KR102248531B1

KR102248531B1 - 발광 소자

Info

Publication number: KR102248531B1
Application number: KR1020200033016A
Authority: KR
Inventors: 슌페이 야마자키; 페이 야마자키; 사토시 세오; 노부하루 오사와; 사토코 시타가키; 히데코 이노우에; 히로시 가도마; 하루에 오사카; 구니히코 스즈키; 야스히코 다케무라
Original assignee: 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-05-06
Also published as: US20180212154A1; KR20120100751A; US20200111966A1; US20230079236A1; JP2012195573A; KR20200033247A; US10505120B2; TWI743606B; TW202029551A; TWI680600B; TWI617064B; JP2020025120A; JP2017063217A; JP2024063197A; CN102655222A; US20210175429A1; US20120217487A1; TW202220957A; TW201830748A; JP2021182637A

Abstract

외부 양자 효율이 높은 발광 소자를 제공한다.
게스트, n형 호스트 및 p형 호스트를 포함하는 발광층을 한 쌍의 전극간에 가지고, n형 호스트(또는 p형 호스트)의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차를 게스트의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차로부터 뺀 값이 0.15전자볼트 이상인 발광 소자. 상기 발광 소자는, 3중항 여기 상태에 있는 게스트로부터 n형 호스트(또는 p형 호스트)의 3중항 여기 상태에의 전이가 일어나기 어렵기 때문에, 3중항 여기 상태에 있는 게스트로부터의 발광이 효율적으로 행해진다. 또는, n형 호스트의 LUMO 준위가 게스트의 LUMO 준위보다 0.1전자볼트 이상 높거나, 또는 p형 호스트의 HOMO 준위가 게스트의 HOMO 준위보다 0.1전자볼트 이상 낮은 발광 소자. 상기 발광 소자는, 게스트 내에서 전자 정공의 재결합이 효율적으로 발생하여 발광 효율 또는 외부 양자 효율을 높일 수 있다.

Description

발광 소자 {Light-emitting device}

유기 일렉트로루미네선스(EL: Electroluminescence) 현상을 이용한 발광 소자(이하, 유기 EL 소자라고도 한다)에 관한 것이다.

유기 EL 소자의 연구 개발이 왕성하게 이루어지고 있다(특허문헌 1, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2 참조). 유기 EL 소자의 기본적인 구성은, 한 쌍의 전극간에 발광성 유기 화합물을 함유하는 층(이하, 발광층이라고도 한다)을 사이에 개재한 것이며, 박형 경량화할 수 있다·입력 신호에 고속으로 응답할 수 있다·직류 저전압 구동이 가능하다 등의 특성으로부터, 차세대 플랫 패널 디스플레이 소자로서 주목받고 있다. 또한, 이러한 발광 소자를 사용한 디스플레이는, 콘트라스트나 화질이 우수하고, 시야각(視野角)이 넓다고 하는 특징도 가지고 있다. 또한, 유기 EL 소자는 면광원이기 때문에, 액정 디스플레이의 백라이트(backlight)나 조명 등의 광원으로서의 응용도 고려되고 있다.

유기 EL 소자의 발광 기구는 캐리어 주입형이다. 즉, 전극간에 발광층을 개재하여 전압을 인가함으로써, 전극으로부터 주입된 전자 및 정공이 재결합하여 발광 물질이 여기 상태가 되고, 그 여기 상태가 기저 상태로 되돌아올 때에 발광한다. 여기 상태에는, 1중항 여기 상태와 3중항 여기 상태가 있다. 또한, 발광 소자에 있어서의 그 통계적인 생성 비율은, 전자는 후자의 3분의 1이라고 생각되고 있다. 또한, 본 명세서에서는, 1중항 여기 상태(3중항 여기 상태)란, 특별히 언급하지 않는 한, 1중항 여기 상태(3중항 여기 상태) 중, 에너지 준위가 가장 낮은 것을 가리킨다.

발광성 유기 화합물은 통상적으로 기저 상태가 1중항 상태이다. 따라서, 1중항 여기 상태로부터의 발광은, 동일한 스핀 다중도간의 전자 전이이기 때문에 형광이라고 불린다. 한편, 3중항 여기 상태로부터의 발광은, 상이한 스핀 다중도간의 전자 전이이기 때문에 인광이라고 불린다. 여기에서, 형광을 발하는 화합물(이하, 형광성 화합물이라고 한다)은 실온에 있어서, 통상, 인광은 관측되지 않고 형광만이 관측된다. 따라서, 형광성 화합물을 사용한 발광 소자에 있어서의 내부 양자 효율(주입한 캐리어에 대해 발생하는 포톤(photon)의 비율)의 이론적 한계는, 상기의 1중항 여기 상태와 3중항 여기 상태의 비율을 근거로 25%로 되어 있다.

한편, 인광을 발하는 화합물(이하, 인광성 화합물이라고 한다)을 사용하면, 내부 양자 효율을 100%로까지 향상시키는 것이 이론상은 가능해진다. 즉, 형광성 화합물에 비해 높은 발광 효율을 얻는 것이 가능해진다. 이러한 이유에서, 고효율의 발광 소자를 실현하기 위해서, 인광성 화합물을 사용한 발광 소자의 개발이 최근 왕성하게 행해지고 있다.

특히, 그 인광 양자 효율이 높기 때문에, 인광성 화합물로서 이리듐 등을 중심 금속으로 하는 유기 금속 착체가 주목받고 있으며, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 이리듐을 중심 금속으로 하는 유기 금속 착체가 인광 재료로서 개시되어 있다.

상기한 인광성 화합물을 사용하여 발광 소자의 발광층을 형성하는 경우, 인광성 화합물의 농도 소광이나 3중항-3중항 소멸에 의한 소광을 억제하기 위해서, 다른 화합물로 이루어지는 매트릭스 중에 상기 인광성 화합물이 분산되도록 하여 형성하는 경우가 많다. 이 때, 매트릭스가 되는 화합물은 호스트, 인광성 화합물과 같이 매트릭스 중에 분산되는 화합물은 게스트라고 불린다.

이러한, 인광성 화합물을 게스트로서 사용하는 발광 소자에 있어서의 발광의 일반적인 기본 과정(elementary process)은 몇가지 있지만, 이들에 관해서 이하에 설명한다.

(1) 전자 및 정공이 게스트 분자에 있어서 재결합하고, 게스트 분자가 여기 상태가 되는 경우(직접 재결합 과정).

(1-1) 게스트 분자의 여기 상태가 3중항 여기 상태일 때 게스트 분자는 인광을 발한다.

(1-2) 게스트 분자의 여기 상태가 1중항 여기 상태일 때 1중항 여기 상태의 게스트 분자는 3중항 여기 상태로 항간(項間) 교차하여 인광을 발한다.

즉, 상기 (1)의 직접 재결합 과정에 있어서는, 게스트 분자의 항간 교차 효율, 및 인광 양자 효율만 높으면, 높은 발광 효율이 얻어지게 된다.

(2) 전자 및 정공이 호스트 분자에 있어서 재결합하고, 호스트 분자가 여기 상태가 되는 경우(에너지 이동 과정).

(2-1) 호스트 분자의 여기 상태가 3중항 여기 상태일 때, 호스트 분자의 3중항 여기 상태의 에너지 준위(T1 준위)가 게스트 분자의 T1 준위보다도 높은 경우, 호스트 분자로부터 게스트 분자로 여기 에너지가 이동하고, 게스트 분자가 3중항 여기 상태가 된다. 3중항 여기 상태가 된 게스트 분자는 인광을 발한다. 또한, 게스트 분자의 1중항 여기 상태의 에너지 준위(S1 준위)로의 에너지 이동도 형식상 있을 수 있지만, 많은 경우 게스트 분자의 S1 준위쪽이 호스트 분자의 T1 준위보다도 고에너지측에 위치하고 있어 주된 에너지 이동 과정이 되기 어렵기 때문에, 여기에서는 생략한다.

(2-2) 호스트 분자의 여기 상태가 1중항 여기 상태일 때, 호스트 분자의 1중항 여기 상태의 에너지 준위(S1 준위)가 게스트 분자의 S1 준위 및 T1 준위보다도 높은 경우, 호스트 분자로부터 게스트 분자로 여기 에너지가 이동하여 게스트 분자가 1중항 여기 상태 또는 3중항 여기 상태가 된다. 3중항 여기 상태가 된 게스트 분자는 인광을 발한다. 또한, 1중항 여기 상태가 된 게스트 분자는, 3중항 여기 상태로 항간 교차하여 인광을 발한다.

즉, 상기 (2)의 에너지 이동 과정에 있어서는, 호스트 분자의 3중항 여기 에너지 및 1중항 여기 에너지 쌍방이, 어떻게 게스트 분자로 효율적으로 이동할 수 있는지가 중요해진다.

이 에너지 이동 과정을 감안하면, 호스트 분자로부터 게스트 분자로 여기 에너지가 이동하기 전에, 호스트 분자 자체가 그 여기 에너지를 광 또는 열로서 방출하여 실활되어 버리면, 발광 효율이 저하되게 된다.

<에너지 이동 과정>

이하에서는, 분자간의 에너지 이동 과정에 관해서 상세하게 설명한다.

우선, 분자간의 에너지 이동의 기구로서, 이하의 2개의 기구가 제창되어 있다. 여기에서, 여기 에너지를 주는 측의 분자를 호스트 분자, 여기 에너지를 수용하는 측의 분자를 게스트 분자라고 기재한다.

<<펠스터 기구(쌍극자-쌍극자 상호 작용)>>

펠스터 기구는, 에너지 이동에, 분자간의 직접적 접촉을 필요로 하지 않는다. 호스트 분자 및 게스트 분자간의 쌍극자 진동의 공명 현상을 통해서 에너지 이동이 일어난다. 쌍극자 진동의 공명 현상에 의해 호스트 분자가 게스트 분자로 에너지를 주고 받아 호스트 분자가 기저 상태가 되고, 게스트 분자가 여기 상태가 된다. 펠스터 기구의 속도 상수(k_h ^* _→g)를 수학식 1에 나타낸다.

수학식 1에 있어서, v는, 진동수를 나타내고, f'_h(ν)는, 호스트 분자의 규격화된 발광 스펙트럼(1중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 형광 스펙트럼, 3중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 인광 스펙트럼)을 나타내고, ε_g(ν)은, 게스트 분자의 몰 흡광 계수를 나타내고, N은, 아보가드로수(Avogadro's number)를 나타내고, n은, 매체의 굴절율을 나타내고, R은, 호스트 분자와 게스트 분자의 분자간 거리를 나타내고, τ은, 실측되는 여기 상태의 수명(형광 수명이나 인광 수명)을 나타내고, c는 광속을 나타내고, φ은, 발광 양자 효율(1중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 형광 양자 효율, 3중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 인광 양자 효율)을 나타내고, K²는, 호스트 분자와 게스트 분자의 전이 쌍극자 모멘트의 배향을 나타내는 계수(0 내지 4)이다. 또한, 랜덤 배향의 경우에는 K²=2/3이다.

<<덱스터 기구(Dexter mechanism)(전자 교환 상호 작용)>>

덱스터 기구는, 호스트 분자와 게스트 분자가 궤도의 중첩을 일으키는 접촉 유효 거리에 근접하여 여기 상태의 호스트 분자의 전자와 기저 상태의 게스트 분자의 전자의 교환을 통해 에너지 이동이 일어난다. 덱스터 기구의 속도 상수(k_h ^* _→g)를 수학식 2에 나타낸다.

수학식 2에 있어서, h는, 프랭크 상수이며, K는, 에너지의 차원(dimension)을 갖는 상수이며, ν는, 진동수를 나타내고, f'_h(ν)는, 호스트 분자의 규격화된 발광 스펙트럼(1중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 형광 스펙트럼, 3중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 인광 스펙트럼)을 나타내고, ε'_g(ν)는, 게스트 분자의 규격화된 흡수 스펙트럼을 나타내고, L은, 실효 분자 반경을 나타내고, R은, 호스트 분자와 게스트 분자의 분자간 거리를 나타낸다.

여기에서, 호스트 분자로부터 게스트 분자로의 에너지 이동 효율(Φ_ET)은, 수학식 3으로 나타낼 것으로 생각된다. k_r은, 호스트 분자의 발광 과정(호스트 분자의 1중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 형광, 호스트 분자의 3중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 인광)의 속도 상수를 나타내고, k_n은, 비발광 과정(열 실활이나 항간 교차)의 속도 상수를 나타내고, τ는, 실측되는 호스트 분자의 여기 상태의 수명을 나타낸다.

우선, 수학식 3으로부터, 에너지 이동 효율(Φ_ET)을 높게 하기 위해서는, 에너지 이동의 속도 상수(k_h ^* _→g)를, 다른 경합하는 속도 상수(k_r+k_n(=1/τ))에 비해 훨씬 크게 하면 양호한 것을 알 수 있다. 그리고, 그 에너지 이동의 속도 상수(k_h ^* _→g)를 크게 하기 위해서는, 수학식 1 및 수학식 2로부터, 펠스터 기구, 덱스터 기구 중 어느 기구에 있어서도, 호스트 분자의 발광 스펙트럼(1중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 형광 스펙트럼, 3중항 여기 상태로부터의 에너지 이동을 논하는 경우에는 인광 스펙트럼)과 게스트 분자의 흡수 스펙트럼(통상적으로는, 인광이기 때문에, 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차)의 중첩이 큰 쪽이 양호한 것을 알 수 있다.

예를 들면, 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가, 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차와 중첩되도록 선택된 재료에 의해, 보다 효율적으로 호스트로부터 게스트로의 에너지 이동이 발생한다.

그러나, 상기의 에너지 이동은, 3중항 여기 상태의 게스트 분자로부터 기저 상태의 호스트 분자로도 완전히 마찬가지로 발생한다. 그리고, 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가, 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차와 중첩되도록 선택된 재료에서는, 게스트 분자의 3중항 여기 상태가 호스트 분자의 3중항 여기 상태로 에너지가 이동하기 쉽다는 것이기도 하다. 이것에 의해, 발광 효율의 저하가 일어난다.

이러한 문제에 대해서는, 예를 들면, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차를 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다도 크게 함으로써 극복하는 것이 제안되어 있다.

비특허문헌 1에서는, 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차를 게스트 분자의 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.3전자볼트(현재는, 0.15전자볼트로 정정되어 있다) 크게 함으로써, 게스트 분자의 3중항 여기 상태로부터 호스트 분자의 3중항 여기 상태로의 전이를 일으키지 않도록 하고 있다.

즉, 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차를 게스트 분자의 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.15전자볼트 이상 크게 하면, 게스트 분자의 3중항 여기 상태로부터 호스트 분자의 3중항 여기 상태로의 전이를 충분히 저지할 수 있다.

국제공개 제2000/070655호 팜플렛

Shizuo Tokito et al., "Confinement of triplet energy on phosphorescent molecules for highly-efficient organic blue-light-emitting devices", Appl. Phys. Lett., 83, 569(2003). Vi-En Choong et al., "Organic light-emitting diodes with a bipolar transport layer", Appl. Phys. Lett., 75, 172(1999).

그러나, 이와 같이 호스트 분자와 게스트 분자의 에너지차가 상이하다는 것은, 상기의 펠스터 기구나 덱스터 기구가 일어나기 어려워진다는 것을 의미하고, 그러한 것에 의한 발광 효율의 저하가 문제가 된다. 본 발명의 일 형태는, 이러한 모순을 극복하는 새로운 원리에 기초한 발광 소자를 제공한다.

또한, 상기와 같이, 다양한 여기 과정이 존재하지만, 실활이 적은 여기 과정은, 직접 재결합 과정이며, 그 비율을 향상시키는 것이 발광 효율 또는 외부 양자 효율의 향상에 있어서 바람직하다. 본 발명의 일 형태는 효율적으로 직접 재결합 과정을 발생시키는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 본 발명의 일 형태는, 외부 양자 효율이 높은 발광 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 일 형태는, 인광성 화합물(게스트), 제 1 유기 화합물, 및 제 2 유기 화합물을 함유하는 발광층을 한 쌍의 전극간에 가지며, 제 1 유기 화합물 및 제 2 유기 화합물의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가, 게스트의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.15전자볼트 이상 큰 것을 특징으로 하는 발광 소자이다.

상기에 있어서, 제 1 유기 화합물, 및 제 2 유기 화합물이, 여기 착체를 형성하는 조합이라도 좋다. 또한, 제 1 유기 화합물은 전자 수송성이 정공 수송성보다도 우수하며, 제 2 유기 화합물은 정공 수송성이 전자 수송성보다도 우수해도 좋다. 이러한 특색을 갖는 경우, 제 1 유기 화합물, 및 제 2 유기 화합물을 각각 n형 호스트, p형 호스트라고 칭한다.

또한, 본 발명의 일 형태는, 게스트, n형 호스트, p형 호스트를 포함하는 발광층을 한 쌍의 전극간에 가지며, n형 호스트의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular 0rbital) 준위가 게스트의 LUMO 준위보다도 0.1전자볼트 이상 높은 것을 특징으로 하는 발광 소자이다.

또한, 게스트의 LUMO 준위가 n형 호스트의 LUMO 준위보다 지나치게 낮으면 전기 전도 특성상 바람직하지 못하다. 이로 인해, n형 호스트의 LUMO 준위(En)로부터 게스트의 LUMO 준위(Ea)를 뺀 값, (En-Ea)가 0.1전자볼트 이상 0.5전자볼트 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 형태는, 게스트, n형 호스트 및 p형 호스트를 포함하는 발광층을 한 쌍의 전극간에 가지며, p형 호스트의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위가 게스트의 HOMO 준위보다도 0.1전자볼트 이상 낮은 것을 특징으로 하는 발광 소자이다.

또한, 게스트의 HOMO 준위가 p형 호스트의 HOMO 준위보다 지나치게 높으면 전기 전도 특성상 바람직하지 못하다. 이로 인해, p형 호스트의 HOMO 준위(Ep)로부터 게스트의 HOMO 준위(Eb)를 뺀 값(Ep-Eb)이 -0.5전자볼트 이상 -0.1전자볼트 이하인 것이 바람직하다.

상기 발광 소자에 있어서, 게스트는 유기 금속 착체인 것이 바람직하다. 상기 발광 소자에 있어서, n형 호스트 및 p형 호스트의 적어도 한쪽이, 형광성 화합물이라도 좋다. 본 발명의 일 형태의 발광 소자는, 발광 장치, 전자 기기, 및 조명 장치에 적용할 수 있다.

본 발명의 일 형태에서는, 발광층은, n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자와 게스트 분자를 가진다. 물론, 분자는 규칙적으로 배열되어 있을 필요는 없으며, 규칙성이 지극히 적은 상태라도 좋다. 특히 발광층을 50nm 이하의 박막으로 하는 경우에는, 비정질 상태가 되는 것이 바람직하며, 이로 인해, 결정화되기 어려운 재료의 조합을 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 형태는 도 1a에 도시하는 바와 같이, 기판(101) 위에 제 1 전극(103), 상기의 구성을 갖는 발광층(102), 제 2 전극(104)을 중첩하여 형성한 발광 소자라도 좋다. 여기에서, 제 1 전극(103)은 양극과 음극의 한쪽이며, 제 2 전극(104)은 양극과 음극의 다른쪽이다.

또한, 본 발명의 일 형태는 도 1b에 도시하는 바와 같이, 제 1 전극(103), 발광층(102), 제 2 전극(104) 외에, 제 1 캐리어의 주입층(105), 제 1 캐리어의 수송층(106), 제 2 캐리어의 주입층(107), 제 2 캐리어의 수송층(108)을 중첩하여 형성한 발광 소자라도 좋다. 여기에서, 제 1 캐리어는 전자와 정공의 한쪽이며, 제 2 캐리어는 전자와 정공의 다른쪽이다. 또한, 제 1 전극이 양극이면, 제 1 캐리어는 정공이며, 제 1 전극이 음극이면, 제 1 캐리어는 전자이다.

본 발명의 일 형태에서는, 호스트(n형 호스트 및 p형 호스트) 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차를, 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.15전자볼트 이상 높게 함으로써, 게스트 분자의 3중항 여기 상태로부터 호스트(n형 호스트 및 p형 호스트) 분자의 3중항 여기 상태로의 전이를 충분히 방지할 수 있어 외부 양자 효율이 높은 발광 소자를 제공할 수 있다.

한편, 펠스터 기구나 덱스터 기구를 사용하는 에너지 이동 과정에 관해서는, n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자의 여기 착체로부터 게스트 분자로 에너지 이동 하는 과정을 거칠 수 있다. 여기 착체는, 에너지가 게스트 분자로 이동한 단계에서, n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자로 분열되고, n형 호스트 분자(또는 p형 호스트 분자)의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차는, 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.15전자볼트 이상 높기 때문에, 게스트 분자의 3중항 여기 상태가 n형 호스트 분자(또는 p형 호스트 분자)의 3중항 여기 상태로 에너지 이동하는 경우는 없다.

또한, 본 발명의 일 형태에서는, 예를 들면, n형 호스트 분자의 LUMO 준위가 게스트 분자의 LUMO 준위보다도 0.1전자볼트 이상 높은 것에 의해 n형 호스트 분자를 전도해 온 전자는, 우선적으로 게스트 분자의 LUMO 준위로 들어간다. 그 결과, 게스트 분자는 음이온이 되고, 정공을 유인하여 게스트 분자에 있어서 정공과 전자가 재결합한다.

또한, 본 발명의 일 형태에서는, 예를 들면, p형 호스트 분자의 HOMO 준위가 게스트 분자의 HOMO 준위보다도 0.1전자볼트 이상 낮은 것에 의해 p형 호스트 분자를 전도해 온 정공은, 우선적으로 게스트 분자의 HOMO 준위로 들어간다. 그 결과, 게스트 분자는 양이온이 되고, 전자를 유인하여 게스트 분자에 있어서 정공과 전자가 재결합한다.

이와 같이 하여, 본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 효율적으로 게스트 분자에 캐리어를 주입하고, 직접 재결합 과정의 비율을 높일 수 있다. 특히, 본 발명의 일 형태에서는, 발광층에 n형 호스트와 p형 호스트를 혼재하여 사용하고 있기 때문에, 전자는 n형 호스트 분자를 전도하고, 정공은 p형 호스트 분자를 전도하는 경향이 있다. 그 결과, 게스트 분자의 LUMO 준위에는 n형 호스트 분자로부터 전자가 주입되고, 또한, 게스트 분자의 HOMO 준위에는 p형 호스트 분자로부터 정공이 주입된다.

도 1a 내지 1d는 본 발명의 다양한 형태를 도시하는 도면.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 형태의 원리를 설명하는 도면.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 형태의 원리를 설명하는 도면.
도 4는 실시예 1의 발광 소자의 전류 밀도-휘도 특성을 도시하는 도면.
도 5는 실시예 1의 발광 소자의 전압-휘도 특성을 도시하는 도면.
도 6은 실시예 1의 발광 소자의 휘도-전류 효율 특성을 도시하는 도면.
도 7은 실시예 1의 발광 소자의 휘도-외부 양자 효율 특성을 도시하는 도면.
도 8은 실시예 1의 발광 소자의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 9는 실시예 1의 발광 소자의 신뢰성 시험의 결과를 도시하는 도면.
도 10은 실시예 2의 발광 소자의 전류 밀도-휘도 특성을 도시하는 도면.
도 11은 실시예 2의 발광 소자의 전압-휘도 특성을 도시하는 도면.
도 12는 실시예 2의 발광 소자의 휘도-전류 효율 특성을 도시하는 도면.
도 13은 실시예 2의 발광 소자의 휘도-외부 양자 효율 특성을 도시하는 도면.
도 14는 실시예 2의 발광 소자의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 15는 실시예 2의 발광 소자의 신뢰성 시험의 결과를 도시하는 도면.

실시형태에 관해서, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위에서 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것 은 아니다. 또한, 이하에 설명하는 발명의 구성에 있어서, 동일 부분 또는 같은 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 상이한 도면간에 공통적으로 사용하고, 그 반복 설명은 생략한다.

(실시형태 1)

본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 발광 소자의 원리에 관해서 도 2a 내지 2c를 사용하여 설명한다. 도 2a는 2개의 n형 호스트 분자(H_n_1, H_n_2)와 1개의 게스트 분자(G)와 2개의 p형 호스트 분자(H_p_1, H_p_2)가 직선상으로 나열되어 있는 경우의 이들 분자의 에너지 상태를 도시한다. 각 분자는 각각 HOMO와 LUMO를 가진다.

여기에서는, 설명을 간단하게 하기 위해서, n형 호스트 분자의 LUMO 준위(En)와 게스트 분자의 LUMO 준위(Ea)를 동일하게, 또한, p형 호스트 분자의 HOMO 준위(Ep)와 게스트 분자의 HOMO 준위(Eb)를 동일하게 하고 있지만, 그러한 경우에 한정되지 않고, -0.3[전자볼트]<Ea-En<+0.3[전자볼트], -0.3[전자볼트])<Eb-Ep<+0.3[전자볼트]이면 된다. 또한, n형 호스트 분자(또는 p형 호스트 분자)의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차는 게스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차보다 0.5전자볼트 이상 큰 것이 바람직하다.

n형 호스트 분자, p형 호스트 분자, 게스트 분자 모두, 기저 상태에서는, HOMO에는 2개의 전자가 있고, LUMO에는 전자가 없다. 예를 들면, n형 호스트 분자(H_n_2)와 게스트 분자(G)와 p형 호스트 분자(H_p_2)는, HOMO에는 2개의 전자가 있고, LUMO에는 전자가 없는 상태이다.

한편, 양극(도면의 우측)으로부터 정공이, 음극(도면의 좌측)으로부터 전자가 주입되었기 때문에, n형 호스트 분자(H_n_1)는 LUMO에 전자를 가지고, p형 호스트 분자(H_p_1)는 HOMO에 전자가 1개밖에 없는(정공이 하나 있는) 상태로 되어 있다. 즉, n형 호스트 분자(H_n_1)는 음이온이며, p형 호스트 분자(H_p_1)는 양이온이다.

전자와 정공은, 이러한 n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자를 호핑(hopping)하면서 전도한다. 그리고, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 게스트 분자의 LUMO에 전자가, HOMO에 정공이 주입되어(직접 재결합 과정), 게스트 분자는 여기 상태(분자내 여기자, 엑시톤)가 된다. 이와 같이, 직접 여기 재결합 과정에서도, 특히 n형 호스트 및 p형 호스트로부터 게스트로 직접 캐리어가 주입되는 현상을, Guest Coupled with Complementary Hosts(GCCH)라고 한다.

그런데, 도 2a 내지 2c에서도 명백한 바와 같이, n형 호스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차 및 p형 호스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차는, 모두 게스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차보다 상당히 크기 때문에, 펠스터 기구나 덱스터 기구에 의해, 게스트의 3중항 여기 상태가 n형 호스트 또는 p형 호스트의 3중항 여기 상태로 이행할 확률은 충분히 작다.

즉, 도 2c에 도시하는 바와 같이, 게스트 분자(G) 및 n형 호스트 분자(H_n_1)의 기저 상태(각각, S0_G, S0_H_n_1)를 기준으로 했을 때, n형 호스트 분자(H_n_1)의 3중항 여기 상태의 에너지 준위(T1_H_n_1)는 게스트 분자(G)의 3중항 여기 상태의 에너지 준위(T1_G)보다도 ΔEt(≥0.15전자볼트)만큼 높기 때문에, 이 사이의 전이는 상온에서는 일어나기 어렵다. 또한, 도 2c에서 S1_G, S1_H_n_1은 각각, 게스트 분자(G), n형 호스트 분자(H_n_1)의 1중항 여기 상태의 에너지 준위이다.

도 2c에서는, n형 호스트 분자의 에너지 상태에 관해서 서술하였지만, p형 호스트 분자에서도, 그 3중항 여기 상태의 에너지 준위가, 게스트 분자의 3중항 여기 상태의 에너지 준위보다 높으면 같은 효과가 얻어진다.

엄밀하게는, 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차가, 그 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차라는 것은 아니지만, 일정한 상관은 있다. 예를 들면, 후술하는 (아세틸아세나토)비스(4,6-디페닐피리미디나토)이리듐(III)(약칭: [Ir(dppm)₂(acac)])은 게스트로서 사용되지만, 그 HOMO 준위와 LUMO 준위의 차는 2.58전자볼트인 것에 대해, 그 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차는, 2.22전자볼트이다. 또한, n형 호스트로서 사용되는 2-[3-(디벤조티오펜-4-일)페닐]디벤조[f,h]퀴녹살린(약칭: 2mDBTPDBq-II)은 각각, 3.10전자볼트, 2.54전자볼트이며, p형 호스트로서 사용되는 4,4'-디(1-나프틸)-4''-(9-페닐-9H-카르바졸-3-일)트리페닐아민(약칭: PCBNBB)은 각각, 3.15전자볼트, 2.40전자볼트이다.

그런데, 게스트로서 상기의 [Ir(dppm)₂(acac)], n형 호스트로서 2mDBTPDBq-II, p형 호스트로서 PCBNBB를 사용한 경우, 2mDBTPDBq-II의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차 및 PCBNBB의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차(광학 측정의 결과에서는 각각, 2.54전자볼트, 2.40전자볼트)는, 게스트의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차(광학 측정의 결과에서는, 2.22전자볼트)보다 0.18전자볼트 이상 높기 때문에, 게스트의 3중항 여기 상태가 호스트로 이동하는 경우는 거의 없다.

또한, 게스트로서 (디피발로일메타나토)비스(3,5-디메틸-2-페닐피라지나토)이리듐(III)(약칭: [Ir(mppr-Me)₂(dpm)])을 사용할 수도 있다. [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차는 광학 측정의 결과에서는, 2.24전자볼트이다.

따라서, n형 호스트로서 2mDBTPDBq-II, p형 호스트로서 PCBNBB를 사용한 경우, 이들의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차는, [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.16전자볼트 이상 높기 때문에, 게스트의 3중항 여기 상태가 호스트로 이동하는 경우는 거의 없다.

이상은, 게스트로 전자와 정공이 주입되는 직접 재결합 과정이지만, n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자가 여기 착체를 형성하고, 이것이 게스트 분자로 에너지 이동함으로써, 게스트 분자를 여기 상태로 할 수도 있다. 이 경우에는, 에너지 이동에는 펠스터 기구나 덱스터 기구를 사용한다.

여기 착체(엑사이플렉스, exciplex)는, 여기 상태에 있어서의 이종(異種) 분자간의 상호 작용에 의해 형성된다. 여기 착체는, 비교적 깊은 LUMO 준위를 갖는 재료와, 얕은 HOMO 준위를 갖는 재료 사이에서 형성하기 쉬운 것이 일반적으로 알려져 있다. 예를 들면, 전자로서 p형 호스트, 후자로서 n형 호스트를 사용할 수 있다.

여기에서, n형 호스트와 p형 호스트의 HOMO 준위 및 LUMO 준위는 서로 상이하고, n형 호스트의 HOMO 준위 < p형 호스트의 HOMO 준위 < n형 호스트의 LUMO 준위 < p형 호스트의 LUMO 준위의 순으로 높다.

그리고, 이 n형 호스트와 p형 호스트에 의해 여기 착체가 형성된 경우, 여기 착체의 LUMO 준위는, n형 호스트에 유래하고, HOMO 준위는 p형 호스트에 유래한다. 따라서, 여기 착체의 에너지차는, n형 호스트의 에너지차, 및 p형 호스트의 에너지차보다도 작아진다. 즉, n형 호스트와 p형 호스트의 각각의 발광 파장에 비해, 여기 착체의 발광 파장은 장파장이 된다. 여기 착체의 형성 과정은 크게 나누어 이하의 2개의 과정을 생각할 수 있다.

<<일렉트로플렉스(electroplex)>>

본 명세서에 있어서, 일렉트로플렉스란, 기저 상태의 n형 호스트 및 기저 상태의 p형 호스트로부터 직접 여기 착체가 형성되는 것을 가리킨다.

상기한 바와 같이, 펠스터 기구나 덱스터 기구에서는, 전자 및 정공이 호스트 중에서 재결합한 경우, 여기 상태의 호스트로부터 게스트로 여기 에너지가 이동하여 게스트가 여기 상태에 이르러 발광한다.

여기에서, 호스트로부터 게스트로 여기 에너지가 이동하기 전에, 호스트 자체가 발광하거나, 또는 여기 에너지가 열 에너지가 됨으로써, 여기 에너지의 일부를 상실한다. 특히, 호스트가 1중항 여기 상태인 경우에는, 3중항 여기 상태인 경우에 비해 여기 수명이 짧기 때문에, 1중항 여기자의 실활이 일어나기 쉽다. 여기자의 실활은 발광 소자의 수명의 저하로 이어지는 요인의 하나이다.

한편, 본 발명의 일 형태에서는, n형 호스트 및 p형 호스트가 동일한 발광층에 존재하기 때문에, n형 호스트 분자 및 p형 호스트 분자가 캐리어를 가진 상태(음이온 및 양이온)로부터, 일렉트로플렉스를 형성하는 경우가 많다. 이로 인해, 여기 수명이 짧은 n형 호스트 분자의 1중항 여기자 또는 p형 호스트 분자의 1중항 여기자는 형성되기 어렵다.

즉, 개개의 분자의 1중항 여기자를 형성하지 않고, 직접 여기 착체를 형성하는 과정이 대부분이다. 이것에 의해, 상기 1중항 여기자의 실활도 억제할 수 있다. 그리고, 발생한 일렉트로플렉스로부터 게스트로 에너지 이동을 행하여 발광 효율이 높은 발광 소자를 얻을 수 있다.

<<여기자에 의한 여기 착체의 형성>>

또 하나의 과정으로서는, 호스트인 n형 호스트 분자 및 p형 호스트 분자의 한쪽이 1중항 여기자를 형성한 후, 기저 상태의 다른쪽과 상호 작용하여 여기 착체를 형성하는 기본 과정을 생각할 수 있다. 일렉트로플렉스와는 상이하며, 이 경우에는 일단, n형 호스트 분자 또는 p형 호스트 분자의 1중항 여기자가 생성되어 버리지만, 이것을 신속하게 여기 착체로 변환할 수 있으면, 역시 1중항 여기자의 실활을 억제할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, n형 호스트 및 p형 호스트가 동일한 발광층에 존재하는 경우에는, 이 과정은 일어나기 어렵다.

예를 들면, n형 호스트는 전자 트랩성의 화합물이며, 한편 p형 호스트는 정공 트랩성의 화합물이다. 이들 화합물의 HOMO 준위의 차, 및 LUMO 준위의 차가 클 경우(구체적으로는 차이가 0.3eV 이상), 전자는 우선적으로 n형 호스트 분자로 들어가고, 정공은 우선적으로 p형 호스트 분자로 들어간다. 이 경우, 1중항 여기자를 거쳐 여기 착체가 형성되는 과정보다도, 일렉트로플렉스가 형성되는 과정쪽이 우선될 것으로 생각된다.

그런데, 상기와 같이 하여 형성된 여기 착체로부터 게스트 분자로의 에너지 이동은, 펠스터 기구나 덱스터 기구에 의한 것이지만, 상기한 바와 같이, 이들 기구에 있어서는, 예를 들면, 호스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차와 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가 작은 편이 바람직하다.

이 경우, 여기 착체의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차는, n형 호스트 분자의 LUMO 준위와 p형 호스트 분자의 HOMO 준위의 차에 상당하고, 이들이 게스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차와 동일하거나 또는 가까운 경우에는, 효율적으로 에너지가 이동하여 게스트 분자를 3중항 여기 상태로 할 수 있고, 여기 착체 자체는 기저 상태가 된다.

단, 여기 착체는, 여기 상태에서만 안정적이기 때문에, 기저 상태로 되돌아오면, n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자로 분리된다. 그리고, 상기한 바와 같이, 이들 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차는, 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 크기 때문에, 게스트 분자의 3중항 여기 상태가 어느 하나의 호스트 분자로 에너지가 이동하는 것은 실온에서는 지극히 일어나기 어렵다.

(실시형태 2)

본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태인 발광 소자의 원리에 관해서 도 3a 내지 3c를 사용하여 설명한다. 도 3a는 2개의 n형 호스트 분자(H_n_1, H_n_2)와 1개의 게스트 분자(G)와 2개의 p형 호스트 분자(H_p_1, H_p_2)가 직선상으로 나열되어 있는 경우의 이들 분자의 에너지의 모양을 나타낸다. 각 분자는, 각각 HOMO와 LUMO를 가진다.

여기에서는, n형 호스트 분자의 LUMO 준위(En)는 게스트 분자의 LUMO 준위(Ea)보다 0.1전자볼트 이상 높고, 또한, p형 호스트 분자의 HOMO 준위(Ep)는 게스트 분자의 HOMO 준위(Eb)보다 높은 것으로 한다. 또한, n형 호스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차 및 p형 호스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차는, 모두 게스트 분자의 LUMO 준위와 HOMO 준위의 차보다 0.5전자볼트 이상 큰 것이 바람직하다.

도 3a에 도시하는 바와 같이, 양극(도면의 우측)으로부터 정공이, 음극(도면의 좌측)으로부터 전자가 주입되었기 때문에, n형 호스트 분자(H_n_1)는 LUMO에도 전자를 가지고, p형 호스트 분자(H_p_1)는 HOMO의 전자가 1개 밖에 없는(정공이 하나 있는) 상태로 되어 있다. 따라서, n형 호스트 분자(H_n_1)는 음이온이며, p형 호스트 분자(H_p_1)는 양이온이다.

전자와 정공은, 이러한 n형 호스트 분자와 p형 호스트 분자를 호핑하면서 전도한다. 도면에 도시하는 바와 같이, p형 호스트 분자의 LUMO 준위는 n형 호스트 분자의 LUMO 준위보다도 높기 때문에, 전자는 n형 호스트 분자를 전도한다. 또한, n형 호스트 분자의 HOMO 준위는 p형 호스트 분자의 HOMO 준위보다도 낮기 때문에, 정공은 p형 호스트 분자를 전도한다.

그리고, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 게스트 분자의 LUMO에 전자가 주입되어 게스트 분자는 음이온이 된다. 여기에서, n형 호스트 분자의 LUMO 준위는 게스트 분자의 LUMO 준위보다도 0.1전자볼트 이상 높고, 물론, p형 호스트 분자의 LUMO 준위는 더욱 높다. 그렇게 하면, 게스트 분자의 LUMO에 들어간 전자는 준안정 상태가 되고, 말하자면, 게스트 분자로 트랩된 상태가 된다.

그 결과, 게스트 분자는 음의 전하를 띤 음이온이 되기 때문에, 주위에 있는 정공을 쿨롬(coulomb) 상호 작용(도면 중에 F라고 표기)에 의해 유인한다. 이로 인해, 도 3c에 도시하는 바와 같이, p형 호스트 분자(H_p_2)에 있는 정공이 게스트 분자(G)로 주입된다. 쿨롬 상호 작용은 비교적 멀리까지 미치기 때문에, 효율적으로 게스트 분자 내에 전자와 정공이 모이게 된다.

또한, 이 때 게스트 분자(G)의 LUMO에 있는 전자와 p형 호스트 분자(H_p_2)의 HOMO에 있는 정공과 재결합하면(즉, 게스트 분자(G)의 LUMO에 있는 전자가 p형 호스트 분자(H_p_2)의 HOMO로 이동하거나 또는 p형 호스트 분자(H_p_2)의 HOMO에 있는 정공이 게스트 분자(G)의 LUMO로 이동하면), 그 단계에서 발광이 일어난다.

또한, 상기의 전자 이동이 금지되면, p형 호스트 분자(H_p_2)의 HOMO에 있는 정공이 게스트 분자(G)의 HOMO로 이동하고, 게스트 분자(G)는 여기 상태가 된다. 그 후에 게스트 분자(G)는 기저 상태로 전이하지만, 그 과정에서 발광이 일어난다.

게스트에 쿨롬 상호 작용에 의해 정공을 유인하기 위해서는, (p형 호스트의 HOMO 준위)-(게스트의 HOMO 준위)를 ΔEp, (n형 호스트의 LUMO 준위)-(게스트의 LUMO 준위)를 ΔEn으로 할 때, ΔEp<ΔEn+0.2[전자볼트], 바람직하게는 ΔEp<ΔEn으로 하면 좋다. 이상의 작용에 의해, 게스트 분자 내에서 정공과 전자가 재결합한다.

상기의 과정은 게스트 분자가 음이온이 되었기 때문에 일어난다. 만약에 게스트 분자의 전하가 중성이면, 게스트 분자의 HOMO 준위는 p형 호스트 분자의 HOMO 준위보다도 낮기 때문에 정공이 게스트 분자로 주입될 가능성은 낮다.

도 3a 내지 3c는, n형 호스트 분자의 LUMO 준위(En)는 게스트 분자의 LUMO 준위(Ea)보다 높고, 또한, p형 호스트 분자의 HOMO 준위(Ep)는 게스트 분자의 HOMO 준위(Eb)보다 높은 경우를 나타냈지만, 반대로 p형 호스트 분자의 HOMO 준위(Ep)가 게스트 분자의 HOMO 준위(Eb)보다 0.1전자볼트 이상 낮고, 또한, n형 호스트 분자의 LUMO 준위(En)가 게스트 분자의 LUMO 준위(Ea)보다 0.1전자볼트 이상 낮은 경우에도 같은 원리로, 게스트 분자 내에서 효율적으로 정공과 전자가 재결합한다. 이 경우에는, 게스트 분자의 HOMO로 정공이 최초로 주입되고, 그 쿨롬 상호 작용에 의해 게스트 분자로 전자가 주입된다.

또한, n형 호스트 분자의 LUMO 준위(En)가 게스트 분자의 LUMO 준위(Ea)보다 높고, 또한, p형 호스트 분자의 HOMO 준위(Ep)가 게스트 분자의 HOMO 준위(Eb)보다 낮은 경우에는, 또한 효율적으로 게스트로 전하를 주입하고, 여기 상태로 할 수 있다. 그 경우는, 적어도 n형 호스트 분자의 LUMO 준위(En)가 게스트 분자의 LUMO 준위(Ea)보다 0.1전자볼트 이상 높거나, p형 호스트 분자의 HOMO 준위(Ep)가 게스트 분자의 HOMO 준위(Eb)보다 0.1전자볼트 이상 낮은 것이 바람직하다.

또한, 음이온이 된 n형 호스트 분자와 양이온이 된 p형 호스트 분자가 인접하는 경우, 양자가 여기 착체 상태가 되는 경우가 있다. 이 때, 근처에 있는 게스트 분자를 여기 상태로 하기 위해서는, 상기의 에너지 이동 과정을 거칠 필요가 있지만, 그 경우에는, 여기 착체의 여기 상태와 기저 상태의 에너지차와 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가 가능한 한 가까운 편이 양호하다.

만약, n형 호스트 분자의 LUMO 준위가 게스트 분자의 LUMO 준위보다도 0.1전자볼트만큼 높으면, p형 호스트 분자의 HOMO 준위가 게스트 분자의 HOMO 준위보다도 0.1전자볼트만큼 낮아지는 재료를 선택하여, 여기 착체의 여기 상태와 기저 상태의 에너지차와 게스트 분자의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가 가능한 한 동일해지도록 하면 좋다.

구체적으로는, 게스트로서 사용되는 [Ir(dppm)₂(acac)]의 LUMO 준위, HOMO 준위는 각각, -2.98전자볼트, -5.56전자볼트이며, 또한, n형 호스트로서 사용되는 2mDBTPDBq-II는 각각, -2.78전자볼트, -5.88전자볼트이며, p형 호스트로서 사용되는 PCBNBB는 각각, -2.31전자볼트, -5.46전자볼트이다.

이 조합에 있어서는, 게스트의 LUMO 준위는 n형 호스트 및 p형 호스트의 LUMO 준위보다 낮고, 특히 n형 호스트의 LUMO 준위보다 0.2전자볼트 낮기 때문에, 게스트 분자는 전자를 트랩하여 음이온이 되기 쉽다. 또한, 게스트 분자의 HOMO 준위는 n형 호스트 분자의 HOMO 준위보다는 높지만, p형 호스트 분자의 HOMO 준위보다는 0.1전자볼트 낮다.

따라서, 도 3a 내지 3c에 도시하는 바와 같이, 최초로 게스트의 LUMO에 전자가 주입되고, 그 쿨롬 상호 작용에 의해 게스트에 정공이 주입됨으로써, 발광하게 된다.

또한, [Ir(mppr-Me)₂(dmp)]의 LUMO 준위는, -2.77전자볼트이며, n형 호스트(2mDBTPDBq-II)의 LUMO 준위(-2.78전자볼트)와 거의 동일하며, 또한 [Ir(mppr-Me)₂(dmp)의 HOMO 준위는 -5.50전자볼트이며, p형 호스트(PCBNBB)의 HOMO 준위(-5.43전자볼트)보다도 0.07전자볼트 낮다.

이들 수치는 [Ir(mppr-Me)₂(dmp)]가 상기의 n형 호스트나 p형 호스트와 함께 사용되는 경우에는, 전자나 정공을 트랩하는 작용이, [Ir(dppm)₂(acac)]보다도 떨어지고 있는 것을 나타내고 있다.

(실시형태 3)

본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태인 발광 소자에 관해서 도 1b를 사용하여 설명한다. 도 1b는, 제 1 전극(103)과 제 2 전극(104) 사이에 EL층(110)을 갖는 발광 소자를 도시한 도면이다. 도 1b에 있어서의 발광 소자는, 제 1 전극(103) 위에 순차적으로 적층한 제 1 캐리어의 주입층(105), 제 1 캐리어의 수송층(106), 발광층(102), 제 2 캐리어의 수송층(108), 제 2 캐리어의 주입층(107)과, 또한 그 위에 설치된 제 2 전극(104)으로 구성되어 있다. EL층(110)은 발광층(102) 이외에, 제 1 캐리어의 주입층(105), 제 1 캐리어의 수송층(106), 제 2 캐리어의 수송층(108), 제 2 캐리어의 주입층(107)으로 구성된다. 또한, EL층(110)은 반드시 이들 층을 모두 가질 필요는 없다.

여기에서, 제 1 전극(103)은 양극 또는 음극의 한쪽이며, 제 2 전극(104)은 양극 또는 음극의 다른쪽이다. 또한, 제 1 캐리어는 정공 또는 전자의 한쪽이며, 제 2 캐리어는 정공 또는 전자의 다른쪽이다. 또한, 제 1 전극이 양극이면, 제 1 캐리어는 정공이며, 제 1 전극이 음극이면, 제 1 캐리어는 전자이다. 또한, 제 1 캐리어의 주입층(105), 제 2 캐리어의 주입층(107)은 정공 주입층과 전자 주입층 중 어느 하나이며, 제 1 캐리어의 수송층(106), 제 2 캐리어의 수송층(108)은 정공 수송층과 전자 수송층 중 어느 하나이다.

양극으로서는, 일함수가 큰(구체적으로는 4.0eV 이상) 금속, 합금, 도전성 화합물, 및 이들의 혼합물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면, 산화인듐-산화주석(ITO: Indium Tin Oxide), 규소 또는 산화규소를 함유한 산화인듐-산화주석, 산화인듐-산화아연(Indium Zinc Oxide), 산화텅스텐 및 산화아연을 함유한 산화인듐(IWZO) 등을 들 수 있다. 이들 도전성 금속 산화물막은, 통상 스퍼터링법에 의해 성막되지만, 졸-겔법 등을 응용하여 제작해도 상관없다.

예를 들면, 산화인듐-산화아연막은, 산화인듐에 대해 1 내지 20wt%의 산화아연을 더한 타깃을 사용하여 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있다. 또한, IWZO막은 산화인듐에 대해 산화텅스텐을 0.5 내지 5wt%, 산화아연을 0.1 내지 1wt% 함유한 타깃을 사용하여 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있다. 이밖에, 그라핀, 금, 백금, 니켈, 텅스텐, 크롬, 몰리브덴, 철, 코발트, 구리, 팔라듐, 또는 금속 재료의 질화물(예를 들면, 질화티타늄) 등을 들 수 있다.

단, EL층(110) 중, 양극에 접하여 형성되는 층이, 후술하는 유기 화합물과 전자 수용체(억셉터)를 혼합하여 이루어지는 복합 재료를 사용하여 형성되는 경우에는, 양극에 사용하는 물질은, 일함수의 대소에 상관없이, 여러 가지 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 은, 알루미늄을 함유하는 합금(예를 들면, Al-Si) 등도 사용할 수도 있다. 양극은, 예를 들면 스퍼터링법이나 증착법(진공 증착법을 포함) 등에 의해 형성할 수 있다.

음극은 일함수가 작은(바람직하게는 3.8eV 이하) 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 및 이들의 혼합물 등을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 원소 주기표의 제1족 또는 제2족에 속하는 원소, 즉 리튬이나 세슘 등의 알칼리 금속, 및 칼슘, 스트론튬 등의 알칼리 토금속, 마그네슘, 및 이들을 함유하는 합금(예를 들면, Mg-Ag, Al-Li), 유로퓸, 이테르븀 등의 희토류 금속 및 이들을 함유하는 합금 외에, 알루미늄이나 은 등을 사용할 수 있다.

단, EL층(110) 중, 음극에 접하여 형성되는 층이, 후술하는 유기 화합물과 전자 공여체(도너)를 혼합하여 이루어지는 복합 재료를 사용하는 경우에는, 일함수의 대소에 상관없이, Al, Ag, ITO, 규소 또는 산화규소를 함유한 산화인듐-산화주석 등 여러 가지 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한, 음극을 형성하는 경우에는, 진공 증착법이나 스퍼터링법을 사용할 수 있다. 또한, 은 페이스트 등을 사용하는 경우에는, 도포법이나 잉크젯법 등을 사용할 수 있다.

정공 주입층은, 정공 주입성이 높은 물질을 함유하는 층이다. 정공 주입성이 높은 물질로서는, 몰리브덴 산화물, 티타늄 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 루테늄 산화물, 크롬 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 탄탈 산화물, 은 산화물, 텅스텐 산화물, 망간 산화물 등의 금속 산화물을 사용할 수 있다. 또한, 프탈로시아닌(약칭: H₂Pc), 구리(II)프탈로시아닌(약칭: CuPc) 등의 프탈로시아닌계의 화합물을 사용할 수 있다.

또한, 저분자의 유기 화합물인 4,4',4''-트리스(N,N-디페닐아미노)트리페닐아민(약칭: TDATA), 4,4',4''-트리스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]트리페닐아민(약칭: MTDATA), 4,4'-비스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: DPAB), 4,4'-비스(N-4-[N'-(3-메틸페닐)-N'-페닐아미노]페닐-N-페닐아미노)비페닐(약칭: DNTPD), 1,3,5-트리스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]벤젠(약칭: DPA3B), 3-[N-(9-페닐카르바졸-3-일)-N-페닐아미노]-9-페닐카르바졸(약칭: PCzPCA1), 3,6-비스[N-(9-페닐카르바졸-3-일)-N-페닐아미노]-9-페닐카르바졸(약칭: PCzPCA2), 3-[N-(1-나프틸)-N-(9-페닐카르바졸-3-일)아미노]-9-페닐카르바졸(약칭: PCzPCN1) 등의 방향족 아민 화합물 등을 사용할 수 있다.

또한, 고분자 화합물(올리고머, 덴드리머, 폴리머 등)을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 폴리(N-비닐카르바졸)(약칭: PVK), 폴리(4-비닐트리페닐아민)(약칭: PVTPA), 폴리[N-(4-{N'-[4-(4-디페닐아미노)페닐]페닐-N'-페닐아미노}페닐)메타크릴아미드](약칭: PTPDMA), 폴리[N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)벤지딘](약칭: Poly-TPD) 등의 고분자 화합물을 들 수 있다. 또한, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(스티렌설폰산)(PEDOT/PSS), 폴리아닐린/폴리(스티렌설폰산)(PAni/PSS) 등의 산을 첨가한 고분자 화합물을 사용할 수 있다.

또한, 정공 주입층으로서, 유기 화합물과 전자 수용체(억셉터)를 혼합하여 이루어지는 복합 재료를 사용해도 좋다. 이러한 복합 재료는, 전자 수용체에 의해 유기 화합물에 정공이 발생하기 때문에, 정공 주입성 및 정공 수송성이 우수하다. 이 경우, 유기 화합물로서는, 발생한 정공의 수송이 우수한 재료(정공 수송성이 높은 물질)인 것이 바람직하다.

복합 재료에 사용하는 유기 화합물로서는, 방향족 아민 화합물, 카르바졸 유도체, 방향족 탄화수소, 고분자 화합물(올리고머, 덴드리머, 폴리머 등) 등, 다양한 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 복합 재료에 사용하는 유기 화합물로서는, 정공 수송성이 높은 유기 화합물인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 10^-6㎠/Vs 이상의 정공 이동도를 갖는 물질인 것이 바람직하다. 단, 전자보다도 정공의 수송성이 높은 물질이면, 이들 이외의 것을 사용해도 좋다. 이하에서는, 복합 재료에 사용할 수 있는 유기 화합물을 구체적으로 열거한다.

복합 재료에 사용할 수 있는 유기 화합물로서는, 예를 들면, TDATA, MTDATA, DPAB, DNTPD, DPA3B, PCzPCA1, PCzPCA2, PCzPCN1, 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: NPB 또는 α-NPD), N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(약칭: TPD), 4-페닐-4'-(9-페닐플루오렌-9-일)트리페닐아민(약칭: BPAFLP) 등의 방향족 아민 화합물이나, 4,4'-디(N-카르바졸릴)비페닐(약칭: CBP), 1,3,5-트리스[4-(N-카르바졸릴)페닐]벤젠(약칭: TCPB), 9-[4-(N-카르바졸릴)]페닐-10-페닐안트라센(약칭: CzPA), 9-페닐-3-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: PCzPA), 1,4-비스[4-(N-카르바졸릴)페닐]-2,3,5,6-테트라페닐벤젠 등의 카르바졸 유도체를 사용할 수 있다.

또한, 2-tert-부틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: t-BuDNA), 2-tert-부틸-9,10-디(1-나프틸)안트라센, 9,10-비스(3,5-디페닐페닐)안트라센(약칭: DPPA), 2-tert-부틸-9,10-비스(4-페닐페닐)안트라센(약칭: t-BuDBA), 9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: DNA), 9,10-디페닐안트라센(약칭: DPAnth), 2-tert-부틸안트라센(약칭: t-BuAnth), 9,10-비스(4-메틸-1-나프틸)안트라센(약칭: DMNA), 9,10-비스[2-(1-나프틸)페닐]-2-tert-부틸안트라센, 9,10-비스[2-(1-나프틸)페닐]안트라센, 2,3,6,7-테트라메틸-9,10-디(1-나프틸)안트라센 등의 방향족 탄화수소 화합물을 사용할 수 있다.

또한, 2,3,6,7-테트라메틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센, 9,9'-비안트릴, 10,10'-디페닐-9,9'-비안트릴, 10,10'-비스(2-페닐페닐)-9,9'-비안트릴, 10,10'-비스[(2,3,4,5,6-펜타페닐)페닐]-9,9'-비안트릴, 안트라센, 테트라센, 루브렌, 페릴렌, 2,5,8,11-테트라(tert-부틸)페릴렌, 펜타센, 코로넨, 4,4'-비스(2,2-디페닐비닐)비페닐(약칭: DPVBi), 9,10-비스[4-(2,2-디페닐비닐)페닐]안트라센(약칭: DPVPA) 등의 방향족 탄화수소 화합물을 사용할 수 있다.

또한, 전자 수용체로서는, 7,7,8,8-테트라시아노-2,3,5,6-테트라플루오로퀴노디메탄(약칭: F₄-TCNQ), 클로라닐 등의 유기 화합물이나, 전이 금속 산화물을 들 수 있다. 또한, 원소주기표에 있어서의 제4족 내지 제8족에 속하는 금속의 산화물을 들 수 있다. 구체적으로는, 산화바나듐, 산화니오븀, 산화탄탈, 산화크롬, 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화망간, 산화레늄은 전자 수용성이 높기 때문에 바람직하다. 이 중에서도 특히, 산화몰리브덴은 대기 중에서도 안정적이며, 흡습성이 낮고, 취급하기 쉽기 때문에 바람직하다.

또한, 상기한 PVK, PVTPA, PTPDMA, Poly-TPD 등의 고분자 화합물과, 상기한 전자 수용체를 사용하여 복합 재료를 형성하고, 정공 주입층에 사용해도 좋다.

정공 수송층은 정공 수송성이 높은 물질을 함유하는 층이다. 정공 수송성이 높은 물질로서는, NPB, TPD, BPAFLP, 4,4'-비스[N-(9,9-디메틸플루오렌-2-일)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: DFLDPBi), 4,4'-비스[N-(스피로-9,9'-비플루오렌-2-일)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: BSPB) 등의 방향족 아민 화합물을 사용할 수 있다. 여기에 서술한 물질은, 주로 10^-6㎠/Vs 이상의 정공 이동도를 갖는 물질이다. 단, 전자보다도 정공의 수송성이 높은 물질이면, 이들 이외의 것을 사용해도 좋다. 또한, 정공 수송성이 높은 물질을 함유하는 층은, 단층의 것뿐만 아니라, 상기 물질로 이루어지는 층이 2층 이상 적층된 것으로 해도 좋다.

또한, 정공 수송층에는, CBP, CzPA, PCzPA와 같은 카르바졸 유도체나, t-BuDNA, DNA, DPAnth와 같은 안트라센 유도체를 사용해도 좋다.

또한, 정공 수송층에는, PVK, PVTPA, PTPDMA, Poly-TPD 등의 고분자 화합물을 사용할 수도 있다.

발광층(102)은 발광 물질을 함유하는 층이다. 본 실시형태의 발광층(102)은, 게스트로서 인광성 화합물을 가지며, 호스트로서 n형 호스트 및 p형 호스트를 가진다. n형 호스트(또는 p형 호스트)는 2종 이상 사용할 수 있다.

인광성 화합물로서는, 유기 금속 착체가 바람직하며, 이리듐 착체가 특히 바람직하다. 또한, 상기의 펠스터 기구에 의한 에너지 이동을 고려하면, 인광성 화합물의 가장 장파장측에 위치하는 흡수대의 몰 흡광 계수는, 2000M^-1·cm^-1 이상이 바람직하며, 5000M^-1·cm^-1 이상이 특히 바람직하다.

이러한 큰 몰 흡광 계수를 갖는 화합물로서는, 예를 들면, [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]이나, [Ir(dppm)₂(acac)] 등을 들 수 있다. 특히, [Ir(dppm)₂(acac)]과 같이, 몰 흡광 계수가 5000M^-1·cm^-1 이상에 달하는 재료를 사용하면, 외부 양자 효율이 30% 정도에 달하는 발광 소자가 얻어진다.

n형 호스트로서는, 예를 들면, 상기의 2mDBTPDBq-II 이외에도, 2-[4-(3,6-디페닐-9H-카르바졸-9-일)페닐]디벤조[f,h]퀴녹살린(약칭: 2CzPDBq-lII), 7-[3-(디벤조티오펜-4-일)페닐]디벤조[f,h]퀴녹살린(약칭: 7mDBTPDBq-II), 및, 6-[3-(디벤조티오펜-4-일)페닐]디벤조[f,h]퀴녹살린(약칭: 6mDBTPDBq-II)과 같은 전자를 수용하기 쉬운 화합물 중 어느 하나를 사용하면 양호하다.

또한 p형 호스트로서는, 상기의 PCBNBB 이외에도, 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: NPB 또는 α-NPD) 및 4-페닐-4'-(9-페닐-9H-카르바졸-3-일)트리페닐아민(약칭: PCBA1BP)과 같은 정공을 수용하기 쉬운 화합물을 사용하면 양호하다. 다만, 이들에 한정되지 않으며, 예를 들면, 실시형태 1 또는 실시형태 2에 나타낸 에너지 준위의 관계를 충족시키는 n형 호스트와 p형 호스트의 조합이면 양호하다.

전자 수송층은, 전자 수송성이 높은 물질을 함유하는 층이다. 전자 수송성이 높은 물질로서는, Alq₃, 트리스(4-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(약칭: Almq₃), 비스(10-하이드록시벤조[h]퀴놀리나토)베릴륨(약칭: BeBq₂), BAlq, Zn(BOX)₂, 비스[2-(2-하이드록시페닐)벤조티아졸라토]아연(약칭: Zn(BTZ)₂) 등의 금속 착체를 들 수 있다.

또한, 2-(4-비페닐릴)-5-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(약칭: PBD), 1,3-비스[5-(p-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-일]벤젠(약칭: OXD-7), 3-(4-tert-부틸페닐)-4-페닐-5-(4-비페닐릴)-1,2,4-트리아졸(약칭: TAZ), 3-(4-tert-부틸페닐)-4-(4-에틸페닐)-5-(4-비페닐릴)-1,2,4-트리아졸(약칭: p-EtTAZ), 바소페난트롤린(약칭: BPhen), 바소큐프로인(약칭: BCP), 4,4'-비스(5-메틸벤조옥사졸-2-일)스틸벤(약칭: BzOs) 등의 복소 방향족 화합물도 사용할 수 있다.

또한, 폴리(2,5-피리딘-디일)(약칭: PPy), 폴리[(9,9-디헥실플루오렌-2,7-디일)-co-(피리딘-3,5-디일)](약칭: PF-Py), 폴리[(9,9-디옥틸플루오렌-2,7-디일)-co-(2,2'-비피리딘-6,6'-디일)](약칭: PF-BPy)과 같은 고분자 화합물을 사용할 수도 있다. 여기에 서술한 물질은, 주로 10^-6㎠/Vs 이상의 전자 이동도를 갖는 물질이다. 또한, 정공보다도 전자의 수송성이 높은 물질이면, 상기 이외의 물질을 전자 수송층으로서 사용해도 좋다.

또한, 전자 수송층은 단층의 것뿐만 아니라, 상기 물질로 이루어지는 층이 2층 이상 적층된 것으로 해도 좋다.

전자 주입층은, 전자 주입성이 높은 물질을 함유하는 층이다. 전자 주입층에는, 리튬, 세슘, 칼슘, 불화리튬, 불화세슘, 불화칼슘, 리튬 산화물 등과 같은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 또는 이들의 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 불화에르븀과 같은 희토류 금속 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기한 전자 수송층을 구성하는 물질을 사용할 수도 있다.

또는, 전자 주입층에, 유기 화합물과 전자 공여체(도너)를 혼합하여 이루어지는 복합 재료를 사용해도 좋다. 이러한 복합 재료는, 전자 공여체에 의해 유기 화합물에 전자가 발생하기 때문에, 전자 주입성 및 전자 수송성이 우수하다. 이 경우, 유기 화합물로서는, 발생한 전자의 수송이 우수한 재료인 것이 바람직하며, 구체적으로는, 예를 들면 상기한 전자 수송층을 구성하는 물질(금속 착체나 복소 방향족 화합물 등)을 사용할 수 있다.

전자 공여체로서는, 유기 화합물에 대해 전자 공여성을 나타내는 물질이면 양호하다. 구체적으로는, 알칼리 금속이나 알칼리 토금속이나 희토류 금속이 바람직하며, 리튬, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 에르븀, 이테르븀 등을 들 수 있다. 또한, 알칼리 금속 산화물이나 알칼리 토금속 산화물이 바람직하며, 리튬 산화물, 칼슘 산화물, 바륨 산화물 등을 들 수 있다. 또한, 산화마그네슘과 같은 루이스 염기를 사용할 수도 있다. 또한, 테트라티아풀바렌(약칭: TTF) 등의 유기 화합물을 사용할 수도 있다.

또한, 상기한 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층(102), 전자 수송층, 전자 주입층은 각각, 증착법(진공 증착법을 포함), 잉크젯법, 도포법 등의 방법으로 형성할 수 있다.

또한, 도 1c에 도시하는 바와 같이, 양극과 음극 사이에 복수의 EL층(110a, 110b)이 적층되어 있어도 좋다. 이 경우, EL층(110a, 110b)은 각각 적어도 발광층을 가진다. 적층된 제 1 EL층(110a)과 제 2 EL층(110b) 사이에는, 전하 발생층(111)을 설치하는 것이 바람직하다. 전하 발생층(111)은 상기의 복합 재료로 형성할 수 있다. 또한, 전하 발생층(111)은 복합 재료로 이루어지는 층과 다른 재료로 이루어지는 층의 적층 구조라도 좋다.

이 경우, 다른 재료로 이루어지는 층으로서는, 전자 공여성 물질과 전자 수송성이 높은 물질을 함유하는 층이나, 투명 도전막으로 이루어지는 층 등을 사용할 수 있다. 이러한 구성을 갖는 발광 소자는, 에너지의 이동이나 소광 등의 문제가 일어나기 어려워 재료의 선택의 폭이 넓어짐으로써 높은 발광 효율과 긴 수명을 함께 갖는 발광 소자로 하는 것이 용이하다. 또한, 한쪽의 EL층에서 인광 발광, 다른쪽에서 형광 발광을 얻는 것도 용이하다. 이 구조는 상기의 EL층의 구조와 조합하여 사용할 수 있다.

또한, 각각의 EL층의 발광색을 상이한 것으로 함으로써, 발광 소자 전체로서 원하는 색의 발광을 얻을 수 있다. 예를 들면, 제 1 EL층(110a)의 발광색과 제 2 EL층(110b)의 발광색을 보색의 관계가 되도록 함으로써, 발광 소자 전체로서 백색 발광하는 발광 소자를 얻는 것도 가능하다. 또한, 3개 이상의 EL층을 갖는 발광 소자의 경우도 마찬가지이다.

또는, 도 1d에 도시하는 바와 같이, 양극(201)과 음극(209) 사이에, 정공 주입층(202), 정공 수송층(203), 발광층(204), 전자 수송층(205), 전자 주입 버퍼층(206), 전자 릴레이층(electron-relay layer)(207), 및 음극(209)과 접하는 복합 재료층(208)을 갖는 EL층(210)을 형성해도 좋다.

음극(209)과 접하는 복합 재료층(208)을 설치함으로써, 특히 스퍼터링법을 사용하여 음극을 형성할 때에, EL층(210)이 받는 대미지를 저감시킬 수 있기 때문에, 바람직하다. 복합 재료층(208)은, 상기한 정공 수송성이 높은 유기 화합물에 억셉터성 물질을 함유시킨 복합 재료를 사용할 수도 있다.

또한, 전자 주입 버퍼층(206)을 설치함으로써, 복합 재료층(208)과 전자 수송층(205) 사이의 주입 장벽을 완화할 수 있기 때문에, 복합 재료층(208)에서 발생한 전자를 전자 수송층(205)으로 용이하게 주입할 수 있다.

전자 주입 버퍼층(206)에는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, 및 이들의 화합물(알칼리 금속 화합물(산화리튬 등의 산화물, 할로겐화물, 탄산리튬이나 탄산세슘 등의 탄산염을 포함), 알칼리 토금속 화합물(산화물, 할로겐화물, 탄산염을 포함), 또는 희토류 금속의 화합물(산화물, 할로겐화물, 탄산염을 포함)) 등의 전자 주입성이 높은 물질을 사용하는 것이 가능하다.

또한, 전자 주입 버퍼층(206)이, 전자 수송성이 높은 물질과 도너성 물질을 함유하여 형성되는 경우에는, 전자 수송성이 높은 물질에 대해 질량비로, 0.001 이상 0.1 이하의 비율로 도너성 물질을 첨가하는 것이 바람직하다. 전자 수송성이 높은 물질로서는, 먼저 설명한 전자 수송층(205)의 재료와 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다.

또한, 도너성 물질로서는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속, 및 이들의 화합물(알칼리 금속 화합물(산화리튬 등의 산화물, 할로겐화물, 탄산리튬이나 탄산세슘 등의 탄산염을 포함), 알칼리 토금속 화합물(산화물, 할로겐화물, 탄산염을 포함), 또는 희토류 금속의 화합물(산화물, 할로겐화물, 탄산염을 포함)) 외에, 테트라티아나프타센(약칭: TTN), 니켈로센, 데카메틸니켈로센 등의 유기 화합물을 사용할 수도 있다.

또한, 전자 주입 버퍼층(206)과 복합 재료층(208) 사이에, 전자 릴레이층(207)을 형성하는 것이 바람직하다. 전자 릴레이층(207)은 반드시 설치할 필요는 없지만, 전자 수송성이 높은 전자 릴레이층(207)을 설치함으로써, 전자 주입 버퍼층(206)으로 전자를 신속하게 보내는 것이 가능해진다.

복합 재료층(208)과 전자 주입 버퍼층(206) 사이에 전자 릴레이층(207)이 개재된 구조는, 복합 재료층(208)에 함유되는 억셉터성 물질과, 전자 주입 버퍼층(206)에 함유되는 도너성 물질이 상호 작용을 받기 어려워 서로의 기능을 저해하기 어려운 구조이다. 따라서, 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다.

전자 릴레이층(207)은 전자 수송성이 높은 물질을 함유하고, 상기 전자 수송성이 높은 물질의 LUMO 준위는, 복합 재료층(208)에 함유되는 억셉터성 물질의 LUMO 준위와, 전자 수송층(205)에 함유되는 전자 수송성이 높은 물질의 LUMO 준위 사이가 되도록 형성한다.

또한, 전자 릴레이층(207)이 도너성 물질을 함유하는 경우에는, 상기 도너성 물질의 도너 준위도 복합 재료층(208)에 있어서의 억셉터성 물질의 LUMO 준위와, 전자 수송층(205)에 함유되는 전자 수송성이 높은 물질의 LUMO 준위 사이가 되도록 한다. 구체적인 에너지 준위의 수치로서는, 전자 릴레이층(207)에 함유되는 전자 수송성이 높은 물질의 LUMO 준위는 -5.0eV 이상, 바람직하게는 -5.0eV 이상 -3.0eV 이하로 하면 양호하다.

전자 릴레이층(207)에 함유되는 전자 수송성이 높은 물질로서는 프탈로시아닌계의 재료 또는 금속-산소 결합과 방향족 배위자를 갖는 금속 착체를 사용하는 것이 바람직하다.

전자 릴레이층(207)에 함유되는 프탈로시아닌계 재료로서는, 구체적으로는 CuPc, SnPc(Phthalocyanine tin(II) complex), ZnPc(Phthalocyanine zinc complex), CoPc(Cobalt(II) phthalocyanine, β-form), FePc(Phthalocyanine Iron) 및 PhO-VOPc(Vanadyl 2,9,16,23-tetraphenoxy-29H,31H-phthalocyanine) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

전자 릴레이층(207)에 함유되는 금속-산소 결합과 방향족 배위자를 갖는 금속 착체로서는, 금속-산소의 이중 결합을 갖는 금속 착체를 사용하는 것이 바람직하다. 금속-산소의 이중 결합은 억셉터성(전자를 수용하기 쉬운 성질)을 가지기 때문에, 전자의 이동(수수(授受))이 보다 용이해진다. 또한, 금속-산소의 이중 결합을 갖는 금속 착체는 안정적이라고 생각된다. 따라서, 금속-산소의 이중 결합을 갖는 금속 착체를 사용함으로써 발광 소자를 저전압으로 보다 안정적으로 구동하는 것이 가능해진다.

금속-산소 결합과 방향족 배위자를 갖는 금속 착체로서는 프탈로시아닌계 재료가 바람직하다. 구체적으로는, VOPc(Vanadyl phthalocyanine), SnOPc(Phthalocyanine tin(IV) oxide complex) 및 TiOPc(Phthalocyanine titanium oxide complex) 중 어느 하나는, 분자 구조적으로 금속-산소의 이중 결합이 다른 분자에 대해 작용하기 쉬워 억셉터성이 높기 때문에 바람직하다.

또한, 상기한 프탈로시아닌계 재료로서는, 페녹시기를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는 PhO-VOPc와 같은, 페녹시기를 갖는 프탈로시아닌 유도체가 바람직하다. 페녹시기를 갖는 프탈로시아닌 유도체는, 용매에 가용이다. 이로 인해, 발광 소자를 형성하는데 있어서 취급하기 쉽다고 하는 이점을 가진다. 또한, 용매에 가용이기 때문에, 성막에 사용하는 장치의 보수 유지가 용이해진다고 하는 이점을 가진다.

전자 릴레이층(207)은 또한 도너성 물질을 함유하고 있어도 좋다. 도너성 물질로서는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속 및 이들의 화합물(알칼리 금속 화합물(산화리튬 등의 산화물, 할로겐화물, 탄산리튬이나 탄산세슘 등의 탄산염을 포함), 알칼리 토금속 화합물(산화물, 할로겐화물, 탄산염을 포함), 또는 희토류 금속의 화합물(산화물, 할로겐화물, 탄산염을 포함)) 이외에, 테트라티아나프타센, 니켈로센, 데카메틸니켈로센 등의 유기 화합물을 사용할 수 있다. 전자 릴레이층(207)에 이들 도너성 물질을 함유시킴으로써, 전자의 이동이 용이해져 발광 소자를 보다 저전압으로 구동하는 것이 가능해진다.

전자 릴레이층(207)에 도너성 물질을 함유시키는 경우, 전자 수송성이 높은 물질로서는 상기한 재료 외에, 복합 재료층(208)에 함유되는 억셉터성 물질의 억셉터 준위보다 높은 LUMO 준위를 갖는 물질을 사용할 수 있다. 구체적인 에너지 준위로서는, -5.0eV 이상, 바람직하게는 -5.0eV 이상 -3.0eV 이하의 범위에 LUMO 준위를 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 물질로서는 예를 들면, 페릴렌 유도체나, 질소 함유 축합 방향족 화합물 등을 들 수 있다. 또한, 질소 함유 축합 방향족 화합물은 안정적이기 때문에, 전자 릴레이층(207)을 형성하기 위해서 사용하는 재료로서 바람직한 재료이다.

페릴렌 유도체의 구체적인 예로서는, 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 2무수물(약칭: PTCDA), 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭비스벤조이미다졸(약칭: PTCBI), N,N'-디옥틸-3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 디이미드(약칭: PTCDI-C8H), N,N'-디헥실-3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 디이미드(약칭: Hex PTC) 등을 들 수 있다.

또한, 질소 함유 축합 방향족 화합물의 구체예로서는, 피라지노[2,3-f][1,10]페난트롤린-2,3-디카르보니트릴(약칭: PPDN), 2,3,6,7,10,11-헥사시아노-1,4,5,8,9,12-헥사아자트리페닐렌(약칭: HAT(CN)₆), 2,3-디페닐피리드[2,3-b]피라진(약칭: 2PYPR), 2,3-비스(4-플루오로페닐)피리드[2,3-b]피라진(약칭: F2PYPR) 등을 들 수 있다.

그 외에도, 7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄(약칭: TCNQ), 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카복실산 2무수물(약칭: NTCDA), 퍼플루오로펜타센, 구리헥사데카플루오로프탈로시아닌(약칭: F₁₆CuPc), N,N'-비스(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-펜타데카플루오로옥틸)-1,4,5,8-나프탈렌테트라카복실산디이미드(약칭: NTCDI-C8F), 3',4'-디부틸-5,5''-비스(디시아노메틸렌)-5,5''-디하이드로-2,2':5',2''-테르티오펜)(약칭: DCMT), 메타노플러렌(예를 들면, [6,6]-페닐 C₆₁ 부티르산 메틸 에스테르) 등을 사용할 수 있다.

또한, 전자 릴레이층(207)에 도너성 물질을 함유시키는 경우, 전자 수송성이 높은 물질과 도너성 물질의 공증착 등의 방법에 의해 전자 릴레이층(207)을 형성하면 양호하다.

정공 주입층(202), 정공 수송층(203), 발광층(204), 및 전자 수송층(205)은 상기의 재료를 사용하여 각각 형성하면 양호하다. 이상에 의해, 본 실시형태의 EL층(210)을 제작할 수 있다.

상기한 발광 소자는, 양극과 음극 사이에 생긴 전위차에 의해 전류가 흐르고, EL층에 있어서 정공과 전자가 재결합함으로써 발광한다. 그리고, 이 발광은 양극 또는 음극의 어느 한쪽 또는 양쪽을 통과하여 외부로 추출된다. 따라서, 양극 또는 음극의 어느 한쪽, 또는 양쪽이 가시광에 대한 투광성을 갖는 전극이 된다.

또한, 양극과 음극 사이에 설치되는 층의 구성은, 상기의 것에 한정되지 않는다. 발광 영역과 금속이 근접함으로써 발생하는 소광을 방지하도록, 양극 및 음극으로부터 떨어진 부위에 정공과 전자가 재결합하는 발광 영역을 설치한 구성이면 상기 이외의 것이라도 좋다.

즉, 층의 적층 구조에 관해서는 특별히 한정되지 않으며, 전자 수송성이 높은 물질, 정공 수송성이 높은 물질, 전자 주입성이 높은 물질, 정공 주입성이 높은 물질, 바이폴라성(bipolar)의 물질(전자 및 정공의 수송성이 높은 물질), 또는 정공 블록 재료 등으로 이루어지는 층을, 발광층과 자유롭게 조합하여 구성하면 양호하다.

본 실시형태에서 나타낸 발광 소자를 사용하여 패시브 매트릭스형(passive matrix)의 발광 장치나, 트랜지스터에 의해 발광 소자의 구동이 제어된 액티브 매트릭스형(active matrix)의 발광 장치를 제작할 수 있다. 또한, 상기 발광 장치를 전자 기기 또는 조명 장치 등에 적용할 수 있다.

[실시예 1]

본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태의 발광 소자에 관해서 설명한다. 본 실시예에서 사용한 재료의 화학식을 이하에 나타낸다.

이하에, 본 실시예의 발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2의 제작 방법을 나타낸다.

(발광 소자 1)

우선, 유리 기판 위에, 산화규소를 함유하는 인듐주석 산화물(ITSO)을 스퍼터링법으로 성막하고, 양극으로서 기능하는 제 1 전극을 형성하였다. 또한, 그 막 두께는 110nm로 하고, 전극 면적은 2mm×2mm로 하였다.

다음에, 기판 위에 발광 소자를 형성하기 위한 전처리로서, 기판 표면을 물로 세정하고, 200℃에서 1시간 동안 소성한 후, UV 오존 처리를 370초 행하였다.

그 후에 10^-4Pa 정도까지 내부가 감압된 진공 증착 장치 내의 가열실에 기판을 도입하고, 170℃에서 30분 동안 진공 소성을 행한 후, 기판을 30분 정도 방랭하였다.

다음에, 진공 증착 장치 내의 증착실에 기판을 도입하고, 제 1 전극이 형성된 면이 아래 쪽이 되도록, 제 1 전극이 형성된 기판이 진공 증착 장치 내에 설치된 기판 홀더에 고정된 상태로, 10^-4Pa 정도까지 감압한 후, 제 1 전극 위에, BPAFLP와 산화몰리브덴(VI)을 공증착함으로써, 정공 주입층을 설치하였다. 그 막 두께는, 40nm로 하고, BPAFLP와 산화몰리브덴의 비율은, 중량비로 4:2(=BPAFLP:산화몰리브덴)가 되도록 조절하였다.

다음에, 정공 주입층 위에, BPAFLP를 20nm의 막 두께가 되도록 성막하고, 정공 수송층을 형성하였다.

또한, 2mDBTPDBq-II, PCBNBB, 및 [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]을 공증착하여 정공 수송층 위에 발광층을 형성하였다. 여기에서, 2mDBTPDBq-II, PCBNBB 및 [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]의 중량비는, 0.8:0.2:0.05(=2mDBTPDBq-II:PCBNBB:[Ir(mppr-Me)₂(dpm)])이 되도록 조절하였다. 또한, 발광층의 막 두께는 40nm로 하였다.

다음에, 발광층 위에 2mDBTPDBq-II를 막 두께 10nm가 되도록 성막하고, 제 1 전자 수송층을 형성하였다.

다음에, 제 1 전자 수송층 위에 BPhen을 막 두께 20nm가 되도록 성막하고, 제 2 전자 수송층을 형성하였다.

또한, 제 2 전자 수송층 위에, 불화리튬(LiF)을 1nm의 막 두께로 증착하고, 전자 주입층을 형성하였다.

마지막에, 음극으로서 기능하는 제 2 전극으로서, 알루미늄을 200nm의 막 두께가 되도록 증착함으로써, 본 실시예의 발광 소자 1을 제작하였다.

(비교 발광 소자 2)

비교 발광 소자 2의 발광층은, 2mDBTPDBq-II 및 [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]을 공증착함으로써 형성하였다. 여기에서, 2mDBTPDBq-II 및 [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]의 중량비는, 1:0.05(=2mDBTPDBq-II:[Ir(mppr-Me)₂(dpm)])이 되도록 조절하였다. 또한, 발광층의 막 두께는 40nm로 하였다. 발광층 이외에는, 발광 소자 1과 같이 제작하였다.

또한, 상기한 증착 과정에 있어서, 증착은 모두 저항 가열법을 사용하였다.

이상에 의해 얻어진 발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2의 소자 구조를 표 1에 기재한다. 본 실시예에 있어서는, 2mDBTPDBq-II가 n형 호스트, PCBNBB가 p형 호스트, [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]이 게스트이다. 즉, 발광 소자 1에서는, n형 호스트와 p형 호스트가 모두 발광층 내에 있는데 대해, 비교 발광 소자 2에서는, p형 호스트가 발광층에 존재하지 않는다.

이러한 발광 소자를, 질소 분위기의 글로브 박스 내에 있어서, 발광 소자가 대기에 노출되지 않도록 밀봉하는 작업을 행한 후, 발광 소자의 동작 특성에 관해서 측정을 행하였다. 또한, 측정은 실온(25℃로 유지된 분위기)에서 행하였다.

발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2의 전류 밀도-휘도 특성을 도 4에 도시한다. 도 4에 있어서, 가로축은 전류 밀도(mA/㎠)를, 세로축은 휘도(cd/㎡)를 나타낸다. 또한, 전압-휘도 특성을 도 5에 도시한다. 도 5에 있어서, 가로축은 전압(V)을, 세로축은 휘도(cd/㎡)를 나타낸다. 또한, 휘도-전류 효율 특성을 도 6에 도시한다. 도 6에 있어서, 가로축은 휘도(cd/㎡)를, 세로축은 전류 효율(cd/A)을 나타낸다. 또한, 휘도-외부 양자 효율 특성을 도 7에 도시한다. 도 7에 있어서, 가로축은 휘도(cd/㎡)를, 세로축은 외부 양자 효율(%)을 나타낸다.

또한, 발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2에 있어서의 휘도 1000cd/㎡ 부근일 때의 전압(V), 전류 밀도(mA/㎠), CIE 색도 좌표(x, y), 전류 효율(cd/A), 파워 효율(lm/W), 외부 양자 효율(%)을 표 2에 기재한다.

또한, 발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2에 0.1mA의 전류를 흘려보냈을 때의 발광 스펙트럼을, 도 8에 도시한다. 도 8에 있어서, 가로축은 파장(nm), 세로축은 발광 강도(임의 단위)를 나타낸다. 또한, 표 2에 기재하는 바와 같이, 1200cd/㎡의 휘도일 때의 발광 소자 1의 CIE 색도 좌표는 (x,y)=(0.56,0.44)이며, 960cd/㎡의 휘도일 때의 비교 발광 소자 2의 CIE 색도 좌표는 (x,y)=(0.55,0.44)이었다. 이 결과로부터, 발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2는, [Ir(mppr-Me)₂(dpm)]에 유래하는 주황색 발광이 얻어진 것을 알 수 있었다.

표 2 및 도 4 내지 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 발광 소자 1은 비교 발광 소자 2에 비해, 전류 효율, 파워 효율, 외부 양자 효율이 각각 높은 값을 나타냈다. 일반적으로, 발광체로부터의 광을 외부로 추출할 때에는, 기판 그 외와 대기 사이에서 전반사가 일어나 내부 양자 효율의 25% 내지 30%밖에 외부로 광을 추출할 수 없다고 되어 있다.

이것을 고려하면, 비교 발광 소자 2에서는 기껏해야 내부 양자 효율은 60% 이하인 것으로 추정되지만, 발광 소자 1은 내부 양자 효율이 80% 정도로까지 향상되고 있는 것으로 추정할 수 있다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 일 형태를 적용함으로써, 외부 양자 효율이 높은 소자를 실현할 수 있는 것이 나타났다.

다음에, 발광 소자 1 및 비교 발광 소자 2의 신뢰성 시험을 행하였다. 신뢰성 시험의 결과를 도 9에 도시한다. 도 9에 있어서, 세로축은 초기 휘도를 100%로 했을 때의 규격화 휘도(%)를 나타내고, 가로축은 소자의 구동 시간(h)을 나타낸다. 신뢰성 시험은, 초기 휘도를 5000cd/㎡로 설정하고, 전류 밀도 일정의 조건으로 발광 소자 1을 구동하였다.

비교 발광 소자 2는, 120시간 후의 휘도가, 초기 휘도의 58%이었다. 또한, 발광 소자 1은, 630시간 후의 휘도가, 초기 휘도의 65%이었다. 이 결과로부터, 발광 소자 1은, 비교 발광 소자 2에 비해, 수명이 긴 소자인 것을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 일 형태를 적용함으로써, 신뢰성이 높은 소자를 실현할 수 있는 것이 나타났다.

[실시예 2]

본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태의 발광 소자에 관해서 설명한다. 본 실시예에서 사용한 재료의 화학식을 이하에 나타낸다. 또한, 상기의 실시예에서 사용한 재료의 화학식은 생략한다.

이하에, 본 실시예의 발광 소자 3의 제작 방법을 나타낸다.

(발광 소자 3)

우선, 유리 기판 위에, ITSO를 스퍼터링법으로 성막하고, 양극으로서 기능하는 제 1 전극을 형성하였다. 또한, 그 막 두께는 110nm로 하고, 전극 면적은 2mm×2mm로 하였다.

그 후, 10^-4Pa 정도까지 내부가 감압된 진공 증착 장치에 기판을 도입하고, 진공 증착 장치 내의 가열실에 있어서, 170℃에서 30분간의 진공 소성을 행한 후, 기판을 30분 정도 방랭하였다.

다음에, 제 1 전극이 형성된 면이 아래 쪽이 되도록, 제 1 전극이 형성된 기판을 진공 증착 장치 내에 설치된 기판 홀더에 고정시키고, 10^-4Pa 정도까지 감압한 후, 제 1 전극 위에, BPAFLP와 산화몰리브덴(VI)을 공증착함으로써, 정공 주입층을 형성하였다. 그 막 두께는, 40nm로 하고, BPAFLP와 산화몰리브덴의 비율은, 중량비로 4:2(=BPAFLP:산화몰리브덴)가 되도록 조절하였다.

또한, 2mDBTPDBq-II, PCBNBB, 및 [Ir(dppm)₂(acac)]을 공증착하고, 정공 수송층 위에 발광층을 형성하였다. 여기에서, 2mDBTPDBq-II, PCBNBB 및 [Ir(dppm)₂(acac)]의 중량비는, 0.8:0.2:0.05(=2mDBTPDBq-II:PCBNBB:[Ir(dppm)₂(acac)])이 되도록 조절하였다. 또한, 발광층의 막 두께는 40nm로 하였다.

다음에, 제 1 전자 수송층 위에, BPhen을 막 두께 20nm가 되도록 성막하고, 제 2 전자 수송층을 형성하였다.

또한, 제 2 전자 수송층 위에, LiF를 1nm의 막 두께로 증착하고, 전자 주입층을 형성하였다.

마지막에, 음극으로서 기능하는 제 2 전극으로서, 알루미늄을 200nm의 막 두께가 되도록 증착함으로써, 본 실시예의 발광 소자 3을 제작하였다.

이상에 의해 얻어진 발광 소자 3의 소자 구조를 표 3에 기재한다.

발광 소자 3을, 질소 분위기의 글로브 박스 내에 있어서, 발광 소자가 대기에 노출되지 않도록 밀봉하는 작업을 행한 후, 발광 소자의 동작 특성에 관해서 측정하였다. 또한, 측정은 실온(25℃로 유지된 분위기)에서 행하였다.

발광 소자 3의 전류 밀도-휘도 특성을 도 10에 도시한다. 도 10에 있어서, 가로축은 전류 밀도(mA/㎠)를, 세로축은 휘도(cd/㎡)를 나타낸다. 또한, 전압-휘도 특성을 도 11에 도시한다. 도 11에 있어서, 가로축은 전압(V)을, 세로축은 휘도(cd/㎡)를 나타낸다. 또한, 휘도-전류 효율 특성을 도 12에 도시한다. 도 12에 있어서, 가로축은 휘도(cd/㎡)를, 세로축은 전류 효율(cd/A)을 나타낸다. 또한, 휘도-외부 양자 효율 특성을 도 13에 도시한다. 도 13에 있어서, 가로축은 휘도(cd/㎡)를, 세로축은 외부 양자 효율(%)을 나타낸다.

또한, 발광 소자 3에 있어서의 휘도 1100cd/㎡일 때의 전압(V), 전류 밀도(mA/㎠), CIE 색도 좌표(x, y), 전류 효율(cd/A), 파워 효율(lm/W), 외부 양자 효율(%)을 표 4에 기재한다.

또한, 발광 소자 3에 0.1mA의 전류를 흘려보냈을 때의 발광 스펙트럼을 도 14에 도시한다. 도 14에 있어서, 가로축은 파장(nm), 세로축은 발광 강도(임의 단위)를 나타낸다. 또한, 표 4에 기재하는 바와 같이, 1100cd/㎡의 휘도일 때의 발광 소자 3의 CIE 색도 좌표는 (x,y)=(0.54,0.46)이었다. 이 결과로부터, 발광 소자 3은, [Ir(dppm)₂(acac)]에 유래하는 주황색 발광이 얻어진 것을 알 수 있었다.

표 4 및 도 10 내지 도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 발광 소자 3은, 전류 효율, 파워 효율, 외부 양자 효율이 각각 높은 값을 나타내었다. 특히, 1100cd/㎡의 휘도일 때의 외부 양자 효율이 28%로 지극히 높은 값을 나타냈다. 이것은 내부 양자 효율로 환산하면, 90% 이상이 된다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 일 형태를 적용함으로써, 외부 양자 효율이 높은 소자를 실현할 수 있는 것이 나타났다.

다음에, 발광 소자 3의 신뢰성 시험을 행하였다. 신뢰성 시험의 결과를 도 15에 도시한다. 도 15에 있어서, 세로축은 초기 휘도를 100%로 했을 때의 규격화휘도(%)를 나타내고, 가로축은 소자의 구동 시간(h)을 나타낸다.

신뢰성 시험은, 초기 휘도를 5000cd/㎡로 설정하고, 전류 밀도 일정의 조건으로 발광 소자 3을 구동하였다. 320시간 후의 휘도에 관해서, 발광 소자 3은, 초기 휘도의 92%를 유지하고 있었다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 일 형태를 적용함으로써, 신뢰성이 높은 소자를 실현할 수 있는 것이 나타났다.

[실시예 3]

유기 재료의 T1 준위는, 그 유기 재료의 박막이나 용액의 광학 측정에 의해 결정할 수도 있지만, 분자 궤도 계산에 의해서도 얻어진다. 예를 들면, 미지의 재료의 T1 준위를 추산하기 위해서는 분자 궤도 계산을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 게스트로서 사용되는 Ir(dppm)₂acac, Ir(mppr-Me)₂dpm, N형 호스트로서 사용되는 2mDBTPDBqII, 및 P형 호스트로서 사용되는 PCBNBB의 T1 준위를 각각 산출하였다.

계산 방법은 이하와 같다. 처음에, 각각의 분자의 1중항 기저 상태(S₀)와 3중항 여기 상태(T₁)에 있어서의 최안정 구조를, 밀도 범함수법(DFT)을 사용하여 계산하였다. 또한, S₀과 T₁의 최안정 구조에 있어서 진동 해석을 행하여 0점 보정한 에너지를 구하였다. S₀과 T₁의 0점 보정한 에너지차로부터, T₁ 준위를 산출하였다.

N형 호스트 분자 및 P형 호스트 분자의 계산에서는, 모든 원자의 기저 함수로서, 6-311G(각각의 원자가 궤도에 3개의 단축 함수를 사용한 triple split valence 기저계의 기저 함수)를 사용하였다. 상기의 기저 함수에 의해, 예를 들면, H 원자이면, 1s 내지 3s의 궤도가 고려되고, 또한, C 원자이면, 1s 내지 4s, 2p 내지 4p의 궤도가 고려되게 된다. 또한, 계산 정밀도 향상을 위해, 분극 기저계로서, H 원자에는 p 함수를, H 원자 이외에는 d 함수를 더하였다. 범함수에는 B3LYP를 사용하여 교환과 상관 에너지에 따르는 각 파라미터의 무게를 규정하였다.

게스트 분자의 계산에서는, Ir 원자의 기저 함수에는 LanL2DZ를 사용하였다. Ir 원자 이외의 기저 함수에는 6-311G를 사용하였다. 또한, 계산 정밀도 향상을 위해, 분극 기저계로서, H 원자에는 p 함수를, H 원자 이외에는 d 함수를 더하였다. 범함수에는 B3PW91을 사용하고, 교환과 상관 에너지에 따르는 각 파라미터의 무게를 규정하였다.

또한, 양자 화학 계산 프로그램으로서는, Gaussian09를 사용하였다. 계산은, 하이퍼포먼스 컴퓨터(SGI사 제조, Altix4700)를 사용하여 행하였다.

계산에 의해 얻어진 T1 준위는, Ir(dppm)₂acac는 2.13전자볼트, Ir(mppr-Me)₂dpm은 2.13전자볼트, 2mDBTPDBqII는 2.42전자볼트, PCBNBB는 2.31전자볼트이었다. 이들 값은, 광학 측정으로 얻어진 것에 가까운 것이었다.

이상의 결과로부터, N형 호스트로서 사용되는 2mDBTPDBqII, 및 P형 호스트로서 사용되는 PCBNBB의 T1 준위는, 게스트로서 사용되는 Ir(dppm)₂acac, Ir(mppr-Me)₂dpm의 T1 준위보다도 0.15eV 이상 높은 것을 알 수 있었다. 이로 인해, 게스트 분자의 3중항 여기 상태로부터 N형 호스트 분자 또는 P형 호스트 분자의 3중항 여기 상태로의 전이를 충분히 방지할 수 있어 외부 양자 효율이 높은 발광 소자를 얻을 수 있는 것이 시사되었다.

이와 같이 광학 측정으로 수득되는 T1 준위와 분자 궤도 계산에 의해 수득되는 T₁ 준위는 대단히 가까운 것이다. 따라서, 새로운 유기 화합물을 합성하지 않아도, 분자 궤도 계산을 행하여 그 유기 화합물의 T1 준위를 평가하고, 그 유기 화합물이 발광 효율을 높이는데 있어서 유용한지 여부를 판정할 수 있다.

101 기판
102 발광층
103 제 1 전극
104 제 2 전극
105 제 1 캐리어의 주입층
106 제 1 캐리어의 수송층
107 제 2 캐리어의 주입층
108 제 2 캐리어의 수송층
110 EL층
110a EL층
110b EL층
111 전하 발생층
201 양극
202 정공 주입층
203 정공 수송층
204 발광층
205 전자 수송층
206 전자 주입 버퍼층
207 전자 릴레이층
208 복합 재료층
209 음극
210 EL층

Claims

발광 소자로서,
한 쌍의 전극;
정공 수송층; 및
상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극과 상기 정공 수송층 간의 발광층을 포함하고,
상기 발광층은
인광성 화합물;
제 1 유기 화합물; 및
제 2 유기 화합물을 포함하고,
상기 제 1 유기 화합물의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가 상기 인광성 화합물의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차보다 0.15 eV 이상 크고,
상기 제 2 유기 화합물의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 에너지차가 상기 인광성 화합물의 3중항 여기 상태와 기저 상태의 상기 에너지차보다 0.15 eV 이상 크고,
상기 제 1 유기 화합물과 상기 제 2 유기 화합물의 조합은 이들 사이에 여기 착체(exciplex)를 형성할 수 있고,
상기 여기 착체의 발광 스펙트럼은 상기 인광성 화합물의 가장 장파장측에 위치하는 흡수대와 중첩되고,
상기 여기 착체의 여기 에너지는 상기 인광성 화합물로 전달되고,
상기 인광성 화합물, 상기 제 1 유기 화합물, 및 상기 제 2 유기 화합물이 상기 발광층 내에서 혼합되고,
상기 인광성 화합물이 유기 금속 착체인, 발광 소자.
발광 소자로서,
한 쌍의 전극; 및
상기 한 쌍의 전극 간의 발광층을 포함하고,
상기 발광층은
인광성 화합물;
제 1 유기 화합물; 및
제 2 유기 화합물을 포함하고,
상기 제 1 유기 화합물의 LUMO 준위(En)로부터 상기 인광성 화합물의 LUMO 준위(Ea)를 뺀 값(En-Ea)이 0.1 eV 내지 0.5 eV이고,
상기 제 1 유기 화합물과 상기 제 2 유기 화합물의 조합은 이들 사이에 여기 착체를 형성할 수 있고,
상기 여기 착체의 발광 스펙트럼은 상기 인광성 화합물의 가장 장파장측에 위치하는 흡수대와 중첩되고,
상기 여기 착체의 여기 에너지는 상기 인광성 화합물로 전달되고,
상기 인광성 화합물, 상기 제 1 유기 화합물, 및 상기 제 2 유기 화합물이 상기 발광층 내에서 혼합되는, 발광 소자.
발광 소자로서,
한 쌍의 전극; 및
상기 한 쌍의 전극 간의 발광층을 포함하고,
상기 발광층은
인광성 화합물;
제 1 유기 화합물; 및
제 2 유기 화합물을 포함하고,
상기 제 2 유기 화합물의 HOMO 준위(Ep)로부터 상기 인광성 화합물의 HOMO 준위(Eb)를 뺀 값(Ep-Eb)이 -0.5 eV 내지 -0.1 eV이고,
상기 제 1 유기 화합물과 상기 제 2 유기 화합물의 조합은 이들 사이에 여기 착체를 형성할 수 있고,
상기 여기 착체의 발광 스펙트럼은 상기 인광성 화합물의 가장 장파장측에 위치하는 흡수대와 중첩되고,
상기 여기 착체의 여기 에너지는 상기 인광성 화합물로 전달되고,
상기 인광성 화합물, 상기 제 1 유기 화합물, 및 상기 제 2 유기 화합물이 상기 발광층 내에서 혼합되는, 발광 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 여기 착체가 상기 제 1 유기 화합물의 음이온과 상기 제 2 유기 화합물의 양이온으로 형성되는, 발광 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유기 화합물과 상기 제 2 유기 화합물 중 적어도 하나가 형광성 화합물인, 발광 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유기 화합물이 전자 수송성을 갖고,
상기 제 2 유기 화합물이 정공 수송성을 갖는, 발광 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 유기 화합물의 HOMO 준위가 상기 제 2 유기 화합물의 HOMO 준위보다 낮고,
상기 제 2 유기 화합물의 HOMO 준위가 상기 제 1 유기 화합물의 LUMO 준위보다 낮고,
상기 제 1 유기 화합물의 LUMO 준위가 상기 제 2 유기 화합물의 LUMO 준위보다 낮은, 발광 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인광성 화합물의 상기 가장 장파장측에 위치하는 상기 흡수대의 몰 흡광 계수가 2000M^-1·cm^-1 이상인, 발광 소자.