JP5119778B2 - フルオレン化合物、該化合物を用いた発光素子用材料及び有機電界発光素子 - Google Patents
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Description
該フルオレン骨格は、前記2,2’−ビピリジルの4位、5位または6位に結合している、上記[1]に記載するフルオレン化合物。
該フルオレン骨格は、前記2,2’−ビピリジルの5位または6位に結合している、上記[1]に記載するフルオレン化合物。
本発明のフルオレン化合物について詳細に説明する。本発明に係るフルオレン化合物は、上記一般式(1)で表されるフルオレン化合物である。上記一般式(1)で表されるフルオレン化合物は、2つのフルオレン骨格が9位の位置でスピロ構造を形成するように結合しており、一方のフルオレン骨格には、2つのベンゼン環にそれぞれ1個ずつ2,2’−ビピリジル基が結合している。
上記一般式(1)で表される化合物の、更なる具体例としては、例えば、下記式(1-1)〜(1-6)で表される化合物(左右対称型)や下記式(1-7)〜(1-15)で表される化合物(左右非対称型)があげられる。下記化合物の中でも、特に、左右対称型の下記式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)、式(1-4)、式(1-5)及び式(1-6)で表される化合物が好ましい。さらに下記式(1-1)で表される化合物がより好ましい。
一般式(1)で表されるフルオレン化合物は、例えば、鈴木カップリング反応のような既知の合成法を利用して製造することができる。鈴木カップリング反応は、塩基の存在下パラジウム触媒を用いて、芳香族ハライドもしくはトリフラート(TfO)と、芳香族ボロン酸もしくは芳香族ボロン酸エステルとをカップリングする方法である。この方法で一般式(1)を得る反応経路の具体例は下記の通りである(スキーム1およびスキーム2)。
本発明に係るフルオレン化合物は、例えば、有機電界発光素子の材料(発光素子用材料)として用いることができ、なかでも、電子輸送層や電子注入層の材料として用いることが好ましい。この実施形態に係る有機電界発光素子について図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る有機電界発光素子を示す概略断面図である。
図1に示された有機電界発光素子100は、基板101と、基板101上に設けられた陽極102と、陽極102の上に設けられた正孔注入層103と、正孔注入層103の上に設けられた正孔輸送層104と、正孔輸送層104の上に設けられた発光層105と、発光層105の上に設けられた電子輸送層106と、電子輸送層106の上に設けられた電子注入層107と、電子注入層107の上に設けられた陰極108とを有する。
基板101は、有機電界発光素子100の支持体となるものであり、通常、石英、ガラス、金属、プラスチックなどが用いられる。基板101は、目的に応じて板状、フィルム状又はシート状に形成され、例えば、ガラス板、金属板、金属箔、プラスチックフィルム又はプラスチックシートなどが用いられる。なかでも、ガラス板、及びポリエステル、ポリメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスルホンなどの透明な合成樹脂製の板が好ましい。ガラス基板であれば、ソーダライムガラスや無アルカリガラスなどが用いられ、また、厚みも機械的強度を保つのに十分な厚みがあればよいので、例えば、0.2mm以上あればよい。厚さの上限値としては、例えば、2mm以下、好ましくは1mm以下である。ガラスの材質については、ガラスからの溶出イオンが少ない方がよいので無アルカリガラスの方が好ましいが、SiO2などのバリアコートを施したソーダライムガラスも市販されているのでこれを使用することができる。また、基板101には、ガスバリア性を高めるために、少なくとも片面に緻密なシリコン酸化膜などのガスバリア膜を設けてもよく、特にガスバリア性が低い合成樹脂製の板、フィルム又はシートを基板101として用いる場合にはガスバリア膜を設けるのが好ましい。
陽極102は、発光層105へ正孔を注入する役割を果たすものである。なお、陽極102と発光層105との間に正孔注入層103及び/又は正孔輸送層104が設けられている場合には、これらを介して発光層105へ正孔を注入することになる。
正孔注入層103は、陽極102から移動してくる正孔を、効率よく発光層105内又は正孔輸送層104内に注入する役割を果たすものである。正孔輸送層104は、陽極102から注入された正孔又は陽極102から正孔注入層103を介して注入された正孔を、効率よく発光層105に輸送する役割を果たすものである。正孔注入層103及び正孔輸送層104は、それぞれ、正孔注入・輸送材料の一種又は二種以上を積層、混合するか、正孔注入・輸送材料と高分子結着剤の混合物により形成される。また、正孔注入・輸送材料に塩化鉄(III)のような無機塩を添加して層を形成してもよい。
発光層105は、電界を与えられた電極間において、陽極102から注入された正孔と、陰極108から注入された電子とを再結合させることにより発光するものである。発光層105を形成する材料としては、正孔と電子との再結合によって励起されて発光する化合物(発光性化合物)であればよく、安定な薄膜形状を形成することができ、かつ、固体状態で強い発光(蛍光及び/又は燐光)効率を示す化合物であるのが好ましい。
また、特開平11-97178号公報、特開2000-133457号公報、特開2000-26324号公報、特開2001-267079号公報、特開2001-267078号公報、特開2001-267076号公報、特開2000-34234号公報、特開2001-267075号公報、及び特開2001-217077号公報などに記載されたペリレン誘導体を用いてもよい。
また、国際公開第2000/40586号パンフレットなどに記載されたボラン誘導体を用いてもよい。
また、特開2006-156888号公報などに記載された芳香族アミン誘導体を用いてもよい。
また、特開2004-43646号公報、特開2001-76876号公報、及び特開平6-298758号公報などに記載されたクマリン誘導体を用いてもよい。
電子注入層107は、陰極108から移動してくる電子を、効率よく発光層105内又は電子輸送層106内に注入する役割を果たすものである。電子輸送層106は、陰極108から注入された電子又は陰極108から電子注入層107を介して注入された電子を、効率よく発光層105に輸送する役割を果たすものである。電子輸送層106及び電子注入層107は、それぞれ、電子輸送・注入材料の一種又は二種以上を積層、混合するか、電子輸送・注入材料と高分子結着剤の混合物により形成される。
本発明のフルオレン化合物の使用量はフルオレン化合物の種類によって異なり、そのフルオレン化合物の特性に合わせて決めればよい。フルオレン化合物の使用量の目安は、好ましくは電子輸送層用材料(又は電子注入層用材料)の全体の10〜100重量%であり、より好ましくは50〜100重量%であり、さらに好ましくは80〜100重量%であり、特に好ましくは90〜100重量%である。本発明のフルオレン化合物を単独(100重量%)で用いない場合には、以下に詳述する他の材料を混合すればよい。
陰極108は、電子注入層107及び電子輸送層106を介して、発光層105に電子を注入する役割を果たすものである。
以上の正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層及び電子注入層に用いられる材料は単独で各層を形成することができるが、高分子結着剤としてポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリエステル、ポリスルフォン、ポリフェニレンオキサイド、ポリブタジエン、炭化水素樹脂、ケトン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリサルフォン、ポリアミド、エチルセルロース、酢酸ビニル樹脂、ABS樹脂、ポリウレタン樹脂などの溶剤可溶性樹脂や、フェノール樹脂、キシレン樹脂、石油樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの硬化性樹脂などに分散させて用いることも可能である。
有機電界発光素子を構成する各層は、各層を構成すべき材料を蒸着法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、分子積層法、印刷法、スピンコート法又はキャスト法、コーティング法等の方法で薄膜とすることにより、形成することができる。このようにして形成された各層の膜厚については特に限定はなく、材料の性質に応じて適宜設定することができるが、通常2nm〜5000nmの範囲である。膜厚は通常、水晶発振式膜厚測定装置などで測定できる。蒸着法を用いて薄膜化する場合、その蒸着条件は、材料の種類、膜の目的とする結晶構造及び会合構造等により異なる。蒸着条件は一般的に、ボート加熱温度50〜400℃、真空度10-6〜10-3Pa、蒸着速度0.01〜50nm/秒、基板温度−150〜+300℃、膜厚2nm〜5μmの範囲で適宜設定することが好ましい。
また、本発明は、有機電界発光素子を備えた表示装置又は有機電界発光素子を備えた照明装置などにも応用することができる。
有機電界発光素子を備えた表示装置又は照明装置は、本実施形態にかかる有機電界発光素子と公知の駆動装置とを接続するなど公知の方法によって製造することができ、直流駆動、パルス駆動、交流駆動など公知の駆動方法を適宜用いて駆動することができる。
次に、フルオレン化合物のうちのいくつかの物性値について、表1に示す。各物性値の測定方法は以下の通りである。融点及び耐熱性の指標となるガラス転移温度の測定については、PerkinElmer社製のDiamond DSCを用いて測定した(測定条件:冷却速度200℃/分、昇温速度10℃/分)。UV吸収波長の測定については、日本分光製V−560型分光光度計を用いて励起波長を254nmとして測定した。なお、未測定の物性値については、空欄で示してある。
(1)2,3’−ビピリジル基よりも2,2’−ビピリジル基を有する化合物の方が、発光素子用材料に適用した場合に、高効率化(発光効率、電流効率、外部量子効率)及び低電圧化に寄与すると推察される。
(2)非スピロ構造よりもスピロ構造を有する化合物の方が、ガラス転移温度(Tg)が高く、発光素子用材料に適用した場合に、耐熱性の向上に寄与すると推察される。
(3)ベンゾフルオレン構造よりもフルオレン構造を有する化合物の方が、発光素子用材料に適用した場合に、ワイドギャップによる励起子の閉じ込めによる高効率化(発光効率及び外部量子効率)に寄与すると推察される。
(4)以上(1)〜(3)の各構造のうち、発光素子用材料として有利な構造を組み合わせた本発明のフルオレン化合物は、高効率(発光効率、電流効率、外部量子効率)、低電圧駆動が可能でありながら長寿命化が可能であり、極めて有効な発光素子用材料である。
アルゴン雰囲気下、2,7−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン)−9,9−スピロビフルオレン2.7g(4.8mmol)、5−ブロモ2,2’−ビピリジン2.5g(10.6mmol)、Pd(PPh3)40.84g(0.72mmol)およびリン酸三カリウム8.4g(38mmol)を脱水されたジオキサン100mlに溶解した後、80℃で8時間加熱した。溶媒を減圧除去し、残渣をメタノールで洗浄した。その粗製品をアルミナを用いたカラムクロマトグラフィー(溶媒:トルエン/酢酸エチル=5/1)を行った後、トルエンで再結晶を行った。これを昇華精製して、目的の化合物(1−1)を490mg(収率:16%)得た。
また、NMR測定により化合物(1−1)の構造を確認した。
1H−NMR(CDCl3):σ=8.77(s,2H)、8.64(d,2H)、8.38〜8.34(m,4H)、8.01(d,2H)、7.91(d,2H)、7.86〜7.84(m、2H)、7.80(t,2H)、7.72(d,2H)、7.42(t,2H)、7.28(t,2H)、7.16(t,2H)、7.02(s,2H)、6.85(d,2H)
アルゴン雰囲気下、2,9−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン)−11,11−ジフェニル−11H−ベンゾ[a]フルオレン2.0g(3.2mmol)、5−ブロモ−2,3’−ビピリジン1.7g(6.7mmol)、Pd(PPh3)40.2g(0.19mmol)およびリン酸三カリウム2.7g(13mmol)をジオキサン25mlに溶解した後、水5mlを加え、7時間還流した。冷却後反応液を分液ロートに移し、クロロホルムを加えて水洗を行った。有機層を集めて、減圧濃縮したものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶媒:トルエン/酢酸エチル=1/10)で精製を行った後、クロロホルム/酢酸エチルで再結晶を行った。これを昇華精製して、目的の化合物(4)を210mg(収率:10%)得た。
アルゴン雰囲気下、2,9−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン)−11,11−ジフェニル−11H−ベンゾ[a]フルオレン3.0g(4.8mmol)、6−ブロモ−2,2’−ビピリジン2.5g(10.6mmol)、Pd(PPh3)40.6g(0.52mmol)およびリン酸三カリウム9.4g(42.5mmol)を脱水されたジオキサン100mlに溶解した後、80℃で9時間加熱した。反応終了後、溶媒を減圧除去した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶媒:トルエン/酢酸エチル=10/1)で精製を行った後、トルエンで再結晶を行った。これを昇華精製して、目的の化合物(6)を480mg(収率:23%)得た。
アルゴン雰囲気下、2,9−ビス(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン)−11,11−ジフェニル−11H−ベンゾ[a]フルオレン3.0g(4.8mmol)、5−ブロモ−2,2’−ビピリジン2.5g(10.6mmol)、Pd(PPh3)40.6g(0.52mmol)およびリン酸三カリウム9.4g(42.5mmol)を脱水されたジメトキシスルホキシド100mlに溶解した後、80℃で7時間加熱した。分液ロートに反応液を移し、酢酸エチルを100ml添加して水洗を行った。有機層をセライトろ過した後、溶媒を減圧除去した残渣を酢酸エチルに溶解し、メタノールを加えて沈殿させた。この沈殿をろ過して、黄色の固体を得た。さらにアルミナカラムクロマトグラフィー(溶媒:トルエン/酢酸エチル=50/1)で精製を行った後、トルエンで再結晶を行った。これを昇華精製して、目的の化合物(4)を850mg(収率:27%)得た。
実施例1で電子輸送層に用いた化合物(1-1)をALQに替えた以外は、実施例1に準じた方法で有機EL素子を得た。ITO電極を陽極、フッ化リチウム/アルミニウム電極を陰極として、100cd/m2発光時の特性を測定すると、電圧4.83V、電流密度1.93mA/cm2、発光効率3.37Lm/W、電流効率5.18cd/A、発光波長455nmおよび色度(0.149,0.180)であった。また、外部量子効率は4.82%であり、その時の電流密度は10mA/cm2であった。また、初期輝度1000cd/m2を得るための電流密度により、定電流駆動試験を実施したところ、輝度半減時間は2500時間であった。
実施例1で電子輸送層に用いた化合物(1-1)を化合物(6)に替えた以外は、実施例1に準じた方法で有機EL素子を得た。ITO電極を陽極、フッ化リチウム/アルミニウム電極を陰極として、100cd/m2発光時の特性を測定すると、電圧3.67V、電流密度1.76mA/cm2、発光効率4.86Lm/W、電流効率5.68cd/A、発光波長455nmおよび色度(0.148,0.180)であった。また、外部量子効率は5.14%であり、その時の電流密度は10mA/cm2であった。また、初期輝度1000cd/m2を得るための電流密度により、定電流駆動試験を実施したところ、輝度半減時間は181時間であった。
実施例1で電子輸送層に用いた化合物(1-1)を化合物(4)に替えた以外は、実施例1に準じた方法で有機EL素子を得た。ITO電極を陽極、フッ化リチウム/アルミニウム電極を陰極として、100cd/m2発光時の特性を測定すると、電圧3.60V、電流密度1.59mA/cm2、発光効率5.49Lm/W、電流効率6.29cd/A、発光波長454nmおよび色度(0.148,0.176)であった。また、外部量子効率は5.67%であり、その時の電流密度は10mA/cm2であった。また、初期輝度1000cd/m2を得るための電流密度により、定電流駆動試験を実施したところ、輝度半減時間は161時間であった。
実施例1で電子輸送層に用いた化合物(1-1)を化合物(7)に替えた以外は、実施例1に準じた方法で有機EL素子を得た。ITO電極を陽極、フッ化リチウム/アルミニウム電極を陰極として、100cd/m2発光時の特性を測定すると、電圧3.59V、電流密度1.43mA/cm2、発光効率6.12Lm/W、電流効率6.99cd/A、発光波長455nmおよび色度(0.147,0.170)であった。また、外部量子効率は5.74%であり、その時の電流密度は10mA/cm2であった。また、初期輝度1000cd/m2を得るための電流密度により、定電流駆動試験を実施したところ、輝度半減時間は230時間であった。
101 基板
102 陽極
103 正孔注入層
104 正孔輸送層
105 発光層
106 電子輸送層
107 電子注入層
108 陰極
Claims (13)
- 2つの2,2’−ビピリジルは、フルオレン骨格の2位及び7位、または、3位及び6位に結合している、請求項1に記載するフルオレン化合物。
- 2つの2,2’−ビピリジルは、フルオレン骨格の2位及び7位に結合し、
該フルオレン骨格は、前記2,2’−ビピリジルの4位、5位または6位に結合している、請求項1に記載するフルオレン化合物。 - 2つの2,2’−ビピリジルは、フルオレン骨格の2位及び7位に結合し、
該フルオレン骨格は、前記2,2’−ビピリジルの5位または6位に結合している、請求項1に記載するフルオレン化合物。 - 2つの2,2’−ビピリジルは、左右対称となるようにフルオレン骨格に結合している、請求項1ないし5のいずれかに記載するフルオレン化合物。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載するフルオレン化合物を含有する、発光素子用材料。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載するフルオレン化合物を含有する、発光素子の電子輸送層用材料又は電子注入層用材料。
- 陽極及び陰極からなる一対の電極と、該一対の電極間に配置される発光層と、前記陰極と前記発光層との間に配置される電子輸送層及び/又は電子注入層を有し、該電子輸送層及び電子注入層の少なくとも1つは請求項9に記載する材料を含有する、有機電界発光素子。
- 前記電子輸送層及び電子注入層の少なくとも1つは、さらに、キノリノール系金属錯体、ピリジン誘導体及びフェナントロリン誘導体からなる群から選択される少なくとも1つを含有する、請求項10に記載する有機電界発光素子。
- 請求項11に記載する有機電界発光素子を備えた表示装置。
- 請求項11に記載する有機電界発光素子を備えた照明装置。
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