JP2008098582A - 有機el素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光層を通過するホールの量を抑制し、発光効率及び色純度を高めた有機EL素子を提供する。
【解決手段】基板上に正電極2、正孔注入層3、正孔輸送層4、発光層5、電子輸送層6、負電極7が積層されている。発光層5のホスト材料に金属錯体以外であってHOMOレベルが5.7eVを越える電子輸送材料を用いることで、従来よりも正孔輸送層4と発光層5とのエネルギー障壁差を大きくすることができるので、ホールブロッキング性が高まり、発光層5における電子とホールとのキャリアバランスが向上する。
【選択図】 図1
【解決手段】基板上に正電極2、正孔注入層3、正孔輸送層4、発光層5、電子輸送層6、負電極7が積層されている。発光層5のホスト材料に金属錯体以外であってHOMOレベルが5.7eVを越える電子輸送材料を用いることで、従来よりも正孔輸送層4と発光層5とのエネルギー障壁差を大きくすることができるので、ホールブロッキング性が高まり、発光層5における電子とホールとのキャリアバランスが向上する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、発光効率を高めた有機EL素子に関する。
従来、有機EL素子(有機エレクトロルミネセンス素子)は、発光層を挟むように電子や正孔のキャリアを発光層に注入しやすくするための有機層が設けられ、さらにその外側に電極が形成されている。
有機EL素子構造の一例として、ガラス基板上に、正電極22、正孔注入層23、正孔輸送層24、発光層25、電子輸送層26、負電極27が順に形成された構造が良く知られている。図5は、上記構造のエネルギーダイヤグラムを示す。なお、図5のエネルギーバンドに記載されている数字は仕事関数を表し、その単位はeVである。
電子輸送層26は、電子を円滑に発光層25に移動させ、発光層25に入った正孔が電子輸送層26に移動してくることを阻止するために用いられる。逆に、正孔輸送層24は、正孔を円滑に発光層25に移動させ、発光層25に入った電子が正孔輸送層24に移動してくることを阻止するために用いられる。
また、正孔注入層23は、正電極22とのエネルギー障壁を小さくして正孔を発光層25側へ注入しやすくするために設けられている。図5に示された有機EL素子の各層は、真空蒸着法によって形成される。
ところで、従来の有機EL素子の発光層25のホスト材料には、非特許文献1にも示されているように、アルミキノリノール錯体(Alq3)が広く用いられて主流となっており、このアルミキノリノール錯体によって発光層25のエネルギーバンド幅は、3.0〜5.7eVとなる。また、正電極にITO等の透明電極を用いる場合は、図5のように正孔輸送層24のHOMO準位側のエネルギーバンドは5.3eV付近となる。
有機ELディスプレイの最新技術動向(102頁〜107頁)
有機ELディスプレイの最新技術動向(102頁〜107頁)
しかし、上記従来の有機EL素子では、正電極22から注入されたホールは、発光層25内に閉じ込められて発光に使用されるホールだけではなく、負電極27側に抜けていく無駄なホールも多い。これは、図5に示すようにHOMO準位側では発光層25と正孔輸送層24とのエネルギー障壁差が0.4eVしかないため、発光層25のホールブロッキング性が十分でなく、発光層25をすり抜けて負電極27まで通過するホール量が多いためである。
このようになると、発光層25内におけるホールと電子のキャリアバランスが十分ではなくなるので、電子との再結合確率が低下し、生成された励起子のエネルギー散逸が増加して、発光効率の低下や色純度の低下を招いていた。
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、発光層を通過するホールの量を抑制し、発光効率及び色純度を高めた有機EL素子を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、発光層のホスト材料に金属錯体以外であってHOMOレベルが5.7eVを越える電子輸送材料を用いたことを特徴とする有機EL素子である。
また、請求項2記載の発明は、前記電子輸送材料は、電子移動度が10−4cm2/(V・s)以上であることを特徴とする請求項1記載の有機EL素子である。
本発明によれば、発光層のホスト材料に金属錯体以外であってHOMOレベルが5.7eVを越える電子輸送材料を用いているので、発光層と発光層に隣接する正電極側の有機層とのエネルギー障壁差を大きくすることができ、ホールブロッキング性が高まるので、高色純度、高発光効率を実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図2は本発明の有機EL素子の断面構造の一例を示し、図1に図2の構造の有機EL素子におけるエネルギーダイヤグラムを示す。
基板1上に正電極2、正孔注入層3、正孔輸送層4、発光層5、電子輸送層6、負電極7が積層されている。発光層5は例えば発光材料(ホスト材料)に蛍光色素をドーピングする等により可視光領域(400nm〜750nm)において特定の色を発光するように構成されている。例えば、緑色を発光させるためには、発光層5としてアルミキノリノール錯体(Alq3)に、クマリンC545Tまたはキナクリドンをゲスト材料としてドープした有機材料が用いられる。
電子輸送層6にはアルミキノリノール錯体等が用いられ、負電極7はアルミニウム等の金属で構成される。正孔輸送層4はナフテル・フェニル・ベンチジン(NPB)、TPD(トリフェルアミン誘導体)やNPD等により構成される。正孔注入層3は、m−MTDATA、CuPc等のフタロシアニン類、ポリチオフェン等で構成される。また、基板1にはガラス等の透明基板が、正電極2にはITO等の透明電極が用いられる。そして、発光層5で発光した光は、図2の矢印方向に取り出される。
まず、本発明の構成として、基板1をガラス基板、正電極2をITO、正孔注入層3をポリチオフェン、正孔輸送層4をTPD、電子輸送層6をアルミキノリノール錯体、負電極7をアルミニウム(Al)で構成した。また、発光層5については、電子輸送材料の一種であり、金属錯体ではないTR−E314をホスト材料に使用し、ゲスト材料となるドーパントの内、アシストドーパントにルブレンを、エミッションドーパントにRD3を用いた。
上記のように、図2の各層を構成した場合に、図1のようなエネルギーダイヤグラムが得られるが、この図1と図5とを比較して見ると、エネルギーバンド構成は、発光層を除いて同じものとなっている。発光層5については、電子輸送材料の一種であるTR−E314をホスト材料に使用しているので、バンド幅が大きくなり、HOMO準位側の仕事関数は、6.1eVとなって、正孔輸送層4とのエネルギー障壁差は0.8eVにもなっている。
このため、正電極2より注入されて発光層5に向かって進んだホールは、発光層5内にほとんど閉じ込められるようになるので、発光層5をすり抜ける確率が低くなる。したがって、発光層5における電子とホールとのキャリアバランスが向上し、再結合確率が高くなり、生成された励起子のエネルギー散逸も少なくなるので、色純度や発光効率が向上する。
一方、従来構造の発光層25については、ホスト材料として電子輸送材料の一種であるアルミキノリノール錯体を用いてはいるものの、金属錯体であるために、ホールブロッキング性が悪く、ホールのすり抜ける確率が高くなってしまう。
図3は、本発明の有機EL素子と、他の構成の有機EL素子との性能比較を示す。実験番号3が、上記構成の本発明による有機EL素子であり、実験番号1が図5に示される従来構造の素子を示す。実験番号1と3では、発光層を除いた正電極、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、負電極の構成は同じである。
また、発光層は、ホスト材料(図3のホスト)、ゲスト材料として2種類のドーパントから構成されており、2種類のドーパントは、アシストドーパント(図3のAD)とエミッションドーパント(図3のED)から成り立っている。図3で有機材料Aはアルミキノリノール錯体(Alq3)を、有機材料Yはルブレンを、有機材料Rは赤色ドーパントであるRD3を、有機材料BはTR−E314を示す。
ここで、実験番号1と3では、発光層の成分のうち、ホスト材料のみが異なっているだけであるが、図1で説明したように、HOMO準位側の正孔輸送層4と発光層5とのエネルギー障壁差は0.8eVとなって、ホールブロッキング性が、実験番号3の方が非常に良くなるので、色純度、発光効率が、図3のように向上する。また、駆動電圧も低下している。
ところで、アルミキノリノール錯体(有機材料A)とTR−E314(有機材料B)とでは、ホールブロッキング性だけではなく、電子移動度も異なる。電子移動度はアルミキノリノール錯体が約10−5cm2/(V・s)に対して、TR−E314は、約10−4cm2/(V・s)以上と、TR−E314の方が電子移動度が1桁以上大きい。
通常、ホール移動度は電子移動度よりも約2桁程大きくなるためにホールの方が電子よりも早く発光層に到達するため、発光層に到達する電子の量は少なくなり、発光層における電子とホールのバランスが崩れ、再結合にあずかれないホールが、正孔輸送層と発光層の界面に多く蓄積するので、蓄積したホールにより、発光層中の有機分子の酸化が継続して行われ、ラジカルカチオン状態となる時間が長くなる。このため、発光層25中の有機分子は劣化しやすくなる。しかし、上記のように金属錯体以外の電子輸送材料のうち、電子移動度が大きいものを選ぶことで、上述した劣化を抑制することができる。
一方、実験番号2は、図5の従来構造の実験番号1と発光層の成分材料は同じで、電子輸送層の材料のみを変更したものである。実験番号2では、電子輸送層をアルミキノリノール錯体(Alq3)ではなく、TR−E314としている。TR−E314のエネルギーバンド幅は、図1からもわかるように2.8〜6.1eVとなり、このバンド幅を図5の電子輸送層26に適用すると、図4のようなエネルギーダイヤグラムが得られる。
図4からもわかるように、正孔輸送層24と発光層25とのエネルギー障壁差は0.4eVであって、図5と変わらないが、発光層25と電子輸送層28とのエネルギー障壁差は0.4eVであり、図5よりも高くなってホールを電子輸送層28でブロックすることができる。したがって、実験番号1よりも発光効率が良くなり、駆動電圧が下がる。
しかし、発光層25と電子輸送層28とのエネルギー障壁差が0.4eVと小さいため、電子輸送層28で十分ホールをブロックできずに、負電極27に抜けてしまうホールもかなり発生するので、実験番号3の結果よりは、発光効率、駆動電圧、色純度は悪くなる。
なお、金属錯体以外の電子輸送材料としては、他にオキサジアゾール誘導体、スリルベン誘導体、トリアジン誘導体等があるが、HOMOレベルがアルミキノリノール錯体の5.7eVよりも大きく、電子移動度が同等以上の有機材料を選択して、発光層5のホスト材料に用いれば、TR−E314の場合と同様のホールブロッキング効果が期待できる。
1 ガラス基板
2 正電極
3 正孔注入層
4 正孔輸送層
5 発光層
6 電子輸送層
7 負電極
2 正電極
3 正孔注入層
4 正孔輸送層
5 発光層
6 電子輸送層
7 負電極
Claims (2)
- 発光層のホスト材料に金属錯体以外であってHOMOレベルが5.7eVを越える電子輸送材料を用いたことを特徴とする有機EL素子。
- 前記電子輸送材料は、電子移動度が10−4cm2/(V・s)以上であることを特徴とする請求項1記載の有機EL素子。
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