JP2006100187A - 有機ｅｌ表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有機ＥＬ表示装置の光の取り出し効率を高めること。
【解決手段】本発明の有機ＥＬ表示装置１は、互いに向き合った一対の電極４１，４３とそれら電極４１，４３間に介在すると共に発光層を含んだ有機物層４２とを備えた有機ＥＬ素子４０と、前記有機ＥＬ素子４０と向き合った光取り出し層３０とを具備し、前記光取り出し層３０の二次元周期配列にバンドギャップ制御部３３が導入されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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いる。有機ＥＬ素子は、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。

ところで、有機ＥＬ素子の輝度は、これに流す電流の大きさに応じて増加する。しかしながら、電流密度を高めると、消費電力が大きくなるのに加え、有機ＥＬ素子の寿命が著しく短くなる。したがって、高輝度、低消費電力、長寿命を同時に実現するには、有機ＥＬ素子が放出する光を有機ＥＬ表示装置の外部へとより効率的に取り出すこと，すなわち光の取り出し効率を向上させること，が重要である。

なお、以下の特許文献１には、本発明に関連した技術が記載されている。但し、この文献に記載されている技術は、光通信に関するものである。
特開２００４−３０９６４号公報

本発明の目的は、有機ＥＬ表示装置の光の取り出し効率を高めることにある。

本発明の一側面によると、互いに向き合った一対の電極とそれら電極間に介在すると共に発光層を含んだ有機物層とを備えた有機ＥＬ素子と、前記有機ＥＬ素子と向き合った光取り出し層とを具備し、前記光取り出し層の二次元周期配列にバンドギャップ制御部が導入されていることをを特徴とする有機ＥＬ表示装置が提供される。

本発明によると、有機ＥＬ表示装置の光の取り出し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詳細に説明する。なお、各図において、同様または類似した機能を発揮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、本発明の一態様に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す断面図である。図２は、図１の有機ＥＬ表示装置で使用可能な光取り出し層の一例を概略的に示す平面図である。図１では、有機ＥＬ表示装置１を、その表示面，すなわち前面又は光出射面，が下方を向き、背面が上方を向くように描いている。

図１に示す有機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表示装置である。この有機ＥＬ表示装置１は、例えば、ガラス基板などのように光透過性を有する絶縁基板１０を含んでいる。

絶縁基板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、画素回路と有機ＥＬ素子４０とを含んでいる。

画素回路は、例えば、一対の電源端子間で有機ＥＬ素子４０と直列に接続された駆動制御素子（図示せず）及び出力制御スイッチ２０と、画素スイッチ（図示せず）とを含んでいる。駆動制御素子は、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制御スイッチ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スイッチング動作が制御される。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、出力制御スイッチ２０、駆動制御素子の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）がさらに配置されている。

ゲート絶縁膜１４及びゲート電極１５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で被覆されている。層間絶縁膜１７上にはソース・ドレイン電極２１が配置されており、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）がさらに配置されている。

パッシベーション膜１８上には、平坦化層１９が形成されている。平坦化層１９の材料としては、例えば、硬質樹脂を使用することができる。

平坦化層１９上には、光取り出し層３０が配置されている。光取り出し層３０は、二次元フォトニック結晶構造に部分的に結晶構造の周期性を乱すバンドギャップ制御部３３を配して構成される。二次元フォトニック結晶構造とは、内部に周期的な屈折率分布をもつ結晶構造をいい、光子エネルギーに対しバンド構造が形成される。つまり、層内で屈折率を変化させた領域を周期的に配列することで、二次元平面内でフォトニックバンドを有する構造をいう。

光取り出し層３０は、第１屈折率領域３１と、第１屈折率領域３１内に第１屈折率領域とは屈折率の異なる部分が周期的に配列してなる第２屈折率領域３２と、第２屈折領域の周期配列に導入され、その周期性を乱すバンドギャップ制御部３３を含んでいる。例えば、第２屈折率領域３２は、正方格子又は三角格子などの周期構造を形成している。

第２屈折率領域３２の各部分は、典型的には、円柱状などの柱状であり、その高さ方向は光取り出し層３０の主面に略垂直である。

また、バンドギャップ制御部３３は、例えば、第１領域３１と同一の材料からなる。

光取り出し層３０上には、光透過性の第１電極４１が互いから離間して並置されている。各第１電極４１は、パッシベーション膜１８、平坦化層１９、光取り出し層３０に設けた貫通孔を介して、ドレイン電極２１に接続されている。

第１電極４１は、この例では陽極である。第１電極４１の材料としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のような透明導電性酸化物を使用することができる。

光取り出し層３０上には、さらに、隔壁絶縁層５０が配置されている。この隔壁絶縁層５０には、第１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第１電極４１上には、発光層を含んだ有機物層４２が配置されている。発光層は、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、第１電極４１から発光層への正孔の注入を媒介する役割を果たすバッファ層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は、光透過性の第２電極４３で被覆されている。第２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。第２電極４３は、パッシベーション膜１８、平坦化層１９、光取り出し層３０、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、これら第１電極４１、有機物層４２、及び第２電極４３で構成されている。有機ＥＬ素子４０は、発光層が放出する光が共振するマイクロキャビティ構造の少なくとも一部を形成していてもよい。

図１に示す有機ＥＬ表示装置１では、通常、水分や酸素などとの接触により有機ＥＬ素子４０が劣化するのを防止するために、ガラス基板などによる中空封止又は保護膜封止を行う。また、この有機ＥＬ表示装置１では、通常、有機ＥＬ素子４０及び光取り出し層３０の前面側，典型的には表示面上，に光散乱層及び偏光板を配置する。

上記の通り、この有機ＥＬ表示装置１では、光取り出し層３０を、有機ＥＬ素子４０に隣接して配置している。バンドギャップ制御部３３の大きさは、フォトニック結晶構造のバンドギャップを形成しない程度の大きさで形成することにより、フォトニック結晶内を伝播する光を出射することができ、発光強度を増加させることが可能となる。バンドギャップを形成しない程度の大きさとは、選択波長の１／２程度の大きさである。

また、バンドギャップ制御部３３は、第２屈折率領域３２の周期の最小単位の距離を１周期としたときに、３〜１０周期毎に配置される。バンドギャップ制御部の周期が３周期以下であると、本来の選択波長に対する選択性が弱く、選択波長の取り出し効果が低減する。また、１０周期以上であると、非選択波長が減衰するため、全光束での強度が小さくなる。このようにバンドギャップ制御部の周期を３周期以上１０周期以下とすることで、伝播する光の減衰が小さく取り出すことができる。

また、バンドギャップ制御部３３は、周期的に配置してもよく、あるいは、非周期的に配置してもよい。バンドギャップ制御部３３を周期的に配置すれば、バンドギャップ制御部３３からの出射光の強度を均一化することができる。また、非周期的に配置する場合には、バンドギャップ制御部３３および非バンドギャップ制御部の発光強度の違いに起因するモアレを解消することが可能となる。

図１及び図２には、バンドギャップ制御部３３の材料と第１屈折率領域３１の材料とを同一とした例を示したが、それら材料は異なっていてもよい。例えば、バンドギャップ制御部３３の材料と第２屈折率領域３２の材料とを同一とし且つバンドギャップ制御部３３と第２屈折率領域３２とで寸法を異ならしめてもよい。

図１の光取り出し層３０では、第１屈折率領域３１は複数の貫通孔が設けられた薄膜であり、第２屈折率領域３２は先の貫通孔を埋め込むと共に第１屈折率領域３１によって互いから離間している。第１屈折率領域３１及び第２屈折率領域３２は、他の形状を有していてもよい。

例えば、第１屈折率領域３１は、上面であって上記貫通孔に対応した位置に凹部が設けられた薄膜であってもよい。この場合、第２屈折率領域３２は、第１屈折率領域３１の上面全体を被覆していてもよく、或いは、先の凹部のみを埋め込んでいてもよい。或いは、第２屈折率領域３２は、上面であって上記貫通孔に対応した位置に凸部が設けられた薄膜であってもよい。この場合、第２屈折率領域３２は、第２屈折率領域３２の上面全体を被覆していてもよく、或いは、先の凸部間の間隙のみを埋め込んでいてもよい。

また、図１には下面発光型の有機ＥＬ表示装置１を例示したが、本態様に係る有機ＥＬ表示装置は上面発光型であってもよい。

図３は、図１に示す有機ＥＬ表示装置の変形例を概略的に示す断面図である。図３では、有機ＥＬ表示装置１を、その表示面，すなわち前面又は光出射面，が上方を向き、背面が下方を向くように描いている。

図３に示す有機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上面発光型の有機ＥＬ表示装置である。この有機ＥＬ表示装置１は、以下の構成を採用したこと以外は、図１の有機ＥＬ表示装置１と同様の構造を有している。

すなわち、図３の有機ＥＬ表示装置１では、平坦化層１９と光取り出し層３０との間に、例えばＡｌなどからなる反射層７０が、有機ＥＬ表示装置４０と向き合うように配置されている。また、図３の有機ＥＬ表示装置１では、第２電極４３は光透過性である。この有機ＥＬ表示装置１でも、図１の有機ＥＬ表示装置１と同様、発光層が放出する光を、有機ＥＬ表示装置１の外部へと、高い効率で取り出すことができる。

図３の有機ＥＬ表示装置１では、有機ＥＬ素子４０との積層体がマイクロキャビティ構造を形成していてもよく、反射層７０と光取り出し層３０と有機ＥＬ素子４０との積層体がマイクロキャビティ構造を形成していてもよい。マイクロキャビティ構造とフォトニック結晶構造とを組合せることにより、斜め方向に出射する光に対し、発光強度の増加効果が高まる。そして、フォトニック結晶構造にバンドギャップ制御部を有することで、正面方向に出射する光は無条件に出射されるため全光束を増加させることができる。このように、反射層７０上に光取り出し層３０を配置することで、マイクロキャビティ効果が増強される。

図３の有機ＥＬ表示装置１では、平坦化層１９と第１電極４１との間に光取り出し層３０を配置しているが、光取り出し層３０は第２電極４３上に配置してもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
本例では、以下の方法により、図１の有機ＥＬ表示装置１を作製した。

まず、ガラス基板１０のアンダーコート層１２が形成された面に対し、通常のＴＦＴ形成プロセスと同様に成膜とパターニングとを繰り返し、ＴＦＴ２０、層間絶縁膜１７、電極配線（図示せず）、ソース・ドレイン電極２１、及びパッシベーション膜１８を形成した。

次に、図３に示すように、パッシベーション膜１８上に、硬質樹脂からなる平坦化層１９を形成した。続いて、この平坦化層１９上に、マスクスパッタリング法により、Ａｌからなる反射層７０を形成した。

次いで、平坦化層１９及び反射層７０上にＳｉＯ₂膜を成膜した。これをパターニングすることにより、第２屈折率領域３２を形成した。ここでは、各第２屈折率領域３２は、直径が１０ｎｍであり且つ高さが１００ｎｍの円柱形とした。また、第２屈折率領域３２が形成する二次元周期配列は、図２に示すように正方格子状とし、バンドギャップ制御部３３は５周期毎に設けた。

続いて、第２屈折率領域３２間の間隙を、第２屈折率領域３２と比較して屈折率がより小さな材料（屈折率〜１．２）で埋め込んだ。これにより、第１屈折率領域３１を形成した。以上のようにして、光取り出し層３０を得た。

次に、光取り出し層３０上に、マスクスパッタリング法を用いてＩＴＯを堆積させることにより第１電極４１を得た。第１電極４１の厚さは、５ｎｍとした。

次いで、基板１１の第１電極４１を形成した面に、感光性樹脂を塗布し、得られた塗膜をパターン露光及び現像した。これにより、第１電極４１の位置で開口した隔壁絶縁層５０を形成した。

次に、第１電極４１上に、蒸着法により、ＣｕＰｃ、α−ＮＰＤ、Ａｌｑを順次堆積して、有機物層４２を形成した。続いて、有機物層４２上に、蒸着法により、アルカリ金属及びＡｌを順次堆積して、第２電極を形成した。

さらに、ガラスからなる封止基板（図示せず）を用いて有機ＥＬ素子４０を封止した。なお、封止基板の内面には乾燥剤（図示せず）を貼り付けた。以上のようにして、図１に示す有機ＥＬ表示装置１を完成した。

（比較例）
光取り出し層３０にバンドギャップ制御部３３を導入しなかったこと以外は、上記実施例で説明したのと同様の方法により有機ＥＬ表示装置１を作製した。

次に、同一条件のもと、実施例及び比較例に係る有機ＥＬ表示装置１で画像を表示し、これら有機ＥＬ表示装置１が放出する全光束を測定した。その結果、実施例に係る有機ＥＬ表示装置１が放出する全光束は、比較例に係る有機ＥＬ表示装置１が放出する全光束の１．２倍であった。

本発明の一態様に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す断面図。 図１の有機ＥＬ表示装置で使用可能な光取り出し層の一例を概略的に示す平面図。 図１に示す有機ＥＬ表示装置の変形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…絶縁基板、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…出力制御スイッチ、２１…ソース・ドレイン電極、３０…光取り出し層、３１…第１屈折率領域、３２…第２屈折率領域、３３…バンドギャップ制御部、４０…有機ＥＬ素子、４１…第１電極、４２…有機物層、４３…第２電極、５０…隔壁絶縁層。

Claims (6)

1. 互いに向き合った一対の電極とそれら電極間に介在すると共に発光層を含んだ有機物層とを備えた有機ＥＬ素子と、前記有機ＥＬ素子と向き合った光取り出し層とを具備し、前記光取り出し層の二次元周期配列にバンドギャップ制御部が導入されていることを特徴とする有機ＥＬ表示装置。
2. 前記光取り出し層は、前記有機ＥＬ素子の前面側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ表示装置。
3. 前記有機ＥＬ素子と向き合った反射層をさらに具備し、前記光取り出し層は、前記有機ＥＬ素子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１に記載の有機ＥＬ表示装置。
4. 前記有機ＥＬ素子は前記発光層が放出する光が共振するマイクロキャビティ構造の少なくとも一部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ表示装置。
5. 前記二次元周期配列には前記バンドギャップ制御部が周期的に導入されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ表示装置。
6. 前記二次元周期配列には前記バンドギャップ制御部がランダムに導入されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬ表示装置。

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