KR20070110526A - 이리듐 착물을 포함하는 전기발광 소자 - Google Patents
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Abstract
중심의 이리듐 이온 Ir(Ⅲ), 디오네이트로서 펜탄-2,4-디오네이트 (acac), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트 (thd), 7,7-디메틸-1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-4,6-옥탄디오네이트 (fod), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-티에닐)부탄-1,3-디오네이트 (ttfa), 1,3-디페닐프로판-1,3-디오네이트 (dbm), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-나프틸)부탄-1,3-디오네이트 (tfnb) 또는 4,4,4-트리플루오로-1-(1-나프틸)부탄-1,3-디오네이트를 포함하는 군으로부터의 리간드 L3, 및 각각 리간드 결합에 참여하는 하나의 질소 및 탄소 원자를 갖는 경직 방향족 리간드 L1 및 L2, 바람직하게는 디벤조[f,h]퀴놀린, 벤조[h]퀴놀린 또는 5,6-디히드로-벤조[h]퀴놀린을 가지며, 리간드 결합에 참여하는 리간드 L1의 질소 원자와 리간드 결합에 참여하는 리간드 L2의 질소 원자가 중심의 이리듐 이온에 대하여 병렬되어 있는 제1 이성질체 (71)인 것을 특징으로 하는, Ir(Ⅲ)L1L2L3로 표시되는 이리듐 착물이 제공된다. 본 발명은 또한 이리듐 착물 (7, 8)의 제1 이성질체 (71, 81)를 분리하는 방법, 및 발광물질 (발광물질의 총량 중 제1 이성질체 (71, 81) 성분이 90%를 초과, 바람직하게는 95 %를 초과함)을 포함하는 전기발광층(4)을 갖는 전기발광 소자에 관한 것이다.
전기발광 소자, 유기 전기발광층, 이리듐 착물
Description
본 발명은 유기 발광층을 포함하는 전기발광 소자, 발광 이리듐 착물 및 이리듐 착물로부터 이성질체를 분리하는 방법에 관한 것이다.
발광을 위한 유기 전기발광층 (EL-층)을 포함하는 다수의 박층으로 이루어지는 층 구조를 갖는 전기발광 소자 (OLED)가 공지되어 있다. 통상적인 구조는 ITO (인듐 주석 산화물)로 제조된 적어도 하나의 투명 전극, 금속으로 제조된 전극 및 전극 간에 배열된, 유기 물질의 전기발광층을 포함한다. 통상적으로, 투명 전극은 양극을, 금속 전극은 음극을 나타낸다. 층 구조체는 광 조사의 방향에 따라 투명 또는 불투명할 수 있는 기판상에 적층된다. 투명 기판에서, 빛은 기판을 통해 관찰자에 도달한다. 이 경우에, 투명 전극이 기판에 도포된다. 전기발광층에 사용되는 유기 물질은, 예를 들어, 발광 중합체 (PLED), 또는 유기 정공(hole) 또는 전자-수송 매트릭스 물질에 매립되어 있는 발광 유기 소분자이다. 전기발광층에 발광 소분자를 포함하는 OLED는 또한 SMOLED (소분자 유기 발광 다이오드)이라 명명된다. 전기발광층은 서로 접촉하고 재결합되는 정공과 전자를 갖는다. 발광 물질은 직접 또는 매트릭스 물질에 대한 발광 물질의 물질-의존적 전기적 커플링을 통 한 에너지 전달에 의해 여기된다. 여기된 발광 물질은 빛을 방출시킴으로써 기저 상태로 돌아간다.
중심의 이리듐 이온과 3개의 리간드 L, M 및 N으로 이루어지는 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)LMN은, 삼중항 엑시톤 (triplet exitons)의 사용으로 인해, SMOLED에 효과적인 발광 물질로 알려져 있다. 청록색 내지 적색 범위의 방출 색상은 이리듐 착물 중 리간드에서의 변화에 의해 생성될 수 있다. 매트릭스 물질에서 이리듐 착물의 농도는 통상적으로 5 중량% 내지 11 중량% 이다. 본 명세서에서 중량% 단위는 중량을 기준으로 한 퍼센트를 나타낸다. 보다 높은 농도의 이리듐 착물이 바람직하나, 이는 인접한 이리듐 착물의 이량체 형성 및 이와 관련된 농도 켄칭에 기인하는 양자 수율의 감소로 인하여 제한된다. 탄소 원자 외에 제2의 원자, 예컨대 질소가 또한 이리듐 원자에의 리간드 결합에 관여하는 경우, 3개의 동일한 리간드 L에서, 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L3는 면(fac) 이성질체 및 자오선(mer) 이성질체라 불리는 2종의 이성질체를 가질 수 있다. 예를 들어, 질소 원자는 면 이성질체에서 중심의 이리듐 이온에 대하여 3개의 공간 방향으로 배열하고, 자오선 이성질체에서는 이리듐 이온이 있는 평면에 배열된다. Ir(Ⅲ)(페닐 피리딘)3의 경우, 면 이성질체는 자오선 이성질체보다 현저히 높은 양자 수율을 갖는다.
아직 공개되지 않은 PCT 등록 출원 번호 PCT/IB2004/052328호인 문헌 D1에 디벤조[f,h]퀴놀린의 2 또는 3개의 경직(rigid) 리간드 L을 포함하는 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L2M 및 Ir(Ⅲ)L3가 기재되어 있다. 경직 리간드는 매트릭스 물질에의 전기적 결합의 측면에서 유리하고, 예를 들어 페닐 피리딘과 같이 덜 경직인 리간드보다 예리한 방출 스펙트럼를 나타낸다. 3개의 디벤조퀴놀린 리간드의 이리듐 착물은, 예를 들어 육안의 최대 감도인 555 nm에 가까운 545 nm의 방출을 갖는 Ir(디벤조퀴놀린)2(펜탄-2,4-디오네이트)와 같은 단지 2개의 디벤조퀴놀린 리간드를 포함하는 바람직한 이리듐 착물에서 보다 장파장인 595 nm에서 방출을 나타낸다. 그러나, 3개의 동일한 리간드를 갖는 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L3와 달리, 2개의 동일한 리간드를 갖는 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L2M은 양자 수율의 측면에서 어떠한 유리한 fac/mer 이성질체 특성도 갖지 않는다. 현재 전기발광 화합물의 점점 떨어지는 양자 수율로 인해, 개선된 광 수율을 갖는 신규한 전기발광 화합물에 대한 요구가 끊임없이 있어왔다.
본 발명의 목적은 개선된 방출 특성 및 개선된 루멘 출력을 갖는 사용가능한 이리듐 착물을 제조하는 것이다.
상기 목적은 중심의 이리듐 이온 Ir(Ⅲ), 디오네이트로서 펜탄-2,4-디오네이트 (acac), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트 (thd), 7,7-디메틸-1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-4,6-옥탄디오네이트 (fod), 4,4,4-트리플루오-1-(2-티에닐)부탄-1,3-디오네이트 (ttfa), 1,3-디페닐프로판-1,3-디오네이트 (dbm), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-나프틸)부탄-1,3-디오네이트 (tfnb) 또는 4,4,4-트리플루오로-1-(1-나프틸)부탄-1,3-디오네이트를 포함하는 군으로부터의 리간드 L3, 및 각 리간드 결합에 참여하는 하나의 질소 및 탄소 원자를 갖는 2개의 경직 방향족 리간드 L1 및 L2를 갖는 발광용 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L1L2L3에 의해 달성되고, 상기 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L1L2L3는 리간드 결합에 참여하는 리간드 L1의 질소 원자와 리간드 결합에 참여하는 리간드 L2의 질소 원자가 중심의 이리듐 이온에 대하여 병렬되어 있는, 제1 이성질체 (71, 81)로서 존재하는 것을 특징으로 한다. 놀랍게도, 본 발명에 따른 2개의 리간드 L1 및 L2를 갖는 이리듐 착물 Ir(Ⅲ)L1L2L3의 합성 과정에서, 본 발명에 따른 제1 이성질체 및 제2 이성질체 (여기서, 리간드 결합에 참여하는 질소 원자와 중심의 이리듐 이온이 서로 굽은 각도로 배열됨)인 2개의 이성질체가 항상 수득된다. 놀랍게도, 2개의 이성질체는 그들의 방출 특성에서 조차, 전기발광 소자에서 발광 물질로서 매우 상이하게 작용한다. 본 발명에 따른 제1 이성질체는 3배를 넘는 비율로 보다 높은 양자 수율에 의해 구별된다.
본 명세서에서, "경직(rigid)"이라는 표현은, 피리딜(pyridyle) 고리와 페닐 고리가 서로에 대하여 회전할 수 없는 리간드의 경우를 이른다. 이는 본 발명에 따른 리간드에서 피리딜 및 페닐 고리의 적절한 추가의 가교에 의하여 달성된다. 리간드가 디벤조[f,h]퀴놀린, 벤조[h]퀴놀린 또는 5,6-디히드로-벤조[h]퀴놀린으로 이루어진 군으로부터의 물질이면 유리하다. 이 물질들은 그들의 유리한 전자 구조, 예를 들어, 고 에너지로 높게 깔린 제1 삼중항 수준에 의해 구별된다. 본 발명에 따른 이리듐 착물이 동일한 리간드 L1 및 L2를 갖는 경우에 특히 유리하다. 이들 리간드가 디벤조[f,h]퀴놀린인 경우, 보다 더 유리하다. 이들 리간드는, 예를 들어, 벤조[h]퀴놀린 보다 큰 방향족 시스템을 갖고, 그로 인해 전하에 대해 현저히 우수한 이동성을 갖는다.
이리듐 착물이, 리간드 L3로서, 우수한 착물 특성을 갖는 펜탄-2,4-디오네이트(이하, "acac"라고도 함), 또는 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트 (thd)를 갖는 경우에 특히 유리하다.
또한, 본 발명은 청구항 1 에 청구된 바와 같은 이리듐 착물의 제1 이성질체(71, 81) 성분을 발광 물질의 총량에 대하여, 90 % 초과, 바람직하게는 95 %를 초과하는 양으로 함유하는, 발광 물질을 포함하는 유기 전기발광층을 갖는 전기발광 소자에 관한 것이다. 통상적인 합성 방법은 이리듐 착물의 총량을 기준으로 하여 17% 내지 20%의 제2 이성질체 성분비를 갖는, 제1 및 제2 이성질체의 혼합물로부터 이리듐 착물을 제공한다. 제2 이성질체의 성분이 10% 또는 5%로 감소하는 경우, 전기발광층의 양자 수율은 각각 6% 내지 9% 또는 10% 내지 13% 증가할 수 있다. 발광 물질의 100%가 본 발명에 따른 이리듐 착물의 제1 이성질체로 이루어지는 경우, 양자 수율이 15% 내지 17% 만큼 증가할 수 있다.
발광 물질이 정공 및 전자-전도 매트릭스 물질 내에 매립되고, 이리듐 착물의 제1 이성질체 (71, 81)이 매트릭스 물질에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 2 중량% 내지 12 중량%의 중량 성분비를 갖는 경우, 발광 물질의 효율적인 여기에 특히 유리하다. 중량% 단위는 중량을 기준으로 한 퍼센트를 나타낸다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 제1 이성질체에 추가로 제2 이성질체(리간드 L1 및 L2의 질소 원자가 중심의 이리듐-이온과 함께 하나의 평면에 놓여 있음)를 함유하는 다량의 이리듐 착물로부터 청구항 1에 청구된 바와 같은 이리듐 착물의 제1 이성질체를 분리하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 제1 및 제2 이성질체로 된 다량의 이리듐 착물을 고정상, 바람직하게는 SiO2가 함유된 크로마토그래피컬럼 내에 충전하는 단계; 제1 및 제2 이성질체를 컬럼 길이가 적절한 크로마토그래피 컬럼에서, 용출 매질, 바람직하게는 4:1:0.2 비율의 디클로로메탄/헥산/에테르를 사용하여 분리하는 단계; 컬럼 크로마토그래피에서 분리 시간의 함수로서 용출 매질로부터 다양한 비율의 제1 및 제2 이성질체 용액을 회수하는 단계; 이성질체-특이적 Rf-값(여기서, 제1 이성질체는 제2 이성질체보다 Rf 값이 큼)을 기초로 하는 박층 크로마토그래피를 실시하여 제1 및 제2 이성질체간의 비율을 측정하는 단계; 및 이리듐 착물 총량 중 제2 이성질체 성분을 바람직하게는 1% 이하인 그의 임계치를 초과하여 함유하는, 여러 용기에서 회수한 물질에 대하여 단계 1부터 순서를 반복하는 단계를 포함한다. 이동상 구간에 대한 연구 물질 구간의 비율은 박층 크로마토그래피에서 Rf 값으로서 표시된다.
제1 이성질체를 분리하기 위한 방법은, 제1 이성질체 (71, 81)과 제2 이성질체 (72, 82)간의 관계를 측정하기 위한 박층 크로마토그래피에서 이동상인 에틸 아세테이트/헥산을 2:1의 비율로 사용하는 경우에 특히 유리하며, 이때 제1 이성질체 (71, 81)의 Rf 값은 0.81이고, 제2 이성질체 (72, 82)의 Rf 값은 0.72이다.
상기 설명을 포함하는 본 발명의 기타 측면은 이하 서술되는 실시태양과 관련한 비제한적 실시예로부터 명백하며, 명료해질 것이다.
도 1은 기판(1) 및 그 위에 적층된 적어도 하나의 양극(2), 전기발광층(4) 및 음극(6)을 갖는 전기발광 소자를 나타낸 것이다. 전기발광 소자의 효율을 개선시키기 위해, 도 1에 나타낸 바와 같이, 추가로 양극(2)와 전기발광층(4) 사이에 정공-수송층(3)을, 음극(6)과 전기발광층(4) 사이에 전자-수송층(5)를 가질 수 있다. 기판 (하부-이미터)를 관통하는 빛의 원하는 출구 방향 또는 기판의 반대쪽 면 (상부-이미터)에 따라, 층 구조는 또한 역순으로 배열될 수 있다.
하부-이미터의 경우에, 기판(1)은 바람직하게는 투명 유리판 또는 투명 플라스틱판이다. 플라스틱판은 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 함유할 수 있다. 양극(2)는 바람직하게는 투명하고, 예를 들어, p-도핑된 규소, 인듐-도핑된 주석 산화물 (ITO) 또는 안티몬 도핑된 주석 산화물 (ATO)을 함유할 수 있다. 양극은 바람직하게는 2종의 ITO를 함유한다. 양극(2)는 구조화되는 것이 아니라, 평면으로서 제조된다. 음극(6)은 알루미늄, 구리, 은 또는 금과 같은 금속, 합금 또는 n-도핑된 규소를 함유할 수 있다. 음극(6)은 또한 바람직하게는 2 이상의 전도성 층을 가질 수 있다. 음극(6)이 예를 들어 칼슘, 바륨 또는 LiF와 같은 비(卑)금속의 제1 층 및 알루미늄의 제2 층을 함유하는 것이 특히 바람직할 수 있다. 음극(6)은 구조화될 수 있고, 예를 들어, 전도성 물질(들)의 다수의 평행 스트립을 함유할 수 있다. 이와 달리, 음극(6)은 비구조화될 수 있고, 평면으로서 제조될 수 있다. 양극(2)는, 바람직한 실시태양에서, 예를 들어, 테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄 (F4-TCNQ)으로 1% 도핑된 4.4',4"-트리스-(N-(3-메틸-페닐)-N-페닐아미노)-트리페닐아민 (MTDATA)으로 이루어진 정공 주입층, 및 예를 들어, 트리아릴아민, 디아릴아민, 트리스틸벤아민 또는 폴리에틸렌 디옥시티오펜 (PDOT)과 폴리(스티렌 술포네이트)의 혼합물로 이루어진 정공 수송층을 포함하는 제1 정공-수송층(3)에 접해있다.
예를 들어, 트리-(8-히드록시-키놀레이토)-알루미늄 (Alq3), 1,3,5-트리-(l-페닐-1H-벤즈이미다졸-2-일)벤졸 (TPBI), 또는 1,3,4-옥사디아졸 또는 1,2,4-트리아졸과 같은 저-전자 헤테로시클릭 화합물을 함유할 수 있는 정공-차단 및 전자-수송층(5)는 음극(6)과 전기발광층(4) 사이에 배치된다.
본 발명에 따른 전기발광층(4)는 발광 물질로서 이리듐 착물의 제1 이성질체(71, 81)을 포함한다. 이때, 이리듐 착물은 단독으로(발광층(4)의 총 중량에 대하여 100 중량%임) 또는 발광층(4)에서 정공- 또는 전자-수송 물질의 매트릭스내에 매립되어 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이리듐 착물의 양은, 발광층(4)의 매트릭스 물질 및 발광 물질의 총 중량에 대하여, 1 중량% 내지 50 중량%, 특히 바람직하게는 2 중량% 내지 12 중량%이다. 매트릭스 물질의 선택은 이리듐 착물의 요구조건에 따라 달라진다. 예를 들어, 매트릭스는 4.4',4"-트리(N-카르바졸릴)트리페닐아민 (TCTA), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BCP), 1,3,5-트리-(1-페닐-1H-벤즈이미다졸-2-일)벤졸 (TPBI) 또는 N,N-디페닐-N,N-디-(3-메틸-페닐)-벤지딘 (TPD)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발광 이리듐 착물은 중심의 이리듐 이온과 3개의 리간드 L1, L2 및 L3간의 리간드 결합에 의해 구별된다. 리간드 및 L2은 각각 리간드 결합에 참여하는 질소 원자 및 탄소 원자를 함유한다. 본 발명에 따른 이리듐 착물은, 리간드 결합에 참여하는 질소 원자들이 중심의 이리듐 이온에 대하여 서로 병렬된다는 점에서 구별된다. 리간드 L1 및 L2는 리간드의 전기적 특성 및 더 나아가 이리듐 착물의 전자적 특성에 영향을 끼치는 다른 치환기 R을 추가로 가질 수 있다. L1 및 L2에 대한 특히 바람직한 예는 하나 이상의 치환기 R1, R2 및/또는 R3를 가질 수 있는, 디벤조[f,h]퀴놀린, 벤조[h]퀴놀린 및/또는 5,6-디히드로-벤조[h]퀴놀린이다.
치환기 R1, R2, R3 등은, 예를 들어, 선형 또는 분지형 C1-C8-알킬기, C2-C6-알케닐기, C3-C8-시클로알킬기, C1-C6-알키닐기, 아릴기, 헤테로아릴기, C1-C6-헤테로시클로알킬기, 아민, 포스페이트, 포스핀기, 포스핀 산화물 기, 할로겐, 술페이트기, 술포네이트기, 술폰기, 카르복실레이트, C2-C6-알콕시기, 포스페이트기 등을 함유할 수 있다. 치환기 R1, R2 및 R3는 동일하거나 상이할 수 있다.
착물화 특성이 있는 리간드 L3은 하기 디오네이트 군으로부터의 음이온이다:
치환기 R4 및 R5는, 예를 들어, 선형 또는 분지형 C1-C8-알킬기, C2-C6-알케닐기, C3-C8-시클로알킬기, C1-C6-알키닐기, 아릴기, 헤테로아릴기, C1-C6-헤테로시클로알킬기, 아민, 포스페이트, 포스핀기, 포스핀 산화물 기, 할로겐, 술페이트기, 술포네이트기, 술폰기, 카르복실레이트, C2-C6-알콕시기, 포스페이트기 등을 함유할 수 있다. 치환기 R4과 R5는 동일하거나 상이할 수 있다.
바람직하게는, 제3 리간드 L3는 펜탄-2,4-디오네이트 (acac), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트 (thd), 7,7-디메틸-1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-4,6-옥탄디오네이트 (fod), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-티에닐)부탄-1,3-디오네이트 (ttfa), 1,3-디페닐프로판-1,3-디오네이트 (dbm), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-나프틸)부탄-1,3-디오네이트 (tfnb) 및 4,4,4-트리플루오로-1-(1-나프틸)부탄-1,3-디오네이트의 군으로부터 선택된다. 이들 화합물은 모두 공지되어 있으며, 착물화가 잘되는 리간드이다. 아주 바람직한 리간드는 펜탄-2,4-디오네이트 (acac)이다.
도 2는 예로써 각각 (7)로 언급되는 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac) 및 (8)로 언급되는 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)인, 2개의 상이한 이리듐 착물 (7) 및 (8)의 상면도를 나타낸 것이고, 여기에 단지 2개의 리간드 L1 및 L3가 나타나 있다. 도 2는 이리듐 착물 (7)의 리간드 L1으로서 벤조[h]퀴놀린, 이리듐 착물 (8)의 리간드 L1로서 디벤조[f,h]퀴놀린을 나타낸 것이다. 이들 Ir-착물은 두 가지 이성질체, 즉, 제1 이성질체(71 및 81) 및 제2 이성질체(72 및 82)를 가지며, 이들의 공간적 결합 패턴은 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac)에 대하여는 (71) 및 (72), 및 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)에 대하여는 (81) 및 (82)로써 도 2에 나타나 있다. 이리듐 착물 (7) 및 (8)의 리간드 L3는 디오네이트 군으로부터의 리간드이며, 이러한 예로는 펜탄-2,4-디오네이트 (acac)가 있다. 리간드의 공간적 위치는 리간드의 상응하는 질소-탄소 쌍을 연결시키는 각각의 호(arc)에 의해 표시된다. 본 발명에 따른 제1 이성질체는, 리간드 결합에 참여하는 이리듐 원자에 대한 질소 원자(N)의 위치에 있어서 제2 이성질체와 다르다. 본 발명에 따른 제1 이성질체 (71) 및 (81)의 경우에 있어서, 질소 원자(N) 들은 중심의 이리듐 이온에 대하여 반대쪽에 위치(트랜스-위치라고 함)하는 반면, 이리듐 착물 결합에 참여하는 탄소 원자(C) 들은 이리듐 원자에 대해 마주하여 서로 이웃하여 위치(시스-위치라고 함)한다. 따라서, 질소 원자는 리간드 L3의 수소 원자 및 중심의 이리듐 이온에 의해 걸쳐있는 평면(9)의 외부에 위치한다.
도 1에 나타낸 제2 이성질체 (72) 및 (82)에서, 이리듐 착물 결합에 참여하는 질소 원자들 및 이리듐 착물 결합에 참여하는 탄소 원자들은 인접한 시스-위치를 차지한다. 이 경우, 각각 1개의 질소 및 1개의 탄소가 평면 (9)상에 존재한다. 따라서, 본 발명에 따른 제1 이성질체 (71) 및 (81)은 (C-시스, N-트랜스)-기하학적 배열인 반면, 제2 이성질체 (72) 및 (82)는 (C-시스, N-시스)-기하학적 배열을 갖는 것에 의해 구별된다. 도 2에 나타낸 리간드 L1 및 L2는, 예를 들어, 다른 실시태양에서 추가의 치환기 R1, R2 및/또는 R3도 가질 수 있다.
그러나, 본 발명은 또한, 중심의 이리듐 이온에 대하여 (C-시스, N-트랜스)-기하학적 배열로서 도 2에 도식적으로 나타낸 리간드 결합을 유사하게 갖는 다른 경직 리간드를 함유하는 이리듐 착물의 제1 이성질체를 포함한다. 이 경우에도, 리간드는 하나 이상의 치환기 R1, R2, R3를 함유할 수 있다. 치환기 R1, R2, R3 등은 예를 들어, 선형 또는 분지형 C1-C8-알킬기, C2-C6-알케닐기, C3-C8-시클로알킬기, C1-C6-알키닐기, 아릴기, 헤테로아릴기, C1-C6-헤테로시클로알킬기, 아민, 포스페이트, 포스핀기, 포스핀 산화물 기, 할로겐, 술페이트기, 술포네이트기, 술폰기, 카르복실레이트, C2-C6-알콕시기, 포스페이트기 등을 함유할 수 있다.
제1 이성질체 (71)과 (81), 및 제2 이성질체 (72)와 (82)는, 도 3에서 예를 들어, Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac) (71) 및 (72) (왼쪽: 벤조[h]퀴놀린 (bzq으로 표시함), 오른쪽: acac), 및 도 4에서 예를 들어, Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac) (81) 및 (82) (왼쪽: 디벤조[f,h]퀴놀린 (dbzq으로 표시함), 오른쪽: acac)로 나타낸 바와 같이, CDCl3 중에 용해시킨 이리듐 착물의 1H NMR 스펙트럼에 의해 구별지어질 수 있다. 도 3 및 4에 중수소화 트리클로로메탄(CDCl3) 용매의 선에 상응하는, 스펙트럼에서 SP로 표시되는 선을 나타내었다. 제1 이성질체는 (bzq)의 경우, 6.7 ppm 내지 7.0 ppm 및 7.4 ppm 내지 8.0 ppm의 범위, 및 (dbzq)의 경우, 6.6 ppm 내지 7.1 ppm 및 7.5 ppm 내지 9.2 ppm의 범위에서 제2 이성질체보다 현저하게 적은 스펙트럼선을 나타낸다. 유사하게, 제3 리간드 L3에 대한 시그날은 제1 및 제2 이성질체간에 현저한 차이를 보인다. 각 제2 이성질체에서, (acac)-스펙트럼은 제1 이성질체의 경우에서 존재하지 않는 특징적인 스펙트럼 갈라짐을 갖는다.
본 발명에 따른 이리듐 착물의 제1 이성질체인 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac) (71) 및 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac) (81)에 대한 상세한 분광학적 데이터는 다음과 같다:
X-선 결정학을 사용하여, 제1 이성질체에서 2개의 N-Ir 결합 및 2개의 Ir-O 결합의 각각의 길이가 같은 반면, 제2 이성질체에서는 2개의 N-Ir- 결합 및 2개의 Ir-O- 결합의 길이가 현저하게 다르다는 것이 나타났으며, 이는 특히 스펙트럼 차이에서 현저히 나타났다.
제1 이성질체의 양자 수율은 놀랍게도, 예를 들어, Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac) 및 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)에 있어서 3.83 및 3.76배 만큼 제2 이성질체에서 보다 현저하게 높다. 다른 이리듐 착물에 대한 비교 연구 결과, 예를 들어, Ir-(페닐피리딘)2(acac)와 같이 보다 덜 경직인 다른 이리듐 착물이 이러한 이성질체 특성을 가질지라도, 제1 이성질체의 유리한 효과는 오직 경직 리간드에 대해서만 발생하는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에서, "경직"이라는 표현은 피리딜 고리와 페닐 고리가 서로에 대하여 회전할 수 없는 리간드의 경우를 이른다. 이는 본 발명에 따른 리간드에서 피리딜 및 페닐 고리의 적절한 추가의 가교에 의하여 달성된다.
도 5는 CH2Cl2 중에 용해시킨 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac)-착물의 제1 이성질체 (71) 및 제2 이성질체 (72)의 방출 스펙트럼을 실온에서 파장의 함수로서 임의의 단위로 나타낸 것이다. Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac)에 대한 방출 최대값은 551 nm 내지 563 nm의 범위 내에 있으며, 여기서 제1 이성질체 (71)의 551 nm에서의 방출 최대값은 제2 이성질체에 비해 단파장 쪽으로 12 nm 이동해 있다. A로 표시된 스펙트럼선은 흡수선이다. 흡수는 리간드 종류에 의해 좌우되므로 주로 이성질체에 영향을 받지 않기 때문에, 2개의 이성질체는 거의 서로 다르지 않다.
도 6는 CH2Cl2 중에 용해시킨 Ir-(디벤조[h]퀴놀린)2(acac)-착물의 제1 이성질체 (81) 및 제2 이성질체 (82)의 방출 스펙트럼을 실온에서 파장의 함수로서 임의의 단위로 나타낸 것이다. Ir-(디벤조[h]퀴놀린)2(acac)에 대한 방출 최대값은 537 nm 내지 553 nm의 범위 내에 있으며, 여기서 제1 이성질체 (81)의 537 nm에서의 방출 최대값은 제2 이성질체에 비해 단파장 쪽으로 16 nm 이동해 있다. 또한, 도 5 및 6의 비교에서 볼 수 있는 바와 같이, 방출은 또한 리간드의 크기에 좌우된다는 것도 판명되었다. A로 표시된 스펙트럼선은 흡수선이다. 흡수는 리간드 종류에 의해 좌우되므로 주로 이성질체에 영향을 받지 않기 때문에, 2개의 이성질체는 거의 서로 다르지 않다.
도 l은 전기발광 소자의 횡단면을 나타낸 것이다.
도 2는 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac) 및 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)의 제1 및 제2 이성질체의 공간적 결합 패턴을 나타낸 것이다.
도 3은 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac)의 제1 및 제2 이성질체의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)의 제1 및 제2 이성질체의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5 및 6은 각각의 제1 및 제2 이성질체에 대하여 Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac) 및 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)의 흡수 - (A) 및 방출 스펙트럼을 나타낸 것이다.
이리듐 착물에 대한 공지된 합성 방법은, 예를 들어, 중간 생성물로서 디클 로로-가교된 이량체 (디벤조퀴놀린)2Ir(μ-Cl)2(디벤조퀴놀린)2를 통해 Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac)를 제조하는 것이다. 본 발명에서, 디벤조퀴놀린 (dbzq) 0.4Og 용액을 질소 분위기 하, 2-에톡시에탄올 15 ml 중에 준비하였다. 그 다음, Ir(Ⅲ)-클로로히드레이트 및 물 5ml를 가하고, 24 시간 동안 회귀 흐름(return flow)으로 가열하였다. 실온으로 냉각시켜 수득한 황색 침전물을 원심분리하고, 메탄올로 여러번 세척하였다. 디클로로-가교된 이량체 (dbzq)2Ir(μ-Cl)2(dbzq)2 0.47 g을 질소 분위기하에서 2-에톡시에탄올 10ml 중에 용해시키고, 탄산나트륨 0.25 g 및 아세틸 아세토네이트 0.12 ml를 상기 용액에 가한 후, 이 용액을 회귀 흐름으로 10시간 동안 100 ℃에서 가열하였다. 그 다음, 물을 가하고, 수득한 황색 침전물을 원심분리하고, 메탄올로 여러번 세척한 다음, 침전물을 진공 상태에서 건조시켰다. 상기 방법에서, Ir-(디벤조[f,h]퀴놀린)2(acac) 착물은 제1 및 제2 이성질체의 비율이 4:1인 혼합물로서 수득된다. 시간 및 온도와 같은 합성 조건의 변동은 이성질체 비율에 단지 미비한 영향을 끼친다. 이리듐 착물을 제조하기 위한 다른 공지된 합성 방법은 이성질체 비율에 있어서 유사한 결과를 제공한다.
제2 이성질체의 상대적인 성분비는 리간드 L1, L2의 크기가 확대함에 따라 증가하고; 이에 상응하게, 보다 작은 리간드를 사용하여 합성함으로써 보다 유리한 비율이 얻어지며, 예를 들어, Ir-(벤조[h]퀴놀린)2(acac)는 제1 이성질체 대 제2 이성질체 비율이 5:1로 수득된다. 그러나, 보다 우수한 로딩 수송 특성으로 인해, 보다 큰 리간드가 전기발광 소자에 바람직하다.
개선된 발광 물질을 사용하여 양자 수율의 개선을 달성하기 위해, 제1 및 제2 이성질체는 우선 서로 분리되어야 한다. 제1 이성질체의 양자 수율이 3.8 배 정도 더 높은 만큼, 이성질체 분리를 수행하지 않은 발광 이리듐 착물과 비교할 때, 제1 이성질체의 성분을 이리듐 착물의 총량에 대해 90 %를 초과하여 포함하는 경우에는 9 % 이상, 이리듐 착물의 총량에 대해 95 %를 초과하여 포함하는 경우에는 13 % 이상 양자 수율이 증가할 수 있다. 본 발명에 따른 제1 이성질체가 발광 물질의 100 %를 구성하는 경우, 양자 수율의 증가는 17 %일 수 있다.
이리듐 착물로부터 전적으로 제1 이성질체를 제조하기 위한 두 이성질체의 분리는 컬럼 크로마토그래피를 사용하여 본 발명에 따른 분리 방법에 의해 가능하다. 두 이성질체는 무엇보다도 소위 Rf 값에 있어서 서로 상이하다. 박층 크로마토그래피에서 이동상, 예를 들어, 부탄올 또는 페놀 수용액의 전개에 대한 연구 물질의 전개 비율은 Rf-값 (또는 "relate-to-front"로도 명명됨)으로서 적절한 종이 상에 플롯팅된다.
상기 목적을 위하여, 제1 및 제2 이성질체로 된 다량의 이리듐 착물을 컬럼 길이가 적절한 크로마토그래피 컬럼을 사용하여 제1 및 제2 이성질체로 분리하였다. 상기 방법은 다량의 이리듐 착물을 고체상, 바람직하게는 SiO2가 함유된 크로마토그래피 컬럼내에 충전하는 단계; 컬럼 크로마토그래피에서 용출 매질, 바람직하게는 4:1:0.2 비율의 디클로로메탄/헥산/에테르를 사용하여 제1 이성질체 및 제2 이성질체를 분리하는 단계(여기서, 제1 이성질체는 제2 이성질체보다 Rf 값이 큼); 컬럼 크로마토그래피에서 분리 시간의 함수로서 제1 및 제2 이성질체를 포함하는 용출 매질 용액을 여러 저장 용기에 회수하는 단계; 이성질체-특이적 Rf-값을 사용하는, 예를 들어, 이동상으로 에틸아세테이트 (EtOAc)/헥산 2:1을 사용하여, 제1 이성질체에 대해 0.81 값 및 제2 이성질체에 대해 0.72 값을 갖는 박층 크로마토그래피로 제1 및 제2 이성질체간의 양적 비율을 측정하는 단계; 및 제2 이성질체 성분을, 바람직하게는 1% 이하인 그의 임계치를 초과하여 함유하는, 여러 용기에 회수된 물질에 대하여 단계 1부터 상기 과정을 반복하는 단계를 포함한다. 제1회차 크로마토그래피 순환 후에, 제1 이성질체 70 %가 순수한 형태로 수득된다. 제1 및 제2 이성질체의 Rf 값은 리간드의 선택에 따라 달라진다.
본 발명에 따른 전기발광 소자에 대한 예시적 실시태양:
인듐 주석 산화물 (ITO)로 이루어진 두께 150 nm의 양극을 포함하는 유리 기판;
F4-TCNQ 1% 를 포함하는 MTDATA의 정공 주입층, 두께 400 nm;
도핑되지 않은 MTDATA의 정공 수송층, 두께 lOO nm;
제1 이성질체 100 %로 된, 본 발명에 따른 이리듐 착물 9 중량%를 포함하는 TPD의 방출 층, 두께 150 nm;
TPBI의 정공 차단- 및 전자 수송층, 두께 500 nm;
LiF의 전자 주입층, 두께 1 nm;
알루미늄 음극, 두께 70 nm.
전기발광층 (방출층)은 또한 본 발명에 따른 이리듐 착물 외에, 예를 들어, 색상 광, 특히 백색 광을 생성하기 위한 기타 발광 물질을 추가로 함유할 수 있다.
도면 및 서술로써 설명된 실시태양은 단지 전기발광 소자의 방출 특성 및 루멘 출력에서의 개선에 대한 실시예를 나타내는 것이고, 특허청구범위가 상기 실시예에 의해 제한되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 본 특허청구범위의 보호 범위에 포함되는 대안적인 실시태양이 당업자에게 가능하다. 독립항의 수는 청구항들의 다른 조합이 본 발명의 유리한 실시태양을 나타내지 않는다는 것을 암시하는 것으로 이해되어서는 안된다.
Claims (9)
- 중심의 이리듐 이온 Ir(Ⅲ), 디오네이트로서 펜탄-2,4-디오네이트 (acac), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트 (thd), 7,7-디메틸-1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-4,6-옥탄디오네이트 (fod), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-티에닐)부탄-1,3-디오네이트 (ttfa), 1,3-디페닐프로판-1,3-디오네이트 (dbm), 4,4,4-트리플루오로-1-(2-나프틸)부탄-1,3-디오네이트 (tfnb) 또는 4,4,4-트리플루오로-1-(1-나프틸)부탄-1,3-디오네이트를 포함하는 군으로부터의 리간드 L3, 및 각각 리간드 결합에 참여하는 하나의 질소 및 탄소 원자를 갖는 경직 방향족 리간드 L1 및 L2를 가지며, 리간드 결합에 참여하는 리간드 L1의 질소 원자와 리간드 결합에 참여하는 리간드 L2의 질소 원자가 중심의 이리듐 이온에 대하여 병렬되어 있는 제1 이성질체 (71, 81)로서 존재하는 것을 특징으로 하는, Ir(Ⅲ)L1L2L3로 표시되는 발광용 이리듐 착물.
- 제1항에 있어서, 리간드 L1 및 L2가 디벤조[f,h]퀴놀린, 벤조[h]퀴놀린 및/또는 5,6-디히드로-벤조[h]퀴놀린 군으로부터의 리간드인 것을 특징으로 하는 이리듐 착물.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 리간드 L1과 L2가 동일한 것을 특징으로 하는 이리듐 착물.
- 제3항에 있어서, 리간드 L1 및 L2가 디벤조[f,h]퀴놀린인 것을 특징으로 하는 이리듐 착물.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 리간드 L3가 펜탄-2,4-디오네이트 (acac) 또는 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트 (thd)인 것을 특징으로 하는 이리듐 착물.
- 제1항에 청구된 바와 같은 이리듐 착물의 제1 이성질체(71, 81) 성분을 발광 물질의 총량에 대하여, 90 % 초과, 바람직하게는 95 %를 초과하는 양으로 함유하는 발광 물질을 포함하는 유기 전기발광층(4)를 갖는 전기발광 소자.
- 제6항에 있어서, 발광 물질이 정공- 및 전자-전도성 매트릭스 물질 내에 매립되어 있으며, 이리듐 착물의 제1 이성질체 (71, 81)이 매트릭스 물질에 대하여 1 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 2 중량% 내지 12 중량%의 중량 성분비로 함유되는 것을 특징으로 하는 전기발광 소자.
- 제1 및 제2 이성질체로 된 다량의 이리듐 착물 (7, 8)을 고정상, 바람직하게는 SiO2가 함유된 크로마토그래피 컬럼 내에 충전하는 단계;제1 이성질체 (71, 81) 및 제2 이성질체 (72, 82)를 컬럼 길이가 적절한 크로마토그래피 컬럼에서, 용출 매질, 바람직하게는 4:1:0.2 비율의 디클로로메탄/헥산/에테르를 사용하여 분리하는 단계;컬럼 크로마토그래피에서 분리 시간의 함수로서 다양한 비율의 제1 이성질체 (71, 81) 및 제2 이성질체 (72, 82)를 함유하는 용출 매질 용액을 회수하는 단계;이성질체-특이적 Rf-값을 기초로 하는 박층 크로마토그래피를 사용하여 제1 및 제2 이성질체간의 양적 비율을 측정하는 단계(여기서, 제1 이성질체 (71, 81)는 제2 이성질체 (72, 82)보다 Rf 값이 큼); 및이리듐 착물 (7, 8)의 총량 중 제2 이성질체 (72, 82) 성분을 바람직하게는 1% 이하인 그의 임계치를 초과하여 함유하는, 여러 용기에 회수된 물질에 대하여 단계 1부터 상기 과정을 반복하는 단계를 포함하는, 제1항에 청구된 바와 같은 이리듐 착물의 제1 이성질체를, 제1 이성질체 (71, 81)에 더하여 제2 이성질체 (72, 82)(리간드 L1 및 L2의 질소 원자가 중심의 이리듐-이온에 대하여 굽은 각도로 놓여 있음)를 함유하는 다량의 이리듐 착물 (7, 8)로부터 분리하는 방법.
- 제8항에 있어서, 제1 이성질체 (71, 81) 및 제2 이성질체 (72, 82)간의 비율을 측정하기 위한 박층 크로마토그래피에서, 이동상으로서 에틸아세테이트 (EtOAc)/헥산을 2:1의 비율로 사용하고, 이 때 제1 이성질체 (71, 81)은 0.81의 Rf 값, 제2 이성질체 (72.82)는 0.72의 Rf 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 제1 이성질 체의 분리 방법.
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