CN101006593A - 有机el显示器 - Google Patents

Abstract

一种有机EL显示器(1)包括含有第一和第二电极(41、43)、以及夹在其间并包括发射层(42a)的活性层(42)的有机EL元件(40)，以及面对第一电极(41)的输出耦合层(30)。有机EL元件(40)形成波导层，该波导层包括第一电极(41)和活性层(42)且其中来自发射层(42a)的光组分在面内方向传播同时导致多光束干涉。输出耦合层与波导层之间的距离小于来自有机EL元件的光的波长。传导长度x、反射次数m、吸收系数α和输出耦合效率β满足由不等式表示的关系。

Description

有机EL显示器

技术领域

本发明涉及有机电致发光(EL)显示器。

背景技术

由于有机EL显示器是自发光类型，所以它们具有宽视角和高响应速度。此外，它们不需要背光，并因此使得薄而轻成为可能。这样，有机EL显示器作为替代液晶显示器的显示器而引起关注。

作为有机EL显示器的主要部件的有机EL元件包括透光前电极、与前电极相对的反光或透光背电极、以及在电极之间设置并包括发光层的有机层。有机EL元件是在电流流过有机层时发光的电荷注入型发光元件。

同时，有机EL元件的亮度随流过EL元件的电流幅度而增加。然而，如果电流密度增加，则功耗增加且有机EL元件的寿命显著减小。因此，为了实现高亮度、低能耗以及长寿命，更有效地提取由有机EL显示器的有机元件发射的光，即改进输出耦合效率(outcoupling)很重要。

发明内容

本发明的一个目的是改进有机EL显示器的输出耦合效率(outcouplingefficiency)。

根据本发明的一个方面，提供了包括含有第一电极、与第一电极相对的第二电极、和设置在第一电极与第二电极之间并包括发射层的活性层的有机EL元件，以及与第一电极相对的输出耦合层，其中有机EL元件形成包括第一电极和活性层的波导层，并且在波导层中来自发射层的光组分在平行于波导层主表面的面内(in-plane)方向传播同时导致多光束干涉，其中输出耦合层与波导层之间的距离比来自有机EL元件的光的波长更短，且其中通过使用以下方程(1)计算的以微米为单位的传导长度x(guide length)、通过使用以下方程(2)计算的反射次数m、以μm^-1为单位的波导层吸收系数α、以及输出耦合层的输出耦合效率β满足由以下不等式(3)表示的关系，其中L是以微米为单位的波导层厚度，θ_i是由发射层发射并在波导层中面内方向传播、同时导致多光束干涉的最高强度光组分入射在波导层面对输出耦合层的主表面上的入射角度，且输出耦合效率β是从波导层提取的光组分相对于最高强度光组分在波导层面对输出耦合层的主表面上单次反射的入射光的光能比值。

$x=\frac{L}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}---\left(1\right)$

$m=\frac{1}{2}(\frac{\ln 100}{\mathrm{\αx}}+1)---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}\underset{M=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(1-\mathrm{\β})}^{M-1}}{\exp \left\{\mathrm{\α}\right(2M-1\left)x\right\}}>0.1---\left(3\right)$

附图说明

图1是示意性示出根据本发明第一实施方式的有机EL显示器的截面图；

图2是示意性示出输出耦合层如何从波导层中提取光到空气的视图，其中光在面内方向传播同时导致多光束干涉；

图3是示意性示出光如何在波导层中面内方向传播同时导致多光束干涉的视图；

图4是示出波导层吸收系数与反射次数之间的关系示例的曲线图；

图5是示出反射次数与输出耦合效率之间的关系示例的曲线图；

图6是示意性示出可用于图1所示有机EL显示器的有机EL元件的一结构示例的截面图；

图7是示意性示出可用于图1所示有机EL显示器的有机EL元件的另一结构示例的截面图。

具体实施方式

以下参照附图详细描述本发明一实施方式。附图中相同参考标号表示相同或相似的组成元件，且省略其重复描述。

图1是示意性示出根据本发明实施方式的有机EL显示器的截面图。在图1中，有机EL显示器1被示为其显示表面即前表面面向下且后表面面向上。

有机EL显示器1是采用有源矩阵驱动方式的顶部发射型有机EL显示器。有机EL显示器1包括诸如玻璃基板的绝缘基板10。

在透明基板10上，像素排列成矩阵形式。每个像素都包括像素电路和有机EL元件40。

像素电路包括，例如驱动控制元件(未示出)和与有机EL元件40串联在一对电源终端之间的输出控制开关20，以及像素开关(未示出)。该驱动控制元件具有通过像素开关连接于视频信号线(未示出)的控制终端，并将其幅度对应于由视频信号线提供的视频信号的电流通过输出控制开关20输出到有机EL元件40。像素开关的控制开关连接于扫描信号线(未示出)，且控制开关的开关操作由从扫描信号线提供的扫描信号控制。注意，其它结构可用于像素。

在基板10上，作为底涂层12，例如SiN_x层和SiO_x层依次形成。其中形成沟道、源极和漏极的诸如多晶硅层的半导体层13，可用例如TEOS(原硅酸四乙酯)形成的栅极绝缘体14和由例如MoW制成的栅极电极15依次在底涂层12上排列，且这些层形成顶部栅极型薄膜晶体管(下文称为TFT)。在该示例中，TFT被用作像素开关ST、输出控制开关以及驱动控制元件的TFT。此外，在栅极绝缘体14上，设置可通过与栅极电极15相同的步骤形成的扫描信号线(未示出)。

由通过等离子体CVD法沉积的诸如SiO_x制成的夹层绝缘膜17覆盖栅极绝缘体14和栅极电极15。源极和漏极电极21被设置在夹层绝缘膜17上，且它们被埋入例如SiN_x制成的钝化膜18中。源极和漏极电极21具有例如Mo/Al/Mo三层结构，并通过夹层绝缘膜17中形成的接触孔连接于TFT的源极和漏极。此外，在夹层绝缘膜17上，设置可通过与源极和漏极电极21相同的步骤形成的视频信号线(未示出)。

平整层19在钝化层18上形成。反射层70被设置在平整层19上。例如固体树脂可用作例如平整层19的材料。诸如Al的金属材料可用作反射层70的材料。

平整层19和反射层70覆盖有输出耦合层30。在此，作为示例，输出耦合层30包括具有透光性的第一部分31和分散其中的第二部分32。例如，第二部分32具有透光性且反射系数与第一部分不同。

如果从垂直于其膜表面方向观察输出耦合层30时第二部分32的排列基本上形成网格，则输出耦合层30用作衍射光栅。此外，如果从垂直于其膜表面观察输出耦合层30时第二部分32随机排列，则输出耦合层30用作光散射层。

输出耦合层30可不具有如图1所示的结构。例如，输出耦合层30可以是在其主表面上设置有许多凹陷或凸起、具有透光性的膜。

在输出耦合层30上，具有透光性的第一电极41彼此间隔排列。各个第一电极41与反射层70相对。此外，各个第一电极41通过在钝化膜18、平整层19和输出耦合层30中形成的通孔连接于栅极电极21。

在该示例中第一电极41是阳极。作为第一电极41的材料，例如可使用诸如ITO(氧化铟锡)的透明导电氧化物。

隔离绝缘层50被设置在输出耦合层30上。在隔离绝缘层50中，通孔在对应于第一电极41的位置处形成。隔离绝缘层50是例如有机绝缘层，并可通过光刻技术形成。

包括发光层42a的活性层42被设置在曝露于隔离绝缘层50的通孔空间的各个第一电极41上。发光层42a是包含可产生例如红色、绿色或蓝色的发光有机化合物。活性层42还可包括除发光层42a外的层。例如，活性层42还可包括用来减缓空穴从前电极41向发光层42a的注入的缓冲层42b。活性层42还可包括空穴输运层、空穴阻挡层、电子输运层和电子注入层等。

隔离绝缘层50和活性层42可覆盖有具有透光性的第二电极43。第二电极43是连续形成且所有像素共用的阴极。第二电极43通过在钝化层18、平整层19、输出耦合层30和隔离绝缘层50中形成的接触孔(未示出)电连接于电极配线，该电极配线在视频信号线形成的层上形成。各个有机EL元件40包括第一电极41、活性层42和第二电极43。

通常，图1所示的有机EL显示器1由玻璃密封或保护膜密封进行密封以防止有机EL元件40由于接触潮湿或氧气等退化。此外，通常起偏振片(polarizing plate)被设置在有机EL元件40的前侧上。

虽然图1所示的有机EL显示器1是顶部发射型，但是有机EL显示器1可以是底部发射型。例如，可去除反射层70，且第二电极43可具有反光性。

如上所述，在有机EL显示器1中，输出耦合层30被设置成与有机EL元件40相邻。当使用该结构时，如下文所述，由有机EL元件40的发光层42a发射的光可从有机EL显示器1以更高的效率提取。

由发光层42a发射的光组分的一部分在面内方向传播，同时在包括有机EL元件40的第一电极41和活性层42的区域(在本示例中为第一电极41和活性层42的分层结构)中重复反射(反射或全反射)。即，由发光层42a发射的光组分的一部分在面内方向传播，同时在包括第一电极41和活性层42的波导层中重复反射。如果波导层主表面上的入射角较大，则不能从波导层提取在面内方向传播的光组分。

当输出耦合层30相邻有机EL元件40设置时，可改变由发光层42a发射的光的方向。因此，有可能以更高的效率从有机EL显示器1提取由发光层42a发射的光组分。

如上所述，当使用输出耦合层30时，有机EL显示器1的发光效率可得以改进。然而，在波导层中面内方向传播的光组分的一部分被波导层自身吸收。

因此，在本实施方式中，有机EL显示器1被设计如下。即，首先，根据以下方程(1)计算传导长度x(μm)，其中L是波导层的厚度(μm)，且θ_i是由发射层42a发射并在波导层中面内方向传播、同时导致多光束干涉的最高强度光组分入射在波导层面对输出耦合层的主表面上的入射角度。其次，根据以下方程(2)用传导长度x(μm)和波导层的吸收系数α(μm^-1)计算反射次数m。第三，有机EL显示器被设计成反射次数m、吸收系数α(μm^-1)、传导长度x(μm)和输出耦合层的输出耦合效率β满足以下不等式(3)表示的关系，其中输出耦合效率β是从波导层提取的光组分与具有最高强度的光组分在波导层面对输出耦合层30的主表面上单次反射的入射光之间的光能比值。

$x=\frac{L}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}---\left(1\right)$

$m=\frac{1}{2}(\frac{\ln 100}{\mathrm{\αx}}+1)---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}\underset{M=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(1-\mathrm{\β})}^{M-1}}{\exp \left\{\mathrm{\α}\right(2M-1\left)x\right\}}>0.1---\left(3\right)$

以下参照图2和3描述输出耦合效率β和反射次数m。

图2是示意性示出输出耦合层如何从波导层提取光到空气的视图，在波导层中光在面内方向传播同时导致多光束干涉。

在图2中，第一电极41和活性层42的分层结构被定义成波导层140。此外，在图2中，L1_i和L1_r表示在波导层140中面内方向传播、同时导致多光束干涉的具有最高强度的光，且L2表示在光L1_i入射到波导层和输出耦合层之间的界面上时，从波导层140提取、穿过输出耦合层30进入空气的光。

当光L1_i入射到波导层140和输出耦合层30之间的界面上时，光的一部分从波导层140提取到空气中作为L2，且另一部分被反射为L1_r。输出耦合效率β是根据以下关于光L1_i和光L2的方程(4)计算的数值。

$\mathrm{\β}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}i(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\mathrm{d\θd}\mathrm{\φ}}{I_0}---\left(4\right)$

在以上方程(4)中，I₀表示入射光L1_i的光能。此外，i(θ，φ)表示当极坐标平行于膜表面时，在由极角θ和锥角φ定义的方向上传播的光L2的光组分的光能。

图3是示意性示出光如何在波导层中面内方向传播同时导致多光束干涉的视图。在图3中，L1表示在面内方向传播同时导致波导层140内多光束干涉的光的具有最高强度的光组分。

如图3所示，传导长度x(μm)是平行于光L1的传播方向并从波导层140的一个主表面向另一主表面延伸的线段的长度。在忽略光L1由于反射而光能减小的情形中，在波导层140与输出耦合层30之间的界面上反射M次的光L1的光能I1_M可根据以下方程(5)计算，其中M是光L1在波导层140与输出耦合层30之间的界面上的反射次数，α(μm^-1)是波导层140关于光L1的吸收系数，且I₀是光L1的最初光能。

$I{1}_M=\frac{I_0}{\exp \left\{\mathrm{\α}\right(2M-1\left)x\right\}}---\left(5\right)$

当光能I1_M是光能I₀的百分之一时，反射次数m对应于方程(5)中的次数M。即，反射次数m是波导层140与输出耦合层30之间的界面上反射直到光L1的光能减小到最初光能的百分之一的总次数。

图4是示出波导层吸收系数α与反射次数m之间的关系示例的曲线图。在图中，横轴表示吸收系数α而纵轴表示反射次数m。

图4示出其中波导层的厚度L为0.21μm，入射角θ_i为60°的情形中的数据。如图4所示，在吸收系数α为0.5μm^-1的情形中，反射次数m为12。

根据上文，在光L1在波导层140与输出耦合层30之间的界面上的第M次反射时从波导层140提取到空气的光L2的光能I2_M可根据以下方程(6)计算。

$I{2}_M=\frac{I_0\mathrm{\β}{(1-\mathrm{\β})}^{M-1}}{\exp \left\{\mathrm{\α}\right(2M-1\left)x\right\}}---\left(6\right)$

因此，当光L1在波导层140与输出耦合层30之间的界面上反射n次时从波导层140提取到空气的光L2的总光能∑I2_M可根据以下的方程(7)计算。

$\underset{M=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I{2}_M=I_0\mathrm{\β}\underset{M=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(1-\mathrm{\β})}^{M-1}}{\exp \left\{\mathrm{\α}\right(2M-1\left)x\right\}}---\left(7\right)$

因此，当光L1在波导层140与输出耦合层30之间的界面上反射n次时光L2的总光能∑I2_M与最初光能I₀的比值，即输出耦合效率∑I2_M/I₀可根据以下方程(8)计算。

$\underset{M=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I{2}_M/I_0=\mathrm{\β}\underset{M=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(1-\mathrm{\β})}^{M-1}}{\exp \left\{\mathrm{\α}\right(2M-1\left)x\right\}}---\left(8\right)$

图5是示出反射次数n与输出耦合效率∑I2_M/I₀之间的关系示例的曲线图。在图中，横轴表示反射次数n，而横轴表示输出耦合效率∑I2_M/I₀。此外，图5示出在其中波导层的厚度L为0.21μm，入射角度θ_i为60°，吸收系数α为0.5μm^-1且输出耦合效率β为0.01、0.05、0.1、0.2或0.3的情形中的数据。

如图5所示，输出耦合比值∑I2_M/I₀随反射次数n增加的变化在反射次数n为5或以上时减缓，并在反射次数n为约12时基本上饱和。

此外，随着输出耦合效率β增大，输出耦合比值∑I2_M/I₀也增大。尤其，在输出耦合效率β为0.05或以上的情形中，如果反射次数n为5或以上，则输出耦合比值∑I2_M/I₀可达到10％或以上。

如上述内容显然可见，当有机EL显示器1被设计成满足由不等式(3)表示的关系时，有可能更有效地从波导层140提取在面内方向传播的光。即，有机EL显示器1的光输出耦合效率得以改进。

虽然上述描述只考虑光L1由于波导层140的吸收的衰减，但是实际上光L1通过在波导层140与第二电极43之间的界面反射而衰减。当光L1由于该界面上的反射导致的衰减被限制时，有机EL显示器1的输出耦合效率进一步改进。

图6是示意性示出用于图1所示有机EL显示器的有机EL元件的一结构示例的截面图。图7是示意性示出用于图1所示有机EL显示器的有机EL元件的另一结构示例的截面图。除了作为阴极的第二电极43以外，图6中所示的有机EL元件40和图7中所示的有机EL元件40具有相同结构。

在图6和7的各个有机EL元件40中，作为阳极的第一电极41包括ITO层41a和无定形碳层41b。ITO层41的厚度为例如50nm，且无定形碳层的厚度为例如3nm。

在图6和7的有机EL元件40中，活性层42包括发光层42a、TPT层42b、BAlq层42c和Alq₃层42d。注意，“TPT”是四苯基噻吩(tetraphenylthiophene)，Alq₃是三个喔星与一个铝原子配位的铝络合物，而Balq是通过用酚根取代Alq₃中喹啉酸根的配体之一来获得的。例如，发光层42a的厚度是30nm，且TPT层42b的厚度是90nm。此外，例如，BAlq层的厚度是10nm，且Alq₃层的厚度是40nm。

在图6的有机EL元件40中，作为阴极的第二电极42包括ITO层43a、MaAg层43b和LiF层43c。例如，ITO层43a的厚度是50nm，MaAg层43b的厚度是10nm，且LiF层的厚度是1nm。

另外一方面，图7的有机EL元件40中，作为阴极的第二电极42包括ITO层43a、Ag层43d、MgAg层43b和LiF层43c。在图7的有机元件40中，例如，ITO层43a的厚度是50nm，Ag层43d的厚度是5nm，MgAg层43b的厚度是5nm，且LiF层的厚度是1nm。这样，图7的有机EL元件40与图6的有机EL元件的不同之处在于Ag层43d添加于第二电极42且MgAg层43b更薄。

作为电子注入层，MgAg合金是优良的。然而，MgAg合金的光吸收相对较大。

在图6的有机EL元件中，如果MgAg层43b更薄，则由第二电极43的光吸收可减小。然而，如果MgAg层43b较薄，则当ITO层43a在MgAg层上形成时，MgAg层43b下的底层被破坏。

在图7的有机EL元件40中，Ag层43d被设置在MgAg层43b与ITO层43a之间。与MgAg合金相比Ag的光吸收更小。此外，Ag层43d防止底层在沉积ITO层43a时被破坏。即，当使用图7的结构时，与使用图6结构的情形相比第二电极43的光吸收可减小。此外，有可能防止底层在沉积ITO层时被破坏。

该效果可通过另一种方法获得。例如，在图6的有机EL元件40中，可增加MgAg层43b中Ag含量。例如，Ag含量可从7％增加到50％。这样，可减小第二电极43的光吸收。

注意，无定形碳是光吸收相对较大的材料。因此，期望无定形碳层41b较薄地形成。

此外，可例如使用掺杂有诸如碱金属元素和/或碱土金属元素的有机物质层代替MgAg层。例如，使用掺杂有Cs的Alq₃。这样，有可能确保透光电极的透光性。

虽然上述实施方式通过示例描述了将输出耦合层设置在有机EL元件的背侧的情形，但是输出耦合层也可设置在有机EL元件的前侧。

输出耦合层可使用另一结构。例如，输出耦合层可使用衍射光栅结构。显示器还包括用于平整输出耦合层表面上的不平整的平整膜。

虽然上述实施方式描述了顶部发射结构，但也可使用底部发射结构。当使用底部发射结构时，通过将Ag用作反光上电极，与使用Al的情形相比与波导层相邻的层的光吸收得到减小。

如上所述，当与波导层相邻的层由具有低光吸收的材料制成时，波导层中的光的衰减可得到抑制。

此外，在使用反射层的显示器中，通过设置反射系数比有机层或透明电极小以及其吸收在反射层与透光电极之间的材料，光在波导层中的衰减得到抑制。

此外，通过减小有机层中包含的具有大吸收系数的层的厚度或通过用透光层代替具有大吸收系数的层，光在波导层中的衰减可得到抑制。

其它的优点和更改对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明在其更宽泛的方面不局限于具体细节和本文示出并描述的典型实施方式。因此，在不背离如所附权利要求书及其等同所定义的总的发明概念的精神或范围的情况下，可进行各种更改。

Claims (10)

1.一种有机EL显示器，包括：

有机EL元件，它包括第一电极、与所述第一电极相对的第二电极、以及设置在所述第一和第二电极之间且包括发射层的活性层；以及

输出耦合层，与所述第一电极相对，

其中所述有机EL元件形成波导层，所述波导层包括所述第一电极和所述活性层，且其中来自所述发射层的光组分在平行于所述波导层主表面的面内方向传播同时导致多光束干涉，

其中所述输出耦合层与所述波导层之间的距离比来自所述有机EL元件的光的波长更短，以及

其中，通过使用以下方程(1)计算的以μm为单位的传导长度x、通过使用以下方程(2)计算的反射次数m、以μm^-1为单位的所述波导层的吸收系数α、和所述输出耦合层的输出耦合系数β满足由以下不等式(3)表示的关系，其中L是以μm为单位的所述波导层的厚度，θ_i是由所述发射层发射并在所述波导层中面内方向传播、同时导致多光束干涉的最高强度光组分入射在所述波导层面对所述输出耦合层的主表面上的入射角度，且所述输出耦合效率β是从所述波导层提取的光组分相对于所述最高强度光组分在所述波导层面对所述输出耦合层的主表面上单次反射的入射光的光能比值。

$x=\frac{L}{{\cos \mathrm{\θ}}_i}---\left(1\right)$

$m=\frac{1}{2}(\frac{\ln 100}{\mathrm{\αx}}+1)---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}\underset{M-1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(1-\mathrm{\β})}^{M-1}}{\exp \left\{\mathrm{\α}(2M-1)x\right\}}>0.1---\left(3\right)$

2.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述输出耦合效率β是0.05或以上。

3.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述反射次数m是5或以上。

4.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述反射次数m是12或以下。

5.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述显示器是顶部发射显示器，且其中所述输出耦合层被设置在所述有机EL元件的背侧。

6.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述显示器是顶部发射显示器，且其中所述输出耦合层被设置在所述有机EL元件的前侧。

7.如权利要求5所述的显示器，其特征在于，所述第二电极包括导电氧化物层、夹在所述导电氧化物层与所述活性层之间的合金层、以及夹在所述导电氧化物层与所述合金层之间且吸收小于所述合金层的金属层。

8.如权利要求6所述的显示器，其特征在于，所述第二电极包括导电氧化物层、夹在所述导电氧化物层与所述活性层之间的合金层、以及夹在所述导电氧化物层与所述合金层之间且吸收小于所述合金层的金属层。

9.如权利要求5所述的显示器，其特征在于，所述第二电极包括导电氧化物层，且其中所述活性层还包括夹在所述发射层与所述导电氧化物层之间并掺杂有碱金属元素和/或碱土金属元素的有机层。

10.如权利要求6所述的显示器，其特征在于，所述第二电极包括导电氧化物层，且其中所述活性层还包括夹在所述发射层与所述导电氧化物层之间并掺杂有碱金属元素和/或碱土金属元素的有机层。

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