JP2012038631A - 有機エレクトロルミネッセンス表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有機ＥＬ表示装置において、視野角特性を維持しつつ、光の利用効率を高めた表示装置を提供する。
【解決手段】有機ＥＬ素子１７を有する画素１８の一部の発光領域にレンズ１６を配置し、発光面側から見た場合に、複数のレンズ１６が千鳥状に配置した有機ＥＬ表示装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いた表示装置に関し、特に、光の正面の利用効率を高めることが可能な有機ＥＬ素子を用いた表示装置に関するものである。

有機ＥＬ素子の課題として、光取り出し効率が悪いことが知られている。これは、有機ＥＬ素子では、発光層から光が様々な角度で出射するため、保護層と外部空間との境界面で全反射成分が多く発生し、発光光が素子内部に閉じ込められてしまうからである。この課題を解決するために、様々な構成が提案されている。例えば、特許文献１には、有機ＥＬ素子を封止する酸化窒化シリコン（ＳｉＮ_xＯ_y）膜上に樹脂からなるレンズアレイを配置して正面への光取り出し効率を向上させる構成が開示されている。

特開２００４−３９５００号公報

特許文献１で示される有機ＥＬ素子の上にレンズアレイを配置する構成の場合、全反射していた成分を取り出すことができるという効果に加え、集光の効果が期待できる。これらの効果によって、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の正面輝度（発光効率）の向上が実現できる。その一方で、特許文献１の形態では、表示装置の斜め方向の輝度は減少してしまうため、広い視野角特性が得られない。

本発明の目的は、有機ＥＬ表示装置において、視野角特性を維持しつつ、光の利用効率を高めた表示装置を提供することである。

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子と、レンズと、を有する複数の画素を備え、
各画素は、レンズが配置された発光領域と、レンズが配置されていない発光領域と、を有し、
前記複数の画素それぞれにあるレンズの配置が、千鳥状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である。

本発明によれば、レンズを有する有機ＥＬ表示装置において、レンズ径を大きく設定することができ、レンズの集光効果を高めることができる。よって、レンズによって視野角特性を維持しつつ、光の利用効率を高めた有機ＥＬ表示装置を提供可能である。

本発明の有機ＥＬ表示装置の画素構成を示す断面模式図である。 本発明の有機ＥＬ表示装置におけるレンズ有無による輝度の視野角依存性を示す図である。 本発明の有機ＥＬ表示装置の一実施形態のレンズの配置の効果を示す平面模式図である。 本発明の有機ＥＬ表示装置の他の実施形態の平面模式図である。 本発明の有機ＥＬ表示装置の一実施形態の平面概略図と画素回路図である。 本発明の有機ＥＬ表示装置の他の実施形態の平面概略図と画素回路図である。

本発明の有機エレクトロルミネッセンス表示装置（有機ＥＬ表示装置）は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）と、レンズと、を有する複数の画素を備えている。各画素は、レンズが配置された発光領域と、レンズが配置されていない発光領域とを有し、前記複数の画素それぞれにあるレンズの配置が、千鳥状であることを特徴とする。本発明においては、レンズと有機ＥＬ素子との対応関係から、以下の２構成に大別される。

第１の形態：１画素が１個の有機ＥＬ素子によって構成される。即ち、有機ＥＬ素子毎に、レンズを配置した発光領域と、レンズを配置しない発光領域を有する。

第２の形態：１画素が、同じ色を発光する複数の有機ＥＬ素子を有している。そして、複数の有機ＥＬ素子のうち１つは、前記レンズが配置された発光領域にあり、その他の有機ＥＬ素子のうち１つは、前記レンズが配置されていない発光領域にある。

尚、レンズは有機ＥＬ素子の発光面側に配置されるが、該発光面とは、有機ＥＬ素子の発光を取り出す側を意味する。また、一般的に有機ＥＬ表示装置において、階調に応じた表示信号が有機ＥＬ素子に印加されるが、同じ表示信号が印加される最小単位が１画素である。通常、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を組み合わせてフルカラー表示し、有機ＥＬ素子は上記Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかの色を発光する発光層を備えている。よって、表示単位である画素は、上記Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかを表示する表示信号が印加される最小単位であり、Ｒ表示のＲ画素、Ｇ表示のＧ画素、Ｂ表示のＢ画素の３画素が一組で所定の色相が表示される。

以下、本発明の有機ＥＬ表示装置について、実施形態を挙げて説明する。

図１は、本発明の有機ＥＬ表示装置の実施形態に係る１画素に相当する部分を示す部分断面図であり、（ａ）は第１の形態、（ｂ）は第２の形態を示す。いずれの形態も、基板１０と、有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂ，１７と、素子間を分離する隔壁１２とを有している。そして、隔壁１２により、有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂ，１７が個々に分割され、その開口（発光領域）が規定される。また、本発明の第１の形態では、図１（ａ）に示すように、１画素１８が有機ＥＬ素子１７で構成される。第２の形態では、１画素１８が複数の有機ＥＬ素子で構成され、図１（ｂ）の例では、１画素１８が２つの有機ＥＬ素子１７ａ、１７ｂで構成されている。

有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂ，１７は、一対の電極１１，１４間に挟まれた、発光層を含む有機化合物層１３を備えたものである。具体的には、基板１０の上に設けられた第１電極１１と、第１電極１１上に設けられた有機化合物層１３と、有機化合物層１３の上に設けられた第２電極１４とを有しているものである。ここで、有機化合物層１３とは、発光層を含む単層又は複数の層からなる積層体である。例えば、正孔輸送層、発光層、電子輸送層及び電子注入層からなる４層構成や、正孔輸送層、発光層及び電子輸送層からなる３層構成等が挙げられる。有機化合物層１３を構成する材料（有機発光材料、正孔輸送材料、電子輸送材料、電子注入材料等）は、公知の材料を使用することができる。また発光層に赤色発光材料、緑色発光材料、青色発光材料を形成することで、カラー表示が可能となる。

有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂ，１７において、第１電極１１は、基板１０において基板面内方向に素子毎に設けられており、第２電極１４は複数の有機ＥＬ素子にわたって連続して設けられている。有機化合物層１３については、発光色毎に発光層の構成が異なるため、隣接する有機ＥＬ素子が同色の発光色の場合には発光層が共通して、発光層以外の層については全体で共通して形成される。例えば、後述するように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素をそれぞれ一方向にストライプ状に配置する場合には、発光層は係るストライプに沿って形成される。また、隣接する有機ＥＬ素子の発光色が互いに異なる配置の場合には、素子毎に発光層が形成される。

また、基板１０には有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂ，１７をアクティブに駆動する駆動回路（不図示）が設けられている。また、第２電極１４の上には保護膜１５が設けられている。保護膜１５は光透過性であって、ＳｉＯやＳｉＮなどの無機材料、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂などの有機材料を用いることができる。

図１における有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂ，１７は、基板１０の上面側に発光を取り出す形態、即ちトップエミッション型であり、第１電極１１は光を反射する電極材料、第２電極１４は光透過性又は半透過性の特性を有する電極材料が好ましく選択される。尚、本発明は基板１０の裏面から発光を取り出すボトムエミッション型の有機ＥＬ素子にも適用可能である。この場合、第１電極１１が光透過性又は半透過性の電極となり、第２電極１４が反射電極となり、基板１０側にレンズ１６を形成する。

本発明の有機ＥＬ表示装置は、既知の製造方法により製造され、図１のレンズ１６は、保護膜１５を介して発光面側に配置される。レンズの形状は、球状、蒲鉾状など適宜選択できる。レンズ１６の材料としては、透明な熱硬化型樹脂、光硬化型樹脂、または、熱可塑性樹脂などが選択でき、樹脂材料を加工することにより形成される。具体的には、レンズ１６は、型押しなどの方法により形成可能である。それ以外にも、下記（ｉ）乃至（ｖ）のいずれかの方法によっても作製可能である。
（ｉ）フォトリソなどによってパターニングされた樹脂層を熱処理し、リフローによって樹脂層をレンズ形状に変形させる方法。
（ｉｉ）均一の厚さに形成された光硬化型樹脂層を、面内方向に分布を持った光で露光し、この樹脂層を現像することによってレンズを形成する方法。
（ｉｉｉ）イオンビーム或いは電子ビーム、レーザー等を用いて、均一の厚さに形成された樹脂材料の表面をレンズ形状に加工する方法。
（ｉｖ）各画素に適量の樹脂を滴下して自己整合的にレンズを形成する方法。
（ｖ）有機ＥＬ素子が形成された基板とは別個に、レンズが予め形成された樹脂シートを用意し、両者をアライメントした後、貼り合せることによりレンズを形成する方法。

また、封止構造としては、保護膜１５に封止性能を持たせても良く、レンズ１６の上面に封止膜を形成した構造でも良い。また、別体の封止筐体を基板１０と貼り合わせた中空封止構造を用いることもできる。

有機ＥＬ素子１７，１７ａにおいて、有機化合物層１３から出射された光は、第２電極１４を通過し、次いで保護膜１５、レンズ１６を透過して、有機ＥＬ表示装置の外へ出射する。図２は、図１（ａ）の有機ＥＬ素子１７上にレンズ１６を配置した領域（レンズ発光領域）とレンズを配置しない発光領域（非レンズ領域）のそれぞれの輝度の視野角分布を示した図である。レンズ１６を介して最外層から外部に光を出射する方が、レンズ１６が無い場合に比べて、出射角度が基板垂直方向に近づく。従って、非レンズ領域に比較して、レンズ領域の方が垂直方向への光を集光する効果が高い。即ち、有機ＥＬ表示装置に対して正面方向における光の利用効率を高めることができる。尚、光の集光の程度は、レンズの形態、曲率、発光面からレンズまでの距離、発光面積に依存する。

一方、有機ＥＬ素子１７において、有機化合物層１３から斜め方向に出射された光は、さらに斜めになって出射されるため、斜めからの視野に対する輝度を上げることに寄与する。

図３（ａ）は図１（ｂ）の画素構成を有する有機ＥＬ表示装置の平面模式図である。本例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色でフルカラー表示の構成を示し、紙面上下方向に延びるストライプ状に、各色を発光する画素が配列している。図中、１７Ｒａ，１７ＲｂはＲ表示の有機ＥＬ素子を、１７Ｇａ，１７ＧｂはＧ表示の有機ＥＬ素子を、１７Ｂａ，１７ＢｂはＢ表示の有機ＥＬ素子を示している。そして、１７Ｒａと１７Ｒｂ、１７Ｇａと１７Ｇｂ、１７Ｂａと１７Ｂｂとでそれぞれ１画素を構成している。

本発明においては、図３（ａ）に示すように、レンズ１６は千鳥状に配置されている。ここで、千鳥状配置とは、任意のｐ列目の画素に配されたレンズ、ｐ＋１列目の画素に配されたレンズ、ｐ＋２列目の画素に配されたレンズ、に着目した時、これら３つのレンズの重心位置が直線状になく、互い違いに位置する配置を言う。

図３（ｂ）は、比較として図３（ａ）と同じ配列で有機ＥＬ素子が形成された基板上に直線状にレンズ１６を配置した有機ＥＬ表示装置の平面模式図である。図３（ａ）ではレンズ１６を千鳥状に配置することで、図３（ｂ）と比較してレンズ径を約１．６倍とすることができ、レンズ１６による集光に寄与する範囲を約２．５倍にすることができる。即ち、レンズ１６の集光効果を高めることができる。

また、図４（ａ）は図１（ａ）の画素構成を有する有機ＥＬ表示装置の平面模式図である。本例においても、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素は紙面上下方向に延びるストライプ状に配置されている。図中、１７ＲはＲ表示の有機ＥＬ素子を、１７ＧはＧ表示の有機ＥＬ素子を、１７ＢはＢ表示の有機ＥＬ素子を示している。図４（ａ）に示すように、本例では１画素につき１個の有機ＥＬ素子を有し、その一部の発光面側にレンズ１６が形成されている。本例においては、有機ＥＬ素子１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂ上に形成されるレンズ１６の位置を、隣接する画素間でずらせる（図４（ａ）では上下方向に）ことにより、全体で千鳥状に配置している。尚、レンズ１６が配置された発光領域とレンズ１６が配置されていない発光領域とは分離されていてもよい。この構成により、レンズ１６の端部が隔壁１２の上に形成されることになり、レンズ端部の段差が減って、レンズ形状の歪みが抑制される。

また、図４（ｂ）は図１（ｂ）の画素構成を有する有機ＥＬ表示装置の他の実施形態の平面模式図である。本例のように、レンズ１６を形成した有機ＥＬ素子１７Ｒａ，１７Ｇａ，１７Ｂａと、レンズ１６を形成しない有機ＥＬ素子１７Ｒｂ，１７Ｇｂ，１７Ｂｂの開口形状を互いに異ならせることも可能である。具体的には、図４（ｂ）で示すように、レンズが配置された発光領域の面積は、レンズが配置されていない発光領域の面積より小さいほうが好ましい。この構成により、レンズによる集光効果をより高めることができる。

次に、図５（ａ）に、図１（ａ）の画素構成を有する有機ＥＬ表示装置の平面概略図を、図５（ｂ）に該有機ＥＬ表示装置の１画素の回路図を示す。図中、Ｃ１は容量、Ｍ１，Ｍ２はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）である。本例の有機ＥＬ表示装置２１は、ｎ本の走査線２６と、ｍ本の情報線２５の交点に画素回路２４を有している（ｘは走査線番号、ｙは情報線番号）。走査線２６は走査線駆動回路２３によって駆動され、情報線２５は情報線駆動回路２２より所定の情報信号（表示信号）が印加され、該情報線２５から情報信号が画素回路２４に印加される。

本例の有機ＥＬ表示装置において、各画素の構成は図１（ａ）に示したように、画素１８毎に有機ＥＬ素子１７が対応している。よって、図５（ｂ）に示すように、画素回路２４には有機ＥＬ素子１７が１個接続されている。

次に、図６（ａ）に、図１（ｂ）の画素構成を有する有機ＥＬ表示装置の平面概略図を、図６（ｂ）に該有機ＥＬ表示装置の１画素の回路図を示す。図中、Ｃ１は容量、Ｍ１乃至Ｍ４はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）である。本例においては、図５（ａ）の構成にさらに、走査線２６と平行に選択制御線３７，３８と、これらを駆動する選択制御線駆動回路３４が付加され、画素回路２４に２個の有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂが接続されてそれぞれ独立駆動可能に構成されている。

尚、図１（ｂ）の画素構成を有する有機ＥＬ表示装置においても、図５（ｂ）に示した画素回路を１本の情報線２５を中心に左右に１回路ずつ形成し、一方で有機ＥＬ素子１７を、他方で有機ＥＬ素子１７ｂを駆動する形態とすることも可能である。また、図１（ｂ）のように、隔壁１２によって分離された有機ＥＬ素子１７ａ、１７ｂのそれぞれの第１電極１１同士を電気的に接続し、一方を図５（ｂ）の画素回路に接続して、有機ＥＬ素子１７ａ、１７ｂを同時に駆動する本発明第１の形態としてもよい。このように、レンズ領域と非レンズ領域とを隔壁１３によって分離することにより、レンズ１６の端部が隔壁１２の上に形成されることになり、レンズ端部の段差が減って、レンズ形状の歪みが抑制される。

次に、本発明の有機ＥＬ表示装置１１の動作について述べる。

本発明第１の形態では、レンズ領域と非レンズ領域とが同時に駆動される。一方第２の形態では、レンズを有する有機ＥＬ素子とレンズを持たない有機ＥＬ素子とを第１の形態と同様に一体として同時に駆動することもでき、また、独立して駆動することもできる。以下、便宜上、第２の形態において、レンズを形成した有機ＥＬ素子をレンズ領域、レンズを形成していない有機ＥＬ素子を非レンズ領域として一体駆動と独立駆動について説明する。

レンズ領域と非レンズ領域の２領域を一体となって駆動する場合、図３に示した光学特性により、レンズ領域によって正面輝度を高めつつ、非レンズ領域によって斜め方向への輝度の低下が抑制され、視野角特性が改善される。即ち、視野角特性を維持しつつ、光の利用効率を高めることが可能である。

一方、２領域を独立して駆動する場合、例えば、非レンズ領域のみを点灯させた場合、有機ＥＬ表示装置は視野角特性の広い性能が得られる。また、レンズ領域のみを点灯させた場合、視野角特性は狭くなるが、正面の輝度は高い性能が得られる。さらに、レンズ領域の輝度を非レンズ領域と同程度とする場合には、非レンズ領域よりも低電流で駆動することができ、低消費電力になる。従って、必要に応じて、有機ＥＬ表示装置の特性として、「広い視野角特性」、「正面輝度優先の特性」、「低消費電力優先の特性」のいずれかを選択できる。

以下に、具体的な駆動方法について説明する。

〔第１の駆動方法〕
図１（ａ）の画素構成と図５（ｂ）の画素回路を備えた図５（ａ）の有機ＥＬ表示装置の駆動方法の一例である。尚、図５（ｂ）の回路においては、Ｍ１、Ｍ２がｎＭＯＳの場合を述べている。ｐＭＯＳの場合には、ＨＩＧＨレベル（Ｈレベル）とＬＯＷレベル（Ｌレベル）とを逆にする必要ある。

図５（ｂ）において、走査線２６より走査選択信号が入力され、該走査選択信号に同期して、情報線２５に所定の階調を示す情報信号（電圧データ、Ｖｄａｔａ）が入力される。有機ＥＬ素子１７の第１電極１１はＭ２のドレイン端子に接続されており、第２電極１４は接地電位ＣＧＮＤに接続されている。

当該回路が選択される時、走査線２６より走査信号としてＨレベルの信号がＭ１のゲート端子に入力され、ＶｄａｔａによりＭ１の電流駆動能力に応じた電圧が、Ｍ２のゲート端子と電源電位Ｖ１の間に配置されたＣ１に生じる。次に、書き込まれたＶｄａｔａに従って有機ＥＬ素子１７に電流を供給する時、走査線２６にはＬレベル信号が入力される。その結果、Ｍ１がＯＦＦとなり、Ｃ１に生じた電圧により、Ｍ２の電流駆動能力に応じた電流が有機ＥＬ素子に供給され、その供給された電流に応じた輝度で有機ＥＬ素子１７が発光する。

本例では、レンズ領域と非レンズ領域、２領域を一体となって駆動するため、図３に示した光学特性により、レンズ領域によって正面輝度を高めつつ、非レンズ領域が存在することによって斜め方向への輝度の低下が抑制され、視野角特性が改善される。即ち、視野角特性を維持しつつ、光の利用効率を高めることが可能である。

〔第２の駆動方法〕
図１（ｂ）の画素構成と図６（ｂ）の画素回路を備えた図６（ａ）の有機ＥＬ表示装置の駆動方法の一例である。Ｍ１、Ｍ３、Ｍ４はｎＭＯＳの場合を述べている。ｐＭＯＳの場合には、Ｈレベル、Ｌレベルを逆にする必要ある。

図６（ｂ）において、走査線２６に走査選択信号が入力され、該走査選択信号に同期して、情報線２５に所定の階調を示す情報信号（電圧データＶｄａｔａ）が入力される。有機ＥＬ素子１７ａの第１電極１１はＭ３のドレイン端子に接続されており、第２電極は接地電位ＣＧＮＤに接続されている。有機ＥＬ素子１７ｂの第１電極１１はＭ４のドレイン端子に接続されており、第２電極１４は接地電位ＣＧＮＤに接続されている。

当該回路が選択される時、選択制御線３７，３８にはＬレベルの信号が入力され、Ｍ１がＯＮ、Ｍ３，Ｍ４はＯＦＦである。この時、Ｍ３，Ｍ４は導通状態でないため、有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂには電流が流れない。そして、情報線２５より印加されたＶｄａｔａによりＭ１の電流駆動能力に応じた電圧が、Ｍ２のゲート端子と電源電位Ｖ１の間に配置されたＣ１に生じる。

次に、書き込まれたＶｄａｔａに従って有機ＥＬ素子１７ａに電流を供給する時は、走査線２５はＬレベル、選択制御線３７にはＨレベル、選択制御線３８にはＬレベルの信号が入力される。この時、Ｍ１がＯＦＦ、Ｍ３がＯＮ、Ｍ４がＯＦＦとなる。Ｍ３のみが導通状態であるため、Ｃ１に生じた電圧により、Ｍ２の電流駆動能力に応じた電流が有機ＥＬ素子１７ａに供給され、その供給された電流に応じた輝度で有機ＥＬ素子１７ａが発光する。

また、逆に有機ＥＬ素子１７ｂにのみ電流を供給する時は、走査線２５はＬレベル、選択制御線３７にはＬレベル、選択制御線３８にはＨレベルの信号が入力される。この時、Ｍ１がＯＦＦ、Ｍ３がＯＦＦ、Ｍ４がＯＮとなる。Ｍ４のみが導通状態であるため、Ｃ１に生じた電圧により、Ｍ２の電流駆動能力に応じた電流が有機ＥＬ素子１７ｂに供給され、その供給された電流に応じた輝度で有機ＥＬ素子１７ｂが発光する。

このように、選択制御線３７，３８に入力する信号としてＨレベル、Ｌレベルを選択することにより、有機ＥＬ素子１７ａ，１７ｂを独立して制御することができる。

従って、有機ＥＬ表示装置１１を、「広い視野角特性」か「正面輝度優先の特性」のどちらかを選択して制御することが可能となる。尚、本例の場合、有機ＥＬ素子１７ａ、１７ｂに供給される電流値は同じである。

さらに、本例において、図４（ｂ）に示すように、非レンズ領域の有機ＥＬ素子１７Ｒｂ，１７Ｇｂ，１７Ｂｂの開口面積を、レンズ領域の有機ＥＬ素子１７Ｒａ，１７Ｇａ，１７Ｂａの開口面積よりも大きくなるように、互いに開口形状を変えることができる。この場合、有機ＥＬ素子１７Ｒｂ，１７Ｇｂ，１７Ｂｂから所望の輝度を得るための電流を小さくできるため、有機ＥＬ素子の長寿命化を図ることができる。

１０：基板、１１：第１電極、１２：隔壁、１３：有機化合物層、１４：第２電極、１６：レンズ、１７，１７ａ，１７ｂ：有機ＥＬ素子、１８：画素、２１：有機ＥＬ表示装置

Claims (5)

1. 有機エレクトロルミネッセンス素子と、レンズと、を有する複数の画素を備え、
   各画素は、レンズが配置された発光領域と、レンズが配置されていない発光領域と、を有し、
   前記複数の画素それぞれにあるレンズの配置が、千鳥状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。
2. 前記各画素は、同じ色を発光する複数の有機エレクトロルミネッセンス素子を有し、
   前記複数の有機エレクトロルミネッセンス素子のうち１つは、前記レンズが配置された発光領域にあり、その他の有機エレクトロルミネッセンス素子のうち１つは、前記レンズが配置されていない発光領域にあることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
3. 前記各画素が有する有機エレクトロルミネッセンス素子は１つであることを特徴とする請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
4. 前記有機エレクトロルミネッセンス素子が、発光層の発光色毎に、ストライプ状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。
5. 前記レンズが配置された発光領域の面積と、前記レンズが配置されていない発光領域の面積とが異なっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の有機エレクトロルミネッセンス表示装置。

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