(57)【要約】      （修正有）【課題】電子や正孔のトラップ、励起子の非発光失活などによる発光効率の低下、励起子濃度の最大値が上がることによる発光効率や寿命の低下を避けることができる有機電界発光素子を提供する。【解決手段】陽極１２と陰極１５との間に発光層１４を有し、前記発光層１４は単一のホスト材料と発光材料とを含有し、前記ホスト材料が正孔輸送性の場合には、前記発光層１４は陰極１５側に電子輸送性材料がドープされた領域１４ｂ、陽極１２側に電子輸送性材料がドープされていない領域１４ａを含み、前記ホスト材料が電子輸送性の場合には、前記発光層１４は陽極１２側に正孔輸送性材料がドープされた領域１４ａ、陰極１５側に正孔輸送性材料のドープされていない領域１４ｂを含むことを特徴とする有機電界発光素子。【選択図】図１
2010226059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極との間に発光層を有し、前記発光層は単一のホスト材料と発光材料とを含有し、
前記ホスト材料が正孔輸送性の場合には、前記発光層は陰極側に電子輸送性材料がドープされた領域、陽極側に電子輸送性材料がドープされていない領域を含み、
前記ホスト材料が電子輸送性の場合には、前記発光層は陽極側に正孔輸送性材料がドープされた領域、陰極側に正孔輸送性材料のドープされていない領域を含む
ことを特徴とする有機電界発光素子。
【請求項２】
前記ホスト材料が正孔輸送性の場合には、前記発光層の電子輸送性材料がドープされた領域における電子輸送性材料のドーピング濃度が、陰極に近い側で高く発光層の中央部で低くなっており、前記ホスト材料が電子輸送性の場合には、前記発光層の正孔輸送性材料がドープされた領域における正孔輸送性材料のドーピング濃度が、陽極に近い側で高く発光層の中央部で低くなってい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。
【請求項３】
前記ホスト材料が正孔輸送性を有するポリビニルカルバゾールであり、前記電子輸送性材料が１，３−ビス（２−（４−ターシャリーブチルフェニル）−１，３，４−オキシジアゾル−５−イル）ベンゼ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。
【請求項４】
陽極と陰極との間に発光層を有し、前記発光層は単一のホスト材料と発光材料とを含有する有機電界発光素子を製造するにあたり、陽極側に正孔輸送性のホスト材料と発光材料とを第１の溶媒に溶解した溶液を塗布して、前記発光層の電子輸送性材料がドープされていない領域を形成し、陰極側に正孔輸送性のホスト材料と発光材料と電子輸送性材料とを第２の溶媒に溶解した溶液を塗布して、前記発光層の電子輸送性材料がドープされた領域を形成することを特徴とする有機電界発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面光源などに用いられる有機材料を用いた電界発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、平面光源などの用途に有機電界発光素子が注目されている。有機電界発光素子は、有機材料の薄膜からなる発光層を陰極と陽極の２枚の電極で挟み、電圧を印加して陰極から電子を陽極から正孔をそれぞれ注入して再結合させることによって励起子を生成し、この励起子が放射失活する際の発光を利用する素子である。特に、りん光を利用する有機電界発光素子はその発光効率が高いことから、活発な研究が行われている。
【０００３】
しかしながら、りん光有機電界発光素子は電流密度を上げていくと著しく効率が低下するため、実用上問題となる高輝度領域では高い効率が得られないという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、図４に示す構造を有する有機電界発光素子が提案されている（非特許文献１参照）。図４に示すように、陽極（ＩＴＯ）１、正孔輸送性材料（３ＤＴＡＰＢＰ）を含む正孔輸送層２、第１のホスト材料（ＴＣＴＡ）と発光材料（ＦＩｒｐｉｃ）とを含む第１の発光層３、第２のホスト材料（ＤＣｚＰＰｙ）と発光材料（ＦＩｒｐｉｃ）とを含む第２の発光層４、電子輸送性材料（ＢｍＰｙＰＢ）を含む電子輸送層５、および陰極（ＬｉＦ／Ａｌ）６が順次形成されている。電圧印加時に陽極から正孔が陰極から電子がそれぞれ注入され、発光層内で正孔と電子が再結合し、励起子が形成され発光する。この有機電界発光素子の特徴は発光層が２層からなっていることである。
【０００５】
図５（ａ）および（ｂ）に、図４に示す２層の発光層（以下、二重発光層という）を有する有機電界発光素子および単一発光層を有する有機電界発光素子について、再結合割合と励起子濃度を示す。
【０００６】
一般にりん光材料で生成される三重項励起子はその濃度の２乗に比例して、非発光で消滅する。このため電流密度が高くなり、励起子濃度が高くなると、励起子どうしの衝突により効率が低下する。
【０００７】
図５（ｂ）に示す単一発光層の場合には、ホスト材料中の正孔移動度および電子移動度の大小関係により、正孔と電子の再結合は発光層の陽極側または陰極側のいずれか一方で生じる。このため、再結合により生じる励起子は１方向にしか拡散できない。このことは、励起子濃度の最大値を上げ、非発光で消滅する割合を上げるため、効率を低下させる原因となる。
【０００８】
図５（ａ）に示す二重発光層の場合には、２つのホスト材料のエネルギーギャップのため、再結合は第１および第２の発光層３、４の界面、すなわち二重発光層の中央部で生じる。このため、励起子は二重発光層の中央部から陽極側および陰極側の２方向に向かって拡散できる。したがって、単一発光層の場合に比較して、励起子濃度の最大値を下げることができ、非発光で消滅する割合を下げて効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Advanced Materials, vol.20, no.21, p.4189(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
二重発光層を持つりん光有機電界発光素子においては、高輝度で高い効率が得られるようになってきているが、いまだ十分ではない。その原因の一つとして、異種のホスト材料を含む２つの発光層の界面に発光中心があり、この界面において電子や正孔のトラップ、励起子の非発光失活などの問題が生じるため発光効率の低下を招きやすいことが挙げられる。また、再結合・発光中心が発光層の中央部ではあるが界面の狭い範囲に集中していることから、励起子濃度の最大値を上げ、発光効率や寿命の低下をもたらすという問題もある。
【００１１】
本発明の目的は、電子や正孔のトラップ、励起子の非発光失活などによる発光効率の低下、励起子濃度の最大値が上がることによる発光効率や寿命の低下を避けることができる有機電界発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様に係る有機電界発光素子は、陽極と陰極との間に発光層を有し、前記発光層は単一のホスト材料と発光材料とを含有し、前記ホスト材料が正孔輸送性の場合には、前記発光層は陰極側に電子輸送性材料がドープされた領域、陽極側に電子輸送性材料がドープされていない領域を含み、前記ホスト材料が電子輸送性の場合には、前記発光層は陽極側に正孔輸送性材料がドープされた領域、陰極側に正孔輸送性材料のドープされていない領域を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様に係る有機電界発光素子の製造方法は、陽極と陰極との間に発光層を有し、前記発光層は単一のホスト材料と発光材料とを含有する有機電界発光素子を製造するにあたり、陽極側に正孔輸送性のホスト材料と発光材料とを第１の溶媒に溶解した溶液を塗布して、前記発光層の電子輸送性材料がドープされていない領域を形成し、陰極側に正孔輸送性のホスト材料と発光材料と電子輸送性材料とを第２の溶媒に溶解した溶液を塗布して、前記発光層の電子輸送性材料がドープされた領域を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様に係る有機電界発光素子においては、発光層が単一のホスト材料と発光材料とを含有し、ホスト材料が正孔輸送性の場合には、発光層は陰極側に電子輸送性材料がドープされた領域、陽極側に電子輸送性材料がドープされていない領域を含み、ホスト材料が電子輸送性の場合には、発光層は陽極側に正孔輸送性材料がドープされた領域、陰極側に正孔輸送性材料のドープされていない領域を含むようにしたことによって、再結合・発光中心を発光層の中央部付近にすることができる。したがって、異種のホスト材料を用いた二重発光層の場合のように電子や正孔のトラップ、励起子の非発光失活などによる発光効率の低下、励起子濃度の最大値が上がることによる発光効率や寿命の低下を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る有機電界発光素子の断面図およびエネルギーバンド図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る有機電界発光素子の動作を説明する図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る有機電界発光素子の断面図。
【図４】従来の有機電界発光素子の断面図。
【図５】２層の発光層を有する有機電界発光素子および単一発光層を有する有機電界発光素子について、再結合割合と励起子濃度を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
第１の実施形態
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る有機電界発光素子の断面図である。ガラス基板１１上にＩＴＯからなる陽極１２が形成され、その上に正孔輸送性材料であるポリエチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を含む正孔注入層１３が形成されている。正孔注入層１３上に発光層１４が形成されている。発光層１４は、どの領域もホスト材料として正孔輸送性材料であるポリビニルカルバゾールＰＶＫに発光材料であるＦＩｒｐｉｃを含有しているが、陽極１２側が子輸送性材料を含まない第１領域１４ａ、陰極側が電子輸送性材料である１，３−ビス（２−（４−ターシャリーブチルフェニル）−１，３，４−オキシジアゾル−５−イル）ベンゼン（ＯＸＤ−７）を含む第２領域１４ｂとなっている。発光層１４上にＣｓＦ／Ａｌからなる陰極１５が形成されている。
【００１８】
下記にホスト材料のポリビニルカルバゾールＰＶＫ、および発光材料のＦＩｒｐｉｃの化学式を示す。
【化１】
2010226059.tif 000003
【００１９】
陽極１２はＩＴＯをスパッタ成膜することにより形成される。正孔注入層１３はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの水溶液をスピンコートすることにより形成される。発光層１４の第１領域１４ａはＰＶＫおよびＦＩｒｐｉｃを第１の溶媒であるキシレンに溶解した溶液をスピンコートすることにより形成される。発光層１４の第２領域１４ｂはＰＶＫ、ＦＩｒｐｉｃおよびＯＸＤ−７の第２の溶媒であるトルエンに溶解した溶液をスピンコートすることにより形成される。発光層１４の第２領域１４ｂを形成する際に溶媒として用いるトルエンは蒸発速度が速く、発光層１４の第１領域１４ａを溶解する前に蒸発する。陰極１５はＣｓＦ／Ａｌを真空蒸着することにより形成される。
【００２０】
図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る有機電界発光素子のエネルギーバンド図である。図１（ｂ）に示すように、発光層１４は単一のホスト材料として正孔輸送性材料であるＰＶＫおよび発光材料としてＦＩｒｐｉｃを含有するので、両者の最高占有分子起動（ＨＯＭＯ）および最低非占有分子起動（ＬＵＭＯ）は発光層１４の第１領域１４ａでも第２領域１４ｂでも同じレベルである。一方、発光層１４のうち陰極１５側の第２領域１４ｂにのみ電子輸送性材料であるＯＸＤ−７がドープされている。
【００２１】
図２は本発明の第１の実施形態に係る有機電界発光素子の動作を説明する図である。図２に示すように、電圧印加により陽極１２から正孔が、陰極１５から電子がそれぞれ注入され、発光層１４内で正孔と電子が再結合し、励起子が形成され発光する。
【００２２】
ここで、発光層１４の第１領域１４ａは、正孔輸送性材料であるＰＶＫと発光材料であるＦＩｒｐｉｃとを含有しているが、電子輸送性材料のＯＸＤ−７がドープされていないので正孔輸送性のみを示す。第１領域１４ａにおける正孔移動度をμp、電子移動度をμn1とする。これに対して、発光層１４の第２領域１４ｂは、正孔輸送性材料であるＰＶＫと発光材料であるＦＩｒｐｉｃに加えて、電子輸送性材料のＯＸＤ−７がドープされているので、正孔輸送性に加えて電子輸送性も有している。第２領域１４ｂにおける正孔移動度をμp、電子移動度をμn2とする。このとき、第１領域１４ａと第２領域１４ｂで電子移動度を比較すると、μn1＜＜μn2である。この場合、発光層１４の第２領域１４ｂでのＯＸＤ−７のドーピング濃度を調整することにより、第２領域１４ｂにおける電子輸送性の程度を変えることができ、発光層１４ｂの電子移動度を正孔移動度より大きくすることができる。すなわち、μp＜μn2という条件を満たすことができる。この結果、第２領域１４ｂに注入された電子は電子移動度の変化が生じる発光層１４ａと発光層１４ｂとの界面付近に蓄積され、この付近で発光層１４の第１領域１４ａに注入された正孔と結合する。電子と正孔の再結合により形成された励起子は、陽極１２側および陰極１５側のどちらへも移動することができるので、発光領域ＥＲを発光層１４の中央部から両側に広げることができる。
【００２３】
本実施形態の有機電界発光素子においては、発光層１４は全体的に単一のホスト材料として正孔輸送性材料であるＰＶＫと発光材料であるＦＩｒｐｉｃとを含んでいる。このため、図４に示す従来の有機電界発光素子のように、異種のホスト材料を含む２つの発光層の界面が再結合・発光中心となる場合に生じる発光効率や寿命の低下の問題を避けることができる。また、第２領域１４ｂにのみ電子輸送性材料のＯＸＤ−７をドープしたことにより、再結合・発光中心を発光層１４の中央部付近にすることができ、発光領域を発光層１４の中央部から両側に広げることができるので、励起子濃度の最大値を下げ、非発光で消滅する割合を下げて効率を向上させることができる。
【００２４】
なお、第１領域１４ａの材料と第２領域１４ｂの材料を同一の溶媒に溶解した場合、第１領域１４ａ上に第２領域１４ｂの溶液を塗布する際に第１領域１４ａが部分的に溶解するため、第１領域１４ａと第２領域１４ｂが明確な界面を持たなくなる。しかし、第１領域１４ａと第２領域１４ｂが部分的に混合する程度であれば問題とはならず、基本的に上記で説明したのと同様に動作する。
【００２５】
第２の実施形態
図３は本発明の第２の実施形態に係る有機電界発光素子の断面図である。図３において、図１に対応する部分には図１と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２６】
本実施形態の有機電界発光素子は、発光層１４の第１領域１４ａと発光層１４の第２領域１４ｂとの間に第３領域１４ｃを設けている以外、第１の実施形態の有機電界発光素子と同様の構成を有する。第３領域１４ｃは、第２領域１４ｂと同様に、ホスト材料として正孔輸送性材料であるＰＶＫ、発光材料であるＦＩｒｐｉｃおよび電子輸送性材料であるＯＸＤ−７を含むが、ＯＸＤ−７のドーピング濃度を第２領域１４ｂよりも低くしている。この結果、ＯＸＤ−７のドーピング濃度は、陰極１５に近い側で高く発光層１４の中央部で低くなっている。
【００２７】
本実施形態の有機電界発光素子でも、発光層１４は全体的に単一のホスト材料として正孔輸送性材料であるＰＶＫと発光材料であるＦＩｒｐｉｃとを含んでいる。このため、図４に示す従来の有機電界発光素子のように、異種のホスト材料を含む２つの発光層の界面が再結合・発光中心となる場合に生じる発光効率や寿命の低下の問題を避けることができる。また、第２領域１４ｂと第３領域１４ｃとで電子輸送性材料ＯＸＤ−７のドーピング濃度分布を持たせ電子移動度を多段階に変化させたことにより、再結合・発光中心の幅をより広げることができるので、励起子濃度の最大値を下げ、非発光で消滅する割合を下げて効率を向上させることができる。
【００２８】
本発明は上記実施形態に限定されない。たとえば、上記実施形態ではホスト材料、発光材料、キャリア輸送材料を混合して塗布により発光層を形成しているが、低分子の各材料を共蒸着することによって発光層を形成してもよい。
【００２９】
下記に低分子の正孔輸送性ホスト材料および電子輸送性ホスト材料の例を示す。
【化２】
2010226059.tif 000004
【００３０】
【化３】
2010226059.tif 000005
【００３１】
【化４】
2010226059.tif 000006
【００３２】
【化５】
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【００３３】
また、上記実施形態ではＰＶＫ、ＯＸＤ−７およびＦＩｒｐｉｃを混合して発光層の一部の領域を形成したが、たとえばカルバゾールユニットとＯＸＤ−７ユニットとを側鎖に持つ共重合体とＦＩｒｐｉｃを混合して発光層の一部の領域を形成してもよい。
【００３４】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１１…ガラス基板、１２…陽極、１３…正孔注入層、１４…発光層、１４ａ…第１領域、１４ｂ…第２領域、１４ｃ…第３領域、１５…陰極。
【図１】
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【図２】
2010226059.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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