JP2005036020A - 発光材料及び発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高発光効率・高安定性・低コストである発光材料を提供する。
【解決手段】下記一般式（１）で示される部分構造式を有する金属配位化合物である発光材料。
（Ｃｕは銅イオン、配位子Ａは、基本骨格を〔２，２’〕ビピリジニルとする２座配位子であり、該〔２，２’〕ビピリジニルが縮合環基または置換基を有してもよい。Ｃｕに配位する原子ＰはＰＲ１Ｒ２Ｒ３で表わされるフォスフィン化合物のリン原子である（Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はアルキル基、芳香族環基など）Ｘ１の原子は、ハロゲン、酸素、硫黄または窒素原子から選ばれる。）
【選択図】なし
【解決手段】下記一般式（１）で示される部分構造式を有する金属配位化合物である発光材料。
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【選択図】なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物を用いた発光素子に関するものであり、さらに詳しくは、金属配位化合物を発光材料として用いることで安定した効率の高い発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機ＥＬ素子は、高速応答性や高効率の発光素子として、応用研究が精力的に行われている［例えば非特許文献１参照］。
【０００３】
銅錯体は、原料が安価なため、比較的安価に製造することが可能であり、銅錯体の性能を十分に引き出せば低コスト高性能な有機ＥＬ素子が可能になる。
【０００４】
特許文献１、非特許文献２には、銅錯体を用いた有機ＥＬ素子が開示されている。しかしながら、これらのＥＬ素子は、発光効率が著しく低く、素子の効率の記載が不十分であり、銅錯体の特性が十分引き出せているとは考えにくく、ディスプレイや照明などに用いるには十分な性能のものではない。
【０００５】
また、非特許文献３には、本発明の化合物と比較的近い構造を有する銅錯体が開示されているが、発光に関する記載はなく、かつ、室温において全く発光が確認できないか、非常に微弱な発光しかせず、発光性材料ではない。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９４０５１４号公報
【非特許文献１】
Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．１２５，１〜４８（１９９７）
【非特許文献２】
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １９９９ １１ Ｎｏ１０ ｐ８５２ Ｙ．Ｍａ ｅｔ ａｌ．
Ｈｉｇｈ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｇｏｌｄ（１）ａｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ（１）Ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｒｉｐｌｅｔ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ
【非特許文献３】
Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｃ Ｃ５４，１９９８，ｐ１０８７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高発光効率・高安定性・低コストである発光材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の発光材料は、下記一般式（１）で示される部分構造式を有する金属配位化合物であることを特徴とする。
【０００９】
【化４】
【００１０】
［Ｃｕは銅イオンである。
【００１１】
配位子Ａは、基本骨格を［２，２’］ビピリジニルとする２座配位子であり、該［２，２’］ビピリジニルが縮合環基または置換基を有しても良い。
【００１２】
前記Ｃｕに配位する原子ＰはＰＲ１Ｒ２Ｒ３で表されるフォスフィン化合物のリン原子である（前記ＰＲ１Ｒ２Ｒ３中のＲ１Ｒ２Ｒ３は、同じまたは異なる直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い）。
【００１３】
Ｃｕに配位するＸ１の原子は、ハロゲン原子、酸素原子、硫黄原子または窒素原子から選ばれる。
【００１４】
前記ＰＲ１Ｒ２Ｒ３中のＲ１Ｒ２Ｒ３のいずれかが前記Ｘ１を含み、２座配位子を形成していてもよい。］
【００１５】
また、本発明の発光素子は、上記発光材料が発光層に含まれることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１７】
まず、本発明の発光材料である金属配位化合物（銅錯体）の特徴から説明する。
【００１８】
本発明の金属配位化合物は、芳香環ジイミン構造を有する配位子Ａ中の窒素原子とＰＲ１Ｒ２Ｒ３の構造を有するフォスフィン中のリン原子が一価のＣｕに配位する構造を有している。
【００１９】
銅錯体の中心金属の銅イオンはプラス１価を用いることが好ましい。銅原子の電子配置から考えると、プラス１価の銅は、ｄ電子が１０個含まれる。一般に、遷移金属で偶数個のｄ電子の場合には、良好な発光特性を示す場合が多い。
【００２０】
配位子Ａは、下記構造式から選ばれることが好ましく、
【００２１】
【化５】
【００２２】
［但し、上記構造式は、基本構造を示しており、縮合環基または置換基を有しても良い。該置換基は、ハロゲン原子、直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＲ−（Ｒはアルキル基または、置換されても良い芳香環基）に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い。］
【００２３】
下記構造式であることがより好ましい。
【００２４】
【化６】
【００２５】
［Ｒ、Ｒ’は同じまたは異なる直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い。また、Ｒ，Ｒ’のどちらか一方が水素原子であっても良い。］
【００２６】
配位子Ａの具体例を以下に示す。
【００２７】
【化７】
【００２８】
【化８】
【００２９】
また、フォスフィン配位子（単座配位子）の具体例を以下に示す。
【００３０】
【化９】
【００３１】
本発明の金属配位化合物は、発光素子に用いるために、素子作成プロセス上、配位化合物自体が中性で、カウンターイオンを持たない非イオン性化合物であることが望ましい。そのためには、配位子Ａとフォスフィン配位子は共に０価の中性配位子であるため、Ｘ１は、マイナス１価の単座配位子であり、Ｃｕに配位する原子は、ハロゲン原子、置換基を有しても良い芳香環基中の窒素原子、−ＯＲの酸素原子、または−ＳＲ硫黄原子から選ばれる（前記−ＯＲまたは−ＳＲ中のＲは、直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い）ことが好ましい。Ｘ１の具体例を以下に示す。
【００３２】
【化１０】
【００３３】
また、フォスフィンにアニオン性基を加えた以下に示す様な、マイナス１価の２座配位子でもよい。
【００３４】
【化１１】
【００３５】
これら構造を有する銅配位化合物の励起状態は、ｍｅｔａｌ−ｔｏ−ｌｉｇａｎｄ−ｃｈａｒｇｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＭＬＣＴ）励起状態に帰属することができ、強い発光が得られる。これら励起状態を得るためには、励起時に、銅イオンから電子を放出しやすく、電子を受け入れる配位子の電子受容性が強いほうがよい。本発明の銅配位化合物の場合、電子を受け入れる配位子は、共役長が大きく電子親和力の大きなジイミン構造を有する配位子Ａであり、例えば、上述のように、フェナンスロリンや、２，２’−ビピリジンやそれらの誘導体を用いることができる。また、Ｃｕイオンが電子を放出しやすくするためにはＣｕイオンに電子供与性の高い配位子を配位させればよい。本発明に用いられるフォスフィンリガンドは、その性質を有し強発光を促進する。
【００３６】
高発光効率のためには、基底状態と励起状態の構造変化を抑制するような配位子構造にすることが重要である。Ｃｕ（１）の配位構造は４配位の擬似的なテトラヘドラル構造であるが、励起状態でこれが保たれているほうが高発光である。例えば、配位子Ａが、フェナントロリンの２，９位を２つのアルキル基で置換したものである場合は、基底状態の擬似的なテトラヘドラル構造を励起状態でも保持する効果があり、高発光特性が得られる。励起状態では、テトラヘドラル構造が平面構造になろうとするが、それを嵩高い置換基で置換することで、励起状態でもテトラヘドラルに近い構造を保持している。
【００３７】
また、一般に用いられる発光材料に比べ、本発明の発光材料は、溶液中での発光効率は高くないにもかかわらず、固体状態中とくに１００％の粉末状態で非常に強い発光を示す。この主な理由は２つ考えられる。
【００３８】
一つは、基底状態のＣｕ（１）の配位構造は４配位の擬似的なテトラヘドラル構造である。これを励起して励起状態になるとＭＬＣＴ励起状態を形成するために、Ｃｕはプラス２価に近い状態になり、平面に近い構造が安定になる。すると励起状態と基底状態で大きく構造が変化することにより、エネルギーの熱失活経路が増え発光が弱めれらる。しかしながらこの構造変化が固体中では動きが阻害されるため構造変化が抑制されて強い発光が得られると考えられる。
【００３９】
他の理由は、溶液中では付加的な配位構造が形成され、５配位構造を形成する可能性がある。５配位では、強い発光が得られない。このような５配位化反応は固体中では分子運動が抑制されているため得られにくく、従って固体中では強い発光が得られる。
【００４０】
また、本発明のＣｕ配位化合物の粉末固体発光寿命は、０．０５〜５０μｓｅｃの発光寿命を有する。
【００４１】
これまで、用いられてきたアルミキノリノール誘導体、クマリン誘導体、キナクリドン誘導体などは、溶液中で非常に強い発光が得られ、その強発光特性がそのまま固体分散中でも保持される。この特性が有機ＥＬ素子においても有効に働き、素子の高発光効率が得られた。
【００４２】
しかしながら本発明のＣｕ錯体では溶液中の発光に比べて固体中の発光は非常に強い。本発明者らはこの特性に着眼し有機ＥＬ素子の高効率で安定発光に有用であることを見出した。
【００４３】
本発明のＣｕ配位化合物は有機ＥＬ素子の発光材料に有用である。高い発光効率を有することは言うまでもなく、蒸着プロセスによる製膜や、高分子中に分散するためのスピンコートにも適する。素子作成工程における分解などのダメージがなく安定した素子作成が可能になる。また、ＥＬ素子の通電時の発光安定性に関しても問題がないことが確認された。
【００４４】
また、以下の実施例に示すように、通電耐久試験において、本発明の化合物は、安定性においても優れた性能を有することが明らかとなった。
【００４５】
以下に、本発明の金属配位化合物の具体例を示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】
【表３】
【００４９】
【表４】
【００５０】
【表５】
【００５１】
【表６】
【００５２】
【表７】
【００５３】
【表８】
【００５４】
【表９】
【００５５】
本発明の金属配位化合物の合成法の一例を以下に示す。この例では、配位子Ａには、２，９ジメチルフェナンスロリン（化７の３１）を用いた。反応溶媒にはトルエンを用い、２，９ジメチルフェナンスロリンとＣｕＸ（Ｘ＝Ｉ，Ｂｒ，Ｃｌ）反応させ、赤い粉末の生成が確認できた後、ＰＲ１Ｒ２Ｒ３を加える。ＰＲ１Ｒ２Ｒ３、化９に示した４１−４２４を用いることができ、また、これら以外のフォスフィンも用いることが可能である。ＰＲ１Ｒ２Ｒ３を加えた後、窒素気流下で３時間還流すると、反応物が沈殿してくる。反応物を濾別し、トルエンで洗浄して、目的物を得ることができる。
【００５６】
【化１２】
【００５７】
次に、本発明の発光素子について説明する。本発明の発光素子は、上記発光材料が発光層に含まれることを特徴とし、前記発光層が前記発光材料１００％の部分を含むことが好ましい。
【００５８】
本発明の有機ＥＬ素子の基本的な構成を図１（ａ）〜（ｄ）に示した。
【００５９】
図１に示したように、一般に有機ＥＬ素子は透明基板１５上に透明電極１４と金属電極１１の間に複数層の有機膜層から構成される。
【００６０】
図１（ａ）では、有機層が発光層１２とホール輸送層１３からなる。透明電極１４としては、仕事関数が大きなＩＴＯなどが用いられ、透明電極１４からホール輸送層１３への良好なホール注入特性を持たせている。金属電極１１としては、アルミニウム、マグネシウムあるいはそれらを用いた合金などの仕事関数の小さな金属材料を用い有機層への良好な電子注入性を持たせる。これら電極には、５０〜２００ｎｍの膜厚が用いられる。
【００６１】
発光層１２には、電子輸送性と発光特性を有するアルミキノリノール錯体など（代表例は、以下に示すＡｌｑ）が用いられる。また、ホール輸送層１３には、例えばトリフェニルアミン誘導体（代表例は、以下に示すαＮＰＤ）など電子供与性を有する材料が用いられる。
【００６２】
以上の構成した素子は整流性を示し、金属電極１１を陰極に透明電極１５を陽極になるように電界を印加すると、金属電極１１から電子が発光層１２に注入され、透明電極１４からはホールが注入される。
【００６３】
注入されたホールと電子は発光層１２内で再結合により励起子が生じ発光する。この時ホール輸送層１３は電子のブロッキング層の役割を果たし、発光層１２／ホール輸送層１３界面の再結合効率が上がり、発光効率が上がる。
【００６４】
さらに、図１（ｂ）では、図１（ａ）の金属電極１１と発光層１２の間に、電子輸送層１６が設けられている。発光と電子・ホール輸送を分離して、より効果的なキャリアブロッキング構成にすることで、効率的な発光を行うことができる。電子輸送層１６としては、例えば、オキサジアゾール誘導体など、または、以下に示すＡｌｑ、ＢｐｈｅｎやＢＣＰを用いることができる。
【００６５】
また、図１（ｃ）のように、発光層１２内で形成される励起子を発光層１２内に閉じ込め、効率的な発光を行うように、励起子拡散防止層１７を設けることもできる。
【００６６】
また、図１（ｄ）のように、単層構成で素子を構成することも可能である。これは、高分子塗布などで利用される場合が多いが、低分子の真空蒸着によっても利用することは可能である。
【００６７】
【化１３】
【００６８】
本発明で示した高効率な発光素子は、省エネルギーや高輝度が必要な製品に応用が可能である。応用例としては表示装置・照明装置やプリンターの光源、液晶表示装置のバックライトなどが考えられる。表示装置としては、省エネルギーや高視認性・軽量なフラットパネルディスプレイが可能となる。また、プリンターの光源としては、現在広く用いられているレーザビームプリンタのレーザー光源部を、本発明の発光素子に置き換えることができる。独立にアドレスできる素子をアレイ上に配置し、感光ドラムに所望の露光を行うことで、画像形成する。本発明の素子を用いることで、装置体積を大幅に減少することができる。照明装置やバックライトに関しては、本発明による省エネルギー効果が期待できる。
【００６９】
【実施例】
＜実施例１−１０＞
上記式（Ａ）に準じて、表１０に示す化合物を合成した。これらの構造は、１Ｈ−ＮＭＲ（Ｂｒｕｋｅｒ ＤＰＸ−４００ ＮＭＲ）および元素分析（Ｖａｒｉｏ ＥＬ ＣＨＮＯＳ）によって同定した。例示化合物３２６と例示化合物３３５の１Ｈ−ＮＭＲチャートをそれぞれ図２、図３に示す。元素分析に関しては、ＣＨＮの元素重量比の計算値に対し、０．５％以下の誤差でよく一致した。
【００７０】
また、光励起による発光特性を測定した。結果を表１０に示す。発光スペクトルは、日立測器社製Ｆ４５００（励起波長３８０−４５０ｎｍ）を用いて測定した。測定はすべて粉末状態で行った。発光色は、黄橙色から赤発光であった。
【００７１】
【表１０】
【００７２】
それぞれ固体状態で強い発光が得られた。例示化合物１０１，１０２，３３５の発光スペクトルを図４に示した。
【００７３】
＜実施例１１、１２＞
実施例１で合成した例示化合物１０１、実施例２で合成した例示化合物１０２を発光材料として用いて有機ＥＬ素子を作成した。
【００７４】
素子構成として、図１（ｄ）に示す有機層が１層の素子を使用した。ガラス基板（透明基板１５）上に１００ｎｍのＩＴＯ（透明電極１４）をパターニングして、電極面積が３ｍｍ２になるようにした。
【００７５】
そのＩＴＯ基板上に、以下の溶液を用いて、窒素雰囲気下で２０００ｒｐｍ、２０秒間でスピンコートすることで、１２０ｎｍの膜厚の有機膜（発光層１２）を形成した。
クロロベンゼン：１０ｇ
ポリビニルカルバゾール（平均分子量９６００）：１００ｍｇ
例示化合物１０１または例示化合物１０２：３．０ｍｇ
【００７６】
この製膜後、この基板を真空蒸着チャンバーに装着して、以下のような構成の陰極（金属電極１１）を形成した。
金属電極層１（１５ｎｍ）：ＡｌＬｉ合金（Ｌｉ含有量１．８重量％）
金属電極層２（１００ｎｍ）：Ａｌ
【００７７】
これらに金属電極１１をマイナス、透明電極１４をプラスにしてＤＣ電圧を印加して素子特性を評価した。
【００７８】
電圧電流特性は、良好な整流性を示した。発光スペクトルは、トプコン社製、スペクトル測定機ＳＲ１で測定した。発光は、それぞれ実施例１，２で得られたスペクトルより、１０ｎｍ程度長波長化していた。１４Ｖ印加時の発光効率を算出すると０．３ｌｍ／Ｗと０．５ｌｍ／Ｗであった。５０時間通電発光させても安定した発光が得られた。
【００７９】
＜実施例１３、１４＞
実施例１で合成した例示化合物１０１、実施例４で合成した例示化合物２５１を用いて、有機層がホール輸送層１３、発光層１２、電子輸送層１６の３層からなる図１（ｂ）に示す単ビットの有機ＥＬ素子を作成し、素子特性を計測した。
【００８０】
透明基板１５として無アルカリガラス基板を用い、この上に透明電極１４として１００ｎｍ厚の酸化インジウム（ＩＴＯ）をスパッタ法にて形成し、直径２ｍｍの大きさの電極にパターニングした。
【００８１】
【化１４】
【００８２】
この上にホール輸送層１３として、上記構造式で表されるＰＥＤＯＴとＰＳＳからなる高分子膜溶液をスピンコート法にて膜厚３０ｎｍ形成した。その上に例示化合物１０１、例示化合物２５１のそれぞれの１．０％クロロホルム溶液を２回スピンコートし、６０℃のオーブン中で６０分乾燥して、膜厚７０ｎｍの発光層１２を得た。この発光層１２は、銅金属配位化合物のみから形成されている。さらに電子輸送層１６として、上記Ｂｐｈｅｎで表される化合物を、１０−４Ｐａの真空度で抵抗加熱蒸着を行い、膜厚４０ｎｍの有機膜を得た。
【００８３】
この上に金属電極層１１の下引き層として、フッ化カリウムＫＦを５ｎｍ配置した。さらに金属電極１１として、１００ｎｍの膜厚のアルミニウムＡｌ膜を蒸着し、陰極層を形成し有機ＥＬ素子を作成した。
【００８４】
有機ＥＬ素子の特性は、電流電圧特性をヒューレッドパッカード社製の微小電流計４１４０Ｂで測定し、また発光輝度をトプコン社製ＢＭ７で測定した。本実施例の素子はいずれも良好な整流性を示した。
【００８５】
電圧１５Ｖ印加時に、本ＥＬ素子からの発光が確認された。発光波長ピークは５９５ｎｍ及び５９７ｎｍであり、実施例１，４の光励起時の発光とほぼ同様の発光波長が確認された。このときの発光効率は、０．８ｌｍ／Ｗであり安定した発光が得られた。
【００８６】
＜実施例１５＞
真空蒸着法で有機層を形成した以外は実施例１３，１４と同様にして有機ＥＬ素子を作成した。但し、ホール輸送層１３材料には化１１に示したα−ＮＰＤを用い、発光層１２には実施例６で合成した例示化合物３２６を用い、電子輸送層１６には実施例１３，１４に用いたＢＰｈｅｎを用いた。それぞれ厚さは４０ｎｍである。
【００８７】
実施例１３，１４と同様に電気光特性を測定した。１０Ｖ印加時の発光波長ピークは６１０ｎｍであり、実施例６の光励起時の発光とほぼ同様の発光波長が確認された。このときの発光効率は、０．６ｌｍ／Ｗであり安定した発光が得られた。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明の様に、本発明の発光材料は、高発光効率・高安定性・低コストであり、有機ＥＬ素子の発光材料に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一例を示す図である。
【図２】例示化合物３２６の１Ｈ−ＮＭＲチャートである。
【図３】例示化合物３３５の１Ｈ−ＮＭＲチャートである。
【図４】例示化合物１０１，１０２，３３５の発光スペクトルである。
【符号の説明】
１１ 金属電極
１２ 発光層
１３ ホール輸送層
１４ 透明電極
１５ 透明電極
１６ 電子輸送層
１７ 励起子拡散防止層
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物を用いた発光素子に関するものであり、さらに詳しくは、金属配位化合物を発光材料として用いることで安定した効率の高い発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機ＥＬ素子は、高速応答性や高効率の発光素子として、応用研究が精力的に行われている［例えば非特許文献１参照］。
【０００３】
銅錯体は、原料が安価なため、比較的安価に製造することが可能であり、銅錯体の性能を十分に引き出せば低コスト高性能な有機ＥＬ素子が可能になる。
【０００４】
特許文献１、非特許文献２には、銅錯体を用いた有機ＥＬ素子が開示されている。しかしながら、これらのＥＬ素子は、発光効率が著しく低く、素子の効率の記載が不十分であり、銅錯体の特性が十分引き出せているとは考えにくく、ディスプレイや照明などに用いるには十分な性能のものではない。
【０００５】
また、非特許文献３には、本発明の化合物と比較的近い構造を有する銅錯体が開示されているが、発光に関する記載はなく、かつ、室温において全く発光が確認できないか、非常に微弱な発光しかせず、発光性材料ではない。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９４０５１４号公報
【非特許文献１】
Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．１２５，１〜４８（１９９７）
【非特許文献２】
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １９９９ １１ Ｎｏ１０ ｐ８５２ Ｙ．Ｍａ ｅｔ ａｌ．
Ｈｉｇｈ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｇｏｌｄ（１）ａｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ（１）Ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｒｉｐｌｅｔ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ
【非特許文献３】
Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｃ Ｃ５４，１９９８，ｐ１０８７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高発光効率・高安定性・低コストである発光材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の発光材料は、下記一般式（１）で示される部分構造式を有する金属配位化合物であることを特徴とする。
【０００９】
【化４】
［Ｃｕは銅イオンである。
【００１１】
配位子Ａは、基本骨格を［２，２’］ビピリジニルとする２座配位子であり、該［２，２’］ビピリジニルが縮合環基または置換基を有しても良い。
【００１２】
前記Ｃｕに配位する原子ＰはＰＲ１Ｒ２Ｒ３で表されるフォスフィン化合物のリン原子である（前記ＰＲ１Ｒ２Ｒ３中のＲ１Ｒ２Ｒ３は、同じまたは異なる直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い）。
【００１３】
Ｃｕに配位するＸ１の原子は、ハロゲン原子、酸素原子、硫黄原子または窒素原子から選ばれる。
【００１４】
前記ＰＲ１Ｒ２Ｒ３中のＲ１Ｒ２Ｒ３のいずれかが前記Ｘ１を含み、２座配位子を形成していてもよい。］
【００１５】
また、本発明の発光素子は、上記発光材料が発光層に含まれることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１７】
まず、本発明の発光材料である金属配位化合物（銅錯体）の特徴から説明する。
【００１８】
本発明の金属配位化合物は、芳香環ジイミン構造を有する配位子Ａ中の窒素原子とＰＲ１Ｒ２Ｒ３の構造を有するフォスフィン中のリン原子が一価のＣｕに配位する構造を有している。
【００１９】
銅錯体の中心金属の銅イオンはプラス１価を用いることが好ましい。銅原子の電子配置から考えると、プラス１価の銅は、ｄ電子が１０個含まれる。一般に、遷移金属で偶数個のｄ電子の場合には、良好な発光特性を示す場合が多い。
【００２０】
配位子Ａは、下記構造式から選ばれることが好ましく、
【００２１】
【化５】
［但し、上記構造式は、基本構造を示しており、縮合環基または置換基を有しても良い。該置換基は、ハロゲン原子、直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＲ−（Ｒはアルキル基または、置換されても良い芳香環基）に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い。］
【００２３】
下記構造式であることがより好ましい。
【００２４】
【化６】
［Ｒ、Ｒ’は同じまたは異なる直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い。また、Ｒ，Ｒ’のどちらか一方が水素原子であっても良い。］
【００２６】
配位子Ａの具体例を以下に示す。
【００２７】
【化７】
【化８】
また、フォスフィン配位子（単座配位子）の具体例を以下に示す。
【００３０】
【化９】
本発明の金属配位化合物は、発光素子に用いるために、素子作成プロセス上、配位化合物自体が中性で、カウンターイオンを持たない非イオン性化合物であることが望ましい。そのためには、配位子Ａとフォスフィン配位子は共に０価の中性配位子であるため、Ｘ１は、マイナス１価の単座配位子であり、Ｃｕに配位する原子は、ハロゲン原子、置換基を有しても良い芳香環基中の窒素原子、−ＯＲの酸素原子、または−ＳＲ硫黄原子から選ばれる（前記−ＯＲまたは−ＳＲ中のＲは、直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い）ことが好ましい。Ｘ１の具体例を以下に示す。
【００３２】
【化１０】
また、フォスフィンにアニオン性基を加えた以下に示す様な、マイナス１価の２座配位子でもよい。
【００３４】
【化１１】
これら構造を有する銅配位化合物の励起状態は、ｍｅｔａｌ−ｔｏ−ｌｉｇａｎｄ−ｃｈａｒｇｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＭＬＣＴ）励起状態に帰属することができ、強い発光が得られる。これら励起状態を得るためには、励起時に、銅イオンから電子を放出しやすく、電子を受け入れる配位子の電子受容性が強いほうがよい。本発明の銅配位化合物の場合、電子を受け入れる配位子は、共役長が大きく電子親和力の大きなジイミン構造を有する配位子Ａであり、例えば、上述のように、フェナンスロリンや、２，２’−ビピリジンやそれらの誘導体を用いることができる。また、Ｃｕイオンが電子を放出しやすくするためにはＣｕイオンに電子供与性の高い配位子を配位させればよい。本発明に用いられるフォスフィンリガンドは、その性質を有し強発光を促進する。
【００３６】
高発光効率のためには、基底状態と励起状態の構造変化を抑制するような配位子構造にすることが重要である。Ｃｕ（１）の配位構造は４配位の擬似的なテトラヘドラル構造であるが、励起状態でこれが保たれているほうが高発光である。例えば、配位子Ａが、フェナントロリンの２，９位を２つのアルキル基で置換したものである場合は、基底状態の擬似的なテトラヘドラル構造を励起状態でも保持する効果があり、高発光特性が得られる。励起状態では、テトラヘドラル構造が平面構造になろうとするが、それを嵩高い置換基で置換することで、励起状態でもテトラヘドラルに近い構造を保持している。
【００３７】
また、一般に用いられる発光材料に比べ、本発明の発光材料は、溶液中での発光効率は高くないにもかかわらず、固体状態中とくに１００％の粉末状態で非常に強い発光を示す。この主な理由は２つ考えられる。
【００３８】
一つは、基底状態のＣｕ（１）の配位構造は４配位の擬似的なテトラヘドラル構造である。これを励起して励起状態になるとＭＬＣＴ励起状態を形成するために、Ｃｕはプラス２価に近い状態になり、平面に近い構造が安定になる。すると励起状態と基底状態で大きく構造が変化することにより、エネルギーの熱失活経路が増え発光が弱めれらる。しかしながらこの構造変化が固体中では動きが阻害されるため構造変化が抑制されて強い発光が得られると考えられる。
【００３９】
他の理由は、溶液中では付加的な配位構造が形成され、５配位構造を形成する可能性がある。５配位では、強い発光が得られない。このような５配位化反応は固体中では分子運動が抑制されているため得られにくく、従って固体中では強い発光が得られる。
【００４０】
また、本発明のＣｕ配位化合物の粉末固体発光寿命は、０．０５〜５０μｓｅｃの発光寿命を有する。
【００４１】
これまで、用いられてきたアルミキノリノール誘導体、クマリン誘導体、キナクリドン誘導体などは、溶液中で非常に強い発光が得られ、その強発光特性がそのまま固体分散中でも保持される。この特性が有機ＥＬ素子においても有効に働き、素子の高発光効率が得られた。
【００４２】
しかしながら本発明のＣｕ錯体では溶液中の発光に比べて固体中の発光は非常に強い。本発明者らはこの特性に着眼し有機ＥＬ素子の高効率で安定発光に有用であることを見出した。
【００４３】
本発明のＣｕ配位化合物は有機ＥＬ素子の発光材料に有用である。高い発光効率を有することは言うまでもなく、蒸着プロセスによる製膜や、高分子中に分散するためのスピンコートにも適する。素子作成工程における分解などのダメージがなく安定した素子作成が可能になる。また、ＥＬ素子の通電時の発光安定性に関しても問題がないことが確認された。
【００４４】
また、以下の実施例に示すように、通電耐久試験において、本発明の化合物は、安定性においても優れた性能を有することが明らかとなった。
【００４５】
以下に、本発明の金属配位化合物の具体例を示す。
【００４６】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
本発明の金属配位化合物の合成法の一例を以下に示す。この例では、配位子Ａには、２，９ジメチルフェナンスロリン（化７の３１）を用いた。反応溶媒にはトルエンを用い、２，９ジメチルフェナンスロリンとＣｕＸ（Ｘ＝Ｉ，Ｂｒ，Ｃｌ）反応させ、赤い粉末の生成が確認できた後、ＰＲ１Ｒ２Ｒ３を加える。ＰＲ１Ｒ２Ｒ３、化９に示した４１−４２４を用いることができ、また、これら以外のフォスフィンも用いることが可能である。ＰＲ１Ｒ２Ｒ３を加えた後、窒素気流下で３時間還流すると、反応物が沈殿してくる。反応物を濾別し、トルエンで洗浄して、目的物を得ることができる。
【００５６】
【化１２】
次に、本発明の発光素子について説明する。本発明の発光素子は、上記発光材料が発光層に含まれることを特徴とし、前記発光層が前記発光材料１００％の部分を含むことが好ましい。
【００５８】
本発明の有機ＥＬ素子の基本的な構成を図１（ａ）〜（ｄ）に示した。
【００５９】
図１に示したように、一般に有機ＥＬ素子は透明基板１５上に透明電極１４と金属電極１１の間に複数層の有機膜層から構成される。
【００６０】
図１（ａ）では、有機層が発光層１２とホール輸送層１３からなる。透明電極１４としては、仕事関数が大きなＩＴＯなどが用いられ、透明電極１４からホール輸送層１３への良好なホール注入特性を持たせている。金属電極１１としては、アルミニウム、マグネシウムあるいはそれらを用いた合金などの仕事関数の小さな金属材料を用い有機層への良好な電子注入性を持たせる。これら電極には、５０〜２００ｎｍの膜厚が用いられる。
【００６１】
発光層１２には、電子輸送性と発光特性を有するアルミキノリノール錯体など（代表例は、以下に示すＡｌｑ）が用いられる。また、ホール輸送層１３には、例えばトリフェニルアミン誘導体（代表例は、以下に示すαＮＰＤ）など電子供与性を有する材料が用いられる。
【００６２】
以上の構成した素子は整流性を示し、金属電極１１を陰極に透明電極１５を陽極になるように電界を印加すると、金属電極１１から電子が発光層１２に注入され、透明電極１４からはホールが注入される。
【００６３】
注入されたホールと電子は発光層１２内で再結合により励起子が生じ発光する。この時ホール輸送層１３は電子のブロッキング層の役割を果たし、発光層１２／ホール輸送層１３界面の再結合効率が上がり、発光効率が上がる。
【００６４】
さらに、図１（ｂ）では、図１（ａ）の金属電極１１と発光層１２の間に、電子輸送層１６が設けられている。発光と電子・ホール輸送を分離して、より効果的なキャリアブロッキング構成にすることで、効率的な発光を行うことができる。電子輸送層１６としては、例えば、オキサジアゾール誘導体など、または、以下に示すＡｌｑ、ＢｐｈｅｎやＢＣＰを用いることができる。
【００６５】
また、図１（ｃ）のように、発光層１２内で形成される励起子を発光層１２内に閉じ込め、効率的な発光を行うように、励起子拡散防止層１７を設けることもできる。
【００６６】
また、図１（ｄ）のように、単層構成で素子を構成することも可能である。これは、高分子塗布などで利用される場合が多いが、低分子の真空蒸着によっても利用することは可能である。
【００６７】
【化１３】
本発明で示した高効率な発光素子は、省エネルギーや高輝度が必要な製品に応用が可能である。応用例としては表示装置・照明装置やプリンターの光源、液晶表示装置のバックライトなどが考えられる。表示装置としては、省エネルギーや高視認性・軽量なフラットパネルディスプレイが可能となる。また、プリンターの光源としては、現在広く用いられているレーザビームプリンタのレーザー光源部を、本発明の発光素子に置き換えることができる。独立にアドレスできる素子をアレイ上に配置し、感光ドラムに所望の露光を行うことで、画像形成する。本発明の素子を用いることで、装置体積を大幅に減少することができる。照明装置やバックライトに関しては、本発明による省エネルギー効果が期待できる。
【００６９】
【実施例】
＜実施例１−１０＞
上記式（Ａ）に準じて、表１０に示す化合物を合成した。これらの構造は、１Ｈ−ＮＭＲ（Ｂｒｕｋｅｒ ＤＰＸ−４００ ＮＭＲ）および元素分析（Ｖａｒｉｏ ＥＬ ＣＨＮＯＳ）によって同定した。例示化合物３２６と例示化合物３３５の１Ｈ−ＮＭＲチャートをそれぞれ図２、図３に示す。元素分析に関しては、ＣＨＮの元素重量比の計算値に対し、０．５％以下の誤差でよく一致した。
【００７０】
また、光励起による発光特性を測定した。結果を表１０に示す。発光スペクトルは、日立測器社製Ｆ４５００（励起波長３８０−４５０ｎｍ）を用いて測定した。測定はすべて粉末状態で行った。発光色は、黄橙色から赤発光であった。
【００７１】
【表１０】
それぞれ固体状態で強い発光が得られた。例示化合物１０１，１０２，３３５の発光スペクトルを図４に示した。
【００７３】
＜実施例１１、１２＞
実施例１で合成した例示化合物１０１、実施例２で合成した例示化合物１０２を発光材料として用いて有機ＥＬ素子を作成した。
【００７４】
素子構成として、図１（ｄ）に示す有機層が１層の素子を使用した。ガラス基板（透明基板１５）上に１００ｎｍのＩＴＯ（透明電極１４）をパターニングして、電極面積が３ｍｍ２になるようにした。
【００７５】
そのＩＴＯ基板上に、以下の溶液を用いて、窒素雰囲気下で２０００ｒｐｍ、２０秒間でスピンコートすることで、１２０ｎｍの膜厚の有機膜（発光層１２）を形成した。
クロロベンゼン：１０ｇ
ポリビニルカルバゾール（平均分子量９６００）：１００ｍｇ
例示化合物１０１または例示化合物１０２：３．０ｍｇ
【００７６】
この製膜後、この基板を真空蒸着チャンバーに装着して、以下のような構成の陰極（金属電極１１）を形成した。
金属電極層１（１５ｎｍ）：ＡｌＬｉ合金（Ｌｉ含有量１．８重量％）
金属電極層２（１００ｎｍ）：Ａｌ
【００７７】
これらに金属電極１１をマイナス、透明電極１４をプラスにしてＤＣ電圧を印加して素子特性を評価した。
【００７８】
電圧電流特性は、良好な整流性を示した。発光スペクトルは、トプコン社製、スペクトル測定機ＳＲ１で測定した。発光は、それぞれ実施例１，２で得られたスペクトルより、１０ｎｍ程度長波長化していた。１４Ｖ印加時の発光効率を算出すると０．３ｌｍ／Ｗと０．５ｌｍ／Ｗであった。５０時間通電発光させても安定した発光が得られた。
【００７９】
＜実施例１３、１４＞
実施例１で合成した例示化合物１０１、実施例４で合成した例示化合物２５１を用いて、有機層がホール輸送層１３、発光層１２、電子輸送層１６の３層からなる図１（ｂ）に示す単ビットの有機ＥＬ素子を作成し、素子特性を計測した。
【００８０】
透明基板１５として無アルカリガラス基板を用い、この上に透明電極１４として１００ｎｍ厚の酸化インジウム（ＩＴＯ）をスパッタ法にて形成し、直径２ｍｍの大きさの電極にパターニングした。
【００８１】
【化１４】
この上にホール輸送層１３として、上記構造式で表されるＰＥＤＯＴとＰＳＳからなる高分子膜溶液をスピンコート法にて膜厚３０ｎｍ形成した。その上に例示化合物１０１、例示化合物２５１のそれぞれの１．０％クロロホルム溶液を２回スピンコートし、６０℃のオーブン中で６０分乾燥して、膜厚７０ｎｍの発光層１２を得た。この発光層１２は、銅金属配位化合物のみから形成されている。さらに電子輸送層１６として、上記Ｂｐｈｅｎで表される化合物を、１０−４Ｐａの真空度で抵抗加熱蒸着を行い、膜厚４０ｎｍの有機膜を得た。
【００８３】
この上に金属電極層１１の下引き層として、フッ化カリウムＫＦを５ｎｍ配置した。さらに金属電極１１として、１００ｎｍの膜厚のアルミニウムＡｌ膜を蒸着し、陰極層を形成し有機ＥＬ素子を作成した。
【００８４】
有機ＥＬ素子の特性は、電流電圧特性をヒューレッドパッカード社製の微小電流計４１４０Ｂで測定し、また発光輝度をトプコン社製ＢＭ７で測定した。本実施例の素子はいずれも良好な整流性を示した。
【００８５】
電圧１５Ｖ印加時に、本ＥＬ素子からの発光が確認された。発光波長ピークは５９５ｎｍ及び５９７ｎｍであり、実施例１，４の光励起時の発光とほぼ同様の発光波長が確認された。このときの発光効率は、０．８ｌｍ／Ｗであり安定した発光が得られた。
【００８６】
＜実施例１５＞
真空蒸着法で有機層を形成した以外は実施例１３，１４と同様にして有機ＥＬ素子を作成した。但し、ホール輸送層１３材料には化１１に示したα−ＮＰＤを用い、発光層１２には実施例６で合成した例示化合物３２６を用い、電子輸送層１６には実施例１３，１４に用いたＢＰｈｅｎを用いた。それぞれ厚さは４０ｎｍである。
【００８７】
実施例１３，１４と同様に電気光特性を測定した。１０Ｖ印加時の発光波長ピークは６１０ｎｍであり、実施例６の光励起時の発光とほぼ同様の発光波長が確認された。このときの発光効率は、０．６ｌｍ／Ｗであり安定した発光が得られた。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明の様に、本発明の発光材料は、高発光効率・高安定性・低コストであり、有機ＥＬ素子の発光材料に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一例を示す図である。
【図２】例示化合物３２６の１Ｈ−ＮＭＲチャートである。
【図３】例示化合物３３５の１Ｈ−ＮＭＲチャートである。
【図４】例示化合物１０１，１０２，３３５の発光スペクトルである。
【符号の説明】
１１ 金属電極
１２ 発光層
１３ ホール輸送層
１４ 透明電極
１５ 透明電極
１６ 電子輸送層
１７ 励起子拡散防止層
Claims (8)
- 下記一般式（１）で示される部分構造式を有する金属配位化合物であることを特徴とする発光材料。
配位子Ａは、基本骨格を［２，２’］ビピリジニルとする２座配位子であり、該［２，２’］ビピリジニルが縮合環基または置換基を有しても良い。
前記Ｃｕに配位する原子ＰはＰＲ１Ｒ２Ｒ３で表されるフォスフィン化合物のリン原子である（前記ＰＲ１Ｒ２Ｒ３中のＲ１Ｒ２Ｒ３は、同じまたは異なる直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い）。
Ｃｕに配位するＸ１の原子は、ハロゲン原子、酸素原子、硫黄原子または窒素原子から選ばれる。
前記ＰＲ１Ｒ２Ｒ３中のＲ１Ｒ２Ｒ３のいずれかが前記Ｘ１を含み、２座配位子を形成していてもよい。］ - 前記金属配位化合物が、電気的に中和された非イオン性化合物であることを特徴とする請求項１に記載の発光材料。
- 前記配位子Ａが下記構造式から選ばれることを特徴とする請求項１または２に記載の発光材料。
- 前記配位子Ａが下記構造式であることを特徴とする請求項３に記載の発光材料。
- 前記Ｘ１は、マイナス１価の単座配位子であり、Ｃｕに配位する原子は、ハロゲン原子、置換基を有しても良い芳香環基中の窒素原子、−ＯＲの酸素原子、または−ＳＲ硫黄原子から選ばれる（前記−ＯＲまたは−ＳＲ中のＲは、直鎖状、分岐状または環状のアルキル基、または、置換基を有しても良い芳香環基である。前記アルキル基のＣＨ２基は、−Ｏ−または−ＮＨ−に置換されても良く、また、Ｈ原子は芳香環基またはハロゲン原子に置換されても良い）ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光材料。
- 前記銅イオンがプラス１価であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光材料。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の発光材料が発光層に含まれることを特徴とする発光素子。
- 前記発光層が前記発光材料１００％の部分を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
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