JP2013149536A

JP2013149536A - 表示装置

Info

Publication number: JP2013149536A
Application number: JP2012010592A
Authority: JP
Inventors: Yojiro Matsuda; 陽次郎松田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】有機ＥＬ素子にカラーフィルタを組み合わせてカラー表示や色純度を向上させた表示装置において、色ずれを防止すると同時に、光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】第１電極１１と、第２電極１５と、発光層１３を有する有機化合物層とを備え、第２電極１５を光取り出し側とする有機ＥＬ素子を複数備えた表示装置において、第２電極１５の光取り出し側に保護層４０と着色レンズ３０とを配置する。
【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)素子を備えた表示装置に関する。

近年、有機ＥＬ素子を備えた表示装置に関して盛んに研究開発されている。有機ＥＬ素子は陽極と発光層を含む有機化合物層と陰極とで構成され、陽極と陰極からそれぞれ正孔と電子が発光層に注入され、正孔と電子の再結合エネルギーを利用して発光層から光が出射される。

カラー表示や色純度を向上させるために、赤色、緑色、青色のようなカラーフィルタを有機ＥＬ素子の上部に配置する構成が知られている。一方で、光取り出し効率を向上させる構成が提案されている。例えば、特許文献１においては有機ＥＬ素子の上部にレンズアレイを配置して光取り出し効率を向上させる構成が開示されている。

特開２００４−３９５００号公報

しかしながら、有機ＥＬ素子の上部にレンズアレイとカラーフィルタとを配置した場合には、光取り出しが不十分であったり色ずれが問題となることがあった。

本発明の課題は、有機ＥＬ素子にカラーフィルタを組み合わせてカラー表示や色純度を向上させた表示装置において、色ずれを防止すると同時に、光取り出し効率を向上させることにある。

本発明は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に少なくとも発光層を有する有機化合物層と、を備え、前記第２電極側から光を出射する有機ＥＬ素子を複数備えた表示装置であって、
前記第２電極の光取り出し側に保護層と着色レンズとをこの順序で有することを特徴とする。

本発明は、光取り出し効率に優れ、且つ、色ずれの少ない有機ＥＬ素子を備えた表示装置を得ることができる。

本発明の表示装置の一実施形態の構成を模式的に示す図である。本発明の表示装置の比較例１の構成を模式的に示す断面図である。本発明の表示装置の比較例２の構成を模式的に示す断面図である。本発明の表示装置における保護層の膜厚と正面輝度倍率の関係を示す図である。本発明の表示装置の製造工程を示す断面模式図である。

以下、本発明に係る表示装置の実施の形態について図面を参照して説明する。尚、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。また以下に説明する実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これらに限定されるものではない。

図１（ａ）は、本発明の表示装置の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の表示装置は、有機ＥＬ素子を備える画素１を複数備えている。そして、複数の画素１はマトリックス状に配置され、表示領域２を形成している。尚、画素とは、１つの有機ＥＬ素子の発光領域に対応した領域を意味している。本実施形態の表示装置では、画素１のそれぞれに１つの色の有機ＥＬ素子が配置された表示装置である。有機ＥＬ素子の発光色としては、赤色、緑色、青色、白色が挙げられ、その他に黄色、シアンでもよい。本実施形態の表示装置には、発光色の異なる複数の画素（例えば赤色を発する画素、緑色を発する画素、及び青色を発する画素）からなる画素ユニットが複数配列されている。画素ユニットとは、各画素の混色によって所望の色の発光を可能とする最小の単位を示す。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線における部分断面模式図である。画素１は、基板１０上に、第１電極１１と、正孔輸送層１２と、白色発光の発光層１３と、電子輸送層１４と、第２電極１５と、を備え、第２電極側から光を出射する有機ＥＬ素子を有している。本発明において、第２電極１５が光取り出し電極であり、よって第１電極１１は反射電極である。本実施形態においては、第１電極１１を陽極、第２電極を陰極として構成している。また、第１電極１１は、隣の画素の第１電極１１と分離されて形成されている。そして、正孔輸送層１２、発光層１３、電子輸送層１４、第２電極１５は、隣の画素と共通で形成されていてもよいし、画素毎にパターン形成されていてもよい。尚、第１電極１１と第２電極１５とが異物によってショートするのを防ぐために、画素（より具体的には、第１電極１１）間に絶縁性材料からなる隔壁２０が設けられている。

さらに、本発明の表示装置では、第２電極１５の上部（光取り出し側）に保護層４０と着色レンズ３０とが、この順序で設けられている。保護層４０は水分や酸素から有機ＥＬ素子を保護すると同時に、第２電極１５と着色レンズ３０間の距離を調整する層としても機能する。着色レンズ３０は表面に凸部を有する凸レンズ構成であり、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各画素に対応する位置に着色レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが配置される。そして、各着色レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂは、その着色が異なるように調整されている。このような構成により、着色レンズ３０の集光特性により正面輝度倍率を高めるとともに、各画素の発光色を調整することが可能となる。

以下に、本実施形態の効果について具体的に説明する。

比較のために、図２に示すように、有機ＥＬ素子の上部に保護層４０とレンズ５０とカラーフィルタ７０をこの順番に個別で形成する場合を考える。この場合、集光部材としてレンズ５０を機能させるためには、レンズ５０とカラーフィルタ７０の間に低屈折率層６０を挿入する必要が発生してしまう。また、レンズ５０の集光特性を高くするためには、レンズ部材と低屈折率材料の屈折率差を大きくする必要があるが、現実的な材料では屈折率差を大きくすることが難しい。例えば、レンズ部材として透明なエポキシ樹脂（屈折率は１．５４程度）と、低屈折層として透明な無機材料の二酸化ケイ素（屈折率は１．４５程度）を用いた場合、屈折率差は０．０９程度と小さい。一方で、屈折率差を大きくするために、レンズ５０とカラーフィルタ７０の間に空隙を設ける方法もある。この場合、空気の屈折率が１であることから屈折率差を大きくすることができる。しかしこの場合は、有機ＥＬ素子とレンズ５０間の距離が大きくなってしまうことから、斜めから観察した場合に隣の画素のカラーフィルタを通過して観測される光線が増加することから、色ずれの問題が発生してしまう。

次に、図３に示すように、有機ＥＬ素子の上部に保護層４０とカラーフィルタ７０とレンズ５０をこの順番に個別で形成する場合を考える。この場合、有機ＥＬ素子とレンズ５０の間にカラーフィルタ７０が挿入されることによって、有機ＥＬ素子の発光面とレンズ５０間の距離が大きくなってしまう。集光部材としてレンズ５０を機能させるためには、発光面とレンズ５０間の距離を近くする必要があり、発光面とレンズ５０間の距離が大きくなりすぎると集光特性が大きく損なわれてしまう。例えば、ガラス基板などの上に形成されたカラーフィルタを有機ＥＬ素子に貼り付ける場合は、カラーフィルタの基板を有機ＥＬ素子に貼り付ける際の接着層の膜厚分も距離が大きくなってしまう。

また、図３に示すような構成では、保護層４０とカラーフィルタ７０とレンズ５０の間で屈折率をマッチングさせる必要が生じてしまう。これらの部材の間で屈折率の差があるとそれらの界面で光の反射が発生してしまい、光の損失が生じてしまうからである。

図１（ｂ）に示した本発明の構成では、第２電極１５の上部に保護層４０が形成され、その上部にカラーフィルタとレンズが一体に形成された着色レンズ３０が配置される。本発明では係る着色レンズ３０によって、カラーフィルタとレンズの両方とも有機ＥＬ素子との距離を近く設置することが可能となり、光取り出し効率に優れ、且つ、色ずれの少ない表示装置を提供できる。また、カラーフィルタとレンズを個別に形成する際に問題となる屈折率マッチングも発生しない。

図４に、保護層４０の膜厚と正面輝度倍率の関係を示す。レンズと発光面の距離が大きくなりすぎると集光特性が損なわれ、保護層４０の膜厚が８０μｍを超えると正面輝度倍率が１以下となってしまう。尚、実際の表示装置では、正面輝度倍率とトレードオフ関係にある視野角特性なども考慮して、必ずしも正面輝度倍率が最大となるように保護層４０の膜厚を設定する必要はない。また、保護層４０の光吸収率（特に青波長領域の光吸収）も考慮して、保護層４０の膜厚を決定することができる。保護層４０の膜厚は好ましくは１μｍ以上８０μｍ以下である。

以下に、各部材に関して具体的に説明する。

基板１０は、ＴＦＴやＭＩＭ等のスイッチング素子（不図示）が形成された絶縁性の基板であり、ガラス、プラスチック等からなる。また、基板１０は、スイッチング素子と第１電極１１とを電気的に接続するためのコンタクトホールが形成された層間絶縁膜を有していてもよい。さらに、基板１０には、スイッチング素子の凹凸を平坦化するための平坦化膜を有していてもよい。

第１電極１１は、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇなどの金属単体やそれらの合金からなる金属層を用いることができる。さらに、酸化インジウムと酸化錫の化合物層や酸化インジウムと酸化亜鉛の化合物層などの透明酸化物導電層を金属層の上に積層する構成を採ることもできる。第１電極１１の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましい。尚、透明とは、可視光域（波長４００ｎｍ乃至７８０ｎｍ）において４０％以上の光透過率を有することをいう。

正孔輸送層１２は、正孔注入性、正孔輸送性を備える有機化合物の単層又は複数の層からなる。一方、電子輸送層１４は、電子注入性、電子輸送性を備える有機化合物の単層又は複数の層からなる。また、必要に応じて、正孔輸送層１２として、発光層１３から第１電極１１側に電子が移動するのを抑制するために、電子ブロッキング層を設けることもできる。また、電子輸送層１４として、正孔ブロッキング層を設けることもできる。また、正孔輸送層１２、電子輸送層１４として、発光層１３で発生した励起子の拡散を抑制するための励起子ブロッキング層を設けることもできる。

発光層１３としては、特に制限はなく公知の材料を適用することが可能である。例えば、発光性とキャリア輸送性を兼ね備える材料の単一層や、蛍光材料、燐光材料等の発光性材料をキャリア輸送性のホスト材料の混合層を適用することができる。

第２電極１５は、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇなどの金属単体やそれらの合金からなる金属薄膜を使用することができる。特にＡｇを含む金属薄膜は吸収率が低く、比抵抗も低いために好ましい。第２電極１５の膜厚は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、第２電極１５は上述した金属薄膜と酸化インジウムと酸化錫の化合物層や酸化インジウムと酸化亜鉛の化合物層などの透明酸化物導電層とが積層された構成であってもよいし、透明酸化物導電層のみで構成されていてもよい。

保護層４０は、水分や酸素から有機ＥＬ素子を保護する層として、材料や成膜手法は公知のものを使用することができる。一例としては、窒化シリコン（ＳｉＮ）や酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）をＣＶＤ装置で成膜する方法が挙げられる。保護層４０の膜厚は、保護性能を有するために１μｍ以上の膜厚が好ましい。

着色レンズ３０のレンズ部材としては、水分含有が少ない熱硬化型樹脂、熱可塑性樹脂、光硬化型樹脂などを用いることができる。着色レンズ３０の膜厚は、１０μｍ乃至１００μｍが好ましい。成膜方法としては、スピンコート法、ディスペンス法などを用いることが可能である。着色レンズ３０の着色方法としては、レンズを形成する樹脂バインダー中に色素を含有させる方法が好ましい。含有させる色素としては例えば、アゾ系染料、ペリレン系顔料、レーキ顔料、ハロゲン多置換フタロシアニン系顔料、イソインドリン系顔料、銅フタロシアニン系顔料、アゾ系顔料、インダンスロン系顔料、インドフェノール系顔料、などが挙げられる。これらは単体または少なくとも２種類以上の混合物で用いられる。

着色レンズ３０の製造方法としては、以下の方法が挙げられる。
（１）レンズの型を用意し、その型を樹脂層に対して押圧してレンズ形状に形成する方法。
（２）フォトリソなどによってパターニングされた樹脂層を熱処理し、リフローによって樹脂層をレンズ形状に変形させる方法。
（３）均一の厚さに形成された光硬化型樹脂層を、面内方向に分布を持った光で露光し、この樹脂層を現像することによってレンズを形成する方法。
（４）イオンビーム或いは電子ビーム、レーザー等を用いて、均一の厚さに形成された樹脂材料の表面をレンズ形状に加工する方法。
（５）各画素に適量の樹脂を滴下して自己整合的にレンズを形成する方法。
（６）有機ＥＬ素子が形成された基板とは別個に、レンズが予め形成された樹脂シートを用意し、両者をアライメントした後、貼り合せることによりレンズを形成する方法。

本実施形態の表示装置の製造方法について、上記（１）の方法を用いる場合について図４を用いて説明する。

先ず、図５（ａ）のように、基板１０上に有機ＥＬ素子を複数形成する。次に、図５（ｂ）のように、有機ＥＬ素子を覆うように保護層４０を表示領域の全域に形成する。保護層４０は、空気中の水分や酸素または後に形成される樹脂材料３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂに内在する水分から有機ＥＬ素子を保護するためのものであり、またこの上にレンズを精度よく形成するための平坦化機能を併せ持つ。

次に、図５（ｃ）に示すように、ノズルディスペンサーを用いて顔料を混合したエポキシ樹脂３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂをそれぞれの画素の位置に塗布する。具体的には、赤色、緑色、青色の画素に対応した位置のノズルに各色に対応した顔料を混合したエポキシ樹脂をそれぞれ充填して塗布する。次に、図５（ｄ）に示すように、別途用意した型３２を、樹脂部材３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの表面に押し当てる。最後に、型３２を取り除くことで凸形状の着色レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを形成することができる。

尚、着色レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが樹脂で形成される場合には、レンズの形状が損傷しないように、無機化合物からなる第２保護層（不図示）をレンズの上に有することが望ましい。この第２保護層は、保護層４０と同様の材料、方法で形成することができる。

図１に示した表示装置においては、発光層１３として白色発光層を各画素に形成した例を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。発光層１３として、有機ＥＬ素子毎に赤色発光層、緑色発光層、青色発光層のいずれかを形成し、３色一組で画素ユニット（混色によって所望の色の発光を可能とする最小の単位）として形成する構成も好ましい。このような有機ＥＬ素子の上部に着色レンズを形成することによって、色純度と正面輝度を向上させることができる。

本発明の表示装置としては、テレビ受像機、パーソナルコンピュータ、撮像装置、携帯電話の表示部、携帯ゲーム機が挙げられる。その他、携帯音楽再生装置、携帯情報端末（ＰＤＡ）、カーナビゲーションシステム等が挙げられる。

（実施例１）
図１に示す構造の有機ＥＬ素子が配置された表示装置を以下に示す方法で作製した。

先ず、ガラス基板上に低温ポリシリコンＴＦＴを形成し、その上にＳｉＮからなる層間絶縁膜とアクリル樹脂からなる平坦化膜を形成して、図１（ａ）に示す基板１０を作製した。この基板１０上にＡｌＮｄ膜とＩＴＯ膜をスパッタリング法にてそれぞれ１００ｎｍと２０ｎｍの厚さで形成した。続いて、ＡｌＮｄ膜とＩＴＯ膜を画素毎にパターニングして第１電極１１を形成した。

第１電極１１の上にアクリル樹脂をスピンコートで形成し、アクリル樹脂をリソグラフィ法により、第１電極１１が形成された部分に開口（この開口部が画素に相当）が形成されるようにパターニングし隔壁２０を形成した。各画素のピッチを３２μｍ、開口による第１電極１１の露出部の大きさを８μｍとした。そして、この製造物をイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で超音波洗浄し、煮沸洗浄後、乾燥した。さらに、ＵＶ／オゾン洗浄し、以下の有機化合物層を真空蒸着により成膜した。

先ず、表示領域全体に共通の正孔輸送層１２として、下記式（１）に示す構造の化合物を６０ｎｍの厚さで成膜した。

次に、表示領域全体に共通の白色発光層１３として、青色発光層と橙色発光層の２層積層の白色発光層１３を形成した。具体的には、先ず青色発光層としてＴＰＢ（テトラフェニルブタジエン）を４０ｎｍの膜厚で成膜した。さらに、橙色発光層としてＡｌｑ３のホスト材料にＤＣＭ（４−ジシアノメチレン−６−（ｐ−ジメチルアミノスチリル）−２−メチル−４Ｈ−ピラン）のゲスト材料をドープした層を２０ｎｍの厚さで成膜した。

次に、表示領域全体に共通の正孔ブロック層（不図示）として、下記式（２）で示す化合物を１０ｎｍの厚さで成膜した。

次に、電子輸送層１４としてＢｐｈｅｎを１０ｎｍの厚さで成膜した。さらに、その上に、共通の電子注入層として、ＢｐｈｅｎとＣｓ₂ＣＯ₃を共蒸着（重量比９０：１０）して３０ｎｍの厚さで成膜した（不図示）。

次に、ＩＺＯ膜を３００ｎｍの厚さで成膜して、図４（ａ）に示すように、光取り出し電極１５までを作製した。

次に、図４（ｂ）に示すように、ＳｉＮからなる保護層４０をプラズマＣＶＤ法で２６μｍの膜厚で成膜した。

そして、図４（ｃ）に示すように、ノズルディスペンサーを用いて顔料を混合したエポキシ樹脂３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂをそれぞれの画素の位置に塗布した。具体的には、赤色、緑色、青色の画素に対応した位置のノズルに各色の顔料を混合したエポキシ樹脂をそれぞれ充填して塗布した。次に、図４（ｄ）に示すように、別途用意した型３２を樹脂部材３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの表面に押し当てて熱硬化させた後に型３２と取り除くことで、凸形状の着色レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを形成した（図４（ｅ））。

形成した凸形状の着色レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの曲率半径は２０μｍで、レンズの高さは１５μｍであった。さらに、ＳｉＮからなる無機材料の保護層（不図示）をプラズマＣＶＤ法で成膜した。この保護層の膜厚は１μｍであり、表示領域の全面を覆うように形成した。

このようにして得られた表示装置の特性を評価した。各画素に所望の電流を通電すると、良好な白色発光を確認できた。また、着色レンズを設けない構成の正面輝度を１とした場合、着色レンズを設けた本実施例の正面輝度倍率は１８倍であった。

（比較例１）
比較例１として、着色レンズ３０の代わりにカラーフィルタとレンズを別々に形成した図２の構成の有機ＥＬ素子を備えた表示装置を作製した。具体的には、図２に示すように、保護層４０の上部に曲率半径２０μｍで高さ１５μｍの凸形状のレンズ５０をエポキシ樹脂で形成した後、さらにその上部に低屈折率層６０として厚さ３０μｍの二酸化ケイ素を形成した。次に、ノズルディスペンサーを用いて顔料を混合したエポキシ樹脂７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂをそれぞれの画素の位置に塗布してカラーフィルタ７０を形成した。その他の構成については実施例１と同様に形成した。

このようにして得られた表示装置の特性を評価した。各画素に所望の電流を通電すると、白色発光を確認できた。また、レンズ５０を設けない構成の正面輝度を１とした場合、レンズ５０を設けた本比較例の正面輝度倍率は１．８３倍であった。レンズ部材のエポキシ樹脂（屈折率＝１．５４）と低屈折層６０の二酸化ケイ素（屈折率＝１．４５）の屈折率差は０．０９程度と小さく、実施例１と比較して正面輝度倍率が悪いことが分かる。

（比較例２）
比較例２として、着色レンズ３０の代わりにカラーフィルタとレンズを別々に形成した図３の構成の有機ＥＬ素子を備えた表示装置を作製した。具体的には、図３に示すように、保護層４０の上部にノズルディスペンサーを用いて顔料を混合したエポキシ樹脂７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂをそれぞれの画素の位置に塗布して、厚さ１５μｍのカラーフィルタ７０を形成した。さらにその上部に凸形状のレンズ５０をエポキシ樹脂で形成した。その他の構成については実施例１と同様に形成した。

このようにして得られた表示装置の特性を評価した。各画素に所望の電流を通電すると、白色発光を確認できた。また、レンズ５０を設けない構成の正面輝度を１とした場合、凸レンズ５０を設けた本比較例の正面輝度倍率は８．７７倍であった。レンズとカラーフィルタを別々に形成したことで、発光面とレンズ５０の距離が大きくなり集光特性が損なわれ、実施例１と比較して正面輝度倍率が悪いことが分かる。

１１：第１電極、１３：発光層、１５：第２電極、３０，３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ：着色レンズ

Claims

第１電極と、第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に少なくとも発光層を有する有機化合物層とを備え、前記第２電極側から光を出射する有機ＥＬ素子を複数備えた表示装置であって、
前記第２電極の光取り出し側に保護層と着色レンズとをこの順序で有することを特徴とする表示装置。
前記保護層の膜厚が１μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記着色レンズが、樹脂バインダー中に色素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。