JP2004506050A - 有機−無機ハイブリッド発光デバイス(hled) - Google Patents
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Abstract
Description
(技術分野)
本発明は、発光デバイスの製作に使用される組成物に関し、より具体的には、本発明は、正孔輸送化合物と電子輸送化合物と発光化合物とが多面体のシルセスキオキサンに共有結合した発光組成物を用いて製作した、有機−無機ハイブリッドHLED(有機物と無機物とがハイブリッド(混成)する発光デバイス:organic−inorganic hybrid light emitting devices)を対象とする。
【0002】
(背景技術)
有機発光デバイス(有機物を用いた発光デバイス:OLED(organic light emitting devices))に基づくフラットパネル・ディスプレイは、この10年間、世界中の数百の会社および大学で大々的に研究されてきた。OLEDは、現在の液晶ディスプレイ(LCD)技術と比べて、同等またはより優れた解像度および輝度を有する、より薄い、よりエネルギー効率の良いディスプレイへの並外れた可能性を提供する。OLEDはまた、高いスイッチング速度、優れた視野角(>160°)、赤緑青(RGB)色選択可能性を提供し、さらに、ブラックライティングが必要ないので、柔軟な基板上にデバイスを製作することができるであろう。しかし、OLEDへの膨大な研究開発努力にもかかわらず、現在は、この技術を用いた市販の製品は1つしかない。これに対する明白な課題の1つは、電子デバイスの要求事項を満足する新規で効率的な材料開発の必要性である。
【0003】
OLEDの科学的な基本原理は、電気的刺激を受けると発光する有機材料の能力にある。このプロセスにおいては、電子と正孔が導電性の電極から有機材料中へ注入され、有機薄膜中を拡散して、高度に共役した有機分子またはポリマー層内に、電子−正孔対すなわち励起子を形成する。次いで励起子は、有機分子内で再結合して、励起状態を作り出す。励起状態は、次いで放射減衰を経て光子を放出することができる。有機ポリマー/分子およびその置換基に応じて、放出される光の波長を、任意の色とすることができ、多色、例えば、赤、緑、青またはこれらの組合せとすることさえできる。
【0004】
最適動作のためには、正孔および電子がこの発光層内に拡散する速度が、ほぼ同じであることが重要であり、一致することが好ましい。したがって、正孔と電子両者の発光層への輸送を最適化し、デバイス内に破壊的結果をもたらす正孔または電子のトラッピングを阻止する数多くの取組みが行われてきた。ごく最近では、OLEDデバイス内での正孔または電子の動きを促進する有機分子またはポリマーを組み込む取組みが行われている。さらに最近は、1つの有機単位が正孔導電または電子導電を促進し、第2の有機単位が発光を促進するように、高分子系に有機分子またはモノマー単位を組み込む取組みが行われている。こうした電子チューニングは、輸送距離を最小化し、正孔/電子注入バランスを最大化するように設計されている。これにより、非放射減衰ではなく、放射減衰の可能性が高まる。この分野にはかなり多くの仕事が残っている。
【0005】
有機エレクトロルミネセンスの初期の例は、1963年に、Pope等によって報告された[Pope,M.;Kallmann,H.;Magnante,P.J.Chem.Phys.1962年、38巻、2042ページ]。彼等は、非常に高い電圧、約400Vを使用して、アントラセン単結晶からの青色発光を実証した。
【0006】
【化4】
【0007】
次の20年間にわたって、OLED加工の進歩は、真空蒸着技術によって有機化合物の発光薄膜を形成すること[Vincett,P.S.;Barlow,W.A.;Hann,R.A.;Robert,G.G.Thin Solid Films 1982年、94巻、476ページ]、および駆動電圧を<30Vに低下させることに限定された。しかし、これらの単層デバイスは、寿命およびルミネセンス効率ともに劣るものであった。1987年に、イーストマン・コダック(Eastman Kodak)のTangとVan Slyke[Tang,C.W.;Van Slyke,S.A.Appl.Phys.Lett.1987年、51巻、913ページ]が、2層エレクトロルミネセンス・デバイスの作り方を発見した。図1に示したように、OLEDデバイス10は、有機正孔輸送(HT)材料12と発光(EM)材料14を、インジウム−スズ−酸化物(ITO)アノード16層とマグネシウム/銀合金カソード18層の間に挟むことによって作成された。通常の電位供給源20が、カソード18とアノード16に接続された。ガラス基板22が、矢印24で示される発光を可能にした。TangおよびVan Slykeによって使用された正孔輸送(HT)および発光(EM)材料を以下に示す。
【0008】
【化5】
【0009】
デバイス性能の鍵は、層状の構成シーケンス:カソード/発光−電子輸送/正孔輸送/アノードであった。これらのデバイスは、この時代のどんな報告をもはるかに超える輝度、効率、および寿命を実証した。図1に示した材料は、真空昇華プロセスで、約25nmの厚みに、インジウムスズ酸化物(ITO)塗布ガラス上に蒸着された。
【0010】
1990年に、Burroughs等[Burroughs,J.H.;Bradley,D.D.C.;Brown,A.R.;Marks,R.N.;Mackay,K.;Friend,R.H.;Burn,P.L.Nature 1990年、347巻、539ページ]は、高分子OLEDデバイスすなわちPLEDを開発した。1992年に、Braun等[Braun、D.;Gutafson、D.;McBranch、D.;Heeger、A.J.J.Appl.Phys.、1992年、72巻、546ページ]は、ポリ(p−フェニレンビニレン)(PPV)およびその誘導体が、ITOとアルミニウム電極の間に閉じ込められると、緑色および赤色光の両方にエレクトロルミネッセンスを起こすことを発見した。
【0011】
【化6】
【0012】
PPVポリマーが、真空昇華より経済性に優れたスピン・コーティング・プロセスで堆積できるので、この仕事は重要であった。スピン・コーティングで、より大きな面積のコーティングも容易になる。これらのパイオニア的実例の結果、以下の2つの共通な材料堆積手法を用いて、世界中の研究グループによって、数百のOLEDおよびPLEDに基づいた論文が報告された:
1.分子種の真空昇華、および
2.オリゴマーまたは高分子材料のディップ、スピン、およびスプレイ・コーティングまたはプリンティング。
【0013】
各方法には、以下に略述するように利点と欠点がある。
【0014】
真空昇華は、比較的低分子量(MW)の化合物(<300g/モル)でのみ良好に行われる。こうした化合物は、優れた発光効率およびデバイス寿命を得るために、堆積前に純度>99.99%まで、昇華またはカラム・クロマトグラフィで精製する必要がある。真空昇華は、多層構成および膜厚の非常に精密な制御を可能にする。これらはいずれも、OLED加工において有利である。真空昇華の欠点は、非常に高価な装置が必要であり、かつスピン・コーティングを用いて塗布できる表面よりずっと狭い表面積への堆積に限定されることである。さらに、デバイス性能は、昇華した化合物の一部が経時的に結晶化する傾向があり、これによって悪影響を受ける。早すぎる結晶化を防止するために、現在では、高いガラス転移温度(Tg)および結晶化を最少化または防止する置換基を有する化合物が設計されている。
【0015】
ディップ・コーティング、スピン・コーティング、スプレイ・コーティング、およびプリンティング技術は、オリゴマーおよび高分子材料の堆積に一般に適用できる。これは、精密な膜厚制御が可能であり、大面積をカバーすることができ、真空昇華に比べて比較的安価である。多層構成は、堆積された層が、その後の架橋のための硬化性官能基を有するか、または追加コーティング中の再溶解を防ぐために、溶解度が異なるように設計されている場合にのみ可能である。例えば、現在のOLEDポリマー技術では、水溶性プレポリマーPPV(以下に示す)を使用し、これを、堆積後熱硬化して不溶化する[Li,X.C.;Moratti,S.C.Semiconducting Polymers as Light−Emitting Materials;Wise,D.L.、Wnek,G.E.、Trantolo,D.J.、Cooper,T.M.およびGresser,J.D.、1998年版]。
【0016】
【化7】
【0017】
ポリマーをベースとしたOLEDの初期のルミネセンス性能は、その相当する分子より劣ることが多かった。この理由の一端は、効率的なデバイスに必要な高純度の材料(99.99%)を得ることが困難(多分散性、末端基、残存溶媒、およびHCl、触媒等の副生物、等)であったことによる。しかし、最近の研究は、注意深く精製されたポリマーが、その相当する分子と同等またはより優れた性能を有することを示している。
【0018】
実用的なデバイスのために新規な材料を設計する場合、考慮すべきいくつかの重要なパラメータを挙げる。
【0019】
1)堆積方法−一般に、スピン、スプレイ、ディップ・コーティングおよびインク(バブル)・ジェット・プリンティングは、真空昇華より経済性に優れる。したがって、ルミネセンス材料は、スプレイ、スピン・コーティング、ディップ・コーティング、および/またはプリンティング法で使用できることが好ましい。
【0020】
2)材料分子構造−材料は、デバイス性能を低下させることが知られている結晶化および/または凝集を防止または最少化するように設計されるべきである。
【0021】
3)カラー・チューニングおよび色純度−ルミネセンス材料は、フルカラー・デバイスに対して、赤、緑、および青(RGB)エレクトロルミネセンスを実現するように設計されるべきである。それらを≧99.99%の純度に精製するのが容易であるべきである。
【0022】
4)デバイス効率、輝度、および寿命の上昇−商業用途デバイスを提供するために、材料は、外部量子効率>2%(注入された電子100個当たり光子2個の放出)、<5Vで動作して>500cd/m2、およびルミネセンス半減期>10,000時間(10時間/日、6日/週で3年間にほぼ等しい)を実現するべきである。
【0023】
5)効率的デバイス構成の構築−最も一般に報告されているデザインを図1に示す。一般にカソードは、Ag/Mg、Ca、またはAlの真空蒸着によって作製される。一般に、仕事関数の低いカソードは、初期デバイス性能が優れている−すなわち、Ca<Al/Li/Ag/Mg<Alである。しかし、Ca、Ag、およびMgは酸化を受けやすいので、Alが一般に好まれるカソード材料である。一般にアノードは、市販のITO塗布ガラスである。研究によれば、最終デバイス性能は、ITO表面特性と直接関係している。したがって、ITOアノード選択の際は十分注意するべきである。別法として、ポリ(アニリン)(PANI)、およびポリ(2,3−エチレンジオキシ)チオフェン(PEDOT)が、ITO堆積ガラス、および柔軟なマイラー(Mylar)(登録商標)基板の両方の上に、アノード材料として使用されている。
【0024】
以上から、当技術分野には、容易かつ高度に精製でき、Tgが高く結晶化または凝集の傾向がほとんどなく、スピン・コーティング法、ディップ・コーティング法、またはプリンティング法によって加工でき、熱分解、酸化分解、加水分解および電気分解に著しい抵抗性があり、安定性、エレクトロルミネセンス効率、溶解度等の特性を持つことができるように容易に変性でき、ターンオン電圧が低く、カラー・チューニングが比較的容易なOLED材料へのニーズがあることを理解されよう。
【0025】
(発明の開示)
本発明は、シルセスキオキサン(silsesquioxane)構造に基づいて、有機−無機ハイブリッド発光デバイス(有機−無機HLED:有機物と無機物とがハイブリッド(混成)する発光デバイス、organic−inorganic hybrid light emitting devices)の材料を合成し、これを評価する方法を含む。これらのハイブリッド材料は、OLED用途への分子とポリマー両手法の利点を組み合わせた可能性を有している。シルセスキオキサン化合物は、単一の化合物内に少なくとも1個、好ましくは複数個の官能性の部位の置換基を組み込んでいる。この官能性の置換基は、好ましくは、正孔輸送(HT)の部位、電子輸送(ET)の部位、および発光材料(EM)の部位、およびこれらの組合せから選択される。これは、OLED特性、例えば、HT、ET、およびEMの部位のルミネセンス効率、輝度、ターンオン電圧、寿命、高密度などを最適化する大きな可能性を提供する。
【0026】
この有機−無機HLED(ハイブリッド発光デバイス)用のシルセスキオキサン材料は、一般式(RSiO1.5)nを有し、式中、nは、個別のケージ構造について一般に6から12の範囲であるが、拡大された高分子シルセスキオキサン構造では、nはかなり大きく(約100まで)でき、Rは、正孔輸送、電子輸送、および発光材料を含めむ極めて多くの官能基から選択される。このハイブリッド材料は、HT、ET、またはEM特性を有する官能基と反応できる様々な反応性の置換基を有する、一連の心部多面体シルセスキオキサン中間体から合成することができる。シルセスキオキサン中間体の代表的な反応性の置換基の例には、それだけに限らないが、水素、ビニル、フェニル、置換フェニル、スチルベニル、置換スチルベニルが含まれ、フェニル置換基には、ハロ、アミノ、ヒドロキシ、ビニル、不飽和アルキル、ハロアルキル、シリルなどが含まれる。このハイブリッド材料は、出発材料としてR−Si(OCH2CH3)3を用いて、直接ゾル−ゲル合成を用いて合成することもできる。
【0027】
八面体のシルセスキオキサン構造を有する1種の有機−無機HLED材料は、以下の一般式を有する。
【0028】
【化8】
式中、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、およびR8は、それだけに限らないが、エポキシ、メタクリレート、スチリル、ビニル、プロパルギル、およびこれらの組合せを含めた正孔輸送の部位、電子輸送の部位、発光材料の部位、および硬化性基から選択される。このハイブリッド材料は、少なくとも1種のHT、ET、またはEMの部位を含むことが好ましい。硬化性基は、多層デバイスの製作を容易にするために含めるが、単層デバイスでは必ずしも必要ではない。
【0029】
本発明は、上記のHLED材料で製作される有機−無機HLEDデバイス(有機−無機ハイブリッド発光デバイス)を含む。こうしたデバイスは、一般に、高仕事関数金属、金属合金、または金属酸化物を含むアノードと、低仕事関数金属または金属合金を含むカソードと、アノードおよびカソードに物理的に、したがって電気的に接続されている、上記のシルセスキオキサン構造に基づく有機−無機ルミネセンス材料の層とを含む。この有機−無機HLEDデバイスは、好ましくは、ガラスまたは透明なプラスチックなどの透明基板を用いて製作される。アノードは、金、銀、銅、インジウム−スズ酸化物(ITO)、フッ素−スズ酸化物(FTO)、または他の透明導電性酸化物または高分子材料から選択することが好ましい。50nm未満では、金、銀、および銅層は半透明であるので、これらは有用なアノード材料となる。カソードは、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、アルミニウム、およびこれらの合金から選択される。カソードは、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、アルミニウムと、IA族金属(Li、Na、K、Rb、Cs)のハロゲン塩との混合物から選択してもよい。例えば、市販のAl/Li合金(Al98.5%/Li1.5%)は大気中で比較的安定であり、仕事関数はCaと同等である。同じく、LiF、CsF、および他の塩は、Al/有機界面に堆積させると、仕事関数を低下させることができる。
【0030】
有機−無機HLEDデバイスは、多層の有機−無機ルミネセンス材料を含むことができる。各層は、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択される、異なる官能性の部位の置換基を有するルミネセンス材料に基づくことができる。例えば、このHLEDデバイスは、正孔輸送の置換基を有する層、電子輸送の置換基を有する層を含み、この正孔および/または電子輸送層が、発光成分としての役割を果たすこともできる。疎水性向上、接着性、およびカラー・チューニング用染料など、所望の官能性または物理的特性をHLED材料に付与するために、その他の置換基を含ませることもできる。HLED材料は、電子および正孔輸送ならびに発光特性のバランスなど、多くの特性を含ませるように設計することもできる。
【0031】
有機−無機HLEDデバイスは、シルセスキオキサン構造上に正孔輸送の置換基の部位、電子輸送の置換基の部位、および発光材料の置換基の部位を含む、単層の有機−無機ルミネセンス材料を用いて製作することができる。HLEDデバイスは、所望のルミネセンス特性を実現するようにバランスさせた、発光層、正孔輸送層、および電子輸送層を含む多層で製作することもできる。
【0032】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
本発明は、有機の成分が、シルセスキオキサン無機(または有機金属)単位と共有結合している、新規な有機−無機HLED材料(有機物と無機物とがハイブリッドする発光デバイス用の材料)を対象とする。この有機−無機HLED用のシルセスキオキサン材料は、構造式(RSiO1.5)nを有する。式中、nは、一般に6から12の範囲であるが、100まででもよく、Rは、正孔輸送(HT)、電子輸送(ET)、および発光(EM)材料を含めた官能基から選択される。このハイブリッドは、HT特性、ET特性、およびEM特性を有する官能基と反応できる反応性の置換基を有する心部多面体シルセスキオキサン中間体から合成することができる。ある種のハイブリッドは、R−Si(OCH2CH3)3を出発材料として用いたゾル−ゲル合成を用いて合成することもできる。
【0033】
本発明の範囲内で現在好まれている実施形態は、多面体の八量体または立方シルセスキオキサンに依拠する。シルセスキオキサンは、シリカおよび特定のゼオライトの結晶形に見られる骨格組織に似ている。Bartsch,M.;Bornhauser,P.;Calzaferri,G.J.Phys.Chem.1994年、98巻、2817ページ。こうした構造は、その後の化学反応を用いて、上記のような所望のLED特性を有するハイブリッドを調製するビルディング・ブロックであるといえる。これらの構造は、低コストの出発材料から、>90%から30%の範囲の収率で容易に調製される。その剛直な骨組みは、多くの魅力的な特性を提供する。Feher等[Feher,F.J.;Newman,D.A.;Walzer,J.F.、J.Am.Chem.Soc.、1989年、111巻、1741ページ]は、これを利用してシリカ表面のユニークなモデルを開発し、Calzaferri等[Bartsch等、前掲]は、ゼオライトのモデルとしてこれを利用し、Klemperer等[Agaskar,P.A.;Day,V.W.;Klemperer,W.G.、J.Am.Chem.Soc.、1987年、109巻、5545ページ]は、ユニークなゾル−ゲル前駆体としてこれを利用し、他のグループは様々な用途にこれを利用した。これらの材料、特に(HSiO1.5)n系列が利用できるのは、Agaskarの広範囲にわたる取組みによるものである[Agaskar,P.A.、J.Am.Chem.Soc.、1989年、111巻、6858ページ;Agaskar,P.A.、Inorg.Chem.、1992年、30巻、2708ページ;Agaskar,P.A.、Colloids and Surfaces、1992年、63巻、131ページ;およびAgaskar,P.A.、Synth.React.Inorg.Met.−Org.Chem.、1992年、20巻、483ページ]。関連する[(R(CH3)2SiO)SiO1.5]8および[(R(CH3)2SiO)SiO1.5]6/10立方体への経路は、それぞれ、Hasegawa等[Hasegawa,I.;Motojima,S.、J.Organomet.Chem.、1992年、373ページ、およびHasegawa,I.、J.of Sol−Gel Sci.and Tech.、1994年、2巻、127ページ]およびドイツ特許DE3837397によって報告された。
【0034】
さらに、式中R=H、OSi(CH3)2H、CH=CH2、エポキシ、およびメタクリレートである官能化立方シルセスキオキサンは、有機マトリックス中への組み込みが可能であり、はっきり定義された個別のナノ構造と、特定の目的にあわせることのできる特性を有するハイブリッドを提供する[Sellinger,A.;Laine,R.M.;Chu,V.;Viney,C.、J.Polymer Sci.,Part A,Polymer Chemistry、1994年、32巻、3069ページ;Sellinger,A.;Laine,R.M.、Macromolecules、1996年、26巻;Sellinger,A.;Laine,R.M.、Chem.Mater.、1996年、8巻、1592ページ;およびLaine,R.M.;Zhang,C.、J.Organomet.Chem.、1996年、521巻、199ページ]。
【0035】
エレクトロルミネセンス官能基をシルセスキオキサンと組み合わせることにより、多くのユニークで有利な特性が提供される。この手法は、はっきり定義された電子特性(すなわち、電子輸送特性、正孔輸送特性、または発光特性)を有する既知および新規のOLED官能基を、以下に示すシルセスキオキサンと結合させることに基づくものである。
【0036】
【化9】
例えば、構造式1は式中、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、およびR8が、以下に述べるように、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、発光材料の部位、および硬化性の部位から選択される。個別の正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光部位で置換された有機−無機HLED材料の例を以下に示す。当分野の技術者なら、正孔材料、電子輸送材料、および発光材料を区別して有する他のHLED材料を調製することができることを理解するであろう。
【0037】
【化10】
【0038】
【化11】
【0039】
【化12】
【0040】
これらのHLED材料には、現在文献に記載されている分子およびポリマー手法に無いいくつかの利点がある。例えば、これらのHLED材料は、分子量が3000g/モルを超えることができ、したがって、真空昇華よりはむしろ、スプレイ、ディップおよび/またはスピン・コーティング、またはプリンティング・プロセスに向いており、より経済性に優れた応用ルートを提供する。その他の利点を以下に述べるが、いくつか挙げてみると、高温安定性、精製が容易なこと、高密度のHTの部位、ETの部位およびEMの部位、ならびに結晶化および凝集形成の防止が含まれる。
【0041】
上記のように、HLED材料は、HTの特性、ETの特性、またはEMの特性を有する官能基と反応できる反応性の置換基を有する多面体のシルセスキオキサン中間体から合成することができる。この目的に使用できるいくつかの可能な反応を、以下に一般的に示す。こうした反応には、それだけに限らないが、高収率金属触媒ヒドロシリル化、Heck、Suzuki、およびBuchwald−Hartwigアミノ化化学反応が含まれる。各反応では、1つの反応物がシルセスキオキサン中間体を含み、もう1つの反応物が所望の官能基を含むことが分かるであろう。
【0042】
水素化ケイ素と二重結合および三重結合との、白金触媒によるヒドロシリル化を以下に示す。
【0043】
【化13】
【0044】
ビニル基と活性芳香族化合物との、パラジウム触媒によるHeck反応を以下に示す。式中、Xは、Cl、Br、I、トリフレート、またはその他の脱離基である。
【0045】
【化14】
【0046】
ハロフェニルと活性芳香族化合物との、パラジウム触媒によるSuzuki反応を以下に示す。式中、Xは、Cl、Br、I、トリフレート、またはその他の脱離基である。
【0047】
【化15】
【0048】
活性芳香族化合物と芳香族アミンとの、パラジウム触媒によるBuchwald−Hartwigアミノ化反応を以下に示す。
【0049】
【化16】
【0050】
以下に示すように、出発材料としてR−Si(OCH2CH3)3を用いて、直接ゾル−ゲル合成法を用いてハイブリッド材料を合成することもできる。
【0051】
【化17】
式中、Rは、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、発光材料の部位、または硬化性基である。ET基にはゾル−ゲル処理で用いられる酸または塩基反応条件に敏感なものがあるので、前述のプロセスは、ET官能性のシルセスキオキサン材料を調製するには適当ではないかもしれない。したがって、前者の反応方法が好ましい。
【0052】
この化学反応は、直接的で応用の利くものであり、多数コーティングの機能に、光および/または熱硬化性材料を提供することができる。Si−Hと三重結合との反応から残存する二重結合によって、堆積直後に、各層を不溶性ネットワークに硬化させることができる。例えば、1)単一ステップ堆積プロセス(図2A)用に、HTの部位、ETの部位、およびEMの部位を単一立方体に含む立方体(化合物(3)など)を合成すること、または2)HTの部位、ETの部位、またはEMの部位のみを含み、連続する層(図2B)中に堆積し得る個別の立方体(化合物(2A)〜(2C)など)を合成すること、または3)これら可能性の任意の組合せを選択することができる。
【0053】
【化18】
【0054】
図2Aは、正孔輸送の特性、電子輸送の特性、および発光材料の特性一体型の単層HLED材料32を含むHLEDデバイス30を示す。こうしたHLED材料の使用によって、単一ステップの堆積プロセスでデバイスを製作することができる。当分野の技術者なら、発光/正孔輸送の部位、発光/電子輸送の部位、または正孔/電子輸送の部位の組合せを有するその他のHLED材料を調製することもできることを理解するであろう。図2Bは、正孔輸送42、発光44、および電子輸送46層の分離型のHLED材料を含む、本発明の範囲内のHLEDデバイス40の概略図である。
【0055】
本発明で述べるハイブリッドは、非溶媒への沈殿などの伝統的ポリマー処理方法によって精製することができる。しかし、ポリマーとは異なり、シルセスキオキサンをベースとしたハイブリッドは、フラッシュカラム・クロマトグラフィで精製して、LED材料に理想的な純度≧99.99%の材料を提供することができる。この立方体材料はケイ素を40重量%まで含むことができるので、その熱的、加水分解および機械的(例えば、耐摩耗性)性質は、従来のOLED材料より容易に予想される。得られる材料は、非晶質透明であり、したがって経時的に結晶化する傾向はほとんど無い。さらに、剛直な棒状のHT、ET、および発光の部位が、三次元の中心コアから枝を出しているので、配向および凝集の可能性はほとんど無く、したがって、デバイスにおけるエキシマ形成の(電荷トラップの)可能性は最少化されている。高効率化学反応と、得られる単分散球状構造(時には、デンドリマーまたはスターバースト分子と呼ばれる)により、官能基(硬化)、処理パラメータ(粘度)、カラー・チューニング、電子および光特性、および材料モルフォロジの精密な制御が可能である。吸着水はOLEDデバイスの寿命および効率を低下させることが知られているので、下記の化合物(4)で示すように、HLEDをフルオロアルキル基で疎水性に設計することができる。
【0056】
【化19】
置換基Rは、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択されることが好ましい。化合物(4)は4個の置換R基を有するように示されているが、当分野の技術者なら、置換基の種類および数を変えることができることを理解するであろう。言い換えれば、八面体のシルセスキオキサンをベースにした有機−無機HLED材料は、1個から8個の官能性の置換基を含むことができ、この置換基は同じでも異なるものでもよい。
【0057】
以下は、本発明の範囲内の立方体(ET−HLED)に使用可能であり、かつ/または化学的に結合している、代表的な電子輸送の部位の例である。示した化合物は、単に例として挙げたものである。当分野の技術者なら、それだけに限らないが、芳香族ピリジン類、キノリン類、トリアゾール類、オキサジアゾール類、ジシアノイミダゾール類、シアノ芳香族類、イミノ芳香族類、およびトリアジン類を含む有機化合物、またはこれらの組合せを含めて、その他の既知および新規の電子輸送の部位が、本発明において使用できることを理解するであろう。
【0058】
【化20】
【0059】
以下は、本発明の範囲内の立方体(HT−HLED)に使用可能であり、かつ/または化学的に結合している、代表的な正孔輸送の部位の例である。示した化合物は、単に例として挙げたものである。当分野の技術者なら、それだけに限らないが、芳香族ホスフィン、芳香族アミン、チオフェン(ポリチオフェン)、シラン(ポリシラン)、および誘導体を含む有機化合物を含めて、その他の既知および新規の正孔輸送の部位が、本発明において使用できることを理解するであろう。
【0060】
【化21】
【0061】
以下は、本発明の範囲内のHLED材料に使用できる代表的な発光材料の部位置換基の例である。示した化合物は、単に例として挙げたものである。当分野の技術者なら、その他の既知および新規の発光部位が、本発明において使用できることを理解するであろう。
【0062】
【化22】
式中、RおよびR’=H、C、O、N、S、Si、Ge、フルオロアルカン、フルオロシリルアルカンなどであり、nは、発光特性を最適化するように選択され、一般に1から100の範囲、より好ましくは1から20である。
【0063】
上に示した化合物は、HLEDの作製に使用できる材料の例である。これらは、本発明の範囲内のHLED材料を単に例示する目的であり、本発明を、例示した化合物に限定するものではない。
【0064】
(実施例)
以下の実施例は、本発明の範囲内の様々な実施形態を例証するために挙げたものである。これらは、単に例として挙げたものであり、以下の実施例が、本発明の範囲内の多くの実施形態を包括または網羅するものではないことを理解されたい。
【0065】
実施例1
オクタビニルシルセスキオキサンと、2−(4−ブロモフェニル)−5−(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾールとの反応の生成物
【0066】
【化23】
オクタビニルシルセスキオキサン(1g、1.57ミリモル)、2−(4−ブロモフェニル)−5−(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾール(3.32g、9.46ミリモル)、酢酸パラジウム(0.021g、0.095ミリモル),およびトリス(o−トリル)ホスフィン(0.072g、0.238ミリモル)を、撹拌棒、凝縮器、真空およびアルゴン・ガス供給源を装備した25mLのシュレンク・フラスコに加えた。フラスコの内容を脱気し、アルゴンで3回置換した。乾燥トルエン(50mL)および乾燥アセトニトリル(10mL)、次いでトリエチルアミン(1.45mL、10.4ミリモル)を加え、この溶液を100℃で48時間撹拌した。この時点で、薄層クロマトグラフィは反応の完了を示した。この溶液を室温に冷やし、ジクロロメタン(200mL)中に注いだ。5%HCl(100mL)を加え、有機層を3回抽出し、次いでブライン(100mL)で3回抽出した。有機層を分離し、硫酸ナトリウムで乾燥し、容積を低減して淡褐色固体を得た(収率90%)。この試料は、95/5のヘキサン/酢酸エチル系を用いてカラム・クロマトグラフィによって精製することができる。別法として、この溶液を、メタノール300mLに注ぎ、ろ過して沈殿物を得た。この粉末を、THFまたはジクロロメタンに再溶解し、0.45μmのテフロン(登録商標)・メンブレン(Pall)を通してろ過し、この粉末をメタノールに再沈殿させ、ろ過して集め、乾燥した。パラジウムジベンジリデンアセトン[Pd2(dba)3]、トリ−t−ブチルホスフィン(モル比1/1)およびN,N−ジシクロヘキシルメチルアミンを、それぞれ、酢酸パラジウム、トリス(o−トリル)ホスフィンおよびトリエチルアミンの代わり使用することができる。前者の試薬では、より穏やかな反応条件、すなわち、100℃ではなく室温、およびより短い反応時間(8時間)が可能になる。サイズ排除クロマトグラフィ(SEC)の結果、出発材料が無いこと、Mn=2270g/モル(実測2252g/モル)、および多分散性指数(PDI)が1.10であることが判明した。プロトンNMRは標題の材料と一致し、示差走査熱量測定法(DSC)の結果、ガラス転移(Tg)=125℃であることが判明した。
【0067】
実施例2
オクタビニルシルセスキオキサンと、1−(m−トリル−フェニルアミノ)−1’−(p−ブロモフェニルトリルアミノ)ビフェニルとの反応の生成物
【0068】
【化24】
この材料は、実施例1の手法を用いて調製され、収率85%で黄色固体を得た。希薄溶液は、長波長の光(約360nm)の存在で極めて強くフォトルミネセンスを起こし、明るい青色光を発する。366nmの励起波長を使用して、488nmの溶液フォトルミネセンス・スペクトル最大値が得られた。溶液と薄膜両方のフォトルミネセンスの結果は図3に報告されている。サイズ排除クロマトグラフィ(SEC)の結果、出発材料が無いこと、Mn=4920g/モル(実測4750g/モル)、および多分散性指数(PDI)が1.05であることが判明した。プロトンNMRは標題の材料と一致し、示差走査熱量測定法(DSC)の結果、ガラス転移(Tg)=152℃であることが判明した。空気中の熱重量分析(TGA)の結果、セラミック収率は11.2%であった(理論セラミック収率=10.1%)。
【0069】
本願において調製された有機−無機HLED材料を、図1に示したように、2層デバイスに加工した。図1を参照すると、カソード層18はAl/Li(98.5/1.5)合金であり、層14は発光(EM)材料トリス(8−ヒドロキシ−キノリナト)アルミニウム(Alq3)であり、層12は本願で調製された有機−無機HLED材料であり、アノード層16はインジウムスズ酸化物(ITO)であり、22はガラスであった。図4は、製作されたデバイスの、電流(A)および輝度(cd/m2)対電圧のグラフである。
【0070】
実施例3
オクタビニルシルセスキオキサンと、9,9−ジ−n−ブチル−2−ブロモフルオレンとの反応の生成物
【0071】
【化25】
この生成物は、実施例1の手法を用いて調製され、収率91%で黄色固体を得た。サイズ排除クロマトグラフィ(SEC)の結果、出発材料が無いこと、Mn=2825g/モル(実測2015g/モル)、および多分散性指数(PDI)が1.15であることが判明した。プロトンNMRは標題の材料と一致し、示差走査熱量測定法(DSC)の結果、ガラス転移(Tg)=102℃であることが判明した。空気中の熱重量分析(TGA)の結果、セラミック収率は26%であった(理論セラミック収率=23%)。
【0072】
実施例5
α−(ブロモ)−ω−(4−メトキシフェニル)−ポリ−2,7−(9,9−ジオクチルフルオレン)の調製
【0073】
【化26】
このモノ臭素化ポリマーは、Marsitzky等(D.Marzitzky、M.Klapper、K.Mullen;Macromolecules、32巻、25号、1999年、8685ページ)によって記述された方法の変形によって調製された。2−ブロモ−9,9−ジ−n−オクチルフルオレンボロン酸(1.0g、1.98ミリモル)、フッ化カリウム(0.40g、6.93ミリモル)、酢酸パラジウム(0.004g、0.020ミリモル)、2−ジシクロヘキシルホスファニル−ビフェニル(0.014g、0.040ミリモル)を、グローブ・ボックス内で、50mLシュレンク管に加えた。この管をシュレンク・ラインに移動し、乾燥トルエン7mLとDMAc7mLを加えた。この溶液を室温で2〜24時間撹拌し、80℃で過剰量の4−ブロモアニソール(1.2mL)を加えてポリマーをエンドキャップ処理した。この溶液を、80℃で8時間さらに撹拌し、メタノール200mL中に沈殿させた。沈殿物を乾燥し、細かく粉砕し、5%HClを加えて1時間撹拌し、ろ過し、メタノールで洗浄し、乾燥した。乾燥ポリマーを最少量のジクロロメタンに再溶解し、メタノール200mLに再沈殿させて、収率65%で乾燥ポリマーを得た。メトキシプロトンのNMR末端基分析によって、分子量4900g/モルを求めた。GPCによれば、反応時間に応じて、MWは1200〜6000g/モルであり、PDIは1.20〜1.50である。
【0074】
実施例6
中心シルセスキオキサン・コアを有するポリフルオレン・スター・ポリマーの調製
【0075】
【化27】
実施例5のα−(ブロモ)−ω−(4−メトキシフェニル)−ポリ−2,7−(9,9−ジオクチルフルオレン)(1g、0.20ミリモル)、オクタビニルシルセスキオキサン(0.025g、3.92x10−5モル)、酢酸パラジウム(0.002g、0.01ミリモル)、およびトリス(o−トリル)ホスフィン(0.007g、0.02ミリモル)を、撹拌棒、凝縮器、真空およびアルゴン・ガス供給源を装備した25mLのシュレンク・フラスコに加えた。フラスコの内容を脱気し、アルゴンで3回置換した。乾燥トルエン(10mL)および乾燥アセトニトリル(またはTHF、ジオキサン)(2mL)、次いでトリエチルアミン(0.035mL、0.25ミリモル)を加え、この溶液を100℃で48時間撹拌した。この溶液を室温に冷やし、冷メタノール(20mL)中に注ぎ、黄色固体を沈殿させた。この固体を、ろ過して分離し、ジクロロメタン(2mL)に再溶解し、メタノールに再沈殿させた。GPCの結果は、予想の構造と一致している。別法として、パラジウムジベンジリデンアセトン[Pd2(dba)3]、トリ−t−ブチルホスフィンおよびN,N−ジシクロヘキシルメチルアミンを、それぞれ、酢酸パラジウム、トリス(o−トリル)ホスフィンおよびトリエチルアミンの代わりに使用することができる。前者の試薬では、より穏やかな反応条件、すなわち、100℃ではなく50℃が可能になる。
【0076】
本発明は、本明細書に広範囲に説明し、かつ頭記に特許請求したような、その構造、方法、またはその他の重要な特徴から逸脱することなく、他の具体的な形態で具現化することができる。説明した実施形態は、すべての点で単に例示するものであり、限定するものではないとみなすべきである。したがって、本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、頭記の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の趣旨および等価範囲内のすべての変化は、特許請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
代表的なOLEDデバイス構成の概略図である。
【図2A】
正孔輸送の特性、電子輸送の特性、および発光材料の特性の一体型の単層HLED材料を含む、本発明の範囲内のHLEDデバイスの概略図である。
【図2B】
電子輸送層、発光層、および正孔輸送層の分離型のHLED材料を含む、本発明の範囲内のHLEDデバイスの概略図である。
【図3】
実施例2に記載のハイブリッド材料についての、溶液および薄膜フォトルミネセンス対波長のグラフである。
【図4】
実施例2の無機・有機HLED材料で製作された2層デバイスについての、電流(A)および輝度(cd/m2)対電圧のグラフである。
Claims (30)
- 正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択される少なくとも1種の官能性の部位の置換基を有するシルセスキオキサン構造を含むことを特徴とする有機−無機HLED(ハイブリッド発光デバイス)用の材料。
- 前記シルセスキオキサン構造が、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択される複数個の官能性の部位の置換基を含むことを特徴とする請求項1に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記シルセスキオキサン構造が、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択される複数個の異なる官能性の部位の置換基を含むことを特徴とする請求項1に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記官能性の部位の置換基が、少なくとも1種の発光材料の部位と、正孔輸送の部位および電子輸送の部位から選択される少なくとも1種の他の官能性の部位とを含むことを特徴とする請求項3に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記電子輸送の部位が、芳香族ピリジン類、キノリン類、トリアゾール類、オキサジアゾール類、ジシアノイミダゾール類、トリアジン類、シアノ芳香族類、イミノ芳香族類、またはこれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項1に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記正孔輸送の部位が、芳香族ホスフィン類、芳香族アミン類、チオフェン類、シラン類、またはこれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項1に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、およびR8の少なくとも1種が、可溶化基および硬化性基から選択されることを特徴とする請求項8に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記可溶化基が、フルオロアルカン類およびフルオロシリルアルカン類から選択されることを特徴とする請求項9に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記硬化性基が、エポキシ、メタクリレート、スチリル、ビニル、プロパルギル、およびこれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項9に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、およびR8の少なくとも1種が、水素、ビニル、フェニル、置換フェニル、ビニルフェニル、および置換ビニルフェニルから選択され、前記フェニル置換基が、ハロ、アミノ、ヒドロキシビニル、ビニル、不飽和アルキル、およびハロアルキルを含むことを特徴とする請求項8に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 一般式(RSiO1.5)nを有する、有機−無機HLED用の材料であって、
式中、nが6から100の範囲であり、Rが同じでも異なってもよく、Rが、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、発光材料の部位、硬化性の部位、および可溶化の部位から選択され、少なくとも1つのR置換基が、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、または発光材料の部位であることを特徴とする有機−無機HLED用の材料。 - nが6から12の範囲であることを特徴とする請求項13に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記硬化性の部位が、エポキシ、メタクリレート、スチリル、ビニル、プロパルギル、およびこれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項13に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 前記可溶化の部位が、フルオロアルカン類およびフルオロシリルアルカン類から選択されることを特徴とする請求項13に記載の有機−無機HLED用の材料。
- 高仕事関数の金属または金属合金を含むアノードと、
低仕事関数の金属または金属合金を含むカソードと、
正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択される少なくとも1種の官能性の部位の置換基を有するシルセスキオキサン構造を含み、アノードとカソードに電気的に接続されている、有機−無機ルミネセンス材料の層と、
を含むことを特徴とする有機−無機HLED(ハイブリッド発光)デバイス。 - その上に前記デバイスが製作される透明基板をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記アノードが、金、銀、銅、フッ素−スズ酸化物(FTO)、およびインジウム−スズ酸化物(ITO)から選択されることを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記アノードが、ポリ(アニリン)(PANI)およびポリ(2,3−エチレンジオキシ)チオフェン(PEDOT)から選択される、請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記カソードが、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、アルミニウム、およびこれらの合金から選択されることを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記カソードが、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、およびアルミニウムと、アルカリ土類金属のハロゲン塩との混合物から選択されることを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 有機−無機ルミネセンス材料の、1種または複数の追加の層をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記有機−無機ルミネセンス材料が、正孔輸送の部位、電子輸送の部位、および発光材料の部位から選択される複数個の異なる官能性の部位の置換基を含むことを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記HLEDデバイスが、単層の有機−無機ルミネセンス材料を含み、ルミネセンス材料が、正孔輸送の置換基の部位、電子輸送の置換基の部位、および発光材料の置換基の部位を含有することを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記HLEDデバイスが、発光材料の置換基を有する有機−無機ルミネセンス材料の層と、電子輸送の置換基を有する有機−無機ルミネセンス材料の層とを含むことを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記HLEDデバイスが、発光材料の置換基を有する有機−無機ルミネセンス材料の層と、正孔輸送の置換基を有する前記有機−無機ルミネセンス材料の層とを含むことを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記電子輸送の部位が、芳香族ピリジン類、キノリン類、トリアゾール類、オキサジアゾール類、ジシアノイミダゾール類、トリアジン類、シアノ芳香族類、イミノ芳香族類、またはこれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
- 前記正孔輸送の部位が、芳香族ホスフィン類、芳香族アミン類、チオフェン類、シラン類、またはこれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項17に記載の有機−無機HLEDデバイス。
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