WO2005060012A1 - 有機光‐光変換デバイス - Google Patents

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WO2005060012A1
WO2005060012A1 PCT/JP2004/018803 JP2004018803W WO2005060012A1 WO 2005060012 A1 WO2005060012 A1 WO 2005060012A1 JP 2004018803 W JP2004018803 W JP 2004018803W WO 2005060012 A1 WO2005060012 A1 WO 2005060012A1
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organic
organic semiconductor
conversion device
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Kenichi Nakayama
Masaaki Yokoyama
Masato Ueda
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Sumitomo Chemical Company, Limited
Kansai Technology Licensing Organization Co., Ltd.
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    • H10K85/40Organosilicon compounds, e.g. TIPS pentacene

Definitions

  • the present invention relates to an organic light-to-light conversion device.
  • a layer made of a photoconductive organic semiconductor is brought into contact with a conductive layer (a different material conductive layer) made of a material different from the photoconductive organic semiconductor (for example, a metal, an organic semiconductor, or an inorganic semiconductor).
  • a conductive layer a different material conductive layer
  • a material different from the photoconductive organic semiconductor for example, a metal, an organic semiconductor, or an inorganic semiconductor.
  • a light receiving section having a layer containing a photoconductive organic semiconductor (photocurrent multiplying layer) that causes a photocurrent multiplication phenomenon by light irradiation;
  • a light-emitting portion having a layer containing an organic electroluminescent organic semiconductor that emits light by current injection organic EL light-emitting layer
  • An organic light-light conversion device provided with is known.
  • the power to generate light from the light emitting part by irradiating the light receiving part with this light This light is amplified from the irradiated light, and its wavelength is the same as or different from the irradiated light.
  • Non-Patent Document 2 A device in which a light receiving portion having a layer containing a photoconductive organic semiconductor and a light emitting portion having a layer containing an electroluminescent organic semiconductor are integrated and laminated on the same substrate (Non-Patent Document 2); including a photoconductive organic semiconductor A device having a light receiving section having a layer and a light emitting section having a layer containing the organic electroluminescent element, which is mounted on the same substrate at a position different from the light receiving section (Non-Patent Document 3)
  • the photoconductive organic semiconductor and the electroluminescent organic semiconductor used in the photocurrent multiplier layer and the organic EL light emitting layer of these devices are low molecular compounds such as organic pigments. In some cases, these are used alone or dispersed in a resin for these layers.
  • Patent Document 1 JP-A-2002-341395
  • Non-Patent Document 1 M. Hiramoto, T. Imahigashi and M. Yokoyama: Applied Physics
  • Non-Patent Document 2 "Applied Physics” Vol. 64 (1995), 1036
  • Non-Patent Document 3 Proceedings of the 49th JSAP Joint Conference, 28p_M_10 Disclosure of Invention
  • An object of the present invention is to provide an organic light-to-light conversion device having excellent device characteristics.
  • the inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above-described problems, and as a result, by using at least one of a photoconductive organic semiconductor and an electroluminescent organic semiconductor as a polymer semiconductor, an organic compound having excellent device characteristics has been obtained.
  • the inventors have found that a light-to-light conversion device can be obtained, and have completed the present invention.
  • a light-emitting portion having a layer containing an electroluminescent organic semiconductor that emits light by current injection; and an organic light-to-light conversion device comprising:
  • organic light-to-light conversion device wherein at least one of the photoconductive organic semiconductor and the electroluminescent organic semiconductor is a polymer semiconductor.
  • a light emitting unit having a layer containing the electroluminescent organic semiconductor, which is placed at a position different from the light receiving unit on the same substrate.
  • the light-receiving portion having the layer containing the photoconductive organic semiconductor and the light-emitting portion having the layer containing the electroluminescent organic semiconductor are laminated and integrated with each other, according to any one of (1) to (4).
  • Organic light-to-light conversion device Organic light-to-light conversion device.
  • the polymer semiconductor contains one or more kinds of repeating units represented by the following formula (1), and the number average molecular weight in terms of polystyrene is 1 ⁇ 10 3 —1 ⁇ 10 8 (1)
  • Ar and Ar each independently represent an arylene group or a divalent heterocyclic group.
  • R represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, a monovalent complex
  • the layer containing the photoconductive organic semiconductor and / or the layer containing the electroluminescent organic semiconductor contains at least two types of polymer semiconductors containing at least one type of the repeating unit represented by the above formula (1).
  • An image intensifier comprising a plurality of the organic-light-to-light conversion devices according to (10), wherein the organic light-to-light conversion device is arranged in plural.
  • An organic light-to-light conversion device according to any one of (10) and a means for measuring and outputting a voltage applied to both ends of a layer containing an electroluminescent organic semiconductor.
  • An optical sensor characterized by:
  • the organic light-to-light conversion device of the present invention is excellent in device characteristics such as light-to-light conversion efficiency.
  • the organic light-to-light conversion device of the present invention includes a light receiving portion having a layer containing a photoconductive organic semiconductor that causes a photocurrent multiplication phenomenon by light irradiation;
  • a light-emitting portion having a layer containing an electroluminescent organic semiconductor that emits light by current injection.
  • At least one of the photoconductive organic semiconductor and the electroluminescent organic semiconductor is a polymer half. It is a conductor.
  • Embodiments of the organic light-to-light conversion device of the present invention include:
  • the photoconductive organic semiconductor and the electroluminescent organic semiconductor is a polymer semiconductor.
  • the light receiving section and the light emitting section are electrically connected by a conductive layer laid on the same substrate.
  • the conductive layer laid on the substrate may cover the entire surface of the substrate, or may have a minimum necessary shape for electrically connecting the light receiving section and the light emitting section.
  • an electrode is provided on the surface of the light receiving unit and / or the light emitting unit opposite to the substrate side.
  • the light receiving portion is brought into contact with a layer made of a photoconductive organic semiconductor to form a conductive layer made of a material different from the photoconductive organic semiconductor (different material conductive material). Layer).
  • the material used for the conductive layer of a different kind of material is conductive enough to supply a large amount of charge having a polarity that is tunnel injected into the photoconductive organic semiconductor by the photocurrent multiplication phenomenon.
  • a metal, an organic semiconductor, an inorganic semiconductor, or the like may be used as long as it is selected so as to easily cause the doubling phenomenon.
  • a metal is preferable because of high conductivity.
  • the conductive layer of the dissimilar material of the photomultiplier may be replaced by a conductive layer on the substrate side or an electrode on the opposite side.
  • an electrode that transmits light When light is made to enter or exit from the electrode surface of the light receiving unit or the light emitting unit, an electrode that transmits light is used. In the case where light is made to enter or exit from the surface on the substrate side, a substrate and a conductive layer which transmit light are used.
  • the electrode 'conductive layer that transmits light may be a very thin metal electrode layer in addition to a transparent electrode layer such as ITO.
  • the substrate does not necessarily have to be planar.
  • the light receiving axis and the light emitting axis can be inclined.
  • the feedback light propagates outside the element.
  • the feedback light can be controlled by adjusting the distance between the light receiving unit and the light emitting unit, or by installing a light blocking member between the light receiving unit and the light emitting unit.
  • the feedback light is easily incident on the photocurrent multiplier.
  • the feedback light is incident on the photocurrent multiplier. If you adjust it like that.
  • a light-receiving portion having a layer containing a photoconductive organic semiconductor and a light-emitting portion having a layer containing an electroluminescent organic semiconductor are laminated and integrated on the same substrate; And at least one of the electroluminescent organic semiconductors is a polymer semiconductor
  • Fig. 1 shows an example of the configuration.
  • the organic EL light emitting layer 14 emits light, and output light 19 is obtained.
  • the hole transport layer 15 supplies holes that combine with electrons when the organic EL light emitting layer 14 emits light, and is not essential in the present invention.
  • a structure in which the photocurrent multiplying layer 12, the light receiving unit electrode 13, the organic EL light emitting layer 14, the hole transport layer 15, and the light emitting unit electrode 16 are stacked in the reverse order of FIG. 17 is a DC power supply, and 20 is a feedback light.
  • (A) is preferable because the degree of freedom in selecting materials for the light receiving portion and the light emitting portion is increased.
  • the organic light-to-light conversion device of the present invention is characterized in that at least one of the photoconductive organic semiconductor and the electroluminescent organic semiconductor is a polymer semiconductor. It is preferable that both of the light emitters are a polymer semiconductor.
  • the photoconductive organic semiconductor and the electroluminescent organic semiconductor are the same if the polymer semiconductor used in the present invention is selected so as to exhibit the functions of the light receiving portion and the light emitting portion in which the polymer semiconductor is used. Or different.
  • the wavelength of the light emitted from the light emitting portion is usually determined by the material used for the organic EL light emitting layer, it is difficult to select the material of the organic EL light emitting layer according to the desired wavelength of the emitted light. ,.
  • the organic light-to-light conversion device of the present invention is characterized in that the light-to-light conversion efficiency from incident light to outgoing light can be one or more because only the wavelengths of the incident light and the outgoing light can be independently selected.
  • the light-to-light conversion efficiency is defined as the value obtained by dividing the number of photons output as outgoing light by the number of photons input as incident light, and the photoconductive organic semiconductor and electroluminescence used in the organic light-to-light conversion device.
  • High light-to-light conversion efficiency can be obtained by optimizing the combination of conductive organic semiconductors.
  • a combination of a photoconductive organic semiconductor and an electroluminescent organic semiconductor which can obtain a light-to-light conversion efficiency of 10 times or more is more preferable, more preferably 50 times or more, particularly preferably 200 times or more.
  • an organic semiconductor other than the polymer semiconductor may be used as the photoconductive organic semiconductor.
  • organic semiconductors include 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic 3,4,9,10-bis (methylimide) (abbreviated Me-PTC), 3,4,9,10- Perylenetetracarboxyl 3,4,9,10-bis (phenylethylimide), 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, imidazonol'perylene, copper phthalocyanine, titanyl phthalocyanine, vanadyl phthalocyanine, magnesium phthalocyanine Metal-free phthalocyanine, naphthalocyanine, naphthalene, 2,9-dimethylquinatalidone, unsubstituted quinacridone, pentacene, 6,13-pentacenequinone, 5,7,12,14-pentacente
  • a layer made of a polymer semiconductor and a layer made of an organic semiconductor other than the above-described polymer semiconductor may be stacked.
  • the thickness of the layer made of an organic semiconductor other than the polymer semiconductor is smaller than the thickness of the layer made of the polymer semiconductor.
  • an organic semiconductor other than the polymer semiconductor may be used as the electroluminescent organic semiconductor.
  • Such an organic semiconductor includes, for example, an aluminum quinolinol complex (abbreviation: Alq).
  • the light-emitting portion having a layer containing an organic electroluminescent organic semiconductor (organic EL light-emitting layer) that emits light by current injection may be constituted only by the organic EL light-emitting layer.
  • light emission in the organic EL light emitting layer is generated by the combination of the charge (for example, electrons) supplied from the light receiving part and the charge (for example, hole) having the opposite polarity in the organic EL light emitting layer.
  • a layer containing a material for transporting holes or electrons may be laminated on the organic EL light emitting layer.
  • Materials for transporting holes include, for example, triphenyldiamine, 3,5-dimethyl-3,5-ditertiarybutyl, 4,4-diphenoquinone, 2_ (4-biphenyl) _5_ (4-tertiarybutylphenyl)- 1,3,4-oxadiazole, N, N, ⁇ ', N'-tetra_ (m-tolyl) _m-phenylenediamine and the like, and their derivatives can be used.
  • Examples of the material for transporting electrons include oxadiazole derivatives, anthraquinodimethane or derivatives thereof, benzoquinone or derivatives thereof, naphthoquinone or derivatives thereof, anthraquinone or derivatives thereof, and tetracyanoanthraquinodimethane or derivatives thereof.
  • a fluorenone derivative, a diphenyldisocyanoethylene or a derivative thereof, a diphenoquinone derivative, a metal complex of 8-hydroxyquinoline or a derivative thereof, a polyquinoline or a derivative thereof, a polyquinoxaline or a derivative thereof, and a polyfluorene or a derivative thereof. Can be used.
  • a hole injection layer or an electron injection layer may be stacked on the organic EL light emitting layer or a layer containing a material for transporting holes or electrons to facilitate injection of holes or electrons.
  • As the hole injection layer it is possible to stack on the organic EL light emitting layer or a layer containing a material for transporting holes or electrons to facilitate injection of holes or electrons.
  • a layer comprising: A material which is provided between an electrode (cathode) on the side where electrons are injected and a layer containing a material for transporting electrons and has an electron affinity of an intermediate value between the cathode material and the electron transport material contained in the electron transport layer.
  • the case hole injection layer or the electron injection layer is a layer containing an electric conductive polymer, the electric conductivity of the conducting polymer, 10- 5 SZcm least 10 preferred that 3 or less signaling two or more organic light - in order to reduce the leakage current between the device when the photoconversion device is arranged in parallel, 10- 5 S / cm or more 10 2 or less and more preferably tool 10- 5 S / cm or more on a 10 1
  • the following are more preferred.
  • ions are doped into the conducting polymer.
  • the type of ions to be doped is an anion for the hole injection layer and a cation for the electron injection layer.
  • the anion include a polystyrene sulfonate ion, an alkylbenzene sulfonate ion, and a camphor sulfonate ion.
  • the cation include a lithium ion, a sodium ion, a potassium ion, and a tetrabutylammonium ion. .
  • the material used for the hole injection layer or the electron injection layer may be appropriately selected in relation to the materials of the electrodes and the adjacent layers, such as polyaniline and its derivatives, polythiophene and its derivatives, and polyphenylene.
  • Examples thereof include conductive polymers such as dilenvinylene and derivatives thereof, polychenylenevinylene and derivatives thereof, metal phthalocyanines (eg, copper phthalocyanine), and carbon.
  • Examples of the polymer semiconductor used in the present invention include a polymer semiconductor having a ⁇ -conjugated group in a side chain such as polyvinyl carbazole; and a polymer semiconductor having a ⁇ -conjugated main chain such as polyarylene and polyarylene vinylene.
  • a polymer semiconductor having a conjugate in the main chain such as polysilane; and a polymer semiconductor having a conjugate in the main chain is more preferable. More preferably, it contains at least one repeating unit represented by the following formula (1) and has a number average molecular weight in terms of polystyrene of 1 ⁇ 10 3 to 1 ⁇ 10 8 .
  • Ar and Ar each independently represent an arylene group or a divalent heterocyclic group.
  • R and R are each independently Represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, a monovalent heterocyclic group, a carboxyl group, a substituted carboxyl group or a cyano group, and R represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, a monovalent heterocyclic group, Represents an arylalkyl group or a substituted amino group, m, n, and q each independently represent an integer of 0 or 1.
  • p represents an integer of 0-2, and m + n and p + q are 1 or more.
  • X, R, R and R When a plurality of X, R, R and R are present, they may be the same or different.
  • Ar and the arylene group in Ar in the above formula (1) include a phenylene group (for example, the following formula 13), a naphthalenediyl group (the following formula 4-13), an anthracenylene group (The following formulas 14 to 19), a biphenylene group (the following formula 20 25), a triphenylene group (the following formula 26 28), a condensed ring compound group (the following formulas 29 to 38), and the like.
  • a phenylene group, a biphenylene group, and a fluorene-diyl group are preferable.
  • Ar and the divalent heterocyclic group represented by Ar refer to a hydrogen atom derived from a heterocyclic compound.
  • a heterocyclic compound is an organic compound having a cyclic structure, in which the ring is composed of oxygen atoms, sulfur, nitrogen, phosphorus, boron, arsenic, and other heteroatoms in the ring. A thing.
  • divalent heterocyclic group examples include the following.
  • Divalent heterocyclic groups containing nitrogen as a heteroatom pyridinediyl group (Formula 3944 in the figure below), diazaphenylene group (Formula 45 48 in the figure below), quinolinediyl group (Formulas 49-63 in the figure below), quinoxalinedyl group ( Figure below) Formulas 64 to 68), an ataridine diyl group (formula 69 72 in the figure below), a biviridyl diyl group (formula 73 75 in the figure below), a linantyl group with a phenanthate (formula 76 78 in the figure below), and the like.
  • a group with a fluorene structure containing heteroatoms such as silicon, nitrogen, oxygen, sulfur, and selenium (Formulas 79-93 in the figure below).
  • a 5-membered heterocyclic group containing silicon, nitrogen, oxygen, sulfur, selenium, etc. as a heteroatom, bonded to the phenyl group at the ⁇ - position of the heteroatom (Formula 113-119 in the figure below) .
  • those containing a furyl group, which is preferred by a heterocyclic group containing nitrogen, oxygen, and sulfur as hetero atoms (Formulas 96, 124, and 125 in the figure below), and those containing a chelenylene group (Formulas 97 and 111 in the figure below)
  • those containing a 1,2,5,1-diyl group and a pyridine-1,2,5-diyl group are more preferable, and a chenylene group having a substituent is particularly preferable.
  • R in the above formula 1-125 independently represents a hydrogen atom, a cyano group, an alkyl group, an alkoxy group, an alkylthio group, an aryl group, an aryloxy group or a monovalent heterocyclic group. If present, they can be the same or different.
  • the alkyl group is linear, branched or cyclic.
  • the alkoxy group usually has about 1 to 20 carbon atoms, and the alkyl portion thereof is linear, branched or cyclic. Specifically, a methoxy group, an ethoxy group, an n-propyloxy group, an iso- Propyloxy, n-butoxy, isobutoxy, tert-butoxy, pentyloxy, hexyloxy, heptyloxy, octyloxy, nonyloxy, decyloxy, lauryloxy, cyclopropyloxy, cyclobutyloxy Examples thereof include a cyclopentyloxy group, a cyclohexyloxy group and a cycloheptyloxy group, and a pentyloxy group, a hexyloxy group, an octyloxy group, a decyloxy group and a cyclohexyloxy group are preferred.
  • the alkylthio group usually has about 1 to 20 carbon atoms, and the alkyl portion is linear, branched or cyclic, and includes a methylthio group, an ethylthio group, an n-propylthio group, an isopropylthio group, an n- Butylthio, isobutylthio, tert-butylthio, pentylthio, hexylthio, heptylthio, octylthio, nonylthio, decylthio, laurylthio, cyclopropylthio, cyclobutylthio, cyclopentylthio , Cyclohexylthio, cycloheptylthio and the like, and preferred are pentylthio, hexylthio, octylthio, decylthio and cyclohexylthio.
  • aryl group examples include a phenyl group and a 4-C phenyl group (C
  • Examples of the monovalent heterocyclic group include a 2-phenyl group, a 2-pyrrolyl group, a 2-furyl group, a 2-, 3- and 4-pyridinole group, and the like.
  • Ar and a substituent for Ar are preferably an alkoxy group.
  • both have two or more substituents, and it is more preferred that all of those substituents are different. Also, when compared with substituents having the same number of carbon atoms, a branched substituent is more preferable than a straight-chain alkyl.
  • N (R) _ is preferred.
  • R and R are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl,
  • R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, a monovalent heterocyclic group, an arylalkyl group or a substituted amino group.
  • R is an aryl group, a monovalent heterocyclic group, or an arylalkyl group
  • the alkyl group is linear, branched or cyclic, and usually has about 112 carbon atoms.
  • the aryl group includes a phenyl group, 4-C
  • Examples thereof include a 12-alkylphenyl group, a 1-naphthyl group, and a 2-naphthyl group.
  • Examples of the monovalent heterocyclic group include a 2-phenyl group, a 2-pyrrolyl group, a 2-furyl group, a 2-, 3- and 4-pyridinole group, and the like.
  • a substituted carboxyl group is a carboxyl group substituted with an alkyl group, aryl group, arylalkyl group or monovalent heterocyclic group, usually having about 260 carbon atoms, and preferably having 248 carbon atoms. It is.
  • the carbon number of the substituted carboxyl group does not include the carbon number of the substituent.
  • Examples of the substituted carboxyl group include a methoxycarbonyl group, an ethoxycarbonyl group, a propoxycarbonyl group, an isopropoxycarbonyl group, a butoxycarbonyl group, an isobutoxycarbonyl group, a t_butoxycarbonyl group, a pentyloxycarbonyl group, Hexyloxycarbonyl, cyclohexyloxycarbonyl, heptyloxycarbonyl, octyloxycarbonyl, 2-ethylhexyloxycarbonyl, nonyloxycarbonyl, desyloxycarbonyl, 3,7 —Dimethyloctyloxyca norlevonyl, dodecyloxycarbonyl, trifluoromethoxycarbonyl, pentafluoroethoxycarbonyl, perfluorobutoxycarbonyl, perfluorooxyxyloxycarbonyl, perfluorinated And octyloxycarbon
  • the arylalkyl group usually has about 7 to 60 carbon atoms, and preferably 7 to 48 carbon atoms.
  • C alkyl groups examples include C
  • C1-Calkyl groups C1-Calkyl groups are preferred.
  • Examples of the substituted amino group include an amino group substituted with one or two groups selected from an alkyl group, an aryl group, an arylalkyl group and a monovalent heterocyclic group.
  • the alkyl group, aryl group, arylalkyl group or monovalent heterocyclic group may further have a substituent.
  • the number of carbon atoms is usually about 1 to 60 without including the number of carbon atoms of the substituent, and is preferably 2 to 48 carbon atoms.
  • methino-le-mino di-methino-le-mino, ethynole-mino, ethynole-mino, propylamino, dipropylamino, isopropylamino, diisopropylamino, butylamino, isobutylamino Group, t-butylamino group, pentylamino group, hexylamino group, cyclohexylamino group, heptylamino group, octylamino group, 2_ethylhexylamino group, nonylamino group, decylamino group, 3,7-dimethyloctylamino group, La perinoleamino group, cyclopentylamino group, dicyclopentylamino group, cyclohexylamino group, dicyclohexylamino group, pyrrolidinole group, piperid
  • Nil-C-C alkyl) amino group di (C-C alkylphenyl-C-C alkyl)
  • Examples of the repeating unit represented by the formula (1) include: —— Ar x —— (2)
  • Specific examples of the formula (2) include the following formulas (8) and (9), and specific examples of the formula (3) include the following formula (10).
  • Specific examples of ()) include the following formula (11)
  • specific examples of (5) include the following formula (12)
  • specific examples of (6) include the following formula (13)
  • specific examples of (6) include the following formulas (16) and (17)
  • Ar represents an arylene group or a divalent heterocyclic group.
  • R represents a hydrogen atom, a cyano group, an alkyl group, an alkoxy group, an alkylthio group, an arylene group, an aryloxy group or a monovalent heterocyclic group. When there are a plurality of Rs, they may be the same or different.
  • Y represents 0, S, SO, Se, Te, N_R, CR'R "or SiR'R". , R ,, R , are al
  • n represents an integer of 0 or 1.
  • I is an integer of 0-2
  • J is an integer of 0-3
  • K is an integer of 0-4
  • L is an integer of 0-15. ).
  • the polymer semiconductor used in the present invention has a repeating unit represented by the above formula (1), a random, block or graft containing two or more kinds of the repeating unit represented by the above formula (1) It may be a copolymer or a polymer semiconductor having an intermediate structure between them, for example, a random copolymer having a block property. From the viewpoint of obtaining an organic light-to-light conversion element having excellent characteristics, a random copolymer having block properties and a block or graft copolymer are preferable to a complete random copolymer. The case where the main chain is branched and there are three or more terminal portions is also included.
  • the terminal group of the polymer semiconductor used in the present invention is not particularly limited, but if the polymerization active group remains as it is, the properties when used in the active layer may be degraded. It is preferably protected with a group. Those having a conjugated bond continuous with the conjugated structure of the main chain are more preferable. For example, a structure bonded to an aryl group or a heterocyclic group via a vinylene group is exemplified. Specific examples include the substituents described in Chemical Formula 10 of JP-A-9-145478.
  • the polymer semiconductor used in the present invention usually has a polystyrene-equivalent number average molecular weight of 1
  • the number average molecular weight is preferably 1 ⁇ 10 4 2 ⁇ 10 7 from the viewpoint of film forming property, and more preferably 1 ⁇ 10 5 —1 ⁇ 10 7 .
  • Examples of good solvents for the polymer semiconductor include chloroform, methylene chloride, dichloroethane, tetrahydrofuran, toluene, xylene, mesitylene, decalin, and n-butylbenzene. Although it depends on the structure and molecular weight of the polymer semiconductor, it can usually be dissolved in these solvents in an amount of 0.1% by weight or more.
  • a method for synthesizing the polymer semiconductor used in the present invention when a main chain has a vinylene group, for example, a method described in JP-A-5-202355 can be mentioned. That is, polymerization of a dialdehyde compound and a diphosphonium salt compound, polymerization of a dialdehyde compound and a diphosphite compound by a Wittig reaction such as polymerization by the Horner-Wadsworth-Emmons method, polymerization of a divinyl compound and a dihalogen compound, or Polymerization by Heck reaction alone with halogen compound, polycondensation of compound having two methyl halide groups by dehalogenation method, polycondensation of compound having two sulfonium bases by sulfonium salt decomposition method, dialdehyde compound Examples include a method such as polymerization by a Knoevenagel reaction with a diacetonitrile compound and a method such as polymerization by a
  • the main chain does not have a vinylene group
  • a method of polymerizing the corresponding monomer by a Suzuki coupling reaction for example, a method of polymerizing by a Grignard reaction, a method of polymerizing by a Ni (0) complex, or oxidation of FeCl or the like
  • Method of polymerization with chemicals, electrochemical oxidation Examples thereof include a method of polymerizing and a method of decomposing an intermediate having an appropriate leaving group.
  • the device of the present invention when a polymer semiconductor containing at least one kind of the repeating unit represented by the above formula (1) is used for the photocurrent multiplying layer and the organic EL light emitting layer, the device is represented by the above formula (1).
  • One kind of polymer semiconductor containing one or more kinds of repeating units may be used, or two or more kinds of polymer semiconductors containing one or more kinds of repeating units represented by the formula (1) may be mixed and used.
  • a polymer other than the polymer semiconductor represented by the formula (1) may be mixed and used as long as the characteristics of the organic light-to-light conversion element are not hindered.
  • polymer to be mixed examples include general-purpose polymers such as polycarbonate, polybierbutyral, polyvinyl alcohol, polystyrene, and polymethyl methacrylate, and conductive polymers such as polyvinyl carbazole and polysilane.
  • the ratio of the polymer semiconductor represented by the formula (1) is in the range of 10% to 100%. More preferably, it is in the range of 30% -100%, even more preferably in the range of 50% -100%.
  • a polymer semiconductor as a photoconductive organic semiconductor used for the photocurrent multiplication layer it is required to efficiently separate electron-hole pairs generated by received light and transport the pairs to an electrode.
  • a molecular semiconductor it is preferable that at least one of an electron and a hole has a high charge transporting property and a recombination probability of an electron-hole pair is low.
  • the photocurrent multiplication phenomenon occurs at the interface between the conductive layer of a different material and the layer made of a photoconductive organic semiconductor, and it is necessary to make tunnel injection easier to occur.
  • the combination of the material and the polymer semiconductor is important. These combinations are based on the H ⁇ MO and LUM ⁇ levels of polymer semiconductors and the HOM ⁇ What is necessary is just to select suitably according to LUMO level (work function in the case of metal).
  • LUMO level work function in the case of metal.
  • a polymer semiconductor containing a highly electron-transporting unit as the repeating unit shown in the above (1) such as fluorene, silole, oxazole, oxaziazole, Select materials that contain repeating units such as triazole and their derivatives.
  • electrodes with relatively large work functions such as gold, silver, platinum, aluminum, and IT ⁇ Combinations with materials are preferred.
  • a polymer semiconductor containing a high hole transporting property or an aromatic compound such as triphenylamine is used as the repeating unit shown in (1) above.
  • a material containing a repeating unit such as triamine, aniline, thiophene, pyrrole, hydrazone, pyrazoline and derivatives thereof is selected.
  • a material for the dissimilar material conductive layer for example, in the case of a metal, an alkali metal such as lithium, magnesium, etc.
  • electron-donating compounds such as phthalocyanine pigments and quinacridone pigments, or electron accepting compounds such as perylene pigments, perinone pigments, and fullerenes are used to efficiently separate electron-hole pairs generated by the received light.
  • Compounds may be used as a mixture.
  • a polymer semiconductor used for the organic EL light emitting layer electrons and holes injected from each electrode are efficiently transported, and transported electrons and holes are transported efficiently. Since efficient radiative recombination is required, it is preferable that the polymer semiconductor has a high charge transport property of both electrons and holes and a high luminescence quantum yield in a molecule.
  • a polymer semiconductor containing both a highly electron-transporting unit and a highly hole-transporting unit as the repeating unit (1), or an electron-transporting unit as the repeating unit (1) It is preferable to mix a polymer semiconductor containing a high polymer with a polymer semiconductor containing a high polymer having a high hole transporting property as a repeating unit represented by the above (1).
  • a plurality of organic light-to-light conversion devices By arranging a plurality of organic light-to-light conversion devices according to the present invention two-dimensionally, light other than visible light such as weak light or infrared light or ultraviolet light that cannot be seen with the naked eye can be received.
  • An image intensifier that receives light at the unit and outputs (ie, forms an image) with visible light from the light emitting unit can be configured. In some applications, a one-dimensional array is also useful.
  • the voltage applied to the device of the present invention is distributed to the light receiving unit and the light emitting unit. As the intensity of the light incident on the light receiving section increases, the number of electrons generated in the photocurrent multiplication layer increases, and the electrical resistance of the light receiving section decreases. The strength of is increased.
  • the organic light-to-light conversion device of the present invention since the voltage distributed to the light emitting section can be easily measured, the value of the light emitting section voltage is obtained by converting the intensity of the incident light and the output light into an electric signal. Can be used as Thus, it can be used as an optical sensor that detects the intensity of incident light as an electric signal. Since the value of the voltage output in this way corresponds to the amount of light received by the light receiving section, this device functions as an optical sensor. That is, the optical sensor of the present invention includes an organic light-to-light conversion device and means for measuring and outputting a voltage applied to both ends of a layer containing an electroluminescent organic semiconductor (organic EL light emitting layer). . Further, for example, the light emitting unit can emit light by some kind of electrical-to-optical conversion while receiving the electric signal while emitting light.
  • the number average molecular weight in terms of polystyrene was determined by gel permeation chromatography (GPC) as follows.
  • Poly (9,9-dioctylfluorene) (PFO) was synthesized according to the method described in WO 00/53656. The number average molecular weight of this PF ⁇ was 4.8 ⁇ 10 4 .
  • Poly (2,7_ (9,9-Dioctylfluorene) -alt- (1,4-Phenylene-((4-secbutylphenyl) imino) _1,4_Phenylene)) (TFB) was synthesized by the method described in WO 00/55927. The number average molecular weight of this TFB was 1.8 ⁇ 10 4 .
  • a suspension of poly (3,4) ethylenedioxythiophene Z-polystyrene sulfonic acid (PEDOT) (Bayer, Bytron PTP AI 4083) is spin-coated on a glass substrate with a patterned ITO film. After removing the film, leaving a part on the ITO, 200 on a hot plate. C, dried for 10 minutes. On top of that, a toluene solution of PFO and TFB was mixed at a weight ratio of 6: 4, and a polymer semiconductor thin film was formed by a spin coating method using a coating solution filtered through a 0.2 ⁇ m filter. The polymer semiconductor thin film other than on the PEDOT was peeled off and set on a vacuum evaporation system.
  • PEDOT poly (3,4) ethylenedioxythiophene Z-polystyrene sulfonic acid
  • MgAg was formed as a cathode electrode by co-evaporation at a rate of 5: 0.5 A / s on the polymer thin film layer left unpeeled at a rate of 5: 0.5 A / s.
  • Ag was deposited at a rate of 0.6 A / S to form a light emitting part.
  • NTCDA Naphthalene tetracarboxylic dianhydride
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a co-blanner type organic light-to-light conversion device according to the present invention.
  • a DC power supply 27 was connected to the light receiving unit electrode 23 and the light emitting unit electrode 26, and a voltage Va was applied between the light receiving unit 31 and the light emitting unit 32 by the DC power supply 27.
  • the voltage Va several values between 5 and 30 V were used for the purpose of examining the characteristics of this device as described later.
  • the light receiving section 31 was irradiated with incident light 28 having a wavelength of 400 nm and an intensity of 56 zW m 2 from the surface of the electrode 23.
  • outgoing light 29 having a wavelength of 450 nm was obtained from the substrate 21 side of the light emitting section 32.
  • the wavelengths of the incident light 28 and the outgoing light 29 are different, and wavelength conversion, which is one of the features of this light-to-light conversion device, is performed.
  • wavelength conversion which is one of the features of this light-to-light conversion device.
  • 21 is a substrate
  • 22 is a photomultiplier layer
  • 24 is an organic EL light emitting layer
  • 25 is a hole transport layer
  • 30 is a conductive layer connecting the light emitting part and the light receiving part
  • 33 is a photodetector. .
  • FIG. 3 shows the result of measuring the intensity of the emitted light 29 using the photodetector 33 using a photodiode when the applied voltage Va is 5 to 30 V.
  • the irradiation of the incident light 28 was started 30 seconds after the start of the application of the DC power supply 27, and the irradiation of the incident light 28 was terminated 60 seconds after the start of the irradiation of the incident light 28.
  • the intensity of outgoing light 29 changed by ON / OFF of incoming light 28
  • FIG. 3 shows that the light emitting unit continues to emit light even after the end of the incident light irradiation. This is due to the aforementioned optical feedback effect. In this embodiment, no operation for suppressing the optical feedback effect was performed in order to increase the intensity of the emitted light.
  • the distance 36 between the light receiving unit 31 and the light emitting unit 32 is increased as shown in FIG. 4, or the distance between the light receiving unit 31 and the light emitting unit 32 is increased as shown in FIG.
  • the flow of the feedback light 35 into the light receiving section 31 may be suppressed by, for example, installing a light blocking member 37 therebetween.
  • the light blocking member 37 may completely block the feedback light 35.However, if it is desired to obtain the effect of optical amplification by optical feedback, the flow of the feedback light into the light receiving section is suppressed and the light is completely prevented. It is possible to use a member with light transmittance (transparent member).
  • a PEDOT thin film is formed on a part of the ITO film by the inkjet method using a suspension of PEDOT, and then dried on a hot plate at 200 ° C for 10 minutes. Then, the decalin solution of PFO and TFB is mixed at a weight ratio of 6: 4, and filtered through a 0.2 zm filter. Using this filtrate, a polymer semiconductor thin film is formed by an ink-jet method to form a light emitting portion region. Next, a polymer semiconductor thin film is formed on the ITO film on which the PEDOT film is not formed by an ink jet method using a 0.2 ⁇ m filter filtrate of a decalin solution of PFO to form a light receiving area.
  • Vacuum this substrate It is set in a vapor deposition apparatus, and a 30 nm film of MgAg is formed as a cathode electrode at a rate of 5: 0.5 A / s by a co-evaporation method on a light emitting region using a shadow mask.
  • a 20 nm film of Ag is formed thereon at a rate of 0.6 A / s.
  • a 20 nm film of Au is formed as an electrode on the light receiving area at a rate of 0.4 A / s.
  • the incident light 28 having a wavelength of 400 nm and an intensity of 56 ⁇ W m 2 is applied to the light receiving unit from the Au electrode surface while applying a voltage Va between the light receiving unit and the light emitting unit.
  • emission light with a wavelength of 450 nm is obtained from the substrate side of the light emitting section, and wavelength conversion is performed.
  • the light-to-light conversion efficiency from incident light to outgoing light exceeds 10 times, and it can be confirmed that optical amplification is performed.
  • the organic light-to-light conversion device of the present invention is excellent in device characteristics of light-to-light conversion efficiency, and can be used for an image intensifier, an optical sensor, and the like.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a light-to-light conversion device of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of the light-to-light conversion device of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing a change in intensity of outgoing light due to irradiation of incident light of the light-to-light conversion device of the embodiment shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a method of suppressing an optical feedback effect by adjusting a distance between a light receiving section and a light emitting section in the light-to-light conversion device of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing an example of a method for suppressing an optical feedback effect by using a light shielding member in the light-light conversion device of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing light-to-light conversion efficiency in the light-to-light conversion device of the embodiment shown in FIG. 2.

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Abstract

 デバイス特性にすぐれた有機光−光変換デバイスを提供する。光照射により光電流増倍現象を起こす光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と、電流注入により発光する電界発光性有機半導体を含む層を有する発光部と、を設けた有機光−光変換デバイスであって、該光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体の少なくとも一方が高分子半導体であることを特徴とする有機光−光変換デバイス。上記の有機光−光変換デバイスを複数個配列して成るイメージインテンシファイア。上記の有機光−光変換デバイスと、電界発光性有機半導体を含む層の両端にかかる電圧を測定し出力する手段とを備える光センサ。

Description

明 細 書
有機光一光変換デバイス
技術分野
[0001] 本発明は、有機光一光変換デバイスに関する。
背景技術
[0002] 光導電性有機半導体からなる層に、該光導電性有機半導体とは異なる材料 (例え ば金属、有機半導体、無機半導体)からなる導電性の層(異種材料導電層)を接触さ せ、電圧を印加しつつその光導電性有機半導体力 なる層に光を照射すると、入射 したフォトン数以上の数の電子による光電流が観測される現象(光電流増倍現象)が 観測されることが知られている (非特許文献 1及び特許文献 1参照)。
[0003] これは、光の照射によって、光導電性有機半導体からなる層と異種材料導電層との 界面付近の光導電性有機半導体に光の照射により生成した電子 -ホール (正孔)対 のうち一方の電荷(例えばホール)が蓄積され、この電荷が形成する高電界によって 異種材料導電層から蓄積された電荷とは反対の極性を持つ電荷 (例えば電子)が大 量に光導電性有機半導体にトンネル注入される現象である。このような現象を用いる 光導電性有機半導体からなる層と異種材料導電層との組み合わせを有する素子を 本明細書では光電流増倍素子とよぶ。
[0004] そして、光電流増倍素子を応用したデバイスとして、
光照射により光電流増倍現象を起こす光導電性有機半導体を含む層(光電流増 倍層)を有する受光部と、
電流注入により発光する電界発光性有機半導体を含む層(有機 EL発光層)を有す る発光部と
を設けた有機光—光変換デバイスが知られている。
このデバイスにおいては、受光部に光を照射することにより、発光部から、光を発生 する力 この光は、照射した光より増幅されたものであり、その波長は、照射光と同一 又は異なるものとなり得る。
[0005] このような、有機光一光変換デバイスの例として、 光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と電界発光性有機半導体を含む層 を有する発光部を同一基板上に積層一体化させたデバイス (非特許文献 2); 光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と、該同一基板上の該受光部と異 なる位置に載置された、上記有機電界発光体を含む層を有する発光部とを有するデ バイス (非特許文献 3)
が知られている。
[0006] そして、これらのデバイスの光電流増倍層及び有機 EL発光層に使用される、光導 電性有機半導体及び電界発光性有機半導体は、 、ずれも有機顔料等の低分子化 合物であり、これらは、単独で、又は樹脂に分散して、これらの層に用いられていた。 特許文献 1:特開 2002-341395号公報
非特許文献 1 : M. Hiramoto, T. Imahigashi and M. Yokoyama: Applied Physics
Letters, Vol.64 187 (1994)
非特許文献 2 :「応用物理」 Vol. 64 (1995) , 1036
非特許文献 3 :第 49回応用物理学会連合講演会 講演予稿集 28p_M_10 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体として低分子化合物を用いた上 記の有機光一光変換デバイスは、光電流増倍層及び有機 EL発光層にピンホールが 発生しやすいため短絡しやすぐまた、樹脂に低分子化合物を分散したものを用い た場合には、低分子化合物が凝集しやすいなどの問題があり、いずれにしてもデバ イス特性が未だ不十分であった。
[0008] 本発明の目的は、デバイス特性にすぐれた有機光一光変換デバイスを提供すること にある。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、光導電性有機半導体 及び電界発光性有機半導体の少なくとも一方を高分子半導体にすることにより、デ バイス特性に優れた有機光—光変換デバイスが得られることを見い出し、本発明を完 成した。 (1) 光照射により光電流増倍現象を起こす光導電性有機半導体を含む層を有する 受光部と、
電流注入により発光する電界発光性有機半導体を含む層を有する発光部と、 を設けた有機光—光変換デバイスであって、
該光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体の少なくとも一方が高分子半 導体であることを特徴とする上記有機光—光変換デバイス。
(2) 光導電性有機半導体が高分子半導体である(1)記載の有機光-光変換デバィ ス。
(3) 電界発光性有機半導体が高分子半導体である(1)記載の有機光-光変換デ バイス。
(4) 光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体が高分子半導体である(1 ) 一 (3)のレ、ずれか一項に記載の有機光-光変換デバイス。
(5) a)前記光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と、
b)同一基板上の該受光部と異なる位置に載置された、前記電界発光性有機半導体 を含む層を有する発光部と、
c)同一基板上に敷設された、該受光部と該発光部とを接続する導電層と、 を備える(1)一(4)のいずれか一項に記載の有機光一光変換デバイス。
(6) 前記受光部と発光部との間に遮光部材を設けた (5)に記載の有機光一光変換 デバイス。
(7) 前記受光部と発光部との間に、受光部へのフィードバック光の流入を抑制し、 かつ完全には遮断しない透過率を有する透光部材を設けた(5)に記載の有機光一 光変換デバイス。
(8) 前記光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と電界発光性有機半導体 を含む層を有する発光部とを積層一体化させた(1)一(4)のいずれか一項に記載の 有機光-光変換デバイス。
(9) 前記高分子半導体が、下記式(1)で示される繰り返し単位を 1種類以上含み、 ポリスチレン換算の数平均分子量が 1 X 103— 1 X 108である(1)一 (8)のいずれか一 項に記載の有機光-光変換デバイス。
Figure imgf000006_0001
(式中、 Ar及び Arはそれぞれ独立にァリーレン基又は 2価の複素環基を示す。 X
1 2 1 は— CR =CR―、— C三 C—又は— N (R )—を示す。 R及び Rは、それぞれ独立に水
1 2 3 1 2
素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素環基、カルボキシル基、置換カルボキ シル基又はシァノ基を示す。 Rは、水素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素
3
環基、ァリールアルキル基又は置換アミノ基を示す。 m、 n及び qはそれぞれ独立に 0 又は 1の整数を示す。 pは 0— 2の整数を示し、 m+n及び p + qは 1以上である。 Ar 、
1
X 、 R 、 R及び Rがそれぞれ複数存在する場合、それらは同一であっても異なって
1 1 2 3
レヽてもよレヽ
(10) 前記光導電性有機半導体を含む層及び/又は電界発光性有機半導体を含 む層が、上記式(1)で示される繰り返し単位を 1種類以上含む高分子半導体を 2種 類以上含む(1)一(9)のレ、ずれか一項に記載の有機光-光変換デバイス。
(11) (1)一(10)のレ、ずれか一項に記載の有機光一光変換デバイスを複数個配列 して成ることを特徴とするイメージインテンシファイア。
(12) (1)一(10)のいずれか一項に記載の有機光一光変換デバイスと、電界発光 性有機半導体を含む層の両端に力かる電圧を測定し出力する手段とを備えることを 特徴とする光センサ。
発明の効果
[0011] 本発明の有機光-光変換デバイスは光-光変換効率等のデバイス特性に優れる。
発明を実施するための最良の形態
[0012] 本発明の有機光一光変換デバイスは、光照射により光電流増倍現象を起こす光導 電性有機半導体を含む層を有する受光部と、
電流注入により発光する電界発光性有機半導体を含む層を有する発光部と を設けた有機光—光変換デバイスであって、
該光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体の少なくとも一方が高分子半 導体であることを特徴とする。
[0013] 本発明の有機光一光変換デバイスの実施態様としては、
(A)光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と、同一基板上の該受光部と 異なる位置に載置された、上記電界発光性有機半導体を含む層を有する発光部と を備えるものであって、該光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体の少な くとも一方が高分子半導体であるもの
が挙げられる。 この場合、受光部と発光部とを同一基板上に敷設された導電層で電気的に接続す る。なお、基板上に敷設する導電層は、基板上の全面を覆うものであってもよいし、 受光部と発光部とを電気的に接続する必要最小限の形状であってもよい。
[0014] 受光部と発光部との間に電圧を印加するために、受光部及び/又は発光部の基 板側とは反対側の面には電極を設ける。また、受光部には、光電流増倍現象を起こ させるため、光導電性有機半導体からなる層に接触させて、該光導電性有機半導体 とは異なる材料からなる導電性の層(異種材料導電層と呼ぶ)を設ける。
ここで異種材料導電層に用レ、られる材料としては、光電流増倍現象により光導電性 有機半導体に大量にトンネル注入される極性の電荷を供給できるだけの導電性を有 しており、光増倍現象を起こしやすいように選ばれればよぐ例えば金属、有機半導 体、無機半導体などが挙げられ、高い導電性を有することから金属が好ましい。光電 流増倍素子の上記異種材料導電層は、基板側の導電層で代用してもよいし、その反 対側の電極で代用してもよい。
[0015] 受光部又は発光部の電極面から光が入射又は出射されるようにする場合は、光を 透過する電極を用いる。また、基板側の面から光が入射又は出射されるようにする場 合は、光を透過する基板及び導電層を用いる。光を透過する電極'導電層としては、 ITOのような透明電極層の他、非常に薄い金属電極層としてもよい。
[0016] 受光部の電極と発光部の電極との間に電圧を印加し、受光部に光を照射すると、 光電流増倍現象によって、入射したフオトン数以上の数の電荷 (例えば電子)が異種 材料導電層から光電流増倍層に注入される。これらの電荷が有機 EL発光層に注入 され、有機 EL発光層を発光させる。これによつて得られる発光部からの出射光は、入 射光が増幅されたものとなる。
[0017] 上記基板は必ずしも平面状のものである必要はなレ、。例えば、曲面状の基板を用 レ、ることにより、受光軸と発光軸とを傾斜させることができる。
[0018] 受光部と発光部が独立しているので、フィードバック光が素子の外部を伝播する。
そのため、受光部と発光部との距離を調整することや、受光部と発光部の間に遮光 部材を設置することなどにより、フィードバック光を制御することができる。出力光の増 幅を重視する場合にはフィードバック光が光電流増倍素子に入射しやすいように、入 射光に対する応答性を重視する場合にはフィードバック光が光電流増倍素子に入射 し難レ、ように調整すればょレ、。
[0019] また、本発明の有機光一光変換デバイスの他の実施態様としては、
(B)光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と電界発光性有機半導体を含 む層を有する発光部を同一基板上に積層一体化させたものであって、該光導電性 有機半導体及び電界発光性有機半導体の少なくとも一方が高分子半導体であるも の
が挙げられる。
その構成例を図 1に示す。光電流増倍層 12に入力光 18が基板 11側から照射され ることにより、上記光電流増倍現象によって電子は電極 13から光電流増倍層 12に注 入され、有機 EL発光層 14に到達する。これによつて有機 EL発光層 14が発光し、出 力光 19が得られる。なおホール輪送層 15は、有機 EL発光層 14において発光する 際に電子と結合するホールを供給するものであり、本発明においては、必須ではな レ、。また、光電流増倍層 12、受光部電極 13、有機 EL発光層 14、ホール輪送層 15 及び発光部電極 16を図 1と逆の順番で積層した構造も可能である。 17は直流電源 であり、 20はフィードバック光である。
[0020] 上記 (A)及び (B)の実施態様の中では、受光部と発光部の材料の選択自由度が 大きくなることから、 (A)が好ましい。
[0021] 本発明の有機光-光変換デバイスは、光導電性有機半導体及び電界発光性有機 半導体の少なくとも一方が高分子半導体であることを特徴とするが、光導電性有機半 導体及び有機電界発光体の両方が高分子半導体であることが好ましい。 本発明に用いる高分子半導体は、それが用レ、られる受光部、発光部それぞれの機 能を発現するように選択されればよぐ光導電性有機半導体及び電界発光性有機半 導体は、同一であっても異なっていてもよい。
なお、発光部からの出射光の波長は通常は、有機 EL発光層に用いられる材料に よって決まるので、所望の出射光の波長に合わせて有機 EL発光層の材料を選択す れは'よレ、。
[0022] 本発明の有機光一光変換デバイスは、入射光と出射光の波長を独立に選択できる だけでなぐ入射光から出射光への光一光変換効率が 1以上になることを特徴とする 。光一光変換効率は、出射光として出力されたフオトンの数を、入射光として入力され たフオトンの数で除した値で定義され、有機光一光変換デバイスに用いる光導電性有 機半導体及び電界発光性有機半導体の組み合わせを最適化することにより高い光 一光変換効率を得ることができる。光一光変換効率として 10倍以上が得られる光導電 性有機半導体及び電界発光性有機半導体の組み合わせが好ましぐさらに好ましく は 50倍以上、特に好ましくは 200倍以上の組み合わせである。
[0023] 電界発光性有機半導体として高分子半導体が用いられている場合、光導電性有 機半導体としては、高分子半導体以外の有機半導体を用いてもよい。そのような有 機半導体としては、例えば 3, 4, 9, 10—ペリレンテトラカルボキシリック 3, 4, 9, 10—ビ ス(メチルイミド)(略称 Me— PTC)、 3, 4, 9, 10—ペリレンテトラカルボキシリック 3, 4, 9 , 10—ビス(フエ二ルェチルイミド)、 3, 4, 9, 10—ペリレンテトラカルボン酸二無水物、 イミダゾーノレ'ペリレン、銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニン、バナジルフタロシ ァニン、マグネシウムフタロシアニン、無金属フタロシアニン、ナフタロシアニン、ナフ タレン、 2, 9—ジメチルキナタリドン、無置換キナクリドン、ペンタセン、 6, 13—ペンタセ ンキノン、 5, 7, 12, 14—ペンタセンテトロン等やそれらの誘導体を挙げることができる
[0024] 光導電性有機半導体として高分子半導体が用いられている場合、高分子半導体か らなる層と上記高分子半導体以外の有機半導体からなる層を積層して用いてもよい 。この場合、高分子半導体以外の有機半導体からなる層の厚みを高分子半導体から なる層の厚みより薄くした方が好ましい。 [0025] また、光導電性有機半導体として高分子半導体が用いられている場合、電界発光 性有機半導体として高分子半導体以外の有機半導体を用いてもよい。そのような有 機半導体としては、例えば、アルミニウム 'キノリノール錯体(略称 Alq )が挙げられる
3
[0026] 電流注入により発光する電界発光体性有機半導体を含む層(有機 EL発光層)を有 する発光部は、有機 EL発光層のみによって構成することも可能である。しかし、有機 EL発光層)における発光は、受光部から供給された電荷 (例えば電子)と有機 EL発 光層中の反対の極性を持つ電荷 (例えばホール)との結合により生じるため、発光部 としては、有機 EL発光層にホール又は電子を輸送する材料を含む層を積層させて 用レ、ることもできる。
[0027] ホールを輸送する材料としては、例えばトリフエ二ルジァミン、 3, 5—ジメチルー 3, 5- ジ三級プチルー 4, 4—ジフエノキノン、 2_ (4—ビフエニル) _5_ (4—三級ブチルフエニル )-1,3, 4_ォキサジァゾール、 N, N, Ν' , N'—テトラ _ (m—トルィル) _m—フエ二レンジ アミン等ゃそれらの誘導体を用いることができる。
[0028] 電子を輸送する材料としては、例えばォキサジァゾール誘導体、アントラキノジメタ ンもしくはその誘導体、ベンゾキノンもしくはその誘導体、ナフトキノンもしくはその誘 導体、アントラキノンもしくはその誘導体、テトラシァノアンスラキノジメタンもしくはその 誘導体、フルォレノン誘導体、ジフヱニルジシァノエチレンもしくはその誘導体、ジフ エノキノン誘導体、又は 8—ヒドロキシキノリンもしくはその誘導体の金属錯体、ポリキノ リンもしくはその誘導体、ポリキノキサリンもしくはその誘導体、ポリフルオレンもしくは その誘導体などを用いることができる。
[0029] 有機 EL発光層、ホール又は電子を輸送する材料を含む層に、ホール又は電子の 注入をしやすくするためホール注入層又は電子注入層を積層して用いてもよレ、。ホ ール注入層としては、
導電性高分子を含む層;
ホールを注入する側の電極(陽極)とホールを輸送する材料を含む層との間に設け られ、陽極材料とホール輸送層に含まれるホール輸送材料との中間の値のイオンィ匕 ポテンシャルを有する材料を含む層; 電子を注入する側の電極(陰極)と電子を輸送する材料を含む層との間に設けられ 、陰極材料と電子輸送層に含まれる電子輸送材料との中間の値の電子親和力を有 する材料を含む層
などが例示される。上記ホール注入層又は電子注入層が導電性高分子を含む層の 場合、該導電性高分子の電気伝導度は、 10— 5SZcm以上 103以下であることが好ま しぐ二つ以上の有機光—光変換デバイスを並列に配置したときのデバイス間のリー ク電流を小さくするためには、 10— 5S/cm以上 102以下がより好ましぐ 10— 5S/cm以 上 101以下がさらに好ましい。
通常は該導電性高分子の電気伝導度を 10— 5S/cm以上 103以下とするために、該 導電性高分子に適量のイオンをドープする。ドープするイオンの種類は、ホール注入 層であればァニオン、電子注入層であればカチオンである。ァニオンの例としては、 ポリスチレンスルホン酸イオン、アルキルベンゼンスルホン酸イオン、樟脳スルホン酸 イオンなどが例示され、カチオンの例としては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリ ゥムイオン、テトラプチルアンモニゥムイオンなどが例示される。
[0030] 上記ホール注入層又は電子注入層に用レ、る材料は、電極や隣接する層の材料と の関係で適宜選択すればよぐポリア二リン及びその誘導体、ポリチォフェン及びそ の誘導体、ポリフエ二レンビニレン及びその誘導体、ポリチェ二レンビニレン及びその 誘導体などの導電性高分子、金属フタロシアニン (銅フタロシアニンなど)、カーボン などが例示される。
[0031] 次に本発明に用いられる高分子半導体について説明する。
本発明に用いられる高分子半導体としては、例えばポリビニルカルバゾール等の側 鎖に π共役系の基を有した高分子半導体;ポリアリーレン、ポリアリーレンビニレン等 の主鎖に π共役を有した高分子半導体、例えばポリシラン等の主鎖に σ共役を有し た高分子半導体;が挙げられ、主鎖に共役を有した高分子半導体が好ましぐ主鎖 に π共役を有した高分子半導体がより好ましぐ下記式(1 )で示される繰り返し単位 を少なくとも一種類含み、ポリスチレン換算の数平均分子量が 1 X 103— 1 X 108であ るものがさらに好ましい。
Figure imgf000012_0001
(式中、 Ar及び Arはそれぞれ独立にァリーレン基又は 2価の複素環基を示す。 X は _CR =CR一、 _C≡C—又は _N (R )—を示す。 R及び Rは、それぞれ独立に水 素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素環基、カルボキシル基、置換カルボキ シル基又はシァノ基を示す。 Rは、水素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素 環基、ァリールアルキル基又は置換アミノ基を示す。 m、 n及び qはそれぞれ独立に 0 又は 1の整数を示す。 pは 0— 2の整数を示し、 m+n及び p + qは 1以上である。 Ar、
X、 R、 R及び Rがそれぞれ複数存在する場合、それらは同一であっても異なって レヽてもよレヽ
上記式(1)の Ar及び Arにおけるァリーレン基の具体的な例としては、フエ二レン 基(例えば、下記の式 1一 3)、ナフタレンジィル基(下記の式 4一 13)、アントラセニレ ン基(下記の式 14一 19)、ビフエ二レン基(下記の式 20 25)、トリフエ二レン基(下 記の式 26 28)、縮合環化合物基(下記の式 29— 38)などが例示される。中でもフ ェニレン基、ビフエ二レン基、フルオレン一ジィル基(下記の式 36 38)が好ましい。
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000013_0001
0034 [0036]
Figure imgf000014_0001
[0038] 上記式(1)の Ar及び Arにおける 2価の複素環基とは、複素環化合物から水素原
1 2
子 2個を除レ、た残りの原子団をレ、い、炭素数は通常 3 60程度である。 ここに複素環化合物とは、環式構造をもつ有機化合物のうち、環を構成する元素が 炭素原子だけでなぐ酸素、硫黄、窒素、リン、ホウ素、ヒ素などのへテロ原子を環内 に含むものをいう。
2価の複素環基の具体的な例としては、例えば以下のものが挙げられる。
ヘテロ原子として窒素を含む 2価の複素環基:ピリジンージィル基(下図の式 39 4 4)、ジァザフヱニレン基(下図の式 45 48)、キノリンジィル基(下図の式 49一 63)、 キノキサリンジィル基(下図の式 64— 68)、アタリジンジィル基(下図の式 69 72)、 ビビリジルジィル基(下図の式 73 75)、フエナント口リンジィル基(下図の式 76 78 )など。
ヘテロ原子としてケィ素、窒素、酸素、硫黄、セレンなどを含みフルオレン構造を有 する基(下図の式 79— 93)。
ヘテロ原子としてケィ素、窒素、酸素、硫黄、セレンなどを含む 5員環複素環基(下 図の式 94一 98)。
ヘテロ原子としてケィ素、窒素、酸素、硫黄、セレンなどを含む 5員環縮合複素環基 (下図の式 99一 110)。
ヘテロ原子としてケィ素、窒素、酸素、硫黄、セレンなどを含む 5員環複素環基でそ のへテロ原子の α位で結合し 2量体やオリゴマーになってレ、る基(下図の式 111一 1 12)。
ヘテロ原子としてケィ素、窒素、酸素、硫黄、セレンなどを含む 5員環複素環基でそ のへテロ原子の α位でフエニル基に結合してレ、る基(下図の式 113— 119)。
ヘテロ原子として酸素、窒素、硫黄、などを含む 5員環縮合複素環基にフエニル基 やフリル基、チェニル基が置換した基(下図の式 120 125)。
中でもへテロ原子として窒素、酸素、硫黄を含む複素環基が好ましぐフリル基を含 むもの(下図の式 96、 124、 125)、チェ二レン基を含むもの(下図の式 97、 111— 1 13、 122、 123)、及びピリジン一 2, 5_ジィル基を含むもの(下図の式 41)がさらに好 ましぐチェ二レン基、置換基を有するチェ二レン基が特に好ましい。
Figure imgf000016_0001
[^oo]
Figure imgf000016_0002
[0 00] e088I0/JO03df/X3d W
Z10090/S00Z: O
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0003
£088請 OOZdf/ェ:) d 91- ZT0090/S00Z OAV
Figure imgf000018_0001
91· ΖΪ0090細 OAV
Figure imgf000019_0001
124 125
(ここで上記式 1一 125における Rは、それぞれ独立に、水素原子、シァノ基、アルキ ル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、ァリール基、ァリールォキシ基又は 1価の複素 環基を表す。 Rが複数存在する場合、それらは同一であっても異なっていてもよい。 ) [0050] Ar及び Arにおける置換基のなかで、アルキル基は、直鎖状、分岐状又は環状で
1 2
あり、通常炭素数 1一 20程度であり、具体的にはメチル基、ェチル基、 n—プロピル基 、イソプロピル基、 n—ブチル基、イソブチル基、 tert—ブチル基、ペンチル基、へキシ ル基、ヘプチル基、ォクチル基、ノニノレ基、デシル基、ラウリノレ基、シクロプロピル基、 シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロへキシル基、シクロへプチル基、シクロオタ チル基、シクロノニル基、シクロドデシル基などが挙げられ、ペンチル基、へキシル基 、ォクチル基、デシル基、シクロへキシル基が好ましい。
[0051] アルコキシ基は、通常炭素数 1一 20程度であり、そのアルキル部分は、直鎖状、分 岐状又は環状であり、具体的にはメトキシ基、エトキシ基、 n—プロピルォキシ基、イソ プロピルォキシ基、 n—ブトキシ基、イソブトキシ基、 tert—ブトキシ基、ペンチルォキシ 基、へキシルォキシ基、ヘプチルォキシ基、ォクチルォキシ基、ノニルォキシ基、デ シルォキシ基、ラウリルォキシ基、シクロプロピルォキシ基、シクロブチルォキシ基、シ クロペンチルォキシ基、シクロへキシルォキシ基、シクロへプチルォキシ基などが例 示され、ペンチルォキシ基、へキシルォキシ基、ォクチルォキシ基、デシルォキシ基 、シクロへキシルォキシ基、が好ましい。
[0052] アルキルチオ基としては、通常炭素数 1一 20程度であり、アルキル部分は、直鎖状 、分岐状又は環状であり、メチルチオ基、ェチルチオ基、 n—プロピルチオ基、イソプ ロピルチオ基、 n—ブチルチオ基、イソブチルチオ基、 tert—ブチルチオ基、ペンチル チォ基、へキシルチオ基、へプチルチオ基、ォクチルチオ基、ノニルチオ基、デシル チォ基、ラウリルチオ基、シクロプロピルチオ基、シクロプチルチオ基、シクロペンチ ルチオ基、シクロへキシルチオ基、シクロへプチルチオ基などが例示され、ペンチル チォ基、へキシルチオ基、ォクチルチオ基、デシルチオ基、シクロへキシルチオ基が 好ましい。
[0053] ァリール基としては、フエニル基、 4—C フエニル基(C
1一 C アルコキシ
12 1一 C は、炭
12 素数 1一 12であることを示す。以下も同様である。)、 4—C一 C アルキルフエニル基
1 12
、 1一ナフチル基、 2_ナフチル基などが例示される。
[0054] 1価の複素環基としては 2_チェニル基、 2_ピロリル基、 2_フリル基、 2—、 3_又は 4 —ピリジノレ基などが例示される。 [0055] Ar及び Arにおける置換基として好ましくは、アルコキシ基である。
1 2
[0056] 高分子半導体の有機溶媒に対する溶解性の観点からは、 Ar及び Arのレ、ずれか
1 2
又は両方が 2つ以上の置換基を有することが好ましぐそれらの置換基が全て異なる ことがより好ましい。また、同じ炭素数を有する置換基で比較すると、アルキルに関し ては直鎖状のものよりは枝分かれのある置換基がより好ましレ、。
[0057] 式(1)の Xは— CR =CR—
1 1 2 、― C≡C—又は N (R )—を示し、— CR =CR—及び—
3 1 2
N (R ) _が好ましい。 R及び Rは、それぞれ独立に水素原子、アルキル基、ァリール
3 1 2
基、 1価の複素環基、カルボキシル基、置換カルボキシル基又はシァノ基を示す。 R
3 は、水素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素環基、ァリールアルキル基又は 置換アミノ基を示す。 Rがァリール基、一価の複素環基、ァリールアルキル基の場合
3
は、さらに置換アミノ基を置換基として有していてもよい。
[0058] ここに、アルキル基は、直鎖状、分岐状又は環状であり、通常炭素数 1一 20程度で あり、具体的にはメチル基、ェチル基、 n プロピル基、イソプロピル基、 n ブチル基 、イソブチル基、 tert ブチル基、ペンチル基、へキシル基、ヘプチル基、ォクチル基 、ノニル基、デシル基、ラウリル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチ ル基、シクロへキシル基、シクロへプチル基、シクロォクチル基、シクロノニル基、シク ロドデシル基などが挙げられ、ペンチル基、へキシル基、ォクチル基、デシル基、シク 口へキシル基が好ましい。
[0059] ァリール基としては、フエニル基、 4— C
1一 C アルコキシフエニル基、 4— C
12 1一 C ァ
12 ルキルフエニル基、 1 ナフチル基、 2—ナフチル基などが例示される。
[0060] 1価の複素環基としては 2_チェニル基、 2_ピロリル基、 2_フリル基、 2—、 3_又は 4 —ピリジノレ基などが例示される。
置換カルボキシル基とは、アルキル基、ァリーノレ基、ァリールアルキル基又は 1価の 複素環基で置換されたカルボキシル基をレ、い、通常炭素数 2 60程度であり、好ま しくは炭素数 2 48である。置換カルボキシル基の炭素数には置換基の炭素数は含 まれない。置換カルボキシル基としては、メトキシカルボニル基、エトキシカルボ二ノレ 基、プロポキシカルボニル基、イソプロポキシカルボニル基、ブトキシカルボニル基、 イソブトキシカルボニル基、 t_ブトキシカルボニル基、ペンチルォキシカルボニル基、 へキシロキシカルボニル基、シクロへキシロキシカルボニル基、ヘプチルォキシカル ボニル基、ォクチルォキシカルボニル基、 2—ェチルへキシロキシカルボニル基、ノニ ルォキシカルボニル基、デシロキシカルボニル基、 3, 7—ジメチルォクチルォキシカ ノレボニル基、ドデシルォキシカルボニル基、トリフルォロメトキシカルボニル基、ペンタ フルォロエトキシカルボニル基、パーフルォロブトキシカルボニル基、パーフルォ口へ キシルォキシカルボニル基、パーフルォロォクチルォキシカルボニル基、フエノキシ カルボニル基、ナフトキシカルボニル基、ピリジルォキシカルボニル基、などが挙げら れる。なお該アルキル基、ァリーノレ基、ァリールアルキル基又は 1価の複素環基は置 換基を有していてもよい。
[0061] ァリールアルキル基は、炭素数は通常 7— 60程度であり、好ましくは 7— 48である。
具体的には、フエニル— C
1一 C アルキル基、 C
12 1一 C アルコキシフエニル— C
12 1一 C ァ
12 ノレキノレ基、 C一 C アルキルフエニル _C一 C アルキル基、 1—ナフチル _c
1 12 1 12 1一 C ァ
12 ノレキル基、 2—ナフチルー C
1一 C アルキル基などが例示され、 C
12 1一 C アルコキシフエ
12
二ルー C一 C アルキル基、 C一 C アルキルフエ二ルー C一 C アルキル基が好まし
1 12 1 12 1 12
レ、。
[0062] 置換アミノ基としては、アルキル基、ァリール基、ァリールアルキル基又は 1価の複 素環基から選ばれる 1又は 2個の基で置換されたァミノ基が挙げられる。該アルキル 基、ァリール基、ァリールアルキル基又は 1価の複素環基はさらに置換基を有してい てもよレ、。炭素数は該置換基の炭素数を含めないで通常 1一 60程度であり、好ましく は炭素数 2— 48である。
具体白勺に〖ま、メチノレ了ミノ基、ジメチノレ了ミノ基、ェチノレ了ミノ基、ジェチノレ了ミノ基、 プロピルアミノ基、ジプロピルアミノ基、イソプロピルアミノ基、ジイソプロピルアミノ基、 ブチルァミノ基、イソブチルァミノ基、 t—ブチルァミノ基、ペンチルァミノ基、へキシル アミノ基、シクロへキシルァミノ基、ヘプチルァミノ基、ォクチルァミノ基、 2_ェチルへ キシルァミノ基、ノニルァミノ基、デシルァミノ基、 3, 7—ジメチルォクチルァミノ基、ラ ゥリノレアミノ基、シクロペンチルァミノ基、ジシクロペンチルァミノ基、シクロへキシルァ ミノ基、ジシクロへキシルァミノ基、ピロリジノレ基、ピペリジル基、ジトリフルォロメチルァ ミノ基フエニルァミノ基、ジフエニルァミノ基、 C一 C アルコキシフエニルァミノ基、ジ( C一 C アルコキシフエニル)アミノ基、ジ(C一 C アルキルフエニル)アミノ基、 1—ナ
1 12 1 12
フチルァミノ基、 2—ナフチルァミノ基、ペンタフルオロフェニルァミノ基、ピリジルァミノ 基、ピリダジニルァミノ基、ピリミジルアミノ基、ビラジルァミノ基、トリアジノレアミノ基フエ ニル一C一 C ァノレキノレアミノ基、 C一 C アルコキシフエニル一C一 C アルキルアミノ
1 12 1 12 1 12
基、 C一 C アルキルフエ二ルー C一 C アルキルアミノ基、ジ(C コキシフエ
1 12 1 12 1一 C アル
12
ニル—C一 C アルキル)アミノ基、ジ(C一 C アルキルフエニル—C一 C アルキル)
1 12 1 12 1 12 アミノ基、 1_ナフチル一 C
1一 C ァノレキノレアミノ基、 2_ナフチル一 C
12 1一 C ァノレキノレアミ
12
ノ基などが例示される。
[0063] 式(1)で示される繰り返し単位の例としては、 —— Arx—— (2)
X!—— (3)
—— Ar!—— Xi (4)
Figure imgf000023_0001
—— Ar!—— Χχ—— ΑΓ2 (6)
—— Arx—— Xl ~~ Ar!—— Xj ~~ Ar2—— (7) が挙げられる。 (式中、 Ar、 Ar及び Xは式(1)と同じである。 Ar 'は式(1)において
1 2 1 1
、 m= 2であり、かつ二つの Arが異なる場合のもう一方の Arを表す。)
1 1
[0064] 式(2)の具体例としては、下の式(8)及び(9)が挙げられ、式(3)の具体例としては 、下の式(10)が挙げられ、式 (4)の具体例としては、下の式(11)が挙げられ、(5)の 具体例としては、下の式(12)が挙げられ、(6)の具体例としては、下の式(13)、 (14 )及び(15)が挙げられ、(6)の具体例としては、下の式(16)及び(17)が挙げられる
Figure imgf000024_0001
Figure imgf000024_0002
£088lOl700Zdf/X3d ZZ ZT0090/S00Z: OAV
Figure imgf000025_0001
£088請 OOZdf/ェ:) d ZT0090/S00Z OAV
Figure imgf000026_0001
(式中、 Arはァリーレン基又は 2価の複素環基を示す。 Rは、水素原子、シァノ基、ァ ルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、ァリーノレ基、ァリールォキシ基又は 1価の 複素環基を表す。 Rが複数存在する場合、それらは同一であっても異なっていてもよ レヽ。 Yは、 0、 S、 SO、 Se, Te、 N_R,、 CR' R"又は SiR' R"を示し、 R,、 R,,はアル
2
キル基、アルコキシ基、ァリーノレ基、 1価の複素環基、ァリールアルキル基を示す。 n は 0又は 1の整数を示す。 Iは 0— 2の整数、 Jは 0— 3の整数、 Kは 0— 4の整数、 Lは 0 一 5の整数を示す。)。
本発明に用いる高分子半導体が、上記式(1)で示される繰り返し単位を有するもの である場合、上記式(1)で示される繰り返し単位を 2種類以上含んだ、ランダム、プロ ック又はグラフト共重合体であってもよいし、それらの中間的な構造を有する高分子 半導体、例えばブロック性を帯びたランダム共重合体であってもよい。特性の優れた 有機光一光変換素子を得る観点からは完全なランダム共重合体よりもブロック性を帯 びたランダム共重合体やブロック又はグラフト共重合体が好ましレ、。主鎖に枝分かれ があり、末端部が 3つ以上ある場合も含まれる。 [0066] 本発明に用いる高分子半導体の末端基は、特に限定されないが、重合活性基が そのまま残っていると、活性層に用いたときの特性が低下する可能性があるので、安 定な基で保護されていることが好ましい。主鎖の共役構造と連続した共役結合を有し ているものがより好ましぐ例えば、ビニレン基を介してァリール基又は複素環基と結 合している構造が例示される。具体的には、特開平 9一 45478号公報の化 10に記載 の置換基等が例示される。
[0067] 本発明に用いる高分子半導体は、通常は、ポリスチレン換算の数平均分子量が、 1
X 103 1 X 108である。分子量が低すぎると均質な薄膜を得るのが困難となる傾向 があり、また、高すぎるとゲルイ匕しやすくなり薄膜形成が困難となる傾向がある。成膜 性の点から数平均分子量 1 X 104 2 X 107が好ましぐさらに好ましくは 1 X 105— 1 X 107である。
[0068] 該高分子半導体に対する良溶媒としては、クロ口ホルム、塩化メチレン、ジクロロェ タン、テトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、メシチレン、デカリン、 n—ブチルベンゼン などが例示される。高分子半導体の構造や分子量にもよるが、通常はこれらの溶媒 に 0. 1重量%以上溶解させることができる。
[0069] 本発明に用いる高分子半導体の合成法としては、主鎖にビニレン基を有する場合 には、例えば特開平 5-202355号公報に記載の方法が挙げられる。すなわち、ジァ ルデヒド化合物とジホスホニゥム塩化合物との重合ゃジアルデヒド化合物とジ亜燐酸 エステル化合物との Horner— Wadsworth— Emmons法による重合などの Wittig反 応による重合、ジビニル化合物とジハロゲン化合物との又はビニルハロゲン化合物単 独での Heck反応による重合、ハロゲン化メチル基を 2つ有する化合物の脱ハロゲン 化水素法による重縮合、スルホニゥム塩基を 2つ有する化合物のスルホニゥム塩分解 法による重縮合、ジアルデヒド化合物とジァセトニトリル化合物との Knoevenagel反 応による重合などの方法、ジアルデヒド化合物の McMurry反応による重合などの方 法が例示される。
また、主鎖にビニレン基を有しない場合には、例えば該当するモノマーから Suzuki カップリング反応により重合する方法、 Grignard反応により重合する方法、 Ni (0)錯 体により重合する方法、 FeCl等の酸化剤により重合する方法、電気化学的に酸化 重合する方法、あるいは適当な脱離基を有する中間体の分解による方法などが例示 される。
[0070] これらのうち、 Wittig反応による重合、 Heck反応による重合、 Knoevenagel反応 による重合、及び Suzukiカップリング反応により重合する方法(W〇 00/53656, WO 00/55927)、 Grignard反応により重合する方法、ニッケルゼロ価錯体により 重合する方法が、構造制御がしゃすレ、ので好ましレ、。
[0071] これらの高分子半導体を有機光一光変換素子に用いる場合、その純度が特性に影 響を与えるため、合成後、再沈精製、クロマトグラフィーによる分別等の純化処理をす ることが好ましい。
[0072] 本発明のデバイスは、光電流増倍層及び有機 EL発光層に、上記式(1)で示される 繰り返し単位を 1種類以上含む高分子半導体を用いる場合、上記式(1)で示される 繰り返し単位を 1種類以上含む高分子半導体を 1種用いてもよいし、式(1)で示され る繰り返し単位を 1種類以上含む高分子半導体を 2種類以上混合して用いてもよい。 また、有機光-光変換素子の特性を妨げない範囲で、式(1)で示される高分子半導 体以外のポリマーを混合して用いてもよレ、。混合するポリマーとしては、ポリカーボネ ート、ポリビエルプチラール、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メ チルなどの汎用ポリマー、ポリビニルカルバゾール、ポリシランなどの導電性ポリマー が挙げられる。
このとき式(1)で示される高分子半導体の比率は 10%— 100%の範囲である。より 好ましくは 30%— 100%の範囲、さらに好ましくは 50%— 100%の範囲である。 光電流増倍層に用いられる光導電性有機半導体としての高分子半導体としては、 受光した光により生成した電子一ホール対を効率よく分離し、電極まで輸送することが 要求されることから、高分子半導体として、電子又はホールのうち少なくとも一方の電 荷輸送性が高いものであり、電子—ホール対の再結合確率が低いものが好ましい。ま た、光電流増倍現象は、異種材料導電層と光導電性有機半導体からなる層との界 面で起こる現象であり、トンネル注入が起こりやすくする必要があることから、異種材 料導電層材料と高分子半導体との組み合わせが重要である。これらの組み合わせは 、高分子半導体の H〇MO、 LUM〇レベルと異種材料導電層材料の持つ HOM〇、 LUMOレベル (金属の場合は仕事関数)により適宜選択されればよい。例えば、光 電流増倍現象として電子のトンネル注入を用いる場合、上記(1)で示される繰り返し 単位として電子輸送性の高いものを含んだ高分子半導体、例えばフルオレン、シロ ール、ォキサゾール、ォキサジァゾール、トリァゾール及びそれらの誘導体などの繰り 返し単位を含んだものを選択し、異種材料導電層材料としては、例えば金属の場合 、金、銀、白金、アルミニウム、 IT〇など比較的大きな仕事関数を持つ電極材料との 組み合わせが好ましい。また、光電流増倍現象としてホールのトンネル注入を用いる 場合、上記(1)で示される繰り返し単位としてホール輸送性の高レ、ものを含んだ高分 子半導体、例えばトリフエニルァミンなどの芳香族ァミン、ァニリン、チォフェン、ピロ ール、ヒドラゾン、ピラゾリン及びそれらの誘導体などの繰り返し単位を含んだものを 選択し、異種材料導電層材料としては、例えば金属の場合、リチウムなどのアルカリ 金属、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属など比較的小さな仕事関数 を持つ電極材料との組み合わせが好ましレ、。
さらに、受光した光により生成した電子-ホール対を効率よく分離させる目的で、フ タロシアニン系顔料、キナクリドン系顔料などの電子供与性化合物、又はペリレン系 顔料、ペリノン系顔料、フラーレンなどの電子受容性化合物を混合して用いてもよい 一方、有機 EL発光層に用いられる高分子半導体としては、それぞれの電極から注 入される電子及びホールを効率よく輸送し、かつ輸送されてきた電子及びホールを 効率よく発光再結合させることが要求されることから、高分子半導体として、電子及び ホールの両方の電荷輸送性が高いものであり、分子内での発光量子収率が高いも のが好ましい。例えば、上記(1)で示される繰り返し単位として電子輸送性の高いも のとホール輸送性の高いものの両方を含んだ高分子半導体、あるいは、上記(1)で 示される繰り返し単位として電子輸送性の高いものを含んだ高分子半導体と上記(1 )で示される繰り返し単位としてホール輸送性の高レ、ものを含んだ高分子半導体を混 合したものが好ましい。
本発明に係る有機光一光変換デバイスを複数個、 2次元的に配置することによって 、肉眼では見ることができない微弱光や赤外光'紫外光等の可視光以外の光を受光 部で受光し、発光部から可視光で出力する(すなわち、画像化する)イメージ 'インテ ンシファイアを構成することができる。なお、用途によっては 1次元配列でも有用であ る。
[0074] 本発明のデバイスに印加された電圧は、受光部と発光部に分配される。受光部へ の入射光の強度が大きいほど、光電流増倍層に生成される電子の数が多くなり受光 部の電気抵抗が低下するため、発光部に分配される電圧が増加し、出射光の強度 が大きくなる。
本発明の有機光—光変換デバイスにおいては、発光部に分配される電圧を容易に 測定することができるので、発光部電圧の値を、入射光及び出射光の強度を電気信 号化したものとして用いることができる。これによつて、入射光の強度を電気信号とし て検出する光センサとして用いることができる。こうして出力される電圧の値は受光部 における受光量に対応したものであるため、このデバイスは光センサとして作用する。 即ち、本発明の光センサは有機光-光変換デバイスと、電界発光性有機半導体を 含む層(有機 EL発光層)の両端に力かる電圧を測定し出力する手段とを備えることを 特徴とする。更に、例えば発光部において発光させつつ、上記電気信号を受信する 外部においても何らかの電気一光変換によって発光させることができる。
[0075] 以下、本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらに 限定されるものではない。
ここで、ポリスチレン換算の数平均分子量についてはゲルパーミエーシヨンクロマト グラフィー (GPC)法により次のようにして求めた。
カラム: Plgel mix-B + mix-C (8mm I.d. X 30cm)、検出器: RI (Shodex RI- 101)を使 用、 l.Omg/mlの濃度に調整した高分子のクロ口ホルム溶液を 50 μ 1注入し、クロロホノレ ム l.Oml/minのフローレートの条件で測定した。
[0076] 実施例 1
ぐ高分子半導体の合成 >
ポリ(9, 9—ジォクチルフルオレン)(PFO)は、 WO 00/53656記載の方法で合 成した。この PF〇の数平均分子量は 4. 8 X 104であった。ポリ(2,7_ (9,9 -ジォクチル フルオレン) -alt- (1,4 -フエ二レン- ( (4-secブチルフエニル)ィミノ) _1,4_フエ二レン)) (TFB)は、 WO 00/55927記載の方法で合成した。この TFBの数平均分子量は 1. 8 X 104であった。
[0077] <有機光一光変換デバイスの作成 >
パターユングした ITO膜を付けたガラス基板上に、ポリ(3, 4)エチレンジォキシチ オフヱン Zポリスチレンスルホン酸(PEDOT) (Bayer製、 Bytron P TP AI 4083) の懸濁液を、スピンコートにより成膜し、 ITOの上の一部を残して剥ぎ取った後、ホッ トプレート上で 200。C、 10分間乾燥した。その上に、 PFO及び TFBのトルエン溶液 を重量比で 6 : 4の比率で混合し、 0. 2 x mのフィルターで濾過した塗布液を用いて スピンコート法により高分子半導体薄膜を形成した。 PEDOTの上以外の高分子半 導体薄膜を剥ぎ取り、真空蒸着装置にセットした。シャドーマスクを用いて、剥ぎ取ら ずに残した高分子薄膜層の上に、陰極電極として MgAgを共蒸着法により 5:0.5A/s の速度で 30匪成膜した。その上に、 Agを 0.6A/Sの速度で 20匪成膜し、発光部を形 成した。シャドーマスクを移動し、 PEDOT及び高分子半導体薄膜を剥ぎ取り ITOが 露出した部分に、光導電性有機半導体ナフタレンテトラカルボン酸二無水物(
Naphthalene tetracarboxylic dianhydride: NTCDA)を 2.5 A/sの速度で 600nm成膜 した。その上に電極として Auを 0.4A/sの速度で 20nm成膜し、受光部とした。
[0078] <有機光一光変換デバイスの特性評価 >
図 2に、本発明に係るコブラナー型有機光一光変換デバイスの断面図を示す。受光 部電極 23と発光部電極 26に図 2のように直流電源 27を接続し、直流電源 27により、 受光部 31と発光部 32の間に電圧 Vaを印加した。電圧 Vaは、後述のように本デバイ スの特性を調べる目的で、 5— 30Vの間のレ、くつかの値を用いた。受光部 31—発光部 32間に電圧 Vaを印加した状態で、電極 23面から受光部 31に波長 400nm、強度 56 z Wん m2の入射光 28を照射した。その結果、発光部 32の基板 21側から波長 450nm の出射光 29が得られた。入射光 28と出射光 29の波長が異なり、この光一光変換デ バイスの特徴の 1つである波長変換がなされている。有機 EL発光層 24の材料の選 択によっては、更に異なる色の出射光を得ることもできる。なお、図 2において 21は 基板、 22は光電流増倍層、 24は有機 EL発光層、 25はホール輸送層、 30は発光部 と受光部を接続する導電層、 33は光検出器である。 [0079] 印加電圧 Vaが 5— 30Vの場合における出射光 29の強度を、フォトダイオードを用い た光検出器 33を用いて測定した結果を図 3に示す。本測定では、直流電源 27の印 加開始 30秒後に入射光 28の照射を開始し、入射光 28の照射開始から 60秒後に入 射光 28の照射を終了した。入射光 28の ON/OFFにより出射光 29の強度が変化した
[0080] 図 3より、入射光照射終了後にも発光部が光を出射し続けていることがわかる。これ は、前記の光フィードバック効果による。本実施例においては出射光の強度を大きく するために、光フィードバック効果を抑制する操作は行わなかった。入射光に対する 応答性を重視する場合には、例えば図 4に示すように受光部 31と発光部 32との距離 36を長くしたり、図 5に示すように受光部 31と発光部 32との間に遮光部材 37を設置 するなどの方法により、受光部 31へのフィードバック光 35の流入を抑制すればよい。 上記遮光部材 37はフィードバック光 35を完全に遮断するものでもよレ、が、光フィード バックによる光増幅の効果も得たい場合には、受光部へのフィードバック光の流入を 抑制し、かつ完全には遮断しなレ、透過率を持つ部材 (透光部材)を用いてもょレ、。
[0081] 次に、入射光から出射光への光一光変換効率について述べる。これは、出射光とし て出力されたフオトンの数を、入射光として入力されたフオトンの数で除した値で定義 される。この値力 未満であれば変換中に光の損失があり、 1を超えれば入力された 光以上の出射光が得られたことになる。その結果を図 6に示す。 Va=25Vの時、 280倍 の光-光変換効率が得られた。
[0082] 実施例 2
<有機光一光変換デバイスの作成 >
パターユングした ITO膜を付けたガラス基板上で、 ITO膜の一部に、 PEDOTの懸 濁液をインクジェット法により PEDOT薄膜を成膜後、ホットプレート上で 200°C、 10 分間乾燥する。その上に、 PFO及び TFBのデカリン溶液を重量比で 6 : 4の比率で 混合し、 0. 2 z mのフィルターで濾過する。この濾過液を用いてインクジェット法によ り高分子半導体薄膜を形成し、発光部領域とする。次いで、 PEDOT膜が形成され ていない ITO膜の上に PFOのデカリン溶液の 0. 2 μ mフィルター濾過液を用いてィ ンクジェット法により高分子半導体薄膜形成し、受光部領域とする。この基板を真空 蒸着装置にセットし、シャドーマスクを用いて発光領域の上に、陰極電極として MgAg を共蒸着法により 5:0.5A/sの速度で 30nm成膜する。その上に、 Agを 0.6A/sの速度 で 20nm成膜する。シャドーマスクを移動し、受光部領域の上に、電極として Auを 0.4 A/sの速度で 20nm成膜する。
[0083] <有機光一光変換デバイスの特性評価 >
実施例 1と同様に、受光部-発光部間に電圧 Vaを印加しながら、 Au電極面から受 光部に波長 400nm、強度 56 μ Wん m2の入射光 28を照射する。その結果、発光部の 基板側から波長 450nmの出射光が得られ、波長変換がなされている。このときの入射 光から出射光への光一光変換効率としては、 10倍を超え、光増幅が行われているこ とが確認できる。
産業上の利用可能性
[0084] 本発明の有機光一光変換デバイスは光一光変換効率のデバイス特性に優れ、ィメ ージインテンシファイア、光センサ等に用いることができる。
図面の簡単な説明
[0085] [図 1]本発明の光一光変換デバイスの構成例を示す断面図。
[図 2]本発明の光一光変換デバイスの一実施例を示す断面図。
[図 3]図 2に示した実施例の光一光変換デバイスの入射光照射による出射光の強度 の変化を示すグラフ。
[図 4]本究明の光一光変換デバイスにおいて、受光部一発光部間の距離の調整によ つて光フィードバック効果を抑制する方法の例を示す図。
[図 5]本発明の光-光変換デバイスにおいて、遮光部材を用いて光フィードバック効 果を抑制する方法の例を示す図。
[図 6]図 2に示す実施例の光一光変換デバイスにおける光一光変換効率を示すグラフ

Claims

請求の範囲
[1] 光照射により光電流増倍現象を起こす光導電性有機半導体を含む層を有する受 光部と、
電流注入により発光する電界発光性有機半導体を含む層を有する発光部と、 を設けた有機光—光変換デバイスであって、
該光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体の少なくとも一方が高分子半 導体であることを特徴とする上記有機光一光変換デバイス。
[2] 光導電性有機半導体が高分子半導体である請求項 1記載の有機光-光変換デバ イス。
[3] 電界発光性有機半導体が高分子半導体である請求項 1記載の有機光-光変換デ ノイス。
[4] 光導電性有機半導体及び電界発光性有機半導体が高分子半導体である請求項 1 一 3のいずれか一項に記載の有機光一光変換デバイス。
[5] a)前記光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と、
b)同一基板上の該受光部と異なる位置に載置された、前記電界発光性有機半導体 を含む層を有する発光部と、
c)同一基板上に敷設された、該受光部と該発光部とを接続する導電層と、 を備える請求項 1一 4のいずれか一項に記載の有機光—光変換デバイス。
[6] 前記受光部と発光部との間に遮光部材を設けた請求項 5に記載の有機光-光変換 デバイス。
[7] 前記受光部と発光部との間に、受光部へのフィードバック光の流入を抑制し、かつ 完全には遮断しない透過率を有する透光部材を設けた請求項 5に記載の有機光一 光変換デバイス。
[8] 前記光導電性有機半導体を含む層を有する受光部と電界発光性有機半導体を含 む層を有する発光部とを積層一体化させた請求項 1一 4のいずれか一項に記載の有 機光-光変換デバイス。
[9] 前記高分子半導体が、下記式(1)で示される繰り返し単位を 1種類以上含み、ポリ スチレン換算の数平均分子量が 1 X 103— 1 X 108である請求項 1一 8のいずれか一 項に記載の有機光-光変換デバイス c
Figure imgf000035_0001
(式中、 Ar及び Arはそれぞれ独立にァリーレン基又は 2価の複素環基を示す。 X は _CR =CR一、 _C≡C—又は _N (R )—を示す。 R及び Rは、それぞれ独立に水 素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素環基、カルボキシル基、置換カルボキ シル基又はシァノ基を示す。 Rは、水素原子、アルキル基、ァリール基、 1価の複素 環基、ァリールアルキル基又は置換アミノ基を示す。 m、 n及び qはそれぞれ独立に 0 又は 1の整数を示す。 pは 0— 2の整数を示し、 m + n及び p + qは 1以上である。 Ar、
X、 R、 R及び Rがそれぞれ複数存在する場合、それらは同一であっても異なって レヽてもよレヽ
[10] 前記光導電性有機半導体を含む層及び/又は電界発光性有機半導体を含む層 が、上記式(1)で示される繰り返し単位を 1種類以上含む高分子半導体を 2種類以 上含む請求項 1一 9のいずれか一項に記載の有機光-光変換デバイス。
[11] 請求項 1一 10のいずれか一項に記載の有機光一光変換デバイスを複数個配列し て成ることを特徴とするイメージインテンシファイア。
[12] 請求項 1一 10のいずれか一項に記載の有機光一光変換デバイスと、電界発光性有 機半導体を含む層の両端に力かる電圧を測定し出力する手段とを備えることを特徴 とする光センサ。
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