新伸縮性OLED、輝度90%以上維持しモバイル・ウェアラブル技術を前進

Andrew Corselli

Drexel大学とSeoul National Universityの研究者たちが、モバイル技術ディスプレイを改善しウェアラブル技術を可能にする有機EL（OLED）を開発。（画像：Drexel大学）

フレキシブル携帯電話、曲面モニター、テレビの背後にある有機EL（OLED）技術が、将来的には温度、血流、圧力の変化をリアルタイムで表示するオンスキンセンサを作るのに使われるかもしれません。Seoul National University（SNU、韓国）とDrexel大学の研究者たちによる国際共同研究が、この技術をその用途と多くの新しいアプリケーションへの軌道に乗せる、柔軟で伸縮可能なOLEDを開発しました。

最近Nature誌に報告された彼らの研究は、柔軟なリン光ポリマー層とMXeneナノマテリアルから作られた透明電極を統合することで既存技術を改良。その結果、元のサイズの1.6倍まで伸ばせながら、発光の大部分を維持するOLEDが実現しました。

「この研究は、フレキシブルOLED技術における長年の課題、すなわち繰り返し機械的曲げ後の発光耐久性に取り組んだものです」と、Drexel大学工学部のYury Gogotsi氏（Distinguished University and Bach Professor）は述べています。「フレキシブル発光ダイオードの進歩は大きかったものの、透明導体層の限界により伸縮性が制限され、過去10年間で進展が頭打ちになっていました。」

ここでは、Gogotsi氏への独占Tech Briefsインタビューを長さと明確さのために編集してお届けします。

Tech Briefs: エキシプレックス支援リン光（ExciPh）層の開発で直面した最大の技術的課題は何でしたか？

Gogotsi: ExciPh層はSeoul National UniversityのTae-Woo Lee教授と元博士課程Huanyu Zhou氏（現在Georgia Techポスドク）によって開発されました。Zhou氏のコメント：「我々は自問しました：なぜ剛性OLEDの最先端物理、特にエキシプレックス支援リン光を伸縮可能なフォーマットに適用できないのか？ エキシプレックスホストは優秀で、リン光ドーパントへの効率的な長距離エネルギー移動を可能にし、エネルギー損失を最小化します。しかし、これを伸縮システムに翻訳するのは容易ではありませんでした。高性能エキシプレックスホストの多くは小分子で、伸ばすと結晶化して割れます。分子が引き離されても電子的『ハンドシェイク』を維持するシステムが必要でした。我々の研究の転機は、伸縮可能なエキシプレックス支援リン光（ExciPh）システムの開発でした。固有に伸縮可能なエラストマーと特定の有機分子を慎重にブレンドすることで、200%歪みでもクラックなしで安定した膜形態を維持する発光層を作りました。」

Tech Briefs: 簡単に仕組みを説明できますか？

Gogotsi: ExciPhシステムの美しさは、エラストマー耐性トリプレットリサイクル機構にあります。典型的な伸縮性OLEDでは、ポリマーの非共役性が非放射的崩壊によるエキシトン損失を招きます。エキシプレックスホストを橋渡しとして用いることで、これらのトリプレットをリサイクルし、直接リン光ドーパントへ移動させられます。この戦略は伸縮性材料の限界を克服し、完全伸縮ディスプレイで外部量子効率（EQE）17%以上を達成可能にしました。

詳細はこちら、「Behind the Paper: Breaking the Efficiency Barrier for the Future of Wearable Displays」ストーリーをNature Research Communitiesページで。

Tech Briefs: 今後の研究/作業などの具体的計画はありますか？ なければ次のステップは？

Gogotsi: 完璧な発光層があっても、デバイスは電極ほど良くなりません。高効率には、繰り返し伸縮しても導電性と安定性を保ちながら効果的に電荷を注入する電極が必要です。ここでMXeneが極めてよく機能しました。以前のTae-Woo Leeグループとの出版物で、Drexel大学で発見された2D材料Ti₃C₂Tx MXeneが、従来OLED、ディスプレイ、太陽電池で使われる脆いインジウム錫酸化物に代わる透明導電電極を作れることを示しました。

MXeneは柔軟性と高い調整可能な仕事関数による輝度向上を提供しました。しかし伸縮性を加えるため、200%伸ばしても電気的接続を維持できる銀ナノワイヤーを追加しました。このアプローチは、太陽電池、ディスプレイ、センサ、表皮エレクトロニクスなど他のフレキシブル・伸縮デバイス作製にも利用可能です。未来のディスプレイと他のデバイスはウェアラブル、フレキシブル、さらにはエラスティックになれます。

SNUチームも、完全伸縮OLEDの17.0% EQE壁の突破は単なる出発点だと考えています。この研究は、剛性と伸縮性エレクトロニクスの「効率ギャップ」が自然法則ではなく、解決可能なエンジニアリング課題であることを示しました。Lee教授グループはこの方向での努力を継続します。

Tech Briefs: 私が触れなかったことで、追加したいことはありますか？

Gogotsi: MXeneは、化学的・構造的に多様な2D遷移金属カーバイド、ナイトライド、カーボナイトライドのファミリーで、前例のない組成と構造の多様性を提供します。化学的に調整可能な表面はMXeneの固有の特性で、表面終端を追加すると1000以上の化学量論的組成が得られます。MサイトとXサイトでの混合終端と固溶体（すでに数十報告、最大9遷移金属を含む高エントロピー2D構造含む）と合わせると、順列は無限大です。この化学的・構造的豊かさが、幅広い用途で前例のない特性調整を可能にします。与えられたMXene組成の電気伝導度は、表面終端や形態を変えることで金属的から半導体的、超伝導的まで調整可能。したがって、これらの材料はこれまで不可能だった技術を可能にします。伸縮エレクトロニクスはその一例に過ぎません。

Tech Briefs: アイデアを実現しようとする研究者へのアドバイスは？

Gogotsi: 自分を信じて、決して、決して諦めないで！