JP7487730B2 - 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有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法に関し、より詳しくは、成膜時に大気下で安定であり、低電圧駆動可能な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に関する。
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。)に用いられる反射電極(例えば、陰極)は、光取り出しを向上させるためにAlやAgといった反射率の高いものが用いられている。これらの材料は仕事関数が大きく、通常では有機層へ電子注入することが難しいが、当該有機層への電子注入改良に関しては、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を陰極表面に積層する手段、又はアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を有機層に混合させる手段、導電性の金属酸化物を陰極と有機層の間に積層する手段、及び導電性の金属酸化物と有機物の混合層を陰極と有機層の間に積層する手段の4つが知られている(例えば、特許文献1~4及び非特許文献1、2参照。)。しかしながら、いずれの手段も大気に致命的に弱いという問題を抱えており、高真空の蒸着器内や高純度の窒素環境等でデバイスを作製する必要があった。
前記した材料は巨大な極性、不純物準位等により陰極の界面に電気二重層を形成させることで陰極から有機層への電子注入を達成している。しかしながら、この巨大な極性があることや不純物準位があることこそが、大気、特に水や酸素によって機能劣化の影響を受けることと同義であり、実際大気下で成膜すると大気による材料の顕著な機能劣化がみられる。それゆえ、成膜時に材料が「大気に安定であること」と「電子注入能を持つこと」は矛盾する内容となっており、両者を併せ持つ材料の開発が望まれていた。
特開平6-325871号公報 特開平9-17574号公報 特開平10-74586号公報 特開2013-8935号公報
Adv.Mater.2014,26,2750-2754 Adv.Mater.2015,27,4681-4687
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、成膜時に大気下で安定であり、低電圧駆動可能な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する過程において、陽極と陰極との間に配置される電子輸送層が、絶縁性誘電材料と導電性材料とをそれぞれ少なくとも1種類ずつ含有しており、導電性材料と絶縁性誘電材料の質量比が特定の範囲内であり、当該層の比誘電率が特定の値以上であるときに、成膜時に大気下で安定であり、低電圧駆動可能な有機エレクトロルミネッセンス素子が得られることを見出した。
すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。
1.陽極と陰極との間に複数の機能層を備える有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
記複数の機能層が、発光層及び電子輸送層を含み、
前記電子輸送層が、絶縁性誘電材料と導電性材料とをそれぞれ少なくとも1種類ずつ含有しており、
前記絶縁性誘電材料が、絶縁性金属酸化物、絶縁性の誘電高分子、又は絶縁性の誘電オリゴマーであり、
前記導電性材料が、有機化合物であり、
前記電子輸送層の、前記導電性材料と前記絶縁性誘電材料の体積比が、95:5~68:32の範囲内であり、
かつ、前記電子輸送層の比誘電率が4.0以上であ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
2.前記比誘電率が、6.0以上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
.前記絶縁性金属酸化物が、ナノ粒子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
.前記誘電高分子又はオリゴマーが、ポリフッ化ビニリデンを繰り返し単位に含む高分子又はオリゴマー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
.前記電子輸送層を、大気環境下で形成する工程を有し、
第1項から第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を製造する
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より、成膜時に大気下で安定であり、低電圧駆動可能な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を提供することができる。
本発明の効果の発現機構ないし作用機構については、明確にはなっていないが、以下のように推察している。
本発明の電子デバイスは、絶縁性誘電材料と導電性材料とを機能層、中でも陰極に隣接する層に混合して含有することで、成膜時には大気下で不安定な構造となる電気二重層を形成せず、大気下での成膜を可能とし、デバイス作製後には封止を行うことで、駆動時のみに絶縁性誘電材料が電気二重層を形成することで、電子注入を可能にすることを特徴とする。したがって、これまで抱えていた電子注入性と大気下での安定性という、同時に達成不可能な問題に対応できるようになったものと推察される。
また、本発明での絶縁性誘電材料を用いた電子注入メカニズムは、上述の陰極から有機
層への電子注入に限らず、すべての層間における電子注入能、またはホール注入能を向上させると同時に、それを大気下で安定に成膜することができるものである。さらにこの技術は、発光デバイスに限らず、有機薄膜太陽電池や有機トランジスタといった有機電子デバイスに応用することも可能である。
図1は、絶縁性誘電材料の効果を説明する模式図である。
図1においては、矢印が密に表記されているものほど強い電界で、矢印が疎に表記されているものほど弱い電界であることを意味している。
図1Aは絶縁性誘電材料が電極間に無い場合を示し、電極に電圧をかけた場合は弱い電界となる。図1Bは絶縁性誘電材料が電極間に存在する場合を示し、電極に電圧をかけると、当該誘電材料とその近辺では内部電界が発生する結果、電極界面での注入性が向上するのと同時に、キャリア輸送性が向上し、層内での電界が外部電界以上の強い電界となる。本発明では、当該強い電界発生によって、陰極から有機層への電子注入に限らず、すべての層間における電子注入能、又はホール注入能及び電子輸送性、又はホール輸送性が向上するものと推察される。
絶縁性誘電材料の効果を説明する模式図 絶縁性誘電材料の効果を説明する模式図 有機EL素子の一例を示す断面図 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、陽極と陰極との間に複数の機能層を備える有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記複数の機能層が、発光層及び電子輸送層を含み、前記電子輸送層が、絶縁性誘電材料と導電性材料とをそれぞれ少なくとも1種類ずつ含有しており、前記絶縁性誘電材料が、絶縁性金属酸化物、絶縁性の誘電高分子、又は絶縁性の誘電オリゴマーであり、前記導電性材料が、有機化合物であり、前記電子輸送層の、前記導電性材料と前記絶縁性誘電材料の体積比が、95:5~68:32の範囲内であり、かつ、前記電子輸送層の比誘電率が4.0以上であることを特徴とする。この特徴は、下記実施態様に共通する又は対応する技術的特徴である。
本発明の実施態様としては、本発明の効果発現の観点から、前記比誘電率が、6.0以上であることが、好ましい。これによって、より低電圧駆動可能な電子デバイス提供することができる。
また、前記機能層が、少なくとも発光層を含むことが、好ましい。これによって、より低電圧駆動可能な発光デバイスを提供することができる。
前記絶縁性誘電材料が、絶縁性金属酸化物を含有することが、誘電率を向上させる観点から、好ましい。一般に、有機物よりも金属酸化物の方が、誘電性が高いことが知られている。
前記絶縁性金属酸化物が、粒子構造であることが、内部電界発生の観点から、好ましい。絶縁性誘電材料は層内で分子がバラバラに存在しているよりも、ある程度凝集している方が、より強い内部電界を発生できる。しかしながら、膜厚に対して、粒形が大きすぎると均一に層内に配置することが難しくなるため、配置する膜の膜厚に応じて、粒形を調整した方がよい。
前記絶縁性誘電材料が、絶縁性の誘電高分子又はオリゴマーであることが、内部電界発生の観点から、好ましい。上述の通り、絶縁性誘電材料は層内で凝集している方が好ましい。高分子材料は、低分子材料と比較して、モノマー同士が化学連結している点から相分離構造をつくりやすく、誘電材料同士での凝集を誘発しやすくなる。
前記誘電高分子又はオリゴマーが、ポリフッ化ビニリデンを繰り返し単位に含む高分子又はオリゴマーであることが、誘電率を向上させる観点から、好ましい。ポリフッ化ビニリデンは高分子そのものの誘電率が高い上に、通常用いられる有機導電材料は芳香族化合物であることから、ポリフッ化ビニリデンとは強い相分離構造を形成し、膜内での内部電界発生にも有利に働く点から、好ましい。
前記絶縁性誘電材料を含有する層が電子輸送層、又は電子注入層であることが、仕事関数の大きいカソードからの電子注入の観点から、好ましい。
本発明の電子デバイスの態様として、有機エレクトルミネッセンス素子又は有機光電変換素子であることが、好ましい。
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、本願において、「~」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。
≪本発明の電子デバイスの概要≫
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、陽極と陰極との間に複数の機能層を備える有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記複数の機能層が、発光層及び電子輸送層を含み、前記電子輸送層が、絶縁性誘電材料と導電性材料とをそれぞれ少なくとも1種類ずつ含有しており、前記絶縁性誘電材料が、絶縁性金属酸化物、絶縁性の誘電高分子、又は絶縁性の誘電オリゴマーであり、前記導電性材料が、有機化合物であり、前記電子輸送層の、前記導電性材料と前記絶縁性誘電材料の体積比が、95:5~68:32の範囲内であり、かつ、前記電子輸送層の比誘電率が4.0以上であることを特徴とする。
本発明に係る「機能層」とは、電子デバイスにおいて、例えば、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層又は電子注入層を一例として挙げることができる。本発明に係る絶縁性誘電性材料は、中でも、陰極側に接する電子輸送層又は電子注入層に含有されることが好ましい。
本発明に係る「比誘電率」とは、物質の誘電率と真空の誘電率の比をいう。本発明では、誘電材料含有層の単電荷デバイス(エレクトロンオンリーデバイス:EODと略記する。)を作製し、インピーダンス分光法により測定された値をいう。比誘電率の測定は日本工業規格JIS 2138:2007を参照しておこうことができる。具体例としては、Solartron126096を用いてインピーダンス分光により測定を行う。なお、測定条件は周波数10(MHz)~1(Hz)、AC:0.1(V)、DC:0(V)である。
本発明でいう「絶縁性」とは、電気を通しにくい性質をいい、本発明では、材料単独で用いた際に導電性を有しないことを示し、より具体的には、絶縁性誘電材料を用いて前記EODを作製し、インピーダンス分光による易動度測定を行うことで求めることができる(文献Phys. Rev. B 60,R8489参照。)。
この測定手法で常温(25℃)かつ電界の平方根(E1/2 )が800(V/cm)1/2のときに易動度(μ)が1.0×10-9以下となる材料を本発明では絶縁性材料と定義する。
本発明でいう「導電性」とは、電流が流れやすい性質をいい、本発明では、導電性材料を用いて前記EODを作製し、上記インピーダンス分光による易動度測定により、易動度(μ)が1.0×10-9を超えるものを導電性材料と定義する。
以下、本発明の構成要素の詳細について説明する。
〔1〕絶縁性誘電材料
本発明の電子デバイスの特徴は陽極と陰極の間に一つ又は複数の機能層を備え、前記機能層のいずれか一つの層が、絶縁性誘電材料と導電性材料とを含有することである。本発明に係る絶縁性誘電材料は、成膜時には大気下で不安定な構造となる電気二重層を形成せず、大気下での成膜を可能とし、デバイス作製後に封止を行うことで、駆動時のみに絶縁性誘電材料が電気二重層を形成することで電子注入できるようにしている。
また、本発明に係る絶縁性誘電材料を用いた電子注入メカニズムは、陰極から有機層への電子注入に限らず、すべての層間における電子注入能、又はホール注入能を向上させると同時に、それを大気下で安定に成膜することができる。それゆえ、本発明に係る絶縁性誘電材料は、後述する機能層の各層に添加されていてもよい。
本発明に係る絶縁性誘電材料としては、常誘電体、圧電体、焦電体、強誘電体のいずれでもよいが、本発明の効果を発現する機構上、外部電界への追従性が強い誘電体の方が好ましい。ただし、それは誘電体が膜中でランダムに配列される場合のことで、誘電体が電界方向に配列し、電界を強める形とする場合には強誘電体のような外部電界からの追従性が弱いものでも機能を発現することができる。より具体的には、金属酸化物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、有機ラジカル材料、有機高分子材料、有機液晶材料などが挙げられる。
〔1.1〕絶縁性金属酸化物
絶縁性金属酸化物としては、特に制限されないが、化学的安定性、物理的安定性という観点から、アルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、マグネシア又はニオブが好ましい。具体的には、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウムと酸化シリコンとの固溶体、酸化シリコン、酸化二アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、酸化ビスマス、酸化銅、酸化スズ、酸化ハフニウム、又はこれら金属酸化物の水和物、さらには、チタン酸バリウム、ジルコニウム酸バリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸カルシウム、タンタル酸ストロンチウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスナトリウム、又はこれらのうち少なくとも一種を組成に含む絶縁性固溶体を例示することができる。
中でも好ましくは、比誘電率100以上の金属酸化物が挙げられ、この例としては、ルチル型の酸化チタン(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO)、五酸化ニオブ(Nb23)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)や、チタン酸ジルコン酸バリウム(BaTi0.5Zr0.53)、チタン酸ジルコン酸鉛(PbTi0.5Zr0.53)などの組成式MTi1-xZrx3(Mは2価の金属元素、xは0以上1未満)で表される絶縁性金属酸化物、またはこれらの水和物、さらにはこれらのうち少なくとも一種類を組成に含む絶縁性固溶体が挙げられる。
本発明では前記金属酸化物がナノ粒子であることが好ましい。「ナノ粒子」とは、粒子直径が1nm以上500nm以下の球状、断面直径が1nm以上500nm以下の繊維状、または厚さが1nm以上500nm以下の板状の粒子をいう。
〔1.2〕液晶材料
本発明に係る液晶材料は、単一の液晶性化合物であることを要しないのは勿論で、2種以上の液晶化合物や液晶化合物以外の物質も含んだ混合物であっても良く、通常この技術分野で液晶材料として認識されるものであればよい。用いられる液晶としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶が好ましく、ネマチック液晶が特に好ましい。その性能を改善するために、コレステリック液晶、カイラルネマチック液晶、カイラルスメクチック液晶等、カイラル化合物や2色性染料等が適宜含まれていてもよい。
液晶材料としては、安息香酸エステル系、シクロヘキサンカルボン酸エステル系、ビフェニル系、ターフェニル系、フェニルシクロヘキサン酸系、ビフェニルシクロヘキサン酸系、ピリミジン系、ジオキサン系、シクロヘキサンエステル系、トラン系等の各種液晶化合物が使用される。例えば、4-置換安息香酸4′-置換フェニルエステル、4-置換シクロヘキサンカルボン酸4′-置換フェニルエステル、4-置換シクロヘキサンカルボン酸4′-置換ビフェニルエステル、4-(4-置換シクロヘキサンカルボニルオキシ)安息香酸4′-置換フェニルエステル、4-(4-置換シクロヘキシル)安息香酸4′-置換シクロヘキシルエステル、4-置換4′-置換ビフェニル、4-置換フェニル4′-置換シクロヘキサン、4-置換4″-置換タ-フェニル、4-置換ビフェニル4′-置換ビフェニル4′-置換シクロヘキサン、2-(4-置換フェニル)-5-置換ピリミジンなどを挙げることができる。
具体的には、trans-4-シアノ-4′-(4-アミノシクロヘキシル)ビフェニル、4-シアノ-4′-ヘプチルオキシビフェニル、4′-エトキシ-4-ビフェニルカルボニトリル、1-エトキシ-4-(p-トリルエチニル)ベンゼン、1-(4-メトキシフェニル)-2-(4-ペンチルフェニル)アセチレン、炭酸4-(4-エトキシフェノキシカルボニル)フェニルエチル、N-(2-ヒドロキシーp-アニサル)-4-ブチルアニリン、trans,trans-4-(2,3-ジフルオロ-4-メチルフェニル)-4′-エチルビシクロヘキシル、4,4′-ジヘキシルオキシアゾキシベンゼン、4,4′-ジメトキシアゾキシベンゼン、4-アミル安息香酸4-シアノ-3,5-ジフルオロフェニル、trans-4-プロピルシクロヘキシルなどが挙げられる。
〔1.3〕絶縁性の誘電高分子又はオリゴマー
本発明に係る絶縁性の誘電高分子又はオリゴマーとしては、特に限定されるものではないが、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、酢酸ビニル、ポリウレタン、シアン化ビニリデン、trans-4-シアノ-4′-(4-アミノシクロヘキシル)ビフェニル、4-シアノ-4′-ヘプチルオキシビフェニル、4′-エトキシ-4-ビフェニルカルボニトリル、1-エトキシ-4-(p-トリルエチニル)ベンゼン、1-(4-メトキシフェニル)-2-(4-ペンチルフェニル)アセチレン、炭酸4-(4-エトキシフェノキシカルボニル)フェニルエチル、N-(2-ヒドロキシ-p-アニサル)-4-ブチルアニリン、trans,trans-4-(2,3-ジフルオロ-4-メチルフェニル)-4′-エチルビシクロヘキシル、4,4′-ジヘキシルオキシアゾキシベンゼン、4,4′-ジメトキシアゾキシベンゼン、4-アミル安息香酸4-シアノ-3,5-ジフルオロフェニル、trans-4-プロピルシクロヘキシルなどが挙げられるが、本発明の絶縁性誘電材料は層の誘電率を向上させることができる材料であれば、電子注入能又はホール注入能を向上させることができるため、上記の限りではない。
中でも、ポリフッ化ビニリデンを繰り返し単位に含む高分子又はオリゴマーであることが好ましい。
なお、本発明の絶縁性誘電材料は膜の誘電率を向上させることができる材料であれば、電子注入能又はホール注入能を向上させることができるため、上記の限りではない。
後述する本発明に係る有機EL素子に設ける絶縁性誘電材料の含有量は任意に決定することができるが、絶縁性誘電材料を添加することによる低電圧効果と、絶縁物が層に入り込むことによる高電圧効果の2つ競合することとなる。加えて、この2つの効果の度合いは絶縁性誘電材料が含有される層における導電性材料と絶縁性誘電材料の両者によって決定される。
例えば、後述の実施例で用いる電子輸送材料A1とポリフッ化ビニリデン(PVDF1)は体積比率が82:28(A1:PVDF1)となる条件で最も低電圧化する。しかし、ここで用いる導電材料を電子輸送材料A2に変えると、最も低電圧化する体積比率は87:13(A2:PVDF1)となる。これは、絶縁性導電材料を変えた場合でも同様で、材料が異なると最も低電圧化する最適値は異なる。この詳しいメカニズムについて、よくはわかっていないが、導電性材料と絶縁性誘電材料の相互作用により導電性材料、絶縁性誘電材料のいずれか、もしくは両方の分極状態が変化することによって外部電界に対する応答性が変化していると考えられる。以上より、本発明を実施するに当たっての材料添加量は、用いる材料毎で最適値を求める必要があり、包括的に好ましい条件はない。
〔2〕導電性材料
本発明に係る導電性材料は、後述する〔3.1〕有機EL素子、又は〔3.2〕有機光電変換素子で詳述する、各機能層に含有される有機化合物が該当する。詳細については〔3〕電子デバイスの項を参照できる。
〔3〕電子デバイス
〔3.1〕有機EL素子
本発明の電子デバイス用組成物は、前述のとおり、有機EL素子の形成に用いることができる。有機EL素子は、陽極と陰極の間に少なくとも発光層を有する機能層によって構成され、該機能層の少なくとも1層が、前述の電子デバイス用組成物を含有する。有機EL素子は、照明装置及び表示装置に好適に具備され得る。
有機EL素子における代表的な素子構成としては、以下の構成を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
(1)陽極/発光層//陰極
(2)陽極/発光層/電子輸送層/陰極
(3)陽極/正孔輸送層/発光層/陰極
(4)陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(5)陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極
(6)陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(7)陽極/正孔注入層/正孔輸送層/(電子阻止層/)発光層/(正孔阻止層/)電子輸送層/電子注入層/陰極
上記の中で(7)の構成が好ましく用いられるが、これに限定されるものではない。
(7)の構成において、正孔注入層/正孔輸送層/(電子阻止層)/発光層までを有機機能層群1、及び(正孔阻止層/)電子輸送層/電子注入層までを有機機能層群2と呼ぶ場合がある。
本発明に用いられる発光層は、単層又は複数層で構成されており、発光層が複数の場合は各発光層の間に非発光性の中間層を設けてもよい。
必要に応じて、発光層と陰極との間に正孔阻止層(正孔障壁層ともいう)や電子注入層(陰極バッファー層ともいう)を設けてもよく、また、発光層と陽極との間に電子阻止層(電子障壁層ともいう)や正孔注入層(陽極バッファー層ともいう)を設けてもよい。
本発明に用いられる電子輸送層とは、電子を輸送する機能を有する層であり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。また、複数層で構成されていてもよい。
本発明に用いられる正孔輸送層とは、正孔を輸送する機能を有する層であり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。また、複数層で構成されていてもよい。
図2は、代表的な有機EL素子の構成を示す断面図である。
有機EL素子100は、基材101、陽極102、正孔注入層103、正孔輸送層104、発光層105、正孔阻止層106、電子輸送層107、電子注入層108及び陰極109をこの順に備えている。
上記の代表的な素子構成において、陽極と陰極を除いた層を「機能層110」という。
(タンデム構造)
また、当該有機EL素子は、少なくとも1層の発光層を含む発光ユニットを複数積層した、いわゆるタンデム構造の素子であってもよい。
タンデム構造の代表的な素子構成としては、例えば以下の構成を挙げることができる。
陽極/第1発光ユニット/中間層/第2発光ユニット/中間層/第3発光ユニット/陰極
ここで、上記第1発光ユニット、第2発光ユニット及び第3発光ユニットは全て同じであっても、異なっていてもよい。また二つの発光ユニットが同じであり、残る一つが異なっていてもよい。
複数の発光ユニットは直接積層されていても、中間層を介して積層されていてもよく、中間層は、一般的に中間電極、中間導電層、電荷発生層、電子引抜層、接続層、中間絶縁層とも呼ばれ、陽極側の隣接層に電子を、陰極側の隣接層に正孔を供給する機能を持った層であれば、公知の材料構成を用いることができる。
中間層に用いられる材料としては、例えば、ITO(インジウムスズ酸化物)、IZO(インジウム・亜鉛酸化物)、ZnO2、TiN、ZrN、HfN、TiOx、VOx、CuI、InN、GaN、CuAlO2、CuGaO2、SrCu22、LaB6、RuO2、Al等の導電性無機化合物層や、Au/Bi23等の2層膜や、SnO2/Ag/SnO2、ZnO/Ag/ZnO、Bi23/Au/Bi23、TiO2/TiN/TiO2、TiO2/ZrN/TiO2等の多層膜、またC60等のフラーレン類、オリゴチオフェン等の導電性有機物層、金属フタロシアニン類、無金属フタロシアニン類、金属ポルフィリン類、無金属ポルフィリン類等の導電性有機化合物層等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
発光ユニット内の好ましい構成としては、例えば、上記の代表的な素子構成で挙げた(1)~(7)の構成から、陽極と陰極を除いたもの等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
タンデム型有機EL素子の具体例としては、例えば、米国特許第6337492号明細書、米国特許第7420203号明細書、米国特許第7473923号明細書、米国特許第6872472号明細書、米国特許第6107734号明細書、米国特許第6337492号明細書、国際公開第2005/009087号、特開2006-228712号公報、特開2006-24791号公報、特開2006-49393号公報、特開2006-49394号公報、特開2006-49396号公報、特開2011-96679号公報、特開2005-340187号公報、特許第4711424号公報、特許第3496681号公報、特許第3884564号公報、特許第4213169号公報、特開2010-192719号公報、特開2009-076929号公報、特開2008-078414号公報、特開2007-059848号公報、特開2003-272860号公報、特開2003-045676号公報、国際公開第2005/094130号等に記載の素子構成や構成材料等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
更に、有機EL素子を構成する各層について説明する。
〔基板〕
有機EL素子に適用可能な基板としては、特に制限はなく、例えば、ガラス、プラスチック等の種類を挙げることができる。
本発明に用いられる基板は、光透過性であっても、光不透過性であってもよい。本発明に適用可能な基板としては、特に制限されず、例えば、樹脂基板、薄膜金属箔、薄板フレキシブルガラス等が挙げられる。
本発明に適用可能な樹脂基板としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(略称:PET)、ポリエチレンナフタレート(略称: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(略称: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(略称: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及びそれらの誘導体、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(略称:PC)、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(略称: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、アクリル及びポリアリレート類、アートン(商品名、JSR社製)及びアペル(商品名、三井化学社製)等のシクロオレフィン系樹脂等を挙げることができる。
これら樹脂基板のうち、コストや入手の容易性の点では、ポリエチレンテレフタレート(略称:PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(略称:PEN)、ポリカーボネート(略称:PC)等のフィルムが可撓性の樹脂基板として好ましく用いられる。
樹脂基板の厚さとしては、3~200μmの範囲内にある薄膜の樹脂基板であることが好ましいが、より好ましくは10~150μmの範囲内であり、特に好ましくは、20~120μmの範囲内である。
また、本発明用いられる基板として適用可能な薄板ガラスは、湾曲できるほど薄くしたガラス板である。薄板ガラスの厚さは、薄板ガラスが可撓性を示す範囲で適宜設定できる。
薄板ガラスとしては、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。薄板ガラスの厚さとしては、例えば、5~300μmの範囲であり、好ましくは20~150μmの範囲である。
また、薄膜金属箔の形成材料としては、例えば、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。薄膜金属箔の厚さは、薄膜金属箔がフレキシビリティーを示す範囲で適宜設定することができ、例えば、10~100μmの範囲内であり、好ましくは20~60μmの範囲内である。
(第1電極:陽極)
有機EL素子を構成する陽極としては、Ag、Au等の金属又は金属を主成分とする合金、CuI、又はインジウム-スズの複合酸化物(ITO)、SnO2及びZnO等の金属酸化物を挙げることができるが、金属又は金属を主成分とする合金であることが好ましく、更に好ましくは、銀又は銀を主成分とする合金である。
透明陽極を、銀を主成分として構成する場合、銀の純度としては、99%以上であることが好ましい。また、銀の安定性を確保するためにパラジウム(Pd)、銅(Cu)及び金(Au)等が添加されていてもよい。
透明陽極は銀を主成分として構成されている層であるが、具体的には、銀単独で形成しても、又は銀(Ag)を含有する合金から構成されていてもよい。そのような合金としては、例えば、銀・マグネシウム(Ag・Mg)、銀・銅(Ag・Cu)、銀・パラジウム(Ag・Pd)、銀・パラジウム・銅(Ag・Pd・Cu)、銀・インジウム(Ag・In)などが挙げられる。
上記陽極を構成する各構成材料の中でも、本発明用いられる有機EL素子を構成する陽極としては、銀を主成分として構成し、厚さが2~20nmの範囲内にある透明陽極であることが好ましいが、更に好ましくは厚さが4~12nmの範囲内である。厚さが20nm以下であれば、透明陽極の吸収成分及び反射成分が低く抑えられ、高い光透過率が維持されるため好ましい。
本発明でいう銀を主成分として構成されている層とは、透明陽極中の銀の含有量が60質量%以上であることをいい、好ましくは銀の含有量が80質量%以上であり、より好ましくは銀の含有量が90質量%以上であり、特に好ましくは銀の含有量が98質量%以上である。また、本発明に係る透明陽極でいう「透明」とは、波長550nmでの光透過率が50%以上であることをいう。
透明陽極においては、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。
また、本発明においては、陽極が、銀を主成分として構成する透明陽極である場合には、形成する透明陽極の銀膜の均一性を高める観点から、その下部に、下地層を設けることが好ましい。下地層としては、特に制限はないが、窒素原子又は硫黄原子を有する有機化合物を含有する層であることが好ましく、当該下地層上に、透明陽極を形成する方法が好ましい態様である。
〔発光層〕
有機EL素子を構成する発光層は、発光材料としてリン光発光化合物、又は蛍光性化合物を用いることができるが、本発明においては、特に、発光材料としてリン光発光化合物が含有されている構成が好ましい。
この発光層は、電極又は電子輸送層から注入された電子と、正孔輸送層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の層内であっても発光層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、各発光層間には非発光性の中間層を有していることが好ましい。
発光層の厚さの総和は、1~100nmの範囲内にあることが好ましく、より低い駆動電圧を得ることができることから1~30nmの範囲内がさらに好ましい。なお、発光層の厚さの総和とは、発光層間に非発光性の中間層が存在する場合には、当該中間層も含む厚さである。
以上のような発光層は、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(ラングミュア・ブロジェット、Langmuir Blodgett法)及びインクジェット法等の公知の方法により形成することができる。
また発光層は、複数の発光材料を混合してもよく、リン光発光材料と蛍光発光材料(蛍光ドーパント、蛍光性化合物ともいう)とを同一発光層中に混合して用いてもよい。発光層の構成としては、ホスト化合物(発光ホスト等ともいう)及び発光材料(発光ドーパント化合物ともいう。)を含有し、発光材料より発光させることが好ましい。
(ホスト化合物)
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。さらにリン光量子収率が0.01未満であることが好ましい。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、公知のホスト化合物を単独で用いてもよく、又は、複数種のホスト化合物を用いてもよい。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、有機電界発光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。
発光層に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。
本発明に適用可能なホスト化合物としては、例えば、特開2001-257076号公報、同2001-357977号公報、同2002-8860号公報、同2002-43056号公報、同2002-105445号公報、同2002-352957号公報、同2002-231453号公報、同2002-234888号公報、同2002-260861号公報、同2002-305083号公報、米国特許出願公開第2005/0112407号明細書、米国特許出願公開第2009/0030202号明細書、国際公開第2001/039234号、国際公開第2008/056746号、国際公開第2005/089025号、国際公開第2007/063754号、国際公開第2005/030900号、国際公開第2009/086028号、国際公開第2012/023947号、特開2007-254297号公報、欧州特許第2034538号明細書等に記載されている化合物を挙げることができる。
(発光材料)
本発明で用いることのできる発光材料としては、リン光発光性化合物(リン光性化合物、リン光発光材料又はリン光発光ドーパントともいう。)及び蛍光発光性化合物(蛍光性化合物又は蛍光発光材料ともいう。)が挙げられるが、特に、リン光発光性化合物を用いることが、高い発光効率を得ることができる観点から好ましい。
〈リン光発光性化合物〉
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、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性化合物を用いる場合、任意の溶媒のいずれかにおいて、上記リン光量子収率として0.01以上が達成されればよい。
リン光発光性化合物は、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、さらに好ましくはイリジウム化合物、オスミウム化合物、白金化合物(白金錯体系化合物)又は希土類錯体であり、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が、二種以上のリン光発光性化合物が含有されていてもよく、発光層におけるリン光発光性化合物の濃度比が発光層の厚さ方向で変化している態様であってもよい。
本発明に使用できる公知のリン光発光性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号明細書等に記載の化合物を挙げることができる。
また、Inorg.Chem.40,1704(2001)、Chem.Mater.16,2480(2004)、Adv.Mater.16,2003(2004)、Angew.Chem.Int.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2009/000673号、米国特許第7332232号明細書、米国特許出願公開第2009/0039776号、米国特許第6687266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2008/0015355号明細書、米国特許第7396598号明細書、米国特許出願公開第2003/0138657号明細書、米国特許第7090928号明細書等に記載の化合物を挙げることができる。
また、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2006/056418号、国際公開第2005/123873号、国際公開第2006/082742号、米国特許出願公開第2005/0260441号明細書、米国特許第7534505号明細書、米国特許出願公開第2007/0190359号明細書、米国特許第7338722号明細書、米国特許第7279704号明細書、米国特許出願公開第2006/103874号明細書等に記載の化合物も挙げることができる。
さらには、国際公開第2005/076380号、国際公開第2008/140115号、国際公開第2011/134013号、国際公開第2010/086089号、国際公開第2012/020327号、国際公開第2011/051404号、国際公開第2011/073149号、特開2009-114086号公報、特開2003-81988号公報、特開2002-363552号公報等に記載の化合物も挙げることができる。
本発明においては、好ましいリン光発光性化合物としては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一つの配位様式を含む錯体が好ましい。
上記説明したリン光発光性化合物(リン光発光性金属錯体ともいう)は、例えば、Organic Letter誌、vol3、No.16、2579~2581頁(2001)、Inorganic Chemistry,第30巻、第8号、1685~1687頁(1991年)、J.Am.Chem.Soc.,123巻、4304頁(2001年)、Inorganic Chemistry,第40巻、第7号、1704~1711頁(2001年)、Inorganic Chemistry,第41巻、第12号、3055~3066頁(2002年)、New Journal of Chemistry.,第26巻、1171頁(2002年)、European Journal of Organic Chemistry,第4巻、695~709頁(2004年)、さらにこれらの文献中に記載されている参考文献等に開示されている方法を適用することにより合成することができる。
〈蛍光発光性化合物〉
蛍光発光性化合物としては、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。
〔有機機能層群〕
次いで、有機機能層ユニットを構成する各層について、電荷注入層、正孔輸送層、電子輸送層及び阻止層の順に説明する。
(電荷注入層)
電荷注入層は、駆動電圧低下や発光輝度向上のために、電極と発光層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)にその詳細が記載されており、正孔注入層と電子注入層とがある。
電荷注入層としては、一般には、正孔注入層であれば、陽極と発光層又は正孔輸送層との間、電子注入層であれば陰極と発光層又は電子輸送層との間に存在させることができるが、本発明においては、透明電極に隣接して電荷注入層を配置させることを特徴とする。また、中間電極で用いられる場合は、隣接する電子注入層及び正孔注入層の少なくとも一方が、本発明の要件を満たしていればよい。
正孔注入層は、駆動電圧低下や発光輝度向上のために、透明電極である陽極に隣接して配置される層であり、「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いる。
正孔注入層は、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、正孔注入層に用いられる材料としては、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(ポリエチレンジオキシチオフェン):PSS(ポリスチレンスルホン酸)、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。
電子注入層は、駆動電圧低下や発光輝度向上のために、陰極と発光層との間に設けられる層のことであり、陰極が本発明に係る透明電極で構成されている場合には、当該透明電極に隣接して設けられ、「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いる。
電子注入層は、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、電子注入層に好ましく用いられる材料の具体例としては、ストロンチウムやアルミニウム等に代表される金属、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム等に代表されるアルカリ金属化合物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等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、酸化アルミニウム等に代表される金属酸化物、リチウム8-ヒドロキシキノレート(Liq)等に代表される金属錯体等が挙げられる。また、本発明における透明電極が陰極の場合は、金属錯体等の有機材料が特に好適に用いられる。電子注入層はごく薄い膜であることが望ましく、構成材料にもよるが、その層厚は1nm~10μmの範囲が好ましい。
(正孔輸送層)
正孔輸送層と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及び電子阻止層も正孔輸送層の機能を有する。正孔輸送層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、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、導電性高分子オリゴマー及び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を用いることができ、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(略称: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及びN-フェニルカルバゾール等が挙げられる。
正孔輸送層は、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及びLB法(ラングミュア・ブロジェット、Langmuir Blodgett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の範囲である。この正孔輸送層は、上記材料の一種又は二種以上からなる一層構造であってもよい。
また、正孔輸送層の材料に不純物をドープすることにより、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号公報及び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、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。電子輸送層は、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及び積層構造の電子輸送層において、発光層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高分子材料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(略称:Alq3)、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(略称: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、電子輸送層の材料として用いることができる。
電子輸送層は、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及びLB法等の公知の方法により、薄膜化することで形成することができる。電子輸送層の層厚については特に制限はないが、通常は2nm~5μm程度、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種以上からなる単一構造であってもよい。
(阻止層)
阻止層としては、正孔阻止層及び電子阻止層が挙げられ、上記説明した有機機能層ユニット3の各構成層の他に、必要に応じて設けられる層である。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)層等を挙げることができる。
正孔阻止層とは、広い意味では、電子輸送層の機能を有する。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、電子輸送層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、正孔輸送層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。本発明に適用する正孔阻止層の層厚としては、好ましくは3~100nmの範囲であり、さらに好ましくは5~30nmの範囲である。
〔第2電極:陰極〕
陰極は、有機機能層群や発光層に正孔を供給するために機能する電極膜であり、金属、合金、有機又は無機の導電性化合物若しくはこれらの混合物が用いられる。具体的には、金、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、TiO2及びSnO2等の酸化物半導体などが挙げられる。
陰極は、これらの導電性材料やその分散液をスピンコート法、キャスト法、インクジェット法、蒸着法、印刷法等の方法により薄膜を形成させて作製することができる。また、第2電極としてのシート抵抗は、数百Ω/sq.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、有機EL素子が、陰極側からも発光光Lを取り出す、両面発光型の場合には、光透過性の良好な陰極を選択して構成すればよい。
〔封止部材〕
有機EL素子を封止するのに用いられる封止手段としては、例えば、フレキシブル封止部材と、陰極及び透明基板とを封止用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いればよく、凹板状でも、平板状でもよい。また透明性及び電気絶縁性は特に限定されない。
具体的には、フレキシブル性を備えた薄膜ガラス板、ポリマー板、フィルム、金属フィルム(金属箔)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。金属フィルムとしては、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が挙げられる。
本発明においては、封止部材としては、有機EL素子を薄膜化することできる観点から、ポリマーフィルム及び金属フィルムを好ましく使用することができる。さらに、ポリマーフィルムは、JIS K 7129-1992に準拠した方法で測定された温度25±0.5℃、相対湿度90±2%RHにおける水蒸気透過度が、1×10-3g/m2・24h以下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された酸素透過度が、1×10-3mL/m2・24h・atom(1atomは、1.01325×105Paである)以下であって、温度25±0.5℃、相対湿度90±2%RHにおける水蒸気透過度が、1×10-3g/m2・24h以下であることが好ましい。
封止部材と有機EL素子の表示領域(発光領域)との間隙には、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、シリコーンオイルのような不活性液体を注入することもできる。また、封止部材と有機EL素子の表示領域との間隙を真空とすることや、間隙に吸湿性化合物を封入することもできる。
また、有機EL素子における発光機能層ユニットを完全に覆い、かつ有機EL素子における第1電極である陽極(3)と、第2電極である陰極(6)の端子部分を露出させる状態で、透明基板上に封止膜を設けることもできる。
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、特に、水分や酸素等の浸入を抑制する機能を有する材料、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。
これらの封止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。
以上のような封止材は、有機EL素子における第1電極である陽極(3)と、第2電極である陰極(6)の端子部分を露出させるとともに、少なくとも発光機能層を覆う状態で設けられている。
〔有機EL素子の製造方法〕
有機EL素子の製造方法としては、透明基材上に、陽極、有機機能層群1、発光層、有機機能層群2及び陰極を積層して積層体を形成する。
まず、透明基材を準備し、該透明基材上に、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の範囲内の膜厚になるように、蒸着やスパッタリング等の方法により形成させ、陽極を形成する。同時に、陽極端部に、外部電源と接続する接続電極部を形成する。
次に、この上に、有機機能層群1を構成する正孔注入層及び正孔輸送層、発光層、有機機能層群2を構成する電子輸送層等を順に積層する。
これらの各層の形成は、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、均質な層が得られやすく、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。更に、層ごとに異なる形成法を適用してもよい。これらの各層の形成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群2を形成した後、この上部に陰極をスピンコート法、キャスト法、インクジェット法、蒸着法、印刷法などの適宜の形成法によって形成する。この際、陰極は、有機機能層群によって陽極に対して絶縁状態を保ちつつ、有機機能層群の上方から透明基板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。
陰極の形成後、これら透明基材、陽極、有機機能層群、発光層及び陰極を封止材で封止する。すなわち、陽極及び陰極の端子部分を露出させた状態で、透明基材上に、少なくとも有機機能層群を覆う封止材を設ける。
有機EL素子は、電子機器、例えば、表示装置、ディスプレイ、各種発光装置として用いることができる。発光装置として、例えば、照明装置(家庭用照明、車内照明)、時計や液晶用バックライト、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、光センサーの光源等が挙げられるがこれに限定するものではないが、特に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。
〔3.2〕有機光電変換素子
本発明の電子デバイスは、有機光電変換素子及び太陽電池に適用することが好ましい。
以下、光電変換素子及び太陽電池の詳細を説明する。
図3は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなるシングル構成(バルクヘテロジャンクション層が1層の構成)の太陽電池の一例を示す断面図である。
図3において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子200は、基板201の一方面上に、透明電極陽極202、正孔輸送層205、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部204、電子輸送層206(又はバッファー層ともいう。)及び対極203(陰極)が順次積層されている。上記正孔輸送層205、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部204、及び電子輸送層206が本発明に係る機能層207である。
基板201は、順次積層された透明電極202、光電変換部204及び対極203を保持する部材である。本実施形態では、基板201側から光電変換される光が入射するので、基板201は、この光電変換される光を透過させることが可能な、すなわち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板201は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板201は、必須ではなく、例えば、光電変換部204の両面に透明電極202及び対極203を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子200が構成されてもよい。
光電変換部204は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプター)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与又は受容するものではなく、光反応によって、電子を供与又は受容するものである。
図3において、基板201を介して透明電極202から入射された光は、光電変換部204のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体又は電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。発生した電荷は、内部電界、例えば、透明電極202と対極203の仕事関数が異なる場合では透明電極202と対極203との電位差によって、電子は電子受容体間を通り、また正孔は電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ光電流が検出される。例えば、透明電極202の仕事関数が対極203の仕事関数よりも大きい場合では、電子は透明電極202へ、正孔は対極203へ輸送される。なお、仕事関数の大小が逆転すれば、電子と正孔はこれとは逆方向に輸送される。また、透明電極202と対極203との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。
なお、図3には記載していないが、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、又は平滑化層等の他の層を有していてもよい。
また、さらなる太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成(バルクヘテロジャンクション層を複数有する構成)であってもよい。
上記のような層に用いることができる材料については、例えば、特開2015-149483号公報の段落0045~0113に記載のn型半導体材料、及びp型半導体材料が挙げられる。
有機光電変換素子を構成する電極については、前記した有機EL素子で用いられる陽極と陰極を同様に用いることが好ましい。詳細な説明は、上述した有機EL素子で用いられる陽極及び陰極と同様のためここでは省略する。
また、有機光電変換素子は、バルクヘテロジャンクション層で生成した正電荷と負電荷とが、それぞれp型有機半導体材料、及びn型有機半導体材料を経由して、それぞれ陽極及び陰極から取り出され、電池として機能するものである。それぞれの電極には、電極を通過するキャリアに適した特性が求められる。
有機光電変換素子は、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、バルクヘテロジャンクション層と陽極との中間には正孔輸送層・電子ブロック層を有していることが好ましい。
これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層としては、ヘレウス社製Clevios等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、WO2006/019270号等に記載のシアン化合物等を用いることができる。
有機光電変換素子は、バルクヘテロジャンクション層と陰極との中間には電子輸送層・正孔ブロック層・バッファー層を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していてよい。光学機能層としては、例えば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度バルクヘテロジャンクション層に入射させることができるような光拡散層等を設けてもよい。
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「部」又は「%」の表示を用いるが、特に断りがない限り「質量部」又は「質量%」を表す。
実施例中、又は表1~表4中の、「OFPO」は1H,1H,5H-オクタフルオロ-1-ペンタノールを表している。
また、実施例中、W(OiPr)6はタングステンジイソプロポキシド(Alfa Aesar)を表し、大気下で加熱することで大気中の水分と加水分解反応を起こし酸化タングステンへ変化する。
Al(OiPr)3はアルミニウムイソプロポキシド(東京化成工業株式会社製)を表し、加熱することで大気中の水分と加水分解反応を起こし酸化アルミニウムへ変化する。
酸化ニオブナノ粒子は多木化学株式会社製のバイラールNb-G6000を用いている。
酸化スズナノ粒子は多木化学株式会社製のセラメースS-8を用いている。
酸化ジルコニウムナノ粒子は堺化学工業株式会社製のSZR-Mジルコニアメタノール分散液を用いている。
チタン酸バリウムナノ粒子は日本化学工業株式会社製のパルセラムを用いている。
ポリウレタンは荒川化学工業株式会社製を用いている。
「PDVF1」はポリフッ化ビニリデンを表し、Piezotech社製のRT-TSを用いている。
「PVDF2」はポリフッ化ビニリデンを表し、Piezotech社製のRT-FSを用いている。
絶縁性誘電材料B1~B5は東京化成工業株式会社製のものを用いており、以下の構造を有する。
導電性材料A1~A11は、以下の構造を有する化合物である。
Figure 0007487730000001
Figure 0007487730000002
Figure 0007487730000003
[実施例1]
実施例1では、本発明に係る絶縁性誘電材料と導電性材料を含む層が組み込まれているエレクトロンオンリーデバイス(以下、「EOD」と表記する。)の駆動電圧について評価した。
<評価用EOD1-1の作製>
(陽極の形成)
縦50mm、横50mm、厚さ0.7mmのガラス基板上に、ITO(インジウム・スズ酸化物)を120nmの厚さで成膜してパターニングを行い、ITO透明電極からなる陽極を形成した。その後、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、UVオゾン洗浄を5分間行った。
(ホールブロック層の形成)
次に、この透明基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定した。
真空蒸着装置内の蒸着用の抵抗加熱ボートの各々に、各層の構成材料を各々素子作製に最適の量を充填した。前記蒸着用抵抗加熱ボートはタングステン製又はモリブデン製を用いた。
真空度1×10-4Paまで減圧した後、カルシウムを成膜レート0.2nm/sにて5nmを蒸着してホールブロック層を形成した。
(機能層の形成)
次に、大気環境下で、OFPOに導電性材料である化合物A1を1.3質量%の濃度で溶解させ、1000rpm、30秒でスピンコート法により、ホールブロック層を形成した基板上に80nmの厚さで化合物A1を成膜し、100℃、30分乾燥して機能層を形成した。
(陰極、及び封止)
次に、アルミニウム100nmを蒸着して陰極を形成した後、上記EODの非発光面をガラスケースで覆い、EODが作製されたガラス基板(支持基盤)と接触する、EODを覆うガラスケースの周辺部に、エポキシ系光硬化型接着剤(東亜合成社製ラクストラックLC0629B)によるシール剤を設けた。そして、このシール材を上記EODの陰極側に重ねてガラス基板と密着させた。その後、ガラスケース側からUV光を照射してシール材を硬化することでEODを封止し、評価用EOD1-1を作製した。なお、ガラスケースでの封止作業は、EODを大気に接触させることなく窒素雰囲気下のグローブボックス(純度99.999%以上の高純度窒素ガスの雰囲気下)で行った。
<評価用EOD1-2~1-17>
評価用EOD1-1において、化合物A1を表Iに記載の導電性材料、注入材料及び絶縁性誘電材料に、それぞれの混合比(体積比)で置き換えた以外は同様にして、評価用EOD1-2~1-17の作製を行った。
<評価用EODの駆動電圧評価>
ここで、各評価用EODの2.5mA/cm2時の電圧を駆動電圧として評価用EOD1-1を相対値1.00としたときの各評価用EODの駆動電圧の比率を相対値として算出した。1.00よりも小さいほど、駆動電圧が優れていることを意味する。なお、表中の混合比は導電性材料:絶縁性誘電材料の体積比を百分率で示している。また、混合比が材料毎で異なる理由を下記に記す。本発明では絶縁性誘電材料の混合量を増やすほど比誘電率が増加し、それに伴う駆動電圧の低下が起こる。一方で、これらの材料は絶縁性であることによる駆動電圧の増加の効果も当然ある。この二つの競合下で駆動電圧が最も低下する適点が材料毎に存在する。本実施例では材料毎で駆動電圧が最も低くなる混合比を用いている。
<評価用EODの経時駆動後電圧変化>
各評価用EODに400μAの電流を25℃で50時間通電保持した後、2.5mA/cm2時の電圧を経時駆動後の電圧として、駆動前の2.5mA/cm2時の電圧を1.00としたときの各評価用EODの経時駆動後の電圧の比率を相対値として算出した。なお、値が小さいものほど安定性が高いことを示している。
<評価用EODの比誘電率の測定>
比誘電率の測定は日本工業規格JIS 2138:2007を参照しておこなった。具体的には、Solartron126096を用いてインピーダンス分光により測定を行った。なお、測定条件は周波数10(MHz)~1(Hz)、AC:0.1(V)、DC:0(V)である。
Figure 0007487730000004
表I中の駆動電圧及び比誘電率の測定結果にある通り、比較例にある従来技術のアルカリ金属を混合した系では、大気劣化の影響を受け、駆動電圧はほとんど低下しない。本発明に係る絶縁性誘電材料を混合した評価用EODでは、大気下で作製したにも関わらず、比誘電率の向上とそれに伴う駆動電圧の低下が起こっている。
[実施例2]
実施例2では、本発明に係る絶縁性誘電材料と導電材料を含む層が電子輸送層又は電子注入層に限らずホール輸送層、ホール注入層、及び発光層等のいずれかの層に組み込まれたEOD又はホールオンリーデバイス(以下HODと記す)の駆動電圧について評価した。
<評価用EOD2-1~2-6の作製>
評価用EOD1-1において、化合物A1を表2に記載の化合物又は混合物に置き換え、また、評価用EOD1-1において、溶媒OFPOを表2に記載の溶媒に置き換えた以外は同様にして評価用EOD2-1~2-6の作製を行った。
<評価用HOD2-7の作製>
(陽極の形成)
評価用EOD1-1と同様の手順で陽極の形成を行った。
(機能層の形成)
この基板上に、大気環境下で、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(PEDOT/PSS、Bayer社製、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、膜厚30nmのPEDOT/PSSを設けた。
次に、大気環境下で、ジクロロベンゼンに化合物A7を1.5質量%の濃度で溶解させ、700rpm、30秒でスピンコート法により、80nmの厚さで化合物A4を成膜し、100℃、30分乾燥して機能層を形成した。
次に、α-NPDを蒸着速度0.1nm/秒で20nm蒸着し、電子ブロック層を形成した後、アルミニウム100nmを蒸着して陰極を形成した。その後、上記HODの非発光面をガラスケースで覆い、HODが作製されたガラス基板(支持基盤)と接触する、HODを覆うガラスケースの周辺部に、エポキシ系光硬化型接着剤(東亜合成社製ラクストラックLC0629B)によるシール剤を設けた。そして、このシール材を上記HODの陰極側に重ねてガラス基板と密着させた。その後、ガラスケース側からUV光を照射してシール材を硬化することでHODを封止し、評価用HOD2-7を作製した。なお、ガラスケースでの封止作業は、HODを大気に接触させることなく窒素雰囲気下のグローブボックス(純度99.999%以上の高純度窒素ガスの雰囲気下)で行った。
<評価用EOD2-8~2-18の作製>
評価用EOD2-7において、化合物A7を表2に記載の化合物又は混合物に置き換え、また、溶解させる溶媒をジクロロベンゼンから表2に記載の溶媒に置き換えた以外は同様にして評価用EOD2-8~2-18の作製を行った。
<評価用EOD及びHODの駆動電圧評価>
ここで、各評価用EODの2.5mA/cm2時の電圧を駆動電圧として評価用EOD1-1を相対値1.00としたときの各評価用EODの駆動電圧の比率を相対値として算出した。また、各評価用HODの2.5mA/cm2時の電圧を駆動電圧として評価用HOD2-7を相対値1.00としたときの各評価用HODの駆動電圧の比率を相対値として算出した。1.00よりも小さいほど、駆動電圧が優れていることを意味する。なお、表中の混合比は導電性材料:(導電性材料2):絶縁性誘電材料の体積比を百分率で示している。また、混合比が材料毎で異なる理由は、先に述べた通り、混合比による駆動電圧の最下点が材料毎で異なるためであり、ここでも各材料で最も駆動電圧が低くなる濃度を用いている。
<評価用EOD及びHODの経時駆動後の電圧>
各評価用EODおよびHODに400μAの電流を25℃で50時間通電保持した。その後、2.5mA/cm2時の電圧を経時駆動後の電圧として、駆動前の2.5mA/cm2時の電圧を1.00としたときの各評価用EOD又は各評価用HODの経時駆動後の電圧の比率を相対値として算出した。なお、値が小さいものほど安定性が高いことを示している。
<評価用EOD及びHODの比誘電率の測定>
実施例1と同様の手段で測定を行った。
Figure 0007487730000005
表IIより、まず、評価用EOD1-1に対して、評価用EOD2-1又は2-2を比較したときに相対駆動電圧が高いものとなっている。ここで用いられている材料A4~A6は有機エレクトロルミネッセンス用の発光層で用いられるホスト材料又はドーパント発光材料である。一方で、評価用EOD1-1で用いられているA1は電子デバイスで用いられる電子輸送層用の材料であり、本系ではA1の方が電子易動度は高いため、評価用EOD1-1に対して、相対駆動電圧が評価用EOD2-1又は2-2にて大幅に高く出ている。そして、評価用EOD2-3~2-6における相対駆動電圧が1.00より大きいものもあるが、評価用2-1又は2-2を基準とするサンプルであるため、評価用EOD2-1又は2-2に対して相対駆動電圧の低下が起こっていることがわかる。さらに、評価用HODの評価においても同様の結果となっており、比較例に対して本発明では明確な相対駆動電圧の低下が見られる。経時駆動後の電圧についても本発明ではいずれも比較例に対して明確に経時駆動後の電圧が小さいことがわかる。
[実施例3]
実施例3では本発明に係る導電性材料と絶縁性誘電材料を用いて大気環境下で作製した有機発光デバイス(有機EL素子)の性能評価を行った。
<有機EL素子3-1の作製>
以下のように、基材上に、陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/陰極を積層した後封止し、ボトムエミッション型の有機EL素子3-1を作製した。
(基材の準備)
まず、ポリエチレンナフタレートフィルム(帝人デュポン社製、以下、PENと略記する。)の陽極を形成する側の全面に、特開2004-68143号公報に記載の構成の大気圧プラズマ放電処理装置を用いて、SiOxからなる無機物のガスバリアー層を層厚500nmとなるように形成した。これにより、酸素透過度0.001mL/(m2・24h・atom)以下、水蒸気透過度0.001g/(m2・24h)以下のガスバリアー性を有する可撓性の基材を作製した。
(陽極の形成)
上記基材上に厚さ120nmのITO(インジウム・スズ酸化物)をスパッタ法により製膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、陽極を形成した。なお、パターンは発光領域の面積が5cm×5cmになるようなパターンとした。
(正孔注入層の形成)
陽極を形成した基材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、UVオゾン処理を5分間行った。そして、陽極を形成した基材上に、特許第4509787号公報の実施例16と同様に調製したポリ(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(PEDOT/PSS)の分散液をイソプロピルアルコールで希釈した2質量%溶液をインクジェット法にて塗布、80℃で5分乾燥し、層厚40nmの正孔注入層を形成した。
(正孔輸送層の形成)
次に、正孔注入層を形成した基材を、大気環境下で、下記組成の正孔輸送層形成用塗布液を用いて、インクジェット法にて塗布、130℃で30分乾燥し、層厚30nmの正孔輸送層を形成した。
(正孔輸送層形成用塗布液)
正孔輸送材料 A7(重量平均分子量Mw=80000) 10質量部
クロロベンゼン 3000質量部
(発光層の形成)
次に、正孔輸送層を形成した基材を、下記組成の発光層形成用塗布液を用い、インクジェット法にて塗布し、120℃で30分間乾燥し、層厚50nmの発光層を形成した。
(発光層形成用塗布液)
ホスト化合物 A4 10質量部
燐光発光材料 A5 1質量部
蛍光発光材料 A6 0.1質量部
酢酸ノルマルブチル 2200質量部
(電子輸送層の形成)
次に、下記組成の電子輸送層形成用塗布液を用い、インクジェット法にて塗布し、80℃で30分間乾燥し、層厚30nmの電子輸送層を形成した。
(電子輸送層形成用塗布液)
電子輸送材料 A9 6質量部
OFPO 2000質量部
(陰極の形成)
続いて、基板を真空蒸着装置へ取り付けた。また、タングステンン製抵抗加熱ボートにAlを入れたもの、Agを入れたものをそれぞれ用意し真空蒸着装置に取り付け、真空槽を5.0×10-5Paまで減圧した。その後、ボートに通電して加熱し、アルミニウムを蒸着して厚さ100nmの陰極を形成した。
(封止)
以上の工程により形成した積層体に対し、市販のロールラミネート装置を用いて封止基材を接着した。
封止基材として、可撓性を有する厚さ30μmのアルミニウム箔(東洋アルミニウム(株)製)に、ドライラミネーション用の2液反応型のウレタン系接着剤を用いて層厚1.5μmの接着剤層を設け、厚さ12μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムをラミネートしたものを作製した。
封止用接着剤として熱硬化性接着剤を、ディスペンサーを使用して封止基材のアルミニウム箔の接着面(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。更に、その封止基材を露点温度-80℃以下、酸素濃度0.8ppmの窒素雰囲気下へ移動して、12時間以上乾燥させ、封止用接着剤の含水率が100ppm以下となるように調整した。
熱硬化性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
上記封止基材を上記積層体に対して密着・配置して、圧着ロールを用いて、圧着ロール温度100℃、圧力0.5MPa、装置速度0.3m/minの圧着条件で密着封止した。
以上のようにして、有機EL素子3-1を作製した。
<有機EL素子3-2~3-12の作製>
上記有機EL素子3-1の作製において、電子輸送層材料A9を表IIIにある混合比で電子輸送材料と絶縁性誘電材料を変えてそのほかの手順を同様にして、有機EL素子3-2~3-12の作製を行った。
<有機EL素子3-1~3-12の評価>
上記のように作製した有機EL素子3-1~3-12について、以下の評価を行った。その評価結果を表3に示す。
<相対駆動電圧1の測定>
駆動電圧1の測定は、室温(25℃)下で、作製した核有機EL素子の正面輝度を測定し、1000cd/m2となるときの駆動電圧(V)を各素子で測定した。なお、輝度の測定には、分光放射輝度計CS-1000(コニカミノルタセンシング製)を用いた。上記で得られた駆動電圧1を下記式に当てはめて、有機EL素子3-1の駆動電圧1.00に対する、各有機EL素子の相対駆動電圧1を求めた。
相対駆動電圧1(%)=(各有機EL素子の駆動電圧1/有機EL素子3-1の駆動電圧1)×100
得られた数値が小さいほど、駆動電圧が低く好ましい結果であることを表す。
<相対駆動電圧2の測定>
有機EL素子3-1~3-12の陰極の形成において、陰極としてAgを厚さ100nmとなるように蒸着すること以外は同様の手順で作製した素子で駆動電圧1と同様の手法で駆動電圧2の測定を行った。なお、得られた駆動電圧を下記式に当てはめて、有機EL素子3-1の駆動電圧2に対する、各有機EL素子の相対駆動電圧2を求めた。
相対駆動電圧2(%)=(各有機EL素子の駆動電圧2/有機EL素子3-2の駆動電圧2)×100
得られた数値が小さいほど、駆動電圧が低く好ましい結果であることを表す。
<経時駆動後の電圧の測定>
各評価用有機EL素子に400μAの電流を25℃で50時間通電保持した。その後、2.5mA/cm2時の電圧を経時駆動後の電圧に対して、評価用有機EL素子の駆動前の2.5mA/cm2時の電圧を1.00としたときの各評価用有機EL素子の経時駆動後の電圧の比率を相対値として算出した。なお、値が小さいものほど安定性が高いことを示している。
Figure 0007487730000006
表IIIに示すように、本発明に係る有機EL素子は、比較例の有機EL素子に比べて、明らかに駆動電圧に優れていることが分かる。さらに、アルカリ金属を混合したものでは大気下での劣化影響を受け、電圧低下効果はほとんど見られない一方、本発明では大気下での成膜であるにも関わらず、明確な低電圧化が見られる。
参考例4]
参考例4では、導電性材料と絶縁性誘電材料を用いて大気環境下での有機薄膜太陽電池(有機光電変換素子)を作製した。
<有機光電変換素子4-1の作製>
PET基板上に、第一の電極(陰極)としてITO(インジウムスズ酸化物)透明導電膜150nm堆積したもの(シート抵抗12Ω/square cm2)を、通常のフォトリソグラフィー技術と湿式エッチングとを用いて10mm幅にパターニングし、第一の電極を形成した。パターン形成した第一の電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。次いで、正孔輸送層として、導電性高分子及びポリアニオンからなるPEDOT-PSS(CLEVIOS(登録商標) P AI 4083、ヘレオス株式会社製、導電率1×10-3S/cm)を2.0質量%で含むイソプロパノール溶液を調製し、乾燥膜厚が約30nmになるように、基板を65℃に調温したブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、120℃の温風で20秒間加熱処理して、正孔輸送層を上記第一の電極上に製膜した。次に、基板をグローブボックス中に持ち込み、上記基板を120℃で3分間加熱処理した。
次いで、o-ジクロロベンゼンに、p型有機半導体材料として化合物A10(下記特許文献Xに基づいて合成した。)を0.8質量%、n型有機半導体材料であるPC61BM(フロンティアカーボン製nanom spectra E100H)を、1.6質量%を混合した有機光電変換材料組成物溶液を調製し、ホットプレートで100℃に加熱しながら撹拌(10分間)して完全に溶解した後、乾燥膜厚が約170nmになるように、基板を40℃に調温したブレードコーターを用いて塗布し、2分間乾燥して、光電変換層を上記正孔輸送層上に製膜した。
続いて、化合物A11(下記特許文献Yに基づいて合成した。)を、それぞれ、0.1質量%になるようにヘキサフルオロイソプロパノールに溶解して溶液を調製した。この溶液を、乾燥膜厚が約20nmになるように、基板を65℃に調温したブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、100℃の温風で2分間加熱処理して、電子輸送層を上記光電変換層上に成膜した。
次に、上記電子輸送層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。そして、10mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10-3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、蒸着速度で2nm/秒で銀を、それぞれ、膜厚100nm蒸着して、第二の電極を上記電子輸送層上に形成した。
得られた有機光電変換素子を窒素チャンバーに移動し、2枚の3M製Ultra Barrier Solar Film UBL-9L(水蒸気透過率<5×10-4g/m2/d)の間に挟みこみ、UV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570-B1)を用いて封止を行った後、大気下に取り出し、受光部が約10×10mmサイズの有機光電変換素子4-1を作製した。
特許文献X:特開2016-174169号公報段落番号〔0173〕~〔0174〕
特許文献Y:特開2015-128185号公報段落番号〔0202〕~〔0204〕
<有機光電変換素子4-2~4-8の作製>
上記有機光電変換素子4-1の作製において、電子輸送層に混合させる材料と混合比と正孔輸送層から電子輸送層までの成膜環境を表IVに記載したものへ変えて、その他の手順は同様に有機光電変換素子4-2~4-8の作製を行った。
<相対光電変換効率の評価>
上記有機光電変換素子4-1~4-8を、それぞれエポキシ樹脂とガラスキャップとで封止した。これにソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)を用いて100mW/cm2の強度の光を照射し、有効面積を1cm2にしたマスクを受光部に重ね、IV特性を評価することで、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、及び曲線因子FF測定した。得られたJsc、Voc、及びFFの値から、下記式1に従って光電変換効率η[%]を算出した。なお、得られた光電変換効率を下記式にあてはめて、有機光電変換素子4-1の光電変換効率に対する、各光電変換素子の相対光電変換効率を求めた。
相対光電変換効率(%)=(各光電変換素子の光電変換効率/光電変換素子4-1の光電変換効率)×100
η[%]=JSC[mA/(cm)2]×VOC[V]×FF[%]・・・式1
数値が大きいほど光電変換に優れている。
<耐久性の評価>
上記、有機光電変換素子4-1~4-8を、温度80℃、湿度80%に保持した容器内に保存し、定期的に取りだしてIV特性を測定し、初期の光電変換効率を100%として、初期の効率の80%まで低下した時間をLT80[時間]として各有機光電変換素子の駆動寿命を評価した。そして、得られた駆動寿命を下記式にあてはめて、有機光電変換素子4-1の駆動寿命に対する、各光電変換素子の相対駆動寿命を求めた。なお、相対駆動寿命の値が大きいほど、耐久性が良好であることを意味する。結果を表IVに示す。
Figure 0007487730000007
表IVに示すように、本発明に係る有機光電変換素子は、比較例の有機光電変換素子に比べて、明らかに光電変換効率に優れていることが分かる。さらに、大気作製した素子は大気劣化影響を受け、駆動寿命が大幅に低下している一方、本発明では明確な大気安定性がみられる。
本発明の電子デバイスは、成膜時に大気下で安定であり、低電圧駆動可能な電子デバイスであることにより、有機EL素子、有機光電変換素子及び太陽電池などに好適に用いることができる。
1 電極
2 対極
3 電界
4 絶縁性誘電材料
100 有機EL素子
101 基材
102 陽極
103 正孔注入層
104 正孔輸送層
105 発光層
106 正孔阻止層
107 電子輸送層
108 電子注入層
109 陰極
110 機能層
200 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子
201 基板
202 透明電極(陽極)
203 対極(陰極)
204 光電変換層(バルクヘテロジャンクション層)
205 正孔輸送層
206 電子輸送層
207 機能層

Claims (5)

  1. 陽極と陰極との間に複数の機能層を備える有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
    記複数の機能層が、発光層及び電子輸送層を含み、
    前記電子輸送層が、絶縁性誘電材料と導電性材料とをそれぞれ少なくとも1種類ずつ含有しており、
    前記絶縁性誘電材料が、絶縁性金属酸化物、絶縁性の誘電高分子、又は絶縁性の誘電オリゴマーであり、
    前記導電性材料が、有機化合物であり、
    前記電子輸送層の、前記導電性材料と前記絶縁性誘電材料の体積比が、95:5~68:32の範囲内であり、
    かつ、前記電子輸送層の比誘電率が4.0以上であ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
  2. 前記比誘電率が、6.0以上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. 前記絶縁性金属酸化物が、ナノ粒子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
  4. 前記誘電高分子又はオリゴマーが、ポリフッ化ビニリデンを繰り返し単位に含む高分子又はオリゴマー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
  5. 前記電子輸送層を、大気環境下で形成する工程を有し、
    請求項1から請求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を製造する
    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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