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有機エレクトロルミネッセンス素子及び光配線モジュール
説明

有機エレクトロルミネッセンス素子及び光配線モジュール

【課題】光配線モジュール等の光通信用途の発光素子として利用可能な高い応答速度を持った有機EL素子の提供。
【解決手段】発光層がDPVBi、PBD、DSB、BCzVBiからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が3.0ns以下であ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。発光層がDPVBi、PBD、DSBからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が0.6ns以下であ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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子と記す。)に関し、特に、応答機能を向上せしめ、光通信機能を持たせた有機EL素子、及び該有機EL素子を発光素子として用いた光配線モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
有機EL素子は、透明なガラス基板又は透明な樹脂基板の表面に、第1電極層(陽極)、発光層を含む有機層、第2電極層(陰極)が順に積層された基本構造を有する。
有機EL素子は、コントラスト比が高い、視野角が広い、薄型化が可能であるといった特徴を有しており、ディスプレイなどの分野に応用され始めている。また、有機EL素子を利用したディスプレイでは、駆動用のトランジスタ回路上に発光部を形成するために、通常の素子構造ではトランジスタ部分で発光した光が吸収もしくは散乱されてしまい、外部への取り出し効率が悪化するという問題がある。この問題を解決するために、ガラス基板上に陰極、有機層、陽極の順番に積層されたトップエミッション構造と呼ばれる構造も検討されている。
【0003】
第1電極層(陽極)は、ITO(スズ添加酸化インジウム)に代表される透明導電材料から形成される。有機層は、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層などの複数増から構成される。第2電極層(陰極)は、Mg:Ag、Al、Caなどの金属材料で構成される。
【0004】
これまで有機EL素子は、多くの研究機関で研究開発が進められており、その発光特性(発光効率、最大輝度、消費電力)は飛躍的に向上してきている。例えば、従来の蛍光材料よりも発光効率の高い燐光材料、低い仕事関数を有する陰極材料、電子と正孔のキャリアバランスの最適化など、多くの研究開発が行われている。また、低コスト化が実現可能な製造方法として、従来の真空蒸着法だけではなく、スクリーン印刷やグラビア印刷、インクジェット印刷法などを用いた脱真空プロセスが検討されている。
【0005】
一方、この有機EL素子の新しい応用として、光配線モジュール用の光源が期待されている。光配線モジュールは、光ファイバやポリマー光導波路の両端に発光素子や受光素子を実装した構造を有しており、発光素子を用いて電気信号を光信号に変換し、この光信号を光ファイバやポリマー光導波路を通して受光素子に送る。最後に、受光素子で光信号を電気信号に変換して通信を行っている。
【0006】
従来、有機EL素子を用いた光配線モジュールとして、例えば、特許文献1,2に開示された技術が提案されている。これらの特許文献1,2に開示された従来技術を用いると、光ファイバやポリマー光導波路に光を伝送するための発光素子として有機EL素子を利用できる。また、有機EL素子は蒸着などの方法を用いて、耐熱性がそれほど高くないポリマー光導波路が形成された基板上に直接形成できるので、複雑な光軸調整や光導波路端面の加工を必要とせず、簡単に光導波路と有機EL素子を結合できるという利点がある。
さらに、光導波路や有機EL素子を一体形成してモノシリックに集積することも可能であり、光配線モジュールの実装工程を大幅に短縮でき、低コスト化を実現できる。
【0007】
また従来、有機EL素子の応答速度を向上させる方法として、例えば、特許文献3〜5に開示された技術が提案されている。特許文献3に開示された方法では、有機EL素子の静電容量を小さくすることで有機EL素子の応答速度を向上させることができる。また、特許文献4では、バイアス電圧とパルス電圧を重畳した電圧を印加して、100MHzの応答速度を実現している。さらに、特許文献5では、発光層の隣に正孔障壁層や電子注入層を設けて応答速度の向上を実現している。
【特許文献1】特開2003−149541号公報
【特許文献2】特開2003−14995号公報
【特許文献3】特開平5−29080号公報
【特許文献4】特開2003−243157号公報
【特許文献5】特開2002−313553号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献3〜5に開示された従来技術では、有機EL素子の応答速度をある程度向上させることはできるが、光配線モジュールに適用させるためには未だ応答速度が不十分である。光通信用途の場合、実用的な応答速度は、遮断周波数で100MHz以上の応答速度が必要であり、これらの特許文献に記載された方法では、その応答速度を得ることは困難である。従って、光配線用途に適用させるために、100MHz以上の応答速度を持つ有機EL素子の提供が要求されている。
【0009】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、光配線モジュール等の光通信用途の発光素子として利用可能な高い応答速度を持った有機EL素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記目的を達成するため、本発明は、発光層がDPVBi、PBD、DSB、BCzVBiからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が3.0ns以下であることを特徴とする有機EL素子を提供する。
【0011】
また本発明は、発光層がDPVBi、PBD、DSBからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が0.6ns以下であることを特徴とする有機EL素子を提供する。
【0012】
本発明の有機EL素子において、発光層がホスト材料とゲスト材料とを混合した材料からなり、発光層の蛍光寿命が3.0ns以下であることが好ましい。
【0013】
本発明の有機EL素子において、発光層のホスト材料がCBP又はPBDであることが好ましい。
【0014】
本発明の有機EL素子において、発光層のゲスト材料がDSB,DPVBi,BCzVBi、Pelyreneからなる群から選択される1種又は2種以上であることが好ましい。
【0015】
また、本発明は、前述した本発明に係る有機EL素子を発光素子として用いたことを特徴とする光配線モジュールを提供する。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、蛍光寿命の短い発光層材料を用いることで、有機EL素子の応答速度を向上させることができる。
また、2つ以上の有機材料を混合させた発光層を用いることで、出力光強度も向上できるので、高出力かつ高速応答可能な有機EL素子を実現できる。
また、本発明の光配線モジュールは、高速応答が可能な本発明の有機EL素子を発光素子として用いたものなので、耐熱性がそれほど高くないポリマー光導波路が形成された基板上に直接形成できるので、複雑な光軸調整や光導波路端面の加工を必要とせず、簡単に光導波路と有機EL素子を結合できる。さらに、光導波路や有機EL素子を一体形成してモノシリックに集積することも可能であり、光配線モジュールの実装工程を大幅に短縮でき、低コスト化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明の有機EL素子の一実施形態は、発光層がDPVBi、PBD、DSBからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が2.5ns以下であることを特徴とする。
【0018】
本発明の有機EL素子の他の実施形態は、発光層がホスト材料とゲスト材料とを混合した材料からなり、発光層の蛍光寿命が2.5ns以下であることを特徴とする。
本実施形態において、発光層のホスト材料は、CBP又はPBDであることが好ましい。また発光層のゲスト材料は、DSB,BCzVBi、Pelyreneからなる群から選択される1種又は2種以上であることが好ましい。
【0019】
本発明の有機EL素子は、発光層の材料が前記各実施形態に記載した特徴を有していれば良く、他の構成要素は特に限定されず、従来周知の有機EL素子と同等の構成とすることができる。例えば、本発明の有機EL素子は、ガラス基板や透明樹脂基板などの透明基板上に、ITO等の透明導電材料からなる第1電極層(陰極)、発光層を含む有機層、金属薄膜からなる第2電極層(陽極)を順に積層した基本構成とすることができ、またはガラス基板上に陰極、有機層、陽極の順番に積層されたトップエミッション構造とすることもできる。
【0020】
有機EL素子の応答速度には、素子の時定数や電極からのキャリア移動時間などが影響を与えるが、後述する実施例において詳述した通り、本発明によって、蛍光寿命の大きさと有機EL素子の応答速度に関する関係が初めて明らかにされた。そこで、実施例1では、蛍光寿命だけの影響を直接評価することで、具体的に100MHz以上の遮断周波数を実現するために必要な蛍光寿命の値を見積もった。
【0021】
[実施例1]
ここでは、有機発光層の蛍光寿命と有機EL素子の応答速度の関係を直接調べるために、ストリークカメラを用いた蛍光寿命の測定結果と有機発光材料を青色レーザで励起した時の蛍光強度の周波数依存性を測定した結果を比較して、遮断周波50MHzおよび100MHzを実現するために必要な蛍光寿命の値を評価した。
【0022】
具体的に有機薄膜の蛍光寿命を本発明方法で測定した結果を示す。ガラス基板上に1,4−ビス[2−[4−[N,N−ジ(p−トリル)アミノ]フェニル]ビニル]ベンゼン(DSB)、トリス(8−ヒドロキシキノリン)アルミニウム(Alq)、4−(ジシアノメチレン)2−メチル−6−(ユロリジン−4−イル−ビニル)−4H−ピル(DCM2)ドープのAlq、5,6,11,12−テトラフェニル−テトラセン(rubrene)を0.5質量%ドープしたAlqの4種類の有機薄膜をそれぞれ100nmの膜厚で蒸着した。
【0023】
蛍光寿命測定装置の構成図を図1に示す。図1中、符号1は有機薄膜、2はガラス基板、3は半導体レーザ、4はレーザ光、5は蛍光、6はフォトダイオード、7はオシロスコープ、8はシグナルジェネレータである。中心波長405nmの半導体レーザにシグナルジェネレータ(KENWOOD社製の商品名SG−7200)を用いて正弦波電圧を印加した。そのため強度が時間的に変調された光が発生した。その強度変調された光を有機薄膜に照射して蛍光を発生させた。発生した蛍光をフォトディテクタ(浜松フォトニクス社製の商品名S−5343)で電気信号とし、オシロスコープ(横川電気社製の商品名DL1740)で強度を測定した。ここで、シグナルジェネレータで発生させる正弦波電圧の周波数を変化させて、それぞれの周波数に対する蛍光強度を計測した。
【0024】
図2に、DSB薄膜の蛍光強度の周波数依存性を示す。ここでは変調周波数を1MHzから200MHzの範囲で変化させた。ここで、縦軸(蛍光強度)と横軸(周波数)は、それぞれ対数で表示している。また、蛍光強度が50%の値になる周波数を遮断周波数として求めた。DSB薄膜の場合、遮断周波数は160MHzとなった。さらに同じ測定対象物を、ストリークカメラ(浜松フォトニクス社製の商品名FESCA−200)で蛍光寿命を測定したところ、2nsという結果になった。つまり、遮断周波数160MHzは、蛍光寿命2nsに対応することが分かる。
【0025】
また、図3に前記4種類の薄膜の遮断周波数と蛍光寿命の関係を示す。ここで、蛍光寿命の値は、ストリークカメラ(浜松フォトニクス社製の商品名FESCA−200)を用いて測定した結果である。蛍光寿命と遮断周波数の間には、明確な関係があり、この図3の結果を元に遮断周波数から蛍光寿命を見積もることができる。この結果から、50MHzおよび100MHz以上の高い応答速度を実現するためには、それぞれ3.0nsおよび0.6ns以下の蛍光寿命が必要であることが分かる。
【0026】
[実施例2]
Alq、DSB、4,4’−ビス(9−エチル−3−カルバゾビニレン)−1,1’−ビフェニル(BCzVBi)、4,4−ビス(2,2−ジトリルビニル)ビフェニル(DPVBi)、Perylene、4,4’−ビス(9−ジカルバゾリル)−2,2’−ビフェニル(CBP)、2−(4−tert−ブチルフェニル)−5−(4−ビフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール(PBD)、3−(2−Benzothiazolyl)−N,N−diethylumbelliferylamine(coumarin 6)、4−(Dicyanomethylene)2−methyl−6−(julolidin−4−yl−vinyl)−4H−pyran(DCM2)、5,6,11,12−tetraphenyltetracene(rubrene)、2−(4−tert−butylphenyl)−5−(4−biphenylyl)−1,3,4−oxadiazole(PBD)、4,7−Diphenyl−1,10−phenanthroline(BPhen)、Bis−(2−methyl−8−quinolinolate)−4−(phenylphenolate)aluminum(BAlq)、4,4’−bis[N−(1−napthyl)−N−phenyl−amino]−biphenyl(α−NPD)をそれぞれ抵抗線加熱の蒸着機を用いて100nmの膜厚で蒸着した。
【0027】
作製した薄膜の蛍光寿命をストリークカメラ法で測定し、結果を表1に示す。蛍光寿命の測定には、Ti:サファイアレーザの第二次高調波を励起光として利用しており、励起光の波長は380nmとした。励起光を有機薄膜に照射し、発生した蛍光をストリークカメラ(浜松フォトニクス社製の商品名FESCA−200)で受光して、蛍光強度の時間変化から蛍光寿命を見積もった。
【0028】
【表1】

【0029】
表1の結果から、DSB、BCzVBi、PBD、DPVBiの4種類の材料において蛍光寿命3.0nm以下を実現した。また、DSB、BCzVBi、DPVBiの3種類の材料において蛍光寿命0.6nm以下を実現した。
【0030】
[実施例3]
表2に、rubreneドープAlq、DSBドープCBP、BCzVBiドープCBP、DPVBiドープCBP、BCzVBiドープPBD、PeryleneドープPBD、DSBドープAlq、BCzVBiドープAlq、DPVBiドープAlq、PeryleneドープAlq、DSBドープPBD、DPVBiドープPBDの有機薄膜における蛍光寿命の測定結果を示す。ここでドーパント(rubrene、DSB、BCzVBi、DPVBi、Perylene)の濃度は、すべてのサンプルにおいて0.5質量%とした。
【0031】
【表2】

【0032】
表2の結果から、2つの材料を混合(ドープ)した場合、DSBドープCBP、BCzVBiドープCBP,DPVBiドープCBP、BCzVBiドープPBD、PeryleneドープPBDという5種類の材料の組み合わせにおいて蛍光寿命3.0ns以下を実現した。ここで、2つの材料を混合(ドープ)した場合には、濃度消光による蛍光寿命が長くなることを抑えることができ、その結果として短い蛍光寿命を実現したと考えられる。さらに、この濃度消光を抑えることで、発光効率などの他の特性も向上することが知られており、通信用の有機EL素子として適した構造であると言える。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】実施例1で用いた蛍光寿命測定装置の構成図である。
【図2】実施例1の結果のうち、DSB薄膜の蛍光強度の周波数依存性を示すグラフである。
【図3】実施例1での結果のうち、4種類の薄膜の遮断周波数と蛍光寿命の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0034】
1…有機薄膜、2…ガラス基板、3…半導体レーザ、4…レーザ光、5…蛍光、6…フォトダイオード、7…オシロスコープ、8…シグナルジェネレータ。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光層がDPVBi、PBD、DSB、BCzVBiからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が3.0ns以下であ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】
発光層がDPVBi、PBD、DSBからなる群から選択される1種又は2種以上を含む材料からなり、発光層の蛍光寿命が0.6ns以下であ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3】
発光層がホスト材料とゲスト材料とを混合した材料からなり、発光層の蛍光寿命が3.0ns以下であ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4】
発光層のホスト材料がCBP又はPBDであることを特徴とする請求項3に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項5】
発光層のゲスト材料がDSB,DPVBi,BCzVBi、Pelyreneからなる群から選択される1種又は2種以上であることを特徴とする請求項3又は4に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項6】
請求項1〜4のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を発光素子として用いたことを特徴とする光配線モジュール。



【図1】
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【図2】
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【図3】
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