KR20140121991A - 유기전기 소자용 화합물, 이를 이용한 유기전기소자 및 그 전자 장치 - Google Patents

유기전기 소자용 화합물, 이를 이용한 유기전기소자 및 그 전자 장치 Download PDF

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KR20140121991A
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Abstract

본 발명은 소자의 발광효율, 안정성 및 수명을 향상시킬 수 있는 신규 화합물 및 이를 이용한 유기전기소자, 그 전자 장치를 제공한다.

Description

유기전기 소자용 화합물, 이를 이용한 유기전기소자 및 그 전자 장치{COMPOUND FOR ORGANIC ELECTRONIC ELEMENT, ORGANIC ELECTRONIC ELEMENT USING THE SAME, AND AN ELECTRONIC DEVICE THEREOF}
본 발명은 유기전기소자용 화합물, 이를 이용한 유기전기소자 및 그 전자 장치에 관한 것이다.
일반적으로 유기 발광 형상이란 유기 물질을 이용하여 전기에너지를 빛 에너지로 전환시켜주는 현상을 말한다. 유기 발광 현상을 이용하는 유기전기소자는 통상 양극과 음극 및 이 사이에 유기물층을 포함하는 구조를 가진다. 여기서 유기물 층은 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층 등으로 이루어져 있으며, 근본적인 효율 향상을 위하여 높은 발광 효율을 가지는 유기물질의 개발이 필요한 실정이다.
유기전기소자에서 유기물층으로 사용되는 재료는 기능에 따라, 발광 재료와 전하수송 재료, 예컨대 정공주입 재료, 정공수송 재료, 전자수송 재료, 전자주입 재료 등으로 분류될 수 있다.
전자주입층 물질로서는 다양한 금속류가 사용될 수 있으나, 일함수가 낮은 물질일수록 전자 수송층으로의 전자주입이 용이하므로 나트륨 (일함수값=약 2.6ev), 리튬 (일함수값=약 2.9ev), 칼슘 (일함수값=약 2.8ev) 등의 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속이 음극물질로서 사용되고 있다. 하지만 이들 금속은 공기 중에서 불안정하기 때문에 사용에 상당한 제약을 수반한다. 반면 알루미늄(Al)은 안정성이 뛰어나기 때문에 유용한 음극 재료로 사용될 수 있으나, 일함수값이 약 4.0ev 정도로 높기 때문에 단독으로 사용되면 효율이 저하되는 단점이 있다. 이를 개선할 목적으로 무기물 박막의 전자주입층이 사용되어 왔다. 예를 들면, 이스트맨 코닥 사의 미국 특허 US 5,776,622는 CaF2, MgF2, 및 LiF 등의 유기물 박막 (0.3~1.0 nm)을 전자주입층으로서 음극과 전자 수송층 사이에 형성된 유기 EL소자를 보고하였다. 논문 Applied physics Letter, Vol. 81, No. 14는 NaCl 박막의 전자 주입층을 가지는 고효율의 유기 EL소자를 보고하였다. 또한, 논문 Thin solid film, Vol. 478(2005), pp. 252-255; 및 논문 Journal of materials chemistry, Vol. 13(2003), pp. 2922-2926은 아래와 같은 화학구조를 갖는 리튬 퀴놀레이트와 같은 리튬 착화물을 전자주입층으로 이용한 유기 EL소자를 보고하였다.
Figure pat00001
이 중에서 현재에는 1.0 nm 이하의 LiF 무기박막이 대표적인 전자 주입층으로 사용되고 있다.
그러나, 무기물인 LiF를 전자주입층 물질로서 사용하는 경우, 통상적으로 약 1.0 nm이하의 얇은 균일한 박막을 형성시켜야만 하는 어려운 문제점이 있으며, 수분에 민감하여 장기수명화에 어려움이 따르게 되며 증착 시 400℃ 이상의 높은 온도가 요구되는 문제점이 있다. 또한 상기한 리튬 착화물의 경우에는 박막을 형성하는 것은 무기물을 이용하는 경우에 비하여 용이하지만 공기 및 수분에 매우 불안정하여 보관 및 사용상의 문제점이 있고 전자 이동도가 낮아 주입되는 전자가 충분히 전자수송재료에 공급되지 않는다는 단점이 있다.
전술한 유기전기소자가 갖는 우수한 특징들을 충분히 발휘하기 위해서는 소자 내 유기물층을 이루는 물질, 예컨대 정공주입 물질, 정공수송 물질, 발광 물질, 전자수송 물질, 전자주입 물질 등이 안정하고 효율적인 재료에 의하여 뒷받침되는 것이 선행되어야 하나, 아직까지 안정하고 효율적인 유기전기소자용 유기물층 재료의 개발이 충분히 이루어지지 않은 상태이며, 따라서 새로운 재료의 개발이 계속 요구되고 있다.
본 발명은 소자의 높은 발광효율, 낮은 구동전압, 고내열성, 색순도 및 수명을 향상시킬 수 있는 화합물, 이를 이용한 유기전기소자 및 그 전자장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일측면에서, 본 발명은 하기 화학식으로 표시되는 화합물을 제공한다.
Figure pat00002
다른 측면에서, 본 발명은 상기 화학식으로 표시되는 화합물을 이용한 유기전기소자 및 그 전자장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화합물을 이용함으로써 소자의 높은 발광효율, 낮은 구동전압, 고내열성을 달성할 수 있고, 소자의 색순도 및 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기전기발광소자의 예시도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a),(b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어 "할로" 또는 "할로겐"은 다른 설명이 없는 한 불소, 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한다.
본 발명에 사용된 용어 "알킬" 또는 "알킬기"는 다른 설명이 없는 한 1 내지 60의 탄소수를 가지며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 "알케닐" 또는 "알키닐"은 다른 설명이 없는 한 각각 2 내지 60의 탄소수의 이중결합 또는 삼중결합을 가지며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 "시클로알킬"은 다른 설명이 없는 한 3 내지 60의 탄소수를 갖는 고리를 형성하는 알킬을 의미하며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 "알콕시기"는 다른 설명이 없는 한 1 내지 60의 탄소수를 가지며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 "아릴기" 및 "아릴렌기"는 다른 설명이 없는 한 각각 6 내지 60의 탄소수를 가지며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 아릴기 또는 아릴렌기는 단일환 또는 복소환의 방향족을 의미하며, 이웃한 치환기가 결합 또는 반응에 참여하여 형성된 방향족 링을 포함한다. 예컨대, 아릴기는 페닐기, 비페닐기, 플루오렌기, 스파이로플루오렌기일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "헤테로알킬"은 다른 설명이 없는 한 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 알킬을 의미한다. 본 발명에 사용된 용어 "헤테로아릴기" 또는 "헤테로아릴렌기"는 다른 설명이 없는 한 각각 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 탄소수 3 내지 60의 아릴기 또는 아릴렌기를 의미하며, 여기에 제한되는 것은 아니며, 단일환뿐만 아니라 복소환을 포함하며, 이웃한 기가 결합하여 형성될 수도 있다.
본 발명에 사용된 용어 "헤테로시클로알킬", "헤테로고리기"는 다른 설명이 없는 한 하나 또는 그 이상의 헤테로원자를 포함하고, 2 내지 60의 탄소수를 가지며, 단일환뿐만 아니라 복소환을 포함하며, 이웃한 기가 결합하여 형성될 수도 있다. 또한, "헤테로고리기"는 헤테로원자를 포함하는 지환족 및/또는 방향족을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "헤테로원자"는 다른 설명이 없는 한 N, O, S, P 및 Si를 나타낸다.
다른 설명이 없는 한, 본 발명에 사용된 용어 "지방족"은 탄소수 1 내지 60의 지방족 탄화수소를 의미하며, "지방족고리"는 탄소수 3 내지 60의 지방족 탄화수소 고리를 의미한다.
다른 설명이 없는 한, 본 발명에 사용된 용어 "포화 또는 불포화 고리"는 포화 또는 불포화 지방족고리 또는 탄소수 6 내지 60의 방향족고리 또는 헤테로고리를 의미한다.
전술한 헤테로화합물 이외의 그 밖의 다른 헤테로화합물 또는 헤테로라디칼은 하나 이상의 헤테로원자를 포함하며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
또한 명시적인 설명이 없는 한, 본 발명에서 사용된 용어 "치환 또는 비치환된"에서 "치환"은 중수소, 할로겐, 아미노기, 니트릴기, 니트로기, C1~C20의 알킬기, C1~C20의 알콕시기, C1~C20의 알킬아민기, C1~C20의 알킬티오펜기, C6~C20의 아릴티오펜기, C2~C20의 알케닐기, C2~C20의 알키닐기, C3~C20의 시클로알킬기, C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C8~C20의 아릴알케닐기, 실란기, 붕소기, 게르마늄기, 및 C2~C20의 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개 이상의 치환기로 치환됨을 의미하며, 이들 치환기에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 유기전기소자에 대한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유기전기소자(100)는 기판(110) 상에 형성된 제 1전극(120), 제 2전극(180) 및 제 1전극(110)과 제 2전극(180) 사이에 본 발명에 따른 화합물을 포함하는 유기물층을 구비한다. 이때, 제 1전극(120)은 애노드(양극)이고, 제 2전극(180)은 캐소드(음극)일 수 있으며, 인버트형의 경우에는 제 1전극이 캐소드이고 제 2전극이 애노드일 수 있다.
유기물층은 제 1전극(120) 상에 순차적으로 정공주입층(130), 정공수송층(140), 발광층(150), 전자수송층(160) 및 전자주입층(170)을 포함할 수 있다. 이때, 발광층(150)을 제외한 나머지 층들이 형성되지 않을 수 있다. 정공저지층, 전자저지층, 발광보조층(151), 버퍼층(141) 등을 더 포함할 수도 있고, 전자수송층(160) 등이 정공저지층의 역할을 할 수도 있을 것이다.
또한, 미도시하였지만, 본 발명에 따른 유기전기소자는 제 1전극과 제 2전극 중 적어도 일면 중 상기 유기물층과 반대되는 일면에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 유기물층에 적용되는 본 발명에 따른 화합물은 정공주입층(130), 정공수송층(140), 전자수송층(160), 전자주입층(170), 발광층(150)의 호스트 또는 도펀트 또는 캐핑층의 재료로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기전기발광소자는 PVD(physical vapor deposition) 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예컨대, 기판 상에 금속 또는 전도성을 가지는 금속 산화물 또는 이들의 합금을 증착시켜 양극(120)을 형성하고, 그 위에 정공주입층(130), 정공수송층(140), 발광층(150), 전자수송층(160) 및 전자주입층(170)을 포함하는 유기물층을 형성한 후, 그 위에 음극(180)으로 사용할 수 있는 물질을 증착시킴으로써 제조될 수 있다.
또한, 유기물층은 다양한 고분자 소재를 사용하여 증착법이 아닌 용액 공정 또는 솔벤트 프로세스(solvent process), 예컨대 스핀 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 열 전사법 등의 방법에 의하여 더 적은 수의 층으로 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 유기물층은 다양한 방법으로 형성될 수 있으므로, 그 형성방법에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 유기전기소자는 사용되는 재료에 따라 전면 발광형, 후면 발광형 또는 양면 발광형일 수 있다.
WOLED(White Organic Light Emitting Device)는 고해상도 실현이 용이하고 공정성이 우수한 한편, 기존의LCD의 칼라필터 기술을 이용하여 제조될 수 있는 이점이 있다. 주로 백라이트 장치로 사용되는 백색 유기발광소자에 대한 다양한 구조들이 제안되고 특허화되고 있다. 대표적으로, R(Red),G(Green),B(Blue) 발광부들을 상호평면적으로 병렬배치(side-by-side) 방식, R,G,B 발광층이 상하로 적층되는 적층(stacking) 방식이 있고, 청색(B) 유기발광층에 의한 전계발광과 이로부터의 광을 이용하여 무기형광체의 자발광(photo-luminescence)을 이용하는 색변환물질(color conversion material, CCM) 방식 등이 있는데, 본 발명은 이러한 WOLED에도 적용될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에 따른 유기전기소자는 유기전기발광소자(OLED), 유기태양전지, 유기감광체(OPC), 유기트랜지스터(유기 TFT), 단색 또는 백색 조명용 소자 중 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 상술한 본 발명의 유기전기소자를 포함하는 디스플레이장치와, 이 디스플레이장치를 제어하는 제어부를 포함하는 전자장치를 포함할 수 있다. 이때, 전자장치는 현재 또는 장래의 유무선 통신단말일 수 있으며, 휴대폰 등의 이동 통신 단말기, PDA, 전자사전, PMP, 리모콘, 네비게이션, 게임기, 각종 TV, 각종 컴퓨터 등 모든 전자장치를 포함한다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 화합물에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
화학식 (1)
Figure pat00003
여기서,
1) A 및 B는 서로 독립적으로 O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2 ~60의 헤테로아릴기 또는 C6 ~60의 아릴기이며,
2) X는 O 또는 S이며,
3) M은 알칼리금속 또는 알칼리토금속이며,
4) m, n은 서로 독립적으로 0 또는 1의 정수이고 여기서 m+n은 1 이상이며,
5) R1 및 R2는 i) 서로 독립적으로 수소; 중수소; 삼중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C1~C50의 알킬기; 및 플루오렌기;로 구성된 군에서 선택되거나, 또는 ii) R1과 R1, R2와 R2, R1과 R2는 서로 결합하여 고리를 형성하며,
6) o, p는 서로 독립적으로 1~10의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 M은 바람직하게는 Li, Na 또는 K일 수 있으나, 여기에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 A, B, R1 및 R2는 다른 치환기로 더욱 치환될 수 있다.
상기 A, B, R1 및 R2가 아릴기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 게르마늄기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알킬싸이오기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C2~C20의 알카인일기(alkynyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 A 및 B가 헤테로아릴기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 R1 및 R2가 헤테로고리기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 R1 및 R2가 알킬기인 경우, 이들 각각은 수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 시아노기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 R1 및 R2가 플루오렌기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기 및 C3~C20의 시클로알킬기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 화학식 (1)의 A 및 B는 하기 화학식 (2) 내지 화학식 (20)으로 표시될 수 있다.
Figure pat00004
여기서
1) Ar1은 C6~C60의 아릴기; O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C1~C50의 알킬기; 또는 플루오렌기이며,
2) X0 ~16는 CR 또는 N이며,
3) X17 ~20는 CR 또는 N이고, 이들 중 적어도 하나는 결합기이며,
4) X21 ~24는 CR 또는 N이고, 이들 중 적어도 하나는 결합기이며,
5) R3 ~4는 i) 수소; C1~C50의 알킬기; C6~C60의 아릴기; 및 O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기;로 구성된 군에서 선택되거나, 또는 ii) 이들은 서로 결합하여 스파이로 화합물을 형성하며,
6) 상기 R은 서로 독립적으로 수소; 중수소; 삼중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C1~C50의 알킬기; 및 플루오렌기;로 구성된 군에서 선택된다.
한편, 상기 “결합기”는 이웃하는 상기 A 또는 상기 B와 결합하는 기를 의미한다.
이때, 상기 Ar1, R, 및 R3 ~4는 다른 치환기로 더욱 치환될 수 있다.
상기 Ar1, R 및 R3 ~4가 아릴기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 게르마늄기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알킬싸이오기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C2~C20의 알카인일기(alkynyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 Ar1, R 및 R3 ~4가 헤테로고리기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 Ar1, R 및 R3 ~4가 알킬기인 경우, 이들 각각은 수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 시아노기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 Ar1 및 R이 플루오렌기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기 및 C3~C20의 시클로알킬기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 화학식 (1)로 표시되는 화합물은 하기 화합물 1-1 내지 화합물 1-160 중 하나일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 화학식 (1)로 표시되는 화합물의 전자 이동도(electron mobility)가 10-3~10-7 cm2/Vs 값을 가질 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 화학식 (1)로 표시되는 화합물의 합성예 및 유기전기소자의 제조예에 관하여 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
합성예
본 발명에 따른 화합물(final products)은 하기 <반응식1>로 반응하여 제조되나, 이에 한정된 것은 아니다.
Product 합성법 예시
<반응식 1>
Figure pat00009
Sub 1의 예시
<반응식 1>의 sub 1은 하기 <반응식 2>의 반응경로에 의해 합성될 수 있다.
<반응식 2>
Figure pat00010
Sub 1합성
Sub 1-1 (1당량)을 Toluene과 methanol을 2:1로 섞은 용매에 녹인 후에, Sub 1-2(1당량), Pd(PPh3)4 (0.05 당량), K2CO3 (3당량), 물을 첨가한 후, 80oC에서 교반하였다. 반응이 완료되면 CH2Cl2와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축 한 후 생성된 화합물을 silicagel column 및 재결정하여 생성물 Sub 1을 얻었다.
Sub 1의 예시는 다음과 같으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00011
Figure pat00012
Sub 1(5) 합성예시
Figure pat00013
2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine (3.7g, 20mmol)를 Toluene과 methanol을 2:1로 섞은 용매에 녹인 후에, (2-hydroxyanthracen-1-yl)boronic acid (4.8g, 20mmol), Pd(PPh3)4 (0.03당량), K2CO3(3당량), 물을 첨가한 후, 교반 환류 시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 1-(4,6-dichloro-1,3,5-triazin-2-yl)anthracen-2-ol을 4.7g (수율: 68%) 얻었다.
Sub 1(15) 합성예시
Figure pat00014
2-bromo-8-chloroquinazoline (4.9g, 20mmol)를 Toluene과 methanol을 2:1로 섞은 용매에 녹인 후에, (1-hydroxy-9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl)boronic acid (5.1g, 20mmol), Pd(PPh3)4 (0.03당량), K2CO3(3당량), 물을 첨가한 후, 교반 환류 시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 2-(8-chloroquinazolin-2-yl)-9,9-dimethyl-9H-fluoren-1-ol을 5.3g (수율: 71%) 얻었다.
Final Product 의 합성
Sub 1 (1당량)를 Methanol에 녹인 후에, Lithium hydroxide monohydrate (1.5당량)과 물을 넣고 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 재결정하여 Product를 얻었다.
Product의 예시는 전술한 바와 같이 화합물 1-1 내지 화합물 1-160 중 어느 하나 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Product 1-52 합성예시
Figure pat00015
2-(4-(pyridin-2-yl)quinolin-2-yl)phenol (6.0g, 20mmol)를 Methanol에 녹인 후에, Lithium hydroxide (1.3g, 30mmol)과 물을 넣고 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 재결정하여 Product 5.6g (수율: 92%)를 얻었다.
Product 1-114 합성예시
Figure pat00016
4-(1,7-phenanthrolin-2-yl)phenanthren-3-ol (7.4g, 20mmol)를 Methanol에 녹인 후에, Lithium hydroxide (1.3g, 30mmol)과 물을 넣고 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 재결정하여 Product 6.8g (수율: 90%)를 얻었다.
Product 1-121 합성예시
Figure pat00017
1-(5-phenyl-5H-pyrido[3,2-b]indol-2-yl)naphthalen-2-ol (7.7g, 20mmol)를 Methanol에 녹인 후에, Lithium hydroxide (1.3g, 30mmol)과 물을 넣고 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 재결정하여 Product 7.1g (수율: 91%)를 얻었다.
Product 1-153 합성예시
Figure pat00018
1-(5-phenyl-5H-pyrido[3,2-b]indol-2-yl)naphthalen-2-ol (3.8g, 20mmol)를 Methanol에 녹인 후에, Lithium hydroxide (1.3g, 30mmol)과 물을 넣고 상온에서 24시간 반응시킨다. 반응이 완료되면 ether와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 재결정하여 Product 3.3g (수율: 86%)를 얻었다.
전자 이동도( Electron mobility ) 측정
합성을 통해 얻은 화합물의 전자 이동도(electron mobility)를 알아보기 위해 다음과 같이 측정하였다.
먼저 측정할 발명화합물을 얇은 필름 형태로 제조한 뒤 anode와 cathode 사이에 올려 놓는다. 그리고 N2 laser를 가한 후 anode에서 생성된 전하가 cathode에 도착한 시간을 측정하여 time of flight(TOF) 값으로 전자 이동도(electron mobility)를 알아보았고, 결과는 다음과 같다.
Figure pat00019
상기 표의 결과로부터 알 수 있듯이, 발명화합물의 전자 이동도(electron mobility)가 10-3~10-7 cm2/Vs의 값으로 빠른 이동도(mobility)를 가지고 있는 것을 확인하였고, 이는 소자제작 시 음극에서 전자수송층까지 전자를 더욱 쉽고 효율적으로 전달하여 소자의 효율 및 수명 등을 향상시킬 수 있을 것이라 기대된다.
유기전기소자의 제조평가
블루 유기 발광 소자의 제작 및 시험
실험예 (1) ~ 실험예 (19):
합성을 통해 얻은 화합물을 전자주입층 물질로 사용하여 통상적인 방법에 따라 유기전계 발광소자를 제작하였다. 먼저, 유리 기판에 형성된 ITO층(양극) 위에 우선 정공 주입층으로서 N1-(naphthalen-2-yl)-N4,N4-bis(4-(naphthalen-2-yl(phenyl)amino)phenyl)-N1-phenylbenzene-1,4-diamine (2-TNATA로 약기함) 막을 진공증착하여 60 nm 두께로 형성하였다. 이어서, 이 막 상에 정공수송 화합물로서 4,4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐 (이하 -NPD로 약기함)을 20 nm 두께로 진공 증착 하여 정공수송층을 형성하였다. 정공 수송층 상부에 호스트로서는 α,β-ADN을 사용하였으며, 도판트로서는 BD-052X (Idemitus사)를 95:5 중량으로 도핑함으로써 상기 정공 수송층 위에 30nm 두께의 발광층을 증착하였다. 정공 저지층으로 (1,1'-비스페닐)-4-올레이토)비스(2-메틸-8-퀴놀린올레이토)알루미늄(이하 BAlq로 약기함)을 10 nm 두께로 진공증착하고, 전자수송층으로 트리스(8-퀴놀리놀)알루미늄(이하 Alq3로 약칭함)을 40 nm 두께로 성막하였다.
이후, 전자주입층으로 본 발명에 따른 화합물을 0.2 nm 두께로 증착하고 이어서 Al을 150 nm의 두께로 증착하여 유기 전계 발광소자를 제조하였다. 하기 표의 실험예(1) ~ 실험예(19)에 제시된 바와 같이 본 발명에 따르는 화합물을 사용하여 시험하였다.
비교예 (1) ~ 비교예 (3):
전자주입층으로 본 발명에 따른 화합물 대신 하기 비교화합물 1) 내지 비교화합물 3)을 사용한 점을 제외하고는 상기 실험예(1)~ 실험예(19)과 동일한 방법으로 유기전기 발광소자를 제작하였다.
Figure pat00020

비교 결과:
이와 같이 제조된 실시예 및 비교예 유기전기발광소자들에 순바이어스 직류전압을 가하여 포토리서치(photoresearch)사의 PR-650으로 전기발광(EL) 특성을 측정하였으며, 그 측정 결과 300cd/m2 기준 휘도에서 맥사이언스사에서 제조된 수명 측정 장비를 통해 T90 수명을 측정하였다. 하기 표는 소자제작 및 평가한 결과를 나타낸다.
Figure pat00021
상기 표의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 유기전기발광소자용 재료를 이용한 유기전기발광소자는 전자주입층 재료로 사용되어 높은 발광효율, 낮은 구동전압 및 수명을 현저히 개선시킬 수 있다.
전자수송층이 Alq3 인 소자에서 전자주입층이 Alq3인 비교예 1의 경우는 전자주입층을 따로 사용하지 않았다는 것을 뜻하며 이는 음극에서 전자수송층으로 바로 전자의 전달이 용이하지 않아 가장 좋지 않은 결과를 나타내었다. 전자주입층으로 발명화합물을 사용한 실험예 (1)~(19)는 전자주입층을 각각 LiF, Liq를 사용한 비교예 2와 비교예 3보다 더 좋은 결과를 나타내었는데, 이는 발명화합물의 전자 이동도(electron mobility)가 10-3~10-7 cm2/Vs로 LiF, Liq보다 빨라 음극에서 보다 쉽고 효율적으로 전자수송층으로 전자를 전달할 수 있기 때문으로 설명할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 유기전기소자 110: 기판
120: 제 1전극 130: 정공주입층
140: 정공수송층 141: 버퍼층
150: 발광층 151: 발광보조층
160: 전자수송층 170: 전자주입층
180: 제 2전극

Claims (9)

  1. 하기 화학식 (1)로 표시되는 화합물:
    Figure pat00022

    여기서,
    1) A 및 B는 서로 독립적으로 O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2 ~60의 헤테로아릴기 또는 C6 ~60의 아릴기이며,
    2) X는 O 또는 S이며,
    3) M은 알칼리금속 또는 알칼리토금속이며,
    4) m, n은 서로 독립적으로 0 또는 1의 정수이고 여기서 m+n은 1 이상이며,
    5) R1 및 R2는 i) 서로 독립적으로 수소; 중수소; 삼중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C1~C50의 알킬기; 및 플루오렌기;로 구성된 군에서 선택되거나, 또는 ii) R1과 R1, R2와 R2, R1과 R2는 서로 결합하여 고리를 형성하며,
    6) o, p는 서로 독립적으로 1~10의 정수이며,
    7) 상기 A, B, R1 및 R2가 아릴기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 게르마늄기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알킬싸이오기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C2~C20의 알카인일기(alkynyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
    상기 A 및 B가 헤테로아릴기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있으며,
    8) 상기 R1 및 R2가 헤테로고리기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있으며,
    9) 상기 R1 및 R2가 알킬기인 경우, 이들 각각은 수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 시아노기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있으며,
    10) 상기 R1 및 R2가 플루오렌기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기 및 C3~C20의 시클로알킬기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 화학식 (1)의 A 및 B는 하기 화학식 (2) 내지 화학식 (20)으로 표시되는 화합물:
    Figure pat00023

    여기서
    1) Ar1은 C6~C60의 아릴기; O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C1~C50의 알킬기; 또는 플루오렌기이며,
    2) X0 ~16는 CR 또는 N이며,
    3) X17 ~20는 CR 또는 N이고, 이들 중 적어도 하나는 결합기이며,
    4) X21 ~24는 CR 또는 N이고, 이들 중 적어도 하나는 결합기이며,
    5) R3 ~4는 i) 수소; C1~C50의 알킬기; C6~C60의 아릴기; 및 O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기;로 구성된 군에서 선택되거나, 또는 ii) 이들은 서로 결합하여 스파이로 화합물을 형성하며,
    6) 상기 R은 서로 독립적으로 수소; 중수소; 삼중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; O, N, S, Si, P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C1~C50의 알킬기; 및 플루오렌기;로 구성된 군에서 선택되며,
    7) 상기 Ar1, R 및 R3 ~4가 아릴기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 게르마늄기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알킬싸이오기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C2~C20의 알카인일기(alkynyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있으며,
    8) 상기 Ar1, R 및 R3 ~4가 헤테로고리기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, 니트로기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C3~C20의 시클로알킬기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있으며,
    9) 상기 Ar1, R 및 R3 ~4가 알킬기인 경우, 이들 각각은 수소, 할로겐, 실란기, 붕소기, 시아노기, C1~C20의 알콕실기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기, C7~C20의 아릴알킬기 및 C8~C20의 아릴알켄일기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있으며,
    10) 상기 Ar1 및 R이 플루오렌기인 경우, 이들 각각은 수소, 중수소, 할로겐, 실란기, 시아노기, C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알켄일기(alkenyl), C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C2~C20의 헤테로고리기 및 C3~C20의 시클로알킬기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 더욱 치환될 수 있다.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화합물 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 화합물.
    Figure pat00024

    Figure pat00025

    Figure pat00026

    Figure pat00027
  4. 제 1항에 있어서, 화학식 (1) 로 표시되는 화합물은 전자 이동도(electron mobility)가 10-3~10-7 cm2/Vs 값을 가지는 화합물.
  5. 제 1전극, 제 2전극, 및 상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 위치하는 유기물층을 포함하는 유기전기소자에 있어서,
    상기 유기물층은 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 화합물을 용액공정(soluble process)에 의해 상기 유기물층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 화합물은 전자주입층 물질로 사용되는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  8. 제 5항의 유기전기소자를 포함하는 디스플레이장치; 및
    상기 디스플레이장치를 구동하는 제어부; 를 포함하는 전자장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 유기전기소자는 유기전기발광소자(OLED), 유기태양전지, 유기감광체(OPC), 유기트랜지스터(유기 TFT), 및 단색 또는 백색 조명용 소자 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전자장치.
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