JPS6391996A - エレクトロルミネツセンス素子による表示装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、卓上形や壁掛は形のデジタル式駕子時計、
音響機器その他の電気製品に付属するデジタル式時計や
操作パネルの如き視覚表示部などに利用される表示装置
、とくに二重絶縁形のエレクトロルミネッセンス素子に
よる表示装置に関する。

［従来の技術］ 従来のデジタル式電子時計などの表示部には、一般的に
液晶、発光ダイオード（ＬＥＤ）、螢光表示管（ＶＦＤ
）などを利用した表示装置が汎用されている。

ところが、液晶による表示装置は、低電圧駆動できる利
点があるが、受光形であるために夜間の暗闇では視認で
きず、かつ視野角が狭いことから表示品質が悪いという
欠点がある。また発光ダイオードや螢光表示管による表
示装置は、発光形であるが表示品質が不充分で見にくく
、かつ構造的に薄形化が困難であるという欠点がある。

これらに対し、エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬ
という）素子は、一般に透明基板上に設けた透明電極き
これに対向する背面電極との間に発光体層および絶縁層
が配設された構造を備え、上記両電極および両層が真空
蒸着などで薄膜状として積層形成できることから、表示
装置の薄形化に適しており、かつ発光形表示で鮮明な表
示が得られ、表示品質にすぐれるという利点がある（文
献不詳）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来汎用のＥＬ素子は、発光の実用輝度
（５０Ｃｄ／ｍ’以上）を得る駆動電圧が交流正弦波駆
動で通常１５０〜２００Ｖと高いことから、これを用い
た表示装置では該ＥＬ素子を商用１００Ｖ電源（関東５
０ＫＨｚ、関西６０　ＫＨｚ）に直結した場合には発光
せず、したがって電圧を上記駆動電圧まで増大させる昇
圧回路などの付属機構を組み込む必要があり、これによ
って表示装置の複雑化および高コスト化を招くとともに
装置の小型化が困難になるという問題点があった。

この発明は、上記従来の問題点を解決するためになされ
たもので、商用１００ｖ電源に直結した場合でも充分な
実用輝度の発光が得られるＥ　Ｌ素子を利用した表示装
置を提供するどとを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重
ねた結果、二重絶縁形のＥ　Ｌ素子における発光体層を
構成する発光体が硫化亜鉛の母材に発光付活剤としてマ
ンガンまたは／およびフッ化テルビクウムを含むもので
ある場合に、この発光体層の両側の絶縁層を特定の絶縁
膜にて構成したとき、発光開始電圧が著しく低くなり、
かつ輝度−電圧特性、の立ち上がりが急峻である、つま
り電圧増加に伴う発光輝度の上昇が非常に大きくなり、
低電圧駆動により高輝度が達成され、このＥＬ素子を利
用した表示装置が商用１００Ｖｉ源に該ＥＬ素子を直結
しても充分な発光輝度が得られることを知り、この発明
をなすに至った。

すなわち、この発明は、表示側の透明電極とこれに対向
する背面側の電極との間に、発光体層とこれを両側から
挾む第１および第２の絶縁層が配設されてなるＥＬ素子
による表示装置において、表示側の第１の絶縁層がチタ
ン酸鉛薄膜にて構成され、背面側の第２の絶縁層が厚さ
２，０００λ以下の窒化シリコン薄膜にて構成され、発
光体層が硫化亜鉛の母材に発光付活剤としてマンガンま
たは／およびフッ化テルビウムを含んでなる発光体より
形成され、かつ商用１００ｖの電圧下で駆動可能である
ことを特徴とするＥＬ素子による表示装置に係る。

〔発明の構成・作用］ 第１図は、この発明の表示装置に使用されるＥＬ素子の
構造例を示すものである。

同図において、１はガラスなどの透光性材料からなる基
板であり、この基板１上に順次、インジウム−スズ複合
酸化物（以下、ＩＴＯという）などの透明性導電材料か
らなる厚さ１，０００〜３，０００Ａ程度の表示側の透
明電極２、チタン酸鉛薄膜からなる厚さ３，０００〜６
．０００Å程度の表示側の第１の絶縁層３、硫化亜鉛（
ＺｎＳ）の母材に発光付活剤としてマンガン（Ｍｎ）／
およびフッ化テリビウム（ＴｂＦ３）を含む発光体から
なる厚さ３，０００〜８．０ＯＯＡ程度の発光体層４、
窒化シリコン薄膜からなる厚さ２，０００λ以下の背面
側の第２の絶縁層５　、Ａｌ薄膜やＩＴＯ膜からなる厚
さ５００〜３．０００Å程度の背面電極６、が積層形成
されている。

そして、背面電極６は表示パターンに応じた形状にパタ
ーン化されており、たとえばデジタル方式の電子時計な
どで数字標示を行う場合、上記パターンとして第２図で
示すように各数字表示単位１０が７つのセグメン）１０
ａに分画された８字形パターンが一般的に採用される。

上記構成のＥＬ素子では、透明電極２を共通電極として
これと所要のセグメンｈｌｏａに対応する背面電極６と
の間に、発光体層４にその発光開始しきい値電界を越え
る電界がかかりうる交流電圧を印加することにより、発
光体層４の上記セグメン）１０ａに対応する部分が発光
し、この発光が基板１を通して所定の表示パターンで視
認される。なお、この表示パターンは第２図の８字形の
数字表示単位１０によればＯ〜９のすべての数字を表わ
すことができる。また、表示色は、発光体層４に用いら
れた発光体の固有発光色、つまり上記発光付活剤がマン
ガンの場合は黄橙色、フッ化テルビウムの場合は緑色で
ある。

そして、このようなＥＬ素子は、上記構成から明らかな
ように二重絶縁形であることから、発光有 体層の片側のみに絶縁層を２する半絶縁形のものに比べ
て一般に発光効率がよいとともに絶縁破壊を生じにくく
安定性がよいとされるが、両側絶縁層がＹ２Ｏ３、Ａｌ
２Ｏ３，５ｉｎ２などからなる従来汎用の二重絶縁形Ｅ
Ｌ素子に比較しても、たとえば後述する実施例１，２で
用いたＥＬ素子の輝度−電圧特性を示す第３図の曲線Ａ
、　、　Ａ２と比較例１で用いたＥＬ素子の同特性を示
す曲線Ｂ１との対比で示されるように、発光開始電圧が
大幅に低くかつ到達輝度が高く、加えて上記特性曲線の
立ち上がりが急峻であり、実用輝度（５０Ｃｄ／ｍ”以
上）を得る駆動電圧が著しく低下するという特徴を備え
る。

したがって、上記構成のＥＬ素子を利用したこの発明の
表示装置は、ＥＬ素子を商用１００Ｖ電源（関東５−Ｏ
ＫＨｚ、関西６０ＫＨｚ）に直接に接続した形で充分な
実用輝度の発光表示がなされ、従来のＥＬ素子による表
示装置の如き昇圧回路などの電圧増大機構の付設が不要
であり、この付設による構造複雑化を回避でき、小型化
に適している。

なお、この表示品質は液晶、発光ダイオード、螢光表示
管などを利用した表示装置に比べて格段にすぐれている
。

この発明で使用するＥ　Ｌ素子が上述の如く非常に低い
駆動電圧で実用的な高い発光輝度を示す理由は、明確で
はないが、表示側の第１の絶縁層３を構成するチタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯｉ）が誘電率約１００の強誘電体である
ことから、これが駆動電圧の低下に大きく貢献する一方
、背面側の第２の絶縁層５を構成する窒化シリコン薄膜
が極めて緻密で絶縁性の高いものであって、２．０００
Å以下の薄い厚みを有するために、電極２，６間の総厚
が減少して低い印加電圧でも発光体層に大きな電界がか
かることにあると推測される。

なお、上記の点からすれば低電圧駆動のために第１およ
び第２の絶縁層をともにチタン酸鉛薄膜で構成すること
が考えられるが、チタン酸鉛薄膜の形成には高周波スパ
ッタリング法などで基板部２度を６００’Ｃ程度の高温
とする必要があることから、一般に基板側から順次各層
を形成するＥＬ素子の製造においてチタン酸鉛薄膜から
なる第２の絶縁層を形成する際、その被着面となる先に
形成されている発光体層４が上記高温によって変質して
発光特性の劣化を招くことになる。

これに対して、この発明のように第２の絶縁層５を窒化
シリコン薄膜にて構成する場合、この薄膜形成に際して
基板温度をさほど高くする必要のないプラズマＣＶＤ法
や光ＣＶＤ法を採用でき、しかも形成される薄膜が欠陥
の少ない極めて緻密なものとなることから、Ｙ２Ｏ３、
ＡＩ！２０３、ＳｉＯ２の如き従来の絶縁材料を使用す
る場合に必要とされる膜厚（最低３．０００Å、通常は
４，０００〜６，０００Ａ程度）よりも遥かに薄い２．
０００Å以下の膜厚とでき、これによる前記の駆動電圧
の低下が可能になるという利点がある。

ここで、上記の窒化シリコン薄膜からなる第２の絶縁層
５の形成には、上述の如くプラズマＣＶＤ法や光ＣＶＤ
法を採用できるが、とくにプラズマＣＶＤ法が好適であ
る。このプラズマＣＶＤ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａ
ｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｎ；化学的気相成長）法と
は、複数のガス化成分をチャンバー内に導き、高周波放
電によって上記成分をプラズマ化し、このプラズマ相互
を基板上で反応させて膜成長を行わせるもので、窒化シ
リコン薄膜の場合にはソースガスとしてシラン（Ｓ　Ｉ
Ｈ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスが使用される。

そして、このプラズマＣＶＤ法では、とくに−方の反応
成分であるシランガスを水素ガスで希釈して用い、かつ
アンモニアガス／シランガスの流量比（容量）を５以七
とするのがよく、これらによって形成される窒化シリコ
ン薄膜が極めて緻密でかつ絶縁性にすぐれるものとなり
、第２の絶縁（至）５を前記２．０００Å以下とするの
に好適である。

これは、シランガスが水素ガスで希釈されていることに
より、気相中におけるケイ素原子相互間の結合力が水素
によって封じられ、プラズマ化したケイ素成分が微視的
にも雰囲気中で偏在せずに理想的な均一分散状態で存在
することになり、これによって希釈ガスとしてアルゴン
ガスなどの不活性ガスを用いた場合よりも極めて緻密な
薄膜が形成されるとともに、シランに対するアンモニア
の濃度が高いことにより、膜組成が絶縁耐圧の大きいＳ
　ｉ３　Ｎ４の理論組成比に近くなることによる、と推
測される。

上記プラズマＣＶＤ法において使用するシランガスの水
素ガスによる希釈量は、この希釈されたガス全１３（Ｓ
ｉＨ４＋Ｈ２）中のシランガス量が２〜２０容量％、と
くに好ましくは５〜１５容量％を占める範囲とするのが
よい。またアンモニアガス／シランガスの流量比（容積
）は、前記の如く５以上、好ｔしくは６〜８の範囲とす
るのがよい。この流量比が小さすぎると、窒化シリコン
薄膜中の窒素成分が不足してその絶縁性が不充分になる
。

なお、プラズマＣＶＤ法の各条件としては、チャンバー
内の雰囲気は真空度０．５〜１．５Ｔｏｒｒ程度、プラ
ズマ化を行う高周波電源の出力は２５〜２５０Ｗ程度、
基板温度は２００〜３５０°Ｃ１膜成長速度は２０〜２
００Ａ／′分程度がよい。

かくして形成される窒化シリコン薄膜からなる第２の絶
縁層５の厚さは、前記の如＜２．０００Å以下であるが
、とくに２００〜１．０００Åの範囲が好ましい。この
厚さが２．０００Åより大きくなると、前記した駆動電
圧の低下を果たせなくなる。

また、チタン酸鉛薄膜からなる第１の絶縁＠３は、既述
のように高周波スパッタリング法によって形成できる。

この高周波スパッタリング法の条件としては、真空度１
．５〜３Ｘ１０　　Ｔｏｒｒ程度、高周波電源の出力１
〜２　Ｋ’、Ｖ程度、基板温度６００〜６５０°Ｃ１膜
成長速度５０〜２０ＯＡ／分程度とするのがよい。そし
て、この膜厚は前記の如く３．０００〜６．０００Å程
度であり、薄すぎるとＥＬ素子の耐絶縁破壊特性が低下
して低寿命化を招き、逆に厚すぎると前記の駆動電圧の
低下効果が不充分となる。

一方、この発明では発光体層４を形成する発光体として
既述のように硫化亜鉛の母材にマンガンまたは／および
フッ化テルビウムからなる発光付活剤を含むものを使用
する。すなわち、このような発光体は発光開始しきい値
電圧が低くかつ到達輝度が高いという特徴を有するため
、これを用いた発光体層４と前記の第１および第２の絶
縁層とを組み合わせることにより、この発明の表示装置
においてＥＬ素子を商用１００Ｖ電源に直結して充分な
実用輝度の発光を得ることが可能になる。

これに対して、硫化亜鉛の母材に他の発光付活剤、たと
えばフッ化サマリウム（ＳｍＦ３）、フッ化プラセオジ
ム（ＰｒＦ３）、フッ化ツリウム（ＴｍＦ３）、フッ化
ジスプロシウム（ＤｙＦ３）などを含有させた発光体で
は、上記の実用輝度の発光が得られない。

なお、母材である硫化亜鉛に対するマンガンまたは／お
よびフッ化テルビウムからなる発光付活剤の添加量は、
母材１００重量部に対して０．２〜１重量部程度である
。

このような発光体からなる発光体層４の形成手段として
は、電子ビーム蒸着法の如き真空蒸着法、各種スパッタ
リング法、イオンブレーティング法などの種々の薄膜形
成法を採用可能である。

この発明の表示装置は、上述の如き構成のＥＬ素子を組
み込んで表示部を構成したものであり、既述のようにＥ
Ｌ素子を直接に商用１００Ｖ電源に接続して駆動させる
ことにより、５０Ｃｄ／ｍ’以上の充分な実用輝度の発
光による鮮明で見やすい表示がなされるものである。こ
の表示パターンとしては、第２図で示す如きデジタル時
計用などの数字表示用８字形パターンに限らず、各種文
字、記号、模様など多種多様に設定できることは言うま
でもない。また、この発明を適用する表示装置としては
、卓上形や壁掛は形のデジタル式電子時計、音響機器そ
の他の電気製品に付属するデジタル式時計や操作パネル
の如き各種視覚表示部など、種々のものがある。

なお、この発明の表示装置にあっては、ＥＬ素子を直接
に商用１００Ｖ電源に接続する以外に、結線間に可変抵
抗器を介在させて電圧の下方調整つまり表示輝度の低下
方向への調整を行いうる構成としてもよい。これにより
、たとえばデジタル式電子置時計などにおいて昼間用と
夜間用とに切換可能とし、就寝時に枕元に置いた際に暗
闇で識別できる程度に発光輝度を抑えて安眠の妨げにな
るのを防ぐことができる。

［発明の効果］ この発明に係る表示装置は、ＥＬ素子によって鮮明で見
やすい高品質の表示が暗闇でも視認できる発光形で示さ
れ、しかも上記ＥＬ素子が特定の発光体層とこれを両側
から挾む特定構成の絶縁層とを備えた二重絶縁形のもの
であり、低電圧駆動によって高輝度を達成できることか
ら、このＥＬ素子を商用１００Ｖ電源に直結した状態で
実用輝度の発光表示を行うことができ、従来のＥＬ素子
による表示装置の如く電圧をＥＬ素子の駆動電圧まで増
大させるための昇圧回路などの付属機構が不要であり、
この付属機構による構造複雑化が回避され、装置全体の
小型化および低コスト化が可能になるというすぐれた利
点がある。

〔実施例］ 以下、この発明を実施例に基ついて具体的に説明する。

実施例１ 厚さ１．１　ｍの無アルカリガラスからなる基板の一面
にスパッタリング法によりＩＴＯ膜からなる厚さ２．０
００Åの透明電極を形成したのち、この透明電極上に高
周波スパッタリング法によって厚さ５．０００Åのチタ
ン酸鉛薄膜からなる第１の絶縁層を形成し、この上に電
子ビーム蒸着法によってＺｎＳ　：　Ｍｎ　（重量比１
００：０．５）の発光体からなる厚さ５．０００Åの発
光体層を形成し、さらにこの発光体層上にプラズマＣＶ
Ｄ法によって厚さ５００Ａの窒化シリコン薄膜からなる
第２の絶縁層を形成し、最後に第２の絶縁層上に抵抗加
熱蒸着法により第２図で示す如き時分表示パターンに対
応するパターンを有する厚さ２．０００ÅのＡｌ薄膜か
らなる背面電極を形成して、第１図で示す構造のＥＬ素
子Ａ１を作製した。

なお、第１の絶縁層を形成する高周波スパッタリング法
は、真空度２Ｘ１０　　Ｔｏｒｒ、基板温度また第２の
絶縁層を形成するプラズマＣＶＤ法は、真空度ＩＴｏｒ
ｒ、基板温度２５０　’Ｃ１高周波（１３゜５６ＭＨｚ
）出力２５０Ｗにおいて、ソースガスとしてＳｉＨ４ガ
スをＨ２ガスで１０容積％濃度に希釈したガスとＮＨ３
ガスとをＮＨ３ガス／ＳｉＨ，ガスの流量比が７となる
割合で用い、その供給速度を総量で８０ｍ１！／分、膜
成長速度１００Ａ／分として行った。

つぎに、上記ＥＬ素子Ａ１を通電プラグ直結形として電
子時計装置に組み込み、第２図で示すデジタル式時分表
示面を有する電子時計を製作した。

この電子時計を６０　ＫＨｚ　（関西）の商用１００Ｖ
電源に接続して駆動させたところ、輝度８０Ｃｄ／ｒｒ
ｆの黄橙色発光による鮮明な時分表示が得られた。

実施例２ 発光体層を電子ビーム蒸着法によって　ＺｎＳ：ＴｂＦ
３（重量比１００：０．５）の発光体を用いて厚さ５．
ＯＯ，ＯＡに形成した以外は、実施例１と同様にしてＥ
Ｌ素子Ａ２を作製し、このＥＬ素子を用いて実施例１と
同様構成の電子時計を製作した。

この電子時計を６０ＫＨｚ（関西）の商用１００Ｖ電源
に接続して駆動させたところ、輝度６０ｃｄ／靜の緑色
発光による鮮明な時分表示か得られた。

実施例３ 実施例１で用いたものと同様のＥＬ素子Ａ１を、通電プ
ラグとの結線中に可変抵抗器を介在させて駆動電圧が７
０〜１００Ｖの間で調整可能とした形で電子時計装置に
組み込み、第２図で示すデジタル式時分表示面を有する
昼夜切換型電子時計を製作した。

この電子時計を夜間用動作状聾（ＥＬ素子駆動電圧８５
Ｖ）として６０ＫＨｚ（関西）の商用１００Ｖ電源に接
続して駆動させたところ、輝度２５ｃｄ／ｒｎ′の黄橙
色発光による明瞭な時分表示が得られた。

比較例１ 第１および第２の絶縁層をともに電子ビーム蒸着法にて
形成した厚さ４，０００λのＹ２Ｏ３膜とした以外は、
実施例１と同様にしてＥＬ素子Ｂ１を作製し、このＥＬ
素子を用いて実施例１と同様にして電子時計を製作した
。

この電子時計を６０ＫＨｚ（関西）の商用１００　Ｖ電
源に接続したところ、全く発光せず、時分表示を行えな
かった。

比較例２ 第２の絶縁層を電子ビーム蒸着法にて形成した厚さ４．
０００ÅのＹ２Ｏ３膜とした以外は実施例１と同様にし
てＥＬ素子Ｂ２を作製し、このＥＬ素子を用いて実施例
１と同様にして電子時計を製作した。

この電子時計を６０ＫＨｚ（関西）の商用１００Ｖ電源
に接続したところ、全く発光せず、時分表示を行えなか
った。

第３図に上記実施例１，２および比較例１，２で使用し
たＥＬ素子Ａ、　、　Ａ２．　Ｂ、　、　Ｂ２の５ＫＨ
ｚの交流パルス電圧による輝度−電圧特性を示す。なお
、図中の各曲線の符号は各ＥＬ素子の符号Ａ１〜Ｂ２に
対応している。

この第３図の輝度−電圧特性から明らかなように、この
発明の表示装置に用いるＥＬ素子Ａ、、Ａ２は、両側絶
縁層がともにＹ２Ｏ３からなる従来構成のＥＬ素子Ｂ１
ならびに背面側の第２の絶縁層を窒化シリコンに代えて
Ｙ２Ｏ３としたＥＬ素子Ｂ２に比較して、発光開始電圧
が大幅に低く、しかも電圧増加に伴う輝度の上昇が大き
く到達輝度も高く、実用輝度（５０ｃｄ／ｍ’以上）を
得る駆動電圧を著しく低くでき、商用１００Ｖの電圧下
で充分な発光表示が可能であることが判る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の表示装置に使用するエレクトロルミ
ネッセンス素子の構造例を示す断面図、第２図は上記表
示装置の表示面の構成例を示す平面図、第３図はこの発
明の実施例および比較例の表示装置に使用されたエレク
トロルミネッセンス素子の輝度−電圧特性図である。 ２・・・透明電極、３・・・第１の絶縁層、４・・・発
光体層、５・・・第２の絶縁層、６・・・背面電極第１
図 第３ｍ 電　圧　　（Ｖ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）表示側の透明電極とこれに対向する背面側の電極
   との間に、発光体層とこれを両側から挾む第１および第
   ２の絶縁層が配設されてなるエレクトロルミネツセンス
   素子による表示装置において、表示側の第１の絶縁層が
   チタン酸鉛薄膜にて構成され、背面側の第２の絶縁層が
   厚さ２．０００Å以下の窒化シリコン薄膜にて構成され
   、発光体層が硫化亜鉛の母材に発光付活剤としてマンガ
   ンまたは／およびフツ化テルビウムを含んでなる発光体
   より形成され、かつ商用１００Ｖの電圧下で駆動可能で
   あることを特徴とするエレクトロルミネツセンス素子に
   よる表示装置。