立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (B) ]精密ロボットアーム操作を支援する 3D ディスプレイ用
回転発光 LED の開発
Development of Rotating Light-Emitting LEDs for 3D Displays toSupport Precision Robot Arm Manipulation
2201901

研究代表者

近畿大学

理工学部応用化学科

教授

今井喜胤

きれば，円偏光板を用いて半分を捨ててしまう[研 究 の 目 的]

現在の手法に比較して，理論上，その効率を 2
物質 (たとえば，右手) を鏡に映した時，そ倍にすることが可能である。の鏡像 (左手) と完全に重ね合わすことができ

CPL は，内 視 鏡 外 科 手 術 用 モ ニ タ ー や ロない性質のことをキラリティー (chirality) とボットアームによる遠隔操作用モニターとして，言う。そして，キラリティーを持った物質のこ立体的可視化が可能な三次元表示ディスプレイとをキラル (chiral) であると言う。物質の世への利活用が期待される。原子炉内の核燃料の界に存在するこの右手と左手の関係は，光の世除去作業には，ロボットアームによる遠隔操作界にも存在し，円偏光発光 (circularly pola-が有効な手段であり，この作業で奥行き感や立rized luminescence: CPL) と 呼 ば れ て い る。

体感を可視化できる大型三次元表示モニターを

CPL は，回転している光であり，左回転する用いることができれば，より正確・安全にかつ

円 偏 光 (L-CPL) と 右 回 転 す る 円 偏 光 (R-迅 速 な 作 業 が 可 能 と な る。今 回，我々 は，CPL) の 2 種類が存在し，互いに鏡写しの関係「CPL と 人 類 の 安 寧 な 暮 ら し」，に 着 目 し，にある。なお，一般の発光には，左回転・右回

CPL の奥行き感や立体感を可視化できる CPL

転 2 種類の CPL が混在している。

大型三次元表示モニターへの応用を目指す。
具体的には，本研究において，精密ロボットアーム操作を支援する 3D ディスプレイ用円偏光有機発光ダイオード (CP-OLED) の開発を目指す。
[研究の内容，成果]
1．光学活性オリゴナフタレン/Eu ハイブリッ
ド円偏光発光 (CPL) 体の開発

円偏光は，立体視が可能な 3D ディスプレイへの利用が期待されているが，現在，円偏光の軸不斉を有する光学活性オリゴナフタレン有取り出しは，円偏光板を用いて，直線偏光を円機配位子 (1-1, 1-2 および 1-3) を，発光性金偏光に変換する手法が用いられている。そこで，

属錯体 Eu(hfa) 3 に配位させることにより，光発光そのものが円偏光を帯びる CPL を利用で学活性オリゴナフタレン/Eu ハイブリッド発光― 1 ―立石科学技術振興財団

以上，用いたキラル配位子のキラル絶対配置体 (1-1/Eu, 1-2/Eu および 1-3/Eu) の作成にのみならず，キラル配位子の高分子化，Eu と成功した。の配位サイトの位置の違いによっても，CPLの回転方向を制御することに成功した。
2．円偏光発光 (CPL) 特性を有する拡張パイ電子系ペリレン発光体の開発
本研究では，発光性ユニットであるぺリレン骨格のベイポジションの π 共役を拡張した新
クロロホルム (CHCl 3) 溶液中，CPL スペク

規 光 学 活 性 ペ リ レ ン ジ イ ミ ド 発 光 体 BPP-トルを測定したところ，1-1/Eu, 1-2/Eu およ

EthyPh および BPP-Ethy の合成を試み，単び 1-3/Eu，すべてに Eu(III) 由来の赤色 CPL分子ではなく自己集合体からの CPL の発出をを発出していることを確認した。

試みた。

興味深いことに，(S)-1-1/Eu では長波長側発光体 BPP-EthyPh は，(R)体，(S)体それから −/+/− の CPL 符号 (光の回転) であっ

ぞれ 1,7-dibromo-3,4,9,10-tetracarboxylic acid

たのに対し，(S,S,S)-1-2/Eu では +/−/+ と，dianhydride を出発物質として，収率 83 %，93

同じ軸不斉の絶対配置を有する有機配位子を用%，発光体 BPP-Ethy は，(R)体，(S)体それいているにも関わらずオリゴマー化による，光ぞれ収率 98 %，62 % で合成することに成功しの回転方向の完全なる反転が観測された (Fig.

た。

1)。さらに，(S,S,S)-1-3/Eu では −/+/− と，同じ 4 量体において 1-2/Eu と 1-3/Eu で側鎖の官能基の位置の違いにより光の回転方向の完全なる反転・制御が観測された (Fig. 2)。

そ こ で，ペ リ レ ン ジ イ ミ ド 発 光 体 (S, S) Fig. 1

CPL (upper) and PL (lower) spectra of (S)-1-1/Eu(hfa) 3 vs. (S, S, S)-1-2/Eu(hfa) 3 in CHCl 3

BPP-EthyPh および (S,S)-BPP-Ethy からのCPL を PMMA-film ラッピング状態で測定した。その結果，ペリレン由来の赤色系 CPL を，極大 CPL 波長 (λ CPL) 678 nm 付近と 624 nm 付近に観測した。それぞれの異方性因子 (g CPL)
(光の回転度) は，−2.2×10 −2，+1.1×10 −3 であり，比較的強い CPL の発光に成功した (Fig.
3)。興味深いことに，(S,S)-BPP-EthyPh はFig. 2

CPL (upper) and PL (lower) spectra of (S, S, S)-12/Eu(hfa) 3 vs. (S, S, S)-1-3/Eu(hfa) 3 in CHCl 3

負 (−) の CPL を 示 し た の に 対 し，(S, S) BPP-Ethy は 正 (+) の CPL と，同 じ キ ラ リ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

ティーを有しているにも関わらず，ベイポジ因 子 (|g MCPL |) (光 の 回 転 度) 1.2×10 −2, 1.5×ションの置換基の種類による光の回転方向の完

10 −2, 9.0×10 −3, 1.0×10 −2, 2.8×10 −2, 3.2×10 −2

全な反転に成功した。

で Eu (III) 由 来 の CPL を (Fig. 4)，Tb (III)(hfa) 3 からは，極大 MCPL 波長 484, 493, 538,553, 578, 589, 616, 627 nm，異 方 性 因 子 8.4×10 −3, 7.3×10 −3, 2.5×10 −3, 1.5×10 −3, 1.0×10 −2,1.3×10 −2, 6.1×10 −3, 1.6×.10 −2で Tb(III) 由来の MCPL を (Fig. 5) 発現させることに成功した。
興味深いことに，両発光体とも印加する磁場の方向 (N → S あるいは S → N) を反転させFig. 3

CPL (upper) and PL (lower) spectra of (S, S)BPP-EthyPh (black solid) and (S, S)-BPP-Ethy(grey solid) in PMMA-film state

ることにより，CPL の回転方向も実全に反転させることに成功した。

3．外部磁場印加によるランタノイド発光体からの磁気円偏光発光 (MCPL)
発光性 Eu(III) および Tb(III) を用いた光学不活性発光性金属錯体に対して，外部磁場を印加することにより CPL の発出を試みた。
クロロホルム (CHCl 3) 溶液中，光学不活性な Eu(III)(hfa) 3, Tb(III)(hfa) 3 などの有機−
ランタノイド発光体に外部磁場を印加しつつ，

Fig. 4MCPL (upper) and PL (lower) spectra of Eu(III)(hfa) 3 in CHCl 3

Fig. 5MCPL (upper) and PL (lower) spectra of Tb(III)(hfa) 3 in CHCl 3

光励起を行い，磁気円偏光発光 (MCPL) を測定した。

その結果，光学不活性なラセミ体であるにもかかわらず，Eu(III), Tb(III) 由来の赤色およ4．外部磁場印加によるペロブスカイト量子び緑色の MCPL を発出していることを確認しドット発光体からの磁気円偏光発光た。CHCl 3 溶液中で最も強い発光強度が得ら(MCPL)

れ，Eu (III) (hfa) 3 か ら は，極 大 MCPL 波 長上 記 3．
で は，Eu (III) (hfa) 3 あ る い は Tb

(λ MCPL) 588, 598, 612, 622, 692, 706 nm，異方性(III)(hfa) 3 などの光学不活性なランタノイド― 3 ―立石科学技術振興財団

発光体に外部磁場を印加することにより，Eu立体的なキラリティーを導入する手法では，キ(III) または Tb(III) 由来の MCPL の発現にラリティーの導入が困難であり，外部磁場を印成 功 し た。さ ら に，Eu (III) お よ び Tb (III)加するという本手法は，新たな CPL 発光の手を含んだ光学不活性な無機発光体に対しても固法として興味深い。

体状態において外部磁場を印加することによりMCPL の発現に成功している。

5．イリジウム系円偏光有機発光ダイオード

そ こ で，光 学 不 活 性 な ペ ロ ブ ス カ イ ト 量(MCP-OLED) の開発

子 ド ッ ト，CH 5 N 2 PbBr 3 (PQVD-1) お よ び

2 種類の光学不活性な有機−無機イリジウム

CsPbBr 3 (PQVD-2) を 用 い て，ト ル エ ン(Ir)発光体 Ir(ppy) 3 と Ir(dFppy) 2pic を用い，(toluene) 溶液中，外部磁場を印加しつつ，光CPL を 発 す る 円 偏 光 有 機 発 光 ダ イ オ ー ド励起を行い，MCPL の取り出しについて検討(MCP-OLED) の作成を行った。

した。

上記 1．
〜4．
では，光を照射することにより光励起させ，CPL を発出させていた。本章では，電圧を印加させることにより，円偏光電界発光 (circularly polarized electroluminescence:CPEL) の取り出しを試みた。

Fig. 6 Photographs of photoluminescence from (a) PVQD1 and (b) PVQD-2 in toluene upon excitation at 365
nm at room temperature

その結果，光学不活性なペロブスカイト量子
ド ッ ト PQVD-1 お よ び PQVD-2 か ら，極 大基盤としてアノードには ITO，その上に電MCPL 波長(λ MCPL)537 および 514 nm，異方性および子注入層，エレクトロンブロッキング層，ホーの 明 確 な MCPL の 発 出 に 成 功 し た

ルブロッキング層，電子輸送層，電子注入層，因 子 (光 の 回 転 度) (|g MCPL |) 5.6×10
5.2×10−3−3

カソードには Al を使用した。発光層には Ir(Figs. 6 and 7)。

(ppy) 3 と Ir(dFppy) 2pic を真空蒸着法により導入した。そしてこれらをガラス基板で挟み込むことにより MCP-OLED を作成した。ここに電圧と磁場を印加することにより，MCPELの発現を試みた。

Fig. 7MCPL (upper) and PL (lower) spectra of PVQD-1(black line) and PVQD-2 (gray line) in toluene

ペロブスカイト量子ドット発光体は，従来の― 4 ―その結果，それぞれ，緑色と青色の電界発光

Tateisi Science and Technology Foundation(EL) を確認し，得られた MCP-OLED の輝度を測定したところ，約 7 V でそれぞれ 5780 お
よび 3470 (cd m ) と低電圧での高輝度の発−2現に成功した。

[成果の発表，論文など]
・Mirror-image magnetic circularly polarized luminescence (MCPL) from optically inactive Eu III and

磁気 CPEL (MCPEL) 測定を行ったところ，
MCP-OLED からは，515, 559 nm でモノマー
MCPEL を 異 方 性 因 子 (|g MCPEL |) 0.8×10 −3,0.5×10 −3 で発出させることに成功した (Fig.

Tb III tris (β-diketonate). Yoshikawa, H.; Nakajima,G.; Mimura, Y.; Kimoto, T.; Kondo, S.; Suzuki, A.;
Fujiki, M.; Imai, Y. Dalton Trans., 2020, 49, 95889594. (Cover Picture)・Sign Control of Circularly Polarized Luminescence by
Substituent Domino Effect in Binaphthyl-Eu (III)8)。

Organometallic Luminophores, Kaji, D.; Kitayama,M.; Hara, N.; Yoshida, K.; Wakabayashi, S.; Shizuma,M.; Tsuabaki, K.; Imai, Y., J.Photochem.Photobiol.,C., 2020, 397, 112490-112495.
・Circularly polarized luminescence from π-conjugatedchiral perylene diimide luminophores: The bay
position effect. Kitahara, M.; Mishima, K.; Hara, N.;
Shizuma, M.; Kanesaka, A.; Nishikawa, H.; Imai, Y.
Asian J. Org. Chem., 2021, 10, 2969-2974. (CoverPicture)・External

Magnetic

CircularlyFig. 8 MCPEL (upper) and EL (lower) spectra of Ir(ppy) 3(black lines) and Ir(dFppy) 2pic (grey lines)

興味深いことに，同一の MCP-OLED におPolarized

Fujiki, M.; Imai, Y., ChemPhotoChem., 2022, 6,の回転方向を完全に反転させることに成功した。

た。
[謝辞]

本研究を実施するにあたり，多大なる御支援を頂きました立石科学技術振興財団に厚く御礼申し上げます。

― 5 ―

from

Morimoto, A.; Matsudaira, K.; Suzuki, S.; Yagi, S.;e202100253.

および青色の MCPEL の発現に初めて成功しElectroluminescence

Cyclometalated Iridium (III) Complexes. Hara, K.;・ Mirror-Image

特性の発現に成功し，MCP-OLED からの緑色

Ambidextrous

Organic Light-Emitting Diodes Containing Racemic

いて，外部磁場を反転させたところ，MCPEL
以上，2 つの発光ダイオードからの MCPEL

Field-Driven

Magnetic

Circularly+Luminescence from Perovskite (M PbPolarized
2+Br 3, M ++=Cs and amidinium) Quantum Dots. Amasaki, R.;
Kitahara, M.; Kimoto, T.; Fujiki, M.; Imai, Y., Eur. J.
Inorg. Chem., 2022, e202101066.