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JP2008078027A - Electrochemiluminescence device and driving method of electrochemiluminescence element - Google Patents

Electrochemiluminescence device and driving method of electrochemiluminescence element Download PDF

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JP2008078027A JP2006257329A JP2006257329A JP2008078027A JP 2008078027 A JP2008078027 A JP 2008078027A JP 2006257329 A JP2006257329 A JP 2006257329A JP 2006257329 A JP2006257329 A JP 2006257329A JP 2008078027 A JP2008078027 A JP 2008078027A
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Abstract

【課題】 交流駆動される電気化学発光装置であって、応答速度が速く、駆動電圧が低く、発光強度が大きい電気化学発光装置、及び電気化学発光素子の駆動方法を提供すること。
【解決手段】 電気化学発光素子10を、主として、対向して配置された電極2および電極4と、これらの電極間に配置された電解質層3とで構成する。電解質層3は、有機極性溶媒に[Ru(bpy)3](PF6)2などの発光物質を溶解させた溶液などで形成する。電極2および電極4は、基板上に形成されたFTO(フッ素がドープされた酸化スズ)などの透明導電層からなる電極2aおよび4で構成し、一方(電極2a)の上にのみ、酸化チタンなどのポーラス電極2bを形成する。これらの対向電極間に交流電源7から、実質的に電極2近傍においてのみ発光を起こさせるような波形を有する交流駆動電圧を印加する。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemiluminescence device driven by alternating current, having a high response speed, a low driving voltage and a high luminescence intensity, and a method for driving an electrochemiluminescence element.
An electrochemiluminescence element 10 is mainly composed of an electrode 2 and an electrode 4 arranged opposite to each other, and an electrolyte layer 3 arranged between these electrodes. The electrolyte layer 3 is formed of a solution in which a light emitting substance such as [Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 is dissolved in an organic polar solvent. The electrode 2 and the electrode 4 are composed of electrodes 2a and 4 made of a transparent conductive layer such as FTO (tin oxide doped with fluorine) formed on a substrate, and titanium oxide is formed only on one (electrode 2a). A porous electrode 2b is formed. An AC driving voltage having a waveform that causes light emission substantially only in the vicinity of the electrode 2 is applied from the AC power source 7 between these counter electrodes.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、表示装置や面発光光源に好適に応用することができる電気化学発光(ECL)装置、及び電気化学発光素子の駆動方法に関するものである。   The present invention relates to an electrochemiluminescence (ECL) device that can be suitably applied to a display device or a surface light source, and a method for driving an electrochemiluminescence element.

近年、半導体回路の高密度高集積化が進み、高機能な情報端末を小型化し、携帯機器化することが可能になった。このため、その表示装置として用いることのできる、薄型、軽量、かつ、低消費電力の表示装置の研究開発が活発化している。   In recent years, with the progress of high density and high integration of semiconductor circuits, it has become possible to downsize highly functional information terminals and make them portable devices. For this reason, research and development of a thin, lightweight, low power consumption display device that can be used as the display device has been activated.

液晶表示装置(LCD)は、従来から小型携帯機器やノート型パソコン(Personal Computer)の携帯型表示装置として用いられてきた。近年は、大画面表示装置としての性能も向上し、ブラウン管(CRT)表示装置に代わって用いられている。しかし、応答速度に限界があり、高速の動画表示にはやや不向きである。   A liquid crystal display device (LCD) has been conventionally used as a portable display device for a small portable device or a notebook personal computer. In recent years, performance as a large screen display device has also been improved, and is used in place of a cathode ray tube (CRT) display device. However, the response speed is limited, and it is somewhat unsuitable for high-speed moving image display.

そこで、動画表示に適した応答速度の速い次世代表示素子として、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子などが注目されている。有機EL素子では、対向する2つの電極のから電子およびホールを、それぞれ、電荷輸送層または有機発光層にトンネル過程やショットキー過程によって注入し、注入した電子とホールとを有機発光層にて再結合させることによって発光を得る。   Thus, organic electroluminescence (EL) elements and the like are attracting attention as next-generation display elements with a high response speed suitable for moving image display. In an organic EL element, electrons and holes from two opposing electrodes are injected into a charge transport layer or an organic light emitting layer by a tunnel process or a Schottky process, respectively, and the injected electrons and holes are regenerated in the organic light emitting layer. Luminescence is obtained by bonding.

有機EL素子は、フルカラー表示が可能であること、消費電力が小さいこと、および大面積での面発光が可能であることから、表示装置や面発光光源への応用が期待されている。しかしながら、有機EL素子には、従来の電極材料では電子やホールの注入効率が不十分であること、電荷の注入効率を向上させるためには仕事関数の小さいリチウムやマグネシウムを電極材料として用いる必要があるが、これらの材料は水および酸素などと極めて反応しやすく、性能維持が難しいこと、および、高電圧で駆動すると、電極と有機層との界面にミクロスケールの剥離が生じたり、電極の酸化によってダークスポットが形成されたりして、素子の劣化が進行することなどの問題点がある。   The organic EL element is expected to be applied to a display device and a surface light source because it can display full color, consumes less power, and can emit light in a large area. However, for organic EL elements, conventional electrode materials have insufficient electron and hole injection efficiency, and it is necessary to use lithium or magnesium having a low work function as an electrode material in order to improve charge injection efficiency. However, these materials are extremely reactive with water, oxygen, etc., and it is difficult to maintain their performance, and when driven at a high voltage, microscale peeling occurs at the interface between the electrode and the organic layer, and oxidation of the electrode occurs. As a result, a dark spot is formed due to the deterioration of the device.

また、すでに実用化されている有機EL素子の発光層の多くが、真空蒸着を主とするドライプロセスによって形成されている。素子の大面積化と製造コストの低減とを実現するには、常温、常圧下でのウェットプロセスによって作製できることがより望ましく、有機EL素子には素子製造プロセスにおける課題も残されている。   In addition, most of the light emitting layers of organic EL elements already in practical use are formed by a dry process mainly using vacuum deposition. In order to realize an increase in the area of an element and a reduction in manufacturing cost, it is more preferable that the element can be manufactured by a wet process at normal temperature and normal pressure, and problems in the element manufacturing process remain in the organic EL element.

このような有機EL素子の欠点を解決するものとして、電気化学発光(ECL)素子が提案されている。電気化学発光素子は、有機EL素子と同様、自発光型の素子であるが、有機EL素子の発光層および電荷輸送層の代わりに、発光物質を含有する電解質層を有する点が異なっている。   An electrochemiluminescence (ECL) element has been proposed as a solution to the drawbacks of such organic EL elements. The electrochemiluminescent device is a self-luminous device, like the organic EL device, except that it has an electrolyte layer containing a luminescent substance instead of the light emitting layer and the charge transport layer of the organic EL device.

図9は、従来の直流駆動される電気化学発光素子100の一般的な構造を示す断面図である。電気化学発光素子100は、主として、対向して配置された陽極102および陰極104と、これらの電極間に配置された電解質層103とからなる。電解質層103は、アセトニトリルなどの有機極性溶媒に、ヘキサフルオロリン酸トリス(ビピリジル)ルテニウム(II)( [Ru(bpy)3](PF6)2 )などの発光物質が溶解した溶液からなる。電解質層103は、通常は液体であるが、半固体状または固体状であってもよい。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing a general structure of a conventional DC-driven electrochemiluminescence device 100. The electrochemiluminescent device 100 is mainly composed of an anode 102 and a cathode 104 which are arranged to face each other, and an electrolyte layer 103 which is arranged between these electrodes. The electrolyte layer 103 is made of a solution in which a light-emitting substance such as tris (bipyridyl) ruthenium hexafluorophosphate ([Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 ) is dissolved in an organic polar solvent such as acetonitrile. The electrolyte layer 103 is normally liquid, but may be semi-solid or solid.

電気化学発光素子100における発光は、次の3つの過程を経て起こる。図9にはこの過程を左から右へ模式的に示した。なお、下記の説明では、発光物質が[Ru(bpy)3](PF6)2である例を示し、図中、円で囲んだ3+は酸化種[Ru(bpy)3]3+を表し、円で囲んだ+は還元種[Ru(bpy)3]+を表すものとする。また、[Ru(bpy)3]2+はRu2+と略記した(以下、同様。)。 Light emission in the electrochemiluminescent device 100 occurs through the following three processes. FIG. 9 schematically shows this process from left to right. In the following description, an example in which the luminescent substance is [Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 is shown, and 3+ in the figure represents an oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ . + Enclosed in a circle represents a reduced species [Ru (bpy) 3 ] + . [Ru (bpy) 3 ] 2+ is abbreviated as Ru 2+ (the same applies hereinafter).

まず、第1の過程では、陽極102で電気化学的な酸化反応(1)
[Ru(bpy)3]2+ → [Ru(bpy)3]3+ + e-・・・(1)
によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成し、陰極104で電気化学的な還元反応(2)
[Ru(bpy)3]2+ + e- → [Ru(bpy)3]+・・・(2)
によって還元種[Ru(bpy)3]+が生成する。
First, in the first process, an electrochemical oxidation reaction (1) is performed at the anode 102.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ → [Ru (bpy) 3 ] 3+ + e (1)
Oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ is produced by the electrochemical reduction reaction at the cathode 104 (2)
[Ru (bpy) 3 ] 2+ + e → [Ru (bpy) 3 ] + (2)
Produces reduced species [Ru (bpy) 3 ] + .

次に、第2の過程で、生成した酸化種および還元種が、それぞれ、拡散などによって電解質層103中を対極側へ移動する。この移動過程の間で酸化種と還元種とが衝突すると、反応式(3)
[Ru(bpy)3]3+ + [Ru(bpy)3]+ → [Ru(bpy)3]2+* + [Ru(bpy)3]2+・・・(3)
に示すように反応し、励起状態の[Ru(bpy)3]2+*と基底状態の[Ru(bpy)3]2+が生成する。
Next, in the second process, the generated oxidized species and reduced species move to the counter electrode side in the electrolyte layer 103 by diffusion or the like. When the oxidized species and the reduced species collide during this movement process, the reaction formula (3)
[Ru (bpy) 3 ] 3+ + [Ru (bpy) 3 ] + → [Ru (bpy) 3 ] 2+ * + [Ru (bpy) 3 ] 2+ (3)
As shown in FIG. 2 , the excited state [Ru (bpy) 3 ] 2+ * and the ground state [Ru (bpy) 3 ] 2+ are generated.

次に、第3の過程で、励起状態の[Ru(bpy)3]2+*が基底状態の[Ru(bpy)3]2+に遷移すると、(4)式に示すように、励起状態と基底状態とのエネルギー差に対応する振動数νの光が放出される。なお、(4)式中のhはプランク定数である。
[Ru(bpy)3]2+* → [Ru(bpy)3]2+ + hν・・・(4)
Next, in a third step, when the excited state [Ru (bpy) 3] 2 + * transitions to [Ru (bpy) 3] 2+ in the ground state, as shown in (4), the excited state And light having a frequency ν corresponding to the energy difference between the ground state and the ground state. In the equation (4), h is a Planck constant.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ * → [Ru (bpy) 3 ] 2+ + hν (4)

電気化学発光素子の発光物質として代表的なものは、上記の例のようなルテニウム(II)錯体である。ルテニウム(II)錯体を利用した固体型電気化学発光素子は、最初、R.W.Murrayらによって報告された(K.M.Maness, H.Masui, R.M.Wightman, and R.W.Murray, J.Am.Chem.Soc., 119, 3987-3993(1997))。R.W.Murrayらは、ルテニウム(II)錯体としてポリエチレングリコールをエステル結合したトリス(ビピリジル)ルテニウム錯体を用いたが、量子効率が低く、また素子の作製プロセスも複雑であった。   A typical example of the luminescent material of the electrochemiluminescent device is a ruthenium (II) complex as in the above example. A solid-state electrochemiluminescence device using a ruthenium (II) complex was first reported by RWMurray et al. (KMManess, H.Masui, RMWightman, and RWMurray, J.Am.Chem.Soc., 119 3987-3993 (1997)). R.W.Murray et al. Used a tris (bipyridyl) ruthenium complex ester-bonded with polyethylene glycol as the ruthenium (II) complex, but the quantum efficiency was low and the device fabrication process was complicated.

これに対して、M.F.Rubnerらは、スピンキャスト法を利用できる簡単な構造の電気化学発光素子を報告した(J.-K.Lee, D.Yoo, E.S.Handy, and M.F.Rubner, Appl.Phys.Lett., 69, 1689-1690(1996))。M.F.Rubnerらの用いたルテニウム(II)錯体は、トリス(フェナントロリン)錯体である。   On the other hand, MFRubner et al. Reported an electrochemiluminescence device with a simple structure that can use the spin cast method (J.-K. Lee, D. Yoo, ESHandy, and MFRubner, Appl. Phys. Lett., 69, 1689-1690 (1996)). The ruthenium (II) complex used by M.F.Rubner et al. Is a tris (phenanthroline) complex.

上記の電気化学発光素子はシンプルな構造を有し、ウェットプロセスによる簡易な工程で大面積のものを低コストで作製できる利点を有することから、表示素子および大面積の面発光素子として期待されている。しかし、実際には、電気化学発光素子には、発光効率が低く、十分な発光量を得ることができないという問題点があり、発光素子としての実用化が困難とされてきた。   The above-mentioned electrochemiluminescence device has a simple structure and has an advantage that a large area can be manufactured at a low cost by a simple process by a wet process, and thus is expected as a display element and a large area surface light emitting device. Yes. However, in practice, the electrochemiluminescence device has a problem that the light emission efficiency is low and a sufficient light emission amount cannot be obtained, and it has been difficult to put it into practical use as a light emitting device.

これに対し、後述の特許文献1では、対向電極のうちの少なくとも一方にポーラス構造のポーラス電極を用いたことを特徴とする電気化学発光素子が提案されている。特許文献1には、少なくとも一方にポーラス電極を用いることによって電極反応を効率よく行わせ、酸化種と還元種の衝突確率を増加させることによって、発光強度の向上と発光開始電圧の低下を実現できると述べられている。そして、陰極側に酸化チタンからなるポーラス電極を用いることによって、発光強度が100倍近く向上した例が示されている。また、電気化学発光素子には、通常の直流電圧を印加するが、交流電圧でも発光を得ることができると、記載されている。   On the other hand, in Patent Document 1 described later, an electrochemiluminescence device is proposed in which a porous electrode having a porous structure is used as at least one of the counter electrodes. In Patent Document 1, it is possible to realize an improvement in emission intensity and a reduction in emission start voltage by efficiently performing an electrode reaction by using a porous electrode at least one and increasing the collision probability between an oxidized species and a reduced species. It is stated. An example in which the emission intensity is improved nearly 100 times by using a porous electrode made of titanium oxide on the cathode side is shown. Further, it is described that a normal DC voltage is applied to the electrochemiluminescence device, but light emission can be obtained even with an AC voltage.

特開2005−302332号公報(第3及び4頁、図1及び3)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-302332 (pages 3 and 4 and FIGS. 1 and 3)

特許文献1には、交流電圧でも発光を得ることができるとは記載されているものの、実際に交流駆動した例は示されていない。   Although Patent Document 1 describes that light emission can be obtained even with an AC voltage, an example in which AC driving is actually performed is not shown.

図10は、交流駆動される電気化学発光素子110の動作状態を従来のモデルで示す断面図である(例えば、東芝レビュー,60,33-37(2005)参照。)。電気化学発光素子110は、電気化学発光素子100と同様、主として、対向して配置された電極112および電極114と、アセトニトリルなどの溶媒および[Ru(bpy)3]PF6などの発光物質などからなる電解質層113とで構成されている。発光が生じる原理も直流駆動の場合と同じであるが、生成した酸化種および還元種の移動や、発光が生じる電解質層中の領域などに、直流駆動とは異なる特徴がある。以下、これらの点について説明する。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing an operation state of the AC-driven electrochemiluminescence device 110 using a conventional model (for example, see Toshiba Review, 60, 33-37 (2005)). Similar to the electrochemiluminescent device 100, the electrochemiluminescent device 110 is mainly composed of the electrodes 112 and 114 arranged opposite to each other, a solvent such as acetonitrile, and a luminescent material such as [Ru (bpy) 3 ] PF 6. And an electrolyte layer 113. The principle of light emission is the same as in the case of direct current drive, but there are characteristics different from direct current drive in the movement of the generated oxidized and reduced species and the region in the electrolyte layer where light emission occurs. Hereinafter, these points will be described.

図10(a)は、1サイクルのうち、電極112が電極114よりも高電位に保たれる期間Sで起こる変化を示している。この期間では、電極112が陽極、電極114が陰極として機能するので、電極112では酸化反応(1)
[Ru(bpy)3]2+ → [Ru(bpy)3]3+ + e-・・・(1)
によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成し、電極114では還元反応(2)
[Ru(bpy)3]2+ + e- → [Ru(bpy)3]+・・・(2)
によって還元種[Ru(bpy)3]+が生成する。生成した酸化種および還元種は、それぞれ、拡散などによって電解質層113中を対極側へ移動しようとする。
FIG. 10A shows a change that occurs in a period S in which the electrode 112 is kept at a higher potential than the electrode 114 in one cycle. In this period, the electrode 112 functions as an anode and the electrode 114 functions as a cathode.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ → [Ru (bpy) 3 ] 3+ + e (1)
Oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ is generated by the electrode 114, and the reduction reaction (2) occurs at the electrode 114.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ + e → [Ru (bpy) 3 ] + (2)
Produces reduced species [Ru (bpy) 3 ] + . The generated oxidized species and reduced species attempt to move in the electrolyte layer 113 to the counter electrode side by diffusion or the like.

図10(b)は、1サイクルのうち、電極112が電極114よりも低電位に保たれる期間Tで起こる変化を示している。この期間では、電極112が陰極、電極114が陽極として機能するので、電極112では還元反応(2)
[Ru(bpy)3]2+ + e- → [Ru(bpy)3]+・・・(2)
によって還元種[Ru(bpy)3]+が生成し、電極114では酸化反応(1)
[Ru(bpy)3]2+ → [Ru(bpy)3]3+ + e-・・・(1)
によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成する。生成した酸化種および還元種は、それぞれ、拡散などによって電解質層113中を対極側へ移動しようとする。
FIG. 10B shows a change that occurs in a period T in which the electrode 112 is kept at a lower potential than the electrode 114 in one cycle. In this period, the electrode 112 functions as a cathode and the electrode 114 functions as an anode.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ + e → [Ru (bpy) 3 ] + (2)
Reduces species [Ru (bpy) 3 ] + , and the electrode 114 oxidizes (1).
[Ru (bpy) 3 ] 2+ → [Ru (bpy) 3 ] 3+ + e (1)
Produces oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ . The generated oxidized species and reduced species attempt to move in the electrolyte layer 113 to the counter electrode side by diffusion or the like.

上記のように、交流駆動の特徴は、同一電極で酸化と還元が交互に起こり、酸化種と還元種とがわずかな時間差をもって生成されることである。例えば、電極112では、期間Sでは酸化によって酸化種が作られ、この酸化種は電極114側へ移動を始めるが、期間Tになって電極の極性が反転すると、図10(b)に示すように、電極112上で還元反応によって還元種が作られるとともに、期間Sで作られた酸化種の移動方向が逆転し、酸化種は電極112へ向けて移動する。このため、電極112近傍では期間Tで作られた還元種と期間Sで作られた酸化種とが共存することになり、両者の衝突によって反応式(3)および反応式(4)
[Ru(bpy)3]3+ + [Ru(bpy)3]+ → [Ru(bpy)3]2+* + [Ru(bpy)3]2+・・・(3)
[Ru(bpy)3]2+* → [Ru(bpy)3]2+ + hν・・・(4)
に示すように反応が進行して、発光が生じる。同様に、期間Sでは、図10(a)に示すように、電極112上で生成した酸化種と、期間Tで作られていた還元種とが共存することになり、両者の衝突によって反応(3)および(4)が起こり、発光が生じる。
As described above, the characteristic of AC driving is that oxidation and reduction occur alternately at the same electrode, and the oxidized species and the reduced species are generated with a slight time difference. For example, in the electrode 112, oxidized species are produced by oxidation in the period S, and this oxidized species starts to move toward the electrode 114. When the polarity of the electrode is reversed in the period T, as shown in FIG. In addition, reducing species are produced on the electrode 112 by a reduction reaction, and the moving direction of the oxidized species produced in the period S is reversed, and the oxidized species move toward the electrode 112. For this reason, in the vicinity of the electrode 112, the reducing species produced in the period T and the oxidizing species produced in the period S coexist, and reaction formulas (3) and (4) are caused by collision between the two.
[Ru (bpy) 3 ] 3+ + [Ru (bpy) 3 ] + → [Ru (bpy) 3 ] 2+ * + [Ru (bpy) 3 ] 2+ (3)
[Ru (bpy) 3 ] 2+ * → [Ru (bpy) 3 ] 2+ + hν (4)
As shown in FIG. 4, the reaction proceeds and light emission occurs. Similarly, in the period S, as shown in FIG. 10A, the oxidized species generated on the electrode 112 and the reduced species produced in the period T coexist, and the reaction ( 3) and (4) occur and light emission occurs.

期間Sで電極112近傍に蓄積される酸化種の濃度は、期間Sが終了して期間Tに移行しようとするとき最大になり、また、期間Tで電極112近傍に蓄積される還元種の濃度は、期間Tが終了して期間Sに移行しようとするとき最大になる。従って、電極112近傍での発光の発光強度は、1サイクルの間に2回、対向電極に印加される電圧の極性が反転した直後に極大値をとると予想される。   The concentration of oxidized species accumulated in the vicinity of the electrode 112 in the period S is maximized when the period S ends and an attempt is made to move to the period T, and the concentration of reducing species accumulated in the vicinity of the electrode 112 in the period T. Is maximized when the period T ends and the period S is about to be shifted to. Therefore, it is expected that the light emission intensity in the vicinity of the electrode 112 takes the maximum value immediately after the polarity of the voltage applied to the counter electrode is reversed twice during one cycle.

電極114近傍での発光も、半サイクル分位相がずれることを除けば電極112近傍での発光と同様であって、1サイクルの間に2回、対向電極に印加される電圧の極性が反転した直後に発光強度が極大値をとると予想される。以上のことから、交流駆動される電気化学発光素子110では、各電極ごとに1サイクルの間に2回、素子全体としては、のべ4回、発光強度が極大値をとると予想される。   The light emission in the vicinity of the electrode 114 is the same as the light emission in the vicinity of the electrode 112 except that the phase is shifted by a half cycle, and the polarity of the voltage applied to the counter electrode is reversed twice during one cycle. Immediately after that, the luminescence intensity is expected to reach the maximum value. From the above, in the electrochemiluminescence device 110 driven by alternating current, it is expected that the emission intensity takes the maximum value twice in one cycle for each electrode and four times in total for the whole device.

直流駆動と交流駆動とを比べると、直流駆動では、酸化種と還元種とが衝突して発光するまでに電解質層103を縦断する必要があるのに対し、交流駆動では、その必要はなく、電極近傍で両者が衝突して発光する。このため、直流駆動では、応答速度が電解質層103の厚さに依存し、一般に遅くなるのに対し、交流駆動では、応答速度が電解質層113の厚さに依存せず、速い利点がある。また、酸化種または還元種の寿命が短い場合、直流駆動では、衝突する前に、電解質層103中を縦断している間に消失してしまう酸化種または還元種の割合が多くなるのに対し、交流駆動では、衝突する前に失われる酸化種または還元種の割合は少なく、発光効率が高くなる利点がある。   Comparing the direct current drive and the alternating current drive, in the direct current drive, it is necessary to cut the electrolyte layer 103 until the oxidized species and the reduced species collide to emit light, whereas in the alternating current drive, this is not necessary. Both collide near the electrode and emit light. For this reason, in DC driving, the response speed depends on the thickness of the electrolyte layer 103 and is generally slow, whereas in AC driving, the response speed does not depend on the thickness of the electrolyte layer 113 and is fast. Further, when the lifetime of the oxidized species or reduced species is short, in the direct current drive, the ratio of oxidized species or reduced species that disappear while traversing the electrolyte layer 103 before collision increases. In the AC drive, there is an advantage that the ratio of oxidized species or reduced species lost before the collision is small, and the luminous efficiency is increased.

また、直流駆動では、片方の電極に不純物が蓄積するという問題点があるのに対し、交流駆動では、そのような問題も生じない。   Further, in the DC drive, there is a problem that impurities are accumulated in one electrode, whereas in the AC drive, such a problem does not occur.

以上のように、交流駆動には直流駆動にない多くの利点があると予想されるが、電気化学発光素子を交流駆動する電気化学発光装置に関し、詳細な検討がなされた報告はない。   As described above, although AC driving is expected to have many advantages over DC driving, there has been no report that has been studied in detail regarding an electrochemiluminescence device for AC driving an electrochemiluminescence element.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電気化学発光素子が交流駆動される電気化学発光装置であって、応答速度が速く、駆動電圧が低く、発光強度が大きい電気化学発光装置、及び電気化学発光素子の駆動方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is an electrochemiluminescence device in which an electrochemiluminescence element is driven by alternating current, and an electroluminescence device having a high response speed, a low driving voltage, and a high emission intensity. It is an object to provide a chemiluminescent device and a method for driving an electrochemiluminescent element.

本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、電気化学発光素子が交流駆動される電気化学発光装置においては、各電極ごとに1サイクルの間に2回、素子全体としてはのべ4回、発光強度が極大値をとるという上記の予想に反し、発光強度の極大が各電極ごとに1サイクルの間に1回しか観察されない場合や、全く発光が得られなくなってしまう場合が存在することを発見し、その原因を究明する中で本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventor of the present invention, in an electrochemiluminescence device in which an electrochemiluminescence element is driven by alternating current, twice each cycle for each electrode, the entire element Contrary to the above expectation that the emission intensity has a maximum value four times, the maximum emission intensity is observed only once per cycle for each electrode, or no emission can be obtained. The present invention has been completed while discovering that there is a case where the error occurs and investigating the cause.

すなわち、本発明は、対向電極間に電解質層が配置され、前記電解質層に含まれる化学種が前記対向電極において酸化されて生成した酸化種と、前記電解質層に含まれる、前記化学種と同種又は別種の化学種が前記対向電極において還元されて生成した還元種との反応によって発光を生じる電気化学発光素子が、交流駆動される電気化学発光装置において、
実質的に前記対向電極の一方の電極の近傍においてのみ発光が起こるように構成され ている
ことを特徴とする、電気化学発光装置に係わるものである。
That is, the present invention provides an electrolyte layer disposed between the counter electrodes, the oxidized species generated by oxidation of the chemical species included in the electrolyte layer in the counter electrode, and the same type of the chemical species included in the electrolyte layer. Alternatively, in an electrochemiluminescence device in which an electrochemiluminescence element that emits light by a reaction with a reduced species generated by reducing another chemical species at the counter electrode is AC driven,
The present invention relates to an electrochemiluminescence device characterized in that light emission occurs substantially only in the vicinity of one electrode of the counter electrode.

また、本発明は、対向電極間に電解質層が配置され、前記電解質層に含まれる化学種が前記対向電極において酸化されて生成した酸化種と、前記電解質層に含まれる、前記化学種と同種又は別種の化学種が前記対向電極において還元されて生成した還元種との反応によって発光を生じる電気化学発光素子を交流駆動する、電気化学発光素子の駆動方法において、
実質的に前記対向電極の一方の電極の近傍においてのみ発光を起こさせる駆動電圧を 供給する
ことを特徴とする、電気化学発光素子の駆動方法に係わるものである。
The present invention also provides an electrolyte layer disposed between the counter electrodes, the oxidized species generated by oxidation of the chemical species included in the electrolyte layer in the counter electrode, and the same type of the chemical species included in the electrolyte layer. Alternatively, in the method of driving an electrochemiluminescent device, the electrochemiluminescent device that emits light by a reaction with a reduced species generated by reducing another chemical species at the counter electrode is AC driven.
The present invention relates to a driving method for an electrochemiluminescence device, characterized in that a driving voltage for causing light emission is supplied substantially only in the vicinity of one electrode of the counter electrode.

なお、ここで「実質的に」とは、電気化学発光装置又は電気化学発光素子の発光性能が、実際上、前記一方の電極の近傍における発光で決定されるという意味であり、前記対向電極の他方の電極の近傍における発光強度が、前記一方の電極の近傍における発光強度の、おおむね10%以下、多くとも20%以下であることを意味する。   Here, “substantially” means that the light emission performance of the electrochemiluminescence device or the electrochemiluminescence element is actually determined by light emission in the vicinity of the one electrode. It means that the light emission intensity in the vicinity of the other electrode is approximately 10% or less and at most 20% or less of the light emission intensity in the vicinity of the one electrode.

本発明者は、研究を重ねた結果、交流駆動される電気化学発光素子においては、前記化学種が酸化されて生成した前記酸化種、および、前記化学種と同種又は別種の化学種が還元されて生成した前記還元種が、それぞれ、これらの生成反応の逆反応によって前記対向電極上で消滅する反応が存在し、前記酸化種および前記還元種の発光効率を低下させる重要な反応経路になっていることを発見した。直流駆動される電気化学発光素子においては、このような逆反応を考慮する必要がないから、交流駆動される電気化学発光素子の反応系は、直流駆動の場合に比べてはるかに複雑である。   As a result of repeated research, the present inventor has reduced the oxidized species generated by oxidation of the chemical species and the same or different species as the chemical species in an electrochemiluminescent device driven by alternating current. There is a reaction in which the reduced species generated in this manner disappear on the counter electrode due to the reverse reaction of these production reactions, and this becomes an important reaction path for reducing the luminous efficiency of the oxidized species and the reduced species. I found that. In an electrochemiluminescent device driven by direct current, there is no need to consider such a reverse reaction, and therefore the reaction system of the electrochemiluminescent device driven by alternating current is much more complex than in the case of direct current drive.

また、電気化学反応系では、陽極での酸化反応の速度と、陰極での還元反応の速度とは等しく、両者を独立に設定することはできない。このため、前記対向電極の両極近傍での発光を両方とも最適化できる条件を見出すことは不可能であるか、可能であるとしても極めて複雑な検討を行う必要がある。   Further, in the electrochemical reaction system, the rate of the oxidation reaction at the anode and the rate of the reduction reaction at the cathode are equal, and both cannot be set independently. For this reason, it is impossible to find a condition that can optimize both the light emission in the vicinity of both electrodes of the counter electrode, or even if possible, it is necessary to conduct extremely complicated studies.

そこで、本発明では、前記対向電極の両極近傍での発光を両方とも最適化する方法を断念し、電気化学発光素子による発光を前記一方の電極の近傍に集中させ、前記一方の電極の近傍での発光を最適化する方法を選択する。すなわち、本発明の電気化学発光装置は、
実質的に前記対向電極の一方の電極の近傍においてのみ発光が起こるように構成され ている
ことを特徴とし、また、本発明の電気化学発光素子の駆動方法は、
実質的に前記対向電極の一方の電極の近傍においてのみ発光を起こさせる駆動電圧を 供給する
ことを特徴とする。
Therefore, in the present invention, the method of optimizing both the light emission in the vicinity of both electrodes of the counter electrode is abandoned, and the light emitted by the electrochemiluminescence device is concentrated in the vicinity of the one electrode, and in the vicinity of the one electrode. Select a method to optimize the light emission. That is, the electrochemiluminescence device of the present invention is
The method of driving the electrochemiluminescence device of the present invention is characterized in that light emission occurs substantially only in the vicinity of one of the counter electrodes.
A driving voltage for causing light emission is supplied substantially only in the vicinity of one electrode of the counter electrode.

この方法は、両極近傍で生じる発光の半分を捨てるのではなく、通常なら2つの電極に分散してしまう発光を前記一方の電極の近傍に集中させるのであるから、発光を前記一方の電極の近傍に集中させることによる発光強度の低下はわずかである。その上、前記一方の電極の近傍で起こる発光を最適化する条件を見出すことは、両極近傍での発光を両方とも最適化する条件を見出すことよりはるかに容易である。このため、本方法によれば、結果的に、前記対向電極の両極近傍で発光させる方法よりも容易かつ確実に、応答速度が速く、駆動電圧が低く、発光強度が大きい電気化学発光装置、及び電気化学発光素子の駆動方法を提供することができる。   This method does not throw away half of the luminescence generated in the vicinity of both poles, but normally concentrates the luminescence scattered in two electrodes in the vicinity of the one electrode. The decrease in the emission intensity due to concentration in the light is slight. In addition, finding conditions for optimizing the light emission that occurs in the vicinity of the one electrode is much easier than finding conditions that optimize both the light emission in the vicinity of both poles. Therefore, according to the present method, as a result, an electrochemiluminescence device having a quick response speed, a low driving voltage, and a high emission intensity, more easily and reliably than the method of emitting light in the vicinity of both electrodes of the counter electrode, and A method for driving an electrochemiluminescence device can be provided.

本発明において、前記交流駆動の駆動電圧を供給する交流電源が前記対向電極間に接続されているのがよい。   In the present invention, it is preferable that an AC power supply for supplying the AC drive voltage is connected between the counter electrodes.

また、前記一方の電極が多孔質構造を有する多孔質電極であるのがよい。或いは、前記一方の電極の表面積が、前記対向電極の他方の電極の表面積に比べて大きくなっているのがよい。これらの場合、前記一方の電極の表面積が、前記他方の電極の表面積の10倍以上であるのがよい。このように、前記一方の電極の表面積を前記他方の電極の表面積よりも大きくすることで、通常なら2つの電極の近傍に分散してしまう発光を前記一方の電極の近傍に集中させることができる。   The one electrode may be a porous electrode having a porous structure. Alternatively, the surface area of the one electrode is preferably larger than the surface area of the other electrode of the counter electrode. In these cases, the surface area of the one electrode is preferably 10 times or more the surface area of the other electrode. Thus, by making the surface area of the one electrode larger than the surface area of the other electrode, it is possible to concentrate light emission that would normally be dispersed in the vicinity of the two electrodes in the vicinity of the one electrode. .

この際、前記多孔質電極が金属及び/又は金属酸化物からなるのがよく、前記金属酸化物に酸化チタンが含まれるのがよい。酸化チタンは、電気伝導性を有し、化学的に安定な材料である。   At this time, the porous electrode is preferably made of a metal and / or a metal oxide, and the metal oxide preferably contains titanium oxide. Titanium oxide is an electrically conductive and chemically stable material.

また、前記交流駆動が、デューティ比が1と異なる交流電圧及び/又は直流成分を有する交流電圧によって行われ、前記交流駆動の1サイクルにおいて、長い時間をかけて前記一方の電極の近傍に前記酸化種又は前記還元種が蓄積され、駆動電圧の極性の反転の後、蓄積されていた前記酸化種又は前記還元種が短時間の間に速やかに反応して、発光が引き起こされるのがよい。   In addition, the AC drive is performed by an AC voltage having a duty ratio different from 1 and / or an AC voltage having a DC component, and the oxidation is performed in the vicinity of the one electrode over a long time in one cycle of the AC drive. After the seeds or the reduced species are accumulated and the polarity of the driving voltage is reversed, the accumulated oxidized species or the reduced species may react quickly in a short time to cause light emission.

また、本発明の電気化学発光装置は、面光源として構成されているのがよい。或いは、前記対向電極が、複数の発光領域を形成するパターンに設けられているのがよく、表示装置として構成されているのがよい。   The electrochemiluminescence device of the present invention is preferably configured as a surface light source. Alternatively, the counter electrode is preferably provided in a pattern for forming a plurality of light emitting regions, and is preferably configured as a display device.

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態に基づく電気化学発光(ECL)装置の構造を示す断面図である。図1に示すように、電気化学発光素子10は、主として、対向して配置された電極2および電極4と、これらの電極間に配置された電解質層3とからなる。電極2と電極4とは、スペーサ6を介して接着され、セルを形成している。電解質層3は、アセトニトリルなどの有機極性溶媒に、ヘキサフルオロリン酸トリス(ビピリジル)ルテニウム(II)( [Ru(bpy)3](PF6)2 )などの発光物質が溶解した溶液である。電解質層3は、通常は液体であるが、半固体状または固体状であってもよい。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an electrochemiluminescence (ECL) apparatus based on this embodiment. As shown in FIG. 1, the electrochemiluminescent device 10 mainly includes an electrode 2 and an electrode 4 that are arranged to face each other, and an electrolyte layer 3 that is arranged between these electrodes. The electrode 2 and the electrode 4 are bonded via a spacer 6 to form a cell. The electrolyte layer 3 is a solution in which a light emitting substance such as tris (bipyridyl) ruthenium hexafluorophosphate ([Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 ) is dissolved in an organic polar solvent such as acetonitrile. The electrolyte layer 3 is normally liquid, but may be semi-solid or solid.

電極2は、電極2aと、前記多孔質電極であるポーラス電極2bとによって構成されている。電極2aは、ガラス基板などの基板1の上にスパッタリング法などによって形成された、FTO(フッ素がドープされた酸化スズ)などの透明導電層からなる。ポーラス電極2bは、電極2aの上に塗布などによって酸化チタン微粒子層を形成し、これを焼結して形成された酸化チタンの多孔質層などからなる。対極の電極4は、ガラス基板などの基板5の上にスパッタリング法などによって形成されたFTOなどの透明導電層からなる。   The electrode 2 includes an electrode 2a and a porous electrode 2b that is the porous electrode. The electrode 2a is made of a transparent conductive layer such as FTO (tin oxide doped with fluorine) formed on a substrate 1 such as a glass substrate by a sputtering method or the like. The porous electrode 2b includes a porous layer of titanium oxide formed by forming a titanium oxide fine particle layer on the electrode 2a by coating or the like and sintering the layer. The counter electrode 4 is made of a transparent conductive layer such as FTO formed on a substrate 5 such as a glass substrate by a sputtering method or the like.

電気化学発光素子10の特徴は、対向電極のうちの一方に多孔質構造を有するポーラス電極2bを用いたことにある。後述の実施例1の比較例1として示すように、電極2にポーラス電極2bを設けず、対向電極の両方をFTO導電層のみとした場合には、発光開始電圧が大きく、発光量は少ない。また、同じく比較例2として示すように、対向電極の両方にポーラス電極を設けた場合には、発光が得られなくなる。従って、この際重要なことは、ポーラス電極を対向電極の両方に設けるのではなく、一方に設けるということである。   The feature of the electrochemiluminescence device 10 is that a porous electrode 2b having a porous structure is used as one of the counter electrodes. As shown in Comparative Example 1 of Example 1 described later, when the electrode 2 is not provided with the porous electrode 2b and both the counter electrodes are made of only the FTO conductive layer, the light emission start voltage is large and the light emission amount is small. Similarly, as shown as Comparative Example 2, when porous electrodes are provided on both counter electrodes, light emission cannot be obtained. Therefore, what is important in this case is that the porous electrode is provided not on both of the counter electrodes but on one side.

特許文献1には、直流駆動の場合、陽極と陰極の両方にポーラス電極を用い、陰極側のみにポーラス電極を用いた場合と同等の発光強度を得た例が示されている。この例と比べると、交流駆動による電気化学発光素子10の動作は、直流駆動時の動作に比べ、はるかに複雑であることが推測される。この問題を詳細に検討する前に、以下、上記の特徴以外の電気化学発光素子10の構成を記述しておく。   Patent Document 1 shows an example in which, in the case of direct current drive, a porous electrode is used for both the anode and the cathode, and a light emission intensity equivalent to that obtained when a porous electrode is used only on the cathode side is obtained. Compared to this example, the operation of the electrochemiluminescence device 10 by AC driving is estimated to be much more complicated than the operation at the time of DC driving. Before examining this problem in detail, the configuration of the electrochemiluminescent device 10 other than the above features will be described below.

電極2および電極4の形状としては、平行平板電極、および、くし形電極の2つのタイプが挙げられる。平行平板電極は、一対の平行電極の間に発光層を挟持して発光層を平行に配置したものである。この場合には、少なくとも一方の電極は、透明である必要があり、その透過率が70%以上であることが好ましい。   Examples of the shapes of the electrode 2 and the electrode 4 include two types of a parallel plate electrode and a comb electrode. The parallel plate electrode is formed by sandwiching a light emitting layer between a pair of parallel electrodes and arranging the light emitting layer in parallel. In this case, at least one of the electrodes needs to be transparent, and the transmittance is preferably 70% or more.

一方、くし形電極は、一対のくし形状の電極を交互に対電極の間に入り込むように配置したものである。この場合には、一対のくし形電極を基板上に配置する必要があり、その電極は透過率が70%以上である透明な基板を用いた方が、基板側から発光を取り出すことができるので好ましい。   On the other hand, the comb-shaped electrodes are arranged such that a pair of comb-shaped electrodes alternately enter between the counter electrodes. In this case, it is necessary to dispose a pair of comb-shaped electrodes on the substrate, and light emission can be extracted from the substrate side by using a transparent substrate having a transmittance of 70% or more. preferable.

電極材料としては、白金、金、銅、チタン、パラジウム、スズ、ニッケル、銀、アルミニウムなどの導電性を有する金属、およびこれらの金属を含む合金、酸化インジウム、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ニオブ、ITO(Indium Tin Oxide)などを主成分とする酸化物半導体、および各種導電性カーボンなどが挙げられる。   As electrode materials, platinum, gold, copper, titanium, palladium, tin, nickel, silver, aluminum and other conductive metals, and alloys containing these metals, indium oxide, titanium oxide, tin oxide, zinc oxide, Examples thereof include oxide semiconductors mainly composed of niobium oxide, ITO (Indium Tin Oxide), and various conductive carbons.

電気化学発光は、還元された色素と酸化された色素の衝突確率によってその発光効率が左右される。このため、酸化還元反応を促進し、その衝突確率を高めるために、上述したように、一方の電極を多孔質化し、反応面積を増大させることが好ましい。ポーラス電極の表面積は、その投影面積(設置面積)の100倍以上であることが好ましい。   The electroluminescence of electrochemiluminescence depends on the collision probability between the reduced dye and the oxidized dye. For this reason, in order to promote the oxidation-reduction reaction and increase the collision probability, as described above, it is preferable to make one electrode porous to increase the reaction area. The surface area of the porous electrode is preferably at least 100 times its projected area (installation area).

この多孔質電極は、上記材料を、微粒子の加熱によるネッキングや、ポリマーを鋳型にしたゾル−ゲル法、めっき法などで処理して形成することができ、その作製方法は何ら限定されない。   This porous electrode can be formed by processing the above-mentioned material by necking by heating fine particles, a sol-gel method using a polymer as a template, a plating method, or the like, and its manufacturing method is not limited at all.

対向電極の他方の電極である電極4は、真空蒸着、スパッタ法、ゾル−ゲル法、めっき法、スピンコート法、スプレー法などにより形成することが可能で、その形成法は特に限定されない。また、その表面も平滑であっても、凹凸をもっていてもよく、更には、表面積がポーラス電極2bの表面積の1/10以下であれば、ポーラス電極であってもよい。   The electrode 4 which is the other electrode of the counter electrode can be formed by vacuum deposition, sputtering, sol-gel method, plating method, spin coating method, spray method or the like, and the formation method is not particularly limited. Further, the surface may be smooth or uneven, and may be a porous electrode as long as the surface area is 1/10 or less of the surface area of the porous electrode 2b.

電解質層3に含有させる発光物質としては、可視光領域から紫外光領域で蛍光を有する化合物であれば特に限定されない。   The luminescent substance contained in the electrolyte layer 3 is not particularly limited as long as it is a compound having fluorescence in the visible light region to the ultraviolet light region.

例えば、発光物質として、芳香族系共役化合物、芳香族アミン化合物、芳香族エナミン化合物、複素環系共役化合物、オキサゾール化合物などが好ましい化合物として挙げられる。具体的には、9,10−ジフェニルアントラセン、ルブレン(5,6,11,12−テトラフェニルナフタセン)、トリフェニレン(9,10−ベンゾフェナントレン)、モノフェニルトリフェニレン、2,3−ジフェニルトリフェニレン、2,6,10−トリフェニルトリフェニレン、2,6,10−トリ(p−シアノフェニル)トリフェニレン、9−(α,−ジシアノビニル)アントラセン、9−スチリルアントラセン、2,7−ジフェニルフェナントレン、N,N,N’,N’−テトラフェニルベンジジン、N,N’−ジ(m−トリル)ベンジジン、N,N’−ジ(α−ナフチル)ベンジジン、トリ(ビフェニル−4−イル)アミンなどが挙げられる。   For example, preferred examples of the luminescent substance include aromatic conjugated compounds, aromatic amine compounds, aromatic enamine compounds, heterocyclic conjugated compounds, and oxazole compounds. Specifically, 9,10-diphenylanthracene, rubrene (5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene), triphenylene (9,10-benzophenanthrene), monophenyltriphenylene, 2,3-diphenyltriphenylene, 2 , 6,10-triphenyltriphenylene, 2,6,10-tri (p-cyanophenyl) triphenylene, 9- (α, -dicyanovinyl) anthracene, 9-styrylanthracene, 2,7-diphenylphenanthrene, N, N , N ′, N′-tetraphenylbenzidine, N, N′-di (m-tolyl) benzidine, N, N′-di (α-naphthyl) benzidine, tri (biphenyl-4-yl) amine, etc. .

化学構造的には、2,6,10−トリフェニルトリフェニレンおよびトリ(ビフェニル−4−イル)アミンのように、フェニル基に代表されるアリール基が置換基数として2個以上ついているものが好ましい。アリール基は相対的には多ければ多いほどよいが、合成上および溶解性、溶融性などの点から、4個程度の置換数が適当である。したがって、発光物質としては、環状炭化水素化合物または複素環化合物の環形成炭素が少なくとも2個以上の置換もしくは非置換のフェニル基で置換された化合物が、得られる電気化学発光素子の発光効率の点で特に好ましい。   In terms of chemical structure, those having two or more aryl groups represented by a phenyl group as the number of substituents such as 2,6,10-triphenyltriphenylene and tri (biphenyl-4-yl) amine are preferable. The larger the number of aryl groups, the better. However, from the viewpoints of synthesis and solubility, meltability, etc., a substitution number of about 4 is suitable. Therefore, as the light-emitting substance, a compound in which the ring-forming carbon of the cyclic hydrocarbon compound or the heterocyclic compound is substituted with at least two substituted or unsubstituted phenyl groups is used. Is particularly preferable.

また、高分子状の発光物質が、特開平6−166743号公報に種々記載されており、これらを用いることができる。具体的には、ポリ(p−フェニレン−エチニレン)、ポリ(p−フェニレン−エチニレン−m−フェニレン−エチニレン)などのアリ−レン:アセチレン結合からなる芳香族系共役系高分子化合物が挙げられる。   In addition, various polymer light-emitting substances are described in JP-A-6-166743, and these can be used. Specific examples include aromatic conjugated polymer compounds composed of arylene: acetylene bonds such as poly (p-phenylene-ethynylene) and poly (p-phenylene-ethynylene-m-phenylene-ethynylene).

また、含窒素系複素環化合物を多座配位子とする金属錯体化合物も、本実施の形態で用いる電気化学発光素子の発光物質として、好適に用いることができる。これらの化合物は、最近、有機太陽電池の分光増感色素として注目を浴び、種々の材料が得られるようになってきている(J.Am.Chem.Soc.,115,632(1993)参照。)。これらの化合物の化学構造としては、配位子としてビスピリジンならびにビスピリジンの一部および全部が2,10−フェナントロリンおよび1,8−ナフチリジンのような環状構造になったものと、ルテニウム(II)などの金属イオンとから構成される金属錯体が好ましい。具体的には、トリス(2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)や、シス−ビス(チオシアナート)−ビス(2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)などのビスピリジン系金属錯体化合物が特に好ましい。   In addition, a metal complex compound containing a nitrogen-containing heterocyclic compound as a multidentate ligand can also be suitably used as the light-emitting substance of the electrochemiluminescence device used in this embodiment. These compounds have recently attracted attention as spectral sensitizing dyes for organic solar cells, and various materials have been obtained (see J. Am. Chem. Soc., 115, 632 (1993)). ). The chemical structures of these compounds include bispyridine as a ligand and a part and all of bispyridine in a cyclic structure such as 2,10-phenanthroline and 1,8-naphthyridine, and ruthenium (II). Metal complexes composed of metal ions are preferred. Specifically, bispyridine-based metal complex compounds such as tris (2,2′-bipyridyl) ruthenium (II) and cis-bis (thiocyanato) -bis (2,2′-bipyridyl) ruthenium (II) are particularly preferable. .

電気化学発光素子の発光強度は、電解質層中の発光物質の濃度に略比例するので、発光物質は、電解質層の溶媒に対する溶解性が高い方が好ましい。また、発光物質は必ずしも電解質層中に溶解または分散させず、電極表面上に固定してもかまわない。あるいは、溶解または分散と、電極上への固定とを併用してもかまわない。   Since the emission intensity of the electrochemiluminescent device is substantially proportional to the concentration of the luminescent material in the electrolyte layer, the luminescent material preferably has higher solubility in the solvent of the electrolyte layer. Further, the luminescent substance is not necessarily dissolved or dispersed in the electrolyte layer and may be fixed on the electrode surface. Alternatively, dissolution or dispersion and fixation on an electrode may be used in combination.

発光物質を溶解または分散させた電解質層は、液体状態のみならず、ゲル状または固体状など、どのような状態であってもかまわない。例えば、イオン液体のように高粘性の液体を溶媒として用いてもかまわない。あるいは、導電性ポリマーなどを添加したり、ナノ粒子と混合してゲル化したり、イオン液体あるいはポリマーに反応性部位をもたせ、重合し、固体化したりしてもかまわない。また、支持電解質や酸化防止剤、光安定化剤など、各種添加剤を加えても、何ら問題はない。   The electrolyte layer in which the light-emitting substance is dissolved or dispersed may be in any state such as a gel state or a solid state as well as a liquid state. For example, a highly viscous liquid such as an ionic liquid may be used as the solvent. Alternatively, a conductive polymer or the like may be added, mixed with nanoparticles to be gelled, or a reactive site may be added to the ionic liquid or polymer to be polymerized and solidified. Moreover, there is no problem even if various additives such as a supporting electrolyte, an antioxidant and a light stabilizer are added.

次に、交流駆動による電気化学発光素子10の動作を詳細に解析し、発光特性を向上させる条件を検討する。図2(a)〜(c)は、交流電源7を用いて、電気化学発光素子10の対向電極間に、方形波の波形を有する駆動電圧(振幅±2V、周波数10Hz)を印加したときの、電極2に印加される駆動電圧、電極2から電解質層3へ流れる電流、および発光強度の時間変化を示すグラフである。   Next, the operation of the electrochemiluminescence device 10 driven by alternating current is analyzed in detail, and conditions for improving the light emission characteristics are examined. 2A to 2C show a case where a drive voltage (amplitude ± 2 V, frequency 10 Hz) having a square wave waveform is applied between the counter electrodes of the electrochemiluminescence device 10 using the AC power source 7. FIG. 6 is a graph showing changes in driving voltage applied to electrode 2, current flowing from electrode 2 to electrolyte layer 3, and emission intensity over time.

図2から、1サイクルに2回、駆動電圧の極性が反転した直後に大きな電流が流れること、しかしながら、発光が生じるのはそのうちの1回であることがわかる。この発光の詳しい観察から、発光を生じているのはポーラス電極2bを設けた電極2近傍であり、電極2が低電位側(負)から高電位側(正)に極性が反転した直後に多量の発光が生じることがわかる。   From FIG. 2, it can be seen that a large current flows immediately after the polarity of the drive voltage is reversed twice in one cycle, however, light emission occurs only once. From the detailed observation of this light emission, the light emission occurs in the vicinity of the electrode 2 provided with the porous electrode 2b, and a large amount immediately after the polarity of the electrode 2 is reversed from the low potential side (negative) to the high potential side (positive). It can be seen that light emission occurs.

一方、先に言及した比較例1では、各電極が低電位側(負)から高電位側(正)に極性が反転した直後にその電極近傍で発光が生じ、発光強度は1サイクルにのべ2回、極大になることがわかった。以上の知見をまとめると、交流駆動で発光が生じるのは、低電位側(負)から高電位側(正)に極性が反転した電極近傍であって、
ポーラス電極をいずれの電極にも設けない場合(後述の比較例1)
・・・発光強度は、各電極ごとに1サイクルにつき1回、のべ2回極大になる。しかし、 発光開始電圧が大きく、発光強度は小さい。
ポーラス電極を一方の電極に設けた場合(本実施の形態、後述の実施例1)
・・・発光強度は、1サイクルにつき1回極大になる。発光はポーラス電極2b近傍で生 じ、発光開始電圧が小さく、発光強度は大きい。
ポーラス電極を両方の電極に設けた場合(後述の比較例2)
・・・発光しない。
On the other hand, in Comparative Example 1 mentioned above, light emission occurred in the vicinity of each electrode immediately after the polarity was reversed from the low potential side (negative) to the high potential side (positive). It turns out that it becomes the maximum twice. Summarizing the above findings, light emission occurs in the AC drive in the vicinity of the electrode whose polarity is reversed from the low potential side (negative) to the high potential side (positive)
When no porous electrode is provided on any electrode (Comparative Example 1 described later)
... The emission intensity is maximized once per cycle for each electrode and twice in total. However, the emission start voltage is large and the emission intensity is small.
When a porous electrode is provided on one electrode (this embodiment, Example 1 described later)
... The emission intensity reaches a maximum once per cycle. Light emission occurs in the vicinity of the porous electrode 2b, the light emission start voltage is low, and the light emission intensity is high.
When porous electrodes are provided on both electrodes (Comparative Example 2 described later)
... Does not emit light.

図3(a)および(b)は、図2(b)および(c)に点線で囲んで示した1サイクルにおける電流および発光強度の時間変化を、時間軸などを拡大して示したグラフである。図3から、電極2の電位が低電位側(負)から高電位側(正)に反転した後の電流変化は、期間A〜期間Cの3つの期間に大別することができ、電極2の電位が高電位側(正)から低電位側(負)に反転した後の電流変化は、期間Dおよび期間Eの2つの期間に大別することができることがわかる。発光は主として期間Bにおいて生じる。   FIGS. 3 (a) and 3 (b) are graphs showing the time change of current and light emission intensity in one cycle shown by encircled by dotted lines in FIGS. 2 (b) and 2 (c), with the time axis etc. enlarged. is there. From FIG. 3, the current change after the potential of the electrode 2 is reversed from the low potential side (negative) to the high potential side (positive) can be roughly divided into three periods A to C. It can be seen that the current change after the potential is inverted from the high potential side (positive) to the low potential side (negative) can be roughly divided into two periods, period D and period E. Luminescence occurs mainly during period B.

図4および図5は、期間A〜期間Eにおける電気化学発光素子10の主たる動作状態を推測を交えてモデル的に示す断面図である。期間A〜Cでは、電極2が高電位側であるから、電極2が陽極として機能し、電極4が陰極として機能する。また、期間DおよびEでは、電極2が低電位側であるから、電極2が陰極として機能し、電極4が陽極として機能する。なお、図の右側に付記した反応式において、錯イオンは配位子を省略して示した。その他の記載上の注意点は、図9などと同様である。   4 and 5 are cross-sectional views showing the main operating states of the electrochemiluminescence device 10 in the period A to the period E in a model manner with assumptions. In the periods A to C, since the electrode 2 is on the high potential side, the electrode 2 functions as an anode and the electrode 4 functions as a cathode. In the periods D and E, since the electrode 2 is on the low potential side, the electrode 2 functions as a cathode and the electrode 4 functions as an anode. In the reaction formulas attached to the right side of the figure, complex ions are shown with ligands omitted. Other precautions are the same as in FIG.

期間AおよびBにおいて電流が流れる原因としては、3つを考えることができる。1つは、電極2の極性が反転した直後に、コンデンサなどにステップ状の電圧を印加したときと同様に、駆動電圧の変化に対応して電極直近の電荷を再配置することによる電流が流れる。   There are three possible causes for the current flowing in the periods A and B. One is that immediately after the polarity of the electrode 2 is reversed, a current flows by rearranging the charges in the vicinity of the electrode in response to a change in the drive voltage, as in the case where a stepped voltage is applied to a capacitor or the like. .

電極反応による電流として、前サイクルの(後述する)期間Eにおける電極2での還元反応(2)および電極4での酸化反応(1)によって、電極近傍にそれぞれ蓄積されていた還元種[Ru(bpy)3]+および酸化種[Ru(bpy)3]3+が、図4(a)に示すように、電極での逆反応によって[Ru(bpy)3]2+に戻ることによる電流が流れる。すなわち、電極2では、還元反応(2)の逆反応(−2)
[Ru(bpy)3]+ → [Ru(bpy)3]2+ + e-・・・(−2)
によって還元種[Ru(bpy)3]+が消滅し、電極4では、酸化反応(1)の逆反応(−1)
[Ru(bpy)3]3+ + e-・→ [Ru(bpy)3]2+・・・(−1)
によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が消滅する。
As the current due to the electrode reaction, the reduced species [Ru () accumulated in the vicinity of the electrode by the reduction reaction (2) at the electrode 2 and the oxidation reaction (1) at the electrode 4 in the period E (described later) of the previous cycle, respectively. bpy) 3 ] + and the oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ return to [Ru (bpy) 3 ] 2+ due to the reverse reaction at the electrode as shown in FIG. Flowing. That is, at the electrode 2, the reverse reaction (-2) of the reduction reaction (2)
[Ru (bpy) 3 ] + → [Ru (bpy) 3 ] 2+ + e (-2)
As a result, the reduced species [Ru (bpy) 3 ] + disappears, and at the electrode 4, the reverse reaction (-1) of the oxidation reaction (1)
[Ru (bpy) 3 ] 3+ + e · → [Ru (bpy) 3 ] 2+ (−1)
As a result, the oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ disappears.

また、別の電極反応による電流として、電極2上で[Ru(bpy)3]2+が反応(1)
[Ru(bpy)3]2+ → [Ru(bpy)3]3+ + e-・・・(1)
によって酸化され、酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成し、電極4上で[Ru(bpy)3]2+が反応(2)
[Ru(bpy)3]2+ + e- → [Ru(bpy)3]+・・・(2)
によって還元され、還元種[Ru(bpy)3]+が生成することによる電流が流れる。
In addition, [Ru (bpy) 3 ] 2+ reacts on electrode 2 as a current from another electrode reaction (1)
[Ru (bpy) 3 ] 2+ → [Ru (bpy) 3 ] 3+ + e (1)
Oxidized to produce oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ , and [Ru (bpy) 3 ] 2+ reacts on electrode 4 (2)
[Ru (bpy) 3 ] 2+ + e → [Ru (bpy) 3 ] + (2)
To generate a reduced species [Ru (bpy) 3 ] + .

期間Bでは、図3(b)に示されているように発光が生じる。これは、ポーラス電極2bの近傍で酸化種と還元種とが衝突して反応(3)および反応(4)
[Ru(bpy)3]3+ + [Ru(bpy)3]+ → [Ru(bpy)3]2+* + [Ru(bpy)3]2+・・・(3)
[Ru(bpy)3]2+* → [Ru(bpy)3]2+ + hν・・・(4)
が起こっていることを意味する。従って、期間Bでは、電極2上で酸化反応(1)によって生成した酸化種[Ru(bpy)3]3+が、近傍に存在している還元種と反応して、発光を生じていると考えられる。電極の極性が反転した後、発光が開始されるまでに約1msの時間遅れが存在する。現在、この時間遅れの原因は厳密には解明されてはいないが、時間遅れ期間Aの間に、期間Bでの発光を準備する過程、すなわち、電極近傍の電荷の再配置、並びに反応(−2)、(−1)、(1)、および(2)などが起こる。
In period B, light emission occurs as shown in FIG. This is because the oxidized species and the reduced species collide in the vicinity of the porous electrode 2b to react (3) and (4).
[Ru (bpy) 3 ] 3+ + [Ru (bpy) 3 ] + → [Ru (bpy) 3 ] 2+ * + [Ru (bpy) 3 ] 2+ (3)
[Ru (bpy) 3 ] 2+ * → [Ru (bpy) 3 ] 2+ + hν (4)
Means that is happening. Therefore, in the period B, the oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ generated by the oxidation reaction (1) on the electrode 2 reacts with the reducing species present in the vicinity to generate luminescence. Conceivable. There is a time delay of about 1 ms before the light emission starts after the polarity of the electrode is reversed. At present, the cause of this time delay is not exactly clarified, but during the time delay period A, the process of preparing light emission in the period B, that is, the rearrangement of charges in the vicinity of the electrode, and the reaction (− 2), (-1), (1), (2), etc. occur.

電気分解では、陽極を流れる電流の大きさと、陰極を流れる電流の大きさとは同じであるので、陽極で起こる酸化反応と陰極で起こる還元反応とは、同じ反応速度で進行する。この場合、酸化反応および還元反応のどちらかの反応が律速反応になっている場合が多い。期間Aの電流が指数関数的に減少していること、および、電極4の表面積が、対極のポーラス電極2bの表面積に比べて著しく小さいことから、期間Aでは、電極4で起こる反応(−1)が律速反応になっていると考えられる。従って、期間Aの間に電極2上で消滅する還元種を減少させ、発光効率を向上させるには、電極4の表面積が小さいのがよい。   In electrolysis, the magnitude of the current flowing through the anode and the magnitude of the current flowing through the cathode are the same, so the oxidation reaction occurring at the anode and the reduction reaction occurring at the cathode proceed at the same reaction rate. In this case, either the oxidation reaction or the reduction reaction is often a rate-limiting reaction. Since the current in period A decreases exponentially and the surface area of the electrode 4 is significantly smaller than the surface area of the counter electrode 2b, the reaction occurring at the electrode 4 in the period A (−1 ) Is considered to be the rate-limiting reaction. Therefore, the surface area of the electrode 4 should be small in order to reduce the reducing species that disappear on the electrode 2 during the period A and improve the luminous efficiency.

期間Bにおいて電極4でどのような反応が起こっているかということに関しては、直接の証拠はない。しかし、後述するように、期間Cにおける電極4での主たる反応は、反応(2)である。期間Bにおける反応速度と、期間Cにおける反応速度との違いを考慮すると、期間Cにおける主反応(2)が、期間Bにおける主反応である可能性はない。従って、電極4で起こっている反応は、期間Aと同じ反応(−1)であると推測される。但し、指数関数的に減少する期間Aの電流曲線に対し、期間Bでは平坦に近い電流曲線が得られていることから、期間Bにおける律速反応は、電極2で起こる反応(1)であると考えられる。   There is no direct evidence as to what reaction is occurring at the electrode 4 during period B. However, as will be described later, the main reaction at the electrode 4 in the period C is the reaction (2). Considering the difference between the reaction rate in the period B and the reaction rate in the period C, the main reaction (2) in the period C is not likely to be the main reaction in the period B. Therefore, the reaction occurring at the electrode 4 is presumed to be the same reaction (−1) as in the period A. However, since a current curve that is nearly flat in period B is obtained with respect to the current curve in period A that decreases exponentially, the rate-limiting reaction in period B is the reaction (1) that occurs at electrode 2. Conceivable.

期間Aおよび期間Bにおける反応で、前サイクルのE期間において電極近傍に蓄積されていた酸化種および還元種がほぼすべて消滅するため、期間Cではこれらによる反応が主ではなくなり、図4(c)に示すように、主たる反応として、電極2では酸化反応(1)によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成し、電極2の近傍に蓄積され、電極4では還元反応(2)によって還元種[Ru(bpy)3]+が生成し、電極4の近傍に蓄積される。 In the reaction in the period A and the period B, since almost all of the oxidized species and reduced species accumulated in the vicinity of the electrode in the E period of the previous cycle disappear, the reaction due to these disappears mainly in the period C, and FIG. As shown in FIG. 2, as the main reaction, the oxidation species [Ru (bpy) 3 ] 3+ is generated in the electrode 2 by the oxidation reaction (1) and accumulated in the vicinity of the electrode 2, and the reduction reaction (2) in the electrode 4. Reduced species [Ru (bpy) 3 ] + are generated and accumulated in the vicinity of the electrode 4.

期間Cでの律速反応は、電極4で起こる反応(2)であると考えられる。期間Cでの反応(2)は、表面積の小さい電極4上で起こり、反応(2)自体も反応(1)に比べて起こりにくい反応であるため、本電気化学発光装置の発光過程に含まれるすべての反応過程の中で最も遅い反応過程である。従って、期間Cで電極2および電極4の近傍に蓄積される酸化種および還元種の量は、後述する期間Eで蓄えられる酸化種および還元種の量に比べてはるかに少ない。これが電極4近傍で発光が生じない一因であると考えられる。   The rate-limiting reaction in period C is considered to be reaction (2) occurring at electrode 4. The reaction (2) in the period C occurs on the electrode 4 having a small surface area, and the reaction (2) itself is less likely to occur than the reaction (1), and thus is included in the light emission process of the electrochemiluminescence device. It is the slowest reaction process among all reaction processes. Therefore, the amount of oxidized species and reduced species accumulated in the vicinity of the electrode 2 and the electrode 4 in the period C is much smaller than the amounts of oxidized species and reduced species accumulated in the period E described later. This is considered to be one of the factors that cause no light emission in the vicinity of the electrode 4.

上記のように、期間A〜期間Cの各期間で律速反応が異なっており、このため、期間A〜期間Cにおける電流曲線が複雑な形状になっていると考えられる。また、主たる反応と並行して他の反応も起こるから、電流曲線はさらに複雑な形状になる。   As described above, the rate-limiting reaction is different in each of the periods A to C, and it is considered that the current curves in the periods A to C have a complicated shape. In addition, since other reactions occur in parallel with the main reaction, the current curve has a more complicated shape.

期間Dにおいて電流が流れる原因としては、2つを考えることができる。1つは、電極2の極性が反転した直後に、前述したと同様に、駆動電圧の変化に対応して電極直近の電荷を再配置することによる電流が流れる。   There are two possible causes for the current flowing in the period D. One is that immediately after the polarity of the electrode 2 is reversed, a current flows by rearranging the charges in the immediate vicinity of the electrode in accordance with the change of the drive voltage, as described above.

電極反応による電流としては、主として、図5(d)に示すように、期間Cの間に電極2での酸化反応(1)および電極4での還元反応(2)によって、それぞれ、電極近傍に蓄積されていた酸化種および還元種が、電極での逆反応によって[Ru(bpy)3]2+に戻ることによる電流が流れる。すなわち、電極2では、酸化反応(1)の逆反応(−1)
[Ru(bpy)3]3+ + e-・→ [Ru(bpy)3]2+・・・(−1)
によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が消滅し、電極4では、還元反応(2)の逆反応(−2)
[Ru(bpy)3]+ → [Ru(bpy)3]2+ + e-・・・(−2)
によって還元種[Ru(bpy)3]+が消滅する。
As shown in FIG. 5 (d), the current due to the electrode reaction is mainly caused by the oxidation reaction (1) at the electrode 2 and the reduction reaction (2) at the electrode 4 during the period C. A current flows due to the accumulated oxidized and reduced species returning to [Ru (bpy) 3 ] 2+ due to the reverse reaction at the electrode. That is, in the electrode 2, the reverse reaction (-1) of the oxidation reaction (1).
[Ru (bpy) 3 ] 3+ + e · → [Ru (bpy) 3 ] 2+ (−1)
As a result, the oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ disappears, and at the electrode 4, the reverse reaction (-2) of the reduction reaction (2)
[Ru (bpy) 3 ] + → [Ru (bpy) 3 ] 2+ + e (-2)
As a result, the reduced species [Ru (bpy) 3 ] + disappears.

上記の反応に並行して、電極2上で[Ru(bpy)3]2+が反応(2)によって還元され、電極4上で[Ru(bpy)3]2+が反応(1)によって酸化される反応が起こるが、期間Cで蓄積されていた酸化種および還元種の量が少ないため、これらの酸化種および還元種は、期間Dの間にほぼ全量が逆反応によって失われ、発光に寄与しない。このため、期間Dでは、期間AおよびBにおける期間Bに相当する発光期間が存在しない。 In parallel to the above reaction, [Ru (bpy) 3 ] 2+ is reduced by reaction (2) on electrode 2 and [Ru (bpy) 3 ] 2+ is oxidized by reaction (1) on electrode 4. However, since the amount of oxidized and reduced species accumulated in the period C is small, almost all of these oxidized and reduced species are lost during the period D due to the reverse reaction, resulting in light emission. Does not contribute. For this reason, in the period D, there is no light emission period corresponding to the period B in the periods A and B.

期間Eでは、期間Dにおいて電極近傍に蓄積されていた酸化種および還元種がほぼすべて消滅するため、主たる反応として、図5(e)に示すように、電極2では還元反応(2)
[Ru(bpy)3]2+ + e- → [Ru(bpy)3]+・・・(2)
によって還元種[Ru(bpy)3]+が生成し、電極2の近傍に蓄積され、電極4では酸化反応(1)
[Ru(bpy)3]2+ → [Ru(bpy)3]3+ + e-・・・(1)
によって酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成し、電極4の近傍に蓄積される。
In the period E, almost all of the oxidized species and reduced species accumulated in the vicinity of the electrode in the period D disappear, and as a main reaction, as shown in FIG.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ + e → [Ru (bpy) 3 ] + (2)
Reduced species [Ru (bpy) 3 ] + is generated and accumulated in the vicinity of the electrode 2, and the oxidation reaction (1) occurs at the electrode 4.
[Ru (bpy) 3 ] 2+ → [Ru (bpy) 3 ] 3+ + e (1)
As a result, oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ are generated and accumulated in the vicinity of the electrode 4.

このようにして図5(f)に示した、期間Eの終了時の状態、期間Aの開始時の状態が形成される。この状態で電極2の近傍に多量の還元種[Ru(bpy)3]+が蓄積されており、期間Bにおいて速やかに酸化種[Ru(bpy)3]3+が生成され、両者の反応(3)によって効率よく励起種[Ru(bpy)3]2+*が作られることが、発光強度が向上する主たる条件である。 In this way, the state at the end of the period E and the state at the start of the period A shown in FIG. In this state, a large amount of reducing species [Ru (bpy) 3 ] + is accumulated in the vicinity of the electrode 2, and oxidized species [Ru (bpy) 3 ] 3+ is rapidly generated in the period B, and the reaction ( The main condition for improving the emission intensity is that the excited species [Ru (bpy) 3 ] 2+ * is efficiently produced by 3).

[Ru(bpy)3](PF6)2を発光物質とし、交流駆動される電気化学発光装置で発光が生じるのは、低電位側(負)から高電位側(正)に極性が反転した電極近傍であることは既に述べた。これは、図4(b)に示すように、還元種が蓄積されているところに酸化種が生成すると発光が生じるが、逆に、酸化種が蓄積されているところに還元種が生成しても発光につながらないことを意味する。この理由は不明であるが、[Ru(bpy)3](PF6)2を発光物質とする場合、酸化種が+3価であるため、陰極に引きつけられやすく、電極での逆反応(−1)が起こりやすいことが考えられる。従って、発光物質によっては、還元種と酸化種の振る舞いが逆になり、高電位側(正)から低電位側(負)に極性が反転した電極近傍で発光が生じることもあると考えられる。 In [Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 as a luminescent substance, the light emission occurs in the AC-driven electrochemiluminescence device with the polarity reversed from the low potential side (negative) to the high potential side (positive) It has already been described that it is in the vicinity of the electrode. As shown in FIG. 4B, light emission occurs when oxidized species are generated where reduced species are accumulated, but conversely, reduced species are generated where oxidized species are accumulated. Also means no light emission. The reason for this is unknown, but when [Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 is used as the luminescent substance, the oxidized species is +3 valent, so it is easily attracted to the cathode, and the reverse reaction at the electrode (−1 ) Is likely to occur. Therefore, it is considered that depending on the luminescent substance, the behavior of the reducing species and the oxidizing species is reversed, and light emission may occur near the electrode whose polarity is reversed from the high potential side (positive) to the low potential side (negative).

また、交流駆動では、対向電極の両方にポーラス電極を設けると発光しないことも既に述べた。この理由も不明であるが、前述したように、期間Aでは電極4で起こる逆反応(−1)が律速反応になっていると考えると理解できる。この場合、電極4にポーラス電極を設けると、電極4の表面積が大きくなるため、電極4における逆反応(−1)、すなわち律速反応の速度が速くなる。このため、律速反応によって制限されていた、電極2における還元種の逆反応(−2)の速度も速くなる。この結果、期間Aの間に逆反応(−2)によって消滅する還元種が増加し、これが著しくなると還元種のほぼ全量が期間Aで消滅してしまうことになり、発光が起こらなくなる。   In addition, as described above, in alternating current driving, if a porous electrode is provided on both counter electrodes, no light is emitted. The reason for this is also unknown, but as described above, it can be understood that the reverse reaction (−1) occurring at the electrode 4 is the rate-limiting reaction during the period A. In this case, if the electrode 4 is provided with a porous electrode, the surface area of the electrode 4 is increased, so that the reverse reaction (−1), that is, the rate-limiting reaction at the electrode 4 is increased. For this reason, the speed | rate of the reverse reaction (-2) of the reduction | restoration seed | species in the electrode 2 limited by rate-limiting reaction also becomes high. As a result, the reduced species that disappear due to the reverse reaction (−2) increase during the period A, and when this becomes significant, almost all of the reduced species disappears in the period A, and light emission does not occur.

以上の考察から、律速段階に注意して、発光強度を向上させるための条件とそのための方法を導き出すと、次の通りである。   From the above consideration, paying attention to the rate-determining step, the conditions and methods for improving the emission intensity are derived as follows.

1.期間Eで蓄積される還元種の量を増加させること。
電極2での還元反応(2)の反応速度を増加させるために、電極2の表面積を増加さ せる。また、期間Eを長くして、還元種の蓄積量を増加させ、合わせて、1サイクルの 期間を有効に利用するために、発光に寄与しない期間Cを必要最小限の長さに短縮する 。これは、方形波の波形を有する駆動電圧を印加する場合には、デューティ比が1から はずれた方形波を用いることで実現できる。
1. Increasing the amount of reducing species accumulated in period E.
In order to increase the reaction rate of the reduction reaction (2) at the electrode 2, the surface area of the electrode 2 is increased. In addition, the period E is lengthened to increase the amount of accumulated reduced species, and in order to effectively use the period of one cycle, the period C that does not contribute to light emission is shortened to the minimum necessary length. This can be realized by using a square wave whose duty ratio deviates from 1 when a driving voltage having a square wave waveform is applied.

2.期間Aで消滅する還元種の量を減少させること。
期間Aにおける律速反応が電極4における反応(−1)である場合には、電極4の表 面積を減少させる。また、還元種を電極2から遠ざけ、かつ、電極反応を起こさせない 程度の電圧を印加する期間を、期間Eと期間Aとの間に設ける。
2. To reduce the amount of reducing species that disappear in period A.
When the rate-limiting reaction in the period A is the reaction (-1) in the electrode 4, the surface area of the electrode 4 is decreased. Further, a period in which a voltage is applied so as to keep the reducing species away from the electrode 2 and cause no electrode reaction is provided between the period E and the period A.

3.期間Bで速やかに酸化種を生成させ、酸化種と還元種とを効率よく反応させること。
電極2の表面積を増加させ、かつ、電解質層中の発光物質の濃度を増加させ、電極2 での酸化反応(1)の反応速度を増加させる。
3. Quickly generate oxidized species in period B, and efficiently react oxidized and reduced species.
The surface area of the electrode 2 is increased, and the concentration of the luminescent substance in the electrolyte layer is increased to increase the reaction rate of the oxidation reaction (1) at the electrode 2.

図6は、電気化学発光素子10を駆動する方形波のデューティ比と発光強度との関係を示すグラフである。図6(a)〜(c)では、デューティ比が1%から10%まで増加し、期間Bの増加に対応して発光量が増加する。その後、図6(d)まで、デューティ比が10%から50%まで増加する間は発光量はほぼ一定であるが、図6(d)〜(f)では、デューティ比が50%から90%までさらに増加すると発光強度が減少する。これは期間Eの短縮によって、電極2の近傍に還元種を十分蓄積できなくなったことに対応する。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the duty ratio of the square wave driving the electrochemiluminescent device 10 and the emission intensity. 6A to 6C, the duty ratio increases from 1% to 10%, and the amount of light emission increases corresponding to the increase in period B. Thereafter, until the duty ratio increases from 10% to 50% until FIG. 6D, the light emission amount is substantially constant, but in FIGS. 6D to 6F, the duty ratio is 50% to 90%. Further increase in the emission intensity decreases. This corresponds to the fact that the reduction species cannot be sufficiently accumulated in the vicinity of the electrode 2 due to the shortening of the period E.

図7は、最適のデューティ比を有する方形波駆動電圧に、直流成分を重ねて、理想的な駆動電圧を形成した例である。交流駆動の1サイクルにおいて、上述したように、期間Eを十分な長さにして、長い時間をかけて電極2の近傍に還元種を蓄積し、瞬時の駆動電圧の極性の反転の後、期間Eに比べれば短い期間Bの間に速やかに酸化種を生成させ、蓄積されていた還元種と効率よく反応させて発光を引き起こすのがよい。   FIG. 7 shows an example in which an ideal drive voltage is formed by superimposing a DC component on a square wave drive voltage having an optimum duty ratio. In one cycle of AC driving, as described above, the period E is made sufficiently long, reducing species are accumulated in the vicinity of the electrode 2 over a long period of time, and after instantaneous reversal of the polarity of the driving voltage, the period Compared to E, it is preferable to quickly generate oxidized species during a short period B and to cause light to react efficiently with the accumulated reduced species.

この際、図7に示すように、直流電圧成分を重ね合わせて、オフセットをもたせた駆動電圧を印加することで発光効率をさらに向上させることができる。実際、電極2を負に保つ期間(期間DおよびE)に印加する電圧(絶対値)が大きい場合には、電極2を正に保つ期間(期間A〜C)に印加する電圧(絶対値)が小さくても発光が生じる。例えば、負側の印加電圧を−2.3Vとした場合、正側の印加電圧は0.4V程度であっても発光が生じる。このように、期間Eにおいて大きな負の電圧を印加することによって十分な量の還元種を形成しておけば、期間Bにおいて酸化種の生成のために印加する電圧を小さくすることが可能である。このようにすれば、期間Aにおける酸化種の消滅を抑制することができ、高効率な発光を実現させることが可能である。つまり、図7に示すように、正側の電圧印加時間が短く、負側の電圧印加時間が長く、かつ、負側にオフセットを有する駆動電圧が、最も効率よく発光を起こさせる駆動電圧である。   At this time, as shown in FIG. 7, the luminous efficiency can be further improved by applying a driving voltage having an offset by superimposing the DC voltage components. Actually, when the voltage (absolute value) applied during the period of keeping the electrode 2 negative (periods D and E) is large, the voltage (absolute value) applied during the period of keeping the electrode 2 positive (periods A to C). Even if is small, light emission occurs. For example, when the applied voltage on the negative side is −2.3 V, light emission occurs even when the applied voltage on the positive side is about 0.4 V. As described above, if a sufficient amount of reducing species is formed by applying a large negative voltage in the period E, it is possible to reduce the voltage to be applied for generating the oxidizing species in the period B. . In this manner, the disappearance of the oxidized species in the period A can be suppressed, and highly efficient light emission can be realized. That is, as shown in FIG. 7, the drive voltage having the short positive voltage application time, the long negative voltage application time, and the negative offset is the drive voltage that causes light emission most efficiently. .

図8は、パッシブマトリックス型表示装置として構成された電気化学発光装置の例を示す外観図である。本発明の電気化学発光装置は、基本的には面発光光源として利用できるが、複数の発光領域を形成して、表示装置として利用することができる。図8はそのような可能性を例示するためのものである。図8に示す装置では、各対向電極が複数の帯状電極によって構成され、帯状電極が対向電極の一方の電極側では縦方向に並べられ、他方の電極側では横方向に並べられ、両者が格子状のマトリックスを形成している。対向電極に駆動電圧を印加すると、縦の電極と横の電極に挟まれた領域が選択的に発光を生じる。この例から容易にパッシブマトリックス型の表示装置が作製可能であることが示される。   FIG. 8 is an external view showing an example of an electrochemiluminescence device configured as a passive matrix display device. The electrochemiluminescence device of the present invention can be basically used as a surface light source, but can be used as a display device by forming a plurality of light emitting regions. FIG. 8 is intended to illustrate such a possibility. In the apparatus shown in FIG. 8, each counter electrode is composed of a plurality of strip electrodes, and the strip electrodes are arranged in the vertical direction on one electrode side of the counter electrode, and are arranged in the horizontal direction on the other electrode side. A matrix is formed. When a driving voltage is applied to the counter electrode, a region sandwiched between the vertical electrode and the horizontal electrode selectively emits light. This example shows that a passive matrix display device can be easily manufactured.

次に、本発明の電気化学発光装置の実施例および比較例を挙げてより具体的に説明する。なお、本発明の電気化学発光装置は以下に示す例に限定されるものではない。   Next, the electrochemiluminescence device of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The electrochemiluminescence device of the present invention is not limited to the examples shown below.

実施例1および2
実施例1および2では、実施の形態で図1を用いて説明した電気化学発光素子10を作製した。ガラス基板からなる基板1の上にスパッタリング法によってFTOからなる透明導電層を形成し、電極2aとした。この上に酸化チタン分散液P25(日本エアロジル社製)を塗布したのち、500℃に加熱し、酸化チタンからなる厚さ10μmのポーラス電極2bを形成し、電極2aと電極2bとによって電極2を構成するようにした。対極の電極4として、ガラス基板からなる基板5の上に、スパッタリング法によってFTOからなる透明導電層を形成した。次に、厚さ30μmのスペーサ6を介して電極2と電極4とを接着し、セルを作製した。この後、両電極の間の空隙部に、アセトニトリル中に5wt%のヘキサフルオロリン酸トリス(ビピリジル)ルテニウム(II)( [Ru(bpy)3](PF6)2 )を溶解した電解液を注入し、電解質層3を形成した。なお、電極2のポーラス電極2bの表面積は、電極4の表面積の約1000倍とした。
Examples 1 and 2
In Examples 1 and 2, the electrochemiluminescence device 10 described in the embodiment with reference to FIG. 1 was produced. A transparent conductive layer made of FTO was formed on the substrate 1 made of a glass substrate by a sputtering method to obtain an electrode 2a. A titanium oxide dispersion P25 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) is applied thereon, and then heated to 500 ° C. to form a porous electrode 2b made of titanium oxide and having a thickness of 10 μm. The electrode 2 is formed by the electrodes 2a and 2b. I made it up. As the counter electrode 4, a transparent conductive layer made of FTO was formed on a substrate 5 made of a glass substrate by sputtering. Next, the electrode 2 and the electrode 4 were bonded together through a spacer 6 having a thickness of 30 μm to produce a cell. Thereafter, an electrolytic solution in which 5 wt% of tris (bipyridyl) ruthenium hexafluorophosphate (II) ([Ru (bpy) 3 ] (PF 6 ) 2 ) is dissolved in acetonitrile in the gap between the electrodes. The electrolyte layer 3 was formed by pouring. The surface area of the porous electrode 2b of the electrode 2 was about 1000 times the surface area of the electrode 4.

実施例1では、交流電源7を用いて、電気化学発光素子10の対向電極間に、方形波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定した。また、振幅±2Vの駆動電圧を印加した際の発光輝度と、駆動電圧の極性が反転したときから最大発光輝度が得られるまでの時間、すなわち最大発光輝度到達時間を測定した。これらの発光特性の測定結果を、後述する実施例3および4の結果、そして比較例1および2の結果とともに表1に示す。   In Example 1, a drive voltage (frequency 10 Hz) having a square wave waveform was applied between the counter electrodes of the electrochemiluminescence device 10 using the AC power source 7, and the light emission start voltage was measured. Further, the emission luminance when a drive voltage with an amplitude of ± 2 V was applied and the time from when the polarity of the drive voltage was reversed until the maximum emission luminance was obtained, that is, the maximum emission luminance arrival time were measured. The measurement results of these light emission characteristics are shown in Table 1 together with the results of Examples 3 and 4 described later and the results of Comparative Examples 1 and 2.

実施例2では、交流電源7を用いて、電気化学発光素子10の対向電極間に、三角波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加した。それ以外は実施例1と同様にして発光特性を測定した。この結果を、後述する比較例3および4の結果とともに表2に示す。なお、表1および2において、発光輝度は、良好な方から◎、○、△、×の4段階で示した。   In Example 2, a driving voltage (frequency 10 Hz) having a triangular waveform was applied between the counter electrodes of the electrochemiluminescence device 10 using the AC power source 7. Otherwise, the emission characteristics were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2 together with the results of Comparative Examples 3 and 4 described later. In Tables 1 and 2, the light emission luminance is shown in four stages of ◎, ○, Δ, and × from the best.

実施例3および4
実施例3では、ポーラス電極2bの表面積の効果を調べるため、酸化チタンの粒径および酸化チタン層の厚さを変更して、電極4の表面積の約100倍の表面積を有するポーラス電極2bを形成した。その他は実施例1と同様にして電気化学発光素子10を作製し、この電気化学発光素子に、実施例1と同様に方形波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定した。また、振幅±2.0Vの駆動電圧を印加した際の発光輝度と、最大発光輝度到達時間を測定した。また、実施例4では、同様にして、電極4の表面積の約10倍の表面積を有するポーラス電極2bを形成した。その他は実施例1と同様にして電気化学発光素子10を作製し、この電気化学発光素子に、実施例1と同様に方形波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定した。また、振幅±3.0Vの駆動電圧を印加した際の発光輝度と、最大発光輝度到達時間を測定した。
Examples 3 and 4
In Example 3, in order to examine the effect of the surface area of the porous electrode 2b, the particle diameter of the titanium oxide and the thickness of the titanium oxide layer were changed to form the porous electrode 2b having a surface area about 100 times the surface area of the electrode 4. did. Other than that, the electrochemiluminescence device 10 was produced in the same manner as in Example 1, and a driving voltage (frequency 10 Hz) having a square wave waveform was applied to this electrochemiluminescence device in the same manner as in Example 1, so that the light emission starting voltage was applied. Was measured. In addition, the emission luminance when applying a drive voltage with an amplitude of ± 2.0 V and the maximum emission luminance arrival time were measured. In Example 4, similarly, a porous electrode 2b having a surface area about 10 times the surface area of the electrode 4 was formed. Other than that, the electrochemiluminescence device 10 was produced in the same manner as in Example 1, and a driving voltage (frequency 10 Hz) having a square wave waveform was applied to this electrochemiluminescence device in the same manner as in Example 1, so that the light emission starting voltage was applied. Was measured. In addition, the emission luminance when applying a drive voltage with an amplitude of ± 3.0 V and the maximum emission luminance arrival time were measured.

比較例1および2
比較例1では、電極2にポーラス電極2bを設けず、両電極をFTO導電層のみとし、その他は電気化学発光素子10と同様にして電気化学発光素子を作製した。この電気化学発光素子に、実施例1と同様に方形波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定した。また、振幅±3.0Vの駆動電圧を印加した際の発光輝度と、最大発光輝度到達時間を測定した。比較例2では、実施例1と同様の方法で、電極4(FTO導電層)の上にもポーラス電極を設けた。その他は電気化学発光素子10と同様にして、両電極にそれぞれポーラス電極を有する電気化学発光素子を作製した。この電気化学発光素子に、実施例1と同様に方形波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定しようとしたが、発光は観察されなかった。
Comparative Examples 1 and 2
In Comparative Example 1, an electrochemiluminescence device was fabricated in the same manner as the electrochemiluminescence device 10 except that the porous electrode 2b was not provided on the electrode 2 and both electrodes were made of only the FTO conductive layer. A driving voltage (frequency 10 Hz) having a square wave waveform was applied to the electrochemiluminescence device in the same manner as in Example 1, and the light emission starting voltage was measured. In addition, the emission luminance when applying a drive voltage with an amplitude of ± 3.0 V and the maximum emission luminance arrival time were measured. In Comparative Example 2, a porous electrode was provided on the electrode 4 (FTO conductive layer) in the same manner as in Example 1. Others were the same as those of the electrochemiluminescent device 10, and electrochemiluminescent devices having porous electrodes on both electrodes were produced. A drive voltage (frequency 10 Hz) having a square wave waveform was applied to this electrochemiluminescence device in the same manner as in Example 1, and an attempt was made to measure the light emission start voltage, but no light emission was observed.

比較例3および4
比較例3では、比較例1で作製した電気化学発光素子の対向電極間に、三角波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定した。また、振幅±3.0Vの駆動電圧を印加した際の発光輝度と、最大発光輝度到達時間を測定した。比較例4では、比較例2で作製した電気化学発光素子の対向電極間に、三角波の波形を有する駆動電圧(周波数10Hz)を印加し、発光開始電圧を測定しようとしたが、発光は観察されなかった。
Comparative Examples 3 and 4
In Comparative Example 3, a drive voltage (frequency 10 Hz) having a triangular waveform was applied between the counter electrodes of the electrochemiluminescence device produced in Comparative Example 1, and the light emission start voltage was measured. In addition, the emission luminance when applying a drive voltage with an amplitude of ± 3.0 V and the maximum emission luminance arrival time were measured. In Comparative Example 4, a drive voltage (frequency 10 Hz) having a triangular waveform was applied between the counter electrodes of the electrochemiluminescence device fabricated in Comparative Example 2 to measure the light emission starting voltage, but light emission was observed. There wasn't.

電極2としてポーラス電極2bを有する電気化学発光素子を用いた実施例1および実施例2の電気化学発光装置では、ポーラス電極をもたない電気化学発光素子を用いた比較例1および比較例3の電気化学発光装置に比べて、より低い駆動電圧で発光し、最大輝度到達時間が短縮され、輝度が大きく向上した。以上のように、片側の電極に多孔質構造を有するポーラス電極を設けた電気化学発光素子を用い、交流駆動される電気化学発光装置では、発光開始電圧の低減、最大発光輝度到達時間の短縮、発光輝度の向上を実現できる。   In the electrochemiluminescent devices of Example 1 and Example 2 using the electrochemiluminescent device having the porous electrode 2b as the electrode 2, the comparative examples 1 and 3 using the electrochemiluminescent device having no porous electrode were used. Compared with the electrochemiluminescence device, light was emitted at a lower driving voltage, the maximum luminance arrival time was shortened, and the luminance was greatly improved. As described above, an electrochemiluminescence device using an electrochemiluminescence device provided with a porous electrode having a porous structure on one electrode and driven by alternating current reduces the emission start voltage, shortens the maximum emission luminance arrival time, Improvement of light emission luminance can be realized.

一方、比較例2および比較例4のように、両電極にポーラス電極を設けた電気化学発光素子を用い、交流駆動される電気化学発光装置では、全く発光が見られなかった。このような現象は、特許文献1には報告されておらず、交流駆動特有の現象である。既述したように、交流駆動の場合には電極上での酸化種および還元種の逆反応が起こりやすいため、両電極にポーラス電極を設けた電気化学発光素子を用いることができないと考えられる。   On the other hand, as in Comparative Example 2 and Comparative Example 4, the electrochemiluminescence device using an electrochemiluminescence device having porous electrodes on both electrodes and driven by alternating current did not emit light at all. Such a phenomenon is not reported in Patent Document 1, and is a phenomenon peculiar to AC driving. As described above, in the case of AC driving, the reverse reaction of oxidizing species and reducing species on the electrodes is likely to occur, so it is considered that an electrochemiluminescent device having porous electrodes on both electrodes cannot be used.

実施例1で作製した電気化学発光素子のポーラス電極2bの表面積は、電極4の表面積の約1000倍である。ポーラス電極2bの表面積が、電極4の表面積の約100倍である電気化学発光素子を用いた実施例3の電気化学発光装置では、実施例1の電気化学発光装置に比べて、発光開始電圧がやや大きい程度である。しかし、ポーラス電極2bの表面積が、電極4の表面積の約10倍である電気化学発光素子を用いた実施例4の電気化学発光装置では、実施例1の電気化学発光装置に比べて、発光開始電圧が大きく、最大発光輝度到達時間が長く、発光輝度が低く、発光特性の低下は著しい。これらの例から、電極2の表面積は電極4の表面積の10倍以上であるのが望ましいことがわかった。   The surface area of the porous electrode 2 b of the electrochemiluminescence device produced in Example 1 is about 1000 times the surface area of the electrode 4. In the electrochemiluminescence device of Example 3 using the electrochemiluminescence device in which the surface area of the porous electrode 2b is about 100 times the surface area of the electrode 4, the emission start voltage is higher than that of the electrochemiluminescence device of Example 1. Slightly large. However, in the electrochemiluminescence device of Example 4 using the electrochemiluminescence device in which the surface area of the porous electrode 2b is about 10 times the surface area of the electrode 4, the emission of light starts as compared with the electrochemiluminescence device of Example 1. The voltage is large, the maximum emission luminance arrival time is long, the emission luminance is low, and the emission characteristics are remarkably deteriorated. From these examples, it was found that the surface area of the electrode 2 is desirably 10 times or more the surface area of the electrode 4.

以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。   Although the present invention has been described based on the embodiments and examples, it is needless to say that the present invention is not limited to these examples and can be appropriately changed without departing from the gist of the invention. .

本発明によれば、低電圧で駆動でき、高い発光効率を有する電気化学発光装置を提供することができ、表示デバイス、低コストで大面積の平面発光光源、照明装置およびレーザー励起光源など、多様な発光応用デバイスの実現に寄与できる。   According to the present invention, it is possible to provide an electrochemiluminescence device that can be driven at a low voltage and has a high luminous efficiency, and includes a variety of display devices, low-cost, large-area planar light-emitting light sources, illumination devices, and laser excitation light sources. Can contribute to the realization of a new light emitting device

本発明の実施の形態に基づく電気化学発光(ECL)装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrochemiluminescence (ECL) apparatus based on embodiment of this invention. 同、電気化学発光装置の駆動電圧、電流、および発光強度の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the drive voltage, electric current, and light emission intensity of an electrochemiluminescence apparatus similarly. 同、電気化学発光装置の1サイクルの電流および発光強度の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the electric current and luminescence intensity of 1 cycle of an electrochemiluminescence apparatus similarly. 同、電気化学発光装置の動作状態を、推測を交えてモデル的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the operating state of an electrochemiluminescence apparatus in model form with assumption. 同、電気化学発光装置の動作状態を、推測を交えてモデル的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the operating state of an electrochemiluminescence apparatus in model form with assumption. 同、電気化学発光素子を駆動する方形波のデューティ比と発光強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the duty ratio of the square wave which drives an electrochemical chemiluminescent element, and emitted light intensity. 同、電気化学発光装置の理想的な駆動電圧の例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of an ideal driving voltage of the electrochemiluminescence device. 同、パッシブマトリックス型表示装置として構成された電気化学発光装置の例を示す外観図である。It is an external view which shows the example of the electrochemiluminescence device comprised as a passive matrix type display apparatus similarly. 従来の直流駆動される電気化学発光素子の一般的な構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the general structure of the conventional electrochemiluminescent element by which direct current drive is carried out. 交流駆動される電気化学発光素子の動作状態を従来のモデルで示す断面図である。It is sectional drawing which shows the operation state of the electrochemiluminescent element driven by alternating current by the conventional model.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板(ガラス基板など)、2…電極、
2a…電極(FTOなどの透明導電層など)、
2b…ポーラス電極(TiO2など)、3…電解質層、4…電極(FTOなど)、
5…基板(ガラス基板など)、6…スペーサ、7…交流電源、10…電気化学発光素子、
100…電気化学発光素子、101、105…基板、102…陽極、103…電解質層、
104…陰極、106…スペーサ、110…電気化学発光素子、111、115…基板、
112、114…電極、113…電解質層、116…スペーサ
1 ... substrate (glass substrate, etc.), 2 ... electrode,
2a ... Electrode (transparent conductive layer such as FTO),
2b ... porous electrodes (such as TiO 2), 3 ... electrolyte layer, 4 ... electrode (FTO, etc.),
5 ... Substrate (glass substrate, etc.), 6 ... Spacer, 7 ... AC power supply, 10 ... Electrochemiluminescence device,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Electrochemiluminescent element, 101, 105 ... Board | substrate, 102 ... Anode, 103 ... Electrolyte layer,
104 ... cathode, 106 ... spacer, 110 ... electrochemiluminescence device, 111, 115 ... substrate,
112, 114 ... electrodes, 113 ... electrolyte layer, 116 ... spacer

Claims (13)

対向電極間に電解質層が配置され、前記電解質層に含まれる化学種が前記対向電極において酸化されて生成した酸化種と、前記電解質層に含まれる、前記化学種と同種又は別種の化学種が前記対向電極において還元されて生成した還元種との反応によって発光を生じる電気化学発光素子が、交流駆動される電気化学発光装置において、
実質的に前記対向電極の一方の電極の近傍においてのみ発光が起こるように構成され ている
ことを特徴とする、電気化学発光装置。
An electrolyte layer is disposed between the counter electrodes, and the oxidized species generated by oxidation of the chemical species contained in the electrolyte layer in the counter electrode, and the same or different species of the chemical species contained in the electrolyte layer are In the electrochemiluminescence device in which the electrochemiluminescence element that emits light by reaction with the reduced species generated by reduction at the counter electrode is driven by alternating current,
An electrochemiluminescent device characterized in that light emission occurs substantially only in the vicinity of one electrode of the counter electrode.
前記交流駆動の駆動電圧を供給する交流電源が前記対向電極間に接続されている、請求項1に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 1, wherein an AC power supply that supplies a driving voltage for the AC driving is connected between the counter electrodes. 前記一方の電極が多孔質構造を有する多孔質電極である、請求項1に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 1, wherein the one electrode is a porous electrode having a porous structure. 前記一方の電極の表面積が、前記対向電極の他方の電極の表面積に比べて大きくなっている、請求項1に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 1, wherein a surface area of the one electrode is larger than a surface area of the other electrode of the counter electrode. 前記一方の電極の表面積が、前記対向電極の他方の電極の表面積の10倍以上である、請求項3又は4に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 3 or 4, wherein the surface area of the one electrode is 10 times or more the surface area of the other electrode of the counter electrode. 前記多孔質電極が金属及び/又は金属酸化物からなる、請求項3に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 3, wherein the porous electrode is made of a metal and / or a metal oxide. 前記金属酸化物に酸化チタンが含まれる、請求項6に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 6, wherein the metal oxide includes titanium oxide. 前記交流駆動が、デューティ比が1と異なる交流電圧及び/又は直流成分を有する交流電圧によって行われ、前記交流駆動の1サイクルにおいて、長い時間をかけて前記一方の電極の近傍に前記酸化種又は前記還元種が蓄積され、駆動電圧の極性の反転の後、蓄積されていた前記酸化種又は前記還元種が短時間の間に速やかに反応して、発光が引き起こされる、請求項1に記載した電気化学発光装置。   The AC driving is performed by an AC voltage having a duty ratio different from 1 and / or an AC voltage having a DC component, and in one cycle of the AC driving, the oxidizing species or The reduced species is accumulated, and after reversal of the polarity of the driving voltage, the accumulated oxidized species or the reduced species reacts quickly in a short time to cause light emission. Electrochemiluminescence device. 面光源として構成されている、請求項1に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 1, which is configured as a surface light source. 前記対向電極が、複数の発光領域を形成するパターンに設けられている、請求項1に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 1, wherein the counter electrode is provided in a pattern that forms a plurality of light emitting regions. 表示装置として構成されている、請求項10に記載した電気化学発光装置。   The electrochemiluminescence device according to claim 10, which is configured as a display device. 対向電極間に電解質層が配置され、前記電解質層に含まれる化学種が前記対向電極において酸化されて生成した酸化種と、前記電解質層に含まれる、前記化学種と同種又は別種の化学種が前記対向電極において還元されて生成した還元種との反応によって発光を生じる電気化学発光素子を交流駆動する、電気化学発光素子の駆動方法において、
実質的に前記対向電極の一方の電極の近傍においてのみ発光を起こさせる駆動電圧を 供給する
ことを特徴とする、電気化学発光素子の駆動方法。
An electrolyte layer is disposed between the counter electrodes, and the oxidized species generated by oxidation of the chemical species contained in the electrolyte layer in the counter electrode, and the same or different species of the chemical species contained in the electrolyte layer are In the method of driving an electrochemiluminescence device, wherein the electrochemiluminescence device that emits light by reaction with a reducing species generated by reduction at the counter electrode is AC driven,
A driving method for an electrochemiluminescence device, characterized by supplying a driving voltage that causes light emission substantially only in the vicinity of one electrode of the counter electrode.
前記交流駆動を、デューティ比が1と異なる交流電圧及び/又は直流成分を有する交流電圧によって行う、請求項12に記載した電気化学発光素子の駆動方法。   The method of driving an electrochemiluminescence device according to claim 12, wherein the AC driving is performed by an AC voltage having a duty ratio different from 1 and / or an AC voltage having a DC component.
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