JP3596261B2 - フェナザシリン化合物およびそれを用いた有機薄膜el素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機薄膜のエレクトロルミネセンス(以下、ELと略す)現象を利用した有機薄膜EL素子に用いる正孔輸送材料としてふさわしい新規なフェナザシリン化合物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
イーストマン・コダック社のC.W.Tangらにより開発された有機薄膜EL素子は、特開昭59−194393 号報、特開昭63−264692 号報、特開昭63−295695 号報、アプライド・フィジックス・レター第51巻第12号第913 頁(1987年)、およびジャーナル・オブ・アプライドフィジックス第65巻第9号第3610頁(1989年)等によれば、一般的には陽極、有機正孔注入輸送層、有機発光層、陰極の順に構成され、該有機薄膜EL素子においては有機正孔注入輸送層として、銅フタロシアニン(以下CuPcと略す)、または1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)シクロヘキサン、またはN,N,N’,N’−テトラ−p−トリル−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミンを単層または積層して蒸着した層が用いられていた。
【0003】
上記素子において有機正孔注入輸送層として用いられたCuPcは、耐熱性が高いが、可視光線波長領域の光の吸収が大きく、また、結晶性であり、蒸着面が凹凸になるため、CuPcのみを有機正孔注入輸送層として用いた場合、EL発光の取り出し効率が小さく、また素子が電気短絡しやすくなる問題があった。
【0004】
また、アプライド・フィジックス・レター第57巻第6号第531 頁(1990年)によると、安達らは有機発光層と陰極との間に有機電子注入輸送層を設けた素子を作製した。該素子は有機正孔注入輸送層として、N,N’−ジフェニル−N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン(以下TPDと略す。ガラス転移温度67℃、融点159〜163℃)を用いていた。
【0005】
上記素子において有機正孔注入輸送層として用いられていたTPDは、非晶質で平滑な蒸着面が得られ、可視光線波長領域での光吸収もないが、融点およびガラス転移温度(以下Tgと略す)が低いため、素子駆動時の発熱により発光層と混合してしまったり、時間が経つにつれて膜が結晶化し、発光層との界面が凸凹になり、電気短絡しやすくなる問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上で述べたような従来の有機薄膜EL素子における正孔輸送材料の問題点、すなわち耐熱性の高いCuPcからなる層は光の透過性が低いという問題、および有機非晶質のTPDからなる層はTPDのTgが低いために結晶化による劣化をおこしやすいという問題を改善するために、可視光領域で無色透明で、かつ高いTgを示す正孔輸送材料として応用することが可能な新規化合物を提供することを目的としてなされたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、下記式で示されるようにかさ高く、結晶化しにくい10,10’(5H,5’H)−スピロビフェナザシリンを主骨格とする。
【0008】
【化3】
【0009】
下記、式(化1)および(化2)に示す本発明によるフェナザシリン化合物は上記式で表される10,10’(5H,5’H)−スピロビフェナザシリンの2,2’,8,8’の位置にメチル基を、5の位置にフェニル基、トリル基、またはフェニル基にエチル基、イソプロピル基、t−ブチル基を結合させた基を導入することによって正孔輸送特性を持たせた新規なフェナザシリン化合物であって、可視光領域において無色透明でTgが高くかつ成膜性も良好な新規のフェナザシリン化合物である。
【化4】
【化5】
【0010】
また、式(化3)および(化4)に示す本発明によるフェナザシリン化合物は、5の位置に導入する置換基をよりかさ高いp−(ジフェニルアミノ)フェニル基(n=1の場合)、またはp−(ジフェニルアミノ)ビフェニル基(n=2の場合)とすることにより、式(化1)および(化2)で表されるフェナザシリン化合物よりもそのTgが高くなり、より結晶化しにくくすることができる。その他に、5の位置に導入する基としてナフタレン、カルバゾール、ピロール、トリアゾール等を用いることによりキャリア輸送特性を制御することが可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のフェナザシリン化合物の合成では、まず、下記式で表されるジ−p−トリルアミンの2,2’の位置の水素をフッ素、塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン原子で置換した芳香族第2アミンについて、窒素の位置にウルマン反応にてキャリア輸送性、または発光特性を有する置換基を結合させる。続けてハロゲン原子をリチウムで置換した後、四フッ化ケイ素、四塩化ケイ素などのケイ素化合物を加え、リチウムが結合している位置の炭素どうしをケイ素で架橋することにより行われる。
【0012】
【化6】
【0013】
このようにして得られたフェナザシリン化合物は真空蒸着法、スピンコート法などの方法により、ITOなどの電極上に成膜することにより有機薄膜EL素子の正孔輸送材料として機能する。また、本発明におけるフェナザシリン化合物をポリカーボネイト、ポリエステルなどのバインダー中に分散させた塗液をフタロシアニン等の有機顔料やセレン等の無機材料から成るキャリア発生層上にキャリア輸送層として塗付することにより、電子写真における感光体ドラムとして用いることもできる。
【0014】
[参考例1]
R=CH3の式(化2)のフェナザシリン化合物の合成
ジ−p−トリルアミン100g(0.50mol)を氷酢酸1000mlに溶かした溶液を氷冷、攪拌しているところへ臭素160g(1.0mol)を氷酢酸680mlに溶かした溶液を加えた。反応生成物を亜硫酸水素ナトリウム水溶液で洗浄した後、エタノールから再結晶することにより、無色針状晶として2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミンを98.8g(0.28mol)単離した。
【0015】
次に、2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン54g (0.15mol )にp−ヨウ化トルエン50g (0.23mol )、無水炭酸カリウム83.8g (0.61mol )、触媒として銅粉19.7g (0.31mol )を加えた混合物をo−ジクロロベンゼン400ml 中窒素気流下で20時間還流加熱した。このとき相間移動触媒としてクラウンエーテルを加えてもよい。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、無色アモルファス状物質として2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン42.1g (9.5 x 10−2mol )を得た。
【0016】
次に、2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン5.0g(1.1 x 10−2mol )をジエチルエーテル60mlに加え、氷冷した。これに、n−ブチルリチウムをヘキサン溶液(1.6mol/l)として15ml(2.3 x 10−2mol )だけ加え、窒素気流下で1 時間攪拌した。続けて反応溶液にSiCl4 0.7ml (5.6 x 10 −3mol)を加え、45℃で18時間加熱した。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、白色粉末としてR=CH3 の式(化2)のフェナザシリン化合物0.55g (9.2 x 10−4mol )を得た。
【0017】
本化合物の重クロロホルム溶液について測定した1 H−NMRの結果は次のようになった。
<1 H−NMR(CDCl3 ,TMS) σ[ppm ]>
2.14(12H,CH3 )
2.51(6H,CH 3 )
6.37−6.40 (4H,CH )
6.92−6.95 (4H,CH )
7.19−7.20 (4H,CH )
7.27−7.2(4H,CH )
7.45−7.47 (4H,CH )
【0018】
本化合物の重クロロホルム溶液の13C−NMRスペクトルを図1に示す。
【0019】
KBr法にて測定した本化合物のIRスペクトルを図2に示す。
【0020】
FD法にて本化合物のマススペクトルを測定したところ、分子構造式から推定される分子量と一致するm/z =598 のシグナルが観測された。
【0021】
本化合物のDSCチャートを図3に示す。DSCチャートより、本化合物の融点は323.5 ℃、Tgは144.3 ℃であった。
【0022】
本化合物の蒸着膜の紫外・可視吸収スペクトルを図4に示す。紫外・可視吸収スペクトルより、400nm 以上の可視領域に吸収はなかった。また、理研計器(株)製表面分析計AC−1にて測定した本化合物の蒸着膜のイオン化ポテンシャルは5.6eV であった。
【0023】
【実施例】
[実施例1]
n=1,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物の合成
参考例1で合成した2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン11g(0.03mol)にヨードベンゼン9.4g(0.05mol)、無水炭酸カリウム17g(0.12mol)、触媒として銅粉4.0g(0.06mol)を加えた混合物をo−ジクロロベンゼン80ml中、窒素気流下で20時間還流加熱した。このとき相間移動触媒としてクラウンエーテルを加えてもよい。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、無色アモルファス状物質としてN−フェニル−2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン4.2g(0.01mol)を得た。
【0024】
次に、N−フェニル−2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン4.0g(9.3 x 10−3mol )と酸化第二水銀3.9g(1.8 x 10−2mol )およびヨウ素3.3g(1.3 x 10−2mol )の混合物をエタノール64mlに加え、窒素気流下で2時間還流加熱した。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、白色粉末としてN−(p−ヨードフェニル)−2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン4.5g(8.1 x 10−3mol )を得た。
【0025】
次に、N−(p−ヨードフェニル)−2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン4.0g(7.2 x 10−3mol )に3−メチルジフェニルアミン1.4g(7.2 x 10−3mol )、無水炭酸カリウム2.7g(1.9 x 10−2mol )、触媒として銅粉0.6g(9.4 x 10−3mol )を加えた混合物をo−ジクロロベンゼン10ml中、窒素気流下で32時間還流加熱した。このとき相間移動触媒としてクラウンエーテルを加えてもよい。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、白色粉末としてN−[p−(3−メチルジフェニルアミノ)フェニル]−2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン2.8g(4.6 x 10−3mol )を得た。
【0026】
次に、N−[p−(3−メチルジフェニルアミノ)フェニル]−2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン2.6g(4.3 x 10−3mol )をジエチルエーテル60mlとトルエン11mlの混合溶媒に加え、氷冷した。これにn−ブチルリチウムをヘキサン溶液(1.6mol/l)として5.4ml (8.5 x 10−3mol )だけ加え、窒素気流下で2時間攪拌した。続けて反応溶液にSiCl4 0.3ml (2.2 x 10−3mol )を加え、40℃で40時間加熱した。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、白色粉末としてn=1,R1 =H,R2 =CH3 の式(化4)のフェナザシリン化合物0.6g(6.4 x 10−4mol )を得た。
【0027】
本化合物の重クロロホルム溶液について測定した1 H−NMRの結果は次のようになった。
<1 H−NMR (CDCl3 ,TMS) σ[ppm ]>
2.14−2.15 (12H,CH3 )
2.32−2.35 (6H,CH 3 )
6.53−6.57 (4H,CH )
6.90−6.93 (2H,CH )
7.00−7.02 (4H,CH )
7.04(2H,CH )
7.06(2H,CH )
7.08−7.10 (4H,CH )
7.18−7.19 (4H,CH )
7.21−7.23 (4H,CH )
7.22−7.25 (2H,CH )
7.24(2H,CH )
7.29−7.31 (4H,CH )
7.31−7.35 (4H,CH )
【0028】
本化合物の重クロロホルム溶液の13C−NMRスペクトルを図5に示す。
【0029】
KBr法にて測定した本化合物のIRスペクトルを図6に示す。
【0030】
FD法にて本化合物のマススペクトルを測定したところ、分子構造式から推定される分子量と一致するm/z =932 のシグナルが観測された。
【0031】
本化合物のDSCチャートを図7に示す。DSCチャートより、本化合物の融点は319.6 ℃、Tgは156.0 ℃であった。
【0032】
本化合物の蒸着膜の紫外・可視吸収スペクトルを図8に示す。紫外・可視吸収スペクトルより、400nm 以上の可視領域に吸収はなかった。また、理研計器(株)製表面分析計AC−1にて測定した本化合物の蒸着膜のイオン化ポテンシャルは5.5eV であった。
【0033】
[実施例2]
n=2,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物の合成
参考例1で合成した2,2’−ジブロモ−ジ−p−トリルアミン3.2g(9.1x10−3mol)にN−(4’−ヨードビフェニル−4−イル)−N−(m−トリルアニリン5.0g(1.1x10−2mol)、無水炭酸カリウム4g(2.9x10−2mol)、触媒として銅粉1.0g(1.5x10−2mol)を加えた混合物をo−ジクロロベンゼン20ml中、窒素気流下で28時間還流加熱した。このとき相間移動触媒としてクラウンエーテルを加えてもよい。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、無色アモルファス状物質4.0g(5.8x10−3mol)を得た。
【0034】
次に、上記無色アモルファス状物質4.0g(5.8 x 10−3mol )をジエチルエーテル80mlに加え、氷冷した。これにn−ブチルリチウムをヘキサン溶液(1.6mol/l)として7.5ml (1.2 x 10−2mol )だけ加え、窒素気流下で1時間攪拌した。続けて反応溶液にSiCl4 0.33ml(2.9 x 10−3mol )とトルエン40mlを加え、60℃で50時間加熱した。反応生成物をシリカゲルのカラムで精製することにより、白色粉末としてn=2,R1 =H,R2 =CH3 の式(化4)のフェナザシリン化合物0.4g(3.7 x 10−4mol )を得た。
【0035】
本化合物の重クロロホルム溶液について測定した1 H−NMRの結果は次のようになった。
<1 H−NMR(CDCl3 ,TMS) σ[ppm ]>
2.16(12H,CH3 )
2.30(6H,CH 3 )
6.45−6.47(4H,CH )
6.88−7.07(12H,CH)
7.15−7.31 (18H,CH)
7.44−7.46(4H,CH),
7.61−7.63(4H,CH)
7.87−7.89(4H,CH)
【0036】
本化合物の重クロロホルム溶液の13C−NMRスペクトルを図9に示す。
【0037】
KBr法にて測定した本化合物のIRスペクトルを図10に示す。
【0038】
FD法にて本化合物のマススペクトルを測定したところ、分子構造式から推定される分子量と一致するm/z =1085のシグナルが観測された。
【0039】
結晶状態の本化合物のDSCチャートを図11に示す。DSCチャートより、本化合物の融点は310.1 ℃であった。融解後急冷して非晶質状態にした本化合物のDSCチャートを図12に示す。Tgは177.9 ℃であった。
【0040】
本化合物の蒸着膜の紫外・可視吸収スペクトルを図13に示す。紫外・可視吸収スペクトルより、400nm 以上の可視領域に吸収はなかった。また、理研計器(株)製表面分析計AC−1にて測定した本化合物の蒸着膜のイオン化ポテンシャルは5.6eV であった。
【0041】
[参考例2]
参考例1に記載したフェナザシリン化合物を正孔注入輸送材料として用いた有機薄膜EL素子(図14参照)
透明絶縁性の基板(1)として、厚さ1.1mmの青板ガラス板を用い、この上に120nmのITOをスパッタリング法で被覆させ陽極(2)とした。この陽極(2)の上に、第一正孔注入輸送層(3)としてCuPcを10nm真空蒸着し、第二正孔注入輸送層(4)として式(化2)(R=CH3)を50nmの厚さで真空蒸着した。
【0042】
次に、有機電子輸送発光層(5)としてAlq とキナクリドンを蒸着速度比200:1で25nm蒸着し、最後に陰極(6)としてMgとAgを蒸着速度比10:1で300nm 蒸着した。
【0043】
この素子に導線(7)、直流電流(8)を接続したところ、3V以上の直流電圧により緑色に安定発光し、13V では素子の輝度は6990cd/m2 に達し、本発明の化合物が優れた正孔輸送特性を有することが確かめられた。
【0044】
[実施例3]
実施例2に記載したフェナザシリン化合物を正孔注入輸送材料として用いた有機薄膜EL素子(図14参照)
透明絶縁性の基板(1)として、厚さ1.1mmの青板ガラス板を用い、この上に120nmのITOをスパッタリング法で被覆して陽極(2)とした。この陽極(2)の上に、第一正孔注入輸送層(3)としてCuPcを10nm真空蒸着し、第二正孔注入輸送層(4)として式(化4)(n=2,R1=H,R2=CH3)を40nmの厚さで真空蒸着した。
【0045】
次に、有機電子輸送発光層(5)としてAlq を50nm蒸着し、最後に陰極(6)としてMgとAgを蒸着速度比10:1で300nm 蒸着した。
【0046】
この素子に導線(7)、直流電源(8)を接続したところ、4V 以上の直流電圧により緑色に安定発光し、1 4V では素子の輝度は15049cd/m 2 に達し、本発明の化合物が優れた正孔輸送特性を有することが確かめられた。
【0047】
【発明の効果】
本発明の化合物は融点およびTgが高く、熱安定性に優れ、かつ成膜性も良好で真空蒸着法またはスピンコート法にて容易に平滑で無色透明なアモルファス状の膜を形成するため、有機薄膜EL素子や電子写真の分野において耐熱性の高い正孔輸送材料として優れた特性を有している。
【0048】
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例のR=CH3の式(化2)のフェナザシリン化合物の13C−NMRスペクトル図である。
【図2】参考例のR=CH3の式(化2)のフェナザシリン化合物のIRスペクトル図である。
【図3】参考例のR=CH3の式(化2)のフェナザシリン化合物のDSCチャート図である。
【図4】参考例のR=CH3の式(化2)のフェナザシリン化合物の蒸着膜の紫外・可視吸収スペクトル図である。
【図5】本発明のn=1,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物の13C−NMRスペクトル図である。
【図6】本発明のn=1,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物のIRスペクトル図である。
【図7】本発明のn=1,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物のDSCチャート図である。
【図8】本発明のn=1,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物の蒸着膜の紫外・可視吸収スペクトル図である。
【図9】本発明のn=2,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物の13C−NMRスペクトル図である。
【図10】発明のn=2,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物のIRスペクトル図である。
【図11】結晶状態の本発明のn=2,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物のDSCチャート図である。
【図12】融解後急冷させた本発明のn=2,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物のDSCチャート図である。
【図13】本発明のn=2,R1=H,R2=CH3の式(化4)のフェナザシリン化合物の蒸着膜の紫外・可視吸収スペクトル図である。
【図14】本発明の化合物を正孔輸送層として用いた有機薄膜EL素子の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
(1)…透明絶縁性基板
(2)…陽極
(3)…第一正孔注入輸送層
(4)…第二正孔注入輸送層
(5)…有機電子輸送発光層
(6)…陰極
(7)…導線
(8)…直流電源
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