JP3574829B2

JP3574829B2 - 無機エレクトロルミネッセンス材料およびそれを用いた無機エレクトロルミネッセンス素子ならびに画像表示装置

Info

Publication number: JP3574829B2
Application number: JP2000307207A
Authority: JP
Inventors: 敬章鶴見; 智志和田; 水緒小澤; 昭吾赤羽
Original assignee: 財団法人理工学振興会
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2020-10-06
Also published as: JP2002114974A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機材料から作製される無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）材料と、この無機ＥＬ材料を用いて作製する無機ＥＬ素子、ならびに、画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと称する）素子は、物質に電界をかけた際に発生する発光現象を利用した発光素子であり、アルミキノリノール錯体等の有機材料をベースにした有機ＥＬ素子と、ＺｎＳ等の無機材料をベースにした無機ＥＬ素子とに大別できる。このうち無機ＥＬ素子は、有機ＥＬ素子に比べて耐久性に優れ、かつ、消費電力を低く抑えることができるので、軽量、大型のフラットパネルディスプレイ等の画像表示装置への応用が期待されている。
ここで、画像表示装置を作製するためには、赤色、緑色、青色の発光が必要であるが、従来の無機ＥＬ素子は、ＺｎＳや、ＳｒＳといった２族元素と６族元素の化合物をベースに作製されており、ＺｎＳにＭｎを微量添付したものは黄橙色の発光を、ＺｎＳにＴｂ（テルビウム）等を添加したものは緑色の発光を示すことが知られている。また、ＳｒＳにＣｅを添加したものは青緑色の発光が、Ｃｅイオンを含有したストロンチウムチオガレート（ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｃｅ）は青色の発光が、それぞれ確認されている。
一方、このような無機ＥＬ材料の作製方法としては、主にＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の成膜方法が用いられている。また、この無機ＥＬ材料の対向する面のそれぞれに薄膜状の電極を形成することで無機ＥＬ素子が作製されており、この無機ＥＬ素子の二つの電極間に所定電圧をかけると、無機ＥＬ材料固有の発光現象が現れる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような無機ＥＬ材料において、画像表示装置に使用できる発色と発光強度を有する青色発光を得ることは難かった。例えばＳｒＳをベースにした無機ＥＬ素子は、青色発光というよりは青緑色の発光であるため、この無機ＥＬ素子を用いて画像表示装置を作製するためには、フィルタを使用して必要な波長の光のみを取り出さなければならない。ところが、フィルタを使用すると、光がフィルタに吸収される分だけ光の強度が減少してしまうという問題点があった。
一方、所望の発色を得るために無機ＥＬ材料に添加物を添加する場合があるが、これは添加物の増加により無機ＥＬ材料自体の発光活性が阻害されて発光強度が低下するという問題点があった。例えばストロンチウムチオガレートは、Ｃｅの添加により青色発光が可能であるが、発光活性が低くなるので発光強度が低く、実用に十分な照度が得られていない。
また、このような無機ＥＬ材料の作製に用いられるＰＶＤ法やＣＶＤ法には真空装置が必要なため、設備コストが高く、メンテナンスに手間が掛かるという問題点があった。さらに、無機ＥＬ素子を作製する際に、無機ＥＬ材料と電極との間には無機ＥＬ材料の絶縁破壊を防止するための絶縁層を設ける必要があるため、作製プロセスが複雑であった。
従って、本発明の解決する課題は、紫外領域から青色領域において、好適な発光強度を有する無機ＥＬ材料と、それを用いた無機ＥＬ素子ならびに画像表示装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決した本発明の請求項１に係る発明は、一般式Ｙ_xＬａ_1-xＮｂＯ₄（０＜ｘ≦１）で表される化合物であることを特徴とする無機エレクトロルミネッセンス材料とした。
このような無機エレクトロルミネッセンス材料は、３Ａ族元素である希土類元素としてＹおよびＬａと、５Ａ族元素であるＮｂ、ならびに、酸素から構成され、バンドギャップを３ｅＶ以上とすることができるので、紫外領域から青色領域における発光を得ることができる。また、酸化物から構成することで、従来のＥＬ素子によりも化学的、熱的に安定な無機エレクトロルミネッセンス材料を得ることができる。なお、本発明の無機エレクトロルミネッセンス材料は、母体結晶自身のバンド間遷移を利用し、添加物を必要としない無機エレクトロルミネッセンス材料である。
【０００５】
このような無機エレクトロルミネッセンス材料は、添加物を利用せずに、Ｙの一部をＬａで置換することで発光の中心波長を変化させることができる。
【０００６】
また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の無機エレクトロルミネッセンス材料と、無機エレクトロルミネッセンス材料の対向する面のそれぞれに形成された一組の電極とを備える無機エレクトロルミネッセンス素子とした。
酸化物から構成される無機エレクトロルミネッセンス材料を使用することで、少ない電流で動作し、かつ、応答性の良い無機エレクトロルミネッセンス素子を得ることができる。なお、このような無機エレクトロルミネッセンス素子は、青色や紫色の照明や、装飾、あるいはセグメント形式による数字表示装置などに用いることができる。
【０００７】
そして、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の無機エレクトロルミネッセンス材料と、無機エレクトロルミネッセンス材料の下面に配列した下部電極と、無機エレクトロルミネッセンス材料の上面において下部電極と交差するように配列した上部電極と、下部電極と上部電極が交差する領域に配置され、紫外線を吸収して可視光を発光する蛍光体とを備えることを特徴とする画像表示装置とした。
このように構成した画像表示装置は、無機エレクトロルミネッセンス素子からの紫外光を用いて蛍光体を光らせることで任意の可視光を発光させることができる。特に、下部電極と上部電極が交差する領域に赤色、緑色、青色のそれぞれの発光を示す蛍光体を配列することで、無機エレクトロルミネッセンス素子を用いたフルカラーの画像表示装置を作製することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参考にして説明する。なお、以下の説明で述べる装置や作製方法は、本発明を限定するものではなく、広く応用することが可能である。
図１に示すように、無機エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと称する）素子１は、基板２上に、下部電極３と、無機ＥＬ材料４と、上部電極５とを積層した積層構造を有している。ここで、下部電極３と上部電極５は、無機ＥＬ材料を挟むように平行に形成された薄膜である。また、下部電極３および上部電極５のそれぞれには、電圧を供給するための図示しないリード線が配線される。
【０００９】
ここで、基板２は、下部電極３の短絡を防ぐために絶縁性を有する板状の部材から構成されている。なお、基板２は、合成石英ガラスやサファイヤ基板等の紫外線や可視光に対して透明な材料から構成しても良いし、Ｓｉ、各種のセラミックスといった、紫外光や可視光に対して不透明な材料から構成することもできる。
【００１０】
下部電極３および上部電極５は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ等の導電性を有し、かつ、紫外光や可視光に対して透光な材料によって形成されている。これは、無機ＥＬ素子１の発光面積を確保するためである。なお、下部電極３は、Ａｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ等の紫外光や可視光に対して不透光な導電性材料で形成しても良い。
【００１１】
無機ＥＬ材料４は、ＹＮｂＯ_４で表される結晶構造を有することが望ましい。ここで、Ｙは、Ｓｃ，Ｌａ等の希土類金属と一部ないし全部を固溶置換することが可能である。また、Ｎｂは、Ｖ，Ｔａ等の５Ａ族元素と一部ないし全部を固溶置換することが可能である。つまり、希土類金属としてＹおよび／またはＬａ、５Ａ族元素としてＮｂおよび／またはＴａを選択した場合の無機ＥＬ材料４は、一般式Ｙ_ｘＬａ_１−ｘＮｂ_ｙＴａ_１−ｙＯ_４（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表される。なお、希土類金属と５Ａ族元素との含有量は任意の比率を選択することが可能であるが、ＥＬの発光強度を強くするためには希土類金属と５Ａ族元素との含有比率（前記の一般式においてＹ_ｘＬａ_１−ｘとＮｂ_ｙＴａ_１−ｙＯ_４の比）が１：１であることが好ましい。
【００１２】
このような無機ＥＬ素子１は、リード線を介して下部電極３と上部電極５の間に電界をかけることにより紫外領域から青色領域における発光特性を得ることができる。また、無機ＥＬ材料４を構成する希土類金属または５Ａ族元素の種類や組成を変化させることで、発光の中心波長を容易に選択することができる。なお、この無機ＥＬ素子１を任意の形状に配列することで表示装置を作製したり、この無機ＥＬ素子１と他の発色を示す発光素子とを組み合わせることによりカラーの画像表示装置を作製することもできる。
【００１３】
また、図１に示すような無機ＥＬ素子１を用いて、図２（ａ）、（ｂ）に示すような画像表示装置１０を作製することもできる。この画像表示装置１０は、基板１２の上に、下部電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、板状の無機ＥＬ材料４、上部電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、可視光をカットするフィルタ１６を積層し、さらに、このフィルタ上に第一の蛍光体１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、第二の蛍光体１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、ならびに、第三の蛍光体１９ａ、１９ｂ、１９ｃを等間隔に配列している。
ここで、図２（ａ）に示すように、下部電極１３ａ〜１３ｃと上部電極１５ａ〜１５ｃは、無機ＥＬ材料４を挟んで交差するように等間隔に配列されており、下部電極１３ａ〜１３ｃと上部電極１５ａ〜１５ｃとが交差している領域のそれぞれに各蛍光体１７ａ〜１９ｃが配置されている。なお、図２（ｂ）において下部電極１３ａ〜１３ｃの厚さは実際には十分薄いので、図に示したような隙間はほとんど生じていない。
【００１４】
また、第一の蛍光体１７ａ〜１７ｃは、紫外線を吸収することで赤色に発光する蛍光体で、例えばＹ_２Ｏ_３：Ｅｕ^３＋である。また、同様に、第二の蛍光体１８ａ〜１８ｃは緑色に発光する蛍光体で、例えばＹ_２ＳｉＯ_５：Ｔｂ^３＋、第三の蛍光体１９ａ〜１９ｃは青色に発光する蛍光体で、ＺｎＳ：Ａｇである。なお、これらの蛍光体１７ａ〜１９ｃは、これに限定されずに任意の蛍光体を用いることができる。
【００１５】
なお、この画像表示装置１０は、各下部電極１３ａ〜１３ｃ、および、各上部電極１５ａ〜１５ｃへの電圧の印加を制御手段により制御することで、各蛍光体１７ａ〜１９ｃの発光を制御することができる。つまり、下部電極１３ａと上部電極１５ａとの間に電圧をかけた場合は、無機ＥＬ材料４のうち、下部電極１３ａと上部電極１５ａの交差する領域のみが発光するので、蛍光体１７ａのみが励起され、赤色に発光する。同様に、下部電極１３ａおよび下部電極１３ｃと、上部電極１５ｃとの間に電圧をかけた場合は、蛍光体１７ｃおよび蛍光体１９ｃが励起され、それぞれ赤色および青色に発光する。このように、蛍光体１７ａ〜１９ｃを任意の組み合わせで発光させることができるので、この画像表示装置１０を複数、組み合わせることでカラーディスプレイを作製することができる。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
以下に、上述した図１の無機ＥＬ材料４、および、無機ＥＬ材料４を用いて作製した無機ＥＬ素子１の作製について説明する。
まず、希土類金属としてＹを、５Ａ族元素としてＮｂを選択した場合の無機ＥＬ材料４の作製手順について説明する。
まず、Ｙの酸化物であるＹ_２Ｏ_３と、Ｎｂの酸化物であるＮｂ_２Ｏ_５（ともに純度９９．９％）を、（ａ）５０：５０、（ｂ）４０：６０、（ｃ）６０：４０、（ｄ）２０：８０の割合で混合した混合体を電気炉に入れて、１０００℃で２時間、仮焼成する。その後、室温まで徐冷した混合体を乳鉢等で粉砕してから、所定の形状に成形する。さらに、この成形体を１４００〜１５００℃で２時間焼成すると、無機ＥＬ材料４（図１参照）が形成される。
【００１７】
ここで、この無機ＥＬ材料４のフォトルミネッセンス（以下、ＰＬとする）を測定した結果を図３に示す。図３において横軸はＰＬの波長を示し、縦軸はＰＬの発光強度を示している。また、この測定は励起光として紫外光を用い、得られたＰＬ光を分光器で分光することで波長を特定している。
【００１８】
図３に示すように、無機ＥＬ材料（ａ）のＰＬ発光強度が最も高く、このときの発光の中心波長は約４００ｎｍで、短波長側は紫外線領域に及んでいることがわかる。一方、これ以外の組成の無機ＥＬ材料（ｂ）〜（ｄ）のＰＬ発光強度は、無機ＥＬ材料（ａ）に比べて低くなっている。これは、無機ＥＬ材料（ａ）は、発光に寄与するＹＮｂＯ_４のみから構成されているのに対して、無機ＥＬ材料（ｂ）〜（ｄ）は、発光に寄与しないＮｂ_２Ｏ_５またはＹ_３ＮｂＯ_７がＹＮｂＯ_４に混ざった混晶となっているためである。従って、本実施の形態において、希土類金属と５Ａ族元素の最も好ましい混合比率は１：１であり、このときの結晶構造が本発明に好適な結晶構造である。なお、無機ＥＬ材料（ａ）が不純物による発光でないことはＸ線回折法等により確認されている。
【００１９】
次に、無機ＥＬ材料（ａ）から無機ＥＬ素子１を作製する手順について説明する。
まず、無機ＥＬ材料（ａ）の両面にＺｎＯをスパッタリングして、電極３，５（図１参照）を形成する。なお、電極形状の制御は、フォトレジスト等の公知のマスク技術を用いることで行っている。
さらに、電極３，５を形成した無機ＥＬ材料（ａ）を基板２上に貼り付けてから、各電極３，５にリード線を配線すると無機ＥＬ素子１（図１参照）が完成する。なお、電極３，５には上下の区別はなく、基板２に貼り付けられた方の電極が下部電極３となる。
【００２０】
このようにして作製した無機ＥＬ素子１の二つの電極３，５間に、図４に示すような周波数５０Ｈｚの交流電圧Ｖを印加すると、電圧の印加に対応して、Ｓに示すプロファイルを有する発光が得られた。
【００２１】
この無機ＥＬ材料４を構成する元素は、従来の無機ＥＬ素子で用いられるＧａ等と比べ安価であり、しかも酸化物として取り扱うため、空気中での焼成が可能である。従って、無機ＥＬ材料４の作製プロセスを簡略化することができる。
また、このような無機ＥＬ材料４は、水分または、塩酸等の酸、水酸化ナトリウム等のアルカリに対する耐性が高く、８００℃以上の高温領域においても安定である。さらに、この無機ＥＬ材料４は、導電率が１０^−６Ｓ／ｃｍ以下の絶縁体であるため、無機ＥＬ素子１の消費電力を、従来の無機ＥＬ素子や有機ＥＬ素子に比べて低く抑えることができる。また、これに伴い、誘電率は低いが紫外線の透過率の大きいＺｎＯ電極を用いることができる。
そして、この無機ＥＬ材料４の比誘電率は約４０であり、薄膜を用いたＥＬ素子の絶縁体層として用いられるチタン酸バリウムの比誘電率（約１０００）と比較しても極めて低い。従って、高周波、高電界での動作が可能である。
また、無機ＥＬ素子１は、図３に示すように、緑色の発光を示す５００ｎｍ以上の発光がほとんどないため、長波長側の光をカットするフィルタを設ける必要がない。従って、簡単な構成で発光強度の高い無機ＥＬ素子１を得ることができる。
【００２２】
［実施例２］
次に、実施例２として、希土類金属と５Ａ族元素の比率は１対１として、希土類金属のＹの一部ないし全部をＬａで固溶置換した、一般式Ｙ_ｘＬａ_１−ｘＮｂＯ_４（０≦ｘ≦１）で表される無機ＥＬ材料４について説明する。
まず、ＹＮｂＯ_４とＬａＮｂＯ_４（ともに純度は９９．９％）を、（ｅ）０：１００（ｘ＝０）、（ｆ）４０：６０（ｘ＝０．４）、（ｇ）５０：５０（ｘ＝０．５）の比率で混合し、実施例１と同様にして、仮焼成、粉砕、本焼成を経て無機ＥＬ材料（ｅ）〜（ｇ）を作製した。なお、この無機ＥＬ素子（ｅ）〜（ｇ）は、Ｘ線回折法により、ＹＮｂＯ_４と同じ結晶構造であることを確認している。
【００２３】
図５に無機ＥＬ材料（ｅ）〜（ｇ）のＰＬを測定した結果を示す。ここで、比較として、無機ＥＬ材料（ａ）（前記のＹ_ｘＬａ_１−ｘＮｂＯ_４において、ｘ＝１の場合、つまり、ＹＮｂＯ_４）のＰＬプロファイルを載せてある。
この図から明らかなように、ＬａＮｂＯ_４は、発光強度、中心波長共に、ＹＮｂＯ_４と同等の特性が得られている。また、発光強度は落ちるものの、ＹＮｂＯ_４とＬａＮｂＯ_４の混合比率を変えることで、発光の中心波長を変化することができた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、Ｙおよび／またはＬａからなる希土類元素と、５Ａ族元素であるＮｂの酸化物からなる一般式Ｙ _x Ｌａ _1-x ＮｂＯ ₄ （０＜ｘ≦１）で表される化合物で構成される無機ＥＬ材料としたので、紫外領域から青色領域に発光特性を有する無機ＥＬ材料を安価に得ることができる。また、無機ＥＬ材料の作製を空気中での焼成で行うことが可能となるため、無機ＥＬ材料の作製プロセスを簡略化することができる。特に、前記一般式において、ｘの値を変えることで、無機ＥＬ材料の発光の中心波長を容易に変化させることができる。
また、前記の無機ＥＬ材料に一組の電極とを備えた無機ＥＬ素子としたので、少ない電流で動作し、かつ、応答性の良い無機ＥＬ素子を得ることができる。
そして、無機ＥＬ材料の上下面に下部電極と上部電極を交差するようにそれぞれ配列し、さらに下部電極と上部電極が交差する領域に蛍光体を配置した画像表示装置としたので、少ない電流で動作し、かつ、応答性の良いカラー画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の無機ＥＬ発光素子の構造を示す側部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の画像表示装置を示す（ａ）平面図、（ｂ）側部断面図である。
【図３】無機ＥＬ材料のフォトルミネッセンス特性を示すグラフである。
【図４】無機ＥＬ素子のエレクトロルミネッセンス特性を示すグラフである。
【図５】別の実施例における無機ＥＬ材料のフォトルミネッセンス特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１無機ＥＬ素子
２，１２基板
３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ下部電極
４無機ＥＬ材料
５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ上部電極
１０画像表示装置
１６フィルタ
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ第一の蛍光体
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ第二の蛍光体
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ第三の蛍光体

Claims

一般式Ｙ_xＬａ_1-xＮｂＯ₄（０＜ｘ≦１）で表される化合物であることを特徴とする無機エレクトロルミネッセンス材料。
請求項１に記載の無機エレクトロルミネッセンス材料と、前記無機エレクトロルミネッセンス材料の対向する面のそれぞれに形成された一組の電極とを備えることを特徴とする無機エレクトロルミネッセンス素子。
請求項１に記載の無機エレクトロルミネッセンス材料と、前記無機エレクトロルミネッセンス材料の下面に配列した下部電極と、前記無機エレクトロルミネッセンス材料の上面において前記下部電極と交差するように配列した上部電極と、前記下部電極と前記上部電極が交差する領域に配置され、紫外線を吸収して可視光を発光する蛍光体とを備えることを特徴とする画像表示装置。