KR20090111042A - 피콜리닉산-엔-옥사이드를 보조리간드로 갖는 이리듐계발광화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자 - Google Patents

피콜리닉산-엔-옥사이드를 보조리간드로 갖는 이리듐계발광화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주리간드로서 할로겐 화합물이 치환된 아릴 유도체와 알킬 또는 알콕시 치환기가 도입된 피리딘 유도체가 도입되어 있으며 보조 리간드로 피콜리닉산-N-옥사이드가 도입되어 있는 이리듐 착화합물 및 상기 이리듐 착화합물을 발광층의 도판트로 포함하는 인광용 유기전계발광소자를 제공한다. 본 발명에 따라 이리듐으로 도입된 주리간드와 보조리간드로 인하여 합성된 이리듐 착화합물은 발광 특성이 크게 개선되었을 뿐 아니라, 이리듐 착화합물을 발광층에 도핑시킴으로써 발광 효율 등이 종래와 비교하여 크게 향상된 소자를 얻을 수 있었다.
이리듐 착화합물(Iridium Complex), 피콜리닉산-N-옥사이드, 유기전계발광소자(OLED)

Description

피콜리닉산-엔-옥사이드를 보조리간드로 갖는 이리듐계 발광화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자{Iridium Complex with Picolinic acid-N-oxide Ancillary Ligand and Organic Light-Emitting Diodes Containing Iridium Complex}
본 발명은 이리듐 착화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 효율이 크게 개선할 수 있도록 피콜리닉산-N-옥사이드가 보조리간드로 도입된 이리듐 착화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자에 관한 것이다.
최근에 디스플레이 장치의 대형화에 따라 액정표시장치(liquid crystal display, LCD), 플라즈마디스플레이패널(plasma display panel, PDP) 등의 평면표시장치의 요구가 증가하고 있다. 이들 평면표시장치는 CRT와 비교하여 응답속도가 느리고 시야각의 제한이 있어서, 다른 표시장치에 대한 연구가 진행되고 있는데, 그 중의 하나가 전계발광소자이다.
종래 전계발광소자로는 ZnS, CdS 등의 p-n 접합으로 이루어진 무기물 반도체에 전계를 가했을 경우에 일어나는 발광상을 이용한 무기계 전계발광소자가 주로 사용되었으나, 무기계 전계발광소자의 경우 구동전압이 교류 220V 이상이 요구되고, 소자가 진공상태에서 제작되기 때문에 대형화가 어렵고, 특히 고효율의 청색을 얻기 곤란한 문제점이 있었다.
이런 문제점으로 인하여 유기물질을 이용한 유기전계발광소자(Organic Light-Emitting Diode, OLED)에 대한 연구가 진행되고 있다. 유기전계발광소자는 스스로 발광하는 유기물질을 이용한 디스플레이로서, 유기물질에 전기장을 걸어주면 전자(electron) 및 정공(hole)이 각각 음극 및 양극에서 전달되어 유기물질 내에서 결합하고, 이때 생성되는 에너지가 빛으로 방출되는 유기물 전기발광을 이용한다. 유기전계발광소자는 LCD 등과 비교할 때 시야각이 양호하고 소비전력이 낮을 뿐만 아니라 응답속도가 크게 개선되어 고화질의 영상을 처리할 수 있기 때문에 차세대 디스플레이 소자로 각광을 받고 있다.
이와 같은 유기전계발광소자에서 빛이 방출되는 현상은 크게 형광(fluorescence)과 인광(phosphorescence)으로 구분될 수 있는데, 형광이 유기 분자가 단일항(single) 여기상태로부터 바닥상태로 떨어질 때 빛을 방출하는 현상이라면 인광은 유기분자가 삼중항(triplet) 여기상태로부터 바닥상태로 떨어질 때 빛 을 방출하는 현상이다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 발광층을 포함하여 유기전계발광소자에 도핑된 유기화합물은 원자상태의 탄소와 다른 탄소 상호간, 또는 원자상태의 탄소와 다른 원자 상호간에 전자를 공유하여 공유결합을 통하여 분자를 형성하는데, 이 과정에서 원자상태 전자궤도(원자 전자 궤도, Atomic Orbital, AO)가 분자상태의 전자궤도(분자 전자궤도, Molecular Orbital, MO)로 전환된다. 분자 전자궤도는 원자상태의 2쌍의 전자궤도가 각각 참여하여 결합궤도(Bonding Molecular Orbital)와 반결합궤도(Antibonding Molecular Orbital)를 각각 형성한다. 이때, 많은 결합궤도들에 의하여 형성된 띠를 가전자 띠(Valence Band)라고 하고, 많은 반결합궤도들에 의하여 형성된 디를 전도성 띠(Conduction Band)라고 하는데, 가전자 띠의 가장 높은 에너지 레벨을 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)라고 하고, 전도성 띠의 가장 낮은 에너지 레벨을 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)라고 하며, HOMO의 에너지와 LUMO의 에너지 차이를 밴드 갭(Band Gap)이라고 한다.
그런데, 유기전계발광소자를 구성하는 유기 발광층에 주입된 전자와 정공은 재결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고 이 엑시톤의 전기에너지가 빛에너지로 전환되는 과정에서 발광층의 에너지 밴드 갭에 해당하는 색상의 빛을 구현한다. 이 과정에서 스핀이 0인 단일항 엑시톤(singlet exciton)과 스핀이 1인 삼중항 엑시 톤(triplet exciton)이 1:3의 비율로 생성된다. 전기쌍극자 전이에 대한 선택 규칙에 따르면, 여기상태에서 바닥상태로 전이를 할 때 스핀 양자수가 바뀌지 않아야 하는데, 유기분자의 바닥상태는 단일항 상태이므로 단일항 엑시톤은 빛을 내며 바닥상태로 전이를 할 수 있으나, 삼중항 엑시톤은 빛을 내며 전이를 할 수 없다. 따라서 일반적으로 형광색소를 도핑한 유기전계발광소자의 경우 최대 내부 양자 효율은 25%로 제한된다. 그런데 스핀-궤도 결합(spin-orbital coupling)이 크면 단일항 형태와 삼중항 상태가 혼합되어 단일항-삼중할 상태 사이에서 계간전이(inter-system crossing)가 일어나므로 삼중항 엑시톤도 바닥상태로 인광을 내며 전이를 할 수 있다. 결국 삼중항 엑시톤을 모두 빛을 내는데 활용할 수 있으면 유기전계발광소자의 내부 양자효율은 이론적으로 100%까지 향상시킬 수 있다.
이와 같이 유기전계발광소자의 발광 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 인광용 유기전계발광소자(electrophosphorescence) 소자는 1999년 미국 프린스턴 대학의 S.R. Forrest 교수와 USC의 M.E. Thompson 교수팀에 의하여 개발되었는데, 특히 스핀-궤도 결합은 원자번호의 4제곱에 비례하므로 백금(Pt), 이리듐(Ir), 유로피움(Eu), 터븀(Tb) 등과 같은 무거운 원자의 착화합물이 인광 효율이 높은 것으로 알려져 있다. 백금 착화합물의 경우 가장 낮은 삼중항 엑시톤이 리간드에 중심을 두고 있는 ligand-centered 엑시톤(LC 엑시톤)이지만, 이리듐 착화합물은 가장 낮은 에너지를 갖는 삼중항 엑시톤이 중심금속-리간드 사이의 전하전달 상태(metal-ligand charge transfer, MLCT)이다. 따라서 이리듐 착화합물은 백금 착화합물과 비교하여 더 큰 스핀-궤도 결합을 형성하여 훨씬 짧은 삼중항 엑시톤 수명을 가지고 높은 인광 효율을 나타낸다.
이와 관련하여 C. Adachi 등은 이리듐을 중심 금속으로 갖는 녹색 인광 색소인 bis(2-phenylpyridine) iridium(Ⅲ) acetylacetonate [(ppy)2Ir(acac)]를 3-phenyl-4-(1'-naphthyl)-5-phenyl-1,2,4-triazole(TAZ)에 도핑하여 최대 발광 효율 60 lm/W, 최대 내부 양자 효율이 87% 수준인 유기전계발광소자를 발표한 바 있다. 또한 미국 Universal Display Corp.(UDC)에서는 이와 같은 녹색 인광 색소를 발광층에 도핑하고, LG 화학에서 개발한 정공주입물질을 사용하여 82 lm/W의 높은 발광 효율을 달성하였다고 발표한 바 있다. 이와 같이 녹색과 적색 빛을 내는 인광용 유기전계발광소자는 개발되어 있으나 현재까지 발광 효율, 색좌표 및 수명이 모두 우수한 청색의 인광용 유기전계발광소자는 아직 개발되어 있지 않다. 일례로 최근 Flrpic(Iridium (Ⅲ) bis[2,2'(4'-difluorophenyl)-pyridinato-N,C2'] picolinate)이라는 물질이 개발된 바 있으나 아직까지 색순도 면에서 완전한 청색 발광 물질이라고 보기에는 무리가 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 제안된 것으로, 본 발명의 일 목적은 특히 청색과 관련한 청색 발광특성과 발광 효율이 크게 개선된 이리듐 착화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유기용매에 대한 가용성이 향상되고 내열성이 크게 개선되며 전극과의 계면 특성이 우수한 이리듐 착화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 후술하는 발명의 구성 및 첨부하는 도면을 통하여 보다 분명해 질 것이다.
상기와 같은 목적을 갖는 본 발명에 따르면, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 이리듐 착화합물이 제공된다.
화학식 1
Figure 112008028177793-PAT00001
(화학식 1에서 R1은 탄소수 1~20의 알킬기 또는 탄소수 1~20의 알콕시기; Ar은 아릴기; R2는 할로겐, R3는 수소 또는 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 탄소수 1~20의 알킬기;
Figure 112008028177793-PAT00002
는 피콜리닉산-N-옥사이드이다.)
이때, 상기 화학식 1의 R1은 탄소수 1~10의 알킬기일 수 있으며, 상기 아릴기는 페닐, 나프탈렌(naphthalene), 플루오렌(fluorene), 카바졸(carbazole), 페나진(phenazine), 페난트롤린(phenanthroline), 페난트리딘(phenanthridine), 아크리딘(acridine), 시놀린(cinnoline), 퀴나졸린(quinazoline), 퀴녹살린(quinoxaline), 나프티드린(naphthydrine), 프탈라진(phtalazine), 퀴놀리진(quinolizine), 인돌(indole), 인다졸(indazole), 피리다진(pyridazine), 피라진(pyrazine), 피리미딘(pyrimidine), 피리딘(pyridine), 피리딘(pyridine), 피라졸(pyrazole), 이미다졸(imidazole), 피롤(pyrrole)로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 1의 R3은 할로겐으로 치환된 탄소수 1~10의 알킬기이며, 상기 화학식 1의 R2는 불소 또는 염소인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 상술한 이리듐 착화합물이 발광층에 포함되어 있는 유기전계발광소자가 제공된다.
이때, 본 발명에 따른 상기 유기전계발광소자는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향적으로 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 발광층은 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 적층되어 있을 수 있는데, 이 경우 상기 제 1 전극과 발광층 사이로 버퍼층과, 상기 발광층과 제 2 전극 사이로 전자전달층 및 전자주입층을 더욱 포함할 수 있다.
바람직한 태양에 따르면, 상기 버퍼층은 상기 제 1 전극의 상부로 적층된 정공주입층과, 상기 정공주입층의 상부로 적층되는 정공전달층을 포함하고 있으며, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 상기 발광층의 도판트로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 기존에 알려진 이리듐계 발광 재료에 비하여 발광색과 발광 효율이 크게 개선되었으며, 유기용매에 쉽게 용해될 수 있으므로 대면적의 발광 면적을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이리듐 착화합물은 주리간드로 알킬 또는 알콕시기가 치환된 피리딘 유도체 및 할로겐 화합물이 치환된 페닐 유도체를 도입하고, 보조리간드로 특히 피콜리닉산-N-oxide를 도입함으로써 종래 알려진 이리듐계 발광재료와 비교할 때 순수한 청색 발광색을 구현할 수 있는 물질로서 이를 발광층의 도판트로 사용함으로써 청색의 인광용 유기전계발광소자를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 이리듐 착화합물은 주리간드로 도입된 알킬 또는 알콕시기가 치환된 피리딘 유도체 및 할로겐 화합물이 치환된 페닐 유도체에 다양한 형태의 치환기를 도입함으로써 일반적인 유기용매에 가용성이며 내열 특성이 향상될 뿐만 아니라 전극과의 계면 특성이 매우 우수하며 박막 특성이 크게 우수한 발광 재료로 사용될 수 있다.
위에서 간략하게 살펴본 것과 같이, 유기전계발광소자에 있어서는 형광 특성을 갖는 발광 재료보다는 인광 특성을 갖는 발광 재료를 사용하는 것이 발광 효율 등에 있어서 유리하다. 본 발명에서는 이와 같은 인광 특성을 갖는 발광 재료 중에서 특히 청색 발광특성과 발광 효율이 향상될 뿐만 아니라, 각종 유기용매에 대한 가용성 내지는 상용성이 뛰어난 이리듐 착화합물 및 이리듐 착화합물을 발광층에 포함하는 유기전계발광소자를 개발하였다.
본 발명에 따른 이리듐 착화합물은 주리간드로서 방향족의 아릴 유도체와 피리딘 유도체가 각각 도입됨으로써, 특히 청색 발광에 있어서 종래와 비교할 수 없이 향상된 청색 발광특성과 발광 효율을 나타내도록 구성된다. 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에서 합성된 이리듐 착화합물은 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.
화학식 1
Figure 112008028177793-PAT00003
(화학식 1에서 R1은 탄소수 1~20의 알킬기 또는 탄소수 1~20의 알콕시기; Ar은 아릴기; R2는 할로겐, R3는 수소 또는 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 탄소수 1~20의 알킬기;
Figure 112008028177793-PAT00004
는 피콜리닉산-N-옥사이드이다.)
위 화학식 1에서 알 수 있는 것과 같이, 본 발명에 따른 이리듐 착화합물은 주리간드(main ligand)로서 알킬 또는 알콕시기가 도입된 방향족 피리딘 유도체 및 할로겐 화합물이 도입된 아릴 유도체가 도입되어 있다. 본 발명과 같은 인광 특성을 나타내는 이리듐 착화합물에 있어서 주리간드는 발광 색채를 결정하는 주요 인자로서 특히 리간드에 함유된 질소(N)의 전자 밀도에 따라 발광 특성이 변환될 수 있다. 본 발명에 따라 주리간드로 도입된 방향족 아릴 유도체와 피리딘 유도체의 경우 그 구조에 포함된 질소의 전자 밀도가 종래 개발된 이리듐 착화합물과 비교하여 크게 증가함으로 인하여 순수한 청색 발광을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물의 주쇄로 도입되는 상기 아릴기에는 페닐, 나프탈렌(naphthalene), 카바졸(carbazole), 플루오렌(fluorene), 페나진(phenazine), 페난트롤린(phenanthroline), 페난트리딘(phenanthridine), 아크리딘(acridine), 시놀린(cinnoline), 퀴나졸린(quinazoline), 퀴녹살린(quinoxaline), 나프티드린(naphthydrine), 프탈라진(phtalazine), 퀴놀리진(quinolizine), 인돌(indole), 인다졸(indazole), 피리다진(pyridazine), 피라진(pyrazine), 피리미딘(pyrimidine), 피리딘(pyridine), 피리딘(pyridine), 피라졸(pyrazole), 이미다졸(imidazole), 피롤(pyrrole) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 페닐, 나프탈렌, 카바졸, 플루오렌 등이지만 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.
한편, 본 발명에 따라 주리간드로 도입되는 방향족 아릴 유도체와 피리딘 유도체는 알킬기, 알콕시기, 할로겐 등과 같은 다양한 치환기에 의하여 치환될 수 있다. 이와 같이 다양한 작용기로 치환됨으로 인하여 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 일반적으로 사용되는 유기용매에 상용될 수 있고, 유기전계발광소자에 적용되는 경우에 전극과의 계면 특성을 개선시킬 수 있다.
특히, 본 발명과 관련하여 피리딘에 연결되는 방향족 고리에 치환될 수 있는 치환기로서는 예를 들어 탄소수 1~20, 바람직하게는 탄소수 1~10의 알킬기, 탄소수 1~20, 바람직하게는 탄소수 1~10의 알콕시기를 포함한다. 한편, 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 등과 같은 할로겐 원자가 아릴 고리의 치환기로 사용될 수 있는데, 바람직한 할로겐 원자로는 불소 및 염소를 포함한다. 아울러, 본 발명의 일 실시예에 따르면 주리간드로 도입되는 아릴 고리로 예를 들어 탄소수 1~20, 바람직하게는 탄소수 1~10의 알킬기가 상술한 할로겐 원자와 별도로 도입될 수 있는데, 이 경우 아릴 고리로 도입되는 알킬기는 예컨대 불소, 염소 등과 같은 할로겐 원자에 의하여 치환될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 상술한 주리간드와 별도로 보조리간드(ancillary ligand)가 도입된다. 보조리간드는 합성된 착화합물의 발광 특성에 있어서 미세한 색채를 조정하도록 선택되는데, 특히 본 발명의 이리듐 착화합물이 보다 순수한 청색 발광을 나타낼 수 있도록 공액이중구조(conjugated structure)가 적게 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명과 관련하여 선택될 수 있는 보조리간드(
Figure 112008028177793-PAT00005
)로는 피콜리닉산-N-옥사이드(picolinic acid N-oxide,
Figure 112008028177793-PAT00006
)를 들 수 있다. 보조리간드로 피콜리닉산-N-옥사이드를 도입함에 따라 그 발광 특성 등이 크게 향상될 수 있다.
이어서, 본 발명에 따른 이리듐 착화합물의 합성 과정에 대해서 설명한다. 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상술한 화학식 1의 이리듐 착화합물을 합성하는 과정을 개략적으로 도시한 반응도이다. 도시된 것과 같이, 우선 탄소수 1~20의 알킬기 또는 알콕시기로 치환된 피리딘((1)) 유도체와 불소와 같은 할로겐 원자로 치환되어 있는 페닐보록닉산과 같은 방향족 보로닉산((2))을 K2CO3와 Pd(PPh3)4와 THF 용매하에서 합성하여 스즈키 합성법으로 아릴피리딘 주리간드((3))를 생성한다. 이어서, 얻어진 아릴피리딘 주리간드를 요오드와 같은 할로겐 물질과 반응시켜 예를 들어 3개의 할로겐으로 치환된 아릴피리딘 주리간드를 합성한다((4)). 계속해서 3개의 할로겐으로 치환된 아릴피리딘 주리가든((4))와 N-알킬피롤리디논을 반응시켜 할로겐으로 치환된 알킬기와 2개의 할로겐으로 각각 치환된 주리간드((5))를 합성한 뒤, 이리듐클로라이드수화물 (IrCl3 ·H2O)의 혼합물을 적절한 용매에 용해시 킨 뒤 혼합하여, 염소-가교화 이합체(chloride-bridged dimer((6))를 합성할 수 있다. 마지막으로 얻어진 염소-가교화 이합체((4))에 보조리간드 및 적절한 용매를 혼합하여 최종적으로 알킬기 또는 알콕시기로 치환된 피리딘 유도체와 할로겐 원자로 치환되어 있는 아릴기가 주쇄로 도입된 이리듐 착화합물((7))을 합성할 수 있다.
한편, 도 1b은 본 발명의 실시예에 따라 상술한 화학식 1의 이리듐 착화합물을 합성하는 과정을 개략적으로 도시한 반응도이다. 도시된 것과 같이, 우선 탄소수 1~20의 알킬기 또는 알콕시기로 치환된 피리딘((8)) 유도체와 불소와 같은 할로겐 원자가 치환되어 있는 페닐보록닉산과 같은 방향족 보로닉산((9))을 K2CO3와 Pd(PPh3)4와 THF 용매하에서 스즈키 합성법으로 아릴피리딘 주리간드((10))를 생성한다. 이어서, 얻어진 아릴피리딘 주리간드와 이리듐클로라이드수화물 (IrCl3 ·H2O)의 혼합물을 적절한 용매에 용해시킨 뒤 혼합하여, 염소-가교화 이합체(chloride-bridged dimer((11))를 합성할 수 있다. 마지막으로 얻어진 염소-가교화 이합체((11))에 보조리간드 및 적절한 용매를 혼합하여 최종적으로 알킬기 또는 알콕시기로 치환된 피리딘 유도체와 할로겐 원자로 치환되어 있는 아릴기가 주쇄로 도입된 이리듐 착화합물((12))을 합성할 수 있다. 위와 같은 방법을 통하여 합성된 이리듐 착화합물은 대략 470㎚에서 최대 발광 피크를 나타내어 순수한 청색 발광 특성을 가짐을 확인하였다.
상술한 방법을 통하여 합성된 이리듐 착화합물은 그 발광 특성이 크게 우수한 인광형 발광 소재로서, 예컨대 유기전계발광소자의 발광층의 도판트로 사용하게 되면 순수한 청색 발광을 얻을 수 있는데, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물이 적용될 수 있는 유기전계발광소자에 대해서 설명한다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상술한 이리듐 착화합물이 적용될 수 있는 단층 형태의 유기전계발광소자(1000)를 개략적으로 도시한 것이다. 이와 같은 단층 형태의 유기전계발광소자(1000)는 기판(1100), 제 1 전극(1110), 발광층(1150) 및 제 2 전극(1180)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 기판(1100)은 예를 들어 유기(glass) 또는 플라스틱과 같은 물질로 제조될 수 있다.
한편, 상기 제 1 전극(1110) 및 제 2 전극(1180)은 예를 들어 각각 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 기능하는 부분으로서 제 1 전극(1110)은 제 2 전극(1180)의 일함수(work function)가 큰 물질을 사용한다. 특히, 본 발명과 관련해서 제 1 전극(1110)은 양전하 캐리어(positive-charged carrier)인 정공(hole)을 주입하는데 효과적인 물질로서 금속, 혼합금속, 합금, 금속산화물, 또는 혼합 금속산화물 또는 전도성 고분자 일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 전극(1110)으로는 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, 또는 ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등과 같은 혼합 금속산화물, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오 펜(polythiophene) 등의 전도성 고분자 등의 물질이 사용될 수 있으며, 바람직한 실시예에 따르면 ITO이다.
이에 반하여, 제 2 전극(1180)은 음전하 캐리어(negative-charged carrier)인 전자(electron)를 주입하는데 효과적인 물질로서 금, 알루미늄, 구리, 은, 또는 이들의 합금; 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 등과 같이 알루미늄, 인듐, 칼슘, 바륨, 마그네슘 및 이들이 조합된 합금; 또는 경우에 따라서는 희토류, 란탄족(lanthanide), 악티늄족(actinide)에 속하는 금속에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 또는 알루미늄/칼슘 합금이다.
한편, 상기 제 1 전극(1110)과 제 2 전극(1180) 사이로 적층되는 발광층(1150)에서는 본 발명에 따라 합성된 상술한 이리듐 착화합물이 도판트(dopant)로 사용된다. 이와 관련하여 상기 발광층(1150)에는 색순도 변화와 소광 현상과 같은 에너지 소실 과정을 억제하여 발광 효율을 증가시킬 수 있도록 발광 물질인 호스트(host)가 포함된다. 특히, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물의 경우에 거의 순수한 청색 발광을 나타내므로, 발광층(1150)에 포함되는 호스트에서 발광하는 에너지가 도판트인 이리듐 착화합물로 잘 전이될 수 있도록 호스트를 선택할 수 있다. 본 발명에 따라 발광층(1150)에 포함되는 호스트로는 크게 형광 특성의 호스트와 인광 특성의 호스트를 모두 포함할 수 있으나, 바람직하게는 인광 특성을 갖는 호스트이다. 구체적으로 청색 영역의 발광 재료인 호스트로는 예를 들어 폴리페 닐렌비닐렌(poly(phenylenevinylene), PPV)계, 폴리플루오렌(poly(fluorene))계, 폴리파라페닐렌(poly(para-phenylene), PPP)계, 폴리알킬티오펜(poly(alkyllythiophene))계, 폴리피리딘(poly(pyridine),PPy)계 등의 고분자 물질과, 디스티릴벤젠(distyrylbenzene, DSB), 디스티릴벤젠 유도체(PESB), 디스티릴아릴렌(distyrylarylene, DSA), 디스티릴아릴렌 유도체, 1,2,3,4,5-펜타페닐-1,3-사이클로펜타디엔(1,2,3,4,5-pentaphenyl-1,3-cyclopentadiene, PPCP) 등과 같은 사이크롤펜타디엔 유도체, DPVBi(4,4'-bis(2,2'-diphenyl vinyl)-1,1'-biphenyl), DPVBi 유도체, 스파이로-DPVBi 등의 물질을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 인광 특성을 갖는 호스트로는 아릴아민계(aryl amine), 카바졸계, 스파이로(spiro)계를 포함한다. 구체적으로는 4,4-N,N-디카바졸-비페닐(4,4-N,N-dicarbazole-biphenyl, CBP), N,N-디카바조일-3,5-벤젠(N,N-dicarbazoyl-3,5-benzene, mCP), 폴리비닐카바졸(poly(vinylcarbazole), PVK), 폴리플루오렌, 4,4'-비스[9-(3,6비페닐카바졸일)]-1-1,1'-비페닐4,4'-비스[9-(3,6-비페닐카바졸일)]-1-1,1'-비페닐, 9,10-비스[(2',7'-t-부틸)-9',9''-스파이로비플루오레닐(spirobifluorenyl)안트라센, 테트라플루오렌(tetrafluorene) 등의 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 CBP 및 mCP를 사용할 수 있다.
바람직한 양태에 따르면, 발광층(1170)은 대략 5~200㎚, 바람직하게는 50~10 ㎚의 두께로 제 1 전극(1110)의 상부로 적층되는데, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 도판트로서 발광층(1170)에 대하여 3~20 중량%, 바람직하게는 5~10 중량%의 농도로 포함된다.
한편, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 상술한 단층 형태의 유기전계발광소자(1000)는 물론이고, 발광층과 전극 사이에 전자/정공 수송을 위한 별도의 층이 구비되어 있는 다층 형태의 유기전계발광소자에도 적용될 수 있는데, 도 2b는 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물이 적용될 수 있는 다층 형태의 유기전계발광소자(2000)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 것과 같이, 유기전계발광소자(2000)는 기판(2100), 제 1 전극(2110), 정공주입층(hole injection layer, HIL, 2130) 및 정공전달층(hole transporting layer, HTL, 2140)을 포함하는 버퍼층(2120), 발광층(2150), 전자전달층(electron transporting layer, ETL, 2160), 전자주입층(electron injection layer, EIL, 2170)), 제 2 전극(2180)이 순차적으로 적층된 형태를 갖는다.
이와 같이 구성되는 다층 형태의 유기전계발광소자에 있어서, 제 1 전극(2110)과 발광층(2150) 사이에 적층되는 버퍼층(2120)은 제 1 전극(2110)으로 사용되는 물질과 발광층(2150) 사이의 계면 특성을 개선하거나 정공(hole)을 안정적으로 발광층(2150)으로 공급할 수 있도록 기능한다. 상기 버퍼층(2120)은 기능적으로 정공주입층(2130)과 정공전달층(2140)으로 구분될 수 있다.
이때, 버퍼층(2120)을 이루는 정공주입층(2130)은 제 1 전극(2110)으로 사용된 ITO 등의 물질과 정공전달층(2140)으로 사용되는 유기물질 사이의 계면 특성을 개선할 뿐만 아니라 그 표면이 평탄하지 않은 ITO의 상부에 도포되어 ITO의 표면을 부드럽게 만들어 줌으로써, 전도성 내지는 발광 효율을 향상시킬 수 있도록 기능한다. 특히 정공주입층(2130)은 제 1 전극(2110)으로 사용되는 ITO 등의 일함수 수준과 정공전달층(2140)의 HOMO 수준의 차이를 조절하기 위하여 ITO의 일함수 수준과 정공전달층(2140)의 HOMO 수준의 중간값을 가지는 물질로서, 특히 적절한 전도성을 갖는 물질을 선택한다. 본 발명과 관련하여 정공주입층(2120)을 이루는 물질로는 copper-phthlalocyanine(CuPc), N,N'-dinaphthyl-N,N'-phenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine, NPD), α-NPD, 4,4',4''-tris[methylphenyl(phenyl)amino] triphenyl amine(m-MTDATA), 4,4',4''-tris[1-naphthyl(phenyl)amino] triphenyl amine(1-TNATA), 4,4',4''-tris[2-naphthyl(phenyl)amino] triphenyl amine(2-TNATA), 1,3,5-tris[N-(4-diphenylaminophenyl)phenylamino] benzene(p-DPA-TDAB) 등과 같은 방향족 아민류, 전도성 고분자로서의 폴리티오펜 유도체인 poly(3,4-ethylene dixoythiophene)-poly(styrene sulfonate)(PEDOT)를 사용할 수 있으며, 특히 본 발명의 실시예에서는 PEDOT를 사용하였다. 정공주입층(2130)은 20~200Å의 두께로 제 1 전극(2110)의 상부에 코팅될 수 있다.
한편, 정공주입층(2130)의 상부에는 정공주입층(2130)을 통하여 들어온 정공 을 안정적으로 발광층(2150)으로 공급할 수 있도록 정공전달층(2140)이 형성되는데, 정공이 원활하게 수송, 전달될 수 있도록 정공전달층(2140)의 HOMO 수준이 발광층(2150)의 HOMO 수준보다 높은 물질이 선택된다. 본 발명과 관련하여 정공전달층(2140)으로 사용될 수 있는 물질로는 N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenyl-[1,1'-diphenyl-4,4'-diamine(TPD), α-TPD, N,N'-bis(1-naphthyl)-N,N'-biphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine(TPB), N, N'-di(naphthalene-1-yl)-N, N'-diphenyl-benzidene, NPB), 트리페닐아민(TPA), bis[4-(N,N-diethylamino)-2-methylphenyl](4-methylphenyl) methane(MPMP), N,N,N',N'-tetrakis(4-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4-diamine(TTB), N,N'-bis(4-methylphenyl)-N,N'-bis(4-ethylphenyl)-[1,1'-(3,3'-dimethyl)biphenyl]-4,4'-diamine(ETPD), 또는 이들 혼합물과 같은 저분자 정공 전달 물질과; 폴리비닐카바졸, 폴리아닐린, (페닐메틸)폴리실란 등의 고분자 정공 전달 물질이 사용될 수 있다. 정공수송층은 약 10~100 ㎚의 두께로 정공주입층(2130)의 상부로 증착될 수 있다.
그런데, 실질적으로 정공주입층과 정공전달층에 사용되는 각각의 물질은 어느 하나의 기능을 갖기 보다는 양자의 기능을 모두 포함한다. 즉, 상기에서는 정공주입층으로 사용되는 물질은 정공의 전달 내지는 수송을 또한 향상시킬 뿐만 아니라, 정공전달층으로 사용되는 물질은 정공의 주입을 또한 향상시키는 것이라는 점에 유의하여야 할 것이다. 결국, 상기에서는 정공주입층과 정공전달층에 사용되는 물질이 구분될 수 있는 것으로 기술하였으나, 이와 같은 물질은 선택의 문제일 뿐 이고, 전체적으로 이들 물질은 제 1 전극(2110)과 발광층(2150) 사이의 버퍼층(2120)에 포함되는 것이다.
한편, 본 발명에 따르면 발광층(2150)과 제 2 전극(2180) 사이로 정공주입층(2130) 및 정공전달층(2140)에 대응될 수 있는 전자주입층(2170) 및 전자전달층(2160)이 형성된다. 전자주입층(2170)은 원활한 전자 주입을 유도하기 위한 것으로, 다른 전하 이동층과 달리 LiF, BaF2, CsF 등과 같이 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속 이온 형태가 사용되는데, 이들 금속 양이온에 의하여 전자전달층(2160)에 대한 도핑을 유도할 수 있도록 구성될 수 있다.
한편, 전자전달층(2160)은 주로 전자를 끌어당기는 화학 성분이 포함된 재료로 구성되는데, 이를 위해서는 높은 전자 이동도가 요구되며 원활한 전자 수송을 통하여 발광층(2150)으로 전자를 안정적으로 공급한다. 이때, 특히 너무 강한 전자받게(electron-receiver) 성분은 전자를 소멸(quenching)시킬 수 있으므로 적절한 전자받게 성분을 사용하여 전자 이동도를 향상시키는 것이 좋다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 전자전달층으로는 Alq3 및 옥사디아졸(oxadizole) 성분을 포함한다. 구체적으로는 Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum(Alq3); 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(DDPA); 2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butyl)-1,3,4-oxadizole(PBD), 3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-(4-tert-butyl)-1,2,4-triazole(TAZ) 과 같은 아졸 화합물; phenylquinozaline 등을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 Alq3를 전자전달층(2160)으로 사용하였으며, 전자전달층(2160)은 5~150 ㎚의 두께로 발광층(2150)의 상부에 적층될 수 있다.
한편, 도면으로는 표시하지 않았으나, 정공주입층(2130) 및 정공전달층(2140)을 경유하여 유입된 정공이 발광층(2150)을 지나 제 2 전극(2180)으로 진행하는 경우에 소자의 수명과 효율에 감소를 가져올 수 있으므로, 상기 발광층(2150)과 전자전달층(2160) 사이에는 HOMO 수준이 매우 낮은 정공차단층(hole blocking layer, HBL)을 구성할 수 있다. 본 발명과 관련하여 정공차단층에 사용될 수 있는 물질로는 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(BCP)을 포함하며, 대략 5~150 ㎚의 두께로 발광층(2150)의 상부에 증착될 수 있다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물은 순수한 청색 영역에 해당되는 파장을 나타내는데, 이와 같이 개선된 이리듐 착화합물을 발광층의 도판트로 적용한 전계발광소자는 도 3 및 도 5의 전기적 특성을 측정한 결과에서 알 수 있듯이 전기적 특성이 크게 개선되었을 뿐 아니라, 도 9에서 알 수 있는 것과 같이 약 470 ㎚인 청색 영역에서 발광을 나타낸다는 점을 확인하였다.
이하, 예시적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 결코 아니다.
실시예 1 : 2-(2,4- 디플로로페닐 )-4- 메틸피리딘 주리간드의 제조
용량 250 mL의 삼구플라스크에 2-bromo-4-methylpyridine (6.88 g, 40 mmol, 도 1a의(1))과 2,4-difluorophenylboronic acid (6.95 g, 44 mmol, 도 1a의 (2))를 넣는다. 시약이 담겨진 플라스크에 환류 장치를 하고 질소 하에서 용매를 넣는다. 용매로는 sodium/benzophenone으로 정제한 THF (150 mL)를 사용하며 4 M potassium carbonate 수용액 (10 mL)과 ethanol (4 mL)을 추가로 넣는다. 여기서 potassium carbonate는 반응 중에 base로 작용한다. 그런 다음 액체 질소를 이용하여 혼합물이 담겨진 플라스크의 가스를 제거하고 질소 하에서 반응 촉매로 tetrakis(triphenylphosphine palladium) (2.3 g, 2 mmol)을 추가로 넣는다. 반응 혼합물을 15시간 정도 85 ℃에서 환류시키며 반응 완결 여부를 TLC로 확인한 후 혼합물을 실온으로 냉각시킨 다음, diethyl ether (2 × 200 mL)와 소금물을 이용하여 유기층을 추출한다. 무수 황산마그네슘 (MgSO4)으로 추출한 유기물 층에 남아있는 물을 제거하고 수분을 합유한 황산마그네슘을 여과한 뒤, 감압 하에서 용매를 제거한다. 얻어진 잔유물을 flash column chromatography (eluent; hexane/ethyl acetate = 4:1, v/v)로 분리하여 액상의 2-(2,4-디플로로페닐)-4-메틸피리딘 [ (2-(2,4-Difluoro-3- trifluoromethyphenyl)-4-methylpyridine)] (도 1a의 (3))을 얻을 수 있다.
Yield: 83.6 % (6.86 g)
1H-NMR (CDCl3, δppm): 8.55 (d,1H), 7.94 (m, 1H), 7.57 (s, 1H), 7.08 (d, 1H), 7.01 (t, 1H), 6.98 (m, 2H), 2.42 (s, 3H)
실시예 2. 2-(2,4- 디플로로 -3- 아이오도페닐 )-4- 메틸피리딘 주리간드의 제조
용량 250 mL의 삼구플라스크에 2-(2,4-디플로로페닐)-4-메틸피리딘 (6.65 g, 33.4 mmol, 도 1a의(3))를 넣는다. 시약이 담겨진 플라스크에 sodium/benzophenone으로 정제한 THF (60 mL)를 질소 하에서 넣는다. acetoner/dry ice를 이용하여 -78 ℃를 유지시키고, hexane/THF 내의 lithium diisopropylamine (3.72 g, 36.8 mmol)을 넣은 뒤, 1시간 동안 휘젓는다. 그런 다음 THF (50 mL)에 녹아있는 iodine (9.34 g, 36.8 mmol)을 추가로 넣는다. 반응 혼합물을 4시간 정도 -78 ℃에서 휘저으며, 반응 완결 여부를 TLC로 확인한 후 혼합물을 실온으로 만든 다음, diethyl ether (2 × 200 mL)와 소금물을 이용하여 유기층을 추출한다. 분리된 유기층을 증류수 (100 mL)와 Na2S2O3 수용액 (100 mL)로 세척한 후, 황산마그네슘 (MgSO4)을 넣고 건조시켜 여과한 뒤 감압 하에서 용매를 제거한다. 얻어진 잔유물을 flash column chromatography (eluent; hexane/ethyl acetate = 4:1, v/v)로 분리하여 액상의 2-(2,4-디플로로페닐-3-아이오도페닐)-4-메틸피리딘[(2-(2,4-Difluoro-3-iodophenyl)-4-methylpyridine)] (도 1a의 (4))을 얻을 수 있다.
Yield: 76 % (8.43 g)
1H-NMR (CDCl3, δppm): 8.57 (d,1H), 7.95 (m, 1H), 7.57 (s, 1H), 7.12 (d, 1H), 7.03 (m, 1H), 2.42 (s, 3H)
실시예 3. 2-(2,4- 디플로로 -3- 트리플로로메틸페닐 )-4- 메틸피리딘 주리간드 의 제조
용량 100 mL의 플라스크에 copper(I) iodide (12.09 g, 63.5 mmol)와 무수 potassium fluoride (2.21 g, 38.1 mmol)를 넣고, 노란색으로 변할 때까지 감압하며 가열한다. 반응 용기에 질소를 충분히 흘리며 2-(2,4-디플로로-3-아이오도페닐)-4-메틸피리딘 (8.43 g, 25.4 mmol)를 넣은 뒤, N-methylpyrrolidinone (24.4 mL)와 (trifluoromethyl)trimethysilane (7.85 mL)을 추가로 넣는다. 반응 혼합물을 24 시간 정도 실온에서 휘저으며 반응 완결 여부를 TLC로 확인한 후, 혼합물에 14 % 암모니아 수용액 (100 mL)를 넣고, dichloromethane (2 × 200 mL)을 이용하여 유기층을 추출한다. 분리된 유기층을 증류수 (100 mL)와 소금물 (50 mL)로 세척한 후, 황산마그네슘 (MgSO4)을 넣고 건조시켜 여과한 뒤 감압 하에서 용매를 제거한다. 얻어진 잔유물을 flash column chromatography (eluent; hexane/ethyl acetate = 4:1, v/v)로 분리하여 액상의 2-(2,4-디플로로-3-트리플로로메틸페닐)-4-메틸피리딘 [(2-(2,4-Difluoro-3- trifluoromethyphenyl)-4-methylpyridine)](도 1a의 (5))을 얻을 수 있다.
Yield: 49 % (3.41 g)
1H-NMR (CDCl3, δppm): 8.59 (d,1H), 7.98 (m, 1H), 7.60 (s, 1H), 7.17 (d, 1H), 7.04 (m, 1H), 2.46 (s, 3H)
실시예 4. 염소- 가교화 이합체(chloride-bridged dimer)의 제조
100 mL 용량의 플라스크 안에 IrCl3?3H2O (1.48 g, 4.2 mmol)과 실시예 3에서 합성한 주리간드인 2-(2,4-디플로로-3-트리플로로메틸페닐)-4-메틸피리딘 (3.41 g, 12.5 mmol)을 넣는다. 여기에 2-ethoxyethanol (30 mL)과 water (10 mL)을 3:1 비율로 섞어 용매로 가하고 이 혼합물을 24시간 동안 130 ℃에서 환류시킨다. 반응이 진행되는 동안 생성물이 고체 상태로 생기는 것을 확인할 수 있으며 반응이 완결되면 실온으로 냉각시킨다. 그런 다음 생성물을 여과하고 ethanol로 세척한 후 그대로 진공오븐에서 건조한다. 건조된 고체는 노란색이며 최종생성물의 중간체인 염소-가교화 이합체 (도 1a의 (6))이다.
Yield: 52 % (3.39 g)
원소분석: Calcd. for (C52H28Cl2F20Ir2N4): C, 40.45; H, 1.83; N, 3.63. Found: C, 41.12; H, 1.72; N, 3.68.
실시예 5. 피콜리닉산 -N- 옥사이드를 보조리간드로 갖는 착화합물의 제조
실시예 4에서 얻어진 염소-가교화 이합체 (1.22 g, 0.8 mmol), 피콜리닉산- N-옥사이드(0.33 g, 2.4 mmol)와 Na2CO3 (0.82 g, 8 mmol)를 50 mL 용량플라스크에 넣고 2-ethoxyethanol (20 mL)를 용매로 첨가시킨 후 15~17시간 정도 130 ℃에서 환류시킨다. 반응 완결 여부를 TLC로 확인한 후 혼합물을 실온으로 냉각시켜 감압 하에서 용매를 제거하고 야 dichloromethane (2 × 50 mL)과 소금물로 유기층을 추출한다. 분리된 유기층을 무수 황산마그네슘 (MgSO4)을 넣고 건조시켜 여과한 뒤 갑압 하에서 용매를 제거한다. 얻어진 잔유물을 flash column chromatography (eluent; dichloromethane/methanol = 50:1, v/v)로 분리하여 보조리간드로 피콜리닉산-N-옥사이드가 도입된 이리듐 착화합물 (도 1a의 (7))을 얻는다. 본 실시예를 통하여 얻어진 이리듐 착화합물은 “(dfCF3pmpy)2Ir(picN-O)"로 약칭한다.
Yield: 33 % (0.24 g)
1H-NMR (CDCl3, δppm): 8.57 (d,1H), 8.35 (d, 1H), 8.16 (d, 2H), 8.00 (d, 1H), 7.76 (d, 1H), 7.49 (t, 1H), 7.11 (d, 1H), 6.90 (d, 1H), 5.96 (d, 1H), 5.69 (d, 1H), 2.59 (s, 6H)
실시예 6. 2-(2,4- 디플로로페닐 )-4- 메틸피리딘 [(2-(2,4- Difluorophenyl )-4- methylpyridine)] 주리간드의 제조
용량 100 mL의 삼구플라스크에 2-bromo-4-methylpyridine (1.75 mL, 15.2 mmol, 도 1b의 (8))과 2,4-diflurophenylboronic acid (3.00 g, 19 mmol, 도 1b의 (9))를 넣었다. 시약이 담겨진 플라스크에 환류 장치를 하고 질소 하에서 용매를 넣었다. 용매로는 sodium/benzophenone으로 정제한 THF (57 mL)를 사용하며 4 M potassium carbonate 수용액 (10 mL)과 ethanol (1.9 mL)을 추가하였다. 여기서 potassium carbonate는 반응 중에 base로 작용하낟. 그런 다음 액체 질소를 이용하여 혼합물이 담겨진 플라스크의 가스를 제거하고 질소 하에서 반응 촉매로 tetrakis(triphenylphosphine palladium) (1.10 g, 0.95 mmol)을 추가로 넣었다. 반응 혼합물을 15시간 정도 85 ℃에서 환류시키고 반응 완결 여부를 TLC로 확인한 후 혼합물을 실온으로 냉각시킨 후, diethyl ether (2 × 200 ml)와 소금물을 이용하여 유기층을 추출한다. 무수 황산마그네슘 (MgSO4)으로 추출한 유기물 층에 남아있는 물을 제거하고 수분을 흡수한 황산마그네슘을 여과한 뒤, 감압 하에서 용매를 제거한다. 얻어진 잔유물을 flash column chromatography (eluent; hexane/ethyl acetate = 4:1, v/v)로 분리하여 액상의 2,4-디플로로페닐-4-메틸피리딘 리간드(도 1b의 (10))를 얻을 수 있다.
Yield: 81 % (2.52 g)
1H-NMR (CDCl3,δ ppm): 8.57 (d,1H), 7.96 (m,1H), 7.57 (s,1H), 7.09 (d,1H), 7.01 (t,1H), 6.98 (t,1H), 6.92 (m,2H), 2.42 (s,-CH3,3H)
실시예 7. 염소- 가교화 이합체(chloride-bridged dimer)의 제조
100 mL 용량의 플라스크 안에 IrCl3ㆍ3H2O (1.08 g, 3.05 mmol)과 실시예1에서 합성한 주리간드인 2-(2,4-디플로로페닐)-4-메틸피리딘 (2.50 g, 12.2 mmol)을 넣는다. 여기에 2-ethoxyethanol (30 mL)과 water (10 mL)을 3:1 비율로 섞어 용매로 더하고 이 혼합물을 24시간 동안 130 ℃에서 환류시킨다. 반응이 진행되는 동안 생성물이 고체 상태로 생기는 것을 확인할 수 있으며 반응이 완결되면 실온으로 냉각시킨다. 그런 다음 생성물을 여과하고 에탄올 용액으로 세척한 후 그대로 진공오븐에서 건조한다. 건조된 고체는 노란색이며 최종 생성물의 중간체인 염소-가교화 이합체(도 1b의 (11))이다.
Yield: 85 % (1.65 g)
원소분석: Calcd. for (C48H32Cl2F8Ir2N4)n: C, 45.32; H, 2.54; N, 4.40. Found: C, 46.12; H, 2.44; N, 4.46
실시예 8. 피콜리닉산 -N- 옥사이드를 보조리간드로 갖는 착화합물의 제조
실시예 2에서 얻어진 염소-가교화 이합체 (0.102 g, 0.08 mmol), 피콜리닉산-N-옥사이드 (0.033 g, 0.24 mmol)와 Na2CO3 (0.102 g, 0.96 mmol)를 20 mL 용량의플라스크 안에 넣고 2-ethoxyethanol (8 mL)를 용매로 첨가시킨 후 15~17시간 정도 155 ℃에서 환류시킨다. 반응 완결 여부를 TLC로 확인한 후 혼합물을 실온으로 냉각시켜 감압 하에서 용매를 제거하고 dichloromethane (2 × 100 ml)과 소금물로 유기층을 추출한다. 분리된 유기층에 무수 MgSO4를 넣고 건조 시켜 여과한 후 감압 농축시켜 얻어진 잔유물을 flash column chromatography (eluent; dichloro methane/ methanol = 10:1, v/v)로 분리하면 보조리간드로 피콜리닉산-N-옥사이드가 도입된 이리듐 착화합물(도 1b의 (12))을 얻었다. 이하, 본 실시예를 통하여 얻어진 이리듐 착화합물은 “(dfpmpy)2Ir(picN-O)”로 약칭한다.
Yield: 75 % (0.088 g)
1H-NMR (CDCl3,δ ppm): 8.55 (d,1H), 8.32 (d,1H), 8.08 (d,2H), 7.93 (t,1H), 7.77 (d,1H), 7.41 (t,1H), 7.24 (d,1H), 7.01 (d,1H), 6.79 (d, 1H), 6.51-6.32 (m,2H), 5.84 (d,1H), 5.59 (d,1H), 2.54 (s,-CH3, 6H)
실시예 9. 인광계 유기전기 발광소자의 제작
본 상기 실시예 5 및 실시예 8의 과정을 통하여 각각 합성된 이리듐 착화합물인 (dfCF3pmpy)2Ir(picN-O), (dfpmpy)2Ir(picN-O)를 발광층의 도판트로 사용한 유기전계발광소자를 제작하였다. 유기전계발광소자를 제작하기 위하여 우선 유리 기판 상에 ITO (indium-tin oxide)로 코팅한 투명 전극 기판을 깨끗이 세정한 후, 상기 ITO로 코팅된 투명 전극 기판을 감광성 수지 (photoresist resin)와 식각액(etchant)을 이용하여 미세가공 공정을 이용하여 애노드를 형성한 후 다시 깨끗이 세정하였다.
정공주입층으로는 전도성고분자인 폴리티오펜 유도체인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT)를 100Å의 두께로 코팅한 후 110 ℃에서 약 50분 동안 baking하였다. 정공전달층으로는 NPB를 약 50 nm의 두께로 진공증착을 하였다. 발광층을 형성하기 위해서 기존에 널리 알려진 인광계 발광층의 호스트 물질로 사용되는 CBP 또는 mCP를 발광층의 호스트 물질로 사용하였고, 상기 실시예 5의 이리듐 착화합물인 (dfCF3pmpy)2Ir(picN-O)과 실시예 8의 (dfpmpy)2Ir(picN-O)를 발광층의 도판트로 사용하였으며, 도판트의 농도는 5-10% 정도로 하여 진공증착으로 각각 20-100 nm의 두께로 진공증착 방법으로 발광층을 형성하였다.
그리고 정공차단층과 전자전달층으로 각각 BCP와 Alq3를 20-60 nm의 두께로 진공증착하였다. 그리고 전자주입층인 LiF를 진공증착으로 박막을 순차적으로 형성한 후 캐소드인 Al 전극을 형성시켜서 유기전계발광소자를 제작하였다. 진공증착을 위한 진공도는 4x10-6 torr 이하로 유지하면서 증착시켜 박막을 형성하였다. 증착시 막두께 및 막의 성장속도는 crystal sensor를 이용하여 조절하였고 발광면적은 4 ㎟이고 구동전압은 직류전압으로 forward bias voltage를 사용하였다.
실시예 10. 유기전게발광소자의 전기광학 특성 측정
위 실시예 5 및 실시예 8를 통하여 본 발명에 따른 이리듐 착화합물인 (dfCF3pmpy)2Ir(picN-O) 및 (dfpmpy)2Ir(picN-O)을 각각 발광층의 도판트로 사용된 유기전계발광소자에 대하여 전기광학적 특성을 측정하였다. 상기 실시예 6에 따라 제작된 유기전계발광소자의 전압의 증가에 따른 전류 밀도 및 휘도는 Keithley 236 Source Measurement와 Minolta LS-100을 사용하여 측정하였다.
도 3은 (dfCF3pmpy)2Ir(picN-O)를 도판트로 사용한 인광계 유기전계발광소자를 대상으로 EL 강도 측정 결과를 도시한 것이다. 도시된 것과 같이, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물이 발광층의 도판트로 사용된 유기전계발광소자는 약 456㎚에서 최대 발광 피크를 나타내어 청색 발광 특성이 크게 향상된 것임을 알 수 있다.
한편, 도 4는 (dfpmpy)2Ir(picN-O)을 발광층의 도판트로 사용한 인광계 유기전계발광소자를 대상으로 EL 강도 측정 결과를 도시한 것이다. 도시된 것과 같이, 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물이 발광층의 도판트로 사용된 유기전계발광소자는 약 470㎚에서 최대 발광 피크를 나타내어 청색 발광 특성이 크게 향상된 것임을 알 수 있다.
비교실시예 : Flrpic 을 도판트로 사용하여 제조된 청색 발광의 인광계 유기전기 발광소자의 물리적 성질 측정
본 실시예에서는 미합중국 특허 제 6,835,469호에 개시되어 있는 Flrpic(Iridium (Ⅲ) bis[2-2',4'-difluorophenyl)-pyridinato-N,C2']picolinate)을 발광층의 도판트로 사용한 유기전계발광소자를 대상으로 EL 강도를 측정하였고, 그 측정 결과는 도 10에 도시되어 있다. 도시된 것과 같이 종래 청색 발광의 인광계 화합물로 보고된 Flrpic은 약 475㎚에서 최대 발광 피크를 나타냈다. 청색 발광 특성 및 효율에 있어서 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물에 비하여 미진하다는 점을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 기술하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 결코 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야의 평균적 기술자라면 상술한 실시예에 기초하여 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다 할 것이다. 그러나 그러한 변형과 변경은 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은 첨부하는 청구의 범위를 통하여 더욱 분명해질 것이다.
도 1a 내지 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 할로겐 원자로 치환된 아릴 유도체와 알킬 또는 알콕시 치환기가 도입된 피리딘 유도체가 주리간드로 도입되고 피콜리닉산-N-옥사이드가 보조 리간드로 도입된 이리듐 착화합물이 제조되는메커니즘을 개략적으로 도시한 반응도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따라 합성된 이리듐 착화합물이 적용된 단일층 형태 및 다층 형태의 유기전계발광소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이리듐 착화합물을 발광층에 사용한 유기전계발광소자에 대한 전계 발광(electroluminescence, EL) 강도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 합성된 이리듐 착화합물을 발광층에 사용한 유기전계발광소자에 대한 전계 발광(electroluminescence, EL) 강도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 청색 발광을 나타내는 것으로 알려진 이리듐 착화합물인 Flrpic을 발광층의 도판트로 사용한 전계발광소자에 대한 전계 발광(EL) 강도 측정 결과를 도시한 그래프이다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 이리듐 착화합물.
    화학식 1
    Figure 112008028177793-PAT00007
    (화학식 1에서 R1은 탄소수 1~20의 알킬기 또는 탄소수 1~20의 알콕시기; Ar은 아릴기; R2는 할로겐, R3는 수소 또는 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 탄소수 1~20의 알킬기;
    Figure 112008028177793-PAT00008
    는 피콜리닉산-N-옥사이드이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 R1은 탄소수 1~10의 알킬기인 것을 특징으로 하는 이리듐 착화합물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아릴기는 페닐, 나프탈렌(naphthalene), 플루오렌(fluorene), 카바졸(carbazole), 페나진(phenazine), 페난트롤린(phenanthroline), 페난트리딘(phenanthridine), 아크리딘(acridine), 시놀린(cinnoline), 퀴나졸린(quinazoline), 퀴녹살린(quinoxaline), 나프티드린(naphthydrine), 프탈라진(phtalazine), 퀴놀리진(quinolizine), 인돌(indole), 인다졸(indazole), 피리다진(pyridazine), 피라진(pyrazine), 피리미딘(pyrimidine), 피리딘(pyridine), 피리딘(pyridine), 피라졸(pyrazole), 이미다졸(imidazole), 피롤(pyrrole)로 구성되는 군으로부터 선택되는 이리듐 착화합물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 R3은 할로겐으로 치환된 탄소수 1~10의 알킬기인 것을 특징으로 하는 이리듐 착화합물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 R2는 불소 또는 염소인 것을 특징으로 하는 이리듐 착화합 물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 기재되어 있는 이리듐 착화합물이 발광층에 포함되어 있는 유기전계발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유기전계발광소자는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향적으로 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 발광층은 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 발광층 사이로 버퍼층과, 상기 발광층과 제 2 전극 사이로 전자전달층 및 전자주입층을 더욱 포함하는 유기전계발광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제 1 전극의 상부로 적층된 정공주입층과, 상기 정공주 입층의 상부로 적층되는 정공전달층을 포함하는 유기전계발광소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 이리듐 착화합물은 상기 발광층의 도판트로 포함되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
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