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ニュースリリース

フレキシブルディスプレー用有機EL素子の開発について -NHK放送技術研究所と共同開発、燐光発光性高分子で高効率RGB発光を実現-

2002年1月15日

昭和電工株式会社(大橋光夫社長)は、NHK放送技術研究所(山田宰所長)と共同で、折り曲げてコンパクトに持ち運ぶことができるフレキシブルディスプレーにも応用可能な、新しい有機EL(エレクトロルミネッセンス:電場発光)材料として燐光発光性高分子を開発し、これを用いた高分子EL素子で高効率の3色(RGB:赤、緑、青)発光を実現いたしました。

これまでの高分子EL素子は、蛍光発光を利用しているため原理的に光を外に取り出せる効率は5%が限界であり、さらなる効率の改善は期待できないと言われておりました。 しかし、今回開発したこの新しい燐光発光性高分子を用いたEL素子は、原理的に従来の4倍の効率、すなわち20%の発光効率が期待できると考えられます。
また、一般に、燐光は液体窒素(-196℃)レベルの低温環境でしか観察されず、燐光が常温で観察されることは極めて稀でありますが、この度両社が開発に成功した高分子材料は、常温において高効率にRGB三原色の燐光発光を実現した、画期的な材料であります。

新しく開発した高分子発光材料は、電子や正孔を輸送する部分と、発光する部分を一つの高分子に同時に組み込むことで、高効率の燐光発光を実現したものであります。発光色は、発光部分の化学構造を制御することで変えることができます。この発光材料は以下の可能性があります。

  • (1)非常に高い発光効率のRGB発光が実現できる。
  • (2)低分子材料の場合には真空蒸着により成膜するため製造設備が大掛かりとなるが、今回開発した材料は高分子であるため真空蒸着を必要とせず、簡便な塗布法(インクジェット法や印刷法など)が適用でき、大画面、高精細なディスプレイが低コストで実現できる。
  • (3)全高分子型であり、フレキシブルで安定なデバイスが実現できる。

今回開発した材料の、現在の性能(輝度100cd/m2の条件)は以下の通りです。

  発光波長ピーク(nm) 発光効率(%)
赤色(R) 620 4.6
緑色(G) 523 5.9
青色(B) 476 2.7

今後は、青色の色純度の改善を行うとともに、RGBで20%の発光効率を目指しさらなる改善を図ります。
また、高精細な表示素子作成を目指して、インクジェット法によるディスプレイ化技術で、フルカラーパネルの試作を進めてまいります。

(補足説明)

1.有機EL素子

  • 有機化合物に電場(電圧)を加えることで発光する素子。従来は無機の蛍光体を発光材料とした無機ELが主流であったが、駆動電圧が高い、カラー表示が難しい等の問題があり用途が限られていた。
  • 有機ELは、カラー表示が容易な上、自発光、薄型、高視野角、低電力作動で高輝度、高速応答性を特長に、新たな市場(2005年、2000億円超)を築くといわれている。
  • 有機ELの用途は、携帯電話、PDA等小サイズのディスプレイからノートパソコンサイズのディスプレイ、将来は薄型壁掛けテレビ等の大画面ディスプレイの分野への適用も可能。

2.蛍光発光、燐光発光

  • 分子が、エネルギーの高い励起状態からエネルギーの低い基底状態に変化する際に、光としてエネルギーを放出する現象が発光である。
  • 分子の励起状態には分子のミクロな磁気的性質により2種類の状態があり、どちらの励起状態から発光するかにより蛍光と燐光が区別される。
  • 有機ELの場合には、蛍光を発する励起状態と燐光を発する励起状態が原理的には1:3の比率で生成するが、燐光発光は物理的に起こりにくい現象であり、通常は低温下でしか観察されない。

3.正孔

  • 半導体において電子(マイナスの電荷)が不足した状態のものをプラスの電荷を持つものとして扱い、これを正孔(ホール)という。

4.燐光を利用する意義について

  • 蛍光と燐光は発光の原因となる状態(エネルギーの励起状態)が異なるが、人間の目に見える光としての性質には変わりがない。
  • すべての発光物質には、蛍光と燐光の発光の原因となる状態が1:3の割合で存在することから、蛍光の発光強度1と燐光の発光強度3を合わせた発光強度を得ることが理想的である。
  • しかし、通常は常温で燐光は観察されず、蛍光だけの利用となるため、蛍光の持つ発光強度(1)のみの活用となる。
  • 従って、燐光を100%取り出せれば、蛍光のみの場合に比べ4倍の発光強度が得られることになる。これが燐光を利用することのメリットである。

5.発光効率について

  • 上記の説明によれば、蛍光のみを利用した場合には発光効率は25%、蛍光と燐光の両方を利用した場合には発光効率は100%となるように思える。
  • 素子は発光材料がむき出しになっているわけではなく、ガラス基板や封止材料で覆われているため、発光材料から放射された光の内、発光材料とその周りのガラスなどの界面で反射を繰り返して外部へ取り出せない光が、80%もあるといわれている。
  • 即ち、内部で発光した光のうち20%しか外部へ取り出せないことになる。
  • 従って、蛍光のみを利用した場合の最大発光効率は5%、蛍光と燐光の両方を利用した場合の最大発光効率は20%となる。

6.世の中における今回の開発品のレベルについて

  • 現在、開発・販売されている有機EL素子に使用されている発光材料は、低分子タイプ、高分子タイプともにすべて蛍光発光のタイプであり、これらの発光効率は最大5%である。
  • 従って、今回開発した緑色発光材料はこれらの発光効率を上回っている。
  • 燐光を利用した低分子の発光材料は米国プリンストン大学で開発されており、学会発表では緑色で19%の発光効率を達成したと報告されているが、低分子タイプは、柔軟性に乏しく、折り曲げたり丸めたりできない。
  • 燐光を利用した高分子の発光材料で、蛍光発光の最大発光効率5%を上回ったのは今回の開発品が世界で初めてであり、RGB3色の開発も世界初である。

以上