JP2005108572A - 有機電界発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 二色の発光を同等な効率で行うことが可能な有機電界発光素子を提供する。
【解決手段】 基板上にインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜からなるホール注入電極を形成し、このホール注入電極上に、ホール注入層、ホール輸送層４、第１の発光層５ａ、第２の発光層５ｂ、電子輸送層６および電子注入層を順に形成する。この電子注入層上に、アルミニウムからなる電子注入電極を形成する。また、第１の発光層５ａおよび第２の発光層５ｂは共通のホスト材料を含み、第１の発光層５ａは第１および第２の発光ドーパントを含み、第２の発光層５ｂは第１の発光ドーパントを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、有機電界発光素子に関する。

近年、情報技術（ＩＴ）の興隆に伴い、厚さ数ｍｍ程度の薄型でフルカラー表示が可能な薄型表示素子への要望が高まっている。このような薄型表示素子として、有機電界発光素子の開発が進められている。

フルカラー表示を実現するための手段としては、赤色発光素子、緑色発光素子および青色発光素子を用いる方法と、白色発光素子と、光の３原色の単色光を透過させるカラーフィルタとを組み合わせて用いる方法が挙げられる。この白色光素子は青色発光材料とオレンジ色発光材料とを含み、青色発光材料が発する青色光とオレンジ色発光材料が発するオレンジ光とを同時に発光させて白色を実現していた。

上記白色発光素子においては、青色光を発する発光層およびオレンジ色光を発する発光層が形成される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−５２８７０号公報

しかしながら、オレンジ色光を発する発光層に用いられるオレンジ色発光材料は長波長発光材料であるため、オレンジ色発光材料とオレンジ色光を発する発光層に用いられるホスト材料とのエネルギーギャップの差は大きい。そのため、オレンジ色光を発する発光層におけるキャリアトラップ性が高くなるので、有機電界発光素子において、青色光に比べオレンジ色光が効率よく発光する傾向にある。それにより、高色度な白色光を得ることができない。

本発明の目的は、二色の発光を同等な効率で行うことが可能な有機電界発光素子を提供することである。

本発明に係る有機電界発光素子は、第１の電極と第２の電極との間に第１の発光層と第２の発光層とを順に備え、第１の発光層は、第１の波長で発光する第１の発光ドーパントおよび第１の波長よりも長い第２の波長で発光する第２の発光ドーパントを含み、第２の発光層は、第１の発光ドーパントを含むものである。

本発明に係る有機電界発光素子においては、第１の発光層が第１の波長で発光する第１の発光ドーパントおよび第２の波長で発光する第２の発光ドーパントを含み、第２の発光層が第１の波長で発光する第１の発光ドーパントを含む。

このように、キャリアトラップ性が低い第１の発光ドーパントが第１の発光層および第２の発光層に含まれ、キャリアトラップ性が高い第２の発光ドーパントが第１の発光層に含まれるので、第１の波長での発光効率と第２の波長での発光効率とを同等にすることが可能となる。それにより、純度の高い高効率な発光を実施することができる。

また、キャリアトラップ性の低い第１の発光ドーパントを含む発光層の厚さを大きくする必要がないので、駆動電圧を低減することができる。その結果、消費電力を削減することができる。

第１の発光ドーパントのエネルギーギャップは第２の発光ドーパントのエネルギーギャップよりも大きくてもよい。

この場合、第１の発光ドーパントのキャリアトラップ性が第２の発光ドーパントのキャリアトラップ性よりも低くなる。それにより、第１の波長での発光効率と第２の波長での発光効率とを同等にすることが可能となる。

第１の発光ドーパントは、三重項励起エネルギーを発光に変換しうる材料からなってもよい。

この場合、第１の発光ドーパントにより三重項励起エネルギーが発光に変換されるので、高い発光効率を得ることができる。

第２の発光ドーパントは、三重項励起エネルギーを発光に変換しうる材料からなってもよい。

この場合、第２の発光ドーパントにより三重項励起エネルギーが発光に変換されるので、高い発光効率を得ることができる。

第１の発光層および第２の発光層は、共通のホスト材料を含んでもよい。この場合、第１の発光層および第２の発光層において共通のホスト材料により、高い発光効率で第１および第２の発光ドーパントを発光させることができる。

ホスト材料は、4,4'-ビス(カルバゾール-9-イル)-ビフェニル（4,4'-Bis(carbazol-9-yl)-biphenyl）であってもよい。この場合、ホスト材料として4,4'-ビス(カルバゾール-9-イル)-ビフェニルを用いることにより高い発光効率を得ることができる。

第１の発光層における第１および第２の発光ドーパントの含有量の合計は、ホスト材料に対して０．１重量％以上５０重量％以下であってもよい。これにより、第１の発光層において第１および第２の発光ドーパントがホストではなくドーパントとして機能する。

第２の発光層における第２の発光ドーパントの含有量は、ホスト材料に対して０．１重量％以上５０重量％以下であってもよい。これにより、第２の発光層において第２の発光ドーパントがホストではなくドーパントとして機能する。

本発明に係る有機電界発光素子によれば、第１の波長での発光効率と第２の波長での発光効率とを同等にすることが可能となる。それにより、純度の高い高効率な発光を実施することができる。また、駆動電圧を低減することができる。それにより、消費電力を削減することができる。

以下の実施の形態では、本発明に係る有機電界発光素子の一例として有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と呼ぶ）について説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の一例を示す模式的な断面図である。

図１に示す有機ＥＬ素子１００の作製時には、基板１上にインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜からなるホール注入電極２を形成し、このホール注入電極２上に、ホール注入層３、ホール輸送層４、第１の発光層５ａ、第２の発光層５ｂ、電子輸送層６および電子注入層７を順に形成する。さらに、この電子注入層７上に、アルミニウムからなる電子注入電極８を形成する。なお、基板１は、ガラスまたはプラスチック等からなる透明基板である。

ホール注入層３は、例えば、下記式（１）に示される銅フタロシアニン（Copper phthalocyanine）（以下、ＣｕＰｃと略記する）等の有機材料からなる。

ホール輸送層４は、例えば、下記式（２）に示される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'-dipheny
l-benzidine）（以下、ＮＰＢと略記する）等の有機材料からなる。

第１の発光層５ａは、ホスト材料および第１ならびに第２の発光ドーパントを含む。

第１の発光層５ａのホスト材料は、例えば、下記式（３）に示される4,4'-ビス(カルバゾール-9-イル)-ビフェニル（4,4'-Bis(carbazol-9-yl)-biphenyl）（以下、ＣＢＰと略記する）等の有機材料からなる。

第１の発光層５ａの第１および第２の発光ドーパントには、三重項励起エネルギーを発光に寄与させる（発光に変換する）有機材料（以下、三重項有機材料と呼ぶ）が用いられる。

第１の発光ドーパントとして、例えば、下記式（４）に示されるビス［4,6-ジフルオロフェニル-ピリジナト-N,C2］イリジウム（ピコリナト）（Bis[4,6-difluorophenyl-pyridinato-N,C2]Iridium(picolinato)）（以下、ＦＩｒｐｉｃと略記する）等のオルトメタル化錯体を含む三重項有機材料が用いられる。ＦＩｒｐｉｃは、青色発光ドーパントである。なお、ＦＩｒｐｉｃの代わりに、下記式（５）に示されるトリス（2-フェニルピリジン）インジウム（Tris (2-phenylpyridine)iridium：以下、Ｉｒ（ｐｐｙ）₃ と略記する）を用いてもよい。

また、第２の発光ドーパントとして、例えば、下記式（６）に示されるトリス（2-フェニルキノリン）イリジウム（Tris(2-phenylquinoline)iridium：以下、Ｉｒ（ｐｈｑ）₃ と略記する）等の有機材料が用いられる。Ｉｒ（ｐｈｑ）₃ は、オレンジ色発光ドーパントである。

第２の発光層５ｂは、ホスト材料および発光ドーパントを含む。第２の発光層５ｂのホスト材料は、第１の発光層５ａのホスト材料と同じ材料が用いられ、本実施の形態ではＣＢＰである。第２の発光層５ｂの発光ドーパントには、第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントと同じ材料が用いられ、本実施の形態ではＦＩｒｐｉｃである。

電子輸送層６は、例えば、下記式（７）に示される（（1,1'-ビスフェニル）-4-オラト）（2-メチル-8-キノリナト-N1,08）アルミニウム（((1,1'-Bisphenyl)-4-olato)(2-methyl-8-quinolinato-N1,08)Aluminum：以下、Ｂａｌｑと略記する）等の有機材料からなる。

電子注入層７には、例えば、ＬｉＦ（フッ化リチウム）等のハロゲン化物が用いられる。

図２は本実施の形態に係る有機ＥＬ素子におけるホール輸送層４、第１の発光層５ａ、第２の発光層５ｂおよび電子輸送層６の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）および最高被占有分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギー準位ならびに電子およびホールの移動過程の一例を示す模式図である。

図１で説明したように、第１の発光層５ａのホスト材料と第２の発光層５ｂのホスト材料とは同一材料を用いているため、第１の発光層５ａのホスト材料のＨＯＭＯレベルと第２の発光層５ｂのホスト材料のＨＯＭＯレベルとは同じエネルギー準位を有する。第１の発光層５ａのホスト材料のＨＯＭＯレベルおよび第２の発光層５ｂのホスト材料のＨＯＭＯレベルをＨ０とする。

第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントと第２の発光層５ｂの発光ドーパントとは同一材料を用いているため、第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルと第２の発光層５ｂの発光ドーパントのＨＯＭＯレベルとは同じエネルギー準位を有する。第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルおよび第２の発光層５ｂの発光ドーパントのＨＯＭＯレベルをＨ１とする。

また、第１の発光層５ａのホスト材料と第２の発光層５ｂのホスト材料とは同一材料を用いているため、第１の発光層５ａのホスト材料のＬＵＭＯレベルと第２の発光層５ｂのホスト材料のＬＵＭＯレベルとは同じエネルギー準位を有する。第１の発光層５ａのホスト材料のＬＵＭＯレベルおよび第２の発光層５ｂのホスト材料のＬＵＭＯレベルをＬ０とする。

第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントと第２の発光層５ｂの発光ドーパントとは同一材料を用いているため、第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントのＬＵＭＯレベルと第２の発光層５ｂの発光ドーパントのＬＵＭＯレベルとは同じエネルギー準位を有する。第１の発光層５ａの第１の発光ドーパントのＬＵＭＯレベルおよび第２の発光層５ｂの発光ドーパントのＬＵＭＯレベルをＬ１とする。

ここで、第１の発光層５ａの第２の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルをＨ２とし、第１の発光層５ａの第２の発光ドーパントのＬＵＭＯレベルをＬ２とする。

図２に示すように、第１の発光層５ａにおいては、（第２の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルＨ２）＜（第１の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルＨ１）＜（ホスト材料のＨＯＭＯレベルＨ０）の関係が成立する。なお、ホールのエネルギーは矢印Ｕの方向に高くなる。

第２の発光層５ｂにおいては、（発光ドーパントのＨＯＭＯレベルＨ１）＜（ホスト材料のＨＯＭＯレベルＨ０）の関係が成立する。

また、第１の発光層５ａにおいては、（第２の発光ドーパントのＬＵＭＯレベルＬ２）＜（第１の発光ドーパントのＬＵＭＯレベルＬ１）＜（ホスト材料のＬＵＭＯレベルＬ０）の関係が成立する。なお、電子のエネルギーは矢印Ｖの方向に高くなる。

第２の発光層５ｂにおいては、（発光ドーパントのＬＵＭＯレベルＬ１）＜（ホスト材料のＬＵＭＯレベルＬ０）の関係が成立する。

ここで、第１の発光層５ａおよび第２の発光層５ｂにおけるホスト材料のＨＯＭＯレベルＨ０とＬＵＭＯレベルＬ０とのエネルギー差をエネルギーギャップｅｇ０とし、第１の発光層５ａにおける第１の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルＨ１とＬＵＭＯレベルＬ１とのエネルギー差および第２の発光層５ｂにおける発光ドーパントのＨＯＭＯレベルＨ１とＬＵＭＯレベルＬ１とのエネルギー差をエネルギーギャップｅｇ１とし、第１の発光層５ａにおける第２の発光ドーパントのＨＯＭＯレベルＨ２とＬＵＭＯレベルＬ２とのエネルギー差をエネルギーギャップｅｇ２とした場合、下記式（８）に示される関係が成立する。

ｅｇ２＜ｅｇ１＜ｅｇ０ ・・・（８）
これにより、第１の発光ドーパントのキャリアトラップ性は、第２の発光ドーパントのキャリアトラップ性よりも低い。

図１の有機ＥＬ素子１００のホール注入電極２と電子注入電極８との間に駆動電圧が印加されると、ホール注入電極２より供給されたホールがホール注入層３に注入され、電子注入電極８より供給された電子が電子注入層７に注入される。

ホール注入層３に注入されたホールはホール輸送層４を介して第１の発光層５ａおよび第２の発光層５ｂに輸送され、電子注入層７に注入された電子は電子輸送層６を介して第１の発光層５ａおよび第２の発光層５ｂに輸送される。

ホール輸送層４から第１の発光層５ａへ輸送されるホールは、ホスト材料、第１の発光ドーパントおよび第２の発光ドーパントのＨＯＭＯに移動する。

第１の発光層５ａにおいて、エネルギー準位Ｈ０にあるホールは、エネルギー準位Ｈ１またはＨ２に移動する。この場合、第２の発光ドーパントのキャリアトラップ性が第１の発光ドーパントのキャリアトラップ性よりも高いので、エネルギー準位Ｈ２に移動するホールがエネルギー準位Ｈ１に移動するホールよりも多くなる。

また、ホール輸送層４から第２の発光層５ｂへ輸送されるホールは、ホスト材料および発光ドーパントのＨＯＭＯに移動する。

第２の発光層５ｂにおいて、エネルギー準位Ｈ０にあるホールは、エネルギー準位Ｈ１に移動する。

電子輸送層６から第１の発光層５ａへ輸送される電子は、ホスト材料、第１の発光ドーパントおよび第２の発光ドーパントのＬＵＭＯに移動する。

第１の発光層５ａにおいて、エネルギー準位Ｌ０にある電子は、エネルギー準位Ｌ１またはＬ２に移動する。この場合、第２の発光ドーパントのキャリアトラップ性が第１の発光ドーパントのキャリアトラップ性よりも高いので、エネルギー準位Ｌ２に移動する電子がエネルギー準位Ｌ１に移動する電子よりも多くなる。

また、電子輸送層６から第２の発光層５ｂへ輸送される電子は、ホスト材料および発光ドーパントのＬＵＭＯに移動する。

第２の発光層５ｂにおいて、エネルギー準位Ｌ０にある電子は、エネルギー準位Ｌ１に移動する。

第１の発光層５ａにおいて、エネルギー準位Ｈ２のホールとエネルギー準位Ｌ２の電子とが再結合し、第１の発光層５ａがオレンジ色に発光する。エネルギー準位Ｈ１のホールとエネルギー準位Ｌ１の電子とが再結合し、第１の発光層５ａが青色に発光する。この場合、オレンジ色の発光効率は青色の発光効率よりも高い。

第２の発光層５ｂにおいて、エネルギー準位Ｈ１のホールとエネルギー準位Ｌ１の電子とが再結合し、第２の発光層５ｂが青色に発光する。

このように、本実施の形態においては、第１の発光層５ａが青色で発光する第１の発光ドーパントおよびオレンジ色で発光する第２の発光ドーパントを含み、第２の発光層５ｂが青色で発光する第１の発光ドーパントを含む。

このように、キャリアトラップ性が低い第１の発光ドーパントが第１の発光層５ａおよび第２の発光層５ｂに含まれ、キャリアトラップ性が高い第２の発光ドーパントが第１の発光層５ａに含まれるので、青色での発光効率とオレンジ色での発光効率とを同等にすることが可能となる。それにより、純度の高い高効率な白色発光を得ることができる。

また、キャリアトラップ性の低い第１の発光ドーパントを含む発光層の厚さを大きくする必要がないので、駆動電圧を低減することができる。その結果、消費電力を削減することができる。

本実施の形態においては、ホール注入電極２が第１の電極に相当し、電子注入電極８が第２の電極に相当し、有機ＥＬ素子１００が有機電界発光素子に相当する。

以下、本実施の形態に基づいて実施例１〜３および比較例の有機ＥＬ素子を作製し、作製された有機ＥＬ素子に対して駆動電圧を印加することにより発光特性の測定を行った。

（実施例１）
実施例１の有機ＥＬ素子の構成は、図１の有機ＥＬ素子１００と同様の構成を有する。

実施例１では、ホール注入層３の膜厚は１００Å、ホール輸送層４の膜厚は５００Å、第１の発光層５ａの膜厚は２５０Å、第２の発光層５ｂの膜厚は２５０Å、電子輸送層６の膜厚は３００Åである。

まず、基板１上にスパッタ法により光透過性のＩＴＯからなるホール注入電極２を形成した。ホール注入層３としてＣｕＰｃを形成した後、ホール輸送層４としてＮＰＢを真空蒸着により形成した。

次に、ＣＢＰをホスト材料とし、ＦＩｒｐｉｃを第１の発光ドーパントとし、Ｉｒ（ｐｈｑ）₃ を第２の発光ドーパントとして第１の発光層５ａを形成した。ＦＩｒｐｉｃは、第１の発光層５ａに対して１０重量％になるようにドープし、Ｉｒ（ｐｈｑ）₃ は、第１の発光層５ａに対して６．５重量％になるようにドープした。

次に、第１の発光層５ａと同様に、ＣＢＰをホスト材料とし、ＦＩｒｐｉｃを発光ドーパントとして第２の発光層５ｂを形成した。ＦＩｒｐｉｃは、第２の発光層５ｂに対して６．５重量％になるようにドープした。

電子輸送層６としてＢａｌｑを形成した。電子注入層７としてＬｉＦを形成し、電子注入電極８としてＡｌを形成した。

このように作製された有機ＥＬ素子に対して駆動電圧を印加することにより発光特性の測定を行った結果、発光効率は１３ｃｄ／Ａ、発光色のＣＩＥ（Commission Internationale d'Eclairage：国際照明委員会）色度座標（ｘ，ｙ）は（０．３４，０．４２）となり、白色発光が得られた。

（実施例２）
実施例２では、第１の発光層５ａの膜厚を１００Åとし、第１の発光層５ａにおける第１の発光ドーパントをＩｒ（ｐｐｙ）₃ とし、第２の発光層５ｂにおける発光ドーパントをＩｒ（ｐｐｙ）₃ とした他は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。

第１の発光層５ａにおけるＩｒ（ｐｐｙ）₃ は、第１の発光層５ａに対して１０重量％になるようにドープし、第２の発光層５ｂにおけるＩｒ（ｐｐｙ）₃ は、第２の発光層５ｂに対して６．５重量％になるようにドープした。Ｉｒ（ｐｐｙ）₃ は、緑色発光ドーパントである。

この有機ＥＬ素子に対して駆動電圧を印加することにより発光特性の測定を行った結果、発光効率は４０ｃｄ／Ａ、発光色のＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）は（０．４２，０．５４）となり、ややオレンジがかった白色発光が得られた。

（実施例３）
実施例３では、実施例２の有機ＥＬ素子において、第１の発光層５ａにおけるＩｒ（ｐｐｙ）₃ を第１の発光層５ａに対して３重量％となるようにドープした他は実施例２と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。

この有機ＥＬ素子に対して駆動電圧を印加することにより発光特性の測定を行った結果、発光効率は３９ｃｄ／Ａ、発光色のＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）は（０．４２，０．５２）となり、オレンジがかった白色発光が得られた。

（比較例）
比較例では、実施例１の第１の発光層５ａにおいて、ＣＢＰにＩｒ（ｐｈｑ）₃ のみをドープし、その他は実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。Ｉｒ（ｐｈｑ）₃ は、第１の発光層５ａに対して６．５重量％になるようにドープした。

この有機ＥＬ素子に対して駆動電圧を印加することにより発光特性の測定を行った結果、発光効率は２０ｃｄ／Ａ、発光色のＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）は（０．５１，０．４３）となり、オレンジ発光が得られた。

以上の結果から、第１の発光層５ａに第１および第２の発光ドーパントをドープし、第２の発光層５ｂに第１の発光ドーパントをドープすることにより、白色発光が得られることがわかった。また、より高純度な白色光を得るには、ＦＩｒｐｉｃがＩｒ（ｐｐｙ）₃ よりも好ましいことがわかった。

本発明に係る有機ＥＬ素子は、各種表示装置、各種光源等に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る有機ＥＬ素子の一例を示す模式的な断面図である。 本実施の形態に係る有機ＥＬ素子におけるホール輸送層、第１の発光層、第２の発光層および電子輸送層の最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）および最高被占有分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギー準位ならびに電子およびホールの移動過程の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 基板
２ ホール注入電極
３ ホール注入層
４ ホール輸送層
５ａ 第１の発光層
５ｂ 第２の発光層
６ 電子輸送層
７ 電子注入層
８ 電子注入電極
１００ 有機ＥＬ素子

Claims (6)

1. 第１の電極と第２の電極との間に第１の発光層と第２の発光層とを順に備え、
   前記第１の発光層は、第１の波長で発光する第１の発光ドーパントおよび前記第１の波長よりも長い第２の波長で発光する第２の発光ドーパントを含み、
   前記第２の発光層は、前記第１の発光ドーパントを含むことを特徴とする有機電界発光素子。
2. 前記第１の発光ドーパントのエネルギーギャップは前記第２の発光ドーパントのエネルギーギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の有機電界発光素子。
3. 前記第１の発光ドーパントは、三重項励起エネルギーを発光に変換しうる材料からなることを特徴とする請求項１または２記載の有機電界発光素子。
4. 前記第２の発光ドーパントは、三重項励起エネルギーを発光に変換しうる材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機電界発光素子。
5. 前記第１の発光層および前記第２の発光層は、共通のホスト材料を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機電界発光素子。
6. 前記ホスト材料は、4,4'-ビス(カルバゾール-9-イル)-ビフェニルであることを特徴とする請求項５記載の有機電界発光素子。
   

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