JP6468186B2 - 透明電極、電子デバイス及び有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

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Description

本発明は、透明電極、電子デバイス及び有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。より詳しくは、光透過性と導電性とを兼ね備え、更に耐久性に優れた透明電極、この透明電極を備えた電子デバイス及び有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。
有機材料のエレクトロルミネッセンス(Electro Luminescence:以下ELと記す。)を利用した有機EL素子(有機電界発光素子ともいう。)は、数V〜数十V程度の低電圧で発光が可能な薄膜型の完全固体素子であり、高輝度、高発光効率、薄型、軽量といった多くの優れた特徴を有する。このため、各種ディスプレイのバックライト、看板や非常灯等の表示板、照明光源等の面発光体として近年注目されている。
このような有機EL素子は、2枚の電極間に有機材料からなる発光層を配置した構成であり、発光層で生じた発光光は電極を透過して外部に取り出される。このため、2枚の電極のうちの少なくとも一方は、透明電極として構成される。
透明電極としては、酸化インジウムスズ(SnO−In:Indium Tin Oxide:ITO)等の酸化物半導体系の材料が一般的に用いられているが、ITOと銀とを積層して低抵抗化を狙った検討もなされている(例えば、特許文献1及び2参照。)。しかしながら、ITOは、レアメタルのインジウムを使用しているため材料コストが高く、また、抵抗を下げるために成膜後に300℃程度でアニール処理する必要がある。
そこで、電気伝導率の高い銀(Ag)とマグネシウム(Mg)との合金を用いて薄膜を形成することで光透過率と導電性との両立を図った技術や、安価で入手容易な亜鉛(Zn)やスズ(Sn)を原料として薄膜を構成する技術、銀とアルミニウムとの合金を用いて薄膜を構成することで短波長領域の光を透過させる技術等が提案されている(例えば、特許文献3〜5参照。)。
しかしながら、特許文献3に開示されている電極の抵抗値はせいぜい100Ω/□前後で、電極の導電性としては不十分であり、加えて、マグネシウムが酸化されやすいため、経時劣化が著しいという問題があった。
特許文献4に開示されている電極では、十分な抵抗値が得られないという問題がある。また、Znを含有したZnO系の薄膜は水と反応して性能が変動しやすく、Snを含有したSnO系の薄膜はエッチングが困難である等の問題があった。
特許文献5に開示されている電極の抵抗値はせいぜい128Ω/□であり、十分な光透過性と導電性とを兼ね備えた透明電極とはいえない。
一方、陰極として銀を膜厚15nmで蒸着した有機EL素子について開示されている(例えば、特許文献6参照。)。
しかしながら、特許文献6に開示されている銀膜においては、薄膜化すると、銀がマイグレーションしやすいため電極特性を維持することが困難であり、新たな技術の開発が望まれている。
特開2002−015623号公報 特開2006−164961号公報 特開2006−344497号公報 特開2007−031786号公報 特開2009−151963号公報 米国特許出願公開第2011/0260148号明細書
本発明は上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は十分な光透過性と導電性とを兼ね備え、かつ耐久性に優れた透明電極、当該透明電極を備えた電子デバイス及び有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することである。
本発明者は、上記課題を解決すべく、上記問題の原因等について検討した結果、基板と導電性層との間に、前記導電性層に隣接して設けられる中間層を備える透明電極であって、前記導電性層が、銀を主成分として含有し、前記中間層が、下記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有することで、優れた光透過率と導電性とを両立し、かつ耐久性に優れた透明電極を実現できることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明にかかる上記課題は、以下の手段により解決される。
1.基板と導電性層との間に、前記導電性層に隣接して設けられる中間層を備える透明電極であって、
前記導電性層が、銀を主成分として含有し、
前記中間層が、下記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有することを特徴とする透明電極。
Figure 0006468186
〔一般式(2)中、R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。Lは、芳香族炭化水素環基又は芳香族複素環基を表す。X、X及びXは、それぞれ−CR10を表す。R10は、水素原子又は置換基を表す。〕
.前記一般式(2)で表される構造が、下記一般式(3)で表される構造であることを特徴とする第1項に記載の透明電極。
Figure 0006468186
〔一般式(3)中、R11〜R16は、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。X、X及びXは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR17を表し、R17は水素原子又は置換基を表す。Y〜Yは、それぞれ−CR18を表し、これらが互いに結合して新たな環を形成しても良い。R18は、水素原子又は置換基を表す。Z〜Zは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR19を表し、少なくとも一つは窒素原子を表す。これらは互いに結合して新たな環を形成してもよい。R19は、水素原子又は置換基を表す。〕
.第1項又は第2項に記載の透明電極を備えていることを特徴とする電子デバイス。
.第1項又は第2項に記載の透明電極を備えてい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。
本発明によれば、十分な光透過性と導電性とを兼ね備え、かつ耐久性に優れた透明電極、当該透明電極を備えた電子デバイス及び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。
本発明の効果の発現機構、作用機構については明確にはなっていないが、以下のように推察される。
本発明の透明電極は、中間層に隣接して、銀を主成分として含有する導電性層が設けられており、かつ中間層は、前記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有している。
一般式(2)のイミダゾール骨格中、六員環置換基の炭素原子と結合していない方の窒素原子は「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」である。これにより、中間層の上部に導電性層を成膜する際、導電性層を構成する銀原子が中間層に含有されている該芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子と相互作用し、中間層表面上での銀原子の拡散距離が減少し、特異箇所での銀の凝集を抑制することができたものである。
本発明の化合物を中間層に用いると、銀原子は、まず銀原子と親和性のある原子を有する銀親和性化合物を含有する中間層表面上で2次元的な核を形成し、それを中心に2次元の単結晶層を形成するという層状成長型(Frank−van der Merwe:FM型)の膜成長によって成膜されるようになる。
なお、一般的には、中間層表面において付着した銀原子が表面を拡散しながら結合して3次元的な核を形成し、3次元的な島状に成長するという島状成長型(Volumer−Weber:VW型)での膜成長により、島状に成膜しやすいと考えられる。
しかし、本発明においては、中間層に含有されている銀親和性化合物である一般式(2)又は一般式(3)で表される構造である、イミダゾール骨格を有する化合物により、島状成長が抑制され、層状成長が促進されると推察される。
したがって、薄い層厚でありながらも均一な層厚の導電性層が得られるようになる。その結果、より薄い層厚として光透過率を保ちつつも、導電性が確保された透明電極とすることができる。
本発明の透明電極の構成の一例を示す概略断面図 本発明の透明電極を用いた有機EL素子の第1例を示す概略断面図 本発明の透明電極を用いた有機EL素子の第2例を示す概略断面図 本発明の透明電極を用いた有機EL素子の第3例を示す概略断面図 本発明の透明電極を備えた有機EL素子を用いて発光面を大面積化した照明装置の概略断面図 実施例にて作製した有機EL素子を具備した発光パネルの概略断面図
本発明の透明電極は、基板と導電性層との間に、前記導電性層に隣接して設けられる中間層を備え、導電性層が、銀を主成分として含有し、中間層が、前記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有することを特徴とする。この特徴は、請求項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、前記一般式(2)中、X、X及びXが、それぞれ−CR10を表すことが好ましい。これにより、強力な相互作用を有するという効果と、合成のしやすさ、経済的、時間的に有利な点等からの効果との両立が可能である。
本発明の実施態様としては、120度対称軸を持たなくなることにより、成膜する際に結晶性が低下し、良好な膜質となるという観点から、前記一般式(2)で表される構造が、前記一般式(3)で表される構造であることが好ましい。
本発明の実施態様としては、分子全体がねじれ構造となることにより、成膜する際に結晶性が低下し、良好な膜質となるという観点から、前記一般式(3)中、X、X及びXが、それぞれ−CR17を表すことが好ましい。
また、本発明の透明電極は、電子デバイスに好適に具備され得る。これにより、十分な光透過性と導電性とを兼ね備え、かつ耐久性に優れた電子デバイスを得ることができる。
また、本発明の透明電極は、有機エレクトロルミネッセンス素子に好適に具備され得る。これにより、十分な光透過性と導電性とを兼ね備え、かつ耐久性に優れた有機エレクトロルミネッセンス素子を得ることができる。
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、本発明において示す「〜」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。
≪1.透明電極≫
<透明電極の構成>
図1に示すように、透明電極1は、導電性層1bと、導電性層1bに隣接して設けられる中間層1aとを備えている。具体的には、透明電極1は、中間層1aと、この中間層1aの上部に導電性層1bとが積層された2層構造であり、例えば、基板11の上部に、中間層1a、導電性層1bの順に設けられている。中間層1aは、前記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有する層である。導電性層1bは、銀を主成分として構成されている層である。
なお、導電性層1bの主成分とは、導電性層1bを構成する成分のうち、構成比率が最も高い成分をいう。導電性層1bにおける銀の構成比率としては、60質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、98質量%以上であることが特に好ましい。
また、透明電極1の透明とは、測定光波長550nmでの光透過率が50%以上であることをいう。
また、透明電極1としてのシート抵抗値は、20Ω/□以下が好ましく、膜厚は通常5〜20nm、好ましくは5〜12nmの範囲で選ばれる。
次に、このような積層構造の透明電極1が設けられる基板11、透明電極1を構成する中間層1a及び導電性層1bの順に、詳細な構成を説明する。
(基板)
本発明の透明電極1が形成される基板11としては、例えば、ガラス、プラスチック等を挙げることができるが、これらに限定されない。また、基板11は、透明であっても不透明であってもよい。本発明の透明電極1が、基板11側から光を取り出す電子デバイスに用いられる場合には、基板11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基板11としては、ガラス、石英又は透明樹脂フィルムを挙げることができる。
ガラスとしては、例えば、シリカガラス、ソーダ石灰シリカガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、無アルカリガラス等が挙げられる。これらのガラス材料の表面には、中間層1aとの密着性、耐久性、平滑性の観点から、必要に応じて、研磨等の物理的処理が施されていてもよいし、無機物又は有機物からなる被膜や、これらの被膜を組み合わせたハイブリッド被膜が形成されていてもよい。
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が挙げられる。
上記したように、樹脂フィルムの表面には、無機物又は有機物からなる被膜や、これらの被膜を組み合わせたハイブリッド被膜が形成されていてもよい。このような被膜及びハイブリッド被膜は、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以下のバリア性フィルム(バリア膜等ともいう。)であることが好ましい。さらには、JIS K 7126−1987に準拠した方法で測定された酸素透過度が1×10−3ml/m・24h・atm以下、及び水蒸気透過度が1×10−5g/m・24h以下の高バリア性フィルムであることが好ましい。
以上のようなバリア性フィルムを形成する材料としては、水分や酸素等の電子デバイスや有機EL素子の劣化をもたらす要因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、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。さらに、当該バリア性フィルムの脆弱性を改良するために、これら無機材料からなる層(無機層)と有機材料からなる層(有機層)の積層構造を持たせることがより好ましい。無機層と有機層と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。
バリア性フィルムの作製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、クラスターイオンビーム法、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が、特開2004−68143号公報に記載の大気圧プラズマ重合法によるものが特に好ましい。
一方、基板11を不透明な材料で構成する場合には、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属基板、フィルムや不透明樹脂基板、セラミック製の基板等を用いることができる。
(中間層)
本発明の透明電極は、中間層に隣接して、銀を主成分として含有する導電性層が設けられており、かつ中間層は、下記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有している。
Figure 0006468186
一般式(2)中、R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。Lは、芳香族炭化水素環基又は芳香族複素環基を表す。X、X及びXは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR10を表す。R10は、水素原子又は置換基を表す。
一般式(2)のイミダゾール骨格中、六員環置換基の炭素原子と結合していない方の窒素原子は「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」である。これにより、中間層に隣接して導電性層を成膜する際、導電性層を構成する銀原子が中間層に含有されている該芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子と相互作用し、中間層表面上での銀原子の拡散距離が減少し、特異箇所での銀の凝集を抑制することができたものである。
本発明において、「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」とは、非共有電子対を持つ窒素原子であって、当該非共有電子対が不飽和環状化合物の芳香族性に必須要素として直接的に関与していない窒素原子のことをいう。すなわち、共役不飽和環構造(芳香環)上の非局在化したπ電子系に、非共有電子対が、化学構造式上、芳香性発現のために必須のものとして関与していない窒素原子をいう。
以下、本発明に係る「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」について説明する。
窒素原子は第15族元素であり、最外殻に5個の電子を有する。このうち3個の不対電子は他の原子との共有結合に用いられ、残りの2個は一対の非共有電子対となるため、通常窒素原子の結合本数は3本である。
例えば、アミノ基(−NR)、アミド基(−C(=O)NR)、ニトロ基(−NO)、シアノ基(−CN)、ジアゾ基(−N)、アジド基(−N)、ウレア結合(−NRC=ONR−)、イソチオシアネート基(−N=C=S)、チオアミド基(−C(=S)NR)などが挙げられ、これらは本発明の「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」に該当する。なお、R及びRはそれぞれ置換基を表す。
このうち、例えば、ニトロ基(−NO)の共鳴式は、下記のように表すことができる。ニトロ基における窒素原子の非共有電子対は、厳密には、酸素原子との共鳴構造に利用されているが、本発明においては、ニトロ基の窒素原子も非共有電子対を持つこと定義する。
Figure 0006468186
一方、窒素原子は、非共有電子対を利用することで4本目の結合を作り出すこともできる。例えば、下記に示すように、テトラブチルアンモニウムクロライド(略称:TBAC)は、四つ目のブチル基が窒素原子とイオン結合しており、対イオンとして塩化物イオンを有する第四級アンモニウム塩である。また、トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム(III)(略称:Ir(ppy))は、イリジウム原子と窒素原子が配位結合している中性の金属錯体である。これらの化合物は窒素原子を有するものの、その非共有電子対がそれぞれイオン結合、配位結合に利用されてしまっているため、本発明の「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」には該当しない。
すなわち、本発明は、結合に利用されていない窒素原子の非共有電子対を有効利用するというものである。
下記に示す構造式において、左側はテトラブチルアンモニウムクロライド(略称:TBAC)、右側はトリス(2−フェニルピリジン)イリジウム(III)(略称:Ir(ppy))の構造を示す。
Figure 0006468186
また、窒素原子は、芳香環を構成することのできるヘテロ原子として一般的であり、芳香族性の発現に寄与することができる。この「含窒素芳香環」としては、例えばピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、トリアジン環、ピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、トリアゾール環、テトラゾール環、などが挙げられる。
ピリジン環の場合、下記に示すように、6員環状に並んだ共役(共鳴)不飽和環構造において、非局在化したπ電子の数が6個であるため、4n+2(n=0または自然数)のヒュッケル則を満たす。6員環内の窒素原子は、−CH=を置換したものであるため、1個の不対電子を6π電子系に動員するのみで、非共有電子対は、芳香族性発現のために必須のものとして関与していない。
したがって、ピリジン環の窒素原子は、本発明に係る「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」に該当する。以下に、ピリジン環の分子軌道を示す。
Figure 0006468186
ピロール環の場合は、下記に示すように、5員環内を構成する炭素原子の一つが窒素原子に置換された構造であるが、やはりπ電子の数は6個であり、ヒュッケル則を満たした含窒素芳香環である。ピロール環の窒素原子は、水素原子とも結合しているため、非共有電子対が6π電子系に動員されている。
したがって、ピロール環の窒素原子は、非共有電子対を有するものの、芳香族性発現のために必須のものとして利用されてしまっているため、本発明の「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」には該当しない。
以下に、ピロール環の分子軌道を示す。
Figure 0006468186
一方、イミダゾール環は、下記に示すように、5員環内に二つの窒素原子が1、3位に置換した構造を有しており、やはりπ電子数が6個の含窒素芳香環である。窒素原子Nは、1個の不対電子のみを6π電子系に動員し、非共有電子対を芳香族性発現のために利用していないピリジン環型の窒素原子である。一方、窒素原子Nは、非共有電子対を6π電子系に動員しているピロール環型の窒素原子である。
したがって、イミダゾール環の窒素原子Nは、本発明の「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」に該当する。以下に、イミダゾール環の分子軌道を示す。
Figure 0006468186
また、含窒素芳香環骨格を有する縮環化合物の場合も同様である。例えば、δ-カルボリンは、下記に示すように、ベンゼン環骨格、ピロール環骨格及びピリジン環骨格がこの順に縮合したアザカルバゾール化合物である。ピリジン環の窒素原子Nは、1個の不対電子のみを、ピロール環の窒素原子Nは、非共有電子対を、それぞれπ電子系に動員しており、環を形成している炭素原子からの11個のπ電子とともに、全体のπ電子数が14個の芳香環となっている。
したがって、δ−カルボリンの二つの窒素原子のうち、ピリジン環の窒素原子Nは本発明に係る「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」に該当するが、ピロール環の窒素原子Nはこれに該当しない。
このように、ピリジン環やピロール環は、その骨格が縮環化合物中に組み込まれている場合でも、その効果が阻害されたり抑制されたりすることはなく、単環として利用したときとなんら相違はない。以下に、δ−カルボリンの分子軌道を示す。
Figure 0006468186
以上のように、本発明で規定する「芳香族性に関与しない非共有電子対を持つ窒素原子」は、その非共有電子対を導電性層の主成分である銀と強い相互作用を発現するために重要である。そのような窒素原子としては、安定性、耐久性の観点から、含窒素芳香環中の窒素原子であることが好ましい。
窒素原子と銀との間に働く相互作用の強さは、窒素原子の求核性の強さから推察できる。すなわち、求核性が強いほど、銀原子への配位力も強く、相互作用も強い、というものである。
さらに求核性の強さは、塩基性の強さに相関があることが知られている。ブレンステッド・ローリーの定義による塩基性とは、プロトンを受け取る性質のことであるから、これを能動的に言い換えると、攻撃対象がプロトンである、と言える。
塩基性の強さを定量的に理解するためには、共役酸のpKa値(酸解離定数)を参照するのがよい。共役酸とは、塩基にプロトンが付加した姿であり、pKa値とは、数値が小さいほど酸性(プロトン放出能)が強いことを表す。
したがって、共役酸のpKa値が大きければ大きいほど、塩基性が強いことを意味する。
Figure 0006468186
HAは酸、Bは塩基、Aは共役塩基、HBは共役酸を表す。
本発明は中間層の含窒素芳香族環化合物と銀との相互作用を利用している。そこで上記の観点から、主な含窒素芳香族環化合物の共役酸のpKa値を参照した。なお、pKa値は山中宏、日野亨、中川昌子、坂本尚夫著「新編ヘテロ環化合物 基礎編」講談社サイエンティフィク、2004年3月1日、巻末の一覧表を用いた(表1参照。)。
Figure 0006468186
上記の観点から、一般式(2)で表される構造に由来する構造を多く有する化合物が中間層に含有されていると、より強い相互作用が発現すると考えられる。一般式(2)の構造は、六員環のメタ置換体であり、これは銀と相互作用できる部位がより効果的に配置されている点で好ましい。
Figure 0006468186
これらは例えば、ベンゼン環の1,2,4位で置換されたI−52と、1,3,5位で置換された化合物I−53の実験結果を比較すると、I−53の方が光透過性と導電性と、かつ耐久性に優れた透明電極であったことから明らかとなった。したがって、1,3,5位を置換する置換体であることが、効果的であると考えられる。
Figure 0006468186
さらに実験結果から、必ずしも含窒素複素芳香環骨格を多く有している化合物の物性が優れているというわけではない。例えば、分子内に含窒素複素芳香環骨格を四つ以上有する化合物I−36においては、銀と相互作用できる部位を多く有しているにもかかわらず、電極性能はI−53と大きな差は見られなかった。したがって、一般式(2)で表す1,3,5位を置換する置換体が、合成のしやすさ、経済的、時間的な観点から最も好ましいと考えられる。
Figure 0006468186
本発明者らは、中間層の膜質を良好なものにするという観点からも、好ましい形態を見出した。該中間層に含有される化合物は、結晶性が抑制され、アモルファス性の高い膜である方が好ましい。結晶性を抑制するためには、化合物の構造の対称性がある程度低い方がよいと考えられ、一般式(3)で表される構造が適していることを見出した。
Figure 0006468186
一般式(3)においては、5位にカルバゾール骨格を有する構造が置換されており、1,3,5位に置換位置を持つ置換体である。一般式(3)で表される化合物は、120度対称軸を持たなくなるため対称性が低下し、膜を形成した際に、より良好な膜質となる。
一般式(3)で表される構造の5位に置換されている構造中のZ〜Zで形成される骨格はピリジン環骨格であり、ピリジン環に含まれる窒素原子も銀と相互作用する。ここで、ピリジン環骨格とは、化合物の構造中にピリジン環を部分構造として含んでいることを表している。
アモルファス性の高い膜を実現するためには、分子全体をねじれ構造にすることが好ましい。平面的な構造よりも立体的な構造とすることで、結晶性が抑制されるためである。
ねじれ構造とするためには、各ユニットのその結合軸周りの回転運動が、阻害又は抑制されるようにすればよい。その方法の一つに、水素原子の回転障壁を利用することが挙げられる。
一般式(3)中の、中心六員環のX、X及びXで表される原子が窒素原子の場合、水素原子を持たないが、X、X及びXがそれぞれ炭素原子の場合、−CHとなることから、その水素原子が隣接のユニットとの間に回転障壁が生じることがある。したがって、分子内にねじれ構造を持たせるためにはX、X及びXがそれぞれ炭素原子である方が好ましい。
しかしながら、上記の条件のみでは、効果的に作用が発現するとは言えない。例えばベンゼン環の1,3,5位に含窒素複素芳香環骨格が置換されたI−53は、分子軌道計算結果によると、結合軸周りに回転障壁を持たず分子全体が平面構造になっていることが分かる。
Figure 0006468186
ねじれ構造を持たせるためには、化合物の中心に位置するベンゼン環の炭素原子に結合している水素原子と、回転障壁が生じるように、その隣接のユニットを設計することが有効であると考えられる。
一般式(3)で表される構造の5位に置換されているユニットは、6員+5員+6員型の縮環芳香族複素環である。例えば、ベンゼン環の5位にカルボリンが置換されたI−95は、分子軌道計算結果によると、ねじれ構造になっていることが分かる。
Figure 0006468186
上記カルボリン骨格の六員環に含まれる二つの水素原子が、上記中心ベンゼン環骨格の炭素原子に結合している二つの水素原子との間に回転障壁が生じ、ねじれ構造となることを明らかにした。
Figure 0006468186
これらの分子軌道計算結果から、本発明の効果を発現するために最も好ましい形態は、一般式(3)で表される構造を有する化合物である。
なお、本発明におけるLUMOのエネルギー準位は、米国Gaussian社製の分子軌道計算用ソフトウェアであるGaussian03(Gaussian03、Revision D02,M.J.Frisch,et al,Gaussian,Inc.,Wallingford CT,2004.)を用い、キーワードとしてB3LYP/6−31G*を用いて、対象とする分子構造の構造最適化を行うことにより算出した(eV単位換算値)。
この計算値が有効な背景には、この手法で求めた計算値と実験値の相関が高いことが知られている。
本発明の化合物を中間層に用いると、銀原子は、まず銀原子と親和性のある原子を有する銀親和性化合物を含有する中間層表面上で2次元的な核を形成し、それを中心に2次元の単結晶層を形成するという層状成長型(FM型)の膜成長によって成膜されるようになる。
なお、一般的には、中間層表面において付着した銀原子が表面を拡散しながら結合して3次元的な核を形成し、3次元的な島状に成長するという島状成長型(VW型)での膜成長により、島状に成膜しやすいと考えられる。
しかし、本発明においては、中間層に含有されている銀親和性化合物である一般式(2)又は一般式(3)で表される構造である、イミダゾール骨格を有する化合物により、島状成長が抑制され、層状成長が促進されると推察される。
したがって、薄い層厚でありながらも均一な層厚の導電性層が得られるようになる。その結果、より薄い層厚として光透過率を保ちつつも、導電性が確保された透明電極とすることができる。
次に、本発明に係る一般式(2)及び一般式(3)で表される構造について詳細に説明する。
[一般式(2)で表される構造を有する化合物]
中間層1aが、下記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有していることを特徴とする。
Figure 0006468186
一般式(2)中、R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。Lは、芳香族炭化水素環基又は芳香族複素環基を表す。X、X及びXは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR10を表す。R10は、水素原子又は置換基を表す。
一般式(2)において、R〜R10で表される置換基としては、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、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、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任意の炭素原子の一つが窒素原子で置き換わったものを示す)、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、ピペリジル基(ピペリジニル基ともいう)、2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル基等)、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)、リン酸エステル基(例えば、ジヘキシルホスホリル基等)、亜リン酸エステル基(例えばジフェニルホスフィニル基等)、ホスホノ基等が挙げられる。
一般式(2)で表される構造を有する化合物は、耐熱性が向上し、成膜後の長時間保存性に優れるという観点から、分子内に分岐状の置換基を有することが好ましい。分岐構造を有する置換基としては、分岐状アルキル基、2置換以上のシリル基(例えば、トリアルキルシリル基、トリアリールシリル基など)、2置換のアミノ基(例えば、ジアルキルアミノ基、ジアリールアミノ基など)、2置換のホスホリル基(例えば、ジアルキルホスホリル基、ジアリールホスホリル基など)、また、トリル基、キシリル基、ジメチルピリジル基等の2つ以上の置換基(好ましくは直鎖または分岐状置換基)を有する芳香族基等が挙げられる。また、分岐構造が維持される範囲であれば、これらの分岐状置換基に含まれる構成原子を、適宜酸素原子や窒素原子、硫黄原子等他の原子に置き換えることも可能である。
特に好ましくは、炭素原子を3〜20個、より好ましくは炭素原子を3〜10個有する分岐状アルキル基であり、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ネオペンチル基、ジメチルヘキシル基等が挙げられる。
また、R〜R10で表される置換基は、さらに上記の置換基で置換されていてもよい。
前記一般式(2)中、X、X及びXが、それぞれ窒素原子を表すことが好ましい。
また、前記一般式(2)中、X、X及びXのうちいずれか一つが、−CR10を表すことが好ましい。
また、前記一般式(2)中、X、X及びXが、それぞれ−CR10を表すことが好ましい。
このような中間層1aの成膜方法としては、塗布法、インクジェット法、コーティング法、ディップ法等のウェットプロセスを用いる方法や、蒸着法(抵抗加熱、EB法等)、スパッタ法、CVD法等のドライプロセスを用いる方法等が挙げられる。
[一般式(3)で表される構造を有する化合物]
また、一般式(2)で表される構造が、下記一般式(3)で表される構造であることが好ましい。
Figure 0006468186
一般式(3)中、R11〜R16は、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。X、X及びXは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR17を表し、R17は水素原子又は置換基を表す。Y〜Yは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR18を表し、これらが互いに結合して新たな環を形成しても良い。R18は、水素原子又は置換基を表す。Z〜Zは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR19を表し、少なくとも一つは窒素原子を表す。これらは互いに結合して新たな環を形成してもよい。R19は、水素原子又は置換基を表す。
一般式(3)中、X、X及びXが、それぞれ窒素原子を表すことが好ましい。
また、一般式(3)中、X、X及びXのうちいずれか一つが、−CR17を表すことが好ましい。
さらに、一般式(3)中、X、X及びXが、それぞれ−CR17を表すことが好ましい。
一般式(3)において、R11〜R19で表される置換基としては、上記一般式(2)におけるRで表される置換基と同様のものを挙げることができる。
以下に、本発明の中間層1aに含有される有機化合物の具体例を示すが、これに限定されるものではない。
Figure 0006468186
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本発明にかかる有機化合物は、従来公知の合成方法に準じて、容易に合成することができる。
以下、本発明の中間層1aに含有される有機化合物の合成方法の一例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
[合成例:例示化合物I−73の合成]
Figure 0006468186
(1)例示化合物I−73の合成
100mlナスフラスコに、δ−カルボリン(5.5g、0.033mol)のTHF(50ml)溶液を、窒素雰囲気下、0℃で1時間撹拌した。その後η−BuLi(1.2eq.)を徐々に滴下しながら加え、室温になるまで撹拌した。
200mlナスフラスコに、トリクロロトリアジン(5g、0.027mol)のTHF(100ml)溶液を、窒素雰囲気下、室温で撹拌した。
この溶液に、100mlナスフラスコからδ−カルボリンのη−BuLi溶液を徐々に滴下しながら加え、室温で4時間撹拌した。
さらにこの溶液に、イミダゾール(4.0eq.)のTHF(50ml)溶液を加えて、室温で10時間撹拌した。
その後、溶液を分液ロートに移して抽出を行った。酢酸エチルと飽和食塩水を加えて有機相と水相に分離した後、有機相を取り出し、減圧留去した。得られた固体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、例示化合物I−73の白色固体(7.4g,収率71%)を得た。
(導電性層)
本発明に係る導電性層1bは、銀を主成分として含有している。また、導電性層1bは、中間層1a上に成膜された層である。
導電性層1bは、銀を主成分として構成されている層が、必要に応じて、複数の層に分けて積層された構成であってもよい。
導電性層1bは、層厚が5〜20nmの範囲内であることが好ましく、5〜12nmの範囲内であることがより好ましい。
層厚が20nmより薄い場合には、層の吸収成分又は反射成分が少なくなり、透明電極1の光透過率が向上するため好ましい。また、層厚が5nmより厚い場合には、層の導電性が十分になるため好ましい。
なお、以上のような中間層1aと、この上部に成膜された導電性層1bとからなる積層構造の透明電極1は、導電性層1bの上部が保護膜で覆われていてもよいし、別の導電性層が積層されていてもよい。この場合、透明電極1の光透過性を損なうことのないように、保護膜及び別の導電性層が光透過性を有することが好ましい。また、中間層1aの下部、すなわち中間層1aと基板11との間にも、必要に応じた層を設けた構成としてもよい。
導電性層1bは、銀(Ag)を主成分として含有する合金から構成されていてもよく、そのような合金としては、例えば、銀マグネシウム(AgMg)、銀銅(AgCu)、銀パラジウム(AgPd)、銀パラジウム銅(AgPdCu)、銀インジウム(AgIn)等が挙げられる。
導電性層1bの成膜方法としては、塗布法、インクジェット法、コーティング法、ディップ法等のウェットプロセスを用いる方法や、蒸着法(抵抗加熱、EB法等)、スパッタ法、CVD法等のドライプロセスを用いる方法等が挙げられる。
湿式法により導電性層1bを成膜する場合は、銀を主成分とし、かつ有機溶媒を含有する導電性インクを用いることが好ましい。有機溶媒としては、本発明の透明電極1の効果を阻害しない限りにおいて、従来公知のものを特に制限なく使用することができる。
また、導電性層1bは、中間層1a上に成膜されることにより、導電性層成膜後の高温アニール処理(例えば、150℃以上の加熱プロセス)等がなくても十分に導電性を有することを特徴とするが、必要に応じて、成膜後に高温アニール処理等を行ったものであってもよい。
<透明電極の効果>
以上のような構成の透明電極1は、上記一般式(2)及び(3)のいずれかで表される構造を有する化合物を含有する中間層1a上に、銀を主成分として構成されている導電性層1bを設けている。これにより、中間層1aの上部に導電性層1bを成膜する際には、導電性層1bに含有される銀原子が中間層1aに含有される上記一般式(2)及び(3)のいずれかで表される構造を有する化合物と相互作用し、銀原子の中間層1a表面での拡散距離が減少し、銀の凝集が抑えられる。
ここで、一般的に銀を主成分として構成されている導電性層の成膜においては、島状成長型(VW型)で薄膜成長するため、銀粒子が島状に孤立しやすく、膜厚が薄いときは導電性を得ることが困難であり、シート抵抗値が高くなる。
したがって、導電性を確保するには膜厚を厚くする必要があるが、膜厚を厚くすると光透過率が下がるため、透明電極としては不適であった。
しかしながら、本発明構成の透明電極1によれば、上述したように中間層1a上において銀の凝集が抑えられるため、銀を主成分として構成されている導電性層1bの成膜においては、層状成長型(FM型)で薄膜成長するようになる。
また、本発明の透明電極1の透明とは、測定光波長550nmでの光透過率が50%以上であることをいうが、中間層1aとして用いられる上述した各材料は、銀を主成分とした導電性層1bと比較して、十分に光透過性の良好な膜を形成する。一方、透明電極1の導電性は、主に、導電性層1bによって確保される。したがって、上述のように、銀を主成分として構成されている導電性層1bが、より薄い層厚で導電性が確保されたものとなることにより、透明電極1の導電性の向上と光透過性の向上との両立を図ることが可能になるのである。
≪2.透明電極の用途≫
上述した構成の透明電極1は、各種電子デバイスに用いることができる。電子デバイスの例としては、有機EL素子、LED(Light Emitting Diode)、液晶素子、太陽電池、タッチパネル等が挙げられ、これらの電子デバイスにおいて光透過性を必要とされる電極部材として、上述の透明電極1を用いることができる。
以下では、用途の一例として、本発明の透明電極1を用いた有機EL素子の実施の形態を説明する。
≪3.有機EL素子の第1例≫
<有機EL素子の構成>
図2は、本発明の電子デバイスの一例として、上述した透明電極1を用いた有機EL素子の第1例を示す概略断面図である。
以下に、この図に基づいて有機EL素子の構成を説明する。
図2に示すとおり、有機EL素子100は、透明基板(基板)13上に設けられており、透明基板13側から順に、透明電極1、有機材料等を用いて構成された有機機能層3、及び対向電極5aをこの順に積層して構成されている。この有機EL素子100においては、透明電極1として、先に説明した本発明の透明電極1を用いている。このため、有機EL素子100は、発生させた光(以下、発光光hと記す。)を、少なくとも透明基板13側から取り出すように構成されている。
また、有機EL素子100の層構造は以下に説明する例に限定されることはなく、一般的な層構造であってもよい。ここでは、透明電極1がアノード(すなわち陽極)として機能し、対向電極5aがカソード(すなわち陰極)として機能することとする。この場合、例えば、有機機能層3は、アノードである透明電極1側から順に正孔注入層3a/正孔輸送層3b/発光層3c/電子輸送層3d/電子注入層3eを積層した構成が例示されるが、このうち少なくとも有機材料を用いて構成された発光層3cを有することが必須である。正孔注入層3a及び正孔輸送層3bは、正孔輸送注入層として設けられていてもよい。電子輸送層3d及び電子注入層3eは、電子輸送注入層として設けられていてもよい。また、これらの有機機能層3のうち、例えば、電子注入層3eは無機材料で構成されているものとしてもよい。
また、有機機能層3は、これらの層の他に正孔阻止層や電子阻止層等が必要に応じて必要箇所に積層されていてもよい。さらに、発光層3cは、各波長領域の発光光を発生させる各色発光層を有し、これらの各色発光層を非発光性の補助層を介して積層させた構造としてもよい。補助層は、正孔阻止層、電子阻止層として機能してもよい。さらに、カソードである対向電極5aも、必要に応じた積層構造であってもよい。このような構成においては、透明電極1と対向電極5aとで有機機能層3が挟持された部分のみが、有機EL素子100における発光領域となる。
また、以上のような層構成においては、透明電極1の低抵抗化を図ることを目的とし、透明電極1の導電性層1bに接して補助電極15が設けられていてもよい。
以上のような構成の有機EL素子100は、有機材料等を用いて構成された有機機能層3の劣化を防止することを目的として、透明基板13上において後述する封止材17で封止されている。この封止材17は、接着剤19を介して透明基板13側に固定されている。ただし、透明電極1及び対向電極5aの端子部分は、透明基板13上において有機機能層3によって互いに絶縁性を保った状態で封止材17から露出させた状態で設けられていることとする。
以下、上述した有機EL素子100を構成するための主要各層の詳細を、透明基板13、透明電極1、対向電極5a、有機機能層3の発光層3c、有機機能層3の他の層、補助電極15、及び封止材17の順に説明する。
(透明基板)
透明基板13は、先に説明した本発明の透明電極1が設けられる基板11であり、先に説明した基板11のうち、光透過性を有する透明な基板11が用いられる。
(透明電極(アノード))
透明電極1は、先に説明した本発明の透明電極1であり、透明基板13側から順に中間層1a及び導電性層1bを順に成膜した構成である。ここでは特に、透明電極1はアノードとして機能するものであり、導電性層1bが実質的なアノードとなる。
(対向電極(カソード))
対向電極5aは、有機機能層3に電子を供給するカソードとして機能する電極膜であり、金属、合金、有機若しくは無機の導電性化合物、又はこれらの混合物等から構成されている。具体的には、アルミニウム、銀、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、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属、ITO、ZnO、TiO、SnO等の酸化物半導体等が挙げられる。
対向電極5aは、これらの導電性材料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、対向電極5aとしてのシート抵抗値は、数百Ω/□以下が好ましく、膜厚は通常5nm〜5μm、好ましくは5〜200nmの範囲内で選ばれる。
なお、この有機EL素子100が、対向電極5a側からも発光光hを取り出すものである場合には、上述した導電性材料のうちから選択される光透過性の良好な導電性材料により対向電極5aが構成されていればよい。
(発光層)
発光層3cは、発光材料が含有されているが、中でも発光材料としてリン光発光ドーパント(リン光発光材料、リン光発光化合物、リン光性化合物)が含有されていることが好ましい。
この発光層3cは、電極又は電子輸送層3dから注入された電子と、正孔輸送層3bから注入された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3cの層内であっても発光層3cと隣接する層との界面であってもよい。
このような発光層3cとしては、含まれる発光材料が発光要件を満たしていれば、その構成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。この場合、各発光層3c間には非発光性の補助層(図示せず)を有していることが好ましい。
発光層3cの層厚の総和は、好ましくは、1〜100nmの範囲内であり、更に好ましくは、より低い駆動電圧を得ることができることから1〜30nmの範囲内である。なお、発光層3cの層厚の総和とは、発光層3c間に非発光性の補助層が存在する場合には、当該補助層も含む層厚である。
複数層を積層した構成の発光層3cの場合、個々の発光層の層厚としては、1〜50nmの範囲内に調整することが好ましく、1〜20nmの範囲内に調整することがより好ましい。積層された複数の発光層が、青、緑、赤のそれぞれの発光色に対応する場合、青、緑、赤の各発光層の層厚の関係については、特に制限はない。
以上のように構成されている発光層3c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形成方法により成膜して形成することができる。
また発光層3cは、複数の発光材料が混合されて構成されていてもよく、またリン光発光ドーパント(リン光発光性化合物)と蛍光ドーパント(蛍光発光材料、蛍光性化合物)とが混合されて構成されていてもよい。
発光層3cは、ホスト化合物(発光ホスト)と発光材料(発光ドーパント)を含有し、発光材料をより発光させることが好ましい。
(ホスト化合物)
発光層3c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3c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、公知のホスト化合物を単独で用いてもよく、又は複数種用いてもよい。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。
用いられるホスト化合物としては、従来公知の低分子化合物でも、繰り返し単位をも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(蒸着重合性発光ホスト)でもよい。
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、発光の長波長化を防ぎ、かつ高Tg(ガラス転移温度)の化合物が好ましい。
ここでいうガラス転移温度とは、DSC(Differential Scanning Colorimetry:示差走査熱量法)を用いて、JIS K 7121−2012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を用いることもできる。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、米国特許出願公開第2003/0175553号明細書、米国特許出願公開第2006/0280965号明細書、米国特許出願公開第2005/0112407号明細書、米国特許出願公開第2009/0017330号明細書、米国特許出願公開第2009/0030202号明細書、米国特許出願公開第2005/0238919号明細書、国際公開第2001/039234号明細書、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、欧州特許第2034538号明細書等が挙げられる。
(発光材料)
(1)リン光発光ドーパント
本発明で用いることのできる発光材料としては、リン光発光ドーパントが挙げられる。
リン光発光ドーパントとは、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、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、本発明においてリン光発光ドーパントを用いる場合、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。
リン光発光ドーパントの発光の原理としては2種挙げられる。
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ドーパントに移動させることでリン光発光ドーパントからの発光を得るというエネルギー移動型である。
もう一つは、リン光発光ドーパントがキャリアトラップとなり、リン光発光ドーパント上でキャリアの再結合が起こりリン光発光ドーパント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。いずれの場合においても、リン光発光ドーパント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となる。
リン光発光ドーパントは、一般的な有機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、更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。
本発明においては、少なくとも一つの発光層3cに2種以上のリン光発光ドーパントが含有されていてもよく、発光層3cにおけるリン光発光ドーパントの濃度比が発光層3cの厚さ方向で変化していてもよい。
リン光発光ドーパントは、好ましくは発光層3cの総量に対し0.1体積%以上30体積%未満である。
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。
Nature 395,151(1998)、Appl.Phys.Lett.78,1622(2001)、Adv.Mater.19,739(2007)、Chem.Mater.17,3532(2005)、Adv.Mater.17,1059(2005)、国際公開第2009/100991号、国際公開第2008/101842号、国際公開第2003/040257号、米国特許出願公開第2006/835469号明細書、米国特許出願公開第2006/0202194号明細書、米国特許出願公開第2007/0087321号明細書、米国特許出願公開第2005/0244673号明細書、Inorg.Chem.40,1704(2001)、Chem.Mater.16,2480(2004)、Adv.Mater.16,2003(2004)、Angew.Chem.lnt.Ed.2006,45,7800、Appl.Phys.Lett.86,153505(2005)、Chem.Lett.34,592(2005)、Chem.Commun.2906(2005)、Inorg.Chem.42,1248(2003)、国際公開第2009/050290号、国際公開第2002/015645号、国際公開第2009/000673号、米国特許出願公開第2002/0034656号明細書、米国特許第7332232号明細書、米国特許出願公開第2009/0108737号明細書、米国特許出願公開第2009/0039776号明細書、米国特許第6921915号明細書、米国特許第6687266号明細書、米国特許出願公開第2007/0190359号明細書、米国特許出願公開第2006/0008670号明細書、米国特許出願公開第2009/0165846号明細書、米国特許出願公開第2008/0015355号明細書、米国特許第7250226号明細書、米国特許第7396598号明細書、米国特許出願公開第2006/0263635号明細書、米国特許出願公開第2003/0138657号明細書、米国特許出願公開第2003/0152802号明細書、米国特許第7090928号明細書、Angew.Chem.lnt.Ed.47,1(2008)、Chem.Mater.18,5119(2006)、Inorg.Chem.46,4308(2007)、Organometallics 23,3745(2004)、Appl.Phys.Lett.74,1361(1999)、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、米国特許出願公開第2006/0251923号明細書、米国特許出願公開第2005/0260441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、米国特許出願公開第2007/0190359号明細書、米国特許出願公開第2008/0297033号明細書、米国特許第7338722号明細書、米国特許出願公開第2002/0134984号明細書、米国特許第7279704号明細書、米国特許出願公開第2006/098120号明細書、米国特許出願公開第2006/103874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、米国特許出願公開第2012/228583号明細書、米国特許出願公開第2012/212126号明細書、特開2012−069737号公報、特開2011−181303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号公報等である。
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−硫黄結合のうち少なくとも1つの配位様式を含む錯体が好ましい。
(2)蛍光ドーパント
本発明に係る蛍光発光性ドーパント(以下、「蛍光ドーパント」ともいう)について説明する。
本発明に係る蛍光ドーパントは、励起一重項からの発光が可能な化合物であり、励起一重項からの発光が観測される限り特に限定されない。
本発明に係る蛍光ドーパントとしては、クマリン系色素、ピラン系色素、シアニン系色素、クロコニウム系色素、スクアリウム系色素、オキソベンツアントラセン系色素、フルオレセイン系色素、ローダミン系色素、ピリリウム系色素、ペリレン系色素、スチルベン系色素、ポリチオフェン系色素、又は希土類錯体系蛍光体等が挙げられる。
また、近年では遅延蛍光を利用した発光ドーパントも開発されており、これらを用いてもよい。
遅延蛍光を利用した発光ドーパントの具体例としては、例えば、国際公開第2011/156793号、特開2011−213643号公報、特開2010−93181号公報等に記載の化合物が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
(注入層:正孔注入層、電子注入層)
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発光層3cの間に設けられる層のことで、「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3aと電子注入層3eとがある。
注入層は、必要に応じて設けることができる。正孔注入層3aであれば、アノードと発光層3c又は正孔輸送層3bとの間、電子注入層3eであれば、カソードと発光層3c又は電子輸送層3dとの間に存在させてもよい。
正孔注入層3aは、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、具体例として、銅フタロシアニンに代表されるフタロシアニン層、酸化バナジウムに代表される酸化物層、アモルファスカーボン層、ポリアニリン(エメラルディン)やポリチオフェン等の導電性高分子を用いた高分子層等が挙げられる。
電子注入層3eは、特開平6−325871号公報、同9−17574号公報、同10−74586号公報等にも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層、フッ化カリウムに代表されるアルカリ金属ハライド層、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層、酸化モリブデンに代表される酸化物層等が挙げられる。電子注入層3eはごく薄い膜であることが望ましく、素材にもよるがその層厚は1nm〜10μmの範囲内が好ましい。
(正孔輸送層)
正孔輸送層3bは、正孔を輸送する機能を有する正孔輸送材料からなり、広い意味で正孔注入層3a、電子阻止層も正孔輸送層3bに含まれる。正孔輸送層3bは、単層又は複数層設けることができる。
正孔輸送材料としては、正孔の注入又は輸送、電子の障壁性のいずれかを有するものであり、有機物、無機物のいずれであってもよい。例えば、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、ポリアリールアルカン誘導体、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、アニリン系共重合体、また、導電性高分子オリゴマー、特にチオフェンオリゴマー等が挙げられる。
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、ポルフィリン化合物、芳香族第3級アミン化合物及びスチリルアミン化合物、特に芳香族第3級アミン化合物を用いることが好ましい。
芳香族第3級アミン化合物及びスチリルアミン化合物の代表例としては、N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノフェニル、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(TPD)、2,2−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)プロパン、1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)シクロヘキサン、N,N,N′,N′−テトラ−p−トリル−4,4′−ジアミノビフェニル、1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)−4−フェニルシクロヘキサン、ビス(4−ジメチルアミノ−2−メチルフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)フェニルメタン、N,N′−ジフェニル−N,N′−ジ(4−メトキシフェニル)−4,4′−ジアミノビフェニル、N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノジフェニルエーテル、4,4′−ビス(ジフェニルアミノ)クオードリフェニル、N,N,N−トリ(p−トリル)アミン、4−(ジ−p−トリルアミノ)−4′−〔4−(ジ−p−トリルアミノ)スチリル〕スチルベン、4−N,N−ジフェニルアミノ−(2−ジフェニルビニル)ベンゼン、3−メトキシ−4′−N,N−ジフェニルアミノスチルベンゼン、N−フェニルカルバゾール、更には米国特許第5061569号明細書に記載されている2個の縮合芳香族環を分子内に有するもの、例えば、4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル(NPD)、特開平4−308688号公報に記載されているトリフェニルアミンユニットが3個スターバースト型に連結された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(MTDATA)等が挙げられる。
さらに、これらの材料を高分子鎖に導入した、又はこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。また、p型−Si、p型−SiC等の無機化合物も正孔注入材料、正孔輸送材料として使用することができる。
また、特開平11−251067号公報、J.Huang et.al.,Applied Physics Letters,80(2002),p.139に記載されているような、いわゆるp型正孔輸送材料を用いることもできる。本発明においては、より高効率の発光素子が得られることから、これらの材料を用いることが好ましい。
正孔輸送層3bは、上記正孔輸送材料を、例えば、真空蒸着法、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る。正孔輸送層3bの層厚については特に制限はないが、通常は5nm〜5μm程度、好ましくは5〜200nmの範囲内である。この正孔輸送層3bは、上記材料の1種又は2種以上からなる1層構造であってもよい。
また、正孔輸送層3bの材料に不純物をドープしてp性を高くすることもできる。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、J.Appl.Phys.,95,5773(2004)等に記載されたものが挙げられる。
このように、正孔輸送層3bのp性を高くすると、より低消費電力の素子を作製することができるため好ましい。
(電子輸送層)
電子輸送層3dは、電子を輸送する機能を有する材料からなり、広い意味で電子注入層3e、正孔阻止層も電子輸送層3dに含まれる。電子輸送層3dは、単層構造又は複数層の積層構造として設けることができる。
単層構造の電子輸送層3dの電子輸送材料、及び積層構造の電子輸送層3dにおいて発光層3cに隣接する層部分を構成する電子輸送材料(正孔阻止材料を兼ねる)としては、カソードより注入された電子を発光層3cに伝達する機能を有していればよい。このような材料としては、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る。例えば、ニトロ置換フルオレン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、カルボジイミド、フレオレニリデンメタン誘導体、アントラキノジメタン、アントロン誘導体及びオキサジアゾール誘導体等が挙げられる。さらに、上記オキサジアゾール誘導体において、オキサジアゾール環の酸素原子を硫黄原子に置換したチアジアゾール誘導体、電子吸引基として知られているキノキサリン環を有するキノキサリン誘導体も、電子輸送層3dの材料として用いることができる。さらに、これらの材料を高分子鎖に導入した、又はこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。
また、8−キノリノール誘導体の金属錯体、例えば、トリス(8−キノリノール)アルミニウム(Alq)、トリス(5,7−ジクロロ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5,7−ジブロモ−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(2−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、トリス(5−メチル−8−キノリノール)アルミニウム、ビス(8−キノリノール)亜鉛(Znq)等、及びこれらの金属錯体の中心金属がIn、Mg、Cu、Ca、Sn、Ga又はPbに置き替わった金属錯体も、電子輸送層3dの材料として用いることができる。
その他、メタルフリー若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、電子輸送層3dの材料として好ましく用いることができる。また、発光層3cの材料としても用いられるジスチリルピラジン誘導体も電子輸送層3dの材料として用いることができるし、正孔注入層3a、正孔輸送層3bと同様にn型−Si、n型−SiC等の無機半導体も電子輸送層3dの材料として用いることができる。
電子輸送層3dは、上記材料を、例えば、真空蒸着法、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る。電子輸送層3dの層厚については特に制限はないが、通常は5nm〜5μm程度、好ましくは5〜200nmの範囲内である。電子輸送層3dは、上記材料の1種又は2種以上からなる1層構造であってもよい。
また、電子輸送層3dに不純物をドープし、n性を高くすることもできる。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)等に記載されたものが挙げられる。さらに、電子輸送層3dには、カリウムやカリウム化合物等を含有させることが好ましい。カリウム化合物としては、例えば、フッ化カリウム等を用いることができる。このように電子輸送層3dのn性を高くすると、より低消費電力の素子を作製することができる。
また、電子輸送層3dの材料(電子輸送性化合物)として、上述した中間層1aを構成する材料と同様のものを用いてもよい。これは、電子注入層3eを兼ねた電子輸送層3dであっても同様である。
(阻止層:正孔阻止層、電子阻止層)
阻止層は、上記した有機機能層3の基本構成層の他に、必要に応じて設けられるものである。例えば、特開平11−204258号公報、同11−204359号公報、及び「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237頁等に記載されている正孔阻止(ホールブロック)層がある。
正孔阻止層とは、広い意味では、電子輸送層3dの機能を有する。正孔阻止層は、電子を輸送する機能を有しつつ正孔を輸送する能力が著しく小さい正孔阻止材料からなり、電子を輸送しつつ正孔を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。また、上記の電子輸送層3dの構成を、必要に応じて、正孔阻止層として用いることができる。正孔阻止層は、発光層3cに隣接して設けられていることが好ましい。
一方、電子阻止層とは、広い意味では、正孔輸送層3bの機能を有する。電子阻止層は、正孔を輸送する機能を有しつつ電子を輸送する能力が著しく小さい材料からなり、正孔を輸送しつつ電子を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。また、上記の正孔輸送層3bの構成を、必要に応じて、電子阻止層として用いることができる。
正孔阻止層の層厚としては、好ましくは3〜100nmの範囲内であり、更に好ましくは5〜30nmの範囲内である。
(補助電極)
補助電極15は、透明電極1の抵抗を下げる目的で設けられるものであって、透明電極1の導電性層1bに接して設けられる。補助電極15を形成する材料としては、金、白金、銀、銅、アルミニウム等の抵抗が低い金属が好ましい。これらの金属は光透過性が低いため、光取り出し面13aからの発光光hの取り出しの影響のない範囲でパターン形成される。このような補助電極15の作製方法としては、蒸着法、スパッタリング法、印刷法、インクジェット法、エアロゾルジェット法等が挙げられる。補助電極15の線幅は、光を取り出す開口率の観点から50μm以下であることが好ましく、補助電極15の厚さは、導電性の観点から1μm以上であることが好ましい。
(封止材)
封止材17は、有機EL素子100を覆うものであって、板状(フィルム状)の封止部材であって接着剤19によって透明基板13側に固定されるものであってもよく、封止膜であってもよい。このような封止材17は、有機EL素子100における透明電極1及び対向電極5aの端子部分を露出させる状態で、少なくとも有機機能層3を覆う状態で設けられている。また、封止材17に電極を設け、有機EL素子100の透明電極1及び対向電極5aの端子部分と、この電極とを導通させるように構成されていてもよい。
板状(フィルム状)の封止材17としては、具体的には、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板等が挙げられ、これらの基板材料を更に薄型のフィルム状にして用いてもよい。ガラス基板としては、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、ポリマー基板としては、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。金属基板としては、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、モリブデン、シリコン、ゲルマニウム及びタンタルからなる群から選ばれる1種以上の金属又は合金からなるものが挙げられる。
中でも、素子を薄膜化できるということから、封止材としてポリマー基板や金属基板を薄型のフィルム状にしたものを好ましく使用することができる。
さらには、フィルム状としたポリマー基板は、JIS K 7126−1987に準拠した方法で測定された酸素透過度が1×10−3ml/m・24h・atm以下、及び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。
また以上のような基板材料は、凹板状に加工して封止材17として用いてもよい。この場合、上述した基板材料に対してサンドブラスト加工、化学エッチング加工等の加工が施され、凹状が形成される。
また、このような板状の封止材17を透明基板13側に固定するための接着剤19は、封止材17と透明基板13との間に挟持された有機EL素子100を封止するためのシール剤として用いられる。このような接着剤19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)、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、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もできる。
なお、有機EL素子100を構成する有機材料は、熱処理により劣化する場合がある。このため、接着剤19は、室温(25℃)から80℃までに接着硬化できるものが好ましい。また、接着剤19中に乾燥剤を分散させておいてもよい。
封止材17と透明基板13との接着部分への接着剤19の塗布は、市販のディスペンサーを使ってもよいし、スクリーン印刷のように印刷してもよい。
また、板状の封止材17と透明基板13と接着剤19との間に隙間が形成される場合、この間隙には、気相及び液相では、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、ヨウ化バリウム、ヨウ化マグネシウム等)、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。
一方、封止材17として封止膜を用いる場合、有機EL素子100における有機機能層3を完全に覆い、かつ有機EL素子100における透明電極1及び対向電極5aの端子部分を露出させる状態で、透明基板13上に封止膜が設けられる。
このような封止膜は、無機材料や有機材料を用いて構成される。特に、水分や酸素等、有機EL素子100における有機機能層3の劣化をもたらす物質の浸入を抑制する機能を有する材料で構成されることとする。このような材料として、例えば、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等の無機材料が用いられる。さらに、封止膜の脆弱性を改良するために、これら無機材料からなる膜とともに、有機材料からなる膜を用いて積層構造としてもよい。
これらの膜の作製方法については、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、クラスターイオンビーム法、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。
(保護膜、保護板)
透明基板13とともに、有機EL素子100及び封止材17を挟むようにして保護膜若しくは保護板を設けてもよい。この保護膜若しくは保護板は、有機EL素子100を機械的に保護するためのものであり、特に封止材17が封止膜である場合には、有機EL素子100に対する機械的な保護が十分ではないため、このような保護膜若しくは保護板を設けることが好ましい。
以上のような保護膜若しくは保護板としては、ガラス板、ポリマー板、これよりも薄型のポリマーフィルム、金属板、これよりも薄型の金属フィルム、又はポリマー材料膜や金属材料膜が適用される。特に、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。
<有機EL素子の製造方法>
ここでは一例として、図2に示す有機EL素子100の製造方法について説明する。
まず、透明基板13上に、一般式(2)及び一般式(3)のいずれか一つで表される構造を有する化合物を含有する中間層1aを、1μm以下、好ましくは10〜100nmの層厚になるように蒸着法等の適宜の方法により形成する。次に、銀(又は銀を含有する合金)を主成分とする導電性層1bを5〜20nmの範囲内、好ましくは8〜12nmの範囲内の層厚になるように蒸着法等の適宜の方法により中間層1a上に形成し、アノードとなる透明電極1を作製する。
次に、この上に正孔注入層3a、正孔輸送層3b、発光層3c、電子輸送層3d、電子注入層3eの順に成膜し、有機機能層3を形成する。これらの各層の成膜は、スピンコート法、キャスト法、インクジェット法、蒸着法、印刷法等があるが、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、真空蒸着法又はスピンコート法が特に好ましい。さらに、層ごとに異なる成膜法を適用してもよい。これらの各層の成膜に蒸着法を採用する場合、その蒸着条件は使用する化合物の種類等により異なるが、一般にボート加熱温度50〜450℃、真空度1×10−6〜1×10−2Pa、蒸着速度0.01〜50nm/秒、基板温度−50〜300℃、層厚0.1〜5μmの範囲内で、各条件を適宜選択することが望ましい。
以上のようにして有機機能層3を形成した後、この上部にカソードとなる対向電極5aを、蒸着法やスパッタ法等の適宜の成膜法によって形成する。この際、対向電極5aは、有機機能層3によって透明電極1に対して絶縁状態を保ちつつ、有機機能層3の上方から透明基板13の周縁に端子部分を引き出した形状にパターン形成する。これにより、有機EL素子100が得られる。その後には、有機EL素子100における透明電極1及び対向電極5aの端子部分を露出させた状態で、少なくとも有機機能層3を覆う封止材17を設ける。
以上により、透明基板13上に所望の有機EL素子が得られる。このような有機EL素子100の作製においては、一回の真空引きで一貫して有機機能層3から対向電極5aまで作製するのが好ましいが、途中で真空雰囲気から透明基板13を取り出して異なる成膜法を施しても構わない。その際、作業を乾燥不活性ガス雰囲気下で行う等の配慮が必要となる。
このようにして得られた有機EL素子100に直流電圧を印加する場合には、アノードである透明電極1を+の極性とし、カソードである対向電極5aを−の極性として、電圧2〜40V程度を印加すると発光が観測できる。また、交流電圧を印加してもよい。なお、印加する交流の波形は任意でよい。
<有機EL素子の効果>
以上説明した有機EL素子100は、本発明の光透過性と導電性とを兼ね備えた透明電極1をアノードとして用い、この上部に有機機能層3とカソードとなる対向電極5aとを設けた構成である。このため、透明電極1と対向電極5aとの間に十分な電圧を印加して有機EL素子100での高輝度発光を実現しつつ、透明電極1側からの発光光hの取り出し効率が向上することによる高輝度化を図ることが可能である。さらに、所定輝度を得るための駆動電圧の低減による発光寿命の向上を図ることも可能になる。
≪4.有機EL素子の第2例≫
<有機EL素子の構成>
図3は、本発明の電子デバイスの一例として、上述した透明電極1を用いた有機EL素子の第2例を示す概略断面図である。図3に示す第2例の有機EL素子200が、図2に示した第1例の有機EL素子100と異なるところは、透明電極1をカソードとして用いるところにある。
以下、第1例と同様の構成要素についての重複する詳細な説明は省略し、第2例の有機EL素子200の特徴的な構成を説明する。
図3に示すとおり、有機EL素子200は、透明基板13上に設けられており、第1例と同様に、透明基板13上の透明電極1として先に説明した本発明の透明電極1を用いている。このため有機EL素子200は、少なくとも透明基板13側から発光光hを取り出せるように構成されている。ただし、この透明電極1は、カソード(陰極)として用いられる。このため、対向電極5bは、アノードとして用いられることになる。
このように構成される有機EL素子200の層構造は以下に説明する例に限定されることはなく、一般的な層構造であってもよいことは、第1例と同様である。
第2例の場合の一例としては、カソードとして機能する透明電極1の上部に、電子注入層3e/電子輸送層3d/発光層3c/正孔輸送層3b/正孔注入層3aをこの順に積層した構成が例示される。ただし、このうち少なくとも有機材料で構成された発光層3cを有することが必須である。
なお、有機機能層3は、これらの層の他にも、第1例で説明したのと同様に、必要に応じたさまざまな構成が採用される。このような構成において、透明電極1と対向電極5bとで有機機能層3が挟持された部分のみが、有機EL素子200における発光領域となることも第1例と同様である。
また、以上のような層構成においては、透明電極1の低抵抗化を図ることを目的として、透明電極1の導電性層1bに接して補助電極15が設けられていてもよいことも、第1例と同様である。
ここで、アノードとして用いられる対向電極5bは、金属、合金、有機若しくは無機の導電性化合物、又はこれらの混合物等から構成されている。具体的には、金(Au)等の金属、ヨウ化銅(CuI)、ITO、ZnO、TiO、SnO等の酸化物半導体等が挙げられる。
以上のように構成されている対向電極5bは、これらの導電性材料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、対向電極5bとしてのシート抵抗値は、数百Ω/□以下が好ましく、膜厚は通常5nm〜5μm、好ましくは5〜200nmの範囲内で選ばれる。
なお、この有機EL素子200が、対向電極5b側からも発光光hを取り出せるように構成されている場合、対向電極5bを構成する材料としては、上述した導電性材料のうち光透過性の良好な導電性材料が選択されて用いられる。
以上のような構成の有機EL素子200は、有機機能層3の劣化を防止することを目的として、第1例と同様に封止材17で封止されている。
以上説明した有機EL素子200を構成する主要各層のうち、アノードとして用いられる対向電極5b以外の構成要素の詳細な構成、及び有機EL素子200の製造方法は、第1例と同様である。このため、詳細な説明は省略する。
<有機EL素子の効果>
以上説明した有機EL素子200は、本発明の光透過性と導電性とを兼ね備えた透明電極1をカソードとして用い、この上部に有機機能層3とアノードとなる対向電極5bとを設けた構成である。このため、第1例と同様に、透明電極1と対向電極5bとの間に十分な電圧を印加して有機EL素子200での高輝度発光を実現しつつ、透明電極1側からの発光光hの取り出し効率が向上することによる高輝度化を図ることが可能である。さらに、所定輝度を得るための駆動電圧の低減による発光寿命の向上を図ることも可能になる。
≪5.有機EL素子の第3例≫
<有機EL素子の構成>
図4は、本発明の電子デバイスの一例として、上述した透明電極1を用いた有機EL素子の第3例を示す概略断面図である。図4に示す第3例の有機EL素子300が、図2に示した第1例の有機EL素子100と異なるところは、基板131側に対向電極5cを設け、この上部に有機機能層3と透明電極1とをこの順に積層したところにある。
以下、第1例と同様の構成要素についての重複する詳細な説明は省略し、第3例の有機EL素子300の特徴的な構成を説明する。
図4に示す有機EL素子300は、基板131上に設けられており、基板131側から、アノードとなる対向電極5c、有機機能層3、及びカソードとなる透明電極1がこの順に積層されている。このうち、透明電極1として、先に説明した本発明の透明電極1を用いている。このため、有機EL素子300は、少なくとも基板131とは逆の透明電極1側から発光光hを取り出せるように構成されている。
このように構成される有機EL素子300の層構造は、以下に説明する例に限定されることはなく、一般的な層構造であってもよいことは第1例と同様である。
第3例の場合の一例としては、アノードとして機能する対向電極5cの上部に、正孔注入層3a/正孔輸送層3b/発光層3c/電子輸送層3dをこの順に積層した構成が例示される。ただし、このうち少なくとも有機材料を用いて構成された発光層3cを有することが必須である。また、電子輸送層3dは、電子注入層3eを兼ねたもので、電子注入性を有する電子輸送層3dとして設けられていることとする。
特に、第3例の有機EL素子300に特徴的な構成としては、電子注入性を有する電子輸送層3dが、透明電極1における中間層1aとして設けられているところにある。すなわち、第3例においては、カソードとして用いられる透明電極1が、電子注入性を有する電子輸送層3dを兼ねる中間層1aと、その上部に設けられた導電性層1bとで構成されているものである。
このような電子輸送層3dは、上述した透明電極1の中間層1aを構成する材料を用いて構成されている。
なお、有機機能層3は、これらの層の他にも、第1例で説明したものと同様に、必要に応じたさまざまな構成が採用されるが、透明電極1の中間層1aを兼ねる電子輸送層3dと、透明電極1の導電性層1bとの間には、電子注入層や正孔阻止層が設けられることはない。以上のような構成において、透明電極1と対向電極5cとで有機機能層3が挟持された部分のみが、有機EL素子300における発光領域となることは、第1例と同様である。
また、以上のような層構成においては、透明電極1の低抵抗化を図ることを目的とし、透明電極1の導電性層1bに接して補助電極15が設けられていてもよいことも、第1例と同様である。
さらに、アノードとして用いられる対向電極5cは、金属、合金、有機若しくは無機の導電性化合物、又はこれらの混合物等から構成されている。具体的には、銀(Ag)、金(Au)等の金属、ヨウ化銅(CuI)、ITO、ZnO、TiO、SnO等の酸化物半導体等が挙げられる。
以上のように構成されている対向電極5cは、これらの導電性材料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、対向電極5cとしてのシート抵抗値は、数百Ω/□以下が好ましく、膜厚は通常5nm〜5μm、好ましくは5〜200nmの範囲で選ばれる。
なお、この有機EL素子300が、対向電極5c側からも発光光hを取り出せるように構成されている場合、対向電極5cを構成する材料としては、上述した導電性材料のうち光透過性の良好な導電性材料が選択されて用いられる。またこの場合、基板131としては、第1例で説明した透明基板13と同様のものが用いられ、基板131の外側に向かう面が光取り出し面131aとなる。
<有機EL素子の効果>
以上説明した有機EL素子300は、有機機能層3の最上部を構成する電子注入性を有する電子輸送層3dを中間層1aとし、この上部に導電性層1bを設けることにより、中間層1aと導電性層1bとからなる透明電極1をカソードとして設けた構成である。このため、第1例及び第2例と同様に、透明電極1と対向電極5cとの間に十分な電圧を印加して有機EL素子300での高輝度発光を実現しつつ、透明電極1側からの発光光hの取り出し効率が向上することによる高輝度化を図ることが可能である。さらに、所定輝度を得るための駆動電圧の低減による発光寿命の向上を図ることも可能になる。また、対向電極5cが光透過性を有する場合には、対向電極5cからも発光光hを取り出すことができる。
なお、上述の第3例においては、透明電極1の中間層1aが電子注入性を有する電子輸送層3dを兼ねているものとして説明したが、本例はこれに限られるものではなく、中間層1aが電子注入性を有していない電子輸送層3dを兼ねているものであってもよいし、中間層1aが電子輸送層ではなく電子注入層を兼ねているものであってもよい。また、中間層1aが有機EL素子の発光機能に影響を及ぼさない程度の極薄膜として形成されているものとしてもよく、この場合には、中間層1aは電子輸送性及び電子注入性を有していない。
さらに、透明電極1の中間層1aが有機EL素子の発光機能に影響を及ぼさない程度の極薄膜として形成されている場合には、基板131側の対向電極5cをカソードとし、有機機能層3上の透明電極1をアノードとしてもよい。この場合、有機機能層3は、基板131上の対向電極(カソード)5c側から順に、例えば、電子注入層3e/電子輸送層3d/発光層3c/正孔輸送層3b/正孔注入層3aが積層される。そして、この上部に極薄い中間層1aと導電性層1bとの積層構造からなる透明電極1が、アノードとして設けられる。
≪6.有機EL素子の用途≫
上述した各構成の有機EL素子は、上述したように面発光体であるため各種の発光光源として用いることができる。例えば、家庭用照明や車内照明等の照明装置、時計や液晶用のバックライト、看板広告用照明、信号機の光源、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、光センサーの光源等が挙げられる。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。
また、本発明の有機EL素子は、照明用や露光光源のような一種のランプとして使用してもよいし、画像を投影するタイプのプロジェクション装置や、静止画像や動画像を直接視認するタイプの表示装置(ディスプレイ)として使用してもよい。この場合、近年の照明装置及びディスプレイの大型化にともない、有機EL素子を設けた発光パネル同士を平面的に接合する、いわゆるタイリングによって発光面を大面積化してもよい。
動画再生用の表示装置として使用する場合の駆動方式は、単純マトリクス(パッシブマトリクス)方式でもアクティブマトリクス方式でもどちらでもよい。また、異なる発光色を有する本発明の有機EL素子を2種以上使用することにより、カラー又はフルカラー表示装置を作製することが可能である。
以下では、用途の一例として照明装置について説明し、次にタイリングによって発光面を大面積化した照明装置について説明する。
≪7.照明装置−1≫
本発明に係る照明装置は、上記有機EL素子を具備することができる。
本発明に係る照明装置に用いる有機EL素子は、上述した構成の各有機EL素子に共振器構造を持たせた設計としてもよい。共振器構造を有するように構成された有機EL素子の使用目的としては、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、光センサーの光源等が挙げられるが、これらに限定されない。また、レーザー発振をさせることにより上記用途に使用してもよい。
なお、本発明の有機EL素子に用いられる材料は、実質的に白色の発光を生じる有機EL素子(白色有機EL素子)に適用できる。例えば、複数の発光材料により複数の発光色を同時に発光させて、混色により白色発光を得ることもできる。複数の発光色の組み合わせとしては、赤色、緑色、青色の三原色の三つの発光極大波長を含有させたものでもよいし、青色と黄色、青緑と橙色等の補色の関係を利用した二つの発光極大波長を含有したものでもよい。
また、複数の発光色を得るための発光材料の組み合わせは、複数のリン光又は蛍光で発光する材料を複数組み合わせたもの、蛍光又はリン光で発光する発光材料と、発光材料からの光を励起光として発光する色素材料との組み合わせたもののいずれでもよいが、白色有機EL素子においては、発光ドーパントを複数組み合わせて混合したものでもよい。
このような白色有機EL素子は、各色発光の有機EL素子をアレー状に個別に並列配置して白色発光を得る構成と異なり、有機EL素子自体が白色を発光する。このため、素子を構成するほとんどの層の成膜にマスクを必要とせず、一面に蒸着法、キャスト法、スピンコート法、インクジェット法、印刷法等で成膜することができ、生産性も向上する。
また、このような白色有機EL素子の発光層に用いる発光材料としては、特に制限はなく、例えば、液晶表示素子におけるバックライトであれば、CF(カラーフィルター)特性に対応した波長範囲に適合するように、上記した金属錯体や公知の発光材料の中から任意のものを選択して組み合わせて白色化すればよい。
以上に説明した白色有機EL素子を用いれば、実質的に白色の発光を生じる照明装置を作製することが可能である。
≪8.照明装置−2≫
図5は、上記各構成の有機EL素子を複数用いて発光面を大面積化した照明装置の概略断面図である。
図5に示すとおり、照明装置21は、透明基板13上に有機EL素子100を備えた複数の発光パネル22を、支持基板23上に複数配列する(タイリングする)ことによって発光面を大面積化した構成である。支持基板23は、封止材17を兼ねるものであってもよく、この支持基板23と、発光パネル22の透明基板13との間に有機EL素子100を挟持する状態で各発光パネル22をタイリングする。支持基板23と透明基板13との間には接着剤19を充填し、これによって有機EL素子100を封止してもよい。なお、発光パネル22の周囲には、アノードである透明電極1及びカソードである対向電極5aの端部を露出させておく。ただし、図5においては対向電極5aの露出部分のみを図示した。
なお、図5では、有機EL素子100を構成する有機機能層3として、透明電極1上に、正孔注入層3a/正孔輸送層3b/発光層3c/電子輸送層3d/電子注入層3eを順次積層した構成を一例として示している。
このような構成の照明装置21では、各発光パネル22の中央が発光領域Aとなり、発光パネル22間には非発光領域Bが発生する。このため、非発光領域Bからの光取り出し量を増加させるための光取り出し部材を、光取り出し面13aの非発光領域Bに設けてもよい。光取り出し部材としては、集光シートや光拡散シートを用いることができる。
以下、実施例により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。
[実施例1]
《透明電極の作製》
以下に説明するように、透明電極101〜108、110、115〜121を、導電性領域の面積が5cm×5cmとなるように作製した。透明電極101〜104は、導電性層のみからなる単層構造の透明電極として作製し、透明電極105〜108、110、115〜121は、中間層と導電性層との積層構造の透明電極として作製した。
(1)透明電極101の作製
まず、透明な無アルカリガラス製の基板を、市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、真空蒸着装置の真空槽に取り付けた。また、タングステン製の抵抗加熱ボートに銀(Ag)を充填し、当該真空槽内に取り付けた。次に、真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、抵抗加熱ボートを通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、基板上に層厚5nmの銀からなる導電性層を成膜し、単層構造の透明電極101を作製した。
(2)透明電極102〜104の作製
透明電極101の作製において、導電性層の層厚をそれぞれ8nm、10nm、15nmに変更した以外は同様にして、透明電極102〜104を作製した。
(3)透明電極105の作製
透明な無アルカリガラス製の基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、下記に示すAlqをタンタル製抵抗加熱ボートに充填し、これらの基板ホルダーと加熱ボートとを真空蒸着装置の第1真空槽に取り付けた。また、タングステン製の抵抗加熱ボートに銀を充填し、第2真空槽内に取り付けた。
Figure 0006468186
この状態で、まず、第1真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、Alqの入った加熱ボートに通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、基板上に層厚30nmのAlqからなる中間層を設けた。
次に、中間層まで成膜した基板を真空のまま第2真空槽に移し、第2真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、銀の入った加熱ボートを通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、層厚8nmの銀からなる導電性層を形成し、中間層と導電性層との積層構造からなる透明電極105を作製した。
(4)透明電極106〜108の作製
透明電極105の作製において、中間層の構成材料をそれぞれ上記に示す比較化合物(1)、(2)及び(3)に変更した以外は同様にして、透明電極106〜108を作製した。
(5)透明電極110の作製
透明電極105の作製において、中間層の構成材料をI−1に変更した以外は同様にして、透明電極110を作製した。
(6)透明電極115〜118の作製
透明電極110の作製において、中間層の構成材料を表2に記載の化合物に変更した以外は同様にして、透明電極115〜118を作製した。
(7)透明電極119〜121の作製
透明電極116〜118の作製において、基板を無アルカリガラスからPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムに変更した以外は同様にして、透明電極119〜121を作製した。
《透明電極の評価》
作製した透明電極101〜108、110、115〜121について、下記の方法に従い、光透過率、シート抵抗値及び高温保存下での光透過率変化(耐久性)の測定を行った。
(1)光透過率の測定
作製した各透明電極について、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。
測定結果を表2に示す。
(2)シート抵抗値の測定
作製した各透明電極について、抵抗率計(三菱化学社製MCP−T610)を用い、4探針法定電流印加方式でシート抵抗値(Ω/□)を測定した。
測定結果を表2に示す。
(3)高温保存下での光透過率変化の測定
作製した各透明電極について、温度80℃/相対湿度90%RH雰囲気において保存し、光透過率変化を測定した。具体的には、試験開始前に比較して、500時間経過後の光透過率変化を評価し、結果を表2に示した。光透過率は、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。各透明電極の高温保存下での光透過率変化は、透明電極110の光透過率変化を100とする相対値で示している。
Figure 0006468186
(4)まとめ
表2から明らかなように、蒸着により形成された中間層上に銀(Ag)を主成分とした導電性層を設けた本発明の透明電極は、いずれも光透過率が72%以上であり、シート抵抗値が7.7Ω/□以下に抑えられている。これに対して、比較例の透明電極101〜108は、光透過率が72%未満のものがあり、しかもシート抵抗値が7.7Ω/□を超える値を示した。
また、耐久性(高温保存下での光透過率変化)においても、本発明の透明電極が、比較例の透明電極101〜108と比較して、変化が小さく、優れていることがわかる。
また、PET(ポリエチレンテレフタレート)のような樹脂フィルムにおいても、本発明の化合物を中間層に用いることで、無アルカリガラスと同等の評価結果が得られたことから、基板によらず効果を発現することが確認できた。
以上から、本発明の透明電極は、高い光透過率と導電性とを兼ね備え、更に耐久性に優れていることが確認された。
[実施例2]
《透明電極の作製》
以下に説明するように、透明電極201〜207、212〜217を、導電性領域の面積が5cm×5cmとなるように作製した。透明電極201及び202は、導電性層のみからなる単層構造の透明電極として作製し、透明電極203〜207、212〜217は、中間層と導電性層との積層構造の透明電極として作製した。
(1)透明電極201の作製
透明な無アルカリガラス製の基材上に、導電性層材料として錯体銀からなるインクジェットインク(Ink Tec(株)製、TEC−IJ−010)0.1mLを、スピンコート法により塗布・パターニングした後、130℃で5分間焼成し、層厚12nmの銀からなる導電性層を形成し、単層構造の透明電極201を作製した。
(2)透明電極202の作製
透明電極201の作製において、導電性層の層厚を20nmに変更した以外は同様にして、透明電極202を作製した。
(3)透明電極203の作製
無アルカリガラス製の基材上に、Alqのトルエン溶液を用い、スピンコート法により薄膜を形成した。150℃で1時間加熱乾燥し、層厚50nmのAlqを含有する中間層を設けた。
この中間層上に、導電性層材料として錯体銀からなるインクジェットインク(Ink Tec(株)製、TEC−IJ−010)0.1mLを、スピンコート法により塗布・パターニングした後、130℃で5分間焼成し、層厚12nmの銀からなる導電性層を形成し、中間層と導電性層との積層構造からなる透明電極203を作製した。
(4)透明電極204〜206の作製
透明電極203の作製において、中間層の構成材料を比較化合物(1)、(2)又は(3)に変更した以外は同様にして、透明電極204〜206を作製した。
(5)透明電極207の作製
透明電極203の作製において、中間層の構成材料をI−2に変更した以外は同様にして、透明電極207を作製した。
(6)透明電極212〜214の作製
透明電極207の作製において、中間層の構成材料を表3に記載の化合物に変更した以外は同様にして、透明電極212〜214を作製した。
(7)透明電極215〜217の作製
透明電極212〜214の作製において、基板を無アルカリガラスからPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムに変更した以外は同様にして、透明電極215〜217を作製した。
《透明電極の評価》
(1)光透過率、シート抵抗値及び高温保存下での光透過率変化の測定
作製した透明電極201〜207、212〜217について、実施例1と同様にして、光透過率、シート抵抗値及び高温保存下での光透過率変化(耐久性)の測定を行った。高温保存下での光透過率変化の測定は、作製した各透明電極について、温度80℃/相対湿度90%RH雰囲気において保存し、光透過率変化を測定した。具体的には、試験開始前に比較して、300時間経過後の光透過率変化を評価し、結果を表3に示した。光透過率は、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。各透明電極の高温保存下での光透過率変化は、実施例2の透明電極207の光透過率変化を100とする相対値で示している。
結果を表3に示した。
Figure 0006468186
(2)まとめ
表3から明らかなように、塗布により形成された中間層上に銀(Ag)を主成分とした導電性層を設けた本発明の透明電極は、いずれも光透過率が58%以上であり、シート抵抗値が8.7Ω/□以下に抑えられている。これに対して、比較例の透明電極201〜206は、光透過率が37%以下であり、しかもシート抵抗値が8.7Ω/□を大きく超えて、197Ω/□以上であった。
また、耐久性(高温保存下での光透過率変化)においても、本発明の透明電極が、比較例の透明電極201〜206と比較して、優れていることがわかる。
また、PET(ポリエチレンテレフタレート)のような樹脂フィルムにおいても、本発明の化合物を中間層に用いることで、無アルカリガラスと同等の評価結果が得られたことから、基板によらず効果を発現することが確認できた。
以上から、本発明の透明電極は、高い光透過率と導電性とを兼ね備え、更に耐久性に優れていることが確認された。
[実施例3]
《発光パネルの作製》
本発明の透明電極をアノードとして用いた両面発光型の発光パネル401〜408、410、416〜421を作製した。以下、図6を参照して、作製手順を説明する。
(1)発光パネル401の作製
まず、実施例1で作製した透明電極101、すなわち、導電性層1bのみを有する透明電極1が形成された透明基板13を、市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、透明電極1の形成面側に蒸着マスクを対向配置した。また、真空蒸着装置内の加熱ボートの各々に、有機機能層3を構成する各材料を、それぞれの層の成膜に最適な量で充填した。なお、加熱ボートは、タングステン製抵抗加熱用材料で作製されたものを用いた。
次いで、真空蒸着装置の蒸着室内を真空度4×10−4Paまで減圧し、各材料が入った加熱ボートを順次通電して加熱することにより、以下のように各層を成膜した。
まず、正孔輸送注入材料として下記に示すα−NPDが入った加熱ボートに通電して加熱し、α−NPDよりなる正孔注入層と正孔輸送層とを兼ねた正孔輸送注入層31を、透明電極1を構成する導電性層1b上に成膜した。この際、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒、層厚20nmとした。
Figure 0006468186
次いで、ホスト材料H4の入った加熱ボートと、リン光発光ドーパントIr−4の入った加熱ボートとを、それぞれ独立に通電し、ホスト材料H4とリン光発光ドーパントIr−4を含有する発光層3cを、正孔輸送注入層31上に成膜した。この際、蒸着速度がホスト材料H4:リン光発光ドーパントIr−4=100:6となるように、加熱ボートの通電を調節した。また、層厚は30nmとした。
次いで、正孔阻止材料として下記に示すBAlqが入った加熱ボートに通電して加熱し、BAlqよりなる正孔阻止層33を、発光層3c上に成膜した。この際、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒、層厚10nmとした。
Figure 0006468186
その後、電子輸送材料として下記に示すET−6の入った加熱ボートと、フッ化カリウムの入った加熱ボートとを、それぞれ独立に通電し、ET−6とフッ化カリウムを含有する電子輸送層3dを、正孔阻止層33上に成膜した。この際、蒸着速度がET−6:フッ化カリウム=75:25になるように、加熱ボートの通電を調節した。また、層厚30nmとした。
Figure 0006468186
次に、電子注入材料としてフッ化カリウムの入った加熱ボートに通電して加熱し、フッ化カリウムよりなる電子注入層3eを、電子輸送層3d上に成膜した。この際、蒸着速度0.01〜0.02nm/秒、層厚1nmとした。
その後、電子注入層3eまで成膜した透明基板13を、真空蒸着装置の蒸着室から、対向電極材料としてITOのターゲットが取り付けられたスパッタ装置の処理室内に、真空状態を保持したまま移送した。次いで、処理室内において、成膜速度0.3〜0.5nm/秒で、膜厚150nmのITOからなる光透過性の対向電極5aをカソードとして成膜した。以上により、透明基板13上に有機EL素子400を形成した。
その後、有機EL素子400を、厚さ300μmのガラス基板からなる封止材17で覆い、有機EL素子400を囲む状態で、封止材17と透明基板13との間に接着剤19(シール材)を充填した。接着剤19としては、エポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を用いた。封止材17と透明基板13との間に充填した接着剤19に対して、ガラス基板(封止材17)側からUV光を照射し、接着剤19を硬化させて有機EL素子400を封止した。
なお、有機EL素子400の形成においては、各層の形成に蒸着マスクを使用し、5cm×5cmの透明基板13における中央の4.5cm×4.5cmを発光領域Aとし、発光領域Aの全周に幅0.25cmの非発光領域Bを設けた。また、アノードである透明電極1とカソードである対向電極5aとは、正孔輸送注入層31から電子注入層3eまでの有機機能層3によって絶縁された状態で、透明基板13の周縁に端子部分を引き出された形状で形成した。
以上のようにして、透明基板13上に有機EL素子400を設け、これを封止材17と接着剤19とで封止した発光パネル401を作製した。
発光パネル401においては、発光層3cで発生した各色の発光光hが、透明電極1側すなわち透明基板13側と、対向電極5a側すなわち封止材17側との両方から取り出される。
(2)発光パネル402〜404の作製
発光パネル401の作製において、導電性層1bの層厚をそれぞれ8nm(透明電極102)、10nm(透明電極103)、15nm(透明電極104)に変更した以外は同様にして、発光パネル402〜404を作製した。
(3)発光パネル405の作製
発光パネル401の作製において、透明電極105を用いて作製した以外は同様にして、発光パネル405を作製した。
(4)発光パネル406〜408の作製
発光パネル405の作製において、中間層1aの構成材料を比較化合物(1)、(2)又は(3)に変更した以外は同様にして、発光パネル406〜408を作製した。
(5)発光パネル410の作製
発光パネル405の作製において、中間層1aの構成材料をI−5に変更した以外は同様にして、発光パネル410を作製した。
(6)発光パネル416〜418の作製
発光パネル410の作製において、中間層1aの構成材料を表4に記載の化合物に変更した以外は同様にして、発光パネル416〜418を作製した。
(7)発光パネル419〜421の作製
発光パネル416〜418の作製において、基板を無アルカリガラスからPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムに変更した以外は同様にして、発光パネル419〜421を作製した。
《発光パネルの評価》
作製した発光パネル401〜408、410、416〜421について、下記の方法に従い、光透過率、シート抵抗値及び高温保存下での外部量子効率(耐久性)の測定を行った。
(1)光透過率の測定
作製した各発光パネルについて、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各発光パネルの透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。
測定結果を表4示す。
(2)シート抵抗値の測定
作製した発光パネルに含まれる各透明電極について、抵抗率計(三菱化学社製MCP−T610)を用い、4探針法定電流印加方式でシート抵抗値(Ω/□)を測定した。
測定結果を表4に示す。
(3)高温保存下での外部量子効率(EQE)変化の測定
上記作製した各有機EL素子を、室温(約25℃)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と、開始400時間後の発光輝度を、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。測定結果を表4に示す。
発光開始直後の発光輝度に対する開始400時間後の相対発光輝度を求め、これを外部量子効率(External Quantum Efficiency:EQE)の尺度とした。数値が小さいほど、発光輝度の変化が小さく、外部量子効率が優れていることを表す。各発光パネルの高温保存下での外部量子効率変化は、実施例3(表4)の発光パネル410の外部量子効率変化を100とする相対値で示している。
Figure 0006468186
(4)まとめ
表4から明らかなように、本発明の透明電極を有機EL素子のアノードに用いた本発明の発光パネルは、いずれも光透過率が73%以上であり、シート抵抗値が7.4Ω/□以下に抑えられている。これに対して、比較例の透明電極を有機EL素子のアノードに用いた発光パネル401〜408は、光透過率が73%未満のものがあり、しかもシート抵抗値が7.4Ω/□より大きい値を示した。
また、耐久性(高温保存下での外部量子効率変化)においても、本発明の発光パネルが、比較例の発光パネル401〜408と比較して、優れていることがわかった。
本発明の一般式(2)又は(3)で表される構造を有する化合物を用いた透明電極は、さまざまな電子デバイスに用いることができる。その中でも、シート抵抗値などの観点から、電子デバイスのうちで最も制約の厳しい有機エレクトロルミネッセンス素子において、本発明の透明電極が有効に使用できることが分かった。
このことにより本発明の一般式(2)又は(3)で表される構造を有する化合物を用いた透明電極は、例えば液晶表示装置、太陽電池、電子ペーパー、タッチパネルなど他の電子デバイスにも適用できるものと考えられる。
実際に実施例1の透明電極118で作製した電極を用いて、有機薄膜太陽電池及びタッチパネルを作製し、良好に作動することを確認した。
これにより本発明の透明電極を用いた発光パネルは、低いシート抵抗で高輝度発光が可能であることが確認された。
[実施例4]
《透明電極の作製》
以下に説明するように、透明電極501〜522を、導電性領域の面積が5cm×5cmとなるように作製した。透明電極501〜504は、導電性層のみからなる単層構造の透明電極として作製し、透明電極505〜522は、中間層と導電性層との積層構造の透明電極として作製した。
(1)透明電極501の作製
まず、透明な無アルカリガラス製の基板を、市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、真空蒸着装置の真空槽に取り付けた。また、タングステン製の抵抗加熱ボートに銀(Ag)を充填し、当該真空槽内に取り付けた。次に、真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、抵抗加熱ボートを通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、基板上に層厚5nmの銀からなる導電性層を成膜し、単層構造の透明電極501を作製した。
(2)透明電極502〜504の作製
透明電極501の作製において、導電性層の層厚をそれぞれ8nm、10nm、15nmに変更した以外は同様にして、透明電極502〜504を作製した。
(3)透明電極505の作製
透明な無アルカリガラス製の基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、下記に示すAlqをタンタル製抵抗加熱ボートに充填し、これらの基板ホルダーと加熱ボートとを真空蒸着装置の第1真空槽に取り付けた。また、タングステン製の抵抗加熱ボートに銀を充填し、第2真空槽内に取り付けた。
この状態で、まず、第1真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、Alqの入った加熱ボートに通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、基板上に層厚35nmのAlqからなる中間層を設けた。
次に、中間層まで成膜した基板を真空のまま第2真空槽に移し、第2真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、銀の入った加熱ボートを通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、層厚8nmの銀からなる導電性層を形成し、中間層と導電性層との積層構造からなる透明電極105を作製した。
(4)透明電極506〜508の作製
透明電極505の作製において、中間層の構成材料をそれぞれ上記に示す比較化合物(1)、(2)及び(3)に変更した以外は同様にして、透明電極506〜508を作製した。
(5)透明電極509の作製
透明電極505の作製において、中間層の構成材料をB−16に変更し、導電性層の層厚を5nmに変更した以外は同様にして、透明電極509を作製した。
(6)透明電極510〜512の作製
透明電極509の作製において、導電性層の層厚をそれぞれ8nm、10nm、15nmに変更した以外は同様にして、透明電極510〜512を作製した。
(7)透明電極513〜519の作製
透明電極510の作製において、中間層の構成材料を表5に記載の化合物に変更した以外は同様にして、透明電極513〜519を作製した。
(8)透明電極520〜522の作製
透明電極517〜519の作製において、基板を無アルカリガラスからPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムに変更した以外は同様にして、透明電極520〜522を作製した。
《透明電極の評価》
作製した透明電極501〜522について、下記の方法に従い、光透過率、シート抵抗値及び高温保存下でのシート抵抗変化(耐久性)の測定を行った。
(1)光透過率の測定
作製した各透明電極について、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。
測定結果を表5に示す。
(2)シート抵抗値の測定
作製した各透明電極について、抵抗率計(三菱化学社製MCP−T610)を用い、4探針法定電流印加方式でシート抵抗値(Ω/□)を測定した。
測定結果を表5に示す。
(3)高温保存下でのシート抵抗変化の測定
作製した各透明電極について、温度80℃/相対湿度90%RH雰囲気において保存し、シート抵抗変化を測定した。具体的には、試験開始前に比較して、400時間経過後のシート抵抗変化を評価し、結果を表5に示した。シート抵抗は、抵抗率計(三菱化学社製MCP−T610)を用い、4探針法定電流印加方式でシート抵抗値(Ω/□)を測定した。各透明電極の高温保存下でのシート抵抗変化は、透明電極510のシート抵抗変化を100とする相対値で示している。
Figure 0006468186
(4)まとめ
表5から明らかなように、蒸着により形成された中間層上に銀(Ag)を主成分とした導電性層を設けた本発明の透明電極は、いずれも光透過率が51%以上であり、シート抵抗値が18.0Ω/□以下に抑えられている。これに対して、比較例の透明電極501〜508は、光透過率が51%未満のものがあり、しかもシート抵抗値が18.0Ω/□を超える値を示した。
また、耐久性(高温保存下でのシート抵抗変化)においても、本発明の透明電極が、比較例の透明電極501〜508と比較して、変化が小さく、優れていることがわかる。
また、PET(ポリエチレンテレフタレート)のような樹脂フィルムにおいても、本発明の化合物を中間層に用いることで、無アルカリガラスと同等の評価結果が得られたことから、基板によらず効果を発現することが確認できた。
以上から、本発明の透明電極は、高い光透過率と導電性とを兼ね備え、更に耐久性に優れていることが確認された。
[実施例5]
《透明電極の作製》
以下に説明するように、透明電極601〜616を、導電性領域の面積が5cm×5cmとなるように作製した。透明電極601〜604は、導電性層のみからなる単層構造の透明電極として作製し、透明電極605〜616は、中間層と導電性層との積層構造の透明電極として作製した。
(1)透明電極601の作製
まず、透明な無アルカリガラス製の基板を、市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、真空蒸着装置の真空槽に取り付けた。また、タングステン製の抵抗加熱ボートに銀(Ag)を充填し、当該真空槽内に取り付けた。次に、真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、抵抗加熱ボートを通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、基板上に層厚5nmの銀からなる導電性層を成膜し、単層構造の透明電極601を作製した。
(2)透明電極602〜604の作製
透明電極601の作製において、導電性層の層厚をそれぞれ8nm、10nm、15nmに変更した以外は同様にして、透明電極602〜604を作製した。
(3)透明電極605の作製
透明な無アルカリガラス製の基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、Alqをタンタル製抵抗加熱ボートに充填し、これらの基板ホルダーと加熱ボートとを真空蒸着装置の第1真空槽に取り付けた。また、タングステン製の抵抗加熱ボートに銀を充填し、第2真空槽内に取り付けた。
この状態で、まず、第1真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、Alqの入った加熱ボートに通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、基板上に層厚35nmのAlqからなる中間層を設けた。
次に、中間層まで成膜した基板を真空のまま第2真空槽に移し、第2真空槽を4×10−4Paまで減圧した後、銀の入った加熱ボートを通電して加熱し、蒸着速度0.1〜0.2nm/秒の範囲内で、層厚8nmの銀からなる導電性層を形成し、中間層と導電性層との積層構造からなる透明電極605を作製した。
(4)透明電極606〜608の作製
透明電極605の作製において、中間層の構成材料をそれぞれ上記に示す比較化合物(1)、(2)及び(3)に変更した以外は同様にして、透明電極606〜608を作製した。
(5)透明電極609〜612の作製
透明電極605の作製において、中間層の構成材料を表6に記載の化合物に変更した以外は同様にして、透明電極609〜612を作製した。
(6)透明電極613〜616の作製
透明電極609〜612の作製において、基板を無アルカリガラスからPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムに変更した以外は同様にして、透明電極613〜616を作製した。
《透明電極の評価》
作製した透明電極601〜616について、下記の方法に従い、光透過率、高温保存下での光透過率変化(耐久性)及び高温保存下でのシート抵抗変化(耐久性)の測定を行った。
(1)光透過率の測定
作製した各透明電極について、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。
測定結果を表6に示す。
(2)高温保存下での光透過率変化の測定
作製した各透明電極について、温度80℃/相対湿度90%RH雰囲気において保存し、光透過率変化を測定した。具体的には、試験開始前に比較して、400時間経過後の光透過率変化を評価し、結果を表6に示した。光透過率は、分光光度計(日立製作所製U−3300)を用い、各透明電極の基板をリファレンスとして、測定光波長550nmにおける光透過率(%)を測定した。各透明電極の高温保存下での光透過率変化は、透明電極609の光透過率変化を100とする相対値で示している。
(3)高温保存下でのシート抵抗変化の測定
作製した各透明電極について、温度80℃/相対湿度90%RH雰囲気において保存し、シート抵抗変化を測定した。具体的には、試験開始前に比較して、400時間経過後のシート抵抗変化を評価し、結果を表6に示した。シート抵抗は、抵抗率計(三菱化学社製MCP−T610)を用い、4探針法定電流印加方式でシート抵抗値(Ω/□)を測定した。各透明電極の高温保存下でのシート抵抗変化は、透明電極609のシート抵抗変化を100とする相対値で示している。
Figure 0006468186
(4)まとめ
表6から明らかなように、蒸着により形成された中間層上に銀(Ag)を主成分とした導電性層を設けた本発明の透明電極は、いずれも光透過率が65%以上である。これに対して、比較例の透明電極601〜608は、光透過率が65%未満のものがある。
また、耐久性(高温保存下での光透過率変化及び高温保存下でのシート抵抗変化)においても、本発明の透明電極が、比較例の透明電極601〜608と比較して、変化が小さく、優れていることがわかる。
また、PET(ポリエチレンテレフタレート)のような樹脂フィルムにおいても、本発明の化合物を中間層に用いることで、無アルカリガラスと同等の評価結果が得られたことから、基板によらず効果を発現することが確認できた。
以上から、本発明の透明電極は、高い光透過率を兼ね備え、更に耐久性に優れていることが確認された。
本発明の透明電極は、有機EL素子、液晶表示装置、太陽電池、電子ペーパー及びタッチパネルなどの電子デバイスに利用することができる。
1 透明電極
1a 中間層
1b 導電性層
3 有機機能層
3a 正孔注入層
3b 正孔輸送層
3c 発光層
3d 電子輸送層
3e 電子注入層
31 正孔輸送注入層
33 正孔阻止層
5a,5b,5c 対向電極
11 基板
13,131 透明基板(基板)
13a,131a 光取り出し面
15 補助電極
17 封止材
19 接着剤
21 照明装置
22 発光パネル
23 支持基板
100,200,300,400 有機EL素子
A 発光領域
B 非発光領域
h 発光光

Claims (4)

  1. 基板と導電性層との間に、前記導電性層に隣接して設けられる中間層を備える透明電極であって、
    前記導電性層が、銀を主成分として含有し、
    前記中間層が、下記一般式(2)で表される構造を有する化合物を含有することを特徴とする透明電極。
    Figure 0006468186
    〔一般式(2)中、R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。Lは、芳香族炭化水素環基又は芳香族複素環基を表す。X、X及びXは、それぞれ−CR10を表す。R10は、水素原子又は置換基を表す。〕
  2. 前記一般式(2)で表される構造が、下記一般式(3)で表される構造であることを特徴とする請求項1に記載の透明電極。
    Figure 0006468186
    〔一般式(3)中、R11〜R16は、それぞれ独立に、水素原子又は置換基を表す。X、X及びXは、それぞれ−CR17を表し、R17は水素原子又は置換基を表す。Y〜Yは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR18を表し、これらが互いに結合して新たな環を形成しても良い。R18は、水素原子又は置換基を表す。Z〜Zは、それぞれ独立に、窒素原子又は−CR19を表し、少なくとも一つは窒素原子を表す。これらは互いに結合して新たな環を形成してもよい。R19は、水素原子又は置換基を表す。〕
  3. 請求項1又は請求項2に記載の透明電極を備えていることを特徴とする電子デバイス。
  4. 請求項1又は請求項2に記載の透明電極を備えてい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。
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