はじめに
私たちの身の回りには、スマホやテレビのディスプレイ、有機EL照明、LEDライトなど
「光るデバイス」があふれています。これらの性能を高めるには、
- どれだけ明るく光るか（効率）
- どれだけ長く壊れずに使えるか（安定性）
- どれだけ環境にやさしいか
が重要です。
ここでは、「シクロデキストリン（Cyclodextrin, CD）」という、
デンプン由来の“ドーナツ型”分子を活用した クラシックな3つの研究を取り上げます。
- 有機非線形光学膜で、高耐熱・高効率の発光を実現した研究（Tian ら）
- 室内光用有機太陽電池で、CD高分子により電極を改良した研究（Kim ら）
- CD 修飾カーボンナノチューブと LED 誘起蛍光検出を組み合わせた分析法（Xu ら）
いずれも、直接の OLED 素子そのものではありませんが、
「CD × 有機／ナノ材料 × 光」という視点から、有機ELを含む光デバイス設計に通じる内容です。
1. DAST@シクロデキストリン膜で高耐熱・高効率に光らせる
Tian et al., Nature Communications 14, 4429 (2023)
どんな研究？
有機材料からなる「光る膜」は、有機ELやバイオイメージング用の光源として期待されていますが、
- 発光効率があまり高くない
- 熱や極性溶媒に弱い
という課題があります。
Tian らは、強く光る有機色素 DAST を
シクロデキストリンの穴の中に包み込んだホスト–ゲスト超分子複合体として利用し、
それを大面積の有機膜にしました。
主なポイント
- DAST@CD 膜は、発光量子収率 73.5% と非常に高い発光効率を示します。
- 300 ℃ に加熱してもオレンジ色の発光を保ち、高い耐熱性を持ちます。
- 極性環境でも非線形光学特性が維持され、熱・溶媒に強い有機光材料といえます。
- 多光子吸収特性を生かし、波長 1000 nm の近赤外光で励起して大腸菌の in vivo イメージングに成功しています。
OLED とのつながり
有機EL素子の発光層では、分子が集まりすぎて光が消えてしまう
「アグリゲーション消光」が問題になることがあります。
- シクロデキストリンで発光分子を“カプセル化”することで、
分子の並び方を制御し、明るさと耐久性を両立できることを示した点が重要です。 - 高温でも光り続ける DAST@CD 膜のコンセプトは、
高温動作が必要な有機EL照明パネルやセンサーにもつながります。
2. CD高分子でITO電極の仕事関数を調整し、室内光太陽電池を高効率化
Kim et al., Journal of Materials Research and Technology 16, 1659–1666 (2022)
どんな研究？
LED照明のような室内光は、太陽光に比べて非常に弱い光です。
この弱い光から電気を取り出す 室内光用有機太陽電池（Indoor OPV） は、
IoT センサーなどの電源として期待されていますが、微妙な界面特性が性能を大きく左右します。
Kim らは、透明電極の ITO の表面に
β-シクロデキストリンと polyacryloyl hydrazide からなる高分子（CD-PAH） を薄く塗布し、
電極のエネルギー準位を調整しました。
主なポイント
- CD-PAH を塗布することで、ITO の仕事関数が 4.5 eV → 4.1 eV に低下します。
- その結果、ITO と有機活性層とのエネルギー準位整合が改善し、電子の取り出しがスムーズになります。
- 逆構造 P3HT:ICBA 型 OPV の平均変換効率 PCE は、
- 1 sun 下：1.2 ± 0.1% → 3.5 ± 0.1%
- LED 室内光下：2.4 ± 0.2% → 8.1 ± 0.4%
と大幅に向上しました。 - 処理後の ITO は高い透過率と平滑な表面を保っており、光の取り込みを妨げません。
OLED とのつながり
- 有機ELでも ITO は重要な電極であり、その仕事関数を調整して電荷注入を最適化することが鍵です。
- CD-PAH のような CD 含有高分子で ITO をやさしく改質する手法は、
有機ELにおいても 駆動電圧低減・効率向上・寿命改善に応用できると考えられます。
3. poly-β-CD 包接カーボンナノチューブと LED 誘起蛍光検出
Xu et al., Electrophoresis 37, 1891–1901 (2016)
どんな研究？
3 本目は分析化学の研究ですが、
CD でナノ材料を修飾し、LED 光で蛍光を読むという点で光デバイスにつながる内容です。
Xu らは、poly-β-シクロデキストリンで包んだマルチウォールカーボンナノチューブを
ソルベント（吸着剤）として用い、蜂蜜中のフラボノイドを抽出・濃縮する
分散型マイクロ固相抽出（dispersive micro-SPE）法を開発しました。
主なポイント
- poly-β-CD 修飾 CNT を用いることで、フラボノイドを効率よく捕まえる吸着剤が得られます。
- 吸着剤量はわずか 0.009 mg、有機溶媒は 100 μL と、ごく少量で高感度な分析が可能です。
- 濃縮倍率（enrichment factor）は 78〜166 と高く、微量成分の検出に適しています。
- 抽出後の分析には、キャピラリー電気泳動（CE）と LED 誘起蛍光検出が用いられています。
OLED とのつながり
- poly-β-CD で CNT 表面を機能化する手法は、
有機ELの電極材料や配線材料に CNT を用いる際の分散・界面制御にも応用可能です。 - LED を光源とする高感度蛍光検出は、小型・低コストな光センサーの設計という意味で
有機EL・LED デバイスと親和性が高い技術です。 - この研究は、「CD でナノ材料の表面を制御し、LED で光として読み出す」という
光・ナノ・CD をつなぐ典型例といえます。
日本語まとめ
この 3 本のクラシック研究から見えてくるのは、
- シクロデキストリンは、
- 発光分子を包み込んで明るさと耐久性を高め、
- 電極表面をやさしく改質してエネルギー準位を整え、
- ナノ材料を機能化して光検出・分析性能を高める、
- つまり、「光る材料」「電極」「センサー」をつなぐ“接着剤”のような役割を果たす
ということです。
有機ELをはじめとする有機光デバイスの研究において、
CD × 有機・ナノ材料 × LED/OLEDという組み合わせは、
今後も長く使われ続ける基本コンセプトと言えるでしょう。
Cyclodextrins in Organic Optoelectronics: Three Classic Studies (English)
Introduction
Cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides with a cavity-like structure.
They can host organic molecules or interact with nanomaterials, and are widely used in food and pharmaceuticals.
Here we highlight three classic studies showing how CDs contribute to:
- Durable, highly efficient organic luminescent membranes
- Work-function-tuned electrodes for indoor organic photovoltaics
- LED-induced fluorescence analysis using CD-functionalized carbon nanotubes
Although not OLED devices per se, these works provide important concepts for
organic light-emitting devices and optical sensors.
1. DAST@CD membranes for thermotolerant luminescence
Tian et al., Nature Communications 14, 4429 (2023)
Organic nonlinear optical materials are attractive for lighting and bioimaging,
but often have low photoluminescence quantum yields and poor stability.
Tian et al. prepare large-area, flexible membranes composed of a
DAST@cyclodextrin host–guest supramolecular complex.
- The membranes exhibit a record-high PLQY of 73.5%.
- They keep emitting orange light even at 300 °C, showing outstanding thermal stability.
- Nonlinear optical properties are retained in polar environments.
- Supramolecular assemblies with multiphoton absorption enable in vivo real-time imaging of E. coli
under 1000 nm excitation.
Implication for OLEDs:
CD-based host–guest design can suppress aggregation-caused quenching and improve both brightness and stability,
which is directly relevant to robust OLED emitting layers.
2. CD-PAH modified ITO for indoor organic photovoltaics
Kim et al., J. Mater. Res. Technol. 16, 1659–1666 (2022)
Indoor organic photovoltaics (OPVs) aim to harvest weak indoor lighting to power IoT devices.
Under such low light, precise energy-level alignment at the electrodes becomes critical.
Kim et al. modify indium tin oxide (ITO) with a water-soluble
β-cyclodextrin-polyacryloyl hydrazide (CD-PAH) layer.
- Abundant amine groups induce a vacuum-level shift, lowering the ITO work function from 4.5 eV to 4.1 eV.
- Energy alignment between ITO and the active layer is improved.
- For inverted P3HT:ICBA OPVs, the average PCE increases from
- 1.2 ± 0.1% to 3.5 ± 0.1% under 1 sun, and
- 2.4 ± 0.2% to 8.1 ± 0.4% under LED illumination.
- The modified ITO preserves high transmittance and smooth surface morphology.
Implication for OLEDs:
Similar CD-containing interlayers can be used to tune the work function of ITO in OLEDs,
potentially reducing driving voltage and enhancing efficiency and lifetime.
3. Poly-β-CD wrapped CNTs and LED-induced fluorescence detection
Xu et al., Electrophoresis 37, 1891–1901 (2016)
Xu et al. report a dispersive micro-solid-phase extraction method using
poly-β-cyclodextrin wrapped multiwalled carbon nanotubes as sorbents to extract flavonoids from honey.
- Only 0.009 mg of sorbent and 100 μL of organic solvent are required.
- Enrichment factors range from 78 to 166, with recoveries above 91%.
- The analytes are determined by capillary electrophoresis with LED-induced fluorescence detection.
- The method is simple, sensitive, and consistent with green chemistry principles.
Implication for OLEDs and sensors:
- CD-functionalized CNTs illustrate how CD can control nanomaterial surfaces,
which is relevant for conductive fillers or electrodes in OLEDs. - LED-induced fluorescence detection demonstrates how compact, low-cost light sources
can be integrated into high-sensitivity optical systems.
Overall Take-home Message (English)
Across these three classic studies, cyclodextrins emerge as versatile molecular tools to:
- stabilize and brighten organic luminescent materials,
- tune electrode work functions and interfacial energetics, and
- functionalize nanomaterials for LED-based sensing and analysis.
For OLED and related organic photonic devices,
CD-based strategies provide powerful ideas for designing bright, durable, and sustainable light sources and sensors.
References
- Tian, T.; Fang, Y. X.; Wang, W. H.; Yang, M. F.; Tan, Y.; Xu, C.; Zhang, S.; Chen, Y. X.; Xu, M. Y.; Cai, B.; Wu, W.-Q.,
“Durable organic nonlinear optical membranes for thermotolerant lightings and in vivo bioimaging”,
Nature Communications 14, 4429 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40168-2. - Kim, S. H.; Park, C. H.; Saeed, M. A.; Ko, D.-H.; Lee, J.-H.; Shim, J. W.,
“β-cyclodextrin-polyacryloyl hydrazide-based surface modification for efficient electron-collecting electrodes of indoor organic photovoltaics”,
Journal of Materials Research and Technology 16, 1659–1666 (2022). DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.12.086. - Xu, J.-J.; An, M.-R.; Yang, R.; Cao, J.; Ye, L.-H.; Peng, L.-Q.,
“Trace amounts of poly-β-cyclodextrin wrapped carbon nanotubes for the microextraction of flavonoids in honey samples by capillary electrophoresis with light-emitting diode induced fluorescence detection”,
Electrophoresis 37(13), 1891–1901 (2016). DOI: 10.1002/elps.201600016.
