2025年7月31日 Display Daily

 

セント・アンドルーズ大学とケンブリッジ大学の研究者たちが、ワイヤレス通信の常識を覆すブレークスルーを達成しました。彼らは、有機EL（OLED）を用いた4ギガビット/秒の高速データ通信を実証し、有機ELの通信速度に関するこれまでの限界認識を打ち破りました。これにより、有機ELは高速ワイヤレス通信における現実的な代替技術として新たな地位を確立する可能性が出てきました。

 

この研究は、セント・アンドルーズ大学の吉田功（こう）氏とケンブリッジ大学のハラルド・ハース氏が率いるチームによって行われました。彼らは、非常に安定した有機半導体材料であるジナフチルペリレン（DNP）を用いたOLEDを開発し、2メートルの距離で4.0 Gbpsのデータ伝送を実現しました。誤り訂正を考慮した符号化通信速度でも3.7 Gbpsに達しています。さらに注目すべきは、10メートルの距離でも2.9 Gbpsの速度を維持できたことであり、これは従来のOLEDによる通信記録と同等ながら、リンク距離は40倍という大幅な向上です。

 

研究チームは次のように述べています。「OLEDは既に高解像度ディスプレイとして量産されており、小さな画素サイズと高コントラスト比を備えています。我々のビジョンは、ディスプレイ間通信や、日常の物体への可視光通信（VLC）機能の統合です。」

 

有機材料は電荷移動度が低いため、有機ELはこれまで高速通信には不向きとされてきました。従来のOLEDベースのVLC（可視光通信）システムは1Gbpsを超えるのが困難であり、これまでの記録は0.25メートルの距離で2.85Gbpsが限界でした。

 

今回の飛躍的な成果は、材料の選定とデバイスの最適化を徹底的に行ったことによるものです。チームは、非常に優れた安定性を持つDNPを採用しました。中程度の電流密度での動作寿命（LT50）は約100万時間とされ、OLEDの中でも最も優れた特性の一つです。

 

研究チームは次のように説明します。「高速なVLCには、明るく応答速度の速いOLEDが必要ですが、速度と輝度にはトレードオフが存在します。伝送距離が伸びると受信側に届く光量が減少するため、データレートにも影響が出ます。」

 

彼らはこの課題に対して、複数のデバイス構成を用いて系統的にアプローチしました。層の厚みやデバイスサイズを変えてテストし、最適なバランスを探ることで、速度と光出力の両立を図りました。最終的に、電子輸送層、ホールブロッキング層、発光層を精密に調整したトップエミッティングOLEDを実現しました。

 

 

高速通信に不可欠な輝度と帯域幅——OLEDによる4Gbps通信の実現

 

今回の研究で明らかになった主要な発見は、「高速データ通信には帯域幅と輝度の両方が不可欠である」という点です。研究チームは、最大180A/cm²の電流密度で駆動できる明るい発光を維持しながら、最大390MHzの電気的帯域幅を達成しました。

 

「高速動作のためには、OLEDの動作安定性が重要であることが分かりました」と著者らは強調します。安定性の高いDNP（ジナフチルペリレン）ベースのデバイスは、高駆動電流でも急激な劣化を起こすことなく動作し、ギガビット通信に必要な帯域幅の改善を可能にしました。

 

研究チームは、このアプローチをフリースペース光通信における高度なDC-OFDM（直流直交周波数分割多重）変調方式を用いて検証しました。適応型ビットローディング・アルゴリズムを導入して伝送速度を最大化し、システムの非線形性を補正するための高度なイコライゼーション技術も実装されました。

 

興味深いことに、通常は静電容量の増加により応答速度が低下すると考えられている大型OLEDデバイスが、実際には発光強度の増加による信号対雑音比（S/N比）の向上によって、より高いデータ伝送速度を達成しました。これらのデバイスの電気的時定数は十分に高速で、通信速度の制限とはなりませんでした。

 

このブレークスルーにより、OLEDを用いた可視光通信（VLC）は、従来の無線周波通信（RF）システムに対する有力な補完技術として位置づけられることになります。VLCは、免許不要の周波数帯の利用、同時多重通信のサポート、そして既存の照明インフラとの共存が可能であるという利点を持っています。

 

本技術はすでに、正式に承認されたLiFi規格「IEEE 802.11bb」に取り入れられており、さらに新たなIEEEタスクグループが、より高度な光通信規格の策定に向けて活動を始めています。これらの標準化の動きは、VLC技術の商業化が加速していることを示しています。

 

OLEDがスマートフォン、スマートウォッチ、テレビなどに広く普及している中、この研究は、日常的なデバイス間でのシームレスな通信や、高速データ伝送機能の内蔵といった新たな可能性を開きます。

 

研究者たちは、今後もディスプレイや照明向けのOLED技術が進化することで、更なる性能向上が期待できると述べています。「ディスプレイおよび照明産業におけるOLEDの安定性向上が相乗的に進めば、OLEDはますます高速化し、分光、通信、センシングといった応用分野を広げていくでしょう」と彼らは結論づけています。

 

本研究は、材料開発、デバイス設計、システム最適化といった複数の分野を通じたさらなる改善への明確な道筋を示しました。有機半導体の安定性がさらに向上し、デバイス設計が洗練されていけば、より高速かつ長距離の通信が現実のものとなるでしょう。

 

参考文献

Kou Yoshida, Behnaz Majlesein, Cheng Chen, Harald Haas, Graham A. Turnbull, and Ifor D. W. Samuel.

「ジナフチルペリレンを用いた4Gbps通信を実現する高速有機EL素子」

Advanced Photonics, Vol. 7, Issue 3, May/June 2025.

DOI: 10.1117/1.AP.7.3.036005