JP2015222658A - 有機エレクトロルミネッセンス素子、及び表示装置 - Google Patents

有機エレクトロルミネッセンス素子、及び表示装置 Download PDF

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大山 毅
Takeshi Oyama
毅 大山
長谷川 浩司
Koji Hasegawa
浩司 長谷川
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Abstract

【課題】光の取り出し効率を向上させた有機EL素子を実現できるようにする。【解決手段】有機EL素子は、基板101の主面上に、基板101側から順次設けられた、第1電極層110、有機発光層120、及び第2電極層130を含む機能層103を備えている。機能層103は、主面と並行な複数の平坦部103Aと、平坦部103Aの間に設けられ主面に対して傾斜した複数の傾斜部103Bとを有し、傾斜部103Bは、機能層103内を伝播する光を主面と交差する方向に反射する。【選択図】図1

Description

本開示は、有機エレクトロルミネッセンス素子、及び表示装置に関する。
近年、自発型発光素子として、有機層を一対の電極で挟持した構造の有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子に関する研究開発が活発に行われている。有機EL素子は、全反射効果による光の閉じ込め作用という特徴的な光学現象を有している。このため、有機層から放出される光エネルギーの多くが素子の内部に閉じ込められてしまうという問題がある。
素子内部に閉じ込められた光を取り出すために、種々の検討が行われている。例えば、特許文献1においては、発光部と基板との間に凹凸面を形成することにより、導波光を基板の外に取り出すことが検討されている。
また、特許文献2においては、隔壁部分に反射部を設け、素子内を伝播する光を隔壁部において反射させて素子の外に取り出すことが検討されている。
特開2003−297572号公報 特開2013−122835号公報
特許文献1の構成は、光を散乱させる層を発光層の上側に配置することになるため、ディスプレイ用途には適さないという問題がある。光を散乱する層を形成すると、ディスプレイ用途において通常用いられる円偏光板による反射防止膜を配置しても、円偏向が散乱されてしまう。このため、反射光が十分に吸収されなくなり、外光下における視認性が大きく低下してしまう。従って、ディスプレイ用途として使用することは困難であるという問題がある。
特許文献2の構成では、画素のサイズが大きくなると、隔壁に到達するまでに導波光の多くが吸収されてしまい、光の取り出し効率を十分に向上させることができないという問題がある。近年、テレビ用途等において画素のサイズが大きくなる傾向にあり、この問題の重要性が高くなっている。
本開示は、前記の問題を解決し、光の取り出し効率を向上させた有機EL素子を実現できるようにすることを目的とする。
有機EL素子の一態様は、基板の主面上に、基板側から順次設けられた、第1電極層、有機発光層、及び第2電極層を含む機能層を備え、機能層は、主面と並行な平坦部と、平坦部の間に設けられ主面に対して傾斜した傾斜部とを有し、傾斜部は、機能層内を伝播する光を主面と交差する方向に反射する。
有機EL素子の一態様において、傾斜部は、平坦部を囲むように配置されていてもよい。
有機EL素子の一態様において、平坦部は、第1の部分と、第1の部分よりも高い位置に設けられた第2の部分とを有し、傾斜部は、第1の部分と第2の部分との間に設けられていてもよい。
有機EL素子の一態様において、第1の部分と第2の部分とは、交互に配置されていてもよい。
有機EL素子の一態様は、基板の主面上に設けられた凸部をさらに備え、機能層は、凸部を覆うように形成され、傾斜部は、凸部の側面に形成されていてもよい。
この場合において、凸部は、絶縁性材料により形成されていてもよい。
また、導電性材料により形成されていてもよい。
この場合において、凸部は、第1電極層と一体としてもよい。
有機EL素子の一態様において、傾斜部は、基板の主面に対する平均傾斜角が20°以上、80°以下とすることができる。
有機EL素子の一態様において、傾斜部における段差の高さは、有機発光層の厚さよりも大きくすることができる。
有機EL素子の一態様において、平坦部は、マイクロキャビティ構造としてもよい。
表示装置の一態様は、本開示の有機エレクトロルミネッセンス素子を複数備えている。
表示装置の一態様は、偏光板と、4分の1波長の位相差を有する位相差板とを含む円偏光板とをさらに備えていてもよい。また、偏光板と、2分の1波長の位相差を有する位相差板及び4分の1波長の位相差を有する位相差板とを含む円偏光板とをさらに備えていてもよい。
本開示の有機EL素子によれば、光の取り出し効率を向上させることができる。
(a)及び(b)は有機EL素子の一例を示し、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIb−Ib線における断面図である。 有機EL素子の変形例を示す断面図である。 (a)及び(b)は有機EL素子の変形例を示し、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIIIb−IIIb線における断面図である。 (a)及び(b)は有機EL素子の変形例を示し、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIVb−IVb線における断面図である。 表示装置の一例を示す断面図である。 実施例1の結果を示す図である。 実施例2の結果を示す図である。
図1(a)及び(b)は、本実施形態の有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子100を示している。有機EL素子100は、基板101の上に層間絶縁膜102を介在させて設けられた機能層103を有している。機能層103は、基板101側から順次設けられた第1電極層110、有機発光層120及び第2電極層130を含む。本実施形態においては、第1電極層110がアノード電極であり、第2電極層130がカソード電極である例を示す。また、基板101と反対側(上方)に光を取り出すトップエミッション構造の素子である例を示す。但し、ボトムエミッション構造とすることもできる。なお、図示していないが層間絶縁膜102と基板101との間には、有機EL素子を駆動するための薄膜トランジスタ層が設けられている。
第1電極層110は、光反射性を有する材料により形成することができる。例えば、反射層111を透明金属層112及び113で挟んだ積層体とすることができる。このような構成とすることにより、反射率を高くすることができる。反射層111は例えば、銀(Ag)又はアルミニウム(Al)層等とすることができる。反射層111の厚さは、例えば50nm〜500nm程度とすることができる。透明金属層112及び113は、例えば酸化インジウム−スズ(ITO)層等とすることができる。透明金属層112及び113の厚さは、例えば50nm〜300nmとすることができる。透明金属層112及び113は、同じ材料により形成しても、異なる材料により形成してもよい。また、透明金属層112及び113は設けなくてもよく、反射層111の一方のみに透明金属層を設けてもよい。
有機発光層120は、第1電極層110側から順次設けられた、ホール輸送層122、有機層121及び電子輸送層123を含む。ホール輸送層122及び電子輸送層123は必要に応じて設ければよい。また、ホール輸送層122と第1電極層110との間に、ホール注入層を設けてもよい。電子輸送層123と第2電極層130との間に電子注入層を設けてもよい。これらの層を設けることにより電荷の注入性を向上させることができる。
有機層121は、有機発光材料を含む層であり、第1電極層110から注入されたホールと第2電極層130から注入された電子とが再結合して、有機発光材料を励起することにより発光する。有機発光材料としては既知の材料を用いることができる。例えば、特開2005−174717号公報等に記載の材料等を用いることができる。有機層121の厚さは、例えば15nm〜200nm程度とすることができる。
ホール輸送層122は、第1電極層110から注入されたホールを有機層121に効率良く注入する機能を有する。ホール輸送層122は、ホール輸送性を有する有機材料により形成することができる。ホール輸送性を有する有機材料としては、既知の材料を用いることができる。例えば、特開2005−174717号公報等に記載の材料等を用いることができる。ホール輸送層122の厚さは、例えば15nm〜300nm程度とすることができる。
電子輸送層123は、第2電極層130から注入された電子を有機層121に効率良く注入する機能を有する。電子輸送層123は電子輸送性を有する有機材料により形成することができる。電子輸送性を有する有機材料としては、既知の材料を用いることができる。例えば、特開2005−174717号公報等に記載の材料等を用いることができる。電子輸送層123の厚さは、例えば15nm〜300nmとすることができる。
第2電極層130は、光透過性を有する材料により形成することができる。例えばマグネシウム(Mg)とAgとの合金からなる薄膜により形成することができる。第2電極層130の厚さは、例えば、5nm〜100nm程度とすることができる。
第2電極層130の上に、キャップ層132を設けることができる。キャップ層132は、例えばポリアセチレン等の有機膜又は窒化シリコン(SiN)若しくは酸化シリコン(SiO)等の無機膜とすることができる。キャップ層132の厚さは、例えば10nm〜200nm程度とすることができる。
機能層103は、基板101の主面と並行な平坦部103Aと、基板101の主面に対して傾斜した傾斜部103Bとを有している。本実施形態の有機EL素子100は、第1電極層110を構成する反射層111が他の部分よりも厚い凸部111aを有しており、傾斜部103Bは、凸部111aの側面により形成されている。従って、1つの凸部111aにより少なくとも2つの傾斜部103Bが形成される。また、凸部111aは、平坦部103Aの間に形成される。有機EL素子100においては、傾斜部103Bにおいても、第1電極層110、有機発光層120及び第2電極層130を含む積層構造が形成されており、平坦部103Aだけでなく傾斜部103Bにおいても発光が生じる。しかし、効率良く光を取り出せることができる平坦部103Aを有効発光領域として説明する。
平坦部103Aにおける有機発光層120において発光した光の一部は、上方に取り出される。しかし、残りは機能層103内に閉じ込められ、平坦部103A内を伝播する。傾斜部103Bは反射面として機能するため、平坦部103A内を伝播する光が傾斜部103Bに入射すると、少なくとも一部は上方に反射し、機能層103の外に取り出される。傾斜部103Bは、入射した光が取り出される方向に反射されるように、平均傾斜角を設定すればよい。例えば、基板101の主面とのなす角の平均値を20°〜80°程度とすることができ、40°〜60°程度とすることが好ましい。
効率良く光を反射させるために、傾斜部103Bによって機能層103に生じる段差の高さhを、有機発光層120の膜厚以上とすることができる。このようにすれば、傾斜部103Bにおける第1電極層110の上端が、平坦部103Aにおける有機発光層120の上端よりも上側となり、平坦部103Aにおいて有機発光層120内を伝播する光は、傾斜部103Bにおいて第1電極層110に入射する。具体的には、有機発光層120の膜厚にもよるが、段差の高さhは数100nm程度とすることができる。
傾斜部103Bは、図1(a)に示すように平坦部103Aを囲むように配置することができる。これにより、平坦部103A内に閉じ込められた光を効率良く上方に取り出すことが可能となる。傾斜部103B同士の間隔dを狭くした方が、傾斜部103Bに到達せずに機能層103内で吸収されてしまう光を少なくすることができる。有効発光領域の面積を大きくするという観点からは、傾斜部103B同士の間隔dをある程度広くした方がよい。傾斜部103B同士の間隔dは特に限定されないが、3μm〜10μm程度、好ましくは3μm〜5μm程度とすることができる。このような構成とすることにより、有効発光領域を確保しつつ、傾斜部103Bに到達する前に平坦部103A内で吸収される光を低減して、効率良く光の取り出しができる。
図1(a)には平坦部103Aが正方形状であり傾斜部103Bが正方格子状となるように配置されている例を示したが、平坦部103Aが長方形状であり傾斜部103Bを長方格子状に配置することもできる。また、平坦部103Aを三角形状とし傾斜部103Bを三角格子状に配置したり、平坦部103Aを六角形状とし傾斜部103Bを六角格子状に配置したりすることもできる。
図1(a)においては、傾斜部103Bを構成する凸部111aが縦方向及び横方向にそれぞれ独立している例を示しているが、縦方向及び横方向の少なくとも一方向に連続した凸部111aが形成されていてもよい。また、有機EL素子の大きさ及び形状によっては、縦方向及び横方向のいずれか一方のみに凸部111aが形成されている構成とすることもできる。
凸部111aの幅は、有機発光層120の膜厚及び傾斜部103Bの平均傾斜角度等を考慮して決定すればよいが、1μm程度とすることができる。幅が1μm程度の凸部111aは、特に限定されないがインクジェット法により形成することができる。例えば、まず膜厚が一定な反射層111を形成し、その後インクジェット法により金属ペーストを選択的に塗布し、硬化させることにより選択的に凸部111aを形成することができる。凸部111aは反射層111と同じ材料により形成することができる。例えば、反射層111をAg層とする場合にはAgペーストを用いて凸部111aを形成すればよい。反射層111と凸部111aとを異なる金属材料により形成してもよい。また、反射層111ではなく、透明金属層112に凸部を設けてもよい。さらに、図2に示すように、第1電極層110と基板101との間に凸部117を設ける構成としてもよい。この場合凸部117に絶縁性の材料を用いることができる。
有機EL素子は、図3(a)及び(b)に示すような構成とすることもできる。図3(a)及び(b)に示す有機EL素子100Aは、平坦部103Aが、第1の部分105と基板101の主面に対して第1の部分105よりも高い位置に設けられた第2の部分106とを有している。傾斜部103Bは第1の部分105と第2の部分106との間に設けられている。第1の部分105と第2の部分106とは交互に設けることができる。
傾斜部103Bは、第1電極層110と基板101との間に設けられた凸部118の側面に形成されている。第2の部分106Cは、凸部118の上面に形成されている。第1の部分105において発光し、機能層103内に閉じ込められた光は、傾斜部103Bにおいて反射され、上方に取り出される。一方、第2の部分106において発光し、機能層103内に閉じ込められた光も、傾斜部103Bにおいて屈折又は反射され、上方に取り出される。このため、有機EL素子100Aは、第1の部分105だけでなく第2の部分106も有効発光領域として利用することができる。
第2の部分106を設ける場合には、凸部118の幅を3μm〜5μm程度とすることができる。このようなサイズの凸部118は、フォトリソグラフィを用いて容易に形成することができる。例えば、凸部118を感光性の有機材料を用いて形成することができる。感光性の有機材料としては、アクリル、ノボラック又はポリイミド等を用いることができる。また、凸部118は無機材料膜をパターニングすることにより形成することもできる。例えば、層間絶縁膜102の上に無機材料膜を形成した後、フォトリソグラフィによりレジストマスクを形成し、ドライエッチングを行い凸部118を形成することができる。無機材料膜としては、酸化シリコン膜等を用いることができる。
凸部118を第1電極層110と基板101との間に設ける例を示したが、第1電極層110に凸部を設けてもよい。例えば、反射層111に凸部を設けてもよい。
図3(a)には、第1の部分105と第2の部分106とが共に正方形状である例を示したが、長方形状としたり、三角形状としたり、六角形状としたりすることもできる。第1の部分105と第2の部分106とは同じ形状でなくてもよい。また、第1の部分105と第2の部分106とは同じサイズでなくてもよい。
第1の部分105と第2の部分106とを設け、第1の部分105と第2の部分106との間に傾斜部103Bを設ける例を示した。しかし、図4に示すように、第1の部分105を設けない構成とすることもできる。また、第1の部分105と第2の部分106とが設けられた領域と、第1の部分105又は第2の部分106だけが設けられた領域とが混在している構成とすることもできる。
有機EL素子100及び有機EL素子100Aにおいて、機能層103を構成する各層の屈折率及び膜厚を調整して、平坦部103Aが光学的微小共振器(マイクロキャビティ)となるようにすることができる。平坦部103Aをマイクロキャビティとすることにより、輝度及び色再現性の向上という利点が得られる。
図5は、本実施形態の表示装置200を示している。本実施形態の表示装置200は、画素として本実施形態の有機EL素子100を複数有している。具体的に、基板101の上に、層間絶縁膜102を介して、機能層103を有する有機EL素子100が複数設けられている。有機EL素子100は、隔壁層201により分離されている。有機EL素子100は、細部を省略して図示しているが、先に説明した、機能層103が平坦部103Aと傾斜部103Bとを有する構成である。なお、有機EL素子100に代えて、平坦部103Aが第1の部分105及び第2の部分106を有する有機EL素子100A又は他の変形例に係る有機EL素子とすることもできる。
層間絶縁膜102と基板101との間には、有機EL素子100を駆動する薄膜トランジスタ(TFT)202が設けられている。TFT202は例えば、基板101の上に設けられたゲート電極211と、ゲート電極211を覆うゲート絶縁膜212と、ゲート絶縁膜212の上に設けられた半導体層213と、半導体層213の上に設けられたソース電極214及びドレイン電極215とを有している。ソース電極214はコンタクトホール218を介して有機EL素子の第1電極層110と接続されている。TFT202は、ポリシリコンTFTとすることができるが、アモルファスシリコンTFT又は酸化物半導体TFT等とすることもできる。
層間絶縁膜102と基板101との間には、図示していないが、書き込み用のトランジスタ、信号線、走査線及び電源線等も設けられている。
層間絶縁膜102は、有機絶縁膜とすることができる。例えば、ノボラック、アクリル又はポリイミド等を用いることができる。基板101は、絶縁性を有する基板であればよく、ガラス基板又は樹脂基板等とすることができる。無アルカリガラス基板としてもよい。隔壁層201はポリイミド等とすることができる。
有機EL素子100は、隔壁層201に設けられた開口部に設けられている。機能層103の第1電極層110以外の層は、隔壁層201の側面及び開口部周囲の上面を覆う。第2電極層130及びキャップ層132は、隣接する有機EL素子100と一体に形成されている。隔壁層201の側面は、光を上方に反射する構成としてもよい。これにより、光の取り出し効率をさらに高くすることができる。
基板101と対向するように封止基板204を配置し、有機EL素子100を封止することができる。封止基板204はガラス基板又は樹脂基板等とすることができる。封止基板204と有機EL素子100との間は空気層とすることができる。封止基板204と有機EL素子100との間に、透明樹脂等を充填することもできる。
封止基板204の上には、円偏光板205が設けられていてもよい。円偏光板205は例えば、偏光板と、4分の1波長(λ/4)板との積層体とすることができる。また、偏光板と、2分の1波長(λ/2)板及びλ/4板とが積層された広帯域の円偏光板とすることもできる。円偏光板を配置することにより、外光下での視認性を向上させることができる。
<実施例>
−評価方法−
ディスプレイ用途のトップエミッション構造の有機EL素子を作製し、有機EL素子からの光の取り出しについて評価した。評価は、有限差分時間領域(FDTD)法の手法を用いてシミュレーションにより行った。シミュレーションにより取り出された光の強度を求め、有機EL素子の発光面の面積で割った値を、単位面積当たりの輝度とした。
(実施例1)
図1に示す構成の有機EL素子100とした。平坦部は正方形状で、傾斜部の間隔は2.5μmとした。機能層は以下のようにした。透明電極層は、それぞれ厚さが15nmのITO層とし、反射層は、厚さが100nmのAg層とした。ホール輸送層の厚さは、180nmとし、有機層の厚さは、50nmとし、電子輸送層の厚さは、50nmとした。第2電極層は、厚さが10nmのMg−Al層とした。キャップ層は、厚さが50nmの有機材料の層とした。
(実施例2)
図2に示す構成の有機EL素子100Aとした。平坦部に第1の部分及び第2の部分が設けられている以外は、実施例1と同様の構成とした。第1の部分は3μm角、第2の部分は2.5μm角とした。第1の部分のみが発光している場合及び第2の部分のみが発光している場合のそれぞれについて輝度を求めた。
(比較例1)
通常の平坦な機能層を有する有機EL素子とした。機能層の構成は実施例1と同じにした。
図6は、実施例1の輝度を示す。縦軸は、比較例1の輝度を1として規格化した値である。実施例1においては、比較例1の1.35倍程度の光を取り出すことができた。
図7は、実施例2の光強度を示す。縦軸は、比較例1の輝度を1として規格化した値である。第1の部分のみが発光している場合には、比較例1の1.35倍程度の光を取り出すことができた。第2の部分のみが発光している場合においても、比較例1の1.2倍以上の光を取り出すことができた。このように、第2の部分において発光した光も、傾斜部において、上方に反射され取り出すことができる。
本開示の有機EL素子は、光の取り出し効率を向上させることができ、特にディスプレイ等に用いる有機EL素子等として有用である。
100 有機EL素子
100A 有機EL素子
101 基板
102 層間絶縁膜
103 機能層
103A 平坦部
103B 傾斜部
105 第1の部分
106 第2の部分
110 第1電極層
111 反射層
111a 凸部
112 透明金属層
113 透明電極層
117 凸部
118 凸部
120 発光層
121 有機層
122 ホール輸送層
123 電子輸送層
130 第2電極層
132 キャップ層
200 表示装置
201 隔壁層
202 TFT
204 封止基板
205 円偏光板
211 ゲート電極
212 ゲート絶縁膜
213 半導体層
214 ソース電極
215 ドレイン電極
218 コンタクトホール

Claims (14)

  1. 基板の主面上に、前記基板側から順次設けられた、第1電極層、有機発光層、及び第2電極層を含む機能層を備え、
    前記機能層は、前記主面と並行な平坦部と、前記平坦部の間に設けられ前記主面に対して傾斜した傾斜部とを有し、
    前記傾斜部は、前記機能層内を伝播する光を前記主面と交差する方向に反射する、有機エレクトロルミネッセンス素子。
  2. 前記傾斜部は、前記平坦部を囲むように配置されている、請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  3. 前記平坦部は、第1の部分と、前記第1の部分よりも高い位置に設けられた第2の部分とを有し、
    前記傾斜部は、前記第1の部分と前記第2の部分との間に設けられている、請求項1又は2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  4. 前記第1の部分と前記第2の部分とは、交互に配置されている、請求項3に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  5. 前記基板の主面上に設けられた凸部をさらに備え、
    前記機能層は、前記凸部を覆うように形成され、
    前記傾斜部は、前記凸部の側面に形成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  6. 前記凸部は、絶縁性材料により形成されている、請求項5に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  7. 前記凸部は、導電性材料により形成されている、請求項5に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  8. 前記凸部は、前記第1電極層と一体である、請求項7に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  9. 前記傾斜部は、前記基板の主面に対する平均傾斜角が20°以上、80°以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  10. 前記傾斜部における段差の高さは、前記有機発光層の厚さよりも大きい、請求項1〜9のいずれか1項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  11. 前記平坦部は、マイクロキャビティ構造である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を複数備えている表示装置。
  13. 偏光板と、4分の1波長の位相差を有する位相差板とを含む円偏光板とをさらに備えている、請求項12に記載の表示装置。
  14. 偏光板と、2分の1波長の位相差を有する位相差板及び4分の1波長の位相差を有する位相差板とを含む円偏光板とをさらに備えている、請求項12に記載の表示装置。
JP2014106715A 2014-05-23 2014-05-23 有機エレクトロルミネッセンス素子、及び表示装置 Pending JP2015222658A (ja)

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