KR101030021B1 - 분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는바이폴라 특성의 유기화합물을 포함하는 유기광전소자용재료 및 이를 이용한 유기광전소자 - Google Patents

분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는바이폴라 특성의 유기화합물을 포함하는 유기광전소자용재료 및 이를 이용한 유기광전소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인광성의 발광을 이용하고 유리전이온도(Tg)가 120℃ 이상, 열분해온도가 400℃ 이상으로 열적 안정성을 가지며, 고효율 유기광전소자의 구현이 가능한 유기광전소자용 재료를 제공한다. 상기 유기광전소자용 재료는 하기 화학식 1로 표시되는 분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는 바이폴라 특성의 유기화합물을 포함한다. 또한, 상기 유기광전소자용 재료를 이용한 유기광전소자도 제공된다.
[화학식 1]
Figure 112008026509307-pat00001
상기 화학식 1에서 HTU, 및 HTU'에 관한 정의는 발명의 상세한 설명에 기재된 바와 같다.
유기, 발광, 인광성, 전자수송기, 정공수송기, 피리딘, 효율

Description

분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는 바이폴라 특성의 유기화합물을 포함하는 유기광전소자용 재료 및 이를 이용한 유기광전소자{MATERIAL FOR ORGANIC PHOTOELECTRIC DEVICE INCLUDING ELECTRON TRANSPORTING UNIT AND HOLE TRANSPORTING UNIT, AND ORGANIC PHOTOELECTRIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 유기광전소자용 재료 및 이를 이용한 유기광전소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리전이온도(Tg)가 120℃ 이상, 열분해온도가 400℃ 이상으로 열적 안정성을 가지고 고효율 유기광전소자의 구현이 가능하며, 정공과 전자를 모두 잘 전달할 수 있는 바이폴라(bipolar) 특성을 가지는 유기광전소자용 재료 및 이를 이용한 유기광전소자에 관한 것이다.
광전소자(photoelectric device)라 함은 넓은 의미로 빛 에너지를 전기에너지로 변환하거나, 그와 반대로 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 소자로서, 이러한 광전소자의 예로는 유기발광소자, 태양전지, 트랜지스터 등이 있다.
이러한 광전소자 중에서도 특히 유기발광소자(OLED: Organic Light Emitting Diodes)는 최근 평판 디스플레이(flat panel display)의 수요가 증가함에 따라 주목받고 있다.
이러한 유기발광소자는 유기 발광재료에 전류를 가하여 전기에너지를 빛으로 전환시키는 소자로서 양극(anode)과 음극(cathode) 사이에 기능성 유기물 층이 삽입된 구조로 이루어져 있다.
유기발광소자의 전기적인 특성은 발광소자(LED, Light Emitting Diodes)와 유사하며 양극에서 정공(hole)이 주입되고 음극에서 전자(electron)가 주입된 후 각각의 정공과 전자는 서로 상대편 전극을 향해 이동하다가 재결합(recombination)에 의해 에너지가 높은 여기자(exiton)를 형성하게 된다. 이때 형성된 여기자가 기저상태(ground state)로 이동하면서 특정한 파장을 갖는 빛이 발생하게 된다.
일반적으로, 유기발광소자는 투명전극으로 이루어진 양극(anode), 발광영역을 포함하는 유기 박막층, 및 금속전극(cathode)의 순으로 유리 기판 위에 형성되어 있는 구조를 가지고 있다. 이때, 상기 유기박막층은 발광층, 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층, 또는 전자 주입층을 포함할 수 있으며, 발광층의 발광 특성상 전자 차단층 또는 정공 차단층을 추가로 포함할 수 있다.
이러한 구조의 유기발광소자에 전기장이 가해지면 양극과 음극으로부터 각각 정공과 전자가 주입되고, 주입된 정공과 전자는 각각의 정공 수송층과 전자 수송층을 거쳐 발광층에서 재결합(recombination)하여 발광여기자를 형성한다.
이와 같이 형성된 발광여기자는 바닥상태(ground states)로 전이하면서 빛을 방출한다.
빛의 발광은 그 메카니즘에 따라 일중항 상태의 엑시톤을 이용하는 형광과 삼중항 상태를 이용하는 인광으로 나뉜다.
한편, 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 해당하므로 인광 발광이 형광 발광보다 반감기(발광시간)(lifetime)가 길어지는 특성을 갖는다.
또한, 양자역학적으로 살펴보면, 유기발광소자에서 양극에서 주입된 정공과 음극에서 주입된 전자가 재결합하여 발광여기자를 형성할 경우, 단일항과 삼중항의 생성 비율은 1:3으로 유기발광소자 내에서 삼중항 발광여기자가 단일항 발광여기자 보다 3배 가량 더 생성된다.
따라서 형광의 경우 일중항 여기상태의 확률이 25%(삼중항 상태 75%)이며 발광 효율의 한계가 있는 반면에 인광을 사용하면 삼중항 여기상태의 확률 75%와 일중항 여기상태의 확률 25%까지 이용할 수 있으므로, 이론적으로는 내부 양자 효율이 100%까지 가능하다. 따라서, 인광 발광물질을 사용하는 경우 형광 발광물질에 비해 4배 정도 높은 발광효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 구조에 있어서는 발광층에 어떤 호스트 재료를 사용하느냐에 따라 발광소자의 효율과 성능이 달라지는데, 그간의 발광층(호스트) 연구를 통하여 나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 테트라센, 피렌, 벤조피렌, 크라이센, 피센, 카바졸, 플루오렌, 바이페닐, 터페닐, 트라이페닐렌 옥사이드, 디할로바이페닐, 트랜스-스틸벤 및 1,4-디페닐부타디엔 등이 포함된 물질이 유기 호스트 물질의 예로서 제시되어 왔다.
호스트 재료로 4,4-N,N-디카바졸바이페닐(CBP)이 주로 사용되는데, 이 화합 물은 유리전이온도가 110℃ 이하이며, 열분해 온도가 400℃ 이하로 열안정성이 낮고 대칭성이 지나치게 좋기 때문에, 결정화하기가 쉬우며, 소자의 내열 시험 결과, 단락이나 화소 결함이 생긴다는 등의 문제가 발견된다.
또한, CBP를 포함한 대부분의 호스트 재료들은 정공 수송성이 전자 수송성 보다 좋은 재료들로서, 주입된 정공의 이동이 주입된 전자의 이동보다 빠르기 때문에 발광층에서 엑시톤이 효과적으로 형성되지 못함에 따라 소자의 발광효율이 감소하는 현상이 나타난다.
따라서, 고효율, 장수명의 인광 유기발광소자를 구현하기 위해서는, 전기적 및 열적 안정성이 높고, 정공과 전자를 모두 잘 전달할 수 있는 인광용 호스트 재료의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유리전이온도(Tg)가 120℃ 이상, 열분해온도(Td)가 400℃ 이상으로 열적 안정성을 가지며, 정공과 전자를 모두 잘 전달할 수 있는 바이폴라 특성을 갖는 유기광전소자용 재료재료를 제공함으로써, 높은 발광효율과 장수명의 유기광전소자를 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 평균적 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는 바이폴라 특성의 하기 화학식 1의 유기화합물을 포함하는 유기광전소자용 재료를 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112008026509307-pat00002
(상기 화학식 1에서,
상기 피리딘기(pyridine; C6H5N)는 전자 수송기이고,
상기 HTU와 HTU' 는 각각 독립적으로 정공 수송기(hole transportation unit)이며,
상기 HTU와 HTU'는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 게재되는 유기 박막층을 포함하며, 상기 유기 박막층은 상기 유기광전소자용 재료를 포함하는 유기광전소자를 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 유기광전소자용 재료를 이용하게 되면 낮은 구동전압에서도 높은 발광효율을 가지는 유기광전소자의 제조가 가능해진다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기광전소자용 재료는 하기 화학식 1로 표시되는 분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는 바이폴라 특성의 유기화합물을 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112008026509307-pat00003
상기 화학식 1에서 상기 피리딘기(pyridine; C6H5N)는 전자 수송기(electron transporting unit)이고, HTU와 HTU'는 각각 독립적으로 정공 수송기(hole transportation unit)를 나타내며, 상기 HTU와 HTU'는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 유기화합물은 구체적으로 하기 화학식 2로 표시되는 유기화합물을 포함한다.
[화학식 2]
Figure 112008026509307-pat00004
상기 화학식 2 에서, 상기 X, 및 Y는 각각 독립적으로 질소원자(N), 황원자(S), 및 산소원자(O)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 Ar1, 및 Ar2로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 R1 내지 R4로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다. 또한, 상기 R1 과 R2는 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, R3과 R4는 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있다.
상기 X가 황원자 또는 산소원자인 경우 상기 R2 는 비공유전자쌍을 나타내며, 상기 Y가 황원자 또는 산소원자인 경우 상기 R4는 비공유전자쌍을 나타낸 다.
상기 m과 n은 0 내지 3의 정수이며, m+n은 1 이상이고, 상기 o와 p는 0 내지 2의 정수이다.
본 명세서에서 "치환된"이란, 특별한 정의가 없는 한 수소원자가 할로겐원자, 시아노기, 히드록시기, 아미노기, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 및 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 "헤테로"란, 특별한 정의가 없는 한 탄소 원자가 N, O, S, P 및 Si 을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 헤테로 원자를 1 내지 3개 포함하는 것을 의미한다.
상기 화학식 2에 있어서, 상기 X와 Y가 각각 질소원자이고, o와 p가 각각 1일 때, 상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물은 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112008026509307-pat00005
상기 화학식 3에서, 상기 Ar3, 및 Ar4로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 R5 내지 R8로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다. 상기 R5과 R6은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, R7과 R8은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있다.
상기 m과 n은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이며, m+n은 1 이상이다.
상기 화학식 3에서, m+n이 2 이상이고 Ar3 및 Ar4가 페닐기(phenyl)인 경우, 상기 화학식 3으로 표시되는 유기화합물은 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112008026509307-pat00006
상기 화학식 4에서, 상기 Ar5 내지 Ar10로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 Ar5과 Ar6은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 Ar7과 Ar8은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 Ar9와 Ar10은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있다.
상기 q는 0 내지 2의 정수이다.
상기 화학식 3에서, m+n이 2 이상이고, o가 1이고, p가 0 인 경우, 상기 화학식 3으로 표시되는 유기화합물은 하기 화학식 5로 표시될 수 있다.
[화학식 5]
Figure 112008026509307-pat00007
상기 화학식 5에서, 상기 Ar11 내지 Ar15로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하 나이다. 상기 Ar12와 Ar13은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 Ar14와 Ar15은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있다.
상기 r은 0 내지 2의 정수이다.
상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물에서, 상기 XR1R2 또는 YR3R4는 하기 화학식 6a 내지 6d로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
[화학식 6a]
Figure 112008026509307-pat00008
[화학식 6b]
Figure 112008026509307-pat00009
[화학식 6c]
Figure 112008026509307-pat00010
[화학식 6d]
Figure 112008026509307-pat00011
상기 화학식 6a 내지 6d에서, 상기 Ar16, 및 Ar17은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 R9 내지 R14로 표시되는 치환기는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알콕시기, 및 SiR15R16R17(여기서, 상기 R15 내지 R17은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 니트릴기, 시아노기, 니트로기, 카르보닐기, 및 아미드기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다. 상기 s1 내지 s6은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.
상기 화학식 1 내지 5로 표시되는 유기화합물은 유리전이온도(Tg)가 120℃ 이상이며, 열분해온도(Td)가 400℃ 이상의 열적 안정성을 가진다.
상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물은 보다 구체적으로 하기 화합물 (1) 내지 화합물 (41), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하며, 다만 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
화합물 (1) 화합물 (2)
Figure 112008026509307-pat00012
Figure 112008026509307-pat00013
화합물 (3) 화합물 (4)
Figure 112008026509307-pat00014
Figure 112008026509307-pat00015
화합물 (5) 화합물 (6)
Figure 112008026509307-pat00016
Figure 112008026509307-pat00017
화합물 (7) 화합물 (8)
Figure 112008026509307-pat00018
Figure 112008026509307-pat00019
화합물 (9) 화합물 (10)
Figure 112008026509307-pat00020
Figure 112008026509307-pat00021
화합물 (11) 화합물 (12)
Figure 112008026509307-pat00022
Figure 112008026509307-pat00023
화합물 (13) 화합물 (14)
Figure 112008026509307-pat00024
Figure 112008026509307-pat00025
화합물 (15) 화합물 (16)
Figure 112008026509307-pat00026
Figure 112008026509307-pat00027
화합물 (17) 화합물 (18)
Figure 112008026509307-pat00028
Figure 112008026509307-pat00029
화합물 (19) 화합물 (20)
Figure 112008026509307-pat00030
Figure 112008026509307-pat00031
화합물 (21) 화합물 (22)
Figure 112008026509307-pat00032
Figure 112008026509307-pat00033
화합물 (23) 화합물 (24)
Figure 112008026509307-pat00034
Figure 112008026509307-pat00035
화합물 (25) 화합물 (26)
Figure 112008026509307-pat00036
Figure 112008026509307-pat00037
화합물 (27) 화합물 (28)
Figure 112008026509307-pat00038
Figure 112008026509307-pat00039
화합물 (29) 화합물 (30)
Figure 112008026509307-pat00040
Figure 112008026509307-pat00041
화합물 (31)
Figure 112008026509307-pat00042
화합물 (32)
Figure 112008026509307-pat00043
화합물 (33) 화합물 (34)
Figure 112008026509307-pat00044
Figure 112008026509307-pat00045
화합물 (35) 화합물 (36)
Figure 112008026509307-pat00046
Figure 112008026509307-pat00047
화합물 (37) 화합물 (38)
Figure 112008026509307-pat00048
Figure 112008026509307-pat00049
화합물 (39) 화합물 (40)
Figure 112008026509307-pat00050
Figure 112008026509307-pat00051
화합물 (41)
Figure 112008026509307-pat00052
또한 상기 화학식 5로 표시되는 유기화합물은 보다 구체적으로 하기 화합물 (42) 내지 화합물 (52), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하며, 다만 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
화합물 (42) 화합물 (43)
Figure 112008026509307-pat00053
Figure 112008026509307-pat00054
화합물 (44) 화합물 (45)
Figure 112008026509307-pat00055
Figure 112008026509307-pat00056
화합물 (46) 화합물 (47)
Figure 112008026509307-pat00057
Figure 112008026509307-pat00058
화합물 (48) 화합물 (49)
Figure 112008026509307-pat00059
Figure 112008026509307-pat00060
화합물 (50) 화합물 (51)
Figure 112008026509307-pat00061
Figure 112008026509307-pat00062
화합물 (52)
Figure 112008026509307-pat00063
상기에서 예로 들고 있는 유기화합물은 그 단독으로 사용하는 것도 가능하나, 도펀트와 결합할 수 있는 호스트(host)재료로 사용되는 것이 일반적일 것이다.
도펀트(dopant)란 그 자체는 발광능력이 높은 화합물로서 호스트에 미량 혼합해서 사용하기 때문에 이를 게스트(guest) 또는 도펀트(dopant)라고 한다. 즉, 도펀트는 호스트 물질에 도핑(doping)되어 발광을 일으키는 물질로서, 일반적으로 3중항 상태 이상으로 여기시키는 다중항 여기(multiplet excitaion)에 의해 발광하는 금속 착체(metal complex)와 같은 물질이 사용된다.
상기 화학식 1 내지 5의 화합물이 발광 호스트 물질로 사용될 때, 함께 사용될 수 있는 도펀트로는 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 백색(W)의 형광 또는 인광 도펀트 물질 모두 사용가능하나, 인광 도펀트 물질을 사용하는 바람직하며, 기본적으로 발광양자효율이 높을 것, 잘 응집되지 않을 것, 호스트 재료 속에 균일하게(uniformly) 분포될 것이라는 성질을 만족시킬 수 있는 물질이어야 한다.
인광 도펀트는 Ir, Pt, Os, Ti, Zr, Hf, Eu, Tb, Tm, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 원소를 포함하는 유기 금속화합물을 바람직하게 사용할 수 있다.
구체적인 예로, 적색 인광 도펀트로는 PtOEP, Ir(Piq)2(acac)(Piq=1-phenylisoquinoline, acac=pentane-2,4-dione), Ir(Piq)3, UDC사의 RD 61 등을 사용할 수 있으며, 녹색 인광 도펀트로는 Ir(PPy)3(PPy=2-phenylpyridine), Ir(PPy)2(acac), UDC사의 GD48 등을 사용할 수 있으며, 청색 인광 도펀트로는 (4,6- F2PPy)2Irpic(참조문헌: Appl . Phys . Lett ., 79, 2082-2084, 2001)등을 사용할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기광전소자용 재료를 이용하여 제조할 수 있는 유기광전소자에 대한 다양한 구현예들을 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기광전소자는 양극과 음극을 사이에 두고 게재되는 한층 이상의 유기박막층을 포함하는 구조로 되어 있으며, 양극에는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극을, 음극에는 알루미늄 등과 같은 금속전극을 사용하게 된다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 유기박막층(105)으로서 발광층(130)만이 존재하는 유기광전소자(100)를 나타내고 있다.
도 2를 참조하면, 도 2에서는 유기박막층(105)으로서 전자 수송층(미도시)을 포함하는 발광층(230)과 정공 수송층(140)이 존재하는 2층형 유기광전소자(200)를 나타내고 있다. 상기 정공 수송층(140)은 ITO와 같은 투명전극과의 접합성이나 정공 수송성이 우수한 막으로 이루어진 별도의 층이다.
도 3을 참조하면, 도 3에서는 유기박막층(105)으로서 전자 수송층(150), 발광층(130), 정공 수송층(140)이 존재하는 3층형 유기광전소자(300)로서, 발광층(130)이 독립된 형태로 되어 있고, 전자 수송성이나 정공 수송성이 우수한 막을 별도의 층으로 쌓은 형태를 나타내고 있다.
도 4를 참조하면, 도 4에서는 유기박막층(105)으로서 전자 주입층(160), 발광층(130), 정공 수송층(140), 정공 주입층(170)이 존재하는 4층형 유기광전소자(400)로서, 양극으로 사용되는 ITO와의 접합성을 생각하여 정공 주입층(170)이 추가된 형태를 나타내고 있다.
도 5를 참조하면, 도 5에서는 유기박막층(105)으로서 전자 주입층(160), 전자 수송층(150), 발광층(130), 정공 수송층(140), 정공 주입층(170)과 같은 각기 다른 기능을 하는 5개의 층이 존재하는 5층형 유기광전소자(500)를 나타내고 있으며, 상기 유기광전소자(500)는 전자 주입층(160)을 별도로 형성하여 저전압화에 효과적인 특징이 있다.
상기에서 설명한 1층 내지는 5층으로 되어 있는 유기박막층(105)을 형성하기 위해서는, 진공증착법(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 플라즈마 도금, 및 이온도금과 같은 건식성막법과 스핀코팅(spin coating), 침지법(dipping), 유동코팅법(flow coating)과 같은 습식성막법 등과 같은 공정이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기광전소자에서 상기 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층, 정공 수송층, 정공 주입층, 정공 차단층, 및 이들의 조합으로 이루어지는 어느 한 층은 상기 유기광전소자용 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유기박막층은 인광 발광성 화합물을 함유하는 것이 바람직한데, 이러한 인광 발광성 화합물로서는, 3중항 상태 이상으로 여기시키는 다중항 여기(multiplet excitation)에 의해 발광하는 금속 착체 등이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
1. 유기광전소자용 재료의 합성
(실시예 1: 화합물 (3)의 합성)
본 발명의 유기광전소자용 재료의 보다 구체적인 예로서 제시된 상기 화합물 (3)을 아래의 반응식 1과 같은 3단계 경로를 통해 합성했다.
[반응식 1]
Figure 112008026509307-pat00064
제1 단계; 중간체 (A)의 합성
카바졸 50.8g(304mmol), 1,4-디브로모벤젠 71.6g(304mmol), 염화제일구리 3.76g(38 mmol), 및 탄산칼륨 83.9g(607mmol)을 디메틸술폭사이드 322ml에 현탁하여, 질소 분위기 하에서 8시간 가열 환류하였다. 반응유체를 실온까지 냉각하고, 메탄올을 사용하여 재결정시켰다.
석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 수득한 잔류물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 중간체 (A) 59.9g(수율61.3%)을 수득했다.
제2 단계; 중간체 (B)의 합성
중간체 (A) 37.8g(117mmol)을 테트라하이드로퓨란 378ml에 용해하고, 아르곤 분위기하의 -70oC에서 n-부틸리튬 헥산 용액(1.6M) 100.5ml(161mmol)을 가하고, 수득된 용액을 -70oC 내지 40oC에서 1시간 교반했다. 반응 유체를 -70oC까지 냉각한 후, 이소프로필테트라메틸디옥사보로란 47.9ml(235mmol)를 서서히 적가하였다. 수득된 용액을 -70oC에서 1시간 교반한 후, 실온까지 승온시켜 6시간 교반했다. 수득된 반응 용액에 물 200ml를 첨가한 다음 20분간 교반했다.
반응 용액을 2개의 액체층으로 분리한 후, 유기층을 무수황산나트륨으로 건조했다. 감압하에서 유기용매를 제거한 후, 수득한 잔류물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 중간체 (B) 28.9g(수율66.7%)을 수득했다.
제3 단계; 화합물 (3)의 합성
중간체 (B) 10.3g(28mmol), 3,5-디브로모피리딘 3.0g(13mmol) 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 0.73g(0.6mmol)을 테트라하이드로퓨란 90ml, 톨루엔 60ml에 현탁하고, 탄산칼륨 7.0g(51mmol)을 물 60ml에 용해한 용액을 이 현탁액에 가하 고, 수득된 혼합물을 9시간 가열 환류하였다.
반응 유체를 2층으로 분리한 후, 유기층을 염화 나트륨 포화수용액으로 세정하고, 무수 황산나트륨으로 건조했다. 유기용매를 감압하에서 증류하여 제거한 후, 그 잔류물을 톨루엔으로 재결정하여, 석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 톨루엔으로 세정하여, 화합물 (3) 5.5g(77.3%)을 수득했다.
(실시예 2: 화합물 (13)의 합성)
본 발명의 유기광전소자용 재료의 보다 구체적인 예로서 제시된 상기 화합물 (13)을 아래의 반응식 2와 같은 6단계 경로를 통해 합성했다.
[반응식 2]
Figure 112008026509307-pat00065
제1 단계; 중간체 (C)의 합성
1,4-디브로모벤젠 15g(63mmol), 1-나프탈렌보론산 7.66g(44mmol), 포타슘카보네이트 17.58g(127mmol), 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 1.83g(50mmol)를 테트라하이드로퓨란 200ml, 톨루엔 200ml, 및 정제수(50ml)의 혼합용매에 현탁하여, 질소 분위기하에서 24시간 가열 환류하였다.
반응유체를 실온까지 냉각하고, 반응유체를 2층으로 분리한 후, 유기층의 용매를 감압하여 제거한 후 얻은 유체를 컬럼 크로마토그래피(헥산)로 분리한 후 용매를 제거하여 겔 상태의 중간체 (C) 15g(83%)을 수득했다.
제 2 단계; 중간체 (D)의 합성
중간체 (C) 7g(24mmol)을 테트라하이드로퓨란 50ml 에 용해하고, 아르곤 분위기하의 -70oC에서 n-부틸리튬 헥산 용액(1.6M) 15ml(24mmol)을 가하고 수득된 용액을 -70oC에서 30분간 교반한 후, 반응 유체에 이소프로필테트라메틸디옥사보로란 47.9ml(235mmol)을 천천히 적가하였다. 수득된 용액을 -70oC에서 1시간 교반한 후, 실온까지 승온시켜 6시간 교반했다. 수득된 반응 용액에 물 200ml를 첨가한 다음 20분간 교반했다.
반응 용액을 2개의 액체층으로 분리한 후 감압 하에서 유기용매를 제거한 후, 수득한 잔류물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 중간체 (D) 6g(73%)을 수득했다.
제 3 단계; 중간체 (E)의 합성
카바졸 40.4g(241mmol), 1,3,5-트리브로모벤젠 38.0g(121mmol), 염화제일구리 2.99g(30 mmol), 및 탄산칼륨 66.7g(483mmol)을 디메틸술폭사이드 171ml에 현탁하여, 질소 분위기 하에서 8시간 가열 환류하였다.
반응유체를 실온까지 냉각하고, 메탄올을 사용하여 재결정했다. 석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 수득한 잔류물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 중간체 (E) 36.7g(수율62.4%)을 수득했다.
제 4 단계; 중간체 (F)의 합성
중간체 (E) 35.0g(72mmol)을 테트라하이드로퓨란 350ml에 용해하고, 아르곤 분위기하의 -70oC에서 n-부틸리튬 헥산 용액(1.6M) 61.5ml(98mmol)을 가하고, 수득된 용액을 -70oC 내지 40oC에서 1시간 교반했다. 반응 유체를 -70oC까지 냉각한 후, 이소프로필테트라메틸디옥사보로란 29.3ml(144mmol)를 서서히 적가하였다. 수득된 용액을 -70oC에서 1시간 교반한 후, 실온까지 승온시켜 6시간 교반했다. 수득된 반응 용액에 물 200ml를 첨가한 다음 20분간 교반했다.
반응 용액을 2개의 액체층으로 분리한 후, 유기층을 무수황산나트륨으로 건조했다. 감압하에서 유기용매를 제거한 후, 수득한 잔류물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 중간체 (F) 25.1g(수율65.4%)을 수득했다.
제 5 단계; 중간체 (G)의 합성
중간체 (F) 45.1g(84mmol), 3,5-디브로모피리딘 20.0g(84mmol) 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 2.44g(2.1mmol)을 테트라하이드로퓨란 600ml와 톨루엔 400ml에 현탁하고, 탄산칼륨 23.3g(169mmol)을 물 400ml에 용해한 용액을 이 현탁액에 가하고, 수득된 혼합물을 9시간 가열 환류하였다. 반응 유체를 2층으로 분리한 후, 유기층을 염화 나트륨 포화수용액으로 세정하고, 무수 황산나트륨으로 건조했다.
유기용매를 감압 하에서 증류하여 제거한 후, 그 잔류물을 톨루엔으로 재결정하여, 석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 톨루엔으로 세정하여, 중간체 (G) 30.7g(64.4%)을 수득했다.
제 6 단계; 화합물(13)의 합성
상기 중간체 (G) 4g(7mmol), 중간체 (D) 2.81g(8.5mmol), 포타슘카보네이트 1.96g(14mmol), 테트라키스??(트리페닐포스핀)팔라듐 0.41g(0.3mmol)을 톨루엔 200ml, 테트라하이드로퓨란 200ml, 및 정제수(50ml)의 혼합용매에 현탁하여 24시간 가열 교반하였다.
반응온도를 실온까지 냉각하고 2층으로 분리하여 유기층의 용매를 감압하여 제거하여 수득한 잔유물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 화합물 (13) 4g(82%)을 수득했다.
(실시예 3: 화합물 (21)의 합성)
본 발명의 유기광전소자용 재료의 보다 구체적인 예로서 제시된 상기 화합물 (21)을 아래의 반응식 3과 같은 경로를 통해 합성했다.
[반응식 3]
Figure 112008026509307-pat00066
중간체 (B) 8.64g(23mmol), 중간체 (G) 12.0g(21mmol) 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 0.74g(0.6mmol)을 테트라하이드로퓨란 360ml와 톨루엔 240ml에 현탁하고, 탄산나트륨 5.88g(43mmol)을 물 240ml에 용해한 용액을 이 현탁액에 가하고, 수득된 혼합물을 9시간 가열 환류하였다.
반응 유체를 2층으로 분리한 후, 유기층을 염화 나트륨 포화수용액으로 세정하고, 무수 황산나트륨으로 건조했다. 유기용매를 감압하에서 증류하여 제거한 후, 그 잔류물을 톨루엔으로 재결정하여, 석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 톨루엔으로 세정하여, 화합물 (21) 9.8g(63.4%)을 수득했다.
MS(ESI) m/z 727.24 (M+H)+
(실시예 4: 화합물 (18)의 합성)
본 발명의 유기광전소자용 재료의 보다 구체적인 예로서 제시된 상기 화합물 (18)을 아래의 반응식 4와 같은 경로를 통해 합성했다.
[반응식 4]
Figure 112008026509307-pat00067
중간체 (B) 대신에 중간체 (H)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하여 화합물 (18)을 제조하였다.
MS(ESI) m/z 729.25 (M+H)+
(실시예 5: 화합물 (36)의 합성)
본 발명의 유기광전소자용 재료의 보다 구체적인 예로서 제시된 상기 화합물 (36)을 아래의 반응식 5와 같은 경로를 통해 합성했다.
[반응식 5]
Figure 112008026509307-pat00068
중간체 (B) 대신에 중간체 (I)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하 게 실시하여 화합물 (36)을 제조하였다.
MS(ESI) m/z 779.26 (M+H)+
(실시예 6: 화합물 (22)의 합성)
화합물 (22)는 하기 반응식 6의 과정으로 합성하였다.
[반응식 6]
Figure 112008026509307-pat00069
제 1 단계; 중간체 (J)의 합성
상기 실시예 1에서 합성된 중간체 (B) 10.3g, 3,5-디브로모피리딘 3.0g 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 0.73g을 테트라하이드로퓨란 90ml와 톨루엔 60ml에 현탁하고, 탄산칼륨 7.0g을 물 60ml에 용해한 용액을 이 현탁액에 가하고, 수득된 혼합물을 9시간 가열 환류하였다.
반응 유체를 2층으로 분리한 후, 유기층을 염화 나트륨 포화수용액으로 세정하고, 무수 황산나트륨으로 건조했다. 유기용매를 감압하에서 증류하여 제거한 후, 그 잔류물을 톨루엔으로 재결정하여, 석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 톨루엔으로 세정하여, 중간체 (J) 5.5g을 수득했다.
제 2 단계; 중간체 (K)의 합성
상기 실시예 2에서 합성된 중간체 (F) 10.3g, 1,4-디브로모벤젠 3.0g, 탄산칼륨 17.58g, 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 0.73g을 테트라하이드로퓨란 200ml, 톨루엔 200ml, 정제수(50ml)에 현탁하여, 질소 분위기하에서 24시간 가열 환류하였다. 그런 다음 n-부틸리튬 헥산 용액(1.6M) 15ml을 가하고 수득된 용액을 -70oC에서 30분간 교반후, 반응 유체에 이소프로필테트라메틸디옥사보로란 47.9ml을 천천히 적가하였다. 수득된 용액을 -70oC에서 1시간 교반한 후, 실온까지 승온시켜 6시간 교반했다. 수득된 반응 용액에 물 200ml를 첨가한 다음 20분간 교반했다.
반응 용액을 2개의 액체층으로 분리한 후 감압 하에서 유기용매를 제거한 후, 수득한 잔류물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 중간체 (K) 6g을 수득했다.
제 3 단계; 화합물 (22)의 합성
상기 제 1 단계에서 합성된 중간체 (J) 10.3g, 중간체 (K) 12.0g 및 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐 0.74g을 테트라하이드로퓨란 360ml, 톨루엔 240ml에 현탁하고, 탄산칼륨 5.88g을 물 240ml에 용해한 용액을 이 현탁액에 가하고, 수득된 혼합물을 9시간 가열 환류하였다.
반응 유체를 2층으로 분리한 후, 유기층을 염화 나트륨 포화수용액으로 세정하고, 무수 황산나트륨으로 건조했다. 유기용매를 감압하에서 증류하여 제거한 후, 그 잔류물을 톨루엔으로 재결정하여, 석출한 결정을 여과에 의해 분리하고, 톨루엔으로 세정하여, 화합물 (22) 9.8g을 수득했다.
MS(ESI) m/z 803.26 (M+H)+
2. 유리전이온도 및 열분해온도의 측정
상기 실시예 1 내지 3에서 합성된 유기화합물과 비교물질로 CBP의 유리전이온도(Tg)와 열분해온도(Td)를 시차주사열분석법(DSC)과 열중량분석법(TGA)으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[표 1]
재료 화합물 (3) 화합물 (13) 화합물 (21) CBP
Tg (oC) 120 144 164 110
Td (oC) 436 510 500 392
상기 표 1에서 CBP는 아래의 구조식을 갖는 재료이다.
Figure 112008026509307-pat00070
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 유기화합물의 DSC 및 TGA 측정 결과 유리전이온도(Tg)가 120oC 이상, 열분해온도(Td)가 430oC 이상의 값을 나타내며, 이는 비교물질 CBP에 비해 매우 높은 열안정성을 가짐을 의미한다.
3. 인광 녹색 유기광전소자 제작 및 평가 결과
상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 유기화합물과 비교물질인 CBP를 호스트로 사용하고, Ir(PPy)3를 도펀트로 사용하여 인광 녹색 유기광전소자를 제작하여 특성을 평가하였다.
양극으로는 ITO를 1000Å의 두께로 사용하였고, 음극으로는 알루미늄(Al)을 1000Å의 두께로 사용하였다.
구체적으로, 유기광전소자의 제조방법을 설명하면, 양극은 15Ψ/cm2 의 면저항값을 가진 ITO 유리 기판을 50mm X 50mm X 0.7mm 크기로 잘라서 아세톤과 이소프로필 알코올과 순수 속에서 각 15분 동안 초음파 세정한 후, 30분 동안 UV 오존 세정하여 사용하였다.
상기 기판 상부에 진공도 650X10-7Pa, 증착속도 0.1 내지 0.3nm/s의 조건으로 N,N'-디(1-나프틸)-N,N'-디페닐벤지딘(NPD)을 증착하여 정공 수송층을 형성하였 다.
이어서, 동일한 진공 증착 조건에서 호스트 재료 및 인광 도펀트를 동시 증착하여 막 두께 300Å의 발광층을 형성하였으며, 이때 인광 도펀트인 Ir(PPy)3을 동시 증착하였으며 인광 도펀트의 배합량이 5 중량%가 되도록 조절하였다.
상기 발광층 상부에 동일한 진공 증착 조건을 이용하여 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀레이트)-4-(페닐페놀레이트)알루미늄(BAlq) 및 Alq3를 증착하여 정공 차단층과 전자 수송층을 형성하였다. 상기 전자 수송층 상부에 LiF와 Al을 순차적으로 증착하여 하기 구조 A의 유기광전소자를 완성하였다.
구조 A: NPD(700Å)/EML(5wt%, 300Å)/BAlq(50Å)/Alq3(200Å)/LiF(5Å)/Al
상기와 같은 방법으로 하기 구조 B 및 구조 C의 유기광전소자를 제조하였다. 이 때, TCTA는 4,4',4"-트리스(N-카바졸일)트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)triphenylamine)이다.
구조 B: NPD(700Å)/EML(5wt%, 300Å)/Alq3(250Å)/LiF(5Å)/Al
구조 C: NPD(600Å)/TCTA(100Å)/EML(5wt%, 300Å)/Alq3(250Å)/LiF(5Å)/Al
이와 같이 제조된 각각의 유기광전소자에 대하여 전압에 따른 전류밀도 변화, 휘도 변화 및 발광효율을 측정하였다. 구체적인 측정방법은 다음과 같다.
1) 전압변화에 따른 전류밀도의 변화 측정
제조된 유기광전소자에 대해, 전압을 0V 부터 10V 까지 상승시키면서 전류- 전압계(Keithley 2400)를 이용하여 단위 소자에 흐르는 전류값을 측정하고, 측정된 전류값을 면적으로 나누어 결과를 얻었다.
2) 전압변화에 따른 휘도변화 측정
제조된 유기광전소자에 대해, 전압을 0V 부터 10V 까지 상승시키면서 휘도계(Minolta Cs-1000A)를 이용하여 그 때의 휘도를 측정하여 결과를 얻었다.
3) 발광효율 측정
상기 1)과 2)로부터 측정된 휘도와 전류밀도 및 전압을 이용하여 발광효율을 계산하였다.
상기 구조 A의 유기광전소자의 계산된 발광효율을 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 휘도, 구동전압, 및 색좌표도 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
호스트 재료 휘도
(nit)		 구동전압
(V)		 발광효율
(lm/W)		 색좌표
(x, y)
실시예 1 화합물 (3) 100 4.1 17 0.31, 0.60
실시예 2 화합물 (13) 100 5.0 22 0.32, 0.60
실시예 3 화합물 (21) 100 4.3 30 0.32, 0.60
실시예 6 화합물 (22) 100 3.9 36 0.32, 0.62
비교예 1 CBP 100 6.1 14 0.30, 0.59
상기 표 2를 참조하면, 휘도 100nit에서 본 발명의 실시예에 의한 소자들은 구동전압이 5V이하(3.9-5.0V)로서 비교예와 대비하였을 때 2V 내외로 낮고, 발광효율은 월등히 향상되었음을 확인할 수 있었다.
하기 표 3에 구조 B의 유기광전소자 특성을 평가한 결과를 정리하였다.
[표 3]
Figure 112008026509307-pat00071
상기 표 3을 참조하면, 휘도 1000nit에서 본 발명의 실시예에 의한 소자들은 구동전압이 7.1 - 8.6V로서 비교예와 대비하였을 때 최고 2V 이상 낮고, 발광효율도 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
하기 표 4에 구조 C의 유기광전소자 특성을 평가한 결과를 정리하였다.
[표 4]
Figure 112008026509307-pat00072
상기 표 4를 참조하면, 휘도 1000nit에서 본 발명의 실시예에 따른 소자들이 구동전압은 6.3 - 6.5V로서 비교예에 비하여 최고 1.4V 낮고 발광효율도 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다.
또한, 표 4에서 구조 C의 유기광전소자에 대한 소자 수명 평가를 진행하였으며, 결과를 하기 표 5에 정리하였다.
[표 5]
호스트 재료 초기휘도
(nit)		 측정전류
(mA)		 반감수명
(hr)
실시예 1 화합물 (3) 3000 0.22 411
실시예 6 화합물 (22) 3000 0.26 205
비교예 1 CBP 3000 0.46 82
상기 표 5를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 유기화합물을 호스트로 사용한 소자의 수명이 비교예에 비하여 최고 500% 정도 향상된 결과를 나타내었다.
4. 인광 적색 유기광전소자 제작 및 평가 결과
상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 유기화합물과 비교물질인 CBP를 호스트재료로 사용하고 Ir(Piq)3를 적색 도펀트로 사용하여 구조 A의 인광 적색 유기광전구조를 제작하여 특성을 평가하였다. 이때, 소자 제작은 상기 설명한 인광 녹색 소자 제작 조건과 동일한 조건에서 제작하였다. 제작된 소자들의 특성 평가 결과를 아래 표 6에 정리하였다.
[표 6]
호스트 재료 휘도
(nit)		 구동전압
(V)		 발광효율
(lm/W)		 색좌표
(x, y)
실시예 4 화합물 (18) 1000 9.5 1.9 0.68, 0.31
실시예 5 화합물 (36) 1000 8 2.7 0.68, 0.31
비교예 1 CBP 1000 10 1.6 0.68, 0.32
상기 표 6을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 유기화합물을 호스트로 사용한 소자들이 동일 휘도 1000nit에서 구동전압 및 발광효율이 비교물질인 CBP 대비 월등히 향상된 소자특성을 나타내었다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 화합물을 이용하여 제조할 수 있는 유기광전소자에 대한 다양한 구현예들을 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 유기광전소자 110 : 음극
120 : 양극 105 : 유기박막층
130 : 발광층 140 : 정공 수송층
150 : 전자 수송층 160 : 전자 주입층
170 : 정공 주입층

Claims (16)

  1. 분자 내에 정공 수송기와 전자 수송기를 동시에 가지는 바이폴라 특성의 하기 화학식 2의 유기화합물을 포함하는 유기광전소자용 재료.
    [화학식 2]
    Figure 112010059405930-pat00141
    (상기 화학식 2에서,
    상기 피리딘기(pyridine; C6H5N)는 전자 수송기이고,
    상기 X, 및 Y는 각각 독립적으로 질소원자(N), 황원자(S), 및 산소원자(O)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 Ar1, 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 R1 과 R2는 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, R3과 R4는 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고,
    상기 X가 황원자 또는 산소원자인 경우 상기 R2 는 비공유전자쌍이며, 상기 Y가 황원자 또는 산소원자인 경우 상기 R4는 비공유전자쌍이고,
    상기 m과 n은 0 내지 3의 정수이며, m+n은 1 이상이고, 상기 o와 p는 0 내지 2의 정수이다.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 바이폴라 특성의 유기화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 유기화합물인 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 3]
    Figure 112011015134460-pat00075
    (상기 화학식 3에서,
    상기 Ar3, 및 Ar4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 R5 내지 R8는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 R5과 R6은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, R7과 R8은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고,
    상기 m과 n은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이며, m+n은 1 이상이다.)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 바이폴라 특성의 유기화합물은 하기 화학식 4로 표시되는 유기화합물인 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 4]
    Figure 112011015134460-pat00076
    (상기 화학식 4에서,
    상기 Ar5 내지 Ar10는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
    상기 Ar5과 Ar6은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 Ar7과 Ar8은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 Ar9와 Ar10은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고,
    상기 q는 0 내지 2의 정수이다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 바이폴라 특성의 유기화합물은 하기 화학식 5로 표시되는 유기화합물인 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 5]
    Figure 112011015134460-pat00077
    (상기 화학식 5에서,
    상기 Ar11 내지 Ar15는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 또는 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기 또는 알킬렌기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 또는 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 Ar12와 Ar13은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 Ar14와 Ar15은 서로 일체가 되어 고리를 형성할 수 있고,
    상기 r은 0 내지 2의 정수이다.)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물에서, 상기 XR1R2 또는 YR3R4는 하기 화학식 6a로 표시되는 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 6a]
    Figure 112011015134460-pat00078
    (상기 화학식 6a에서,
    상기 Ar16 및 Ar17은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물에서, 상기 XR1R2 또는 YR3R4는 하기 화학식 6b로 표시되는 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 6b]
    Figure 112011015134460-pat00079
    (상기 화학식 6b에서,
    상기 R9 및 R10는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알콕시기, 및 SiR15R16R17(여기서, 상기 R15 내지 R17은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 니트릴기, 시아노기, 니트로기, 카르보닐기, 및 아미드기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 s1 및 s2는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.)
  8. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물에서, 상기 XR1R2 또는 YR3R4는 하기 화학식 6c로 표시되는 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 6c]
    Figure 112011015134460-pat00080
    (상기 화학식 6c에서,
    상기 R11 및 R12는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알콕시기, 및 SiR15R16R17(여기서, 상기 R15 내지 R17은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 니트릴기, 시아노기, 니트로기, 카르보닐기, 및 아미드기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 s3 및 s4는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.)
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 유기화합물에서, 상기 XR1R2 또는 YR3R4는 하기 화학식 6d로 표시되는 것인 유기광전소자용 재료.
    [화학식 6d]
    Figure 112011015134460-pat00081
    (상기 화학식 6d에서,
    상기 R13 및 R14는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알콕시기, 및 SiR15R16R17(여기서, 상기 R15 내지 R17은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 니트릴기, 시아노기, 니트로기, 카르보닐기, 및 아미드기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 s5 및 s6은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2의 유기화합물은 하기 화합물 (1) 내지 (41), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기광전소자용 재료.
    화합물 (1) 화합물 (2)
    Figure 112011015134460-pat00082
    Figure 112011015134460-pat00083
    화합물 (3) 화합물 (4)
    Figure 112011015134460-pat00084
    Figure 112011015134460-pat00085
    화합물 (5) 화합물 (6)
    Figure 112011015134460-pat00086
    Figure 112011015134460-pat00087
    화합물 (7) 화합물 (8)
    Figure 112011015134460-pat00088
    Figure 112011015134460-pat00089
    화합물 (9) 화합물 (10)
    Figure 112011015134460-pat00090
    Figure 112011015134460-pat00091
    화합물 (11) 화합물 (12)
    Figure 112011015134460-pat00092
    Figure 112011015134460-pat00093
    화합물 (13) 화합물 (14)
    Figure 112011015134460-pat00094
    Figure 112011015134460-pat00095
    화합물 (15) 화합물 (16)
    Figure 112011015134460-pat00096
    Figure 112011015134460-pat00097
    화합물 (17) 화합물 (18)
    Figure 112011015134460-pat00098
    Figure 112011015134460-pat00099
    화합물 (19) 화합물 (20)
    Figure 112011015134460-pat00100
    Figure 112011015134460-pat00101
    화합물 (21) 화합물 (22)
    Figure 112011015134460-pat00102
    Figure 112011015134460-pat00103
    화합물 (23) 화합물 (24)
    Figure 112011015134460-pat00104
    Figure 112011015134460-pat00105
    화합물 (25) 화합물 (26)
    Figure 112011015134460-pat00106
    Figure 112011015134460-pat00107
    화합물 (27) 화합물 (28)
    Figure 112011015134460-pat00108
    Figure 112011015134460-pat00109
    화합물 (29) 화합물 (30)
    Figure 112011015134460-pat00110
    Figure 112011015134460-pat00111
    화합물 (31)
    Figure 112011015134460-pat00112
    화합물 (32)
    Figure 112011015134460-pat00113
    화합물 (33) 화합물 (34)
    Figure 112011015134460-pat00114
    Figure 112011015134460-pat00115
    화합물 (35) 화합물 (36)
    Figure 112011015134460-pat00116
    Figure 112011015134460-pat00117
    화합물 (37) 화합물 (38)
    Figure 112011015134460-pat00118
    Figure 112011015134460-pat00119
    화합물 (39) 화합물 (40)
    Figure 112011015134460-pat00120
    Figure 112011015134460-pat00121
    화합물 (41)
    Figure 112011015134460-pat00122
  11. 제5항에 있어서,
    상기 화학식 5의 유기화합물은 하기 화합물 (42) 내지 (52), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기광전소자용 재료.
    화합물 (42) 화합물 (43)
    Figure 112008026509307-pat00123
    Figure 112008026509307-pat00124
    화합물 (44) 화합물 (45)
    Figure 112008026509307-pat00125
    Figure 112008026509307-pat00126
    화합물 (46) 화합물 (47)
    Figure 112008026509307-pat00127
    Figure 112008026509307-pat00128
    화합물 (48) 화합물 (49)
    Figure 112008026509307-pat00129
    Figure 112008026509307-pat00130
    화합물 (50) 화합물 (51)
    Figure 112008026509307-pat00131
    Figure 112008026509307-pat00132
    화합물 (52)
    Figure 112008026509307-pat00133
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유기화합물은 단독 또는 도펀트와 결합하여 발광층의 호스트재료로 사용되는 것인 유기광전소자용 재료.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 도펀트는 적색, 녹색, 청색, 백색, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 인광 도펀트인 것을 특징으로 하는 유기광전소자용 재료.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 도펀트는 적색, 녹색, 청색, 백색, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 형광 도펀트인 것인 유기광전소자용 재료.
  15. 양극;
    음극; 및
    제1항 및 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 유기광전소자용 재료를 포함하는 유기 박막층을 포함하는 유기광전소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유기 박막층은,
    발광층; 및
    정공 수송층, 정공 주입층, 전자 수송층, 전자 주입층, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 층을 포함하는 것인 유기광전소자.
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