(57)【要約】【課題】簡単な構成で光透過性絶縁層に入射される光の指向性を向上することが可能な有機ＥＬ表示装置を提供する。【解決手段】光透過性絶縁層；、  前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子；および  前記発光層が放出する光が前記有機物層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された２層構造で特定の誘電率変調の断面構造を有する３次元回折素子；を具備する。【選択図】図１
2006107743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性絶縁層；
前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子；および
前記発光層が放出する光が前記有機物層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された２層構造の３次元回折素子；
を具備し、
前記３次元回折素子は、下記数１の式（１）で表される誘電率変調の断面構造を有し、かつ式（１）のｑ＝１の振幅をΔε1、ｑ＞１の他の次数の振幅をΔεqすると、Δε1＞Δεqであることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
【数１】
2006107743.tif 000005
ただし、Δε(z)は位置zにおける誘電率変化、
Δεqはq次の項の振幅、
Ｋは２π／Λ（Λは周期）、
ｚは水平方向位置、
を示す。
【請求項２】
前記３次元回折素子の屈折率周期構造深さ（ｈ）は、光の波長をλ、その回折格子の第１層材料の屈折率をｎ1、第２層材料の屈折率をｎ2としたとき、
ｈ＜λ／２（ｎ1−ｎ2)
の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
【請求項３】
光透過性絶縁層；および
前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層と備えた有機エレクトロルミネッセンス素子；
を具備し、
前記有機エレクトロルミネッセンス素子は、所望の周期で波状に屈曲されていることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
【請求項４】
前記有機エレクトロルミネッセンス素子は、周期が５〜８μｍ、山谷間の高低差ΔＨが１〜２μｍであることを特徴とする請求項３記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ表示装置は、自己発光表示装置であるため、視野角が広く、応答速度が速いという特徴を有する。また、バックライトが不要であるため、薄型軽量化が可能である。これらの理由から、近年、有機ＥＬ表示装置は、液晶表示装置に代わる表示装置として注目されている。
【０００３】
有機ＥＬ表示装置の主要部である有機ＥＬ素子は、光透過性の前面電極と、これと対向した光反射性または光透過性の背面電極と、それらの間に介在される発光層を含んだ有機物層とで構成され、有機物層に電気を流すことにより発光する電荷注入型の自発光素子である。有機ＥＬ表示装置で表示を行うためには、発光層が放出する光を前面電極から出射させる必要があるが、素子内で前面側へと進行する光のうち、広角側へと進行する光は前面電極とその下層の界面で全反射される。このため、有機物層が放出する光の多くを有機ＥＬ素子の外部に取り出すことができない、すなわち有機ＥＬ素子の光取り出し効率が低い、という問題があった。
【０００４】
このようなことから特許文献１には、素子内で前面側へと進行する光のうち、広角側へと進行する光を回折素子またはゾーンプレートを利用して屈折させて前面電極界面を通過させることが記載されている。この技術によれば、有機ＥＬ素子の光取り出し効率を高めることが可能である。
【０００５】
しかしながら、特許文献１では回折素子またはゾーンプレートを構成するパターンに方向性があるため、取り出される光の指向性が方向によって異なり、有機ＥＬ表示装置としては画像表示が不適切な場合がある。また、回折素子またはゾーンプレートの微細形状はリソグラフィーなどにより形成する必要があり、コストが高くなるという問題もあった。
【特許文献１】特許第２９９１１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、簡単な構成で光透過性絶縁層に入射される光の指向性を向上することが可能な有機ＥＬ表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、光透過性絶縁層；
前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子；および
前記発光層が放出する光が前記有機物層を出射してから前記光透過性絶縁層に至るまでの光路上に配置された２層構造の３次元回折素子；
を具備し、
前記３次元回折素子は、下記数１の式（１）で表される誘電率変調の断面構造を有し、かつ式（１）のｑ＝１の振幅をΔε1、ｑ＞１の他の次数の振幅をΔεqすると、Δε1＞Δεqであることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス表示装置が提供される。
【０００８】
【数２】
2006107743.tif 000003
【０００９】
ただし、Δε(z)は位置zにおける誘電率変化、
Δεqはq次の項の振幅、
Ｋは２π／Λ（Λは周期）、
ｚは水平方向位置、
を示す。
【００１０】
また本発明によると、光透過性絶縁層；および
前記光透過性絶縁層に対して背面側に配置された背面電極と、前記光透過性絶縁層と前記背面電極との間に介在した光透過性の前面電極と、前記前面電極と前記背面電極との間に介在するとともに発光層を含んだ有機物層と備えた有機エレクトロルミネッセンス素子；
を具備し、
前記有機エレクトロルミネッセンス素子は、所望の周期で波状に屈曲されていることを特徴とする有機ＥＬ表示装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単な構成で発光効率を高めた有機ＥＬ表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る有機ＥＬ表示装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、この第１実施形態に係るアクティブマトリクス型駆動方式を採用した下面発光型の有機ＥＬ表示装置に示す断面図、図２の（Ａ）は有機ＥＬ表示装置の３次元回折素子を示す平面図、同図の（Ｂ）は同図の（Ａ）のＢ−Ｂ銭に沿う断面図である。なお、図１では有機ＥＬ表示装置をその表示面、すなわち前面が下方を向き、背面が上方を向くように描いている。
【００１４】
光透過性絶縁層である例えばガラス基板のような透明基板１上には、複数の画素がマトリクス状に配列されている。各画素は、例えば一対の電源端子間で直列に接続された素子制御回路、出力スイッチ、後述する有機ＥＬ素子および画素スイッチを有する。前記素子制御回路は、その制御端子が画素スイッチを介して映像信号線に接続されており、映像信号線駆動回路から映像信号線および画素スイッチを介して供給される映像信号に対応した大きさの電流を、出力スイッチを介して有機ＥＬ素子へ出力する。また、画素スイッチは、その制御端子が走査信号線に接続されており、走査信号線駆動回路から走査信号線を介して供給される走査信号によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。さらに、出力スイッチは、その制御端子が走査信号線に接続されており、走査信号線駆動回路から走査信号線を介して供給される走査信号によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。なお、これら画素には他の構造を採用することも可能である。
【００１５】
例えばＳｉＮx層とＳｉＯx層がこの順次で積層されたアンダーコート層２は、前記基板１上に形成されている。アンダーコート層２上には、例えばチャネル領域、ソース領域、ドレイン領域が形成されたポリシリコンからなる半導体層３と、例えばテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）などを用いて形成されるゲート絶縁膜４と、例えばＭｏＷなどからなるゲート電極５とがこの順序で形成され、トップゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成している。この例では、これらＴＦＴは画素スイッチ、出力スイッチ、素子制御回路に利用されている。前記ゲート絶縁膜４上には、ゲート電極５と同一の工程で形成可能な走査信号線（図示せず）がさらに形成されている。
【００１６】
例えばプラズマＣＶＤ法などにより成膜されたＳｉＯxなどからなる層間絶縁膜６は、前記ゲート電極５を含むゲート絶縁膜４上に形成されている。ソース・ドレイン電極７，８は、層間絶縁膜６上に形成され、その層間絶縁膜６に設けられたコンタクトホールを通して前記ＴＦＴのソース領域、ドレイン領域にそれぞれ接続されている。ソース・ドレイン電極７，８は、例えば、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏの三層構造を有する。また、ソース・ドレイン電極７，８と同一の工程で形成可能な映像信号線（図示せず）は層間絶縁膜６上形成されている。例えばＳｉＮxなどからなるパッシベーション膜９は、前記ソース・ドレイン電極７，８を含む層間絶縁膜６上に形成されている。
【００１７】
光取り出し手段としての３次元回折素子１０は、前記パッシベーション膜９上に設けられている。この３次元回折素子１０は、図１および図２の（Ａ），（Ｂ）に示すように例えばＳｉＮのような透明無機材料から作られる第１層１１と、この第１層１１に積層され、この材料と異なるレジストやポリイミド等の有機絶縁材料から作られる第２層１２の２層構造をなし、下記数３の式（１）のフーリエ級数で表される誘電率変調の断面構造（例えば格子状）を有する
【００１８】
【数３】
2006107743.tif 000004
【００１９】
ただし、Δε(z)は位置zにおける誘電率変化、
Δεqはq次の項の振幅、
Ｋは２π／Λ（Λは周期）、
ｚは水平方向位置（図２の矢印方向）、
を示す。
【００２０】
光を指向性をもたせて例えば光透過性絶縁層（透明基板１）から取り出すためには、一次光のみ、または一次光が強くなるような形状にした方が有利である。すなわち、前記式（１）の関係においてq＝１の振幅をΔε1を、ｑ＞１の他の次数の振幅をΔεqとすると、Δε1＞Δεqにすることが必要である。
【００２１】
前記３次元回折素子１０は、閉じ込め光に対しては十分動作し、取り出される光に対しては作用しないことが望ましい。取り出し光に対する効率は、波長をλ、第１層１１の屈折率をｎ1、第２層１２の屈性率をｎ1とすると、図２の（Ｂ）に示す屈折率周期構造深さ（ｈ）はｈ＝λ／２（ｎ1−ｎ2）のときに最大になる。ｎ1＝２．０，ｎ2＝１．５のとき、λ＝５００ｎｍとすると、ｈ＝１２５ｎｍとなる。一方、閉じ込め光の染み出しは１００ｎｍ以下である場合が多いため、ｈ＜１２５ｎｍにすることが望ましい。
【００２２】
前記パッシベーション膜９および３次元回折素子１０には、前記ドレイン電極８に連通するスルーホールが開口されている。複数の光透過性の前面電極１３は、前記微粒子分散有機樹脂層１０上に互いに離間して並置されている。この例において、前面電極１３は陽極であり、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のような透明導電性酸化物などからなる。前面電極１３は前記スルーホールを通して前記ドレイン電極８に電気的に接続されている。
【００２３】
隔壁絶縁層１４は、前記前面電極１３を含む前記３次元回折素子１０上に設けられている。この隔壁絶縁層１４には、貫通孔１５が前面電極１３に対応して設けられている。前記隔壁絶縁層１４は、例えば有機絶縁層であり、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。
【００２４】
発光層１６ａを含む有機物層１６は、前記隔壁絶縁層１４の貫通孔１５内に露出した前面電極１３上に設けられている。発光層１６ａは、例えば発光色が赤色、緑色または青色のルミネセンス性有機化合物を含んだ薄膜である。この有機物層１６は、発光層１６ａ以外の層をさらに含むことができる。例えば、有機物層１６は前面電極１３から発光層１６ａへの正孔の注入を媒介する役割を果たすバッファ層１６ｂをさらに含むことができる。また、有機物層１６は正孔輸送層、正孔ブロッキング層、電子輸送層、電子注入層などもさらに含むことができる。
【００２５】
光反射性の背面電極１７は、前記隔壁絶縁層１４および有機物層１６上に設けられている。この例において、前記背面電極１７は各画素共通に連続して設けられた陰極である。背面電極１７は、パッシベーション膜９、３次元回折素子１０および隔壁絶縁層１４に設けられたコンタクトホール（図示せず）を通して映像信号線Ｘと同一の層上に形成された電極配線に電気的に接続されている。これら前面電極１３、有機物層１６および背面電極１７により有機ＥＬ素子１８をそれぞれ構成している。
【００２６】
自発光素子および自発光素子に対応して配置される画素スイッチを少なくとも含む画素をマトリクス状に配置してなる自発光表示装置において、前記表示装置の表示面側または背面側に配置される光取り出し手段を設ける。なお、図１に示す有機ＥＬ表示装置は通常、背面電極１７と対向した封止基板（図示せず）と、その背面電極１７との対向面周縁に沿って設けられたシール層（図示せず）とをさらに備えており、それにより背面電極１７と封止基板との間に密閉された空間を形成している。この空間は、例えばＡｒガスなどの希ガスやＮ2ガスのような不活性ガスで満たされる。また、この有機ＥＬ表示装置は透明基板１の外側、すなわち前面側、に拡散手段として光散乱層１９をさらに備えている。
【００２７】
以上説明した本発明の第１実施形態によれば、発光層１６ａから放出する光が有機物層１６を出射してから光透過性絶縁層（例えば透明基板１）に至るまでの光路上に前記式（１）で表される特定の誘電率変調の断面構造を有する３次元回折素子１０を配置することによって、発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を実現できる。
【００２８】
すなわち、有機ＥＬ表示装置の発光効率には有機ＥＬ素子１８自体の光取り出し効率だけでなく、他の要因も大きく作用している。例え、有機ＥＬ素子１８自体から高い効率で光を取り出すことができたとしても、有機ＥＬ素子１８に対して前面側に配置される光透過性絶縁層（透明基板１）から高い効率で光を取り出すことができない限り、有機ＥＬ表示装置の発光効率を十分には高められない。
【００２９】
換言すれば、有機ＥＬ表示装置の発光効率を十分に高めるためには、光透過性絶縁層に入射した光が光透過性絶縁層と外界（典型的には空気）との界面で全反射されるのを十分に抑制することが必要である。つまり、光を伝播する第１導波層（ここでは、有機物層１６および前面電極１３）から第２導波層（ここでは光透過性絶縁層）へ入射した光が第２導波層の光出射面界面での全反射を抑制することが重要である。
【００３０】
本発明者らの調査によれば、光透過性絶縁層に入射した光が光透過性絶縁層と外界との界面で全反射されるのを十分に抑制するためには、光透過性絶縁層に入射させる光を光透過性絶縁層と外界との臨界角度以内であり且つ指向性が極めて高くなければならないことが分かっている。具体的には、十分な視野角を実現するために光散乱層の使用が必要となるほどまで光の指向性を高めなければならない。
【００３１】
このようなことから、前記第１導波層と第２導波層の界面、すなわち前面電極１３とパッシベーション膜９の間に前記式（１）で表される特定の誘電率変調の断面構造を有する３次元回折素子１０を配置することによって、光透過性絶縁層に入射される光を３次元回折素子１０で回折し、結果として光透過性絶縁層への嗜好性の高い光入射を可能にし、光取り出し効率を向上できる。したがって、発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を実現できる。
【００３２】
特に、前記３次元回折素子１０において発光層１６ａから出射される光の波長をλ、第１層１１の屈折率をｎ1、第２層１２の屈性率をｎ1、図２の（Ｂ）に示す屈折率周期構造深さをｈとしたとき、ｈ＝λ／２（ｎ1−ｎ2）に関係式からｈ＜１２５ｎｍにすることによって、より一層発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を得ることができる。
【００３３】
事実、３次元回折素子をＳｉＮ(屈折率２．０)により作られる第１層と樹脂(屈折率１．５)により作られる第２層とから構成し、周期構造深さｈ１００ｎｍ，周期（Λ）を３５０ｎｍとし，断面形状を1次光が強くなるよう矩形とすることによって、より一層発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を得ることができた。
【００３４】
また、本発明によれば、上記の通り透明基板１を出射する光の指向性は著しく高くなる。この光の指向性は、有機ＥＬ表示装置の用途などに応じ、光散乱層１９によって自由に変化させることが可能である。例えば、有機ＥＬ表示装置を携帯電話などの携帯機器で使用する場合、有機ＥＬ表示装置に広視野角は要求されず、明るい表示或いは低消費電力が要求される。したがって、このような用途については、光散乱能の低い光散乱層１９を使用してもよい。また、有機ＥＬ表示装置を固定機器の表示装置として利用する場合、有機ＥＬ表示装置には広視野角が要求される。したがって、このような用途については、光散乱能の高い光散乱層１９を使用してもよい。
【００３５】
このように、或る方向に指向性をもった光を取出し、光散乱層１９により指向性を用途に応じて調整することにより、取り出した光をより有効に活用することができ、発光効率を向上させることが可能となる。
【００３６】
なお、拡散手段として光散乱層１９を利用したが、拡散手段には他の構造を採用してもよい。例えば、透明基板の表面を荒らし、これを光散乱面として利用してもよい。さらに、拡散手段は、光散乱を利用しないものであってもよい。例えば、拡散手段として、光散乱層の代わりに、複数の拡散レンズを配列してなるレンズアレイを使用してもよい。
【００３７】
（第２実施形態）
図３は、この第２実施形態に係るアクティブマトリクス型駆動方式を採用した下面発光型の有機ＥＬ表示装置に示す断面図、図４は図３の要部断面図である。なお、図３では有機ＥＬ表示装置をその表示面、すなわち前面が下方を向き、背面が上方を向くように描いている。また、図３において前述した図１と同様な部材は同符号を付した説明を省略する。
【００３８】
この有機ＥＬ表示装置は、図３に示すようにパッシベーション膜９上に例えば樹脂材料からなる平坦化層２０が形成され、この平坦化層２０上に例えば樹脂材料からなる波形層２１が形成され、さらにこの波形層２１上に前面電極１３、発光層を含む有機物層１６および背面電極１７からなり、その波形層２１表面に転写された所望の周期で波状を屈曲した有機ＥＬ素子１８が形成されている。この波状をなす有機ＥＬ素子１８は、図４に示すように周期Ｌ（波の山間または谷間）が５〜８μｍ、山谷間の高低差ΔＨが１〜２μｍであることが好ましい。
【００３９】
なお、前記波形層２１は例えば感光性樹脂層を写真蝕刻法により凹凸を形成した後、熱処理して表面をリフローすることにより形成することが可能である。
【００４０】
以上説明した本発明の第２実施形態によれば、前面電極１３、発光層を含む有機物層１６および背面電極１７からなる有機ＥＬ素子１８を波形状にすることによって、発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を実現できる。
【００４１】
すなわち、有機ＥＬ表示装置の発光効率には有機ＥＬ素子１８自体の光取り出し効率だけでなく、他の要因も大きく作用している。例え、有機ＥＬ素子１８自体から高い効率で光を取り出すことができたとしても、有機ＥＬ素子１８に対して前面側に配置される光透過性絶縁層（透明基板１）から高い効率で光を取り出すことができない限り、有機ＥＬ表示装置の発光効率を十分には高められない。
【００４２】
換言すれば、有機ＥＬ表示装置の発光効率を十分に高めるためには、光透過性絶縁層に入射した光が光透過性絶縁層と外界（典型的には空気）との界面で全反射されるのを十分に抑制することが必要である。つまり、光を伝播する第１導波層（ここでは、有機物層１６および前面電極１３）から第２導波層（ここでは光透過性絶縁層；透明基板１）へ入射した光が第２導波層の光出射面界面での全反射を抑制することが重要である。
【００４３】
本発明者らの調査によれば、光透過性絶縁層に入射した光が光透過性絶縁層と外界との界面で全反射されるのを十分に抑制するためには、光透過性絶縁層に入射させる光を光透過性絶縁層と外界との臨界角度以内であり且つ指向性が極めて高くなければならないことが分かっている。具体的には、十分な視野角を実現するために光散乱層の使用が必要となるほどまで光の指向性を高めなければならない。
【００４４】
このようなことから、前記第１導波層を含む有機ＥＬ素子１８自体を波状にすることによって、その有機物層1６の発光層で放射された光を第２導波層の界面、すなわち前面電極１３と波形層２１の界面で全反射されずに屈折させて、波形層２１の下方、つまり光透過性絶縁層に入射させることができるため、結果として光透過性絶縁層への嗜好性の高い光入射を可能にし、光取り出し効率を向上できる。したがって、発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を実現できる。
【００４５】
特に、有機ＥＬ素子１８において図４に示すように周期Ｌ（波の山間または谷間）を５〜８μｍ、山谷間の高低差ΔＨを１〜２μｍにすることによって、より一層発光効率の高い有機ＥＬ表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す断面図。
【図２】図１の３次元回折素子を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る有機ＥＬ表示装置を概略的に示す断面図。
【図４】図３の有機ＥＬ表示装置の要部断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１…透明基板（光透過性絶縁層）、５…ゲート電極、６…層間絶縁膜、９…パッシベーション膜、１０…３次元回折素子、１１…第1層、１２…第2層、１３…前面電極、１４…隔壁絶縁層、１６有機物層、１６ａ…発光層、１８…有機ＥＬ素子、２１…波形層。
【図１】
2006107743.tif 000006
【図２】
2006107743.tif 000007
【図３】
2006107743.tif 000008
【図４】
2006107743.tif 000009