一款用于色純度超過量子點(diǎn)和LED的有機(jī)顯示屏的藍(lán)色發(fā)光材料

現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，讓越來越多的LED種類出現(xiàn)在社會生活中，但是，科研人員也一直在不斷研究，關(guān)西學(xué)院大學(xué)的畠田琢次教授和JNC株式會社的子公司--JNC石油化學(xué)株式會社的合作研發(fā)小組成功開發(fā)了一款用于色純度超過量子點(diǎn)和LED的有機(jī)顯示屏的藍(lán)色發(fā)光材料。

有機(jī)EL(OLED)顯示屏作為代替液晶顯示屏的新型顯示技術(shù)，其實(shí)用化正逐步被推進(jìn)。但是，有機(jī)發(fā)光材料具有發(fā)光的色純度低(發(fā)光光譜較寬)的缺點(diǎn)。需要開發(fā)出具有色純度和發(fā)光效率都極佳的OLED顯示屏發(fā)光材料;靈活運(yùn)用氮和硼的特性，成功研發(fā)出了色純度超過氮化鎵(Gallium)系列LED和鎘(Cadmium)系列量子點(diǎn)的有機(jī)系列藍(lán)色發(fā)光材料(ν-DABNA)。有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍(lán)光的降低等。

如果色純度較低，應(yīng)用于顯示屏?xí)r，就需要利用光學(xué)過濾器(Filter)從發(fā)光光譜(Spectre)中除去不必要的顏色，提高色純度，結(jié)果就會導(dǎo)致顯示屏的亮度、發(fā)光效率大幅度降低。另外，通過濾光片提高色純度仍是有限的，因此，存在難以提高顯示屏色域的問題，需要開發(fā)出一款色純度較高的發(fā)光材料。

畠田教授及其研發(fā)小組在發(fā)光分子的合適位置導(dǎo)入2個(gè)硼、4個(gè)氮，再加上共振效果的作用，成功控制了導(dǎo)致發(fā)光光譜較寬的原因--即伸縮震動(dòng)，并成功研發(fā)出了色純度超過氮化鎵(Gallium)系列LED和鎘(Cadmium)系列量子點(diǎn)的有機(jī)系列藍(lán)色發(fā)光材料(v- DABNA)。研發(fā)小組在2016年成功研發(fā)了DABNA，也就是ν- DABNA的原型(Prototype)，并成功應(yīng)用于高端智能手機(jī)的有機(jī)EL顯示屏上。此次開發(fā)的ν- DABNA的色純度、發(fā)光功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過DABNA，有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍(lán)光的降低等。此次研發(fā)成果于2019年7月15日(英國時(shí)間)公開于英國科學(xué)雜志《Nature Photonics》的網(wǎng)上速報(bào)版。

研究背景及過程：

與液晶顯示屏相比，有機(jī)EL(OLED)顯示屏具有優(yōu)秀的對比(Contrast)度、無視角限制、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢，在智能手機(jī)、電視、工業(yè)顯示屏方面有廣泛的應(yīng)用。作為用于有機(jī)EL顯示屏的發(fā)光材料，熒光材料、磷光材料、熱活性化延遲熒光(TADF)材料這3種材料可以作為有機(jī)系列發(fā)光材料來使用，然而都存在半峰全寬(Full Width at Half Maxima)較大、色純度較低的問題。

一般情況下，顯示屏的發(fā)光是通過混合光的三種原色紅、綠、藍(lán)來顯示各種各樣的顏色，如果其色純度較低的話，就有可能出現(xiàn)無法再現(xiàn)顏色的問題，顯示屏的畫質(zhì)(顏色再現(xiàn)性)也會降低。市場上銷售的有機(jī)EL顯示屏一般是通過光學(xué)過濾器(Filter)把不需要的光從發(fā)光光譜中除去，提高色純度(也就是降低光譜的寬度)后再使用。此時(shí)，如果原始光譜的寬度較寬的話，被除去的光的比例也會增加，就會出現(xiàn)顯示屏亮度、發(fā)光效率大幅度降低的問題。而且，通過濾光片提高的色純度是有限的，因此也存在難以提高顯示屏色域的問題，所以亟待開發(fā)出一款色純度較高的發(fā)光材料。此外，在此背景下，作為代替有機(jī)EL的技術(shù)，采用了氮化鎵(Gallium)系列發(fā)光二極管(Diode)(LED)的micro-LED、采用了鎘(Cadmium)系列量子點(diǎn)的QD-OLED的研發(fā)正在如火如荼地進(jìn)行著。

研究內(nèi)容：

畠田教授及其研究小組開發(fā)了一款色純度極高的有機(jī)系列藍(lán)色發(fā)光材料(v-DABNA)(參考下圖 右)。迄今為止，作為有機(jī)EL的藍(lán)色發(fā)光材料，一直采用的是發(fā)光效率高的多環(huán)式芳香族碳?xì)浠衔?Hydrocarbon)類的嵌二萘(Pyrene)、二萘嵌苯(Perylene)的誘導(dǎo)體，但是帶來了半峰全寬(Full Width at Half Maxima)為40nm左右的發(fā)光光譜的問題(參考下圖 左)，其原因在于HOMO、LUMO分別主要存在于不同的碳原子之間，伴隨著發(fā)光，從激發(fā)單重態(tài)(Singlet)(S1)到基態(tài)(Ground State)(S0)遷移時(shí)(S1→S0遷移，相當(dāng)于從LUMO到HOMO的電子遷移)時(shí)，碳原子之間的電子密度變化極大。由于S1→S0的遷移，碳原子之間的密度變大的話，碳原子之間的活動(dòng)力也會發(fā)生變化，雖然也會伴隨著碳-碳結(jié)合的伸縮震動(dòng)，根據(jù)其震動(dòng)的能量(Energy)(1300-1700cm-1)，發(fā)光光譜的寬度增加。另一方面，關(guān)于v-DABNA，由于硼和氮的的多重共振效果，HOMO和LUMO分別局部分布于不同的碳原子上，由于幾乎不存在因S1→S0遷移而產(chǎn)生的碳原子之間的電子密度的變化，所以也沒有伸縮震動(dòng)(參考右圖)。S1→S0的遷移雖然會產(chǎn)生分子整體的扭曲(扭轉(zhuǎn))震動(dòng)，但由于其震動(dòng)的能量(Energy)極其微小(~20cm-1)，所以顯示了半峰全寬為14-18nm的極其窄的發(fā)光光譜。另外，v-DABNA具有優(yōu)秀的TADF特點(diǎn)，在實(shí)用輝度(300cdm-2)方面，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的藍(lán)色粒子的外部量子發(fā)光效率的30%。

今后方向：

此次研發(fā)的v-DABNA兼具超過氮化鎵系列LED和鎘(Cadmium)系列量子點(diǎn)的色純度、最高水準(zhǔn)的功率，為此，有望實(shí)現(xiàn)有機(jī)EL顯示屏的高色域化、高輝度化、低功耗化、藍(lán)光的降低。此外，關(guān)于市場上銷售的顯示屏，如何提高藍(lán)色發(fā)光素子的性能是其“瓶頸(Bottle Neck)”。為此，通過合理優(yōu)化素子構(gòu)造、生產(chǎn)工藝，有望今后可以降低顯示屏的成本。通過此次研究確立的分子設(shè)計(jì)，今后也會開發(fā)出更多具有優(yōu)秀特性的發(fā)光材料。

相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光材料會以更加鏈家高效地方式出現(xiàn)在人類的生活中，造福人類的生活。