KR20120106621A - 유기 전계 발광 소자, 표시 장치 및 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

형광성 청색 발광 재료를 그의 T1 에너지에 상관없이 사용할 수 있어, 높은 발광 효율을 얻을 수 있는 유기 전계 발광 소자를 제공한다. 실시 형태에 따르면, 서로 이격해서 배치된 양극(12) 및 음극(17)으로 이루어지는 한 쌍의 전극과, 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되고, 호스트 재료 및 형광성 청색 발광 재료를 포함하는 상기 양극측에 위치하는 청색 발광층(14a)과, 호스트 재료 및 인광성 녹색 발광 재료 및/또는 인광성 적색 발광 재료를 포함하는 상기 음극측에 위치하는 녹색 및 적색 발광층(14b)을 포함하는 발광층(14)을 구비하는 유기 전계 발광 소자가 제공된다.

Description

유기 전계 발광 소자, 표시 장치 및 조명 장치{ORGANIC ELECTROLUMINESCENCE ELEMENT, DISPLAY DEVICE AND LIGHTNING DEVICE}
본 출원은 일본 특허 출원 제2011-059917(출원일: 2011년 3월 17일)을 기초로 하여, 이 출원으로부터 우선의 이익을 누린다. 본 출원은 이 출원을 참조함으로써, 동 출원의 내용 모두를 포함한다.
본 발명의 실시 형태는 유기 전계 발광 소자 및 이를 사용한 표시 장치 및 조명 장치에 관한 것이다.
백색 유기 전계 발광 소자(이하, 백색 OLED 또는 백색 유기 EL이라고도 칭함)는 조명이나 디스플레이의 백라이트로의 응용을 위한 개발이 진행되고 있다. 발광 도펀트로서 형광성 발광 재료를 사용한 경우, 여기 일중항(S1)으로부터만 발광이 되기 때문에, 스핀 통계 상 25％의 내부 양자 효율밖에 기대할 수 없다. 그에 반해, 이리듐 착체 등의 인광성 발광 재료를 사용한 경우, 여기 삼중항(T1)으로부터 발광이 되기 때문에, 내부 양자 효율 100％를 기대할 수 있다. 따라서, 인광성 발광 재료의 백색 OLED로의 이용이 기대되어 있다. 그러나, 백색을 형성하는데 필수적인 청색 발광을 나타내는 인광성 발광 재료는 소자 수명이 짧은 것이 많아, 실용성 면에서 과제가 있다. 이에, 인광성 청색 발광 재료와 비교해서 발광 수명이 긴 형광성 청색 발광 재료를 이용하여 고효율의 백색 OLED를 제조하는 시도가 행해지고 있다.
종래의 형광성 청색 발광 재료를 이용한 백색 OLED에 있어서는, T1 에너지가 높은 형광성 청색 발광 재료를 사용할 필요가 있었다. 그러나, T1 에너지가 높은 형광성 청색 발광 재료는 수가 적기 때문에, 형광성 청색 발광 재료를 그 T1 에너지에 상관없이 사용할 수 있는 소자 구성이 요구되고 있다.
M. E. Kondakova, et al., Journal of Applied Physics, 107, 014515 (2010) G. Schwartz, et al., Advanced Materials, 19, 3672 (2007)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 형광성 청색 발광 재료를 그 T1 에너지에 상관없이 사용할 수 있어, 높은 발광 효율을 얻을 수 있는 백색 유기 전계 발광 소자 및 이를 사용한 표시 장치 및 조명 장치를 제공하는 것이다.
실시 형태에 따르면, 서로 이격해서 배치된 양극 및 음극으로 이루어지는 한 쌍의 전극과, 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되고, 호스트 재료 및 형광성 청색 발광 재료를 포함하는 상기 양극측에 위치하는 청색 발광층과, 호스트 재료 및 인광성 녹색 발광 재료 및/또는 인광성 적색 발광 재료를 포함하는 상기 음극측에 위치하는 녹색 및 적색 발광층을 포함하는 발광층을 구비하는 유기 전계 발광 소자가 제공된다. 상기 형광성 청색 발광 재료의 여기 삼중항 에너지는 상기 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료 중 적어도 어느 한 쪽의 여기 삼중항 에너지보다도 낮다. 상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 여기 삼중항 에너지는 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 여기 삼중항 에너지보다도 높다. 상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 HOMO(최고 피점 궤도)는 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 HOMO와 비교해서 보다 얕은 에너지 준위에 있고, 상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 LUMO(최저 공궤도)는 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 LUMO와 비교해서 보다 얕은 에너지 준위에 있음으로써, 상기 청색 발광층과 상기 녹색 및 적색 발광층의 계면에서 여기자가 생성된다.
도 1은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래의 소자에서의 발광층의 일례를 나타내는 개념도이다.
도 3은 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막에 대해서 측정한 형광 스펙트럼이다.
도 4는 도 3에 도시한 혼합막에 포함되는 각 성분으로 이루어지는 단일 성분막에 대해서 측정한 형광 스펙트럼이다.
도 5는 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막 및 OXD-7의 단일 성분막에 대해서 측정한 인광 스펙트럼이다.
도 6은 여기자와 OXD-7의 에너지 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 발광층을 나타내는 개념도다.
도 8은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자에서의 발광 재료와 호스트 재료의 HOMO-LUMO 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 제3 변형예를 나타내는 도면이다.
도 12는 실시 형태에 따른 표시 장치를 나타내는 회로도이다.
도 13은 실시 형태에 따른 조명 장치를 나타내는 단면도이다.
도 14는 실시예 1에 따른 유기 EL 소자의 EL 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예 1에 따른 유기 EL 소자의 외부 양자 효율을 나타내는 도면이다.
이하, 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
유기 전계 발광 소자(10)는 기판(11) 상에 양극(12), 정공 수송층(13), 발광층(14), 전자 수송층(15), 전자 주입층(16) 및 음극(17)을 순차적으로 형성한 구조를 갖는다. 정공 수송층(13), 전자 수송층(15) 및 전자 주입층(16)은 필요에 따라 형성된다. 발광층(14)은 양극측에 위치하는 청색 발광층(14a)과, 음극측에 위치하는 녹색 및 적색 발광층(14b)을 구비한다.
발광층(14)은 유기 재료로 이루어지는 호스트 재료 중에 발광성 금속 착체(이하, 발광 재료라고 칭함)를 도프한 구성을 취한다. 청색 발광층(14a)은 호스트 재료 중에 형광성 청색 발광 재료를 도프한 구성이며, 녹색 및 적색 발광층(14b)은 호스트 재료 중에 인광성 녹색 발광 재료 또는 인광성 적색 발광 재료 중 어느 한 쪽 혹은 그 양쪽을 도프한 구성이다. 청색 발광층(14a)에는 정공 수송성의 호스트 재료가 포함된다. 녹색 및 적색 발광층(14b)에는 전자 수송성의 호스트 재료 또는 바이폴라성의 호스트 재료가 포함된다. 바이폴라성의 호스트 재료란, 정공 수송성 및 전자 수송성의 양쪽의 성질을 겸비한 호스트 재료를 의미한다. 전자와 정공의 충돌에 따라 생성되는 여기자는 청색 발광층(14a)과 녹색 및 적색 발광층(14b)의 계면에 생성되고, 이 여기자로부터 방출되는 에너지를 이용해서 발광을 얻는다. 상기 여기자는 정공 수송성 호스트 재료와 전자 수송성 호스트 재료가 여기 상태로 착체를 형성함으로써 생성되는 들뜬 복합체(exciplex)여도 좋다.
상기와 같은 발광층의 구성에 이른 경위에 대해서 이하에 설명한다.
도 2는 종래의 소자에서의 발광층의 일례를 나타내는 개념도이다.
도 2에 도시한 발광층은 양극측과 음극측의 2층으로 나뉘어져 있고, 양극측에는 형광성 청색 발광 재료가 포함되고, 음극측에는 인광성 녹색 발광 재료 및/또는 인광성 적색 발광 재료가 포함된다. 우선, 양극측의 발광층에 전자 및 정공을 이동시켜서 여기자를 발생시키고, 청색 발광 재료를 여기한다. 그 결과, 여기 일중항(S1)으로부터의 발광인 청색 형광이 얻어진다. 형광성 발광 재료는 여기 삼중항(T1) 에너지를 이용할 수 없기 때문에, 청색 발광 재료는 T1 에너지를 방산한다. 방산된 T1 에너지를, 음극측의 발광층 중에 포함되는 녹색 발광 재료 및 적색 발광 재료가 흡수하여, 녹색 및 적색의 인광이 얻어진다.
이러한 종래의 구성에 의하면, 청색 발광 재료에서의 T1 에너지의 열 불활성화가 없어지기 때문에, 원리상 내부 양자 효율이 100％가 된다. 청색 발광 재료로부터 방산된 T1 에너지에 의해 녹색 발광 재료 및 적색 발광 재료를 여기시키기 위해서는, 청색 발광 재료의 T1이 녹색 발광 재료 및 적색 발광 재료의 T1보다도 에너지적으로 높을 필요가 있다. 그러나, 이 조건을 만족시키는 바와 같은 높은 T1 에너지를 갖는 형광성 청색 발광 재료는 적다. 또한, 분자 설계에 의해 형광성 청색 발광 재료의 T1 에너지를 높게 하면, S1 에너지도 동시에 높아져, 청색 형광이 자외광화되어 버린다는 문제도 발생한다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 발광층의 구성을 본 발명자들은 이하에 기재한 바와 같이 알아내었다.
우선, 다양한 정공 수송성 재료와 전자 수송성 재료인 1,3-비스(2-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥시디아졸-5-일)벤젠[이하, OXD-7이라고 칭함]의 혼합막을 제작하고, 그의 발광 스펙트럼을 형광 및 인광 각각에 대해서 측정하였다. 또한, 혼합막에 포함되는 각 성분으로 이루어지는 단일 성분막에 대해서도 형광 스펙트럼 및 인광 스펙트럼을 측정하였다.
도 3은 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막에 대해서 측정한 형광 스펙트럼이다. 도 4는 도 3에 도시한 혼합막에 포함되는 각 성분으로 이루어지는 단일 성분막에 대해서 측정한 형광 스펙트럼이다.
도 3과 도 4를 비교하면, 도 3에 도시한 혼합막의 스펙트럼은 모두, 도 4에 도시한 단일 성분막의 스펙트럼과는 다른 발광 파장을 나타내고 있다. 이 점에서, 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막에 있어서는, 들뜬 복합체로부터의 발광이 얻어지고 있음을 알 수 있다.
한편, 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막에 대해서 인광 스펙트럼을 측정한 바, 각 혼합막의 발광 파장은 OXD-7 단독의 발광 파장과 거의 일치하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다. 또한, 이하의 표 1에 나타낸 바와 같이, OXD-7의 단일 성분막의 인광 발광 수명과, 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막의 인광 발광 수명이 거의 일치하였다.
Figure pat00001
이러한 점에서, 혼합막에 있어서 얻어진 인광은 OXD-7에서 유래하는 것임을 알 수 있었다. 즉, 여기자로부터 방출되는 T1 에너지가 선택적으로 OXD-7로 이동하게 된다. 이 실험에 의해, 본 발명자들은 소정의 요건을 충족시키는 재료를 사용함으로써, 여기자로부터 방출되는 T1 에너지를 특정 재료에 선택적으로 이동시킬 수 있음을 발견하였다. 따라서, 상기 사실을 이용하면, OXD-7과 같은 전자 수송성 호스트 재료와 캐리어 균형을 잡기 위한 정공 수송성 재료를 포함하는 발광층에 있어서, 전자 수송성 호스트 재료에 선택적으로 T1 에너지를 이동시킬 수 있다.
이 상태는 도 6과 같이 나타낼 수 있다. 도 6은 정공 수송성 재료와 OXD-7의 혼합막에서의 에너지 상태를 나타내는 도면이다. 도 6은 혼합막을 여기시키면 T1 에너지가 OXD-7로 이동하고, OXD-7로부터 인광이 얻어지는 것을 나타내고 있다. 한편, S1 에너지에 의한 형광은 정공 수송성 재료와 OXD-7의 양쪽으로부터 얻어진다.
본 발명자들은 상기 사실을 알아내어, 도 7에 도시한 바와 같은 발광층의 구성을 고안하였다.
도 7a는 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 발광층에서의 전자 및 정공의 이동을 나타내는 도면이다. 양극측의 청색 발광층(14a)에는 정공 수송성 호스트 재료(도면 중의 TCTA) 및 형광성 청색 발광 재료가 포함된다. 한편, 음극측의 녹색 및 적색 발광층(14b)에는 전자 수송성 또는 바이폴라성의 호스트 재료(도면 중의 OXD-7)와, 인광성 녹색 발광 재료 또는 인광성 적색 발광 재료 중 어느 한 쪽 혹은 그 양쪽이 포함된다. 도 7에 있어서는, 인광성 녹색 발광 재료와 인광성 적색 발광 재료의 양쪽이 포함되는 경우에 대해서 설명한다. 발광층 내의 정공과 전자의 캐리어 균형을 잡기 위해, 녹색 및 적색 발광층에는 추가로 정공 수송성 재료(도면 중의 mCP)가 포함되어도 좋다. 양극측으로부터 청색 발광층에 들어간 정공과 음극측으로부터 녹색 및 적색 발광층에 들어간 전자가 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면으로 이동하고, 그 계면에 여기자가 생성된다.
도 7b는 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 발광층에서의 에너지의 이동을 나타내는 도면이다. 청색 발광층(14a)과 녹색 및 적색 발광층(14b)의 계면에 생성된 여기자로부터 방출되는 여기 일중항(S1) 에너지는 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 양 층으로 이동한다. 한편, 상술한 바와 같이, 소정의 요건을 충족시키는 재료를 사용함으로써 여기자로부터 방출되는 T1 에너지를 특정 재료에 선택적으로 이동할 수 있는 것을 이용하여, T1 에너지가 녹색 및 적색 발광층으로만 이동하도록 호스트 재료를 선택한다. 예를 들어, 도 7b에 도시한 바와 같이 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료로서 TCTA를 사용하고, 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료로서 OXD-7을 사용한 경우, 여기자로부터 방출되는 T1 에너지는 선택적으로 OXD-7로 이동한다. 그 결과, 형광성 청색 발광 재료는 S1 에너지를 수취하고, 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료는 S1 에너지 및 T1 에너지를 수취하게 되어, 각각 형광 및 인광을 발광한다.
도 7b에 도시한 바와 같이, 여기자로부터 방출되는 T1 에너지를 녹색 및 적색 발광층에 선택적으로 이동시키기 위해서는, 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 T1 에너지가 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 T1 에너지보다도 높을 필요가 있다. 또한, 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료로부터 방출되는 T1 에너지를 효율적으로 녹색 발광 재료 및 적색 발광 재료에 이동시키기 위해서는, 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 T1 에너지가 녹색 발광 재료 및 적색 발광 재료의 T1 에너지보다도 높을 필요가 있다.
상기와 같은 메커니즘에 의하면, 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료는, 청색 발광 재료로부터가 아닌 여기자로부터 방출되는 T1 에너지를 이용하기 때문에, T1 에너지가 높은 청색 발광 재료를 사용할 필요가 없어진다. 즉, 청색 발광 재료의 T1 에너지가 녹색 발광 재료 및 적색 발광 재료의 T1 에너지보다 낮아도 문제없다. 그로 인해, 형광성 청색 발광 재료를 그의 T1 에너지에 상관없이 사용할 수 있어, 재료 선택의 폭이 넓어진다. 또한, 분자 설계에 의해 형광성 청색 발광 재료의 T1 에너지를 높게 할 필요도 없어지기 때문에, 청색 형광이 자외광화되어 버린다는 문제도 발생하지 않게 된다. 또한, 상기와 같은 메커니즘에 의하면, 형광성 청색 발광 재료는 T1 에너지를 수취하지 않는다. 따라서, 청색 발광 재료에서의 T1 에너지의 열 불활성화가 없어, 원리상 내부 양자 효율이 100％인 유기 전계 발광 소자가 얻어진다.
도 8은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자에서의 발광 재료와 호스트 재료의 HOMO-LUMO 관계를 나타내는 도면이다. 도 8a는 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에서 여기자가 효율적으로 생성되는 바람직한 예이다.
청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에서 여기자를 발생시키기 위해서는, 도 8a에 도시한 바와 같이, 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 HOMO는 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 HOMO와 비교해서 보다 얕은 에너지 준위에 있을 필요가 있다. 또한, 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 LUMO는 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 LUMO와 비교해서 보다 얕은 에너지 준위에 있을 필요가 있다. 이러한 에너지 관계의 호스트 재료를 사용함으로써, 정공 수송성 호스트 재료와 전자 수송성 호스트 재료 사이에 전자 및 정공에 대한 장벽이 생긴다. 그 결과, 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에 전자 및 정공이 축적되고, 거기에서 여기자가 생성된다.
또한, 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에서 여기자를 효율적으로 생성시키기 위해서는, 소자에 주입된 정공 및 전자가 발광 재료에 의해 트랩되기 어려운 편이 좋다. 발광 재료에 의해 캐리어가 트랩되면, 여기자의 생성이 발광 재료 상에서 우선적으로 일어나게 된다. 그로 인해, 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에서의 여기자의 생성이 발생되기 어려워져, 계면의 여기자로부터 에너지를 수취하여 발광 재료가 발광한다는 메커니즘이 되기 어려워져 버린다.
발광 재료 상에서의 캐리어의 트랩을 방지하기 위해서는, 청색 발광층에 있어서, 호스트 재료의 HOMO는 형광성 청색 발광 재료의 HOMO와 비교해서 동일하거나 또는 보다 얕은 에너지 준위에 있는 것이 바람직하다. 또한, 녹색 및 적색 발광층에 있어서는, 호스트 재료의 LUMO는 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료의 LUMO와 비교해서 동일하거나 또는 보다 깊은 에너지 준위에 있는 것이 바람직하다.
도 8a에 의하면, 청색 발광층에 있어서는, 호스트 재료의 HOMO가 형광성 청색 발광 재료의 HOMO보다 얕은 에너지 준위에 있기 때문에, 정공이 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에 원활하게 이동한다. 또한, 녹색 및 적색 발광층에 있어서는, 호스트 재료의 LUMO가 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료의 LUMO보다 깊은 에너지 준위에 있기 때문에, 전자가 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에 원활하게 이동한다.
도 8b는 정공 및 전자가 발광 재료에 의해 트랩되어, 청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면 이외의 장소에서 여기자가 생성하기 쉬운 예이다. 청색 발광층에 있어서, 청색 발광 재료의 HOMO가 호스트 재료의 HOMO보다 얕은 에너지 준위에 있기 때문에, 발광 재료 상에서 정공이 트랩되어 버린다.
청색 발광층과 녹색 및 적색 발광층의 계면에서 생성하는 여기자의 발광 성분은, 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료 및 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 어느 발광 수명보다도 긴 발광 수명을 갖는다. 또한, 많은 경우, 그의 긴 발광 수명 성분은, 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료 및 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 어느 발광 파장보다도 긴 파장 성분으로 이루어진다.
형광성 청색 발광 재료로서는, 예를 들어 1-4-디-[4-(N,N-디페닐)아미노]스티릴-벤젠[이하, DSA-Ph라고 칭함], 4,4'-비스(9-에틸-3-카르바조비닐렌)-1,1'-비페닐[이하, BCzVBi라고 칭함] 등을 사용할 수 있다. 인광성 녹색 발광 재료로서는, 예를 들어 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(III)[이하, Ir(ppy)3이라고 칭함], 트리스(2-(p-톨릴)피리딘)이리듐(III)[이하, Ir(mppy)3이라고 칭함] 등을 사용할 수 있다. 인광성 적색 발광 재료로서는, 비스(2-메틸디벤조-[f,h]퀴녹살린)(아세틸아세토네이트)이리듐(III)[이하, Ir(MDQ)2(acac)라고 칭함], 트리스(1-페닐이소퀴놀린)이리듐(III)[이하, Ir(piq)3이라고 칭함] 등을 사용할 수 있다.
청색 발광층에 포함되는 정공 수송성의 호스트 재료로서는, 디-[4-(N,N-디 트릴아미노)페닐]시클로헥산[이하, TAPC라고 칭함], 4,4',4''-트리스(9-카르바졸릴)-트리페닐아민[이하, TCTA라고 칭함] 등을 들 수 있다. 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 전자 수송성의 호스트 재료로서는, OXD-7, 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린[이하, Bphen이라고 칭함], 비스(2-메틸-8-퀴놀리노레이트)-4-(페닐페놀레이트)알루미늄[이하, BAlq라고 칭함] 등을 들 수 있다. 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 바이폴라성의 호스트 재료로서는, 4,4'-비스(9-디카르바졸릴)-2,2'-비페닐[이하, CBP라고 칭함] 등을 들 수 있다.
캐리어 균형을 잡기 위해 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 정공 수송성의 재료로서는, 1,3-비스(카르바졸-9-일)벤젠[이하, mCP라고 칭함], 디-[4-(N,N-디트릴아미노)페닐]시클로헥산[이하, TAPC라고 칭함], 4,4',4''-트리스(9-카르바졸릴)-트리페닐아민[이하, TCTA라고 칭함] 등을 사용할 수 있다. 전자 수송성이 강한 호스트 재료를 사용하는 경우, 발광층 내의 정공과 전자와의 캐리어 균형이 잡히지 않아, 발광 효율이 저하된다는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 녹색 및 적색 발광층에서의 호스트 재료로서 전자 수송성 호스트 재료를 사용하는 경우, 정공 수송성 재료를 포함시키는 것을 고려하는 것이 바람직하다.
청색 발광층 및 녹색 및 적색 발광층의 성막 방법은 박막을 형성할 수 있는 방법이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 스핀 코팅법, 진공 증착법 등을 사용하는 것이 가능하다. 발광 재료 및 호스트 재료를 포함하는 용액을 원하는 막 두께로 도포한 후, 핫 플레이트 등에서 가열 건조한다. 도포하는 용액은 미리 필터로 여과한 것을 사용해도 좋다.
청색 발광층의 두께는 10 내지 100nm인 것이 바람직하고, 녹색 및 적색 발광층의 두께는 10 내지 100nm인 것이 바람직하다. 발광층에서의 전자 수송성 재료, 정공 수송성 재료 및 발광 재료의 비율은 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 임의이다.
도 1을 참조하여 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 다른 부재에 대해서 상세하게 설명한다.
기판(11)은 다른 부재를 지지하기 위한 것이다. 이 기판(11)은 열이나 유기 용제에 의해 변질되지 않는 것이 바람직하다. 기판(11)의 재료로서는, 예를 들어 무알칼리 유리, 석영 유리 등의 무기 재료, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 액정 중합체, 시클로올레핀 중합체 등의 플라스틱, 고분자 필름 및 스테인리스강(SUS), 실리콘 등의 금속 기판을 들 수 있다. 발광을 취출하기 위해, 유리, 합성 수지 등으로 이루어지는 투명한 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 기판(11)의 형상, 구조, 크기 등에 대해서 특별히 제한은 없고, 용도, 목적 등에 따라 적절히 선택할 수 있다. 기판(11)의 두께는 그 밖의 부재를 지지하기 위해 충분한 강도이면 특별히 한정되지 않는다.
양극(12)은 기판(11) 위에 적층된다. 양극(12)은 정공 수송층(13) 또는 발광층(14)에 정공을 주입한다. 양극(12)의 재료로서는 도전성을 갖는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 통상적으로는, 투명 또는 반투명의 도전성을 갖는 재료를 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, 도금법, 도포법 등으로 성막한다. 예를 들어, 도전성의 금속 산화물막, 반투명의 금속 박막 등을 양극(12)으로서 사용할 수 있다. 구체적으로는, 산화인듐, 산화아연, 산화주석 및 이들의 복합체인 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도프 산화주석(FTO), 인듐 아연 산화물 등으로 이루어지는 도전성 유리를 사용해서 제작된 막(NESA 등)이나, 금, 백금, 은, 구리 등이 사용된다. 특히, ITO로 이루어지는 투명 전극인 것이 바람직하다. 또한, 전극 재료로서, 유기계의 도전성 중합체인 폴리아닐린 및 그의 유도체, 폴리티오펜 및 그의 유도체 등을 사용해도 좋다. 양극(12)의 막 두께는, ITO의 경우, 30 내지 300nm인 것이 바람직하다. 30nm보다 얇게 하면, 도전성이 저하되어 저항이 높아져, 발광 효율 저하의 원인이 된다. 300nm보다도 두껍게 하면, ITO에 가요성이 없어져, 응력이 작용하면 균열이 발생한다. 양극(12)은 단층이여도 좋고, 상이한 일함수의 재료로 이루어지는 층을 적층한 것이어도 좋다.
정공 수송층(13)은 양극(12)과 발광층(14)의 사이에 임의로 배치된다. 정공 수송층(13)은 양극(12)으로부터 정공을 수취하여 발광층측으로 수송하는 기능을 갖는 층이다. 정공 수송층(13)의 재료로서는, 예를 들어 도전성 잉크인 폴리(에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌?술폰산)[이하, PEDOT:PSS라 기재함]과 같은 폴리티오펜계 중합체를 사용할 수 있지만, 여기에 한정되지 않는다. 정공 수송층(13)의 성막 방법은 박막을 형성할 수 있는 방법이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 스핀 코팅법을 사용하는 것이 가능하다. 정공 수송층(13)의 용액을 원하는 막 두께로 도포한 후, 핫 플레이트 등에서 가열 건조한다. 도포하는 용액은 미리 필터로 여과한 것을 사용해도 좋다.
전자 수송층(15)은 임의로 발광층(14) 위에 적층된다. 전자 수송층(13)은 전자 주입층(16)으로부터 전자를 수취하여 발광층(14)으로 수송하는 기능을 갖는 층이다. 전자 수송층(15)의 재료로서는, 예를 들어 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보란[이하, 3TPYMB라 기재함], 트리스(8-히드록시퀴놀리노라토)알루미늄 착체(Alq3), 바소페난트롤린(BPhen) 등을 사용할 수 있지만, 이들로 한정되지 않는다. 전자 수송층(15)은 진공 증착법, 도포법 등으로 성막한다.
전자 주입층(16)은 임의로 전자 수송층(15) 위에 적층된다. 전자 주입층(16)은 음극(17)으로부터 전자를 수취하여 전자 수송층(15) 또는 발광층(14)에 주입하는 기능을 갖는 층이다. 전자 주입층(16)의 재료로서는, 예를 들어 CsF, LiF 등을 사용할 수 있지만, 이들로 한정되지 않는다. 전자 주입층(16)은 진공 증착법, 도포법 등으로 성막한다.
음극(17)은 발광층(14)(또는 전자 수송층(15) 혹은 전자 주입층(16)) 위에 적층된다. 음극(17)은 발광층(14)(또는 전자 수송층(15) 혹은 전자 주입층(16))에 전자를 주입한다. 통상, 투명 또는 반투명의 도전성을 갖는 재료를 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, 도금법, 도포법 등으로 성막한다. 전극 재료로서는, 도전성의 금속 산화물막, 금속 박막 등을 들 수 있다. 양극(12)을 일함수가 높은 재료를 사용해서 형성한 경우, 음극(17)에는 일함수가 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 일함수가 낮은 재료로서는, 예를 들어 알칼리 금속, 알칼리 토금속 등을 들 수 있다. 구체적으로는, Li, In, Al, Ca, Mg, Na, K, Yb, Cs 등을 들 수 있다.
음극(17)은 단층이어도 좋고, 상이한 일함수의 재료로 구성되는 층을 적층한 것이어도 좋다. 또한, 2종 이상의 금속의 합금을 사용해도 좋다. 합금의 예로서는, 리튬-알루미늄 합금, 리튬-마그네슘 합금, 리튬-인듐 합금, 마그네슘-은 합금, 마그네슘-인듐 합금, 마그네슘-알루미늄 합금, 인듐-은 합금, 칼슘-알루미늄 합금 등을 들 수 있다.
음극(17)의 막 두께는 10 내지 150nm인 것이 바람직하다. 막 두께가 상기 범위보다 얇은 경우에는 저항이 너무 커진다. 막 두께가 두꺼운 경우에는, 음극(17)의 성막에 장시간을 필요로 하고, 인접하는 층에 손상을 주어 성능이 열화된다.
이상, 기판 상에 양극을 적층하고, 기판과 반대측에 음극을 배치한 구성의 유기 전계 발광 소자에 대해서 설명했지만, 음극측에 기판을 배치해도 좋다.
이어서, 상기에서 설명한 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 변형예에 대해서 설명한다. 도 9는 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
제1 변형예에 있어서, 녹색 및 적색 발광층은 전자 수송성 호스트 재료, 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료를 포함하는 음극측의 영역(14c)과, 전자 수송성 호스트 재료를 포함하고 발광 재료를 포함하지 않는 양극측의 영역(14d)을 포함한다. 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료는 그 중 어느 한 쪽 또는 양쪽이 포함되어도 좋다. 음극측의 영역(14c)에 포함되는 전자 수송성 호스트 재료와 양극측의 영역(14d)에 포함되는 전자 수송성 호스트 재료는 동일한 것이 바람직하다. 음극측의 영역(14c)에 포함되는 재료, 그의 제작 방법 등은 상기 실시 형태에서 나타낸 녹색 및 적색 발광층과 동일하다. 양극측의 영역(14d)은 재료를 변경하여 음극측의 영역(14c)과 동일하게 제작할 수 있다. 청색 발광층(14a)에 대해서는 상기 실시 형태에서 설명한 바와 같다.
도 10은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.
제2 변형예에 있어서, 청색 발광층은 정공 수송성 호스트 재료 및 청색 발광 재료를 포함하는 양극측의 영역(14e)과, 정공 수송성 호스트 재료를 포함하고 발광 재료를 포함하지 않는 음극측의 영역(14f)을 포함한다. 양극측의 영역(14e)에 포함되는 정공 수송성 호스트 재료와 음극측의 영역(14f)에 포함되는 정공 수송성 호스트 재료는 동일한 것이 바람직하다. 양극측의 영역(14e)에 포함되는 재료, 그의 제작 방법 등은 상기 실시 형태에서 나타낸 청색 발광층과 동일하다. 음극측의 영역(14f)는 재료를 변경하여 양극측의 영역(14e)과 동일하게 제작할 수 있다. 녹색 및 적색 발광층(14b)은 상기 실시 형태에서 설명한 바와 같다.
도 11은 실시 형태에 따른 유기 전계 발광 소자의 제3 변형예를 나타내는 도면이다.
제3 변형예에 있어서, 청색 발광층은 정공 수송성 호스트 재료 및 청색 발광 재료를 포함하는 양극측의 영역(14e)과, 정공 수송성 호스트 재료를 포함하고 발광 재료를 포함하지 않는 음극측의 영역(14f)을 포함한다. 또한, 녹색 및 적색 발광층은 전자 수송성 호스트 재료, 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료를 포함하는 음극측의 영역(14c)과, 전자 수송성 호스트 재료를 포함하고 발광 재료를 포함하지 않는 양극측의 영역(14d)을 포함한다. 각 층에 포함되는 재료 및 각 층의 제작 방법은 상기 제1 및 제2 변형예에 기재한 바와 같다.
상기 제1 내지 제3 변형예와 같은 소자 구성으로 함으로써, 형광성 청색 발광 재료와 인광성 녹색 발광 재료 및/또는 인광성 적색 발광 재료와의 접촉에 따른 에너지 불활성화를 방지할 수 있어, 추가적인 발광 효율의 향상을 기대할 수 있다.
상기에 설명한 유기 전계 발광 소자의 용도의 일례로서 표시 장치 및 조명 장치를 들 수 있다. 도 12는 실시 형태에 따른 표시 장치를 나타내는 회로도이다.
도 12에 도시한 표시 장치(20)는 가로 방향의 제어선(CL)과 세로 방향의 신호선(DL)이 매트릭스 형상으로 배치된 회로 중에 각각 화소(21)를 배치한 구성을 취한다. 화소(21)에는, 발광 소자(25) 및 발광 소자(25)에 접속된 박막 트랜지스터(TFT)(26)가 포함된다. TFT(26)의 한 쪽 단자는 제어선에 접속되고, 다른 쪽 단자는 신호선에 접속된다. 신호선은 신호선 구동 회로(22)에 접속되어 있다. 또한, 제어선은 제어선 구동 회로(23)에 접속되어 있다. 신호선 구동 회로(22) 및 제어선 구동 회로(23)는 컨트롤러(24)에 의해 제어된다.
도 13은 실시 형태에 따른 조명 장치를 나타내는 단면도이다.
조명 장치(100)는 유리 기판(101) 상에 양극(107), 유기 EL층(106) 및 음극(105)을 순차적으로 적층한 구성을 취한다. 밀봉 유리(102)는 음극(105)을 덮도록 배치되고, UV 접착제(104)를 사용해서 고정된다. 밀봉 유리(102)의 음극(105)측의 면에는 건조제(103)가 설치된다.
<실시예>
<실시예 1>
유리 기판 상에, ITO(인듐 주석 산화물)로 이루어지는 두께 100nm의 투명 전극을 진공 증착에 의해 형성하고, 양극으로 하였다. 정공 수송층의 재료로서 PEDOT:PSS[폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌술폰산]의 수용액을 사용하였다. 이 수용액을 스핀 코팅에 의해 양극 상에 도포하고, 200℃에서 5분간 가열해서 건조함으로써, 두께 80nm의 정공 수송층을 형성하였다. 청색 발광층의 재료로서는, 정공 수송성 호스트 재료로서 TCTA, 형광성 청색 발광 재료로서 DSA-Ph를 사용하였다. 이들을 중량비로 TCTA:DSA-Ph=95:5가 되는 조건에 있어서, 진공 증착 장치를 사용해서 정공 수송층 상에 공증착하여 두께 40nm의 청색 발광층으로 하였다. 적색 발광층의 재료로서는, 전자 수송성 호스트 재료로서 OXD-7, 정공 수송성 재료로서 TCTA, 인광성 적색 발광 재료로서 Ir(MDQ)2(acac)를 사용하였다. 이들을 중량비로 OXD-7:TCTA:Ir(MDQ)2(acac)=30:60:10이 되는 조건에 있어서, 진공 증착 장치를 사용해서 청색 발광층 상에 공증착하여 두께 40nm의 적색 발광층을 형성하였다. 그 후, 불화 세슘을 적색 발광층 상에 진공 증착함으로써, 두께 1nm의 전자 주입 및 수송층을 형성하였다. 또한, 알루미늄을 전자 주입 및 수송층 상에 진공 증착함으로써, 두께 50nm의 음극을 형성하였다.
또한, Ir(MDQ)2(acac)의 T1 에너지는 2.0eV이며, DSA-Ph의 T1 에너지는 2.0eV 미만이다.
<시험예 1>
실시예 1에서 제작한 소자에 대해서 EL 발광 스펙트럼 및 외부 양자 효율을 측정하였다. 도 14는 실시예 1에 따른 유기 EL 소자의 EL 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 14로부터, 청색 형광과 적색 인광의 양쪽의 발광을 얻을 수 있는 것이 확인되었다. 도 15는 실시예 1에 따른 유기 EL 소자의 외부 양자 효율을 나타내는 도면이다. 도 15로부터, 실시예 1에 따른 유기 EL 소자는 형광성 유기 EL 소자의 외부 양자 효율의 이론상의 한계치라 일컬어지는 5％를 초과하는, 높은 외부 양자 효율을 나타내는 것이 확인되었다.
상기 시험예로부터, 인광성 적색 발광 재료의 T1 에너지보다도 낮은 T1 에너지를 갖는 형광성 청색 발광 재료를 사용한 유기 전계 발광 소자가, 우수한 발광 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 실시 형태 또는 실시예에 의하면, 형광성 청색 발광 재료를 그의 T1 에너지에 상관없이 사용할 수 있어, 높은 발광 효율을 얻을 수 있는 백색 유기 전계 발광 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것으로서, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시 형태는 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그의 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 동시에, 특허청구범위에 기재된 발명과 그의 균등한 범위에 포함되는 것이다.
10: 유기 전계 발광 소자
11: 기판
12: 양극
13: 정공 수송층
14: 발광층
14a: 청색 발광층
14b: 녹색 및 적색 발광층
14c: 녹색 및 적색 발광층의 음극측의 영역
14d: 녹색 및 적색 발광층의 양극측의 영역
14e: 청색 발광층의 양극측의 영역
14f: 청색 발광층의 음극측의 영역
15: 전자 수송층
16: 전자 주입층
17: 음극
20: 표시 장치
21: 화소
22: 신호선 구동 회로
23: 제어선 구동 회로
24: 컨트롤러
25: 발광 소자
26: TFT
100: 조명 장치
101: 유리 기판
102: 밀봉 유리
103: 건조제
104: UV 접착제
105: 음극
106: 유기 EL층
107: 양극

Claims (8)

  1. 서로 이격해서 배치된 양극 및 음극으로 이루어지는 한 쌍의 전극과,
    상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되고, 호스트 재료 및 형광성 청색 발광 재료를 포함하는 상기 양극측에 위치하는 청색 발광층과, 호스트 재료 및 인광성 녹색 발광 재료 및/또는 인광성 적색 발광 재료를 포함하는 상기 음극측에 위치하는 녹색 및 적색 발광층을 포함하는 발광층
    을 구비하는 유기 전계 발광 소자이며,
    상기 형광성 청색 발광 재료의 여기 삼중항 에너지는 상기 인광성 녹색 발광 재료 및 인광성 적색 발광 재료 중 적어도 어느 한 쪽의 여기 삼중항 에너지보다도 낮고,
    상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 여기 삼중항 에너지는 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 여기 삼중항 에너지보다도 높고,
    상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 HOMO는 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 HOMO와 비교해서 보다 얕은 에너지 준위에 있고, 상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 LUMO는 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료의 LUMO와 비교해서 보다 얕은 에너지 준위에 있고,
    상기 청색 발광층과 상기 녹색 및 적색 발광층의 계면에서 여기자가 생성되는
    것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 청색 발광층에 포함되는 호스트 재료는 정공 수송성 호스트 재료이며, 상기 녹색 및 적색 발광층에 포함되는 호스트 재료는 바이폴라성의 호스트 재료 또는 전자 수송성 호스트 재료인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 여기자는 들뜬 복합체인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 청색 발광층에 있어서, 상기 정공 수송성 호스트 재료의 HOMO는 상기 형광성 청색 발광 재료의 HOMO와 비교해서 동일하거나 또는 보다 얕은 에너지 준위에 있고, 상기 녹색 및 적색 발광층에 있어서, 상기 전자 수송성 호스트 재료의 LUMO는 상기 인광성 녹색 발광 재료 및 상기 인광성 적색 발광 재료의 LUMO와 비교해서 동일하거나 또는 보다 깊은 에너지 준위에 있는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 정공 수송성 호스트 재료는 N,N'-디카르바졸릴-3,5-벤젠, 디-[4-(N,N-디트릴아미노)페닐]시클로헥산 또는 4,4',4''-트리스(9-카르바졸릴)-트리페닐아민이며, 상기 전자 수송성 호스트 재료는 1,3-비스(2-(4-tert-부틸 페닐)-1,3,4-옥시디아졸-5-일)벤젠 또는 4,4'-비스(9-디카르바졸릴)-2,2'-비페닐인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  6. 제2항에 있어서, 상기 녹색 및 적색 발광층은 정공 수송성 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  7. 제1항에 기재된 유기 전계 발광 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  8. 제1항에 기재된 유기 전계 발광 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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