JP2005063838A - 光学デバイス及び有機ｅｌ表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自発光装置及び有機ＥＬ表示装置の発光効率を高めること。
【解決手段】本発明の光学デバイス１は、光透過性絶縁層１０と、光透過性絶縁層１０に対して背面側に配置された背面電極４３と、光透過性絶縁層１０と背面電極４３との間に介在した光透過性の前面電極４１と、前面電極４１と背面電極４３との間に介在するとともに発光層４２ａを含んだ光活性層４２とを備えた自発光素子４０と、発光層４２ａが放出する光が光活性層４２を出射してから光透過性絶縁層１０に至るまでの光路上に配置された回折格子３０とを具備し、回折格子３０の格子定数は、自発光素子４０が放出し且つ光透過性絶縁層１０よりも背面側で繰返し反射干渉しながら膜面方向に伝播する光のうち最大強度の光が回折格子３０に入射することによって生じる１次回折光が光透過性絶縁層１０を出射できるように定められていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学デバイス及び有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置に関する。

有機ＥＬ表示装置は自己発光表示装置であるため、視野角が広く、応答速度が速い。また、バックライトが不要であるため、薄型軽量化が可能である。これらの理由から、近年、有機ＥＬ表示装置は、液晶表示装置に代わる表示装置として注目されている。

有機ＥＬ表示装置の主要部である有機ＥＬ素子は、光透過性の前面電極と、これと対向した光反射性または光透過性の背面電極と、それらの間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層とで構成されており、有機物層に電気を流すことにより発光する電荷注入型の自発光素子である。有機ＥＬ表示装置で表示を行うためには、発光層が放出する光を前面電極から出射させる必要があるが、素子内で前面側へと進行する光のうち広角側へと進行する光は、前面電極界面で全反射される。そのため、有機物層が放出する光の多くを有機ＥＬ素子の外部に取り出すことができない，すなわち有機ＥＬ素子の光取り出し効率が低い，という問題があった。

このような問題に対し、以下の特許文献１には、回折格子またはゾーンプレートを利用することが記載されている。この技術によれば、有機ＥＬ素子の光取り出し効率を高めることができる。

しかしながら、本発明者らは、本発明を為すに際し、有機ＥＬ表示装置などの光学デバイスの発光効率には、有機ＥＬ素子の光取り出し効率だけでなく、他の要因も大きく作用していることを見出している。
特許第２９９１１８３号公報

本発明の目的は、光学デバイス及び有機ＥＬ表示装置の発光効率を高めることにある。

本発明の一側面によると、光を伝播する第１導波層と、前記第１導波層上に配置され、前記第１導波層と相反する主面を光出射面とする第２導波層と、前記第１導波層と隣接配置し、前記第１導波層と前記第２導波層との間、または前記第１導波層の前記第２導波層と相反する側に配置される回折格子と、を備え、前記回折格子は、前記第１導波層から前記第２導波層へ入射する光が前記光出射面界面での全反射を抑制するよう構成された格子定数（grating constant）で形成されることを特徴とする光学デバイスが提供される。

本発明の他の側面によると、光透過性絶縁層と、前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ光活性層とを備えた自発光素子と、前記発光層が放出する光が前記光活性層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された回折格子とを具備し、前記回折格子の格子定数は、前記自発光素子が放出し且つ前記光透過性絶縁層よりも背面側で繰返し反射干渉（multiple-beam interference）しながら膜面方向に伝播する光のうち最大強度の光が前記回折格子に入射することによって生じる１次回折光が前記光透過性絶縁層を出射できるように定められていることを特徴とする光学デバイスが提供される。

本発明のさらに他の側面によると、光透過性絶縁層と、前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層とを備えた有機ＥＬ素子と、前記発光層が放出する光が前記有機物層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された回折格子とを具備し、前記回折格子の格子定数は、前記有機ＥＬ素子が放出し且つ前記光透過性絶縁層よりも背面側で繰返し反射干渉しながら膜面方向に伝播する光のうち最大強度の光が前記回折格子に入射することによって生じる１次回折光が前記光透過性絶縁層を出射できるように定められていることを特徴とする有機ＥＬ表示装置が提供される。

回折格子の格子定数は、０．１６μｍ乃至１．１５μｍの範囲内にあってもよい。或いは、回折格子の格子定数は、０．２７μｍ乃至０．４７μｍの範囲内にあってもよい。

自発光素子として、発光色がそれぞれ赤、緑、青色の赤色自発光素子、緑色自発光素子、青色自発光素子を具備していてもよい。また、有機ＥＬ素子として、発光色がそれぞれ赤、緑、青色の赤色有機ＥＬ素子、緑色有機ＥＬ素子、青色有機ＥＬ素子を具備していてもよい。この場合、回折格子の赤色素子と対向した部分の格子定数は０．２２μｍ乃至１．１５μｍの範囲内にあってもよく、回折格子の緑色素子と対向した部分の格子定数は０．１８μｍ乃至０．９５μｍの範囲内にあってもよく、回折格子の青色素子と対向した部分の格子定数は０．１６μｍ乃至０．８５μｍの範囲内にあってもよい。或いは、この場合、回折格子の赤色素子と対向した部分の格子定数は０．２７μｍ乃至０．６５μｍの範囲内にあってもよく、回折格子の緑色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．２１μｍ乃至０．５４μｍの範囲内にあってもよく、回折格子の青色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．１９μｍ乃至０．４７μｍの範囲内にあってもよい。

回折格子の格子定数は、１次回折光の光透過性絶縁層への入射角が１０°以内となるように定められていてもよい。また、格子定数は０．２μｍより大きく且つ０．４μｍ未満であってもよい。

回折格子は前面電極と光透過性絶縁層との間に配置されていてもよい。
背面電極の背面側に配置された反射層をさらに具備し、背面電極は光透過性であってもよい。この場合、回折格子は、前面電極と光透過性絶縁層との間に配置されていてもよく、或いは、背面電極と反射層との間に配置されていてもよい。

光透過性絶縁層は透明基板を含んでいてもよい。或いは、光透過性絶縁層は透明保護膜を含んでいてもよい。
有機ＥＬ表示装置は、アクティブマトリクス型であってもよい。

光学デバイス及び有機ＥＬ表示装置の発光効率を高めることが可能となる。

以下、本発明の態様について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１態様に係る光学デバイスを概略的に示す断面図である。図１では、光学デバイスの一例として、自発光装置、ここでは有機ＥＬ表示装置１を描いている。また、図１では、有機ＥＬ表示装置１を、その表示面，すなわち前面，が下方を向き、背面が上方を向くように描いている。

この有機ＥＬ表示装置１は、アクティブマトリクス型駆動方式を採用した下面発光型の有機ＥＬ表示装置であり、光透過性絶縁層として、例えば、ガラス基板のような透明基板１０を含んでいる。この透明基板１０上では、複数の画素がマトリクス状に配列している。各画素は、例えば、一対の電源端子間で直列に接続された素子制御回路（図示せず）、出力スイッチ２０、及び有機ＥＬ素子４０と、画素スイッチ（図示せず）とを含んでいる。素子制御回路は、その制御端子が画素スイッチを介して映像信号線（図示せず）に接続されており、映像信号線から供給される映像信号に対応した大きさの電流を出力スイッチ２０を介して有機ＥＬ素子４０へ出力する。また、画素スイッチの制御端子は走査信号線（図示せず）に接続されており、走査信号線から供給される走査信号によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。なお、これら画素には、他の構造を採用することも可能である。

基板１０上には、アンダーコート層１２として、例えば、ＳｉＮ_x層とＳｉＯ_x層とが順次積層されている。アンダーコート層１２上には、例えばチャネル及びソース・ドレインが形成されたポリシリコン層である半導体層１３、例えばＴＥＯＳ（TetraEthyl OrthoSilicate）などを用いて形成され得るゲート絶縁膜１４、及び例えばＭｏＷなどからなるゲート電極１５が順次積層されており、それらはトップゲート型の薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）を構成している。この例では、これらＴＦＴは、画素スイッチ２０、出力スイッチ、素子制御回路のＴＦＴとして利用している。また、ゲート絶縁膜１４上には、ゲート電極１５と同一の工程で形成可能な走査信号線（図示せず）がさらに設けられている。

ゲート絶縁膜１４及びゲート電極１５上には、例えばプラズマＣＶＤ法などにより成膜されたＳｉＯ_xなどからなる層間絶縁膜１７が設けられている。層間絶縁膜１７上にはソース・ドレイン電極２１が設けられており、それらは、例えばＳｉＮ_xなどからなるパッシベーション膜１８で埋め込まれている。ソース・ドレイン電極２１は、例えば、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏの三層構造を有しており、層間絶縁膜１７に設けられたコンタクトホールを介してＴＦＴのソース・ドレインに電気的に接続されている。また、層間絶縁膜１７上には、ソース・ドレイン電極２１と同一の工程で形成可能な映像信号線（図示せず）がさらに設けられている。

パッシベーション膜１８上には、回折格子３０が設けられている。ここでは、一例として、回折格子３０には、第１導波層側の面，すなわち、有機ＥＬ素子４０と接する面，に所定パターンの凹部が設けられるとともに、第１導波層とは光学特性が異なる材料で構成したものを用いている。この回折格子３０には、例えば、レジストやポリイミド等の有機絶縁材料を用いることができる。回折格子３０の表面に設けるパターンには、例えば、ストライプ状や格子状などのように様々な設計が可能である。また、回折格子３０としては、絶縁層に貫通孔または凹部を設けたものを使用してもよい。例えば、凹部または貫通孔が設けられた第１部分と、それら第１部分が形成する凹部または貫通孔を埋め込み且つ第１部分とは光学特性が異なる第２部分とで構成してもよい。これらパッシベーション膜１８及び回折格子３０には、ドレイン電極２１に連通する貫通孔が設けられている。

回折格子３０上には、光透過性の前面電極４１が互いに離間して並置されている。前面電極４１は、この例では陽極であり、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のような透明導電性酸化物などからなる。前面電極４１は、パッシベーション膜１８及び回折格子３０に設けられた貫通孔を介してドレイン電極２１に電気的に接続されている。

回折格子３０上には、さらに、隔壁絶縁層５０が設けられている。この隔壁絶縁層５０には、前面電極４１に対応した位置に貫通孔が設けられている。隔壁絶縁層５０は、例えば、有機絶縁層であり、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。

隔壁絶縁層５０の貫通孔内で露出した前面電極４１上には、発光層４２ａを含んだ有機物層４２が設けられている。発光層４２ａは、例えば、発光色が赤色、緑色、または青色のルミネセンス性有機化合物を含んだ薄膜である。この有機物層４２は、発光層４２ａ以外の層をさらに含むことができる。例えば、有機物層４２は、前面電極４１から発光層４２ａへの正孔の注入を媒介する役割を果たすバッファ層４２ｂをさらに含むことができる。また、有機物層４２は、正孔輸送層、正孔ブロッキング層、電子輸送層、電子注入層などもさらに含むことができる。

隔壁絶縁層５０及び有機物層４２上には、光反射性の背面電極４３が設けられている。背面電極４３は、この例では、各画素共通に連続して設けられた陰極である。背面電極４３は、パッシベーション膜１８、回折格子３０及び隔壁絶縁層５０に設けられたコンタクトホール（図示せず）を介して、映像信号線と同一の層上に形成された電極配線に電気的に接続されている。それぞれの有機ＥＬ素子４０は、これら前面電極４１、有機物層４２、及び背面電極４３で構成されている。

なお、図１に示す有機ＥＬ表示装置１は、通常、背面電極４３と対向した封止基板（図示せず）と、その背面電極４３との対向面周縁に沿って設けられたシール層（図示せず）とをさらに備えており、それにより、背面電極４３と封止基板との間に密閉された空間を形成している。この空間は、例えば、Ａｒガスなどの希ガスやＮ₂ガスのような不活性ガスで満たされ得る。

また、この有機ＥＬ表示装置１は、透明基板１０の外側，すなわち前面側，に、光散乱層６０をさらに備えている。

さて、本発明者らは、有機ＥＬ表示装置の発光効率を高めるべく鋭意研究を重ねた結果、以下の事実を見出した。

有機ＥＬ表示装置の発光効率には、有機ＥＬ素子の光取り出し効率だけでなく、他の要因も大きく作用している。すなわち、例え、有機ＥＬ素子から高い効率で光を取り出すことができたとしても、有機ＥＬ素子に対して前面側に配置される光透過性絶縁層から高い効率で光を取り出すことができない限り、有機ＥＬ表示装置の発光効率を十分には高められない。換言すれば、有機ＥＬ表示装置の発光効率を十分に高めるためには、光透過性絶縁層に入射した光が光透過性絶縁層と外界（典型的には空気）との界面で全反射されるのを十分に抑制することが必要である。つまり、光を伝播する第１導波層（ここでは、有機物層及び前面電極）から第２導波層（ここでは光透過性絶縁層）へ入射した光が第２導波層の光出射面界面での全反射を抑制することが重要である。

本発明者らの調査によれば、光透過性絶縁層に入射した光が光透過性絶縁層と外界との界面で全反射されるのを十分に抑制するためには、光透過性絶縁層に入射させる光を光透過透過性絶縁層と外界との臨界角度以内であり且つ指向性が極めて高くなければならないことが分かっている。具体的には、十分な視野角を実現するために光散乱層の使用が必要となるほどまで光の指向性を高めなければならず、したがって、光透過性絶縁層に入射させる光の指向性を回折格子を利用して十分に高めるには、その格子定数を非常に狭く設定する必要がある。

なお、有機ＥＬ素子の発光層自体は全方位に光を放出するため、本来、有機ＥＬ表示装置では広視野角を実現するうえで光散乱層は不要である。このような背景のもと、従来の有機ＥＬ表示装置では、光散乱層は使用せず、また、有機ＥＬ素子に対して観察者側に配置する光透過性絶縁層から指向性の高い光を出射させることもなかった。

また、本発明者らは、多重反射及び多重干渉，すなわち「繰返し反射干渉」，を考慮する必要があることを見出した。なお、「繰返し反射干渉」は、光線の一部が反射面，ここでは平行平面状の反射面，間で何回も反射するために起こる干渉である。

有機物層４２と前面電極４１との積層体のように非常に薄い層では繰返し反射干渉を生じるため、先の積層体内を進行する光のうち、或る方向に進行する光は強め合い、他の方向に進行する光は弱め合う。すなわち、この積層体の両主面間で反射を繰り返して膜面方向へと伝播する光は、その進行方向が規制される。したがって、有機ＥＬ表示装置の発光効率を高めるためには、先の積層体内を繰返し反射干渉しながら膜面方向に伝播する光のうち最大強度の光を有効利用することが特に重要である。

図２は、図１の有機ＥＬ表示装置１について得られた回折格子３０の格子定数と１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角との関係を示すグラフである。図中、横軸は回折格子３０の格子定数を示し、縦軸は１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角を示している。

なお、図２に示すデータは、以下の条件をもとでシミュレーションを行うことにより得られたものである。すなわち、ここでは、有機物層４２と前面電極４１との積層体の厚さを１５０ｎｍとし、この積層体の屈折率を１．５５とした。また、有機物層４２は波長５３０ｎｍの光を放出することとした。さらに、透明基板１０としてガラス基板を使用し、透明基板１０の内部から外界（空気）へ向けて進行する光に関する臨界角は４１．３°とした。

また、ここでは、有機物層４２と前面電極４１との積層体における繰返し反射干渉を考慮し、この積層体内を膜面方向へと伝播する光のうち最も高強度の光の回折格子３０による回折を計算した。具体的には、先の波長と積層体の厚さと屈折率とから、積層体内を膜面方向へと伝播する光のうち最も高強度の光の進行方向が膜面に対して為す角度を６３．７°に定め、この光の回折格子３０による回折を計算した。また、０次回折光は進行方向を変化させず、１次回折光よりも高次の回折光は非常に弱いので、ここでは、１次回折光についてのみ考慮した。

図２に示すように、格子定数が約１μｍよりも広い場合、１次回折光の透明基板１０と外界との界面に対する入射角は臨界角以上である。そのため、この場合、先の１次回折光は表示に利用することができない。

格子定数が約１μｍ乃至約０．２μｍの範囲内にある場合、１次回折光の透明基板１０と外界との界面に対する入射角は臨界角よりも小さい。特に、格子定数を０．２μｍより大きく且つ０．４μｍ未満の範囲内とすると入射角を極めて小さくすることができ、格子定数を約０．３５μｍとした場合に入射角を０°とすることができる。

なお、格子定数が約０．２μｍ未満である場合、１次回折光の透明基板１０と外界との界面に対する入射角は臨界角以上である。そのため、この場合、先の１次回折光は表示に利用することができない。

このように、回折格子３０の格子定数を適宜設定すると、１次回折光の透明基板１０と外界との界面に対する入射角を極めて小さくすることができる。この場合、先の積層体内を膜面方向へと伝播する光のうち最も高強度の光の入射角が臨界角よりも小さくなるのは勿論、それよりも低強度の光の多くについても、その入射角を臨界角よりも小さくすることができる。そのため、光透過性絶縁層である透明基板１０に入射した光の多くを外界へと出射させることができる。すなわち、この有機ＥＬ表示装置１では、高い発光効率を実現することができる。

また、この技術によれば、上記の通り、透明基板１０を出射する光の指向性は著しく高くなる。この光の指向性は、有機ＥＬ表示装置１の用途などに応じ、光散乱層６０によって自由に変化させることが可能である。例えば、有機ＥＬ表示装置１を携帯電話などの携帯機器で使用する場合、有機ＥＬ表示装置１に広視野角は要求されず、明るい表示或いは低消費電力が要求される。したがって、このような用途については、光散乱能の低い光散乱層６０を使用してもよい。また、有機ＥＬ表示装置１を固定機器の表示装置として利用する場合、有機ＥＬ表示装置１には広視野角が要求される。したがって、このような用途については、光散乱能の高い光散乱層６０を使用してもよい。

図２を参照して説明した回折格子３０の格子定数と１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角との関係は、有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率や有機ＥＬ素子４０が放出する光の波長などに応じて変化する。これについては、図３乃至図６を参照しながら説明する。

図３は、図１の有機ＥＬ表示装置１について得られた回折格子３０の格子定数と有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率との関係を示すグラフである。図中、横軸は回折格子３０の格子定数を示し、縦軸は１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角を示している。また、図中、曲線１０１は有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率が１．５５（＝ガラスの屈折率）である場合のデータを示し、曲線１０２は有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率が１．８０である場合のデータを示し、曲線１０３は有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率が２．００（＝ＩＴＯの屈折率）である場合のデータを示している。なお、図３に示すデータは、先の積層体の屈折率を上記のように異ならしめたこと以外は、図２に関して説明したのと同様の条件をもとでシミュレーションを行うことにより得られたものである。

図３から明らかなように、有機ＥＬ素子４０が波長５３０ｎｍの光を放出する場合、回折格子３０の格子定数を０．２１μｍ乃至０．５４μｍとすると、上記積層体の屈折率が１．５５乃至２．００の範囲内の何れの値であろうと、１次回折光を透明基板１０に入射させるとともに、それに入射した光の少なくとも一部を外界へと出射させることができる。

図４は、図１の有機ＥＬ表示装置１について得られた回折格子３０の格子定数と有機ＥＬ素子４０が放出する光の波長との関係の一例を示すグラフである。図５は、図１の有機ＥＬ表示装置１について得られた回折格子３０の格子定数と有機ＥＬ素子４０が放出する光の波長との関係の他の例を示すグラフである。

図４及び図５において、横軸は回折格子３０の格子定数を示し、縦軸は１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角を示している。また、図中、曲線１１１は波長を６３０ｎｍとした場合に得られたデータを示し、曲線１１２は波長を５３０ｎｍとした場合に得られたデータを示し、曲線１１３は波長を４６０ｎｍとした場合に得られたデータを示している。

なお、図４に示すデータは、有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率を１．５５とし且つ有機ＥＬ素子３０が放出する光の波長を上記のように異ならしめるとともに、先の積層体の両主面間で反射を繰り返して膜面方向へと伝播する光の進行方向を波長に応じて変更したこと以外は、図２に関して説明したのと同様の条件をもとでシミュレーションを行うことにより得られたものである。また、図５に示すデータは、有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率を２．００とし且つ有機ＥＬ素子３０が放出する光の波長を上記のように異ならしめるとともに、先の積層体の両主面間で反射を繰り返して膜面方向へと伝播する光の進行方向を波長に応じて変更したこと以外は、図２に関して説明したのと同様の条件をもとでシミュレーションを行うことにより得られたものである。

図４及び図５から明らかなように、赤色の光，例えばピーク波長が６３０ｎｍ程度の光，を放出する有機ＥＬ素子４０については、回折格子３０の格子定数を約０．２２μｍ乃至約１．１５μｍの範囲内とすると、１次回折光を透明基板１０に入射させるとともに、それに入射した光の少なくとも一部を外界へと出射させることができる。特に、回折格子３０の格子定数を０．２７μｍ乃至０．６５μｍの範囲内とすると、有機物層４２と前面電極４１との積層体（第１導波層）の屈折率によらず、１次回折光を透明基板１０を含む第２導波層に入射させるとともに、それに入射した光を外部へと出射させることができる。また、この場合、緑色の光，例えばピーク波長が５３０ｎｍ程度の光，を放出する有機ＥＬ素子４０については、回折格子３０の格子定数を約０．１８μｍ乃至約０．９５μｍの範囲内とすると、１次回折光を透明基板１０に入射させるとともに、それに入射した光の少なくとも一部を外界へと出射させることができる。特に、回折格子３０の格子定数を０．２１μｍ乃至０．５４μｍの範囲内とすると、有機物層４２と前面電極４１との積層体（第１導波層）の屈折率によらず、１次回折光を透明基板１０を含む第２導波層に入射させるとともに、それに入射した光を外部へと出射させることができる。さらに、この場合、青色の光，例えばピーク波長が４６０ｎｍ程度の光，を放出する有機ＥＬ素子４０については、回折格子３０の格子定数を約０．１６μｍ乃至約０．８５μｍの範囲内とすると、１次回折光を透明基板１０に入射させるとともに、それに入射した光の少なくとも一部を外界へと出射させることができる。特に、回折格子３０の格子定数を０．１９μｍ乃至０．４７μｍの範囲内とすると、有機物層４２と前面電極４１との積層体（第１導波層）の屈折率によらず、１次回折光を透明基板１０を含む第２導波層に入射させるとともに、それに入射した光を外部へと出射させることができる。つまり、第１導波層から第２導波層へ入射する光を、第２導波層の第１導波層と相反する側に位置する光出射面から効率よく出射することが可能となる。

したがって、発光色が赤、緑、青色の有機ＥＬ素子４０間で回折格子３０の格子定数を同一とする場合、回折格子３０の格子定数を約０．２７μｍ乃至約０．４７μｍの範囲内とすると、全ての表示色について、１次回折光を透明基板１０を含む第２導波層に入射させるとともに、それに入射した光を第２導波層の出射面を介して外界へと出射させることができる。

また、発光色が赤、緑、青色の有機ＥＬ素子４０毎に回折格子３０の格子定数を異ならしめる場合、回折格子３０の赤色有機ＥＬ素子４０と対向した部分の格子定数を０．２２μｍ乃至１．１５μｍの範囲内とし、回折格子３０の緑色有機ＥＬ素子４０と対向した部分の格子定数を０．１８μｍ乃至０．９５μｍの範囲内とし、回折格子３０の青色有機ＥＬ素子４０と対向した部分の格子定数を０．１６μｍ乃至０．８５μｍの範囲内とすると、全ての表示色について、１次回折光を透明基板１０に入射させるとともに、それに入射した光の少なくとも一部を外界へと出射させることができる。

さらに、発光色が赤、緑、青色の有機ＥＬ素子４０毎に回折格子３０の格子定数を異ならしめる場合、回折格子３０の赤色有機ＥＬ素子４０と対向した部分の格子定数を０．２７μｍ乃至０．６５μｍの範囲内とし、回折格子３０の緑色有機ＥＬ素子４０と対向した部分の格子定数を０．２１μｍ乃至０．５４μｍの範囲内とし、回折格子３０の青色有機ＥＬ素子４０と対向した部分の格子定数を０．１９μｍ乃至０．４７μｍの範囲内とすると、第１導波層の屈折率によらず、全ての表示色について、１次回折光を透明基板１０に入射させるとともに、それに入射した光の少なくとも一部を外界へと出射させることができる。

図６は、１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角を０°とする条件を示すグラフである。図中、横軸は、有機ＥＬ素子４０が放出する光の波長を示し、縦軸は、１次回折光の透明基板１０と外界との界面への入射角を０°とする回折格子３０の格子定数を示している。また、図中、参照符号１２１は有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率が１．５５である場合に得られたデータを示し、参照符号１２２は有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率が１．８０である場合に得られたデータを示し、参照符号１２３は有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率が２．００である場合に得られたデータを示している。

図６に示すように、１次回折光の透明基板１０と外界との界面に対する入射角を０°とする回折格子３０の格子定数は、０．３５に限られず、有機物層４２と前面電極４１との積層体の屈折率や有機ＥＬ素子４０が放出する光の波長などに応じて変化する。

次に、本発明の第２態様について説明する。
図７は、本発明の第２態様に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す平面図である。図７では、有機ＥＬ表示装置１を、その前面が上方を向き、背面が下方を向くように描いている。

この有機ＥＬ表示装置１は、上面発光型の有機ＥＬ表示装置であり、第１態様とは異なり、基板１０は光透過性である必要はない。

基板１０上には、第１態様と同様、アンダーコート層１２、ＴＦＴ、層間絶縁膜１７、パッシベーション膜１８が順次形成されている。ゲート絶縁膜１４、層間絶縁膜１７、パッシベーション膜１８にはコンタクトホールが設けられており、ソース・ドレイン電極２１は、このコンタクトホールを介してＴＦＴのソース・ドレインに電気的に接続されている。

層間絶縁膜１７上には、反射層７０及び回折格子３０の第１部分３１（ここでは、パッシベーション膜と一体的に形成されている）が順次積層されている。反射層７０の材料としては、例えば、Ａｌなどの金属材料を使用することができるが、ここでは、ソース・ドレイン電極と同一工程で形成するよう、反射層７０はＭｏ／Ａｌ／Ｍｏの３層構造で構成している。また、第１部分３１の材料としては、例えば、ＳｉＮなどの絶縁材料を使用することができる。

第１部分３１の凹部は、第１部分３１よりも屈折率が大きい光透過性絶縁材料，例えばレジスト材料，からなる第２部分３２で埋め込まれている。つまり、第１部分３１と、第１部分３２の凹部を埋め込んだ第２部分３２との間の界面で、その界面を境界として屈折率が異なる規則的なパターンを形成し、回折格子としている。

回折格子３０上には、光透過性の背面電極４３が互いから離間して並置されている。背面電極４３は、この例では陽極であり、例えば、ＩＴＯのような透明導電性酸化物などからなる。

回折格子３０の第１部分３１上には、さらに、第１態様で説明したのと同様の隔壁絶縁層５０が設けられている。また、この隔壁絶縁層５０の貫通孔内で露出した背面電極４３上には、第１態様と同様に、発光層を含んだ有機物層４２が設けられている。

隔壁絶縁層５０及び有機物層４２上には、光透過性の前面電極４１が設けられている。前面電極４１は、この例では、各画素共通に連続して設けられた陰極である。

前面電極４１上には、光透過性絶縁層である透明保護膜８０及び光散乱層６０が順次設けられている。透明保護膜８０は、外界から有機ＥＬ素子４０中への水分の浸入等を防止するとともに、平坦化層としての役割を果たしている。透明保護膜８０の材料としては透明樹脂を使用することができる。また、透明保護膜８０には、単層構造を採用してもよく、或いは、多層構造を採用してもよい。

第１態様では、有機ＥＬ素子４０と光透過性絶縁層である透明基板１０との間，すなわち有機ＥＬ素子４０の前面側，に回折格子３０を配置した。これに対し、第２態様では、有機ＥＬ素子４０と反射層７０との間，すなわち有機ＥＬ素子４０の背面側，に回折格子３０を配置している。このような構造を採用した場合も、第１態様で説明したのとほぼ同様の効果を得ることができる。

但し、回折格子３０を有機ＥＬ素子４０の背面側に配置した場合、有機ＥＬ素子４０が放出する一部の光は回折格子３０を透過することなく光透過性絶縁層に入射する。したがって、より多くの光を回折させるうえでは、回折格子３０を有機ＥＬ素子４０と光透過性絶縁層との間に配置することが有利である。

第１及び第２態様において、回折格子３０としては、一次元格子を使用してもよく、或いは、二次元格子を使用してもよい。但し、より多くの光を回折させるうえでは、後者のほうが有利である。

また、第１及び第２態様では、回折格子３０として透過型回折格子を使用したが、反射型回折格子を使用してもよい。例えば、図７に示す回折格子３０を省略するとともに、反射層７０の前面に回折格子を構成する凹凸を設けてもよい。

回折格子３０を、光透過性の第１部分３１と、第１部分が形成する凹部を埋め込んだ第２部分３２とで構成する場合、上記の通り、第２部分３２の光学特性を第１部分３１の光学特性とは異ならしめる。第１部分３１と第２部分３２とは、屈折率、透過率、反射率などの少なくとも１つが異なっていればよいが、典型的には、第２部分３２も光透過性とするとともに第１部分３１とは屈折率を異ならしめる。

第１部分３１の凹部は、底面が第１部分３１の表面で構成してもよく、或いは、底面が第１部分３１の下地層の表面で構成してもよい。また、図１に示す有機ＥＬ表示装置１は、回折格子３０を図７における第１部分として、及び、電極４１の一部を図７における第２部分３２として利用しているものとしてみることもできるが、第２部分３２は、電極４１や電極４３とは異なる材料で構成してもよい。

回折格子３０を構成する第１部分３１及び第２部分３２の少なくとも一方は、有機ＥＬ素子４０側に隣接する層と比較して、屈折率がより高くてもよい。こうすると、回折格子３０に対して有機ＥＬ素子４０側に位置した層における繰返し反射干渉が促進される。

ところで、先に説明したように、第１及び第２態様で使用する回折格子３０の格子定数は、極めて小さい。すなわち、第１及び第２態様に係る有機ＥＬ表示装置１を得るためには、超微細パターンを形成する技術が必要である。

しかしながら、半導体装置の製造とは異なり、有機ＥＬ表示装置１の製造では、大面積の基板を使用することがある。そのため、フォトマスクを利用する通常のフォトグラフィ技術では、基板の反りに起因した焦点ずれなどを生じ、フォトマスクのパターンを高精度に転写することが難しい。このような問題は、例えば、以下の方法を利用することにより解消することができる。

図８は、回折格子３０の作成方法の一例を概略的に示す断面図である。なお、図８では、簡略化のため、基板１０と回折格子３０との間に介在している構成要素を省略している。また、ここでは、一例として、図１に示す回折格子３０の作成方法について説明する。

この方法では、まず、基板１０の一主面に形成したパッシベーション膜１８などの下地層上に、後で回折格子３０として利用する連続膜３０を形成し、この連続膜３０上にレジスト膜９５を形成する。

次に、例えば、石英などからなる光透過性基板９１の一主面に遮光体パターン９２を形成してなるフォトマスク９０を、その遮光体パターン９２がレジスト膜９５と対向するように、誘電体液膜９７を介して基板１０に密着させる。この状態で、フォトマスク９０を介してレジスト膜９５を露光する。

次いで、フォトマスク９０を基板１０から取り除き、レジスト膜９５を現像する。これにより、レジスト膜９５をパターニングしてなるレジストパターン（図示せず）を得る。

さらに、このレジストパターンをマスクとして用いて、連続膜３０をエッチングする。以上の方法により、連続膜３０をパターニングしてなる回折格子３０を得る。なお、図７に示す回折格子３０は、先と同様の方法により第１部分３１を形成した後に、その凹部を第１部分３１とは光学特性が異なる材料からなる第２部分３２で埋め込むことにより得られる。

この方法では、上記の通り、フォトマスク９０と基板１０とを液膜９７を介して密着させる。そのため、例え、基板１０が撓んだとしても、遮光体パターン９２とレジスト膜９５との間の距離を一定に保つことができる。また、このようにフォトマスク９０と基板１０とを液膜９７を介して密着させた場合、遮光体パターン９２とレジスト膜９５との間の距離を露光光の波長以下とすること、すなわち、近接場光を用いた露光が可能となる。さらに、この方法では、フォトマスク９０のパターンを拡大することなくレジスト膜９５に転写する。したがって、この方法によれば、格子定数の精度に優れた回折格子３０を容易に作成することができる。

なお、この方法では、上記の通り、フォトマスク９０のパターンを拡大することなくレジスト膜９５に転写する。したがって、通常、フォトマスク９０としてマザーガラス基板サイズのものは使用した一括露光は行わず、より小さなフォトマスク９０を用いたステップ＆リピート露光を行う。

また、この方法では、上記の通り、近接場光を利用する。近接場光は非伝播光であるため、厚いレジスト膜９５の露光には適さない。したがって、厚いレジストパターンを形成する場合には、例えば、レジスト膜９５として、より厚い下層レジスト膜とより薄い上層レジスト膜との積層体を形成してもよい。すなわち、近接場光を利用した上記の方法により上層レジスト膜をパターニングし、これにより得られるレジストパターンをマスクとして用いたドライエッチング（例えば、プラズマを利用したドライエッチング）などにより下層レジスト膜をパターニングしてもよい。こうすると、パターン精度に優れるとともに連続膜３１のパターニングに利用するエッチャントに対して高い耐性を有するレジストパターンが得られる。

なお、上述の方法では、レジスト膜９５をパターニングしてなるレジストパターンをエッチングマスクとして利用しているが、このレジストパターン自体をレジスト膜を回折格子３０またはその第１部分３１として利用してもよい。

また、その他の形成方法として、金型を用いて規則的なパターンを絶縁層に転写（imprinting）することにより、回折格子３０を得ることも可能である。

第１及び第２態様では、発光色が互いに異なる有機ＥＬ素子４０を用いて有機ＥＬ表示装置１にフルカラー表示可能な構成を採用したが、有機ＥＬ表示装置１には単色表示可能な構成を採用してもよい。また、有機ＥＬ表示装置１に他の構成を採用してフルカラー表示を行うことも可能である。例えば、発光色が白色の有機ＥＬ素子４０とカラーフィルタとを用いてフルカラー表示可能としてもよい。或いは、発光色が青色の有機ＥＬ素子４０と色変換フィルタとを用いてフルカラー表示可能としてもよい。なお、後者の場合、回折格子３０は、有機ＥＬ素子４０と色変換フィルタとの間に配置することが望ましい。このように単色光の状態で回折させると、回折格子３０の波長依存性を考慮する必要がなくなる。すなわち、色変換前の波長についてのみ、回折格子３０の格子定数を最適化すればよく、各色毎に回折格子３０の格子定数を最適化する必要がない。

第１及び第２態様では、自発光装置の一例として有機ＥＬ表示装置１を説明したが、上述した技術は、他の光学デバイスにも適用可能である。例えば、上記の技術は、照明装置などの自発光デバイスに適用してもよい。

本発明の第１態様に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す断面図。 図１の有機ＥＬ表示装置について得られた回折格子の格子定数と１次回折光の透明基板と外界との界面への入射角との関係を示すグラフ。 図１の有機ＥＬ表示装置について得られた回折格子の格子定数と有機物層と前面電極との積層体の屈折率との関係を示すグラフ。 図１の有機ＥＬ表示装置について得られた回折格子の格子定数と有機ＥＬ素子が放出する光の波長との関係の一例を示すグラフ。 図１の有機ＥＬ表示装置について得られた回折格子の格子定数と有機ＥＬ素子が放出する光の波長との関係の他の例を示すグラフ。 １次回折光の透明基板と外界との界面への入射角を０°とする条件を示すグラフ。 本発明の第２態様に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す断面図。 回折格子の作成方法の一例を概略的に示す断面図。

符号の説明

１…有機ＥＬ表示装置、１０…基板、１２…アンダーコート層、１３…半導体層、１４…ゲート絶縁膜、１５…ゲート電極、１７…層間絶縁膜、１８…パッシベーション膜、１９…平坦化層、２０…ＴＦＴ、２１…ソース・ドレイン電極、３０…回折格子、３１…第１部分、３２…第２部分、４０…有機ＥＬ素子、４１…前面電極、４２…有機物層、４２ａ…発光層、４２ｂ…バッファ層、４３…背面電極、５０…隔壁絶縁層、６０…光散乱層、７０…反射層、８０…透明保護膜、９１…光透過性基板、９２…遮光体パターン、９０…フォトマスク、９５…レジスト膜、９７…液膜、１０１…曲線、１０２…曲線、１０３…曲線、１１１…曲線、１１２…曲線、１１３…曲線、１２１…データ、１２２…データ、１２３…データ。

Claims (19)

1. 光を伝播する第１導波層と、
   前記第１導波層上に配置され、前記第１導波層と相反する主面を光出射面とする第２導波層と、
   前記第１導波層と隣接配置し、前記第１導波層と前記第２導波層との間、または前記第１導波層の前記第２導波層と相反する側に配置される回折格子と、を備え、
   前記回折格子は、前記第１導波層から前記第２導波層へ入射する光が前記光出射面界面での全反射を抑制するよう構成された格子定数で形成されることを特徴とする光学デバイス。
2. 光透過性絶縁層と、
   前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ光活性層とを備えた自発光素子と、
   前記発光層が放出する光が前記光活性層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された回折格子とを具備し、
   前記回折格子の格子定数は、前記自発光素子が放出し且つ前記光透過性絶縁層よりも背面側で繰返し反射干渉しながら膜面方向に伝播する光のうち最大強度の光が前記回折格子に入射することによって生じる１次回折光が前記光透過性絶縁層を出射できるように定められていることを特徴とする光学デバイス。
3. 前記回折格子の格子定数は、０．１６μｍ乃至１．１５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記回折格子の格子定数は、０．２７μｍ乃至０．４７μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光学デバイス。
5. 前記自発光素子として、発光色がそれぞれ赤、緑、青色の赤色自発光素子、緑色自発光素子、青色自発光素子を具備し、
   前記回折格子の前記赤色自発光素子と対向した部分の格子定数は０．２２μｍ乃至１．１５μｍの範囲内にあり、
   前記回折格子の前記緑色自発光素子と対向した部分の格子定数は０．１８μｍ乃至０．９５μｍの範囲内にあり、
   前記回折格子の前記青色自発光素子と対向した部分の格子定数は０．１６μｍ乃至０．８５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学デバイス。
6. 前記自発光素子として、発光色がそれぞれ赤、緑、青色の赤色自発光素子、緑色自発光素子、青色自発光素子を具備し、
   前記回折格子の前記赤色自発光素子と対向した部分の格子定数は０．２７μｍ乃至０．６５μｍの範囲内にあり、
   前記回折格子の前記緑色自発光素子と対向した部分の格子定数は０．２１μｍ乃至０．５４μｍの範囲内にあり、
   前記回折格子の前記青色自発光素子と対向した部分の格子定数は０．１９μｍ乃至０．４７μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学デバイス。
7. 前記回折格子の格子定数は、前記１次回折光の前記光透過性絶縁層への入射角が１０°以内となるように定められていることを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
8. 光透過性絶縁層と、
   前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層とを備えた有機ＥＬ素子と、
   前記発光層が放出する光が前記有機物層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された回折格子とを具備し、
   前記回折格子の格子定数は、前記有機ＥＬ素子が放出し且つ前記光透過性絶縁層よりも背面側で繰返し反射干渉しながら膜面方向に伝播する光のうち最大強度の光が前記回折格子に入射することによって生じる１次回折光が前記光透過性絶縁層を出射できるように定められていることを特徴とする有機ＥＬ表示装置。
9. 前記回折格子の格子定数は、０．１６μｍ乃至１．１５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の有機ＥＬ表示装置。
10. 前記回折格子の格子定数は、０．２７μｍ乃至０．４７μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の有機ＥＬ表示装置。
11. 前記有機ＥＬ素子として、発光色がそれぞれ赤、緑、青色の赤色有機ＥＬ素子、緑色有機ＥＬ素子、青色有機ＥＬ素子を具備し、
    前記回折格子の前記赤色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．２２μｍ乃至１．１５μｍの範囲内にあり、
    前記回折格子の前記緑色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．１８μｍ乃至０．９５μｍの範囲内にあり、
    前記回折格子の前記青色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．１６μｍ乃至０．８５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の有機ＥＬ表示装置。
12. 前記有機ＥＬ素子として、発光色がそれぞれ赤、緑、青色の赤色有機ＥＬ素子、緑色有機ＥＬ素子、青色有機ＥＬ素子を具備し、
    前記回折格子の前記赤色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．２７μｍ乃至０．６５μｍの範囲内にあり、
    前記回折格子の前記緑色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．２１μｍ乃至０．５４μｍの範囲内にあり、
    前記回折格子の前記青色有機ＥＬ素子と対向した部分の格子定数は０．１９μｍ乃至０．４７μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の有機ＥＬ表示装置。
13. 前記回折格子の格子定数は、前記１次回折光の前記光透過性絶縁層への入射角が１０°以内となるように定められていることを特徴とする請求項８に記載の有機ＥＬ表示装置。
14. 前記回折格子は前記前面電極と前記光透過性絶縁層との間に配置されたことを特徴とする請求項８乃至請求項１３の何れか１項に記載の有機ＥＬ表示装置。
15. 前記背面電極の背面側に配置された反射層をさらに具備し、前記背面電極は光透過性であることを特徴とする請求項８乃至請求項１４の何れか１項に記載の有機ＥＬ表示装置。
16. 前記背面電極の背面側に配置された反射層をさらに具備し、前記背面電極は光透過性であり、前記回折格子は前記背面電極と前記反射層との間に配置されたことを特徴とする請求項８乃至請求項１３の何れか１項に記載の有機ＥＬ表示装置。
17. 前記光透過性絶縁層は透明基板を含んだことを特徴とする請求項８乃至請求項１６の何れか１項に記載の有機ＥＬ表示装置。
18. 前記光透過性絶縁層は透明保護膜を含んだことを特徴とする請求項８乃至請求項１６の何れか１項に記載の有機ＥＬ表示装置。
19. 前記有機ＥＬ表示装置は、アクティブマトリクス型であることを特徴とする請求項８乃至請求項１８の何れか１項に記載の有機ＥＬ表示装置。

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