(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光感応型発光素子の発光効率測定方法であり、積分球に分光放射照度標準電球からの光を入射させ、該電球からの入射光に基づく光を測定することにより装置全体の分光感度を求め、該電球からの光は遮断した状態において、該積分球に該発光素子へ発光のスイッチング、波長変換又は発光強度の制御を行なう入力光を入射させ、該入力光に起因する積分球壁面による拡散反射光を測定することにより、該入力光のみによるスペクトルを求め、次に、該発光素子を該積分球内に設置し、該発光素子に該入力光を照射し、該入力光の照射に基づく光のスペクトルを測定することにより該発光素子の発光効率を求めることを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の光感応型発光素子の発光効率測定方法において、上記分光感度を求めるに際し、上記積分球内に該発光素子を設置せずに、上記標準電球からの光は、積分球による一次反射光が入射口より戻らないように、垂直入射に対して角度を設けて入射し、該標準電球からの光に基づくスペクトルを求め、次に、該発光素子を該積分球内に導入し、該標準電球からの入射光が直接当たらない位置に設置して、該標準電球からの光に基づく光を測定することによりスペクトルの補正を行うことを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定方法。
【請求項３】
請求項１記載の発光効率測定方法において、上記入力光のみによるスペクトルを求めるに際し、上記積分球内に上記発光素子を設置せずに、該入力光は、該積分球による一次反射光が入射口より戻らないように、垂直入射に対して角度を設けて入射し、該入力光に起因する該積分球内の拡散反射光によるスペクトルを求め、次に、該発光素子を該積分球内に導入し、該入力光が直接当たらない位置に設置して、該入力光に起因する該積分球内の拡散反射光及び素子の発光を測定することによりスペクトルの補正を行うことを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定方法。
【請求項４】
上記請求項１記載の光感応型発光素子の発光効率測定方法において、上記装置全体の分光感度を求めるための上記入射光及び上記入力光のみによるスペクトルを求めるための該入力光は、上記積分球に設けられた第１の入射ポートを通して該積分球に導入し、該発光素子への照射に基づく光のスペクトルを測定するための該入力光の照射は、該積分球に設けられた第２の入射ポートを通して行うことを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定方法。
【請求項５】
光感応型発光素子の発光効率測定装置であり、積分球、該積分球に取り付けられる開口面積が校正されており、分光放射照度標準電球からの光又は該発光素子に対する発光のスイッチング、波長変換又は発光強度の制御を行なう入力光を入射させる入射ポート、該発光素子を支持するアタッチメント用のポート、該積分球の外部に設けられた分光放射照度標準電球、該入力光用光源及び光検出器を有することを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定装置。
【請求項６】
上記請求項５記載の光感応型発光素子の発光効率測定装置において、上記入力用光源は、減光装置を有することを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定装置。
【請求項７】
上記請求項５又は６記載の光感応型発光素子の発光効率測定装置において、上記入射ポートは、二つ設けられていることを特徴とする光感応型発光素子の発光効率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、空間光変調素子、光演論理算素子および省電力ディスプレイパネル等に用いられる、光感応型発光素子の外部量子効率および外部エネルギー効率（両者を併せて「発光効率」という。）を測定する方法及びそれに用いる測定装置に関する。ここで、光感応型発光素子とは、電界発光素子であり、かつ、入射光に感応して発光のスイッチング、波長変換、もしくは発光強度の制御を行なう素子をいう。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子の性能表記に関しては、輝度または光度で行われる場合が通例であるが、発光素子８の全放射束に関る外部量子効率を実験的に正しく求めることは、発光素子８の材料および構造の最適化においても、また発光のメカニズムに関する基礎的知見を得る上でも非常に重要である。また、発光素子の外部エネルギー効率を実験的に正しく求めることは、発光素子８の省電力特性を評価する上で非常に重要である。
【０００３】
発光素子の外部量子効率とは、下記のように定義される。
【数１】
0003716303.tif 000002
電界発光素子に関しては、外部量子効率の測定方法および測定装置が、例えば特許公開2001-250675に提案されている。
【０００４】
また、発光素子の外部エネルギー効率とは、下記のように定義される。
【数２】
0003716303.tif 000003
通常の電界発光素子においては、入力エネルギーを電力(W)、発光エネルギーを全光束(lm)で与えることにより、外部エネルギー効率を(lm/W)の形で求めることが多い。一方、発光エネルギーを全放射束(W)で与えた場合、太陽電池のエネルギー効率の表記と同様、「エネルギー変換効率」（100を乗じることにより%で表せる）となる。
【０００５】
一方、入射光に感応して発光のスイッチング、波長変換又は発光強度の制御が可能な「光感応型」発光素子が注目を集めている。例えば、特許公開平6-275864（光―光変換素子）又は下記の文献に提案されている発光素子である。
“Organic Light-Emitting Diode with TiOPc Layer - A New Multifunctional Optoelectronic Device”  J.P. Ni, T. Tano, Y. Ichino, T. Hanada, T. Kamata, N. Takada, K. Yase, Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) L948
【０００６】
本素子の特徴は、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子としての発光層の他に、光電変換層を有していることであり、DC電源と太陽電池とを併用した発光素子ということも出来る。
【０００７】
本発光素子は、従来の発光素子にない特徴を有することから、発光素子８の基本的性能の指標である外部量子効率及び外部エネルギー効率を評価することが非常に重要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
定義（数1）および（数2）に基づいて光感応型発光素子の発光効率を評価する際には、発光の全放射束の評価に加えて、入射光に関する定量評価も同時に行なう必要がある。
【０００９】
しかし、従来の発光素子の量子効率評価装置、例えば特許公開2001―250675に提案されているような装置においては、積分球外からの入射光を定量評価する手段がないため、入射光強度のうち実際に光電変換層に吸収された割合を決めることができない。
【００１０】
一方、従来の固体の蛍光量子効率測定装置、例えば特許公開平9―292281に提案されているような装置においては、入射光の定量評価は可能だが、発光素子用の電極、電源および電流測定装置（エレクトロメータ）を装備していないため、発光素子としての評価を行なうことが出来ない。即ち、従来の量子効率測定装置においては、光感応型発光素子の発光効率を評価することは出来ない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、光感応型発光素子の発光効率を評価できる測定方法および測定装置を提供する。即ち、入射光を導入することができ、入射光強度を定量評価することができ、入射光強度のうち実際に光電変換層に吸収された割合を定量評価することができ、かつ発光全放射束を定量評価できる測定方法および測定装置を提供する。
本願発明における測定装置は、入射ポート、アタッチメント付きポート及びファイバー出射ポートを備えた積分球、ファイバーバンドル、分光器、光検出器、光検出器用コントローラ、制御用コンピュータ、発光素子用DC電源及びエレクトロメータ、光電変換用光源、校正用分光放射照度標準電球および標準電球用電源により構成される。DC電源及びエレクトロメータは、ソースメジャーユニット（例えばケースレー社モデル2400など）1台で置換えることもできる。光検出器はフォトダイオードであっても、光電子増倍管であっても、CCDマルチチャンネル検出器であっても構わないが、測定時間の短縮および簡便さの観点からCCDマルチチャンネル検出器が望ましく、さらには検出感度の観点から液体窒素冷却もしくは電子冷却タイプのCCD検出器が望ましい。光電変換用光源は、発光スペクトルと分離することが可能ならば、単色光源でなくても良い。また、レーザー光源でも、良くコリメートされたインコヒーレント光源（例えばハロゲンランプや発光ダイオードや太陽光）でも構わない。また、分光放射照度標準電球については、国家標準にトレーサブルなものとしてウシオ電機社製品(100V, 500W)を用いることが望ましい。
【００１２】
【本願発明の実施例】
以下、図1を用いて、本願発明の実施例について説明する。１は積分球、2はファイバーバンドル用出射ポート、3,5は入射ポート、4はアタッチメント取り付け用ポート、9はバッフルである。ファイバーバンドル用出射ポート2にはファイバーバンドル18が装着できる。入射ポート3には開口面積の校正値のついたアパーチャ−6が装着できる。アパーチャ−6の開口面積は入力用光源16からの入射光のビームサイズよりわずかに大きいことが望ましい。7は発光素子8を取り付けるためのアタッチメントであり、電流端子(+)(-)を備える。19は発光素子8の為のDC電源と電流測定とを兼ねたソースメジャーユニットである。発光素子8は、発光素子8からの発光が、直接、出射ポート2から出射しないように配置しなければならない。バッフル9は、出射口2に対し、発光素子8からの発光の直入射光、および分光放射照度標準電球10もしくは入力用光源16からの積分球壁面への入射光の一次反射光を遮光することができれば、積分球内の取り付け位置は問わない。分光放射照度標準電球10は、入射ポート3からちょうど50cm離れた位置に設置する。このとき入射ポート3から標準電球10までの距離は厳密に測ることが必要である。11は標準電球10のためのDC電源である。12は分光器であり、入射ポート5を装着できる。分光器12で分光された光は光検出器13に入射する。光検出器13はコントローラ14を介して、分光器12とともにコンピュータ15により制御される。１６は積分球内に入射させる入力光用光源であり、17は減光装置である。
【００１３】
測定は下記の手順により行われる。
最初に、積分球１、ファイバーバンドル１８、分光器１２及び光検出器１３の全てを含む装置全体の絶対分光感度の校正を行なう。入射ポート3にアパーチャー6を装着し、標準電球10を指示通りの方法で点灯させ、光検出器13によりスペクトルC(λ)を測定する。標準電球10からの光は、積分球１による一次反射光がアパーチャー6から戻って行かないように、垂直入射に対して角度θをつけて入射させる。このとき、波長λ(nm)における装置全体の絶対分光感度G(λ) (counts・W-1・ nm-1)は下記の式で与えられる。
【数３】
0003716303.tif 000004
上記（数3）において、S (m2)はアパーチャー6の開口面積、E(λ) (W・m-2・ nm-1)は標準電球10につけられた分光放射照度校正値である。
【００１４】
次に、標準電球10は点灯させたままで遮光し、さらに光源16を（図2）(a)にあるように、光感応型発光素子８が積分球内に存在しない状態において、光源16からの入力光を入射ポート3より入射させる。光源16からの入力光路は、標準電球10からの光路と一致させる。このとき、（図3）(a)にあるような入力光源のみのスペクトルが測定され、これをLa(λ)とする。
【００１５】
次に、標準電球10の遮光を解除し、光源16を遮光する。素子8をアタッチメント7に標準電球10からの入射光が直接あたらないような位置に固定し、標準電球10からの入射光によるスペクトルC’(λ)を測定し、下記の補正係数を求める。
【数４】
0003716303.tif 000005
【００１６】
次に、標準電球10を消灯させ、（図2）(b)にあるように、発光素子８を積分球内において直接光源16からの入力光が当たらない位置に固定して点灯させ、さらに入力光を導入すると、（図3）(b)にあるようなスペクトルが測定される。入力光部分をLb(λ)とし、発光素子８からの発光成分をRb(λ)とする。この場合、発光素子８をかすめて直接積分球壁面にあたって拡散反射した入力光が全方位から発光素子８に均等入射し、その一部を発光素子８の光電変換層が吸収する。このとき均等入力光の発光素子８による吸収率をμとすると、Lb(λ)は
【数５】
0003716303.tif 000006
と表せるので、吸収率μは
【数６】
0003716303.tif 000007
と表せる。このとき、入力光のうち、発光素子８に吸収された成分はμLa(λ)と表せる。
【００１７】
（数4）で求めたように、発光素子８が積分球内に存在することによって装置全体の絶対分光感度が変化するが、（数5）は、励起波長における絶対分光感度の変化を示している。一方、蛍光スペクトルRb(λ)については、次式により補正することができる。
【数７】
0003716303.tif 000008
ここで、発光素子による再吸収、及び再吸収による発光の増大もしくは蛍光の発生が無視できると仮定すれば、（数7）は、発光素子８の存在による積分球全体の分光拡散反射率の変化に対する補正を与える。
【００１８】
次に、（図2）(c)にあるように、光源16および減光装置17をそれぞれ16’および17’の位置に移動させ、発光素子８に直接光源16からの光を入射させる。発光素子８からの反射光が、標準電球からの光の入射位置と一致するように、発光素子８にはθ2の傾斜角が付けられて設置される。このとき、（図3）(c)にあるようなスペクトルが測定される。入力光成分をLc(λ)とし、発光素子８からの発光成分をRc(λ)とする。Lc(λ)は、直入射光の発光素子８による吸収率Aを用いて
【数８】
0003716303.tif 000009
と表せるので、吸収率Aは、
【数９】
0003716303.tif 000010
と表せる。（数6）および（数9）を用いて、測定値であるLa(λ)、Lb(λ)およびLc(λ)から、吸収率μとAとがそれぞれ求められる。
【００１９】
また、このとき入力光のうち発光素子８の光電変換層に吸収された成分は
【数１０】
0003716303.tif 000011
と表せる。（数10）において第1項は、直入力光成分であり、第2項は、積分球壁面からの拡散反射による均等入力光成分である。
また、（数7）と同様に、Rc(l)について下記の補正を行なう。
【数１１】
0003716303.tif 000012
【００２０】
次に、（図2）(c)の配置は変えずに、光源の強度のみ A / {A+(1-A)m} 倍に減光して、スペクトル測定を行なうと、（図3）(d)にあるようなスペクトルが得られる。ここで、入力光成分をLd(l)とし、発光成分をRd(l)とする。このとき（数10）より、入力光のうち発光素子８に吸収された成分はALa(l)となる。これは（数10）の第1項に等しい。即ち、このときの発光成分Rd(l)は、入力光La(l)に対して、球壁面からの拡散反射光による均等入力の寄与を取り除いた真の発光成分である。ただし、下記の補正が必要である。
【数１２】
0003716303.tif 000013
【００２１】
入力光の減光装置17の一例を（図4）に示す。ここで20は可変減光板、21はペリクル、22は光検出器である。ペリクル21に関しては、絶対値が校正されている必要はないが、入力光に対して十分直線性を示すものでなければならない。
【００２２】
最後に、（図2）(c)の配置は変えずに、光源16を消灯させ、入射光がない状態でスペクトル測定を行なう。このときのスペクトルをRe(λ)とする。ただし、下記の補正が必要である。
【数１３】
0003716303.tif 000014
【００２３】
外部量子効率は、入力光の有無に関らず（数1）に従うので、下記の式により、（数3）で得られたG(λ)とRd(λ)、Re(λ)を用いて表すことができる。
【数１４】
0003716303.tif 000015
ここでhはプランク定数、cは光速、eは素電荷である。（数14）のηφは、i=d の場合は、入力光があるときの外部量子効率を与え、i=e の場合は、入力光がないときの外部量子効率を与える。また電流測定値については、入力光がある場合をId、および入力光がない場合をIeとする。また、入力光のパワーΦL (W)は下記により与えられる。
【数１５】
0003716303.tif 000016
【００２４】
外部エネルギー効率については、下記のとおり定義する。
【数１６】
0003716303.tif 000017
（数16）の定義に従い、外部エネルギー効率は下記のように求められる。
【数１７】
0003716303.tif 000018
ここで、
【数１８】
0003716303.tif 000019
であり、入力光があるときは i=d 、入力光がないときは i=e かつ φL=0 である。
【００２５】
【発明の効果】
本願発明によれば、光感応型発光素子に関して、発光および入力光の双方を定量評価することにより、外部量子効率および外部エネルギー効率を正確に求めることができる。
対象素子としては、有機光電変換層を有する有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子を主たる対象とするが、入力光に対して感応する電界発光素子であれば、有機・無機を問わない。また、素子の構造も問わない。
本測定装置を用いて、入力光を伴わない通常の発光素子（有機EL素子、無機EL素子、発光ダイオード）の量子効率およびエネルギー効率も求めることができ、
固体試料の絶対蛍光量子効率も求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明による光感応型発光素子の発光効率測定装置の構成図
【図２】本願発明による積分球内の発光素子の配置図
【図３】本願発明による測定スペクトルの例
【図４】本願発明による減光装置の一例
【符号の説明】
１  積分球
２  バンドルファイバー用出射ポート
３  入射ポート
４  アタッチメント取り付け用ポート
５  入射ポート
６  アパーチャー
７  アタッチメント
８  発光素子
９  バッフル
１０  分光放射照度標準電球
１１  ＤＣ電源
１２  分光器
１３  光検出器
１４  コントローラ
１５  コンピュータ
１６  入力光用光源
１７  減光装置
１８  ファイバーバンドル
【図１】
0003716303.tif 000020
【図２】
0003716303.tif 000021
【図３】
0003716303.tif 000022
【図４】
0003716303.tif 000023