阪大ら,外部量子効率16%の有機EL材料開発

大阪大学と英ダラム大学の国際共同研究チームは,緑~赤色発光を示す新規な熱活性化遅延蛍光(Thermally Activated Delayed Fluorescence:TADF)材料の開発に成功した(ニュースリリース)。

有機EL素子において,従来の蛍光色素材料を発光層として用いた有機ELデバイスは,発光が励起一重項からのみ起こるため,最高25%の電気エネルギーしか光エネルギーとして取り出せず,励起三重項の有効活用が必須であると考えられている。

これまで,重原子効果を活用したリン光材料(最高内部量子効率100%)や三重項ー三重項消滅(Triplet-Triplet Annihilation: TTA)過程を活用したフォトン・アップコンバージョン法に基づく有機ELが開発されてきたが,リン光材料は希少な金属元素を含む錯体から構成されること,またTTAは内部量子効率の最高理論値が62.5%に留まっていた。

2012年に九州大学は,励起一重項状態(S1)と励起三重項状態(T1)のエネルギー差(ΔEST)が極めて小さい分子を設計することで,一重項からの蛍光に加えて,三重項に補足されたエネルギーを熱活性化遅延蛍光(TADF)として取り出し,従来の蛍光材料を用いた有機ELデバイスの理論限界値である5%をはるかに凌ぐEQEを達成できることを明らかにしている。

それ以降,TADF材料の開発は安達教授らのチームを中心として世界各国で研究が盛んに進められているが,依然,新たな分子設計指針の確立・TADF発現過程の詳細な機構解明・低エネルギー(橙・赤・近赤外)領域の発光を示すTADF材料の開発,などの課題が残っていた。

研究グループは,炭素・水素・窒素・酸素元素のみから成るドナー・アクセプター・ドナー(D-A-D)構造の分子を設計・合成した。導入するドナー部位の種類によって,発光色は大きく変化し,緑~赤色のTADFを発することを明らかにした。

また,詳細な吸収・発光スペクトル解析から,今回開発したTADF分子が励起状態において極めて強い分子内電荷移動状態にあることや,TADFが励起一重項電荷移動状態(1CT)とアクセプター骨格に由来する励起三重項状態(3LEA)の間の(逆)項間交差により生じていることを示唆する結果を得た。

これまで,1CTと3LEA間での項間交差(SOCT-ISC)によるTADF発光機構は報告されておらず,同チームが今回世界で初めてこの機構に基づいたTADFを確認したことになる。さらに,開発したTADF材料を用いて作製した有機EL素子は緑~赤色発光を示し,外部量子効率(EQE)は最高で16%を達成した。

また、発光材料を分散させるホスト材料を変えることで,エキシプレックス形成による発光の長波長化が可能となり,特にPOZ-DBPHZを発光材料に用いた場合,近赤外領域(740nm)の発光を示し,これまでに報告されている近赤外発光を示す有機ELデバイスの中では比較的高いEQE(~5%)を示すことがわかった。

今回の開発に成功したことにより,新たにTADF材料を開発するうえで,ドナーまたはアクセプターユニット単独の三重項エネルギーやドナーとアクセプターの空間的な直交性を考慮した,より柔軟な分子設計が可能になると期待されるとしている。

これにより,現在世界中で開発の進められている短波長側領域(深青~黄色)で発光を示すTADF材料との併用により,屋内・外照明用の白色TADF発光デバイスの開発研究が躍進することが期待されるとしている。

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