分子を固定したら、最も緑で最も明るいOLEDになった

BT.2020の緑の基準点はCIE yでおよそ0.797にあります。プレミアムディスプレイが目指す色ですが、有機発光材料には長く届かない目標でした。理由は単純で、緑を望みの波長へ動かす手法が、スペクトルまで一緒に広げてしまうからです。

定番の方法は電子求引基の導入です。発光は長波長へ動き、CIE yは上がります。しかしアクセプターが強くなると分子内電荷移動も強くなり、励起状態の緩和と振動損失が増えて線幅が広がります。波長を得て純度を失う取引です。

環を固定する

2022年のNature Communicationsで、浙江大学のQisheng Zhang研究室のJunyuan Liu、Yunhui Zhuらは電子構造に手を付けませんでした。

青色MR発光体t-DABNAと空色のDtBuCzBを出発点に、外側のフェニル環をスピロ炭素の橋で中央のフェニル環に縫い付けたのです。こうして生まれたのがtCzphB-Ph(テトラフェニル橋)とtCzphB-Fl(フルオレニル橋)です。

スピロ橋が入ると、すべての芳香環が面内に固定されます。励起後の不可逆な構造緩和も、スペクトルに肩をつくる高周波振動も止まります。Huang-Rhys因子が崩れ、分子は吸収したときの構造のまま発光します。

結果はシクロヘキサン中で半値全幅14 nm。CIE座標は(0.15, 0.77)と(0.19, 0.76)。tCzphB-PhはフォトルミネッセンスのCIE yがNTSC緑基準0.71を超えた最初の有機分子で、論文はその純度を最高級の緑色量子ドットと比べています。

TADF特性はそのままです。一重項三重項ギャップ0.04 eV、即時寿命約7 ns、ドープ膜のPLQYは0.98と0.93。

ホストが結果の半分

よく使われるホストCBPの中では、狭い発光が崩れます。極性の環境が励起状態を緩和させ、シフトさせるからです。著者らは低極性で球に近いテトラフェニルシランホストTPSSに替え、狭い線幅が溶液から薄膜まで生き残りました。2 wt%で半値全幅23 nmと25 nm。

この構成のボトムエミッション素子は527 nm、半値全幅24 nm、CIE (0.21, 0.75)で発光しました。発表時点で最も純粋な緑のボトムエミッションOLEDです。

ロールオフを解く

残った問題が一つ。固定しても遅延寿命は372と412マイクロ秒あります。これほど長く生きる三重項は高電流で溜まり、互いに消滅させ合うので、通常素子(最大EQE 29.3%と26.2%)は高輝度で大きく落ちました。

解決はまた構造でした。Ir(ppy)3を増感剤とするリン光増感TADFスタックです。増感したtCzphB-Ph素子は最大EQE 31.3%、10,000 cd/m2でも30.6%を維持。最大輝度は5.1 x 10^5 cd/m2。論文はこれを「これまでで最も緑で最も明るいOLED」と書き、両方の主張が同時に事実でした。

色純度がわずかに低いtCzphB-Flの方が、固定結合の解離エネルギーが高く安定でした。この分子はその後の増感素子論文で定番の末端発光体になり、この一か月に私たちが取り上げた二報にも登場します。

私たちがこの論文を考え続ける理由

私たちはこうしたスタックに入る材料を昇華精製して供給しています。発光コアを設計し直したのではなく、周りを変えた。色の記録は剛直化から、薄膜の純度はホストの極性から、輝度は増感剤から来ました。発光体、ホスト、増感剤はセットでしか働かず、デバイスは分子ではなくシステムです。

この方式のBT.2020緑スタックには、固定された発光体、励起状態を溶媒和しない低極性ホスト、リン光増感剤のすべてが昇華純度で必要です。ホストに極性不純物が混じれば、著者らが設計で消したCBPの問題がそのまま戻ってくるからです。

参考文献: Liu, J.; Zhu, Y.; Tsuboi, T.; Deng, C.; Lou, W.; Wang, D.; Liu, T.; Zhang, Q. Nat. Commun. 2022, 13, 4876. DOI 10.1038/s41467-022-32607-3

ハイライト全文(素子構造と分子構造): https://www.lamko.co.kr/research-highlights/bt2020-green-multi-lock.html

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