JP4839867B2

JP4839867B2 - 発光素子及び表示装置

Info

Publication number: JP4839867B2
Application number: JP2006026487A
Authority: JP
Inventors: 俊明田中; 政男清水; 伸今村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: JP2007207633A

Description

本発明は、発光素子及びこれを用いた表示装置に関する。

従来の有機発光素子技術では、発光層に青色と橙色の２色のドーパントを添加することにより、白色光のスペクトルが実現されており、白色照明光源やバックライト光源にできている。白色光源の特性を向上させる、公知例として以下の内容が知られている。特許文献１の公知例では、色変換層に蛍光体層を用いて共振器を設定したマイクロキャビティ構造により、特定の波長領域の光取り出し効率を向上させる発光装置について示している。他の公知例の特許文献２では、有機発光素子から放出される光エネルギーの一部を吸収する蛍光体層を設けることにより、混色した白色光のスペクトルを生成する、大面積の有機発光デバイスを提供することを記述している。他公知例の特許文献３では、有機発光素子の基板外側に色素蛍光層と拡散層を設けることにより、発光効率が良好で色度バランスに優れた白色面発光体を提供することを記述している。特許文献４では、有機層に直接接して、色変換層として蛍光体層を導入した有機電界発光素子により、白色を含む所望の発光色を有する光源を提供することを述べている。特許文献５では、蛍光色素を光透過媒体に分散した高効率の白色蛍光変換膜を提供することについて述べている。

特開平８−１００１７３号公報特開２００４−３２７４４３号公報特開２００３−１７３８７７号公報特開２００２−２３１４５１号公報特開２００５−７９０１４号公報

上記従来技術では、有機発光素子において、有機色素層や蛍光体層を色変換層として設けて混色することにより、白色光スペクトルを有する白色光源を達成する手段を用いている。発光層外部にマイクロキャビティを設けることにより、指向性と効率向上を図った特定波長の光を出射する手段としている。これらにより、薄型軽量の白色光源を実現し、色度バランスや効率を向上させた発光装置を提供するとしている。

しかしながら上記従来技術の構成では、有機発光素子をベースとした薄膜軽量の白色光源において、十分な高効率，低消費電力を実現することはできない。

本発明では、有機ＥＬを用いた白色光源において、発光効率，輝度分布の均一性を向上することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために導入した手段について以下説明する。

本内容において、まず白色光源を実現するために、適用した構成について述べる。有機発光素子を励起光源として、有機発光素子を構成する透明な基板上に塗布した無機材料の蛍光体膜を励起することにより、白色光スペクトルを得ることができる。即ち、有機発光素子の青色波長域（具体的には、３８０ｎｍ〜５００ｎｍ）の発光スペクトルと、その青色光により励起される蛍光体膜の、緑色から赤色の広い波長域（具体的には、５００ｎｍ〜７００ｎｍ）にわたる蛍光スペクトルとを混色させることにより、色再現範囲を拡大していく手段を適用した。

本内容で適用した蛍光体膜は粒子状の材料からなり、蛍光スペクトルのピーク値ができるだけ大きく半値幅が狭くなるように、粒子サイズや粒子密度、及び蛍光体膜の膜厚を適切に設定してある。これにより、得られる白色光の発光きどを最大限引き出し、バランスのよい色再現範囲を可能とする上に、拡散光として放射角度分布を均一にして視野角特性を拡大させた白色光を得ることができる。

また本内容では、有機発光素子の発光を効率よく励起光として活用するために、蛍光体膜を固定してある基板に周期的な溝を設定してある構成とした。設定した周期的な溝により、通常蛍光体を励起せずに透過してしまう励起光を反射光として再利用できるようにした。これにより、蛍光体に対する励起効率が向上し、白色光の輝度を大きくでき発光効率を実効的に改善できる。蛍光体膜と基板溝の配置関係をよく考慮して設計することによって、効率の高い白色光源とする構成を実現できる。

本発明の構成は、ディスプレイ装置の光源としても構成できる。本発明の有機発光素子と蛍光体膜による白色光源をカラーフィルタと組み合わせることにより、各ＲＧＢ対応の画素分割して有機ＥＬディスプレイ装置として機能させることが可能である。

本発明の構成により、白色光源として照明や液晶バックライトに適用でき、またカラーフィルタとの組み合わせにより有機ＥＬディスプレイ装置を構成することが実現可能となる。

本発明により、従来よりも発光効率，輝度分布の均一性を向上した白色光源を実現することができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。

本発明の第１の実施例を従来例と比較して以下に説明する。

本実施例では、トップエミッション型の有機ＥＬ発光素子に適用した場合を示し、従来例のように青色及び橙色ドーパントを有機発光ホスト層に添加導入するのではなく、励起光源として、青色ドーパントをホスト層に添加導入した青色有機発光層を有する有機発光素子を作製する。

図１に示す従来技術の白色光源と図２と図３に示す本実施例における白色光源の構成における違いを以下に述べる。従来技術による白色有機発光素子は、図１において、透明ガラス基板１の上に、ＬｉＦ／ＡｌＮｄ電極２，電子注入有機層３，電子輸送有機層４，橙色ドーパントと青色ドーパントを添加した有機発光層５，正孔輸送有機層６，正孔注入層７を形成し、インジウム亜鉛の酸化物であるＩＺＯ透明電極８を形成する。その後、シール剤９を用いて、封止ガラスの基板１０により有機層を密閉して素子を形成する。

本発明の基盤となる白色有機発光素子は、図２において、透明ガラス基板１の上に、
ＬｉＦ／ＡｌＮｄ電極２，電子注入有機層３，電子輸送有機層４，青色ドーパントを添加した有機発光層５，正孔輸送有機層６，正孔注入層７を形成し、インジウム亜鉛の酸化物であるＩＺＯ透明電極８を形成する。別に、有機発光素子の青色発光（３８０ｎｍ〜500ｎｍの波長域の光）により光励起が可能であり、緑色から赤色波長域（５００ｎｍ〜700ｎｍの波長領域の光）の蛍光スペクトルを有する無機材料の蛍光体粒子を樹脂に分散した形で封止ガラスの基板１０に塗布して焼成したものを作製する。蛍光体粒子を構成する材料には、希土類イオンとしてＣｅイオンやＥｕイオンやＹｂイオン他にＳｍイオンなどを含有しており、母体材料としてはＧｄＡｌＧａＯ酸化物やＹＧｄＡｌＧａＯ酸化物、その他窒化物材料なども用いることが挙げられる。その後、シール剤９を用いて、無機蛍光体膜１１を塗布した封止ガラスの基板１０をシールすることにより有機層を密閉して素子を形成する。この際、無機蛍光体膜１１はＩＺＯ透明電極８に接近して対向する形で設定されており、透明電極と接している形で設定されていてもよい。

本発明では、上記の構成に基づいて、蛍光体膜を光励起することにより白色光源となる有機発光素子を提供できる。この白色光源は、薄型軽量で大面積白色光源に適用でき、照明やバックライト光源に応用できる。また上記白色光源とカラーフィルタを組み合わせることにより、各ＲＧＢ画素を構成したディスプレイ装置を実現することができる。更に本発明の白色有機発光素子をディスプレイ装置の画素サイズに適用すると、カラーフィルタとの組み合わせにより、有機ＥＬディスプレイ装置として機能させることが可能である。本内容の構成において、白色光のスペクトルの制御や色度及び色再現範囲の調整を行うことにより、所望の白色光源や殻フィルタとの組み合わせによる有機ＥＬディスプレイ装置を構成することが期待できる。

本発明の第２の実施例を説明する。

本実施例における構成は、さらに溝加工基板１２を上記トップエミッション型の有機
ＥＬ発光素子に適用する構成で設けられており、図３において溝加工基板１２を封止基板として有機層を密閉して素子を形成する。

溝加工基板１２の溝は、直線状或いは格子状に設けられている形状を有している。また、溝の深さは本実施例では、図３に示すように、溝加工基板の形成してある溝のある面とは反対側に、粒子からなる無機蛍光体膜１１を設けている。蛍光体膜の粒子サイズは、粒成長を適切に制御した粒子サイズを設定してあり、所望の粒子サイズとしては、適切な範囲として０.２ミクロンから２０ミクロンの範囲であり、望ましくは０.４ミクロンから８ミクロンの範囲に設定してあるものである。本実施例では、図３に示す構成において、有機発光素子の青色光は、まず蛍光体の励起光となり、蛍光体の緑色から赤色の蛍光スペクトルと混色することにより、白色光を呈する光源を提供するものである。さらに、蛍光体は粒子状であるので、有機発光素子の励起光の一部は、蛍光体粒子間を通過してしまう成分が生じる。しかしながら、蛍光体粒子間を通過した光は、溝加工を施した封止基板の三角形状の斜辺に対して反射して、再度蛍光体膜を塗布してある面に戻ってくるように設定してある。溝加工を施してある三角形状の斜辺は、水平方向から約４５°（４０°以上
５０°以下）或いは１３５°傾斜している面であることが適切である。また、加工してある溝の形状は、直線状であるか或いは格子状に溝が形成してあるが、格子状に溝が形成してある方が望ましい。また、基板に加工形成される溝は、鋸状の形状を有しており、溝の深さをｈとし、鋸状の頂点の周期ピッチをｄとして、鋸状の頂角をθとしたときに、ｈ＝ｄ／(２tanθ) で表される深さを有しているように、溝が加工されていることが望ましい。基板に加工形成される溝の深さは、０.２μｍから５０μｍの範囲に設定することにより、上記の蛍光体膜を構成する粒子サイズの所望の範囲をカバーできる。これにより、蛍光体膜を構成する粒子を基板に対して安定に固定できるようになる。

溝加工基板の効果は、同じ青色有機発光素子を励起源として、正面方向からの輝度を測定比較することにより、明らかにできた。図４に示すように、図２の加工を施していない平面基板上に蛍光体膜を塗布した場合と、図３の溝加工を施した基板上に蛍光体膜を塗布した場合において、それぞれ３素子ずつ輝度電流特性を比較した。ここで、図４では直線状の溝加工を施した素子を測定評価している。この結果、平面基板上に蛍光体膜を塗布した場合よりも、溝加工基板上に塗布した蛍光体膜を有する素子の方が約１.６倍以上輝度を向上できていることが判った。このことより、溝加工基板による励起光は少なくとも約１.６倍活用できており、光子数はリサイクルにより有効活用できていることが示された。結局白色光源として、輝度効率が約１.６倍以上に改善できていることが見出された。図５では、図２の加工を施していない平面基板上の場合と、図３の溝加工を施した基板上の場合において、素子の電流効率と電流密度の関係を測定した結果を示す。測定した電流密度の範囲において、平坦基板上の場合に比べて溝加工基板上での素子は約１.６倍以上電流効率が向上できている。また図６に示す、素子の電力効率と輝度の関係を測定した結果では、測定した輝度の範囲で電力効率が向上できている。素子の輝度が１０００ｃｄ／ｍ²においても、平坦基板上の場合に比べて溝加工基板上での素子は約１.５倍以上の電力効率が得られている。これらにより、本発明の溝加工基板は素子の効率改善に有効であることが示された。さらに、図７に示す蛍光スペクトルの比較では、平坦基板上に比べて溝加工基板上での素子がより低い動作電圧で同じ強度の蛍光スペクトルが得られていることが見出された。規格化したスペクトルの形状では、溝基板の効果を反映して、励起光である青色波長域のスペクトル強度が大きく、有効に光励起源として活用されていることを示している。また平坦基板上での素子に比べて、赤色波長域のスペクトル強度を大きくさせることができる長波長側のスペクトルを強調する効果があることが見出されている。これにより赤色波長域の強調効果が期待できることを示している。

このように、本実施例では溝加工基板を適用することにより励起効率を改善して電流及び電力効率を向上させた白色光源が期待できる。また有機発光素子の励起光を再利用することにより、正面輝度は約１.６倍以上向上することができる。

本発明の第３の実施例を図８と図９を用いて説明する。

本実施例の素子は、実施例１と同様に作製し、トップエミッション型の有機発光素子に適用した場合を図８に示す。本実施例の白色有機発光素子は、図１と同様にして、従来技術による白色有機発光素子の構成として、透明ガラス基板１の上に、ＬｉＦ／ＡｌＮｄ電極２，電子注入有機層３，電子輸送有機層４，青色ドーパントを添加した有機発光層５，正孔輸送有機層６，正孔注入層７を形成し、インジウム亜鉛の酸化物であるＩＺＯ透明電極８を形成する。別に、有機発光素子の青色発光により光励起が可能であり、緑色から赤色波長域の蛍光スペクトルを有する無機材料の蛍光体粒子を樹脂に分散した形で、溝加工を施した溝加工基板１２に塗布して焼成したものを作製する。この際、蛍光体膜は、溝加工基板１２の溝のある面と反対側の両方の面に塗布して形成する。

蛍光体粒子を構成する材料には、希土類イオンとしてＣｅイオンやＥｕイオンやＹｂイオン他にＳｍイオンなどを含有しており、母体材料としてはＧｄＡｌＧａＯ酸化物や
ＹＧｄＡｌＧａＯ酸化物、その他窒化物材料なども用いることが挙げられる。その後、シール剤９を用いて、無機蛍光体膜１１を塗布した封止ガラスの基板１０をシールすることにより有機層を密閉して素子を形成する。この際、無機蛍光体膜１１はＩＺＯ透明電極８に接近して対向する形で設定されており、透明電極と接している形で設定されていてもよい。

本実施例では、実施例１と同様に作製できる上に、出射面となる側にも粒子状の蛍光体が塗布されているため、出射光の拡散性を向上できることが期待できる。図９に示したように、本実施例の素子のように溝加工した基板の両側の面に蛍光体膜を塗布した場合、片面側の場合に比べて、低角度側での相対輝度を向上でき、輝度の視角依存性を改善できていることが判る。また図９には、完全拡散光のLambertian放射角分布を規格化して示すが、これと比較すると、本実施例の素子の放射角分布は、拡散光によるLambertian光強度分布に沿った形に制御できていることが判る。これらは、粒子状の蛍光体を適切なサイズに制御していることに基づいて、光学的損失を抑制しながら、拡散光として取り出すことができ、半減となる相対輝度の大きさは角度±６５°程度まで確保できている。

この結果、本実施例では効率の向上と視角特性の改善を両立化させることができ、また液晶バックライト光源に用いたときに、通常設定する拡散フィルムを省略することができ、光学フィルムを簡略して薄型で低コストへの効果も期待できる。

本発明の第４の実施例を図１０を用いて説明する。

本実施例で述べる素子は、実施例１〜３とは構成が異なる、ボトムエミッション型の有機発光素子に適用した場合を図１０に示す。図１０に示すように、溝加工基板１３の上に、インジウム錫酸化物ＩＴＯ透明電極１４，正孔注入層１５，正孔輸送有機層１６，青色ドーパントを添加した青色発光有機層１７，電子輸送有機層１８，電子注入有機層１９，ＬｉＦ／Ａｌ電極２０を形成する。別に、有機発光素子の青色発光により光励起が可能であり、緑色から赤色の波長域の蛍光スペクトルを有する蛍光体粒子を樹脂に分散した形で、溝加工を施した溝加工基板１３に塗布して焼成したものを作製する。この際蛍光体膜は、溝加工基板１３の溝のある面と同じ面に塗布して形成する。

溝加工基板１３は、最初から溝形成した加工基板を用いてもよく、最初上記有機層を形成するまでは平坦な基板としておき、有機層を形成して封止ガラスの基板１０をシールした後に、溝加工を施してもよい。

本実施例では、溝加工基板側からボトムエミッションとして出射光が得られ、蛍光体粒子を励起して白色光を達成できる。さらに拡散光として得ることができるので、実施例２のような効果がある。また、励起光を再利用して励起効率を向上させるため、蛍光体膜を溝加工基板１３の有機層側にあらかじめ埋め込んだ構造を設けるか、ＩＴＯ透明電極１４に蛍光体粒子を埋め込んだ構造をとってもよい。これにより、白色光源の輝度効率を向上させることができる。

本発明の第５の実施例を図１１から図１３を用いて説明する。

本実施例では、小型液晶ディスプレイパネルのバックライト光源を構成する白色有機発光素子を提供する。本実施例では、上記実施例による白色光源を用いて、図１１に示す薄型軽量のバックライト光源を適用することができる。本発明の有機発光素子の白色光源
２１を用いると、図１１に示すような構成をとり、光源から出射した発光線２２は主に垂直方向に進行し、直接正プリズムシート２３へ導入されて、上方向の光強度を増大しながら、拡散フィルム２４を通過した後、偏光板２５を両側に配置した、薄膜トランジスタとカラーフィルタを有する液晶層２６からなる液晶パネルへと導かれる。このように、光学系とバックライト光源を簡易な配置構成で、薄型軽量の小型液晶ディスプレイ表示装置を提供することができる。

従来のバックライト光源の構成については、図１２に一例を示す。このバックライト光源では、薄膜配線フィルム２７上に白色ＬＥＤ素子２８を固定した構成で、光源から出射した発光線２２を導光板２９に導く。白色ＬＥＤ素子２８から出射された発光線２２は導光板２９を通って、斜め方向に進行して、拡散シート３０を通して拡散光とした後、正プリズムシート２３へ導入されて、拡散フィルム２４を通過した後、偏光板２５を両側に配置した、薄膜トランジスタとカラーフィルタを有する液晶層２６からなる液晶パネルへと導かれる。

本実施例では、蛍光体膜から生成する拡散光を十分活用できるので、白色光源の上部に設ける拡散シートを除くことが可能となる。即ち、従来素子と比較して、本発明の有機発光素子の白色光源２１を用いると、拡散シート３０を除去した光学系の構成とすることが可能となる。白色光源に有機発光素子を用いることにより、発光ダイオード素子よりも薄型軽量にできる上に、光学拡散シートを簡略化できるので、液晶ディスプレイ装置の薄型化と低コスト化に貢献できる効果がある。

本実施例の構成は、ディスプレイ装置の光源としても構成できる。本発明の有機発光素子と蛍光体膜による白色光源を各ＲＧＢに対応するように画素分割して、カラーフィルタと組み合わせることにより、有機ＥＬディスプレイ装置として機能させることが可能である。図１３に示す携帯電話用などの小型ディスプレイ装置において、本実施例の白色バックライト光源を用いて、カラーフィルタと組み合わせた有機ＥＬディスプレイ表示パネル３１を構成し、回路配線３２と駆動電源３３により動作させることが可能である。

本発明の構成は、白色光源として照明や液晶バックライトに適用できる構成とすることができるだけでなく、カラーフィルタとの組み合わせにより有機ＥＬディスプレイ表示装置を構成することが可能となる。

本発明は、照明及び液晶バックライト用の白色光源装置や、有機ＥＬ発光素子や有機
ＥＬディスプレイ表示装置に適用できる。

従来技術による白色有機発光素子の断面図。本発明に対する透明基板の構成比較断面図。本発明における透明基板の構成断面図。本発明実施例白色光源に対して測定した輝度電流特性を比較した結果を示す図。本発明実施例白色光源に対して測定した電流効率／電流密度特性を比較した結果を示す図。本発明実施例白色光源に対して測定した電力効率輝度特性を比較した結果を示す図。本発明実施例白色光源に対して測定した蛍光スペクトルを比較した結果を示す図。本発明における他実施例を示す図。両面及び片面無機蛍光体塗布膜による相対輝度の視角依存性を測定した結果を示す図。本発明における他実施例を示す図。本発明による白色光源を用いた小型液晶ディスプレイ装置の断面を示す図。従来技術による白色光源を用いた小型液晶ディスプレイ装置の断面を示す図。本発明の白色光源を用いたバックライト光源を有する有機ＥＬディスプレイ表示装置。

符号の説明

１，１０…基板、２…ＬｉＦ／ＡｌＮｄ電極、３，１９…電子注入有機層、４，１８…電子輸送有機層、５…有機発光層、６，１６…正孔輸送有機層、７，１５…正孔注入層、８…ＩＺＯ透明電極、９…封止シール剤、１１…無機蛍光体膜、１２，１３…溝加工基板、１４…ＩＴＯ透明電極、１７…青色発光有機層、２０…ＬｉＦ／Ａｌ電極、２１…無機蛍光体塗布膜付き有機発光素子白色光源、２２…発光線、２３…正プリズムシート、２４…拡散フィルム、２５…偏光板、２６…薄膜トランジスタ及びカラーフィルタ付き液晶層、２７…薄膜配線フィルム、２８…白色ＬＥＤ素子、２９…導光板、３０…拡散シート、３１…有機ＥＬディスプレイ表示パネル、３２…回路配線、３３…駆動電源。

Claims

第１の基板と、
前記第１の基板上に形成される有機発光素子と、を有し、
前記有機発光素子は前記第１の基板と、シール剤と、第２の基板とにより封止されており、
前記第２の基板の前記有機発光素子に近い側の面には無機蛍光体粒子からなる無機蛍光体膜が形成され、
前記有機発光素子は、第一の電極と、電子輸送層と、有機発光層と、正孔輸送層と、第二の電極との積層構造を有し、
前記第一の電極及び前記第二の電極のうち、前記無機蛍光体膜に近い電極は透明電極であり、
前記第２の基板の前記有機発光素子に対して遠い側の面には溝が形成され、
前記第２の基板に形成された溝は、傾斜面からなる鋸状の形状を有し、
前記有機発光素子は、前記第２の基板へ光を出射する白色光源。
前記有機発光層は３８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長域の光を出射し、
前記無機蛍光体膜は前記有機発光層からの光の一部を吸収し５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域の光を出射する請求項１に記載の白色光源。
前記有機発光層が出射する３８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長域の光と、前記無機蛍光体膜が出射する５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域の光との混色により白色光を出射する請求項２に記載の白色光源。
前記第２の基板の溝を形成した面には無機蛍光体粒子が形成される請求項１に記載の白色光源。
前記溝の深さは０.２μｍ〜５０μｍであり、
前記溝に形成された前記無機蛍光体粒子の直径は０.２μｍ以上２０μｍ以下である請求項４に記載の白色光源。
前記第２の基板に形成された溝は、周期的な繰り返し形状を有し、かつ線状又は格子状の凹凸形状である請求項５に記載の白色光源。
前記第２の基板に形成された溝における鋸状の凹凸の傾斜が４０°以上５０°以下である請求項５に記載の白色光源。
前記第２の基板に形成された溝の深さをｈとし、鋸状の頂点の周期ピッチをｄとして、鋸状の頂角をθとしたときに、ｈ＝ｄ／（２tanθ）で表される深さである請求項７に記載の白色光源。
前記白色光の放射角分布が、前記第２の基板の法線方向における相対輝度を１としたときのLambertian光強度分布となる請求項５に記載の白色光源。
第１の基板と、
前記第１の基板上に形成される有機発光素子と、を有し、
前記有機発光素子は前記第１の基板と、シール剤と、第２の基板とにより封止されており、
前記第１の基板の前記有機発光素子に遠い側の面には溝が形成されており、
前記第１の基板に形成された溝は、傾斜面からなる鋸状の形状を有し、
前記有機発光素子は、第一の電極と、電子輸送層と、有機発光層と、正孔輸送層と、第二の電極との積層構造を有し、
有機層は、電子輸送層，有機発光層および正孔輸送層からなり、
前記第一の電極及び前記第二の電極のうち、前記溝に近い電極は透明電極であり、
無機蛍光体粒子からなる無機蛍光体膜が前記有機層に埋め込まれているか、前記透明電極に無機蛍光体粒子が埋め込まれており、
前記有機発光素子は、前記第１の基板へ光を出射する白色光源。
前記第１の基板の溝の形成された面には無機蛍光体粒子が形成される請求項１０に記載の白色光源。
一対の基板と前記一対の基板間に配置する液晶層と、を有する液晶パネルと、
前記液晶パネルに光を供給する請求項１または１０に記載の白色光源と、を有する表示装置。
前記液晶パネルにおける一対の基板の一方には、カラーフィルタが備えられる請求項１２に記載の表示装置。