JP2011049000A

JP2011049000A - 有機ｅｌ発光装置

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Publication number: JP2011049000A
Application number: JP2009195977A
Authority: JP
Inventors: Masato Yamana; 正人山名; Masahiro Nakamura; 将啓中村
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】有機ＥＬ発光装置において、光取り出し効率を向上する。
【解決手段】有機ＥＬ発光装置１は、複数の発光部２と、透光性の基板３とを備える。発光部２は、基板３の一方の面３１に配設される。発光部２からの光は、基板３を通して取り出される。発光装置１は、基板３の光取り出し面３２側に、発光部２の各々に対応して基板３と同等の屈折率を持つレンズ構造５を有する。レンズ構造５の各々は、その光軸５１が発光部２の中心２０を通るように配置され、レンズ構造５の底面積が発光部２の面積よりも大きい。これにより、発光部２から基板３に入射した光の大部分がレンズ構造５に入射し、有機ＥＬ発光装置１の光取り出し効率が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機発光層の発光を利用した有機ＥＬ発光装置に関する。

従来から有機物を発光させて面光源を得る有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）が知られている。有機ＥＬ素子は、自発光であること、比較的高効率な発光特性を示すこと、各種の色調で発光可能であること等の特徴を有し、例えば、フラットパネルディスプレイ等の表示装置の発光体、又は、液晶表示器のバックライトや照明の光源等として活用が期待されており、一部では既に実用化されている。

図５に示されるように、一般的な有機ＥＬ素子１００は、光透過性の基板１０１上に陽極となる光透過性の電極１０２、ホール輸送層１０３、発光層１０４、電子輸送層１０５、陰極となる光反射性の電極１０６がこの順に形成されたものである。なお、有機ＥＬ素子１００の基板１０１以外の各層は、厚み方向に拡大して図示している。ホール輸送層１０３、発光層１０４、及び電子輸送層１０５は、有機層１０７を構成する。有機ＥＬ素子１００は、電極１０２、１０６間に電圧を印加することによって、電子が電子輸送層１０５を介して発光層１０４に注入され、ホールがホール輸送層１０３を介して発光層１０４に注入され、発光層１０４内で電子とホールが再結合して発光が起きる。発光層１０４で発光した光は、光透過性の電極１０２及び基板１０１を通して大気中に取り出される。

発光層１０４で発光した光は、電極１０２と基板１０１間、基板１０１と大気１０９間の屈折率差によって界面で全反射され、発光層１０４内、発光層１０４以外の有機層１０７内、電極１０２内、及び基板１０１内に閉じ込められる現象が生じる。簡単な見積りによれば、発光層１０４で発光した光のうち、有機層１０７又は電極１０２内に閉じ込められる光は約５０％、基板１０１内に閉じ込められる光は約３０％となり、大気中に取り出される光は約２０％に過ぎないとされている。

この問題を解消するため、基板の光取り出し面側にレンズ構造を設け、基板内の光を大気中に取り出す発光装置がある（例えば、特許文献１参照）。同文献に示される装置は、発光部と、基板と、レンズ構造を有し、基板の厚みをｄ１、基板表面からレンズ構造の頂点までの距離をｄ２、レンズ構造の曲率半径をＲ３として、ｄ１＋ｄ２≦Ｒ３の関係が規定されている。また、同文献には、レンズ構造の曲率中心を発光部の中心とすることが規定されている。上記２点の規定により、装置の光取り出し効率を５０％まで引き上げることが可能であるとされている。しかしながら、これらの規定だけを満たす装置では、発光部から出射された光のうち、レンズ構造に入射しない光があるため、光取り出し効率の向上が未だ十分とはいえない。

特開平9−１７１８９２号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、有機発光層の発光を利用した有機ＥＬ発光装置において、光取り出し効率を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、有機発光層を有する複数の発光部と、透光性の基板とを備え、前記発光部が前記基板の一方の面に配設され、該発光部からの光が前記基板を通して取り出される有機ＥＬ発光装置であって、前記基板の光取り出し面側に前記発光部の各々に対応して該基板と同等の屈折率を持つレンズ構造を備え、前記レンズ構造の各々は、その光軸が前記発光部の中心を通るように配置され、前記レンズ構造の底面積が前記発光部の面積よりも大きいものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の有機ＥＬ発光装置において、前記レンズ構造は、前記基板と同等の屈折率を持つ接着層を介して該基板に接合されているものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の有機ＥＬ発光装置において、前記レンズ構造は、前記基板と一体的に形成されているものである。

請求項１の発明によれば、基板とレンズ構造の屈折率差がほとんど無いので、基板とレンズ構造の界面に臨界角が存在せず、発光部から基板に入射した光は、基板とレンズ構造の界面で全反射されずにレンズ構造に入射し、従って、有機ＥＬ発光装置の光取り出し効率が向上する。また、各々の発光部は、その面積よりも底面積が大きなレンズ構造に対して同心に対向するので、発光部から基板に入射した光の大部分がレンズ構造に入射し、有機ＥＬ発光装置の光取り出し効率が向上する。

請求項２の発明によれば、接着層が基板と同等の屈折率を持つようにしたので、レンズ構造とも同等の屈折率を持つ。このため、基板と接着層間、及び接着層とレンズ構造間の界面に臨界角が存在せず、界面での全反射が生じず、有機ＥＬ発光装置の光取り出し効率が向上する。

請求項３の発明によれば、基板とレンズ構造間に界面が存在しないので、有機ＥＬ発光装置の光取り出し効率が向上する。

本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置を光取り出し面側から見た平面図。図１のＸ−Ｘ線断面図。同装置の発光部の断面図。本発明の第２の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置を光取り出し面側から見た平面図。従来の有機ＥＬ素子の断面図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る有機ＥＬ発光装置（以下、発光装置という）を図１乃至図３を参照して説明する。図１及び図２に示されるように、発光装置１は、有機発光層２１（以下、発光層という）を有する複数の発光部２と、透光性の基板３と、発光部２を発光装置１外の電源に接続するための配線４と、複数のレンズ構造５とを備える。発光部２は、基板３の一方の面３１に配設される。発光部２からの光は、基板３を通して取り出される。レンズ構造５は、基板３の光取り出し面３２側に、発光部２の各々に対応して配置され、基板３と同等の屈折率を持つ。ここで、屈折率が同等とは、屈折率差がプラスマイナス０．２以内とする。レンズ構造５の各々は、その光軸５１が発光部２の中心２０を通るように配置され、レンズ構造５の底面積が発光部２の面積よりも大きい。

レンズ構造５の光軸５１は、基板３の法線方向となる。レンズ構造５の底面積の発光部２の面積に対する比は、大きい程好ましく、８０以上が特に好ましい。レンズ構造５の各々は、多角形の辺５２で互いに隣接する。多角形は、例えば六角形であり、矩形でもよい。レンズ構造５は、断面が略半円形の凸形状を有するが、平面視で多角形であるので半球形状ではなく、稜線５３を有する凸形状となる。

発光部２は、図３に示されるように、透明電極から成る陽極２２、有機層２４、光反射性の陰極２３が、この順に積層されて成形される有機ＥＬ素子である。なお、発光部２の各層は、厚み方向に適宜の倍率で拡大して図示している。有機層２４は、発光材料を含む発光層２１を少なくとも有し、必要に応じて電子注入層、電子輸送層２５、ホールブロック層、ホール注入層、ホール輸送層２６等、適宜の有機層を積層して構成される。本実施形態では、陰極２３と発光層２１との間に電子輸送層２５、陽極２２と発光層２１との間にホール輸送層２６を介在させている。発光層２１は、複数の発光層が積層されたものであってもよい。発光部２のこれら各層は、例えば、真空蒸着法によって基板３上に成膜される。

発光部２の平面形状は、発光部２を成膜する際のマスクによって、円形などの中心２０に対して点対称な形状にされる（図１参照）。発光部２は、基板３の一方の面３１に略等間隔に面状に配設される。基板３は、透光性を有する絶縁体から成り、例えば、ガラス又はポリスチレン等の樹脂を板状に成形したものである。配線４は、基板３上に形成され、発光部２の陽極２２及び陰極２３に接続される。

レンズ構造５は、例えば、ガラス又はポリスチレンやアクリル等の透光性樹脂を成型したものである。レンズ構造５の屈折率を基板３の屈折率と同等とするため、レンズ構造５の材料には、基板３と同じ材料、又は酸化モリブデン等の屈折率調整剤を添加した樹脂等が用いられる。

レンズ構造５は、基板３と接着層（不図示）を介して基板３に接着される。接着層は、例えば、マッチングオイルから成り、基板３と同等の屈折率を持つ。また、レンズ構造５は、樹脂成形等によって基板３と一体的に形成してもよい。

上記のように構成された発光装置１において、配線４を介して発光部２の陽極２２及び陰極２３に電圧が印加され、発光部２が発光する。発光部２から出射された光は、基板３に入射し、基板３を通してレンズ構造５に入射し、レンズ構造５から大気中に取り出される。

本実施形態に係る発光装置１によれば、基板３とレンズ構造５の屈折率差がほとんど無いので、基板３とレンズ構造５の界面に臨界角が存在せず、発光部２から基板３に入射した光は、基板３とレンズ構造５の界面で全反射されずにレンズ構造５に入射し、従って、発光装置１の光取り出し効率が向上する。また、各々の発光部２は、その面積よりも底面積が大きなレンズ構造５に対して同心に対向するので、発光部２から基板３に入射した光の大部分がレンズ構造５に入射し、発光装置１の光取り出し効率が向上する。

また、レンズ構造５を基板３に接着する場合、接着層が基板３と同等の屈折率を持つようにしたので、レンズ構造５とも同等の屈折率を持つ。このため、基板３と接着層間、及び接着層とレンズ構造５間の界面に臨界角が存在せず、界面での全反射が生じず、発光装置１の光取り出し効率が向上する。また、基板３とレンズ構造５を一体的に形成する場合、基板３とレンズ構造５間に界面が存在しないので、発光装置１の光取り出し効率が向上する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る発光装置１０を図４を参照して説明する。本実施形態の発光装置１０は、第１の実施形態における平面視で多角形のレンズ構造５に替えて、レンズ構造１５を略半球形状とした。レンズ構造１５は、略半球形状であるので、底面の直径は、高さの略２倍である。レンズ構造１５の各々は、互いに隣接するように配置される。レンズ構造１５の光軸１５１は、第１の実施形態と同様に、発光部２の中心２０を通るように配置され、レンズ構造１５の底面積が発光部２の面積よりも大きくされる。発光部２の平面形状は、その中心２０に対して点対称な円形であり、正六角形、正五角形、又は正方形等の中心２０に対して回転対称な多角形であってもよい。中心２０は、六方格子状に配置される。発光部２の中心２０を四方格子状に配置してもよい。

上記のように構成された発光装置１０は、第１の実施形態の発光装置１と同等の効果が得られる。また、レンズ構造１５は、略半球形状としたので、成形が容易となる。

本発明の実施例としての発光装置、及び比較例としての発光装置を、それぞれ２例作製し、評価試験を行った。

基板は、厚み０．７ｍｍの無アルカリガラス板（コーニング製、Ｎｏ．１７８７）を用いた。基板上に、陽極としてＩＴＯを膜厚１５０ｎｍ、ホール輸送層として４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）を膜厚４０ｎｍ、発光層としてＡｌｑ３にルブレンを６％ドーピングしたものを膜厚３０ｎｍ、電子輸送層としてＴｐＰｙＰｈＢを膜厚６５ｎｍ、電子注入層としてＬｉＦを膜厚１ｎｍ、陰極としてＡｌを膜厚８０ｎｍ、この順に成膜して発光部を得た。発光部は、平面形状を正方形とし、１辺２ｍｍ、面積４ｍｍ^２とした。

レンズ構造は、基板の材料と同じ無アルカリガラスを材料とし、直径４ｍｍの半球形状とし、このレンズ構造の光軸が発光部の中心を通るように配置した。レンズ構造の底面積は、約１２．６ｍｍ^２であり、発光部の面積４ｍｍ^２よりも大きい。レンズ構造と基板は、基板と同等の屈折率を持つマッチングオイルで接着した。

無アルカリガラスを材料とし、厚み０．７ｍｍの基板と直径４ｍｍの半球形状のレンズ構造を一体的に形成した。発光部は、実施例１と同様に作製した。

（比較例１）
比較例１は、特許文献１に記載の装置に相当する。レンズ構造は、発光部の中央を中心とする曲率を有するようにした。また、基板の厚み（ｄ１）を０．７ｍｍ、基板表面からレンズ構造の頂点までの距離（ｄ２）を０．７ｍｍ、レンズ構造の曲率半径（Ｒ３）を２．０ｍｍとした。ｄ１、ｄ２、及びＲ３の関係は、ｄ１＋ｄ２＜Ｒ３となる。それ以外は、実施例１と同様にした。

（比較例２）
レンズ構造の基板表面からレンズ構造の頂点までの距離（ｄ２）を１．３ｍｍとした以外は、比較例１と同様にした。この比較例２は、特許文献１に記載の装置に相当し、ｄ１、ｄ２、及びＲ３の関係がｄ１＋ｄ２＝Ｒ３となる点が比較例１と相違する。

（評価試験）
上記の各実施例及び比較例の発光装置において、陽極と陰極の間に電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ^２となるように電流を流し、取り出される光（出射光）を積分球（光束計）によって計測した。表１は、この計測結果に基づいて算出した光束の電流効率［ｌｍ／Ａ］（ルーメン／アンペア）を示す。電流密度を同条件としたので、発光装置の電流効率が高いほど、光取り出し効率が高い。

表１に見られるように、比較例２は、比較例１よりも電流効率が高かった。すなわち、特許文献１に記載の装置では、基板表面からレンズ構造の頂点までの距離（ｄ２）が大きい方が光取り出し効率が高い。本発明の実施例１は、比較例２よりも電流効率が高かった。また、実施例２は、実施例１よりも電流効率が高かった。すなわち、本発明の実施例１及び実施例２は、特許文献１に記載の装置よりも光取り出し効率が高いことが確認された。また、レンズ構造を基板に接着するよりも、基板とレンズ構造を一体的に形成したほうが光取り出し効率が高くなることが分かった。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、レンズ構造を、半球を正六角形の平面形状となるように切った形状とし、このレンズ構造をハニカム状に基板上に配置してもよい。

１、１０有機ＥＬ発光装置
２発光部
２０発光部の中心
２１有機発光層（発光層）
３基板
３２光取り出し面
５、１５レンズ構造
５１、１５１レンズ構造の光軸

Claims

有機発光層を有する複数の発光部と、透光性の基板とを備え、前記発光部が前記基板の一方の面に配設され、該発光部からの光が前記基板を通して取り出される有機ＥＬ発光装置であって、
前記基板の光取り出し面側に前記発光部の各々に対応して該基板と同等の屈折率を持つレンズ構造を備え、
前記レンズ構造の各々は、その光軸が前記発光部の中心を通るように配置され、
前記レンズ構造の底面積が前記発光部の面積よりも大きいことを特徴とする有機ＥＬ発光装置。
前記レンズ構造は、前記基板と同等の屈折率を持つ接着層を介して該基板に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ発光装置。
前記レンズ構造は、前記基板と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ発光装置。