(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極および陰極と、該陽極および陰極間に挟持された有機発光層を有する発光素子であって、前記有機発光層が、ホスト材料と発光材料と電流促進材料を含み、且つ前記電流促進材料と前記発光材料との発光スペクトルのピークの差が３０ｎｍ以下であり、前記電流促進材料のバンドギャップが前記発光材料のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光材料、電流促進材料の少なくとも一方が燐光発光材料であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ホスト材料がホール輸送性材料であり、前記電流促進材料が電子輸送性材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ホスト材料が電子輸送性材料であり、前記電流促進材料がホール輸送性材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物を用いた発光素子に関するものであり、さらに詳しくは電流促進材料を発光層内にドープすることによる、輝度・効率の高い有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機ＥＬ素子は、高速応答性や高効率の発光素子として、応用研究が精力的に行われている。その基本的な構成を図１（ａ）・（ｂ）に示した［例えばＭａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．１２５，１〜４８（１９９７）参照］。
【０００３】
図１に示したように、一般に有機ＥＬ素子は透明基板１５上に透明電極１４と金属電極１１の間に複数層の有機膜層から構成される。
【０００４】
図１（ａ）では、有機層が発光層１２とホール輸送層１３からなる。透明電極１４としては、仕事関数が大きなＩＴＯなどが用いられ、透明電極１４からホール輸送層１３への良好なホール注入特性を持たせている。金属電極１１としては、アルミニウム、マグネシウムあるいはそれらを用いた合金などの仕事関数の小さな金属材料を用い有機層への良好な電子注入性を持たせる。これら電極には、５０〜２００ｎｍの膜厚が用いられる。
【０００５】
発光層１２には、電子輸送性と発光特性を有するアルミキノリノール錯体など（代表例は、化１に示すＡｌｑ３）が用いられる。また、ホール輸送層１３には、例えばビフェニルジアミン誘導体（代表例は、化１に示すα−ＮＰＤ）など電子供与性を有する材料が用いられる。
【０００６】
以上の構成をした素子は整流性を示し、金属電極１１を陰極に透明電極１４を陽極になるように電界を印加すると、金属電極１１から電子が発光層１２に注入され、透明電極１５からはホールが注入される。
【０００７】
注入されたホールと電子は発光層１２内で再結合により励起子が生じ発光する。この時ホール輸送層１３は電子のブロッキング層の役割を果たし、発光層１２／ホール輸送層１３界面の再結合効率が上がり、発光効率が上がる。
【０００８】
さらに、図１（ｂ）では、図１（ａ）の金属電極１１と発光層１２の間に、電子輸送層１６が設けられている。発光と電子・ホール輸送を分離して、より効果的なキャリアブロッキング構成にすることで、効率的な発光を行うことができる。電子輸送層１６としては、例えば、オキサジアゾール誘導体などを用いることができる。
【０００９】
これまで、一般に有機ＥＬ素子に用いられている発光は、発光中心の分子の一重項励起子から基底状態になるときの蛍光が取り出されている。一方、一重項励起子を経由した蛍光発光を利用するのでなく、三重項励起子を経由したりん光発光を利用する素子の検討がなされている。発表されている代表的な文献は、文献１：Ｉｍｐｒｏｖｅｄｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｔｄｅｖｉｃｅ（Ｄ．Ｆ．Ｏ’Ｂｒｉｅｎら、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ７４，Ｎｏ３ｐ４２２（１９９９））、文献２：Ｖｅｒｙｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｇｒｅｅｎｏｒｇａｎｉｃｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｂａｓｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｃｅ（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏら、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ７５，Ｎｏ１ｐ４（１９９９））である。
【００１０】
これらの文献では、図１（ｃ）に示す有機層の４層構成が主に用いられている。それは、陽極側からホール輸送層１３、発光層１２、励起子拡散防止層１７、電子輸送層１６からなる。用いられている材料は、化１に示すキャリア輸送材料とりん光発光性材料である。各材料の略称は以下の通りである。
Ａｌｑ３：アルミ−キノリノール錯体
α−ＮＰＤ：Ｎ４，Ｎ４’−Ｄｉ−ｎａｐｈｔｈａｌｅｎ−１−ｙｌ−Ｎ４，Ｎ４’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−ｂｉｐｈｅｎｙｌ−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ
ＣＢＰ：４，４’−Ｎ，Ｎ’−ｄｉｃａｒｂａｚｏｌｅ−ｂｉｐｈｅｎｙｌ
ＢＣＰ：２，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−４，７−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−１，１０−ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ
ＰｔＯＥＰ：白金−オクタエチルポルフィリン錯体
Ｉｒ（ｐｐｙ）3：イリジウム−フェニルピリジン錯体
【００１１】
【化１】
0004018447.tif 000002
【００１２】
文献１，２とも高効率が得られたのは、ホール輸送層１３にα−ＮＰＤ、電子輸送層１６にＡｌｑ３、励起子拡散防止層１７にＢＣＰ、発光層１２にＣＢＰをホスト材料として、６％程度の濃度で、りん光発光性材料であるＰｔＯＥＰまたはＩｒ（ｐｐｙ）3を混入して構成したものである。
【００１３】
りん光性発光材料が特に注目されている理由は、原理的に高発光効率が期待できるからである。その理由は、キャリア再結合により生成される励起子は１重項励起子と３重項励起子からなり、その確率は１：３である。これまでの有機ＥＬ素子は、１重項励起子から基底状態に遷移する際の蛍光を発光として取り出していたが、原理的にその発光収率は生成された励起子数に対して、２５％でありこれが原理的上限であった。しかし、３重項から発生する励起子からのりん光を用いれば、原理的に少なくとも３倍の収率が期待され、さらに、エネルギー的に高い１重項からの３重項への項間交差による転移を考え合わせれば、原理的には４倍の１００％の発光収率が期待できる。
【００１４】
他に、三重項からの発光を要した文献には、特開平１１−３２９７３９号公報（有機ＥＬ素子及びその製造方法）、特開平１１−２５６１４８号公報（発光材料およびこれを用いた有機ＥＬ素子）、特開平８−３１９４８２号公報（有機エレクトロルミネッセント素子）等がある。
【００１５】
更に、「三重項素子の材料的側面」佐藤佳晴（応用物理学会、有機分子・バイオエレクトロニクス分科会、第９回講習会、次世代有機ＥＬへの挑戦）には、発光層が２種類の発光材料とホストからなる構成が記載されている。この構成は２種類の発光材料間のエネルギー移動を利用して、短波長の発光材料（緑発光）から長波長の発光材料（黄色または赤発光）にエネルギーを移動させて、長波長の発光材料のみを発光させるような構成である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記、燐光発光を用いた有機ＥＬ素子では、低電圧で電子・正孔のバランスを保ちながら、低い電圧でより多くのキャリアを発光層に注入することが高輝度化・高効率化に重要な問題となる。しかし、上記りん光材料の中には電荷注入性・輸送性が低く低電圧で多くの電流を流すことが困難なものもある。
【００１７】
そこで、本発明は、燐光発光を用いた有機ＥＬ素子においても、低電圧駆動を可能にし、高輝度化・高効率化を可能にする発光素子及び表示装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記課題に対し、本発明者らが鋭意検討した結果、本発明を考案するに至った。
【００１９】
即ち、本発明の発光素子は、陽極および陰極と、該陽極および陰極間に挟持された有機発光層を有する発光素子であって、前記有機発光層が、ホスト材料と発光材料と電流促進材料を含み、且つ前記電流促進材料と前記発光材料との発光スペクトルのピークの差が３０ｎｍ以下であり、前記電流促進材料のバンドギャップが前記発光材料のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
本発明の発光素子においては、発光材料、電流促進材料の少なくとも一方が燐光発光材料であることが好ましい。
【００２３】
また、前記ホスト材料がホール輸送性材料であるときは、前記電流促進材料が電子輸送性材料であることが好ましい。その反対に、ホスト材料が電子輸送性材料であるときは、上記電流促進材料はホール輸送性材料であることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の発光素子は、陽極および陰極と、陽極および陰極間に挟持された有機発光層を有する発光素子である。発光素子の層構成としては特に限定されず、図１に示す様な構成が挙げられる。
【００２５】
本発明の発光素子は、有機発光層が発光材料と電流促進材料からなることを特徴とするが、電流促進材料により、キャリアの注入やキャリアの移動がおこりにくい発光層、例えば、燐光発光材料を用いた発光層等においても、電流を増加させ、駆動電圧の低下・高効率化を図ることができる。
【００２６】
本発明における電流促進材料とは、有機発光層以外の構成が同様の有機エレクトロルミネッセンス素子において、有機発光層に用いる材料が、発光材料のみの素子と、発光材料および電流促進材料からなる素子とを比較して、後者のほうが同等の電圧を印加した際により多くの電流が流れることが認められるような材料とする。
【００２７】
電流促進材料としては特に限定されないが、発光性材料であって、その発光量子収率が発光材料よりも低いものが好ましい。このような電流促進材料を用いることで、発光材料が主たる発光となり、発光性材料である電流促進材料からの発光を発光材料よりも少なくすることができる。
【００２８】
この際、電流促進材料と発光材料との発光スペクトルのピークの差を３０ｎｍ以下とすれば、発光材料および電流促進材料の双方が発光した場合でも、発光材料のみが発光したものと比べ色純度の変化が少なく、発光材料および電流促進材料の双方が発光しても影響が少ない素子が作製できる。また、電流促進材料から発光材料にエネルギー転移が起こるような場合でも、エネルギー差が少ないためエネルギー転移が起こりやすい構成となる。
【００２９】
発光材料が赤発光の場合において、発光材料と電流促進材料との発光強度比を１０：１とすると、シミュレーションの結果からスペクトルピークの差が３０ｎｍ以下ならばＣＩＥ座標が大きく変化しないことが確かめられている。よって、色純度の高い発光を得るという観点からは発光材料と電流促進材料の発光スペクトルピークの差が３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
また、電流促進材料のバンドギャップを、発光材料のバンドギャップよりも大きくすることにより、正孔と電子が電流促進材料上よりも発光材料上で再結合を起こしやすくなり、主として発光材料からの発光を得ることができる。
【００３１】
本発明においては、発光材料と電流促進材料の割合を、有機発光層厚み方向に変化させることにより、発光層内の電子および正孔の分布をコントロールすることができ、発光層内の電子−正孔の再結合位置を調整することが容易になり、結果として発光色のよい、高効率の素子を作成することができる。
【００３２】
発光層に用いるホスト材料としては、例えばＣＢＰ、ＴＡＺ等、電流促進材料としては、例えば化合物Ａ、ＣＢＰ、Ｉｒ錯体Ａ等、発光材料としては、例えばＩｒ錯体Ｂ，Ｉｒ（ｐｐｙ）、Ｉｒ錯体Ｃ等を用いることができる。
【００３３】
化１に示したもの以外の構造は、以下の通りである。
【００３４】
【化２】
0004018447.tif 000003
【００３５】
本発明の高効率な発光素子は、省エネルギーや高輝度が必要な製品に応用が可能である。応用例としては表示装置・照明装置やプリンターの光源、液晶表示装置のバックライトなどが考えられる。表示装置としては、省エネルギーや高視認性・軽量なフラットパネルディスプレイが可能となる。また、プリンターの光源としては、現在広く用いられているレーザビームプリンタのレーザー光源部を、本発明の発光素子に置き換えることができる。独立にアドレスできる素子をアレイ上に配置し、感光ドラムに所望の露光を行うことで、画像形成する。本発明の素子を用いることで、装置体積を大幅に減少することができる。照明装置やバックライトに関しては、本発明による省エネルギー効果が期待できる。
【００３６】
【実施例】
本実施例に用いた素子作成工程の共通部分を説明する。
【００３７】
本実施例では、素子構成として、図１（ｃ）に示す有機層が４層の素子を使用した。ガラス基板（透明基板１５）上に１００ｎｍのＩＴＯ（透明電極１４）をパターニングした。そのＩＴＯ基板上に、以下の有機層と電極層を１０-4Ｐａの真空チャンバー内で抵抗加熱による真空蒸着し、連続製膜した。
ホール輸送層１３（４０ｎｍ）：α−ＮＰＤ
発光層１２（４０ｎｍ）：ホスト材料＋所定の電流促進材料＋所定の発光材料
励起子拡散防止層１７（１０ｎｍ）ＢＣＰ
電子輸送層１６（３０ｎｍ）：Ａｌｑ３
金属電極層１（１５ｎｍ）：ＡｌＬｉ合金（Ｌｉ含有量１．８重量％）
金属電極層２（１００ｎｍ）：Ａｌ
対向する電極面積が３ｍｍ2になるようにパターニングした。
【００３８】
＜実施例１、比較例１＞
発光層のホスト材料としてホール輸送性のＣＢＰを用い、発光材料としてＩｒ錯体Ｂを７重量％、化合物Ａを電流促進材料として３重量％の濃度で発光層にドープして素子を作製した（実施例１）。化合物Ａをドープしない以外は、実施例１と同様にして、素子を作製した（比較例１）。
【００３９】
これらの素子に１０Ｖの直流電圧を印加して、そのときの電流及び輝度を測定した結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
0004018447.tif 000004
【００４１】
表１から、比較例１に比べて、実施例１の素子は電流・輝度が共に上昇し、電流促進材料の効果が確認された。また、実施例１と比較例１の発光スペクトルはほぼ同じで、Ｉｒ錯体Ｂからの発光のみが観測された。
【００４２】
＜実施例２、比較例２＞
発光層のホストとして電子輸送性材料のＴＡＺを用い、発光材料としてＩｒ錯体Ｂを７重量％、ＣＢＰを電流促進材料として１０重量％の濃度で発光層にドープして素子を作製した（実施例２）。ＣＢＰをドープしない以外は、実施例２と同様にして、素子を作製した（比較例２）。
【００４３】
これらの素子に１０Ｖの直流電圧を印加して、そのときの電流及び輝度を測定した結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】
0004018447.tif 000005
【００４５】
表２から、比較例２に比べて、実施例２の素子は電流・輝度が共に上昇し、電流促進材料の効果が確認された。また、実施例２と比較例２の発光スペクトルはほぼ同じで、Ｉｒ錯体Ｂからの発光のみが観測された。
【００４６】
＜実施例３、比較例３＞
ＣＢＰを発光層のホストとして用い、Ｉｒ錯体Ａを電流促進材料として３重量％、発光材料としてＩｒ錯体Ｃを７重量％の濃度で発光層にドープして素子を作製した（実施例３）。Ｉｒ錯体Ａをドープしない以外は、実施例３と同様にして、素子を作製した（比較例３）。
【００４７】
これらの素子に１０Ｖの直流電圧を印加して、そのときの電流及び輝度を測定した結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
0004018447.tif 000006
【００４９】
電流促進材料として、Ｉｒ錯体Ａを加えた実施例３は、電流・輝度共に上昇した。発光スペクトルはＩｒ錯体Ｃの発光の他にＩｒ錯体Ａからの発光も現れた。Ｉｒ錯体Ｃは６２０ｎｍがピークの発光スペクトルを持ち、Ｉｒ錯体Ａは６１０ｎｍをピークとする発光スペクトルである。発光スペクトルのピークの差が３０ｎｍ以下であるため、ＣＩＥ座標では大きな変化はなかった。
【００５０】
＜実施例４＞
ＣＢＰを発光層のホストとして用い、発光層４０ｎｍのうちホール輸送層側の１０ｎｍにＩｒ錯体Ａを電流促進材料として３重量％、発光材料としてＩｒ錯体Ｃを７重量％の濃度で発光層にドープして、残りの３０ｎｍにはＩｒ錯体Ｃのみを７重量％の濃度でドープして素子を作製した。
【００５１】
この素子と、比較例３の素子に１０Ｖの直流電圧を印加して、そのときの電流及び輝度を比較した結果を表４に示す。
【００５２】
【表４】
0004018447.tif 000007
【００５３】
表４から比較例３に比べて、実施例４の素子は電流・輝度が共に上昇し、発光層の１部に電流促進材料をドープした場合でも電流・輝度の増加作用があることが確認された。
【００５４】
実施例３と実施例４を比較すると、実施例４の発光スペクトルは実施例３に比べて、Ｉｒ錯体Ａからの発光が弱くなり、Ｉｒ錯体Ｃからの発光の比率が高くなった。これは電流促進材料によって、正孔の注入が容易になり、電子−正孔の再結合および発光はＩｒ錯体Ｃで主に起こるためである。
【００５５】
＜実施例５、比較例１＞
ＣＢＰを発光層のホストとして用い、発光材料としてＩｒ錯体Ｂを７重量％、電流促進材料として下記構造式で表されるＰＢＤを３重量％の濃度で発光層にドープして素子を作製した（実施例５）。
【００５６】
ＰＢＤをドープしない以外は、実施例５と同様にして、素子を作製した（比較例１と同じ）。
（ＰＢＤの構造式）
【００５７】
【化３】
0004018447.tif 000008
【００５８】
これらの素子に１０Ｖの直流電圧を印加して、そのときの電流及び輝度を測定した結果を表５に示す。
【００５９】
【表５】
0004018447.tif 000009
【００６０】
表５から、比較例１に比べて、実施例５の素子は電流・輝度が共に上昇し、電流促進材料の効果が確認された。また、実施例５と比較例１の発光スペクトルはほぼ同じで、Ｉｒ錯体Ｂからの発光のみが観測された。
【００６１】
この場合ホスト材料のＣＢＰはホール輸送性が強く、電子輸送性の材料であるＰＢＤなどをドープすることが、素子電流増大にとって効果的である。
【００６２】
その他本発明に用いられる電流促進材料としては、電子輸送性の材料として、下記構造式を有するＰｙＳＰｙなどを用いることが可能であるが、これらに限定されるものではない。
（ＰｙＳＰｙの構造式）
【００６３】
【化４】
0004018447.tif 000010
【００６４】
＜実施例６、比較例２＞
ＴＡＺを発光層のホストとして用い、発光材料としてＩｒ錯体Ｂを７重量％、電流促進材料として下記構造式で表されるＮＰＤを３重量％の濃度で発光層にドープして素子を作製した（実施例６）。
【００６５】
ＮＰＤをドープしない以外は、実施例６と同様にして、素子を作製した。この構成は比較例２と同様である。
（ＮＰＤの構造式）
【００６６】
【化５】
0004018447.tif 000011
【００６７】
これらの素子に１０Ｖの直流電圧を印加して、そのときの電流及び輝度を測定した結果を表６に示す。
【００６８】
【表６】
0004018447.tif 000012
【００６９】
比較例２に比べて、実施例６の素子は電流・輝度が共に上昇し、電流促進材料の効果が確認された。また、実施例６と比較例２の発光スペクトルはほぼ同じで、Ｉｒ錯体Ｂからの発光のみが観測された。
【００７０】
この場合、ホスト材料のＴＡＺは電子輸送性材料であるために、ドーパントしてはホール輸送性のＮＰＤなどが素子電流を増加させるのに適している。
【００７１】
その他本発明の電流促進材料としては、ホール輸送性の材料として、下記構造式を有するｍ−ＭＴＤＡＴＡなどを用いることが可能であるが、これに限るものではない。
（ｍ−ＭＴＤＡＴＡの化学構造式）
【００７２】
【化６】
0004018447.tif 000013
【００７３】
以上の実施例では、ホスト材料を用いる場合を説明したが、本発明においてはホスト材料を含まない場合においても同様な効果を示す。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、素子に流れる電流量を増加させることによって、低電圧駆動を可能にし、輝度や効率の向上することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１  金属電極
１２  発光層
１３  ホール輸送層
１４  透明電極
１５  透明基板
１６  電子輸送層
１７  励起子拡散防止層
【図１】
0004018447.tif 000014