透明无机薄膜电致发光显示器元件及其制造方法

透明无机薄膜电致发光显示器元件及其制造方法
【专利摘要】提供带有显示器区域的无机透明薄膜电致发光显示器元件及其制造方法，显示器区域具有至少一个发射区域和至少一个非发射区域，该显示器元件在透明度和不显眼性得到改进。根据本发明的结构包括：基板(40)，第一导电层(42)，第一绝缘层(45)，发光层(46)，第二绝缘层(46)，第二导电层(43)和包括绝缘无机材料的第三绝缘层(44)。通过在非发射区域处设置钝化膜元件，也就是通过当电连接至用于产生要求的电压的电源的导电电极放置在发射区域处时还将导体材料设置在这些区域处，致使显示器的发射和非发射区域在光学上相似。
【专利说明】透明无机薄膜电致发光显示器元件及其制造方法

【技术领域】
[0001] 本公开涉及透明显示器领域，并且更具体的，涉及发射透明显示器。特别 地，本公开涉及作为发射透明显示器的AC驱动透明无机薄膜电致发光（Thin Film Electroluminesent，TFEL)显示器的领域。更特别地，本公开涉及透明无机薄膜电致发光 (TFEL)显示器的透明度和不显眼性的改进。

【背景技术】
[0002] 透明显示器用于空间受约束并且需要为用户提供两组信息的应用中。例如，第一 项信息通过显示器提供，而第二项信息通过显示器是可见的。另外，透明显示器例如在产品 需要与常规的产品区分的应用中允许专家和消费者两者用途的令人兴奋的设计。透明显示 器可以提供使得观察者能够对屏幕后的对象局部化的独有的益处，并且可以将叠加的警告 或消息添加到其它信息显示器的顶部。一些未来的应用可以在用户的眼睛前使用透明头戴 式显示器（Head Mounted Display, HMD),允许叠加的数据信息添加在一般视场上。
[0003] 在本文中，TFEL显示器元件为分层结构，其包括当连接至合适的电子设备时用于 光发射的必要组件。在本文中，显示器区域被认为是对于显示器的观察者可见的TFEL显示 器元件的透明区域，并且通过该显示器区域，他/她可以观察在显示器后的对象。在本文 中，发射区域被视为通过设计而能够生成和发射光的区域。在本文中，非发射区域被视为并 非发射区域的一部分的显示器区域。因此，显示器区域包括发射和非发射区域；这突出在整 个显示器区域上光学属性的重要性以及它们对于观察者如何体验显示器的影响。
[0004] 在透明发射显示器的操作中，可以辨别打开（ON)和关闭（OFF)状态。在打开状态 中，在显示器元件中生成和发射光。在关闭状态中，在显示器元件中不发生光发射，或者光 发射是微不足道的。通常地，显示所要求的信息的基本要求是带来相邻的打开和关闭元件 之间的光的充足的对比。在透明显示器中，还要求观察者得到显示器后的对象的足够清楚 和没有障碍的视野。
[0005] 在透明显示器的最好状态下，通过首先越透明越好，透明显示器基本上是不可见 的。同时，已熟知当显示器表面的相邻区域可以被比较时，人眼对光强度和颜色中的差别时 非常敏感的。就不可见性而言，环境光如何一致地穿过对观察者可见的显示器的各种区域 和环境光如何从这些区域反射的是特别重要的。可以观察在一致性上的偏差作为透射差别 (透射的光的强度或颜色）或反射差别（反射的光的强度或颜色）。如果显示器结构的不 同部分之间的反射和透射属性有差别，观察者可能观察到例如导体结构或形状，这是不可 接受的。
[0006] 显示器的透明度可以依靠可见光范围内的概念适光透射来限定。这个可以使用 双光束分光计来测量，该双光束分光计产生带有根据光波长的透射百分比的透射光谱。为 提供逼真透射视野，可以利用标准D65光源的光谱调整这个数据。在结果光谱的波长范围 420nm-650nm上的光输出被来自D65光源的对应光划分。此处或在所附图和实例中给出的 适光透射值和反射值被限定为与显示器表面平面垂直。如果使用除了垂直入射角之外的入 射角，那么其它值是优选的。
[0007] 由于两个玻璃-空气界面以及在界面处发生的反射，单个无涂层碱石灰玻璃片的 适光透射为大约85% -92%。确切值取决于所使用的玻璃材料，取决于玻璃板的名义厚度 并且取决于玻璃片的折射率以及光学吸收性。相应地，两个连续的碱石灰玻璃片的透射为 大约78% -84%。具有这种大于78%的适光透射的材料被感知为透明的，特别是当透射关 于波长为充分无色时。在实践中，这种设计被成功地使用在用于敏感器械的保护结构中以 及用在商店的窗户和住所中。
[0008] AC驱动无机薄膜电致发光（TFEL)技术是公知的，并且无机TFEL技术的许多重要 方面，例如显示器的基本物理性质、典型材料和属性，驱动方法和制造技术都是本领域的普 通和一般知识。TEFL技术特别良好地适合于透明显示器应用，因为其提供具有带有大于 50%的适光透射的潜在高透明度的光发射显示器。透明和常规无机TFEL显示器之间的主 要差别在于不透明金属电极材料（典型地为铝）由通常指示为透明导电氧化物或TCO(典 型地为氧化铟锡，Indium Tin Oxide，ΙΤ0)的透明电极材料来替代。已知无机TFEL显示器 具有良好的图画质量、结实的设计和长期的可靠性。
[0009] TFEL显示器的薄膜结构包括两个绝缘层之间的发光材料层（磷光体）。在透明 TFEL显示器中，透明电极设置在绝缘体的两侧。两个电极被图案化以分别形成行和列，由 此，像素形成在行和列相交的位置处。由于电压施加在相交的行和列上，电致发光出现在磷 光体层中。
[0010] 除了上文描述的矩阵型显示器，使用TFEL技术可以设计其他显示器类型，例如在 限定位置处显示离散图标或符号的7段式数字显示器或设计。在这种显示器中，存在作为 非发射的典型重要区域，即在该区域中不出现一个或多个生成光发射所必要的层。
[0011] 透明显示器的期望属性是透明度和不显眼性或不可见性。许多当前发射的显示器 设计的透射是不令人满意的。在基于LED、IXD或粉末EL的设计中，获得甚至60%的适光 透射是具有挑战的。在当前现有技术的透明TFEL显示器中，可以达到大于60%的透射值， 但是由于薄膜结构中的变化，这种显示器的出现并未不满意。
[0012] 期望获得大于78%的透射水平。没有提出达到这种属性的用于发射显示器的满意 设计，而且也没有提出达到这种属性的用于透明TFEL显示器的满意设计。将区域上的发射 一致性表达为数字值是直观的，但是应当尽可能一致地保持无色效果。
[0013] 从不可性观点来看，环境光如何一致地穿过对观察者可见的显示器的各种区域和 环境光如何一致地从这些区域被反射的是尤其重要的。在一致性上的偏差可以被观察为透 射差（透射的光的强度或颜色）或反射差（反射光的强度或颜色）。对于包括透明TFEL显 示器的透明显示器而言，没有提出对于这个问题的可行的技术方案。


【发明内容】

[0014] 发明一种无机透明薄膜电致发光显示器元件，带有显示器区域，所述显示器区域 具有至少一个发射区域和至少一个非发射区域，该显示器元件提供相对现有结构的多个优 点。
[0015] 根据本发明，提供在透明度和不显眼性方面改进的显示器元件。相关属性被如下 改进：通过在非发射区域处设置钝化层元件（Passive film element,下文中缩写为PFE)，致 使显示器的发射区域和非发射区域光学上相似。这是通过当连接至用于生成所要求的电压 的电源导电电极（下文称为导电元件）沉积在发射区域处的时候，还在非发射区域处设置 导体材料来实现。
[0016] 根据本发明的结构包括：基板；具有在30nm-250nm范围内的厚度的包括TCO材料 的第一导电层；包括硫化锌具有在30nm-250nm范围内的厚度的发光层；第二绝缘层；包括 TCO材料具有在30nm-250nm范围内的厚度的第二导电层；和包括具有比第二导电层的折射 率更低的折射率的绝缘无机材料的第三绝缘层。根据本发明，所述第一导电层和所述第二 导电层中的每个包括在至少一个发射区域处的至少一个导体元件和在至少一个非发射区 域处的至少一个钝化膜元件。
[0017] 因此，根据本发明，在发射区域和非发射区域两者中的导电层中存在有导体材料， 在非发射区域中的导体材料为钝化膜元件。
[0018] 优选地，第一导电层与基板光学匹配以通过利用至少一层绝缘无机材料来涂覆第 一导电层而减少反射，绝缘无机材料的折射率低于导电材料的折射率。
[0019] 优选地，第二导电层与环境光学匹配以通过利用至少一层绝缘无机材料来涂覆第 二导电材料以减少反射，该绝缘无机材料的折射率小于导电材料的折射率。
[0020] 在对第一层导电材料和第二层导电材料进行图案化的同时分别形成钝化膜元件。 结果两个导电材料层都包括不与电源电连接的至少一个区域，该电源将所要求的电压提供 至发射区域中的电极。优选地，至少在导电材料的图案层内的至少一个位置处，层平面的 PFE和电极之间的距离为1 μ m-30 μ m。优选地，由电极和PFE覆盖的发射区域的总面积s 大于上文所限定的显示器区域的80% ;优选地为大于90%并且最优地为大于95%。
[0021] 为了最小化损失，发生光学损失（散射或吸收）的材料层被做得比现有技术中常 规的材料层薄。发光层的厚度在30nm-250nm范围内，优选地在50nm-200nm范围内并且最 优地在IOOnm至180nm范围内。导电层的厚度在30nm-250nm范围内，优选地在50nm-200nm 范围内并且最优地在IOOnm至200nm范围内。优选地，绝缘层的厚度在30nm-500nm范围内， 优选地在50nm-200nm范围内。
[0022] 根据本发明的显示器元件可以通过粘附至透明保护板例如玻璃而接合。在因此被 保护的显示器元件的两侧上，都可以添加透明板以用于附加的保护，例如防震保护玻璃或 防划保护板。
[0023] 这种玻璃保护显示器元件可以在任一位置上接合至通过显示器要观察的对象。为 了致使总体结构更薄，有时候将根据本发明的显示器元件直接接合至通过显示器要观察的 对象是有利的。相关对象不需要是透明的。
[0024] 根据本发明的进一步的方案，提供用于至少带有显示器区域的透明薄膜电致发光 显示器元件的方法，所述显示器区域具有至少一个发射区域和至少一个非发射区域。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图IA至图IC示出透明显示器的使用的各种方案；
[0026] 图2显示TFEL显示器的示意性薄膜结构；
[0027] 图3A至图3B是现有技术的光学上改进的TFEL显示器元件的侧视图和平面图；
[0028] 图4显示根据现有技术的透明TFEL显示器的细节的结构；
[0029] 图5显示根据本发明的透明TFEL显示器的细节的结构；
[0030] 图6显示具有保护性玻璃板的TFEL结构；
[0031] 图7显示具有用于改进TFEL结构的光学属性的附加组件的TFEL结构；
[0032] 图8A至图8E示出在具有低关闭状态可察觉性的显示器元件中光学结合的多个实 例；
[0033] 图9A至图9C示出根据本发明的显示器元件中结构变化的实例；
[0034] 图10示出在HMD设备中根据本发明的显示器元件的使用。

【具体实施方式】
[0035] 本发明具体涉及沉积在基板上的透明TFEL显示器的AC驱动薄膜结构。根据本发 明的TFEL元件经由透明导线连接至电子组件，用于将要求的电压和电流供应至TFEL元件， 用于生成光发射并且从而生成信息。围绕在发光层周围的导体中的电压差生成电场，引起 发光层中的光发射。导体的数量和形状通过要显示的信息和符号来确定。用于控制显示器 元件的操作的电子和驱动例程是现有技术的一部分。对本领域技术人员已知的驱动例程是 例如在矩阵结构中使用的分段的驱动例程和复用例程。
[0036] 在发射透明TFEL显示器的操作中，可以区分打开和关闭状态。在打开状态中，显 示器元件发射在电致发光层中生成的光。光发射的强度足以变得在相关环境中的光条件下 可见，变得具有足够对比度并且使得观察者能够观察到显示的信息。在关闭状态中，TFEL元 件中不发生光发射，或光发射是微不足道的，所以观察者在相关光条件下没有观察到光。
[0037] 通常，对于发射显示器中的打开和关闭之间的差的充分要求是相邻打开和关闭元 件之间的亮度的差以带来用于显示要求的信息的充足对比度。在透明显示器中，对于关闭 状态的进一步要求为观察者得到在显示器后面的对象的足够清晰和没有障碍的视线。在透 明显示器最好的状态下，透明显示器在其关闭状态中是几乎不可见的并且对于在其后面的 物体的观察没有影响。尽管显示器在关闭状态中不发射光，但是光从显示器的表面反射并 且光朝着观察者透过显示器。如果在显示器结构的不同部分之间的反射和透射属性中有差 另IJ，那么观察者可能观察到例如导电结构或形状，这是不可接受的。
[0038] 在本公开的环境中，基板是提供显示器的主要的坚硬的结构的材料。基板材料可 以包括碱石灰、硼硅酸盐或具有足够透明度的其它玻璃材料。在一些实施方式中，除了玻璃 材料外的基板例如可以提供比玻璃更好的机械持续性或柔性的聚合物基板可能是合适的。 合适基板的适光透射优选地大于80 %。在一些实施方式中，透射可以大于90 %或者甚至大 约95 %，如果基板的一侧包括防反射涂层的话。基板厚度可以在0. 05_至5_或更大的范 围内。在一些实施方式中，基板的厚度可以在0. 或0. 5mm_l. Imm范围内，并且合适 的厚度为大约I. 1mm。在一些实施方式中，基板的一侧或两侧被膜涂覆，以为了改进其对于 透明TFEL显示的适合性。
[0039] 各种许多不同的薄膜材料可以用于TFEL显示器结构。在本发明中，通常适合于透 明TFEL显示器制造的材料是优选的。
[0040] 用于TFEL显示器的透明电极材料可以包括铟锡氧化物（Indium tin oxide, ΠΟ), Zn0:Al，Si02或具有充足透明度的任意其它导电材料。合适透明电极的片电阻（Rs)优选地 小于5000hm/sq。在一些实施方式中，馬可以小于1000hm/sq。在另一些实施方式中，馬可 以小于200hm/sq。
[0041] 作为发光材料的锰掺杂硫化锌ZnS:Mn优选地用于发黄光TFEL显示器，而作为发 光材料的铽掺杂硫化锌ZnS:Tb优选地用于发绿光TFEL显示器。但是，材料的选择并不限 于这些发光材料。可以使用其它发光材料并且如果需要其它发射颜色，则其它发光材料是 优选地。
[0042] 导电层的至少一部分可以形成相交电极的矩阵，由此，发射像素形成在电极相交 的位置。导电层的至少一部分可以形成为使得在显示器区域的预定位置处设置发射片段、 图标或符号。这种发射区域可以用于提供例如7段式数字显示器或设计，该显示或设计在 预定位置处显示离散的图标或符号。
[0043] 用于TFEL显示器的绝缘体、屏障，钝化以及指数匹配材料优选地为电介质并且可 以包括氧化铝、氧化铁、Si0 2、HfO2、ZrO2以及这些材料的组合或混合物，或其它合适的材料。
[0044] 许多不同的制造方法可以用于TFEL显示结构和用于将TFEL显示结构集成或组合 到其它表面或组件。适合于透明TFEL显示器制造的通常接受的方法是优选的并且还适合 于当前发明。
[0045] 根据本发明的在用于显示器元件中的TCO层的优选方法是喷射。
[0046] 用于TFEL显示器的发光和绝缘层、用于阻挡和钝化层的薄膜的优选制造方法为 原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD)。其它方法可以用于制造一个或多个薄膜层、 例如蒸镀或各种喷射技术。用于薄膜的图案化和具体用于对透明电极层的图案化的优选制 造方法是公知的，该制造方法包括印刷和打印方法。
[0047] 根据本发明的一个实施方式，集成或结合TFEL的薄膜结构和安全玻璃的优选方 法是使用合适粘合剂的光学结合，例如热固化环氧化脂或光固化丙烯酸粘合剂。在本发明 的范围内的实施方式中，所使用的粘合剂具有在1. 35-1. 70范围中的折射率。优选地，折射 率可以在大约1. 40至1. 60的范围内，或更优选地在大约1. 46至1. 53的范围内。粘合剂层 的厚度可以在5 μ m-100 μ m范围内，优选地在10 μ m-50 μ m范围内。优选地，在TFEL的薄 膜结构和安全玻璃之间没有气体空隙存在。气体空隙可能降低图画质量和显示器的透射。 [0048] 根据本发明的实施方式，至少一个光发射区设置在显示器区域中用于照亮显示器 后面的区域。这种区并不必要提供任何信息，但是可以仅适合用于照亮的目的。
[0049] 参考所附图在下文中更详细地讨论本发明。
[0050] 图1为通过透明显示器11观察对象12的观察者10的符号表示。在图IA中，透 明TFEL显示器处于关闭状态并且没有光发射发生。透明TFEL显示器11的显示器区域包 括发射区域13和非发射区域14。在图IB中，信息显示在显示器11上，显示器11因此至少 部分地处于打开状态，发射出光。应当观察到光在两个方向上都发射，朝着观察者和远离他 /她。发射的光在显示器上形成期望信息，例如文字或图形符号。
[0051] 在图IC中，观察者在左侧，通过透明显示器观察在右侧的对象。环境光17的一部 分从显示器反射。环境光的部分18在非发射区域处反射，而环境光的部分19在发射区域 处反射。透射的环境光16提供相对于观察者而在显示器之后的物体的图像。为了显示器 在关闭状态中尽可能不显眼，重要的是反射和透射属性在显示器区域上是一致的。
[0052] 在图2中，透明TFEL结构的组件被示意性地如下表示：20为透明基板；21为TCO 材料制成的第一导体层；22为第一绝缘体层；23为发光（=适光）层；24为第二绝缘体层； 25为由TCO材料制成的第二导体层；而26表不用于供应导体层21和导体层25之间的电 压差的电设置。
[0053] 图3A显示在透明基板20上的根据现有技术光学上改进的透明TFEL结构的侧视 图。除了图2中显示的薄膜外，有紧挨着由TCO材料制成的导体层21和导体层25的指数 匹配层30和指数匹配层31，以减少反射。指数匹配层30和指数匹配层31的折射率低于导 体层21和导体层25的折射率。
[0054] 在图3B中，从上面显示图3A中的透明TFEL结构的现有技术设置。具有薄膜的不 同堆叠的四个区域被识别为T21、T22、T23、T24。使用光学膜设计软件（Film Wizard)和用 于在每层中的材料的相关实例的光学参数集合（列在表1、表2、表3、表4和表5中），计算 透射和反射属性。结果呈现在表6中。
[0055] 从计算的值中，我们注意到对于不同显示器区域而言，适光透射值中的差从 66. 8%开始上至77. 0%。这些透射变化对观察者是可见的。另一方面，结果指示对于不同 显示器区域而言的从7. 2%开始上至11. 7%的反射度中的差。除了平均反射度变化外，存 在相对于光波长的差，显示对于区域T22和T23而言的强烈的呈绿色的反射峰，在区域T22 和T23中存在由TCO材料25制成的第二导体层。这些反射度变化在周围光中可见并且对 观察者可见。显然需要进一步的改进，但是现有技术并未提供如何使得显示器的不同区域 更一致的任何建议。本发明的目的是提供对于这个问题的技术可行性方案。

【权利要求】
1. 一种带有显示器区域的无机透明薄膜电致发光显示器元件，所述显示器区域具有至 少一个发射区域和至少一个非发射区域，所述显示器元件包括在基板上的分层结构，所述 分层结构包括： 第一导电层，所述第一导电层包括透明导电材料，具有在30nm-250nm范围内的厚度； 第一绝缘层，所述第一绝缘层包括绝缘无机材料； 发光层，所说发光层包括硫化锌，具有在30nm-250nm范围内的厚度； 第二绝缘层，所述第二绝缘层包括绝缘无机材料； 第二导电层，所述第二导电层包括透明导电材料，具有在30nm-250nm范围内的厚度； 第三绝缘层，所述第三绝缘层包括具有比所述第二导电层的折射率更低的折射率的绝 缘无机材料， 其特征在于，所述第一导电层和所述第二层中的每个包括在至少一个发射区域处的至 少一个导体元件和在至少一个非发射区域处的至少一个钝化膜元件。
2. 根据权利要求1所述的显示器元件，其中，由所述导体元件覆盖的发射区域和由所 述钝化膜元件覆盖的非发射区域的和大于所述显示器区域的80%。
3. 根据权利要求1或2所述的显示器元件，其适光透射为大于78%。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的显示器元件，其中，所述透明导电材料包括氧 化铟锡。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的显示器元件，其中，所述第一绝缘层和所述第 二绝缘层包括氧化铝、氧化钛及其组合和混合物中的至少一种。
6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的显示器元件，其中，所述第三绝缘层包括氧化 错。
7. 根据权利要求1至6中的任一项所述的显示器元件，其中，所述发光层包括锰掺杂硫 化锌 ZnS:Mn。
8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的显示器元件，其中，所述发光层包括铽掺杂硫 化锌 ZnS:Tb。
9. 根据权利要求1至8中的任一项所述的显示器元件，包括与所述第三绝缘层光学结 合的玻璃板。
10. 根据权利要求1至9中的任一项所述的显示器元件，其中，导电层的至少一部分形 成相交电极的矩阵。
11. 根据权利要求1至10中的任一项所述的显示器元件，其中，导电层的至少一部分被 形成为使得在所述显示器区域的预定位置处提供发射片段、图标或符号。
12. 根据权利要求1至11中的任一项所述的显示器元件，其中，在所述显示器区域中设 置至少一个光发射区以用于照亮显示器后面的区域。
13. -种制造带有显示器区域的无机透明薄膜电致发光显示器元件的方法，所述显示 器区域具有至少一个发射区域和至少一个非发射区域，所述方法包括以下步骤： 设置基板； 制备包括透明导电材料、具有在30nm-250nm范围内的厚度的第一导电层； 通过原子层沉积而沉积包括绝缘无机材料的第一绝缘层； 通过原子层沉积而沉积包括硫化锌、具有在30nm-250nm范围内的厚度的发光层； 通过原子层沉积而沉积包括绝缘无机材料的第二绝缘层； 制备包括透明导电材料、具有在30nm-250nm范围内的厚度的第二导电层； 制备包括具有比所述第二导电层的折射率更低的折射率的绝缘无机材料的第三绝缘 层， 其特征在于，所述第一导电层和所述第二层中的每个被制备为包括在至少一个发射区 域处的至少一个导体元件和在至少一个非发射区域处的至少一个钝化膜元件。
【文档编号】H05B33/28GK104396346SQ201380033148
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月21日
【发明者】卡利·海尔克宁 申请人:Beneq有限公司