乾電池1本分の1.5Vで発光可能な有機EL、分子研などが開発

分子科学研究所(分子研)と富山大学は、乾電池1本をつなげるだけでディスプレイ並みの明るさで発光できる小電圧駆動の有機ELを開発したと発表した。

同成果は、分子研の伊澤誠一郎助教、同・平本昌宏教授、富山大の森本勝大准教授、同・中茂樹教授らの研究チームによるもの。詳細は、光と物質の相互作用に焦点を当てた材料科学に関する学術誌「Advanced Optical Materials」に掲載された。

有機ELの発光効率は、電荷注入によって生成した励起子を効率よく発光させるメカニズムが開発済みであり、すでにその内部量子収率は100％に到達している。一方で、多層化が必要なことや材料中の電荷の移動度が低いことなどが原因で駆動電圧が大きいことが、省エネルギー化への課題とされている。例えば、600nm程度のオレンジ色の光をディスプレイ程度の発光輝度である100cd/m²で発光させるためには、4.5V程度の電圧(乾電池3本分)が必要とされている。

そこで研究チームは今回、2種類の有機半導体材料の界面での「アップコンバージョン」という過程を用いて、その発光効率の向上に挑むことにしたという。

有機ELの発光プロセスは注入された電子と正孔が、電子輸送層と正孔輸送・発光層の界面で出会い、再結合することから始まる。その後、再結合によって生成された2つの三重項励起状態が衝突することで、1つのエネルギーの高い一重項励起状態を作り出すアップコンバージョンという過程を経て発光する。

通常の発光層を電子/正孔輸送層でサンドイッチした構造の有機EL素子では、3.5V程度から発光が始まる。一方で、今回開発されたこの界面でのアップコンバージョン過程を利用した有機EL素子では、オレンジ色の608nm(2.04eV)の光が、その光のエネルギーよりも小さな電圧である1V以下から発光が始まることが確認されたという。

さらに、電子輸送層に60個の炭素原子からなるカゴ状物質のフラーレンの代わりに、結晶性の高い「ペリレンジイミド」を用いることで、界面での有機分子同士の相互作用をコントロールし失活を抑制したこと、また発光層に「ペリレン蛍光体」をドープすることで発光を促進させたことで、発光輝度を向上させることにも成功。従来のアップコンバージョン過程を用いた有機EL素子よりも約70倍の高い発光効率が実現されたことから、従来の1/3程度の起電力である乾電池1本をつなげるだけで、ディスプレイ程度の発光輝度である100cd/m²以上の明るさで発光する有機EL素子の開発に成功したという。