JP4011126B2 - エレクトロルミネッセント装置及びtfel装置用の薄膜光吸収層の形成方法 - Google Patents

エレクトロルミネッセント装置及びtfel装置用の薄膜光吸収層の形成方法 Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、改良された光表示性能を有する薄膜エレクトロルミネッセント(TFEL)装置に関するものである。特に、本発明は、エレクトロルミネッセント装置内で入射光を吸収する薄膜吸収層に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
TFEL装置は、透明基板(ガラス)上に形成されたインジウムすず酸化物から成る1組の前側電極と、前側電極の後側に位置する透明誘電体層間にはさまれた透明エレクトロルミネッセント蛍光層とを有する薄膜積層体で構成されている。後側誘電体層の背面側に、後側電極が配置される。この後側電極は、通常アルミニウムで構成されている。この理由は、アルミニウムが良好な導電性を有すると共に自己回復性能を有しているからである。アルミニウムの後側電極は、表示装置の背面側に向けて伝播する光の大部分を顧客に向けて反射することにより表示装置の輝度を増強する。この反射した光は、表示される画像を二重にしてしまう。この理由は、蛍光層から放出される光は、前側方向及び背面方向に互いに等しい量となるからである。さらに、アルミニウムの後側電極は、表示装置の外部から入射する周辺光も前面側に向けて反射し、反射された周辺光は表示情報と重なり合ってしまい、表示装置のコントラスを低下させてしまう。
【0003】
表示装置のコントラストを増大させるために、表示装置の前側透明基板に反射防止膜をコートして、表示装置の前面側で反射した周辺光を減少させている。このTFEL薄膜積層体は、さらに基板をシールする包囲部材を有し、この包囲部材の後側壁が黒化処理されて表示装置の後側に位置する外部光源からの光を遮光している。包囲部材の黒のコーティングは、前面側から表示装置に入射し後側電極で反射されなかった周辺光を吸収している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般にアルミニウムの後側電極による反射は、後側電極の表面が粗いため拡散性反射となり、この結果表示装置の他の薄膜層により拡散性散乱が生じてしまう。この拡散性反射の量は、表示装置に対して見る側に垂直に配置したフォトメータにより測定される。周辺光が法線に対して45°の角度で表示装置に入射する場合、典型的な表示装置の場合、約15%の拡散性反射がある。この拡散性反射を低減するために円形の偏光子フィルタを用いれば、約15%の拡散性反射を約1%まで低減できるが、表示装置から放出される光の37〜42%の光しか透過できない不具合があり、しかも表示装置のコストが大幅に増大してしまう。
【0005】
表示コントラストを改善する別の試みとして、インジウムすず酸化物を透明後側電極に用いることがある。このように構成すれば、後側電極での反射が低減されると共に表示装置の後側まで通過した光を吸収することができる。しかしながら、インジウムすず酸化物はアルミニウムの金属電極よりも抵抗が高いので、適切な導電率を得るためには一層厚くする必要ある。さらに、インジウムすずの厚い層は、アルミニウムの後側電極が有する自己回復性能を発揮することができない。従って、絶縁破壊に起因する装置の信頼性が低下してしまう。
【0006】
米国特許第3560784号明細書に記載されている別の試みとして、薄膜積層体中に光吸収層を組み込む方法がある。この公知文献には、通常の金属の後側電極を用いる場合、光吸収層を絶縁層として又は導電層として加えることが記載されている。しかし、蛍光層の背後に黒い層を形成すると、蛍光体/絶縁体の界面に悪影響を及ぼし、表示性能が低下してしまう。ある極性の光パルスが低下し、フリッカ効果及び輝度全体の損失が一層増大してしまう。
【0007】
米国特許第5003221号明細書には、TFEL薄膜積層体の透明基板とこの透明基板と隣接する層との間に形成した薄膜層を用いることが開示されている。この薄膜層の屈折率は、この薄膜層と対応する層との間の界面に向かって隣接する層の屈折率にほぼ等しくなるように変化し、この結果これらの層間の界面の屈折率差は最小にされている。この特許は、種々の実屈折率を用いることにより薄膜層間の透過率を最大にすることを目的としている。このため、この特許明細書は、薄膜積層体の互いに隣接する2個の層間に、屈折率が連続的に変化する複数の層又は屈折率が連続的に変化する単一の層を用いて、各層間の光の透過率を最大にすることが教示されている。
【0008】
透明電極層と後側電極との間に電界を印加すると、蛍光層中に光を放出する画素が形成される。蛍光層の物理的な構造により、画素により発生した光の大部分は蛍光層の面内を伝播する。放出光が蛍光層中を伝播すると、この光は蛍光層の欠陥により散乱され、放出光の大部分は前面側及び後面側に向けて伝播する。後面側に向けて伝播又は散乱した光は、後側電極によって前面側に向けて反射し前面側に伝播する光と一緒になる。この結果、アドレスされた画素のまわりにぼんやりした領域を生じてしまう。この場合、円形の偏光子を用いても、放射光全体の光量を低下させることなく画素付近に生じた光だけを選択的に減少させることはできない。
【0009】
蛍光層と誘電体層との境界に対して微小な角度で入射した放出光は、全反射する。この境界に大きな角度で入射した光は、誘電体層中に屈折する。前面ガラスと外部空気との間の屈折率差は極めて大きいので、外部空間へ出射させるのに必要な入射角は他の全ての界面よりも一層大きい。すなわち、前側ガラスと空気との境界から出射しない光は、TFEL薄膜積層体の各層間で自由に屈折してしまう。また、ガラスと空気との境界で後方に向けて反射した光及び他の後方に向けて伝播する光は、後側電極に入射し前側に向けて反射する。この光は拡散的に散乱し又は欠陥に衝突し、ガラスと空気との境界に対する角度が増大するまで表示装置の内部を伝播し、最終的に画素から離れた位置で表示装置から出射する。
【0010】
TFEL表示装置の外見上の色は、蛍光層から放出される光の波長及び個々の薄膜層の厚さに依存する。こはく色の表示装置は、一般に表示装置に対して垂直の位置では黄色であり、垂直の視角からずれるに従って赤/オレンジ色に移行する。或は、垂直の視角のとき赤/オレンジ色であるが、垂直の位置からずれるに従って黄色に移行する。現在の薄膜堆積処理技術では、スクリーン間の色を十分に一定になるように処理を制御することは極めて困難である。
【0011】
従って、現在望まれていることは、表示装置のコントラストを一層増強し、アドレス画素付近のぼんやりした領域を低減し、表示装置間の色の差異を低減し、拡散反射を大幅に除去することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段並びに作用】
本発明は上述した従来技術の欠点を解消し、少なくとも、透明電極層と、後側電極層と、これら透明電極層と後側電極層との間に配置され、前側誘電体層、後側誘電体層及びこれらの層の間に位置するエレクトロルミネッセント層を含む少なくとも3個の層とを含む複数の層とを有するエレクトロルミネッセント表示装置を提供する。前記3個の層は後側電極層と透明電極層との間に配置し、透明電極層と後側電極層との間に電界を印加することにより光を放出するように構成する。入射光の大部分を吸収する薄膜光吸収層を後側電極層と後側誘電体層との間に配置する。
【0013】
本発明の好適実施例においては、薄膜光吸収層が、その第1の側において後側誘電体層の複素屈折率にほぼ整合する第1の複素屈折率を有する。この薄膜光吸収層は、その第2の側において後側電極層の複素屈折率にほぼ整合する第2の複素屈折率を有する。
【0014】
薄膜光吸収層を後側電極層の前面側に配置することにより、周辺光及びエレクトロルミネッセント素子から発生し後側に向けて伝播する光が後側電極に入射する前にほとんど吸収され、これにより表示装置のコントラストを増大させることができる。さらに、薄膜光吸収層の両側の界面における複素屈折率をそれぞれ後側電極層及び隣接する層(通常は誘電体層)の複素屈折率にほぼ整合させることにより、各界面における反射は最小になる。
【0015】
後側電極に入射し前面側に向けて反射された周辺光を吸収することにより、光吸収層は拡散反射を約15%から約0.6%まで減少させる。さらに、光吸収層により表示装置間の色の変化を80%減少させることができる。
【0016】
さらに、光吸収層は、蛍光層から放出され後側に向けて伝播する光及び薄膜層により後側に向けて内部反射した光を吸収することにより、アドレスされた画素のまわりのぼんやりした領域を減少させることができる。
【0017】
以下図面に基き本発明を詳細に説明する。
【0018】
【実施例】
図1を参照するに、TFEL装置はガラスから成る透明基板10を含み、この基板によりTFEL素子を構成する薄膜積層体を支持する。薄膜積層体は透明前側電極12及びサンドイッチ構造体の組を含み、サンドイッチ構造体は前側誘電体層14と後側誘電体層18との間に挟まれたエレクトロルミネッセント層16を含んでいる。アルミニウムから成る後側電極20を後側誘電体層18の後側に配置すると共に透明前側電極12と直交する方向に延在させ、両方の電極が同時に附勢されたとき光の画素点を形成する。TFEL素子は包囲部材22により基板10に対して密封され、包囲部材は適当な接着剤24により基板10に固定する。光吸収材料を包囲部材22によって画成されるキャビティに注入して、さらに光を吸収させることもできる。この光吸収材料は、充填材料として通常用いられているシリコーンオイル25又は米国特許第5194027号明細書に記載されている固体充填材料とすることができる。シリコーンオイル25は、黒色の染料を含ませることにより光吸収性とすることができる。光吸収性は、包囲部材22の後側の内側キャビティに黒色のコーティング26を形成することにより一層増強することができる。
【0019】
後側電極20と後側誘電体層18との間に薄膜吸収層28を形成することにより、入射する光の大部分を吸収させることができる。吸収層28は、この吸収層28と後側誘電体層18との間の界面での光反射を除去することができる。
【0020】
各材料は、n−ikと一般に称せられている複素屈折率を有している。ここで、nは媒質中での光の速度に関係する屈折率であり、kは媒質中での光の吸収と関係する減衰係数である。吸収層28と後側誘電体層18との間の界面において、これらの層の複素屈折率を適切に整合させることにより、この界面において大部分の光は前方に向けて反射しなくなる。吸収層28と後側電極20との間の界面における複素屈折率を適切に整合させて、反射を最小にする必要がある。すなわち、吸収層28の複素屈折率は両側の界面の各材料の複素屈折率に対して整合する必要がある。
【0021】
吸収層28の両側の界面で複素屈折率を整合させるために、屈折率及び減衰係数を一方の界面から他方の界面に亘って変化させて、吸収層28内での光の反射を最小にする必要がある。反射を最小にするためには、吸収層28は、後側誘電体層との界面において透明な材料となり、後側電極との界面においては大部分の光を吸収する不透明な材料となるように、連続的に変化するように構成することができる。好ましくは、吸収層は個々の後側電極20と後側誘電体層18との間だけに配置する。吸収層28は、複素屈折率が連続的に変化する薄膜、又は図2に示す吸収層のように複素屈折率が階段状に変化する薄膜として構成することができる。尚、図2の主要な部材は、吸収層28,28′を除いて、図1の構成部材と同一の部材を用いている。勿論、吸収層28は金属とすることができ、この場合、金属は、後側電極間で短絡されないように図2に示すようにパターン化する必要がある。したがって、吸収層28′は、互いにギャップを有し後側電極と同一方向に延在する細条としてパターン化される。
【0022】
吸収層は、以下の簡単な3個の条件を満たすことにより所望の吸収特性を有し不所望な反射を最小にできることが判明している。これらの3個の条件は以下の通りであり、順次説明する。
(1)複素屈折率の個々の段階的な変化の幅は、表示装置に用いる光に対して極めて薄くする必要がある。
(2)光学定数は、一方の材料から他方の材料まで単調増加又は減少させる。
(3)吸収層全体の平均光学厚さは、表示装置の波長程度になるように十分な厚さとする。
【0023】
はじめに、複素屈折率の段階的な変化の幅を光の波長に対して極めて薄くする要件は、吸収層内部の屈折率nの変化及び減衰係数kの変化と関連する。これらの段階的な変化は、重大な干渉が回避されるように小さくする。複素屈折率が段階状に変化する吸収層28′の場合、各隣接する層間の屈折率及び減衰係数(n−ik)の変化は十分に小さくする。複素屈折率の変化を十分に小さくするために、多数の薄膜を用いる必要がある。複素屈折率が連続的に変化する吸収層28の場合、屈折率及び減衰係数は後側誘電体層との界面から後側電極との界面に亘ってなだらかな勾配で変化しなければならない。複素屈折率をなだらかに変化させることにより、光の屈折が減少する。
【0024】
第2に、光学定数は一方の材料側から他方の材料側に向けて単調増加又は減少させる必要がある。屈折率n及び減衰係数kは、吸収層の内部において前後に変動することなく、単調増加し又は単調減少しなければならない。屈折率n又は減衰係数kのいずれかの値が増加し次に減少し、或は減少し次に増加すると、反射が生ずるおそれがある。
【0025】
第3に、吸収層の平均光学厚さは光の波長の程度にすくなくとも十分な厚さとする必要がある。
光学厚さは、吸収層の屈折率と物理的厚さとの積である。この光学厚さは、表示装置に用いられる光の少なくとも1/2波長にする。
【0026】
上述した吸収層は、後側電極の前側に配置すると、多くの所望の特性を発揮する。第1に、吸収層の内部並びに後側誘電体層又は後側電極との界面においてほとんど反射が生ぜず、入射光を反射することなく吸収するので、吸収層は無限の厚さの透明な材料層として光学的にモデル化することができる。すなわち、吸収層は、入射光を前面側にほとんど反射することなく表示装置の背面側に向けて伝播する入射光を吸収することになる。
【0027】
表示装置のコントラストは、周辺光を生ずることなく表示装置から放出された光に対する表示装置によって反射した周辺光の割合である。吸収層で周辺光を吸収することにより、周辺光は後側電極で前面側に向けて反射せず、この結果表示装置のコントラストが増大する。一方、この吸収層を用いることに関連して輝度についての不利が生じてしまう。吸収層を有する表示装置は、フィルタが設けられていない標準の反射性電極表示装置のルミネッセンスの約28%のルミネッセンスしか有していないことが判明した。このルミネッセンスの低下は、蛍光体から側方や背面側に放出された光の損失に起因しており、これらの光は標準の後側電極により観客側に向けて反射する。吸収層を有する表示装置は、ルミネッセンスの低下にもかかわらず、通常の反射性電極の表示装置よりも優れたコントラストを有し、ある用途においては、高ルミネッセンスよりも高コントラストが要求される。
【0028】
拡散反射は、主として粗い表面を有し輝くようなアルミニウムから成る後側電極に入射する光により発生する。従って、吸収層により後側電極に入射する光を吸収することにより、拡散反射を発生させる主な光成分を除去することができる。種々の薄膜積層素子間の界面及び素子自体の欠陥により、依然として微小量の拡散反射が残存している。吸収層を有する表示装置により拡散反射を約15%から約0.6%に減少させることができ、表示装置のコントラストを一層増強できることが判明している。
【0029】
さらに、吸収層は光を吸収する際、大きな角度依存性を有している。従って、背面方向に散乱しほぼ入射角の角度で吸収層に入射した光はほとんど吸収され、アドレスされる画素のまわりのぼんやりとした視野領域を減少させることができる。
【0030】
さらに、異なる薄膜間で屈折し必須の入射角の条件を満たさず空気と誘電体との境界から散逸する光も吸収層によって吸収される。このような屈折光を吸収することは、表示装置から出射する任意の光に対して有効である。
【0031】
さらに、吸収層は、同一の表示装置間の色変化も減少させる。異なる表示装置間の色変化の一部は、後側電極20によって前面側に向けて反射する光の干渉により生ずる。色変化は、表示装置間の薄膜の厚さの微小な変化と共に視野角の変化により発生する。後側電極で反射した光の干渉を除去することにより、同一の表示装置における色変化は80%除去することができる。
【0032】
一般的な誘電体層は、550nmの波長における屈折率及び減衰係数として、n=1.75及びk≒0を有する透明材料である。アルミニウムの後側電極は、n=0.82及びk=6.0の屈折率及び減衰係数を有し不透明な材料に関係している。これらの値を用いれば、吸収層は好ましくは約300〜600Åの波長域においてn=1.75からn=0.82まで、及びk≒0からk=6.0まで変化するように設計する。この吸収層は、所望の場合大幅に厚くすることもできる。水晶(n=1.46,k≒0)及びTa25(n=2.3,k≒0)のような別の誘電体材料を用いることもできる。所望の場合、後側電極はクロム(n=2.48,k=2.3)のような別の材料で構成することもできる。
【0033】
アルミニウムは、その導電率及び自己回復特性により後側電極として好適な材料であり、酸化アルミニウムは自己回復性能を有する溶融性誘電体である。反転構造において、モリブデンが好適な材料である。反射防止吸収層を形成する理想的な方法は、酸化アルミニウムからアルミニウム電極に漸次変成させることである。この材料を堆積させる好適な方法は、直流反応性スパッタリングである。この堆積方法により、アルミニウムのような単一のターゲットを用いて高速で堆積させることができる。後側誘電体層との界面における酸化物から後側電極との界面における金属に到る遷移は、チャンバ中の酸素ガスの量を制御することにより達成される。誘電体の屈折率にほぼ整合しているアルミニウム酸化膜を形成するのに十分なレベルから開始し、酸素の圧力を連続的に減少させ、純粋なアルミニウム金属を堆積させる。これにより、誘電体の特性n及びkを後側電極に整合させることができる。また、RFカソードを用いて酸化アルミニウムを堆積させると共に、この堆積物をアルミニウムターゲットからのスパッタ材料と混合させることにより同一の結果が得られる。
【0034】
あるいはまた、窒化シリコンを混合率が連続的に変化するようにモリブデンと混合して、純粋のSi34から純粋なモリブデン金属まで変化する勾配を有する吸収層を形成することもできる。所望の場合、モリブデンに適当な金属を添加して必要な導電率を得ることができる。このような材料を堆積させるために種々の方法があるが、好適な方法は真空蒸着である。個別のソース源を用いることにより金属中に酸化物を共に堆積させることができ、酸化物の量を多くし金属の量を少なくしながら比較的ゆっくりその割合を酸化物が少量で金属が多量になるように変化させ、最終的に純粋の金属を堆積させる。金属と酸化物のような透明材料とを堆積させ、並びに蛍光物質と窒化物とを堆積させるような別の堆積技術も有効に用いることができる。
【0035】
堆積装置として種々の形態のものを用いることができるが、好適な装置は、ガーデックス社又はロイボールド社により製造された装置のような基板をシリンダを構成する多面体上に支持する“カロウゼル”型の堆積装置がある。シリンダは回転し、基板は1個又はそれ以上のカソードを通過する。そして、シリンダの回転に伴い、金属酸化物の堆積処理から金属の堆積処理へゆっくり移行する。吸収層は導電性であるため、当業者にとって周知の標準のリフトオフ処理又はエッチング処理を用いて、各後側電極と後側誘電体との間にだけ存在させることが好ましい。一方、吸収層の材料を電極と隣接する端部において純粋の金属となるように吸収層の材料を変化させる場合、後側電極間にギャップ29′を設ける必要がある。
【0036】
図3は、図1及び2と同様な反転構造のエレクトロルミネッセント装置を示す。このエレクトロルミネッセント装置40は基板44を有し、この基板が透明な場合、基板の下側の面に黒色のコーティング46を有している。基板44上に後側電極48を堆積する。後側電極48と後側誘電体層50との間に薄膜吸収層42を配置する。この吸収層は、前述した適当な方法を用いて段階的に変化する複数の薄膜層として又は連続的に変化する薄膜層として構成される。エレクトロルミネッセント層52は後側誘電体層50と前側誘電体層54との間に配置する。透明電極層56は前側誘電体層上に形成すると共に透明基板58によって包囲され、透明基板58は透明電極層56に直接結合され又はギャップを以て分離させる。濃度が変化する吸収層は前述したように構成されるので、これに入射する入射光の大部分を吸収する。
【0037】
特許請求の範囲の記載に基いて種々の変更が可能である。吸収層の材料を酸化物混合体から金属まで変化させる場合、一旦金属になるまで堆積した後、逆に金属からさらに金属酸化物が堆積するようにすることもできる。この場合入射光の大部分が吸収される十分な厚さに堆積した後、逆に酸化物の堆積に切り換える。この場合、金属から酸化物に移行する部位で反射した光の一部は前面側に伝播するになって再び吸収層により吸収される。薄膜積層体に別の薄膜を付加して後側誘電体層と後側電極層との間に含ませることも可能である。
【0038】
光の大部分は光が金属側に到達する時間内に吸収されるので、吸収層の金属側にわずかな余裕が存在する。この結果、吸収層の全厚が約400Åの場合、後側電極での反射を2%以下に減少させることができる(吸収層がない場合の反射は90%である)。
【0039】
上述した実施例で用いた用語及び式は説明のためのものであり、これらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 屈折率が連続的に変化する単一の薄膜吸収層を含む本発明によるTFEL装置を示す線図的断面図である。
【図2】 屈折率が段階的に変化する多層の吸収層を含む本発明によるTFEL装置を示す線図的断面図である。
【図3】 屈折率が段階的に変化する多層の吸収層を含む本発明によるTFEL装置の変形例を示す線図的断面図である。
【符号の説明】
10 透明基板
12 前側電極
14 前側誘電体層
16 エレクトロルミネッセント層
18 後側誘電体層
20 後側電極
22 包囲部材
25 シリコーンオイル
26 黒色コーティング
28 吸収層

Claims (6)

  1. (a)少なくとも、透明電極層と、後側電極層と、これら透明電極層と後側電極層との間に配置され、前側誘電体層、後側誘電体層及びこれらの層の間に位置するエレクトロルミネッセント層を含む少なくとも3個の層とを含む複数の層と、
    (b)前記後側電極層と後側誘電体層との間に配置され、入射光の大部分を吸収する薄膜光吸収層とを具え、
    前記透明電極層と後側電極層との間に電界を印加することにより光を放出するように構成したエレクトロルミネッセント装置において、
    (c)前記薄膜光吸収層が、その第1の側において第1の複素屈折率を有し、
    (d)前記後側誘電体層が、前記薄膜光吸収層の第1の側と隣接する側において前記第1の複素屈折率とほぼ整合する複素屈折率を有し、
    (e)前記薄膜光吸収層が、その第2の側において第2の複素屈折率を有し、
    (f)前記後側電極層が、前記薄膜光吸収層の第2の側の第2の複素屈折率とほぼ整合する複素屈折率を有するエレクトロルミネッセント装置。
  2. 請求項1に記載のエレクトロルミネッセント装置において、前記薄膜光吸収層の第1の側を透明とし、第2の側をほぼ不透明としたエレクトロルミネッセント装置。
  3. 請求項2に記載のエレクトロルミネッセント装置において、前記薄膜光吸収層の第1の側の第1の複素屈折率が、第2の側の第2の複素屈折率まで連続的に変化するエレクトロルミネッセント装置。
  4. 請求項2に記載のエレクトロルミネッセント装置において、前記薄膜光吸収層の第1の複素屈折率が第2の複素屈折率まで単調増加又は減少し、
    (a)前記薄膜光吸収層を、前記エレクトロミネッセント層で発生する光の波長よりも薄い複数の個別の層で構成し、
    (b)前記薄膜光吸収層の平均光学厚さを、少なくとも前記エレクトロルミネッセント層で発生する光の波長程度の十分な厚さとしたエレクトロルミネッセント装置。
  5. 請求項1に記載のエレクトロルミネッセント装置において、
    (a)前記薄膜光吸収層の複素屈折率の屈折率の値が、第1の複素屈折率の屈折率から第2の複素屈折率の屈折率まで減少し、
    (b)前記薄膜光吸収層の複素屈折率の減衰係数の値が、第1の複素屈折率の減衰係数から第2の複素屈折率の減衰係数の値まで増加するエレクトロルミネッセント装置。
  6. 請求項5に記載のエレクトロルミネッセント装置において、
    (a)前記薄膜光吸収層の第1の側の第1の複素屈折率の屈折率及び減衰係数をそれぞれ約1.75及び約0とし、
    (b)前記複素屈折率の第2の側の第2の複素屈折率の屈折率及び減衰係数をそれぞれ約0.82及び約6.0としたエレクトロルミネッセント装置。
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