JP6344382B2 - 発光層形成用塗布液、有機エレクトロルミネッセンス素子とその製造方法及び照明・表示装置 - Google Patents
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Description
リン光発光性有機EL素子において、緑色発光及び赤色発光については、発光効率と発光寿命の両方で実用域の材料や技術が開発され、電子ディスプレイや照明などに活用されている。
一方、青色発光は、赤や緑に比べ発光材料自体の三重項エネルギーを高くする必要があることから、基底状態と励起状態のエネルギー準位のギャップを広くする必要がある。結果として分子が脆弱化し発光素子寿命が短くなることが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
また、発光色をより純青又は青紫に近づけようとすると、さらにその前記ギャップを広くしなければならず、発光波長の短波化と発光素子の長寿命化は完全にトレードオフの関係になり、現状では、両者の両立は達成されていない。
例えば、特許文献1には、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技術が開示されている。この技術により青色の蛍光発光材料の電力効率は従来の蛍光発光材料の2〜3倍まで向上しているが、最低励起三重項エネルギー準位から最低励起一重項エネルギー準位への変換率はもともと50%であることから、前記高発光効率のリン光発光材料のレベルに到達するには原理的に限界がある。
熱活性化型遅延蛍光発光性化合物と、当該熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の三重項励起状態から一重項励起状態への項間交差を促進し蛍光発光を増強する外部重原子効果を及ぼすリン光発光性金属錯体と、を含有し、
前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起一重項エネルギー準位(S 1 (TADF))と前記リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位(T 1 (P))とのエネルギー差が、下記式(1)で表される範囲内であり、かつ、
前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起三重項エネルギー準位(T 1 (TADF))と前記リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位(T 1 (P))とのエネルギー差が、下記式(3)で表される範囲内であることを特徴とする発光層形成用塗布液。
式(1): −0.2eV≦[S 1 (TADF)−T 1 (P)]≦1.0eV
式(3): −0.2eV≦[T 1 (TADF)−T 1 (P)]≦0.5eV
式(2): 0eV≦[S1(TADF)−T1(P)]≦0.2eV
式(4): 0eV≦[T1(TADF)−T1(P)]≦0.1eV
第8項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子が備えられていることを特徴とする白色エレクトロルミネッセンスデバイス。
第1項から第7項までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液を用いて前記有機層の一つである発光層を形成することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
13.陽極と陰極との間に挟持された一又は複数の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
第1項から第7項までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液を用いて前記有機層の一つである発光層を形成し、該発光層より上層に位置する層をフッ化アルコール含有塗布液により形成することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
すなわち、本発明の発光性形成用塗布液は、置換基を大きく変えられないTADF化合物であっても、塗布膜では膜が疎になるため擬似的に分散されたようになり、T−T消滅する確率が低減し、量子効率の向上及び発光ピークの長波長シフトが抑えられるといった効果が得られる。
更に、有機EL素子にした場合、リン光発光性材料やホスト化合物を併用することで疎の部分に対してこれらが充填剤として働くため、TADFの分散効果と合せて高効率、低駆動電圧及び長寿命な素子が得られる。更に、TADF化合物の分散性が向上するため、駆動中の発光材料同士の凝集も低減し、発光色の変化が抑えられ、非発光中心の形成(ダークスポット)の発生も低減でき、素子の信頼性が得られるものと考えている。
これにより、リン光発光性金属錯体から熱活性化型遅延蛍光発光性化合物に重原子効果を及ぼす際に、熱活性化型遅延蛍光発光性化合物からリン光発光性金属錯体へのエネルギー移動が支配的になることなく効果的に重原子効果を及ぼすことができる。
これにより、リン光発光性金属錯体から熱活性化型遅延蛍光発光性化合物に重原子効果を及ぼす際に、熱活性化型遅延蛍光発光性化合物からリン光発光性金属錯体へのエネルギー移動が支配的になることなく、さらに効果的に重原子効果を及ぼすことができる。
これにより、リン光発光性金属錯体から熱活性化型遅延蛍光発光性化合物に重原子効果を及ぼす際に、熱活性化型遅延蛍光発光性化合物からリン光発光性金属錯体へのエネルギー移動が支配的になることなく効果的に重原子効果を及ぼすことができるとともに、TADFの75%の三重項励起子のうち熱的に失活してしまうエネルギーを効果的にリン光発光性金属錯体が捕捉することができる。
これによりリン光発光性金属錯体から熱活性化型遅延蛍光発光性化合物に重原子効果を及ぼす際に、熱活性化型遅延蛍光発光性化合物からリン光発光性金属錯体へのエネルギー移動が支配的になることなく効果的に重原子効果を及ぼすことができるとともに、熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の75%の三重項励起子のうち熱的に失活してしまうエネルギーをさらに効果的にリン光発光性金属錯体が捕捉することができる。
これにより、該リン光発光性金属錯体は、比較的量子効率が高く、安定性に優れ、TADF化合物と近接して存在する場合、効果的な重原子効果を及ぼし、かつTADF化合物の75%の三重項励起子のうち熱的に失活してしまうエネルギーを効果的に捕捉することができる。
なお、本発明において示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。
本発明の発光層形成用塗布液は、陽極と陰極との間に挟持された一又は複数の有機層のうちの発光層の形成に用いられる発光層形成用塗布液であって、熱活性化型遅延蛍光発光性化合物を含有することを特徴とする。
また、本発明の発光層形成用塗布液は、リン光発光性材料やホスト化合物を含有することが好ましい。これにより、TADF化合物の分散性を更に高めるだけでなく、塗布成膜特有の疎膜化に対し、疎の部分にこれらが充填剤として働くため、溶媒や水のような発光を妨げる分子の膜内への残存を抑制することができる。
当該発光層形成用塗布液の詳細は後述する。
TADF化合物とリン光発光性金属錯体とのエネルギー準位の関係を説明する。
TADF化合物のような蛍光発光性化合物については、通常、一重項状態から一重項状態への遷移及び三重項状態から三重項状態への遷移は許容遷移であり、通常その速度定数は大きい。しかし、一重項状態から三重項状態への遷移及び三重項状態から一重項状態への遷移は禁制遷移であり、その速度定数は小さい。つまり遷移が起こりにくいことになる。
一方で、リン光発光性金属錯体においては、一重項励起状態から基底状態に輻射失活するいわゆる蛍光発光が観測されず、三重項励起状態から基底状態に輻射失活するいわゆるリン光発光が高い効率かつ早い速度で起こることが知られている。これは、中心金属である遷移金属(例えば、イリジウムや白金)の重原子効果によるものである。
すなわち、図2の模式図で示すとおり、TADF化合物の近傍にリン光発光性金属錯体が共存すると、TADF化合物の主要メカニズムである熱活性化による逆項間交差(T1(TADF)→S1(TADF))は加速されることになり、TADF(熱活性化型遅延蛍光発光)は助長されることになる。
ここで、この三重項状態から三重項状態への遷移は許容遷移であることから、T1(P)が必ずしもT1(TADF)よりも小さくある必要はない。具体的には、同等又は多少T1(P)の方が高いエネルギーレベルであってもこのエネルギー移動、すなわちリン光発光性金属錯体からの発光は起こる。T1(P)とT1(TADF)との差の絶対値の許容幅は、0〜0.5eVの範囲内であればよく、特に、0〜0.1eVの範囲内が好ましい。この範囲内であれば本発明の本質であるTADF化合物からの蛍光発光とリン光発光性金属錯体からのリン光発光の両方を同時に得られることがわかった。
リン光発光性金属錯体の中でも、室温(約25℃)でリン光発光を示す錯体が最も好ましい。すなわち、外部重原子効果を発揮するためには、TADF化合物と相互作用しやすい有機化合物を含むことが重要であり、更には内部重原子効果により一重項励起状態と三重項励起状態のスピンが混ざり合う(スピン軌道相互作用)ことも重要である。さらに、TADF化合物の三重項励起状態からの熱失活のエネルギーをリン光発光に変換する為には室温でリン光発光することも重要である。
TADF化合物の最低励起一重項エネルギーS1については、本発明においても通常の手法と同様にして算出されるもので定義される。すなわち、測定対象となる化合物を石英基板上に蒸着して試料を作製し、常温(300K)でこの試料の吸収スペクトル(縦軸:吸光度、横軸:波長とする。)を測定する。この吸収スペクトルの長波長側の立ち上がりに対して接線を引き、その接線と横軸との交点の波長値に基づいて、所定の換算式から算出される。但し、本発明において使用するTADF化合物は、分子自体の凝集性が比較的高いため、薄膜の測定においては凝集による誤差を生じる可能性がある。本発明におけるTADF化合物はストークスシフトが比較的小さいこと、さらに励起状態と基底状態の構造変化が極めて小さいことも考慮し、本発明における最低励起一重項エネルギーは、室温(約25℃)におけるTADF化合物の溶液状態の発光波長のピーク値を近似値として用いた。ここで、使用する溶媒は、TADF化合物の凝集状態に影響を与えない、すなわち溶媒効果の影響が小さい溶媒、例えばシクロヘキサンやトルエン等の非極性溶媒等を用いることができる。
TADF化合物の最低励起一重項エネルギーは必ずその最低励起三重項エネルギーよりも大きいため、リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位との差[S1(TADF)−T1(P)]は[T1(TADF)−T1(P)]よりも必ず大きくなる。その範囲はΔEst=(S1(TADF)−T1(TADF))と[T1(TADF)−T1(P)]の和で定義される。
従って、[S1(TADF)−T1(P)]の好ましい範囲としては、例えば、好ましいΔEstを0.5eV以下、好ましいT1(TADF)−T1(P)を0.5eV以下とすれば1.0eV以下であることが好ましい。具体的には、−0.2eV≦[S1(TADF)−T1(P)]≦1.0eVの範囲内、特に、0eV≦[S1(TADF)−T1(P)]≦0.2eVの範囲内が好ましい。この範囲であれば、TADF化合物の近傍にリン光発光性金属錯体が共存すると、TADF化合物の主要メカニズムである熱活性化による逆項間交差(T1(TADF)→S1(TADF))は加速されることになり、熱活性化型遅延蛍光発光は助長されることになる。
TADF化合物の最低励起三重項エネルギーについては、溶液若しくは薄膜のフォトルミネッセンス(PL)特性により算出した。例えば薄膜における算出方法としては、希薄状態のTADF化合物の分散物を薄膜にした後に、ストリークカメラを用い、過渡PL特性を測定することで、蛍光成分とリン光成分の分離を行い、そのエネルギー差をΔEstとして最低励起一重項エネルギーから最低励起三重項エネルギーを求めることができる。また、TADF化合物の温度依存性を利用することもできる。例えば低温(8.5K)状態では最低励起三重項エネルギーからの発光がメインであるため、低温状態でのメインの発光から直接最低励起三重項エネルギーを求めることもできる。
本発明においてリン光発光性金属錯体の、最低励起三重項エネルギーT1(P)は、測定対象となる化合物を溶媒に溶解させた試料を低温(77K)でリン光スペクトル(縦軸:リン光発光強度、横軸:波長とする。)を測定し、このリン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、その接線と横軸との交点の波長値に基づいて、所定の換算式(E≒1240/λ[eV]、λ:波長[nm])から算出した。
前記のとおり、原理的にはリン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー(T1(P))は、共存するTADF化合物の最低励起三重項エネルギー(T1(TADF))よりも小さければエネルギー移動は起こるため原理上の下限値はないといえる。しかし、実際にはそれらの差(ΔEst)が0.5eV超であれば最適な速度でリン光発光性金属錯体へのエネルギー移動が起こる。これにより、TADF化合物の三重項励起子は一重項励起子に項間交差することなく、全てリン光発光性金属錯体に移ってしまい、そもそものTADF現象が起こりにくくなる。
−0.2eV≦[T1(TADF)−T1(P)]≦0.5eV
であることが好ましい(図2参照)。
さらに、TADF化合物から短波長な青色発光を発生させ、リン光発光性金属錯体からライトブルー発光を両方同時に発生させるためには、
0eV≦[T1(TADF)−T1(P)]≦0.1eV
の条件を満たすことが好ましいことが我々の研究開発の成果からわかってきた。
本発明では、TADF化合物とリン光発光性金属錯体が外部重原子効果を発現できる距離範囲内に近接して配置されていればよく、単一層であっても、各々が隣接する2層に含まれていてもよい。
A(TADF化合物に対するリン光発光性金属錯体の質量%)=17−20×(T1(TADF)−T1(P))
具体的には、破線で示すTADF化合物の最低励起三重項エネルギー準位から最低励起一重項エネルギー準位への項間交差は、リン光発光性金属錯体によって活性化される(図2参照)。
そして、TADF化合物の最低励起三重項エネルギー準位からの熱失活成分をリン光発光性金属錯体が捕捉することで、TADF化合物が単独で発光するよりもTADF化合物による蛍光発光の発光強度が増加し、かつリン光発光の両方を得ることができる。
また、TADF化合物からの蛍光発光とリン光発光性金属錯体のリン光発光を共に得るには、双方が同一系内に存在することが好ましいため、TADF化合物とリン光発光性金属錯体が共存する有機ルミネッセンス用組成物を用いることもできる。
本発明で使用できる熱活性化型遅延蛍光化合物(TADF化合物)は次のような特徴を有する。
(1)室温(298K)での発光寿命が、マイクロ秒レベルである
(2)室温(298K)での発光波長が、低温(77K)の発光波長よりも短い
(3)室温(298K)での発光寿命が、低温(77K)の発光寿命より大幅に短い
(4)温度の上昇により、発光強度が向上する
その他には、非特許文献2〜7で示されるように最低励起一重項エネルギー準位と最低励起三重項エネルギー準位とのエネルギー差ΔEst(TADF)が非常に小さいことも特徴である。その許容幅は0〜1.0eVの範囲内といわれているが、好ましくは0eV≦ΔEst(TADF)≦0.5eVである。さらに、構造の最適化により、基底状態と励起状態若しくは一重項励起状態と三重項励起状態の構造変化を限りなく小さくし、無輻射失活(Knr)を抑制することで、量子効率を向上させることもできる。
本発明において、好ましく用いられるリン光発光性金属錯体は一般式(I)で表される。
環Z1は置換基を有していてもよく、さらに置換基同士が結合して縮環構造を形成していてもよい。
Mで表される金属元素としては、元素周期表の8〜10族の遷移金属元素(単に遷移金属ともいう)、例えば、Ir、Pt、Rh、Ru、Ag、Cu又はOsが用いられるが、中でもイリジウム及び白金が好ましく、更に好ましくはイリジウムである。
Rb3〜Rb5は水素原子又は置換基を表し、Rb3〜Rb5で表される置換基としては、前述の一般式(I)における環Z1が有する置換基と同義の基が挙げられる。
また、一般式(Ia)におけるB4及びB5は、炭素原子又は窒素原子であり、より好ましくは少なくとも一つが炭素原子である。
一般式(Ic)におけるB3及びB4は、炭素原子又は窒素原子であり、より好ましくは少なくとも一つが炭素原子である。
P−14は、以下の工程に従って合成できる。
窒素雰囲気下で2−フェニル−(2,3,6−トリメチルフェニル)−1H−イミダゾール、18g(0.06861モル)を2−エトキシエタノール350mlに溶解した溶液に、塩化イリジウム3水和物、8.1g(0.02297モル)及び100mlの水を加え、窒素雰囲気下で5時間還流した。反応液を冷却し、メタノール500mlを加え、析出した結晶をろ取した。得られた結晶を更にメタノールで洗浄し、乾燥後15.2g(収率88.4%)の錯体Aを得た。
また、リン光発光性金属錯体P−149の発光極大波長(nm)は、468nmであり、最低励起三重項エネルギー(eV)は、2.65eVである。
また、リン光発光性金属錯体P−153の発光極大波長(nm)は、467nmであり、最低励起三重項エネルギー(eV)は、2.66eVである。
また、リン光発光性金属錯体P−165の発光極大波長(nm)は、466nmであり、最低励起三重項エネルギー(eV)は、2.66eVである。
また、リン光発光性金属錯体P−166の発光極大波長(nm)は、466nmであり、最低励起三重項エネルギー(eV)は、2.66eVである。
また、リン光発光性金属錯体P−172の発光極大波長(nm)は、467nmであり、最低励起三重項エネルギー(eV)は、2.66eVである。
ホスト化合物は、その励起状態から発光性化合物へエネルギー移動や電子移動が起こり、その結果、その発光性化合物を発光させる化合物である。また発光層において発光性化合物を安定に分散させる機能も有している。
本発明の有機EL素子における代表的な素子構成としては、以下の構成を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
(1)陽極/発光層/陰極
(2)陽極/発光層/電子輸送層/陰極
(3)陽極/正孔輸送層/発光層/陰極
(4)陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(5)陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極
(6)陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(7)陽極/正孔注入層/正孔輸送層/(電子阻止層/)発光層/(正孔阻止層/)電子輸送層/電子注入層/陰極
上記の中で(7)の構成が好ましく用いられるが、これに限定されるものではない。
本発明に係る発光層は、単層又は複数層で構成されており、発光層が複数の場合は各発光層の間に非発光性の中間層を設けてもよい。
本発明に係る電子輸送層とは、電子を輸送する機能を有する層であり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。また、複数層で構成されていてもよい。
本発明に係る正孔輸送層とは、正孔を輸送する機能を有する層であり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。また、複数層で構成されていてもよい。
上記の代表的な素子構成において、陽極と陰極を除いた層を「有機層」ともいう。
また、本発明の有機EL素子は、少なくとも1層の発光層を含む発光ユニットを複数積層した、いわゆるタンデム構造の素子であってもよい。
タンデム構造の代表的な素子構成としては、例えば以下の構成を挙げることができる。
陽極/第1発光ユニット/中間層/第2発光ユニット/中間層/第3発光ユニット/陰極
ここで、上記第1発光ユニット、第2発光ユニット及び第3発光ユニットは全て同じであっても、異なっていてもよい。また二つの発光ユニットが同じであり、残る一つが異なっていてもよい。
中間層に用いられる材料としては、例えば、ITO(インジウム・スズ酸化物)、IZO(インジウム・亜鉛酸化物)、ZnO2、TiN、ZrN、HfN、TiOx、VOx、CuI、InN、GaN、CuAlO2、CuGaO2、SrCu2O2、LaB6、RuO2、Al等の導電性無機化合物層や、Au/Bi2O3等の二層膜や、SnO2/Ag/SnO2、ZnO/Ag/ZnO、Bi2O3/Au/Bi2O3、TiO2/TiN/TiO2、TiO2/ZrN/TiO2等の多層膜、またC60等のフラーレン類、オリゴチオフェン等の導電性有機物層、金属フタロシアニン類、無金属フタロシアニン類、金属ポルフィリン類、無金属ポルフィリン類等の導電性有機化合物層等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
本発明に係る発光層は、電極又は隣接層から注入されてくる電子及び正孔が再結合し、励起子を経由して発光する場を提供する層であり、発光する部分は発光層の層内であっても、発光層と隣接層との界面であってもよい。本発明に係る発光層は、本発明で規定する要件を満たしていれば、その構成に特に制限はない。
発光層の層厚の総和は、特に制限はないが、形成する膜の均質性や、発光時に不必要な高電圧を印加するのを防止し、かつ、駆動電流に対する発光色の安定性向上の観点から、2nm〜5μmの範囲内に調整することが好ましく、より好ましくは2〜500nmの範囲内に調整され、更に好ましくは5〜200nmの範囲内に調整される。
また、本発明に係る個々の発光層の層厚としては、2nm〜1μmの範囲内に調整することが好ましく、より好ましくは2〜200nmの範囲内に調整され、更に好ましくは3〜150nmの範囲内に調整される。
本発明に係る発光層には、前述のTADF化合物及びリン光発光性金属錯体を発光ドーパント(以下、発光性ドーパント化合物、ドーパント化合物、単にドーパントともいう。)として含有し、前述のホスト化合物(マトリックス材料又は単にホストともいう)とを含有することが好ましい。
本発明に係る発光層はウェットプロセスにより形成された層であることを特徴とする。これにより、塗布液の安定性が増し析出が抑制される。また、塗布ムラが低減し発光時の輝度ムラを少なくすることができる。本発明において、ウェットプロセスは、スピンコート法、インクジェット法、印刷法、スプレーコート法等の塗布法による製膜が好ましい。
本発明において電子輸送層とは、電子を輸送する機能を有する材料からなり、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。
本発明に係る電子輸送層の総層厚については特に制限はないが、通常は2nm〜5μmの範囲内であり、より好ましくは2〜500nmの範囲内であり、さらに好ましくは5〜200nmの範囲内である。
一方で、電子輸送層の層厚を厚くすると電圧が上昇しやすくなるため、特に層厚が厚い場合においては、電子輸送層の電子移動度は10-5cm2/Vs以上であることが好ましい。
例えば、含窒素芳香族複素環誘導体(カルバゾール誘導体、アザカルバゾール誘導体(カルバゾール環を構成する炭素原子の一つ以上が窒素原子に置換されたもの)、ピリジン誘導体、ピリミジン誘導体、ピラジン誘導体、ピリダジン誘導体、トリアジン誘導体、キノリン誘導体、キノキサリン誘導体、フェナントロリン誘導体、アザトリフェニレン誘導体、オキサゾール誘導体、チアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、チアジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、ベンズイミダゾール誘導体、ベンズオキサゾール誘導体、ベンズチアゾール誘導体等)、ジベンゾフラン誘導体、ジベンゾチオフェン誘導体、シロール誘導体、芳香族炭化水素環誘導体(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、トリフェニレン等)等が挙げられる。
また、これらの材料を高分子鎖に導入した、又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。
米国特許第6528187号明細書、米国特許第7230107号明細書、米国特許出願公開第2005/0025993号明細書、米国特許出願公開第2004/0036077号明細書、米国特許出願公開第2009/0115316号明細書、米国特許出願公開第2009/0101870号明細書、米国特許出願公開第2009/0179554号明細書、国際公開第2003/060956号、国際公開第2008/132085号、Appl.Phys.Lett.75,4(1999)、Appl.Phys.Lett.79,449(2001)、Appl.Phys.Lett.81,162(2002)、Appl.Phys.Lett.81,162(2002)、Appl.Phys.Lett.79,156(2001)、米国特許第7964293号明細書、米国特許出願公開第2009/030202号明細書、国際公開第2004/080975号、国際公開第2004/063159号、国際公開第2005/085387号、国際公開第2006/067931号、国際公開第2007/086552号、国際公開第2008/114690号、国際公開第2009/069442号、国際公開第2009/066779号、国際公開第2009/054253号、国際公開第2011/086935号、国際公開第2010/150593号、国際公開第2010/047707号、欧州特許第2311826号、特開2010−251675号公報、特開2009−209133号公報、特開2009−124114号公報、特開2008−277810号公報、特開2006−156445号公報、特開2005−340122号公報、特開2003−45662号公報、特開2003−31367号公報、特開2003−282270号公報、国際公開第2012/115034号等である。
電子輸送材料は単独で用いてもよく、また複数種を併用して用いてもよい。
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層であり、好ましくは電子を輸送する機能を有しつつ正孔を輸送する能力が小さい材料からなり、電子を輸送しつつ正孔を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。
また、前述する電子輸送層の構成を必要に応じて、本発明に係る正孔阻止層として用いることができる。
本発明の有機EL素子に設ける正孔阻止層は、発光層の陰極側に隣接して設けられることが好ましい。
本発明に係る正孔阻止層の層厚としては、好ましくは3〜100nmの範囲であり、更に好ましくは5〜30nmの範囲である。
正孔阻止層に用いられる材料としては、前述の電子輸送層に用いられる材料が好ましく用いられ、また、前述のホスト化合物として用いられる材料も正孔阻止層に好ましく用いられる。
本発明に係る電子注入層(「陰極バッファー層」ともいう。)とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために陰極と発光層との間に設けられる層のことで、「有機EL素子とその工業化最前線(1998年11月30日エヌ・ティー・エス社発行)」の第2編第2章「電極材料」(123〜166頁)に詳細に記載されている。
本発明において電子注入層は必要に応じて設け、上記の如く陰極と発光層との間、又は陰極と電子輸送層との間に存在させてもよい。
電子注入層はごく薄い膜であることが好ましく、素材にもよるがその膜厚は0.1〜5nmの範囲が好ましい。また構成材料が断続的に存在する不均一な膜であってもよい。
電子注入層は、特開平6−325871号公報、同9−17574号公報、同10−74586号公報等にもその詳細が記載されており、電子注入層に好ましく用いられる材料の具体例としては、ストロンチウムやアルミニウム等に代表される金属、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム等に代表されるアルカリ金属化合物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等に代表されるアルカリ土類金属化合物、酸化アルミニウムに代表される金属酸化物、リチウム8−ヒドロキシキノレート(Liq)等に代表される金属錯体等が挙げられる。また、前述の電子輸送材料を用いることも可能である。
また、上記の電子注入層に用いられる材料は単独で用いてもよく、複数種を併用して用いてもよい。
本発明において正孔輸送層とは、正孔を輸送する機能を有する材料からなり、陽極より注入された正孔を発光層に伝達する機能を有していればよい。
本発明に係る正孔輸送層の総層厚については特に制限はないが、通常は5nm〜5μmの範囲であり、より好ましくは2〜500nmであり、さらに好ましくは5〜200nmである。
正孔輸送層に用いられる材料(以下、正孔輸送材料という。)としては、正孔の注入性又は輸送性、電子の障壁性のいずれかを有していればよく、従来公知の化合物の中から任意のものを選択して用いることができる。
また、特表2003−519432号公報や特開2006−135145号公報等に記載されているようなヘキサアザトリフェニレン誘導体も同様に正孔輸送材料として用いることができる。
また、特開平11−251067号公報、J.Huang et.al.著文献(Applied Physics Letters 80(2002),p.139)に記載されているような、いわゆるp型正孔輸送材料やp型−Si、p型−SiC等の無機化合物を用いることもできる。さらにIr(ppy)3に代表されるような中心金属にIrやPtを有するオルトメタル化有機金属錯体も好ましく用いられる。
例えば、Appl.Phys.Lett.69,2160(1996)、J.Lumin.72−74,985(1997)、Appl.Phys.Lett.78,673(2001)、Appl.Phys.Lett.90,183503(2007)、Appl.Phys.Lett.90,183503(2007)、Appl.Phys.Lett.51,913(1987)、Synth.Met.87,171(1997)、Synth.Met.91,209(1997)、Synth.Met.111,421(2000)、SID Symposium Digest,37,923(2006)、J.Mater.Chem.3,319(1993)、Adv.Mater.6,677(1994)、Chem.Mater.15,3148(2003)、米国特許出願公開第2003/0162053号明細書、米国特許出願公開第2002/0158242号明細書、米国特許出願公開第2006/0240279号明細書、米国特許出願公開第2008/0220265号明細書、米国特許第5061569号明細書、国際公開第2007/002683号、国際公開第2009/018009号、欧州特許第650955号、米国特許出願公開第2008/0124572号明細書、米国特出願許公開第2007/0278938号明細書、米国特許出願公開第2008/0106190号明細書、米国特許出願公開第2008/0018221号明細書、国際公開第2012/115034号、特表2003−519432号公報、特開2006−135145号公報、米国特許出願番号13/585981号等である。
電子阻止層とは、広い意味では正孔輸送層の機能を有する層であり、好ましくは正孔を輸送する機能を有しつつ電子を輸送する能力が小さい材料からなり、正孔を輸送しつつ電子を阻止することで電子と正孔の再結合確率を向上させることができる。
また、前述する正孔輸送層の構成を必要に応じて、本発明に係る電子阻止層として用いることができる。
本発明の有機EL素子に設ける電子阻止層は、発光層の陽極側に隣接して設けられることが好ましい。
本発明に係る電子阻止層の層厚としては、好ましくは3〜100nmの範囲であり、更に好ましくは5〜30nmの範囲である。
電子阻止層に用いられる材料としては、前述の正孔輸送層に用いられる材料が好ましく用いられ、また、前述のホスト化合物として用いられる材料も電子阻止層に好ましく用いられる。
本発明に係る正孔注入層(「陽極バッファー層」ともいう。)とは、駆動電圧低下や発光輝度向上のために陽極と発光層との間に設けられる層のことで、「有機EL素子とその工業化最前線(1998年11月30日エヌ・ティー・エス社発行)」の第2編第2章「電極材料」(123〜166頁)に詳細に記載されている。
本発明において正孔注入層は必要に応じて設け、上記の如く陽極と発光層、又は陽極と正孔輸送層との間に存在させてもよい。
中でも銅フタロシアニンに代表されるフタロシアニン誘導体、特表2003−519432号公報や特開2006−135145号公報等に記載されているようなヘキサアザトリフェニレン誘導体、酸化バナジウムに代表される金属酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン(エメラルディン)やポリチオフェン等の導電性高分子、トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム錯体等に代表されるオルトメタル化錯体、トリアリールアミン誘導体等が好ましい。
前述の正孔注入層に用いられる材料は単独で用いてもよく、また複数種を併用して用いてもよい。
前述した本発明における有機層は、更に他の添加物が含まれていてもよい。
添加物としては、例えば臭素、ヨウ素及び塩素等のハロゲン元素やハロゲン化化合物、Pd、Ca、Na等のアルカリ金属やアルカリ土類金属、遷移金属の化合物や錯体、塩等が挙げられる。
添加物の含有量は、任意に決定することができるが、含有される層の全質量%に対して1000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは500ppm以下であり、さらに好ましくは50ppm以下である。
ただし、電子や正孔の輸送性を向上させる目的や、励起子のエネルギー移動を有利にするための目的などによってはこの範囲内ではない。
本発明に係る有機層(正孔注入層、正孔輸送層、発光層、正孔阻止層、電子輸送層及び電子注入層等)の形成方法について説明する。
本発明に係る有機層の形成方法は、特に制限はなく、従来公知の例えば真空蒸着法、湿式法(ウェットプロセスともいう)等による形成方法を用いることができる。
湿式法としては、スピンコート法、キャスト法、インクジェット法、印刷法、ダイコート法、ブレードコート法、ロールコート法、スプレーコート法、カーテンコート法、LB法(ラングミュア−ブロジェット法)等があるが、均質な薄膜が得られやすく、かつ高生産性の点から、ダイコート法、ロールコート法、インクジェット法、スプレーコート法などのロール・ツー・ロール方式適性の高い方法が好ましい。
更に層毎に異なる製膜法を適用してもよい。製膜に蒸着法を採用する場合、その蒸着条件は使用する化合物の種類等により異なるが、一般にボート加熱温度を50〜450℃の範囲内、真空度を10-6〜10-2Paの範囲内、蒸着速度0.01〜50nm/秒の範囲内、基板温度−50〜300℃の範囲内、層厚0.1nm〜5μmの範囲内、好ましくは5〜200nmの範囲内で適宜選ぶことが望ましい。
有機EL素子における陽極としては、仕事関数の大きい(4eV以上、好ましくは4.5eV以上)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが好ましく用いられる。このような電極物質の具体例としては、Au等の金属、CuI、インジウム・スズ酸化物(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。
あるいは、有機導電性化合物のように塗布可能な物質を用いる場合には、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。
陽極の膜厚は材料にもよるが、通常10nm〜1μm、好ましくは10〜200nmの範囲で選ばれる。
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、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、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、アルミニウム、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子注入性及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。
なお、発光した光を透過させるため、有機EL素子の陽極又は陰極のいずれか一方が透明又は半透明であれば発光輝度が向上し好都合である。
また、陰極に上記金属を1〜20nmの膜厚で作製した後に、陽極の説明で挙げる導電性透明材料をその上に作製することで、透明又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。
本発明の有機EL素子に用いることのできる支持基板(以下、基体、基板、基材、支持体等ともいう。)としては、ガラス、プラスチック等の種類には特に限定はなく、また透明であっても不透明であってもよい。支持基板側から光を取り出す場合には、支持基板は透明であることが好ましい。好ましく用いられる透明な支持基板としては、ガラス、石英、透明樹脂フィルムを挙げることができる。特に好ましい支持基板は、有機EL素子にフレキシブル性を与えることが可能な樹脂フィルムである。
バリア膜の形成方法については特に限定はなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、クラスターイオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、プラズマCVD法、レーザーCVD法、熱CVD法、コーティング法等を用いることができるが、特開2004−68143号公報に記載されているような大気圧プラズマ重合法によるものが特に好ましい。
本発明の有機EL素子の発光の室温(25℃)における外部取り出し量子効率は、1%以上であることが好ましく、5%以上であるとより好ましい。
ここで、外部取り出し量子効率(%)=有機EL素子外部に発光した光子数/有機EL素子に流した電子数×100である。
また、カラーフィルター等の色相改良フィルター等を併用しても、有機EL素子からの発光色を、蛍光体を用いて多色へ変換する色変換フィルターを併用してもよい。
本発明の有機EL素子の封止に用いられる封止手段としては、例えば、封止部材と、電極、支持基板とを接着剤で接着する方法を挙げることができる。封止部材としては、有機EL素子の表示領域を覆うように配置されていればよく、凹板状でも、平板状でもよい。また、透明性、電気絶縁性は特に限定されない。
具体的には、ガラス板、ポリマー板・フィルム、金属板・フィルム等が挙げられる。ガラス板としては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等を挙げることができる。また、ポリマー板としては、ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルファイド、ポリサルフォン等を挙げることができる。金属板としては、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、クロム、チタン、モリブテン、シリコン、ゲルマニウム及びタンタルからなる群から選ばれる1種以上の金属又は合金からなるものが挙げられる。
封止部材を凹状に加工するのは、サンドブラスト加工、化学エッチング加工等が使われる。
なお、有機EL素子が熱処理により劣化する場合があるので、室温から80℃までに接着硬化できるものが好ましい。また、前記接着剤中に乾燥剤を分散させておいてもよい。封止部分への接着剤の塗布は市販のディスペンサーを使ってもよいし、スクリーン印刷のように印刷してもよい。
さらに該膜の脆弱性を改良するために、これら無機層と有機材料からなる層の積層構造を持たせることが好ましい。これらの膜の形成方法については特に限定はなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、分子線エピタキシー法、クラスターイオンビーム法、イオンプレーティング法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、プラズマCVD法、レーザーCVD法、熱CVD法、コーティング法等を用いることができる。
吸湿性化合物としては、例えば、金属酸化物(例えば、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等)、硫酸塩(例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸コバルト等)、金属ハロゲン化物(例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、フッ化セシウム、フッ化タンタル、臭化セリウム、臭化マグネシウム、ヨウ化バリウム、ヨウ化マグネシウム等)、過塩素酸類(例えば、過塩素酸バリウム、過塩素酸マグネシウム等)等が挙げられ、硫酸塩、金属ハロゲン化物及び過塩素酸類においては無水塩が好適に用いられる。
有機層を挟み支持基板と対向する側の前記封止膜あるいは前記封止用フィルムの外側に、素子の機械的強度を高めるために、保護膜あるいは保護板を設けてもよい。特に、封止が前記封止膜により行われている場合には、その機械的強度は必ずしも高くないため、このような保護膜、保護板を設けることが好ましい。これに使用することができる材料としては、前記封止に用いたのと同様なガラス板、ポリマー板・フィルム、金属板・フィルム等を用いることができるが、軽量かつ薄膜化ということからポリマーフィルムを用いることが好ましい。
有機エレクトロルミネッセンス素子は、空気よりも屈折率の高い(屈折率1.6〜2.1程度の範囲内)層の内部で発光し、発光層で発生した光のうち15%から20%程度の光しか取り出せないことが一般的にいわれている。これは、臨界角以上の角度θで界面(透明基板と空気との界面)に入射する光は、全反射を起こし素子外部に取り出すことができないことや、透明電極ないし発光層と透明基板との間で光が全反射を起こし、光が透明電極ないし発光層を導波し、結果として、光が素子側面方向に逃げるためである。
本発明は、これらの手段を組み合わせることにより、更に高輝度あるいは耐久性に優れた素子を得ることができる。
低屈折率層としては、例えば、エアロゲル、多孔質シリカ、フッ化マグネシウム、フッ素系ポリマーなどが挙げられる。透明基板の屈折率は一般に1.5〜1.7程度の範囲内であるので、低屈折率層は、屈折率がおよそ1.5以下であることが好ましい。またさらに1.35以下であることが好ましい。
また、低屈折率媒質の厚さは、媒質中の波長の2倍以上となるのが望ましい。これは、低屈折率媒質の厚さが、光の波長程度になってエバネッセントで染み出した電磁波が基板内に入り込む層厚になると、低屈折率層の効果が薄れるからである。
しかしながら、屈折率分布を二次元的な分布にすることにより、あらゆる方向に進む光が回折され、光の取り出し効率が上がる。
回折格子を導入する位置としては、いずれかの層間、若しくは媒質中(透明基板内や透明電極内)でも良いが、光が発生する場所である有機発光層の近傍が望ましい。このとき、回折格子の周期は、媒質中の光の波長の約1/2〜3倍程度の範囲内が好ましい。回折格子の配列は、正方形のラチス状、三角形のラチス状、ハニカムラチス状など、二次元的に配列が繰り返されることが好ましい。
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、支持基板(基板)の光取出し側に、例えばマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは、いわゆる集光シートと組み合わせることにより、特定方向、例えば素子発光面に対し正面方向に集光することにより、特定方向上の輝度を高めることができる。
マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を二次元に配列する。一辺は10〜100μmの範囲内が好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付く、大きすぎると厚さが厚くなり好ましくない。
集光シートとしては、例えば液晶表示装置のLEDバックライトで実用化されているものを用いることが可能である。このようなシートとして例えば、住友スリーエム社製輝度上昇フィルム(BEF)などを用いることができる。プリズムシートの形状としては、例えば基材に頂角90度、ピッチ50μmの△状のストライプが形成されたものであってもよいし、頂角が丸みを帯びた形状、ピッチをランダムに変化させた形状、その他の形状であっても良い。
また、有機EL素子からの光放射角を制御するために光拡散板・フィルムを、集光シートと併用してもよい。例えば、(株)きもと製拡散フィルム(ライトアップ)などを用いることができる。
本発明の有機EL素子は、表示デバイス、ディスプレイ、各種発光光源として用いることができる。
発光光源として、例えば、照明装置(家庭用照明、車内照明)、時計や液晶用バックライト、看板広告、信号機、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源等が挙げられるがこれに限定するものではないが、特に液晶表示装置のバックライト、照明用光源としての用途に有効に用いることができる。
本発明の有機EL素子においては、必要に応じ成膜時にメタルマスクやインクジェットプリンティング法等でパターニングを施してもよい。パターニングする場合は、電極のみをパターニングしてもよいし、電極と発光層をパターニングしてもよいし、素子全層をパターニングしてもよく、素子の作製においては、従来公知の方法を用いることができる。
本発明の表示装置は、本発明の有機EL素子を具備したものである。本発明の表示装置は単色でも多色でもよいが、ここでは多色表示装置について説明する。
発光層のみパターニングを行う場合、その方法に限定はないが、好ましくは蒸着法、インクジェット法、スピンコート法及び印刷法である。
図5は有機EL素子から構成される表示装置の一例を示した模式図である。有機EL素子の発光により画像情報の表示を行う、例えば、携帯電話等のディスプレイの模式図である。
制御部Bは表示部Aと配線部Cを介して電気的に接続され、複数の画素それぞれに外部からの画像情報に基づいて走査信号と画像データ信号を送り、走査信号により走査線ごとの画素が画像データ信号に応じて順次発光して画像走査を行って画像情報を表示部Aに表示する。
表示部Aは基板上に、複数の走査線5及びデータ線6を含む配線部Cと複数の画素3等とを有する。表示部Aの主要な部材の説明を以下に行う。
図6においては、画素3の発光した光が白矢印方向(下方向)へ取り出される場合を示している。
画素3は走査線5から走査信号が印加されると、データ線6から画像データ信号を受け取り、受け取った画像データに応じて発光する。
発光の色が赤領域の画素、緑領域の画素、青領域の画素を適宜同一基板上に並置することによって、フルカラー表示が可能となる。
画素は、有機EL素子10、スイッチングトランジスタ11、駆動トランジスタ12、コンデンサー13等を備えている。複数の画素に有機EL素子10として、赤色、緑色及び青色発光の有機EL素子を用い、これらを同一基板上に並置することでフルカラー表示を行うことができる。
すなわち、有機EL素子10の発光は、複数の画素それぞれの有機EL素子10に対して、アクティブ素子であるスイッチングトランジスタ11と駆動トランジスタ12を設けて、複数の画素3それぞれの有機EL素子10の発光を行っている。このような発光方法をアクティブマトリクス方式と呼んでいる。
本発明においては、上述したアクティブマトリクス方式に限らず、走査信号が走査されたときのみデータ信号に応じて有機EL素子を発光させるパッシブマトリクス方式の発光駆動でもよい。
順次走査により走査線5の走査信号が印加されたとき、印加された走査線5に接続している画素3が画像データ信号に応じて発光する。
パッシブマトリクス方式では画素3にアクティブ素子が無く、製造コストの低減が図れる。
本発明の有機EL素子を用いることにより、発光効率が向上した表示装置が得られた。
本発明の照明装置について説明する。本発明の照明装置は上記有機EL素子を有する。
本発明の有機EL素子は、共振器構造を持たせた有機EL素子として用いてもよい。このような共振器構造を有した有機EL素子の使用目的としては、光記憶媒体の光源、電子写真複写機の光源、光通信処理機の光源、光センサーの光源等が挙げられるが、これらに限定されない。また、レーザー発振をさせることにより上記用途に使用してもよい。
また、本発明の有機EL素子は、照明用や露光光源のような一種のランプとして使用してもよいし、画像を投影するタイプのプロジェクション装置や、静止画像や動画像を直接視認するタイプの表示装置(ディスプレイ)として使用してもよい。
動画再生用の表示装置として使用する場合の駆動方式は、パッシブマトリクス方式でもアクティブマトリクス方式でもどちらでもよい。又は、異なる発光色を有する本発明の有機EL素子を2種以上使用することにより、フルカラー表示装置を作製することが可能である。
この方法によれば、複数色の発光素子をアレー状に並列配置した白色有機EL装置と異なり、素子自体が白色発光である。
本発明の有機EL素子を具備した、本発明の照明装置の一態様について説明する。
本発明の有機EL素子の非発光面をガラスケースで覆い、厚さ300μmのガラス基板を封止用基板として用いて、周囲にシール材として、エポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を適用し、これを陰極上に重ねて透明支持基板と密着させ、ガラス基板側からUV光を照射して、硬化させて、封止し、図9及び図10に示すような照明装置を形成することができる。
図9は、照明装置の概略図を示し、本発明の有機EL素子101はガラスカバー102で覆われている(なお、ガラスカバーでの封止作業は、有機EL素子101を大気に接触させることなく窒素雰囲気下のグローブボックス(純度99.999%以上の高純度窒素ガスの雰囲気下)で行った。)。
図10は、照明装置の断面図を示し、図10において、105は陰極、106は有機層、107は透明電極付きガラス基板を示す。なお、ガラスカバー102内には窒素ガス108が充填され、捕水剤109が設けられている。
本発明の有機EL素子を用いることにより、発光効率が向上した照明装置が得られた。
(薄膜1−1の作製方法:塗布膜)
50mm×50mm、厚さ0.7mmの石英基板をイソプロピルアルコールで超音波洗浄し、乾燥窒素ガスで乾燥して、UVオゾン洗浄を5分間行った。
50mm×50mm、厚さ0.7mmの石英基板をイソプロピルアルコールで超音波洗浄し、乾燥窒素ガスで乾燥し、UVオゾン洗浄を5分間行った後、この透明基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定した。
真空蒸着装置内の蒸着用るつぼに、TADF化合物として2CzPNを、薄膜作製に最適の量を充填した。蒸着用るつぼはモリブデン製の抵抗加熱用材料で作製されたものを用いた。
真空度1×10-4Paまで減圧した後、2CzPNを蒸着速度0.1nm/秒で蒸着し、膜厚40nmの薄膜を作製した。
薄膜1−2〜1−7については、塗布による成膜、蒸着による成膜ともに、TADF化合物として2CzPNを表4に記載のTADF化合物に各々替えて、薄膜1−1と同様の塗布及び蒸着の作製方法で薄膜を作製した。
薄膜1−8〜1−12については、塗布による成膜、蒸着による成膜ともに、TADF化合物としてCC2TAを用い、表4に記載のリン光発光性金属錯体1、リン光発光性金属錯体2、リン光発光性金属錯体3及びホスト化合物を対応する組成比で用いて、薄膜1−1と同様の塗布及び蒸着の作製方法で薄膜を作製した。蒸着膜の各素材の含有比は各々の蒸着るつぼからの蒸着速度比を変えて共蒸着することで対応させることができる。蒸着速度の比は表4に記載の組成物のうち溶媒を含めない化合物での質量比を用いた。
薄膜1−13〜1−16については、塗布による成膜、蒸着による成膜ともに、TADF化合物を用いずに、表4に記載のリン光発光性金属錯体1、リン光発光性金属錯体2、リン光発光性金属錯体3及びホスト化合物を対応する組成比で用いて、薄膜1−1と同様の塗布及び蒸着の作製方法で薄膜を作製した。蒸着膜の各素材の含有比は各々の蒸着るつぼからの蒸着速度比を変えて共蒸着することで対応させることができる。蒸着速度の比は表4に記載の組成物のうち溶媒を含めない化合物での質量比を用いた。
薄膜1−1〜1−16の試料に対し薄膜のPLスペクトルを測定した。PL測定には絶対PL量子効率測定装置C9920−02(浜松ホトニクス社製)を用い、室温にて350nmの励起波長で測定を行った。
各薄膜について、最も短波長側に現れたピークのピーク波長を求めた。各薄膜のピーク波長について、(蒸着−塗布)の差を第一発光波長差とする。
量子効率の塗布と蒸着による相対値を求める。まず、溶液状態での量子効率に対する塗布及び蒸着による各薄膜の相対量子効率を求める。そして、求めた蒸着の相対量子効率に対する塗布の相対量子効率を薄膜の相対量子効率として求めた。
例えば、4CzIPNをTADFに用いた溶液の絶対量子効率は、98であり、蒸着による上記方法による作製された4CzIPNを含有する薄膜の絶対量子効率が94、塗布による上記方法による作製された4CzIPNを含有する薄膜の絶対量子効率が96である場合、以下のようになる。
蒸着による薄膜の相対量子効率=(98−94)/98
塗布による薄膜の相対量子効率=(98−96)/98
量子効率(相対値)={(98−96)/98}/{(98−94)/98}×100=50
薄膜1−1〜1−16について、第一発光波長及び量子効率の相対値を求めた結果を表5に示す。
第一発光ピーク波長の差は、プラスの差があるのが、蒸着膜よりも塗布膜の方がより分散していることを示している。一方、マイナスの差は蒸着膜よりも塗布膜の方がより凝集していることを示している。
また、量子効率の相対値は、100より小さい場合は塗布膜の量子効率がより溶液の量子効率に近く、高性能であることを示す。
また、TADF化合物と全てのリン光発光性金属錯体が前記式(1)及び(3)の条件を満たすことが望ましいが、演色性の良い白色発光を得るような複数のリン光発光性金属錯体が入っている場合、少なくとも一つのリン光発光性金属錯体が前記式(1)及び(3)の条件を満たしていれば機能が発現することがわかった。
(有機EL素子2−1の作製:塗布膜)
(1.1)ガスバリアー性の支持基板(可撓性フィルム)の作製
支持基板として、ポリエチレンナフタレートフィルム(帝人デュポン社製フィルム、以下、PENと略記する。)の陽極を形成する側の全面に、特開2004−68143号公報に記載の構成からなる大気圧プラズマ放電処理装置を用いて、連続してPEN上に、SiOxからなる無機物のガスバリアー膜を厚さ500nmとなるように形成し、酸素透過度1×10-3ml/m2・24h・atm以下、水蒸気透過度1×10-6g/m2・24h以下のガスバリアー性の可撓性フィルムを作製した。
準備したガスバリアー性の可撓性フィルム上に厚さ120nmのITO(インジウム・スズ酸化物)をスパッタ法により製膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、陽極を形成した。
なお、パターンは発光面積が50mm平方になるようなパターンとした。
パターニング後のITO基板をイソプロピルアルコールで超音波洗浄し、乾燥窒素ガスで乾燥し、UVオゾン洗浄を5分間行った。この基板上に、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリスチレンスルホネート(PEDOT/PSSと略記、Bayer製、Baytron P Al 4083)を純水で70%に希釈した溶液を用い、3000rpm、30秒の条件でスピンコート法により薄膜を形成した後、200℃にて1時間乾燥し、層厚30nmの正孔注入層を設けた。
この基板を、窒素ガス(グレードG1)を用いた窒素雰囲気下に移し、下記組成の正孔輸送層組成物を用い、1500rpm、30秒の条件でスピンコート法により薄膜を形成した後、160℃で30分間保持し、層厚30nmの正孔輸送層を設けた。
正孔輸送材料HT−1(重量平均分子量Mw=80000) 0.5質量%
クロロベンゼン 99.5質量%
次いで、TADF化合物2CzPN及びホスト化合物S−58を表6に記載の組成で用いて、500rpm、30秒の条件でスピンコート法により薄膜を形成した後、120℃で30分間保持し層厚40nmの発光層を設けた。
続いて、20mgの上記に示すET−1を、4mlのテトラフルオロプロパノール(TFPO)に溶解した溶液を、1500rpm、30秒でスピンコート法により製膜し、120℃で30分間保持し、層厚30nmの電子輸送層とした。
続いて、基板を大気に曝露することなく真空蒸着装置へ取り付けた。また、モリブデン製抵抗加熱ボートにフッ化ナトリウム及びフッ化カリウムをそれぞれ入れたものを真空蒸着装置に取り付け、真空槽を4×10-5Paまで減圧した後、前記ボートに通電して加熱してフッ化ナトリウムを0.02nm/秒で前記電子輸送層上に蒸着させて層厚1nmの薄膜を形成し、続けて同様にフッ化カリウムを0.02nm/秒で当該薄膜上に蒸着させて、層厚1.5nmの電子注入層を設けた。
有機EL素子2−1の作製において、発光層を、以下のように蒸着により形成した。それ以外は有機EL素子2−1の作製と同様にして、有機EL素子2−1の蒸着膜を作製した。
真空蒸着装置内の蒸着用るつぼの各々に、TADF化合物として2CzPNを、ホスト化合物としてS−58を、各々薄膜作製に最適の量を充填した。蒸着用るつぼはモリブデン製の抵抗加熱用材料で作製されたものを用いた。TADF化合物、ホスト化合物及び溶媒の組成比は、表6に示すとおりである。
真空度1×10-4Paまで減圧した後、2CzPN及びS−58を、それぞれ蒸着速度0.025nm/秒及び0.075nmm/秒で共蒸着し、層厚40nmの発光層を作製した。
有機EL素子2−2〜2−22の作製において、表6に記載のとおりに塗布液に含有される化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更して、各素子の発光層を塗布により作製した。
同様にして、有機EL素子2−2〜2−22の作製において、表6に記載の化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更し、組成比に蒸着速度を対応させて各素子の発光層を蒸着により作製した。この際、蒸着速度の比は溶媒を含めない化合物の質量比を対応させた。
得られた有機EL素子2−1〜2−22を評価するに際しては、作製後の各有機EL素子の非発光面をガラスケースで覆い、厚さ300μmのガラス基板を封止用基板として用いて、周囲にシール材としてエポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を適用し、これを上記陰極上に重ねて前記透明支持基板と密着させ、ガラス基板側からUV光を照射して硬化させて封止し、図9及び図10に示すような照明装置を作製して評価した。
上記作製した各有機EL素子を、室温(約25℃)で、2.5mA/cm2の定電流条件下で発光させ、発光開始直後の発光輝度を、分光放射輝度計CS−2000(コニカミノルタ社製)を用いて測定した。
蒸着膜に対する塗布膜の相対発光輝度を求め、これを外部量子効率の尺度とした。数値が大きいほど、塗布膜の外部量子効率が優れていることを表す。
(有機EL素子3−1〜3−22の作製)
有機EL素子3−1〜3−22の作製において、表8に記載のとおりに塗布液に含有される化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更して、各素子の発光層を塗布により作製した。
同様にして、有機EL素子3−1〜3−22の作製において、表8に記載の化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更し、組成比に蒸着速度を対応させて各素子の発光層を蒸着により作製した。この際、蒸着速度の比は溶媒を含めない化合物の質量比を対応させた。
得られた有機EL素子3−1〜3−22を評価するに際しては、作製後の各有機EL素子の非発光面をガラスケースで覆い、厚さ300μmのガラス基板を封止用基板として用いて、周囲にシール材としてエポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を適用し、これを上記陰極上に重ねて前記透明支持基板と密着させ、ガラス基板側からUV光を照射して硬化させて封止し、図9及び図10に示すような照明装置を作製して評価した。
各素子に対し、室温(約25℃)で、分光放射輝度計CS−2000(コニカミノルタ社製)を用いて、各素子の発光輝度を測定し、発光輝度1000cd/m2における初期駆動電圧を求めた。求めた結果を表に示す。
なお、表9では、蒸着膜に対する塗布膜の相対初期駆動電圧を求めた。表中、数値が小さいほど、塗布膜の初期駆動電圧が低く、高性能であることを表す。
(有機EL素子4−1〜4−22の作製)
有機EL素子4−1〜4−22の作製において、表10に記載のとおりに塗布液に含有される化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更して、各素子の発光層を塗布により作製した。
同様にして、有機EL素子4−1〜4−22の作製において、表10に記載の化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更し、組成比に蒸着速度を対応させて各素子の発光層を蒸着により作製した。この際、蒸着速度の比は溶媒を含めない化合物の質量比を対応させた。
得られた有機EL素子4−1〜4−22を評価するに際しては、作製後の各有機EL素子の非発光面をガラスケースで覆い、厚さ300μmのガラス基板を封止用基板として用いて、周囲にシール材としてエポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を適用し、これを上記陰極上に重ねて前記透明支持基板と密着させ、ガラス基板側からUV光を照射して硬化させて封止し、図9及び図10に示すような照明装置を作製して評価した。
各有機EL素子を連続駆動させ、上記分光放射輝度計CS−2000を用いて輝度を測定し、測定した輝度が半減する時間(LT50)を求めた。
駆動条件は、連続駆動開始時に4000cd/m2となる電流値とした。
蒸着膜のLT50に対する塗布膜のLT50を相対値として求め、これを連続駆動安定性の尺度とした。その評価結果を表に示す。表中、数値が大きいほど、塗布膜の連続駆動安定性に優れている(長寿命である)ことを表す。
(有機EL素子5−1〜5−22の作製)
有機EL素子5−1〜5−22の作製において、表12に記載のとおりに塗布液に含有される化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更して、各素子の発光層を塗布により作製した。
同様にして、有機EL素子5−1〜5−22の作製において、表12に記載の化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更し、組成比に蒸着速度を対応させて各素子の発光層を蒸着により作製した。この際、蒸着速度の比は溶媒を含めない化合物の質量比を対応させた。
得られた有機EL素子5−1〜5−22を評価するに際しては、作製後の各有機EL素子の非発光面をガラスケースで覆い、厚さ300μmのガラス基板を封止用基板として用いて、周囲にシール材としてエポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を適用し、これを上記陰極上に重ねて前記透明支持基板と密着させ、ガラス基板側からUV光を照射して硬化させて封止し、図9及び図10に示すような照明装置を作製して評価した。
連続駆動安定性の評価において、連続駆動開始時(t=0)における色度と、輝度半減期であるLT50における色度を、分光放射輝度計CS−2000(コニカミノルタ社製)で測定し、蒸着膜に対する塗布膜の色度の相対値を求め、これを色度安定性の尺度とした。表中、数値が小さいほど、塗布膜の色度安定性が優れていることを表す。
(有機EL素子6−1〜6−22の作製)
有機EL素子6−1〜6−22の作製において、表14に記載のとおりに塗布液に含有される化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更して、各素子の発光層を塗布により作製した。
同様にして、有機EL素子6−1〜6−22の作製において、表14に記載の化合物及び比率を、有機EL素子2−1で用いた化合物及び比率から変更し、組成比に蒸着速度を対応させて各素子の発光層を蒸着により作製した。この際、蒸着速度の比は溶媒を含めない化合物の質量比を対応させた。
得られた有機EL素子6−1〜6−22を評価するに際しては、作製後の各有機EL素子の非発光面をガラスケースで覆い、厚さ300μmのガラス基板を封止用基板として用いて、周囲にシール材としてエポキシ系光硬化型接着剤(東亞合成社製ラックストラックLC0629B)を適用し、これを上記陰極上に重ねて前記透明支持基板と密着させ、ガラス基板側からUV光を照射して硬化させて封止し、図9及び図10に示すような照明装置を作製して評価した。
発光層の信頼性評価として、塗布法により作製した各有機EL素子を、オーブンにて60%RH、温度80℃の条件下で10時間加熱したのち、23±3℃、55±3%RHの環境下で1時間温調した後、1mm2当たりのダークスポットの発生度(数)により、以下の基準で評価した。
◎:ダークスポットが0個
○:ダークスポットが1〜2個
△:ダークスポットが3〜5個
×:ダークスポットが6個以上
表7、9、11、13及び15に示すとおり、本発明の発光層形成用塗布液により形成された発光層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子はTADF化合物に複雑な分子設計を施すことなしに分散性が高められ、発光効率、初期駆動電圧、連続駆動安定性、色度安定性及び信頼性が改善されたことがわかった。
また、実施例1と同様に、TADF化合物と全てのリン光発光性金属錯体が前記式(1)及び(3)の条件を満たすことが望ましいが、演色性の良い白色発光を得るような複数のリン光発光性金属錯体が入っている場合、少なくとも一つのリン光発光性金属錯体が前記式(1)及び(3)の条件を満たしていれば機能が発現することがわかった。
3 画素
5 走査線
6 データ線
7 電源ライン
10 有機EL素子
11 スイッチングトランジスタ
12 駆動トランジスタ
13 コンデンサー
101 有機EL素子
102 ガラスカバー
105 陰極
106 有機EL層
107 透明電極付きガラス基板
108 窒素ガス
109 捕水剤
A 表示部
B 制御部
C 配線部
Claims (13)
- 陽極と陰極との間に挟持された一又は複数の有機層のうちの発光層の形成に用いられる発光層形成用塗布液であって、
熱活性化型遅延蛍光発光性化合物と、当該熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の三重項励起状態から一重項励起状態への項間交差を促進し蛍光発光を増強する外部重原子効果を及ぼすリン光発光性金属錯体と、を含有し、
前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起一重項エネルギー準位(S 1 (TADF))と前記リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位(T 1 (P))とのエネルギー差が、下記式(1)で表される範囲内であり、かつ、
前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起三重項エネルギー準位(T 1 (TADF))と前記リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位(T 1 (P))とのエネルギー差が、下記式(3)で表される範囲内であることを特徴とする発光層形成用塗布液。
式(1): −0.2eV≦[S 1 (TADF)−T 1 (P)]≦1.0eV
式(3): −0.2eV≦[T 1 (TADF)−T 1 (P)]≦0.5eV - 前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物と前記リン光発光性金属錯体とが、それぞれ少なくとも1種類含有されており、かつ当該熱活性化型遅延蛍光発光性化合物(TADF)の最低励起三重項エネルギー準位(T1(TADF))と当該リン光発光性金属錯体(P)の最低励起三重項エネルギー準位(T1(P))とが、相互の準位間においてエネルギー又は電子が移動できる範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の発光層形成用塗布液。
- 前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起一重項エネルギー準位(S1(TADF))と前記リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位(T1(P))とのエネルギー差が、下記式(2)で表される範囲内であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光層形成用塗布液。
式(2): 0eV≦[S1(TADF)−T1(P)]≦0.2eV - 前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起三重項エネルギー準位(T1(TADF))と前記リン光発光性金属錯体の最低励起三重項エネルギー準位(T1(P))とのエネルギー差が、下記式(4)で表される範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液。
式(4): 0eV≦[T1(TADF)−T1(P)]≦0.1eV - 前記熱活性化型遅延蛍光発光性化合物の最低励起三重項エネルギー準位(T1(TADF))が、2.4〜3.5eVの範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液。
- 前記リン光発光性金属錯体が、下記一般式(I)で表される構造を有することを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液。
- ホスト化合物を含有することを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液。
- 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液により形成された発光層を有することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
- 請求項8に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子が備えられていることを特徴とする照明装置。
- 請求項8に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子が備えられていることを特徴とする表示装置。
- 陽極と陰極に挟まれた1層の発光層を有する白色エレクトロルミネッセンスデバイスであって、
請求項8に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子が備えられていることを特徴とする白色エレクトロルミネッセンスデバイス。 - 陽極と陰極との間に挟持された一又は複数の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液を用いて前記有機層の一つである発光層を形成することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。 - 陽極と陰極との間に挟持された一又は複数の有機層を有する有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法であって、
請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の発光層形成用塗布液を用いて前記有機層の一つである発光層を形成し、該発光層より上層に位置する層をフッ化アルコール含有塗布液により形成することを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
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