JP4004635B2

JP4004635B2 - 有機エレクトロルミネッセント素子

Info

Publication number: JP4004635B2
Application number: JP11784198A
Authority: JP
Inventors: 淳二城戸
Original assignee: Chemipro Kasei Kaisha Ltd
Current assignee: Chemipro Kasei Kaisha Ltd
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1998-04-13
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2018-04-13
Also published as: JPH11292829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なアリールアミン含有ビニルモノマーの重合物を用いた平面光源や表示素子に利用可能な有機エレクトロルミネッセント素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光層が有機薄膜から構成される有機ＥＬ素子は低電圧駆動の大面積表示素子を実現するものとして注目されている。素子の高効率化にはキャリア輸送性の異なる有機層を積層する素子構造が有効であり、正孔輸送層に低分子芳香族アミン、電子輸送性発光層にアルミキレート錯体を用いた素子が報告されている〔Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５１，ｐ．９１３（１９８７）〕。この素子では１０Ｖ以下の印加電圧で１０００ｃｄ／ｍ²の実用化に十分な高輝度を得ている。
【０００３】
しかし、従来検討されてきた低分子芳香族アミンの正孔輸送層では材料のガラス転移温度が６０℃〜１００℃程度と低く、再結晶化や凝集による素子構造の破壊や、高い環境温度での保存における素子劣化が問題になっている。そのため、初期特性がよい素子でも長時間の使用には向かず、駆動素子寿命が数千時間程度と既存の無機系の発光素子たとえば発光ダイオードに比べると短いという欠点を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、従来のこのような問題点を解決するため、発光効率、発光輝度ならびに安定性に優れた有機エレクトロルミネッセント素子を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明者は、結晶化や凝集を起こしにくく膜安定性の高い高分子材料に着目し、正孔輸送性のアリールアミン誘導体を高分子化することを検討した。そして、これらの高分子材料が低分子モデル化合物よりはるかに高いガラス転移温度（１４０℃以上）を示し、膜の安定性が優れているうえ、正孔輸送層として良好に機能し、高い発光効率、発光輝度を示すとともに素子の安定性の向上に大いに有効であることを見いだし本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、一般式（１）
【化２】

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^１８は、水素原子、アルキル基、アミノ基、アルコキシ基および置換基を有してもよいアリール基よりなる群からそれぞれ独立して選ばれた基を示し、Ａｒ^１とＡｒ^２は置換基を有してもよいアリール基よりなる群からそれぞれ独立して選ばれた基を示し、前記いずれの置換基も、フェニル基、ジメチルアミノフェニル基、ジフェニルアミノフェニル基よりなる群からそれぞれ独立して選ばれた基である。）
で示される繰り返し単位を含有する数平均分子量１，０００〜１，０００，０００のアリールアミン含有ビニルポリマーを用いたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセント素子に関する。
【０００７】
前記Ｒ^１〜Ｒ^１８における前記アルキル基またはアルコキシ基としては、炭素数１〜２０の直鎖状または分岐状のものを挙げることができ、とくに炭素数１〜３のものが好ましい。また、アリール基としては、フェニル基、ナフタレン基、ビフェニール基などを挙げることができる。
【０００８】
前記、アリール基の置換基としては正孔特性を阻害しない基であればよく、例えばフェニル基、ジメチルアミノフェニル基、ジフェニルアミノフェニル基などを挙げることができる。
【０００９】
前記Ａｒ^１〜Ａｒ^２におけるアリール基としては、フェニル基、ナフタレン基、ビフェニール基などを挙げることができる。
【００１０】
前記、アリール基の置換基としては正孔特性を阻害しない基であればよく、例えばフェニル基、ジメチルアミノフェニル基、ジフェニルアミノフェニル基などを挙げることができる。
【００１１】
本発明のアリールアミン含有ビニルポリマーを形成するためのアリールアミン含有ビニルモノマーは例えばつぎのようにして合成することができる。
【００１２】
【化３】

【００１３】
本発明の高分子化合物を得るための重合または共重合はたとえばラジカル重合触媒の存在下、塊重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など任意の重合方法を採用することができる。
【００１４】
前記アリールアミン含有ビニルモノマーには、任意のビニルモノマーを共重合させることができるが、本発明の有機エレクトロルミネッセント素子に有用なアリールアミン含有ビニルポリマーを得るためには、一般式
【化４】

（式中、Ｒ^１９は水素またはメチル基であり、Ｒ^２０は水素、メチル基、フェニル基、カルボキシレート基、カルバゾール基よりなる群から選ばれた基である。）
で示されるモノマーを使用することができる。この代表的モノマーとしては、エチレン、プロピレン、スチレン、アクリル酸、メタクリル酸、メチルアリクレート、メチルメタクリレート、Ｎ−ビニルカルバゾールなどを挙げることができる。
【００１５】
また、本発明の有機エレクトロルミネッセント素子を製造するのに適したポリマーを得るためには、アリールアミン含有ビニル単量体が主成分となることが好ましい。そのためには前記一般式（２）のモノマーは全モノマー中５０重量％、とくに３０重量％を下まわる量で使用することが好ましい。
【００１６】
本発明の有機エレクトロルミネッセント素子は、前記高分子材料からなる有機層を備えていれば、素子構造は特に限定されず、有機層一層からなる単層型でも二層以上の多層型であってもよい。要するに前記高分子材料を備えた種々の素子構造に適用することができる。
【００１７】
本発明で用いられる高分子は平均分子量が１，０００〜１，０００，０００、とくに３，０００〜１００，０００のものが好ましい。また、この高分子層を含む素子を構成する各層の膜厚については、本発明においては特に限定されない。高分子層は高分子を適当な溶媒に溶解した溶液からの塗布法のほかにもインクジェット法、ラングミュア−ブロジェット法によっても形成される。他の有機層に関しては真空蒸着法などの気相成長法や溶液塗布法によって形成することができる。
【００１８】
〔作用〕
有機エレクトロルミネッセント素子では大きな仕事関数を有する陽極すなわち正孔注入電極から正孔が有機層へ注入され、小さな仕事関数を有する陰極電極から電子が有機層へ注入される。正孔輸送層と電子輸送性発光層からなる二層型素子の場合、注入された正孔は正孔輸送層を通り発光層との界面付近において、発光層に注入されてきた電子と再結合し発光層中で励起子を生ずる。この結果、発光層より発光が生じる。このとき、高い発光効率、輝度を得るには、各層の電荷の輸送特性の向上ばかりでなく電極からの電荷の注入効率を上げることが重要である。また、通電によるジュール熱による有機層の再結晶化、凝集の促進、すなわち素子劣化を防ぐためにもガラス転移点の高い材料を選択する必要がある。
【００１９】
本発明においては、正孔輸送層に高い正孔輸送特性を有する高分子を用いることにより、電極との密着性を高め電荷の注入特性を上げる。また、アミノ結合を有し、高いガラス転移点を有する高分子を使用するため、結晶化や凝集による素子劣化が抑制され、良好な特性を有する有機エレクトロルミネッセント素子を得ることができる。
【００２０】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は、これにより何等限定されるものではない。
【００２１】
実施例１（テトラフェニルジアミン含有ビニルポリマーの合成）
合成は下記の反応式によった。
【化５】

【００２２】
［ジフェニルのテトラフェニルジアミンの合成（ＴＰＤＤ）］
ジフェニルベンジジン１４．７ｇ（４３ｍｍｏｌ）、ヨードベンゼン３２．１ｇ（１６０ｍｍｏｌ）、活性銅８．８２ｇ（１４０ｍｍｏｌ）、水酸化ナトリウム４．３ｇ（１１ｍｍｏｌ）を加え、２３０℃で２４時間反応させた。反応後テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で希釈し濾過することにより銅と水酸化ナトリウムを除去した。濾液を回収しエバポレーターで濃縮することにより赤黒い固体を回収した。これにアセトン３００ｍｌを加えて撹拌洗浄を行い沈殿物を吸引濾過により回収するとクリーム色の粗結晶が得られた。これは溶媒への溶解性が悪く、カラム精製が困難であるためにさらにアセトンで洗浄を行った。収率：７６．９４％（１８．８ｇ）
【００２３】
構造確認のためにこれを少量昇華精製した。構造確認はＩＲスペクトル、¹Ｈ−ＮＭＲスペクトルと元素分析により行い、それぞれのスペクトルを図１および図２に示した。元素分析値も下記のように理論値と分析値がよく一致した。
融点：２３５．６〜２３６．９℃
ＦＴ−ＩＲ（ＫＢｒ）：１２６０ｃｍ^-1〔（Ａｒ）₃Ｎ〕
¹Ｈ−ＮＭＲ（２７０ＭＨｚ，ＤＭＳＯ，ＴＭＳ）：δ（ｐｐｍ）＝７．０〜７．８（ｍ，１４Ｈ，Ａｒ）
元素分析値（Ｃ₃₆Ｈ₂₈Ｎ₂）：理論値Ｃ８８．４９％、Ｈ５．７３％、Ｎ５．７８％、分析値Ｃ８８．７４％、Ｈ５．７８％、Ｎ５．８８％
【００２４】
［ジフェニルのテトラフェニルジアミンのアルデヒド化（ＴＰＤＡ）］
前記反応により得られたジフェニルのテトラフェニルジアミン（ＴＰＤＤ）７．２ｇ（０．０１４ｍｏｌ）を５０℃のジクロロエタン３００ｍｌに溶かし、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）３０ｍｌ中に塩化ホスホニル５．４ｇ（０．０３５ｍｏｌ）を加えた溶液を滴下した。滴下後、反応は水浴中で１時間行い、そこから反応温度を４０〜４５℃に設定して一昼夜行った。反応終了後、分液した後、油層を抽出し粘体を得た。得たものは、黒色のタール物質であった。得られたタール物質をクロロホルム：ヘキサン＝２：１の混合液を用いてカラム精製をしたところ黄色の粗結晶を得た。収率：３８．０％
【００２５】
少量を昇華精製し、構造確認を行った。構造確認はＩＲスペクトル、¹Ｈ−ＮＭＲスペクトルと元素分析により行い、それぞれのスペクトルを図３、図４に示した。元素分析値も下記のように理論値と分析値がよく一致した。
融点：９５．９〜９７．２℃
元素分析値（Ｃ₃₇Ｈ₂₈Ｎ₂Ｏ₁）：理論値Ｃ８６．０２％、Ｈ５．４６％、Ｎ５．４２％、分析値Ｃ８６．００％、Ｈ５．５４％、Ｎ５．４１％
【００２６】
［ジフェニルのテトラフェニルジアミンのビニル化（ＴＰＤＶ）］
前記反応により得られたジフェニルテトラフェニルジアミンのアルデヒド誘導体（ＴＰＤＡ）５．７５ｇ（２１ｍｍｏｌ）をベンゼン５０ｍｌに溶かし、ＴＰＤＡ溶液とする。トリフェニルホスフィンブロマイド７．３３ｇ（２１ｍｍｏｌ）をベンゼン５０ｍｌとＴＨＦ１０ｍｌの混合溶液に加え、懸濁溶液とし、これにブチルリウム−ヘキサン溶液（１．６３ｍｏｌ／ｌ）１４ｍｌを滴下して、ホスホランを作りその溶液をＴＰＤＡ溶液に滴下した。反応温度を室温にして、３時間撹拌して反応を行った。反応終了後、ジエチルエーテルで希釈し、塩酸水溶液で洗浄後、有機層を回収した。エバポレーターで濃縮することにより黄色い粘体を得た。この粘体をトルエン：ヘキサン＝１：３の混合液を用いてカラム精製をしたところ目的物の白い粗結晶をえた。収率：３９．０％（２．２３ｇ）
【００２７】
構造確認はＩＲスペクトル、¹Ｈ−ＮＭＲスペクトルと元素分析により行い、それぞれのスペクトルを図５、図６に示した。元素分析値も下記のように理論値と分析値がよく一致した。
融点：８６．９〜８８．３℃
ＦＴ−ＩＲ（ＫＢｒ，ｃｍ^-1）：１５００，１６００，３０００（Ａｒ）
¹Ｈ−ＮＭＲ（２７０ＭＨｚ，ＤＭＳＯ，ＴＭＳ）：δ（ｐｐｍ）＝４７．０〜７．８（ｍ，１４Ｈ，Ａｒ）
元素分析値（Ｃ₃₈Ｈ₃₀Ｎ₂）：理論値Ｃ８８．６８％、Ｈ５．８８％、Ｎ５．４４％、分析値Ｃ８８．３４％、Ｈ６．１９％、Ｎ５．１５％
【００２８】
［テトラフェニルジアミン含有ビニルポリマーの合成（ＰＴＰＤ）］
コック付き重合管中で前記工程で得られたテトラフェニルジアミン含有ビニルモノマー（ＴＰＡＶ）０．７６ｇ（ｍｏｌ）と開始剤であるアゾイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）０．００７ｇ（ｍｏｌ）を溶媒のベンゼン６．０ｍｌに溶かし、凍結脱気後、６０℃で２４時間反応を行った。反応終了後、メタノール１０００ｍｌに注ぎポリマーを沈殿させた。精製は３回再沈精製（クロロホルム／メタノール）を行い、下記の繰り返し単位をもつテトラフェニルジアミン含有ビニルポリマーを得た。重量平均分子量は２４０００であった。収率：９３．２％、ガラス転移点１４３℃、分解温度４１３℃であった。
【００２９】
【化６】

【００３０】
このポリマーは、示差走査熱量計（パーキンエルマー社製ＤＳＣ７）で測定したガラス転移温度は１４３℃であり、熱重量計（パーキンエルマー社製ＴＧＡ７）で測定した窒素ガス中での分解温度も４１６℃と高く、高い熱安定性を示した。理研計器社製表面分析装置（ＡＣ−１）で測定したイオン化ポテンシャルは５．６ｅＶであり、ホール輸送性材料としては十分に小さいイオン化ポテンシャルを有することがわかった。
【００３１】
（ＥＬ素子の作製）
図７は本発明の一実施例の断面図である。１はガラス基板で、その上にシート抵抗１５Ω／□のＩＴＯ（インジウム−チン−オキサイド）２がコートされている。その上に正孔輸送性高分子層３として、前記方法で得られたテトラフェニルジアミン含有ビニルポリマーをクロロホルム溶液からディップコーティング法により４００Åの膜厚に形成した。その上から、発光層４として下記式
【化７】

で示される電子輸送性のトリス（８−ヒドロキシキノリノラト）アルミニウム錯体を７００Å、１０^−５Ｔｏｒｒの真空下で蒸着して形成した。最後に陰極電極としてＭｇとＡｇ（１０：１）を同じ真空度で２０００Å共蒸着した。発光領域の領域は縦０．５ｃｍ、横０．５ｃｍの正方形状とした。
【００３２】
前記の有機エレクトロルミネッセント素子においてＩＴＯを陽極、Ｍｇ：Ａｇを陰極として、直流電圧を印加してガラス基板を通して発光を観察した。輝度はトプコン輝度計ＢＭ−８により測定した。この素子からは直流電圧の印加により緑色の発光が得られ、発光スペクトルから発光層のトリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体が発光していることを確認した（図８参照）。輝度は９Ｖで２０００ｃｄ／ｍ²と高い値を示した。また、作製後３カ月間、室温にて乾燥窒素雰囲気中で保存した素子においても初期特性とほとんど変わらず、素子の保存安定性は極めて良好であることを確認した。さらに、乾燥窒素雰囲気中で１００℃の条件で１００時間保存した素子においてもおおきな劣化は見られず、この素子が高い耐熱性を有することが確認された。また、一定電流値で連続駆動を行った場合においても、３カ月後に輝度の大幅な低下は見られなかった。
【００３３】
比較例１
低分子モデル化合物である下記式
【化８】

で示されるアリールアミン蒸着膜を正孔輸送層に用いた同様の素子では輝度半減時間がわずかに２５時間であった。
【００３４】
実施例１と比較例１から明らかなように本発明の新規高分子は高いガラス転移温度をもつことにより有機層の安定性が大幅に改善されていることがわかる。
なお、本発明の素子は発光層がトリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体以外の有機材料を用いた時でも同様に安定性の向上が認められた。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば新規なポリマーを用いて発光特性および安定性に優れた有機エレクトロルミネッセント素子を提供することができた。そして、本発明の有機エレクトロルミネッセント素子は実用化に十分な信頼性を有し、表示、照明の分野で広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のジフェニルのテトラフェニルジアミン（ＴＰＤＤ）のＩＲスペクトル図である。
【図２】実施例１のジフェニルのテトラフェニルジアミン（ＴＰＤＤ）の¹Ｈ−ＮＭＲスペクトル図である。
【図３】実施例１のジフェニルのテトラフェニルジアミンのアルデヒド誘導体のＩＲスペクトル図である。
【図４】実施例１のジフェニルのテトラフェニルジアミンのアルデヒド誘導体の¹Ｈ−ＮＭＲスペクトル図である。
【図５】実施例１のジフェニルのテトラフェニルジアミンのビニル誘導体のＩＲスペクトル図である。
【図６】実施例１のジフェニルのテトラフェニルジアミンのビニル誘導体の¹Ｈ−ＮＭＲスペクトル図である。
【図７】実施例１の有機エレクトロルミネッセント素子の断面図である。
【図８】実施例１の発光スペクトル図である。

Claims

一般式（１）

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^１８は、水素原子、アルキル基、アミノ基、アルコキシ基および置換基を有してもよいアリール基よりなる群からそれぞれ独立して選ばれた基を示し、Ａｒ^１とＡｒ^２は置換基を有してもよいアリール基よりなる群からそれぞれ独立して選ばれた基を示し、前記いずれの置換基も、フェニル基、ジメチルアミノフェニル基、ジフェニルアミノフェニル基よりなる群からそれぞれ独立して選ばれた基である。）
で示される繰り返し単位を含有する数平均分子量１，０００〜１，０００，０００のアリールアミン含有ビニルポリマーを用いたことを特徴とする有機エレクトロルミネッセント素子。