KR100384989B1 - 전기발광층적체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1종 이상의 유기층을 함유하고, 이 층들중 1층이상이 열 또는 방사선-유도성 가교에 의해 수득되며 각 층마다 가교성 기를 운반할 수 있는 1종 이상의 전하-운반 화합물을 함유하는 전기발광성 층적체로서, 이 층들중 1층은 그 전부 또는 일부가 가교성 형광 화합물로 구성되고, 그 형광 화합물이 400 내지 800nm 범위 파장의 형광을 방출하는 전기발광 층적체에 관한 것이다.
Description
전압 인가시, 전기발광(EL) 층적체는 전류의 흐름하에 광을 발한다. 이 전기발광성 층적체는 당해 산업분야에 소위 광방출 이극관(LED)으로 오랫동안 알려져왔다. 광의 방출은 양전하(정공(正孔))와 음전하(전자)가 결합할 때 일어난다.
당해 산업분야에 일반적으로 사용되는 상기 LED는 모두 무기 반도체 물질로 주로 구성되지만, 필수 성분이 유기 물질인 EL 층적체도 몇년사이 알려졌다.
이 유기 EL 층적체는 일반적으로 유기 전하-운반 화합물층을 1층 이상 함유한다. 그 구조적 원리는 도면에 나타낸다. 1번에서 10번까지의 부호는 다음을 의미한다:
1 기재; 2 기재 전극; 3 정공-주입층; 4 정공-운반층; 5 이미터 층; 6 전자-운반층; 7 전자-주입층; 8 최상부 전극; 9 접촉자; 10 캡슐화
이 구조는 가장 일반적인 양태로서, 개개의 층을 생략하면서 한 층이 다중 기능을 하도록 단순화시킬 수 있다. 가장 단순한 양태는 EL 층적체가 2개의 전극과 그 사이에 존재하는 광 방출 기능을 비롯한 모든 기능을 수행하는 유기 층으로 구성된 것이다. 폴리-[p-페닐렌비닐류]를 주성분으로 한 이러한 시스템이 WO 9013148호에 개시되어 있다.
이 문헌은 전하(정공 및/또는 전자)를 운반하는 다수의 유기 화합물에 관하여 기재하고 있다. 주로 사용되는 것은 초감압하에 예컨대, 증착법으로 도포되는 저분자량 물질이다. 이러한 물질군 및 그 사용법에 대하여 예컨대, 공개공보 EP-A-387715 및 US-A-4539507호, 4720432호 및 4769292호에 잘 개략되어 있다. 본래, 전자사진술에서 광전도체로서 알려진 모든 물질을 사용하는 것이 가능하다.
저분자량 화합물을 주성분으로 하는 이러한 모든 EL 층적체의 공통적인 특징은 이 층적체가 충분한 작동 수명을 갖고 있지 않다는 것이다. 작동중에, 유기 광방출 이극관은 매우 뜨거워져(〉100℃), 이극관의 붕괴와 더불어 각 층들의 변화를 유도하고, 이로써 기능의 완전한 손실이나 성능 감소를 일으킨다.
이러한 문제점은 EL 층적체중에 중합체를 사용한 경우 보다는 적은 정도로 일어났지만, 그러나, 중합체를 함유하는 층들에 대해서는 널리 개시되지 않았다. 따라서, 일본 공개 출원번호 JP 4028197호는 예컨대, 이미터층의 성분으로서 폴리비닐카르바졸을 함유하는 EL 층적체를 개시하고 있다. 폴리비닐카르바졸과 같은 가용성 중합체는 그 희석 용액을 사용하여 주조 또는 스핀-코팅하여 도포한다. 이 방법의 단점은 제2 층의 용매가 제1 층의 표면을 용해시키거나 적어도 그 표면을 팽윤시키므로 복수의 층을 이 방법으로 도포시킬 수 없다는 점이다. 따라서, 계면에 2층의 혼합이 일어나 효율의 감소를 유발한다. 이러한 문제점은 미국 출원 번호 4 539 507호에 상세히 개시되어 있다.
또한, 중합체 층의 열 안정성이 그 유리 전이 온도 또는 융점에 따라 화학적(분해) 뿐만 아니라 물리적으로 제한된다는 점을 주목해야 한다.
EL 층적체내에 또한 사용되는 중합체의 일례는 폴리[p-페닐렌비닐류](PPV) 및 폴리이미드류이다. EL 층적체중에 PPV를 사용한 예는 EP-A-443861호 및 WO-A-9013148호, 9203490호 및 9203491호에 기술되어 있다. 또한 불용성인 PPV의 높은 열안정성은 하나의 잇점으로 언급되기도 한다.
폴리이미드층은 초감압하에 상응하는 공단량체를 증착시키고 이어서 열처리로 폴리이미드를 형성시키므로써 수득된다(EP-A-449125호 참조). 이 중합체도 또한 불용성이다.
EL 섹터(특히 디스플레이)에 사용되는 경우, 이러한 불용성은 광구조화를 불가능하게 하기 때문에 단점으로서 간주된다. 더욱이, 중합체 제조에 필요한 처리인 열처리로 인해 기재는 고온에서 안정한 기재, 예컨대 유리로 그 선택이 제한된다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
본 발명자는 이러한 목적이 전술한 전기발광 층적체에 의해 달성된다는 것을 발견하였다.
이러한 EL 층적체의 구조는 본래 도 1에 도시한 모식도에 상응하며, 이 구조는 전술한 바와 같이, 개개의 층들이 복수의 기능을 수행한다면 유기층의 수를 감소시킬 수 있다.
이와 같이 한 층중에 복수의 기능을 병합하는 예는 구체적으로 층 3번 내지 7번과 관련이 있다. 이러한 EL 층적체의 구조에 있어서, 예컨대, 전자 전도체층과 전자-주입층은 함께 제조할 수 있다. 이런 경우 EL 층적체는 예컨대, 전극과 기재외에 3번 내지 5번의 층들로 구성될 수 있다.
층의 두께는 10nm 내지 10㎛ 범위인 것이 바람직하다.
이하에서 전하 운반 화합물은 일정 방식으로 전하(이온 및/또는 전자)를 운반하는 모든 화합물을 의미하는 것으로 사용된다. 또한 이 화합물에는 이미터 층의 성분들인 화합물, 즉, 형광 염료와 같은 광발광 물질을 포함한다.
본 발명자들은 전술한 문제점들이 본 발명의 신규 EL 층적체를 통해 해소될 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 EL 층적체들의 구조는 본래 도면에 도시한 모식도에 상응하는 것으로, 전술한 바와 같이 유기 층은 개개의 층들이 복수 기능을 수행할 수 있는 경우 그 수를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 1종 이상의 유기층을 함유하는 전기발광 층적체에 관한 것으로서, 유기층중 1층 이상은 1층당 가교성 기를 함유할 수 있는 1종 이상의 전하-운반 화합물을 함유하고 가열-유도 가교 또는 방사선-유도 가교 반응으로 수득되고, 이 유기층들중 1층은 가교가능한 형광성 화합물로 전부 또는 일부분 구성되며, 이 형광성 화합물은 400 내지 800nm 파장 범위의 형광을 방출하는 전기발광 층적체에 관한 것이다.
도 1은 EL 층적체의 구조적 원리를 도시한 것이다. 1번에서 10번까지의 부호는 다음을 의미한다:
1 기재; 2 기저 전극; 3 정공-주입층; 4 정공-운반층; 5 이미터 층; 6 전자-운반층; 7 전자-주입층; 8 최상부 전극; 9 접촉자; 10 캡슐화
EL 층적체의 신규한 층 구조에 있어서, 각 층의 성분들은 가열에 의해 가교되거나 특히 바람직하게는 화학선(예컨대, 자외선, 가시광선, 전자 비임 또는 X선)에 의해 가교된다. 먼저, 적합한 기재를 코팅한다. 적합한 기재의 예로는 전도성 코팅물을 지니고 있고 기계적으로 안정한 필름 및 유리이다. 이 기재와 전극은 방출광의 파장에서 가능한 한 소량의 광을 흡수해야만 한다. 이 기재에 일반적으로,전하-운반 화합물 및 이외에 추가의 임의 성분, 예컨대 결합제, 반응성 희석제, 가교제 및 열 개시제 또는 광 개시제를 함유하는 적절한 용액을 스핀-코팅 또는 나이프-코팅기로 도포하고, 임의 건조시킨 후 수득한 필름을 열 가교시키거나, 특히 바람직하게는 화학선을 사용하여 가교시킨다. 화학선 가교의 잇점은 기재가 어떤 열적 변형을 거의 받지 않는다는 것이다. 모든 경우, 소정의 구조에 따라 가교 후 즉시 다음 층을 도포할 수 있다. 이와 같이 즉시 처리된 층내에는 불용성 중합체 그물망이 형성되기 때문에 가교 층과 새로 도포된 층이 혼합하지 않는다. 방사선 유도 가교의 경우에도 물론 층 또는 층들은 공지 방법에 따라 이미지화 노출시켜 일정 구조를 형성시킬 수 있고, 노출되지 않은 부분은 세정하여 제거할 수 있다. 가교를 기초로 하여 광구조화할 수 있는 시스템은 당해 기술분야에 공지되어 있다(인쇄 판, 포토레지스트).
또한, 가교 층과 비가교층을 병합시킬 수도 있는데, 이는 공지 방법, 예컨대, 증착법 또는 나이프 코팅법으로 수행할 수 있으며, 필요하다면 고정 처리하기도 한다.
본 발명에 있어서, 임의 방식으로 전하(정공 및/또는 전자)를 운반하는 모든 화합물은 각 층중에 전하-운반 화합물로서 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 화합물은 특히 이미터층 성분, 즉 광발광 물질인 화합물, 예컨대 형광 염료인 화합물을 포함한다. 음이온, 양이온, 또는 바람직하게는 자유 라디칼 중합을 할 수 있는 기를 운반하는 화합물이 특히 적합하다. 광순환부가반응을 수행할 수 있는 기를 운반하는 전하-운반 화합물도 또한 바람직하다.
전하-운반 화합물 나프탈이미드류, 비스스티릴류, 쿠마린류, 벤조푸란류, 디벤즈안트론류의 가능한 모 화합물은 다음과 같다: 3차 방향족 아민류, 옥사디아졸류, 티아디아졸류, 벤즈옥사졸류, 벤조트리아졸류, 프탈로시아닌류, 융합 방향족계(예컨대, 페릴렌류, 피렌류 또는 코로넨류), 또는 바람직하게는 부가적으로 양이온을 운반하거나 또는 자유 라디칼 중합을 수행할 수 있는 기 또는 광순환부가 반응을 수행할 수 있는 기를 운반하는 폴리엔 화합물류. 이러한 유형의 화합물은 또한 전하-운반성 외에도 형광성을 지닌 것이 바람직하다. 이 중에서, 페릴렌류, 나프탈이미드류, 디벤즈안트론류, 피렌류, 벤조트리아졸류, 옥사디아졸류, 비스스티릴류, 벤즈옥사졸류, 쿠마린류 또는 벤조푸란류 및 비올안트론류 및 이소비올안트론류로 구성된 군중에서 선택되는 화합물이 바람직하다. 이중에서 특히 바람직한 것은 페릴렌류, 나프탈이미드류, 비올안트론류 및 이소비올안트론류로 구성된 군중에서 선택되는 화합물이다. 이 화합물들은 층 3번, 4번, 6번 및 7번 또는 이의 복합층내에 병입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 광, 즉 형광을 방출하고, 특히 400 내지 800nm 파장의 광을 방출하는 특히 적합한 화합물은 음이온, 양이온 또는 바람직하게는 자유 라디칼 중합을 수행할 수 있는 기를 운반하는 형광 화합물이다. 또한, 열적으로 또는 광순환부가반응에 의해 가교될 수 있는 형광 화합물이 적합하다. 가교 형광성 화합물 단독물 또는 다른 가교 화합물과의 혼합물은 전기발광 층적체중의 1층 이상을 형성할 수 있는데, 바람직하게는 층 5번을 포함하는 것이다. 중합(가교)은 첨가제, 예컨대, 반응성 희석제, 가교제 또는 결합제의 첨가 또는 무첨가하에 수행될 수 있다.
페릴렌 화합물은 바람직하게는 3,4,9,10-페릴렌카르복실산 또는 부가적으로 1-, 6-, 7- 또는 12-위치가 염소, 브롬, C1-C6-알콕시 또는 페녹시로 치환될 수 있는 그 유도체로부터 유도된다. 나프탈이미드 화합물은 특히 이미드 질소 및 위치 4번과 5번에 치환기 및/또는 가교기를 함유한다. 비올안트론 및 이소비올안트론 화합물은 위치 16 및 17 또는 6 및 15에 가교기를 함유하며, 특히 산소를 통해 결합되는 것이 바람직하다.
벤조트리아졸류는 바람직하게는 다음과 같은 화학식으로 표기된다:
[화학식 1]
이 식중에서, B는 산소 또는 질소를 통해 결합된 가교기로서, 이중에서 벤조 및/또는 페닐렌 라디칼은 염소, 브롬, 알킬 또는 알콕시 또는 가교기에 의해 추가 치환될 수 있다.
각 형광 화합물의 예는 다음과 같다:
자유 라디칼 중합을 할 수 있는 기는 중합이 자유 라디칼에 의해 개시되는 기이다. 이러한 기의 예로는 구체적으로, 특히 비닐카르보닐 화합물을 비롯한 비닐 화합물, 예컨대, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 또는 말레산 유도체를 포함한다.
양이온 중합을 할 수 있는 기는 양성자 산 또는 루이스 산과 반응하여 중합체를 형성하는 기를 나타낸다. 이러한 화합물의 예는 비닐 에테르 및 에폭시드이다.
음이온 중합을 할 수 있는 화합물은 예컨대, 시아노아크릴레이트, 메타크릴레이트, 및 스티렌이다.
자유 라디칼, 음이온 또는 양이온 중합법에 의해 가교할 수 있는 기 또는 광부가고리화 반응을 할 수 있는 기는 바람직하게는 스페이서를 통해 형광 화합물에 결합한다.
바람직한 스페이서는 하기 화학식의 기들이다:
이 식중에서 n은 1 내지 12이다.
물론, 음이온, 양이온 또는 바람직하게는 자유 라디칼 중합을 할 수 있는 1종 이상의 기가 형광 화합물에 결합할 수 있다. 이와 같이 1종 이상의 상기 기들을 사용하면 그물망 형성이 용이해지므로 바람직하다.
광부가고리화 반응을 할 수 있는 측기는 또한 신규 형광 화합물의 치환기로서 바람직하다. 이러한 측기의 예는 다음과 같다:
이 식중에서, X는 O 또는 NR이고, 이 라디칼들은 예컨대, 메틸 또는 메톡시로 추가 치환될 수 있으며, R은 수소 또는 C1-C6-알킬, 바람직하게는 메틸 또는 에틸이다.
가교를 유도하는 동일한 치환기 대신, 또한 형광 분자상에 상이한 가교 치환기를 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 자유 라디칼에 의해 가교할 수 있는 아크릴레이트와 같은 기가 신남산 유도체와 같은 광순환부가반응을 할 수 있는 기외에도 형광 분자상에 존재할 수 있다.
신규 층을 생성할 수 있는 용액은 또한 전술한 바와 같이 형광 화합물 외에 예컨대, 도포 기술의 당업자에게 공지된 개시제(열 개시제 및 광화학 개시제), 결합제, 반응성 희석제, 가교제 및 균염제를 포함할 수 있다.
전기발광 층적체의 층들은 바람직하게는 전하-운반 화합물 및 형광 화합물 외에 1종 이상의 가교 중합체 결합제 및/또는 1종 이상의 가교성 저분자량 화합물을 함유한다.
형광 화합물이 가교성 기를 함유하지 않는 경우, 즉 그물망 형성에 관여하지 않는 경우, 전술한 첨가제가 불용성 그물망을 형성할 수 있는 기능을 수행해야만 하고, 여기에 그 다음 형광 화합물이 고정된다. 그 다음 사용되는 결합제는 전술한 바와 같은 가교성 측기, 즉 아크릴레이트, 메타크릴레이트 또는 말레산 유도체, 비닐에테르 또는 에폭시드 또는 광부가고리화 반응을 할 수 있는 기를 운반하고 가용성인 중합체가 바람직하다. 광부가고리화 반응을 할 수 있는 측기를 지닌 중합체의 예는 폴리[비닐 신남산염]이다.
신규층의 생성에 있어서, 양이온 또는 자유 라디칼 개시제, 결합제 및 반응성 희석제를 함유하거나 함유하지 않는 형광 화합물은 쉽게 용해되어 이미 전극으로 도포된 기재에 나이프 코팅기 또는 스핀 코팅기로 도포되는 용매중에 용해하는 것이 바람직하다. 용매를 증발(필요한 경우 약간의 가열에 의해 가속화시킬 수 있음)시킨 후 생성되는 필름은 화학선 또는 가열에 의해 가교된다. 적절한 방법(예컨대, UV 경화, 전자 비임 경화)은 코팅 기술 분야에 공지된 것으로, 특별한 특징은 없다; 일반적으로 자외선의 경우에는 200 내지 450nm의 파장이 사용되고 전자 비임의 경우에는 0.3 내지 1MeV의 에너지가 사용된다. 방사선 조사에 의해 가교가 실시된 경우, 각 층들은 직접 구조형성될 수 있는데, 이는 예컨대 디스플레이 제조시 중요한 것이다. 이러한 구조형성은 레지스트 기술에 공지된 방법과 대체로 유사하게 수행된다.
수득되는 가교층은 열안정하고 불용성이며 높은 기계적 강도를 갖고 있다. 목적하는 형태에 따라, 추가 층들을 유사한 방식으로 도포할 수 있거나 제2 전극을예컨대 증착법으로 직접 도포할 수 있다. 이러한 EL 층적체는 특히 우수한 열 안정성을 갖고 있다.
하기 화학식의 화합물 0.1g, 폴리비닐카르바졸 1.5g 및 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 1.5g과 함께 비닐카르바졸 4g을 메톡시프로판올 200ml중에 용해시켰다:
이 용액을 전도성 ITO(산화 인듐 주석)가 도포된 유리 시이트에 스핀 코팅기로 도포하였다. 이 시이트를 그 다음 열판상에서 90℃에서 3분동안 가열하였다. 건조후 층의 두께는 240nm 였다.
얻은 층을 그 다음 고압 수은 램프(HBO)에 10분동안 노출시켰다. 이로써 가교를 형성시켰다. 그 후 층은 메톡시프로판올에 대해 불용성이었다.
그 다음 이 층에 이미터층을 도포시킨다. 이 공정을 수행하기 위해, 화합물19 0.01g, 폴리[비닐 신남산염] 0.99g을 톨루엔 30ml중에 용해시킨 용액을 스핀 코팅시키고, 건조한 후 HBP 램프에 노출시켜 가교시켰다. 층의 두께는 190nm였다.
이 층을 그 다음 감압하에 100℃의 건조 오븐중에서 1시간 동안 건조시켰다.
알루미늄 전극을 최상부 전극으로서 사용하였다. 이 알루미늄은 통상적인 방식의 증착법으로 도포하였고, 이 층의 두께는 30nm 였다.
이러한 방법으로 제조한 전기발광 층적체는 91V의 전압이 적용될 때 오렌지-적색의 형광을 띤다.
Claims (12)
1층 이상이 열 또는 방사선-유도성 가교에 의해 얻어지는 1종 이상의 유기층과; 각 층마다 가교성 기를 운반하는 전하 운반 화합물 유래의 1종 이상의 가교된 전하 운반 화합물 또는 1종 이상의 전하 운반 화합물을 함유하는 전기발광 층적체로서, 상기 층들중 1층이 가교성 형광 화합물 유래의 형광 화합물 전부 또는 일부로 구성되고; 그 형광 화합물이 400 내지 800nm 범위 파장의 형광을 방출하며, 상기 가교성 형광 화합물은 페릴렌류, 나프탈아미드류 및 베조트리아졸류로 구성된 군에서 기원하고, 또한 하기식의 군에서 선택된 스페이서를 통하여 형광 화합물에 결합되는, 유리 라디칼, 음이온 또는 양이온 가교가능한 기 또는 광부가고리화 반응이 가능한 기를 함유하는 것인 전기발광 층적제.
이 식중에서 n은 1 내지 12이다.
제1항에 있어서, 각 층(들)이 10nm 내지 10㎛ 범위의 두께를 갖는 전기발광 층적체.
제1항에 있어서, 1종이상의 가교성 중합 결합제 및/또는 1또는 1종이상의 가교성 저분자량 화합물 유래의 화합물을 부가적으로 함유하는 것인 전기발광 층적체.
제1항에 있어서, 1층 이상이 자외선에 의한 가교로 얻어지는 것인 전기발광 층적체.
제1항에 있어서, 1층 이상이 전자 비임에 의한 가교로 얻어지는 것인 전기발광 층적체.
제1항에 있어서, 사용된 가교성 형광 화합물이 자유 라디칼 중합을 할 수 있는 기를 가진 화합물인 것인 전기발광 층적체.
제6항에 있어서, 상기 가교성 형광 화합물이 자유 라디칼 중합을 할 수 있는 기로서 비치환형 또는 치환형 비닐 라디칼을 운반하는 것인 전기발광 층적체.
제1항에 있어서, 광부가리고리화 반응을 할 수 있는 기가 하기 구조 단위로부터 유래되는 것인 전기발광 층적체:
이 식중에서 X는 O 또는 NR이고 R은 수소 또는 C1-C6-알킬이다.
다양한 유기층을 생성하는 데 있어서, 필요한 경우 형광 화합물을 또한 함유하는 1층 이상의 유기층은 단량체 용액을 도포하고, 그 다음 용매를 제거한 후 그 층에 열 또는 방사선-유도 가교 처리하여 얻어지는 것을 포함하는, 제1항의 전기발광 층적체를 제조하는 방법.
두 개의 전극사이에 배치된 제1항의 전기발광 충적체를 포함하는 전기발광 장치.
1층 이상이 열 또는 방사선-유도성 가교에 의해 얻어지는 1종 이상의 유기층; 각 층마다 가교성 기를 운반하는 전하 운반 화합물 유래의 1종 이상의 가교된 전하 운반 화합물 또는 1종 이상의 전하 운반 화합물을 함유하는 전기발광 층적체로서, 상기 층들중 1층이 가교성 형광 화합물 유래의 형광 화합물 전부 또는 일부로 구성되고, 그 형광 화합물이 400 내지 800nm 범위 파장의 형광을 방출하며, 상기 가교성 형광 화합물은 나프탈이미드류에서 기원하며, 또한 하기식의 군에서 선택된 스페이서를 통하여 형광 화합물에 결합되는, 유리 라디칼, 음이온 또는 양이온 가교가능한 기 또는 광부가고리화 반응이 가능한 기를 함유하는 것인 전기발광 층적제.
이 식중에서 n은 1 내지 12이다.
두 개의 전극사이에 배치된 제11항의 전기발광 충적체를 포함하는 전기발광 장치.
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