有機エレクトロルミネッセンス素子および可視光通信装置
【課題】
遮断周波数を高めた有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供する。
【解決手段】
有機エレクトロルミネッセンス素子は、透明な基板1の表面に形成された透明な第１の電極2と、前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層3と、層厚が１〜５ｎｍの有機化合物の層からなり、前記正孔輸送層上に積層されて光を放射する発光層4と、前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層5と、前記電子輸送層上に積層された第２の電極6とを具備している。
遮断周波数を高めた有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供する。
【解決手段】
有機エレクトロルミネッセンス素子は、透明な基板1の表面に形成された透明な第１の電極2と、前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層3と、層厚が１〜５ｎｍの有機化合物の層からなり、前記正孔輸送層上に積層されて光を放射する発光層4と、前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層5と、前記電子輸送層上に積層された第２の電極6とを具備している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光通信装置の送信用光源として好適な有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光通信の光源として、無機ＬＥＤ（発光ダイオード）、無機ＬＤ（レーザダイオード）、蛍光ランプなど、これまで数多くの光源による検討がなされている。その中で、新たな可視光通信用の光源として有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を利用できることが分かった。有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、便宜上「有機ＥＬ素子」という。）は、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライトなど、フラットディスプレイ分野への展開が飛躍的に進んでいる。また有機ＥＬ素子は、面光源、耐衝撃性、高純度表示色および軽薄短小化の実現などの特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。有機ＥＬ素子を可視光通信用の光源として利用することによって、面光源、軽薄短小化の利点が挙げられ、さらにはポスターなどの表示パネルへの可視光通信の応用も可能となることから、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルと可視光通信とが一体になった、新しいアプリケーションを創出することができる。
【０００３】
ところで、有機ＥＬ素子は、透明な基板の表面に形成された透明な第１の電極と、前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層と、前記正孔輸送層上に積層されて発光を放射する発光層と、前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層と、前記電子輸送層上に積層された第２の電極とを少なくとも備えていて、発光層、正孔輸送層および電子輸送層がいずれも有機化合物からなるサンドイッチ状のヘテロ構造を形成していることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２８１４４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
有機ＥＬ素子を可視光通信の光源として利用する場合、遮断周波数が高いほど通信速度を高くすることができ、その分多くの情報の通信が可能になる。発光面積１００ｍｍ２を有し、キャリアバランスを踏まえた素子構成を備えた従来の有機ＥＬ素子の場合、利得−３ｄＢのときの遮断周波数が図５の周波数特性曲線に示すように８０ｋＨｚ程度であり、後述する可視光通信システムにおいて要求される遮断周波数特性を満たさないものであった。なお、図５において、横軸の周波数は対数目盛りである。
【０００６】
有機ＥＬ素子の遮断周波数は、有機ＥＬ素子の容量−抵抗（ＣＲ）時定数、キャリアの拡散時間および空乏層内走行時間などによって決まる。なお、容量−抵抗（ＣＲ）時定数において、容量Ｃは、以下の数式（１）により求められる。ここで、Ｃは静電容量、εは誘電率、Ｓは面積、ｄは電極間距離である。
【０００７】
Ｃ＝εＳ／ｄ （１）
一方、抵抗Ｒは、以下の数式（２）により求められる。ここで、Ｒは抵抗、ρは体積低効率、Ｓは断面積、ｄは距離である。
【０００８】
Ｒ＝ρｄ／Ｓ （２）
有機ＥＬ素子の発光面積を大きくした場合、数式（２）において断面積Ｓが増加することによって抵抗値Ｒが減少するものの、数式（１）において面積Ｓが増加することによって容量Ｃの増加を伴ってしまう。そのため、有機ＥＬ素子の面積を大きくしていくと、容量−抵抗（ＣＲ）時定数に影響される有機ＥＬ素子の遮断周波数特性が低下する傾向を示す。
【０００９】
以上の理由により有機ＥＬ素子の遮断周波数特性は、発光面積が大きくなるにしたがって低下する。なお、上記従来の有機ＥＬ素子は、各層の膜厚が以下のとおりである。すなわち、正孔注入層４０ｎｍ、正孔輸送層１０ｎｍ、発光層４０ｎｍ、電子輸送層３０ｎｍ、上記有機化合物部分合計の全膜厚が１２０ｎｍである。
【００１０】
ところで、可視光通信において、発光素子に要求される遮断周波数特性は、通信のデータ量、通信時間および通信方式などによって異なる。しかしながら、一般的に遮断周波数が高ければ光出力の周波数特性における利得は良好な値を示し、通信速度を上げることができる。したがって、可視光通信用発光素子としての有機ＥＬ素子は、遮断周波数の高いのが望ましい。
【００１１】
例えば、データ量２００ＫＢ程度、通信時間数秒以内の通信システムを構築する場合、通信速度は４６０kbps程度以上、遮断周波数特性は１５０ｋＨｚ以上が必要である。
【００１２】
本発明は、遮断周波数を高めた有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、発光面積１００ｍｍ２において、遮断周波数特性が１５０ｋＨｚ以上で可視光通信用の発光素子として有用な有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、透明な基板の表面に形成された透明な第１の電極と；前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層と；層厚が１〜５ｎｍの有機化合物の層からなり、前記正孔輸送層上に積層されて光を放射する発光層と；前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層と；前記電子輸送層上に積層された第２の電極と；を具備していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、キャリアの移動度が他の層に比較して１桁以上遅い発光層の膜厚を１〜５ｎｍにしたことで、有機化合物からなる容量の大幅な増加を避けて効果的に抵抗を低減させることができるので、発光面積１００ｍｍ２において、遮断周波数１５０ｋＨｚ以上の周波数特性を示し、可視光通信の光源として好適な有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子を実施するための一形態を示す模式的断面図である。本形態において、有機ＥＬ素子は、基板１、第１の電極２、正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５、第２の電極６を具備している。
【００１８】
基板１は、後述する発光層４からの放射光を外部へ導出するために透明であり、材質としては無機質および有機質のいずれであってもよい。無機質物質の基板１としては例えばガラスや単結晶セラミックスなどを用いることができる。有機質物質の基板１としてはプラスチックスを用いることができる。なお、プラスチックスは剛性を有していてもよいし、フレキシブルであってもよい。また、基板１は、有機ＥＬ素子を外気に対してシールするためには気密性を有しているものを用いるのが好ましい。
【００１９】
第１の電極２は、有機ＥＬ素子を点灯するときに陽極として作用して正孔を後述する正孔輸送層３に注入する手段であり、基板１上に形成された配線層を介して図示しない直流電源の正極に接続される。また、第１の電極２は、後述する発光層４から放射された光を外部へ透過するために透明質であり、基板１の表面に密着して形成されている。第１の電極２に用いる透明な電極材料は既知であり、例えばスパッタリング成膜法により形成されたＩＴＯ膜を用いることができる。
【００２０】
正孔輸送層３は、第１の電極から注入された正孔を閉じ込めて後述する発光層４へ輸送する手段であり、本形態において、第１の層３ａと第２の層３ｂとかなる。第１の層３ａは第１の電極に隣接し、第２の層３ｂは後述する発光層４に隣接する。そして、第１の層３ａは主として正孔注入を容易にするためのいわゆる正孔注入層として機能する。このように正孔注入機能を高めた層を配設することで、正孔注入の際のエネルギー障壁を低くして正孔の注入を容易にすることで有機ＥＬ素子の駆動電圧を低下させる作用を呈する。
【００２１】
本形態において、第１の層３ａは、例えばm-MTDATA[4,4',4"-Tris(3-methyl-phenyl.
phenylamino)tri-phenylamineにより、膜厚４０ｎｍに形成されている。第１の層３ａに使用する材料の移動度は、3×10-5cm2V-1S-である。
【００２２】
第２の層３ｂは、主として正孔輸送を行ういわゆる正孔輸送層として機能する。第２の層３ｂは、例えばα-NPD（N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidine）を真空蒸着法により、膜厚１０ｎｍに形成されている。第２の層３ｂに使用する材料の移動度は、1.0×10-3cm2v-1s-1以下である。
【００２３】
また、正孔輸送層３は、上記のように複数層構成でなく、所望により単一の層構成にすることが許容され、例えば主として正孔輸送を行う層のみで構成することができる。
【００２４】
発光層４は、有機化合物の発光材料からなる。そして、正孔輸送層３および後述する電子輸送層５によりそれぞれ輸送された正孔および電子が発光層４で再結合する。そして、その再結合によるエネルギーで発光層４の発光材料が励起され、励起状態（一重項）から再び基底状態に戻る際に有機化合物の発光材料が発光する。なお、発光には、一重項状態からそのまま基底状態に戻る際の発光である蛍光と、一重項状態からややエネルギー準位の低い三重項状態を経由し、基底状態に戻る際の発光を利用するりん光とがあるが、そのいずれを利用する態様であってもよい。
【００２５】
また、発光層４は、その膜厚が１〜５ｎｍに規定されている。有機ＥＬ素子においては、発光層の膜厚を薄くすることにより、有機ＥＬ素子の遮断周波数を効果的に高めることができることを本発明者は見出した。すなわち、発光層４内では、キャリアである正孔および電子の移動度が他の層のそれより１桁以上遅いので、発光層４の膜厚の数値が遮断周波数に与える影響が大きい。このため、発光層４の膜厚が変化すると、それに応じて正孔および電子の移動時間が大きく変化する。すなわち、膜厚を小さくすると、正孔および電子の移動時間が顕著に早くなる。そして、発光層の膜厚が小さいほど遮断周波数が高くなる。なお、発光層４は、その膜厚が上記の範囲内であれば、既知の一般的な有機ＥＬ素子の製造法および既知の発光層材料を用いて製造することが可能である。
【００２６】
しかしながら、発光層４の膜厚が下限値の１ｎｍ未満になると、正孔と電子の衝突による再結合エネルギーが発光材料に達しないため、発光材料に由来する発光が殆ど得られなくなる。なお、膜厚が１ｎｍ程度であると、発光材料に由来する発光スペクトルが減少し、発光材料に由来しない隣接層に由来すると推定される発光スペクトルが観察されやすくなる。その結果、発光材料に由来する発光スペクトルの発光効率が低下しやすくなるので、注意を要する。以上の理由から、実際上好適な発光層４の膜厚は、２〜５ｎｍである。この範囲内であれば、発光効率を高い状態に維持しながら遮断周波数の向上を図ることができる。一方、膜厚が上限値の５ｎｍを超えると、所望の高い遮断周波数が得られなくなるので、不可である。
【００２７】
本形態において、発光層４は、例えば、ホスト材料であるAlq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum)を形成してその上に、例えばゲスト材料であるDCM(4-(di-cyano-methylene)-2-methyl-6-(p-dimethyl-amino-styryl)-4H-pyran)を、いずれも真空蒸着法により、膜厚5nmにて、共蒸着させることによって形成することができ、膜厚を１〜５ｎｍの範囲内に規定することができる。発光層４に使用する上記ホスト材料の移動度は、1.0×10-6cm2v-1s-1以下である。
【００２８】
電子輸送層５は、有機化合物からなり、後述する第２の電極６から注入された電子を閉じ込めて発光層４へ輸送する手段である。そして、発光層４上に積層、形成され、例えばOXD（1,3-bis(4-(4-diphenylamino)-phenyl-1,3,4-oxidiazol-2-yl)-benzene）を真空蒸着法により、膜厚３０ｎｍに形成される。電子輸送層５に使用する上記材料の移動度は、1.0×10-5cm2v-1s-1以下である。
【００２９】
また、電子輸送層５は、単一の層構成でなく、所望により複数層構成にすることが許容され、例えば主として電子輸送機能を高めた層と主として電子注入機能を高めた層を隣接して備えることができる。この電子注入機能を高めた層は、第２の電極２と電子輸送機能を高めた層との間に介在して、電子注入の際のエネルギー障壁を低くして電子の注入を容易にすることで有機ＥＬ素子の駆動電圧を低下させる作用を呈する。なお、電子輸送機能を高めた層は発光層４に隣接する。
【００３０】
本発明の有機ＥＬ素子において、以上の正孔輸送層３、発光層４および電子輸送層５は、既述のように有機化合物で形成されているが、有機化合物は高分子および低分子のいずれであってもよい。なお、既知の有機化合物、例えばジアミン、アントラセンおよび金属錯体などを用いて各層を形成することができる。
【００３１】
また、有機化合物を用いて形成される上記３層のうち発光層４について上述のようにその膜厚を薄く規定するのに加えて、正孔輸送層３および電子輸送層５についてもそれぞれ弊害を生じない範囲内で薄く形成することにより、遮断周波数をさらにいくらか高いくすることができる。ただし、有機化合物部分の全膜厚を小さくしていくと、ゴミの影響を受けやすくなり、有機部分の全膜厚が６０ｎｍ未満になると、不点灯などの不良が発生しやすくなる。また、有機部分の全膜厚が８０ｎｍ未満になると、発光効率の低下が大きくなる傾向が見られる。したがって、有機部分の全膜厚を８０ｎｍ以上の範囲内にすることにより、好ましい遮断周波数が得られる。
【００３２】
第２の電極６は、電子輸送層５に隣接して配設され、有機ＥＬ素子を点灯するときに陰極として電子輸送層５に電子を注入する作用を行うために直流電源の負極に接続される。また、第２の電極６は、これをアルミニウム、銀・マグネシウム合金またはカルシウムなどの光反射率の高い金属薄膜を用いて形成することにより、発光層４から第２の電極６側へ放射された光が第２の電極６の内面で反射されるので、基板１を透過して外部へ放射される可視光の増加を図ることができる。
【００３３】
本形態において、第２の電極６は、必要に応じて、フッ化リチウムを真空蒸着法により、膜厚０．７ｎｍに形成しておき、さらに配線層と接続するために、例えばＬｉ−Ａｌ合金を膜厚２００ｎｍで真空蒸着法により形成している。
【００３４】
そうして、基板１上に、第１の電極２、正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５および第２の電極６からなる有機ＥＬ素子が作製される。また、有機ＥＬ素子を取り囲むように、基板１上に図示を省略している枠部材と、この枠部材に取り付ける封止層（キャップ）を設けてシールを施して実用的な有機ＥＬ素子が完成する。
【００３５】
図２は、発光層の膜厚と有機ＥＬ素子の遮断周波数の関係を示すグラフである。図から理解できるように、発光層が１〜５ｎｍの本発明の範囲内であれば、発光面積１００ｍｍ２の有機ＥＬ素子で遮断周波数が１５０ｋＨｚ以上の可視光通信システムを得ることができる。この有機ＥＬ素子は、可視光通信における送信用の発光素子として好適である。
【００３６】
また、所望により発光層の膜厚を前述の所定範囲内で適切な値に設定することにより、遮断周波数が１５０ｋＨｚで、かつ発光面積１００ｍｍ２超の発光素子を得ることも可能である。このような態様において、発光面積が１００ｍｍ２以上の発光素子であれば、可視光通信において、発光素子と受信機の受光素子の精密な位置合わせが不要となるので、使用上の利便性がさらに向上する。
【実施例】
【００３７】
実施例は、図１に示す構造の有機ＥＬ素子であり、有機化合物からなる各層の膜厚は以下のとおりである。
【００３８】
正孔注入層 ：４０ｎｍ
正孔輸送層 ：１０ｎｍ
発光層 ： ５ｎｍ
電子輸送層 ：３０ｎｍ
有機化合物部分の全膜厚：８５ｎｍ
遮断周波数特性：１５０ｋＨｚ
図３は、本発明の実施例における有機エレクトロルミネッセンス素子の周波数特性曲線を示すグラフである。図から理解できるように、利得が−３ｄＢのときの遮断周波数が１５０ｋＨｚである。なお、図３において、横軸の周波数は対数目盛りである。
【００３９】
図４は、本発明の可視光通信装置を実施するための一形態としての可視光通信システムを示すブロック図である。可視光通信システムは、送信機としての可視光通信装置ＴＭと可視光受信機ＲＶとを具備する。
【００４０】
可視光通信装置ＴＭは、データ作成手段ＰＣ、発光素子駆動回路ＤＳＧおよび発光素子ＬＤを備えている。データ作成手段ＰＣは、例えばパソコンからなり、送信データを作成する。発光素子駆動回路ＤＳＧは、作成された送信データに応じて発光素子ＬＤを点滅させるための駆動信号を発生する。発光素子ＩＥは、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子であり、発光面積１００ｍｍ２の大きさを有している。
【００４１】
本発明において、可視光通信装置は、上記の構成を具備していれば、その余の構成は特段限定されない。例えば、以下の構成を採用することができる。すなわち、発光素子ＩＥをポスターの中に配置しておき、発光素子ＩＥに上述の発光素子駆動回路ＤＳＧおよびデータ作成手段ＰＣを接続してある。
【００４２】
一方、可視光受信機ＲＶとしては、例えば受光器を備えた携帯電話器などを用いることができる。そして、受信機ＲＶの上記受光器を発光素子ＩＥにかざすことにより、受信機ＲＶは発光素子ＩＥから放射される可視光を経由して直接データを受信することができる。
【００４３】
本発明の上記形態によれば、ＱＲコードに代わる新しい情報データ通信方式を提供することができる。なお、ＱＲ方式の場合、情報データを入手するためには、携帯端末にてＱＲコードを撮影してインターネットに接続して情報を入手することになるが、本形態においては、インターネットに接続する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子を実施するための一形態を示す模式的断面図
【図２】発光層の膜厚と有機ＥＬ素子の遮断周波数の関係を示すグラフ
【図３】実施例おける有機エレクトロルミネッセンス素子の周波数特性曲線を示すグラフ
【図４】本発明の可視光通信装置を実施するための一形態におけるブロック図
【図５】従来技術における有機エレクトロルミネッセンス素子の周波数特性曲線を示すグラフ
【符号の説明】
【００４５】
１…基板、２…第１の電極、３…正孔輸送層、３ａ…第１の層、３ｂ…第２の層、４…発光層、５…電子輸送層、６…第２の電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光通信装置の送信用光源として好適な有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光通信の光源として、無機ＬＥＤ（発光ダイオード）、無機ＬＤ（レーザダイオード）、蛍光ランプなど、これまで数多くの光源による検討がなされている。その中で、新たな可視光通信用の光源として有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を利用できることが分かった。有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、便宜上「有機ＥＬ素子」という。）は、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライトなど、フラットディスプレイ分野への展開が飛躍的に進んでいる。また有機ＥＬ素子は、面光源、耐衝撃性、高純度表示色および軽薄短小化の実現などの特徴を有することから、産業用途のみならず一般照明用途への適用も試みられている。有機ＥＬ素子を可視光通信用の光源として利用することによって、面光源、軽薄短小化の利点が挙げられ、さらにはポスターなどの表示パネルへの可視光通信の応用も可能となることから、有機ＥＬ素子を用いた表示パネルと可視光通信とが一体になった、新しいアプリケーションを創出することができる。
【０００３】
ところで、有機ＥＬ素子は、透明な基板の表面に形成された透明な第１の電極と、前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層と、前記正孔輸送層上に積層されて発光を放射する発光層と、前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層と、前記電子輸送層上に積層された第２の電極とを少なくとも備えていて、発光層、正孔輸送層および電子輸送層がいずれも有機化合物からなるサンドイッチ状のヘテロ構造を形成していることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２８１４４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
有機ＥＬ素子を可視光通信の光源として利用する場合、遮断周波数が高いほど通信速度を高くすることができ、その分多くの情報の通信が可能になる。発光面積１００ｍｍ２を有し、キャリアバランスを踏まえた素子構成を備えた従来の有機ＥＬ素子の場合、利得−３ｄＢのときの遮断周波数が図５の周波数特性曲線に示すように８０ｋＨｚ程度であり、後述する可視光通信システムにおいて要求される遮断周波数特性を満たさないものであった。なお、図５において、横軸の周波数は対数目盛りである。
【０００６】
有機ＥＬ素子の遮断周波数は、有機ＥＬ素子の容量−抵抗（ＣＲ）時定数、キャリアの拡散時間および空乏層内走行時間などによって決まる。なお、容量−抵抗（ＣＲ）時定数において、容量Ｃは、以下の数式（１）により求められる。ここで、Ｃは静電容量、εは誘電率、Ｓは面積、ｄは電極間距離である。
【０００７】
Ｃ＝εＳ／ｄ （１）
一方、抵抗Ｒは、以下の数式（２）により求められる。ここで、Ｒは抵抗、ρは体積低効率、Ｓは断面積、ｄは距離である。
【０００８】
Ｒ＝ρｄ／Ｓ （２）
有機ＥＬ素子の発光面積を大きくした場合、数式（２）において断面積Ｓが増加することによって抵抗値Ｒが減少するものの、数式（１）において面積Ｓが増加することによって容量Ｃの増加を伴ってしまう。そのため、有機ＥＬ素子の面積を大きくしていくと、容量−抵抗（ＣＲ）時定数に影響される有機ＥＬ素子の遮断周波数特性が低下する傾向を示す。
【０００９】
以上の理由により有機ＥＬ素子の遮断周波数特性は、発光面積が大きくなるにしたがって低下する。なお、上記従来の有機ＥＬ素子は、各層の膜厚が以下のとおりである。すなわち、正孔注入層４０ｎｍ、正孔輸送層１０ｎｍ、発光層４０ｎｍ、電子輸送層３０ｎｍ、上記有機化合物部分合計の全膜厚が１２０ｎｍである。
【００１０】
ところで、可視光通信において、発光素子に要求される遮断周波数特性は、通信のデータ量、通信時間および通信方式などによって異なる。しかしながら、一般的に遮断周波数が高ければ光出力の周波数特性における利得は良好な値を示し、通信速度を上げることができる。したがって、可視光通信用発光素子としての有機ＥＬ素子は、遮断周波数の高いのが望ましい。
【００１１】
例えば、データ量２００ＫＢ程度、通信時間数秒以内の通信システムを構築する場合、通信速度は４６０kbps程度以上、遮断周波数特性は１５０ｋＨｚ以上が必要である。
【００１２】
本発明は、遮断周波数を高めた有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、発光面積１００ｍｍ２において、遮断周波数特性が１５０ｋＨｚ以上で可視光通信用の発光素子として有用な有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、透明な基板の表面に形成された透明な第１の電極と；前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層と；層厚が１〜５ｎｍの有機化合物の層からなり、前記正孔輸送層上に積層されて光を放射する発光層と；前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層と；前記電子輸送層上に積層された第２の電極と；を具備していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、キャリアの移動度が他の層に比較して１桁以上遅い発光層の膜厚を１〜５ｎｍにしたことで、有機化合物からなる容量の大幅な増加を避けて効果的に抵抗を低減させることができるので、発光面積１００ｍｍ２において、遮断周波数１５０ｋＨｚ以上の周波数特性を示し、可視光通信の光源として好適な有機エレクトロルミネッセンス素子およびこれを備えた可視光通信装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子を実施するための一形態を示す模式的断面図である。本形態において、有機ＥＬ素子は、基板１、第１の電極２、正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５、第２の電極６を具備している。
【００１８】
基板１は、後述する発光層４からの放射光を外部へ導出するために透明であり、材質としては無機質および有機質のいずれであってもよい。無機質物質の基板１としては例えばガラスや単結晶セラミックスなどを用いることができる。有機質物質の基板１としてはプラスチックスを用いることができる。なお、プラスチックスは剛性を有していてもよいし、フレキシブルであってもよい。また、基板１は、有機ＥＬ素子を外気に対してシールするためには気密性を有しているものを用いるのが好ましい。
【００１９】
第１の電極２は、有機ＥＬ素子を点灯するときに陽極として作用して正孔を後述する正孔輸送層３に注入する手段であり、基板１上に形成された配線層を介して図示しない直流電源の正極に接続される。また、第１の電極２は、後述する発光層４から放射された光を外部へ透過するために透明質であり、基板１の表面に密着して形成されている。第１の電極２に用いる透明な電極材料は既知であり、例えばスパッタリング成膜法により形成されたＩＴＯ膜を用いることができる。
【００２０】
正孔輸送層３は、第１の電極から注入された正孔を閉じ込めて後述する発光層４へ輸送する手段であり、本形態において、第１の層３ａと第２の層３ｂとかなる。第１の層３ａは第１の電極に隣接し、第２の層３ｂは後述する発光層４に隣接する。そして、第１の層３ａは主として正孔注入を容易にするためのいわゆる正孔注入層として機能する。このように正孔注入機能を高めた層を配設することで、正孔注入の際のエネルギー障壁を低くして正孔の注入を容易にすることで有機ＥＬ素子の駆動電圧を低下させる作用を呈する。
【００２１】
本形態において、第１の層３ａは、例えばm-MTDATA[4,4',4"-Tris(3-methyl-phenyl.
phenylamino)tri-phenylamineにより、膜厚４０ｎｍに形成されている。第１の層３ａに使用する材料の移動度は、3×10-5cm2V-1S-である。
【００２２】
第２の層３ｂは、主として正孔輸送を行ういわゆる正孔輸送層として機能する。第２の層３ｂは、例えばα-NPD（N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidine）を真空蒸着法により、膜厚１０ｎｍに形成されている。第２の層３ｂに使用する材料の移動度は、1.0×10-3cm2v-1s-1以下である。
【００２３】
また、正孔輸送層３は、上記のように複数層構成でなく、所望により単一の層構成にすることが許容され、例えば主として正孔輸送を行う層のみで構成することができる。
【００２４】
発光層４は、有機化合物の発光材料からなる。そして、正孔輸送層３および後述する電子輸送層５によりそれぞれ輸送された正孔および電子が発光層４で再結合する。そして、その再結合によるエネルギーで発光層４の発光材料が励起され、励起状態（一重項）から再び基底状態に戻る際に有機化合物の発光材料が発光する。なお、発光には、一重項状態からそのまま基底状態に戻る際の発光である蛍光と、一重項状態からややエネルギー準位の低い三重項状態を経由し、基底状態に戻る際の発光を利用するりん光とがあるが、そのいずれを利用する態様であってもよい。
【００２５】
また、発光層４は、その膜厚が１〜５ｎｍに規定されている。有機ＥＬ素子においては、発光層の膜厚を薄くすることにより、有機ＥＬ素子の遮断周波数を効果的に高めることができることを本発明者は見出した。すなわち、発光層４内では、キャリアである正孔および電子の移動度が他の層のそれより１桁以上遅いので、発光層４の膜厚の数値が遮断周波数に与える影響が大きい。このため、発光層４の膜厚が変化すると、それに応じて正孔および電子の移動時間が大きく変化する。すなわち、膜厚を小さくすると、正孔および電子の移動時間が顕著に早くなる。そして、発光層の膜厚が小さいほど遮断周波数が高くなる。なお、発光層４は、その膜厚が上記の範囲内であれば、既知の一般的な有機ＥＬ素子の製造法および既知の発光層材料を用いて製造することが可能である。
【００２６】
しかしながら、発光層４の膜厚が下限値の１ｎｍ未満になると、正孔と電子の衝突による再結合エネルギーが発光材料に達しないため、発光材料に由来する発光が殆ど得られなくなる。なお、膜厚が１ｎｍ程度であると、発光材料に由来する発光スペクトルが減少し、発光材料に由来しない隣接層に由来すると推定される発光スペクトルが観察されやすくなる。その結果、発光材料に由来する発光スペクトルの発光効率が低下しやすくなるので、注意を要する。以上の理由から、実際上好適な発光層４の膜厚は、２〜５ｎｍである。この範囲内であれば、発光効率を高い状態に維持しながら遮断周波数の向上を図ることができる。一方、膜厚が上限値の５ｎｍを超えると、所望の高い遮断周波数が得られなくなるので、不可である。
【００２７】
本形態において、発光層４は、例えば、ホスト材料であるAlq3(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum)を形成してその上に、例えばゲスト材料であるDCM(4-(di-cyano-methylene)-2-methyl-6-(p-dimethyl-amino-styryl)-4H-pyran)を、いずれも真空蒸着法により、膜厚5nmにて、共蒸着させることによって形成することができ、膜厚を１〜５ｎｍの範囲内に規定することができる。発光層４に使用する上記ホスト材料の移動度は、1.0×10-6cm2v-1s-1以下である。
【００２８】
電子輸送層５は、有機化合物からなり、後述する第２の電極６から注入された電子を閉じ込めて発光層４へ輸送する手段である。そして、発光層４上に積層、形成され、例えばOXD（1,3-bis(4-(4-diphenylamino)-phenyl-1,3,4-oxidiazol-2-yl)-benzene）を真空蒸着法により、膜厚３０ｎｍに形成される。電子輸送層５に使用する上記材料の移動度は、1.0×10-5cm2v-1s-1以下である。
【００２９】
また、電子輸送層５は、単一の層構成でなく、所望により複数層構成にすることが許容され、例えば主として電子輸送機能を高めた層と主として電子注入機能を高めた層を隣接して備えることができる。この電子注入機能を高めた層は、第２の電極２と電子輸送機能を高めた層との間に介在して、電子注入の際のエネルギー障壁を低くして電子の注入を容易にすることで有機ＥＬ素子の駆動電圧を低下させる作用を呈する。なお、電子輸送機能を高めた層は発光層４に隣接する。
【００３０】
本発明の有機ＥＬ素子において、以上の正孔輸送層３、発光層４および電子輸送層５は、既述のように有機化合物で形成されているが、有機化合物は高分子および低分子のいずれであってもよい。なお、既知の有機化合物、例えばジアミン、アントラセンおよび金属錯体などを用いて各層を形成することができる。
【００３１】
また、有機化合物を用いて形成される上記３層のうち発光層４について上述のようにその膜厚を薄く規定するのに加えて、正孔輸送層３および電子輸送層５についてもそれぞれ弊害を生じない範囲内で薄く形成することにより、遮断周波数をさらにいくらか高いくすることができる。ただし、有機化合物部分の全膜厚を小さくしていくと、ゴミの影響を受けやすくなり、有機部分の全膜厚が６０ｎｍ未満になると、不点灯などの不良が発生しやすくなる。また、有機部分の全膜厚が８０ｎｍ未満になると、発光効率の低下が大きくなる傾向が見られる。したがって、有機部分の全膜厚を８０ｎｍ以上の範囲内にすることにより、好ましい遮断周波数が得られる。
【００３２】
第２の電極６は、電子輸送層５に隣接して配設され、有機ＥＬ素子を点灯するときに陰極として電子輸送層５に電子を注入する作用を行うために直流電源の負極に接続される。また、第２の電極６は、これをアルミニウム、銀・マグネシウム合金またはカルシウムなどの光反射率の高い金属薄膜を用いて形成することにより、発光層４から第２の電極６側へ放射された光が第２の電極６の内面で反射されるので、基板１を透過して外部へ放射される可視光の増加を図ることができる。
【００３３】
本形態において、第２の電極６は、必要に応じて、フッ化リチウムを真空蒸着法により、膜厚０．７ｎｍに形成しておき、さらに配線層と接続するために、例えばＬｉ−Ａｌ合金を膜厚２００ｎｍで真空蒸着法により形成している。
【００３４】
そうして、基板１上に、第１の電極２、正孔輸送層３、発光層４、電子輸送層５および第２の電極６からなる有機ＥＬ素子が作製される。また、有機ＥＬ素子を取り囲むように、基板１上に図示を省略している枠部材と、この枠部材に取り付ける封止層（キャップ）を設けてシールを施して実用的な有機ＥＬ素子が完成する。
【００３５】
図２は、発光層の膜厚と有機ＥＬ素子の遮断周波数の関係を示すグラフである。図から理解できるように、発光層が１〜５ｎｍの本発明の範囲内であれば、発光面積１００ｍｍ２の有機ＥＬ素子で遮断周波数が１５０ｋＨｚ以上の可視光通信システムを得ることができる。この有機ＥＬ素子は、可視光通信における送信用の発光素子として好適である。
【００３６】
また、所望により発光層の膜厚を前述の所定範囲内で適切な値に設定することにより、遮断周波数が１５０ｋＨｚで、かつ発光面積１００ｍｍ２超の発光素子を得ることも可能である。このような態様において、発光面積が１００ｍｍ２以上の発光素子であれば、可視光通信において、発光素子と受信機の受光素子の精密な位置合わせが不要となるので、使用上の利便性がさらに向上する。
【実施例】
【００３７】
実施例は、図１に示す構造の有機ＥＬ素子であり、有機化合物からなる各層の膜厚は以下のとおりである。
【００３８】
正孔注入層 ：４０ｎｍ
正孔輸送層 ：１０ｎｍ
発光層 ： ５ｎｍ
電子輸送層 ：３０ｎｍ
有機化合物部分の全膜厚：８５ｎｍ
遮断周波数特性：１５０ｋＨｚ
図３は、本発明の実施例における有機エレクトロルミネッセンス素子の周波数特性曲線を示すグラフである。図から理解できるように、利得が−３ｄＢのときの遮断周波数が１５０ｋＨｚである。なお、図３において、横軸の周波数は対数目盛りである。
【００３９】
図４は、本発明の可視光通信装置を実施するための一形態としての可視光通信システムを示すブロック図である。可視光通信システムは、送信機としての可視光通信装置ＴＭと可視光受信機ＲＶとを具備する。
【００４０】
可視光通信装置ＴＭは、データ作成手段ＰＣ、発光素子駆動回路ＤＳＧおよび発光素子ＬＤを備えている。データ作成手段ＰＣは、例えばパソコンからなり、送信データを作成する。発光素子駆動回路ＤＳＧは、作成された送信データに応じて発光素子ＬＤを点滅させるための駆動信号を発生する。発光素子ＩＥは、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子であり、発光面積１００ｍｍ２の大きさを有している。
【００４１】
本発明において、可視光通信装置は、上記の構成を具備していれば、その余の構成は特段限定されない。例えば、以下の構成を採用することができる。すなわち、発光素子ＩＥをポスターの中に配置しておき、発光素子ＩＥに上述の発光素子駆動回路ＤＳＧおよびデータ作成手段ＰＣを接続してある。
【００４２】
一方、可視光受信機ＲＶとしては、例えば受光器を備えた携帯電話器などを用いることができる。そして、受信機ＲＶの上記受光器を発光素子ＩＥにかざすことにより、受信機ＲＶは発光素子ＩＥから放射される可視光を経由して直接データを受信することができる。
【００４３】
本発明の上記形態によれば、ＱＲコードに代わる新しい情報データ通信方式を提供することができる。なお、ＱＲ方式の場合、情報データを入手するためには、携帯端末にてＱＲコードを撮影してインターネットに接続して情報を入手することになるが、本形態においては、インターネットに接続する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子を実施するための一形態を示す模式的断面図
【図２】発光層の膜厚と有機ＥＬ素子の遮断周波数の関係を示すグラフ
【図３】実施例おける有機エレクトロルミネッセンス素子の周波数特性曲線を示すグラフ
【図４】本発明の可視光通信装置を実施するための一形態におけるブロック図
【図５】従来技術における有機エレクトロルミネッセンス素子の周波数特性曲線を示すグラフ
【符号の説明】
【００４５】
１…基板、２…第１の電極、３…正孔輸送層、３ａ…第１の層、３ｂ…第２の層、４…発光層、５…電子輸送層、６…第２の電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な基板の表面に形成された透明な第１の電極と；
前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層と；
層厚が１〜５ｎｍの有機化合物の層からなり、前記正孔輸送層上に積層されて光を放射する発光層と；
前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層と；
前記電子輸送層上に積層された第２の電極と；
を具備していることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
発光層は、２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
通信用のデータを出力する通信データ作成手段と；
通信データ作成手段から出力された通信データを点滅情報に変換して駆動信号を発生する送信手段と；
送信手段から発生する駆動信号の供給を受けて作動して点滅することで通信データを送信する請求項１または２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子と；
を具備していることを特徴とする可視光通信装置。
【請求項１】
透明な基板の表面に形成された透明な第１の電極と；
前記第１の電極上に積層されて正孔を輸送する正孔輸送層と；
層厚が１〜５ｎｍの有機化合物の層からなり、前記正孔輸送層上に積層されて光を放射する発光層と；
前記有機化合物層上に積層されて電子を輸送する電子輸送層と；
前記電子輸送層上に積層された第２の電極と；
を具備していることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
発光層は、２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項３】
通信用のデータを出力する通信データ作成手段と；
通信データ作成手段から出力された通信データを点滅情報に変換して駆動信号を発生する送信手段と；
送信手段から発生する駆動信号の供給を受けて作動して点滅することで通信データを送信する請求項１または２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子と；
を具備していることを特徴とする可視光通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２９５５３（Ｐ２０１０−１２９５５３Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９０３４（Ｐ２００８−２９９０３４）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
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