JP4717703B2 - 化合物および有機ｅｌ素子 - Google Patents

Description

本発明は，新規有機化合物およびそれを有する発光素子に関するものである。さらに詳しくは、下記一般式（５）で示される分子構造の化合物及び発光層もしくは電荷輸送層にそれらを用いることによる安定した効率の高い有機ＥＬ素子に関するものである。

有機発光素子は、陽極と陰極間に蛍光性有機化合物または燐光性有機化合物を含む薄膜を挟持させた構成を有する。そして有機発光素子は、各電極から電子およびホール（正孔）を注入することにより、蛍光性化合物または燐光性化合物の励起子を生成させ、この励起子が基底状態にもどる際に放射される光を利用する素子である。

１９８７年コダック社の研究（非特許文献１）次の素子が報告されている。即ち陽極にＩＴＯ、陰極にマグネシウム銀の合金を用い、電子輸送材料および発光材料としてアルミニウムキノリノール錯体を用い、ホール輸送材料にトリフェニルアミン誘導体を用いた機能分離型２層構成の素子が報告されている。そして１０Ｖ程度の印加電圧において１０００ｃｄ／ｍ２程度の発光が報告されている。関連の特許としては，特許文献１乃至３等が挙げられる。

また、蛍光性有機化合物の種類を変えることにより、紫外から赤外までの発光が可能であり、最近では様々な化合物の研究が活発に行われている。例えば、特許文献４乃至１１等に記載されている。

近年、燐光性化合物を発光材料として用い、三重項状態のエネルギーをＥＬ発光に用いる検討が多くなされている。プリンストン大学のグループにより、イリジウム錯体を発光材料として用いた有機発光素子が、高い発光効率を示すことが報告されている（非特許文献２）。

さらに、上記のような低分子材料を用いた有機発光素子の他にも、共役系高分子を用いた有機発光素子が、ケンブリッジ大学のグループ（非特許文献３）により報告されている。この報告ではポリフェニレンビニレン（ＰＰＶ）を塗工系で成膜することにより、単層で発光を確認している。共役系高分子を用いた有機発光素子の関連特許としては、特許文献１２乃至１６等が挙げられる。
このように有機発光素子における最近の進歩は著しく、その特徴は低印加電圧で高輝度、発光波長の多様性、高速応答性、薄型、軽量の発光デバイス化が可能であることから、広汎な用途への可能性を示唆している。

しかしながら、現状では更なる高輝度の光出力あるいは高変換効率が必要である。また、長時間の使用による経時変化や酸素を含む雰囲気気体や湿気などによる劣化等の耐久性の面で未だ多くの問題がある。さらにはフルカラーディスプレイ等への応用を考えた場合の色純度の良い青、緑、赤の発光が必要となるが、これらの問題に関してもまだ十分でない。
米国特許第４，５３９，５０７号 米国特許第４，７２０，４３２号 米国特許第４，８８５，２１１号 米国特許第５，１５１，６２９号 米国特許第５，４０９，７８３号 米国特許第５，３８２，４７７号 特開平２−２４７２７８号公報 特開平３−２５５１９０号公報 特開平５−２０２３５６号公報 特開平９−２０２８７８号公報 特開平９−２２７５７６号公報 米国特許第５，２４７，１９０号 米国特許第５，５１４，８７８号 米国特許第５，６７２，６７８号 特開平４−１４５１９２号公報 特開平５−２４７４６０号公報 特開平１０−１８９２４７号公報 特開２００５−２３５７８７号公報 特開２０００−７５８７号公報 特開２０００−７５９４号公報 特開２００５−６８０８７号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１，９１３（１９８７） Ｎａｔｕｒｅ，３９５，１５１（１９９８） Ｎａｔｕｒｅ，３４７，５３９（１９９０）

有機ＥＬ素子をディスプレイ等の表示装置に応用するためには、高効率で高輝度な光出力を有すると同時に高耐久性を十分に確保する必要がある。しかしながら、これらの問題に関して、まだ十分とは言えない。

本発明は、上記一般式（１）で示される分子構造であることを特徴とする新規な有機ＥＬ素子用化合物とそれを用いた高効率で高輝度な光出力を有する有機ＥＬ素子を提供することにある。また、高耐久性の有機ＥＬ素子を提供する事にある。さらには製造が容易でかつ比較的安価に作成可能な有機ＥＬ素子を提供する事にある。

よって本発明は、
下記一般式（１）で示されることを特徴とする化合物を提供する。

［Ｒ１、Ｒ２は同じで、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基、フェニル基のいずれかである。
Ｒ３乃至Ｒ５はそれぞれ独立して水素原子である。
Ｒ６は水素原子あるいは炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基を有するフェニル基のいずれかである。］

また本発明は、
下記一般式（２）で示されることを特徴とする上記（１）に記載の化合物を提供する。

［Ｒ７、Ｒ８は同じで、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基のいずれかである。
Ｒ９乃至Ｒ１１はいずれも水素原子である。］

また本発明は、
一対の電極間に、少なくとも一層の有機化合物を含む層からなる有機ＥＬ素子において、前記少なくとも一層の有機化合物を含む層は一般式（１）乃至（２）のいずれかの有機化合物を含む層であることを特徴とする有機ＥＬ素子。

また本発明は、
前記層が発光層であることを特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。

また本発明は、
前記発光層が少なくともホストとゲストからなり、前記ホストが前記有機化合物であることを特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。

あるいはまた本発明は、
前記発光層が少なくともホストとゲストからなり、ゲストが前記有機化合物であることを特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。

あるいはまた本発明は、
前記発光層が少なくともホストとゲストからなり、前記ホストおよび前記ゲストが共に夫々独立に前記有機化合物である特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。

あるいはまた本発明は、
前記ゲストからの発光が蛍光発光であることを特徴とする有機ＥＬ素子を提供する。

本発明の化合物は発光素子に好適に利用できるものである。またそのような化合物を発光層に用いた本発明の発光素子は、高効率発光のみならず、長い期間高輝度を保ち、優れた素子である。また、同じ電圧値での電流値が大きく、低電圧駆動が期待できる。

本発明に係る化合物は、
下記一般式（５）で示されることを特徴とする化合物である。

［Ｒ１、Ｒ２はそれぞれ独立してハロゲン原子、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基、置換基を有していても良いアミノ基、置換基を有していても良いシリル基、置換基を有していてもよいアリ−ル基、または置換基を有していてもよい複素環基から選ばれる。

Ｒ３乃至Ｒ６はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基、置換基を有していても良いアミノ基、置換基を有していても良いシリル基、置換基を有していてもよいアリ−ル基、または置換基を有していてもよい複素環基から選ばれる。

ここで示される置換基とは、それぞれ独立してハロゲン原子、炭素原子数１から２０の直鎖状または分岐状のアルキル基（該アルキル基の１つもしくは隣接しない２つ以上のメチレン基は−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｏ−ＣＯ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−で置き換えられていてもよく、また、１つもしくは２つ以上のメチレン基はアリ−レン基または２価の複素環基で置き換えられていてもよく、該アルキル基中の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。）、ジフェニルアミノ基、トリフェニルシリル基、アリ−ル基、または複素環基から選ばれる。］
または、下記一般式（６）で示されることを特徴とする上記（５）の一般式に記載の化合物である。

［Ｒ１、Ｒ２、Ｒ７、Ｒ８はそれぞれ独立してハロゲン原子、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基、置換基を有していても良いアミノ基、置換基を有していても良いシリル基、置換基を有していてもよいアリ−ル基、または置換基を有していてもよい複素環基から選ばれる。

Ｒ３乃至Ｒ６、Ｒ９乃至Ｒ１１はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基、置換基を有していても良いアミノ基、置換基を有していても良いシリル基、置換基を有していてもよいアリ−ル基、または置換基を有していてもよい複素環基から選ばれる。

ここで示される置換基とは、それぞれ独立してハロゲン原子、炭素原子数１から２０の直鎖状または分岐状のアルキル基（該アルキル基の１つもしくは隣接しない２つ以上のメチレン基は−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｏ−ＣＯ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−で置き換えられていてもよく、また、１つもしくは２つ以上のメチレン基はアリ−レン基または２価の複素環基で置き換えられていてもよく、該アルキル基中の水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。）、ジフェニルアミノ基、トリフェニルシリル基、アリ−ル基、または複素環基から選ばれる。］
または、下記一般式（７）で示されることを特徴とする一般式（５）に記載の化合物である。

または、下記一般式（８）で示されることを特徴とする一般式（６）に記載の化合物である。

また本発明に係る有機ＥＬ素子は、
一対の電極間に、少なくとも一層の有機化合物を含む層からなる有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）において、前記有機化合物を含む層を有することを特徴とする有機ＥＬ素子である。

また本発明に係る有機ＥＬ素子は、
前記有機化合物を含む層は発光層であることを特徴とする有機ＥＬ素子である。

また本発明に係る有機ＥＬ素子は、
前記有機化合物を含む層は発光層であり、発光層が少なくともホストとゲストの化合物からなる有機エレクトロルミネッセンス素子においてホストとゲストの少なくとも一方が、上記有機化合物であることを特徴とする有機ＥＬ素子である。

また本発明に係る有機ＥＬ素子は、
ゲストからの発光が蛍光発光であることを特徴とする有機ＥＬ素子である。

以下更に説明する。

発光層が、キャリア輸送性のホスト材料とゲストからなる場合、発光にいたる主な過程は、以下のいくつかの過程からなる。
１．発光層内での電子・ホールの輸送
２．ホストの励起子生成
３．ホスト分子間の励起エネルギー伝達
４．ホストからゲストへの励起エネルギー移動
それぞれの過程における所望のエネルギー移動や、発光はさまざまな失活過程と競争でおこる。

ＥＬ素子の発光効率を高めるためには、発光中心材料そのものの発光量子収率が大きいことは言うまでもない。しかしながら、ホスト−ホスト間、あるいはホスト−ゲスト間のエネルギー移動が如何に効率的にできるかも大きな問題となる。また、通電による発光劣化は今のところ原因は明らかではないが、少なくとも発光中心材料そのもの、または、その周辺分子による発光材料の環境変化に関連したものと想定される。

そこで本発明者らは種々の検討を行い、前記一般式（５）で表される化合物を有機ＥＬ素子の電荷輸送層、発光層に用いること、好ましくは発光層のホストもしくはゲストに用いることで、高効率発光し、長い期間高輝度を保ち、通電劣化が小さいことを見出した。

通電による発光劣化の原因の一つとして、発光層のゲストのマイグレーションによるゲスト同士のエキサイマー生成が挙げられる。発光材料の分子形状がフルオランテンのような分子同士の共役面の重なり合いが大きいと分子間でのエキサイマーの生成確率が高く、高濃度でゲストを用いられないための発光サイトの不足、またはマイグレーションによる発光分子同士の消光を生じ易くなる。

そこで、フルオランタンを発光性コアとして、共役面を広げることなくコア部分を覆う設計を行うことによって高濃度でも色変化の少ない、高効率の発光素子を得ることができる。具体的にはフルオランタンに対してフェニル基を置換基として導入し、そのフェニル基の２箇所のオルト位に水素原子よりも原子半径の大きい骨格を置換することによって用いることで実現することができた。

また、フルオランテンに、オルト位に水素原子以外を置換したフェニル基を導入することは、フェニル基がオルト位に置換基を持たない場合に対して、フルオランテンとフェニルがお互いの平面性を失う方向に構造変化する。これはお互いの共役が切れる方向に進むため、フェニル基がオルト位に置換基を持たない場合に対して、フェニル基がオルト位に置換基を持つ場合は、発光波長は短波化する効果を得ることができた。

本発明の化合物はこのように発光層に用いる事が効果的であるが、電子輸送層、正孔輸送層、電子阻止層、正孔阻止層、電子注入層、正孔注入層としても有効である。

本発明の化合物を含む有機層を作製する場合は、真空蒸着法、キャスト法、塗布法、スピンコート法、インクジェット法などにより製膜することができる。

また、置換基においてジアリルアミノ基はジフェニルアミノ基、ナフチルフェニルアミノ基、ジナフチルアミノ基を示す。

本発明の基本的な素子構成を図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した。

図１に示したように、一般に有機ＥＬ素子は透明基板１５上に、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚を持つ透明電極１４と、複数層の有機膜層と、及びこれを挟持するように金属電極１１が形成される。

図１（ａ）では，有機層が発光層１２とホール輸送層１３からなる例を示した。透明電極１４としては、仕事関数が大きなＩＴＯなどが用いられ、透明電極１４からホール輸送層１３へホール注入しやすくしている。金属電極１１には、アルミニウム、マグネシウムあるいはそれらを用いた合金など、仕事関数の小さな金属材料を用い、有機層への電子注入をしやすくしている。

発光層１２には、本発明の化合物を用いているが、ホール輸送層１３には，例えばトリフェニルジアミン誘導体、代表例としてはα−ＮＰＤなど、電子供与性を有する材料も適宜用いることができる。

以上の構成した素子は電気的整流性を示し、金属電極１１を陰極に透明電極１４を陽極になるように電界を印加すると、金属電極１１から電子が発光層１２に注入され、透明電極１５からはホールが注入される。

注入されたホールと電子は、発光層１２内で再結合して励起子が生じ、発光する。この時ホール輸送層１３は電子のブロッキング層の役割を果たし，発光層１２とホール輸送層１３の間の界面における再結合効率が上がり，発光効率が上がる。

さらに図１（ｂ）では、図１（ａ）の金属電極１１と発光層１２の間に、電子輸送層１６が設けられている。発光機能と電子及びホール輸送機能を分離して、より効果的なキャリアブロッキング構成にすることで、発光効率を上げている。電子輸送層１６としては、例えばオキサジアゾール誘導体などを用いることができる。

また図１（ｃ）に示すように、陽極である透明電極１４側から、ホール輸送層１３、発光層１２、励起子拡散防止層１７、電子輸送層１６、及び金属電極１１からなる４層構成とすることも望ましい形態である。

以下本発明に用いられる有機化合物の具体的な構造式を下記に示す。

但し、これらは、代表例を例示しただけで、本発明は、これに限定されるものではない。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。但し、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１（例示化合物Ｎｏ．Ｆ−２８の合成）

化合物１−１ ３６０ｍｇ（１ｍｍｏｌｅ）、化合物１−２（アルドリッチ社製）４５０ｍｇ（３ｍｍｏｌｅ）、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４ ０．１ｇ、トルエン１０ｍｌ、エタノール５ｍｌ、２Ｍ―炭酸ナトリウム水溶液１０ｍｌを１００ｍｌナスフラスコに仕込み、窒素気流下、８０℃で８時間攪拌を行った。反応終了後、結晶をろ別し、水、エタノール、洗浄を行った。得られた結晶をトルエンで熱時ろ過後、トルエン／ヘプタンで再結晶を行い、１２０℃で真空乾燥後、化合物Ｆ−２８を３５６ｍｇ（収率：８７％）得た。
トルエン中での発光特性を図２においてグラフで示す。

実施例２
本実施例では、素子構成として、図１に示す有機層が３層の素子を使用した。ガラス基板上に１００ｎｍのＩＴＯをパターニングした。そのＩＴＯ基板上に、以下の有機層と電極層を１０−５Ｐａの真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着して連続製膜し、対向する電極面積が３ｍｍ２になるようにした。
素子Ａ
ホール輸送層（２０ｎｍ）：化合物Ａ
発光層（２５ｎｍ）：例示化合物Ｎｏ．Ｆ−２８（重量比５％）：化合物Ｂ
電子輸送層（４０ｎｍ）：Ｂｐｈｅｎ
金属電極層１（１ｎｍ）：ＫＦ
金属電極層２（１００ｎｍ）：Ａｌ

ＥＬ素子の特性は、電流電圧特性をヒューレッドパッカード社製・微小電流計４１４０Ｂで測定し、発光輝度は、トプコン社製ＢＭ７で測定したところ、例示化合物Ｎｏ．Ｎｏ．Ｆ−２８に由来する発光を確認することが出来た。

実施例３（例示化合物Ｎｏ．Ｆ−１１の合成）

化合物３−１ ９８４ｍｇ（４ｍｍｏｌｅ）、化合物３−２ １４２０ｍｇ（４ｍｍｏｌｅ）、Ｐｄ（ＰＰｈ３）４ ０．１ｇ、トルエン２０ｍｌ、エタノール１０ｍｌ、２Ｍ―炭酸ナトリウム水溶液２０ｍｌを２００ｍｌナスフラスコに仕込み、窒素気流下、８０℃で８時間攪拌を行った。反応終了後、結晶をろ別し、水、エタノール、洗浄を行った。得られた結晶をトルエンで熱時ろ過後、トルエン／ヘプタンで再結晶を行い、１２０℃で真空乾燥後、化合物Ｆ−１１を９００ｍｇ（収率：７２％）得た。

トルエン中での発光特性を図３においてグラフで示す。

ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ（マトリックス支援イオン化−飛行時間型質量分析）によりこの化合物のＭ＋である４３０．１を確認した。

実施例２の例示化合物Ｆ−２８の代わりに例示化合物Ｆ−１１を用いる以外は実施例２と同様の方法により素子を作成したところ、発光を確認することが出来た。

本発明の発光素子の一例を示す図である。 化合物Ｆ−２８のトルエン中での発光特性をしめすグラフである。 化合物Ｆ−１１のトルエン中での発光特性をしめすグラフである。

Claims (8)

1. 下記一般式（１）で示されることを特徴とする化合物。
   
   
   ［Ｒ１、Ｒ２は同じで、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基、フェニル基のいずれかである。
   Ｒ３乃至Ｒ５はそれぞれ独立して水素原子である。
   Ｒ６は水素原子あるいは炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基を有するフェニル基のいずれかである。］
2. 下記一般式（２）で示されることを特徴とする請求項１に記載の化合物。
   
   ［Ｒ７、Ｒ８は同じで、炭素原子数１から５の直鎖状または分岐状のアルキル基のいずれかである。
   Ｒ９乃至Ｒ１１はいずれも水素原子である。］
3. 一対の電極間に、少なくとも一層の有機化合物を含む層からなる有機ＥＬ素子において、前記少なくとも一層の有機化合物を含む層は、請求項１乃至２の何れか１項に記載の有機化合物を含む層であることを特徴とする有機ＥＬ素子。
4. 請求項３記載の前記層が発光層であることを特徴とする有機ＥＬ素子。
5. 前記発光層が少なくともホストとゲストからなり、前記ホストが前記有機化合物であることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
6. 前記発光層が少なくともホストとゲストからなり、該ゲストが前記有機化合物であることを特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
7. 前記発光層が少なくともホストとゲストからなり、前記ホストおよび前記ゲストが共に夫々独立に前記有機化合物である特徴とする請求項４に記載の有機ＥＬ素子。
8. 前記ゲストからの発光が蛍光発光であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の有機ＥＬ素子。