JP4215476B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子と称する)は、新しい自己発光型素子として期待されている。有機EL素子は、ホール注入電極と電子注入電極との間にキャリア輸送層(電子輸送層またはホール輸送層)および発光層が形成された積層構造を有している。
【0003】
ホール注入電極としては、金またはITO(インジウム−スズ酸化物)のような仕事関数の大きな電極材料が用いられ、電子注入電極としては、Mg(マグネシウム)またはLi(リチウム)のような仕事関数の小さな電極材料が用いられる。
【0004】
また、ホール輸送層、発光層および電子輸送層には有機材料が用いられる。ホール輸送層にはp型半導体の性質を有する材料が用いられ、電子輸送層にはn型半導体の性質を有する材料が用いられる。発光層も、電子輸送性またはホール輸送性のようなキャリア輸送性を有するとともに、蛍光または燐光を発する有機材料により構成される。
【0005】
これらのホール注入電極、ホール輸送層、発光層、電子輸送層および電子注入電極はこの順に積層され、有機EL素子が形成される。
【0006】
なお、用いる有機材料によって、ホール輸送層、電子輸送層および発光層の各機能層が複数の層により構成されたり、または省略されたりする。
【0007】
例えば、従来の素子構造の第1の例では、ホール注入電極と電子注入電極との間に発光層および電子輸送層の2層の有機層しか存在しない(例えば、非特許文献1参照)。それは、NSDという発光材料により構成された発光層が良好なホール輸送性を有しているので、発光層がホール輸送層も兼ねているからである。
【0008】
また、従来の素子構造の第2の例は、ホール輸送層および発光層の2層の有機層から構成されている(例えば、非特許文献2参照)。この場合、発光層のトリス(8-ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(以下、Alqと呼ぶ)が発光および電子輸送の2つの役割を果たしている。
【0009】
一方、従来の素子構造の第3の例は、ホール注入層、ホール輸送層および発光層の3層の有機層から構成されている(例えば、非特許文献3参照)。この場合、ホール注入層は銅フタロシアニンから構成され、ホール輸送層と同様の働きを示し、素子全体では、ホール輸送層が2層存在することになる。
【0010】
このように、用いる有機材料によって、電子輸送層、ホール輸送層および発光層の構成数を自由に調整することができる。
【0011】
【非特許文献1】
Chihaya Adachi et al., Appl. Phys.Lett., Vol.55, pp.1489-1491(1989 )
【非特許文献2】
C.W.Tang et al., Appl. Phys.Lett., Vol.51, pp.913-915(1987)
【非特許文献3】
S.A.VanSlyke et al., Appl. Phys.Lett., Vol.69, pp.2160-2162(1996)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
高発光効率を有する発光層の材料として三重項発光材料が期待されている。三重項発光材料は、三重項励起状態を経由して基底状態へ遷移することにより燐光を発生する。三重項発光材料からなる発光層を備えた有機EL素子は、例えば次のような素子構造を有する。
【0013】
ガラス基板上に、ホール注入電極(陽極)、ホール輸送層、発光層、ホール阻止層、電子輸送層および電子注入電極(陰極)が順に積層されている。発光層は、ホスト材料として4,4'-ビス(カルバゾール-9-イル)-ビフェニル(4,4'-Bis(carbazol-9-yl)-biphenyl)(以下、CBPと称する)を含みかつ発光ドーパントとして三重項発光材料を含む。
【0014】
このような素子構造において、ホール阻止層は電子輸送層の発光を防止するために用いられる。すなわち、電子は電子注入電極から電子輸送層に注入され、ホール阻止層を通り抜けて発光層に注入され、ホール(正孔)と再結合する。一方、ホールはホール注入電極から注入され、ホール輸送層を通り抜けて発光層に注入され、電子と再結合する。発光層でのホールと電子との再結合確率を向上させるためには、ホールがホール阻止層を突き抜けて電子輸送層に注入されることを防止しなければならない。そのため、ホール阻止層の材料としては、ホールのブロッキング特性に優れ、安定性の高いホール阻止材料が必要となる。
【0015】
従来、例えば M.A.Baldo, et al., Appl. Phys. Lett., 75, 4, (1999) には、ホール阻止材料として下記式(6)で示される分子構造を有するバソクプロイン(Bathocuproine:以下、BCPと称する)を用いることが提案されている。なお、BCPの正式名称は、2,9-ジメチル-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)である。
【0016】
【化6】
【0017】
しかしながら、BCPは成膜後に経時的に結晶化しやすいという欠点を有する。したがって、BCPを用いて作製された有機EL素子においては、リーク電流を発生しやすく、安定な発光が得られない。
【0018】
本発明の目的は、高い輝度および発光効率で安定に発光することが可能な有機EL素子を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る有機エレクトロルミネッセンス素子は、ホール注入電極と電子注入電極との間に発光層を備え、発光層と電子注入電極との間にホール阻止層を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子において、ホール阻止層は、2つのキノリノール誘導体とIIIB族元素とハロゲン元素またはフェノール誘導体とから構成される三元錯体化合物を含むものである。
【0020】
本発明に係る有機エレクトロルミネッセンス素子においては、ホール阻止層が2つのキノリノール誘導体とIIIB族元素とハロゲン元素またはフェノール誘導体とから構成される三元錯体化合物を含んでいる。
【0021】
このようなホール阻止層が設けられることにより、発光層とホール阻止層との間のエネルギー障壁が大きくなる。このため、ホールが発光層から電子注入電極側へ注入されるのを防止することが可能となり、発光層において効率よく電子とホールとを再結合させることが可能となる。それにより、有機エレクトロルミネッセンス素子の輝度および発光効率の向上を図ることが可能となる。
【0022】
また、上記の三元錯体化合物は安定であるため、有機エレクトロルミネッセンス素子は、安定に発光することが可能となる。
【0023】
三元錯体化合物は、下記式(1)で表される分子構造を有し、式(1)中のR1およびR2は互いに同一または異なり、水素または置換基であり、Aはハロゲン元素またはフェノールであり、MはIIIB族元素であってもよい。
【0024】
【化7】
【0025】
IIIB族元素は、ガリウム、インジウムまたはアルミニウムであってもよい。これにより、より安定な発光が可能となる。
【0026】
三元錯体化合物は、下記式(2)で表される分子構造を有するビス-(2-メチル-8-キノリノラト)-クロロ-ガリウム(Bis-(2-methyl-8-quinolinolato)-chloro-galium)(以下、GaMq2Clと称する)であってもよい。
【0027】
【化8】
【0028】
三元錯体化合物は、下記式(3)で表される分子構造を有するビス-(2-メチル-8-キノリノラト)-クロロ-インジウム(Bis-(2-methyl-8-quinolinolato)-chloro-indium)(以下、InMq2Clと称する)であってもよい。
【0029】
【化9】
【0030】
三元錯体化合物は、下記式(4)で表される分子構造を有するビス-(2-メチル-8-キノリノラト)-フェノラト-アルミニウム(Bis-(2-methyl-8-quinolinolato)-phenolato-aluminum)(以下、PhΟAlqと称する)であってもよい。
【0031】
【化10】
【0032】
三元錯体化合物は、下記式(5)で表される分子構造を有するビス-(2-メチル-8-キノリノラト)-4-(タート-ブチル-フェノラト)アルミニウム(Bis-(2-methyl-8-quinolinolato)-4-(tert-butyl-phenolato)-aluminum)(以下、tBuPhOAlqと称する)であってもよい。
【0033】
【化11】
【0034】
ホール阻止層と電子注入電極との間に電子輸送層をさらに備え、ホール阻止層は電子輸送層よりも大きなイオン化ポテンシャルを有することが好ましい。
【0035】
この場合、ホールが発光層から電子輸送層側へ注入されるのを防止することが可能となり、発光層において効率よく電子とホールとを再結合させることが可能となる。それにより、有機EL素子の発光効率の向上を図ることが可能となる。
【0036】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施の形態における有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子と称する)の構造を示す模式図である。
【0037】
図1に示すように、有機EL素子100においては、ガラス基板1上に透明電極膜からなるホール注入電極(陽極)2が形成されている。ホール注入電極2上には、有機材料からなるホール輸送層3および有機材料からなる発光層4が順に形成されている。また、発光層4上には、有機材料からなるホール阻止層5が形成されており、ホール阻止層5上には電子輸送層6が形成され、その上に電子注入電極(陰極)7が形成されている。
【0038】
ホール阻止層5は、2つのキノリノール誘導体とIIIB族元素とハロゲン元素またはフェノール誘導体とから構成される三元錯体化合物を含む。このホール阻止層5は、電子輸送層6よりも大きなイオン化ポテンシャルを有する。
【0039】
上記の三元錯体化合物は、下記式(1)で表される分子構造を有する。
【0040】
【化12】
【0041】
なお、上記式(1)中のR1およびR2は互いに同一または異なり、水素または置換基を示しており、Aはハロゲン元素またはフェノール誘導体を示し、MはIIIB族元素を示す。
【0042】
例えば、R1およびR2は−Cn H2n+1(n=0〜5)、−CN,−Cl、−Br、−OCH3 、−OC2 H5 、−N(CH3 )2 、−N(C2 H5 )2 、−フェニル基、チオフェン基である。
【0043】
また、上記式(1)中のMは、例えばガリウム(Ga)、インジウム(In)、またはアルミニウム(Al)等である。
【0044】
上記式(1)で表される三元錯体化合物は、キノリノール誘導体と、IIIB族元素化合物とハロゲン元素またはフェノール誘導体とを反応させ、IIIB族元素にキノリノール誘導体およびハロゲン元素またはフェノール誘導体を配位またはキレートさせることにより製造される。この場合、IIIB族元素化合物1molに対してキノリノール誘導体を1.5〜2.5molおよびハロゲン元素またはフェノール誘導体を0.5〜1.5mol反応させる。IIIB族元素化合物としては、Al、GaまたはInの塩化物等を使用することができる。
【0045】
特に、上記の三元錯体化合物は、下記式(2)で表される分子構造を有するGaMq2Clであることが好ましい。
【0046】
【化13】
【0047】
また、上記の三元錯体化合物は、下記式(3)で表される分子構造を有するInMq2Clであってもよい。
【0048】
【化14】
【0049】
さらに、上記三元錯体化合物は、下記式(4)で表される分子構造を有するPhOAlqであってもよい。
【0050】
【化15】
【0051】
また、上記三元錯体化合物は、下記式(5)で表される分子構造を有するtBuPhOAlqであってもよい。
【0052】
【化16】
【0053】
上記の有機EL素子100においては、ホール注入電極2と電子注入電極7との間に電圧を印加することにより、有機EL素子100の発光層4が発光し、ガラス基板1の裏面から光が出射される。
【0054】
本実施の形態の有機EL素子においては、ホール阻止層5が2つのキノリノール誘導体とIIIB族元素とハロゲン元素またはフェノール誘導体とから構成される三元錯体化合物を含んでいる。
【0055】
このようなホール阻止層5が設けられることにより、発光層4とホール阻止層5との間のエネルギー障壁が大きくなる。このため、ホールが発光層4から電子注入電極7側の電子輸送層6へ注入されることを防止することが可能となり、発光層4において効率よく電子とホールとを再結合させることが可能となる。それにより、有機EL素子の輝度および発光効率の向上を図ることが可能となる。
【0056】
また、上記の三元錯体化合物は安定であるため、有機EL素子が安定に発光することが可能となる。
【0057】
なお、本発明に係る有機EL素子の構造は、上記の構造に限定されず、種々の構造を用いることができる。例えば、ホール注入電極2と電子注入電極7との間に発光層4、ホール阻止層5および電子輸送層6の3層を設けた構造であってもよい。
【0058】
【実施例】
以下、実施例1〜4および比較例1の有機EL素子を作製し、発光特性を測定した。
【0059】
[実施例]
実施例1〜4においては、ガラス基板1上にホール注入電極(陽極)2、ホール輸送層3、発光層4、ホール阻止層5、電子輸送層6および電子注入電極(陰極)7が順に積層されてなる有機EL素子を用いた。
【0060】
この場合、有機EL素子のホール注入電極2は、厚み1000Åのインジウム−スズ酸化物(ITO)からなる。また、ホール輸送層3は、厚み500Åを有し、下記式(7)で表される分子構造を有するN,N'-ジ(ナフタレン-1-イル)-N,N'-ジフェニル-ベンジジン(N,N'-Di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine)(以下、NPBと称する)からなる。
【0061】
【化17】
【0062】
発光層4は、厚み100Åを有し、ホスト材料として下記式(8)で表される分子構造を有する4,4'-ビス(カルバゾール-9-イル)-ビフェニル(4,4'-Bis(carbazol-9-yl)-biphenyl)(以下、CBPと称する)を含みかつ発光ドーパントとして下記式(9)で表される分子構造を有するトリス(2-フェニルピリジン)イリジウム(Tris(2-phenylpyridine)iridium)(以下、Ir(ppy)3と称する)を含む。
【0063】
【化18】
【0064】
【化19】
【0065】
なお、この場合、発光層4は、Ir(ppy)3をホスト材料であるCBPに対して6重量%含む。また、ホスト材料であるCBPのイオン化ポテンシャルは5.9eVである。
【0066】
ホール阻止層5は、厚み100Åを有し、上記式(1)で表される分子構造を有する三元錯体化合物により構成される。実施例1では、ホール阻止層5の材料として、上記式(2)で表される分子構造を有するGaMq2Clを用いた。実施例2では、ホール阻止層5の材料として、上記式(3)で表される分子構造を有するInMq2Clを用いた。実施例3では、ホール阻止層5の材料として、上記式(4)で表される分子構造を有するPhΟAlqを用いた。実施例4では、ホール阻止層5の材料として、上記式(5)で表される分子構造を有するtBuPhOAlqを用いた。
【0067】
また、電子輸送層6は、厚み200Åを有し、下記式(10)で表される分子構造を有するトリス(8−ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(以下、Alqと称する)から構成される。このようなAlqから構成される電子輸送層6のイオン化ポテンシャルは5.5eVである。
【0068】
【化20】
【0069】
また、電子注入電極7は、厚み2000ÅのMgIn合金(比率10:1)からなる。
【0070】
上記のような構造を有する有機EL素子は、以下のようにして作製した。
まず、ガラス基板1上にインジウム−スズ酸化物(ITO)からなるホール注入電極2を形成した。次に、ホール注入電極2が形成されたガラス基板1を、中性洗剤により洗浄した後、アセトン中で10分間およびエタノール中で10分間超音波洗浄した。さらに、オゾンクリーナにてガラス基板1の表面の洗浄を行った。
【0071】
この後、上記ITOからなるホール注入電極2上に、真空蒸着法によりホール輸送層3、発光層4、ホール阻止層5、電子輸送層6および電子注入電極7を順に積層した。これらの蒸着は、いずれも真空度1×10-6Torrで基板温度の制御を行わずに常温の条件下で行った。
【0072】
[比較例]
比較例1の有機EL素子は、ホール阻止層5の材料として上記式(6)で表される分子構造を有するBCPを用いた点を除いて、実施例1〜4の有機EL素子と同様の構造を有する。このような比較例1の有機EL素子は、実施例1〜4の有機EL素子と同様の方法により作製した。
【0073】
[評価]
実施例1〜4および比較例1の有機EL素子について、発光特性を測定するとともに定電流連続発光試験を行った。定電流連続発光試験では、有機EL素子を直流駆動し、初期輝度を500cd/cm2に設定し、300時間後の初期輝度500cd/cm2の保持率を測定した。
【0074】
発光効率、発光波長、最大輝度および初期輝度500cd/cm2の保持率の測定結果を表1に示す。
【0075】
【表1】
【0076】
表1に示すように、実施例1,3,4の有機EL素子では、比較例1の有機EL素子に比べて高い発光効率および最大輝度を示した。また、定電流連続発光試験の結果、実施例1〜4の有機EL素子では、比較例1の有機EL素子に比べて初期輝度の保持率が高く、安定に発光することが分かった。これは、実施例1〜4の有機EL素子において、ホール阻止層5の材料として用いた三元錯体化合物が比較例1のホール阻止層の材料として用いたBCPに比べて成膜後の安定性が高いためであると考えられる。
【0077】
以上のように、上記の実施例1〜4および比較例1から、ホール阻止層5の材料として三元錯体化合物を用いることにより、高い輝度および発光効率で安定に発光することが可能な有機EL素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態における有機EL素子の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板
2 ホール注入電極
3 ホール輸送層
4 発光層
5 ホール阻止層
6 電子輸送層
7 電子注入電極
Claims (1)
- ホール注入電極と電子注入電極との間に発光層を備え、前記発光層と前記電子注入電極との間にホール阻止層を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記ホール阻止層は、2つのキノリノール誘導体とIIIB族元素とハロゲン元素またはフェノール誘導体とから構成される三元錯体化合物を含む有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記三元錯体化合物は、下記式(5)で表される分子構造を有するビス -(2- メチル -8- キノリノラト )-4-( タート - ブチル - フェノラト)アルミニウムであることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
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