ソウル大学と米国ドレクセル大学の研究チームが主導した国際共同研究チームが、曲げる段階を越えて伸ばせる「フレキシブル（flexible）有機発光ダイオード（OLED）」を開発した。ウェアラブルと医療モニタリング分野への適用が見込まれる。
イ・テウ・ソウル大学教授の研究チームなどは、従来のフレキシブルOLEDの弱点とされてきた輝度の耐久性低下問題を改善したと国際学術誌「ネイチャー」に15日明らかにした。今回開発した素子は元の長さの1.6倍まで伸ばしても光を大部分維持し、複数回の屈曲や伸長条件でも性能低下の幅を抑えた。
OLEDは簡単に言えば、電気を流すと自ら発光する極めて薄いサンドイッチ構造である。電極の間に有機物（高分子）層を挟み電流を加えると、異なる電極から来た正電荷と負電荷が有機物層で出会い結合する。このとき一時的に生じるエネルギーの塊を「エキシトン」と呼び、エキシトンが安定状態へ降りる際に光を放つ過程が電気発光である。有機物の化学組成を変えれば光の色も調整できる。
問題は、OLEDを柔軟にするために層をプラスチックのような基板上に載せると、折り曲げや伸長の過程で電極や有機物層が少しずつ損傷し、その結果として輝度と効率が低下し得る点である。実際にフレキシブルOLEDが商用化された後も、時間の経過とともに画素の輝度と柔軟性が鈍化する現象が課題として残った。
ユーリー・ゴゴチ・ドレクセル大学工学部教授は「フレキシブルOLEDは大きく発展してきたが、過去10年間は透明電極層がもたらす限界のため伸縮性の改善が停滞してきた」と述べ、「今回の研究は反復的な機械的変形後にも光をどれだけ長く維持させるかという長年の課題に取り組んだ」と説明した。
研究チームはまず発光層自体の設計を改めた新たな有機発光層を開発した。同層は電荷が出会ってエキシトンを形成し光へと変わる過程を化学的により起こりやすく誘導する層である。研究チームは「回転木馬の速度を少し落とすと乗りやすくなるように、電荷がエキシトンへ合流しやすいエネルギー条件を整える」と比喩した。
その結果、従来のOLEDで一般的に用いられてきた高分子発光材料の変換効率は12〜22%水準にとどまっていたが、新たに開発した層ではエキシトンの57%以上が実際の発光に活用された。すなわち同じ電力を投入してもより多くの光を取り出せる余地が大きくなったということだ。
また研究チームは発光層の伸縮性を高めるため、熱可塑性ポリウレタン素材を基材として適用し、伸長時でも層が破断しにくいようにした。
第二に、フレキシブルOLEDの発展を阻んできた電極の問題を正面から解決した。表示面は光を出す必要があるため電極も概して透明でなければならないが、透明でありながら導電性が高く、同時にゴムのように伸びる必要があるため条件は厳しかった。
研究チームはドレクセル大学が2011年に開発したとされる二次元ナノ材料「マキシン」を活用した。マキシンは薄い層状構造を持ち、導電性に優れる特性があり次世代電極材料として注目されてきた。研究チームはマキシンに銀ナノワイヤを組み合わせ、透明でありながらよく伸びる電極を作製した。結果として電荷が通過できる連結網を形成し、電荷が途切れず発光層までより良く到達するように助けた。
続いて研究結果を総合して実装したフレキシブル緑色OLEDディスプレーの試作機を製作した。ハート形や数字表示など簡単な形状のディスプレーを作り、発光効率、伸長時の性能低下、反復使用での耐久性などを試験した。
素子は元の大きさの1.6倍まで伸ばすことができ、最大変形の60%水準で性能低下は10.6%にとどまった。2%の変形を100回反復した後でも発光効率の83%を維持し、屈曲と伸長の反復でも耐久性が保たれることを確認した。
イ教授は「新しいOLEDは外部量子効率（EQE）17.0%を達成した」と述べ、「従来のフレキシブルOLEDが約6%だが、17%ならほぼ3倍だ」と説明した。外部量子効率はOLEDの性能を語る際に最も頻繁に言及される指標の一つで、数値が高いほど同じ電力でより明るくできることを意味する。
研究チームはここからさらに進め、開発した層に発光特性を調整する4種類の添加物を加えてフルカラーフレキシブルディスプレーも実現した。そしてウェアラブルに適した単純・低電力駆動方式の「受動型駆動方式OLED」の形でもフレキシブルディスプレーを作製した。
イ教授は「今後はOLEDの寿命を延ばし、材料と電極の設計、大面積生産に向けた製造工程などを改善していく」と述べ、「よく伸びながらも輝度と効率を長く維持するフレキシブルOLEDは、皮膚に貼るディスプレー型センサーとして活用したり、フィジカルAIにも適用できるだろう」と付け加えた。
参考資料
Nature（2026）、DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09904-0