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有機デバイス

薄くて曲がるシンプルな構造の光デバイス

技術概要

半導体デバイスはシリコンに代表されるような無機固体材料によって構成されているものが一般的ですが、近年有機材料を半導体として用いたデバイスが注目を集めています。有機半導体材料は印刷や蒸着といったシンプルなプロセスで成膜することが可能であり、0.1ミクロンオーダーの薄膜で機能するため、フィルムや極薄ガラス上に素子形成を行うことで、薄い、軽い、曲げられるといった自由度の高いデバイスを実現することが可能です。

当社では、センサとして用いる有機受光素子(organic photodiode: OPD)および光源として用いる有機発光素子(organic light-emitting diode: OLED)といった光学デバイスの研究を行っています。

図1. 有機半導体デバイス

図1. 有機半導体デバイス

図2. OPDおよびOLEDの動作原理

図2. OPDおよびOLEDの動作原理

有機デバイスの基本的な構造は、受光、発光いずれのデバイスも有機半導体材料を電極で挟み込んだサンドイッチ構造となっています。OPDの場合は電子供与性(ドナー型)、電子受容性(アクセプター型)の2種の有機分子が含まれており、それらの分子に光が吸収された後、ドナー-アクセプター分子界面に励起状態が移動することで電荷分離が誘起されます。その後、生成したホールと電子がそれぞれの電極に捕集されることで電流が発生し、シグナルとして検出されます。本来有機材料は絶縁体に近い特性を持っていますが、薄膜化することで半導体としての機能させています。そのため素子の垂直方向に対しては導電可能である一方で、水平方向に対しては高抵抗となります。つまり、一般的な無機半導体を用いた受光デバイスと比較して、電気的なクロストークが本質的に起こりにくいデバイスであるということが言えます。さらに光吸収係数が非常に高いために、0.1ミクロンという薄膜でも高い光電変換効率を得ることができ、これも薄膜デバイスとしての性能を支持する特長となっています。

一方、OLEDの場合は、電極から有機層に向かってホールと電子がそれぞれ注入され、内部の発光性有機分子内においてキャリア再結合することで発光が観測されます。一般的にOLEDでは透明電極を用いるため、面発光源であるという特長を有しています。そのため広いエリアにおいて均一な光を出すことが可能であり、できるだけ強度分布の小さい光源を使いたいといったニーズに応えることが可能です。また、発光面において任意のパターンを形成するのも容易であるため、自由度の高いデザインが可能となります。

応用先(実現する未来)

当社で開発したフレキシブルOPDは近赤外領域に受光感度を有しており、生体センシング用デバイスへの応用を目指しています。この波長帯は水やヘモグロビンといった生体を構成する要素の吸収が小さく、光の振る舞いとしては散乱現象が支配的となるため「生体の窓」と呼ばれ、生体内の多くの情報を得ることが可能です。そのセンサ部にフレキシブルOPDを用いることで、装着感のない、生体にフィットする新しいデバイスが創製できると考えています。

有機デバイス

図3(a)フレキシブルOPD

図1. 有機半導体デバイス

図3(b)受光感度

図4. 生体の光学的窓

図4. 生体の光学的窓

発光素子に関しては、センチメートルオーダーという大面積かつ任意のパターンで発光する近赤外OLEDが得られており、分析用の光源や暗視野用の照明としての応用を目指しています。当社製の近赤外OLEDはmWオーダーの発光出力に加え、優れた駆動耐久性を有していることを特長としており※、面発光源としての特長を活かすことによって、対象物を均一に照射する新しい光源を提供可能と考えています。

■大面積OLEDの近赤外カメラ像

図5. (b)発光スペクトル

図5. 大面積OLEDの発光スペクトル

図6(a)一般的なLED

図6(a)一般的なLED

図6. (b)面発光OLED

図6(b)面発光OLED

※参考文献:T. Yamanaka, H. Nakanotani, S. Hara, T. Hirohata, C. Adachi, “Near-infrared organic light-emitting diodes for biosensing with high operating stability,” Appl. Phys. Express 10, 074101 (2017).

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