地球環境研究助成03-04

地球環境にやさしい省エネルギー型食物増産用LEDの開発

代表研究者 近畿大学・教授 今井　喜胤

【 研究目的 】

光には右回転と左回転の2種類の回転する光、すなわち円偏光発光（CPL）が存在する。現在、CPLを取り出す方法としては、偏光板を使用する手法が一般的であるが、この方法は効率の点で劣る。そこで、CPLを直接発する円偏光有機発光ダイオード（CP-OLED）などを用いれば、従来の方法に比べ、理論上そのエネルギー効率を2倍に向上させることが可能である。一方、CPLは植物の成長を促進あるいは抑制するとされており、これを食の安全と安定供給を目指した水耕栽培に応用することで、より高い生産性が期待できる。 　この背景を踏まえ、本研究では、地球環境に優しく、回転する光であるCPLを高効率で発するCPL色素や、外部磁場によってCPLを高効率で発する磁気円偏光発光（MCPL）色素を開発する。これらの色素を用いたデバイスによって、CP-OLEDの作成を進め、さらにCPLを活用した新しい食物増産システムの構築を目指す。

【 研究方法 】

芳香族を基本骨格とし、光学活性置換基および拡張π電子系置換基を導入することで、光学活性拡張π電子系有機発光体および磁気応答拡張π電子系有機発光体を合成する。さらに、適用範囲を広げ、有機―無機ハイブリッド発光体やペロブスカイト発光体もターゲットとする。これらの発光体を高分子マトリックス中にドープし、円偏光閉込/増幅効果によるCPL増幅フィルムを作製する。その際、最適なキラル空間配置を誘起し、大きなCPL物性（光の回転）を実現することを目指す。最後に、CPL増幅フィルムなどを積層させることで、CP-OLEDを開発し、植物の成長評価を行う。

ページトップへ 【 研究成果 】

地球環境に優しく、回転する光である円偏光（CPL）を高効率で発するCPL色素、および外部磁場によってCPLを高効率で発する磁気円偏光発光（MCPL）色素の開発に成功した。これらの色素をLEDデバイスの発光層に組み込むことにより、円偏光有機発光ダイオード（CP-OLED）、磁気円偏光有機発光ダイオード（MCP-OLED）、磁気円偏光ペロブスカイト発光ダイオード（CP-PeLED）の作成に成功した。さらに、CPLを用いた植物の成長速度の差異を検討したところ、左右のCPLによって成長速度に有意な差が生じることを確認した。

ページトップへ 【 まとめ 】

本研究助成により、地球環境に優しく、回転する光である円偏光（CPL）を簡便に取り出す手法を開拓した。さらに、CPLにより、左右のCPLによって成長速度に有意な差が生じることを確認した。これは、エネルギー効率の向上により、化石燃料依存の軽減を実現でき、地球温暖化防止へ大きく貢献できある。

ページトップへ 【 地球環境保全・温暖化防止への貢献 】

本研究課題の省エネルギー型食物増産用LEDの開発は、地球温暖化対策に大きく貢献する技術である。円偏光発光(CPL)技術を用いたLEDは、特定の光を効率的に植物に照射し、成長を促進することで、より少ないエネルギーで高い生産性を達成できる。結果として、地球温暖化の抑制に寄与できる。 　また、開発した円偏光有機発光ダイオード(CP-OLED)、磁気円偏光有機発光ダイオード(MCP-OLED)、磁気円偏光ペロブスカイト発光ダイオード(MCP-PeLED)は、円偏光フィルターを必要とせず、従来の照明技術と比較して消費電力が大幅に低いため、エネルギー効率の向上により、化石燃料依存の軽減を実現できる。

ページトップへ 【 主な成果発表 】

(1) Magnetic Circularly Polarized Luminescence in the Photoexcited States of Racemic [n]Helicenes (n = 3-5,7) in Tetrahydrofuran and Dimethyl Sulfoxide Solutions. Toda, H.; Otaki, S.; Ito, A.; Miyasaka, M.; Fujiki, M.; Imai, Y., ChemPhysChem, 2021, 22, 2058-2062. (2) Red-Green-Blue-Yellow (RGBY) Magnetic Circularly Polarised Luminescence (MCPL) from Optically Inactive Phosphorescent Ir(III) Complexes. Kitahara, M.; Suzuki, S.; Matsudaira, K.; Yagi, S.; Fujiki, M.; Imai, Y. ChemistrySelect. 2021, 6, 11182-11187. (3) External Magnetic Field-Driven Ambidextrous Circularly Polarized Electroluminescence from Organic Light-Emitting Diodes Containing Racemic Cyclometalated Iridium(III) Complexes. Hara, K.; Morimoto, A.; Matsudaira, K.; Suzuki, S.; Yagi, S.; Fujiki, M.; Imai, Y., ChemPhotoChem., 2022, 6, e202100253. (4) Mirror-Image Magnetic Circularly Polarized Luminescence from Perovskite (M+Pb2+Br3, M+ = Cs+ and amidinium) Quantum Dots. Amasaki, R.; Kitahara, M.; Kimoto, T.; Fujiki, M.; Imai, Y., Eur. J. Inorg. Chem., 2022, e202101066. (5) Circularly polarized luminescent bis(boron difluoride) complexes with chiral Schiff-base ligands, Ikeshita, M.; Oka, T.; Kitahara, M.; Imai, Y.; Tsuno, T., ChemPhotoChem., 2023, 7, e202200318. (6) Magnetically induced near-infrared circularly polarized electroluminescence from an achiral perovskite light-emitting diode, Imai, Y.; Amasaki, R.; Yanagibashi, Y.; Suzuki, S.; Shikura, R.; Yagi, S. Magnetochemistry 2024, 10, 39. (7) External Magnetic Field-Driven Circularly Polarized Luminescence and Circularly Polarized Electroluminescence from Optically Inactive Magnesium Phthalocyanine Luminophore. Suzuki, S.; Suzuki, D.; Suzuki, S.; Shikura, R.; Yamamoto, Y.; Yagi, S. Imai, Y. ChemLett., 2024, 53, apae063.