14 nm、有機発光体で最も鋭い青

どの分野にも、壁に貼っておく数字がひとつあります。狭帯域青色OLED発光体の分野では、その数字は2019年に生まれました。フォトルミネッセンス半値幅 14ナノメートルです。
関西学院大学の畠山琢次教授のグループがJNC石油化学と共同でNature Photonicsに発表した論文 "Narrowband deep-blue organic light-emitting diode featuring an organoboron-based emitter" です。筆頭著者はY. Kondo氏。この論文が発表した nu-DABNA は、今もすべての狭帯域青色発光体の基準点であり続けています。
青が行き詰まっていた理由
優れたOLEDディスプレイでも、青のスペクトルは半値幅40 nmを超えていました。原因は振電相互作用です。従来の芳香族発光体ではHOMOとLUMOがパイ結合の上に広がり、結合性と反結合性の性格を持ちます。分子が励起されると結合の伸縮振動が電子遷移にそのまま結合し、スペクトルが広がります。
競合技術にはこの問題がありませんでした。マイクロLEDと量子ドットLEDは青で約20 nmを出します。その代わり製造コスト、再現性、大面積化で代償を払います。OLEDには分子レベルの答えが必要でした。
設計
畠山グループの答えは、元のDABNA骨格の拡張でした。ベンゼン環5つをホウ素2つと窒素4つでつなぎ、外側にジフェニルアミノ基を2つ付けました。ホウ素と窒素は電子密度を逆方向に引っ張るため、多重共鳴効果でHOMOは窒素原子上に、LUMOはホウ素原子上に、原子単位で分離されます。どの結合の上でも軌道が重ならない、非結合性軌道になります。
結合性の性格が消えると、伸縮振動はつかむものがなくなります。遷移に結合するのは柔らかいねじれモードだけです。その結果がトルエン中468 nm、半値幅14 nm。有機分子で測定された最も鋭い発光です。一重項と三重項のエネルギー差はわずか17 meVで効率的なTADFアップコンバージョンが可能になり、DOBNA-OAr薄膜でのフォトルミネッセンス量子収率は90%に達しました。
デバイス性能
数字は実デバイスでも維持されました。エレクトロルミネッセンス469 nm、半値幅18 nm。マイクロLEDと量子ドットよりまだ狭い値です。外部量子効率は最大34.4%、100 cd/m2で32.8%、1000 cd/m2でも26.0%。CIE座標は(0.12, 0.11)で、カラーフィルターなしでNTSC青色基準に迫ります。分子は440 Cまで分解しません。昇華精製をする側にはありがたい数字です。
このデバイススタックは、発光体に合わせたバイポーラホスト DOBNA-OAr も併せて発表しました。静かですが過小評価されがちな貢献です。
その後
6年たった今も、nu-DABNAは新しい深青発光体が比較される基準です。派生構造は半値幅20 nm以下を保ったままEQE 35%を超えつつあり、この系統全体がこのひとつの骨格から出発しています。
インフォグラフィックと全文ハイライト: https://www.lamko.co.kr/research-highlights/nu-dabna-deep-blue.html
参考文献: Kondo, Y. et al., Nature Photonics 2019, 13, 678. DOI 10.1038/s41566-019-0476-5
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