事業成果

近年、大型テレビやPCモニター、スマートフォンなどのディスプレーに有機EL（OLED）を採用する動きが急速に進んでいる。現在普及しているのは第一世代や第二世代の有機EL材料で、発光原理の違いによって「蛍光材料」と「りん光材料」に分かれる。しかし、発光効率の向上や長寿命化といった課題を抱えている。それに対し、ERATO「安達分子エキシトン工学プロジェクト」の研究総括である安達千波矢教授は、「熱活性化遅延蛍光（TADF）」という新たな発光原理に着目。第三世代の有機EL材料として、巧みな分子構造設計によって、貴金属を含有せずともEL発光量子効率がほぼ100％に達するTADF材料の開発に世界で初めて成功した。ERATOではこの成果を核とした「エキシトン工学」を提唱し、TADF材料を応用展開した有機蓄光材料やペロブスカイト発光体の基盤技術を開拓し、さらに、世界初の有機薄膜半導体レーザーの発振に成功している。これまでに科学雑誌「Nature」や「Science Advances」で成果を発表し、現在、有機エレクトロニクスや光化学の研究分野で国際的に注目されている。さらに、安達教授はERATO期間中にベンチャー企業を2社設立し、技術移転も進めている。

安達教授が取り組んでいるTADF材料の鍵となるのが、エキシトン（励起子）である。通常、有機EL材料に光を当てると、材料中の分子はエネルギーが最も低い基底状態からエネルギーの高い励起状態に遷移する。このとき、分子をとりまく電子は基底状態の軌道から別の軌道に移り、電子が抜けた軌道にはプラスの電荷をもつ正孔ができる。半導体では、励起した電子と正孔のペアがクーロン力で結びついた状態となる。これをエキシトンという。励起状態は有機化合物にとって不安定なため、基底状態に戻ろうとする。このとき、励起状態と基底状態のエネルギー差が光として放出されることで発光する。安達教授はこのエキシトンの原理や特性を深く理解し、自在に制御することで、新たな有機EL材料を生み出せないかと考えた。その中で注目したのが、TADFという発光原理だった。

TADFとは、図2のように三重項状態T₁になったエキシトンが熱によって一重項状態S₁に遷移したあとに発光する現象のことだ。安達教授はこの状態をうまく作ることができれば、蛍光材料の発光効率を、りん光材料のように、ほぼ100％まで高めることができると考え、TADF材料の研究開発に着手。そして、量子化学計算により、TADFが起こりやすい有機化合物はS₁とT₁のエネルギー差ができるだけ小さいものであるということを割り出した。また、そのためには、分子の軌道のうち、基底状態の電子軌道（HOMO）と励起状態の電子軌道（LUMO）の重なりを小さくすればよいことに気付いた。この原理に基づき、安達教授は300種類もの有機化合物を合成し分析。その結果、2012年には、S₁とT₁のエネルギー差がほぼゼロ、すなわち発光効率ほぼ100％のTADF材料を探り当てることに成功した。それは、「ジシアノベンゼン誘導体」と呼ばれる化合物群で、この発見により、低コストで高い発光効率を示す新たな有機EL材料が誕生した。

2013年に始まったERATOでは、安達教授は「エキシトン工学」を提唱し、エキシトンの基礎原理の確立とTADF材料を中心とする新たな有機EL材料や高性能デバイスの創製に取り組んだ。その結果、TADFの派生技術として有機蓄光材料やペロブスカイト発光材料の基盤技術の開拓、さらには、新たな有機EL材料を使った世界初の有機薄膜半導体レーザーの電流励起に成功した。

現在、既存の半導体レーザーは無機薄膜レーザーだが、新たに開発した有機薄膜半導体レーザーは、それとは異なり、可視光から赤外光まで広範囲の波長を任意に発振できるという特徴をもつ。このため、光通信やセンシング、ディスプレーへの応用が期待されている。当初は紫外線による光励起型だったのに対し、2019年5月には、実用化の必須条件である電流励起型を実現させた。

また、2017年10月、グループリーダーの嘉部量太九州大学最先端有機光エレクトロニクス研究センター助教（現 沖縄科学技術大学院大学准教授）を中心に、世界で初めて有機材料を使った蓄光材料の開発に成功した。既存の蓄光材料はすべて無機材料でユーロピウムなどのレアメタルが使われている。合成にも1000℃以上の高温処理が必要など製造コストがかさむため、用途が限られている。それに対し、嘉部助教が開発した蓄光材料はレアメタルを一切含まず、溶媒に簡単に溶けるため、さまざまな基板材料に塗布して使うことができるのが特徴だ。作り方も簡単で、電子のドナー材料とアクセプター材料を混ぜ合わせるだけでできるため、早期実用化が期待されている。

一方、2019年7月には松島敏則九州大学最先端有機光エレクトロニクス研究センター准教授を中心に、厚膜金属ハライドペロブスカイト層をキャリア輸送層とした発光ダイオード（LED）の開発に成功した。従来のOLEDは、発光体に電気を流すために100ナノメートル程の薄膜を均一かつ広範囲に形成する必要があるが、松島准教授らは10倍以上厚い膜で優れた発光効率、駆動電圧、耐久性が得られる有機EL材料を開発した。これにより、高性能な次世代ディスプレーの開発への道が切り拓かれた。

一方、安達教授は2015年3月、九州大学発ベンチャー企業の株式会社Kyulux（キューラックス、福岡市）を設立。2016年と2018年には、JSTの出資型新事業創出支援プログラム（SUCCESS）から出資を受けたほか、2017年にはA-STEPのNexTEP-Bタイプにも採択された。現在は、大学でTADF材料に関する基礎研究を進め、Kyuluxで実用化を進めている。また、有機薄膜半導体レーザーに関しては、2019年3月に新たに九州大学発ベンチャー企業の株式会社KOALA Techを設立。同社が中心となり、実用化を進めていく計画だ。