JP2014108937A - ベンゾイミダゾール誘導体、有機エレクトロルミネッセンス素子用材料及び有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

ベンゾイミダゾール誘導体、有機エレクトロルミネッセンス素子用材料及び有機エレクトロルミネッセンス素子 Download PDF

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Abstract

【課題】発光効率が向上し、長寿命化された有機EL素子、及びそれを実現する有機発光材料を提供する。
【解決手段】互いに結合した2ユニットのカルバゾール置換基と、前記2ユニットのカルバゾール置換基のうちのいずれか1つのカルバゾール置換基のベンゼン環にアリール基を介して結合しているベンゾイミダゾール置換基と、を有するベンゾイミダゾール誘導体を有機エレクトロルミネッセンス素子の有機薄膜層を構成する材料として利用する。
【選択図】なし

Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子及び前記素子に好適に使用することのできる新規な化合物に関する。
近年、発光材料を表示部の発光素子に用いた有機エレクトロルミネッセンス表示装置(以下、有機EL表示装置ともいう)の開発が盛んになってきている。有機EL表示装置は、液晶表示装置等とは異なり、電極から注入された正孔及び電子を発光層において再結合させて生じた光を利用する、いわゆる自発光型の表示装置である。
有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子ともいう)は、近年、発光層と前記発光層にキャリア(正孔、電子)する輸送する層など、特性の異なる複数の層で構成されたものが提案されている。
有機EL素子の産業的利用において、さらなる高効率化、長寿命化が求められている。
有機EL素子を設計するにあたり、良好な発光効率を有し、かつ、長寿命である有機EL素子を得るためには、発光層に運ばれ再結合するホールと電子のキャリアバランスを適切に保つことが重要であることが知られている。この観点より、ホール輸送性および電子輸送性を兼ね備えた(バイポーラー性である)ホスト材料が開発されている。
例えば、特許文献1には、カルバゾール基を有するベンゾイミダゾール化合物が開示されている。
国際公開第2011/108901号
しかし、こういった従来のホスト材料はバイポーラー性が低く、有機EL素子の発光効率および寿命の観点において問題があった。
さらに、有機EL素子を長時間連続駆動させた時にも、駆動初期に発する色からの色ずれが生じないことが要求される。良好なキャリアバランスで有機EL素子を発光させるために、ホール輸送性ホスト、電子輸送性ホストを混合して用いる例も知られている。しかし、同様な劣化特性を有するホスト材料2種を開発することは困難であり、劣化特性の異なる2種のホストを用いてしまうと駆動中にキャリアバランスが変化し色が変化してしまう。
本発明は、上述の課題を鑑み、連続駆動時の色ずれが少なく、長寿命化され且つ発光効率が向上された有機EL素子、及びそれを実現する有機発光材料を提供する。
本発明の一実施形態による化合物は、互いに結合した2ユニットのカルバゾール置換基と、前記2ユニットのカルバゾール置換基のうちのいずれか1つのカルバゾール置換基のベンゼン環にアリール基を介して結合しているベンゾイミダゾール置換基と、を有するベンゾイミダゾール誘導体である。
本発明の一実施形態による化合物は、前記構成において、下記一般式(1)で表されるベンゾイミダゾール誘導体であることを特徴としている。


[一般式(1)中、(R、(R、(R、(R、(Rの括弧内のR乃至Rは、水素と置換されてもよいアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。
k、l、m、p及びqは、それぞれ独立に0〜4の整数を表し、前記R乃至Rがそれぞれの結合しているベンゼン環において、水素と置換されるアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はヘテロアリール基の個数を表す。
前記k、l、m、p、qのそれぞれが1以上の場合、(R、・・・、(Rと(R、・・・、(R、(R、・・・、(R、(R、・・・、(R、(R、・・・、(Rは、それぞれ同一でも互いに異なっていても良い。]
また、本発明の一実施形態による有機エレクトロルミネッセンス素子は、陽極、陰極、及び前記陽極及び前記陰極との間に位置する有機薄膜層を含む構造を有しており、前記有機薄膜層のうちの少なくとも一層は、前記ベンゾイミダゾール誘導体を含むことを特徴としている。
また、本発明の一実施形態による有機エレクトロルミネッセンス素子は、前記構成において、前記ベンゾイミダゾール誘導体を含む有機薄膜層が、発光層、中間層及び正孔輸送層のうち少なくともいずれかであることを特徴としている。
また、本発明の一実施形態による有機エレクトロルミネッセンス素子は、前記構成において、前記ベンゾイミダゾール誘導体を含む有機薄膜層が発光層であって、前記発光層のホスト材料は前記ベンゾイミダゾール誘電体からなることを特徴としている。
また、本発明の一実施形態による有機エレクトロルミネッセンス素子は、前記構成において、前記ベンゾイミダゾール誘導体を含む有機薄膜層は中間層であって、前記中間層はドーパントを含まないことを特徴としている。
また、本発明の一実施形態による照明装置は、前記いずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を有することを特徴としている。
また、本発明の一実施形態による有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは、前記の有機エレクトロルミネッセンス素子を有することを特徴としている。
本発明によれば、長寿命化且つ発光効率が向上され、駆動中の色ずれを生じることのない有機EL素子、及びそれを実現可能な有機発光材料を提供することができる。
本発明の有機EL素子の構造の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明のベンゾイミダゾール誘導体を有機発光材料として使用して作製した有機EL素子の概略図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本発明の第1の化合物は、互いに結合した2ユニットのカルバゾール置換基と、前記2ユニットのカルバゾール置換基のうちのいずれか1つのカルバゾール置換基のベンゼン環にアリール基を介して結合しているベンゾイミダゾール置換基と、を有するベンゾイミダゾール誘導体である。
本発明の第2の化合物は、下記化学式(1)で表される。

一般式(1)中、(R、(R、(R、(R、(Rの括弧内のR乃至Rは、水素と置換されてもよいアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。
k、l、m、p及びqは、それぞれ独立に0〜4の整数を表し、前記R乃至Rがそれぞれの結合しているベンゼン環において、水素と置換されるアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はヘテロアリール基の個数を表す。
前記k、l、m、p、qのそれぞれが1以上の場合、(R、・・・、(Rと(R、・・・、(R、(R、・・・、(R、(R、・・・、(R、(R、・・・、(Rは、それぞれ同一でも互いに異なっていても良い。
前記アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソアミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、3,7−ジメチルオクチル基、ドデシル基、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロヘキシル基、パーフルオロオクチル基等を例示することができる。
アリール基とは、単環式、二環式または三環式の芳香族炭化水素から水素原子一個を除いた原子団であり、置換基を有していてもよく、ヘテロアリール基とは、1個または複数のヘテロ原子を含有する単環式、二環式または三環式の芳香族化合物から水素原子1個を除いた原子団であり、置換基を有していてもよい。
前記アリール基としては、フェニル基、ビフェニリル基、C〜C12アルコキシフェニル基、C〜C12アルキルフェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、1−アントラセニル基、2−アントラセニル基、9−アントラセニル基、2−フルオレニル基、ペンタフルオロフェニル基、ビフェニリル基、C〜C12アルコキシビフェニリル基、C〜C12アルキルビフェニリル基等を例示することができる。
前記ヘテロアリールとしては、チエニル、ベンゾチエニル、フリル、ベンゾフリル、ピロリル、イミダゾリル、ベンゾイミダゾリル、チアゾリル、ベンゾチアゾリル、イソチアゾリル、ベンゾイソチアゾリル、ピラゾリル、オキサゾリル、ベンゾオキサゾリル、イソオキサゾリル、ベンゾイソオキサゾリル、イソチアゾリル、トリアゾリル、ベンゾトリアゾリル、チアジアゾリル、オキサジアゾリル、ピリジニル、ピリダジニル、ピリミジニル、ピリダジニル、トリアジニル、インドリルおよびインダゾリル等を例示することができる。
前記アルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基等を例示することができる。
本発明のベンゾイミダゾール誘導体はカルバゾールを含むことが可能な構造を有する。そのため、本発明のベンゾイミダゾール誘導体は、カルバゾールを含有するように材料設計することによって、正孔輸送性が向上する。そのため、本発明のベンゾイミダゾール誘導体を有機発光材料として用いて製造された有機EL素子は、発光効率が向上する。
また、本発明のベンゾイミダゾール誘導体として、具体例を以下に示すが、本発明はこれら例示化合物に限定されるものではない。

前記化学式(1)において、本発明の化合物例1は、k=l=m=p=q=0である。また、本発明の化合物例2はk=l=m=p=0であるが、Rがフェニル基であり、q=1である。また、本発明の化合物例3はk=l=m=0であるが、R及びRがフェニル基であり、p=q=1である。
前記化学式(1)において、本発明の化合物例4はk=l=p=q=0であるが、m=2であり、Rにはパラの位置関係にある2つの水素がフェニル基等のアルキル基等に置換されている。また、本発明の化合物例5はk=l=p=0であるが、m=2であり、前記化学式(1)のRとしてパラの位置関係にある2つの水素がフェニル基等のアルキル基等に置換され、Rがフェニル基であり、q=1である。また、本発明の化合物6はk=l=0であるが、m=2であり、前記化学式(1)のRとしてパラの位置関係にある2つの水素がフェニル基等のアルキル基等に置換され、R及びRがフェニル基であり、p=q=1である。
前記化学式(1)において、本発明の化合物例7はk=l=p=q=0であるが、m=1であり、フェニル基の水素を置換するRは1つであり、メトキシ基等のアルコキシ基によって置換されている。また、本発明の化合物例8はk=l=m=p=0であるが、Rがカルバゾール基であり、q=1である。また、本発明の化合物例9はk=l=m=p=0であるが、Rがフェニルカルバゾール基であり、q=1である。
尚、本発明の化合物例9は、Rとしてフェニルカルバゾール基に置換されているが、他のカルバゾール誘導体に置換することができる。前記カルバゾール誘導体として、 前記カルバゾール誘導体として、9−フェニルカルバゾール、N−エチルカルバゾール(ECZ)、2‐[4‐(9H‐カルバゾール‐9‐イル)フェニル]ビフェニル‐4,4′‐ジアミン、フェニルカルバゾール及びN−ヒドロキシエチルカルバゾール等のN−置換カルバゾール、4,4’−ビス(9H−カルバゾール−9−)ビフェニル(CBP)、N−ニトロソカルバゾール、N−ニトロソ−3−ニトロカルバゾール、3−ニトロカルバゾール、カルバゾールのアシル化誘導体等を例示することができる。
また、前記カルバゾール誘導体は、前記化学式(1)で示されるベンゾイミダゾール誘導体において、Rの位置以外にも、R、R、R及びRのうちのいずれかの位置に置換基として結合させても良い。
[有機EL素子の実施形態]
本発明のベンゾイミダゾール誘導体は、有機EL素子用材料として利用することができる。有機EL素子は、例えば、図1に示すような構造を有していてもよいが、これに限定されるわけではない。
図1に示す有機EL発光素子100は、本発明のベンゾイミダゾール誘導体が有機EL素子用材料として利用される一実施形態の概略断面図であって、ガラス基板102、ガラス基板102上に配置された陽極104、陽極104上に配置された正孔注入層106、正孔注入層106上に配置された正孔輸送層108、正孔輸送層108上に配置された発光層110、発光層110上に配置された電子輸送層112、及び電子輸送層112上に配置された陰極114を含んでもよい。ここで、電子輸送層112は、電子注入層としても機能するものとする。
前記正孔注入層106、正孔輸送層108及び発光層110等、有機EL発光素子を構成する正孔注入層材料、正孔輸送層材料及び発光層材料のうち、少なくともいずれかの材料に本発明のベンゾイミダゾール誘導体を用いることによって、有機EL素子の高効率及び長寿命化を達成することができる。
特に、発光層材料が本発明のベンゾイミダゾール誘導体によって形成される場合、更に、有機EL素子を連続駆動させた際の色ずれを抑制する機能が付与され、前記有機EL素子を備える有機エレクトロルミネッセンスディスプレイは色ずれがされる。
尚、前記カルバゾール基は正孔輸送機能が高く、分子が剛直であるので、前記したように、前記化学式(1)のR、R、R、R及びRの位置にある少なくとも1つ以上の水素をカルバゾール基で置換するように材料設計されたベンゾイミダゾール誘導体は、耐熱性に優れており、有機EL素子の高効率化及び長寿命化に寄与する。
そのため、カルバゾール基を置換基として選択して、前記化学式(1)のR、R、R、R及びRの位置にある少なくとも1つ以上の水素をカルバゾール基で置換した構造の本発明のベンゾイミダゾール誘導体は、発光層、正孔輸送材料及び正孔注入層材料として好適に使用することができる。
[実施例]
本発明のベンゾイミダゾール誘導体について、前記化合物例3の合成法の例を以下に述べる。但し、以下に述べる合成法は一例であって、本発明を限定するものでは無い。
[本発明の化合物例3の合成]
本発明の化合物例1は、以下のようにして合成された。
(化合物Aの合成)
500mlの丸底フラスコに4−ジブロモベンズアルデヒド5.0gとN−フェニル−o−フェニレンジアミン3.83gを入れ、酢酸50mlを入れて30分間常温で撹拌した後、酢酸鉛(IV)10gを入れて常温で12時間撹拌した。反応が終結した後、酢酸を減圧下で除去して塩化メチレンで反応物を溶かした後、水で5回洗浄した。有機溶液を無水硫酸マグネシウムで乾燥させ、溶媒を除去して得られた固体を、塩化メチレン溶媒にシリカゲルカラムで精製した後、塩化メチレン/ヘキサン混合溶媒(1:6)に入れ、再結晶させることにより、白色固体状の化合物Aを3.0gを得た。
(化合物Bの合成)
アルゴン雰囲気下、100 mLの三口フラスコに、9H‐カルバゾール1.0gと3,6−ジブロモ−9−フェニルカルバゾール2.0g、酢酸パラジウム(II)(Pd(OAc)2)1.1mg、トリ-tert-ブチルホスフィン((t-Bu)3P)3.0mg、炭酸カリウム(K2CO3)2.1gを加えて、50mLキシレン溶媒中、120℃で12時間加熱攪拌した。空冷後、水を加えて有機層を分取し溶媒留去した。得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタンとヘキサンの混合溶媒を使用)で精製後、トルエン/ヘキサン混合溶媒で再結晶を行い、白色固体状の化合物Bを2.0g得た。
(化合物Cの合成)
アルゴン雰囲気下、300mlの三口フラスコを−78℃に保ち、無水THFに化合物B(7.2g)を溶解させ、1.6Mのn-ブチルリチウム-n-ヘキサン溶液(1.1等量)を滴下後1時間攪拌した。そこに、トリメトキシボラン(B(OMe)3)(1.3当量)を加え2時間攪拌し、室温になるまで反応系中の温度を上昇させた。反応液に1N塩酸(200ml)を加えて3時間攪拌した。その後、有機層を分取して、溶媒を留去した。得られた粗生成物にヘキサンを加え、析出した生成物をろ取し、白色固体状の化合物Cを4.8gで得た。
(化合物1の合成)
アルゴン雰囲気下、200mlの三口フラスコに、化合物C(2.0g)を入れ、化合物A(1当量)、2Mの炭酸カリウム水溶液20ml、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(Pd(PPh3)4)(0.07等量)を加え、テトラヒドロフラン(THF)80ml中で加熱還流しながら6時間攪拌した。空冷後、有機層を分取し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(クロロホルムとヘキサンの混合溶媒)で精製後、トルエン/ヘキサン混合溶媒で再結晶を行い、白色固体状の化合物1を1.8g得た。
[本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子]
以下、具体的な実施例及び比較例を介して、本発明の構成及び効果について詳細に例示するが、本発明の範囲を限定するものではない。以下、本発明のベンゾイミダゾール誘導体の化合物例3を発光層に用いた有機EL素子の実施例1について説明する。
[実施例1]
本発明の実施例1、2及び比較例1、2の有機EL素子の作製は次のような手順で行った。スパッタ法によりITOを100nm製膜した後にパターニングを施したガラス基板を、イソプロピルアルコールおよび純水中で、それぞれ5分間超音波洗浄した。この基板を真空蒸着装置に設置し、4,4’,4’’−トリス(N,N−(1−ナフチル)フェニルアミノ)トリフェニルアミン(TNATA)を60nm製膜することにより正孔注入層を設けた。次いで、N,N‘−ビス(1−ナフチル)−N,N‘−ビスフェニル―ベンジジン(NPD)を30nm製膜し正孔輸送層を設けた。さらに、トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム(Ir(ppy)3)と化合物例1とを体積比10:90で40nm共蒸着し、発光層とした。次いで、トリス(8‐キノリノラト)アルミニウムを25nm(電子輸送層)、フッ化リチウムを1nm(電子注入層)、アルミニウムを100nm(陰極)、この順に製膜した。真空蒸着装置から取り出した後、ガラスで封止することにより有機EL素子101とした。
[比較例1]
発光層形成時に、化合物例1に変えて比較化合物1を用いる以外は実施例1と同様にして有機EL素子101を作製した。
比較例1及び2の有機EL素子の発光層の材料を構成する化合物の構造式を以下に示す。比較化合物1は、フェニルカルバゾール基及びカルバゾール基がフェニル基をリンカーとして結合した構造の化合物である。一方、比較化合物2は、フェニルカルバゾール基及びカルバゾール基が直接結合した構造の化合物である。
作製した有機EL素子200の実施例1、2及び比較例1、2の概略図を図2に示す。作製した有機EL素子200は、陽極201、陽極201上に配置された正孔注入層203、正孔注入層203上に配置された正孔輸送層204、発光層205、発光層205上に配置された電子輸送性206、電子注入層207及び電子注入層207上に配置された陰極209を含む。
作成した有機電界発光素子について、9000nitでの電流効率(単位:cd/A)、駆動電圧(単位:V)及び輝度半減寿命(単位:時間)を評価した。また、輝度半減寿命評価前後のCIE1931色度(x,y)を比較した。
作製した実施例1及び比較例1、2の有機EL素子200の素子性能を以下の表1に示す。なお、表の値は、実施例1を100%とした時の値である。
本発明の実施例1は、本発明のベンゾイミダゾール誘導体が含まれる発光層を備えている。表1によれば、本発明の実施例1の有機EL素子は、比較例1及び2の有機EL素子に対して、発光効率が高く、少なくとも1.2倍以上の長寿命を有することが分かる。
本発明のベンゾイミダゾール誘導体は、良好なキャリアバランスを保持することができるので、実施例1の有機ELの素子性能から明らかなように、本発明のベンゾイミダゾール誘導体によれば、駆動中の色ずれを生じることなく高効率且つ長寿命化の有機EL素子を得ることができた。
以上の実施例においては、本発明のベンゾイミダゾール誘導体を有機EL素子の発光層材料に利用した例を説明したが、本発明のベンゾイミダゾール誘導体の利用は有機EL素子の発光層材料に限定されず、正孔輸送層材料としても利用できる。また、発明のベンゾイミダゾール誘導体は、有機EL素子に限定されず、その他の発光素子又は発光装置に利用されてもよい。
本発明のベンゾイミダゾール誘導体は、良好なバイポーラー性を有するホスト材料として利用することによって、良好なキャリアバランスを保持することができ、駆動中の色ずれを生じることなく高効率及び長寿命化の素子を得ることができる。
100 有機EL素子
102 ガラス基板
104 陽極
106 正孔注入層
108 正孔輸送層
110 発光層
112 電子輸送層
114 陰極

Claims (8)

  1. 互いに結合した2ユニットのカルバゾール置換基と、前記2ユニットのカルバゾール置換基のうちのいずれか1つのカルバゾール置換基のベンゼン環にアリール基を介して結合しているベンゾイミダゾール置換基と、を有するベンゾイミダゾール誘導体。
  2. 下記一般式(1)で表される請求項1に記載のベンゾイミダゾール誘導体。

    [一般式(1)中、(R、(R、(R、(R、(Rの括弧内のR乃至Rは、水素と置換されてもよいアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基を表す。
    k、l、m、p及びqは、それぞれ独立に0〜4の整数を表し、前記R乃至Rがそれぞれの結合しているベンゼン環において、水素と置換されるアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はヘテロアリール基の個数を表す。
    前記k、l、m、p、qのそれぞれが1以上の場合、(R、・・・、(Rと(R、・・・、(R、(R、・・・、(R、(R、・・・、(R、(R、・・・、(Rは、それぞれ同一でも互いに異なっていても良い。]
  3. 陽極、陰極、及び前記陽極及び前記陰極との間に位置する有機薄膜層を含む、有機エレクトロルミネッセンス発光素子であって、
    前記有機薄膜層のうちの少なくとも一層は、請求項1又は2に記載のベンゾイミダゾール誘導体を含む、有機エレクトロルミネッセンス発光素子。
  4. 前記ベンゾイミダゾール誘導体を含む有機薄膜層は、発光層、中間層及び正孔輸送層のうち少なくともいずれかである、請求項3に記載の有機エレクトロルミネッセンス発光素子。
  5. 前記ベンゾイミダゾール誘導体を含む有機薄膜層は発光層であって、前記発光層のホスト材料は前記ベンゾイミダゾール誘電体からなる、請求項4に記載の有機エレクトロルミネッセンス発光素子。
  6. 前記ベンゾイミダゾール誘導体を含む有機薄膜層は中間層であって、前記中間層はドーパントを含まない、請求項4又は5に記載の有機エレクトロルミネッセンス発光素子。
  7. 請求項3乃至6項にいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス発光素子を有することを特徴とする照明装置。
  8. 請求項3乃至6項にいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス発光素子を備えたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ。


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