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世界初!筆で塗ると,発光分子が並ぶ 更に,3Dでメカニズムを解明 ~有機ELスマートデバイスの外光反射防止・高輝度表示に期待~

 広島大学は2020年9月28日,同大学大学院理学研究科の坂田 俊樹大学院生,同 自然科学研究支援開発センターの齋藤 健一教授らのグループが,有機EL用の高分子を溶かした溶液に筆を浸し,絵を描くように塗って乾燥することで,最大で80%以上の高分子が同じ方向に並ぶという,配向度の高い高分子膜を得ることに成功した,と発表した.本研究は,内閣府最先端・次世代研究開発支援プログラム(グリーン・イノベーション)等の支援を受け,成果はアメリカ化学会刊行のACS Applied Mate-rials and Interfaces誌で公開された(注).

 有機表示・発光材料の多くは,分子を一定方向に揃えることで機能を発揮する.液晶表示はラビングなどで配向した液晶分子を電界によって回転させ,バックライトからの偏光を遮断することで機能している.本研究は,筆で塗るという手段で緑色発光有機EL分子を高度に配向させることを見出した.筆で塗る手法(ブラッシュ-プリンティング法)による配向膜作製の報告は既にあるが,筆で塗る手法を用いた,発光高分子配向膜の作製は,世界初という.

 緑色発光する有機EL用の導電性高分子にF8BT(poly(9,9-dioctylfluorene-alt-benzothiadiazole))がある.これを溶媒に溶かしたF8BT溶液に筆を浸し,絵を描くように基板(例えばガラス板)に塗り乾燥させた.筆の掃引速度や塗膜の厚さの異なる試料を作り,顕微鏡とスペクトル測定を組みわせた顕微分光法を用いて,微小空間における発光スペクトルや,分子の指紋情報(ラマンスペクトル)の測定を行った.吸収のピークは波長~480nmにあり,488nmの励起光により~550nmの蛍光を生じる.蛍光発光の筆掃引方向に対する平行偏光と垂直偏光の比は11.3,配向度は0.74±0.06と分子の方向はよく揃っていた.筆の掃引速度は早いほど表面粗さ(Ra)は小さく,7mm/s以上でRa~5nmであった.膜厚100nm以下で高い配向度を示し,膜厚400nmではその1/4に低下する.高い配向度を得るには最適な掃引速度がある.塗ったあとのアニールの温度,時間は光学特性に影響しない.750×750画素,画素サイズ1μm2で偏光発光スペクトル(x),偏光ラマンスペクトル(y),配向膜の厚さ(z)の3次元マッピングを行い,総数500万個の膨大なデータを統計的に解析し,配向メカニズムを三次元空間で詳細に解析した.この結果,筆の掃引による剪断力で配向が進むことがわかり,筆圧が配向に重要な役割をもっている.膜厚が薄いと流体にかかる力が大きく,配向度が高くなる.また,配向により高分子のねじれ構造が軽減され,平面構造が増加する.さらに本手法で配向したF8BT膜を作り,これを用いて組み立てたOLEDで緑色偏光発光を確認している.

 今後,実験条件(筆圧,速度,溶媒,高分子,基板など)を変え,研究を展開する予定という.産地が隣接する熊野筆を用いた配向膜作製にも着手した.開発した手法は,今後の有機EL製造における基幹技術の高度化に貢献し,偏光発光フィルムの製造が,ロール・ツー・ロール法で実現することを期待している.

(注)Toshiki Sakata, Daisuke Kajiya, and Ken-ichi Saitow, "Brush Printing Creates Polarized Green Fluorescence: 3D Orientation Mapping and Stochastic Analysis of Conductive Polymer Films", ACS Ap-plied Materials and Interfaces 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c08061; Publication Date: September 28, 2020