JP2004095359A

JP2004095359A - Ｅｌ発光素子

Info

Publication number: JP2004095359A
Application number: JP2002255360A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hagiwara; 萩原　啓; Tomoshi Ueda; 上田　智志; Shinji Okamoto; 岡本　信治
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】表示装置に用いたときに高い解像度および輝度を得ることができるＥＬ発光素子を提供する。
【解決手段】ＥＬ発光素子１０は、発光層１２、絶縁層１４、１対の電極１６、１８および基板１９を有する。発光層１２は、無数の細孔２０を有する多孔質膜２２の、その無数の細孔２０中に蛍光体粒子２４が含まれた構造を有する。細孔２０は、下端が多孔質膜２２の部分２２ａによって閉塞され、この部分２２ａが絶縁層として機能する。発光層１２の厚みは、好適には１μｍ以下である。多孔質膜２２の材料は、例えば、酸化アルミニウムを用いる。蛍光体粒子２４の材料は、例えばＺｎＳ：Ｍｎを用いる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電界で蛍光体が発光するＥＬ現象を利用した自発光タイプのＥＬ発光素子は、分散型と薄膜型の２種類に大別される。なお、蛍光体は、様々な種類があり、例えば、硫化亜鉛等の母体材料と、マンガンイオン等の母体材料中にドーピングされる発光中心とで構成される。
【０００３】
前者の分散型ＥＬ発光素子の場合、蛍光体粒子を樹脂バインダおよび溶剤とともに混錬してペースト化し、このペーストをスクリーン印刷法やスピンコート法等の方法を用いて基板等の上に塗布した後、焼成することにより、発光層が作製される。このとき、発光層として所定の厚みを確保して蛍光体粒子のネットワークを確実に形成するために、蛍光体粒子を数層〜数十層積重ねた形態とする。
【０００４】
一方、後者の薄膜型ＥＬ発光素子の場合、ＰＶＤ法やＣＶＤ法等の成膜法を用いて蛍光材料等を基板等の上に堆積させて薄膜を形成することにより、発光層が作製される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の分散型ＥＬ発光素子の場合、電子からの励起エネルギによって１つの蛍光体粒子から発光した光は、発光層を構成する積重ねられた蛍光体粒子間を通って外部に出るまでの間に多方向に拡散してしまうおそれがある。この場合、発光点がにじむため、表示装置に用いたときに得られる画像の解像度を大きくすることが難しい。
【０００６】
また、分散型ＥＬ発光素子に用いる蛍光体粒子は、通常１〜１０μｍ程度のミクロンオーダーの径を有するものであるため、この蛍光体粒子を少なくとも数層重ねて発光層を形成する場合、発光層の厚みが数μｍを超えるものとなり、発光層の薄膜化による発光素子の小型化を実現することができない。
【０００７】
また、分散型ＥＬ発光素子については、量子サイズ効果による発光効率の向上を目的として、ミクロンオーダーの粒径を有する蛍光体粒子に変えて、例えば数〜数十ｎｍ程度のナノオーダーの蛍光体超微粒子を用いることも検討されている。ところが、この場合、発光層を形成するための焼成工程において不可避的に超微粒子の凝集作用を生じる。また、このような超微粒子を積重ねた層を均一な厚みに塗布形成することも容易ではない。このため、蛍光体超微粒子を用いた発光層は実現が困難である。
【０００８】
一方、後者の薄膜型ＥＬ発光素子の場合、発光層と、例えばこの発光層に近接して設けられる基板との屈折率の違いにより、大きな入射角で発光層から基板に照射された光は基板との界面で全反射して発光層内で拡散し発光層の横方向に放散してしまうため、光の取り出し効率、すなわち、蛍光体粒子から発光した光と、最終的に外部に出た光の強度比が小さくなり、高い発光効率を得ることが難しく、高い輝度を有する画像を得ることができない。
【０００９】
例えば、硫化亜鉛を母体材料とする発光層を石英ガラス製の基板上に設けた場合、硫化亜鉛の屈折率が２．４程度であるのに対して石英ガラスの屈折率が１．５程度と硫化亜鉛に比べて小さく、このときの臨界角は約３９°と比較的小さい。このため、臨界角以上の角度で基板に入射する、かなりの比率の光は全反射して、発光層あるいは基板の面の延出方向に沿って横方向に拡散してしまうことになる。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、表示装置に用いたときに高い解像度および輝度を得ることができるＥＬ発光素子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】
本発明に係るＥＬ発光素子は、多孔質薄膜の細孔中に蛍光体粒子を含む構造の発光層を有することを特徴とする。ここで、細孔は、多孔質薄膜を貫通するものであってもよく、また、一端を閉塞されたものであってもよい。
【００１２】
これにより、蛍光体粒子が凝集した場合においてもその凝集状態における最大径は多孔質薄膜の細孔径を超えることがないため、量子サイズ効果による発光効率の向上を図ることができる。また、蛍光体粒子のみを積重ねた構造ではなく、蛍光体粒子が多孔質薄膜の細孔に閉じ込められた構造を有するため、発光点のにじみが軽減される。したがって、ＥＬ発光素子を表示装置に用いたときに高い解像度および輝度を有する画像を得ることができる。
【００１３】
この場合、前記蛍光体粒子の平均粒径（算術平均直径）が１μｍ以下であると、画像のより高い解像度を得るうえで好適であり、さらにまた、前記蛍光体粒子の平均粒径が１０ｎｍ以下であると、量子サイズ効果による発光効率の向上を図りより高い輝度を得るうえで、より好適である。
【００１４】
また、この場合、前記多孔質薄膜の屈折率が前記蛍光体粒子の屈折率よりも小さいと、蛍光体粒子からの発光が細孔壁に入射したときに全反射して細孔内に止まり、拡散することなく細孔端から略そのまま外部に発光されるため、高い光の取り出し効率を確保することができ、高い輝度を有する画像を得ることができる。
【００１５】
また、この場合、前記多孔質薄膜は陽極酸化法により細孔が形成されてなると、細孔の形態を容易に制御することができて好適である。
【００１６】
また、この場合、前記多孔質薄膜は厚みが１μｍ以下であると、駆動電圧を小さくすることができ、また、これにより、駆動素子として安価なＩＣを用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＥＬ発光素子の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。
【００１８】
本実施の形態例に係るＥＬ発光素子について、図１を参照して説明する。
【００１９】
本実施の形態例に係るＥＬ発光素子１０は、蛍光体粒子として後述する無機材料を用いた無機ＥＬ発光素子であり、図１に示すように、発光層１２と、発光層１２の上に形成された絶縁層１４と、発光層１２の両面を挟む１対の電極１６、１８と、これらの部材が配置される基板１９とを有する。
【００２０】
ＥＬ発光素子１０は、１対の電極１６、１８間に交流電圧を印加することにより、生成した電子および正孔が発光層１２で再結合して得られる誘起エネルギにより発光し、この場合、基板１９を介して外部に光を放出する。
【００２１】
なお、発光層１２と電極１６との間にさらに絶縁層を設けてもよい。また、蛍光体粒子として有機材料を用いて有機ＥＬ発光素子とする場合には、発光層と電極との間に正孔輸送層を設け、一方、発光層と電極との間に電子輸送層を設けてもよい。また、無機ＥＬ発光素子および有機ＥＬ発光素子いずれの場合においても、空気中の水分の浸入による発光層の劣化を防止するために、封止材料を用いて封止され、さらに必要に応じて封止材が封入される。
【００２２】
発光層１２は、無数の細孔２０を有する多孔質膜（多孔質薄膜）２２の、その無数の細孔２０中に蛍光体粒子２４が含まれた構造を有する。細孔２０は、下端が多孔質膜２２の部分（図１中、参照符号２２ａで示す。）によって閉塞され、この部分２２ａが絶縁層として機能する。なお、上記のように絶縁層を２重に設ける場合には、細孔２０は多孔質膜２２を貫通する貫通孔であってもよい。
【００２３】
発光層１２の多孔質膜２２の厚み、言い換えれば、発光層１２の厚みは、好適には１μｍ以下である。これにより、通常の厚みの厚い発光層の場合、駆動電圧として２００Ｖ程度を要するのに対して、例えば５０Ｖ程度に小さくすることができるため、駆動素子として安価なＩＣを用いることができる。また、発光層１２が薄層化されるため、ＥＬ発光素子１０を小型化することができる。
【００２４】
多孔質膜２２の材料は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の屈折率の小さい材料を用いると、詳細を後述する理由により好適である。なお、これらの材料以外にも、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）等のバルブ金属を陽極酸化して用いてもよい。ここで、バルブ金属とは、陽極酸化により多孔質を作り易い性質をもつ金属をいう。
【００２５】
多孔質膜２２の細孔２０の径は特に限定するものではない。但し、少なくとも蛍光体粒子２４の径よりも大きいことが当然に必要であり、一方、蛍光体粒子２４の径の好適には例えば数倍以下の大きさであると、蛍光体粒子２４として超微粒子を用いた場合に、充填された蛍光体粒子２４が凝集したとしても、凝集後の蛍光体粒子２４の径が細孔２０の径によって規制されるため、好適である。
【００２６】
蛍光体粒子２４は、通常のＥＬ発光素子の蛍光体材料を用いて形成することができ、例えば、ＺｎＳ：Ｍｎ（母体材料としての硫化亜鉛に発光中心としてのマンガンを含む意。）を用いる。蛍光体粒子２４の径は、高い解像度を得る観点からは、すなわち画像の高精細化を図る観点からは、１μｍ以下であることが好ましく、さらに、量子サイズ効果を発現させて画像の高輝度化を図る観点からは、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。蛍光体粒子２４の径の下限値は特に限定するものではないが、実用上は、数ｎｍ程度である。例えば、蛍光体粒子２４の径が１〜５ｎｍ程度の場合、上記した多孔質膜２２の細孔２０の径は望ましくは５〜３０ｎｍ程度に調製することになる。
【００２７】
絶縁層１４は、例えば０．５μｍ程度の厚みに形成する。絶縁層１４の材料は特に限定するものではないが、例えばＡｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等や、あるいはこれらの物質よりも誘電率の高いＢａＴｉＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３等を用いることができる。
【００２８】
電極１６は例えば厚みが１００ｎｍ程度の透明材料で形成される。電極１６の透明材料は、例えば高い導電率を有するＩＴＯ等を好適に用いることができる。電極１８は例えば厚みが１００ｎｍ程度の金属材料で形成される。電極１８の金属材料は、例えば反射率の大きいＡｌ等を好適に用いることができる。なお、図１のＥＬ発光素子１０の場合、基板１９の側から外部に発光するボトムエミッションタイプであるため、上記の電極構成としたが、ＥＬ発光素子が上部側から外部に発光するトップエミッションタイプの場合には、電極１６として金属材料を用い、電極１８として透明材料を用いることになる。
【００２９】
基板１９の材料は特に限定するものではなく、例えば、無機材料、ガラス、樹脂等の中から適宜選択して用いることができる。但し、図１のように基板１９の側から外部に向けて発光させるためには、基板１９の材料は透明性を有することが必要である。ガラス材料を用いる場合、基板１９の厚みは例えば１〜３ｍｍ程度である。一方、基板１９に可撓性を付与し、また、発光素子の小型化を図る観点からは、基板１９として例えば厚みが数百μｍ程度の薄い樹脂シート等を用いることが好適である。
【００３０】
ここで、本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層の作製方法について、図２〜図７を参照して説明する。
（多孔質膜の作製）
まず、図２に示すように、スパッタリング法により、ガラス基板２６にＩＴＯ電極２８を成膜し、さらにＩＴＯ電極２８に例えば０．５μｍの厚みのＡｌ（アルミニウム）薄膜３０を成膜する。この場合、成膜法として、スパッタリング法に変えて、めっき法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スクリーン印刷法等を用いてもよい。なお、フルカラーの発光素子を作製する場合は、フォトリソグラフィ法によりＩＴＯ電極２８をパターン化しておく。
【００３１】
ついで、図３に示すように、成膜したガラス基板２６をシュウ酸濃度が１０質量％の電解液３２中に浸漬し、ＩＴＯ電極２８を陽極とするとともに、別に電解液中に配置した白金板３４を陰極として電圧を印加し、Ａｌ薄膜３０を陽極酸化する。
【００３２】
このとき、電解液３２は室温とする。また、陽極酸化の条件として、１〜２０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で５〜６０分程度処理する。処理過程で電解液３２の温度が局部的に上昇することを防ぐために、マグネットスターラ３６で電解液３２を攪拌する。
【００３３】
陽極酸化処理により、Ａｌ薄膜３０は酸化されるとともに無数の細孔が形成され、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）からなる多孔質膜３８が得られる。
【００３４】
ここで、Ａｌ薄膜３０あるいはＡｌに変えてＴｉ等のバルブ金属を材料として用いた薄膜は、陽極酸化処理中に無数の細孔を容易に形成することができて好適である。また、これらの金属材料に変えて、Ｓｉ等を薄膜材料として用いフッ素酸中で陽極酸化処理してもよい。
【００３５】
また、電解液として、シュウ酸に変えて、硫酸、リン酸、クロム酸等を用いてもよい。電解液の種類やその濃度を適宜選択することにより、多孔質膜３８の色や形成される細孔の形状、数等を制御することができる。例えば、シュウ酸の場合は、多孔質膜３８の色を黄〜無色半透明に調整することができる。また、多孔質膜３８の細孔の径を５〜１０００ｎｍの範囲内で制御できるとともにこれらの細孔を例えば多孔質膜３４の表面積に対する細孔の累積面積の比率として８０％程度に、緻密に細孔を形成することができる。
【００３６】
また、電流密度、通電時間、電流波形等を変えることにより、多孔質膜３８の細孔の径の大きさや細孔の分布の緻密さを制御することができる。
【００３７】
陽極酸化処理により形成された多孔質膜３８の細孔の底部にはＡｌ_２Ｏ_３が残存している。すなわち、細孔は一端が閉塞されている（図４の細孔４０参照。）。このＡｌ_２Ｏ_３の残存部分、すなわち、多孔質膜の部分（図４中、参照符号３８ａで示す。）は、絶縁層として機能する。なお、ＩＴＯ電極２８と発光層との間に絶縁層を設ける場合は、必要に応じて細孔の底部に残存するＡｌ_２Ｏ_３を除去し、ＩＴＯ電極２８を露出させてもよい。
【００３８】
最後に、多孔質膜３８を十分に水洗した後、不活性ガス雰囲気中で乾燥することにより、図４に示すように、無数の細孔４０が形成された多孔質膜３８がＩＴＯ電極２８を介して積層されたガラス基板２６が得られる。
（細孔中への粒子の形成：発光層の作製）
粉砕法、ガス中蒸発法、ジュール−トムソン法、ゾルゲル法、ホットソーブ法、逆ミセル法等の方法により、蛍光体材料としてＺｎＳ：Ｍｎを用いて数〜数百ｎｍ程度の径の超微粒の蛍光体粒子（蛍光体微粒子）４２を作製し、図５に示すように、この蛍光体粒子４２に樹脂バインダや溶剤等の適当な材料４４を加えてペースト４５を調製する。
【００３９】
ついで、スクリーン印刷法を用い、図６に示すように、スキージ４６によりスクリーン４８の網目からこのペースト４５を多孔質膜３８の細孔４０内に埋め込む。つぎに、スキージ４６を用いて多孔質膜３８の表面に付着した蛍光体粒子４２を除去する。その後、多孔質膜３８を焼成して樹脂バインダや溶剤を除去することにより、細孔４０内に蛍光体粒子４２のみが残存した発光層（発光層材料）５０を得ることができる。なお、スクリーン印刷法に変えてスピンコート法等を用いてもよい。
【００４０】
得られた発光層５０を用いて作製したＥＬ発光素子について測定したＥＬスペクトルデータを図８に示す。
【００４１】
図８によれば、Ｍｎの発光の主波長である５８０ｎｍの波長にピークを有するＥＬスペクトル波形が得られていることがわかる。
【００４２】
以上説明した本実施の形態例に係るＥＬ発光素子は、発光層の蛍光体粒子が凝集した場合においてもその最大径は多孔質膜の細孔径を超えることがないため、量子サイズ効果による発光効率の向上を図ることができる。また、蛍光体粒子のみを積重ねた構造ではなく、多孔質薄膜を有するため、発光点のにじみが軽減される。したがって、ＥＬ発光素子を表示装置に用いたときに、高い解像度および輝度を得ることができる。
【００４３】
また、本実施の形態例に係るＥＬ発光素子は、発光層の多孔質薄膜の材料であるＡｌ_２Ｏ_３の屈折率が１．７〜１．８程度であり、蛍光体粒子のＺｎＳ：Ｍｎの屈折率の２．４よりも小さいため、蛍光体粒子からの発光が細孔壁に入射したときに全反射して細孔内に止まり、蛍光体薄膜の横方向から拡散することなく細孔端から略そのまま外部に発光されるため、高い輝度を得ることができる。
【００４４】
また、本実施の形態例に係るＥＬ発光素子は、多孔質膜の厚みが１μｍ以下であるため、駆動電圧を小さくすることができ、したがって、駆動素子として安価なＩＣを用いることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係るＥＬ発光素子によれば、多孔質薄膜の細孔中に蛍光体粒子を含む構造の発光層を有するため、ＥＬ発光素子を表示装置に用いたときに、高い解像度および輝度を有する画像を得ることができる。
【００４６】
また、本発明に係るＥＬ発光素子によれば、多孔質薄膜は陽極酸化法により細孔が形成されてなるため、細孔の形態を容易に制御することができる。
【００４７】
また、本発明に係るＥＬ発光素子によれば、多孔質薄膜は厚みが１μｍ以下であるため、駆動電圧を小さくすることができる。また、これにより、駆動素子として安価なＩＣを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層を作製する方法を説明するためのものであり、基板上にＡｌ薄膜を形成した状態を示す図である。
【図３】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層を作製する方法を説明するためのものであり、陽極酸化法による処理状態を示す図である。
【図４】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層を作製する方法を説明するためのものであり、多孔質のＡｌ_２Ｏ_３薄膜を形成した状態を示す図である。
【図５】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層を作製する方法を説明するためのものであり、蛍光体粒子を溶剤等によりペースト化する状態を示す図である。
【図６】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層を作製する方法を説明するためのものであり、スクリーン印刷法により蛍光体粒子を含むペーストを多孔質膜に塗布する状態を示す図である。
【図７】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子の発光層を形成した状態を示す図である。
【図８】本実施の形態例に係るＥＬ発光素子について測定したＥＬスペクトルを示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０　ＥＬ発光素子
１２、５０　発光層
１４　絶縁層
１６、１８　電極
１９　基板
２２、３８　多孔質膜
２２ａ、３８ａ　多孔質膜の部分
２４、４２　蛍光体粒子
２６　ガラス基板
２８　ＩＴＯ電極
３０　Ａｌ薄膜
３２　電解液
３４　白金板
４５　ペースト
４６　スキージ
４８　スクリーン

Claims

多孔質薄膜の細孔中に蛍光体粒子を含む構造の発光層を有することを特徴とするＥＬ発光素子。
前記蛍光体粒子の平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のＥＬ発光素子。
前記蛍光体粒子の平均粒径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のＥＬ発光素子。
前記多孔質薄膜の屈折率が前記蛍光体粒子の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＥＬ発光素子。
前記多孔質薄膜は陽極酸化法により細孔が形成されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＥＬ発光素子。
前記多孔質薄膜は厚みが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＥＬ発光素子。