KR20120101114A - 유기 발광 소자 - Google Patents

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도모나 야마구치
도모나리 호리키리
마키 오카지마
나오키 야마다
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Abstract

연속 구동 시에 향상된 내구성을 갖는 유기 발광 소자를 제공한다. 유기 발광 소자는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 배치되어, 적어도 정공 수송층 및 발광층을 포함하는 유기 화합물층을 포함하고, 여기서, 상기 발광층이 청색 발광 재료를 포함하고; 상기 정공 수송층이 복수 종류의 유기 화합물을 포함하고; 상기 유기 화합물 중 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물이 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에 흡수 스펙트럼의 피크가 존재하지 않는 화합물을 포함한다.

Description

유기 발광 소자 {ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것이다．
유기 발광 소자는 애노드과 캐소드 사이에 형광성 유기 화합물 또는 인광성 유기 화합물을 포함하는 박막이 끼워진 전자소자이다. 유기 발광 소자에서, 정공 및 전자는 각 전극으로부터 형광성 유기 화합물 또는 인광성 화합물을 포함하는 박막으로 주입된다. 전자와 정공이 박막에서 재결합될 때, 형광성 유기 화합물 또는 인광성 화합물의 여기자가 생성된다. 이 여기자가 바닥 상태로 되돌아갈 때, 유기 발광 소자는 광을 방출한다.
유기 발광 소자에 있어서의 최근의 진보는 현저하고, 유기 발광 소자는 저인가 전압에서 고휘도, 다양한 발광 파장, 고속 응답성, 작은 두께 및 경량의 발광 소자로서 제공될 수 있다. 이것은 유기 발광 소자가 평면 패널 디스플레이, 플렉시블 디스플레이 및 조명과 같은 광범위한 응용에서 사용될 수 있다는 것을 시사한다.
그러나, 유기 발광 소자를 연속적으로 구동시키는 경우, 유기 발광 소자의 구성 재료가 예를 들어 전자 또는 정공과의 결합에 의해 시간에 따라 열화(degrade)되어, 유기 발광 소자의 발광 강도가 시간에 따라 감소한다.
연속 구동 동안에 유기 발광 소자의 발광 강도와 같은 특성의 시간에 따른 저하를 경감하기 위한 연구 및 개발이 관습적으로 행해져 왔다. 일본 특허 출원 공개공보 제2000-068064호는 유기 발광 소자의 내구성의 향상을 위하여 정공 수송층이 2 이상의 종류의 유기 재료로부터 형성되는 유기 발광 소자를 개시한다. 구체적으로, 특허 문헌은 정공 수송층이 내구성이 다른 2 이상의 종류의 유기 재료를 포함하는 실시양태를 개시한다. 이것은 유기 화합물층, 특히 정공 수송층의 다크 스팟의 성장 및 결정화를 방지할 수 있어서, 소자의 내구성이 향상된다.
한편, 문헌 [Science, 283, 1900 (1999)]은 유기 발광 소자를 형성하는 유기 화합물이 소자를 통한 전류 전도에 기인하는 산화 및 환원을 반복적으로 겪어, 소자의 발광 강도가 저하되는 것에 대하여 언급하고 있다. 상기 문헌은 또한, 소자의 발광 강도의 저하가 특정한 유기 화합물이 산화되는 경우, 즉 라디칼 양이온 상태가 되는 경우 야기된다는 것을 논의하고 있다. 구체적으로는, 그 문헌은 소자를 구동할 때, 트리스(8-퀴놀리노라토))알루미늄(Alq3)이 정공을 포함하여 라디칼 양이온 상태로 되는 것이 소자의 발광 강도를 저하시키는 하나의 원인이 된다는 것을 시사한다.
상기 언급한 기술배경을 고려하여, 본 발명의 발명자는 정공 수송층이 갖는 유기 화합물이 유기 발광 소자의 발광 강도가 시간에 따라 저하하는 한가지 원인으로 관련되고 있음을 논의하였다. 정공 수송층은 애노드로부터 전하 캐리어인 정공을 공급받는다. 따라서, 정공 수송층에 포함되는 유기 화합물의 구조변화를 방지하는 것은, 연속 구동 시에 유기 발광 소자의 발광 강도와 같은 특성의 시간에 따른 저하를 경감한다는 점에서 중요하다.
본 발명은 상기 언급한 문제를 해결하기 위해서 얻어진 것이고, 본 발명의 목적은 연속 구동 시에 내구성이 향상된 유기 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되어, 적어도 정공 수송층 및 발광층을 포함하는 유기 화합물층을 포함하고, 여기서, 상기 발광층이 청색 발광 재료를 포함하고, 상기 정공 수송층이 복수 종류의 유기 화합물을 포함하고, 상기 유기 화합물 중 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물이 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에 흡수 스펙트럼 피크가 존재하지 않는 화합물을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
[도 1] 도 １은 화합물 2의 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
[도 2] 도 ２는 예시 화합물 1의 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
[도 3] 도 ３은 예시 화합물 2의 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
[도 4] 도 ４는 예시 화합물 3의 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
[도 5] 도 ５는 α-NPD의 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
본 발명의 유기 발광 소자는 애노드 및 캐소드와 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되어, 적어도 정공 수송층 및 발광층을 포함하는 유기 화합물층을 포함한다. 본 발명에서, 유기 화합물층이 정공 수송층 및 발광층을 포함하고 있는 한, 유기 화합물층의 층 구성은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 유기 발광 소자 의 구체적인 구성을 아래에서 설명한다. 아래에서 열거되는 구성은 특정한 예이며, 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니다.
(A) (기판/)애노드/정공 수송층/발광층/캐소드
(B) (기판/)애노드/정공 수송층/발광층/전자 수송층/캐소드
(C) (기판/)애노드/정공 주입층/정공 수송층/발광층/전자 수송층/캐소드
(D) (기판/)애노드/정공 수송층/발광층/전자 수송층/전자 주입층/캐소드
(E) (기판/)애노드/정공 수송층/발광층/정공/여기자 방지층/전자 수송층/캐소드
(F) (기판/)애노드/정공 주입층/정공 수송층/발광층/정공/여기자 방지층/전자 수송층/캐소드
(G) (기판/)애노드/정공 수송층/발광층/정공/여기자 방지층/전자 수송층/전자 주입층/캐소드
(H) (기판/)애노드/정공 수송층/전자/여기자 방지층/발광층/전자 수송층/캐소드
(I) (기판/)애노드/정공 주입층/정공 수송층/전자/여기자 방지층/발광층/정공/여기자 방지층/전자 수송층/캐소드
(J) (기판/)애노드/정공 수송층/전자/여기자 방지층/발광층/전자 수송층/전자 주입층/캐소드
(K) (기판/)애노드/정공 주입층/정공 수송층/발광층/전자 수송층/전자 주입층/캐소드
본 발명에서, 소자를 형성하는 발광층은 청색 발광 재료를 포함한다. 여기서, 청색 발광 재료는 410 nm 내지 490 nm의 범위 내에서 발광 스펙트럼 피크를 갖는 발광성 유기 화합물을 나타낸다.
본 발명에서, 소자를 형성하는 정공 수송층은 복수의 종류(2 종류 이상)의 유기 화합물이 포함되어 있다. 바람직하게는, 정공 수송층은 2 내지 3 종류의 유기 화합물을 포함한다. 여기서 정공 수송층에 포함되는 유기 화합물은 이온화 포텐셜이 다른 것들이다. 정공 수송층이 3 종류 이상의 유기 화합물을 포함하는 경우, 정공 수송층에 포함되는 유기 화합물의 일부는 이온화 포텐셜이 같아도 된다.
또한 본 발명에서, 정공 수송층에 포함된 유기 화합물 중에서 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물은 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에 흡수 스펙트럼을 갖지 않는 화합물이다. 여기서, 작은 이온화 포텐셜은 작은 절대값을 갖는 이온화 포텐셜을 나타내고, 또한 진공 레벨, 즉 얕은 이온화 포텐셜에 근접도를 나타낸다.
정공 수송층은 유기 발광 소자의 구동 전압에서 감소를 실현하기 위해서 필요한 정공 수송성 및 발광층에 정공을 주입하는 동안 전자를 발광층 내에 가두어 발광층 내에서 전하 캐리어의 재결합 확률을 높이기 위한 전하 균형을 조절하는 기능을 갖는 것이 요구된다. 앞서 언급한 성질 및 기능을 가지면서, 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에서 흡수 피크를 갖지 않는 유기 화합물이 이상적이다. 그러나 현재 상황에서, 두 조건 모두를 만족하는 유기 화합물이 발견되지 않고 있다.
본 발명에서, 정공 수송층에 이온화 포텐셜이 다른 복수 종류의 유기 화합물이 포함되어 있으므로, 정공을 이온화 포텐셜이 가장 작은 유기 화합물에 모을 수 있다. 이것은 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물 외의 유기 화합물(이하, "다른 유기 화합물"로 나타낸다)에 정공이 모이는 것을 방지할 수 있다. 또한 "다른 유기 화합물"에 정공이 모여 라디칼 양이온 상태의 분자를 불필요하게 생성함으로써 발광층에 공급되지 않고 정공 수송층에 축적되는 정공의 량을 억제할 수 있다. 따라서, "다른 유기 화합물"이 만약 여기 상태로 되었다고 하더라도, 이 상태는 라디칼 양이온의 하나로서 고려되지는 않는다.
또한 본 발명에서, 정공 수송층에 포함되는 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물은 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에 흡수 피크를 갖지 않는 유기 화합물이다. 여기서 청색 파장 영역에 흡수 피크를 갖는다는 것은 여기 상태가 청색 파장 영역에 대응하는 에너지(제로 에너지인 바닥 상태에 대한 상대적인 에너지)로 존재하는 것을 나타낸다. 다른 한편으로, 본 발명에서, 청색 파장 영역에 흡수 피크를 갖지 않는다는 것은 라디칼 양이온 상태에서 대상 유기 화합물의 청색 파장 영역의 몰 흡광 계수가 5000 L/(mol?cm) 이하인 것을 나타낸다. 흡수 피크가 UV-가시 흡수 스펙트럼의 파형으로부터 확인할 수 있는 것과 같이, 그것은 스펙트럼의 피크 파장에서 청색 파장 영역에 흡수 피크가 있는지의 여부를 판단할 수 있다. 이 경우, 흡수 스펙트럼은 임의의 형상을 가진다.
본 발명에서, 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물의 청색파장 영역에 있어서의 몰 흡광 계수는 5000 L?mol-1?cm-1 이하인 것이 바람직하다.
이것은 라디칼 양이온의 상태에서 발광층으로부터 청색 발광에 의해 대상 유기 화합물의 구조가 변화하는 것을 방지할 수 있다. 정공 수송층에 포함되는 앞서 언급한 "다른 유기 화합물"에서, 라디칼 양이온 상태에 있어서의 몰 흡광 계수는 특별히 제한되지 않는다. 즉 몰 흡광 계수는 5000 L/(mol?cm) 이하가 될 수 있고, 또는 이 값을 초과할 수도 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연속 구동 시에 유기 발광 소자의 내구성이 향상된다.
본 발명에서, 정공 수송층에 포함되는 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 화합물은 바람직하게 정공 수송층에서 낮은 농도를 갖고, 구체적으로는, 전체 층에 대하여 30 중량% 이하이다. 농도가 30 중량%을 초과하는 경우, 정공 수송층의 기능이 크게 변할 수 있다. 또한 유기 발광 소자의 발광 강도의 저하를 방지하기 위해서, 정공 수송층에 포함되는 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 화합물의 농도는 더 바람직하게 5 중량% 이상 30 중량% 이하이다. 농도가 지나치게 낮은 경우 (5 중량% 미만)인 경우, 앞서 언급한 "다른 유기 화합물"이 라디칼 양이온 상태로 될 수 있다.
또한, 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물은, 정공 수송층에 균일하게 포함시킬 수 있거나 소정의 영역에만 존재할 수 있다. 또한 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물의 농도가 정공 수송층의 두께 방향으로 변화될 수 있다.
이온화 포텐셜이 가장 작은 유기 화합물은 바람직하게는 다음의 화학식 (1)로 나타내어지는 화합물로:
<화학식>
Figure pct00001
여기서, Ar1 내지 Ar3은 각각 융합 다환 방향족기 또는 다음의 화학식 (2)로 나타내지는 치환 페닐 기이고, 단, 각 Ar1 내지 Ar3은 다른 치환 기와 같거나 상이할 수 있다:
<화학식>
Figure pct00002
여기서, R1 및 R3은 각각 수소 원자, 할로겐 원자, 치환 혹은 무치환의 알킬기 또는 치환 혹은 무치환의 아릴기이고, 단, R1 및 R3 중 어느 하나는 치환 혹은 무치환의 아릴기이며; R2은 수소 원자, 할로겐 원자 또는 치환 혹은 무치환의 알킬기이다.
먼저, 일반 화학식 (1)로 표현되는 3차 아릴아민을 설명한다.
각 Ar1 내지 Ar3으로 표현되는 융합 다환 방향족기의 예는 나프틸 기, 나프틸-d7기, 아세나프틸레닐 기, 안트릴 기, 안트릴-d9 기, 페난트릴 기, 페난트릴-d9 기, 피레닐 기, 피레닐-d9 기, 아세페난트릴레닐 기, 아세안트릴레닐 기, 크리세닐 기, 디벤조크리세닐 기, 벤조안트릴 기, 벤조안트릴-d11 기, 디벤조안트릴 기, 나프트아세닐 기, 피세닐 기, 펜트아세닐 기, 플루오레닐 기, 9,9-디메틸플루오레닐 기, 트리페닐레닐 기, 페릴레닐 기 및 페릴레닐-d11 기를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
다음으로, 일반 화학식 (1)의 각 Ar1 내지 Ar3로 표현되고, 일반 화학식 (2)로 표현되는 치환 페닐 기에 대해서 설명한다.
각 R1 및 R3로 표현되는 할로겐 원자의 예는 불소, 염소, 브롬 및 요오드를 포함한다.
각 R1 및 R3로 표현되는 치환 또는 무치환의 알킬기의 예는 메틸 기, 메틸-d1기, 메틸-d3 기, 에틸 기, 에틸-d5 기, n-프로필 기, n-부틸 기, n-펜틸 기, n-헥실 기, n-헵틸 기, n-옥틸 기, n-데실 기, 이소-프로필기, 이소-프로필-d7 기, 이소-부틸 기, 세크(sec)-부틸 기, 터트(tert)-부틸 기, 터트-부틸-d9 기, 이소-펜틸 기, 네오펜틸 기, 터트-옥틸 기, 플루오로메틸 기, 디플루오로메틸 기, 트리플루오로메틸 기, 2-플루오로에틸 기, 2,2,2-트리플루오로에틸 기, 퍼플루오로에틸 기, 3-플루오로프로필 기, 퍼플루오로프로필기, 4-플루오로부틸 기, 퍼플루오로부틸 기, 5-플루오로펜틸 기, 6-플루오로헥실 기, 클로로메틸 기, 트리클로로메틸 기, 2-클로로에틸 기, 2,2,2-트리클로로에틸 기, 4-클로로부틸 기, 5-클로로펜틸 기, 6-클로로헥실 기, 브로모메틸 기, 2-브로모에틸 기, 요오도메틸 기, 2-요오도에틸 기, 히드록시메틸 기, 히드록시에틸 기, 시클로프로필기, 시클로부틸 기, 시클로펜틸 기, 시클로헥실 기, 시클로펜틸메틸 기, 시클로헥실메틸 기, 시클로헥실에틸 기, 4-플루오로시클로헥실 기, 노르보닐 기, 아다만틸 기를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
각 R1 및 R3로 표현되는 치환 혹은 무치환의 아릴 기의 예로서, 페닐 기, 페닐-d5 기, 4-메틸페닐 기, 4-메톡시페닐 기, 4-에틸페닐 기, 4-플루오로페닐 기, 4-트리플루오로페닐 기, 3,5-디메틸페닐 기, 2,6-디에틸페닐 기, 메시틸 기, 4-터트-부틸페닐 기, 디톨릴아미노페닐 기, 비페닐 기, 터(ter)페닐 기, 나프틸 기, 나프틸-d7 기, 아세나프틸레닐 기, 안트릴 기, 안트릴-d9 기, 페난트릴 기, 페난트릴-d9 기, 피레닐 기, 피레닐-d9 기, 아세페난트릴레닐 기, 아세안트릴레닐 기, 크리세닐 기, 디벤조크리세닐 기, 벤조안트릴 기, 벤조안트릴-d11 기, 디벤조안트릴 기, 나프트아세닐 기, 피세닐 기, 펜타세닐 기, 플루오레닐 기, 트리페닐레닐 기, 페릴레닐 기, 페릴레닐-d11, 및 아래에 표현되는 치환기를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
<화학식>
Figure pct00003
정공 수송층에 포함되는 가장 작은 이온화 포텐셜의 유기 화합물은 전자가 분자 전체에 분포되지 않은 분자구조를 갖는 것이 바람직하다. 이온화 포텐셜이 가장 작은 유기 화합물이 전자가 분자 전체에 분포되지 않은 분자구조를 갖는 경우, 유기 화합물은 라디칼 양이온 상태에서 청색 발광 파장 영역에 흡수 피크를 갖지 않는다. 따라서 이온화 포텐셜이 가장 작은 유기 화합물은 청색 발광으로 여기되지 않고, 청색 발광에 의해 구조 변화를 억제할 수 있다.
전자가 분자 전체에 분포되는 것을 방지할 수 있는 화합물의 구체적인 예는 정공 수송 능력이 탁월한 3차 아릴아민 유도체를 포함한다. 특히, 전자가 분자 전체에 분포되지 않는 비틀어진 구조를 가질 것으로 기대되기 때문에 일반 화학식 (1)의 화합물이 바람직하다.
일반 화학식 (1)의 3차 아릴아민 유도체는 Ar1 내지 Ar3의 앞서 언급한 내용으로부터 이해되는 바와 같이 상대적으로 분자량이 큰 화합물이고, 그 분자량은 진공증착법에 의한 박막 형성이 가능하게 하기 위하여 1500 이하가 바람직하다.
또 일반 화학식 (2)에서, R1 및 R3(메타 위치)의 어느 하나로 치환 혹은 무치환 아릴 기를 도입하는 것은, 그러한 기의 도입이 분자의 결정성을 감소할 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, 일반 화학식 (2)에서, R2에 알킬기 또는 할로겐 원자를 도입하는 것이 R2가 수소 원자를 나타내는 경우에 비해 HOMO를 보다 크게 변화시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 구체적으로, 알킬기의 도입은 HOMO를 얕게 할 수 있는 반면, 할로겐 원자를 도입하면 HOMO를 깊게 할 수 있다. 일반 화학식 (2)에 있어서, 아릴기를 R2에 도입하지 않는 것을 권장한다. 이는 R2의 위치에 아릴 기의 도입에 의해 전자가 더 넓게 분포할 수 있기 때문이다.
일반 화학식 (1)로 표현되는 화합물의 구체적인 예를 아래에서 열거한다. 본 발명은 그 예에 제한되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다.
<화학식>
Figure pct00004
Figure pct00005
정공 수송층에 포함되는 유기 화합물 중에서 앞서 언급한 "다른 유기 화합물"에 해당하는 화합물의 구체적인 구조는 특별히 제한되지 않는다. 그 중에서 트리페닐아민 유도체가 바람직하다.
본 발명의 발명자는 정공 수송층의 구성 재료가 정공과 결합하여 라디칼 양이온 상태로 되는 경우, 광과 같은 에너지를 수취하는 것으로 여기 상태로 되는 사실에 주목하였다.
여기 상태로 되면, 정공 수송층의 구성 재료는 비가역적인 반응을 겪어 구조변화를 야기하는 것으로 생각된다. 비록 구조 변화의 구체적인 측면은 분명하지 않지만, 분자 구조의 변화는 예를 들면, 절단 반응, 분해 반응, 부가 반응 등에 의해 발생되는 것으로 생각된다. 분자구조의 변화는 캐리어 수송성 및 전도 레벨 (HOMO/LUMO 등에 의해 나타내어지는 캐리어 수송 시의 에너지 준위)의 변화를 이끈다. 그러면, 발광층의 캐리어 밸런스가 무너지고, 발광층에서 정공과 전자의 재결합 확률의 저하를 야기한다. 또한 여기 상태의 상기 언급한 분자 (구성 재료)가 발광 분자의 소광체(quencher)로 기능하여, 또한 발광 강도의 저하를 야기한다.
유기 발광 소자를 구동할 때, 애노드로부터 공급되는 정공은 정공 수송층을 통해 발광층에 공급된다. 한편, 캐소드로부터 공급되는 전자는 전자 수송층을 통해 발광층에 공급된다. 여기서 정공 수송층의 구성 재료가 되는 화합물은, 반복적으로 정공과 결합되고 해리된다. 이것은 전기 화학적으로 산화 및 환원을 반복되어, 라디칼 양이온 상태 및 중성 상태를 반복하는 결과를 낳는다는 것을 의미한다. 즉, 소자에 전류를 인가할 때, 라디칼 양이온 상태의 다수의 유기 화합물이 정공 수송층에 존재한다. 라디칼 양이온 상태에 있는 유기 화합물이 또한 광과 같은 에너지를 받아 여기 상태가 되면, 화합물 자체의 구조가 변화하는 것으로 생각된다. 이것이 유기 발광 소자의 연속 구동 시의 내구성을 감소시킨다.
라디칼 양이온 상태의 유기 화합물에 의해 받아들여지는 것으로 고려되는 에너지는 예를 들어, 다음의 두가지 에너지로 생각된다.
그 중 하나는 발광 재료와 같은 발광층의 구성 재료의 여기 에너지다. 정공 수송층이 대부분의 경우에 발광층에 인접하기 때문에, 발광층이 발광하고 있을 때, 발광층의 구성 재료의 여기 에너지의 일부가 정공 수송층으로 에너지 이동을 겪을 수 있다. 구체적으로 이것은 단일항 여기 상태로부터 포엘스터(Foerster) 형태의 에너지 이동이다.
그 중 나머지는 청색 발광의 광 에너지가 발광층으로부터 발광하는 것이다. 라디칼 양이온 상태의 화합물은 광을 흡수함으로써 여기될 수 있다.
두 에너지 모두 유기 발광 소자의 발광으로부터 유도되고, 라디칼 양이온 상태의 유기 화합물에 영향을 주는 에너지이다. 특히, 그 에너지 전달의 효율 면에서, 첫번째 것이 지배적인 것으로 생각된다.
라디칼 양이온 상태의 유기 화합물이 상대적으로 안정적이지만, 라디칼 양이온 상태에 있는 유기 화합물이 더 에너지를 받아서 여기 상태로 되는 경우, 유기 화합물이 불안정하게 되어 구조의 변화를 겪는 것으로 생각된다.
앞서 언급한 바와 같이, 전류 전도 동안에 정공 수송층에 포함되는 유기 화합물의 구조 변화를 방지하기 위해서는, 정공을 수취하기 쉬운 유기 화합물이 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에 흡수 피크를 갖지 않는 화합물인 것이 필요하다. 또한 정공 수송층에 라디칼 양이온 상태의 분자를 없애는 방법도 고려된다. 그러나 정공을 수송하는 정공 수송층의 기능을 고려하면, 그 방법은 이용할 수 없다.
전술한 점에서, 본 발명에서, 정공 수송층에 포함되는 복수 종류의 유기 화합물, 특히, 정공을 받기 쉬운 유기 화합물은 정공을 받아 라디칼 양이온 상태로 되었을 때 청색 파장 영역에서 흡수 피크를 갖지 않는 유기 화합물이 선택된다.
결론적으로, 정공을 받기 쉬운 유기 화합물은 발광층으로부터 청색 발광 출력 때문에 구조 변화를 겪지 않는다. 또한 불필요한 정공의 축적에 의해 야기되는 정공을 받기 쉬운 유기 화합물의 구조 변화도 방지할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 라디칼 양이온 상태의 유기 화합물이 발광층으로부터 방출되는 광에 의해 여기되면, 유기 화합물의 발광 강도는 실제로 저하된다.
예를 들면, 기판 상에 아래의 표로 나타내지는 구성을 갖는 유기 발광 소자가 있다고 가정한다 (구성은 기판상에 적층되는 순서에 따라서 기재되어 있음에 주의한다).
애노드 인듐 산화 주석 (ITO)
제1 유기 화합물 층 화합물 1 (90 중량%)
화합물 2 (10 중량%)
제2 유기 화합물 층 화합물 3
캐소드 알루미늄
상기 언급한 화합물 1 내지 3은 하기에 나타내지는 화합물이다. 또한, 상기 언급된 표의 유기 발광 소자는 수분의 흡착이 일어나지 않도록, -70 ℃ 이하의 노점에서, 질소분위기에서 보호용 유리판을 덮고, 에폭시계 접착재로 밀봉한다.
<화학식>
Figure pct00006
Figure pct00007
유기 발광 소자에 전압을 인가하면, 화합물 3의 전자친화력이 작기 때문에, 전자가 캐소드로부터 제2 유기 화합물 층에 주입되지 않지만, 정공이 애노드로부터 제2 유기 화합물 층에 주입된다. 따라서 정공 전류만이 유기 발광 소자를 통해 흐른다. 이에 따라, 이 샘플을 통해 전류가 흘러도 EL 발광은 일어나지 않는다.
유기 발광 소자에서, 다음의 조건 하에서 제1 유기 화합물 층의 광발광(photoluminescence)을 측정한다. 다음의 조건 (i) 내지 (iii)은 각각 130 시간 행해진다.
(i) 전압을 전류밀도를 100 mA/cm2으로 유지하는 동안에 인가한다.
(ii) 파장 460 nm인 광을 조사한다.
(iii) 전류밀도를 100 mA/cm2으로 유지하는 동안에 전압을 인가하면서 파장 460 nm의 광을 조사한다.
광발광의 측정 결과를 다음의 표에 나타낸다. 또한 조건 (i) 및 (iii)에 대해서는 전압 변화의 결과도 또한 나타낸다.
광발광(주 1) 전압 변화(주 2)
99 % +1 V
(i) 99 % -
(ii) 92 % +14 V
(주 1) 전류 전도 및/또는 광 조사 전에 대하여 전류 전도 및/또는 광 조사 후에 광발광 강도. 전류 전도 및 광 조사 각각의 시간은 130 시간이다.
(주 2) 전류 전도 및/또는 광 조사의 시작 시의 전압은 약 21 V이다.
한편, 상기 표 2의 결과를 고찰하는 목적에서, 화합물 2의 박막의 UV-가시 흡수 스펙트럼도 측정한다. 도 １은 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 여기서 사용되는 중성상태는 화합물 2의 박막이 양이온과 결합하지 않고 있는 상태, 즉 유기 발광 소자에서 전압을 인가하지 않고 있는 상태를 나타낸다. 한편, 여기서 사용되는 라디칼 양이온 상태는 화합물 2의 박막이 양이온과 결합하고 있는 상태, 즉 유기 발광 소자에 전압을 인가하고 있는 상태를 나타낸다.
도 １을 참조하면, 표 2에 나타내지는 결과는 정공을 통한 전류 전도에 의해 발생되는 화합물 2의 라디칼 양이온이 460 nm 파장의 청색광으로 여기되어, 구조의 변화를 야기한다고 생각된다. 화합물 2는 중성상태(도 １의 스펙트럼 1)에서는 청색 파장 영역에서 흡수가 상대적으로 적고, 에너지 간격이 넓기 때문에, 약 460 nm의 파장을 갖는 청색광으로 여기될 수 없다. 그러나 라디칼 양이온 상태(도 １의 스펙트럼 2)가 되면, 화합물이 청색 파장 영역에서 흡수 피크를 갖기 때문에, 라디칼 양이온 상태의 화합물 2는 약 460 nm의 파장을 갖는 청색광으로 여기된다. 화합물 2는 화합물 1보다 이온화 포텐셜이 더 작기 때문에, 우선적으로 라디칼 양이온 상태로 된다.
상기 언급한 결과는 정공을 통한 전류 전도에 의해 발생된 라디칼 양이온의 흡수 스펙트럼이 소자의 특성을 변화시킬 수 있다는 것을 시사한다.
유기 발광 소자에서 앞서 언급한 소자 특성의 변화에 관하여, 발광층으로부터 유출하는 가능성이 있는 발광에 필요한 여기 에너지를 고려하여야 한다. 왜냐하면, 포엘스터 이동형의 에너지 전달의 효율이 광 흡수보다 현저하게 크기 때문이다.
본 발명에서, 발광층은 청색 발광하는 유기 화합물만으로 형성되어도 되고, 호스트 및 게스트로 형성되어도 된다. 발광층이 호스트 및 게스트로 형성되어 있는 경우, 호스트 및 게스트는 중량비 (중량％）와 같은 발광층 내의 함량에 의해 서로 구별될 수 있다. 이 경우 게스트는 발광층으로부터 출력되는 발광의 색을 결정하는 재료이다. 발광층이 호스트 및 게스트로 형성되는 경우, 호스트 및 게스트 이외에, 예를 들면 호스트로부터 게스트로의 에너지 이동을 더욱 용이하게 하는 소위 어시스트 도펀트와 같은 재료를 또한 첨가할 수도 있다.
본 발명에서, 정공 수송층 및 발광층의 이외에 또다른 층이 유기 화합물층을 형성하는 층으로 제공되는 경우에는, 공지의 재료를 또다른 층의 구성 재료 (정공 주입/수송 재료, 전자 주입/수송 재료 및 발광 재료)로서 사용할 수 있다. 또한 본 발명에서, 전극 (애노드 및 캐소드)의 구성 재료로서 공지의 재료 (금속재료, 합금, 금속화합물 등)을 사용할 수 있다.
본 발명의 유기 발광 소자는, 예를 들면, 표시 장치의 화소부, 전자사진 화상 형성 장치의 감광체의 잠상을 형성시키기 위한 광원, 또는 화상 광학계를 갖는 화상 장치의 표시부로 이용될 수 있다.
표시 장치 부재로서 본 발명의 유기 발광 소자를 이용하는 경우, 이 표시 장치는 본 발명의 유기 발광 소자 및 본 발명의 유기 발광 소자의 휘도를 제어하는 TFT 회로를 갖는 화소를 포함한다.
(실시예)
(합성예 1) 예시 화합물 1의 합성
다음의 합성 기법에 의해 예시 화합물 1을 합성하였다.
<반응식>
Figure pct00008
(1) 중간화합물 1의 합성
다음의 시약 및 용매를 300 ml의 3구 플라스크에 채웠다.
화합물 x1: 10 g (36.2 mmol)
화합물 x2: 14.98 g (47.1 mmol)
톨루엔: 120 ml
에탄올: 20 ml
다음으로, 반응계 내를 질소분위기로 바꾼 후, 반응 용액을 실온에서 휘저으면서, 탄산나트륨 10 g과 물 100 ml을 혼합한 수용액을 떨어뜨리고, 그 후 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) 2.00g (1.70 mmol)을 용액에 첨가하였다. 그 후, 반응 용액을 77℃로 가열하고, 이 온도(77℃)에서 5시간 휘저었다. 반응 완료 후, 유기층을 톨루엔으로 추출하고, 무수황산나트륨에서 건조시킨 후, 용매를 감압하에서 증류하여 조(crude) 생성물을 얻었다. 다음으로, 이 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피(전개 용매:헵탄/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 백색 고체로서 중간화합물 1, 9.84 g (수율: 64.1 %)을 얻었다.
(2) 중간화합물 2의 합성
다음의 시약 및 용매를 300 ml의 3구 플라스크에 채웠다.
중간화합물 1: 8.0 g (18.9 mmol)
톨루엔: 120 ml
트리에틸아민: 40 ml
다음으로, 화합물 x3 (11.0 ml)을 한 방울씩 첨가하였다. 다음으로, 반응계 내를 질소분위기로 바꾼 후, 실온에서 휘저으면서, [1,3-비스(디페닐포스피노)프로판]니켈(II) 디클로라이드 1.08 g (2.0 mmol)을 반응 용액에 첨가하였다. 그 후, 반응 용액을 90℃로 가열하고, 이 온도(90℃)에서 8시간 휘저었다. 반응 완료 후, 유기층을 톨루엔으로 추출하고, 무수황산나트륨에서 건조시킨 후, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 다음으로, 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매: 헵탄/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 황백색 고체로서 중간화합물 2, 5.25 g (수율: 53.4%)을 얻었다.
(3) 중간화합물 3의 합성
다음의 시약 및 용매를 200 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
화합물 x4: 5.0 g (26.9 mmol)
화합물 x5: 25 g (108 mmol)
구리분: 7.0 g (110 mmol)
탄산 칼륨: 20.73 g (150 mmol)
o-디클로로벤젠: 100 ml
다음으로, 반응 용액을 165℃로 가열하고, 이 온도(165℃)에서 8시간 휘저었다. 반응 완료 후, 반응 용액을 여과하고, 그 여액을 감압하에서 농축하여 조 생성물을 얻었다. 그 후, 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매:헵탄/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 백색 고체로서 중간화합물 3, 9.07 g (수율: 86.0%)을 얻었다.
(4) 예시 화합물 1의 합성
다음의 시약 및 용매를 200 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
중간화합물 2: 0.78 g (1.5 mmol)
중간화합물 3: 1.47 g (3.75 mmol)
톨루엔: 50 ml
에탄올: 10 ml
다음으로, 반응계 내를 질소분위기로 바꾼 후, 반응 용액을 실온에서 휘저으면서, 탄산 세슘 10 g 및 물 50 ml를 혼합한 수용액을 떨어뜨리고, 다음에 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) 0.2 g (0.170 mmol)을 첨가하였다. 그 후, 반응 용액을 77℃로 가열하고, 이 온도(77℃)에서 5시간 휘저었다. 반응 종료 후, 유기층을 톨루엔으로 추출하고, 무수 황산 나트륨에서 건조시킨 후, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 그 다음, 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피(전개 용매:헵탄/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 황백색 고체로서 예시 화합물 1, 0.82 g (수율: 60.8%)을 얻었다.
매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화 비행시간형 질량분석기(MALDI-TOF MS)에 따라서, 예시 화합물 1의 M+인 896을 확인하였다.
또한, 1H-NMR 측정에 의해, 예시 화합물 1의 구조를 확인하였다.
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz)σ(ppm): 7.76-7.73 (m, 2H), 7.63 (s, 1H), 7.57 (d, 1H), 7.48-7.44 (m, 3H), 7.36-7.30 (m, 2H), 7.20 (s, 1H), 7.12 (d, 2H), 7.03-6.92 (m, 12H), 6.84 (dd, 4H), 2.27 (s, 6H), 2.20 (s, 12H), 2.16 (s, 12H), 1.52 (s, 6H)
(합성예 2) 예시 화합물 2의 합성
다음의 합성 기법에 의해 예시 화합물 2를 합성하였다.
<반응식>
Figure pct00009
다음의 시약 및 용매를 300 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
3'-요오도-1,1':5',1"-터페닐: 4 g (순도:93 %, 10.5 mmol)
리튬 아미드 (상품명, 키시다 케미칼 코., 엘티디.에서 제조됨): 2.68 g (111 mmol)
나트륨 터트-부톡시드 (상품명, 도쿄 케미칼 인더스트리 코., 엘티디.에서 제조됨): 3.41 g (34.8 mmol)
자일렌: 150 ml
다음으로, 반응계 내를 질소분위기로 바꾼 후, 반응 용액을 실온에서 휘저으면서, 트리-터트-부틸포스핀 (10 중량％ 헥산 용액) 3.7 ml (0.15 mmol)을 첨가하였다. 그 후, 팔라듐 디벤질리덴아세톤 (상품명, 도쿄 케미칼 인더스트리 코., 엘티디.에서 제조됨) 0.37 mg (0.65 mmol)을 첨가하였다. 그 후, 플라스크 내에 아르곤을 도입하여 반응계를 아르곤으로 바꾼다. 그 후에 반응 용액을 가열 및 환류시키면서 6시간 휘저었다. 반응 완료 후, 반응 용액 중의 유기층을 톨루엔으로 수집하였다. 그 후, 이 유기층을 물로 세척하고, 무수 황산 나트륨에서 건조시키고, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 다음으로, 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매: 헵탄/톨루엔 혼합 용매)에서 3회 정제하여, 백색 결정으로서 예시 화합물 2, 0.4 g (수율: 16 %)을 얻었다.
매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화 비행시간형 질량분석기(MALDI-TOF MS)에 따라서, 예시 화합물 2의 Ｍ+인 701을 확인하였다.
또한, 1H-NMR 측정에 의해, 예시 화합물 2의 구조를 확인하였다.
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz (제올 엘티디.에 의해 제조된 ECA-400으로 측정))σ (ppm): 7.60-7.58 (4H, m), 7.52 (1.1H, t), 7.48 (2H, d), 7.40 (4H, dt), 7.32 (2H, tt)
(합성예 3) 예시 화합물 3의 합성
다음의 합성 기법에 의해 예시 화합물 3을 합성했다.
<반응식>
Figure pct00010
다음의 시약 및 용매를 100 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
3-브로모플루오렌: 0.40 g (1.46 mmol)
리튬 아미드 (상품명, 키시다 케미칼 코., 엘티디.에서 제조됨): 0.35 g (14.6 mmol)
나트륨 터트-부톡시드 (상품명, 도쿄 케미칼 인더스트리 코., 엘티디.에서 제조됨): 0.49 g (5.0 mmol)
자일렌: 20 ml
다음으로, 반응 용액을 질소 분위기하의 실온에서 휘저으면서, 트리-터트-부틸포스핀 (10 중량％ 헥산 용액) 0.5 ml (0.15 mmol)을 첨가하였다. 그 후, 팔라듐 디벤질리덴아세톤 (상품명, 도쿄 케미칼 인더스트리 코., 엘티디.에서 제조됨) 0.67 mg (0.153 mmol)을 첨가하였다. 그 후, 플라스크 내에 아르곤을 도입해서 반응계를 아르곤으로 바꾼다. 그 후, 반응 용액을 가열 및 환류시키면서 6시간 휘저었다. 반응 완료 후, 반응 용액 중의 유기층을 톨루엔으로 수집하였다. 그 후, 유기층을 물로 세척하고, 무수 황산 나트륨에서 건조시키고, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 그 후, 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매:헵탄/톨루엔 혼합 용매)에서 정제하여, 백색결정으로서 예시 화합물 3, 0.14 g (수율: 50.0%)을 얻었다.
매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화 비행시간형 질량분석기(MALDI-TOF MS)에 따라서, 예시 화합물 3의 Ｍ+인 593.0을 확인하였다.
또한, 1H-NMR 측정에 의해, 예시 화합물 3의 구조를 확인하였다.
1H-NMR (CDCl3, 400 MHz (제올 엘티디.에 의해 제조된 ECA-400으로 측정))σ (ppm): 7.56 (2H, dt), 7.42 (1H, dd), 7.32-7.25 (3H, m), 7.10 (1H, dd), 1.52 (6H, s)
이온화 포텐셜 등의 측정 및 평가
상기 합성예 1 내지 3에서 합성한 예시 화합물 1 내지 3 및 후술하는 α-NPD의 이온화 포텐셜 등을 다음의 방법으로 평가하였다.
(1) 에너지 간격
박막으로 형성된 대상 화합물의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 히타치 엘티디.에서 제조한 분광 광도계 U-3010을 이용하여 측정하였다. 박막은 유리 기판 상에서 대상 화합물을 성막함으로써 얻었다. 다음으로, 측정한 UV-가시 흡수 스펙트럼의 흡수 끝으로부터 에너지 간격을 측정하였다.
(2) 이온화 포텐셜
대기에서 광전자분광법 (측정기 이름 AC-1 리켄키키 코., 엘티디.에서 제조됨)을 이용해서 이온화 포텐셜을 측정하였다.
(3) 전자친화력
다음의 계산식으로 전자친화력을 계산하였다:
[전자친화력] = [이온화 포텐셜] - [에너지 간격]
(4) 라디칼 양이온의 흡수 스펙트럼
다음의 분석 기기를 이용해서 라디칼 양이온의 흡수 스펙트럼을 측정 및 평가하였다.
전기화학 분석기 (포텐시오스타트): ALS에서 제조된 660C
흡수 스펙트럼의 측정용 광원: 오션 옵틱스에서 제조된 중수소 텅스텐 할로겐 광원 DH-2000
흡수 스펙트럼의 측정용 분광기: 오션 옵틱스에서 제조된 USB-2000
우선 대상 화합물을 전해질 용매와 혼합하였다. 그 후 포텐시오스타트로 혼합 용액에 전압을 인가하여, 대상 화합물을 산화하고, 그 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 혼합 용액의 대상 화합물의 농도는 1x10-2 내지 1x10-5 mol/l였다. 흡수 스펙트럼의 측정을 위해, 대상 화합물을 산화하기 위한 포텐셜을 혼합 용액에 인가하여, 흡수 스펙트럼의 시간에 따른 변화를 측정하였다. 이 측정에 의해 얻어지는 흡수 스펙트럼은, 중성상태 및 라디칼 양이온 상태에서 흡수 스펙트럼의 합이다. 전화(electrification) 전하량 (암페로메트리)으로부터 라디칼 양이온의 생성량을 추산할 수 있으므로, 중성 분자와 라디칼 양이온 사이의 존재비와, 중성 분자와 라디칼 양이온 모두의 흡수 스펙트럼으로부터, 라디칼 양이온 상태에서의 흡수 스펙트럼을 추출할 수 있다.
도 ２ 내지 도 ５는 각각 예시 화합물 1 내지 3 및 α-NPD의 중성상태 및 양이온 여기 상태에 있어서의 UV-가시 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다． 도 ２ 내지 도 ５ 각각에서, 중성상태에 있어서의 UV-가시 흡수 스펙트럼은 1로 나타내어지고, 양이온 여기 상태에 있어서의 UV-가시 흡수 스펙트럼은 2로 나타내어 진다.
(실시예 1)
기판 상에, 애노드, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 캐소드가 이 순서대로 적층되어 있는 유기 발광 소자를, 다음의 방법으로 생산하였다.
(1) 사용한 화합물 및 그 합성법
본 실시예에서 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층의 어느 하나에 대한 구성 재료로서 사용한 화합물의 일부를 아래에 나타낸다.
<화학식>
Figure pct00011
Figure pct00012
이하, 본 실시예에서 사용한 화합물의 합성법을 아래에 나타낸다.
(i) 화합물 A1 (호스트)
다음의 합성 기법에 의해 화합물 A1을 합성하였다.
<반응식>
Figure pct00013
(i-1) 다음의 시약 및 용매를 500 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
2,7-디브로모-9,9-디메틸플루오렌 (화합물 a): 2.0 g (5.68 mmol)
피렌-1-보론산 (화합물 b): 4.2 g (17.0 mmol)
톨루엔: 120 ml
에탄올: 60 ml
다음으로, 반응계 내를 질소분위기로 바꾼 후, 반응 용액을 실온에서 휘저으면서, 탄산 나트륨 24 g 및 물 120 ml을 혼합한 수용액을 떨어뜨리고, 다음에 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) 0.33 g (0.28 mmol)을 용액에 첨가하였다. 그 후, 반응 용액을 실온에서 30분 휘젓고, 77℃로 가열하고, 이 온도(77℃)에서 5시간 휘저었다. 반응 완료 후, 유기층을 클로로포름으로 추출하고, 무수황산나트륨에서 건조시킨 후에, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 다음으로, 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매: 헥산/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 백색 결정으로서 화합물 c, 3.0 g (수율: 89.0%)을 얻었다.
(i-2) 다음의 시약 및 용매를 500 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
화합물 c: 3.51 g (5.89 mmol)
터트-부틸 클로라이드: 1.64 g (17.67 mmol)
디클로로메탄: 200 ml
다음으로, 반응 용액을 0℃로 냉각한 후, 이 온도(0℃)에서 휘저으면서 염화 알루미늄 1.71 g (13.0 mmol)을 소량씩 첨가하였다. 그 후, 반응 용액을 이 온도(0℃)에서 30분 휘젓고, 실온으로 가열하고, 5시간 더 휘저었다. 반응 완료 후, 반응 용액을 물 200 ml에 붓고, 그 후 유기층을 클로로포름으로 추출하고, 무수황산나트륨에서 건조시켰다. 다음으로, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매: 헥산/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 백색 결정으로서 화합물 A1, 3.53 g (수율: 84%)을 얻었다.
(ii) 화합물 A2 (발광 도펀트)
다음의 합성 기법에 의해 화합물 A2을 합성하였다.
<반응식>
Figure pct00014
다음의 시약 및 용매를 200 ml 삼구 플라스크에 채웠다.
화합물 d: 0.924 g (1.70 mmol)
화합물 e: 0.957 g (3.40 mmol)
나트륨 터트-부톡사이드: 0.65 g (6.80 mmol)
자일렌: 100 ml
다음으로, 반응계 내를 질소분위기로 바꾼 후, 반응 용액을 실온에서 휘저으면서, 다음의 시약을 순차적으로 첨가했다.
트리-(터트-부틸)포스핀: 34.4 mg (0.17 mmol)
팔라듐 디벤질리덴아세톤: 48.9 mg (0.085 mmol)
다음으로, 반응 용액을 125℃로 가열하고, 이 온도(125℃)에서 3시간 휘저었다. 반응 완료 후, 유기층을 톨루엔으로 추출하고 무수황산나트륨에서 건조시켰다. 다음으로, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매: 헵탄/톨루엔 혼합 용매)로 정제하여, 황백색 결정으로서 화합물 A2, 0.920 g (수율: 72.7%)을 얻었다.
질량분석법에 의해, 화합물의 M+인 743.5을 확인하였다. 또한, 시차 주사 열량분석기(DSC)에 의해, 화합물의 융점이 323℃인 것을 확인하였다.
(iii) 화합물 A3 (정공 수송성 재료)
다음의 합성 기법에 의해 화합물 A3을 합성하였다.
<화학식>
Figure pct00015
(iii-1) 반응 용기 내로 질소를 도입함으로써 반응계 내를 질소분위기하에서 유지하면서, 반응 용기에 다음의 시약과 용매를 채웠다.
2,7-디요오도-9,9-디메틸플루오렌: 5 g (11.2 mmol)
9,9-디메틸플루오렌-2-보론산: 9 g (24.7 mmol)
톨루엔(탈기): 200 ml
에탄올: 100 ml
다음으로, 실온에서 반응 용액을 휘저으면서, 무수 탄산 나트륨 51 g 및 물 250 ml를 혼합하여 제조한 탄산 나트륨 수용액 245 ml을 떨어뜨렸다. 그 후, 반응 용액을 실온에서 30분 휘젓고 그 후, 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐 142 g (1.23 mmol)을 용액에 첨가하였다. 그 후, 80℃로 가열한 오일 배스 상에서 반응 용기를 가열하면서, 반응 용액을 약 3시간 가열하며 휘저었다. 반응 용액을 실온으로 되돌린 후, 물 100 ml 및 에틸 아세테이트 100 ml를 용액에 첨가하였다. 그 후, 용매 추출 (제1 용매 추출)에 의해 용액을 물층과 유기층을 분리하여 유기층을 수집하였다. 그 후, 물층에 톨루엔 및 아세트산 에틸을 첨가하고, 용매 추출 (제2 용매 추출)에 의해 용액을 물층과 유기층으로 분리해서 유기층을 수집하였다. 그 후, 제1 및 제2 용매 추출에서 수집한 유기층을 황산 나트륨에서 건조시켰다. 다음으로, 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (전개 용매: 톨루엔:헵탄=1:2)로 정제하여, 2,2':7',2"－트리스(9,9-디메틸플루오렌) 4.9 g을 얻었다.
(iii-2) 반응 용기 내로 질소를 도입함으로써 반응계 내를 질소분위기하에서 유지하면서, 반응 용기에 다음의 시약과 용매를 채웠다. 다음의 시약 및 용매는 반응 용기를 가열하면서 혼합했다.
2,2':7',2"－트리스(9,9-디메틸플루오렌): 4.5 g (7.79 mmol)
니트로벤젠: 150 ml
다음으로, 60℃로 가열한 오일 배스 상에서 반응 용기를 가열하면서, 브롬 2.5 g (15.6 mmol)을 천천히 떨어뜨린 후, 약 2시간 더 휘저었다. 그 후, 반응 용기를 아이스 배스에 옮겼다. 반응 용액을 냉각하면서, 잠시 휘젓고 그 후 침전물을 여과하였다. 침전물을 톨루엔으로 재결정 한 후, 여과, 건조하여 7,7"－디브로모-2,2':7',2"－트리스(9,9-디메틸플루오렌) 3.4 g을 얻었다.
(iii-3) 반응 용기 내로 질소를 도입함으로써 반응계 내를 질소분위기하에서 유지하면서, 반응 용기에 다음의 시약과 용매를 채웠다.
팔라듐 비스(벤질리덴아세톤): 156 mg (0.272 mmol)
트리-터트-부틸포스핀: 330 mg (1.63 mmol)
자일렌: 20 ml
다음으로, 실온에서 반응 용액을 15분간 휘저었다. 그 후, 자일렌 50 ml 및 7,7"-디브로모-2,2':7',2"-트리스(9,9-디메틸플루오렌) 1 g (1.36 mmol)을 혼합해서 제조한 자일렌 용액을 상기 자일렌 용액에 떨어뜨렸다. 반응 용기를 50℃로 가열한 오일 배스 상에서 가열하면서 반응 용액을 30분 휘저었다. 그 후, N-(4-트리플루오로메틸페닐)-N-(4-메틸페닐)아민 1.08 g (4.08 mmol)과 자일렌 20 ml를 혼합해서 제조한 자일렌 용액을 반응 용액에 떨어뜨렸다. 그 후, 반응 용액에 나트륨 터트-부톡사이드 588 mg (6.12 mmol)을 첨가하였다. 다음으로, 반응 용기를 130℃로 가열한 오일 배스 상에서 약 5시간 가열하고, 휘저었다. 반응 용액을 실온으로 되돌린 후, 물 50 ml를 용액에 첨가하였다. 그 결과로 생성된 반응 용액을 제1 용매 추출로 물층과 유기층으로 분리하였다. 그 후, 물층에 톨루엔 및 에틸 아세테이트를 가하고, 제2 용매 추출로 용액을 물층과 유기층으로 분리하였다. 다음으로, 제1 및 제2 용매 추출에서 수집한 유기층을 황산 마그네슘에서 건조시켰다. 용매를 감압하에서 증류하여 조 생성물을 얻었다. 조 생성물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피 (톨루엔:헵탄=1:2)로 정제하고, 화합물 A3, 1.2g을 얻었다.
매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화 비행시간형 질량분석기(MALDI-TOF MS)에 따라서, 예시 화합물 A3의 M+인 1076을 확인하였다.
(2) 유기 발광 소자의 제작 방법
우선 스퍼터링으로, 유리 기판 (기판) 상에 인듐 산화 주석(ITO)을 성막하여, 애노드를 형성하였다. 애노드의 막 두께는 120 nm로 두었다. 그 후, 애노드가 형성되어 있는 기판을, 아세톤 및 이소프로필 알콜(IPA)로 순차적으로 초음파 세척하고, IPA로 끓여 세척한 후, 건조하였다. 그 후, 기판을 UV/오존 세척하였다. 이렇게 처리한 기판을 유기 발광 소자의 제조를 위한 투명도전성 지지 기판으로 사용하였다.
다음으로, 화합물 A3 (이온화 포텐셜: 5.85 eV) 및 예시 화합물 1 (이온화 포텐셜: 5.46 eV)를 10:1의 질량비를 갖도록 혼합하였다. 그 후, 혼합물을 클로로포름과 혼합하여, 1 중량％의 클로로포름 용액을 제조하였다. 다음으로, 클로로포름 용액을 애노드에 떨어뜨리고, 최초로 회전수 500 RPM으로 10초, 그 후 회전수 1000 RPM으로 40초 스핀 코팅하여, 정공 수송층의 역할을 하는 박막을 형성하였다. 정공 수송층의 두께는 11 nm이었다.
다음으로, 진공증착으로, 정공 수송층 상에 호스트 화합물 A1 및 발광 도펀트로서 화합물 A2를, 그 층의 화합물 A2의 농도가 5 중량％로 되도록 함께 증착함으로써 발광층을 형성하였다. 발광층의 막 두께는 100 nm로 두었고, 호스트 및 도펀트의 성막 속도는 각각 0.1 nm/초, 0.01 nm/초로 두고, 증착시의 진공도는 5.0x10-5 Pa로 두었다.
다음으로, 진공증착으로, 발광층 상에, 나드(NARD) 인스티튜트 엘티디.에 의해 제조된 바소페난트롤린 (BPhen)을 성막하여 전자 수송층을 형성하였다. 전자 수송층의 두께는 20 nm로 두었고, 증착시의 진공도는 5.0x10-5 Pa로 두었으며, 성막 속도는 0.1 nm/초로 두었다.
다음으로, 진공증착으로, 전자 수송층 상에, 알루미늄-리튬 합금 (리튬 농도 1 at%)으로 이루어지는 증착 재료를 성막하여, 합금 박막을 형성하였다. 합금 박막의 두께는 0.5 nm로 두었다. 그 후, 진공증착으로 이전에 형성한 합금 박막 상에, 알루미늄을 성막하여 Al 박막을 형성하였다. Al 박막의 두께는 150 nm로 두었다. 금속 박막 및 Al 박막은 전자 주입 전극 (캐소드)로서 기능한다. 또한, 금속 박막 및 Al 박막을 형성할 때, 증착시의 진공도는 5.0x10-5 Pa로 두었고, 성막 속도는 1.0 내지 1.2 nm/초로 두었다.
다음으로, 이렇게 얻어진 소자를 소자가 수분을 흡착하여 그의 발광 강도가 저하되지 않도록, 질소분위기에서 보호용 유리 판으로 덮고, 에폭시 수지계 접착재로 밀봉하였다. 사용한 보호용 유리의 접착 표면은 수분흡착용의 시트(다이닉 코., 엘티디.에서 제조된 유기 EL 용 수분 목적 시트)가 제공되었다.
이에 따라, 유기 발광 소자를 얻었다.
전류를 이로 얻어진 소자에 인가하는 경우, 소자는 청색 발광을 나타내었다. 청색의 최대 방출 파장은 460 nm이었다. 또한, 33 mA/cm2의 전류를 유지하면서 소자에 연속적으로 전압을 인가함으로써 소자의 수명을 평가하였다. 구체적으로 전압의 연속 인가에 의한 초기 휘도의 반감기를 평가하였다. 표 3은 그 결과를 나타낸다.
(실시예 2)
정공 수송층의 구성 재료로 예시 화합물 1 대신에, 예시 화합물 2 (이온화 포텐셜: 5.72 eV)를 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 것과 같은 방법에 의해 유기 발광 소자를 제조하였다. 얻어진 소자는 실시예 1과 같은 방법으로 평가하였다. 표 3은 그 결과를 나타낸다.
(실시예 3)
정공 수송층의 구성 재료로 예시 화합물 1 대신에, 예시 화합물 3 (이온화 포텐셜: 5.51 eV)을 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 것과 같은 방법에 의해 유기 발광 소자를 제조하였다. 얻어진 소자는 실시예 1과 같은 방법으로 평가를 행하였다. 표 3은 그 결과를 나타낸다.
(비교예 1)
정공 수송층의 구성 재료로 예시 화합물 1 대신에, 다음의 화학식으로 나타내어지는 α-NPD (이온화 포텐셜: 5.40 eV)을 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 것과 같은 방법에 의해 유기 발광 소자를 제조하였다. 얻어진 소자는 실시예 1과 같은 방법으로 평가를 행하였다. 표 3은 그 결과를 나타낸다.
<화학식>
Figure pct00016
Figure pct00017
표 3으로부터, 실시예 1 내지 3의 유기 발광 소자는 비교예 1의 소자와 비교하여 초기 휘도의 반감기가 현저하게 향상되었다는 것을 알았다. 이것은 아마도 비교예 1로 사용한 α-NPD가 정공을 포함하여 라디칼 양이온 상태로 되었을 때, 발광층으로부터 발광되는 청색 발광 에너지의 일부를 흡수하여 화합물 자체의 구조가 변화하기 때문으로 생각된다. 한편, 실시예 1 내지 3에서 각각 사용된 예시 화합물 1 내지 3은 정공을 포함하여 라디칼 양이온 상태로 되었을 때, α-NPD에서 보는 바와 같은 구조의 변화는 일어나지 않는 것으로 생각된다.
도 ２ 내지 도 ４에 도시된 바와 같이, 예시 화합물 1 내지 3은 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역 (410 nm 내지 490 nm)에 흡수 피크를 갖지 않는다. 한편, 도 ５에 도시된 바와 같이, α-NPD는 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역(410 nm 내지 490 nm)에 흡수 피크를 갖는다.
앞서 설명한 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 유기 발광 소자는 연속 구동시에 내구성이 향상된다.
산업상 이용가능성
본 발명에 따르면, 연속 구동시에 향상된 내구성을 갖는 유기 발광 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시양태를 참고로 설명되었지만, 본 발명이 개시된 예시적인 실시양태로 제한되는 것이 아니라는 것을 이해할 것이다. 다음의 청구항의 범위는 모든 그러한 변형 및 균등 구조 및 기능을 포함하도록 가장 넓은 해석으로 부여될 것이다.
이 출원은 그 전체가 여기에서 참고로 본원에 포함되어 있는 2009년 12월 14일에 출원된 일본 특허 출원 제2009-282648호의 이점을 주장한다.

Claims (4)

  1. 애노드;
    캐소드; 및
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 배치되어, 적어도 정공 수송층 및 발광층을 포함하는 유기 화합물층을 포함하고:
    여기서, 상기 발광층이 청색 발광 재료를 포함하고;
    상기 정공 수송층이 복수 종류의 유기 화합물을 포함하고;
    상기 유기 화합물 중 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물이 라디칼 양이온 상태에서 청색 파장 영역에 흡수 스펙트럼 피크가 존재하지 않는 화합물을 포함하는, 유기 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물의 청색 파장 영역에서의 몰 흡광 계수가 5000 L?mol-1?cm-1 이하인 유기 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 가장 작은 이온화 포텐셜을 갖는 유기 화합물이 다음의 일반 화학식 (1)로 표현되는 것인 유기 발광 소자.
    <화학식>
    Figure pct00018

    (Ar1 내지 Ar3이 각각 융합 다환 방향족기 또는 다음의 일반 화학식 (2)로 나타나는 치환 페닐 기를 나타내고(단, Ar1 내지 Ar3은 각각 다른 치환 기와 같아도 되고 상이해도 된다),
    <화학식>
    Figure pct00019

    일반 화학식 (2)에 있어서, R1 및 R3은 각각 수소 원자, 할로겐 원자, 치환 혹은 무치환의 알킬기 또는 치환 혹은 무치환의 아릴기를 나타내며(단, R1 및 R3 중 어느 하나는 치환 혹은 무치환의 아릴기를 나타낸다); R2은 수소 원자, 할로겐 원자또는 치환 혹은 무치환의 알킬기다)
  4. 제１항에 기재된 유기 발광 소자 및 상기 유기 발광 소자의 휘도를 조절하는 TFT 회로를 포함하는 화소를 포함하는 표시 장치.
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