JP4727978B2 - 有機デバイス及び有機エレクトロルミネッセンスデバイス - Google Patents
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Description
しかしながら、上記特許文献1の有機ELデバイスにおいて、長寿命化の問題は解決されていない。その理由として、一般のデバイスに印加される程度の高電界において、電極と双極子分子の結合部位に加わる力は非常に大きいものとなってしまい、結合部位が破壊してしまうことが考えられる。つまり、上記デバイスは一般に用いられる程度の電界に対しても比較的脆く、双極子分子層を含まないデバイスと比較して劇的な寿命の延びは見られない。
電極表面に双極子分子層を結合させることにより電極の仕事関数を変化させた有機デバイスにおいて、電極の仕事関数の変化量はキャリア注入障壁の大きさに直結するため、デバイスの長寿命化と密接に関連する。そのため仕事関数変化量と寿命との関係を知ることがデバイス長寿命化への近道である。
しかし、寿命と、実験結果から得られる仕事関数の変化量との相関を見出すことは容易ではない。これは実験で得られる仕事関数変化量にはデバイスの界面状態など複雑な要因がからんでくるためである。
したがって、界面状態などの複雑な要因を取り除いた簡明な数式で仕事関数変化量を表現し、寿命との関係を知ることが有用であるが、今日まで仕事関数の変化量を数式化したという報告はない。
そこで、本発明は、まず仕事関数の変化量を具体的に数式化し、導出した数式をもとに大きな仕事関数の変化量を有する有機デバイスを提供することを課題とする。
ある平面電極上に、電極に垂直な方向に双極子分子が同一方向に平行に整列する場合を考える。ここで原点を双極子分子の中点とし、双極子分子の長さをL、電極側の双極子端で+q、もう一方の双極子端で−qの電荷を持つものとし、双極子を有する分子1個あたりが占める面積をA、双極子分子層中の比誘電率をεs、真空の誘電率をε0とすると、電極と反対側の双極子端でのΔVは式(3)で表すことができる。
本発明はさらに別の観点によれば、上記有機デバイスの製造方法であって、双極子分子層を形成するための分子を第1の電極と気相反応させることにより化学結合させる工程を含み、該工程において、反応時間及び反応温度を制御することにより、複数の同一分子を最密充填した状態で第1の電極と化学結合させて1つの層を構成する単分子膜を形成する有機デバイスの製造方法が提供される。
また、本発明の有機ELデバイスによれば、長寿命化されることに加え、閾値電圧の低下に伴い、低消費電力駆動が可能になる。
また、本発明の有機デバイスの製造方法によれば、反応時間及び反応温度を制御することにより、複数の同一分子を最密充填した状態で第1の電極と化学結合させて1つの層を構成する単分子膜を形成することができるため、双極子分子層全体の抵抗が減少し、かつ、双極子分子層中のピンホールが減少することにより、長寿命化が図られた有機デバイスを製造することができると共に、デバイスの製造コストを低減することが可能となる。
上記μ/εA>0.20(V)を満たすシランカップリング系化合物において、誘電率εは4〜30×10-11F/mであり、平均占有面積Aは30〜70Å2であり、双極子モーメントμは2〜6Debyeである。
また、本発明の有機デバイスにおいて、上記構成に加えて双極子分子層が複数の同一分子が最密充填されて1つの層を構成する単分子膜であるものがさらに好ましい。デバイスが劣化する要因の一つとして双極子分子層中のピンホールの存在が考えられるが、最密充填の単分子膜はピンホールの存在を最小限に抑えることのできる密な構造をとっているため、ピンホールに由来するデバイスの劣化が抑えられ、作製した有機デバイスの寿命がさらに延びる効果がある。
図1は本発明に係る有機デバイスの概略構造を示す断面図である。有機デバイスは、基板1上に陽極2、陽極2に結合した双極子分子からなる双極子分子層3、単層または多層の有機分子層4、陰極5が順次積層された構造である。
双極子分子層3は陽極と共有結合した双極子を有する分子からなる。この双極子分子としては、陽極2の表面に水酸基がある場合は、容易に水酸基と反応して陽極と共有結合を生じるシランカップリング系化合物や酸クロライド系化合物、次亜リン酸系化合物が用いられるが、中でも酸クロライド系化合物や次亜リン酸系化合物に比べてより強固な共有化学結合を形成することができるシランカップリング系化合物を用いるのが好ましい。
ここで、シランカップリング系化合物としては、下記の表1に示された化合物番号1(上記構造式(I))及び化合物番号3(上記構造式(V))の化合物等が挙げられ、酸クロライド系化合物としては化合物番号2のトランス-4-ニトロシンナモイルクロライドが挙げられる。
また、陰極5としては仕事関数の小さなAlやMgIn等が用いられる。
以下の方法により1-トリメトキシシリルエチニル-4-ニトロベンゼンを合成した。なお、その反応式(a)を下記した。
側管付き滴下漏斗および三方コックをつけた二口フラスコを窒素置換し、乾燥テトラヒドロフラン20ml中で1-エチニル-4-ニトロベンゼン19.6g(133mmol) (アルドリッチ社製)にn-ブチルリチウム8.2g(128mmol)を-78℃で滴下し、反応液の温度を30分かけて-40℃まで上げた。続いてトリメトキシクロロシラン20.5g(131mmol) (fluorochem社製)を加え反応液を0℃まで昇温させしばらく撹拌した。セライトろ過により不溶部を除去した後、テトラヒドロフラン/ヘキサン混合溶液:v/v=3/7、約200mlから再結晶を行い精製し、目的の化合物を収率30%(10.7g、 39.9mmol)で得た。また、1H-NMRおよび13C-NMRから目的の化合物であることを同定した。
以下の方法によりp‐ニトロフェニルエチニルトリメトキシシランを合成した。なお、その反応式(b)を下記した。
温度計、ジムロー冷却管、滴下ロートをつけた三口フラスコにマグネシウムチップ2.43g(100mmol)を入れて窒素置換し、乾燥テトラヒドロフラン100mlとトリエトキシクロロシラン23.9g(120mmol)(fluorochem社製)を加えよく撹拌した。次に1-ブロモ-4-ニトロベンゼン20.2g(100mmol)(アルドリッチ社製)の乾燥テトラヒドロフラン溶液70 mlを0 ℃でゆっくり滴下し、反応液の温度を2時間かけて室温まで上げた。終夜、室温で撹拌した後、4 時間還流し反応を完結させた。窒素雰囲気下で溶液をろ過し、不溶物を除去した後、ろ液を20mlまで減圧濃縮し乾燥ヘキサン150mlを加えることにより再結晶から精製し、目的の化合物を収率41%(9.97g、 41.0mmol)で得た。また、1H-NMRおよび13C-NMRから目的の化合物であることを同定した。
以下の方法により3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニルトリメトキシシランを合成した。なお、その反応式(c)を下記した。
温度計、ジムロー冷却管、滴下ロートをつけた三口フラスコにマグネシウムチップ2.43g(100mmol)を入れて窒素置換し、乾燥テトラヒドロフラン100mlとトリメトキシクロロシラン18.8g(120mmol)(fluorochem社製)を加えよく撹拌した。次に3,5-ビス(トリフルオロメチル)ブロモベンゼン29.3g(100mmol)(アルドリッチ社製)の乾燥テトラヒドロフラン溶液70 mlを0 ℃でゆっくり滴下し、反応液の温度を2時間かけて室温まで上げた。その後、終夜室温で撹拌し、4 時間還流することで反応を完結させた。溶液をろ過し、不溶物を除去した後、テトラヒドロフラン/ヘキサン混合溶液:v/v=2/8、約100mlから再結晶を行い精製し、目的の化合物を収率35%(11.7g、 35.1mmol)で得た。また、1H-NMRおよび13C-NMRから目的の化合物であることを同定した。
図1に示す構造の有機ELデバイスを以下の方法で作製した。
まず、縦25mm×横25mm×厚さ0.7mmのガラス基板上にITOを膜厚150nmで堆積して陽極を形成した。次に、ITO陽極表面にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして塩酸によるエッチングにより陽極を所望の形状にパターニングした。続いて、クロロホルム中で陽極を超音波洗浄し、さらにアセトン及びエタノール中でそれぞれ陽極を超音波洗浄した。その後、ITO陽極表面に酸素プラズマアッシング処理(Branson/IPC 4000を用いた)を150℃で15分間行うことで清浄な陽極表面を露出させると共に陽極表面に酸素ラジカルを生じさせた。その後、陽極を5分間超純水に浸して酸素ラジカルを水酸基に変化させることで、共有結合を生じやすい水酸基を多数有する陽極表面を形成した。
双極子分子層を構成する分子として表1に示す化合物番号2のトランス-4-ニトロシンナモイルクロライド(酸クロライド系化合物)(アルドリッチ社製)を用い、加熱温度(反応温度)120℃、飽和時間60分で双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。この実施例2の有機ELデバイスは、飽和点での双極子分子層の1分子当りの平均占有面積が61.1Å2、双極子モーメントが2.91Debye、比誘電率が7.47であると見積られ、μ/εAは0.240Vであった。また、実施例1と同様の寿命測定を行ったところ表1に示すように1800時間であった。また、この有機ELデバイスの発光輝度−電圧曲線を図2に示す。輝度100cd/m2に達する電圧は6.0Vと低電圧であり、500cd/m2に達する電圧でも7.5Vと低く抑えられている。なお、化合物番号2のトランス-4-ニトロシンナモイルクロライドによる双極子分子層の形成におけるその他の好ましい反応温度およびそのときの飽和時間は約100℃、約105分が挙げられる。
双極子分子層を構成する分子として、上記合成例2のように合成した表1に示す化合物番号3のp-ニトロフェニルトリエトキシシラン(シランカップリング系化合物)を用い、加熱温度120℃、飽和時間90分で双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。この実施例3の有機ELデバイスは、飽和点での双極子分子層の1分子当りの平均占有面積が42.3Å2、双極子モーメントが5.66Debye、比誘電率が23.9であると見積られ、μ/εAは0.211Vであった。また、実施例1と同様の寿命測定を行ったところ表1に示すように2100時間であった。また、この有機ELデバイスの発光輝度−電圧曲線を図2に示す。輝度100cd/m2に達する電圧は5.8Vと低電圧であり、500cd/m2に達する電圧でも6.9Vと低く抑えられている。なお、化合物番号3のp-ニトロフェニルトリエトキシシランによる双極子分子層の形成におけるその他の好ましい反応温度およびそのときの飽和時間は約100℃、約195分が挙げられる。
双極子分子層を構成する分子として表1に示す化合物番号1の1-トリメトキシシリルエチニル-4-ニトロベンゼン(シランカップリング系化合物)を用い、陽極との反応時間を30分として双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。同様に、反応時間をそれぞれ60、90、120、150、180分として双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様にした有機ELデバイスもそれぞれ作製した。
これらのデバイスの双極子分子層の1分子当りの平均占有面積Aを見積ると、表2、図3に示すように150分以降は変化がなく、このことから反応温度(加熱温度)が150℃の場合、複数の同一分子が最密充填された状態で陽極と化学結合した1つの層を構成する単分子膜(双極子分子層)が形成されるのには約150分以上要する(飽和時間約150分)ことが分かった。また、実施例1と同様の寿命測定を行ったところ、表2に示すように150分、180分でそれぞれ3000時間の長寿命が得られた。
双極子分子層を構成する分子として表1に示す化合物番号1の1-トリメトキシシリルエチニル-4-ニトロベンゼン(シランカップリング系化合物)を用い、陽極とこの分子との反応温度を180℃、反応時間を90分及び150分として双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。
反応時間を90分としたデバイスの双極子分子1分子当りの占有面積は36.1Å2であり、1つの層を構成する(単層の)単分子膜からなる双極子分子層が形成されていた。一方、反応時間を150分としたデバイスの双極子分子1分子当りの平均占有面積は18.8Å2であり、反応時間150分では双極子分子層が1つの層(単層)ではないことが分かった。その原因としては、シランカップリング系分子は、3次元網目構造で結合する場合があると考えられ、高温においては単分子膜で反応が停止することなく、さらにその上に分子が積み重なって多層膜が形成されたと考えられる。
また、反応時間90分と150分の各デバイスについて実施例1と同様の寿命測定を行ったところ、90分の方は3000時間であり、150分では2600時間であり、双極子分子層が単層の単分子膜である方が寿命は長かった。
なお、化合物番号1の1-トリメトキシシリルエチニル-4-ニトロベンゼンによる双極子分子層の形成におけるその他の好ましい反応温度およびそのときの飽和時間は約120℃、約270分が挙げられる。
双極子分子層を構成する分子として表1に示す化合物番号4のフェニルトリメトキシシラン(シランカップリング系化合物)(アルドリッチ社製)を用い、加熱温度100℃、飽和時間105分で双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。この比較例1の有機ELデバイスは、飽和点での双極子分子層の1分子当りの平均占有面積が38.0Å2、双極子モーメントが0.457Debye、比誘電率が5.33であると見積られ、μ/εAは0.085Vであった。また、実施例1と同様の寿命測定を行った結果、表1に示すように450時間と短寿命であった。また、この有機ELデバイスの発光輝度−電圧曲線を図2に示す。輝度100cd/m2に達する電圧は10.8Vと実施例1〜3よりも高電圧であり、500cd/m2に達する電圧では12.2Vと高く実施例1〜3との差が顕著であった。
双極子分子層を構成する分子として表1に示す化合物番号5のブロモフェニルトリメトキシシラン(シランカップリング系化合物)(fluorochem社製)を用い、加熱温度120℃、飽和点120分で双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。この比較例2の有機ELデバイスは、飽和点での双極子分子層の1分子当りの平均占有面積が44.9Å2、双極子モーメントが1.70Debye、比誘電率が12.3であると見積られ、μ/εAは0.116Vであった。また、実施例1と同様の寿命測定を行った結果、表1に示すように600時間と短寿命であった。また、この有機ELデバイスの発光輝度−電圧曲線を図2に示す。輝度100cd/m2に達する電圧は9.0Vと実施例1〜3よりも高電圧であり、500cd/m2に達する電圧では10.5Vと高く実施例1〜3との差が顕著であった。
双極子分子層を構成する分子として、上記合成例3のように合成した表1に示す化合物番号6の3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニルトリメトキシシラン(シランカップリング系化合物)を用い、加熱温度150℃、飽和点90分で双極子分子層を形成したこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。この比較例3の有機ELデバイスは、飽和点での双極子分子層の1分子当りの平均占有面積が88.7Å2、双極子モーメントが4.52Debye、比誘電率が11.8であると見積られ、μ/εAは0.162Vであった。また、実施例1と同様の寿命測定を行った結果、表1に示すように750時間と短寿命であった。また、この有機ELデバイスの発光輝度−電圧曲線を図2に示す。輝度100cd/m2及び500cd/m2に達する電圧は7.3V及び8.7Vとそれぞれ実施例1〜3より高電圧であった。
双極子分子層を構成する分子を含まず、双極子分子層を形成するステップを除くこと以外は、実施例1と同様に有機ELデバイスを作製した。この比較例4の有機ELデバイスは、実施例1と同様の寿命測定を行った結果、表1に示すように450時間と短寿命であった。また、この有機ELデバイスの発光輝度−電圧曲線を図2に示す。輝度100cd/m2に達する電圧は11.2Vと実施例1〜3よりも高電圧であり、500cd/m2に達する電圧では12.4Vと高く実施例1〜3との差が顕著であった。
また、実施例5の結果から明らかなように、陽極と双極子分子との反応温度をより高温とした場合、単層の単分子膜からなる双極子分子層の形成に要する時間を短縮でき、デバイス作製コストを低減することが可能である。加えて実施例5の結果から、双極子分子層が単層であれば、そうでないものに比べて長寿命となることも明らかである。
上記実施例1〜3は有機ELデバイスであるが、例えば基板をガラス、陽極をITO、有機分子層をp型分子銅フタロシアニン(CuPc)とn型分子C60、陰極をAlにてそれぞれ形成することにより、有機太陽電池デバイスを構成することもできる。
2 陽極
3 双極子分子層
4 有機分子層
5 陰極
Claims (8)
- シラン系カップリング剤が、誘電率ε:4〜30×10-11F/m、平均占有面積A:3
0〜70Å2、双極子モーメントμ:2〜6Debyeを有する請求項1に記載の有機デバイス。 - 双極子分子層が、複数の同一分子から1つの層を構成する単分子膜である請求項1〜4の何れか1つに記載の有機デバイス。
- 双極子分子層は、複数の同一分子が最密充填されて1つの層を構成する単分子膜である請求項1〜4の何れか1つに記載の有機デバイス。
- 請求項1〜6の何れか1つに記載の有機デバイスを備えた有機エレクトロルミネッセンスデバイス。
- 請求項1に記載の有機デバイスの製造方法であって、双極子分子層を形成するための分子を第1の電極と気相反応させることにより化学結合させる工程を含み、該工程において、反応時間及び反応温度を制御することにより、複数の同一分子を最密充填した状態で第1の電極と化学結合させて1つの層を構成する単分子膜を形成することを特徴とする有機デバイスの製造方法。
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