![]() Dispositif electroluminescent a champ electrique a film mince
专利摘要:
公开号:WO1983004339A1 申请号:PCT/JP1983/000164 申请日:1983-05-26 公开日:1983-12-08 发明作者:Yosuke Fujita;Takao Tohda;Tomizo Matsuoka;Atsushi Abe;Tsuneharu Nitta 申请人:Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.; IPC主号:H05B33-00
专利说明:
[0001] 明 細 書 [0002] 発明の名称 [0003] 薄膜電場発光素子 [0004] 技術分野 [0005] 発明は電場発光をする薄膜発光素子に関する。 [0006] 背景技術 [0007] 交流電界の印加によ )発光する薄膜 E L ( エ レク ト 口ルミネ セ ン ス .):素子では、 螢光体薄膜の片面または両面に誘電体薄膜 を設け、 これを二 όの電極層ではさむ構造で高い輝度を得てい る。:誘電体薄膜が螢光体薄膜層の片面に設けちれて る素子は、 構造が簡単で駆動電圧が低 と う特徵をもっている。 誘電体 薄膜が螢光体薄膜層の両面に設けられて る.素子は、 -絶緑破壊 を起こしにぐ ぐ輝度が特に高 という特徵をもっている。 ここ に用 る.瑩光体材料としては活物質を添加しえ ZnS,ZnSe,ZnF2 等が-知られてお j? 、 特に ZnSを母体と し活物質である Mn を発 光中心と して添加した螢光体を用 た素子では、 最高 35 O 0〜 5000 cd 2の輝度が達成されている。 誘電体材料と しては ¾03 , S iO S i3N4 , I2O3 , Τ32 等が代表的なものである。 2nSは厚さ 5 O Ο〜 O O nm , 比:誘電率が約 9で、 誘電体薄 膜は厚さ 4 0 ひ〜 8 O O nm, 比誘電率が 4 〜 2 5である。 [0008] 交流駆動する場合、 素子に印加された電圧は ZnS層と:誘電体 薄膜に分圧され、 前者には電極間に印加した電圧のおよそ 4 O 〜 6 0 %程度しか印加され 。 発光に必要 電圧は見掛け上 高く つている。 ZnS層の両面に誘電体薄膜を設けた素子にお ては、 周波数 KHzのハ'ル ス電圧駆動で 2 0 0 V以上の電圧を 印加して発光させているのが現状である。 この高電圧は駆動回 路に多大な負担をおわせてお] 、 特別な高耐圧集積回路( IC ) 力 ^必要と 、 コ ス トアッ プにもつ カ るものである。 [0009] 一方、 駆動電圧を下げるために、 高誘電率をもつ PiTi03や Pb (Ti 1 _xZr∑ )03 等を主成分と した薄膜を誘電体薄膜に用 いることが提案されて る。 これらの薄膜は比誘電率(以下 と記す)が 1 o o以上と大きい反面、 絶緣破壊電界強度(以下 Eb と記す)が O.5 MV/i¾ と小さいので、 従来用 られて来 た誘電体材料に比べ、 膜厚を大幅に厚ぐする必要がある。 高輝 度の素子の場合、 ZnS層の厚さは Ο·6 z/m 程度必要で、 また素 子の信頼性の面から上記誘電体薄膜の厚さは 1.5 um 以上必要 と る。 膜厚を厚くすると、 基板温度が高いために、 膜中の粒 子が成長する。 このため膜が白濁して光の透過率が下る。 この よ う ¾白濁膜を用いた E L素子は、 X— Yマ ト リ ッ クス等にし た場合、 非選択の画素までも、 他画素の発光を散乱することに よ ] ク ロ ス ト ークを生じると う難点がある。 [0010] 図面の簡単 説明 [0011] 第 1 図は誘電体層における自己回復形の絶緣破壌を示す図、 第2図は誘電体層における自己回復形で い絶椽破壊を示す図 である。 第3図はこの発明の比較例と しての薄膜発光素子の断 面図、 第 4図はこの発明の薄膜発光素子の一実施例の断面図で ある。 第5図および第6図はそれぞれこの発明の薄膜発光素子 の他の実施例の断面図である。 [0012] 発明を実施するための最良の形態 [0013] 本発明は上述の問題点を解決するために ¾されたものであ一つ一 て、 誘電体層に と Eb が大き 一般式 AB206 で表わされ、 Aが2価金属元素、 Bが5価金属元素よ る誘電体層 (ただ し Oは酸素 )を用 ることによ i?、 従来の薄膜 E L素子の輝度 を低下させずに駆動電圧を下け'るととができたものである。 [0014] 交流駆動薄膜 E L素子にお て、 誘電体層にかかる電圧は、 誘電体薄膜の膜厚 t i と、 これに印加される電界強度 との 積 t、 で表わされる。 t t . E J の値が小さ ほど螢光体薄 膜に有効に電圧が印加される 素子が絶縁破壊を起こさずに安 定に動作する は、 t i は誘電体薄膜の Eb に反比例すると考 えてよ 。 E i と螢光体薄膜における電界強度 Ez および比誘 電率 f z と誘電体薄膜の との間には =ΕΖ · ε ζ εΓ とい う関係がある。 Εζ および £Ζ を一定とすれば、 は e rに反 比例する。 したがって t i · Ε ί はおおまかに Eb と e r の積 [0015] Eb . £ r に反比例すると言える。 Eb · e Γ が大き く ほど誘 電体薄膜どして優れて るわけである。 [0016] 本発明において甩いられる一般式 A B 2◦ 6で表わされる誘電 体薄膜は Eb · s r が従来の材料よ!)大き ぐ E L甩誘電体.薄膜と して優れたものである t> ここで Aは Pb, Sn , Zn , Cd , Ba , S r , Ca ,Mg等の 2価金属元素、 Bは Ta ,Nb である。 これら の化合物のバルクの e r は大き ぐ、 たとえば PbNb206は 300, PbTa206 も 300, ( Pb0,55S r0.45 ) Nb2Oeは 1600 の値が報告されて る。 薄膜にした場合にはバルクと同じ e r を得るこどは困難であるが、 4 O以上の e r はス パッタ リ ン グ 法で作製した薄膜が容易に得られる。 また、 薄膜の Eb は [0017] 2 X 1 O6 V/cm以上と高 。 これらの薄膜の E b · ε r は 8 O X 1 O6 /cm 以上の値となる。 従来用いられてきた材料の e r は、 たとえば Y203では約 5 Ο X 1 O6 V 、 A1203 で は 3 O X 1 O6 /cm , S i 3N4では 7 O x 1 0° V/ である のと比較してこの発明にお て用いられる上記化合物の薄膜が 優れていることがわかる。 一般式 AB206 で表わされる化合物 において、 Bで表わされる元素と しては 5価がもっと も安定で ある Nbと Ta が望ま しい。 また、 Aで表わされる元素と して は、 2価金属元素のなかでも S r , Ba , Pbが特に好ま し 。 ¾ かでも AB206の A元素が Pb であるところの PbTa2〇6 と PbNb。06は、 Eh · e Γ の値がそれぞれ 1 SO X 1 Οό Vノ c¾ , 1 2 O X 1 O6 V/cm あ ]}、 非常にすぐれた E L用薄膜材料であ る。 これらの薄膜は、 セラ ミ ッ クスをターゲッ ト と し、 R Fス パッタ リ ング法によ ] 形成される。 薄膜を形成すべき基板の温 度は高ければ高 ほど e r の高い薄膜が得られる。 Eb は基板 温度が約 4 O O 'C以下ではほぼ一定の値であ 、 それ以上に加 熱すると少しずつ減少して行く。 Eb · e r の値がもっとも大き ぐなるのは、 基板温度が 4 O 0 °C前後である。 この温度域であ るならば、 螫光体薄膜に悪影響も及ぼさ いし、 基板材料とし てガラスを使用しても基板の熱的る変形等の問題も ¾しに使用 できる。 また、 粒成長による白濁化はまったく起らない。 [0018] これらの薄膜は、 基板温度が十分に高くないと、 X線回折で 調べたとき、 非晶質と判断される。 また、 化学分析や螢光 X線 分析等を行 つたところ、 一般式 AB206 とほぼ一致した組成 をもつことが判明した。 [0019] 一般に薄膜の中にはピンホールや、 塵埃等によって種々の欠 陥が生成される。 誘電体薄膜に電圧を印加すると、 これらの欠 陥において、 欠陥のない場所よ 低い電界強度で—絶縁破壊を起 こ しゃすい。 [0020] この:絶縁破壊は大き ぐわけて二種類ある。 第 1 のタイ ブは自 己回復形の絶縁'破壊をするもので、 第1 図に示すよ うに絶縁破 壊した箇所 1 6の周囲の上部電極 1 - 5が放電エネルギーによ 数十 A m -の範囲で飛散し、 上部電極 1 5 と下:部電極 1 2がォ - プンになるタイ ブである。 一般式 AB 206 で表わされる誘電体 薄膜(ただし Aは2価金属元素、 は S価金属元素 はこのタ イブに属する。 とこで、 1 1 :ば基板、 1 さは誘電体薄膜である c 第 2のタィプはき已回複形の絶教破壊をするものである。 第2 図に示すよ うに上部電極2 5が十分に飛散しる で、 絶縁破壌 した穴 2 6を通じて上部電極2— 5と下部電極2 2:が電気的に短 絡する。 この状態でさらに電圧を印加して行けば、 絶縁破壊が 誘電体膜全体に広がることもあ 祷る。 ベロブスカ イ ト 形チタ ン酸塩を主成分とする誘電体薄膜が、 このタイブに属する。 [0021] 上部電極を薄く して行く と、 との絶緣破壊は起こ にく く るが、 あま 薄ぐするとその抵抗が高ぐ 、 電極と して好ま しくないので、 数十 程度が最低限度の厚みである。 電極材 料としては A u , Z n , A 1等がもつとも 自己回復形絶縁破壊に ¾ やすい。 しかしながら、 教十 nm の厚さの A u, Z η , A Γ等の 電極を用いても き己回復形絶緣破壊しるい誘電体薄膜があ 、 この絶縁破壊は材料のもつ固有の性質に起因している。 その原 因は明らかで いが、.絶緣铍壊時に発生する上部電極を飛散さ せる働きのあるアーク放電の様子が、 自己面復形絶縁破壊する [0022] ' 膜と、 そうでない膜との間で大き 違いがあると考えられる。 [0023] 交流駆動型薄膜 E L素子の発光層の上に形成した誘電体薄膜 ' と して、 自己回復形絶緣破壊する誘電体薄膜を用いれば、 欠陥 ' のある所で生ずる絶緣破壊は第 1 のタイ プと る。 数十 m の [0024] 5 範囲で上部電極が飛散するだけで、 肉眼ではその飛散の有無が [0025] 認知できないので、 実用上は自己回復形絶縁破壊してもまつた ぐ問題がない。 一般式 ΑΒ 206 で表わされる誘電体薄膜(ただ し Αは 2価金属元素、 Bは 5価金属元素 )はこのタイ プの絶緣 破壊を起こすので、 交流駆動形薄膜 E L素子用の誘電体薄膜と l O して、 絶縁破壊の点でも優れている。 一方、 自己回復形絶緣破 [0026] 壊し い誘電体膜を交流駆動型薄膜 E L素子の発光層上に形成 すると、 欠陥のある所で生ずる絶椽破壊は第 2のタ イ プと [0027] 絶緣破壌は画素全体に広が )やすく、 肉眼でわかる欠陥となる。 [0028] X— Yマ ト リ ツタスが構成されている場合には、 線欠陥にるる。 [0029] 1 5 ぺ口 ブス カ イ ト形チタ ン酸塩薄膜は e r の大きな膜が容易に形 [0030] 成でき、 ピンホ ールや塵埃等による欠陥の い所での E b も大 き が、 自己回復形絶緣破壌しにくい。 特に、 の大きるチ タ ン酸ス ト ロ ンチ ウ ム , チタ ン酸バ リ ウ ム薄膜では自己回復形 絶縁破壊が起こ 1 にくいので、 交流駆動薄膜 E L素子には用い [0031] 20 られなかった。 しかしながら、 これらの薄膜の上に、 前述の一 [0032] 般式 AB 206 で表わされる誘電体薄膜を形成すれば、 ピンホー ルゃ廛埃等で生ずる絶縁破壊は自己回復形と ¾ ] 好ま しい。 こ のよ うに、 · e r の値は前述の一般式 AB 206 で表わされる 誘電体薄膜のそれよ ]3大き が自己回復形絶縁破壌し 誘電 [0033] 25 体薄膜と、 一般式 AB 206 で表わされる前述の誘電体薄膜を数 層し 複合誘電体膜を用い-ることによ ])、 絶縁破壊は自 5回復 形と 、 Eわ ' ε I は一般式 ΑΒ2°6 で表わされる前述の誘電 体薄膜よ 大きる値が得られる。 自己.回復形絶縁铍壊し い誘 電体薄膜の Eb · s Γ は 8 Ο以上あることが望ま しい。 [0034] 次 本発明の実施例を図面を用 て説明する。 [0035] なお、 ここでは理解を容易にするために比較例と対比させ がら説明する。 第3図に比較例を、 また第4図に本発明の一実 施例をそれぞれ示す。 図に明ら-か よ うに、 I T O イ ン ジゥ ム錫酸化物) よ ] なる透明電極3 2 , 4 2の付与されたガラス 基板 3 1 , 4 1上に、 それぞれ厚さ 4 O nm の Yゥ 03膜 3 3 , 4 3を電子ビ ム蒸着法で形成し 。 この上にそれぞれ ZnSと Mn を同時蒸着し、 ZnS rMn の瑩光体層 3 4 , A 4を形成し 。 膜厚は 6 O 0 nm である。 熱処理は真空中 5 8 O "Gで 1 時 間行 つた。 この素子を &分割し、 そのうちの素子1 は比較用 の試料と して、 第 3図に示すよ うに、 4 0 0 nm の厚さの Y2〇3 膜 3 5を形成した。 一方本発明の一実施例としての素子 2には、 第4図に示すよ うに、 ZnS :Μη の保護甩に厚さ 3 0 nm の Ta205膜 4 5を電子ビ-ム蒸着法で形成し、 その _hに PbNb206 のセ ラ ミ ッ クスをタ ー ゲ ッ ト に用いてマ グネ ト ロ ン R F スパ ッ タ リ ングによ J PbNb206 膜4 6 を形成した。 スパッタ リ ング 雰囲気は、 02: Ar = 1 : 4 で圧力は 0.6 Pa である。 基板温 度は 4 2◦。ひ,膜厚は 7 O O nm である。 また本発明の他の実 施例と して素子3 は、 ターゲッ小 と して PbNb206 のかわ V) に PbTa;206 を用 、 他は素子2の場合と同一の条件にし、 [0036] PbTa2Oe 嫫を形成した。::膜厚は T O O n m である。 また本発明のも う一つの実施例として、 素子4には、 ターゲ ッ トと して PiNbつ 06 のかわ ]9に BaTa2 06を用い、 他は素子 2の場合と伺一の条件にして、 BaTa206膜を形成した。 膜厚 は 5 O O nm である。 [0037] また本発明のさらにも う一つの実施例と して素子5には、 タ —ゲッ ト として PiNi>206 のかわ 1)に SrTa206 を用い、 他は 素子 2の場合と同一の条件にし、 SrTa206 膜を形成した。 膜 厚は 4 5 O nm である。 [0038] 以上の条件で作製した PbNb206膜 , Pi>Ta206膜, BaTa206 膜と SrTa206 膜の特性は、 Eb がそれぞれ 2·2 X 1 06V/cw, 2.6 X 1 0° V /(M , 5.1 X 1 Ο6 V/OK , 5.6 X 1 Ο6 / Cm , ε , がそれぞれ 70 , 4 8 , 2 Τ , 2 5である。 [0039] お第 3図 , 第 4図に示すよ うに、 光反射電極 3 6 , 4 7と して A1 の薄膜を蒸着した。 [0040] 上のようにして作製された E L素子それぞれの電極間に周 波数 5 KHzの正弦波電圧を印加して駆動したところ、 各素子の 輝度がほぼ飽和した電圧は素子1 では約 1 5 0 V、 素子 2では 1 O O V、 素子 3では 1 1 O V、 素子 4では 1 2 5 V、 素子 5 では 1 2 5 Vであ 、 いずれも安定に発光した。 飽和輝度は素 子 5ともに約 3000 c ά/rnであった。 [0041] 次に誘電体層を螢光体層の片側にだけ設けたタィ プの交流駆 動薄膜 E L素子に、 タ ンク'ステンブロ ンズ形複合酸化物膜を用 いたこの発明の実施例について、 第 5図を用いて述べる。 ΓΤΟ 透明電極 5 2の付与されたガラス基板 5 1 上に、 厚さ 5 0 nm の ZnO膜5 3をスパ ッ タ リ ング法によ ])設けた。 この Zn SS— • の比抵抗は 8 X 1 。一5 CI 'cmで、 I T O透明電極 5 2 よ ]) ZnS中 に I n や Sn の拡散を防ぐ目的で設けた第2の電極層である。 [0042] この上に ZnSと Mn を同時蒸着して、 ZnS :Mriの瑩光体層 5 4 を形成した。 その膜厚は4 δ O である。 熱処理は真空中 [0043] 5 8 0 °Cで 1 時間行なった。 さらに ZnS :Mn螢光体層 5 4の保 護用に厚さ 2 O nmの Y203膜55を電子ビー ム蒸着法で形成し た。 この上に PbNb 06 のセラ ミ ックスをターゲッ トに用いて マグネ ト ロ ン R F スバ ッタ リ ング法によ PbNb206 膜 5 6を 形成した。 スパッタ リ ング雰囲気の組成は 02: Ar =1 : 1 (容 量比 )で、 その圧力は 1 .3 Pa である。 基板温度は 3 2 0 °C , ノ 膜厚は 5 0 0 nm である。 ^上の条件で作製した PfcNb206 膜 [0044] 5 6の特性は、 E b が 2。5 X 1 Οό V m , e rが 5 6である。 [0045] 最後に光反射電極どして A1 薄膜 5マを蒸着した。 [0046] 以上のよ うにして作製された E L素子の電極間に 5 KHz の 正弦波電圧を印加して駆動をしたところ、 約マ O Vで輝度がほ ぼ飽和し、 1900cd/Vで安定に発光した。 [0047] この発明のさらに他の実施例について、 第 6図:を用いて説明 する。 [0048] 第 6図に示すよ うに】 T O.透明電極6 2の付与されたガラス 基板上6 1 に、 Y203 膜6 3を電子ビ一ム蒸着によ 厚さ 4 Ο [0049] 付着させた。 この上に ZnSど Mn を真空蒸着法によ 同時 蒸着し ZnS :Mnの螢光体層 6 4を厚さ 1 .O m形成した。 熱処 理を真空中 5 8 Ο Όで 1 時間行なった後、 ZnS :Μη膜の保護用 に Ta205膜6 5を電子ビー ム蒸着によ 厚さ 4 O 付着させ た。 素子を二分割して、 その一方には SrTi03 膜を、 他方に.は.,.、 [0050] / Β .. , 、 BaTiOs膜 e eをそれぞれマグネ ト ロ ン R Fス パ ッ タ リ ング法 によ ] 厚さ 1 · 4 m , 1 .6 na付着させた。 スパ ッ タ リ ングガス は 02 と Arの混合ガスを用い、 ガス圧は 8 X 1 O—1 Paである。 このときの基板温度は 4 2 0 °Gである。 さらにこれらの上に PbNi>2C 膜 6 7をマグネ ト ロ ン R Fスパ ッ タ リ ング法によ 厚さ 0.4 im 付着させた。 スパッタ リ ングガスには 02 と ΑΓ の 1 : 1 の混合ガスを用い、 そのガス圧は Ο.6 Pa である。 タ 一ゲッ ト と しては PbNb206 の焼結体を用いた。 基板温度は 3 8 0°Cである。 上部電極として A1 膜 6 8を蒸着によ ]3厚さ O nnx 付着させた。 こう して得られた薄膜 E L素子は、 その 電極間 電圧を印加し、 その印加電圧を増大させて く と、 発 光するまでに欠陥部にお て飛散した A1 膜 6 8の直径3 O ma 程度の小さ ¾絶縁破壊を起こしたが、 いずれも自己回復形であ ]9、 その数は両者とも 0.5ケ であった。 5 KHzの交流パル ス電圧を印加して駆動したところ、 両者ともゼロ一ピーク約 [0051] 2— 3 O Vの電圧でほぽ輝度が飽和し、 約 7000cdZ 2であつ 産業上の利用可能性 [0052] 上説明したように、 この発明の薄膜発光素子は、 その駆動 電圧が低ぐてすみ、 かつ安定に動作するものである。
权利要求:
Claims -II- • 請 求 の 範 囲 "I 螢光体薄膜と、 この螢光.体薄膜の少 く と も一方の面上に 配置されて る誘電体薄膜と、 これらに電圧を印加するための 電極とを具備する薄膜:電場発光素子において、.前記誘電体薄膜 が、 2価金属元素を Aと表わし、 S価金属元素を B と表わした どき一般式 AB206 で表わされる誘電体で構成されていること を特徴とする薄膜電場発光素子。 2 , 請求の範囲第1.項に て、 2価金属元素 Aが Pb, S n , . Mg , Ca , S r , B a , Z nおよび Cdよ!)るる元素群から選択された 少なく とも一つであ ] 、 β価金属元素 Βが T aおよび Nbの うち の少る く とも一方であることを特徵とする薄膜電場発光素子。 3. 請求 0範囲第 1 項において、 2価金属元素 Αが Pb, S r よび Ba よ J) る元素群から ¾択された少な く とも一つであ j?、 5価金属元素 Bが Taおよび Nb のう ちの少 ぐと も一方であ ることを特徴とする薄膜電場発光素子。 4. 請求の範囲第 1 項において、 2価金属元素が Pb であり、 5価金属元素が ' Taおよび Nb のうちの少 く と も一方である ことを特徴とする薄膜電場発光素子。 5. 請求の範僅第 1 項において、: 誘電体薄膜'が、 ―般式 B206 (ただし Aは 2価金属元素、 Bは 5価金属元素 ) で表わされる 第 1 の誘電体,薄膜と、 絶縁破壊電界強度 _Eb と比誘電率 · erとの 積 · er が 8 O以上の値を有する、 自己回復形絶掾破壊を し - - ¾ 第-2の誘電体薄膜とで構成されて る複合誘電体薄膜であ ることを特徴とする薄膜電場発光素子 0 6. 請求の範囲第 5.項にお て、. _·自己回復形絶縁破壊をしない OMP1 一 ι — • 第2の誘電体薄膜がぺロ ブス カイ ト形チタ ン酸塩を主成分とす る誘電体で構成されて る薄膜電場発光素子。 ァ. 請求の範囲第 5項または第 6項において、 2価金属元素 A が Pb, Sn ,Mg , Ca , S r , Ba, Znおよび Cdよ る元素群か ら選択された少なく とも一つであ 、 5価金属元素 Bが Ta お よび Nb のうちの少 く とも一方であることを特徵とする薄膜 電場発光素子。 8. 請求の範囲第 5項または第 6項において、 2価金属元素 A が Pb , S r および Baよ ¾る元素群から選択された少 く とも 一つであ 、 5価金属元素 Bが Taおよび Nbのうちの少なくと も一方であることを特徴とする薄膜電場発光素子。 9 - 請求の範囲第 5項または第 6項にお て、 2価金属元素が Pbであ 、 5価金属元素が T a よび Nbのうちの少な ぐ とも —方である ことを特徴とする薄膜電場発光素子。 5 0 5 ひ
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引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
1983-12-08| AK| Designated states|Designated state(s): US | 1983-12-08| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): DE FR GB | 1984-01-30| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1983901629 Country of ref document: EP | 1984-06-27| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1983901629 Country of ref document: EP | 1986-10-15| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1983901629 Country of ref document: EP |
优先权:
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申请号 | 申请日 | 专利标题 JP57/91594||1982-05-28|| JP57091594A|JPH0439200B2|1982-05-28|1982-05-28|| JP9543082A|JPH0118563B2|1982-06-03|1982-06-03|| JP57/95430||1982-06-03||DE19833367039| DE3367039D1|1982-05-28|1983-05-26|Thin film electric field light-emitting device| 相关专利
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