KR20140032040A

KR20140032040A - 아릴 화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자

Info

Publication number: KR20140032040A
Application number: KR1020120097355A
Authority: KR
Inventors: 전은주; 서정대; 김효석; 김신한
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-14

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 아릴 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]

상기 화학식 1에서, L1은 플루오렌, 스피로-플루오렌 및 페탄트렌 중 선택된 어느 하나이고, R1 및 R2는 각각 독립적으로, 수소, 또는 치환되거나 비치환된 탄소수 1 내지 20개의 알킬, 아릴, 헤테로 아릴 그룹 중 어느 하나이며, 상기 X는 C 또는 N이다.

Description

아릴 화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자{ARYL COMPOUND AND ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE DEVICE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 유기전계발광소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 신규한 아릴 화합물을 이용한 전자수송층 또는 전자주입층을 포함하는 유기전계발광소자에 관한 것이다.

최근, 평판표시장치(FPD: Flat Panel Display)는 멀티미디어의 발달과 함께 그 중요성이 증대되고 있다. 이에 부응하여 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel: PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display: FED), 유기전계발광소자(Organic Light Emitting Diode device) 등과 같은 여러 가지의 평면형 디스플레이가 실용화되고 있다.

특히, 유기전계발광소자는 응답속도가 1ms 이하로서 고속의 응답속도를 가지며, 소비 전력이 낮고 자체 발광이다. 또한, 시야각에 문제가 없어서 장치의 크기에 상관없이 동화상 표시 매체로서 장점이 있다. 또한, 저온 제작이 가능하고, 기존의 반도체 공정 기술을 바탕으로 제조 공정이 간단하므로 향후 차세대 평판 표시 장치로 주목받고 있다.

유기전계발광소자는 양극, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 양극으로부터 공급받는 정공과 음극으로부터 받은 전자가 발광층 내에서 결합하여 정공-전자쌍인 여기자(exciton)를 형성하고 다시 여기자가 바닥상태로 돌아오면서 발생하는 에너지에 의해 발광하게 된다.

그러나, 종래 유기전계발광소자는 전자의 이동 속도가 정공의 이동 속도보다 늦어, 발광층에서 전자와 정공이 만나는 비율이 낮아 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다. 그리고, 발광층과 전자수송층 간에 에너지 밴드가 맞지 않아 발광층으로의 전자 주입이 용이하지 않은 문제점이 있다. 따라서, 새로운 구조의 전자주입층 또는 전자수송층의 재료의 요구가 증대되고 있다.

본 발명은 유기전계발광소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 아릴 화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 아릴 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.

[화학식 1]

상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로, 페닐, 바이페닐, 퀴놀린, 피리딘, 벤조이미다졸 및 트리아진 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.

상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로, 하기 표시되는 물질 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전계발광소자는 양극, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극을 포함하는 유기전계발광소자에 있어서, 상기 전자수송층 또는 상기 전자주입층은 청구항 1항 내지 3항의 아릴 화합물을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 아릴 화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자는 종래 유기전계발광소자에 비해, 구동전압, 발광효율 및 양자효율 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 측정하여 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작된 유기전계발광소자의 휘도에 따른 발광효율을 측정하여 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들을 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기전계발광소자(100)는 양극(110), 정공주입층(120), 정공수송층(130), 발광층(140), 전자수송층(150), 전자주입층(160) 및 음극(170)을 포함할 수 있다.

상기 양극(110)은 정공을 주입하는 전극으로 일함수가 높은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 ZnO(Zinc Oxide) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 양극(110)이 반사 전극일 경우에 양극(110)은 ITO, IZO 또는 ZnO 중 어느 하나로 이루어진 층 하부에 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나로 이루어진 반사층을 더 포함할 수 있다.

상기 정공주입층(120)은 양극(110)으로부터 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-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 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 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 150nm 이하이면, 정공주입층(120)의 두께가 너무 두꺼워 정공의 이동을 향상시키기 위해 구동전압이 상승되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

상기 정공수송층(130)은 정공의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 정공수송층(130)의 두께는 1 내지 150nm일 수 있다. 여기서, 상기 정공수송층(130)의 두께가 5nm 이상이면, 정공 수송 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 150nm 이하이면, 정공수송층(130)의 두께가 너무 두꺼워 정공의 이동을 향상시키기 위해 구동전압이 상승되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

상기 발광층(140)은 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 발광할 수 있으며, 인광 물질 또는 형광 물질로 이루어질 수 있다.

발광층(140)이 적색인 경우, CBP(carbazole biphenyl) 또는 mCP(1,3-bis(carbazol-9-yl)를 포함하는 호스트 물질을 포함하며, PIQIr(acac)(bis(1-phenylisoquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(acac)(bis(1-phenylquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(tris(1-phenylquinoline)iridium) 및 PtOEP(octaethylporphyrin platinum)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 도펀트를 포함하는 인광물질로 이루어질 수 있고, 이와는 달리 PBD:Eu(DBM)₃(Phen) 또는 Perylene을 포함하는 형광물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

발광층(140)이 녹색인 경우, CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질을 포함하며, Ir(ppy)3(fac tris(2-phenylpyridine)iridium)을 포함하는 도펀트 물질을 포함하는 인광물질로 이루어질 수 있고, 이와는 달리, Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum)을 포함하는 형광물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

발광층(140)이 청색인 경우, CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질을 포함하며, (4,6-F₂ppy)₂Irpic을 포함하는 도펀트 물질을 포함하는 인광물질로 이루어질 수 있고, 이와는 달리, spiro-DPVBi, spiro-6P, 디스틸벤젠(DSB), 디스트릴아릴렌(DSA), PFO계 고분자 및 PPV계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 형광물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 전자수송층(150) 또는 상기 전자주입층(160)은 음극(170)으로부터 발광층(140)으로의 전자의 주입을 원할하게 하는 역할을 할 수 있으며, 하기의 화학식 1로 표시되는 아릴 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, L1은 치환되거나 비치환된 환형 구조를 이루는 연결 그룹(linking group)이며, 예를 들어 플루오렌, 스피로-플루오렌 및 페탄트렌 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 그리고, 상기 X는 C 또는 N으로 이루어질 수 있다.

상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로, 수소, 또는 치환되거나 비치환된 탄소수 1 내지 20개의 알킬, 아릴, 헤테로 아릴 그룹 중 어느 하나이며, 예를 들어, R1 및 R2는 각각 독립적으로, 하기 표시되는 물질인 페닐, 바이페닐, 퀴놀린, 피리딘, 벤조이미다졸 및 트리아진 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.

보다 자세하게, 상기 화학식 1로 표시되는 아릴 화합물은 하기 화학식 2와 같이, A 영역과 B 영역으로 나눌 수 있는데, A 영역과 B 영역은 하기 표 1과 같이 나타나 아릴 화합물로 이루어질 수 있다.

[화학식 2]

전술한 본 발명의 아릴 화합물은 퓨즈드(Fused) 아릴 그룹(aryl group)을 코어(Core)로 가지며 electron withdrawing 특성을 가지는 퀴놀린(quinoline), 피리딘(pyridine), 벤즈이미다졸(benzimidazole), 트리아진(triazine) 등과 같은 헤테로 아릴 그룹을 치환체로 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서, 코어로서 퓨즈드 링(fused ring) 구조를 선택하여 전자 이동도를 높이고, 사이드 그룹으로는 전자가 풍부한 헤테로아릴 그룹을 선택하여 전자 수송/주입 능력을 증가시키게 된다.

상기 전자수송층(150)이 전술한 아릴 화합물로 형성된 경우, 상기 전자주입층(Electron Injection Layer ; EIL)(160)은 Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 또는 SAlq를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 전자주입층(160)은 금속할라이드 화합물일 수 있으며, 예를 들어 MgF₂, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF 및 CaF₂로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 반면, 전자주입층(160)이 전술한 아릴 화합물로 형성된 경우, 상기 전자수송층(Electron Transport Layer ; ETL)(150)은 Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 및 SAlq로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

이하, 본 발명의 전자수송층 또는 전자주입층에 사용되는 아릴 화합물의 합성예 및 이 화합물을 포함하는 유기전계발광소자에 관하여 하기 합성예 및 실시예에서 상술하기로 한다. 다만, 하기에 개시되는 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

합성예

플로렌 보릭에시드 유도체(3g, 6.7mmol)에 브로모 퀴놀린 유도체(4g, 19.2mmol)을 무수 테트라하이드로 퓨란 60mL 넣고 교반시킨다. 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(1.55g, 1.3mmol)과 포타슘카보네이트(K₂CO₃, 6.8g, 26.8mmol), 증류수 60mL를 넣고 100℃에서 24시간 환류시킨다. 반응이 종류되면 테트라하이드로퓨란을 제거한 후 생성된 고형분을 걸러낸다. 디클로로메탄과 메탄올을 사용하여 재결정하여 ET-1-2(2.1g, 4.7mmol, 69%)를 얻었다.

실시예

이하, 전술한 합성예에서 제조된 아릴 화합물을 전자수송층으로 사용하여 유기전계발광소자를 제작한 실시예를 개시한다.

ITO 글라스의 발광 면적이 2mm×2mm 크기가 되도록 패터닝한 후 세정하였다. 기판을 진공 챔버에 장착한 후 베이스 압력이 1×10^-6torr가 되도록 한 후 양극 ITO위에 정공주입층으로 HAT-CN을 50Å의 두께로 증착하고, 이어 정공수송층인 NPD (4,4’-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenylamino]-biphenyl)에 DNTPD (N,N’-diphenyl-N,N’-bis-[4-(phenyl-m-tolylamino)-phenyl-]-biphenyl-4,4’-diamine)을 8%로 도핑하여, 1500Å의 두께로 증착하여 형성하고, TCTA를 200Å의 두께로 연속하여 증착한다. 이어, ADN 호스트에 tBu-Perylene의 도펀트를 포함하는 발광층을 250Å의 두께로 형성한다. 이어, 전자수송층인 하기 ET-1-2로 표시되는 물질을 250Å의 두께로 성막하고, 전자주입층으로 Bphen 재료에 알칼리 금속인 리튬을 도핑하여 100Å의 두께로 성막하고, 음극인 Al을 500Å의 두께로 성막하여 유기전계발광소자를 제작하였다.

< HAT-CN >

< NPD >

< DNTPD >

< TCTA >

< ADN >

< tBu-Pyrylene >

< ET-1-2 >

< BPhen >

비교예

전술한 실시예와 동일한 조건 하에, 전자수송층으로 Alq₃를 사용한 것만 달리하여 유기전계발광소자를 제작하였다.

< Alq₃ >

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 유기전계발광소자의 전류밀도, 구동전압, 양자효율 및 색좌표를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 구동전압에 따른 전류밀도를 측정하여 도 2에 나타내었고, 휘도에 따른 발광효율을 측정하여 도 3에 나타내었다.

	구동전압(V)	전류밀도(mA/㎠)	양자효율(%)	색좌표
	구동전압(V)	전류밀도(mA/㎠)	양자효율(%)	CIE_x	CIE_y
실시예	3.96	10	8.30	0.139	0.085
비교예	4.85	10	8.20	0.139	0.085

상기 표 2에 나타나는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 유기전계발광소자는 비교예와 동등 수준의 전류밀도와 색좌표를 나타내는 것을 알 수 있고, 구동전압 및 양자효율이 현저하게 향상된 것을 알 수 있다. 도 2를 참조하면, 실시예와 비교예는 구동전압에 따른 전류밀도가 유사하고, 특히, 도 3에 나타난 바와 같이 실시예의 발광효율이 향상된 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 아릴 화합물 및 이를 포함하는 유기전계발광소자는 종래 유기전계발광소자에 비해, 구동전압, 발광효율 및 양자효율 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 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 : 전공주입층 130 : 정공수송층
140 : 발광층 150 : 전자수송층
160 : 전자주입층 170 : 음극

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 아릴 화합물.
[화학식 1]

상기 화학식 1에서, L1은 플루오렌, 스피로-플루오렌 및 페탄트렌 중 선택된 어느 하나이고, R1 및 R2는 각각 독립적으로, 수소, 또는 치환되거나 비치환된 탄소수 1 내지 20개의 알킬, 아릴, 헤테로 아릴 그룹 중 어느 하나이며, 상기 X는 C 또는 N이다.
제1 항에 있어서,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로, 페닐, 바이페닐, 퀴놀린, 피리딘, 벤조이미다졸 및 트리아진 중 선택된 어느 하나로 이루어진 아릴 화합물.
제1 항에 있어서,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로, 하기 표시되는 물질 중 선택된 어느 하나인 아릴 화합물.
양극, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극을 포함하는 유기전계발광소자에 있어서,
상기 전자수송층 또는 상기 전자주입층은 청구항 1항 내지 3항의 아릴 화합물을 포함하는 유기전계발광소자.