JP3403556B2 - ポリ(シアノテレフタリデン)の可溶性前駆体とその作成方法 - Google Patents
ポリ(シアノテレフタリデン)の可溶性前駆体とその作成方法Info
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Description
電子デバイスに使用する有機ポリマー材料に関し、さら
に詳しくはポリ(フェニレン・ビニレン)誘導体とその
新しい作成方法に関する。
マー発光デバイスは一般にシンプルで比較的製造が容易
でしかも安価である。また多様な色や広域デバイスが容
易に得られる。しかし、発光デバイスで使用される先行
技術のポリマーにおける1つの大きな問題は、それらの
ほとんどが比較的量子効率が低いことである。たとえ
ば、ポリ(フェニレン・ビニレン)(PPV)は、LE
D用途に対して最も研究されているポリマーの一つであ
り、n接点金属電極としてマグネシウムを用いた場合、
エレクトロルミネセンス(EL)の量子効率は約0.06%
である。そのため、問題は、ポリマーの蛍光効率を向上
させて、ポリマー発光デバイスが実際に役立つものにす
ることである。
ン・ビニレン)(PPV)におけるエレクトロルミネセ
ンスの最初の報告以来、各種のポリマーがエレクトロル
ミネセンスを呈することが示された。しかし、良好なエ
レクトロルミネセント効率を達成するためには、ほとん
どの場合、電子注入接点として、カルシウム,マグネシ
ウム,リチウムなどの仕事関数の低い金属を使用する必
要が認められている。仕事関数の低い金属は通常、空中
劣化を被りやすく、加工や封入が難しいので、加工がし
やすくて環境での安定性が極めて良好なアルミニウムな
どの仕事関数の高い金属を、電子注入接点として使用す
ることができれば、大きな利点となろう。
が、ポリ(シアノテレフタリデン)(CN−PPV)の
いくつかの可溶性誘導体、ジアルコキシCN−PPVか
ら作られる発光デバイスが、内部エレクトロルミネセン
ト量子効率4%を有すると報告した。さらに重要なこと
は、電子注入接点として、アルミニウムなど、より高い
仕事関数の金属を用いたLEDが、マグネシウム,カル
シウムなど仕事関数の低い金属を用いたものと同じくら
い、電子注入接点としての効率が良いことが認められ
た。ジアルコキシCN−PPVの高い電子親和力は、ア
ルミニウムからの電子の注入を可能にするものであり、
著しい向上が確信されている。
リマー発光デバイスを開発する上で重要な段階となって
はいるが、ピークが約710nmの先行技術のポリマー
の発光は、可視スペクトルでは人間の眼には感知しにく
い領域に入る。このため、先行技術のポリマーは表示目
的に役立てるのが難しい。
PPVを使用して部分的に解決できる。未ドープCN−
PPVは、電子親和力がさらに高い上に、表示用途にと
ってより望ましい低い発光波長を有する。
nzとその共同研究者による、ポリテトラフルオロエチレ
ン(テフロン)の熱的安定性を有するポリマー探索の中
で初めて開示された。CN−PPVは500℃まで熱的
に安定しており、不溶性および不融性を原因とする加工
上の利便性の欠如が、実際の用途の開発を妨げた。
(フェニレン・ビニレン)とその誘導体を作成する新し
い前駆体ルート(route )方法を提供することである。
に使用するCN−PPVに対して加工可能な新しいクラ
スの前駆体を提供することである。
するCN−PPVに対して加工可能な新しいクラスの前
駆体を作成する方法を提供することである。
入接点を有する発光デバイスに使用するCN−PPVに
対して加工可能な新しいクラスの前駆体を提供すること
である。
題、ならびに上記およびその他の目的は、PPV誘導体
の可溶性前駆体の作成、および可溶性前駆体のPPV前
駆体への転換を含む、PPV誘導体を作成する方法によ
って実質的に解決され、実現される。この転換には、減
圧下での約25℃から400℃の温度範囲にわたる熱処
理か、または酸触媒紫外線放射処理のいずれかの実行が
含まれる。
よびその他の目的はさらに、基板の平らな表面の上に第
1の導電形を有する第1導電層を形成する段階,PPV
誘導体の可溶性前駆体を作成する段階,第1導電層の上
で可溶性前駆体の層を支える段階,可溶性前駆体の層を
PPV誘導体に転換する段階,PPV誘導体材料層の上
に第2の導電形を有する第2導電層を配置し、第2導電
層がn接点として金属を含む段階を含む、有機発光デバ
イスの製造方法によって実質的に解決され、実現され
る。
よびその他の目的はさらに、第1の導電形を有する第1
導電層,第1導電層の上に配置される第1キャリヤ輸送
材料層,第1キャリヤ輸送材料層の上に発光層として配
置されるPPV誘導体材料層,およびPPV誘導体材料
層の上に第2の導電形を有する第2導電層で、第2導電
層はn接点として金属を含む第2導電層を含む、有機発
光デバイスにおいて実質的に解決され、実現される。
その誘導体は一般に、熱処理または放射処理によって、
スルホニウム塩前駆ポリマー(2)から合成される。前
駆ポリマー(2)は、arylene-p-bis (メチレン・ハロ
ゲン化スルホニウム)(1)を、水酸化ナトリウムなど
の塩基と、以下に示すような反応で(表示番号を含む)
重合することによって作成される。しかし、シアノ基の
強い電子求引性のために、CN−PPVは従来の前駆体
方法によっては得られない。
アルデヒド(3)と芳香族ジアセトニトリル(4)のク
ネーベナーゲル凝縮重合作用によって、一般に、以下に
示す(表示番号を含む)反応に従って作成される。
技術では、有機溶剤に必要な可溶性を達成するために、
長いアルコキシル基はCN−PPVの骨格鎖に組み込ま
れている。しかし、可溶性の利得と共に、上記アルコキ
シル基はまた、CN−PPVの電子構造を変化させ、具
体的にはバンド・ギャップ幅、CN−PPVのHOMO
およびLUMOエネルギー・レベルを変化させる。その
結果、ジアルコキシルCN−PPVの発光がCN−PP
Vに関して、人間の眼に感知しにくい深に赤色領域にシ
フトされる。CN−PPVの電子構造を阻害せずに必要
な加工性を得て、光の放射が表示目的で所望の領域に入
るようにすることは明らかに利点があろう。
トの使用であり、これには、加工可能な前駆ポリマーの
作成と、その後の前駆ポリマーから共役ポリマーへの転
換を伴う。前駆ポリマー・ルート方法の利点は、前駆ポ
リマーを、最終的に共役ポリマーに転換される前に、膜
やファイバなど所望の物理的形状に鋳造できることであ
る。そのため、実際の用途向けに加工できない以前の既
知のポリマーも利用できる。
PV誘導体を作成する新しい方法は、以下の2つの段階
によって構成される:1)前駆ポリマーの作成;2)前
駆ポリマーのPPV誘導体への転換。
キシレン誘導体(10)の低温での脱プロトン化;芳香
族ジアルデヒド(11)の添加による中間ポリマーの作
成;有機捕捉試薬を用いて中間ポリマー(12)を捕捉
して可溶性前駆ポリマー(13)を形成することを含
む。前駆ポリマーを作成する反応工程を下記のスキーム
Iに示す(表示番号を含む)。
などの電子求引基である。RXは有機捕捉試薬で、以下
に詳述する。R1 からR8 は、各位置の置き換えの可能
性を表し、それぞれ水素または炭化水素基、またはシア
ノ,ニトロ,ハロゲン,ハロアルキル,ハロアルコキ
シ,アルコキシル,アミド,アミノ,スルホニル,カル
ボニル,オキシカルボニルなどの官能基を表し、R1 と
R2 が一緒、R3 とR4 が一緒、R5 とR6 が一緒、R
7とR8 が一緒になって、縮合ベンゾ環を形成できる。
また、nは、1個のポリマー分子内の反復単位の平均数
である。
される塩基の選択は、個々のp−キシレン誘導体の酸性
度に左右される。概して、p−キシレン誘導体の酸性度
が弱いほど、必要な塩基の塩基度が強くなる。一例とし
て、p−キシレン誘導体を脱プロトン化するのに使用で
きる以下の塩基材料は、塩基度を昇順に並べたものであ
る:NaOH<ROK<CH3 SO2 CH2 Li<Na
NH2 <NaH<PhLi<CH3 Li。p−キシレン
の酸性度は、置換基が、フェニル環またはベンジル位の
いずれかに、ニトロ,シアノ,スルホネート,カルボキ
シル基など電子求引機能を有する場合は低下する。p−
キシレン誘導体の酸性度も、フェニル環内の1つまたは
複数の炭素原子を、窒素などより高い電子親和力を有す
る原子と置き換えることによって低下でき、その結果、
ピリジンまたはピラジン誘導体を生じる。
をもたらす中間材料の反応がほとんどなくなるように制
御される。一般に、重合温度は、約0℃以下が好まし
い。
ン酸,カルボン酸塩化物,アルキル・スルホニル・クロ
リド,カルボン酸エステル,またはキサントゲン酸エス
テルを含む。利用できる有機捕捉試薬の2,3の具体例
を挙げると、無水酢酸,トリフルオロ無水酢酸,酢酸塩
(acetic chloride ),メタンスルホニル・クロリド,
二硫化炭素/よう化メチルである。有機捕捉試薬の選択
は、結果として生じる前駆ポリマーの所望の溶解度、お
よび有機捕捉試薬(RX)と中間ポリマー(12)との
反応によって形成されるエステル脱離基が、前駆ポリマ
ーを完全共役PPV誘導体に転換する工程で排除しやす
いことによって決まる。
ホルムアミド,ジメチルスルホキシド,N−メチルピロ
リドン,ヘキサメチル燐酸トリアミドなど極性非プロト
ン溶媒に溶け、テトラヒドロフラン,ジメトキシエタ
ン,ジエチレン・グリコール・ジメチルエーテルなどの
エーテル非プロトン性溶媒にも一部溶ける。また、前駆
ポリマーは、1)水を入れたテトラヒドロフラン溶液、
2)水を入れたN−メチルピロリドン;3)メタノール
を入れたN−メチルピロリドンに、連続沈澱させること
によって精製され、ついで、大量のメタノール,エチル
・エーテルで洗浄される。
または酸触媒による紫外線放射処理によって実施され
る。この化学反応プロセスを下記のスキームIIに示
す。
のものでR1 からR8 ,P,RおよびnはスキームIと
同一である。
ー内のエステル脱離基に依存して、約25℃から400
℃の範囲をとり、エステル脱離基は、前駆ポリマーの作
成において有機捕捉試薬(RX)によって形成される。
好適な転換温度は約120℃から300℃である。転換
温度が120℃より低い場合には、前駆ポリマーは通
常、エステル脱離基の早期排除により室温では安定しな
い。他方、転換温度が300℃以上の場合には、エステ
ル脱離基は通常、転換の間に完全には排除されず、結果
として、部分的な共役誘導体を生じる。加えて、高温
(>300℃)のプロセスは、有機半導体デバイスの製
造を複雑化する。それは、関与する有機材料が通常、温
度許容度に限界があるためである。
は、CN−PPVなど、電子求引基を有するPPV誘導
体の作成に特に有用である。電子求引基を有するPPV
誘導体は通常、高い電子親和力を有し、そのため、有機
発光デバイスにおいて、電子注入材料および電子輸送材
料として使用するのに適している。一般に、新規の前駆
体ルートによって作成されるポリマーは、先行技術のス
ルホニウム前駆体ルートからは作成できない。たとえ、
一部のポリマーがクネーベナーゲル縮合重合作用によっ
て作成できても、加工しにくいポリマーしか得られな
い。
体ルートに従うことによって、有機溶剤に溶ける新しい
クラスのCN−PPVの前駆体が提供される。下記のス
キームIIIを参照して、CN−PPV前駆体の新しい
合成手法が、具体例を用いて説明される。等量のテレフ
タルアルデヒドとp−フェニレンジアセトニトリルは、
以下のように、縮合重合作用を受ける。
中に、t−ブトキサイド・カリウムなどの塩基材料が存
在する中で進行する;中間ポリマー(21)は、スキー
ムIIIでRXとして表示される有機捕捉試薬を多量に
添加することによって捕捉され、前駆ポリマー(22)
を提供する。CN−PPV前駆体合成のための塩基と捕
捉試薬の選択の原理は、スキームIで述べたことと同じ
である。捕捉試薬の例を2,3挙げると、無水酢酸,ト
リフルオロ無水酢酸,CS2 /CH3 Iなどがある。
ルアセトアミド,ジメチルスルホキシド,N−メチルピ
ロリディノンなどの極性非プロトン性溶媒に溶け、また
テトラヒドロフラン,ジメトキシエタン,ジエチレン・
グリコール・ジメチルエーテルなどのエーテルの非プロ
トン性溶媒に部分的に溶ける。前駆ポリマー(22)の
膜は、極性またはエーテルの非プロトン性溶媒溶液の1
つから、基板の上に回転コーティングされて、スキーム
IVに示すように、高温の真空状態でCN−PPVに転
換される。
する有機発光デバイスにおける、前述の実施例の前駆体
ルート方法に由来するCN−PPVの使用も含む。
ED)110は、簡略化された断面図である。一般にL
ED110は基板111を含み、基板はこの実施例で
は、比較的平らな上部表面を有するガラス板である。導
電層112は、基板111の平らな表面の上に蒸着され
て、比較的一様な電気接点を形成する。正孔輸送材料か
ら成る層113は、導電層112の表面上に蒸着され
る。本発明の前駆体方法によって得られるPPV誘電体
層114は、層113の表面上に蒸着される。ついで、
第2導電層115が、層114の上部表面の上に蒸着さ
れて、第2電気接点を形成する。
の前駆体の方法によって得られるPPV誘導体から構成
されるので、導電層115は比較的高い仕事関数の金属
で形成でき、この実施例ではアルミニウムである。なじ
みの薄い仕事関数の低いいくつかの金属よりも寧ろアル
ミニウムを使用できることは、デバイス製造プロセスを
大幅に単純化する。
3,112,および基板111または層114を通して
放射できると理解すべきであるが、本発明の実施例で
は、導電層112は、導電ポリアニリン(PANI)、
indium-tin-oxide(ITO)などの有機もしくは非有機
導体によって形成され、これらは、可視光線を実質的に
透過し、放射光が、図では基板111を通して下方に存
在するようにする。
ャル・ソース(potential source)117によって、層
112と115の間に電位が印加される。この実施例で
は、導電層112はP形接点であり、導電層115はN
形接点である。ポテンシャル・ソース117の負端子
は、導電層115と電気的に接続され、正端子は導電層
112と接続される。電子はN形接点から蛍光PPV誘
導体層114に注入され、P形接点から注入される正孔
は層113を通して、蛍光PPV誘導体層114へと輸
送され、ここで、電子と正孔が再結合した後、フォトン
が放射される。
的なものであることを理解されたい。しかしながら、有
機LED110が層113を省くことによって変更され
る場合には、デバイスは依然動作するが、動作効率は低
下する。
は、本発明の具体的実施例を表すことを意図したもので
あるが、その適用範囲を限定するものではない。
誘導体の以下の合成を使用すれば、(22)のすべての
カルボン酸エステル誘導体を作成できる。
40mmolのt−ブトキサイド・カリウム(Eastman
Kodak Company )溶液は、15分間アルゴンでパージ
(purge )され、一方、ドライ・アイス/シクロヘキサ
ノン浴で−30から−40℃に冷却される。この溶液に
は、アルゴンの下で25mLの乾燥テトラヒドロフラン
中の20mmolの1,4ーフェニレン・ジアセトニト
リル(Aldrich ChemicalCompany)の溶液が添加され
る。この反応混合物は暗褐色に変わる。反応混合物は半
時間−30から−40℃で撹拌された後、これに、アル
ゴン下で撹拌しながら、テトラヒドロフラン20mLの
中の20mmolのテレフタルアルデヒド(Fluka Chem
ical Company)の溶液がシリンジで添加される。結果の
混合物は、2時間にわたり−30から−40℃で重合さ
せる。最後に、8mLの無水酢酸(Fisher Scientific
company )がこの重合混合物に添加される。反応混合物
は一晩撹拌させておく。その間、反応温度は室温まで徐
々に上昇する。反応混合物は、400mLの脱イオン水
を入れたビーカーの中に注ぎ入れられる。ろ過によって
収集された黄色っぽい個体は、400mLの脱イオン水
と400mLの2ープロパノールによって連続的に洗浄
される。粗ポリマーはさらに、最少量のテトラヒドロフ
ラン(少量のN−メチル−2−ピロリドンをポリマーの
溶解を促進するために添加してもよい)の中に再度溶か
し、脱イオン水に再度沈澱させることによって精製され
る。ろ過によって収集された最終ポリマーは、メタノー
ル,エチル・エーテルで洗浄され、真空状態で乾燥され
て70から80%の収量を得る。
MRや紫外・可視分光法、元素分析データによって確認
される。 例2 前駆ポリマー(22)(R=CH3 SCS)のメチル・
キサントゲン酸塩誘導体の以下の合成を使用して、(2
2)のすべての他のキサントゲン酸エステル誘導体を作
成できる。
40mmolのt−ブトキサイドの溶液(Eastman Koda
k Comapany)は、15分間アルゴンでパージ(purge )
され、一方、ドライ・アイス/シクロヘキサノン浴で−
30から−40℃に冷却される。この溶液に、アルゴン
の下で25mLの乾燥テトラヒドロフラン中の20mm
olの1,4−フェニレン・ジアセトニトリル(Aldric
h Chemical Company)の溶液が添加される。反応混合物
は暗褐色に変わる。この反応混合物が半時間で−30か
ら−40℃で撹拌された後、アルゴン下で撹拌しなが
ら、シリンジを通して、20mLのテトラヒドロフラン
の中の20mmolのテレフタルアルデヒド(Fluka Ch
emical Company)の溶液が添加される。結果の混合物
は、2時間にわたり−30から−40℃で重合させ、そ
の後、50mmolの二硫化炭素(Aldrich Chemical C
ompany)が添加される。反応混合物は煉瓦色に変わり、
2時間にわたり室温で撹拌させておく。最後に、50m
molのよう化メチル(Aldrich Chemical Company)が
反応混合物に添加される。この反応は室温で一晩撹拌さ
れる。明るい褐色の溶液が得られる。反応混合物はつい
で、600mLの脱イオン水が入っているビーカーの中
に注ぎ入れられる。ろ過によって収集される黄色っぽい
オレンジ色の個体は、400mLの脱イオン水と400
mLの2ープロパノールによって連続して洗浄される。
粗ポリマーはさらに、微量のテトラヒドロフラン(少量
のN−メチル−2−ピロリドンを添加してポリマーの溶
解を促進してもよい)の中に再度溶かし、脱イオン水に
再度沈澱させることによって精製される。ろ過によって
収集される最終ポリマーは、メタノール,エチル・エー
テルで洗浄され、真空下で乾燥されて80%の収量を得
る。
13NMRや紫外・可視分光法、元素分析データによって
確認される。 例3 前駆ポリマー(22)(R=CH3 CO)のアセテート
誘導体をCN−PPVに転換する以下の条件は、前駆ポ
リマー(22)のほとんどのエステル誘導体の転換に対
応できる。
の膜は、Nーメチル−2−ピロリドン中の前駆体4%溶
液を1000rpmで40秒間、ついで、5000rp
mで2分間回転コーティングすることによって、厚さ約
900オングストロームとなる。
の真空オーブン内で加熱する。前駆ポリマーのアセテー
ト・エステルのCN−PPVへの完全な転換には、温度
が280℃から300℃、−10-5から10-6torr真空
で4時間を必要とする。この転換温度は、前駆ポリマー
(22)のキサントゲン酸エステル誘導体の場合には、
200℃以下に低下できる。
光法や元素分析によって確認される。前駆ポリマーのア
セテート・エステルを10-6torr真空下で300℃で熱
処理して得られるCN−PPVは、ホトルミネセンス・
スペクトルで約630nm近辺にピーク放射を有する。
ストーク・シフト(stork shift )は異常に大きく、約
0.8evである。 例4 有機ELデバイスは以下の方法で製造される。
ッド・ガラス基板は、商業洗剤により超音波洗浄され、
脱イオン水ですすがれ、2−プロパノールとアセトンで
脱脂され、ろ過した窒素をブローすることによって乾燥
される。
ム前駆ポリマーの膜の熱処理によって、300オングス
トロームのPPVの正孔輸送層が蒸着され、これは、メ
タノール溶液から回転コーティングによって得られる。
ングストロームのCN−PPV層は、前駆ポリマーのア
セテート・エステル膜の熱処理によって、PPV層の上
に蒸着され、これは、N−メチルピロリドン溶液から回
転コーティングによって得られる。
トロームのアルミニウムが蒸着されて、有機ELデバイ
スを完成する。
ニウム層とITO層の間にかけられたちょうど14Vの
順バイアスのところで、裸眼で見えるようになる。この
デバイスは、測定量子効率(電子当りのフォトン数)が
0.1%で、輝度は700cd/m2 である。 例5 有機ELデバイスは、例4の記載と同様の方法で構築さ
れるが、PPVの正孔輸送層が省かれる点が異なる。
ニウム層とITO層の間にかけられた16Vの順バイア
スのところで裸眼で見えるようになる。デバイスは測定
量子効率(電子当りのフォトン数)が0.06%で輝度
は600cd/m2 である。
とその誘導体を作成する新しい前駆体ルート方法が開示
される。さらに、新しい前駆体ルートは、発光デバイス
に使用するCN−PPVにとって新しいクラスの加工可
能な前駆体と、発光デバイスにおいて加工可能な新しい
クラスのCN−PPVの前駆体の新しい作成方法を提供
する。また、発光デバイスにおいてCN−PPVの新し
い加工可能な前駆体を利用することによって、比較的高
い仕事関数の金属が電子注入接点として利用でき、この
金属は、(空中劣化を通常被りやすく、加工・封入が難
しい仕事関数の低い)以前必要とされた金属に代わっ
て、容易に加工しやすく、周囲に対する安定性が大幅に
向上している。そのため、新しい前駆体ルート方法と、
発光デバイスにおけるCN−PPVに対する新しいクラ
スの加工可能前駆体は、製造を簡素化し、効率を向上さ
せる。
した断面図を示す。
Claims (2)
- 【請求項1】 以下の式を有するPPV誘導体の可溶性
前駆体を作成する段階; 【化1】 前記可溶性前駆体を以下の式を有するPPV誘導体に転
換する段階; 【化2】 によって構成されるPPV誘導体を作成する方法であっ
て、 pは水素、またはシアノ,ニトロ,フルオリドなどの電
子求引基であり、 R 1 からR 8 は、各位置の置き換えの可能性を表し、そ
れぞれ水素または炭化水素基、またはシアノ,ニトロ,
ハロゲン,ハロアルキル,ハロアルコキシ,アルコキシ
ル,アミド,アミノ,スルホニル,カルボニル,オキシ
カルボニルなどの官能基を表し、 R 1 とR 2 が一緒、R 3 とR 4 が一緒、R 5 とR 6 が一
緒、R 7 とR 8 が一緒になって、縮合ベンゾ環を形成で
き、 nは、1個のポリマー分子内の反復単位の平均数であ
る、方法。 - 【請求項2】 実質的に平らな表面を有する基板(11
1)を設ける段階; 前記基板の前記平らな表面の上に第1導電形を有する第
1導電層(112)を形成する段階; および以下の式を有するPPV誘導体の可溶性前駆体を
作成する段階; 【化3】 前記第1導電層の上に、前記可溶性前駆体の層(11
4)を支持する段階; 前記可溶性前駆体層を以下の式を有するPPV誘導体に
転換する段階; 【化4】 および前記PPV誘導体材料層の上に第2導電形を有す
る第2導電層(115)を配置する段階; によって構成される有機発光デバイスを製造する方法で
あって、 pは水素、またはシアノ,ニトロ,フルオリドなどの電
子求引基であり、 R 1 からR 8 は、各位置の置き換えの可能性を表し、そ
れぞれ水素または炭化水素基、またはシアノ,ニトロ,
ハロゲン,ハロアルキル,ハロアルコキシ,アルコキシ
ル,アミド,アミノ,スルホニル,カルボニル,オキシ
カルボニルなど の官能基を表し、 R 1 とR 2 が一緒、R 3 とR 4 が一緒、R 5 とR 6 が一
緒、R 7 とR 8 が一緒になって、縮合ベンゾ環を形成で
き、 nは、1個のポリマー分子内の反復単位の平均数であ
る、方法。
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