JP2023056042A - 有機電界発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
の物性に制御された励起子閉じ込め層(Exciton Confinement La
yer、「ECL」)を備えることにより、低い駆動電圧、高い発光効率、及び長寿命な
どの特性が向上した有機電界発光素子に関する。
ectroluminescent、「EL」)素子(以下、「有機EL素子」と略する
)に関する研究が続けられ、1987年には、Tangらによって正孔層(NPB)と発
光層(Alq3)とから構成された2層積層構造の有機EL素子が提示された。以後、有
機EL素子は、商用化のために必要な高効率、長寿命の特性を具現するため、素子内に、
正孔の注入及び輸送を担当する有機層、電子の注入及び輸送を担当する有機層、正孔と電
子との結合によって電界発光が生じるように誘導する有機層などのように、それぞれの特
徴的かつ細分化した機能を付与した多層積層構造の形態が提案された。多層積層構造が導
入されることにより、有機EL素子の性能が商用化のための特性まで向上し、1977年
の車載用ラジオディスプレイ製品をはじめとして、携帯用情報表示機器及びテレビ用ディ
スプレイ素子にまでその適用範囲を拡大させようとしている。
課題が課されている。特に、同面積でより多い画素を形成することで実現される高精細化
の場合は、有機EL画素の発光面積を減少させる結果を招来し、これによって寿命の減少
が生じ、これは、有機EL素子が克服すべき最も重要な課題となっている。
注入され、陰極からは電子が有機物層に注入される。注入された正孔と電子とが結合して
励起子(Exciton)が形成され、この励起子が基底状態に落ちる際に発光する。な
お、有機EL素子は、形成された励起子の電子スピンの種類によって、一重項励起子が発
光に寄与する蛍光EL素子と、三重項励起子が発光に寄与する燐光EL素子とに区分され
る。
項励起子とが、25%:75%の比率で生成される。一重項励起子によって発光がなされ
る蛍光EL素子は、生成比率に応じて理論的に内部量子効率が25%を超えることができ
ず、外部量子効率は、5%が限界であるといわれている。三重項励起子によって発光がな
われる燐光EL素子では、Ir、Ptのような遷移金属重原子(Heavy atoms
)が含まれた金属錯体化合物を燐光ドーパントとして使用する場合、蛍光に比べて、最高
4倍も発光効率を向上させることができる。
を示すが、緑色と赤色を除外した青色燐光素子においては、濃青色の色純度と高効率の燐
光ドーパント、及びこれを満足させる広いエネルギーギャップを有するホストの開発が充
分な水準に至っていないため、青色燐光素子が商用化されておらず、青色蛍光素子が製品
に使用されている現状である。
素子の安定性を増大させるための研究の結果が報告されている。しかし、満足する結果が
得られていない。
備える電子輸送領域のうちの発光層と隣接した領域に状態密度(Density Of
States、「DOS」)などの所定の物性が特定の範囲に制御された励起子閉じ込め
層(Exciton Confinement Layer、「ECL」)を備えること
により、高効率、低電圧、及び長寿命を同時に発揮する有機EL素子を提供することを目
的としている。
れる。
送領域、及び陰極が順次積層された構造を備え、前記発光層は、ホストを含み、前記電子
輸送領域は、少なくとも2層を含み、前記少なくとも2層のうち、前記発光層に接する1
つの層は、励起子閉じ込め層(ECL)であり、前記励起子閉じ込め層のLUMO状態密
度DOSLUMO ECLは、下記の(i)及び(ii)のうちの少なくとも1つ以上の条
件を満たす有機電界発光素子を提供する。
(i)前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Hostと0%超で重畳された状態
密度DOSを有する励起子閉じ込め層のLUMO状態密度DOSLUMO ECL
(ii)前記電子輸送領域のうち、励起子閉じ込め層を除いた残りの層のLUMO状態密
度DOSLUMO ETと0%超で重畳された状態密度DOSを有する励起子閉じ込め層の
LUMO状態密度DOSLUMO ECL
子注入層のうちの少なくとも1つとを含むことができる。
め層、及び電子注入層が配置されるか、又は、励起子閉じ込め層、電子輸送層、及び電子
注入層が配置される構造を有することができる。
5eV以上であることができる。
0eV以上であることができる。
eV以上であることができる。
、2.0eV以上であることができる。
e)の結合解離エネルギー(Bonding Dissociation Energy
、「BDE」)のうち最も低いエネルギーレベルが、1.50eV以上であることができ
る。
トのLUMOエネルギー準位との絶対値の差ΔLUMOは、2.0eV以下であることが
できる。
子閉じ込め層と隣接した他の電子輸送領域の層のLUMOエネルギー準位との絶対値の差
ΔLUMOは、2.0eV以下であることができる。
トのHOMOエネルギー準位との絶対値の差ΔHOMOは、2.0eV以下であることが
できる。
子閉じ込め層と隣接した電子輸送領域の他の層のHOMOエネルギー準位との絶対値の差
ΔHOMOは、2.0eV以下であることができる。
Affinity、「EA」)は、0.5eV以上であることができる。
で0.7以上の屈折率nを有することができる。
oment)の値は、0を超える値を有することができる。
2/Vs以上の電子移動度μを有することができる。
ーパントとの混合比率は、70-99.5:0.5-30重量比であることができる。
の発光層スタックを備えることができる。
し、少なくとも2層を備えた電子輸送領域のうち、発光層に隣接するように配置すること
により、低い駆動電圧及び高い発光効率を有する有機電界発光素子を提供することができ
る。
が本明細書中に含まれている。
域、31:正孔注入層、32:正孔輸送層、40:発光層、50:電子輸送領域、51:
励起子閉じ込め層、52:電子注入層、53:電子輸送層
実施例の参照によって明確になるだろう。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に
限定されるものではなく、種々の形態に実施することができ、但し、本実施例は、本発明
が完全に開示されるように、また、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に発
明の範疇を完全に理解させることができるように提供されるものであり、本発明は、請求
の範囲によって定義される。それで、幾つかの実施例において、周知の工程ステップ、周
知の素子構造、及び周知の技術については、本発明の不明瞭な解釈を回避するため、具体
的に説明されていない。明細書全般にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を指称す
る。
む)は、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が共通して理解できる意味とし
て使用される。また、一般に使用される辞書に定義されている用語は、特に定義されない
限り、理想的に又は過度に解釈してはならない。
断りのない限り、他の構成要素を除外する意味ではなく、他の構成要素をさらに含むこと
ができるという意味である。また、明細書中、「上に」又は「上方に」ということは、対
象部分の上に又は上方に位置する場合だけでなく、その中間部にまた他の部分が存在する
場合も含む意味であり、必ず重力方向を基準に上方に位置するという意味ではない。さら
に、本明細書中、「第1の」、「第2の」などの用語は、任意の手順又は重要度を示すも
のではなく、構成要素を互いに区別するために使用されている。
本発明に係る有機電界発光素子は、陽極;前記陽極と対向配置された陰極;及び、前記
陽極と陰極との間に介在し、正孔輸送領域、発光層及び電子輸送領域を含む1層以上の有
機物層;を備え、状態密度DOSなどの特定の物性が所定の範囲に調節された励起子閉じ
込め層(ECL)を、前記発光層と接触する電子輸送領域の一領域に配置する。
する。しかし、本発明の実施形態は、種々に変更して実施することができ、本発明の範囲
は、後述の実施形態に限定されるものではない。
面図である。
記陽極10と陰極20との間に位置した発光層40;前記陽極10と前記発光層40との
間に位置した正孔輸送領域30;及び、前記発光層40と前記陰極20との間に位置した
電子輸送領域50;を含み、前記電子輸送領域50は、少なくとも2層を含むが、前記少
なくとも2層51、52のうち、前記発光層40と接する1層に励起子閉じ込め層51が
配置されている構造を有する。
及び電子注入層52のうちの少なくとも1つとを含むことができる。
本発明に係る有機電界発光素子100において、陽極10は、正孔を有機物層Aに注入
する役割を果たす。
きる。例えば、バナジウム、クロム、銅、亜鉛、金などの金属;これらの合金;亜鉛酸化
物;インジウム酸化物、インジウムスズ酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZ
O)などの金属酸化物;ZnO:Al、SnO2:Sbなどの金属と酸化物との組み合わ
せ;ポリチオフェン、ポリ(3-メチルチオフェン)、ポリ[3,4-(エチレン-1,
2-ジオキシ)チオフェン](PEDT)、ポリピロール、ポリアニリンなどの電導性高
分子;及び、カーボンブラックなどが挙げられるが、これらに制限されない。
ができる。例えば、シリコンウェハ、石英、ガラス板、金属板、又はプラスチックフィル
ムからなる基板上に陽極物質をコーティングする方法が挙げられる。
本発明に係る有機電界発光素子100において、陰極20は、電子を有機物層Aに注入
する役割を果たす。
きる。例えば、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、チタニウム、インジ
ウム、イットリウム、リチウム、ガドリウム、アルミニウム、銀、錫、鉛などの金属;こ
れらの合金;及び、LiF/Al、LiO2/Alなどの多層構造物質が挙げられるが、
これらに制限されない。
ることができる。
本発明に係る有機電界発光素子に含まれる有機物層Aは、既存の有機EL素子の有機物
層として使用される通常の構成を制限なく使用することができ、例えば、正孔輸送領域3
0、発光層40、電子輸送領域50からなる群から選択される1種以上を含むことができ
る。なお、有機電界発光素子の特性を考慮して、上述の有機物層をいずれも含むことが好
ましい。
本発明の有機物層Aに含まれる正孔輸送領域30は、陽極10から注入された正孔を発
光層40に移動させる役割を果たす。このような正孔輸送領域30は、正孔注入層31及
び正孔輸送層32からなる群から選択される1種以上を含むことができる。なお、有機電
界発光素子の特性を考慮して、上述の正孔注入層31と正孔輸送層32とをいずれも含む
ことが好ましい。
正孔移動度が大きい物質であれば、特に限定されず、当業界で使用される正孔注入層/輸
送層物質を制限なく使用することができる。なお、前記正孔注入層31及び正孔輸送層3
2の構成物質は、互いに同一又は異なることができる。
能な正孔注入物質としては、例えば、銅フタロシアニン(copper phthalo
cyanine)などのフタロシアニン(phthalocyanie)化合物;DNT
PD(N,N’-ジフェニル-N,N’-ビス-[4-(フェニル-m-トリル-アミノ
)-フェニル]-ビフェニル-4,4’-ジアミン:N,N’-diphenyl-N,
N’-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]
-biphenyl-4,4’-diamine)、m-MTDATA(4,4’,4”
-トリス(3-メチルフェニルフェニルアミノ)トリフェニルアミン:4,4’,4”-
tris(3-methylphenylphenylamino)triphenyl
amine)、TDATA(4,4’,4”-トリス(N,N-ジフェニルアミノ)トリ
フェニルアミン:4,4’,4”-Tris(N,N-diphenylamino)t
riphenylamine)、2TNATA(4,4’,4”-トリス{N,-(2-
ナフチル)-N-フェニルアミノ}-トリフェニルアミン:4,4’,4”-tris{
N,-(2-naphtyl)-N-phenylamino}-triphenyla
mine)、PEDOT/PSS(ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリ
(4-スチレンスルホナート):Poly(3,4-ethylenedioxythi
ophene)/Poly(4-styrenesulfonate))、PANI/D
BSA(ポリアニリン/ドデシルベンゼンスルホン酸:Polyaniline/Dod
ecylbenzenesulfonic acid)、PANI/CSA(ポリアニリ
ン/カンファースルホン酸:Polyaniline/Camphor sulfoni
c acid)、PANI/PSS((ポリアニリン)/ポリ(4-スチレンスルホナー
ト):(Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate
))などが挙げられるが、これらに制限されない。これは、それぞれ単独で使用、又は2
種以上を混用することができる。
使用可能な正孔輸送物質としては、例えば、フェニルカルバゾール、ポリビニルカルバゾ
ールなどのカルバゾール系誘導体、フルオレン(fluorene)系誘導体、TPD(
N,N’-ビス(3-メチルフェニル)-N,N’-ジフェニル-[1,1-ビフェニル
]4,4’-ジアミン:N,N’-bis(3-methylphenyl)-N,N’
-diphenyl-[1,1-biphenyl]-4,4’-diamine)、T
CTA(4,4’,4”-トリス(N-カルバゾリル)トリフェニルアミン:4,4’,
4”-tris(N-carbazolyl)triphenylamine)などのよ
うなトリフェニルアミン系誘導体、NPB(N,N’-ジ(1-ナフチル)-N,N’-
ジフェニルベンジジン:N,N’-di(1-naphthyl)-N,N’-diph
enylbenzidine)、TAPC(4,4’-シクロヘキシリデン ビス[N,
N-ビス(4-メチルフェニル)ベンゼンアミン]:4,4’-Cyclohexyli
dene bis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenam
ine])などが挙げられるが、これらに制限されない。これは、単独で使用、又は2種
以上を混用することができる。
、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB(Langmuir-Blodget
t)法、インクジェット印刷法、レーザー印刷法、レーザー熱転写(Laser Ind
uced Thermal Imaging、「LITI」)法などが挙げられるが、こ
れらに限定されない。
本発明の有機物層Aに含まれる発光層40は、正孔と電子とが結合して励起子が形成さ
れる層であって、発光層40の構成物質によって、有機電界発光素子が発する光の色が変
化される。
は、当該分野で公知の範囲内で適切に調節可能である。例えば、発光層40は、当該発光
層40の全重量を基準に、70~99.9重量部のホストと、0.1~30重量部のドー
パントとを含むことができる。より具体的に、前記発光層40が青色蛍光、緑色蛍光、又
は赤色蛍光である場合、80~99.9重量部のホストと、0.1~20重量部のドーパ
ントとを含むことができる。また、前記発光層40が青色蛍光、緑色蛍光、又は赤色燐光
である場合、70~90重量部のホストと、1~30重量部のドーパントとを含むことが
できる。
となく、例えば、アルカリ金属錯化合物;アルカリ土類金属錯化合物;又は、縮合芳香族
環誘導体などが挙げられるが、これらに制限されない。
させることができる、アルミニウム錯化合物、ベリリウム錯化合物、アントラセン誘導体
、ピレン誘導体、トリフェニレン誘導体、カルバゾール誘導体、ジベンゾフラン誘導体、
ジベンゾチオフェン誘導体、又はこれらの1種以上の組み合わせを使用することが好まし
い。
ば、特に限定されることなく、例えば、アントラセン誘導体、ピレン誘導体、アリールア
ミン誘導体、イリジウム(Ir)又は白金(Pt)を含む金属錯体化合物などが挙げられ
るが、これらに制限されない。
るが、当該技術分野で周知の赤色ドーパント、緑色ドーパント、及び青色ドーパントであ
れば、特に制限されることなく使用することができる。
ポルフィン:Pt(II)octaethylporhphine)、Ir(piq)3
(トリス(2-フェニルイソキノリン)イリジウム:tris(2-phenyliso
quinoline)iridium)、Btp2Ir(acac)(ビス(2-(2’
-ベンゾチエニル)-ピリジナト-N,C3’)イリジウム(アセチルアセトネート):
bis(2-(2’-benzothienyl)-pyridinato-N,C3’
)iridium(acetylacetonate))、又はこれらの2種以上の混合
物などが挙げられるが、これらに制限されない。
リジン)イリジウム:tris(2-phenylpyridine)iridium)
、Ir(ppy)2(acac)(ビス(2-フェニルピリジン)(アセチルアセトナト
)イリジウム(III):Bis(2-phenylpyridine)(Acetyl
acetonato)iridium(III))、Ir(mppy)3(トリス(2-
(4-トリル)フェニルピリジン)イリジウム:tris(2-(4-tolyl)ph
enylpridine)iridium)、C545T(10-(2-ベンゾチアゾリ
ル)-1,1,7,7,-テトラメチル-2,3,6,7-テトラヒドロ-1H,5H,
11H-[1]ベンゾピラノ[6,7,8-ij]-キノリジン-11-オン:10-(
2-benzothiazolyl)-1,1,7,7-tetramethyl-2,
3,6,7-tetrahydro-1H,5h,11H-[1]benzopyran
o[6,7,8-ij]-quinolizine-11-one)、又はこれらの2種
以上の混合物などが挙げられるが、これらに制限されない。
-2-(2-ピリジル)フェニル](ピコリナト)イリジウム(III):Bis[3,
5-difluoro-2-(2-pyridyl)phenyl](picolina
to)iridium(III))、(F2ppy)2Ir(tmd)、Ir(dfpp
z)3、DPVBi(4,4’-ビス(2,2’-ジフェノリエテン-1-イル)ビフェ
ニル:4,4’-bis(2,2’-diphenylethen-1-yl)biph
enyl)、DPAVBi(4,4’-ビス[4-(ジフェニルアミノ)スチリル]ビフ
ェニル:4,4’-Bis[4-(diphenylamino)styryl]bip
henyl)、TBPe(2,5,8,11-テトラ-tert-ブチルペリレン:2,
5,8,11-tetra-tert-butyl perylene)、又はこれらの
2種以上の混合物などが挙げられるが、これらに制限されない。
緑色発光層;又は、青色系燐光材料又は青色系蛍光物質を含む青色発光層であることがで
きる。好ましくは、青色系蛍光材料を含む発光層であることができる。
、又は各層が互いに異なる物質からなる2種以上の複数層からなることができる。ここで
、発光層40が複数個の層である場合、有機電界発光素子は、様々な色の光を発すること
ができる。具体的に、本発明は、異種の材料からなる発光層を直列に複数個備えることで
混合色を発する有機電界発光素子を提供することができる。なお、複数個の発光層を含む
場合、素子の駆動電圧は大きくなる反面、有機電界発光素子内の電流値は一定であるため
、発光層数分だけ発光効率が向上した有機電界発光素子を提供することができる。
複数の発光スタック(図示せず)を具備することができる。
発する発光層であるか、又は、同じ色相の光を発する発光層であることができる。即ち、
発光層を構成する物質によって、発光色が変化することができる。例えば、複数の発光ス
タックは、青色、緑色、赤色、黄色、白色などを発光する物質を含むことができ、燐光又
は蛍光物質を用いて形成することができる。なお、各発光層が示す色相は、互いに補色の
関係にあることができる。その他、白色を発光し得る色の組み合わせで色相を選択するこ
とができる。このような各発光層は、選択された色相に対応する燐光ドーパント又は蛍光
ドーパントをそれぞれ含むことができる。
接したスタックの間に配置され、これらを連結する電荷生成層(図示せず)をさらに含む
ことができる。
複数個の発光スタックを備える有機電界発光素子において、両電極(例えば、陽極、陰極
)と直接に接触せず、かつ隣接して配置された発光スタックを分離する層を意味する。こ
のような電荷生成層は、互いに隣接した2つの発光スタックの間に配置され、1つの発光
スタックに対しては電子を生成してカソード(cathode)役割を果たし、他の1つ
の発光スタックに対しては正孔を生成してアノード(anode)役割を果たす。前記電
荷生成層(CGL)は、当該分野で公知の電荷生成層材料として使用可能な物質を制限な
く使用することができる。また、前記電荷生成層用途の物質に、当該分野で公知の通常の
n型物質及び/又はp型物質をドーピングして形成することもできる。
本発明に係る有機電界発光素子100において、有機物層Aに含まれる電子輸送領域5
0は、陰極20から注入された電子を発光層40に移動させる役割を果たす。
入層52のうちの少なくとも1つとを含む2層以上であることができ、必要に応じて電子
輸送補助層(図示せず)をさらに含むことができる。
域に、特定の物性(例えば、DOS重畳率)が所定の範囲に調節された励起子閉じ込め層
51(ECL)が配置される。
ト材料、並びに前記少なくとも2層のうち他の電子輸送領域の層、例えば、電子輸送層5
3及び電子注入層52材料のうちの少なくとも1つの状態密度DOSと一部がオーバーラ
ップした状態密度DOSを有する。
態の個数として定義され、これに基づいて、シミュレーション-デポジション方法を用い
てLUMO状態密度DOSの調査を行った。
CLは、下記の(i)及び(ii)のうちの少なくとも1つ以上の条件を満たすことがで
きる。
(i)前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Hostと0%超で重畳された状態
密度DOSを有する励起子閉じ込め層のLUMO状態密度DOSLUMO ECL
(ii)前記電子輸送領域の2層のうち、励起子閉じ込め層を除いた残りの層のLUMO
状態密度DOSLUMO ETと0%超で重畳された状態密度DOSを有する励起子閉じ込
め層のLUMO状態密度DOSLUMO ECL
は、前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Hostと0%超で重畳された状態密
度DOSを有することができる。
Lは、前記電子輸送領域50のうち、励起子閉じ込め層(ECL)を除いた残りの電子輸
送領域50を構成する層のLUMO状態密度DOSLUMO ETと0%超で重畳された状
態密度DOSを有することができる。
ECLは、前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Host、及び前記電子輸送領
域50のうち励起子閉じ込め層(ECL)を除いた残りの層のLUMO状態密度DOSL
UMO ETのうちの少なくとも1つと0%超で重畳された状態密度を有することができる
。
O ECLは、前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Host、及び前記電子輸送
領域50のうち励起子閉じ込め層(ECL)を除いた残りの層のLUMO状態密度DOS
LUMO ETといずれも0%超で重畳された状態密度を有することができる。
送領域50を構成する層が多層構造を有する場合、励起子閉じ込め層51と重畳された状
態密度を有する電子輸送領域50は、励起子閉じ込め層(ECL)と隣接した電子輸送領
域50の一領域、具体的には、励起子閉じ込め層(ECL)と接する層、例えば、電子注
入層52及び/又は電子輸送層53を意味することができる。
状態密度、又は電子輸送領域50のうち前記励起子閉じ込め層と隣接した層(例えば、5
2)材料のLUMO状態密度のうちの少なくとも1つ以上の状態密度DOSと0%超で、
即ち、少なくとも一部が重畳される場合、発光層40のホストから電子輸送領域50まで
の電子移動が円滑に行われるので、素子の効率増大が図れる。特に、上述した効果は、励
起子閉じ込め層51とホストとの間の状態密度DOS重畳率が高くなるほど、ホストのキ
ャリア移動性の面でより有利になるため、シナジー効果(Synery effect)
を発揮することができる。また、励起子閉じ込め層51と前記電子輸送領域のうち隣接し
た材料52との重畳率が高くなるほど、電子輸送領域でのキャリア移動が上昇し、シナジ
ー効果を発揮することができる。これによって、励起子閉じ込め層51のLUMO状態密
度DOSLUMO ECLは、前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Host、及
び前記少なくとも2層のうち励起子閉じ込め層51を除いた他の電子輸送領域の層52の
LUMO状態密度DOSLUMO ETと、それぞれ少なくとも一部重畳された状態密度を
有することが好ましい。このような励起子閉じ込め層51と隣接した2層の材料、例えば
、ホスト材料及び/又は他の電子輸送領域材料の間のLUMO状態密度重畳率は、特に制
限されず、上述のキャリア移動性を考慮して適宜調節することができる。例えば、0%超
であることができ、具体的に、0%超、95%以下であり、より具体的に、1~85%で
あることができる。
とができる。励起子閉じ込め層51が2層以上の多層構造を有する場合、多層構造のうち
、状態密度DOS重畳率などが調節された1つの励起子閉じ込め層51が、発光層40及
び/又は他の電子輸送領域52と直接に接するように配置されることが好ましい。
動性増大効果とともに、低駆動電圧、高効率の効果を発揮するため、後述の物性のうちの
少なくとも1つをさらに満たすことができる。
.0eV以上であることができ、具体的に、2.0~4.5eV、より具体的に、2.5
~4.0eVであることができる。これは、一重項励起子の隣接した界面及び/又は他の
層への拡散、又は、界面で発光が起こる現象を阻止し、一重項励起子を効率的に閉じ込め
るようになる。これによって、励起子量が増加し、有機電界発光素子の発光効率が改善さ
れる。これは、結果的に、有機電界発光素子のスペクトル混色を防止し、安定性を向上さ
せ、有機電界発光素子の効率及び寿命を向上させることができる。
1.5eV以上であることができ、具体的に、1.5~4.5eV、より具体的に、2.
0~4.0eVであることができる。これは、励起子の他の層への移動を防止するため、
有機電界発光素子の効率が有意に向上する効果を図ることができる。
cupied Molecular Orbital)の絶対値の大きさは、5.0以上
であることができ、具体的に、5.0~7.0eV、より具体的に、5.0~6.5eV
であることができる。このようなHOMOエネルギー値を有することにより、発光層40
に伝達された正孔が、他の電子輸送領域、例えば、電子輸送層53に拡散又は超える現象
を遮断することができる。これによって、発光層40内で正孔と電子とが再結合(rec
ombination)する確率が増加し、有機電界発光素子の発光効率を一層向上させ
ることができる。また、正孔が発光層40を超えて電子輸送層53に拡散又は移動する場
合に発生する酸化による非可逆的分解反応、及びこれによる有機電界発光素子の寿命低下
を解決することで、素子の寿命特性を改善することができる。また、高効率の効率的な発
生のため、前記励起子閉じ込め層51のバンドギャップエネルギーの大きさは、2.5e
V以上であることができ、具体的に、2.5~4.5eVであることができる。
(Bond Dissociation Energy、「BDE」)のうち最も低い結
合解離エネルギーが、少なくとも1.50eV以上であることができ、具体的に、1.5
~6.0eVであることができる。なお、結合解離エネルギーBDEは、特定の化学結合
を切る時に必要なエネルギーと解釈され得る。一般に、結合解離エネルギーBDEは、結
合が強いほど、分子の安定性と関連性があり、寿命に影響を与える要素として作用するこ
ともある。
に隣接した2つの有機物層、例えば、発光層40に含まれるホスト又は電子輸送領域の隣
接層52のLUMOエネルギー準位との絶対値の差ΔLUMOは、それぞれ2.0eV以
下であることができ、具体的に、0を超過し、2.0eVであることができる。
に隣接した2つの有機物層、例えば、発光層40に含まれるホスト又は電子輸送領域の隣
接層52のHOMOエネルギー準位との絶対値の差ΔHOMOは、それぞれ2.0eV以
下であることができ、具体的に、0を超過し、2.0eVであることができる。
それぞれ隣接した2つの有機物層、具体的に、発光層40と他の電子輸送領域の層52と
の間に存在するように調節することができる。例えば、励起子閉じ込め層51のHOMO
エネルギー準位は、発光層40のHOMOエネルギー準位より深く、隣接した他の電子輸
送領域の層52のHOMOエネルギー準位と等しいか、より浅いことができる。上述のH
OMO/LUMOエネルギー準位を満たす場合、発光層40、励起子閉じ込め層51、電
子輸送領域のHOMO/LUMOエネルギー準位が階段状に配列され得る。これにより、
陽極10を介して伝達される正孔と、陰極20を介して伝達される電子とが、有機物層A
の階段状配列によって、発光層40により円滑に伝達されることで、励起子形成増加及び
素子効率増大を図ることができる。
.5eV以上であることができ、具体的に、0.5~3.0eVであることができる。こ
のような電子親和度を有する場合、高い電子注入効率が得られる。
ある場合、励起子閉じ込め層51は、400~470nmの青色波長領域において、少な
くも0.7以上の屈折率nを有することができ、具体的に、0.7~3.5であることが
できる。
よって電子と正孔とのつり合いが取れない場合、再結合によって励起子を形成していない
電子又は正孔は、発光層40に溜まる。前記発光層40に溜まった電子又は正孔によって
、発光層40において酸化と還元とが円滑に行われず、又は、隣接層に影響を及ぼし、有
機電界発光素子の寿命が減少するようになる。これに対して、前記励起子閉じ込め層51
は、常温で少なくとも1×10-8cm2/Vs以上の電子移動度μを有することにより
、陽極10から注入された正孔の数に比べて、電子の注入が遅延されるのを防止し、発光
層40への電子注入が円滑に行われるため、発光層40において励起子の形成効率が上昇
し、有機電界発光素子の寿命を改善することができる。
を満たしていれば、励起子閉じ込め層51を構成する化合物の詳細な構成、例えば、当該
化合物に含まれたモイエティの種類(例えば、EDG基、EWG基)、及びその結合位置
、リンカーの導入位置などと、その組成などに特に制限されない。
収性の高い電子求引性基(EWG)特性を有するモイエティと、電子供与性の高い電子供
与性基(EDG)特性を有するモイエティとを同時に含む双極性(bipolar)化合
物であることができる。
野で公知の電子吸収性の高い電子求引性基(EWG)特性を有するモイエティが、少なく
とも2つ以上結合された化合物であることができる。
される6員モイエティ、下記化2で示される5員モイエティ、及び前記6員モイエティと
5員モイエティとが縮合した多環モイエティのうちの少なくとも1つの電子求引性基(E
WG)モイエティを含むことができる。
X1乃至X6、及びY1乃至Y5は、互いに同一もしくは異なり、それぞれ独立に、N又
はC(R)であり、但し、前記X1乃至X6、及びY1乃至Y5のうちの少なくとも1つ
は、Nであり、
前記C(R)が複数個である場合、複数のRは、互いに同一もしくは異なり、それぞれ独
立に、水素、重水素、ハロゲン基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、C1~C40のアル
キル基、C2~C40のアルケニル基、C2~C40のアルキニル基、C3~C40のシ
クロアルキル基、核原子数3~40のヘテロシクロアルキル基、C6~C60のアリール
基、核原子数5~60のヘテロアリール基、C1~C40のアルキルオキシ基、C6~C
60のアリールオキシ基、C1~C40のアルキルシリル基、C6~C60のアリールシ
リル基、C1~C40のアルキルボロン基、C6~C60のアリールボロン基、C6~C
60のアリールホスフィン基、C6~C60のアリールホスフィンオキサイド基、及びC
6~C60のアリールアミン基からなる群から選択されるか、又は、これらは、隣接した
基と結合して縮合環を形成することができ、
前記Rの、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、
アリールオキシ基、アルキルオキシ基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、ア
リールアミン基、アルキルシリル基、アルキルボロン基、アリールボロン基、アリールホ
スフィン基、アリールホスフィンオキサイド基、及びアリールアミン基は、それぞれ独立
に、水素、重水素(D)、ハロゲン基、シアノ基、ニトロ基、C1~C40のアルキル基
、C2~C40のアルケニル基、C2~C40のアルキニル基、C3~C40のシクロア
ルキル基、核原子数3~40のヘテロシクロアルキル基、C6~C60のアリール基、核
原子数5~60のヘテロアリール基、C1~C40のアルキルオキシ基、C6~C60の
アリールオキシ基、C1~C40のアルキルシリル基、C6~C60のアリールシリル基
、C1~C40のアルキルボロン基、C6~C60のアリールボロン基、C6~C60の
アリールホスフィン基、C6~C60のアリールホスフィンオキサイド基、及びC6~C
60のアリールアミン基からなる群から選択された1種以上の置換基で置換されることが
でき、この時、前記置換基が複数個である場合、これらは、互いに同一もしくは異なるこ
とができる。
を含有する含窒素ヘテロ芳香族環、即ち、電子求引性基(EWG)を1つ以上含むことに
より、優れた電子特性を示すようになる。これにより、上述の化1乃至化2で示される6
員又は5員のモイエティ、又はこれらが縮合された多環モイエティを有する化合物を、励
起子閉じ込め層51材料として適用する時、素子100の駆動電圧を低くし、高効率及び
長寿命を誘導することができる。
引性基(EWG)モイエティは、下記の構造式群から選択されるいずれか1により具体化
可能である。しかし、これらに制限されない。
式中、
*は、励起子閉じ込め層を構成する化合物との結合がなされる部分を意味する。
定義部と同様)が、少なくとも1つ以上置換されることができる。また、前記構造式中、
励起子閉じ込め層を構成する化合物と連結される部分*は、1つだけ示されているが、2
つが含まれる場合も本発明の範疇に属する。
引性基(EWG)と異なり、前記電子求引性基(EWG)より電子供与性の高い、当該分
野で公知の電子供与性基(EDG)モイエティを、少なくとも1つ含むことができる。
合物により具体化可能である。しかし、本発明に係る励起子閉じ込め層51を構成する化
合物が後述の例示化合物に限定されることはない。特に、状態密度DOS重畳率などの物
性を満たしていれば、化合物に含まれたモイエティの種類(例えば、EDG基、EWG基
)及びその結合位置、リンカーの導入位置は、特に制限されず、その化学構造が種々に変
形された化合物も本発明の範疇に含まれる。
ンコート法、キャスト法、LB法、インクジェット印刷法、レーザー印刷法、レーザー熱
転写(LITI)法で形成することができるが、これらに制限されない。
電子移動度が高い電子注入物質を制限なく使用することができる。使用可能な電子注入物
質としては、例えば、前記双極性化合物、アントラセン誘導体、ヘテロ芳香族化合物、ア
ルカリ金属錯化合物などが挙げられるが、これらに制限されない。具体的に、LiF、L
i2O、BaO、NaCl、CsF;Ybなどのようなランタン族金属;又は、RbCl
、RbIなどのようなハロゲン化金属などが挙げられるが、これらは、単独で使用又は2
種以上を混合して使用することができる。
易に行われるように、n型ドーパントと共蒸着されたものを使用することもできる。なお
、n型ドーパントとしては、当該分野で公知のアルカリ金属錯化合物を制限なく使用する
ことができ、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、又は希土類金属などが挙げられ
る。
、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法、インクジェット印刷法、レーザー
印刷法、レーザー熱転写(LITI)法などが挙げられるが、これらに制限されない。
選択的に、本発明の有機発光素子100は、前記正孔輸送領域30と発光層40との間
に配置された発光補助層(図示せず)をさらに含むことができる。
たすとともに有機物層Aの厚さを調節する役割を果たす。このような発光補助層は、高い
LUMO値を有し、電子の正孔輸送層32への移動を防止し、高い三重項エネルギーを有
し、発光層40の励起子の正孔輸送層32への拡散を防止する。
ら製造され得る。なお、赤色、緑色、及び青色の有機発光素子の発光補助層は、互いに同
じ材料で製造することができる。
アミン誘導体などが挙げられる。使用可能な発光補助層としては、例えば、NPD(N,
N-ジナフチル-N,N’-ジフェニルベンジジン:N,N-dinaphtyl-N,
N’-diphenyl benzidine)、TPD(N,N’-ビス-(3-メチ
ルフェニル)-N,N’-ビス(フェニル)-ベンジジン:N,N’-bis-(3-m
ethylphenyl)-N,N’-bis(phenyl)-benzidine)
、s-TAD、MTDATA(4,4’,4”-トリス(N-3-メチルフェニル-Nフ
ェニル-アミノ)-トリフェニルアミン:4,4’,4”-Tris(N-3-meth
ylphenyl-Nphenyl-amino)-triphenylamine)な
どが挙げられるが、これらに制限されない。これらは、単独で使用、又は2種以上を混合
して使用することができる。また、前記発光補助層は、上述した材料のほかに、p型ドー
パントを含むことができる。前記p型ドーパントとしては、当該技術分野で使用される公
知のp型ドーパントを使用することができる。
選択的に、本発明の有機電界発光素子100は、前記陰極20上に配置されるキャッピ
ング層(図示せず)をさらに含むことができる。前記キャッピング層は、有機発光素子を
保護しながら、有機物層から発生した光の外部への効率的な放出を助ける役割を果たす。
ZnSe、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、4’-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニル-アミノ
]ビフェニル(α-NPD)、N,N’-ジフェニル-N,N’-ビス(3-メチルフェ
ニル)-1,1’-ビフェニル-4,4’-ジアミン(TPD)、1,1’-ビス(ジ-
4-トリルアミノフェニル)シクロヘキサン(TAPC)からなる群から選択される少な
くとも1つを含むことができる。このようなキャッピング層を形成する物質は、有機発光
素子の他の層の材料に比べて低価格である。
以上の層を含み、前記2以上の層を通過しながら段々変化するようにすることができる。
空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、又はLB法などのような種々の方法を使用する
ことができる。
できる。例えば、基板上に陽極物質を真空蒸着した後、前記陽極上に正孔輸送領域物質、
発光層物質、電子輸送領域物質、及び陰極物質の材料を順次真空蒸着することで有機発光
素子を製造することができる。
。図2中、図1と同じ参照符号は、同じ部材を指称する。
てのみ説明する。図2に示されるように、本発明の第2の実施例に係る有機電界発光素子
200は、発光層40に隣接して配置された電子輸送領域50が励起子閉じ込め層51と
電子注入層52とから構成される図1の実施例とは異なり、励起子閉じ込め層53、電子
輸送層53、及び電子注入層52を含む電子輸送領域50を備える。
当該発光層40を基準にして、励起子閉じ込め層51、電子輸送層53、及び電子注入層
52が配置された構造を有する。必要に応じて電子輸送補助層(図示せず)をさらに含む
こともできる。
の時、励起子閉じ込め層51は、隣接する2つの層として発光層40のホスト材料及び電
子輸送層53材料のうちの少なくとも1つと0%超で重畳された状態密度DOSを有する
ことができる。このような状態密度DOS重畳率パラメータ及びその数値調節による効果
は、第1の実施例と同様に適用される。
使用することができる。例えば、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナ
ントロリン誘導体(例えば、BCP)、含窒素ヘテロ環誘導体などを含むことができる。
ーパントと共蒸着されたものを使用することもできる。なお、n型ドーパントとしては、
当該分野で公知のアルカリ金属錯化合物を制限なく使用することができ、例えば、アルカ
リ金属、アルカリ土類金属、又は希土類金属などが挙げられる。
キャスト法、LB法、インクジェット印刷法、レーザー印刷法、レーザー熱転写(LIT
I)法などで形成することができるが、これらに限定されない。
第1の実施例に係る有機電界発光素子100の説明をそのまま適用可能であるため、個別
説明は省略する。
陰極20が順次積層された構造を有するが、陽極10と有機物層A、A’との間、又は陰
極20と有機物層A、A’との間に、絶縁層又は接着層をさらに含むこともできる。この
ような本発明の有機電界発光素子は、電圧、電流、又はこれらをいずれも印加する場合、
最大発光効率を維持しながら、初期明るさの半減時間(Life time)が増加する
ため、優れた寿命特性が得られる。
、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。
本発明に係る化合物を以下のように準備し、これらの物性を、当業界で公知の常法でそ
れぞれ測定し、下記表1に示す。
三重項エネルギーT1などは、材料の薄膜や溶液の光学測定により決定することができる
が、量子計算法により決定することもできる。特に、状態密度DOSは、量子力学(Qu
antum Mechanics、「QM」)、分子動力学(Molecular Dy
namics、「MD」)計算により算出することもできる。
ネルギーS1、三重項エネルギーT1などを、シュレディンガーのプログラム(Schr
odinger software release 2019-3)を使用して計算し
、その計算方法は、下記の通りである。
tional Theory、「DFT」)のうち最も汎用的に使用されているB3LY
P(Becke、3-parameter、Lee-Yang-Parr)汎関数計算方
法を使用し、basis setとしては、TZV(triple zeta)を使用し
て分子構造の最適化を行った。
のHOMOエネルギーとLUMOエネルギーを計算し、また、S0/singlet(S
1)、及びS0/triple(T1)の最適化されたエネルギー差によって、一重項エ
ネルギーS1と三重項エネルギーT1のエネルギーをそれぞれ算出した。
後、これを量子計算によって、それぞれLUMOエネルギーを排除してDOSを求めた。
デポジションによる実験と類似した条件によって、ホスト材料と励起子閉じ込め層とのD
OS分布差を比較し、これらのDOS重畳率を百分率化した。
方法を用いて、分子の存在する特定の化学結合を切って所要のエネルギーを計算し、その
うちBDEが最も小さい値を選定した。
ため、密度汎関数理論であるB3lyp/tzv方法を用いて構造を最適化した後、それ
ぞれの値をQM/MDによって算出し、特に、電子移動度は、電子の移動を記述したマー
カス理論を利用した。全ての結果は、シュレディンガーのプログラムによって算出された
。
各化合物を常法で高純度昇華精製を行った後、下記の過程に従って青色有機電界発光素
子を製作した。
ィングされたガラス基板を、蒸留水で超音波洗浄を行った。蒸留水洗浄完了後、イソプロ
ピルアルコール、アセトン、メタノールなどの溶剤で超音波洗浄を行い、乾燥させた後、
UV OZONE洗浄機(Power sonic 405、ファシンテック社製)に移
送させた後、UVを用いて前記基板を5分間洗浄し、真空蒸着機に基板を移送した。
0nm)/NPB(15nm)/ADN+5%DS-405((株)斗山電子製、30n
m)/表2の各化合物(5nm)/Alq3(25nm)/LiF(1nm)/Al(2
00nm)の順に積層し、有機電界発光素子を製造した。
励起子閉じ込め層材料として使用された表1の各化合物の代わりに、化合物Aを使用し
た以外は、上述の実施例1と同様にして比較例1の青色有機電界発光素子を製作した。
実施例1乃至16及び比較例1においてそれぞれ製造された有機電界発光素子について
、電流密度10mA/cm2での駆動電圧、電流効率を測定し、その結果を表3に示す。
じ込め層を備える実施例1乃至16の有機電界発光素子は、励起子閉じ込め層を含まない
比較例1の青色有機電界発光素子に比べて、電流効率、駆動電圧の面で優れた性能を示す
ことが確認された。
各化合物を常法で高純度昇華精製を行った後、下記の過程に従って青色有機電界発光素
子を製作した。
ィングされたガラス基板を、蒸留水で超音波洗浄を行った。蒸留水洗浄完了後、イソプロ
ピルアルコール、アセトン、メタノールなどの溶剤で超音波洗浄を行い、乾燥させた後、
UV OZONE洗浄機(Power sonic 405、ファシンテック社製)に移
送させた後、UVを用いて前記基板を5分間洗浄し、真空蒸着機に基板を移送した。
0nm)/NPB(15nm)/ADN+5%DS-405((株)斗山電子製、30n
m)/表4の各化合物(30nm)/LiF(1nm)/Al(200nm)の順に積層
し、有機電界発光素子を製造した。
励起子閉じ込め層材料として使用された表1の各化合物の代わりに、化合物TPBiを
使用した以外は、上述の実施例17と同様にして比較例2の青色有機電界発光素子を製作
した。
実施例17乃至32及び比較例2においてそれぞれ製造された有機電界発光素子につい
て、電流密度10mA/cm2での駆動電圧、電流効率を測定し、その結果を表5に示す
。
える実施例17乃至32の有機電界発光素子は、既存の材料であるTPBiを電子輸送層
材料として使用した比較例2の青色有機電界発光素子に比べて、電流効率、駆動電圧の面
で優れた性能を示すことが確認された。
Claims (18)
- 陽極、正孔輸送領域、発光層、電子輸送領域、及び陰極が順次積層された構造を備え、
前記発光層は、ホストを含み、
前記電子輸送領域は、少なくとも2層を含み、
前記少なくとも2層のうち、前記発光層に接する1つの層は、励起子閉じ込め層であり
、前記励起子閉じ込め層のLUMO状態密度DOSLUMO ECLは、下記の(i)及び
(ii)のうちの少なくとも1つ以上の条件を満たす有機電界発光素子。
(i)前記ホストのLUMO状態密度DOSLUMO Hostと0%超で重畳された状態
密度DOSを有する励起子閉じ込め層のLUMO状態密度DOSLUMO ECL
(ii)前記電子輸送領域のうち、励起子閉じ込め層を除いた残りの層のLUMO状態密
度DOSLUMO ETと0%超で重畳された状態密度DOSを有する励起子閉じ込め層の
LUMO状態密度DOSLUMO ECL - 前記電子輸送領域は、
励起子閉じ込め層と、電子輸送層及び電子注入層のうちの少なくとも1つとを含む、請
求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記電子輸送領域は、当該発光層を基準にして、
励起子閉じ込め層、及び電子注入層が配置されるか、又は、
励起子閉じ込め層、電子輸送層、及び電子注入層が配置される構造を有する、請求項2
に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層の三重項エネルギーT1ECLは、1.5eV以上である、請求
項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層の一重項エネルギーS1ECLは、2.0eV以上である、請求項
1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層のHOMOの絶対値の大きさが、5.0eV以上である、請求項1
に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層のバンドギャップエネルギーの大きさは、2.0eV以上である
、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層は、基底状態の結合解離エネルギーBDEのうち最も低いエネル
ギーレベルが1.50eV以上である、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層のLUMOエネルギー準位と、前記ホストのLUMOエネルギー
準位との絶対値の差ΔLUMOは、2.0eV以下である、請求項1に記載の有機電界発
光素子。 - 前記励起子閉じ込め層のLUMOエネルギー準位と、前記励起子閉じ込め層と隣接した
他の電子輸送領域の層のLUMOエネルギー準位との絶対値の差ΔLUMOは、2.0e
V以下である、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層のHOMOエネルギー準位と、前記ホストのHOMOエネルギー
準位との絶対値の差ΔHOMOは、2.0eV以下である、請求項1に記載の有機電界発
光素子。 - 前記励起子閉じ込め層のHOMOエネルギー準位と、前記励起子閉じ込め層と隣接した
他の電子輸送領域の層のHOMOエネルギー準位との絶対値の差ΔHOMOは、2.0e
V以下である、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層の電子親和度EAは、0.5eV以上である、請求項1に記載の有
機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層は、400~470nmの青色波長領域で0.7以上の屈折率n
を有する、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層の双極子モーメントは、0を超過する、請求項1に記載の有機電
界発光素子。 - 前記励起子閉じ込め層は、少なくとも1×10-8cm2/Vs以上の電子移動度μを
有する、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記発光層は、ホストとドーパントとを含み、前記ホストとドーパントとの混合比率は
、70-99.5:0.5-30重量比である、請求項1に記載の有機電界発光素子。 - 前記有機電界発光素子は、少なくとも1つの発光層を含む複数の発光層スタックを備え
る、請求項1に記載の有機電界発光素子。
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