JP2007169292A - 有機電界発光素子用青色発光化合物及びこれを用いた有機電界発光素子 - Google Patents

有機電界発光素子用青色発光化合物及びこれを用いた有機電界発光素子 Download PDF

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Abstract

【課題】発光効率と輝度特性とが改善されたトリアリールシリルフェニル基を有する青色発光化合物、青色発光化合物を発色材料として用いている有機電界発光素子を提供する。
【解決手段】下記化学式(4)
Figure 2007169292

前記式で、Arは炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択されるものであり、R、R及びRは相互関係なく水素、炭素数1ないし20のアルキル基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択される置換基である。
【選択図】なし

Description

本発明は有機電界発光素子用青色発光化合物及びこれを用いた有機電界発光素子に関するものであり、さらに詳細には発光効率と輝度特性とが改善された有機電界発光素子用青色発光化合物及びこれを用いた有機電界発光素子(Organic Electroluminescence Divece;OELD)に関するものである。
最近情報通信産業の発達が加速化されることによって最も重要な分野の一つであるディスプレー素子分野においてより高度の性能が要求されている。このようなディスプレーは発光型と非発光型とに分けることができる。発光型に属するディスプレーとしては陰極線管(Cathode Ray Tube:CRT)、電界発光素子(Electroluminescene Display:ELD)、電気発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)、プラズマ素子パネル(Plazma Display Panel:PDP)などがある。そして、非発光型ディスプレーとしては液晶ディスプレー(Liquid Crystal Display:LCD)などがある。
前記した発光型及び非発光型ディスプレーは作動電圧、消費電力、明るさすなわち輝度、コントラスト、応答速度、寿命そして表示色などの基本性能を有している。ところで、この中で現在まで多く使われている液晶ディスプレーは前記した基本性能中で応答速度、コントラスト及び視覚依存性に対して問題点を有している。このような状況の中で発光ダイオードを利用したディスプレーは応答速度が速く、自己発光型であるために背面光(backlight)が要らなく、輝度が優れるだけでなく多様な長所を有していて液晶ディスプレーの問題点を補完した次世代ディスプレー素子として位置づけることができることに展望されている。
発光ダイオードは、主に結晶形態を有する無機材料が用いられるために大面積の電界発光素子に適用するのがむずかしい。また、無機材料を利用した電界発光素子の場合駆動電圧が200V以上必要であって、値段も高価である短所がある。しかし、1987年イーストマン・コダック(Eastman Kodak)でアルミナキノン(alumina quinone)というπ−共役構造を有する材料で製作された素子が発表された以来有機物を利用した電界発光素子の研究が活発になった。
電界発光素子(Electroluminescence device: EL device)は発光層(emitter layer)形成用材料によって無機EL素子と有機EL素子とに区分される。有機電界発光素子は、蛍光性有機化合物を電気的に励起して発光させる自己光型素子として無機EL素子に比べて輝度、駆動電圧及び応答速度特性が優秀で多色化が可能であるという長所を有している。
また、この素子は、数ボルトの低電圧直流印加で発光する伝導体素子として高輝度、高速応答、光視野角、面発光、薄形として多色発光が可能であるという優れた特徴を有している。有機EL素子は、他のディスプレーヤーでは捜せない特徴を有していてプールカラーフラットパネルディスプレーヤーで応用が期待されている。
一般的な有機EL素子は、基板上部にアノード(anode)が形成されており、このアノード上部にホール輸送層、発光層、電子輸送層及びカソードが順次的に形成されている構造を有している。ここで、ホール輸送層、発光層、及び電子輸送層は有機化合物でなった有機薄膜である。
上述したような構造を有する有機EL素子の駆動原理は次のようである。前記アノード及びカソード間に電圧を印加すればアノードから注入されたホールはホール輸送層を経由して発光層に移動する。一方、電子はカソードから電子輸送層を経由して発光層に注入されて、発光層領域でキャリアが再結合して励起子(exciton)を生成する。この励起子が励起状態から基底状態に変化して、これによって発光層の蛍光性分子が発光することによって画像が形成される。
一方、1987年イーストマン・コダック(Eastman Kodak)社では発光層形成用材料として低分子である芳香族ジアミンとアルミニウム錯体とを利用している有機電界発光素子を初めて開発した(Appl.Phys.Lett.51、913、1987)。
一方、青色発光材料としては、ジフェニルアントラセン、テトラフェニルブタジエン、ジスチリルベンゼン誘導体などの化合物が開発されたが薄膜安全性が落ちて容易に結晶化される傾向を有すると知られている。
イデミツ(Idemitsu:出光興山)社で小枝のフェニル基が結晶化を妨害して薄膜安全性が改善されたジフェニルジスチリル系青色発光材料を開発しており[H.Tokilin、H.Higashi、C.Hosokawa、EP388、768(1990)]、九州大学では電子吸引基と電子供与基とを有して薄膜安全性が改善されたジスチリルアントラセン誘導体を開発した[Pro.SPIE、1910、180(1993)]。
しかし、これら化合物も他の色相の発光化合物に比べて発光効率が落ちて薄膜安全性がさらに改善されなければならないので青色発光素子や総天然色発光素子を開発するためには新しい青色発光化合物の開発が急な解決課題になっている。
本発明の目的は、発光効率と輝度特性とが改善されたスピロビフルオレン(spirobifluorene)を含む青色発光化合物を提供することにある。本発明の他の目的は、トリアリールシリルフェニル(triarylsilylphenyl)基を有する青色発光化合物を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、前記青色発光化合物を発色材料として用いている有機電界発光素子を提供することにある。
前記の目的を達成するための本発明は、下記化学式(1)で表示するスピロビフルオレンを有する有機電界発光素子用青色発光化合物を提供する。
Figure 2007169292
前記式で、Arは炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、及び炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択されるものであり、R及びRは相互関係なく水素、炭素数1ないし20のアルキル基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択される置換基である。
また、本発明は下記化学式(4)で表示されるトリアリールシリルフェニルを有する有機電界発光素子用青色発光化合物を提供する。
Figure 2007169292
前記式で、Arは炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択されるものであり、R、R及びRは相互関係なく水素、炭素数1ないし20のアルキル基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択される置換基である。
また、本発明は一対の電極間に備わっている有機膜を含んでいる有機電界発光素子において、前記有機膜が前記化学式(1)または前記化学式(4)で表示される化合物を含んでいることを特徴とする有機電界発光素子を提供する。
以下、本発明を詳細に説明する。本発明は下記化学式(1)または(4)で表示される青色発光化合物とこれを発色材料として採り入れている有機電界発光素子を提供することによって有機電界発光素子の発光効率及び輝度特性が改善できる。
Figure 2007169292
前記式で、Arは炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、及び炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択されるものであり、R及びRは相互関係なく水素、炭素数1ないし20のアルキル基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択される置換基である。
Figure 2007169292
前記式で、Arは炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択されるものであり、R、R及びRは相互関係なく水素、炭素数1ないし20のアルキル基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択される置換基である。
前記化学式(1)で表示される青色発光化合物は、分子構造末端にスピロビフルオレングループを含んでいる。ここでスピロビフルオレングループ(group)は隣接された化合物とのπ−スタックキングを防ぐ役割をする。このように、π−スタックキングが妨害されると励起子が相互作用をできなくなる。
その結果、これによる発光効率低下を未然に防止できるようになる。また、スピロビフルオレングループは、二つのフルオレンが相互垂直に位置しており、化合物の中心部を占めているアントラセンと両側に位置したスピロビフルオレングループも立体障害を受けて相互ゆがんでいるので結晶化を最大限に妨害して薄膜安全性を極度に増大させる。
前記化学式(1)でArは、望ましくは下記化学式(2)で表示されることが望ましく、R及びRはすべてt−ブチルであることが望ましい。
Figure 2007169292
望ましい化合物を下記化学式(3)で示した。
Figure 2007169292
一方、前記化学式(4)で表示される青色発光化合物は、分子構造末端にトリアリールシリルフェニル基を含んでいる。トリアリールシリルフェニル基も隣接された化合物とのπ−スタックキングを防ぐ役割をすることであり、π−スタックキングが妨害されると励起子が相互作用をできなくなって、発光効率の低下を未然に防止できるようになる。
特に、トリアリールシリルフェニル基は、4個のフェニル基が立体障害によって相互ゆがんでいるので結晶化を最大限に妨害して薄膜安全性を極度に増大させる。そして、前記化学式(4)の化合物は、熱安全性を低下させるアルキル基を有していないので素子の安全性を大幅に増加させる。前記化学式(4)でArは、望ましくは下記化学式(2)で表示されることが望ましく、R、R及びRはすべて水素であることが望ましい。
Figure 2007169292
望ましい化合物を下記化学式(5)に表示した。
Figure 2007169292
本発明はまた、一対の電極間に備わっている有機膜を含んでいる有機電界発光素子で前記有機膜が前記化学式(1)または(4)で表示される化合物を用いることによってこの有機膜が発光層等と同じ薄膜を形成することによって既存の青色発光化合物を用いた場合より発光効率と輝度特性とが改善される。
以下、本発明による有機電界発光素子の製造方法を説明する。まず、基板上部にアノード電極用物質をコーティングする。ここで基板としては通常的な有機EL素子で用いられる基板を用いるが、透明性、表面平滑性、取扱容易性及び防水性が優れたガラス基板または透明プラスチック基板が望ましい。そして、アノード電極用物質としては透明で伝導性が優れたインジウムスズ酸化物(ITO)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)などを用いることが望ましい。
前記アノード電極上部にホール輸送層形成用物質を真空蒸着またはスピンコーティングしてホール輸送層を形成する。前記ホール輸送層物質は、特別に制限されなく、N、N′−ビス(3−メチルフェニル)−N、N′−ジフェニル[1、1′−ビフェニル]−4、4′−ジアミン(TPD)、N、N′−ジ(ナフタレン−1−イル)−N、N′−ジフェニルベンジジン(N、N′−di(naphthalene−1−yl)−N、N′−diphenyl−benzidine;α−NPD)などが使用される。
続いて、前記ホール輸送層上部に前記化学式(1)または前記化学式(4)の発光化合物を含んだ発光材料を真空蒸着して発光層を形成する。その後、前記発光層上部にカソード形成用金属を真空蒸着してカソードを形成することによって有機EL素子が完成される。ここで、カソード形成用金属としてはLi、Mg、Al、Al−Li、Ca、Mg−In、Mg−Agなどが利用される。
前記発光層上部にはカソードを形成する以前に電子輸送層を形成することもする。この電子輸送層は通常的な電子輸送層形成用物質を用いる。本発明の有機電界発光素子は、アノード、ホール輸送層、発光層、電子輸送層及びカソード中から選択された2個の層間に特性向上のための中間層をさらに形成することが可能である。例えば、アノードとホール輸送層間にホール注入層(Hole Injection Layer:HIL)をさらに形成することができるが、このようにホール注入層を形成すればホール輸送層(例:α−NPD)とアノード(ITO)間の接着力を向上させると同時にアノードからホール輸送層にホールが注入されることを助けることになる。
前記ホール注入層形成物質は、特別に制限されないが、下記構造式のCuPc、m−MTDATA、I−TNATAなどが用いられる。有機電界発光素子は、上述したような順序すなわち、アノード/ホール輸送層/発光層/電子輸送層/カソード順に製造しても良いし、その反対の順序すなわち、カソード/電子輸送層/発光層/ホール輸送層/アノード順にも製造しても差し支えない。
以下、本発明の望ましい実施例を提示する。ただし、下記する実施例は本発明の理解を助けるために提示されることだけであって本発明が下記する実施例に限定されることではない。
合成例
化学式(3)の化合物の製造
下記反応式(7)で示したように、まずt−ブチルベンゼン(t−butylbenzene)にテトラクロロ炭素(tetrachloro carbon)を付加した次に、ここにブロムを添加してブロム化反応を実施して4−t−ブチルベンゼンブロマイド(4−t−butylbenzenebromide)(A)を得た。収率は80%だった。
前記4−t−ブチルベンゼンブロマイド(A)をマグネシウムとTHFでなった混合物に徐々に積荷して加熱すればグリニャール試薬(Grignard reagent)が作られ、この反応混合物に塩化ニッケル(NiCl)を添加した次に8時間還流させると4、4′−ジ−t−ブチルフェニレン(4、4′−di−t−butyl−diphenyl)(B)が得られた。収率は80%だった。
化合物(B)をテトラクロロ炭素に付加した次に、ここにブロムを添加してブロム化反応を実施して4、4′−ジ−t−ブチル−2−ブロモジフェニレン(4、4′−di−t−butyl−2−bromo−diphenyl)(C)を得た。収率は80%だった。
化合物(C)をマグネシウムとジエチルエーテルでなった混合物に徐々に積荷して加熱すればグリニャール試薬が作られ、この反応混合物に2−ブロモフルオレン(2−bromofluorene)を付加した次に4時間反応させて化合物(D)を得た。収率は60%だった。
前記化合物(D)を酢酸に付加した次に3時間還流させ化合物(E)を得た。収率は90%だった。9、10−ジブロモアントラセン(9、10−dibromoanthracene)をナトリウムを用いて乾燥されたジエチルエーテル(diethylether)に溶かした次に、2当量のノーマルブチルリチウム(n−butyllithium)を−40℃で徐々に添加した。反応混合物を常温で1時間撹はんした後、再び反応混合物を−70℃まで冷却して5当量のトリメチルホウ酸塩(trimethylborate)を添加した後、常温で10時間撹はんした。反応混合物を氷と硫酸からなった(4NのHSO)溶液に徐々にそそいで2時間撹はんさせて化合物(F)を得た。収率は20%だった。
前記化合物(F)と2当量の化合物(E)とをTHFに溶解した次に、ここにテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム0.6ないし1mol%及び2MのKCO 2.5当量を付加した。この反応混合物を24時間還流して化学式(3)の化合物を得た。収率は40%だった。
Figure 2007169292
化学式(5)の化合物の製造
下記する反応式(8)に示したように、まず、1、4−ジブロモベンゼン(1、4−bromobenzene)をナトリウムを用いて乾燥されたジエチルエーテルに溶かした後、1当量のノーマルブチルリチウムを−40℃で徐々に添加した。反応混合物を常温で1時間撹はんした次に再び反応混合物を−40℃まで冷却してトリフェニルシリル塩化物(triphenylsilylchloride)を添加した次に4時間常温で撹はんして化学式(A)を製造した。収率は95%だった。
9、10−ジブロモアントラセンをナトリウムを用いて乾燥されたジエチルエーテル(diethylether)に溶かした次に、2当量のノーマルブチルリチウムを−40℃で徐々に添加した。反応混合物を常温で1時間撹はんした後、再び反応混合物を−70℃まで冷却して5当量のトリメチルホウ酸塩を添加した後、常温で10時間撹はんした。反応混合物を氷と硫酸からなった(4NのHSO)溶液に徐々にそそいで2時間撹はんさせて化合物(B)を得た。収率は20%だった。
前記化合物(B)と2当量の化合物(A)とをTHFを溶解した次に、ここにテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0.6ないし1mol%)及び2MのKCO 2、5当量を付加した。この反応混合物を24時間還流して化学式(5)の化合物を得た。収率は80%だった。
Figure 2007169292
有機電界発光素子の製造
実施例1
ガラス基板上にITO電極を形成した次に、ITO電極上にN、N′−ビス(3−メチルフェニル)−N、N′−ジフェニル[1、1′−ビフェニル]−4、4′−ジアミン(TPD)を真空蒸着してホール輸送層を500Å厚さに形成した。続いて、前記ホール輸送層上部に化学式(3)の化合物を真空蒸着して280Å厚さの発光層を形成した。
その後、前記発光層上部に化学式(3)の化合物を真空蒸着して350Å厚さの電子輸送層を形成した。この電子輸送層上部にAl:Li合金を真空蒸着して1500Å厚さのアルミニウム・リチウム電極を形成することによって有機電界発光素子を製造した。
実施例2
ガラス基板上にITO電極を形成した次に、ITO電極上に2−TNATAを真空蒸着してホール注入層を400Å厚さに形成した。前記ホール注入層上部にα−NPDを真空蒸着してホール輸送層を75Å厚さに形成した。続いて、このホール輸送層上部に化学式(3)の化合物を真空蒸着して発光層を350Å厚さに形成した。
前記発光層上部に前記化学式(3)の化合物を真空蒸着して電子輸送層を350Å厚さに形成した。その後、前記電子輸送層上部にAl:Li合金を真空蒸着して1500Å厚さのアルミニウム・リチウム電極を形成することによって有機電界発光素子を製造した。
実施例3
化学式(3)の化合物代わりに化学式(6)の化合物を用いることを除いては実施例1と同一な方法によって実施して有機電界発光素子を製造した。
実施例4
化学式(3)の化合物代わりに化学式(6)の化合物を用いることを除いては実施例2と同一な方法によって実施して有機電界発光素子を製造した。
実施例5
ガラス基板上にITO電極を形成した次に、ITO電極上にN、N′−ビス(3−メチルフェニル)−N、N′−ジフェニル[1、1′−ビフェニル]−4、4′−ジアミン(TPD)を真空蒸着してホール輸送層を500Å厚さに形成した。続いて、前記ホール輸送層上部に化学式(5)の化合物を真空蒸着して280Å厚さの発光層を形成した。
その後、前記発光層上部に化学式(6)の化合物を真空蒸着して350Å厚さの電子輸送層を形成した。この電子輸送層上部にAl:Li合金を真空蒸着して1500Å厚さのアルミニウム・リチウム電極を形成することによって有機電界発光素子を製造した。
実施例6
ガラス基板上にITO電極を形成した次に、ITO電極上に2−TNATAを真空蒸着してホール注入層を400Å厚さに形成した。前記ホール注入層上部にα−NPDを真空蒸着してホール輸送層を75Å厚さに形成した。続いて、このホール輸送層上部に化学式(5)の化合物を真空蒸着して発光層を350Å厚さに形成した。
前記発光層上部に前記化学式(5)の化合物を真空蒸着して電子輸送層を350Å厚さに形成した。その後、前記電子輸送層上部にAl:Li合金を真空蒸着して1500Å厚さのアルミニウム・リチウム電極を形成することによって有機電界発光素子を製造した。
Figure 2007169292
電界発光素子の特性調査
前記のように製造された電界発光素子に電界を掛けて発光ダイオードI−V特性を測定した。実施例により製造された青色発光化合物を用いた場合ターン−オン(turn−on)電圧は5Vであって、色純度は0.14、0.09だった。また、効率は3cd/Aだった。
発明の効果
本発明の電界発光素子用青色発光化合物は、スピロビフルオレングループまたはトリアリールシリルフェニル基を含む青色発光材料として発光効率が優秀で、表示素子の発色材料として有用である。また、本発明による有機電界発光素子は本発明の青色発光化合物を利用して発光層等と同じ有機膜を形成して通常的な青色発光化合物を用いた場合と比較して発光効率と輝度特性とが改善される。

Claims (5)

  1. 下記化学式(4)で表示されるトリアリールシリルフェニルを有する有機電界発光素子用青色発光化合物、
    Figure 2007169292
    前記式で、Arは炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択されるものであり、R、R及びRは相互関係なく水素、炭素数1ないし20のアルキル基、炭素数1ないし20のアルキル基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基、炭素数1ないし20のアルコキシ基を有しながら炭素数6ないし20のアリール基でなった群から選択される置換基である。
  2. 前記化学式(4)でArは、アントラセンまたはナフタレンであることを特徴とする請求項1に記載の有機電界発光素子用青色発光化合物。
  3. 前記青色発光化合物が下記化学式(5)で表示される化合物であることを特徴とする請求項1に記載の有機電界発光素子用青色発光化合物。
    Figure 2007169292
  4. 一対の電極間に備わっている有機膜を含んでいる有機電界発光素子において、前記有機膜が第1項の青色発光化合物を含んでいることを特徴とする有機電界発光素子。
  5. 前記第1項の青色発光化合物は、下記化学式(5)で表示される化合物であることを特徴とする請求項4に記載の有機電界発光素子。
    Figure 2007169292
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