JP7231436B2 - 有機電界発光素子 - Google Patents
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Description
有機電界発光素子は、陽極と陰極との間に発光性有機化合物を含んで形成される発光層を含む1種または複数種の層を挟んだ構造を持ち、陽極から注入されたホールと陰極から注入された電子が再結合する時のエネルギーを利用して発光性有機化合物を励起させ、発光を得るものである。有機電界発光素子は電流駆動型の素子であり、流れる電流をより効率的に活用するため、素子構造や、素子を構成する層の材料について種々検討されており、素子を構成する積層構造中の、陽極と発光層との間及び陰極と発光層とに金属酸化物層を有する有機無機ハイブリッド型の電界発光素子(特許文献1参照)等も報告されている。また、有機電界発光素子の電極については従来、透明電極としてITO(酸化インジウム錫)が広く使用されているが、それ以外の材料を使用することも報告されており、陰極や陽極として誘電体層で金属を挟んだ構造の多層電極を用いた有機電界発光素子(非特許文献1参照)が報告されている。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
電極として金属単体を用いることで、ITOを電極として用いた場合に比べて低電力で素子を駆動させることができる。また、本発明の素子は陰極側の積層構造の末端が基板上に形成された逆構造の素子であるから、素子を作製する際、陰極側では金属単体の層は、表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物の層上に形成されることになる。このような表面エネルギーの高い金属化合物層上に金属単体の層を形成すると均一な薄膜を形成することができ、また表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物の層の存在により金属単体の層を薄くしても導電性を高くできる。このため、ITOを電極として用いた場合に比べて電極である金属単体の層を薄くすることができ、これにより、フレキシビリティに優れた電極とすることができる。更に、金属単体の層を屈折率の高い層で挟むことで金属単体の層の光の反射を抑え、透明性の高い電極とすることができる。
陽極側にこのような積層構造を有する場合、該積層構造を構成する表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物の層、陽極側の金属単体の層(陽極の層)の具体例や好ましい構造、平均厚さは上述した陰極側の積層構造における表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物の層、陰極側の金属単体の層(陰極の層)のものと同様である。
この場合、陽極としては、Au、Ag、Al等が挙げられ、陽極の平均厚さは、特に限定されないが、10~1000nmであることが好ましく、より好ましくは、30~150nmである。
陽極と有機化合物層との間に金属酸化物層を構成する金属酸化物としては、上記仕事関数が3.5以上の金属酸化物が挙げられ、金属酸化物層の平均厚さは、特に限定されないが、1~1000nmであることが好ましく、より好ましくは、5~50nmである。
本発明の有機電界発光素子における有機化合物層は発光層を含む層であり、更に電子輸送層や正孔輸送層を含んでいてもよい。有機化合物層が電子輸送層を有するものである場合、発光層の陰極側に隣接して電子輸送層を有することになり、有機化合物層が正孔輸送層を有するものである場合、発光層の陽極側に隣接して正孔輸送層を有することになる。
なお、本発明において低分子材料とは、高分子材料(重合体)ではない材料を意味し、分子量が低い有機化合物を必ずしも意味するものではない。
電子輸送層の材料として用いることができる化合物の例としては、トリス-1,3,5-(3’-(ピリジン-3’’-イル)フェニル)ベンゼン(TmPyPhB)のようなピリジン誘導体、(2-(3-(9-カルバゾリル)フェニル)キノリン(mCQ))のようなキノリン誘導体、2-フェニル-4,6-ビス(3,5-ジピリジルフェニル)ピリミジン(BPyPPM)のようなピリミジン誘導体、ピラジン誘導体、バソフェナントロリン(BPhen)のようなフェナントロリン誘導体、2,4-ビス(4-ビフェニル)-6-(4’-(2-ピリジニル)-4-ビフェニル)-[1,3,5]トリアジン(MPT)のようなトリアジン誘導体、3-フェニル-4-(1’-ナフチル)-5-フェニル-1,2,4-トリアゾール(TAZ)のようなトリアゾール誘導体、オキサゾール誘導体、2-(4-ビフェニリル)-5-(4-tert-ブチルフェニル-1,3,4-オキサジアゾール)(PBD)のようなオキサジアゾール誘導体、2,2’,2’’-(1,3,5-ベントリイル)-トリス(1-フェニル-1-H-ベンズイミダゾール)(TPBI)のようなイミダゾール誘導体、ナフタレン、ペリレン等の芳香環テトラカルボン酸無水物、ビス[2-(2-ヒドロキシフェニル)ベンゾチアゾラト]亜鉛(Zn(BTZ)2)、トリス(8-ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(Alq3)などに代表される各種金属錯体、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(PyPySPyPy)等のシロール誘導体に代表される有機シラン誘導体等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。
これらの中でも、Alq3のような金属錯体、TmPyPhBのようなピリジン誘導体が好ましい。
窒素含有膜からなる層を形成する窒素含有化合物としては、例えば、ポリビニルピロリドンのようなピロリドン類、ポリピロールのようなピロール類又はポリアニリンのようなアニリン類、又はポリビニルピリジンのようなピリジン類、同様に、ピロリジン類、イミダゾール類、ピペリジン類、ピリミジン類、トリアジン類などの含窒素複素環を有する化合物や、アミン化合物が挙げられる。
ポリアミン類としては、塗布により層を形成することができるものが好ましく、低分子化合物であっても高分子化合物であってもよい。低分子化合物としては、ジエチレントリアミン、ペンタメチルジエチレントリアミンのようなポリアルキレンポリアミンが好適に用いられ、高分子化合物では、ポリアルキレンイミン構造を有する重合体が好適に用いられる。特にポリエチレンイミンが好ましい。中でも、窒素含有化合物が、ポリエチレンイミン又はジエチレントリアミンであることは本発明の好適な実施形態の1つである。
なお、ここで低分子化合物とは、高分子化合物(重合体)ではない化合物を意味し、分子量の低い化合物を必ずしも意味するものではない。
p型の高分子材料(有機ポリマー)としては、例えば、ポリアリールアミン、フルオレン-アリールアミン共重合体、フルオレン-ビチオフェン共重合体、ポリ(N-ビニルカルバゾール)、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ポリチオフェン、ポリアルキルチオフェン、ポリヘキシルチオフェン、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリチニレンビニレン、ピレンホルムアルデヒド樹脂、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂またはその誘導体等が挙げられる。
またこれらの化合物は、他の化合物との混合物として用いることもできる。一例として、ポリチオフェンを含有する混合物としては、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン/スチレンスルホン酸)(PEDOT/PSS)等が挙げられる。
これらの中でも、溶媒としては、非極性溶媒が好適であり、例えば、キシレン、トルエン、シクロヘキシルベンゼン、ジハイドロベンゾフラン、トリメチルベンゼン、テトラメチルベンゼン等の芳香族炭化水素系溶媒、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドン等の芳香族複素環化合物系溶媒、ヘキサン、ペンタン、ヘプタン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素系溶媒等が挙げられ、これらを単独または混合して用いることができる。
X線源:AlKα
ビーム出力:100W
PassEnergy:40eV
Step:0.1eV
上記基板の材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリアミド、ポリエーテルサルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリアリレートのような樹脂材料や、石英ガラス、ソーダガラスのようなガラス材料等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。
また、トップエミッション型の場合には、不透明基板も用いることができ、例えば、アルミナのようなセラミックス材料で構成された基板、ステンレス鋼のような金属基板の表面に酸化膜(絶縁膜)を形成したもの、樹脂材料で構成された基板等も用いることができる。
基板の平均厚さはデジタルマルチメーター、ノギスにより測定することができる。
本発明の有機電界発光素子は、有機化合物層の材料を適宜選択することによって発光色を変化させることができるし、カラーフィルター等を併用して所望の発光色を得ることもできる。そのため、表示装置の発光部位や照明装置として好適に用いることができる。特に、逆構造という特性から、酸化物TFTと組み合わせた表示装置が好適である。
このような、本発明の有機電界発光素子を備えることを特徴とする表示装置や、本発明の有機電界発光素子を備えることを特徴とする照明装置もまた、本発明の1つである。
以下に示す方法により、有機EL素子1を作製した。なお、基板以外の素子を構成する各層の厚みは、特に記載がない限り水晶振動子膜厚計により測定した。
[工程1]
基板1として、平均厚さ125μmの市販されているPETフィルムを用意した。基板1をイソプロパノール中で超音波洗浄し、その後、UVオゾン洗浄を20分間行った。
[工程2]
基板1を真空蒸着装置の基板ホルダーに固定した。真空蒸着装置内を約1×10-5Paの圧力となるまで減圧して、三酸化モリブデンMoO3を蒸着することにより製膜し、膜厚が50nmの金属化合物層2を形成した。続いて銀を蒸着することにより製膜し、膜厚8nmの金属単体層(陰極)3を製膜した。
[工程3]
続いてスパッタリング装置にセットし、金属単体層3上に、亜鉛金属をターゲットとし、反応ガスとして酸素をキャリアガスとしてアルゴンを用いたスパッタ法により、酸化亜鉛(ZnO)層を形成し、金属酸化物層4を製膜した。接触式段差計により当該酸化亜鉛層の膜厚を測定したところ、平均厚さは20nmであった。
[工程4]
次に、日本触媒製ポリエチレンイミン(登録商標:エポミン、品番:P-1000)を金属酸化物層4の上にスピンコートにより塗布し、ポリエチレンイミン層を製膜した。X線電光子分光法により当該ポリエチレンイミン層の膜厚を測定したところ、平均厚さは2nmであった。
[工程5]
続いて真空蒸着装置の基板ホルダーに固定し、ケミプロ化成より購入したKHLHS-04、KHLDR-03、下記式(1)で示されるN,N’-ジ(1-ナフチル)-N,N’-ジフェニル-1,1’-ビフェニル-4,4’-ジアミン(α-NPD)をそれぞれアルミナルツボに入れて蒸着源にセットした。そして、真空蒸着装置内を約1×10-5Paの圧力となるまで減圧して、KHLHS-04を15nm蒸着し、次にKHLHS-04、KHLDR-03、α-NPDを15nm共蒸着し、次に、α-NPDを40nm蒸着することにより、有機化合物層5を製膜した。さらに、三酸化モリブデンMoO3を真空一貫で蒸着することにより製膜し、膜厚が10nmの金属酸化物層6を形成した。
[工程6]
次に、金属酸化物層6まで形成した基板2上に、アルミニウム(陽極7)を膜厚が100nmとなるように蒸着し、本発明の実施例である「素子1」を得た。
上記[工程2]におけるMoO3を、硫化亜鉛ZnSに置き換えたこと以外は実施例1と同様にして、本発明の実施例である「素子2」を得た。
上記[工程1]において、市販されている150nmのITOが製膜された厚さ125μmのPETフィルムを基板および陰極として用い、工程2をなくしたこと以外は実施例1と同様にして、本発明の比較例である「素子3」を得た。
ケースレー社製の「2400型ソースメーター」を用いて、素子への電圧印加と、電流測定を行った。トプコン社製の「BM-7」を用いて4Vで駆動した時の発光輝度を測定した。続いて曲率半径4mmで素子全体を3回曲げたのち、もう一度同電圧で発光輝度を測定した。表2に4V印加時の輝度を示した。
このことから、ITOを電極に用いた素子に比べ本発明の素子1、2は、導電性が高く、かつ非常に高いフレキシブル性があることがわかる。
上記[工程2]を以下の[工程2-3]に、[工程6]を以下の[工程6-3]に置き換えたこと以外は実施例1と同様にして、本発明の実施例である「素子4」を得た。
[工程2-3]
基板1を真空蒸着装置の基板ホルダーに固定した。真空蒸着装置内を約1×10-5Paの圧力となるまで減圧して、スパッタリング装置にセットし、亜鉛金属をターゲットとし、反応ガスとして酸素をキャリアガスとしてアルゴンを用いたスパッタ法により、金属化合物層2として酸化亜鉛(ZnO)層を形成した。接触式段差計により当該酸化亜鉛層の膜厚を測定したところ、平均厚さは20nmであった。続いて銀を蒸着することにより製膜し、膜厚8nmの金属単体層(陰極)3を製膜した。
[工程6-3]
次に、金属酸化物層6まで形成した基板2上に、銀(陽極7)を膜厚が15nmとなるように蒸着し、本発明の実施例である「素子4」を得た。
また、素子4についても表2と同様の曲げ試験を行ったところ、曲げ試験前の輝度は450cd/m2、曲げ試験後の輝度は420cd/m2であり、曲げ試験後も輝度がほとんど変わらないことを確認した。輝度が低いのは、透過率が高いために逆方向にも光が出ているためである。これらのことからITOを電極に用いた素子に比べ、本発明の素子4も導電性が高く、かつ非常に高いフレキシブル性があることがわかる。
さらに、素子4は透過性に優れた、いわゆる透明有機ELの特徴も有していた。素子4と、透過性の参考素子として、素子1の実物の写真を図2に、可視光透過率を測定した結果を図3に示す。素子4の550nmでの透過率は60%程度であり、目視で十分フィルムの向こう側が確認可能であることがわかる。一方、参考素子である素子1では、ほとんど透過せず、不透明であることがわかる。
この結果からわかるように、素子4で両極に使用した銀薄膜は、導電性、可視光透過性に優れ、更にフレキシブル性にも優れた材料である。この結果は、電極材料選択の自由度が高く、電極の仕事関数に依存せず電子および正孔のキャリアの注入が可能な逆構造の有機電界発光素子を用いたが故に実現されたことである。そのため、銀に限らず、より導電性、可視光透過性に優れ、更にフレキシブル性にも優れた材料があるならば、それを用いることはできる。
2:金属化合物層
3:金属単体層(陰極)
4:金属酸化物層
5:有機化合物層
6:金属化合物層
7:金属単体層(陽極)
8:金属酸化物層
Claims (11)
- 陽極と陰極と有機化合物層とを含む複数の層が積層された構造を有する有機電界発光素子であって、
該有機電界発光素子は、陰極側の積層構造の末端が基板上に形成され、
陰極側の積層構造の末端から、表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物の層、金属単体の層(アルミニウムの単体の層と銀の単体の層とが積層された構造のものを除く)、金属酸化物の層、有機化合物層をこの順に有し、
該表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物は、Zn、Mo、Ti、Mg、Ce、Fe、及び、Zrから選択されるいずれかの金属元素の酸化物及び/又は硫化物である
ことを特徴とする有機電界発光素子。 - 前記金属単体の層は、Ag、Al、Au、Cu、W、Co、Ni、Zn、K、Li、Fe、Pt、Sn、Cr、Pb、Ti、Mn、及び、Pdからなる群より選択される金属単体の層であることを特徴とする請求項1に記載の有機電界発光素子。
- 前記金属酸化物の層は、仕事関数が3.5以上の金属酸化物の層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機電界発光素子。
- 前記有機電界発光素子は更に、陽極側の積層構造の末端から、金属酸化物の層、金属単体の層、表面エネルギーが60dyne/cm以上の金属化合物の層、有機化合物層をこの順に有することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の有機電界発光素子。
- 前記陽極側の金属単体の層は、Ag、Al、Au、Cu、W、Co、Ni、Zn、K、Li、Fe、Pt、Sn、Cr、Pb、Ti、Mn、及び、Pdからなる群より選択される金属単体の層であることを特徴とする請求項4に記載の有機電界発光素子。
- 前記陽極側の金属酸化物の層は、仕事関数が3.5以上の金属酸化物の層であることを特徴とする請求項4又は5に記載の有機電界発光素子。
- 発光領域の550nmにおける光線透過率が50%以上であることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の有機電界発光素子。
- さらに、発光領域の450nmにおける光線透過率が50%未満であることを特徴とする請求項7に記載の有機電界発光素子。
- さらに、発光領域の650nmにおける光線透過率が50%以上であることを特徴とする請求項7に記載の有機電界発光素子。
- 請求項1~9のいずれかに記載の有機電界発光素子を備えることを特徴とする表示装置。
- 請求項1~9のいずれかに記載の有機電界発光素子を備えることを特徴とする照明装置。
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