JP2011108473A - Organic electroluminescent element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はフラットパネルディスプレイ、プロジェクションディスプレイ、照明等に応用される有機エレクトロルミネッセンス(Electro Luminescence:以下「EL」と略す)素子に関する。 The present invention relates to an organic electroluminescence (Electro Luminescence: hereinafter abbreviated as “EL”) element applied to a flat panel display, a projection display, illumination and the like.
有機材料のエレクトロルミネッセンスを利用した有機EL素子が現在盛んに研究開発されている。有機EL素子は、陽極と陰極との間に、少なくとも発光層を有する有機化合物層を配置し、該有機化合物層に通電することにより、それぞれの電極から注入された正孔と電子が発光層において再結合して発光を生じる。 Research and development of organic EL elements using electroluminescence of organic materials are currently being actively conducted. In an organic EL element, an organic compound layer having at least a light emitting layer is disposed between an anode and a cathode, and the organic compound layer is energized so that holes and electrons injected from the respective electrodes are emitted from the light emitting layer. Recombination produces light emission.
有機EL素子の課題として、発光効率の向上が挙げられる。この課題に対して、特許文献1では、有機EL素子の上部に有機キャッピング層を蒸着法で形成し、その屈折率あるいは膜厚を制御することで高効率化を達成している。
Improvement of luminous efficiency is mentioned as a subject of an organic EL element. In order to solve this problem,
また、有機EL素子は、水分や酸素に弱いという課題もある。この水分や酸素から保護するために、有機EL素子形成後、スパッタリング法やプラズマCVD法等の高エネルギー成膜手法を用いて保護層を形成する技術が知られている。このような高エネルギー成膜手法で保護層を形成すると、有機EL素子の有機化合物層がダメージを受ける場合がある。この課題に対し、特許文献2では、有機化合物層を保護するために、有機化合物層上に第1導電層を形成した後、その上に蒸着法によりバッファ層を形成し、その上にスパッタリング法によって形成される第2導電層を備える有機EL素子について開示されている。 Further, the organic EL element has a problem that it is vulnerable to moisture and oxygen. In order to protect from moisture and oxygen, a technique for forming a protective layer using a high energy film formation method such as sputtering or plasma CVD after forming an organic EL element is known. When the protective layer is formed by such a high energy film formation method, the organic compound layer of the organic EL element may be damaged. With respect to this problem, in Patent Document 2, in order to protect the organic compound layer, a first conductive layer is formed on the organic compound layer, and then a buffer layer is formed thereon by a vapor deposition method, and a sputtering method is formed thereon. The organic electroluminescent element provided with the 2nd conductive layer formed by is disclosed.
一方、特許文献3には、アルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープした電子注入層を用いた有機EL素子が提案されている。このため、陰極からの注入障壁を低下させ電子注入性を向上させることが可能となり、長寿命の有機EL素子が実現される。
On the other hand,
しかしながら、特許文献3の電子注入層を下層に備えた電極上に特許文献1の有機キャッピング層又は特許文献2のバッファ層を形成した場合には次のような問題があった。即ち、高温環境下において経時的に電極近傍のアルカリ金属、アルカリ土類金属が有機キャッピング層又はバッファ層に拡散してしまう。その結果、電子注入性が低下し、高電圧化や駆動特性の劣化を引き起こす場合があった。
However, when the organic capping layer of
本発明の課題は、陰極に接して陰極を挟む、電子注入効率の高い電子注入層と有機化合物からなる層(以下、有機キャップ層という)を備えた有機EL素子において、電子注入性の低下による高電圧化や駆動特性の劣化を抑制することにある。 An object of the present invention is due to a decrease in electron injection property in an organic EL element having an electron injection layer having high electron injection efficiency and a layer made of an organic compound (hereinafter referred to as an organic cap layer) sandwiching the cathode in contact with the cathode. The purpose is to suppress high voltage and deterioration of drive characteristics.
本発明は、陽極と、発光層と、アルカリ金属又はアルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属又はアルカリ土類金属化合物を含有する電子注入層と、前記電子注入層に接して配置される陰極と、前記陰極に接して配置される有機キャップ層と、を少なくとも有し、前記有機キャップ層は、非へテロ炭素環化合物からなる有機化合物で構成されることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子である。 The present invention includes an anode, a light-emitting layer, an electron injection layer containing an alkali metal, an alkali metal compound, an alkaline earth metal, or an alkaline earth metal compound, a cathode disposed in contact with the electron injection layer, An organic cap layer disposed in contact with the cathode, wherein the organic cap layer is composed of an organic compound composed of a non-heterocarbocyclic compound.
本発明においては、有機キャップ層が特定の材料からなることにより、陰極下に設けた電子注入層からのアルカリ金属、アルカリ土類金属の有機キャップ層への拡散が抑制され、高い電子注入性が維持される。よって、本発明によれば、電子注入性の低下による高電圧化や駆動特性の劣化を抑制される有機EL素子が提供される。 In the present invention, since the organic cap layer is made of a specific material, diffusion of alkali metal and alkaline earth metal from the electron injection layer provided under the cathode to the organic cap layer is suppressed, and high electron injection property is achieved. Maintained. Therefore, according to the present invention, there is provided an organic EL element capable of suppressing high voltage and deterioration of drive characteristics due to a decrease in electron injection property.
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、陽極と、発光層と、アルカリ金属又はアルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属又はアルカリ土類金属化合物を含有する電子注入層と、電子注入層に接して配置される陰極とを有している。さらに、本発明の有機EL素子は、陰極に接して電子注入層とは反対側に有機キャップ層を備え、有機キャップ層は非へテロ炭素環化合物からなる有機化合物で構成されている。 The organic electroluminescence device of the present invention is disposed in contact with an anode, a light emitting layer, an electron injection layer containing an alkali metal, an alkali metal compound, an alkaline earth metal, or an alkaline earth metal compound, and an electron injection layer. And a cathode. Furthermore, the organic EL device of the present invention is provided with an organic cap layer on the side opposite to the electron injection layer in contact with the cathode, and the organic cap layer is composed of an organic compound made of a non-heterocarbocyclic compound.
以下、本発明の有機EL素子について、図1に実施形態の断面模式図を挙げて説明する。図1の有機EL素子は、トップエミッション型の素子であり、図中の1は基板、2は陽極、3は発光層、4は電子注入層、5は陰極、6は有機キャップ層、7は保護層、8は有機化合物層である。有機化合物層8は本例では発光層3と電子注入層4とからなるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて電子輸送層、正孔輸送層、正孔注入層、正孔ブロック層などが配置される。
Hereinafter, the organic EL element of the present invention will be described with reference to FIG. The organic EL element of FIG. 1 is a top emission type element, in which 1 is a substrate, 2 is an anode, 3 is a light emitting layer, 4 is an electron injection layer, 5 is a cathode, 6 is an organic cap layer, and 7 is an organic cap layer. A
また、図1は一つの画素を模式的に示しており、これらの画素を並列に複数並べ、素子の駆動手段として電極2,3間に通電する電源を備えることで有機EL装置が構成される。
FIG. 1 schematically shows one pixel, and an organic EL device is configured by arranging a plurality of these pixels in parallel and providing a power source for energizing between the
陽極2は、必要に応じてTFT等のスイッチング素子が形成された基板1上に形成され、光反射性の部材で形成されることが好ましい。具体的には、Cr、Al、Ag、Au、Pt等の材料からなることが好ましく、反射率が高い部材であるほど、光取り出し効率や光共振効果を向上できる。また、これらの金属を含む層上にITOやIZOなどの透明電極を積層して、陽極2としても良い。
The anode 2 is preferably formed on a
陽極2を形成した基板1上に、公知の手段により、有機化合物層8を堆積する。有機化合物層8は、発光効率の観点からアモルファス膜であることが好ましい。発光層3は有機発光材料から構成される。具体的には、トリアリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、ポリアリーレン、芳香族縮合多環化合物、芳香族複素環化合物、芳香族複素縮合環化合物、金属錯体化合物等及びこれらの単独オリゴ体或いは複合オリゴ体など公知の材料を使用できる。
An
正孔輸送層、正孔注入層(いずれも不図示)は正孔輸送材料から構成され、具体的には、フタロシアニン化合物、トリアリールアミン化合物、導電性高分子、ペリレン系化合物、Eu錯体等が使用できる。 The hole transport layer and hole injection layer (both not shown) are composed of a hole transport material, and specifically include phthalocyanine compounds, triarylamine compounds, conductive polymers, perylene compounds, Eu complexes, and the like. Can be used.
電子輸送層(不図示)は電子輸送材料から構成される。具体的には、アルミニウムに8−ヒドロキシキノリンの3量体が配位したAlq3、アゾメチン亜鉛錯体、ジスチリルビフェニル誘導体系、オキサゾール誘電体系、トリアゾール誘電体系、フェナントロリン系化合物等を使用できる。 The electron transport layer (not shown) is made of an electron transport material. Specifically, Alq3 in which a trimer of 8-hydroxyquinoline is coordinated to aluminum, an azomethine zinc complex, a distyrylbiphenyl derivative system, an oxazole dielectric system, a triazole dielectric system, a phenanthroline compound, and the like can be used.
一般的に有機化合物層8は、陽極2上に正孔注入層、正孔輸送層、発光層3、電子輸送層の順に積層を行い、さらに、その後に電子注入層4を成膜する。本発明においては、少なくとも発光層3と電子注入層4を有し、必要に応じて他の機能層を用いることができる。
In general, the
本発明に係る電子注入層4としては、電子注入性を向上させるために低仕事関数であるアルカリ金属化合物やアルカリ金属、アルカリ土類金属化合物やアルカリ土類金属をドープした有機化合物層を用いる。電子注入層4に含まれるアルカリ金属やアルカリ土類金属はヘテロ環式化合物のヘテロ原子や有機金属錯体の金属原子に対して、電子を供与し有機分子をラジカルアニオン状態にするといったような分子間相互作用があると考えられている。そのため、有機材料とアルカリ金属又はアルカリ土類金属を共蒸着で形成した層を電子注入層4として用いることで隣接する分子間の電子授受をスムーズに行うことが可能となり、陰極5からの注入障壁を低下させ電子注入性を向上させている。有機材料としては前記電子輸送材料に挙げた有機物を用いることができ、仕事関数の小さいアルカリ金属やアルカリ土類金属が電子を与えることで、ラジカルアニオン状態になりやすいヘテロ環系化合物や金属錯体化合物が好ましく用いられる。また、アルカリ金属又はアルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物又はアルカリ土類金属としては、Li、Na、Cs、Mg、又はこれらの化合物が好ましく用いられる。また、電子注入層中の有機材料とアルカリ金属化合物やアルカリ金属、アルカリ土類金属化合物やアルカリ土類金属との重量比は、9:1乃至1:1であることが好ましい。また、アルカリ金属化合物やアルカリ金属、アルカリ土類金属化合物やアルカリ土類金属が占める割合が大きいほど、本発明の得られる効果は大きくなる。つまり、電子注入層中の有機材料とアルカリ金属化合物やアルカリ金属、アルカリ土類金属化合物やアルカリ土類金属との重量比は、3:1乃至1:1程度であれば、得られる効果が大きくなる。
As the
有機化合物層8を構成する有機化合物層の膜厚は、膜厚は光共振効果から、光学的に計算されて決めることができる。
The film thickness of the organic compound layer constituting the
本発明においては、電子注入層4に接触するように金属半透過薄膜からなる陰極5を形成する。陰極5は、陽極2と光共振効果を可能とするような半透過反射膜が好ましい。本発明に用いることができる金属としてはAgやAgを含む合金が好適である。Agを含む場合には、反射率が高くなるので、光学干渉効果が強くなるからである。また、形成方法としては一般的に蒸着法やスパッタリング法を用いる。
In the present invention, the
また、本発明に係る陰極5はシート抵抗を低くする観点から、10nm以上が好ましく、また、光を吸収させずに陰極5側から効果的に取り出すという観点から20nm以下の薄膜が好ましい。一方、Ag単体或いはAg合金を20nm以下の薄膜にした場合には、均一に膜形成されずに、部分的に膜が切れた不連続な状態で形成される。そのため、膜の切れ目から電子注入層4に含まれるアルカリ金属、アルカリ土類金属が後述する有機キャップ層6に拡散してしまう恐れがある。特にAg単体からなる膜では顕著である。しかしながら、本発明においては後述する理由により、係る金属の拡散が防止される。
The
有機キャップ層6は陰極5に接触するように形成される。上記したように、陰極5は薄膜であるため、有機キャップ層6をスパッタリング法やプラズマCVD法で成膜を行うと下層の有機化合物層8にダメージを与えて寿命特性が劣化してしまう。そのため、有機キャップ層6は、ダメージの少ない蒸着法で10nm乃至150nm程度に成膜される有機化合物からなる層である。
The
本発明に係る有機キャップ層6は、その上に厚膜の保護層7をスパッタリング法やプラズマCVD法で形成する際に、陰極5下の有機化合物層8への影響を防止するための層である。本発明に係る電子注入層4における分子間相互作用はアルカリ金属、アルカリ土類金属を留めるほど強くなく、特に高温環境下において、電子注入層4の界面近傍のアルカリ金属、アルカリ土類金属は他の有機化合物層へ拡散してしまう。この際に、電子注入層4に接触する有機化合物層にアルカリ金属、アルカリ土類金属と分子間相互作用を引き起こす構造の有機材料、即ち、ヘテロ環式化合物や有機金属錯体を用いると、次のような問題を生じる。即ち、分子間相互作用によって容易にアルカリ金属、アルカリ土類金属が有機化合物層に入り込み、拡散が進行してしまう。本発明の電子注入層4と有機キャップ層6の間には陰極5が存在するが、不連続であるためにアルカリ金属、アルカリ土類金属の拡散を防止するには不十分である。
The
そのため、本発明に係る有機キャップ層6を構成する有機化合物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属が分子間相互作用を引き起こしにくく、ヘテロ環式化合物や有機金属錯体よりも拡散しにくい構造である非ヘテロ炭素環化合物で構成される。有機キャップ層の有機化合物に用いられる非へテロ炭素環化合物の例としては、フルオランテン系化合物、ピレン系化合物、クリセン系化合物、アントラセン系化合物、ナフタレン系化合物、フルオレン系化合物、フェナンスレン系化合物などが挙げられる。尚、本発明ではこれらに限定されるものではない。以下にその具体例を挙げる。なお、有機キャップ層6には、上記の有機化合物以外に少量の無機材料が含まれていてもよい。
Therefore, the organic compound constituting the
本発明に係る有機キャップ層6は必要に応じて2種以上の炭素環化合物層を積層してなる多層構造としても良く、光学計算により膜厚を決定しても良い。本発明は、保護層7を必ずしも必要とするわけでなく、特許文献1のように、高効率化のために有機化合物からなる層を陰極5上に積層する構成として、ガラスキャップによって水分等から保護される形態であってもよい。
The
有機キャップ層上には必要に応じて保護層等機能膜を形成することができる。通常、保護層は膜厚が厚く、スパッタリング法やプラズマCVD法によって形成されるが、本発明においては陰極5上に有機キャップ層6が形成されているため、スパッタリングやプラズマCVDを行っても、陰極5下の有機化合物層8に影響を及ぼす恐れがない。
A functional film such as a protective layer can be formed on the organic cap layer as necessary. Usually, the protective layer is thick and is formed by sputtering or plasma CVD, but in the present invention, since the
本発明で用いることのできる保護層は光取り出しの観点から透明であり、且つ水分が透過しにくい無機化合物が好適である。具体的には、SiN、SiO、SiONなどの公知の防湿膜やITO、IZOなどの透明導電膜を用いることができ、スパッタリング法やプラズマCVD法により50nm乃至500nm程度形成する。 The protective layer that can be used in the present invention is preferably an inorganic compound that is transparent from the viewpoint of light extraction and hardly permeates moisture. Specifically, a known moisture-proof film such as SiN, SiO, or SiON or a transparent conductive film such as ITO or IZO can be used, and the film is formed by sputtering or plasma CVD to have a thickness of about 50 to 500 nm.
また、本発明において、封止に関しては特に制限されず、ガラスキャップを用いても良いが、保護層にSiNなどを用いた場合には、保護層を1μm乃至10μm程度まで厚膜化して膜封止としても良い。また、SiOとSiNのように違う構成で多層構造としても良く、SiNなどの保護層上に樹脂を厚さ10μmで塗布し、更にSiNなどを成膜し、膜封止としても良い。 In the present invention, sealing is not particularly limited, and a glass cap may be used. However, when SiN or the like is used for the protective layer, the protective layer is thickened to about 1 μm to 10 μm and sealed. It may be stopped. Alternatively, a multilayer structure with different structures such as SiO and SiN may be used, and a resin may be applied on a protective layer such as SiN with a thickness of 10 μm, and SiN or the like may be further formed to seal the film.
以上のように得られた有機EL素子は、有機キャップ層6によって、陰極5上に保護層等を形成する際の有機化合物層8への影響が防止されると同時に、該有機キャップ層6へのアルカリ金属の拡散が抑制され、安定した発光特性を得ることが可能となる。
In the organic EL device obtained as described above, the
(実施例1)
陽極を形成した基板上に、有機化合物層として正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層の順で形成した。電子注入層にはフェナントロリン系化合物とCs2CO3を重量比9:1で20nmの厚さに共蒸着した。
Example 1
On the substrate on which the anode was formed, an organic compound layer was formed in the order of hole transport layer / light emitting layer / electron transport layer / electron injection layer. In the electron injection layer, a phenanthroline compound and Cs 2 CO 3 were co-deposited at a weight ratio of 9: 1 to a thickness of 20 nm.
その後、前記電子注入層上に陰極を形成した。陰極にはAgを蒸着して用いた。Agは真空度5×10-5Paの真空チャンバーにてタングステン製の金属ボートにより抵抗加熱により12nmの厚さに蒸着した。 Thereafter, a cathode was formed on the electron injection layer. Ag was vapor-deposited and used for the cathode. Ag was deposited to a thickness of 12 nm by resistance heating with a tungsten metal boat in a vacuum chamber having a degree of vacuum of 5 × 10 −5 Pa.
前記陰極上に有機キャップ層を形成した。有機キャップ層には前記フルオレン系化合物(1)を蒸着にて50nm形成した。 An organic cap layer was formed on the cathode. The organic cap layer was formed by vapor deposition of the fluorene compound (1).
その後、プラズマCVD法により保護層として厚さ5μmのSiNを積層し、有機EL素子を得た。 Thereafter, SiN having a thickness of 5 μm was stacked as a protective layer by a plasma CVD method to obtain an organic EL element.
上記有機EL素子を80℃の高温環境下にて保管し、保管時間を変えて駆動特性を観察したが、経時による電圧上昇や駆動特性の変化は見られなかった。 The organic EL device was stored in a high-temperature environment of 80 ° C., and the driving characteristics were observed while changing the storage time. However, no voltage increase or change in driving characteristics was observed over time.
(実施例2)
陰極をスパッタリング法で15nmの厚さに形成し、有機キャップ層に前記フルオランテン系化合物(1)を用いたこと以外は実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(Example 2)
An organic EL device was produced in the same manner as in Example 1 except that the cathode was formed to a thickness of 15 nm by a sputtering method and the fluoranthene compound (1) was used for the organic cap layer.
上記有機EL素子を80℃の高温環境下にて保管し、保管時間を変えて駆動特性を観察したが、経時による電圧上昇や駆動特性の変化は見られなかった。 The organic EL device was stored in a high-temperature environment of 80 ° C., and the driving characteristics were observed while changing the storage time. However, no voltage increase or change in driving characteristics was observed over time.
(実施例3)
有機キャップ層にピレン系化合物(2)を用い、保護層としてIZOを50nmの厚さに堆積し、その後に吸湿剤を貼り付けたガラスキャップにて封止した以外は実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(Example 3)
The same method as in Example 1 except that pyrene-based compound (2) is used for the organic cap layer, IZO is deposited as a protective layer to a thickness of 50 nm, and then sealed with a glass cap to which a hygroscopic agent is attached. Thus, an organic EL element was produced.
上記有機EL素子を80℃の高温環境下にて保管し、保管時間を変えて駆動特性を観察したが、経時による電圧上昇や駆動特性の変化は見られなかった。 The organic EL device was stored in a high-temperature environment of 80 ° C., and the driving characteristics were observed while changing the storage time. However, no voltage increase or change in driving characteristics was observed over time.
(実施例4)
有機キャップ層に前記ナフタレン系化合物(1)を用い、保護層としてSiNを1μmの厚さに堆積し、その後にエポキシ樹脂からなる樹脂層を10μmの厚さに堆積し、更にSiNを1μm形成した以外は実施例1と同様の方法で有機発光装置を作製した。
Example 4
The naphthalene compound (1) was used for the organic cap layer, SiN was deposited as a protective layer to a thickness of 1 μm, a resin layer made of epoxy resin was deposited to a thickness of 10 μm, and SiN was further formed to 1 μm. Except for the above, an organic light emitting device was produced in the same manner as in Example 1.
上記有機EL素子を80℃の高温環境下にて保管し、保管時間を変えて駆動特性を観察したが、経時による電圧上昇や駆動特性の変化は見られなかった。 The organic EL device was stored in a high-temperature environment of 80 ° C., and the driving characteristics were observed while changing the storage time. However, no voltage increase or change in driving characteristics was observed over time.
(比較例1)
実施例1において陰極上に有機キャップ層として金属錯体であるAlq3を蒸着にて50nmの厚さに形成した以外は実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(Comparative Example 1)
An organic EL device was produced in the same manner as in Example 1 except that Alq3, which is a metal complex, was formed as an organic cap layer on the cathode in Example 1 to a thickness of 50 nm by vapor deposition.
上記有機EL素子を80℃の高温環境下にて保管し、保管時間を変えて駆動特性を観察したところ、電圧上昇が発生している場合や駆動特性が劣化している場合があった。また、この有機EL素子を二次イオン質量分析装置(SIMS)にて分析してみたところ、陰極近傍のAlq3層にCsが拡散していることが確認された。 When the organic EL element was stored in a high temperature environment of 80 ° C. and the drive characteristics were observed while changing the storage time, there was a case where a voltage increase occurred or the drive characteristics were deteriorated. Further, when this organic EL element was analyzed with a secondary ion mass spectrometer (SIMS), it was confirmed that Cs was diffused in the Alq3 layer near the cathode.
(比較例2)
実施例1において陰極上に有機キャップ層として複素環式化合物であるバソフェナントロリンを蒸着にて50nm形成した以外は実施例1と同様の方法で有機EL素子を作製した。
(Comparative Example 2)
An organic EL device was produced in the same manner as in Example 1 except that 50 nm of the heterocyclic compound, bathophenanthroline, was formed on the cathode as an organic cap layer by vapor deposition.
上記有機EL素子を80℃の高温環境下にて保管し、保管時間を変えて駆動特性を観察したところ、電圧上昇が発生している場合や駆動特性が劣化している場合があった。また、この有機EL素子を二次イオン質量分析装置(SIMS)にて分析してみたところ、陰極近傍のAlq3層にCsが拡散していることが確認された。 When the organic EL element was stored in a high temperature environment of 80 ° C. and the drive characteristics were observed while changing the storage time, there was a case where a voltage increase occurred or the drive characteristics were deteriorated. Further, when this organic EL element was analyzed with a secondary ion mass spectrometer (SIMS), it was confirmed that Cs was diffused in the Alq3 layer near the cathode.
1:基板、2:陽極、3:発光層、4:電子注入層、5:陰極、6:有機キャップ層、8:有機化合物層 1: substrate, 2: anode, 3: light emitting layer, 4: electron injection layer, 5: cathode, 6: organic cap layer, 8: organic compound layer
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