JPH0963768A - 有機発光素子 - Google Patents

有機発光素子

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JPH0963768A
JPH0963768A JP7215839A JP21583995A JPH0963768A JP H0963768 A JPH0963768 A JP H0963768A JP 7215839 A JP7215839 A JP 7215839A JP 21583995 A JP21583995 A JP 21583995A JP H0963768 A JPH0963768 A JP H0963768A
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三紀子 松尾
Taketoshi Nakao
武寿 中尾
Takeshi Uenoyama
雄 上野山
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の有機EL材料に比較して発光効率の高
い有機EL発光素子を提供する。 【構成】 パイ共役を有する炭素の主鎖に対して酸素及
び窒素が直接的または間接的に接続されている構造を有
する分子を含有する有機発光素子において、電子供与性
の官能基を分子に置換により接続する。さらに上記の官
能基としてハロゲン、酸素、窒素、硫黄、ベンゼン環ま
たはメチル基を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、有機発光素子に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】1987年に有機化合物を用いた低電圧
駆動で高効率の発光素子が発表されて以来、これまで有
機エレクトロルミネッセンス素子(以下有機EL素子と
記す)の研究が盛んに行われてきた。その後、発光素子
の構造をホール輸送層と電子輸送性発光層の2層構造と
することにより、高効率な発光が実現された。また、こ
の発光層にレーザ色素をドープすることにより、発光の
多色化、高効率化の可能性も示唆されている。
【0003】これら有機EL素子の応用としては、大画
面ディスプレイ装置が考えられており、従来のブラウン
管を用いたディスプレイ装置(以下、Cathode
Ray Tube Display:CRTと記す)で
は、その構造上、画面の大型化と共に装置の奥行きが増
し装置自体が大型化すると共に、電力消費も大きくなる
などの問題点を有している。しかしながら、有機EL材
料を用いれば、有機EL材料はそもそも原子の励起状態
と基底状態との間の電子の享受により発光をさせるもの
であるため、消費電力が増大することはなく、また有機
材料は非常に軽いため、装置の大型化に関しても全く問
題点は生じない。
【0004】また、上記のCRTの問題点を克服する大
画面用ディスプレイ装置として、プラズマディスプレイ
装置も広く研究されていが、有機EL素子は単に薄膜を
堆積することにより製造することができるため、製造過
程も簡便化され、製造コストを大幅に削減できる可能性
を有しており、有機EL素子の実用化が期待されてい
る。
【0005】これら、有機EL素子の材料として近年注
目されているものに、アルミを中心に8−キノリノール
3分子が配位したTris(8−quinolinol
ate)alminum(III)(以下、アルミキノ
リン、または、Alq3と記す)があげられる。このア
ルミキノリンは、その高発光効率と共に蒸着といった製
造工程の観点からみても有望な材料と考えられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の素子はその発光効率がアルミキノリンの場合1.6lm/
w、ベリリウムキノリンの場合3.5lm/wとなっており、実
用化に必要とされている20lm/wには十分とは言えない。
そこで本発明は従来の有機EL材料に比較して発光効率
の高い有機EL発光素子を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、パイ共役を有する炭素の主鎖に対して酸素
及び窒素が直接的または間接的に接続されている構造を
有する分子を含有する有機発光素子であって、電子供与
性の官能基を分子に置換により接続した構成となってい
る。さらに本発明では上記の官能基としてハロゲン、酸
素、窒素、硫黄、ベンゼン環またはメチル基を用いるこ
とを特徴とする。
【0008】
【作用】そこで、酸素と窒素が少なくとも1つ以上の炭
素から構成され、且つパイ共役を有する主鎖に直接ある
いは間接的に接続されている構造を有する分子あるいは
分子集合体からなる発光素子において、その発光効率と
電子遷移確率はボルン−オッペンハイマー近似において
比例関係にある。したがって、電子遷移確率を増大させ
ることは、その材料の発光効率を増大させることにつな
がる。材料の物性などを理論的に考察する一手法として
通常用いられる分子軌道法によると、この電子遷移確率
はその電子が遷移する時の遷移元の分子軌道係数と遷移
先の分子軌道係数、及びその2つの軌道の重なりの大き
さに比例する。また、この軌道係数を掛け合わせたもの
がその軌道の電子密度に比例することより、その電子密
度を増大させることによって、その軌道が関与する電子
遷移確率を高くすることによって発光効率を増大させる
ことが可能となる。
【0009】
【実施例】図1に分子軌道法により構造を最適化したア
ルミキノリン1分子の構造を、図2にその軌道相関図を
示す。図1に示すように、アルミキノリン1はアルミニ
ウム金属原子を中心にキノリノールの酸素と窒素とで6
配位構造を取るよう配置されている。しかし、そのアル
ミニウムと酸素及び窒素との結合次数はそれぞれ0.7
28及び0.460と小さく、共有結合性は小さく、静
電力によるイオン結合性が大きいと考えられる。なお、
この結合次数は一重結合で1.0、二重結合で2.0、
三重結合で3.0などとなる。また、アルミキノリンの
最高被占軌道(HOMO)と最低空軌道(LUMO)付
近の分子軌道はキノリノールの原子軌道に大きな係数を
有している。したがって、発光吸収過程(発光効率に影
響する)においてアルミそのものは直接大きな寄与はせ
ず、キノリノール分子内の電子遷移過程が重要であると
考えられることを見いだした。
【0010】次に、上述のように発光吸収過程に重要で
あると考えられるキノリノールの電子状態について説明
する。キノリノール(以下、Q−OHと記す)の溶液に
はそのpHによって図3に示すようなプロトン脱離種
(以下、Q−O−と記す)とプロトン付加種(以下、Q
−OH2+と記す)が存在するが、それぞれの吸光強度
と励起エネルギーには違いが見られることが実験的に知
られている。そこで、そのメカニズムを一電子励起配置
計算(SE−CI)を行うことにより検討した。
【0011】また図3には、各分子種の基底状態の原子
上電子密度解析の結果を、図4に各分子種の一電子励起
配置計算による励起エネルギーの結果を示す。
【0012】次に図5に発光過程と吸光過程での電子遷
移エネルギーの概念図を示す。図5において(a)は吸
光エネルギーと発光エネルギーに差が生じる場合、
(b)は両者に差が生じない場合を示したものである。
発光エネルギーに差が生じる場合には、そのエネルギー
差E1は主に振動エネルギーなどとなって消費される。
このように、厳密には図5に示すように、発光過程と吸
光過程ではその遷移エネルギー、すなわち発光あるいは
吸収される光の波長にはE1で示されるエネルギー分の
相違があるが、ボルン−オッペンハイマー近似の範囲で
はE1はE2に比べて小さく、吸光過程と発光過程のエ
ネルギーはほぼ同じと考えて良い。
【0013】上記のように発光吸収過程(発光効率に影
響する)においてアルミそのものは直接大きな寄与はせ
ず、キノリノール分子内の電子遷移過程が重要であると
考えられるが、アルミキノリンの分子軌道解析による
と、アルミキノリンの電子遷移はキノリノールの分子内
酸素−窒素間で生じており、その強度は酸素原子上の電
子密度と比例関係にある(図6)。そこで電子遷移確率
をP(x)とすると、分子軌道法によれば、
【0014】
【数1】
【0015】と記述でき、原子上の電子密度MAは、
【0016】
【数2】
【0017】と記述することができる。ここで、Ψ0は
分子の基底状態の波動関数、Ψabは一電子励起配置の波
動関数、ψaは励起した電子のもとの分子軌道、ψbはそ
の電子が励起した時に占有している分子軌道、χrは原
子軌道、Cは分子軌道係数、Xは座標軸、xは各電子の座
標軸である。また、各積分値<χr|eΣxk|χs>や<
χr|χt>は、この場合、キノリノールの酸素と窒素の
位置が変化しなければ一定値である。したがって、前述
の説明及び上記の2式より、酸素上の電子密度が大きい
ということは、すなわちその分子軌道係数が大きいとい
うことであり、これは、酸素−窒素間の電子遷移確率が
大きくなるということである。この関係を下記の表に示
す。
【0018】
【表1】
【0019】この時、分子の構造に変化がなければ、<
χr|eΣxk|χs>と<χr|χt>は一定の値をとる。
【0020】発光強度や吸光強度がこの電子遷移確率に
比例することを考えれば、酸素上の電子密度の増加が発
光強度及び吸光強度の増加に寄与することが理解でき、
すなわちそれは、発光効率の増大につながる。
【0021】このように、キノリノールの分子構造を基
本骨格とする有機EL素子の吸光・発光効率を上げるた
めの指針のひとつとして、酸素の電子密度を増加させれ
ば良いことが考えられる。
【0022】そこで本発明では、以下の代表例に示すよ
うな有機EL発光素子に用いるアルミキノリンの配位子
である8−キノリノールに電子供与性の官能基を置換し
た分子構造を用いることにより発光効率を向上させた。
【0023】
【化1】
【0024】
【化2】
【0025】
【化3】
【0026】
【化4】
【0027】
【化5】
【0028】
【化6】
【0029】上記の(化1)〜(化6)において、X、
Y、ZはF、OH、NH2、SHまたはCH3のうちのい
ずれかである。
【0030】そして(化1)は8−キノリノールの酸素
から見てオルト位に電子供与性の置換基を置換したも
の、(化2)は同じくパラ位に置換したもの、(化3)
は(化1)と(化2)の構造の両方を組み合わせて置換
したもの、(化4)は8−キノリノールの窒素から見て
パラ位に置換したもの、(化5)は同じくオルト位に置
換したもの、(化6)は(化4)と(化5)の構造の両
方を組み合わせたものの例である。
【0031】上記の(化1)〜(化6)において、電子
供与性の官能基の例としてフッ素(F)、水酸基(O
H)、アミノ基(NH2)、チオール基(SH)、メチ
ル基(CH3)を挙げているが、これらはそれぞれ、ハ
ロゲン、酸素が直接結合する官能基、窒素が直接結合す
る官能基、及び硫黄が直接結合する官能基の例である。
【0032】
【化7】
【0033】なお、上記の(化7)は上記の(化1)〜
(化6)に示した分子構造を設計する際の基本骨格とし
た8−キノリノールの構造を示すものである。
【0034】次に上記の(化2)に示される分子をポリ
マー状に形成した場合の発光・吸光について説明する。
【0035】
【化8】
【0036】上記の(化8)は(化2)に示される分子
をポリマー状に形成したものであり、電子供与性の官能
基としてフッ素を用いポリマーとしたものとした。そし
て、(化2)及び(化8)に示される分子の電子密度と
吸光強度の関係を図7に示す。
【0037】図7から明らかなように、キノリノールと
そのプロトン脱離種、付加種と同様、酸素上の電子密度
と吸光強度の間に比例関係が見られ、先に述べたよう
に、この吸光強度の増大は発光効率の増大と比例する。
【0038】以上まとめると、アルミキノリンの電子遷
移は主にキノリノール分子内酸素−窒素間によって行わ
れ、その吸光強度はアルミキノリン分子の酸素上の電子
密度の大きさと比例関係にあった。そこで、キノリノー
ルの分子構造を基本骨格にもついくつかの分子を作成
し、その酸素上の電子密度と吸光強度を計算した結果、
やはり酸素上の電子密度を大きくするような電子供与性
基を置換あるいは付加することにより、吸光強度を増大
させることが可能となった。
【0039】なお、これら電子供与性の官能基として上
述の他、酸素、アルコキシ基、カルボニル基、アミド
基、アルキル基、チオール基、スルフィド基、チオアル
デヒド基、チオケトン基、チオアセタール基、チオカル
ボニル基などが考えられる。
【0040】また、同様に電子供与性の官能基としてセ
レンが直接結合する分子構造の官能基、及びベンゼン環
が直接結合する分子構造の官能基なども考えられる。
【0041】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、パイ共役を有する炭素の主鎖に対して酸素及び窒素
が直接的または間接的に接続されている構造を有する分
子を含有する有機発光素子であって、電子供与性の官能
基を分子に置換により接続した構成となっているため、
酸素原子上の価電子密度を増大させ、電子遷移確率を高
くすることによって発光効率を増大させることが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるアルミキノリン分子の
構造を示す概略図
【図2】本発明の実施例におけるアルミキノリン分子軌
道相関図
【図3】本発明の実施例におけるキノリノールの構造図
【図4】本発明の実施例におけるキノリノールの励起エ
ネルギーを示す図
【図5】発光・吸光過程における電子遷移エネルギーの
概念図
【図6】本発明の実施例におけるアルミキノリン分子の
電子密度と吸光強度の関係を示す図
【図7】本発明の実施例におけるアルミキノリン分子の
電子密度と吸光強度の関係を示す図
【符号の説明】
1 アルミキノリン

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パイ共役を有する炭素の主鎖に対して酸素
    及び窒素が直接的または間接的に接続されている構造を
    有する分子を含有する有機発光素子であって、電子供与
    性の官能基を前記分子に置換により接続したことを特徴
    とする有機発光素子。
  2. 【請求項2】電子供与性の官能基としてハロゲン、酸
    素、窒素、硫黄、ベンゼン環またはメチル基を用いるこ
    とを特徴とする請求項1記載の有機発光素子。
  3. 【請求項3】パイ共役を有する炭素の主鎖に対して酸素
    及び窒素が直接的または間接的に接続されている構造を
    有する分子を配位子とする金属錯体により形成されたこ
    とを特徴とする請求項1または2記載の有機発光素子。
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