JP2005158520A

JP2005158520A - 有機電界発光素子

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Publication number: JP2005158520A
Application number: JP2003396132A
Authority: JP
Inventors: Masato Fukutome; 正人福留
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】積層数を低減しても電荷注入効率に優れ、かつ高い発光効率を実現する有機電界発光素子を提供する。
【解決手段】基板の表面に、透明な下部電極と、発光層と、上部電極とが順次形成されてなり、前記発光層が、有機電荷輸送材料及び発光材料を含む単一層であることを特徴とする。前記発光層が、Ｎ型半導体分子材料と、Ｐ型π電子共役系高分子材料とからなるミクロ相分離構造を有することを特徴とし、前記Ｎ型半導体材料が、フラーレン化合物、メロシアニン系、フタロシアニン系、ペリレン系で代表される化合物からなること、前記Ｐ型π電子共役系高分子材料が、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体で表される化合物からなること、前記発光材料が、燐光を放射することが可能な有機金属錯体であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は民生用および工業用の表示装置あるいはプリンターヘッドの光源、照明等に好適に用いられる有機電界発光素子に関するものである。

電界発光素子（エレクトロルミネッセント素子）は蛍光性化合物に電場を加えることにより励起し、発光させる素子であり、現在無機系材料を発光体として用いた無機電界発光素子が実用化され、液晶ディスプレイのバックライトやフラットディスプレイ等への応用展開が図られている。

また最近では、有機系材料を発光体として用いた有機電界発光素子の開発も行われ、簡素な行程で作製プロセスの低コスト化が可能で、かつ高輝度（５００Ｃｄ／ｍ２以上）、高効率（１０ｌｍ／Ｗ）、直流低電圧駆動、高速応答性（ｎｓｅｃ）などの特長を持つことから、実用化を目指した研究が盛んに行われている。

有機電界発光素子の基本構造は、図２（ａ）に示すように、ガラス等の光透光性基板５１の上に、ＩＴＯなどの透明導電性酸化物からなる陽極５２と、低仕事関数金属（Ｍｇ、Ａｌなど）からなる陰極５６と、この電極５２、５６間に機能別（正孔輸送層５３、電子輸送層５５、発光層５４）に積層した有機層５７を挟持した構成となっている。このような有機電界発光素子は、陽極５２から注入された正孔と陰極５６から注入された電子がそれぞれ正孔輸送層５３と電子輸送層５５を移動して対極に移動し、発光層５４内で再結合して励起子を生成、そして発生した励起子が基底状態に戻るときに光を放射させる。

有機電界発光素子に用いられる有機層５７は、Ｔａｎｇらにより提案された電荷輸送特性と発光特性の機能別に有機薄膜層を積層した素子構造が主流となっている（非特許文献１参照）。

また最近では、図２（ｂ）に示したように、正孔注入電極となる陽極５２と、正孔輸送層５３との間に電子阻止層５８を設けることによって、陽極５２からの電荷の注入量を制御し、再結合部位における正孔と電子の密度を等しくすることができる。また同様に、電子注入電極となる陰極５６と電子輸送層５５との間に正孔阻止層（図示せず）を設けることもできる。

ところがこのような有機電界発光素子が多層化し、層構成が複雑化することによって、製造面でプロセスの複雑化を招き、製造コストが上昇するという問題があった。また、積層構造の場合、電子と正孔の再結合部位が、電極や有機薄膜層との界面部分に集中し、素子が劣化するという問題があった。

この状況を鑑みて、発光層に対して特定の電荷注入補助剤や正孔注入補助剤などの添加物を添加し、発光層を電荷輸送層や電荷注入層として用いることで素子の積層数を低減することにより、素子の製造コストを抑え、かつ界面における電荷の集中を低減させ素子劣化を防ぐという試みがなされている。（特許文献１参照）
特開平１１−３５４２７９号公報 C.W.Tang、Appl.Phys.Lett.Vol.51(1987)p.913

しかしながら、特許文献１記載の有機電界発光素子は、添加物の濃度および均一性をコントロールすることが困難でるため、電荷の注入効率が悪く、発光効率が低いという問題があった。

したがって、本発明は、積層数を低減しても電荷注入効率に優れ、かつ高い発光効率を実現する有機電界発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、基板の表面に、透明な下部電極と、発光層と、上部電極とが順次形成されてなり、前記発光層が、有機電荷輸送材料及び発光材料を含む単一層であることを特徴とする。

前記発光層が、Ｎ型半導体分子材料と、Ｐ型π電子共役系高分子材料とからなるミクロ相分離構造を有することが好ましい。

前記Ｎ型半導体材料が、フラーレン化合物、メロシアニン系、フタロシアニン系、ペリレン系で代表される化合物からなることが好ましい。

前記Ｐ型π電子共役系高分子材料が、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体で表される化合物からなることが好ましい。

前記発光材料が、燐光を放射することが可能な有機金属錯体であることが好ましい。

前記上部電極と前記発光層との間に正孔阻止層を具備することが好ましい。

前記下部電極と前記発光層との間に電子阻止層を具備することが好ましい。

本発明の有機電界発光素子は、発光層が有機電荷輸送材料及び発光材料を含む単一層からなることによって、電荷注入効率に優れ、かつ高い発光効率を有する有機電界発光素子を実現することができるという新規な知見に基づくものであり、これによって、積層数を低減しても電荷注入効率に優れ、かつ高い発光効率を実現する有機電界発光素子を提供することができる。

特に、前記発光層が、Ｎ型半導体分子材料と、Ｐ型π電子共役系高分子材料とからなるミクロ相分離構造を有するため、正孔と電子が再結合する部位が増大し、発光効率を著しく増大させることができる。従来の有機電界発光素子の場合、有機薄膜からなる電子輸送層と正孔輸送層が順次積層した構造を有しているため、電子と正孔の再結合は、積層界面のみに限定される。結果、輸送されてきた電子と正孔が効率よく再結合できない、さらに積層界面に電荷が集中するといった問題が発生する。本発明のミクロ層分離構造の場合、電子と正孔の再結合部位を増やすことができ、かつ電荷の集中を抑制できるため、高効率で、しかも耐久性に優れた有機電界発光素子を実現することができる。

また、前記Ｎ型半導体材料が、メロシアニン系、フタロシアニン系、ペリレン系で代表される化合物からなるため、金属電極から注入された電子を効率良く輸送し、優れた発光効率を実現することができる。

さらに、前記Ｐ型π電子共役系高分子材料が、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体で表される化合物からなるため、正孔輸送性に優れ、かつ高分子化合物であるため、耐久性に優れる。これにより、効率良く発光するだけでなく、優れた発光寿命を有する。

さらにまた、前記発光材料が、燐光を放射することが可能な有機金属錯体であるため、
蛍光材料からなる有機電界発光素子に対して、最大で４倍の発光効率を向上させることができる。また、従来よりも発光効率が向上するため、駆動する電圧を低減することができるため、駆動寿命の長寿命化が実現することができる。

また、前記上部電極と前記発光層との間に正孔阻止層を具備するため、発光部位で再結合する正孔、電子の数を制御することができ、発光効率を向上することができる。

前記下部電極と前記発光層との間に電子阻止層を具備するため、発光部位で再結合する正孔、電子の数を制御することができ、発光効率を向上することができる。

本発明の有機電界発光素子は、例えば図１（ａ）に示すように光透過性基板１上に形成された光透過性を有する下部電極２と、発光層４と、上部電極６とがこの順に形成されてなるものである。このような構成を採用すると、発光層の厚みを厚くでき、さらに劣化部位になりうる各層間の界面の数を従来よりも低減することができるため、積層数が少なくても高い発光効率を示すとともに、素子の劣化を抑制し、長寿命を実現できる。

本発明における光透過性基板１は、透明で光学的等方性があり十分な耐熱性を有するものが好ましく、例えばソーダガラス、ホウ珪酸ガラス、石英、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、酢酸セルロース、ポリアリレート等が挙げられる。該光透過性基板１は、板状、シート状あるいはフィルム状等の形態で使用することができる。基板の厚さは、用途及び材質にあわせて適宜に設定できる。例として、携帯電話用２インチクラスのパネルの場合、安価で且つ透光性の優れたソーダガラス、ホウ珪酸ガラスが用いられる。重量及びハンドリングの点から０．５ｍｍ〜１．０ｍｍが良い。

下部電極２は、仕事関数の大きく、発光を外部に放出させることができる金属や合金の電気導電性化合物、およびこれらの混合物が用いられる。これにより、下部電極からの正孔注入効率が向上する。例えば、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯという）、錫酸化物、金、ヨウ化銅等が用いられる。特に可視光領域で透過率の高いＩＴＯが好適に用いられる。

発光層３は、Ｎ型半導体分子材料とＰ型π電子共役系高分子材料との混合物からなる有機電荷輸送材料中に燐光を放射することが可能な有機金属錯体を均一に分散されてなることを特徴とする。

Ｎ型半導体分子材料は、メロシアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、フラーレン誘導体等の化合物からなることを特徴とする。メロシアニン誘導体、ペリレン誘導体の窒素上の置換基は、アルキル基、フェニル基、アルコキシ基、カルボキシル基なのが好ましい。また、フタロシアニン誘導体の中心原子は、金属、水素いずれであっても良い。金属は、銅、銀、アルミニウム、マグネシウムなどが用いられる。また、ナフタレン誘導体、フラーレン誘導体なのどの置換基は、アルキル基、フェニル基、アルコキシ基、カルボキシル基などを用いることができる。これにより、電極から注入された電子を効率良く輸送することができ、優れた発光特性を発現する。

また、本発明のＰ型π電子共役系高分子材料は、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール誘導体の化合物からなる事を特徴とする。各高分子化合物の炭素上の置換基は、アルキル基、フェニル基、アルコキシ基、カルボキシル基などが好ましい。また、高分子化合物の分子量は、Ｍｗ５０００〜５０００００、好適には１００００〜５００００であることが好ましい。これにより、上部電極および下部電極表面の欠陥を低減し、かつＮ型半導体分子材料の結晶化を抑制することができ、さらに正孔を効率良く輸送することができるため、高発光かつ高寿命の発光素子を実現することができる。

本発明の発光材料は、燐光を放射することが可能な有機金属錯体であることＷ特徴とする。中心に金属原子が存在するコア部とそれを覆うように存在する有機化合物からなる枝部とからなる樹状構造を有し、かつ中心金属からの発光が燐光を発する性質を有する有機金属錯体である。特に前記コア部が周期律表の８族に属する金属原子を含み、かつ前記枝部が正孔および電子の電荷輸送性を示す有機系置換基を含むことが好ましい。これにより、従来構造より積層数を低減しても優れた発光効率を示す。

前記有機系置換基が、π電子共役系化合物からなることが好ましい。例えば、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールなどが用いられる。π電子共役系化合物内にπ電子共役ドメインが形成し、このドメイン間を正孔および電子がホッピング移動することにより、正孔および電子の両方の輸送が可能となる。

特に、π電子共役系化合物がパラフェニレンビニレン誘導体であることが好ましい。これにより、正孔および電子の輸送効率が向上し、発光効率が向上する。

上部電極１は、仕事関数が小さな（４．０ｅＶ以下）で、かつ抵抗が小さい導体薄膜を形成できる金属や合金が用いられる。これにより、上部電極１から発光層３への電荷注入が容易となる。

例えば、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、カルシウム等の１族および２族金属、ガリウム、インジウム、アルミニウム等の３族金属が用いられる。特に安価で安定なマグネシウムが好適に用いられる。

また、本発明の有機電界発光素子は、例えば図１（ｂ）に示すように下部電極５と発光層３との間に電子阻止層７を有することが好ましい。発光層の種類や厚みによっては、正孔とぶつかることなく発光層を通り抜けるものもある。この場合、発光層３の陽極側の界面に電子を押しとめる電子阻止層７を設けると発光効率が上昇する。発光層より電子親和力の小さな物質が用いられる。

さらに、本発明の有機電界発光素子は、例えば図１（ｃ）に示すように上部電極１と発光層３との間に正孔阻止層８を有することが好ましい。発光層の種類や厚みによっては、電子とぶつかることなく発光層を通り抜けるものもある。この場合、発光層３の陰極側の界面に正孔を押しとめる正孔阻止層８を設けると発光効率が上昇する。発光層３のイオン化エネルギーよりも大きなイオン化エネルギーを持つ有機化合物が用いられる。

Ｎ型半導体分子材料とＰ型π電子共役系高分子材料からなる有機電荷輸送材料と発光材料とを含む単一層からなる発光層を形成することにより、電荷注入効率に優れ、かつ高い発光効率を有する有機電界発光素子を実現できる。

次に本発明の有機電界発光素子の製造方法について説明する。

透明なガラス基板上に光透過性のＩＴＯからなる陽極を電極パターンを形成するように蒸着する。

トルエンに溶解させたパラフェニレンビニレン誘導体にフラーレン誘導体と化１からなる有機金属錯体を溶解混合させる。ここで得られたペーストをインクジェット法により薄膜形成する。次いで、その上に酸化リチウムからなる電子注入層を順次、蒸着する。

さらにこの上に、マグネシウム金属からなる陰極をＩＴＯ電極と対向するように電極パターンを形成する。

上記の方法で得られた有機電界発光素子を大気中に暴露することなく、プラズマＣＶＤ法により、封止層として酸化シリコン薄膜を形成する。基材の表面温度を１００℃に設定視、薄膜形成した。

この封止層の上部にオルガノシランＣＨ３ＣＨ２ＳｉCl_４を用い、ＣＶＤ法によって薄膜形成し、有機電界発光素子を封止した。

上記方法で得られた有機電界発光素子は、燐光による発光が見られ、従来発光効率に対して３倍程度の発光効率を示す。

また、積層数を低減することが出来るため、プロセスが簡略化され、低コストで有機発光素子を提供できる。

本発明の有機電界発光素子の構造を示すもので、（ａ）〜（ｃ）は概略断面図である。従来の有機電界発光素子の構造を示すもので、（ａ）、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

１、１１、２１・・・光透過性基板
２、１２、２２・・・下部電極
４、１４、２４・・・発光層
６、１６、２６・・・上部電極
７・・・電子阻止層
８・・・正孔阻止層

Claims

基板の表面に、透明な下部電極と、発光層と、上部電極とが順次形成されてなり、前記発光層が、有機電荷輸送材料及び発光材料を含む単一層であることを特徴とする有機電界発光素子。
前記発光層が、Ｎ型半導体分子材料と、Ｐ型π電子共役系高分子材料とからなるミクロ相分離構造を有することを特徴とする請求項１記載の有機電界発光素子。
前記Ｎ型半導体材料が、フラーレン化合物、メロシアニン系、フタロシアニン系、ペリレン系で代表される化合物からなることを特徴とする請求項１記載の有機電界発光素子。
前記Ｐ型π電子共役系高分子材料が、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体で表される化合物からなることを特徴とする請求項１記載の有機電界発光素子。
前記発光材料が、燐光を放射することが可能な有機金属錯体であることを特徴とする請求項１記載の有機電界発光素子。
前記上部電極と前記発光層との間に正孔阻止層を具備することを特徴とする請求項１〜５の有機電界発光素子。
前記下部電極と前記発光層との間に電子阻止層を具備することを特徴とする請求項１〜５の有機電界発光素子。