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ヘテロナノグラフェン構造を用いた高効率・狭帯域青色発光体の開発に成功

 
有機EL材料への実用化を目指す

公開日:2021.07.21

 

研究成果 Physics & Chemistry Technology

 
 茨城大学の吾郷友宏准教授、九州大学の安田琢麿教授、京都大学の時任宣博教授らの研究グループは、硫黄原子を導入した有機ホウ素化合物を活用することで、優れた発光効率と色純度を併せ持つ有機EL用の青色蛍光体の開発に成功しました。今回の成果は、9環縮環ナノグラフェン骨格の適切な位置にホウ素、窒素、硫黄原子を導入することで、発光の狭帯域化と逆項間交差の加速を同時に達成し、青色有機ELの色純度と性能の向上を達成したものです。今後は、開発した青色発光体の有機EL材料への実用化を目指します。

 この成果は、2021年7月15日付でドイツ化学会の雑誌Angewandte Chemie International Editionに速報版(オンライン)として掲載されました。

■背景
 有機ELは、軽く、フレキシブルで、輝度、コントラストやエネルギー効率にも優れることから、次世代のフラットパネルディスプレイや照明装置の開発に向け、世界的に活発な研究が行われています。有機ELの発光体として蛍光材料[注1]、リン光材料[注2]、熱活性化遅延蛍光(TADF)材料[注3]が利用されています。しかし、一般的な有機蛍光化合物は、EL発光効率が低いという課題があり、リン光、TADF材料は、高いEL発光効率を示すものの色純度が低いという課題がありました。
 そうした中、2016年に、ホウ素と窒素の多重共鳴効果を利用することで高い発光効率と色純度を兼ね揃えたTADF分子の開発が報告されました[注4] 。この報告以来、多重共鳴効果を利用したTADF分子が活発に研究されています。しかし、多重共鳴効果を利用したTADF材料に関しては、逆項間交差[注5]が比較的遅いため、高輝度時の発光効率低下(ロールオフ)が実用化における課題となっており、これらを解決するための新しい分子デザインが求められています。 

■研究手法・成果
 研究グループのメンバーはこれまで、硫黄原子の重原子効果を利用することで、スピン反転を加速し逆項間交差を高速化することにより、EL特性が向上することを見出しております[注6]。
 今回、本研究グループでは、9個の6員環が縮環したナノグラフェン[注7]骨格の適切な位置にホウ素、窒素、硫黄原子を導入した新規ヘテロナノグラフェン分子であるBSBS-N1を開発し、3種類のヘテロ元素融合による多重共鳴効果に基づくTADF特性の発現と発光スペクトルの狭帯域化と、硫黄原子の重原子効果による逆項間交差の高速化を達成しました。

(図1)(a)開発したホウ素、窒素、硫黄原子を導入した9環縮環ヘテロナノグラフェン分子BSBS-N1 (b)BSBS-N1の単結晶X線構造解析結果

 BSBS-N1はスカイブルー領域に極めて狭い発光バンド(半値全幅25 nm)を示し、高い色純度を有することが分かりました。またBSBS-N1は、これまでに報告されている多重共鳴型のTADF分子で最速の逆項間交差速度(kRISC = 1.9×106 s-1)を示しました。これは、一般的な多重共鳴型TADF分子に比して10~1000倍も大きな値であり、BSBS-N1の2つの硫黄原子の重原子効果によって逆項間交差が促進されたと考えられます。
 BSBS-N1を用いた有機EL素子は最大外部量子効率が21.0%と高い値を示し、スカイブルー領域の多重共鳴型TADF分子BBCz-SB[注8]と比較して高電流密度・高輝度領域での発光効率低下(ロールオフ)が抑制され、高輝度領域でも優れた発光効率を持つことが明らかになりました(図2)。BSBS-N1では、逆項間交差の高速化によって電界励起子の失活過程が抑制され、電力エネルギーを効率的にEL発光に変換できたと考えられます。

(図2)(a)BSBS-N1を用いた有機ELデバイスのELスペクトルとEL発光の様子 (b)輝度-外部量子効率(EQE)特性

 今回の研究は、9環縮環ナノグラフェンにホウ素、窒素、硫黄原子を適切な位置に導入し、青色EL材料としての良好な特性が実現できることを、種々の実験・理論化学的検討から明らかにしており、今後の青色有機発光体の開発における重要な分子設計指針を与えるものといえます。 

■今後の展望
 今後は、発光体の分子設計をチューニングすることにより、さらなる逆項間交差の高速化を目指します。また、青色以外のさまざまな色域への展開を進めることで、ディスプレイや照明をはじめとする様々な応用を狙います。

論文情報

タイトル:
著者名:
Masakazu Nagata, Hyukgi Min, Erika Watanabe, Hiroki Fukumoto, Yoshiyuki Mizuhata, Norihiro Tokitoh, Tomohiro Agou and Takuma Yasuda 
掲載誌:
Angewandte Chemie International Edition
DOI:
10.1002/anie.202108283