JP2019080078A - 有機エレクトロルミネッセンス素子およびその製造方法、表示装置、照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、有機EL素子は、照明装置としての利用も期待されている。
一方、柔軟性に優れた有機EL素子を得るためには、プラスチック基板を用いることが好ましい。しかし、プラスチック基板は、厳密に封止し難い材料である。このため、有機EL素子の基板として、プラスチック基板を用いることができない場合があった。
例えば、非特許文献1には、ポリエチレンイミンからなる電子注入層を有する有機EL素子が記載されている。また、非特許文献2には、アミンが電子の注入速度改善に有効であることが記載され、非特許文献3には、それらのアミノ基が電極と有機層界面において電子注入に及ぼす効果について記載されている。
例えば、有機EL素子の電子注入層の材料として、ポリエチレンイミンを用いることで、優れた電子注入性が得られる。しかし、ポリエチレンイミンの分子中には、電気的刺激に対して不安定なNH結合が存在している。このため、ポリエチレンイミンからなる電子注入層を有する有機EL素子は、輝度の劣化が早く、耐久性が不十分であった。
また、本発明は、電子注入性および耐久性に優れた電子注入層を有する有機薄膜太陽電池、有機EL素子、および有機EL素子の製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、電子注入性および耐久性に優れた電子注入層を有する有機EL素子を備えた表示装置、照明装置を提供することを課題とする。
しかし、電子注入層中の有機金属錯体の分子内双極子の向きを、所定の方向に揃えて並べることは困難であった。
以上の知見によりなされた本発明の要旨は以下の通りである。
[1]下記一般式(1)で表される有機金属錯体。
[5]前記電極と前記電子注入層との間に、無機の酸化物層を有することを特徴とする[4]に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
[6]前記電子注入層の平均厚さが5〜100nmであることを特徴とする[4]または[5]に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
[8][4]〜[7]のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であり、前記電子注入層を形成する工程が、前記有機金属錯体を含む溶液を塗布する工程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の製造方法。
[10][4]〜[7]の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備えることを特徴とする照明装置。
[11][1]〜[3]のいずれかに記載の有機金属錯体を含む電子注入層を備えることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
また、本発明の有機EL素子は、上記一般式(1)〜(3)のいずれかで示される有機金属錯体を含む電子注入層を有している。このため、有機金属錯体を含む電子注入層全体の双極子モーメント(ベクトル)が、陰極側から発光層側に向かう方向となる。したがって、本発明の有機EL素子では、電子注入層により、陰極から発光層への電子注入が促進され、低い駆動電圧で、高い発光効率が得られる。また、本発明の有機EL素子は、有機金属錯体がNH結合を含まないものであるため、NH結合を含むアミノ基を含む化合物を用いた電子注入層を有する場合と比較して、電気的に安定で耐久性に優れる。したがって、本発明の有機EL素子では、電子注入層の劣化による有機EL素子の劣化が抑制される。
「有機金属錯体」
本発明の有機金属錯体は、上記一般式(1)で示される有機金属錯体である。
上記一般式(1)において、X1、X2はそれぞれ炭素原子または窒素原子のいずれかを表し、Y1、Y2はそれぞれ炭素原子、窒素原子、酸素原子、または硫黄原子を表す。Y1とY2はこれらを結合する連結基Aを介してX1、X2と環構造を形成してもよい。上記一般式(2)に示すように、Q2で示す芳香族炭化水素環または芳香族複素環がベンゼン環である場合、Y1はこれに結合する連結基を介してベンゼン環の一部と結合し、前記ベンゼン環の一部およびX1と共に5員環構造または6員環構造を形成してもよい。
Q2で表わされる芳香族炭化水素環の例としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、アズレン環、フェナントレン環、トリフェニレン環、オクタヒドロナフタレン環等が挙げられる。
Q2で表わされる芳香族複素環の例としては、ピリジン環、ピラジン環、トリアジン環、ピリミジン環、ピリダジン環等の6員環の含窒素複素環、イミダゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、チオフェン環、ピロール環の5員環の芳香族複素環、キノリン環、キノキサリン環、ナフチリジン環、ベンゾイミダゾール環、ベンゾチアゾール環、ベンゾオキサゾール環、カルバゾール環等の縮合芳香族複素環等が挙げられる。
これらのQ2で示す芳香族炭化水素環または芳香族複素環の中でも、ベンゼン環、ピリジン環が好ましく、上記一般式(2)に示すように、ベンゼン環がより好ましい。
本実施形態においては、連結基Aを示す上記一般式(2−1)〜(2−9)で表される構造が一般式(2−1)で表される構造であって、Q2で示す芳香族炭化水素環または芳香族複素環がベンゼン環である場合、Y1、Y2、X1、X2と連結基Aとからなる環構造は、上記一般式(3)に示すように、ベンゼン環であることが好ましい。
さらに、本実施形態においては、Q1で表わされる含窒素複素環がピリジン環、Q2で示す芳香族炭化水素環または芳香族複素環がベンゼン環であり、Y1、Y2、X1、X2と連結基Aとからなる環構造がベンゼン環であることが好ましい。この場合、Q1、Q2と一般式(2−1)で表される構造とからなる縮合環は、7,8−ベンゾキノリンとなる。
上記炭素数1〜20の炭化水素基は、上述したもののうち、その炭素数が1〜8であることが好ましく、より好ましくは、炭素数1〜6であり、更に好ましくは、炭素数1〜4である。上記炭素数1〜20の炭化水素基は、上述したもののうち、炭素数1であることが特に好ましい。
上記炭素数1〜12のハロゲン化炭化水素基は、上述したもののうち、その炭素数が1〜8であることが好ましく、より好ましくは、1〜6である。
上記炭素数0〜12の複素環基は、上述したもののうち、炭素数が1〜8であることが好ましく、より好ましくは、1〜6である。
上記炭素数1〜12のアルコキシ基は、上述したもののうち、炭素数が1〜8であることが好ましく、より好ましくは、1〜6であり、更に好ましくは、1〜3である。
上記炭素数2〜12のアルコキシカルボニル基は、上述したもののうち、炭素数が2であることが好ましい。
上記炭素数6〜12のアリールオキシ基は、上述したもののうち、炭素数が6〜10であることが好ましく、より好ましくは、6〜8であり、更に好ましくは、6である。
なお、非環状ジアリールアミノ基とは、芳香環以外の環構造を有しないものをいう。環状ジアリールアミノ基とは、芳香環以外の環構造を有するものをいう。上記炭素数2〜30のN−二置換アミノ基は、例えば、N−二置換アミノ基のアルキル基またはアリール基の部分が、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、アルキニル基等で置換されていてもよい。
上記炭素数6〜20のN−アルキル−N−アリールアミノ基は、上述したもののうち、その炭素数が7〜18であることが好ましい。より好ましくは、7〜15である。更に好ましくは、7〜11である。
上記炭素数11〜30の非環状ジアリールアミノ基又は環状ジアリールアミノ基は、上述したもののうち、その炭素数が11〜20であることが好ましく、より好ましくは、12〜18であり、更に好ましくは、12〜16である。
nが複数である場合、上記一般式(1)で表される有機金属錯体の配位子は、全て同一であってもよいし、一部のみ同じであってもよいし、全てが異なっていてもよいが、有機金属錯体の合成の難易度および純度の観点から、全て同一であることが好ましい。また、好ましい金属原子Mであるベリリウム、マグネシウム、亜鉛の価数が2であるため、nは2であることが好ましい。
下記一般式(4)で示される有機金属錯体は、上記一般式(1)で示される有機金属錯体において、金属原子Mがベリリウムであり、Q1、Q2と連結基Aとからなる環構造が7,8−ベンゾキノリンであり、連結基Lがトリメチレンレン基(−CH2CH2CH2−)であり、R1およびR2がメチル基であり、nが2であるものである。
次に、本発明の有機EL素子について、例を挙げて詳細に説明する。
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に示す本実施形態の有機EL素子1は、基板2上に、陰極3と、無機の酸化物層4と、電子注入層5と、発光層6と、正孔輸送層7と、正孔注入層8と、陽極9とがこの順に形成された積層構造を有する。図1に示す有機EL素子1における電子注入層5は、上記一般式(1)で示される有機金属錯体を含むものである。
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。
本実施形態においては、逆構造の有機EL素子を例に挙げて説明するが、本発明の有機EL素子は、基板と発光層との間に陽極が配置された順構造のものであってもよい。順構造の有機EL素子としては、例えば、基板側から順に、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層が積層されたものなどが挙げられ、これらの層のうち、いくつかの層はなくてもよいし、複数であってもよく、特に限定されない。本発明の有機EL素子が順構造である場合も、電子注入層は、上記一般式(1)で示される有機金属錯体を含むものである。
基板2の材料としては、樹脂材料、ガラス材料等が挙げられる。
基板2に用いられる樹脂材料としては、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、ポリアリレート等が挙げられる。基板2の材料として、樹脂材料を用いた場合、柔軟性に優れた有機EL素子1が得られるため好ましい。
基板2に用いられるガラス材料としては、石英ガラス、ソーダガラス等が挙げられる。
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からなる基板、ステンレス鋼のような金属板の表面に酸化膜(絶縁膜)を形成した基板、樹脂材料で構成された基板等が挙げられる。
陰極3は、基板2上に直接接触して形成されている。
陰極3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)、In3O3、SnO2、Sb含有SnO2、Al含有ZnO等の酸化物等の導電材料が挙げられる。この中でも、陰極3の材料として、ITO、IZO、FTOを用いることが好ましい。
陰極3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。
陰極3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。
酸化物層4は、電子注入層としての機能および/または陰極としての機能を備えている。
酸化物層4は、半導体もしくは絶縁体積層薄膜の層であり、単体の金属酸化物からなる層、二種類以上の金属酸化物を混合した層と単体の金属酸化物からなる層のいずれか一方または両方を積層した層、二種類以上の金属酸化物を混合した層である。
酸化物層4を形成する金属酸化物を構成する金属元素としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、インジウム、ガリウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カドミウム、アルミニウム、ケイ素が挙げられる。
酸化物層4が、単体の金属酸化物からなる層である場合、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化亜鉛からなる群から選ばれる金属酸化物からなる層であることが好ましい。
酸化物層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。
電子注入層5は、一般式(1)で表わされる有機金属錯体を含むものである。電子注入層5に含まれる一般式(1)で表わされる有機金属錯体は、一種のみであってもよいし、二種以上であってもよい。一般式(1)で表わされる有機金属錯体としては、上記一般式(4)で示される有機金属錯体を用いることが好ましい。
電子注入層5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できる。
発光層6を形成する材料としては、発光層6の材料として通常用いることのできるいずれの材料を用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。具体的には、例えば、発光層6として、ビス[2−(2−ベンゾチアゾリル)フェノラト]亜鉛(II)(Zn(BTZ)2)と、トリス[1−フェニルイソキノリン]イリジウム(III)(Ir(piq)3)とを含むものとすることができる。
また、発光層6を形成する材料は、低分子化合物であってもよいし、高分子化合物であってもよい。なお、本発明において低分子材料とは、高分子材料(重合体)ではない材料を意味し、分子量が低い有機化合物を必ずしも意味するものではない。
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。
正孔輸送層7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)、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、正孔輸送層7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。これらの正孔輸送層7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る。一例として、正孔輸送層7の材料として用いられるポリチオフェンを含有する混合物として、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。
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。
正孔注入層8は、無機材料からなるものであってもよいし、有機材料からなるものであってもよい。無機材料は、有機材料と比較して安定であるため、有機材料を用いた場合と比較して、酸素や水に対する高い耐性が得られやすい。
無機材料としては、特に制限されないが、例えば、酸化バナジウム(V2O5)、酸化モリブテン(MoO3)、酸化ルテニウム(RuO2)等の金属酸化物を1種又は2種以上を用いることができる。
有機材料としては、ジピラジノ[2,3−f:2‘,3’−h]キノキサリン−2,3,6,7,10,11−ヘキサカルボニトリル(HAT−CN)や2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノ−キノジメタン(F4−TCNQ)等を用いることができる。
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。
陽極9に用いられる材料としては、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、陽極9の材料として、Au、Ag、Alを用いることが好ましい。
陽極9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、陽極9の材料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の有機EL素子における透明な陽極として使用できる。
陽極9の平均厚さは、水晶振動子膜厚計により陽極9の成膜時に測定できる。
図1に示す有機EL素子1は、必要に応じて、封止されていてもよい。
例えば、図1に示す有機EL素子1は、有機EL素子1を収容する凹状の空間を有する封止容器(不図示)と、封止容器の縁部と基板2とを接着する接着剤とによって封止されていてもよい。また、例えば、図1に示す有機EL素子1は、陽極9上に配置された板部材(不図示)と、板部材の陽極9と対向する側の縁部に沿って配置された枠部材(不図示)とからなる封止部材と、板部材と枠部材との間および枠部材と基板2との間とを接着する接着剤とを用いて封止されていてもよい。
本実施形態の有機EL素子1では、電子注入層5の材料として、大気中で不安定な材料であるアルカリ金属等を用いない。このため、封止容器または封止部材の水蒸気透過度が1×10−3g/m2/day未満であれば、有機EL素子1の劣化を十分に抑制できる。したがって、封止容器または封止部材の材料として、水蒸気透過度が1×10−3g/m2/day未満の樹脂材料を用いることが可能である。
次に、本発明の有機EL素子の製造方法の一例として、図1に示す有機EL素子1の製造方法を説明する。
図1に示す有機EL素子1を製造するには、まず、基板2上に陰極3を形成する。
陰極3は、スパッタ法、真空蒸着法、ゾルゲル法、スプレー熱分解(SPD)法、原子層堆積(ALD)法、気相成膜法、液相成膜法等により形成することができる。陰極3の形成には、金属箔を接合する方法を用いてもよい。
酸化物層4は、例えば、スプレー熱分解法、ゾルゲル法、スパッタ法、真空蒸着法等の方法を用いて形成する。このようにして形成された酸化物層4の表面は、平滑ではなく凹凸を有するものとなる場合がある。酸化物層4はなくてもよい。
電子注入層5は、一般式(1)で示される有機金属錯体を含む溶液を塗布することにより形成することが好ましい。
一般式(1)で示される有機金属錯体を含む溶液は、一般式(1)で示される有機金属錯体を溶媒に溶解することにより得られる。
無機溶媒としては、例えば、硝酸、硫酸、アンモニア、過酸化水素、水、二硫化炭素、四塩化炭素、エチレンカーボネイト等が挙げられる。
発光層6および正孔輸送層7の形成方法は、特に限定されず、発光層6または正孔輸送層7に用いられる材料の特性に合わせて、従来公知の種々の形成方法を適宜用いることができる。
発光層6または正孔輸送層7となる有機化合物を溶解するために用いる溶媒は、電子注入層5を形成する際に、一般式(1)で示される有機金属錯体を溶解するために用いる溶媒と、同様のものを用いることができる。
正孔注入層8が無機材料からなるものである場合、正孔注入層8は、例えば、酸化物層4と同様にして形成できる。
正孔注入層8が有機材料からなるものである場合、正孔注入層8は、例えば、発光層6および正孔輸送層7と同様にして形成できる。
陽極9は、例えば、陰極3と同様にして形成できる。
以上の工程により、図1に示す有機EL素子1が得られる。
図1に示す有機EL素子1を封止する場合には、有機EL素子の封止に用いられる通常の方法を使用して封止できる。
例えば、不活性ガス中で、有機EL素子1を収容する凹状の空間を有する封止容器内に有機EL素子1を配置し、封止容器の縁部と基板2とを接着剤で接着する方法を用いることができる。また、例えば、有機EL素子1の陽極9上に、板部材と、板部材の陽極9と対向する側の縁部に沿って配置された枠部材とからなる封止部材を配置し、板部材と枠部材との間および枠部材と基板2との間を接着剤で接着する方法を用いてもよい。
図2は、本発明の有機EL素子中での有機金属錯体の配向を説明するための説明図であり、無機の酸化物層上の有機金属錯体の分子模型(分子モデル)を示した斜視図である。図2において、原子を球で示し、原子間の結合を棒で示している。また、図2における小さい球は水素原子を示し、表記のない大きい球は炭素原子を示している。
また、図1に示す有機EL素子1において、陰極3と電子注入層5との間に無機の酸化物層4が形成されている場合には、陰極3からの電子注入をより一層促進できる。
従来、一般的な逆構造の有機EL素子においては、電子注入層の基板側に、電子注入を促進するための酸化物層を形成していた(例えば、非特許文献6参照)。これに対し、本実施形態の有機EL素子1では、陰極3と電子注入層5との間に無機の酸化物層4を形成しなくても、充分に陰極3から発光層6への電子注入を促進できる。酸化物層4を形成しない場合には、生産性が向上するため好ましい。また、無機の酸化物層4として、電子注入を促進する機能を有していないものを形成してもよい。
さらに、図1に示す有機EL素子1は、アルカリ金属を含む電子注入層を有する有機EL素子と比較して、酸素や水に対する耐性が高いものであるため、厳密な封止の必要がない。このため、有機EL素子1において、基板2の材料と、封止容器または封止部材の材料の一方または両方に樹脂材料を用いることにより、柔軟性に優れた有機EL素子1を得ることができる。
これに対し、本実施形態の有機EL素子1は、上記一般式(1)で示される有機金属錯体を含む電子注入層5を有しているため、陰極3から発光層6への電子の注入速度が速く、陽極9から注入される正孔を発光に充分に活用できる。
図3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に示す有機EL素子11と、図1に示す有機EL素子1とが異なるところは、図1に示す有機EL素子1における電子注入層5と発光層6との間に、電子輸送層10を備える点のみである。このため、図3に示す有機EL素子11において、図1に示す有機EL素子1と同じ部材については同じ符号を付し、説明を省略する。
具体的には、電子輸送層10の材料として、フェニル−ディピレニルホスフィンオキサイド(POPy2)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)2)、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10の材料の中でも、特に、POPy2のようなホスフィンオキサイド誘導体、Alq3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10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。
電子輸送層10の形成方法は、特に限定されず、電子輸送層10に用いられる材料の特性に合わせて、従来公知の種々の形成方法を適宜用いることができる。
具体的には、本発明の有機金属錯体を用いた有機EL素子においては、基板2上に、陰極3と、電子注入層5と、発光層6と、陽極9とが形成されていればよく、無機の酸化物層4、電子輸送層、正孔輸送層、正孔注入層は、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または図3に示す各層の間に他の層を有していてもよい。また、図1または図3に示す、陰極3、酸化物層4、電子注入層5、電子輸送層、発光層6、正孔輸送層7、正孔注入層8、陽極9の各層は、1層からなるものであってもよく、2層以上からなるものであってもよい。
これらの層を形成するための材料としては、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。
また、本発明の照明装置は、本発明の有機金属錯体を含む電子注入性および耐久性に優れた電子注入層を有する有機EL素子を備える。このため、照明装置として好ましいものである。
本発明の有機薄膜太陽電池は、本発明の有機金属錯体を含む電子注入性および耐久性に優れた電子注入層を備える。したがって、有機薄膜太陽電池として好ましいものである。
以下に示す方法により、上記一般式(1)で示される有機金属錯体の具体例である上記一般式(4)で示される有機金属錯体を合成した。
200mL反応器に、下記一般式(200)で示される化合物(10g,51.2mmol,1.0eq.(当量))と、無水DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)(100mL)とを加えた。得られた溶液に室温で水素化ナトリウム(2.46g,61.5mmol,1.2eq.)を加えて、1時間撹拌した。その後、アリールブロミド(6.5mL,76.8mmol,1.5eq.)を滴下し、室温で1時間撹拌し、反応溶液を水(500mL)に投入し、酢酸エチル(100mL)で2回抽出した。その後、有機層を水、飽和食塩水で順次洗浄し、無水MgSO4を用いて乾燥した後、この溶液を濃縮して褐色の粘帖な液体(14.9g)を得た。
これをIPE(イソプロピルエーテル)とヘキサンを用いて再結晶を行い、ベージュ色の粉末である下記一般式(201)で示される化合物(12.2g,51.9mmol,quant)を得た。
これをカラムクロマトグラフィーで精製(SiO2:40g,ヘプタン/酢酸エチル=7/1→5/1)し、薄黄色の液体である、下記一般式(202)で示される化合物(0.57g,2.42mmol,収率56%)を得た。
これをカラムクロマトグラフィーで精製(SiO2=200g,ヘキサン/酢酸エチル=3/1→1/1)し、黄褐色の粘帖な液体である、下記一般式(205)で示される化合物(4.47g,17.6mmol,収率82%)を得た。
これをカラムクロマトグラフィーで精製(SiO2=210g,ヘキサン/酢酸エチル=1/1→1/2)し、赤黄色の粘帖な液体である、下記一般式(206)で示される化合物(5.3g)を得た。
これをカラムクロマトグラフィーで精製(NH−SiO2=50g,ヘキサン/酢酸エチル=1/1)し、薄黄色の粘帖な液体である、下記一般式(207)で示される化合物(0.91g,3.25mmol,収率84%)を得た。
(有機EL素子の作製)
以下に示す方法により、図1に示す有機EL素子1を製造し、評価した。
[工程1]
基板2として、ITOからなる厚み150nm、幅3mmのパターニングされた電極(陰極3)が形成されている平均厚さ0.7mmの市販されている透明ガラス基板を用意した。
そして、陰極3を有する基板2を、アセトン中、イソプロパノール中でそれぞれ10分間ずつ超音波洗浄し、イソプロパノール中で5分間煮沸した。その後、陰極3を有する基板2を、イソプロパノール中から取り出し、窒素ブローにより乾燥させ、UVオゾン洗浄を20分間行った。
[工程1]において洗浄した陰極3の形成されている基板2を、亜鉛金属ターゲットを持つミラトロンスパッタ装置の基板ホルダーに固定した。スパッタ装置のチャンバー内を、約1×10−4Paの圧力となるまで減圧した後、アルゴンと酸素を導入した状態でスパッタし、基板2の陰極3上に膜厚約2nmの酸化亜鉛層を作製した。なお、酸化亜鉛層を作製する際には、電極取り出しのために、メタルマスクを用いて、ITO電極(陰極3)上の一部に酸化亜鉛が成膜されないようにした。その後、陰極3上に酸化亜鉛層の形成された基板2を、大気中で400℃にセットしたホットプレートで1時間焼成することにより、酸化亜鉛層(酸化物層4)を形成した。
次に、以下に示す方法により、酸化物層4上に、上記一般式(4)で示される有機金属錯体を含む電子注入層5を形成した。
まず、上述した有機金属錯体の合成方法により合成した一般式(4)で示される有機金属錯体をトルエンに溶解し、0.5重量%のトルエン溶液を作製した。次に、[工程2]で作製した陰極3および酸化物層4の形成されている基板2をスピンコーターに設置した。そして、有機金属錯体の0.5重量%トルエン溶液を酸化物層4上に滴下しながら、基板2を毎分2000回転で30秒間回転させて電子注入層5を形成した。得られた電子注入層5の平均厚さは30nmであった。
次に、電子注入層5までの各層が形成された基板2を、真空蒸着装置の基板ホルダーに固定した。また、下記一般式(5)で示されるビス[2−(2−ベンゾチアゾリル)フェノラト]亜鉛(II)(Zn(BTZ)2)、下記一般式(6)で示されるトリス[1−フェニルイソキノリン]イリジウム(III)(Ir(piq)3)、下記一般式(7)で示される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)を、それぞれアルミナルツボに入れて蒸着源にセットした。
次に、発光層6まで形成した基板2上に、α−NPDを40nm蒸着することにより、正孔輸送層7を成膜した。さらに、上記一般式(8)で示されるHAT−CNを真空一貫で蒸着することにより成膜し、膜厚が10nmの正孔注入層8を形成した。
次に、正孔注入層8まで形成した基板2上に、アルミニウム(陽極9)を膜厚が100nmとなるように蒸着して、本発明の実施例である「素子1」を得た。
なお、陽極9を蒸着する時には、ステンレス製の蒸着マスクを用いて、蒸着面が幅3mmの帯状になるようにした。すなわち、作製した素子1の陰極3と陽極9とに挟まれた発光面積が9mm2となるようにした。
電子注入層5を形成する際に用いたトルエン溶液中の有機金属錯体の濃度を、1.0重量%としたこと以外は「素子1」と同様にして本発明の実施例である「素子2」を得た。素子2における電子注入層5の平均厚さは50nmであった。
電子注入層5を形成する際に用いたトルエン溶液に代えて、ポリエチレンイミン(日本触媒社製、商品名;P1000)を0.5質量%含むエタノール溶液を用いたこと以外は「素子1」と同様にして本発明の比較例である「素子3」を得た。素子3における電子注入層5の平均厚さは5nmであった。
電子注入層5を形成する際に用いたトルエン溶液に代えて、下記一般式(9)で示される化合物を0.5質量%含むジクロロエタン溶液を用いたこと以外は「素子1」と同様にして本発明の比較例である「素子4」を得た。素子4における電子注入層5の平均厚さは30nmであった。
ケースレー社製の「2400型ソースメーター」により、各素子に電圧を印加し、電流密度を測定した。また、コニカミノルタ社製の「LS−100」を用いて、各素子の印加電圧と輝度との関係を調べた。
図4(a)は、素子1〜4の印加電圧と電流密度との関係を示したグラフである。図4(b)は素子1〜4の印加電圧と輝度との関係を示したグラフである。
図4(a)および図4(b)に示すように、電子注入層の材料として本発明の有機金属錯体を用いた素子1および素子2では、一般式(9)で示される化合物を用いた素子4に比べて、低い駆動電圧で高い輝度が得られている。これは、素子4では、一般式(9)で示される化合物がアミノ基を含んでいないため、基板から発光層への電子注入が難しく、高い駆動電圧が必要であることによるものと推定される。これに対し、素子1および素子2では、有機金属錯体に含まれるアミノ基と酸化物層の材料との配位結合によって生じる界面双極子を利用できるため、低い駆動電圧で高い電子注入性が得られ、高い輝度が得られるものと考えられる。
素子1と素子3について、初期輝度1000cd/m2から連続駆動した際の経過時間に対する輝度の変化を調べた。図5にその結果を示す。
図5に示すように、電子注入層の材料としてポリエチレンイミンを用いた素子3では、輝度が半減するまでの寿命が1000時間以下であった。これに対して、本発明の有機金属錯体を用いた素子1では、輝度が半減するまでの寿命が2000時間程度であり、素子3と比較して耐久性に優れ、寿命の長いことが分かった。これは、素子1では、NH結合を含む素子3と比較して、電子注入層の材料が電気的に安定であるため、電子注入層の劣化が生じにくく、長寿命になったものと考えられる。
酸化物層4を形成しなかったこと以外は「素子1」と同様にして本発明の実施例である「素子5」を得た。
得られた「素子5」について、「素子1」と同様にして印加電圧と輝度との関係を調べた。その結果を素子1の結果とともに図6に示す。
発光層6を形成する前に、電子注入層5の上に、蒸着法によりZn(BTZ)2からなる膜厚10nmの電子輸送層10を形成したこと以外は「素子1」と同様にして本発明の実施例である「素子6」を得た。
実施例4では、「素子6」を2つ作成し、それぞれ異なる材料を用いて以下に示す方法により封止した。
図7(a)および図7(b)は、素子6の封止方法を説明するための斜視図である。まず、図7(a)に示すように、素子6の陽極9上に、板部材14と、板部材14の陽極9と対向する側の縁部に沿って配置された枠部材13とからなる封止部材を配置した。その後、図7(b)に示すように、板部材14と枠部材13との間および枠部材13と基板2との間を接着剤で接着して封止した。
図8に示すように、一部に樹脂材料を用いて封止した素子6と、ガラス材料を用いて封止した素子6とにおいて、輝度が半減するまでの寿命は同等であった。
Claims (8)
- 電極と発光層との間に電子注入層を有し、
前記電子注入層が、下記一般式(1)で表される有機金属錯体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。
- 電極と発光層との間に電子注入層を有し、
前記電子注入層が、下記一般式(2)で表される有機金属錯体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。
- 前記電極と前記電子注入層との間に、無機の酸化物層を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
- 前記電子注入層の平均厚さが5〜100nm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有機エレクトロルミネッセンス素子。
- 水蒸気透過度が1×10−3g/m2/day未満の材料を用いて封止されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
- 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であり、
前記電子注入層を形成する工程が、前記有機金属錯体を含む溶液を塗布する工程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の製造方法。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備えることを特徴とする表示装置。
- 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備えることを特徴とする照明装置。
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