JP4718025B2 - ベンゾイミダゾール誘導体および有機電界発光素子 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の表示装置に好適な自発光素子である有機電界発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
有機電界発光素子においては、両電極から注入された電荷が発光層で再結合して発光が得られるが、電荷の一部が発光層を通り抜けてしまうことによる効率低下が問題となる。これに対し、発光層での電荷再結合の確率を向上させる目的や、任意の有機層における発光を得る目的のために正孔阻止層や電子阻止層を挿入することが提案されている。
【0003】
正孔阻止層に適した化合物はこれまでに、トリアゾール誘導体(特開平7−41759)、アルミニウム混合配位子錯体、アルミニウム二核錯体(特開平11−40367)などが提案されている。またバソクプロインを正孔阻止層として用いて正孔輸送層を発光させる試み(MRS98Spring Metting G2.1、1998)がなされている。しかし、いずれの材料も膜の安定性が不足していたり正孔を阻止する機能が不十分であったりして、満足な素子特性が得られていなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、有機電界発光素子に適用した時に正孔阻止の効果および発光層への電子注入効率を向上させる効果を有しており、しかも安定なアモルファス薄膜を生成して、高効率、高耐久性の有機電界発光素子を形成する有機電界発光素子材料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】
本発明者らは新規なベンゾイミダゾール誘導体が正孔阻止の効果および発光層への電子注入効率を向上させる効果を有しており、しかも安定なアモルファス薄膜を生成することを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、一般式(1)で表されるベンゾイミダゾール誘導体である。
【0006】
【化9】
Figure 0004718025
【0007】
[式中、R1は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、Ar1は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基または置換もしくは無置換の脂肪族環式炭化水素基を表し、Xは置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基2個で置換されたアミノ基を有する置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基2個で置換されたアミノ基を有する置換もしくは無置換の芳香族複素環基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基2個で置換されたアミノ基を有する置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基2個で置換されたアミノ基を有する置換もしくは無置換の芳香族複素環基、置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基または置換もしくは無置換の芳香族複素環基(この芳香族複素環基が置換したことによって一般式(1)全体が対称形になる場合を除く)を表す。]
【0008】
さらに本発明は、キノリル基を有する一般式(2)または一般式(3)で表されるベンゾイミダゾール誘導体である。
【0009】
【化10】
Figure 0004718025
【0010】
[式中、R1は前記した定義と同一の基を表し、R2はR1と独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、Arは前記した定義と同一の基を表し、Arは次の(A)〜(F)で表される2価基を表し、
【0011】
【化11】
Figure 0004718025
【0012】
(式中、R3、Rはそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、nは1〜5の整数を表し、Ar4、Arは置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基を表し、Yは酸素原子、硫黄原子、置換もしくは無置換のメチレン基、または次の(a)〜(g)で表される2価基を表す。)
【0013】
【化12】
Figure 0004718025
【0014】
(式中、R、Rはそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基、アラルキル基を表し、Ar、Arはそれぞれ独立に置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基または置換もしくは無置換の脂肪族環式炭化水素基を表し、Ar、Arはそれぞれ独立に置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基を表す。)
Ar3は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換のジフェニルアミノフェニル基または置換もしくは無置換の芳香族複素環基を表す。]
以上のベンゾイミダゾール誘導体の定義において使用されている、アリール基、芳香族炭化水素基が縮合多環基を含むことはいうまでも無い。また同様に、芳香族複素環基が複数の環が縮合した複素環基を含むことはいうまでも無い。
【0015】
また本発明は、一般式(1)で表されるベンゾイミダゾール誘導体を、一対の電極とその間に挟まれた少なくとも一層の有機層の構成材料に使用したことを特徴とする有機電界発光素子であり、さらに一般式(2)または一般式(3)で表されるベンゾイミダゾール誘導体を、一対の電極とその間に挟まれた少なくとも一層の有機層の構成材料に使用したことを特徴とする有機電界発光素子である。
【0016】
本発明の有機電界発光素子では、前記した一対の電極とその間に挟まれた少なくとも一層の有機層は、正孔阻止層として作用することができる。正孔阻止層の構成材料として、一般式(1)、一般式(2)または一般式(3)で表されるベンゾイミダゾール誘導体を使用することにより、正孔が電子輸送層に注入されることを抑制できるという作用を有する。従って、従来の材料に比べ正孔のブロッキング性および電子輸送性に優れるので、素子の効率が向上すると共に耐久性が向上する。
【0017】
本発明の有機電界発光素子では、前記した一対の電極とその間に挟まれた少なくとも一層の有機層は、電子輸送層として作用することができる。電子輸送層の構成材料として、一般式(1)、一般式(2)または一般式(3)で表されるベンゾイミダゾール誘導体を使用することによって、電極から注入された電子を発光領域まで効率よく輸送できる。また、電子輸送層の構成材料として、エネルギーギャップの小さい本発明の材料を用いることにより、電子輸送層から発光層への電子注入効率が向上する。
【0018】
本発明の有機電界発光素子では、前記した一対の電極とその間に挟まれた少なくとも一層の有機層は、発光層として作用することができる。発光層の構成材料として、一般式(1)、一般式(2)または一般式(3)で表されるベンゾイミダゾール誘導体を使用する場合、この発光層が正孔輸送層または電子輸送層を兼ねていることが特徴であり、構成が簡単で製造の容易な有機電界発光素子を実現できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明のベンゾイミダゾール誘導体の具体的化合物を例示すると、次の通りである。
(1)1−[4'−(N−フェニル−N−キノリン−3−イルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(2)1−[4'−(N−フェニル−N−キノリン−6−イルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(3)1−[6−(N−フェニル−N−キノリン−3−イルアミノ)ピレン−1−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(4)1−[4−(N−フェニル−N−キノリン−3−イルアミノ)フェニル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(5)N−[4−(2−フェニルベンゾイミダゾール−1−イル)ビフェニル−1−イル]−N−[4−(N−フェニル−N−キノリン−3−イルアミノ]アニリン
(6)1−[5−(N,N−ジ(1−ナフチル)アミノ)アントラセン−1−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(7)1−ピレニル−2-(1−ナフチル)ベンゾイミダゾール
(8)1−(3−キノリル)−2-(1−アントラニル)ベンゾイミダゾール
(9)1−[4'−(N−フェニル−N−イソキノリン−4−イルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(10)1−[4'−(N−フェニル−N−カルバゾール−3−イルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(11)1−[4'−(N−(4−メチルフェニル)−N−(6−メチルキノリン−3−イルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
(12)9−[4−(2−フェニルベンゾイミダゾール−1−イル)フェニル]−9−[4−(N−フェニル−N−キノリン−3−イルアミノ)フェニル]フルオレン
(13)1−[4−(N,N−ビス(3−キノリル)アミノ)フェニル]−2-フェニルベンゾイミダゾール
【0020】
以下、本発明の実施の形態について、実施例により具体的に説明する。
【実施例】
(実施例1)1−[4'−(N−フェニル−N−キノリン−3−イルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2-フェニルベンゾイミダゾール(化合物(4))の合成
【0021】
【化13】
Figure 0004718025
【0022】
1−[4'−(N−フェニルアミノ)ビフェニル−4−イル]−2−フェニルベンゾイミダゾール3.0g、3−ブロモキノリン1.7g、炭酸カリウム1.5g、銅粉0.12g、n−ヘプタデカン30mLを混合し、窒素雰囲気下にて約40時間加熱還流撹拌した。反応生成物をトルエン200mLで抽出し、不溶分を濾別した。濾液を濃縮して得られた粗生成物を、シリカゲルを用いたカラムクロマトグラフィーによって精製した。精製によって得られた淡黄色粉体は2.4gで、収率は62%、融点は110〜130℃であった。
得られた淡黄色粉体についてマススペクトルで分析したところ、化合物(4)に相当する分子量565のメインピークが検出された。以上のマススペクトル分析の結果から、化合物(4)の構造を同定した。
【0023】
(実施例2)
実施例1の本発明のベンゾイミダゾール誘導体(化合物(4))について、表面分析装置AC1(理研計器製)で仕事関数を測定し、吸収スペクトルから求めたバンドギャップを用いて電子親和力を決定した。さらに、これらの値を代表的な正孔輸送材料である化合物(5)と比較して[表1]に示した。
【0024】
【化14】
Figure 0004718025
【0025】
【表1】
Figure 0004718025
【0026】
表1に示したように、本発明のベンゾイミダゾール誘導体は従来の代表的な正孔輸送材料より明らかに高い仕事関数を有しており、正孔阻止材料として適正である。しかも本発明のベンゾイミダゾール誘導体は電子親和力が高いことから、発光層への電子注入において高い効率が得られるという効果を有する。
【0027】
(実施例3)
実施例1の本発明のベンゾイミダゾール誘導体(化合物(4))について、DSC(示差走査熱量計、マックサイエンス製)による熱分析を実施したが、結晶の溶融による吸熱ピーク(融点)は観測されなかった。また、この化合物の蒸着膜と汎用の正孔輸送材料であるα−NPD(化合物(6))の蒸着膜を25℃で保存したところ、α−NPDの蒸着膜が1カ月以内に結晶化して白濁したのに対し、化合物(4)の蒸着膜は2カ月経過後も変化せず透明だった。これらの結果より、本発明のベンゾイミダゾール誘導体によって非常に安定なアモルファス薄膜が得られるという効果が明らかになった。
【0028】
【化15】
Figure 0004718025
【0029】
(実施例4)
ガラス基板上にITO透明電極膜を陽極として形成し、その上に順次、正孔輸送層兼発光層として化合物(5)を50nm、正孔阻止層として本発明のベンゾイミダゾール誘導体(化合物(4))を25nm、電子輸送層としてトリス(8−ヒドロキシキノリナト)アルミニウムを25nm、陰極としてAlを100nm製膜し、有機電界発光素子を作製した。有機層および陰極の製膜は10―4Paの真空下で行った。作製した素子に電圧を印加したところ、10V印加時に108mA/cmの電流が流れ、青色の発光が得られた。発光輝度は72cd/mであった。
【0030】
(比較例1)
正孔阻止層としてバソクプロインを使用したことを除いては、実施例4と同様の方法により有機電界発光素子を作製した。作製した素子に電圧を印加したところ、14V印加時に94mA/cmの電流が流れ、青色の発光が得られた。発光輝度は41cd/mであった。
【0031】
実施例4と比較例1の結果より、実施例4の本発明のベンゾイミダゾール誘導体(化合物(4))を使用した有機電界発光素子の電圧電流特性、電流輝度特性は共に比較例の有機電界発光素子よりも優れており、高効率であった。
【0032】
【発明の効果】
本発明のベンゾイミダゾール誘導体は正孔阻止の効果および発光層への電子注入効率を向上させる効果を有しており、しかも安定なアモルファス薄膜を形成する。したがって本発明のベンゾイミダゾール誘導体を使用することにより、安定かつ高効率な発光が可能な有機電界発光素子を作製できるという効果を有する。

Claims (5)

  1. キノリル基を有する下記一般式(2)または一般式(3)で表されるベンゾイミダゾール誘導体。
    Figure 0004718025
    [式中、R1は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、R2はR1と独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、Ar1は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基または置換もしくは無置換の脂肪族環式炭化水素基を表し、Ar2は下記(A)〜(C)で表される2価基を表し、
    Figure 0004718025
    (式中、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、nは1〜5の整数を表し、Ar4、Ar5は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基を表す。)
    Ar3は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換のジフェニルアミノフェニル基または置換もしくは無置換の芳香族複素環基を表す。]
  2. 一対の電極とその間に挟まれた少なくとも一層の有機層を有する有機電界発光素子が、少なくとも一つの有機層の構成材料として下記一般式(2)または(3)で表されるキノリル基を有するベンゾイミダゾール誘導体を含むことを特徴とする有機電界発光素子。
    Figure 0004718025
    [式中、R1は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、R2はR1と独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、Ar1は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換の芳香族複素環基または置換もしくは無置換の脂肪族環式炭化水素基を表し、Ar2は下記(A)〜(C)で表される2価基を表し、
    Figure 0004718025
    (式中、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基またはアラルキル基を表し、nは1〜5の整数を表し、Ar4、Ar5は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基を表す。)
    Ar3は置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基、置換もしくは無置換のジフェニルアミノフェニル基または置換もしくは無置換の芳香族複素環基を表す。]
  3. 前記した少なくとも一層の有機層が正孔阻止層であることを特徴とする請求項2記載の有機電界発光素子。
  4. 前記した少なくとも一層の有機層が電子輸送層であることを特徴とする請求項2記載の有機電界発光素子。
  5. 少なくとも一層の有機層が発光層であり、前記発光層が正孔輸送層か電子輸送層を兼ねていることを特徴とする請求項2記載の有機電界発光素子。
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