JP2016115734A - 有機発光素子及びこれを用いた光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧で発光強度が高い有機発光素子を提供する。【解決手段】基板と、正孔輸送層と、発光層と、電子輸送層と、を含む有機発光素子であって、発光層は、発光ドーパントと、正孔輸送性ホスト材料と、電子輸送性ホスト材料と、を有し、発光ドーパントの最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｄ）及び正孔輸送性ホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿ＨＨ）、並びに発光ドーパントの最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｄ）及び電子輸送性ホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿ＥＨ）は、下記関係式（１）及び（２）を満たす。【数１】【数２】【選択図】図１

Description

本発明は、有機発光素子及びこれを用いた光源装置に関する。

特許文献１には、有機電界発光素子において、発光性ドーパントのキャリアによる劣化を抑制し、駆動耐久性および発光特性を向上することを目的として、発光性ドーパントの電子親和力をＥａ（Ｄ）、複数のホスト化合物の電子親和力のうち最大のものをＥａ（Ｈ）ｍａｘとしたときに、ΔＥａ＝Ｅａ（Ｈ）ｍａｘ−Ｅａ（Ｄ）で定義されるΔＥａが、ΔＥａ＞０ｅＶの関係を満たすものが開示されている。

特開２００６−１２８６３６号公報

特許文献１に記載の有機電界発光素子においては、十分な発光が得られないという課題があった。その対策のため、発光層の発光ドーパントがキャリアトラップとなるようにすると、移動度が低下し、電流を十分に流せず、低電圧で高発光強度を実現できないという課題があった。

本発明の目的は、低電圧で発光強度が高い有機発光素子を提供することにある。

本発明の有機発光素子は、基板と、正孔輸送層と、発光層と、電子輸送層と、を含み、発光層は、発光ドーパントと、正孔輸送性ホスト材料と、電子輸送性ホスト材料と、を有し、発光ドーパントの最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｄ）及び正孔輸送性ホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿ＨＨ）、並びに発光ドーパントの最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｄ）及び電子輸送性ホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿ＥＨ）は、下記関係式（１）及び（２）を満たす。

本発明によれば、低電圧であっても電荷の移動度が向上するため、電流密度が高くなり、高い発光強度を有する有機発光素子を得ることができる。

本発明の有機発光素子の一実施形態を示す模式断面図である。 本発明の光源装置の構成を示す模式図である。

以下、図面等により本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の有機発光素子の一実施形態を示す模式断面図である。

基板１はガラス基板である。但し、ガラス基板に限るものではなく、適切な透水性低下保護膜を施したプラスティック基板や金属基板も用いることができる。また、光取出し層を有していてもよい。光取出し層には散乱性を有する層やマイクロレンズを有する層を用いることができる。基板１にガラスより熱伝導性の高いＳｉやサファイヤなどの材料を用いることにより、より高輝度な発光を実現することができる。また、基板１と下部電極２の間に半透明ミラーを設けることにより、発光する波長の選択性を向上させ、半値幅の狭い発光を有する有機発光素子を提供することができる。

下部電極２は陽極である。ＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極が用いられる。但し、それらに限られるものではなく、Ａｌ、Ａｇなどの積層体やＭｏ、Ｃｒや透明電極と光拡散層との組合せなども用いることができる。また、下部電極は陽極に限るものではなく、陰極も用いることができる。その場合はＡｌ、Ｍｏ、やＡｌとＬｉの積層体やＡｌＮｉなどの合金などが用いられる。また、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極を用いてもよい。

上部電極６は陰極である。Ａｌと電子注入性のＬｉＦ、Ｌｉ_２Ｏなどのアルカリ金属のフッ化物、酸化物などの積層体が用いられる。また、Ａｌとアルカリ金属の共蒸着物も用いられる。またＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極とＭｇＡｇ、Ｌｉなどの電子注入性電極或いはＬｉ、Ｃｓなどの電子供与性材料をドープした電子輸送層との積層体を用いることもできる。但し、それらに限られるものではなく、ＭｇＡｇやＡｇ薄膜単独でも用いることができる。また、ＩＴＯ、ＩＺＯをスパッタで形成する際には、スパッタによるダメージを緩和するため、バッファー層を設けることがある。

バッファー層には、酸化モリブデン、酸化バナジウムなどの金属酸化物を用いる。上記のように下部電極が陰極となる場合には、上部電極は陽極となる。その場合には、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極が用いられる。また、Ａｇ薄膜などの金属薄膜を用いることができる。ＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明電極をスパッタ法で形成する際には、スパッタによるダメージを緩和するため、バッファー層を設けることがある。バッファー層には、酸化モリブデン、酸化バナジウムなどの金属酸化物を用いる。また、上部電極６の上に半透明反射層を形成し、発光波長の半値幅を狭くすることができる。それにより、発光する波長の選択性を向上させることができる。

正孔輸送層３は、下部電極２から正孔を注入するための層である。単層もしくは複数層設けてもよい。正孔輸送層３としては、ＰＥＤＯＴ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン））：ＰＳＳ（ポリスチレンスルホネート）等の導電性高分子が好ましい。その他にも、ポリピロール系やトリフェニルアミン系のポリマー材料を用いることができる。また、低分子（質量平均分子量１００００以下）材料系と組合せてよく用いられる、フタロシアニン類化合物やスターバーストアミン系化合物も適用可能である。更にＭｏＯ_３やＦ４ＴＣＮＱなどの電子吸引性材料をドープした層とすることにより、下部電極２からの正孔注入障壁を低減することができ、より低電圧で高輝度な発光を得ることができる。また、上記のキャリアドーピングを行った層とドーピングされていない層を積層して用いることができる。また、電子をブロックする電子阻止層を積層して用いることができる。電子阻止層には、ＬＵＭＯエネルギーが発光層のホスト、ドーパントより浅い材料を用いる。

発光層４は、所望の発光色の発光を得るための層である。発光層５はホスト及び発光ドーパントを含む。発光ドーパントとして、いわゆる蛍光材料、燐光材料、遅延蛍光材料のいずれでも用いることができる。発光ドーパントは１種類だけでもよいが、２種類、３種類を用いてもよい。発光層４は発光ドーパント以外に正孔輸送性ホスト材料及び電子輸送性ホスト材料の複数種を含んでいてもよい。それらは、発光層中の移動度を向上させるために用いられる。また、発光層はバインダポリマを含んでもよい。

ホストとして、トリフェニルアミン誘導体、カルバゾール誘導体、フルオレン誘導体またはアリールシラン誘導体、オキサジアゾール誘導体、トリアジン誘導体などを用いることが好ましい。また、８−キノリノールの金属錯体なども用いることができる。また、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリアミド、ゼラチンなどのバインダポリマも合わせて用いることができる。

電子輸送層５は、電子を上部電極６から発光層に輸送するための層である。電子輸送層の材料としては、例えば、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）−４−（フェニルフェノラト）アルミニウム（以下、ＢＡｌｑ）や、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（以下、Ａｌｑ３）、Ｔｒｉｓ（２，４，６−ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ−３−（ｐｙｒｉｄｉｎ−３−ｙｌ）ｐｈｅｎｙｌ）ｂｏｒａｎｅ（以下、３ＴＰＹＭＢ）、１，４−Ｂｉｓ（ｔｒｉｐｈｅｎｙｌｓｉｌｙｌ）ｂｅｎｚｅｎｅ（以下、ＵＧＨ２）、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フラーレン誘導体、フェナントロリン誘導体、キノリン誘導体、ベンズイミダゾール誘導体、トリアジン誘導体、カルバゾール誘導体等を用いることができる。また、電子供与性材料をドープして用いることもできる。そのような構造とすることで、上部電極からの電子注入を向上し、低電圧で高輝度を得ることができる。また、電子輸送層５は、正孔阻止機能を有する正孔阻止層と積層して用いることができる。そのようにすることで、電荷の再結合確率が向上し、高輝度化が実現できる。

なお、発光層の膜厚は、５０〜２００ｎｍであることが望ましい。また、発光層の発光ドーパントの濃度は、１〜１０質量％であることが望ましい。

以下、発光層のホスト材料を二種類とした例（実施例１〜５）について説明する。ここでは、正孔輸送性ホスト材料と、電子輸送性ホスト材料と、を用いている。

＜実施例１及び比較例１＞
本実施例１では、各層に以下のような材料を用いた。

基板１にはガラス基板を用い、下部電極２にはＩＴＯを用いた。正孔輸送層３には、下記化学式（１）で表されるカルバゾール誘導体とＭｏＯ_３との質量比１：１の膜を用いた。

発光層３の正孔輸送性ホストには、上記化学式（１）で表されるカルバゾール誘導体を用いた。

この材料の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーレベルは、−５．９ｅＶである。このＨＯＭＯエネルギーレベルは大気下光電子分光法にて測定されたものである。

また、電子輸送性ホストには、下記化学式（２）で表されるカルバゾール誘導体を用いた。

この材料の最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベルは、−２．６ｅＶである。ＬＵＭＯエネルギーレベルは、光学的エネルギーギャップ（Ｅｇ）を材料の吸収スペクトルの吸収端から求め、上記のＨＯＭＯエネルギーとＥｇから求めたものである。

発光ドーパントには以下の下記化学式（３）で表される遅延蛍光材料を用いた。

この発光ドーパントのＨＯＭＯ及びＬＵＭＯエネルギーレベルはそれぞれ、−５．９ｅＶ、−２．６ｅＶである。

発光層３において、発光ドーパントの濃度は５％である。また、膜厚は、１５０ｎｍとした。発光層３は蒸着法により、発光ドーパント、正孔輸送性ホスト、電子輸送性ホストを共蒸着して形成した。

電子輸送層４には、上記化学式（２）で表されるカルバゾール誘導体とＣｓの質量比１：０．５の膜を用いた。

上部電極８には、ＩＴＯを用いた。

本比較例１では、下記の点以外は実施例１と同様に有機発光素子を作製した。

また、発光層３の正孔輸送性ホストには、下記化学式（４）で表されるカルバゾール誘導体を用いた。

この正孔輸送性ホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベルは、６．３ｅＶである。

また、電子輸送性ホストには、下記化学式（５）で表されるオキサジアゾール誘導体を用いた。

この電子輸送性ホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベルは、−３．０ｅＶである。

上記実施例１と比較例１で作製した素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果から求めた、実施例１の素子の印加電圧５Ｖでの発光強度は比較例１の素子の印加電圧５Ｖでの発光強度と比較して、５０倍であった。

このように、実施例１の素子の発光強度が比較例１の素子の発光強度と比較して大きくなったのは、発光ドーパントのＨＯＭＯ／ＬＵＭＯエネルギーレベルが正孔輸送性及び電子輸送性ホストと同じであるため、キャリアトラップとして働かず、発光層の移動度が向上し、素子に流れる電流が増加したためである。

＜実施例２＞
実施例２の有機発光素子の構造は発光層３の膜厚を４０ｎｍとした以外は実施例１と同様である。

本実施例２で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、実施例２の印加電圧５Ｖでの発光強度は、実施例１に比べて、１／１０であった。

このように実施例２の有機発光素子の発光強度が実施例１と比較して小さいのは、実施例２の発光層３の膜厚が薄いため、再結合確率が低下したためである。

＜実施例３＞
実施例３は、発光層３の膜厚を２５０ｎｍとした以外は、実施例１と同様である。

本実施例３で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、実施例３の印加電圧５Ｖでの発光強度は、実施例１に比べて、１／１０であった。

このように、実施例３の有機発光素子の発光強度が実施例１と比較して小さいのは、実施例３の発光層の膜厚が厚いため、発光層を流れる電流が減少したためである。

＜実施例４＞
実施例４は、発光層３の発光ドーパントの濃度を０．５質量％とした以外は、実施例１と同様である。

本実施例４で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、実施例４の印加電圧５Ｖでの発光強度は、実施例１に比べて１／５であった。このように、実施例４の有機発光素子の発光強度が実施例１と比較して低下したのは、発光ドーパントの量が少なすぎるため、発光効率の悪いホスト材料の発光が起こったためである。

＜実施例５＞
実施例５は、発光層３のドーパント濃度を１５％にした以外は、実施例１と同様である。

本実施例で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と輝度を測定した。その結果、実施例５の素子の印加電圧５Ｖでの発光強度は、実施例１に比べて、１／２であった。

この原因は、発光層中の発光ドーパント濃度が大きいため、所謂濃度消光が起こり、発光効率が低下したためである。

以下、発光層のホスト材料を一種類とした例（実施例６〜１０）について説明する。

これらの実施例は、発光ドーパントの最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｄ）及びホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｈ）、並びに発光ドーパントの最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｄ）及びホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｈ）は、下記関係式（３）及び（４）を満たすものである。

＜実施例６及び比較例２＞
実施例６は、発光層３のホスト材料として、下記化学式（６）で表される材料一種類を用いた以外は、実施例１と同様である。

このホスト材料のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯエネルギーレベルは、それぞれ−６．１ｅＶ、−２．５ｅＶである。

比較例２は発光層３のホスト材料として、上記化学式（４）の材料一種類を用いた以外は実施例６と同じである。

実施例６及び比較例２で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。

その結果、実施例６の印加電圧５Ｖの時の発光強度は、比較例１に比べて、５．０倍であった。

また、比較例２の印加電圧５Ｖの時の発光強度は、比較例１と比べて、０．１倍であった。

これは、実施例６のホスト材料のＨＯＭＯ及びＬＵＭＯエネルギーレベルと発光ドーパントのＨＯＭＯ及びＬＵＭＯエネルギーレベルとの差が、比較例２のホスト材料と比較して小さいため、発光層の移動度が向上し、流れる電流が大きくなったものである。

＜実施例７＞
実施例７は、発光層３の膜厚を４０ｎｍにした以外は、実施例６と同様である。

本実施例で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と輝度を測定した。その結果、実施例７の素子の印加電圧５Ｖでの発光強度は、比較例１に比べて、０．７倍であった。

これは発光層３の膜厚が薄いため、再結合確率が低下したためである。

＜実施例８＞
実施例８は、発光層３の膜厚を２５０ｎｍにした以外は、実施例６と同様である。

本実施例で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、実施例８の印加電圧５Ｖでの発光強度は、比較例１に比べて、０．７倍であった。

これは、発光層３の膜厚が厚いため、素子中を流れる電流が低下したためである。

＜実施例９＞
実施例９は、発光層３のドーパント濃度を０．５質量％とした以外は、実施例６と同様である。

本実施例で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、実施例９の素子の印加電圧５Ｖでの発光強度は、比較例１に比べて、１倍であった。

これは発光層３中の発光ドーパントの量が少なすぎるため、発光効率の悪いホスト材料の発光が起こったためである。

＜実施例１０＞
実施例１０は、発光層３のドーパント濃度を１５％にした以外は、実施例６と同様である。

本実施例で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と輝度を測定した。その結果、実施例５の素子の印加電圧５Ｖでの発光強度は、比較例１に比べて、２．０倍であった。

この原因は、発光層中の発光ドーパント濃度が大きいため、所謂濃度消光が起こり、発光効率が低下したためである。

＜実施例１１＞
図２は、実施例１１の光源装置の構成を模式的に示したものである。パルス電圧電源８から振幅５Ｖ、パルス幅１００ｎｓのパルス電圧を印加して発光させた。これにより、１μｓ以下のパルス幅で発光する光源を得ることができる。このようなパルス光を発光する光源装置は、分析装置に有用である。

＜実施例１２＞
実施例１２は、基板１の材質をＳｉにした以外は、実施例１と同様である。

本実施例１２で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、本実施例の素子の最大発光強度は、実施例１に比べて、５倍であった。

これは実施例１２の基板を熱伝導性の高いＳｉ基板（熱伝導率：１６８Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１、ガラスの熱伝導率：１Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）としたため、放熱性が向上し、最大電流値が増加したためである。

＜実施例１３＞
実施例１３は、基板１の材質をＳｉにした以外は、実施例６と同様である。

本実施例１３で作製した有機発光素子に電圧を印加し、流れる電流と発光強度を測定した。その結果、本実施例の素子の最大発光強度は、実施例６に比べて、４倍であった。

これは実施例１３の基板を熱伝導性の高いＳｉ基板としたため、放熱性が向上し、最大電流値が増加したためである。

＜実施例１４、１５＞
実施例１４及び１５は、発光層の膜厚をそれぞれ６０ｎｍ、１９０ｎｍとした以外は、実施例１と同じである。本実施例の素子の最大発光強度は、比較例１に比べて、いずれも１５倍であった。

＜実施例１６、１７＞
実施例１６及び１７は、発光ドーパント濃度がそれぞれ２質量％、９質量％とした以外は、実施例１と同じである。本実施例の素子の最大発光強度は、比較例１に比べて、それぞれ３０倍、３５倍であった。

＜実施例１８及び比較例３＞
実施例１８は、電子輸送性ホスト材料に下記化学式（７）で表される材料を、発光ドーパントに下記化学式（８）で表される材料を用いた以外は、実施例１と同じである。

ここで、上記化学式（８）に記載のＲは、下記化学式（９）で表される官能基である。

また、比較例３は、電子輸送性ホスト材料に上記化学式（２）で表されるカルバゾール誘導体を用いた以外は、実施例１と同じである。

実施例１８の素子の最大発光強度は、比較例３と比べて、それぞれ４９倍であった。

表１及び２は、上述の実施例及び比較例をまとめて示したものである。なお、表１において、発光層のホスト材料を一種類とした場合は、ＨＨ、ＥＨの区別がない。このため、ホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベルはＨＯＭＯ＿Ｈのことであり、ホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベルはＬＵＭＯ＿Ｈのことである。

１：基板、２：下部電極、３：正孔輸送層、４：発光層、５：電子輸送層、６：上部電極、７：有機発光素子、８：パルス電圧電源。

Claims (8)

1. 基板と、正孔輸送層と、発光層と、電子輸送層と、を含み、
   前記発光層は、発光ドーパントと、正孔輸送性ホスト材料と、電子輸送性ホスト材料と、を有し、
   前記発光ドーパントの最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｄ）及び前記正孔輸送性ホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿ＨＨ）、並びに前記発光ドーパントの最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｄ）及び前記電子輸送性ホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿ＥＨ）は、下記関係式（１）及び（２）を満たす、有機発光素子。
   

   

   
2. 前記発光層の膜厚は、５０〜２００ｎｍである、請求項１記載の有機発光素子。
3. 前記発光層の発光ドーパントの濃度は、１〜１０質量％であることを特徴とする、請求項１記載の有機発光素子。
4. 基板と、正孔輸送層と、発光層と、電子輸送層と、を含み、
   前記発光層は、発光ドーパントと、ホスト材料と、を有し、
   前記発光ドーパントの最高被占軌道（ＨＯＭＯ）エネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｄ）及び前記ホスト材料のＨＯＭＯエネルギーレベル（ＨＯＭＯ＿Ｈ）、並びに前記発光ドーパントの最低空軌道（ＬＵＭＯ）エネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｄ）及び前記ホスト材料のＬＵＭＯエネルギーレベル（ＬＵＭＯ＿Ｈ）は、下記関係式（３）及び（４）を満たす、有機発光素子。
   

   

   
5. 前記発光層の膜厚は、５０〜２００ｎｍである、請求項４記載の有機発光素子。
6. 前記発光層の発光ドーパントの濃度は、１〜１０質量％である、請求項４記載の有機発光素子。
7. 前記基板は、熱伝導率がガラスより大きい材料で形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の有機発光素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の有機発光素子と、パルス状電圧を印加できる電源と、を備えた、光源装置。

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