電気を通すと有機化合物がきれいに発光する「有機EL(Electroluminescence)」。OPERA所長)の指導の下、第3世代と呼ばれる、低コストの有機EL用新発光材料の開発に成功した。イリジウムなどレアメタルを使わずに、電気を光子に変換する効率(内部量子効率)をほぼ100%まで高めたのが特徴で、実用化への期待が高まっている。2012年12月13日号に掲載された。プログラム(FIRST)の支援を受けるOPERAの研究環境の良さが、世界の注目を集める成果につながったことを強調した。今回の成果は第3世代の素材開発ということですが、まずは有機ELの仕組み、歴史を簡単に説明してください。有機ELが光る原理は、電気などによって、有機化合物が安定した「基底状態」からエネルギーの高い、不安定な「励起状態」に移る現象が関係しています。有機物はもとの安定した状態に戻る際、光などとしてエネルギーが放出されます。この光が有機ELの光です。光以外にも熱として放出されることがありますが、電気が100%光子に変換されれば、熱は発生しません。基底状態から励起状態になるのは、有機物の中で、電荷の「再結合」が起きているからです。有機ELの基本構造は、有機物(材料)を電極ではさみこんでありますが、陽極付近では有機分子から電子が奪われ(酸化され)、ホール(正孔)ができます。陰極では電子が与えられ(還元され)、このホールと電子が、有機材料の中を対極電極に向かって動き、やがて結合します。どんな材料がこの再結合が起こりやすく、そして光への変換効率がいいのか、それを見つけたり、開発したりするのが有機ELの発光材料の研究です。有機ELとして最初に報告されたのは、1953年。フランスの研究者が、植物の細胞壁、繊維の主成分であるセルロースにアクリジンオレンジをドープして電流を流すと、蛍光発光することを突き止めました。1965年には、ベンゼン環が3つ連なったアントラセンが有機ELになることがわかりましたが、いずれも電流から光子への内部量子効率は極めて低かったのです。その後、有機EL研究は低迷し、苦難の時代が続きました。その突破口となったのが、1987年にアメリカの研究者によって発表された有機ELです。現在の有機ELの基本型である積層構造で、有機EL素子は、発光層と電子輸送層にアルミキノリノール錯体、正孔輸送層に芳香族ジアミンを用いて、わずか10Vの電圧で外部量子効率1%を達成しました。効率は低かったのです。有機ELの発光には、蛍光(fluorescence)と、りん光(燐光、phosphorescence)の2種類があります。有機ELの研究当初から用いられた第1世代の「蛍光材料」は、身近なところにもある有機材料です。洗剤の成分に含まれる蛍光増白剤です。蛍光材料は、比較的容易に合成でき、種類が豊富で、コストがかからないという利点があります。有機ELした場合、発光効率が低いというデメリットがあります。第2世代のりん光材料は、蛍光材料より高い発光効率が期待できると予想されていましたが、りん光は常温では発光しないというのが、1990年代中頃までの常識でした。ところが世界的な研究が進み、1997年から、プリンストン大、南カリフォルニア大などの研究チームは、レアメタルを含む有機材料で、常温でのりん光を発光させること成功しました。この研究にはプリンストン大に留学中の安達先生も関わっていました。その後、イリジウムを用いた材料で内部量子効率も100%を達成し、もう研究は終わり、勝負ありと思われていました。光材料は、レアメタルを含む錯体化合物なので材料設計に制限が多く、安定性にも問題がありました。レアメタルはとても高価であるため、安達先生は、低コストの第1世代、高い変換効率の第2世代を合わせ持った第3世代の新材料の開発に取り組んできたのです。(TADF)」材料というものです。約10年間、分子設計の改良を重ね、今回開発したカルバゾリルジシアノベンゼン誘導体(CDCB)という非常に簡単な構造の材料が、内部量子効率がほぼ100%のTADF材料だったのです。レアメタルを使わない新しい材料で、コストは第2世代の10分の1になります。熱活性化遅延蛍光というのは難しい名前ですが、どんなものか説明してください。その前に、有機ELの発光現象の蛍光とりん光の仕組みから説明しましょう。電気を流すと再結合によって、有機EL材料は不安定な励起状態になりますが、この励起状態にも実は2種類あることが知られています。いうのは、基底状態から励起状態になる電子のスピンの向きで決まります。スピンには、磁石のS極、N極のように、「上向き」「下向き」があります。基底状態では、スピンは上向きと下向きがペアになって存在しています。一重項励起状態というのは、元の軌道に残った電子と、励起された電子の向きが逆向きなので、不安定な状態です。このため、短時間で基底状態に戻ろうとするので、発光までの時間は短くなります。一方で、三重項励起状態は、励起された電子の向きが、元の軌道と同じ方向を向いた状態です。このため、基底状態に戻りにくく、電子がそのまま居座ろうとし、励起状態が長くなり、発光する前に分子運動によってエネルギーが消費されます。一重項励起状態と三重励起状態の間には、大きなエネルギー差があります。エネルギーは、より高い一重項励起状態から低い三重励起状態に移動することはありますが、その逆は、ほとんどありませんでした。