技術 電界発光表示装置及びその製造法

0001

本発明は電界発光表示装置及びその製造法に係り、さらに詳細には基板と薄膜層とが改善されて各層の屈折率に依存する光取り出し効率を向上させた電界発光表示装置及びその製造法に関する。

0002

一般的に電界発光表示装置は情報化社会にて高品位の画像表示用装置であって、軽くて体積が小さく、耐環境性、耐久性、長寿命、広い視野角などの長所を有する平板表示装置のうちの一つである。

0003

電界発光表示装置は、蛍光膜の両端に電圧を加えて電子を蛍光膜内に加速させ、発光中心の原子と衝突させることにより発光中心原子の電子準位にあった電子がさらに高いエネルギー準位に励起されていて基底状態に遷移されつつ電子周囲のエネルギー差により特定波長領域の光を出す電界発光現象を起こすディスプレイ装置である。

0004

電界発光表示装置は交流（ＡＣ：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）駆動型及び直流（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）駆動型があり、また薄膜型と厚膜型とに分けられもする。

0005

かような電界発光表示装置は主に一層以上の絶縁膜と、一層以上の蛍光膜とより構成され、その両端に電圧を加えられる電極を備える。前記絶縁膜と蛍光膜とはその特性を向上させるために相異なる材料より構成された薄膜を多層構造に形成しもする。

0006

図１にはＡＣ駆動型薄膜電界発光表示装置の一例を示した。図面を参照すれば、基板１０上に第１電極層１１、第１絶縁層１２、蛍光膜１３、第２絶縁層１４、第２電極層１５が設けられた構成を有する。

0007

前記蛍光膜１３をなす材料としては、金属硫化物であるＺｎＳ、ＳｒＳ、ＣｓＳなどが利用され、最近ではＣａＣａ２Ｓ４、ＳｒＣａ２Ｓ４などのアルカリ土類カルシウム硫化物と金属酸化物も利用されている。そして、前記蛍光体をなす物質に含まれる発光中心原子としてはＭｎ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｐｂなどを含む遷移金属またはアルカリ稀土類金属が利用される。

0008

一方、特許文献１には電界発光表示素子の他の例が開示されている。この電界発光表示素子は基板上に、第１電極、無機化合物よりなる絶縁層、無機化合物よりなる発光層、第２電極が積層された構造を有する。

0009

上記の通りに例示された電界発光表示装置は、電界発光蛍光膜１３の両側に位置する第１及び２電極層１１、１５に所定電圧が印加されるにつれて電界発光現象により特定波長の光を発する。

0010

上記の通りに構成された電界発光表示装置は蛍光膜１３、第１及び２電極層１１、１５の上面が比較的平坦な薄膜よりなっており、前記第１及び２絶縁膜１２、１４の屈折率が大きいために、蛍光膜１３から発生した光がほとんど前面に透過できない。このために蛍光膜から発せられた光が前面で透過する光量は１０％ほどに過ぎない。

0011

これを一層詳細に説明すれば、電界発光表示装置の光効率は内部効率と外部効率とに分けられる。内部効率は発光物質の蛍光膜の特性に依存する一方、外部効率は表示装置を構成する各層の屈折率に依存する。

0012

電界発光表示装置の外部効率ηｅｘは、ηｅｘ＝ηｉｎ×ηｏｕｔと示せる。ここで、前記ηｉｎは内部効率であり、前記ηｏｕｔは光の取り出し結合効率である。前記光の取り出し結合効率は電界発光表示装置の蛍光体層がＺｎＳ：Ｍｎでなされ、高屈折率材料から低屈折領域に光が行く時にスネルの法則により決定される臨界角が薄膜蛍光膜の屈折率に依存する。ＺｎＳのような材質よりなる蛍光膜はほとんど屈折率が大きいので低い放出効率値を有するが、この光の放出効率は式ηｅ＝（２ｎ２）−１による。ここで、前記ｎは蛍光体の屈折率である。

0013

前記式によりＺｎＳ系蛍光体の場合、ｎは２．５なので、８％ほどの光だけが取り出されてほとんどの光は画像表示装置の薄膜層の間から反射されて消滅する。

0014

前記のような問題点を解決するために、電界発光表示装置の場合に蛍光膜のグレインサイズを調節してガラスよりなる基板面でのスキャッタリングを誘発させて光の取り出しを高める方策が提案された。この方策は、基板上に単純に薄膜蛍光膜が形成される時の改善効果なので、蛍光膜と基板間に電極層と絶縁層とが形成される場合に大きい効果を期待し難い。

0015

また、蛍光体層からの光取り出し効率を高めるために、蛍光膜の形成時にＯ２の分圧を２６６６４．４Ｐａ（２００ｍｔｏｒｒ）以上に調節してノジュールディメンジョンを１００ｎｍに大きくすることにより効率を向上させる方策が提案された（非特許文献１参照）。

0016

また、薄膜蛍光体の光取り出し効率を高めるためにガラス基板を粗く作って光取り出し特性を４倍向上させる方案が提示された（非特許文献２参照）。

0017

上記の通りに提案された方法は特定薄膜層から光が反射されることを防止しており、光の取り出し効率を高めるのに限界がある。

0018

そして、特許文献２には有機電界発光表示装置の薄膜層間の一側に光回折のための凹凸を形成して光取り出し効率を高めた構成が開示されている。
特開２００１−１７６６７１号公報
米国特許６，４７６，５５０号明細書
Ｓ．ｌ．Ｊｏｎｅｓ，Ｄ Ｋｕｍａｒ，Ｋ．−Ｇ．Ｃｈｏ，Ｒ．Ｓｉｎｇｈ ａｎｄ Ｐ．Ｈ．Ｈｏｌｌｏｗａｙ，Ｄｉｓｐｌａｙｓ，１９，１５１（１９９９）
Ｓｅｌｌａ，Ｃ．；Ｍａｒｔｉｎ，Ｊ．；Ｃｈａｒｒｅｉｒｅ，Ｙ． ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ １９８２，９０，１８１．）

0019

本発明は前記のような問題点を解決するためものであり、その目的は、基板と薄膜層、すなわち絶縁層、蛍光膜、電極層の間に屈折率差による光の反射を防止して光を回折させて光の取り出し効率を高められる電界発光表示装置及びその製造法を提供することである。

0020

本発明の他の目的は、光の取り出し効率を高めて画像の輝度を向上させることにより無機薄膜電界発光による画像の具現が可能な電界発光表示装置及びその製造法を提供することである。

0021

本発明のさらに他の目的は、屈折率の高い層と屈折率の低い層との界面での光分散効果を利用して光損失を減らせる電界発光表示装置及びその製造法を提供することである。

0022

前記のような目的を達成するために本発明の電界発光表示装置は、上面に光を回折及び反射させて分散させるために凹凸をなす構造物が形成された基板と、前記基板の上面に順次積層され、前記構造物の表面形状に沿って形成される第１電極層、第１絶縁層、蛍光膜、第２絶縁層、および第２電極層とを有することを特徴とする。

0023

本発明によれば、前記構造物が所定ピッチを有する円柱状または多角錐状のドットよりなり、前記構造物の材料は実質的に基板と屈折率が同じや小さい材質を使用するのが望ましい。前記構造物の材料は透明なＳｉＯ２、ポリイミドなどで構成されうる。

0024

一方、前記構造物のピッチは前記蛍光膜から生じた光波長のλ／４ないし４λ間の値を有させるのが望ましく、前記蛍光膜は屈折率が１．６より大きい酸化物と硫化物とが母体となる。前記蛍光膜の屈折率は隣接する層の屈折率より相対的に大きい。

0025

また、本発明による電界発光表示装置は、透明な基板と、基板の上面に順次積層され、第１電極層、第１絶縁層、蛍光膜、第２絶縁層、および第２電極層を含み、前記基板または前記各層のうち少なくとも一層の上面に光を回折及び反射させるために凹凸をなす構造物が形成され、前記構造物が形成された層に積層されて少なくとも一層が前記構造物の形状に沿って形成されたことを特徴とする。

0026

そして、前記目的を達成するための本発明による電界発光表示装置の製造法は、透明な基板を準備する第１段階と、前記透明な基板の上面に光を回折及び反射させて分散させるために凹凸をなす構造物を形成するための絶縁性薄膜層を形成する第２段階と、前記薄膜層の上面にフォトレジスタ層を形成する第３段階と、前記フォトレジスタ層をホログラムを利用して所定のパターニングを行う第４段階と、前記パターニングされたフォトレジスタ層をエッチングする第５段階と、前記エッチングされたフォトレジスタ層を利用して薄膜層をエッチングし、二次元の構造物を形成する第６段階とを有することを特徴とする。

0027

本発明の電界発光表示装置およびその製造法は、蛍光膜と絶縁層の波打ちを形成するための構造物を備えることにより内部光の損失を減らし、ひいては光の取り出し効率を高められる。特に、無機電界発光表示装置において光取り出し効率を高められるので、無機電界発光表示装置の実用化を可能にできる。

0028

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明すれば次の通りである。

0029

本発明による電界発光表示装置は、これをなす基板の上面または積層された薄膜のうち少なくとも一層の上面に光を回折反射により分散させるための凹凸をなす構造物が形成され、前記構造物が形成された層の上部に積層された少なくとも一層以上が前記構造物と基板の表面に沿って波打つように形成された構造を有する。

0030

このような本発明による電界発光表示装置の一実施の形態を図２に示した。

0031

図面を参照すれば、電界発光表示装置２０は、透明な基板２１と、前記基板２１の上面に光を回折及び反射させて分散させるために凹凸をなす構造物３０とを備える。

0032

そして、前記構造物３０が形成された基板２１の上面に順次積層され、前記構造物３０の表面形状に沿って形成される第１電極層２２、第１絶縁層２３、蛍光膜２４、第２絶縁層２５、および第２電極層２６を有する。

0033

前記第１電極層２２は透明な材質であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｈｉｎ Ｏｘｉｄｅ）よりなりうる。

0034

前記蛍光膜２４は単色光を放出できるように単一パターンの層より形成されうる。また、カラー画像を具現するためには、赤、青、緑色蛍光膜を所定のパターンで形成できる。この場合、それぞれの蛍光膜の上下面に電界を印加できるように前記第１及び２電極層２２、２６を相互直交するマトリックスタイプで形成できる。

0035

前記蛍光膜２４は屈折率ｎが１．６以上の酸化物と硫化物とが母体に使用されているものが望ましい。前記蛍光膜の屈折率は前記実施の形態により限定されずに隣接する層、すなわち第１及び２絶縁層２３、２５の屈折率より大きい屈折率を有するようにするが望ましい。そして、前記第１及び２絶縁層２３、２５は透明な酸化物または硫化物よりなる。

0036

一方、前記基板２１の上面に形成されて前記蛍光膜２４から生じた光を回折及び反射させて分散させるために凹凸をなす構造物３０は、図３ないし図５に示されたように円柱状、四角柱状、外周面が先細りとなった形状の多数の突起突起３１よりなる。

0037

構造物の形状は、この実施の形態により限定されるものではなく、所定ピッチを有して突出している凹凸構造ならばいかなるものでも可能である。

0038

構造物３０の他の実施の形態としては、たとえば、図６に示すように、基板２１または絶縁性薄膜層３２に所定ピッチＰで形成された多数のホール（くぼみ）３３によって形成されてもよい。前記ホール３３の形状は図６においては円形で形成されているがこれに限定されるものではない。

0039

前述の如く構成された構造物３０において、それらピッチＰ、すなわち突起３１またはホール３３のピッチＰは前記蛍光膜２４から生じた光の波長λのλ／４ないし４λの間の値、または１００ｎｍないし２４００ｎｍの間の値を有する。

0040

そして、前記構造物３０の高さは前記蛍光膜２４の高さＨＰより低い高さＨを有するが、実質的に蛍光膜２４の厚さが６００ｎｍほどなので、蛍光膜２４と第１電極層２２及び第１絶縁層２３の厚さを勘案して蛍光膜２４と接する面に構造物３０の形状に沿える高さに設定するのが望ましい。つまり、前記構造物３０の高さは５０ｎｍ以上と蛍光膜の厚さ以下に設定するのが望ましい。

0041

一方、前記構造物３０をなす突起３１の直径Ｄまたはホールの直径ＤとピッチＰとは光の取り出し効率に直接的な影響を及ぼす。

0042

本発明人の実験によれば、前記直径Ｄは前記設定されたピッチとの関係を考慮し、不等式「０．０５＜２×直径／ピッチ＜０．５」を満足すべく設定するのが望ましい。「２×直径／ピッチ」の値が０．５以上である場合に突起が互いに出合って凹凸がほとんど生ずることなく、また０．０５以下である場合に突起のサイズがあまりに小さくて凹凸の効果がなくなってしまうので望ましくない。

0043

そして、前記構造物３０の屈折率は基板２１またはこの構造物が形成される層の屈折率と実質的に同じ屈折率を有させるのが望ましく、前記構造物の材料は透明なＳｉＯ２、ＳｉＯ２エアロジェル、シリコンポリマー、ＢＣＢ、ポリイミドなど、無機物やポリマーなどにより形成されうる。もちろん、これに限定されるものではない。

0044

前述の如く構成された電界発光表示装置２０は、前記第１及び２電極層２２、２６を介して所定電圧を印加すれば、前記第１及び２絶縁層２３、２５と蛍光膜２４との界面を電子が貫通して蛍光膜２４に注入される。前記蛍光膜２４にかかった磁場により加速された電子は発光中心の原子と衝突して発光中心電子を励起させ、この励起された電子がさらに基底状態に戻りつつ電子周囲のエネルギー差に該当する一定の波長の光を出す。これが電界発光現象である。この時、ＡＣ型電圧や任意波形の正負電圧を反復して加えればパルスの数に対応して正方向に反復して電界発光現象が起きるので、持続的に蛍光膜の発光現象を保持できる。

0045

上記の通り蛍光膜２４から放出された光は基板２１側を通じて外部に取り出されるが、前記基板２１には所定ピッチを有する突起３１よりなる構造物３０によって第１電極層２２、第１絶縁層２３、蛍光膜２４、第２絶縁層２５、および第２電極層２６が波打つようになっているので、図７に示すように界面に入射される臨界角以上の光の屈折率差による反射が防止されて散乱され、電界発光表示装置をなす層間で光が反射されて損失されることを防止できる。

0046

すなわち、蛍光膜２４の屈折率は第１及び２電極層２２、２６、第１及び２絶縁層２３、２５の屈折率に比較して高いために、それら界面から反射される。しかし、それらの間の基板に形成された構造物３０により波打ち型になっているので、前記界面に入射された光のうち界面と平行した成分の光は波打ちにより水平方向に進めずに前面に放出されて光取り出し効率を高める。

0047

本発明人は界面に前記構造物を有する電界発光表示装置と構造物を有していない電界発光表示装置との光取り出し量を比較して光取り出し効率の上昇を明確に理解した。以下この比較実験について説明する。

0048

（実施例１）
本実施例１では電界発光表示装置を製作するにあたり、基板の上面にＳｉＯ２を利用して円柱状の構造物をなす突起を形成した。前記構造物の突起間のピッチは６２０ｎｍを保持させ、突起の高さＨと直撃Ｄとは２００ｎｍと２３０ｎｍとなすべく製作した。そして、上記実施の形態の通りに構造物が形成された基板の上面に第１電極層、第１絶縁層、蛍光膜第２絶縁層、第２電極層を前記構造物が形成された基板の表面の形状に沿って波打つように形成した。

0049

（実施例２）
本実施例２では電界発光表示装置を製作するにあたり、基板の上面にＳｉＯ２を利用して円柱状の構造物をなす突起を形成した。前記構造物の突起間のピッチは４２０ｎｍを保持させ、突起の高さＨと直径Ｄとは２００ｎｍと２２０ｎｍとをなすべく製作した。そして、上記の通りに構造物が形成された基板の上面に第１電極層、第１絶縁層、蛍光膜第２絶縁層、第２電極層を前記構造物が形成された基板の表面の形状に沿って波打つように形成した。

0050

（比較例１）
本比較例１では電界発光表示装置を製作するにあたり、基板の上面に構造物を形成せずに、基板の上面に平坦な第１電極層、第１絶縁層、蛍光膜第２絶縁層、第２電極層を形成した。

0051

上記の通りに実施例１、２、及び比較例１により製造された電界発光表示装置の効率向上と結果とを知るために、エレクトロルミネセンスを分光光度計で測定した。測定時の励起条件は５００Ｈｚサイン波電圧を可変させて輝度と効率を測定し、特にしきい電圧である４０Ｖと６０Ｖとで測定した。その結果、実施例１と比較例１とにより製作された電界発光表示装置を利用し、図８に示された電圧と輝度との関係のグラフを得られ、実施例１、２及び比較例１により製作された電界発光表示装置の輝度、効率値、しきい電圧から測定した効率及び輝度比の比較結果を次の表１に示す。また、構造物を形成した電界発光表示装置と形成していない電界発光表示装置の輝度と供給電圧との関係を図８に示す。

0052

0053

図８に示されたグラフから分かるように、基板に構造物を形成して蛍光膜から発生する光の反射を防止して光取り出し効果を高めることにより、構造物を形成していない電界発光表示装置に比べて輝度が２．６倍以上向上することが分かった。

0054

また、表１に示されたように基板に構造物を形成した電界発光表示装置の輝度が従来の比較例１により製造された電界発光表示装置に比べて２．４倍以上、効率は２．３倍以上向上することが分かった。

0055

図９及び図１０には本発明による電界発光表示装置の他の実施の形態を示した。なお、図９は電界発光表示装置の他の実施の形態を示した断面図であり、図１０は図９のＡ’で示す円内を抜粋した拡大断面図である。

0056

図面を参照すれば、電界発光表示装置は透明な基板４０にはバッファ層４１が形成され、このバッファ層４１の上部はそれぞれ画素を形成するための画素領域Ａと、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とキャパシタとが形成された駆動領域Ｂとに大別される。

0057

前記駆動領域はバッファ層４１の上面に所定のパターンに配列されたｐ型またはｎ型の半導体層４２がゲート絶縁層４３により埋め込まれる。

0058

前記ゲート絶縁層４３の上面には前記半導体層４２と対応するゲート電極層４４とこれを埋め込む第１絶縁層４５と、前記第１絶縁層４５とゲート絶縁層４３とに形成されたコンタトホール４６ａ、４７ａを通じて前記半導体層４２の両側にそれぞれ連結され、第１絶縁層４５の上部に形成されたドレーン電極４６、ソース電極４７よりなるＴＦＴとを含む。

0059

前記ソース電極４７と連結され、前記第１絶縁層４５の上面に形成された第１補助電極１１１と、この第１電極と対向して第１絶縁層４５に埋め込まれる第２補助電極１１２とよりなるキャパシタ１１０を備える。そして、前記第１絶縁層４５の上部には第２絶縁層４８が形成されるが、前記第２絶縁層４８の上面または前記画素形成領域Ａと対応する第２絶縁層４８の上面には前述の実施の形態で言及した突起３１よりなる構造物３０が設けられる。この構造物３０の詳細な構造については前述した実施の形態と同一であるので説明を省略する。

0060

そして、前記第２絶縁層４８の上面には画素形成領域Ａに開口部４９ａが形成された第３絶縁層４９が形成される。前記第３絶縁層４９の開口部４９ａの底面、すなわち前記構造物３０が形成された第２絶縁層４８の上面には前記ドレーン電極４６と電気的に連結された第１電極層１００が前記第２絶縁層４８の上面形状に沿って波打つように形成される。前記第１電極層１００の上部には蛍光膜５０が形成され、前記蛍光膜５０と第３絶縁層４９の上部には第２電極層１０１が形成される。

0061

そして、前記第１及び２電極層１００、１０１と蛍光膜５０間には第４及び５絶縁層５１、５２が形成される。ここで、前記蛍光膜５０とこの蛍光膜５０と対応する領域である第２電極層１０１及び前記第４及び５絶縁層５１、５２は前記構造物により形成される第２絶縁層４８のうねりに沿って波打つように形成される。一方、前記蛍光膜５０の屈折率は前記実施の形態の通り上下部に位置する第１及び２、３、４、５絶縁層４５、４８、４９、５１、５２の屈折率より相対的に高い。

0062

一方、ＴＦＴを利用した電界発光表示装置は図１０に示されたように構造物３０を第１絶縁層の上部に形成することもある。しかし、これに限定されない。

0063

前述の如く構成された電界発光表示装置は選択されたＴＦＴにより第１電極層１００に所定電圧が印加されると共に第２電極層１０１に電圧が印加されれば、電界発光により蛍光膜５０から光が放出されて外部に取り出されるが、前記蛍光膜５０と電極及び絶縁層間は構造物により波立ちがあるので、蛍光膜５０から臨界角以上に界面に照射される光を散乱させて臨界角以内で変化させることにより界面にて光の反射率を大幅減らせる。

0064

図１１には本発明による電界発光表示装置の製造法を示した。

0065

図面を参照すれば電界発光表示装置の製造法は、まず基板を準備する第１段階（Ｓ１）と、前記基板の上面に光を回折及び反射により分散させるために凹凸をなす構造物を形成する第２段階（Ｓ２）とを行う。

0066

前記第１段階において、前記基板は光の取り出しが基板を介してなされる場合には基板がガラスのような透明な材質でなっていなければならない。

0067

そして、光を回折及び反射により分散させるために凹凸をなす構造物を形成する第２段階は次のような細分化された段階よりなる。

0068

まず、基板を洗浄した状態にて基板の上面にＳｉＯ２を真空蒸着方法により５０００Åの厚さに蒸着する第１薄膜蒸着段階（Ｓ３）を行う。

0069

続いて、このマスキングのためにＣｒまたはＳｉを利用して５００Åの厚さに第２薄膜を蒸着する第２薄膜蒸着段階（Ｓ４）と、前記第２薄膜の上面に感光膜層を形成してこれをレーザスキャニングまたはホログラム法を利用してパターニングした後で第２薄膜をエッチングするエッチング段階（Ｓ５）を行う。

0070

上記の通りに第２薄膜が所定パターンでエッチングが完了すれば、これを利用して前記第１薄膜をエッチングして所定ピッチを有する突起よりなる構造物を形成する構造物形成段階（Ｓ６）を実施する。

0071

続いて、上記の通りに基板の上面に所定の高さとピッチ及び大きさを有する突起よりなる構造物の形成が完了すれば、この上面に第１電極層、第１絶縁層、蛍光膜、第２絶縁層、第２電極層の形成段階を順次実施（Ｓ７〜Ｓ１１）し、これら各層が構造物の形成された基板の上面に沿って波打ち型とする。

0072

以上、本発明を適用した実施の形態および実施例を説明したが、本発明は、これら実施の形態および実施例に限定されるものではない。たとえば前述した実施の形態においては基板の直上に構造物を形成する方法を説明したが、これにかわり、基板上に形成された前記第１電極層、前記第１絶縁層、前記蛍光膜、および前記第２絶縁層の少なくともいずれかの上面に、凹凸を有する構造物を形成しても良い。

0073

そして、本発明は図面に示された実施の形態を参考として説明されたが、それは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者ならばそれから多様な変形及び実施の形態の変形が可能であるというが理解できるであろう。よって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求範囲の技術的思想により決まるものである。

0074

従来の電界発光表示装置の光が取り出される状態を示した断面図である。
本発明による電界発光表示装置の断面図である。
電界発光表示装置の構造物の一例を示した斜視図である。
電界発光表示装置の構造物の一例を示した斜視図である。
電界発光表示装置の構造物の一例を示した斜視図である。
構造物の他の実施の形態を示した斜視図である。
本発明による電界発光表示装置の作用を示した断面図である。
構造物を形成した電界発光表示装置と形成していない電界発光表示装置の輝度と供給電圧との関係を示した図面である。
Ａは電界発光表示装置の他の実施の形態を示した断面図である。
図９のＡ’で示す円内を抜粋して示した拡大断面図である。
本発明による製造法の流れを示すフローチャートである。

0075

２１…基板
２２…第１電極層
２３…第１絶縁層
２４…蛍光膜
２５…第２絶縁層
２６…第２電極層
３０構造物
３１突起
Ｄ 直径
Ｈ 高さ
Ｐ ピッチ