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2014 年度 実施状況報告書

内部量子効率100%を示す蛍光性有機EL素子の創成

研究課題

研究課題/領域番号 26810110
研究機関九州大学

研究代表者

中野谷 一  九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90633412)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
キーワード有機EL / 熱活性化遅延蛍光 / エネルギー移動
研究実績の概要

本研究では、熱活性化遅延蛍光分子(以下、TADF分子)の三重項励起子を一重項励起子にアップコンバージョンする技術をさらに発展させ、蛍光分子を発光材料とする有機EL素子中にTADF材料をアシストドーパントとして有機EL素子の発光層中へ分散することで、電気励起下でTADF分子上にて生成された三重項励起子と一重項励起子を、すべて蛍光分子へエネルギー移動させることが可能であることを見出し、ほぼ100%の効率で蛍光分子からの発光を得ることに成功した。特に、TADF分子であるPXZTRX(Chem. Comm. 48, 11392-11394 (2012))をアシストドーパント、TBRb(Thin Solid Films. 496, 626-630 (2006))を蛍光色素として用いた有機EL素子において、最大外部量子効率18%を得ることに成功した。
有機EL素子の耐久性に関しては、TADF分子を発光分子とした有機EL素子と比較し、2.5倍以上に達する素子耐久性の向上が可能であることを明らかにした。発光量子効率および発光寿命などの各種光学物性評価に基づき、各種のTADF分子における三重項励起状態から一重項励起状態への逆項間交差速度(kRISC)を算出した結果、10^5 sec-1程度の速いkRISCを有するTADF分子において、顕著な素子耐久性の向上を実現可能であることを見出した。これは、速いkRISCにより、有機EL素子の発光層中に生成・蓄積される三重項励起子密度が減少したためであると考えている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

H26年度研究計画では、TADF分子を蛍光有機EL素子のホスト材料として用いる計画であったが、研究を進める中で、本提案のエネルギー移動過程を有効に活用し、EL発光効率の向上を実現するためには、①TADF分子と蛍光分子間の平均分子間距離を制御し、Dexterエネルギー移動過程を抑制する必要があること、②TADF分子間で生じる濃度消光現象を抑制することの2要件が重要な因子であることを見出した。そこで、TADF分子をアシストドーパントとして用いる素子構成を提案し、研究目標の実現を目指した。
結果、青・緑・黄・赤色を発する蛍光分子を発光材料とし、各蛍光分子の一重項励起準位に対し、励起エネルギーを移動可能なTADF分子をアシストドーパントとして用いることにより、電流励起により生成されたすべての励起エネルギーを蛍光分子へとエネルギー移動させることに成功した。結果として、内部量子効率100%で発光する蛍光有機EL素子を創出した。またさらに、本研究提案のエネルギー移動過程を利用し、外部EL量子効率12%を示す白色蛍光有機EL素子を実現した。
素子寿命に関しては、TBRb分子を発光中心とした蛍光有機EL素子において、3,500時間を超える素子寿命を得ることに成功している。しかしながら、青色蛍光有機EL素子での素子寿命は、現状100時間程度に留まっている。この要因としては、高い三重項励起エネルギーを閉じ込めるために必要な、ホスト分子の電気化学的安定性が不十分であるためと考えている。

今後の研究の推進方策

燐光有機EL素子に匹敵する外部量子効率を、蛍光有機EL素子においても実現したが、その素子耐久性は不十分である。これまで大きなkRISCを示すTADF分子を用いることで、素子耐久性の向上が可能であることを見出してきた。今後、kRISC =10^6 sec-1を示すTADF分子の設計・合成を優先的に進め、数値目標の達成を目指す。

次年度使用額が生じた理由

本年度は、既に報告されている熱活性化遅延蛍光材料の光物性解析および蛍光有機EL素子への適用について重点的に研究を実施した。そのため新規熱活性化遅延蛍光分子の合成については一部遅れが生じている。しかしながら、本年度の研究を通し得られた知見を元に、次年度は新規分子の合成を加速させる計画である。
また、当初計画では有機EL素子用の基板およびマスクを整備する計画であったが、作製装置の導入に遅れが生じたため、本年度での整備を見送り、既存設備を利用し研究を実施した。

次年度使用額の使用計画

次年度においては、本年度で得られた知見を元に、当該助成金により合成試薬を購入し、新規有機発光分子の合成を加速する計画である。また、有機EL素子作製装置の導入が完了したため、200mmサイズのガラス基板および対応するフォトマスクの整備を速やかに実施し、有機EL素子開発を加速させる計画である。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文] High efficiency white organic light-emitting diodes based on a blue TADF emitter combined with green and red fluorescence emitters2015

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Higuchi, Hajime Nakanotani, Chihaya Adachi
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 27 ページ: 2019–2023

    • DOI

      10.1002/adma.201404967

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Dual Enhancement of Electroluminescence Efficiency and Operational Stability by Rapid Upconversion of Triplet Excitons in Organic Light-Emitting Diodes2015

    • 著者名/発表者名
      Taro Furukawa, Hajime Nakanotani, Munetomo Inoue, Chihaya Adachi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 5 ページ: 8429-8436

    • DOI

      10.1038/srep08429

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] High Efficiency Organic Light-Emitting Diodes with Fluorescent Emitters2015

    • 著者名/発表者名
      中野谷 一
    • 学会等名
      The 9th Taiwan Solid State Lighting Symposium
    • 発表場所
      Taipei World Trade Center Nangang Exhibition Hall
    • 年月日
      2015-03-25 – 2015-03-25
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛍光材料を内部量子効率100%で発光させる有機EL素子2015

    • 著者名/発表者名
      中野谷 一
    • 学会等名
      第61回エレクトロニクス実装学会
    • 発表場所
      回路会館 東京都杉並区
    • 年月日
      2015-02-10 – 2015-02-10
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱活性化遅延蛍光過程を利用した高性能蛍光有機EL素子2014

    • 著者名/発表者名
      中野谷 一
    • 学会等名
      独立行政法人日本学術振興会 光電相互変換第125委員会第226回研究会/ EL分科会第45回研究会合同研究会
    • 発表場所
      キャンパスイノベーションセンター東京 東京都港区
    • 年月日
      2014-10-20 – 2014-10-20
    • 招待講演

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公開日: 2016-06-01  

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