JP6155566B2

JP6155566B2 - 有機ｌｅｄ素子用の積層基板、透明電極付き積層基板、及び有機ｌｅｄ素子

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Publication number: JP6155566B2
Application number: JP2012149963A
Authority: JP
Inventors: 康宏池田; 寛坂本
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: JP2014013668A

Description

本発明は、有機ＬＥＤ素子用の積層基板、及び有機ＬＥＤ素子に関する。

有機ＬＥＤ素子は、透明基板、透明電極、有機層、及び反射電極をこの順で有する。有機層の発光光は、透明電極、及び透明基板を透過し、透明基板の取り出し面から外部に放出される。透明電極から該透明電極よりも低い屈折率の透明基板に臨界角以上の入射角で入射する光は、透明電極と透明基板との界面で全反射される。また、透明基板から該透明基板よりも低い屈折率の空気に臨界角以上の入射角で入射する光は、透明基板と空気との界面で全反射される。光取り出し面と反射電極との間を何度も往復する間に、光は熱に変換されるか、有機ＬＥＤ素子の側面から放出される。

そこで、光取り出し効率を向上するため、透明電極と透明基板との間に凹凸層を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。凹凸層は透過型の回折格子を形成する。透明電極から回折格子に入射する光のうち、大部分は回折格子を透過し、残部は回折格子で反射される。

回折格子で反射される光は、回折格子による干渉効果によって入射角よりも小さい反射角で反射するので、反射電極で反射され回折格子に再度入射するとき、ほとんどの光は回折格子を透過する。

回折格子を透過する光は、０次回折光、１次回折光、２次回折光等に分かれ、透明基板の光取り出し面に入射する。この入射角が臨界角未満の光は、光取り出し面から外部に放出される。一方、この入射角が臨界角以上の光の大部分は、光取り出し面で全反射された後、光取り出し面と反射電極との間を１回以上往復する間に、回折格子を透過することで、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面から外部に放出される。

特開平１１−２８３７５１号公報

従来の技術では、十分な光取り出し効率が得られなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、光取り出し効率が高い有機ＬＥＤ素子用の積層基板の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様による有機ＬＥＤ素子用の積層基板は、
透明基板、該透明基板上に設けられる凹凸層、及び該凹凸層の凹凸面上に設けられる平坦化層を備え、有機層の発光光を、前記平坦化層、及び前記凹凸層を介して、前記透明基板における前記凹凸層側と反対側の面から外部に取り出すためのものであって、
前記凹凸層は、基材、及び該基材中に分散する光散乱材を含み、回折格子を形成する。

本発明によれば、光取り出し効率が高い有機ＬＥＤ素子用の積層基板が提供される。

本発明の第１実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図図１の透過型の回折格子によって光の全反射が低減されることを説明するための図である。レイリー散乱の概念図ミー散乱の概念図ミー散乱によって光の向きが正面方向に揃うことを確認するためのシミュレーションのモデル図シミュレーションの結果を示す図第１実施形態の第１変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図第１実施形態の第２変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図本発明の第２実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図図９のプリズムによって光の全反射が低減されることを説明するための図第２実施形態の第１変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図第２実施形態の第２変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図本発明の第３実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図図１３のレンズによって光の全反射が低減されることを説明するための図第３実施形態の第１変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図第３実施形態の第２変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図本発明の第４実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図図１７のモスアイ構造による光の透過の説明図第４実施形態の第１変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図第４実施形態の第２変形例による有機ＬＥＤ素子を示す断面図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して、説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図である。図１において、便宜上、凹凸層３０の凹凸を誇張して示す。

有機ＬＥＤ素子１０は、ボトムエミッションタイプであって、透明基板２０、凹凸層３０、平坦化層４０、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０をこの順で有する。透明基板２０、凹凸層３０、及び平坦化層４０で積層基板１１が構成され、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０等で発光素子１２が構成される。照明用の場合、１つの発光素子１２が平坦化層４０上に形成されてよい。画像表示用の場合、発光素子１２は画素毎に設けられ、複数の発光素子１２が平坦化層４０上に配列される。

有機層６０の発光光は、透明電極５０、平坦化層４０、凹凸層３０、透明基板２０を透過し、透明基板２０の光取り出し面２１から外部に放出される。光取り出し面２１は、透明基板２０における凹凸層３０側と反対側の面である。

本実施形態では、凹凸層３０が回折格子３１を形成する。回折格子３１は、平坦化層４０側に設けられる。以下の説明で、回折格子３１での入射角、反射角は、光取り出し面２１に対して垂直な方向（以下、「正面方向」という）と、光の進行方向とのなす角を意味する。

（透明基板）
透明基板２０は、例えばガラス基板、樹脂基板であってよい。透明基板２０は、耐湿性の高いガラス基板であることが好ましい。ガラス基板のガラスとしては、アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、及び石英ガラス等が挙げられる。一般的には、ソーダライムガラス等のアルカリシリケートガラスが用いられる。ガラスの屈折率は、例えば１．４〜１．９である。透明基板２０の屈折率は、透明電極５０の屈折率以下であることが好ましい。樹脂基板の樹脂としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。樹脂基板の耐湿性を高めるため、樹脂基板上に耐湿バリア層が設けられてよい。耐湿バリア層は、酸化ケイ素等の金属酸化物、窒化ケイ素等の金属窒化物、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ガラス等で形成される。

本明細書において、「屈折率」とは、Ｈｅランプｄ線（波長：５８７．６ｎｍ）を用いて２５℃で測定した屈折率を意味する。屈折率はアッベの屈折率計により測定される。

透明基板２０の厚さは、例えば０．００１ｍｍ〜２．０ｍｍである。好ましくは０．００１ｍｍ〜１．０ｍｍである。

（透明電極）
透明電極５０は、有機層６０に正孔を供給する陽極である。透明電極５０の材料としては、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３：アルミニウムがドーピングされた亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ_２Ｏ_３：ガリウムがドーピングされた亜鉛酸化物）、ＮｂドープＴｉＯ_２、ＴａドープＴｉＯ_２等が挙げられる。これらの材料の屈折率は、例えば１．７〜２．２である。透明電極５０は、２種以上の材料を用いて形成される積層膜であってもよい。

透明電極５０の厚さは、例えば５０ｎｍ以上である。５０ｎｍ未満では、電気抵抗が高くなる。

（有機層）
有機層６０は、一般的な構成であってよく、少なくとも発光層を含み、必要に応じて正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層を含む。例えば、有機層６０は、陽極側から、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、及び電子注入層をこの順で含む。

正孔注入層は、陽極とのイオン化ポテンシャルの差が小さい材料で形成される。高分子では、ポリスチレンスルフォン酸（ＰＳＳ）がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）等が用いられる。低分子では、フタロシアニン系の銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）等が用いられる。

正孔輸送層は、正孔注入層から注入された正孔を発光層に輸送する。正孔輸送層の材料としては、例えば、トリフェニルアミン誘導体、Ｎ，Ｎ'−ビス（１−ナフチル）−Ｎ，Ｎ'−ジフェニル−１，１'−ビフェニル−４，４'−ジアミン（ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ'−ジフェニル−Ｎ，Ｎ'−ビス［Ｎ−フェニル−Ｎ−（２−ナフチル）−４'−アミノビフェニル−４−イル］−１，１'−ビフェニル−４，４'−ジアミン（ＮＰＴＥ）、１，１−ビス［（ジ−４−トリルアミノ）フェニル］シクロヘキサン（ＨＴＭ２）及びＮ，Ｎ'−ジフェニル−Ｎ，Ｎ'−ビス（３−メチルフェニル）−１，１'−ジフェニル−４，４'−ジアミン（ＴＰＤ）等が用いられる。正孔輸送層の厚さは、１０ｎｍ〜１５０ｎｍが好ましい。厚さは薄ければ薄いほど低電圧化できるが、電極間短絡の問題から１０ｎｍ〜１５０ｎｍであることが好ましい。

発光層は、陽極及び陰極から注入された電子と正孔との再結合によって生じるエネルギーで発光する。発光層におけるホスト材料への発光色素のドーピングは、高い発光効率を得ると共に、発光波長を変換させる。発光層の有機材料には、低分子系と高分子系の材料がある。さらに、発光機構によって、蛍光材料、りん光材料に分類される。発光層の有機材料には、例えば、トリス（８−キノリノラート）アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）、ビス（８−ヒドロキシ）キナルジンアルミニウムフェノキサイド（Ａｌｑ′２ＯＰｈ）、ビス（８−ヒドロキシ）キナルジンアルミニウム−２，５−ジメチルフェノキサイド（ＢＡｌｑ）、モノ（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）リチウム錯体（Ｌｉｑ）、モノ（８−キノリノラート）ナトリウム錯体（Ｎａｑ）、モノ（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）リチウム錯体、モノ（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）ナトリウム錯体及びビス（８−キノリノラート）カルシウム錯体（Ｃａｑ２）等のキノリン誘導体の金属錯体、テトラフェニルブタジエン、フェニルキナクドリン（ＱＤ）、アントラセン、ペリレン並びにコロネン等が挙げられる。ホスト材料としては、キノリノラート錯体が好ましく、特に、８−キノリノール及びその誘導体を配位子としたアルミニウム錯体が好ましい。

電子輸送層は、電極から注入された電子を輸送する。電子輸送層の材料としては、例えば、キノリノールアルミニウム錯体（Ａｌｑ３）、オキサジアゾール誘導体（例えば、２，５−ビス（１−ナフチル）−１，３，４−オキサジアゾール（ＢＮＤ）及び２−（４−ｔ−ブチルフェニル）−５−（４−ビフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（ＰＢＤ）等）、トリアゾール誘導体、バソフェナントロリン誘導体、シロール誘導体等が用いられる。

電子注入層は、例えば陰極表面にリチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属をドーピングした層であってよい。

（反射電極）
反射電極７０は、有機層６０に電子を供給する陰極である。反射電極７０は、有機層６０の発光光を有機層６０側に反射する。

反射電極７０は、アルカリ金属（例えばＡｌ）、アルカリ土類金属（例えばＭｇ）、周期表第３族の金属のうち少なくともいずれか１種を含む。例えば、反射電極７０は、ＭｇＡｇの共蒸着膜、ＬｉＦ若しくはＬｉ_２Ｏの薄膜蒸着膜の上にＡｌを蒸着した積層膜、又はアルカリ土類金属（例えばＣａ、Ｂａ）の層にアルミニウム（Ａｌ）を積層した積層膜であってよい。

（凹凸層）
凹凸層３０は、例えばインプリント法で透明基板２０上に形成される。インプリント法では、透明基板２０とモールドとの間に成形材料の層を挟み、モールドの凹凸パターンが転写した凹凸層３０を透明基板２０上に形成する。凹凸層３０の凹凸パターンは、モールドの凹凸パターンが略反転したパターンである。

透明基板２０がガラス基板の場合、ガラス基板は、ガラスと成形材料との密着を高めるため、予め表面処理が施されたものであってよい。表面処理としては、プライマー処理、オゾン処理、プラズマエッチング処理等が挙げられる。プライマーとしては、シランカップリング剤、シラザン等が用いられる。

光インプリント法では、光硬化性樹脂を含む成形材料の層の表面にモールドの凹凸パターンを押し付け、光を照射し、成形材料の層を固化（硬化）させることで凹凸層３０を形成する。

光硬化性樹脂を硬化させる光としては、例えば紫外光、可視光、赤外光等が挙げられる。紫外光の光源としては、紫外線蛍光灯、紫外線ＬＥＤ、低圧水銀灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、キセノン灯、炭素アーク灯等が挙げられる。可視光の光源としては、可視光蛍光灯、可視光白熱灯、可視光ＬＥＤ等が用いられる。

光インプリント法では、室温での成型が可能であり、モールドと透明基板２０との線膨張係数差による歪みが発生しにくく、転写精度が良い。尚、硬化反応の促進のため、成形材料の層は加熱されてもよい。

一方、熱インプリント法では、熱可塑性樹脂を含む成形材料の層を加熱により軟化し、軟化した成形材料の層の表面にモールドを押し付け、成形材料の層を冷却して固化させることで、凹凸層３０を形成する。

加熱源としては、加熱光を照射する光源（例えばハロゲンランプ、レーザ）、ヒータ等が用いられる。加熱温度は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上である。

成形材料の層は、必要に応じて、後述の光散乱材を含む。

尚、本実施形態の凹凸層３０は、インプリント法で形成されるが、フォトリソグラフィ法、ＥＢ描画法、干渉露光法等で形成されてもよい。

凹凸層３０は、透過型の回折格子３１を形成する。回折格子３１は２次元の回折格子であってよい。回折格子３１は複数の凸部を有し、複数の凸部の底面は同一平面上に配列される。複数の凸部は、周期的に配列され、例えば正六方格子状、準六方格子状、正四方格子状、準四方格子状に配列される。最も近い凸部同士のピッチＰ１は、可視光の波長の１倍〜数倍程度（３００ｎｍ＜Ｐ１≦５μｍ）であり、凹凸層３０の屈折率や平坦化層４０の屈折率、凸部の高さＨ１等に応じて適宜設計されるが、例えば５００ｎｍである。凸部の高さＨ１は、１０ｎｍ以上５μｍ以下である。１０ｎｍ以上であると十分な回折効率を得られやすい。５μｍ以下であると凹凸層を製造しやすい。凸部の形状は、多種多様であってよく、例えば円錐形状、円錐台形状、角錐形状（例えば四角錐形状、三角錐形状）、角錐台形状、釣鐘形状、円柱形状、角柱形状等が挙げられる。尚、回折格子３１は、１次元の回折格子でもよい。

透過型の回折格子３１は、平坦化層４０から凹凸層３０へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。

また、透過型の回折格子３１は、平坦化層４０から凹凸層３０に入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。

図２は、図１の透過型の回折格子によって光の全反射が低減されることを説明するための図である。図２において、便宜上、発光素子１２、光散乱材３４、４４の図示を省略する。

一般的に、隣接する高屈折率層と低屈折率層との間の界面が平坦な場合、高屈折率層から低屈折率層に臨界角以上の入射角で入射する光は全反射してしまう。

本実施形態では、高屈折率層としての平坦化層４０と、低屈折率層としての凹凸層３０との界面が微細な凹凸構造を有し、凹凸層３０が透過型の回折格子３１を形成する。そのために、界面が平坦な場合に全反射してしまう光の大部分が、図２に示すように０次回折光Ｒ０、１次回折光Ｒ１、２次回折光Ｒ２等に分かれ、回折格子３１を透過し、凹凸部３０内を伝播する。よって、平坦化層４０から凹凸層３０に入射するときの光の全反射を抑えることができる。

尚、界面が平坦な場合に界面で全反射せずに界面を透過する光の大部分が、回折格子３１を透過するように、回折格子３１の凸部のピッチＰ１や高さＨ１が最適化されてよい。また、回折格子３１で反射される光は、回折格子３１による干渉効果によって入射角よりも小さい反射角で反射するので、反射電極７０で反射され回折格子３１に再度入射するとき、ほとんどの光は回折格子３１を透過する。

ところで、透過型の回折格子３１では、光の干渉によって、回折格子３１を透過した光の強度に角度依存性があり、複数の特定の角度で透過光の強度が強くなる。また、透過光の波長毎に、透過光の強度が強くなる角度が異なる。

そこで、凹凸層３０は、図１に示すように、樹脂等の基材３３、及び基材３３中に分散する光散乱材３４を含んでよい。光散乱材３４は、凹凸層３０内を伝播する光を散乱することで、光の強度の角度依存性を低減し、また、光の色（波長）の角度依存性を低減する。

基材３３は、基材３３と透明基板２０との界面での反射を抑えるため、透明基板２０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。光ナノインプリントの場合、基材３３を形成する光硬化性樹脂として、例えば、シルセスキオキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂が用いられる。シルセスキオキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂は耐熱性にも優れている。熱ナノインプリントの場合、基材３３を形成する熱可塑性樹脂として、例えば、（メタ）アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、セルロース系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエポキシ系樹脂等が好適である。基材３３の屈折率は、透明基板２０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明基板２０の屈折率以下であることが好ましい。

光散乱材３４は、基材３３と異なる屈折率を有し、基材３３よりも低い屈折率を有する空気、基材３３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

金属酸化物の粒子の平均粒子径としては、動的光散乱法により測定される粒径分布のピーク値が用いられる。光散乱材３４が空気の場合、例えば凹凸層３０の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、視野中に含まれる光散乱材から無作為に１０個抽出し、それらの径を測定し、平均化することにより求めることができる。

光散乱材３４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材３４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材３４が基材３３中に分散しにくく、偏在しやすい。一方、光散乱材３４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

図３は、レイリー散乱の概念図である。図４は、ミー散乱の概念図である。図３、図４において、白丸Ｍは散乱粒子、太線Ｌ１は入射光、細線Ｌ２はレイリー散乱による散乱光、細線Ｌ３はミー散乱による散乱光を表す。細線Ｌ２、Ｌ３の矢印方向は散乱光の進行方向、細線Ｌ２、Ｌ３の長さは散乱光の強度を表す。

本実施形態の光散乱材３４の平均球相当径は３００ｎｍ〜１０μｍであり可視光の波長と同程度以上であるので、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなる。光散乱材３４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍであると、凹凸層３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができる。

図５は、ミー散乱によって光の向きが正面方向に揃うことを確認するためのシミュレーションのモデル図である。図６は、シミュレーションの結果を示す図であって、光の強度と伝播方向との関係を示す図である。図６において、実線Ｎ１は光散乱層から前方に出射する光の強度と伝播方向との関係を示し、破線Ｎ２は光散乱層へ入射する光の強度と伝播方向との関係を示し、一点鎖線Ｎ３は光散乱層から後方に出射する光の強度と伝播方向との関係を示す。図６において、原点からの距離が光の強度を表し、角度が光の伝播方向を表す。光の伝播方向は、正面方向を０°とし、正面方向とのなす角で表す。

シミュレーションでは、図５に示すように、基材３３Ａ（屈折率２．０）の途中に、基材３３Ａ中に光散乱材３４Ａ（粒径５００ｎｍ、屈折率１．４５）を分散した光散乱層３０Ａ（層厚１μｍ）を設け、光散乱層３０Ａから出射する光の強度の角度依存性を光線追跡法（ソフト名：「ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ」、ＣＹＢＥＲＮＥＴ社製）により求めた。光散乱層３０Ａ中に占める光散乱材３４Ａの体積割合は６０％とした。また、基材３３Ａの図中上端及び図中下端には光吸収率１００％の境界面を設定した。

図６に示すように、ミー散乱によって光の向きを正面方向に揃えることができ、−４２°〜４２°の範囲内の光の強度を増やすことができた。尚、透明基板２０であるガラス基板（屈折率１．５）と空気（屈折率１．０）との界面（光取り出し面２１）における臨界角は４２°程度である。

ミー散乱によって光の向きが正面方向に揃うのは、（１）前方散乱が支配的であること、（２）入射光の向きが正面方向から傾くほど、光散乱層３０Ａの通過にかかる距離が長くなり、光の散乱回数が増えることによる。

元々向きが正面方向の入射光は、散乱回数が少なく、前方散乱が支配的であることから、光散乱層３０Ａ内を伝搬する間に向きがほとんど変わらない。一方、向きが斜め方向の入射光は、散乱回数が多いので、光散乱層３０Ａ内を伝搬する間に徐々に向きが正面方向に変わる。よって、ミー散乱によって光の向きが全体的に正面方向に揃う。

尚、基材４３の屈折率、光散乱材４４の屈折率、平均球相当径、体積割合、凹凸層３０の厚みは、適宜設計される。

（平坦化層）
平坦化層４０は、凹凸層３０上に設けられ、凹凸層３０の凹凸を吸収する。平坦化層４０の平坦面上に設けられる透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０が設計通りの性能を発揮できる。

平坦化層４０は、例えばウェットコート法で凹凸層３０の凹凸面上に形成される。平坦化層４０の形成前に、凹凸層３０を熱処理する工程が行われてよい。凹凸層３０の樹脂の重合率の向上や、凹凸層３０の複屈折の除去が可能である。

ウェットコート法は、流動性樹脂を凹凸層３０上に塗布し、固化させることで平坦化層４０を形成する。流動性樹脂には、必要に応じて光散乱材が添加される。ウェットコート法としては、例えば、スピンコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ダイコート法等が挙げられる。

平坦化層４０は、樹脂等の３０基材４３、及び基材４３中に分散する光散乱材４４を含んでよい。光散乱材４４は、凹凸層３０の光散乱材３４と同様に、平坦化層４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、平坦化層４０から回折格子３１に入射する光の向きを正面方向に揃える。

一般的に、回折格子に入射する光の向きが正面方向に揃っているほど、回折格子を透過する光の向きが正面方向に揃いやすい。

本実施形態では、平坦化層４０中の光散乱材４４が平坦化層４０から回折格子３１に入射する光の向きを正面方向に揃えるので、回折格子３１を透過する光の向きが正面方向に揃いやすく、光取り出し効率を向上できる。

基材４３は、基材４３と透明電極５０との界面での反射を抑えるため、透明電極５０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。光ナノインプリントの場合、基材４３を形成する光硬化性樹脂として、例えば、シルセスキオキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂が用いられる。シルセスキオキサン系樹脂、ポリイミド系樹脂は耐熱性にも優れている。熱ナノインプリントの場合、基材４３を形成する熱可塑性樹脂として、例えば、（メタ）アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、セルロース系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエポキシ系樹脂等が好適である。基材４３は、屈折率の調整のため、光を散乱しない程度の大きさの無機系ナノ微粒子を含んでもよい。無機系ナノ微粒子の粒径は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下がより好ましい。粒径が１ｎｍ未満であると、結晶性が乏しくなり、屈折率等の粒子特性を発現することが難しくなる。一方、粒径が１００ｎｍを超えると、レイリー散乱の影響が出始め、後方散乱成分が増加し光取り出し効率低下の要因となるためである。基材４３の屈折率は、透明電極５０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明電極５０の屈折率以下であることが好ましい。

基材４３は、凹凸層３０の基材３３と異なる屈折率を有する。基材４３は、透明基板２０よりも高い屈折率を有する透明電極５０と接するので、透明基板２０と接する凹凸層３０の基材３３よりも高い屈折率を有することが好ましい。

光散乱材４４は、基材４３と異なる屈折率を有し、基材４３よりも低い屈折率を有する空気、基材４３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材４４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材４４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材４４が基材４３中に分散しにくく、偏在しやすい。光散乱材４４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなる。光散乱材４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍであると、平坦化層４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができる。

光取り出し面２１に臨界角以上の入射角で入射する光は、光取り出し面２１で全反射される。全反射された光は、光取り出し面２１と光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、回折格子３１を透過することで、また、光散乱材３４、４４で繰り返し散乱されることで、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から外部に放出される。

尚、本実施形態では凹凸層３０及び平坦化層４０の両方が光散乱材を含むが、いずれか一方が光散乱材を含んでいればよい。

例えば、図７に示すように、凹凸層３０が光散乱材３４を含み、平坦化層４３が光散乱材４４を含まなくてもよい。図７に示す例（第１変形例）の場合、透過型の回折格子３１は、平坦化層４３から凹凸層３０へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。また、透過型の回折格子３１は、平坦化層４３から凹凸層３０へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。凹凸層３０中の光散乱材３４は、凹凸層３０内を伝播する光を散乱し、回折格子３１による光の強度の角度依存性を低減し、また、回折格子３１による光の色（波長）の角度依存性を低減する。また、凹凸層３０中の光散乱材３４は、凹凸層３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、光取り出し効率を向上する。

また、図８に示すように、平坦化層４０が光散乱材４４を含み、凹凸層３３が光散乱材３４を含まなくてもよい。図８に示す例（第２変形例）の場合、透過型の回折格子３１は、平坦化層４０から凹凸層３３へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。また、透過型の回折格子３１は、平坦化層４０から凹凸層３３へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。平坦化層４０中の光散乱材４４は、平坦化層４０内を伝搬する光の向きを正面方向に揃える。平坦化層４０から回折格子３１に入射する光の向きが正面方向に揃い、回折格子３１を透過する光の向きが正面方向に効率的に揃いやすく、光取り出し効率がさらに向上する。

［第２実施形態］
上記第１実施形態では、凹凸層３０が回折格子３１を形成する。一方、本実施形態では、凹凸層が複数のプリズムを形成する点で相違する。以下、主に相違点について説明する。

図９は、本発明の第２実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図である。図９において、便宜上、凹凸層１３０の凹凸を誇張して示す。

有機ＬＥＤ素子１１０は、ボトムエミッションタイプであって、透明基板２０、凹凸層１３０、平坦化層１４０、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０をこの順で有する。透明基板２０、凹凸層１３０、及び平坦化層１４０で積層基板１１１が構成され、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０等で発光素子１２が構成される。照明用の場合、１つの発光素子１２が平坦化層１４０上に形成されてよい。画像表示用の場合、発光素子１２は画素毎に設けられ、複数の発光素子１２が平坦化層１４０上に配列される。

有機層６０の発光光は、透明電極５０、平坦化層１４０、凹凸層１３０、透明基板２０を透過し、透明基板２０の光取り出し面２１から外部に放出される。光取り出し面２１は、透明基板２０における凹凸層１３０側と反対側の面である。

本実施形態では、凹凸層１３０が複数のプリズム１３１を形成する。プリズム１３１は、平坦化層１４０側に設けられる。以下の説明で、プリズム１３１での入射角、反射角は、光取り出し面２１に対して垂直な方向（以下、「正面方向」という）と、光の進行方向とのなす角を意味する。

（凹凸層）
凹凸層１３０は、例えばインプリント法で透明基板２０上に形成される。インプリント法では、透明基板２０とモールドとの間に成形材料の層を挟み、モールドの凹凸パターンが転写した凹凸層１３０を透明基板２０上に形成する。凹凸層１３０の凹凸パターンは、モールドの凹凸パターンが略反転したパターンである。成形材料の層は、必要に応じて、後述の光散乱材を含む。

尚、本実施形態の凹凸層１３０は、インプリント法で形成されるが、フォトリソグラフィ法、ＥＢ描画法、干渉露光法等で形成されてもよい。

凹凸層１３０は、複数のプリズム１３１を形成する。複数のプリズム１３１の底面は同一平面上に配列される。複数のプリズム１３１は、周期的に配列され、例えば正六方格子状、準六方格子状、正四方格子状、準四方格子状に配列される。最も近いプリズム１３１同士のピッチＰ２は、可視光の波長よりも十分に大きい（５μｍ＜Ｐ２≦５０μｍ）。プリズムの高さＨ２は５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。プリズム１３１の形状は、多種多様であってよく、例えば角錐形状（例えば四角錐形状、三角錐形状）、角錐台形状等が挙げられる。

プリズム１３１は、平坦化層１４０から凹凸層１３０へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。

プリズム１３１は、平坦化層１４０から凹凸層１３０へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。

図１０は、図９のプリズムによって光の全反射が低減されることを説明するための図である。図１０において、便宜上、発光素子１２、光散乱材１３４、１４４の図示を省略する。

本実施形態では、高屈折率層としての平坦化層１４０と、低屈折率層としての凹凸層１３０との界面が微細な凹凸構造を有し、凹凸層１３０がプリズム１３１を形成する。そのために、界面が平坦な場合に全反射してしまう光の大部分が、図１０に示すようにプリズム１３１の傾斜面を透過し、凹凸層１３０内に伝播する。プリズム１３１の一方の傾斜面を透過した光は、例えばプリズム１３１の他方の傾斜面で反射され、透明基板２０に向けて伝播する。よって、平坦化層１４０から凹凸層１３０へ入射するときの光の全反射を抑えることができる。

尚、界面が平坦な場合に界面で全反射せずに界面を透過する光の大部分が、プリズム１３１を透過するように、プリズム１３１のピッチＰ２や高さＨ２が最適化されてよい。

ところで、光の屈折率は光の波長によって異なり、光の波長毎に光の屈折角が異なる。そのため、光の屈折を利用するプリズムの場合、プリズム１３１を見る角度が変わると、プリズム１３１を透過した光の色（波長）が変わる。

そこで、凹凸層１３０は、図９に示すように、樹脂等の基材１３３、及び基材１３３中に分散する光散乱材１３４を含んでよい。光散乱材１３４は、凹凸層１３０内を伝播する光を散乱することで、光の色（波長）の角度依存性を低減する。

基材１３３は、基材１３３と透明基板２０との界面での反射を抑えるため、第１実施形態と同様に、透明基板２０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。基材１３３の屈折率は、透明基板２０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明基板２０の屈折率以下であることが好ましい。

光散乱材１３４は、基材１３３と異なる屈折率を有し、基材１３３よりも低い屈折率を有する空気、基材１３３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材１３４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材１３４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材１３４が基材１３３中に分散しにくく、偏在しやすい。一方、光散乱材１３４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材１３４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなり、凹凸層１３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができる。

（平坦化層）
平坦化層１４０は、凹凸層１３０上に設けられ、凹凸層１３０の凹凸を吸収する。平坦化層１４０の平坦面上に設けられる透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０が設計通りの性能を発揮できる。

平坦化層１４０は、例えばウェットコート法で凹凸層１３０の凹凸面上に形成される。平坦化層１４０の形成前に、凹凸層１３０を熱処理する工程が行われてよい。凹凸層１３０の樹脂の重合率の向上や、凹凸層１３０の複屈折の除去が可能である。

平坦化層１４０は、樹脂等の基材１４３、及び基材１４３中に分散する光散乱材１４４を含んでよい。光散乱材１４４は、凹凸層１３０の光散乱材１３４と同様に、平坦化層１４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、平坦化層１４０からプリズム１３１に入射する光の向きを正面方向に揃える。

一般的に、プリズムに入射する光の向きが正面方向に揃っているほど、プリズムを透過する光の向きが正面方向に揃いやすい。

本実施形態では、平坦化層１４０からプリズム１３１に入射する光の向きが正面方向に揃っているので、プリズム１３１を透過する光の向きが正面方向に効率的に揃いやすく、光取り出し効率が向上する。

基材１４３は、基材１４３と透明電極５０との界面での反射を抑えるため、第１実施形態と同様に、透明電極５０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。基材１４３の屈折率は、透明電極５０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明電極５０の屈折率以下であることが好ましい。

基材１４３は、凹凸層１３０の基材１３３と異なる屈折率を有する。基材１４３は、透明基板２０よりも高い屈折率を有する透明電極５０と接するので、透明基板２０と接する凹凸層１３０の基材１３３よりも高い屈折率を有することが好ましい。

光散乱材１４４は、基材１４３と異なる屈折率を有し、基材１４３よりも低い屈折率を有する空気、基材１４３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材１４４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材１４４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材１４４が基材１４３中に分散しにくく、偏在しやすい。光散乱材１４４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材１４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなる。光散乱材１４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍであると、平坦化層１４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができる。

光取り出し面２１に臨界角以上の入射角で入射する光は、光取り出し面２１で全反射される。全反射された光は、光取り出し面２１と光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、プリズム１３１を透過することで、また、光散乱材１３４、１４４で繰り返し散乱されることで、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から外部に放出される。

尚、本実施形態では凹凸層１３０及び平坦化層１４０の両方が光散乱材を含むが、いずれか一方が光散乱材を含んでいればよい。

例えば、図１１に示すように、凹凸層１３０が光散乱材１３４を含み、平坦化層１４３が光散乱材１４４を含まなくてもよい。図１１に示す例（第１変形例）の場合、プリズム１３１は、平坦化層１４３から凹凸層１３０へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。また、プリズム１３１は、平坦化層１４３から凹凸層１３０へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。凹凸層１３０中の光散乱材１３４は、凹凸層１３０内を伝播する光を散乱し、プリズム１３１による光の強度の角度依存性を低減し、また、プリズム１３１による光の色（波長）の角度依存性を低減する。また、凹凸層１３０中の光散乱材１３４は、凹凸層１３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、光取り出し効率を向上する。

また、図１２に示すように、平坦化層１４０のみが光散乱材１４４を含み、凹凸層１３３は光散乱材１３４を含まなくてもよい。図１２に示す例（第２変形例）の場合、プリズム１３１は、平坦化層１４０から凹凸層１３３へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。また、プリズム１３１が、平坦化層１４０から凹凸層１３３へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。平坦化層１４０中の光散乱材１４４は、平坦化層１４０内を伝搬する光の向きを正面方向に揃える。平坦化層１４０からプリズム１３１に入射する光の向きが正面方向に揃い、プリズム１３１を透過する光の向きが正面方向に効率的に揃いやすく、光取り出し効率がさらに向上する。

［第３実施形態］
上記第２実施形態では、凹凸層１３０が複数のプリズム１３１を形成する。一方、本実施形態では、凹凸層が複数のレンズを形成する点で相違する。以下、主に相違点について説明する。

図１３は、本発明の第３実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図である。図１３において、便宜上、凹凸層２３０の凹凸を誇張して示す。

有機ＬＥＤ素子２１０は、ボトムエミッションタイプであって、透明基板２０、凹凸層２３０、平坦化層２４０、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０をこの順で有する。透明基板２０、凹凸層２３０、及び平坦化層２４０で積層基板２１１が構成され、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０等で発光素子１２が構成される。照明用の場合、１つの発光素子１２が平坦化層２４０上に形成されてよい。画像表示用の場合、発光素子１２は画素毎に設けられ、複数の発光素子１２が平坦化層２４０上に配列される。

有機層６０の発光光は、透明電極５０、平坦化層２４０、凹凸層２３０、透明基板２０を透過し、透明基板２０の光取り出し面２１から外部に放出される。光取り出し面２１は、透明基板２０における凹凸層２３０側と反対側の面である。

本実施形態では、凹凸層２３０が複数のレンズ２３１を形成する。レンズ２３１は、平坦化層２４０側に設けられる。以下の説明で、レンズ２３１での入射角、反射角は、光取り出し面２１に対して垂直な方向（以下、「正面方向」という）と、光の進行方向とのなす角を意味する。

（凹凸層）
凹凸層２３０は、例えばインプリント法で透明基板２０上に形成される。インプリント法では、透明基板２０とモールドとの間に成形材料の層を挟み、モールドの凹凸パターンが転写した凹凸層２３０を透明基板２０上に形成する。凹凸層２３０の凹凸パターンは、モールドの凹凸パターンが略反転したパターンである。成形材料の層は、必要に応じて、後述の光散乱材を含む。

尚、本実施形態の凹凸層２３０は、インプリント法で形成されるが、フォトリソグラフィ法、ＥＢ描画法、干渉露光法等で形成されてもよい。

凹凸層２３０は、複数のレンズ２３１を形成する。複数のレンズ２３１は、周期的に配列され、例えば正六方格子状、準六方格子状、正四方格子状、準四方格子状に配列される。最も近いレンズ２３１同士のピッチＰ３は、可視光の波長よりも十分に大きい（５μｍ＜Ｐ３≦５０μｍ）。レンズ２３１は、図１３に示すように平坦化層２４０側から見て凹レンズでもよいし、凸レンズでもよい。

レンズ２３１は、平坦化層２４０から凹凸層２３０へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。

レンズ２３１は、平坦化層２４０から凹凸層２３０へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。

図１４は、図１３のレンズによって光の全反射が低減されることを説明するための図である。図１４において、便宜上、発光素子１２、光散乱材２３４、２４４の図示を省略する。

本実施形態では、高屈折率層としての平坦化層２４０と、低屈折率層としての凹凸層２３０との界面が微細な凹凸構造を有し、凹凸層２３０がレンズ２３１を形成する。そのため、界面が平坦な場合に全反射してしまう光の大部分が、図１４に示すようにレンズ２３１の曲面を透過し、凹凸層２３０内を伝播する。よって、平坦化層２４０から凹凸層２３０へ入射するときの光の全反射を抑えることができる。

尚、界面が平坦な場合に界面で全反射せずに界面を透過する光の大部分が、レンズ２３１を透過するように、レンズ２３１のピッチＰ３や高さが最適化されてよい。

ところで、屈折を利用するレンズの場合、レンズを透過した光の波長ごとに、透過光の強度が強くなる角度が異なる。

そこで、凹凸層２３０は、図１３に示すように、樹脂等の基材２３３、及び基材２３３中に分散する光散乱材２３４を含んでよい。光散乱材２３４は、凹凸層２３０内を伝播する光を散乱することで、光の強度の角度依存性を低減し、また、光の色（波長）の角度依存性を低減する。

基材２３３は、基材２３３と透明基板２０との界面での反射を抑えるため、第１実施形態と同様に、透明基板２０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。基材２３３の屈折率は、透明基板２０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明基板２０の屈折率以下であることが好ましい。

光散乱材２３４は、基材２３３と異なる屈折率を有し、基材２３３よりも低い屈折率を有する空気、基材２３３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材２３４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材２３４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材２３４が基材２３３中に分散しにくく、偏在しやすい。一方、光散乱材２３４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材２３４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなり、凹凸層２３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができる。

（平坦化層）
平坦化層２４０は、凹凸層２３０上に設けられ、凹凸層２３０の凹凸を吸収する。平坦化層２４０の平坦面上に設けられる透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０が設計通りの性能を発揮できる。

平坦化層２４０は、例えばウェットコート法で凹凸層２３０の凹凸面上に形成される。平坦化層２４０の形成前に、凹凸層２３０を熱処理する工程が行われてよい。凹凸層２３０の樹脂の重合率の向上や、凹凸層２３０の複屈折の除去が可能である。

平坦化層２４０は、樹脂等の基材２４３、及び基材２４３中に分散する光散乱材２４４を含んでよい。光散乱材２４４は、凹凸層２３０の光散乱材２３４と同様に、平坦化層２４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、平坦化層２４０からレンズ２３１に入射する光の向きを正面方向に揃える。

一般的に、レンズに入射する光の向きが正面方向に揃っているほど、レンズを透過する光の向きが正面方向に揃いやすい。

本実施形態では、平坦化層２４０からレンズ２３１に入射する光の向きが正面方向に揃っているので、レンズ２３１を透過する光の向きが正面方向に効率的に揃いやすく、光取り出し効率が向上する。

基材２４３は、基材２４３と透明電極５０との界面での反射を抑えるため、第１実施形態と同様に、透明電極５０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。基材２４３の屈折率は、透明電極５０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明電極５０の屈折率以下であることが好ましい。

基材２４３は、凹凸層２３０の基材２３３と異なる屈折率を有する。基材２４３は、透明基板２０よりも高い屈折率を有する透明電極５０と接するので、透明基板２０と接する凹凸層２３０の基材２３３よりも高い屈折率を有することが好ましい。

光散乱材２４４は、基材２４３と異なる屈折率を有し、基材２４３よりも低い屈折率を有する空気、基材２４３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材２４４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材２４４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材２４４が基材２４３中に分散しにくく、偏在しやすい。光散乱材２４４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材２４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなる。光散乱材２４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍであると、平坦化層２４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができる。

光取り出し面２１に臨界角以上の入射角で入射する光は、光取り出し面２１で全反射される。全反射された光は、光取り出し面２１と光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、レンズ２３１を透過することで、また、光散乱材２３４、２４４で繰り返し散乱されることで、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から外部に放出される。

尚、本実施形態では凹凸層２３０及び平坦化層２４０の両方が光散乱材を含むが、いずれか一方が光散乱材を含んでいればよい。

例えば、図１５に示すように、凹凸層２３０が光散乱材２３４を含み、平坦化層２４３が光散乱材２４４を含まなくてもよい。図１５に示す例（第１変形例）の場合、レンズ２３１は、平坦化層２４３から凹凸層２３０へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。また、レンズ２３１は、平坦化層２４３から凹凸層２３０へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。凹凸層２３０中の光散乱材２３４は、凹凸層２３０内を伝播する光を散乱し、レンズ２３１による光の強度の角度依存性を低減し、また、レンズ２３１による光の色（波長）の角度依存性を低減する。また、凹凸層２３０中の光散乱材２３４は、凹凸層２３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、光取り出し効率を向上する。

また、図１６に示すように、平坦化層２４０が光散乱材２４４を含み、凹凸層２３３が光散乱材２３４を含まなくてもよい。図１５に示す例（第２変形例）の場合、レンズ２３１が、平坦化層２４０から凹凸層２３３へ様々な入射角で入射する光を透過させ、大部分の透過光の向きを正面方向に揃える。よって、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上することができる。また、レンズ２３１は、平坦化層２４０から凹凸層２３３へ入射するときの光の全反射を抑える役割を果たす。平坦化層２４０中の光散乱材２４４は、平坦化層２４０内を伝搬する光の向きを正面方向に揃える。平坦化層２４０からレンズ２３１に入射する光の向きが正面方向に揃い、レンズ２３１を透過する光の向きが正面方向に効率的に揃いやすく、光取り出し効率がさらに向上する。

［第４実施形態］
上記第１実施形態では、凹凸層３０が回折格子３１を形成する。一方、本実施形態では、凹凸層がモスアイ構造を有する点で相違する。以下、主に相違点について説明する。

図１７は、本発明の第４実施形態による有機ＬＥＤ素子を示す断面図である。図１７において、便宜上、モスアイ構造３３１の凹凸を誇張して示す。

有機ＬＥＤ素子３１０は、ボトムエミッションタイプであって、透明基板２０、凹凸層３３０、平坦化層３４０、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０をこの順で有する。透明基板２０、凹凸層３３０、及び平坦化層３４０で積層基板３１１が構成され、透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０等で発光素子１２が構成される。照明用の場合、１つの発光素子１２が平坦化層３４０上に形成されてよい。画像表示用の場合、発光素子１２は画素毎に設けられ、複数の発光素子１２が平坦化層３４０上に配列される。

有機層６０の発光光は、透明電極５０、平坦化層３４０、凹凸層３３０、透明基板２０を透過し、透明基板２０の光取り出し面２１から外部に放出される。光取り出し面２１は、透明基板２０における凹凸層３３０側と反対側の面である。

本実施形態では、凹凸層３３０がモスアイ構造３３１を有する。モスアイ構造３３１は、平坦化層３４０側に設けられる。以下の説明で、モスアイ構造３３１での入射角、反射角は、光取り出し面２１に対して垂直な方向（以下、「正面方向」という）と、光の進行方向とのなす角を意味する。

（凹凸層）
凹凸層３３０は、例えばインプリント法で透明基板２０上に形成される。インプリント法では、透明基板２０上に設けられる成形材料の層の表面にモールドの凹凸パターンを転写することにより凹凸層３３０を形成する。凹凸層３３０は、モールドの凹凸パターンが略反転した凹凸パターンを有する。成形材料の層は、必要に応じて、後述の光散乱材を含む。

尚、本実施形態の凹凸層３３０は、インプリント法で形成されるが、フォトリソグラフィ法、ＥＢ描画法、干渉露光法等で形成されてもよい。

凹凸層３３０の平坦化層３４０側の部分は、モスアイ構造３３１を構成する。モスアイ構造３３１は複数の凸部を有し、複数の凸部の底面は同一平面上に配列される。複数の凸部は、周期的に配列され、例えば正六方格子状、準六方格子状、正四方格子状、準四方格子状に配列される。最も近い凸部同士のピッチＰ４は、可視光の波長以下（Ｐ４≦３００ｎｍ）であり、代表的には２５０ｎｍである。凸部の高さＨ４は、代表的には３００ｎｍである。隣り合う凸部は、接していても離れていてもよいが、凹凸層３３０と平坦化層３４０との界面での反射率を効率的に低減するため、裾部が重なるように配置されていることが好ましい。凸部の形状は、多種多様であってよく、例えば円錐形状、円錐台形状、角錐形状、角錐台形状、釣鐘形状等が挙げられる。

図１８は、図１７のモスアイ構造３３１による光の透過の説明図である。図１８において、便宜上、発光素子１２、光散乱材３３４、３４４の図示を省略する。

モスアイ構造３３１では、光取り出し面２１と垂直な方向における屈折率が連続的に変化するので、光の入射角や光の波長に関係なく反射率が低く（１％以下）、透過率が高く、図１８に矢印で示すようにほとんどの光が透過するので、光取り出し効率が良い。また、従来の多層膜による反射率低減膜（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ＝ＡＲ）膜と比べて、モスアイ構造３３１では、光の回折や光の分光が生じないので、見る角度が変わるときに光取り出し面２１の明るさや色（波長）が変わりにくい。

凹凸層３３０は、樹脂等の基材３３３、及び基材３３３中に分散する光散乱材３３４を含んでよい。凹凸層３３０を透過する光は、光散乱材３３４で散乱され、光取り出し面２１に入射する。この入射角が臨界角未満の光は、光取り出し面２１から外部に放出される。一方、この入射角が臨界角以上の光の大部分は、光取り出し面２１で全反射された後、光取り出し面２１と、光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、光散乱材３３４によって繰り返し散乱され、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から取り出される。

基材３３３は、基材３３３と透明基板２０との界面での反射を抑えるため、第１実施形態と同様に、透明基板２０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。基材３３３の屈折率は、透明基板２０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明基板２０の屈折率以下であることが好ましい。

光散乱材３３４は、基材３３３と異なる屈折率を有し、基材３３３よりも低い屈折率を有する空気、基材３３３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材３３４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材３３４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材３３４が基材３３３中に分散しにくく、偏在しやすい。一方、光散乱材３３４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材３３４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなり、凹凸層３３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができ、光取り出し面２１等の界面での全反射を低減できる。

（平坦化層）
平坦化層３４０は、凹凸層３３０上に設けられ、凹凸層３３０の凹凸を吸収する。平坦化層３４０の平坦面上に設けられる透明電極５０、有機層６０、及び反射電極７０が設計通りの性能を発揮できる。

平坦化層３４０は、例えばウェットコート法で凹凸層３３０の凹凸面上に形成される。平坦化層３４０の形成前に、凹凸層３３０の樹脂の架橋反応を進める工程（例えば熱処理工程）が行われてよい。

平坦化層３４０は、樹脂等の基材３４３、及び基材３４３中に分散する光散乱材３４４を含んでよい。平坦化層３４０を透過する光は、光散乱材３４４で散乱され、光取り出し面２１に入射する。この入射角が臨界角未満の光は、光取り出し面２１から外部に放出される。一方、この入射角が臨界角以上の光の大部分は、光取り出し面２１で全反射された後、光取り出し面２１と、光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、光散乱材３４４によって繰り返し散乱され、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から取り出される。

基材３４３は、基材３４３と透明電極５０との界面での反射を抑えるため、第１実施形態と同様に、透明電極５０との屈折率差が０．３以下の材料で構成されることが好ましい。基材３４３の屈折率は、透明電極５０の屈折率よりも高くても低くてもよいが、透明電極５０の屈折率以下であることが好ましい。

基材３４３は、凹凸層３３０の基材３３３と異なる屈折率を有する。基材３４３は、透明基板２０よりも高い屈折率を有する透明電極５０と接するので、透明基板２０と接する凹凸層３３０の基材３３３よりも高い屈折率を有することが好ましい。

光散乱材３４４は、基材３４３と異なる屈折率を有し、基材３４３よりも低い屈折率を有する空気、基材３４３よりも高い屈折率を有する金属酸化物、又は両方で構成される。金属酸化物としては、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等が挙げられる。

光散乱材３４４の平均球相当径（平均粒子径）は、好ましくは３００ｎｍ〜１０μｍである。光散乱材３４４の平均球相当径が１０μｍを超えると、光散乱材３４４が基材３４３中に分散しにくく、偏在しやすい。光散乱材３４４の平均球相当径が３００ｎｍ未満になると、可視光の波長よりも短すぎるので、レイリー散乱（図３参照）が支配的になり、後方散乱が強くなるので、光の取り出し効率が低下する。

光散乱材３４４の平均球相当径が３００ｎｍ〜１０μｍの場合、ミー散乱（図４参照）が支配的になり、前方散乱が強くなり、凹凸層３４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃えることができ、光取り出し面２１等の界面での全反射を低減できる。

尚、本実施形態では凹凸層３３０及び平坦化層３４０の両方が光散乱材を含むが、いずれか一方が光散乱材を含んでいればよい。

例えば、図１９に示すように、凹凸層３３０が光散乱材３３４を含み、平坦化層３４３が光散乱材３４４を含まなくてもよい。図１９に示す例（第１変形例）の場合、モスアイ構造３３１は、光の入射角や光の波長に関係なく反射率が低く（１％以下）、透過率が高く、光取り出し効率が良い。また、光取り出し面２１に臨界角以上の入射角で入射する光の大部分は、光取り出し面２１で全反射された後、光取り出し面２１と、光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、凹凸層３３０中の光散乱材３３４によって繰り返し散乱され、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から取り出される。また、凹凸層３３０中の散乱材３３４は、凹凸層３３０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上する。

また、図２０に示すように、平坦化層３４０が光散乱材３４４を含み、凹凸層３３３が光散乱材３３４を含まなくてもよい。図２０に示す例（第２変形例）の場合、モスアイ構造３３１は、光の入射角や光の波長に関係なく反射率が低く（１％以下）、透過率が高く、光取り出し効率が良い。また、光取り出し面２１に臨界角以上の入射角で入射する光の大部分は、光取り出し面２１で全反射された後、光取り出し面２１と、光反射面（例えば反射電極７０と有機層６０の界面）との間を１回以上往復する間に、平坦化層３４０中の光散乱材３４４によって繰り返し散乱され、臨界角未満の入射角に変化し、最終的に光取り出し面２１から取り出される。また、平坦化層３４０中の散乱材３４４は、平坦化層３４０内を伝播する光の向きを正面方向に揃え、光取り出し面２１等の界面での全反射を抑え、光取り出し効率を向上する。

以上、有機ＬＥＤ素子用の積層基板等について第１〜第４実施形態等を説明したが、本発明は上記実施形態に制限されない。特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０有機ＬＥＤ素子
１１有機ＬＥＤ素子用の積層基板
１２発光素子
２０透明基板
３０凹凸層
３１回折格子
３３基材
３４光散乱材
４０平坦化層
４３基材
４４光散乱材
５０透明電極
６０有機層
７０反射電極
１３０凹凸層
１３１プリズム
２３０凹凸層
２３１レンズ
３３０凹凸層
３３１モスアイ構造

Claims

透明基板、該透明基板上に設けられる凹凸層、及び該凹凸層の凹凸面上に設けられる平坦化層を備え、有機層の発光光を、前記平坦化層、及び前記凹凸層を介して、前記透明基板における前記凹凸層側と反対側の面から外部に取り出すためのものであって、
前記凹凸層は、基材、及び該基材中に分散する光散乱材を含み、回折格子を形成する、有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
透明基板、該透明基板上に設けられる凹凸層、及び該凹凸層の凹凸面上に設けられる平坦化層を備え、有機層の発光光を、前記平坦化層、及び前記凹凸層を介して、前記透明基板における前記凹凸層側と反対側の面から外部に取り出すためのものであって、
前記凹凸層は、基材、及び該基材中に分散する光散乱材を含み、周期的に配列される複数のプリズムを形成する、有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
透明基板、該透明基板上に設けられる凹凸層、及び該凹凸層の凹凸面上に設けられる平坦化層を備え、有機層の発光光を、前記平坦化層、及び前記凹凸層を介して、前記透明基板における前記凹凸層側と反対側の面から外部に取り出すためのものであって、
前記凹凸層は、基材、及び該基材中に分散する光散乱材を含み、周期的に配列される複数のレンズを形成する、有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
透明基板、該透明基板上に設けられる凹凸層、及び該凹凸層の凹凸面上に設けられる平坦化層を備え、有機層の発光光を、前記平坦化層、及び前記凹凸層を介して、前記透明基板における前記凹凸層側と反対側の面から外部に取り出すためのものであって、
前記凹凸層は、基材、及び該基材中に分散する光散乱材を含み、複数の凸部が周期的に配列されるモスアイ構造を有する、有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
前記凹凸層中の光散乱材は金属酸化物の粒子であって、該粒子の平均粒径が３００ｎｍ〜１０μｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
前記平坦化層は、基材、及び該基材中に分散する光散乱材を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
前記平坦化層中の光散乱材は金属酸化物の粒子であって、該粒子の平均粒径が３００ｎｍ〜１０μｍである請求項６に記載の有機ＬＥＤ素子用の積層基板。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層基板、及び該積層基板の前記平坦化層上に設けられる透明電極を含む透明電極付き積層基板。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層基板、及び該積層基板の前記平坦化層上に設けられる発光素子を含む有機ＬＥＤ素子。