発行日：2025年12月4日 出典：WitDisplay

可伸縮有機ELの性能を阻んできた電子注入効率の壁

可伸縮有機EL（有機発光ダイオード）は、人と機械のインターフェースやウェアラブル技術の在り方を大きく変えつつあるが、その性能は依然として商用化されている非可伸縮型の有機ELには及んでいない。その最大の要因は、電子注入効率の低さにある。近年、発光層については蛍光、燐光、さらに熱活性化遅延蛍光（TADF）材料の開発などにより大きな進展が見られてきた。しかし、電子輸送層と陰極の設計に関しては、理想的なエネルギー準位の整合性と可伸縮性を同時に満たすことが難しく、これがデバイス全体の効率を制限するボトルネックとなってきた。

特に、柔軟性や伸縮性を持たせた構造では、電極や電子輸送層の機械的安定性と電気的特性の両立が困難であり、従来の剛性有機ELと同等の性能を実現することは長年の課題とされてきた。

電子輸送層と陰極の革新設計で外部量子効率8％を達成

この課題に対し、シカゴ大学の王思泓氏とJuan J. de Pablo氏の研究チームは、電子輸送層と陰極構造を根本的に再設計することで、高効率な電子注入に成功した。同チームは、高い伸縮性と理想的なエネルギー準位を併せ持つ共重合体の電子輸送層を新たに開発するとともに、液体金属の脆化効果を利用することで、アルミニウム薄膜に伸縮性を付与する技術を確立した。この手法により、電気的・光学的特性を維持したまま、陰極自体の可伸縮化が可能になった。

この二つの技術革新を基盤として、研究チームは完全に可伸縮な有機ELデバイスの試作に成功した。このデバイスは、外部量子効率が最大8％に達し、点灯開始電圧はわずか3.5ボルトという低電圧駆動を実現している。さらに、その発光性能は、同一の発光層を用いた従来の剛性有機ELと同等の水準にあり、可伸縮デバイスと標準デバイスとの性能差を大きく縮小する成果となった。

本研究成果は「Enabling efficient electron injection in stretchable OLED（可伸縮有機ELにおける高効率電子注入の実現）」というタイトルで、材料科学分野の権威ある学術誌「Nature Materials」に掲載されている。今回の成果は、次世代ウェアラブルディスプレイや生体適合型デバイス分野における可伸縮有機ELの実用化を大きく前進させるものとして、今後の技術展開に大きな期待が寄せられている。

図1：可伸縮ETLポリマーおよび可伸縮陰極設計によって高効率な電子注入を実現。

a：従来設計と比較して、本研究では新規ETLポリマーおよび陰極層の導入により、電子注入におけるエネルギー準位の整合性を改善した。

b：共重合体設計に基づく可伸縮ETL（電子輸送層）ポリマー。

c：液体金属によるアルミニウム薄膜の脆化効果を利用した可伸縮陰極の設計（左）と、本研究の可伸縮陰極と銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ（CNT）、PEDOT:PSS電極との仕事関数の比較（右）。

d：本研究の可伸縮ETLポリマーおよび脆化アルミニウム陰極を用いて作製した、完全可伸縮型有機ELデバイスの写真。

e：本研究の可伸縮TADF-OLEDにおける最大外部量子効率および点灯開始電圧を、従来設計と比較した結果。

図2：異なるアルキル鎖モル分率を有する可伸縮ETLポリマーの特性評価。

a：DFT（密度汎関数理論）シミュレーションにより示されたポリマーのコンフォメーション構造およびLUMO分布。

b：MD（分子動力学）シミュレーションから抽出した、5種類のPTG系ポリマーにおけるトリアジン―トリアジン構造の統計分布。

c、d：PTG75DのLUMO／HOMOエネルギー準位および三重項エネルギー準位（T1）と、PEIE_PFN-Br、TPBI、TmPyPBとの比較。

e：電子オンリー素子により測定されたPTG系ポリマーの電子移動度。

f：ETLとしてPTG系ポリマーを評価するために用いた有機ELデバイス構造の模式図。

g、h：4種類のPTG系ポリマー、PEIE_PFN-Br、TPBI、TmPyPBをそれぞれETLとして用いた有機ELデバイスにおける代表的な電流密度-電圧（J-V）特性、輝度-電圧（L-V）特性および最大外部量子効率。

図3：ETLポリマーの可伸縮性。

a：PDMS基板上に形成した5種類のETLポリマー薄膜における亀裂発生開始ひずみ。

b：100％ひずみ印加時のPTG75D薄膜の光学顕微鏡像および原子間力顕微鏡（AFM）像。

c：異なるアルキル鎖分率を有する4種類のETLポリマーのガラス転移温度および弾性率。

d：伸長時におけるETLポリマー有機ELデバイス性能を評価するためのデバイス構造模式図。

e：異なるひずみ条件下におけるPTG75Dの代表的な電流密度‐電圧（J-V）特性および輝度‐電圧（L-V）特性。

f：異なるひずみにおけるPTG75Dの正規化最大外部量子効率および電界発光スペクトル。

g：PTG75D薄膜をETLとして用いた有機ELにおける繰り返し伸長試験の模式図。

h：100％ひずみの繰り返し回数を変えた後のPTG75Dの代表的なJ-V特性およびL-V特性。

i：異なる回数の伸長後におけるPTG75Dの正規化最大外部量子効率および電界発光スペクトル。

j：非親和変位（ノンアフィン変位）の模式図。

k：5％ひずみ下におけるETLポリマーの主鎖剛直部、ソフトチェーンおよび側鎖の非親和変位分布。

図4：液体金属の脆化効果に基づく可伸縮アルミニウム薄膜陰極の設計。

a：液体金属（AlGaIn）層によってアルミニウム薄膜を脆化させ、高い伸縮性を実現する模式図。

b：脆化処理されたアルミニウム表面のSEM像およびEDS元素分布像。

c、d：無酸素環境下において、AlがEGaInに添加されることで、液体金属のアルミニウム表面およびPDMS表面に対する濡れ性が顕著に向上することを示す結果。

e：脆化アルミニウム薄膜における、表面から異なる深さ方向に沿ったアルミニウム、ガリウム、インジウム原子分率の分布。

f：脆化アルミニウム薄膜と未処理アルミニウム薄膜における、ひずみ印加時のシート抵抗の変化。

g：100％ひずみ下における、脆化アルミニウム薄膜と未処理アルミニウム薄膜の光学顕微鏡像。

h：UPS測定により評価した、LiF／アルミニウム二層陰極の仕事関数に対する脆化処理の影響。

i：異なるEIL／陰極二層構造を用いた電子専用デバイスにおける電子注入能力の比較。

j：脆化アルミニウム薄膜と、通常のアルミニウム、PEDOT:PSS、銀ナノワイヤ薄膜との反射スペクトルの比較。

図5：可伸縮ETLポリマー（PTG75D）と脆化アルミニウム陰極に基づく全可伸縮有機EL。

a：デバイス構造の模式図。

b：デバイスのエネルギー準位図。

c：代表的な電流密度－電圧特性および輝度－電圧特性曲線。

d：代表的な外部量子効率－電流密度特性曲線。

e：0％から80％のひずみを印加した際の代表的な有機ELデバイスの写真。

f：異なるひずみ条件下における可伸縮有機ELの正規化輝度および外部量子効率。

g：本研究の可伸縮有機ELと、これまでに報告されてきた可伸縮有機EL、量子ドットLED、ならびに発光電気化学セルとの間における、駆動開始電圧および電流効率の比較。