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世界初の有機材料を使った蓄光システムの開発に成功 ~レアメタル不要な新しい蓄光メカニズムを実現~

 九州大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2017年10月3日,同大学最先端有機光エレクトロニクス研究センター(OPERA)の嘉部量太 助教,安達千波矢 センター長らが,世界初の有機材料を使った蓄光システムの開発に成功したことを発表した.この有機蓄光システムは,既存の無機蓄光材料には不可欠なレアメタルを含まず,製造プロセスが簡単なだけでなく,溶媒への可溶性・透明性・柔軟性といった機能を付与できるため,塗料や繊維など新たな応用分野を含め市場が大きく広がることが期待される.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業チーム型研究ERATO「安達分子エキシトン工学プロジェクト」の一環で行われ,本成果は,国際学術誌Natureにオンライン掲載された(注).

 蓄光材料は太陽光や照明の光を蓄え,入射光を断った後に数時間発光を続けることができるため,時計の文字盤や非常誘導灯など,電力を必要としない光源として利用されている.しかし,従来の蓄光材料は全てユーロピウムなどのレアメタルを含む無機材料で構成されており,その合成には1000℃以上の高温処理が必要である.さらに,粒径制御,溶媒への分散なども必要で,工程が長くなる.このような資源的制約のあるレアメタルの使用や,複雑な合成プロセスで高価になるため,蓄光材料の用途は未だ限られている.

 嘉部量太 助教,安達千波矢センター長らは,単純な構造の2つの有機分子(電子ドナー材料と電子アクセプター材料)を混合するだけで蓄光発光が得られることを見いだした.この有機分子の混合物では,光を吸収すると電子ドナー材料で励起状態になった電子が電子アクセプター材料へ移動し,電荷分離状態が形成される.このような電荷分離状態の形成過程は有機太陽電池のメカニズムと同様である.この電荷分離状態は不安定であると考えられているが,本研究では,電子ドナー材料(1%)を電子アクセプター材料(99%)中に分散させるという手法により,安定化することに成功した.この安定化された電荷分離状態は,一定の確率で最初とは逆向きの電子アクセプター材料から電子ドナー材料への電荷の受け渡しが起こることにより,再び発光可能な状態に戻り,電荷再結合により発光する.この過程は有機ELの発光過程と同様である.その発光は,室温で1時間以上継続した.従来の光励起を活用する有機システムは励起に必要な光強度が大きく,低温でしか使えなかったが,今回の有機システムは通常のLED光の照射で励起され,100℃以上の温度でも発光を続ける.

 開発材料では,有機太陽電池のように光エネルギーを一度,電荷分離状態へと変換し,分離した電子を蓄積した後,有機ELのように電荷再結合により光エネルギーへと再変換する過程が,全て混合された2つの有機分子内で行われる.即ち,照射された光エネルギーを電子エネルギーの形で蓄積し,光照射を止めた後に長時間に渡って光エネルギーとして取り出すことができる有機蓄光材料が実現した.

 開発材料は,最適な分子設計を行うことにより,発光持続時間・発光効率の改善や発光色の制御が可能で,溶媒への可溶性,透明性,柔軟性等の無機蓄光材料にない特徴と経済性を有し,新しい用途の開拓が期待される.

(注)Ryota Kabe and Chihaya Adachi, "Organic Long Persistent Luminescence", Nature (2017), doi: 10.1038/nature24010; Published online 02 October 2017