JP3650731B2 - 光電流増倍型感光体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機光エレクトロニクスデバイスに関し、特に、金属基板上に光導電性有機半導体を含む感光体層を有する感光体素子と、その感光体層の表面を帯電する帯電器とを備え、感光体層の表面に帯電した電荷を光生成電荷で打ち消す感光体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、金属基板上に、光照射によって電荷を発生する光導電性有機半導体材料と、発生した電荷を輸送するための電荷輸送材料を塗布することによって構成した、光照射によって直接生成する光電荷を用いて表面帯電を打ち消す有機感光体装置が実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電荷発生材料と電荷輸送材料からなる有機感光体装置においては、電荷発生材料が入射フォトンで励起されることによって生成した電荷を用いるため、原理的に、その光電荷量子収率は１００％を越えることはない、すなわち、入射フォトン数以上の表面電荷を打ち消すことはできない。
そこで、本発明の目的は、より少ない光照射量で表面電荷を打ち消すことができるような高感度な感光体装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光生成キャリアを引き金にして金属基板からの大量の電荷注入を引き起こすことができる光電流増倍現象を感光プロセスに応用することにより高感度化を図るものである。
すなわち、本発明の感光体装置においては、金属基板と接する感光体層は光導電性有機半導体（閉殻構造を有するクラスター状炭素を除く。）を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜からなる光電流増倍層を備えている。そして、感光体層の厚さと帯電器による帯電電荷量は、金属基板から感光体層に光誘起電荷が注入されて光電流増倍現象が起きるのに必要な電界が感光体層に印加されるように設定する。光導電性有機半導体とは、光が照射されない状態では絶縁性であり、光照射により導電性になる有機化合物である。
【０００５】
この構成により、光照射によって生成した電荷が感光体層と金属基板との界面に蓄積して高電界を形成することにより、金属基板から大量の電荷が注入される光電流増倍現象が引き起こされる。そして、注入された電荷が感光体層中を移動して表面電荷を打ち消すことにより、照射フォトン数以上の表面電荷を打ち消すことが可能になり、従来の感光体装置における原理的な限界を越える高感度化を達成することが可能になる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の感光体装置の一実施形態において、光電流増倍層と電荷輸送層を積層した感光体素子を概略的に示した断面図である。
１は金属基板で、特に限定されないが、アルミニウム、銅など、比較的酸化されにくく、安価に大面積基板を得られるものが好ましい。２は光導電性有機半導体を含む光電流増倍層であり、光電流増倍現象を示す。光電流増倍層２としては、光導電性有機半導体を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜を用いる。３は光電流増倍層２で光生成した電荷（電子又は正孔）、及び基板１から光電流増倍層２に注入された電荷を輸送するための電荷輸送層である。電荷輸送層３は真空蒸着膜又は樹脂分散膜とすることができる。
４はこの感光体素子を感光させるために、基板１と反対側から照射する光である。
【０００７】
光電流増倍層２や電荷輸送層３を樹脂分散膜とする場合は、バーコート法（基板上に塗布した分散液を、溝のついた金属棒によって薄く引き延ばすことによって、大面積の均一な膜を形成する方法）又はスピンコート法によって成膜することができる。
【０００８】
感光特性の評価は、本素子の表面にコロナ帯電で正または負の電荷を帯電させ、光を照射することによって表面電位が減衰する様子を測定する表面電位光減衰測定装置を用いて行なう。電荷の正負は、帯電器に印加する電圧の極性によって決める。
【０００９】
光電流増倍層２に用いる光導電性有機半導体としては、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシ3,4:9,10−ビス（メチルイミド）（図２に記号５として示されたもの）などのペリレン系顔料の他に、銅フタロシアニン（図２に記号６として示されたもの）などのフタロシアニン系顔料、ナフタレンテトラカルボン酸無水物（図２に記号７として示されたもの）などのナフタレン誘導体、2,9-ジメチルキナクリドン（図２に記号８として示されたもの）などのキナクリドン系顔料、ペンタセン（図２に記号９として示されたもの）およびその誘導体などの有機半導体を挙げることができる。
【００１０】
光電流増倍層２として有機半導体を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜とする場合には、その樹脂としては、ポリカーボネート（図２に記号１０として示されたもの）の他に、ポリビニルブチラール（図２に記号１１として示されたもの）などの汎用ポリマー、また、ポリビニルカルバゾール（図２に記号１２として示されたもの）、ポリシラン（図２に記号１３として示されたもの）などの導電性ポリマーを挙げることができる。
【００１１】
光電流増倍層２を樹脂分散有機半導体膜とする場合には、樹脂分散有機半導体膜における光導電性有機半導体の濃度は３０重量％以上が好ましい。その濃度が３０重量％より少なくなると膜の導電性が低下するためにそれだけ光照射誘起電流が少なくなって、光電流増倍特性が低下してくる。
【００１２】
また、光電流増倍層２で光生成した電荷、あるいは基板１から光電流増倍層２に注入された電荷を輸送するための電荷輸送層３に用いる電荷輸送材としては、3,5−ジメチル−3,5−ジ三級ブチル−4,4−ジフェノキノン（図２に記号１４として示されたもの）などのジフェノキノン化合物の他に、２−（４−ビフェニル）−５−（４−三級ブチルフェニル）−1,3,4−オキサジアゾール（図２に記号１５として示されたもの）などのオキサジアゾール化合物、N,N−ジフェニル−N,N−ビス（４−メチルフェニル）−4,4−ジアミン（図２に記号１６として示されたもの）などのトリフェニルジアミン化合物、N,N,N,N−テトラ−（ｍ−トルイル）−ｍ−フェニレンジアミン（図２に記号１７として示されたもの）などのフェニレンジアミン化合物を挙げることができる。
【００１３】
電荷輸送層３もこれらの化合物の真空蒸着膜として使用することも、上に挙げたような樹脂に分散させた樹脂分散膜として使用することもできる。
光電流増倍層２と電荷輸送層３を積層した感光体素子においては、光電流増倍層２に照射光４が到達するようにするために、照射光４の波長として電荷輸送層３を透過して光電流増倍層２で吸収される波長を選ぶ必要がある。
【００１４】
感光体層の構造は図１の構成に限ったものではなく、光導電性有機半導体と電荷輸送材とを樹脂に分散させた単層の樹脂分散膜からなる光電流増倍層とすることもできる。光導電性有機半導体、電荷輸送材及び樹脂としては、上に例示したものを使用することができる。
感光体層の厚さは、帯電電荷量との関係で設定され、金属基板から光電流増倍層に光誘起電荷が注入されて光電流増倍現象が起こる値に設定されている。感光体素子が図１の場合、光電流増倍層２の膜厚としては１〜２μｍ、電荷輸送層３の膜厚としては２〜５μｍが適当である。感光体素子が単層の感光体層を備えている場合には、感光体層の厚さは図１の場合の光電流増倍層２と電荷輸送層３の合計膜厚が適当である。膜厚がこれよりも厚いと、電界強度が低くなるために光電流増倍特性が低下する。また、これよりも薄いと、膜が導通気味になり、充分な電荷を帯電させることが困難になる。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例）
一実施例として、感光体層が光導電性有機半導体と電荷輸送材とを樹脂に分散させた樹脂分散膜単層からなる光電流増倍層を備えた感光体素子（図１において、光電流増倍層２と電荷輸送層３に相当するものを単層の光電流増倍層とした感光体素子）における電子写真感光特性を示す。光電流増倍層は、光導電性有機半導体としてのペリレン顔料（図２に記号５として化学式が示されたもの）、電荷輸送材としてのジフェノキノン化合物（図２に記号１４として化学式が示されたもの）、及び樹脂としてのポリカーボネート（図２に記号１０として化学式が示されたもの）をＴＨＦ（テトラヒドロフラン）溶媒中で混合し、２日間ジルコニアビーズを用いてボールミルすることで調整した分散液を、アルミニウム基板上にバーコート法によって塗布し乾燥させることによって成膜した。乾燥後の光電流増倍層の膜厚は４.０μｍ、光電流増倍層中でのペリレン顔料の濃度は３３重量％、ジフェノキノン化合物の濃度は３３重量％であった。
【００１６】
このようにして作成した感光体素子に正電荷を帯電させて、ハロゲンランプからの光を干渉フィルターによって単色化した５７０ｎｍの光を照射したときの特性を図３に示す。
図３は光電荷量子収率の印加電界依存性を示したものである。横軸の印加電界は基板の電位を接地電位とし、帯電器によりこの素子を帯電させたときの表面電位を測定して、感光体層の膜厚で割算することにより求めた。縦軸の光電荷量子収率は、照射したフォトン数に対する、打ち消された表面電荷の数の比率として算出した。このとき、表面電荷の数は、感光体層を構成する有機膜を誘電率（ε）が３.５の誘電体とし、基板１と表面帯電電荷との間にコンデンサーが形成されていると考え、コンデンサーの印加電界と電荷量Ｑの関係を表す下記の式（１）を用いて、光照射による表面電位測定値Ｖの減衰量から求めた。
Ｑ＝ＣＶ （１）
Ｃはコンデンサーの容量で、Ｃ＝ε／ｄ（ｄは感光体層の膜厚）
【００１７】
図３から分かるように、量子収率は１４６Ｖ／μｍ以上の印加電界領域において１００％を越えている。１００％を越える量子収率は、光励起によって生成したキャリアが移動して表面の電荷を打ち消すとする従来の概念では説明不可能な現象であり、光電流増倍現象による、基板１からのキャリア注入が起こり、高感度化が達成されたものであると結論できる。
【００１８】
（比較例）
比較例として、図１に示されるように、光電流増倍層２と電荷輸送層３を積層した系における測定例について説明する。光電流増倍層２は、真空蒸着法によって作成したペリレン顔料（膜厚０.５μｍ）である。その上に、電荷輸送層３としてホール輸送性のトリフェニルジアミン化合物（図２に記号１６で示されたもの）とポリカーボネートをトルエン溶媒に溶かした液をバーコート法によって塗布し乾燥させることによって成膜した。乾燥後の電荷輸送層３の膜厚は５.０μｍ、トリフェニルジアミン化合物の濃度は５０重量％であった。
【００１９】
比較例では有機膜表面を負に帯電させて測定を行なった。実施例と同様の方法で、光電荷量子収率の印加電界依存性を算出したものを図４に示す。この場合の感光体層の膜厚は光電流増倍層２と電荷輸送層３の合計膜厚である。光電荷量子収率は帯電による電界強度の上昇とともに増大し、１００Ｖ／μｍの印加電界強度のときに１７３％に達した。
このように、光電流増倍層２としては、実施例に記載した樹脂分散膜を用いるよりも真空蒸着膜を用いた方が高い光電荷量子収率を達成できるが、機械的強度が劣る。
【００２０】
また、図３および図４に示した光電荷量子収率の印加電界依存性は、光電流増倍現象に特有の挙動を示している。通常の光生成キャリアの量子収率は、高電界側で飽和する傾向が見られるのに対し、本発明では印加電界の増加と共に加速度的に増加する傾向が見られた。これは、光電流増倍現象に特有の性質であり、膜質の改善等によって帯電による印加電界を大きくすることができれば、飛躍的な量子収率の向上が見込める。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の感光体装置は、感光体層として光導電性有機半導体を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜からなる光電流増倍層を備え、光導電性有機半導体を含む感光体層の厚さと帯電電荷量を、基板から感光体層に光誘起電荷が注入されて感光体層への入射フォトン数に対して１より大きい量子収率で感光体層の表面電荷を打ち消す光電流増倍現象が起こる値に設定して、基板からの光誘起電荷注入過程である光電流増倍現象を電子写真感光プロセスに適用するようにしたので、機械的強度に優れた感光体になるとともに、照射フォトン数以上の表面電荷を打ち消すことができるようになり高感度化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例における、光電流増倍層と電荷輸送層を積層した感光体素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】 本発明において用いられる有機材料の例を示す化学構造式である。
【図３】 一実施例において、光電流増倍層に電荷輸送材を添加した単層の樹脂分散膜による感光体層を備えた感光体装置における光電荷量子収率の測定結果を示すグラフである。
【図４】 比較例において、真空蒸着膜による光電流増倍層と樹脂分散膜による電荷輸送層を積層した感光体装置における光電荷量子収率の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ アルミニウム基板
２ 光電流増倍層
３ 電荷輸送層
４ 感光させるための光

Claims (6)

1. 金属基板上に感光体層を有する感光体素子と、前記感光体層の表面を帯電する帯電器とを備え、前記感光体層の表面に帯電した電荷を光生成電荷で打ち消す感光体装置において、
   前記感光体層は光導電性有機半導体（閉殻構造を有するクラスター状炭素を除く。）を樹脂に分散させた樹脂分散有機半導体膜からなる光電流増倍層を備え、
   前記感光体層の厚さと前記帯電器による帯電電荷量は、前記基板から前記感光体層に光誘起電荷が注入されて前記感光体層への入射フォトン数に対して１より大きい量子収率で前記感光体層の表面電荷を打ち消す光電流増倍現象が起きるのに必要な電界が前記感光体層に印加されるように設定されていることを特徴とする感光体装置。
2. 前記感光体層の厚さと前記帯電器による帯電電荷量は、前記感光体への印加電界が８０Ｖ／μｍ以上となるように設定されている請求項１に記載の感光体装置。
3. 前記感光体層は前記光電流増倍層に電荷輸送層が積層された２層からなる請求項１又は２に記載の感光体装置。
4. 前記感光体層は光導電性有機半導体と電荷輸送材とを樹脂に分散させた単層の光電流増倍層である請求項１又は２に記載の感光体装置。
5. 前記光導電性有機半導体はペリレン顔料、フタロシアニン顔料、キナクリドン顔料及びそれらの誘導体のいずれか、又はそれらの混合物である請求項１から４のいずれかに記載の感光体装置。
6. 前記樹脂はポリカーボネート、ポリビニルブチラール等の汎用ポリマー、又はポリビニルカルバゾール等の導電性ポリマーである請求項１から５のいずれかに記載の感光体装置。

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