JP4920554B2 - 伝導性高分子共重合体、伝導性高分子共重合体組成物、伝導性高分子共重合体組成物膜、及びこれを用いた有機光電素子 - Google Patents
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Description
電荷(正孔または電子)を伝達する多数の有機化合物及びその用途が知られている(例えば、特許文献1乃至4)。
上記一般式(2)に表示されたPEDOT−PSSは、ポリ(4−スチレンスルホネート)(PSS)のポリ酸とポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)の伝導性高分子との単純イオン複合体で、PEDOTに水溶性ポリ酸がドーピングされている構造である。
第一に、水分吸収力を抑制させることができる。
第三に、分子内で双極子−双極子間の相互作用を通じて分子間の凝集現象を減らすことができ、薄膜特性及び貯蔵安全性に優れた伝導性高分子共重合体組成物を得ることができる。
上記他の目的を達成するための本発明の伝導性高分子共重合体組成物は、上記伝導性高分子共重合体が溶媒に分散しており、ここに物理的架橋剤または/及び化学的架橋剤が添加されていることを特徴とする。
ここで使われる伝導性高分子は、通常、有機光電素子に用いられる伝導性高分子であり、具体的には、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、下記一般式(3)で表されるアニリンまたはその誘導体である単量体を重合した重合体、下記一般式(4)で表されるピロール、チオフェンまたはその誘導体である単量体を重合した重合体、下記一般式(5)で表される環状単量体を重合した重合体の中から選ばれた1以上の高分子である:
Re、Rfは、それぞれ独立に、NH;N、O、SまたはPのようなヘテロ原子にC1−C20のアルキル基またはC6−C20のアリール基が結合したもの;C1−C30のアルキル基;C6−C30のアリール基;C1−C30のアルコキシ基;C1−C30のヘテロアルキル基;C1−C30のヘテロアルコキシ基;C6−C30のアリールアルキル基;C6−C30のアリールオキシ基;C6−C30のアリールアミン基;C6−C30のピロール基;C6−C30のチオフェン基;C2−C30のヘテロアリール基;C2−C30のヘテロアリールアルキル基;C2−C30のヘテロアリールオキシ基;C5−C20のシクロアルキル基;C2−C30のヘテロシクロアルキル基;C1−C30のアルキルエステル基;C1−C30のヘテロアルキルエステル基;C6−C30のアリールエステル基;及び、C2−C30のヘテロアリールエステル基からなる群より選ばれるいずれかであり、炭素原子に結合した水素を別の官能基で置換することができる。)、
Yは、NH;N、O、SまたはPのようなヘテロ原子に、C1−C20のアルキル基またはC6−C20のアリール基が結合したものを表し、
mとnはそれぞれ独立に、0〜9の整数を表し、
Zは、−(CH2)x−CRgRh−(CH2)yを表し、ここで、Rg及びRhはそれぞれ独立に、H、C1−C20のアルキルラジカル、C6−C14のアリールラジカルまたは−CH2−ORiであり、ここで、RiはH、C1−C6のアルキル酸、C1−C6のアルキルエステル、C1−C6のヘテロアルキル酸またはC1−C6のアルキルスルホン酸であり、炭素に結合した一つ以上の水素を他の置換基で置換することができ、
x及びyは、それぞれ独立に0〜5の整数であり;Zに含まれる炭素と結合した少なくとも1の水素は、他の官能基に置換している。)
一方、上記他の目的を達成するための本発明の伝導性高分子共重合体組成物は、上記伝導性高分子共重合体が溶媒に分散しており、ここに、物理的架橋剤または/及び化学的架橋剤が添加されていることを特徴とする。
本発明で使われる置換基であるヘテロアリールオキシ基に含まれている1以上の水素原子は、上記アルキル基と同様に置換可能である。
本発明で使われるハロゲンは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、またはアスタチンが好ましく、なかでもフッ素が特に好ましい。
これを伝導性高分子共重合体組成物と定義し、このような伝導性高分子共重合体組成物には、溶媒以外に有機イオン塩、物理的架橋剤、化学的架橋剤のような成分をさらに含むことができる。
物理的架橋剤の含量を上記範囲内にすると、架橋剤の性能が効率的に発揮され、伝導性高分子膜の薄膜モフォロジー(morphology)を効果的に維持することができる。
化学的架橋剤の含量を上記範囲内にすると、架橋剤の性能が効果的に発揮され、伝導性高分子に大きな影響を与えることもなく、伝導性も充分に維持することができる。
本発明はまた、上記伝導性高分子組成物による伝導性高分子膜及びこれを含む有機光電素子を提供する。ここで、光電素子は、有機電界発光素子、有機太陽電池、有機トランジスタ、そして有機メモリ素子などを意味する。
有機電界発光素子では、上記伝導性高分子組成物が電荷、すなわち、正孔または電子注入層に用いられ、正孔及び電子をバランスよく効率的に注入することによって、有機電界発光素子の発光強度と効率とを上げる役割を担う。
図1(a)〜(d)は、本発明の好ましい実施例によって製造される有機電界発光素子の積層構造を概略的に示す断面図である。
図1(c)の有機電界発光素子は、発光層12上に正孔抑制層(HBL)13と電子輸送層15が順次積層された2層膜が用いられた以外は、図1(a)と同じ積層構造を持つ。
すなわち、まず、基板(図示せず)上に、パターニングされた第1電極10を形成する。ここで、基板は通常の有機電界発光素子で使われる基板とすれば良く、透明性、表面平滑性、取扱容易性及び防水性に優れたガラス基板または透明プラスチック基板が好ましい。また、基板の厚さは、0.3〜1.1mmとすることが好ましい。
洗浄済み基板の第1電極10上に、本発明による伝導性高分子組成物を含む正孔注入層(バッファ層)11を形成する。このようにして正孔注入層11を形成すると、第1電極10と発光層12の接触抵抗が減少するとともに、発光層12に対する第1電極10の正孔輸送能力が向上し、素子の駆動電圧と寿命特性が全般的に改善されるという効果が得られる。
ここで、正孔注入層11の厚さは、5〜300nmとすることが好ましく、5〜120nmとすることがより好ましい。正孔注入層11の厚さを上記範囲とすると、正孔注入が十分になされ、光の透過度も良好に維持される。
この場合、ドーパントの含量は、発光層形成材料によって変えることができるが、一般的に、発光層形成材料(ホストとドーパントの総重量)100重量部を基準にして30〜80重量部であることが好ましい。
この正孔輸送層形成物質は特に制限されないものの、例えば、正孔輸送の役割を担うカルバゾール基及び/またはアリールアミン基を持つ化合物、フタロシアニン系化合物及びトリフェニレン誘導体からなる群より選ばれた1以上の物質を含むことができる。
以下では、本発明の伝導性高分子共重合体によると、水分吸収力が抑制でき、分子中のポリ酸の濃度を低減でき、分子間の凝集現象を減らして薄膜特性及び貯蔵安全性を向上させることができる他、有機光電素子の効率特性及び寿命特性を向上させることができるということを、具体的な実施例に挙げて説明する。ただし、ここに記載されていない本発明の内容は、当該技術分野における通常の知識を有する者なら十分に技術的に類推できるからその説明を省略する。
[実施例]
<実施例1>:スチレンスルホン酸−ペルフルオロスチレン共重合体の調製
シグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)社のソジウムスチレンスルホネート(SSNa)48g、ペンタフルオロスチレン(PFS)2.5gをジメチルスルホキシド(DMSO)0.6Lに加熱しながら完全に溶かした。
このとき、ペンタフルオロスチレンを、ソジウムスチレンスルホネートとの合計重量を基準として、5、10、20重量%に変化させつつ反応させた。すなわち、3種類のペンタフルオロスチレン含量を有するサンプルについて反応を行った。
シグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)社のソジウムスチレンスルホネート(SSNa)16g、ペルフルオロオクテン(1H,1H,2H−Perfluoro−1−octene)4gにジメチルスルホキシド(DMSO)0.24Lを加え加熱しながら、完全に溶かした。その後、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.1gをジメチルスルホキシド(DMSO)に滴加した後、24時間以上重合した。
シグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)社のソジウムスチレンスルホネート(SSNa)19g、分岐状ペルフルオロオクテン(Heptafluoro−3,3−bis(trifluoromethyl)−1−hexene)1gにジメチルスルホキシド(DMSO)0.24Lを加え加熱しながら、完全に溶かした。
この時、分岐状ペルフルオロオクテン(Heptafluoro−3,3−bis(trifluoromethyl)−1−hexene)を、ソジウムスチレンスルホネートとの合計重量を基準として、5、10、20重量%に変化させつつ反応させた。すなわち、3種類の分岐状ペルフルオロオクテン含量を有するサンプルについて反応を行った。
シグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)社のソジウムスチレンスルホネート(SSNa)19g、アリルヘプタフルオロブチルエーテル(Allyl 1H,1H−heptafluorobutyl ether)1gにジメチルスルホキシド(DMSO)0.24Lを加え加熱しながら、完全に溶かした。
この時、アリルヘプタフルオロブチルエーテル(Allyl 1H,1H−heptafluorobutyl ether)を、ソジウムスチレンスルホネートとの合計重量を基準として、5,10,20重量%に変化させつつ反応させた。すなわち、3種類のアリルヘプタフルオロブチルエーテル含量を有するサンプルについて反応を行った。
シグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)社のソジウムスチレンスルホネート(SSNa)19g、アリルヘキサフルオロイソプロパノール(2−Allylhexafluoro−isopropanol)1gにジメチルスルホキシド(DMSO)0.24Lを加え加熱しながら、完全に溶かした。
この時、アリルヘキサフルオロイソプロパノールを、ソジウムスチレンスルホネートとの合計重量を基準として、2、5、10、20重量%に変化させつつ反応させた。すなわち、3種類のアリルヘキサフルオロイソプロパノール含量を有するサンプルについて反応を行った。反応物を室温で放置して沈殿を生成した後、ろ過装置を用いてポリ(ソジウムスチレンスルホネート−アリルヘキサフルオロイソプロパノール)共重合体{P(SSA−co−AHFIP)}を得た。
実施例1の共重合体と3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDOT)とを水溶液において攪拌しつつ過硫酸アンモニウム酸化剤を用いて下記表1の条件で重合した。ここで、過硫酸アンモニウムの量としては、特に制限はないものの、反応に充分な量を使用した。なお、表1において、「疎水性基含量」は、実施例1の共重合体中の含フッ素成分の含量であり、「EDOT含量」はEDOTと実施例1の共重合体との合計重量に対するEDOTの含量である。
コーニング(Corning)15Ψ/cm2(1200Å)ITOガラス基板を、横×縦×厚50mm×50mm×0.7mm大きさに切ってイソプロピルアルコールと純粋水中で各5分間超音波洗浄した後、30分間UV、オゾン洗浄した。
ドーピング用高分子として、実施例1乃至5のような共重合体ではなくシグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)社のポリスチレンスルホン酸(PSS)を使用した以外は、上記実施例6と同じ方法でドーピングされたポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン、12時間、24時間反応させて共重合体溶液を製作し、これをそれぞれサンプルRef−S1、Ref−S2と名づけた。
正孔注入層形成物質としてBayer社の製品名Batron P 4083 PEDOT−PSSの水溶液を使用した以外は、上記実施例7と同じ方法で有機電界発光素子を製作したし、これをサンプルRef−Dと名づけた。
上記サンプルD1乃至D4及びサンプルRef−Dの発光効率をSpectraScan PR650スペクトロラジオメーター(spectroradiometer)を用いて測定し、その結果を下記表3と図2及び図3に示した。
上記サンプルS−1〜S−10とサンプルRef−S高分子複合体とのろ過特性を把握するために、Millipore社PVDF材質の0.45μmシリンジディスク(syringe disk)フィルタを用いて各サンプルを10mlずつろ過し、その結果を表4に示す。
上記サンプルS1〜S6及びサンプルRef−S1、Ref−S2の酸性度をOrion 5 star水素イオン濃度測定器(pH meter)を用いて測定し、その結果を表5に示す。
11 正孔注入層
12 発光層
13 正孔抑制層
14 第2電極
15 電子輸送層
16 正孔輸送層
Claims (11)
- 導電性高分子に、下記一般式(1)で表されるポリ酸共重合体がドーピングされている導電性高分子共重合体:
Aは、炭素系であり、置換または非置換のC1−C30のアルキル基;置換または非置換のC1−C30のヘテロアルキル基;置換または非置換のC1−C30のアルコキシ基;置換または非置換のC1−C30のヘテロアルコキシ基;置換または非置換のC6−C30のアリール基、置換または非置換のC7−C30のアリールアルキル基、置換または非置換のC6−C30のアリールオキシ基、置換または非置換のC2−C30のヘテロアリール基、置換または非置換のC3−C30のヘテロアリールアルキル基;置換または非置換のC2−C30のヘテロアリールオキシ基;置換または非置換のC5−C20のシクロアルキル基;置換または非置換のC2−C30のヘテロシクロアルキル基;置換または非置換のC2−C30のアルキルエステル基;置換または非置換のC2−C30のヘテロアルキルエステル基;置換または非置換のC7−C30のアリールエステル基;置換または非置換のC3−C30のヘテロアリールエステル基からなる群より選ばれ、各官能基の炭素と結合した水素は、別の官能基に置換することができる。
Bは、イオン基およびその対イオンからなるイオン対であり、このとき、イオン基は、−SO3 − の陰イオン性基であり、対イオンである陽イオンは、Na+、K+、Li+、Mg2+、Zn2+、Al3+の金属イオン;H+、またはNH4 + である。
Cは、水素の50%以上がフッ素で置換された炭素数2〜30の炭素化合物であり、窒素、リン、硫黄、ケイ素または酸素原子をさらに含むことができる。 - 前記導電性高分子は、
ポリフェニレン;
ポリフェニレンビニレン;
下記一般式(3)で表されるアニリンまたはその誘導体である単量体を重合した重合体;
下記一般式(4)で表される単量体を重合した重合体;および、
下記一般式(5)で表される環状単量体を重合した重合体
から1以上選ばれることを特徴とする、請求項1に記載の導電性高分子共重合体:
Re、Rfは、それぞれ独立に、NH;O;S;またはNまたはPのヘテロ原子にC1−C20のアルキル基またはC6−C20のアリール基が結合したもの;C1−C30のアルキル基;C6−C30のアリール基;C1−C30のアルコキシ基;C1−C30のヘテロアルキル基;C1−C30のヘテロアルコキシ基;C7−C30のアリールアルキル基;C6−C30のアリールオキシ基;C6−C30のアリールアミン基;C6−C30のピロール基;C6−C30のチオフェン基;C2−C30のヘテロアリール基;C3−C30のヘテロアリールアルキル基;C2−C30のヘテロアリールオキシ基;C5−C20のシクロアルキル基;C2−C30のヘテロシクロアルキル基;C2−C30のアルキルエステル基;C2−C30のヘテロアルキルエステル基;C7−C30のアリールエステル基;及び、C3−C30のヘテロアリールエステル基からなる群より選ばれるいずれかであり、炭素原子に結合した水素を別の官能基で置換することができる。)、
Yは、NH;O;S;またはNまたはPのヘテロ原子に、C1−C20のアルキル基またはC6−C20のアリール基が結合したものを表し、
mとnはそれぞれ独立に0〜9の整数を表し、
Zは、−(CH2)x−CRgRh−(CH2)yを表し、ここで、Rg及びRhはそれぞれ独立に、H、C1−C20のアルキルラジカル、C6−C14のアリールラジカルまたは−CH2−ORiであり、ここで、RiはH、C1−C6のアルキル酸、C2−C6のアルキルエステル、C1−C6のヘテロアルキル酸またはC1−C6のアルキルスルホン酸であり、炭素に結合した一つ以上の水素は他の置換基で置換されることができ、
x及びyは、それぞれ独立に0〜5の整数であり;Zに含まれる炭素と結合した少なくとも1の水素は、他の官能基で置換している。)。 - 請求項1に記載の導電性高分子共重合体が溶媒に分散しており、かつ物理的架橋剤または化学的架橋剤を含む導電性高分子共重合体組成物。
- 前記導電性高分子は、
ポリフェニレン;
ポリフェニレンビニレン;
下記一般式(3)で表されるポリアニリンまたはその誘導体である単量体を重合した重合体;
下記一般式(4)で表される単量体を重合した重合体;
下記一般式(5)で表される環状単量体を重合した重合体
から1以上選ばれることを特徴とする、請求項3に記載の導電性高分子共重合体組成物:
Re、Rfは、それぞれ独立に、NH;O;S;またはNまたはPのヘテロ原子にC1−C20のアルキル基またはC6−C20のアリール基が結合したもの;C1−C30のアルキル基;C6−C30のアリール基;C1−C30のアルコキシ基;C1−C30のヘテロアルキル基;C1−C30のヘテロアルコキシ基;C7−C30のアリールアルキル基;C6−C30のアリールオキシ基;C6−C30のアリールアミン基;C6−C30のピロール基;C6−C30のチオフェン基;C2−C30のヘテロアリール基;C3−C30のヘテロアリールアルキル基;C2−C30のヘテロアリールオキシ基;C5−C20のシクロアルキル基;C2−C30のヘテロシクロアルキル基;C2−C30のアルキルエステル基;C2−C30のヘテロアルキルエステル基;C7−C30のアリールエステル基;及び、C3−C30のヘテロアリールエステル基からなる群より選ばれるいずれかであり、炭素原子に結合した水素を別の官能基で置換することができる。)、
Yは、NH;O;S;またはNまたはPのヘテロ原子に、C1−C20のアルキル基またはC6−C20のアリール基が結合したものを表し、
mとnはそれぞれ独立に0〜9の整数を表し、
Zは、−(CH2)x−CRgRh−(CH2)yを表し、ここで、Rg及びRhはそれぞれ独立に、H、C1−C20のアルキルラジカル、C6−C14のアリールラジカルまたは−CH2−ORiであり、ここで、RiはH、C1−C6のアルキル酸、C2−C6のアルキルエステル、C1−C6のヘテロアルキル酸またはC1−C6のアルキルスルホン酸であり、炭素に結合した一つ以上の水素を他の置換基で置換することができ、
x及びyは、それぞれ独立に0〜5の整数であり;Zに含まれる炭素と結合した少なくとも1の水素は、他の官能基で置換している。)。 - 前記物理的架橋剤は、前記導電性高分子共重合体100重量部に対して0.001〜5重量部含まれていることを特徴とする、請求項3に記載の導電性高分子共重合体組成物。
- 前記化学的架橋剤は、前記導電性高分子共重合体100重量部に対して0.001〜50重量部含まれていることを特徴とする、請求項3に記載の導電性高分子共重合体組成物。
- 前記物理的架橋剤は、グリセロール、ブタノール、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンイミン、及びポリビニルピロリドンからなる群より選ばれる1以上であることを特徴とする、請求項3に記載の導電性高分子共重合体組成物。
- 前記化学的架橋剤は、テトラエチルオキシシラン、ポリアジリジン、メラミン系高分子、及びエポキシ系高分子からなる群より選ばれる1以上であることを特徴とする、請求項3に記載の導電性高分子共重合体組成物。
- 前記溶媒は、水、アルコール、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド、トルエン、キシレン及びクロロベンゼンからなる群より選ばれる1以上の溶媒を含むことを特徴とする、請求項3に記載の導電性高分子共重合体組成物。
- 請求項3の導電性高分子共重合体組成物によって形成される、有機光電素子用導電性高分子共重合体組成物膜。
- 請求項10の導電性高分子共重合体組成物膜を含む有機光電素子。
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