(57)【要約】【課題】  燐光発光層のホスト材料は最低励起一重項（Ｓ１）が高いため、キャリアの注入障壁が大きい。そのため、燐光発光素子は蛍光発光素子に比べて駆動電圧が高い。【解決手段】  一対の電極と前記一対の電極の間に配置される発光層とを有し、前記発光層はゲスト材料とホスト材料とを有し、前記ゲスト材料は燐光発光材料であり、前記ホスト材料の最低励起一重項準位と最低励起三重項準位とのエネルギー差が０．０３ｅＶ以下であることを特徴とする有機発光素子。【選択図】  図１
2011199019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と前記一対の電極の間に配置される発光層とを有し、前記発光層はゲスト材料とホスト材料とを有し、前記ゲスト材料は燐光発光材料であり、前記ホスト材料の最低励起一重項準位と最低励起三重項準位とのエネルギー差が０．０３ｅＶ以下であることを特徴とする有機発光素子。
【請求項２】
前記ホスト材料は下記の一般式［１］または一般式［２］または構造式［３］で示されることを特徴とする請求項１に記載の有機発光素子。
一般式［１］
【化１】
2011199019.tif 000016
（Ｘはいずれもハロゲン原子を示す。）
一般式［２］
【化２】
2011199019.tif 000017
（Ｒ１乃至Ｒ４はそれぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基から選ばれる。）
構造式［３］
【化３】
2011199019.tif 000018
【請求項３】
複数の画素を有し、前記画素は請求項１または２に記載の有機発光素子と前記有機発光素子に接続するスイッチング素子とを有することを特徴とする表示装置。
【請求項４】
画像を読み取るための画像入力部と画像を出力するための表示部とを有し、前記表示部は複数の画素を有し、前記画素は請求項１または２に記載の有機発光素子と前記有機発光素子に接続するスイッチング素子とを有することを特徴とする画像入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機発光素子およびそれを有する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光素子は、一対の電極とこれら一対の電極の間に配置される発光層を有する素子である。これら電極からキャリアが供給されることで発光層内の有機化合物を励起し、この励起状態から基底状態に戻る際に発光する。
【０００３】
有機発光素子の発光には最低励起一重項（Ｓ１）から発光する蛍光、最低励起三重項（Ｔ１）から発光する燐光が知られている。また、同一化合物のＳ１とＴ１とを比較するとＳ１の準位が高いことが知られている。
【０００４】
燐光発光素子において、発光層の主成分であるホスト材料のＴ１は、副成分であるゲスト材料のＴ１よりも準位が高い。これはエネルギーをホスト材料のＴ１からゲスト材料のＴ１へ移動させるためである。一方で蛍光発光素子の場合、エネルギーはホスト材料のＳ１からゲスト材料のＳ１へ移動する。同じ色を発光する燐光発光素子と蛍光発光素子がある場合、燐光発光素子のゲスト材料のＴ１と蛍光発光素子のゲスト材料のＳ１は同じ準位である。それぞれの素子のホスト材料に注目すると蛍光発光素子のホスト材料のＳ１よりも燐光発光素子のホスト材料のＳ１は高準位であることが一般であり、蛍光発光素子のＳ１より低いＳ１の燐光発光素子は見つかっていない。
【０００５】
Ｓ１の準位が高いということはバンドギャップ即ち、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーギャップも大きい。発光層に隣接する隣接層として用いることができる材料は選択の幅が限られるため、発光層のエネルギーギャップに合わせて隣接層のエネルギーギャップを大きくすることは難しい。従って、燐光発光素子では、発光層と発光層と隣接する隣接層とのＨＯＭＯ同士の障壁あるいはＬＵＭＯ同士の障壁が大きくなり、エネルギー障壁が大きい傾向がある。このことから燐光発光素子は駆動電圧が高いといえる。
【０００６】
一方、駆動電圧を下げても発光効率が低下しては素子としての性能は低いので、駆動電圧が下がっても発光効率は維持または向上させることが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２６７２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように一般的に燐光発光素子は駆動電圧が高く、一例として特許文献１に記載の燐光発光素子は駆動電圧が８．１Ｖと高い。これはホスト材料のＳ１が高いため、ホスト材料へのホールおよび電子の注入障壁が大きくなるためである。
【０００９】
本発明は駆動電圧の低い燐光発光素子を提供することを目的とする。より具体的には有機化合物層がホール輸送層、発光層、電子輸送層の三層構成である有機発光素子において、５．０Ｖ以下の駆動電圧で、かつ１３ｃｄ／Ａ以上の発光効率を有する燐光発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
よって本発明は、一対の電極と前記一対の電極の間に配置される発光層とを有し、前記発光層はゲスト材料とホスト材料とを有し、前記ゲスト材料は燐光発光材料であり、前記ホスト材料の最低励起一重項準位と最低励起三重項準位とのエネルギー差が０．０３ｅＶ以下であることを特徴とする有機発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発光層のホスト材料のＳ１が低いので、ホスト材料へのキャリア注入障壁が小さく、駆動電圧が低い燐光発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】最低励起一重項と最低励起三重項とを示す模式図である。
【図２】有機発光素子と有機発光素子と接続するスイッチング素子とを示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、一対の電極と前記一対の電極の間に配置される発光層とを有し、前記発光層はゲスト材料とホスト材料とを有し、前記ゲスト材料は燐光発光材料であり、前記ホスト材料の最低励起一重項準位と最低励起三重項準位とのエネルギー差が０．０３ｅＶ以下であることを特徴とする有機発光素子である。
【００１４】
本発明者は、燐光発光素子において、ホスト材料のＴ１の高さを維持したまま、ホスト材料のＳ１を低くすれば駆動電圧を低くできることに着想した。そのためには、ホスト材料のＳ１とホスト材料のＴ１とのエネルギー差が小さければ、小さいほど良い。あるいは、素子の発光効率を高めるために、ホスト材料の逆項間交差を利用することもできる。そのためには０．０３ｅＶ以下とすると好ましいことを見出した。
【００１５】
この値を下回れば発光色を問わず、燐光発光素子は駆動電圧５．０Ｖ以下かつ発光効率１３ｃｄ／Ａ以上という目標を達成できる。なお、０．０３ｅＶとは実験から経験的に得られる値であり、測定条件上小数点第２位までが信頼に足りる値である。
【００１６】
この０．０３ｅＶという値は室温において、エネルギーがホスト材料のＴ１からホスト材料のＳ１に逆項間交差しうるほど小さいエネルギー差であることを意味する。ホスト材料のＴ１からホスト材料のＳ１に逆項間交差することはホスト材料のＴ１から熱失活するはずだったエネルギーを再度発光しうるエネルギーにできる経路なので発光効率の向上に寄与することが考えられる。
【００１７】
ここで、ホスト材料とは発光層中の最も重量比の大きい化合物であり、ゲスト材料とは発光層中のホスト材料よりも重量比が小さく、具体的にはホスト材料に対して０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下のもので主たる発光をする化合物である。
【００１８】
ここで燐光とはＴ１からの発光であり、発光寿命が蛍光に比べて長いことが特徴である。通常の蛍光発光は、Ｓ１からの発光のためナノ秒レベルの発光寿命であるのに対して、Ｔ１からの発光であるため、発光寿命がマイクロ秒レベルである。
【００１９】
燐光は、温度の上昇と共に無輻射失活速度が大きくなるため、温度上昇と共に発光強度は低下する。
【００２０】
燐光発光素子において、ホスト材料のＴ１とゲスト材料のＴ１との差はホスト材料のＳ１を高くしないために小さいものを選択することが好ましい。
【００２１】
本発明について図１を用いて説明する。図１は各準位のエネルギーの高さを示すエネルギーダイヤグラムである。
【００２２】
図１の符号２はゲスト材料のＴ１であり、符号３は燐光発光が有するエネルギーであり、符号４は基底状態のエネルギーであり、０ｅＶである。３のエネルギーが燐光の発光波長を決める。符号１のホスト材料のＴ１は符号２のゲスト材料のＴ１よりも高いことが燐光発光の必須条件である。符号１のホスト材料のＴ１と符号５のホスト材料のＳ１とが符号６の項間交差でエネルギーの移動を行う。符号５のホスト材料のＳ１にエネルギーを供給するために必要なエネルギーの大きさが符号８で表され、結果として発光素子の駆動電圧に影響を与える。
【００２３】
これは、エネルギー８、即ちＳ１が高いとホスト材料へのキャリア注入障壁が大きくなるため、駆動電圧が大きくなることを意味する。
【００２４】
ここで、符号７に参考としての燐光発光素子のホスト材料のＳ１とこのＳ１にエネルギーを供給するために必要なエネルギー９とを示す。参考例としてのホスト材料のＳ１と比較して符号５で示す本発明に係るホスト材料のＳ１は低い。
【００２５】
ホスト材料のＳ１とホスト材料のＴ１との差は小さいほど好ましい。なぜならば、この差が小さいほど結果的にホスト材料のＳ１を低くすることができ、駆動電圧を低くできると考えられるからである。
【００２６】
本発明に係る燐光発光素子はホスト材料のＳ１が低いので駆動電圧を低くすることができる。具体的にはＳ１とＴ１との差が０．０３ｅＶ以下なので駆動電圧５．０Ｖ以下でかつ発光効率１３ｃｄ／Ａの燐光発光素子を提供することができる。
【００２７】
本発明に係るホスト材料は０．０３ｅＶ以下という条件を満たすものであれば、どのような化合物でもよいと考えられるが、遷移金属錯体が好ましい。
【００２８】
遷移金属錯体の中でも銅や白金が好ましく、化合物内の遷移金属は一種類である方が安定に存在することができる。
【００２９】
以下に本実施形態に係るホスト材料の具体例を示す。
【００３０】
【化１】
2011199019.tif 000003
【００３１】
例示化合物Ｈ１乃至Ｈ３は一般式［１］で表され、Ｈ４乃至Ｈ６は一般式［２］で表される。
【００３２】
一般式［１］
【００３３】
【化２】
2011199019.tif 000004
【００３４】
（Ｘはいずれもハロゲン原子を示す。）
【００３５】
一般式［２］
【００３６】
【化３】
2011199019.tif 000005
【００３７】
（Ｒ１乃至Ｒ４はそれぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基から選ばれる。
このアルキル基は例えばメチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基をあげることができる。）
【００３８】
Ｈ５およびＨ６はＨ４の化合物が置換基を有した化合物と見ることができる。Ｈ５はフッ素原子を置換基として有し、Ｈ６はメチル基を置換基として有する。置換基の位置を問わず効果は変わらないと考えられる。
【００３９】
表１は、本実施形態のホスト材料と参考例のホスト材料とのＳ１およびＴ１の実測である。
【００４０】
なお、Ｓ１は、１０−５Ｍ程度のモル濃度に調製したトルエン溶液中の吸収スペクトルの吸収端波長を測定し以下の式１を用いて算出した。
【００４１】
Ｔ１は化合物の粉末状態での発光スペクトルを測定し、その高エネルギー側の発光端（スペクトルの立ち上がり）波長を測定し以下の式１から算出した。
【００４２】
【数１】
2011199019.tif 000006
【００４３】
Ｅはエネルギーであり、ｈはプランク定数、ｃは光速、ｅは素電荷、λは測定した波長である。
【００４４】
【表１】
2011199019.tif 000007
【００４５】
【化４】
2011199019.tif 000008
【００４６】
【化５】
2011199019.tif 000009
【００４７】
【化６】
2011199019.tif 000010
【００４８】
参考例であるＲＨ−１は青燐光素子、ＲＨ−２は緑及び赤燐光素子、ＲＨ−３は赤燐光素子のホストとして用いられる化合物である。これらのＳ１の値に対して本実施形態の化合物のＳ１の値はいずれも非常に小さい値である。本実施形態のこれらホスト材料は、青・緑・赤の各色燐光発光材料に対してＳ１が小さい、すなわち、ＨＯＭＯとＬＵＭＯとのエネルギーギャップが小さい材料である。従って、陽極・陰極に用いる電極の仕事関数と本実施形態のホスト材料とのエネルギー差が小さくなり、ホールの注入障壁、電子の注入障壁が小さくなるため、素子の低電圧駆動が実現できる。
【００４９】
本実施形態に係る有機発光素子は、対向する一対の電極としての陽極と陰極と、これらの電極の間に配置される発光層を有する素子である。この有機発光素子はホスト材料とゲスト材料とを有する発光層を有しており、ホスト材料のＳ１とホスト材料のＴ１とのエネルギー差が０．０３ｅＶ以下である。このため、この有機発光素子は有機化合物層がホール輸送層、発光層、電子輸送層の３層構成の場合、駆動電圧５．０Ｖ以下、発光効率１３ｃｄ／Ａ以上を満たす。実施例では駆動電圧４．９Ｖが達成されているので、
この駆動電圧を下げる効果は有機化合物層が３層構成の有機発光素子に限られず、何層構成であっても同様に駆動電圧が低下し、高い発光効率を得られると発明者は考える。
【００５０】
この有機発光素子は上記３層構成以外にも複数層を有してよい。複数層とは、ホール注入層、ホールブロッキング層、エキシトンブロッキング層、電子注入層等が挙げられ、これらの層を適宜組み合わせて用いることができる。
【００５１】
陽極材料には、仕事関数が大きなものが用いられる。例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｓｅ、Ｖ、Ｗ等の金属単体あるいはこれらの合金、ＩＴＯ、ＩＺＯ等の金属酸化物等が挙げられるがこれらに限定されない。また、陽極は一層構成でもよく、多層構成でもよい。
【００５２】
発光層と陽極との間に設けられるホール輸送層あるいはホール注入層を構成する化合物は、トリアリールアミン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、オキサゾール誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、及びポリ（ビニルカルバゾール）、ポリ（シリレン）、ポリ（チオフェン）、その他導電性高分子が挙げられるが、これらに限定されない。
【００５３】
本実施形態に係る発光層はホスト材料とゲスト材料を有し、ゲスト材料には公知の燐光発光材料を用いることができる。この発光層はアシスト材料をさらに有してもよい。アシスト材料とは重量比がホスト材料よりも小さく、主たる発光に寄与せずゲスト材料を助ける材料である。
【００５４】
発光層と陰極との間に設けられる電子注入層あるいは電子輸送層を構成する化合物は、オキサジアゾール誘導体、オキサゾール誘導体、ピラジン誘導体、トリアゾール誘導体、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、有機アルミニウム錯体等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００５５】
陰極材料には、仕事関数の小さなものが用いられる。例えば、Ｌｉ等のアルカリ金属、Ｃａ等のアルカリ土類金属、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｃｒ等の金属単体あるいはこれら金属単体の合金、ＩＴＯ等の金属酸化物等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００５６】
本発明に係る有機発光素子において、有機化合物層は、例えば次に示す方法により形成することができる。
【００５７】
真空蒸着あるいは適当な溶媒に溶解させて所定の位置に塗布しその後溶媒を乾燥する溶液塗布法により層を形成することができる。
【００５８】
以下本発明に係る有機発光素子の用途について説明する。
【００５９】
本発明に係る有機発光素子は、表示装置や照明装置に用いることができる。他にも電子写真方式の画像形成装置の露光光源や液晶表示装置のバックライトなどがある。
【００６０】
表示装置は本発明に係る有機発光素子を表示部に有する。この表示部とは複数の画素を有しており、この画素は本発明に係る有機発光素子とＴＦＴ素子とを有し、この有機発光素子の陽極または陰極とＴＦＴ素子のドレイン電極またはソース電極とが接続されている。表示装置はＰＣ等の画像表示装置として用いることができる。
表示装置は画像入力部をさらに有する画像入力装置でもよい。
【００６１】
画像入力装置は、エリアＣＣＤ、リニアＣＣＤ、メモリーカード等からの情報を入力する画像入力部と、入力された情報を表示する表示部とを有する。これに撮像光学系をさらに有すればデジタルカメラ等の撮像装置となる。また、撮像装置やインクジェットプリンタが有する表示部として、外部から入力された画像情報に基づいて画像を表示する画像出力機能と操作パネルとして画像への加工情報を入力する入力機能との両方を有していてもよい。また表示装置はマルチファンクションプリンタの表示部に用いられてもよい。
【００６２】
次に、本発明に係る有機発光素子を使用した表示装置について説明する。
【００６３】
図２は、本発明に係る有機発光素子と有機発光素子の発光非発光をスイッチングするスイッチング素子の１例であるＴＦＴ素子とを有する表示装置の断面模式図である。本図では有機発光素子とＴＦＴ素子との組が２組図示されている。不図示ではあるが発光輝度を制御するトランジスタをさらに有してよい。表示装置は、情報に応じてスイッチング素子を駆動することで、有機発光素子を点灯あるいは消灯することによって表示を行い、情報を伝える。構造の詳細を以下に説明する。
【００６４】
図２の表示装置は、ガラス等の基板１０とその上部にＴＦＴ素子又は有機化合物層を保護するための防湿膜１１が設けられている。また符号１２は金属のゲート電極１２である。符号１３はゲート絶縁膜１３であり、符号１４は半導体層１４である。
【００６５】
ＴＦＴ素子１７は半導体層１４とドレイン電極１５とソース電極１６とを有している。ＴＦＴ素子１７の上部には絶縁膜１８が設けられている。コンタクトホール１９を介して有機発光素子の陽極２０とソース電極１６とが接続されている。表示装置はこの構成に限られず、陽極または陰極のうちいずれか一方とＴＦＴ素子のソース電極またはドレイン電極のいずれか一方とが接続されていればよい。
【００６６】
有機化合物層２１は本図では多層の有機化合物層を１つの層の如き図示をしている。陰極２２の上には有機発光素子の劣化を抑制するための第一の保護層２３や第二の保護層２４が設けられている。
【００６７】
本実施形態の有機発光素子を有する表示装置は長時間表示でも安定な表示ができる。
【実施例】
【００６８】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００６９】
［実施例１］
以下に示す構成の有機発光素子を作製した。
ＩＴＯ／ＰＦ０１（４０ｎｍ）／Ｈ１（ホスト）＋Ｄ１（ドーパント）（２０ｎｍ）／Ｂｐｈｅｎ（５０ｎｍ）／ＫＦ（１ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）
厚さ１．１ｍｍの無アルカリガラス基板にＩＴＯ膜（１２０ｎｍ）をスパッタ法にて形成し、陽極側透明電極として用いた。この上に、ＰＦ０１を、ホール輸送層として真空度３．０×１０−５Ｐａの条件下で真空蒸着法にて４０ｎｍの層厚で形成した。次に発光層として、化合物Ｈ１をホスト材料、下記に示すＤ１をドーパント材料とした。ホスト材料に対するドーパント材料の濃度を５ｖｏｌ％として、真空度３．０×１０−５Ｐａの条件下で共蒸着法にて発光層を２０ｎｍ層厚で形成した。
【００７０】
次に電子輸送層としてＢｐｈｅｎ（バソフェナントロリン）を真空度３．０×１０−５Ｐａの条件下で真空蒸着法にて５０ｎｍの層厚で形成した。次に電子注入層としてフッ化カリウム（ＫＦ）を真空度２．０×１０−４Ｐａの条件下で真空蒸着法にて１ｎｍ形成した。最後に陰極材料としてＡｌを真空度２．０×１０−４Ｐａの条件下で真空蒸着法にて１００ｎｍ形成して、有機発光素子を得た。
【００７１】
【化７】
2011199019.tif 000011
【００７２】
【化８】
2011199019.tif 000012
【００７３】
【化９】
2011199019.tif 000013
【００７４】
有機発光素子は、以下の方法で評価を行った。駆動電源は、直流定電流電源（エーディーシー社製、商品名：Ｒ６２４３）を用いた。輝度は輝度計（トプコン社製、商品名：ＢＭ−７ＦＡＳＴ）を用いた。本例で作製した有機発光素子の評価は、輝度１００ｃｄ／ｍ２における、駆動電圧及び発光効率の値から評価を行った。
【００７５】
本例で作製した有機発光素子は、発光のピーク波長が５５０ｎｍの発光を示した。輝度１００ｃｄ／ｍ２における駆動電圧は４．５Ｖであり、発光効率は２０ｃｄ／Ａであった。
【００７６】
［実施例２］
実施例１におけるホスト材料をＨ４に、ドーパント材料をＤ２に変更した以外は実施例１と同様の方法により有機発光素子を作製した。
【００７７】
【化１０】
2011199019.tif 000014
【００７８】
本例で作製した有機発光素子は、発光のピーク波長が６２０ｎｍの発光を示した。輝度１００ｃｄ／ｍ２における駆動電圧は４．３Ｖであり、発光効率は１３ｃｄ／Ａであった。
【００７９】
［実施例３］
実施例１におけるホスト材料をＨ６に、ドーパント材料をＤ３に変更した以外は実施例１と同様の方法により有機発光素子を作製した。
【００８０】
【化１１】
2011199019.tif 000015
【００８１】
本例で作製した有機発光素子は、発光のピーク波長が５１０ｎｍの発光を示した。輝度１００ｃｄ／ｍ２における駆動電圧は４．９Ｖであり、発光効率は２１ｃｄ／Ａであった。
【００８２】
［比較例１］
実施例１におけるホスト材料をＲＨ−２に変更した以外は、実施例１と同様の方法により有機発光素子を作製した。本例で作製した有機発光素子は、発光のピーク波長が５５０ｎｍの発光を示した。輝度１００ｃｄ／ｍ２における駆動電圧は５．４Ｖであり、発光効率は１３ｃｄ／Ａであった。
【００８３】
［比較例２］
実施例２におけるホスト材料をＲＨ−２に変更した以外は、実施例２と同様の方法により有機発光素子を作製した。本例で作製した有機発光素子は、発光のピーク波長が６２０ｎｍの発光を示した。輝度１００ｃｄ／ｍ２における駆動電圧は４．７Ｖであり、発光効率は１１ｃｄ／Ａであった。
【００８４】
［比較例３］
実施例３におけるホスト材料をＲＨ−２に変更した以外は、実施例３と同様の方法により有機発光素子を作製した。本例で作製した有機発光素子は、発光のピーク波長が５１０ｎｍの発光を示した。輝度１００ｃｄ／ｍ２における駆動電圧は６．５Ｖであり、発光効率は１６ｃｄ／Ａであった。
【符号の説明】
【００８５】
１  ホスト材料の最低励起三重項準位
２  ゲスト材料の最低励起三重項準位
【図１】
2011199019.tif 000019
【図２】
2011199019.tif 000020