JP3785710B2

JP3785710B2 - Ｅｌ表示装置

Info

Publication number: JP3785710B2
Application number: JP34227696A
Authority: JP
Inventors: 卓也笹谷; 雅夫永久保; 司甲村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: JPH10189243A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＥＬ表示装置においては、図１１に示すように、ガラス基板１の一主面上に下部電極２、下部絶縁層３、発光層４、上部絶縁層５、上部電極６が順に積層されたＥＬ素子を有している。このＥＬ素子は防湿のためにシリコンオイル７とガラス基板８で覆われており、全体として薄膜ＥＬパネルを構成している。下部電極２と上部電極６はストライプ状の電極パターンで直交配置されており、下部電極２と上部電極６に電圧を印加することで下部電極２と上部電極６の交差する部分が発光する。電圧を印加する電極を適当に選択することで画像表示を行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に、上記従来構造のパネル内での光の経路を示す。但し、この図ではシリコンオイル７と上部のガラス基板８は省略されている。ここで、ＥＬ素子の一般的な構成として、発光層４としてＺｎＳを用い、下部絶縁層３としてＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃の多層膜、下部電極２にＩＴＯを用いた場合、発光層４からパネル外側に行くほど屈折率が小さくなっている。従って、発光層４の回りには、低屈折率な層が形成されることになるため、発光層４から出た光のうち各層の界面に臨界角以上で入射した光（経路ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）は全反射され、パネル面に対して垂直方向に近い角度で発光した光（経路ａ、ｂ）のみがパネルの外に取り出される。
【０００４】
このため、発光層４からの光のうち外部に取り出せる光は、高々１０〜２０％程度であり、その他はＥＬ素子内部で全反射を繰り返しながら減衰し、外部には取り出されない。このように従来のＥＬ素子では、光の利用効率が極めて低いという問題がある。
このような上記問題を解決するものとして、特開平３−４６７９１号公報に示されるものがある。この公報に示されるものでは、図１３に示すように、同一画素中で発光層４を多数に分割し、発光層４の側面をテーパ状に加工し、また発光層４と下部絶縁層３、発光層４と上部絶縁層５の間に低屈折率絶縁層３ａ、５ａをそれぞれ設けて、全反射により発光層４中を横方向に進行する光をテーパ部４ａでパネル前面方向に反射させて光を取り出すようにしている。
【０００５】
しかしながら、発光層４の膜厚は現実的な駆動電圧を確保するために一般的には１μｍ以下となっており、このような薄い膜厚の場合、発光層４の側面をテーパ状に加工して光学的な反射面に加工することは極めて難しい。また、このような構造では、たとえ、発光層４から光が出ても、透明絶縁層３／透明電極２、透明電極２／透明基板１、透明基板１／空気２０の各界面では、臨界角より大きな角度の光は全反射されパネル内に閉じこめられてしまうことになる。その結果、図１４の光の配向パターンに示すように、発光層４からの光のうち図中の斜線部分の光はパネル内に閉じこめられ、パネル外に取り出すことができなくなる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みたもので、基板の断面形状に工夫をこらすことで、上述したような光の閉じこめを抑制し、高輝度なＥＬ表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、基板（１）の一主面にテーパ状の凹部（１０）を複数形成し、下部電極（２）、下部絶縁層（３）、発光層（４）、上部絶縁層（５）、上部電極（６）の各界面が凹部（１０）のテーパ面（１０ａ）に平行になるように形成したことを特徴としている。
【０００８】
従って、発光層（４）からの光をテーパ面（１０ａ）に沿って外部に取り出すことができるため、光の閉じ込めを抑制し、発光輝度を高めることができる。また、請求項１に記載の発明では、凹部（１０）を下部電極（２）と上部電極（６）が交差する領域内に設けているから、画素の発光輝度を高めることができ、また、凹部（１０）が下部電極（２）と上部電極（６）の電極パターンのそれぞれの端部に重ならないようにしているから、それぞれの電極パターンを良好に形成することができる。
【０００９】
上述した凹部（１０）を、請求項２に記載の発明のように、発光層（４）の膜厚より深く形成すれば、上述した効果を良好に得ることができる。また、請求項３に記載の発明のように、テーパ面（１０ａ）に沿って形成された反射膜にて発光層（４）からの光を反射し、基板（１）の一主面側および他の主面側のいずれか一方から光を取り出すようにすれば、反射膜での光反射を利用することができるので発光輝度を一層高めることができ、その場合、請求項５に記載の発明のように、テーパ角を広い範囲で設定することができる。
【００１０】
なお、テーパ面（１０ａ）に沿って形成された反射膜としては、請求項４に記載の発明のように、下部電極（２）又は上部電極（６）とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態を示すＥＬパネルの平面パターンを示し、図２は図１におけるＡＡ’断面を示している。
絶縁性透明基板としてのガラス基板１上には下部電極２および上部電極６が互いに直交する電極パターンで形成されており、下部電極２と上部電極６の交差する一画素の領域内に複数（図１に示す例では４つ）の凹部１０が、機械加工もしくはエッチングによりガラス基板１の表面に形成されている。この凹部１０におけるテーパ面１０ａは、光学的に反射面として十分機能する程度の大きさとなっている。
【００１２】
ガラス基板１の上には、ガラス基板１の表面の凹凸形状を再現するように、高反射率材料の下部電極２、下部絶縁層３、発光層４、上部絶縁層５が順次積層されている。また、上部絶縁層５の上には、透明な上部電極６がガラス基板１の凹部１０により生じた凹凸を埋め込むように形成されている。さらに、上部電極６の上には、上部電極６や上部絶縁層５に存在するピンホールからの水分の侵入を防ぐため、ガラス基板８を設けてシリコンオイル７を封入している。
【００１３】
従って、上記構成によれば、ガラス基板１に形成された凹部１０において、下部電極２、下部絶縁層３、発光層４、上部絶縁層５、上部電極６の各界面がテーパ面１０ａに平行に形成された構造になる。
次に、図１に示すＥＬパネルの製造方法について図３乃至図５に示す工程図を参照して説明する。
〔図３（ａ）の工程〕
まず、ガラス基板１上に感光性のポリイミド樹脂（例えば、日立化成製ＰＬ−２２１５シリーズのもの）をスピンコートしてポリイミド層１ａを形成する。そして、図示しないポジマスクを用いて、下部電極２と上部電極６の交差する領域内に複数の凹部が形成できるように露光した後、現像、ポストアニールを経てテーパ角が約４５度となる凹部を形成する。このときのテーパ角は、現像やポストアニール条件である程度制御可能である。
【００１４】
但し、凹部がこの後に形成する下部電極２や上部電極６のパターニングの際のホト工程の妨げとならないように、凹部が下部電極２や上部電極６の電極パターンの端部にかからないように配置されている。なお、ポリイミド層１ａは、最終的にガラス基板１に形成したい凹部の深さより２０〜４０％程度厚く形成するのが望ましい。これは、この後に行うエッチバックの際にポリイミド層１ａとガラス基板１のエッチングレートの差を補正するためである。
【００１５】
この後、イオンミーリング装置によりアルゴンイオン１ｂでポリイミド層１ａが無くなるまでエッチバックを行う。上記手段でエッチングを行った場合、エッチングレートがガラス基板１とポリイミド層１ａであまり大きくないため、エッチバック終了後には、ガラス基板１の表面には、ポリイミド層１ａに設けた凹部が比較的良く再現され転写される。また、イオンミーリングはＲＩＥ等の反応性ガスを用いた異方性エッチングのように化学反応を用いないため、ガラス基板１に安価な無アルカリガラスを用いてもエッチング面が荒れることもない。なお、ポリイミド樹脂の代わりにＢＭＲ（東京応化製のもの）等の厚塗りが可能なフォトレジストを用いることもできる。
【００１６】
上述した図３（ａ）の工程により、ガラス基板１に、テーパ面１０ａを有する凹部１０が複数形成される。
〔図３（ｂ）の工程〕
ガラス基板１の表面に、下部電極２となる高反射率材料を２００ｎｍ前後の膜厚で形成し、エッチングによりストライプ状の下部電極２を形成する。下部電極材料としては、Ａｌ、Ａｇ等の高反射率な材料を用いることができる。但し、Ａｌのように比較的低い温度（４５０度前後）でヒロックが発生するような材料を用いた場合、工程中の熱処理（発光層のアニールで４００〜６００度）でヒロックが発生し、その表面の荒れにより絶縁層に高電界がかかる部分が生じ素子の信頼性が低下する可能性がある。この場合、例えばＣｕを微量添加することでヒロックの発生を抑制できる。
【００１７】
下部電極２を形成した後、下部絶縁層３として例えばＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₄、Ａｌ₂Ｏ₃等の材料を形成する。このとき、これらの膜を複数積層することで、耐圧特性と下地の膜への密着性を良好にすることができる。なお、下部絶縁層３のトータル膜厚は３００ｎｎｍ前後に設定する。また、これらの膜の成膜方法は、ＣＶＤ法等の凹凸に対する被覆性の優れた成膜手段を用いる必要がある。スパッタ法ではガラス基板１の凹凸により絶縁層の膜厚が均一にならず薄い部分が生じ、その部分に高電界が加わり絶縁破壊が発生する可能性があるからである。
【００１８】
次に、ＺｎＳを母材としてＣＶＤ法により発光層４を形成する。ＺｎＳには必要な発光波長に応じてＭｎやＴｂをドーパントとして添加する。発光層４の膜厚は５００ｎｍ前後に設定する。この後、上部絶縁層４を、下部絶縁層３と同一構造で同一の成膜方法で形成する。
〔図４（ａ）の工程〕
次に、上部絶縁層５の上にＳｉＮを５０ｎｍ程度形成した後、ＳｉＯ₂を約５００ｎｍ形成する。但し、上部絶縁層５の表面にＳｉＮが露出している場合はＳｉＮを形成する必要はない。この工程で形成された膜は、上部電極形６を形成する時のエッチングストッパ９となる。
〔図４（ｂ）の工程〕
次に、エッチングストッパ９となる部分以外を希フッ酸によるウエットエッチング、またはＣＦ₄等のガスを用いたドライエッチングで取り去る。このとき、ＳｉＯ₂のエッチングレートに比べ下地のＳｉＮ層のエッチングレートが極度に小さいため、上部絶縁層５すなわちＳｉＮ層が露出した時点でエッチングは停止するので上部絶縁層５をエッチングしてしまうことはない。
〔図４（ｃ）の工程〕
次に、上部電極６として透明導電膜を形成する。透明導電膜材料としては例えばＩＴＯが用いられる。ＩＴＯはスパッタ法でガラス基板１に設けた凹凸の深さより厚く成膜する。
〔図５（ａ）の工程〕
上部電極６を形成した後、化学機械研磨等の方法を用いて上部電極６の表面を研磨して平坦化する。研磨はエッチングストッパ９のＳｉＯ₂が露出した時点で終了する。そして、上部電極６をストライプ状にパターニングして、ＥＬ素子が完成する。
〔図５（ｂ）の工程〕
最後に、上部電極６や上部絶縁層５に存在するピンホールから侵入する水分から発光層４を保護するため、シリコンオイル７とガラス基板８でＥＬ素子を封入する。
【００１９】
次に、上記したＥＬパネルの動作を図６、図７を用いて説明する。
下部電極２、上部電極６間に電圧が印加され発光層４が発光すると、発光した光のうち膜面に対して垂直に近い方向に進む光２１は、上部絶縁層５、上部電極６を通過し、さらに上部絶縁層５、発光層４、下部絶縁層３を通過して、下部電極２で反射される。従って、光２１は、パネル面に対して垂直方向を中心に配向され、その光の配向パターンは、図７の２１ａのようになる。
【００２０】
一方、膜面に対して比較的低角で発生した光２２は、発光層４、絶縁層５、電極６のいずれかの界面で全反射を繰り返しながら、発光層４、上部絶縁層５中を伝搬し、最終的にはテーパ状の凹部１０の端面で上部絶縁層５を透過して上部電極６に達する。そして、その光２２は、パネル面の垂直方向に対してテーパ角だけずれた方向を中心に配向する。この場合、光の配向パターンは図７の２２ａのようになる。
【００２１】
従って、いずれの経路の光も上部電極６に達した時点でパネル面の垂直方向に配向されているので、この後、通過するシリコンオイル７やガラス基板８の界面で全反射されること無くパネル外部に取り出される。
（第２実施形態）
図８に、本発明の第２実施形態を示す。
【００２２】
本実施形態においては、表面が凹凸に加工されたガラス基板１の表面に、透明な下部電極２がストライプ状に形成され、その上に下部絶縁層３、発光層４、上部絶縁層５が順次積層されている。また、上部絶縁層５の上に、Ａｌ、Ａｇ等の高反射率な導電性材料にて構成された上部電極６が、下部電極２と直交するようにストライプ状に形成されている。さらに、第１実施形態と同様、防湿のためにガラス基板８によりシリコンオイル７が封入されている。
【００２３】
本実施形態においては、光を第１実施形態とは反対の方向、すなわちガラス基板１側から取り出すようにしている。その他は、第１実施形態とほぼ同様の動作をする。図９に本実施形態のＥＬ素子の光の取り出し効率とテーパ角の関係の計算結果を示す。テーパ角が約１０度から６０度の範囲で光取り出し効率が大幅に改善されていることが分かる。この光取り出し効率とテーパ角の関係は、第１実施形態でも同様である。
【００２４】
なお、本実施形態においては、上部電極６に高反射率材料を用いているため、その電極形成後に熱工程が無くなり、第１実施形態のようなヒロックの問題が生じないというというメリットがある。
（第３実施形態）
第１、第２実施形態では、下部電極２、上部電極６のうちのいずれかに高反射率な金属材料を用いたが、図１０に示すように下部電極２、上部電極６ともに透明電極にしても光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２５】
この場合、発光層４から出た光がテーパ面１０ａで反射してパネル表面に垂直に配向する効果がなくなるため、発光層４から出た光をパネル表面に垂直方向に配向させ、発光層４中を全反射しながら伝搬して出射する光をなるべく多くし、さらにこの光をパネル表面に垂直方向に配向させるのが望ましい。
このため、発光層４に平行に形成されている下部電極２、下部絶縁層３、上部絶縁層５、上部電極６として、できる限る低屈折率な材料を用い、さらにテーパ面１０ａをパネル表面に対して垂直に形成する必要がある。このようにしても、光の取り出し効率は第１、第２実施形態に比べパネル裏面に抜ける光の分だけ低下するが、画素が非点灯時に透明になるメリットが得られる。また、シリコンオイル７に黒色色素を添加すれば黒表示が可能となる。
【００２６】
以上述べた種々の実施形態によれば、発光層４で発光した光の多くをパネル外部に取り出すことが可能となり、高輝度なＥＬパネルを得ることができる。計算では光の取り出し効率が従来構造に対し２〜３倍程度向上し、高輝度化と低消費電力化（従来と同程度の輝度とした場合）を図ることができる。
なお、本発明は上述した種々の実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で適宜変更が可能である。例えば、第１、第２実施形態において、下部電極２又は上部電極６を高反射率材料で形成するものを示したが、それらを透明電極としそれとは別に高反射率材料の反射膜を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＥＬパネルの平面パターンを示す図である。
【図２】図１中のＡＡ’断面の構造を示す図である。
【図３】図１に示すＥＬパネルの製造工程を示す図である。
【図４】図３に続くＥＬパネルの製造工程を示す図である。
【図５】図４に続くＥＬパネルの製造工程を示す図である。
【図６】図１に示すＥＬパネルの動作を説明するための図である。
【図７】図６中の２つの光経路に対する光の配向パターンを示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るＥＬパネルの断面構造を示す図である。
【図９】図８に示すＥＬ素子の光取り出し効率とテーパ角との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るＥＬパネルの断面構造を示す図である。
【図１１】従来のＥＬパネルの断面構造を示す図である。
【図１２】図１１に示すＥＬ素子内の光の経路を示す図である。
【図１３】他の従来技術の断面構造を示す図である。
【図１４】図１３に示すものの光の配向パターンを示す図である。
【符号の説明】
１…ガラス基板、２…下部電極、３…下部絶縁層、４…発光層、
５…上部絶縁層、１０…凹部、１０ａ…テーパ面。

Claims

基板（１）の一主面上に、下部電極（２）、下部絶縁層（３）、発光層（４）、上部絶縁層（５）、上部電極（６）が積層形成されてなるＥＬ表示装置において、
前記基板の一主面にはテーパ状の凹部（１０）が複数形成されており、前記下部電極（２）、前記下部絶縁層（３）、前記発光層（４）、前記上部絶縁層（５）、前記上部電極（６）の各界面が前記凹部（１０）のテーパ面（１０ａ）に平行に形成されており、前記下部電極（２）と前記上部電極（５）は、互いに直交する電極パターンで形成されており、前記凹部（１０）は、前記下部電極（２）と前記上部電極（６）が交差する領域内に設けられ、かつ前記下部電極（２）と前記上部電極（６）の電極パターンのそれぞれの端部に重ならないように配置されていることを特徴とするＥＬ表示装置。
前記凹部（１０）は、前記発光層（４）の膜厚より深く形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＥＬ表示装置。
前記テーパ面（１０ａ）に沿って形成された反射膜にて前記発光層（４）からの光を反射し、前記基板（１）の一主面側および他の主面側のいずれか一方から光を取り出すように構成されていることを特徴とする請求項１又は２にＥＬ表示装置。
前記反射膜は前記下部電極（２）および前記上部電極（６）のいずれか一方であることを特徴とする請求項３に記載のＥＬ表示装置。
前記凹部（１０）のテーパー角は、１０度から６０度の範囲にあることを特徴とする請求項３又は４に記載のＥＬ表示装置。