ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）率いる研究チームは、OLED（有機発光ダイオード）ディスプレイやその他の電子機器に使用する新技術「超分子インク」を開発した。高価な希少金属の代わりに安価で地球に豊富に存在する元素で作られた超分子インクは、より手頃な価格で環境的に持続可能なフラットパネルスクリーンや電子デバイスを可能にする可能性があります。

「貴金属を地球に豊富に存在する物質に置き換えることで、超分子インク技術はOLEDにとって大きな変革をもたらす可能性がある画面」とバークレー研究所材料科学部門の主任研究員であり、カリフォルニア大学バークレー校の化学および材料科学および工学の教授であるペイドン・ヤン氏は述べた。

「さらに興味深いのは、この技術が発光芸術や彫刻だけでなく、ウェアラブルデバイスの製造用の印刷可能な有機フィルムにも応用できる可能性があることです」と同氏は付け加えた。

比較的新しいスマートフォンやフラットパネル TV をお持ちの場合は、OLED スクリーンが搭載されている可能性が高くなります。OLED は、他のフラットパネル技術に比べて軽く、薄く、消費エネルギーが少なく、画質が優れているため、ディスプレイ市場で急速に拡大しています。

それは、OLED には光を直接放射する小さな有機分子が含まれており、液晶ディスプレイ (LCD) にある追加のバックライト層が必要ないからです。ただし、OLED にはイリジウムなどの希少で高価な金属が含まれる場合があります。

しかし、バークレー研究所のチームが研究で説明した新しい物質を使用すると、雑誌に掲載されました 科学電子ディスプレイメーカーは、従来の方法よりもはるかに少ないエネルギーを必要とする、より安価な製造プロセスを採用する可能性があります。

この新しい材料は、ハフニウム (Hf) とジルコニウム (Zr) を含む粉末で構成されており、室温から摂氏約 176 度 (摂氏 80 度) までの低温で溶液中で混合して半導体「インク」を形成できます。。」

インク内の小さな分子「構成要素」構造は、溶液中で自己集合します。研究者はこのプロセスを超分子集合と呼んでいます。「私たちのアプローチは、レゴブロックを使った建築に例えることができます」と、この論文の共同筆頭著者であり、博士号を取得したチェン・ズー氏は述べた。の候補者材料科学カリフォルニア大学バークレー校でエンジニアリングを学びました。

これらの超分子構造により、材料の安定かつ高純度の合成が可能になります。低温と朱さんは説明した。彼は、バークレー研究所の材料科学部門の研究員、およびバークレー研究所とカリフォルニア大学バークレー校の Peidong Yang グループの大学院生研究員として働きながら、この材料を開発しました。

カリフォルニア大学バークレー校での分光実験により、超分子インク複合材料が非常に効率的な青色発光体であることが明らかになりました。緑色の光電子ディスプレイや 3D プリンティングにおけるエネルギー効率の高い OLED エミッターとしてのこの材料の潜在的な用途を示す 2 つの指標。

その後の光学実験により、青色と緑色を発光する超分子インク化合物が、科学者がほぼ単一の量子効率と呼ぶものを示すことが明らかになりました。「これは、発光プロセス中にほぼすべての吸収光を可視光に変換する卓越した能力を示しています」とZhu氏は説明した。

OLEDエミッターとしての材料の色調整性と発光を実証するために、研究者らは複合インクから薄膜ディスプレイのプロトタイプを作製した。興味深い結果として、彼らはこの材料がプログラム可能な電子ディスプレイに適していることを発見しました。

「アルファベットの映画は、高速スイッチングディスプレイの作成における超分子インクのような発光薄膜の応用を示す説得力のある例として機能します」とZhu氏は述べた。

カリフォルニア大学バークレー校での追加の実験では、超分子インクが装飾用OLED照明の設計などの3D印刷技術にも適合することが示されました。

Zhu氏は、メーカーは超分子インクを使用して、薄暗い環境で安全のために光るウェアラブルデバイスやハイテク衣類、あるいは超分子発光構造を通じて情報を表示するウェアラブルデバイスを製造することもできると付け加えた。

超分子インクは、コスト効率とエネルギー効率の高い半導体製造を可能にする持続可能な新しい材料を Peidong Yang 研究室が実証したもう 1 つの例です。昨年、ヤン氏と彼のチームは新たな「多元素インク「低温または室温で処理できる初の「高エントロピー」半導体。

実証された安定性と保存寿命により、超分子インク化合物は、ディスプレイ業界が数十年にわたって注目してきた薄膜太陽電池材料であるイオン性ハロゲン化物ペロブスカイトの商業的発展にも役立つ可能性がある。溶液中での低温合成により、イオン性ハロゲン化物ペロブスカイトは、ディスプレイ製造のためのより安価な製造プロセスを可能にする可能性があります。しかし、高性能ハロゲン化物ペロブスカイトには鉛という元素が含まれており、環境や公衆衛生に懸念があります。

対照的に、イオン性ハロゲン化物ペロブスカイト系に属する新しい超分子インクは、性能を損なうことなく鉛フリー配合を実現しています。

OLED薄膜や3D印刷可能なエレクトロニクスにおける超分子インクの可能性を実証することに成功したため、研究者らは現在、この材料のエレクトロルミネセンスの可能性を調査している。「これには、当社の材料が電気励起を使用してどの程度うまく発光できるかについての、集中的かつ専門的な調査が含まれます」とZhu氏は述べた。「このステップは、効率的な発光デバイスを作成するための私たちの材料の可能性を最大限に理解するために不可欠です。」

この研究の他の著者には、Jianbo Jin (共同筆頭著者)、Zhen Wang、Zhenpeng Xu、Maria C. Folgueras、Yuxin Jiang、Can B. Uzendal、Han K.D. が含まれます。Le、Feng Wang、Xiaoyu (Rayne) Zheng。