JP4418412B2 - 無機電界発光表示装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、無機電界発光表示装置及びその製造方法に係り、特に、光取出し効率が向上した無機電界発光表示装置及びその製造方法に関する。
無機電界発光表示装置の光取出し効率は、次のように表れる。
前記数式１で、ηｉｎとηｏｕｔとは、それぞれ内部の光取出し効率と外部の光取出し効率とを表すものであって、ηｉｎは、各層の内部で、自己消滅されることに起因して決定されるものであり、ηｏｕｔは、各層間での全反射、すなわち光が屈折率の高い層から屈折率の低い層に入射する時、臨界角以上に入射して全反射を起こして、外部への取出しが阻害されることにより決定されるものである。後述するように、無機電界発光表示装置の場合、発光層の屈折率が高いため、光取出し効率は、主に発光層と絶縁層との界面での全反射の影響により決定される。
図１に示したような従来の無機電界発光表示装置において、発光層１４０から放出された光が、第１絶縁層１３０、第１電極１２０、及び基板１１０を経て空気中に透過される時、各層間での全反射を考慮した光透過効率ηｏｕｔは、次の式のように表すことができる。
前記式で、Ｎは、各層の屈折率である。一方、無機電界発光表示装置に一般的に使われる各層の屈折率は、次の通りである。
前記表で、発光層としては、最も多く使われるＺｎＳの屈折率を示しており、絶縁層としては、Ｃａｓｅ Ｉの場合には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｃａｓｅ ＩＩの場合には、ＳｉＮｘ、Ｃａｓｅ ＩＩＩの場合には、ＺｎＳを使用した場合の屈折率を示している。
前記のようなＣａｓｅＩ、ＩＩ、ＩＩＩの場合に、外部に光が取出されず、各層で消滅される比率を測定すれば、次の表２の通りである。
前記表２で、発光層モードとは、発光層と第１絶縁層との界面での全反射によるものをいい、第１絶縁層モードとは、第１絶縁層と第１電極との界面での全反射によるものをいい、第１電極モードとは、第１電極と基板との界面での全反射によるものをいい、基板モードとは、基板と空気との界面での全反射によるものをいう。
前記表２の数値は、前記表１の値を利用して、各層間で光が取出されず、全反射される比率をＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）法を用いたシミュレーターを利用して計算した結果である。
ＦＤＴＤ法は、時間領域差分法、あるいは有限差分時間領域法と呼ばれる。ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーターは、マクスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）方程式を精密に解くシミュレーターであって、高度の正確性が認定されるシミュレーション方式である。
一般的に、無機電界発光の層別の光学的特性を考慮した光取出し特性は、前記表２の通りであり、前記ｃａｓｅ Ｉ、ｃａｓｅ ＩＩの場合が一般的な無機電界発光表示装置の膜構成であるということを考慮すれば、発光層から第１絶縁層に透過される光量が、３０％以下というように非常に少なく、その主要な原因は、発光層から第１絶縁層に光が入射する時に発生する全反射（発光層モード）であることが分かる。また、Ｃａｓｅ ＩＩＩの場合の光取出し効率は、電極と絶縁層との界面での全反射特性によるものである。
結果的に、あらゆる場合において、外部に取出される光量は、前記表２の最後の列に記載されているように、約１０％以下となって、多くの光量が損失されるという構造的な問題が発生する。
このような光損失及び輝度低下の問題を解決するために、多様な試みがなされた。このような試みのうち、供給電圧を高める方法は、意図した輝度向上の達成を可能にするが、駆動電圧の上昇によるドライバＩＣの負担、素子寿命の減縮、消費電力の増加などの問題点がある。したがって、駆動電圧を高めず、かつ輝度を向上させるために、次の特許文献が提案された。
また、これら試みは、バッテリーの容量増加を伴って軽量化に反し、またバッテリー及び自発光素子の寿命を減縮させる。このため、供給電圧をかえって低め、かつ輝度を向上させるために、次の特許文献が提案された。
特許文献１には、電界発光シートの基板上に互いに平行した長さの方向軸を有する複数のプリズムが形成されている、アクリル樹脂剤のプリズムレンズシートが装着された電界発光装置が開示されている。透明基板と空気との界面に臨界角以上の角度で入射した光が、プリズムレンズの各辺では、臨界角以下の入射角を有するように全反射を減らし、光の射出方向を所定の方向に指向させて、その方向での輝度を向上させることである。しかし、前記特許文献１には、プリズムレンズ内でも、全反射によって消失される光が存在し、像の重複により像の鮮明度が低下するという問題点がある。また、無機電界発光表示装置においては、全反射によって外部に取出されない光の大部分は、発光層と絶縁層との界面で発生するものであるので、前記のような方法では、無機電界発光表示装置での光取出し効率の向上の効果が微小であるという問題点がある。
特許文献２には、有機電界発光表示装置の反射電極上に回折格子を備えた有機電界発光素子が開示されている。反射電極上に回折格子を形成して、各界面で全反射された光を、前記界面に臨界角以下に再び入射できるように反射させて、全反射を減らすということである。しかし、前記構造は、基板と電極との界面での全反射特性の大きい有機電界発光素子で効果が大きい考案であり、絶縁層と電極との界面でない発光層と絶縁層との界面での全反射が問題となる無機電界発光表示装置に適用した時は、特別な効果がない。
特開平９−７３９８３号公報
特開平１１−２８３７５１号公報
本発明の目的は、上記のような問題点を含む種々の問題点を解決するためのものであって、光取出し効率が向上した無機電界発光表示装置及びその製造方法を提供することである。
上記のような目的及びその他の種々の目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に備えられる第１電極と、前記第１電極上に備えられる第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に備えられる発光層と、前記発光層上に備えられる第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に備えられる第２電極と、を備え、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、面発光した光を透過するための透明電極であり、前記第１絶縁層と前記発光層との間の第１界面において、前記第１絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子と、を備えることを特徴とする面発光型の無機電界発光表示装置を提供する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において、前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第２の回折格子を備える。
本発明は、また、前記のような目的を達成するために、基板と、前記基板上に備えられる第１電極と、前記第１電極上に備えられる第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に備えられる発光層と、前記発光層上に備えられる第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に備えられる第２電極と、を備え、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、面発光した光を透過するための透明電極であり、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において、前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子と、を備えることを特徴とする面発光型の無機電界発光表示装置を提供する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において、前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第２の回折格子を備える。
本発明は、また、前記のような目的を達成するために、基板と、前記基板上に備えられる第１電極と、前記第１電極上に備えられる第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に備えられる発光層と、前記発光層上に備えられる第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に備えられる第２電極と、を備え、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、面発光した光を透過するための透明電極であり、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において、前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子と、を備えることを特徴とする面発光型の無機電界発光表示装置を提供する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層は、前記発光層側の面において四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有する。あるいは、前記発光層は、前記第２絶縁層側の面において四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記突出部の間隔周期は、前記発光層から放出される光の波長の１／４倍ないし４倍である。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層または第２絶縁層の屈折率は、１．５ないし２．５である。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層または第２絶縁層は、透明酸化物または透明硫化物を含む。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層または第２絶縁層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム及び酸窒化ケイ素のうち、少なくともいずれか一つを含む。
本発明は、また、前記のような目的を達成するために、第１電極および第２電極の少なくとも一方が、光を透過するための透明電極である面発光型の無機電界発光表示装置の製造方法であって、基板上に前記第１電極を形成する工程と、前記第１電極上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、前記第１絶縁層の凹凸上に発光層を形成することによって、前記第１絶縁層と前記発光層との間の第１界面において前記第１絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子を形成する工程と、前記発光層上に第２絶縁層を形成する工程と、前記第２絶縁層上に前記第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする無機電界発光表示装置の製造方法を提供する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層の上面のパターニングは、前記第１絶縁層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされる。本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされる。
本発明は、また、前記のような目的を達成するために、第１電極および第２電極の少なくとも一方が、光を透過するための透明電極である面発光型の無機電界発光表示装置の製造方法であって、基板上に前記第１電極を形成する工程と、前記第１電極上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層上に発光層を形成する工程と、前記発光層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、前記発光層の凹凸上に第２絶縁層を形成することによって、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子を形成する工程と、前記第２絶縁層上に前記第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする無機電界発光表示装置の製造方法を提供する。
このような本発明の他の特徴によれば、前記発光層の上面のパターニングは、前記発光層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされる。本発明のさらに他の特徴によれば、前記発光層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされる。
本発明は、また、前記のような目的を達成するために、第１電極および第２電極の少なくとも一方が、光を透過するための透明電極である面発光型の無機電界発光表示装置の製造方法であって、基板上に前記第１電極を形成する工程と、前記第１電極上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、前記第１絶縁層の凹凸上に発光層を形成することによって、前記第１絶縁層と前記発光層との間の第１界面において前記第１絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第１回折格子を形成する工程と、前記発光層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、前記発光層の上面における凹凸上に第２絶縁層を形成することによって、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第２回折格子を形成する工程と、前記第２絶縁層上に前記第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする無機電界発光表示装置の製造方法を提供する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層の上面のパターニングは、前記第１絶縁層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされ、前記発光層の上面のパターニングは、前記発光層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされる。本発明のさらに他の特徴によれば、前記第１絶縁層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされ、前記発光層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされる。
本発明の無機電界発光表示装置及びその製造方法によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、発光層と絶縁層との界面に回折格子を備えることによって、発光層から発生した光が前記界面で全反射される量を減らし、光取出し効率及び輝度を向上させ、これにより、消費電力の浪費を解消すると共に、無機電界発光表示装置の長寿命化を図ることができる。
第２に、別途の回折格子層を介在させるものではなく、発光層と絶縁層との界面をパターニングして回折格子を備えることによって、別途の回折格子層を介在させた場合より、発光層から発生した光が通過する界面の数を減らすことによって、光取出し効率及び輝度を向上させることができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明すれば、次の通りである。
図２は、本発明の望ましい第１実施形態による無機電界発光表示装置を概略的に示した断面図である。
図２に示すように、本発明の望ましい第１実施形態による無機電界発光表示装置は、基板１１０の第１面に第１電極１２０が形成され、前記第１電極１２０の上部に第１絶縁層１３２が形成され、前記第１絶縁層１３２の上部に、順次に発光層１４２、第２絶縁層１５０、及び前記第１電極１２０と異なる極性を有する第２電極１６０が備えられる。すなわち、発光層１４２の上部に第２絶縁層が備えられ、第２絶縁層の上部に第２電極が備えられる。この際、記第１絶縁層１３２と発光層１４２との界面（第１界面）に回折格子が形成される。そして、前記第２電極１６０の上部には、図示していないが、前記第１電極１２０、第１絶縁層１３２、発光層１４２、第２絶縁層１５０及び第２電極１６０を外部から密封させる密封部材（図示せず）がさらに備えられる。以下、説明する本発明の実施形態では、説明の便宜上、前記密封部材を省略した概略的な構造を中心に説明する。
前記基板１１０として、ＳｉＯ２を主成分とする透明なガラス材の基板を使うことができる。図示していないが、前記基板１１０の上面には、基板の平滑性及び不純元素の侵入を遮断するために、バッファ層をさらに具備でき、前記バッファ層は、ＳｉＯ２等で形成できる。また、前記基板１１０としては、ガラス材だけでなく、プラスチック材の基板を使うこともでき、例えばポリマー系のフレキシブルタイプ（可撓性を持った基板）が適用されることもある。
前記基板１１０上に積層される第１電極１２０は、透明素材の伝導性物質で形成できるが、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウムスズ酸化物）で形成でき、フォトリソグラフィ法により所定のパターンとなるように形成できる。前記第１電極１２０のパターンは、受動駆動型（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ：ＰＭ、以下、「ＰＭ」と称する）の場合には、互いに所定間隔で離れたストライプ状のラインで形成でき、能動駆動型（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ：ＡＭ、以下、「ＡＭ」と称する）の場合には、画素に対応する形態で形成できる。ＡＭの場合には、また、この第１電極１２０と基板１１０との間に、少なくとも一つの薄膜トランジスタを備えたＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）層をさらに備え、前記第１電極１２０は、このＴＦＴ層に電気的に連結される。これは、以下に説明する本発明のあらゆる実施形態で同一に適用される。
このようにＩＴＯで形成された第１電極１２０は、外部の第１電極端子（図示せず）に連結されて、たとえば、アノード電極として機能する。
前記第１電極１２０の上部には、第２電極１６０が位置するが、この第２電極１６０は、反射型電極となり、アルミニウムおよび／またはカルシウム等で形成され、外部の第２電極端子（図示せず）に連結されて、カソード電極として機能する。
前記第２電極１６０は、ＰＭの場合には、第１電極１２０のパターンに直交するストライプ状のラインで形成でき、ＡＭの場合には、画素に対応する形態で形成できる。ＡＭの場合には、画像が具現されるアクティブ領域の全体にかけて形成されることもある。
前記のような第１電極１２０と第２電極１６０とは、その極性が互いに逆になってもよい。
前記第１電極１２０と第２電極１６０との間には、発光層１４２、第１絶縁層１３２及び第２絶縁層１５０を備える。これらの層の種類によって、電界発光素子が有機電界発光素子または無機電界発光素子に区分される。
本発明のような無機電界発光素子の場合、発光層１４２は、ＺｎＳ、ＳｒＳ、ＣａＳなどのような金属硫化物、またはＣａＧａ２Ｓ４、ＳｒＧａ２Ｓ４などのようなアルカリ土類カリウム硫化物、及びＭｎ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｐｂなどを含む遷移金属、またはアルカリ希土類金属のような物質で形成される。
前記第２電極１６０の上部には、密封部材（図示せず）が備えられるが、前記密封部材は、内部に吸湿剤が備えられたメタルキャップで備えられ、または密封用樹脂材を塗布して、内部への水分の侵入を遮断する。前記密封部材は、その他にも基板を利用して形成されてもよい。
以上説明したような本発明の望ましい第１実施形態による無機電界発光表示装置は、発光層１４２から発光される光が、基板１１０の方向に発光される背面発光型であるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、前面発光型や両面発光型の場合にもそのまま適用できる。
前記のような構造において、前記発光層１４２から発生した光が、前記第１絶縁層１３２に入射しつつ、その界面に形成されている回折格子によって、全反射される量が減る。すなわち、回折格子がなければ、前記発光層１４２から発生した光が、前記第１絶縁層１３２に臨界角以上の角度で入射して全反射されるが、前記回折格子を備えることによって全反射されず、前記第１絶縁層１３２に透過されて、最終的に外部に光が取出される。また、前記発光層１４２から発生した光が、前記第２絶縁層１５０に臨界角以上の角度で入射して全反射された後、再び前記第１絶縁層１３２に臨界角以上の角度で入射する場合にも、前記回折格子を通じて全反射されず、前記第１絶縁層１３２に透過される。このような構造を通じて、外部への光取出し効率が向上する。また、本実施形態において、前記第２電極１６０を反射型電極で形成することによって、光取出し効率をさらに向上させることができる。
前記回折格子は、図２に示すように、前記発光層１４２と前記第１絶縁層１３２との界面に直接形成されることもあり、その他にも、その両層間に新たな層として回折格子層を介在させることもある。しかし、各層での反射量を減らすという観点からみれば、新たな回折格子層を介在させることより、図２に示すように、前記発光層１４２と前記第１絶縁層１３２との界面が屈曲を有するように形成させることが、光取出し効率の面において有利である。
図３は、回折格子及びこれによる光路変化を示す概念図である。
図３に示すように、θｉの角度で入射する光は、回折格子により反射される場合、回折次数ｋ、反射角θｏ、回折格子の突出部の周期ｄ、前記入射光の波長λ及び屈折率ｎの間に次のような関係が成立する。
前記式によって、回折格子の突出部の周期ｄを適切に調節すれば、反射角の角度θｏを調節でき、これを通じて臨界角以上の角度で入射した光が、臨界角以下の角度で反射されるように調節できる。
前記のような理論的根拠に基づいて、図１に示したような従来の無機電界発光表示装置を次のような方法で第１比較例として製作して、前記第１実施形態による無機電界発光表示装置と光取出し効率を比較した。
まず、基板１１０上にＩＴＯとして第１電極１２０を形成し、前記第１電極１２０上にＳｉＯ２を５００ｎｍで成膜して、第１絶縁層１３０を形成した後、ＺｎＳ及びＴｂをスパッタリング方法を利用して発光層１４０を形成した。この際、発光層１４０の厚さは、８０００Åとし、ラピッドサーマルアニーリングを６００℃で約３分間実施した後、第２絶縁層１５０と第２電極１６０とをそれぞれＡｌ２Ｏ３とＡｌとで蒸着して形成した。
一方、図２に示したような前記実施形態による無機電界発光表示装置は、次のような方法で製作された。まず、基板１１０上にＩＴＯとして第１電極１２０を形成した。次いで、前記第１電極１２０上にＳｉＯ２をＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ支援化学気相成長）法で約５００ｎｍ厚さに蒸着し、その上部を深さ２００ｎｍ、周期３５０ｎｍ、サイズ比率５０％のドット型のナノ構造にパターニングして、回折格子が備えられた第１絶縁層１３２を形成した。次いで、前記比較例と同一に、ＺｎＳ及びＴｂをスパッタリング方法を利用して発光層１４０を形成した。この際、発光層１４０の厚さは、８０００Åとし、ラピッドサーマルアニーリングを６００℃で約３分間実施した後、第２絶縁層１５０と第２電極１６０とをそれぞれＡｌ２Ｏ３とＡｌとで蒸着して形成した。
上述したように、比較例と第１実施形態とを製作して光取出し効率を測定した結果、前記のように製作された第１実施形態による電界発光表示装置の光取出し効率が、前記第１比較例の光取出し効率の約５．６倍に達すると現れた。
また、第２比較例として、前記第１比較例と異なり、前記第１絶縁層１３０がＳｉＮｘで備えられた従来の無機電界発光表示装置を製作し、やはり図２に示したような第１実施形態において、第１絶縁層１３２を、前記第２比較例と同一にＳｉＮｘで形成して、無機電界発光表示装置を製作し、その輝度を比較した結果、後者の輝度が前者の輝度の約４倍の効率を有すると現れた。
一方、基板上に、第１電極、ホール注入層、ホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層及び第２電極を順次に備える、一般的な有機電界発光表示装置においては、前記層がいずれも有機膜からなり、前記有機膜とＩＴＯ等とで備えられる前記第１電極の屈折率が類似しているので、全反射による光取出し効率の低下は、ＩＴＯ等で形成される第１電極とガラス等で形成される基板との界面で主に起きる。したがって、従来の有機電界発光表示装置に回折格子を備えても、これは、本発明と異なり、前記第１電極と前記基板との界面のみに備えることが、最もその効果が高い。
第３比較例として、前記のような回折格子を備えない従来の有機電界発光素子を、ＩＴＯが１００ｎｍ厚さに備えられたガラス基板上に、ＴＰＤとＡｌｑ３とをそれぞれ７０ｎｍ、８０ｎｍ厚さに形成し、ＬｉＦを１０Åの厚さに形成した後、Ａｌから形成される１０００Å厚さの負極を形成することによって製作した。この時の光取出し効率は、５ｃｄ／Ａであった。
一方、第４比較例として、前記第３比較例のような従来の有機電界発光素子の第１電極と基板との界面に、３５０ｎｍの周期、０．５程度のサイズ比率、及び３００ｎｍの深さを有するように、ＳｉＯ２から形成されるドット構造の２次元回折格子と、前記回折格子を平坦化させるために、ＳｉＮｘを利用してＰＥＣＶＤ方法で形成した８００ｎｍの厚さの平坦化層とを介在させた。その上部の第１電極の以上の構造は、前記第３比較例と同一であった。この時の光取出し効率は、８ｃｄ／Ａと評価された。
これを総合すれば、前述したように、無機電界発光素子において、前記本発明の望ましい第１実施形態によれば、その光取出し効率が４倍ないし６倍に達するが、前記第３比較例及び第４比較例に示すように、有機電界発光素子においては、約１．６倍が向上することに止まる。したがって、本発明は、前記第１実施形態及び後述する実施形態のように、無機電界発光素子のみにおいて、顕著な効率の向上をもたらすということが分かる。
図４は、前記数式３の原理を利用した本発明の望ましい第２実施形態による無機電界発光表示装置を概略的に示す断面図である。
図４に示すように、本発明の望ましい第２実施形態による無機電界発光表示装置は、基板１１０上に、順次に第１電極１２０、第１絶縁層１３０、発光層１４４、第２絶縁層１５２及び第２電極１６０を備え、前記発光層１４４と前記第２絶縁層１５２との界面（第２界面）に回折格子が形成される。この場合は、発光層１４４と前記第２絶縁層１５２との界面が屈曲を有するように形成させることが、光取出し効率の面において有利である。上記のような構造において、前記発光層１４４から臨界角以上の角度で第２絶縁層１５２に入射した光は、前記回折格子を備えなければ、前記界面で全反射された後、さらに臨界角以上の角度で第１絶縁層１３０上に入射して、再び全反射されてしまい、外部に取出されない。この際、図４に示すように、前記発光層１４４と前記第２絶縁層１５２との界面に回折格子を形成することによって、前記界面で反射される光を臨界角以下の反射角で反射させて、前記第１絶縁層１３０上に入射する時、臨界角以下の角度で入射させることによって、光を外部に取出すことができる。また、本実施形態において、前記第２電極１６０を反射型電極で形成することによって、光取出し効率をさらに向上させることもある。
図５は、本発明の望ましい第３実施形態による無機電界発光表示装置を概略的に示す断面図である。
図５に示すように、本発明の望ましい第３実施形態による無機電界発光表示装置は、基板１１０上に、順次に第１電極１２０、第１絶縁層１３２、発光層１４６、第２絶縁層１５２及び第２電極１６０を備え、前記発光層１４６と前記第１絶縁層１３２との界面（第１界面）、及び前記発光層１４６と前記第２絶縁層１５２との界面（第２界面）に、それぞれ回折格子（第１回折格子、第２回折格子）が形成されている。上記のような構造を取ることによって、前記発光層１４６から発生した光が、前記第２絶縁層１５２に臨界角以上の角度で入射して全反射される時、前記発光層１４６と前記第２絶縁層１５２との界面に形成された回折格子により、臨界角以下の角度の反射角を有するようにすることによって、前記第１絶縁層１３２に臨界角以下の角度で入射させて、光取出し効率を向上できると共に、前記発光層１４６から発生した光が、臨界角以上の角度で前記第１絶縁層１３２に入射する時、前記発光層１４６と前記第１絶縁層１３２との界面に形成された回折格子により、前記光を前記第１絶縁層１３２に透過させることによって、光取出し効率を向上させることができる。また、本実施形態において、前記第２電極１６０を反射型電極で形成することによって、光取出し効率をさらに向上させることもできる。
前述した本発明の望ましい第１、第２及び第３実施形態は、前記第２電極１６０が反射型電極である背面発光型についてのみ説明したが、前記第１電極１２０が反射型電極である前面発光型、そして前記第１電極及び前記第２電極がいずれも透明電極で備えられる両面発光型にも適用できるということはいうまでもない。
図６は、本発明の望ましい第４実施形態による無機電界発光表示装置に備えられる回折格子が、２次元構造の突出部を有する場合の回折格子の写真である。
回折格子は、複数の突出部を有し、その突出部が一定した間隔周期で形成されているものである。突出部は、ストライプ状（ライン型）に形成されてもよい。ただし、このように突出部がストライプ状に形成される場合には、そのストライプに平行する方向には、光の回折が起きない。したがって、突出部が２次元形態の配列を有する回折格子を利用すれば、さらに、回折発生率が増加して、光取出し効率が向上できる。この場合、突出部は、四角柱または円柱などの形状に備えられる。
一方、前述した数式３のように、回折格子の突出部の間の間隔周期により光の角度が決定されるところ、前記回折格子の突出部の間の周期は、発光層から発生した光の波長の１／４倍ないし４倍にすることが望ましい。回折格子の突出部の間の周期がこれより大きい場合には、光が回折される程度が小さくなって、回折された光の角度が臨界角以内に十分に小さくならず、回折格子の突出部の間の周期がこれより小さい場合には、光が回折格子を通過する比率が小さくなって、かえって光取出し効率が低下することがある。したがって、前記回折格子の突出部の間の周期は、発光層から発生した光の波長の１／４倍ないし４倍にすることが望ましい。
一方、前述した本発明の望ましい実施形態において、前記第１絶縁層及び第２絶縁層の屈折率は、１．５ないし２．５にすることができる。第１絶縁層１３０を例にとれば、図４に示すように、前記第１絶縁層１３０の屈折率が小さいほど、臨界角が小さくなって、前記発光層１４４から発生した光が、前記第１絶縁層１３０に入射する時に全反射される比率が大きくなるところ、これにより、前記第１絶縁層１３０の屈折率が約１．５以下となれば、これにより、光取出し効率が顕著に低下する。したがって、前記第１絶縁層の屈折率は、１．５以上であることが望ましい。
また、前記第１絶縁層１３０の屈折率が大きくなるほど、前記発光層１４４から発生した光が、前記第１絶縁層１３０に入射する時に全反射される比率が減少するので、前記第１絶縁層１３０の屈折率が大きいほど良いが、前記第１電極１２０の屈折率が約１．９であるので、前記第１絶縁層１３０の屈折率が１．９より大きくなるほど、前記第１絶縁層１３０から前記第１電極１２０に入射する光が全反射される比率が増加するので、その上限線がある。したがって、前記第１絶縁層１３０の屈折率が、前記発光層１４４で最も多く使われるＺｎＳの屈折率である２．５より小さいことが望ましい。同様に、第２絶縁層も、屈折率が１．５ないし２．５であることが望ましい。
前記のような屈折率を有する絶縁体としては、酸化物または硫化物があり、第１絶縁層および第２絶縁層として、酸化物または窒化物、特に酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム及びＳｉＮｘの酸化物のような物質が適当である。前記第１絶縁層および第２絶縁層としては、透明なものが良いということはいうまでもない。
図７は、本発明の望ましい第５実施形態による無機電界発光表示装置を製造する工程を概略的に示すフローチャートであり、図８及び図９は、前記各工程のうち、一部の工程を概略的に示す断面図である。
まず、図８に示したような構造は、次のような工程を通じて製作する。基板１１０上に、第１電極１２０をスパッタリング方法で形成してパターニングした後、その上に、酸化ケイ素等から形成される第１絶縁層をＣＶＤ方法を利用して形成する。次いで、前記第１絶縁層上に、クロムまたはシリコン薄膜をスパッタリング方法で形成し、その上に、ポジティブフォトレジストをコーティングした後、電子ビーム、レーザーホログラムまたはフェーズマスク等の方法でパターニングし、現像剤で前記フォトレジストをエッチングする。次いで、反応性イオンエッチングの方法を利用して、前記第１絶縁層をエッチングして回折格子を製作する。
上記のような方法で、第１絶縁層１３２の上面を回折格子状に形成した後、図９に示すように、発光層１４２ａをスパッタリング方法を利用して形成した後、その上部に第２電極を備えるようにすることができる。
前記第５実施形態は、第１絶縁層１３２と発光層１４２との界面（第１回面）に回折格子を備えさせるものであるが、その他にも、図１０に示すように、第２絶縁層１５２と発光層１４４との界面（第２界面）に回折格子を備えることもあり、前記両界面（第１界面および第２界面）にいずれも回折格子（第１回折格子、第２回折格子）を備えることもある。
本発明は図面に示した実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。従って、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まらねばならない。
本発明は、発光層と絶縁層との界面に回折格子を備えて、発光層から発生した光が前記界面で全反射される量を減少させることによって、光取出し効率及び輝度が向上し、これにより、消費電力の浪費が防止され、寿命が延びた無機電界発光表示装置の分野に利用できる。
１１０ 基板、
１２０ 第１電極、
１３０、１３２ 第１絶縁層、
１４２、１４４、１４６ 発光層、
１５０、１５２ 第２絶縁層、
１６０ 第２電極。
１２０ 第１電極、
１３０、１３２ 第１絶縁層、
１４２、１４４、１４６ 発光層、
１５０、１５２ 第２絶縁層、
１６０ 第２電極。
Claims (18)
- 基板と、
前記基板上に備えられる第１電極と、
前記第１電極上に備えられる第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に備えられる発光層と、
前記発光層上に備えられる第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に備えられる第２電極と、を備え、
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、面発光した光を透過するための透明電極であり、
前記第１絶縁層と前記発光層との間の第１界面において、前記第１絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子と、を備えることを特徴とする面発光型の無機電界発光表示装置。 - さらに、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において、前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第２の回折格子を備えることを特徴とする請求項１に記載の面発光型の無機電界発光表示装置。
- 基板と、
前記基板上に備えられる第１電極と、
前記第１電極上に備えられる第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に備えられる発光層と、
前記発光層上に備えられる第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に備えられる第２電極と、を備え、
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、面発光した光を透過するための透明電極であり、
前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において、前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子と、を備えることを特徴とする面発光型の無機電界発光表示装置。 - 前記第１絶縁層は、前記発光層側の面において四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光型の無機電界発光表示装置
- 前記発光層は、前記第２絶縁層側の面において四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有することを特徴とする請求項３に記載の面発光型の無機電界発光表示装置
- 前記突出部の間隔周期は、前記発光層から放出される光の波長の１／４倍ないし４倍であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の面発光型の無機電界発光表示装置。
- 前記第１絶縁層または第２絶縁層の屈折率は、１．５ないし２．５であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の無機電界発光表示装置。
- 前記第１絶縁層または第２絶縁層は、透明酸化物または透明硫化物を含むことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の無機電界発光表示装置。
- 前記第１絶縁層または第２絶縁層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム及び酸窒化ケイ素のうち、少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の無機電界発光表示装置。
- 第１電極および第２電極の少なくとも一方が、光を透過するための透明電極である面発光型の無機電界発光表示装置の製造方法であって、
基板上に前記第１電極を形成する工程と、
前記第１電極上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、
前記第１絶縁層の凹凸上に発光層を形成することによって、前記第１絶縁層と前記発光層との間の第１界面において前記第１絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子を形成する工程と、
前記発光層上に第２絶縁層を形成する工程と、
前記第２絶縁層上に前記第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする無機電界発光表示装置の製造方法。 - 前記第１絶縁層の上面のパターニングは、前記第１絶縁層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされることを特徴とする請求項１０に記載の無機電界発光表示装置の製造方法。
- 前記第１絶縁層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の無機電界発光表示装置の製造方法。
- 第１電極および第２電極の少なくとも一方が、光を透過するための透明電極である面発光型の無機電界発光表示装置の製造方法であって、
基板上に前記第１電極を形成する工程と、
前記第１電極上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層上に発光層を形成する工程と、
前記発光層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、
前記発光層の凹凸上に第２絶縁層を形成することによって、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された回折格子を形成する工程と、
前記第２絶縁層上に前記第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする無機電界発光表示装置の製造方法。 - 前記発光層の上面のパターニングは、前記発光層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされることを特徴とする請求項１３に記載の無機電界発光表示装置の製造方法。
- 前記発光層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の無機電界発光表示装置の製造方法。
- 第１電極および第２電極の少なくとも一方が、光を透過するための透明電極である面発光型の無機電界発光表示装置の製造方法であって、
基板上に前記第１電極を形成する工程と、
前記第１電極上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、
前記第１絶縁層の凹凸上に発光層を形成することによって、前記第１絶縁層と前記発光層との間の第１界面において前記第１絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第１回折格子を形成する工程と、
前記発光層の上面をパターニングして凹凸を形成する工程と、
前記発光層の上面における凹凸上に第２絶縁層を形成することによって、前記第２絶縁層と前記発光層との間の第２界面において前記第２絶縁層と前記発光層とが相互にジグザグに入り組むことで構成された第２回折格子を形成する工程と、
前記第２絶縁層上に前記第２電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする無機電界発光表示装置の製造方法。 - 前記第１絶縁層の上面のパターニングは、前記第１絶縁層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされ、
前記発光層の上面のパターニングは、前記発光層上にフォトレジストを塗布し、電子ビーム、レーザーホログラム、またはフェーズマスクを利用してなされることを特徴とする請求項１６に記載の無機電界発光表示装置の製造方法。 - 前記第１絶縁層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされ、
前記発光層の上面は、四角柱状の突出部が二次元的に配列された形状を有するようにパターニングされることを特徴とする請求項１７に記載の無機電界発光表示装置の製造方法。
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