JP6464555B2 - 発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、電気エネルギーを光に変換できる発光素子に関する。より詳しくは、本発明は、表示素子、フラットパネルディスプレイ、バックライト、照明、インテリア、標識、看板、電子写真機および光信号発生器などの分野に利用可能な発光素子に関するものである。
陰極から注入された電子と陽極から注入された正孔が両極に挟まれた有機蛍光体内で再結合する際に発光するという有機薄膜発光素子の研究が、近年活発に行われている。この発光素子は、薄型でかつ低駆動電圧下での高輝度発光と、蛍光材料を選ぶことによる多色発光が特徴であり、注目を集めている。
この研究は、コダック社のＣ．Ｗ．Ｔａｎｇらによって有機薄膜素子が高輝度に発光することを示して以来、多数の実用化検討がなされており、有機薄膜発光素子は、携帯電話のメインディスプレイなどに採用されるなど着実に実用化が進んでいる。しかし、まだ技術的な課題も多く、中でも素子の高効率化と長寿命化の両立は大きな課題のひとつである。
素子の駆動電圧は、正孔や電子といったキャリアを発光層まで輸送するキャリア輸送材料に大きく左右される。このうち正孔を輸送する材料（正孔輸送材料）としてカルバゾール骨格を有する材料が知られている（例えば、特許文献１〜２参照）。また、上記カルバゾール骨格を有する材料は高い三重項準位を有することから、発光層のホスト材料として知られている（例えば、特許文献３参照）。さらに、インドロカルバゾール誘導体を発光層のホスト材料として使用する有機電界発光素子が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平８−３５４７号公報 大韓民国特許出願公開第２０１０−００７９４５８号公報 特開２００３−１３３０７５号公報 国際公開第２０１１／０９９３７４号
しかしながら、従来の技術では素子の駆動電圧を十分に下げることは困難であった。また、素子の駆動電圧を下げることができたとしても、素子の発光効率、耐久寿命が不十分であった。このように、高い発光効率、さらに耐久寿命も両立させる技術は未だ見出されていない。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、発光効率および耐久寿命を改善した有機薄膜発光素子を提供することを目的とするものである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の発光素子は、陽極と陰極の間に少なくとも正孔輸送層および発光層を備え、電気エネルギーにより発光する発光素子であって、前記正孔輸送層は、下記一般式（１）で表される化合物を含み、かつ前記発光層は、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物であって、下記一般式（２）〜（４）のいずれかで表される化合物を含有することを特徴とする。
Figure 0006464555
 （式（１）中、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基、−Ｐ（＝Ｏ）Ｒ５Ｒ６からなる群より選ばれる。Ｒ５およびＲ６はアリール基またはヘテロアリール基である。Lは単結合または二価の連結基である。
Figure 0006464555
Figure 0006464555
Figure 0006464555
 式（２）〜（４）中、Ｒ７〜Ｒ１１は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基、−Ｐ（＝Ｏ）Ｒ１２Ｒ１３からなる群より選ばれる。Ｒ１２およびＲ１３はアリール基またはヘテロアリール基である。また、Ｒ７〜Ｒ１１は、隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Ｒ２１〜Ｒ２７はそれぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基である。環Ａまたは環Ｂは、隣接環と任意の位置で縮合する置換基を有するまたは置換基を有しないベンゼン環を表す。Ｘ１〜Ｘ５は、炭素原子または窒素原子を表し、Ｘ１〜Ｘ５が窒素原子の場合には、窒素原子上の置換基であるＲ７〜Ｒ１１は存在しない。Ｙ１〜Ｙ３は、−Ｎ（Ｒ２８）−、−Ｃ（Ｒ２９Ｒ３０）−、酸素原子、硫黄原子である。Ｒ２８〜Ｒ３０はそれぞれ同じでも異なっていてもよく、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基である。Ｒ２１〜Ｒ３０は隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Ｌ１１は、アリーレン基であり、Ｌ１２〜Ｌ１８は、単結合、またはアリーレン基である。）
本発明により、高い発光効率を有し、さらに十分な耐久寿命も兼ね備えた有機電界発光素子を提供することができる。
本発明は、陽極と陰極の間に少なくとも正孔輸送層および発光層を備え、電気エネルギーにより発光する発光素子であって、前記正孔輸送層が下記一般式（１）で表される化合物を含み、かつ前記発光層が下記一般式（２）〜（４）のいずれかで表される、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物を含有することを特徴とする発光素子である。
本発明に用いられる、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する一般式（２）〜（４）のいずれかで表される化合物は、高い電子注入輸送能を有するため、発光層として用いることで高発光効率かつ低駆動電圧の有機薄膜発光素子を与えることができる。しかしながらこの発光層は、非常に高い電子注入輸送能を有するため、組み合わせて用いられる正孔輸送層の種類によっては、発光層内の再結合領域が正孔輸送層側に局在化し、三重項エネルギーと電子が正孔輸送層に漏れるため、素子の発光効率低下と耐久性劣化の要因となることがある。
これに対し本発明者らは、一般式（１）で表される化合物を正孔輸送層として用いることで、高い発光効率と耐久性の大幅な改善が可能となることを見出した。つまり、一般式（１）で表される化合物は、高い電子ブロック性、高い三重項エネルギーを有しており、発光層内の再結合領域が正孔輸送層側に局在化しても、三重項エネルギーと電子を発光層内に閉じ込めることができるため、高効率化と長寿命化が可能となった。
すなわち、正孔輸送層に一般式（１）で表される化合物を用い、かつ発光層に電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する一般式（２）〜（４）のいずれかで表される化合物を用いることは、高発光効率と耐久性を両立する上で好ましい組み合わせである。
以下、本発明における一般式（１）〜（４）で表される化合物について詳細に説明する。まず、下記一般式（１）で表される化合物
Figure 0006464555
式（１）中、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基、−Ｐ（＝Ｏ）Ｒ５Ｒ６からなる群より選ばれる。Ｒ５およびＲ６は、アリール基またはヘテロアリール基である。Lは単結合または二価の連結基である。
Figure 0006464555
Figure 0006464555
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 Ｒ７〜Ｒ１１は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基、および−Ｐ（＝Ｏ）Ｒ１２Ｒ１３からなる群より選ばれる。Ｒ１２およびＲ１３はアリール基またはヘテロアリール基である。また、 Ｒ７〜Ｒ１１は、隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Ｒ２１〜Ｒ２７はそれぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基である。環Ａまたは環Ｂは、隣接環と任意の位置で縮合する、置換基を有するまたは置換基を有しないベンゼン環を表す。Ｘ１〜Ｘ５は、炭素原子または窒素原子を表し、Ｘ１〜Ｘ５が窒素原子の場合には、窒素原子上の置換基であるＲ７〜Ｒ１１は存在しない。Ｙ１〜Ｙ３は、−Ｎ（Ｒ２８）−、−Ｃ（Ｒ２９Ｒ３０）−、酸素原子、または硫黄原子である。Ｒ２８〜Ｒ３０はそれぞれ同じでも異なっていてもよく、アルキル基、アリール基、またはヘテロアリール基である。Ｒ２１〜Ｒ３０は、隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Ｌ１１はアリーレン基であり、Ｌ１２〜Ｌ１８は、単結合またはアリーレン基である。
これらの置換基のうち、水素は重水素であってもよい。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アルキル基とは、例えば、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基などの飽和脂肪族炭化水素基を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。置換されている場合の追加の置換基には特に制限は無く、例えば、アルキル基、アリール基、ヘテロアリール基等を挙げることができ、この点は、以下の記載にも共通する。また、アルキル基の炭素数は特に限定されないが、入手の容易性やコストの点から、通常１以上２０以下、より好ましくは１以上８以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、シクロアルキル基とは、例えば、シクロプロピル、シクロヘキシル、ノルボルニル、アダマンチルなどの飽和脂環式炭化水素基を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。アルキル基部分の炭素数は特に限定されないが、通常、３以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、複素環基とは、例えば、ピラン環、ピペリジン環、環状アミドなどの炭素以外の原子を環内に有する脂肪族環を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。複素環基の炭素数は特に限定されないが、通常、２以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アルケニル基とは、例えば、ビニル基、アリル基、ブタジエニル基などの二重結合を含む不飽和脂肪族炭化水素基を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。アルケニル基の炭素数は特に限定されないが、通常、２以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、シクロアルケニル基とは、例えば、シクロペンテニル基、シクロペンタジエニル基、シクロヘキセニル基などの二重結合を含む不飽和脂環式炭化水素基を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。シクロアルケニル基の炭素数は特に限定されないが、通常、２以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アルキニル基とは、例えば、エチニル基などの三重結合を含む不飽和脂肪族炭化水素基を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。アルキニル基の炭素数は特に限定されないが、通常、２以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アルコキシ基とは、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基などのエーテル結合を介して脂肪族炭化水素基が結合した官能基を示し、この脂肪族炭化水素基は置換基を有していても有していなくてもよい。アルコキシ基の炭素数は特に限定されないが、通常、１以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アルキルチオ基とは、アルコキシ基のエーテル結合の酸素原子が硫黄原子に置換されたものである。アルキルチオ基の炭化水素基は置換基を有していても有していなくてもよい。アルキルチオ基の炭素数は特に限定されないが、通常、１以上２０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アリールエーテル基とは、例えば、フェノキシ基など、エーテル結合を介した芳香族炭化水素基が結合した官能基を示し、芳香族炭化水素基は置換基を有していても有していなくてもよい。アリールエーテル基の炭素数は特に限定されないが、通常、６以上４０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アリールチオエーテル基とは、アリールエーテル基のエーテル結合の酸素原子が硫黄原子に置換されたものである。アリールエーテル基における芳香族炭化水素基は置換基を有していても有していなくてもよい。アリールエーテル基の炭素数は特に限定されないが、通常、６以上４０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アリール基とは、例えば、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フルオレニル基、フェナントリル基、アントラセニル基、トリフェニレニル基、ターフェニル基、ピレニル基などの芳香族炭化水素基を示す。アリール基は、置換基を有していても有していなくてもよい。アリール基の炭素数は特に限定されないが、通常、６以上４０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、ヘテロアリール基とは、フラニル基、チオフェニル基、ピリジル基、ピリミジル基、トリアジル基、キノリニル基、ピラジニル基、ナフチリジル基、ベンゾフラニル基、ベンゾチオフェニル基、インドリル基、ジベンゾフラニル基、ジベンゾチオフェニル基、カルバゾリル基などの炭素以外の原子を一個または複数個環内に有する環状芳香族基を示し、これは無置換でも置換されていてもかまわない。ヘテロアリール基の炭素数は特に限定されないが、通常、２以上３０以下の範囲である。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、ハロゲンとは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素を示す。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基は、置換基を有していても有していなくてもよく、置換基としては例えばアルキル基、シクロアルキル基、アリール基などが挙げられ、これら置換基はさらに置換されてもよい。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、アミノ基は置換基を有していても有していなくてもよく、置換基としては例えばアリール基、ヘテロアリール基などが挙げられ、これらの置換基はさらに置換されていてもよい。
一般式（１）〜（４）で表される化合物において、シリル基とは、例えば、トリメチルシリル基などのケイ素原子への結合を有する官能基を示し、これは置換基を有していても有していなくてもよい。シリル基の炭素数は特に限定されないが、通常、３以上２０以下の範囲である。また、ケイ素数は、通常、１以上６以下の範囲である。
一般式（１）で表される化合物において、Lは単結合または二価の連結基であり、二価の連結基としては、例えば、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレニレン基、フェナントリレン基、ターフェニレン基、アントラセニレン基、ピレニレン基などのアリーレン基、フラニレン基、チオフェニレン基、ピリジレン基、キノリニレン基、イソキノリニレン基、ピラジニレン基、ピリミジレン基、ナフチリジレン基、ベンゾフラニレン基、ベンゾチオフェニレン基、インドリレン基、ジベンゾフラニレン基、ジベンゾチオフェニレン基、カルバゾリレン基などのヘテロアリーレン基が例示される。これらは置換基を有していても有していなくてもよい。
一般式（２）〜（４）のＬ１１、およびＬ１２〜Ｌ１８において、アリーレン基とは、芳香族化合物（アレーン）の２個の環炭素原子から、それぞれ１個の水素原子を除去することにより生成する２価の基をいい、例えば、上述したフェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレニレン基、フェナントリレン基、ターフェニレン基、アントラセニレン基、ピレニレン基などが例示される。これらは置換基を有していても有していなくてもよい。
さらに、本発明の発光素子は、発光層が、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物である下記一般式（２）〜（４）のいずれかで表される化合物を含有すると、高い電子注入輸送性を示すため、発光効率が向上する。また、安定な薄膜が形成できるため、耐久性の向上につながるため好ましい。
以下、一般式（２）〜（４）で表される電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物について詳細に説明する。
ここで言う電子受容性窒素とは、隣接原子との間に多重結合を形成している窒素原子を表す。窒素原子が高い電子陰性度を有することから、該多重結合は電子受容的な性質を有する。それゆえ、電子受容性窒素を含む芳香族複素環は、高い電子親和性を有する。電子受容性窒素を有する本発明の化合物は、高い電子注入輸送性を示すため、再結合確率が高くなるので発光効率が向上する。
電子受容性窒素を含む芳香族複素環基とは、ピリジル基、キノリニル基、イソキノリニル基、キノキサニル基、ピラジニル基、ピリミジル基、ピリダジニル基、フェナントロリニル基、イミダゾピリジル基、トリアジル基、アクリジル基、ベンゾイミダゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、ベンゾチアゾリル基、ビピリジル基、ターピリジル基など、上記ヘテロアリール基のうち、炭素以外の原子として、少なくとも電子受容性の窒素原子を一個または複数個環内に有する芳香族複素環基を示す。本発明で使用する電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物において、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基に含まれる電子受容性窒素の数は特に限定されないが、通常、１以上６以下の範囲である。なお、これらはアルキル基またはシクロアルキル基で置換されていてもよい。
電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物が、モノアジン化合物、ジアジン化合物、およびトリアジン化合物であると、電子輸送層からの電子の受け取りが容易になり、発光層への電子注入性が高くなるため、再結合確率が高くなり発光効率が向上するので好ましい。
さらに、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基がアリーレン基で連結されると、モノアジン化合物、ジアジン化合物、およびトリアジン化合物の共役が拡がるために、電子輸送特性を高めることが可能となる。発光層内の正孔と電子のキャリアバランスを調整することが、高い発光効率・高い耐久性には必須である。従って、過剰の正孔が発光層内に存在する場合、高い電子注入・輸送特性の材料が要求され、Ｌ１１が、アリーレン基であることが好ましい。中でも、フェニレン基であると、高い三重項準位を維持することが可能となるため、より好ましい。
電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物が、下記一般式（２）〜（４）で表される化合物であると、高い電子注入輸送性を示すため、発光効率が向上する。また、安定な薄膜が形成できるため、耐久性の向上につながるため好ましい。
また、Ｒ７〜Ｒ１１の少なくとも２つがアリール基であると、分子同士の相互作用抑制効果が高くなり、安定な薄膜が形成でき、耐久性の向上につながるため好ましい。中でも、Ｒ７〜Ｒ１１の少なくとも２つがフェニル基であると、高い三重項準位を維持することが可能であり、無放射失活を抑制できるため、高い発光効率が達成される。
一般式（２）〜（４）において、Ｌ１２〜Ｌ１７は単結合であることが好ましい。Ｌ１２〜Ｌ１７が単結合であることにより、インドロカルバゾール骨格の高い三重項準位を維持でき、加えて、正孔輸送特性が向上する安定な膜質を得ることが可能となる。さらに、原料の入手性において、Ｒ２１〜Ｒ２６は水素であることが好ましい。
一般式（４）において、Ｒ２７はアリール基であることが好ましい。Ｒ２７がアリール基であることにより、安定な膜質が形成できる。中でも、Ｒ２７がフェニル基であると、高い三重項準位を維持することが可能となるため、好ましい。
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 これらの置換基の説明は上記と同様である。
一般式（２）〜（４）において、Ｘ１〜Ｘ５中の窒素原子の数は１〜３であり、且つＸ１〜Ｘ５のうちの隣接する２つ以上が同時に窒素原子になることはない。Ｘ１〜Ｘ５のうちの隣接する２つ以上が同時に窒素原子になることはないため、熱的に弱い窒素―窒素二重結合がなくなり、分子全体の熱的安定性が向上する。また、電子輸送層からの電子の受け取りが容易になり、発光層への電子注入性が高くなるため、再結合確率が高くなり発光効率が向上するので好ましい。
中でも、熱的安定性および電子注入・輸送特性の両立の点で、Ｘ１、Ｘ３、およびＸ５が窒素原子であることがより好ましい。
電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物として、国際公開第２０１１／１４８９０９号パンフレット、国際公開第２０１１／１３２６８３号パンフレット、国際公開第２０１１／１３２６８４号パンフレット、国際公開第２００８／０５６７４６号パンフレット、国際公開第２００９／０８４５４６号パンフレット、国際公開第２０１０／１３６１０９号パンフレット、国際公開第２０１１／０１９１５６号パンフレット、国際公開第２０１１／１３９０５５号パンフレット、国際公開第２０１１／０５５９３４号パンフレット、韓国特許公開第２０１１−１２００７５号公報、国際公開第２０１１／１３６７５５号パンフレット、国際公開第２０１１／１３６５２０号パンフレット、国際公開第２０１１／１３２８６５号パンフレット、国際公開第２０１２／０２３９４７号パンフレット、韓国公開第２０１０−０１３１９３９号パンフレット、国際公開第２０１１／０９９３７４号パンフレット、日本公開第２０１２−５６８８０号パンフレットに記載の化合物が挙げられるが、具体的には以下のような化合物が挙げられる。
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一般式（１）で表される化合物は、合成の容易さ、正孔輸送性の観点から下記一般式（５）で表されるようにカルバゾール同士が連結されることが好ましい。
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さらに、発光素子の耐久性向上の観点から、非対称のカルバゾール２量体であることが好ましい。対称構造においては、結晶性が高く薄膜の安定性に欠け、素子の耐久性が低下するためである。
また、耐熱性の観点から、一般式（１）におけるＲ１、Ｒ２は、置換基を有するまたは置換基を有しないアリール基であることが、より好ましい。
このような一般式（１）または（５）で表される化合物として、国際公開第２０１１／１２２１３２号パンフレット、国際公開第２０１１／１２５６８０号パンフレット、国際公開第２０１１／４８８２１号パンフレット、国際公開第２０１１／４８８２２号パンフレット、国際公開第２０１１／２４４５１号パンフレット、国際公開第２０１２／１９８６号パンフレット、韓国特許公開２０１０−７９４５８号公報に記載のカルバゾール骨格を有する化合物が挙げられるが、具体的には以下のような化合物が挙げられる。
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一般式（１）または（５）で表される化合物は公知の方法で製造できる。すなわち９位が置換されたカルバゾールのブロモ体と、９位が置換されたカルバゾールのモノボロン酸との鈴木カップリング反応で容易に合成できるが、製造方法はこれに限定されない。
次に、本発明の発光素子の実施の形態について詳細に説明する。本発明の発光素子は、陽極と陰極、およびそれら陽極と陰極との間に介在する正孔輸送層および発光層を有し、該発光層が電気エネルギーにより発光する。
このような発光素子における陽極と陰極の間の層構成は、正孔輸送層と発光層からなる構成の他に、
１）正孔輸送層／発光層／電子輸送層
２）正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層
３）正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層
４）正孔注入層／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／電子注入層
といった積層構成が挙げられる。また、上記各層は、それぞれ単一層、複数層のいずれでもよく、ドーピングされていてもよい。
本発明の発光素子において、陽極と陰極は素子の発光のために十分な電流を供給するための役割を有するものであり、光を取り出すために少なくとも一方は透明または半透明であることが望ましい。通常、基板上に形成される陽極を透明電極とする。
本発明の発光素子において、陽極に用いる材料は、正孔を有機層に効率よく注入できる材料、かつ光を取り出すために透明または半透明であれば、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化錫インジウム（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）などの導電性金属酸化物、あるいは、金、銀、クロムなどの金属、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリンなどの導電性ポリマーなど特に限定されるものでないが、ＩＴＯガラスやネサガラスを用いることが特に望ましい。これらの電極材料は、単独で用いてもよいが、複数の材料を積層または混合して用いてもよい。透明電極の抵抗は素子の発光に十分な電流が供給できればよいので限定されないが、素子の消費電力の観点からは低抵抗であることが望ましい。例えば３００Ω／□以下のＩＴＯ基板であれば素子電極として機能するが、現在では１０Ω／□程度の基板の供給も可能になっていることから、２０Ω／□以下の低抵抗の基板を使用することが特に望ましい。ＩＴＯの厚みは抵抗値に合わせて任意に選ぶ事ができるが、通常５０〜３００ｎｍの間で用いられることが多い。
また、発光素子の機械的強度を保つために、発光素子を基板上に形成することが好ましい。基板は、ソーダガラスや無アルカリガラスなどのガラス基板が好適に用いられる。ガラス基板の厚みは、機械的強度を保つのに十分な厚みがあればよいので、０．５ｍｍ以上あれば十分である。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。または、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もできる。さらに、第一電極が安定に機能するのであれば、基板はガラスである必要はなく、例えば、プラスチック基板上に陽極を形成しても良い。ＩＴＯ膜形成方法は、電子線ビーム法、スパッタリング法および化学反応法など特に制限を受けるものではない。
本発明の発光素子において、陰極に用いる材料は、電子を効率よく発光層に注入できる物質であれば特に限定されない。一般的には白金、金、銀、銅、鉄、錫、アルミニウム、インジウムなどの金属、またはこれらの金属とリチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどの低仕事関数金属との合金や多層積層などが好ましい。中でも、主成分としてはアルミニウム、銀、マグネシウムが電気抵抗値や製膜しやすさ、膜の安定性、発光効率などの面から好ましい。特にマグネシウムと銀で構成されると、本発明における電子輸送層および電子注入層への電子注入が容易になり、低電圧駆動が可能になるため好ましい。
さらに、陰極保護のために白金、金、銀、銅、鉄、錫、アルミニウムおよびインジウムなどの金属、またはこれら金属を用いた合金、シリカ、チタニアおよび窒化ケイ素などの無機物、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、炭化水素系高分子化合物などの有機高分子化合物を、保護膜層として陰極上に積層することが好ましい例として挙げられる。ただし、陰極側から光を取り出す素子構造（トップエミッション構造）の場合は、保護膜層は可視光領域で光透過性のある材料から選択される。これらの電極の作製法は、抵抗加熱、電子線ビーム、スパッタリング、イオンプレーティングおよびコーティングなど特に制限されない。
本発明の発光素子において、正孔注入層は陽極と正孔輸送層の間に挿入される層である。正孔注入層は１層であっても複数の層が積層されていてもどちらでもよい。正孔輸送層と陽極の間に正孔注入層が存在すると、より低電圧駆動し、耐久寿命も向上するだけでなく、さらに素子のキャリアバランスが向上して発光効率も向上するため好ましい。
正孔注入層に用いられる材料は特に限定されないが、例えば、４，４’−ビス（Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ）ビフェニル（ＴＰＤ）、４，４’−ビス（Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ）ビフェニル（ＮＰＤ）、４，４’−ビス（Ｎ，Ｎ−ビス（４−ビフェニリル）アミノ）ビフェニル（ＴＢＤＢ）、ビス（Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−４−アミノフェニル）−Ｎ，Ｎ−ジフェニル−４，４’−ジアミノ−１，１’−ビフェニル（ＴＰＤ２３２）といったベンジジン誘導体、４，４’，４”−トリス（３−メチルフェニル（フェニル）アミノ）トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’，４”−トリス（１−ナフチル（フェニル）アミノ）トリフェニルアミン（１−ＴＮＡＴＡ）といったアリールアミン誘導体、ピラゾリン誘導体、スチルベン系化合物、ヒドラゾン系化合物、ベンゾフラン誘導体、チオフェン誘導体、オキサジアゾール誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体などの複素環化合物、ポリマー系では前記単量体を側鎖に有するポリカーボネートやスチレン誘導体、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾールおよびポリシランなどが用いられる。一般式（１）または（５）で表される化合物も、同様に正孔注入層に用いることができ、これらの中でも浅いＨＯＭＯ準位を有するものが、陽極から正孔輸送層へ円滑に正孔を注入輸送するという観点からより好ましく用いられる。
これらの材料は単独で用いてもよいし、２種以上の材料を混合して用いてもよい。また、複数の材料を積層して正孔注入層としてもよい。さらにこの正孔注入層が、アクセプター性化合物単独で構成されているか、または上記のような正孔注入材料にアクセプター性化合物をドープして用いると、上述した効果がより顕著に得られるのでより好ましい。アクセプター性化合物とは、単層膜として用いる場合は接している正孔輸送層と、ドープして用いる場合は正孔注入層を構成する材料と電荷移動錯体を形成する材料である。このような材料を用いると正孔注入層の導電性が向上し、より素子の駆動電圧低下に寄与し、発光効率の向上、耐久寿命向上といった効果が得られる。
アクセプター性化合物の例としては、塩化鉄（ＩＩＩ）、塩化アルミニウム、塩化ガリウム、塩化インジウム、塩化アンチモンのような金属塩化物、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化ルテニウムのような金属酸化物、トリス（４−ブロモフェニル）アミニウムヘキサクロロアンチモネート（ＴＢＰＡＨ）のような電荷移動錯体が挙げられる。また分子内にニトロ基、シアノ基、ハロゲンまたはトリフルオロメチル基を有する有機化合物や、キノン系化合物、酸無水物系化合物、フラーレンなども好適に用いられる。これらの化合物の具体的な例としては、ヘキサシアノブタジエン、ヘキサシアノベンゼン、テトラシアノエチレン、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）、テトラフルオロテトラシアノキノジメタン（Ｆ４−ＴＣＮＱ）、ラジアレーン誘導体、ｐ−フルオラニル、ｐ−クロラニル、ｐ−ブロマニル、ｐ−ベンゾキノン、２，６−ジクロロベンゾキノン、２，５−ジクロロベンゾキノン、テトラメチルベンゾキノン、１，２，４，５−テトラシアノベンゼン、ｏ−ジシアノベンゼン、ｐ−ジシアノベンゼン、１，４−ジシアノテトラフルオロベンゼン、２，３−ジクロロ−５，６−ジシアノベンゾキノン、ｐ−ジニトロベンゼン、ｍ−ジニトロベンゼン、ｏ−ジニトロベンゼン、ｐ−シアノニトロベンゼン、ｍ−シアノニトロベンゼン、ｏ−シアノニトロベンゼン、１，４−ナフトキノン、２，３−ジクロロナフトキノン、１−ニトロナフタレン、２−ニトロナフタレン、１，３−ジニトロナフタレン、１，５−ジニトロナフタレン、９−シアノアントラセン、９−ニトロアントラセン、９，１０−アントラキノン、１，３，６，８−テトラニトロカルバゾール、２，４，７−トリニトロ−９−フルオレノン、２，３，５，６−テトラシアノピリジン、マレイン酸無水物、フタル酸無水物、Ｃ６０、およびＣ７０などが挙げられる。
これらの中でも、金属酸化物やシアノ基含有化合物が取り扱いやすく、蒸着もしやすいことから、容易に上述した効果が得られるので好ましい。正孔注入層がアクセプター性化合物単独で構成される場合、または正孔注入層にアクセプター性化合物がドープされている場合のいずれの場合も、正孔注入層は１層であってもよいし、複数の層が積層されて構成されていてもよい。
アクセプター性化合物は、特に限定されるものではないが、一般式（１）または（５）で表される化合物に対して０．１〜５０質量部、さらに好ましくは０．５〜２０質量部の範囲で用いられるのが好ましい。
本発明の発光素子において、正孔輸送層は、陽極から注入された正孔を発光層まで輸送する層である。一般式（１）または（５）で表される化合物は、高い三重項準位、高い正孔輸送特性および薄膜安定性を有しているため、発光素子の正孔輸送層に好適に用いられる。正孔輸送層は単層であっても複数の層が積層されて構成されていてもどちらでもよい。
複数層の正孔輸送層から構成される場合は、一般式（１）または（５）で表される化合物を含む正孔輸送層は発光層に直接接していることが好ましい。一般式（１）または（５）で表される化合物は高い電子ブロック性を有しており、発光層から流れ出る電子の侵入を防止することができるからである。さらに、一般式（１）または（５）で表される化合物は、高い三重項準位を有しているため、三重項発光材料の励起エネルギーを閉じ込める効果も有している。そのため、発光層に三重項発光材料が含まれる場合も、一般式（１）または（５）で表される化合物を含む正孔輸送層は、発光層に直接接していることが好ましい。
正孔輸送層は、一般式（１）または（５）で表される化合物のみから構成されていてもよいし、本発明の効果を損なわない範囲で他の材料が混合されていてもよい。この場合、上記の正孔注入層に用いられる材料と同様の材料群が好ましい例として挙げられるが、正孔輸送層に用いる場合は、正孔注入層に用いる材料と同等もしくはそれより深いＨＯＭＯ準位の材料を選択することがより好ましい。この場合、用いられる他の材料としては、例えば、４，４’−ビス（Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ）ビフェニル（ＴＰＤ）、４，４’−ビス（Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ）ビフェニル（ＮＰＤ）、４，４’−ビス（Ｎ，Ｎ−ビス（４−ビフェニリル）アミノ）ビフェニル（ＴＢＤＢ）、ビス（Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−４−アミノフェニル）−Ｎ，Ｎ−ジフェニル−４，４’−ジアミノ−１，１’−ビフェニル（ＴＰＤ２３２）といったベンジジン誘導体、４，４’，４”−トリス（３−メチルフェニル（フェニル）アミノ）トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’，４”−トリス（１−ナフチル（フェニル）アミノ）トリフェニルアミン（１−ＴＮＡＴＡ）などのスターバーストアリールアミンと呼ばれる材料群、ビス（Ｎ−アリールカルバゾール）またはビス（Ｎ−アルキルカルバゾール）などのビスカルバゾール誘導体、ピラゾリン誘導体、スチルベン系化合物、ヒドラゾン系化合物、ベンゾフラン誘導体、チオフェン誘導体、オキサジアゾール誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体などの複素環化合物、ポリマー系では前記単量体を側鎖に有するポリカーボネートやスチレン誘導体、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾールおよびポリシランなどが挙げられる。
本発明の発光素子において、発光層は単一層、複数層のどちらでもよい。発光層が複数層である場合、各発光層は、発光材料（ホスト材料、ドーパント材料）によりそれぞれ形成され、各発光層は、ホスト材料とドーパント材料との混合物であっても、ホスト材料単独であっても、２種類のホスト材料と１種類のドーパント材料との混合物であっても、いずれでもよい。すなわち、本発明の発光素子では、各発光層において、ホスト材料もしくはドーパント材料のみが発光してもよいし、ホスト材料とドーパント材料がともに発光してもよい。電気エネルギーを効率よく利用し、高色純度の発光を得るという観点からは、発光層はホスト材料とドーパント材料の混合からなることが好ましい。また、ホスト材料とドーパント材料は、それぞれ一種類であっても、複数の組み合わせであっても、いずれでもよい。ドーパント材料はホスト材料の全体に含まれていても、部分的に含まれていても、いずれでもよい。ドーパント材料は積層されていても、分散されていても、いずれでもよい。ドーパント材料は発光色の制御ができる。ドーパント材料の量は、多すぎると濃度消光現象が起きるため、ホスト材料に対して３０質量％以下で用いることが好ましく、さらに好ましくは２０質量％以下である。ドーピング方法は、ホスト材料との共蒸着法によって形成することができるが、ホスト材料と予め混合してから同時に蒸着してもよい。
電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物は、高い電子輸送性および薄膜安定性を有しているため、発光素子の発光層に好適に用いられる。また、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物は、高い電子輸送性および薄膜安定性を有しているため、ホスト材料に用いることが好ましい。
さらに、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物は、高い三重項準位を有するものが多いことから、三重項発光材料を使用した素子のホスト材料として用いることが好ましい。特に好適なものとして、一般式（２）〜（４）で表される化合物を挙げることができる。
本発明の発光素子において、発光材料は、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物の他に、以前から発光体として知られていたアントラセンやピレンなどの縮合環誘導体、トリス（８−キノリノラート）アルミニウムを始めとする金属キレート化オキシノイド化合物、ビススチリルアントラセン誘導体やジスチリルベンゼン誘導体などのビススチリル誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体、インデン誘導体、クマリン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピロロピリジン誘導体、ペリノン誘導体、シクロペンタジエン誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾロピリジン誘導体、ジベンゾフラン誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体、ポリマー系では、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、そして、ポリチオフェン誘導体などが使用できるが特に限定されるものではない。
発光材料に含有されるホスト材料は、化合物一種のみに限る必要はなく、一般式（２）〜（４）で表される化合物を複数混合して用いたり、一般式（２）〜（４）で表される化合物とその他のホスト材料とを混合して用いてもよい。また、一般式（２）〜（４）で表される化合物の複数種を積層、または一般式（２）〜（４）で表される化合物とその他のホスト材料とを積層して用いてもよい。他のホスト材料としては、特に限定されないが、ナフタレン、アントラセン、フェナンスレン、ピレン、クリセン、ナフタセン、トリフェニレン、ペリレン、フルオランテン、フルオレン、インデンなどの縮合アリール環を有する化合物やその誘導体、Ｎ，Ｎ’−ジナフチル−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−４，４’−ジフェニル−１，１’−ジアミンなどの芳香族アミン誘導体、トリス（８−キノリナート）アルミニウム（III）をはじめとする金属キレート化オキシノイド化合物、ジスチリルベンゼン誘導体などのビススチリル誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体、インデン誘導体、クマリン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピロロピリジン誘導体、ペリノン誘導体、シクロペンタジエン誘導体、ピロロピロール誘導体、チアジアゾロピリジン誘導体、ジベンゾフラン誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体、トリアジン誘導体、ポリマー系では、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリチオフェン誘導体などが使用できるが、これらに限定されるものではない。中でも、発光層が三重項発光（りん光発光）を行う際に用いられるホストとしては、金属キレート化オキシノイド化合物、ジベンゾフラン誘導体、ジベンゾチオフェン誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体、トリアジン誘導体、トリフェニレン誘導体などが好適に用いられる。
発光材料に含有されるドーパント材料は、特に限定されないが、ナフタレン、アントラセン、フェナンスレン、ピレン、トリフェニレン、ペリレン、フルオレン、インデンなどのアリール環を有する化合物やその誘導体（例えば２−（ベンゾチアゾール−２−イル）−９，１０−ジフェニルアントラセンや５，６，１１，１２−テトラフェニルナフタセンなど）、フラン、ピロール、チオフェン、シロール、９−シラフルオレン、９，９’−スピロビシラフルオレン、ベンゾチオフェン、ベンゾフラン、インドール、ジベンゾチオフェン、ジベンゾフラン、イミダゾピリジン、フェナントロリン、ピラジン、ナフチリジン、キノキサリン、ピロロピリジン、チオキサンテンなどのヘテロアリール環を有する化合物やその誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、４，４’−ビス（２−（４−ジフェニルアミノフェニル）エテニル）ビフェニル、４，４’−ビス（Ｎ−（スチルベン−４−イル）−Ｎ−フェニルアミノ）スチルベンなどのアミノスチリル誘導体、芳香族アセチレン誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体、スチルベン誘導体、アルダジン誘導体、ピロメテン誘導体、ジケトピロロ［３，４−ｃ］ピロール誘導体、２，３，５，６−１Ｈ，４Ｈ−テトラヒドロ−９−（２’−ベンゾチアゾリル）キノリジノ［９，９ａ，１−ｇｈ］クマリンなどのクマリン誘導体、イミダゾール、チアゾール、チアジアゾール、カルバゾール、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾールなどのアゾール誘導体およびその金属錯体およびＮ，Ｎ’−ジフェニル−Ｎ，Ｎ’−ジ（３−メチルフェニル）−４，４’−ジフェニル−１，１’−ジアミンに代表される芳香族アミン誘導体などが挙げられる。
中でも、発光層が三重項発光（りん光発光）を行う際に用いられるドーパントとしては、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、オスミウム（Ｏｓ）、及びレニウム（Ｒｅ）からなる群から選択される少なくとも一つの金属を含む金属錯体化合物であることが好ましい。配位子は、フェニルピリジン骨格、フェニルキノリン骨格、またはN−ヘテロ環状カルベン骨格などの含窒素芳香族複素環を有することが好ましい。しかしながら、これらに限定されるものではなく、要求される発光色、素子性能、ホスト化合物との関係から適切な錯体が選ばれる。具体的には、トリス（２−フェニルピリジル）イリジウム錯体、トリス｛２−（２−チオフェニル）ピリジル｝イリジウム錯体、トリス｛２−（２−ベンゾチオフェニル）ピリジル｝イリジウム錯体、トリス（２−フェニルベンゾチアゾール）イリジウム錯体、トリス（２−フェニルベンゾオキサゾール）イリジウム錯体、トリスベンゾキノリンイリジウム錯体、ビス（２−フェニルピリジル）（アセチルアセトナート）イリジウム錯体、ビス｛２−（２−チオフェニル）ピリジル｝イリジウム錯体、ビス｛２−（２−ベンゾチオフェニル）ピリジル｝（アセチルアセトナート）イリジウム錯体、ビス（２−フェニルベンゾチアゾール）（アセチルアセトナート）イリジウム錯体、ビス（２−フェニルベンゾオキサゾール）（アセチルアセトナート）イリジウム錯体、ビスベンゾキノリン（アセチルアセトナート）イリジウム錯体、ビス｛２−（２，４−ジフルオロフェニル）ピリジル｝（アセチルアセトナート）イリジウム錯体、テトラエチルポルフィリン白金錯体、｛トリス（セノイルトリフルオロアセトン）モノ（１，１０−フェナントロリン）｝ユーロピウム錯体、｛トリス（セノイルトリフルオロアセトン）モノ（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）｝ユーロピウム錯体、｛トリス（１，３−ジフェニル−１，３−プロパンジオン）モノ（１，１０−フェナントロリン）｝ユーロピウム錯体、トリスアセチルアセトンテルビウム錯体などが挙げられる。また、特開２００９−１３０１４１号公報に記載されているリン光ドーパントも好適に用いられる。これらに限定されるものではないが、高効率発光が得られやすいことから、イリジウム錯体または白金錯体が好ましく用いられる。
ドーパント材料として用いられる上記三重項発光材料は、発光層中に各々一種類のみが含まれていてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。三重項発光材料を二種以上用いる際には、ドーパント材料の総質量がホスト材料に対して３０質量％以下であることが好ましく、さらに好ましくは２０質量％以下である。好ましいドーパントとして、以下のような例が挙げられる。
Figure 0006464555
更に、発光層は、上記ホスト材料および三重項発光材料の他に、発光層内のキャリヤバランスの調整、または発光層の層構造の安定化を目的とした第３成分を更に含んでいてもよい。具体的には以下のような例が挙げられる。
Figure 0006464555
本発明の発光素子において、電子輸送層とは、陰極から電子が注入され、さらに電子を輸送する層である。電子輸送層には、電子注入効率が高く、注入された電子を効率良く輸送することが望まれる。そのため電子輸送層は、電子親和力が大きく、しかも電子移動度が大きく、さらに安定性に優れ、トラップとなる不純物が製造時および使用時に発生しにくい物質であることが要求される。特に膜厚を厚く積層する場合には、低分子量の化合物は結晶化するなどして膜質が劣化しやすいため、安定な膜質を保つ分子量４００以上の化合物が好ましい。しかしながら、正孔と電子の輸送バランスを考えた場合に、電子輸送層が陽極からの正孔が再結合せずに陰極側へ流れるのを効率よく阻止できる役割を主に果たすならば、電子輸送能力がそれ程高くない材料で構成されていても、発光効率を向上させる効果は電子輸送能力が高い材料で構成されている場合と同等となる。したがって、本発明における電子輸送層には、正孔の移動を効率よく阻止できる正孔阻止層も同義のものとして含まれる。
電子輸送層に用いられる電子輸送材料としては、ナフタレン、アントラセンなどの縮合多環芳香族誘導体、４，４’−ビス（ジフェニルエテニル）ビフェニルに代表されるスチリル系芳香環誘導体、アントラキノンやジフェノキノンなどのキノン誘導体、リンオキサイド誘導体、トリス（８−キノリノラート）アルミニウム（ＩＩＩ）などのキノリノール錯体、ベンゾキノリノール錯体、ヒドロキシアゾール錯体、アゾメチン錯体、トロポロン金属錯体およびフラボノール金属錯体などの各種金属錯体が挙げられる。本発明の電子輸送層に用いられる電子輸送材料としては、駆動電圧を低減し、高効率発光が得られることから、電子受容性窒素、ならびに炭素、水素、窒素、酸素、ケイ素、およびリンの中から選ばれる元素で構成される芳香族複素環構造を有する化合物を用いることが好ましい。
ここで言う電子受容性窒素とは、隣接原子との間に多重結合を形成している窒素原子を表す。窒素原子が高い電子陰性度を有することから、該多重結合は電子受容的な性質を有する。それゆえ、電子受容性窒素を含む芳香族複素環は、高い電子親和性を有する。電子受容性窒素を有する電子輸送材料は、高い電子親和力を有する陰極からの電子を受け取りやすくし、より低電圧駆動が可能となる。また、発光層への電子の供給が多くなり、再結合確率が高くなるので発光効率が向上する。
電子受容性窒素を含むヘテロアリール環としては、例えば、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、キノリン環、キノキサリン環、ナフチリジン環、ピリミドピリミジン環、ベンゾキノリン環、フェナントロリン環、イミダゾール環、オキサゾール環、オキサジアゾール環、トリアゾール環、チアゾール環、チアジアゾール環、ベンゾオキサゾール環、ベンゾチアゾール環、ベンゾイミダゾール環、フェナンスロイミダゾール環などが挙げられる。
これらのヘテロアリール環構造を有する化合物としては、例えば、ベンゾイミダゾール誘導体、ベンゾオキサゾール誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、ピラジン誘導体、フェナントロリン誘導体、キノキサリン誘導体、キノリン誘導体、ベンゾキノリン誘導体、ビピリジンやターピリジンなどのオリゴピリジン誘導体、キノキサリン誘導体およびナフチリジン誘導体などが好ましい化合物として挙げられる。中でも、トリス（Ｎ−フェニルベンズイミダゾール−２−イル）ベンゼンなどのイミダゾール誘導体、１，３−ビス［（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾリル］フェニレンなどのオキサジアゾール誘導体、Ｎ−ナフチル−２，５−ジフェニル−１，３，４−トリアゾールなどのトリアゾール誘導体、バソクプロインや１，３−ビス（１，１０−フェナントロリン−９−イル）ベンゼンなどのフェナントロリン誘導体、２，２’−ビス（ベンゾ［ｈ］キノリン−２−イル）−９，９’−スピロビフルオレンなどのベンゾキノリン誘導体、２，５−ビス（６’−（２’，２”−ビピリジル））−１，１−ジメチル−３，４−ジフェニルシロールなどのビピリジン誘導体、１，３−ビス（４’−（２，２’：６’２”−ターピリジニル））ベンゼンなどのターピリジン誘導体、ビス（１−ナフチル）−４−（１，８−ナフチリジン−２−イル）フェニルホスフィンオキサイドなどのナフチリジン誘導体が、電子輸送能の観点から好ましく用いられる。また、これらの誘導体が、縮合多環芳香族骨格を有していると、ガラス転移温度が向上すると共に、電子移動度も大きくなり発光素子の低電圧化の効果が大きいのでより好ましい。さらに、素子耐久寿命が向上し、合成のし易さ、原料入手が容易であることを考慮すると、縮合多環芳香族骨格は、アントラセン骨格、ピレン骨格またはフェナントロリン骨格であることが特に好ましい。上記電子輸送材料は単独でも用いられるが、上記電子輸送材料の２種以上を混合して用いたり、その他の電子輸送材料の一種以上を上記の電子輸送材料に混合して用いても構わない。
好ましい電子輸送材料としては、特に限定されるものではないが、具体的には以下のような例が挙げられる。
Figure 0006464555
Figure 0006464555
上記電子輸送材料は単独でも用いられるが、ドナー性材料を含有してもよい。ここで、ドナー性材料とは電子注入障壁の改善により、陰極または電子注入層からの電子輸送層への電子注入を容易にし、さらに電子輸送層の電気伝導性を向上させる化合物である。
ドナー性材料の好ましい例としては、アルカリ金属、アルカリ金属を含有する無機塩、アルカリ金属と有機物との錯体、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属を含有する無機塩またはアルカリ土類金属と有機物との錯体などが挙げられる。アルカリ金属、アルカリ土類金属の好ましい種類としては、低仕事関数で電子輸送能向上の効果が大きいリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムといったアルカリ金属や、マグネシウム、カルシウム、セリウム、バリウムといったアルカリ土類金属が挙げられる。
また、真空中での蒸着が容易で取り扱いに優れることから、金属単体よりも無機塩、あるいは有機物との錯体の状態であることが好ましい。さらに、大気中での取扱を容易にし、添加濃度の制御のし易さの点で、有機物との錯体の状態にあることがより好ましい。無機塩の例としては、ＬｉＯ、Ｌｉ２Ｏ等の酸化物、窒化物、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ等のフッ化物、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、Ｒｂ２ＣＯ３、Ｃｓ２ＣＯ３等の炭酸塩などが挙げられる。また、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の好ましい例としては、大きな低電圧駆動効果が得られるという観点ではリチウム、セシウムが挙げられる。また、有機物との錯体における有機物の好ましい例としては、キノリノール、ベンゾキノリノール、ピリジルフェノール、フラボノール、ヒドロキシイミダゾピリジン、ヒドロキシベンズアゾール、ヒドロキシトリアゾールなどが挙げられる。中でも、より発光素子の低電圧化の効果が大きいという観点ではアルカリ金属と有機物との錯体が好ましく、さらに合成のしやすさ、熱安定性という観点からリチウムと有機物との錯体がより好ましく、比較的安価で入手できるリチウムキノリノールが特に好ましい。
電子輸送層のイオン化ポテンシャルは、特に限定されないが、好ましくは５．６ｅＶ以上８．０ｅＶ以下であり、より好ましくは６．０ｅＶ以上７．５ｅＶ以下である。
発光素子を構成する上記各層の形成方法は、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、コーティング法など特に限定されないが、通常は、素子特性の点から抵抗加熱蒸着または電子ビーム蒸着が好ましい。
本発明の発光素子において、上記の各層の合計である有機層の厚みは、発光物質の抵抗値にもよるので限定することはできないが、１〜１０００ｎｍであることが好ましい。発光層、電子輸送層、正孔輸送層の膜厚はそれぞれ、好ましくは１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
本発明の発光素子は、電気エネルギーを光に変換できる機能を有する。ここで電気エネルギーとしては主に直流電流が使用されるが、パルス電流や交流電流を用いることも可能である。電流値および電圧値は特に制限はないが、素子の消費電力や寿命を考慮すると、できるだけ低いエネルギーで最大の輝度が得られるよう選ばれるべきである。
本発明の発光素子は、例えば、マトリクスおよび／またはセグメント方式で表示するディスプレイとして好適に用いられる。
本発明の発光素子において、マトリクス方式とは、表示のための画素が格子状やモザイク状など二次元的に配置され、画素の集合で文字や画像を表示する。画素の形状やサイズは用途によって決まる。例えば、パソコン、モニター、テレビの画像および文字表示には、通常一辺が３００μｍ以下の四角形の画素が用いられ、また、表示パネルのような大型ディスプレイの場合は、一辺がｍｍオーダーの画素を用いることになる。モノクロ表示の場合は、同じ色の画素を配列すればよいが、カラー表示の場合には、赤、緑、青の画素を並べて表示させる。この場合、典型的にはデルタタイプとストライプタイプがある。そして、このマトリクスの駆動方法は、線順次駆動方法やアクティブマトリクスのどちらでもよい。線順次駆動はその構造が簡単であるが、動作特性を考慮した場合、アクティブマトリクスの方が優れる場合があるので、これも用途によって使い分けることが必要である。
本発明の発光素子において、セグメント方式とは、予め決められた情報を表示するようにパターンを形成し、このパターンの配置によって決められた領域を発光させる方式である。例えば、デジタル時計や温度計における時刻や温度表示、オーディオ機器や電磁調理器などの動作状態表示および自動車のパネル表示などが挙げられる。そして、前記マトリクス表示とセグメント表示は同じパネルの中に共存していてもよい。
本発明の発光素子は、各種機器等のバックライトとしても好ましく用いられる。バックライトは、主に自発光しない表示装置の視認性を向上させる目的に使用され、液晶表示装置、時計、オーディオ装置、自動車パネル、表示板および標識などに使用される。特に、液晶表示装置、中でも薄型化が検討されているパソコン用途のバックライトに本発明の発光素子は好ましく用いられ、従来のものより薄型で軽量なバックライトを提供できる。
以下、実施例をあげて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
実施例１
ＩＴＯ透明導電膜を５０ｎｍ堆積させたガラス基板（ジオマテック（株）製、１１Ω／□、スパッタ品）を３８×４６ｍｍに切断し、エッチングを行った。得られた基板を“セミコクリーン５６”（商品名、フルウチ化学（株）製）で１５分間超音波洗浄してから、超純水で洗浄した。この基板を素子を作製する直前に１時間ＵＶ−オゾン処理し、真空蒸着装置内に設置して、装置内の真空度が５×１０−４Ｐａ以下になるまで排気した。その後、基板上に、抵抗加熱法によって、正孔注入層としてＨＩ−１を１０ｎｍ蒸着した。次に、第一正孔輸送層として、ＮＰＤを１００ｎｍ蒸着した。次に、第二正孔輸送層として、ＨＴ−１を２０ｎｍ蒸着した。次に、発光層として、ホスト材料に化合物Ｈ−１を、ドーパント材料に化合物Ｄ−１を用い、ドーパント材料のドープ濃度が５質量％になるようにして４０ｎｍの厚さに蒸着した。次に、電子輸送層として、化合物Ｅ−１を２０ｎｍの厚さに積層した。
続いて、フッ化リチウムを０．５ｎｍ、アルミニウムを６０ｎｍ蒸着して陰極とし、５×５ｍｍ角の素子を作製した。ここでいう膜厚は、水晶発振式膜厚モニター表示値である。この発光素子を１０ｍＡ／ｃｍ２で直流駆動したところ、発光効率２５．０ｌｍ／Ｗの緑色発光が得られた。この発光素子を１０ｍＡ／ｃｍ２の直流で連続駆動したところ、２５００時間で輝度半減した。なお化合物ＮＰＤ、ＨＩ−１、ＨＴ−１、Ｈ−１、Ｄ−１、Ｅ−１は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
実施例２〜１２
第二正孔輸送層、ホスト材料、ドーパント材料として表１に記載した材料を用いたこと以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。各実施例の結果は表１に示した。なお、ＨＴ−２〜ＨＴ−７、Ｈ−２〜Ｈ−４、Ｄ−２、Ｄ−３は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
比較例１〜５
第二正孔輸送層、ホスト材料として表１に記載した材料を用いた以外は、実施例１と同様にして発光素子を作製した。各実施例の結果は表１に示した。なお、ＨＴ−８、Ｈ−５〜Ｈ−７は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
実施例１３
電子輸送材料として表１に記載した材料を用い、化合物Ｅ−１の代わりに化合物Ｅ−１とドナー性材料（Ｌｉ：リチウム）の共蒸着膜を蒸着速度比１００：１（＝０．２ｎｍ／ｓ：０．００２ｎｍ／ｓ）で用いたこと以外は、実施例４と同様にして発光素子を作製した。結果を表１に示す。
実施例１４
電子輸送層として表１に記載した材料を用い、電子輸送層を二層積層構成とし、第一電子輸送層として化合物Ｅ−２を１０ｎｍの厚さに蒸着し、第二電子輸送層として化合物Ｅ−１とドナー性材料（Ｃｓ２ＣＯ３：炭酸セシウム）の共蒸着膜を蒸着速度比１００：１（＝０．２ｎｍ／ｓ：０．００２ｎｍ／ｓ）で２５ｎｍの厚さに蒸着して積層した以外は実施例４と同様にして発光素子を作製した。結果を表１に示す。なお、Ｅ−２は以下に示す化合物である。
実施例１５
電子輸送層として表１に記載した材料を用い、化合物Ｅ−１の代わりに化合物Ｅ−３とドナー性材料（Ｌｉｑ：リチウムキノリノール）の共蒸着膜を蒸着速度比１：１（＝０．０５ｎｍ／ｓ：０．０５ｎｍ／ｓ）で用いたこと以外は、実施例４と同様にして発光素子を作製した。結果を表１に示す。なお、Ｅ−３は以下に示す化合物である。
実施例１６
電子輸送層として表１に記載した材料を用い、化合物Ｅ−１の代わりに化合物Ｅ−４とドナー性材料（ＬｉＦ：フッ化リチウム）の共蒸着膜を蒸着速度比１：１（＝０．０５ｎｍ／ｓ：０．０５ｎｍ／ｓ）で用いたこと以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。結果を表１に示す。なお、Ｅ−４は以下に示す化合物である。
実施例１７
電子輸送層として表１に記載した材料を用いたこと以外は実施例４と同様にして発光素子を作製した。結果を表１に示す。なお、Ｅ−５は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
Figure 0006464555
実施例１８
ＩＴＯ透明導電膜を５０ｎｍ堆積させたガラス基板（ジオマテック（株）製、１１Ω／□、スパッタ品）を３８×４６ｍｍに切断し、エッチングを行った。得られた基板を “セミコクリーン５６”（商品名、フルウチ化学（株）製）で１５分間超音波洗浄してから、超純水で洗浄した。この基板を、素子を作製する直前に１時間ＵＶ−オゾン処理し、真空蒸着装置内に設置して、装置内の真空度が５×１０−４Ｐａ以下になるまで排気した。その後、基板上に、抵抗加熱法によって、正孔注入層として化合物ＨＩ−１を１０ｎｍ蒸着した。次に、第一正孔輸送層として、ＨＴ−８を１００ｎｍ蒸着した。次に、第二正孔輸送層として、ＨＴ−１を５０ｎｍ蒸着した。次に、発光層として、ホスト材料に化合物Ｈ−８を、ドーパント材料に化合物Ｄ−４を用い、ドーパント材料のドープ濃度が３重量％になるようにして３０ｎｍの厚さに蒸着した。次に、電子輸送層として、化合物Ｅ−１を３５ｎｍの厚さに積層した。
続いて、フッ化リチウムを０．５ｎｍ蒸着した後、アルミニウムを１０００ｎｍ蒸着して陰極とし、５×５ｍｍ角の素子を作製した。ここで言う膜厚は、水晶発振式膜厚モニター表示値である。この発光素子を１０ｍＡ／ｃｍ２で直流駆動したところ、発光効率１５．０ｌｍ／Ｗの高効率赤色発光が得られた。この発光素子を１０ｍＡ／ｃｍ２の直流で連続駆動したところ、３１００時間で輝度半減した。なお化合物Ｈ−８、Ｄ−４は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
実施例１９〜２３
第二正孔輸送層として表２に記載した材料を用いたこと以外は、実施例１８と同様にして発光素子を作製し、評価した。結果を表２に示す。なお化合物ＨＴ−９、ＨＴ−１０は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
比較例６〜９
第二正孔輸送層、ホスト材料として表２に記載した化合物を用いたこと以外は、実施例１８と同様にして発光素子を作製し、評価した。結果を表２に示す。なお化合物ＨＴ−１１、Ｈ−９は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
実施例２４〜２５
電子輸送材料として表２に記載した材料を用いたこと以外は、実施例１８と同様にして発光素子を作製し、評価した。結果を表２に示す。
実施例２６〜３４
第二正孔輸送層、ホスト材料として表２に記載した化合物を用いたこと以外は、実施例１８と同様にして発光素子を作製し、評価した。結果を表２に示す。なお化合物Ｈ−１０〜Ｈ−１８は以下に示す化合物である。
Figure 0006464555
Figure 0006464555

Claims (7)

  1. 陽極と陰極の間に少なくとも正孔輸送層および発光層を備え、電気エネルギーにより発光する発光素子であって、
    前記正孔輸送層は下記一般式（１）で表される化合物を含み、かつ前記発光層は、電子受容性窒素を含む芳香族複素環基を有する化合物であって、下記一般式（２）〜（４）のいずれかで表される化合物を含有することを特徴とする発光素子。
    Figure 0006464555
     （式（１）中、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基、−Ｐ（＝Ｏ）Ｒ５Ｒ６からなる群より選ばれる。Ｒ５およびＲ６はアリール基またはヘテロアリール基である。Lは単結合またはアリーレン基である。Ｒ１〜Ｒ４およびＬが置換されている場合の追加の置換基は、アルキル基またはアリール基である。）
    Figure 0006464555
    Figure 0006464555
    Figure 0006464555
     式（２）〜（４）中、Ｒ７〜Ｒ１１は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基、および−Ｐ（＝Ｏ）Ｒ１２Ｒ１３からなる群より選ばれる。Ｒ１２およびＲ１３は、アリール基またはヘテロアリール基である。また、Ｒ７〜Ｒ１１は隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Ｒ２１〜Ｒ２７はそれぞれ同じでも異なっていてもよく、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン、カルボニル基、カルボキシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、アミノ基、シリル基である。環Ａまたは環Ｂは、隣接環と任意の位置で縮合する置換基を有するまたは置換基を有しないベンゼン環を表す。ただし、Ｒ ７ 〜Ｒ １１ の少なくとも２つが、アリール基であり、そのアリール基が置換されている場合の追加の置換基は、アルキル基またはアリール基である。Ｘ１〜Ｘ５は、炭素原子または窒素原子を表し、Ｘ１〜Ｘ５が窒素原子の場合には、窒素原子上の置換基であるＲ７〜Ｒ１１は存在しない。Ｙ１〜Ｙ３は、−Ｎ（Ｒ２８）−、−Ｃ（Ｒ２９Ｒ３０）−、酸素原子、または硫黄原子である。Ｒ２８〜Ｒ３０はそれぞれ同じでも異なっていてもよく、アルキル基、アリール基である。Ｒ２１〜Ｒ３０は隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Ｌ１１は、アリーレン基であり、Ｌ１２〜Ｌ１８は、単結合またはアリーレン基である。）
  2. 前記正孔輸送層が下記一般式（５）で表される化合物であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
    Figure 0006464555
     （式（５）中、Ｒ１〜Ｒ４は前記と同様である。）
  3. 前記一般式（１）において、Ｒ１とＲ２が異なる基であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
  4. 前記一般式（１）において、Ｒ１とＲ２が共に置換基を有するまたは置換基を有しないアリール基であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の発光素子。
  5. 前記一般式（１）において、Ｒ１がフェニル基であり、Ｒ２がジフェニルフェニル基、トリフェニルフェニル基、テトラフェニルフェニル基、またはペンタフェニルフェニル基であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の発光素子。
  6. 前記一般式（２）〜（４）において、Ｘ１〜Ｘ５中の窒素原子の数は１〜３であり、且つＸ１〜Ｘ５のうちの隣接する２つ以上が同時に窒素原子になることはないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発光素子。
  7. 前記一般式（２）〜（４）において、Ｘ１、Ｘ３、およびＸ５が窒素原子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の発光素子。
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