(57)【要約】【課題】従来の有機ＥＬ素子は、光取り出し面から入射した外光４が、第二電極２で反射し再び光取り出し面から放射されるため、この有機ＥＬ素子を二次元状に配列した有機ＥＬディスプレイ装置はコントラストが悪く、表示品質に問題があった。【解決手段】微小共振器構造を有する有機ＥＬ素子が二次元的に配列された有機ＥＬディスプレイ装置であって、該微小共振器構造の光取り出し面側に、光取り出し方向に沿って順に、前記微小共振器構造から出射した光を集光する集光構造と、開口を有する遮光層とを有し、該開口を通して前記集光された光を選択的に透過させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小共振器構造を有する有機ＥＬ素子が二次元的に配列された有機ＥＬディスプレイ装置であって、該微小共振器構造の光取り出し面側に、光取り出し方向に沿って順に、前記微小共振器構造から出射した光を集光する集光構造と、開口を有する遮光層とを有し、該開口を通して前記集光された光を選択的に透過させることを特徴とする有機ＥＬディスプレイ装置。
【請求項２】
前記遮光層の前記開口以外の部分が、外光を吸収する部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬディスプレイ装置。
【請求項３】
前記開口は、前記微小共振器から正面方向に放射される放射光の前記集光構造による集光位置又はその近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬディスプレイ装置。
【請求項４】
前記集光構造がマイクロレンズ構造であることを特徴とする請求項１に記載の有機ＥＬディスプレイ装置。
【請求項５】
前記集光構造が、前記二次元的に配列された微小共振器構造を有する有機ＥＬ素子の画素ピッチと等しいか、それ以下のピッチで設けられることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の有機ＥＬディスプレイ装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項記載のディスプレイ装置と、該ディスプレイ装置に表示される画像情報を形成する装置とを有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ装置に関し、より詳しくは、有機ＥＬディスプレイ装置の表示品質を向上する構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機ＥＬ素子は、陽極と陰極間に有機化合物を含む膜を挟持させ、各電極から電子およびホール（正孔）を注入することにより、蛍光性化合物の励起子を生成し、この励起子が基底状態にもどる際に放出する光を利用する素子である。１９８７年コダック社の研究（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１，９１３（１９８７））では、陽極にＩＴＯ、陰極にマグネシウム銀の合金をそれぞれ用い、電子輸送材料および発光材料としてトリス（８―キノリノラト）アルミニウムを用い、ホール輸送材料にトリフェニルアミン誘導体を用いた機能分離型２層構成の素子で、１０Ｖ程度の印加電圧において１０００ｃｄ／ｍ２程度の発光が報告されている。関連の特許としては，米国特許４、５３９、５０７号，米国特許４，７２０，４３２号，米国特許４，８８５，２１１号等が挙げられる。
【０００３】
また、蛍光性有機化合物の種類を変えることにより、紫外から赤外までの発光が可能であり、最近では様々な化合物の研究が活発に行われている。例えば、米国特許５，１５１，６２９号，米国特許５，４０９，７８３号，米国特許５，３８２，４７７号，特開平２−２４７２７８号公報，特開平３−２５５１９０号公報，特開平５−２０２３５６号公報，特開平９−２０２８７８号公報，特開平９−２２７５７６号公報等に記載されている。
【０００４】
さらに、上記のような低分子材料を用いた有機ＥＬ素子の他にも、共役系高分子を用いた有機ＥＬ素子が、ケンブリッジ大学のグループ（Ｎａｔｕｒｅ，３４７，５３９（１９９０））により報告されている。この報告ではポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）を塗工系で成膜することにより、単層で発光を確認している。共役系高分子を用いた有機ＥＬ素子の関連特許としては、米国特許５，２４７，１９０号、米国特許５，５１４，８７８号、米国特許５，６７２，６７８号、特開平４−１４５１９２号公報、特開平５−２４７４６０号公報等が挙げられる。
【０００５】
このように有機ＥＬ素子における最近の進歩は著しく、その特徴は低印加電圧で高輝度、高速応答性、薄型、軽量の発光デバイス化が可能であることから、広汎な用途への可能性を示唆されており、特にディスプレイ用途として注目されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の有機ＥＬ素子の断面図を図５に示す。透明性の第一電極１と光反射性の第二電極２の間に有機化合物層３を挟持し、透明性電極側にある光取り出し面から有機化合物層３内の発光を取りだす構成となっている。しかし、光取り出し面から入射した外光４が、第二電極２で反射し再び光取り出し面から放射されるため、この有機ＥＬ素子を二次元状に配列した有機ＥＬディスプレイ装置はコントラストが悪く、表示品質に問題があった。
【０００７】
また、有機ＥＬ素子の発光色の単色性、色純度は用途によっては未だ不十分であり、この問題を改善するために微小共振器構造をもつ有機ＥＬ素子が提案されている（例えば、特開平６−２７５３８１公報、特開平１１−２８８７８６公報）。この構成によれば、素子正面方向に指向性が強く、微小共振器の共振波長に対応した単色性の高い発光が得られる。
【０００８】
図６は従来の微小共振器構造をもつ有機ＥＬ素子の一例を示す断面図である。透明性の第一電極５と光反射性の第二電極６の間に有機化合物層７を挟持し、さらに、第一電極の外側に誘電体多層ミラー層８が配置されている。
【０００９】
有機化合物層７内で発光した光は、誘電体多層ミラー層８と第二電極６で構成される共振器の間で共振し、素子正面方向に指向性が強く、かつ、所定の波長成分のみを持つ単色性の高い光９ａが放出される。しかし、素子の斜め方向に放出される光９ｂは発光波長がシフトする。図７に、観測角度（すなわち放射角度）と、発光波長ピーク値の関係の一例を示す。観測角度が斜めになるにつれ、短波長側にシフトすることが分かる。このような微小共振器構造をもつ有機ＥＬ素子を二次元的に配列した有機ＥＬディスプレイ装置は、正面方向からは、色純度に優れた発光色が観測されるが、斜め方向では発光色が変化する為、表示品質に問題があった。
【００１０】
本発明は、外光の影響を低減してコントラストを高められる有機ＥＬディスプレイ装置を提供することを目的とする。また、かつ観測する光の色純度を高めることにより表示品質を向上した有機ＥＬディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の有機ＥＬディスプレイ装置は、微小共振器構造を有する有機ＥＬ素子が二次元的に配列された有機ＥＬディスプレイ装置であって、該微小共振器構造の光取り出し面側に、光取り出し方向に沿って順に、前記微小共振器構造から出射した光を集光する集光構造と、開口を有する遮光層とを有し、該開口を通して前記集光された光を選択的に透過させることを特徴とする。
【００１２】
また、前記開口は、前記微小共振器から正面方向に放射される放射光の前記集光構造による集光位置又はその近傍に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記集光構造はマイクロレンズ構造であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、上に述べた各有機ＥＬディスプレイ装置において、前記集光構造が画素ピッチと等しいか、それ以下のピッチで設けられることを特徴とするものである。
また、上記のディスプレイ装置と、該ディスプレイ装置に表示される画像情報を形成する装置とを有する電子機器であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本実施形態について、図面に沿って詳細に説明する。
【００１６】
図１は本実施形態の有機ＥＬディスプレイ装置の断面を模式的に示した図である。本実施形態においては、透明性の陽極１０と、光反射性の陰極１１の間に、有機化合物からなる正孔輸送層１２と電子輸送層１３を設けてある。また、陽極１０の外側には、誘電体多層ミラー層１４が設けられ、陰極１１との間で光共振器を構成する。さらに外側には順に、集光構造１５と、開口１６を有する遮光層１７を設ける。光共振器から放出された正面方向に指向性をもつ放射光１８が、集光構造１５により集光位置１９近傍に集光し、開口１６を通って外部に放射される。
【００１７】
共振器構造から斜め方向に放射された放射光２０（すなわち正面方向に比べ、短波長にシフトした光）に関しては、集光構造１５により集光位置２１に集光されるため、短波長成分の光を空間的に分離することができる。この斜め方向の放射光２０は遮光層１７でカットされ素子外部には放出されない。
【００１８】
また、遮光層１７を外光を吸収する部材で構成することにより、開口部以外に入射した外光２２の反射を防ぐことができるため、開口部の面積を十分に小さくすることによりコントラストを向上することができる。
【００１９】
集光構造は、ディスプレイの各画素のピッチと等しいか、それ以下のピッチで配置することが望ましい。
【００２０】
以上説明した原理により、本実施の形態では、極めてコントラストに優れ、かつ、単色性に優れた発光色を得ることができる。
【００２１】
図１に示した本実施形態は、あくまでもごく基本的な素子構成であり、両電極、誘電体多層ミラー層、および、有機化合物層の構成はこれに限定されるものではない。
有機化合物層を、電子輸送層、発光層、ホール輸送層の３層に機能分離した構成、さらに、陽極とホール輸送層の間にホール注入を改善するためのホール注入層を設けた構成なども可能である。また、光取り出し側を陰極にした構成も可能である。
【００２２】
有機化合物層に用いる有機化合物としては、これまで知られているホール輸送性化合物、電子輸送性発光化合物、発光化合物、発光性マトリックス化合物、電子輸送性化合物、ポリマー系ホール輸送性化合物、ポリマー系発光化合物、ポリマー系電子輸送性化合物を必要に応じて一緒に使用することもできる。但し、もちろんこれらに限定されるものではない。
【００２３】
陽極材料としては仕事関数がなるべく大きなものがよく、例えば、金、白金、ニッケル、パラジウム、コバルト、セレン、バナジウム等の金属単体あるいはこれらの合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化錫インジウム（ＩＴＯ），酸化亜鉛インジウム等の金属酸化物が使用できる。これらの電極物質は単独で用いてもよく、複数併用することもできる。
【００２４】
一方、陰極材料としては仕事関数の小さなものがよく、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、銀、鉛、錫、クロム等の金属単体あるいは複数の合金として用いることができる。酸化錫インジウム（ＩＴＯ）等の金属酸化の利用も可能である。また、陰極は一層構成でもよく、多層構成をとることもできる。
【００２５】
集光構造としては、従来から知られているマイクロレンズを用いることができ、収束レンズであればよい。マイクロレンズは、液晶プロジェクター用パネルに用いられるマイクロレンズアレイなどと同様であり、例えば、イオン交換法をガラス基板に用いて作成した屈折率分布型のマイクロレンズアレイや、光硬化性樹脂を用いた２Ｐ法（Ｐｈｏｔｏ　Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ法）等で形成した凸レンズアレイ、また、凸レンズアレイに低屈折率樹脂を流し込みカバーガラスで封止した構造などを用いることができる。マイクロレンズの焦点距離と開口の大きさは、開口を透過する光の色純度、すなわち透過した光の波長に含まれる不要な波長の光の混入の割合と、透過光量とのバランスを考慮して最適な値に設定される。マイクロレンズによって集光される光の収束状態は、レンズのＦナンバーや収差の発生状況、光の波長によっても異なるので、開口の大きさは赤色、緑色、青色の波長ごとに変えても良い。マイクロレンズによって発生する球面収差はアンダー（光軸と平行な入射光線は近軸焦点よりも手前で光軸と交わる）なので、マイクロレンズから開口までの距離は焦点よりも短く、光束全体の平均的な集光密度が最も高くなる位置（最小錯乱円）に設定することが、色純度を上げ透過光量をできるだけ多くする点で好ましい。開口の径は、色純度と光量の関係から最小錯乱円径の０．７倍〜３倍程度が望ましく、さらには１倍〜２倍がより好ましい。収差の発生が少ない場合には、図７に示した発光波長と観測角度の関係を目安にして決定することができる。
【００２６】
誘電体多層ミラーは、屈折率の異なる２種の誘電体層を交互に繰り返し積層することによって得られる。例えば、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜を交互に成膜した構造があげられ、積層数および、膜厚により、反射率の調整を行うことができる。
【００２７】
遮光層及び該遮光層上に形成する開口の作成法としては、従来から知られているカラーフィルターのブラックマトリクス作成技術が応用できる。遮光層はＥＬの光反射性電極への光の入射を遮るものであれば何でもよく、各種の塗料、金属酸化膜、誘電体等を用いることができる。直視型ディスプレイに本発明を適用する場合には黒色樹脂等の光吸収材料を用いることが表示コントラストを高める点で好ましい。
【００２８】
開口の形状は円形とは限らず、用途によっては矩形、長円形などの形状も可能である。
また、図面による説明は省略するが、上記の有機ＥＬディスプレイ装置を、該ディスプレイ装置に表示される画像情報を形成し供給するする手段であるパソコン、ＰＤＦ端末、ビデオカメラなどの装置と組み合わせれば、とりわけ外光が存在する環境で使用するのに好適なディスプレイ装置を有する電子機器を得ることができる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
【００３０】
（実施例１）
図２及び図３は各々実施例１のフルカラー有機ＥＬディスプレイの断面図と上面図を模式的に示したものである。基板３０上に各画素を駆動するＴＦＴ３１を設ける。その上に画素毎に反射性電極３２としてＭｇＡｇ合金を上面から見て長方形の形状に真空蒸着法によって周期的に形成され、さらにその上に赤色発光、緑色発光、青色発光する画素毎に、有機化合物層３３ａ、３３ｂ、３３ｃを真空蒸着法にて形成する。画素のピッチは６０μｍ×１８０μｍである。
【００３１】
その上に透明性電極ＩＴＯ３４をスパッタ法にて成膜する。さらにその上にＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜をスパッタ法にて交互に成膜し、８層（ＳｉＯ２層、ＴｉＯ２層、各４層）の誘電体多層ミラー３５を形成する。
【００３２】
反射性電極３２と誘電体多層ミラー３５で光共振器が構成されるが、赤色、緑色、青色で異なる最適の共振器長を持つように有機化合物層の膜厚を調整し構成される。
さらにその上に、プラスチック部材である透明部材３６と透明部材３７と、その界面に形成した球面よりなる埋め込み型マイクロレンズアレイ層３８を取り付ける。透明部材３６の屈折率ｎ１と透明部材３７の屈折率ｎ２は、ｎ１＝１．６１、ｎ２＝１．４０であり、マイクロレンズの曲率半径は４３μｍ、レンズ径は６０μｍである。このマイクロレンズは焦点距離約２８５μｍ、Ｆナンバー４．７５の平凸レンズとなり、光共振器から出射しマイクロレンズ３６で集光された光束は、レンズの頂点から約２８５μｍの位置に焦点を結ぶ。各マイクロレンズは縦横６０μｍのピッチで周期的に構成されており、図６に示すように、赤色、緑色、青色の各画素毎に３つのマイクロレンズが対応して配置される。マイクロレンズアレイ層３８の厚みは２３０μｍである。
【００３３】
この埋め込み型マイクロレンズアレイ層３８の上面には黒色樹脂からなる遮光層４０が設けられており、この遮光層４０には、半径７μｍの円形の開口３９が、各マイクロレンズの光軸上に中心を持つように開けられている。本実施例の構成により、極めて色純度に優れ、かつ、外光反射の少ないコントラストに優れた表示品質を得ることができた。
【００３４】
（実施例２）
図４は実施例２のフルカラー有機ＥＬディスプレイの断面図を模式的に示したものである。実施例２は、実施例１と集光部の構造は異なるが、他の部分は同様の構成である。屈折率ｎ＝１．６１の凸のマイクロレンズ４１を縦横６０μｍのピッチで周期的に配列したマイクロレンズアレイ５０を、凸面側を誘電体多層ミラー層３５に正対するように配置する。各マイクロレンズ４１の曲率半径は３０μｍ、レンズ径は６０μｍであり、マイクロレンズの頂点からマイクロレンズ基板の上面までの厚みは７０μｍである。
【００３５】
誘電体多層ミラー層３５とマイクロレンズアレイ層５０間の空間部は空気である。このマイクロレンズは焦点距離約７９μｍ、Ｆナンバー１．３の光入射側に凸面を向けた平凸レンズとなり、光共振器から出射しマイクロレンズ４１で集光された光束は、レンズの頂点から約７９μｍの位置に焦点を結ぶ。マイクロレンズアレイ層５０の上面には、開口３９を持つ遮光層４０が構成される。遮光層４０は実施例１と同様の物である。
【００３６】
この構成によれば、光入射側のほうが屈折率が低い（空気）のでマイクロレンズ形状部での放射光の全反射が押さえられ、実施例１に比べ、曲率半径の小さなマイクロレンズを用いても素子内での発光を有効に素子外部に取り出せるという利点がある。また、光入射がわに凸面を向けているので球面収差の発生量が実施例１より少なく光学性能上有利である。また、実施例１に比べ、ディスプレイ正面方向の輝度は低下するが、広い視野角特性を得ることができる。逆に、同じ焦点距離を得るのに実施例１の場合よりも曲率半径を大きく（ゆるく）することができ、製造上や光学性能上有利である。
【００３７】
本実施例の構成によっても、極めて色純度に優れ、かつ、外光反射の少ないコントラストに優れた表示品質を得ることができた。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、光量の損失を防ぎつつ発光の色純度を高め、かつ、コントラストを向上した有機ＥＬディスプレイ装置を提供することができ、パソコン用のモニター、ＰＤＦ端末など、外光が存在する環境で使用するディスプレイにとりわけ好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の有機ＥＬディスプレイ装置の一例を示す断面模式図である。
【図２】実施例１のフルカラー有機ＥＬディスプレイ装置を示す断面模式図である。
【図３】実施例１のフルカラー有機ＥＬディスプレイ装置を示す上面図である。
【図４】実施例２のフルカラー有機ＥＬディスプレイ装置を示す断面模式図である。
【図５】従来の有機ＥＬ素子の一例を示す断面模式図である。
【図６】従来の微小共振器構造を備える有機ＥＬ素子の一例を示す断面模式図である。
【図７】従来の微小共振器構造を備える有機ＥＬ素子の観測角度と発光波長ピーク値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１、５　透明性第一電極
２、６　光反射性第２電極
３、７　有機化合物層
４、２２　外光
８　誘電体多層ミラー層
９ａ　正面方向に放射された放射光
９ｂ　斜め方向に放射された放射光
１０　透明性陽極
１１　光反射性陰極
１２　正孔輸送層
１３　電子輸送層
１４、３５　誘電体多層ミラー層
１５　集光構造
１６、３９　開口
１７、４０　遮光層
１８　正面方向に放射された放射光
１９　正面方向に放射された放射光の集光位置
２０　斜め方向に放射された放射光
２１　斜め方向に放射された放射光の集光位置
３０　基板
３１　ＴＦＴ
３２　光反射性電極
３３ａ　赤色発光画素の有機化合物層
３３ｂ　緑色発光画素の有機化合物層
３３ｃ　青色発光画素の有機化合物層
３４　透明性電極
３６、３７　透明部材
３８、５０　マイクロレンズアレイ層
４１　マイクロレンズ
４２　素子内赤色発光領域
４３　素子内緑色発光領域
４４　素子内青色発光領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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