WO2014136758A1 - 電荷輸送材料、ホスト材料、薄膜および有機発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
[2] 一般式(1)のR1~R6がすべて同一であることを特徴とする[1]に記載の電荷輸送材料。
[3] 一般式(1)のR1~R6が下記一般式(3)~(7)のいずれかで表される基であることを特徴とする[1]または[2]に記載の電荷輸送材料。
[4] 一般式(1)のR1~R6が前記一般式(3)で表される基であることを特徴とする[3]に記載の電荷輸送材料。
[5] 一般式(1)のR1~R6が下記一般式(8)で表される基であることを特徴とする[3]または[4]に記載の電荷輸送材料。
[6] 下記の構造を有する化合物からなることを特徴とする[5]に記載の電荷輸送材料。
[7] [1]~[6]のいずれか1項に記載の電荷輸送材料からなることを特徴とするホスト材料。
[8] 青色発光材料用であることを特徴とする[7]に記載のホスト材料。
[9] [7]に記載のホスト材料と発光材料を含むことを特徴とする薄膜。
[10] 前記発光材料が青色発光材料であることを特徴とする[9]に記載の薄膜。
[11] [1]~[6]のいずれか1項に記載の電荷輸送材料を用いたことを特徴とする有機発光素子。
[12] 前記電荷輸送材料をホスト材料として発光層に用いたことを特徴とする[11]に記載の有機発光素子。
[13] リン光を放射することを特徴とする[11]または[12]に記載の有機発光素子。
[14] 遅延蛍光を放射することを特徴とする[11]または[12]に記載の有機発光素子。
[15] 有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする[11]~[14]のいずれか1項に記載の有機発光素子。
ここでいうアリール基を構成する芳香環は、単環であっても縮合環であってもよく、具体例としてベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環を挙げることができる。アリール基の炭素数は6~40であることが好ましく、6~20であることがより好ましく、6~14であることがさらに好ましい。アリール基の具体例として、フェニル基、1-ナフチル基、2-ナフチル基、1-アントラセニル基、2-アントラセニル基、9-アントラセニル基を挙げることができる。
一般式(1)で表される化合物は、分子量にかかわらず塗布法で成膜してもよい。塗布法を用いれば、分子量が比較的大きな化合物であっても成膜することが可能である。
例えば、一般式(1)で表される構造中にあらかじめ重合性基を存在させておいて、その重合性基を重合させることによって得られる重合体を、発光材料として用いることが考えられる。具体的には、一般式(1)のR1~R6のいずれかに重合性官能基を含むモノマーを用意して、これを単独で重合させるか、他のモノマーとともに共重合させることにより、繰り返し単位を有する重合体を得て、その重合体を発光材料として用いることが考えられる。あるいは、一般式(1)で表される構造を有する化合物どうしをカップリングさせることにより、二量体や三量体を得て、それらを発光材料として用いることも考えられる。
一般式(9)および(10)において、R101、R102、R103およびR104は、各々独立に置換基を表す。好ましくは、炭素数1~6の置換もしくは無置換のアルキル基、炭素数1~6の置換もしくは無置換のアルコキシ基、ハロゲン原子であり、より好ましくは炭素数1~3の無置換のアルキル基、炭素数1~3の無置換のアルコキシ基、フッ素原子、塩素原子であり、さらに好ましくは炭素数1~3の無置換のアルキル基、炭素数1~3の無置換のアルコキシ基である。
L1およびL2で表される連結基は、Qを構成する一般式(1)の構造のR1~R6のいずれか、一般式(2)の構造のR7、R11~R15のいずれか、一般式(3)の構造のR21~R30のいずれか、一般式(4)の構造のR31~R38のいずれか、一般式(5)の構造のR41~R48のいずれか、一般式(6)の構造のR51~R58、R61~R65のいずれか、一般式(7)の構造のR71~R78のいずれかに結合することができる。1つのQに対して連結基が2つ以上連結して架橋構造や網目構造を形成していてもよい。
上記のスキームにおける反応は、公知のカップリング反応を応用したものであり、公知の反応条件を適宜選択して用いることができる。例えばDMF中でNaHを用いることにより合成することが可能である。また、一般式(1)で表される化合物は、その他の公知の合成反応を組み合わせることによっても合成することができる。
一般式(1)で表される化合物は、電荷輸送材料として有用である。特に、ドーパントである発光材料と組み合わせて用いることを念頭においたホスト材料として有用である。一般式(1)で表される化合物と発光材料をともに含有する薄膜は、高い発光効率や輝度を実現することができる。一般式(1)で表される化合物は、特に青色発光材料と組み合わせて用いることにより、高い青色発光効率や輝度を実現しうる点で好ましい。このような青色発光材料と組み合わせて高い発光効率や輝度を実現するためには、T1レベルが高くてバンドギャップが大きいことが必要とされる。一般に、T1レベルが高い材料は、熱安定性が悪いという問題がある。上記の非特許文献1(Chem. Mater., 2011, 23 (22), 4947-4953)に記載されるシクロトリホスファゼン化合物も、T1レベルは高いものの、熱安定性は十分に満足が行く程度に高いとは言えなかった。これに対する解決策は従来示されていなかったが、本発明らが提案する一般式(1)で表される化合物は、T1レベルが高いだけでなく、熱安定性も高いという優れた特徴を兼ね備えている。一般式(1)で表される化合物の熱分解温度は、好ましくは330℃以上であり、より好ましくは350℃以上であり、さらに好ましくは380℃以上である。なお、ここでいう熱分解温度は化合物を加熱していったときに5重量%以上の重量減少が認められる温度である。
本発明の一般式(1)で表される化合物を電荷輸送材料または発光層のホスト材料として用いることにより、有機フォトルミネッセンス素子(有機PL素子)や有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)などの優れた有機発光素子を提供することができる。このとき、本発明の一般式(1)で表される化合物は、いわゆるアシストドーパントとして、発光層に含まれる他の発光材料の発光をアシストする機能を有するものであってもよい。すなわち、発光層に含まれる本発明の一般式(1)で表される化合物は、発光層に含まれるホスト材料の最低励起一重項エネルギー準位と発光層に含まれる他の発光材料の最低励起一重項エネルギー準位の間の最低励起一重項エネルギー準位を有するものであってもよい。
有機フォトルミネッセンス素子は、基板上に少なくとも発光層を形成した構造を有する。また、有機エレクトロルミネッセンス素子は、少なくとも陽極、陰極、および陽極と陰極の間に有機層を形成した構造を有する。有機層は、少なくとも発光層を含むものであり、発光層のみからなるものであってもよいし、発光層の他に1層以上の有機層を有するものであってもよい。そのような他の有機層として、正孔輸送層、正孔注入層、電子阻止層、正孔阻止層、電子注入層、電子輸送層、励起子阻止層などを挙げることができる。正孔輸送層は正孔注入機能を有した正孔注入輸送層でもよく、電子輸送層は電子注入機能を有した電子注入輸送層でもよい。具体的な有機エレクトロルミネッセンス素子の構造例を図1に示す。図1において、1は基板、2は陽極、3は正孔注入層、4は正孔輸送層、5は発光層、6は電子輸送層、7は陰極を表わす。
以下において、有機エレクトロルミネッセンス素子の各部材および各層について説明する。なお、基板と発光層の説明は有機フォトルミネッセンス素子の基板と発光層にも該当する。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、基板に支持されていることが好ましい。この基板については、特に制限はなく、従来から有機エレクトロルミネッセンス素子に慣用されているものであればよく、例えば、ガラス、透明プラスチック、石英、シリコンなどからなるものを用いることができる。
有機エレクトロルミネッセンス素子における陽極としては、仕事関数の大きい(4eV以上)金属、合金、電気伝導性化合物およびこれらの混合物を電極材料とするものが好ましく用いられる。このような電極材料の具体例としてはAu等の金属、CuI、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の導電性透明材料が挙げられる。また、IDIXO(In2O3-ZnO)等非晶質で透明導電膜を作製可能な材料を用いてもよい。陽極はこれらの電極材料を蒸着やスパッタリング等の方法により、薄膜を形成させ、フォトリソグラフィー法で所望の形状のパターンを形成してもよく、あるいはパターン精度をあまり必要としない場合は(100μm以上程度)、上記電極材料の蒸着やスパッタリング時に所望の形状のマスクを介してパターンを形成してもよい。あるいは、有機導電性化合物のように塗布可能な材料を用いる場合には、印刷方式、コーティング方式等湿式成膜法を用いることもできる。この陽極より発光を取り出す場合には、透過率を10%より大きくすることが望ましく、また陽極としてのシート抵抗は数百Ω/□以下が好ましい。さらに膜厚は材料にもよるが、通常10~1000nm、好ましくは10~200nmの範囲で選ばれる。
一方、陰極としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属(電子注入性金属と称する)、合金、電気伝導性化合物およびこれらの混合物を電極材料とするものが用いられる。このような電極材料の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム-カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子注入性および酸化等に対する耐久性の点から、電子注入性金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。陰極はこれらの電極材料を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、陰極としてのシート抵抗は数百Ω/□以下が好ましく、膜厚は通常10nm~5μm、好ましくは50~200nmの範囲で選ばれる。なお、発光した光を透過させるため、有機エレクトロルミネッセンス素子の陽極または陰極のいずれか一方が、透明または半透明であれば発光輝度が向上し好都合である。
また、陽極の説明で挙げた導電性透明材料を陰極に用いることで、透明または半透明の陰極を作製することができ、これを応用することで陽極と陰極の両方が透過性を有する素子を作製することができる。
発光層は、陽極および陰極のそれぞれから注入された正孔および電子が再結合することにより励起子が生成した後、発光する層であり、発光材料を単独で発光層に使用しても良いが、好ましくは発光材料とホスト材料を含む。ホスト材料としては、一般式(1)で表される化合物群から選ばれる1種または2種以上を用いることができる。本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子および有機フォトルミネッセンス素子が高い発光効率を発現するためには、発光材料に生成した一重項励起子および三重項励起子を、発光材料中に閉じ込めることが重要である。従って、発光層中に発光材料に加えて一般式(1)で表されるホスト材料を用いることが好ましい。ホスト材料としては、励起一重項エネルギー、励起三重項エネルギーの少なくとも何れか一方が発光材料よりも高い値を有する有機化合物を用いることができる。その結果、発光材料に生成した一重項励起子および三重項励起子を、発光材料の分子中に閉じ込めることが可能となり、その発光効率を十分に引き出すことが可能となる。もっとも、一重項励起子および三重項励起子を十分に閉じ込めることができなくても、高い発光効率を得ることが可能な場合もあるため、高い発光効率を実現しうるホスト材料であれば特に制約なく本発明に用いることができる。本発明の有機発光素子または有機エレクトロルミネッセンス素子において、発光は発光層に含まれる発光材料から生じる。この発光はリン光、蛍光発光および遅延蛍光発光のいずれであってもよく、これらの複数を含むものであってもよい。但し、発光の一部或いは部分的にホスト材料からの発光があってもかまわない。
ホスト材料を用いる場合、発光材料である化合物が発光層中に含有される量は0.1重量%以上であることが好ましく、1重量%以上であることがより好ましく、また、50重量%以下であることが好ましく、20重量%以下であることがより好ましく、10重量%以下であることがさらに好ましい。
発光層におけるホスト材料としては、正孔輸送能、電子輸送能を有し、かつ発光の長波長化を防ぎ、なおかつ高いガラス転移温度を有する有機化合物であることが好ましい。
注入層とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために電極と有機層間に設けられる層のことで、正孔注入層と電子注入層があり、陽極と発光層または正孔輸送層の間、および陰極と発光層または電子輸送層との間に存在させてもよい。注入層は必要に応じて設けることができる。
阻止層は、発光層中に存在する電荷(電子もしくは正孔)および/または励起子の発光層外への拡散を阻止することができる層である。電子阻止層は、発光層および正孔輸送層の間に配置されることができ、電子が正孔輸送層の方に向かって発光層を通過することを阻止する。同様に、正孔阻止層は発光層および電子輸送層の間に配置されることができ、正孔が電子輸送層の方に向かって発光層を通過することを阻止する。阻止層はまた、励起子が発光層の外側に拡散することを阻止するために用いることができる。すなわち電子阻止層、正孔阻止層はそれぞれ励起子阻止層としての機能も兼ね備えることができる。本明細書でいう電子阻止層または励起子阻止層は、一つの層で電子阻止層および励起子阻止層の機能を有する層を含む意味で使用される。
正孔阻止層とは広い意味では電子輸送層の機能を有する。正孔阻止層は電子を輸送しつつ、正孔が電子輸送層へ到達することを阻止する役割があり、これにより発光層中での電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。正孔阻止層の材料としては、後述する電子輸送層の材料を必要に応じて用いることができる。
電子阻止層とは、広い意味では正孔を輸送する機能を有する。電子阻止層は正孔を輸送しつつ、電子が正孔輸送層へ到達することを阻止する役割があり、これにより発光層中での電子と正孔が再結合する確率を向上させることができる。
励起子阻止層とは、発光層内で正孔と電子が再結合することにより生じた励起子が電荷輸送層に拡散することを阻止するための層であり、本層の挿入により励起子を効率的に発光層内に閉じ込めることが可能となり、素子の発光効率を向上させることができる。励起子阻止層は発光層に隣接して陽極側、陰極側のいずれにも挿入することができ、両方同時に挿入することも可能である。すなわち、励起子阻止層を陽極側に有する場合、正孔輸送層と発光層の間に、発光層に隣接して該層を挿入することができ、陰極側に挿入する場合、発光層と陰極との間に、発光層に隣接して該層を挿入することができる。また、陽極と、発光層の陽極側に隣接する励起子阻止層との間には、正孔注入層や電子阻止層などを有することができ、陰極と、発光層の陰極側に隣接する励起子阻止層との間には、電子注入層、電子輸送層、正孔阻止層などを有することができる。阻止層を配置する場合、阻止層として用いる材料の励起一重項エネルギーおよび励起三重項エネルギーの少なくともいずれか一方は、発光材料の励起一重項エネルギーおよび励起三重項エネルギーよりも高いことが好ましい。
正孔輸送層とは正孔を輸送する機能を有する正孔輸送材料からなり、正孔輸送層は単層または複数層設けることができる。
正孔輸送材料としては、正孔の注入または輸送、電子の障壁性のいずれかを有するものであり、有機物、無機物のいずれであってもよい。使用できる公知の正孔輸送材料としては例えば、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、カルバゾール誘導体、インドロカルバゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体およびピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、シラザン誘導体、アニリン系共重合体、また導電性高分子オリゴマー、特にチオフェンオリゴマー等が挙げられるが、ポルフィリン化合物、芳香族第3級アミン化合物およびスチリルアミン化合物を用いることが好ましく、芳香族第3級アミン化合物を用いることがより好ましい。
電子輸送層とは電子を輸送する機能を有する材料からなり、電子輸送層は単層または複数層設けることができる。
電子輸送材料(正孔阻止材料を兼ねる場合もある)としては、陰極より注入された電子を発光層に伝達する機能を有していればよい。使用できる電子輸送層としては例えば、ニトロ置換フルオレン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、カルボジイミド、フレオレニリデンメタン誘導体、アントラキノジメタンおよびアントロン誘導体、オキサジアゾール誘導体等が挙げられる。さらに、上記オキサジアゾール誘導体において、オキサジアゾール環の酸素原子を硫黄原子に置換したチアジアゾール誘導体、電子吸引基として知られているキノキサリン環を有するキノキサリン誘導体も、電子輸送材料として用いることができる。さらにこれらの材料を高分子鎖に導入した、またはこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。
一方、りん光については、本発明の化合物のような通常の有機化合物では、励起三重項エネルギーは不安定で熱等に変換され、寿命が短く直ちに失活するため、室温では殆ど観測できない。通常の有機化合物の励起三重項エネルギーを測定するためには、極低温の条件での発光を観測することにより測定可能である。
化合物1、mCP、および非特許文献1に具体的な構造が記載されている3つのシクロトリホスファゼン化合物(後掲の化合物CP1、CP2、CP3)の各々について、徐々に温度を上昇させて5重量%の重量減少が認められる温度を確認することにより分解温度を測定した。その結果、化合物1の分解温度は474℃で極めて高かったのに対して、mCPは55℃であった。また、非特許文献1のシクロトリホスファゼン化合物の分解温度は280~330℃であることが報告されている。以上より、本発明の化合物1の熱安定性が極めて高いことが確認された。
化合物1の塩化メチレン溶液(濃度10-4mol/L)を77°Kに冷却してPLスペクトルを測定した。PLスペクトルの最も短波側のピーク値のエネルギーを算出し、それを化合物のT1レベル(最低励起三重項エネルギー準位)とした。化合物1のT1レベルは3.00eVであった(HOMO:6.48eV、LUMO:2.52eV)。一方、Appl. Phys. Lett., 2003, 82, 2422にてmCPのT1レベルは2.9eVであることが報告されている(HOMO:5.9eV、LUMO:2.4eV)。
(実施例1)
シリコン基板上に真空蒸着法にて、真空度5.0×10-4Paの条件にて化合物1と2CzCNとを異なる蒸着源から蒸着し、2CzCNの濃度が3.0重量%である薄膜を0.3nm/秒にて100nmの厚さで形成して有機フォトルミネッセンス素子とした。作製した有機フォトルミネッセンス素子について、紫外励起光による発光スペクトルを測定した結果を図2に示す。フォトルミネッセンス量子効率は大気下で66.0%、窒素雰囲気下で84.8%であった。
(実施例2)
膜厚100nmのインジウム・スズ酸化物(ITO)からなる陽極が形成されたガラス基板上に、各薄膜を真空蒸着法にて、真空度5.0×10-4Paで積層した。まず、ITO上にα-NPDを35nmの厚さに形成し、その上にmCPを10nmの厚さに形成した。次に、化合物1と2CzCNを異なる蒸着源から共蒸着し、20nmの厚さの層を形成して発光層とした。この時、2CzCNの濃度は3.0重量%とした。次に、PPTを40nmの厚さに形成し、さらにLiFを0.8nm真空蒸着し、次いでアルミニウム(Al)を80nmの厚さに蒸着することにより陰極を形成し、有機エレクトロルミネッセンス素子とした。
作製した有機エレクトロルミネッセンス素子の発光スペクトルを図3に示し、電流密度-電圧-輝度特性を図4に示し、電流密度-外部量子効率特性を図5に示す。最大輝度は18805cd/m2、外部量子効率は14.9%で極めて高かった。仮に発光量子効率が100%の蛍光材料を用いてバランスの取れた理想的な有機エレクトロルミネッセンス素子を試作したとすると、光取り出し効率が20~30%であれば、蛍光発光の外部量子効率は5~7.5%となる。この値が一般に、蛍光材料を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子の外部量子効率の理論限界値とされている。化合物1を用いた本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、理論限界値を超える高い外部量子効率を実現している点で極めて優れている。
化合物1のかわりにmCPを用いて実施例2と同様の方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を作製し、同様に特性を評価した。発光スペクトルを図3に示し、電流密度-電圧-輝度特性を図4に示し、電流密度-外部量子効率特性を図5に示す。最大輝度は16524cd/m2、外部量子効率は11.8%であった。
mCPよりも化合物1を用いた方が優れた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供できることが確認された。
化合物1のかわりにtBuCzPOを用いて実施例2と同様の方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を作製し、同様に特性を評価した。電流密度-電圧-輝度特性を図6に示し、電流密度-外部量子効率特性を図7に示す。最大輝度は6436cd/m2、外部量子効率は12.8%であった。
tBuCzPOよりも化合物1を用いた方が優れた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供できることが確認された。
膜厚100nmのインジウム・スズ酸化物(ITO)からなる陽極が形成されたガラス基板上に、各薄膜を真空蒸着法にて、真空度5.0×10-4Paで積層した。まず、ITO上にα-NPDを35nmの厚さに形成し、その上にmCPを10nmの厚さに形成した。次に、化合物1と4CzIPNを異なる蒸着源から共蒸着し、20nmの厚さの層を形成して発光層とした。この時、4CzIPNの濃度は3.0重量%とした。次に、PPTを40nmの厚さに形成し、さらにLiFを0.8nm真空蒸着し、次いでアルミニウム(Al)を80nmの厚さに蒸着することにより陰極を形成し、有機エレクトロルミネッセンス素子とした。
作製した有機エレクトロルミネッセンス素子の発光スペクトルを図8に示し、電流密度-電圧-輝度特性を図9に示し、電流密度-外部量子効率特性を図10に示す。最大輝度は54141cd/m2、外部量子効率は17.8%で極めて高かった。
化合物1のかわりにmCPを用いて実施例3と同様の方法により有機エレクトロルミネッセンス素子を作製し、同様に特性を評価した。発光スペクトルを図8に示し、電流密度-電圧-輝度特性を図9に示し、電流密度-外部量子効率特性を図10に示す。最大輝度は49176cd/m2、外部量子効率は17.7%であった。
mCPよりも化合物1を用いた方が優れた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供できることが確認された。
2 陽極
3 正孔注入層
4 正孔輸送層
5 発光層
6 電子輸送層
7 陰極
Claims (15)
- 一般式(1)のR1~R6がすべて同一であることを特徴とする請求項1に記載の電荷輸送材料。
- 一般式(1)のR1~R6が下記一般式(3)~(7)のいずれかで表される基であることを特徴とする請求項1または2に記載の電荷輸送材料。
- 一般式(1)のR1~R6が前記一般式(3)で表される基であることを特徴とする請求項3に記載の電荷輸送材料。
- 請求項1~6のいずれか1項に記載の電荷輸送材料からなることを特徴とするホスト材料。
- 青色発光材料用であることを特徴とする請求項7に記載のホスト材料。
- 請求項7に記載のホスト材料と発光材料を含むことを特徴とする薄膜。
- 前記発光材料が青色発光材料であることを特徴とする請求項9に記載の薄膜。
- 請求項1~6のいずれか1項に記載の電荷輸送材料を用いたことを特徴とする有機発光素子。
- 前記電荷輸送材料をホスト材料として発光層に用いたことを特徴とする請求項11に記載の有機発光素子。
- リン光を放射することを特徴とする請求項11または12に記載の有機発光素子。
- 遅延蛍光を放射することを特徴とする請求項11または12に記載の有機発光素子。
- 有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項11~14のいずれか1項に記載の有機発光素子。
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