多層構造を持つ低分子塗布型有機EL素子の開発に成功

December, 25, 2014, 山形--山形大学大学院理工学研究科の城戸淳二教授、夫勇進准教授らの研究グループは、多層構造を持つ低分子塗布型白色有機エレクトロルミネッセンス素子（有機EL）の開発に成功した。
　印刷技術を用いて製造コストを低減できる塗布型有機ELは、次世代のフラットパネルディスプレイや照明への応用が期待され、注目が集まっている。発光効率の向上が実用化に向けた課題の１つになっており、そのためには塗布によって有機材料を積層する技術の確立が望まれていた。
　研究チームは有機溶媒への溶解性を制御することで、これまでは一部の高分子有機ＥＬ材料によってのみ可能であった多層構造を低分子有機EL材料でも可能とした。これにより、塗布型有機EL素子における材料選択の自由度が大幅に広がり、印刷法でLED並みの高効率有機ELパネルを製造することができた。開発した塗布型白色有機EL素子は、世界最高水準のLED照明に匹敵する高い電力効率76ルーメン/W(lm/W)（光取り出し基板使用時）を達成した。
この研究成果により、塗布型有機EL素子の高性能化に向けた材料開発が加速されることが期待される。この研究成果は、JST戦略的イノベーション創出推進プログラムの一環。
　次世代のフラットパネルディスプレイや照明を製造する過程において、印刷技術を用いた低コストな塗布型有機ELが注目されている。実用化に向けた課題の１つである発光効率向上には、異なる有機材料を積層し、電荷輸送や発光といった機能を各層に分離することが有効であるが、塗布により有機材料を積層するには、塗布溶媒による下層の再溶解を防ぐ必要がある。したがって、これまで下層に使用できる材料は、耐溶媒性に優れた一部の高分子材料に限られ、高純度化や分子構造の制御が容易な低分子材料でも積層構造を形成する技術が望まれていた。
17種類の低分子有機EL材料を薄膜(30nm)にしたときの溶解性を詳細に調べた結果、分子量の増加とともにアルコール類への溶解性が減少し、分子量800程度を閾値として不溶化することを明らかにした。
　アルコール(2-プロパノール)に不溶性を示した低分子13と16をホスト材料として「発光層」を形成し、その上層に低分子電子輸送材料(BPOPB；ビス ダイフェニルホスフィンオキサイドフェニル ベンゼン)を2-プロパノールを用いて塗布成膜して、「電子輸送層」を形成した。
　「電子輸送層」と「発光層」の積層構造薄膜の表面に、イオンビームを照射して、エッチングと飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)を行って薄膜の深さ方向の組成を測定。その結果、発光層成分の再溶解が抑制された積層構造が形成されており、2つの層が混ざり合うことなく積層されていることが明らかとなった。
　上の電子輸送層と発光層の積層構造を用いて、塗布型白色有機EL素子を作製。輝度100(cd/m2)時に世界最高水準の電力効率34(lm/W)を示した。さらに、半球レンズを用いてガラス基板と空気界面で全反射していた光を取り出すと、市販の蛍光灯やLED照明に匹敵する76（lm/W）まで高効率化に成功した。
　谷口彬雄プログラムオフィサは、「塗布型有機EL素子に低分子有機EL材料の使用を可能とし、材料選択の自由度を大幅に広げ、印刷法でＬＥＤ並の高効率白色有機ELパネル製造に道を開きました。これにより、有機EL照明への展開が期待されます」とコメントしている。