KR100696005B1 - 1-나프틸이소퀴놀린기를 갖는 적색 인광 발광 이리듐착화합물 및 이를 포함하는 유기전기발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적색 인광 발광 이리듐 착화합물 및 이를 포함하는 유기전기발광소자에 관한 것으로서, 적색의 인광 발광특성을 갖는 본 발명의 이리듐 착화합물은 순적색의 빛을 발광하고 높은 발광효율과 발광휘도를 나타내므로, 유기전기발광소자의 적색 인광 발광물질로서 유용하게 사용될 수 있다.
Description
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 실시양태에 따른 유기전기발광소자의 개략적인 구조의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 하나의 실시양태에 따라 제조된 유기전기발광소자의 구조단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
11, 21, 31, 41 : 투명전극(양극) 12, 22, 32, 42 : 정공 주입층
13, 23, 33, 43 : 정공 수송층 14, 24, 34, 44 : 발광층
15, 25, 35, 45 : 전자 수송층 16, 26, 36, 46 : 전자 주입층
17, 27, 37, 47 : 금속전극(음극) 28, 38, 48 : 정공 차단층
39 : 전자 차단층
본 발명은 적색 인광 발광특성을 갖는 이리듐 착화합물 및 이를 발광층에 포함하는 유기전기발광소자에 관한 것이다.
평판 표시소자는 최근들어 급성장세를 보이고 있는 인터넷을 중심으로 고도의 영상 정보화 사회를 지탱하는 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 특히, 자체 발광형으로 저전압 구동이 가능한 유기전기발광소자(유기EL소자)는, 평판 표시소자의 주류인 액정디스플레이(liquid crystal display, LCD)에 비해 시야각 및 대조비 등이 우수하고, 백라이트가 불필요하여 경량 및 박형이 가능하며, 소비전력 측면에서도 유리한 장점을 가진다. 또한, 응답속도가 빠르며, 색 재현 범위가 넓어 차세대 표시소자로서 주목을 받고 있다.
일반적으로, 유기EL소자는 투명전극으로 이루어진 양극(anode), 발광영역을 포함하는 유기박막 및 금속전극(cathode)의 순으로 유리기판 위에 형성된다. 이때, 유기박막은 발광층(light emitting layer, EML) 외에 정공 주입층(hole injection layer, HIL), 정공 수송층(hole transport layer, HTL), 전자 수송층(electron transport layer, ETL) 또는 전자 주입층(electron injection layer, EIL)을 포함할 수 있으며, 발광층의 발광특성상 전자 차단층(electron blocking layer, EBL) 또는 정공 차단층(hole blocking layer, HBL)을 추가로 포함할 수 있다.
이러한 구조의 유기EL소자에 전기장이 가해지면 양극으로부터 정공이 주입되 고 음극으로부터 전자가 주입되며, 주입된 정공과 전자는 각각 정공 수송층과 전자 수송층을 거쳐 발광층에서 재조합(recombination)하여 발광여기자(exitons)를 형성한다. 형성된 발광여기자는 바닥상태(ground states)로 전이하면서 빛을 방출하는데, 이때, 발광 상태의 효율과 안정성을 증가시키기 위해 발광 색소(도펀트)를 발광층(호스트)에 도핑하기도 한다.
최근에는, 형광 발광물질 뿐 아니라 인광 발광물질도 유기EL소자의 발광물질로 사용될 수 있음이 알려졌으며(D. F. O'Brien 등, Applied Physics Letters, 74(3), 442-444, 1999; M. A. Baldo 등, Applied Physics letters, 75(1), 4-6, 1999), 이러한 인광 발광은 바닥상태에서 여기상태로 전자가 전이한 후, 계간 전이(intersystem crossing)를 통해 단일항 여기자가 삼중항 여기자로 비발광전이된 다음, 삼중항 여기자가 바닥상태로 전이하면서 발광하는 메카니즘으로 이루어진다. 이때, 삼중항 여기자의 전이 시 직접 바닥상태로 전이할 수 없어(spin forbidden) 전자 스핀의 뒤바뀜(flipping)이 진행된 이후에 바닥상태로 전이되는 과정을 거치기 때문에 형광보다 수명(발광시간)(lifetime)이 길어지는 특성을 갖는다. 즉, 형광 발광의 발광 지속기간(emission duration)은 수 나노초(several nano seconds)에 불과하지만, 인광 발광의 경우는 상대적으로 긴 시간인 수 마이크로초(several micro seconds)에 해당한다.
또한, 양자역학적으로 살펴볼 때, 유기EL소자에서 양극에서 주입된 정공과 음극에서 주입된 전자가 재결합하여 발광여기자를 형성할 경우, 단일항과 삼중항의 생성 비율은 1:3으로 EL소자 내에서 삼중항 발광여기자가 단일항 발광여기자보다 3 배 가량 더 생성된다. 따라서, 인광 발광물질을 사용하는 경우 형광 발광물질에 비해 3배 정도 높은 발광효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
인광 발광이 용이한 분자구조로는 계간전이가 용이한 분자 구조로 원자번호가 큰 금속을 포함하는 금속 착체가 해당되며, 그 중에서도 이리듐 유기착체는 인광 발광효율이 우수한 물질로 주목받고 있다. 그러나, 발광효율, 색순도 및 전기적 안정성 등에 많은 문제점을 갖고 있으며, 특히 청색 및 적색 발광의 경우 발광효율, 색순도 및 전기적 안정성이 우수한 인광 발광재료의 개발이 매우 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기적 안정성이 우수하고 높은 발광효율과 발광휘도를 가지며 높은 색순도 구현이 가능한 이리듐계 적색 인광 발광물질, 및 이를 포함하는 유기전기발광소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 하기 화학식 1로 표시되는 유기전기발광소자용 적색 인광 발광물질을 제공한다:
상기 식에서,
R1은 수소원자, 할로겐원자, 카복실기, 아미노기, 시아노기, 니트로기, C1-6 알킬기, C1-6 알콕시기, 치환되거나 치환되지 않은 C6-18 아릴기, 또는 C4-6 헤테로고리기를 나타내고,
R2 및 R3는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 시아노기, 니트로기, 할로겐으로 치환되거나 치환되지 않은 C1-6 알킬기, C1-6 알콕시기, 치환되거나 치환되지 않은 C6-18 아릴기, C4-12 헤테로고리기, 알킬아민기, 또는 아릴아민기를 나타낸다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 화학식 1에 따른 이리듐 유기착체의 구체적인 예들을 하기 화학식 1a 내지 1h에 나타내었다.
본 발명에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 가교된 이리듐(bridged iridium)을 이용하는 공지의 방법(Mark E. Thomson, J. Am. Chem. Soc., 123, 4304-4312 (2001))에 따라 제조할 수 있다. 즉, 주요 리간드 물질인 하기 화학식 2의 2-(1-나프틸)이소퀴놀린 유도체와 이리듐 트리클로라이드 수화물(IrCl3-H2O)을 에톡시에탄올과 같은 유기 용매 하에서 반응시켜 하기 화학식 3의 가교된 이리듐 착화합물을 합성한 후, 이 가교된 이리듐 화합물을 보조 리간드 물질인 하기 화학식 4의 아 세틸아세톤 화합물과, 탄산나트륨과 같은 염기 존재하에 반응시켜 화학식 1의 이리듐 착화합물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 본 발명의 이리듐 착화합물을 발광물질로서 발광층에 포함하는 유기발광층을 갖는 유기전기발광소자를 제공한다.
본 발명에 따른 유기전기발광소자는 양극, 음극 및 두 전극 사이에 상기 화학식 1의 이리듐 유기착체를 발광물질로 포함하는 발광층을 하나의 구성단위로 포함하는 단층형이거나, 전하 수송층과 함께 양극, 상기 화학식 1의 이리듐 유기착체를 발광물질로 포함하는 발광층 및 음극이 순서대로 적층된 다층형 구조를 갖는다.
일반적으로, 하나의 발광층으로만 이루어진 단층형 소자보다는 발광층과 전하 수송층이 조합된 다층형 소자가 우수한 특성을 나타내며, 이는 발광물질과 전하 수송재료가 적절하게 조합됨으로써 전극으로부터 전하가 주입될 때 에너지 장벽이 감소되고, 전하 수송층이 전극으로부터 주입된 정공 또는 전자를 발광층 영역에 속박시킴으로써 주입된 정공과 전자의 수밀도가 균형을 이루도록 해주기 때문이다. 특히, 인광 발광소자의 경우에는 인광 발광물질의 발광 지속기간(emission duration)이 길기 때문에 효율을 증가시키기 위해서는 발광층에 정공을 가두어 오랫동안 정공이 발광층에 머물게 해야만 우수한 인광 발광특성을 나타내게 되므로 다층형 발광소자가 더 바람직하다.
본 발명의 실시양태에 따른 유기전기발광소자의 개략적인 구조단면도를 도 1 내지 도 3에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 기본적인 유기전기발광소자는 투명전극(양극)(11, 21, 31), 정공 주입층(12, 22, 32), 정공 수송층(13, 23, 33), 발광층(14, 24, 34), 전자 수송층(15, 25, 35), 전자 주입층(16, 26, 36) 및 금속전극(음극)(17, 27, 37)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 발광효율의 향상을 목적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이 발광층(24)과 전자 수송층(25) 사이에 정공 차단층(28)을, 또한 도 3에 나타낸 바와 같이 발광층(34)과 전자 수송층(35) 사이, 및/또는 발광층(34)과 정공 수송층(33) 사이에 각각 정공 차단층(38)과 전자 차단층(39)을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기전기발광소자에서 투명전극(양극) 및 금속전극(음극)은 통상적인 전극재료, 예를 들면, 투명전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 또는 SnO2로, 금속전극은 Li, Mg, Ca, Ag, Al 및 In 등의 금속 또는 이들의 합금으로 각각 형성될 수 있으며, 금속전극의 경우 단층 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다.
또한, 발광층은 본 발명의 화학식 1의 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 발광물질로 포함할 수 있으며, 이때, 당 업계에 공지된 기타 화합물, 예를 들면 하기 화학식 5의 4,4-다이카바졸 비스페닐(CBP) 등을 호스트(host)로 하여 여기에 상기 화학식 1의 화합물을 도핑시켜 포함할 수 있다.
정공 수송층(13, 23, 33)은 통상적인 정공 수송물질, 예를 들면 하기 화학식 6의 4,4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아민]비페닐(α-NPD), 하기 화학식 7의 N,N-디페닐-N,N-비스(3-메틸페닐)-1,1-비페닐-4,4-디아민(TPD), 폴리-(N-비닐카바졸)(PVCz) 등을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 포함할 수 있고, 별개의 층으로 하여 2층 이상 적층시킬 수도 있다.
정공 차단층(28, 38)은 5.5 내지 7.0 사이의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 값을 가지며 정공 수송능력은 현저히 떨어지면서 전자 수송능력이 우수한 물질로 구성할 수 있으며, 이러한 물질로는 하기 화학식 8의 바쏘쿠프로인(Bathocuproine, BCP), 하기 화학식 9의 3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-t-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(TAZ) 및 하기 화학식 10의 비스(8-하이드록시-2-메틸퀴놀리나토)-알루미늄 바이페녹시드(BAlq) 등이 적합하다. 또한, 전자 차단층으로는 일반적으로 LUMO 값이 큰 물질을 사용하며, 하기 화학식 11의 이리듐(III) 트리스(1-페닐피라졸-N, C2')(Ir(ppz)3)와 같은 물질 등이 적합하다.
전자 수송층(전자 수송성 발광층)(15, 25, 35)은 통상적인 전자 수송물질, 예를 들면 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(Alq3), 루브렌(rubrene) 등을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 구성할 수 있고, 별개의 2층 이상의 층들이 적층될 수도 있다.
또한, 필요에 따라 발광 효율, 수명 등의 소자 특성을 향상시키기 위해, 양극(11, 21, 31)과 정공 수송층(13, 23, 33)의 사이에 예를 들어 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine, CuPc)을 포함하는 통상적인 정공 주입층(12, 22, 32)을 삽입할 수 있고, 음극(17, 27, 37)과 전자 수송층(15, 25, 35)의 사이에 예를 들어 LiF을 포함하는 통상적인 전자 주입층(16, 26, 36)을 삽입할 수 있다.
상기한 양극, 음극 및 각종 유기박막은 통상적인 증착방법에 의해 형성할 수 있다.
본 발명의 이리듐 유기착체는 적색의 인광 발광특성을 갖는 화합물로서 우수한 화학적 및 전기적 안정성, 발광효율, 고휘도 발광 및 우수한 색순도를 나타내므로, 유기전기발광소자의 적색 인광 발광물질로서 유용하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
실시예 1
공지된 방법(문헌 [Mark E. Tompson, J. Am. Soc. 123, 4304-4312 (2001)] 참조)으로, 주요 리간드 물질인 화학식 2의 2-(1-나프틸)이소퀴놀린 유도체 화합물과 이리듐 트리클로라이드 수화물(IrCl3-H2O)을 에톡시에탄올 용매 중에서 140℃에서 24시간 동안 교반환류반응시켜 가교된 이리듐 착화합물(Bridged Ir complex)을 합성한 후, 여기에 아세틸아세톤과 탄산나트륨을 혼합하고 에톡시에탄올 용매 중에서 140℃에서 24시간 동안 교반환류반응시킨 다음, 생성된 고체를 여과, 세척 및 건조하여 상기 화학식 1a의 이리듐 착화합물을 제조하였다.
150nm의 ITO(인듐 주석 산화물)-코팅된 유리기판(아사히글래스(주), 시트 저항 8 Ω/cm2)을, 물을 베이스로 한 세제, 초순수, 아이소프로필알콜 및 메탄올로 순차적으로 초음파 세척하여 투명전극(41)을 제작하였다.
이 투명전극(41) 위에 구리 프탈로시아닌(CuPc)을 증착하여 20nm의 정공 주입층(42)을 형성한 후, 정공 주입층(42) 위에 4,4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아민]비페닐(α-NPD)을 증착하여 20nm의 정공 수송층(43)을 형성하였다. 이어서, 4,4-다이카바졸 비스페닐(CBP)을 호스트(host)로 하여 상기 단계에서 얻은 화학식 1a의 화합물을 CBP의 10중량％로 도핑하여 1 nm/초의 속도로 상기 정공 수송층 위에 증착하여 30 nm의 발광층을 형성하였다.
공증착이 끝난 후, 바쏘쿠프로인(BCP)을 0.1nm/초의 속도로 발광층(44) 위에 증착하여 10nm의 정공 차단층(48)을 형성한 후, 이 위에 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(Alq3)을 증착하여 40nm의 전자 수송층(45)을 형성하고, LiF를 증착하여 1nm의 전자 주입층(46)을 형성하였다. 이 전자 주입층(46) 위에 Al을 증착하여 150nm의 음극을 형성함으로써 본 발명에 따른 유기전기발광소자를 제조하였다.
제조된 유기전기발광소자는 [ITO 투명전극(150nm)/CuPc 정공 주입층(20nm)/α-NPD 정공 수송층(40nm)/CBP+화학식 1a의 화합물 발광층(30nm)/BCP 정공 차단층(10nm)/Alq3 전자 수송층(40nm)/LiF 전자 주입층(1nm)/Al 전극(150nm)]가 아래로부터 차례대로 적층된 구조를 가지며, 이의 구조단면도를 도 4에 나타내었다.
이와 같이 제조된 유기전기발광소자에 순바이어스 직류전압을 가하여 포토리서치(Photo research)사의 PR-650으로 전기발광(EL) 특성을 측정하였다. 소자의 특성을 파악하기 위하여, 초기 구동전압(turn-on voltage), 휘도 1000cd/m2 및 10,000cd/m2에서의 각각 전류효율, 구동전압을 측정하였으며, 이러한 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 2
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식 1b의 화합물을 CBP 사용량의 8 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 3
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식 1c의 화합물을 CBP 사용량의 8 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 4
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식 1d의 화합물을 CBP 사용량의 10 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 5
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식 1e의 화합물을 CBP 사용량의 10 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 6
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식1f의 화합물을 CBP 사용량의 8 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 7
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식 1g의 화합물을 CBP 사용량의 8 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 8
발광층에 포함되는 발광물질로서 실시예 1a과 같은 방법으로 제조된 화학식 1h의 화합물을 CBP 사용량의 8 중량％ 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 방법으로 도 4에 나타낸 바와 같은 유기 EL 소자를 제조하고, 전기발광(EL) 특성을 측정한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 이리듐 착화합물은 색좌표 x,y=[0.67, 0.33](NTSC(National Television Standard Color) 기준)의 순적색에 해당하는 빛을 발광할 뿐만 아니라, 전류 대비 발광효율이 6 cd/A 이상으로 높고 최대 발광휘도가 대부분 10,000 cd/m2를 초과하는 등 전기적 안전성도 매우 높은 것으로 확인된다. 따라서, 본 발명의 이리듐 착화합물은 유기전기발광소자의 적색 인광 발광물질로서 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (7)
- 하기 화학식 1로 표시되는 이리듐계 적색 인광 발광 물질:
상기 식에서,R1은 수소원자, 할로겐원자, 카복실기, 아미노기, 시아노기, 니트로기, C1-6 알킬기, C1-6 알콕시기, 치환되거나 치환되지 않은 C6-18 아릴기, 또는 C4-6 헤테로고리기를 나타내고,R2 및 R3는 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 시아노기, 니트로기, 할로겐으로 치환되거나 치환되지 않은 C1-6 알킬기, C1-6 알콕시기, 치환되거나 치환되지 않은 C6-18 아릴기, C4-12 헤테로고리기, 알킬아민기, 또는 아릴아민기를 나타낸다. - 제 1 항에 있어서,하기 화학식 1a 내지 1h 화합물 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 이리듐계 적색 인광발광 물질.화학식 1a
화학식 1b
화학식 1c
화학식 1d
화학식 1e
화학식 1f
화학식 1g
화학식 1h
- 양극, 음극 및 양 전극 사이의 발광층을 포함하는 유기전기 발광소자에 있어서, 제 1 항의 화학식 1의 적색 인광 발광물질을 발광층에 포함하는 것을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
- 제 3 항에 있어서,하기 화학식 5의 4,4-다이카바졸 비스페닐(CBP)을 호스트(host)로 하여 화학식 1 의 발광물질을 도핑시켜 발광층에 포함하는 것을 특징으로 하는 유기전기발광소자.화학식 5
- 제 3 항에 있어서,양극 또는 음극과 발광층 사이에 전하 수송층을 포함하는 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
- 제 5 항에 있어서,투명전극(양극), 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 금속전극(음극)이 순차적으로 적층된 다층의 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
- 제 6 항에 있어서,발광층과 전자 수송층 사이 및 발광층과 정공 수송층 사이에 각각 정공 차단층 및 전자 차단층을 추가로 포함함을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
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