JP2011090891A - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子内部で全反射を抑え、取り出し効率を高めた有機ＥＬ素子を提供すること。
【解決手段】有機ＥＬ素子は、基体としてのガラス基板１、透明電極２、正孔輸送層３、有機発光層４、陰極金属電極５を備えている。光散乱層７は、粘着６によりガラス基板１の透明電極２が無い側に貼り付けられている。光散乱層７は、光透過性を有するベース基材８と、光透過性を有しベース基材８と屈折率の異なる多数の第１の柱状領域９を有している。多数の第１の柱状領域９は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、光散乱層７の層厚方向に対して斜めの第１の角度となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は有機ＥＬ素子に関する。

有機ＥＬ素子は自発光の素子であり、低消費電力、高応答速度、薄型という特徴を持ち、ＴＶなどのディスプレイや照明へと使われ始めている。一般的な有機ＥＬ素子の構成は、支持基材としてガラス、その上に透明電極、有機薄膜、金属電極という構造を持っている。
各層の屈折率はガラスが１．５、透明電極が２．０、有機薄膜が１．７程度であり、有機薄膜で発光した光が透明電極／ガラス界面、またガラス／空気界面での全反射が起こるため有機ＥＬ素子の外部に取り出せる光は発光した光に対して２０％程度と低くなってしまう。この光取り出し効率の低さが有機ＥＬ素子の１つの問題であり、取り出し効率を改善することで、消費電力が更に低くなると共に、低い電圧で高い輝度が得られるため素子の寿命が長くなるという利点がある。
取り出し効率を改善する方法に、特許文献１にあるように回折格子を設けることで全反射により外部に取り出せない光の方向を変えるという手段があるが、回折格子は波長依存性が大きいという欠点がある。特許文献２のように屈折率の異なる散乱性粒子を含む層を設ける手段では、全反射の起こる角度の光の一部は取り出すことができるが、元々取り出せる光に対しても散乱させてしまうという欠点がある。

特開平７−３５４３６２号公報 特許第２９３１２１１号公報

素子内部で全反射を抑え、取り出し効率を高めた有機ＥＬ素子を提供する。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、有機発光層より視認側に光散乱層を有する有機ＥＬ素子において、前記光散乱層は、光透過性を有するベース基材と、光透過性を有し前記ベース基材と屈折率の異なる多数の第１の柱状領域を有し、前記多数の第１の柱状領域は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、前記光散乱層の層厚方向に対して斜めの第１の角度となっていることを特徴とする。

上記の課題を解決するための手段として、請求項２に記載の発明は、前記光散乱層は、光透過性を有し前記ベース基材と屈折率の異なる多数の第２の柱状領域を更に有し、前記多数の第２の柱状領域は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、前記第１の角度と異なり前記光散乱層の層厚方向に対して斜めの第２の角度となっていることを特徴とする請求項１記載の有機ＥＬ素子である。

上記の課題を解決するための手段として、請求項３に記載の発明は、前記光散乱層が２層以上あり、各光散乱層において前記多数の柱状領域の長手方向が前記光散乱層の層厚方向に対してなす斜めの角度が異なっていることを特徴とする請求項１または２記載の有機ＥＬ素子である。

上記の課題を解決するための手段として、請求項４に記載の発明は、前記角度は４２度から７０度であることを特徴とする請求項1乃至請求項３に何れか１項記載の有機ＥＬ素子である。
上記の課題を解決するための手段として、請求項５に記載の発明は、前記柱状領域の平均太さが０．５μｍから３μｍであることを特徴とする請求項1乃至請求項４に何れか１項記載の有機ＥＬ素子である。
上記の課題を解決するための手段として、請求項６に記載の発明は、前記光散乱層の厚さが５μｍから４０μｍであることを特徴とする請求項1乃至請求項５に何れか１項記載の有機ＥＬ素子である。
上記の課題を解決するための手段として、請求項７に記載の発明は、前記ベース基材と、前記柱状領域の屈折率の差が０．００５から０．２であることを特徴とする請求項1乃至請求項６に何れか１項記載の有機ＥＬ素子である。

ボトムエミッション構造の有機ＥＬ素子で説明する。ボトムエミッション構造の素子では、少なくとも有機発光層、透明導電膜、ガラスの順に層が形成され、有機発光層で発光した光は透明導電膜、ガラスを通り外部へ射出する。ガラスの屈折率を１．５とすると、ガラス／空気界面での臨界角は４２°となり、それより大きい角度で界面に入射した光は全反射し素子から取り出すことができない。
本発明によると、光散乱層がないと全反射してしまう臨界角以上の光を特に強く散乱することで取り出せる角度に変換し、元々全反射せずに取り出せる角度の光については散乱を少なくすることが可能になる。これにより、光散乱層からの射出光は入射光よりも臨界角以上の光が少なくなり、有機ＥＬ素子から取り出せる光は多くなる。本発明では、記録する屈折率分布はレンズシートなどのように規則正しくはないためモアレが発生せず、屈折を用いているわけではないため色ずれが起こらない。また光散乱層は平坦であるため、直接粘着等で貼りあわせて使用することが可能になる。

請求項１の散乱効果はある柱状領域が平行に傾いて揃っている方向の光を強く散乱するというもので、それ以外の方向の光に関しては散乱が弱い、有機ＥＬ素子の光はさまざまな方向に射出するため、その一方向とは異なりかつ臨界角以上の光が存在する。請求項２のように強く散乱する方向が２つ以上あることで、すなわち、光散乱層が、ベース基材と屈折率の異なる多数の第２の柱状領域を更に有し、多数の第２の柱状領域は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、前記第１の角度と異なり前記光散乱層の層厚方向に対して斜めの第２の角度となっているように構成することで、請求項１のものよりも更に全反射成分を少なくし取り出し効率を高めることが可能になる。

１つの層に多数の方向の光を散乱する機能を付与すると、作製が困難になるばかりでなく、１つの方向のみ強く散乱するというそれぞれの特性が弱くなり、効果が得にくくなる。そこで、請求項３のような光散乱層を２層以上設け、すなわち、多数の柱状領域の長手方向が光散乱層の層厚方向に対してなす斜めの角度が異なっている光散乱層を２層以上設け、それぞれの層で異なる方向の光を強く散乱することで光取り出し効率を高めることを可能になる。

各層の屈折率をガラス１．５、透明導電膜２．０、有機発光層１．７とするとガラスと空気界面全反射してしまう光は、ガラス内で層厚方向に対し４２度以上傾いている光である。４１度以下の光は光散乱層なしでも取り出すことが可能である。よって、ガラスと空気界面で全反射して本来取り出せない光を取り出すためには請求項４のように光散乱層内の屈折率の異なる平行な柱状の領域が光散乱層の法線方向より４２度から７０度であることで最も効率よく光を取り出すことが可能になる。

請求項５は光散乱層内の屈折率の異なる平行な柱状の領域の平均太さが０．５μｍから３μｍであると、効率よく散乱させることができ、太さが細くなると、散乱効果が弱く、太すぎると指向性が弱まってしまい、この間の値であれば正面方向に散乱する光が増加し取り出し効率を高めることが可能になる。

請求項６は光散乱層の厚さが５μｍから４０μｍであることで、ある特定の光だけを強く散乱し、その他の方向の光については透過するという指向性を出すことが可能になる。薄すぎると指向性が少なくなり、厚すぎると、透過する光の強度が落ちてしまうためこの間の値が適している。

請求項７は光散乱層内の屈折率の差が０．００５から０．２であることで散乱の効果を最適にすることができ、差が小さいと散乱効果が弱くなり、大きいと散乱効果が強くなり指向性も低下してしまうため、この間の値が最適である。

本発明の第１実施例を示す有機ＥＬ素子の断面図である。 本発明の光散乱層の断面を示す模式図である。 本発明の光散乱層の断面を示す模式図である。

図１に示すように、有機ＥＬ素子は、基体としてのガラス基板１、透明電極２、正孔輸送層３、有機発光層４、陰極金属電極５を備えている。光散乱層７は、粘着６によりガラス基板１の透明電極２が無い側に貼り付けられている。
図２、図３に示すように、光散乱層７は、光透過性を有するベース基材８と、光透過性を有しベース基材８と屈折率の異なる多数の第１の柱状領域９を有している。
多数の第１の柱状領域９は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、光散乱層７の層厚方向に対して斜めの第１の角度となっている。
なお、光散乱層７は、多数の第１の柱状領域９と、多数の第２の柱状領域とを備えていてもよい。
この場合、第２の柱状領域は、ベース基材８と屈折率の異なっており、その長手方向が互いに平行しており、かつ、前記第１の角度と異なり光散乱層７の層厚方向に対して斜めの第２の角度となっている。
第１の柱状領域９の屈折率と、第２の柱状領域の屈折率とは同一であってもよく、異なっていてもよい。

光散乱層７の１つの作製方法に、露光量の違いが屈折率の違いとして記録されるような感光材料（ベース基材８）を、光透過性を有するフィルム基材に塗布し、レーザー平行光を拡散フィルムなどの散乱体を通した干渉光を用いて感光材料を露光する。コヒーレント光であるレーザー光を散乱体に通すと散乱により位相が乱され、干渉により明暗パターンが生じる。この干渉パターンを用いて、最も散乱を大きくしたい角度からから干渉光を照射することにより層内部に干渉パターンを露光量の違いとして記録する。このような方法で作製することで柱状領域９が膜（ベース基材８）の奥行き方向に長細く柱状にできる。

柱状領域９は図２のように奥行き方向に揃っていることで、柱状領域９の長軸方向の光（図２中の矢印の方向の光）を特に強く散乱し、その他の方向の光の散乱特性を長軸方向に比べ弱くすることが可能になる。図３のように長軸方向は揃っているが、長さはそろっていなくても良い。また1つの領域の中でその柱状領域９の太さが変化していても良い。この場合光散乱層７は少なくとも基材フィルムと感光材料（ベース基材８）で構成される。最も散乱を大きくしたい角度を幾つか作製するためには、入射方向を変え多重露光を行うことで作製が可能である。

ボトムエミッション構造の素子としては下から少なくともガラス基板１、陽極となる透明導電膜２、有機発光層４、主に金属からなる陰極５があり、ガラス基板１を通り下向きに光が放射される。有機発光層４と電極２の間に、電荷輸送層や電荷注入層が存在する場合があるが、それらの有無やまた、電極２や有機発光層４の材料は特に限定しない。光散乱層７はガラス基板１の下側に形成する。ガラス基板１と光散乱層７の間に他の層があっても良く、通常光散乱層７はフィルムで作製し粘着でガラス基板１に貼り付ける。光散乱層７の下側すなわち視認側は、ディスプレイ用途では外光の映り込み防止のため円偏光フィルムを用いたり、照明用途では特にレンズシートを用いたりするが、それらについても、特に限定するものではない。

トップエミッション構造の素子では少なくとも下からガラス基板、陽極、有機発光層、半透明または透明な陰極があり、上向きに光が放射される。半透明または透明な陰極の上には酸素や水蒸気の透過を防ぐ封止膜が存在し、光散乱層７はそれより上側に設けボトムエミッション構造のときと同様に粘着等で貼り付ける。光散乱層７より上側すなわち視認側には、カラーフィルターを設けて色純度を高めたり外光の映り込みを防止したりする場合があるが、これも特に限定するものではない。

図１は本発明の第１実施例を示す有機ＥＬ素子の断面図である。この図において有機ＥＬ素子は、基体としてのガラス基板１、透明電極２、正孔輸送層３、有機発光層４、陰極金属電極５があり、透明電極２はスパッタ、正孔輸送層３、有機発光層４は塗布、陰極金属電極５は蒸着で作製した。また、図示していないが素子を覆うようにガラスキャップによる封止を行っている。光散乱層７は、感光材料（ベース基材８）をフィルム基材に塗布し、拡散板を密着させ、フィルム基材との成す角３０度でＵＶレーザー平行光を照射して作製したフィルム状で、光散乱層７は粘着６によりガラス基板１の透明電極２が無い側に貼り付けた。
光散乱層７の詳細は次の通りである。
光散乱層７の厚さは２．０μｍであった。
柱状領域９の平均太さは１．５μｍであった。
感光材料（ベース基材８）と柱状領域９との屈折率の差は０．０５であった。
有機ＥＬ素子に電界をかけて発光させ、有機ＥＬ素子正面に置いた輝度計にて測定を行った。測定した結果、光散乱層７を貼り付けない場合に比べ、輝度が１．２倍に増加した。

１・・・ガラス基板
２・・・透明電極
３・・・正孔輸送層
４・・・有機発光層
５・・・陰極金属電極
６・・・粘着
７・・・光散乱層
８・・・ベース基材
９・・・柱状領域

Claims (7)

1. 有機発光層より視認側に光散乱層を有する有機ＥＬ素子において、
   前記光散乱層は、光透過性を有するベース基材と、光透過性を有し前記ベース基材と屈折率の異なる多数の第１の柱状領域を有し、
   前記多数の第１の柱状領域は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、前記光散乱層の層厚方向に対して斜めの第１の角度となっている、
   ことを特徴とする有機ＥＬ素子。
2. 前記光散乱層は、光透過性を有し前記ベース基材と屈折率の異なる多数の第２の柱状領域を有し、
   前記多数の第２の柱状領域は、その長手方向が互いに平行しており、かつ、前記第１の角度と異なり前記光散乱層の層厚方向に対して斜めの第２の角度となっている、
   ことを特徴とする請求項１記載の有機ＥＬ素子。
3. 前記光散乱層が２層以上あり、各光散乱層において前記多数の柱状領域の長手方向が前記光散乱層の層厚方向に対してなす斜めの角度が異なっている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の有機ＥＬ素子。
4. 前記角度は４２度から７０度であることを特徴とする請求項1乃至請求項３に何れか１項記載の有機ＥＬ素子。
5. 前記柱状領域の平均太さが０．５μｍから３μｍであることを特徴とする請求項1乃至請求項４に何れか１項記載の有機ＥＬ素子。
6. 前記光散乱層の厚さが５μｍから４０μｍであることを特徴とする請求項1乃至請求項５に何れか１項記載の有機ＥＬ素子。
7. 前記ベース基材と、前記柱状領域の屈折率の差が０．００５から０．２であることを特徴とする請求項1乃至請求項６に何れか１項記載の有機ＥＬ素子。

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