JP2005108609A - 発光強度が磁場に依存する発光素子及び該素子を用いた磁場センサー - Google Patents

Abstract

【要約書】
【課題】 磁気エネルギーを直接光信号として計測可能とするものであり、ＥＬＤの発光輝度の磁場依存性を用いて、直接磁場強度を光信号に変換することで、単純な構造を持ち、安定性及び発光効率に優れ、安価な発光素子及び磁場センサーを提供する。
【解決手段】 アルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなり、正極、負極からそれぞれ電荷を注入することが可能であり、これにより発光層中で生成したホールと電子の結合により光を生成し、その発光強度が磁場に依存する発光素子及び透明基板上に形成した正極となる透明電極、該透明電極の上に形成したホール輸送層、ホール輸送層の上に形成したアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層、さらにその上に負極となる電極が形成されている発光強度が磁場に依存する発光素子を用いた磁場センサー。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＥＬＤ（エレクトロルミネッセンスデバイス）の発光輝度の磁場依存性を用いて、直接磁場強度を光信号に変換する発光素子及び磁場センサーに関するものである。

磁場センサーは、電磁誘導相互作用を利用したものと、磁電変換を利用したものに大別される。前者の例として、磁気ヘッド、差動トランス、タコジェネレータ、後者の例としてホール素子、ＭＲＥ素子(磁気抵抗効果素子)を挙げることができる。
一般的に電磁誘導型の磁気センサーは出力電圧が徴分的になり、磁力線の時間的変化量に出力が比例する。つまり、磁気エネルギーの時間的変化のない場合は、磁気を検出することができない。

これに対して、磁電変換型の磁気センサーは電流と磁気の相互間に生ずるローレンツ力(フレミングの左手三指の法則)を利用しており、静磁界での検出も可能である。いずれのセンサーも磁気エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
このため磁場信号を光信号に変換するには、磁場によって発生した電気信号を何らかな手法で光信号に変える必要があり、磁気センサー構造の複雑さやコストを上げる原因となっている。

従来まで類似の機能を持つ発明, つまり磁場を直接光信号に変換する手法として、アントラセンを用いた有機ＥＬ素子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
アントラセンを陰極と陽極で挟みホールと電子をアントラセン中に入れると、三重項励起子が発生する。電流密度が高まると三重項励起子の密度も高まり、励起子同士が再結合し一重項励起子が発生し、これが発光に寄与する。
磁場が存在するとこの三重項励起子から１重項励起子への転換速度が変化し、ＥＬ素子の発光強度が変化することが知られている。しかしながら、アントラセンを用いたＥＬは、燐光性の発光を伴いその寿命が数十msに及ぶことや、化学的安定性、低い発光効率が原因で、実用的なＥＬ素子としての応用にはいたっていない。
J. Chemical Physics, vol. 63, 4187

空間の磁場強度は、一旦、ホール電圧などの電気信号として測定された後、その信号を増幅して光信号化しており、このため複数のデバイスの組みあわせが必要となり、高コスト化につながっている。
本発明は、この点を改良し、磁気エネルギーを直接光信号として計測可能とするものであり、ＥＬＤの発光輝度の磁場依存性を用いて、直接磁場強度を光信号に変換することで、単純な構造を持ち、安定性及び発光効率に優れ、安価な発光素子及び磁場センサーを提供するものである。

１）アルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなり、正極、負極からそれぞれ電荷を注入することが可能であり、これにより発光層中で生成したホールと電子の結合により光を生成し、その発光強度が磁場に依存することを特徴とする発光素子、２）発光効率を高める色素のクマリンを発光素子にドーピングしたことを特徴とする１記載の発光素子、３）透明基板上に形成した正極となる透明電極、該透明電極の上に形成したホール輸送層、ホール輸送層の上に形成したアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層、さらにその上に負極となる電極が形成されていることを特徴とする発光強度が磁場に依存する発光素子を用いた磁場センサー、４）発光層に発光効率を高める色素がドーピングされていることを特徴とする３記載の磁場センサー、５）発光層に発光効率を高める色素がドーピングされているアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層上に、さらに色素がドーピングされていないアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層が形成されていることを特徴とする４記載の磁場センサー、６）色素がクマリンであることを特徴とする４又は５記載の磁場センサー、を提供する。

本発明の発光素子により、発光輝度の磁場依存性を用いて、磁場強度を光信号に直接変換することが可能となり、これにより、単純な構造を持ち、安定性及び発光効率に優れ、かつ安価な磁場センサーを提供することができるという優れた効果を有する。

本発明における磁場センサー（有機ＥＬＤ）の基本構造を図１に示す。有機ELDにおいては基板上に形成された厚さ数百〜数千オングストロングの有機発光層薄膜を一対の電極が対向して挟む構造をとっており、その電極の一方から電子を、他方から正孔を注入して、有機発光層内部で電子と正孔が再結合した時に光が発生する機構となっている。
最近、アルミキノリノール錯体をフラットパネルディスプレイに用いられるようになったが、このアルミキノリノール錯体を発光層に含む蛍光材料を用いたＥＬ素子においては、磁場に依存した発光強度の変化が起こることは全く知られていなかった。

本発明らは、アルミキノリノール錯体（代表例は、Ａｌｑ３）を含む有機物が、発光輝度の磁場依存性があることを知見し、これを用いることにより磁場強度を光信号に直接変換することで、単純な構造を持ち、安価な磁場センサーを製造することができるとの確証を得た。

本発明の有機ＥＬＤにおいては、まずガラス等の透明基板上に、ＩＴＯ（＝Indium tin oxide, Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）やＩＺＯ（＝Indium zinc oxide, Ｉｎ_２Ｏ_３−ＺｎＯ_２）等の透明電極を正極として形成する。
次に、正極の上に有機発光層を一様に形成する。ここにいう有機発光層には、純然たる電子と正孔の再結合による光発生層以外に、発生した光を受けて二次的な蛍光を発生する層や、電子輸送層，正孔輸送層，電子注入層，正孔注入層，正孔阻止層，電子阻止層等の既に知られている各種機能層を一括して、ここでは有機発光層と呼ぶことにする。

従って、そこに含まれる化合物や層の数、種類等は適宜選択することができる。本発明は、これらを全て含むものである。
本発明においては、上記の通り発光層中にアルミキノリノール錯体の有機物を含むが、有機発光層内部の構成又はその他の一般的な磁場センサーとしての素子基本構造については、特に説明を要しないために省略する。
次に、その上に金属（例えばアルミニウム）膜の層を陰極として形成する。

このように形成された有機ＥＬＤ素子の有機層内部では、一重項励起子と三重項励起子が存在し、一重項励起子の一部は蛍光となって外部に光信号を送ることになる。
アルミキノリノール錯体等を用いたＥＬＤにおいては、工業的応用においてはアモルファス膜が利用されること、蛍光が発光の殆どを占めると従来まで考えられていため、上記のように磁場に依存した発光強度変化をすることは知られてはいなかった。
しかしながら、本発明では、アルミキノリノール錯体を用いたＥＬＤにおいては、磁場の存在により発光強度が変化し、磁場センサーとして利用可能であることを示すものである。

有機ＥＬＤにおいては外部への光取り出し効率を高めるために、濃度消光を防ぐ色素を発光層中にドープされているが、アルミキノリノール錯体を用いたＥＬＤにおいても同様に、クマリン、ルブレン、スクアリリウムなどが有効である。
本発明のアルミキノリノール錯体を用いたＥＬＤを磁場センサーとして利用する場合には、クマリンを色素として１０Ｖｏｌ％以下、特に１〜５Ｖｏｌ％程度含有させることが好ましい。

次に、実施例について説明する。なお、以下に示す実施例については、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想の基づく改変又は他の実施態様は、全て本発明に含まれるものである。

図２に示す素子構成の有機ＥＬＤを作成した。作成プロセル条件、手順を以下に示す。まず、ガラス基板上に１００ｎｍのＩＴＯをスパッタリング法にて形成した。
この際、ＩＴＯの抵抗値下げるため、Ａｒ＝９７ｓｃｃｍ、Ｏ_２＝３ｓｃｃｍの流量とし、Ｓｎが６原子パーセント入ったＩｎ_２Ｏ_３ターゲットを用いて、基板温度３００°ＣでＤＣスパッタにより作成した。
この上に、以下の有機層、負極電極層を１０^−４Ｐａ程度まで真空度を高めた真空チャンバー内で抵抗加熱によって真空蒸着した。
有機層はホール輸送性のあるα―ＮＰＤ（Ｎ，Ｎ′−ｄｉ−（α−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ，Ｎ′−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−１，１′−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４，４′−ｄｉａｍｉｎｅ）を８０ｎｍ、発光特性と電子輸送特性を有するＡｌｑ３、６０ｎｍからなる。その上に、金属電極層として、１００ｎｍのＡｌを成膜した。

実施例１と同様な方法で、ＩＴＯ層、ホール輸送層（α―ＮＰＤ）をガラス基板上に形成した後、クマリン（Ｃ５４５Ｔ）が４Ｖｏｌ％程度含まれるＡｌｑ３層を膜厚３０ｎｍ、発光層として形成した。
具体的には、１０^−４Ｐａ程度まで真空度を高めた真空蒸着装置内で、クマリン（Ｃ５４５Ｔ）とＡｌｑ３の入ったそれぞれのボートを同時に加熱することで、前記のクマリン（Ｃ５４５Ｔ）が４Ｖｏｌ％程度含まれるＡｌｑ３層を作成した。
その上に、純粋なＡｌｑ３層を膜厚３０ｎｍ、電子輸送層として形成した。その上に、金属電極層として、１００ｎｍのＡｌを成膜した。

次に、上記実施例１と２で作成した有機ＥＬＤ素子の発光効率の磁場依存性を評価した。素子の劣化の原因として酸素や水が問題なので、その要因を除くため真空チャンバーから取り出し後、乾燥窒素で満たされたグローブボックス内で、ガラスカバーによる封止を行った。
ガラスカバーとガラス基板の接着には、紫外線効果樹脂を用いた。

ＩＴＯ側を正極にＡｌ側を負極にして電圧を印加し、輝度の測定を行った。実施例１で作成した有機ＥＬＤ素子については、一定の電流量（１２５０ｍＡ／ｃｍ^２）を流し、その輝度の磁場依存性を測定した。
磁場強度は０ガウスから５００ガウスまで変化させた。磁場が０ガウスの時の輝度を基準にした磁場による輝度の変化を図３に示す。
１００ガウス程度の磁場強度で発光輝度の変化量は飽和し、２％程度の輝度変化が磁場によって起こることがわかる。

実施例２についても実施例１と同様な測定を行った。但し、電流量は、２５ｍＡ／ｃｍ^２と１２５ｍＡ/ ｃｍ^２とした。
図５に輝度の磁場依存性を示す。１００ガウス程度の磁場強度で、４％程度の輝度変化が起きていることがわかる。

以上の実施例からわかるように、本発明内で例示される有機ＬＥＤ素子は、磁場によってその発光強度を変化させ、磁場センサーとして応用できることがわかる。
なお本発明の結果から、アルミキノリノール錯体以外にも蛍光性材料である錯体など磁場依存性が存在し、早い緩和過程を持つ燐光材料を使用することができる。

本発明の発光素子により、発光輝度の磁場依存性を用いて、磁場強度を光信号に直接変換することが可能となり、これにより、単純な構造を持ち、安定性及び発光効率に優れ、かつ安価な磁場センサーとして有用である。

有機発光素子の基本構造を示す図である。 実施例１における発光素子の説明図である。 実施例１における発光素子の磁場依存性を示すグラフである。 実施例２における発光素子の磁場依存性を示すグラフである。

Claims (6)

1. アルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなり、正極、負極からそれぞれ電荷を注入することが可能であり、これにより発光層中で生成したホールと電子の結合により光を生成し、その発光強度が磁場に依存することを特徴とする発光素子。
2. 発光効率を高める色素のクマリンを発光素子にドーピングしたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 透明基板上に形成した正極となる透明電極、該透明電極の上に形成したホール輸送層、ホール輸送層の上に形成したアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層、さらにその上に負極となる電極が形成されていることを特徴とする発光強度が磁場に依存する発光素子を用いた磁場センサー。
4. 発光層に発光効率を高める色素がドーピングされていることを特徴とする請求項３記載の磁場センサー。
5. 発光層に発光効率を高める色素がドーピングされているアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層上に、さらに色素がドーピングされていないアルミキノリノール錯体又はこれを含む有機物からなる発光層が形成されていることを特徴とする請求項４記載の磁場センサー。
6. 色素がクマリンであることを特徴とする請求項４又は５記載の磁場センサー。
   

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