JP2017010609A - 発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】発光デバイス内で光を散乱させた上で、更に発光デバイス内での光の減衰を低減することで、光の取り出し効率が向上した発光デバイスを提供する。【解決手段】発光デバイスは、発光素子１ａと、光散乱層２ａと、光透過層３ａとを備える。発光デバイスは、屈折率調整層４ａを更に備える。発光素子１ａ、光散乱層２ａ、屈折率調整層４ａ、及び光透過層３ａが、この順番に積層している。光散乱層２ａは、光散乱層２ａに到達する光を散乱させるように構成されている。光透過層３ａは、光透過性を有する。屈折率調整層４ａは、光透過性を有し、且つ光散乱層２ａの屈折率よりも高いと共に光透過層３ａの屈折率よりも低い屈折率を有する。【選択図】図１
Description
本発明は、発光素子、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子、を備える発光デバイスに関する。
発光素子、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子（有機発光ダイオード）、を備える発光デバイスは、近年、表示装置、照明装置等の用途に広く適用されつつある。発光デバイスは、例えば発光素子と透明な基板とを備える。この場合、発光素子が発した光は、基板を通過して外部へ出射する。
有機エレクトロルミネッセンス素子を備える発光デバイスの光取り出し効率は、一般に２０〜３０％程度といわれている。すなわち、有機エレクトロルミネッセンスから発生される光全体のうち、２０〜３０％程度の光のみが、発光デバイスから出射し、残りは発光デバイス内に閉じ込められる。発光デバイスの光取り出し効率の向上は、発光デバイスの発光輝度の向上及び省エネルギー化のために重要である。
発光デバイスの光取り出し効率向上のために、発光素子と基板との間に、光を散乱させる層を介在させることが提案されている。例えば特許文献１には、透明な基板の表面に、基板よりも屈折率の低い透明な低屈折率層、低屈折率層よりも屈折率が高い透明な高屈折率層、及び透明電極層を、この順に積層し、更に透明電極層の上に少なくとも有機発光材料層を含む有機材料層と、電極層とを積層し、低屈折率層の高屈折率層側の表面を粗面とすることが、開示されている。この場合、低屈折率層と高屈折率層との界面で光が散乱すること、すなわち光の進行方向が変化することで、基板を透過する光の量が増え、その結果、光の取り出し効率が向上する。
特許文献１に記載のように発光デバイス内で光を散乱させると、基板への入射角が大きいために基板で一旦反射されることで発光デバイス内に閉じ込められた光も、再度基板に入射する際に、発光デバイス内で散乱されることで入射角が小さくなっていれば、基板を通過することができる。従って、発光デバイス内に閉じ込められた光は、発光デバイス内で反射を繰り返せば、最終的には基板を通過して外部へ出射する。
しかし、発光デバイス内では材料の吸収に起因した光の減衰が生じる。このため、発光デバイス内で光が繰り返し反射されることで発光デバイス内での光の移動距離が長くなると、基板を通過する光の量が減ってしまう。このような発光デバイス内での光の減衰による光の取り出し効率の低下は、発光デバイス内で光を散乱させるだけでは解消できない。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、発光デバイス内で光を散乱させた上で、更に発光デバイス内での光の減衰を低減することで、光の取り出し効率が向上した発光デバイスを提供することを課題とする。
本発明の第１の態様に係る発光デバイスは、発光素子と、光散乱層と、光透過層とを備える発光デバイスであって、屈折率調整層を更に備え、前記発光素子、前記光散乱層、前記屈折率調整層、及び前記光透過層が、この順番に積層し、前記光散乱層は、前記光散乱層に到達する光を散乱させるように構成され、前記光透過層が、光透過性を有し、前記屈折率調整層が、光透過性を有し、且つ前記光散乱層の屈折率よりも高いと共に前記光透過層の屈折率よりも低い屈折率を有する。
本発明の第２の態様に係る発光デバイスでは、第１の態様において、前記屈折率調整層の屈折率が、前記光散乱層側から前記光透過層へ近づくに従って高くなっている。
本発明の第３の態様に係る発光デバイスでは、第１又は第２の態様において、前記屈折率調整層が、互いに異なる値の屈折率を有する複数の層を備える。
本発明の第４の態様に係る発光デバイスでは、第１乃至第３のいずれか一の態様において、前記屈折率調整層及び前記光透過層が、一つのガラス製の層から構成され、前記ガラス製の層が、前記光散乱層側から前記光透過層へ近づくに従って一種以上の構成元素の濃度が変化している領域を備え、前記領域が、前記屈折率調整層である。
本発明の第５の態様に係る発光デバイスでは、第４の態様において、前記ガラス製の層が、ケイ素、ナトリウム、カリウム及びカルシウムからなる群から選択される一種以上の元素を含有する。
本発明の第６の態様に係る発光デバイスでは、第１乃至第３のいずれか一の態様において、前記光透過層が、一つのガラス製の層からなり、前記屈折率調整層が、シリカ及び窒化ケイ素からなる群から選択される一種以上の材料を含有する。
本発明の第７の態様に係る発光デバイスでは、第１乃至第３のいずれか位置の態様において、前記光透過層が、一つのガラス製の層からなり、前記屈折率調整層が、無機ナノ粒子を含有する樹脂製の層である。
本発明によれば、発光デバイス内で、光散乱層が光の散乱を生じさせ、更に屈折率調整層がフレネル反射を抑制することで、発光デバイス内での光の光路長が短くなり、このため、基板へ到達する光の量が増大し、これにより発光デバイスの光取り出し効率が向上する。
発光デバイスの第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る発光デバイスは、図１に示すように、発光素子１ａと、光散乱層２ａと、光透過層３ａとを備え、更に屈折率調整層４ａを備える。発光素子１ａ、光散乱層２ａ、屈折率調整層４ａ、及び光透過層３ａは、この順番に積層している。光散乱層２ａは、この光散乱層２ａに到達する光を散乱させるように構成されている。光透過層３ａは、光透過性を有する。屈折率調整層４ａは、光透過性を有し、且つ光散乱層２ａの屈折率よりも高いと共に光透過層３ａの屈折率よりも低い屈折率を有する。
尚、本実施形態において、光透過性とは、光を透過させる物質の性質であり、透明性と透光性の両方を含む。屈折率は、一般的な光学材料の場合と同様、ナトリウムのＤ線（波長５８９．３ｎｍ）の屈折率である。
発光素子１ａは、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子（有機発光ダイオード）である。有機エレクトロルミネッセンス素子は、例えば第一の電極１１ａ、発光層１３ａ及び第二の電極１２ａを備え、第一の電極１１ａ、発光層１３ａ及び第二の電極１２ａはこの順番に積層している。第一の電極１１ａ及び第二の電極１２ａは、発光層１３ａへ電荷を注入するように構成された電極である。発光層１３ａは、第一の電極１１ａ及び第二の電極１２ａからの電荷の注入を受けて発光するように構成された層である。
発光層１３ａは、有機発光材料を含有する有機層を備える。発光層１３ａは、更に電子注入層、電子輸送層、正孔輸送層及び正孔注入層からなる群から選択される一種以上の層を備えてもよい。発光層１３ａを構成する材料は、例えば公知の有機エレクトロルミネッセンス素子用の材料から適宜選択される。
第一の電極１１ａは、光透過性を有する。このため、発光層１３ａから発せられる光が、第一の電極１１ａを介して外部へ取り出される。第一の電極１１ａは、例えば仕事関数の大きい金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物からなる電極材料から作製される。より具体的には、第一の電極１１ａは、例えばＣｕＩ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）及びＺｎＯからなる群から選択される一種以上の材料から作製される。
第二の電極１２ａは、光反射性を有することが好ましい。この場合、発光層１３ａから第二の電極１２ａへ向かう光が第二の電極１２ａで反射して、第一の電極１１ａを介して外部に取り出される。このため、発光デバイスの光取り出し効率が高くなる。第二の電極１２ａは、例えば仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物、或いはこれらの混合物からなる電極材料から作製される。より具体的には、第二の電極１２ａは、例えばナトリウム、リチウム、マグネシウム及びアルミニウムからなる群から選択される一種以上の材料から作製される。
尚、発光素子１ａは、光を発するように構成された素子であれば、有機エレクトロルミネッセンス素子でなくてもよい。例えば発光素子１ａが、無機発光ダイオードであってもよい。
光散乱層２ａは、上述の通り、この光散乱層２ａに到達する光を散乱させるように構成されている。種々の構造を有する光散乱層２ａが、従来公知である。
本実施形態では、光散乱層２ａが、低屈折率層２２ａと、この低屈折率層２２ａの屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層２１ａとを備える。低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａとは積層しており、低屈折率層２２ａは高屈折率層２１ａに対して光透過層３ａ側に位置する。高屈折率層２１ａは第一の電極１１ａに接しており、低屈折率層２２ａは屈折率調整層４ａに接している。
低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａとの間の界面が、凹凸である。すなわち、光散乱層２ａの断面に現れる低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａとの境界線が、凹凸である。このため、光散乱層２ａに到達した光が、低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａとの界面で散乱される。
光散乱層２ａの光散乱性能は、低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａの各々の屈折率、及び低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａとの界面の形状に、依存する。例えば光散乱層２ａが回折格子を構成するように、第１透明材料層と第２透明材料層との間の界面の形状が設計される。高屈折率層２１ａの屈折率は、第一の電極１１ａの屈折率に近似することが好ましく、例えば１．７５以上である。低屈折率層２２ａの屈折率は、例えば１．３〜１．５の範囲内である。また、界面の凹凸の粗さ（高低差）は、例えば０．１〜１００μｍの範囲内、好ましくは１〜１０μｍの範囲内である。
低屈折率層２２ａは、例えば樹脂製である。低屈折率層２２ａは、有機樹脂、例えばアクリル系樹脂又はエポキシ系樹脂、を含有する成形材料を成形することで、作製されうる。成形材料は、必要に応じ、硬化剤、硬化促進剤及び硬化開始剤から選択される一種以上の添加剤を含有してもよい。尚、低屈折率層２２ａが、無機系材料、例えばスピンオンガラス、から作製されてもよい。
高屈折率層２１ａは、例えば樹脂製である。高屈折率層２１ａは、屈折率調整のために、屈折率の高いナノ粒子、例えばＴｉＯ2粒子、を含有することが好ましい。高屈折率層２１ａは、有機樹脂、例えばアクリル系樹脂又はエポキシ系、を含有し、更に好ましくは屈折率の高いナノ粒子を含有する成形材料を、成形することで、作製されうる。成形材料は、必要に応じ、硬化剤、硬化促進剤及び硬化開始剤から選択される一種以上の添加剤を含有してもよい。尚、高屈折率層２１ａが、無機系材料、例えばＳｉＮ又はＳｉＯ2、から作製されてもよい。
特に低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａの各々が樹脂製であると、低屈折率層２２ａと高屈折率層２１ａとの界面が、所望の形状に容易に形成される。界面の凹凸は、例えばインプリント法又はナノインプリント法で形成される。
尚、光散乱層２ａは、光散乱層２ａに到達した光を散乱させるように構成されているならば、上記以外の構造を有していてもよい。例えば光散乱層２ａは、母材と母材中に分散している散乱性粒子とを備える薄膜でもよい。母材は、例えば樹脂である。母材の屈折率は高い方が好ましく、特に発光層１３ａの屈折率以上であることが好ましい。母材の光吸収性はできるだけ低いことが好ましい。光散乱層２ａは、高屈折率の無機材料、例えばＴｉＯ2、を含有することで、屈折率が調整されていてもよい。散乱性粒子は、母材中で光を散乱させる機能を発揮する粒子である。散乱性粒子の光吸収性は低いことが好ましい。
また、光散乱層２ａは、樹脂製の層と、この層上に設けられているレンズアレイとで構成されてもよい。レンズアレイは、複数の半球状の微細レンズによって構成される。
屈折率調整層４ａは、上述の通り、光散乱層２ａの屈折率よりも高いと共に光透過層３ａの屈折率よりも低い屈折率を有する。このため、光散乱層２ａと光透過層３ａとの間の急激な屈折率の変化が緩和され、これにより光透過層３ａでのフレネル反射が抑制される。尚、「光散乱層２ａの屈折率よりも高い」とは、光散乱層２ａにおける屈折率調整層４ａと接する部位の屈折率よりも高いことを意味する。すなわち、本実施形態では、屈折率調整層４ａの屈折率が、低屈折率層２２ａの屈折率よりも高ければよい。このため、屈折率調整層４ａの屈折率が、高屈折率層２１ａの屈折率よりも低くてもよい。
本実施形態では、屈折率調整層４ａ内に屈折率の変化が存在し、屈折率調整層４ａの屈折率が、光散乱層２ａ側から光透過層３ａへ近づくに従って高くなっている。屈折率調整層４ａ内に屈折率の変化が存在する場合、「屈折率調整層４ａが光散乱層２ａの屈折率よりも高いと共に前記光透過層３ａの屈折率よりも低い屈折率を有する」とは、屈折率調整層４ａの、光散乱層２ａと接する部位の屈折率が、光散乱層２ａの屈折率以上であり、且つ屈折率調整層４ａの、光透過層３ａと接する部位の屈折率が、光透過層３ａの屈折率以下であることを、意味する。屈折率調整層４ａ内の屈折率の変化は、連続的であっても、不連続であってもよい。
また、本実施形態では、屈折率調整層４ａ及び光透過層３ａが、一つのガラス製の層５ａから構成されている。すなわち、本実施形態では、屈折率調整層４ａ及び光透過層３ａの各々は、独立した層ではなく、一つのガラス製の層５ａの一部である。このガラス製の層５ａは、光散乱層２ａ側から光透過層３ａへ近づくに従って一種以上の構成元素の濃度が変化している領域を備える。この領域が、本実施形態における屈折率調整層４ａである。この屈折率調整層４ａ内には、構成元素の濃度の変化に起因する屈折率の変化が存在し、それにより、屈折率調整層４ａの屈折率が、光散乱層２ａ側から光透過層３ａへ近づくに従って高くなっている。屈折率調整層４ａ内の構成元素の濃度の変化は、連続的であっても、不連続であってもよい。屈折率調整層４ａの厚みは、例えば０．０２〜０．６０μｍの範囲内である。
ガラス製の層５ａについて、更に詳しく説明する。ガラス製の層５ａは、構成元素として、ケイ素、ナトリウム、カリウム及びカルシウムからなる群から選択される一種以上の元素を含有することが好ましい。この場合、ガラス製の層５ａ内の構成元素の変化によって、層内の屈折率の変化が容易に生じる。このため、屈折率調整層４ａが容易に得られる。
特に、ガラス製の層５ａが、構成元素としてケイ素、ナトリウム、及びカルシウムを含有するソーダライムガラス製であることが好ましい。ソーダライムガラスの屈折率は、ナトリウム濃度及びカルシウム濃度が高くなるほど、高くなる。このため、ソーダライムガラス製の層５ａ内に、光散乱層２ａ側から光透過層３ａへ近づくに従ってナトリウム濃度及びカルシウム濃度が高くなる領域を形成することで、この領域が屈折率調整層４ａになる。
屈折率調整層４ａを備えるガラス製の層５ａを得るためには、例えば、ガラス製の層５ａとしてソーダライムガラス製の板を用意する。この板の一面を水と接触させて反応させる。そうすると、ソーダライムガラス中のナトリウム及びカルシウムが水と反応し、板の水と接触する面から溶出する。これにより、板内には、ナトリウム濃度及びカルシウム濃度が均一な領域と、ナトリウム濃度及びカルシウム濃度の変化が生じている領域とが、形成される。ナトリウム濃度及びカルシウム濃度が均一な領域が光透過層３ａとなり、ナトリウム濃度及びカルシウム濃度の変化が生じている領域が屈折率調整層４ａとなる。これにより、屈折率調整層４ａ及び光透過層３ａが、一つのガラス製の層５ａから構成される。
図２に、屈折率調整層４ａを備えるガラス製の層５ａの、構成元素のＸＰＳ分析結果を示す。この層は、ソーダライムガラス製である。この結果に示されるように、ガラス製の層５ａ内にはこの層の表面から２０ｎｍ深さの位置までの間に、ナトリウム濃度及びカルシウム濃度が変化している領域が存在する。この領域は、表面側ほどナトリウム濃度及びカルシウム濃度が多くなるような濃度変化（濃度勾配）を有する。この領域が、屈折率調整層４ａである。
屈折率調整層４ａの厚みは、ガラス製の層５ａの表面に施される処理の程度を調整することで、制御されうる。
本実施形態に係る発光デバイスでは、屈折率調整層４ａを備えることで、光透過層３ａにおけるフレネル反射が抑制され、その結果、光透過層３ａを通過して外部へ出射する光の量が増大する。このため、発光デバイスの光取出し効率が高くなる。
尚、スネルの法則が成立する光学系では、光の経路の途中に如何なる屈折率を有する層が存在しても、最終的な光の取り出し効率は高くならない。しかし、本実施形態に係る発光デバイスは光散乱層２ａを備え、光散乱層２ａに到達した光が散乱されるため、この発光デバイス内の光学系ではスネルの法則が成立しない。本発明者らは、このように光散乱層２ａを備えることでスネルの法則が成立しなくなった発光デバイスに、屈折率調整層４ａを設けることで、屈折率調整層４ａが存在しない場合に比べて光の取り出し効率が向上することを見出したものである。
本実施形態に係る発光デバイスの効果を、光学シミュレーションによって検証した。その結果を下記に提示する。
まず、発光素子１ａに、次の構成を有する高屈折率層２１ａ、低屈折率層２２ａ、屈折率調整層４ａ及び光透過層３ａが積層した構造を有する発光デバイスのモデルを設定した。
・高屈折率層２１ａ：厚み２μｍ、屈折率を１．８。
・低屈折率層２２ａ：厚み４μｍ、屈折率１．４５。
・高屈折率層２１ａと低屈折率層２２ａとの界面の凹凸の高低差０．８μｍ。
・屈折率調整層４ａ：厚み０．４μｍ、光透過層３ａと接する部位の屈折率１．５１、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率は変数。
・光透過層３ａ：屈折率１．５１。
・高屈折率層２１ａ：厚み２μｍ、屈折率を１．８。
・低屈折率層２２ａ：厚み４μｍ、屈折率１．４５。
・高屈折率層２１ａと低屈折率層２２ａとの界面の凹凸の高低差０．８μｍ。
・屈折率調整層４ａ：厚み０．４μｍ、光透過層３ａと接する部位の屈折率１．５１、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率は変数。
・光透過層３ａ：屈折率１．５１。
この発光デバイスにおける発光素子１ａが発する光の量に対する、光透過層３ａ内に達する光の量の割合を、光学シミュレーションによって算出した。尚、高屈折率層２１ａと低屈折率層２２ａとの界面における光の散乱作用は、ＲＣＷＡ法で見積もった。
その結果を、図３に示す。図３の横軸は、発光素子１ａからの光散乱層２ａへの光の入射角を示す。図３の縦軸は、発光素子１ａが発する光が発光デバイス内を通過する際の透過率を示し、具体的には発光素子１ａが発する光の量を１とした場合の、光透過層３ａ内に達する光の量の相対値を示す。また、図３中のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ屈折率調整層４ａの、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が１．５１、１．４９２、１．４７４、及び１．４５である場合の結果を示す。尚、屈折率調整層４ａの、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が１．５１であることは、実質的には屈折率調整層４ａが存在しないことを意味する。
この結果に示される通り、屈折率調整層４ａの低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が小さくなるほど、透過率が上昇する傾向が確認された。本例では特に入射角５０°程度の光の透過率が高かった。
これにより、屈折率調整層４ａが存在することで、発光デバイスの光取り出し効率が向上することが、確認できた。
図４には、屈折率調整層４ａの低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率を変化させた場合の、全光束の透過率を算出した結果を示す。この全光束の透過率は、発光素子１ａが発する光の全光束を１とした場合の、光透過層３ａ内に達する光の全光束の相対値を示す。尚、上記と同様に、屈折率調整層４ａの、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が１．５１であることは、実質的には屈折率調整層４ａが存在しないことを意味する。
この結果によれば、屈折率調整層４ａの低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が１．５１より小さいこと、すなわち屈折率調整層４ａが存在することで、全光束の透過率が向上することが、確認できた。
また図５に、屈折率調整層４ａの厚みを変数として、屈折率調整層４ａの、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が１．４５の場合と１．４９の場合の、全光束の透過率を算出した結果を示す。図５中のＡは屈折率が１．４５の場合の結果を示し、Ｂは屈折率が１．４９の場合の結果を示す。
この結果によれば、屈折率調整層４ａの厚みが０よりも大きい場合、すなわち屈折率調整層４ａが存在する場合に、全光束の透過率が向上することが、確認できた。
また図６に、高屈折率層２１ａと低屈折率層２２ａとの界面の凹凸の高低差（テクスチャ高さ）を変数として、屈折率調整層４ａの、低屈折率層２２ａと接する部位の屈折率が１．４６の場合の、全光束の透過率を算出した結果を示す。尚、屈折率調整層４ａの、界面の凹凸の高低差が０であることは、実質的には屈折率調整層４ａが存在しないことを意味する。
この結果によれば、高屈折率層２１ａと低屈折率層２２ａとの界面が凹凸を有することで、全光束の透過率が向上することが、確認できた。更に、全光束の透過率が向上の程度が、界面が凹凸の高低差の寸法によって変動するため、界面が凹凸の高低差の寸法を調整することで、透過率の向上の程度を制御できることが、確認できた。
発光デバイスの第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る発光デバイスは、図７に示すように、発光素子１ｂと、光散乱層２ｂと、光透過層３ｂとを備え、更に屈折率調整層４ｂを備える。発光素子１ｂ、光散乱層２ｂ、屈折率調整層４ｂ、及び光透過層３ｂは、この順番に積層している。発光素子１ｂは、第一の電極１１ｂ、発光層１３ｂ及び第二の電極１２ｂを備える。光散乱層２ｂは、この光散乱層２ｂに到達する光を散乱させるように構成されている。本実施形態では、光散乱層２ｂは、高屈折率層２１ｂと低屈折率層２２ｂとを備える。光透過層３ｂは、光透過性を有する。屈折率調整層４ｂは、光透過性を有し、且つ光散乱層２ｂの屈折率よりも高いと共に光透過層３ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。
本実施形態における発光素子１ｂ及び光散乱層２ｂは、それぞれ第１の実施形態における発光素子１ａ及び光散乱層２ａと同じ構造を有している。
屈折率調整層４ｂは、上述の通り、光散乱層２ｂの屈折率よりも高いと共に光透過層３ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。このため、光散乱層２ｂと光透過層３ｂとの間の急激な屈折率の変化が緩和され、これにより光透過層３ｂでのフレネル反射が抑制される。尚、「光散乱層２ｂの屈折率よりも高い」とは、光散乱層２ｂにおける屈折率調整層４ｂと接する部位の屈折率よりも高いことを意味する。すなわち、本実施形態では、屈折率調整層４ｂの屈折率が、低屈折率層２２ｂの屈折率よりも高ければよい。このため、屈折率調整層４ｂの屈折率が、高屈折率層２１ｂの屈折率よりも低くてもよい。
本実施形態では、屈折率調整層４ｂと光透過層３ｂの各々は、一つの層の一部ではなく、独立した層である。
本実施形態では、屈折率調整層４ｂ内に屈折率の変化が存在してもよく、屈折率調整層４ｂが全体に亘って均一な屈折率を有してもよい。
屈折率調整層４ｂ内に屈折率の変化が存在する場合、「屈折率調整層４ｂが光散乱層２ｂの屈折率よりも高いと共に前記光透過層３ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する」とは、屈折率調整層４ｂの、光散乱層２ｂと接する部位の屈折率が、光散乱層２ｂの屈折率以上であり、且つ屈折率調整層４ｂの、光透過層３ｂと接する部位の屈折率が、光透過層３ｂの屈折率以下であることを、意味する。また、屈折率調整層４ｂ内に屈折率の変化が存在する場合、屈折率調整層４ｂの屈折率が、光散乱層２ｂ側から光透過層３ｂへ近づくに従って高くなっている。屈折率調整層４ｂ内の屈折率の変化は、連続的であっても、不連続であってもよい。
本実施形態では、光透過層３ｂは、例えば一つのガラス製の層５ｂからなる。この場合、光透過層３ｂは、例えば板状である。また光透過層３ｂは、例えばソーダライムガラス及び無アルカリガラスのうち一方の材料から作製される。
本実施形態では、屈折率調整層４ｂは、例えばシリカ及び窒化ケイ素のうち少なくとも一方の材料を含有する。この場合、ガラス製の層５ｂからなる光透過層３ｂよりも低い屈折率を有する屈折率調整層４ｂが得られる。シリカ及び窒化ケイ素のうち少なくとも一方の材料を含有する屈折率調整層４ｂは、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、ゾルゲル法及びＬＰＤ（液相析出法）からなる群から選択される一種以上の方法で作製される。この場合、組成の均一な一つの層を形成することで、均一な屈折率を有する（すなわち屈折率の変化を有しない）屈折率調整層４ｂが得られる。また、例えば組成の異なる複数の相を形成することで、屈折率の変化を有する屈折率調整層４ｂが得られる。
屈折率調整層４ｂが、無機ナノ粒子を含有する樹脂製の層であってもよい。この場合も、ガラス製の層５ｂからなる光透過層３ｂよりも低い屈折率を有する屈折率調整層４ｂが得られる。この場合、組成の均一な一つの層を形成することで、均一な屈折率を有する（すなわち屈折率の変化を有しない）屈折率調整層４ｂが得られる。また、例えば無機ナノ粒子の割合が異なる複数の層を形成したり、無機ナノ粒子の濃度勾配を有する一つの層を形成したりすることで、屈折率の変化を有する屈折率調整層４ｂが得られる。
尚、無機ナノ粒子とは、ナノサイズ、すなわち１〜１０００ｎｍの範囲内のサイズ、の粒径を有する無機粒子である。このようなサイズの小さい無機ナノ粒子は、屈折率調整層４ｂの光透過性を阻害しにくいため、屈折率調整層４ｂの光透過性が確保される。無機ナノ粒子は、光透過層３ｂよりも低い屈折率を有することが好ましい。特に無機ナノ粒子は、中空シリカナノ粒子であることが好ましい。無機ナノ粒子の粒径は、特に１〜１００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、屈折率調整層４ｂ中の無機ナノ粒子の割合は、例えば３０〜５０質量％の範囲内である。
樹脂製の屈折率調整層４ｂは、有機樹脂、例えばアクリル系樹脂又はエポキシ系樹脂と、無機ナノ粒子とを含有する成形材料を成形することで、作製されうる。
屈折率調整層４ｂの厚みは、例えば０．０２〜０．６０μｍの範囲内である。
本実施形態に係る発光デバイスでは、屈折率率調整層を備えることで、光透過層３ｂにおけるフレネル反射が抑制され、その結果、光透過層３ｂを通過して外部へ出射する光の量が増大する。このため、発光デバイスの光取出し効率が高くなる。
尚、スネルの法則が成立する光学系では、光の経路の途中に如何なる屈折率を有する層が存在しても、最終的な光の取り出し効率は高くならない。しかし、本実施形態に係る発光デバイスは光散乱層２ｂを備え、光散乱層２ｂに到達した光が散乱されるため、この発光デバイス内の光学系ではスネルの法則が成立しない。本発明者らは、このように光散乱層２ｂを備えることでスネルの法則が成立しなくなった発光デバイスに、屈折率調整層４ｂを設けることで、屈折率調整層４ｂが存在しない場合に比べて光の取り出し効率が向上することを見出したものである。
本実施形態に係る発光デバイスの効果を、光学シミュレーションによって検証した。その結果を下記に提示する。
まず、発光素子１ｂに、次の構成を有する高屈折率層２１ｂ、低屈折率層２２ｂ、屈折率調整層４ｂ及び光透過層３ｂが積層した構造を有する発光デバイスのモデルを設定した。
・高屈折率層２１ｂ：厚み２μｍ、屈折率を１．８。
・低屈折率層２２ｂ：厚み４μｍ、屈折率１．４５。
・高屈折率層２１ｂと低屈折率層２２ｂとの界面の凹凸の高低差０．８μｍ。
・屈折率調整層４ｂ：厚み０．４μｍ、屈折率は均一であり、その値は変数。
・光透過層３ｂ：屈折率１．５１。
・高屈折率層２１ｂ：厚み２μｍ、屈折率を１．８。
・低屈折率層２２ｂ：厚み４μｍ、屈折率１．４５。
・高屈折率層２１ｂと低屈折率層２２ｂとの界面の凹凸の高低差０．８μｍ。
・屈折率調整層４ｂ：厚み０．４μｍ、屈折率は均一であり、その値は変数。
・光透過層３ｂ：屈折率１．５１。
この発光デバイスにおける発光素子１ｂが発する光の量に対する、光透過層３ｂ内に達する光の量の割合を、光学シミュレーションによって算出した。尚、高屈折率層２１ｂと低屈折率層２２ｂとの界面における光の散乱作用は、ＲＣＷＡ法で見積もった。
その結果を、図８に示す。図８の横軸は、屈折率調整層４ｂの屈折率を示す。図８の縦軸は、全光束の透過率を示す。
この結果において、屈折率調整層４ｂの屈折率が１．５１であること、及びこの屈折率が１．４５であることは、実質的には屈折率調整層４ｂが存在しないことを意味する。この結果からは、屈折率調整層４ｂの屈折率が１．４５よりも高く１．５１よりも低い場合、すなわち光散乱層２ｂの屈折率よりも高いと共に光透過層３ｂの屈折率よりも低い場合には、屈折率調整層４ｂが存在しない場合と比べて、全光束透過率が高いことが、確認できる。
図９は、屈折率調整層４ｂの屈折率が１．４６である場合に、屈折率調整層４ｂの厚みを変化させた場合の、全光束の透過率を算出した結果を示す。
この結果において、屈折率調整層４ｂの厚みが０とは、屈折率調整層４ｂが存在しないことを意味する。この結果からは、屈折率調整層４ｂが存在することにより全光束透過率が向上することが確認できる。更に、本例では、屈折率調整層４ｂの厚みが１μｍ以下である場合に、全光束透過率が著しく高いことが確認できる。
１ａ 発光素子
２ａ 光散乱層
３ａ 光透過層
４ａ 屈折率調整層
５ａ ガラス製の層
１ｂ 発光素子
２ｂ 光散乱層
３ｂ 光透過層
４ｂ 屈折率調整層
５ｂ ガラス製の層
２ａ 光散乱層
３ａ 光透過層
４ａ 屈折率調整層
５ａ ガラス製の層
１ｂ 発光素子
２ｂ 光散乱層
３ｂ 光透過層
４ｂ 屈折率調整層
５ｂ ガラス製の層
Claims (7)
- 発光素子と、光散乱層と、光透過層とを備える発光デバイスであって、屈折率調整層を更に備え、
前記発光素子、前記光散乱層、前記屈折率調整層、及び前記光透過層が、この順番に積層し、
前記光散乱層は、前記光散乱層に到達する光を散乱させるように構成され、
前記光透過層が、光透過性を有し、
前記屈折率調整層が、光透過性を有し、且つ前記光散乱層の屈折率よりも高いと共に前記光透過層の屈折率よりも低い屈折率を有する発光デバイス。 - 前記屈折率調整層の屈折率が、前記光散乱層側から前記光透過層へ近づくに従って高くなっている請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記屈折率調整層が、互いに異なる値の屈折率を有する複数の層を備える請求項１又は２に記載の発光デバイス。
- 前記屈折率調整層及び前記光透過層が、一つのガラス製の層から構成され、前記ガラス製の層が、前記光散乱層側から前記光透過層へ近づくに従って一種以上の構成元素の濃度が変化している領域を備え、前記領域が、前記屈折率調整層である請求項１又は２に記載の発光デバイス。
- 前記ガラス製の層が、ケイ素、ナトリウム、カリウム及びカルシウムからなる群から選択される一種以上の元素を含有する請求項４に記載の発光デバイス。
- 前記光透過層が、一つのガラス製の層からなり、
前記屈折率調整層が、シリカ及び窒化ケイ素からなる群から選択される一種以上の材料を含有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光デバイス。 - 前記光透過層が、一つのガラス製の層からなり、
前記屈折率調整層が、無機ナノ粒子を含有する樹脂製の層である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光デバイス。
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