JP4828476B2 - 複素環含有の有機金属錯体及びそれを利用した有機発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、有機発光素子用の複素環含有の有機金属錯体及びそれを利用した有機発光素子に係り、さらに詳細には、電気的な安定性及び高い電子輸送能を有する材料である複素環含有の有機金属錯体及びそれを含む有機膜を採用した有機発光素子に関する。
電界発光素子は、自発光型素子であって、視野角が広く、コントラストに優れているだけでなく、応答時間が速いという長所を有しており注目されている。前記電界発光素子には、発光層に無機化合物を使用する無機発光素子と、有機化合物を使用する有機発光素子(Organic Light Emitting Device:OLED)とがあるが、OLEDは、無機発光素子に比べて輝度、駆動電圧及び応答速度特性に優れており、多色化が可能であるという点で多様な研究が行われている。
OLEDは、一般的に、アノード/有機発光層/カソードの積層構造を有し、発光層とカソードとの間に正孔阻止層または電子注入層を追加的にさらに積層して、アノード/有機発光層/正孔阻止層/カソード、アノード/有機発光層/電子輸送層/カソードまたはアノード/有機発光層/正孔阻止層/電子注入層/カソードなどの構造を有しうる。
前記電子輸送層の形成材料として、オキサジアゾール類、チアジアゾール類またはピリミジン類のようなヘテロ芳香族系化合物などが知られている(特許文献1を参照)。
しかし、これまで知られた電子輸送層の形成材料または正孔阻止層の形成材料を備えたOLEDは、寿命、効率及び消費電力特性が満足すべきレベルに至っておらず、改善の余地が多い。
米国特許第6,559,256号明細書
前記問題点を解決するために、本発明は、OLEDの寿命、効率及び消費電力特性を向上させうる複素環含有の有機金属錯体及びそれを備えたOLEDを提供することを目的とする。
前記本発明の課題を解決するために、本発明の第1態様は、下記化学式1で表示されるOLED用の複素環含有の有機金属錯体を提供する。
Figure 0004828476
前記式中、R〜R11は、それぞれ独立的に、水素原子、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリール基、置換または非置換のC7−C20アリールアルキル基、置換または非置換のC2−C20アルキルアルコキシ基、置換または非置換のC7−C20アリールアルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、置換または非置換のC1−C20アルキルアミノ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、または置換または非置換のC2−C20複素環基であり、またはR〜R11から選択された二つ以上の置換基は相互連結されて飽和または不飽和の炭素環、または飽和または不飽和の複素環を形成可能であり、Mは、Be、Mg、Zn、Ca、Cr、Fe、Co、NiまたはCuであり、Xは、NまたはPであり、Yは、OまたはSである。
前記本発明の他の課題を解決するために、本発明の第2態様は、第1電極、第2電極及び前記第1電極と前記第2電極との間に少なくとも有機膜を含むOLEDであって、前記有機膜は、前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を含むOLEDを提供する。
前記複素環含有の有機金属錯体を備えたOLEDは、寿命、効率及び消費電力が向上しうる。
本発明に係る複素環含有の有機金属錯体は、優れた電子輸送能を有するところ、有機膜の形成材料として有効に使用されて、高効率、低電圧、高輝度、長寿命のOLEDが得られる。
本発明の複素環含有の有機金属錯体によれば、優れた電子輸送能を有するところ、有機膜の形成材料として有効に使用されて、高効率、低電圧、高輝度、長寿命のOLEDが得られる。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明のOLED用の複素環含有の有機金属錯体は、2価金属に一つのリガンドで錯体を形成したことを特徴とする化合物である。
前記複素環含有の有機金属錯体は、下記化学式1で表示される。
Figure 0004828476
前記式中、
〜R11は、それぞれ独立的に、水素原子、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリール基、置換または非置換のC7−C20アリールアルキル基、置換または非置換のC2−C20アルキルアルコキシ基、置換または非置換のC7−C20アリールアルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、置換または非置換のC1−C20アルキルアミノ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、または置換または非置換のC2−C20複素環基であり、またはR〜R11から選択された二つ以上の置換基は相互連結されて飽和または不飽和の炭素環、または飽和または不飽和の複素環を形成可能であり、Mは、Be、Mg、Zn、Ca、Cr、Fe、Co、NiまたはCuであり、Xは、NまたはPであり、Yは、OまたはSである。
前記本発明に係るOLED用の複素環含有の有機金属錯体は、金属錯体の安定性の向上した分子構造であり、分子が平面構造を有しうるため、分子間の芳香族環のスタッキングが増加し、その結果、電子移動度が上昇する効果をもたらしうる。前記複素環含有の有機金属錯体は、電子輸送層及び電子注入層の材料だけでなく、発光層の材料にも使用可能であり、このように、発光素子に適用する場合、長寿命及び高効率の有機電界発光素子が得られる。
望ましくは、前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体は、下記化学式2ないし6で表示される化合物のうち何れか一つでありうる。
Figure 0004828476
Figure 0004828476
Figure 0004828476
Figure 0004828476
Figure 0004828476
前記式中、
12及びR13は、それぞれ独立的に、水素原子、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリール基、置換または非置換のC7−C20アリールアルキル基、置換または非置換のC2−C20アルキルアルコキシ基、置換または非置換のC7−C20アリールアルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、置換または非置換のC1−C20アルキルアミノ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、または置換または非置換のC2−C20複素環基であり、Mは、Be、Mg、Zn、Ca、Cr、Fe、Co、NiまたはCuであり、Xは、NまたはPであり、Yは、OまたはSである。
また、望ましくは、前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体は、下記化学式7または8で表示される化合物でありうる。
Figure 0004828476
Figure 0004828476
前記式中、
14、R15及びR16は、それぞれ独立的に、水素原子、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリール基、置換または非置換のC7−C20アリールアルキル基、置換または非置換のC2−C20アルキルアルコキシ基、置換または非置換のC7−C20アリールアルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、置換または非置換のC1−C20アルキルアミノ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、または置換または非置換のC2−C20複素環基であり、Mは、Be、Mg、Zn、Ca、Cr、Fe、Co、NiまたはCuであり、Xは、NまたはPであり、Yは、OまたはSである。
前記化学式2ないし8で表示される化合物において、望ましくは、R12〜R16は、それぞれ独立的に、水素原子、フェニル基またはメチル基である。
また、前記化学式2ないし8で表示される化合物において、望ましくは、Xは、Nであり、前記Yは、Oである。
本発明の化学式で使用された非置換のC1−C20のアルキル基の具体的な例としては、メチル、エチル、プロピル、イソブチル、sec−ブチル、ペンチル、iso−アミル、ヘキシルなどが挙げられ、前記アルキル基のうち一つ以上の水素原子は、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、アミジノ基、ヒドラジン、ヒドラゾン、カルボキシル基またはその塩、スルホン酸基またはその塩、燐酸またはその塩、C1−C20のアルキル基、C1−C20のアルケニル基、C1−C20のアルキニル基、C6−C20のアリール基、C7−C20のアリールアルキル基、C2−C20のヘテロアリール基、またはC3−C20のヘテロアリールアルキル基に置換されうる。
本発明の化学式で使用された非置換のC1−C20のアルコキシ基の具体的な例として、メトキシ、エトキシ、フェニルオキシ、シクロヘキシルオキシ、ナフチルオキシ、イソプロピルオキシ、ジフェニルオキシなどがあり、これらのアルコキシ基のうち少なくとも一つ以上の水素原子は、前述のアルキル基の場合と同様の置換基に置換可能である。
本発明の化学式で使用された非置換のアリール基は、単独または組み合わせて使用され、一つ以上の環を含む炭素原子数6ないし20個の芳香族炭素環を意味し、前記環は、ペンダント方法で共に付着または融合されうる。アリールの例としては、フェニル、ナフチル、テトラヒドロナフチルなどを含む。前記アリール基のうち一つ以上の水素原子は、前述のアルキル基の場合と同様の置換基に置換可能である。
本発明の化学式で使用される非置換のアリールアルキル基は、前記定義されたようなアリール基で、水素原子の一部が低級アルキル、例えば、メチル、エチル、プロピルのような基に置換されたものを意味する。例えば、ベンジル、フェニルエチルなどがある。前記アリールアルキル基のうち一つ以上の水素原子は、前述のアルキル基の場合と同様の置換基に置換可能である。
本発明で使用する非置換の複素環基は、N、O、PまたはSから選択された1、2または3個のヘテロ原子を含み、残りの環原子がCである環原子数6ないし70の単環または二環芳香族2価有機化合物を意味する。複素環基の例として、チエニル、ピリジル、フリルなどがある。前記複素環基のうち一つ以上の水素原子は、前述のアルキル基の場合と同様の置換基に置換可能である。
前述の基以外の他の基は、当業者に通用された意味として解釈される。
さらに詳細には、本発明の一具現例によれば、本発明のOLED用の複素環含有の有機金属錯体は、下記化学式9の化合物であるが、これに限定されるものではない。
Figure 0004828476
本発明に係るOLEDは、第1電極、第2電極及び前記第1電極と前記第2電極との間に少なくとも有機膜を含むが、前記有機膜が、前述のような化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を含みうる。
本発明に係るOLEDの構造は、非常に多様である。前記第1電極と第2電極との間に、有機膜として電子輸送層、電子注入層、正孔阻止層、発光層、電子阻止層、正孔注入層及び正孔輸送層からなる群から選択された一層以上の層を有機膜としてさらに含みうる。このような有機膜は、前述のような前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を含みうる。例えば、本発明に係るOLEDのうち、前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を含む有機膜は発光層、電子輸送層または電子注入層であるが、これに限定されるものではない。
さらに具体的には、本発明に係るOLEDの多様な具現例は、図1A、図1B及び図1Cを参照する。図1AのOLEDは、第1電極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/第2電極からなる構造を有し、図1BのOLEDは、第1電極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/第2電極からなる構造を有する。また、図1CのOLEDは、第1電極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/正孔阻止層/電子輸送層/電子注入層/第2電極の構造を有する。このとき、前記発光層、電子輸送層または電子注入層が、前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を含みうるということは言うまでもない。
以下、前述の積層構造を有するOLEDの製造方法を説明する。
まず、基板の上部に大きい仕事関数を有するアノード(正極)電極用物質を蒸着法またはスパッタリングによって形成し、第1電極であるアノードとして使用する。ここで、基板としては、通常的な有機EL素子で使用される基板を使用するが、透明性、表面平滑性、取扱容易性及び防水性に優れた有機基板または透明プラスチック基板が望ましい。そして、アノード電極用物質としては、透明かつ伝導性に優れたITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、SnO(酸化スズ)、ZnO(酸化亜鉛)などを使用する。
前記アノード電極の上部に正孔注入層物質を真空熱蒸着またはスピンコーティングする。前記正孔注入層物質としては、特別に制限されず、下記構造式で表示されるCuPcまたはスターバスト型アミン類である下記構造式で表示されるTCTA、m−MTDATA、IDE406(出光社)などを正孔注入層として使用できる。
Figure 0004828476
正孔注入層の上部に正孔輸送層物質を真空熱蒸着またはスピンコーティングして正孔輸送層を形成する。前記正孔輸送層物質は、特別に制限されず、下記構造式で表示されるN,N’−ビス(3−メチルフェニル)−N,N’−ジフェニル−[1,1−ビフェニル]−4,4’−ジアミン(TPD)、N,N’−ジ(ナフタレン−1−イル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(α−NPD)、IDE320(出光社)などが使用される。
Figure 0004828476
次いで、正孔輸送層の上部に発光層が導入され、発光層の材料は、特別に制限されず、前記化学式1の複素環含有の有機金属錯体を単独またはドーパントとして使用できる。前記化学式1の複素環含有の有機金属錯体をドーパントとして使用するとき、共に使用されるホストとしては、下記構造式で表示されるCBP、TCB、TCTA、SDI−BH−18、SDI−BH−19、SDI−BH−22、SDI−BH−23、dmCBP、Liq、TPBI、Balq、BCPなどが共同で真空熱蒸着されうる。
Figure 0004828476
前記化学式1の複素環含有の有機金属錯体がドーパントとして使用される場合、そのドーピング濃度は、特別に制限されないが、ホストとドーパントとの総重量100重量部に対して1ないし50重量部を使用する。
発光層上に、正孔阻止層が真空蒸着方法、またはスピンコーティング方法でもって薄膜を形成する。このとき、使用される正孔阻止物質は、特別に制限されないが、電子輸送能を有しつつ、発光化合物より高いイオン化ポテンシャルを有さねばならず、代表的にBalq、BCP、TPBIなどが使用される。
正孔阻止層上に、電子輸送層が真空蒸着方法またはスピンコーティング方法でもって薄膜を形成する。前記電子輸送層の材料は、電子輸送能をさらに向上させうる前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を使用可能であり、キノリン誘導体、特に、トリス(8−キノリノレート)アルミニウム(Alq3)のような公知の材料を使用してもよい。
また、電子輸送層上に電子注入層が積層されうる。前記電子注入層の材料として、前記化学式1で表示される複素環含有の有機金属錯体を使用可能であり、また、公知の材料、例えば、LiF、NaCl、CsF、LiO、BaO、Liqなどの物質を利用できる。
そして、電子注入層の上部にカソード形成用金属を真空熱蒸着してカソード電極を形成することによって、OLEDが完成する。ここで、カソード形成用金属としては、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、アルミニウム−リチウム(Al−Li)、カルシウム(Ca)、マグネシウム−インジウム(Mg−In)、マグネシウム−銀(Mg−Ag)などが利用される。また、前面発光素子を得るために、ITOまたはIZOを使用した透過型カソードを使用できる。
本発明の有機電界発光素子は、アノード電極、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔阻止層、電子輸送層、電子注入層またはカソード電極に、必要に応じて1層または2層の中間層をさらに形成してもよい。前述の層の他にも、電子阻止層を形成してもよい。
以下で、本発明に係る化学式9で表示される複素環含有の有機金属錯体(以下、“化合物9”という)の合成例及び実施例を具体的に例示するが、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。
実施例
〔合成例1〕
下記反応式1の反応経路によって化合物9を合成した:
Figure 0004828476
化合物C(3g)をEtOH/MeOH(1/1、70mL)に溶かし、これにHO(180mL)に溶かしたBeSO4HO(1.8g)を添加する。1N NaOHでpHを10に合わせ、常温で5時間攪拌した。生成された黄色の固体をろ過し、HO、EtOH/MeOH溶液で洗浄して化合物9を得た。
1H NMR(DMSO−d6,400MHz)δ(ppm)8.55(1H,d)、8.36(1H,d)、8.09(1H,d)、7.81(1H,d)、7.74(1H,d)、7.53(1H,t)、7.30(1H,m)、7.19(1H,d)、6.92(1H,d)、6.83(1H,d)、6.71(1H,t)
〔実施例1〕
前記合成例1で合成した化合物9を電子注入層として使用して、次のような構造を有するOLEDを製作した:m−MTDATA(750A)/α−NPD(150A)/DSA(300A):TPBe(3%)/Alq3(200A)/化合物1(50A)/Al(3000A)。
アノードは、コーニング15Ω/cm(1200Å)ITOガラス基板を50mmX50mmX0.7mmのサイズに切って、イソプロピルアルコール及び純水中で各5分間超音波洗浄した後、30分間UVオゾン洗浄して使用した。前記基板の上部に、m−MTDATAを真空蒸着して正孔注入層を750Åの厚さに形成した。次いで、前記正孔注入層の上部にα−NPDを150Åの厚さに真空蒸着して正孔輸送層を形成した。正孔輸送層を形成した後、この正孔輸送層の上部に、DSAをホストとし、ドーパントとしてTPBeを3%使用して、これを真空蒸着して300Åの厚さに発光層を形成した。その後、前記発光層の上部にAlq3を真空蒸着して、200Å厚さの電子輸送層を形成した。この電子輸送層の上部に、化合物9 50Å(電子注入層)及びAl 3000Å(負極電極)を順次に真空蒸着して化合物9/Al電極を形成することによって、図1Bに示すようなOLEDを製造した。
〔比較例1〕
アノードは、コーニング15Ω/cm(1200Å)ITOガラス基板を50mmX50mmX0.7mmのサイズに切って、イソプロピルアルコール及び純水中で各5分間超音波洗浄した後、30分間UVオゾン洗浄して使用した。前記基板の上部にm−MTDATAを真空蒸着して、正孔注入層を750Åの厚さに形成した。次いで、前記正孔注入層の上部に、α−NPDを150Åの厚さに真空蒸着して、正孔輸送層を形成した。正孔輸送層を形成した後、この正孔輸送層の上部に、DSAをホストとし、ドーパントとしてTPBeを3%使用して、これを真空蒸着して300Åの厚さに発光層を形成した。その後、前記発光層の上部にAlq3を真空蒸着して、200Åの厚さの電子輸送層を形成した。この電子輸送層の上部に、Liq 50Å(電子注入層)及びAl 3000Å(負極電極)を順次に真空蒸着してLiq/Al電極を形成することによって、図1Bに示すような有機電界発光素子を製造した:m−MTDATA(750Å)/α−NPD(150Å)/DSA(300Å):TPBe(3%)/Alq(200Å)/Liq(50Å)/Al(3000Å)。
〔評価例1〕
前記実施例及び比較例に対して、(電流−電圧特性、輝度特性、効率特性及び消費電力特性)を評価して下記表1に表した。前記電流−電圧特性の評価には、Keithleyを使用し、輝度特性評価、効率特性評価及び消費電力特性の評価には、IVL測定装置(PhotoResearch PR650 Keithley 238)を使用した。
Figure 0004828476
本発明は、OLED関連の技術分野に好適に利用されうる。
本発明に係るOLEDの構造を概略的に示す断面図である。 本発明に係るOLEDの構造を概略的に示す断面図である。 本発明に係るOLEDの構造を概略的に示す断面図である。

Claims (10)

  1. 記化学式2ないし6で表示される化合物のうち何れか一つであることを特徴とするOLED用の複素環含有の有機金属錯体:
    Figure 0004828476
    Figure 0004828476
    Figure 0004828476
    Figure 0004828476
    Figure 0004828476
    前記式中、
    12及びR13は、それぞれ独立的に、水素原子、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、ハロゲン原子、置換または非置換のC1−C20アルキル基、置換または非置換のC1−C20アルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリール基、置換または非置換のC7−C20アリールアルキル基、置換または非置換のC2−C20アルキルアルコキシ基、置換または非置換のC7−C20アリールアルコキシ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、置換または非置換のC1−C20アルキルアミノ基、置換または非置換のC6−C20アリールアミノ基、または置換または非置換のC2−C20複素環基であり、
    Mは、Be、Mg、Zn、Ca、Cr、Fe、Co、NiまたはCuであり、
    Xは、Nであり、
    Yは、OまたはSである。
  2. 12〜R16は、それぞれ独立的に、水素原子、フェニル基またはメチル基であることを特徴とする請求項に記載のOLED用の複素環含有の有機金属錯体。
  3. 前記Xは、窒素であり、前記Yは、酸素であることを特徴とする請求項または請求項に記載のOLED用の複素環含有の有機金属錯体。
  4. 記化学式9で表示される化合物であることを特徴とする請求項1に記載のOLED用の複素環含有の有機金属錯体。
    Figure 0004828476
  5. 第1電極、第2電極及び前記第1電極と前記第2電極との間に少なくとも有機膜を備えるOLEDであって、前記有機膜は、請求項1から4の何れか一項に記載の複素環含有の有機金属錯体を含むことを特徴とするOLED。
  6. 前記有機膜は、電子輸送層または電子注入層であることを特徴とする請求項に記載のOLED。
  7. 前記有機膜は、発光層であることを特徴とする請求項に記載のOLED。
  8. 前記発光層は、ホスト及びドーパントの総重量100重量部に対してドーパントである前記複素環含有の有機金属錯体1ないし50重量部を含むことを特徴とする請求項に記載のOLED。
  9. 前記有機膜は、正孔注入層、正孔輸送層、電子阻止層、発光層、正孔阻止層、電子輸送層及び電子注入層からなる群から選択された一つ以上の層をさらに備えることを特徴とする請求項に記載のOLED。
  10. 前記素子は、第1電極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/第2電極、第1電極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/第2電極または第1電極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/正孔阻止層/電子輸送層/電子注入層/第2電極の構造を有することを特徴とする請求項に記載のOLED。
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