世界一のテクノロジー
 2012年9月8日日テレの「世界一受けたい授業は」凄かった。1時間目の科学は、世界一の技術。紹介してくれるのは、山形大学、城戸淳二先生。先生自身も有機デバイス工学の世界的権威だ。

 世界一薄い有機EL照明を紹介してくれた。有機ELのしくみは、光る有機物。ホタルやホタルイカなどのつくる「光る有機物」に似た有機化合物を合成して、薄い板に塗る。これに電圧をかけることで照明にする。何と消費電力は蛍光灯の1/3~1/4で、エコな照明だ。

 有機ELはディスプレイにも使われている。現在世界最薄のもので0.08ミリ。くるくると巻き取ることができる。将来的にテレビは壁に掛けるものではなくて、壁に貼るものになるだろうと紹介。


Organic Electro-Luminescence

 次に紹介するのは、世界一の太陽光発電技術。2650枚の鏡を使って太陽光を中心のタワーに集める。集まった熱はいったん蓄熱材に蓄え、この蓄えた熱で蒸気を作って、タービンを回し発電。蓄熱式なので夜間でも、天気の悪い日も1年中発電できる。

 ロボットでは鳥のように飛ぶロボットが完成。2mと大きいが、450gしかなく鳥そっくりの動きをして空を飛ぶ。コンピューター制御された、ロボットヘリコプターは統制された動きをする。番組ではキーボードをたたいたり、ギターをひいたりして、007のテーマを演奏する技術を紹介してくれた。

 医療の分野では、世界一の臓器移植技術を紹介。心臓移植はこれまで冷凍保存して臓器を輸送していた。そのため6時間以内の手術が限度とされてきた。しかし、この技術を使えば保存時間は24時間になった。最新技術では心臓の動きを止めることなく、血液を循環させながら輸送する。


 有機EL照明とは?
 有機EL照明はすでに製品化が始まっているLED照明の後を追うように開発競争と実用化への目処が進んでおり、特にLED照明では不可能な「面発光」や「形状に制約がない」「透明である」点ではLED照明がほとんど点発光であるために小型化には向いても発熱という制約や光の拡散に工夫が求められる点と対照を成しており、今後住み分けが進むかさらにLEDを超えて普及する可能性があると考えられている。現在有機ELの主流であるガラス基板に代わりプラスチックフィルムなどの基板を使うことにより、フレキシブルに曲げることも可能である。将来、柔軟な素材に印刷することも検討されている。

 2008年の現状では1,000cd/m2の輝度が当面の製品化目標として設定されており、これはテレビ画面の2倍程度であるため単独での照明機器としては不十分である。しかし面発光・透明であり1mm以下と元々薄いため、透明な大きな板を壁面に立てかけるだけの形状や必要なら何枚でも重ねることで面積当りの輝度は高められるので問題とはならないとする意見もある。日本のルミオテック社では今後、板を積層することで蛍光灯と同水準の5,000cd/m2の輝度を持つ製品を生み出す計画である。コストも2008年時点での白色LED照明と同じ4円/lm前後での目処はついており、2015年には1円/lmにできるという予測もある。
 現在抱える技術的な問題は光の取り出し効率が25%程度と低い点と発光板の位置によって温度ムラや電流ムラがあり、これによって輝度ムラが生じてしまう点、そしてディスプレイ分野で他に代替材がない希少資源のインジウム(透明導電膜のITOとして使用される)を大量に消費するためインジウムの枯渇原因として危惧される事である。発光効率の問題に絡み蛍光材料ではなくリン光材料を使うことも模索されている。
 すでに将来の窓ガラスへの応用を考慮して、裏面(室外)に光が漏れないような1方向に光を透過させる技術の開発も行なわれている。
 有機EL開発を進めている会社には判っているだけで米GE社、パナソニック電工、コニカミノルタ、独OSRAM社、独Novaled AG社、ルミオテック社(三菱重工業、ローム、凸版印刷、城戸淳二山形大学教授の共同出資会社)があり調査会社の富士経済は2011年の日本国内での有機EL照明の市場規模は100億円を超え世界市場では2015年に5,000億円以上、2020年には1.4兆円になると予測している。(Wikipedia)


 有機ELには、リン光がよい
 有機物に電圧を掛けることで、有機物自体が発光する現象を有機EL(エレクトロ・ルミネッセンス)という。有機物の分子構造の組み合わせは無限であり、それぞれの発色や耐久性が異なります。有機物を電気的に発光させる研究は20年以上前から行われていたが、照明やディスプレイの利用に適した発光効率や耐久性を持つ有機物は、ここ数年でようやく発見され始めた。

 有機ELは、基板上に薄い膜を重ねた構造になっています。簡単にいえば、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が特徴。有機物は3層から構成されるのが一般的で、真ん中の発光層を挟み、プラスとマイナスそれぞれの電極と接する輸送層を持つ。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に電圧を掛けると、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だ。その中から発光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。

 一連の発光の流れを概念的に示すと、励起状態とは人が高い場所に登った状態であり、そこから降りる行為が発光に相当する。1万時間発光し続けるということは、発光層の有機物がこの状態を絶えず数億回も繰り返すこと。

 現在、さまざまな分野で開発が進む有機ELだが、要となる発光部の材料は2つの種類が混在しています。1つはすでに携帯電話のディスプレイなどで実用化が進んでいる「蛍光材料」。もう1つが理論的に高いエネルギー変換効率を持つ「リン光材料」。

 2つの材料は発光効率に大きな差がある。蛍光材料は25%なのに対し、リン光材料は100%(いずれも理論値)である。リン光のほうが発光時間が長く効率がよい。発光効率が高ければ、発熱の少なさ、省電力といった面でも有利なデバイスになる。つまり本来照明やディスプレイには、リン光材料の採用が理想的なのだ。

 それでは、なぜこれまで蛍光材料の実用化が先行してきたのだろうか。実は、寿命の長いリン光材料の開発は難易度が高く、特に波長の短い青色材料の開発は極めて困難だとされていた。光の三原色の1つである青色は、白色に発光する照明の開発には欠かせない。

 青色リン光材料の研究は材料メーカー各社が進めている。コニカミノルタでも、青色リン光材料の研究に取り組み、高い発光効率と寿命を両立させた青色リン光材料の開発に成功した。この材料を用いて、実験室レベルで蛍光灯に匹敵する電力1ワット当たり64ルーメン(lm)の発光効率と、約1万時間の寿命を実現している。面で発光し、薄くフレキシブル、発熱も少なく、環境にも優しいという蛍光灯にはない数々のメリットを持つ有機EL照明が、実用化に大きく近づいている。


参考HP Wikipedia:有機EL EDNjapan:今さら聞けない有機EL照明


有機EL最前線――パネル、照明から材料、プロセス、駆動まで
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