WO2011086941A1 - 有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

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barrier
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河村祐一郎
河村昌宏
熊均
伊藤裕勝
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Definitions

  • the present invention relates to an organic electroluminescence (EL) element, particularly a highly efficient organic EL element.
  • EL organic electroluminescence
  • Non-Patent Document 1 a non-doped element using an anthracene compound as a host material is analyzed, and as a mechanism, singlet excitons are generated by collisional fusion of two triplet excitons, resulting in fluorescence emission. Has increased.
  • Non-Patent Document 1 only discloses that an increase in fluorescence emission was confirmed by collisional fusion of triplet excitons in a non-doped element composed of only a host material. Was as low as 3-6%.
  • Non-Patent Document 2 reports that the blue quantum element has an internal quantum efficiency of 28.5%, which exceeds the conventional theoretical limit of 25%. However, no technical means for exceeding 25% has been disclosed, and further higher efficiency has been demanded from the viewpoint of practical use of a full-color organic EL television.
  • Patent Document 1 Another example using triplet excitons in a fluorescent element is disclosed in Patent Document 1.
  • the lowest excited triplet state (T1) is lower than the lowest excited singlet state (S1), but the higher excited triplet state (T2) may be higher than S1.
  • the external quantum efficiency is about 6% (when the light extraction efficiency is 25%, the internal quantum efficiency is 24%), which does not exceed the limit value of 25% that has been conventionally known.
  • the mechanism here is due to intersystem crossing from the excited triplet state to the excited singlet state in one molecule, and singlet due to collision of two triplet excitons disclosed in Non-Patent Document 1. Term generation has not occurred.
  • phenanthroline derivatives such as BCP (Bathocuproin) and BPhen are used for the hole blocking layer in the fluorescent element, thereby increasing the density of holes at the interface between the hole blocking layer and the light emitting layer, and efficiently. Techniques for causing recombination are disclosed.
  • phenanthroline derivatives such as BCP (basocuproin) and BPhen are vulnerable to holes, have poor oxidation durability, and have insufficient performance from the viewpoint of extending the lifetime of the device.
  • the laminated structure of the organic EL element is made more multilayered.
  • the multilayer structure increases the process of manufacturing the organic EL element and increases the driving voltage.
  • Patent Document 4 discloses an organic EL element using an aromatic compound such as an anthracene derivative as a material for an electron transport layer in contact with a light emitting layer in a fluorescent element.
  • an aromatic compound such as an anthracene derivative
  • Patent Document 4 discloses an organic EL element using an aromatic compound such as an anthracene derivative as a material for an electron transport layer in contact with a light emitting layer in a fluorescent element.
  • the triplet energy of the electron transport layer normally designed in so-called phosphorescent devices
  • the triplet energy of the electron transport layer is smaller than the triplet energy of the light emitting layer, so triplet excitons generated in the light emitting layer are diffused to the electron transport layer. Since then, it has been through a thermal deactivation process, and it has been difficult to exceed 25%, which is the theoretical limit value of conventional fluorescence.
  • the phosphorescent type uses light emitted directly from triplet excitons. Since singlet exciton energy is also converted into triplet exciton by spin conversion inside the light emitting molecule, it is expected that an internal light emission efficiency of nearly 100% can be obtained in principle. Therefore, since a phosphorescent light emitting device using an Ir complex was announced by Forrest et al. In 2000, a phosphorescent light emitting device has attracted attention as a technique for improving the efficiency of organic EL devices. However, although red phosphorescent devices have reached the practical application range, green and blue phosphorescent devices have a shorter lifetime than fluorescent-type devices, and in particular, blue phosphorescence has insufficient color purity and luminous efficiency. The current situation is that it has not been put into practical use.
  • the triplet energy of the host material and the dopant material has a specific relationship, and the cathode side of the light emitting layer
  • a material having a large triplet energy is used as a layer adjacent to the interface, triplet excitons are confined in the light emitting layer, and the TTF phenomenon is efficiently caused to realize high efficiency and long life of the fluorescent element. It came to.
  • the present application efficiently raises the TTF phenomenon by confining triplet excitons in the light emitting layer without increasing the number of layers in the stacked structure, and has led to the realization of a highly efficient and long-life organic EL element. .
  • the following organic EL elements are provided.
  • An anode, a light emitting layer, an electron transport zone, and a cathode are provided in this order,
  • the light emitting layer includes a host material and a dopant material exhibiting fluorescence emission having a main peak wavelength of 550 nm or less,
  • the electron transport zone includes a barrier layer adjacent to the light emitting layer;
  • the said barrier layer is an organic electroluminescent element containing the barrier material which has an electron carrying structure site
  • E T b > E T h (1) (E T h and E T b are triplet energies of the host material and the barrier material, respectively.) 2.
  • E T d > E T h (2) (E T d represents the triplet energy of the dopant material.)
  • the organic electroluminescence device according to 1 or 2 wherein the affinity Af h of the host material and the affinity Af b of the barrier material satisfy the following formula (3). Af h ⁇ Af b > 0 eV (3) 4).
  • the organic electroluminescent device according to any one of 1 to 3, the ionization potential Ip d ionization potential Ip h and the dopant material of the host material satisfies the following formula (4). Ip d ⁇ Ip h ⁇ 0.2 eV (4) 5. 5. The organic electroluminescence device according to any one of 1 to 4, wherein the barrier material has an electron mobility of 10 ⁇ 6 cm 2 / Vs or more. 6). 6. The organic electroluminescence device according to any one of 1 to 5, wherein the barrier layer contains a donor exhibiting reducibility with respect to the barrier material. 7). 7.
  • the organic electroluminescence device according to any one of 1 to 6, wherein the emission intensity derived from singlet excitons generated by collision of triplet excitons in the light emitting layer is 30% or more with respect to the total emission intensity. 8).
  • the electron transport structure site includes one or more of the following partial structures. (In the formula, X 1 and X 2 are each a carbon atom or a nitrogen atom.) 9.
  • the electron transport structure site includes one or more rings selected from the following rings.
  • X 11 to X 15 and X 21 to X 26 are each a carbon atom or a nitrogen atom, provided that at least one of X 11 to X 15 and at least one of X 21 to X 26 are nitrogen atoms. is there.) 10. 8. The organic electroluminescence device according to any one of 1 to 7, wherein the electron transport structure site includes one or more rings selected from the following rings. 11. 8. The organic electroluminescence device according to any one of 1 to 7, wherein the electron transport structure site includes one or more rings selected from the following rings. 12 12. The organic electroluminescence device according to any one of 1 to 11, wherein the triplet barrier structure site is selected from the following rings.
  • Ar 1 to Ar 9 represent a condensed ring structure having 4 to 16 ring carbon atoms.
  • 13. 13 The organic electroluminescence device according to any one of 1 to 12, wherein at least two light emitting layers are provided between the anode and the cathode, and a charge generation layer is provided between the two light emitting layers.
  • An anode, a plurality of light emitting layers, an electron transport zone, and a cathode are provided in this order, A charge barrier layer between any two light emitting layers of the plurality of light emitting layers;
  • the light emitting layer in contact with the electron transport band includes a host material and a dopant material exhibiting fluorescence emission having a main peak wavelength of 550 nm or less,
  • the electron transport zone includes a barrier layer adjacent to the light emitting layer;
  • the said barrier layer is an organic electroluminescent element containing the barrier material which has an electron carrying structure site
  • E T b > E T h (1) (E T h and E T b are triplet energies of the host material and the barrier material, respectively.) 15. 15. The organic electroluminescence device according to 14, wherein the host material and the dopant material satisfy the following formula (2). E T d > E T h (2) (E T d represents the triplet energy of the dopant material.)
  • the TTF phenomenon is efficiently caused inside the light emitting layer, and as a result, a highly efficient element exceeding the internal quantum efficiency of 25%, which is said to be the limit value of the conventional fluorescent element, can be realized.
  • FIG. 6 is an energy band diagram when Af d ⁇ Af h ⁇ ⁇ 0.2 eV. It is an energy band figure in the case of Ip d ⁇ Ip h ⁇ 0.2 eV.
  • FIG. 6 is an energy band diagram when Af d ⁇ Af h > ⁇ 0.2 eV and Ip d ⁇ Ip h ⁇ 0.2 eV. It is a figure which shows the measuring method of a transient EL waveform.
  • the present invention utilizes the TTF phenomenon.
  • the TTF phenomenon will be described below. Holes and electrons injected from the anode and cathode recombine in the light emitting layer to generate excitons.
  • the spin state has a ratio of 25% singlet excitons and 75% triplet excitons as conventionally known.
  • a conventionally known fluorescent element light is emitted when 25% of singlet excitons relax to the ground state, but the remaining 75% of triplet excitons are thermally deactivated without emitting light. The process returns to the ground state. Therefore, the theoretical limit value of the internal quantum efficiency of the conventional fluorescent element was said to be 25%.
  • TTF ratio TTF-derived light emission ratio
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an organic EL element showing an example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A schematically shows the lowest excited singlet energy level and the lowest excited triplet energy level of each layer.
  • the triplet energy means a difference between the energy in the lowest excited triplet state and the energy in the ground state
  • the singlet energy (sometimes referred to as an energy gap) is the energy in the lowest excited singlet state and the ground state. This is the difference in energy.
  • the organic EL element shown in FIG. 1 is laminated in order of the hole transport zone 50, the light emitting layer 20, the electron transport zone 30, and the cathode 40 in order from the anode 10.
  • a hole transport zone 50 is preferably provided between the anode 10 and the light emitting layer 20.
  • the electron transport zone has a configuration including only a barrier layer.
  • the embodiment with only the barrier layer does not prevent the insertion of the electron injection layer having a higher injection property.
  • the general compound conventionally used as an electron injection layer can be used. Heterocyclic compounds are preferred.
  • the term “barrier layer” refers to a layer having a barrier function against triplet energy. Therefore, the hole barrier layer and the charge barrier layer have different functions.
  • the light-emitting layer is formed of a host material and a dopant material exhibiting fluorescence emission having a main peak wavelength of 550 nm or less (hereinafter also referred to as a fluorescent light-emitting dopant material having a main peak wavelength of 550 nm or less).
  • the peak wavelength of the emission spectrum that maximizes the emission intensity in the emission spectrum).
  • the main peak wavelength of 550 nm corresponds to about green light emission, and in this wavelength region, it is desired to improve the light emission efficiency of the fluorescent light emitting element using the TTF phenomenon. Further, in a fluorescent light emitting device that emits blue light of 480 nm or less, higher luminous efficiency can be expected.
  • FIG. 2A holes injected from the anode are injected into the light emitting layer through the hole transport band, and electrons injected from the cathode are injected into the light emitting layer through the electron transport band. Thereafter, holes and electrons are recombined in the light emitting layer, and singlet excitons and triplet excitons are generated.
  • recombination occurs on the host material molecule and on the dopant material molecule. In this embodiment, as shown in FIG.
  • the singlet energy E S d of the dopant material is smaller than the singlet energy E S h of the host material, the singlet excitons generated by the TTF phenomenon transfer energy from the host material to the dopant material, and the dopant material Contributes to fluorescent emission.
  • a transition from an excited triplet state to a ground state is forbidden. In such a transition, the triplet exciton does not undergo optical energy deactivation and is thermally Was inactive.
  • singlet excitons are efficiently generated by collision with each other before the triplet excitons undergo thermal deactivation. Efficiency will be improved.
  • the electron transport zone has a barrier layer in a portion adjacent to the light emitting layer.
  • the barrier layer prevents the triplet excitons generated in the light emitting layer from diffusing into the electron transport band, and increases the density of the triplet excitons by confining the triplet excitons in the light emitting layer. And has a function of efficiently causing the TTF phenomenon.
  • the triplet energy E T b of the compound constituting the barrier layer is preferably larger than E T h and more preferably larger than E T d .
  • the barrier layer prevents triplet excitons generated in the light-emitting layer from diffusing into the electron transport band, so that the triplet excitons of the host material efficiently become singlet excitons in the light-emitting layer.
  • the term exciton moves onto the dopant material and is optically deactivated.
  • the barrier layer of the present invention has a nitrogen-containing compound such as a benzimidazole compound as a partial structure in order to improve electron injection from a cathode or the like.
  • the affinity of the host material and the dopant material is denoted as Af h and Af d , respectively, and the ionization potential is denoted as Ip h and Ip d .
  • FIG. 3A An energy band diagram when Af d ⁇ Af h ⁇ ⁇ 0.2 eV is as shown in FIG. 3A.
  • the dotted line shown in the light emitting layer indicates the energy level of the dopant material.
  • FIG. 3A if the Af d -Af h ⁇ 0eV, the difference between the Ip d and Ip h compared to the difference in the affinity of the host material and a dopant material becomes larger. This is due to the difference in energy gap between the host material and the dopant material.
  • the triplet exciton generated directly on the dopant material molecule is the host material by the Dexter type energy transfer when the triplet exciton directly generated on the dopant material is in the relationship of E T h ⁇ E T d as in the present invention.
  • the TTF phenomenon occurs efficiently. Since the triplet energy of the hole transport material is generally large, the confinement effect of the triplet exciton is high, and the TTF phenomenon occurs efficiently in the light emitting layer.
  • triplet excitons existing in a region close to the barrier layer also have triplet energy E T b of the barrier layer set larger than the triplet energy E T h of the host material in the present invention. It is possible to prevent the term excitons from diffusing into the electron transport band, and to efficiently cause the TTF phenomenon in the light emitting layer.
  • the radical cation state of the host material is maintained for a long time.
  • the radical cation of the host material causes quenching of the triplet exciton, and therefore, it is carried from the triplet exciton and the anode on the host material at the interface between the light emitting layer and the barrier layer where the density of triplet excitons is high. The situation where the excited state quenches easily with the holes on the host material that has occurred is born.
  • Ip d ⁇ Ip h ⁇ 0.2 eV the relationship between the electron-hole recombination region and the hole transport ability of the host material. Therefore, it is preferable that Ip d ⁇ Ip h ⁇ 0.2 eV.
  • the LUMO level of the dopant material does not fall within the spread of the LUMO level of the host material, so that electrons conducted in the light emitting layer are not easily trapped by the dopant material. That is, this dopant material hardly exhibits an electron trapping property. For the same reason, it is difficult to show a hole trapping property.
  • the dopant material tends to have no significant trapping property for both electrons and holes.
  • electron-hole recombination mainly occurs on the host material molecule over a wide area in the light emitting layer, as indicated by the hatched portion in the light emitting layer in FIG. 3C, and 25% singlet excitons and 75%.
  • Triplet excitons are mainly generated on host material molecules.
  • the energy of singlet excitons generated on the host material is transferred to the dopant material by Forster energy transfer and contributes to the fluorescence emission of the dopant material molecules.
  • the energy of triplet excitons is determined by the relationship between the triplet energies of the host material and the dopant material.
  • a combination of the host material and the dopant material represented by (1) includes a combination in which the host material is an anthracene derivative or a pyrene derivative and the dopant material is an aromatic amine derivative.
  • the host material is preferably an anthracene derivative
  • the dopant material is preferably a diaminochrysene derivative, a diaminopyrene derivative, a styrylamine derivative, an amino-substituted condensed fluorene derivative, or a diaminoanthracene derivative.
  • anthracene derivative and a diaminopyrene derivative an anthracene derivative and a diaminochrysene derivative, or an anthracene derivative and a styrylamine derivative.
  • Ar 11 and Ar 12 are each independently a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 ring carbon atoms or a heterocyclic group having 5 to 50 ring atoms
  • R 101 to R 108 each independently represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 50 ring carbon atoms, a substituted or unsubstituted heterocyclic group having 5 to 50 ring atoms, substituted or unsubstituted Substituted alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 50 ring carbon atoms, substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 50 carbon atoms, substituted or unsubstituted carbon number 7 -50 aralkyl group, substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 50 ring carbon atoms, substituted or unsubstituted arylthi
  • each R a represents a hydrogen atom or a substituent.
  • Ar a represents a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group having 6 to 50 ring carbon atoms or a substituted or unsubstituted heterocyclic group having 5 to 50 ring atoms.
  • L 1 represents a direct bond, a substituted or unsubstituted divalent aromatic hydrocarbon group having 6 to 30 ring carbon atoms or a substituted or unsubstituted divalent aromatic hydrocarbon group having 5 to 30 ring atoms.
  • Show. a represents an integer of 1 to 10
  • p represents an integer of 1 to 6
  • q represents an integer of 0 to 10.
  • diaminopyrene derivative those represented by the following formula are preferred.
  • each R f is a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkynyl group having 2 to 50 carbon atoms.
  • Ar 5 to Ar 8 each represent a substituted or unsubstituted aryl group having 5 to 20 ring carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 20 ring atoms.
  • each R e is a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkynyl group having 2 to 50 carbon atoms.
  • Ar 1 to Ar 4 each represents a substituted or unsubstituted aryl group having 5 to 20 ring carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 5 to 20 ring atoms.
  • styrylamine compound and the styryldiamine compound those represented by the following formulas (6) and (7) are preferable.
  • Ar 11 is a u-valent group, and is a u-valent group corresponding to a phenyl group, a naphthyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a stilbene group, a styrylaryl group, a distyrylaryl group
  • Ar 12 and Ar 13 are each an aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 ring carbon atoms, and Ar 11 , Ar 12 and Ar 13 may be substituted.
  • u is an integer of 1 to 4, and is preferably an integer of 1 to 2. Any one of Ar 11 to Ar 13 is a group containing a styryl group.
  • At least one of Ar 12 or Ar 13 is substituted with a styryl group.
  • the aromatic hydrocarbon group having 6 to 20 ring carbon atoms include a phenyl group, a naphthyl group, an anthranyl group, a phenanthryl group, and a terphenyl group.
  • Ar 14 to Ar 16 are v-valent substituted or unsubstituted aromatic groups having 6 to 40 ring carbon atoms.
  • v is an integer of 1 to 4, and is preferably an integer of 1 to 2.
  • a typical example is a combination in which the host material is an anthracene derivative or a pyrene derivative, and the dopant material is a compound containing an electron withdrawing group.
  • the host material is preferably an anthracene derivative
  • the dopant material is preferably a boron-containing compound in which an electron withdrawing group is substituted.
  • Preferred examples of the anthracene derivative or pyrene derivative are as described above.
  • a and A ′ independently represent an azine ring corresponding to a 6-membered aromatic ring structure containing at least one nitrogen;
  • X a and X b each independently represent a selected substituent, and two of them may be bonded to form a ring fused to A or A ′;
  • m and n independently represent 0 to 4,
  • Y represents hydrogen or a substituent,
  • Z a and Z b independently represent a selected substituent, 1, 2, 3, 4, 1 ′, 2 ′, 3 ′ and 4 ′ independently represent either a carbon atom or a nitrogen atom.
  • the host material is an anthracene derivative or a pyrene derivative
  • the dopant material does not contain an amino group.
  • the host material is preferably an anthracene derivative
  • the dopant material is preferably a fluorene derivative not containing an amino group, a condensed fluorene derivative, a fluoranthene derivative, a benzofluoranthene derivative, or a pyrene derivative.
  • the most preferred combination is an anthracene derivative and a benzofluoranthene derivative.
  • Preferred examples of the anthracene derivative or pyrene derivative are as described above.
  • fluoranthene derivative those represented by the following formula are preferred.
  • R 101 to R 106 and R 108 to R 111 are each a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted silyl group.
  • Ar 101 to Ar 103 are each a substituted or unsubstituted aryl group or a substituted or unsubstituted heteroaryl group.
  • the host material of (1) to (3) is a cyclic structure or a compound in which single atoms are bonded to each other (including a bond between the cyclic structure and a single atom), and the bond is a single bond Is preferred.
  • An unfavorable example is a host material having a carbon-carbon double bond other than a cyclic structure. This is because the energy of triplet excitons generated on the host material is not used for the TTF phenomenon and is consumed for the structural change of double bonds.
  • the barrier layer in the present invention is preferably formed of a barrier material having a triplet energy larger than that of the host material, and also serves as an electron transport function to the light emitting layer that has been performed by the electron transport layer. That is, by using a barrier material having both a triplet barrier function and an electron transport function, the TTF phenomenon is efficiently caused without increasing the number of layers of the organic EL element laminated structure, and the organic EL element has a high efficiency and a long lifetime. To achieve. This does not preclude the stacking of an electron injection layer having excellent electron injection properties from the cathode.
  • the affinity Af b of the barrier material and the affinity Af h of the host material preferably satisfy the following formula.
  • Af h ⁇ Af b > 0 eV A preferable reason is that by eliminating the LUMO level energy barrier between the barrier layer and the host material, the electron injection property from the barrier layer to the light emitting layer is increased. As a result, triplet excitons are generated to promote the TTF phenomenon.
  • the barrier layer in the present invention is composed of a compound containing a triplet barrier structure portion and an electron transport structure portion.
  • the structural moiety is an individual cyclic structure (monocyclic or condensed polycyclic excluding substituents) contained in the compound.
  • the triplet barrier structure site refers to a structure site having the lowest (smallest) triplet energy among the structure sites contained in the compound. That is, it is a structural site that mainly determines the triplet energy of the compound. There may be a plurality of triplet barrier structure sites.
  • the triplet energy of the triplet barrier structure site refers to the triplet energy of an independent cyclic structure in which hydrogen is substituted at the bonding position between the structure sites except for the substituent.
  • the triplet barrier structure site must be a fused polycyclic aromatic hydrocarbon compound. The reason will be described below.
  • the transition state of a condensed ring made of hydrocarbon is based on a ⁇ - ⁇ * transition involving a ⁇ electron cloud of a cyclic structure.
  • the spread of the ⁇ electron cloud is small, and the influence on the excited state of the light emitting layer is small.
  • the transition state in the case of having an unshared electron pair in the structural site is that a strong interaction occurs with the triplet exciton generated in the light emitting layer due to the participation of the unshared electron pair, and the triplet of the host material. Promotes deactivation of term excitons. As a result, the TTF phenomenon cannot occur efficiently. Therefore, the triplet barrier structure portion of the barrier material must be a condensed ring mainly composed of hydrocarbons that form an excited triplet state based on the ⁇ - ⁇ * transition.
  • the triplet energy of the barrier material is larger than the triplet energy of the host material of the light emitting layer.
  • the triplet barrier function of the barrier material is largely determined by the triplet barrier structure site.
  • the triplet energy transitions to the structural part having the lowest triplet energy among the structural parts of the barrier material.
  • part is a condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compound
  • a barrier material exhibits a triplet barrier function effectively.
  • the structural site where the triplet energy is the lowest (small) among the structural sites contained in the compound is not composed of carbon and hydrogen, the compound does not have a triplet barrier structural site. Become.
  • the triplet barrier structure site is preferably any one selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (1) to (6).
  • a structure part having 4 or more rings is preferred.
  • molecular stacking in the thin film is improved due to its high planarity, and electron mobility is increased.
  • electron injection into the light emitting layer can be promoted, the recombination efficiency in the light emitting layer can be increased, and the TTF phenomenon can be efficiently caused.
  • Ar 1 to Ar 9 represent a condensed ring structure having 4 to 16 ring carbon atoms.
  • Examples of the compound represented by the formula (1) include the following skeletons.
  • Examples of the compound represented by the formula (2) include the following skeletons.
  • Examples of the compound represented by the formula (3) include the following skeletons.
  • Examples of the compound represented by the formula (4) include the following skeletons in addition to the compound represented by the formula (1).
  • Examples of the compound represented by the formula (5) include the following skeletons.
  • Examples of the compound represented by formula (6) include the following skeletons.
  • the electron transporting structural part refers to a structural part where an atom having one or more unshared electron pairs is present. For example, nitrogen, oxygen, sulfur, phosphorus, etc. are mentioned as an atom which has an unshared electron pair.
  • the electron injection / transport function of the barrier material is determined by the electron transport structure site. First, the unshared electron pair of the electron transport structure site mediates the transfer of electrons from the adjacent layer. The electrons injected into the barrier material are more likely to donate electrons through the electron transport structure site, that is, move to a structure site having a low LUMO level, thereby contributing to electron injection into the light emitting layer. . Therefore, the barrier material according to the present invention includes the electron transport structure portion, and thus can perform an electron injection / transport function without increasing the stacked structure of the electron transport zone.
  • the electron transport structure site includes one or more of the following partial structures.
  • X 1 and X 2 are each a carbon atom or a nitrogen atom.
  • the electron transport structure site is a monocyclic ring or a condensed polycyclic ring including one or more rings selected from the following rings.
  • X 11 to X 15 and X 21 to X 26 are each a carbon atom or a nitrogen atom, provided that at least one of X 11 to X 15 and at least one of X 21 to X 26 are nitrogen atoms. is there.
  • the electron transport structure site includes one or more rings selected from the following rings.
  • a plurality of electron transport structure sites may be bonded by a single bond.
  • the cyclic structure is benzochrysene, two benzenes, and benzimidazole.
  • the triplet energy of benzochrysene is 2.4 eV
  • the triplet energy of benzene is 3.7 eV
  • the triplet energy of benzimidazole is 3.3 eV. Therefore, the triplet barrier structure site of ETB1 is benzochrysene.
  • the electron transport structure site is benzimidazole with nitrogen, which is an atom having one or more unshared electron pairs.
  • the cyclic structure is three benzenes and two phenanthrolines.
  • the triplet energy of benzene is 3.7 eV
  • the triplet energy of phenanthroline is 2.8 eV. Therefore, ET1 does not have a triplet barrier structure site because ET1 has the lowest triplet energy in phenanthroline which is not a condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compound.
  • the electron transport structure site becomes phenanthroline with nitrogen, which is an atom having one or more unshared electron pairs.
  • Suitable barrier materials include polycyclic aromatic compounds represented by the following formula.
  • Ar is a substituted or unsubstituted condensed polycyclic aromatic hydrocarbon group
  • L is a single bond, a substituted or unsubstituted one or more hydrocarbon rings having 6 to 30 ring carbon atoms, or It is a heterocyclic ring having 5 to 30 nuclear atoms.
  • HAr is a heterocycle containing an atom having a substituted or unsubstituted unshared electron pair.
  • L is a condensed polycyclic aromatic hydrocarbon group
  • Ar or L becomes a substituted or unsubstituted triplet barrier structure site
  • HAr becomes a substituted or unsubstituted electron transport structure site.
  • L is also an electron transport structure site.
  • a and b are integers of 1 to 4, and one of them is 1. Preferably, both a and b are 1.
  • L is preferably a phenylene group, a biphenylene group, a fluorenylene group, or a naphthylene group, and more preferably a phenylene group.
  • each group examples include, for example, a halogen atom, a hydroxyl group, a substituted or unsubstituted amino group, a nitro group, a cyano group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted group An alkenyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, a substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, a substituted or unsubstituted aralkyl group, Examples thereof include a substituted or unsubstituted aryloxy group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, and a carboxyl group.
  • aromatic hydrocarbon group examples include benzene, naphthalene, phenanthrene, fluorene, chrysene, fluoranthene and triphenylene.
  • substituents are alkyl groups, phenyl groups, naphthyl groups, and the like.
  • barrier material is illustrated below.
  • the mobility of the barrier material is preferably 10 ⁇ 6 cm 2 / Vs or higher. More preferably, it is 10 ⁇ 5 cm 2 / Vs or more.
  • the mobility is measured with a film thickness of 200 nm and a bias DC voltage of 5V.
  • a method for measuring the electron mobility of an organic material several methods such as the Time of Flight method are known.
  • the electron mobility is determined by impedance spectroscopy.
  • a barrier material having a thickness of preferably about 100 nm to 200 nm is sandwiched between the anode and the cathode, and a minute AC voltage of 100 mV or less is applied while applying a bias DC voltage.
  • the AC current value (absolute value and phase) flowing at this time is measured. This measurement is performed while changing the frequency of the AC voltage, and the complex impedance (Z) is calculated from the current value and the voltage value.
  • a barrier layer contains the donor which shows a reducing property with respect to a barrier material other than a barrier material.
  • the carrier concentration can be increased.
  • a reducing donor alkali metal, alkaline earth metal, rare earth metal, alkali metal oxide, alkali metal halide, alkaline earth metal oxide, alkaline earth metal halide, rare earth metal oxide. Examples include one or more substances selected from the group consisting of rare earth metal halides, alkali metal organic complexes, alkaline earth metal organic complexes, and rare earth metal organic complexes.
  • the light emitting layer can contain two or more fluorescent light emitting dopant materials having a main peak wavelength of 550 nm or less.
  • a low work function metal-containing layer may be provided between the electron transport zone and the cathode.
  • the low work function metal-containing layer is a layer containing a low work function metal or a low work function metal compound. Even if it is formed of only a low work function metal or a low work metal compound, it is formed by adding a low work function metal, a low work function metal compound, or a low work function metal complex as a donor to the material used for the electron transport layer. May be.
  • a low work function metal means a metal having a work function of 3.8 eV or less. Examples of the metal having a low work function of 3.8 eV or less include alkali metals and alkaline earth metals. Examples of the alkali metal include Li, Na, K, and Cs.
  • alkaline earth metal examples include Mg, Ca, Sr, and Ba. Other examples include Yb, Eu and Ce.
  • the oxide, halide, carbonate, borate of a low work metal function is preferable.
  • Halides include fluoride, chloride and bromide, with fluoride being preferred.
  • LiF is preferably used.
  • the low work function metal complex is a low work function metal complex, and an alkali metal, alkaline earth metal, or rare earth metal organometallic complex is preferable.
  • TTF ratio When the triplet energy of the host material, dopant material and barrier material satisfies the predetermined relationship, the ratio of TTF-derived emission intensity to the total emission can be increased to 30% or more, which can be achieved with a conventionally known fluorescent element. High efficiency that was not possible can be achieved.
  • the emission intensity ratio derived from TTF can be measured by a transient EL method.
  • the transient EL method is a method for measuring the attenuation behavior (transient characteristic) of EL light emission after the DC voltage applied to the element is removed.
  • the EL emission intensity is classified into a light emission component from a singlet exciton generated by the first recombination and a light emission component from a singlet exciton generated via the TTF phenomenon.
  • the lifetime of singlet excitons is on the order of nanoseconds and is so short that it decays quickly after removal of the DC voltage.
  • the TTF phenomenon gradually attenuates due to light emission from the singlet excitons generated via the long-lived triplet excitons.
  • the light emission from the singlet excitons and the light emission from the triplet excitons have a large time difference, and thus the emission intensity derived from TTF can be obtained. Specifically, it can be determined by the following method.
  • the transient EL waveform is measured as follows (see FIG. 4).
  • a pulse voltage waveform output from the voltage pulse generator (PG) is applied to the EL element.
  • the applied voltage waveform is taken into an oscilloscope (OSC).
  • OSC oscilloscope
  • PMT photomultiplier tube
  • the voltage waveform and pulse emission are synchronized and taken into a personal computer (PC).
  • the TTF-derived emission intensity ratio is determined as follows by analysis of the transient EL waveform.
  • the rate equation of the decay behavior of the triplet exciton is taken to model the decay behavior of the emission intensity based on the TTF phenomenon.
  • the time decay of the triplet exciton density nT inside the light emitting layer can be expressed by the following rate equation using the decay rate ⁇ due to the lifetime of the triplet exciton and the decay rate ⁇ due to the collision of the triplet exciton. .
  • the graph on the left of FIG. 5 is a measurement example when a predetermined DC voltage is applied to the EL element and then the voltage is removed, and shows a change over time in the emission intensity of the EL element.
  • the DC voltage was removed at about 3 ⁇ 10 ⁇ 8 seconds.
  • the graph represents the luminance when the voltage is removed as 1. After that, a slow decay component appears after a rapid decay up to about 2 ⁇ 10 ⁇ 7 seconds.
  • the graph on the right side of FIG. 5 is a graph in which the reciprocal of the square root of the light intensity up to 10 ⁇ 5 seconds after voltage removal is plotted with the origin of voltage removal as the origin, and it can be seen that it can be approximated to a straight line well.
  • the element of the present invention can have a tandem element configuration having at least two light emitting layers (units including a light emitting layer).
  • a charge generation layer also referred to as CGL
  • An electron transport zone can be provided for each unit.
  • At least one light emitting layer is a fluorescent light emitting layer, and a unit including the light emitting layer satisfies the above requirements.
  • An example of a specific configuration is shown below. Further, the following light emitting layer may be a laminate of a plurality of light emitting layers.
  • FIG. 6 shows an example of the organic EL element according to this embodiment.
  • the organic EL element 1 includes an anode 10, light emitting layers 22 and 24, and a cathode 40 in this order, and a charge generation layer 60 is provided between the light emitting layers 22 and 24.
  • the barrier layer 32 is adjacent to one of the light emitting layers 22 and 24. Either of the light emitting layers 22 and 24 adjacent to the barrier layer 32 is a fluorescent light emitting layer that satisfies the requirements of the present invention.
  • the other light emitting layer may be fluorescent or phosphorescent.
  • an electron transport band and / or a hole transport band may be interposed between the two light emitting layers 22 and 24.
  • the light emitting layer may be 3 or more, and the charge generation layer may be 2 or more.
  • an anode, a plurality of light emitting layers, an electron transport zone, and a cathode are provided in this order, and a charge barrier layer is provided between any two light emitting layers of the plurality of light emitting layers, and the electron transport zone is provided.
  • the light emitting layer in contact with it is a fluorescent light emitting layer and satisfies the above requirements.
  • a suitable organic EL element As a configuration of a suitable organic EL element according to the present embodiment, as described in Japanese Patent No. 4134280, US Published Patent Publication US2007 / 0273270A1, International Publication WO2008 / 023623A1, an anode, a first light emitting layer, a charge
  • a configuration having an electron transport band having a barrier layer for preventing diffusion of triplet excitons between the second light emitting layer and the cathode can be given. It is done.
  • the charge barrier layer is provided with an energy barrier of HOMO level and LUMO level between the adjacent light emitting layers, thereby adjusting the carrier injection into the light emitting layer, and carriers of electrons and holes injected into the light emitting layer.
  • This layer has the purpose of adjusting the balance.
  • Anode / first light emitting layer / charge barrier layer / second light emitting layer / electron transport zone / cathode Anode / first light emitting layer / charge barrier layer / second light emitting layer / third light emitting layer / electron transport zone / cathode As in the other embodiments, it is preferable to provide a hole transport zone between the first light emitting layer and the first light emitting layer.
  • FIG. 7 shows an example of the organic EL element according to this embodiment.
  • the upper diagram of FIG. 7 shows the device configuration and the HOMO and LUMO energy levels of each layer.
  • the figure below shows the relationship between the energy gap between the third light emitting layer and the barrier layer.
  • the organic EL element 2 includes an anode, a first light emitting layer, a second light emitting layer, a third light emitting layer, an electron transport band, and a cathode 4 in this order, and is provided between the first light emitting layer and the second light emitting layer.
  • the electron transport zone consists of a barrier layer.
  • the third light emitting layer is a fluorescent light emitting layer that satisfies the requirements of the present invention.
  • the first light emitting layer and the second light emitting layer may be fluorescent or phosphorescent.
  • the element of the present embodiment is suitable as a white light-emitting element, and can be white by adjusting the emission color of the first light-emitting layer, the second light-emitting layer, and the third light-emitting layer.
  • the light emitting layer may be only the first light emitting layer and the second light emitting layer, and the light emission color of the two light emitting layers may be adjusted to be white.
  • the second light emitting layer is a fluorescent light emitting layer that satisfies the requirements of the present invention.
  • the host material of the first light emitting layer is a hole transporting material
  • a fluorescent light emitting dopant material having a main peak wavelength larger than 550 nm is added, and the host material of the second light emitting layer (and the third light emitting layer) is transported by electrons.
  • the hole transport material is compared with the triplet energy of the hole transport material and the host material.
  • the triplet energy is preferably large.
  • the selection of a hole transport material is not considered to be a special element design item at present in order to achieve the effects of the present invention. It is done.
  • blue pixels, green pixels, and red pixels are provided side by side on the substrate.
  • a blue pixel and / or a green pixel have the configuration of the first embodiment.
  • FIG. 8 shows an example of the organic EL element according to this embodiment.
  • a blue pixel B, a green pixel G, and a red pixel R are formed in parallel on a common substrate 100.
  • the blue pixel B includes an anode 10, a hole transport zone 50, a blue light emitting layer 20B, an electron transport zone composed of a barrier layer 32, a cathode 40, and a protective layer 70 in this order from the substrate 100.
  • the green pixel G includes an anode 10, a hole transport zone 50, a green light emitting layer 20G, an electron transport zone composed of a barrier layer 32, a cathode 40, and a protective layer 70 in this order from the substrate 100.
  • the red pixel R includes an anode 10, a hole transport zone 50, a red light emitting layer 20R, an electron transport zone comprising a barrier layer 32, a cathode 40, and a protective layer 70 in this order from the substrate 100.
  • An insulating film 200 is formed between the anodes of the adjacent pixels to maintain the insulation between the pixels.
  • the barrier layer is provided in common for the blue pixel B, the red pixel R, and the green pixel G.
  • the effect of the barrier layer is remarkable compared to the light emission efficiency obtained in the conventional blue fluorescent element, but the same effect of confining the triplet energy in the light emitting layer is obtained also in the green fluorescent element and the red fluorescent element. Therefore, improvement in luminous efficiency can be expected.
  • the phosphorescent light-emitting layer it is possible to obtain an effect of confining triplet excitons in the light-emitting layer, which prevents diffusion of triplet energy and contributes to the improvement of the luminous efficiency of the phosphorescent dopant material.
  • the hole transport zone includes a hole injection layer and / or a hole transport layer.
  • the hole transport zones may be common or different.
  • each hole transport zone has a configuration suitable for the emission color.
  • the organic layer composed of the light emitting layers 20B, G, R and the barrier layer is not limited to the configuration shown in the figure and can be changed as appropriate.
  • the green light emitting layer is preferably composed of the following host material and dopant material.
  • the host material is preferably a condensed aromatic ring derivative.
  • condensed aromatic ring derivatives anthracene derivatives, pyrene derivatives, and the like are more preferable in terms of light emission efficiency and light emission lifetime.
  • examples of the host material include heterocyclic compounds.
  • examples of the heterocyclic compound include carbazole derivatives, dibenzofuran derivatives, ladder-type furan compounds, and pyrimidine derivatives.
  • the dopant material is not particularly limited as long as it has the function, but an aromatic amine derivative is preferable in terms of luminous efficiency and the like.
  • an aromatic amine derivative a condensed aromatic ring derivative having an optionally substituted arylamino group is preferable. Examples of such a compound include pyrene, anthracene, and chrysene having an arylamino group.
  • a styrylamine compound is also preferable as the dopant material.
  • the styrylamine compound include styrylamine, styryldiamine, styryltriamine, and styryltetraamine.
  • styrylamine is a compound in which at least one arylvinyl group is substituted on an optionally substituted arylamine, and the arylvinyl group may be substituted, and the substituent is an aryl group.
  • a silyl group, an alkyl group, a cycloalkyl group, and an arylamino group, and these substituents may further have a substituent.
  • boron complexes and fluoranthene compounds are also preferable as dopant materials.
  • a metal complex is also preferable as the dopant material. Examples of metal complexes include iridium complexes and platinum complexes.
  • the red light emitting layer is preferably composed of the following host material and dopant material.
  • the host material is preferably a condensed aromatic ring derivative.
  • a condensed aromatic ring derivative a naphthacene derivative, a pentacene derivative, or the like is more preferable in terms of light emission efficiency and light emission lifetime.
  • examples of the host material include condensed polycyclic aromatic compounds.
  • examples of the condensed polycyclic aromatic compound include naphthalene compounds, phenanthrene compounds, and fluoranthene compounds.
  • an aromatic amine derivative is preferable.
  • the aromatic amine derivative a condensed aromatic ring derivative having an optionally substituted arylamino group is preferable.
  • An example of such a compound is periflanten having an arylamino group.
  • metal complex is preferable as the dopant material.
  • metal complexes include iridium complexes and platinum complexes.
  • the element of Embodiment 4 is produced as follows, for example.
  • a transparent conductive layer such as an APC (Ag—Pd—Cu) layer (reflection layer), a zinc oxide film (IZO), or a tin oxide film, which is a silver alloy layer, is formed on the substrate in this order.
  • the conductive material layer is patterned by etching using a resist pattern as a mask by using a normal lithography technique to form an anode.
  • an insulating film made of a photosensitive resin such as polyimide is applied and formed on the anode by spin coating. Thereafter, the blue light emitting region, the green light emitting region, and the red light emitting region are patterned by exposing, developing and curing to expose the anode.
  • red pixels, green pixels, and blue pixels which correspond to the blue light emitting region, the green light emitting region, and the red light emitting region, respectively, and correspond to the anode.
  • UV ozone washing is performed for 30 minutes.
  • a positive hole injection layer and a positive hole transport layer a positive hole injection layer is laminated
  • Each light emitting layer is formed so as to correspond to each position of the anode for the red pixel, the green pixel, and the blue pixel.
  • the blue light emitting layer, the green light emitting layer, and the red light emitting layer are finely patterned using a shadow mask.
  • a barrier layer is laminated over the entire surface. Subsequently, when the electron injection layer is formed, the electron injection layer is laminated over the entire surface. Then, Mg and Ag are vapor-deposited to form a cathode made of a semi-permeable MgAg alloy.
  • Table 1 shows the physical property values of the above materials.
  • the measuring method of physical properties is as follows.
  • (1) Triplet energy (E T ) The measurement was performed using a commercially available apparatus F-4500 (manufactured by Hitachi).
  • Conversion formula of E T is as follows.
  • the triplet energy E T may be determined by quantum chemical calculation as follows. Quantum chemical calculations can be performed using Gaussian 03, a quantum chemical calculation program manufactured by Gaussian. Gaussian03 was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1998. A. It is a program developed by Pople et al., And it is possible to predict physical properties such as molecular energy, structure, and standard vibration for various molecular systems by various quantum chemical calculation methods. For the calculation, density functional theory (DFT) is used. For the structure optimized using B3LYP as the functional and 6-31G * as the basis function, the calculated value of triplet energy can be obtained by time-dependent density functional theory (TD-DFT). In some organic compounds, the phosphorescence spectrum may not be observed. Such in organic compounds, to the use of triplet energy E T obtained by using a quantum chemical calculation, as indicated above in estimation.
  • DFT density functional theory
  • TD-DFT time-dependent density functional theory
  • the ionization potential was measured using an atmospheric photoelectron spectrometer (manufactured by Riken Keiki Co., Ltd .: AC-3). Specifically, the measurement was performed by irradiating the material with light and measuring the amount of electrons generated by charge separation at that time.
  • Affinity It was calculated from the measured values of ionization potential and energy gap.
  • the energy gap was measured from the absorption edge of the absorption spectrum in benzene. Specifically, the absorption spectrum was measured using a commercially available visible / ultraviolet spectrophotometer, and calculated from the wavelength at which the spectrum started to rise.
  • Synthesis example 1 (A) Synthesis of benzo [g] chrysene-10-boronic acid Benzo [g] chrysene-10-boronic acid was synthesized according to the following synthesis scheme.
  • Synthesis example 7 (G) Synthesis of 2- (3-bromophenyl) -imidazo [1,2-a] pyridine As shown in the following synthesis scheme, 3-bromophenacyl bromide was used instead of 4-bromophenacyl bromide. Others were reacted in the same manner as in Synthesis Example 6 to synthesize 2- (3-bromophenyl) -imidazo [1,2-a] pyridine.
  • reaction solution was stirred for 5 hours while warming to room temperature.
  • the reaction solution was acidified with 2M hydrochloric acid, and the reaction solution was extracted with ethyl acetate. The aqueous layer was removed and the organic layer was washed with saturated brine and then dried over anhydrous sodium sulfate. After filtration, the solvent was distilled off under reduced pressure, and the residue was washed with a hexane-ethyl acetate mixed solution to obtain 7.9 g (yield 95%) of the desired 3- (fluoranthen-3-yl) phenylboronic acid.
  • the reaction solution was extracted with toluene. After removing the aqueous layer, the organic layer was washed with water and then dried over magnesium sulfate. After filtration, the solvent was distilled off under reduced pressure, and the residue was purified by silica gel column chromatography to obtain 3.4 g of a pale yellow solid.
  • Example 1 The following materials were sequentially deposited on a substrate on which a 130 nm-thick ITO (indium tin oxide) film was formed to obtain an element.
  • the parentheses indicate the film thickness (unit: nm).
  • Anode ITO (130) Hole injection layer: HT1 (50) Hole transport layer: HT2 (45) Light emitting layer: BH1 and BD1 (BD1 is 5% doped) (25) Barrier layer: ETB1 (25) Low work function metal-containing layer: LiF (1) Cathode: Al (80)
  • Examples 2-8, Comparative Examples 1-2 A device was obtained in the same manner as in Example 1 except that the host material of the light emitting layer and the material of the barrier layer were changed as shown in Table 2.
  • Evaluation Example The following evaluations were performed on the devices obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2. The results are shown in Table 2.
  • an organic EL element produced in Examples and Comparative Examples was supplied with a current with a current density of 10 mA / cm 2 and the emission spectrum was measured with a spectral radiance meter (CS1000: manufactured by Minolta). It measured and computed with the following numerical formula.
  • N P Number of photons
  • N E Number of electrons
  • Emission intensity (W / sr ⁇ m 2 ⁇ nm)
  • J Current density (mA / cm 2 )
  • the transient EL waveform was obtained by obtaining the current density when the current efficiency (L / J) is maximum in the current density-current efficiency curve and applying a voltage pulse waveform corresponding thereto. It should be noted that the improvement of internal quantum efficiency due to the TTF phenomenon is considered to be a theoretical limit of 62.5%, and in this case the emission ratio derived from TTF is 60%.
  • Example 1, 2, 4 and Comparative Example 1 differ only in the barrier material of the barrier layer.
  • the barrier material of Comparative Example 1 does not include a triplet barrier structure site. Therefore, triplet excitons generated in the host material are easily diffused into the barrier layer, and the TTF phenomenon does not occur efficiently.
  • Examples 1, 2, and 4 and Comparative Example 2 differ only in the barrier material of the barrier layer.
  • the barrier material of Comparative Example 2 does not include an electron transport structure site. Accordingly, it is difficult to inject electrons from the barrier layer to the light emitting layer, and recombination is reduced in the light emitting layer. As a result, the luminous efficiency is inferior.
  • Example 3 uses a fluoranthene compound as a barrier material. Similarly, the luminous efficiency is high as compared with Comparative Example 2 in which a fluoranthene compound is used as the barrier material. This is because the barrier material of Comparative Example 2 does not have an electron transport structure site.
  • Examples 5 to 8 are the same except that the host material of Examples 1 to 4 is changed from BH1 to BH2.
  • Examples 9-21 Each element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the host material and dopant material of the light emitting layer and the material of the barrier layer were changed as shown in Table 3.
  • the organic EL element of the present invention can be used for a display panel or a lighting panel for a large-sized television where low power consumption is desired.

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Abstract

陽極と、発光層と、電子輸送帯域と、陰極をこの順に備え、前記発光層は、ホスト材料と、主ピーク波長が550nm以下の蛍光発光を示すドーパント材料とを含み、前記電子輸送帯域は、前記発光層に隣接する障壁層を含み、前記障壁層は、電子輸送構造部位と、縮合多環芳香族炭化水素化合物からなるトリプレット障壁構造部位を有するとともにE >E (E 及びE は、それぞれ前記ホスト材料及び前記障壁材料の三重項エネルギーを示す)を満たす障壁材料を含む、有機エレクトロルミネッセンス素子。

Description

有機エレクトロルミネッセンス素子
 本発明は、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子、特に高効率の有機EL素子に関する。
 有機EL素子に電圧を印加すると、陽極から正孔が、また陰極から電子が注入され、発光層においてこれらが再結合し励起子を形成する。このとき、電子スピンの統計則により、一重項励起子と三重項励起子が25%:75%の割合で生成される。蛍光型の発光においては一重項励起子による発光のみが用いられると考えられていたため、内部量子効率は25%が限界といわれていた。蛍光材料を用いた蛍光型素子は最近長寿命化技術が進展し、携帯電話やテレビ等のフルカラーディスプレイへ応用されつつあるものの、高効率化が課題であった。
 蛍光型素子の高効率化技術に関連し、これまで有効活用されていなかった三重項励起子から発光を取出す技術がいくつか開示されている。例えば非特許文献1では、アントラセン系化合物をホスト材料に用いたノンドープ素子を解析し、メカニズムとして、二つの三重項励起子が衝突融合することにより一重項励起子が生成し、その結果、蛍光発光が増加している。しかしながら非特許文献1では、ホスト材料のみのノンドープ素子において、三重項励起子が衝突融合することによって蛍光発光の増加が確認されたことを開示するのみであり、三重項励起子による効率の増加分は3~6%と低い効果であった。
 非特許文献2には、青色蛍光素子において内部量子効率28.5%という従来の理論限界値25%を超えるような報告がなされている。しかしながら25%を超えるための技術的手段は何ら開示されておらず、またフルカラー有機ELテレビの実用化という観点では更なる高効率化が求められていた。
 また、蛍光素子において三重項励起子を利用した別の例が特許文献1に開示されている。通常の有機分子では、最低励起三重項状態(T1)は最低励起一重項状態(S1)よりも低いが、高い励起三重項状態(T2)はS1よりも高い場合がある。このような場合にT2からS1への遷移が起こることにより、励起一重項状態からの発光を得ることができるとされている。しかしながら、実際には外部量子効率は6%程度(光取出し効率を25%とすると、内部量子効率24%)であり、従来から言われている限界値25%を超えるものではなかった。また、ここでのメカニズムは一分子内での励起三重項状態から励起一重項状態への項間交差によるものであり、非特許文献1が開示している二つの三重項励起子の衝突による一重項の生成現象は起きていない。
 特許文献2,3には、蛍光素子においてBCP(バソクプロイン)やBPhen等のフェナントロリン誘導体を正孔障壁層に用いることにより、正孔障壁層と発光層の界面における正孔の密度を高め、効率よく再結合を起こす技術が開示されている。しかしながら、BCP(バソクプロイン)やBPhen等のフェナントロリン誘導体は正孔に対して脆弱性があり、酸化耐久性に劣り、素子の長寿命化という観点からは性能が不十分であった。
 また、正孔障壁層を発光層と電子輸送層の間に挿入することから、有機EL素子の積層構造をより多層化させる。積層構造の多層化は、有機EL素子製造のプロセスアップや、駆動電圧の上昇を招来することになる。
 また、特許文献4には、蛍光素子において、発光層と接する電子輸送層の材料としてアントラセン誘導体等の芳香族化合物を用いた有機EL素子が開示されている。しかしながら、これらは生成された一重項励起子が、短い時間の間に蛍光発光することを前提に設計された素子であるため、いわゆる燐光素子で通常設計される電子輸送層の三重項エネルギーとの関係については考慮されておらず、実際に、電子輸送層の三重項エネルギーが発光層の三重項エネルギーに比べて小さいため、発光層内で生成した三重項励起子は電子輸送層まで拡散されてしまい、その後、熱的失活過程を経ており、従来の蛍光発光の理論限界値である25%を超えることが困難であった。
 一方、燐光型は、直接三重項励起子からの発光を用いる。一重項励起子エネルギーも発光分子内部のスピン転換により三重項励起子へ変換されるため、原理的には100%近い内部発光効率が得られると期待されている。そのため、2000年にForrestらによりIr錯体を用いた燐光発光素子が発表されて以来、有機EL素子の高効率化技術として燐光発光素子が注目されている。しかしながら、赤色燐光素子は実用化の領域に達しているものの、緑、青燐光素子については蛍光型素子に比べて寿命が短く、とくに青色燐光については寿命のみならず色純度や発光効率が不十分である、といった課題があり、実用化には至っていないのが現状である。
特開2004-214180号公報 特開平10-79297号公報 特開2002-100478号公報 国際公開第2004/080975号パンフレット 特表2002-525808号公報 US登録公報7018723
Journal of Applied Physics,102,114504(2007) SID2008 DIGEST,709(2008)
 そこで、本発明者らは、非特許文献1に記載のある現象、即ち二つの三重項励起子の衝突融合により一重項励起子が生成する現象(以下、Triplet-Triplet Fusion=TTF現象、と呼ぶ)に着目し、TTF現象を効率的に起こして蛍光素子の高効率化を図る検討を実施した。具体的には、蛍光素子に用いることのできるホスト材料、蛍光発光性ドーパント材料の組合せを種々検討した結果、ホスト材料とドーパント材料の三重項エネルギーが特定の関係にあり、及び発光層の陰極側界面に隣接する層として、三重項エネルギーが大きい材料を用いた場合に、三重項励起子が発光層内に閉じ込められ、TTF現象を効率的に起こして蛍光素子の高効率かつ長寿命を実現するに至った。
 さらに本願は、積層構造の層の数を増やすことなく、三重項励起子を発光層内に閉じ込めることによってTTF現象を効率的に起こし、高効率かつ長寿命の有機EL素子を実現するに至った。
 本発明によれば、以下の有機EL素子が提供される。
1.陽極と、発光層と、電子輸送帯域と、陰極をこの順に備え、
 前記発光層は、ホスト材料と、主ピーク波長が550nm以下の蛍光発光を示すドーパント材料とを含み、
 前記電子輸送帯域は、前記発光層に隣接する障壁層を含み、
 前記障壁層は、電子輸送構造部位と、縮合多環芳香族炭化水素化合物からなるトリプレット障壁構造部位を有するとともに下記式(1)を満たす障壁材料を含む、有機エレクトロルミネッセンス素子。
 E >E ・・・(1)
(E 及びE は、それぞれ前記ホスト材料及び前記障壁材料の三重項エネルギーを示す。)
2.前記ホスト材料と前記ドーパント材料が下記式(2)を満たす1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
 E >E ・・・(2)
(E は、前記ドーパント材料の三重項エネルギーを示す。)
3.前記ホスト材料のアフィニティAfと前記障壁材料のアフィニティAfが下記式(3)を満たす1又は2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
 Af-Af>0eV・・・(3)
4.前記ホスト材料のイオン化ポテンシャルIpと前記ドーパント材料のイオン化ポテンシャルIpが下記式(4)を満たす1~3のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
 Ip-Ip<0.2eV・・・(4)
5.前記障壁材料の電子移動度が、10-6cm/Vs以上である1~4のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
6.前記障壁層が、前記障壁材料に対して還元性を示すドナーを含む1~5のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
7.前記発光層において三重項励起子同士が衝突して生成する一重項励起子由来の発光強度が、全発光強度に対して30%以上である1~6のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
8.前記電子輸送構造部位が、下記部分構造を1以上含む1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
(式中、X、Xはそれぞれ炭素原子又は窒素原子である。)
9.前記電子輸送構造部位が、下記環から選択される1以上の環を含む1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
(式中、X11~X15及びX21~X26はそれぞれ炭素原子又は窒素原子である。ただし、X11~X15の少なくとも1つ及びX21~X26の少なくとも1つは窒素原子である。)
10.前記電子輸送構造部位が、下記環から選択される1以上の環を含む1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
11.前記電子輸送構造部位が、下記環から選択される1以上の環を含む1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
12.前記トリプレット障壁構造部位が、下記環から選択される1~11のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
(式(1)~(6)中、Ar~Arは、環形成炭素数4~16の縮合環構造を表す。)
13.前記陽極と前記陰極の間に少なくとも2つの発光層を有し、2つの発光層の間に電荷発生層を備える1~12のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
14.陽極と、複数の発光層と、電子輸送帯域と、陰極をこの順に備え、
 前記複数の発光層のいずれか二つの発光層の間に電荷障壁層を有し、
 前記電子輸送帯域に接する発光層は、ホスト材料と、主ピーク波長が550nm以下の蛍光発光を示すドーパント材料とを含み、
 前記電子輸送帯域は、該発光層に隣接する障壁層を含み、
 前記障壁層は、電子輸送構造部位と、縮合多環芳香族炭化水素化合物からなるトリプレット障壁構造部位を有するとともに下記式(1)を満たす障壁材料を含む、有機エレクトロルミネッセンス素子。
 E >E ・・・(1)
(E 及びE は、それぞれ前記ホスト材料及び前記障壁材料の三重項エネルギーを示す。)
15.前記ホスト材料と前記ドーパント材料が下記式(2)を満たす14に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
 E >E ・・・(2)
(E は、前記ドーパント材料の三重項エネルギーを示す。)
 本発明によれば、発光層内部においてTTF現象を効率的に引き起こし、その結果、従来の蛍光素子の限界値といわれていた内部量子効率25%を超える高効率な素子を実現できる。
第1の実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す図である。 本発明の各層のエネルギーギャップの関係を示す図である。 本発明の各層のエネルギーギャップの関係に基づく作用を示す図である。 Af-Af≦-0.2eVである場合のエネルギーバンド図である。 Ip-Ip≧0.2eVである場合のエネルギーバンド図である。 Af-Af>-0.2eV、かつIp-Ip<0.2eVである場合のエネルギーバンド図である。 過渡EL波形の測定方法を示す図である。 TTF由来の発光強度比の測定方法を示す図である。 第2の実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す図である。 第3の実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す図である。 第4の実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す図である。
 <第1の実施形態>
 本発明はTTF現象を利用したものである。まず、以下にTTF現象を説明する。陽極、陰極から注入された正孔、電子は発光層内で再結合し励起子を生成する。そのスピン状態は、従来から知られているように、一重項励起子が25%、三重項励起子が75%の比率である。従来知られている蛍光素子においては、25%の一重項励起子が基底状態に緩和するときに光を発するが、残りの75%の三重項励起子については光を発することなく熱的失活過程を経て基底状態に戻る。従って、従来の蛍光素子の内部量子効率の理論限界値は25%といわれていた。
 一方、有機物内部で生成した三重項励起子の挙動が理論的に調べられている。S.M.Bachiloらによれば(J.Phys.Cem.A,104,7711(2000))、5重項等の高次の励起子がすぐに三重項に戻ると仮定すると、三重項励起子(以下、と記載する)の密度が上がってきたとき、三重項励起子同士が衝突し下記式のような反応が起きる。ここで、Aは基底状態、は一重項励起子を表す。→(4/9)A+(1/9)+(13/9)即ち、5→4A+となり、当初生成した75%の三重項励起子のうち、1/5即ち20%が一重項励起子に変化することが予測されている。従って、光として寄与する一重項励起子は当初生成する25%分に75%×(1/5)=15%を加えた40%ということになる。このとき、全発光強度中に占めるTTF由来の発光比率(TTF比率)は、15/40、即ち37.5%となる。また、当初生成した75%の三重項励起子のお互いが衝突して一重項励起子が生成した(2つの三重項励起子から1つの一重項励起子が生成した)とすると、当初生成する一重項励起子25%分に75%×(1/2)=37.5%を加えた62.5%という非常に高い内部量子効率が得られることとなる。このとき、TTF比率は37.5/62.5=60%となる。
 図1は、本発明の第1の実施形態の一例を示す有機EL素子の概略構成図である。図2Aは各層の最低励起一重項エネルギー準位及び最低励起三重項エネルギー準位を模式的に表す。尚、本発明で三重項エネルギーは、最低励起三重項状態におけるエネルギーと基底状態におけるエネルギーの差をいい、一重項エネルギー(エネルギーギャップという場合もある)は、最低励起一重項状態におけるエネルギーと基底状態におけるエネルギーの差をいう。図1に示す有機EL素子は、陽極10から順に、正孔輸送帯域50、発光層20、電子輸送帯域30、陰極40の順に積層されている。陽極10と発光層20の間に正孔輸送帯域50が設けられていることが好ましい。図2Aに示す実施形態では、電子輸送帯域が障壁層のみの構成を示している。しかし、障壁層のみの実施形態はより注入性の高い電子注入層の挿入を妨げるものではない。電子注入層を形成するときは、従来電子注入層として使用されてきた一般的な化合物を使用することができる。含へテロ環化合物が好ましい。なお、本発明において単に障壁層といったときは三重項エネルギーに対する障壁機能を有する層をいう。従って、正孔障壁層や電荷障壁層とはその機能が異なるものである。
 発光層はホスト材料と、主ピーク波長が550nm以下の蛍光発光を示すドーパント材料(以下、主ピーク波長550nm以下の蛍光発光性ドーパント材料ともいう)から形成される(本発明における主ピーク波長とは、発光スペクトラムにおける発光強度が最大となる発光スペクトルのピーク波長をいう)。主ピーク波長550nmとは緑色発光程度に相当し、当該波長領域ではTTF現象を利用した蛍光発光素子の発光効率の向上が望まれる。また、480nm以下の青色発光を示す蛍光発光素子においては、より高い発光効率の向上が期待できる。なお、550nm以上の赤色発光については内部量子効率の高い燐光発光素子が既に実用水準にあることから、蛍光素子として発光効率の向上は望まれていない。図2Aにおいて、陽極から注入された正孔は正孔輸送帯域を通して発光層へ注入され、陰極から注入された電子は電子輸送帯域を通して発光層へ注入される。その後、発光層で正孔と電子が再結合し、一重項励起子と三重項励起子が生成する。再結合はホスト材料分子上で起こる場合とドーパント材料分子上で起こる場合の2通りがある。本実施形態では、図2Aに示されるように、ホスト材料、ドーパント材料の三重項エネルギーをそれぞれE 、E とするとき、E <E の関係を満たす。この関係を満たすことにより、さらに図2Bに示されるように、ホスト材料上で再結合し発生した三重項励起子は、より高い三重項エネルギーを持つドーパント材料には移動しない。また、ドーパント材料分子上で再結合し発生した三重項励起子は速やかにホスト材料分子にエネルギー移動する。即ちホスト材料の三重項励起子がドーパント材料に移動することなくTTF現象によって効率的にホスト材料上で三重項励起子同士が衝突することで一重項励起子が生成される。さらに、ドーパント材料の一重項エネルギーE は、ホスト材料の一重項エネルギーE より小さいため、TTF現象によって生成された一重項励起子は、ホスト材料からドーパント材料へエネルギー移動しドーパント材料の蛍光性発光に寄与する。本来、蛍光型素子に用いられるドーパント材料においては、励起三重項状態から基底状態への遷移は禁制であり、このような遷移では三重項励起子は光学的なエネルギー失活をせず、熱的失活を起こしていた。しかし、ホスト材料とドーパント材料の三重項エネルギーの関係を上記のようにすることにより、三重項励起子が熱的失活を起こす前に互いの衝突により効率的に一重項励起子を生成し発光効率が向上することになる。
 本発明では、電子輸送帯域は、発光層に隣接する部分に障壁層を有する。障壁層は、後述するように、発光層で生成する三重項励起子が電子輸送帯域へ拡散することを防止し、三重項励起子を発光層内に閉じ込めることによって三重項励起子の密度を高め、TTF現象を効率よく引き起こす機能を有する。三重項励起子拡散防止のため、図2A,2Bに示すように、障壁層を構成する化合物の三重項エネルギーE はE より大きく、さらに、E よりも大きいことが好ましい。障壁層は発光層にて生成された三重項励起子が電子輸送帯域へ拡散することを防止するので、発光層内においてホスト材料の三重項励起子が効率的に一重項励起子となり、その一重項励起子がドーパント材料上へ移動して光学的なエネルギー失活をする。また、後述するように、本発明の障壁層は、陰極等からの電子注入性を高めるため、ベンゾイミダゾール化合物のような含窒素化合物を部分構造として有する。
 さらに、TTF現象を効率的に起こすための条件を、ホスト材料とドーパント材料のアフィニティとイオン化ポテンシャルの関係に注目して説明する。以下では、ホスト材料及びドーパント材料のアフィニティをそれぞれAf、Afとし、イオン化ポテンシャルをIp、Ipと記載する。
(1)Af-Af≦-0.2eVである場合のエネルギーバンド図は、図3Aのようになる。発光層内に示している点線はドーパント材料のエネルギー準位を示す。図3Aのように、Af-Af<0eVの場合、ホスト材料とドーパント材料のアフィニティの差に比べてIpとIpの差はより大きくなる。これは、ホスト材料とドーパント材料のエネルギーギャップの差に起因する。従って、Af-Af≦-0.2eVの条件下では、Ip-Ip≦-0.2eVとなり、ドーパント材料は顕著な正孔トラップ性を示す。ここで、発光層内の正孔トラップの確率分布を考えると、図3Aのように発光層と正孔輸送層との界面付近で再結合が多く起きるようになる。これはドーパント材料に正孔がトラップされ、電子がホスト材料からドーパント材料に移動するのを待って再結合する確率が増えるからである。直接ドーパント材料分子上で生成された三重項励起子は、本発明のようにE <E という関係では、直接ドーパント材料上で生成した三重項励起子がデクスター型エネルギー移動によりホスト材料上に集まるため、効率よくTTF現象が起きるようになる。一般的に正孔輸送材料の三重項エネルギーは大きいので、三重項励起子の閉じ込め効果は高く、発光層内で効率よくTTF現象が起きる。一方、障壁層に近接した領域に存在する三重項励起子についても、本発明では障壁層の三重項エネルギーE がホスト材料の三重項エネルギーE よりも大きく設定されているため、三重項励起子が電子輸送帯域へ拡散するのを防止し、発光層内で効率よくTTF現象を引き起こすことが可能となる。
(2)Ip-Ip≧0.2eVである場合のエネルギーバンド図は、図3Bのようになる。発光層内に示している点線はドーパント材料のエネルギー準位を示す。図3Bのように、Ip-Ip>0eVの場合、ホスト材料とドーパント材料のイオン化ポテンシャルの差に比べてAfとAfの差はより大きくなる。これは、ホスト材料とドーパント材料のエネルギーギャップの差に起因する。従って、Ip-Ip≧0.2eVの条件下では、Af-Af>0.2eVとなり、ドーパント材料は顕著な電子トラップ性を示す。ここで、発光層内の電子トラップの確率分布を考えると、図3Bのように発光層と障壁層との界面付近で再結合が多く起きるようになる。その結果、三重項励起子についても発光層と障壁層との界面付近でより多く生成されることになる。一方、Ip-Ip≧0.2eVである場合には、ホスト材料からドーパント材料への正孔の移動が遅くなると考えられる。これは、ホスト材料とドーパント材料のHOMOレベルのエネルギー障壁に起因する。その結果、ホスト材料のラジカルカチオン状態が長く保たれることになる。ここで、ホスト材料のラジカルカチオンは三重項励起子の消光を招くため、三重項励起子の密度が高い発光層と障壁層との界面では、ホスト材料上の三重項励起子と陽極から運ばれてきたホスト材料上の正孔との間で励起状態のクエンチが起きやすい状況が生まれる。このため、障壁層による三重項励起子の障壁能力は高くても、Ip-Ip≧0.2eVである場合は電子正孔の再結合領域とホスト材料の正孔輸送能力との関係でTTF現象が効率よく起きない可能性がある。従って、Ip-Ip<0.2eVである場合が好ましい。
(3)最後に、(1),(2)以外の場合、Af-Af>-0.2eV、かつIp-Ip<0.2eVの場合を考える。この場合のエネルギーバンド図は、図3Cのようになる。発光層内に示している点線はドーパント材料のエネルギー準位を示す。ここで、AfとAfの差を-0.2eV超としたのは、一般に有機材料は測定されるアフィニティレベルよりも0.2eV程度の範囲にLUMOレベルの広がりを持つからである。同様にイオン化ポテンシャルよりも0.2eV程度の範囲にHOMOレベルの広がりを持つ。ホスト材料とドーパント材料が図3Cのような関係にある場合、ホスト材料のLUMOレベルの広がりの中にドーパント材料のLUMOレベルが入らないため、発光層内を伝導する電子はドーパント材料にトラップされにくい、即ちこのドーパント材料は電子トラップ性を示しにくい。同様の理由により、正孔トラップ性も示しにくい。
 この場合のドーパント材料は電子、正孔のいずれにも顕著なトラップ性を有さない傾向にある。このとき、図3Cの発光層に付した斜線部分のように、電子-正孔の再結合は発光層内の広い全域において主としてホスト材料分子上で起こり、25%の一重項励起子と75%の三重項励起子が主としてホスト材料分子上に生成する。ホスト材料上で生成した一重項励起子の持つエネルギーは、フェルスター型エネルギー移動によりドーパント材料に移動しドーパント材料分子の蛍光性発光に寄与する。一方、三重項励起子の持つエネルギーはホスト材料、ドーパント材料の三重項エネルギーの関係によってその行方が決まる。その関係がE >E となっている場合、ホスト材料で生成した三重項励起子は近傍に存在するドーパント材料にデクスター型エネルギー移動してしまう。蛍光素子において発光層中のドーパント材料濃度は通常数重量%~20重量%程度と低く、ドーパント材料に移った三重項励起子は互いに衝突する頻度が小さくなりTTF現象が生じにくくなる。しかし、本発明のように、E <E となっていれば、三重項励起子はホスト材料分子上に存在するため、衝突頻度が上がり効率的にTTF現象が生じやすくなる。
 (1)で表されるホスト材料とドーパント材料の組合せとして代表的には、ホスト材料がアントラセン誘導体又はピレン誘導体であり、ドーパント材料が芳香族アミン誘導体である組合せ等が挙げられる。中でもホスト材料はアントラセン誘導体が好ましく、ドーパント材料は、ジアミノクリセン誘導体、ジアミノピレン誘導体、スチリルアミン誘導体、アミノ置換縮合フルオレン誘導体、ジアミノアントラセン誘導体であることが好ましい。青色素子におけるさらに好ましい組合せは、アントラセン誘導体とジアミノピレン誘導体、アントラセン誘導体とジアミノクリセン誘導体又はアントラセン誘導体とスチリルアミン誘導体である。
 アントラセン誘導体としては、下記式で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 式中、Ar11及びAr12は、それぞれ独立に、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリール基、又は環形成原子数5~50の複素環基であり、
 R101~R108は、それぞれ独立に、水素原子、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリール基、置換もしくは無置換の環形成原子数5~50の複素環基、置換もしくは無置換の炭素数1~50のアルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数3~50のシクロアルキル基、置換もしくは無置換の炭素数1~50のアルコキシ基、置換もしくは無置換の炭素数7~50のアラルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリールオキシ基、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリールチオ基、置換もしくは無置換の炭素数2~50のアルコキシカルボニル基、置換もしくは無置換のシリル基、カルボキシ基、ハロゲン原子、シアノ基、ニトロ基及びヒドロキシル基から選ばれる基である。
 ピレン誘導体としては、下記式で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 式中、Rはそれぞれ水素原子又は置換基を示す。Arは、それぞれ置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50の芳香族炭化水素基又は置換もしくは無置換の環形成原子数5~50の複素環基を示す。
 Lは直接結合、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~30の2価の芳香族炭化水素基又は置換もしくは無置換の環形成原子数5~30の2価の芳香族炭化水素基を示す。
 aは1~10の整数、pは1~6の整数、qは0~10の整数を示す。
 ジアミノピレン誘導体としては、下記式で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
 式中、Rはそれぞれ水素原子、置換もしくは無置換の炭素数1~20のアルキル基、置換もしくは無置換の炭素数2~50のアルケニル基、置換もしくは無置換の炭素数2~50のアルキニル基、置換もしくは無置換の炭素数1~20のアラルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数3~20のシクロアルキル基、置換もしくは無置換の炭素数1~20のアルコキシ基、置換もしくは無置換の環形成炭素数5~20のアリールオキシ基、置換もしくは無置換の環形成炭素数5~50のアリール基、置換もしくは無置換の炭素数1~30のアルキルシリル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリールシリル基、置換もしくは無置換の炭素数1~50のアルキルゲルマニウム基、又は置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリールゲルマニウム基を示す。
 uは1~8の整数を示す。
 Ar~Arは、それぞれ置換もしくは無置換の環形成炭素数5~20のアリール基、又は置換もしくは無置換の環形成原子数5~20のヘテロアリール基を示す。
 ジアミノクリセン誘導体としては、下記式で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
 式中、Rはそれぞれ水素原子、置換もしくは無置換の炭素数1~20のアルキル基、置換もしくは無置換の炭素数2~50のアルケニル基、置換もしくは無置換の炭素数2~50のアルキニル基、置換もしくは無置換の炭素数1~20のアラルキル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数3~20のシクロアルキル基、置換もしくは無置換の炭素数1~20のアルコキシ基、置換もしくは無置換の環形成炭素数5~20のアリールオキシ基、置換もしくは無置換の環形成炭素数5~50のアリール基、置換もしくは無置換の炭素数1~30のアルキルシリル基、置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリールシリル基、置換もしくは無置換の炭素数1~50のアルキルゲルマニウム基、又は置換もしくは無置換の環形成炭素数6~50のアリールゲルマニウム基を示す。
 tは1~10の整数を示す。
 Ar~Arは、それぞれ置換もしくは無置換の環形成炭素数5~20のアリール基、又は置換もしくは無置換の環形成原子数5~20のヘテロアリール基を示す。
 スチリルアミン化合物及びスチリルジアミン化合物としては、下記式(6)及び(7)で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
 式(6)中、Ar11はu価の基であり、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、ターフェニル基、スチルベン基、スチリルアリール基、ジスチリルアリール基に対応するu価の基であり、Ar12及びAr13はそれぞれ環形成炭素数が6~20の芳香族炭化水素基であり、Ar11、Ar12及びAr13は置換されていてもよい。uは1~4の整数であり、1~2の整数であるのが好ましい。Ar11~Ar13のいずれか一つはスチリル基を含有する基である。さらに好ましくはAr12又はAr13の少なくとも一方はスチリル基で置換されている。
 ここで、環形成炭素数が6~20の芳香族炭化水素基としては、フェニル基、ナフチル基、アントラニル基、フェナンスリル基、ターフェニル基等が挙げられる。
 式(7)中、Ar14~Ar16は、v価の置換もしくは無置換の環形成炭素数6~40の芳香族基である。vは1~4の整数であり、1~2の整数であるのが好ましい。
 (2)で表されるホスト材料とドーパント材料の組合せとして代表的には、ホスト材料がアントラセン誘導体又はピレン誘導体であり、ドーパント材料が電子吸引基を含有する化合物である組合せが挙げられる。中でもホスト材料はアントラセン誘導体が好ましく、ドーパント材料は、電子吸引基が置換されたホウ素含有化合物が好ましい。アントラセン誘導体又はピレン誘導体の好適例は上述の通りである。
 かかるホウ素含有化合物としては、下記式のいずれかで表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
 式中、A及びA’は、独立して、少なくとも1つの窒素を含む6員環の芳香族環構造に対応するアジン環を示し、
 X及びXは、それぞれ独立して、選択された置換基を示し、そのうちの2つは結合してAあるいはA’に縮合する環を形成してもよく、
 m及びnは、独立して、0から4を示し、
 Yは、水素もしくは置換基を示し、
 Z及びZは、独立して、選択された置換基を示し、
 1,2,3,4、1’、2’、3’及び4’は、独立して、炭素原子か窒素原子のいずれを示す。
 (3)で表されるホスト材料とドーパント材料の組合せとして代表的には、ホスト材料がアントラセン誘導体又はピレン誘導体であり、ドーパント材料がアミノ基を含有しない3環以上縮環した縮合芳香族炭化水素誘導体である組合せ等が挙げられる。中でもホスト材料はアントラセン誘導体が好ましく、ドーパント材料は、アミノ基を含有しないフルオレン誘導体、縮合フルオレン誘導体、フルオランテン誘導体、ベンゾフルオランテン誘導体、ピレン誘導体であることが好ましい。最も好ましい組合せは、アントラセン誘導体とベンゾフルオランテン誘導体である。アントラセン誘導体又はピレン誘導体の好適例は上述の通りである。
 フルオランテン誘導体としては、下記式で表されるものが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
 式中、R101~R106、R108~R111はそれぞれ水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のシクロアルキル基、置換もしくは無置換のアルコキシ基、置換もしくは無置換のシリル基、置換もしくは無置換のアリール基又は置換もしくは無置換のヘテロアリール基を示す。
 Ar101~Ar103はそれぞれ置換もしくは無置換のアリール基又は置換もしくは無置換のヘテロアリール基である。
 また、(1)~(3)のホスト材料は、環式構造又は単一原子同士が結合してなる化合物(環式構造と単一原子の結合も含む)であって、前記結合が単結合である化合物が好ましい。好ましくない例としては、環式構造以外で炭素-炭素二重結合が存在するホスト材料があげられる。その理由は、ホスト材料上で生成した三重項励起子のエネルギーが、TTF現象に使われず2重結合の構造変化に消費されてしまうからである。
 本発明における障壁層は、三重項エネルギーがホスト材料よりも大きな障壁材料から形成され、かつこれまで電子輸送層が果たしていた発光層への電子輸送機能も兼ねていることが好ましい。即ち、トリプレット障壁機能と電子輸送機能を併せ持つ障壁材料を用いることによって、有機EL素子の積層構造の層の数を増やすことなく、TTF現象を効率的に起こし、高効率かつ長寿命の有機EL素子を達成する。このことは、陰極からの電子注入性に優れた電子注入層を積層することを妨げるものではない。
 本発明における障壁材料のアフィニティAfとホスト材料のアフィニティAfが下記式を満たすことが好ましい。
 Af-Af>0eV
 好ましい理由としては、障壁層とホスト材料の間のLUMOレベルのエネルギー障壁をなくすことで、障壁層から発光層への電子注入性が増すためである。結果として、三重項励起子が生成されTTF現象を促進する。
 本発明における障壁層は、トリプレット障壁構造部位と電子輸送構造部位を含む化合物からなる。構造部位とは、化合物に含まれる個々の環式構造(置換基を除いた単環又は縮合多環)である。
 トリプレット障壁構造部位とは、化合物に含まれる構造部位の中で、三重項エネルギーが最も低くなる(小さい)構造部位をいう。つまり、化合物の三重項エネルギーを主として決定する構造部位である。トリプレット障壁構造部位は複数あってもよい。トリプレット障壁構造部位の三重項エネルギーは、置換基を除き、各構造部位同士の結合位置に水素が置換された独立した環式構造の三重項エネルギーをいう。さらに、トリプレット障壁構造部位は縮合多環芳香族炭化水素化合物でなければならない。その理由を以下に説明する。
 炭化水素からなる縮合環の遷移状態は、環式構造のπ電子雲が関与するπ-π*遷移に基づく。このπ電子雲の広がりは小さく、発光層の励起状態に及ぼす影響は小さい。一方、構造部位に非共有電子対を有する場合の遷移状態は、非共有電子対が関与することで、発光層で生成した三重項励起子との間で強い相互作用が生じ、ホスト材料の三重項励起子の失活を促進させる。この結果、TTF現象の効率的に起こすことができない。したがって、障壁材料のトリプレット障壁構造部位は主にπ-π*遷移に基づく励起三重項状態を形成する炭化水素からなる縮合環でなければならない。
 本発明では、障壁材料の三重項エネルギーは、発光層のホスト材料の三重項エネルギーよりも大きい。
 障壁材料のトリプレット障壁機能は、トリプレット障壁構造部位によって主として決定される。一般に、発光層で生成された三重項励起子が、隣接する障壁材料へそのエネルギーを遷移させる場合、障壁材料の各構造部位のうち、最も低い三重項エネルギーを有する構造部位に三重項エネルギーが遷移する。このことから、各構造部位のうち最も低い三重項エネルギーを有するトリプレット障壁構造部位が縮合多環芳香族炭化水素化合物である場合、障壁材料はトリプレット障壁機能を効果的に発揮する。以上の理由より、化合物に含まれる構造部位の中で三重項エネルギーが最も低くなる(小さい)構造部位が炭素と水素から構成されていない場合は、当該化合物はトリプレット障壁構造部位を有しないこととなる。
 トリプレット障壁構造部位は、下記の式(1)~(6)で表される化合物からなる群から選ばれるいずれかであることが好ましい。特に4環以上の構造部位が好ましい。4環以上の縮合環である場合、その平面性の高さによって薄膜中での分子スタッキングが向上し、電子移動度が大きくなる。結果として、発光層への電子注入を促進し、発光層での再結合効率を高め、TTF現象を効率的に起こすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
 式(1)~(6)中、Ar~Arは、環形成炭素数4から16の縮合環構造を表す。
 式(1)で表される化合物としては、例えば、以下の骨格が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
 式(2)で表される化合物としては、例えば、以下の骨格が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
 式(3)で表される化合物としては、例えば、以下の骨格が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
 式(4)で表される化合物としては、式(1)で表される化合物に加えて、以下の骨格が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
式(5)で表される化合物としては、例えば、以下の骨格が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000018
 式(6)で表される化合物としては、例えば、以下の骨格が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000019
 電子輸送構造部位とは、1以上の非共有電子対を有する原子が存在する構造部位をいう。例えば、非共有電子対を有する原子として窒素、酸素、硫黄、リン等が挙げられる。なお、電子輸送構造部位は複数あってもよい。障壁材料の電子注入・輸送機能は、電子輸送構造部位によって決定される。まず、電子輸送構造部位が有する非共有電子対は隣接層からの電子の授受を媒介する。障壁材料に注入された電子は、電子輸送構造部位を介してより電子を供与しやすい、即ちLUMO準位の低い構造部位へと移動することによって、発光層への電子注入に寄与することとなる。従って、本発明における障壁材料は、電子輸送構造部位を含むことによって、電子輸送帯域の積層構造を増やすことなく、電子の注入・輸送機能を果たすことができる。
 好ましくは、電子輸送構造部位は、下記部分構造を1以上含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000020
(式中、X、Xはそれぞれ炭素原子又は窒素原子である。)
 例えば、具体的には、電子輸送構造部位は、下記環から選択される1以上の環を含む単環又は縮合多環である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000021
(式中、X11~X15及びX21~X26はそれぞれ炭素原子又は窒素原子である。ただし、X11~X15の少なくとも1つ及びX21~X26の少なくとも1つは窒素原子である。)
 例えば、より具体的には、電子輸送構造部位は、下記環から選択される1以上の環を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000022
 さらに好ましくは、以下で示される複素環である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000023
 複数の電子輸送構造部位が単結合で結合されていてもよい。
 例えば後述する実施例で用いたETB1の場合、環式構造は、ベンゾクリセン、2つのベンゼン、ベンゾイミダゾールである。ベンゾクリセンの三重項エネルギーは2.4eV、ベンゼンの三重項エネルギーは3.7eV、ベンゾイミダゾールの三重項エネルギーは3.3eVである。従って、ETB1のトリプレット障壁構造部位はベンゾクリセンとなる。電子輸送構造部位は、1以上の非共有電子対を有する原子である窒素があるベンゾイミダゾールとなる。
 例えば実施例で用いたET1の場合、環式構造は、3つのベンゼン、2つのフェナントロリンである。ベンゼンの三重項エネルギーは3.7eV、フェナントロリンの三重項エネルギーは2.8eVである。従って、ET1の中で最も三重項エネルギーが小さいのは縮合多環芳香族炭化水素化合物ではないフェナントロリンであるため、ET1はトリプレット障壁構造部位を有しない。電子輸送構造部位は、1以上の非共有電子対を有する原子である窒素があるフェナントロリンとなる。
 好適な障壁材料として、以下の式で表される多環芳香族化合物が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000024
 式中、Arは、置換又は無置換の縮合多環芳香族炭化水素基であり、Lは、単結合、置換又は無置換の環形成炭素数6~30の1つ以上の炭化水素環、又は核原子数5~30の複素環である。HArは、置換又は無置換の非共有電子対を有する原子を含む複素環である。Lが縮合多環芳香族炭化水素基であるときは、Ar又はLが置換又は無置換のトリプレット障壁構造部位となり、HArが置換又は無置換の電子輸送構造部位となる。Lが非共有電子対を有する原子を含む複素環であるときはLも電子輸送構造部位となる。aとbは1~4の整数であり、かつ、どちらか一方は1である。好ましくは、aとb共に1である。
 上記多環芳香族化合物において、Lは好ましくはフェニレン基、ビフェニレン基、フルオレニレン基又はナフチレン基であり、より好ましくはフェニレン基である。
 各基(Ar、L、HAr)の置換基としては、例えば、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、置換若しくは無置換のアミノ基、ニトロ基、シアノ基、置換若しくは無置換のアルキル基、置換若しくは無置換のアルケニル基、置換若しくは無置換のシクロアルキル基、置換若しくは無置換のアルコキシ基、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基、置換若しくは無置換の芳香族複素環基、置換若しくは無置換のアラルキル基、置換若しくは無置換のアリールオキシ基、置換若しくは無置換のアルコキシカルボニル基、又は、カルボキシル基が挙げられる。芳香族炭化水素基の好ましい例としては、ベンゼン、ナフタレン、フェナントレン、フルオレン、クリセン、フルオランテン及びトリフェニレンを挙げることができる。各基が複数の置換基を有する場合、それらが環を形成していてもよい。好適な置換基は、アルキル基又はフェニル基、ナフチル基等である。
 障壁材料の具体例を以下に例示する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000026
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000027
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000028
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000029
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000030
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000031
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000032
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000033
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000034
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000035
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000036
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000037
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000038
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000039
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000040
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000041
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000042
 障壁材料の移動度は、10-6cm/Vs以上であることが好ましい。より好ましくは、10-5cm/Vs以上である。なお、本発明における移動度の測定は、膜厚200nmで、バイアスDC電圧5V下で行う。有機材料の電子移動度の測定方法としては、Time of Flight法等幾つかの方法が知られているが、本発明ではインピーダンス分光法で決定される電子移動度をいう。
 インピーダンス分光法による移動度測定について説明する。陽極、陰極で好ましくは厚さ100nm~200nm程度の障壁材料を挟み、バイアスDC電圧を印加しながら100mV以下の微小交流電圧を印加する。このときに流れる交流電流値(絶対値と位相)を測定する。交流電圧の周波数を変えながら本測定を行い、電流値と電圧値とから、複素インピーダンス(Z)を算出する。このときモジュラスM=iωZ(i:虚数単位、ω:角周波数)の虚数部(ImM)の周波数依存性を求め、ImMが最大値となる周波数ωの逆数を、障壁層内を伝導する電子の応答時間と定義する。そして以下の式により電子移動度を算出する。
 電子移動度=(障壁材料の膜厚)/(応答時間・バイアスDC電圧)
 障壁層は、障壁材料の他、障壁材料に対して還元性を示すドナーを含むことが好ましい。還元性ドナーを含むことにより、キャリア濃度を増やすことができる。
 還元性ドナーとして、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属のハロゲン化物、希土類金属の酸化物、希土類金属のハロゲン化物、アルカリ金属の有機錯体、アルカリ土類金属の有機錯体及び希土類金属の有機錯体からなる群から選択される1種又は2種以上の物質が例示される。
 発光層は、主ピーク波長550nm以下の2以上の蛍光発光性ドーパント材料を含むことができる。
 電子輸送帯域と陰極の間には、低仕事関数金属含有層を有してもよい。低仕事関数金属含有層とは、低仕事関数金属や、低仕事関数金属化合物を含有する層である。低仕事関数金属や低仕事金属化合物のみで形成されても、電子輸送層として用いられる材料に、低仕事関数金属、低仕事関数金属化合物、又は低仕事関数金属錯体をドナーとして添加して形成してもよい。低仕事関数金属とは、仕事関数が3.8eV以下の金属をいう。低仕事関数が3.8eV以下の金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。アルカリ金属としては、Li,Na,K,Cs等が挙げられる。アルカリ土類金属としては、Mg,Ca,Sr,Ba等が挙げられる。その他としては、Yb,Eu及びCe等が挙げられる。また低仕事関数金属化合物としては、低仕事金属関数の酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、ホウ酸塩が好ましい。ハロゲン化物としては、フッ化物、塩化物、臭化物が挙げられるが、フッ化物が好ましい。例えばLiFが好ましいものとして用いられる。また、低仕事関数金属錯体としては、低仕事関数金属の錯体であり、アルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類金属の有機金属錯体が好ましい。
 <TTF比率の測定>
 ホスト材料、ドーパント材料及び障壁材料の三重項エネルギーが所定の関係を満たすことにより、全発光に対するTTF由来の発光強度比を30%以上とすることができ、従来知られていた蛍光素子では達成できなかった高効率化を可能とすることができる。
 TTF由来の発光強度比は、過渡EL法により測定することができる。過渡EL法とは、素子に印加しているDC電圧を除去したあとのEL発光の減衰挙動(過渡特性)を測定する手法である。EL発光強度は、最初の再結合で生成する一重項励起子からの発光成分と、TTF現象を経由して生成する一重項励起子からの発光成分に分類される。一重項励起子の寿命はナノ秒オーダーであり非常に短いためDC電圧除去後速やかに減衰する。
 一方、TTF現象は寿命の長い三重項励起子を経由して生成する一重項励起子からの発光のため、ゆるやかに減衰する。このように一重項励起子からの発光と三重項励起子からの発光は時間的に大きな差があるため、TTF由来の発光強度を求めることができる。具体的には以下の方法により決定することができる。
 過渡EL波形は以下のようにして測定する(図4を参照)。電圧パルスジェネレータ(PG)から出力されるパルス電圧波形をEL素子に印加する。印加電圧波形をオシロスコープ(OSC)に取り込む。パルス電圧をEL素子に印加すると、EL素子はパルス発光を生じる。この発光を、光電子増倍管(PMT)を経由してオシロスコープ(OSC)に取り込む。電圧波形とパルス発光を同期させてパーソナルコンピュータ(PC)に取り込む。
 さらに、過渡EL波形の解析によりTTF由来の発光強度比を以下のようにして決定する。
 三重項励起子の減衰挙動のレート方程式をといて、TTF現象にもとづく発光強度の減衰挙動をモデル化する。発光層内部の三重項励起子密度nTの時間減衰は、三重項励起子の寿命による減衰速度αと三重項励起子の衝突による減衰速度γを用いて次のようなレート方程式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 この微分方程式を近似的に解くと、次の式が得られる。ここで、ITTFはTTF由来の発光強度であり、Aは定数である。このように、過渡EL発光がTTFに基づくものであれば、その強度の平方根の逆数が直線近似で表されることになる。そこで、測定した過渡EL波形データを下記近似式にフィッティングし定数Aを求める。このときDC電圧を除去した時刻t=0における発光強度1/AをTTF由来の発光強度比と定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 図5左のグラフは、EL素子に所定のDC電圧を印加し、その後電圧を除去した時の測定例であり、EL素子の発光強度の時間変化をあらわしたものである。図5左のグラフにて時刻約3×10-8秒のところでDC電圧を除去した。なお、グラフは電圧を除去した時の輝度を1として表したものである。その後約2×10-7秒までの急速な減衰ののちゆるやかな減衰成分が現れる。図5右のグラフは、電圧除去時点を原点にとり、電圧除去後、10-5秒までの光強度の平方根の逆数をプロットしたグラフであり、直線によく近似できることがわかる。直線部分を時間原点へ延長したときの縦軸との交点Aの値は2.41である。すると、この過渡EL波形から得られるTTF由来発光強度比は、1/2.41=0.17となり、全発光強度のうちの17%がTTF由来であることになる。
 <第2の実施形態>
 本発明の素子は、発光層(発光層を含むユニット)を少なくとも2つ有するタンデム素子構成とすることができる。2つの発光層の間には電荷発生層(CGLとも呼ぶ)が介在する。ユニット毎に電子輸送帯域を設けることができる。少なくとも1つの発光層が蛍光発光層でありその発光層を含むユニットが上記の要件を満たす。具体的な構成の例を以下に示す。また、下記発光層は、複数の発光層の積層体であってもよい。
 陽極/蛍光発光層/電荷発生層/蛍光発光層/障壁層/陰極
 陽極/蛍光発光層/障壁層/電荷発生層/蛍光発光層/陰極
 陽極/蛍光発光層/障壁層/電荷発生層/蛍光発光層/障壁層/陰極
 陽極/りん光発光層/電荷発生層/蛍光発光層/障壁層/陰極
 陽極/蛍光発光層/障壁層/電荷発生層/りん光発光層/陰極
 図6に本実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す。有機EL素子1は、陽極10と、発光層22,24と、陰極40とをこの順に備え、発光層22,24の間には、電荷発生層60がある。障壁層32は発光層22,24のいずれかに隣接している。障壁層32に隣接する発光層22,24のいずれかが本発明の要件を満たす蛍光発光層である。他方の発光層は蛍光型でも燐光型でもよい。
 尚、2つの発光層22,24の間に電子輸送帯域及び/又は正孔輸送帯域が介在していてもよい。また、発光層は3以上あってもよく、電荷発生層も2以上あってもよい。発光層が3以上あるとき、全ての発光層の間に電荷発生層があっても、なくてもよい。
 電荷発生層として公知の材料、例えばUSP7,358,661、US特願10/562,124等に記載のものを用いることができる。
 <第3の実施形態>
 本実施形態では、陽極と、複数の発光層と、電子輸送帯域と、陰極をこの順に備え、複数の発光層のいずれか二つの発光層の間に電荷障壁層を有し、電子輸送帯域に接する発光層が蛍光発光層であり、上記の要件を満たす。
 本実施形態にかかる好適な有機EL素子の構成として、特許第4134280号公報、米国公開特許公報US2007/0273270A1、国際公開公報WO2008/023623A1に記載されているような、陽極、第1発光層、電荷障壁層、第2発光層及び陰極がこの順に積層された構成において、第2発光層と陰極の間に三重項励起子の拡散を防止するための障壁層を有する電子輸送帯域を有する構成が挙げられる。ここで電荷障壁層とは隣接する発光層との間でHOMOレベル、LUMOレベルのエネルギー障壁を設けることにより、発光層へのキャリア注入を調整し、発光層の注入される電子と正孔のキャリアバランスを調整する目的を有する層である。
 このような構成の具体的な例を以下に示す。
 陽極/第1発光層/電荷障壁層/第2発光層/電子輸送帯域/陰極
 陽極/第1発光層/電荷障壁層/第2発光層/第3発光層/電子輸送帯域/陰極
 尚、陽極と第1発光層の間には、他の実施形態と同様に正孔輸送帯域を設けることが好ましい。
 図7に本実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す。図7の上図は、素子構成及び各層のHOMO、LUMOエネルギー準位を表す。下図は第3発光層と障壁層のエネルギーギャップの関係を示す。
 この有機EL素子2は、陽極と、第1発光層、第2発光層、第3発光層と、電子輸送帯域と、陰極4をこの順に備え、第1発光層と第2発光層の間には、電荷障壁層がある。電子輸送帯域は障壁層からなる。第3発光層が本発明の要件を満たす蛍光発光層である。第1発光層、第2発光層は蛍光型でも燐光型でもよい。
 本実施形態の素子は、白色発光素子として好適であり、第1発光層、第2発光層、第3発光層の発光色を調整して白色とすることができる。また、発光層を第1発光層、第2発光層だけとして、2つの発光層の発光色を調整して白色としてもよい。このとき第2発光層が本発明の要件を満たす蛍光発光層となる。
 特に、第1発光層のホスト材料を正孔輸送性材料とし、主ピーク波長が550nmより大きな蛍光発光性ドーパント材料を添加し、第2発光層(及び第3発光層)のホスト材料を電子輸送性材料とし、主ピーク波長550nm以下の蛍光発光性ドーパント材料を添加することにより、全て蛍光材料で構成された構成でありながら、従来技術よりも高い発光効率を示す白色発光素子を実現することができる。
 発光層と隣接する正孔輸送層に特に言及をすると、本発明のTTF現象を効果的に起こすためには、正孔輸送材料とホスト材料の三重項エネルギーを比較した場合に、正孔輸送材料の三重項エネルギーが大きいことが好ましい。しかし、一般的な正孔輸送材料の三重項エネルギーはホスト材料に比べて大きいため、本発明の効果を発現するにあたって、現状、正孔輸送材料の選定は特別な素子設計事項とはならないと考えられる。
 <第4の実施形態>
 本実施形態では、青色画素、緑色画素、赤色画素を、基板上に並べて設ける。これら3色の画素のうち、青色画素及び/又は緑色画素が第1の実施形態の構成を有する。
 図8に本実施形態にかかる有機EL素子の一例を示す。
 この図に示す上面発光型有機EL素子3は、共通基板100上に、青色画素B、緑色画素G及び赤色画素Rが並列に形成されている。
 青色画素Bは、陽極10、正孔輸送帯域50、青色発光層20B、障壁層32からなる電子輸送帯域、陰極40、保護層70を基板100からこの順に備えている。
 緑色画素Gは、陽極10、正孔輸送帯域50、緑色発光層20G、障壁層32からなる電子輸送帯域、陰極40、保護層70を基板100からこの順に備えている。
 赤色画素Rは、陽極10、正孔輸送帯域50、赤色発光層20R、障壁層32からなる電子輸送帯域、陰極40、保護層70を基板100からこの順に備えている。
それぞれの隣接する画素の陽極間に絶縁膜200が形成され、画素間の絶縁を保持している。
 有機EL素子3では、障壁層が青色画素B、赤色画素R、緑色画素Gに共通に設けられている。
 障壁層の効果は青色蛍光素子において従来得られていた発光効率に比べて顕著なものであるが、緑色蛍光素子、赤色蛍光素子においても、三重項エネルギーを発光層内に閉じ込める同様の効果を得ることが可能であり、発光効率の向上が期待できる。
 一方、燐光発光層においては、三重項励起子を発光層内に閉じ込める効果を得ることが可能であり、三重項エネルギーの拡散を防ぎ、燐光発光性ドーパント材料の発光効率の向上に寄与する。
 正孔輸送帯域は正孔注入層及び/又は正孔輸送層等からなる。正孔輸送帯域は、共通でも異なってもよい。通常、正孔輸送帯域はそれぞれ発光色に適した構成にする。
 発光層20B,G,Rと障壁層から構成される有機層は、図に示す構成に限定されず適宜変更できる。
 緑色発光層は、以下のホスト材料及びドーパント材料から構成されるのが好ましい。ホスト材料は、縮合芳香族環誘導体が好ましい。縮合芳香族環誘導体としては、アントラセン誘導体、ピレン誘導体等が、発光効率や発光寿命の点でさらに好ましい。
 また、ホスト材料は、含ヘテロ環化合物が挙げられる。含ヘテロ環化合物としては、カルバゾール誘導体、ジベンゾフラン誘導体、ラダー型フラン化合物、ピリミジン誘導体が挙げられる。
 ドーパント材料としては、その機能を有するものであれば、特に限定されないが、発光効率等の点で、芳香族アミン誘導体が好ましい。芳香族アミン誘導体としては、置換されてもよいアリールアミノ基を有する縮合芳香族環誘導体が好ましい。このような化合物として、例えば、アリールアミノ基を有する、ピレン、アントラセン、クリセンが挙げられる。
 また、ドーパント材料として、スチリルアミン化合物も好ましい。スチリルアミン化合物としては、例えば、スチリルアミン、スチリルジアミン、スチリルトリアミン、スチリルテトラアミンが挙げられる。ここでスチリルアミンとは、置換されてもよいアリールアミンに少なくとも1つのアリールビニル基が置換されている化合物のことであり、前記アリールビニル基は置換されていてもよく、置換基としてはアリール基、シリル基、アルキル基、シクロアルキル基、アリールアミノ基があり、これらの置換基にはさらに置換基を保有してもよい。
 また、ドーパント材料として、ホウ素錯体やフルオランテン化合物も好ましい。また、ドーパント材料として、金属錯体も好ましい。金属錯体としては、例えば、イリジウム錯体、白金錯体が挙げられる。
 赤色発光層は、以下のホスト材料及びドーパント材料から構成されるのが好ましい。ホスト材料は、縮合芳香族環誘導体が好ましい。縮合芳香族環誘導体としては、ナフタセン誘導体、ペンタセン誘導体等が、発光効率や発光寿命の点でさらに好ましい。
 また、ホスト材料は、縮合多環芳香族化合物が挙げられる。縮合多環芳香族化合物としては、ナフタレン化合物、フェナントレン化合物、フルオランテン化合物が挙げられる。
 ドーパント材料としては、芳香族アミン誘導体が好ましい。芳香族アミン誘導体としては、置換されてもよいアリールアミノ基を有する縮合芳香族環誘導体が好ましい。このような化合物として、例えば、アリールアミノ基を有するペリフランテンが挙げられる。
 また、ドーパント材料として、金属錯体も好ましい。金属錯体としては、例えば、イリジウム錯体、白金錯体が挙げられる。
 実施形態4の素子は例えば以下のようにして作成する。
 基板上に、銀合金層であるAPC(Ag-Pd-Cu)層(反射層)、酸化亜鉛膜(IZO)や酸化錫膜等の透明導電層をこの順に成膜する。続いて通常のリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、この導電材料層をパターニングし、陽極を形成する。次に、陽極の上にスピンコート法により、ポリイミド等の感光性樹脂からなる絶縁膜を塗布形成する。その後、露光、現像、硬化することで、陽極を露出させることにより青発光領域、緑発光領域、赤発光領域をパターンニングする。
 電極は、赤色画素用、緑色画素用及び青色画素用の3種類であり、それぞれ青発光領域、緑発光領域、赤発光領域に対応し、それぞれ陽極に相当する。イソプロピルアルコール中で洗浄を5分間行なった後、UVオゾン洗浄を30分間行なう。その後、正孔注入層と正孔輸送層を形成するときは、正孔注入層を基板全面にかけて積層し、さらにその上に正孔輸送層を積層する。各発光層を、赤色画素用、緑色画素用及び青色画素用の陽極の各位置に対応して配置するように形成する。真空蒸着法を用いる場合、青色発光層、緑色発光層及び赤色発光層を、シャドウマスクを用いて微細パターン化する。
 次に、障壁層を全面にかけて積層する。続いて、電子注入層を形成するときは、電子注入層を全面にかけて積層する。その後、MgとAgを蒸着成膜し、半透過性のMgAg合金からなる陰極を形成する。
 本発明で用いる基板、陽極、陰極、正孔注入層、正孔輸送層等のその他の部材は、PCT/JP2009/053247、PCT/JP2008/073180、US特願12/376,236、US特願11/766,281、US特願12/280,364等に記載の公知のものを適宜選択して用いることができる。
 実施例及び比較例で使用した材料は以下の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000043
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000044
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000045
 上記材料の物性値を表1に示す。物性値の測定方法は以下の通りである。
(1)三重項エネルギー(E
 市販の装置F-4500(日立社製)を用いて測定した。Eの換算式は以下の通りである。
 換算式 E(eV)=1239.85/λedge
 「λedge」とは、縦軸に燐光強度、横軸に波長をとって、燐光スペクトルを表したときに、燐光スペクトルの短波長側の立ち上がりに対して接線を引き、その接線と横軸の交点の波長値を意味する。単位:nm。
 なお、3重項エネルギーEは、下記のような量子化学計算によっても求めることができる。
 量子化学計算は,米Gaussian社製の量子化学計算プログラムGaussian03を用いて行うことができる。Gaussian03は1998年にノーベル化学賞を受賞したJ.A.Popleらによって開発されたプログラムであり、多種多様な分子系に対して、様々な量子化学計算法により、分子のエネルギー,構造,基準振動等の物性を予測することが可能である。計算には密度汎関数理論(DFT)を用いる。汎関数としてB3LYP,基底関数として6-31G*を用いて最適化した構造に対して、時間依存密度汎関数理論(TD-DFT)により、3重項エネルギーの計算値を求めることができる。
 特定の有機化合物においては燐光スペクトルが観測されない場合がある。そのような有機化合物においては、上記に示したような量子化学計算を用いて求めた3重項エネルギーEを推定に使うことにする。
 環構造の3重項エネルギーを以下に示す。
   ベンゼン 3.67eV
   フェナントレン 2.70eV
   ナフタレン 2.63eV
   ベンゾ[g]クリセン 2.43eV
   フルオランテン 2.30eV
   ピレン 2.11eV
   アントラセン 1.85eV
   ベンゾイミダゾール 3.31eV
   1,10-フェナントロリン 2.75eV
(2)イオン化ポテンシャル
 大気下光電子分光装置(理研計器(株)社製:AC-3)を用いて測定した。具体的には、材料に光を照射し、その際に電荷分離によって生じる電子量を測定することにより測定した。
(3)アフィニティ(Af)
 イオン化ポテンシャルとエネルギーギャップの測定値から算出した。エネルギーギャップはベンゼン中の吸収スペクトルの吸収端から測定した。具体的には、市販の可視・紫外分光光度計を用いて、吸収スペクトルを測定し、そのスペクトルが立ち上がり始める波長から算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
合成例1
(A)ベンゾ[g]クリセン-10-ボロン酸の合成
 下記合成スキームに従って、ベンゾ[g]クリセン-10-ボロン酸を合成した。
(A-1)9-(2-ホルミルフェニル)フェナントレンの合成
 アルゴン雰囲気下、9-ブロモフェナントレン25.7g、2-ホルミルフェニルボロン酸16.5g、及びテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)2.31gをフラスコに仕込み、ジメチルエーテル(DME)340mL、2M炭酸ナトリウム水溶液170mLを加え、8時間加熱還流攪拌した。室温まで冷却後、水層を除去した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、目的の9-(2-ホルミルフェニル)フェナントレン25.0g(収率89%)を得た。
(A-2)9-[2-(2-メトキシビニル)フェニル]フェナントレンの合成
 アルゴン雰囲気下、9-(2-ホルミルフェニル)フェナントレン25.0g、メトキシメチルトリフェニルホスフォニウムクロリド33.4g、及びテトラヒドロフラン(THF)300mLを仕込み、室温にて攪拌中に、t-ブトキシカリウム11.9gを加えた。室温にて2時間攪拌した後、水200mLを加えた。反応溶液をジエチルエーテルで抽出し、水層を除去した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、目的の9-[2-(2-メトキシビニル)フェニル]フェナントレン24.0g(収率87%)を得た。
(A-3)ベンゾ[g]クリセンの合成
 9-[2-(2-メトキシビニル)フェニル]フェナントレン24.0g、及びジクロロメタン100mLを仕込み、室温下攪拌中にメタンスルホン酸をパスツールピペットで6滴加えた。室温で8時間攪拌を続けた。反応終了後10%炭酸カリウム水溶液100mLを加えた。水層を除去し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、目的のベンゾ[g]クリセン5.21g(収率25%)を得た。
(A-4)10-ブロモベンゾ[g]クリセンの合成
 ベンゾ[g]クリセン5.21g、及びN,N-ジメチルホルムアミド50mLをフラスコに仕込み、N-ブロモスクシンイミド4.00gのN,N-ジメチルホルムアミド10mL溶液を加えた。80℃で8時間加熱攪拌した。室温まで冷却後、反応溶液を水200mL中に注いだ。析出した固体を濾取し、水、メタノールで洗浄した。得られた個体をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、10-ブロモベンゾ[g]クリセン5.87g(収率88%)を得た。
(A-5)ベンゾ[g]クリセン-10-ボロン酸の合成
 アルゴン雰囲気下、10-ブロモベンゾ[g]クリセン5.87gをフラスコに仕込み、脱水エーテル100mLを加えた。反応溶液を-40℃まで冷却し、1.6M n-ブチルリチウムのヘキサン溶液11mLを加え、0℃まで昇温し、1時間攪拌した。反応溶液を-60℃まで冷却し、ホウ酸トリイソプロピル7.72gの脱水エーテル10mL溶液を滴下した。反応溶液を室温まで昇温しながら5時間攪拌を続けた。10%塩酸水溶液50mLを加え、1時間攪拌した。水層を除去し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。得られた固体をヘキサンで洗浄し、目的のベンゾ[g]クリセン-10-ボロン酸3.18g(収率60%)を得た。
合成例2
(B)1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの合成
 下記合成スキームに従って、1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000047
(B-1)(4-ブロモフェニル)-(2-ニトロフェニル)アミンの合成
 2-ブロモニトロベンゼン10g(49.5mmol)、酢酸ナトリウム13g(163mmol)、及び4-ブロモアニリン10g(59mmol)をアルゴン雰囲気下180℃で8時間加熱攪拌した。反応溶液を室温まで冷却し、酢酸エチルで薄め、ろ過した。ろ液を濃縮後、残査をメタノールで洗浄することで、(4-ブロモフェニル)-(2-ニトロフェニル)アミン3.8gをオレンジ色結晶として得た(収率22%)。
(B-2)N-[2-(4-ブロモフェニルアミノ)フェニル]ベンズアミドの合成
 (4-ブロモフェニル)-(2-ニトロフェニル)アミン3.8g(13mmol)をテトラヒドロフラン30mLに溶解させ、アルゴン雰囲気下、室温で攪拌しているところに、ハイドロサルファイトナトリウム11g(64mmol)/水30mLの溶液を滴下した。5時間攪拌した後、酢酸エチル20mLを加えて、炭酸水素ナトリウム2.2g(26mmol)/水20mLの溶液を加えた。さらにベンゾイルクロリド2.5g(18mmol)/酢酸エチル10mLの溶液を滴下し、室温で1時間攪拌した。酢酸エチルで抽出し、10%炭酸カリウム水溶液、水、飽和食塩水で順次洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を減圧留去し、N-[2-(4-ブロモフェニルアミノ)フェニル]ベンズアミド2.1g(収率45%)を得た。
(B-3)1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの合成
 N-[2-(4-ブロモフェニルアミノ)フェニル]ベンズアミド2.1g(5.7mmol)をキシレン30mL中に懸濁させ、p-トルエンスルホン酸1水和物0.6g(2.9mmol)を加え、3時間加熱還流させながら共沸脱水を行った。放冷後、反応溶液に酢酸エチル、塩化メチレン、水を加え、不溶物をろ別した。母液から有機層を抽出し、水、飽和食塩水で洗浄後、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。残査をシリカゲルカラムクロマトグラフィにて精製し、1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾール1.0gをわずかにピンク色の白色結晶として得た(収率52%)
合成例3
<ETB1の合成>
 アルゴン雰囲気下、ベンゾ[g]クリセン-10-ボロン酸3.0g、1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾール3.5g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.231g、ジメトキシエタン40mL、及び2M炭酸ナトリウム水溶液20mLをフラスコに仕込み、8時間加熱還流攪拌した。室温まで冷却後、反応溶液をトルエンで抽出した。水層を除去した後、有機層を水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、淡黄色固体3.8gを得た。得られた化合物は、マススペクトル分析の結果、下記化合物(ETB1)であり、分子量546.21に対し、m/e=546であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000048
合成例4
(C)1-(3-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの合成
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000049
(C-1)(3-ブロモフェニル)-(2-ニトロフェニル)アミンの合成
 2-ブロモニトロベンゼン10g(49.5mmol)、酢酸ナトリウム13g(163mmol)、3-ブロモアニリン10g(59mmol)をアルゴン雰囲気下180℃で8時間加熱攪拌した。反応溶液を室温まで冷却し、酢酸エチルで薄め、ろ過した。ろ液を濃縮後、残査をメタノールで洗浄することで、(3-ブロモフェニル)-(2-ニトロフェニル)アミンを得た。
(C-2)N-[2-(3-ブロモフェニルアミノ)フェニル]ベンズアミドの合成
 (3-ブロモフェニル)-(2-ニトロフェニル)アミン3.8g(13mmol)をテトラヒドロフラン30mLに溶解させ、アルゴン雰囲気下、室温で攪拌しているところに、ハイドロサルファイトナトリウム11g(64mmol)/水30mLの溶液を滴下した。5時間攪拌した後、酢酸エチル20mLを加えて、炭酸水素ナトリウム2.2g(26mmol)/水20mLの溶液を加えた。さらにベンゾイルクロリド2.5g(18mmol)/酢酸エチル10mLの溶液を滴下し、室温で1時間攪拌した。酢酸エチルで抽出し、10%炭酸カリウム水溶液、水、飽和食塩水で順次洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を減圧留去し、N-[2-(3-ブロモフェニルアミノ)フェニル]ベンズアミドを得た。
(C-3)1-(3-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの合成
 N-[2-(3-ブロモフェニルアミノ)フェニル]ベンズアミド2.1g(5.7mmol)をキシレン30mL中に懸濁させ、p-トルエンスルホン酸1水和物0.6g(2.9mmol)を加え、3時間加熱還流させながら共沸脱水を行った。放冷後、反応溶液に酢酸エチル、塩化メチレン、水を加え、不溶物をろ別した。母液から有機層を抽出し、水、飽和食塩水で洗浄後、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。残査をシリカゲルカラムクロマトグラフィにて精製し、1-(3-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールを得た。
合成例5
<ETB3の合成>
 アルゴン雰囲気下、フルオランテン-3-ボロン酸2.7g、合成例4で合成した1-(3-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾール3.5g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.231g、ジメトキシエタン40mL、2M炭酸ナトリウム水溶液20mLをフラスコに仕込み、8時間加熱還流攪拌した。室温まで冷却後、反応溶液をトルエンで抽出した。水層を除去した後、有機層を水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製した。この精製物は、マススペクトル分析の結果、下記化合物(ETB3)であり、分子量470.18に対し、m/e=470であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000050
合成例6
(A)ベンゾ[c]フェナントレン-5-ボロン酸の合成
 下記スキームに従って、ベンゾ[c]フェナントレン-5-ボロン酸を合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000051
(A-1)1-ブロモ-4-(2-ホルミルフェニル)ナフタレンの合成
 アルゴン雰囲気下、1,4-ジブロモナフタレン230g、2-ホルミルフェニルボロン酸121g、及びテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)18.5gをフラスコに仕込み、ジメトキシエタン(DME)2.4L、2M炭酸ナトリウム水溶液1.2Lを加え、8時間加熱還流攪拌した。室温まで冷却後、水層を除去し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄して、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、目的の1-ブロモ-4-(2-ホルミルフェニル)ナフタレン170g(収率67%)を得た。
(A-2)1-ブロモ-4-[2-(2-メトキシビニル)フェニル]ナフタレンの合成
 アルゴン雰囲気下、1-ブロモ-4-(2-ホルミルフェニル)ナフタレン170g、メトキシメチルトリフェニルホスフォニウムクロリド207g、及びテトラヒドロフラン(THF)2.0Lを仕込み、室温にて攪拌中に、t-ブトキシカリウム73.6gを加えた。室温にて2時間攪拌した後、水1.5Lを加えた。反応溶液をジエチルエーテルで抽出し、水層を除去した。有機層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、目的の1-ブロモ-4-[2-(2-メトキシビニル)フェニル]ナフタレン180g(収率99%)を得た。
(A-3)5-ブロモベンゾ[c]フェナントレンの合成
 1-ブロモ-4-[2-(2-メトキシビニル)フェニル]ナフタレン180g、及びジクロロメタン1.0Lを仕込み、室温下攪拌中にメタンスルホン酸を25mL加えた。室温で8時間攪拌を続けた。反応終了後10%炭酸カリウム水溶液1Lを加えた。水層を除去し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、目的の5-ブロモベンゾ[c]フェナントレン24.4g(収率15%)を得た。
(A-4)ベンゾ[c]フェナントレン-5-ボロン酸の合成
 アルゴン雰囲気下、5-ブロモベンゾ[c]フェナントレン10.1gをフラスコに仕込み、脱水エーテル400mLを加えた。反応溶液を-40℃まで冷却し、1.6M n-ブチルリチウムのヘキサン溶液22mLを加え、0℃まで昇温し、1時間攪拌した。反応溶液を-60℃まで冷却し、ホウ酸トリイソプロピル14.4gの脱水エーテル10mL溶液を滴下した。反応溶液を室温まで昇温しながら5時間攪拌を続けた。10%塩酸水溶液100mLを加え、1時間攪拌した。水層を除去し、有機層を水、飽和食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。硫酸マグネシウムを濾別後、有機層を濃縮した。得られた固体をヘキサンで洗浄し、目的のベンゾ[c]フェナントレン-5-ボロン酸5.37g(収率60%)を得た。
合成例7
(G)2-(3-ブロモフェニル)-イミダゾ[1,2-a]ピリジンの合成
 下記合成スキームに示されるように、4-ブロモフェナシルブロミドの代わりに3-ブロモフェナシルブロミドを用いた他は合成例6と同様に反応を行って、2-(3-ブロモフェニル)-イミダゾ[1,2-a]ピリジンを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000052
合成例8
 下記合成スキームに従って、3-(フルオランテン-3-イル)フェニルボロン酸を合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000053
(H-1)3-(3-ブロモフェニル)フルオランテンの合成
 アルゴン雰囲気下、フルオランテン-3-ボロン酸9.1g、3-ヨードブロモベンゼン10.5g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)2.1g、トルエン186mL、2M炭酸ナトリウム水溶液74mLをフラスコに仕込み、100℃にて8時間攪拌を行った。室温まで冷却後、反応溶液をトルエンで抽出した。水層を除去し有機層を飽和食塩水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し残渣をシリカゲルクロマトグラフィで精製し、目的の3-(3-ブロモフェニル)フルオランテン9.2g(収率70%)を得た。
(H-2)3-(フルオランテン-3-イル)フェニルボロン酸の合成
 アルゴン雰囲気下、3-(3-ブロモフェニル)フルオランテン9.2g、テトラヒドロフラン129mLをフラスコに仕込み、反応溶液を-70℃に冷却し、1.65M n-ブチルリチウムのヘキサン溶液を17.2mL滴下し、-70℃にて2時間攪拌を行った。反応溶液にホウ酸トリイソプロピル17.7mLを滴下し、-70℃にて1時間攪拌した後、反応溶液を室温まで昇温しながら5時間攪拌した。反応液に2M塩酸を加えて酸性にした後、反応溶液を酢酸エチルで抽出した。水層を除去し有機層を飽和食塩水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し残渣をヘキサン-酢酸エチル混合溶液で洗浄し、目的の3-(フルオランテン-3-イル)フェニルボロン酸7.9g(収率95%)を得た。
合成例9
(J)6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステルの合成
 下記合成スキームに従って、6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステルを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000054
(J-1)6-(フルオランテン-3-イル)-2-ナフトールの合成
 アルゴン雰囲気下、フルオランテン-3-ボロン酸2.7g、6-ブロモ-2-ナフトール2.0g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.31g、1,2-ジメトキシエタン27mL、2M炭酸ナトリウム水溶液13.5mLをフラスコに仕込み、4時間加熱還流攪拌を行った。室温まで冷却後、反応溶液に2M塩酸を加えて酸性にした後、ジクロロメタンで抽出した。水層を除去し有機層を飽和食塩水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をジクロロメタン中で分散洗浄し、目的の6-(フルオランテン-3-イル)-2-ナフトール2.75g(収率89%)を得た。
(J-2)6-(フルオランテン-3-イル)-2-トリフルオロメタンスルホキシナフタレンの合成
 アルゴン雰囲気下、6-(フルオランテン-3-イル)-2-ナフトール2.75g、ピリジン2mL、ジクロロメタン80mLをフラスコに仕込んだ。反応液に氷冷下、トリフルオロメタンスルホン酸無水物2mLを滴下し、20分間攪拌した後、室温に昇温しながら3時間攪拌を行った。反応液にトリフルオロメタンスルホン酸0.5mL滴下し、30分間攪拌を行った。反応液に慎重に水を滴下して反応をクエンチした後、0.5M塩酸200mLを加え、ジクロロメタンで抽出を行った。水層を除去し有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をトルエンにて再結晶を行い、目的の6-(フルオランテン-3-イル)-2-トリフルオロメタンスルホキシナフタレン3.11g(収率82%)を得た。
(J-3)6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステルの合成
 アルゴン雰囲気下、6-(フルオランテン-3-イル)-2-トリフルオロメタンスルホキシナフタレン3.11g、ビスピナコラートジボロン1.83g、[1,1’-ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]パラジウム(II)ジクロリドジクロロメタン付加物(0.27g)、1,1’-ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン(0.18g)、酢酸カリウム(1.93g)、ジメチルホルムアミド65mLをフラスコに仕込み、80℃にて8時間攪拌を行った。室温まで冷却後、反応液に水を加えた後、混合物をトルエンで抽出した。得られたトルエン溶液をシリカゲルショートカラムに通し、溶出液の溶媒を減圧留去した。残渣をトルエンより再結晶し、目的の6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステル1.53g(収率52%)を得た。
合成例11
<EBT6の合成>
 アルゴン雰囲気下、ベンゾ[c]フェナントレン-5-ボロン酸3.0g、1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾール3.5g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.231g、ジメトキシエタン40mL、及び2M炭酸ナトリウム水溶液20mLをフラスコに仕込み、8時間加熱還流攪拌した。室温まで冷却後、反応溶液をトルエンで抽出した。水層を除去した後、有機層を水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、淡黄色固体3.8gを得た。得られた化合物は、マススペクトル分析の結果、下記化合物(ETB6)であり、分子量496.19に対し、m/e=496であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000055
合成例12
<ETB9の合成>
 アルゴン雰囲気下、合成例9で合成した6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステル2.7g、合成例4で合成した1-(3-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾール3.5g、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.231g、ジメトキシエタン40mL、2M炭酸ナトリウム水溶液20mLをフラスコに仕込み、8時間加熱還流攪拌した。室温まで冷却後、反応溶液をトルエンで抽出した。水層を除去した後、有機層を水で洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、淡黄色固体3.4gを得た。マススペクトル分析の結果、得られた物は下記化合物(ETB9)であり、分子量596.23に対し、m/e=596であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000056
合成例13
<ETB12の合成>
 合成例12において、6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステルの代わりに合成例8で合成した3-(フルオランテン-3-イル)フェニルボロン酸を用いた他は、同様の方法で合成した。マススペクトル分析の結果、得られた物は下記化合物(ETB12)であり、分子量546.21に対し、m/e=546であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000057
合成例14
(E)5-ブロモ-1-メチル-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの合成
 下記合成スキームに従って、5-ブロモ-1-メチル-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000058
(E-1)4-ブロモ-N-メチル-2-ニトロアニリンの合成
 N-メチル-2-ニトロアニリン5.0g(33mmol)、及びN-ブロモスクシンイミド5.9g(33mmol)に酢酸60mLを加え、7時間加熱還流を行った。反応終了後、反応溶液を水500mLに注ぎ、析出した固体をろ別した。ろ別した固体を酢酸エチルに溶解させ、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、室温で減圧乾燥後、4-ブロモ-N-メチル-2-ニトロアニリンの橙色固体7.1g(収率93%)を得た。
(E-2)4’-ブロモ-N-メチル-2’-ニトロベンズアニリドの合成
 4-ブロモ-N-メチル-2-ニトロアニリン6.8g(29mmol)をピリジン20mLに溶解させ、さらにベンゾイルクロライド5.0g(35mmol)を加え、アルゴン雰囲気下、90℃で7時間加熱攪拌した。反応終了後、酢酸エチル200mLを加え、有機層を10%塩酸水溶液、10%炭酸カリウム水溶液、飽和食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、4’-ブロモ-N-メチル-2’-ニトロベンズアニリドの緑白色固体9.5g(収率96%)を得た。
(E-3)4’-ブロモ-N-メチル-2’-アミノベンズアニリドの合成
 4’-ブロモ-N-メチル-2’-ニトロベンズアニリド9.5g(28mmol)をテトラヒドロフラン100mLに溶解させ、アルゴン雰囲気下、室温で攪拌させながらハイドロサルファイトナトリウム25g(142mmol)/水90mLの溶液を加えた。さらにメタノール10mLを加えて3時間攪拌させた。次に酢酸エチル100mLを加え、炭酸水素ナトリウム12g(142mmol)/水125mLの溶液を加えた。1時間室温で攪拌後、酢酸エチルで抽出した。水層を除去し、有機層を10%炭酸カリウム水溶液、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過後、溶媒を減圧留去させ、4’-ブロモ-N-メチル-2’-アミノベンズアニリドの白色固体7.8g(収率90%)を得た。
(E-4)5-ブロモ-1-メチル-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの合成
 4’-ブロモ-N-メチル-2’-アミノベンズアニリド7.8g(26mmol)をキシレン50mL中に懸濁させ、p-トルエンスルホン酸1水和物1.5g(7.7mmol)を加え、7時間加熱還流させた。反応終了後ろ過した。得られた固体を塩化メチレンに溶解させ、10%炭酸カリウム水溶液、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧留去した。ろ液からも同様の洗浄方法で有機物を回収し、合わせてシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製し、5-ブロモ-1-メチル-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの白色結晶6.5g(収率89%)を得た。
合成例15
<ETB13の合成>
 合成例12において、6-(フルオランテン-3-イル)ナフタレン-2-イルボロン酸ピナコールエステルの代わりに合成例8で合成した3-(フルオランテン-3-イル)フェニルボロン酸を用い、1-(3-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの代わりに合成例14で合成した5-ブロモ-1-メチル-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールを用いた他は、同様の方法で合成した。マススペクトル分析の結果、得られた物は下記化合物(ETB13)であり、分子量484.19に対し、m/e=484であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000059
合成例16
<ETB14の合成>
 ベンゾ[c]フェナントレン-5-ボロン酸の代わりにベンゾ[g]クリセン-10-ボロン酸を用い、1-(4-ブロモフェニル)-2-フェニル-1H-ベンズイミダゾールの代わりに6-ブロモ-2,2’-ビピリジルを用いた他は合成例11と同様に反応を行った。
 得られた化合物は、マススペクトル分析の結果、下記化合物(ETB14)であり、分子量432.16に対し、m/e=432であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000060
実施例1
 膜厚130nmのITO(インジウム酸化錫)が成膜された基板上に、以下の材料を順次蒸着し、素子を得た。括弧内は膜厚(単位:nm)を示す。
 陽極:ITO(130)
 正孔注入層:HT1(50)
 正孔輸送層:HT2(45)
 発光層:BH1とBD1(BD1は5%ドープ)(25)
 障壁層:ETB1(25)
 低仕事関数金属含有層:LiF(1)
 陰極:Al(80)
実施例2~8、比較例1~2
 発光層のホスト材料と、障壁層の材料を表2に示すように変えた他は、実施例1と同様にして素子を得た。
評価例
 実施例1~8、比較例1~2で得た素子について以下の評価を行った。結果を表2に示す。
(1)初期性能(電圧、色度、電流効率、外部量子効率、主ピーク波長)
 電流値が10mA/cmとなるように素子に電圧を印加し、そのときの電圧値を測定した。またそのときのEL発光スペクトルを分光放射輝度計(CS-1000:コミカミノルタ社製)を用いて計測した。得られた分光放射輝度スペクトルから、色度、電流効率(L/J)(cd/A)、外部量子効率(EQE)(%)、主ピーク波長(nm)を算出した。
 外部量子効率については、具体的には、実施例及び比較例で作製した有機EL素子に、電流密度10mA/cmの電流を通電し、分光放射輝度計(CS1000:ミノルタ製)で発光スペクトルを測定し、下記数式により算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
: 光子数
: 電子数
π: 円周率 = 3.1416
λ: 波長 (nm)
φ: 発光強度 (W/sr・m・nm)
h: プランク定数 = 6.63×10-34(J・s)
c: 光速度 = 3×10(m/s)
J: 電流密度 (mA/cm
e: 電荷 = 1.6×10-19(C)
(2)TTF由来の発光比率
 パルスジェネレータ(アジレント社製8114A)から出力した電圧パルス波形(パルス幅:500マイクロ秒、周波数:20Hz)を印加し、EL発光を光電子増倍管(浜松ホトニクス社製R928)に入力し、パルス電圧波形とEL発光とを同期させてオシロスコープ(テクトロニクス社製2440)に取り込んで過渡EL波形を得た。これを解析してTTF由来の発光比率(TTF比率)を決定した。
 なお、過渡EL波形は、電流密度-電流効率曲線において電流効率(L/J)が最大となるときの電流密度を求め、それに相当する電圧パルス波形を印加して得た。
 尚、TTF現象による内部量子効率の向上は62.5%が理論的限界と考えられ、この場合のTTF由来の発光比率は60%になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 実施例1,2,4と比較例1は、障壁層の障壁材料だけが異なる。比較例1の障壁材料はトリプレット障壁構造部位を含まない。従って、ホスト材料で生じた三重項励起子が障壁層に拡散しやすくTTF現象が効率よく生じない。実施例1,2,4と比較例2は、障壁層の障壁材料だけが異なる。比較例2の障壁材料は電子輸送構造部位を含まない。従って、障壁層から発光層へ電子が注入し難く発光層において再結合が少なくなる。その結果発光効率が劣っている。
 実施例3は障壁材料としてフルオランテン化合物を用いている。同様に障壁材料にフルオランテン化合物を用いている比較例2と比較すると、発光効率が高い。比較例2の障壁材料は電子輸送構造部位を有さないためである。
 実施例5~8は、実施例1~4のホスト材料をBH1からBH2に変えた以外は同様である。
実施例9~21
 発光層のホスト材料及びドーパント材料と、障壁層の材料をそれぞれ表3に示すように変えた他は、実施例1と同様にして各素子を得た。
評価例
 実施例9~21で得た素子について、初期性能(電圧、色度、電流効率、外部量子効率、主ピーク波長)及びTTF由来の発光比率の評価を行った。結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表3の結果から、実施例9~11においてトリプレット障壁構造部位として、ベンゾフルオランテン、トリフェニレン、ベンズアントラセンを含むETBを用いた際もいずれの組合せの場合も高いTTF比率を示している。
 実施例12~16の結果から、ETBの置換基を変化させた場合も高いTTF比率を示しことがわかる。
 さらに、実施例17~21の結果から、ドーパント材料をBD1に変えてBD2を用いた場合も同様に高いTTF比率が得られることがわかる。
 本発明の有機EL素子は、低消費電力化が望まれる大型テレビ向け表示パネルや照明パネル等に用いることができる。
 上記に本発明の実施形態及び/又は実施例を幾つか詳細に説明したが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果から実質的に離れることなく、これら例示である実施形態及び/又は実施例に多くの変更を加えることが容易である。従って、これらの多くの変更は本発明の範囲に含まれる。
 この明細書に記載の文献の内容を全てここに援用する。

Claims (15)

  1.  陽極と、発光層と、電子輸送帯域と、陰極をこの順に備え、
     前記発光層は、ホスト材料と、主ピーク波長が550nm以下の蛍光発光を示すドーパント材料とを含み、
     前記電子輸送帯域は、前記発光層に隣接する障壁層を含み、
     前記障壁層は、電子輸送構造部位と、縮合多環芳香族炭化水素化合物からなるトリプレット障壁構造部位を有するとともに下記式(1)を満たす障壁材料を含む、有機エレクトロルミネッセンス素子。
     E >E ・・・(1)
    (E 及びE は、それぞれ前記ホスト材料及び前記障壁材料の三重項エネルギーを示す。)
  2.  前記ホスト材料と前記ドーパント材料が下記式(2)を満たす請求項1に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
     E >E ・・・(2)
    (E は、前記ドーパント材料の三重項エネルギーを示す。)
  3.  前記ホスト材料のアフィニティAfと前記障壁材料のアフィニティAfが下記式(3)を満たす請求項1又は2に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
     Af-Af>0eV・・・(3)
  4.  前記ホスト材料のイオン化ポテンシャルIpと前記ドーパント材料のイオン化ポテンシャルIpが下記式(4)を満たす請求項1~3のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
     Ip-Ip<0.2eV・・・(4)
  5.  前記障壁材料の電子移動度が、10-6cm/Vs以上である請求項1~4のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  6.  前記障壁層が、前記障壁材料に対して還元性を示すドナーを含む請求項1~5のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  7.  前記発光層において三重項励起子同士が衝突して生成する一重項励起子由来の発光強度が、全発光強度に対して30%以上である請求項1~6のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  8.  前記電子輸送構造部位が、下記部分構造を1以上含む請求項1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000061
    (式中、X、Xはそれぞれ炭素原子又は窒素原子である。)
  9.  前記電子輸送構造部位が、下記環から選択される1以上の環を含む請求項1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000062
    (式中、X11~X15及びX21~X26はそれぞれ炭素原子又は窒素原子である。ただし、X11~X15の少なくとも1つ及びX21~X26の少なくとも1つは窒素原子である。)
  10.  前記電子輸送構造部位が、下記環から選択される1以上の環を含む請求項1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000063
  11.  前記電子輸送構造部位が、下記環から選択される1以上の環を含む請求項1~7のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000064
  12.  前記トリプレット障壁構造部位が、下記環から選択される請求項1~11のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000065
    (式(1)~(6)中、Ar~Arは、環形成炭素数4~16の縮合環構造を表す。)
  13.  前記陽極と前記陰極の間に少なくとも2つの発光層を有し、2つの発光層の間に電荷発生層を備える請求項1~12のいずれかに記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
  14.  陽極と、複数の発光層と、電子輸送帯域と、陰極をこの順に備え、
     前記複数の発光層のいずれか二つの発光層の間に電荷障壁層を有し、
     前記電子輸送帯域に接する発光層は、ホスト材料と、主ピーク波長が550nm以下の蛍光発光を示すドーパント材料とを含み、
     前記電子輸送帯域は、該発光層に隣接する障壁層を含み、
     前記障壁層は、電子輸送構造部位と、縮合多環芳香族炭化水素化合物からなるトリプレット障壁構造部位を有するとともに下記式(1)を満たす障壁材料を含む、有機エレクトロルミネッセンス素子。
     E >E ・・・(1)
    (E 及びE は、それぞれ前記ホスト材料及び前記障壁材料の三重項エネルギーを示す。)
  15.  前記ホスト材料と前記ドーパント材料が下記式(2)を満たす請求項14に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子。
     E >E ・・・(2)
    (E は、前記ドーパント材料の三重項エネルギーを示す。)
     
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