JP5595033B2

JP5595033B2 - 表示装置

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Publication number: JP5595033B2
Application number: JP2009294872A
Authority: JP
Inventors: 大輔山田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: US20110156991A1; US8294639B2; JP2011133779A

Description

本発明は、表示装置に関し、特に、回折素子を用いて光の取り出し効率を高めた表示装置に関する。

近年、蛍光性物質などを用いた電子放出素子型ディスプレイ・有機ＥＬディスプレイ・ＬＥＤディスプレイなどの自発光型表示装置の開発が進んでいる。
電子放出素子型ディスプレイは、電子源から放出させた電子を励起源とし、蛍光体などから成る発光層を励起して発光させ、外部に光を取り出す構成である。
有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤディスプレイは、励起源として電流を発光層に注入し、発光させ、外部に光を取り出す構成となる。
いずれの構成においても、発光層から射出した光は、前面板や電極などを介して外部に光を取り出す。
しかしながら、発光層、前面板、電極などの界面で屈折率差が生じるため、発光層から射出した光のうち臨界角以上の射出角の光は全反射を起こす。
このため、外部に光を取り出すことができず、光の取り出し効率が低くくなり、表示装置の輝度が低下する。

従来において、光の取り出し効率を向上させる手法として、発光層の表面側または裏面側に回折格子を形成し、発光層からの光を回折格子で回折させ、外部に効率よく光を取り出す方法が開発されている。
その際、特許文献１のように、発光層と回折格子の間に薄膜の中間層を形成することで、光の取り出し効率を高く、安定的に電極を作製し良好な発光状態をもたせる構造が提案されている。

特開２００４−３４９１１１号公報

しかしながら、前記特許文献１では、中間層は望ましくは５０ｎｍ以下とされているように薄膜で形成される構成となっている。
このような薄膜では、均一で平坦な中間層を形成しようとしても、回折格子の形状に引きずられ、中間層は凹凸形状となる。
中間層が均一で平坦でない凹凸形状となると、良好な発光層を形成するこが困難となり、内部量子効率が低下する。
また、発光した光の取り出し効率が画素または表示装置の面内で変化するため表示装置は輝度ムラが発生する。
このようなことから、中間層が凹凸形状とならないために、中間層の膜厚を大きく形成した方がよいが、一方では中間層を厚膜に形成すると、光の取り出し効率が低下するという課題が生じる。
また、中間層を厚膜で形成し均一で平坦な膜を製造した後に、ＣＭＰ法などにより薄膜化しても良いが、大画面を均一に加工することは困難であり、またコストも高くなる。

本発明は、上記課題に鑑み、発光層と回折素子の間に位置する中間層が、均一で平坦に作製することが可能な膜厚を有する一方、光の取り出し効率が高く、輝度ムラの低減化を図ることが可能となる表示装置の提供を目的とする。

本発明の表示装置は、発光層と回折素子の間に位置し、少なくとも１層以上の層で形成された中間層を備える表示装置において、
前記中間層は、膜厚が少なくとも５００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下で、平均屈折率が前記発光層の屈折率よりも大きく、
前記中間層の平均屈折率と前記中間層の膜厚との積で求められる値を前記中間層の光路長とするとき、該中間層の光路長が以下の式を満たすことを特徴とする表示装置。

但し、
ｍ：０以上の整数
λ_０：真空中の波長
ｎ_ｍ：前記中間層の平均屈折率
ｄ：前記中間層の膜厚、
ｎ_Ｌ：前記発光層の屈折率

本発明によれば、発光層と回折素子の間に位置する中間層が、均一で平坦に作製することが可能な膜厚を有する一方、光の取り出し効率が高く、輝度ムラの低減化を図ることが可能となる表示装置を得ることができる。

本発明の実施例１における表示装置の断面概略図。本発明の実施例１における規格化した光路長と光の取り出し効率の関係を示すグラフ。本発明の実施例１における表示装置の断面概略図。実施例１の光路長と光の取り出し効率の関係を示すグラフ。実施例１の光路長と光の取り出し効率の関係を示すグラフ。実施例２の表示装置の断面概略図。実施例３の表示装置の製造プロセスを表す図。実施例３の表示装置の製造プロセスを表す図。

本発明における表示装置を実施するための形態を、以下の実施例により図面を参照して説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

［実施例１］
実施例１として、図１を用いて本発明を適用した表示装置の構成例について説明する。
図１には、複数の画素で形成される電界放出素子型ディスプレイの単一画素の断面概略図が示されている。
本実施例の表示装置は、電子源１０１から放出させた電子１０２を、蛍光体から成る発光層１０３に照射し、各画素に対応した色の発光を放射させる。
放射した光は中間層１０４を介し、回折格子１０５で一部の光が回折されて外部に取り出される。回折格子１０５は面内で屈折率分布を有する構造とされている。
また、本実施例では中間層１０４を５００ｎｍ以上の膜厚で形成することで、回折格子１０５の形状に引きずられず均一に平坦な膜を作製することができる。
この中間層１０４の膜厚は、好ましくは７５０ｎｍ程度の膜厚とすることによって、画素における表示画面内でより均一で平坦な中間層を容易に形成することが可能となる。
但し、中間層は単一層に限らず１層以上の複数層で構成して、層ごとに凹凸形状を緩和させ、平坦化して作製してもよい。
また、中間層１０４を２０００ｎｍ以下の膜厚に形成することで、安定良く、低コストに作製することができる。２０００ｎｍ以上の膜厚で作製すると、画素間での膜厚誤差ばらつきが大きくなったり、原材料の増加やスループットの悪化によるコスト増加となる。
さらに中間層１０４の膜厚は、好ましくは１５００ｎｍ以下で作製することが望ましい。

このとき、光の取り出し効率ηは、以下の式（１）を満たす。

ここで、αは中間層での反射光間の位相差、η_０、Δηはそれぞれ光の取り出し効率の平均値、光の取り出し効率の変化量である。
η_０、Δηは発光層１０３、回折格子１０５などの屈折率により大きさを変化させることができる。
また、光の取り出し効率ηとは発光層１０３から等方的に放射した光が前面板１０６の外部（空気）に取り出される割合である。
図２に中間層での反射光間の位相差αと光の取り出し効率の関係を示す。

図３を用いて、光の取り出し効率が中間層での反射光の位相差αに応じて周期的に変化する原理を説明する。
発光層１０３と回折格子１０５の間に中間層１０４を形成すると、臨界角より大きな角で発光層から放射した光は、中間層または発光層の界面で多重反射し、中間層や発光層内に閉じ込められる。
閉じ込められた光は、中間層や発光層内を伝播しながら、回折格子と結合し外部に取り出される（図３（ａ））。
中間層の界面で多重反射する成分の位相が合致し強め合うとき（α＝（４ｍ＋１）π／２ｍは０以上の整数）、発光層から放射した光は中間層への閉じ込めが強くなる（図３（ｂ））。
中間層に閉じ込められた光は損失が少なく、回折格子との結合効率が高くなるため、光の取り出し効率が高くなる（図２領域１）。
一方、中間層の界面で多重反射する成分の位相が弱め合うとき、中間層への光の閉じ込めが弱くなり、発光層から放射した光は主に発光層に閉じ込められる（図３（ｃ））。
発光層に閉じ込められた光は、発光層内の蛍光体に再吸収されたり、裏面から放射されたり、画素端の吸収材料に到達し吸収される。
このように放射した光の一部が損失となるため、光の取り出し効率は低くなる（図２領域２）。
このようなことから、光の取り出し効率は中間層での反射光の位相差に応じて周期的に変化する。

ここで、中間層での反射光の位相差αは以下の式（２）で表される。

但し、ｎ_ｍは中間層の平均屈折率、ｄは中間層の膜厚、λ_０は真空中の波長である。
また、中間層の平均屈折率は、中間層の光路長を中間層の総膜厚で除した値とする。言い換えれば、中間層の平均屈折率と中間層の膜厚との積で求められる値が中間層の光路長となる。
また、θ_ｍは中間層を伝播する光の角であり、スネルの法則より以下の式（３）を満たす。

ここで、ｎ_Ｌは発光層の屈折率であり、θ_Ｌは発光層を伝播する光の角で８０°から９０°である。
つまり、θ_Ｌが８０°から９０°の光が、光の取り出し効率に寄与する。
これは、角θ_Ｌが大きいと発光層から放射する光量が大きくなるので、光の取り出し効率に寄与するためである。
また、初期位相（０．２π）は、中間層で発生するエバネッセント波と回折格子との結合により生じ、エバネッセント波の侵入長に起因している。

これらのことから、式（１）、（２）、（３）より、光の取り出し効率が中間層の光路長に応じて変化し、さらに、図２の領域１の範囲のとき、以下の式（４）を満たし、光の取り出し効率は高くなる。

一方、式（４）の範囲にない場合（図２の領域２）、光の取り出し効率は低くなる。
以上の結果より、式（４）を満たす範囲であれば、５００ｎｍ以上、且つ、２０００ｎｍ以下の膜厚で中間層を形成した構成においても、高い光の取り出し効率が得られる。
これにより、光の取り出し効率が高く、輝度ムラを低減させた表示装置を得ることができる。

つぎに、数値実施例について説明する。
発光層１０３は屈折率１．７から成り、中心波長５５０ｎｍで発光する蛍光体を含む層で構成される。
回折格子１０５は屈折率１．８、膜厚９５０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃に直径１４５０ｎｍの空孔を三角格子状に周期２３００ｎｍで形成する。
中間層１０４は透明電極と誘電体層の２層で構成する。透明電極は屈折率１．８のＩＴＯで形成し、誘電体層は、屈折率１．８のＡｌ₂Ｏ₃で形成する。

このとき、中間層１０４の光路長を変化させたときの光の取り出し効率の関係を図４に示す。図４の丸印は光線追跡の数値計算によって得られた値、点線は式（１）から得られた値（η_０＝５７．５、Δη＝２．５）である。
このとき、式（１）と数値計算がよく一致し、式（４）の範囲で光の取り出し効率が高くなる。

透明電極と、誘電体層の膜厚とを、それぞれ３００ｎｍ、８００ｎｍとすると（中間層の光路長は１９８０ｎｍ）、光の取り出し効率は５９．３％となる。
よって、光の取り出し効率は光取り出し効率の平均値（η_０＝５７．５％）より高く、中間層を挿入しないときの光の取り出し効率（５６．６％）より高くなる。
また、中間層の膜厚は１１００ｎｍで形成しているため、通常の積層プロセスで容易に均一で平坦な膜を作製できる。
以上より、光の取り出し効率が高く、輝度ムラを低減させた表示装置を得ることができる。

本実施例では、中間層１０４の平均屈折率は回折格子１０５の有効屈折率より大きい構成としたが、必ずしも回折格子の有効屈折率より大きい必要はない。
但し、中間層の平均屈折率が回折格子の有効屈折率より大きいと、発光層から放射した光が中間層に強く閉じ込める。
中間層に閉じ込められた光は損失が少なく、回折格子との結合効率が高いため、中間層の平均屈折率は回折格子の有効屈折率より大きい方が望ましい。
また、本実施例では、式（４）の正の整数ｍが２のときの構成としたが、必ずしも２以上である必要はなく、０または１であっても光の取り出し効率を高くすることができる。
しかしながら、正の整数ｍが２以上とすると、中間層の光路長が波長の２または３倍以上の長さとなる。
このとき、中間層に閉じ込められた光は中間層を十分に伝播することができるため、画素の面内で均一な光を取り出すことができるため望ましい。

また、本実施例では、中間層１０４にＩＴＯから成る電極を含む構成としたが、必ずしも、中間層に電極層を必要とせず、前面板と回折格子の間に電極を形成してもよく、回折格子を電極で形成してもよい。
しかしながら、発光層近傍に電極を形成したほうが、発光層の内部量子効率が向上するため望ましい。
また、本実施例では、中間層１０４にＡｌ₂Ｏ₃から成る誘電体層を回折格子１０５の側に膜厚８００ｎｍで形成した。
誘電体層を５００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下の膜厚で構成することで、誘電体層のみで均一で平坦な膜を作製することができる。
このため、作製プロセスが容易になり、また、低いコストで作製できる。
また、本実施例では、中間層を無機材料であるＡｌ₂Ｏ₃、ＩＴＯで形成したが、必ずしも無機材料のみで形成する必要はなく、有機材料を用いて形成してもよい。
但し、無機材料で形成すると、発光層で発生する熱にも強い構成となり、高い耐久性が得られるため望ましい。

つぎに、誘電体膜の膜厚と発光層１０３の発光波長のみが異なる場合の数値実施例について説明する。
発光層から放射する光の波長が４５０ｎｍ、６５０ｎｍのとき、中間層の光路長と光の取り出し効率は図５（ａ）（ｂ）に示すようになる。よって、誘電体層の膜厚をそれぞれ６００ｎｍ、９５０ｎｍに形成すれば光の取り出し効率はそれぞれ５７．５％、５５．３％となり、各画素で光の取り出し効率が高くなる。

［実施例２］
実施例２として、図６を用いて本発明を適用した表示装置の構成例について説明する。
図６には、複数の画素で形成される有機ＥＬディスプレイの単一画素の断面概略図が示されている。
本実施例の表示装置では、電極２０１と透明電極２０４に電位差を与え、電流を注入することで、発光層２０３を励起させ、各画素に対応した色の発光を放射させる。
放射した光は、中間層である透明電極２０４を介し、回折素子２０５で一部の光が回折され外部に取り出される。
回折素子２０５は、周期的な回折格子、対称性が高い準フォトニック結晶、非周期に配列された微粒子などの回折素子であればいずれの構成でもよい。

またこのとき、発光層２０３の発光波長が５５０ｎｍであれば、透明電極２０４の膜厚を６００ｎｍに形成すれば、光の閉じ込め効率は高くなる。
同様に、発光波長が４５０ｎｍ、６５０ｎｍであれば、透明電極２０４の膜厚をそれぞれ５００ｎｍ、７００ｎｍで形成すれば、光の取り出し効率は高くなる。以上の構成によれば、光の取り出し効率が高く、輝度ムラを低減させた表示装置を得ることが可能となる。

［実施例３］
実施例３として、図７を用いて、実施例１または実施例２などの製造プロセスについて説明する。
本実施例の製造プロセスにおいて、まず、ガラス基板（前面板）１０６に回折素子３０５を形成するため、材料１を積層する（図７（ａ））。
続いて、レジスト膜を蒸着またはスパッタし、所定位置に感光してレジストマスク３０７を形成する（図７（ｂ））。
その後、ＲＩＥなどのエッチング手法により、材料１を所定の深さまでエッチングし、アッシング等によりレジストマスク３０７を除去すする（図７（ｃ））。次に、材料１に形成した空孔に、誘電体などから成る材料２を埋めこむ場合、材料２を直進性のよいスパッタまたは蒸着等により埋めこむ（図７（ｄ））。
このとき、回折素子３０５の形状に引きずられ層３１４が凹凸形状となる。その後、層３２４を均一に作製するため、積層する膜厚を大きくする（図７（ｅ））。
膜厚を大きく形成するにつれ、凹凸形状が緩やかになり膜厚が５００ｎｍ程度以上大きくすると、ほぼ平坦な層３２４膜を形成することができる（図７（ｆ））。
続いて、必要に応じてＩＴＯなどの電極３１４を蒸着またはスパッタし、中間層３０４を形成する（図７（ｇ））。
その後、発光層３０３を形成し（図７（ｈ））、必要に応じて、電極または後面板を作製し表示装置を得る。

つぎに、図８を用いて、回折素子３０５が空孔を含む層で形成する場合について説明する。
材料１に形成した空孔に材料を埋め込まず空気で形成する場合、層３１４を形成するために、材料３を直進性のわるい蒸着またはスパッタ等により形成する。
層３１４が薄い場合、回折格子の形状に引きずられ層３２４は凹凸形状となる（図８（ａ））。
しかしながら、層３１４の膜厚を大きく形成するにつれ凹凸形状が緩やかになり（図８（ｂ））、やがて、平坦となる（図８（ｃ））。
その後、上記作製方法と同様のプロセスで表示装置を得る。

１、２、３：材料
１０１：電子源
１０２：電子
１０３、２０３、３０３：発光層
１０４、２０４、３０４：中間層
１０５、２０５、３０５：回折素子
１０６：前面板
１１４、２０１、３１４：電極
１２４：誘電体層
３０７：レジストマスク
３２４：層

Claims

発光層と回折素子の間に位置し、少なくとも１層以上の層で形成された中間層を備える表示装置において、
前記中間層は、膜厚が少なくとも５００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下で、平均屈折率が前記発光層の屈折率よりも大きく、
前記中間層の平均屈折率と前記中間層の膜厚との積で求められる値を前記中間層の光路長とするとき、該中間層の光路長が以下の式を満たすことを特徴とする表示装置。

但し、
ｍ：０以上の整数
λ_０：真空中の波長
ｎ_ｍ：前記中間層の平均屈折率
ｄ：前記中間層の膜厚、
ｎ_Ｌ：前記発光層の屈折率
前記中間層の平均屈折率は、前記回折素子の有効屈折率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記整数ｍが、２以上の正の整数であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表示装置。
前記中間層は、電極を含む層を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表示装置。
前記中間層は、前記回折素子の側に誘電体層を有し、該誘電体層は５００ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の表示装置。
前記中間層は、無機材料で形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の表示装置。