KR102308111B1 - 정공수송 화합물 및 이를 포함한 유기 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정공수송 화합물 및 이를 포함한 유기 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 정공수송 특성을 기반으로 하고 이온화 전위를 저감하여 정공수송 능력을 향상시키며, 일반적인 OLED 소자의 다른 층과 높은 호환성을 가지며, 높은 정공 이동도, 높은 유리전이온도에 기반한 장시간의 수명, 및 낮은 구동전압을 갖는 특성을 보이는, 정공수송 화합물 및 이를 포함한 유기 발광 소자에 관한 것이다.
전기발광소자(electroluminescent device: EL 소자)는 자발광형 표시소자로 시야각이 넓고 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라 응답 시간이 빠르다는 장점을 가지고 있다.
EL 소자는 발광층(emitting layer) 형성용 재료에 따라 무기 EL 소자와 유기 EL 소자로 구분된다. 여기에서 유기 EL 소자는 무기 EL 소자에 비하여 휘도, 구동전압 및 응답속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
일반적인 유기 EL 소자는 기판 상부에 애노드가 형성되어 있고, 이 애노드 상부에 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 캐소드가 순차적으로 형성되어 있는 구조를 가지고 있다. 여기에서 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층은 유기 화합물로 이루어진 유기 박막들이다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 유기 EL 소자의 구동 원리는 다음과 같다. 상기 애노드 및 캐소드 간에 전압을 인가하면 애노드로부터 주입된 정공은 정공 수송층을 경유하여 발광층에 이동된다. 한편, 전자는 캐소드로부터 전자 수송층을 경유하여 발광층에 주입되고 발광층 영역에서 캐리어들이 재결합하여 엑시톤(exiton)을 생성한다. 이 엑시톤이 여기 상태에서 기저 상태로 변화되고, 이로 인하여 발광층의 분자가 발광함으로서 화상이 형성된다. 발광 재료는 그 발광 메카니즘에 따라 일중항 상태의 엑시톤을 이용하는 형광 재료와 삼중항 상태를 이용하는 인광 재료로 나뉜다.
현재까지 이러한 유기발광소자에 사용되는 정공수송 재료에는 카바졸 골격을 가지는 아민 유도체가 많이 연구되었으나 보다 높은 구동전압, 낮은 효율 및 짧은 수명으로 인해 실용화하는 데에 많은 어려움이 있었다.
따라서, 우수한 특성을 갖는 물질을 이용하여 저전압 구동, 고휘도 및 장수명을 갖는 유기발광소자를 개발하려는 노력이 지속되어 왔다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 높은 정공수송 특성을 기반으로 하고 이온화 전위를 저감하여 정공수송 능력을 향상시키며, 일반적인 OLED 소자의 다른 층과 높은 호환성을 가지며, 높은 정공 이동도, 높은 유리전이온도에 기반한 장시간의 수명, 및 낮은 구동전압을 갖는 특성을 보이는, 정공수송 화합물 및 이를 포함한 유기 발광 소자를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 정공수송 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
상기 R1, R2, 및 R3 는 각각 독립적으로 페닐, 나프틸, 트리페닐아민, 페닐-페닐카바졸 유도체, 혹은 플로우렌 유도체이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식들로 표현되는 정공수송 화합물을 제공한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 2로 표시되는 정공수송 화합물을 제공한다.
[화학식 2]
상기 R4는 트리페닐아민, 혹은 페닐-페닐카바졸 유도체이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식들로 표현되는 정공수송 화합물을 제공한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 2로 표시되는 정공수송 화합물을 제공한다.
[화학식 3]
상기 R5는 트리페닐아민, 혹은 페닐-페닐카바졸 유도체이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식들로 표현되는 정공수송 화합물을 제공한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 한 쌍의 전극 사이에 정공수송층을 포함하는 유기 발광 소자에 있어서, 상기 정공수송층이 상기 화학식 1, 화학식 2, 혹은 화학식 3에 따른 정공수송 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 정공수송 화합물은 높은 정공수송 특성을 기반으로 하고 이온화 전위를 저감하여 정공수송 능력을 향상시키며, 일반적인 OLED 소자의 다른 층과 높은 호환성을 가지며, 높은 정공이동도와 장시간의 수명을 갖는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
전공수송층에 사용되는 소재들, 혹은 화합물은 OLED 소자에서 발광재료 중 하나로서의 역할을 수행한다.
구체적으로, 정공수송층은 양극에서 정공주입층을 통해 전달된 정공을 보다 원활하게 발광층으로 이동하게 하는 기능을 함과 동시에, 음극에서 전달된 전자를 발광층에 속박하는 기능을 수행하는 층에 해당한다.
한편, 전공 수송층 소재들은 OLED 소자의 성능에 큰 영향을 주고, 어떻게 소재를 디자인하고 합성하는 지에 따라서 전체적인 OLED 소자의 성능이 크게 변할 수 있다.
정공수송층의 기본적인 요건은 높은 정공이동도이다. 이런 특성을 나타내기 위해서는 정공주입층과 발광층 사이에 위치하는 일함수를 가져야 하며 전자를 발광층에 속박 시키기 위하여 낮은 LUMO값을 필요로 하며 박막을 형성하였을 때 결정성이 나타나지 않은 무정형의 특성을 가지는 것이 바람직하다.
또한 정공수송층은 물리적으로도 높은 열안정성을 가지기 위해 높은 유리전이 온도를 갖고 가시광 영역에서는 가시광을 통과시킬 수 있도록 필름이 가시광영역에서 투광성을 가지고 있어야 한다.
한편, 정공수송층의 자체적인 물성뿐만 아니라, 정공주입층, 발광층, 및 전극층이 결합된 형태에서도 높은 호환성을 가지어, OLED 소자의 전체적인 효율 및 수명이 일정 수준 이상이 유지되어야 한다.
상기와 같은 요건들을 충족시키기 위하여, 본 발명의 정공수송 화합물이 도출되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 정공수송 화합물은 구조적으로 안정적인 모노페닐 디아민 중심구조로 하되, 열적 및 형태적 안정성을 갖는 플루오렌기를 결합하는 것을 기본적인 구조로 한다.
이와 같은 플루오렌기는 정공수송 화합물 전체에 대해 분자 입체성을 부여하게 되고, 본원 발명의 정공수소 화합물은 방향족성 특징을 가지게 된다.
한편, 본 발명에 따른 정공수송 화합물은 상기 구조에 견조한 구조를 가지고, 우수한 전하 운반체 이동도 및 낮은 이온화 전위를 갖는 페닐-페닐카바졸 유도체, 트리페닐 아민유도체를 적어도 하나를 포함함으로써, 높은 정공 이동도와 높은 유리전이 온도를 가질 수 있다. 이와 같은 페닐-페닐카바졸 유도체 및 트리페닐 아민유도체는 모노페닐 디아민 중심구조에 플루오렌기를 결합한 구조를 보다 견고하게 하여 높은 유리전이 온도를 얻을 수 있게 하고, 또한 정공이동도를 대폭적으로 개선할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 정공수송 화합물은 하기 화학식 1, 2, 3의 구조를 갖는다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
상기 R1, R2, 및 R3 는 각각 독립적으로 페닐, 나프틸, 트리페닐 아민, 페닐-페닐카바졸 유도체, 혹은 플로우렌 유도체이고, R1, R2, 및 R3 중 적어도 하나는 트리페닐 아민, 페닐-페닐카바졸 유도체를 포함한다.
[화학식 2]
상기 R4는 트리페닐아민, 혹은 페닐-페닐카바졸 유도체이다.
[화학식 3]
상기 R5는 트리페닐아민, 혹은 페닐-페닐카바졸 유도체이다.
상기 화학식의 구조를 갖는 본원 발명에 따른 화합물은 정공수송에 있어서 유리한 HOMO 에너지 레벨을 가지고 있고, 또한, 높은 LUMO 에너지 레벨을 가짐으로써 전자의 이동을 차단할 수 있다.
따라서, 상기 화학식들에 의한 구조를 갖는 화합물은 전체적인 정공수송 특성이 일반적으로 정공수송층으로 이용되는 TAPC, N[B, BPBPA 보다 우수하고, 높은 에너지 효율을 가지며, 적정한 유리전이온도와 함께 일반적인 OLED 소자에서의 호환성 및 장수명을 가짐으로써 전체적인 안정성에 있어서도 우수하다.
또한, 본원 발명의 실시예들에 따른 정공수송화합물은 정공수송층에 사용되는 화합물로서, 정공수송층은 양극에서 정공주입층을 통해 전달된 정공을 보다 원활하게 발광층으로 이동하게 하며 음극에서 전달되어 온 전자를 발광층에 속박하는 기능까지 가지는 역할을 수행하는 층이다.
정공수송층(HTL)의 기본적인 요건은 높은 정공 이동도를 갖는 것이며, 따라서 양극에서 발광층(EML)으로의 효과적인 정공의 주입이 이루어져야 한다.
이런 소재들로 잘 알려진 물질은 아민 구조를 가진 방향족 아민계열의 소재들로써 소재의 증착과정에서 결정화가 발생하지 않는 필름을 형성하여야 하며 높은 열 안정성을 가지면서 양극과의 접촉성질/평탄도가 우수하여야 하며 가시광선 영역에서 박막을 형성하였을 때 투명한 성질을 가져야 한다.
본 발명은 플루오렌 유도체가 결합된 모노페닐 디아민의 모핵구조에 적어도 하나의 페닐-페닐카바졸 혹은 트리페닐 아민을 결합함으로써, HOMO, LUMO 상태에서 전자분포에 있어서 명확한 차이를 가질 수 있게 할 수 있다. 구체적으로 본 발명과 같은 구조를 갖는 경우에는 5.2eV 의 HOMO값을 가지게 할 수 있고, 2.5eV의 LUMO값을 가지게 할 수 있다.
본 발명의 상기 실시예들에 따른 화합물들은 하기의 화학식에 따라 표시될 수 있다.
이와 같은 구조에서는 모핵 주위에서 적어도 하나의 플루오렌기 및 적어도 하나의 페닐-페닐카바졸 혹은 트리페닐아민을 가짐으로써, 최장 유효 컨쥬게이션(LONGEST EFFECTIVE CONJUGATION)를 극대화할 수 있는 구조를 갖는다.
모노 페닐을 포함하는 모핵 주위의 4개의 가지 중 어느 하나가 페닐 카바졸 혹은 트리페닐아민이 되어, 별(STAR) 형태의 D-A-D 분자구조를 가질 때, 최장 유효 컨쥬게이션 측면에서는 유리한 점을 가질 수 있다.
유기 발광 소자
이하, 본 발명에 따른 인광 호스트용 화합물을 채용한 유기 발광 소자의 구조 및 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 유기 발광 소자는 통상의 발광 소자의 구조를 채용할 수 있으며, 필요에 따라 구조가 변경될 수 있다. 기본적으로 유기 발광 소자는 제 1 전극(애노드 전극)과 제 2 전극(캐소드 전극) 사이에 유기막(발광층)을 포함하는 구조를 가지며, 정공 주입층, 정공 수송층, 정공 억제층, 전자 주입층 또는 전자 수송층이 더 포함될 수 있다. 본 발명의 발광 소자의 구조를 설명하기 위하여 도 1를 참조한다.
도 1를 참조하면, 본 발명에 따른 유기 발광 소자는 애노드 전극(20)과 캐소드 전극(80) 사이에 발광층(50)을 포함하는 구조를 가지며, 애노드 전극(20)과 발광층(50) 사이에 정공 주입층(30)과 정공 수송층(40)을 포함하고 있으며, 또한, 발광층(50)과 캐소드 전극(80) 사이에 전자 수송층(50)과 전자 주입층(70)을 포함하고 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 도 1의 유기 발광 소자는 다음과 같은 공정을 통해 제조되며, 이는 하나의 예를 상술하고 있는 것일 뿐 이 방법으로 한정되는 것은 아니다.
먼저 기판(10) 상부에 애노드 전극용 물질을 코팅하여 애노드 전극(20)을 형성한다. 여기서, 기판(10)으로는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있으며, 특히 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판이 바람직하다. 또한, 상기 기판위에 형성된 애노드 전극용 물질로는 투명하고 전도성이 우수한 산화인듐주석(ITO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 등이 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극(20)의 상부에 정공 주입층(HIL)(30)을 선택적으로 형성한다. 이때 정공 주입층은 진공 증착 또는 스핀 코팅과 같은 통상적인 방법을 통해 형성한다. 정공 주입층용 물질로는 특별히 제한되지 않지만 CuPc(구리 프탈로시아닌) 또는 IDE 406(Idemitsu Kosan사)이 사용될 수 있다.
이어서, 상기 정공 주입층(30) 상부에 상기 정공 수송층(HTL)(40)을 진공 증착 또는 스핀 코팅과 같은 통상적인 방법을 통해 형성한다. 상기 정공 수송층용 물질로는 일반적으로, N, N'-디페닐-N, N'-비스(1-나프틸)-1,1'-비페닐-4,4'-디아민(NPB) N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐-[1,1-비페닐]-4,4'-디아민(TPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐벤지딘, N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐- 벤지딘 :α-NPD)등이 사용될 수 있지만, 본 발명의 실시예에서는 전술한 화학식들에 따른 정공수송 화합물을 포함한다.
이어서 정공 수송층(40) 상부에 발광층(EML)(50)을 형성한다. 상기 발광층 형성 재료로는 인광 호스트용 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 발광 호스트 물질로 포함할 수 있으며, 단층 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 이때, 화학식 1의 화합물은 단독으로 포함되거나, 당 업계에 공지된 기타 화합물, 예를 들면 청색 발광 도판트(FIrppy 또는 FIrpic 등의 이리듐 화합물)등과 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 발광층에 인광 호스트용 화합물은 발광층을 구성하는 물질 총 중량에 기초하여 1 내지 95중량%의 범위 내에서 포함될 수 있다.
상기 인광 호스트용 화합물은 진공 증착 방법으로 형성될 수 있으며, 또한 스핀 코팅과 같은 습식공정을 통해서 증착될 수 있으며, 레이저 열전사법(LITI)이 이용될 수도 있다.
선택적으로 상기 발광층(50)의 상부에는 발광 물질에서 형성되는 엑시톤이 전자수송층으로 이동되는 것을 막아주거나 정공이 전자 수송층(60)으로 이동되는 것을 막아주는 정공 억제층(HBL)이 형성될 수 있으며, 정공 억제층용 물질로는 특별히 제한되지 않지만, 페난트롤린계 화합물(예를 들면, BCP) 등을 사용할 수 있다. 이것은 진공 증착 방법 또는 스핀 코팅 방법을 통해 형성될 수 있다.
또한 발광층(50)위에 전자 수송층(ETL)(60)이 형성될 수 있으며, 이는 진공 증착 방법 또는 스핀 코팅 방법이 이용될 수 있다. 전자 수송층용 재료로서는 특별히 제한되지 않지만 TBPI, 알루미늄 착물(예를 들면, Alq3(트리스(8-퀴놀리놀라토)-알루미늄))을 사용할 수 있다.
상기 전자 수송층(60) 상부에 전자 주입층(EIL)(70)이 진공증착 또는 스핀코팅과 같은 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 전자 주입층(70)용 재료로는 특별히 제한되지 않지만 LiF, NaCl, CsF등의 물질을 이용할 수 있다.
이어서, 전자 주입층(70) 상부에 캐소드 전극(80)이 진공 증착을 통하여 형성됨으로써 발광 소자가 완성된다. 여기에서 캐소드용 금속으로는 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 알루미늄-리튬(Al-Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-인듐(Mg-In), 마그네슘-은(Mg-Ag)등이 이용된다.
또한, 본 발명에 따른 유기 발광 소자는 도 1에 나타난 바와 같은 적층 구조를 가지며, 필요에 따라서 한층 또는 2층의 중간층, 예를 들면 정공 억제층 등을 더 형성하는 것도 가능하다. 또한 발광 소자의 각 층의 두께는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 범위에서 필요에 따라 결정될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 정공수송 화합물의 합성예
합성예 1
N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
4
,N
4
-디페닐벤젠-1,4-디아민의 합성
9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-아민 19.37g(0.093mol)과 소디움 tert-부톡사이드 11.12g (0.116mol)을 톨루엔 250mL에 가하여 30분간 교반하여 완전히 녹인 후 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.18g(0.31mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 여액을 감압 증류하고 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:4 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 12.0g(34.3%)을 얻었다
합성예 2
N-페닐나프탈렌-1-아민의 합성
나프탈렌-1-아민과 50g(0.35mol)과 소디움 tert-부톡사이드 50.3g(0.52mol)을 톨루엔 800mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 브로모벤젠 65.8g을 적가하고 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.8g(1.4mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 12.1mL(50mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 여액을 감압 증류하고 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:3 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N-페닐나프탈렌-1-아민 35.0g(45.7%)을 얻었다
합성예 3
N
1
-(4-브로모페닐)-N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
4
,N
4
-디페닐벤젠-1,4-디아민의 합성
N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 9.60g(0.021mol)과 소디움 tert-부톡사이드 1.53g(0.016mol)을 톨루엔 300mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 1-브로모-4-아이오도벤젠 3.00g(0.011mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.02g(0.035mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21Ml (5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 여액을 감압 증류하고 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:5 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-(4-브로모페닐)-N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 4.5g(43.3%)을 얻었다.
합성예 4
9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민의 합성
9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-아민 31.53g(0.151mol)과 소디움 tert-부톡사이드 18.10g (0.188mol)을 톨루엔 1L에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 3-(4-브로모페닐)-9-페닐-9H-카바졸 50g(0.126mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.29g(0.0.5mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 3.63mL(15mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 여액을 감압 증류하고 얻어진 잔사에 n-헥산 800mL를 서서히 가하여 6시간 교반하여 생성된 결정을 여과하여 목적화합물 9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 50g(75.6%)을 얻었다
합성예 5
N-(4-브로모페닐)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민의 합성
9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 50.0g(0.095mol)과 소디움 tert-부톡사이드 13.69g(0.142mol)을 톨루엔 1.2L에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 1-브로모-4-아이오도벤젠 34.91g(0.123mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.22g(0.38mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 12시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 여액을 감압 증류하고 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:6 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N-(4-브로모페닐)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 12g(18.5%)을 얻었다.
합성예 6
N-([1,1'-바이페닐]-4-일)-9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-아민의 합성
9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-아민 50.0g(0.239mol)과 소디움 tert-부톡사이드 34.44g (0.358mol)을 톨루엔 1L에 가하여 30분간 교반하여 완전히 녹인 후 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.55g(0.96mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 0.35mL(1.0mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 16시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 여액을 감압 증류하고 얻어진 잔사에 n-헥산800mL를 서서히 가하며 4시간동안 격렬하게 교반하여 생성된 결정을 여과하여 목적화합물 N-([1,1'-바이페닐]-4-일)-9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-아민 62.1g(72.0%)을 얻었다
합성예 7
N
1
,N
1
'-(1,4-페닐렌)비스(N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
4
,N
4
-디페닐벤젠-1,4-디아민)의 합성
N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 9.60g(0.021mol)과 소디움 tert-부톡사이드 1.53g(0.016mol)을 톨루엔 400mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 1-브로모-4-아이오도벤젠 3.00g(0.011mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.02g(0.034mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 12시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:5 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1,N1'-(1,4-페닐렌)비스(N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민) 4.5g(43.3%)을 얻었다
합성예 8
N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
1
,N
4
,N
4
-트리페닐벤젠-1,4-디아민의 합성
N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 15.8g(0.035mol)과 소디움 tert-부톡사이드 4.04g(0.042mol)을 톨루엔 500mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 브로모벤젠 6.6g(0.042mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.04g(0.07mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:5 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N1,N4,N4-트리페닐벤젠-1,4-디아민 10.3g(55.8%)을 얻었다
합성예 9
9,9-디메틸-N-페닐-N-(4-(9-페닐-9H-카비졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민의 합성
9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카비졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 18.4g(0.035mol)과 소디움 tert-부톡사이드 4.04g(0.042mol)을 톨루엔 500mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 브로모벤젠 6.6g(0.042mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.04g(0.07mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:7 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 9,9-디메틸-N-페닐-N-(4-(9-페닐-9H-카비졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 11.05g(52.4%)을 얻었다
합성예 10
N
1
,N
4
-비스(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
1
,N
4
-비스(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)벤젠-1,4-디아민의 합성
9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 18.62g(0.035mol)과 소디움 tert-부톡사이드 2.55g(0.027mol)을 톨루엔 390mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 1-브로모-4-아이오도벤젠 5.00g(0.018mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 비스(디벤질리덴아세톤)필라디움(0) 0.04g(0.07mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:7 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1,N4-비스(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N1,N4-비스(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)벤젠-1,4-디아민 9.0g(45.1%)을 얻었다
합성예 11
9,9-디메틸-N-(4-(2-페닐-1H-인돌-1-일)페닐)-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민의 합성
2-페닐-1H-인돌 1.28g(0.007mol)과 소디움 tert-부톡사이드 0.95g(0.01mol)을 톨루엔 250mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 N-(4-브로모페닐)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 4.50g(0.007mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0) 0.02g(0.022mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:9 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 9,9-디메틸-N-(4-(2-페닐-1H-인돌-1-일)페닐)-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 2.2g(41.9%)을 얻었다
합성예 12
N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
4
,N
4
-디페닐-N
1
-(4-(2-페닐-1H-인돌-1-일)페닐)벤젠-1,4-디아민의 합성
2-페닐-1H-인돌 0.70g(0.004mol)과 소디움 tert-부톡사이드 0.52g(0.005mol)을 톨루엔 250mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 N1-(4-브로모페닐)-N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 2.20g(0.004mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0) 0.01g(0.011mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:7 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐-N1-(4-(2-페닐-1H-인돌-1-일)페닐)벤젠-1,4-디아민 1.0g(38,3%)을 얻었다
합성예 13
N
1
-([1,1'-바이페닐]-4-일)-N
1
,N
4
-비스(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
4
-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)벤젠-1,4-디아민의 합성
N-([1,1'-바이페닐]-4-일)-9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-아민 2.55g(0.007mol)과 소디움 tert-부톡사이드 0.846g(0.009mol)을 톨루엔 300mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 N-(4-브로모페닐)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 4.00g(0.006mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0) 0.02g(0.022mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 18시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:7 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-([1,1'-바이페닐]-4-일)-N1,N4-비스(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)벤젠-1,4-디아민 1.8g(32.0%)을 얻었다
합성예 14
N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
1
-(4-(디페닐아미노)페닐)-N
4
-(나프탈렌-1-일)-N
4
-페닐벤젠-1,4-디아민의 합성
N-페닐나프탈렌-1-아민 1.52g(0.0069mol)과 소디움 tert-부톡사이드 0.83g(0.0086mol)을 톨루엔 100mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 N1-(4-브로모페닐)-N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4,N4-디페닐벤젠-1,4-디아민 3.5g(0.0058mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0) 0.02g(0.022mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 0.61mL(2.5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 16시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:7 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N1-(4-(디페닐아미노)페닐)-N4-(나프탈렌-1-일)-N4-페닐벤젠-1,4-디아민 2,0g(46.5%)을 얻었다
합성예 15
N
1
-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N
4
-(나프탈렌-1-일)-N
4
-페닐-N
1
-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)벤젠-1,4-디아민의 합성
N-페닐나프탈렌-1-아민 3.02g(0.014mol)과 소디움 tert-부톡사이드 1.99g(0.021mol)을 톨루엔 150mL에 가하고 30분간 교반하여 녹인 후 N-(4-브로모페닐)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민을 9.40g(0.014mol)을 가한 다음 50℃에서 1시간 교반한다. 반응 용액에 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0) 0.03g(0.033mmol)을 트리-tert-부틸포스핀 1.21mL(5mmol)에 녹인 용액을 가한 후 100℃에서 16시간 반응한다. 반응 종결을 확인 한 다음 상온으로 냉각 하고 silica 여과후 얻어진 잔사를 메틸렌클로라이드와 n-헥산 1:7 혼합용액을 용리액으로 실리카겔 크로마토그래피 하여 목적화합물 N1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-N4-(나프탈렌-1-일)-N4-페닐-N1-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)벤젠-1,4-디아민 3.5g(30.9%)을 얻었다.
전술한 본 발명의 실시예들에 따른 화합물들은 통상의 기술자가 상기 합성예 1 내지 13를 참조하여 합성할 수 있을 것이다.
합성예 7 내지 13에 의하여 합성된 정공수송 화합물(화합물 1 내지7) 자체의 실험결과
상기 합성예에서 제조된 화합물 1 내지 7(합성예 7 내지 13)에 대한 대표적 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
물성 | UVmax | PLmax | HOMO | LUMO | 밴드갭 | T1 | TID | Tg |
단위 | (nm) | (nm) | (eV) | (eV | (eV) | (eV) | (℃) | (℃) |
화합물 1 (합성예 7) | 308,357 | 432 | 5.1 | 2.19 | 2.91 | 2.51 | 511 | 132 |
화합물 2 (합성예 8) | 333 | 414 | 5.32 | 2.24 | 3.08 | 2.57 | 342 | 151 |
화합물 3 (합성예 9) | 274,335 | 395 | 5.3 | 2.22 | 3.08 | 2.49 | 443 | 112 |
화합물 4 (합성예 10) | 279,359 | 421 | 5.11 | 2.1 | 3.01 | 2.5 | 537 | 175 |
화합물 5 (합성예 11) | 277,305,342 | 396 | 5.45 | 2.41 | 3.04 | 2.49 | 465 | 139 |
화합물 6 (합성예 12) | 332 | 414 | 5.32 | 2.26 | 3.06 | 2.56 | 357 | 145 |
화합물 7 (합성예 13) | 277,292,359 | 423 | 5.16 | 2.09 | 3.07 | 2.5 | 509 | 156 |
UVmax : 스펙트로미터 및 사이클릭 볼타메트리로부터 측정된 물질의 흡수파장
PLmax : 스펙트로미터 및 사이클릭 볼타메트리로부터 측정된 물질의 발광파장
HOMO, LUMO, 밴드갭 : 스펙트로미터 및 사이클릭 볼타메트리로부터 측정
T1 : 필름형태로 삼중항 에너지(Triplet energy) (77K에서 인광측정을 하여 확인)
TID : 물질의 degradation 온도 (TGA를 통해 확인)
Tg : 유리전이온도
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 따른 정공수송 화합물은 전반적으로 높은 유리 전이온도를 가지고, 정공수송에 있어서 유리한 HOMO 에너지 레벨을 가지고 있음과 함께 높은 LUMO 에너지 레벨을 가짐을 확인할 수 있다.
또한, 상기 물질들은 전술한 합성예들에 의하여 높은 수득율로 제조할 수 있는 이점이 있다.
합성예 7 내지 13에 의하여 합성된 정공수송 화합물(화합물 1 내지 7)을 적용한 유기 발광 소자의 실험결과
비교예
ITO 기판은 발광 면적이 3mm×3mm 크기가 되도록 패터닝한 후 세정하였다. 기판을 진공 챔버에 장착한 후 베이스 압력이 1×10-6 torr가 되도록 한 후 애노드 ITO 위에 정공수송층으로 BPBPA:3% p-dopant(10nm)/BPBPA(35nm) 형태로 성막하였고, p-dopant는 novaled사의 NDP-9를 이용하였다. 상기 정공수송층 위에는 EBL층(10nm), 발광층으로는 DBTTP1과 도펀트인 Ir(ppy)3를 도펀트의 도핑 농도 10%로 30nm의 두께로 성막하였다. 그 위에 전자 수송층으로 ZADN를 진공증착하여 35nm의 두께로 성막하고, 전자 주입층인 LiF를 1.5nm의 두께로 성막한 후, 캐소드인 Al을 200nm의 두께로 성막하여 유기 발광 소자를 제조하여 발광 특성을 평가하고 전류, 전압 및 휘도의 상대 변화를 실시간으로 측정하여 소자의 수명을 평가하고 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
상기 p-dopant는 TCNQ,MoO3,NDP-2,Ndp-9 등이 사용될 수 있다.
실시예
ITO 기판은 발광 면적이 3mm×3mm 크기가 되도록 패터닝한 후 세정하였다. 기판을 진공 챔버에 장착한 후 베이스 압력이 1×10-6 torr가 되도록 한 후 애노드 ITO 위에 정공수송층으로 화합물 1 내지 7에 따른 물질:3% p-dopant(10nm)/ 화합물 1 내지 7에 따른 물질 (35nm) 형태로 성막하였고, p-dopant는 novaled사의 NDP-9를 이용하였다. 상기 정공수송층 위에는 EBL층(10nm), 발광층으로는 DBTTP1과 도펀트인 Ir(ppy)3를 도펀트의 도핑 농도 10%로 30nm의 두께로 성막하였다. 그 위에 전자 수송층으로 ZADN를 진공증착하여 35nm의 두께로 성막하고, 전자 주입층인 LiF를 1.5nm의 두께로 성막한 후, 캐소드인 Al을 200nm의 두께로 성막하여 유기 발광 소자를 제조하여 발광 특성을 평가하고 전류, 전압 및 휘도의 상대 변화를 실시간으로 측정하여 소자의 수명을 평가하고 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
이와 같은 소자의 층구조를 정리하면 다음과 같다.
비교예 : ITO / Reference : 3% p-dopant(10nm) / Reference (35nm) / EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 1 : ITO / 화합물 1 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 1 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 2 : ITO / 화합물 2 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 2 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 3 : ITO / 화합물 3 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 3 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 4 : ITO / 화합물 4 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 4 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 5 : ITO / 화합물 5 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 5 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 6 : ITO / 화합물 6 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 6 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
실시예 7 : ITO / 화합물 7 : 3% p-dopant(10nm) / 화합물 7 (35nm) /EBL (10nm) / GH : GD (30nm) / ETL (35nm) / LiF (1.5nm) / Al (200nm)
Device | Vturn 0n (V) | V (V) | ηext (%) | 전류효율(cd/A) | 전력효율(lm/W) | 수명(h) | CIE (x,y) | |||
1000cd | Max | 1000cd | Max | 1000cd | Max | LT90 | ||||
3000cd | ||||||||||
비교예 | 2.6 | 4 | 11.2 | 14.2 | 39.5 | 50.3 | 30.7 | 33.6 | 12.8 | (0.30, 0.62) |
실시예1 | 3.2 | 4.7 | 12.9 | 14.7 | 45.7 | 52.2 | 30.4 | 32 | 8.8 | (0.31, 0.62) |
실시예2 | 2.5 | 4 | 13.9 | 16.2 | 49.4 | 57.6 | 38.7 | 39.9 | 23.1 | (0.30, 0.63) |
실시예3 | 2.4 | 3.7 | 11.3 | 15.4 | 40.5 | 55.4 | 34.1 | 40.8 | 16.1 | (0.31, 0.62) |
실시예4 | 3 | 4.5 | 12.6 | 16.3 | 44.6 | 57.7 | 31.3 | 32.9 | 14.1 | (0.30, 0.63) |
실시예5 | 3.1 | 4.4 | 10.8 | 14.5 | 37.9 | 51.5 | 27.1 | 31.7 | 10.9 | (0.30, 0.62) |
실시예6 | 3.3 | 4.9 | 12.7 | 14.5 | 45 | 51.5 | 29 | 29.8 | 19.8 | (0.30, 0.62) |
실시예7 | 3 | 4.4 | 13.5 | 15.9 | 47.7 | 56.2 | 33.9 | 35.6 | 12.1 | (0.30, 0.63) |
표 2에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정공수송 화합물은 통상적으로 상용화된 물질인 BPBPA물질들 보다 정공주입이 용이한 HOMO 에너지 레벨을 가지며, 전자를 차단할 수 있는 높은 LUMO 에너지 레벨을 가지고 정공수송 특성이 우수하여, 유기발광소자의 정공 수송층에 적용시 높은 에너지 효율을 가지고 있음을 확인할 수 있다.특히, 본 발명의 실시예에 따른 정공수송화합물을 이용한 소자의 경우 상당히 낮은 구동전압을 가지고 있음을 확인하였다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 기판
20: 애노드 전극
30: 정공 주입층
40: 정공 수송층
50: 발광층
60: 전자 수송층
70: 전자 주입층
80: 캐소드 전극
20: 애노드 전극
30: 정공 주입층
40: 정공 수송층
50: 발광층
60: 전자 수송층
70: 전자 주입층
80: 캐소드 전극
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