JPH0346791A

JPH0346791A - エレクトロルミネッセンス表示素子

Info

Publication number: JPH0346791A
Application number: JP1182105A
Authority: JP
Inventors: Kimio Amamiya; 公男雨宮; Masamichi Manabe; 真鍋　昌道; Yukio Tanaka; 幸男田中
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1991-02-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、電気信号に応答して発光するエレクトロルミ
ネッセンス表示素子に関する。

背景技術電気信号に応答して多色表示するカラー表示装置として
はブラウン管が広く利用されている。装置の薄型化のた
めに液晶型表示素子も開発されている。更に、完全固体
型として高輝度の発光が得られるエレクトロルミネッセ
ンス（以下ＥＬという）を用いた表示素子も開発されて
いる。

かかるＥＬＬ示素子は構造で分類すると、電極とＥＬ層
との間に絶縁層又は誘電層をもたない直流形と、電極と
ＥＬ層との間に絶縁層をもつ交流形とに分類され、該゛
交流形のものはドツトマトリクスＥＬ表示素子として適
している。

また、ＥＬＬ示素子を発光するＥＬ層で分類すると、Ｅ
Ｌ層物質の微粒子をバインダで結合させ塗布形成した分
散形と、ＥＬ層物質で蒸着、スパッタ等の薄膜形成方法
で成膜した薄膜形とに分けられる。

第１０図にＸ、Ｙマトリクス型の二重絶縁形交流ＥＬ表
示素子の概略断面を示す。該ＥＬＬ示素子は、ガラス透
明基板１上に、ＩＴＯ等の複数の透明電極２、第１絶縁
層３．ＥＬ層４、第２絶縁層５、電極２に交差する複数
の背面電極６を順に積層、形成したものである。ＥＬ層
４はＺｎＳ。

Ｚｎ５ｅ、ＣａＳ、ＳｒＳ等の■−■属金属化合物の半
導体物質を母体物質として数％の発光中心物質を含む層
である。

かかるＥＬＬ示素子の発光機構は、背面電極６と透明電
極２との間に電圧を印加して第１及び第２絶縁層５を介
してＥＬ層４に電界が印加される。

かかる印加電界によりＥＬ層４の発光領域Ａの母体物質
中に自由電子が発生し、電界での自由電子が加速されて
高エネルギー状態のホットエレクトロンになる。このホ
ットエレクトロンがＥＬ層４の発光中心物質を励起して
、励起状態の緩和により所定スペクトル分布を有する発
光をする。発光色はＥＬ層４の母体物質と発光中心物質
の組合せで決定される。例えば、ＺｎＳを母体物質とす
る場合、発光中心物質がＳｍでは赤色発光を呈し、同様
にＭｎでは黄色発光、Ｔｂでは緑色発光、Ｔｍでは青色
発光を呈する。

第１１図の背面電極６側から見た平面図に示すように、
かかるＥＬＬ示素子はＸ、Ｙマトリクスの構造なので、
交差した電極２．６間のＥＬ層４に画素すなわち発光領
域Ａが形成される。

しかしながら、ＥＬ層の発光領域Ａで生じた光のうち、
かなりの部分は第１０図の星印から発する光の如くＥＬ
層４、絶縁層３，５、ガラス基板１等の内部を横方向に
伝わり吸収されてしまい、外部へ取り出すことが出来な
い。これがＥＬＬ示素子の効率が良くない（ｌｊ！　ｍ
／ｗ程度）ことの原因のひとつとなっている。

これは、現在主流である母材がＺｎＳからなるＥＬ層４
とＹ２０３からなる絶縁層３，５とを有するＥＬＬ示素
子の場合、ＥＬ層４の屈折率が２゜３　（ＺｎＳ）とき
わめて大きく、絶縁層が屈折率１．８　　（Ｙ２０３　
）のものではその界面で全反射をおこすためである。こ
の現象によって失われる光量は全体の１７２〜２／３と
いわれている。

例えば、下記の第１表に各層の材質と屈折率を示した第
１２図に示す積層構造のＥＬＬ示素子における光路とそ
の表面から得られる光量を調べて試る。

尚、絶縁層３．５は各々誘電体層Ｂと保護層Ａとからな
っており、保護層ＳｉＯ２は誘電体であるＹ２Ｏ３を外
部から保護するために設けられ、絶縁層は多層化されて
いる。

第１表外部に導出できる光は各層間の界面における臨界角に依
存するので、各界面についての光路を求める。第１２図
の右に示すＥＬ層層内内１点Ｐから発した光は入射角θ
に応じて図中のＡ−Ｄの光路に分類できる。

Ａ）入射角５１．５０’以上の光ＡはＥＬ層（ＺｎＳ）
／誘電体層（Ｙ２０３　）の界面で全反射し、ＥＬ層内
に閉じ込められる。

Ｂ）入射角３９．０８°〜５１．５０　’の範囲の光Ｂ
は誘電体層（Ｙ２０３　）　／保護層（Ｓ　ｉ０２　）
の界面で全反射し、両誘電体層（Ｙ２０３　）及びＥＬ
層（ＺｎＳ）内に閉じ込められる。

Ｃ）入射角２５．７７　＠〜３９．０８°の範囲の光は
基板（Ｓ　ｉ　０２　）　／外部（空気）界面で全反射
し、基板〜保護層及び背面電極（Ａｇにより全反射）内
に閉じ込められる。

Ｄ）入射角０６〜２５．７７　＠の範囲の光りは外部へ
取り出される。

さらに、点Ｐから上方すなわち反射層６へ向かう点Ｐか
ら入射角θ−１５３，２３’〜１８０　’の範囲で放射
された光は、背面の保護層（ＳｔＯｚ）／電極（１！　
）の界面に達し、そこで反射されて入射角０〜２５．７
７°の光として外部へ取り出される。

同様に、入射角θ−α（９０°くα＜１８０’）で放射
された光は入射角θ−１８０”−αの光と同じふるまい
をする。

従って、直接外部へ取り出される光量は、上記Ｄ）に分
類される光のみが外部へ取り出される。

Ａ）〜Ｃ）に相当する光は、上述したようにＥＬ層４、
絶縁層３，５、ガラス基板１等の内部を横方向に伝わり
吸収されてしまい、外部へ取り出すことが出来ない。た
だし、Ａ）〜Ｃ）に相当する光が散乱により外部に取り
出され得ること、Ｄ）に相当する光でも膜界面で屈折率
差によって反射が生じたり、吸収が生じたりすることの
影響は考えない。またＰ点からの放射は等方的であると
している。

１点Ｐから頂角δの円錐が作る立体角は４π５ｉｎ２δ
／４である。従って上記Ｄ）に属する光量についてのＰ
点から等方的に放射する全発光量に対する割合は、δ−
２Ｘ　２５．７７　’及び上方へ放出される光も取り出
されることから、４π 従って、直接外部へ取り出し得る光量は、高々１０％で
あることが判る。尚、この値は、ＥＬ層の屈折率２．３
と外界（空気）の屈折率１．０との相対屈折率で決まる
ものであるから、平面積層膜構造をとる限り、この値を
大きくすることはできない。

発明の概要［発明の目的］本発明の目的は、ＥＬ表示素子の輝度の向上にある。

［発明の構成］本発明のＥＬ表示素子は、互いに対向する少なくとも一
対の電極と前記電極間に配置されかつ絶縁層により覆わ
れたＥＬ層とを有し、前記ＥＬ層の前記電極によって挾
まれる部分を発光領域とし、前記ＥＬ層の屈折率が前記
絶縁層のそれより大であるＥＬ表示素子であって、前記
ＥＬ層は前記発光領域毎に分離されかつその端面におい
ては前記ＥＬ層及び前記絶縁層の界面の法線方向に対し
て傾斜した傾斜面を有していることを特徴とする。

［発明の作用］発光領域毎に分離されたＥＬ層の端面において前記ＥＬ
層及び前記絶縁層の界面の法線方向に対して傾斜した傾
斜面を設けることにより、横方向に進行する発光の部分
を傾斜面にて全反射させて外部に取り出し、素子全体と
して増光を達成する。

実施例以下に、本発明による実施例を図面を参照しっ説明する
。

第１図及び第２図は本実施例におけるＸ、　Ｙマトリク
ス型のＥＬ表示素子の部分断面図及び平面図である。第
２図は第１図のＩ−ｒ線に沿った部分断面図である。図
示されるこのＥＬ表示素子は、基板１上に透明電極２、
第１絶縁層３、ＥＬ層４、第２絶縁層５及び背面電極６
を順に形成したものであって、ＥＬ層４はその発光領域
毎に各々分離して設けられている。ＥＬ層４は０．３〜
１．０μｍの膜厚に成膜することが好ましい。ＥＬ層４
は、母体物質として例えば硫化亜鉛Ｚ　ｎ　Ｓ　ｓ発光
中心物質として例えば上記したＳｍ、Ｍｎ、Ｔｔ）及び
Ｔｍなどから選ばれる。こうしたＥＬ層４は良好な発光
特性を得るために発達した結晶構造を有するものである
ことが望ましい。また、予めＺｎＳの母体層を形成して
おいてその上に発光中心物質を付着させて熱拡散法によ
って短波長の発光中心物質を含有するＥＬ層を形成して
もよい。

このように、Ｘ、Ｙマトリクスパネルにおいて、各発光
領域すなわち画素（１本のＸ電極と１本のＹ電極の交点
）毎にＥＬ層が分離されている。また、第１及び第５絶
縁層３．５には、Ｙ２Ｏ，。

Ｔａ２０５．ＳｉＮ、Ｓｍ２０．、Ｓｉ、Ｎ４゜Ａｇ２
０ｓからなる群から選ばれる物質からなる高い誘電率の
誘電体層を含めて多層化して、ＥＬ層にかかる電圧を大
きくする構造となすことが好ましい。これら絶縁層３．
５は、０．３〜０．６μ−の膜厚で形成される。

かかるＥＬＬ示素子の製造においては、まず、基板１上
に、従来方法例えばスパッタリング法等を用いて、透明
電極２、絶縁層３、ＥＬ層４を順に形成し、その後、所
定の画素すなわち発光領域の周囲をエツチングすること
によってＥＬ層４の分割を行う。ＥＬ層４の分割時のエ
ツチングは湿式あるいは乾式の等方性エツチング又は等
方性プラズマエツチングを使用することが好ましく、こ
れによって、分割されたＥＬ層４の端面には第１図に示
す如き各層の界面の法線方向（Ｗ）に対して傾斜した傾
斜面１０（テーバ部）を形成する。

この後に、分離した複数のＥＬ層層上上絶縁層５を積層
し、対応する背面電極６も形成する。

このようにすれば、第３図に示すように、分離したＥＬ
層４中のある発光中心（星印Ａ）から生じた光は、ＥＬ
層内を横方向へ伝わった後に、この傾斜面１０（テーパ
部）で反射し、外部へ取り出せる。

さらに、他の実施例においては、各画素が大きい場合、
更に光量を大きくすることができる。すなわち、第４図
に示すように、星印Ａ点がら左へ進む光はテーパ部１０
で反射されＡ′点で外部へ取り出されるが、右へ進む光
は対向するテーパ部へとどく前に内部で吸収される（破
線矢印）。これはＥＬ層にも光吸収率があるためである
。そこで、第５図に示すように、この画素すなわち発光
領域をＶ字断面溝１１によって更に分割することにより
テーパ部を画素中で増加させることもできる。例えば、
第６図の平面図に示すように、画素を４分割してテーパ
部を倍にすることができる。

このとき、横方向の光が取り出せる（増光）けれども、
分割構分の発光面積が減る（減光）ことになる。しかし
、どれくらいの面積を越えた場合に分割した方が良いか
という点については、「横方向へ進行する光量の全体光
量に対する割合」。

ｒＥＬ層内の吸収率」、「テーパ部を設けることによる
改善率」のパラメータを得ることによって解消できる。

このように、本発明の特徴は、ＥＬ層が発光領域毎に分
離されかつその端面においてはＥＬ層及び絶縁層の界面
の法線方向に対して傾斜した傾斜面を有していることで
ある。

そこで、本来ＥＬ層中に閉じ込められ無効となる発光が
テーパ部によって取り出せることに関して、具体的に、
ＥＬ層の横方向への伝播における各層の界面の法線方向
（Ｗ）に対して傾斜したテーパ部の角度ＯＬ（以下テー
バ角αという）に対する光取り出しによる増加光量の依
存性を調べてみる。

第７図に示すように、ＥＬ層４の一部にテーパ部１０を
設け、そのまわりをＹ２Ｏ３の誘電体層３Ｂ、５Ｂで被
った構造であって、第１表に掲げた素子の各層の材質と
屈折率と同様のものを作成する。テーパ部がＥＬ層４／
誘電体層５Ｂの界面をなすので、点Ｐから入射角θで進
んだ光がテーパ部ＡＢ上の０点で反射されＯＱ力方向進
んでテーパ部１０のＥＬ層４／誘電体層３Ｂの界面から
外部に取り出される条件を求める。

点Ｏにおける反射面であるテーパ部ＡＢへの入射角βは
簡単な計算により、 β−１８０°−α−θ で与えられる。同様に反射後のＥＬ層４／誘電体層３Ｂ
の界面への入射角γは、 γ−１８０”−２α−θ である。あるテーバ角αの値に対しである入射角θの範
囲にある光のみが、テーパ部によって新たに外部へ取り
出されるはずである。以下［１］〜［３コにおいて、新
たに外部へ光を取り出すために入射角θが満すべき条件
を求める。

［１１ＥＬ層の平行界面間に光を閉じ込める条件＝ＥＬ
ＥＬ層内光の閉じ込め条件は次の如くである。

ＥＬ層４をＺｎＳ、その周囲の誘電体層３Ｂ。

５ＢをＹ２Ｏ３とした場合、両者の界面で全反射が生じ
る条件は、ＺｎＳ　（ｎ−２ｊ　）、Ｙ２０３（ｎ＝１
．８）の臨界角が５１．５０°であることから、５１．
５０°くθ＜１８０°−５１，５０’、’、５１．５０
”＜θ＜　１２８．５０’・・・・・・Ｉ）である。尚
、最終的には立体角で考えるために、入射角θは０〜１
８０’の角度間で考える。この範囲にない入射角θを持
つ光は誘電体層（Ｙ２０３　）より外へ進むためにテー
バ部に達する可能性は小さいので考慮しない。

［２］テ一バ部ＡＢで全反射する条件：テーバ部ＡＢで
全反射する条件は次の如くである。

テーバ部ＡＢに対する入射角βがβ＞　５１．５０’で
あればＰＯ力方向進む光はＯＱ力方向全反射する。また
入射角βは９０＠より小さい。従って、５１．５０＠＜
１８０　＠−α−θく９０＠、’、９０°−αくθ＜　
１２８．５０−α・・・・・・Ｉｆ−１）である。

しかし、ここで１つの考慮が必要である。ＥＬ層内のあ
る点（例えば第７図左のＰ′）から、角度δで放射され
た光は全反射を繰返す毎にδ又は１８０’−δのどちか
らの角度でテーバ部に入射する。式１ｌ−１）において
、例えばα−４５°とした時に得られる入射角θの範囲
は４５°〜８３，５°であるが、例えばδ−ｔｏｏ　”
で発した光が奇数回の反射の後にテーバ部に達したとす
れば、入射時の入射角θは８０°　（−１８０＠−１０
０’　）であり、全反射条件を満たす。以上の様に第８
図に示す如く、式１ｌ−１）より得られた入射角θ１く
θくθ２　（これを範囲ｌとする）に対して１８０°−
θ２くθく１８０　”・−θＩ　（これを範囲＋１とす
る）を追加する必要がある。

第８図左のある点Ｐからの範囲ｌあるいは範囲ｉｆに含
まれる角度で放射された光が、何回かＥＬ層の中で全反
射をくり返した後にテーバ部Ａ　Ｂ　ｌ；ｌ：入射する
時、その角度が全反射条件である範囲１にある確率を考
える。すなわち、範囲１．１１がオーバーラツプしない
場合（第８図左）は確率１／２と考えてよいであろう。

オーバーラツプする場合（第８図左）はオーバーラツプ
する範囲の光は必ずテーバ部ＡＢで全反射する。これら
を統合して考えるためには範囲１．１ｉの各々に対して
、その範囲に含まれる光の１／２がテーバ部ＡＢで全反
射すると考えれば良いことがわかる。

すなわち、以下の条件を得る。

９０−αくθ＜　１２８．５０−α　・・・・・・Ｉｌ
−１）５１．５０＋αくθく９０＋α　・・・・・・１
ｉ−１１）ただし、各々の範囲について光量を１／２と
して算出し、最後に加算する。

尚、全反射しない場合（上記入射角θの範囲外）でも、
界面での反射はある。例えばβが５０″で５４％、４５
°で１４％が反射し、取り出し得る光を増加させるが、
ここでは無視する。

［３］テ一パ部ＡＢで反射した光が外部へ取り出される
条件：テーバ部ＡＢで反射した光が外部へ取り出される条件は
次の如くである。最終的に空気中に光が取り出されるた
めには、第７図の入射角γはγ−１８０＠−２ｒ−θで
示されＥＬ層（Ｚ　ｎ　Ｓ）の屈折率２．３と空気の屈
折率１．０により、±２５．７７゜の範囲にあることが
必要である。

従って、−２５，７７”　＜γ＜　２５．７７’、°、
１５４．２３”　−２αくθ＜２０５．７７’　−２α
・・・・・・１１１）の条件を得る。

以上の［１］〜［３］の条件をまとめると以下の如くに
なる。

ＥＬ層（Ｚ　ｎ　Ｓ）内に角度テーバ角αのテーバ部を
設けることで、以下の光を更に取り出すことができる光
は、光の進行方向が、５１．５０　＠＜θ＜　１２８．５０’　−α。

９０°−αくθ＜　１２８．５０’−α、及び１５４．
２３’　−２αくθ＜２０５．７７’　−２αを同時に
満す光の１／２、または、５１．５０　’　＋ａ＜θ＜　１２８．５０”
５１．５０　”　＋　ａ　＜θ＜９０’　＋ａ、及び１
５４．２３＠−２αくθ＜２０５．７７＠−２αを同時
に満す光の１／２である。

具体的にテーパ部の角度を得るためには、テーパ角αの
値によって入射角θの範囲に場合分けが生じる。その結
果を以下の第２表に示す。

各テーパ角αに対応する入射角θの範囲より立体角を求
めることで新たに取り出し得る増加光量をもとめた。こ
の場合、発光は等方的に放射しているとしてその光量を
１００％とした。得られた増加光量を第９図に示した。

以上の如く、周囲に定屈折率絶縁層を有さないＥＬ層の
横方向へ進行する光の取り出しに対するテーパ角αの最
適条件はα〜３７″程度であり、このとき、全光量の２
０％以上を更に取り出すことが可能である。テーパ部を
設けない平面積層構造場合の取り出し効率が約１０％で
あることを考えると、この方法により３倍の光量が得ら
れることが判る。

このように、ＥＬ層において増光となる条件は、ＥＬ層
とまわりの絶縁層またはその誘電体層との臨界角を、として、ＥＬ層と空気との臨界角を、と各々定義する角度とすると、上記ｌ）式から、 ψ１くθ＜１８０”−ψ１・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・■上記１１−１）及び１ｌ−１
１）式から、９０＠−αくθ＜　１８０°−ψ鵞−α・
・・・・・・・・■ψ！＋α〈θ〈９０１１＋α・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・■′上記１１１
）式から、１８０　　”　　−ψ２−２１１＜　　θく１８０°　
＋ψ２−２α・・・・・・■ が得られる。これにおいて、■、■、■を同時にみたす
か、又は■、■′、■を同時にみたすθがあるテーパ角
α（０″≦α≦９０”）に対して存在するときに光量増
大が得られる。

例えば、ＥＬ層をＺｎＳ　（屈折率２．３０）　、ソ１
７）まわりの絶縁層すなわち誘電体層をＹ２Ｏ３（屈折
率１．８０）とした場合には、取り出せる光量の増大が
得られ、テーパ角αの範囲は、２１．４度〜７７．０度
となる。

以上の如く、ＥＬ層内にテーバ部付の溝を設けることに
より、無効となる光の取り出しは次の■〜■の条件に支
配されることが判る。

■ＥＬ層（Ｚ　ｎ　Ｓ）内への光の閉じ込め条件はＥＬ
層とその周囲の層の物質との屈折率比で決定される。

■テーバ部における全反射条件も同様にＥＬ層とその周
囲の物質との屈折率比に支配される。

■発光の直接取り出し条件は、ＥＬ層と空気との屈折率
比で決定される。

発明の効果以上の如く、本発明のＥＬ表示素子によれば、発光領域
毎に分離されたＥＬ層の端面において、ＥＬ層及び絶縁
層の界面の法線方向に対して傾斜した傾斜面を有した構
造としているので、そのＥＬ層の傾斜面から発光の層方
向に進行する部分光をより多く取り出すことができＥＬ
表示素子の輝度の向上が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明のＥＬ表示素子の部分断面図
及び部分平面図、第３図、第４図、第５図、第７図及び
第８図は本発明のＥＬ表示素子のＥＬ層の部分拡大断面
図、第６図は本発明の他の実施例のＥＬ表示素子の部分
平面図、第９図は本発明のＥＬ表示素子の増加光量を示
すグラフ、第１０図は従来のＥＬ表示素子の部分断面図
、第１１図は従来のＥＬ表示素子の部分平面図、第１２
図は従来のＥＬ表示素子の部分拡大断面図である。主要部分の符号の説明１・・・・・・基板２・・・・・・透明電極３．５・・・・・・絶縁層４・・・・・・ＥＬ層６・・・・・・電極１０・・・・・・傾斜面Ａ・・・・・・発光領域

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに対向する少なくとも一対の電極と前記電極
間に配置されかつ絶縁層により覆われたエレクトロルミ
ネッセンス層とを有し、前記エレクトロルミネッセンス
層の前記電極によって挾まれる部分を発光領域とし、前
記エレクトロルミネッセンス層の屈折率が前記絶縁層の
それより大であるエレクトロルミネッセンス表示素子で
あって、前記エレクトロルミネッセンス層は、前記発光
領域毎に分離されかつその端面においては前記エレクト
ロルミネッセンス層及び前記絶縁層の界面の法線方向に
対して傾斜した傾斜面を有していることを特徴とするエ
レクトロルミネッセンス表示素子。
（２）前記エレクトロルミネッセンス層は母体物質及び
発光中心物質からなり、前記母体物質はＺｎＳであり、
前記発光中心物質はＳｍ、Ｍｎ、Ｔｂ及びＴｍからなる
群から選ばれる物質であることを特徴とする請求項１記
載のエレクトロルミネッセンス表示素子。
（３）前記絶縁層は、Ｙ＿２Ｏ＿３，Ｔａ＿２Ｏ＿５，
ＳｉＮ，Ｓｍ＿２Ｏ＿３，Ｓｉ＿３＿４Ｎ，Ａｌ＿２Ｏ
＿３からなる群から選ばれる物質からなる誘電体層を含
むことを特徴とする請求項１記載のエレクトロルミネッ
センス表示素子。
（４）前記絶縁層は、前記誘電体層を保護するＳｉＯ＿
２からなる保護層を含むことを特徴とする請求項１記載
のエレクトロルミネッセンス表示素子。