透明無機薄膜電致發光顯示器元件及其制造方法

透明無機薄膜電致發光顯示器元件及其制造方法
【專利摘要】提供帶有顯示器區域的無機透明薄膜電致發光顯示器元件及其制造方法，顯示器區域具有至少一個發射區域和至少一個非發射區域，該顯示器元件在透明度和不顯眼性得到改進。根據本發明的結構包括：基板(40)，第一導電層(42)，第一絕緣層(45)，發光層(46)，第二絕緣層(46)，第二導電層(43)和包括絕緣無機材料的第三絕緣層(44)。通過在非發射區域處設置鈍化膜元件，也就是通過當電連接至用于產生要求的電壓的電源的導電電極放置在發射區域處時還將導體材料設置在這些區域處，致使顯示器的發射和非發射區域在光學上相似。
【專利說明】透明無機薄膜電致發光顯示器元件及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本公開涉及透明顯示器領域，并且更具體的，涉及發射透明顯示器。特別 地，本公開涉及作為發射透明顯示器的AC驅動透明無機薄膜電致發光（Thin Film Electroluminesent，TFEL)顯示器的領域。更特別地，本公開涉及透明無機薄膜電致發光 (TFEL)顯示器的透明度和不顯眼性的改進。

【背景技術】
[0002] 透明顯示器用于空間受約束并且需要為用戶提供兩組信息的應用中。例如，第一 項信息通過顯示器提供，而第二項信息通過顯示器是可見的。另外，透明顯示器例如在產品 需要與常規的產品區分的應用中允許專家和消費者兩者用途的令人興奮的設計。透明顯示 器可以提供使得觀察者能夠對屏幕后的對象局部化的獨有的益處，并且可以將疊加的警告 或消息添加到其它信息顯示器的頂部。一些未來的應用可以在用戶的眼睛前使用透明頭戴 式顯示器（Head Mounted Display, HMD),允許疊加的數據信息添加在一般視場上。
[0003] 在本文中，TFEL顯示器元件為分層結構，其包括當連接至合適的電子設備時用于 光發射的必要組件。在本文中，顯示器區域被認為是對于顯示器的觀察者可見的TFEL顯示 器元件的透明區域，并且通過該顯示器區域，他/她可以觀察在顯示器后的對象。在本文 中，發射區域被視為通過設計而能夠生成和發射光的區域。在本文中，非發射區域被視為并 非發射區域的一部分的顯示器區域。因此，顯示器區域包括發射和非發射區域；這突出在整 個顯示器區域上光學屬性的重要性以及它們對于觀察者如何體驗顯示器的影響。
[0004] 在透明發射顯示器的操作中，可以辨別打開（ON)和關閉（OFF)狀態。在打開狀態 中，在顯示器元件中生成和發射光。在關閉狀態中，在顯示器元件中不發生光發射，或者光 發射是微不足道的。通常地，顯示所要求的信息的基本要求是帶來相鄰的打開和關閉元件 之間的光的充足的對比。在透明顯示器中，還要求觀察者得到顯示器后的對象的足夠清楚 和沒有障礙的視野。
[0005] 在透明顯示器的最好狀態下，通過首先越透明越好，透明顯示器基本上是不可見 的。同時，已熟知當顯示器表面的相鄰區域可以被比較時，人眼對光強度和顏色中的差別時 非常敏感的。就不可見性而言，環境光如何一致地穿過對觀察者可見的顯示器的各種區域 和環境光如何從這些區域反射的是特別重要的。可以觀察在一致性上的偏差作為透射差別 (透射的光的強度或顏色）或反射差別（反射的光的強度或顏色）。如果顯示器結構的不 同部分之間的反射和透射屬性有差別，觀察者可能觀察到例如導體結構或形狀，這是不可 接受的。
[0006] 顯示器的透明度可以依靠可見光范圍內的概念適光透射來限定。這個可以使用 雙光束分光計來測量，該雙光束分光計產生帶有根據光波長的透射百分比的透射光譜。為 提供逼真透射視野，可以利用標準D65光源的光譜調整這個數據。在結果光譜的波長范圍 420nm-650nm上的光輸出被來自D65光源的對應光劃分。此處或在所附圖和實例中給出的 適光透射值和反射值被限定為與顯示器表面平面垂直。如果使用除了垂直入射角之外的入 射角，那么其它值是優選的。
[0007] 由于兩個玻璃-空氣界面以及在界面處發生的反射，單個無涂層堿石灰玻璃片的 適光透射為大約85% -92%。確切值取決于所使用的玻璃材料，取決于玻璃板的名義厚度 并且取決于玻璃片的折射率以及光學吸收性。相應地，兩個連續的堿石灰玻璃片的透射為 大約78% -84%。具有這種大于78%的適光透射的材料被感知為透明的，特別是當透射關 于波長為充分無色時。在實踐中，這種設計被成功地使用在用于敏感器械的保護結構中以 及用在商店的窗戶和住所中。
[0008] AC驅動無機薄膜電致發光（TFEL)技術是公知的，并且無機TFEL技術的許多重要 方面，例如顯示器的基本物理性質、典型材料和屬性，驅動方法和制造技術都是本領域的普 通和一般知識。TEFL技術特別良好地適合于透明顯示器應用，因為其提供具有帶有大于 50%的適光透射的潛在高透明度的光發射顯示器。透明和常規無機TFEL顯示器之間的主 要差別在于不透明金屬電極材料（典型地為鋁）由通常指示為透明導電氧化物或TCO(典 型地為氧化銦錫，Indium Tin Oxide，ΙΤ0)的透明電極材料來替代。已知無機TFEL顯示器 具有良好的圖畫質量、結實的設計和長期的可靠性。
[0009] TFEL顯示器的薄膜結構包括兩個絕緣層之間的發光材料層（磷光體）。在透明 TFEL顯示器中，透明電極設置在絕緣體的兩側。兩個電極被圖案化以分別形成行和列，由 此，像素形成在行和列相交的位置處。由于電壓施加在相交的行和列上，電致發光出現在磷 光體層中。
[0010] 除了上文描述的矩陣型顯示器，使用TFEL技術可以設計其他顯示器類型，例如在 限定位置處顯示離散圖標或符號的7段式數字顯示器或設計。在這種顯示器中，存在作為 非發射的典型重要區域，即在該區域中不出現一個或多個生成光發射所必要的層。
[0011] 透明顯示器的期望屬性是透明度和不顯眼性或不可見性。許多當前發射的顯示器 設計的透射是不令人滿意的。在基于LED、IXD或粉末EL的設計中，獲得甚至60%的適光 透射是具有挑戰的。在當前現有技術的透明TFEL顯示器中，可以達到大于60%的透射值， 但是由于薄膜結構中的變化，這種顯示器的出現并未不滿意。
[0012] 期望獲得大于78%的透射水平。沒有提出達到這種屬性的用于發射顯示器的滿意 設計，而且也沒有提出達到這種屬性的用于透明TFEL顯示器的滿意設計。將區域上的發射 一致性表達為數字值是直觀的，但是應當盡可能一致地保持無色效果。
[0013] 從不可性觀點來看，環境光如何一致地穿過對觀察者可見的顯示器的各種區域和 環境光如何一致地從這些區域被反射的是尤其重要的。在一致性上的偏差可以被觀察為透 射差（透射的光的強度或顏色）或反射差（反射光的強度或顏色）。對于包括透明TFEL顯 示器的透明顯示器而言，沒有提出對于這個問題的可行的技術方案。


【發明內容】

[0014] 發明一種無機透明薄膜電致發光顯示器元件，帶有顯示器區域，所述顯示器區域 具有至少一個發射區域和至少一個非發射區域，該顯示器元件提供相對現有結構的多個優 點。
[0015] 根據本發明，提供在透明度和不顯眼性方面改進的顯示器元件。相關屬性被如下 改進：通過在非發射區域處設置鈍化層元件（Passive film element,下文中縮寫為PFE)，致 使顯示器的發射區域和非發射區域光學上相似。這是通過當連接至用于生成所要求的電壓 的電源導電電極（下文稱為導電元件）沉積在發射區域處的時候，還在非發射區域處設置 導體材料來實現。
[0016] 根據本發明的結構包括：基板；具有在30nm-250nm范圍內的厚度的包括TCO材料 的第一導電層；包括硫化鋅具有在30nm-250nm范圍內的厚度的發光層；第二絕緣層；包括 TCO材料具有在30nm-250nm范圍內的厚度的第二導電層；和包括具有比第二導電層的折射 率更低的折射率的絕緣無機材料的第三絕緣層。根據本發明，所述第一導電層和所述第二 導電層中的每個包括在至少一個發射區域處的至少一個導體元件和在至少一個非發射區 域處的至少一個鈍化膜元件。
[0017] 因此，根據本發明，在發射區域和非發射區域兩者中的導電層中存在有導體材料， 在非發射區域中的導體材料為鈍化膜元件。
[0018] 優選地，第一導電層與基板光學匹配以通過利用至少一層絕緣無機材料來涂覆第 一導電層而減少反射，絕緣無機材料的折射率低于導電材料的折射率。
[0019] 優選地，第二導電層與環境光學匹配以通過利用至少一層絕緣無機材料來涂覆第 二導電材料以減少反射，該絕緣無機材料的折射率小于導電材料的折射率。
[0020] 在對第一層導電材料和第二層導電材料進行圖案化的同時分別形成鈍化膜元件。 結果兩個導電材料層都包括不與電源電連接的至少一個區域，該電源將所要求的電壓提供 至發射區域中的電極。優選地，至少在導電材料的圖案層內的至少一個位置處，層平面的 PFE和電極之間的距離為1 μ m-30 μ m。優選地，由電極和PFE覆蓋的發射區域的總面積s 大于上文所限定的顯示器區域的80% ;優選地為大于90%并且最優地為大于95%。
[0021] 為了最小化損失，發生光學損失（散射或吸收）的材料層被做得比現有技術中常 規的材料層薄。發光層的厚度在30nm-250nm范圍內，優選地在50nm-200nm范圍內并且最 優地在IOOnm至180nm范圍內。導電層的厚度在30nm-250nm范圍內，優選地在50nm-200nm 范圍內并且最優地在IOOnm至200nm范圍內。優選地，絕緣層的厚度在30nm-500nm范圍內， 優選地在50nm-200nm范圍內。
[0022] 根據本發明的顯示器元件可以通過粘附至透明保護板例如玻璃而接合。在因此被 保護的顯示器元件的兩側上，都可以添加透明板以用于附加的保護，例如防震保護玻璃或 防劃保護板。
[0023] 這種玻璃保護顯示器元件可以在任一位置上接合至通過顯示器要觀察的對象。為 了致使總體結構更薄，有時候將根據本發明的顯示器元件直接接合至通過顯示器要觀察的 對象是有利的。相關對象不需要是透明的。
[0024] 根據本發明的進一步的方案，提供用于至少帶有顯示器區域的透明薄膜電致發光 顯示器元件的方法，所述顯示器區域具有至少一個發射區域和至少一個非發射區域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖IA至圖IC示出透明顯示器的使用的各種方案；
[0026] 圖2顯示TFEL顯示器的示意性薄膜結構；
[0027] 圖3A至圖3B是現有技術的光學上改進的TFEL顯示器元件的側視圖和平面圖；
[0028] 圖4顯示根據現有技術的透明TFEL顯示器的細節的結構；
[0029] 圖5顯示根據本發明的透明TFEL顯示器的細節的結構；
[0030] 圖6顯示具有保護性玻璃板的TFEL結構；
[0031] 圖7顯示具有用于改進TFEL結構的光學屬性的附加組件的TFEL結構；
[0032] 圖8A至圖8E示出在具有低關閉狀態可察覺性的顯示器元件中光學結合的多個實 例；
[0033] 圖9A至圖9C示出根據本發明的顯示器元件中結構變化的實例；
[0034] 圖10示出在HMD設備中根據本發明的顯示器元件的使用。

【具體實施方式】
[0035] 本發明具體涉及沉積在基板上的透明TFEL顯示器的AC驅動薄膜結構。根據本發 明的TFEL元件經由透明導線連接至電子組件，用于將要求的電壓和電流供應至TFEL元件， 用于生成光發射并且從而生成信息。圍繞在發光層周圍的導體中的電壓差生成電場，引起 發光層中的光發射。導體的數量和形狀通過要顯示的信息和符號來確定。用于控制顯示器 元件的操作的電子和驅動例程是現有技術的一部分。對本領域技術人員已知的驅動例程是 例如在矩陣結構中使用的分段的驅動例程和復用例程。
[0036] 在發射透明TFEL顯示器的操作中，可以區分打開和關閉狀態。在打開狀態中，顯 示器元件發射在電致發光層中生成的光。光發射的強度足以變得在相關環境中的光條件下 可見，變得具有足夠對比度并且使得觀察者能夠觀察到顯示的信息。在關閉狀態中，TFEL元 件中不發生光發射，或光發射是微不足道的，所以觀察者在相關光條件下沒有觀察到光。
[0037] 通常，對于發射顯示器中的打開和關閉之間的差的充分要求是相鄰打開和關閉元 件之間的亮度的差以帶來用于顯示要求的信息的充足對比度。在透明顯示器中，對于關閉 狀態的進一步要求為觀察者得到在顯示器后面的對象的足夠清晰和沒有障礙的視線。在透 明顯示器最好的狀態下，透明顯示器在其關閉狀態中是幾乎不可見的并且對于在其后面的 物體的觀察沒有影響。盡管顯示器在關閉狀態中不發射光，但是光從顯示器的表面反射并 且光朝著觀察者透過顯示器。如果在顯示器結構的不同部分之間的反射和透射屬性中有差 另IJ，那么觀察者可能觀察到例如導電結構或形狀，這是不可接受的。
[0038] 在本公開的環境中，基板是提供顯示器的主要的堅硬的結構的材料。基板材料可 以包括堿石灰、硼硅酸鹽或具有足夠透明度的其它玻璃材料。在一些實施方式中，除了玻璃 材料外的基板例如可以提供比玻璃更好的機械持續性或柔性的聚合物基板可能是合適的。 合適基板的適光透射優選地大于80 %。在一些實施方式中，透射可以大于90 %或者甚至大 約95 %，如果基板的一側包括防反射涂層的話。基板厚度可以在0. 05_至5_或更大的范 圍內。在一些實施方式中，基板的厚度可以在0. 或0. 5mm_l. Imm范圍內，并且合適 的厚度為大約I. 1mm。在一些實施方式中，基板的一側或兩側被膜涂覆，以為了改進其對于 透明TFEL顯示的適合性。
[0039] 各種許多不同的薄膜材料可以用于TFEL顯示器結構。在本發明中，通常適合于透 明TFEL顯示器制造的材料是優選的。
[0040] 用于TFEL顯示器的透明電極材料可以包括銦錫氧化物（Indium tin oxide, ΠΟ), Zn0:Al，Si02或具有充足透明度的任意其它導電材料。合適透明電極的片電阻（Rs)優選地 小于5000hm/sq。在一些實施方式中，馬可以小于1000hm/sq。在另一些實施方式中，馬可 以小于200hm/sq。
[0041] 作為發光材料的錳摻雜硫化鋅ZnS:Mn優選地用于發黃光TFEL顯示器，而作為發 光材料的鋱摻雜硫化鋅ZnS:Tb優選地用于發綠光TFEL顯示器。但是，材料的選擇并不限 于這些發光材料。可以使用其它發光材料并且如果需要其它發射顏色，則其它發光材料是 優選地。
[0042] 導電層的至少一部分可以形成相交電極的矩陣，由此，發射像素形成在電極相交 的位置。導電層的至少一部分可以形成為使得在顯示器區域的預定位置處設置發射片段、 圖標或符號。這種發射區域可以用于提供例如7段式數字顯示器或設計，該顯示或設計在 預定位置處顯示離散的圖標或符號。
[0043] 用于TFEL顯示器的絕緣體、屏障，鈍化以及指數匹配材料優選地為電介質并且可 以包括氧化鋁、氧化鐵、Si0 2、HfO2、ZrO2以及這些材料的組合或混合物，或其它合適的材料。
[0044] 許多不同的制造方法可以用于TFEL顯示結構和用于將TFEL顯示結構集成或組合 到其它表面或組件。適合于透明TFEL顯示器制造的通常接受的方法是優選的并且還適合 于當前發明。
[0045] 根據本發明的在用于顯示器元件中的TCO層的優選方法是噴射。
[0046] 用于TFEL顯示器的發光和絕緣層、用于阻擋和鈍化層的薄膜的優選制造方法為 原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD)。其它方法可以用于制造一個或多個薄膜層、 例如蒸鍍或各種噴射技術。用于薄膜的圖案化和具體用于對透明電極層的圖案化的優選制 造方法是公知的，該制造方法包括印刷和打印方法。
[0047] 根據本發明的一個實施方式，集成或結合TFEL的薄膜結構和安全玻璃的優選方 法是使用合適粘合劑的光學結合，例如熱固化環氧化脂或光固化丙烯酸粘合劑。在本發明 的范圍內的實施方式中，所使用的粘合劑具有在1. 35-1. 70范圍中的折射率。優選地，折射 率可以在大約1. 40至1. 60的范圍內，或更優選地在大約1. 46至1. 53的范圍內。粘合劑層 的厚度可以在5 μ m-100 μ m范圍內，優選地在10 μ m-50 μ m范圍內。優選地，在TFEL的薄 膜結構和安全玻璃之間沒有氣體空隙存在。氣體空隙可能降低圖畫質量和顯示器的透射。 [0048] 根據本發明的實施方式，至少一個光發射區設置在顯示器區域中用于照亮顯示器 后面的區域。這種區并不必要提供任何信息，但是可以僅適合用于照亮的目的。
[0049] 參考所附圖在下文中更詳細地討論本發明。
[0050] 圖1為通過透明顯示器11觀察對象12的觀察者10的符號表示。在圖IA中，透 明TFEL顯示器處于關閉狀態并且沒有光發射發生。透明TFEL顯示器11的顯示器區域包 括發射區域13和非發射區域14。在圖IB中，信息顯示在顯示器11上，顯示器11因此至少 部分地處于打開狀態，發射出光。應當觀察到光在兩個方向上都發射，朝著觀察者和遠離他 /她。發射的光在顯示器上形成期望信息，例如文字或圖形符號。
[0051] 在圖IC中，觀察者在左側，通過透明顯示器觀察在右側的對象。環境光17的一部 分從顯示器反射。環境光的部分18在非發射區域處反射，而環境光的部分19在發射區域 處反射。透射的環境光16提供相對于觀察者而在顯示器之后的物體的圖像。為了顯示器 在關閉狀態中盡可能不顯眼，重要的是反射和透射屬性在顯示器區域上是一致的。
[0052] 在圖2中，透明TFEL結構的組件被示意性地如下表示：20為透明基板；21為TCO 材料制成的第一導體層；22為第一絕緣體層；23為發光（=適光）層；24為第二絕緣體層； 25為由TCO材料制成的第二導體層；而26表不用于供應導體層21和導體層25之間的電 壓差的電設置。
[0053] 圖3A顯示在透明基板20上的根據現有技術光學上改進的透明TFEL結構的側視 圖。除了圖2中顯示的薄膜外，有緊挨著由TCO材料制成的導體層21和導體層25的指數 匹配層30和指數匹配層31，以減少反射。指數匹配層30和指數匹配層31的折射率低于導 體層21和導體層25的折射率。
[0054] 在圖3B中，從上面顯示圖3A中的透明TFEL結構的現有技術設置。具有薄膜的不 同堆疊的四個區域被識別為T21、T22、T23、T24。使用光學膜設計軟件（Film Wizard)和用 于在每層中的材料的相關實例的光學參數集合（列在表1、表2、表3、表4和表5中），計算 透射和反射屬性。結果呈現在表6中。
[0055] 從計算的值中，我們注意到對于不同顯示器區域而言，適光透射值中的差從 66. 8%開始上至77. 0%。這些透射變化對觀察者是可見的。另一方面，結果指示對于不同 顯示器區域而言的從7. 2%開始上至11. 7%的反射度中的差。除了平均反射度變化外，存 在相對于光波長的差，顯示對于區域T22和T23而言的強烈的呈綠色的反射峰，在區域T22 和T23中存在由TCO材料25制成的第二導體層。這些反射度變化在周圍光中可見并且對 觀察者可見。顯然需要進一步的改進，但是現有技術并未提供如何使得顯示器的不同區域 更一致的任何建議。本發明的目的是提供對于這個問題的技術可行性方案。

【權利要求】
1. 一種帶有顯示器區域的無機透明薄膜電致發光顯示器元件，所述顯示器區域具有至 少一個發射區域和至少一個非發射區域，所述顯示器元件包括在基板上的分層結構，所述 分層結構包括： 第一導電層，所述第一導電層包括透明導電材料，具有在30nm-250nm范圍內的厚度； 第一絕緣層，所述第一絕緣層包括絕緣無機材料； 發光層，所說發光層包括硫化鋅，具有在30nm-250nm范圍內的厚度； 第二絕緣層，所述第二絕緣層包括絕緣無機材料； 第二導電層，所述第二導電層包括透明導電材料，具有在30nm-250nm范圍內的厚度； 第三絕緣層，所述第三絕緣層包括具有比所述第二導電層的折射率更低的折射率的絕 緣無機材料， 其特征在于，所述第一導電層和所述第二層中的每個包括在至少一個發射區域處的至 少一個導體元件和在至少一個非發射區域處的至少一個鈍化膜元件。
2. 根據權利要求1所述的顯示器元件，其中，由所述導體元件覆蓋的發射區域和由所 述鈍化膜元件覆蓋的非發射區域的和大于所述顯示器區域的80%。
3. 根據權利要求1或2所述的顯示器元件，其適光透射為大于78%。
4. 根據權利要求1至3中的任一項所述的顯示器元件，其中，所述透明導電材料包括氧 化銦錫。
5. 根據權利要求1至4中的任一項所述的顯示器元件，其中，所述第一絕緣層和所述第 二絕緣層包括氧化鋁、氧化鈦及其組合和混合物中的至少一種。
6. 根據權利要求1至5中的任一項所述的顯示器元件，其中，所述第三絕緣層包括氧化 錯。
7. 根據權利要求1至6中的任一項所述的顯示器元件，其中，所述發光層包括錳摻雜硫 化鋅 ZnS:Mn。
8. 根據權利要求1至7中的任一項所述的顯示器元件，其中，所述發光層包括鋱摻雜硫 化鋅 ZnS:Tb。
9. 根據權利要求1至8中的任一項所述的顯示器元件，包括與所述第三絕緣層光學結 合的玻璃板。
10. 根據權利要求1至9中的任一項所述的顯示器元件，其中，導電層的至少一部分形 成相交電極的矩陣。
11. 根據權利要求1至10中的任一項所述的顯示器元件，其中，導電層的至少一部分被 形成為使得在所述顯示器區域的預定位置處提供發射片段、圖標或符號。
12. 根據權利要求1至11中的任一項所述的顯示器元件，其中，在所述顯示器區域中設 置至少一個光發射區以用于照亮顯示器后面的區域。
13. -種制造帶有顯示器區域的無機透明薄膜電致發光顯示器元件的方法，所述顯示 器區域具有至少一個發射區域和至少一個非發射區域，所述方法包括以下步驟： 設置基板； 制備包括透明導電材料、具有在30nm-250nm范圍內的厚度的第一導電層； 通過原子層沉積而沉積包括絕緣無機材料的第一絕緣層； 通過原子層沉積而沉積包括硫化鋅、具有在30nm-250nm范圍內的厚度的發光層； 通過原子層沉積而沉積包括絕緣無機材料的第二絕緣層； 制備包括透明導電材料、具有在30nm-250nm范圍內的厚度的第二導電層； 制備包括具有比所述第二導電層的折射率更低的折射率的絕緣無機材料的第三絕緣 層， 其特征在于，所述第一導電層和所述第二層中的每個被制備為包括在至少一個發射區 域處的至少一個導體元件和在至少一個非發射區域處的至少一個鈍化膜元件。
【文檔編號】H05B33/28GK104396346SQ201380033148
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2012年6月21日
【發明者】卡利·海爾克寧 申請人:Beneq有限公司