OLEDスクリーンの効率向上:青色PHOLEDの長寿命化への道筋

June, 4, 2025, Ann Arbor--ミシガン大学の研究者は、青色リン光OLEDが、すでにデバイスに搭載されている緑色リン光OLEDと同程度に持続できることを実証し、OLEDスクリーンのエネルギー効率をさらに向上させる道を開いた。

「これにより、ブルーはグリーンの寿命の領域に移行する」と、Peter A. Franken Distinguished University電気工学教授、Nature Photonics誌に掲載された研究の責任著者であるStephen Forrestは話している。

「問題が完全に解決されたとは言えない。もちろん、ディスプレイに表示されるまでは解決しないが、われわれは20年間コミュニティが回避してきた真の解決策への道を示したと思う。」

OLEDスクリーンは、フラッグシップスマートフォンやハイエンドテレビに標準装備されており、輝度の変動が上部の液晶層ではなく発光体によって達成されるため、高いコントラストとエネルギー効率を提供する。ただし、すべてのOLEDが同等にエネルギー効率が高いわけではない。

現在のディスプレイでは、赤と緑のOLEDは高効率のリン光経路で光を生成するが、青色のOLEDは依然として蛍光を使用する。つまり、赤と緑のOLEDは、デバイスを通過する電子1個に対して理論上の最大1つの光子を持っているが、青色のOLEDははるかに低い効率しか得られない。

問題は、青色光はRGBデバイスが生成しなければならない最高のエネルギーであることである:青色リン光OLED(PHOLED)の分子は、赤や緑のOLEDよりも高いエネルギーを処理する必要がある。エネルギーの大部分は青色光の形で放出されるが、閉じ込められると、発色分子を分解してしまう可能性がある

以前、Forrestのチームは、エネルギーを青色光に変換するのを助けるコーティングを負極に含めることで、閉じ込められたエネルギーをより早く取り出す方法があることを発見した。最近物理学のPh.Dを取得したHaonan Zhaoによると、それは高速レーンを作るようなものである。

「車線が足りない道路では、せっかちなドライバーが互いに衝突して交通が遮断される可能性がある。ちょうど、2つの励起子(エキシトン)がぶつかり合うと、分子を破壊する大量の熱エネルギーが発生するのと同じである」と、この研究の筆頭著者、および新しい研究の著者でもあるZhaoはコメントしている。「プラズモン励起子ポラリトンは、励起子高速レーンの光学設計である。」

詳細は量子力学に基づいている。電子が負極を通って入ってくると、分子の1つに励起状態と呼ばれるものが生成され、青色光が生成される。その状態は、負に帯電した電子がより高いエネルギーレベルに飛び込むことと、電子が残す正に帯電した「正孔」であり、一緒になって励起子を作る。

理想的には、電子がすぐに元の状態に戻り、青色の光子を発射するが、リン光経路を使用する励起子はブその場にとどまる傾向がある。単に元の状態に緩和するだけでは、量子力学の法則に違反する。ただし、電極のすぐ近くにある励起子は、光沢のある表面が別の量子準粒子である表面プラズモンを支えるため、光子をより速く生成する。これらは、金属の表面にある電子の池の波紋のようなものである。

発光材料の励起子が電極に十分近い場合、そのエネルギーを表面プラズモンに放出できるため、青色光への変換に少し役立つ(パーセル効果として知られる現象)。これは、励起子が放送アンテナのように少し振動し、電極内の電子に波を発生させるためである。ただし、すべての表面プラズモンが光子を生成するわけではないため、これは自動的に役立つわけではない。光子を得るためには、励起子が表面プラズモンに付着し、プラズモン励起子ポラリトンを生成する必要がある。

Forrestのチームは、炭素ベースの半導体の薄い層を光沢のある電極に追加することで、励起子がエネルギーを伝達し、正しい方法で共振するように促すことで、このルートを奨励した。また、効果を発光材料の奥深くまで広げるため、電極からさらに離れた励起子の恩恵を受けることができる。

チームは昨年これについて報告し、それ以来、この効果を他のアプローチと組み合わせて、最終的に、緑色のPHOLEDと同じくらい長く持続し、明るく燃焼できる青色のPHOLEDを生成してきた。デザインのハイライトは次のとおりである。

・2つの発光層(タンデムOLED):これにより、各層の発光負荷が半分になり、2つの励起子が合流する確率が減少する。
・励起子が両方の電極の近くの表面プラズモンと共鳴するのを助ける層を追加して、両方の発光層が高速レーンにアクセスできるようにする
・全体の構造は光共振器であり、2つの鏡のような電極間で青色光が共鳴する。これにより、フォトンの色が青色の範囲に深く押し込まれる。

この研究は、エネルギー省(DOE)とユニバーサルディスプレイコーポレーションによって部分的に支援された。