JP4428979B2 - 有機ｅｌパネル - Google Patents
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Description
本発明は、有機層を第１および第２電極間に備え、第１および第２電極間に電圧を印加することで有機層に電流を流し発光する有機ＥＬ素子を複数配列して形成された有機ＥＬパネルに関する。
従来より、液晶ディスプレイに代わる次世代のフラットディスプレイの１つとして有機エレクトロルミネッセンス（以下ＥＬという）ディスプレイが注目されている。このディスプレイパネル（以下有機ＥＬパネルという）では、各画素に用いる有機発光層の発光材料を変更することで、各画素の発光色を決定できる。そこで、各画素の発光色を異ならせて、ＲＧＢ表示を行うことができる。
しかし、各色の発光材料に効率の差があったり、また画素毎に別の発光材料を用いて塗り分けしなければならず、製造工程が複雑で難しくなるという問題がある。
また、フルカラー表示については、発光は１色にしておき、カラーフィルタや、色変換層を用いて、画素の色を決定することについての提案もある。しかし、このような構成では各色について十分な効率で発光させることが難しかった。
さらに、各画素に微小共振器として機能するマイクロキャビティを形成し、特定波長の光を取り出すことも試みられている（非特許文献１参照）。この微小共振器を利用することで、特定の波長の光を選択増強することができる。
中山隆博、角田敦「光共振器構造を導入した素子」第３回講習会（１９９３年）「有機ＥＬ材料・デバイス研究の基礎から最前線まで」１９９３年１２月１６・１７ 東京大学山上会館、応答物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会、JSAP Catalog Number:AP93 2376 p.135-143
従来のマイクロキャビティを利用する方法では、複数色の発光素子毎に微小共振器の光学波長を変更しなければならず、画素数の大きなパネルの製造が難しいという問題があった。
本発明では、微小共振器を利用しつつ、製造が容易な有機ＥＬパネルを提供する。
本発明は、有機層を第１および第２電極間に備え、第１および第２電極間に電圧を印加することで有機層に電流を流し発光する有機ＥＬ素子を有する画素を複数配列して形成された有機ＥＬパネルであって、前記画素は、互いに異なる色の光を射出する複数色の画素があり、かつ、特定の少なくとも一色の画素について、前記有機層から射出される光を所定の光学長の範囲内で繰り返し反射させ、これによって特定の波長の光を増強選択する微小共振器を設け、他の少なくとも一色の有機ＥＬ素子については、微小共振器を設けず、有機層から射出される光をそのまま射出することを特徴とする。
また、前記画素の有機ＥＬ素子には、赤、緑、青の３色で発光するものがあり、この中で発光効率の最も悪い色についての有機ＥＬ素子の画素について前記微小共振器を設けることが好適である。また、前記画素には、赤、緑、青の３つの色の画素が含まれ、前記有機ＥＬ素子は、白色の光を射出し、赤の画素には赤のカラーフィルタ、緑の画素には緑のカラーフィルタ、青の画素には青のカラーフィルタが設けられることや、画素の中で発光効率の最も悪い色についての画素について前記微小共振器を設けることも好適である。
また、前記微小共振器は、反射層と、半透過層の間で光の反射を繰り返し、特定波長の光を半透過層から射出するものであり、特定色の画素の有機ＥＬ素子については、半透過層を設け、他の色の画素の有機ＥＬ素子については半透過層を設けないことが好適である。
また、前記微小共振器は、前記第１電極は前記有機層からの光を反射する半透過層を有し、前記第２電極は前記有機層からの光を反射する反射層を有し、前記反射層と、前記半透過層間の距離を、所定の光学長とすることで、前記有機層からの光を前記反射層と前記半透過層の間で繰り返し反射させ、これによって特定波長の光を増強選択して前記半透過層から射出することが好適である。
また、前記第１電極を半透過層と、透明電極の積層構造とし、前記第２電極を反射層として機能する金属電極とすることが好適である。
また、前記半透過層と透明電極のうち、透明電極が前記有機層側に配置されていることが好適である。
また、前記第１電極が陽極、前記第２電極が陰極であることが好適である。また、前記第１電極を反射層として機能する金属膜と、透明電極の積層構造とし、前記第２電極を半透過膜と透明電極の積層構造とすることも好適である。
前記画素には、赤、緑、青および白の４つの色の画素が含まれ、白の画素については、微小共振器を設けずに、白色発光の有機ＥＬ素子を設け、その有機ＥＬ素子からの白色光をそのまま射出することが好適である。
本発明によれば、特定色について、対向電極および半透過膜間の有機発光層、透明電極により微小共振器（マイクロキャビティ）が形成される。従って、半透過膜を透過する光は特定の波長に限定され、かつその波長の光が増強される。一方、他の色の有機ＥＬ素子については、微小共振器を形成しない。そこで、有機層での発光色の光がそのまま射出される。
半透過膜を設けないことで、微小共振器を形成しない構成によれば、微小共振器を設けない有機ＥＬ素子は半透過膜を設けないこと以外の光学長についての構成は微小共振器を設ける素子と同様の構成にすることができる。従って、その製造が非常に容易になる。
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、１画素の発光領域と駆動ＴＦＴの部分の構成を示す断面図である。なお、各画素には、複数のＴＦＴがそれぞれ設けられ、駆動ＴＦＴは、電源ラインから有機ＥＬ素子へ供給する電流を制御するＴＦＴである。ガラス基板３０上には、ＳｉＮとＳｉＯ2の積層からなるバッファ層１１が全面に形成され、その上に所定のエリア（ＴＦＴを形成するエリア）にポリシリコンの能動層２２が形成される。
能動層２２およびバッファ層１１を覆って全面にゲート絶縁膜１３が形成される。このゲート絶縁膜１３は、例えばＳｉＯ2およびＳｉＮを積層して形成される。このゲート絶縁膜１３上方であって、チャネル領域２２ｃの上に例えばＣｒのゲート電極２４が形成される。そして、ゲート電極２４をマスクとして、能動層２２へ不純物をドープすることで、この能動層２２には、中央部分のゲート電極の下方に不純物がドープされていないチャネル領域２２ｃ、その両側に不純物のドープされたソース領域２２ｓおよびドレイン領域２２ｄが形成される。
そして、ゲート絶縁膜１３およびゲート電極２４を覆って全面に相関絶縁膜１５が形成され、この相関絶縁膜１５内部のソース領域２２ｓ、ドレイン領域２２ｄの上部にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホールを介し、相関絶縁膜１５の上面に配置されるソース電極５３、およびドレイン電極２６が形成される。なお、ソース電極５３には、電源ライン（図示せず）が接続される。ここで、このようにして形成された駆動ＴＦＴは、この例ではｐチャネルＴＦＴであるが、ｎチャネルとすることもできる。
相関絶縁膜１５およびソース電極５３、ドレイン電極２６を覆って、例えばＳｉＮ膜７１が全面に形成され、この上であって各画素の発光領域に対応する位置にカラーフィルタ７０が形成される。
ＳｉＮ膜７１およびカラーフィルタ７０を覆って、全面に平坦化膜１７が形成され、この平坦化膜１７の上面の発光領域の位置には、Ａｇの薄膜などからなる半透過膜６９が形成され、その上に陽極として機能する透明電極６１が設けられる。また、ドレイン電極２６の上方のＳｉＮ膜７１および平坦化膜１７には、これらを貫通するコンタクトホールが形成され、このコンタクトホールを介し、ドレイン電極２６と透明電極６１が接続される。
なお、相関絶縁膜１５および平坦化膜１７には、通常アクリル樹脂などの有機膜が利用されるがＴＥＯＳなどの無機膜を利用することも可能である。また、ソース電極５３、ドレイン電極２６は、アルミなどの金属が利用され、透明電極６１には通常ＩＴＯが利用される。
この透明電極６１は、通常各画素の半分以上の領域に形成され、全体としてほぼ四角形状で、ドレイン電極２６との接続用のコンタクト部分が突出部として形成されており、コンタクトホール内にものびている。半透過膜６９は、陽極より若干小さく形成されている。
この透明電極６１の上には、全面に形成されたホール輸送層６２、発光領域より若干大きめに形成された有機発光層６３、全面に形成された電子輸送層６４からなる有機層６５と、全面に形成された金属製（例えば、アルミＡｌ）の対向電極６６が陰極として形成されている。
透明電極６１の周辺部分上のホール輸送層６２の下方には、平坦化膜６７が形成されており、この平坦化膜６７によって、各画素の発光領域が透明電極６１上であって、ホール輸送層６２が透明電極６１が直接接している部分が限定され、ここが発光領域となる。なお、平坦化膜６７にも、通常アクリル樹脂などの有機膜が利用されるがＴＥＯＳなどの無機膜を利用することも可能である。
なお、ホール輸送層６２、有機発光層６３、電子輸送層６４には、有機ＥＬ素子に通常利用される材料が使用され、有機発光層６３の材料（通常はドーパント）によって、発光色が決定される。例えば、ホール輸送層６２にはＮＰＢ、赤色の有機発光層６３にはＴＢＡＤＮ＋ＤＣＪＴＢ、緑色の有機発光層６３にはＡｌｑ3＋ＣＦＤＭＱＡ、青色の有機発光層６３にはＴＢＡＤＮ＋ＴＢＰ、電子輸送層６４にはＡｌｑ3等が用いられる。
このような構成において、ゲート電極２４の設定電圧に応じて、駆動ＴＦＴがオンすると、電源ラインからの電流が、透明電極６１から対向電極６６に流れ、この電流によって有機発光層６３において、発光が起こり、この光が、透明電極６１、平坦化膜１７、相関絶縁膜１５、ゲート絶縁膜１３、およびガラス基板３０を通過し、図における下方に射出される。
本実施形態においては、透明電極６１の発光領域の下面には、銀（Ａｇ）などの薄膜からなる半透過膜６９が設けられている。従って、有機発光層６３において発生した光は、この半透過膜６９により反射される。一方、対向電極６６は、反射層として作用するため、半透過膜６９、対向電極６６間で繰り返し反射される。
ここで、半透過膜６９と、対向電極６６との距離は、光学的な距離として、この間隙が特定色の微小共振器として機能する距離に設定してある。すなわち、光学長を選択した色の波長の１／２、１、２倍など、整数倍または整数分の１倍に設定する。例えば、各層の屈折率は、透明電極６１に用いられるＩＴＯ：１．９、ゲート絶縁膜１３に用いられるＳｉＯ２：１．４６、ＳｉＮ：２．０、有機発光層６３などの有機層：１．７程度である。このように、半透過膜６９と対向電極６６の間の各層の厚みに対応する屈折率を乗算して合計した光学的厚みを取り出し対象とする光の波長に対応したものに設定することで、半透過膜６９と、対向電極の間が微小共振器として作用し、対象とする波長の光を効率的に取り出すことができる。すなわち、有機発光層６３からの光は、半透過膜６９と、対向電極の間において、繰り返し反射し、特定の波長の光が選択的に半透過膜６９を透過して射出される。また、この微小共振器内において、反射を繰り返すことで、特定周波数の光が射出される確率が上昇して、効率を上昇することができる。
さらに、本実施形態においては、相関絶縁膜１５と平坦化膜１７との間にカラーフィルタ７０を配置してある。このカラーフィルタ７０は、液晶表示装置やＣＣＤカメラなどに利用されるものと同様に、顔料を混合した感光性樹脂や、ポリマーが利用可能である。
カラーフィルタ７０は、透過する光の波長を限定するものであり、透過光の色を確実に制御することができる。本実施形態では、上述のように微小共振器により、半透過膜６９を通過する光を限定しているので、基本的にはカラーフィルタ７０は不要であり省略しても構わない。
しかし、微小共振器は、基本的に半透過膜６９の表面に対し直交する方向からきた光についての波長を規定する。従って、射出する光の波長が視野方向に大きく依存し、パネルを斜めから見た場合に色が変化しやすい。本実施形態のようにカラーフィルタ７０を設けると、ここを透過する光は確実に特定波長のものになり、パネルの視野角依存性をほぼなくすことができる。
なお、カラーフィルタ７０は、相関絶縁膜１５上に限らず、ガラス基板３０の上面や下面などに形成してもよい。特に、ガラス基板３０の上面には、駆動ＴＦＴへ外光が照射されるのを防止するために、遮光膜を形成する場合も多い。この場合には、同様の工程でカラーフィルタ７０を形成することができる。
図２には、ＲＧＢの３つの画素が模式的に示してある。このように、１色の画素についてのみ半透過膜６９を設け、他の色の画素については、半透過膜６９を設けていない。これは、半透過膜６９から対向電極６６までの距離が、１色（この例では赤Ｒ）についての微小共振器を形成するように構成されているからであり、１色については微小共振器により、その色の光が強められて半透過膜６９を通過する。一方、他の色については発光したものがそのまま下方に向けて放出される。
ＲＧＢの３色の発光は、有機材料の変更によって得られるが、各有機材料に発光効率（発光量／電流）は、それぞれ異なっている。そこで、発光効率の最も低い色の画素について微小共振器により光を強めることによって、より均一な発光が得られ、発光させるための電流を調整することができ、色別の有機ＥＬ素子の寿命を平均化することができる。
ここで、本実施形態では、カラーフィルタ７０を有している。そこで、各画素の発光色は、白色でも構わない。この白色の発光を可能とするために、有機発光層６３は、図３に示すように、青色の発光層６３ｂと、オレンジの発光層６３ｏの２層構造とする。これによって、両発光層６３ｂ、６３ｏの境界付近で、ホールと電子の結合に基づく発光が起こり、これによって青とオレンジの両方の色の光が発生し、両者があわさって白色の光が射出されることになる。なお、オレンジ色の有機発光層６３ｏとしては、ＮＰＢ＋ＤＢｚＲ等が用いられる。
このように、白色の有機発光層６３を利用すれば、有機発光層６３を全面に形成することができ、画素毎に分割する必要がなくなる。従って、マスクを使用することなく、材料を蒸着するだけでよくなる。なお、この場合は、透明電極６１の厚みを変更し、微小共振器の光学長をすることも好適である。これによって、透明電極６１上に形成する膜について、すべてマスクを使用せずに全面に形成することができ、製造が極めて容易になる。
そして、本実施形態では、白色の光の中で最も発光効率の悪い発光材料の色の光が微小共振器で増強選択され、かつカラーフィルタ７０で選択された射出される。
すなわち、図４に示したように、すべての画素で透明電極６１の下面から陰極６６の下面までの距離が一定になっている。そして、この距離は、１つの色（例えば、Ｇ（緑））を選択増強する光学長になっており、他の色（例えば、Ｒ（赤），Ｂ（青））の画素については、半透過膜６９を設けていない。
この構成では、Ｇの画素においては、上述のように白色光について、微小共振器で特定色（緑）が取り出され、これが緑のカラーフィルタ７０を通過して射出される。一方、他の色（赤、青）の画素では、白色光が有機発光層６３から射出され、これがカラーフィルタ７０を通過することで、所定の色（緑または青）になり、射出する。
この実施形態によれば、各画素の相違点は、半透過膜６９を設けるか、設けないかだけであって光学長の設定が容易であり、製造が非常に容易になる。そして、１色については、微小共振器を利用して光を増強できる。２色発光による白色では、３原色のうち１色について、他の２色より弱くなりやすい。そこで、強度の弱い１色について微小共振器を利用することで、適切なカラー表示が行える。例えば、青と、オレンジの２層の発光の場合、図５に示すように、緑色の光の強度が、他に比べ弱くなる。そこで、緑色の画素について、半透過膜６９を設け、緑色の光を増強する微小共振器とする。これによって、効果的なカラー表示が行える。
上述の実施形態では、ガラス基板３０から光を射出するボトムエミッションタイプとしたが、光を陰極側から射出するトップエミッションタイプとすることもできる。
図６には、トップエミッションタイプの画素部の構成が示されている。この例では、陰極として、ＩＴＯで形成された透明陰極９０が利用され、この透明陰極９０の下面に半透過膜９１が配置されている。
また、透明電極６１の下側には金属反射層９３が設けられ、この金属反射層９３の表面と半透過膜９１の間が微小共振器として機能する。
また、この場合には、カラーフィルタ７０は、封止基板９５の下面に設けられる。なお、封止基板９５は、基板３０と周辺部のみで接続され、有機ＥＬ素子などが形成された基板３０の上方空間を封止するものである。なお、この図６の構成は、上述したいずれの構成においても、適用することができる。
また、上述の例では、ＴＦＴとして、トップゲートタイプのものを説明したが、これに限らずボトムゲートタイプのものを利用することもできる。
ここで、図７〜図１０に、本実施形態の構成例を模式的に示してある。なお、これらの図においては、説明を簡単にするために、特徴的な構成のみを示してある。
図７は、１色のみについて、半透過電極を設け微小共振器（マイクロキャビティ）を形成する例である。この例では、青色の有機発光層（青色ＥＬ）の画素についてのみ、半透過電極を設け、微小共振器を形成しており、緑色の有機発光層（緑ＥＬ）および赤色の有機発光層（赤色ＥＬ）については、透明電極を設け有機発光層からの光をそのまま射出する構成になっている。なお、有機発光層の下側には、全面に反射電極を設けており、ここで有機発光層からの光を反射させ透明電極から射出するように構成している。
図８は、白色で発光する有機発光層（白色ＥＬ）を全面に設けている。そして、緑色のカラーフィルタ（緑ＣＦ）、青色のカラーフィルタ（青ＣＦ）、赤色のカラーフィルタ（赤ＣＦ）の下方には、半透過電極、透過電極、透過電極をそれぞれ配置している。これによって、半透過電極を配置した緑ＣＦによる緑色の画素についてのみ微小共振器（マイクロキャビティ）が形成される。従って、緑色の画素については、白色ＥＬからの白色光について、緑色の光線が増強され、かつその光線が緑ＣＦによって、緑色に限定されて射出される。一方、白色ＥＬからの白色光が青ＣＦによって青色に限定され、また赤ＣＦによって赤色に限定されて射出され、ＲＧＢの表示が行われる。
図９は、２色について、半透過電極を設け微小共振器（マイクロキャビティ）を形成するとともに、有機発光層として青色ＥＬ、緑ＥＬ、赤色ＥＬの３色の有機発光層を設ける例である。すなわち、青色および緑色の画素については、半透過電極を設け微小共振器を形成し、赤色については、透過電極を設けて有機発光層（赤色ＥＬ）からの赤色の光線をそのまま射出するようにしている。
図１０は、ＲＧＢの３色について、半透過電極を設け微小共振器（マイクロキャビティ）を形成するとともに、有機発光層として青色ＥＬ、緑ＥＬ、赤色ＥＬ、白色ＥＬの４色の有機発光層を設ける例である。すなわち、赤色、緑色、青色の画素については、半透過電極を設け微小共振器を形成し、白色については、透過電極を設けて有機発光層（白色ＥＬ）からの白色の光線をそのまま射出するようにしている。
１１ バッファ層、１３ ゲート絶縁膜、１５ 相関絶縁膜、１７ 平坦化膜、２２ 能動層、２２ｃ チャネル領域、２２ｄ ドレイン領域、２２ｓ ソース領域、２４ ゲート電極、２６ ドレイン電極、３０ ガラス基板、５３ ソース電極、６１ 透明電極、６２ ホール輸送層、６３ 有機発光層、６４ 電子輸送層、６５ 有機層、６６ 対向電極、６７ 平坦化膜、６９ 半透過膜、７０ カラーフィルタ、７１ ＳｉＮ膜、９０ 透明陰極、９１ 半透過膜、９３ 金属反射層、９５ 封止基板。
Claims (11)
- 有機層を第１および第２電極間に備え、第１および第２電極間に電圧を印加することで有機層に電流を流し発光する有機ＥＬ素子を有する画素を複数配列して形成された有機ＥＬパネルであって、
前記画素は、互いに異なる色の光を射出する複数色の画素があり、
かつ、特定の少なくとも一色の画素について、前記有機層から射出される光を所定の光学長の範囲内で繰り返し反射させ、これによって特定の波長の光を増強選択する微小共振器を設け、
他の少なくとも一色の有機ＥＬ素子については、微小共振器を設けず、有機層から射出される光をそのまま射出することを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項１に記載の有機ＥＬパネルにおいて、
前記画素の有機ＥＬ素子には、赤、緑、青の３色で発光するものがあり、この中で発光効率の最も悪い色についての有機ＥＬ素子の画素について前記微小共振器を設けることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項１または２に記載の有機ＥＬパネルにおいて、
前記微小共振器は、反射層と、半透過層の間で光の反射を繰り返し、特定波長の光を半透過層から射出するものであり、
特定色の画素の有機ＥＬ素子については、半透過層を設け、他の色の画素の有機ＥＬ素子については半透過層を設けないことを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項１〜４のいずれか１つに記載の有機ＥＬパネルにおいて、
前記微小共振器は、
前記第１電極は前記有機層からの光を反射する半透過層を有し、
前記第２電極は前記有機層からの光を反射する反射層を有し、
前記反射層と、前記半透過層間の距離を、所定の光学長とすることで、前記有機層からの光を前記反射層と前記半透過層の間で繰り返し反射させ、これによって特定波長の光を増強選択して前記半透過層から射出することを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項４に記載のパネルにおいて、
前記第１電極を半透過層と、透明電極の積層構造とし、前記第２電極を反射層として機能する金属電極とすることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項５に記載のパネルにおいて、
前記半透過層と透明電極のうち、透明電極が前記有機層側に配置されていることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項６に記載のパネルにおいて、
前記第１電極が陽極、前記第２電極が陰極であることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項４に記載のパネルにおいて、
前記第１電極を反射層として機能する金属膜と、透明電極の積層構造とし、前記第２電極を半透過膜と透明電極の積層構造とすることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項１に記載のパネルにおいて、
前記画素には、赤、緑、青の３つの色の画素が含まれ、前記有機ＥＬ素子は、白色の光を射出し、赤の画素には赤のカラーフィルタ、緑の画素には緑のカラーフィルタ、青の画素には青のカラーフィルタが設けられることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項９に記載のパネルにおいて、
画素の中で発光効率の最も悪い色についての画素について前記微小共振器を設けることを特徴とする有機ＥＬパネル。 - 請求項１に記載のパネルにおいて、
前記画素には、赤、緑、青および白の４つの色の画素が含まれ、白の画素については、微小共振器を設けずに、白色発光の有機ＥＬ素子を設け、その有機ＥＬ素子からの白色光をそのまま射出することを特徴とする有機ＥＬパネル。
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