JP2010123322A - 面光源素子およびそれを備えた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自発光素子からなる面発光体において、面発光体内部の吸収が比較的大きいときに、この面発光体から出射される光の利用効率を高めると共に正面輝度を向上させる面光源素子を提供する。
【解決手段】自発光素子を発光源とする面発光素子３と、面発光素子の発光面に設けられた少なくとも片面に複数の凸部１０が設けられた出射光制御シート２からなり、前記凸部１０が前記面発光素子の出射面１３に光学的に密着しており、かつ、凸部１０と接着していない出射面１３が平坦でなく、前記凸部１０と前記発光素子の出射面１３との間に形成される領域（以下、空隙部と称することがある）１１の屈折率が前記凸部１０よりも低くすることを特徴とする面光源素子１およびそれを備えた表示装置。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自発光型の面発光素子を備えた面発光体及びそれを用いた表示装置に関するものである。

近年、情報機器の多様化に伴って、消費電力が少なく、容積が小さい面発光素子のニーズが高まっている。面発光素子の中でもエレクトロルミネッセンス(ＥＬ)方式に注目が集まっている

そして、このようなＥＬ方式は、使用する材料によって無機ＥＬ素子と有機ＥＬ素子とに大別される。

ここで、無機ＥＬ素子は、一般に発光部に高電界を作用させ、電子をこの高電界中で加速して発光中心に衝突させ、これにより発光中心を励起させて発光させるようになっている。一方、有機ＥＬ素子は、電子注入電極とホール注入電極とからそれぞれ電子とホールとを発光層内に注入し、このように注入された電子とホールとを発光層内で結合させて、有機材料を励起状態にし、この有機材料が励起状態から基底状態に戻る時に発光するようになっており、無機ＥＬ素子に比べて低い電圧で駆動できるという利点がある。

また有機EL素子の場合には、発光材料を選択することによって適当な色彩に発光する発光素子を得ることができ、また発光材料を適当に組み合わせることによって白色光を得ることもでき、液晶表示素子や広告媒体などのバックライトとして利用することも期待されている。

ここで、液晶表示素子等のバックライトとして利用する場合、一般に２０００〜４０００ｃｄ／ｍ^２程度の正面輝度が必要になるが、上記のようなＥＬ素子等の面発光素子を発光させた場合、発光された光は、様々な方向に進行し、面発光素子の出射面等において全反射することで面発光素子の内部に閉じ込められる光も多く存在することから、十分な正面輝度を得ることが困難であり、特に、有機ＥＬ素子の場合においては、充分な発光寿命が得られるようにするためには、１０００〜１５００ｃｄ／ｍ^２程度の正面輝度しか得られないという問題があった。

そのため、有機ＥＬ素子等の面発光素子を発光させた場合において、その内部に閉じ込められる光を取り出して、その正面輝度を向上させるために、面発光素子の出射面に凹凸が設けるようにしたものや（例えば、特許文献１、非特許文献１）、面発光素子の出射面に凹凸が設けられた平面部材を表面に凹凸が現れるようにして取り付けたものが提案されている。（特許文献２）

しかし、上記のように面発光素子の光出射面に微小な凹凸を設けたり、面発光素子の出射面に凹凸を有する部材を粘着剤を介して貼り合わせたりするような構成にした場合、表面における凹凸によって光が散乱され、正面輝度を充分に向上させることができないという問題があった。

このような問題を解決するために特許文献３、４では、凸部形状が透光性基板出射面にむけて収縮し、先端面を透光性基板の出射面に接着させると共に、凸部と面発光素子の出射面との間に形成される空間部に、屈折率が調光シートの屈折率より低くすることによって面発光素子を備えた面発光体から出射される光の正面輝度を大きく向上させている。凸部と出射面が接着している部分に関しては光を取り出すことができ、光利用効率と正面輝度が向上するが、接着している面以外では全反射を抑制することができない。しかも接着していない面積が非常に大きいことから光は面発光素子内を何度も反射しながら徐々に光が出射されることになる。面発光体内部に吸収がなければ光は充分に取り出されるが、発光素子内部に吸収が存在する場合光の損失が大きくなり、光利用効率や正面輝度の向上率が低下する課題がある。

特開平９−６３７６７号公報 特開平５−４５５０５号公報 特開２００７−１４９５９１号公報 特開２０００−１４８０３２号公報 Journal of applied physics Volume 91, Number5 3324-3327(2002)

そこで本発明の目的は自発光素子からなる面発光体内部に吸収がある状態において、この面発光体から出射される光の利用効率を高めると共に、正面輝度を大きく向上させる面光源素子を提供することにある。

本発明の面光源素子は、自発光素子を発光源とする面発光素子と、面発光素子の発光面に設けられた少なくとも片面に複数の凸部が設けられた出射光制御シートからなり、前記凸部が前記面発光素子の出射面に光学的に密着しており、かつ、凸部と接着していない出射面が平坦でなく、前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域（以下、空隙部と称することがある）の屈折率が前記凸部よりも低くすることで得られる。
本明細書に記載の面発光素子は、片面発光、両面発光両方を含める。両面発光の場合は片面だけに出射光制御シートを貼り合せても、両面に貼り合せてもよい。

また、本発明の面光源素子は、前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域に、屈折率が前記凸部の屈折率よりも低い透光性材料を充填させてもよく、または、前記領域に空気が充填されていてもよい。

本発明の面光源素子は、前記面発光素子の出射面が、前記出射光制御シートの凸部先端と前記面発光素子の出射面の凹部の底面において密着していてもよい。

また本発明は、表示素子と上記に記載の面光源素子とを備え、該面光源素子が前記表示素子のバックライトであることを特徴とする表示装置である。

この発明にいては、前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域（空隙部）の屈折率を前記凸部の屈折率よりも低くすることによって、凸部と出射面が接着した部分において本来全反射される光が透過され、出射光制御シートの凸部の外延と空隙部との界面で反射される。反射された光は出射光制御シートの主面に対して垂直方向により近づけられることで、全反射せずに出射光制御シートから出射し、かつ、集光効果によって正面輝度が大幅に上昇する。

ここで、前記出射光制御シートの凸部と面発光素子の出射面が接着していない部分は、全体の半分以上の面積を占める。従来この部分に入射する光は、全反射して出射されない成分が非常に多くなるが、本発明においては平坦ではないため、全反射する成分が低下し、より効率よく光を取り出すことが可能となる。

また、前記面発光素子の出射面が、前記出射光制御シートの凸部先端と前記面発光素子の出射面の凹部の底面において密着していることによって、本来全反射する角度の光は、一旦低屈折率領域に出射した後、出射光制御シートの凸部に面光源素子内を進行していた角度とほぼ同じ角度で凸部内部を進行する。その後、凸部と低屈折率領域の境界で反射され、出射光制御シートの主面に対して垂直方向により近づけられることで正面輝度が上がると共に、光利用効率も大きく向上する。

さらには上記の面光源素子において、面発光素子の出射面に接着させる凸部が設けられた前記出射光制御シートの面とは反対側の面である出射面に凹凸形状を設けると、出射光制御シートの出射面における全反射が抑制されて光の利用効率がさらに向上する。

次に、この発明の実施形態に係る面光源素子について図面に基づいて説明する。なおこの発明に係る面光源素子は、以下の実施形態に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものとする。

[実施形態１]
図１に本発明の面光源素子１の概略図を示す。本発明では図１の光出射制御シート２を含まない構成を面発光素子とし、光出射制御シートを含むものを面光源素子とする。
この面発光素子３は自発光タイプの発光層５を透明電極４と反射電極６で挟み込んだ構造である。さらにこの面光源素子１は出射光制御シート２として面発光素子３の光出射面１３に対向する面に、先端側が収縮した四角錐台形状の凸部１０が２次元状に連続して形成されたシートである。先端側が収縮したとは、凸部１０を前記シートの主面に対して平行な面で切った断面積が、シート側よりも先端側で小さくなっていることをいう。凸部１０の形状は四角錐だけに限らず円錐形状等のように先端側が収縮するような形であればよい。

また光出射面１３は平坦ではなく凹凸形状１４が存在する。凹凸の形状は特に規定されず円形や楕円形、正方形、長方形、などが挙げられる。ここでの平坦でないの定義は、高さで1μｍ以上の凹凸が全面積の４０％以上あることを示す。

光出射面１２に出射光制御シート２の凸部１０の頂部が接着されることによって、凸部１０の側面と面発光素子の出射面１３の間には空隙部１１が設けられる。該空隙部１１には、通常屈折率が低い空気が充填される。空気の代わりに前記凸部１０よりも屈折率が低い材料を充填してもよい。

このような構成にすることによって、出射光制御シート２を設けない場合には面発光素子３内部で全反射されて面発光素子３の側面から出射したり発光素子内で吸収されたりして損失となっていた光が、出射光制御シート２の凸部１０と発光素子の出射面１３の接着部分から取り込まれる。取り込まれた光は凸部１０と空隙部１１の界面で、全反射され面光源素子１の主面に対して垂直方向に近づけられて出射する。

凸部１０の屈折率と空隙部１１の屈折率の差は０．２以上であることが望ましく、より望ましくは０．３以上で更に望ましくは０．４以上である。屈折率差が少ないと凸部１０と空隙部１１で全反射が起こらなくなり、面光源素子１の主面に対して垂直方向に出射光が向かなくなるため、本発明の効果が低減する。

また面発光素子３の内部に吸収がある条件では、発光素子３内を何度も反射させながら、凸部１０と面発光素子の出射面１３とが接着された部分に入射した光を取り出す場合、前記素子内で吸収されてしまう光が非常に多くなる。特に、前記凸部１０と面発光素子の出射面１３が接触していない部分が平坦な場合、該部分に入射した光はそのまま全反射されてしまうため、この傾向が顕著となる。ここで、面発光素子の出射面１１において、前記凸部１０と面発光素子の出射面１２が接触していない部分に凹凸形状１４を設けることで、該部分に入射する光の一部が全反射されずに透過する光量を多くすることができる。このため、面発光素子３内での損失を低減できる。

出射光制御シート２の凸部１０側面の傾斜角度は、図２に示す凸部１０の頂角θ１が３０°から７０°の範囲にあることが望ましく、４０°から６０°の範囲であることがより望ましい。頂角θ１が小さすぎると凸部１０の側面で全反射する光が減少し、かつ、面光源素子１の正面方向に出射される光が少なくなる傾向がある。また頂角θ１が大きすぎると、凸部１０と面発光素子素子の出射面１３とが接触する面積が小さくなり光の取り出し効率が低下する傾向にあり、また面光源素子１の正面方向に光を集光することが困難となる傾向がある。凸部１０の占める割合は、光制御シート２の８割以上であることが望ましく、また光線を最も効率よく凸部１０の先端で取り込むためには、細密状態で並べることがさらに望ましい。面発光素子の出射面１３と凸部１０の先端との界面は、光学的に接着されており空気界面はほぼ存在しない。また、上記の凸部１０の高さｈのとることができる範囲は、図２に示す凸部１０の大きさＡによって制限される。一般にこの凸部１０の高さｈが低すぎると、面発光素子の光出射面１３において出射光制御シート２を設けない場合に全反射される光が出射光制御シート２に導かれたとしても、この光が凸部１０の斜面にあたらず、出射光制御シート２の出射面１２において全反射されて戻るようになる。一方この凸部１０の高さｈが高すぎると、凸部１０が面発光素子の出射面１３と接する面積が小さくなり、出射光制御シート２に導かれる光が少なくなる。このため、この凸部１０の高さｈは凸部１０の大きさＡに対して、０．３×Ａ≦ｈ≦１．０×Ａの条件を満たすことが望ましい。

面発光素子の出射面の凹凸形状１４は特に制限はされないが、図３に示すように断面が半円形状でもよく、また台形、ピラミッド形状など、全反射を阻害する形状であればよい。また出射光制御シート２の凸部１０と面発光素子の出射面１３とが接触していない面積の７割以上に、面発光素子の出射面の凹凸形状１４が存在することが望ましい。

また、出射光制御シート２の表面形状は、スタンパまたは雌金型などを用いて、熱プレス法、紫外線硬化によるフォトポリマー法、熱硬化によるキャスト法、射出成形法などによって透明な基材上に形成することができる。該透明な基材としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン樹脂等の樹脂またはガラスが用いられる。出射光制御シート２の作製に用いるスタンパは、例えばガラス基板上にネガ型あるいはポジ型の感光性樹脂をコーティングし、この感光性樹脂を、フォトマスクを介して露光し、現像後、電鋳を行うことにより作製することができるし、切削工程によって作製することもできる。出射光制御シート２はシート状である必要はなく、フィルム状であってもよい。また、本発明における出射光制御シート２が備えた凸部１０は、１次元的配置のレンチキュラーレンズの様なパターンのほかに２次元的配置のレンズアレイタイプでもよい。

[実施形態２]
実施形態２においては、図７に示すように面発光素子の出射面が、前記出射光制御シート２の凸部１０の先端と前記面発光素子の出射面の凹部１５が密着していること以外は、実施形態１と同様である。ここで、図７に示すように、前記出射光制御シート２の凸部１０の側面と前記面発光素子の出射面１３とは接触していなのが好ましいが、空隙部１１が設けられていれば、凸部１０の側面の一部が前記面発光素子の出射面１３の一部と接触することを妨げない。図７においては、出射光制御シートの凸部１０形状が四角錐形状となり、出射面の形状は凸部１０に合わせるような四角錐形状に面発光素子の出射面の凹部１５が形成されている。凸部１０の先端と、該凹部１５の底面は光学的に接着している。また凸部１０と凹部１５の側面は、お互いに接触せず空隙部１１で隔てられている。凹部１５の形状は正確に凸部１０に対応させた形状でなくてもよく、類似した形状であればよい。

このような構成にすることによって凹部１５の底面と凸部１０の先端部分とが接触していない部分に関しても、図６に示すように出射光制御シート２が設けられていない場合は全反射していた光が、図７に示すように全反射することなく出射光制御シート２に取り込まれる。取り込まれた光の一部は凸部１０の側面で反射され面光源素子１の主面に対して垂直方向に向けられ出射光制御シートの出射面１２で全反射されることなく出射することが可能となる。これによって正面輝度と光利用効率が向上する。また前記凸部１０の形状に対応した前記凹部１５の形状が設けられているため正確な位置合わせをしなくても、凸部１０の先端と凹部１５の底面とを接着させることができ、製造が容易な利点もある。該凹部１５の頂角θ２は、該凸部凸部１０の頂角θ１と比較して±１０度以内で一致することが望ましい。θ２の角度が小さすぎると該凹部１５の底面が大きくなり、全反射を阻害する面積が狭くなる傾向がある。θ２の角度が大きすぎても全反射を阻害する効果が小さくなる傾向がある。該凹部１５は、図５に示すように繋がっていてもよく、図８に示すように距離をおいて配置されても構わない。

[実施形態３]
実施形態３においては、図９に示すように出射光制御シートの凸部１０が設けられたのと反対側の面である出射光制御シートの出射面１２に凹凸形状１６が形成されていること以外は実施形態２と同様である。出射光制御シートの出射面１２に凹凸形状１６が形成されていることによって出射面１２に凹凸形状１６が設けられていない場合に全反射されていた光が、全反射せずに出射することから光利用効率が向上する。出射面１２の凹凸形状１６はランダムに配置されても構わないが凸部１０と位置合わせを行うとより効果が高まる。

本発明において光源として使用するＥＬ光源のエレクトロルミネッセンス層を形成する材料は有機、無機のいずれでもよい。また、本発明は透明基板で覆われたＥＬ光源内で起こる全反射により、ＥＬ光源内に閉じ込められる光を取り出そうとするものであるから、ＥＬ光源の構成如何にかかわらず利用することができる。また本発明は高屈折率な材料から光が発光するタイプの光源であればＥＬ光源にかかわらず利用することが可能である。

本発明を実施例により説明する。なお本発明は実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
実施例１においては、上記の実施の形態１に示すように、屈折率１.５７のＰＥＴフィルムの片面に先端側が収縮した頂角θ１が５０度、高さ２５μｍの四角錐台状の凸部１０が二次元方向に屈折率１.５１の光硬化性樹脂によって連続して形成された出射光制御シート２と、図１に示すように出射面１３に凸形状１４のある透明基材７とを接着剤を介して貼りあわせた。透明基材７の平坦面に粘着剤層８を形成し、透明電極４、発光層５および反射電極６をガラス基板１０で挟んだものに貼りあわせて面光源素子１とした。面発光素子３の反射電極６の反射率は９３％、発光層と透明電極とを合わせた吸収率は１０％である。

＜実施例２＞
実施例２においては、上記の実施の形態１に示すように、屈折率１.５７のＰＥＴフィルムの片面に先端側が収縮した頂角θ１が５０度、高さ２５μｍの四角錐台状の凸部１０が、光硬化性樹脂によって二次元方向に連続的に整列して形成された出射光制御シート２と、図３に示すように面発光素子の出射面１３に凹状の凹凸形状１４が設けられた透明基材７とを接着剤を介して貼りあわせた。透明基材７の平坦面に粘着剤層８を形成し、透明電極４、発光層５および反射電極６をガラス基板１０で挟んだものに貼りあわせて面光源素子１とした。面発光素子３の反射電極６の反射率は９３％、面発光素子３と透明電極４とを合わせた吸収率は１０％である。

＜実施例３＞
実施例３においては、図７に示すように面発光素子の出射面１３の形状を出射光制御シート２の凸部１０形状に対応した凹部１５が形成された面発光素子３とした。凹部１５の側面の角度θ２は４５度で、高さは２３μｍである。接着剤で凸部１０の先端と凹部１５の底部を接着させた。それ以外は実施例１と同様の構成で行った。

＜実施例４＞
実施例４においては、出射光制御シート２における凸部１０が形成された面の反対面である出射面１２に高さ１０μｍ、半径１０μｍの円柱形状を凹凸形状１６として形成したこと以外は実施例２と同様の構成で行った。

＜比較例１＞
出射光制御シート２を備えないこと、面発光素子の出射面１３が平坦であることの他は、実施例１と同様にした。

＜比較例２＞
比較例２においては、面発光素子の出射面１３が平坦であることの他は実施例１と同様にした。

それぞれの実施例および比較例に関して、光線追跡により正面輝度と光利用効率を計算により求めた結果をまとめて表１に示す。表中、正面輝度と光利用効率は比較例１における正面輝度と光利用効率を１.０として規格化したものである。

この結果から本発明において実施例は比較例２に対して、正面輝度は同等であるが、効率向上に効果があることがわかる。
＜実施例５＞
上記実施例１〜４のいずれかで得られる面光源素子１をバックライトとして用い、透過型表示素子と組み合わせることで表示装置を構成することができる。

上記の実施形態１に係る面光源素子の概略側面図である。 上記の実施形態１に係る出射光制御シートの概略側面図である。 上記の実施例２の概略側面図である。 上記の実施例２に係る出射光制御シートの概略平面図である。 上記の実施形態２に係る光制御シートと出射面の概略側面図である。 上記の比較例２における光の進行方向を示す模式図である。 上記の実施例３における光の進行方向を示す模式図である。 上記の実施形態２であって光出射面の凹部に間隔がある場合の模式図である。 上記の実施形態３における光制御シートと出射面の概略側面図である。 上記の実施形態３における光制御シートと出射面の概略平面図である。

符号の説明

１：面光源素子、２：出射光制御シート、３：面発光素子
４：透明電極、５：発光層、６：反射電極
７：透明基材、８：粘着剤、９：ガラス基板
１０：凸部、１１：凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域（空隙部）
１２：出射光制御シートの出射面、１３：面発光素子の出射面
１４：面発光素子の出射面の凹凸形状、１５：面発光素子の出射面の凹部
１６：出射光制御シートの出射面の凹凸部

Claims (6)

1. 自発光素子を発光源とする面発光素子と、面発光素子の発光面に設けられた少なくとも片面に複数の凸部が設けられた出射光制御シートからなり、前記凸部が前記面発光素子の出射面に光学的に密着しており、かつ、凸部と接着していない出射面が平坦でなく、前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域の屈折率が前記凸部よりも低いことを特徴とする面光源素子。
2. 前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域に屈折率が前記出射光制御シートの凸部の屈折率よりも低い透光性材料を充填させたことを特徴とする請求項１に記載の面光源素子。
3. 前記凸部と前記発光素子の出射面との間に形成される領域に空気が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の面光源素子。
4. 面光源素子の出射面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面光源素子。
5. 前記面発光素子の出射面が、前記出射光制御シートの凸部先端と前記面発光素子の出射面の凹部の底面において密着していることを特徴とする請求項１に記載の面光源素子。
6. 表示素子と請求項１〜５のいずれか１項に記載の面光源素子とを備え、該面光源素子が前記表示素子のバックライトであることを特徴とする表示素子。

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