JPWO2014129330A1 - 有機ｅｌ素子、ならびにそれを用いた照明器具及びディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の有機ＥＬ素子は、一対の電極（２，４）間に発光層（３３）を備え、発光層は、ホスト材料と蛍光ドーパント材料とを有する。ホスト材料のＳ１エネルギーは、蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーよりも高く、かつ、ホスト材料のＳ１エネルギーと蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーとの差は、０．５ｅｖ以下である。ホスト材料は、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．２４ｅＶ以下であり、所定の化合物を含む。当該ホスト化合物は、室温で逆項間交差によるエネルギー遷移が生じるため、高い発光効率が実現できる。
Description
本発明は、発光層が所定のホスト材料と蛍光ドーパント材料を有する有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。なお、以下において、有機エレクトロルミネッセンス素子を「有機ＥＬ素子」と称することがある。
有機ＥＬ素子は、一対の電極間に発光層を有し、発光層は、通常、ホスト材料とドーパント材料で構成される。ホスト材料は、それ自身の発光能力は低いが、成膜性の高い材料であり、発光能力の高い他の材料を混合して用いられる。ドーパント材料は、それ自身の発光能力が高い材料である。ドーパント材料としては、蛍光材料もしくは燐光材料が一般的に知られている。
ドーパント材料が蛍光材料である有機ＥＬ素子（以下、「蛍光有機ＥＬ素子」と称する）は、多くの場合、次の（１）から（３）の過程を経て蛍光を放出する。
（１）発光層のホスト材料においてホールと電子の再結合が起こり、ホスト材料は基底状態から励起状態に状態遷移する。この時、励起状態に至ったホスト材料の２５％が一重項最低励起状態（以下、「Ｓ１状態」と称する）、７５％が三重項最低励起状態（以下、「Ｔ１状態」と称する）になる。
（２）再結合の後、ホスト材料からドーパント材料へエネルギー移動が起こり、ドーパント材料が基底状態から励起状態に状態遷移する。この時、原則的に、Ｓ１状態とＴ１状態の存在比はホスト材料での値が踏襲される。すなわち、励起状態に至ったドーパント材料の２５％がＳ１状態、７５％がＴ１状態になる。
（３）Ｔ１状態にあるドーパント材料の全部とＳ１状態にあるドーパント材料の一部は熱失活する。そして、熱失活しなかったＳ１状態のドーパント材料が蛍光を放出する。
（１）発光層のホスト材料においてホールと電子の再結合が起こり、ホスト材料は基底状態から励起状態に状態遷移する。この時、励起状態に至ったホスト材料の２５％が一重項最低励起状態（以下、「Ｓ１状態」と称する）、７５％が三重項最低励起状態（以下、「Ｔ１状態」と称する）になる。
（２）再結合の後、ホスト材料からドーパント材料へエネルギー移動が起こり、ドーパント材料が基底状態から励起状態に状態遷移する。この時、原則的に、Ｓ１状態とＴ１状態の存在比はホスト材料での値が踏襲される。すなわち、励起状態に至ったドーパント材料の２５％がＳ１状態、７５％がＴ１状態になる。
（３）Ｔ１状態にあるドーパント材料の全部とＳ１状態にあるドーパント材料の一部は熱失活する。そして、熱失活しなかったＳ１状態のドーパント材料が蛍光を放出する。
多くの蛍光有機ＥＬ素子がこの過程を経るため、蛍光有機ＥＬ素子の内部量子効率の理論上限は２５％であると考えられていた。そのため、特に照明器具やディスプレイ装置等の応用分野において、励起したドーパント材料の７５％を占めるＴ１状態からの発光を利用した有機ＥＬ素子、すなわち、燐光有機ＥＬ素子が注目され、種々のドーパント材料及びホスト材料が開発されている。例えば、特許文献１では、カルバゾール骨格を有する燐光性ホスト材料とイリジウムや白金等の金属錯体ドーパント材料とを用いることにより、低駆動電圧で外部量子効率に優れる燐光有機ＥＬ素子が提案されている。
しかし、特許文献１にも記載されているように、燐光を高効率に放出するドーパント材料の多くは、イリジウムや白金のような貴金属を含んだ金属錯体化合物であり、材料価格が極めて高いことが問題であった。そのため、安価な蛍光材料を用いつつ、蛍光有機ＥＬ素子の理論上限である２５％を超える内部量子効率を達成する技術が望まれてきた。
蛍光有機ＥＬ素子の内部量子効率を２５％以上にするために、ホスト材料に工夫を施した例がいくつか報告された。例えば、特許文献２及び３においては、ホスト材料をＴ１状態よりも高エネルギーの三重項励起状態（以下、これを「Ｔｅｘ状態」と称する）に遷移させ、Ｔｅｘ状態からＴ１状態へ失活する過程で、三重項励起状態から一重項励起状態への項間交差を起こすという技術が報告された。この技術を用いると、ホスト材料のＳ１状態の割合が２５％よりも大きくなり、エネルギー移動後のドーパント材料のＳ１状態の割合も２５％よりも大きくなる。この結果、蛍光有機ＥＬ素子の内部量子効率を２５％よりも大きくすることが可能となる。
また、蛍光有機ＥＬ素子のドーパント材料に工夫を施した例も報告された。例えば、特許文献４〜６及び非特許文献１〜７においては、ドーパント材料として、熱活性型遅延蛍光材料を使用するという手法が報告された。熱活性型遅延蛍光材料とは、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が小さいことを特徴とする蛍光ドーパント材料であり、２つの状態のエネルギー差が小さいために、Ｔ１状態からＳ１状態への熱エネルギーによる状態遷移（以下、Ｓ１状態からＴ１状態への遷移を「逆項間交差」と称する）が起きる。ここで、Ｓ１及びＴ１エネルギーは、それぞれＳ１及びＴ１状態と一重項基底状態との断熱遷移エネルギーであり、分光学的な手法等で測定される。Ｓ１エネルギーは７７Ｋにおける蛍光スペクトルの短波長側ピーク端のエネルギーに対応し、Ｔ１エネルギーは７７Ｋにおける燐光スペクトルの短波長側ピーク端のエネルギーに対応する。
熱エネルギーによる逆項間交差が起きると、ドーパント材料のＳ１状態の割合が増加し、２５％を超えることもある。この場合、熱活性型遅延蛍光材料を使用した蛍光有機ＥＬ素子の中には、２５％を超える内部量子効率を達成するものが現れる。なお、熱エネルギーによる逆項間交差が起きた後に放出される蛍光を「熱活性型遅延蛍光」と称する。
ある材料が室温において十分な熱活性型遅延蛍光を放出するには、材料のＳ１−Ｔ１エネルギーギャップが十分に狭いことが必須である。この狭いエネルギーギャップの目安は０．２４ｅＶ程度であり、実際、非特許文献１において、Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップが０．２４ｅＶの化合物が報告され、摂氏２７度において熱活性型遅延蛍光が観測されている。
「熱活性型遅延蛍光材料をドーパント材料に使用する」という技術、言い換えると、「熱エネルギーによる逆項間交差を利用する」という技術は、蛍光有機ＥＬ素子の内部量子効率を高めるための手法として非常に有望である。実際、非特許文献７では、９６．５％の内部量子効率を達成した例が報告されている。
また、特許文献７では、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．３ｅＶ未満のホスト材料を用いることにより、ホスト材料で逆項間交差を生じさせ、熱活性型遅延蛍光を利用する方法が提案されている。
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２１、４８０２、（２００９）
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，９８、０８３３０２、（２０１１）
Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ，５１、１１３１１、（２０１２）
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１０１、０９３３０６、（２０１２）
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、４８、９５８０、（２０１２）
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、４８、１１３９２、（２０１２）
Ｎａｔｕｒｅ、４９２、２３４、（２０１２）
上記のように、熱活性型遅延蛍光材料を用いることにより、一般的な蛍光有機ＥＬ素子の理論上限である２５％を超える内部量子効率を有する蛍光有機ＥＬ素子が得られる。しかし、熱活性型遅延蛍光材料を用いた蛍光有機ＥＬ素子においても、１００％に近い内部量子効率を達成した例は少なく、技術改善の余地が残っている。また、特許文献７に開示されているように、ホスト材料による熱活性型遅延蛍光を利用すれば、遅延蛍光の比率が高められると予測される。
しかし、現状では、室温において高確率で逆項間交差を生じる蛍光ドーパント材料はほとんど見出されておらず、新たな遅延蛍光ホスト材料の開発が望まれる。
上記に鑑みて、本発明者が遅延蛍光材料について種々の検討を重ねた結果、所定の骨格を有する化合物が、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差（以下、「Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップ」と称する場合がある。）が小さく、室温において熱による逆項間交差を生じる蛍光ホスト材料として有望であることを見出し、本発明に至った。
本発明は、一対の電極間に発光層を備え、発光層が、ホスト材料と蛍光ドーパント材料とを有する蛍光有機ＥＬ素子に関する。ホスト材料のＳ１エネルギーは、蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーよりも高く、ホスト材料のＳ１エネルギーと蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーとの差は０．５ｅｖ以下であることが好ましい。また、ホスト材料は、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．２４ｅＶ以下である。発光層のホスト材料は、下記一般式（１）で表される化合物を含む。
上記一般式（１）において、Ｒ１〜Ｒ６は、各々独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、ニトロ基、シリル基、炭素数１〜１０のアルキル基、炭素数１〜１０のアルケニル基、炭素数１〜１０のアルキニル基、炭素数４〜１２のシクロアルキル基、炭素数６から１２のアリール基、炭素数６〜１２のヘテロアリール基、炭素数６〜１２のヘテロ環基、炭素数１〜１０のアルコキシ基、炭素数４〜１２のシクロアルコキシ基、炭素数１〜１０のアリールオキシ基、炭素数１〜１０のアルキルチオ基、炭素数４〜１２のシクロアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基、炭素数１〜１０のアルコキシカルボニル基、炭素数６〜１２のアリールオキシカルボニル基、炭素数１〜１０のスルファモイル基、炭素数１〜１０のアシル基、炭素数１〜１０のアシルオキシ基、炭素数１〜１０のアミド基、炭素数１〜１０のカルボニル基、炭素数１〜１０のウレイド基、炭素数１〜１０のスルフィニル基、炭素数１〜１０のアルキルスルホニル基、炭素数６〜１２のアリールスルホニリ基、及び炭素数１〜１０のアミノ基からなる群から選ばれる１種である。
発光層の蛍光ドーパント材料は、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．２４ｅＶ以下であることが好ましい。また、発光層のホスト材料のＴ１エネルギーは、蛍光ドーパント材料のＴ１エネルギーよりも高いことが好ましい。また、ホスト材料のＴ１エネルギーと蛍光ドーパント材料のＴ１エネルギーとの差は、０．５ｅｖよりも大きいことが好ましい。
さらに、本発明は、上記の有機ＥＬ発光素子を備える照明器具およびディスプレイ装置に関する。
本発明の蛍光有機ＥＬ素子は、室温においてホスト材料が熱エネルギーによる逆項間交差を起こすため、高い内部量子効率を示し、蛍光有機ＥＬ素子として優れた特性が期待できる。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る有機ＥＬ素子の構成を表す模式断面図である。この素子は、基板１上に、陽極２及び陰極４を備え、これら一対の電極間に発光ユニット３を備える。発光ユニット３は複数の層を有するが、そのうちの少なくとも１つは発光層である。なお、本発明の有機ＥＬ素子は、一対の電極間に発光層を有していればよく、図１に示す構成に限定されるものではない。
有機ＥＬ素子を構成する基板１は特に限定されず、例えば、ガラスのような透明基板、シリコン基板、フレキシブルなフィルム基板等から適宜選択される。基板側から光を取り出すボトムエミッション型の有機ＥＬ素子の場合、発光層における発光の取出しロスを減少する観点から、基板１は、可視光域における透過率が８０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。
基板１上に設けられる陽極２についても特に制限はない。その材料としては、例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等が挙げられる。中でも、発光層からの光の取り出し効率やパターニングの容易性の観点から、透明性が高いＩＴＯあるいはＩＺＯを好ましく使用することができる。また、陽極中には、必要に応じて、アルミニウム、ガリウム、ケイ素、ホウ素、二オブ等のドーパントがドーピングされていてもよい。
陽極２は、透明性の観点から、可視光域における透過率が７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることが特に好ましい。基板１上に陽極２を形成する方法については特に制限されず、例えば、スパッタ法や熱ＣＶＤ法等により形成することができる。
次に発光ユニット３について説明する。発光ユニット３は、一般に複数の層が積層された構成を有しており、各層は、有機化合物、高分子化合物、無機化合物、遷移金属錯体等を含む薄膜である。発光ユニット３を構成する層のうち、少なくとも１層はアモルファス膜で構成される発光層である。
発光ユニット３の積層構成としては、例えば、図１に示すように、発光層３３の陽極２側にホール注入層３１やホール輸送層３２を有し、発光層３３の陰極４側に電子輸送層３４や電子注入層３５を有する構造を採用できる。
発光ユニット３を構成する各層の成膜方法については特に制限はなく、真空蒸着法やスピンコート法等によって形成できる。
発光ユニット３は、ホール輸送層３２を有していることが好ましい。ホール輸送層に含まれる物質は、ラジカルカチオン化し易い化合物が好ましく、例えば、アリールアミン系化合物、イミダゾール系化合物、オキサジアゾール系化合物、オキサゾール系化合物、トリアゾール系化合物、カルコン系化合物、スチリルアントラセン系化合物、スチルベン系化合物、テトラアリールエテン系化合物、トリアリールアミン系化合物、トリアリールエテン系化合物、トリアリールメタン系化合物、フタロシアニン系化合物、フルオレノン系化合物、ヒドラジン系化合物、カルバゾール系化合物、Ｎ−ビニルカルバゾール系化合物、ピラゾリン系化合物、ピラゾロン系化合物、フェニルアントラセン系化合物、フェニレンジアミン系化合物、ポリアリールアルカン系化合物、ポリシラン系化合物、及びポリフェニレンビニレン系化合物からなる群から選ばれる１種類以上の化合物が考えられる。特に、アリールアミン化合物は、ラジカルカチオン化し易いことに加えてホール移動度が高いものが多く、ホール輸送層として適する。
アリールアミン化合物を含有するホール輸送層の中でも、トリアリールアミン誘導体を含有するホール輸送層が好ましく、特に、は、４、４’−ビス［Ｎ−（２−ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（「α―ＮＰＤ」、または「ＮＰＢ」と称される）を含有するホール輸送層が好ましい。
発光ユニット３は、電子輸送層３４を有していることも好ましい。電子輸送層に含まれる物質は、ラジカルアニオン化し易い化合物が好ましく、例えば、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（「ＢＣＰ」と称される）、トリス［（８−ハイドロキシキノリナート）］アルミニウム（ＩＩＩ）（「Ａｌｑ３」と称される）やその誘導体が考えられる。中でも、汎用性の観点から、Ａｌｑ３が好適に用いられる。
発光ユニット３に含まれる発光層３３は、本発明の特徴的な部分である。発光層３３は、一般的な蛍光有機ＥＬ素子の発光層と同様に、ホスト材料と蛍光ドーパント材料で構成される。ここで、ホスト材料は、それ自身の発光能力は低いが、成膜性の高い材料である。蛍光ドーパント材料は、それ自身の発光能力が高く、蛍光を放出する材料である。発光層中のホスト材料全体の質量は、発光層全体の質量の５１％以上であり、ドーパント材料全体の質量は、発光層全体の質量の４９％以下である。好ましくは、ホスト材料全体の質量が７５％以上、ドーパント材料全体の質量２５％以下である。
蛍光ドーパント材料としては、通常、蛍光を放出する有機分子、高分子、遷移金属錯体が使われる。特に、発光効率の高い有機ＥＬ素子を作製するためには、熱活性型遅延蛍光材料を使用することが望ましい。すなわち、Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップが０．２４ｅＶ以下である化合物を発光層の蛍光ドーパント材料として用いることが好ましい。なお、ドーパント材料は、イリジウム、白金、ロジウム等の貴金属を含まないものが好ましく用いられる。これらの貴金属を含まないことにより、ドーパント材料を安価に提供できる。
ホスト材料としては、良好な成膜性を示し、かつ、蛍光ドーパント材料の良好な分散性を確保する化合物が望まれる。加えて、本発明の有機ＥＬ素子では、発光層のホスト材料として、Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップが０．２４ｅＶ以下の化合物が用いられる。また、ホスト材料は、成膜後のホール移動度と電子移動度が共に高い材料であることが好ましい。
本発明の有機ＥＬ素子では、発光層のホスト材料として、下記一般式（１）で表される化合物が用いられる。
上記一般式（１）において、Ｒ１〜Ｒ６は、各々独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、ニトロ基、シリル基、炭素数１〜１０のアルキル基、炭素数１〜１０のアルケニル基、炭素数１〜１０のアルキニル基、炭素数４〜１２のシクロアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数６〜１２のヘテロアリール基、炭素数６〜１２のヘテロ環基、炭素数１〜１０のアルコキシ基、炭素数４〜１２のシクロアルコキシ基、炭素数１〜１０のアリールオキシ基、炭素数１〜１０のアルキルチオ基、炭素数４〜１２のシクロアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基、炭素数１〜１０のアルコキシカルボニル基、炭素数６〜１２のアリールオキシカルボニル基、炭素数１〜１０のスルファモイル基、炭素数１〜１０のアシル基、炭素数１〜１０のアシルオキシ基、炭素数１〜１０のアミド基、炭素数１〜１０のカルボニル基、炭素数１〜１０のウレイド基、炭素数１〜１０のスルフィニル基、炭素数１〜１０のアルキルスルホニル基、炭素数６〜１２のアリールスルホニリ基、及び炭素数１〜１０のアミノ基からなる群から選ばれる１種である。
上記の中でも、Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップを小さくするためには、上記一般式（１）のＲ１〜Ｒ６が、各々独立に、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ハロゲン原子、シアノ基、及びトリフルオロメチル基からなる群から選ばれる１種であることが好ましい。中でも、上記一般式（１）のＲ１〜Ｒ６のすべてが水素原子である下記の化合物（Ａ）が好ましく用いられる。
本発明の有機ＥＬ素子は、ホスト材料のＳ１状態から蛍光ドーパント材料のＳ１状態へのエネルギー移動が活発に起きることが望ましい。この観点から、本発明のホスト材料のＳ１エネルギーは、蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーよりも高く、かつ、ホスト材料のＳ１エネルギーと蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーとの差は、０．５ｅＶ以下が望ましい。
一方、熱失活による発光ロスを低減するためには、ホスト材料のＴ１状態からドーパント材料のＴ１状態へのエネルギー移動があまり起こらないことが望ましい。この観点から、本発明のホスト材料のＴ１エネルギーは、蛍光ドーパント材料のＴ１エネルギーよりも高く、かつ、２種類のＴ１エネルギーの差が０．５ｅＶよりも大きいことが望ましい。なお、蛍光ドーパント材料が熱活性型遅延蛍光材料である場合は、ドーパント材料のＴ１状態からＳ１状態への逆項間交差により、Ｔ１状態を発光に寄与させることができる。そのため、蛍光ドーパント材料として、熱活性型遅延蛍光材料が用いられる場合は、ホスト材料と蛍光ドーパント材料のＴ１エネルギーの差が小さくてもよい。
上記一般式（１）で表されるホスト材料よりもＳ１エネルギーが低く、かつホスト材料とのＳ１エネルギー差が０．５ｅｖ以下である蛍光ドーパント材料としては、例えば、ペリレン、あるいはその誘導体等の青色蛍光材料、３−(２−ベンゾチアゾリル)−Ｎ，Ｎ−ジエチルウンベリフェリルアミン（「クマリン−６」と称される）等の緑色蛍光材料、青色熱活性型遅延蛍光材料、緑色熱活性型遅延蛍光材料等が挙げられる。
上記の中でも、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．２４ｅＶ以下である蛍光ドーパント材料、すなわち、熱活性型遅延蛍光を生じる蛍光ドーパント材料としては、例えば、非特許文献７に記載されている、１，２−ビス（カルバゾロ−９−リル）‐４，５‐ジシアノベンゼン（「２ＣｚＰＮ」と称される）等の青色熱活性型遅延蛍光材料や、１，２，３，５‐テトラキス（カルバゾロ−９−リル）‐４，６‐ジシアノベンゼン（「４ＣｚＩＰＮ」と称される）等の緑色熱活性型遅延蛍光材料等が挙げられる。
一方、上記一般式（Ｉ）で表されるホスト材料よりもＴ１エネルギーが低く、かつホスト材料とのＴ１エネルギー差が０．５ｅｖよりも大きい蛍光ドーパント材料としては、例えば、ルブレン等の黄色蛍光材料や、４‐(ジシアノメチレン)‐２‐メチル‐６‐(４‐ジメチルアミノスチリル)‐４Ｈ‐ピラン（「ＤＣＭ」と称される」）等の赤色蛍光材料が挙げられる。
次に、陰極４について説明する。陰極４に用いられる材料は特に制限がなく、例えば、仕事関数の小さい金属、または、その合金や金属酸化物等が用いられる。仕事関数の小さい金属の例としては、アルカリ金属ではＬｉ、アルカリ土類金属ではＭｇ、Ｃａが挙げられる。また、希土類金属等からなる金属単体、あるいは、これらの金属とＡｌ、Ｉｎ、Ａｇ等の合金が用いられることもある。さらに、特開２００１−１０２１７５号公報等に開示されているように、陰極に接する有機層として、アルカリ土類金属イオン、及びアルカリ金属イオンからなる群から選択される少なくとも１種を含む有機金属錯体化合物を用いることもできる。この場合、陰極として、当該錯体化合物中の金属イオンを真空中で金属に還元し得る金属、例えばＡｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ等もしくはこれらの金属を含有する合金を用いることが好ましい。
有機ＥＬ素子は、使用環境における劣化を最小限に抑えるべきである。このためには、素子の一部または全体を、不活性ガス雰囲気下で封止ガラスや金属キャップを用いて封止する、あるいは、紫外線硬化樹脂等による保護層で被覆するのが好ましい。
本発明の有機ＥＬ素子は、室温において発光層のホスト材料が熱エネルギーによる逆項間交差を起こす。その後、ホスト材料から蛍光ドーパント材料へのエネルギー移動が起きる。この結果、本発明の蛍光有機ＥＬ素子は、蛍光ドーパント材料におけるＳ１状態の割合が高く、高い内部量子効率を示す。
なお、室温において熱エネルギーによる逆項間交差が生じる場合、室温における内部量子効率は２５％以上となることが期待される。したがって、本発明の有機ＥＬ素子は、０℃〜１００℃までのいずれかの温度における内部量子効率が２５％以上であることが好ましい。また、熱エネルギーによる逆項間交差が生じる場合、温度が高いほど、Ｓ１状態からＴ１状態への逆項間交差の発生確率が上昇する。そのため、本発明の有機ＥＬ素子は、０℃〜１００℃までの温度範囲において、温度上昇に伴って発光効率が上昇することが好ましい。
このような本発明の有機ＥＬ素子は、消費電力の少ない省エネルギーの光源となり得る。そのため、本発明の有機ＥＬ素子は、ディスプレイや照明器具等に有効に適用できる。
＜化合物（１）の合成＞
窒素雰囲気下、３，５−ジブロモピリジン−４−カルボニトリル（１．００６ｇ、３．８ｍｍｏｌ）、カルバゾール（１．９１２ｇ、１１．５ｍｍｏｌ）、ヨウ化銅（０．１１７４ｇ、０．６ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６（０．１５８ｇ、０．６ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム（１．２１２ｇ、８．８ｍｍｏｌ）、１，３−ジメチル−３，４，５，６−テトラヒドロ−２（１Ｈ）−ピリミジノン（３ｍｌ）の混合液を１７０℃で５時間加熱した(scheme 1)。室温まで冷却した後、ジクロロメタンで洗浄し、シリカゲルクロマトグラフィーで精製した。この手順により、黄色固体の化合物（Ａ）を０．４７０ｇ得た（１．１ｍｍｏｌ、収率２９％）。
窒素雰囲気下、３，５−ジブロモピリジン−４−カルボニトリル（１．００６ｇ、３．８ｍｍｏｌ）、カルバゾール（１．９１２ｇ、１１．５ｍｍｏｌ）、ヨウ化銅（０．１１７４ｇ、０．６ｍｍｏｌ）、１８−クラウン−６（０．１５８ｇ、０．６ｍｍｏｌ）、炭酸カリウム（１．２１２ｇ、８．８ｍｍｏｌ）、１，３−ジメチル−３，４，５，６−テトラヒドロ−２（１Ｈ）−ピリミジノン（３ｍｌ）の混合液を１７０℃で５時間加熱した(scheme 1)。室温まで冷却した後、ジクロロメタンで洗浄し、シリカゲルクロマトグラフィーで精製した。この手順により、黄色固体の化合物（Ａ）を０．４７０ｇ得た（１．１ｍｍｏｌ、収率２９％）。
得られた結晶は、１Ｈ−ＮＭＲによって化合物（Ａ）であることを確認した。測定結果は次の通りであった。１Ｈ−ＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）；δ＝９．１０（ｓ、２Ｈ）、８．２０（ｓ、２Ｈ）、８．１８（ｓ、２Ｈ）、７．５５−７．５２（ｍ、４Ｈ）、７．４３−７．３７（ｍ、８Ｈ）。
＜蛍光及び燐光スペクトルから評価した化合物（１）のＳ１−Ｔ１エネルギーギャップ＞
化合物（Ａ）を２−メチルテトラヒドロフランに分散させ、液体窒素を用いて７７Ｋに冷却した後、分光蛍光光度計（日立製 Ｆ−７０００）を用いて蛍光及び燐光スペクトルを測定した。図２の実線は、３２０ｎｍの入射光から得られた蛍光スペクトル、破線は３２０ｎｍの入射光から得られた燐光スペクトルである。なお、これらのスペクトルは発光強度の最大値が１．０となるように規格化されている。
化合物（Ａ）を２−メチルテトラヒドロフランに分散させ、液体窒素を用いて７７Ｋに冷却した後、分光蛍光光度計（日立製 Ｆ−７０００）を用いて蛍光及び燐光スペクトルを測定した。図２の実線は、３２０ｎｍの入射光から得られた蛍光スペクトル、破線は３２０ｎｍの入射光から得られた燐光スペクトルである。なお、これらのスペクトルは発光強度の最大値が１．０となるように規格化されている。
蛍光及び燐光スペクトルの短波長側のピーク端をそれぞれＳ１エネルギー及びＴ１エネルギーと定義する。図２よりこれらの値を読み取ると、それぞれ４１５ｎｍ（２．９９ｅＶ；図２の（ａ）の位置）、４３０ｎｍ（２．８８ｅＶ；図２の（ｂ）の位置）であった。Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差（Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップ）は０．１１ｅＶであった。この結果から、化合物（Ａ）は、Ｓ１−Ｔ１エネルギーギャップが０．２４ｅＶ以下であり、室温において、Ｓ１状態からＴ１状態への逆項間交差を生じる化合物であることが分かる。
なお、前述の特許文献１（特開２００９−９４４８６号公報）において、上記化合物（Ａ）を燐光ホスト材料として用いた燐光有機ＥＬ素子が、十分な発光特性を有することが報告されている。そのため、化合物（Ａ）は、安定なアモルファス膜を生成すること、ホール移動度と電子移動度が共に高いこと等、有機ＥＬ素子のホスト材料が満たすべき特性を満足していると考えられる。これらの結果から、発光層のホスト材料として化合物（Ａ）を含み、かつ、かつドーパント材料として蛍光材料を有する有機ＥＬ素子は、室温においてドーパント材料のＳ１状態の割合が高くなり、高い内部量子効率を示すと考えられる。
Claims (9)
- 一対の電極間に発光層を備える有機ＥＬ素子であって、
前記発光層は、ホスト材料と蛍光ドーパント材料とを有し、
前記ホスト材料のＳ１エネルギーは、前記蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーよりも高く、かつ、前記ホスト材料のＳ１エネルギーと前記蛍光ドーパント材料のＳ１エネルギーとの差が０．５ｅｖ以下であり、
前記ホスト材料は、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．２４ｅＶ以下であり、下記一般式（１）で表される化合物を含む、有機ＥＬ素子。
- 前記一般式（１）において、Ｒ１〜Ｒ６が、各々独立に、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ハロゲン原子、シアノ基、及びトリフルオロメチル基からなる群から選ばれる１種である、請求項１に記載の有機ＥＬ素子。
- 前記一般式（１）において、Ｒ１〜Ｒ６がいずれも水素原子である、請求項２に記載の有機ＥＬ素子。
- 前記蛍光ドーパント材料は、Ｓ１エネルギーとＴ１エネルギーの差が０．２４ｅＶ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。
- 前記ホスト材料のＴ１エネルギーが前記蛍光ドーパント材料のＴ１エネルギーよりも高く、かつ、前記ホスト材料のＴ１エネルギーと前記蛍光ドーパント材料のＴ１エネルギーとの差が０．５ｅｖよりも大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。
- ０℃〜１００℃までのいずれかの温度における内部量子効率が２５％以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。
- ０℃〜１００℃までの温度範囲において、温度上昇に伴って発光効率が上昇する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子を備える照明器具。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子を備えるディスプレイ装置。
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| HIROKI UOYAMA ET AL.: "Highly efficient organic light-emitting diodesfrom delayed fluorescence", NATURE, vol. 492, JPN6018008429, 13 December 2012 (2012-12-13), GB, pages 234 - 238, XP055048388, ISSN: 0003892053, DOI: 10.1038/nature11687 * |
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