有機エレクトロルミネッセンス

有機エレクトロルミネッセンス（ゆうきエレクトロルミネッセンス、英語: organic electro-luminescence: OEL）、有機EL（ゆうきイーエル）とは発光を伴う物理現象であり、その現象を利用した有機発光ダイオード（ゆうきはっこうダイオード（）、英: organic light-emitting diode: OLED）や発光ポリマー（はっこうポリマー、英: light emitting polymer: LEP）とも呼ばれる製品一般も指す。
これらの発光素子は発光層が有機化合物から成る発光ダイオード(LED)を構成しており、有機化合物中に注入された電子と正孔の再結合によって生じた励起子（エキシトン）によって発光する。日本では慣習的に「有機EL」と呼ばれることが多い。次世代ディスプレイのほか、LED照明と同様に次世代照明技術（後述参照）としても期待されている。

有機ELの発明

現在もっともよく用いられている有機EL積層機能分離型デバイス発光素子は1987年に米イーストマン・コダック社の鄧青雲、スティーヴン・ヴァン・スライク（Steven A. Van Slyke）らによって発明された。

有機ELの発光原理

陰極および陽極に電圧をかけることにより各々から電子と正孔を注入する。注入された電子と正孔がそれぞれの電子輸送層・正孔輸送層を通過し、発光層で結合する。
結合によるエネルギーで発光層の発光材料が励起される。その励起状態から再び基底状態に戻る際に光を発生する。励起状態（一重項）からそのまま基底状態に戻る発光が蛍光であり、一重項状態からややエネルギー準位の低い三重項状態を経由し基底状態に戻る際の発光を利用すれば燐光である。励起しても光に上手く利用できないエネルギーは無放射失活（熱失活）する。
陰極にはアルミニウムや銀・マグネシウム合金、カルシウム等の金属薄膜を、陽極には酸化インジウムスズと呼ばれる透明な金属薄膜を使う。発生した光は反射面で反射され、透明電極と基板（ガラス板やプラスチック板など）を透過する。

有機ELディスプレイ

以下では有機ELディスプレイについて解説する。単に「有機EL」といった場合、有機ELディスプレイを指すことも多い。駆動方式によりアクティブマトリクス型（AM-OLED、アモレッド）とパッシブマトリクス型（PM-OLED）に大別される。

構造

有機ELディスプレイは、各画素ごとに発光素子が構成されている。その発光素子は金属等の陰電極 / 電子注入層 / 電子輸送層 / 発光層 / 正孔輸送層 / 正孔注入層 / ITO等の陽電極そしてガラス板や透明のプラスチック板などの基板よりなる。
こうしたサンドイッチ状の構造はヘテロ構造と呼ばれ、電子と正孔をそれぞれ別の層に閉じ込めることによって効率的な反応を起こすことができる。各層の材料にはジアミン、アントラセン、金属錯体などの有機物が使用されている。
電極間の各層の厚さは数nmから数百nmであり、全体で1µm以下程度の厚さしかない。また基板もフレキシブルなプラスチック等を利用することにより、フレキシブル（曲げられる）ディスプレイや照明の製造も可能である。

駆動方式

液晶ディスプレイと同様、ドットマトリクス表示の多数の画素にそれぞれ電極の配線をしようとしても基板周縁部にすべての端子が取り出せなくなることからTFT（薄膜トランジスタ）などのアクティブ素子を各画素に配置して駆動するか（アクティブ・マトリクス駆動）直交させたストライプ電極にタイミングを合わせて電流を流すことでその交点の各画素を順次駆動するか（パッシブ・マトリクス駆動）のどちらかの駆動方式が使われる。なお、駆動方式に関する特許出願動向が「有機EL表示装置の駆動技術」として特許庁より公表されている。

パッシブ・マトリクス

パッシブ・マトリクス駆動は構造は単純だが瞬間的に光らせるのは1ラインであるため、その瞬間の発光輝度を大きくしている。よって素子の寿命が短くなってしまう欠点がある。また、パッシブ方式では（単純マトリクス駆動の液晶ディスプレイと同様）クロストークによる画質低下が問題になる。液晶ではSTN型がパッシブ・マトリクスに対応する。

アクティブ・マトリクス

パッシブ・マトリクス駆動の欠点は大型化でより深刻になるため、大型パネルにはアクティブ・マトリクス駆動が採用される傾向にある。しかし、同様の事情がある液晶ディスプレイより複雑な回路を組み込む必要がある場合が多い。液晶では、TFT型がアクティブ・マトリクスに対応する。
TFTにアモルファス・シリコンを使用すれば画素ごとのバラツキが少なくなるが、経年変化が大きくなる。低温多結晶シリコンを使用すれば、経年変化が小さくてすむかわりに画素ごとのバラツキが大きくなる。いずれのTFTにおいても画素ごとのバラツキを補正する回路を付加すればよいが、TFTが増えると量産がしやすいボトム・エミッション型（発光面がTFT回路面を通過することになる）のままでは開口率が低下するので、発光面が逆のトップ・エミッション型が検討される。

大型化

大型化するとドット落ちや全体の均質化などの問題により、歩留まりが悪化する。また、大型化で課題の多いパッシブ駆動を避けてアクティブ駆動を採用するためには多数の製造技術と大きな設備投資が必要になる。液晶の大型化と同様、着実な不良原因の解析と対策が必要になると思われる。発光層の膜厚はTFT薄膜デバイスより薄いため、パーティクルの削減が重要な課題の1つである。現在はアクティブ駆動用バックプレーンとして低温多結晶シリコン（ポリシリコン、LTPSとも言われる）が製品として用いられているが、低コスト化・大画面化のためにアモルファスシリコンや微結晶シリコン等の代替技術を用いた方法が提唱されている。2011年現在、酸化物半導体（IGZOなど）を用いたTFTの採用が期待されている。2013年に販売を開始したLGの大型有機ELテレビでは酸化物半導体バックプレーン、白色有機EL＋カラーフィルター方式を採用し歩留まりを改善、低コスト化を実現している。対するサムスンでは同じく2013年に、LTPSにFMM（メタルマスク）によるRGB塗り分け方式を採用した大型テレビを発売するものの、歩留まりなどの問題をなかなか改善できず、2014年現在販売を凍結している。
画面の大型化に伴って画素サイズが大きくなると肉眼で単独の画素が見えてしまうという問題解決のために、さらに800万画素（4,096×2,160）程度の高解像度が求められるようになっている。これによって、各画素に与えられる駆動時間の減少とRC（抵抗と容量成分）による信号の立ち上がり遅延が新たな解決すべき課題となっている。
また大型化に伴う欠陥増加を回避するために、白発光+カラーフィルタ法が大型テレビ製品には使われている。カラーフィルタの光吸収による消費電力増加、色再現域減少を解決するために、高視感度スペクトルを持つOLED素子と画像色統計を考慮に入れた設計によって100%NTSC色再現を低消費電力で実現する方法が提案され主流となっている。

現在の動向

有機ELディスプレイは液晶ディスプレイに代わる次世代の薄型ディスプレイとして2010年代より普及が始まり、2015年の市場規模は130億ドルとなった。2017年にはスマホ向けディスプレイ市場においてAMOLED（有機EL）の売り上げがLTPS LCD（液晶）を上回り（IHS Markit調べ）、2018年第3四半期には61％に達するなど、液晶ディスプレイから有機ELディスプレイへの移行が進んでいるが、2018年の段階では液晶よりも有機ELの方が2倍ほど高価なこともあり、有機ELと液晶は2020年以降まで共存するとみられている。
なお、有機ELディスプレイの「次世代ディスプレイ」とされるミニLEDディスプレイ、マイクロLEDディスプレイ、量子ドットディスプレイなどの開発を行っている大手パネルメーカーもいくつかある。これらは2020年代以降の普及が予定されているものの、2010年代の時点では量産技術が確立しておらず極めて高価なため、有機ELディスプレイとは競合していない。

分野別

スマートフォンなどの小型端末向けの有機ELディスプレイは、サムスンディスプレイのシェアが2016年時点で97.7％と、ほぼ独占している。パネルを量産しているのがほぼサムスン一社のみであるため、パネルの供給不足が続いているが、2017年には韓国のLGと中国の京東方科技集団が量産を開始したほか、2018年には天馬微電子が量産を開始するなど中国メーカーによる大規模な投資が続いているため、各社の量産が本格化する2019年頃には供給不足は解消されるとみられている。
テレビ向けの大型パネルは、2017年現在、LGが唯一量産に成功し、大型有機ELテレビ市場を独占しており、2017年以降は複数の日本メーカーにも外販を始め、有機ELテレビが日本の各社から発売されている。京東方は2018年よりテレビ向け大型パネルの量産を開始する見込みで、南京パンダ・華星光電・恵科電子といった中国大手パネルメーカーも2019年には大型パネルの量産を開始する見込みである。2017年には1500ドル以上の高価格帯のテレビは有機ELが主流となったが、大型パネルを製造できるのはLGのみということもあってコストダウンが進んでおらず、1000ドル前後の普及帯テレビが有機ELに置き換わるのは2018年以後とみられている。
ゲーミングディスプレイや医療機器向けの中型パネルについては、サムスンがノートPC向けに2019年より量産している。また、日本のJOLED（ジャパンディスプレイの関連会社）が2017年にサンプル生産を開始し、2020年の量産を目指している。
車載向けパネルについては、焼き付きを防ぐなど技術的な課題が多いため採用が進んでいなかったが、2017年にアウディが発表したアウディ・A8に量産車としては史上初めて有機ELが採用された。2018年現在は、アウディに有機ELパネルを供給したサムスンの他、LGなども車載向け有機ELパネルを供給している。

国別

韓国メーカーでは、小型有機ELパネル世界最大手のサムスン電子と、大型有機ELパネル世界最大手のLG電子が有機ELパネルを量産している。ただし、サムスン電子は大型有機ELパネルの量産に失敗したため、マイクロLEDや量子ドットなどの有機ELの次世代ディスプレイによって巻き返す方針で、2014年に大型有機ELディスプレイの製造から撤退した。
中国メーカーでは、2010年代から各パネルメーカーによる大規模な投資が続いており、2017年に京東方が中国メーカーとして初めて量産を開始して以降、2018年には天馬微電子、国顕光電（維信諾の傘下）、和輝光電など他の多くのパメルメーカーも量産を開始した。しかし2018年現在、有機EL専業メーカーとして高い技術を持つ国顕光電以外のメーカーは品質と歩留まりに難があり、特にアップル社への納入を目指す京東方は品質と歩留まりの向上に努めている。
台湾メーカーでは、友達光電（AU Optronics）が2016年よりウェアラブル・VR向けを量産している。同じく台湾大手パネルメーカーの群創光電（鴻海の傘下）も有機ELパネルを開発していたが、ミニLEDディスプレイの試作に成功したため、2018年に有機ELの開発中止を表明した。
日本のメーカーでは、シャープ（鴻海の傘下）が2018年6月に有機ELパネルの量産を開始し、2018年10月に日本製有機ELパネルを搭載した初のスマホである「AQUOS zero」を発売した。またJOLEDは、有機ELパネルの量産技術として多くのメーカーで採用されている「蒸着方式」よりもコスト的に有利な「印刷方式」の技術を持つという強みを生かし、2020年の大規模量産を目指して、現在も開発を進めている。

歴史

2001年、ブラウン管に代わる次世代ディスプレイとしての有機ELディスプレイを開発するため、有機ELの基本特許を持つイーストマン・コダック社と三洋電機との合弁会社として、エスケイ・ディスプレイが日本で創業。しかし当時は液晶との市場競争に勝つことができず、2005年に解散した。
2002年、韓国のサムスンが、小型有機ELパネルの量産を開始した。
2004年、ソニーが小型有機ELパネルの量産に成功。
2007年12月、薄型テレビ用途としてはソニーが世界初の11型有機ELテレビ「XEL-1」を発売した。
2008年ごろから日本では携帯電話やMP3音楽プレーヤーなどの携帯機器やカーオーディオの画面に、小型の有機ELディスプレイが使用され始めるようになる。しかし当時は液晶パネルが急激に低廉化していたため、日本のどのメーカーも有機ELパネルの事業化に持ち込むことができず、採算が取れなかった。
2009年になると世界的な景気後退を背景として、日本では有機EL・FED・SEDと言った、生産過程での歩留まりの悪い次世代ディスプレー量産の延期や中止を発表するメーカーが相次いだ。当時は日本では有機ELが事業化できるとは思われていなかった。
2009年、サムスンがGalaxyのディスプレイ用途として有機ELを採用。大量生産した有機ELパネルを自社のスマートフォンやタブレットに搭載する形で、有機EL市場そのものを拡大する。電子デバイス産業新聞では、「サムスンがほぼ1社で有機EL市場を創出した」としている。
2010年、ソニーはトレンドである大型化・低価格化への対応が困難であった事から、有機ELディスプレイの国内市場からの撤退を表明。放送・業務用モニターに限って有機EL事業の展開が継続される。そのため、2011年に発売されたPlayStation Vitaでは有機ELパネルをサムスンから供給を受けた。
2011年、官民ファンドの産業革新機構の仲介により、東芝とソニーの中小型液晶パネル製造子会社が統合しジャパンディスプレイ(JDI)が設立されるなど、日本国内のディスプレイ事業が再編された。しかし、JDIは液晶部門が好調であったため有機EL事業には消極的で、この時点では日本メーカーにおける有機EL事業は各家電メーカーごとの試作段階に留まった。
2012年6月、ソニーとパナソニックは有機EL事業で提携すべく共同開発で合意を行ったが、2013年12月には提携を解除。2014年5月、2社は有機EL事業の単独での継続を諦め、JDIに有機EL事業を売却する方向で調整を行った。最終的に、2014年8月1日に産業革新機構を中心に統合再編を行うことで合意、2015年1月5日にシャープ以外の全ての日本の家電メーカーの有機EL事業を統合したJOLEDが設立された。
2013年、LGとサムスンは、初の大型有機ELテレビ（55インチフルHD）の販売を開始したが、サムスンは大型パネルの量産に失敗し、大型テレビは液晶で行く方針を固めた。一方、LGはテレビ用大型パネルの量産に成功。しかし、当初のパネルの歩留まりは極めて悪かった。
2014年9月、アップルがApple Watchで有機ELディスプレイを採用。パネルはLGから供給を受けた。
2016年にはLGのパネルが第2世代となり、歩留まりが85%を超えるなどパネルの生産能力が跳ね上がったため、LGからパネルの供給を受ける形でフィリップスやレーベなど世界のテレビメーカーが有機ELテレビに続々と参入。2017年1月に行われたCESの時点で有機ELテレビに参入していない大手メーカーは、サムスンやハイセンスなどごくわずかになった。
2016年10月、アップルがMacBook Proのタッチバーで有機ELディスプレイを採用。パネルはサムスンから供給を受けた。
2016年11月、有機ELパネルの開発に苦戦するJDIは、「有機ELから液晶へのシフト」を打ち出した。
2017年1月、ソニー・東芝・パナソニックが、「他社」からのパネルの供給を受けて有機ELテレビに再参入。なお、2017年時点で大型有機ELパネルの量産に成功しているメーカーはLGしかない。
2017年9月、アップルがiPhone XでiPhone史上初めて有機ELディスプレイを採用。パネルはサムスンから供給を受けた。
2017年12月、JOLEDが4K有機ELディスプレイの製品出荷を開始。「印刷方式」による4K有機ELディスプレイの世界初の製品化となった。

特許・権利等移動動向

有機ELの基本特許は、有機ELを発明した米イーストマン・コダック社と、有機ELの燐光材料を開発した米ユニバーサル・ディスプレイ・コーポレーション（UDC）社が握っており、有機ELディスプレイに関しても例外ではない。しかし有機ELの発明から20年を経て、初期の特許が満了したコダックは有機ELディスプレイの開発から撤退し、有機EL照明の開発にシフトしたため、利用権譲渡が行われていった。
「ダウケミカルの有機材料や、3MとNECのレーザー転写にかかわる、それぞれの技術および知的財産権の一部」はサムスングループへ、「コダックの技術および知的財産の利用権」は2010年にLGグループへ利用権が譲渡された。
2009年6月には、LGはUDCと共同開発を行う出光興産との戦略的提携で、出光から高性能有機EL材料の提供とデバイス構成の提案を受け入れられるようになった。
2011年7月には、東京工業大学と科学技術振興機構が保持するIGZO薄膜半導体（酸化物半導体）の特許について、サムスンがライセンス取得している。

有機EL照明

有機ELによる照明機器への応用可能性は2008年6月にUniversal Dispay Corp.（UDC社）が発表した102lm/Wという高発光効率以降、大きな進展を見せている。従来、発光効率の高い材料は構造が不安定で寿命が短く特に青色の発光では良い物がなかったが発光効率と寿命の点では大きな課題はなくなり2009年の内には最初の製品が登場する。2012年には東急電鉄自由が丘駅の照明の一部に有機EL照明が導入されている（日本国内の鉄道駅としては初の実用設置）。また、白色有機ELを開発するなど有機ELの研究で有名な山形大学を有する山形県では、県内の様々な施設において有機EL照明を積極的に導入している。
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年時点では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、カネカ、独OSRAM社、独Novaled AG社、ルミオテック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。

有機半導体レーザー

近年では無機半導体と比較して高い分子設計自由度を特徴とする有機半導体の特徴を利用したレーザーの研究が進められ、2000年7月にベル研究所で発振に成功したと伝えられたが、これは後に捏造であると判明した。その後も他の研究機関や大学で研究は継続され、徐々に成果が出つつある
有機半導体レーザーは既に実用化されている無機半導体レーザーと比較して材料の種類が多様で合成技術によって多様な発光色が期待できる反面、高抵抗なので従来のダイオード型のレーザーを発振させるために電流を多く流そうとすれば発熱して機能しにくくなることから、ダイオードと比べて抵抗が低く、電流を多く流すことができるトランジスタ構造が検討されている。