KR20120049135A - 카르바졸 화합물, 발광 소자용 재료, 유기 반도체 재료, 발광 소자, 발광 장치, 조명 장치, 및 전자 기기 - Google Patents

카르바졸 화합물, 발광 소자용 재료, 유기 반도체 재료, 발광 소자, 발광 장치, 조명 장치, 및 전자 기기 Download PDF

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Abstract

디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격의 2번 위치가 카르바졸 골격의 3번 위치에 결합한 카르바졸릴기의 질소가 안트라센 골격의 9번 위치 또는 10번 위치에 직접 결합하거나 또는 페닐렌기를 통하여 결합한 카르바졸 화합물을 합성할 수 있었다. 그리고, 상기 카르바졸 화합물이 양호한 캐리어 수송성이나 막질, 넓은 밴드 갭을 갖고, 발광 소자의 재료나 유기 반도체 재료로서 적합하게 사용할 수 있는 것을 찾아냈다.

Description

카르바졸 화합물, 발광 소자용 재료, 유기 반도체 재료, 발광 소자, 발광 장치, 조명 장치, 및 전자 기기{CARBAZOLE COMPOUND, LIGHT-EMITTING ELEMENT MATERIAL, ORGANIC SEMICONDUCTOR MATERIAL, LIGHT-EMITTING ELEMENT, LIGHT-EMITTING DEVICE, LIGHTING DEVICE, AND ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 발광 소자용 재료로서 사용할 수 있는 카르바졸 화합물에 관한 것이다. 또한, 그것을 사용한 발광 소자용 재료, 유기 반도체 재료, 발광 소자, 발광 장치, 조명 장치, 및 전자 기기에 관한 것이다.
박형 경량으로 제작할 수 있는 점, 입력 신호에 대한 고속 응답성을 갖는 점, 저소비 전력 등의 장점을 갖기 때문에 차세대 조명 장치나 표시 장치로서 유기 화합물을 발광 물질로서 사용하는 발광 소자(유기 EL 소자)를 사용한 표시 장치의 개발이 가속되고 있다.
유기 EL 소자는 한 쌍의 전극 사이에 발광층을 끼우고 전압을 인가함으로써 전극으로부터 주입된 전자 및 정공이 재결합하여 발광 물질이 여기 상태가 되고, 그 여기 상태가 기저 상태로 되돌아 갈 때 발광한다. 발광 물질로부터 방출되는 광의 파장은 그 발광 물질의 고유한 것이고, 상이한 종류의 유기 화합물을 발광 물질로서 사용함으로써 다양한 파장 즉 다양한 색깔의 발광을 나타내는 발광 소자를 얻을 수 있다.
디스플레이 등 화상을 표시하는 것을 염두에 둔 표시 장치의 경우에는, 풀 컬러 영상을 재현하기 위하여 적어도 적색, 녹색, 청색의 3색의 파장 성분을 갖는 빛을 얻을 필요가 있다. 또한, 조명 장치로서 사용하는 경우에는, 높은 연색성(演色性)을 얻기 위하여 가시광 영역에서 골고루 파장 성분을 갖는 빛을 얻는 것이 이상적이고, 현실적으로는 상이한 파장의 빛을 2종류 이상 합성함으로써 얻어지는 빛이 조명 용도로서 사용되는 일이 많다. 또한, 적색, 녹색, 청색의 3색의 빛을 합성함으로써 높은 연색성을 갖는 백색 광을 얻을 수 있는 것이 알려져 있다.
상술한 바와 같이, 발광 물질이 방출하는 광은 그 물질의 고유한 것이다. 그러나, 수명이나 소비 전력, 그리고 발광 효율까지 발광 소자로서 중요한 성능은 발광을 나타내는 물질에만 의존하는 것이 아니라 발광층 외의 층, 소자 구조, 그리고 발광 중심 물질과 호스트의 성질이나 그 성질이 잘 맞는지 여부 등도 크게 영향을 준다. 따라서, 이 분야의 성숙을 위해서는 다양한 종류의 발광 소자용 재료가 필요하게 됨에 틀림이 없다. 상술한 이유로 다양한 분자 구조를 갖는 발광 소자용 재료가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
특히, 에너지가 높은 청색 발광은 밴드 갭이 큰 발광 중심 물질과, 더 밴드 갭이 큰 호스트 재료가 필요하고, 양호한 특성을 갖는 발광 소자를 제작할 수 있는 재료의 베리에이션은 반드시 충분하다고는 말하기 어렵다.
일본국 특개2007-15933호 공보
그래서 본 발명의 일 형태에서는 발광 소자의 수송층이나 호스트 재료, 발광 재료로서 사용할 수 있는 신규 카르바졸 화합물을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태에서는 상기 신규 카르바졸 화합물을 사용한 발광 소자용 재료를 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태에서는 상기 신규 카르바졸 화합물을 사용한 유기 반도체 재료를 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태에서는 발광 효율이 높은 발광 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태에서는 소비 전력이 작은 발광 장치 또는 조명 장치 또는 전자 기기를 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 본 발명의 일 형태에서는 상기 과제 중 어느 하나를 해결하면 좋다.
본 발명자들은 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격의 2번 위치가 카르바졸 골격의 3번 위치에 결합한 카르바졸릴기의 질소가 안트라센 골격의 9번 위치 또는 10번 위치에 직접 결합하거나 또는 페닐렌기를 통하여 결합한 카르바졸 화합물을 합성할 수 있었다. 그리고, 상기 카르바졸 화합물이 양호한 캐리어 수송성을 갖고, 발광 소자의 재료나 유기 반도체 재료로서 적합하게 사용할 수 있는 것을 찾아냈다.
즉, 본 발명의 일 형태는 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격의 2번 위치가 카르바졸 골격의 3번 위치에 결합한 카르바졸릴기의 질소가 안트라센 골격의 9번 위치 또는 10번 위치에 직접 결합하거나 또는 페닐렌기를 통하여 결합한 카르바졸 화합물이다.
또한, 상술한 카르바졸 화합물에서 안트라센 골격 및 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격은 치환기를 가져도 좋고, 이들이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기로서 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 들 수 있다.
또한, 상술한 카르바졸 화합물에서 카르바졸 골격은 6번 위치에 디벤조푸란-2-일기 또는 디벤조티오펜-2-일기를 더 가져도 좋다. 디벤조푸란-2-일기 또는 디벤조티오펜-2-일기는 치환기를 더 가져도 좋고, 상기 치환기로서 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 선택할 수 있다. 이들 치환기가 아릴기인 경우에는, 비정질성이 향상되고 열물성이 향상되기 때문에 바람직하다. 또한, 이들 치환기가 알킬기인 경우에는, 용제로의 용해성이 향상되고 용이하게 정제할 수 있기 때문에 바람직하다. 다만, 합성 방법이 간편하다는 이유로 이들 치환기를 갖지 않는 것이 바람직하다.
이러한 구조를 갖는 카르바졸 화합물은 양호한 캐리어 수송성을 갖고, 발광 소자의 호스트 재료나 캐리어 수송층으로서 적합하게 사용할 수 있다. 상기 카르바졸 화합물이 양호한 캐리어 수송성을 가짐으로써 구동 전압이 작은 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 상기 카르바졸 화합물은 넓은 밴드 갭을 가짐으로써 청색 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 분산시키는 호스트 재료로서 적합하게 사용할 수 있다. 상기 카르바졸 화합물이 넓은 밴드 갭을 가짐으로써 호스트 재료 내에서 재결합한 캐리어의 에너지를 발광 중심 물질에 유효적으로 이동시킬 수 있고, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 넓은 밴드 갭을 갖는 상기 카르바졸 화합물은 청색 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 함유한 발광층에 인접된 캐리어 수송층에도 발광 중심 물질의 여기 에너지를 비활성화시키지 않고 적합하게 이용할 수 있다. 따라서, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 상기 카르바졸 화합물은 양호한 양자 수율로 형광을 발광한다. 따라서, 발광 재료로서 사용할 수 있다. 따라서, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다.
상술한 바와 같은 카르바졸 화합물을 더 구체적으로 설명한다. 즉, 본 발명의 다른 일 형태는 하기 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)이다.
Figure pat00001
다만, 화학식 1에서 Ar1은 수소, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, n은 0 또는 1이고, α는 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기다. 또한, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 하기 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
Figure pat00002
Figure pat00003
화학식 2에서 R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
여기서, 화학식 1에서 n이 1이면 밴드 갭이 넓은 재료가 되기 때문에 바람직한 구성이다.
또한, 화학식 1에서 Ar2가 수소이면 밴드 갭이 넓은 재료가 되어 바람직하다. 또한, Ar2가 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 및 화학식 2로 나타내어지는 기(g1)이면 캐리어 수송성이 더 뛰어나 바람직하다. 특히, 화학식 2로 나타내어지는 기(g1)인 것이 더 바람직하다.
또한, 화학식 1에서 Q1이나 Q2는 산소이면 밴드 갭이 더 넓어져 바람직하다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 3으로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G2)이다.
Figure pat00004
다만, 화학식 3에서 R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, α는 하기 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기다. 또한, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 하기 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
Figure pat00005
화학식 2
Figure pat00006
화학식 2에서 R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 안트라센 골격이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기의 치환 위치는 R2, R3, R6, R7 중 어느 하나 또는 복수이면, 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기의 치환 위치는 R10, R11, R13, R18, R20, 및 R21 중 어느 하나 또는 복수이면, 합성하기 쉽고, 원료 조달이 용이하므로 저렴한 가격으로 제조할 수 있어 바람직한 구조다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 4로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G3)이다.
Figure pat00007
다만, 화학식 4에서 R2, R3, R6, R7, R10, R11, 및 R13은 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, α는 하기 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기다. 또한, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 5로 나타내어지는 기(g2) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
Figure pat00008
Figure pat00009
화학식 5에서 R18, R20, 및 R21은 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격은 치환기를 갖지 않으면 용매로의 용해성이 향상되어 합성이 용이해지기 때문에 바람직한 구성이다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 6으로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G4)이다.
Figure pat00010
다만, 화학식 6에서 R2, R3, R6, 및 R7은 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, α는 하기 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기다. 또한, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 7로 나타내어지는 기(g3) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
Figure pat00011
Figure pat00012
화학식 7에서 Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 합성하기 쉽고 원료 조달이 용이한 등의 이유로 R1 내지 R22는 모두 수소인 것이 더 바람직한 구조다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 8로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G5)이다.
Figure pat00013
다만, 화학식 8에서 Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 7로 나타내어지는 기(g3) 중 어느 것을 나타낸다. α는 하기 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
Figure pat00014
화학식 7
Figure pat00015
화학식 7에서 Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 화학식 1에서 α는 상기 구조식(α-1)으로 나타내어지는 파라 위치가 치환된 페닐렌기이면 캐리어 수송성이 양호하게 되고, 또한, 열 물성(Tg)도 향상되기 때문에 바람직한 구성이다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 9로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G6)이다.
Figure pat00016
다만, 화학식 9에서 R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 하기 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
화학식 2
Figure pat00017
화학식 2에서 R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 안트라센 골격이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기의 치환 위치는 R2, R3, R6, R7 중 어느 하나 또는 복수이면, 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기의 치환 위치는 R10, R11, R13, R18, R20, 및 R21 중 어느 하나 또는 복수이면, 합성하기 쉽고, 원료 조달이 용이하므로 저렴한 가격으로 제조할 수 있어 바람직한 구조다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 10으로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G7)이다.
Figure pat00018
다만, 화학식 10에서 R2, R3, R6 R7, R10, R11, 및 R13은 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 5로 나타내어지는 기(g2) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
화학식 5
Figure pat00019
화학식 5에서 R18, R20, 및 R21은 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격은 치환기를 갖지 않으면 용매로의 용해성이 향상되어 합성이 용이해지기 때문에 바람직한 구성이다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 11로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G8)이다.
Figure pat00020
다만, 화학식 11에서 R2, R3, R6 및 R7은 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 7로 나타내어지는 기(g3) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
화학식 7
Figure pat00021
화학식 7에서 Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 합성하기 쉽고 원료 조달이 용이한 등의 이유로 R1 내지 R22는 모두 수소인 것이 더 바람직한 구조다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 12로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G9)이다.
Figure pat00022
다만, 화학식 12에서 Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 7로 나타내어지는 기(g3) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
화학식 7
Figure pat00023
화학식 7에서 Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 비대칭성 구조이면 증착 레이트가 안정되기 때문에 바람직한 구성이다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 13으로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G10)이다.
Figure pat00024
다만, 화학식 13에서 Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 정공 주입성을 향상시키는 관점에서 보면, 카르바졸기의 3번 위치 및 6번 위치의 양쪽 모두에 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격이 결합되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 다른 구성은 화학식 14로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G11)이다.
Figure pat00025
다만, 화학식 14에서 Q1 및 Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 본 발명의 다른 구성은 하기 구조식으로 나타내어지는 카르바졸 화합물이다.
Figure pat00026
또한, 본 발명의 다른 구성은 하기 구조식으로 나타내어지는 카르바졸 화합물이다.
Figure pat00027
또한, 본 발명의 다른 구성은 상기 카르바졸 화합물을 함유한 유기 반도체 재료다.
또한, 본 발명의 다른 구성은 상기 카르바졸 화합물을 함유한 발광 소자용 재료다.
또한, 본 발명의 다른 구성은 한 쌍의 전극 사이에 유기 화합물을 함유한 층을 끼워 이루어지는 발광 소자이고, 상기 유기 화합물을 함유한 층에 상기 카르바졸 화합물을 함유한 발광 소자다.
또한, 본 발명의 다른 구성은 상기 발광 소자를 포함하는 발광 장치다.
또한, 본 발명의 다른 구성은 상기 발광 소자를 포함하는 조명 장치다.
또한, 본 발명의 다른 구성은 상기 발광 소자와 상기 발광 소자를 제어하는 수단을 구비한 전자 기기다.
상기 구성을 갖는 카르바졸 화합물은 뛰어난 캐리어 수송성과 넓은 에너지 갭의 양쪽 모두를 갖는 물질이고, 발광 소자의 수송층, 호스트 재료, 발광 물질로서 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 상기 카르바졸 화합물을 함유한 발광 소자용 재료를 사용한 발광 소자는 발광 효율이 높은 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 상기 카르바졸 화합물을 함유한 발광 소자용 재료를 사용한 발광 소자는 구동 전압이 작은 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 상기 카르바졸 화합물을 함유한 발광 소자용 재료를 사용한 발광 소자는 수명이 긴 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 상기 카르바졸 화합물은 유기 반도체 재료로서 사용할 수도 있다.
도 1a 및 도 1b는 발광 소자의 개념도.
도 2는 유기 반도체 소자의 개념도.
도 3a 및 도 3b는 액티브 매트릭스형 발광 장치의 개념도.
도 4a 및 도 4b는 패시브 매트릭스형 발광 장치의 개념도.
도 5a 내지 도 5d는 전자 기기를 도시한 도면.
도 6은 전자 기기를 도시한 도면.
도 7은 조명 장치를 도시한 도면.
도 8은 조명 장치를 도시한 도면.
도 9는 차재 표시 장치 및 조명 장치를 도시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 FrCPA의 1H NMR 차트.
도 11a 및 도 11b는 FrCPA의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼.
도 12는 FrCPACV 차트.
도 13은 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 휘도-전압 특성을 도시한 도면.
도 14는 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 전류 효율-휘도 특성을 도시한 도면.
도 15는 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 전류-전압 특성을 도시한 도면.
도 16은 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 파워 효율-휘도 특성을 도시한 도면.
도 17은 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 외부 양자 효율-휘도 특성을 도시한 도면.
도 18은 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 발광 스펙트럼을 도시한 도면.
도 19는 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 규격화 휘도-시간 특성 변화를 도시한 도면.
본 발명의 실시형태에 대하여 이하에 설명한다. 다만, 본 발명은 많은 상이한 형태로 실시하는 것이 가능하고, 본 발명의 취지 및 범위에서 벗어남이 없이 본 발명의 형태 및 상세한 사항이 다양하게 변경될 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서의 카르바졸 화합물은 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격의 2번 위치가 카르바졸 골격의 3번 위치에 결합한 카르바졸릴기의 질소가 안트라센 골격의 9번 위치 또는 10번 위치에 직접 결합하거나 또는 페닐렌기를 통하여 결합한 카르바졸 화합물이다. 이 카르바졸 화합물에서 안트라센 골격 및 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격은 치환기를 가져도 좋고, 이들이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기로서 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 선택할 수 있다.
또한, 상술한 카르바졸 화합물에서 카르바졸 골격은 6번 위치에 디벤조푸란-2-일기 또는 디벤조티오펜-2-일기를 더 가져도 좋다. 디벤조푸란-2-일기 또는 디벤조티오펜-2-일기는 치환기를 더 가져도 좋고, 상기 치환기로서 각각 독립적으로 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 선택할 수 있다.
상술한 바와 같은 카르바졸 화합물은 양호한 캐리어 수송성을 갖고, 발광 소자의 재료나 유기 반도체 재료로서 적합하게 사용할 수 있다. 발광 소자의 재료로서 사용하는 경우에는, 상기 카르바졸 화합물은 양호한 캐리어 수송성을 가짐으로써 발광 소자의 호스트 재료나 캐리어 수송층으로서 적합하게 사용할 수 있다. 상기 카르바졸 화합물이 양호한 캐리어 수송성을 가짐으로써 구동 전압이 작은 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 상기 카르바졸 화합물은 넓은 밴드 갭을 가짐으로써 청색 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 분산시키는 호스트 재료로서 적합하게 사용할 수도 있다. 상기 카르바졸 화합물이 넓은 밴드 갭을 가짐으로써 호스트 재료 내에서 재결합한 캐리어의 에너지를 발광 중심 물질에 유효적으로 이동시킬 수 있고, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다. 또한, 청색보다 장파장의 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 분산시키는 호스트 재료로서 사용할 수도 있다.
또한, 넓은 밴드 갭을 갖는 상기 카르바졸 화합물은 청색의 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 함유한 발광층에 인접한 캐리어 수송층을 구성하는 재료로서 발광 중심 물질의 여기 에너지를 비활성화시키지 않고 적합하게 사용할 수도 있다. 따라서, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다. 물론, 청색보다 장파장의 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 함유한 발광층에 인접한 캐리어 수송층을 구성하는 재료로서 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같은 카르바졸 화합물은 화학식 1로 나타낼 수도 있다.
화학식 1
Figure pat00028
다만, 화학식 1에서 Ar1은 수소, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, n은 0 또는 1이고, α는 하기 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기다. 또한, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타낸다. Q1은 산소 또는 황을 나타낸다.
Figure pat00029
화학식 2
Figure pat00030
화학식 2에서 R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
또한, 화학식 1에서 n이 1이면 안트라센 골격에서 카르바졸 골격으로 공역이 확대되는 것을 더 억제할 수 있어 밴드 갭이 넓은 물질로 할 수 있다.
또한, 안트라센 골격이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기의 치환 위치는 R2, R3, R6, R7 중 어느 하나 또는 복수이면, 디벤조푸란 골격 또는 디벤조티오펜 골격이 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기의 치환 위치는 R10, R11, R13, R18, R20 및 R21 중 어느 하나 또는 복수이면, 합성하기 쉽고, 원료 조달이 용이하므로 저렴한 가격으로 제조할 수 있어 바람직한 구조다. 같은 이유로 R1 내지 R22는 모두 수소인 것이 더 바람직한 구조다.
상기 치환기는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 알킬기의 경우에는, 메틸기, 에틸프로필기, 부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 시클로헥실기 등을 들 수 있다. 아릴기의 경우에는, 페닐기, 나프틸기, 비페닐기 등을 들 수 있다. 이들 치환기를 갖는 것이 분자 구조가 더 입체적인 구조가 되어 비정질성이 향상되기 때문에 바람직한 구성이다. 상기 치환기가 알킬기인 경우에는, 유기 용제로의 용해성이 향상되어 합성이 용이해지거나 습식으로 성막하기 용이해지는 등의 효과가 있어 바람직한 구성이다.
화학식 1에서 α는 상기 구조식(α-1)으로 나타내어지는 파라 위치가 치환된 페닐렌기이면 캐리어 수송성이 양호하게 되고, 또한, 열 물성(Tg)도 향상되기 때문에 바람직한 구성이다.
또한, 화학식 1에서 α는 상기 구조식(α-2)으로 나타내어지는 메타 위치가 치환된 페닐렌기이면 파라 위치가 치환된 페닐렌기보다 입체적인 구조가 되어 비정질성이 향상되고, 또한 용해성도 향상되기 때문에 바람직한 구성이다.
또한, 화학식 1에서 Ar2가 치환기를 갖는 경우에는, Q1과 Q2는 같은 원소인 것이(카르바졸 골격의 3번 위치, 6번 위치에 같은 치환기가 결합하는 것이) 합성하기 용이하므로 바람직한 구조다.
또한, 화학식 1에서 Ar2에서의 R16 내지 R22가 모두 수소인 구성은 유기 용제로의 용해성이 양호하게 되고 합성이 용이하게 되므로 바람직한 구조다. 또한, Ar2가 치환기를 갖는 경우에는, 상기 치환기는 알킬기인 것이 유기 용제로의 용해성이 양호하므로 바람직한 구성이다.
또한, 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)은 분자 내의 대칭성이 낮은 재료다. 이로써, 증착할 때의 증착 레이트의 안정화가 도모되고 막 두께를 제어하기 쉬우므로 안정된 품질의 발광 소자를 제공할 수 있게 된다.
또한, 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)은 전자 수송성과 정공 수송성의 양쪽 모두의 성질을 겸비한 소위 바이폴러성 재료다. 바이폴러성 재료를 발광 소자의 발광층에 사용함으로써 발광 영역이 국재화되는 것을 방지하고, 발광 효율이 높은 발광 소자를 얻을 수 있게 된다.
화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)의 구체적인 구조의 예로서 하기 구조식(100) 내지 구조식(141)으로 나타내어지는 물질 등을 들 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
상술한 바와 같은 카르바졸 화합물은 캐리어 수송성이 뛰어나므로 캐리어 수송 재료나 호스트 재료로서 적합하다. 따라서 구동 전압이 작은 발광 소자를 제공할 수도 있다. 또한, 본 실시형태에서의 카르바졸 화합물은 디벤조티오펜이나 디벤조푸란 등 강직한 기를 갖기 때문에 조직 형태(morphology)가 뛰어나 막질이 안정적이다. 또한, 열 물성도 뛰어나다. 상술한 이유로 상기 카르바졸 화합물을 사용한 발광 소자는 수명이 긴 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 발색단(chromophore)인 안트라센 골격을 갖기 때문에 발광 재료로서 사용할 수도 있다.
(실시형태 2)
이어서, 본 실시형태에서는 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)의 합성 방법에 대하여 설명한다. 카르바졸 화합물의 합성 방법으로서 각종 반응을 적용할 수 있다. 예를 들어, 이하에 기재한 합성 반응에 의하여 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)을 합성할 수 있다.
<화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물의 합성 방법 1>
실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물(G1)은 반응식 A-1에 나타낸 바와 같이 합성할 수 있다. 즉, 안트라센 유도체의 할로겐화물(화합물 A)과 카르바졸 유도체(화합물 B)를 염기 존재하에서 금속 촉매, 금속, 또는 금속 화합물에 의하여 커플링시킴으로써 본 실시형태에 기재하는 카르바졸 화합물(G1)을 얻는다.
반응식 A-1
Figure pat00038
반응식 A-1에서 Q1은 산소 또는 황을 나타낸다. 또한, R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, n은 0 또는 1이다. 또한, Ar1은 수소, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타낸다. 반응식 A-1에서 R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
화학식 2
Figure pat00039
반응식 A-1에서 하트위그-부흐바르트(Hartwig-Buchwald) 반응을 사용하는 경우에는, X1은 할로겐 또는 트리플레이트기를 나타낸다. 할로겐으로서는 요오드 또는 브롬이 바람직하다. 상기 반응에서는 비스(디벤질리덴아세톤)팔라듐(0), 초산팔라듐(II) 등의 팔라듐 착체 또는 화합물과, 그것에 배위하는 트리(tert-부틸)포스핀, 트리(n-헥실)포스핀, 트리시클로헥실포스핀 등의 배위자를 사용하는 팔라듐 촉매를 이용한다. 염기로서 나트륨 tert-부톡시드 등의 유기 염기, 탄산칼륨 등의 무기 염기 등을 들 수 있다. 또한, 용매를 사용하는 경우에는, 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 테트라하이드로푸란 등을 사용할 수 있다.
또한, 반응식 A-1에서 울만 반응을 사용하는 경우에는, X1은 할로겐을 나타낸다. 할로겐으로서는 요오드 또는 브롬이 바람직하다. 촉매로서 구리 또는 구리 화합물을 사용한다. 구리 화합물을 촉매로서 사용하는 경우에는, 반응식 A-1에서 R23 및 R24는 각각 할로겐이나 아세틸기 등을 나타내고, 할로겐으로서는 염소, 브롬, 요오드를 들 수 있다. 또한, R23로서 요오드인 요오드화구리(I)나 R24로서 아세틸기인 초산구리(II)를 사용하는 것이 바람직하다. 사용하는 염기로서는, 탄산칼륨 등의 무기염기를 들 수 있다. 또한, 용매로서 1,3-디메틸-3,4,5,6-테트라하이드로-2(1H)-피리미디논(DMPU), 톨루엔, 크실렌, 벤젠 등을 사용한다. 다만, 상기 용매는 이것들에 한정되는 것은 아니다. 울만 반응에서는 반응 온도가 100℃ 이상이면 더 짧은 시간 및 던 높은 수율로 목적물이 얻어지기 때문에 비점이 높은 DMPU, 크실렌을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 반응 온도는 150℃ 이상이 더 바람직하기 때문에 더 바람직하게는 DMPU를 이용하는 것으로 한다.
<화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)의 합성 방법 2>
실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물(G1)은 n이 1인 경우에는, 반응식 A-2에 나타낸 바와 같이 합성할 수도 있다. 즉, 안트라센 유도체의 할로겐화물(화합물 C)과 카르바졸 화합물(화합물 D)의 유기 붕소 화합물을 파라듐 촉매를 사용한 스즈키·미야우라 반응에 의하여 커플링시킴으로써 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)을 얻을 수 있다.
반응식 A-2
Figure pat00040
반응식 A-2에서 X2는 할로겐을 나타내고, 할로겐으로서는 요오드 또는 브롬이 바람직하다. 반응식 A-2에서 R33 및 R34는 수소 또는 탄소수가 1 내지 6인 알킬기를 나타내고, R33과 R34는 같아도 좋고 달라도 좋고, 서로 결합하여 고리를 형성하여도 좋다.
또한, Q1은 산소 또는 황을 나타내고, R1 내지 R6 및 R25 내지 R32는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, n은 1이다. 또한, Ar3은 수소, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고, Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 하기 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타낸다. 반응식 A-2에서 R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타낸다. 또한, Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
화학식 2
Figure pat00041
반응식 A-2의 반응에서 초산팔라듐(II), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) 등의 파라듐 화합물 또는 파라듐 착체와, 그것에 배위하는 트리(오르토-톨릴)포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀 등의 배위자를 사용하는 팔라듐 촉매를 사용한다. 염기로서 나트륨 tert-부톡시드 등의 유기 염기, 탄산칼륨 등의 무기 염기 등을 사용할 수 있다. 용매로서 톨루엔과 물의 혼합 용매, 톨루엔과 에탄올 등의 알코올과 물의 혼합 용매, 크실렌과 물의 혼합 용매, 크실렌과 에탄올 등의 알코올과 물의 혼합 용매, 벤젠과 물의 혼합 용매, 벤젠과 에탄올 등의 알코올과 물의 혼합 용매, 및 1,2-디메톡시에탄 등의 에테르류와 물의 혼합 용매 등을 들 수 있다. 또한, 톨루엔과 물, 또는 톨루엔과 에탄올과 물의 혼합 용매가 더 바람직하다.
또한, 반응식 A-2에서는 안트라센 유도체의 할로겐화물(화합물 C)과, 카르바졸 화합물(화합물 D)의 유기 붕소 화합물을 반응시켰지만, 화합물 C와 화합물 D의 반응기를 바꾼(하로겐기와 붕소 화합물기를 바꾼) 화합물들을 반응시켜도 마찬가지로 합성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 합성할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 유기 반도체 소자의 1종인 세로 형 트랜지스터(SIT)의 활성층으로서 사용하는 형태를 예시한다.
소자는 도 2에 도시한 바와 같이, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 박막 형상의 활성층(1202)이 소스 전극(1201) 및 드레인 전극(1203)으로 끼워지고, 게이트 전극(1204)이 활성층(1202)에 내장된 구조를 갖는다. 게이트 전극(1204)은 게이트 전압을 인가하기 위한 수단에 전기적으로 접속되고, 소스 전극(1201) 및 드레인 전극(1203)은 소스-드레인 사이의 전압을 제어하기 위한 수단에 전기적으로 접속된다.
이러한 소자 구조에서는 게이트 전압이 인가되지 않는 경우에 소스-드레인 사이에 전압을 인가하면 전류가 흐른다(ON 상태가 됨). 그리고, 이 상태에서 게이트 전압을 인가하면 게이트 전극(1204) 주변에 공핍층이 발생됨으로써 전류가 흐르지 않게 된다(OFF 상태가 됨). 상기 메커니즘으로 트랜지스터로서 동작한다.
세로 형 트랜지스터에서는 발광 소자와 같이 캐리어 수송성과 양호한 막질의 양쪽 모두를 겸비한 재료가 활성층에 요구되지만, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물은 이 조건을 충분히 만족시키기 때문에 적합하게 사용할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 사용한 발광 소자의 일 형태에 대하여 도 1a를 사용하여 이하에 설명한다.
본 실시형태에서의 발광 소자는 한 쌍의 전극 사이에 복수의 층을 갖는다. 본 형태에서의 발광 소자는 제 1 전극(102), 제 2 전극(104), 및 제 1 전극(102) 및 제 2 전극(104) 사이에 제공된 유기 화합물을 함유한 층(103)으로 구성된다. 또한, 본 형태에서는 제 1 전극(102)은 양극으로서 기능하고 제 2 전극(104)은 음극으로서 기능하는 것으로 하여 이하에 설명한다. 즉, 제 1 전극(102)의 전위가 제 2 전극(104)의 전위보다 높게 되도록 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104)에 전압을 인가하였을 때 발광이 얻어지는 구성이다.
기판(101)은 발광 소자의 지지체로 사용된다. 기판(101)은, 예를 들어, 유리, 플라스틱 등을 사용할 수 있다. 또한, 발광 소자의 지지체로서 기능할 수 있는 것이면 유리 또는 플라스틱 외의 것이라도 좋다.
제 1 전극(102)로서 일 함수가 큰(구체적으로는 4.0eV 이상) 금속, 합금, 도전성 화합물, 이들의 혼합물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들어, 산화인듐-산화주석(ITO: Indium Tin Oxide), 실리콘 또는 산화실리콘을 함유한 산화인듐-산화주석, 산화인듐-산화아연(IZO: Indium Zinc Oxide), 산화텅스텐 및 산화아연을 함유한 산화인듐(IWZO) 등을 들 수 있다. 이들의 도전성 금속 산화물막은 일반적으로 스퍼터링에 의하여 성막되지만, 졸-겔 방법을 응용하여 제작하여도 좋다. 예를 들어, 산화인듐-산화아연(IZO)은 산화인듐에 대하여 1wt% 내지 20wt%의 산화아연을 가한 타깃을 사용하여 스퍼터링법에 의하여 형성할 수 있다. 또한, 산화텅스텐 및 산화아연을 함유한 산화인듐(IWZO)은 산화인듐에 대하여 산화텅스텐을 0.5wt% 내지 5wt%, 산화아연을 0.1wt% 내지 1wt% 함유한 타깃을 사용하여 스퍼터링법에 의하여 형성할 수 있다. 그 외, 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 그라핀(graphene), 또는 금속 재료의 질화물(예를 들어, 질화티타늄) 등을 들 수 있다.
유기 화합물을 함유한 층(103)의 적층 구조는 특별히 한정되지 않고, 전자 수송성이 높은 물질을 함유한 층 또는 정공 수송성이 높은 물질을 함유한 층, 전자 주입성이 높은 물질을 함유한 층, 정공 주입성이 높은 물질을 함유한 층, 바이폴러성 물질(전자 수송성 및 정공 수송성이 높은 물질)을 함유한 층 등을 적절히 조합하여 구성하면 좋다. 예를 들어, 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 등을 적절히 조합하여 구성할 수 있다. 본 실시형태에서는 유기 화합물을 함유한 층(103)이 제 1 전극(102) 위에 순차적으로 적층한 정공 주입층(111), 정공 수송층(112), 발광층(113), 전자 수송층(114)을 갖는 구성에 대하여 설명한다. 각 층을 구성하는 재료에 대하여 이하에 구체적으로 기재한다.
정공 주입층(111)은 정공 주입성이 높은 물질을 함유한 층이다. 몰리브덴 산화물, 바나듐 산화물, 루테늄 산화물, 텅스텐 산화물, 망간 산화물 등을 사용할 수 있다. 그 외, 프탈로시아닌(약칭: H2Pc)이나 구리프탈로시아닌(약칭: CuPC) 등의 프탈로시아닌계 화합물, 4,4'-비스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: DPAB), N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(약칭: DNTPD) 등의 방향족 아민 화합물, 또는 폴리(에틸렌디옥시티오펜)/폴리(스티렌술폰산)(약칭: PEDOT/PSS) 등의 고분자 등을 사용하여 정공 주입층(111)을 형성할 수 있다.
또한, 정공 주입층(111)으로서 정공 수송성이 높은 물질에 억셉터성 물질을 함유시킨 복합 재료를 사용할 수 있다. 또한, 정공 수송성이 높은 물질에 억셉터성 물질을 함유시킨 것을 사용함으로써, 전극의 일 함수에 의하지 않고 전극을 형성하는 재료를 선택할 수 있다. 즉, 제 1 전극(102)으로서 일 함수가 큰 재료뿐만 아니라 일 함수가 작은 재료도 사용할 수 있게 된다. 억셉터성 물질로서 7,7,8,8-테트라시아노-2,3,5,6-테트라플루오로퀴노디메탄(약칭: F4-TCNQ), 클로라닐 등을 들 수 있다. 또한, 전이 금속 산화물을 들 수 있다. 또한, 원소 주기율표의 제 4 족 내지 제 8 족에 속하는 금속의 산화물을 들 수 있다. 구체적으로는, 산화바나듐, 산화니오브, 산화탄탈, 산화크롬, 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화망간, 산화레늄은 전자 수용성이 높기 때문에 바람직하다. 그 중에서도 산화 몰리브덴은 대기 중에서도 안정적이고 흡습성이 낮고 취급하기 쉽기 때문에 특히 바람직하다.
복합 재료에 사용하는 정공 수송성이 높은 물질로서는 방향족 아민 화합물, 카르바졸 화합물, 방향족 탄화 수소, 고분자 화합물(올리고머, 덴드리머, 폴리머 등) 등 각종 유기 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 복합 재료에 사용하는 유기 화합물로서는 정공 수송성이 높은 유기 화합물인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 1×10-6cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 갖는 물질인 것이 바람직하다. 다만, 전자보다 정공의 수송성이 높은 물질이면 이들 외의 물질을 사용하여도 좋다. 복합 재료에 사용하는 정공 수송성이 높은 물질로서 사용할 수 있는 유기 화합물을 이하에 구체적으로 열거한다.
예를 들어, 방향족 아민 화합물로서 N,N'-디(p-톨릴)-N,N'-디페닐-p-페닐렌디아민(약칭: DTDPPA), 4,4'-비스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: DPAB), N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(약칭: DNTPD), 1,3,5-트리스[N-(4-디페닐아미노페닐)-N-페닐아미노]벤젠(약칭: DPA3B) 등을 들 수 있다.
복합 재료에 사용할 수 있는 카르바졸 화합물로서 구체적으로는 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) 등을 들 수 있다.
또한, 복합 재료에 사용할 수 있는 카르바졸 화합물로서 상기 외에 4,4'-디(N-카르바졸릴)비페닐(약칭: CBP), 1,3,5-트리스[4-(N-카르바졸릴)페닐]벤젠(약칭: TCPB), 9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: CzPA), 1,4-비스[4-(N-카르바졸릴)페닐]-2,3,5,6-테트라페닐벤젠 등을 사용할 수 있다.
또한, 복합 재료에 사용할 수 있는 방향족 탄화 수소로서, 예를 들어, 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), 2-tert-부틸-9,10-비스[2-(1-나프틸)페닐]안트라센, 9,10-비스[2-(1-나프틸)페닐]안트라센, 2,3,6,7-테트라메틸-9,10-디(1-나프틸)안트라센, 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 등을 들 수 있다. 또한, 그 외, 펜타센, 코로넨 등도 사용할 수 있다. 이와 같이, 1×10-6cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 갖고, 탄소수가 14 내지 42인 방향족 탄화 수소를 사용하는 것이 더 바람직하다.
또한, 복합 재료에 사용할 수 있는 방향족 탄화 수소는 비닐 골격을 가져도 좋다. 비닐기를 갖는 방향족 탄화 수소로서, 예를 들어, 4,4'-비스(2,2-디페닐비닐)비페닐(약칭: DPVBi), 9,10-비스[4-(2,2-디페닐비닐)페닐]안트라센(약칭: DPVPA) 등을 들 수 있다.
또는, 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 사용할 수도 있다.
또한, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물도 복합 재료에 사용할 수 있는 방향족 탄화 수소로서 사용할 수 있다.
정공 수송층(112)은 정공 수송성이 높은 물질을 함유한 층이다. 정공 수송성이 높은 물질로서 상술한 복합 재료에 사용할 수 있는 정공 수송성이 높은 물질로서 든 것을 마찬가지로 사용할 수 있다. 또한, 설명이 반복되기 때문에 상세한 설명은 생략한다. 복합 재료의 기재를 참조할 수 있다.
발광층(113)은 발광성 물질을 함유한 층이다. 발광층(113)은 발광 물질의 단일 막으로 구성되어도 좋고, 호스트 재료 내에 발광 중심 물질이 분산된 막으로 구성되어도 좋지만, 본 실시형태에서는 실시형태 1에 기재한 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)을 호스트 재료로서 사용한 호스트-게스트형 발광층에 대하여 설명한다.
발광층(113)에서 상기 발광 중심 물질으로서 사용할 수 있는 재료로서 청색보다 파장이 긴 형광 발광을 나타내는 광범위한 물질을 적용할 수 있다. 상기 발광 중심 물질로서, 예를 들어, 하기 물질을 들 수 있다. N,N'-비스[4-(9H-카르바졸-9-일)페닐]-N,N'-디페닐스틸벤-4,4'-디아민(약칭: YGA2S), 4-(9H-카르바졸-9-일)-4'-(10-페닐-9-안트릴)트리페닐아민(약칭: YGAPA), 4-(9H-칼바졸-9-일)-4'-(9,10-디페닐-2-안트릴)트리페닐아민(약칭: 2YGAPPA), N,9-디페닐-N-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸-3-아민(약칭: PCAPA), 페릴렌, 2,5,8,11-테트라-tert-부틸페릴렌(약칭: TBP), 4-(10-페닐-9-안트릴)-4'-(9-페닐-9H-카르바졸-3-일)트리페닐아민(약칭: PCBAPA), N,N''-(2-tert-부틸안트라센-9,10-디일디-4,1-페닐렌)비스[N,N',N'-트리페닐-1,4-페닐렌디아민](약칭: DPABPA), N,9-디페닐-N-[4-(9,10-디페닐-2-안트릴)페닐]-9H-카르바졸-3-아민(약칭: 2PCAPPA), N-[4-(9,10-디페닐-2-안트릴)페닐]-N,N',N'-트리페닐-1,4-페닐렌디아민(약칭: 2DPAPPA), N,N,N',N',N'',N'',N''',N'''-옥타페닐디벤조[g,p]크리센-2,7,10,15-테트라아민(약칭: DBC1), 쿠마린30, N-(9,10-디페닐-2-안트릴)-N,9-디페닐-9H-카르바졸-3-아민(약칭: 2PCAPA), N-[9,10-비스(1,1'-비페닐-2-일)-2-안트릴]-N,9-디페닐-9H-카르바졸-3-아민(약칭: 2PCABPhA), N-(9,10-디페닐-2-안트릴)-N,N',N'-트리페닐-1,4-페닐렌디아민(약칭: 2DPAPA), N-[9,10-비스(1,1'-비페닐-2-일)-2-안트릴]-N,N',N'-트리페닐-1,4-페닐렌디아민(약칭: 2DPABPhA), 9,10-비스(1,1'-비페닐-2-일)-N-[4-(9H-카르바졸-9-일)페닐]-N-페닐안트라센-2-아민(약칭: 2YGABPhA), N,N,9-트리페닐안트라센-9-아민(약칭: DPhAPhA), 쿠마린545T, N,N'-디페닐퀴나크리돈(약칭: DPQd), 루브렌, 5,12-비스(1,1'-비페닐-4-일)-6,11-디페닐테트라센(약칭: BPT), 2-(2-{2-[4-(디메틸아미노)페닐]에테닐}-6-메틸-4H-피란-4-일리덴)프로판디니트릴(약칭: DCM1), 2-{2-메틸-6-[2-(2,3,6,7-테트라하이드로-1H,5H-벤조[ij]퀴놀리진-9-일)에테닐]-4H-피란-4-일리덴}프로판디니트릴(약칭: DCM2), N,N,N',N'-테트라키스(4-메틸페닐)테트라센-5,11-디아민(약칭: p-mPhTD), 7,14-디페닐-N,N,N',N'-테트라키스(4-메틸페닐)아세나프토[1,2-a]플루오란텐-3,10-디아민(약칭: p-mPhAFD), 2-{2-이소프로필-6-[2-(1,1,7,7-테트라메틸-2,3,6,7-테트라하이드로-1H,5H-벤조[ij]퀴놀리진-9-일)에테닐]-4H-피란-4-일리덴}프로판디니트릴(약칭: DCJTI), 2-{2-tert-부틸-6-[2-(1,1,7,7-테트라메틸-2,3,6,7-테트라하이드로-1H,5H-벤조[ij]퀴놀리진-9-일)에테닐]-4H-피란-4-일리덴}프로판디니트릴(약칭: DCJTB), 2-(2,6-비스{2-[4-(디메틸아미노)페닐]에테닐}-4H-피란-4-일리덴)프로판디니트릴(약칭: BisDCM), 2-{2,6-비스[2-(8-메톡시-1,1,7,7-테트라메틸-2,3,6,7-테트라하이드로-1H,5H-벤조[ij]퀴놀리진-9-일)에테닐]-4H-피란-4-일리덴}프로판디니트릴(약칭: BisDCJTM) 등을 들 수 있다.
또한, 실시형태 1에 기재한 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)도 양자 수율이 좋은 형광 발광 재료이기 때문에 발광 중심 물질로서 사용할 수 있다.
실시형태 1에 기재한 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)은 밴드 갭이 넓기 때문에 청색 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 분산시키는 호스트 재료로서 적합하게 사용할 수도 있다. 물론, 청색보다 장파장의 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 분산시키는 호스트 재료로서 사용할 수도 있다. 상기 카르바졸 화합물이 넓은 밴드 갭을 가짐으로써 호스트 재료 내에서 재결합한 캐리어의 에너지를 발광 중심 물질에 유효적으로 이동시킬 수 있고, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 상기 호스트 재료로서 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)을 사용하지 않는 경우에는, 호스트 재료로서 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)(약칭:Alq), 트리스(4-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)(약칭: Almq3), 비스(10-하이드록시벤조[h]퀴놀리나토)베릴륨(II)(약칭: BeBq2), 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)(4-페닐페놀라토)알루미늄(III)(약칭: BAlq), 비스(8-퀴놀리놀라토)아연(II)(약칭: Znq), 비스[2-(2-벤족사졸릴)페놀라토]아연(II)(약칭: ZnPBO), 비스[2-(2-벤조티아졸릴)페놀라토]아연(II)(약칭: ZnBTZ) 등의 금속 착체, 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-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-tert-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(약칭: TAZ), 2,2',2''-(1,3,5-벤젠트리일)트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸)(약칭: TPBI), 바토페난트롤린(약칭: BPhen), 바소쿠프로인(약칭: BCP), 9-[4-(5-페닐-1,3,4-옥사디아졸-2-일)페닐]-9H-카르바졸(약칭: CO11) 등의 복소환 화합물, 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), 4,4'-비스[N-(스피로-9,9'-비플루오렌-2-일)-N-페닐아미노]비페닐(약칭: BSPB) 등의 방향족 아민 화합물을 들 수 있다. 또한, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 피렌 유도체, 크리센 유도체, 디벤조[g,p]크리센 유도체 등의 축합 다환 방향족 화합물을 들 수 있고, 구체적으로는, 9,10-디페닐안트라센(약칭: DPAnth), N,N-디페닐-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸-3-아민(약칭: CzA1PA), 4-(10-페닐-9-안트릴)트리페닐아민(약칭: DPhPA), 4-(9H-카르바졸-9-일)-4'-(10-페닐-9-안트릴)트리페닐아민(약칭 : YGAPA), N,9-디페닐-N-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸-3-아민(약칭: PCAPA), N,9-디페닐-N-{4-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]페닐}-9H-카르바졸-3-아민(약칭: PCAPBA), N,9-디페닐-N-(9,10-디페닐-2-안트릴)-9H-카르바졸-3-아민(약칭: 2PCAPA), 6,12-디메톡시-5,11-디페닐크리센, N,N,N',N',N'',N'',N''',N'''-옥타페닐디벤조[g,p]크리센-2,7,10,15-테트라아민(약칭: DBC1), 9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: CzPA), 3,6-디페닐-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: DPCzPA), 9,10-비스(3,5-디페닐페닐)안트라센(약칭: DPPA), 9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: DNA), 2-tert-부틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: t-BuDNA), 9,9'-비안트릴(약칭: BANT), 9,9'-(스틸벤-3,3'-디일)디페난트렌(약칭: DPNS), 9,9'-(스틸벤-4,4'-디일)디페난트렌(약칭: DPNS2), 3,3',3''-(벤젠-1,3,5-트리일)트리피렌(약칭: TPB3) 등을 들 수 있다. 이들 물질 및 공지의 물질 중에서 상기 발광 중심 물질의 에너지 갭보다 큰 에너지 갭을 갖는 물질을 하나 또는 복수 종류 선택하여 사용하면 좋다.
또한, 발광층(113)은 2층 이상의 복수층으로 구성할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 발광층과 제 2 발광층을 정공 수송층 측으로부터 순차로 적층하여 발광층(113)을 형성하는 경우에는, 제 1 발광층의 호스트 재료로서 정공 수송성을 갖는 물질을 사용하고, 제 2 발광층의 호스트 재료로서 전자 수송성을 갖는 물질을 사용하는 구성 등이 있다.
상술한 구성을 갖는 발광층이 복수의 재료로 구성되는 경우에는, 진공 증착법에 의한 공증착 또는 혼합 용액으로서 잉크젯 방법, 스핀 코팅법, 딥 코팅법 등을 사용하여 제작할 수 있다.
전자 수송층(114)은 전자 수송성이 높은 물질을 함유한 층이다. 예를 들어, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(약칭: Alq), 트리스(4-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(약칭: Almq3), 비스(10-히드록시벤조[h]퀴놀리나토)베릴륨(약칭: BeBq2), 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)(4-페닐페놀라토)알루미늄(약칭: BAlq) 등 퀴놀린 골격 또는 벤조 퀴놀린 골격을 갖는 금속 착체 등으로 이루어진 층이다. 또한, 이 외, 비스[2-(2-히드록시페닐)벤즈옥사졸라토]아연(약칭: Zn(BOX)2), 비스[2-(2-히드록시페닐)벤조티아졸라토]아연(약칭: Zn(BTZ)2) 등의 옥사졸계, 티아졸계 배위자를 갖는 금속 착체 등도 사용할 수 있다. 또한, 금속 착체 외에도, 2-(4-비페닐일)-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-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-tert-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(약칭: TAZ), 바소페난트롤린(약칭: BPhen), 바소큐프로인(약칭: BCP) 등도 사용할 수 있다. 여기에 기재한 물질은 주로 1×10-6cm2/Vs 이상의 전자 이동도를 갖는 물질이다. 또한, 정공보다 전자의 수송성이 높은 물질이면, 상기 물질 외의 물질을 전자 수송층으로서 사용하여도 좋다.
실시형태 1에 기재한 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)을 전자 수송층(114)으로서 적용할 수도 있다. 넓은 밴드 갭을 갖는 상기 카르바졸 화합물은 청색 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 함유한 발광층에 인접한 캐리어 수송층을 구성하는 재료로서 발광 중심 물질의 여기 에너지를 비활성화시키지 않고 적합하게 이용할 수도 있다. 따라서, 발광 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다. 물론, 청색보다 장파장의 형광을 발광하는 발광 중심 물질을 함유한 발광층에 인접한 캐리어 수송층을 구성하는 재료로서 사용할 수도 있다.
또한, 전자 수송층은 단층뿐만 아니라 상기 물질로 이루어진 층이 2층 이상 적층한 것으로 하여도 좋다.
또한, 전자 수송층과 발광층 사이에 전자 캐리어의 이동을 제어하는 층을 제공하여도 좋다. 상기 전자 캐리어의 이동을 제어하는 층은 상술한 바와 같은 전자 수송성이 높은 재료에 전자 트랩성이 높은 물질을 소량 첨가한 층이며, 전자 캐리어의 이동을 억제함으로써 캐리어 밸런스(carrier balance)를 조절할 수 있다. 이러한 구성은 전자가 발광층을 통과함으로써 생기는 문제(예를 들어, 소자 수명의 저하)를 억제하는 데 큰 효과를 발휘한다.
또한, 전자 수송층과 제 2 전극(104) 사이에 제 2 전극(104)과 접촉되어 전자 주입층을 제공하여도 좋다. 전자 주입층으로서 불화리튬(LiF), 불화세슘(CsF), 불화칼슘(CaF2) 등의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 또는 이들의 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전자 수송성을 갖는 물질로 이루어진 층 내에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 또는 이들의 화합물을 함유시킨 것, 예를 들어, Alq 내에 마그네슘(Mg)을 함유시킨 것 등을 사용할 수 있다. 또한, 전자 주입층으로서 전자 수송성을 갖는 물질로 이루어진 층 내에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 함유시킨 것을 사용함으로써, 제 2 전극(104)으로부터 전자가 효율적으로 주입되기 때문에 더 바람직하다.
제 2 전극(104)을 형성하는 물질로서 일 함수가 작은(구체적으로는 3.8eV 이하) 금속, 합금, 전기 도전성 화합물, 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 이러한 음극 재료의 구체적인 예로서 원소 주기율표의 제 1 족 또는 제 2 족에 속하는 원소, 즉, 리튬(Li)이나 세슘(Cs) 등의 알칼리 금속, 마그네슘(Mg)이나 칼슘(Ca)이나 스트론튬(Sr) 등의 알칼리 토금속, 및 이들을 함유한 합금(MgAg, AlLi), 및 유로퓸(Eu)이나 이테르븀(Yb) 등의 희토류 금속, 및 이들을 함유한 합금 등을 들 수 있다. 그러나, 제 2 전극(104)과 전자 수송층 사이에 전자 주입층을 제공함으로써, 일 함수의 대소에 상관없이 Al, Ag, ITO, 또는 실리콘 또는 산화실리콘을 함유한 산화인듐-산화주석 등 각종 도전성 재료를 제 2 전극(104)으로서 사용할 수 있다. 이들 도전성 재료는 스퍼터링법, 잉크젯법, 스핀 코팅법 등을 사용하여 성막할 수 있다.
또한, 유기 화합물을 함유한 층(103)의 형성 방법으로서는, 건식법, 습식법을 불문하고, 각종 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 진공 증착법, 잉크젯법, 또는 스핀 코팅법 등을 사용하여도 좋다. 또한, 각 전극 또는 각층마다 다른 성막 방법을 사용하여 형성하여도 좋다.
전극도 졸-겔법을 사용하여 습식법으로 형성하여도 좋고, 금속 재료의 페이스트를 사용하여 습식법으로 형성하여도 좋다. 또한, 스퍼터링법이나 진공 증착법 등의 건식법을 사용하여 형성하여도 좋다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 발광 소자는 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104) 사이에 생긴 전위차에 기인하여 전류가 흘러 발광성이 높은 물질을 함유한 층인 발광층(113)에서 정공과 전자가 재결합함으로써 발광한다. 즉, 발광층(113)에 발광 영역이 형성되는 구성을 갖는다.
발광은 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104) 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두를 통과하여 외부로 추출된다. 따라서, 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104) 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두는 투광성을 갖는 전극이다. 제 1 전극(102)만이 투광성을 갖는 전극인 경우에는, 발광은 제 1 전극(102)을 통과하여 기판 측으로부터 추출된다. 또한, 제 2 전극(104)만이 투광성을 갖는 전극인 경우에는, 발광은 제 2 전극(104)을 통과하여 기판과 반대 측으로부터 추출된다. 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104)의 양쪽 모두가 투광성을 갖는 전극인 경우에는, 발광은 제 1 전극(102) 및 제 2 전극(104)을 통과하여 기판 측 및 기판과 반대 측의 양쪽 모두로부터 추출된다.
또한, 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104) 사이에 제공되는 층의 구성은 상기 구성에 한정되지 않는다. 그러나, 발광 영역과, 전극이나 캐리어 주입층에 사용되는 금속이 근접함으로써 생기는 소광(消光)이 억제되도록 제 1 전극(102) 및 제 2 전극(104)으로부터 떨어진 부위에 정공과 전자가 재결합하는 발광 영역을 제공하는 구성이 바람직하다. 또한, 층의 적층 순서도 이것에 한정되지 않고, 기판 측에서 제 2 전극, 전자 주입층, 전자 수송층, 발광층, 정공 수송층, 정공 주입층, 제 1 전극이 적층되는 도 1a와 반대 순서의 적층 구조라도 좋다.
또한, 발광층에 직접 접촉되는 정공 수송층이나 전자 수송층, 특히 발광층(113)에서의 발광 영역에 가까운 쪽에 접촉되는 캐리어 수송층은 발광층에서 생성된 여기자로부터의 에너지 이동을 억제하기 위하여 그 에너지 갭이 발광층을 구성하는 발광 물질 또는 발광층에 함유되는 발광 중심 물질이 갖는 에너지 갭보다 큰 에너지 갭을 갖는 물질로 구성하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서의 발광 소자는 호스트 재료 및/또는 전자 수송층으로서 에너지 갭이 큰 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물이 사용되기 때문에, 발광 중심 물질이 에너지 갭이 큰 청색 형광을 나타내는 물질인 경우에도 효율적으로 발광시킬 수 있어 발광 효율이 양호한 발광 소자를 얻을 수 있다. 이로써, 더 저소비 전력의 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한, 호스트 재료나 캐리어 수송층을 구성하는 재료로부터의 발광이 일어나기 어렵기 때문에 색 순도가 높은 발광을 얻을 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물은 캐리어 수송성이 뛰어나기 때문에 구동 전압이 작은 발광 소자를 제공할 수 있다.
본 실시형태에서 유리, 플라스틱 등으로 이루어진 기판 위에 발광 소자를 제작한다. 하나의 기판 위에 복수의 이러한 발광 소자를 제작함으로써, 패시브 매트릭스형 발광 장치를 제작할 수 있다. 또한, 유리, 플라스틱 등으로 이루어진 기판 위에, 예를 들어, 박막 트랜지스터(TFT)를 형성하고, TFT와 전기적으로 접속된 전극 위에 발광 소자를 제작하여도 좋다. 이로써, TFT에 의하여 발광 소자의 구동을 제어하는 액티브 매트릭스형 발광 장치를 제작할 수 있다. 또한, TFT의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 스태거형 TFT라도 좋고 역 스태거형 TFT라도 좋다. 또한, TFT에 사용하는 반도체의 결정성도 특별히 한정되지 않고, 비정질 반도체를 사용하여도 좋고, 결정성 반도체를 사용하여도 좋다. 또한, TFT 기판에 형성되는 구동용 회로도 N형 및 P형 TFT로 이루어진 것이라도 좋고, 또는 N형 TFT와 P형 TFT 중 어느 한쪽만으로 이루어진 것이라도 좋다.
(실시형태 5)
본 실시형태는 복수의 발광 유닛을 적층한 구성의 발광 소자(이하, 적층형 소자라고도 함)의 형태에 대하여 도 1b를 참조하여 설명한다. 이 발광 소자는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 복수의 발광 유닛을 갖는 발광 소자다. 발광 유닛으로서는 실시형태 4에 기재한 유기 화합물을 함유한 층(103)과 같은 구성을 사용할 수 있다. 즉, 실시형태 4에 기재한 발광 소자는 하나의 발광 유닛을 갖는 발광 소자이고, 본 실시형태에서는 복수의 발광 유닛을 갖는 발광 소자라고 할 수 있다.
도 1b에서 제 1 전극(501)과 제 2 전극(502) 사이에 제 1 발광 유닛(511)과 제 2 발광 유닛(512)이 적층되고, 제 1 발광 유닛(511)과 제 2 발광 유닛(512) 사이에 전하 발생층(513)이 제공된다. 제 1 전극(501)과 제 2 전극(502)은 각각 실시형태 4의 제 1 전극(102)과 제 2 전극(104)에 상당하고, 실시형태 4에 설명한 것과 같은 것을 적용할 수 있다. 또한, 제 1 발광 유닛(511)과 제 2 발광 유닛(512)의 구성은 같아도 좋고 달라도 좋다.
전하 발생층(513)에는 유기 화합물과 금속 산화물의 복합 재료가 함유된다. 이 유기 화합물과 금속 산화물의 복합 재료는 실시형태 4에 기재한 복합 재료이고, 유기 화합물과, 바나듐 산화물이나 몰리브덴 산화물이나 텅스텐 산화물 등의 금속 산화물을 함유한다. 유기 화합물로서는 방향족 아민 화합물, 카르바졸 화합물, 방향족 탄화수소, 고분자 화합물(올리고머, 덴드리머, 폴리머 등) 등 각종 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 유기 화합물로서는 정공 수송성 유기 화합물로서 정공 이동도가 1×10-6cm2/Vs 이상인 것을 적용하는 것이 바람직하다. 다만, 전자 수송성보다 정공 수송성이 높은 물질이면, 이들 외의 물질을 사용하여도 좋다. 유기 화합물과 금속 산화물의 복합체는 캐리어 주입성 및 캐리어 수송성이 뛰어나기 때문에 저전압 구동, 저전류 구동을 실현할 수 있다.
또한, 전하 발생층(513)은 유기 화합물과 금속 산화물의 복합 재료를 함유한 층과 다른 재료로 구성되는 층을 조합하여 형성하여도 좋다. 예를 들어, 유기 화합물과 금속 산화물의 복합 재료를 함유한 층과, 전자 공여성 물질 중에서 선택된 하나의 화합물과 전자 수송성이 높은 화합물을 함유한 층을 조합하여 형성하여도 좋다. 또한, 유기 화합물과 금속 산화물의 복합 재료를 함유한 층과, 투명 도전막을 조합하여 형성하여도 좋다.
어쨌든, 제 1 발광 유닛(511)과 제 2 발광 유닛(512)에 끼워지는 전하 발생층(513)은 제 1 전극(501)과 제 2 전극(502)에 전압을 인가하였을 때, 한쪽의 발광 유닛에 전자를 주입하고, 다른 쪽의 발광 유닛에 정공을 주입하는 것이라면 좋다. 예를 들어, 도 1b에서 제 1 전극의 전위가 제 2 전극의 전위보다 높게 되도록 전압을 인가했을 때 전하 발생층(513)은 제 1 발광 유닛(511)에 전자를 주입하고, 제 2 발광 유닛(512)에 정공을 주입하는 것이라면 좋다.
본 실시형태에서는 2개의 발광 유닛을 갖는 발광 소자에 대하여 설명하지만, 마찬가지로 3개 이상의 발광 유닛을 적층한 발광 소자에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 본 실시형태에 따른 발광 소자와 같이, 한 쌍의 전극 사이에 복수의 발광 유닛을 전하 발생층으로 구획하여 배치함으로써, 전류 밀도를 낮게 유지한 채 고휘도 영역에서 발광할 수 있다. 전류 밀도를 낮게 유지할 수 있으므로 장수명 소자를 실현할 수 있다. 또한, 조명을 응용예로 한 경우에는, 전극 재료의 저항으로 인한 전압 강하를 작게 할 수 있으므로, 대면적에서 균일하게 발광할 수 있다. 또한, 저전압 구동이 가능하고 소비 전력이 낮은 발광 장치를 실현할 수 있다.
또한, 각각의 발광 유닛의 발광색을 상이한 것으로 함으로써, 발광 소자 전체에서 원하는 색깔의 발광을 얻을 수 있다. 예를 들어, 2개의 발광 유닛을 갖는 발광 소자에서 제 1 발광 유닛의 발광색과 제 2 발광 유닛의 발광색을 보색의 관계가 되도록 함으로써, 발광 소자 전체에서 백색 발광하는 발광 소자를 얻을 수도 있다. 또한, 보색이란 혼합하면 무채색이 되는 색깔끼리의 관계를 말한다. 즉, 보색의 관계에 있는 색깔을 발광하는 물질로부터 얻어진 빛을 혼합하면 백색 발광을 얻을 수 있다. 또한, 3개의 발광 유닛을 갖는 발광 소자의 경우도 마찬가지고, 예를 들어, 제 1 발광 유닛의 발광색이 적색이고, 제 2 발광 유닛의 발광색이 녹색이고, 제 3 발광 유닛의 발광색이 청색인 경우에는, 발광 소자 전체에서 백색 발광을 얻을 수 있다.
본 실시형태의 발광 소자는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 발광 효율이 양호한 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 수명이 긴 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 상기 카르바졸 화합물이 포함되는 발광 유닛은 발광 중심 물질로부터 유래되는 빛을 색 순도 좋게 얻을 수 있으므로 발광 소자 전체의 색의 조제(調製)가 용이하다.
또한, 본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 6)
본 실시형태에서는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 사용한 발광 장치에 대하여 설명한다.
본 실시형태에서는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 사용하여 제작된 발광 장치에 대하여 도 3a 및 도 3b를 사용하여 설명한다. 또한, 도 3a는 발광 장치를 도시한 상면도, 도 3b는 도 3a를 선 A-A' 및 선 B-B'로 절단한 단면도다. 이 발광 장치는 발광 소자의 발광을 제어하는 것이고, 점선으로 표시된 구동 회로부(소스측 구동 회로)(601), 화소부(602), 구동 회로부(게이트 측 구동 회로)(603)를 포함한다. 또한, 부호 604는 밀봉 기판이고, 부호 605는 씰재이고, 씰재(605)로 둘러싸인 내측은 공간(607)이다.
또한, 리드(lead) 배선(608)은 소스 측 구동 회로(601) 및 게이트 측 구동 회로(603)에 입력되는 신호를 전송하기 위한 배선이고, 외부 입력 단자인 FPC(flexible printed circuit)(609)로부터 비디오 신호, 클록 신호, 스타트 신호, 리셋트 신호 등을 받는다. 또한, 여기서는 FPC밖에 도시되지 않지만, 이 FPC에는 프린트 배선 기판(PWB)이 장착되어도 좋다. 본 명세서에서의 발광 장치는 발광 장치 본체뿐만 아니라, 그것에 FPC 또는 PWB가 장착된 상태도 포함하는 것으로 한다.
다음에, 단면 구조에 대하여 도 3b를 사용하여 설명한다. 소자 기판(610) 위에 구동 회로부 및 화소부가 형성되지만, 여기서는, 구동 회로부인 소스 측 구동 회로(601)와 화소부(602) 중 하나의 화소가 도시된다.
또한, 소스 측 구동 회로(601)에 n채널형 TFT(623)와 p채널형 TFT(624)를 조합한 CMOS회로가 형성된다. 또한, 구동 회로는 각종 CMOS 회로, PMOS 회로, 또는 NMOS 회로로 형성하여도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는 기판 위에 구동 회로를 형성한 드라이버 일체형을 나타내지만, 반드시 그럴 필요는 없고, 구동 회로를 기판 위가 아니라 외부에 형성할 수도 있다.
또한, 화소부(602)는 스위칭용 TFT(611), 전류 제어용 TFT(612), 전류 제어용 TFT(612)의 드레인에 전기적으로 접속된 제 1 전극(613)을 포함하는 복수의 화소로 형성된다. 또한, 제 1 전극(613)의 단부를 덮어 절연물(614)이 형성된다. 여기서는, 포지티브형 감광성 아크릴 수지막을 사용함으로써 형성한다.
또한, 피복성을 양호하게 하기 위하여 절연물(614)의 상단부 또는 하단부에 곡률을 갖는 곡면이 형성되도록 한다. 예를 들어, 절연물(614)의 재료로서 포지티브형 감광성 아크릴을 사용한 경우에는, 절연물(614)의 상단부에만 곡률 반경(0.2μm 내지 3μm)을 갖는 곡면을 가지게 하는 것이 바람직하다. 또한, 절연물(614)로서 빛이 조사됨으로써 에첸트에 불용해성이 되는 네거티브형, 또는 빛이 조사됨으로써 에첸트에 용해성이 되는 포지티브형의 어느 쪽이나 사용할 수 있다.
제 1 전극(613) 위에 유기 화합물을 함유한 층(616), 및 제 2 전극(617)이 형성된다. 여기서, 양극으로서 기능하는 제 1 전극(613)에 사용되는 재료로서 일 함수가 큰 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, ITO막, 또는 실리콘을 함유한 인듐주석산화물막, 2wt% 내지 20wt%의 산화아연을 함유한 산화인듐막, 질화티타늄막, 크롬막, 텅스텐막, Zn막, Pt막 등의 단층막 외 질화티타늄막과 알루미늄을 주성분으로 하는 막의 적층, 질화티타늄막과 알루미늄을 주성분으로 하는 막과 질화티타늄막의 3층 구조 등을 사용할 수 있다. 또한, 적층 구조를 채용하면, 배선으로서의 저항도 낮고 양호한 옴 접촉(ohmic contact)이 얻어져 양극으로서 기능시킬 수 있다.
유기 화합물을 함유한 층(616)은 증착 마스크를 사용한 증착법, 잉크젯법, 스핀 코팅법 등의 각종 방법에 의하여 형성된다. 유기 화합물을 함유한 층(616)은 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함한다. 또한, 유기 화합물을 함유한 층(616)을 구성하는 다른 재료는 저분자 화합물 또는 고분자 화합물(올리고머, 덴드리머를 포함함)이라도 좋다.
또한, 유기 화합물을 함유한 층(616) 위에 형성되고 음극으로서 기능하는 제 2 전극(617)에 사용하는 재료로서 일 함수가 작은 재료(Al, Mg, Li, Ca, 또는 이들의 합금이나 화합물, MgAg, MgIn, AlLi 등)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 유기 화합물을 함유한 층(616)에서 생긴 빛을 제 2 전극(617)을 투과시키는 경우에는, 제 2 전극(617)으로서 막 두께를 얇게 한 금속 박막과 투명 도전막(ITO, 2wt% 내지 20wt%의 산화아연을 함유한 산화인듐, 실리콘을 함유한 인듐주석 산화물, 산화아연(ZnO) 등)의 적층을 사용하는 것이 좋다.
또한, 제 1 전극(613), 유기 화합물을 함유한 층(616), 제 2 전극(617)으로 발광 소자가 형성된다. 상기 발광 소자는 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽 구성을 갖는 발광 소자다. 또한, 화소부는 복수의 발광 소자로 형성되지만, 본 실시형태에서의 발광 장치는 실시형태 4 또는 실시형태 5에서 설명한 구성을 갖는 발광 소자와 그 외의 구성을 갖는 발광 소자의 양쪽 모두를 포함하여도 좋다.
또한, 씰재(605)로 밀봉 기판(604)을 소자 기판(610)과 접합함으로써, 소자 기판(610), 밀봉 기판(604), 및 씰재(605)로 둘러싸인 공간(607)에 발광 소자(618)가 구비된 구조가 된다. 또한, 공간(607)에 충전재가 충전되어 있고, 불활성 기체(질소나 아르곤 등)가 충전되는 경우 외 씰재(605)가 충전되는 경우도 있다.
또한, 씰재(605)에 에폭시계 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 재료는 가능한 한 수분이나 산소를 투과시키지 않는 재료인 것이 바람직하다. 또한, 밀봉 기판(604)에 사용하는 재료로서 유리 기판이나 석영 기판 외 FRP(Fiberglass-Reinforced Plastics), PVF(폴리비닐 플로라이드), 폴리에스테르, 또는 아크릴 등으로 이루어진 플라스틱 기판을 사용할 수 있다.
상술한 공정을 거쳐 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 사용하여 제작된 발광 장치를 얻을 수 있다.
본 실시형태에서의 발광 장치는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 사용하기 때문에 양호한 특성을 구비한 발광 장치를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물은 에너지 갭이나 3중항 여기 에너지가 크고, 발광 물질로부터 에너지가 이동하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 발광 효율이 양호한 발광 소자를 제공할 수 있고, 따라서, 소비 전력이 저감된 발광 장치로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 발광 소자를 얻을 수 있으므로 구동 전압이 작은 발광 장치를 얻을 수 있다. 또한, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 사용한 발광 소자는 수명이 긴 발광 소자이므로 신뢰성이 높은 발광 장치를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에서는 액티브 매트릭스형 발광 장치에 대하여 설명하지만, 그 외, 패시브 매트릭스형 발광 장치라도 좋다. 도 4a 및 도 4b에 본 발명을 적용하여 제작한 패시브 매트릭스형 발광 장치를 도시한다. 또한, 도 4a는 발광 장치를 도시한 사시도이고, 도 4b는 도 4a를 선 X-Y로 절단한 단면도다. 도 4a 및 도 4b에서 기판(951) 위의 전극(952)과 전극(956) 사이에 유기 화합물을 함유한 층(955)이 제공된다. 전극(952)의 단부는 절연층(953)으로 덮인다. 그리고, 절연층(953) 위에 격벽층(954)이 형성된다. 격벽층(954)의 측벽은 기판 면에 가까워질수록 한쪽의 측벽과 다른 쪽의 측벽의 간격이 좁아지는 경사를 갖는다. 즉, 격벽층(954)의 짧은 변 방향의 단면은 사다리꼴 형이고, 밑변(절연층(953)의 면 방향과 같은 방향을 향하고, 절연층(953)과 접촉되는 변)쪽이 윗변(절연층(953)의 면 방향과 같은 방향을 향하고, 절연층(953)과 접촉되지 않는 변)보다 짧다. 상술한 바와 같이, 격벽층(954)을 제공함으로써, 정전기 등에 기인한 발광 소자의 불량을 방지할 수 있다. 또한, 패시브 매트릭스형 발광 장치에서도 저구동 전압으로 동작하는 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에 기재한 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 가짐으로써 저소비 전력으로 구동시킬 수 있다. 또한, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 발광 효율이 높은 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에 기재한 발광 소자를 포함함으로써 저소비 전력으로 구동시킬 수 있다. 또한, 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에 기재한 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 가짐으로써 신뢰성이 높은 발광 장치로 할 수 있다.
(실시형태 7)
본 실시형태에서는 실시형태 6에 기재한 발광 장치를 그 일부에 포함하는 전자 기기에 대하여 설명한다. 실시형태 6에 기재한 발광 장치는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 포함하기 때문에 소비 전력이 저감된 발광 장치이며, 결과적으로 본 실시형태에 기재하는 전자 기기는 소비 전력이 저감된 표시부를 갖는 전자 기기로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 전자 기기로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 전자 기기로 할 수 있다.
발광 장치를 적용한 전자 기기로서, 예를 들어, 텔레비전 장치(텔레비전 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라 등의 카메라, 디지털 포토 프레임, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대형 게임기, 휴대 정보 단말, 음향 재생 장치, 파친코(pachinko)기 등의 대형 게임기 등을 들 수 있다. 이들 전자 기기의 구체적인 예를 이하에 기재한다.
도 5a는 텔레비전 장치의 일례를 도시한 것이다. 텔레비전 장치는 케이스(7101)에 표시부(7103)가 내장된다. 또한, 여기서는, 스탠드(7105)로 케이스(7101)를 지지한 구성을 도시한다. 표시부(7103)에 영상을 표시할 수 있고, 표시부(7103)는 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에서 설명한 것과 같은 발광 소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 구성된다. 상기 발광 소자는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 발광 효율이 양호한 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 발광 소자로 할 수 있다. 따라서, 상기 발광 소자로 구성되는 표시부(7103)를 갖는 텔레비전 장치는 소비 전력이 저감된 텔레비전 장치로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 텔레비전 장치로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 텔레비전 장치로 할 수 있다.
텔레비전 장치는 케이스(7101)가 구비한 조작 스위치나, 별체의 리모트 컨트롤 조작기(7110)로 조작할 수 있다. 리모트 컨트롤 조작기(7110)가 구비한 조작 키(7109)로 채널이나 음량을 조작할 수 있고, 표시부(7103)에 표시되는 영상을 조작할 수 있다. 또한, 리모트 컨트롤 조작기(7110)에 상기 리모트 컨트롤 조작기(7110)로부터 출력하는 정보를 표시하는 표시부(7107)를 제공하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 텔레비전 장치는 수신기나 모뎀 등을 구비한 구성으로 한다. 수신기에 의하여 일반적인 텔레비전 방송을 수신할 수 있고, 또한 모뎀을 통하여 유선 또는 무선에 의한 통신 네트워크에 접속함으로써 한 방향(송신자로부터 수신자) 또는 쌍방향(송신자와 수신자 또는 수신자끼리 등)의 정보 통신을 행할 수도 있다.
도 5b는 컴퓨터이며, 본체(7201), 케이스(7202), 표시부(7203), 키보드(7204), 외부 접속 포트(7205), 포인팅 디바이스(7206) 등을 포함한다. 또한, 이 컴퓨터는 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에서 설명한 것과 같은 발광 소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 표시부(7203)에 사용함으로써 제작된다. 상기 발광 소자는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 발광 효율의 양호한 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 발광 소자로 할 수 있다. 따라서, 상기 발광 소자로 구성되는 표시부(7203)를 갖는 컴퓨터를 소비 전력이 저감된 컴퓨터로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 컴퓨터로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 컴퓨터로 할 수 있다.
도 5c는 휴대형 게임기이며, 케이스(7301)와 케이스(7302)의 2개의 케이스로 구성되고, 연결부(7303)에 의하여 개폐할 수 있게 연결된다. 케이스(7301)에 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에서 설명한 것과 같은 발광 소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 제작된 표시부(7304)가 내장되고, 케이스(7302)에 표시부(7305)가 내장된다. 또한, 도 5c에 도시한 휴대형 게임기는 그 외 스피커부(7306), 기록 매체 삽입부(7307), LED 램프(7308), 입력 수단(조작키(7309), 접속 단자(7310), 센서(7311)(힘, 변위, 위치, 속도, 가속도, 각속도, 회전수, 거리, 광, 액(液), 자기, 온도, 화학 물질, 음성, 시간, 경도, 전장(電場), 전류, 전압, 전력, 방사선, 유량, 습도, 경도, 진동, 냄새, 또는 적외선을 측정하는 기능을 포함하는 것), 마이크로폰(7312)) 등을 구비한다. 물론, 휴대형 게임기의 구성은 상술한 구성에 한정되지 않고, 적어도 표시부(7304) 및 표시부(7305)의 양쪽 모두 또는 한쪽에 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에서 설명한 것과 같은 발광 소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 제작된 표시부를 사용하면 좋고, 기타 부속 설비가 적절히 제공된 구성으로 할 수 있다. 도 5c에 도시한 휴대형 게임기는 기록 매체에 기록된 프로그램 또는 데이터를 판독하여 표시부에 표시하는 기능이나, 무선 통신에 의하여 다른 휴대형 게임기와 정보를 공유하는 기능을 갖는다. 또한, 도 5c에 도시한 휴대형 게임기가 갖는 기능은 이것에 한정되지 않고, 각종 기능을 가질 수 있다. 상술한 바와 같은 표시부(7304)를 갖는 휴대형 게임기는 표시부(7304)에 사용되는 발광 소자가 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 양호한 발광 효율을 가지므로 소비 전력이 저감된 휴대형 게임기로 할 수 있다. 또한, 표시부(7304)에 사용되는 발광 소자가 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 낮은 구동 전압으로 구동시킬 수 있으므로 구동 전압이 작은 휴대형 게임기로 할 수 있다. 또한, 표시부(7304)에 사용되는 발광 소자가 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 높은 신뢰성을 가지므로 신뢰성이 높은 휴대형 게임기로 할 수 있다.
도 5d는 휴대 전화기의 일례를 도시한 것이다. 휴대 전화기는 케이스(7401)에 내장된 표시부(7402) 외 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 마이크로폰(7406) 등을 구비한다. 또한, 휴대 전화기는 실시형태 4와 실시형태 5의 어느 쪽에서 설명한 것과 같은 발광 소자를 매트릭스 형상으로 배열하여 제작된 표시부(7402)를 갖는다. 상기 발광 소자는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 발광 효율이 양호한 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 발광 소자로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 발광 소자로 할 수 있다. 따라서, 상기 발광 소자로 구성되는 표시부(7402)를 갖는 휴대 전화기는 소비 전력이 저감된 휴대 전화기로 할 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 휴대 전화기로 할 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 휴대 전화기로 할 수 있다.
도 5d에 도시한 휴대 전화기는 표시부(7402)를 손가락 등으로 터치함으로써 정보를 입력할 수 있는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우에는, 전화를 걸거나 또는 메일을 적성하는 조작 등은 표시부(7402)를 손가락 등으로 접촉함으로써 행할 수 있다.
표시부(7402)의 화면은 주로 3가지 모드가 있다. 제 1 모드는 화상 표시가 주된 표시 모드이고, 제 2 모드는 문자 등의 정보 입력이 주된 입력 모드다. 제 3 모드는 표시 모드와 입력 모드의 2개의 모드가 혼합된 표시+입력 모드다.
예를 들어, 전화를 걸거나 또는 메일을 작성하는 경우에는, 표시부(7402)를 문자의 입력이 주된 문자 입력 모드로 하고, 화면에 표시시킨 문자의 입력을 조작하면 좋다. 이 경우, 표시부(7402)의 화면의 대부분에 키보드 또는 번호 버튼을 표시시키는 것이 바람직하다.
또한, 휴대 전화기 내부에 자이로, 가속도 센서 등의 기울기를 검출하는 센서를 갖는 검출 장치를 제공함으로써, 휴대 전화기의 방향(종인지 횡인지)을 판단하여, 표시부(7402)의 화면 표시를 자동적으로 전환하도록 할 수 있다.
또한, 화면 모드는 표시부(7402)을 터치하거나 또는 케이스(7401)의 조작 버튼(7403)을 조작함으로써 전환된다. 또한, 표시부(7402)에 표시되는 화상의 종류에 따라 전환되도록 할 수도 있다. 예를 들어, 표시부에 표시하는 화상 신호가 동영상 데이터라면 표시 모드, 텍스트 데이터라면 입력 모드로 전환한다.
또한, 입력 모드에서 표시부(7402)의 광 센서로 검출되는 신호를 검지하는 동안 표시부(7402)의 터치 조작에 의한 입력이 일정 기간 없는 경우에는, 화면의 모드가 입력 모드로부터 표시 모드로 전환되도록 제어하여도 좋다.
표시부(7402)는 이미지 센서로서 기능시킬 수도 있다. 예를 들어, 표시부(7402)에 손바닥이나 손가락을 터치하여 장문(掌紋)이나 지문 등을 촬상함으로써 본인 인증할 수 있다. 또한, 표시부에 근적외광을 발광하는 백 라이트 또는 근적외광을 발광하는 센싱용 광원을 사용하면, 손가락 정맥, 손바닥 정맥 등을 촬상할 수도 있다.
또한, 본 실시형태에 기재하는 구성은 실시형태 1 내지 실시형태 6에 기재한 구성을 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
실시형태 4 또는 실시형태 5에서 설명한 바와 같은 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하는 발광 소자를 구비한 발광 장치의 적용 범위는 극히 넓고, 이 발광 장치를 모든 분야의 전자 기기에 적용할 수 있다. 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 사용함으로써 소비 전력이 저감된 전자 기기를 얻을 수 있다. 또한, 구동 전압이 작은 전자 기기를 얻을 수 있다. 또한, 신뢰성이 높은 전자 기기를 얻을 수 있다.
또한, 실시형태 6에 기재한 발광 장치는 조명 장치로서 사용할 수도 있다. 실시형태 6에 기재한 발광 장치를 조명 장치로서 사용하는 일 형태를 도 6을 사용하여 설명한다.
도 6은 실시형태 6에 기재한 발광 장치를 백 라이트로서 사용한 액정 표시 장치의 일례이다. 도 6에 도시한 액정 표시 장치는 케이스(901), 액정층(902), 백 라이트(903), 케이스(904)를 갖고, 액정층(902)은 드라이버 IC(905)와 접속된다. 또한, 백 라이트(903)에 실시형태 6에 기재된 발광 장치가 사용되고, 단자(906)에 의하여 전류가 공급된다.
실시형태 6에 기재된 발광 장치를 액정 표시 장치의 백 라이트로서 사용함으로써, 소비 전력이 저감된 백 라이트를 얻을 수 있다. 또한, 실시형태 6에 기재된 발광 장치는 면 발광의 조명 장치이고 대면적화도 가능하기 때문에 백 라이트의 대면적화가 가능하고 액정 표시 장치의 대면적화도 가능하다. 또한, 실시형태 6에 기재된 발광 장치는 박형이므로, 표시 장치의 박형화도 가능하다.
도 7은 실시형태 6에 기재된 발광 장치를 조명 장치인 전기 스탠드로서 사용한 예다. 도 7에 도시한 전기 스탠드는 케이스(2001)와 광원(2002)을 갖고, 광원(2002)으로서 실시형태 6에 기재된 발광 장치가 사용된다.
도 8은 실시형태 6에 기재된 발광 장치를 실내의 조명 장치(3001)로서 사용한 예다. 실시형태 6에 기재된 발광 장치는 소비 전력이 저감된 발광 장치이므로 소비 전력이 저감된 조명 장치로 할 수 있다. 실시형태 6에 기재된 발광 장치는 대면적화가 가능하기 때문에 대면적의 조명 장치로서 사용할 수 있다. 또한, 실시형태 6에 기재된 발광 장치는 박형이므로 박형화된 조명 장치로서 사용할 수 있다.
실시형태 6에 기재한 발광 장치는 자동차의 앞유리나 계기반에 사용할 수도 있다. 도 9에 실시형태 6에 기재한 발광 장치를 자동차의 앞유리나 계기반에 사용하는 일 형태를 도시한다. 표시(5000) 내지 표시(5005)는 실시형태 6에 기재한 발광 장치를 사용하여 제공된 표시다.
표시(5000)와 표시(5001)는 자동차의 앞유리에 제공된 실시형태 6에 기재된 발광 장치다. 실시형태 6에 기재한 발광 장치는 제 1 전극과 제 2 전극을 투광성을 갖는 전극으로 제작함으로써 반대 측이 비쳐 보이는 소위 시스루(see-through) 상태의 표시 장치로 할 수 있다. 시스루 상태의 표시라면 자동차의 앞유리에 설치한 경우에도 시계를 방해하지 않고 설치할 수 있다. 또한, 구동하는 데 사용하는 트랜지스터 등을 설치하는 경우에는, 유기 반도체 재료로 이루어진 유기 트랜지스터나, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터 등 투광성을 갖는 트랜지스터를 사용하면 좋다.
표시(5002)는 필러 부분에 설치된 표시 장치다. 표시(5002)에 차체에 설치된 촬상 수단에 의하여 수득된 영상을 표시함으로써 필러로 차단된 시계를 보완시킬 수 있다. 또한, 마찬가지로, 계기반 부분에 설치된 표시(5003)는 차체로 차단된 시계를 자동차의 외측에 설치된 촬상 수단에 의하여 수득된 영상을 표시함으로써 사각을 파악하여 안정성을 높일 수 있다. 보이지 않는 부분을 보완하도록 영상을 표시함으로써 더 자연스럽고 위화감이 없이 안전을 확인할 수 있다.
표시(5004)나 표시(5005)는 나비게이션 정보, 속도계나, 회전 속도계, 주행 거리, 주유량, 기어 상태, 에어컨의 설정 등 다양한 정보를 제공할 수 있다. 표시는 사용자의 취향에 따라 그 표시 항목이나 레이아웃을 적절히 변경할 수 있다. 또한, 이들 정보는 표시(5000) 내지 표시(5003)에 설정할 수도 있다. 또한, 표시(5000) 내지 표시(5005)는 전체 면을 발광시킴으로써 조명으로서 사용할 수도 있다.
실시형태 6에 기재한 발광 장치는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 포함하기 때문에 구동 전압이 작은 발광 장치로 할 수 있거나 또는 소비 전력이 작은 발광 장치로 할 수 있고, 큰 화면을 수많이 설치하여도 배터리에 가하는 부하를 저감하여 쾌적하게 사용할 수 있다.
(실시예 1)
≪합성예 1≫
본 실시예에서는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물인, 3-(디벤조푸란-2-일)-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: FrCPA)의 합성 방법에 대하여 설명한다. FrCPA의 구조를 하기 구조식에 나타낸다.
Figure pat00042
<단계 1: 2-요오드디벤조푸란의 합성>
500mL 3구 프라스크 내에서 디벤조푸란 8.4g(50mmol), 요오드 6.2g(25mmol), 오르토과요오드산(orthoperiodic acid) 5.7g(25mmol), 빙초산 150mL, 물 30mL, 황산 500μL의 현탁액을 60℃로 가열하면서 4.5시간 교반한 후, 실온으로 16시간 교반하였다. 생긴 석출물을 여과하고, 이 여과물을 톨루엔 150mL에 녹여 톨루엔 용액을 제작하고, 이 톨루엔 용액을 물로 3번 제정하였다. 세정 후의 툴로엔 용액에 황산마그네슘을 첨가하고, 수분을 흡착시켰다. 이것을 여과하여 얻어진 여과액을 농축한 후, 헥산을 첨가하고 초음파를 조사하여 재결정화시킨 결과, 백색 분말인 목적물을 11.3g, 수율 77%로 얻었다. 단계 1의 반응식을 반응식 a-1에 나타낸다.
반응식 a-1
Figure pat00043
<단계 2: 디벤조푸란-2-보론산의 합성>
500mL 3구 프라스크에 5.0g(17mmol)의 2-요오드디벤조푸란을 넣고, 프라스크 내를 질소 치환하였다. 이 프라스크에 150mL의 테트라히드로푸란(THF)을 첨가하고, 이 용액을 -80℃까지 냉각시켰다. 이 용액에 13mL(20mmol)의 n-부틸리튬(1.6mol/L 헥산 용액)을 시린디에 의하여 적하하여 첨가하였다. 적하 종료 후, 용액을 같은 온도로 1시간 교반하였다. 교반 후, 이 용액에 2.8mL(25mmol)의 붕산트리메틸을 첨가하고, 실온으로 되돌리면서 15시간 교반하였다. 교반 후, 이 용액에 약 50mL의 희염산(1.0mol/L)을 첨가하고 1시간 교반하였다. 교반 후, 이 혼합물의 수층을 초산에틸로 추출하고, 추출 용액과 유기층을 합하고 포화 탄산수소나트륨 수용액과 포화 식염수로 세정하였다. 유기층을 황산마그네슘에 의하여 건조시키고, 건조 후, 이 혼합물을 자연 여과하였다. 얻어진 여과액을 농축한 결과, 담갈색 고체를 얻었다. 이 고체를 톨루엔/헥산으로 재결정화시킨 결과, 목적물인 백색 분말을 2.0g, 수율 55%로 얻었다. 단계 2의 반응식을 반응식 a-2에 나타낸다.
반응식 a-2
Figure pat00044
<단계 3: 3-(디벤조푸란-2-일)-9H-카르바졸의 합성>
300mL 3구 플라스크에 2.3g(9.4mmol)의 3-브로모-9H-카르바졸과, 2.0g(9.4mmol)의 디벤조푸란-2-보론산과, 0.42g(1.4mmol)의 트리스(2-메틸페닐)포스핀을 넣었다. 이 혼합물에 에탄올 30mL, 톨루엔 50mL, 및 탄산칼륨 수용액(2.0mol/L) 10mL를 첨가하였다. 이 혼합물을 감압하면서 교반함으로써 탈기하였다. 이 혼합물에 63mg(0.28mmol)의 초산팔라듐(II)을 첨가하였다. 이 혼합물을 90℃로 5시간 교반한 후, 실온까지 냉각시키고 나서 15시간 방치한 결과, 갈색 고체가 석출되었다. 석출된 고체를 흡인 여과하여 회수하였다. 회수한 고체를 가열된 톨루엔 약 30mL에 용해하고, 이 용액을 셀라이트(Wako Pure Chemical Industries, Ltd.제조, 카탈로그 번호: 531-16855), 알루미나, 플로리실(Wako Pure Chemical Industries, Ltd.제조, 카탈로그 번호: 540-00135)을 통과시켜 흡인 여과하였다. 얻어진 여과액을 농축한 결과, 백색 고체를 얻었다. 이 고체를 톨루엔/헥산으로 재결정화시킨 결과, 백색 분말을 0.87g, 수율 27%로 얻었다. 단계 3의 반응식을 반응식 a-3에 나타낸다.
반응식 a-3
Figure pat00045
<단계 4: 3-(디벤조푸란-2-일)-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: FrCPA의 합성>
200mL 3구 플라스크에 9-(4-브로모페닐)-10-페닐안트라센 1.0g(2.6mmol), 3-(디벤조푸란-2-일)-9H-카르바졸 0.86g(2.6mmol), 나트륨 tert-부톡시드 0.50g(5.2mmol)을 넣었다. 이 플라스크 내를 질소 치환한 후, 톨루엔 50mL, 트리(tert-부틸)포스핀(10wt% 헥산 용액) 0.20mL를 첨가하였다. 이 혼합물을 감압하면서 교반함으로써 탈기한 후, 이 혼합물에 비스(디벤질리덴아세톤)팔라듐(0) 75mg(0.13mmol)을 첨가하였다. 이 혼합물을 질소 기류하에서 110℃로 2시간 교반하였다. 교반 후, 상기 혼합물을 셀라이트, 알루미나, 및 플로리실을 통하여 흡인 여과하였다. 얻어진 여과액을 농축하여 담황색 유상물을 얻었다. 이 유상물을 톨루엔과 헥산에 의하여 재결정화시킨 결과, 담황색 분말 1.4g을 수율 80%로 얻었다. 단계 4의 반응식을 반응식 a-4에 나타낸다.
반응식 a-4
Figure pat00046
얻어진 담황색 분말상 고체 0.98g을 트레인 서브리메이션법에 의하여 승화 정제하였다. 승화 정제는 압력 10Pa에서 아르곤 가스를 유량 4.0mL/min으로 흘리면서 320℃로 FrCPA를 가열함으로써 행하였다. 승화 정제 후, 담황색 고체를 0.87g을 수율 88%로 얻었다.
얻어진 물질의 1H NMR를 측정하였다. 이하에 측정 데이터를 나타낸다. 1H NMR(CDCl3, 300MHz):δ=7.37-7.56(m, 10H), 7.58-7.67(m, 4H), 7.68-7.79(m, 7H), 7.82-7.90(m, 6H), 8.08(d, J=7.8Hz, 1H), 8.29(d, J=4.8Hz, 1H), 8.31(s, 1H), 8.49(sd, J=1.5Hz, 1H)
또한, 1H NMR 차트를 도 10a 및 도 10b에 도시한다. 도 10b는 도 10a에서의 7.2ppm 내지 8.6ppm의 범위를 확대하여 도시한 차트다. 측정 결과에 의거하여 상술한 구조식으로 나타내어지는 카르바졸 화합물인 FrCPA가 얻어진 것을 알았다.
얻어진 FrCPA의 열 중량 측정-시차열 분석(TG-DTA: Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis)을 실시하였다. 측정에는 고진공 차동형 시차열 천칭(Bruker AXS K.K. 제작, TG-DTA2410SA)을 사용하였다. 상압, 승온 속도 10℃/min, 질소 기류하(유속 200mL/min)의 조건으로 측정한 결과, 중량과 온도의 관계(열 중량 측정)에 의하여 5% 중량 감소 온도는 477.9℃이며 FrCPA는 양호한 내열성을 갖는 것을 알았다.
다음에, FrCPA의 톨루엔 용액의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 도 11a에 도시하고, 박막의 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼을 도 11b에 도시한다. 흡수 스펙트럼의 측정에는 자외-가시 분광 광도계(JASCO Corporation 제작, V550형)를 사용하였다. 툴루엔 용액의 스펙트럼은 FrCPA의 톨루엔 용액을 석영 셀에 넣고 측정하고 이 흡수 스펙트럼으로부터 석영 셀을 사용하여 측정한 톨루엔의 흡수 스펙트럼을 뺀 흡수 스펙트럼을 도시하였다. 또한, 박막의 흡수 스펙트럼은 FrCPA를 석영 기판에 증착하여 샘플을 제작하고, 이 샘플의 흡수 스펙트럼으로부터 석영의 흡수 스펙트럼을 뺀 흡수 스펙트럼을 도시하였다. 발광 스펙트럼의 측정에는 흡수 스펙트럼 측정과 마찬가지로 자외-가시 분광 광도계(JASCO Coporation 제작, V550형)를 사용하였다. 톨루엔 용액의 발광 스펙트럼은 FrCPA의 톨루엔 용액을 석영 셀에 넣고 측정하고, 박막의 발광 스펙트럼은 FrCPA를 석영 기판 위에 증착함으로써 샘플을 제작하고 측정하였다. 이로써, FrCPA의 톨루엔 용액의 경우에는 최대 발광 파장이 422nm 부근(여기 파장 299nm)에서 관찰되고, 박막의 경우에는 최대 발광 파장이 452nm 부근(여기 파장 400nm)에서 관찰되는 것을 알 수 있었다.
상술한 결과에 의거하여 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물인 FrCPA는 청색 발광을 나타내는 것을 알았다. 청색 발광 재료로서 사용할 수 있는 것을 알았다.
또한, 박막 상태의 FrCPA의 이온화 포텐셜의 값을 대기 중에서 광전자 분광법(Riken Keiki Co., Ltd. 제적, AC-2)으로 측정하였다. 얻어진 이온화 포텐셜의 값을 음의 값으로 환산한 결과, FrCPA의 HOMO 준위가 -5.73eV있었다. 도 11b의 박막의 흡수 스펙트럼의 데이터에 의거하여 직접 전이를 가정한 Tauc 플롯으로부터 구한 FrCPA의 흡수단은 2.93eV이었다. 따라서, FrCPA의 고체 상태의 광학적 에너지 갭은 2.93eV라고 개산되며 먼저 얻은 HOMO 준위와 이 에너지 갭의 값으로 FrCPA의 LUMO 준위를 -2.80eV라고 개산할 수 있다. 이와 같이, FrCPA는 고체 상태에서 2.93eV의 넓은 에너지 갭을 갖는 것을 알았다.
상술한 결과에 의거하여 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물인 FrCPA는 넓은 밴드 갭을 갖고, 청색 발광 재료의 호스트 재료로서(청색보다 장파장의 가시광 중 어느 것이나)로서 사용할 수 있는 것을 알았다.
또한, FrCPA의 산화 반응 특성을 측정하였다. 산화 반응 특성은 사이클릭 볼타메트리(CV) 측정에 의하여 측정하였다. 또한, 측정에는 전기 화학 애널라이저(BAS Inc. 제작, 형번: ALS 모델 600A 또는 600C)를 사용하였다.
CV 측정에 사용된 용액은 용매로서 탈수 N,N-디메틸포름아미드(DMF, Sigma-Aldrich Inc. 제작, 99.8%, 카탈로그 번호; 22705-6)를 사용하고, 지지 전해질인 과염소산테트라-n-부틸암모늄(n-Bu4NClO4)(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. 제작, 카탈로그 번호; T0836)을 농도가 100mmol/L이 되도록 용해시키고, 측정 대상의 농도가 2mmol/L이 되도록 용해시켜 조정하였다. 또한, 작용 전극으로서 백금 전극(BAS Inc. 제작, PTE 백금 전극)을 사용하고, 보조 전극으로서 백금 전극(BAS Inc. 제작, VC-3용 Pt 카운터 전극(5cm))을 사용하고, 참조 전극으로서 Ag/Ag＋ 전극(BAS Inc. 제작, RE5 비수용매계 참조 전극)을 사용하였다. 또한, 측정은 실온(20℃ 내지 25℃)으로 행하였다. 또한, CV 측정의 스캔 속도는 0.1V/s로 통일시켰다.
측정은 참조 전극에 대한 작용 전극의 전위를 0.189V로부터 1.05V까지 변화시킨 후, 1.05V로부터 0.189V까지 변화시키는 조작을 1사이클로 하여 100사이클 측정하였다. 측정의 결과를 도 12에 도시한다. 이 결과에 의거하여 100사이클 측정한 후라도 산화 피크는 초기 상태의 88%를 유지하고, FrCPA는 산화 상태와 중성 상태 사이의 산화 환원의 반복에 양호한 특성을 나타내는 것을 알았다.
또한, CV 측정의 결과로부터도 FrCPA의 HOMO 준위를 산출하였다.
우선, 사용하는 참조 전극(Ag/Ag+ 전극)의 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지는 -4.94eV, FrCPA의 산화 피크 전위 Epa는 0.94V이었다. 또한, 환원 피크 전위 Epc는 0.74V이었다. 따라서, 반파 전위(Epc와 Epa 중간의 전위)는 0.84V라고 산출할 수 있다. 이것은 FrCPA가 0.84[V vs. Ag/Ag+]의 전기 에너지에 의하여 산화되는 것을 나타내고, 이 에너지는 HOMO 준위에 해당한다. 여기서, 상술한 바와 같이, 본 실시예에서 사용하는 참조 전극의 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지는 -4.94[eV]이기 때문에, FrCPA의 HOMO 준위가 -4.94-0.84=-5.78[eV]인 것을 알았다.
또한, 참조 전극(Ag/Ag+ 전극)의 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지는 Ag/Ag+ 전극의 페르미 준위에 상당하고, 그 산출은 상기 참조 전극(Ag/Ag+ 전극)을 사용하여 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지가 이미 알려져 있는 물질을 측정한 값을 사용하여 행하면 좋다.
본 실시예에서 사용하는 참조 전극(Ag/Ag+ 전극)의 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지(eV)의 산출 방법을 구체적으로 설명한다. 메탄올 중의 페로센의 산화 환원 전위는 표준 수소 전극에 대하여 +0.610[V vs. SHE]인 것이 알려져 있다(참고 문헌; Christian R.Goldsmith et al.， J. Am . Chem . Soc ., Vol.124， No.1, 83-96, 2002). 한편, 본 실시예에서 사용하는 참조 전극을 사용하여 메탄올 중의 페로센의 산화 환원 전위를 계산한 결과, +0.11[V vs. Ag/Ag+]이었다. 따라서, 이 참조 전극의 포텐셜 에너지는 표준 수소 전극에 대하여 0.50[eV] 낮은 것을 알았다.
여기서, 표준 수소 전극의 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지는 -4.44eV인 것이 알려져 있다(참고 문헌: Toshihiro Ohnishi and Tamami Koyama, High Molecular EL Material, Kyoritsu Shuppan, p.64 내지 67). 상기에 의거하여 사용한 참조 전극의 진공 준위에 대한 포텐셜 에너지는 -4.44-0.50=-4.94[eV]라고 산출할 수 있다.
(실시예 2)
본 실시예에서는 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물인 3-디펜조푸란-2-일)-9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: FrCPA)을 청색 형광을 나타내는 발광 중심 물질을 사용한 발광층에서의 호스트 재료로서 사용한 발광 소자(발광 소자 1)에 대하여 설명한다. 또한, 비교예로서 9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: CzPA)을 FrCPA 대신에 사용한 발광 소자(비교 소자 1)도 동시에 제작하고 평가하였다.
본 실시예에서 사용한 유기 화합물의 분자 구조를 구조식(i) 내지 구조식(v)에 나타낸다. 소자 구조는 도 1a에서 전자 수송층(114)과 제 2 전극(104) 사이에 전자 주입층을 제공한 구조로 하였다.
Figure pat00047
≪발광 소자 1, 비교 소자 1의 제작≫
우선, 제 1 전극(102)으로서 막 두께 110nm로 실리콘을 함유한 인듐주석 산화물(ITSO)이 성막된 유리 기판(101)을 준비하였다. ITSO 표면은 2mm×2mm의 크기로 표면이 노출되도록 주변을 폴리이미드막으로 덮고, 전극 면적은 2mm×2mm로 하였다. 이 기판 위에 발광 소자를 형성하기 위한 전 처리로서 기판 표면을 물로 세정하고, 200℃로 1시간 소성한 후, UV 오존 처리를 370초 행하였다. 그 후, 10-4Pa 정도까지 내부가 감압된 진공 증착 장치에 기판을 도입하고, 진공 증착 내의 가열실에서 170℃로 30분 진공 소성한 후, 기판을 30분 정도 방랭하였다.
다음에, ITSO가 형성된 면이 아래 쪽을 향하도록 기판(101)을 진공 증착 장치 내에 설치된 홀더에 고정하였다.
진공 장치 내를 10-4Pa로 감압한 후, 구조식(i)으로 나타내어지는 9-[4-(9-페닐카르바졸-3-일)]페닐-10-페닐안트라센(약칭: PCzPA)과 산화몰리브덴(VI)을 PCzPA:산화몰리브덴=2:1(질량 비율)이 되도록 동시 증차함으로써 정공 주입층(111)을 형성하였다. 막 두께는 50nm로 하였다. 또한, 동시 증착이란 상이한 복수의 물질을 각각 상이한 증발원으로부터 동시에 증발시키는 증착법이다.
다음에, PCzPA를 10nm 증착함으로써 정공 수송층(112)을 형성하였다.
또한, 발광 소자 1에서는 정공 수송층(112) 위에 상기 구조식으로 나타내어지는 실시형태 1에서 설명한 카르바졸 화합물인 FrCPA와 구조식(iii)으로 나타내어지는 N,N'-비스[4-(9-페닐-9H-플루오렌-9-일)페닐]-N,N'-디페닐-피렌-1,6-디아민(약칭: 1,6FLPAPrn)을 FrCPA:1,6FLPAPrn=1:0.05(질량 비율)이 되도록 30nm 증착함으로써 발광층(113)을 형성하였다.
비교 소자 1에서는 정공 수송층(112) 위에 구조식(ii)으로 나타내어지는 9-[4-(10-페닐-9-안트릴)페닐]-9H-카르바졸(약칭: CzPA)과 1,6FLPAPrn을 CzPA:1,6FLPAPrn=1:0.05(질량 비율)이 되도록 30nm 증착함으로써 발광층(113)을 형성하였다.
다음에, 발광층(113) 위에 구조식(iv)으로 나타내어지는 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)을 두께 10nm, 구조식(v)으로 나타내어지는 바소페난트롤린(약칭: BPhen)을 두께 15nm로 증착함으로써 전자 수송층(114)을 형성하였다. 또한, 전자 수송층(114) 위에 불화리튬을 두께 1nm가 되도록 증착함으로써 전자 주입층을 형성하였다. 마지막으로 음극으로서 기능하는 제 2 전극(104)으로서 알루미늄을 두께 200nm로 성막함으로써 발광 소자 1 및 비교 소자 1을 완성시켰다. 상술한 증착 과정에서 증착은 모두 저항 가열법을 사용하였다.
≪발광 소자 1 및 비교 소자 1의 동작 특성≫
상술한 바와 같이 얻어진 발광 소자 1 및 비교 소자 1을 질소 분위기하의 글로브 박스 내에서 발광 소자가 대기에 노출되지 않도록 밀봉하는 작업을 행한 후, 이들 발광 소자의 동작 특성을 측정하였다. 또한, 측정은 실온(25℃로 유지된 분위기)으로 행하였다. 또한, 발광 소자 1 및 비교 소자 1은 동일 기판 위에 형성되고, 발광층(113) 외는 동일 공정에서 형성한다.
각 발광 소자의 휘도-전압 특성을 도 13에 도시하고, 전류 효율-휘도 특성을 도 14에 도시하고, 전류-전압 특성을 도 15에 도시하고, 파워 효율-휘도 특성을 도 16에 도시하고, 외부 양자 효율-휘도 특성을 도 17에 도시한다.
도 14 및 도 16에 의거하여 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 청색 형광을 발광하는 발광 소자의 발광층에서의 호스트 재료에 사용한 발광 소자 1은 양호한 전류 효율-휘도 특성, 및 파워 효율-휘도 특성을 나타내고, 발광 효율이 양호한 발광 소자인 것을 알았다. 이것은 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물이 넓은 에너지 갭을 가짐으로써 청색 형광을 발광하는 에너지 갭이 큰 발광 물질의 경우라도 유효적으로 여기할 수 있기 때문이다. 또한, 도 13에 의거하여 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물을 청색 형광을 발광하는 발광 소자의 발광층에서의 호스트 재료에 사용한 발광 소자 1은 양호한 휘도-전압 특성을 나타내고, 구동 전압이 작은 발광 소자인 것을 알았다. 또한, 도 17에 의거하여 발광 소자 1은 양호한 외부 양자 효율-휘도 특성을 나타낸다. 또한, 유사한 구조를 갖는 CzPA를 FrCPA 대신에 사용한 비교 소자 1과 비교하여도 유의한 차이가 나타난 것을 알 수 있다.
또한, 도 15에 의거하여 발광 소자 1은 비교 소자 1과 같은 정도의 양호한 전류-전압 특성을 나타내었다. 이것은 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물이 뛰어난 캐리어 수송성을 갖는 것을 나타낸다.
또한, 제작한 발광 소자에 1mA의 전류를 흘렸을 때의 발광 스펙트럼을 도 18에 도시한다. 도 18에서 세로 축이 발광 파장(nm)을 나타내고, 가로 축이 발광 강도를 나타낸다. 발광 강도는 최대 발광 강도를 1로 하였을 때의 상대적인 값이다. 도 18에 의거하여 발광 소자 1과 비교 소자 1의 양쪽 모두가 발광 중심 물질인 1,6FLPAPrn에 기인한 청색 발광을 나타내는 것을 알았다.
다음에, 초기 휘도를 1000cd/m2로 설정하고, 전류 밀도가 일정한 조건에서 이들 소자를 구동시키고, 구동 시간에 따른 휘도의 변화를 측정하였다. 도 19에 각 발광 소자의 규격화 휘도-시간 특성을 나타낸다. 도 19에 의거하여 발광 소자 1 및 비교 소자 1의 양쪽 모두가 양호한 특성을 나타내고, 신뢰성이 높은 소자인 것을 알았다.
또한, 실시형태 1에 기재한 카르바졸 화합물인 FrCPA는 증착 성막시에 증착 레이트가 매우 안정적이었다. 따라서, 증착 레이트를 제어하기 쉽고, 성막 생산성이 양호한 재료인 것을 알았다. 한편, 화합물 CzPA는 소자 특성이 양호한 재료 중 하나이지만 증착 레이트가 안정되기 어렵고 소자를 작성하기 어렵다.
(참고예 1)
상기 실시예에서 사용한 N,N'-비스[4-(9-페닐-9H-플루오렌-9-일)페닐]-N,N'-디페닐-피렌-1,6-디아민(약칭: 1,6FLPAPrn)(구조식(vi))의 합성 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 1,6FLPAPrn의 구조를 이하에 나타낸다.
Figure pat00048
[단계 1: 9-(4-브로모페닐)-9-페닐풀루오렌의 합성 방법]
100mL 3구 플라스크에서 마그네슘 1.2g(50mmol)을 감압하에서 가열하면서 30분 교반하여 마그네슘을 활성화시켰다. 이것을 실온까지 냉각시키고 질소 분위기로 한 후, 디브로모에탄 몇 방울을 첨가하여 발포 및 발열하는 것을 확인하였다. 여기에 디에틸에테르 10mL 내에 용해한 2-브로모비페닐 12g(50mmol)을 천천히 적하한 후, 2.5시간 교반하여 그리나드 시약(Grignard reagent)을 얻었다.
4-브로모벤조페논 10g(40mmol), 디에틸에테르 100mL를 500mL 3구 플라스크에 넣고 계 내를 질소 치환하였다. 여기에 미리 합성한 그리나드 시약을 천천히 적하한 후, 가열하면서 9시간 환류 교반하였다.
반응 후, 이 혼합액을 여과하여 여과물을 얻었다. 얻어진 여과물을 초산에틸 150mL에 녹이고, 여기에 1M-염산을 산성이 될 때까지 첨가하고, 산성이 된 후 2시간 교반하였다. 이 혼합물의 유기층을 물로 세정하고, 황산마그네슘을 첨가하여 건조시켰다. 이 혼합물을 여과하여 얻어진 여과액을 농축하여 유상물을 얻었다.
500mL 가지 플라스크에 얻어진 유상물, 초빙산 50mL, 염산 1.0mL를 넣고, 질소 분위기하에서 130℃로 가열하면서 1.5시간 교반하였다.
반응 후, 이 반응 혼합물을 여과하여 여과물을 얻었다. 얻어진 여과물을 물, 수산화나트륨 수용액, 물, 메탄올의 순서로 세정한 후 건조시킨 결과, 목적물인 백색 분말을 수량 11g, 수율 69%로 얻었다. 단계 1의 반응식을 반응식 E1-1에 나타낸다.
반응식 E1-1
Figure pat00049
[단계 2: 4-(9-페닐-9H-플루오렌-9-일)디페닐아민(약칭: FLPA)의 합성 방법]
9-(4-브로모페닐)-9-페닐플루오렌 5.8g(14.6mmol), 아닐린 1.7mL(18.6mmol), 나트륨 tert-부톡사이드 4.2g(44.0mmol)을 200mL 3구 플라스크에 넣고, 플라스크 내를 질소 치환하였다. 이 혼합물에 톨루엔 147.0mL, 트리(tert-부틸)포스핀의 10% 헥산 용액 0.4mL를 첨가했다. 이 혼합물을 60℃로 하고, 비스(디벤질리덴아세톤)팔라듐(0) 66.1mg(0.1mmol)을 첨가하여 3.5시간 교반하였다. 교반 후, 플로리실(Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 카탈로그 번호: 540-00135), 셀라이트(Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 카탈로그 번호: 531-16855), 알루미나를 통하여 흡인 여과함으로써 여과액을 얻었다. 얻어진 여과액을 농축하였다. 얻어진 여과액을 농축하여 얻은 고체를 실리카겔 칼럼 크로마토그래피(전개 용매는 헥산:톨루엔=2:1)에 의하여 정제하고, 얻어진 플렉션을 농축하여 목적물인 백색 고체 6.0g을 수율 99%로 얻었다. 단계 2의 반응식을 반응식 E1-2에 나타낸다.
반응식 E1-2
Figure pat00050
[단계 3: N,N'-비스[4-(9-페닐-9H-플루오렌-9-일)페닐]-N,N'-디페닐-피렌-1,6-디아민(약칭: 1,6FLPAPrn의 합성 방법]
1,6-디브로모피렌 0.4g(1.2mmol), 참조예 1의 단계 2에서 얻은 4-(9-페닐-9H-플루오렌-9-일)디페닐아민(약칭: FLPA) 1.0g(2.4mmol), 나트륨 tert-부톡사이드 0.3g(3.6mmol)을 50mL 3구 플라스크에 넣고, 플라스크 내를 질소 치환하였다. 이 혼합물에 톨루엔 11.5mL, 트리(tert-부틸)포스핀의 10% 헥산 용액 0.20mL를 첨가했다. 이 혼합물을 70℃로 하고, 비스(디벤질리덴아세톤)팔라듐(0) 31.1mg(0.05mmol)을 첨가하여 4시간 교반하였다. 교반 후, 플로리실, 셀라이트, 알루미나를 통하여 흡인 여과하여, 여과액을 얻었다. 얻어진 여과액을 농축하였다. 얻어진 여과액을 농축함으로써 얻어진 고체를 실리카겔 칼럼 크로마토그래피(전개 용매는 클로로포름)에 의하여 정제하고, 얻어진 플렉션을 농축하여 황색 고체를 얻었다. 얻어진 고체를 톨루엔과 헥산의 혼합 용매에 의하여 세정한 후, 흡인 여과를 행하여 황색 고체를 얻었다. 얻어진 황색 고체를 클로로포름과 헥산의 혼합 용매에 의하여 세정한 결과, 담황색 분말상 고체 0.8g을 수율 68%로 얻었다.
얻어진 담황색 고체 0.8g을 트레인 서블리메이션법에 의하여 승화 정제하였다. 승화 정제 조건은 압력 2.7Pa에서 아르곤 가스를 유량 5.0mL/min로 흘리면서 360℃로 가열하였다. 승화 정제 후, 목적물을 0.4g, 수율 56%로 얻었다. 단계 3의 반응식을 반응식 E2-A에 나타낸다.
반응식 E2-A
Figure pat00051
핵자기 공명법(NMR) 및 MS 스펙트럼에 의하여 이 화합물이 N,N'-비스[4-(9-페닐-9H-플루오렌-9-일)페닐]-N,N'-디페닐-피렌-1,6-디아민(약칭: 1,6FLPAPrn)인 것을 확인하였다. 1H NMR 데이터를 이하에 나타낸다.
1H NMR(CDCl3, 300MHz):δ=6.88-6.91(m, 6H), 7.00-7.03(m, 8H), 7.13-7.40(m, 26H), 7.73-7.80(m, 6H), 7.87(d, J=9.0Hz, 2H), 8.06-8.09(m, 4H)
101: 기판
102: 제 1 전극
103: 유기 화합물을 함유한 층
104: 제 2 전극
111: 정공 주입층
112: 정공 수송층
113: 발광층
114: 전자 수송층
301: 기판
302: 제 1 전극
304: 제 2 전극
311: 전자 수송층
312: 발광층
313: 정공 수송층
314: 정공 주입층
501: 제 1 전극
502: 제 2 전극
511: 제 1 발광 유닛
512: 제 2 발광 유닛
513: 전하 발생층
601: 구동 회로부(소스 측 구동 회로)
602: 화소부
603: 구동 회로부(게이트 측 구동 회로)
604: 밀봉 기판
605: 씰재
607: 공간
608: 배선
609: FPC(flexible printed circuit)
610: 소자 기판
611: 스위칭용 TFT
612: 전류 제어용 TFT
613: 제 1 전극
614: 절연물
616: 유기 화합물을 함유한 층
617: 제 2 전극
618: 발광 소자
623: n채널형 TFT
624: p채널형 TFT
901: 케이스
902: 액정층
903: 백 라이트 유닛
904: 케이스
905: 드라이버 IC
906: 단자
951: 기판
952: 전극
953: 절연층
954: 격벽층
955: 유기 화합물을 함유한 층
956: 전극
1201: 소스 전극
1202: 활성층
1203: 드레인 전극
1204: 게이트 전극
2001: 케이스
2002: 광원
3001: 조명 장치
7101: 케이스
7103: 표시부
7105: 스탠드
7107: 표시부
7109: 조작 키
7110: 리모트 컨트롤 조작기
7201: 본체
7202: 케이스
7203: 표시부
7204: 키보드
7205: 외부 접속 포트
7206: 포인팅 디바이스
7301: 케이스
7302: 케이스
7303: 연결부
7304: 표시부
7305: 표시부
7306: 스피커부
7307: 기록 매체 삽입부
7308: LED 램프
7309: 조작 키
7310: 접속 단자
7311: 센서
7401: 케이스
7402: 표시부
7403: 조작 버튼
7404: 외부 접속 포트
7405: 스피커
7406: 마이크로폰

Claims (34)

  1. 화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1).
    <화학식 1>
    Figure pat00052

    화학식 1에서,
    Ar1은 수소, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고,
    R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고,
    n은 0 또는 1이고,
    α는 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기를 나타내고,
    Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타내고,
    Q1은 산소 또는 황을 나타내고,
    Figure pat00053

    <화학식 2>
    Figure pat00054

    화학식 2에서,
    R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고,
    Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서,
    Ar1은 페닐기이고,
    n은 1인, 카르바졸 화합물.
  3. 제2항에 있어서,
    R1, R4, R5, R8, R9, R12, R14, R15, R16, R17, R19, 및 R22는 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  4. 제3항에 있어서,
    R10, R11, R13, R18, R20, 및 R21은 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  5. 제4항에 있어서,
    R2, R3, R6, 및 R7은 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  6. 제2항에 있어서,
    α는 구조식(α-1)으로 나타내어지는, 카르바졸 화합물.
  7. 제6항에 있어서,
    R1, R4, R5, R8, R9, R12, R14, R15, R16, R17, R19, 및 R22는 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  8. 제7항에 있어서,
    R10, R11, R13, R18, R20, 및 R21은 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  9. 제8항에 있어서,
    R2, R3, R6, 및 R7은 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  10. 제9항에 있어서,
    Ar2는 수소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  11. 제10항에 있어서,
    Q2는 산소를 나타내는, 카르바졸 화합물.
  12. 제9항에 있어서,
    Ar2는 화학식 7로 나타내어지는 기(g3)를 나타내고,
    <화학식 7>
    Figure pat00055

    Q2는 산소 또는 황을 나타내는, 카르바졸 화합물.
  13. 제12항에 있어서,
    Q2는 황을 나타내는, 카르바졸 화합물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 카르바졸 화합물은 발광층에 포함되는, 카르바졸 화합물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 카르바졸 화합물은 캐리어 수송층에 포함되는, 카르바졸 화합물.
  16. 제1항에 따른 카르바졸 화합물을 포함하는 유기 반도체 재료.
  17. 한 쌍의 전극과;
    화학식 1로 나타내어지는 카르바졸 화합물(G1)을 포함하는 층을 포함하는, 발광 소자.
    <화학식 1>
    Figure pat00056

    화학식 1에서,
    Ar1은 수소, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고,
    R1 내지 R15는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고,
    n은 0 또는 1이고,
    α는 구조식(α-1) 또는 구조식(α-2)으로 나타내어지는 기를 나타내고,
    Ar2는 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 탄소수가 6 내지 13인 아릴기, 및 화학식 2로 나타내어지는 기(g1) 중 어느 것을 나타내고,
    Q1은 산소 또는 황을 나타내고,
    Figure pat00057


    <화학식 2>

    Figure pat00058

    화학식 2에서,
    R16 내지 R22는 각각 독립적으로 수소, 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 및 탄소수가 6 내지 13인 아릴기 중 어느 것을 나타내고,
    Q2는 산소 또는 황을 나타낸다.
  18. 제17항에 있어서,
    Ar1은 페닐기이고,
    n은 1인, 발광 소자.
  19. 제18항에 있어서,
    R1, R4, R5, R8, R9, R12, R14, R15, R16, R17, R19, 및 R22는 수소를 나타내는, 발광 소자.
  20. 제19항에 있어서,
    R10, R11, R13, R18, R20, 및 R21은 수소를 나타내는, 발광 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    R2, R3, R6, 및 R7은 수소를 나타내는, 발광 소자.
  22. 제18항에 있어서,
    α는 구조식(α-1)으로 나타내어지는, 발광 소자.
  23. 제22항에 있어서,
    R1, R4, R5, R8, R9, R12, R14, R15, R16, R17, R19, 및 R22는 수소를 나타내는, 발광 소자.
  24. 제23항에 있어서,
    R10, R11, R13, R18, R20, 및 R21은 수소를 나타내는, 발광 소자.
  25. 제24항에 있어서,
    R2, R3, R6, 및 R7은 수소를 나타내는, 발광 소자.
  26. 제25항에 있어서,
    Ar2는 수소를 나타내는, 발광 소자.
  27. 제26항에 있어서,
    Q2는 산소를 나타내는, 발광 소자.
  28. 제25항에 있어서,
    Ar2는 화학식 7로 나타내어지는 기(g3)를 나타내고,
    <화학식 7>
    Figure pat00059

    Q2는 산소 또는 황을 나타내는, 발광 소자.
  29. 제28항에 있어서,
    Q2는 황을 나타내는, 발광 소자.
  30. 제17항에 있어서,
    상기 층은 발광층인, 발광 소자.
  31. 제17항에 있어서,
    상기 층은 캐리어 수송층인, 발광 소자.
  32. 제17항에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 장치.
  33. 제17항에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치.
  34. 제17항에 따른 발광 소자를 포함하는 전자 기기.
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