JP5240839B2 - 面発光装置とそれを含む照明装置およびディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光装置とそれを利用した照明装置およびディスプレイ装置、さらには面発光装置を利用した発光方法に関する。

新しい発光体として、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）に加えて、面発光素子であるＥＬ（Electro-Luminescence）素子が普及している。

ＥＬ素子を用いた面発光装置はすでに携帯電話やオーディオプレーヤーなどのバックライトや小型ディスプレイとして商品化されている。また、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイに代わる薄型かつ大型のディスプレイとしても、ＥＬ素子を利用したＥＬディスプレイは研究されており、商品化されつつある。

さらに、ディスプレイ以外のＥＬ素子の用途として、ＥＬ素子の発光する光は目に優しく、発光スペクトルが幅広いため、自然の光に近いということから、照明器具にも適している。

図８に、ＥＬ素子を利用した照明装置の断面図を示す。ＥＬ素子２７は、透明基板２１上に、光透過性のある透明電極（陽極）２２、発光層２４、金属電極（陰極）２６が順に積層された構成である。さらに好ましくは、透明電極２２と発光層２４の間には、正孔注入・輸送層２３、発光層２４と金属電極２６の間には、電子注入・輸送層２５がそれぞれ設けられている。

透明電極２２と金属電極２６とに電圧を印加すると、透明電極２２からの正孔が正孔注入・輸送層２３を通過し、発光層２４に運ばれる。また、金属電極２６からの電子が電子注入・輸送層２５を通過し、発光層２４に運ばれる。発光層２４内において、運ばれてきた正孔と電子が結合し、その際に発生するエネルギーにより光が生じる。発光層２４で発光した光は、正孔注入・輸送層２３、透明電極２２、透明基板２１を透過し、外部に放出される。

ＥＬ素子２７は、蛍光灯などの光源とは異なり、面発光が可能で、かつ薄く軽量である。発光層２４を構成する有機物の組み合わせを変えることにより、様々な色を発光可能である。さらに、ＥＬ素子２７を湾曲可能な透明基板２１に積層すると、湾曲可能な面発光装置を構成することができる。また、ＥＬ素子２７は蛍光灯などと異なり、水銀などの有害物質を含まないなどの特徴を有する。

しかし、一般的に、ＥＬ素子２７において発光された光は、外部に放出されるのは全体の約２０％のみである。残りの８０％は外部に放出されず、利用されない。利用されない光の内訳は、具体的には概ね次のとおりである。発光された光のうちの約２０％は透明基板２１内に閉じ込められ、４０〜５０％は発光層２４内に閉じ込められる。残りの１０〜２０％は金属陰極２６などに吸収される。

図９に示すように、透明基板２１内に閉じ込められた光３１は、透明基板２１内で全反射を繰り返し、少なくとも一部は透明基板２１の外周端面から外部に放出される。しかしながら、通常、透明基板２１の外周は、ＥＬ素子２７を光源として照明器具などの筐体内部に組み込むときの被保持部として使用される。図８に示すように、ＥＬ素子２７を利用した照明装置などでは、保持部材２８が透明基板２１の外周部を保持することによって、ＥＬ素子２７を含む面発光装置が筐体内部の所定の位置に保持される。その結果、透明基板２１の外周端面からの光３１は、保持部材２８に遮られて筐体内に閉じ込められ、利用することができない。

関連する技術として、透明基板の外周端面に反射板を形成し、外周端面から光が透明基板外へ放出されるのを防ぐことで、ＥＬ素子の光を効率よく取り出す方法がある。さらには、図１０に示すように、透明基板２１の外周端面に角度をつけ、反射板２９による反射光を外部に放出しやすくする場合もある。この方法は、透明基板２１がＥＬ層２７側から外側に向かって面積が大きくなるように、反射板２９が形成された外周端面を傾斜させ、外周端面で反射した光を、透明基板２１の主平面から放出させることで、光取り出し効率を上げている（特許文献１）。または、透明基板内に光を散乱させる光散乱性部と、光を透過する光透過性開口部を有する透明基板を用いることで、光の散乱、透過を増やし、光の全反射を減らすことで、光取り出し効率を上げる方法がある（特許文献２）。
特開２００４−１１９２１１号公報 特開２００５−０５０７０８号公報

特許文献１の方法では、透明基板２１の外周端面における反射光が再び透明基板２１内で全反射を繰り返す可能性がある。また、通常、光源としてＥＬ素子２７を用いる場合、透明基板２１の端部が保持部材２８によって保持されて、ＥＬ素子２７を含む面発光装置が筐体内に組み込まれる。そのため、透明基板２１の外周端面に傾斜を付けた場合であっても透明基板２１の外周端面における反射光が、保持部材２８に遮られてしまう可能性がある。したがって、透明基板２１の外周端面における反射光が保持部材２８に遮られることなく外部に放出されるためには、外周端面の傾斜角をきちんと調整しなければならない。さらに、照明器具やディスプレイ装置などの機器ごとに保持部材のサイズ、形状が異なる場合があるため、各々の機器ごとに透明基板２１の外周端面の傾斜角を変えなければならず、コストがかさんでしまう。

また、特許文献２の方法は、透明基板に光散乱性部や光透過性開口部を形成するために、微細な加工を多く施さねばならず、手間がかかり、かつコストがかさんでしまう。

本発明の目的は、上記課題の面発光装置の発光効率を上げるためにはコストがかかり、構成が複雑であるという問題を解決する、面発光装置とそれを含む照明装置およびディスプレイ装置を提供することである。

本発明は、中央の肉厚部が光の放出方向と同方向に突出しており、外周が被保持部として利用可能な肉薄部になっている透明基板と、透明基板に積層されている陽極となる透明電極と、透明電極と対向する陰極になる陰電極と、透明電極と陰電極とに挟まれている発光層とを有する、面発光装置を提供する。

本発明によると、透明基板の中央の肉厚部が光の放出方向と同方向に突出しており、外周が被保持部として利用可能な肉薄部になっていることで、発光層からの光を肉厚部の外周端面からも外部に放射できるため、面発光装置の発光効率を向上させることができる。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

図１は、本発明に係る本発明の面発光装置を含む照明装置の実施形態の一例の概略構成図を示したものである。

ＥＬ素子７は、透明基板１上に、透明電極２、正孔注入・輸送層３、発光層４、電子注入・輸送層５、陰電極６が順に積層された構成である。透明基板１はガラスや合成樹脂などの光透過性を有する材料からなる。透明電極２は、光透過性の高いＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）を、真空蒸着により透明基板１上に蒸着させたものである。金属電極６は、主にアルミニウムからなる。発光層４は有機材料からなる有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）層である。正孔注入・輸送層３および電子注入・輸送層５は、例えば金属錯体などからなる。また、正孔注入・輸送層３は光透過性を有している。

このＥＬ素子７の発光原理について説明する。透明電極２が発生した正孔が正孔注入・輸送層３に注入されて輸送され、一方、金属電極６からの電子が電子注入・輸送層５に注入されて輸送される。そして、発光層４において、正孔注入・輸送層３から送られてくる正孔と、電子注入・輸送層５から送られてくる電子が結合し、その際に発生するエネルギーにより発光が生じる。

図２に示す、本発明に係る実施形態の面発光装置の一例では、透明基板１が、光の放出方向に向かって突き出る肉厚部１ｂと、それ以外の肉薄部１ａからなる。肉厚部１ｂは透明基板１の中央に位置し、肉薄部１ａは透明基板１の外周に位置しており、この肉厚部１ｂと肉薄部１ａとの境界には段部Ｓが構成されている。また、図２には、この面発光装置において実際にＥＬ素子７を発光させた場合に、発光層４が発光した光がどのように透明基板１から放出するのかの一例を示している。この例で示される光の経路は、透明基板１内で全反射する場合についての例である。また、わかりやすいように、透明基板１の下面中央部から光が入射した場合の一例のみを示す。

発光層４から正孔注入・輸送層３および透明電極２を介して透明基板1の下面の中央に入射した光の一部（図示せず）は、そのまま透明基板１の肉厚部１ｂを透過して外部に放射されるが、一部の光１１は、透明基板１内で全反射を繰り返し、図１の場合と同様に、透明基板１の最外周の端面、すなわち肉薄部１ａの外周端面Ａから放出され、保持部材８に向かっている。しかし、同様に透明基板１の下面に入射した別の光１２は、透明基板１内で全反射を繰り返しながら進んだ後に、透明基板１の段部Ｓ、具体的には保持部材８に覆われていない肉厚部１ｂの外周端面Ｂから外部に放出される。この光１２は、透明基板１から外部に放出された後に、保持部材８に取り込まれないため、ＥＬ素子を含む面発光装置の光量増加に寄与している。

図３を図８、９と対比しながら、さらに本実施形態の特徴を説明する。

図３は、図２に示した実施形態の一例の透明基板の端部を拡大した図であり、図８は関連技術である照明装置を示す図であり、図９はその平板状の透明基板の端部を拡大した図である。

上述したとおり、関連技術の照明装置では、発光した光３１の一部が平板状の透明基板２１内で全反射を繰り返し、平板状の透明基板の外周端面Ａから外部に放射される。しかし、この放射された光３１は、照明装置の保持部材２８に取り込まれてしまい、利用できない。

本発明では、透明基板１の外周に、照明装置の保持部材８に保持される肉薄部１ａの外周端面Ａのほかに、それよりも内側に位置して保持部材８に保持されない肉厚部１ｂの外周端面Ｂが設けられている。発光した光１１は、関連技術と同じように、端面Ａから放射され、照明装置の保持部材８に取り込まれる。しかし、別の光１２は、肉厚部１ｂの外周端面Ｂから外部に放射される。肉厚部１ｂの外周端面Ｂから放射された光３４は、照明装置の保持部材８に取り込まれることはない。

このように、本発明によると、肉厚部１ｂと肉薄部１ａの境界に段部Ｓを構成することによって、照明装置の保持部材８に保持される端面以外に、保持部材８に保持されない位置に端面を１つ、あるいは複数設け、面発光装置の光量を増加させることができる。これは、透明基板１の主平面から光を外部に放射するのみならず、保持部材８に覆われない位置に新たに設けた肉厚部１ｂの外周端面Ｂからも光を外部に放射できるからである。

実際に、関連技術のように、平板状の透明基板２１を用いた場合と、透明基板１が光の放出方向に向かって突き出るような肉厚部１ｂと、その外側に位置して被保持部となる肉薄部１ａとを有し、段部Ｓが形成された場合の、ＥＬ照明装置が外部に照射する光の量（光束量）の違いを測定した。図４にその測定を行った際の発光スペクトルを示す。電源としてＫＥＩＴＨＬＥＹ社製ソースメータ２４２５を使用した。測定時の電流は２０ｍＡ、電圧は３．５Ｖである。また、光束量の測定には、浜松ホトニクス社製ＰＭＡ−１１を使用した。

図４から、関連技術の平板状の透明基板２１を用いたＥＬ照明装置よりも、肉厚部１ｂと肉薄部１ａとを有し、段部Ｓが形成された透明基板１を用いたＥＬ照明装置の方が、すべての波長において、発光強度が同等以上になっていることがわかる。光束量は、平板状の透明基板２１を用いたＥＬ照明装置よりも、肉厚部１ｂと肉薄部１ａとを有し、段部Ｓが形成された透明基板１を用いたＥＬ照明装置の方が、２８％増加した。

透明基板１は、図５に示すように透明基板１の端部に曲率を持たせたり、テーパー処理を施したりすることで、透明基板１の肉厚部１ｂの外周端面から放出される光の配光を制御することができる。

また、必ずしも一枚の平板を加工して肉厚部１ｂと肉薄部１ａとを形成する必要はなく、大きさの異なる平板を積層することによって肉厚部１ｂと肉薄部１ａを形成してもよく、透明基板１の表面に、透明基板１内での光の全反射を減らすために、光の錯乱処理を施してもよい。さらには、図６、７で示すように、複数の段部Ｓを有する階段形状を形成していてもよい。

図７に示す、本発明に係る実施形態の面発光装置の他の一例では、透明基板１が、２段の段部Ｓを有する階段形状を有している。この構成では、透明基板1の下面の中央から入射された光１３は、透明基板１内で全反射を繰り返し、肉薄部１ａの外周端面Ａから放射され、照明装置の保持部材８に取り込まれる。しかし、同様に入射された別の光１４、１５は、透明基板１内で全反射を繰り返しながら進んだ後に、透明基板１の肉厚部１ｂの複数の端面Ｂから外部に放射される。これらの光１４、１５は、外部に放射された後に、保持部材８に取り込まれないため、ＥＬ照明装置としての光量増加に寄与している。

なお、以上の説明ではＥＬ素子を含む面発光装置を筐体内に保持している照明装置を例に挙げた。この照明装置は電子機器等のバックライトとして用いられるものであっても、屋内または屋外の照明器具として用いられるものであってもよい。また、図示しないが、前記したのと同様な保持部材を有する筐体を含むディスプレイ装置を本発明の面発光装置を利用して構成することも可能である。

本発明に係る実施形態の照明装置の一例を示した概略構成の断面図である。 図１における実施形態の照明装置の光の経路を一例を示す図である。 図２の透明基板の端部付近を拡大した図である。 関連技術の平板状の透明基板を用いた照明装置と、本発明に係る段部を有する透明基板を用いた照明装置の発光スペクトルを示した図である。 本発明に係る実施形態の他の照明装置の一例を示した概略構成であり、端部に曲率をもたせた透明基板を用いた照明装置の断面図である。 本発明に係る実施形態の他の照明装置の一例を示した概略構成であり、複数の段部を有する透明基板を用いた照明装置の断面図である。 本発明に係る実施形態の他の照明装置の一例の概略構成の断面と、光の経路の一例を示した図である。 関連技術の照明装置の概略構成の断面と、光の経路の一例を示した図である。 図８の透明基板の端部を拡大した図である。 平板状の透明基板の端面に角度をつけた照明装置の端部付近の断面を拡大して示し、かつＥＬ素子を発光させたときの光の経路の一例を示した図である。

符号の説明

１ 透明基板
１ａ透明基板肉薄部
１ｂ透明基板肉厚部
２ 透明電極（陽極）
３ 正孔注入・輸送層
４ 発光層
５ 電子注入・輸送層
６ 金属電極（陰極）
７ ＥＬ素子
８ 保持部材
１１〜１５光の経路
２１透明基板
２２透明電極（陽極）
２３正孔注入・輸送層
２４発光層
２５電子注入・輸送層
２６金属電極（陰極）
２７ＥＬ素子
２８保持部材
２９反射板
３１〜３２光の経路
Ａ〜Ｂ外周端面
Ｓ 段部

Claims (10)

1. 中央の肉厚部及び外周の肉薄部を含む透明基板と、
   前記透明基板に積層される透明な第一の電極と、
   前記第一の電極と対向する第二の電極と、
   前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれる発光層と、を有し、
   前記肉厚部は前記発光層からの光の放出方向に突出し、
   前記透明の前記肉厚部と前記肉薄部との境界に段部が構成され、
   前記段部が曲率を有する、面発光装置。
2. 前記透明基板の前記肉厚部と前記薄肉部との境界に複数の前記段部が形成される、請求項１に記載の面発光装置。
3. 前記透明基板は、それぞれ大きさの異なる透明基板を積層することによって形成される、請求項１または２に記載の面発光装置。
4. 前記積層される透明基板の表面に光の散乱処理が施されている、請求項３に記載の面発光装置。
5. 前記発光層がエレクトロルミネッセンス層である、請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光装置。
6. 中央の肉厚部及び外周の肉薄部を含む透明基板と、
   前記透明基板に積層される透明な第一の電極と、
   前記第一の電極と対向する第二の電極と、
   前記第一の電極及び前記第二の電極に挟まれる発光層と、を有し、
   前記肉厚部は前記発光層からの光の放出方向に突出し、
   前記肉厚部の外周端面は前記発光層からの光を透過可能に形成される、面発光装置。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光装置と、前記透明基板の肉薄部を保持する保持部材とを有する、照明装置。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光装置と、前記透明基板の肉薄部を保持する保持部材とを有する、ディスプレイ装置。
9. 透明基板と、前記透明基板に積層されている陽極となる透明な第一の電極と、前記第一の電極と対向する陰極となる第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれている発光層とを有する面発光装置を用いる光の放射方法であって、前記発光層からの光を前記第一の電極と前記透明基板の肉厚部とを介して外部に放射させるとともに、前記透明基板内で反射された光を、前記肉厚部と前記透明基板外周の肉薄部との境界に構成された段部から外部に放射させる、光の放射方法。
10. 前記透明基板内で反射された光の少なくとも一部を、前記段部の一部を構成する前記肉厚部の外周端面から外部に放射させる、請求項９に記載の光の放射方法。

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