施例１）
実施例１として、有機ＥＬ素子が図４の断面構造を持ち、図２（ｂ）のように画素、副画素及び光取り出し構造物がレイアウトされた構成の表示装置を、以下に示す方法で作製した。即ち、本例の表示装置は、複数の画素を有し、各画素が複数色（青色副画素１、緑色副画素２、赤色副画素３）の副画素からなり、副画素それぞれが有機ＥＬ素子を備えている。
【００４８】
本例では、先ず、ガラス基板上に、低温ポリシリコンからなるＴＦＴ駆動回路（不図示）を形成し、その上にアクリル樹脂からなる平坦化膜（不図示）を形成して支持基板９とした。次に、支持基板９上に、反射電極２２として、スパッタリングによりＡｇ合金を約１５０ｎｍの膜厚で形成した。Ａｇ合金からなる反射電極２２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ乃至７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射膜である。更にスパッタリングにより透明電極２３としてＩＴＯを成膜した。この後、図３で示したような隔壁１５としてポリイミド系樹脂をスピンコートしフォトリソグラフィによって所望の位置に開口部（直径２７μｍの円形開口部）を設け発光領域となる副画素を設けた。
【００４９】
この後、各有機化合物層を順次、真空蒸着法により成膜して積層した。本表示装置では各副画素１，２，３において、発光層２６から反射電極２２までの光学膜厚が、各発光色波長の３／４に相当するように正孔輸送層２５の膜厚を変えた。青色は蛍光材料を、緑色及び赤色に関してはより高い内部量子効率が期待できる燐光材料を発光層２６の発光ドーパントとして用いた。各副画素の有機化合物層のうち最も屈折率の高い層の屈折率は、青色副画素が１．８６、緑色副画素が１．８０、赤色副画素が１．７８であった。
【００５０】
次に透明電極２０として、ＩＺＯをスパッタリングにより成膜した。その後ＣＶＤ法により窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜を４．３μｍの厚さで成膜した。このＳｉＮ膜の屈折率は４５０ｎｍ（青色領域）で１．８９、５２０ｎｍ（緑色領域）で１．８８、６２０ｎｍ（赤色領域）で１．８６であった。よって、いずれの副画素においても有機化合物層よりも屈折率が高かった。このＳｉＮ膜上にヘキサメチルジシラザンをスピンコートして表面を改質した後、フォトレジストのＡＺ１５００をスピンコートし、厚さが約３．３μｍの膜厚を得た。これをマスクアライナーＭＰＡ−６００ＦＡを用いてフォトリソグラフィ工程により露光を行った。次いでＡＺ３１２ＭＩＦ現像液によって現像を行いレジストパターンを得た。１００℃で３分間のポストベークを行った。これを四フッ化炭素と酸素によるドライエッチによりレジストパターンごとＳｉＮをエッチングすることで副画素を取り囲むリング形状をもつ光取り出し構造物７として加工した。最終的な構成としては有機化合物層よりも屈折率の高い膜厚１．０μｍの高屈折率透明層１０の上に、光取り出し構造物７であるリング状構造が形成され、その高さは３．３μｍであった。また、リング状構造の底面の幅は１１．５μｍ、断面形状は頂角１２０°の三角形で、底角は内側３０°、外側３０°であった。
【００５１】
このような素子構造において、導波距離を上述のように実験的に求めた。赤色副画素からの発光の様子を光学顕微鏡で観察したところ、通電領域と非通電領域の境界から離れるにつれて、輝度が低下し、最終的には光が減衰しきって視認できなくなっていることがわかった。赤色以外の緑色と青色も同様の方法で観察し、境界線からの導波距離を測定した。
【００５２】
測定した導波距離は赤色が一番長く３０μｍ、次いで緑色が１３μｍ、最短が青色の７μｍであった。尚、光取り出し構造物７であるリング状構造は一重に副画素を取り囲んでいるだけであるが、リング状構造の外周部で既に発光強度はリング状構造がない場合と比較して１／１０程度まで低下する。つまり、リング状構造は光取り出し効果が高く、高屈折率透明層１０を導波する光を効率よく空気側に取り出すことができるため、リング状構造を通過した段階で導波光は大きく減少し導波距離が短くなることを示している。また、色によって導波距離が異なるのは高屈折率透明層１０に用いたＳｉＮが各色に対して異なる吸収係数を持つためである。つまり、ＳｉＮは赤色に対しては吸収を持たないが、緑色から青色と短波長になるにつれ大きな吸収を示すためである。
【００５３】
図２（ｂ）のような画素レイアウトにおいて、例えば、画素４ａに属する青色副画素１に注目する。すると、画素４ａとは異なる画素に属する最近接の副画素は画素４ｂに属する緑色副画素２と赤色副画素３及び画素４ｃに属する緑色副画素２と画素４ｄに属する赤色副画素３の４つがある。
【００５４】
従って、互いに異なる画素に属する副画素間で混色によるにじみが発生しないようにするためには、次のように設定する。即ち、異なる画素に含まれる青色副画素１と赤色副画素３との間の距離を青色の発光の導波距離と赤色の導波距離の和である３７μｍ以上に設定する。さらに青色副画素１と緑色副画素２との間の距離を青色の導波距離と緑色の導波距離の和である２０μｍ以上に設定する。尚、表示装置の解像度は高いほうが望ましいので、異なる画素に含まれる青色と赤色の副画素間距離を３７μｍ、青色と緑色の副画素間距離を２０μｍと導波距離の和と等しくとればよい。
【００５５】
また、各色の副画素間距離を全て等しくしたい場合は、導波距離の和の組み合わせの中で最大である３７μｍを副画素間距離とした画素配置とすればよい。本実施例では、画素内及び隣り合う画素同士での副画素間距離を全て３７μｍとして表示装置を試作した。
【００５６】
以上のように作製した表示装置のにじみ程度を確認するために、青空を背景に人物の画像を表示し皮膚などの白色系の部位の輪郭部の発光色を確認した。本実施例によって得られた表示像の人物の輪郭部にはにじみに由来する発光色の変化は見られなかった。
【００５７】
また、本実施例における光取り出し効率についてはリング状光取り出し構造物が無かった場合の２倍程度、正面輝度は３倍程度に向上していた。発光強度は主に発光する正面方向に増加が見られた。
【００５８】
（比較例１）
副画素間距離を全て２０μｍとした以外は実施例１と同じ構成の表示装置を実施例１と同様な製造プロセスで作製した。得られた表示装置のにじみ程度を実施例１と同様にして確認したところ、表示像の人物の輪郭部にはにじみに由来する発光色の変化が見られ、青紫色のにじみが輪郭部に視認された。一方で、光取り出し効率については光取り出し構造物７であるリング状構造が無かった場合の２倍程度、正面輝度は３倍程度に向上していた。発光強度は主に発光する正面方向に増加が見られた。
【００５９】
（実施例２）
実施例２として図６に示す矩形の画素レイアウトと各副画素の外周を取り囲むように光取り出し構造物７を配置する以外は実施例１と同様の構成の表示装置を、実施例１と同様の方法で試作した。図６（ａ）は本例の上面模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）の線分ＡＢの断面模式図を示す。尚、最終的に光取り出し構造物７は実施例１と同様に膜厚１．０μｍの高屈折率透明層１０の上に、光取り出し構造物７として、高さ３．３μｍ、底面の幅１１．５μｍのリング状構造を形成した。
【００６０】
図６のような画素レイアウトにおいて、例えば、右上の画素４の赤色副画素３に注目する。すると、この画素とは異なる画素に属する最近接の副画素は、紙面左の画素に属する青色副画素１と紙面下の画素に属する赤色副画素３、また、不図示ではあるが紙面上の画素に属する赤色副画素の３つがある。
【００６１】
矩形画素レイアウトにおいても実施例１と同様に各色の導波距離を求めたところ、導波距離は赤色が最も長く、次いで、緑色、青色と短くなっていった。最も長い導波距離を有する発光の赤色副画素３を画素の左端に配置したレイアウトでは、この赤色副画素３から見て左の画素に属する青色副画素１の発光の導波距離と赤色副画素３の発光の導波距離の和以上に画素間距離Ｐxをとる。これによって混色にじみが抑制される。しかしながら、この構成は、画素間距離Ｐxが大きくなり、表示装置の解像度の観点から好ましくない。
【００６２】
そこで、最も長い導波距離を有する発光の赤色副画素３を画素４の中心におくことにより、同じ画素４に属する赤色副画素３と青色副画素１との距離と赤色副画素３と緑色副画素２との距離だけ横方向の画素間距離Ｐxを短縮化することができる。当該構成は表示装置の解像度の観点から好ましい。実際に赤色副画素３を画素の中心に配置するレイアウトにしたところ、画素間距離Ｐxを３７μｍ未満とした場合でも、２０μｍ以上であれば特に問題なく、にじみが観察されない表示装置が得られた。尚、Ｐyについては赤色副画素３同士が隣り合うため、赤色副画素３の発光の導波距離の２倍以上である６０μｍ以上が好ましい。
【符号の説明】
【００６３】
１：青色副画素、２：緑色副画素、３：赤色副画素、４：画素、７：光取り出し構造物、１０：高屈折率透明層、１６乃至１８：有機化合物層、２６：発光層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ＥＬ素子を備えた表示装置に関するものであり、特に、１画素が異なる色を発光する複数の副画素からなる、フルカラー表示の表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、数ボルト程度の低駆動電圧で自己発光する有機発光素子が注目を集めている。有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子は、面発光特性、軽量、視認性といった優れた特徴を活かし薄型ディスプレイや照明器具、ヘッドマウントディスプレー、また電子写真方式プリンタのプリントヘッド用光源など発光装置としての実用化が進みつつある。
【０００３】
有機ＥＬ素子は、有機材料からなる発光層やその他の機能分離された複数の有機材料からなる層を陽極及び陰極で挟んだ構造を有しており、少なくとも一方の光出射側の電極は透明である。この積層構造ゆえに、発光層の屈折率や光出射側の媒質、最終的な光の放出の行われる空気の屈折率で決定される各界面における臨界角以上の方向に進行する光は、全反射を受けて素子内部に伝播光として閉じ込められる。伝播光は素子内部の有機化合物層及び金属電極により吸収され、外部に取り出されなくなり、光取り出し効率が低下する。
【０００４】
光取り出し効率改善を目的として、伝播光を外部に取り出すために、光出射側の表面に微細凹凸構造或いはレンズ構造など、光の進行方向を変化させ全反射条件を破る方法が多く提案されている。特に、改善効果が高い方法として、透明電極の光出射側に接して屈折率が発光層と同等以上の透明層を設け、更に、この透明層の光出射側もしくは内部に光の反射・散乱角に乱れを生じさせる領域を設ける方法が提示されている（特許文献１）。
【０００５】
この方法は、古典的なスネルの法則によれば発光層で発光した光の約８０％を占める発光層内の伝播光を、発光層よりも高屈折率である高屈折率透明層に引き込むことで、透明層内の伝播光に変換する。その伝播光を透明層の表面もしくは内部の光の反射・散乱角に乱れを生じさせる領域によって外部に取り出せるようにしている。
【０００６】
しかしながら、こうした高屈折率透明層内に光を伝播させる方法にはディスプレイなど表示装置に適用する場合に特有の課題が生じる。高屈折率透明層に導かれ光の反射・散乱角に乱れを生じさせる領域によって最終的に空気に出射する光は本来であれば全反射されていた臨界角以上の角度で進行する光を含む。従って、高屈折率透明層の厚さに起因した視差により実際の発光点とは異なる位置からの発光と認識されるため表示像のにじみの問題が発生する。これに対しては、高屈折率透明層ではないものの、光が伝播する基板の厚みを画素サイズの一定割合以下に抑える方法が提案されている（特許文献２）。
【０００７】
更に、高屈折率透明層に導かれた光が反射・散乱角に乱れを生じさせる領域に入射した際に、必ずしも一回の入射で空気側に取り出されるわけではない。反射・散乱角に乱れを生じさせる領域によって進行方向を変えた光であっても、高屈折率透明層と空気界面の臨界角以上の角度に進む光は再度、全反射を受けて高屈折率透明層内を伝播する。この結果、光は高屈折率透明層内を横方向に伝播し、いずれ全反射条件が破れた発光点とは離れた位置で空気側に出射することになるため、やはり、表示像のにじみの問題が発生する。特に透明層の屈折率が高いほど、高角度成分の光が多いため反射・散乱角に乱れを生じさせる領域に入射する回数が減少、空気側に取り出されるまでの横方向の導波距離が長くなり、問題が顕著になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２９６４２９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２２４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、有機ＥＬ素子を用いた表示装置において有機化合物層よりも高い屈折率の透明層を伝播する伝播光を効率的に外部に取り出しながらも、表示装置にとって問題となる表示像のにじみを低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の表示装置は、有機ＥＬ素子の光出射側の透明電極に隣り合う有機化合物層よりも高い高屈折率透明層に光取り出し構造を設けることでより多くの光が素子内部から取り出されるような画素からなる表示装置である。本出願人等は、高屈折率透明層を横方向に伝播する光の導波距離に着目し、本発明を達成した。
【００１１】
即ち本発明は、異なる色を発光する複数の副画素を有する画素を複数備え、
前記副画素がそれぞれ、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された発光層を含む有機化合物層とを有する有機ＥＬ素子を備えた表示装置であって、
前記有機ＥＬ素子の光出射側に前記有機化合物層よりも屈折率の高い高屈折率透明層を有し、
前記高屈折率透明層は光取り出し構造物を有し、前記光取り出し構造物が各副画素上にはなく各副画素の外周部を取り囲んで設けられ、
隣り合う二つの画素に含まれる最近接の副画素間の距離が、それぞれの副画素の発光の導波距離の和以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光取り出し効率を向上させつつ表示像のにじみが低減された表示装置を提供できる。光取り出し効率の向上により全方位に対して輝度が上昇するため、低消費電力の表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の表示装置の一実施形態の画素の平面レイアウトを示す上面模式図である。
【図２】本発明の表示装置の一実施形態の光取り出し構造物の平面レイアウトを模式的に示す図である。
【図３】本発明の表示装置の好ましい実施形態の断面模式図である。
【図４】本発明の表示装置の好ましい実施形態の有機ＥＬ素子の断面模式図である。
【図５】本発明に係る発光の導波距離の説明図である。
【図６】本発明の表示装置の他の実施形態の構成を示す上面模式図と断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
有機ＥＬ素子は、第１電極上に発光領域を備えた発光層を含むいくつかの有機化合物層と第２電極とを有している。そして、該第１電極と第２電極間に電圧を印加して有機化合物層に注入された正孔と電子が再結合する際に生じるエネルギーを利用して発光する素子である。第１電極と第２電極の一方は反射電極であり、他方は透明電極である。また、第１電極と第２電極の一方は陽極、他方は陰極である。本発明の表示装置は、第１電極として反射電極を支持基板上に形成し、透明電極側から発光を取り出す。本発明の表示装置は、有機ＥＬ素子内で発光した光を効果的に外部に取り出すために、透明電極に隣接して有機化合物層よりも高い屈折率を有する高屈折率透明層が設けられ、更に、該高屈折率透明層に隣接して光を取り出すための光取り出し構造物が配置されている。係る構成により、発光層からの光は全反射せずに光取り出し構造物まで達し、効果的に外へ取り出されることになる。
【００１５】
本発明においては、前記光取り出し構造物が副画素上にはなく、各副画素の外周部を取り囲んで設けられていることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、互いに異なる画素に属する最近接の副画素間の距離が互いの副画素の発光の導波距離の和以上となることを特徴としている。これにより、隣り合う画素間同士の混色で発生する表示像のにじみを抑制することができる。
【００１７】
以下、本発明の発光装置の実施の形態について説明する。図１（ａ）は、本発明の表示装置の一実施形態の画素の平面レイアウトを示す。本実施形態では、青、緑、赤の光の三原色をそれぞれ発光する副画素１，２，３により一つの画素４が形成されている。ここで画素４は少なくとも３つの副画素１，２，３と２つの副画素間領域５からなる。一方、画素間領域６は隣り合う二つの画素４の間の領域であり、より詳しく言えば、隣り合う画素間にそれぞれ含まれる副画素１と３の間、１と１の間、２と２の間、３と３の間の領域のことである。また、画素間領域６のＸ方向とＹ方向の距離をＰxとＰyと定義しておく。また、図１（ｂ）は本発明の表示装置の一実施形態の画素の平面レイアウトの別例を示したものであり、画素が三角格子様に配置されたものである。この場合も副画素間の距離を定義することができる。例えば、副画素１と副画素２の中心線上にあってその端部間の距離をＰ12と定義する。同様に副画素１と副画素３間の距離はＰ13、副画素２と副画素３間の距離はＰ23と定義する。以下では、三角格子様に配置されたレイアウトをもとに実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図２は、図１（ｂ）の表示装置に設けた光取り出し構造物７の平面レイアウトを示す図である。本発明の表示装置では、図２に示すように副画素１，２，３の発光領域上には光取り出し構造物７がなく、光取り出し構造物７は発光領域の外周を取り囲んで設けられている。光取り出し構造物７は、図２（ａ）のように複数の円錐状構造が発光領域の外周を取り囲んでいてもよく、或いは図２（ｂ）のように、円錐状構造が一つなぎになった、一つのリング状構造が一重に発光領域の外周を取り囲んでいてもよい。
【００１９】
本発明の表示装置では副画素１，２，３の発光領域は後述する支持基板側に形成された、パターニングされた電極の面積で決まる。その場合、表示装置は図３に模式的に示すような断面構造になる。この場合は後述する反射電極１９の電極面積がそれぞれの副画素１，２，３の領域となる。
【００２０】
また、図３の構成では、画素間のクロストーク、ショート、電極配線の断線などの回避、又は電極間を絶縁して発光領域を限定するために、隔壁１５を設けているが、なくても構わない。図３の場合、それぞれの副画素に隔壁１５によって設けられた開口部が図１の副画素１，２，３に対応する。
【００２１】
各副画素１，２，３は、それぞれの発光色を発光する有機ＥＬ素子からなる。図３においては、支持基板９上にそれぞれ第１電極として反射電極１９を有し、該反射電極１９上に有機化合物層１６，１７，１８を備え、さらに光出射側に第２電極として透明電極２０を備えている。有機化合物層１６，１７，１８はそれぞれ、副画素１，２，３の発光色に応じた発光を行う発光層を備えている。透明電極２０は表示領域全体にわたって連続して形成されており、有機化合物層１６，１７，１８よりも屈折率の高い高屈折率透明層１０を有している。そしてさらに、高屈折率透明層１０は光取り出し構造物７を備えている。
【００２２】
各副画素１，２，３に用いられる有機ＥＬ素子の断面構造の構成例を図４に示す。支持基板９上に設けられた第１電極として反射電極２２及び透明電極２３と、第２電極としての透明電極２０との間に、発光層を含むいくつかの有機化合物層があり、発光効率、駆動寿命、光学干渉などの観点から様々な積層構成があることはよく知られている。尚、図３では第１電極として反射電極１９のみを示したが、図４の構成では第１電極を反射電極２２と透明電極２３とで構成しており、本発明では反射性を有する電極構成であればいずれの構成でも構わない。
【００２３】
図４の例では、図３の有機化合物層１６，１７，１８として、正孔注入層２４、正孔輸送層２５、発光層２６、電子輸送層２７、電子注入層２８を設けた構成を示す。本発明は、各層に含まれる材料には限定されない。例えば、発光層２６を構成する材料は、蛍光材料、燐光材料のいずれでもよく、ホスト材料、発光材料の他に、少なくとも一種類以上の化合物が素子性能向上のために含まれていてもよい。また、正孔輸送層２５は電子ブロック層として機能してもよく、電子輸送層２７は正孔ブロック層として機能してもよい。
【００２４】
有機化合物層１６，１７，１８のうち、発光層２６の発光位置と反射電極２２の反射面との間の膜厚を調節することで、発光層２６内部の放射分布を制御することができる。表示装置としては特に正面方向の輝度が高くなるように各有機化合物層の膜厚を設定することで、光学干渉により発光色も制御され、より高効率に正面方向に光が放出されるようになる。より具体的には、発光層２６の発光位置から透明電極２１と反射電極２２の界面までの光学距離を発光波長のｎ／４（ｎ＝１、３、５、・・・）に調整することで、発光層２６から光取り出し方向に向けた正面輝度をより高めることができる。
【００２５】
光取り出し効率を高めるためには反射電極２２の反射率はより高い方が好ましい。例えば、反射電極２２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）電極よりも銀（Ａｇ）電極の方が好ましい。更に反射率を高める手段として誘電多層膜ミラーのように屈折率の異なる層を積層する手法を用いてもよい。
【００２６】
図４の例では第２電極に透明電極２０を用いることで素子内に発光が閉じ込められなくなり、この透明電極２０に隣接して高屈折率透明層１０を設けることで、閉じ込め及び全反射することなく、光取り出し構造物７へ光が取り出されてくる。即ち、高屈折率透明層１０と空気或いは別の媒体などとの間で起こる全反射を光取り出し構造物７を設けることで回避し、効果的に内部の光を外部に取り出すことができる。このようにして、有機ＥＬ素子の光取り出し効率は通常２０％程度と言われるものが飛躍的に向上する。
【００２７】
また第２電極の透明電極２０に代わって金属薄膜などの半透明電極を用いてもよい。その場合は第２電極の反射率が上昇し、光学共振器としての特性が発現してくる。しかしながら発光層２６からの高角度放射光成分の発生は、程度は少なくても発生している。ゆえに、透明電極２０に比べて光取り出し効率の増加は小さいが効果はあるといえる。第２電極が透明かどうかそのものに特に限定されるものではない。
【００２８】
高屈折率透明層１０は水蒸気や酸素などのガスの侵入に対するバリア層として用いてもよい。バリア層として機能するには用いる材料にもよるが、数μｍ程度の膜厚であればよいが、０．５μｍ以上６．０μｍ以下の範囲である。好ましい膜厚は光取り出し構造物７のサイズにもよるため、規定する必要はない。高屈折率透明層１０の膜厚が６．０μｍより大きいと該高屈折率透明層１０中を長距離伝播し易くなり、隣の画素４上の光取り出し構造物７から光が取り出されやすくなるので好ましくない。高屈折率透明層１０の膜厚は、光取り出し効率の向上という点では、より好ましくは０．５μｍ以上１．０μｍ以下である。
【００２９】
有機化合物層１６，１７，１８の屈折率は材料によっても変化するが、概ね青の発光領域で１．６乃至２．０、緑では１．５乃至１．９、赤では１．５乃至１．８程度である。従って高屈折率透明層１０は、青、緑、赤の各発光領域それぞれで少なくとも有機ＥＬ素子に用いる有機化合物層１６，１７，１８よりも高い屈折率であればよい。
【００３０】
また、高屈折率透明層１０としては、バリア層としても十分機能する窒化ケイ素膜（ＳｉＮx）を用いるが、酸化チタン、酸化亜鉛など他材料でも上述の光学特性を満たす材料であれば適宜選択することができる。窒化ケイ素膜の元素組成及び元素組成比は特に限定されるものではなく、窒素、ケイ素を主成分としてその他の元素が混合されていてもよい。窒化ケイ素膜を得る成膜プロセスとしてはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられる。窒化ケイ素膜は成膜条件、例えば基板温度や成膜速度などによっても、光学定数は変化するが、本発明においては有機化合物層１６，１７，１８よりも高い屈折率を有する透明層であればよい。高屈折率透明層１０の光透過率は、可視光域で８５％以上が好ましく、より好ましくは９０％以上である。
【００３１】
本発明に係る光取り出し構造物７は高屈折率透明層１０を直接加工して形成されてもよい。或いは、上述の構成では有機化合物層を作製後、高屈折率透明層を成膜しその上に光取り出し構造物７を作製する方法を示したが、次の別形態での実施も可能である。つまり、支持基板９上に予め所望の光取り出し構造物７と同様の形状（例えば後述のリング形状）を形成しておき、その上に有機化合物層１６，１７，１８及び透明電極２０を順次形成していけば、この形状に沿って有機膜と透明電極が成膜される。その結果、最終的に所望の形状をもった高屈折率透明層１０を別途成膜した場合と同等の効果を持つ構造を得ることができる。なぜなら透明電極２０として一般的なＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）は有機化合物層１６，１７，１８よりも屈折率が大きいためである。つまり、予め基板上に作製しておいた形状と有機膜／透明電極の積層構造が光取り出し構造として機能することになる。従って、以下では光取り出し構造物７は高屈折率透明層１０を直接加工して実施する方法について詳細に説明するが、ここに記した別形態を採用してもよい。
【００３２】
光取り出し構造物７は少なくとも光取り出し方向に対して凸な形状であって、その断面形状は三角形、台形、或いは多角形でありそれらの足し合わせからなるものであってもよい。このような構造物があると画素上に取り出されないような高角度放射成分の光が進入してきた際に、内部反射を利用した光変角によって、さまざまに任意角度の光を強めることができる。同時に光取り出し効率も向上する。特に頂角１２０乃至１３５°の二等辺三角形の断面形状、のものであれば正面輝度の光取り出し効率を効果的に高めることができる。本発明ではさらに二つの底角が２５°前後のものが正面輝度をより高められるため、ディスプレイ用途として好ましい。このようにして、有機ＥＬ素子の光取り出し効率は通常２０％程度と言われるものが飛躍的に向上する。また、副画素１，２，３が円形の場合の各外周部を囲うようにリング状の光取り出し構造物７が配置された構成であることが望ましい。
【００３３】
該光取り出し構造物７及び予め支持基板上に作り込む所望の形状を持つ構造物の製造方法については、特に限定するものではない。例えばフォトリソグラフィによってＳｉＮxなどの膜上にレジストパターンを形成後、ドライエッチを行って所望の構造に形成してもよい。また、ナノインプリントによって所望のモールドのパターンをＳｉＮ上に転写した後、ドライエッチによってＳｉＮxを加工してもよい。
【００３４】
画素４内部の副画素２と副画素３の間の副画素間領域５上に光取り出し構造物７が設けられていると、該副画素間領域５に隣り合った副画素から発光した光は高屈折率透明層１０を伝播して互いの副画素に侵入し取り出されることになる。しかしながら、画素４内の光取り出し構造物７によって起こる混色、例えば、青、緑、赤の間での混色は階調制御された色同士の加法混色なので、所望の色度を得るための制御に対して影響は与えない。むしろ隣り合う副画素へ伝播した光が取り出させるため取り出し効率が向上するという利点がある。
【００３５】
一方、画素間領域６上に設けられた光取り出し構造物７からは、それぞれ別の階調制御された副画素の発光が混ざり合うことになる。例えば互いに異なる画素４に含まれ、画素間領域６を挟んで隣り合う赤色副画素３と青色副画素１の混色は、それぞれの副画素の階調制御が取り出したい発光色に合わせたものにならないため、全く意図しない加法混色された光として取り出される。
【００３６】
ここでＭａｃＡｄａｍの偏差楕円を例にとって考える。緑は赤や青よりも色度ずれに対して鈍感であり、青は色度ずれに対しては非常に敏感である。よって、図１の構成において発光色が青色の青色副画素１を例にとって表示像のにじみについて説明する。青色副画素１への他色の異なる階調制御された副画素からの光の侵入は青の色度ずれにつながる。この時、青色副画素１の色は所望の色度で発光しているが、隣り合う画素間領域６上の光取り出し構造物７によって取り出される発光色は隣の赤色副画素３の色が混ざった色度のずれた発光である。ゆえに、青色副画素１上は所定の青に近いが画素間領域６上に所定の青色とは違う色が認識される。青色副画素１は赤色が混ざった発光色で認識されることになり、色がにじむことになる。また、画素間領域６では、画像を表示するための画素単位の所定の階調制御に対する色度のずれが起こるため表示された画像のエッジ部のにじみにつながる。尚、画素４内での副画素の配置が、青色副画素１，赤色副画素３，緑色副画素２の順であれば、画素間領域６において、該画素間領域６を挟んで隣り合う青色副画素１と緑色副画素２の混色が生じる。
【００３７】
このように、光取り出し効率を向上させるために高屈折率透明層１０を導入した表示装置では、光が高屈折率透明層１０内を横方向に長距離伝播する結果、発せられた光は隣り合う画素にまで達し、にじみの原因となる。
【００３８】
本発明においては、このにじみを抑制するために画素間領域の幅を光の導波距離以上に設定した。ここで導波距離とは、発光層で発光された発光が高屈折率透明層１０を横方向に光が高屈折率透明層１０と空気層界面において全反射しつつ減衰しながら伝播し、輝度がゼロに漸近する距離と定義する。輝度がゼロに漸近することは、発光点で輝度の１％以下になることをいう。導波距離は、有機ＥＬ素子の構造や材料（例えば反射電極の反射率や有機層の吸収係数）など多くの因子によって決まる。
【００３９】
第１の因子は、高屈折率透明層１０中を伝播する光のある波長に対する高屈折率透明層１０の屈折率と吸収係数である。特に吸収係数は導波距離に顕著に影響を与える。なぜなら、伝播光は高屈折率透明層１０を全反射しながら複数回通過するので、例え小さな吸収係数であっても、減衰が大きくなり、導波距離が短くなるからである。
【００４０】
第２の因子は、高屈折率透明層１０に備えられた光取り出し構造物７の形状、屈折率、数密度が挙げられる。光取り出し構造物７の機能は高屈折率透明層１０から空気側に光が出射する際に全反射で高屈折率透明層１０側に光が逆戻りするのを回避し、空気側に取り出すことである。従って、この光取り出し構造物７の数密度が小さい場合、光が光取り出し構造物７に衝突する単位距離当たりの回数が減少する。結果として、光は空気側に取り出されることなく高屈折率透明層１０に向かって全反射される頻度が上昇し、導波距離が長くなる。また、光取り出し構造の形状によっても導波距離は変化することになる。
【００４１】
こうした主たる因子を用いて計算機による光学シミュレーションで、伝播光が減衰する様子を計算することも可能ではある。光学シミュレーションとしては、光線追跡法やＦＤＴＤ法などがあるが、計算できる高屈折率透明層１０の膜厚や光取り出し構造物７のサイズなど計算できる範囲は限られている。そのため、任意の形状の光取り出し構造物７や素子構造で導波距離を必ずしも算出できるものではない。
【００４２】
そこで、本発明においては、導波距離を実験で求めることとする。図５を参照しながら具体的に説明する。支持基板９上に発光層を含む有機化合物層１６，１７，１８、さらにその上に光取り出し構造物７を備えた高屈折率透明層１０を考える。円形の発光領域５１を対象として、その通電領域と非通電領域の境界線５２の正面発光輝度を１と規格化する。図中矢印で示した光は高屈折率透明層１０を伝播しながら、光取り出し構造物７によって空気層側に出射、或いは、吸収されていくうちに減衰し、やがて、その輝度はゼロに漸近する。実験的には図中右の光取り出し構造物７から任意の距離で高屈折率透明層１０上に光強度検出用のディテクターとして同じ形状の光取り出し構造物８を設ける。そして、この光取り出し構造物８における出射光の強度を観察すれば、輝度がゼロに漸近、つまり境界線５２の正面発光輝度の１％にまで強度が減衰した時の距離を求めることができ、これを導波距離（Ｌ）とする。
【００４３】
有機ＥＬ素子を備えた表示装置においては、例えば図１（ｂ）に例示したような発光領域即ち副画素１，２，３が青色、緑色、赤色ごとに配置されている。例えば、各色の副画素について、導波距離を求め、青色、緑色、赤色それぞれの発光の導波距離がＬB、ＬG、ＬRとなったとする。第１の画素内の赤色副画素３と、第２の画素内の青色副画素１が隣りあう（最近接する）配置である場合、にじみを抑制するには、これら副画素間の距離を、赤色副画素の発光の導波距離（ＬR）と青色副画素の発光の導波距離（ＬB）の和よりも大きくすればよい。しかしながら、係る副画素間距離を大きくとると、表示装置の解像度が低下するので、より好ましくは、赤色副画素の発光の導波距離と青色副画素の発光の導波距離の和が副画素間距離と等しい方がよい。
【００４４】
尚、本発明の表示装置を駆動するための回路、配線などは特に規定するものではなく、必要な性能を得るために所望の設計を施し具備してよい。
【００４５】
また、本発明の表示装置では光取り出し構造は素子内部に閉じ込められる光を外に取り出すためのものであり、該光取り出し構造上にさらにガラスキャップや板ガラスなどの封止ガラスで封止してもよい。該封止ガラス上には色度の改善のためカラーフィルタや、外光反射低減のために円偏光板を具備してもよい。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００４７】
（実施例１）
実施例１として、有機ＥＬ素子が図４の断面構造を持ち、図２（ｂ）のように画素、副画素及び光取り出し構造物がレイアウトされた構成の表示装置を、以下に示す方法で作製した。即ち、本例の表示装置は、複数の画素を有し、各画素が複数色（青色副画素１、緑色副画素２、赤色副画素３）の副画素からなり、副画素それぞれが有機ＥＬ素子を備えている。
【００４８】
本例では、先ず、ガラス基板上に、低温ポリシリコンからなるＴＦＴ駆動回路（不図示）を形成し、その上にアクリル樹脂からなる平坦化膜（不図示）を形成して支持基板９とした。次に、支持基板９上に、反射電極２２として、スパッタリングによりＡｇ合金を約１５０ｎｍの膜厚で形成した。Ａｇ合金からなる反射電極２２は、可視光の波長域（λ＝３８０ｎｍ乃至７８０ｎｍ）で分光反射率８０％以上の高反射膜である。更にスパッタリングにより透明電極２３としてＩＴＯを成膜した。この後、図３で示したような隔壁１５としてポリイミド系樹脂をスピンコートしフォトリソグラフィによって所望の位置に開口部（直径２７μｍの円形開口部）を設け発光領域となる副画素を設けた。
【００４９】
この後、各有機化合物層を順次、真空蒸着法により成膜して積層した。本表示装置では各副画素１，２，３において、発光層２６から反射電極２２までの光学膜厚が、各発光色波長の３／４に相当するように正孔輸送層２５の膜厚を変えた。青色は蛍光材料を、緑色及び赤色に関してはより高い内部量子効率が期待できる燐光材料を発光層２６の発光ドーパントとして用いた。各副画素の有機化合物層のうち最も屈折率の高い層の屈折率は、青色副画素が１．８６、緑色副画素が１．８０、赤色副画素が１．７８であった。
【００５０】
次に透明電極２０として、ＩＺＯをスパッタリングにより成膜した。その後ＣＶＤ法により窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜を４．３μｍの厚さで成膜した。このＳｉＮ膜の屈折率は４５０ｎｍ（青色領域）で１．８９、５２０ｎｍ（緑色領域）で１．８８、６２０ｎｍ（赤色領域）で１．８６であった。よって、いずれの副画素においても有機化合物層よりも屈折率が高かった。このＳｉＮ膜上にヘキサメチルジシラザンをスピンコートして表面を改質した後、フォトレジストのＡＺ１５００をスピンコートし、厚さが約３．３μｍの膜厚を得た。これをマスクアライナーＭＰＡ−６００ＦＡを用いてフォトリソグラフィ工程により露光を行った。次いでＡＺ３１２ＭＩＦ現像液によって現像を行いレジストパターンを得た。１００℃で３分間のポストベークを行った。これを四フッ化炭素と酸素によるドライエッチによりレジストパターンごとＳｉＮをエッチングすることで副画素を取り囲むリング形状をもつ光取り出し構造物７として加工した。最終的な構成としては有機化合物層よりも屈折率の高い膜厚１．０μｍの高屈折率透明層１０の上に、光取り出し構造物７であるリング状構造が形成され、その高さは３．３μｍであった。また、リング状構造の底面の幅は１１．５μｍ、断面形状は頂角１２０°の三角形で、底角は内側３０°、外側３０°であった。
【００５１】
このような素子構造において、導波距離を上述のように実験的に求めた。赤色副画素からの発光の様子を光学顕微鏡で観察したところ、通電領域と非通電領域の境界から離れるにつれて、輝度が低下し、最終的には光が減衰しきって視認できなくなっていることがわかった。赤色以外の緑色と青色も同様の方法で観察し、境界線からの導波距離を測定した。
【００５２】
測定した導波距離は赤色が一番長く３０μｍ、次いで緑色が１３μｍ、最短が青色の７μｍであった。尚、光取り出し構造物７であるリング状構造は一重に副画素を取り囲んでいるだけであるが、リング状構造の外周部で既に発光強度はリング状構造がない場合と比較して１／１０程度まで低下する。つまり、リング状構造は光取り出し効果が高く、高屈折率透明層１０を導波する光を効率よく空気側に取り出すことができるため、リング状構造を通過した段階で導波光は大きく減少し導波距離が短くなることを示している。また、色によって導波距離が異なるのは高屈折率透明層１０に用いたＳｉＮが各色に対して異なる吸収係数を持つためである。つまり、ＳｉＮは赤色に対しては吸収を持たないが、緑色から青色と短波長になるにつれ大きな吸収を示すためである。
【００５３】
図２（ｂ）のような画素レイアウトにおいて、例えば、画素４ａに属する青色副画素１に注目する。すると、画素４ａとは異なる画素に属する最近接の副画素は画素４ｂに属する緑色副画素２と赤色副画素３及び画素４ｃに属する緑色副画素２と画素４ｄに属する赤色副画素３の４つがある。
【００５４】
従って、互いに異なる画素に属する副画素間で混色によるにじみが発生しないようにするためには、次のように設定する。即ち、異なる画素に含まれる青色副画素１と赤色副画素３との間の距離を青色の発光の導波距離と赤色の導波距離の和である３７μｍ以上に設定する。さらに青色副画素１と緑色副画素２との間の距離を青色の導波距離と緑色の導波距離の和である２０μｍ以上に設定する。尚、表示装置の解像度は高いほうが望ましいので、異なる画素に含まれる青色と赤色の副画素間距離を３７μｍ、青色と緑色の副画素間距離を２０μｍと導波距離の和と等しくとればよい。
【００５５】
また、各色の副画素間距離を全て等しくしたい場合は、導波距離の和の組み合わせの中で最大である３７μｍを副画素間距離とした画素配置とすればよい。本実施例では、画素内及び隣り合う画素同士での副画素間距離を全て３７μｍとして表示装置を試作した。
【００５６】
以上のように作製した表示装置のにじみ程度を確認するために、青空を背景に人物の画像を表示し皮膚などの白色系の部位の輪郭部の発光色を確認した。本実施例によって得られた表示像の人物の輪郭部にはにじみに由来する発光色の変化は見られなかった。
【００５７】
また、本実施例における光取り出し効率についてはリング状光取り出し構造物が無かった場合の２倍程度、正面輝度は３倍程度に向上していた。発光強度は主に発光する正面方向に増加が見られた。
【００５８】
（比較例１）
副画素間距離を全て２０μｍとした以外は実施例１と同じ構成の表示装置を実施例１と同様な製造プロセスで作製した。得られた表示装置のにじみ程度を実施例１と同様にして確認したところ、表示像の人物の輪郭部にはにじみに由来する発光色の変化が見られ、青紫色のにじみが輪郭部に視認された。一方で、光取り出し効率については光取り出し構造物７であるリング状構造が無かった場合の２倍程度、正面輝度は３倍程度に向上していた。発光強度は主に発光する正面方向に増加が見られた。
【００５９】
（実施例２）
実施例２として図６に示す矩形の画素レイアウトと各副画素の外周を取り囲むように光取り出し構造物７を配置する以外は実施例１と同様の構成の表示装置を、実施例１と同様の方法で試作した。図６（ａ）は本例の上面模式図、図６（ｂ）は図６（ａ）の線分ＡＢの断面模式図を示す。尚、最終的に光取り出し構造物７は実施例１と同様に膜厚１．０μｍの高屈折率透明層１０の上に、光取り出し構造物７として、高さ３．３μｍ、底面の幅１１．５μｍのリング状構造を形成した。
【００６０】
図６のような画素レイアウトにおいて、例えば、右上の画素４の赤色副画素３に注目する。すると、この画素とは異なる画素に属する最近接の副画素は、紙面左の画素に属する青色副画素１と紙面下の画素に属する赤色副画素３、また、不図示ではあるが紙面上の画素に属する赤色副画素の３つがある。
【００６１】
矩形画素レイアウトにおいても実施例１と同様に各色の導波距離を求めたところ、導波距離は赤色が最も長く、次いで、緑色、青色と短くなっていった。最も長い導波距離を有する発光の赤色副画素３を画素の左端に配置したレイアウトでは、この赤色副画素３から見て左の画素に属する青色副画素１の発光の導波距離と赤色副画素３の発光の導波距離の和以上に画素間距離Ｐxをとる。これによって混色にじみが抑制される。しかしながら、この構成は、画素間距離Ｐxが大きくなり、表示装置の解像度の観点から好ましくない。
【００６２】
そこで、最も長い導波距離を有する発光の赤色副画素３を画素４の中心におくことにより、同じ画素４に属する赤色副画素３と青色副画素１との距離と赤色副画素３と緑色副画素２との距離だけ横方向の画素間距離Ｐxを短縮化することができる。当該構成は表示装置の解像度の観点から好ましい。実際に赤色副画素３を画素の中心に配置するレイアウトにしたところ、画素間距離Ｐxを３７μｍ未満とした場合でも、２０μｍ以上であれば特に問題なく、にじみが観察されない表示装置が得られた。尚、Ｐyについては赤色副画素３同士が隣り合うため、赤色副画素３の発光の導波距離の２倍以上である６０μｍ以上が好ましい。
【符号の説明】
【００６３】
１：青色副画素、２：緑色副画素、３：赤色副画素、４：画素、７：光取り出し構造物、１０：高屈折率透明層、１６乃至１８：有機化合物層、２６：発光層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる色を発光する複数の副画素を有する画素を複数備え、
前記副画素がそれぞれ、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された発光層を含む有機化合物層とを有する有機ＥＬ素子を備えた表示装置であって、
前記有機ＥＬ素子の光出射側に前記有機化合物層よりも屈折率の高い高屈折率透明層を有し、
前記高屈折率透明層は光取り出し構造物を有し、前記光取り出し構造物が各副画素上にはなく各副画素の外周部を取り囲んで設けられ、
隣り合う二つの画素に含まれる最近接の副画素間の距離が、それぞれの副画素の発光の導波距離の和以上であることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
一つの前記画素に含まれる複数の副画素が青色を発光する副画素、赤色を発光する副画素、緑色を発光する副画素であり、
青色を発光する副画素、赤色を発光する副画素、緑色を発光する副画素のうち、最も導波距離が長い色を発光する副画素が画素の中心に配置されている請求項１に記載の表示装置。
【請求項１】
異なる色を発光する複数の副画素を有する画素を複数備え、
前記副画素がそれぞれ、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された発光層を含む有機化合物層とを有する有機ＥＬ素子を備えた表示装置であって、
前記有機ＥＬ素子の光出射側に前記有機化合物層よりも屈折率の高い高屈折率透明層を有し、
前記高屈折率透明層は光取り出し構造物を有し、前記光取り出し構造物が各副画素上にはなく各副画素の外周部を取り囲んで設けられ、
隣り合う二つの画素に含まれる最近接の副画素間の距離が、それぞれの副画素の発光の導波距離の和以上であることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
一つの前記画素に含まれる複数の副画素が青色を発光する副画素、赤色を発光する副画素、緑色を発光する副画素であり、
青色を発光する副画素、赤色を発光する副画素、緑色を発光する副画素のうち、最も導波距離が長い色を発光する副画素が画素の中心に配置されている請求項１に記載の表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７３７９９（Ｐ２０１３−７３７９９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２１１７（Ｐ２０１１−２１２１１７）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【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２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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