JP5481825B2 - Ｅｌ素子およびディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明はフラットパネルディスプレイたとえば液晶パネルのバックライト、照明用光源、電飾、サイン用光源などに用いられるＥＬ素子、およびこのＥＬ素子を用いたディスプレイ装置に関する。

有機ＥＬ素子は、透光性基板の片面上に、陽極および陰極とこれらの間に挟まれた蛍光有機化合物を含む発光層とを有する素子部を設けた構造を有する。有機ＥＬ素子は、陽極と陰極との間に直流電圧を印加し、発光層に電子および正孔を注入して再結合させることにより励起子を生成し、この励起子が失活する際の光の放出を利用して発光を生じる。

このようなＥＬ素子において、発光層からの光が透光性基板で全反射されてロスが生じるという問題があった。ロスが生じる結果、光の外部取り出し効率は一般的に２０％程度であると言われている。そのため、高輝度が必要となればなるほど投入電力が必要となるという問題がある。しかも、投入電力を増加させると、素子に及ぼす負荷が増大して素子自体の信頼性を低下させる。

そこで、光の外部取り出し効率を向上させる目的で、透光性基板の素子部が設けられた面と反対面に微細な凹凸を形成するレンズシートを設け、透光性基板でいったん全反射された光を外部に取り出すようにすることが提案されている。

図１に従来のレンズシートを設けたＥＬ素子の断面図を示す。透光性基板１の下面に、陽極３および陰極４とこれらの間に挟まれた蛍光有機化合物を含む発光層２とを有する素子部が設けられている。透光性基板１の上面（素子部が設けられた面と反対面）に、透光性基材１ａ上に微細な凹凸を形成する複数の単位レンズ５を形成したレンズシートが、接着層６により接着されている。図１の単位レンズ５は、２つの斜面をもち頂部が紙面に垂直な方向に延びて三角錐をなすシリンドリカル形状を有する。このような単位レンズ５を横方向に配列したことによって、光の全反射によるロスを抑えて、正面方向へ取り出す効率を高めることが可能になる。

しかし、図１に示したように、三角錐をなすシリンドリカル形状の単位レンズ５により単純な凹凸が形成されたレンズシートを用いた場合、観察者側から見た視野角内の光強度分布にサイドローブが出現するという問題がある。

図２に、図１のＥＬ素子について視野角内の光強度分布をシミュレーションした図を示す。このシミュレーションは、シリンドリカル形状の単位レンズ５を１５０μｍで５列配列したレンズシートを用いた場合について行っている。図２に示されるように、正面に対して７０度付近の角度で大きなサイドローブが出現している。このため、視野角内で明るくなったり暗くなったりする現象が起こる。

なお、マイクロレンズ形状のように丸みを帯びた単位レンズを配列したレンズシートでは、丸みを帯びた単位レンズ間に隙間を設けざるをえないため、その隙間において光が全反射するという問題が生じる。
特開２００７−２０７４７１号公報 特開２００７−２７３２７５号公報 特開２００８−３５１５号公報

本発明は、観察者側から見た視野角内の光強度分布におけるサイドローブを低減でき、光取り出し効率を向上できるＥＬ素子、およびこのようなＥＬ素子をバックライトユニットに用いたディスプレイ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、透光性基板と、前記透光性基板の片面に設けられた、陽極および陰極とこれらの間に挟まれた発光層とを有する素子部と、前記透光性基板の素子部と反対面に設けられたレンズシートとを有するＥＬ素子において、前記レンズシートは、２つの斜面をもち頂部が第１の方向に延びたシリンドリカル形状の複数の第１のレンズと、隣り合う第１のレンズの対向する２つの斜面間の溝部に形成され、前記第１の方向に沿って互いに逆向きに傾いた２つの小斜面をもち頂部が前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた複数の第２のレンズとを有し、前記第１のレンズの占有面積（Ｓ１）に対する前記第２のレンズの占有面積（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）が０．３２〜０．６８の範囲であることを特徴とするＥＬ素子である。

請求項２の発明は、前記第１のレンズは頂部が丸みを帯びていることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項３の発明は、前記第１のレンズは斜面が曲面であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項４の発明は、前記陽極および陰極のいずれか一方が光散乱性であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項５の発明は、前記陽極および陰極のいずれか一方が光透過性であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項６の発明は、前記陽極および陰極の両方が光透過性であり、前記陽極および陰極のうち外側にある方の外面に設けられた光反射層を有することを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項７の発明は、前記発光層は２種以上の異なる発光色を示す単位発光層を含むことを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項８の発明は、前記発光層は発光色が白色であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子である。

請求項９の発明は、前記光反射層は金属材料から形成されていることを特徴とする請求項６に記載のＥＬ素子である。

請求項１０の発明は、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のＥＬ素子を複数配列した表示部と、前記ＥＬ素子を画素駆動する機構とを有することを特徴とするディスプレイ装置である。

請求項１１の発明は、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のＥＬ素子を含むバックライトユニットと、画像表示パネルとを有することを特徴とするディスプレイ装置である。

請求項１２の発明は、前記画像表示パネルが液晶表示パネルであることを特徴とする請求項１０に記載のディスプレイ装置である。

本発明によれば、観察者側から見た視野角内の光強度分布におけるサイドローブを低減でき、光取り出し効率を向上できるＥＬ素子、およびこのようなＥＬ素子をバックライトユニットに用いたディスプレイ装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

図３に本発明の一実施形態に係るレンズシートを設けたＥＬ素子の断面図を示す。図４に、図３のＥＬ素子に用いられているレンズシートの斜視図を示す。図５に、図３のＥＬ素子に用いられているレンズシートの平面図を示す。

図３に示すように、透光性基板１の下面に、陽極３および陰極４とこれらの間に挟まれた蛍光有機化合物を含む発光層２とを有する素子部が設けられている。透光性基板１の上面（素子部が設けられた面と反対面）に、透光性基材１ａ上に複数の第１のレンズ７と複数の第２のレンズ８を形成したレンズシートが、接着層６により接着されている。

図４を参照して、レンズシートを構成する第１のレンズ７および第２のレンズ８の形状について説明する。１つの第１のレンズ７は、互いに逆向きに傾いた２つの斜面ｐ１、ｐ１をもち、頂部ｒ１が第１の方向（図４ではＸ方向）に延びて三角錐をなすシリンドリカル形状を有する。１つの第２のレンズ８は、隣り合う第１のレンズ７、７の対向する２つの斜面ｐ１、ｐ１間の溝部に形成され、第１の方向（Ｘ方向）に沿って互いに逆向きに傾いた２つの小斜面ｐ２、ｐ２をもち頂部ｒ２が第１の方向（Ｘ方向）と交差する第２の方向（Ｙ方向）に延びている。ここで、第２のレンズ８について「小斜面」という用語を用いているのは、第２のレンズ８の斜面が第１のレンズ７の斜面と比較して相対的に面積が小さいことを表すことを意図している。

第１のレンズ７の斜面および第２のレンズ８の小斜面がレンズシート（透光性基材１ａ）の主面に対してなす角度は、４０〜６０度の範囲で設定することができる。第１のレンズ７および第２のレンズの頂角を９０度にすると最も効率がよい。第２のレンズ８を四角錐形状にした場合、他の多角錐形状などと比較して正面輝度を高くでき、光の取り出し効率を高くすることができる。ただし、第２のレンズ８の形状は特に限定されず、円錐形状、半球形状、多角錐形状などでもよい。各レンズのピッチは、１μｍ以上１ｍｍ以下に設定することが好ましい。レンズのピッチが１μｍ以下であれば光の回折現象が生じるが、この回折現象をうまく利用して波長毎に拡散性を変えるようにしてもよい。

本発明においては、第１のレンズ７の占有面積に対する第２のレンズ８の占有面積の比率が０．３以上になるように設計する。図５を参照して、第１のレンズ７および第２のレンズ８の占有面積について説明する。レンズの占有面積とは、平面的な占有面積すなわちレンズを平面上に投影したときの占有面積のことをいう。図５においては、第２のレンズ８の占有面積Ｓ２を斜線で示している。第１のレンズ７の占有面積Ｓ１は、レンズシートの全面積から第２のレンズ８の占有面積Ｓ２を減算した値となる。本発明における占有面積の比率とはＳ２／Ｓ１のことであり、この値が０．３以上であればよい。

いま、第２のレンズ８の高さを第１のレンズ７の高さと同一とし、隣り合う第１のレンズ７の対向する２つの斜面間の溝部で隣り合う２つの第２のレンズ８の端部が互いに点接触するようにレンズシートを設計すると、第１のレンズ７の占有面積に対する第２のレンズ８の占有面積の比率（Ｓ２／Ｓ１）は１となる。このようなレンズシートは、観察者側から見た視野角内の光強度分布におけるサイドローブの低減に最適な効果を示すと考えられる。

ただし、第１のレンズ７の占有面積に対する第２のレンズ８の占有面積の比率（Ｓ２／Ｓ１）を１より小さく設計しても差し支えなく、（Ｓ２／Ｓ１）の値が０．３以上であれば、視野角内の光強度分布においてサイドローブをなくす効果を得ることができる。実際に、レンズシートの設計の容易さなどを考慮すると、第１のレンズ７の占有面積に対する第２のレンズ８の占有面積の比率（Ｓ２／Ｓ１）を１より小さく設計するのが通常である。

図６に、本発明に係るＥＬ素子の一例について視野角内の光強度分布をシミュレーションした図を示す。このシミュレーションは、三角錐をなすシリンドリカル形状の第１のレンズ７を１５０μｍで５列配列し、隣り合う第１のレンズ７の対向する２つの斜面間の溝部に第１のレンズ７よりも高さが低い第２のレンズを５個ずつ形成したレンズシートを用いた場合について行っている。図６に示されるように、正面から真横までの視野角範囲で光強度が増加を示すことなくほぼ単調に減少し、視野角内の光強度分布においてサイドローブがなく、光強度分布がブロードになる。

なお、後に説明する、レンズシートの製造に用いるスタンパの加工精度によっては、（Ｓ２／Ｓ１）の値が１を超えて１．１程度になることもありうる。したがって、本発明における（Ｓ２／Ｓ１）の値は、０．３〜１．１の範囲であればよく、より好ましくは０．４〜０．９の範囲である。

図３では、透光性基材１ａ上に複数の第１のレンズ７と複数の第２のレンズ８を形成した多層構造のレンズシートを用いているが、レンズシートは単層構造でもよい。透光性基材１ａの材料は特に限定されないが、典型的には、ポリエチレンテレフタレート樹脂が用いられる。第１のレンズ７および第２のレンズ８は樹脂からなり、たとえばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン樹脂、アクリルスチレン共重合樹脂等の熱可塑性樹脂およびポリエチレンテレフタレート樹脂などの熱可塑性樹脂、または紫外線硬化樹脂および電子線硬化樹脂などの電離放射線硬化樹脂が用いられる。

レンズシートは、たとえばスタンパを用いた方法により形成することができる。スタンパとしては、例えば、平面スタンパ又はロールスタンパを使用することができる。ロールスタンパを使用する方法は、平面スタンパを使用する方法と比較して生産性に優れている。

ロールスタンパは、たとえば以下の方法により製造することができる。まず、ロール面に銅メッキ層を形成したロールを準備する。次に、バイトを用い、ロール面の銅メッキ層を一方向に沿って切削加工して溝を形成した後、ロール面の銅メッキ層を直交する方向に沿って切削加工して溝を形成する。これらの切削加工により、ロール面に第１のレンズに対応する溝および第２のレンズに対応する溝が形成される。

次いで、たとえばレンズの材料として熱可塑性樹脂を用い、加熱したスタンパを熱可塑性樹脂に押し当ててスタンパの凹凸構造を樹脂に転写し、スタンパから取り外してレンズシートを得る。あるいは、透光性基材とスタンパとの間に紫外線硬化樹脂を供給し、紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させた後、硬化させた紫外線硬化樹脂を基材とともにスタンパから取り外してレンズシートを得る。

上記のように、ロール面に形成した銅メッキ層をバイトによって切削加工したスタンパを形成する場合、加工精度によっては第１のレンズおよび第２のレンズのそれぞれの高さに対応するそれぞれの溝の深さが設計通りにならず、様々な寸法をもつ第１のレンズおよび第２のレンズが形成されることがある。

図７に本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子の断面図を示す。このＥＬ素子では、複数の第１のレンズ７の高さおよびピッチなどの寸法が様々に異なっている。

図８に本発明の他の実施形態に係るレンズシートの斜視図を示す。このレンズシートでは、複数の第１のレンズ７の高さおよびピッチなどの寸法が様々に異なっているだけでなく、複数の第２のレンズ８の高さおよびピッチなどの寸法も様々に異なっている。また、第２のレンズ８の高さが第１のレンズ７の高さよりも高くなっている部分もある。

本発明においては、レンズシートを構成する第１のレンズおよび第２のレンズが様々な寸法をもって形成されていたとしても、第１のレンズの占有面積に対する第２のレンズの占有面積の比率が０．３以上であれば、観察者側から見た視野角内の光強度分布におけるサイドローブを低減する効果が得られる。

以下、本発明の他の実施形態に係るレンズシートについて説明する。

図９（ａ）は第１のレンズ７および第２のレンズ８が拡散性微粒子を含んでいるレンズシートを示す断面図である。第１のレンズ７および第２のレンズ８に拡散性微粒子を混入させることによって出射光の角度依存性を緩和し、さらに視野角内の光強度分布をコントロールすることができる。

図９（ｂ）は透光性基材１ａが拡散性微粒子を含んでいるレンズシートを示す断面図である。透光性基材１ａに拡散性微粒子を混入させることによって出射光の角度依存性を緩和し、さらに視野角内の光強度分布をコントロールすることができる。

図９（ｃ）は第１のレンズ７および第２のレンズ８の頂部が丸みを帯びているレンズシートを示す断面図である。このように、第１のレンズ７および第２のレンズ８の頂部に丸みをつけることによって、レンズシートの耐擦性を改善することができる。

図１０（ａ）は第１のレンズ７の一方の斜面が曲面であるレンズシートを示す断面図である。第２のレンズ８も第１のレンズ７と同様の形状を有していてもよい。図１０（ｂ）は第１のレンズ７の両方の斜面が曲面であるレンズシートを示す断面図である。第２のレンズ８も第１のレンズ７と同様の形状を有していてもよい。このように第１のレンズ７（および第２のレンズ８）の斜面に一定の曲率をもたせることによって、視野角内の光強度分布を有利にコントロールできる。

以下、本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子について説明する。

図１１は陽極および陰極のうち少なくとも一方（ここでは外側にある陰極４）が光散乱性であるＥＬ素子を示す断面図である。このように電極を光散乱性にすることによって、ＥＬ素子における光強度分布ムラを低減させることができる。また、レンズシートからの再帰反射光をさらに散乱させて出射面に戻すという作用が得られる。

図１２は陽極および陰極のうち少なくとも一方（ここでは内側にある陽極３）が光透過性電極であるＥＬ素子を示す断面図である。このＥＬ素子では、発光層２から発光した光が陽極３から出射し、その方向の延長上にレンズシートがあり、光を取り出すことができる。

図１３は陽極３および陰極４の両方が光透過性であり、外側にある陰極４の外面に設けられた光反射層９を有するＥＬ素子を示す断面図である。光反射層９と発光層２との距離は実質的に光学干渉が生じないように設定される。光反射層９の材料は特に限定されないが、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｃ、Ａｇ、Ｉｎ、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属などの金属単体もしくはこれらの金属の合金、または酸化物、ハロゲン化物、金属ドーピング有機層の併用、などを上げることができる。このＥＬ素子では、光反射層９と発光層２との距離をコントロールすることによって光学干渉を低減させ、角度依存性、波長依存性のある迷光を低減させることができる。

図１４は陽極３および陰極４とこれらの間に挟まれた発光層２とを有する素子部の外側に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）層１０を付与したＥＬ素子を示す断面図である。素子部には複数のＥＬ素子が配列されている。ＴＦＴ層１０は下基板１１上に形成されている。このようにＴＦＴ層１０を付与したことによって、複数配列されたＥＬ素子を画素駆動するアクティブマトリックス型のディスプレイとして用いることもできる。なお、本発明に係るＥＬ素子は、アクティブマトリックス型に限定されず、パッシブ型のディスプレイとしても用いることもできる。その場合には陽極３および陰極４はストライプ構造に形成される。

図１５は液晶パネル１２のバックライトユニットに本発明に係るＥＬ素子を用いた液晶ディスプレイ装置を示す断面図である。この液晶ディスプレイ装置のバックライトユニットには、ＥＬ素子が複数配列されている。このように本発明に係るＥＬ素子を含むバックライトユニットを用いた液晶ディスプレイ装置は、従来のように光源として冷陰極管（ＣＣＦＬ）を含むバックライトユニットを用いたものと比較し、より構造を薄型化でき、消費電力も低減することができる。また、光源ムラも実質上ないため、従来のようにランプイメージを低減させることを目的とする拡散板やレンズシートも必要なくなり、コストダウンとなる。

図１６はレンズシートの先端付近に光拡散層を設けたＥＬ素子を示す断面図である。このＥＬ素子では、レンズシートから取り出した光を光拡散層１５によって散乱させることができる。また、レンズシート先端付近の突起により密着力を上げるというメリットもある。

以下、本発明の実施例を説明する。

実施例１
図４に示すように、三角錐をなすシリンドリカル形状の第１のレンズ７を１５０μｍで５列配列し、隣り合う第１のレンズ７の対向する２つの斜面間の溝部に第１のレンズ７よりも高さが低い第２のレンズを５個ずつ形成したレンズシートを作製した。

図５に示すように、平面上において、第２のレンズ８の頂部ｒ２の長さを隣り合う２つの第１のレンズ７の頂部間の間隔の８０％とし、隣り合う第１のレンズ７の対向する２つの斜面間の溝部で第２のレンズ８が均等なピッチで互いに離間して形成されるようにレンズシートを設計した。この場合、第１のレンズ７の占有面積に対する第２のレンズ８の占有面積の比率（Ｓ２／Ｓ１）は約０．４７となる。

このレンズシートを用いたＥＬ素子について視野角内の光強度分布をシミュレーションしたところ、図６に示したように、光強度分布にサイドローブは認められなかった。

他の実施例
第２のレンズ８の頂部ｒ２の長さを隣り合う２つの第１のレンズ７の頂部間の間隔の９０％として上記と同様の設計したレンズシートでは、（Ｓ２／Ｓ１）は約０．６８となる。

第２のレンズ８の頂部ｒ２の長さを隣り合う２つの第１のレンズ７の頂部間の間隔の７０％として上記と同様の設計したレンズシートでは、（Ｓ２／Ｓ１）は約０．３２となる。

これらのレンズシートを用いたＥＬ素子について視野角内の光強度分布をシミュレーションした場合にも、同様に光強度分布にサイドローブは認められなかった。

従来のレンズシートを設けたＥＬ素子の断面図。 図１のＥＬ素子について視野角内の光強度分布をシミュレーションした図。 本発明の一実施形態に係るレンズシートを設けたＥＬ素子の断面図。 本発明の一実施形態において用いられるレンズシートを示す斜視図。 本発明の一実施形態において用いられるレンズシートを示す平面図。 図３のＥＬ素子について視野角内の光強度分布をシミュレーションした図。 本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子の断面図。 本発明の他の実施形態において用いられるレンズシートを示す斜視図。 本発明の他の実施形態において用いられるレンズシートを示す断面図。 本発明の他の実施形態において用いられるレンズシートを示す断面図。 本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子の断面図。 本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子の断面図。 本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子の断面図。 本発明に係るＥＬ素子を用いたディスプレイ装置を示す断面図。 本発明に係るＥＬ素子をバックライトユニットに用いた液晶ディスプレイ装置を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係るＥＬ素子の断面図。

符号の説明

１…透光性基板、１ａ…透光性基材、２…発光層、３…陽極、４…陰極、５…単位レンズ、６…接着層、７…第１のレンズ、８…第１のレンズ、９…光反射層、１０…薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）層、１１…下基板、１２…液晶パネル、１５…光拡散層。

Claims (12)

1. 透光性基板と、前記透光性基板の片面に設けられた、陽極および陰極とこれらの間に挟まれた発光層とを有する素子部と、前記透光性基板の素子部と反対面に設けられたレンズシートとを有するＥＬ素子において、
   前記レンズシートは、２つの斜面をもち頂部が第１の方向に延びたシリンドリカル形状の複数の第１のレンズと、隣り合う第１のレンズの対向する２つの斜面間の溝部に形成され、前記第１の方向に沿って互いに逆向きに傾いた２つの小斜面をもち頂部が前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた複数の第２のレンズとを有し、前記第１のレンズの占有面積（Ｓ１）に対する前記第２のレンズの占有面積（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）が０．３２〜０．６８の範囲であることを特徴とするＥＬ素子。
2. 前記第１のレンズは頂部が丸みを帯びていることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
3. 前記第１のレンズは斜面が曲面であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
4. 前記陽極および陰極のいずれか一方が光散乱性であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
5. 前記陽極および陰極のいずれか一方が光透過性であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
6. 前記陽極および陰極の両方が光透過性であり、前記陽極および陰極のうち外側にある方の外面に設けられた光反射層を有することを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
7. 前記発光層は２種以上の異なる発光色を示す単位発光層を含むことを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
8. 前記発光層は発光色が白色であることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ素子。
9. 前記光反射層は金属材料から形成されていることを特徴とする請求項６に記載のＥＬ素子。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のＥＬ素子を複数配列した表示部と、前記ＥＬ素子を画素駆動する機構とを有することを特徴とするディスプレイ装置。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のＥＬ素子を含むバックライトユニットと、画像表示パネルとを有することを特徴とするディスプレイ装置。
12. 前記画像表示パネルが液晶パネルであることを特徴とする請求項１１に記載のディスプレイ装置。

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