JP2012190843A - 有機電界発光素子、表示装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電荷が流れることによる劣化が生じにくいホスト材料を使用することにより、寿命および輝度が向上した有機電界発光素子、ならびにそれを使用した表示装置および照明装置を提供する。
【解決手段】陽極１２および陰極１７との間に配置され、ホスト材料および発光ドーパントを含む発光層１４とを具備する有機電界発光素子において、前記ホスト材料として、下記式（１）で表されるジベンゾチオフェン骨格を繰り返し単位として含むポリマーを使用する

（式中、ｎは２０〜１００００の整数である）。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、有機電界発光素子ならびにそれを使用した表示装置および照明装置に関する。

近年、次世代ディスプレイや照明のための発光技術として有機電界発光素子（以下、有機ＥＬ素子とも称する）が注目されている。有機ＥＬ素子の研究初期は、有機層の発光機構として主に蛍光が用いられてきた。しかし、近年では、より内部量子効率の高いリン光を用いた有機ＥＬ素子に注目が集まっている。

近年における発光層の構成の主流は、有機材料からなるホスト材料中に、イリジウムや白金などを中心金属とする発光性金属錯体をドープしたものである。発光層におけるホスト材料は、低分子系と高分子系に大別される。低分子系ホスト材料を含む発光層は、主に低分子系ホスト材料と発光ドーパントを真空共蒸着することによって成膜される。高分子系ホスト材料を含む発光層は、主に高分子系ホスト材料と発光ドーパントを混合した溶液を塗布することによって成膜される。高分子系ホスト材料の代表例としては、ポリビニルカルバゾール（ＰＶＫ）が挙げられる。

ホスト材料として高分子材料を使用する場合、高分子材料中を電荷が流れると、材料自体が分解や副反応を起こして別の物質になる等、様々なメカニズムで高分子材料自体が劣化するという問題が生じる。特に、ポリビニルカルバゾールは、電荷を流しにくい材料であることが既知であり、電荷を流すためには高電圧を印加する必要がある。そのため、材料に対して必要以上の負荷を与えることになり、材料の劣化が生じやすい。以上のことから、電荷が流れても劣化が生じにくいホスト材料が求められている。また、そのような材料を使用することは、有機ＥＬ素子の長寿命化にもつながる。

特開２００２−２９９０５９号公報 特開２００１−１６０４９０号公報

M. -J. Yang, T. Tsutsui, Jpn. J. Appl. Phys. 2000, 39, L828.

本発明が解決しようとする課題は、電荷が流れることによる劣化が生じにくいホスト材料を使用することにより、寿命および輝度が向上した有機電界発光素子、ならびにそれを使用した表示装置および照明装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、実施形態によれば、互いに離間して配置された陽極および陰極と、前記陽極と前記陰極との間に配置され、ホスト材料および発光ドーパントを含む発光層とを具備する有機電界発光素子が提供される。前記ホスト材料として、下記式（１）で表されるジベンゾチオフェン骨格を繰り返し単位として含むポリマーを含むことを特徴とする：

（式中、ｎは２０〜１００００の整数である）。

図１は、実施形態に係る有機電界発光素子を示す断面図である。 図２は、実施形態に係る表示装置を示す回路図である。 図３は、実施形態に係る照明装置を示す断面図である。 図４は、実施例および比較例に係る有機電界発光素子のＥＬスペクトルを示す図である。 図５は、実施例および比較例に係る有機電界発光素子における、電流密度と発光効率の関係を示す図である。 図６は、実施例および比較例に係る有機電界発光素子の寿命を比較した図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態に係る有機電界発光素子を示す断面図である。

有機電界発光素子１０は、基板１１上に、陽極１２、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、電子注入層１６および陰極１７を順次形成した構造を有する。正孔輸送層１３、電子輸送層１５および電子注入層１６は、必要に応じて形成される。

以下、実施形態に係る有機電界発光素子の各部材について詳細に説明する。

発光層１４は、陽極側から正孔を、陰極側から電子をそれぞれ受け取り、正孔と電子との再結合の場を提供して発光させる機能を有する層である。この結合によるエネルギーで、発光層中のホスト材料が励起される。励起状態のホスト材料から発光ドーパントへエネルギーが移動することにより、発光ドーパントが励起状態となり、発光ドーパントが再び基底状態に戻る際に発光する。

発光層１４は、有機材料からなるホスト材料中に、発光性金属錯体（以下、発光ドーパントと称する）をドープした構成をとる。本実施形態においては、ホスト材料として、以下の式（１）で表されるジベンゾチオフェン骨格を繰り返し単位として含むポリマーを含む材料を使用する。以下、下記式（１）で表されるポリマーを、ポリビニルジベンゾチオフェン（ＰＶＤＢＴ）とも称する。

上記式（１）において、ｎは２０〜１００００の整数である。ｎが２０未満である場合、一般的には高分子とは定義しにくく、それをホスト材料として使用した場合の塗布製膜性も良くない。一方、ｎが１００００より大きくなると、溶媒に溶けにくくなり、ホスト材料としての適性を欠くことになる。上記式（１）で表されるポリマーとして、特に、数平均分子量が４００〜２００万のものを使用することが好ましい。

上記式（１）で表されるポリマーは、電荷が流れることによる劣化が生じにくい。従って、ホスト材料として上記式（１）で表される化合物を使用することにより、従来よりも寿命の長い有機ＥＬ素子を得ることができる。

また、ホスト材料として上記式（１）で表されるポリマーを使用して作製した有機ＥＬ素子は、同じ量の電流を流した場合に、従来の素子よりも高い発光効率および輝度を得ることができる。

上記一般式（１）で表されるポリマーは、既知の化合物である（例えば、J. Polym. Sci. part A: Polym Chem. 35, 2813 (1997)を参照されたい）。しかしながら、これを有機ＥＬ素子のホスト材料として使用した例はない。

発光ドーパントとしては、燐光発光ドーパントおよび蛍光発光ドーパントのいずれも使用することができ、当該分野で既知の種々の発光ドーパントの中から選択することができる。例えば、以下のような材料を使用することができるが、これらに限定されるものではない。

発光層内の正孔と電子とのキャリアバランスをとり、発光効率を向上させるために、発光層中にさらに電子輸送性材料または正孔輸送性材料を含有させてもよい。

発光層１４の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えばスピンコート法を使用することが可能である。発光ドーパントおよびホスト材料を含む溶液を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレート等で加熱乾燥する。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用してもよい。

発光層１４の厚さは、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。発光層１４におけるホスト材料と発光ドーパントの割合は、本発明の効果を損なわない限り任意である。

基板１１は、他の部材を支持するためのものである。この基板１１は、熱や有機溶剤によって変質しないものが好ましい。基板１１の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム、およびステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン等の金属基板が挙げられる。発光を取り出すため、ガラス、合成樹脂等からなる透明な基板を用いることが好ましい。基板１１の形状、構造、大きさ等について特に制限はなく、用途、目的等に応じて適宜選択することができる。基板１１の厚さは、その他の部材を支持するために十分な強度があれば、特に限定されない。

陽極１２は、基板１１の上に積層される。陽極１２は、正孔輸送層１３または発光層１４に正孔を注入する。陽極１２の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されない。通常は、透明または半透明の導電性を有する材料を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。例えば、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等を陽極１２として使用することができる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡ等）や、金、白金、銀、銅等が用いられる。特に、ＩＴＯからなる透明電極であることが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてもよい。陽極１２の膜厚は、ＩＴＯの場合、３０〜３００ｎｍであることが好ましい。３０ｎｍより薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなり、発光効率低下の原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯに可撓性がなくなり、応力が作用するとひび割れが生じる。陽極１２は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料からなる層を積層したものであってもよい。

正孔輸送層１３は、陽極１２と発光層１４との間に任意に配置される。正孔輸送層１３は、陽極１２から正孔を受け取り、発光層側へ輸送する機能を有する層である。正孔輸送層１３の材料としては、例えば、導電性インクであるポリ（エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレン・スルホン酸）［以下、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳと記す］のようなポリチオフェン系ポリマーを使用することができるが、これに限定されない。本実施形態においてホスト材料として使用するＰＶＤＢＴを、正孔輸送層の材料として使用することもできる。正孔輸送層１３の成膜方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されないが、例えばスピンコート法を使用することが可能である。正孔輸送層１３の溶液を所望の膜厚に塗布した後、ホットプレート等で加熱乾燥する。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用してもよい。

電子輸送層１５は、任意に、発光層１４の上に積層される。電子輸送層１３は、電子注入層１６から電子を受け取り、発光層１４へ輸送する機能を有する層である。電子輸送層１５の材料としては、例えば、トリス[３−(３−ピリジル)−メシチル]ボラン［以下、３ＴＰＹＭＢと記す］、トリス(８−ヒドロキシキノリノラト)アルミニウム錯体（Ａｌｑ３）、バソフェナントロリン（ＢＰｈｅｎ）等を使用することができるが、これらに限定されない。本実施形態においてホスト材料として使用するＰＶＤＢＴを、電子輸送層の材料として使用することもできる。電子輸送層１５の成膜方法は、正孔輸送層１３と同様である。

電子注入層１６は、任意に、電子輸送層１５の上に積層される。電子注入層１６は、陰極１７から電子を受け取り、電子輸送層１５または発光層１４へ注入する機能を有する層である。電子注入層１６の材料としては、例えば、ＣｓＦ、ＬｉＦ等を使用することができるが、これらに限定されない。電子注入層１６の成膜方法は、正孔輸送層１３と同様である。

陰極１７は、発光層１４（または電子輸送層１５もしくは電子注入層１６）の上に積層される。陰極１７は、発光層１４（または電子輸送層１５もしくは電子注入層１６）に電子を注入する。通常、透明または半透明の導電性を有する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜する。電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、金属薄膜等が挙げられる。陽極１２を仕事関数の高い材料を用いて形成した場合、陰極１７には仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｙｂ、Ｃｓ等を挙げることができる。

陰極１７は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層を積層したものであってもよい。また、２種以上の金属の合金を使用してもよい。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

陰極１７の膜厚は、１０〜１５０ｎｍであることが好ましい。膜厚が上記範囲より薄い場合は、抵抗が大きくなりすぎる。膜厚が厚い場合には、陰極１７の成膜に長時間を要し、隣接する層にダメージを与えて性能が劣化する。

以上、基板の上に陽極を積層し、基板と反対側に陰極を配置した構成の有機電界発光素子について説明したが、陰極側に基板を配置してもよい。

図２は、本発明の実施態様に係る表示装置を示す回路図である。
図２に示す表示装置２０は、横方向の制御線（ＣＬ）と縦方向の信号線（ＤＬ）がマトリックス状に配置された回路の中に、それぞれ画素２１を配置した構成をとる。画素２１には、発光素子２５および発光素子２５に接続された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２６が含まれる。ＴＦＴ２６の一方の端子は制御線に接続され、他方の端子は信号線に接続される。信号線は、信号線駆動回路２２に接続されている。また、制御線は、制御線駆動回路２３に接続されている。信号線駆動回路２２および制御線駆動回路２３は、コントローラ２４により制御される。

図３は、本発明の実施態様に係る照明装置を示す断面図である。
照明装置１００は、ガラス基板１０１上に、陽極１０７、有機ＥＬ層１０６、および陰極１０５を順次積層した構成をとる。封止ガラス１０２は、陰極１０５を覆うように配置され、ＵＶ接着剤１０４を用いて固定される。封止ガラス１０２の陰極１０５側の面には、乾燥剤１０３が設置される。

＜実施例＞
発光層におけるホスト材料としてＰＶＤＢＴを使用して、有機ＥＬ素子を作製した。この素子の層構成は、以下の通りである。

ＩＴＯ １００ｎｍ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ ５０ｎｍ／ＰＶＤＢＴ：ＦＩｒｐｉｃ ７０ｎｍ／３ＴＰＹＭＢ １０ｎｍ／ＣｓＦ ０．５ｎｍ／Ａｌ １５０ｎｍ。

陽極は、厚さ１００ｎｍのＩＴＯ(インジウムスズ酸化物)からなる透明電極とした。

正孔輸送層の材料には、導電性インクであるポリ（エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレン・スルホン酸）[以下、ＰＥＤＯＴ:ＰＳＳと称する]の水溶液を用いた。ＰＥＤＯＴ:ＰＳＳの水溶液をスピンコートによって塗布し、加熱して乾燥させることにより正孔輸送層を５０ｎｍの厚さに形成した。

発光層の材料には、発光ドーパントとして、ビス（３，５−ジフルオロ−２−（２−ピリジル）フェニル−（２−カルボキシピリジル）イリジウム（III）（以下、ＦＩｒｐｉｃと称する）を用い、ホスト材料としてポリビニルジベンゾチオフェン（数平均分子量５００００、分子量分布３．２）を用いた。重量比で、ＰＶＤＢＴ:ＦＩｒｐｉｃ＝９５:５となるよう秤量し、これらをクロロベンゼンに溶解した溶液をスピンコートによって塗布し、加熱して乾燥させることにより発光層を７０ｎｍの厚さに形成した。

電子輸送層は、トリス[３−(３−ピリジル)−メシチル]ボラン[３ＴＰＹＭＢ]を真空蒸着することにより１０ｎｍの厚さに形成した。電子注入層は厚さ０．５ｎｍのＣｓＦで形成し、陰極は厚さ１５０ｎｍのＡｌで形成した。

＜比較例＞
比較のために、ホスト材料としてＰＶＫを用いた以外は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。ここでは、ＰＶＫとして、商品名Ｐｏｌｙ(９−ｖｉｎｙｌｃａｒｂａｚｏｌｅ)（アルドリッチ社製、カタログ番号３６８３５０、分子量分布（重合度）２、数平均分子量２５０００〜５００００）を使用した。

＜試験例１：ＥＬスペクトル測定＞
実施例および比較例に係る有機ＥＬ素子について、電圧印加時のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した。測定は、浜松フォトニクス製高感度マルチチャンネル分光器Ｃ１００２７−０１を用いて行った。その結果を図４に示す。実施例と比較例のスペクトルは完全に重なっており、いずれの有機ＥＬ素子も発光ドーパントが発光していることが確認できた。この結果から、実施例において使用したＰＶＤＢＴは、有機ＥＬ素子のホスト材料として有用であることが分かった。

＜試験例２：発光特性の比較＞
実施例および比較例に係る有機ＥＬ素子について、電流密度と発光効率の関係を調べた。発光効率は、輝度測定と電流および電圧の測定を同時に行うことによって求めた。輝度は、浜松フォトニクス社製視感度フィルタ付きＳｉフォトダイオードＳ７６１０を用いて測定した。また、電流および電圧の測定は、ＨＥＷＬＥＴＴ ＰＡＣＫＡＲＤ社製半導体パラメータアナライザ４１５６ｂを用いて行った。その結果を図５に示す。

図５から、同じ電流密度で比較した場合に、実施例の方が比較例よりも高い発光効率が得られることが分かる。同じ電流密度で比較した場合の発光効率が高いということは、同じ電流密度で比較した場合の輝度も高いことを意味する。

＜試験例３：素子寿命の比較＞
実施例および比較例に係る有機ＥＬ素子について、素子寿命を比較した。素子寿命は、輝度を経時的に測定することにより評価した。輝度は、浜松フォトニクス社製視感度フィルタ付きＳｉフォトダイオードＳ７６１０を用いて測定した。

その結果を図６に示す。縦軸の規格化輝度とは、時間０における輝度を１として、その後の各時間における輝度を時間０の輝度に対する比で表したものである。すなわち、規格化輝度＝各時間における実測の輝度／時間０における輝度という式で表すことができる。図６から、実施例の有機ＥＬ素子の寿命は、比較例の有機ＥＬ素子の約２．８倍であったことが分かる。この結果から、ＰＶＤＢＴは電荷が流れることによる劣化が生じにくく、これを有機ＥＬ素子のホスト材料として使用することにより、長寿命の素子が得られると言える。

上記実施形態または実施例によれば、電荷が流れることによる劣化が生じにくいホスト材料を使用することにより、寿命および輝度が向上した有機電界発光素子、ならびにそれを使用した表示装置および照明装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…有機電界発光素子、１１…基板、１２…陽極、１３…正孔輸送層、１４…発光層、１５…電子輸送層、１６…電子注入層、１７…陰極、２０…表示装置、２１…画素、２２…信号線駆動回路、２３…制御線駆動回路、２４…コントローラ、２５…発光素子、２６…ＴＦＴ、１００…照明装置、１０１…ガラス基板、１０２…封止ガラス、１０３…乾燥剤、１０４…ＵＶ接着剤、１０５…陰極、１０６…有機ＥＬ層、１０７…陽極。

Claims (6)

1. 互いに離間して配置された陽極および陰極と、
   前記陽極と前記陰極との間に配置され、ホスト材料および発光ドーパントを含む発光層と
   を具備する有機電界発光素子であって、
   前記ホスト材料として、下記式（１）で表されるジベンゾチオフェン骨格を繰り返し単位として含むポリマーを含むことを特徴とする有機電界発光素子：
   

   

   （式中、ｎは２０〜１００００の整数である）。
2. 前記式（１）で表されるポリマーは、数平均分子量が４００〜２００万であることを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
3. 前記発光ドーパントは、燐光発光を示す材料であることを特徴とする請求項１に記載の有機電界発光素子。
4. 前記燐光発光は青色であることを特徴とする、請求項３に記載の有機電界発光素子。
5. 請求項１に記載の有機電界発光素子を具備することを特徴とする表示装置。
6. 請求項１に記載の有機電界発光素子を具備することを特徴とする照明装置。

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