Notice: Undefined variable: fterm_desc_sub in /mnt/www/biblio_conv.php on line 353
面発光光源および液晶表示装置
説明

面発光光源および液晶表示装置

【課題】 光の取り出し効率を高めて輝度の向上を図ることができる面発光光源を提供する。
【解決手段】 本発明の面発光光源10は、透明基板12の表面12aに、透明電極13と有機EL層を含む発光層14と反射電極15の積層体でなる発光素子11が形成されており、この発光素子11が、透明基板12の表面において多面構造のプリズム構造面11Aを有している。これにより、発光層14に屈曲部をもたせ、発光層14内の全反射光を当該屈曲部から有効に取り出せるようになる。また、発光素子11を多面構造とすることにより、発光面積の増大による実質上の輝度向上が図れるようになる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子(以下「有機EL素子」ともいう)等の電界発光素子でなる面発光光源およびこれを備えた液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、液晶表示装置のバックライトには、冷陰極型の蛍光ランプが広く用いられている。冷陰極型の蛍光ランプは、発光波長域や輝度等に関しては優れた特性を有しているものの、面全体を照明するために反射板や導光板等を必要とし部品コストが嵩む、消費電力が高い等の改善すべき点がある。
【0003】
そこで近年、有機EL素子等の面発光デバイスをバックライトに用いた液晶表示装置が提案されている(例えば下記特許文献1参照)。有機EL素子は自発光素子であり、薄膜プロセスで製造でき、消費電力が低く、波長選択範囲が広い等の数多くの優れた点を有している。
【0004】
図9は有機EL素子の基本構成を示している。一般に、有機EL素子1は、ガラス基板等の透明基板2上に、陽極としての透明電極3、有機EL層を含む発光層4および陰極としての反射電極5を積層した構成となっている。透明電極3はITO(Indium Tin Oxide)膜等で形成され、反射電極5はアルミニウム膜等で形成されている。発光層4は種々の構造が知られているが、例えば、正孔輸送層6、有機EL層7、電子輸送層8の3層型で構成されている。
【0005】
このような構成の有機EL素子1においては、透明電極3と反射電極5との間に直流電圧を印可することにより、透明電極3から注入された正孔(ホール)が正孔輸送層6を経て、また反射電極5から注入された電子が電子輸送層8を経て、有機EL層7に導入される。有機EL層7では、導入された正孔と電子の再結合が生じることで所定波長の光が発生し、発生した光は透明電極3および透明基板2を介して外部へ面状に射出される。
【0006】
ところで、この種の有機EL素子1においては、以下の理由で発光層4で発生した光の取り出し効率が低いという問題がある。
【0007】
すなわち、発光層4における発光効率は、正孔と電子の再結合により励起された有機EL層分子の励起状態に依存する。有機EL層の発光は、励起1重項状態からの発光(蛍光)と、励起3重項状態からの発光(燐光)に分けられる。これらの励起状態は有機分子の電子スピンの方向で決まり、その生成確率は、励起1重項状態が25%、励起3重項状態が75%と見積もられている。しかし、有機EL層7の多くは、励起3重項状態からの発光(燐光)が禁制であるため、励起エネルギーは熱エネルギーとして消失される。従って、発光層4においては、励起1重項状態からの発光のみが得られることになる。
【0008】
また、発光層4で発生した光は、陽極(透明電極)3および透明基板2を通して外部へ取り出される。しかし、発光層4と透明電極3、透明基板2および空気層の屈折率の影響を受けて、図10に示すように、発光層4で発生した光が、発光層4と透明電極3との界面における全反射作用および透明電極3と透明基板2との界面における全反射作用によって、外部への出射効率が低下する。例えば発光層4の屈折率を1.7とした場合、取り出し効率は20%以下になってしまう。
【0009】
このような問題を解決するため、従来の有機EL素子においては、
(1)光の取り出し側にプリズムや半円柱状のマイクロレンズを形成する(下記特許文献2,3参照)、
(2)透明基板と発光層の間に回折格子等の光学素子を設ける(下記特許文献4参照)、(3)発光層内に光を拡散させる粒子を分散したり発光層に隣接して光拡散層を設ける(下記特許文献5参照)、
(4)透明基板と発光層の間に低屈折率層を設ける(下記特許文献6参照)、
(5)発光層を反射層とハーフミラーで挟みキャビティ効果を生じさせる(下記特許文献7参照)等の方法で、光の取り出し効率を高める試みがなされている。
【0010】
【特許文献1】特開平10−125461号公報
【特許文献2】特許第2670572号公報
【特許文献3】特開2004−227929号公報
【特許文献4】特許第2991183号公報
【特許文献5】特開平11−329742号公報
【特許文献6】特開2003−77647号公報
【特許文献7】特開平9−190883号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、上記(1)および(4)の方法では、透明基板中での全反射光の取り出しには有効であるが、発光層内での全反射光に対する効果はない。また、(2)では陽極と発光層の界面の加工に問題があり、実施が難しいという問題がある。
【0012】
さらに、上記(3)の発光層内に光拡散粒子を導入する方法では、平滑性と薄膜であることが要求される発光層に異物を入れることになり、素子性能の低下が懸念される。発光層に隣接して拡散層を形成する場合も表面の平滑性の問題があり、寿命等の素子性能を低下させるおそれがある。透明基板の外側に拡散層を形成する場合も、(1)のマイクロレンズを設ける場合と本質的に同じである。
【0013】
一方、上記(4)の方法では、各内層での全反射に対しては効果がなく、(5)の方法では正面方向の光取り出し効率は向上するが、見る角度により共鳴波長が変化し、色変化を起こすという問題がある。
【0014】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、光の取り出し効率を高めて輝度の向上を図ることができる面発光光源および液晶表示装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の面発光光源は、基板の表面に、透明電極と発光層と反射電極の積層体でなる発光素子が形成された面発光光源であって、上記発光素子は、基板表面において多面構造を有している。
【0016】
本発明では、発光素子を多面構造とすることにより発光層に屈曲部をもたせ、発光層内の全反射光を当該屈曲部から有効に取り出せるようにしている。これにより、光の取り出し効率が高められ、輝度の向上が図れることになる。
【0017】
また、発光素子を多面構造とすることにより、発光面積の増大による実質上の輝度向上が図れるようになる。更にこの多面体の構造を種々変更することにより、光の放射パターンをコントロールすることが可能となる。例えば、発光素子を頂角90度のプリズム構造とすることにより、正面方向の光照射強度を高めることができる。
【0018】
本発明に係る発光素子は、真空蒸着法やスパッタ法等の真空薄膜プロセスを用いて基板表面に形成することができる。そして、当該基板の表面を多面構造とすることにより、本発明に係る発光素子を容易に形成することができる。この場合、発光素子の傾斜面は、平滑な平面または曲面に形成できるので、寿命等の素子性能の低下を抑えることができる。
【0019】
本発明に係る発光素子は、傾斜面を含む多面体構造とすることにより、光の取り出し効率の改善を図ることができる。具体的に、発光素子の多面体構造には、少なくとも一方向に周期性をもつ立体構造、例えばプリズム構造、半円柱状構造、台形構造あるいはそれらの複合構造が採用可能である。また、直交する2方向に周期性をもつ三角錐、四角錐、六角錐、円錐等の錐体構造であってもよい。
【0020】
なお、本発明に係る発光素子は、有機EL素子のほか、無機EL素子といった電界発光素子、あるいは発光ダイオード等の他の自発光素子で構成することができる。
【発明の効果】
【0021】
以上述べたように、本発明の面発光光源によれば、基板上の発光素子が多面構造を有しているので、層内における全反射光を効果的に外部へ取り出すことができる。これにより、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。
また、本発明の液晶表示装置によれば、上記構成の面発光光源をバックライトに備えているので、装置の薄型化、軽量化、部品コストの低減等を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【0023】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態による面発光光源10の構成を示している。本実施の形態の面発光光源10は、例えば液晶表示装置用のバックライトに用いられる。ここで、図1Aは面発光光源10の発光素子11側から見たときの形態を模式的に示す斜視図、図1Bはその要部断面模式図である。
【0024】
面発光光源10は、透明基板12の表面12aに、陽極としての透明電極13、発光層14および陰極としての反射電極15を順に積層した構造を備えている。これら透明電極13、発光層14および反射電極15の積層体11は、本発明に係る「発光素子」を構成し、特に本実施の形態では有機EL素子を構成している。
【0025】
透明基板12には、ガラス、プラスチック等の光透過率が70%以上の透明性の基板が用いられている。プラスチック基板としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド、ポリカーボネート(PC)等を用いることができる。透明基板12はリジッド性(自己支持性)のあるものに限らず、フレキシブル性のあるもので構成されてもよい。
【0026】
透明基板12の表面12aは、傾斜面を含む多面構造を有している。特に本実施の形態では、一方向に周期性をもって形成された断面三角形状のプリズム構造に形成されている。このプリズム形状の構造面は、例えば透明基板12の表面12aを高温プレスして形成することができる。一方、本実施の形態において、透明基板12の裏面12bは、平坦な平面に形成されている。
【0027】
なお、透明基板12の表面12aは、プリズム構造に形成される場合に限らず、半円柱状構造、台形構造あるいはそれらの複合構造であってもよい。また、傾斜面を含まない凹凸形状でも構わない。
【0028】
透明電極13、発光層14および反射電極15は、透明基板12の表面12aに、真空蒸着法やスパッタ法等の真空成膜手段を用いて成膜される。これらの積層体でなる発光素子11は、透明基板12の表面12aにならって一定の膜厚で成膜されることにより、透明基板12の表面において傾斜面Pを含む多面構造のプリズム構造面11Aが形成されている。
【0029】
透明電極13は、ITO膜や酸化錫膜等の光透過性のある導電性酸化膜が用いられる。一方、反射電極15は、発光層4で発生した光を透明基板12側へ向けさせるために光反射性をもたせており、例えばアルミニウム、白金、金、クロム、タングステン、ニッケル等で形成される。
【0030】
発光層14は、例えば、正孔輸送層/有機EL層/電子輸送層でなる3層型で構成されているが、これ以外にも、単層型や、正孔注入層および電子注入層を含む5層型等の他の素子構造を採用してもよい。発光層14は基板12の表面12aにベタ状に形成されてもよいし、パターン状に分布形成されてもよい。パターン形状は特に制限されず、マス状、ストライプ状等の種々の形状が採用可能である。
【0031】
なお、発光層14は発光色に応じて材料が選定される。発光色は、白色単色光でもよいし、RGB(赤、緑、青)の各単色光でもよい。発光層14の構成材料は公知のものを用いることができ、ここではその例示を省略する。
【0032】
本実施の形態の面発光光源10においては、透明電極13と反射電極15との間に直流電圧を印加することにより、透明電極13からは正孔が発光層14へ導入され、反射電極15からは電子が発光層14へ導入される。発光層14においては、導入された正孔と電子の再結合により有機EL分子が励起され、所定波長の光が発生する。発生した光は、透明電極13および透明基板12を通じて、外部(図1Bにおいて下方)へ面状に射出される。
【0033】
本実施の形態では、発光素子11が透明基板12の表面12a上において、図1Bに示したように、頂部(稜)Tと底部(谷)Bとを有する多面のプリズム構造に形成されているので、発光層14が頂部Tと底部Bの各々に対応する部位で屈曲部が生成される。その結果、発光層14で発光した光のうち、透明電極13、反射電極15および透明基板12のそれぞれの界面において発生する全反射光は、当該発光層14の屈曲部から出射する。出射した光は隣接プリズム面を屈折透過するが、その一部は透明基板12の裏面12bで全反射した後、基板表面12aのプリズム面での反射を経て、最終的に基板裏面12bから出射される。
【0034】
以上のように、本実施の形態によれば、発光素子11の内層で全反射する光を外部へ有効に取り出すことが可能となるので、光の取り出し効率を従来よりも向上させることができる。また、発光素子11を多面構造とすることにより、発光面積の増大による実質上の輝度向上が図れるようになる。
【0035】
例えば図2は、上記構成の面発光光源10の配向特性の一例を示す輝度分布図(シミュレーション結果)である。図2には、180度方向をフィルム正面方向とし、ここから左右90度にわたって測定した輝度データが示されている。径方向の軸は輝度の大きさを示している。比較として図4Bに、図4Aおよび図9に示したような発光面が平坦な従来構造の有機EL素子1の場合における輝度分布を示す。本実施の形態によれば、正面方向の輝度向上効果が認められ、全体の発光強度を従来に比べて1.28倍高めることができることが確認された。
【0036】
なお、この例では、透明基板を厚さ1μm(屈折率1.5)、透明電極の膜厚を150nm(屈折率2.0)、発光層の膜厚を150nm(屈折率1.7)、反射電極の膜厚を150nm、基板表面12aのプリズム頂角θ(図1A参照)を90度、プリズム形成ピッチd(図1A参照)を20μmとした。
【0037】
上述した透明基板12の構成において、その表面12aに形成されたプリズムの頂角θや形成ピッチdは、その上に成膜される透明電極層13、発光層14、反射電極層15のカバレージ性を確保できる大きさであれば特に制限されない。
【0038】
具体的に、頂角θは10度以上170度以下、好ましくは30度以上150度以下、更に好ましくは40度以上140度以下とする。頂角θが10度未満ではプリズム頂部が鋭利すぎてその上に積層される透明電極と反射電極間が短絡するおそれがある。また、頂角θが170度を超えると、実質的に発光素子が平坦である場合と変わらなくなる。
【0039】
また、プリズムの頂部(稜)と底部(谷)の形成ピッチdは例えば50nm以上500μm以下の範囲で選定される。頂部(稜)と底部(谷)を連絡する傾斜面Pは平面で形成されているが、曲面でもよい。特に本実施の形態によれば、真空薄膜形成プロセスを用いて発光素子11を形成しているので、傾斜面Pを平滑面に形成でき、これにより寿命等の素子性能の低下を抑えることができる。
なお、発光素子11の各構成薄膜を成膜するに際しては、基板12を真空槽内で遊星運動させることで、面内の膜厚均一性を高めることができる。
【0040】
そして、以上の構成の面発光光源10を液晶表示装置のバックライトに適用することにより、液晶表示装置全体の薄型化、軽量化を図ることができるとともに、バックライトの部品コストの低減等を図ることができる。
【0041】
更に、上述のように基板12の表面12aをプリズム構造とする場合、例えば図3に示したように、透明基板12の表面12aと透明電極13との間に、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に複数積層した誘電体多層膜16を介在させることにより、発光層14で発光した光をP波偏光成分とS波偏光成分とに分離する偏光分離機能をもたせることができる。この場合、液晶パネルの偏光板の透過軸を出射偏光方向に平行に配置することにより、液晶パネルでの光利用効率を高めて、更なる輝度の向上が図れるようになる。
【0042】
(第2の実施の形態)
続いて図5を参照して本発明の第2の実施の形態について説明する。ここで、図5Aは本発明の第2の実施の形態による面発光光源20の発光素子11側から見たときの形態を模式的に示す斜視図、図5Bはその要部断面模式図である。なお、図において上述の第1の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0043】
本実施の形態の面発光光源20は、透明基板12の表面12aがプリズム構造を有し、この上に積層される発光素子11もまたプリズム構造面11Aを形成する点で上述の第1の実施の形態と共通する。しかし、本実施の形態では、透明基板12の裏面12bにも同様なプリズム構造を形成している点で上述の第1の実施の形態と異なっている。
【0044】
透明基板12の裏面12bをプリズム構造とすることにより、発光層14で発生し透明基板12から射出される光を、基板裏面12b側のプリズム面による屈折透過作用で正面方向に向けて出射させることが可能となる。これにより、正面方向の輝度の向上を図ることができる。
【0045】
図6は、上記構成の面発光光源20の配向特性の一例を示す輝度分布図(シミュレーション結果)である。図中実線は水平方向の輝度分布、破線は水平方向の輝度分布をそれぞれ示している。図4Bと比較して明らかなように、本実施の形態によれば正面輝度が大きく増加している。また、上記構成により、全体の発光強度が従来に比べて2.24倍高まることが確認された。
【0046】
本実施の形態では、透明基板12の裏面12bのプリズム頂角およびピッチを、その表面12a側のプリズム構造と同等に構成したが、勿論これに限られない。また、基板12の表面12a側と裏面12b側とで、プリズムの頂部と底部とが互いに逆となるような関係に両プリズム構造を形成したが、他の構成を採用してもよい。更に、表面12a側と裏面12b側とでプリズムの延在方向を直交させてもよい。
【0047】
(第3の実施の形態)
図7及び図8は本発明の第3の実施の形態を示している。ここで、図7は本実施の形態の面発光光源30の発光素子11側から見たときの形態を模式的に示す斜視図、図8はその配向特性の一例を示す輝度分布図(シミュレーション結果)である。なお、図において上述の第1の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【0048】
本実施の形態では、透明基板12の表面12a上に形成される発光素子11を、直交する2方向に周期性をもたせた四角錐形状の多面構造11Bとした点で、上述の各実施の形態と異なっている。このような構成の発光素子11Bは、下地である透明基板12の表面を同様な四角錐形状の2次元配列構造とすることで形成することができる。また、本実施の形態では透明基板12の裏面12b側にも同様な四角錐形状の二次元配列構造を形成している。
【0049】
このような構成の面発光光源30によっても上述の各実施の形態と同様な光取り出し効率の向上を図ることができ、面内輝度の向上を図ることができる。また、透明基板12の裏面12b側にも錐体形状の構造面を多数配列させることにより、取り出し光の集光性を高めて正面方向の輝度向上効果を図ることができる。図8のシミュレーション結果から、上記構成により、面内の発光強度を従来の1.89倍にまで高められることが確認された。
【0050】
なお、発光層11の多面構造11Bは、上述した例に挙げたような四角錐形状の2次元配列構造に限らず、三角錐、六角錐等の他の多角錐形状や円錐形状の2次元配列構造で形成してもよい。また、透明基板12の裏面12b側は、上述の第2の実施の形態で説明したようなプリズム構造であってもよい。
【0051】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0052】
例えば以上の実施の形態では、透明基板12上に形成した発光素子11を有機EL素子で構成したが、これに代えて、他の電界発光素子、すなわち無機EL素子で構成することも可能である。また、発光ダイオード等の他の自発光素子についても本発明は適用可能である。
【0053】
また、以上の実施の形態では、発光層14で発生した光を透明電極13および透明基板12を介して外部へ取り出すようにしたが、これに代えて、陰極15側を透明電極材料で構成することにより、光を陰極側から射出するいわゆるトップエミッション型を採用することも可能である。この場合、基板12は光透明性のものに限られない。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の第1の実施の形態による面発光光源10を模式的に示す図であり、Aは発光素子11側から見たときの斜視図、Bは要部断面図である。
【図2】面発光光源10の配向特性の一例を示す輝度分布のシミュレーション結果である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の変形例を示す要部断面模式図である。
【図4】従来の有機EL素子でなる面発光光源を説明する図であり、Aは斜視図、Bは輝度分布の一例を示すシミュレーション結果である。
【図5】本発明の第2の実施の形態による面発光光源20を模式的に示す図であり、Aは発光素子11側から見たときの斜視図、Bは要部断面図である。
【図6】面発光光源20の配向特性の一例を示す輝度分布のシミュレーション結果である。
【図7】本発明の第3の実施の形態による面発光光源30を発光素子11側から見たときの斜視図である。
【図8】面発光光源30の配向特性の一例を示す輝度分布のシミュレーション結果である。
【図9】従来の有機EL素子の構成を説明する断面図である。
【図10】従来の有機EL素子の問題点を説明する断面図である。
【符号の説明】
【0055】
10,20,30…面発光光源、11…発光素子(有機EL素子)、11A,11B…構造面、12…透明基板、12a…表面、12b…裏面、13…透明電極(陽極)、14…発光層、15…反射電極(陰極)、16…誘電体多層膜、P…傾斜面。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板表面に、透明電極と発光層と反射電極の積層体でなる発光素子が形成された面発光光源であって、
前記発光素子は、前記基板表面において多面構造を有している
ことを特徴とする面発光光源。
【請求項2】
前記発光素子は、傾斜面を含む多面構造を有している
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光光源。
【請求項3】
前記基板は光透過性のある材料で形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光光源。
【請求項4】
前記傾斜面は、平面または曲面である
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光光源。
【請求項5】
前記発光素子は、少なくとも一方向に周期性をもつ立体構造を有している
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光光源。
【請求項6】
前記基板の少なくとも表面側が傾斜面を含む多面構造を有しており、
この基板の表面に、前記発光素子が形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光光源。
【請求項7】
前記基板表面と前記発光素子との間に、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層させた誘電体多層膜が形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の面発光光源。
【請求項8】
前記発光素子は、電界発光素子である
ことを特徴とする請求項1に記載の面発光光源。
【請求項9】
前記発光素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子である
ことを特徴とする請求項8に記載の面発光光源。
【請求項10】
液晶パネルと、この液晶パネルの背面側に配置され照明光を照射する面発光光源とを備えた液晶表示装置において、
前記面発光光源は、基板表面に、透明電極と発光層と反射電極の積層体でなる発光素子が形成されてなり、
前記発光素子は、前記基板表面において多面構造を有している
ことを特徴とする液晶表示装置。



【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate


【公開番号】特開2006−351211(P2006−351211A)
【公開日】平成18年12月28日(2006.12.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−171887(P2005−171887)
【出願日】平成17年6月13日(2005.6.13)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】