JP6168050B2 - 有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法 - Google Patents

有機エレクトロルミネッセンス素子及び有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法に関し、詳しくは、発光効率、発光寿命及び演色性が改良された有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法に関する。
近年、有機材料を使用した有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子ともいう。)は、固体発光型の軽量、薄型及び安価な大面積フルカラー表示素子や書き込み光源アレイとしての用途が有望視されており、研究開発が活発に進められている。
有機EL素子は、フィルム上に形成された一対の陽極と陰極との間に、有機発光物質を含有する厚さ僅か0.1μm程度の有機機能層を単層構成又は多層構成で有する薄膜型の全固体素子である。このような有機EL素子に2〜20V程度の比較的低い電圧を印加すると、有機化合物層に陰極から電子が注入され、陽極から正孔が注入される。この電子と正孔とが発光層において再結合し、形成された励起子が基底状態に戻る際にエネルギーを光として放出することにより発光が得られることが知られており、次世代の平面ディスプレイや照明装置として期待されている技術である。
さらに、最近発見されたリン光発光を利用する有機EL素子では、従来の蛍光発光を利用する方式に比べ、原理的には約4倍の発光効率の実現が可能であることから、その材料開発をはじめとし、有機機能層の層構成や電極の研究開発が世界中で行われている。特に、地球温暖化防止策の1つとして、人類のエネルギー消費の多くの比率を占める照明器具への応用が検討されはじめ、従来の照明器具に置き換わりうる白色発光パネルの実用化に向けて、性能向上やコストダウンの試みが盛んに行われている。
照明用白色発光パネルにおいては、高効率及び長寿命が求められているが、特に長寿命化の観点においては、蛍光灯や白色LEDに対して性能が不十分であるのが現状であり、さらなる高効率化及び長寿命化の技術の開発が求められている。また、色温度の制御のために、スペクトルのシャープな発光材料も求められている。
これらの問題を解決する方法として、発光材料として無機発光物質である「量子ドット」を用いる方法がある。
量子ドット材料はシャープな発光スペクトルに加え、無機物であるために耐久性に優れ、また各種溶媒に分散が可能である特徴を持つことから、湿式塗布方式に適用が可能である。
例えば、非特許文献1においては、赤色の量子ドット材料を、N,N′−ジフェニル−N,N′−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1′ビフェニル)−4,4′−ジアミンに分散させ、スピンコートして形成した素子において、シャープなスペクトルを有する赤色発光が確認されたことが報告されている。しかしながら、得られる発光効率は1lm/W程度と低いものであった。
また、特許文献1においては、青色の量子ドットを使用して、青色の発光素子を得る方法が開示されているが、300cdの明るさを得るためには11V程度の駆動電圧が必要であるなど、未だ高効率な青色の量子ドットを用いた発光素子は得られていない。これは、量子ドットに電荷を注入するホスト材料の電荷輸送性が低く、また準位が整合していないため、量子ドットへの電荷注入の効率が低いためと想定される。
また、特許文献2においては、リン光型有機EL素子において良好なホスト材料として知られる4,4′−ビス(カルバゾール−9−イル)ビフェニルを赤色発光量子ドットと組み合わせた有機EL素子が開示されており、また、特許文献3においては、ホスト材料として4,4′−ビス(カルバゾール−9−イル)−9,9−ジメチルフルオレンを用いて、緑色発光量子ドットと組み合わせた有機EL素子が開示されているが、青色発光量子ドットに適したホスト化合物については、設計指針に関する開示や示唆が認められない。
このように、発光効率及び素子寿命に優れ、演色性の高い有機EL素子に必要な青色発光量子ドットを用いた青色発光有機EL素子、及び緑・赤色リン光ドーパント等と組み合わせた白色発光有機EL素子は、未だ実現していないのが現状である。
国際公開第2010/114544号 国際公開第2009/041594号 国際公開第2009/041595号
Adv.Funct.Mat., 2005, p1117
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、高発光効率で長寿命の有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法を提供することであって、特に、演色性に優れ、低駆動電圧でも色度が安定した白色発光の有機エレクトロルミネッセンス素子及びその製造方法を提供することである。
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討を進めた結果、少なくとも、陽極、正孔輸送層、リン光発光性化合物を含有する発光層、電子輸送層及び陰極を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、発光波長が特定の範囲にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が特定の範囲にあるホスト化合物とを含有させ、前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長い関係にある発光層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子により、高発光効率及び長寿命で、演色性に優れ、低駆動電圧でも色度が安定した白色発光の有機エレクトロルミネッセンス素子を実現することができることを見出し、本発明に至った次第である。
すなわち、本発明の上記課題は、下記の手段により解決される。
1.少なくとも、陽極、正孔輸送層、リン光発光性化合物を含有する発光層、電子輸送層及び陰極を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層が、発光波長が413〜477nmの範囲内にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあるホスト化合物とを含有し、かつ前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長いことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
2.前記量子ドットの平均粒子径が、1〜20nmの範囲内であることを特徴とする第1項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
3.前記前記量子ドットのアスペクト比(長軸径/短軸径)の値が、1.0〜2.0の範囲内であることを特徴とする第1項又は第2項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
4.前記量子ドットが、少なくともSi、Ge、GaN、GaP、CdS、CdSe、CdTe、InP、InN、ZnS、In、ZnO、CdO又はこれらの混合物で構成されていることを特徴とする第1項から第3項までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
5.前記ホスト化合物の分子量が、500〜1000の範囲内であることを特徴とする第1項から第4項までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
6.前記発光層が、前記ホスト化合物として、下記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする第1項から第5項までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure 0006168050

〔式中、Xは、NR′、酸素原子、硫黄原子、CR′R″、又はSiR′R″を表す。y及びyは、各々CR′又は窒素原子を表す。R′及びR″は、各々水素原子又は置換基を表す。Ar及びArは、各々芳香環を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。nは0〜4の整数を表す。〕
7.前記一般式(1)におけるXが、NR′であることを特徴とする第6項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
8.前記一般式(1)におけるXが、酸素原子であることを特徴とする第6項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
9.前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることを特徴とする第6項から第8項までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure 0006168050

〔式中、Ar〜Arは、各々芳香環を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。n1は、0〜4の整数を表し、n2は、0〜5の整数を表す。〕
10.前記発光層に、更にリン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が、496〜827nmの範囲内にあるリン光発光ドーパントを含有することを特徴とする第1項から第9項までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
11.少なくとも、陽極、正孔輸送層、リン光発光性化合物を含有する発光層、電子輸送層及び陰極を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、前記発光層に、発光波長が413〜477nmの範囲にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲にあるホスト化合物とを含有させ、前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長い関係にあり、前記発光層を塗布方式で形成し、前記発光層形成用塗布液に、沸点が100〜150℃の範囲内にある溶媒を含有せしめることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
本発明の上記手段に示したように、有機エレクトロルミネッセンス素子を構成する発光層において、発光波長が413〜477nmの範囲にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあるホスト化合物とを用い、かつ前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長い構成とすることにより、量子ドットに効率よく励起子を注入することができるようになり、その結果、高い発光効率が得られ、また非発光過程による熱的な発光素子へのダメージも抑制される結果、高効率で、かつ長寿命な有機EL素子を提供することができる。特に、従来公知の方法に従った組み合わせでは、極めて難しかった演色性が高く、低駆動電圧で色度が安定した白色発光の有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することができる。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の構成の一例を示す概略断面図 本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の他の構成の一例を示す概略断面図
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、少なくとも、陽極、正孔輸送層、リン光発光性化合物を含有する発光層、電子輸送層及び陰極を有し、該発光層が、発光波長が413〜477nmの範囲内にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲に内あるホスト化合物とを含有し、かつ前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長い構成とすることを特徴とし、高発光効率及び長寿命で、演色性に優れ、かつ低駆動電圧でも色度が安定した白色発光の有機エレクトロルミネッセンス素子を実現することができる。この特徴は、請求項1から請求項11に係る発明に共通する技術的特徴である。
本発明の実施態様としては、本発明の目的とする効果をより発現できる観点から、本発明に係る発光波長が413〜477nmの範囲内にある量子ドットの特性として、量子ドットの平均粒子径が、1〜20nmの範囲内であることが好ましい。また、量子ドットのアスペクト比(長軸径/短軸径)の値として、1.0〜2.0の範囲内であることが好ましい。また、適用する量子ドットとして、少なくともSi、Ge、GaN、GaP、CdS、CdSe、CdTe、InP、InN、ZnS、In、ZnO、CdO又はこれらの混合物で構成されていることが好ましい。
また、本発明に係リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあるホスト化合物としては、ホスト化合物の分子量が、500〜1000の範囲内であることが好ましい。また、発光層が、ホスト化合物として、前記一般式(1)で表される化合物を含有することが好ましい。また、本発明に係る一般式(1)で表される化合物においては、XがNR′又は酸素原子であることが好ましい。
また、更には、前記一般式(1)で表される化合物が、前記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。
更には、本発明の有機EL素子を構成する発光層が、更にリン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属する発光波長が、496〜827nmの範囲内にあるリン光発光ドーパントを含有することが好ましい。
また、本発明の有機EL素子を製造する方法としては、発光層が塗布方式で形成し、該発光層の形成用塗布液が、沸点が100〜150℃の範囲内にある溶媒を含有することを特徴とする。
なお、本発明において、「量子ドット」とは、電子(及び正孔)を微小な空間に閉じ込めるために形成した直径が数〜数十nmの半導体微結晶であって、量子サイズ効果を発現する微結晶をいう。
また、「量子ドットのバンドギャップ」とは、量子ドットの価電子帯と伝導帯とのエネルギー差(エネルギーギャップ)をいう。
また、「ホスト化合物、リン光発光ドーパント等のバンドギャップ」とは、最高被占分子軌道(HOMO)のエネルギー準位と最低空分子軌道(LUMO)のエネルギー準位とのエネルギー差(エネルギーギャップ)をいう。
本発明に係る量子ドットは、発光波長が413〜477nmの範囲内にあることを特徴とするが、バンドギャップで表示すると、2.6〜3.0eVの範囲内である。
また、本発明に係るホスト化合物は、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあることを特徴とするが、バンドギャップで表示すると、2.7〜3.0eVの範囲内である。
以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、以下の説明において示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。
《有機ELの構成》
図1に、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の構成の一例を示す概略断面図を示す。
図1において、本発明の好ましい実施形態に係る有機EL素子100は、可撓性支持基板1を有している。可撓性支持基板1上には陽極2が形成され、陽極2上には有機機能層20が形成され、有機機能層20上には陰極8が形成されている。
有機機能層20とは、陽極2と陰極8との間に設けられている有機EL素子100を構成する各層をいう。
有機機能層20には、例えば、正孔注入層3、正孔輸送層4、発光層5、電子輸送層6、電子注入層7が含まれ、そのほかに正孔ブロック層や電子ブロック層等が含まれてもよい。
可撓性支持基板1上の陽極2,有機機能層20,陰極8は封止接着剤9を介して可撓性封止部材10によって封止されている。
なお、有機EL素子100のこれらの層構造(図1参照)は、単に好ましい有機EL素子EL素子構成の一例を示したものであり、本発明は図1に例示した構成にのみ限定されない。本発明の有機EL素子のその他の代表的な構成として、例えば、下記(i)〜(viii)に例示するような層構造を挙げることができる。
(i)可撓性支持基板/陽極/発光層/電子輸送層/陰極/熱伝導層/封止用接着剤/封止部材
(ii)可撓性支持基板/陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極/熱伝導層/封止用接着剤/封止部材
(iii)可撓性支持基板/陽極/正孔輸送層/発光層/正孔ブロック層/電子輸送層/陰極/熱伝導層/封止用接着剤/封止部材
(iv)可撓性支持基板/陽極/正孔輸送層/発光層/正孔ブロック層/電子輸送層/陰極バッファー層/陰極/熱伝導層/封止用接着剤/封止部材
(v)可撓性支持基板/陽極/陽極バッファー層/正孔輸送層/発光層/正孔ブロック層/電子輸送層/陰極バッファー層/陰極/熱伝導層/封止用接着剤/封止部材
(vi)ガラス支持体/陽極/正孔注入層/発光層/電子注入層/陰極/封止部材
(vii)ガラス支持体/陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子注入層/陰極/封止部材
(viii)ガラス支持体/陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極/封止部材
《有機EL素子の各構成層》
[1]有機機能層
次いで、本発明の有機EL素子を構成する有機機能層の詳細について説明する。
〔1〕注入層
本発明の有機EL素子においては、注入層は必要に応じて設けることができる。注入層としては正孔注入層と電子注入層があり、上記の如く陽極と発光層又は正孔輸送層の間、及び陰極と発光層又は電子輸送層との間に存在させてもよい。
本発明でいう注入層とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために電極と有機機能層間に設けられる層で、「有機EL素子とその工業化最前線(1998年11月30日エヌ・ティー・エス社発行)」の第2編第2章「電極材料」(123〜166頁)に詳細に記載されており、正孔注入層と電子注入層とがある。
正孔注入層は、例えば、特開平9−45479号公報、同9−260062号公報、同8−288069号公報等にもその詳細が記載されており、正孔注入層に適用可能な正孔注入材料としては、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体等を含むポリマーやアニリン系共重合体、ポリアリールアルカン誘導体、又は導電性ポリマーが挙げられ、好ましくはポリチオフェン誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体であり、さらに好ましくはポリチオフェン誘導体である。
電子注入層は、例えば、特開平6−325871号公報、同9−17574号公報、同10−74586号公報等にその詳細が記載されており、具体的には、ストロンチウムやアルミニウム等に代表される金属バッファー層、フッ化リチウムに代表されるアルカリ金属化合物バッファー層、フッ化マグネシウムに代表されるアルカリ土類金属化合物バッファー層、酸化アルミニウムに代表される酸化物バッファー層等が挙げられる。
本発明においては、上記バッファー層(注入層)はごく薄い膜であることが望ましく、フッ化カリウム、フッ化ナトリウムであることが好ましく、その膜厚は0.1nm〜5μm程度、好ましくは0.1〜100nm、さらに好ましくは0.5〜10nm、最も好ましくは0.5〜4nmである。
〔2〕正孔輸送層
本発明において、正孔輸送層とは、正孔を輸送する機能を有する材料からなり、陽極より注入された正孔を発光層に伝達する機能を有していればよい。
本発明の正孔輸送層の総膜厚については特に制限はないが、通常は5nm〜5μmの範囲内であり、より好ましくは2〜500nmの範囲内であり、さらに好ましくは5〜200nmの範囲内である。
正孔輸送層に用いられる材料(以下、正孔輸送材料という)としては、正孔の注入性又は輸送性、電子の障壁性のいずれかを有していればよく、従来公知の化合物の中から任意のものを選択して用いることができる。
例えば、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体、オキサゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、トリアリールアミン誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体、イソインドール誘導体、アントラセンやナフタレン等のアセン系誘導体、フルオレン誘導体、フルオレノン誘導体、及びポリビニルカルバゾール、芳香族アミンを主鎖又は側鎖に導入した高分子材料又はオリゴマー、ポリシラン、導電性ポリマー又はオリゴマー(例えば、PEDOT:PSS(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリスチレンスルホネート)、アニリン系共重合体、ポリアニリン、ポリチオフェン等)等が挙げられる。
トリアリールアミン誘導体としては、α−NPD(4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル)に代表されるベンジジン型や、MTDATA(4,4′,4″−トリス〔N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ〕トリフェニルアミン)に代表されるスターバースト型、トリアリールアミン連結コア部にフルオレンやアントラセンを有する化合物等が挙げられる。
また、特表2003−519432号公報や特開2006−135145号公報等に記載されているようなヘキサアザトリフェニレン誘導体も同様に正孔輸送材料として用いることができる。
更に、不純物をドープしたp性の高い正孔輸送層を用いることもできる。その例としては、特開平4−297076号公報、特開2000−196140号公報、同2001−102175号公報の各公報、J.Appl.Phys.,95,5773(2004)等に記載されたものが挙げられる。
また、特開平11−251067号公報、J.Huang et.al.著文献(Applied Physics Letters 80(2002),p.139)に記載されているような、所謂p型正孔輸送材料やp型−Si、p型−SiC等の無機化合物を用いることもできる。さらにIr(ppy)3に代表されるような中心金属にIrやPtを有するオルトメタル化有機金属錯体も好ましく用いられる。
正孔輸送材料としては、上記のものを使用することができるが、トリアリールアミン誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体、アザトリフェニレン誘導体、有機金属錯体、芳香族アミンを主鎖又は側鎖に導入した高分子材料又はオリゴマー等が好ましく用いられる。
本発明の有機EL素子に用いられる、公知の好ましい正孔輸送材料の具体例としては、上記で挙げた文献の他、以下の文献に記載の化合物等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
例えば、Appl.Phys.Lett.69,2160(1996)、J.Lumin.72−74,985(1997)、Appl.Phys.Lett.78,673(2001)、Appl.Phys.Lett.90,183503(2007)、Appl.Phys.Lett.90,183503(2007)、Appl.Phys.Lett.51,913(1987)、Synth.Met.87,171(1997)、Synth.Met.91,209(1997)、Synth.Met.111,421(2000)、SID Symposium Digest,37,923(2006)、J.Mater.Chern.3,319(1993)、Adv.Mater.6,677(1994)、Chern.Mater.15,3148(2003)、米国特許公開第20030162053号明細書、米国特許公開第20020158242号明細書、米国特許公開第20060240279号明細書、米国特許公開第20080220265号明細書、米国特許第5061569号明細書、国際公開第2007/002683号、国際公開第2009/018009号、EP第650955号明細書、米国特許公開第20080124572号明細書、米国特許公開第20070278938号明細書、米国特許公開第20080106190号明細書、米国特許公開第20080018221号明細書、国際公開第2012/115034号、特表2003−519432号公報、特開2006−135145号公報、米国特許出願番号13/585981号明細書等である。
正孔輸送材料は単独で用いてもよく、また複数種を併用して用いてもよい。
〔3〕電子輸送層
本発明の有機EL素子の有機機能層を構成する電子輸送層とは、電子を輸送する機能を有する材料から構成され、広い意味で電子注入層、正孔ブロック層も電子輸送層のカテゴリーに含まれる。電子輸送層は、単層又は複数層設けることができる。
単層の電子輸送層、あるいは複数の電子輸送層を構成する場合、発光層に対して陰極側に隣接する位置に形成される電子輸送層に適用することができる電子輸送材料(正孔ブロック材料を兼ねる)としては、陰極より注入された電子を発光層に伝達する機能を有していればよく、その材料としては従来公知の化合物の中から任意のものを選択して用いることができ、例えば、フルオレン誘導体、カルバゾール誘導体、アザカルバゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、シロール誘導体、ピリジン誘導体、ピリミジン誘導体、8−キノリノール誘導体等の金属錯体等が挙げられる。
その他、メタルフリーもしくはメタルフタロシアニン、又はそれらの末端がアルキル基やスルホン酸基等で置換されているものも、電子輸送材料として好ましく用いることができる。
これらの中でも、カルバゾール誘導体、アザカルバゾール誘導体、ピリジン誘導体等が好ましく、その中でも、アザカルバゾール誘導体がより好ましい。
本発明の有機EL素子に用いることができる公知の好ましい電子輸送材料の具体例としては、以下の文献に記載の化合物等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
米国特許第6528187号明細書、米国特許第7230107号明細書、米国特許公開第20050025993号明細書、米国特許公開第20040036077号明細書、米国特許公開第20090115316号明細書、米国特許公開第20090101870号明細書、米国特許公開第20090179554号明細書、国際公開第2003/060956号、国際公開第2008/132085号、Appl.Phys.Lett.75,4(1999)、Appl.Phys.Lett.79,449(2001)、Appl.Phys.Lett.81,162(2002)、Appl.Phys.Lett.81,162(2002)、Appl.Phys.Lett.79,156(2001)、米国特許第7964293号明細書、米国特許公開第2009030202号明細書、国際公開第2004/080975号、国際公開第2004/063159号、国際公開第2005/085387号、国際公開第2006/067931号、国際公開第2007/086552号、国際公開第2008/114690号、国際公開第2009/069442号、国際公開第2009/066779号、国際公開第2009/054253号、国際公開第2011/086935号、国際公開第2010/150593号、国際公開第2010/047707号、EP第2311826号明細書、特開2010−251675号公報、特開2009−209133号公報、特開2009−124114号公報、特開2008−277810号公報、特開2006−156445号公報、特開2005−340122号公報、特開2003−45662号公報、特開2003−31367号公報、特開2003−282270号公報、国際公開第2012/115034号等である。
電子輸送層は、上記電子輸送材料を、例えば、スピンコート法、キャスト法、インクジェット法を含む印刷法、LB法等の公知の方法により、薄膜化することにより形成することができ、上記電子輸送材料とフッ化アルコール溶媒を含有する塗布液を用いたウェットプロセスにより形成することが好ましい。
電子輸送層の膜厚については、特に制限はないが、通常は5nm〜5μmの範囲内であり、好ましくは5〜200nmの範囲内である。電子輸送層は、上記材料の1種又は2種以上からなる単層構造であってもよい。
また、不純物をゲスト材料としてドープしたn性の高い電子輸送層を用いることもできる。その例としては、特開平4−297076号公報、同10−270172号公報、特開2000−196140号公報、同2001−102175号公報、J.Appl.Phys.,95,5773(2004)等に記載された構成が挙げられる。
本発明に係る電子輸送層には、有機物のアルカリ金属塩を含有することが好ましい。有機物の種類としては、特に制限はないが、例えば、ギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸、酪酸塩、吉草酸塩、カプロン酸塩、エナント酸塩、カプリル酸塩、シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、安息香酸塩、フタル酸塩、イソフタル酸塩、テレフタル酸塩、サリチル酸塩、ピルビン酸塩、乳酸塩、リンゴ酸塩、アジピン酸塩、メシル酸塩、トシル酸塩、ベンゼンスルホン酸塩が挙げられ、好ましくはギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩、酪酸塩、吉草酸塩、カプロン酸塩、エナント酸塩、カプリル酸塩、シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、安息香酸塩等が挙げられる。より好ましくは、ギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩、酪酸塩等の脂肪族カルボン酸のアルカリ金属塩であり、脂肪族カルボン酸の炭素数が4以下であることが好ましく、最も好ましくは酢酸塩である。
有機物のアルカリ金属塩のアルカリ金属の種類としては、特に制限はないが、Na、K、Csが挙げられ、好ましくはK、Cs、さらに好ましくはCsである。有機物のアルカリ金属塩としては、前記有機物とアルカリ金属の組み合わせが挙げられ、好ましくは、ギ酸Li、ギ酸K、ギ酸Na、ギ酸Cs、酢酸Li、酢酸K、酢酸Na、酢酸Cs、プロピオン酸Li、プロピオン酸Na、プロピオン酸K、プロピオン酸Cs、シュウ酸Li、シュウ酸Na、シュウ酸K、シュウ酸Cs、マロン酸Li、マロン酸Na、マロン酸K、マロン酸Cs、コハク酸Li、コハク酸Na、コハク酸K、コハク酸Cs、安息香酸Li、安息香酸Na、安息香酸K、安息香酸Cs、より好ましくは酢酸Li、酢酸K、酢酸Na、酢酸Cs、最も好ましくは酢酸Csである。
これら有機物のアルカリ金属塩の含有量は、添加する電子輸送層100質量%に対し、好ましくは1.5〜35質量%の範囲内であり、より好ましくは3〜25質量%の範囲内であり、最も好ましくは5〜15質量%の範囲内である。
〔4〕発光層
本発明の有機EL素子を構成する発光層は、電極又は電子輸送層、正孔輸送層から注入されてくる電子と正孔とが再結合して発光する層であり、発光する部分は発光層の層内であっても発光層と隣接層との界面であってもよい。
本発明に係る発光層は、発光波長が413〜477nmの範囲内にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあるホスト化合物とを含有する要件を満たしていれば、その他の構成要件には特に制限はない。
また、同一の発光スペクトルや発光極大波長を有する層が複数層あってもよい。また、各発光層間には非発光性の中間層を有していることが好ましい。
本発明における発光層の膜厚の総和は、1〜100nmの範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは、より低い駆動電圧を得ることができることから、50nm以下である。なお、本発明でいう発光層の膜厚の総和とは、発光層間に非発光性の中間層が存在する場合には、当該中間層も含む膜厚をいう。
個々の発光層の膜厚としては、1〜50nmの範囲内に調整することが好ましい。
個々の発光層は、青、緑、赤の各色発光を示しても良く、各発光層の膜厚の関係については、特に制限はない。
発光層の形成には、後述する発光材料やホスト化合物を、例えば、真空蒸着法、スピンコート法、キャスト法、LB法、インクジェット法等の公知の薄膜化法により製膜して形成することができる。
本発明においては、各発光層には複数の発光材料を混合してもよく、またリン光発光材料と蛍光発光材料を同一発光層中に混合して用いてもよい。
本発明においては、発光層の構成として、ホスト化合物、発光材料(発光ドーパント化合物ともいう)を含有し、発光材料により発光させることが好ましい。
(4.1)ホスト化合物
本発明の有機EL素子を構成する発光層に適用するホスト化合物は、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nm(2.7〜3.0eV)の範囲内という発光波長の短い化合物であり、すなわち三重項エネルギーの高い化合物であるにあることを特徴とするものである。より好ましくは、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が430〜455nmの範囲内にある化合物であり、更に好ましくは440〜450nmにある化合物である。
このように、三重項のエネルギー準位においても、量子ドット化合物よりも広いバンドギャップのホスト化合物を用いることで、量子ドット化合物へのキャリアの注入や励起子の閉じ込めが効率的なものとなり、高効率の発光、及び熱的失活過程の低減による発光の長寿命化効果を得ることができる。
本発明に係るホスト化合物としては、上記条件を満たす化合物であれば特に制限はない。
本発明に係るホスト化合物のリン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長は、下記の方法により求めることができる。
はじめに、測定対象であるホスト化合物を、脱酸素されたエタノール/メタノール=4/1(vol/vol)の混合溶媒に溶かし、リン光測定用セルに入れた後、液体窒素温度77Kで励起光を照射し、励起光を照射した後、100msでの発光スペクトルを測定する。リン光は蛍光に比べ発光寿命が長いため、100ms後に残存する光はほぼリン光であると考えることができる。なお、リン光寿命が100msより短い化合物に対しては遅延時間を短くして測定しても構わないが、蛍光と区別できなくなるほど遅延時間を短くしてしまうとリン光と蛍光が分離できない問題が生じるため、その分離が可能な遅延時間を選択する必要がある。
また、上記溶媒系で溶解できないホスト化合物については、そのホスト化合物を溶解しうる任意の溶媒を使用してもよい。実質上、上記測定法ではリン光波長の溶媒効果はごくわずかなので問題ないと考えられる。
次に、0−0遷移バンドの測定方法であるが、本発明においては、上記測定法で得られたリン光スペクトルチャートのなかで、最も短波長側に現れる発光極大波長をもって0−0遷移バンドと定義する。
リン光スペクトルは通常強度が弱いことが多いため、拡大するとノイズとピークの判別が難しくなるケースがある。このような場合には、励起光照射中の発光スペクトル(便宜上、これを定常光スペクトルという。)を拡大し、励起光を照射した後、100ms後の発光スペクトル(便宜上、これをリン光スペクトルという。)と重ねあわせ、リン光スペクトルに由来する定常光スペクトル部分から、リン光スペクトルのピーク波長を読みとることにより、0−0遷移バンドを決定することができる。
また、リン光スペクトルをスムージング処理することでノイズとピークを分離し、ピーク波長を読みとることもできる。なお、スムージング処理としては、Savitzky&Golayの平滑化法等を適用することができる。
上記測定で用いることのできる測定装置としては、日立ハイテク製の蛍光光度計F4500等を挙げることができる。
本発明の有機EL素子の発光層に含有されるホスト化合物としては、室温(25℃)におけるリン光発光のリン光量子収率が0.1未満の化合物が好ましい。さらに好ましくはリン光量子収率が0.01未満である。また、発光層に含有される化合物の中で、その層中での体積比が50%以上であることが好ましい。
ホスト化合物としては、本発明で規定する上記条件を持たす化合物であれば特に制限はなく、公知のホスト化合物を単独で用いてもよく、又は複数種併用して用いてもよい。ホスト化合物を複数種用いることで、電荷の移動を調整することが可能であり、有機EL素子を高効率化することができる。また、後述する発光材料を複数種用いることで異なる発光を混ぜることが可能となり、これにより任意の発光色を得ることができる。
また、本発明に用いられるホスト化合物としては、本発明で規定する上記条件を持たす化合物であれば特に制限はなく、従来公知の低分子化合物でも、繰り返し単位を持つ高分子化合物でもよく、ビニル基やエポキシ基のような重合性基を有する低分子化合物(重合性発光ホスト)でもよいが、高分子材料を用いた場合、化合物が溶媒を取り込んで膨潤やゲル化等、溶媒が抜けにくいと思われる現象が起こりやすいので、これを防ぐために分子量は高くない方が好ましく、具体的には塗布時での分子量が2000以下の材料を用いることが好ましく、塗布時の分子量1000以下の材料を用いることより好ましく、更に好ましくは分子量が500〜1000の範囲内にあるホスト化合物であり、特に好ましくは、分子量が550〜850の範囲内にあるホスト化合物であり、最も好ましくは分子量が600〜800の範囲内にあるホスト化合物である。
公知のホスト化合物としては、正孔輸送能、電子輸送能を有しつつ、かつ発光の長波長化を防ぎ、なおかつ高Tg(ガラス転移温度)である化合物が好ましい。ここで、ガラス転移点(Tg)とは、DSC(Differential Scanning Colorimetry:示差走査熱量法)を用いて、JIS−K−7121に準拠した方法により求められる値である。
公知のホスト化合物の具体例としては、以下の文献に記載されている化合物が挙げられる。例えば、特開2001−257076号公報、同2002−308855号公報、同2001−313179号公報、同2002−319491号公報、同2001−357977号公報、同2002−334786号公報、同2002−8860号公報、同2002−334787号公報、同2002−15871号公報、同2002−334788号公報、同2002−43056号公報、同2002−334789号公報、同2002−75645号公報、同2002−338579号公報、同2002−105445号公報、同2002−343568号公報、同2002−141173号公報、同2002−352957号公報、同2002−203683号公報、同2002−363227号公報、同2002−231453号公報、同2003−3165号公報、同2002−234888号公報、同2003−27048号公報、同2002−255934号公報、同2002−260861号公報、同2002−280183号公報、同2002−299060号公報、同2002−302516号公報、同2002−305083号公報、同2002−305084号公報、同2002−308837号公報、米国特許公開第20030175553号明細書、米国特許公開第20060280965号明細書、米国特許公開第20050112407号明細書、米国特許公開第20090017330号明細書、米国特許公開第20090030202号明細書、米国特許公開第20050238919号明細書、国際公開第2001/039234号、国際公開第2009/021126号、国際公開第2008/056746号、国際公開第2004/093207号、国際公開第2005/089025号、国際公開第2007/063796号、国際公開第2007/063754号、国際公開第2004/107822号、国際公開第2005/030900号、国際公開第2006/114966号、国際公開第2009/086028号、国際公開第2009/003898号、国際公開第2012/023947号、特開2008−074939号公報、特開2007−254297号公報、EP第2034538号明細書等、が挙げられ、本発明で規定する上記条件を持たす化合物を選択して用いることができる。
更には、本発明においては、ホスト化合物が、下記一般式(1)で示される化合物であることが好ましい。これは、下記一般式(1)で表されるホスト化合物は、縮環構造を有するため、キャリア輸送性が高く、また前記の広い三重項エネルギー(リン光の0−0バンド)を有する観点から好ましい。
Figure 0006168050
上記一般式(1)において、Xは、NR′、酸素原子、硫黄原子、CR′R″、又はSiR′R″を表す。y及びyは、各々CR′又は窒素原子を表す。R′及びR″は、各々水素原子又は置換基を表す。Ar及びArは、各々芳香環を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。nは0〜4の整数を表す。本発明に係る一般式(1)で表されるホスト化合物としては、特に、カルバゾール誘導体であることが好ましい。
一般式(1)におけるX、y及びyにおいて、R′及びR″で各々表される置換基としては、例えば、アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基等)、シクロアルキル基(例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等)、アルケニル基(例えば、ビニル基、アリル基等)、アルキニル基(例えば、エチニル基、プロパルギル基等)、芳香族炭化水素環基(芳香族炭素環基、アリール基等ともいい、例えば、フェニル基、p−クロロフェニル基、メシチル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、アントリル基、アズレニル基、アセナフテニル基、フルオレニル基、フェナントリル基、インデニル基、ピレニル基、ビフェニリル基等)、芳香族複素環基(例えば、ピリジル基、ピリミジニル基、フリル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ピラゾリル基、ピラジニル基、トリアゾリル基(例えば、1,2,4−トリアゾール−1−イル基、1,2,3−トリアゾール−1−イル基等)、オキサゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、チアゾリル基、イソオキサゾリル基、イソチアゾリル基、フラザニル基、チエニル基、キノリル基、ベンゾフリル基、ジベンゾフリル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、インドリル基、カルバゾリル基、カルボリニル基、ジアザカルバゾリル基(前記カルボリニル基のカルボリン環を構成する炭素原子の一つが窒素原子で置き換わったものを示す)、キノキサリニル基、ピリダジニル基、トリアジニル基、キナゾリニル基、フタラジニル基等)、複素環基(例えば、ピロリジル基、イミダゾリジル基、モルホリル基、オキサゾリジル基等)、アルコキシ基(例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、ドデシルオキシ基等)、シクロアルコキシ基(例えば、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等)、アリールオキシ基(例えば、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等)、アルキルチオ基(例えば、メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、ペンチルチオ基、ヘキシルチオ基、オクチルチオ基、ドデシルチオ基等)、シクロアルキルチオ基(例えば、シクロペンチルチオ基、シクロヘキシルチオ基等)、アリールチオ基(例えば、フェニルチオ基、ナフチルチオ基等)、アルコキシカルボニル基(例えば、メチルオキシカルボニル基、エチルオキシカルボニル基、ブチルオキシカルボニル基、オクチルオキシカルボニル基、ドデシルオキシカルボニル基等)、アリールオキシカルボニル基(例えば、フェニルオキシカルボニル基、ナフチルオキシカルボニル基等)、スルファモイル基(例えば、アミノスルホニル基、メチルアミノスルホニル基、ジメチルアミノスルホニル基、ブチルアミノスルホニル基、ヘキシルアミノスルホニル基、シクロヘキシルアミノスルホニル基、オクチルアミノスルホニル基、ドデシルアミノスルホニル基、フェニルアミノスルホニル基、ナフチルアミノスルホニル基、2−ピリジルアミノスルホニル基等)、アシル基(例えば、アセチル基、エチルカルボニル基、プロピルカルボニル基、ペンチルカルボニル基、シクロヘキシルカルボニル基、オクチルカルボニル基、2−エチルヘキシルカルボニル基、ドデシルカルボニル基、フェニルカルボニル基、ナフチルカルボニル基、ピリジルカルボニル基等)、アシルオキシ基(例えば、アセチルオキシ基、エチルカルボニルオキシ基、ブチルカルボニルオキシ基、オクチルカルボニルオキシ基、ドデシルカルボニルオキシ基、フェニルカルボニルオキシ基等)、アミド基(例えば、メチルカルボニルアミノ基、エチルカルボニルアミノ基、ジメチルカルボニルアミノ基、プロピルカルボニルアミノ基、ペンチルカルボニルアミノ基、シクロヘキシルカルボニルアミノ基、2−エチルヘキシルカルボニルアミノ基、オクチルカルボニルアミノ基、ドデシルカルボニルアミノ基、フェニルカルボニルアミノ基、ナフチルカルボニルアミノ基等)、カルバモイル基(例えば、アミノカルボニル基、メチルアミノカルボニル基、ジメチルアミノカルボニル基、プロピルアミノカルボニル基、ペンチルアミノカルボニル基、シクロヘキシルアミノカルボニル基、オクチルアミノカルボニル基、2−エチルヘキシルアミノカルボニル基、ドデシルアミノカルボニル基、フェニルアミノカルボニル基、ナフチルアミノカルボニル基、2−ピリジルアミノカルボニル基等)、ウレイド基(例えば、メチルウレイド基、エチルウレイド基、ペンチルウレイド基、シクロヘキシルウレイド基、オクチルウレイド基、ドデシルウレイド基、フェニルウレイド基ナフチルウレイド基、2−ピリジルアミノウレイド基等)、スルフィニル基(例えば、メチルスルフィニル基、エチルスルフィニル基、ブチルスルフィニル基、シクロヘキシルスルフィニル基、2−エチルヘキシルスルフィニル基、ドデシルスルフィニル基、フェニルスルフィニル基、ナフチルスルフィニル基、2−ピリジルスルフィニル基等)、アルキルスルホニル基(例えば、メチルスルホニル基、エチルスルホニル基、ブチルスルホニル基、シクロヘキシルスルホニル基、2−エチルヘキシルスルホニル基、ドデシルスルホニル基等)、アリールスルホニル基又はヘテロアリールスルホニル基(例えば、フェニルスルホニル基、ナフチルスルホニル基、2−ピリジルスルホニル基等)、アミノ基(例えば、アミノ基、エチルアミノ基、ジメチルアミノ基、ブチルアミノ基、シクロペンチルアミノ基、2−エチルヘキシルアミノ基、ドデシルアミノ基、アニリノ基、ナフチルアミノ基、2−ピリジルアミノ基等)、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等)、フッ化炭化水素基(例えば、フルオロメチル基、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ペンタフルオロフェニル基等)、シアノ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、メルカプト基、シリル基(例えば、トリメチルシリル基、トリイソプロピルシリル基、トリフェニルシリル基、フェニルジエチルシリル基等)等が挙げられる。これらの置換基は上記の置換基によって更に置換されていてもよい。これらの置換基は複数が互いに結合して環を形成していてもよい。
中でも、LUMOのエネルギー準位が浅く、電子輸送性に優れる構造として、一般式(1)で表される化合物において、Xが、NR′又は酸素原子である化合物が好ましい。すなわち、(アザ)カルバゾール環又は(アザ)ジベンゾフラン環を有する化合物であることが好ましい。より好ましくは、より電子輸送性に優れる(アザ)カルバゾール環を有する化合物である。ここでR′としては、芳香族炭化水素基(芳香族炭素環基、アリール基等ともいい、例えば、フェニル基、p−クロロフェニル基、メシチル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、アントリル基、アズレニル基、アセナフテニル基、フルオレニル基、フェナントリル基、インデニル基、ピレニル基、ビフェニリル基等)、又は芳香族複素環基(例えば、フリル基、チエニル基、ピリジル基、ピリダジニル基、ピリミジニル基、ピラジニル基、トリアジニル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基、チアゾリル基、キナゾリニル基、フタラジニル基等)が特に好ましい。
上記の芳香族炭化水素基及び芳香族複素環基は、各々一般式(1)のXにおいて、R′及びR″で各々表される置換基を有してもよい。
一般式(1)において、y及びyで表される原子としては、CR′又は窒素原子が挙げられるが、より好ましくはCR′である。このような化合物は正孔輸送性にも優れ、陽極・陰極から注入された正孔・電子を効率よく発光層内で再結合・発光させることができる。
一般式(1)において、Ar及びArにより表される芳香環としては、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が挙げられる。また、該芳香環は単環でもよく、縮合環でもよく、更に未置換でも、一般式(1)のXにおいて、R′及びR″で各々表される置換基を有してもよい。
一般式(1)において、Ar及びArにより表される芳香族炭化水素環としては、例えば、ベンゼン環、ビフェニル環、ナフタレン環、アズレン環、アントラセン環、フェナントレン環、ピレン環、クリセン環、ナフタセン環、トリフェニレン環、o−テルフェニル環、m−テルフェニル環、p−テルフェニル環、アセナフテン環、コロネン環、フルオレン環、フルオラントレン環、ナフタセン環、ペンタセン環、ペリレン環、ペンタフェン環、ピセン環、ピレン環、ピラントレン環、アンスラアントレン環等が挙げられる。
一般式(1)で表される部分構造において、Ar及びArにより表される芳香族複素環としては、例えば、フラン環、ジベンゾフラン環、チオフェン環、オキサゾール環、ピロール環、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、ベンゾイミダゾール環、オキサジアゾール環、トリアゾール環、イミダゾール環、ピラゾール環、チアゾール環、インドール環、インダゾール環、ベンゾイミダゾール環、ベンゾチアゾール環、ベンゾオキサゾール環、キノキサリン環、キナゾリン環、シンノリン環、キノリン環、イソキノリン環、フタラジン環、ナフチリジン環、カルバゾール環、カルボリン環、ジアザカルバゾール環(カルボリン環を構成する炭化水素環の炭素原子の一つが更に窒素原子で置換されている環を示す)等が挙げられる。
これらの環は、更に一般式(1)において、R′及びR″で各々表される置換基を有してもよい。
上記の中でも、一般式(1)において、Ar及びArにより表される芳香環として、好ましく用いられるのは、カルバゾール環、カルボリン環、ジベンゾフラン環、ベンゼン環であり、更に好ましく用いられるのは、カルバゾール環、カルボリン環、ベンゼン環であり、より好ましくは置換基を有するベンゼン環であり、特に好ましくは、カルバゾリル基を有するベンゼン環が挙げられる。
また、一般式(1)において、Ar及びArにより表される芳香環としては、各々3環以上の縮合環が好ましい一態様であり、3環以上が縮合した芳香族炭化水素縮合環としては、具体的には、ナフタセン環、アントラセン環、テトラセン環、ペンタセン環、ヘキサセン環、フェナントレン環、ピレン環、ベンゾピレン環、ベンゾアズレン環、クリセン環、ベンゾクリセン環、アセナフテン環、アセナフチレン環、トリフェニレン環、コロネン環、ベンゾコロネン環、ヘキサベンゾコロネン環、フルオレン環、ベンゾフルオレン環、フルオランテン環、ペリレン環、ナフトペリレン環、ペンタベンゾペリレン環、ベンゾペリレン環、ペンタフェン環、ピセン環、ピラントレン環、コロネン環、ナフトコロネン環、オバレン環、アンスラアントレン環等が挙げられる。なお、これらの環は、更に上記の置換基を有していてもよい。
また、3環以上が縮合した芳香族複素環としては、具体的には、アクリジン環、ベンゾキノリン環、カルバゾール環、カルボリン環、フェナジン環、フェナントリジン環、フェナントロリン環、カルボリン環、サイクラジン環、キンドリン環、テペニジン環、キニンドリン環、トリフェノジチアジン環、トリフェノジオキサジン環、フェナントラジン環、アントラジン環、ペリミジン環、ジアザカルバゾール環(カルボリン環を構成する炭素原子の任意の一つが窒素原子で置き換わったものを表す)、フェナントロリン環、ジベンゾフラン環、ジベンゾチオフェン環、ナフトフラン環、ナフトチオフェン環、ベンゾジフラン環、ベンゾジチオフェン環、ナフトジフラン環、ナフトジチオフェン環、アントラフラン環、アントラジフラン環、アントラチオフェン環、アントラジチオフェン環、チアントレン環、フェノキサチイン環、チオファントレン環(ナフトチオフェン環)等が挙げられる。なお、これらの環は更に置換基を有していてもよい。
また、一般式(1)において、nは0〜4の整数を表すが、0〜2であることが好ましく、特に、Xが、酸素原子又は硫黄原子である場合には、1〜2であることが好ましい。
本発明においては、特に、ジベンゾフラン環とカルバゾール環をともに有するホスト化合物が好ましい。
本発明に係るホスト化合物として、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。すなわち、3位がフェニル基で置換されたカルバゾール環を有する化合物であることが好ましい。このような化合物は、特にキャリア輸送性に優れ、かつ量子ドットへのキャリア注入に優れる傾向があるためである。
Figure 0006168050
上記一般式(2)において、Ar〜Arは各々芳香環を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。n1は0〜4の整数を表し、n2は0〜5の整数を表す。
Ar〜Arで表される芳香環は、前記一般式(1)においてAr及びArにより表される芳香環と同様のものを挙げることができる。
以下に、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が414〜459nm(2.7〜3.0eV)の範囲内にある本発明に係るホスト化合物として、一般式(1)で表される化合物、一般式(2)で表される化合物及びその他の構造からなる化合物例を示すが、これらに限定されるものではない。
Figure 0006168050
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(4.2)発光材料
発光層に適用する発光材料としては、一般には、蛍光性化合物、リン光発光材料(リン光発光性化合物、リン光性化合物、リン光発光ドーパントともいう。)を用いられているが、本発明に係る発光層においては、発光材料として少なくともリン光発光性化合物を用いることを特徴とする。
本発明において、リン光発光性化合物とは、励起三重項からの発光が観測される化合物であり、具体的には室温(25℃)にてリン光発光する化合物であり、リン光量子収率が25℃において0.01以上の化合物であると定義されるが、好ましいリン光量子収率は0.1以上である。
上記リン光量子収率は、例えば、第4版実験化学講座7の分光IIの398頁(1992年版、丸善)に記載の方法により測定できる。溶液中でのリン光量子収率は、種々の溶媒を用いて測定できるが、本発明に係るリン光発光材料においては、任意の溶媒のいずれかにおいて上記リン光量子収率(0.01以上)が達成されればよい。
リン光発光材料の発光原理としては二種挙げられ、一つはキャリアが輸送されるホスト化合物上でキャリアの再結合が起こってホスト化合物の励起状態が生成し、このエネルギーをリン光発光材料に移動させることでリン光発光材料からの発光を得るというエネルギー移動型、もう一つはリン光発光材料がキャリアトラップとなり、リン光発光材料上でキャリアの再結合が起こりリン光発光材料からの発光が得られるというキャリアトラップ型であるが、いずれの場合においても、リン光発光材料の励起状態のエネルギーは、ホスト化合物の励起状態のエネルギーよりも低いことが条件である。
リン光発光材料は、有機EL素子の発光層に使用される公知のものの中から適宜選択して用いることができるが、好ましくは元素の周期表で8〜10族の金属を含有する錯体系化合物であり、さらに好ましくはイリジウム化合物、オスミウム化合物、又は白金化合物(白金錯体系化合物)、希土類錯体であり、中でも最も好ましいのはイリジウム化合物である。
また、本発明に係るリン光発光ドーパントとしては、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属する発光波長が、496〜827nm(2.5〜1.5eV)の範囲内にあるリン光発光ドーパントであることが好ましい。このような範囲の発光波長を有するリン光発光ドーパントと、本発明に係る413〜477nmに発光する量子ドット化合物とのスペクトルの組合せにより、演色性の高い白色照明を得ることができる。
本発明に係るリン光発光ドーパントの0−0遷移バンドに帰属する発光波長は、前記ホスト化合物の0−0遷移バンドに帰属する発光波長の測定に用いたのと同様の方法で求めることができる。
本発明に係るリン光発光性化合物としては、下記一般式(3)で表されるリン光発光ドーパントが好ましい。
Figure 0006168050
上記一般式(3)において、Rは置換基を表す。Zは5〜7員環を形成するのに必要な非金属原子群を表す。n1は0〜5の整数を表す。B〜Bは各々炭素原子、窒素原子、酸素原子、又は硫黄原子を表し、少なくとも一つは窒素原子を表す。Mは元素周期表における8族〜10族の金属を表す。X及びXは各々炭素原子、窒素原子又は酸素原子を表し、LはX及びXと共に2座の配位子を形成する原子群を表す。m1は1、2、又は3の整数を表し、m2は0、1、又は2の整数を表すが、m1+m2は2又は3である。
本発明に係る一般式(3)で表されるリン光発光性化合物は、HOMOが−5.15〜−3.50eV、LUMOが−1.25〜+1.00eVであり、好ましくはHOMOが−4.80〜−3.50eV、LUMOが−0.80〜+1.00eVである。
一般式(3)で表されるリン光発光性化合物において、Rで表される置換基としては、例えば、アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基等)、シクロアルキル基(例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等)、アルケニル基(例えば、ビニル基、アリル基等)、アルキニル基(例えば、エチニル基、プロパルギル基等)、芳香族炭化水素環基(芳香族炭素環基、アリール基等ともいい、例えば、フェニル基、p−クロロフェニル基、メシチル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、アントリル基、アズレニル基、アセナフテニル基、フルオレニル基、フェナントリル基、インデニル基、ピレニル基、ビフェニリル基等)、芳香族複素環基(例えば、ピリジル基、ピリミジニル基、フリル基、ピロリル基、イミダゾリル基、ベンゾイミダゾリル基、ピラゾリル基、ピラジニル基、トリアゾリル基(例えば、1,2,4−トリアゾール−1−イル基、1,2,3−トリアゾール−1−イル基等)、オキサゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、チアゾリル基、イソオキサゾリル基、イソチアゾリル基、フラザニル基、チエニル基、キノリル基、ベンゾフリル基、ジベンゾフリル基、ベンゾチエニル基、ジベンゾチエニル基、インドリル基、カルバゾリル基、カルボリニル基、ジアザカルバゾリル基(前記カルボリニル基のカルボリン環を構成する炭素原子の一つが窒素原子で置き換わったものを示す)、キノキサリニル基、ピリダジニル基、トリアジニル基、キナゾリニル基、フタラジニル基等)、複素環基(例えば、ピロリジル基、イミダゾリジル基、モルホリル基、オキサゾリジル基等)、アルコキシ基(例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、ドデシルオキシ基等)、シクロアルコキシ基(例えば、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等)、アリールオキシ基(例えば、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等)、アルキルチオ基(例えば、メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、ペンチルチオ基、ヘキシルチオ基、オクチルチオ基、ドデシルチオ基等)、シクロアルキルチオ基(例えば、シクロペンチルチオ基、シクロヘキシルチオ基等)、アリールチオ基(例えば、フェニルチオ基、ナフチルチオ基等)、アルコキシカルボニル基(例えば、メチルオキシカルボニル基、エチルオキシカルボニル基、ブチルオキシカルボニル基、オクチルオキシカルボニル基、ドデシルオキシカルボニル基等)、アリールオキシカルボニル基(例えば、フェニルオキシカルボニル基、ナフチルオキシカルボニル基等)、スルファモイル基(例えば、アミノスルホニル基、メチルアミノスルホニル基、ジメチルアミノスルホニル基、ブチルアミノスルホニル基、ヘキシルアミノスルホニル基、シクロヘキシルアミノスルホニル基、オクチルアミノスルホニル基、ドデシルアミノスルホニル基、フェニルアミノスルホニル基、ナフチルアミノスルホニル基、2−ピリジルアミノスルホニル基等)、アシル基(例えば、アセチル基、エチルカルボニル基、プロピルカルボニル基、ペンチルカルボニル基、シクロヘキシルカルボニル基、オクチルカルボニル基、2−エチルヘキシルカルボニル基、ドデシルカルボニル基、フェニルカルボニル基、ナフチルカルボニル基、ピリジルカルボニル基等)、アシルオキシ基(例えば、アセチルオキシ基、エチルカルボニルオキシ基、ブチルカルボニルオキシ基、オクチルカルボニルオキシ基、ドデシルカルボニルオキシ基、フェニルカルボニルオキシ基等)、アミド基(例えば、メチルカルボニルアミノ基、エチルカルボニルアミノ基、ジメチルカルボニルアミノ基、プロピルカルボニルアミノ基、ペンチルカルボニルアミノ基、シクロヘキシルカルボニルアミノ基、2−エチルヘキシルカルボニルアミノ基、オクチルカルボニルアミノ基、ドデシルカルボニルアミノ基、フェニルカルボニルアミノ基、ナフチルカルボニルアミノ基等)、カルバモイル基(例えば、アミノカルボニル基、メチルアミノカルボニル基、ジメチルアミノカルボニル基、プロピルアミノカルボニル基、ペンチルアミノカルボニル基、シクロヘキシルアミノカルボニル基、オクチルアミノカルボニル基、2−エチルヘキシルアミノカルボニル基、ドデシルアミノカルボニル基、フェニルアミノカルボニル基、ナフチルアミノカルボニル基、2−ピリジルアミノカルボニル基等)、ウレイド基(例えば、メチルウレイド基、エチルウレイド基、ペンチルウレイド基、シクロヘキシルウレイド基、オクチルウレイド基、ドデシルウレイド基、フェニルウレイド基ナフチルウレイド基、2−ピリジルアミノウレイド基等)、スルフィニル基(例えば、メチルスルフィニル基、エチルスルフィニル基、ブチルスルフィニル基、シクロヘキシルスルフィニル基、2−エチルヘキシルスルフィニル基、ドデシルスルフィニル基、フェニルスルフィニル基、ナフチルスルフィニル基、2−ピリジルスルフィニル基等)、アルキルスルホニル基(例えば、メチルスルホニル基、エチルスルホニル基、ブチルスルホニル基、シクロヘキシルスルホニル基、2−エチルヘキシルスルホニル基、ドデシルスルホニル基等)、アリールスルホニル基又はヘテロアリールスルホニル基(例えば、フェニルスルホニル基、ナフチルスルホニル基、2−ピリジルスルホニル基等)、アミノ基(例えば、アミノ基、エチルアミノ基、ジメチルアミノ基、ブチルアミノ基、シクロペンチルアミノ基、2−エチルヘキシルアミノ基、ドデシルアミノ基、アニリノ基、ナフチルアミノ基、2−ピリジルアミノ基等)、シアノ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、メルカプト基、シリル基(例えば、トリメチルシリル基、トリイソプロピルシリル基、トリフェニルシリル基、フェニルジエチルシリル基等)等が挙げられる。これらの置換基のうち、好ましいものはアルキル基又はアリール基である。
Zは、5〜7員環を形成するのに必要な非金属原子群を表す。Zにより形成される5〜7員環としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピロール環、チオフェン環、ピラゾール環、イミダゾール環、オキサゾール環及びチアゾール環等が挙げられる。これらのうちで好ましいものは、ベンゼン環である。
〜Bは、各々炭素原子、窒素原子、酸素原子もしくは硫黄原子を表し、少なくとも一つは窒素原子を表す。これら5つの原子により形成される芳香族含窒素複素環としては単環が好ましい。例えば、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、トリアゾール環、テトラゾール環、オキサゾール環、イソオキサゾール環、チアゾール環、イソチアゾール環、オキサジアゾール環及びチアジアゾー環ル等が挙げられる。これらのうちで好ましいものは、ピラゾール環、イミダゾール環であり、特に好ましくはB及びBが各々窒素原子であるイミダゾール環である。これらの環は上記の置換基によって更に置換されていてもよい。置換基として好ましいものはアルキル基及びアリール基であり、更に好ましくはアリール基である。
は、X及びXと共に2座の配位子を形成する原子群を表す。X−L−Xで表される2座の配位子の具体例としては、例えば、置換又は無置換のフェニルピリジン、フェニルピラゾール、フェニルイミダゾール、フェニルトリアゾール、フェニルテトラゾール、ピラザボル、ピコリン酸及びアセチルアセトン等が挙げられる。これらの基は上記の置換基によって更に置換されていてもよい。
m1は、1、2又は3の整数を表し、m2は0、1又は2の整数を表すが、m1+m2は2又は3である。中でも、m2は0である場合が好ましい。Mで表される金属としては、元素周期表の8〜10族の遷移金属元素(単に遷移金属ともいう)が用いられるが、中でもイリジウム、白金が好ましく、更に好ましくはイリジウムである。
以下に、本発明に使用できる公知のリン光ドーパントの具体例が記載されている文献等を示すが、これら各文献中に記載されている化合物の中でもリン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属する発光波長が、496〜827nm(2.5〜1.5eV)の範囲内にあるリン光発光性化合物がより好ましい。
本発明に使用できる公知のリン光ドーパントの具体例としては、以下の文献に記載されている化合物等が挙げられる。
例えば、Nature 395,151(1998)、Appl.Phys.Lett.78,1622(2001)、Adv.Mater.19,739(2007)、Chern.Mater.17,3532(2005)、Adv.Mater.17,1059(2005)、Inorg.Chern.40,1704(2001)、Chern.Mater.16,2480(2004)、Adv.Mater.16,2003(2004)、Angew.Chern.lnt.Ed.2006,45,7800、Appl.Phys.Lett.86,153505(2005)、Chern.Lett.34,592(2005)、Chern.Commun.2906(2005)、Inorg.Chern.42,1248(2003)、Angew.Chern.lnt.Ed.47,1(2008)、Chern.Mater.18,5119(2006)、Inorg.Chern.46,4308(2007)、Organometallics23,3745(2004)、Appl.Phys.Lett.74,1361(1999)等の文献が挙げられる。
また、国際公開第2009/100991号、国際公開第2008/101842号、国際公開第2003/040257号、米国特許公開第2006835469号明細書、米国特許公開第20060202194号明細書、米国特許公開第20070087321号明細書、米国特許公開第20050244673号明細書、国際公開第2009/050290号、国際公開第2002/015645号、国際公開第2009/000673号、米国特許公開第20020034656号明細書、米国特許第7332232号明細書、米国特許公開第20090108737号明細書、米国特許公開第20090039776号明細書、米国特許第6921915号明細書、米国特許第6687266号明細書、米国特許公開第20070190359号明細書、米国特許公開第20060008670号明細書、米国特許公開第20090165846号明細書、米国特許公開第20080015355号明細書、米国特許第7250226号明細書、米国特許第7396598号明細書、米国特許公開第20060263635号明細書、米国特許公開第20030138657号明細書、米国特許公開第20030152802号明細書、米国特許第7090928号明細書、国際公開第2002/002714号、国際公開第2006/009024号、国際公開第2006/056418号、国際公開第2005/019373号、国際公開第2005/123873号、国際公開第2005/123873号、国際公開第2007/004380号、国際公開第2006/082742号、米国特許公開第20060251923号明細書、米国特許公開第20050260441号明細書、米国特許第7393599号明細書、米国特許第7534505号明細書、米国特許第7445855号明細書、米国特許公開第20070190359号明細書、米国特許公開第20080297033号明細書、米国特許第7338722号明細書、米国特許公開第20020134984号明細書、米国特許第7279704号明細書、米国特許公開第2006098120号明細書、米国特許公開第2006103874号明細書、国際公開第2005/076380号、国際公開第2010/032663号、国際公開第第2008/140115号、国際公開第2007/052431号、国際公開第2011/134013号、国際公開第2011/157339号、国際公開第2010/086089号、国際公開第2009/113646号、国際公開第2012/020327号、国際公開第2011/051404号、国際公開第2011/004639号、国際公開第2011/073149号、特開2012−069737号公報、特開2012−195554号公報、特開2009−114086号公報、特開2003−81988号公報、特開2002−302671号公報、特開2002−363552号公報等の特許文献が挙げられる。
中でも、好ましいリン光ドーパントとしてはIrを中心金属に有する有機金属錯体が挙げられる。さらに好ましくは、金属−炭素結合、金属−窒素結合、金属−酸素結合、金属−硫黄結合の少なくとも1つの配位様式を含む錯体が好ましい。
(4.3)量子ドット
本発明においては、本発明に係る発光層が、発光波長が413〜477nmの範囲内、すなわち青色領域に発光する量子ドットを含有することを特徴とする。より好ましくは、440〜470nmの範囲内。更に好ましくは445〜465nmの範囲内、特に好ましくは450〜460nmの範囲内で発光する量子ドットである。
すなわち、図1に示すように、量子ドット11は、発光層5に含有されていてもよいし、あるいは、発光層5と発光層5に隣接する層(例えば、正孔輸送層4あるいは電子輸送層6)との界面に存在していても良い。図2では、発光層5と発光層5に隣接する電子輸送層6との界面に、量子ドット11が存在している例を示してある。本発明においては、特には、図1に示すように、量子ドット11が、少なくとも発光層5に存在している態様が好ましい。
本発明に係る量子ドットとは、半導体材料の結晶で構成され、量子閉じ込め効果を有する所定の大きさを有する粒子をいい、その粒子径が数nm〜数十nm程度の微粒子であり、下記に示す量子ドット効果が得られるものをいう。
本発明に係る量子ドット(微粒子)の粒子径としては、具体的には1〜20nmの範囲内であることが好ましく、更に好ましくは1〜10nmの範囲内である。
このような量子ドットのエネルギー準位Eは、一般に、プランク定数を「h」と、電子の有効質量を「m」と、微粒子の半径を「R」としたとき、下式(I)で表される。
式(I)
E∝h/mR
式(I)で示されるように、量子ドットのバンドギャップは、「R−2」に比例して大きくなり、いわゆる、量子ドット効果が得られる。このように、量子ドットの粒子径を制御、規定することによって、量子ドットのバンドギャップ値を制御することができる。すなわち、微粒子の粒子径を制御、規定することにより、通常の原子には無い多様性を持たせることができる。そのため、光によって励起させたり、量子ドットを含む有機EL素子に対して電圧をかけることで、量子ドットに電子とホールを閉じ込めて再結合させたりすることで電気エネルギーを所望の波長の光に変換して出射させることができる。本発明では、このような発光性の量子ドット材料を、本発明に係る量子ドットと定義する。
量子ドットの平均粒子径は、上述したように、1nm〜数十nm程度であるが、白色発光の発光材料の1つとして用いる場合、目的とする発光色に対応する平均粒子径に設定する。例えば、赤発光を得たい場合には、量子ドットの平均粒子径としては3.0〜20nmの範囲内に設定することが好ましく、緑発光を得たい場合には、量子ドットの平均粒子径を1.5〜10nmの範囲内に設定することが好ましく、青色発光を得たい場合には、量子ドットの平均粒子径を1.0〜3.0nmの範囲内に設定することが好ましい。ただしこれらの粒径は発光に関わるコア部分の素材によってもある程度異なるし、後述するような非発光性のシェル部等を有するような場合にはこれらの部分の膜厚が増加するため、必ずしも測定される粒径が上記の粒径となるわけではない。これらを含んだトータルの粒径としては1〜20nmの範囲であることが好ましい。より好ましくは5〜17nm、さらに好ましくは10〜15nmの範囲の粒径のものである。
量子ドットの平均粒子径の測定方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)により量子ドットの粒子観察を行い、そこから粒子径分布の数平均粒子径として求める方法や、電子間力顕微鏡(AFM)を用いて平均粒子径を求める方法、動的光散乱法による粒径測定装置、例えば、Malvern社製、「ZETASIZERNano Series Nano−ZSを用いて測定することができる。その他にも、X線小角散乱法により得られたスペクトルから量子ドットの粒子径分布シミュレーション計算を用いて粒子径分布を導出する方法などが挙げられるが、本発明においては、電子間力顕微鏡(AFM)を用いて平均粒子径を求める方法が好ましい。
また、本発明に係る量子ドットにおいては、アスペクト比(長軸径/短軸径)の値が、1.0〜2.0の範囲内であることが好ましく、より好ましくは1.1〜1.7の範囲内である。本発明に係る量子ドットに係るアスペクト比(長軸径/短軸径)についても、例えば、電子間力顕微鏡(AFM)を用いて、長軸径及び短軸径を測定して求めることができる。なお測定する個体数としては、300個以上であることが好ましい。
量子ドットの添加量は、添加する層の全構成物質を100質量部%としたとき、0.01〜50質量%の範囲内であることが好ましく、0.05〜25質量%の範囲内であることがより好ましく、0.1〜20質量%の範囲内であることが最も好ましい。添加量が0.01質量%以上であれば、十分な輝度効率、演色性の良い白色発光を得ることができ、50質量%以下であれば、適度な量子ドット粒子間距離を維持でき、量子サイズ効果を十分に発揮させることができる。
また、前述したリン光発光性化合物は、その励起寿命がミリ秒オーダーもしくはマイクロ秒オーダーと比較的長いために、層内での濃度が高すぎると励起子のエネルギーが振動緩和して消失するいわゆる濃度消光の問題が生じる。しかし、本発明に係る量子ドットを発光層もしくはその隣接層との界面に存在させることにより、量子ドット及びリン光発光性化合物そのものの発光が得られるだけに留まらず、詳細は不明だが量子ドットによる層全体の形状の変化や量子ドットの表面エネルギーによるリン光発光性化合物の分散性向上によるものと推測されるリン光発光性化合物の発光効率の向上効果が得られる。
量子ドットの構成材料としては、例えば、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫等の周期表第14族元素の単体、リン(黒リン)等の周期表第15族元素の単体、セレン、テルル等の周期表第16族元素の単体、炭化ケイ素(SiC)等の複数の周期表第14族元素からなる化合物、酸化錫(IV)(SnO)、硫化錫(II,IV)(Sn(II)Sn(IV)S)、硫化錫(IV)(SnS)、硫化錫(II)(SnS)、セレン化錫(II)(SnSe)、テルル化錫(II)(SnTe)、硫化鉛(II)(PbS)、セレン化鉛(II)(PbSe)、テルル化鉛(II)(PbTe)等の周期表第14族元素と周期表第16族元素との化合物、窒化ホウ素(BN)、リン化ホウ素(BP)、砒化ホウ素(BAs)、窒化アルミニウム(AlN)、リン化アルミニウム(AlP)、砒化アルミニウム(AlAs)、アンチモン化アルミニウム(AlSb)、窒化ガリウム(GaN)、リン化ガリウム(GaP)、砒化ガリウム(GaAs)、アンチモン化ガリウム(GaSb)、窒化インジウム(InN)、リン化インジウム(InP)、砒化インジウム(InAs)、アンチモン化インジウム(InSb)等の周期表第13族元素と周期表第15族元素との化合物(あるいはIII−V族化合物半導体)、硫化アルミニウム(Al)、セレン化アルミニウム(AlSe)、硫化ガリウム(Ga)、セレン化ガリウム(GaSe)、テルル化ガリウム(GaTe)、酸化インジウム(In)、硫化インジウム(In)、セレン化インジウム(InSe)、テルル化インジウム(InTe)等の周期表第13族元素と周期表第16族元素との化合物、塩化タリウム(I)(TlCl)、臭化タリウム(I)(TlBr)、ヨウ化タリウム(I)(TlI)等の周期表第13族元素と周期表第17族元素との化合物、酸化亜鉛(ZnO)、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、テルル化亜鉛(ZnTe)、酸化カドミウム(CdO)、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、テルル化カドミウム(CdTe)、硫化水銀(HgS)、セレン化水銀(HgSe)、テルル化水銀(HgTe)等の周期表第12族元素と周期表第16族元素との化合物(あるいはII−VI族化合物半導体)、硫化砒素(III)(As)、セレン化砒素(III)(AsSe)、テルル化砒素(III)(AsTe)、硫化アンチモン(III)(Sb)、セレン化アンチモン(III)(SbSe)、テルル化アンチモン(III)(SbTe)、硫化ビスマス(III)(Bi)、セレン化ビスマス(III)(BiSe)、テルル化ビスマス(III)(BiTe)等の周期表第15族元素と周期表第16族元素との化合物、酸化銅(I)(CuO)、セレン化銅(I)(CuSe)等の周期表第11族元素と周期表第16族元素との化合物、塩化銅(I)(CuCl)、臭化銅(I)(CuBr)、ヨウ化銅(I)(CuI)、塩化銀(AgCl)、臭化銀(AgBr)等の周期表第11族元素と周期表第17族元素との化合物、酸化ニッケル(II)(NiO)等の周期表第10族元素と周期表第16族元素との化合物、酸化コバルト(II)(CoO)、硫化コバルト(II)(CoS)等の周期表第9族元素と周期表第16族元素との化合物、四酸化三鉄(Fe)、硫化鉄(II)(FeS)等の周期表第8族元素と周期表第16族元素との化合物、酸化マンガン(II)(MnO)等の周期表第7族元素と周期表第16族元素との化合物、硫化モリブデン(IV)(MoS)、酸化タングステン(IV)(WO)等の周期表第6族元素と周期表第16族元素との化合物、酸化バナジウム(II)(VO)、酸化バナジウム(IV)(VO)、酸化タンタル(V)(Ta)等の周期表第5族元素と周期表第16族元素との化合物、酸化チタン(TiO、Ti、Ti、Ti等)等の周期表第4族元素と周期表第16族元素との化合物、硫化マグネシウム(MgS)、セレン化マグネシウム(MgSe)等の周期表第2族元素と周期表第16族元素との化合物、酸化カドミウム(II)クロム(III)(CdCr)、セレン化カドミウム(II)クロム(III)(CdCrSe)、硫化銅(II)クロム(III)(CuCr)、セレン化水銀(II)クロム(III)(HgCrSe)等のカルコゲンスピネル類、バリウムチタネート(BaTiO)等が挙げられるが、SnS、SnS、SnSe、SnTe、PbS、PbSe、PbTe等の周期表第14族元素と周期表第16族元素との化合物、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb等のIII−V族化合物半導体、Ga、Ga、GaSe、GaTe、In、In、InSe、InTe等の周期表第13族元素と周期表第16族元素との化合物、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、HgO、HgS、HgSe、HgTe等のII−VI族化合物半導体、As、As、AsSe、AsTe、Sb、Sb、SbSe、SbTe、Bi、Bi、BiSe、BiTe等の周期表第15族元素と周期表第16族元素との化合物、MgS、MgSe等の周期表第2族元素と周期表第16族元素との化合物が好ましく、中でも、Si、Ge、GaN、GaP、InN、InP、Ga、Ga、In、In、ZnO、ZnS、CdO、CdSがより好ましい。これらの物質は、毒性の高い陰性元素を含まないので耐環境汚染性や生物への安全性に優れており、また、可視光領域で純粋なスペクトルを安定して得ることができるので、発光素子の形成に有利である。これらの材料のうち、CdSe、ZnSe、CdSは、発光の安定性の点で好ましい。発光効率、高屈折率、安全性の経済性の観点から、ZnO、ZnSの量子ドットが好ましい。また、上記の材料は、1種で用いるものであってもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、上述した量子ドットには、必要に応じて微量の各種元素を不純物としてドープすることができる。このようなドープ物質を添加することにより発光特性を大きく向上させることができる。
本発明に係る量子ドットにおいては、発光波長が413〜477nm(2.6〜3.6eV)としての範囲内にあることを特徴とする。
本発明でいう発光波長(バンドギャップ)とは、無機物である量子ドットの場合は、価電子帯と伝導帯のエネルギー差を量子ドットにおけるバンドギャップ(eV)であり、発光波長(nm)=1240/バンドギャップ(eV)で表される。
量子ドットのバンドギャップ(eV)は、Taucプロットを用いて測定することができる。
バンドギャップ(eV)の光科学的測定手法の一つであるTaucプロットについて説明する。
Taucプロットを用いたバンドギャップ(E)の測定原理を以下に示す。
半導体材料の長波長側の光学吸収端近傍の比較的吸収の大きい領域に於いて光吸収係数αと光エネルギーhν(ただし、hはプランク常数、νは振動数)、及びバンドキャップエネルギーEの間には次式(A)、が成り立つと考えられている。
式(A)
αhν=B(hν−E
従って、吸収スペクトルを測定し、そこから(αhν)の0.5乗に対してhνをプロット(いわゆる、Taucプロット)し、直線区間を外挿したα=0におけるhνの値が求めようとする量子ドットのバンドギャップエネルギーE0となる。
なお、量子ドットの場合は、吸収と発光のスペクトルの差異(ストークスシフト)が小さく、また波形もシャープであるため、簡便には発光スペクトルの極大波長をバンドギャップの指標として用いることもできる。
また、他の方法として、これら有機及び無機機能材料のエネルギー準位を見積もる方法としては、走査型トンネル分光法、紫外線光電子分光法、X線光電子分光法、オージェ電子分光法により求められるエネルギー準位から求める方法及び光学的にバンドギャップを見積もる方法が挙げられる。
また、これら量子ドットは、ホールと電子が量子ドット内での直接再結合することによる発光だけでなく、有機電子ブロック正孔輸送層や有機発光層、又は正孔ブロック電子輸送層中で生じた励起子のエネルギーを量子ドットに吸収させ量子ドットのコアからの発光を得ても良い。これらの量子ドットは、低濃度ドープされているため、その他のリン光発光性化合物にも励起子のエネルギーを吸収させて発光を得ることができる。
量子ドットの表面は、不活性な無機物の被覆層又は有機配位子で構成された被膜で被覆されたものであるのが好ましい。すなわち、量子ドットの表面は、量子ドット材料で構成されたコア領域と、不活性な無機物の被覆層又は有機配位子で構成されたシェル領域とを有するコア/シェル構造を有するものであるのが好ましい。
このコア/シェル構造は、少なくとも2種類の化合物で形成さていることが好ましく、2種類以上の化合物でグラジエント構造(傾斜構造)を形成していても良い。これにより、塗布液中における量子ドットの凝集を効果的に防止することができ、量子ドットの分散性を向上させることができるとともに、輝度効率が向上し、連続駆動させた場合に生じる色ズレを抑制することができる。また、被覆層の存在により、安定的に発光特性が得られる。
また、量子ドットの表面が被膜(シェル部)で被覆されていると、後述するような表面修飾剤を量子ドットの表面付近に確実に担持させることができる。
被膜(シェル部)の厚さは、特に限定されないが、0.1〜10nmの範囲内であることが好ましく、0.1〜5nmの範囲内であることがより好ましい。
一般に、量子ドットの平均粒子径をコントロールすることにより、発光色を制御することができ、被膜の厚さが上記範囲内の値であれば、被膜の厚さが原子数個分に相当する厚さから量子ドット1個に満たない厚さであり、量子ドットを高密度で充填することができ、十分な発光量が得られる。また、被膜の存在により、お互いのコア粒子の粒子表面に存在する欠陥、ダングリングボンドへの電子トラップによる非発光の電子エネルギーの転移を抑制でき、量子効率の低下を抑えることができる。
(4.4)機能性の表面修飾剤
量子ドットを含有している有機機能層を湿式塗布方式で形成する際、それに用いる塗布液中においては、量子ドットの表面近傍に、表面修飾剤が付着している状態であることが好ましい。これにより、塗布液中における量子ドットの分散安定性を特に優れた状態とすることができる。また、量子ドットの製造時において、量子ドット表面に表面修飾剤を付着させることにより、形成される量子ドットの形状が真球度の高いものとなり、また、量子ドットの粒子径分布を狭く抑えられるため、特に優れたものとすることができる。
本発明で適用可能な機能性の表面修飾剤としては、量子ドットの表面に直接付着したものであってもよいし、シェルを介して付着したもの(表面修飾剤が直接付着するのはシェルで、量子ドットのコア部には接触していないもの)であってもよい。
表面修飾剤としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル類;トリプロピルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリヘキシルホスフィン、トリオクチルホスフィン等のトリアルキルホスフィン類;ポリオキシエチレンn−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンn−ノニルフェニルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル類;トリ(n−ヘキシル)アミン、トリ(n−オクチル)アミン、トリ(n−デシル)アミン等の第3級アミン類;トリプロピルホスフィンオキシド、トリブチルホスフィンオキシド、トリヘキシルホスフィンオキシド、トリオクチルホスフィンオキシド、トリデシルホスフィンオキシド等の有機リン化合物;ポリエチレングリコールジラウレート、ポリエチレングリコールジステアレート等のポリエチレングリコールジエステル類;ピリジン、ルチジン、コリジン、キノリン類の含窒素芳香族化合物等の有機窒素化合物;ヘキシルアミン、オクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン等のアミノアルカン類;ジブチルスルフィド等のジアルキルスルフィド類;ジメチルスルホキシドやジブチルスルホキシド等のジアルキルスルホキシド類;チオフェン等の含硫黄芳香族化合物等の有機硫黄化合物;パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸等の高級脂肪酸;アルコール類;ソルビタン脂肪酸エステル類;脂肪酸変性ポリエステル類;3級アミン変性ポリウレタン類;ポリエチレンイミン類等が挙げられるが、量子ドットが後述するような方法で調製されるものである場合、表面修飾剤としては、高温液相において量子ドットの微粒子に配位して、安定化する物質であるのが好ましく、具体的には、トリアルキルホスフィン類、有機リン化合物、アミノアルカン類、第3級アミン類、有機窒素化合物、ジアルキルスルフィド類、ジアルキルスルホキシド類、有機硫黄化合物、高級脂肪酸、アルコール類が好ましい。このような表面修飾剤を用いることにより、塗布液中における量子ドットの分散性を特に優れたものとすることができる。また、量子ドットの製造時において形成される量子ドットの形状をより真球度の高いものとし、量子ドットの粒度分布をよりシャープなものとすることができる。
本発明において、前述のように、量子ドットのサイズ(平均粒子径)としては、1〜20nmの範囲内であることが好ましい。本発明において、量子ドットのサイズとは、量子ドット材料で構成されたコア領域と、不活性な無機物の被覆層又は有機配位子で構成されたシェル領域及び表面修飾剤で構成されるトータルのサイズを表す。表面修飾剤やシェルが含まれない場合は、それを含まないサイズを表す。
(4.5)量子ドットの製造方法
量子ドットの製造方法としては、従来行われている下記のような量子ドットの製造方法等を適用することができるが、これらに限定されるものではなく公知の任意の方法を用いることができる。また、Aldrich社、CrystalPlex社、NNLab社等から市販品として購入することもできる。
例えば、高真空下のプロセスとしては、分子ビームエピタキシー法、CVD法等;液相製造方法としては、原料水溶液を、例えば、n−ヘプタン、n−オクタン、イソオクタン等のアルカン類、又はベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素等の非極性有機溶媒中の逆ミセルとして存在させ、この逆ミセル相中にて結晶成長させる逆ミセル法、熱分解性原料を高温の液相有機媒体に注入して結晶成長させるホットソープ法、さらに、ホットソープ法と同様に、酸塩基反応を駆動力として比較的低い温度で結晶成長を伴う溶液反応法等が挙げられる。これらの製造方法から任意の方法を使用することができるが、中でも、液相製造方法が好ましい。
なお、液相製造方法において、量子ドットの合成に際して、表面に存在する有機表面修飾剤を初期表面修飾剤という。例えば、ホットソープ法における初期表面修飾剤の例としては、トリアルキルホスフィン類、トリアルキルホスフィンオキシド類、アルキルアミン類、ジアルキルスルホキシド類、アルカンホスホン酸等が挙げられる。これらの初期表面修飾剤は、交換反応により上述の機能性表面修飾剤に交換することが好ましい。
具体的には、例えば、上記ホットソープ法により得られるトリオクチルホスフィンオキシド等の初期表面修飾剤は、機能性表面修飾剤を含有する液相中で行う交換反応により、上述の機能性表面修飾剤と交換することが可能である。
以下に、量子ドットの製造方法の一例を示す。
〈1〉量子ドットの製造例1
まず、CdOパウダー(1.6mmol、0.206g;Aldrich、+99.99%)とオレイン酸(6.4mmol、1.8g;Aldrich、95%)とを40mlのトリオクチルアミン(TOA、Aldrich、95%)中で混合する。混合された溶液(Cd−含有混合物)を高速で撹拌しながら150℃で熱処理し、Nを流しながら300℃まで温度を上昇させた。次いで、300℃で、トリオクチルホスフィン(TOP、Strem、97%)に添加された2.0モル/LのSe(Alfa Aesar)0.2mlを、上記Cd−含有混合物に高速で注入する。
90秒後、上記溶液に、TOA(210μl in6ml)に添加された1.2mmolのn−オクタンチオールを、注射器ポンプ(syringe pump)を用いて1ml/minの速度で注入して40分間反応させる。これを、Cd−含有反応媒質と称す。
次に、0.92gの酢酸亜鉛と2.8gのオレイン酸とを20mlのTOAに200℃で、N雰囲気下で溶解させて0.25モル/LのZn前駆体溶液を調製する。
次いで、16mlのアリコート(aliquot)のZn−オレイン酸溶液(100℃で加熱された上記Zn前駆体溶液)を前記Cd−含有反応媒質に2ml/minの速度で注入する。その後、TOA(1.12ml in 6ml)中の6.4mmolのn−オクタンチオールを、注射器ポンプを用いて1ml/minの速度で注入する。
全体反応は、2時間かけて行う。反応が終わった後、生成物を約50〜60℃に冷却し、有機スラッジを遠心分離(5,600rpm)で除去する。不透明な塊がなくなるまでエタノール(Fisher、HPLC grade)を添加する。次いで、遠心分離して得られた沈殿物をトルエン(Sigma−Aldrich、Anhydrous 99.8%)中で溶解させることにより、CdSe/CdS/ZnSコア−シェル量子ドットコロイド溶液をえることができる。
〈2〉量子ドットの製造例2
CdSe/ZnSのコア/シェル構造を有する量子ドットを得ようとする場合、界面活性剤としてTOPO(trioctylphosphine oxide)を使用した有機溶媒に(CHCd(dimethyl cadmium)、TOPSe(trioctylphosphine selenide)などのコア(CdSe)に該当する前駆体物質を注入して結晶が生成されるようにし、結晶が一定の大きさで成長するように高温で一定時間維持した後、シェル(ZnS)に該当する前駆体物質を注入して既に生成されたコアの表面にシェルが形成されるようにすることで、TOPOでキャッピング(capping)されたCdSe/ZnSの量子ドットを得ることができる。
〈3〉量子ドットの製造例3
アルゴン気流下、トリ−n−オクチルホスフィンオキシド(TOPO)(関東化学社製)7.5gに、ステアリン酸(関東化学社製)2.9g、n−テトラデシルホスホン酸(AVOCADO社製)620mg、及び、酸化カドミニウム(和光純薬工業社製)250mgを加え、370℃に加熱混合した。これを270℃まで自然冷却させた後、予めトリブチルホスフィン(関東化学社製)2.5mLにセレン(STREM CHEMICAL社製)200mgを溶解させた溶液を加え、減圧乾燥し、TOPOで被覆されたCdSe微粒子を得る。
次いで、得られたCdSe微粒子に、TOPO15gを加えて加熱し、引き続き270℃でトリオクチルホスフィン(TOP、シグマアルドリッチ社製)10mLにジエチルジチオカルバミン酸亜鉛(東京化成社製)1.1gを溶解した溶液を加え、表面にTOPOが固定された、CdSeのナノ結晶をコアとし、ZnSをシェルとするナノ粒子(以下、TOPO固定量子ドットともいう)を得た。なお、この状態の量子ドットは、トルエンやテトラヒドロフラン(THF)等の有機溶媒に可溶である。
その後、作製したTOPO固定量子ドットをTHFに溶解させて85℃に加温し、そこにエタノールに溶解させたN−[(S)−3−メルカプト−2−メチルプロピオニル]−L−プロリン(シグマアルドリッチ社製)100mgを滴下させ、12時間程度還流させた。12時間還流後、NaOH水溶液を加え、2時間、90℃で加熱してTHFを蒸発させた。得られた未精製の量子ドットを、限外濾過(Millipore社製、「Microcon」)及びセファデックスカラム(Amersham Biosciences社製、「MicroSpin G−25Columns」)を用いて精製と濃縮とを行うことで、量子ドットの表面にN−[(S)−3−メルカプト−2−メチルプロピオニル]−L−プロリンが固定された親水性の量子ドットを製造することができる。
(4.6)量子ドットの製膜方法
量子ドットの製膜方法は、ウェットプロセスによるものが好ましい。例えば、スピンコート法、キャスト法、ダイコート法、ブレードコート法、ローラーコート法、インクジェット法、印刷法、スプレーコート法、カーテンコート法、LB法(ラングミュア・ブロジェット(Langmuir Blodgett法)等を挙げることができる。
更に、量子ドットの単分子膜を他の媒体上に形成した後に転写するような転写方法(フィルム転写法、スタンプ転写法等)による製膜方法も有用である。
この際、用いる溶媒としては、沸点が100〜150℃の範囲内にある溶媒を含むことが好ましい。このような沸点範囲の溶媒を用いることで、適切な乾燥速度となり、塗布膜に含まれる量子ドット化合物が適切に配向させることができ、より高い発光効率と耐久性を得ることができるようになる。
このような溶媒としては、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、n−ブタノール等を上げることができる。また、これらの溶媒を含む混合溶媒でもよく、その比率としては9:1〜0:10の範囲内であることが好ましい。
次いで、本発明の有機EL素子の各構成要素の詳細について説明する。
《陽極》
本発明の有機EL素子を構成する陽極としては、仕事関数の大きい(4eV以上)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが好ましく用いられる。このような電極物質の具体例としては、Au等の金属、CuI、インジウム−スズの複合酸化物(以下、ITOと略記。)、SnO、ZnO等の導電性透明材料が挙げられる。また、IDIXO(In−ZnO)等非晶質で透明導電膜を作製可能な材料を用いてもよい。陽極は、これらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させ、フォトリソグラフィー法で所望の形状パターンを形成してもよく、あるいはパターン精度をあまり必要としない場合(100μm以上程度)は、上記電極物質の蒸着やスパッタリング時に所望の形状のマスクを介してパターンを形成してもよい。あるいは、有機導電性化合物のように塗布可能な物質を用いる場合には、印刷方式、コーティング方式等湿式成膜法を用いることもできる。この陽極より発光を取り出す場合には、透過率を10%より大きくすることが望ましく、また陽極としてのシート抵抗は数百Ω/□以下が好ましい。さらに膜厚は材料にもよるが、通常は、10〜1000nmの範囲内であり、好ましくは10〜200nmの範囲内で選ばれる。
《陰極》
一方、本発明の有機EL素子を構成する陰極としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属(電子注入性金属と称する)、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子注入性及び酸化等に対する耐久性の点から、第一金属である電子注入性金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。陰極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、陰極としてのシート抵抗は数百Ω/□以下が好ましく、膜厚は通常10nm〜5μmの範囲内であり、好ましくは50〜200nmの範囲内で選ばれる。なお、発光した光を透過させるため、有機EL素子の陽極及び陰極のいずれか一方が透明又は半透明であれば発光輝度が向上し好都合である。
また、陰極に上記金属を1〜20nmの膜厚で形成した後に、陽極の説明で挙げた導電性透明材料をその上に形成することで、透明又は半透明の陰極を作製することができ、これを応用することで陽極と陰極の両方が透過性を有する有機EL素子を作製することができる。
《支持基板》
本発明の有機EL素子に用いることのできる支持基板(以下、基体、基板、基材、支持体等ともいう。)としては、ガラス、プラスチック等、その材質には特に限定はなく、また透明であっても不透明であってもよい。支持基板側から光を取り出す場合には、支持基板は透明であることが好ましい。好ましく用いられる透明な支持基板としては、例えば、ガラス、石英、透明樹脂フィルムを挙げることができる。リジットな基板よりもフレキシブルな基板が、高温保存安定性や色度変動を抑制する効果が大きく発現する観点から好ましく、特に好ましい支持基板は、有機EL素子にフレキシブル性を与えることが可能な可撓性を備えた樹脂フィルムであることが好ましい。
樹脂フィルムとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、セロファン、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート(TAC)、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート(CAP)、セルロースアセテートフタレート、セルロースナイトレート等のセルロースエステル類又はそれらの誘導体、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンビニルアルコール、シンジオタクティックポリスチレン、ポリカーボネート、ノルボルネン樹脂、ポリメチルペンテン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン類、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトンイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、ナイロン、ポリメチルメタクリレート、アクリルあるいはポリアリレート類、アートン(商品名JSR社製)あるいはアペル(商品名三井化学社製)といったシクロオレフィン系樹脂等を挙げられる。
樹脂フィルムの表面には、無機物、有機物の被膜又はその両者のハイブリッド被膜が形成されていてもよく、JIS K 7129−1992に準拠した方法で測定された、水蒸気透過度(25±0.5℃、相対湿度(90±2)%RH)が0.01g/(m・24h・atm)以下のバリア性フィルムであることが好ましく、さらには、JIS K 7126−1987に準拠した方法で測定した酸素透過度が、1×10−3cm/(m・24h・atm)以下、水蒸気透過度が1×10−3g/(m・24h・atm)以下の高バリア性フィルムであることが好ましく、前記の水蒸気透過度が1×10−5g/(m・24h・atm)以下であることが、更に好ましい。
ガスバリアー層を形成する材料としては、水分や酸素等の有機EL素子の劣化を招く因子の浸入を抑制する機能を有する材料であればよく、例えば、酸化珪素、二酸化珪素、窒化珪素等を用いることができる。さらに該膜の脆弱性を改良するために、これら無機層と有機材料からなる層の積層構造を持たせることがより好ましい。無機層と有機機能層の積層順については特に制限はないが、両者を交互に複数回積層させることが好ましい。
ガスバリアー層の形成方法については、特に限定はなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、クラスタ−イオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、プラズマCVD法(CVD:Chemical Vapor Deposition)、レーザーCVD法、熱CVD法、コーティング法等を用いることができるが、特開2004−68143号公報に記載されているような大気圧プラズマ重合法によるものが特に好ましい。
不透明な支持基板としては、例えば、アルミ、ステンレス等の金属板、フィルムや不透明樹脂基板、セラミック製の基板等が挙げられる。
本発明の有機EL素子において、発光の室温における外部取り出し効率は、1%以上であることが好ましく、より好ましくは5%以上である。
ここで、外部取り出し量子効率(%)=有機EL素子外部に発光した光子数/有機EL素子に流した電子数×100である。
《封止》
本発明の有機EL素子に適用可能な封止手段としては、例えば、封止部材と電極、支持基板とを封止接着剤で接着する方法を挙げることができる。
封止部材としては、有機EL素子の表示領域を覆うように配置されておればよく、凹板状でも平板状でもよい。また透明性、電気絶縁性は特に問わない。
具体的には、ガラス板、ポリマー板/フィルムの複合材料、金属板/フィルムの複合材料等が挙げられる。ガラス板としては、特に、ソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等を挙げることができる。また、ポリマー板を構成する材料としては、ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルファイド、ポリサルフォン等を挙げることができる。金属板を構成する材料としては、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、クロム、チタン、モリブテン、シリコーン、ゲルマニウム及びタンタルからなる群から選ばれる一種以上の金属又は合金が挙げられる。
本発明においては、封止部材として、有機EL素子を薄膜化できるということからポリマーフィルム、金属フィルムを好ましく使用することができる。さらには、ポリマーフィルムは、JIS K 7126−1987に準拠した方法で測定された酸素透過度が、1×10−3cm/(m・24h・atm)以下、JIS K 7129−1992に準拠した方法で測定された水蒸気透過度(25±0.5℃、相対湿度(90±2)%RH)が1×10−3g/(m・24h)以下のものであることが好ましい。
封止部材を凹状に加工するのは、サンドブラスト加工、化学エッチング加工等が使われる。
封止接着剤としては、具体的には、アクリル酸系オリゴマー、メタクリル酸系オリゴマーの反応性ビニル基を有する光硬化及び熱硬化型接着剤、2−シアノアクリル酸エステル等の湿気硬化型等の接着剤を挙げることができる。また、エポキシ系等の熱及び化学硬化型(二液混合)を挙げることができる。また、ホットメルト型のポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィンを挙げることができる。また、カチオン硬化タイプの紫外線硬化型エポキシ樹脂接着剤を挙げることができる。
なお、有機EL素子が熱処理により劣化する場合があるので、室温から80℃までの温度範囲内で接着硬化できるものが好ましい。また、接着剤中に乾燥剤を分散させておいてもよい。封止部分への接着剤の塗布は市販のディスペンサを使ってもよいし、スクリーン印刷のように印刷してもよい。
また、有機機能層を挟み支持基板と対向する側の電極の外側に該電極と有機機能層を被覆し、支持基板と接する形で無機物、有機物の層を形成し封止膜とすることも好適にできる。この場合、該膜を形成する材料としては、水分や酸素等素子の劣化をもたらすものの浸入を抑制する機能を有する材料であればよく、例えば、酸化珪素、二酸化珪素、窒化珪素等を用いることができる。さらに該膜の脆弱性を改良するために、これら無機層と有機材料からなる層の積層構造を持たせることが好ましい。これらの膜の形成方法については、特に限定はなく、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、クラスタ−イオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、プラズマCVD法、レーザーCVD法、熱CVD法、コーティング法等を用いることができる。
封止部材と有機EL素子の表示領域との間隙には、気相及び液相を形成することを目的として、窒素、アルゴン等の不活性気体やフッ化炭化水素、シリコンオイルのような不活性液体を注入することが好ましい。また真空とすることも可能である。また、内部に吸湿性化合物を封入することもできる。
吸湿性化合物としては、例えば、金属酸化物(例えば、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等)、硫酸塩(例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸コバルト等)、金属ハロゲン化物(例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、フッ化セシウム、フッ化タンタル、臭化セリウム、臭化マグネシウム、沃化バリウム、沃化マグネシウム等)、過塩素酸類(例えば、過塩素酸バリウム、過塩素酸マグネシウム等)等が挙げられ、硫酸塩、金属ハロゲン化物及び過塩素酸類においては無水塩が好適に用いられる。
封止にはケーシングタイプの封止(缶封止)と密着タイプの封止(固体封止)があるが、薄型化の観点からは固体封止が好ましい。また、可撓性の有機EL素子を作製する場合は、封止部材にも可撓性が求められるため、固体封止が好ましい。
以下に、固体封止を行う場合の好ましい態様を説明する。
本発明に係る封止用接着剤には、熱硬化接着剤や紫外線硬化樹脂などを用いることができるが、好ましくはエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン樹脂など熱硬化接着剤、より好ましくは耐湿性、耐水性に優れ、硬化時の収縮が少ないエポキシ系熱硬化型接着性樹脂である。
本発明に係る封止用接着剤の含水率は、300ppm以下であることが好ましく、0.01〜200ppmであることがより好ましく、0.01〜100ppmであることが最も好ましい。
本発明でいう含水率は、いかなる方法により測定しても構わないが、例えば、容量法水分計(カールフィッシャ−)、赤外水分計、マイクロ波透過型水分計、加熱乾燥重量法、GC/MS、IR、DSC(示差走査熱量計)、TDS(昇温脱離分析)が挙げられる。また、精密水分計AVM−3000型(オムニテック社製)等を用い、水分の蒸発によって生じる圧力上昇から水分を測定でき、フィルムまた固形フィルム等の水分率の測定を行うことができる。
本発明おいて、封止用接着剤の含水率は、例えば、露点温度が−80℃以下、酸素濃度0.8ppmの窒素雰囲気下に置き時間を変化させることで調整することができる。また、100Pa以下の真空状態で置き時間を変化させて乾燥させることもできる。また、封止用接着材は接着剤のみで乾燥させることもできるが、封止部材へ予め配置し乾燥させることもできる。
密着封止(固体封止方式)を行う場合、封止部材としては、例えば、50μm厚のPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムにアルミ箔(30μm厚)をラミネートしたものを用いることができる。これを封止部材として、アルミニウム面にディスペンサを使用して均一に塗布し、封止用接着剤を予め配置しておき、樹脂基板と封止部材を位置合わせ後、両者を圧着して(0.1〜3MPa)、温度80〜180℃で密着・接合(接着)して、密着封止(固体封止)することができる。
接着剤の種類や量、そして面積等によって加熱また圧着時間は変化するが、0.1〜3MPaの範囲内の圧力で仮接着、また80〜180℃の範囲内の温度で、熱硬化時間は5秒〜10分間の範囲内で選べばよい。
加熱した圧着ローラーを用いると圧着(仮接着)と加熱が同時にでき、且つ内部の空隙も同時に排除でき好ましい。
また、接着層の形成方法としては、材料に応じて、ディスペンサを用い、ローラーコート、スピンコート、スクリーン印刷法、スプレーコートなどのコーティング法、印刷法を用いることができる。
固体封止は以上のように封止部材と有機EL素子基板との間に空間がなく硬化した樹脂で覆う形態である。
封止部材としては、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム合金等の金属、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ナイロン、ポリ塩化ビニル等のプラスチック、及びこれらの複合物、ガラス等が挙げられ、必要に応じて、特に樹脂フィルムの場合には、樹脂基板と同様、アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素等のガスバリアー層を積層したものを用いることができる。
ガスバリアー層は、封止部材成形前に封止部材の両面若しくは片面にスパッタリング、蒸着等により形成することもできるし、封止後に封止部材の両面若しくは片面に同様な方法で形成してもよい。これについても、酸素透過度が1×10−3ml/(m・24h・atm)以下、水蒸気透過度(25±0.5℃、相対湿度(90±2)%RH)が、1×10−3g/(m・24h)以下のものであることが好ましい。
封止部材としては、アルミニウム等の金属箔をラミネートしたフィルム等でも良い。金属箔の片面にポリマーフィルムを積層する方法としては、一般に使用されているラミネート機を使用することができる。接着剤としてはポリウレタン系、ポリエステル系、エポキシ系、アクリル系等の接着剤を用いることができる。必要に応じて硬化剤を併用してもよい。ホットメルトラミネーション法やエクストルージョンラミネート法及び共押出しラミネーション法も使用できるがドライラミネート方式が好ましい。
また、金属箔をスパッタや蒸着等で形成し、導電性ペースト等の流動性電極材料から形成する場合は、逆にポリマーフィルムを基材としてこれに金属箔を成膜する方法で作成してもよい。
《保護膜、保護板》
有機機能層を挟み支持基板と対向する側の封止膜、あるいは封止用フィルムの外側に、有機EL素子の機械的強度を高めるため、保護膜あるいは保護板を設けてもよい。特に、封止が封止膜により行われている場合には、その機械的強度は必ずしも高くないため、このような保護膜、保護板を設けることが好ましい。これに使用することができる材料としては、前記封止に用いたのと同様なガラス板、ポリマー板・フィルム、金属板・フィルム等を用いることができるが、軽量かつ薄膜化ということからポリマーフィルムを用いることが好ましい。
本発明において、可撓性支持基板から陽極との間、あるいは可撓性支持基板から光出射側の何れかの場所に光取出し部材を有することが好ましい。
光取出し部材としては、プリズムシートやレンズシート及び拡散シートが挙げられる。また、全反射を起こす界面もしくはいずれかの媒質中に導入される回折格子や拡散構造等が挙げられる。
通常、基板から光を放射するような有機エレクトロルミネッセンス素子においては、発光層から放射された光の一部が基板と空気との界面において全反射を起こし、光を損失するという問題が発生する。この問題を解決するために、基板の表面にプリズムやレンズ状の加工を施す、もしくは基板の表面にプリズムシートやレンズシート及び拡散シートを貼り付けることにより、全反射を抑制して光の取り出し効率を向上させる。
また、光取り出し効率を高めるためには、全反射を起こす界面もしくはいずれかの媒質中に回折格子を導入する方法や拡散構造を導入する方法が知られている。
《有機EL素子の製造方法》
本発明の有機EL素子の製造方法の一例として、陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極からなる有機EL素子の製造方法を説明する。
はじめに、適当な基体上に所望の電極物質、例えば、陽極用物質からなる薄膜を1μm以下、好ましくは10〜200nmの膜厚になるように、蒸着やスパッタリング等の薄膜形成方法により形成させて、陽極を作製する。
次に、この上に有機EL素子材料である正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の有機機能層(有機化合物薄膜)を形成させる。
有機機能層を形成する工程は、主に、
(i)その有機機能層を構成する各材料を調合して調製した塗布液を、支持基板の陽極上に塗布及び積層する塗布工程と、
(ii)塗布及び積層して形成した塗膜を、乾燥させる乾燥工程と、
で構成される。
(i)の塗布工程における各有機機能層の形成方法として、ウェットプロセス(例えば、スピンコート法、キャスト法、ダイコート法、ブレードコート法、ローラーコート法、インクジェット法、印刷法、スプレーコート法、カーテンコート法、LB法(ラングミュア・ブロジェット(Langmuir Blodgett法)等を挙げることができる。)を用いることができ、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法においては、少なくとも量子ドットを含有する発光層を塗布方式で形成し、該発光層の形成用塗布液が、沸点が100〜150℃の範囲内にある溶媒を含有する形態が好ましい。
発光層以外の有機機能層の形成においても、均質な膜が得られやすく、かつピンホールが生成しにくい等の点から、本発明においてはウェットプロセスが好ましく、中でも、スピンコート法、キャスト法、ダイコート法、ブレードコート法、ローラーコート法、インクジェット法等の塗布法による成膜が好ましい。
本発明に係る有機EL材料を溶解又は分散するのに用いる有機溶媒としては、例えば、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸エチル等の脂肪酸エステル類、ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン等の芳香族炭化水素類、シクロヘキサン、デカリン、ドデカン等の脂肪族炭化水素類、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の有機溶媒を用いることができ、その中でも沸点が100〜150℃の範囲内にある溶媒を用いることが好ましい。また、分散方法としては、超音波、高剪断力分散やメディア分散等の分散方法を適宜選択して適用することができる。
また、本発明に係る有機EL材料を溶解又は分散して塗布液を調製する調液工程や、基材上に塗布液を塗布するまでの塗布工程は、不活性ガス雰囲気下であることが好ましいが、使用素材により不活性ガス雰囲気下で行わなくとも有機EL素子性能を落とさずに成膜できるため、必ずしも全ての工程を不活性ガス雰囲気下で行わなくても良い場合がある。この様な対応をとることにより、製造コストを抑えることができより好ましい。
(ii)の乾燥工程では、塗布及び積層された有機機能層塗膜の乾燥を行う。
ここでいう乾燥とは、塗布直後の塗膜の溶媒含有量を100質量%とした場合に、0.2質量%以下まで低減されることを指す。
乾燥の手段としては、一般的な乾燥手段として汎用されているものを使用でき、減圧あるいは加圧乾燥、加熱乾燥、送風乾燥、IR乾燥及び電磁波による乾燥などが挙げられる。中でも、加熱乾燥が好ましく、有機機能層塗布液の調製で用いた溶媒の中で、最も低沸点の溶媒の沸点以上の温度であり、有機機能層材料のガラス転移温度Tgの中で最も低Tgである材料の(Tg+20)℃より低い温度で保持することが最も好ましい。本発明において、より具体的には80〜150℃の温度範囲に保持して乾燥することが好ましく、100〜130℃の温度範囲に保持して乾燥することがより好ましい。
塗布及び積層した後の塗膜を乾燥させる際の雰囲気は、不活性ガス以外の気体の体積濃度が200ppm以下の雰囲気とすることが好ましいが、調液工程及び塗布工程と同様に、必ずしも不活性ガス雰囲気下で行わなくても良い場合がある。この場合、製造コストを抑えることができより好ましい。
不活性ガスは好ましくは窒素ガス及びアルゴンガス等の希ガスであり、製造コスト上最も好ましくは窒素ガスである。
これらの有機機能層の塗布、積層及び乾燥工程は、枚葉製造方式であっても、連続したオンライン製造方式であっても良い。更に、乾燥工程は、搬送ライン上で搬送中に行っても良いが、生産性の観点からは、堆積あるいはロール状に非接触で巻き取り乾燥しても良い。
これらの塗膜を乾燥した後、その上に陰極用物質からなる薄膜を、1μm以下、好ましくは50〜200nmの範囲内の膜厚になるように、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させ、陰極を設けることにより、所望の有機EL素子が得られる。
該加熱処理後に前記密着封止あるいは封止部材と電極、支持基板とを接着剤で接着することで有機EL素子を製造することができる。
《用途》
本発明の有機EL素子は、表示デバイス、ディスプレイ、各種発光光源として用いることができる。
発光光源として、例えば、家庭用照明、車内照明、時計や液晶用のバックライト、看板広告、信号機、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源、さらには表示装置を必要とする一般の家庭用電気器具等広い範囲の用途が挙げられるが、特にカラーフィルターと組み合わせた液晶表示装置のバックライト、照明用光源としての用途に有効に用いることができる。
本発明の有機EL素子においては、必要に応じ成膜時にメタルマスクやインクジェットプリンティング法等でパターニングを施してもよい。パターニングする場合は、電極のみをパターニングしてもよいし、電極と発光層をパターニングしてもよいし、素子全層をパターニングしてもよく、素子の作製においては、従来公知の方法を用いることができる。
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例において「%」の表示を用いるが、特に断りがない限り「質量%」を表す。
《有機EL素子の作製》
下記の方法に従って、有機EL素子1〜15を作製した。
〔有機EL素子1の作製:本発明〕
(1.1)ガスバリアー性の可撓性フィルムの作製
可撓性フィルムとして、ポリエチレンナフタレートフィルム(帝人デュポン社製フィルム、以下、PENフィルムと略記する。)を用い、可撓性フィルムの第1電極を形成する面側の全面に、特開2004−68143号公報に記載の構成からなる大気圧プラズマ放電処理装置を用いて、連続して可撓性フィルム上に、SiOからなる無機物のガスバリアー層を厚さ500nmとなるように形成し、酸素透過度が0.001ml/(m・day・atm)以下で、水蒸気透過度が0.001g/(m・day・atm)以下のガスバリアー性の可撓性フィルムを作製した。
(1.2)第1電極層の形成
上記作製したガスバリアー性の可撓性フィルム上に、厚さ120nmのITO(インジウム−スズの複合酸化物)膜をスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、第1電極層(陽極)を形成した。なお、パターンは発光面積が50mm平方になるようなパターンとした。
(1.3)正孔注入層の形成
第1電極層をパターニングした後のITO基板をイソプロピルアルコールで超音波洗浄し、乾燥窒素ガスで乾燥した後、UVオゾン洗浄を5分間行った。このITO基板上に、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリスチレンスルホネート(以下、PEDOT/PSSと略記、Bayer製、Baytron P Al 4083)を純水で70%に希釈した溶液を、3000rpm、30秒でスピンコート法により製膜した後、200℃にて1時間乾燥し、厚さ30nmの正孔注入層を形成した。
(1.4)正孔輸送層の形成
この正孔注入層を形成した基板を、窒素ガス(グレードG1)を用いた窒素雰囲気下に移し、正孔輸送材料である下記正孔輸送材料A(Mw=80,000)をクロロベンゼンに0.5%の濃度で溶解した溶液を、1500rpm、30秒でスピンコート法により製膜した後、160℃で30分間保持して乾燥し、厚さ30nmの正孔輸送層を形成した。
Figure 0006168050
(1.5)発光層の形成
次いで、下記組成の発光層組成物1を、1500rpm、30秒でスピンコート法により製膜した後、120℃で30分間保持して乾燥し、厚さ40nmの発光層を形成した。
〈発光層組成物1〉
ホスト化合物:例示化合物H−55(発光波長:420nm、2.95eV、分子量:651、化14に記載) 13.95質量部
緑ドーパントDG(発光波長:520nm) 0.25質量部
赤ドーパントDR(発光波長:620nm) 0.10質量部
量子ドット1 コア部:CdSe(2nm)/シェル部ZnS(オクタデシルアミン)、平均粒子径7nm、アスペクト比=1.25、発光波長:459nm、2.7eV) 3.0質量部
トルエン 2,000質量部
Figure 0006168050
〈量子ドット1の調製〉
アルゴン気流下で、トリ−n−オクチルホスフィンオキシド(TOPO)(関東化学社製)7.5gに、ステアリン酸(関東化学社製)2.9g、n−テトラデシルホスホン酸(AVOCADO社製)620mg、及び、酸化カドミニウム(和光純薬工業社製)250mgを加え、370℃に加熱混合した。これを270℃まで自然冷却させた後、予めトリブチルホスフィン(関東化学社製)2.5mlに、セレン(STREMCHEMICAL社製)200mgを溶解させた溶液を加え、減圧乾燥し、TOPOで被覆されたCdSe微粒子を得た。
次いで、得られたCdSe微粒子に、TOPO15gを加えて加熱し、引き続き270℃でトリオクチルホスフィン(シグマアルドリッチ社製)10mlにジエチルジチオカルバミン酸亜鉛(東京化成社製)1.1gを溶解した溶液を加え、表面にTOPOが固定された、CdSeのナノ結晶(平均粒子径2nm)をコアとし、ZnSをシェルとする量子ドット1(平均粒子径:12nm)を調製した。なお、量子ドット1の平均粒子径及びアスペクト比は、後述の電子間力顕微鏡(AFM)を用いた方法で測定を行った。
(1.6)電子輸送層の形成
続いて、電子輸送材料である20mgの下記電子輸送材料Bを、4mlのテトラフルオロプロパノール(TFPO)に溶解した溶液を、1500rpm、30秒でスピンコート法により製膜した後、120℃で30分間保持して乾燥し、厚さ30nmの電子輸送層を形成した。
なお、下記電子輸送材料Bは、特開2010-235575号公報を参考として合成することができる。
Figure 0006168050
(1.7)電子注入層、陰極の形成
続いて、基板を大気雰囲気に曝露することなく真空蒸着装置へ取り付けた。また、モリブデン製抵抗加熱ボートにフッ化ナトリウム及びフッ化カリウムを入れたものを真空蒸着装置に取り付け、真空槽を4×10−5Paまで減圧した後、前記ボートに通電して加熱してフッ化ナトリウムを0.02nm/秒で前記電子輸送層上に厚さ1nmの薄膜を形成し、続けて同様にフッ化カリウムを0.02nm/秒でフッ化ナトリウム上に厚さ1.5nmの電子注入層を形成した。引き続き、アルミニウム薄膜を厚さ100nmで蒸着して陰極を形成した。
(1.8)封止及び有機EL素子の作製
引き続き、市販のローラーラミネート装置を用いて封止部材を接着し、本発明の有機EL素子1を製作した。
なお、封止部材としては、可撓性の厚さ30μmのアルミニウム箔(東洋アルミニウム株式会社製)に、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(12μm厚)をドライラミネーション用の接着剤(2液反応型のウレタン系接着剤)を用いラミネートした(接着剤層の厚さ1.5μm)ものを用いた。
封止用接着剤として熱硬化性接着剤を、ディスペンサを使用してアルミ箔の接着面(つや面)に沿って厚さ20μmで均一に塗布した。これを100Pa以下の真空下で12時間乾燥させた。さらに露点温度が−80℃以下、酸素濃度0.8ppmの窒素雰囲気下へ移動し、12時間以上乾燥させ、封止用接着剤の含水率を100ppm以下となるように調整した。
熱硬化接着剤としては、下記の(A)〜(C)を混合したエポキシ系接着剤を用いた。
(A)ビスフェノールAジグリシジルエーテル(DGEBA)
(B)ジシアンジアミド(DICY)
(C)エポキシアダクト系硬化促進剤
以上のようにして、図1に記載の形態になるように、封止基板を取り出し電極及び電極リードの接合部を覆うようにして密着及び配置して、圧着ローラーを用いて厚着条件として圧着ローラー温度120℃、圧力0.5MPa、装置速度0.3m/minで密着封止して、発光層に量子ドットを含有する本発明の有機EL素子1を作製した。
〔有機EL素子2〜13の作製:本発明〕
上記有機EL素子1の作製において、発光層で用いたホスト化合物として、例示化合物H−55を、表1に記載の各ホスト化合物に変更した以外は同様にして、有機EL素子2〜13を作製した。
〔有機EL素子14〜16の作製:比較例〕
上記有機EL素子1の作製において、発光層で用いたホスト化合物として、例示化合物H−55を、下記比較化合物1〜3にそれぞれ変更した以外は同様にして、比較例である有機EL素子14〜16を作製した。
Figure 0006168050
《有機EL素子の評価》
上記作製した有機EL素子1〜16について、下記の各評価を行った。
(1)発光効率の測定
上記作製した各有機EL素子を、室温(約23℃)で、2.5mA/cmの定電流条件下で発光させ、発光開始直後の発光輝度Lを、分光放射輝度計CS−2000(コニカミノルタ社製)を用いて測定した。
次いで、比較例である有機EL素子14の発光輝度を1.0とした相対発光輝度を求め、これを発光効率(外部取り出し量子効率)の尺度とした。数値が大きいほど、発光効率に優れていることを表す。
(2)駆動電圧の測定
各有機EL素子を、室温(約23℃)で、2.5mA/cmの定電流条件下で発光させた時の駆動電圧を測定した。
次いで、比較例である有機EL素子14の駆動電圧を基準とし、それからの駆動電圧差を求めた。マイナスの数値が大きい程ほど、低電圧駆動性に優れていることを表す。
(3)素子寿命の評価
各有機EL素子を半径が5cmの金属製円柱に巻きつけ、次いで各有機EL素子を折り曲げた状態で連続駆動させ、上記分光放射輝度計CS−2000を用いて輝度を測定し、測定した輝度が半減するまでに要する時間(LT50)を求めた。駆動条件は、連続駆動開始時に発光輝度が4000cd/mとなる条件で電流値とした。
次いで、比較例である有機EL素子14のLT50を1.0とする相対値を求め、これを素子寿命(連続駆動安定性)の尺度とした。数値が大きいほど、連続駆動安定性に優れ、素子寿命が長いことを表す。
(4)演色性の評価
各有機EL素子を、室温(約23〜25℃)で印加し、分光放射輝度計CS−2000(コニカミノルタ社製)を用いて、発光輝度として1000cd/mで発光させた状態で、上記分光放射輝度計を用いて分光分布特性を測定し、その測定結果より演色評価数を求め、平均演色評価数を導出した。
(5)演色性の色ずれ耐性の評価
各有機EL素子を、連続駆動開始時からLT50まで連続的に駆動させ、上記分光放射輝度計CS−2000を用いて輝度を測定し、測定した輝度が半減するまでに要する時間(LT50)を求めた。
次いで、駆動開始時とLT50到達時の色度(CIE表色系x,y)を、上記分光放射輝度計により測定し、駆動開始時の色度(x,y)に対するLT50到達時の色度(x,y)の各色差(Δx及びΔy)を求め、これを色ずれ耐性の尺度とした。数値が小さほど色ずれが小さく、色度安定性に優れていることを表す。
(6)量子ドットの粒径とアスペクト比の測定
電子間力顕微鏡(AFM)として、セイコーインスツルメンツ社製のSPI3800Nプローブステーション及びSPA400多機能型ユニットを使用し、約1cm角の大きさに切り取った試料(前記(1.5)発光層までを製膜したサンプルを使用)を、ピエゾスキャナー上の水平な試料台上にセットし、カンチレバーを試料表面にアプローチし、原子間力が働く領域に達したところで、XY方向にスキャンし、その際の試料の凹凸をZ方向のピエゾの変位で捉える。ピエゾスキャナーは、XY方向に150μm、Z方向に5μm走査可能なものを使用する。カンチレバーは、セイコーインスツルメンツ社製シリコンカンチレバーSI−DF20で、共振周波数120〜150kHz、バネ定数12〜20N/mのものを用い、DFMモード(Dynamic Force Mode)で測定する。測定領域80×80μmを、走査周波数0.1Hzで測定した。
測定の結果、いずれのサンプルでもZnSシェルのサイズを含めた量子ドットの直径は5〜15nmの範囲内であり、またアスペクト比(量子ドットの短径と長径の比)は1:1〜1:1.5の範囲内であった。
以上により得られた結果を、表1に示す。
Figure 0006168050
表1に記載の結果より明らかなように、本発明で規定する構成からなる本発明の有機EL素子1〜12では、比較例に対し、発光輝度(発光効率)が高く、駆動電圧が低くなっており、さらには演色性や素子寿命も向上し、色度も安定していることがわかる。
以上に示した発光効率、低駆動電圧化、素子寿命、演色性及び色度安定性の評価結果より、青色発光の量子ドットを含む有機EL素子の発光効率を高め、かつ長寿命化にするためには、発光層のホスト化合物のリン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長を特定の範囲内に制御することは有用であることが分かる。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、高発光効率で、長寿命で、かつ演色性及び低駆動電圧でも色度が安定した白色発光特性を備え、表示デバイス、ディスプレイ、各種発光光源として好適に利用できる。
1 可撓性支持基板.
2 陽極
3 正孔注入層
4 正孔輸送層
5 発光層
6 電子輸送層
7 電子注入層
8 陰極
9 封止接着剤
10 可撓性封止部材
11 量子ドット発光材料
20 有機機能層
100 有機エレクトロルミネッセンス素子

Claims (11)

  1. 少なくとも、陽極、正孔輸送層、リン光発光性化合物を含有する発光層、電子輸送層及び陰極を有する有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記発光層が、発光波長が413〜477nmの範囲内にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあるホスト化合物とを含有し、かつ前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長いことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
  2. 前記量子ドットの平均粒子径が、1〜20nmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  3. 前記量子ドットのアスペクト比(長軸径/短軸径)の値が、1.0〜2.0の範囲内であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  4. 前記量子ドットが、少なくともSi、Ge、GaN、GaP、CdS、CdSe、CdTe、InP、InN、ZnS、In、ZnO、CdO又はこれらの混合物で構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  5. 前記ホスト化合物の分子量が、500〜1000の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  6. 前記発光層が、前記ホスト化合物として、下記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure 0006168050
    〔式中、Xは、NR′、酸素原子、硫黄原子、CR′R″、又はSiR′R″を表す。y及びyは、各々CR′又は窒素原子を表す。R′及びR″は、各々水素原子又は置換基を表す。Ar及びArは、各々芳香環を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。nは0〜4の整数を表す。〕
  7. 前記一般式(1)におけるXが、NR′であることを特徴とする請求項6に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  8. 前記一般式(1)におけるXが、酸素原子であることを特徴とする請求項6に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  9. 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることを特徴とする請求項6から請求項8までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure 0006168050
    〔式中、Ar〜Arは各々芳香環を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。n1は0〜4の整数を表し、n2は0〜5の整数を表す。〕
  10. 前記発光層に、更にリン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属する発光波長が、496〜827nmの範囲内にあるリン光発光ドーパントを含有することを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  11. 少なくとも、陽極、正孔輸送層、リン光発光性化合物を含有する発光層、電子輸送層及び陰極を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、前記発光層に、発光波長が413〜477nmの範囲内にある量子ドットと、リン光スペクトルにおける0−0遷移バンドに帰属される発光波長が413〜459nmの範囲内にあるホスト化合物とを含有させ、前記量子ドットの発光波長が、前記ホスト化合物の発光波長よりも長い関係にあり、前記発光層を塗布方式で形成し、前記発光層形成用塗布液に、沸点が100〜150℃の範囲内にある溶媒を含有せしめることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
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