JP2017031084A - 新規有機リチウム錯体化合物、それよりなる電子注入材料及びそれを用いた有機el素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の有機リチウム錯体化合物は、電子注入層として、電子輸送層と陰極金属との間に数ナノメートル程度、挿入することで、デバイスの大幅な低電圧化が可能となる。特にLi3BPP、Li4BPPでは、電子吸引性の高い3−ピリジル基や4−ピリジル基を有するため、HOMO及びLUMOがともに深くすることができ、電子注入障壁を低減化できることが期待できる。
さらに、本発明の有機リチウム錯体化合物は、高い熱安定性及び昇華性を持ち、蒸着温度も300℃程度と低く、比較的厚膜でも素子として機能する。また、空気中で安定であるため、取り扱いが容易である。
本発明の有機リチウム錯体化合物は、有機化合物からなる配位子を有するため、一般的な有機溶媒に可溶であり、溶液法による塗布製膜が可能である。
一般式(1)で表される化合物は、具体的には、下記構造式を有する化合物が好ましい。
ただし、本発明の一般式(1)で表される化合物は、上記方法に限られることなく、公知の種々の方法を組み合わせて製造することができる。
本発明の電子注入材料又は有機EL素子は、上記した有機リチウム錯体化合物よりなる。
有機EL素子は、機能の異なる複数の有機材料を積層した1μm以下の極薄膜層(以下「有機層」ともいう。)を、透明電極であるITO(酸化インジウムスズ)を成膜したガラス基板と金属陰極とで挟んだ構造をしており、典型的には、陰極、電子注入層、電子輸送層、発光層、正孔輸送層、正孔注入層、陽極が順次積層された素子構造を有する。なお、前記素子構造において、電子輸送層は発光層を兼ねたものであってもよいし、正孔輸送層が発光層の機能を兼ねたものであってもよい。また、発光層を電子輸送層と正孔輸送層で挟んだ三層型構造(ダブルへテロ構造)であってもよい。
(1)1H核磁気共鳴(NMR)法:
日本電子(株)製(400MHz)JNM−EX270FT−NMR型
(2)質量分析法(MS)
日本電子(株)製JMS−K9[卓上GCQMS]及びWaters(株)製Zspray(SQ検出器2))
(3)元素分析
Perkin Elmer 2400II CHNS/O アナライザー
測定モード:CHNモード
三口フラスコに、2,6−ジブロモピリジン、2−ヒドロキシフェニルボロン酸、トルエン、エタノール及び2M炭酸カリウム水溶液を入れた後、1〜2時間窒素バブリングし、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(Pd(PPh)4)を加えて2〜3時間加熱撹拌した。薄層クロマトグラフィー(TLC;thinlayer chromatography)及びMSにて、これらの原料の消費を確認し、反応混合物を室温に戻した。反応混合物を飽和食塩水で洗浄し、トルエンで抽出し、無水硫酸マグネシウムで乾燥した。硫酸マグネシウムを濾別後、濃縮することで黄色結晶固体を得た。この黄色固体をヘキサン/クロロホルム=3/2(vol/vol)(約100mL)に溶解し、シリカゲルを充填したカラムに乗せた。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(シリカゲル:500cc、展開溶媒:約5L(ヘキサン/クロロホルム=3/2(vol/vol))により精製し、収率80%で白色固体である2BrPPを得た。
1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ = 12.71 (s, 1H), 7.84 (d, 1H, J=7.6 Hz), 7.67~7.75 (m, 2H), 7.32~7.46 (m,2H), 7.04 (dd, 1H, J=8.2, 1.2 Hz), 6.93 (dt, 1H, J=7.6, 1.6 Hz) ppm
MS:m/z 250 [M]+
三口フラスコに、合成例1で得られた2BrPP、3−ピリジンボロン酸エステル、トルエン、エタノール及び1.25Mリン酸三カリウム水溶液を入れ、1〜2時間窒素バブリングした。その後、Pd2(dba)3及びトリシクロヘキシルホスフィン(PCy3)を加え、19〜21時間加熱撹拌した。TLC及びMSにて原料の消費を確認し、反応混合物を室温に戻した後、吸引濾過しつつ水、エタノールで洗浄した。濾液を飽和食塩水で洗浄、トルエンで抽出し、無水硫酸マグネシウムで乾燥した。硫酸マグネシウムを濾別後、濃縮することで黄色粘性液体を得た。この橙色粘体をクロロホルムに溶解し、シリカゲルを充填したカラムに乗せた。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(シリカゲル:500cc、展開溶媒:約1L(クロロホルム/酢酸エチル=19/1(vol/vol))⇒約3L(9:1(vol/vol))により精製し、収率96%で橙色飴状固体である3BPPを得た。
1H-NMR (400 MHz,DMSO-d6): δ = 9.22 (d, 1H, J=1.6 Hz), 8.73 (dd, 1H, J=4.8, 1.6 Hz), 8.38 (td,1H, J=8.0, 2.0 Hz), 8.26 (d, 1H, J=7.6 Hz), 8.04~8.17 (m, 3H), 7.63 (q, 1H,J=4.0 Hz), 7.36 (dt, 1H, J=8.0, 1.6 Hz), 6.96~7.00 (m, 2H) ppm
MS:m/z 249 [M]+
三口フラスコに、合成例1で得られた2BrPP、4−ピリジンボロン酸エステル、トルエン、エタノール及び1.25Mリン酸三カリウム水溶液を入れ、1〜2時間窒素バブリングした。その後、Pd2(dba)3及びトリシクロヘキシルホスフィン(PCy3)を加え、19〜21時間加熱撹拌した。TLCとMSにて原料の消費を確認し、反応混合物を室温に戻した後、吸引濾過しつつ水、エタノールで洗浄した。濾液を飽和食塩水で洗浄、トルエンで抽出し、無水硫酸マグネシウムで乾燥した。硫酸マグネシウムを濾別後、濃縮することで黄色粘性液体を得た。この黄色粘性液体をクロロホルムに溶解し、シリカゲルを充填したカラムに乗せた。そのままシリカゲルカラムクロマトグラフィー(シリカゲル=500cc,展開溶媒:クロロホルム/酢酸エチル=19/1(1L)⇒9:1(3L))により精製することで、収率89%で橙色粘体である4BPPを得た。
1H-NMR (400 MHz,DMSO-d6): δ = 8.78 (d, 2H, J=4.8 Hz), 8.30 (d, 1H, J=8.4 Hz),8.08~8.19 (m, 3H), 7.97 (d, 2H, J=4.4 Hz), 7.35 (t, 1H, J=8.0Hz), 6.95~6.99 (m, 2H) ppm
MS:m/z 249 [M]+
ナスフラスコ内で水酸化リチウム水和物をメタノールに完全に溶解し、そこに合成例2で得られた3BPPをメタノールに溶解した溶液を1ml/minの速度で滴下した。滴下後13時間撹拌した後、反応溶液を濃縮することで、檸檬色粉末固体をほぼ定量的に得た。
1H-NMR (400 MHz,DMSO-d6): δ = 9.28 (d, 1H, J=2.4 Hz), 9.12~9.17 (m, 1H), 8.57 (dd, 1H, J=4.8,1.6 Hz), 8.46 (td, 1H, J=8.0, 2.0 Hz), 8.01 (dd, 1H, J=8.2, 2.0Hz), 7.57~7.66 (m, 2H), 7.48 (dd, 1H, J=8.0, 4.4 Hz), 6.77~6.82 (m, 1H),6.32~6.37 (m, 1H), 6.07 (t, 1H, J=7.2 Hz) ppm (図1参照)
Anal.Calcd for C16H11LiN2O; C, 75.59; H, 4.36; N,11.02 %. Found: C, 75.64; H, 4.24; N, 10.98%
ナスフラスコ内で水酸化リチウム水和物をメタノールに完全に溶解し、そこに4BPPをメタノールに溶解した溶液を1ml/minの速度で滴下した。滴下後12時間撹拌した後、反応溶液を濃縮することで、黄色粉末固体をほぼ定量的に得た。
1H-NMR (400 MHz,DMSO-d6): δ = 9.20 (br, 1H), 8.69 (d, 2H, J­=6.4 Hz), 8.07~8.11 (m, 3H),7.74 (d, 2H, J­=4.4 Hz), 6.86 (t, 1H, J­=8.0 Hz), 6.41 (d, 1H, J­=8.8Hz), 6.17 (t, 1H, J­=5.6 Hz) ppm (図2参照)
Anal.Calcd for C16H11LiN2O; C, 75.59; H, 4.36; N,11.02 %. Found: C, 75.43; H, 4.25; N, 11.00%
(1)分解点(Td5)
実施例1、2で得られた試料(Li3BPP、Li4BPP)、及び参考例の試料(Li2BPP)をそれぞれアルミパンにのせ、示差熱重量計((株)パーキンエルマージャパン製;TGAダイアモンド)を用いて、窒素ガス中で昇温速度10℃/minで5%重量減少温度(Td5)の測定を行った。
(2)融点(Tm)
各試料をそれぞれアルミパンに封入し、示差走査熱量計((株)パーキンエルマージャパン製;DSCDTA)を用いて窒素ガス中で昇温速度10℃/minで融点(Tm)の測定を行った。
(3)昇華点(Ts)
各試料をそれぞれ白金製のパンにのせ、有機色素材熱挙動測定装置((株)アルバック製;VAP−9000特型)を用いて真空中(10-4Pa)で昇温速度10℃/minで昇華点(Ts)の測定を行った。
結果を表1に示す。
(1)UV−vis吸収スペクトル
石英基板上に真空蒸着したLi2BPP、Li3BPP、Li4BPPの薄膜、及びLi2BPP、Li3BPP、Li4BPPをテトラヒドロフランに溶解させた1×10-5Mテトラヒドロフラン溶液を1cm×1cm×1cmの石英セル中に入れたサンプルについて測定を行った。測定には、(株)島津製作所UV−3150を使用した。測定条件としては、スキャンスピードを中速、測定範囲を200〜800nm、サンプリングピッチを0.5nm、スリット幅を0.5nmとした。
(2)電気化学特性の評価
ITOガラス基板上に真空蒸着したLi2BPP、Li3BPP、Li4BPPの薄膜を、住友重機械工業(株)製イオン化ポテンシャル測定装置(PYS)を使用して真空中でイオン化ポテンシャル(Ip)の測定を行った。また、UV−vis吸収スペクトルの吸収端よりエネルギーギャップ(Eg)を見積もり、電子親和力(Ea)を算出した。
(3)蛍光スペクトル
石英基板上に真空蒸着したLi2BPP、Li3BPP、Li4BPPの薄膜について蛍光スペクトルの測定を行った。測定には、インスツルメンツS.A.社製Fluoro MAX−2を使用した。
(i)塗布型黄緑色素子の作製
図7に示すように、ITOガラス基板上に、正孔注入層として、ポリスチレンスルホン酸(PEDOT:PSS)をスピンコートし、ベイクし、成膜した。同様に、正孔輸送層に、インターレイヤーHT12(住友化学(株)製、熱架橋性ポリマー材料)、発光層にF8BT、電子注入層(EIL)の各層を重ねて成膜した。電子注入層にはLi3BPP、Li4BPP、及びLi2BPPのそれぞれを用いた。
前記層上に重ねて、陰極としてアルミニウムを真空蒸着により成膜した。
すなわち、素子構造を[ITO/PEDOT:PSS(30nm)/IL(20nm)/F8BT(80nm)/EIL(1nm)/Al(100nm)](EIL=Li3BPP、Li4BPP、Li2BPP)とした。
また、比較として、電子注入層を用いない素子(NonEIL)を作製した。
素子特性の評価は、フォトニックマルチチャンネル分光器((株)浜松ホトニクス製;PMA−1)を用いたELスペクトルの測定により行った。
発光面を見ると、電子注入層を挿入したすべての素子において黄緑色の発光が観察できたのに対し、電子注入材料を用いなかった素子は発光面の淵のみが発光した。そのため、電子注入材料を用いなかった素子では、各素子特性に必要な輝度が得られず、特性を測ることができなかった。
Li2BPP、Li3BPP及びLi4BPPを各々の電子注入層に用いた場合のそれぞれの素子のELスペクトル、電流密度−電圧特性の関係、輝度−電圧特性の関係、電力効率−輝度特性の関係、電流効率−輝度特性の関係、外部量子効率−輝度特性の関係を図8〜15、及びこれらの結果を表4に示す。
(i)ポリマーバインダーを用いた素子の作製
成膜性の向上を図るべく、電子注入層として、ポリビニルピリジン(PV4Py)をLi2BPP、Li3BPP、Li4BPPのそれぞれに30wt%混合したものを用いて、素子特性評価1と同様にして素子を作製した。
また、比較として、PV4Pyのみを電子注入層に用いた素子を作製した。
素子特性評価1と同様にして発光評価を行った。
それぞれの素子のELスペクトル、電流密度−電圧特性の関係、輝度−電圧特性の関係、電力効率−輝度特性の関係、電流効率−輝度特性の関係、外部量子効率−輝度特性の関係を図16〜21、及びこれらの結果を表5に示す。
このポリマーバインダーを用いた素子系においても、ポリマーバインダーを用いない素子と同様にLi2BPP<Li3BPP<Li4BPPの順に高電圧化していた(図15)。電力効率、電流効率、外部量子効率においては、Li2BPP>Li3BPP>Li4BPPの順に効率が低下していた(図17、18、19)。一方、ポリマーバインダーを用いない素子と発光開始電圧及び駆動電圧を比較すると、Li2BPPは0.05〜0.34Vの電圧の低減化していた。これに対し、Li3BPP及びLi4BPPは0.02〜0.19V高電圧化していた。
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