JP2010027681A - 有機el素子および有機elディスプレイ - Google Patents
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Abstract
Description
有機EL素子は、電界発光現象(Electroluminesence:EL)を用いた自発光型の発光デバイスであり、原理的にはLED(Light Emitting Diode)と似ているが、発光材料として有機材料を用いているところが異なる。
有機EL素子の発光効率を向上させる手法の一つとして、三重項励起子の利用を挙げることができる。有機EL素子では、その発光層内で正孔と電子が再結合して一重項励起子と三重項励起子を1:3の割合で生成した後、それらのエネルギー失活過程で放射失活することにより発光すると考えられている。なお、一重項励起子からの放射失活は蛍光であり、三重項励起子からの放射失活は燐光である。
一般に、高分子材料よりも低分子材料のほうが合成や精製が容易であるため、有機EL素子の発光材料として優れた材料として多くの低分子材料が発表されており、いくつかの低分子材料を用いた有機EL素子は優れた発光効率や寿命特性を示している。しかし、低分子材料はウェットプロセスで成膜すると結晶化しやすいという問題点がある。そのため、ウェットプロセスで成膜することができる結晶化しない低分子材料の開発も重要な課題である。
(1) 発光層への正孔・電子の注入。
(2) 正孔・電子の再結合によるホスト励起子生成(ホスト材料の一重項励起子および三重項励起子生成)。
(3) ホスト材料からゲスト材料への励起エネルギーの移動(ゲスト材料への一重項励起子および三重項励起子移動)。
(4) ゲスト材料の三重項励起子生成。
(5) ゲスト材料の三重項励起子の放射失活(燐光発光)。
その方法としては、たとえば、発光量子収率の高い発光材料をゲスト材料に用いることにより、励起子の放射失活をすばやく行うことにより、有機EL素子の発光効率を向上させることができる。また、有機EL素子の発光層でゲスト材料の周りを取り巻くホスト材料を最適なものとすることにより、ホスト材料からゲスト材料への励起エネルギーの移動効率を高めて、有機EL素子の発光効率を向上させることができる。さらにまた、ホスト材料のキャリア輸送性を高めることにより、発光層への正孔・電子の注入効率および正孔・電子の再結合によるホスト励起子生成効率を高めることができ、有機EL素子の発光効率を向上させることができる。
このように、有機EL素子の発光効率向上のためには、有機EL素子の発光層のホスト材料およびゲスト材料の選択は極めて重要である。
しかし、これらの材料を用いた有機EL素子では、高輝度・高電流領域において発光効率が低下する問題があった。さらに、ウェットプロセスで一般的な低分子材料を溶解させた溶液を用いて成膜した場合には、形成した膜が結晶化する問題があった。
スピロビフルオレンに2つのカルバゾール誘導体を連結させた化合物は、剛直でねじれ構造を有するスピロビフルオレンを有するために耐熱性や膜の安定性が高い。
また、この化合物は、スピロビフルオレンとカルバゾールという2つのキャリア輸送性に優れた分子構造を有するので、有機EL素子の駆動に不可欠なキャリア輸送性を向上させることができる。
この化合物をホスト材料として用い、蛍光材料または燐光材料をゲスト材料としてこれに添加(ドープ)することにより、低電流・低輝度領域から高電流・高輝度領域にわたって高い発光効率を示し、膜安定性に優れた有機EL素子を実現できることを明らかにした。
以上の結果をもとに、本発明を完成するに至った。
本発明の有機EL素子は、一対の対向する電極と、前記電極間に配置される単層または多層の有機薄膜層と、を有し、前記有機薄膜層のうち少なくとも一層が発光層である有機EL素子であって、前記発光層に、スピロビフルオレンの任意の位置に置換または無置換カルバゾールが2つ結合している下記一般式(1)で表される低分子材料が含まれていることを特徴とする。
以下、本発明の実施形態である有機EL素子について説明する。
図1は、本発明の実施形態である有機EL素子の一例を示す概略図である。
本発明の実施形態である有機EL素子10は、基板1の上に、陽極2、正孔輸送層3、発光層4、正孔阻止層5、電子輸送層6、陰極7がこの順序で積層されている。正孔輸送層3、発光層4、正孔阻止層5、電子輸送層6は、有機薄膜層であり、一対の対向する電極2、7に挟持される構造とされている。さらに、これらを覆うように封止用ガラス9が配置され、封止用ガラス9の周縁部と陽極2を配した基板1の周縁部は互いに紫外線硬化樹脂8により接着封止されている。
基板1は、透明な材料が好ましい。ガラス、石英、その他プラスチックフィルムなどを例示することができる。
基板1として、たとえば、プラスチックフィルムなどの可撓性基板を用い、その上に一対の電極2,7および有機薄膜層3、4、5、6を形成した場合には、画像表示部を容易に変形することのできるフレキシブル有機EL素子とすることができる。
陽極2は、透明で導電性の高い材料が好ましい。たとえば、インジウム−錫−酸化物(以下、ITO)あるいはインジウム−亜鉛−酸化物(以下、IZO)などの導電性透明酸化物を用いることができる。
陽極2を複数のライン状に形成する。ラインの形成は、陽極2の形成の際、マスクを用いて形成するか、もしくは、全面に陽極2を形成した後、レジストを塗布し、ガラスマスクにより露光処理してラインパターンを形成する。
正孔輸送層3の材料としては、正孔輸送性の低分子材料または高分子材料からなる有機材料を用いることができる。
低分子材料としては、α−NPDなどのベンジジン誘導体などを挙げることができ、真空蒸着法などのドライプロセスにより成膜することができる。
たとえば、真空蒸着法により成膜する場合は、正孔輸送層用材料をるつぼにいれて真空蒸着装置内部に基板と対向するようにセットし、前記真空蒸着装置の内部を減圧した後、るつぼを加熱することにより基板上に正孔輸送層用材料を成膜して、これを正孔輸送層とする。
ウェットプロセスによって素子作製を行う場合には、正孔輸送層3の代わりに正孔注入層を用いてもよい。正孔注入性の高分子材料として、たとえば、PEDOT:PSSを挙げることができる。
発光層4は、蛍光または燐光の発光性の低分子材料または高分子材料(ホスト材料)に、蛍光または燐光の発光性の低分子材料(ゲスト材料)などを分散させたホスト−ゲスト構造とすることが好ましい。これにより、発光効率を向上させることができる。また、発光波長を変えることもできる。
ホスト材料としては、スピロビフルオレンの任意の位置に置換または無置換カルバゾールが2つ結合している上記一般式(1)で表される低分子材料が好ましい。
上記一般式(1)中、R1〜R16は同一であっても独立していてもよい置換基であって、水素原子、直鎖状アルキル基、分岐状アルキル基、アリール基のいずれかである。
また、この化合物は、スピロビフルオレンとカルバゾールという2つのキャリア輸送性に優れた分子構造を有するので、有機EL素子の駆動に不可欠なキャリア輸送性を向上させることができる。
そのため、この化合物をホスト材料として用い、蛍光材料または燐光材料をゲスト材料としてこれに添加(ドープ)することにより、高輝度・高電流領域において高い発光効率を示し、膜安定性に優れた有機EL素子を実現できる。
上記一般式(2)中、R1〜R16は同一であっても独立していてもよい置換基であって、水素原子、直鎖状アルキル基、分岐状アルキル基、アリール基のいずれかである。
一般式(2)に示したような位置にカルバゾールが結合していることにより、膜の安定性の向上と電荷輸送特性の向上がより効果的に実現される。
ゲスト材料としては、白金またはイリジウム原子と芳香族炭化水素を含む配位子とからなる燐光性金属錯体が好ましい。
白金またはイリジウム原子と芳香族炭化水素を含む配位子とからなる錯体は量子収率の高い燐光発光を示すためである。
上記一般式(3)中、R17〜R24は同一であっても独立していてもよい置換基であって、水素原子、直鎖状アルキル基、分岐状アルキル基、アリール基、フェニルピリジンのベンゼン環またはピリジン環に縮合した芳香環のいずれかである。Lは、フェニルピリジン以外の配位子である。nは1〜3の整数、mは0〜4の整数である。
イリジウム錯体の中でも、一般式(3)で表されるイリジウム錯体は極めて量子効率の高い燐光を示す。
たとえば、真空蒸着法により成膜する場合は、化学構造式(2)−1からなるホスト材料を入れたるつぼと、化学構造式(3)−2のIr(ppy)3からなるゲスト材料を入れたるつぼと、を真空蒸着装置内部に基板と対向するようにセットし、前記真空蒸着装置の内部を減圧した後、2つのるつぼを加熱させることにより、基板上に化学構造式(2)−1からなるホスト材料と化学構造式(3)−2のIr(ppy)3からなるゲスト材料を質量比94:6となるように共蒸着して、ホスト−ゲスト構造の発光層4を形成する。
たとえば、スピンコート法により成膜する場合は、正孔輸送層3を成膜した基板をスピンコーターの所定の位置に配置した後、化学構造式(2)−1で示されるホスト材料と、化学構造式(3)−2で示されるIr(ppy)3からなるゲスト材料とを質量比94:6となるように調整して混合したトルエン溶液を前記基板上に塗布して、所定の回転速度で回転させる。これを乾燥させることにより、膜厚40nmの発光層とする。
正孔阻止層5としては、電子は容易に移動させるが、正孔の移動を阻止できる有機材料が好ましく、たとえば、下記化学構造式(4)で示されるBCPなどを挙げることができる。
このような正孔阻止層5を設けることにより、発光層の電子と正孔の密度を向上させることができ、有機EL素子の発光特性を向上させることができる。
電子輸送層6としては、電子輸送性の有機材料が好ましく、たとえば、下記化学構造式(5)で示されるAlqなどを挙げることができる。
このような電子輸送層6を設けることにより、発光層の電子と正孔の密度を向上させることができ、有機EL素子の発光特性を向上させることができる。
陰極7の材料としては、仕事関数の低い金属が好ましい。仕事関数の低い金属を用いることにより、陰極7から有機層への電子注入障壁を低くすることができ、陰極7から電子を注入させやすくすることができるためである。仕事関数の低い金属としては、たとえば、Li、Csなどのアルカリ金属、Ca、Ba、Mgなどのアルカリ土類金属を例示することができる。
しかしながら、前記仕事関数の低い金属は、空気中の酸素や水分などと反応しやすいので、MgAgなどの前記金属を含む合金、あるいはLiF、LiO2、CsFなどの前記金属を含む化合物などとして形成することが好ましい。あるいは、前記アルカリ金属、アルカリ土類金属の上に、AlもしくはAuなどの仕事関数の高い金属を積層して形成することが望ましい。
正孔輸送層3の代わりに、正孔注入層を用いた素子構造としてもよい。正孔注入層の材料としては、正孔注入性の低分子材料または高分子材料からなる有機材料を用いることができる。
正孔注入性の高分子材料としては、PEDOT:PSSなどを挙げることができ、スピンコーティング法、インクジェット法などのウェットプロセスなどにより成膜することができる。なお、PEDOTはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を示し、PSSはポリスルホスチレンを示す。
また、有機薄膜層の形成方法は、特に限定されるものではなく、真空蒸着法、電子ビーム法、スパッタリング、分子積層法、スピンコート法、インクジェット法、印刷法などの方法を用いることができる。素子特性および製造の観点から、真空蒸着法、スピンコート法、インクジェット法、印刷法が特に好ましい。特に、将来の大画面、高精細ディスプレイへの有機EL素子の応用を考慮すると、スピンコート法、インクジェット法、印刷法などの溶液を用いたウェットプロセスが好ましい。
まず、矩形状のガラス基板の一面を格子状に区画して、信号線などのための金属配線を形成するとともに、有機EL素子のための透明電極を配した複数の画素領域を格子状に形成する。また、公知の方法により、各画素領域に2個配置されるように有機薄膜トランジスタを形成する。
図2は、アクティブ駆動の有機ELディスプレイにおける1画素セルの構成例を示す図であって、図2(a)は1つの有機EL素子を用いたディスプレイの1つの画素セルの回路を示す概念図であり、図2(b)は図2(a)の回路の平面視におけるレイアウト図である。
図2に示すように、複数の走査線と複数の信号線との各々の交差する点に、マトリクス状に画素として配置された有機EL素子を駆動するため、有機EL素子に対して発光に必要な電流を、電源線から流すドライブTFT(Dr)スイッチと、このドライブスイッチをオンする電圧を保持する保持容量に対し、電荷の蓄積及び放電を行うスイッチTFTとに、それぞれ有機薄膜トランジスタを用いる。
この有機ELディスプレイに所定の映像信号を送ることにより、フルカラー動画の映像を確認することができる。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(有機EL素子の作製)
図1に示す構造の本発明の有機EL素子を次のようにして作製した。まず、25×35mm角のガラス基板にITOからなる陽極を形成し、これを複数のライン状にパターニングした。次に、前記陽極の上に、α−NPDからなる正孔輸送材料を真空蒸着法により成膜して、正孔輸送層を形成した。
次に、前記正孔輸送層上に、化学構造式(2)−1で表されるホスト材料と化学構造式(3)−2で表されるIr(ppy)3からなるゲスト材料を質量比94:6となるように共蒸着して、ホスト−ゲスト構造の発光層を形成した。次に、前記発光層の上に、BCPからなる正孔阻止材料を真空蒸着法により成膜して、膜厚10nmの正孔阻止層を形成した。
次に、前記正孔阻止層の上に、Alqからなる電子輸送材料を真空蒸着法により成膜して、膜厚30nmの電子輸送層を形成した。次に、前記電子輸送層上に、メタルマスクを用いて、LiFを0.5nm成膜した後、Alを100nm成膜して、複数のライン状の陰極を形成した。
最後に、窒素ガスで満たされたグローブボックス中で、封止用ガラスの周縁部に紫外線硬化樹脂を塗布した後、有機層を成膜した前記基板の周縁部に貼り合せて、封止を行った。
有機EL素子のITO陽極側に正、アルミニウム陰極側に負となるように電圧を印加して、電流−電圧−輝度特性を測定し、発光スペクトルを観測した。発光スペクトルから、発光ピークが516nmとなるゲスト化合物からの緑色の発光が得られた。輝度が100cd/m2のときの電圧が5.2V、外部量子効率が7.4%、電力効率が16lm/Wであった。輝度が10000cd/m2のときの電圧が9.9V、外部量子効率が7.6%、電力効率が8.8lm/Wであった。
(有機EL素子の作製)
正孔輸送層の代わりに以下の正孔注入層を用いたこと及び発光層を以下のようにウェットプロセスで形成したことを除いては、実施例1と同様にして、実施例2の有機EL素子を作製した。
正孔注入層は、PEDOT:PSS(H.C.スタルク社製(H.C.Starck)、Baytron P CH8000、固形分3%、以下、PEDOT/PSS混合水溶液)をスピンコート法で成膜し、180℃で乾燥して、膜厚35nmとして形成した。次に、発光層は、化学構造式(2)−1で表されるホスト材料と、化学構造式(3)−2で表されるIr(ppy)3からなるゲスト材料とを質量比94:6となるように調整し、混合したトルエン溶液を用いて、スピンコート法により膜厚40nmとして形成した。
有機EL素子のITO陽極側に正、アルミニウム陰極側に負となるように電圧を印加して、電流−電圧−輝度特性を測定し、発光スペクトルを観測した。発光スペクトルから、発光ピークが516nmとなるゲスト材料からの緑色の発光が得られた。輝度が100cd/m2のときの電圧が6.5V、外部量子効率が4.2%、電力効率が7.5lm/Wであった。輝度が10000cd/m2のときの電圧が12.0V、外部量子効率が4.9%、電力効率が4.6lm/Wであった。
(有機EL素子の作製)
発光層のホスト材料として、下記化学構造式(6)で表されるN,N’−ジカルバゾリルビフェニル(CBP)を用いた他は実施例1と同様にして、比較例1の有機EL素子を作製した。
有機EL素子のITO陽極側に正、アルミニウム陰極側に負となるように電圧を印加して、電流−電圧−輝度特性を測定し、発光スペクトルを観測した。発光スペクトルから、発光ピークが516nmとなるゲスト化合物からの緑色の発光が得られた。輝度が100cd/m2のときの電圧が4.6V、外部量子効率が11%、電力効率が28lm/Wであった。輝度が10000cd/m2のときの電圧が9.1V、外部量子効率が6.5%、電力効率が7.9lm/Wであった。
また、実施例2の結果から、実施例2で用いたホスト材料は、溶液からの塗布法によっても、高効率発光が得られることが分かった。
(有機EL素子の作製)
正孔輸送層の成膜の前に、正孔注入層を成膜したこと、ならびに、Ir(ppy)3のかわりに化学構造式(3)−14で表されるIr(piq)3をゲスト材料として用いたことを除いては、実施例1と同様にして、実施例3の有機EL素子を作製した。
有機EL素子のITO陽極側に正、アルミニウム陰極側に負となるように電圧を印加して、電流−電圧−輝度特性を測定し、発光スペクトルを観測した。発光スペクトルから、発光ピークが627nmとなるゲスト材料からの赤色の発光が得られた。輝度が100cd/m2のときの電圧が6.4V、外部量子効率が11%、電力効率が4.0lm/Wであった。輝度が10000cd/m2のときの電圧が12.5V、外部量子効率が6.8%、電力効率が1.3lm/Wであった。
発光層のホスト材料として、CBPを用いた他は実施例3と同様にして、比較例2の有機EL素子を作製した。
有機EL素子のITO陽極側に正、アルミニウム陰極側に負となるように電圧を印加して、電流−電圧−輝度特性を測定し、発光スペクトルを観測した。発光スペクトルから、発光ピークが627nmとなるゲスト材料からの赤色の発光が得られた。輝度が100cd/m2のときの電圧が5.9V、外部量子効率が8.1%、電力効率が3.1lm/Wであった。輝度が10000cd/m2のときの電圧が13.8V、外部量子効率が5.2%、電力効率が0.88lm/Wであった。
以上の条件および結果について表1と表2にまとめた。
Claims (9)
- 前記発光層が、上記一般式(1)または(2)で表される低分子材料からなるホスト材料に、蛍光または燐光を発する発光材料からなるゲスト材料を添加してなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機EL素子。
- 前記ゲスト材料が、白金またはイリジウム原子と芳香族炭化水素を含む配位子とからなる燐光性金属錯体であることを特徴とする請求項3に記載の有機EL素子。
- 前記一対の電極および前記有機薄膜層が可撓性基板上に形成されてなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機EL素子。
- 前記有機薄膜層が溶液塗布法により形成されてなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機EL素子。
- 複数の赤色、緑色および青色発光を呈する有機EL素子が格子状に配列されて複数の画素とされてなる有機ELディスプレイであって、
前記複数の赤色、緑色および青色発光を呈する有機EL素子の少なくともいずれか1つが、請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機EL素子であることを特徴とする有機ELディスプレイ。 - 前記複数の画素がそれぞれ2個の有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする請求項8に記載の有機ELディスプレイ。
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