九州大、レアメタルなしで高変換率を実現した有機ELの新材料を開発

九州大、レアメタルなしで高変換率を実現した有機ELの新材料を開発

九州大学最先端有機光エレクトロニクス研究センター(OPERA)は、次世代のディスプレイや照明への展開が注目される有機EL用の画期的な新発光材料(第三世代)の開発に成功したと発表した。

本研究成果は、レアメタルを含有する有機金属発光材料を使わなくとも、100%の内部EL発光効率の実現が可能であることを確実なものとした。今後、有機EL素子の発光材料は、蛍光、リン光に次ぎ、第三世代のTADF((熱活性化遅延蛍光)材料へ大きくシフトしていくと考えられる。

有機EL(エレクトロルミネッセンス)は電流を流すと発光する有機物。今回、OPERAでは、エレクトロルミネッセンスの基礎サイエンスに注目し、発光の励起子発生メカニズムにかかわる一重項と三重項励起状態のエネルギーギャップを小さくする分子設計により、電子を光へほぼ100%の効率で変換できる新しい有機発光材料を開発した。

有機EL発光材料としては、従来、蛍光材料(第一世代)、リン光材料(第二世代)が実用化されてきたが、本研究成果は、これらの長所を併せ持った低コスト・高効率発光を可能とした。

OPERAでは、無限の分子設計の自由度を最大限生かせる夢の発光材料の創出と位置付け、この九州大学発の新しい発光材料を「Hyperfluorescence(ハイパーフルオレッセンス)」と命名した。

これまでの発光材料は、高効率な発光を得るためにその過程で希少元素であるイリジウム(Ir)やPt(白金)を使用してきた。また、青色発光材料の安定性に問題があることから、新しい切り口からのEL発光機構の開発が求められていた。

高効率な有機EL素子を実現するためには、電荷再結合に伴う励起子生成とその放射失活過程の制御が鍵となる。有機分子の励起状態には、一重項励起状態(S1)と三重項励起状態(T1)の2つのスピン多重度の異なる状態が存在するが、電子とホールの再結合による励起子生成過程では、スピン統計則に従って、三重項励起子が75%の確率で生成され、一重項励起子が25%の確率で生成される。

そのため、高効率な有機EL素子を実現するためには、三重項からの放射遷移を利用したリン光材料の使用が必要不可欠であると考えられてきた。

OPERAでは、一重項と三重項励起エネルギー差が極めて小さい分子を設計することによって、三重項励起子を一重項励起状態へアップコンバージョン(熱活性化遅延蛍光(TADF)現象)させ、励起一重項状態からの高効率なEL発光の実現を目指してきた。

本研究成果は、国際学術雑誌「Nature」のオンライン版に12月13日(木)午前3時(日本時間)に掲載される。また、本研究成果は内閣府最先端研究開発支援プログラム(FIRST)の支援のもと得たものである。

【参考】
九州大学 – 第 3 世代有機 EL 発光材料の開発に成功


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