有機EL照明の原理とアプリケーション - LED照明/有機EL照明分野の動向

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有機EL照明の原理とアプリケーション

現在LED照明と並んで次世代高効率照明として期待されているのが有機EL照明である。有機ELは電流を流すことで有機化合物からの発光が得られる固体発光デバイスであり、高発光効率、低動作電圧、水銀フリーといった特長を持つことはよく知られているが、さらに照明用光源としては、点光源ではなく均一な輝度を持つ、厚さ数ミリの薄い面光源であることが重要な利点となる。近年、有機EL の材料およびデバイスの進化は目覚しく、効率や寿命の点では既存の光源と同等レベルにまで達しつつあり、とくに白色有機EL は照明用途への適用が期待されている。

ELとは、エレクトロ・ルミネセンス(電界発光)のことであり、有機EL照明は、電気を流すと光る性質をもった有機物質(発光体)を使った照明である。有機EL(OLED)は、有機物質自体が発光するためデバイスを軽量かつ薄くすることができるほか、プラスチックや紙などの曲げられる素材の上に貼って自由な形状を得ることができる。また、発光材料を平面状に塗るなどして面状に発光することができるため、有機ELを壁や天井一面に用いて照明に利用することも可能である。

有機ELは基板上に薄い膜を重ねた構造になっていて、2枚の電極に有機物を挟んでガラスやプラスチックの基板に載せただけの薄くシンプルな構成である。有機物は3層から構成されているものが一般的であり、中央の発光層を挟んで、プラスとマイナスそれぞれの電極と接する輸送層を持ち、輸送層は、電極から発光層へ向かう電荷をスムーズに運ぶ働きをする。

有機ELに電圧をかけると、2つの電極からそれぞれプラスとマイナスの電荷を持つ「正孔」、「電子」が発生する。両者が発光層で結合すると、発光層である有機物はいったん「励起」と呼ばれる高エネルギー状態になり、これが元の安定状態に戻る際に発光する。

有機物の分子構造の組み合わせは無限であり、その中から発行効率と耐久性を兼ね備えた有機物を見つけることが実用化への決め手になる。有機EL に用いられる発光材料は、発光機構の違いから蛍光発光材料と燐光発光材料に分けられる。電流により生成される励起子には一重項励起子と三重項励起子があり、蛍光発光材料を用いた場合は一重項励起子が、燐光発光材料を用いた場合は三重項励起子が発光に寄与する。原理的に一重項励起子と三重項励起子の生成確率は1:3 であり、高効率有機EL の実現には燐光発光材料を用いることが有効である。発光効率が高い「リン光」物質では10億回の繰り返し発光などに耐えうる有機物を合成し、蛍光灯以上の発光効率、寿命を長くできる耐久性、輝度が最低1000cd程度である有機ELの開発が実用化の鍵となる。燐光発光の寿命特性に関しても、緑色燐光発光デバイスや赤色燐光発光デバイスにおいては、初期輝度1000 cd/ m2での輝度半減寿命が20 万時間以上という照明用途にも適用可能なレベルまで到達してきている。これに対して青色燐光デバイスは蛍光発光デバイスよりも高効率化が期待できるが、寿命特性については初期輝度500 cd/ m2 での輝度半減寿命は約1 万時間程度に留まっており、まだ課題が残る。

さらに、有機EL を照明光源として実用化するためには、効率と寿命をより高いレベルで両立することだけではなく、照明光源として要求される特性、たとえば演色性を向上して対象物の色調を正しく再現できることや、光束を増大してより対象物を明るく照らせることなどを満たす必要がある。

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