JP3998026B2

JP3998026B2 - 発光材料及び有機薄膜ｅｌ素子

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Publication number: JP3998026B2
Application number: JP2005350282A
Authority: JP
Inventors: 祐一榊; 祐一伊藤
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: JP2006137956A

Description

本発明は発光材料に係わり、有機薄膜ＥＬ素子などに代表される表示素子の発光材料、紫外線励起による蛍光材料などに適用可能な有機発光材料及び有機薄膜ＥＬ素子に関する。

有機薄膜ＥＬ素子は、エレクトロルミネッセンス（以下ＥＬという）現象を利用した有機材料が発光源となる発光素子であり、次世代の自発光型平面表示素子や平面光源として期待されている。この有機ＥＬ素子の研究は１９６０年代のアントラセンの単結晶を用いた素子を起源とし、多種多様な有機薄膜を利用した研究を経た後、イーストマン・コダック社のＣ．Ｗ．Ｔａｎｇらによる画期的な積層型素子が報告（特開昭５９−１９４３９３号公報、特開昭６３−２６４６９２号公報、特開昭６３−２９５６９５号公報、アプライド・フィジックス・レター第５１巻第１２号第９１３頁（１９８７年）、およびジャーナル・オブ・アプライドフィジックス第６５巻第９号第３６１０頁（１９８９年）等に開示されている）されるに至って、活発な研究開発活動が展開されてきている。

前述したＣ．Ｗ．Ｔａｎｇらが作製した有機薄膜ＥＬ素子は、透明な基板上に陽極、有機正孔注入輸送層、有機発光層、及び陰極を積層させた素子構成となっている。素子の作製方法としては、ガラスや樹脂フィルム等の透明な絶縁性の基板上に、インジウムとスズの複合酸化物（以下、ＩＴＯという）からなる透明導電膜を陽極として蒸着法またはスパッタリング法等により形成し、この上に銅フタロシアニンやテトラアリールジアミン化合物等に代表される有機正孔注入輸送材料の単層膜または多層膜を、有機正孔注入輸送層として１００ｎｍ程度以下の厚さで蒸着法により形成する。次に、トリス（８−キノリノール）アルミニウム（以下Ａｌｑという）等の有機蛍光体材料を、有機発光層として１００ｎｍ程度以下の厚さで蒸着法により形成する。この有機発光層上に、アルミニウム：リチウム（Ａｌ：Ｌｉ）、マグネシウム：銀（Ｍｇ：Ａｇ）等の合金を、共蒸着法により厚さ２００ｎｍ程度の陰極として形成することにより有機薄膜ＥＬ素子が作製される。

以上のようにして作製される有機薄膜ＥＬ素子においては、電極間に直流低電圧を印加することにより、陽極からプラスの電荷（正孔）が、陰極からはマイナスの電荷（電子）が有機発光層に注入される。注入された正孔と電子は印加された電場により有機薄膜中を移動し、ある確率で薄膜中で再結合する。この際に放出されたエネルギーが有機蛍光体を励起させる。形成された励起子は、その有機蛍光体が有する発光量子収率の割合だけ外部に光を放出して基底状態に戻る。この有機蛍光体の励起子から発する蛍光を利用した素子が有機薄膜ＥＬ素子である。なお、この素子に印可する直流低電圧は、通常、１０〜３０Ｖ程度であり、陰極にＭｇ：Ａｇ合金を用いたＥＬ素子では、１００００ｃｄ／ｍ^２以上の輝度が得られている。

しかしながら、上述の有機薄膜ＥＬ素子に利用されている発光材料の大半は、発光色が緑または黄色であり、フルカラー表示に必要な青色および赤色発光材料を用いたＥＬ素子の報告例は限られている。

有機材料を利用した青色発光のＥＬ素子は、Ｗ．Ｈｅｌｆｒｉｃｈらのアントラセン結晶を用いた素子に始まり（フィジカル・レビュー・レター第１４巻２２９頁（１９６５））、近年では、発光材料としてテトラフェニルブタジエンを用いた１００ｃｄ／ｍ^２以上の輝度を示す素子の報告（特開昭５９−１９４３９３号公報）や、ジスチリルベンゼン誘導体を発光材料として用いた輝度８００ｃｄ／ｍ^２以上の青緑色の発光を示す素子が報告されている（特公平７−１１９４０７号公報）。また、発光材料としてアクリドン系化合物を用いた素子からは、２５００ｃｄ／ｍ^２以上の青色発光が報告されている（特開平８−６７８７３号公報）。

このような青色の発光材料は、緑や黄色の発光材料に比べ報告例が少なく、材料の研究開発も遅れているといえる。

以上のように、有機薄膜ＥＬ素子において青色発光材料として用いられてきた材料は報告例も少なく、求められている特性を必ずしも満足させているわけではない。現在、優れた青色発光効率を有した耐久性の高い発光材料の開発が期待されている。

アントラセンは、それ自身が青色の蛍光を発するために青色発光材料として期待できる。しかし、アントラセンは結晶化をおこしやすく、薄膜として表示素子に利用することは困難である。このために、アントラセン環に置換基を導入して結晶化を抑制する必要がある。導入する置換基を選択することで、熱的安定性や薄膜とした際の経時安定性を向上させた青色の蛍光を発するアントラセン誘導体が期待できる。さらには、電荷輸送性を有する置換基を導入することで、電荷輸送性を兼ねた発光材料、または電荷輸送材料としても期待できる。置換基を導入することで、アントラセン誘導体単独の膜を発光層として用いることも可能となり、さらには、他の青色発光材料のホスト材料としても期待できる。

本発明の目的は、様々な置換基をアントラセン環に導入することで結晶化を抑制し、単独の薄膜としても発光層に用いることができ、他の青色発光材料のホスト材料としても用いることが可能な、優れた耐熱性、経時安定性を有するアモルファス性の青色発光材料を提供することにある。
また、この発光材料を用いた有機薄膜ＥＬ素子を提供することである。

本発明は、アントラセン環を基本骨格とする誘導体であり、下記一般式（１）に示されることを特徴とする発光材料を提供するものである。

（式中、Ｒ_１〜Ｒ_８は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基を示す。Ｒ_９およびＲ_１０は、アルキル基およびアルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいナフチル基、アントリル基、フェナントリル基、ビフェニル基、ターフェニル基を表す。）

本発明は、アントラセン環を基本骨格とする、下記一般式（２）に示されることを特徴とする発光材料を提供するものである。

（式中、Ｒ_１〜Ｒ_８は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基を示す。Ｒ_９〜Ｒ_１２は、アルキル基およびアルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基、ビフェニル基、ターフェニル基を表す。）

本発明は、アントラセン環を基本骨格とする発光材料において、下記一般式（３）に示されることを特徴とする発光材料を提供するものである。

（式中、Ｒ_１〜Ｒ_８は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基を示す。Ｒ_９は、オキサゾール環、オキサジアゾール環、チオフェン環に代表される複素環化合物を表す。Ｒ_１０は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基を表す。）

本発明は、前記一般式（３）に記したアントラセン環を基本骨格とする発光材料において、下記一般式（４）に示されることを特徴とする発光材料を提供するものである。

（式中、Ｒ_１〜Ｒ_８は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基を示す。Ｒ_９およびＲ_１０は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基を表す。

以上示したように、本発明によると、様々な置換基を導入したアントラセン環を基本骨格とする材料を用いた発光部位を構成することにより、高い耐熱性、高い経時安定性を有する結晶化しにくいアモルファス性の薄膜を得ることができる。これにより、熱安定性および耐久性の高い発光素子が期待できる。

本発明の青色発光材料は、アントラキノン誘導体とハロゲン化アリール化合物を反応させ、これを脱水環化させることにより得られたものである。例えば、アントラキノン誘導体とハロゲン化アリール化合物をジエチルエーテル溶媒中においてブチルリチウムを用いて反応させ、得られた化合物を酸性条件下でヨウ化カリウム、ホスフィン酸ナトリウムを用いて脱水環化させることにより合成することができる。

本発明のアントラセン環を基本骨格とする青色発光材料は、アントラセン環自身が青色蛍光を発することから青色の蛍光が期待でき、導入する置換基によって発光効率を高くすることも可能となる。また、置換基を導入することで、薄膜として利用する際の熱的安定性や経時安定性を向上させることもできる。さらには、電荷輸送性を有する置換基を導入することで、電荷輸送材料としての機能を同時に担う材料を得ることも可能である。

上記一般式（１）から（４）で示される本発明の青色発光材料において、Ｒ_１〜Ｒ_８は水素原子を始め、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ターシャリーブチル基、シクロヘキシル基、トリフルオロメチル基などに代表されるアルキル基（ここで飽和環状炭化水素基もアルキル基に含む）、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、ターシャリーブトキシ基に代表されるアルコキシ基などの具体例を挙げることができる。Ｒ_１〜Ｒ_８は互いに同一でも異なっていても良い。

上記一般式（１）で示される本発明の青色発光材料において、Ｒ_９〜Ｒ_１０は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいナフチル基、アントリル基、フェナントリル基、ビフェニル基、ターフェニル基が挙げられる。

上記一般式（２）で示される本発明の青色発光材料において、Ｒ_９〜Ｒ_１２は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基、ビフェニル基、ターフェニル基が挙げられる。

上記一般式（３）で示される本発明の青色発光材料において、Ｒ_９は、ヘテロ原子を少なくとも一つ以上含む複素環式化合物を示す。前記複素環式化合物の代表例としては、チオフェン環、オキサゾール環、オキサジアゾール環などが挙げられる。Ｒ_１０は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基などが挙げられる。

上記一般式（４）で示される本発明の青色発光材料において、Ｒ_９〜Ｒ_１０は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基を示す。一般式（１）、（２）、（３）および（４）で表される発光材料の具体例として、次に示すものを挙げることができる。

以上示した本発明の青色発光材料は、他の電荷輸送材料や発光材料等と混合して用いることも可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）窒素雰囲気中で、２−ブロモビフェニル８．１６ｇをジエチルエーテルに加え、これを氷冷しながらｎ−ブチルリチウム２５ｍｌ（１．６０ｍｏｌ／ｌ）を滴下した。滴下後１時間撹拌した後、２−ターシャリーブチルアントラキノン３．２０ｇを加えたジエチルエーテル溶液を滴下し２時間撹拌した。反応終了、反応溶液に純水を投入し、有機層を抽出して得られた生成物を、良溶媒にトルエン、貧溶媒にヘキサンを用いた再結晶を行い精製した。次に、精製した化合物に酢酸を加え、これにヨウ化カリウム、ホスフィン酸ナトリウムを順次加え、１時間撹拌還流させた。得られた生成物はトルエン／ヘキサンを用いた再結晶を行い精製することにより、下記化学式に示す、白色粉末状のアントラセン誘導体を得た。

上記のようにして得られたアントラセン誘導体の質量分析測定（日本電子（株）社製ＪＭＮＳＸ１０２を使用）を行い、目的化合物の分子イオンに相当するｍ／ｚ５３８のイオンピークが検出されたことから、アントラセン誘導体（化７）の生成を確認した。図１にアントラセン誘導体のＩＲスペクトル（島津製作所（株）社製ＦＴＩＲ−８１００Ｍを使用、ＫＢｒ錠剤法）を示す。

このアントラセン誘導体について、セイコー電子工業社製のＤＳＣ２２０Ｃを用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件下でガラス転移点（Ｔｇ）を測定した結果、７４℃であることが分かった。このアントラセン誘導体（化７）は、結晶化ピークが見られなかったことから、高い経時安定性を示すアモルファス性の薄膜が期待できる。このアントラセン誘導体からなる蒸着膜を石英ガラス上に形成し、表面分析装置（理研計器（株）社製ＡＣ−１を使用）を用いてイオン化ポテンシャルを測定した結果、５．９７ｅＶであることが分かった。

上記と同様な薄膜を用いアントラセン誘導体の蛍光（ＰＬ）スペクトル測定（島津製作所（株）社製ＲＦ５０００を使用）を行った結果、このアントラセン誘導体は、４２３および４４４ｎｍにピークを有する青色の蛍光を発する材料であることを確認した。

（実施例２）窒素雰囲気中で、９−ブロモフェナントレン１０．３ｇをジエチルエーテルに加え、これを氷冷しながらｎ−ブチルリチウム２８ｍｌを滴下した。滴下後１時間撹拌した後、２−ターシャリーブチルアントラキノン４．００ｇを加えたジエチルエーテル溶液を滴下し、２時間撹拌した。反応終了、反応溶液に純水を投入し、有機層を抽出して得られた生成物をトルエン、貧溶媒にヘキサンを用いた再結晶で精製した。

精製した化合物に酢酸を加え、次にヨウ化カリウム、ホスフィン酸ナトリウムを加え、１時間撹拌還流させた。得られた生成物はトルエンを用いた再結晶を行って精製することにより、下記化学式に示す、白色粉末状のアントラセン誘導体を得た。

上記のようにして得られたアントラセン誘導体の質量分析測定を行い、目的化合物の分子イオンに相当するｍ／ｚ５８６のイオンピークが検出されたことから、アントラセン誘導体の生成を確認した。図２にアントラセン誘導体のＩＲスペクトル（ＫＢｒ錠剤法）を示す。

このアントラセン誘導体を、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件下でガラス転移点（Ｔｇ）を測定した結果、１９０℃であることが分かった。実施例１のアントラセン誘導体と比較した結果、導入する置換基によって、Ｔｇが大きく変化することが確認できた。

このアントラセン誘導体からなる蒸着膜を石英ガラス上に形成し、表面分析装置を用いてイオン化ポテンシャルを測定した結果、５．９０ｅＶであることが分かった。

上記と同様な薄膜を用いアントラセン誘導体の蛍光（ＰＬ）スペクトル測定を行った結果、このアントラセン誘導体は４４３ｎｍにピークを有する青色の蛍光を発する材料であることが分かった。

（実施例３）窒素雰囲気中で、５’−ブロモ−１，１’：３’，１”−ターフェニル７．５３ｇをジエチルエーテルに加え、これを氷冷しながらｎ−ブチルリチウム１８ｍｌを滴下した。滴下後１時間撹拌した後、２−ターシャリーブチルアントラキノン２．１１ｇを加えたジエチルエーテル溶液を滴下し、２時間撹拌した。反応終了、反応溶液に純水を投入し、有機層を抽出して得られた生成物を、良溶媒にトルエン、貧溶媒にヘキサンを用いて再結晶精製した。

精製した化合物に酢酸を加え、次にヨウ化カリウム、ホスフィン酸ナトリウムを加え、１時間撹拌還流させた。得られた生成物はトルエン／ヘキサンを用いた再結晶を行い精製することにより、下記化学式に示す、白色粉末状のアントラセン誘導体を得た。

上述のようにして得られたアントラセン誘導体の質量分析測定を行い、目的化合物の分子イオンに相当するｍ／ｚ６９０のイオンピークが検出されたことから、アントラセン誘導体の生成を確認した。図３にアントラセン誘導体（化９）のＮＭＲスペクトルを示す。

このアントラセン誘導体について、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件下でガラス転移点（Ｔｇ）を測定した結果、１３０℃であることが分かった。このアントラセン誘導体は、結晶化ピークが見られなかったことから、高い経時安定性を示すアモルファス性の薄膜が期待できる。

このアントラセン誘導体からなる蒸着膜を石英ガラス上に形成し、表面分析装置を用いてイオン化ポテンシャルを測定した結果、５．８３ｅＶであることが分かった。

上記と同様な薄膜を用いアントラセン誘導体の蛍光（ＰＬ）スペクトル測定を行った結果、このアントラセン誘導体は、４５３ｎｍにピークを有する青色の蛍光を発する材料であることが分かった。

（実施例４）窒素雰囲気中で、２−（３−ブロモフェニル）−５−（２−ナフチル）−１，３，４−オキサジアゾール９．８３ｇをＴＨＦに加え、これにｎ−ブチルリチウム２２ｍｌを滴下した。滴下後１時間撹拌した後、２−ターシャリーブチルアントラキノン２．６５ｇを滴下し、２時間撹拌した。得られた生成物を良溶媒にトルエン、貧溶媒にヘキサンを用いた再結晶で精製した。

上述のようにして得られたアントラセン誘導体の質量分析測定を行い、目的化合物の分子イオンに相当するｍ／ｚ７７４のイオンピークが検出されたことから、アントラセン誘導体の生成を確認した。図４にアントラセン誘導体のＮＭＲスペクトルを示す。

このアントラセン誘導体について、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件下でガラス転移点（Ｔｇ）を測定した結果、１４７℃であることが分かった。このアントラセン誘導体は、結晶化ピークが見られなかったことから、高い経時安定性を示すアモルファス性の薄膜が期待できる。

このアントラセン誘導体からなる蒸着膜を石英ガラス上に形成し、表面分析装置を用いてイオン化ポテンシャルを測定した結果、５．８８ｅＶであることが分かった。

上記と同様な薄膜を用いアントラセン誘導体の蛍光（ＰＬ）スペクトル測定を行った結果、このアントラセン誘導体は、４４５ｎｍにピークを有する青色の蛍光を発する材料であることが分かった。

上記実施例のアントラセン環を基本骨格とする青色発光材料は、置換基を導入することで、ガラス転移点および結晶性を変化させることができ、熱安定性に優れ、結晶化しにくい経時安定性の良好な薄膜を得ることができる。

本発明の実施例１に係わる発光材料のＩＲスペクトルを示す説明図。本発明の実施例２に係わる発光材料のＩＲスペクトルを示す説明図。本発明の実施例３に係わる発光材料のＮＭＲスペクトルを示す説明図。本発明の実施例４に係わる発光材料のＮＭＲスペクトルを示す説明図。

Claims

アントラセン環を基本骨格とする、下記一般式（３）に示されることを特徴とする発光材料。

（式中、Ｒ_１〜Ｒ_８の一つ以上が、アルキル基、アルコキシ基を示す。Ｒ_９は、オキサゾール環、チオフェン環に代表される複素環化合物を表す。Ｒ_１０は、アルキル基、アルコキシ基から選ばれる置換基を有していてもよいフェニル基、ナフチル基、ビフェニル基を表す。）
陽極と、有機発光層と、陰極とを備えた有機薄膜ＥＬ素子において、有機発光層は発光材料として請求項１記載の発光材料を含むことを特徴とする有機薄膜ＥＬ素子。