JP2014049313A - エレクトロルミネセンス表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタ方式のＥＬ表示装置において、混色による画質の劣化を低減すること。
【解決手段】前面に画素毎に形成された下部電極と、前記下部電極を隔てる画素分離膜と、前記下部電極及び前記画素分離膜の上層に形成された白色発光のＥＬ層と、を備えた第１の基板と、後面にブラックマトリクスと、カラーフィルタを備えた第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた封止層と、を有するＥＬ表示装置であって、次式：Ｗ＞２ｔａｎ（θ_ｍ）（Ｈ_ＢＭ＋Ｈ＋Ｈ_Ｇ＋Ｈ_Ｓ）−（Ｗ_Ｓ＋Ｗ_ＢＭ）を満足することを特徴とするＥＬ表示装置。ここで、Ｗ：特定の画素における開口領域の幅、Ｗ_ＢＭ：ブラックマトリクスの幅、Ｗ_Ｓ：画素分離膜の幅、Ｈ_ＢＭ：ブラックマトリクスの厚さ、Ｈ：特定の画素におけるカラーフィルタの厚さ、Ｈ_Ｇ：画素分離膜の前面から特定の画素におけるカラーフィルタ後面までの距離、Ｈ_Ｓ：画素分離膜の高さ（下部電極の前面から画素分離膜の前面までの距離）、θ_ｍ：第２の基板と空気との間の臨界角とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、エレクトロルミネセンス表示装置に関する。

特許文献１にはトップエミッション形式のカラーフィルタ方式の有機エレクトロルミネセンス（以降、「ＥＬ」と表記）表示装置が開示されている。同文献には、有機ＥＬ表示装置の発光素子層を全画素において白色発光とし、透明封止部材に色要素としてカラーフィルタ層を設けることが記載されている。また、素子基板と透明封止部材との間隙（封止空間）に遮光部材が配置されており、画素間での光漏れを防止するようになされている。

特許第４２６２９０２号公報

ＥＬ表示装置においてトップエミッション形式の構造を採用すると、特に個々の画素が微細となる高精細又は小型の表示装置では、画素のサイズとカラーフィルタの厚さの寸法が相対的に近くなるため、白色有機ＥＬ層において生じた発光が、絶縁基板と封止基板との間の空間又は樹脂層中を伝播して隣接する画素に入り込むことによる混色が生じる問題がある。特許文献１に示された構造はこの問題を解消するものであるが、遮光壁を形成するためのプロセスコストが必要となるほか、高精細又は小型の表示装置では幅の狭い遮光壁を形成することが困難であり、開口率が低下する問題がある。

本発明はかかる観点に鑑みてなされたものであって、その目的は、カラーフィルタ方式のＥＬ表示装置において、混色による画質の劣化を低減することである。

本出願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

（１）前面に画素毎に形成された下部電極と、前記下部電極を隔てる画素分離膜と、前記下部電極及び前記画素分離膜の上層に形成された白色発光のＥＬ層と、を備えた第１の基板と、後面にブラックマトリクスと、カラーフィルタを備えた第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた封止層と、を有するＥＬ表示装置であって、次式：
Ｗ＞２ｔａｎ（θ_ｍ）（Ｈ_ＢＭ＋Ｈ＋Ｈ_Ｇ＋Ｈ_Ｓ）−（Ｗ_Ｓ＋Ｗ_ＢＭ）
を満足することを特徴とするＥＬ表示装置。ここで、
Ｗ：特定の画素における開口領域の幅
Ｗ_ＢＭ：ブラックマトリクスの幅
Ｗ_Ｓ：画素分離膜の幅
Ｈ_ＢＭ：ブラックマトリクスの厚さ
Ｈ：特定の画素におけるカラーフィルタの厚さ
Ｈ_Ｇ：画素分離膜の前面から特定の画素におけるカラーフィルタ後面までの距離
Ｈ_Ｓ：画素分離膜の高さ（下部電極の前面から画素分離膜の前面までの距離）
θ_ｍ：第２の基板と空気との間の臨界角
とする。

（２）（１）において、さらに、次式：
Ｈ_Ｇ≧３［μｍ］
を満足することを特徴とするＥＬ表示装置。

上記（１）によれば、カラーフィルタ方式のＥＬ表示装置において、混色による画質の劣化を低減することができる。

上記（２）によれば、さらに、製造時における不良の発生率を低減することができる。

本発明の実施形態に係るＥＬ表示装置の画素部分を示す部分断面図である。 図１の中央画素（緑色画素）の右半分と右側画素（青色画素）を示す部分拡大断面図である。 混色率Ｍと、Ｌ^＊ｕ^＊ｖ^＊表色系における色度の変化量Δｕ^＊ｖ^＊との関係を示したグラフである。 Ｈ_Ｇと製造不良の発生率との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るＥＬ表示装置を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るＥＬ表示装置１００の画素部分を示す部分断面図である。

ＥＬ表示装置１００は、絶縁性の第１の基板１上に多数の画素を規則的に配置し、各画素に対応する位置におけるＥＬ層６の発光量を制御することにより画像を形成する。そのため、第１の基板１上には、各画素に流れる電流の量を制御するためのＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等からなる電気回路が規則的に（本実施形態の場合、格子状に）配置される回路層２が形成される。なお、第１の基板１は本実施形態ではガラス基板であるが、絶縁性の基板であればその材質は特に限定されず、合成樹脂その他の材質であってもよい。また、その透明・不透明も問わない。

回路層２は、適宜の絶縁層と、走査信号線、映像信号線、電源線及び接地線等からなる配線と、ゲート、ソース、ドレインそれぞれの電極と半導体層からなるＴＦＴを含んでいる。回路層２を構成する電気回路及びその断面構造は周知のものであるので、ここではその詳細は省略し、これらを単純化して単に回路層２としてのみ示す。

回路層２上には、画素毎に独立して反射層３が設けられている。反射層３は、そのさらに上層に設けられるＥＬ層６からの発光を反射する機能を有している。反射層３は適宜の金属膜により形成してよく、例えばアルミニウム、クロム、銀又はこれらの合金を用いてよい。なお、反射層３と次に説明する下部電極４とが任意の絶縁層等により絶縁されている場合には、反射層３は必ずしも画素毎に独立して設けられずともよく、例えばＥＬ表示装置１００の画素が配置されている領域全面を覆うように設けられてもよい。

反射層３のさらに上層には、画素毎に下部電極４が設けられる。下部電極４は、画素分離膜５（バンクとも呼ばれる）により互いに隔てられ、絶縁される。下部電極４は透明導電膜であり、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）やＩｎＺｎＯ（酸化亜鉛錫）等の導電性金属酸化物や、かかる導電性金属酸化物中に銀等の金属を混入したものが好適に用いられる。また、画素分離膜５は絶縁性の材料であればどのようなものであってもよく、ポリイミドやアクリル樹脂等の有機絶縁材料や、シリコンナイトライドにより形成してよい。画素分離膜５は、各画素の境界に沿って配置され、各画素を互いに分離する。

下部電極４及び画素分離膜５の上層には、ＥＬ層６が設けられる。ＥＬ層６は、画素毎に独立しておらず、ＥＬ表示装置１００の画素が配置されている領域全面を覆うように設けられる。また、ＥＬ層６の発光色は白色である。かかる白色の発光は、一般的には、複数色、例えば、赤、緑、青の各色や、黄色と青に発光するＥＬ材料を積層することにより合成色として得られるが、本実施形態においてＥＬ層６の具体的構成は特に限定されるものではなく、その単層／積層の別やその層構造については、結果として白色発光が得られるものであればどのようなものであってもよい。また、ＥＬ層６を構成する材料は、有機であっても無機であってもよいが、本実施形態では有機材料を使用している。

さらに、ＥＬ層６の上部には、上部電極７が設けられる。上部電極７もまた、画素毎に独立しておらず、ＥＬ表示装置１００の画素が配置されている領域全面を覆うように設けられる。上部電極７も透明導電膜であり、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）やＩｎＺｎＯ（酸化亜鉛錫）等の導電性金属酸化物に銀やマグネシウム等の金属を混入したもの、或いは銀やマグネシウム等の金属薄膜と導電性金属酸化物を積層したものが好適に用いられる。

さらにその上層には、封止層８が設けられ、ＥＬ層６をはじめとする各層への酸素や水分の侵入が防止され、保護される。封止層８は、シリコンナイトライドやエポキシ系樹脂等の適宜の有機材料で構成してよく、また、異種材料を複数積層することにより封止層８を構成してもよい。封止層８には透明の材料が選択される。

封止層８を挟んで、第１の基板１と向かい合うように設けられる第２の基板９が配置されており、第２の基板９の後面、すなわち、第１の基板１と向き合う面には、画素の境界となる部分にブラックマトリクス１０が形成され、さらにその上を覆うように、各画素に対応した位置に、各画素の発光色に対応した色のカラーフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂが形成されている。第２の基板９は、ガラスあるいは合成樹脂製であり、可視光に対して透明である。また、ブラックマトリクス１０は、可視光に対して黒色、すなわち、吸光性を有する材料であればどのようなものであってもよく、例えば、ポリイミドやアクリル系合成樹脂にカーボンを混入したものを用いてよい。また、カラーフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ及び１１Ｂは任意の合成樹脂、例えばアクリル系合成樹脂に染料材料を混入することによりそれぞれ赤色、緑色及び青色に着色したものである。なお、各画素において、ブラックマトリクス１０に囲まれた部分が発光する領域であり、これを開口領域と呼ぶ。

ここで、カラーフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ及び１１Ｂの着色に染料材料を用いている理由は、特に青色のカラーフィルタ１１Ｂにおいて、色純度と光線の透過率の両立のためである。したがって、色純度と光線の透過率がＥＬ表示装置１００の仕様に合致する限りは、必ずしも染料材料を用いる必要はなく、顔料材料や、蛍光材料のような波長変換材料を用いてもよい。しかしながら、本実施形態のように、青色のカラーフィルタ１１Ｂに染料材料を用いている場合には、カラーフィルタ１１Ｂ中の染料材料の濃度に上限があるため、所望の特性を得るためにはカラーフィルタ１１Ｂの厚さには下限が存在する。赤色のカラーフィルタ１１Ｒ及び緑色のカラーフィルタ１１Ｇについても同様であるが、現時点において用い得る材料を使用している限り、カラーフィルタ１１Ｂの厚みが最も大きくなる。ここで、染料材料としては、アゾ系染料、アントラキノン系染料、フタロシアニン系染料、キノンイミン系染料、キノリン系染料、ニトロ系染料、カルボニル系染料、メチン系染料等の材料の内の１つ又は複数を用いてよい。

このような構造により、ＥＬ表示装置１００の各画素に対応する位置にあるＥＬ層６は、回路層２に配置された電気回路により制御された量の正孔及び電子が下部電極４及び上部電極７により注入されると、その電流量に応じた輝度で発光する。下部電極４及び上部電極７の極性は特に限定されないが、本実施形態では、下部電極４がアノードとして、また、上部電極７がカソードとして機能するようになっている。なお、以上の説明及び図１より明らかなように、ＥＬ表示装置１００はいわゆるトップエミッション形式であり、第１の基板１に対してＥＬ層６が形成されている側に発光を取り出す。従って、この、第１の基板１に対してＥＬ層６が形成されている側を前側と呼び、その反対側を後側と呼ぶこととする。図１では、上側が前側となる。

そして、例えば、図１の中央に示した画素（これは、緑色に発色する副画素である）におけるＥＬ層６で生じた発光の大部分は、図中矢印Ａで示したように前側へと向かい、緑色のカラーフィルタ１１Ｇに入射し、緑色の波長の光線のみがこれを透過して前側に取り出される。これにより、かかる画素は緑色に発光して視認されることとなる。これに対し、ＥＬ層６で生じた発光のうち斜めに向かうものの一部分は、図中矢印Ｂに示したように隣接する画素のカラーフィルタ、ここでは青色のカラーフィルタ１１Ｂに入射して青色の波長の光線がこれを透過して斜め前側に取り出される。このため、ＥＬ表示装置１００の画像表示面を斜めから見ると混色が生じ、表示される画像の色目が変化して観察されてしまうこととなる。

この問題に対し、本発明者は、ＥＬ表示装置１００の各部分の寸法を適切なものとすることにより、混色の問題を実用上許容できるレベルに低減し得ることを見出した。以下、図２を参照しつつこの設計指針を説明する。

図２は、図１の中央画素（緑色画素）の右半分と右側画素（青色画素）を示す部分拡大断面図である。ここで各部の寸法を次のように定義する。
Ｗ_Ｂ：青色画素の開口領域の幅
Ｗ_ＢＭ：ブラックマトリクス１０の幅
Ｗ_Ｓ：画素分離膜５の幅
Ｈ_ＢＭ：ブラックマトリクス１０の厚さ
Ｈ_Ｂ：青色のカラーフィルタ１１Ｂの厚さ
Ｈ_Ｇ：画素分離膜５の前面から青色のカラーフィルタ１１Ｂの後面までの距離
Ｈ_Ｓ：画素分離膜５の高さ（下部電極４の前面から画素分離膜５の前面までの距離）

このとき、緑色画素の最も青色画素よりの位置Ｃ（これは図示のように画素分離膜５の端点となる）から斜めに出射する光線Ｄを考える。この光線Ｄが第２の基板９から前面に取り出されるためには、光線Ｄの第２の基板９の法線に対する角度が、第２の基板９と空気との間の臨界角（全反射が起こる角度）θ_ｍより小さくなくてはならない。したがって、光線Ｄとしては、最も傾いたものとして、第２の基板９の法線方向に対し角度θ_ｍだけ傾いたものを考えればよい。なお、第２の基板９の材質がガラスである場合には、θ_ｍ＝４１．５°である。なお、図２では、光線Ｄが部分的に画素分離膜５を横切っているように示されているが、これは図示の都合上各部分の比率が実物と異なっているためであり、ここで考慮する必要はない。

そして、光線Ｄが第２の基板９の後面に入射する位置からブラックマトリクス１０の端までの距離をＬとする。この距離Ｌは、ブラックマトリクス１０の端から距離Ｌまでの範囲において混色が生じることを意味している。ここで、混色率Ｍを次のように定義する。
［数１］
Ｍ＝Ｌ／Ｗ_Ｂ

この混色率Ｍは、混色により生じる色目の変化の度合いを評価する指標として有用である。図３は、混色率Ｍと、Ｌ^＊ｕ^＊ｖ^＊表色系における色度の変化量Δｕ^＊ｖ^＊との関係を示したグラフである。同図に示すように、混色率Ｍが０．５を上回ると色度の変化量Δｕ^＊ｖ^＊が急激に増大する。このことから、
［数２］
Ｍ＜０．５
とすべきであることがわかる。

また、図２に示した幾何学的関係より
［数３］
ｔａｎ（θ_ｍ）＝（Ｗ_Ｓ／２＋Ｗ_ＢＭ／２＋Ｌ）／（Ｈ_ＢＭ＋Ｈ_Ｂ＋Ｈ_Ｇ＋Ｈ_Ｓ）
が成り立つ。

以上の［数１］乃至［数３］よりＬを消去すると、

［数４］
Ｗ_Ｂ＞２ｔａｎ（θ_ｍ）（Ｈ_ＢＭ＋Ｈ_Ｂ＋Ｈ_Ｇ＋Ｈ_Ｓ）−（Ｗ_Ｓ＋Ｗ_ＢＭ）
が得られ、これが所与のＨ_ＢＭ、Ｈ_Ｂ、Ｈ_Ｇ、Ｈ_Ｓ、Ｗ_Ｓ及びＷ_ＢＭに対してＷ_Ｂが満たすべき条件となる。なお、［数４］におけるＷ_Ｂ及びＨ_Ｂはそれぞれ青色画素における開口領域の幅及びカラーフィルタの厚さであるが、赤色画素及び緑色画素においてもこれらをそれぞれ該当する画素のものと置き換えればこの条件は同様に成立する。ただし、本実施形態では青色のカラーフィルタ１１Ｂの厚みＨ_Ｂが他のカラーフィルタ１１Ｒ，１１Ｇのものに比べ厚く条件が最も厳しいものとなるため、各画素の開口領域の幅が互いに等しいものであれば、青色画素についての条件である［数４］が満たされれば赤色画素及び緑色画素についても同様の条件は満たされる。本実施形態では、青色のカラーフィルタ１１Ｂの厚みはおおよそ６μｍ±１μｍであるのに対し、赤色及び緑色のカラーフィルタ１１Ｒ，１１Ｇの厚みはおおよそ２．５μｍ±１μｍである。［数４］をより一般化するならば、任意の特定の画素における開口領域の幅Ｗ及びかかる画素におけるカラーフィルタの厚みＨを用い、

［数５］
Ｗ＞２ｔａｎ（θ_ｍ）（Ｈ_ＢＭ＋Ｈ＋Ｈ_Ｇ＋Ｈ_Ｓ）−（Ｗ_Ｓ＋Ｗ_ＢＭ）
となる。

ところで、混色についての一般化条件である［数５］では、右辺の値がより小さいほどＷの値を小さくすることができ、より高精細又は小型のＥＬ表示装置１００が得られることが示されている。しかしながら、Ｈ_ＢＭ、Ｈ及びＨ_Ｓはプロセス上の制約又は機能上の制約により下限が存在する（例えば、Ｈ_ＢＭやＨの値を小さくすると所望の遮光性や色純度が得られなくなる）。また、Ｗ_Ｓ及びＷ_ＢＭを増大させると開口率が低下し所定の輝度が得られなくなるためこれらの値にも上限が存在する。

そこで、Ｈ_Ｇを小さくすることが考えられるが、この値にもプロセス上の制約により下限が存在する。すなわち、ＥＬ表示装置１００の製造は、クリーンルーム等の異物の混入による影響を極力排除した環境下でなされるが、これを完全に排除することは難しい。特に、第１の基板１と第２の基板９との貼り合わせ工程（これは封止層８を形成する工程である）において異物の混入が起こりやすいが、封止層８は混入した異物に対して緩衝層として機能するため、封止層８中に混入した異物の影響を低減する効果を有している。この緩衝効果は、封止層８の厚さが混入した異物に対し十分大きい場合に発揮されるため、前述したようにＨ_Ｇを小さくする、すなわち、封止層８の厚さを薄くすると相対的に混入した異物の影響を受けやすくなり、製造時の歩留まりが低下するのである。

図４は、現状で経済的に合理的な環境下においてＥＬ表示装置１００の製造をした場合における、Ｈ_Ｇと製造不良の発生率との関係を示したグラフである。なお、ここでの製造不良の発生率は、ＥＬ表示装置１００において異物原因とみられる暗点が発生した割合を示している。同図に示されるように、Ｈ_Ｇが３μｍ未満となると製造不良の発生率が急激に増加する。これは、Ｈ_Ｇが３μｍ未満となると、現状得られるクリーンルームの環境において除去できない微小な大きさの異物の影響を受けるようになるためと考えられる。このことから、
［数６］
Ｈ_Ｇ≧３［μｍ］
とすべきであることがわかる。

以上のことから、本実施形態に係るＥＬ表示装置１００は、上述の［数５］及び［数６］を同時に満足するものであり、これにより、実用上混色による影響が問題ない程度まで低減され、なおかつ、製造不良の発生率の低いＥＬ表示装置１００が得られる。なお、［数６］の条件は、利用できるクリーンルームの環境に依存しており、現状得られる環境よりよい環境が利用できる場合には、必ずしも必須の条件ではない。

なお、以上説明した実施形態において示した各部材の具体的な形状や配置等は一例であり、本発明をこれらに限定するものではない。当業者は本発明を実施するにあたり、その実施の態様に応じてこれら各部材の形状等を任意に設計及び変更してよい。

１ 第１の基板、２ 回路層、３ 反射層、４ 下部電極、５ 画素分離膜、６ ＥＬ層、７ 上部電極、８ 封止層、９ 第２の基板、１０ ブラックマトリクス、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ カラーフィルタ。

Claims (2)

1. 前面に画素毎に形成された下部電極と、前記下部電極を隔てる画素分離膜と、前記下部電極及び前記画素分離膜の上層に形成された白色発光のＥＬ層と、を備えた第１の基板と、
   後面にブラックマトリクスと、カラーフィルタを備えた第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた封止層と、
   を有するＥＬ表示装置であって、次式：
   Ｗ＞２ｔａｎ（θ_ｍ）（Ｈ_ＢＭ＋Ｈ＋Ｈ_Ｇ＋Ｈ_Ｓ）−（Ｗ_Ｓ＋Ｗ_ＢＭ）
   を満足することを特徴とするＥＬ表示装置。
   ここで、
   Ｗ：特定の画素における開口領域の幅
   Ｗ_ＢＭ：ブラックマトリクスの幅
   Ｗ_Ｓ：画素分離膜の幅
   Ｈ_ＢＭ：ブラックマトリクスの厚さ
   Ｈ：特定の画素におけるカラーフィルタの厚さ
   Ｈ_Ｇ：画素分離膜の前面から特定の画素におけるカラーフィルタ後面までの距離
   Ｈ_Ｓ：画素分離膜の高さ（下部電極の前面から画素分離膜の前面までの距離）
   θ_ｍ：第２の基板と空気との間の臨界角
   とする。
2. さらに、次式：
   Ｈ_Ｇ≧３［μｍ］
   を満足することを特徴とする請求項１に記載のＥＬ表示装置。
   

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