KR102559121B1 - 유기전계발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유기전계발광소자는 발광층과 전자수송층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들, 및 상기 발광부들 사이에 위치하는 전하생성층을 포함하며, 상기 전하생성층은 2개의 질소 원자를 포함하여 빠른 전자이동도를 가지는 코어와 결정성이 큰 작용기를 포함하는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기전계발광소자{Organic Light Emitting Diode Device}
본 발명은 유기전계발광소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 유기전계발광소자의 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 유기전계발광소자에 관한 것이다.
다양한 정보를 화면으로 구현해 주는 영상표시장치는 정보 통신 시대의 핵심 기술로 더 얇고 더 가볍고 휴대가 가능하면서도 고성능의 방향으로 발전하고 있다. 근래 정보화 사회의 발전과 더불어, 표시장치에 대한 다양한 형태의 요구가 증대되면서, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), FED(Field Emission Display), OLED(Organic Light Emitting Diode)등 평판표시장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중 유기전계발광소자는 양극과 음극 사이에 형성된 유기 발광층에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 유기전계발광소자는 플라스틱 같은 플렉서블(flexible) 투명 기판 위에도 형성할 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel)이나 무기 전계발광(EL) 디스플레이에 비해 낮은 전압에서 구동이 가능하고 전력 소모가 비교적 적으며, 색감이 뛰어나다는 장점이 있다. 특히, 백색을 구현하는 유기전계발광소자는 조명뿐만 아니라 박형 광원, 액정표시장치의 백라이트 또는 컬러필터를 채용한 풀컬러 표시 장치에 쓰이는 등 여러 용도로 이용되고 있는 소자이다.
백색 유기전계발광소자 개발에 있어서 고효율, 장수명은 물론이고, 색순도, 전류 및 전압의 변화에 따른 색안정성, 소자 제조의 용이성 등이 중요하기 때문에 각각의 방식에 따라 연구 개발이 진행 중에 있다. 백색 유기전계발광소자 구조에는 여러 가지가 있는데 크게는 단일층 발광 구조, 다층 발광 구조 등으로 나눌 수 있다. 이 중 장수명 백색의 소자를 위해 형광 청색 발광층과 인광 노란색 발광층을 적층(tandem)하는 다층 발광 구조가 주로 채택되고 있다.
구체적으로, 청색(Blue) 형광 소자를 발광층으로 이용하는 제1 발광부와, 옐로그린(yellow-Green) 인광 소자를 발광층으로 이용하는 제2 발광부 구조가 적층된 형태의 인광 발광부 적층 구조가 이용되고 있다. 이러한, 백색 유기전계발광소자는 청색 형광 소자로부터 발광되는 청색광과 옐로그린 인광 소자로부터 발광되는 노란색 광의 혼합 효과에 의해 백색광이 구현된다. 여기서, 제1 발광부와 제2 발광부 사이에는 발광층에서 발생하는 전류 효율을 배로 증가시키고, 전하 분배를 원활하게 해주는 전하생성층(Charge generation layer)이 구비된다. 전하생성층은 내부에서 전하 즉, 전자 및 정공을 생성시키는 층으로서, 발광층에서 발생하는 전류 효율을 배로 증가시키고, 전하 분배를 원활하게 해주므로 구동 전압이 상승되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 전하생성층은 N형 전하생성층과 P형 전하생성층이 PN 접합구조로 이루어지는데, N형 전하생성층과 P형 전하생성층 간의 에너지 레벨 차이로 인해 P형 전하생성층과 인접한 정공주입층 계면에서의 전하 생성에 의해 전자가 N형 전하생성층으로 주입되는 특성이 저하된다. 또한, N형 전하생성층에 알칼리 금속과 같은 도펀트를 도핑한 경우, 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되어 소자의 수명이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 유기전계발광소자를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 유기전계발광소자는 발광층과 전자수송층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들, 및 상기 발광부들 사이에 위치하는 전하생성층을 포함하며, 상기 전하생성층은 2개의 질소 원자를 포함하여 빠른 전자이동도를 가지는 코어와 결정성이 큰 작용기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 전하생성층은 P형 전하생성층과 N형 전하생성층을 포함하며, 상기 화합물은 상기 N형 전하생성층에 포함될 수 있다.
상기 N형 전하생성층은 도펀트를 더 포함하며, 상기 도펀트는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토금속 화합물, 알칼리 금속의 유기착체 또는 알칼리 토금속의 유기착체 중 하나일 수 있다.
상기 화합물의 코어에 포함되는 질소 원자는 상기 도펀트와 결합하여, 상기 도펀트가 상기 전하생성층과 인접한 다른 층으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상기 적어도 둘 이상의 발광부들 중 하나는 청색을 발광하는 발광부이며 다른 하나는 옐로그린을 발광하는 발광부일 수 있다.
상기 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, L1은 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴렌기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로아릴렌 또는 단일결합 중 하나이고, R1 내지 R12 중 하나는 L1과 결합하고, R1 내지 R12 중 L1과 결합하지 않는 나머지는 각각 독립적으로, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 30의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 4 내지 30의 헤테로아릴기, 할로겐기, 니트릴기, 중수소 또는 수소 중 하나이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 표시되는 화합물들 중 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전계발광소자는 발광층과 전자수송층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들, 및 상기 발광부들 사이에 위치하는 전하생성층을 포함하며, 상기 전하생성층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, L1은 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴렌기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로아릴렌 또는 단일결합 중 하나이고, R1 내지 R12 중 어느 하나는 L1과 결합하고, R1 내지 R12 중 L1과 결합하지 않는 나머지는 각각 독립적으로, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 30의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 4 내지 30의 헤테로아릴기, 할로겐기, 니트릴기, 중수소 또는 수소 중 하나이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 표시되는 화합물들 중 하나일 수 있다.
본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 잘 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정성을 타고 쉽게 이동할 수 있어 전자이동도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면.
도 3은 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 4는 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 휘도에 따른 발광효율을 나타낸 그래프.
도 5는 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 휘도에 따른 외부양자효율을 나타낸 그래프.
도 6은 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 7은 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 시간에 따른 휘도 저하율을 나타낸 그래프.
도 8은 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 9는 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 휘도에 따른 발광효율을 나타낸 그래프.
도 10은 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 휘도에 따른 외부양자효율을 나타낸 그래프.
도 11은 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 12는 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 시간에 따른 휘도 저하율을 나타낸 그래프.
도 13은 비교예 3과 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 14는 비교예 3과 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소자의 휘도에 따른 외부양자효율을 나타낸 그래프.
도 15는 비교예 3과 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 16은 비교예 3과 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소자의 시간에 따른 휘도 저하율을 나타낸 그래프.
도 17은 비교예 4와 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 18은 비교예 4와 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소자의 휘도에 따른 외부양자효율을 나타낸 그래프.
도 19는 비교예 4와 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 20은 비교예 4와 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소자의 시간에 따른 휘도 저하율을 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들을 자세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 유기전계발광소자(100)는 양극(110)과 음극(220) 사이에 위치하는 발광부들(ST1, ST2) 및 발광부들(ST1, ST2) 사이에 위치하는 전하생성층(160)을 포함한다.
양극(110)은 정공을 주입하는 전극으로 일함수가 높은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 ZnO(Zinc Oxide) 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 양극(110)이 반사 전극일 경우에 양극(110)은 ITO, IZO 또는 ZnO 중 하나로 이루어진 층 하부에 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 니켈(Ni) 중 하나로 이루어진 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 발광부(ST1)는 제1 발광층(140)을 포함한다. 제1 발광층(140)은 적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B)을 발광할 수 있으며, 형광 물질 또는 인광 물질로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 청색을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 또는, 제1 발광층(140)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다.
제1 발광부(ST1)는 양극(110)과 제1 발광층(140) 사이에 정공주입층(120)과 제1 정공수송층(130)을 포함하고, 제1 발광층(140) 상에 제1 전자수송층(150)을 포함한다.
상기 정공주입층(120)은 양극(110)으로부터 제1 발광층(140)으로 정공의 주입을 원활하게 하는 역할을 할 수 있으며, CuPc(cupper phthalocyanine), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene), PANI(polyaniline) 및 NPD(N, N'-bis(naphthalene-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-2,2'-dimethylbenzidine) 중 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 정공주입층(120)의 두께는 1 내지 150nm일 수 있다. 여기서, 상기 정공주입층(120)의 두께가 1nm 이상이면 정공 주입 특성을 향상시킬 수 있고, 150nm 이하이면 정공주입층(120)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다. 상기 정공주입층(120)은 유기전계발광소자의 구조나 특성에 따라 유기전계발광소자의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.
상기 제1 정공수송층(130)은 정공의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, NPD(N, N'-bis(naphthalene-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-2,2'-dimethylbenzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), spiro-TAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-diphenylamino)-9,9'-spirofluorene) 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)-triphenylamine) 중 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 제1 정공수송층(130)의 두께는 1 내지 150nm일 수 있다. 여기서, 상기 제1 정공수송층(130)의 두께가 1nm 이상이면 정공 수송 특성을 향상시킬 수 있고, 150nm 이하이면 제1 정공수송층(130)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다.
상기 제1 전자수송층(150)은 전자의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq3(tris(8-hydroxy-quinolinato)aluminum), PBD(2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole), TAZ(3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole), DPT(2-biphenyl-4-yl-4,6-bis-(4 ′-pyridin-2-yl-biphenyl-4-yl)-[1,3,5]triazine) 및 BAlq(Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminum) 중 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 제1 전자수송층(150)의 두께는 1 내지 150nm일 수 있다. 여기서, 제1 전자수송층(150)의 두께가 1nm 이상이면 전자 수송 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 제1 전자수송층(150)의 두께가 150nm 이하이면 제1 전자수송층(150)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다.
따라서, 양극(110) 상에 정공주입층(120), 제1 정공수송층(130), 제1 발광층(140) 및 제1 전자수송층(150)을 포함하는 제1 발광부(ST1)를 구성한다. 상기 정공주입층(120)은 소자의 구조나 특성에 따라 제1 발광부(ST1)의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.
제1 발광부(ST1)와 제2 발광부(ST2) 사이에는 전하생성층(Charge Generation Layer; CGL)(160)이 위치한다. 상기 제1 발광부(ST1)와 상기 제2 발광부(ST2)는 상기 전하생성층(160)에 의해 연결된 구조로 이루어져 있다. 상기 전하생성층(160)은 N형 전하생성층(160N)과 P형 전하생성층(160P)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다. 이때, 상기 PN접합 전하생성층(160)은 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 발광층에 정공 및 전자를 주입한다. 즉, N형 전하생성층(160N)은 제1 전자수송층(150)으로 전자를 전달하고, 제1 전자수송층(150)은 양극에 인접한 제1 발광층(140)에 전자를 공급하고, 상기 P형 전하생성층(160P)은 제2 정공수송층(180)으로 정공을 전달하고, 제2 발광부(ST2)의 제2 발광층(190)에 정공을 공급함으로써, 제1 발광층(140)과 제2 발광층(190)의 발광 효율을 더욱 증대시킬 수 있으며, 구동 전압도 낮출 수 있다. 따라서, 상기 전하생성층(160)은 유기전계발광소자의 특성인 발광 효율이나 구동 전압에 중요한 영향을 미치게 된다.
이에 본 발명자들은 N형 전하생성층의 전자 주입 특성을 향상시키기 위한 여러 실험을 하게 되었다. 이 실험을 통하여 전자수송층과 N형 전하생성층 간의 LUMO 에너지 레벨 차이로 인해 N형 전하생성층으로 주입된 전자가 전자수송층으로 이동할 때 구동 전압이 상승함을 인식하였다. 또한, N형 전하생성층에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 도펀트를 도핑한 경우 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되어 소자의 수명이 저하됨을 인식하였다. 따라서, 본 발명자들은 여러 실험을 통하여 구동 전압을 감소시키고 수명을 향상시킬 수 있는 N형 전하생성층의 화합물을 도입하였다.
본 발명자들은 유기전계발광소자의 수명이나 효율 등에 영향을 주지 않고 구동 전압의 상승이 없는 재료들의 여러 실험을 통하여, 단일재료로 전자이동도를 증가시키고 N형 전하생성층에 포함된 도펀트의 확산을 방지할 수 있는 화합물을 개발하였다. 따라서, N형 전하생성층의 전자 주입 특성을 향상시키기 위해서 전자수송층과 유사한 전자이동도를 가지는 재료와, 전자 이동이 용이하도록 결정성 구조를 갖는 재료로 구성된 본 발명의 화합물을 도입하였다.
본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어는 트리페닐렌(triphenylene)을 도입하였다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합(binding)하여 갭 스테이트(gap state)를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 그리고, 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 잘 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 이 질소는 N형 전하생성층에 포함된 도펀트인 리튬(Li)과 잘 결합할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자이동도를 향상시키기 위해, 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함한다. 결정성이 큰 작용기는 페난쓰롤린(phenanthroline)을 도입하였다. 상기 작용기는 파이 컨쥬게이션(π-conjugation)이 커서 코어에 잘 결합되고, 결정성이 커서 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 N형 전하생성층(160N)은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, L1은 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴렌기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로아릴렌 또는 단일결합 중 하나이고, R1 내지 R12 중 하나는 L1과 결합하고, R1 내지 R12 중 L1과 결합하지 않는 나머지는 각각 독립적으로, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 30의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 4 내지 30의 헤테로아릴기, 할로겐기, 니트릴기, 중수소 또는 수소 중 하나이다. 또한, L1은 탄소수 2 내지 10의 지방족 사슬 또는 탄소수 2 내지 10의 지방족 고리화합물을 포함할 수도 있다.
본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 표시되는 화합물들 중 하나일 수 있다.
본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
N형 전하생성층(160N)은 도펀트를 더 포함한다. 도펀트는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토금속 화합물, 알칼리 금속의 유기착체 또는 알칼리 토금속의 유기착체 중 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
P형 전하생성층(160P)은 금속 또는 P형이 도핑된 유기물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 금속은 Al, Cu, Fe, Pb, Zn, Au, Pt, W, In, Mo, Ni 및 Ti 중 하나 또는 둘 이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 P형이 도핑된 유기물질에 사용되는 P형 도펀트와 호스트의 물질은 아래의 물질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 P형 도펀트는 F4-TCNQ(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8,-tetracyanl-quinodemethane), 테트라시아노퀴노디메탄의 유도체, 요오드, FeCl3, FeF3 및 SbCl5 중 하나의 물질일 수 있다. 또한, 상기 호스트는 NPB(N,N'-bis(naphthaen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine), TPD(N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine) 및 TNB(N,N,N',N'-tetra-naphthalenyl-benzidine) 중 하나의 물질일 수 있다.
그리고, 상기 전하생성층(160) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190), 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제2 발광부(ST2)가 위치한다.
상기 제2 발광부(ST2)는 제2 발광층(190)을 포함한다. 제2 발광층(190)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 또는 옐로그린(YG)을 발광할 수 있으며, 인광 물질로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 옐로그린(Yellow-Green)을 발광하는 발광층일 수 있다. 제2 발광층(190)은 옐로그린(Yellow-Green) 발광층 또는 그린(Green) 발광층의 단층 구조 또는 옐로그린 발광층과 그린(Green) 발광층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 제2 발광층(190)은 옐로그린(Yellow-Green) 발광층 또는 그린(Green) 발광층 또는 옐로그린 발광층과 그린(Green) 발광층 또는 노란색 발광층과 적색(Red) 발광층 또는 녹색 발광층과 적색 발광층 또는 옐로그린 발광층과 적색 발광층의 다층 구조를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 옐로그린을 발광하는 제2 발광층(190)의 단층 구조를 예로 설명한다. 제2 발광층(190)은 CBP(4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl) 또는 BAlq (Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminum) 중 적어도 하나의 호스트에 옐로그린을 발광하는 인광 옐로그린 도펀트로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 발광부(ST2)는 전하생성층(160)과 상기 제2 발광층(190) 사이에 제2 정공수송층(180)을 포함하고, 제2 발광층(190) 상에 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함한다. 제2 정공수송층(180)과 제2 전자수송층(200)은 제1 발광부(ST1)의 제1 정공수송층(120)과 제1 전자수송층(150)과 각각 동일하거나 다르게 이루어질 수 있다.
따라서, 전하생성층(160) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190), 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제2 발광부(ST2)를 구성한다. 제2 발광부(ST2) 상에는 음극(220)이 구비되어 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기전계발광소자를 구성한다.
상기와 같이, 본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면이다. 하기에서는 전술한 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 붙여 그 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 유기전계발광소자(100)는 양극(110)과 음극(220) 사이에 위치하는 복수의 발광부들(ST1, ST2, ST3) 및 복수의 발광부들(ST1, ST2, ST3) 사이에 위치하는 제1 전하생성층(160)과 제2 전하생성층(230)들을 포함한다. 본 실시예에서는 양극(110)과 음극(220) 사이에 3개의 발광부들이 위치하는 것으로 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 양극(110)과 음극(220) 사이에 4개 또는 그 이상의 발광부들을 포함할 수도 있다.
복수의 발광부들 중 제1 발광부(ST1)는 제1 발광층(140)을 포함한다. 제1 발광층(140)은 적색, 녹색 및 청색 중 어느 하나의 색을 발광할 수 있으며, 본 실시예에서는 청색(blue)을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 상기 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 또는 제1 발광층(140)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다.
상기 제1 발광부(ST1)는 양극(110)과 제1 발광층(140) 사이에 정공주입층(120), 제1 정공수송층(130)을 포함하고, 제1 발광층(140) 상에 제1 전자수송층(150)을 포함한다. 따라서, 양극(110) 상에 정공주입층(120), 제1 정공수송층(130), 제1 발광층(140) 및 제1 전자수송층(150)을 포함하는 제1 발광부(ST1)를 구성한다. 상기 정공주입층(120)은 소자의 구조나 특성에 따라 제1 발광부(ST1)의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.
상기 제1 발광부(ST1) 상에 제2 발광층(190)을 포함하는 제2 발광부(ST2)가 위치한다. 제2 발광층(190)은 적색, 녹색, 청색 및 옐로그린 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 예를 들어 본 실시예에서는 옐로그린(yellow-green)을 발광하는 발광층일 수 있다. 제2 발광층(190)은 옐로그린(yellow-green) 발광층, 또는 그린(Green) 발광층, 또는 옐로그린(yellow-green) 발광층과 그린(green) 발광층, 또는 노란색 발광층과 적색(Red) 발광층, 또는 녹색 발광층과 적색 발광층, 또는 옐로그린 발광층과 적색 발광층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 상기 제2 발광부(ST2)는 제1 발광부(ST1) 상에 제2 정공수송층(180)을 더 포함하고, 제2 발광층(190) 상에 제2 전자수송층(200)을 포함한다. 따라서, 제1 발광부(ST2) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190) 및 제2 전자수송층(200)을 포함하는 제2 발광부(ST2)를 구성한다.
그리고, 상기 제1 발광부(ST1)와 상기 제2 발광부(ST2) 사이에 제1 전하생성층(160)이 위치한다. 제1 전하생성층(160)은 N형 전하생성층(160N)과 P형 전하생성층(160P)이 접합된 PN접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 제1 발광층(140)과 제2 발광층(190)에 정공 및 전자를 주입한다.
N형 전하생성층(160N)은 전술한 제1 실시예의 N형 전하생성층(160N)과 동일하게 이루어진다. N형 전하생성층(160N)에 포함되는 본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 발광부(ST2) 상에 제3 발광층(250)을 포함하는 제3 발광부(ST3)가 위치한다. 제3 발광층(250)은 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 형광 물질로 이루어진다. 예를 들어 본 실시예에서는 청색(blue)을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 상기 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 또는 제3 발광층(250)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다.
상기 제3 발광부(ST3)는 제2 발광부(ST2) 상에 제3 정공수송층(240)을 포함하고, 제3 발광층(250) 상에 제3 전자수송층(260)과 전자주입층(210)을 포함한다.
상기 제2 발광부(ST2)와 상기 제3 발광부(ST3) 사이에 제2 전하생성층(230)이 위치한다. 제2 전하생성층(230)은 N형 전하생성층(230N)과 P형 전하생성층(230P)이 접합된 PN 접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 제2 발광층(190)과 제3 발광층(250)에 정공 및 전자를 주입한다.
N형 전하생성층(230N)은 전술한 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)과 동일하게 이루어진다. N형 전하생성층(230N)에 포함되는 본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
제3 발광부(ST3) 상에는 음극(220)이 구비되어 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 구성한다.
전술한 본 발명의 제2 실시예에서는 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)과 제2 전하생성층(230)의 N형 전하생성층(230N)에 본 발명의 화합물을 포함하는 것을 개시하였다. 그러나, 본 발명은 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)과 제2 전하생성층(230)의 N형 전하생성층(230N) 중 적어도 하나에 본 발명의 화합물을 포함할 수도 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 적용한 유기발광표시장치는 전면발광(top emission) 표시장치, 배면발광(bottom emission) 표시장치, 양면발광(dual emission) 표시장치, 차량용 조명장치에 적용할 수 있다. 차량용 조명장치는 전조등(headlights), 상향등(high beam), 후미등(taillights), 제동등(brake light), 후진등(back-up light) 중 하나일 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 적용한 유기발광표시장치는 모바일, 모니터, TV 등에 적용할 수도 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 적용한 유기발광표시장치는 제1 발광층, 제2 발광층 및 제3 발광층 중 적어도 두 개의 발광층이 동일한 색을 발광하는 표시장치에도 적용할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 화합물의 합성예에 관하여 하기 실시예에서 상술하기로 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
1) 화합물 A의 합성
질소 분위기하에서 2-(4-브로모페닐)-1,10-페난쓰롤린 (2-(4-bromophenyl)-1,10-phenanthroline) (10g, 29.83mmol), 트리페닐레닐-2-보로닉산 (triphenylenyl-2-boronic acid) (9.74g, 35.8mmol), 테트라키스트리페닐포스핀팔라듐(0) (tetrakistriphenylphosphine palladium(0)) (1.72g, 1,49mmol), 4M 포타슘카보네이트 (4M potassium carbonate) 수용액 10ml, 톨루엔 (toluene) 200ml, 에탄올 (ethanol) 20ml을 넣고 12시간 환류 교반시켰다. 반응이 끝난 후 증류수 50ml을 넣고 3시간 교반 후 감압여과를 하고 메틸렌클로라이드(methylene chloride)와 헥산(hexane)을 용리액 (eluent)으로 사용하여 컬러크로마토그래피로 분리 후 MC 재결정하여 화합물 A인 2-(4-(트리페닐렌-3-일)페닐)-1,10-페난쓰롤린 (2-(4-(triphenylen-3-yl)phenyl)-1,10-phenanthroline) (10g, 수율 70%)를 얻었다.
2) 화합물 B의 합성
질소 분위기하에서 2-(1-브로모나프탈렌-4-일)-1,10-페난쓰롤린 (2-(1-bromonaphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline) (10g, 25.96mmol), 트리페닐레닐-2-보로닉산 (triphenylenyl-2-boronic acid) (8.48g, 31.15mmol), 테트라키스트리페닐포스핀팔라듐(0) (tetrakistriphenylphosphine palladium(0)) (1.5g, 1.3mmol), 4M 포타슘카보네이트 (4M potassium carbonate) 수용액 10ml, 톨루엔 (toluene) 200ml, 에탄올 (ethanol) 20ml을 넣고 12시간 환류 교반시켰다. 반응이 끝난 후 증류수 50ml을 넣고 3시간 교반 후 감압여과를 하고 메틸렌 클로라이드 (methylene chloride)를 용리액 (eluent)으로 사용하여 컬럼크로마토그래피로 분리 후 MC 재결정하여 화합물 B인 2-(1-트리페닐렌-3-일)나프탈렌-4-일)1,10-페난쓰롤린 (2-(1-(triphenylen-3-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline) (8.3g, 수율 60%)를 얻었다.
3) 화합물 C의 합성
질소 분위기하에서 2-브로모-1,10-페난쓰롤린 (2-bromo-1,10-phenanthroline) (10g, 38.6mmol), 트리페닐레닐-2-보로닉 산 (triphenylenyl-2-boronic acid) (12.6g, 46.3mmol), 테트라키스트리페닐포스핀팔라듐(0) (tetrakistriphenylphosphine palladium(0)) (2.23g, 1.93mmol), 4M 포타슘카보네이트 (4M potassium carbonate) 수용액 15ml, 톨루엔 (toluene) 300ml, 에탄올 (ethanol) 30ml을 넣고 12시간 환류 교반시켰다. 반응이 끝난 후 증류수 50ml을 넣고 3시간 교반 후 감압여과를 하고 메틸렌 클로라이드/메탄올 (methylene chloride/methanol)을 용리액 (eluent)으로 사용하여 컬럼크로마토그래피로 분리 후 에틸아세테이트 (ethyl acetate) 용매로 재결정하여 화합물 C인 2-(트리페닐렌-3-일)-1,10-페난쓰롤린 (2-(triphenylen-3-yl)-1,10-phenanthroline) (12g, 수율 80%)을 얻었다.
4) 화합물 D의 합성
질소 분위기하에서 2-(2-브로모나프탈렌-6-일)-1,10-페난쓰롤린 (2-(2-bromonaphthalen-6-yl)-1,10-phenanthroline) (20g, 51.9mmol), 트리페닐레닐-2-보로닉산 (triphenylenyl-2-boronic acid) (17g, 32mmol), 테트라키스트리페닐포스핀팔라듐(0) (tetrakistriphenylphosphine palladium(0)) (3g, 2.6mmol), 4M 포타슘카보네이트 (4M potassium carbonate) 수용액 10ml, 톨루엔 (toluene) 300ml, 에탄올 (ethanol) 30ml을 넣고 12시간 환류 교반시켰다. 반응이 끝난 후 증류수 50ml을 넣고 3시간 교반 후 감압여과를 하고 클로로폼(chloroform)을 용리액 (eluent)으로 사용하여 컬럼크로마토그래피로 분리 후 MC 재결정하여 화합물 D인 2-(2-(트리페닐렌-2-일)나프탈렌-6-일)-1,10-페난쓰롤린 2-(2-(triphenylen-2-yl)나프탈렌-6-일)-1,10-phenanthroline) (15g, 수율 55%)을 얻었다.
이하, 본 발명의 유기전계발광소자를 제작한 실시예를 개시한다. 하기 N형 전하생성층의 재료 등이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 하기의 실험 1 내지 3은 각각 소자를 제작하는 공정 조건이 서로 다른 상태에서 실험하였고, 각 실험들에서 제조된 비교예와 실시예의 소자는 동일한 공정 조건에서 제조되었다. 따라서, 데이터를 해석함에 있어서 비교예 1 내지 3에 각각 사용된 N형 전하생성층의 재료가 동일하지만 실험에 따라 소자의 특성이 서로 다르게 나타날 수 있음에 유의해야 한다.
실험 1 : 화합물 A를 포함하는 유기전계발광소자
<비교예 1>
기판 상에 정공주입층, 제1 정공수송층, 형광 청색 발광층 및 제1 전자수송층을 포함하는 제1 발광부와, N형 전하생성층 및 P형 전하생성층을 포함하는 전하생성층과, 제2 정공수송층, 인광 옐로그린 발광층, 제2 전자수송층을 포함하는 제2 발광부와, 음극을 형성하여 유기전계발광소자를 제조하였다. 여기서, N형 전하생성층은 페난쓰롤린계 화합물로 형성하였다.
<실시예 1>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 A로 형성하였다.
전술한 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 구동전압, 발광효율, 외부양자효율, 색좌표 및 수명을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. (구동전류 10mA/㎠로 소자를 구동하였고, 수명 T95는 백색 수명을 나타내며, 초기 휘도 100%를 기준으로 휘도 95%가 되는데 소요되는 시간이다. 또한, 표 1에서는 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 수명은 비교예 1의 값을 100%로 보고 그에 따른 실시예 1의 값을 퍼센트로 표시하였다.)
또한, 전술한 비교예 1과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 도 3에 나타내었고, 휘도에 따른 발광효율을 도 4에 나타내었으며, 휘도에 따른 외부양자효율을 도 5에 나타내었고, 발광 스펙트럼을 도 6에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도 저하율을 도 7에 나타내었다.

 구동전압 발광효율 외부양자효율 색좌표 수명(T95)
CIE_x CIE_y
비교예 1 100 100 100 0.332 0.351 100
실시예 1 93 112 111 0.321 0.342 172
상기 표 1을 참조하면, N형 전하생성층에 페난쓰롤린계 화합물을 형성한 비교예 1에 비해, 본 발명의 화합물 A를 포함하는 실시예 1은 비교예 1과 동등 수준의 색좌표를 나타내었고, 구동전압이 약 7% 감소하였고 발광효율이 약 12% 증가하였고, 외부양자효율이 약 11% 증가하였고, 수명이 약 72% 증가하였다. 도 3을 참조하면, 비교예 1에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 1에 따른 소자의 구동전압이 낮아졌다. 도 4를 참조하면, 비교예 1에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 1에 따른 소자의 발광효율이 증가하였다. 도 5를 참조하면, 비교예 1에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 1에 따른 소자의 외부양자효율이 증가하였다. 도 6을 참조하면, 비교예 1에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 1에 따른 소자의 청색에 해당하는 파장영역과 옐로그린에 해당하는 파장영역에서의 발광 세기가 증가하였다. 즉, 청색에 해당하는 파장영역은 440nm 내지 480nm일 수 있으며, 옐로그린에 해당하는 파장영역은 520nm 내지 590nm일 수 있다. 도 7을 참조하면, 비교예 1에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 1에 따른 소자는 휘도 저하율이 95%에 도달하기까지 소요되는 시간이 증가되어 수명이 증가한 것으로 나타났다.
실험 2 : 화합물 B를 포함하는 유기전계발광소자
<비교예 2>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로 유기전계발광소자를 제조하였다.
<실시예 2>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 B로 형성하였다.
전술한 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 구동전압, 발광효율, 외부양자효율, 색좌표 및 수명을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 표 2에서는 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 수명은 비교예 2의 값을 100%로 보고 그에 따른 실시예 2의 값을 퍼센트로 표시하였다.
또한, 전술한 비교예 2와 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 도 8에 나타내었고, 휘도에 따른 발광효율을 도 9에 나타내었으며, 휘도에 따른 외부양자효율을 도 10에 나타내었고, 발광 스펙트럼을 도 11에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도 저하율을 도 12에 나타내었다.

 구동전압 발광효율 외부양자효율 색좌표 수명(T95)
CIE_x CIE_y
비교예 2 100 100 100 0.315 0.341 100
실시예 2 97 105 104 0.313 0.339 117
상기 표 2를 참조하면, N형 전하생성층에 페난쓰롤린계 화합물을 형성한 비교예 2에 비해, 본 발명의 화합물 B를 포함하는 실시예 2는 비교예 2와 동등 수준의 색좌표를 나타내었고, 구동전압이 약 3% 감소하였고 발광효율이 약 5% 증가하였고, 외부양자효율이 약 4% 증가하였고, 수명이 약 17% 증가하였다. 도 8을 참조하면, 비교예 2에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 2에 따른 소자의 구동전압이 낮아졌다. 도 9를 참조하면, 비교예 2에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 2에 따른 소자의 발광효율이 증가하였다. 도 10을 참조하면, 비교예 2에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 2에 따른 소자의 외부양자효율이 증가하였다. 도 11을 참조하면, 비교예 2에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 2에 따른 소자의 청색에 해당하는 파장영역과 옐로그린에 해당하는 파장영역에서 발광 세기가 증가하였다. 즉, 청색에 해당하는 파장영역은 440nm 내지 480nm일 수 있으며, 옐로그린에 해당하는 파장영역은 520nm 내지 590nm일 수 있다. 도 12를 참조하면, 비교예 2에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 2에 따른 소자는 휘도 저하율이 95%에 도달하기까지 소요되는 시간이 증가되어 수명이 증가한 것으로 나타났다.
실험 3 : 화합물 C를 포함하는 유기전계발광소자
<비교예 3>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로 유기전계발광소자를 제조하였다.
<실시예 3>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 C로 형성하였다.
전술한 비교예 3과 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소자의 구동전압, 발광효율, 외부양자효율, 색좌표 및 수명을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 또한, 표 3에서는 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 수명은 비교예 3의 값을 100%로 보고 그에 따른 실시예 3의 값을 퍼센트로 표시하였다.
또한, 전술한 비교예 3과 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 도 13에 나타내었고, 휘도에 따른 외부양자효율을 도 14에 나타내었고, 발광 스펙트럼을 도 15에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도 저하율을 도 16에 나타내었다.

 구동전압 발광효율 외부양자효율 색좌표 수명(T95)
CIE_x CIE_y
비교예 3 100 100 100 0.321 0.336 100
실시예 3 101 99 99 0.323 0.336 140
상기 표 3을 참조하면, N형 전하생성층에 페난쓰롤린계 화합물을 형성한 비교예 3에 비해, 본 발명의 화합물 C를 포함하는 실시예 3은 동등 수준의 색좌표를 나타내었고, 구동전압이 약 1% 증가하였고 발광효율이 약 1% 감소하였으며 외부양자효율이 1% 감소하였고 수명이 약 40% 증가하였다. 도 13을 참조하면, 비교예 3에 따른 소자와 본 발명의 실시예 3에 따른 소자의 구동전압이 거의 동등 수준으로 나타났다. 도 14를 참조하면, 비교예 3에 따른 소자와 본 발명의 실시예 3에 따른 소자의 외부양자효율이 거의 동등 수준으로 나타났다. 도 15를 참조하면, 비교예 3에 따른 소자와 본 발명의 실시예 3에 따른 소자의 옐로그린에 해당하는 파장영역에서의 발광 세기는 거의 동등하고, 청색에 해당하는 파장영역에서의 발광 세기는 실시예 3이 비교예 3과 비교하여 약간 증가함을 알 수 있다. 즉, 청색에 해당하는 파장영역은 440nm 내지 480nm일 수 있으며, 옐로그린에 해당하는 파장영역은 520nm 내지 590nm일 수 있다. 도 16을 참조하면, 비교예 3에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 3에 따른 소자는 휘도 저하율이 95%에 도달하기까지 소요되는 시간이 증가되어 수명이 증가한 것으로 나타났다.
실험 4 : 화합물 D를 포함하는 유기전계발광소자
<비교예 4>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로 유기전계발광소자를 제조하였다.
<실시예 4>
전술한 비교예 1과 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 D로 형성하였다.
전술한 비교예 4와 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소자의 구동전압, 발광효율, 외부양자효율, 색좌표 및 수명을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다. 또한, 표 4에서는 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 수명은 비교예 4의 값을 100%로 보고 그에 따른 실시예 4의 값을 퍼센트로 표시하였다.
또한, 전술한 비교예 4와 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 도 17에 나타내었고, 휘도에 따른 외부양자효율을 도 18에 나타내었고, 발광 스펙트럼을 도 19에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도 저하율을 도 20에 나타내었다.

 구동전압 발광효율 외부양자효율 색좌표 수명(T95)
CIE_x CIE_y
비교예 4 100 100 100 0.320 0.335 100
실시예 4 100 100 100 0.320 0.336 112
상기 표 4를 참조하면, N형 전하생성층에 페난쓰롤린계 화합물을 형성한 비교예 4에 비해, 본 발명의 화합물 D를 포함하는 실시예 4는 비교예 4와 동등 수준의 색좌표를 나타내었고, 구동전압, 발광효율 및 외부양자효율이 동일하였고, 수명이 약 12% 증가하였다.
*234도 17을 참조하면, 비교예 4에 따른 소자와 본 발명의 실시예 4에 따른 소자의 구동전압이 동일하게 나타났다. 도 18을 참조하면, 비교예 4에 따른 소자와 본 발명의 실시예 4에 따른 소자의 외부양자효율이 동일하게 나타났다. 도 19를 참조하면, 비교예 4에 따른 소자와 본 발명의 실시예 4에 따른 소자의 청색에 해당하는 파장영역과 옐로그린에 해당하는 파장영역에서 발광 세기가 거의 동등함을 알 수 있다. 도 20을 참조하면, 비교예 4에 따른 소자에 비해, 본 발명의 실시예 4에 따른 소자는 휘도 저하율이 95%에 도달하기까지 소요되는 시간이 증가되어 수명이 증가한 것으로 나타났다.
전술한 실험 1 내지 실험 4의 결과를 통해, N형 전하생성층에 페난쓰롤린계 화합물을 사용한 비교예 1 내지 4의 유기전계발광소자에 대비하여, 본 발명의 화합물을 포함하는 N형 전하생성층을 사용한 실시예들의 유기전계발광소자는 최소한 동등 수준의 구동전압, 발광효율, 외부양자효율 및 색좌표를 나타내고, 특히 수명이 현저히 향상되었음을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 화합물은 전자가 풍부한 질소(N) 원자를 2개 포함하는 코어를 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp2 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성한다. 형성된 갭 스테이트는 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 화합물은 질소의 비공유 전자쌍이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 판상 구조로 결정성이 큰 작용기를 포함하여, 전자가 결정질 구조를 통해 쉽게 이동할 수 있으므로 전자이동도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 화합물로 N형 전하생성층을 형성함으로써, 전자이동도를 향상시켜 소자의 구동전압을 낮추고 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 N형 전하생성층의 도펀트가 P형 전하생성층으로 확산되는 것을 방지하여, 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 유기전계발광소자 110 : 양극
120 : 정공주입층 130 : 제1 정공수송층
140 : 제1 발광층 150 : 제1 전자수송층
160N : N형 전하생성층 160P : P형 전하생성층
180 : 제2 정공수송층 190 : 제2 발광층
200 : 제2 전자수송층 210 : 전자주입층
220 : 음극

Claims (14)

  1. 서로 마주하는 양극 및 음극과;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 위치하고 제 1 발광층과 제 1 전자 수송층을 포함하는 제 1 발광부와;
    상기 제 1 발광부와 상기 음극 사이에 위치하며 제 2 발광층과 제 2 전자 수송층을 포함하는 제 2 발광부와;
    상기 제 1 발광부 및 상기 제 2 발광부 사이에 있으며, 제 1 P형 전하생성층과 제 1 N형 전하 생성층을 포함하는 제 1 전하 생성층을 포함하며,
    상기 제 1 P형 전하 생성층은 Al, Cu, Fe, Pb, Zn, Au, Pt, W, In, Mo, Ni, Ti, F4-TCNQ(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8,-tetracyanl-quinodemethane), 테트라시아노퀴노디메탄의 유도체, 요오드, FeCl3, FeF3 및 SbCl5 중 하나인 도펀트와 NPB(N,N'-bis(naphthaen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine), TPD(N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine) 및 TNB(N,N,N',N'-tetra-naphthalenyl-benzidine) 중 하나인 유기물질을 포함하고,
    상기 제 1 N형 전하 생성층은 하기 화합물들 중 하나를 포함하는 유기전계발광소자.
































  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 N형 전하 생성층은 도펀트를 더 포함하며,
    상기 도펀트는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토금속 화합물, 알칼리 금속의 유기착체 또는 알칼리 토금속의 유기착체 중 하나인 유기전계발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 발광층들 중 하나는 청색을 발광하며 다른 하나는 옐로그린, 그린, 옐로그린과 그린, 노란색과 적색, 녹색과 적색, 또는 옐로그린과 적색 중 하나를 발광하는 발광층인 유기전계발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자 수송층은 상기 제 1 N형 전하 생성층과 접촉하는 유기전계발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 발광층 중 하나는 적색, 청색, 또는 녹색을 발광하는 유기전계발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 발광층은 적색, 청색, 또는 녹색을 발광하며,
    상기 제 2 발광층은 적색, 청색, 녹색, 또는 옐로그린을 발광하는 유기전계발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 발광부는 상기 양극 상에 있는 정공 주입층 및 제 1 정공 수송층을 포함하며,
    상기 제 2 발광부는 상기 제 1 P형 전하생성층 상에 있는 제 2 정공 수송층을 포함하는 유기전계발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제 2 발광부 상에 있는 제 3 발광부; 및
    상기 제 2 발광부 및 제 3 발광부 사이에 있으며, 제 2 P형 전하생성층과 제 2 N형 전하생성층을 포함하는 제 2 전하생성층을 더 포함하는 유기전계발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제 2 N형 전하 생성층은 상기 화합물 중 하나를 포함하는 유기전계발광소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제 3 발광부는,
    상기 제 2 P형 전하생성층 상에 있는 제 3 정공 수송층;
    상기 제 3 정공 수송층 상에 있는 제 3 발광층; 및
    상기 제 3 발광층 상에 있는 제 3 전자 수송층을 포함하는 유기전계발광소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제 3 발광부는, 상기 제 3 전자 수송층 상에 전자 주입층을 더 포함하는 유기전계발광소자.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제 3 발광층은 적색, 녹색 및 청색 중 하나를 발광하는 유기전계발광소자.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제 1 발광층, 상기 제 2 발광층, 및 상기 제 3 발광층 중 적어도 두 개의 발광층은 동일한 색을 발광하는 발광층을 포함하는 유기전계발광소자.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제 1 발광층은 청색을 발광하며,
    상기 제 2 발광층은 옐로그린, 그린, 옐로그린과 그린, 노란색과 적색, 녹색과 적색, 또는 옐로그린과 적색 중 하나를 발광하며,
    상기 제 3 발광층은 청색을 발광하는 유기전계발광소자.
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