JP2007254755A - 電気リン光に基づく高効率有機発光デバイス - Google Patents
電気リン光に基づく高効率有機発光デバイス Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】イリジウム及びオスミウムから選択される金属の錯体をリン光性化合物である発光材料として用いて、有機エレクトロルミネッセンスデバイスを構成する。
【選択図】なし
Description
本発明は、有機金属リン光性ドーパント化合物を含む発光層を含んでなり、励起子阻止層を含む有機発光デバイス(OLED)に関する。
II.A. 一般的背景
有機発光デバイス(OLED)は、数種類の有機層から構成されており、それらの層の一つは、そのデバイスを横切るように電圧を印加することによってエレクトロルミネッセンスにすることができる有機材料から構成されている(C.W. Tang et al., Appl. Phys. Lett., 1987, 51, 913)。ある種のOLEDは、LCDに基づいたフルカラーフラットパネルディスプレイに対する実際的な代替技術として用いるのに十分な輝度、十分な色の範囲および十分な作動寿命を有することが示されている(S.R. Forrest, P.E. Burrows and M.E. Thompson, Laser Focus World, Feb. 1995)。このようなデバイスに用いられる有機薄膜の多くは可視スペクトル領域では透明であるので、赤(R)、緑(G)および青色(B)発光OLEDを垂直積層形態に配置し、単純な構成法、小さなR-G-B画素サイズおよび大きな充填比(fill factor)を提供する全く新しい種類のディスプレイ画素を実現することができる(国際特許出願PCT/US95/15790号明細書)。
構造が有機光電子材料の層の使用に基づいているデバイスは、一般に光放射を生じさせる、よく見られる機構に依存している。典型的には、この機構は、捕捉された電荷の放射的再結合に基づいている。具体的には、OLEDは、このデバイスの陽極と陰極を分離する少なくとも2つの薄い有機層から構成されている。これらの層の一つの材料は、具体的には正孔を輸送する材料の能力に基づいて選択され(「正孔輸送層」(HTL))、別の層の材料は具体的には、電子を輸送するその能力によって選択される(「電子輸送層」(ETL))。このような構成では、陽極に加えた電位が陰極に加えた電位より高いときには、このデバイスは順バイアス(forward bias)を有するダイオードと考えることができる。これらのバイアス条件下では、陽極は正孔(正電荷キャリヤー)を正孔輸送層へ注入し、陰極は電子を電子輸送層へ注入する。従って、陽極に隣接する部分の発光媒体は、正孔注入および正孔輸送ゾーンを形成し、陰極に隣接する部分の発光媒体は電子注入および電子輸送ゾーンを形成する。注入された正孔および電子は、それぞれ反対に帯電した電極に移動する。電子と正孔が同一分子上に局在していると、Frenkel励起子が形成される。この短寿命状態の再結合は、ある条件下では、優先的に発光機構を介して起こる緩和を伴う、その導電電位から価電子帯へ降下する電子としてみることができる。典型的な薄層有機デバイスの作動の機構のこの見方のもとでは、エレクトロルミネッセント層は各電極からの移動性電荷キャリヤー(電子および正孔)を受け取るルミネッセンスゾーンを含んでいる。
II.C.1. 基本的ヘテロ構造
典型的には、少なくとも1個の電子輸送層と少なくとも1個の正孔輸送層を有するので、様々な材料の層(複数)を有し、ヘテロ構造を形成する。エレクトロルミネッセント発光を生じる材料は、電子輸送層または正孔輸送層として機能する材料と同じであることがある。電子輸送層または正孔輸送層が発光層としても機能するこのようなデバイスは、単一へテロ構造を有するといわれる。あるいは、エレクトロルミネッセント材料は、正孔輸送層と電子輸送層との間の別個の発光層に存在してもよく、二重ヘテロ構造とよばれる。
本発明の(および以前に米国特許出願番号第09/153,144号明細書に開示された)デバイスに用いられる励起子阻止層は、励起子の拡散を実質的に阻止し、従って発光層内に励起子を実質的に保持して、デバイス効率を高める。本発明の阻止層の材料は、その最低空軌道(LUMO)と最高被占軌道(HOMO)との間のエネルギー差(「バンドギャップ」)によって特徴づけられる。本発明によれば、このバンドギャップが、阻止層を通る励起子の拡散を実質的に防止し、その上、完成したエレクトロルミネッセントデバイスの作動電圧に対する影響は極めて少ない。従って、このバンドギャップは、発光層で生じるエネルギー準位より大きいことが好ましく、それによってこのような励起子が阻止層中に存在することができない。具体的には、阻止層のバンドギャップは、ホストの三重項状態と基底状態との間のエネルギーの差と少なくも同じ大きさである。
色については、OLEDは、三原色である、赤、緑および青の一つに相当し、OLEDまたはSOLEDの着色層として用いることができる、選択されたスペクトル領域近くに中心のある比較的狭いバンドでのエレクトロルミネッセント発光をもたらす材料を用いて作製するのが望ましい。このような化合物は、真空蒸着法を用いて薄層として容易に蒸着されることができ、それにより、真空蒸着した有機材料から専ら調製されるOLED中に容易に組込むことができることも望ましい。
本発明は有機発光デバイスを目的とし、その発光層が、任意選択によるホスト材料を伴っていてもよい発光性分子を含み、この分子は、ヘテロ構造を通して電圧を印加した場合に冷光を発する(ルミネンス)のに適合しており、ここで発光性分子がリン光性有機金属錯体の群から選択される。前記発光性分子は、さらに、リン光性有機金属イリジウムまたはオスミウム錯体の群から選択でき、さらに、リン光性シクロメタル化イリジウムまたはオスミウム錯体の群から選択できる。発光性分子の具体例は、下記式:
の fac−トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム(Ir(ppy)3と表される)である。
1. 阻止層のLUMOとHOMOとのエネルギー差は、ホスト材料の三重項と基底状態の一重項とのエネルギーの差より大きい。
2. ホスト材料の三重項は阻止層によって消光されない。
3. 阻止層のイオン化電位(IP)は、ホストのイオン化電位より大きい(正孔はホスト中に保持されていることを意味する)。
4. 阻止層のLUMOのエネルギー準位と、ホストのLUMOのエネルギー準位とは、デバイスの全導電率の変化が50%未満となるように、エネルギーが十分に接近している。
5. 遮蔽層は、発光層から隣接層への励起子の輸送を効果的に阻止するために十分な層の厚みを有することを条件としてできるだけ薄い。
[発光性(「発光」)分子を正孔輸送ホストなしで用いる場合については、阻止層の選択についての上記規則は、「ホスト」の文言を「発光分子」で置き換えることによって変更される。]
1. 阻止層のLUMOとHOMOとのエネルギーの差は、ホスト材料の三重項と基底状態の一重項との間のエネルギー差より大きい。
2. ホスト材料中の三重項は、阻止層によって消光されない。
3. 阻止層のLUMOのエネルギーは、(電子輸送性)ホストのLUMOのエネルギーより大きい(電子はホスト中に保持されていることを意味する)。
4. 阻止層のイオン化電位と、ホストのイオン化電位とは、正孔が阻止体(blocker)からホスト中に容易に注入されるようなものであり、デバイスの全導電率の変化は50%未満である。
5. 阻止層は、発光層から隣接層中への励起子の輸送を効果的に阻止するために十分な層の厚みを有することを条件としてできるだけ薄い。
[発光性(「発光(emitting)」分子を電子輸送ホストなしで用いる場合については、阻止層の選択についての上記規則は、「ホスト」の文言を「発光分子(emitting molecule)」で置き換えることによって変更される。]
本発明は、総括的には有機発光デバイスのヘテロ構造を横切って電圧を印加した場合に冷光を発し(ルミネッセンス)、かつ、リン光性有機金属錯体の群から選択される発光性分子、並びにその発光デバイスの発光を最適化する構造およびその構造の関連する分子に関する。「有機金属」という用語は、例えば、「無機化学(Inorganic Chemistry)」(第2版), Gary L. Miessler and Donald A. Tarr著, Prentice-Hall (1998)に示されているように、当業者によって一般に理解されている通りである。本発明はさらに、有機発光デバイスの発光層内の発光性分子に関するものであり、この分子はリン光性シクロメタル化イリジウム錯体から構成される。エレクトロルミネッセンスに関しては、このクラスの分子は、赤、青、または緑に見える発光をうみだすことができる。CIEチャートの説明を含めた、色の外観についての議論は、カラー化学(Color Chemistry), VCH Publishers, 1991、およびH.J.A. Dartnall, J.K. Bowmaker, and J.D. Mollon, Proc. Roy. Soc. B (ロンドン), 1983, 220, 115-130に見いだすことができる。
(実施例1)
この実施例では、緑色の電気リン光性(エレクトロフォスフォレッセンス)材料であるfac−トリス(2−フェニルピリジン)イリジウム(Ir(ppy)3)を用いるOLEDを説明する。この化合物は、下記の式で表される:
ドーピングしたデバイスに加えて、ルミネッセント領域がIr(ppy)3の均質なフィルム(film)であるヘテロ構造を作成した。純Ir(ppy)3での効率の(約0.8%への)低下は、減衰(わずか約100nsの寿命しかもたない)にあらわれ、且つ、モノ指数関数的挙動(mono-exponential behavior)から著しく外れている。BCPバリヤー層をもたない6%Ir(ppy)3:CBPデバイスも、BCPバリヤー層を有する6%Ir(ppy)3:Alg3デバイスと共に示されている。ここでは、極めて低い量子効率が、電流とともに増大することが観察されている。この挙動は、ルミネッセント領域または陰極の隣接部位のいずれにおいても、Alq3中への励起子の移動にともなって、非放射性部位が飽和することを示唆している。
図3では、例1の装置について、ルミネッセンスと電力効率を電圧の関数としてプロットしている。ピーク電力効率は約30 lm/Wで、量子効率は8%(28 cd/A)である。100 cd/m2では、4.3Vの電圧では、電力効率19 lm/Wで量子効率7.5%(26 cd/A)が得られる。CBP中のIr(ppy)3の過渡応答は、脱気トルエン中室温での2μsの測定寿命(例えば、King, et al., J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 1431-1432)と比較して、約500 nsのモノ指数関数的リン光減衰である。これらの寿命は短く、強いスピン−軌道カップリングを示唆しており、過渡応答におけるIr(ppy)3蛍光の非存在と一緒とあわせて、Ir(ppy)3が一重項から三重項状態へ強い項間交差(intersystem crossing)を有すると本発明者らは考えている。従って、総ての発光は、長寿命の三重項状態から生じる。あいにく、三重項の遅い緩和がエレクトロルミネッセンスにおける障害(ボトルネック)となるおそれがあり、Ir(ppy)3の一つの主要な利点は短い三重項寿命をもつことである。リン光の障害は、これによって実質的に緩和される。これによって、電流が増加しても効率の漸減しかもたらさず、最大ルミネッセンスは約100,000 cd/m2となる。
図4では、Ir(ppy)3の発光スペクトルとCommission de L'Eclairage (CIE)座標が、最高の効率のデバイスについて示されている。ピーク波長はλ=510nmであり、半値全幅は70nmである。スペクトルおよびCIE座標(x=0.27, y=0.63)は、電流から独立している。非常に高い電流密度でさえ(約100 mA/cm2)、CBPからの青色発光は無視し得る程度であり、エネルギー移動が完全であることを示唆している。
Claims (12)
- 陽極と、陰極と、発光層とを含み、前記発光層が前記陽極と前記陰極との間に配置されており、前記発光層が、芳香族配位子を有するリン光性有機金属オスミウム錯体を含む、有機発光デバイス。
- 前記リン光性有機金属オスミウム錯体が、リン光性シクロメタル化オスミウム錯体である、請求項1に記載の有機発光デバイス。
- 前記リン光性有機金属オスミウム錯体が、金属−窒素結合を有するシクロメタル化環を有する、請求項2に記載の有機発光デバイス。
- 前記発光層がホスト材料をさらに含有し、前記リン光性有機金属オスミウム錯体が前記ホスト材料中にドーパントとして存在する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機発光デバイス。
- 前記R基がアルキル基である、請求項6に記載の有機発光デバイス。
- 前記R基がアリール基である、請求項6に記載の有機発光デバイス。
- 陽極と、陰極と、発光層とを含み、前記発光層が前記陽極と前記陰極との間に配置されており、前記発光層が、リン光性有機金属イリジウム錯体を含む、有機発光デバイス。
- 前記リン光性有機金属イリジウム錯体が、リン光性シクロメタル化イリジウム錯体である、請求項9記載の有機発光デバイス。
- 前記リン光性有機金属イリジウム錯体が、金属−窒素結合を有するシクロメタル化環を有する、請求項9又は10に記載の有機発光デバイス。
- 前記発光層がホスト材料をさらに含有し、前記リン光性有機金属イリジウム錯体が前記ホスト材料中にドーパントとして存在する、請求項9〜11のいずれか一項に記載の有機発光デバイス。
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