JPH0737687A

JPH0737687A - 抵抗型交流薄膜ｅｌ素子

Info

Publication number: JPH0737687A
Application number: JP5179255A
Authority: JP
Inventors: Shunji Wada; 俊司和田; Shiro Kobayashi; 史朗小林; Tetsuro Yoshii; 哲朗吉井; Toshiaki Anzaki; 利明安崎
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】高発光効率を有し、良好な階調表示ができ、か
つ低電圧で駆動できる交流駆動ＥＬ素子を提供するこ
と。【構成】透明な電気絶縁性の基板上に、透明電極、第１
誘電体層、発光層、第２誘電体層、導電性微粉末を有機
樹脂で固定した電流制限層および背面電極を順次積層し
たエレクトロルミネッセンス素子で、第１と第２の誘電
体層の電気抵抗率を１．０×１０⁸〜１．０×１０¹⁰Ω
ｃｍとし、かつ、その厚みを１０〜１００ｎｍとし、交
流電界の印加により電子が誘電体層中をトンネリング効
果により通過して発光層内の発光中心を励起させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、キャラクターやグラフ
ィックなどの表示に用いるエレクトロルミネッセンス
（ＥＬ）素子に関し、さらに詳述すれば抵抗型交流薄膜
ＥＬ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＬ素子を用いたＥＬディスプレイは、
高い表示品質のキャラクターやグラフィックスなどを表
示できるディスプレイとして、近年ポータブルタイプの
コンピュータの端末やワークステーションの端末などに
急速に普及しつつある有望なフラットディスプレイの１
つである。現在市販されているＥＬディスプレイに用い
られているＥＬ素子は、図５に示すような発光層４を二
つの電気絶縁層８でサンドイッチした構造のＥＬ素子
（以下容量型交流薄膜ＥＬ素子という）である。この素
子は透明電極３と背面電極７の間に交流電界が印加され
ると、電気絶縁層８と発光層４の界面の電子は電界によ
り発光層４内に放出され、加速され、発光中心を励起し
て発光が生じる。生じた発光は透明な電気絶縁性基板２
を通過し外部へ放出される。

【０００３】また、上記ＥＬ素子に対して、図２に示す
ように、透明電極３、発光層４、中間層８、導電性微粉
末を有機樹脂で固定した電流制限層６、背面電極７を順
次積層した直流電圧による駆動が可能な粉末・薄膜混成
型ＥＬ素子（以下ＤＣＨＥＬ素子という）が知られてい
る。上記のＤＣＨＥＬ素子は、電子をＥＬ素子外部より
発光層内に注入する。そしてＥＬ素子に印加する電圧波
形のパルス幅を変調することにより、発光層内を流れる
電流量を調整し、容易に良好な階調表示を得ることがで
きる特徴を有し、上記の容量型交流薄膜ＥＬ素子に比
べ、低電圧で駆動できるという利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の容量型交流薄膜
ＥＬ素子においては、発光に寄与する電子は発光層と絶
縁層の界面にチャージされる電子であり、この電子が交
流の高電界で加速されて発光中心を励起し発光する。し
たがって、素子の発光効率が大きいという利点を有する
が、絶縁層は絶縁破壊を防止するために厚い誘電体で形
成する必要があり、このため駆動電圧が高くなるという
欠点がある。またこのＥＬ素子は、その薄膜積層構造に
基因して、図３（ａ）、（ｂ）に示すように印加電圧パ
ルスの立ち上がり時のｔ₁，ｔ₂でのみ、発光層内を界面
から放出された電子による伝導電流が流れるため、移動
する電荷の大部分は電圧の印加時間の長さにほとんど関
係なく、印加電圧の大きさによってのみ変化する。した
がって、輝度変調は印加電圧変調で行われるという特性
を有する。しかし、電圧の変化幅に対し輝度の変化幅が
大きいため、微妙な階調表示が得られにくいという欠点
がある。また、素子の絶縁破壊を防止するために電気絶
縁層の厚みを厚くする必要があり、これにより２００Ｖ
程度の高電圧で駆動しなければならないという欠点を有
する。

【０００５】一方、ＤＣＨＥＬ素子は、ＥＬ素子外部か
ら発光層内に電子を注入するため、容量型交流薄膜ＥＬ
素子に比べて発光層内のクランプ電界（ある電圧以下の
電圧を印加した状態では絶縁性示すが、その電圧以上の
電圧を印加すると電流が流れる半導体特性を有するとき
のその電圧値）は低く、ＥＬ素子の発光効率は低いとい
う欠点を有する。本発明は、上記の従来の技術が有する
問題点を解決し、高発光効率を有し良好な階調表示がで
き、かつ低電圧で駆動できるＥＬ素子を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明な電気絶
縁性の基板上に、透明電極、第１誘電体層、発光層、第
２誘電体層、導電性微粉末を有機樹脂で固定した電流制
限層および背面電極を順次積層したエレクトロルミネッ
センス素子であって、前記第１と第２の誘電体層の電気
抵抗率を１．０×１０⁸〜１．０×１０¹⁰Ωｃｍとし、
かつ、その厚みを１０〜１００ｎｍとすることにより、
前記透明電極と前記背面電極に交流電界を印加したと
き、電子が前記誘電体層中をトンネリング効果により通
過して発光層内の発光中心を励起させるようにしたこと
を特徴とするエレクトロルミネッセンス素子である。

【０００７】本発明の透明な電気絶縁性の基板として
は、ガラス板、プラスチック板を用いることができ、と
りわけソーダライム組成のガラスや、硼珪酸ガラスなど
が好んで用いられる。本発明の透明電極としては、錫を
ドープした酸化インジウムや酸化錫の透明導電膜を用い
ることができる。これらの透明導電膜は、表示する文
字、図により、必要により所定寸法に微細パターン加工
される。

【０００８】本発明の第１誘電体層および第２誘電体層
は、その厚み範囲および電気抵抗率の範囲が定められ、
したがって誘電体層の厚み方向の抵抗値の範囲が定めら
れている。第１誘電体層および第２誘電体層の電気抵抗
率は、それぞれ１．０×１０⁸〜１．０×１０¹⁰Ωｃｍ
の範囲内とされ、かつ、その厚みはそれぞれ１０〜１０
０ｎｍの範囲とされる。従って、第１誘電体層および第
２誘電体層の厚み方向の抵抗値は１平方ｃｍ当たり、１
０²〜１０⁵Ωの範囲である。前記抵抗値が１０⁵Ωより
も大きいと、前記誘電体層中をトンネリング効果により
通過する電子により発光層の発光中心を励起発光させる
ことが困難になる。前記抵抗値が１０²Ωよりも小さい
と発光層内を流れる電子のエネルギーが小さく、発光に
寄与する電子の割合が低下し、発光効率が小さくなる。
誘電体の抵抗値のさらに好ましい範囲は、発光効率を低
下させることなく、かつ低電圧駆動できるというＥＬデ
イスプレーとしての実用的観点から１平方ｃｍ当たり、
１０²〜１０³Ωである。上記電気抵抗率を有する誘電
体としては、希土類酸化物が好ましく用いられ、具体的
には酸化ユウロピウムを例示することができる。酸化ユ
ウロピウムＥｕＯｘ（０＜ｘ≦２）の場合、構成元素で
あるＥｕが硫化亜鉛発光層の硫黄欠陥を補償し、そのた
めエネルギー的に界面の浅い準位は減少し、ＥＬ素子の
クランプ電界を向上させることができる。したがって、
本発明の発光効率は、従来の技術のＤＣＨＥＬ素子より
高いという特徴を有する。本発明の誘電体層は、発光層
を挟むように設けた第１誘電体層と第２誘電体層に加え
て、第３の誘電体層を発光層を２層に分離するように設
けることができる。この場合、分割した発光層の厚みは
２００〜４００ｎｍとするのが好ましく、第１、第２、
第３の誘電体層の厚みは、それぞれ１０〜５０ｎｍとす
るのが好ましい。また、第３、第４の誘電体層により発
光層を３層に分割した構造、さらに４つ以上に発光層を
分割した構造にしてもよい。

【０００９】本発明の発光層の物質としては、硫化亜鉛
ＺｎＳを用いることができ、発光中心としては、発光色
によりＭｎ、ＴｂＦ₃などの公知の物質を用いることが
できる。発光層にＺｎＳを用いた場合、その厚みは４０
０〜８００ｎｍとするのが好ましい。４００ｎｍより薄
いと十分な発光輝度が得られなくなり好ましくなく、８
００ｎｍより厚いとＥＬ素子の駆動電圧が高くなり好ま
しくない。

【００１０】本発明の電流制限層は、導電性微粉末を有
機樹脂で固定したものが用いられる。導電性微粉末とし
ては、３×１０³〜１×１０⁶Ωｃｍの抵抗率を有するも
のが用いられ、銅を被覆した亜鉛、二酸化マンガン、硫
化鉛、酸化第一銅、酸化テルビウム（Ｔｂ₄Ｏ₇）、酸化
ユウロピウム（Ｅｕ₂Ｏ₃）、酸化プラセオジウム（Ｐｒ
Ｏ₂）、カーボン、チタン酸バリウムなどが例示でき
る。表示のコントラストを大きくするためには黒色また
は暗色の物質を用いるのがよい。そして、これらの微粉
末の粒径を１μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下にし
て有機樹脂をバインダーとして層状に固定する。バイン
ダーに用いる樹脂としては、ビニル系樹脂、ポリエステ
ル系樹脂、ポリアミド系樹脂、セルロース系樹脂、ポリ
ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂、シ
リコーン系樹脂、尿素系樹脂が例示できるが、とりわけ
水酸基、カルボキシル基、スルホニル基、ニトロ基など
の極性基、エポキシ基、イソシアヌル基、シラノール基
などの反応基を有した高分子材料が好適に用いられる。
また、微粉末と有機樹脂との体積混合比率は、微粉末：
有機樹脂＝２：８〜６：４の範囲内とすることが好まし
い。これにより、乾燥固定した後の電流制限層の電気抵
抗率は、ほぼ導電性微粉末自身の抵抗値となる。

【００１１】電流制限層の厚みは１〜２００μｍとする
のが好ましく、さらに１〜３０μｍとするのが好まし
い。厚みが１μｍより薄いと、ＥＬ素子内の微小破壊に
より大電流が流れたとき、素子を保護する役割が低下す
るので好ましくなく、厚みが２００μｍを越えると、Ｅ
Ｌ素子の抵抗分が増加するので印加電圧を除去したとき
残像が残ったり（時定数が増加する）、駆動電圧が高く
なるので好ましくない。

【００１２】背面電極の膜としては、アルミニウム、ニ
ッケル、クロムなどの金属膜を用いることができる。上
記の透明導電膜、誘電体層、発光層は、蒸着法やスパッ
タリング法の物理的方法で設けることができ、電流制限
層は塗布法により設けることができる。

【００１３】

【作用】本発明のＥＬ素子によれば、発光層を所定の厚
み範囲と所定の電気抵抗率の範囲を有する誘電体膜で挟
むことにより、外部から供給された電子が誘電体層中を
トンネリング効果により通過して発光層内の発光中心を
励起させることを可能にし、かつ、発光層の一方の側に
電流制限層を設けることにより、発光層、誘電体層中を
流れる電子は、素子断面において局所的に電子が集中し
て流れることが防止される。これにより、本発明のＥＬ
素子は、従来の技術の容量型交流薄膜ＥＬ素子よりも低
い駆動電圧で発光させることができ、素子内を電流が集
中して流れないので電圧破壊の発生が防止される。また
図４に示すように、印加電圧波形のパルス幅を調整する
ことによりＥＬ素子を流れる電流量が制御され、その電
流量に伴い素子の発光強度の積分値が変化し、この積分
値は輝度に比例するので、従来の技術の容量型交流薄膜
ＥＬ素子より良好な階調表示を得ることができる。

【００１４】また、交流駆動において、誘電体層と発光
層の界面にチャージアップしている電子による内部電界
を逆極性の電圧を印加したときに重ね合わせることがで
き、発光層内の電界は、駆動電圧のみによる電界よりも
高くなる。この理由により同じ輝度を得るのに要する駆
動電圧は小さくなり、ＥＬ素子の発光効率が向上する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて説明する。本
発明のＥＬ素子の一実施例の一部断面構造を図１に示
す。

【００１６】実施例透明な電気絶縁性の基板２（厚みが１ｍｍのガラス基板
を用いた）上にＩＴＯ透明導電膜を約５００ｎｍの厚さ
に被覆し、フォトリソグラフィ法により紙面と平行な方
向に複数のストライプ状にパターニングして透明電極３
とした。続いて、電子線蒸着法によりＥｕメタルを蒸着
源とし、酸素分圧を５×１０^ー2Ｐａとした減圧雰囲気中
で誘電体膜である酸化ユウロピウムＥｕＯｘ（０＜ｘ≦
２）薄膜を約２０ｎｍ成膜して第１の誘電体層３とし、
その後、酸素を止め、高真空中でＭｎを０．３重量％ド
ープしたＺｎＳ（以下ＺｎＳ：Ｍｎとする）を約３００
ｎｍ成膜して発光層４とした。その後、この操作をもう
一度繰り返し第３の誘電体膜４、発光層５を被覆し、そ
の後同様の条件でＥｕＯｘ薄膜を約２０ｎｍ被覆し第２
の誘電体膜とした。そして、真空中で、５５０℃で約２
時間アニールを施した。続いて、ＭｎＯ₂微粉末を有機
樹脂とシンナーとの混合液に分散させた塗料をスプレー
法を用いて塗布、乾燥させ、抵抗率が１×１０⁵Ωｃｍ
で膜厚が１２μｍの電流制限層を形成した。さらに、
１μｍの厚みのアルミニウム（Ａｌ）を電子線蒸着法で
成膜し、その後紙面とは垂直な方向に背面電極と電流制
限層を同時に金属棒で引っかいてストライプ状のパター
ンとし、最後に素子全体をカバーガラスで覆うことによ
り耐湿度対策を施し、ドットマトリックスタイプのＥＬ
素子１を作成した。

【００１７】得られたＥＬ素子１と従来の技術の容量型
交流薄膜ＥＬ素子３０の輝度と印加電圧の関係を図６に
示す。印加電圧の発光しきい値は約５０Ｖ低下してい
た。

【００１８】図７（ａ）、（ｂ）に得られたＥＬ素子の
印加電圧波形に対する電流波形を示す。電圧印加中に伝
導電流が流れていることから、階調表示はパルス幅変調
により行うことができることがわかった。したがって、
良好な階調表示を得ることが可能である。

【００１９】比較例１実施例と同じようにして、ガラス基板上に、５００ｎｍ
の厚みのＩＴＯ透明電極、６００ｎｍの厚みのＭｎを
０．３重量％ドープしたＺｎＳからなる発光層を被覆
し、その後３０ｎｍの厚みの酸化ユウロピウムからなる
中間層８を被覆した。さらにその上に電流制限層６と背
面電極７を実施例と同じようにして設け、ＤＣＨＥＬ素
子を作成した。

【００２０】比較例２実施例と同じようにしてガラス基板上に、５００ｎｍの
厚みのＩＴＯ透明電極、２００ｎｍの厚みのシリコンの
オキシナイトライドからなる電気絶縁層、６００ｎｍの
厚みのＭｎを０．３重量％ドープしたＺｎＳからなる発
光層、２００ｎｍの厚みのシリコンのオキシナイトライ
ドからなる電気絶縁層を被覆し、さらに１μｍの厚みの
アルミニウムからなる背面電極を設けて容量型薄膜交流
ＥＬ素子を作成した。

【００２１】表１に上記３種の素子の発光効率を示す。
本発明の交流駆動するＥＬ素子は、容量型交流薄膜ＥＬ
素子に比較して、発光効率をＤＣＨＥＬタイプの素子程
大きく低下させることなく、より低い電圧で駆動でき、
耐絶縁破壊性と階調表示特性が改善されていることがわ
かる。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、容量型交流薄膜ＥＬ素
子より駆動電圧が低く駆動電源を小型軽量にすることが
できると同時に、より細かい階調表示が可能となり、従
来容量型交流薄膜ＥＬ素子において不十分であった耐絶
縁破壊性が改善された抵抗型交流駆動薄膜ＥＬ素子を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の一部断面図である。

【図２】比較例１の微粉末・薄膜混成型ＥＬ素子の一部
断面図である。

【図３】容量型交流薄膜ＥＬ素子への印加電圧波形とそ
の時の伝導電流波形を示す図である。

【図４】本発明の印加電圧波形のパルス幅に対する発光
強度の変化を示すずである。

【図５】比較例２の容量型交流薄膜ＥＬ素子の一部断面
図である。

【図６】本発明と容量型交流薄膜ＥＬ素子の輝度と印加
電圧特性を比較説明するための図である。

【図７】本発明の印加電圧波形と伝導電流波形の関係を
説明するための図である。

【符号の説明】

１・・・本発明のＥＬ素子、２・・・透明な電気絶縁性
の基板上、３・・・透明電極、４・・・誘電体層、５・
・・発光層、６・・・電流制限層、７・・・背面電極、
８・・・中間層、電気絶縁層、２０・・・微粉末・薄膜
混成型ＥＬ素子、３０・・・容量型交流薄膜ＥＬ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安崎利明大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明な電気絶縁性の基板上に、透明電極、
第１誘電体層、発光層、第２誘電体層、導電性微粉末を
有機樹脂で固定した電流制限層および背面電極を順次積
層したエレクトロルミネッセンス素子において、前記第
１と第２の誘電体層の電気抵抗率を１．０×１０⁸〜
１．０×１０¹⁰Ωｃｍとし、かつ、その厚みを１０〜１
００ｎｍとすることにより、前記透明電極と前記背面電
極に交流電界を印加したとき、電子が前記誘電体層中を
トンネリング効果により通過して発光層内の発光中心を
励起させるようにしたことを特徴とするエレクトロルミ
ネッセンス素子。
【請求項２】前記電流制限層の電気抵抗率を３×１０³
〜１×１０⁶Ωｃｍとし、かつ、その厚みを１〜２００
μｍとしたことを特徴とする請求項１に記載のエレクト
ロルミネッセンス素子。
【請求項３】前記誘電体層を希土類酸化物からなる層と
したことを特徴とする請求項１または２に記載のエレク
トロルミネッセンス素子。
【請求項４】前記希土類酸化物が酸化ユウロピウムであ
ることを特徴とする請求項３に記載のエレクトロルミネ
ッセンス素子。