JP2004207246A - 無機電界発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 低い電圧で駆動可能であり、光効率の増大により高輝度での発光が可能な無機電界発光素子を提供すること。
【解決手段】 基板と、前記基板上に形成される透明電極層と、前記透明電極層上に形成される無機発光層と、前記無機発光層上に形成される誘電体層と、前記誘電体層上に形成される背面電極とから構成され、前記誘電体層と前記背面電極との界面に電界強化層が介在する無機電界発光素子を前記した課題の解決手段とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は無機電界発光素子に係り、特に高い発光効率を有する無機電界発光素子に関する。

無機電界発光素子の典型的な積層構造が特許文献１及び特許文献２に開示されている。

例えば、無機電界発光素子は、典型的には図１に図示されたような積層構造を有している。図１を参照して、基板１上に透明なＩＴＯ（インジウム−錫酸化物：Indium-Tin Oxide）で形成された透明電極２が設けられ、その上に第１誘電体層３が設けられる構造を有する。第１誘電体層３上には電界発光が起こる無機発光層４が形成され、さらに無機発光層４上には第２誘電体層５及び背面電極６が順次積層されている。このような積層構造は背面電極６上に形成される保護層（図示せず）により外部と隔離されている。

このような無機電界発光素子は、交流電圧により駆動され、高交流電場により加速された電子が蛍光体に衝突することによって励起される。したがって、無機電界発光素子において、高輝度を実現するためには多量の電子を、高エネルギーで加速する必要がある。
米国特許第５，５４３，２３７号公報 米国特許第５，６４８，１８１号公報

本発明の課題は、低い電圧で駆動可能であり、光効率の増大により高輝度での発光が可能な無機電界発光素子を提供することである。

前記した課題を達成するためになされた、請求項１に係る無機電界発光素子は、基板と、基板上に形成される透明電極層と、透明電極層上に形成される無機発光層と、無機発光層上に形成される誘電体層と、誘電体層上に形成される背面電極とから構成され、誘電体層と背面電極との界面に電界強化層が介在することを特徴としている。

また、請求項１に係る無機電界発光素子において、電界強化層はカーボンナノチューブまたはナノ粒子により形成されることが望ましい。

さらに、前記した課題を達成するためになされた、請求項３に係る無機電界発光素子は、無機物による無機発光層と、無機発光層の上下方向に設けられ、無機発光層を上下に挟んでサンドウィッチ構造を形成する上下誘電体層と、サンドウィッチ構造のさらに上下方向に設けられる上下部電極と、これらの積層物を下部から支持する基板とから構成され、上下部電極とこれに対応する上下部誘電体層との界面のうち少なくともいずれか一つの界面に電界強化層が介在することを特徴としている。

また、請求項３に係る無機電界発光素子において、電界強化層はカーボンナノチューブにより形成されることが望ましい。

さらに、前記した目的を達成するためになされた、請求項５に係る無機電界発光素子は、相互に対向するように配置される第１基板及び第２基板と、第１基板の内側に形成される透明電極と、透明電極上に形成される無機発光層と、無機発光層上に形成される誘電体層と、第２基板の内側に形成される背面電極と、前記背面電極上に形成され、第１基板上の誘電体層に接触するように配置される電界強化層とから構成されることを特徴としている。

また、請求項５に係る無機電界発光素子において、無機発光層及び誘電体層が第１基板上に形成され、背面電極及び電界強化層が第２基板上に形成されることが望ましく、電界強化層はカーボンナノチューブにより形成されることが望ましい。

さらに、前記した目的を達成するためになされた、請求項８に係る無機電界発光素子は、相互対向するように配置される第１基板及び第２基板と、第１基板の内側に形成される透明電極と、透明電極上に形成される第１電界強化層と、透明電極上に形成される第１誘電体層と、第２基板の内側に形成される背面電極と、第２基板上に形成され、第１基板上の第１誘電体層に接触するように配置される第２電界強化層と、第２電界強化層上に形成される第２誘電体層と、第１誘電体層と第２誘電体層との間に設けられる無機発光層とから構成されることを特徴としている。

また、請求項８に係る無機電界発光素子において、透明電極、第１電界強化層、第１誘電体層、無機発光層及び第２誘電体層が、第１基板上に形成され、背面電極及び電界強化層が、第２基板上に形成されることが望ましい。

また、請求項８または請求項９に係る無機電界発光素子において、第１電界強化層及び第２電界強化層は、カーボンナノチューブにより形成されることが望ましい。

本発明にかかる無機電界発光素子によると、低電圧及び低真空で作動可能であり、無機電界発光素子の寿命が長いだけでなく、この無機電界発光素子を用いたディスプレイ素子の駆動回路のコストを抑えることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態において、既知の構造の形成方法及び使用材料については詳細な説明は省略する。

はじめに、本発明の第１実施例について説明する。図２は、本実施例の無機電界発光素子の断面図である。図２を参照して、本実施例の無機電界発光素子は、透明な基板１０上に透明なＩＴＯで形成された透明電極２０が設けられ、その上に電界発光が起こる無機発光層４０が形成されている。そして、無機発光層４０上には誘電体層５０及び背面電極６０が順次積層され、さらに誘電体層５０及び背面電極６０の間には本発明を特徴づける電界強化層７０が介在している。図２に示した積層構造物は、背面電極６０上に形成される保護層（図示せず）により外部と隔離される。本実施例においては、電界強化層７０が基板１０への光の透過を妨げる位置にないので、電界強化層７０としてカーボンナノチューブにより形成されることが望ましい。

次に、本発明の第２実施例について説明する。図３は、本実施例の無機電界発光素子の断面図である。図３を参照すると、本実施例の無機電界発光素子は、基板１１上に透明なＩＴＯで形成された透明電極２１が設けられ、その上に本発明を特徴づける第１電界強化層７１ａが形成されている。さらに、第１電界強化層７１ａ上には第１誘電体層３１が形成され、その上に電界発光が起こる無機発光層４１が形成されている。そして、無機発光層４１上には第２誘電体層５１及び背面電極６１が順次積層され、誘電体層５１及び背面電極６１の間には本発明を特徴づける第２電界強化層７１ｂが介在している。図３に示した積層構造は、前記した第１実施例と同様に、背面電極６１上に形成される保護層（図示せず）により外部と隔離される。

本実施例では第１電界強化層７１ａは、基板１１への光の透過を妨げる位置にあるので光透過性材料により形成されることが望ましい。

次に、本発明の第３実施例について説明する。図４は、本実施例の無機電界発光素子の断面図である。図４を参照すると、本実施例の無機電界発光素子は、第１基板１２と第２基板８２との間に電界発光のためのサンドウィッチ構造が形成されている。

具体的に説明すると、第１基板１２上に透明なＩＴＯで形成された透明電極２２が設けられ、その上に電界発光が起こる無機発光層４２が形成されている。無機発光層４２上には誘電体層５２及び背面電極６２が順次積層され、誘電体層５２及び背面電極６２の間には本発明を特徴づける電界強化層７２が介在している。

ここで、本実施例の無機電界発光素子が作成過程は、はじめに、第１基板１２の内側に透明電極２２、無機発光層４２及び誘電体層５２を形成し、第２基板８２の内側に背面電極６２及び電界強化層７２を形成する。そして、前記ように第１基板１２及び第２基板８２に積層構造を形成した後、第２基板８２側の電界強化層７２と第１基板１２側の誘電体層５２とが接触するように前記第１基板１２と第２基板８２とを結合することが望ましい。

次に、本発明の第４実施例について説明する。図５は、本実施例の無機電界発光素子の断面図である。図５を参照すると、本実施例の無機電界発光素子は、前記した実施例３の無機電界発光素子と同様に、第１基板１３と第２基板８３との間に電界発光のためのサンドウィッチ構造が形成されている。

具体的に説明すると、第１基板１３上に透明なＩＴＯで形成された透明電極２３が設けられ、その上に第１電界強化層７３ａ、第１誘電体層３３及び電界発光がなされる無機発光層４３が形成されている。さらに、無機発光層４３上には第２誘電体層５３、第２電界強化層７３ｂ及び背面電極６３が順次積層されている。

ここで、本実施例の無機電界発光素子が作成過程は、はじめに、第１基板１３の内側に透明電極２３、第１電界強化層７３ａ、第１誘電体層３３、無機発光層４３及び第２誘電体層５３を形成し、第２基板８３の内側に背面電極６３及び第２電界強化層７３ｂを形成する。そして、前記のように第１基板１３及び第２基板８３に積層構造を形成した後、第２基板８３側の第２電界強化層７３ｂと第１基板１３側の誘電体層５３とが接触するように第１基板１３と第２基板８３とを結合することが望ましい。

本実施例では、第１電界強化層７３ａは、基板１３への光の透過を妨げる位置にあるので光透過性材料よりなるナノ粒子により形成されることが望ましく、第２電界強化層７３ｂは光の透過を妨げない位置にあるため、光透過性材料ではないカーボンナノチューブにより形成されることが望ましい。

前記した多様な実施例を通じて、本発明に係る無機電界発光素子は、誘電体層と接する電極の表面に、電界強化層、例えば、カーボンナノチューブまたはナノ粒子などの電界放出可能な物質の層を形成する点に特徴がある。

前記したような構造を有する本発明に係る無機電界発光素子の透明電極及び背面電極に交流電圧をかけて、無機電界発光素子の端部にＭＶ／ｃｍ級の強い電場をかけると、誘電体層と無機発光層との間の界面に捕捉されていた電子が放出されて、無機発光層の伝導帯への電子トンネリングがおきる。無機発光層の伝導帯に放出された電子は、外部の電場によって加速されて蛍光体の放射中心を励起させるのに十分なエネルギーを獲得した後、放射中心の最外殻電子に衝突して励起させる。この時、基底状態から励起された電子が、励起状態から再び基底状態に戻りつつそのエネルギー差によって光を放出する。

一方、高いエネルギーを有する電子の一部は、蛍光体を部分的にイオン化させて２次電子を放出することもある。放射中心との衝突過程でエネルギーを失った電子と、衝突しない一部の１次電子及び２次電子とは、透明電極及び背面電極の界面に捕捉される。外部電圧の極性が変わると、前記の過程が逆方向に再び進む。この時にフィッシャーの理論（参考：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ：Ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ Ｎｅｗｓ，Ｊｕｎｅ １９７１）によると、無機発光層と誘電体との間の距離が数ｎｍ以内という擬似接触状態であるために、無機発光層物質、すなわち、蛍光体の端部から放出された電子が、反対の極性が印加される時に生成される正孔と結合して発光する。この時に生成される正孔の量は反対の電極で生成される電子の量と同一であるために、反対の電極に多くの電子を生成させるほど結合されて光に転換される可能性（効率）が増加する。

この時に本発明に係る電界強化層に用いる電界放出物質（例えば、炭素ナノチューブまたはナノ粒子）を誘電体層に接した電極の表面にコーティングすると、電界放出物質と誘電体層との間の距離が数ｎｍであるため、この間で電界放出が発生し、この時に発生した電子は誘電体層に供給される。このような電界放出は、電子が進む細孔またはギャップがあることを前提とし、これは誘電体層と電界強化層との擬似接触状態ないしこれら間に微小な細孔またはギャップがあることを意味する。このような電子の供給は結果的に発光効率を高め、従来に比べて低い動作電圧下でも所望の輝度の発光が実現できる。

本発明は、誘電体に接触する電極の電気的状態に基づいている。２つの相対する電極への電荷量が同一でなければならないと仮定すると、高い電場が印加されて無機発光層に接触した誘電体層の表層に多量の電子や正孔が生成されると、電極に接触する誘電体層の表層にも多量の正孔や電子が生成される。前記のように誘電体層に接触した電極の表層にカーボンナノチューブやナノ粒子のような電界放出物質をコーティングすれば、電界放出物質と誘電体層間の距離が数ｎｍであるため、この間で電界放出現象が現れることによって電界放出物質に接触した電極の表層に多量の電荷を捕捉することが可能となる。

従来の電界発光素子では、相対的に少ない電荷しか電極に接触する誘電体層との表層に捕捉できなかったが、本発明の炭素ナノチューブがコーティングされた電極により、電気的特性に関係無く、誘電体層の表層に多量の電荷を捕捉することが可能となる。

（実験例）
図６は、クロム電極上にＮｉ触媒をスパッタリングで成膜し、その上に化学気相蒸着法で電界強化物質として炭素ナノチューブを蒸着した基板と、透明電極上に蛍光体が塗布された基板とを、厚さ０．２ｍｍのガラス板により隔離させて、８００Ｖ、３０ｋＨｚのパルス電圧を印加した状態での発光状態を示した写真である。

図７は、図６に示した構造と同じ基板を、厚さ０．２ｍｍのアルミニウム基板により隔離させて、８００Ｖ、３０ｋＨｚのパルス電圧を印加した状態での発光状態を示した写真である。図７には、絶縁層として使われたアルミニウム粒子が見られることが分かる。

図８は従来の構造として電界強化層なしに電極だけ形成されている基板と、蛍光体が透明電極に塗布された基板とを厚さ０．２ｍｍのガラス板により隔離させて、１００Ｖ、３０ｋＨｚで作動させた時の発光状態を示した写真である。

本発明によって製作された電界発光素子は、図６及び図７に示したように明るく発光する一方、従来の構造による電界発光素子は図８に示したようにほとんど発光しなかった。

このような実験結果により、電界強化物質がある場合とない場合とでは、発光効率において大きな差を示すこと分かる。前記した結果により、本発明に係る電界強化物質を誘電体層に接した電極の表面に形成することで、電界発光のための駆動電圧を低下可能なことが分かる。前記した結果に合わせて、絶縁層の物質の選択及びその厚さを薄くすることによって、さらに低い駆動電圧を実現することも可能となる。

本発明は、添付した図面に示した実施例を参考として説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野に属する当業者ならば、本発明に基づいて、多様な変形及び実質的に均等な他の実施例が実現可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められる。

従来の無機電界発光素子の積層構造の概略を示した断面図である。 本発明による無機電界発光素子の第１実施例の積層構造の概略を示した断面図である。 本発明による無機電界発光素子の第２実施例の積層構造の概略を示した断面図である。 本発明による無機電界発光素子の第３実施例の積層構造の概略を示した断面図である。 本発明による無機電界発光素子の第４実施例の積層構造の概略を示した断面図である。 本発明を適用した発光構造物の発光状態を示した写真である。 本発明を適用した発光構造物の発光状態を示した写真である。 従来構造の発光構造物の発光状態を示した写真である。

符号の説明

１０，１１ 基板
１２，１３ 第１基板
２０，２１，２２，２３ 透明電極
３１，３３ 第１誘電体層
４０，４１，４２，４３ 無機発光層
５０，５２ 誘電体層
５１，５３ 第２誘電体層
６０，６１，６２，６３ 背面電極
７０，７２ 電界強化層
７１ａ，７３ａ 第１電界強化層
７１ｂ，７３ｂ 第２電界強化層
８２，８３ 第２基板

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に形成される透明電極層と、
   前記透明電極層上に形成される無機発光層と、
   前記無機発光層上に形成される誘電体層と、
   前記誘電体層上に形成される背面電極とから構成され、
   前記誘電体層と前記背面電極との界面に、電界強化層が介在すること、
   を特徴とする無機電界発光素子。
2. 前記電界強化層は、カーボンナノチューブまたはナノ粒子により形成されること、
   を特徴とする請求項１に記載の無機電界発光素子。
3. 無機物による無機発光層と、
   前記無機発光層の上下方向に設けられ、前記無機発光層を上下に挟んでサンドウィッチ構造を形成する上・下部誘電体層と、
   前記サンドウィッチ構造のさらに上下方向に設けられる上・下部電極と、
   これらの積層物を下部から支持する基板とから構成され、
   前記上・下部電極とこれに対応する前記上・下部誘電体層との界面のうち、少なくともいずれか一つの界面に、電界強化層が介在すること、
   を特徴とする無機電界発光素子。
4. 前記電界強化層は、カーボンナノチューブにより形成されること、
   を特徴とする請求項３に記載の無機電界発光素子。
5. 相互に対向するように配置された第１基板及び第２基盤と、
   前記第１基板の内側に形成される透明電極と、
   前記透明電極上に形成される無機発光層と、
   前記無機発光層上に形成される誘電体層と、
   前記第２基板の内側に形成される背面電極と、
   前記背面電極上に形成され、前記第１基板上の前記誘電体層に接触するように配置される電界強化層とから構成されること、
   を特徴とする無機電界発光素子。
6. 前記透明電極、前記無機発光層及び前記誘電体層が前記第１基板上に形成され、
   前記背面電極及び前記電界強化層が前記第２基板上に形成されること、
   を特徴とする請求項５に記載の無機電界発光素子。
7. 前記電界強化層は、カーボンナノチューブにより形成されること、
   を特徴とする請求項５または請求項６に記載の無機電界発光素子。
8. 相互に対向するように配置される第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の内側に形成される透明電極と、
   前記透明電極上に形成される第１電界強化層と、
   前記透明電極上に形成される第１誘電体層と、
   前記第２基板の内側に形成される背面電極と、
   前記背面電極上に形成され、前記第１基板上の前記第１誘電体層に接触するように配置される第２電界強化層と、
   前記第２電界強化層上に形成される第２誘電体層と、
   前記第１誘電体層と前記第２誘電体層との間に設けられる無機発光層とから構成されること、
   を特徴とする無機電界発光素子。
9. 前記透明電極、前記第１電界強化層、前記第１誘電体層、前記無機発光層及び前記第２誘電体層が、前記第１基板上に形成され、
   前記背面電極及び電界強化層が、前記第２基板上に形成されること、
   を特徴とする請求項８に記載の無機電界発光素子。
10. 前記第１電界強化層および前記第２電界強化層は、カーボンナノチューブにより形成されること、
    を特徴とする請求項８または請求項９に記載の無機電界発光素子。