JP2015120679A - 化合物および有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

化合物およ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】バンドギャップエネルギーが大きく、電気的・熱的安定性に優れる正孔輸送層の得られる正孔輸送性材料として用いる化合物の提供。【解決手段】式(1−1)に示される2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基を含む化合物。[2つのAは同じで、O又はS;Xa、Xbは各々独立にH又は(a)〜(c);いずれか一方がHである場合、他方はH以外;Ya,Ybは各々独立に(d);(a)は置換或いは非置換の直鎖の又は環状のアルキル基又はアルコキシ基;(b)、(d)は置換或いは非置換のアリール基又はヘテロアリール基;(c)はハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基]【選択図】図1

Description

本発明は、化合物およびこれを含む正孔輸送層を備えた有機エレクトロルミネッセンス(以下、有機EL)素子に関する。
有機EL素子は、電界により発光する発光材料を陰極と陽極で挟んだ構造を有している。有機EL素子は、電極から注入された正孔と電子とが発光層内で再結合することにより、発光材料を発光させる素子である。
有機EL素子は、自発光型であり、視野角が広く、視認性に優れている。このため、有機EL素子は、ディスプレイなどの表示素子として用いられている。しかも、有機EL素子は、薄型固体素子であり、軽量化が可能で、強度も優れている。このため、有機EL素子を用いたディスプレイは、テレビなどの据え置き型のみならず、モバイル用途にも有用である。また、有機EL素子を用いた表示素子は、大きさを容易に変えることができ、面全体で発光するため、照明用途としても有用である。
有機EL素子の課題としては、発光効率(外部量子効率)の向上と長寿命化が挙げられる。上記課題を解決するために、これまで様々な工夫がされてきた。
例えば、有機EL素子には、電極と発光層のほかに、正孔注入層、正孔輸送層、電子輸送層、電子注入層が設けられている場合が多い。通常これらの層は、陽極、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、陰極の順序で積層されている。電極と発光層のほかに、これらの層を設けることで、正孔と電子とが発光層内で再結合をする確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。
また、有機EL素子を高効率化するために、発光層の発光材料としてリン光材料を用いることが提案されている。発光材料は、エネルギーを得て励起状態となるとき、一重項励起状態(S)と三重項励起状態(T)を1:3の確率で生成する。そして、発光材料が励起状態から基底状態に戻る際に、エネルギーを光として放出する。
発光材料として蛍光材料を用いた場合、Sからのエネルギーしか光に変換されない。これに対し、リン光材料を用いた場合、Tからのエネルギーも光に変換される。このため、発光材料として、蛍光材料を用いた有機EL素子よりも、リン光材料を用いた有機EL素子の方が、高効率化が期待できる(例えば、非特許文献1および非特許文献2参照)。
リン光材料は、通常、ホスト材料とともに用いられる。ホスト材料とリン光材料とを含む発光層を有する有機EL素子では、正孔と電子との再結合により励起されたホスト材料のエネルギーは、リン光材料に移動する。そのエネルギーによりリン光材料が励起され、光エネルギーとして放出される。ホスト材料からリン光材料への効率的なエネルギー移動を可能とするためには、ホスト材料の三重項励起状態(T)のエネルギーを、ゲスト材料であるリン光材料よりも大きくする必要がある(例えば、非特許文献3参照)。
発光層に用いられるホスト材料は、これまでにも多数報告されている。例えば、ホスト材料として、カルバゾール系化合物などが挙げられる(例えば、非特許文献4参照)。カルバゾール系化合物としては、下記一般式(3)に示されるCBPなどが、ホスト材料として好適に用いられる(例えば、非特許文献5参照)。
Figure 2015120679
カルバゾール系化合物からなるホスト材料は、比較的大きなTエネルギーを有している。しかし、ゲスト材料のTエネルギーが大きい場合には、ホスト材料としてCBPを用いても発光効率を十分に向上させることができないことがあった。このため、カルバゾール系化合物からなるホスト材料として、Tエネルギーをさらに大きくした下記一般式(4)に示されるCDBPが用いられる場合もある(例えば、非特許文献3参照)。
Figure 2015120679
一般的に、ホスト材料として使用するカルバゾール系化合物は、正孔輸送性を示す。
ホスト材料として使用する電子輸送性材料や両電荷輸送性材料も多数報告されている(例えば、非特許文献6参照)。発光層が、ホスト材料と、発光材料からなるゲスト材料とを含み、ホスト材料として電子輸送性材料や両電荷輸送性材料を用いた有機EL素子においても、ホスト材料自身のTエネルギーをゲスト材料よりも大きくする必要がある。
また、有機EL素子を高効率化するために、高い正孔輸送性、高い電子ブロック性、高いTエネルギーの得られる正孔輸送層が求められている。さらに、有機EL素子を長寿命化するために、正孔輸送層に用いる正孔輸送層材料に対して、高い電気的・熱的安定性が求められている(例えば、非特許文献7および非特許文献8参照)。
正孔輸送層に用いられる正孔輸送層材料は、これを用いた正孔輸送層の正孔輸送性、電子ブロック性の観点から、HOMOレベル、LUMOレベル、バンドギャップエネルギーなどの電気的特性が適切な値となるものである必要がある。正孔輸送層の電気的特性の適切な値は、正孔輸送層の両面に配置される層の材料によって変化する。特に、正孔輸送層の電気的特性は、正孔輸送層の一方の側に配置される発光層の材料に対応する適切な値であることが好ましい。
例えば、正孔輸送層の一面側に発光材料として一般的な緑色発光材料や青色発光材料を用いた発光層を配置し、他面側にPEDOT:PSSからなる正孔注入層を配置した場合、正孔輸送層材料として、HOMOレベルが−5.0〜−6.0eV付近となるものを用いることが望ましい。このような正孔輸送層材料を用いることで、HOMOレベルが適切であることにより、優れた正孔輸送性の得られる正孔輸送層を形成できる。
また、正孔輸送層のLUMOレベルは、発光層のLUMOレベルよりも高い値であることが望ましい。例えば、発光材料のLUMOレベルが−2.8eVである場合、正孔輸送層のLUMOレベルは−2.8eV以上とすることが望ましく、−2.6eV以上とすることがより望ましい。このようなLUMOレベルとなる正孔輸送層材料を用いることにより、発光層内に注入された電子を閉じ込める電子ブロック効果を有する正孔輸送層が得られる。
また、正孔輸送層のバンドギャップエネルギーは、HOMOレベルとLUMOレベルから必然的に決まる。有機EL素子を高効率化するためには、正孔輸送層のバンドギャップエネルギーが3.0eV以上となる正孔輸送層材料を用いることが好ましい。
また、発光層が、ゲスト材料としてリン光材料を用い、ホスト材料として電子輸送性材料または両電荷輸送性材料を用いたものである場合、逆エネルギー移動を防ぎ、有機EL素子を高効率化するには、ホスト材料だけでなく正孔輸送層材料のTエネルギーも重要となる。具体的には、正孔輸送層材料のTエネルギーを、ゲスト材料のTエネルギーよりも大きくすることが好ましい。例えば、ゲスト材料として緑色リン光材料であるIr(mppy)を用いた場合、ゲスト材料のTエネルギーは2.35eVとなる。したがって、ホスト材料および正孔輸送層材料のTエネルギーは、2.35eV以上の値であることが望ましい。
正孔輸送層材料としては、下記一般式(5)に示されるDBTPBが、報告されている(例えば、特許文献1参照)。DBTPBのTエネルギーは2.35eVであり、一般的なリン光材料であるIr(mppy)と同等である。したがって、ゲスト材料としてIr(mppy)を用いる場合には、正孔輸送層材料としてDBTPBよりもTエネルギーの大きいものを用いることが望ましい。
Figure 2015120679
特表2011−527122号公報
Nature,395,151(1998) Nature,403,750(2000) Appl.Phys.Lett.,83,569(2003) Adv.Mater.,23,926(2011) Appl.Phys.Lett.,82,2422(2003) Adv.Mater.,22,3311(2010) Adv.Mater.,24,3212(2012) Adv.Mater.,22,2468(2010)
本発明は、バンドギャップエネルギーが大きく、電気的・熱的安定性に優れる正孔輸送層の得られる正孔輸送性材料として、用いることのできる化合物を提供することを課題とする。
また、上記の化合物を含む正孔輸送層を備えた長寿命で発光効率の高い有機EL素子を提供することを課題とする。
発明者らは、上記課題を鑑みて鋭意検討した。その結果、有機EL素子の正孔輸送性材料として好適に用いることのできる下記一般式(1−1)に示される新規化合物を見出した。また、下記一般式(1−1)に示される化合物を、正孔輸送層の材料として用いた有機EL素子において、長寿命化および高効率化を達成できることを確認した。
発明者らは、下記一般式(1−1)に示される化合物を正孔輸送層材料として用いることにより、有機EL素子を高効率化できる理由を、以下に示すように推定している。
すなわち、下記一般式(1−1)に示される化合物は、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基と、2つのジベンゾチオフェン、または、2つのジベンゾフランとを含むものである。そして、2つのジベンゾチオフェン、または、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基が、Xa、Xbにより平面性を崩したものである。このため、下記一般式(1−1)に示される化合物を用いた正孔輸送層では、バンドギャップエネルギーが広くなると推定される。さらに、一般式(1−1)においては、Ya、Ybが、以下に示す特定の置換基である。このため、一般式(1−1)に示される化合物を用いた正孔輸送層を備える有機EL素子の電気的特性が、適切な値になると推定される。
本発明の要旨は、以下の通りである。
(1)2つのジベンゾチオフェンの間、または、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基を含む下記一般式(1−1)に示される化合物。
Figure 2015120679
一般式(1−1)において、2つのAは同じであり、酸素または硫黄である。
Xa、Xbは各々独立して水素、または下記(a)〜(c)のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。
Ya,Ybは各々独立して下記(d)を示す。
(a)は、置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
(b)(d)は、置換基を有してもよい芳香族環式基である。(b)(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
(c)は、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
(2)2つのジベンゾチオフェンの間、または、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基を含み、前記ジアミノビフェニル基に結合されたアミノ基の結合位が、4,4’位であることを特徴とする下記一般式(1−2)に記載の化合物。
Figure 2015120679
一般式(1−2)において、2つのAは同じであり、酸素または硫黄である。
Xa、Xbは各々独立して水素、または下記(a)〜(c)のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。
Ya,Ybは各々独立して下記(d)を示す。
(a)は、置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
(b)(d)は、置換基を有してもよい芳香族環式基である。(b)(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
(c)は、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
(3)XaとXbのうち、いずれか一方または両方がメチル基であることを特徴とする(1)または(2)に記載の化合物。
(4)YaとYbのうち、いずれか一方または両方がフェニル基であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の化合物。
(5)YaとYbのうち、いずれか一方または両方が2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の化合物。
(6)前記2つのジベンゾチオフェンの置換位置、または、前記2つのジベンゾフランの置換位置が4位であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の化合物。
(7)前記2つのジベンゾチオフェンの置換位置、または、前記2つのジベンゾフランの置換位置が2位であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の化合物。
(8)陰極と陽極との間に、発光層と、前記発光層の前記陽極側に配置された正孔輸送層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記正孔輸送層が、(1)〜(7)のいずれかに記載の化合物を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
(9)前記発光層が、ホスト材料と、発光材料からなるゲスト材料とを含み、前記ホスト材料が、電子輸送性材料または正孔と電子の両電荷輸送性材料であることを特徴とする(8)に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
(10)ゲスト材料が、リン光材料であることを特徴とする(9)に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
本発明の化合物は、バンドギャップエネルギーが大きく、電気的・熱的安定性に優れる正孔輸送層の得られる正孔輸送性材料として、用いることができる。
また、本発明の有機EL素子は、本発明の化合物を含む正孔輸送層を備えたものであるので、長寿命で発光効率の高いものとなる。特に、発光層が、電子輸送性材料または両電荷輸送性材料からなるホスト材料と、リン光材料からなるゲスト材料とを含むものである場合、発光効率の高い有機EL素子となる。
図1は、本発明の有機EL素子の一例を説明するための概略断面図である。 図2は、本発明の有機EL素子の他の例を説明するための概略断面図である。 図3は、実験例1の薄膜と、実験例6の薄膜と、DBTPBの薄膜とにおける室温での発光スペクトルの測定結果を示したグラフである。 図4は、実験例1の薄膜と、実験例6の薄膜と、DBTPBの薄膜の低温での発光スペクトルの測定結果と、Ir(mppy)からなる薄膜の室温での発光スペクトルの測定結果とを示したグラフである。 図5は、実験例2および実験例3の有機EL素子の電流密度と外部量子効率との関係を示したグラフである。 図6は、実験例2および実験例3の有機EL素子の駆動時間と輝度との関係を示したグラフである。 図7は、実験例4および実験例5の有機EL素子の電流密度と外部量子効率との関係を示したグラフである。 図8は、実験例4および実験例5の有機EL素子の駆動時間と輝度との関係を示したグラフである。 図9は、実験例7および実験例8の有機EL素子の電流密度と外部量子効率との関係を示したグラフである。
以下、本発明について、さらに詳しく説明する。
本発明の化合物は、上記一般式(1−1)に示されるものである。
一般式(1−1)に示される化合物は、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基と、2つのジベンゾチオフェン、または、2つのジベンゾフランとを含み、Xa、Xb、Ya,Ybを以下に示す特定のものにしたものであるため、電気的・熱的安定性に優れている。
一般式(1−1)において、2つのAは同じであり、酸素または硫黄である。
Xa、Xbは、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩し、これを正孔輸送層材料として用いた正孔輸送層のバンドギャップエネルギーを広くする目的で導入される。
Xa、Xbは各々独立して水素、または下記(a)〜(c)のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。
(a)は、置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
(b)は、置換基を有してもよい芳香族環式基である。(b)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
(c)は、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
(a)置換基を有してもよい直鎖又は環状のアルキル基またはアルコキシ基において、アルキル基は、炭素数1〜25のアルキル基であることが好ましく、直鎖状、分岐状又は環状のいずれでもよい。
直鎖状又は分岐状のアルキル基としては、熱安定性、ガラス転移温度の観点から、炭素数1〜15のものがより好ましく、Xaおよび/またはXbが大きすぎることによる立体障害を避けるという観点から、炭素数1〜8のものがさらに好ましい。
環状のアルキル基としては、Xa、Xbにより中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩す観点から炭素数3以上のものが好ましい。また、環状のアルキル基としては、Xaおよび/またはXbが大きすぎることによる立体障害を避けるという観点から、炭素数8以下のものが好ましい。
上記(a)としての炭素数1〜25の直鎖のアルキル基としては、具体的に、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基、n−エイコシル基、n−ヘネイコシル基、n−ドコシル基、n−トリコシル基、n−テトラコシル基が挙げられ、分岐状のアルキル基としては、例えば、1−メチルエチル基、1−メチルプロピル基、1−エチルプロピル基、1−n−プロピルプロピル基、1−メチルブチル基、1−エチルブチル基、1−プロピルブチル基、1−n−ブチルブチル基、1−メチルペンチル基、1−エチルペンチル基、1−n−プロピルペンチル基、1−n−ペンチルペンチル基、1−メチルヘキシル基、1−エチルヘキシル基、1−n−プロピルヘキシル基、1−n−ブチルヘキシル基、1−n−ペンチルヘキシル基、1−n−ヘキシルヘキシル基、1−メチルヘプチル基、1−エチルヘプチル基、1−n−プロピルヘプチル基、1−n−ブチルヘプチル基、1−n−ペンチルヘプチル基、1−n−ヘプチルヘプチル基、1−メチルオクチル基、1−エチルオクチル基、1−n−プロピルオクチル基、1−n−ブチルオクチル基、1−n−ペンチルオクチル基、1−n−ヘキシルオクチル基、1−n−ヘプチルオクチル基、1−n−オクチルオクチル基、1−メチルノニル基、1−エチルノニル基、1−n−プロピルノニル基、1−n−ブチルノニル基、1−n−ペンチルノニル基、1−n−ヘキシルノニル基、1−n−ヘプチルノニル基、1−n−オクチルノニル基、1−n−ノニルノニル基、1−メチルデシル基、iso−プロピル基、t−ブチル基、2−メチルブチル基、2−エチルブチル基、2−n−プロピルペンチル基、2−メチルヘキシル基、2−エチルヘキシル基、2−n−プロピルヘキシル基、2−n−ブチルヘキシル基、2−メチルヘプチル基、2−エチルヘプチル基、2−n−プロピルヘプチル基、2−n−ブチルヘプチル基、2−n−ペンチルヘプチル基、2−メチルオクチル基、2−エチルオクチル基、2−n−プロピルオクチル基、2−n−ブチルオクチル基、2−n−ペンチルオクチル基、2−n−ヘキシルオクチル基、2−メチルノニル基、2−エチルノニル基、2−n−プロピルノニル基、2−n−ブチルノニル基、2−n−ペンチルノニル基、2−n−ヘキシルノニル基、2−n−ヘプチルノニル基、2−メチルデシル基、2,3−ジメチルブチル基、2,3,3−トリメチルブチル基、3−メチルブチル基、3−メチルペンチル基、3―エチルペンチル基、4−メチルペンチル基、4−エチルヘキシル基、2,3−ジメチルペンチル基、2,4−ジメチルペンチル基、2,4,4−トリメチルペンチル基、2,3,3,4−テトラメチルペンチル基、3−メチルヘキシル基、2,5−ジメチルヘキシル基、3−エチルヘキシル基、3,5,5−トリメチルヘキシル基、4−メチルヘキシル基、6−メチルヘプチル基、3,7−ジメチルオクチル基、6−メチルオクチル基が挙げられ、環状のアルキル基としては、例えば、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基等が挙げられる。
上記(a)としてのアルキル基のうち、中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩し、かつ、大きすぎる立体障害を避けるという観点から、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基が好ましい。上記(a)のアルキル基としては、合成のし易さの観点から、さらにメチル基が好ましい。上記(a)としてのアルキル基がメチル基である場合、XaとXbのうち、いずれか一方のみがメチル基であってもよいし、両方がメチル基であってもよい。合成のし易さの観点から、両方がメチル基であることが、さらに好ましい。
(a)置換基を有してもよい直鎖又は環状のアルキル基またはアルコキシ基において、アルコキシ基は、直鎖状又は分岐状のいずれでもよい。
直鎖状又は分岐状のアルコキシ基としては、熱安定性、ガラス転移温度の観点から炭素数1〜15であるものが好ましく、大きすぎる立体障害を避けるという観点から特に炭素数1〜8であるものが好ましい。
上記(a)のアルコキシ基としては、具体的に、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、n−ブトキシ基、n−ペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、n−ヘプチルオキシ基、n−オクチルオキシ基、n−ノニルオキシ基、n−デシルオキシ基、n−ドデシルオキシ基、iso−プロポキシ基、2−エチルペンチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、2−エチルヘプチルオキシ基、2−エチルオクチルオキシ基、2−エチルノニルオキシ基、2−エチルデシルオキシ基等が挙げられる。
上記(a)のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。上記(a)のアルキル基またはアルコキシ基が置換基を有する場合、アルキル基またはアルコキシ基の有する置換基の数は特に限定されるものではない。上記(a)のアルキル基またはアルコキシ基の置換基の数が2以上である場合、それらの置換基は全て同じものであってもよいし、各々異なっていてもよい。
これらの置換基を有する上記(a)のアルキル基またはアルコキシ基は、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩すことができる。上記(a)の置換基としてのアルキル基は、大きすぎる立体障害を避けるという観点から炭素数1〜8のアルキル基が好ましい。また、上記(a)の置換基としてのハロゲン基としては、特にフッ素基が好ましい。
(b)置換基を有してもよい芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
上記(b)の芳香族炭化水素基としては、炭素数6〜30のものが挙げられる。炭素数6〜30の芳香族炭化水素基としては、6π電子系、10π電子系、12π電子系、14π電子系のものが挙げられる。芳香族炭化水素基としては、具体的には、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、テルフェニル基、アンスリル基、アズレニル基、フルオレニル基、ピレニル基、フェナンスリル基、ナフスリル基等が挙げられる。これらの芳香族炭化水素基の中でも、合成のし易さや、中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩す観点から、フェニル基、ナフチル基が好ましく、特にフェニル基が好ましい。
上記(b)の芳香族複素環基としては、炭素数1〜30のものが挙げられる。炭素数1〜30の芳香族複素環基としては、6π電子系、10π電子系、12π電子系、14π電子系のものが挙げられる。芳香族複素環基としては、具体的には、チエニル基、フリル基、ピロリル基、チアゾリル基、イソチアゾリル基、ピラゾリル基、オキサゾリル基、イソオキゾリル基、ピリジル基、ピリダジル基、オキサジアゾリル基、イミダゾリル基、トリアジル基、チアジアゾリル基、ベンゾチアゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、ベンゾオキサジアゾリル基、ベンゾトリアゾリル基、ベンゾチアジアゾリル基、ベンゾセレナジアゾリル基、チエノ[2,3−b]チエニル基、チエノ[3,2−b]チエニル基、チエノ[3,4−b]チエニル基、9−オキソフルオレニル基、カルバゾリル基、ジベンゾチオフェニル基、シラフルオレニル基、セレノフルオレニル基、キサンテニル基、フェナントロリル基、フェナジリル基、フェニキサジリル基等が挙げられる。
(b)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。上記(b)の芳香族環式基が置換基を有する場合、置換基の数は特に限定されるものではない。上記(b)の芳香族環式基の置換基の数が2以上である場合、それらの置換基は全て同じものであってもよいし、各々異なっていてもよい。
これらの置換基を有する上記(b)の芳香族環式基は、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩すことができる。上記(b)の置換基としての鎖状又は環状のアルキル基は、炭素数1〜25のものが好ましく、大きすぎる立体障害や、ガラス転移温度の低下を避けるという観点から、炭素数1〜8のものがより好ましい。
Xa、Xbで示される(c)ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかとしてのハロゲン基としては、ヨウ素基、臭素基、塩素基、フッ素基が挙げられる。上記(c)のハロゲン基のうち、合成のし易さや分子の安定性、中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩す観点から、特にフッ素基が好ましい。
XaとXbは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。この場合、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基の平面性を崩すことができる。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は(a)置換基を有してもよい直鎖又は環状のアルキル基またはアルコキシ基、(b)置換基を有してもよい芳香族環式基、(c)ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
一般式(1−1)においてYa、Ybは、一般式(1−1)に示される化合物を正孔輸送層材料として用いた正孔輸送層のHOMOレベル、LUMOレベル、バンドギャップエネルギーなどの電気的特性を適切な値とするものである。
Ya,Ybは各々独立して(d)置換基を有してもよい芳香族環式基を示す。上記(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。上記(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
YaとYbは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
上記(d)の芳香族環式基としての芳香族炭化水素基は、正孔輸送層の電気的特性、熱安定性、ガラス転移温度などの物性的特性、および立体障害の効果の観点から、炭素数6〜30のものであることが好ましい。また、芳香族炭化水素基としては、6π電子系、10π電子系、12π電子系、14π電子系のものが挙げられる。芳香族炭化水素基としては、具体的には、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、テルフェニル基、アンスリル基、アズレニル基、フルオレニル基、ピレニル基、フェナンスリル基、ナフスリル基等が挙げられる。芳香族炭化水素基としては、適切な電気的特性を有する正孔輸送層を形成できる正孔輸送層材料を得るために、特にフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基が好ましい。上記(d)としての芳香族環式基がフェニル基である場合、YaとYbのうち、いずれか一方のみがフェニル基であってもよいし、両方がフェニル基であってもよい。より適切な電気的特性を有する正孔輸送層を形成できる正孔輸送材料を得る観点から、両方がフェニル基であることが、より好ましい。
上記(d)の芳香族環式基としての芳香族炭化水素基がビフェニル基である場合、当該ビフェニル基のうちフェニル同士の結合位のオルト位にあたる部分にメチル基等のアルキル基が導入されたものであることが好ましい。このようなビフェニル基では、立体障害によりビフェニル骨格がねじれたものとなり、π共役系の広がりが抑えられる。このため、より適切な電気的特性を有する正孔輸送層を形成できる正孔輸送層材料が得られる。フェニル同士の結合位のオルト位にあたる部分にメチル基等のアルキル基が導入されたビフェニル基としては、特に2,2’−ジメチル‐1,1’−ビフェニル基が好ましい。上記(d)の芳香族環式基が2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基である場合、YaとYbのうち、いずれか一方のみが2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基であってもよいし、両方が2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基であってもよい。π共役系の広がりを抑え、適切な電気的特性を有する正孔輸送層を形成できる正孔輸送材料を得る観点から、両方が2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基であることが、より好ましい。
上記(d)の芳香族環式基としての芳香族複素環基は、正孔輸送層の電気的特性、熱安定性、ガラス転移温度などの物性的特性、および立体障害の効果の観点から、炭素数1〜30のものであることが好ましい。また、芳香族複素環基としては、6π電子系、10π電子系、12π電子系、14π電子系のものが挙げられる。芳香族複素環基としては、具体的には、チエニル基、フリル基、ピロリル基、チアゾリル基、イソチアゾリル基、ピラゾリル基、オキサゾリル基、イソオキゾリル基、ピリジル基、ピリダジル基、オキサジアゾリル基、イミダゾリル基、トリアジル基、チアジアゾリル基、ベンゾチアゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、ベンゾオキサジアゾリル基、ベンゾトリアゾリル基、ベンゾチアジアゾリル基、ベンゾセレナジアゾリル基、チエノ[2,3−b]チエニル基、チエノ[3,2−b]チエニル基、チエノ[3,4−b]チエニル基、9−オキソフルオレニル基、カルバゾリル基、ジベンゾチオフェニル基、シラフルオレニル基、セレノフルオレニル基、キサンテニル基、フェナントロリル基、フェナジリル基、フェニキサジリル基等が挙げられる。芳香族複素環基としては、適切な電気的特性を有する正孔輸送層を形成できる正孔輸送層材料を得るために、特にジベンゾチオフェニル基が好ましい。
(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。上記(d)の芳香族環式基が置換基を有する場合、置換基の数は特に限定されるものではない。上記(d)の芳香族環式基の置換基の数が2以上である場合、それらの置換基は全て同じものであってもよいし、各々異なっていてもよい。
上記(d)の置換基としての鎖状又は環状のアルキル基は、適切な立体障害の効果の観点から、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基が好ましい。
上記(d)の置換基としてのハロゲン基は、合成のし易さの観点からフッ素基が好ましい。
なお、一般式(1−1)においては、Xa、Xb、Ya,Ybで示されるいずれか1以上の置換基の炭素数が多すぎると、以下に示す不都合が生じる場合がある。すなわち、Xa、Xb、Ya,Ybのいずれか1以上の置換基が大きすぎることによる立体障害が生じやすくなる。また、ガラス転移温度が低下して、熱安定性が不足しやすくなる。また、一般式(1−1)に示される化合物を有機EL素子の正孔輸送層材料として用いた場合に、コア部分となる電荷輸送サイトが相対的に減少し、電気特性が低下しやすくなる。したがって、一般式(1−1)におけるXa、Xb、Ya,Ybで示される置換基は、すべて炭素数が30以下のものであることが好ましい。
本発明の化合物が、2つのジベンゾチオフェンと、2つのジベンゾチオフェンの間に配置されたジアミノビフェニル基とを含むものである場合、具体的な例としては、下記一般式(1−6)〜(1−10)に示される化合物が挙げられる。
なお、下記一般式(1−6)〜(1−10)において、Xa、Xbは各々独立して水素、(a)置換基を有してもよい直鎖又は環状のアルキル基またはアルコキシ基、(b)置換基を有してもよい芳香族環式基、(c)ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
下記一般式(1−6)〜(1−10)において、Ya,Ybは各々独立して(d)置換基を有してもよい芳香族環式基を示す。上記(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。上記(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
Figure 2015120679
なお、上記一般式(1−6)〜(1−10)に示される化合物は、本発明の化合物の一例であり、本発明の技術的範囲は、これらの化合物に限定されるものではない。
一般式(1−1)に示される化合物が、2つのジベンゾチオフェンと、2つのジベンゾチオフェンの間に配置されたジアミノビフェニル基とを含むものである場合、ジアミノビフェニル基に結合されたアミノ基の結合位は、特に限定されるものではない。例えば、一般式(1−6)に示される化合物などのように、5,5’位でもよいし、一般式(1−7)に示される化合物のように、4,5’位でもよいし、一般式(1−8)に示される化合物のように、3,3’位でもよいし、一般式(1−9)に示される化合物のように、4,3’位でもよいし、一般式(1−10)に示される化合物のように、5,3’位でもよいし、一般式(1−2)に示される化合物などのように、4,4’位でもよい。
ジアミノビフェニル基に結合されたアミノ基の結合位は、合成のし易さの観点から、5,5’位または4,4’位であることが好ましい。
一般式(1−1)に示される化合物が、2つのジベンゾチオフェンと、2つのジベンゾチオフェンの間に配置されたジアミノビフェニル基とを含むものである場合、2つのジベンゾチオフェンの置換位置は、1〜4位のいずれでもよく、各々異なってもよい。2つのジベンゾチオフェンの置換位置は、化合物の合成のし易さの観点から、2位又は4位であることが好ましい。
本発明の化合物が、2つのジベンゾフランと、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基とを含むものである場合、具体的な例としては、下記一般式(2−6)〜(2−10)に示される化合物が挙げられる。
なお、下記一般式(2−6)〜(2−10)において、Xa、Xbは各々独立して水素、(a)置換基を有してもよい直鎖又は環状のアルキル基またはアルコキシ基、(b)置換基を有してもよい芳香族環式基、(c)ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
下記一般式(2−6)〜(2−10)において、Ya,Ybは各々独立して(d)置換基を有してもよい芳香族環式基を示す。上記(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。上記(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
Figure 2015120679
なお、上記一般式(2−6)〜(2−10)に示される化合物は、本発明の化合物の一例であり、本発明の技術的範囲は、これらの化合物に限定されるものではない。
一般式(1−1)に示される化合物が、2つのジベンゾフランと、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基とを含むものである場合、2つのジベンゾフランに代えて2つのジベンゾチオフェンを有する場合と同様に、ジアミノビフェニル基に結合されたアミノ基の結合位は、特に限定されるものではない。例えば、一般式(2−6)に示される化合物などのように、5,5’位でもよいし、一般式(2−7)に示される化合物のように、4,5’位でもよいし、一般式(2−8)に示される化合物のように、3,3’位でもよいし、一般式(2−9)に示される化合物のように、4,3’位でもよいし、一般式(2−10)に示される化合物のように、5,3’位でもよいし、一般式(1−2)に示される化合物などのように、4,4’位でもよい。
ジアミノビフェニル基に結合されたアミノ基の結合位は、合成のし易さの観点から、5,5’位または4,4’位であることが好ましい。
一般式(1−1)に示される化合物が、2つのジベンゾフランと、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基とを含むものである場合、2つのジベンゾフランの置換位置は、1〜4位のいずれでもよく、各々異なってもよい。2つのジベンゾフランの置換位置は、化合物の合成のし易さの観点から、2位又は4位であることが好ましい。
(有機EL素子)
本発明の有機EL素子は、陰極と陽極との間に、発光層と、前記発光層の前記陽極側に配置された正孔輸送層とを備えたものである。本発明の有機EL素子の正孔輸送層は、本発明の化合物を含むものである。
図1は、本発明の有機EL素子の一例を説明するための概略断面図である。図1に示す有機EL素子1は、基板2上に第1電極9(陽極)と、正孔注入層8と、正孔輸送層7と、発光層6と、電子輸送層5と、電子注入層4と、第2電極3(陰極)とがこの順に形成された積層構造を有している。
図1に示す有機EL素子1は、基板2上に形成された有機EL素子を構成する積層構造の全てが有機化合物からなるものである。
なお、図1に示す有機EL素子1は、基板2上に形成された有機EL素子1を構成する積層構造に、無機化合物からなる層が含まれているHOILED素子であってもよい。この場合、例えば、図1に示す有機EL素子1において、無機化合物からなる層として、無機の酸化物からなる電子注入層4と、無機の酸化物からなる正孔注入層8とが設けられているものとすることができる。無機化合物は、有機化合物と比較して安定である。このため、HOILED素子は、無機化合物からなる層を含まない有機EL素子と比較して、酸素や水に対する耐性が高く、好ましい。
また、図1に示す有機EL素子1においては、電子注入層4と正孔注入層8とが設けられている場合を例に挙げて説明するが、例えば、電子注入層4および/または正孔注入層8はなくてもよい。また、図1に示す有機EL素子1においては、有機化合物からなる電子注入層4に代えて無機化合物からなる電子注入層を設けてもよいし、有機化合物からなる正孔注入層8に代えて無機化合物からなる正孔注入層を設けてもよい。
図1に示す有機EL素子1は、基板2側と反対側に光を取り出すトップエミッション型のものであってもよいし、基板2側に光を取り出すボトムエミッション型のものであってもよい。
また、図1に示す有機EL素子1は、基板2と発光層6との間に陽極として機能する第1電極9が配置された順構造のものである。
「基板」
基板2の材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリレートのような樹脂材料や、石英ガラス、ソーダガラスのようなガラス材料等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。
有機EL素子1がボトムエミッション型のものである場合には、基板2の材料として、透明のものを用いる。
有機EL素子1がトップエミッション型のものである場合には、基板2の材料として、透明のものだけでなく不透明のものも用いることができる。不透明基板としては、例えば、アルミナのようなセラミックス材料で構成された基板、ステンレス鋼のような金属基板の表面に酸化膜(絶縁膜)を形成したもの、樹脂材料で構成された基板等が挙げられる。
基板2の平均厚さは、0.1〜30mmであることが好ましく、0.1〜10mmであることがより好ましい。基板2の平均厚さは、デジタルマルチメーター、ノギスにより測定できる。
「第1電極(陽極)」
図1に示す有機EL素子1における第1電極9は、陽極として機能するものである。第1電極9の材料としては、ITO(インジウム酸化錫)、IZO(インジウム酸化亜鉛)、FTO(フッ素酸化錫)、In、SnO、Sb含有SnO、Al含有ZnO等の酸化物等が挙げられる。この中でも、第1電極9の材料として、ITO、IZO、FTOを用いることが好ましい。
第1電極9の平均厚さは、特に制限されないが、10〜500nmであることが好ましく、100〜200nmであることがより好ましい。
第1電極9の平均厚さは、触針式段差計、分光エリプソメトリーにより測定できる。
「正孔注入層」
本実施形態における正孔注入層8は、正孔注入層8の材料として通常用いることができるいずれの化合物を用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。具体的には、正孔注入層8の材料として、下記一般式(131)に示されるPEDOT:PSS、フタロシアニン(HPc)、銅フタロシアニンのような金属または無金属のフタロシアニン系化合物等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。
Figure 2015120679
また、正孔注入層8が、無機化合物からなるからなるものである場合には、金属酸化物層などの無機の酸化物からなる層であることが好ましい。金属酸化物層としては、特に制限されないが、例えば、酸化バナジウム(V)、酸化モリブテン(MoO)、酸化ルテニウム(RuO)等の1種又は2種以上を用いることができる。これらの中でも、正孔注入層8は、酸化バナジウム又は酸化モリブテンを主成分とするものが好ましい。
正孔注入層8が酸化バナジウムおよび/または酸化モリブテンを主成分とするものである場合、第1電極9(陽極)から正孔を注入して発光層6又は正孔輸送層7へ輸送する正孔注入層8としての機能が、より優れたものとなる。また、酸化バナジウムおよび酸化モリブテンは、それ自体の正孔輸送性が高いため、第1電極9から発光層6又は正孔輸送層7への正孔の注入効率が低下するのを好適に防止できる。
正孔注入層8の平均厚さは、特に限定されないが、1〜1000nmであることが好ましく、5〜50nmであることがより好ましい。
正孔注入層8の平均厚さは、水晶振動子膜厚計により成膜時に測定することができる。
「正孔輸送層」
正孔輸送層7は、発光層6に接して配置されている。
正孔輸送層7には、上記の一般式(1−1)に示される化合物からなる正孔輸送性材料が用いられている。したがって、正孔輸送層7は、バンドギャップエネルギーが大きく、電気的・熱的安定性に優れるものとなる。その結果、図1に示す有機EL素子1は、長寿命で高い発光効率を有するものとなる。
特に、図1に示す有機EL素子1の発光層6が、電子輸送性材料または両電荷輸送性材料からなるホスト材料と、リン光材料からなるゲスト材料とを含むものである場合には、正孔輸送性、電子ブロック性に優れ、三重項励起状態(T)のエネルギーが高く、HOMOレベル、LUMOレベル、バンドギャップエネルギーなどの電気的特性が適切な値である正孔輸送層7となり、より発光効率の高い有機EL素子1を実現でき、好ましい。
より詳細には、図1に示す有機EL素子1では、発光層6のホスト材料として、後述する電子輸送性材料または正孔と電子の両電荷輸送性材料が用いられている。このため、発光層6では、電荷の再結合領域が正孔輸送層/発光層界面に接している。
図1に示す有機EL素子1では、正孔輸送層7のバンドギャップエネルギーが大きく、LUMOレベルが適切であるため高い電子ブロック性が得られる。したがって、発光層6に供給された過剰な電子が、正孔と再結合することなく、発光層6から正孔輸送層7に抜け出てしまうことを防止できる。よって、図1に示す有機EL素子1では、発光層6から正孔輸送層7に電子が抜け出てしまうことによる発光効率の低下が抑制され、再結合効率が向上することで高い発光効率が得られる。
また、正孔輸送層7のバンドギャップエネルギーは、発光層6のホスト材料のバンドギャップエネルギー以上であることが好ましい。HOMOレベルが適切な正孔輸送層7のバンドギャップエネルギーが、発光層6のホスト材料のバンドギャップエネルギー以上である場合、正孔輸送層7の電子ブロック性がより一層高いものとなり、発光層6に供給された過剰な電子が、発光層6から正孔輸送層7に抜け出てしまうことをより効果的に防止でき、より一層再結合効率が向上することで高い発光効率が得られる。
また、図1に示す有機EL素子1は、正孔輸送層7の三重項励起状態(T)のエネルギーが高いものである。したがって、図1に示す有機EL素子1では、発光層6から正孔輸送層7に三重項励起状態(T)のエネルギーが移動することを防止でき、発光層6内に三重項励起状態(T)のエネルギーを閉じ込める効果が得られる。よって、後述する発光材料がリン光材料である場合に、ホスト材料の励起状態のエネルギーを効率よくリン光発光として取り出すことができる。
正孔輸送層7の平均厚さは、特に限定されないが、10〜150nmであることが好ましく、20〜100nmであることがより好ましい。
正孔輸送層7の平均厚さは、例えば、触針式段差計、分光エリプソメトリーにより測定することができる。
正孔輸送層7は、図1に示すように、1層のみからなるものであってもよいし、上述した発光層6に接して配置される正孔輸送層7の正孔注入層8側に、1層以上の第2正孔輸送層(不図示)を有するものであってもよい。
第2正孔輸送層に用いる正孔輸送性有機材料としては、各種p型の高分子材料(有機ポリマー)や、各種p型の低分子材料を単独または組み合わせて用いることができる。
具体的には、第2正孔輸送層の材料として、例えば、N,N’−ジ(1−ナフチル)−N,N’−ジフェニル−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン(α−NPD)、ポリアリールアミン、フルオレン−アリールアミン共重合体、フルオレン−ビチオフェン共重合体、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ポリチオフェン、ポリアルキルチオフェン、ポリヘキシルチオフェン、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリチニレンビニレン、ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂またはその誘導体等が挙げられる。これらの第2正孔輸送層の材料は、他の化合物との混合物として用いることもでき、一例として、ポリチオフェンを含有する混合物としては、一般式(131)に示されるポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン/スチレンスルホン酸)(PEDOT:PSS)等が挙げられる。
第2正孔輸送層の平均厚さは、特に限定されないが、10〜150nmであることが好ましく、20〜100nmであることがより好ましい。
第2正孔輸送層の平均厚さは、例えば、触針式段差計、分光エリプソメトリーにより測定することができる。
「発光層」
発光層6は、電荷輸送・再結合の役割を担うホスト材料と、発光材料からなるゲスト材料とからなる。
ホスト材料としては、電子輸送性材料または正孔と電子の両電荷輸送性材料が用いられている。具体的には、電子輸送性のホスト材料として、下記一般式(132)に示されるBepp2、下記一般式(133)〜(137)に示される化合物などが挙げられ、特に、金属錯体である下記一般式(132)に示されるBepp2であることが好ましい。
Figure 2015120679
Figure 2015120679
ホスト材料として、Bepp2等の金属錯体を用いることで、ホスト材料からゲスト材料へのエネルギー移動が効率的に起こるものとなり、高い発光効率を有する有機EL素子1が得られる。
また、正孔と電子の両電荷輸送性のホスト材料としては、下記一般式(139)〜(160)に示される化合物などが挙げられる。
Figure 2015120679
Figure 2015120679
Figure 2015120679
ゲスト材料としては、リン光材料を用いることが好ましい。
リン光材料としては、下記一般式(161)〜(189)に示される緑色〜赤色リン光材料などが挙げられる。ゲスト材料としてリン光材料を用いることで、リン光発光を利用する有機EL素子となる。その結果、ゲスト材料として、蛍光材料を用いた有機EL素子と比較して、発光効率を向上させることができ、好ましい。
Figure 2015120679
Figure 2015120679
発光層6中のゲスト材料の含有量は、1重量%以上15重量%未満であることが好ましい。発光層6中のゲスト材料の含有量を上記範囲とすることで、より一層優れた発光効率が得られる。発光層6中のゲスト材料の含有量が上記範囲未満である場合、ホスト材料からゲスト材料へのエネルギー移動が十分に起こらず、ホスト材料自体が発光して、発光効率が低下する恐れがある。また、発光層6中のゲスト材料の含有量が上記範囲を超える場合、ホスト材料の電子輸送性が不十分となり、ゲスト材料が電荷を運ぶことによって、発光領域が発光層6の正孔輸送層7側界面から離れてしまい、発光効率が低下する恐れがある。
発光層6の平均厚さは、特に限定されないが、10〜150nmであることが好ましく、20〜100nmであることがより好ましい。
発光層6の平均厚さは、触針式段差計により測定してもよいし、水晶振動子膜厚計により発光層6の成膜時に測定してもよい。
「電子輸送層」
電子輸送層5に用いる材料としては、フェニル−ジピレニルホスフィンオキサイド(POPy)のようなホスフィンオキサイド誘導体、トリス−1,3,5−(3’−(ピリジン−3’’−イル)フェニル)ベンゼン(TmPyPhB)のようなピリジン誘導体、(2−(3−(9−カルバゾリル)フェニル)キノリン(mCQ))のようなキノリン誘導体、2−フェニル−4,6−ビス(3,5−ジピリジルフェニル)ピリミジン(BPyPPM)のようなピリミジン誘導体、ピラジン誘導体、バソフェナントロリン(BPhen)のようなフェナントロリン誘導体、2,4−ビス(4−ビフェニル)−6−(4’−(2−ピリジニル)−4−ビフェニル)−[1,3,5]トリアジン(MPT)のようなトリアジン誘導体、3−フェニル−4−(1’−ナフチル)−5−フェニル−1,2,4−トリアゾール(TAZ)のようなトリアゾール誘導体、オキサゾール誘導体、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−tert−ブチルフェニル−1,3,4−オキサジアゾール)(PBD)のようなオキサジアゾール誘導体、2,2’,2’’−(1,3,5−ベントリイル)−トリス(1−フェニル−1−H−ベンズイミダゾール)(TPBI)のようなイミダゾール誘導体、ナフタレン、ペリレン等の芳香環テトラカルボン酸無水物、ビス[2−(2−ヒドロキシフェニル)ベンゾチアゾラト]亜鉛(Zn(BTZ))、トリス(8−ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(Alq3)などに代表される各種金属錯体、2,5−ビス(6’−(2’,2’’−ビピリジル))−1,1−ジメチル−3,4−ジフェニルシロール(PyPySPyPy)等のシロール誘導体に代表される有機シラン誘導体等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。これらの電子輸送層の材料の中でも、POPyのようなホスフィンオキサイド誘導体、Alqのような金属錯体、TmPyPhBのようなピリジン誘導体を用いることが好ましい。
電子輸送層5の平均厚さは、特に限定されないが、10〜150nmであることが好ましく、20〜100nmであることが、より好ましい。
電子輸送層5の平均厚さは、触針式段差計、分光エリプソメトリーにより測定できる。
「電子注入層」
電子注入層4として有機化合物からなるものを設ける場合には、電子注入層の材料として通常用いることができるいずれの化合物を用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。具体的に例えば、ポリエチレンイミン、ポリ(9,9−ビス(6’’−トリメチルアンモニウムヘキシル)フルオレン−コ−アルト−フェニレン)ウィズブロマイドコウンテリオンズ(FPQ−Br)、ポリ(9,9−ビス(3’−ジメチルアミノ)プロピル)2,7−フルオレン−アルト−2,7−(9、9−ジオクティルフルオレン)(PFNR)、ポリアルキレンオキシド等が挙げられる。
また、電子注入層4が、無機化合物からなるものである場合には、金属酸化物層などの無機の酸化物からなる層であることが好ましい。金属酸化物層としては、特に制限されないが、例えば、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO)、酸化二オブ(Nb)、酸化鉄(Fe)、酸化錫(SnO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化インジウムガリウム亜鉛(IGZO)から選ばれる1種又は2種以上を用いることができる。これらの金属酸化物層からなる電子注入層4は、電子注入層としての機能や、電極(陰極)としての機能を備えている。
また、電子注入層4の材料は、上記の材料に限定されるものではなく、例えば、LiFなどを用いてもよい。
電子注入層4の平均厚さは、特に限定されないが、1〜1000nmであることが好ましく、2〜100nmであることがより好ましい。
電子注入層4の平均厚さは、触針式段差計、分光エリプソメトリーにより測定できる。
「第2電極(陰極)」
図1に示す有機EL素子1における第2電極3は、陰極として機能するものである。第2電極3としては、Au、Pt、Ag、Cu、Alまたはこれらを含む合金等が挙げられる。この中でも、第2電極3としてAu、Ag、Alを用いることが好ましい。
第2電極3の平均厚さは、特に限定されないが、10〜1000nmであることが好ましく、30〜150nmであることがより好ましい。また、第2電極3として不透過な材料を用いる場合でも、例えば、平均厚さを10〜30nm程度にすることで、トップエミッション型及び透明型の陽極として使用できる。
第2電極3の平均厚さは、水晶振動子膜厚計により第2電極3の成膜時に測定できる。
図1に示す本実施形態の有機EL素子1は、公知の方法を適宜使用して製造できる。
本実施形態の有機EL素子1は、第1電極9(陽極)と第2電極3(陰極)との間に、発光層6と、発光層6の第1電極9側に配置された正孔輸送層7とを有し、正孔輸送層7が、上記の一般式(1−1)に示される化合物を含むものであるので、バンドギャップエネルギーが大きく、電気的・熱的安定性に優れる正孔輸送層を備えた長寿命で発光効率の高いものとなる。
(他の例)
図2は、本発明の有機EL素子の他の例を説明するための概略断面図である。図2に示す有機EL素子1Aは、基板2上に第1電極9と、電子注入層4と、電子輸送層5と、発光層6と、正孔輸送層7と、正孔注入層8と、第2電極3とがこの順に形成された積層構造を有するものである。
図2に示す有機EL素子1Aにおける第1電極9は陰極として機能するものであり、第2電極3は陽極として機能するものである。
図2に示す有機EL素子1Aは、基板2上に陰極として機能する第1電極9が形成され、基板2と発光層6との間に第1電極9が配置された逆構造のものである。
図2に示す有機EL素子1Aと、図1に示す有機EL素子1との異なるところは、電子注入層4と、電子輸送層5と、発光層6と、正孔輸送層7と、正孔注入層8の積層順序が逆になっているところのみである。したがって、図2に示す有機EL素子1Aにおいて、図1に示す有機EL素子1と同じ部材には、同じ符号を付し、説明を省略する。
なお、本発明の有機EL素子は、図1および図2に示す有機EL素子に限定されるものではない。すなわち、本発明の有機EL素子は、第1電極9(陽極)と第2電極3(陰極)との間に、発光層6と、発光層6の第1電極9側に配置された正孔輸送層7とを有し、正孔輸送層7が、上記の一般式(1−1)に示される化合物を含むものであればよく、電子注入層4、電子輸送層5、第2正孔輸送層、正孔注入層8は、必要に応じて形成すればよい。
また、本発明の有機EL素子は、図1および図2に示す各層の間に、さらに他の層を有していてもよい。
本発明の有機EL素子においては、有機EL素子の特性をさらに向上させる等の理由から、必要に応じて例えば、正孔阻止層、電子素子層などを有していてもよい。
これらの層を形成する材料としては、これらの層を形成するために通常用いられる材料を用いることができる。また、これらの層を形成する方法としては、これらの層を形成するために通常用いられる方法を用いることができる。
本発明の有機EL素子は、有機化合物層の材料を適宜選択することによって発光色を変化させることができるし、カラーフィルター等を併用して所望の発光色を得ることもできる。そのため、表示装置の発光部位や照明装置として好適に用いることができる。例えば、表示パネルと、前記表示パネルを駆動する駆動回路とを有し、表示パネルとして長寿命で高い発光効率を有する本発明の有機EL素子を用いた表示装置とすることができる。
また、上述した実施形態においては、本発明の化合物を正孔輸送層の正孔輸送性材料として用いる場合を例に挙げて説明したが、本発明の化合物は、例えば、有機EL素子における正孔注入層や、ゲスト材料がリン光材料である場合のホスト材料などにも使用できるし、有機太陽電池の正孔輸送性材料などにも使用できる。
「化合物の合成」
(合成例1)
一般式(1−83)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
Figure 2015120679
上記一般式(1−192)に示されるN−(4−クロロ−3−メチルフェニル)−N−ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−アミンを、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた150mLシュレンク管に、アルゴン雰囲気下で上記一般式(1−190)に示される4−ブロモジベンゾチオフェン5.79g(22.0mmol)、上記一般式(1−191)に示される4−クロロ−3−メチルアニリン3.74g(26.4mmol)、カリウム−tert−ブトキシド3.70g(33.0mmol)、酢酸パラジウム(II)99mg(0.44mmol)、脱水トルエン60mLを収め脱気した。その後、トリ−tert−ブチルホスフィン267mg(1.32mmol)を加え密栓し、100℃で10時間撹拌した。
室温まで冷却した後、反応混合物を水に注加し、塩化メチレンで抽出し、水洗を行った。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥した後、溶媒を留去した。得られた粗生成物をヘキサン:塩化メチレン(4:1)を溶出液としたシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製した。
以上の工程を行うことにより、上記一般式(1−192)に示される化合物を、収量3.75g、収率53%で得た。化合物の同定は、質量分析にて分子イオンピークが目的物と一致することで行った。
次いで、上記一般式(1−194)に示されるN−(4−クロロ−3−メチルフェニル)−N−フェニルジベンゾ[b,d]チオフェン−4−アミンを、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた100mLシュレンク管に、アルゴン雰囲気下で上記一般式(1−192)に示されるN−(4−クロロ−3−メチルフェニル)−N−ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−アミン3.56g(11.0mmol)、上記一般式(1−193)に示されるヨードベンゼン2.69g(13.2mmol)、カリウム−tert−ブトキシド1.85g(16.5mmol)、酢酸パラジウム(II)49mg(0.22mmol)、脱水トルエン30mLを収め脱気した。その後、トリ−tert−ブチルホスフィン134mg(0.66mmol)を加え密栓し、100℃で10時間撹拌した。
室温まで冷却した後、反応混合物を水に注加し、塩化メチレンで抽出し、水洗を行った。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥した後、溶媒を留去した。得られた粗生成物をヘキサン:塩化メチレン(6:1)を溶出液としたシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製した。
以上の工程を行うことにより、上記一般式(1−194)に示される化合物を、収量3.79g、収率86%で得た。化合物の同定は、質量分析にて分子イオンピークが目的物と一致したことで行った。
次いで、上記一般式(1−83)に示されるN,N−ビス(ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−イル)−2,2’−ジメチル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミンを、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた150mLシュレンク管に、アルゴン雰囲気下でビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)5.17g(18.8mmol)、2,2’−ビピリジル2.94g(18.8mmol)、1,5−シクロオクタジエン2.03g(18.8mmol)、DMF20mLを収め密栓し、60℃で30分間攪拌の後、室温に冷却した。
その後、シュレンク管をアルゴン雰囲気下で開栓し、THF50mLに溶解した上記一般式(1−194)に示されるN−(4−クロロ−3−メチルフェニル)−N−フェニルジベンゾ[b,d]チオフェン−4−アミン3.76g(9.40mmol)を加え、密栓した後、80℃で15時間撹拌した。
室温まで冷却し、溶剤を留去した後、塩化メチレンに溶解した反応混合物を水に注加し、塩化メチレンで抽出し、水洗をおこなった。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥した後、溶媒を留去した。得られた粗生成物を、ヘキサン:塩化メチレン(5:1)を溶出液としたシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製した。
以上の工程を行うことにより、HPLC純度が98.5%の目的物を、収量3.01g、収率88%で得た。その後、得られた目的物をアセトンで洗浄、さらにトルエンによる再結晶生成を繰り返し、HPLC純度が99.9%の上記一般式(1−83)に示される化合物を、収量1.55g、回収率51%で得た。
HPLCによる純度測定は、以下に示す条件で行った。
カラム「InertSustain、C18、5μm、4.6mm×150mm(逆相系)」、溶離液「アセトニトリル:THF=90:10」、流速「1.0ml/min」、UV検出器「254nm」
化合物の同定は、質量分析にて分子イオンピークが目的物と一致したこと、およびH−NMR(Nuclear Magnetic Resonance)で行った。
H−NMR、CDCl3 δ1.98(s、6H)、6.89−7.00(m、8H)、7.08(d、J=8.2Hz、4H)、7.22−7.00(m、4H)、7.31−7.45(m、8H)、7.7(d、J=7.3Hz、2H)、7.98(d、J=7.8Hz、2H)、8.13(d、J=7.3Hz、2H)
(合成例2)
一般式(1−83)に示す化合物を、上記とは別の以下に示す方法により合成した。
Figure 2015120679
上記一般式(1−196)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
攪拌子を備え、アルゴン置換した300mLのシュレンク管に、上記一般式(1−190)に示される4‐ブロモジベンゾチオフェン(13.16g、50mmol)、上記一般式(1−195)に示されるアニリン(4.66g、50mmol)、酢酸パラジウム(225mg、1.0mmol)、トルエン(150mL)、トリ−t−ブチルホスフィン(202mg、1.0mmol)、及びt−ブトキシカリウム(5.61g、50mmol)を入れて密閉し、100℃で10時間、攪拌した。
その後、反応容器を室温付近まで放冷し、蓋を開け、そこに水(150mL)を入れた。内容物を分液ロートに移し、有機相と水相を分離させた後、水相を取り除き、さらに有機相を水洗した。有機相は硫酸ナトリウムで乾燥させた。その後、ろ過により硫酸ナトリウムを取り除き、有機相を濃縮した。濃縮して得られた混合物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=3/1)により精製し、目的とする上記一般式(1−196)に示される化合物を得た(収量10.7g、収率77.8%)。
化合物の同定は、H−NMRを用いて行った。
H−NMR、DMSO−d、δ:6.85(t、J=7.3Hz、1H)、6.98(d、J=7.8Hz、8H)、7.23(t、J=8.3Hz、2H)、7.32(d、J=7.8Hz、1H)、7.45(t、J=7.8Hz、1H)、7.50−7.53(m、2H)、8.01−8.03(m、2H)、8.17(s、1H)、8.33−8.35(m、1H)
次いで、上記一般式(1−83)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
攪拌子を備え、アルゴン置換した100mLのシュレンク管に、上記一般式(1−196)に示される化合物(2.11g、8.0mmol)、上記一般式(1−197)に示される4,4’−ジヨード−2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル(1.74g、4.0mmol)、酢酸パラジウム(36mg、0.16mmol)、トルエン(50mL)、トリ−t−ブチルホスフィン(32mg、0.16mmol)、及びt−ブトキシカリウム(0.90g、8.0mmol)を入れ、密閉した後に、100℃で10時間、攪拌した。
その後、反応容器を室温付近まで放冷し、蓋を開け、そこに水(50mL)を入れた。内容物を分液ロートに移し、有機相と水相を分離させた後、水相を取り除き、さらに有機相を水洗した。有機相は硫酸ナトリウムで乾燥させた。その後、ろ過により硫酸ナトリウムを取り除き、有機相を濃縮した。濃縮して得られた混合物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=3/1)により精製し、目的とする上記一般式(1−83)に示される化合物を得た。収量は2.40g、収率は82.3%であった。
(合成例3)
下記一般式(1−202)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
Figure 2015120679
上記一般式(1−199)に示される2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニルを、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた四つ口フラスコに、アルゴン雰囲気下で上記一般式(1−198)に示される2−ブロモトルエン(11.97g、70.0mmol)のジエチルエーテル(140mL)溶液を調整し、−15℃まで冷却した。1.6M(モル/L)のn−ブチルリチウム(45mL、72mmol)を滴下した後、2時間撹拌した。その後、ホウ酸トリメチル(7.27g、70.0mmol)を加え、徐々に室温(rt)に昇温させながら、そのまま、20時間撹拌した。反応溶液に水を加え、反応を停止させた後、減圧下でエーテルおよびヘキサンを除去した。
反応容器に冷却管を取り付け、容器内を再びアルゴン置換した。その後、2−ブロモトルエン(11.97g、70.0mmol)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0.809g、0.7mmol)、炭酸カリウム(9.67g、70mmol)、トルエン(70mL)を加え、トルエンと水が同量になるように、さらに水を追加した。その後、100℃で20時間撹拌した。
反応液を分液ロートに移し、有機相と水相を分離し、エーテルで抽出作業を行った。有機相を炭酸ナトリウムで乾燥した後、ろ過、濃縮を行い、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン)にて、上記一般式(1−199)に示される化合物を単離した。目的物の同定はGCMSにて行った。収量は7.84g、収率は61%であった。
次いで、上記一般式(1−200)に示される4−ブロモ−2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニルを、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた四つ口フラスコに滴下ロートを取り付け、容器内をアルゴン置換し、上記一般式(1−199)に示される2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル(5.47g、30.0mmol)のジクロロメタン(90mL)溶液、および塩化ジルコニウム(0.35g、1.5mmol)を入れ、−15℃まで冷却した。
滴下ロートにNBS(5.34g、30.0mmol)のDMF(30mL)溶液を入れて、少しずつ滴下した。全部滴下した後、徐々に昇温し、室温(rt)で48時間撹拌した。反応溶液に水を加えた後、減圧下でジクロロメタンを除去し、ジエチルエーテルで目的物を抽出した。有機相を硫酸ナトリウムで乾燥し、ろ過、濃縮を行った後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=3/1)にて、上記一般式(1−200)に示される目的物を単離した。収量は5.09g、収率は65%であった。
次いで、上記一般式(1−201)に示されるN4,N4’−ビス(ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−イル)−2,2’−ジメチル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミンを、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた200mLシュレンク管をアルゴン置換し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(10.0g、36.4mmol)、2,2’−ビピリジル(5.68g、36.4mmol)、およびTHF(100mL)を加え、45分撹拌した。その後、さらに上記一般式(1−192)に示されるN−(4−クロロ−3−メチルフェニル)−N−ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−アミン(2.59g、8.0mmol)のTHF(20mL)溶液を加え、65℃で24時間撹拌した。
その後、反応溶液に水を加え、ジクロロメタンで洗浄しながらセライトろ過を行った。得られたろ液を、THFが除去できる程度に濃縮した。その溶液から、ジクロロメタンで目的物を抽出した。得られた有機相を硫酸ナトリウムで乾燥した後、ろ過、濃縮を行った。その後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=1/1)にて、上記一般式(1−201)に示される目的物を単離した。収量は0.55g、収率は12%であった。
次いで、上記一般式(1−202)に示されるN4,N4’−ビス(ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−イル)−N4,N4’−ビス(2,2’−ジメチル−[1,1’−ビフェニル]−4−イル)−2,2’−ジメチル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミンを、以下に示す方法により合成した。
攪拌子を備えたシュレンク管をアルゴン置換し、上記一般式(1−201)に示されるN4,N4’−ビス(ジベンゾ[b,d]チオフェン−4−イル)−2,2’−ジメチル−[1,1’−ビフェニル]−4,4’−ジアミン(0.5g、0.89mmol)、上記一般式(1−200)に示される4−ブロモ−2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル(0.56g、0.22mmol)、酢酸パラジウム(9mg、0.04mmol)、トルエン(50mL)、トリ‐t‐ブチルホスフィン(8mg、0.04mmol)、t−ブトキシカリウム(0.22g、2.0mmol)を入れ、100℃で6時間攪拌した。
その後、水を加え、反応を停止させ、ジエチルエーテルで抽出操作を行った。有機相を硫酸ナトリウムで乾燥し、ろ過、濃縮した。その後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=2/1)により、上記一般式(1−202)に示される目的物を単離した。
(合成例4)
一般式(1−107)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
Figure 2015120679
上記一般式(1−204)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
攪拌子を備え、アルゴン置換した300mLのシュレンク管に、上記一般式(1−203)に示される2−ブロモジベンゾチオフェン(13.16g、50mmol)、上記一般式(1−195)に示されるアニリン(4.66g、50mmol)、酢酸パラジウム(225mg、1.0mmol)、トルエン(150mL)、トリ−t−ブチルホスフィン(202mg、1.0mmol)、及びt−ブトキシカリウム(5.61g、50mmol)を入れ、密閉した。その後に、100℃で18時間、攪拌した。
その後、反応容器を室温付近まで放冷し、蓋を開け、そこに水(150mL)を入れた。内容物を分液ロートに移し、有機相と水相を分離させた後、水相を取り除き、さらに有機相を水洗した。有機相は硫酸ナトリウムで乾燥させた。その後、ろ過により硫酸ナトリウムを取り除き、有機相を濃縮した。濃縮して得られた混合物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=3/1)により精製し、目的とする上記一般式(1−204)に示される化合物を得た。収量は7.85g、収率は57.1%であった。合成した化合物は、MS(Mass Spectrum)スペクトルを用いて同定した。
次いで、上記一般式(1−107)に示される化合物を、以下の方法により合成した。
攪拌子を備え、アルゴン置換した100mLのシュレンク管に、上記一般式(1−204)に示される化合物(2.11g、8.0mmol)、上記一般式(1−197)に示される4,4’−ジヨード−2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル(1.74g、4.0mmol)、酢酸パラジウム(36mg、0.16mmol)、トルエン(50mL)、トリ−t−ブチルホスフィン(32mg、0.16mmol)、及びt−ブトキシカリウム(0.90g、8.0mmol)を入れ、密閉した。その後、100℃で18時間、攪拌した。
その後、反応容器を室温付近まで放冷し、蓋を開け、そこに水(50mL)を入れた。内容物を分液ロートに移し、有機相と水相を分離させた後、水相を取り除き、さらに有機相を水洗した。有機相は硫酸ナトリウムで乾燥させた。その後、ろ過により硫酸ナトリウムを取り除き、有機相を濃縮した。濃縮した得られた混合物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=3/1)により精製し、目的とする上記一般式(1−107)に示される化合物を得た。収量は2.32g、収率は79.6%であった。
(合成例5)
下記一般式(1−95)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
Figure 2015120679
上記一般式(1−207)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
攪拌子を備え、アルゴン置換した200mLのシュレンク管に、上記一般式(1−205)に示される1−メチル−2−ブロモ−4−クロロベンゼン(5.02g、20.0mmol)及びジエチルエーテル(50mL)を入れ、攪拌し、−15℃まで冷却した。そこに、1.6M(モル/L)のn−ブチルリチウム・ヘキサン溶液(13.0mL、20.5mmol)を滴下した。1時間攪拌した後、ホウ酸トリメチル(2.13g、20.5mmol)を加え、冷却バスを外して−15℃から室温まで昇温しつつ、20時間攪拌し、上記一般式(1−206)に示される化合物を得た。
蒸留水(20mL)を少しずつ添加して、反応を停止させ、減圧下でジエチルエーテルおよびヘキサンを除去した。冷却管を取り付け、容器を再びアルゴン置換した後、蒸留水(30mL)、1−メチル−2−ブロモ−4−クロロベンゼン(5.23g、20.5mmol)、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム(0.462g、0.40mmol)、炭酸カリウム(2.76g、20mmol)、およびトルエン(100mL)を加え、20時間還流した。
室温まで冷却した後、内容物を分液ロートに移し、有機相と水相を分離させ、水相を取り除き、さらに有機相を水洗した。有機相は硫酸ナトリウムで乾燥させた。その後、ろ過により硫酸ナトリウムを取り除き、有機相を濃縮した。得られた混合物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン)により精製し、目的とする上記一般式(1−207)に示される化合物を得た。収量は4.14g、収率は82.4%であった。
化合物の同定は、H−NMRを用いて行った。
H−NMR、DMSO−d、δ:1.98(s、6H)、7.14(s、2H)、7.35(d、J=1.8Hz、4H)
次いで、上記一般式(1−95)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
攪拌子を備え、アルゴン置換した100mLのシュレンク管に、上記一般式(1−196)に示される化合物(1.65g、6.0、mmol)、上記一般式(1−207)に示される化合物(0.753g、3.0mmol)、酢酸パラジウム(27mg、0.12mmol)、トルエン(40mL)、トリ−t−ブチルホスフィン(24mg、0.12mmol)、及びt−ブトキシカリウム(0.673g、6.0mmol)を入れ、密閉した後に、100℃で10時間、攪拌した。
その後、反応容器を室温付近まで放冷し、蓋を開け、そこに水(40mL)を入れた。内容物を分液ロートに移し、有機相と水相を分離させた後、水相を取り除き、さらに有機相を水洗した。有機相は硫酸ナトリウムで乾燥させた。その後、ろ過により硫酸ナトリウムを取り除き、有機相を濃縮した。濃縮して得られた混合物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン/ジクロロメタン=3/1)により精製し、目的とする上記一般式(1−95)に示される化合物を得た。収量は1.85g、収率は84.6%であった。
化合物の同定は、H−NMRを用いて行った。
H−NMR、DMSO−d、δ:1.88(s、6H)、6.59(d、J=2.7Hz、2H)、6.85(dd、J=2.3Hz、8.2Hz、2H)、6.92(d、J=7.3Hz、4H)、6.98(t、J=7.3Hz、2H)、7.13(d、J=8.2Hz、2H)、7.21−7.25(m、6H)、7.45−7.52(m、6H)、7.86(dd、J=1.8Hz、6.9Hz、2H)、8.19(d、J=7.8Hz、2H)、8.36(dd、J=1.4Hz、7.3Hz、2H)
(合成例6)
一般式(2−85)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
Figure 2015120679
(ジフェニルアミン体の合成)
上記一般式(2−198)に示されるジフェニルアミン体を、以下に示す方法により合成した。
撹拌子を備えた30mLの二口フラスコに、上記一般式(2−197)で示されるニトロソベンゼン(0.46g,4.3mmol,1.0eq,分子量107.11)と塩化銅(0.43g,4.3mmol,1.0eq)を収めて窒素置換を行った後、無水N,N−ジメチルホルムアミド(5.3mL)を加え、オイルバス温度55℃にて40分間加熱撹拌した。続いて、上記一般式(2−196)で示される4−ジベンゾフランボロン酸(1.00g,4.7mmol,1.1eq)を加え、窒素置換を行い、同温にて4.5時間撹拌した。
反応液を室温まで冷却し、水とジエチルエーテルを加えて水層と有機層とを分離し、さらにジエチルエーテルで抽出した。次いで、全ての有機層を合わせて、無水硫酸マグネシウムを用いて脱水した。その後、ろ過して無水硫酸マグネシウムを除去し、ろ液中の溶媒を減圧留去し、目的物を含む残渣を得た。
得られた残渣をシリカゲルクロマトグラフィー(展開溶剤:ジエチルエーテル/ヘキサン=1/4)で精製し、淡黄色固体を0.66g得た。
得られた淡黄色固体をNMRにより調べた結果、不純物を多く含んでいた。このため、以下に示す方法により淡黄色固体の再精製を行った。すなわち、淡黄色固体を45℃の温浴で加熱しながらジエチルエーテル(39mL)に溶解した後、室温撹拌下でヘキサン(50mL)を滴下し、冷蔵庫で一晩放置することにより、固体を析出させた。そして、析出した固体を吸引ろ過し、白色固体を0.07g得た。得られた白色固体をNMRにより調べた結果、不純物であった。
また、白色固体を除去したろ液中に含まれる溶媒を減圧留去し、60℃の温浴で加熱しながらヘキサン(20mL)で溶解し、室温下で撹拌して、固体を析出させた。その後、析出した固体を吸引ろ過して、白色固体を0.33g得た。この白色個体をNMRにより調べた結果、不純物が抜け切れていなかった。
このため、シリカゲルクロマトグラフィー(展開溶剤:ジクロロメタン/ヘキサン=1/9)で精製し、目的物である上記一般式(2−198)に示されるジフェニルアミン体の白色固体を0.27g(1.1mmol、収率25%)得た。
Figure 2015120679
(有機EL用フラン誘導体の合成)
上記一般式(2−85)に示される化合物を、以下に示す方法により合成した。
容量が50mLのナスフラスコに、上述した方法によって得られた一般式(2−198)で示されるジフェニルアミン体(0.52g,2.0mmol,3.2eq)、上記一般式(2−199)に示される4,4’−ジヨード−2,2’−ジメチルビフェニル(0.27g,0.63mmol,1.0eq,分子量434.05)、酢酸パラジウム(II)(0.01g,0.05mmol,0.07eq)、トリ−tert−ブチルホスフィン(0.030mL,0.13mmol,0.20eq)、カリウムtert−ブトキシド(0.28g,2.5mmol,4.0eq)を入れ、減圧窒素置換を5回行った。次いで、ナスフラスコに、無水トルエン(12mL)を加え、オイルバス温度100℃にて3時間加熱撹拌して反応液を得た。その後、薄層クロマトグラフィー(TLC)で、反応液からの原料の消失を確認した。
次に、反応液を室温まで冷却し、水(50mL)とジエチルエーテル(50mL)を加えて希釈し、セライトろ過を行った。ろ過後に得られたろ液をジエチルエーテル(50mL)で2回抽出し、全ての有機層を合わせて、無水硫酸マグネシウムを用いて脱水した。その後、ろ過して無水硫酸マグネシウムを除去し、ろ液中の溶媒を減圧留去した。その結果として、目的物を含む残渣として茶緑色アモルファスの粗体を0.66g得た。
このようにして得られた粗体を、シリカゲルクロマトグラフィー(展開溶剤:ジクロロメタン/ヘキサン=1/4)で精製し、目的物である上記一般式(2−85)に示される化合物の白色固体を0.35g(0.50mmol,収率79%)得た。
上記一般式(2−85)に示される化合物の同定は、H−NMRを用いて行った。
H−NMR(500MHz DMSO−d)、δ:8.16(dd,2H,J=7.5Hz,0.5Hz)、8.00(dd,2H,J=7.5Hz,1.0Hz)、7.51(d,2H,J=8.0Hz)、7.47(dt、2H、J=7.5Hz、1.5Hz)、7.43−7.38(m,4H)、7.31−7.27(m,6H)、7.02(dd、8H,J=8.0Hz,5.0Hz)、6.95(d,2H,J=2.5Hz)、6.83(dd,2H,J=8.0Hz,2.5Hz)、1.95(s,6H)。
「正孔輸送層材料」
上記の(合成例6)用いて合成した上記一般式(2−85)に示される化合物からなる薄膜(実験例6)を作成した。また、上記の(合成例1)用いて合成した上記一般式(1−83)に示される化合物からなる薄膜(実験例1)を作成した。また、上記一般式(5)に示されるDBTPBからなる薄膜を作成した。
そして、実験例1と実験例6とDBTPBからなる薄膜について、それぞれHORIBA社製のFluoroMax−4を用い、波長300nmの励起光源を用いて、室温下で遅延等を設けず全時間領域の発光スペクトルを測定した。室温では、蛍光発光が観測できる。このため、室温での発光スペクトルの測定結果から、各薄膜の一重項励起状態(S)(バンドギャップ)のエネルギーに関する知見が得られる。その結果を図3に示す。
図3は、実験例1の薄膜と、実験例6の薄膜と、DBTPBの薄膜とにおける室温での発光スペクトルの測定結果を示したグラフである。
図3に示すように、実験例6では、実験例1およびDBTPBと比較して、ワイドバンドギャップになっている。
上記一般式(2−85)に示される化合物からなる実験例6および一般式(1−83)に示される化合物からなる実験例1は、分子構造の中心骨格であるジアミノビフェニル基がメチル基により平面性を崩したものであり、π共役系が分断されているため、DBTPBよりもワイドバンドギャップになったものと推測される。
また、ジベンゾフランの方がジベンゾチオフェンよりもπ共役系の広がりが小さいため、実験例6は、2つのジベンゾチオフェンの間にジアミノビフェニル基が配置された化合物からなる実験例1よりも、ワイドバンドギャップになったものと推測される。
また、バンドギャップの大きい材料の構造を検討するため、実験例1の化合物、実験例6の化合物、DBTPBについて、Gaussian03プログラムを用いる分子軌道計算によってバンドギャップを推定した。
その結果、表1に示すように、実験例6の化合物では、DBTPB、実験例1の化合物に比べて、バンドギャップが大きくなった。
Figure 2015120679
また、実験例1と実験例6とDBTPBからなる薄膜について、それぞれHORIBA社製のFluoroMax−4を用い、波長300nmの励起光源を用いて、77Kの低温下で発光スペクトルを測定した。低温では、リン光発光が観測できる。このため、低温での発光スペクトルの測定結果から、各薄膜の三重項励起状態(T)のエネルギーに関する知見が得られる。なお、蛍光発光成分を除去してリン光スペクトルを観測するために、励起光照射後200ミリ秒の遅延を設けて、低温での発光スペクトルを測定した。その結果を図4に示す。
また、緑色リン光材料である上記一般式(162)に示されるIr(mppy)からなる薄膜を作成した。そして、Ir(mppy)からなる薄膜について、HORIBA社製のFluoroMax−4を用い、波長300nmの励起光源を用いて、室温下で遅延等を設けず、全時間領域の発光スペクトルを測定した。その結果を図4に示す。
図4は、実験例1の薄膜と、実験例6の薄膜と、DBTPBの薄膜の低温での発光スペクトルの測定結果と、Ir(mppy)からなる薄膜の室温での発光スペクトルの測定結果とを示したグラフである。
図4に示すように、実験例6のリン光スペクトルのピークは、DBTPB、実験例1およびIr(mppy)よりも短波長側となっている。すなわち、実験例6の三重項励起状態(T)のエネルギーは、DBTPB、実験例1およびIr(mppy)よりも大きくなる。なお、図4の矢印で示す通り、DBTPBのリン光スペクトルのピークは、Ir(mppy)と同程度であった。
エネルギーの閉じ込めの観点から、正孔輸送層材料のTエネルギーは、ゲスト材料のTエネルギーよりも、大きいことが好ましい。図4に示す結果から、実験例1および実験例6の化合物からなる正孔輸送層は、ゲスト材料としてIr(mppy)を用いた場合に、三重項励起状態(T)のエネルギーの閉じ込めが可能であることが分かる。したがって、実験例1および/または実験例6の化合物からなる正孔輸送層と、ゲスト材料としてIr(mppy)を用いた発光層とを備えることで、発光効率の高い有機EL素子が得られることが推定できる。
「有機EL素子」
(実験例2)
基板上に、ITO(酸化インジウム錫)からなる第1電極(陽極)と、日産化学製のSHI2520-b10SIからなる厚み30nmの正孔注入層と、下記一般式(208)に示されるα−NPDからなる厚み20nmの第2正孔輸送層と、上記一般式(1−83)に示される化合物からなる厚み10nmの正孔輸送層と、ゲスト材料として上記一般式(162)に示されるIr(mppy)を用い、ホスト材料として上記一般式(132)に示されるBepp2を用い、発光層6中のゲスト材料の含有量を6重量%とした厚み35nm発光層と、下記一般式(209)に示されるTPBIからなる厚み40nmの電子輸送層と、LiF膜からなる厚み1nmの電子注入層と、Al膜からなる第2電極(陰極)とを公知の方法により順に形成した。
Figure 2015120679
Figure 2015120679
(実験例3)
正孔輸送層の材料を、上記一般式(5)に示されるDBTPBに代えたこと以外は、実験例2と同様にして、実験例3の有機EL素子を形成した。
得られた実験例2および実験例3の有機EL素子について、電流密度と外部量子効率との関係を調べた。その結果を図5に示す。
図5に示すように、上記一般式(1−83)に示される化合物からなる正孔輸送層を有する実験例2では、DBTPBからなる正孔輸送層を有する実験例3と比較して、外部量子効率が全体的に高くなった。これは、実験例2が実験例3と比較して、正孔輸送層のバンドギャップエネルギーおよび三重項励起状態(T)のエネルギーが大きいことによるものであると考えられる。
また、得られた実験例2および実験例3の有機EL素子について、以下に示すように、素子の駆動寿命を調べた。すなわち、初期輝度が1000cd/mとなるように電流値を設定し、一定電流での輝度の減衰を観測した。その結果を図6に示す。
図6は、実験例2および実験例3の有機EL素子の駆動時間と輝度との関係を示したグラフである。図6に示す実験例2では、950cd/mまで減衰する時間が200時間であった。これに対し、実験例3では、同じ輝度まで減衰する時間が84時間であった。このように、本発明の化合物は、高効率化のみならず、長寿命化にも有効である。
(実験例4)
基板上に、ITO(酸化インジウム錫)からなる第1電極(陽極)と、一般式(131)に示されるPEDOT:PSSからなる厚み35nmの正孔注入層と、一般式(208)に示されるα−NPDからなる厚み20nmの第2正孔輸送層と、上記一般式(1−107)に示される化合物からなる厚み10nmの正孔輸送層と、ゲスト材料として上記一般式(162)に示されるIr(mppy)を用い、ホスト材料として上記一般式(132)に示されるBepp2を用い、発光層6中のゲスト材料の含有量を6重量%とした厚み35nm発光層と、上記一般式(209)に示されるTPBIからなる厚み40nmの電子輸送層と、LiF膜からなる厚み1nmの電子注入層と、Al膜からなる第2電極(陰極)とを公知の方法により順に形成した。
(実験例5)
正孔輸送層の材料を、上記一般式(5)に示されるDBTPBに代えたこと以外は、実験例4と同様にして、実験例5の有機EL素子を形成した。
得られた実験例4および実験例5の有機EL素子について、電流密度と外部量子効率との関係を調べた。その結果を図7に示す。
図7に示すように、上記一般式(1−107)に示される化合物からなる正孔輸送層を有する実験例4では、DBTPBからなる正孔輸送層を有する実験例5と比較して、外部量子効率が全体的に高くなった。これは、実験例4が実験例5と比較して、正孔輸送層のバンドギャップエネルギーおよび三重項励起状態(T)のエネルギーが大きいことによるものであると考えられる。
また、得られた実験例4および実験例5の有機EL素子について、実験例2および実験例3と同様にして、素子の駆動寿命を調べた。その結果を図8に示す。
図8は、実験例4および実験例5の有機EL素子の駆動時間と輝度との関係を示したグラフである。図8に示す実験例4では、800cd/mまで減衰する時間が108時間であった。これに対し、実験例5では、同じ輝度まで減衰する時間が57時間であった。このように、本発明の化合物は、高効率化のみならず、長寿命化にも有効である。
「有機EL素子」
(実験例7)
基板上に、ITO(酸化インジウム錫)からなる第1電極(陽極)と、PEDOT:PSSからなる厚み35nmの正孔注入層と、上記一般式(208)に示されるα−NPDからなる厚み10nmの第2正孔輸送層と、上記一般式(2−85)に示される化合物からなる厚み10nmの正孔輸送層と、ゲスト材料として上記一般式(162)に示されるIr(mppy)を用い、ホスト材料として上記一般式(132)に示されるBepp2を用い、発光層6中のゲスト材料の含有量を6重量%とした厚み35nm発光層と、上記一般式(209)に示されるTPBIからなる厚み40nmの電子輸送層と、LiF膜からなる厚み1nmの電子注入層と、Al膜からなる第2電極(陰極)とを公知の方法により順に形成した。
(実験例8)
正孔輸送層の材料を、上記一般式(5)に示されるDBTPBに代えたこと以外は、実験例7と同様にして、実験例8の有機EL素子を形成した。
得られた実験例7および実験例8の有機EL素子について、電流密度と外部量子効率との関係を調べた。その結果を図9に示す。
図9に示すように、上記一般式(2−85)に示される化合物からなる正孔輸送層を有する実験例7では、DBTPBからなる正孔輸送層を有する実験例8と比較して、外部量子効率が全体的に高くなった。これは、実験例7が実験例8と比較して、正孔輸送層のバンドギャップエネルギーおよび三重項励起状態(T)のエネルギーが大きいことによるものであると考えられる。
1、1A:有機EL素子(有機エレクトロルミネッセンス素子)
2:基板
3:第2電極
4:電子注入層
5:電子輸送層
6:発光層
7:正孔輸送層
8:正孔注入層
9:第1電極

Claims (10)

  1. 2つのジベンゾチオフェンの間、または、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基を含む下記一般式(1−1)に示される化合物。
    Figure 2015120679
    一般式(1−1)において、2つのAは同じであり、酸素または硫黄である。
    Xa、Xbは各々独立して水素、または下記(a)〜(c)のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。
    Ya,Ybは各々独立して下記(d)を示す。
    (a)は、置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
    (b)(d)は、置換基を有してもよい芳香族環式基である。(b)(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
    (c)は、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
  2. 2つのジベンゾチオフェンの間、または、2つのジベンゾフランの間に配置されたジアミノビフェニル基を含み、前記ジアミノビフェニル基に結合されたアミノ基の結合位が、4,4’位であることを特徴とする下記一般式(1−2)に記載の化合物。
    Figure 2015120679
    一般式(1−2)において、2つのAは同じであり、酸素または硫黄である。
    Xa、Xbは各々独立して水素、または下記(a)〜(c)のいずれかを示す。XaとXbのうち、いずれか一方が水素である場合、他方は水素以外である。
    Ya,Ybは各々独立して下記(d)を示す。
    (a)は、置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基である。(a)置換基を有してもよい直鎖の又は環状のアルキル基またはアルコキシ基の置換基は、アルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
    (b)(d)は、置換基を有してもよい芳香族環式基である。(b)(d)置換基を有してもよい芳香族環式基の置換基は、鎖状又は環状のアルキル基、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。(b)(d)の芳香族環式基は、芳香族炭化水素基または芳香族複素環基である。
    (c)は、ハロゲン基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基のいずれかである。
  3. XaとXbのうち、いずれか一方または両方がメチル基であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の化合物。
  4. YaとYbのうち、いずれか一方または両方がフェニル基であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の化合物。
  5. YaとYbのうち、いずれか一方または両方が2,2’−ジメチル−1,1’−ビフェニル基であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の化合物。
  6. 前記2つのジベンゾチオフェンの置換位置、または、前記2つのジベンゾフランの置換位置が4位であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の化合物。
  7. 前記2つのジベンゾチオフェンの置換位置、または、前記2つのジベンゾフランの置換位置が2位であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の化合物。
  8. 陰極と陽極との間に、発光層と、前記発光層の前記陽極側に配置された正孔輸送層とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
    前記正孔輸送層が、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の化合物を含むことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
  9. 前記発光層が、ホスト材料と、発光材料からなるゲスト材料とを含み、
    前記ホスト材料が、電子輸送性材料または正孔と電子の両電荷輸送性材料であることを特徴とする請求項8に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  10. ゲスト材料が、リン光材料であることを特徴とする請求項9に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
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