JP4557289B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜発光素子を用いた表示装置及びその素子を用いた照明板などの発光パネル及び光デバイスに関するものである。

従来、透過する光の強度を制御する液晶などの光シャッター機能素子を用いるフルカラー表示パネルは、蛍光灯などの白色発光の光源（広波長域発光体）をバックライトに用いて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタを透過させて得られる３原色の光により、多色からフルカラー表示を行っている。

近年、有機ＥＬ発光素子などの、薄膜面発光体が実用となり、バックライトとしての蛍光灯などに代わって用いられると考えられている。しかし、有機ＥＬ発光素子の発光スペクトルは可視全域を十分カバーするものではないため、発光波長領域の異なる２種類以上の発光素子を積層や混合で形成して、幅広い（理想的には可視全域）波長に十分な強度の発光成分を持たせた、広波長域発光体を用いることが提案されている。ほとんどの場合、単色性であるところの有機ＥＬ発光素子から「白色」発光を実現する手法が示されている。例えば、下記特許文献１には、２種類の発光層を積層し、両方を発光させることによって平面状の白色光源を得る方法が開示されている。
特開２００２−９３５８３号公報

しかしながら、この方法は、２つの原因で、パネルの駆動エネルギーの高効率化実現に逆行している。第１の原因は、単色有機ＥＬ発光素子の発光中心を複数種用いて広波長域発光体を構成する上での効率の低下であり、第２の原因は、広波長域発光を液晶などの光シャッター機能素子に入射して用いること自体にある。

まず、第１の原因について説明する。単色有機ＥＬ発光素子は、各層膜厚、発光中心濃度などの構造の最適化により、チャージバランス、励起状態の高率発光遷移を実現し、発光効率を理論的限界に近い高い値で達成している。

この単色性の有機ＥＬ素子の発光中心から広発光波長域有機ＥＬ素子を実現するには、短波長側・長波長側に亘る２種類以上の単色発光中心の混合あるいは積層により作成する。しかし、この広発光波長域有機ＥＬ素子においては、単色で最適化した構造から単純に混合、積層しても、特に、短波長側発光強度が、相対的に低下するという現象が生じる。

これは、１つには、再結合発光領域に、狭エネルギ−ギャップと広エネルギ−ギャップが近接して存在すると、長波長発光に対応する狭エネルギ−ギャップの遷移が生じやすくなることに起因している。それに加えて、一度生じた短波長側の発光が長波長側発光中心によって吸収され、長波長側発光に光−光変換される現象（photoluminescence、ＰＬ）が生じていることも寄与している。

そのため、バックライトとして用いる広発光波長域有機ＥＬ素子においては、発光中心濃度や膜厚再調整を行い、広エネルギ−ギャップの遷移に対応する短波長側発光を相対的に増量して「白色化」を図ることになる。これは単色有機ＥＬ素子で、構造最適により実現した高効率化に逆行することになり、広発光波長域有機ＥＬ素子の効率が単色有機ＥＬ素子より、数割劣る原因となっている。

第２の原因は、広波長域発光を液晶などの光シャッター機能素子に入射して用いること自体にある。すなわち、そもそもの有機ＥＬ素子の共通的な特徴として、単一発光素子では単色性に近い発光を、混合して広波長域化し、さらに、前面のＲＧＢフィルタでカットし単色化して最終的にパネルから出力している。そのために、ＲＧＢ各画素で常に可視全域化された光の約２／３がカットされて無駄になっているのである。

以上を要約すると、有機ＥＬ素子を白色バックライト光源として用いるフルカラー表示パネルは、そもそも単一発光素子では、単色性に近い発光を混合して広発光波長域化する過程において効率を低下し、さらに、出射時にＲＧＢフィルタで単色化することによって損失が生じている。したがって、第２の原因による損失は、効率の６７％（〜２／３）とみなすことができ、第１の原因による損失は（材料に依存するので一概には言えないが）２０％程度とみなすと、全体として７割以上の効率低下が生じるということができる。

表示装置に用いられる液晶などの光シャッター機能素子に入射させる光の光源として、異なる発光色エリアパターンを有する有機ＥＬパネルを用いる。

単色の有機ＥＬ素子を用いることにより白色化するときの効率の低下は生じない。また、前面ＲＧＢフィルタでそれぞれ１／３ずつを捨て去るといった損失も生じない。したがって、高効率化を図ることができる。

なお、本発明は、発光ディスプレイ、発光素子、光デバイス、通信用光素子、照明板などに利用される。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１は、液晶などの光シャッター機能素子への光入射に合わせて、３原色ＲＧＢそれぞれの単色に最適な有機ＥＬ素子をストライプ状にパターン化した有機ＥＬパネル（ＲＧＢ３色エリアパターン有機ＥＬパネル）を用いた表示装置の概略図である。

図１において、順次、基板１０１上に、Ａｌなどの反射機能を有する金属電極膜１０２、有機薄膜の電子輸送層１０３、ストライプ状に並列に形成したＲＧＢ有機薄膜発光層１０４、有機薄膜の正孔輸送層１０５、ＩＴＯなどの透明電極１０６が形成された有機ＥＬパネル１００からの各単色ＲＧＢ光１０７が各光シャッター機能素子を有する液晶パネル１０８に入射される。ここで、各単色ＲＧＢ光１０７の強度は、液晶パネル１０８の各光シャッター機能素子で調光される。

なお、調光された各単色ＲＧＢ光１０７は、さらに、ＲＧＢ各光フィルタとその間隙をブラックマトリクスでうめたカラーフィルタ１０９を通して、最終出力される各単色ＲＧＢ出力光１１０となる。このカラーフィルタ１０９は、最終的に出力される各単色ＲＧＢ出力光１１０の色純度を確保・調整する機能、外光の入射を抑えて色純度と視認性を向上する機能を果たすが、色純度や視認性が重要でない表示装置においては省略することもありうる。

また、液晶パネル１０８に書き込んである縦線は、下から入る各単色ＲＧＢ光１０７と上部に出て行く取り出し光が通る光の経路を模式的に示したもので、それぞれに遮断・独立した構造体の作り込みを必ずしも意味するものではない。カラーフィルタ１０９についても同様である。

また、図２に示すように、発光前面に半透明反射機能を有する保護膜１１１を設けて有機ＥＬパネル１００における有機ＥＬ素子を共振器構造とすることにより、有機ＥＬ素子発光の指向性を向上させ、光シャッター機能素子への光注入効率を向上させ色調整をすることが可能である。共振器の効果として同時に強度のエンハンスも図り得る。共振器長は、共振器を構成する任意の膜の厚さを変えることによって、画素毎に調整できる。また、この保護膜には、液晶パネルに対する防水・防湿機能をもたせることも可能である。

各単色ＲＧＢ出力光１１０も、半透明反射機能を有する保護膜１１１の反射率を高めに設定することにより、指向性をもつことになるので、いわゆる「横から覗かれにくい」ディスプレイとなる。なお、これの実用視野角を広げるためには、拡散板等を挿入して各単色ＲＧＢ出力光１１０を取り出せばよい。液晶パネル１０８で、用途により、視認性向上などの目的で偏向板や、位相差板を用いる光学設計は、従来と同様である。

また、反射機能を有する金属電極膜１０２などから電子輸送層１０３に電子を効率よく注入させるにあたっては、その界面にＬｉＦなどの仕事関数を調整する層を挿入することは、従来と同様である。

ＲＧＢ３色エリアパターンの有機ＥＬパネル１００を形成するには、例えば、図３に示したように、開口部１１３が１／３のマスクを用いて、マスクを横にスライドさせ、それぞれＲＧＢの発光部の位置でそれぞれの発光材料を蒸着する。マスクは、遮断部（マスク部）１１２と開口部（膜形成部）１１３とからなる。この場合、上下薄膜間のショート等を生じさせないために、マスク位置合わせには高度な精度が必要になる。

図４は、短波長側発光層をベタ膜で形成した上に、長波長側発光膜を部分的に形成した構造の有機ＥＬ素子をストライプ状にパターン化した有機ＥＬパネル（２色エリアパターン有機ＥＬパネル）のパターンを、液晶などの光シャッター機能素子への光入射口のパターンに合わせた表示装置の概略図である。実施例１と異なるのは、ベタ膜で形成した青色発光層（短波長側発光層）１２１と部分的に形成した黄色発光層（長波長側発光層）１２２である。この黄色発光層（長波長側発光層）１２２からの光１０７は、液晶パネル１０８で、その強度が調光され、カラーフィルタ１０９で、その波長が変換される。

図４に示す有機ＥＬ素子構造（２色エリアパターン有機ＥＬパネル）のメリットは、発光層の微細パターンを形成するのが１度だけになるので、製膜装置に微細な位置あわせの機構が不要になることである。

また、図５に示すように、発光前面に半透明反射機能を有する保護膜１１１を設けて有機ＥＬ素子を共振器構造とすることにより、有機ＥＬ素子発光の指向性を向上させ、光シャッター機能素子への光注入効率を向上させ、同時に色調整をすることが可能である。この保護膜は、液晶パネル１０８に対する防水・防湿機能をもたせることも可能である。

図４，５に示す２色エリアパターンの有機ＥＬパネル１００を蒸着法により形成するには、まず、青色発光層１２１をベタ膜で形成する。その後、図６（ａ）に示したように、開口部が１／３又は２／３のマスクを用い、長波長側発光層のパターンを形成する。マスクとしては、図６（ｂ）に示したように、開口部を短冊状にしてマスクの強度補強をしたものをもちいることが可能になる。

開口部を１／３又は２／３とするかは、短波長側発光を２色（Ｂ、Ｇ）として追加形成する発光体を１色（Ｒ）として使う場合は開口部が１／３とし、短波長側発光を１色（Ｂ）として追加形成する発光体を２色（Ｒ，Ｇ）として使う場合は開口部が２／３とする。

２色エリアパターンの有機ＥＬパネル１００においては、短波長側発光層部と長波長発光層部を積層した部分においては、出力として使用される長波長発光のみが生じればよい。したがって、「白色光」を出させる場合より、素子構造の最適化はより容易となり、その効果として発光効率は単色有機ＥＬ素子に近づいて高効率化することができる。

また、（１）長波長発光部を短波長側発光部の発光の前面側に置き、ＰＬ発光を助長して利用する、（２）短波長−長波長で励起寿命を大−小の関係にする（短波長側発光層の材料を励起寿命の長い燐光材料にし、長波長側発光層の材料を励起寿命が比較的短い燐光材料にするなど）、等の設計がディスプレイの発光効率向上に有効である。なお、３重項励起状態を発光に利用する燐光発光素子は，その励起寿命がそれ以外のものより桁で長いと言う特徴があり，これまでに知られているものは、いずれも発光強度の１／ｅ減少特性時間において１μ秒より長い。

図１、２、４、５に示す色エリアパターンを有する有機ＥＬパネル１００の作成には、蒸着のみならず、インクジェットヘッドなどを用いた塗布による形成法なども用いることができる。

図７に示すように、２色エリアパターンの有機ＥＬ素子で、部分的に長波長発光層を形成する共振器構造をとることには、さらに構造上のメリットが生じる。

図７において、長波長側の共振器長２０１は短波長側の共振器長２０２より長いので、通常、透明電極膜厚を厚くしたり、膜厚追加のための透明バッファ層を設けたりするが、この構造では、長波長側の部分形成発光層部の膜厚分だけ共振器長が長くなることになる。すなわち、短波長発光部分で共振器長を短波長に合わせ、同時に、長波長発光部分では長波長に共振器長を合わせる、という設計が容易となる。

例えば、１波長が共振器長になっている素子においては、短波長側共振波長が５００ｎｍ，長波長側発光波長が５８５ｎｍ、長波長発光層屈折率が１．７とすると、（５８５−５００）／１．７／２＝２５ｎｍに長波長発光層部膜厚を設定すればよい。

以上の発光色エリアパターンの有機ＥＬ素子において、設計によっては、図８に示すストライプのライン方向のほうが、それと直交する方向より視野角が広くなる特徴がある。

例えば、発光層１２１，１２２のストライプのライン方向と、フィルタ１２３，１２４，１２５のライン方向とを同じにすることによって、青色発光層１２１からのライン方向の発光は、Ｂフィルタ部１２５を通るが、Ｇフィルタ部１２４には、黄色発光層１２２からの発光のみならず９０°方向の青色発光層１２１からの発光が通ることになる。なお、１２３はＲフィルタ部である。

例えば、コンピュータ用表示装置としての用途では、多くの場合、ストライプのライン方向を横にするほうが有効である。液晶パネルなどは、２枚（以上）の透明基板を構成要素とするので、「各画素のサイズやピッチ」と「液晶パネル基板の厚さや有機ＥＬパネルと液晶パネルとの間隔」などの比率によっては、このような角度依存性を勘案した装置構成が重要になる。

図９は、２色エリアパターンの有機ＥＬパネル１００の前面に、液晶パネルなどの代わりに、２色エリアパターンと同じ周期のマスクパターンを形成した透明板を組合せ、重ね方を微調整することにより、発光色を変えられる発光パネルの概略図であって、３０１は遮断部付透明板、３０２は透過部、３０３は遮断部である。

遮断部付透明板３０１の遮断部３０３は、２色エリアパターンの整数倍の周期や、あるいは、ランダムに間引いたパターンを採用することも可能である。また、遮断部３０３は半透明でもよく、遮断部付透明板３０１の全域において透過率が周期的に変化するもの、色選択性があるものでもよい。

図９（ａ）では、黄色を一部カットし、図９（ｂ）では、遮断部付透明板３０１を横にずらして青色をカットすることにより、それぞれ白緑色、黄色の出力光が得られることを示している。このように、遮断部付透明板３０１を移動させることによって、すなわち、遮断部付透明板３０１と有機ＥＬパネル１００との配置状態によって、出力光の色調を変えることができる。

本実施例においても、半透明反射機能を有する保護膜１１１を形成した共振器構造を採用するか、半透明反射機能を有する保護膜１１１を省略するかは、発光の指向性が必要な用途かどうかによって選択される。

本発明に係る表示装置の概略図 図１に示す有機ＥＬパネル１００を共振器構造とした表示装置の概略図 図１，２に示す有機ＥＬパネル１００を蒸着で形成する際に用いる蒸着マスクを示す図 本発明に係る他の表示装置の概略図 図４に示す有機ＥＬパネル１００を共振器構造とした表示装置の概略図 図４，５に示す有機ＥＬパネル１００を蒸着で形成する際に用いる蒸着マスクを示す図 ２色エリアパターンの有機ＥＬパネル１００の共振器長の説明図 ２色エリアパターンの有機ＥＬパネル１００の視野角の説明図 本発明に係る発光パネルの概略図

符号の説明

１００…有機ＥＬパネル、１０１…基板、１０２…反射機能を有する金属電極膜、１０３…電子輸送層、１０４…ＲＧＢ有機薄膜発光層、１０５…正孔輸送層、１０６…透明電極、１０７…各単色ＲＧＢ光、１０８…液晶パネル、１０９…ブラックマトリクス付きカラーフィルタ、１１０…各単色ＲＧＢ出力光、１１１…半透明反射機能を有する保護膜、１２１…青色発光層（短波長側発光層）、１２２…黄色発光層（長波長側発光層）、１２３…Ｒフィルタ部、１２４…Ｇフィルタ部、１２５…Ｂフィルタ部、２０１…長波長側の共振器長、２０２…短波長側の共振器長、３０１…遮断部付透明板、３０２…透過部、３０３…遮断部

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上にベタ状に形成された反射機能を有する金属電極膜と、
   前記金属電極膜上にベタ状に形成された有機薄膜の電子輸送層と、
   前記電子輸送層上に形成され、且つストライプ状に並列に形成された２色以上のエリアパターンを有して、各単色光を出射する有機薄膜発光層と、
   前記有機薄膜発光層上にベタ状に形成された有機薄膜の正孔輸送層と、
   前記正孔輸送層上にベタ状に形成された透明電極と、
   前記透明電極上に形成され、入射された前記各単色光の強度を調光する光シャッター機能を有する液晶パネルと、
   前記液晶パネル上に形成されたカラーフィルタと、を有する表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記透明電極上に積層配置された半透明反射機能を有する保護膜を有し、
   前記透明電極膜と前記保護膜間を光共振器構造とする表示装置。
3. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記有機薄膜発光層の２色以上のエリアパターンは、赤色、緑色、青色のエリアパターンである表示装置。
4. 基板と、
   前記基板上にベタ状に形成された反射機能を有する金属電極膜と、
   前記金属電極膜上にベタ状に形成された有機薄膜の電子輸送層と、
   前記電子輸送層上に形成され、且つ前記電子輸送層上に一面にベタ状に形成された短波長側発光層と、前記短波長側発光層上に部分的に形成された長波長側発光層とを有して光を出射する有機薄膜発光層と、
   前記有機薄膜発光層上にベタ状に形成された有機薄膜の正孔輸送層と、
   前記正孔輸送層上にベタ状に形成された透明電極と、
   前記透明電極上に形成され、入射された前記光の強度を調光する光シャッター機能を有する液晶パネルと、
   前記液晶パネル上に形成されたカラーフィルタと、を有する表示装置。
5. 請求項４に記載の表示装置において、
   前記短波長側発光層は、青色発光層であり、
   前記長波長側発光層は黄色発光層である表示装置。
6. 請求項４に記載の表示装置において、
   前記短波長側発光層の励起寿命は、前記長波長側発光層の励起寿命より長いは表示装置。
7. 請求項４に記載の表示装置において、
   前記短波長側発光層からの発光は、燐光発光である表示装置。
8. 請求項４に記載の表示装置において、
   前記透明電極上に積層配置された半透明反射機能を有する保護膜を有し、
   前記透明電極膜と前記保護膜間を光共振器構造とする表示装置。
9. 基板と、
   前記基板上にベタ状に形成された反射機能を有する金属電極膜と、
   前記金属電極膜上にベタ状に形成された有機薄膜の電子輸送層と、
   前記電子輸送層上に形成され、且つ前記電子輸送層上に一面にベタ状に形成された短波長側発光層と、前記短波長側発光層上に部分的に形成された長波長側発光層とを有して各色光を出射する有機薄膜発光層と、
   前記有機薄膜発光層上にベタ状に形成された有機薄膜の正孔輸送層と、
   前記正孔輸送層上にベタ状に形成された透明電極と、
   前記透明電極上に形成され、前記２色以上のエリアパターンと同一または整数倍の周期で、入射された前記各色光を部分的に遮断する遮断部と、前記各色光を透過する透過部と、を有する透明板と、
   を有する表示装置。
10. 請求項９に記載の表示装置において、
    前記透明電極上に積層配置された半透明反射機能を有する保護膜を有し、
    前記透明電極膜と前記保護膜間を光共振器構造とする表示装置。