KR20160018332A

KR20160018332A - 유기전계발광소자

Info

Publication number: KR20160018332A
Application number: KR1020150056702A
Authority: KR
Inventors: 유선근; 주성훈; 서정대; 김효석; 강혜승; 윤민; 윤승희
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-02-17
Also published as: KR102297602B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유기전계발광소자는 발광층과 전자수송층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들과, 상기 발광부들 사이에 위치하는 전하생성층을 포함하며, 상기 전하생성층과 상기 전자수송층 중 적어도 하나는 질소 원자를 포함하며 전자 이동도를 증가시키는 치환기를 포함하는 화합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유기전계발광소자{ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE DEVICE}

본 발명은 유기전계발광소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 유기전계발광소자의 구동전압, 전류효율 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 유기전계발광소자에 관한 것이다.

다양한 정보를 화면으로 구현해 주는 영상표시장치는 정보 통신 시대의 핵심 기술로 더 얇고 더 가볍고 휴대가 가능하면서도 고성능의 방향으로 발전하고 있다. 근래 정보화 사회의 발전과 더불어, 표시장치에 대한 다양한 형태의 요구가 증대되면서, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), FED(Field Emission Display), OLED(Organic Light Emitting Diode)등 평판표시장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이 중 유기전계발광소자는 양극과 음극 사이에 형성된 유기 발광층에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 유기전계발광소자는 플라스틱 같은 플렉서블(flexible) 투명 기판 위에도 형성할 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel)이나 무기 전계발광(EL) 디스플레이에 비해 낮은 전압에서 구동이 가능하고 전력 소모가 비교적 적으며, 색감이 뛰어나다는 장점이 있다. 특히, 백색을 구현하는 유기전계발광소자는 조명뿐만 아니라 박형 광원, 액정표시장치의 백라이트 또는 컬러필터를 채용한 풀컬러 표시 장치에 쓰이는 등 여러 용도로 이용되고 있는 소자이다.

백색 유기전계발광소자 개발에 있어서 고효율, 장수명은 물론이고, 색순도, 전류 및 전압의 변화에 따른 색안정성, 소자 제조의 용이성 등이 중요하기 때문에 각각의 방식에 따라 연구 개발이 진행 중에 있다. 백색 유기전계발광소자 구조에는 여러 가지가 있는데 크게는 단일층 발광 구조, 다층 발광 구조 등으로 나눌 수 있다. 이 중 장수명 백색의 소자를 위해 형광 청색 발광층과 인광 노란색 발광층을 적층(tandem)하는 다층 발광 구조가 주로 채택되고 있다.

구체적으로, 청색(Blue) 형광 소자를 발광층으로 이용하는 제1 발광부와, 옐로그린(yellow-Green) 인광 소자를 발광층으로 이용하는 제2 발광부 구조가 적층된 형태의 인광 발광부 적층 구조가 이용되고 있다. 이러한, 백색 유기전계발광소자는 청색 형광 소자로부터 발광되는 청색광과 옐로그린 인광 소자로부터 발광되는 노란색 광의 혼합 효과에 의해 백색광이 구현된다. 여기서, 제1 발광부와 제2 발광부 사이에는 발광층에서 발생하는 전류 효율을 배로 증가시키고, 전하 분배를 원활하게 해주는 전하 생성층(Charge generation layer)이 구비된다. 전하생성층은 내부에서 전하 즉, 전자 및 정공을 생성시키는 층으로서, 발광층에서 발생하는 전류 효율을 배로 증가시키고, 전하 분배를 원활하게 해주므로 구동 전압이 상승되는 것을 방지할 수 있다.

그러나, 종래 전하생성층은 N형 전하생성층과 P형 전하생성층이 PN 접합구조로 이루어지는데, N형 전하생성층과 P형 전하생성층 간의 에너지 레벨 차이로 인해 P형 전하생성층과 인접한 정공주입층 계면에서의 전하 생성에 의해 전자가 N형 전하생성층으로 주입되는 특성이 저하된다. 또한, N형 전하생성층에 알칼리 금속을 도핑한 경우 알칼리 금속이 P형 전하생성층으로 확산되어 소자의 수명이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 유기전계발광소자의 구동전압, 효율 및 수명 특성을 향상시킬 수 있는 유기전계발광소자를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전계발광소자는 기판 상에 서로 대향된 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 위치하고 특정한 빛을 출사하도록 발광층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들을 포함하는 유기전계발광소자에 있어서, 상기 발광부들 사이의 전하 균형을 조절하는 전하생성층을 포함하며, 상기 발광층과 상기 전하생성층 사이에 위치하는 전자수송층을 포함하며, 상기 전하생성층과 상기 전자수송층 중 적어도 하나는 질소 원자를 포함하며 전자 이동도를 증가시키는 치환기를 포함하는 화합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 질소 원자를 포함하는 화합물은 질소 원자 2개를 포함하여 전자가 풍부해지므로, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 따라서, 본 발명의 유기전계발광소자는 발광부에 포함된 전자수송층들 중 적어도 하나에 화합물을 사용함으로써, N형 전하생성층으로부터 전달되는 전자를 효율적으로 발광층에 전달할 수 있으므로, 유기전계발광소자의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 질소 원자를 포함하는 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp² 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합(binding)하여 갭 스테이트(gap state)를 형성한다. 형성된 갭 스테이트에 의해, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 유기전계발광소자는 N형 전하생성층에 본 발명의 화합물을 사용함으로써, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 그리고, 질소 원자를 포함하는 화합물이 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명이 향상될 수 있다.

따라서, 본 발명의 유기전계발광소자는 발광부에 포함된 전자수송층들과 N형 전하생성층들 중 적어도 하나에 질소 원자를 포함하는 화합물을 사용함으로써, N형 전하생성층으로부터 전달되는 전자를 발광층에 효율적으로 전달하여 소자의 효율 및 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달이 원활해지므로 전자 주입이 원활하지 못해서 생기는 수명이 저하되는 문제점을 개선할 수 있다. 그리고, 전자수송층과 N형 전하생성층 간의 LUMO 에너지 레벨 차이로 인해 N형 전하생성층으로 주입된 전자가 전자수송층으로 이동할 때 생기는 구동 전압이 상승되는 문제점을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 단면도.
도 3은 화합물 NC09의 유리전이온도를 나타낸 그래프.
도 4는 화합물 NC12의 유리전이온도를 나타낸 그래프.
도 5는 화합물 NC12의 녹는점을 나타낸 그래프.
도 6은 화합물 NC17의 유리전이온도를 나타낸 그래프.
도 7은 화합물 NC17의 녹는점을 나타낸 그래프.
도 8은 화합물 NC34의 유리전이온도를 나타낸 그래프.
도 9는 화합물 NC42의 유리전이온도를 나타낸 그래프.
도 10은 화합물 NC42의 녹는점을 나타낸 그래프.
도 11은 화합물 NC43의 유리전이온도를 나타낸 그래프.
도 12는 화합물 NC43의 녹는점을 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 비교예, 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명의 비교예, 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명의 비교예, 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 나타낸 그래프.
도 16은 본 발명의 비교예, 실시예 7 내지 10에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 17은 본 발명의 비교예, 실시예 7 내지 10에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 18은 본 발명의 비교예, 실시예 7 내지 10에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명의 비교예, 실시예 11 내지 14에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 20은 본 발명의 비교예, 실시예 11 내지 14에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 21은 본 발명의 비교예, 실시예 11 내지 14에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 나타낸 그래프.
도 22는 본 발명의 비교예, 실시예 15 내지 17에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 23은 본 발명의 비교예, 실시예 15 내지 17에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 24는 본 발명의 비교예, 실시예 15 내지 17에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 나타낸 그래프.
도 25는 본 발명의 비교예, 실시예 18 및 19에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 26은 본 발명의 비교예, 실시예 18 및 19에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 27은 본 발명의 비교예, 실시예 18 및 19에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 나타낸 그래프.
도 28은 본 발명의 비교예, 실시예 20 및 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프.
도 29는 본 발명의 비교예, 실시예 20 및 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 30은 본 발명의 비교예, 실시예 20 및 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 나타낸 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.

제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.

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

도 1은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기전계발광소자(100)는 양극(110)과 음극(220) 사이에 위치하는 발광부들(ST1, ST2) 및 발광부들(ST1, ST2) 사이에 위치하는 전하생성층(160)을 포함한다.

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 제1 발광부(ST1)는 하나의 발광소자 단위를 이루는 것으로, 제1 발광층(140)을 포함한다. 제1 발광층(140)은 적색, 녹색 또는 청색 중 어느 하나의 색을 발광할 수 있으나, 본 실시예에서는 청색을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 또는, 제1 발광층(140)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다.

제1 발광부(ST1)는 양극(110)과 제1 발광층(140) 사이에 정공주입층(120)과 제1 정공수송층(130)을 포함하고, 제1 발광층(140) 상에 위치하는 제1 전자수송층(150)을 포함한다.

상기 정공주입층(120)은 양극(110)으로부터 제1 발광층(140)으로 정공의 주입을 원활하게 하는 역할을 할 수 있으며, CuPc(cupper phthalocyanine), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene) 및 PANI(polyaniline)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 특성을 향상시킬 수 있고, 150nm 이하이면 정공주입층(120)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다. 상기 정공주입층(120)은 유기전계발광소자의 구조나 특성에 따라 유기전계발광소자의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.

상기 제1 정공수송층(130)은 정공의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, NPD(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-2,2'-dimethylbenzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), spiro-TAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-diphenylamino)-9,9'-spirofluorene) 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)-triphenylamine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 제1 정공수송층(130)의 두께는 1 내지 150nm일 수 있다. 여기서, 상기 제1 정공수송층(130)의 두께가 1nm 이상이면 정공 수송 특성을 향상시킬 수 있고, 150nm 이하이면 제1 정공수송층(130)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다.

상기 제1 발광층(140)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 또는 노란색(Y)을 발광할 수 있으며, 인광 물질 또는 형광 물질로 이루어질 수 있다.

제1 발광층(140)이 적색인 경우, CBP(4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl) 등의 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 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, PBD:Eu(DBM)₃(Phen) 또는 Perylene을 포함하는 형광물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그리고, 제1 발광층(140)이 적색인 경우 발광 영역은 600nm 내지 650nm 범위일 수 있다.

제1 발광층(140)이 녹색인 경우, CBP(4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl) 등의 호스트 물질을 포함하며, 이리듐(iridium) 계열을 포함하는 도펀트 물질을 포함하는 인광물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, Alq₃(tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum)을 포함하는 형광물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그리고, 제1 발광층(140)이 녹색인 경우 발광 영역은 510nm 내지 570nm 범위일 수 있다.

제1 발광층(140)이 청색인 경우, CBP(4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl) 등의 호스트 물질을 포함하며, 이리듐(iridium) 계열을 포함하는 도펀트 물질을 포함하는 인광물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, spiro-DPVBi, spiro-CBP, 디스틸벤젠(DSB), 디스트릴아릴렌(DSA), PFO계 고분자 및 PPV계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 형광물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그리고, 제1 발광층(140)은 청색 발광층 외에 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 또는 진청색(Deep Blue) 발광층을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 발광층(140)의 발광 영역은 440nm 내지 480nm 범위일 수 있다. 또는, 유기전계발광소자의 적색 효율을 향상시키기 위해서 제1 발광부(ST1)에 두 개의 발광층으로 청색 발광층과 적색 발광층을 구성할 수 있다. 청색 발광층과 적색 발광층을 구성할 경우의 발광 영역은 440nm 내지 650nm 범위일 수 있다.

제1 발광층(140)이 노란색인 경우, 옐로그린(Yellow-Green)을 발광하는 발광층 또는 그린(Green)을 발광하는 발광층의 단층 구조 또는 옐로그린 발광층과 그린(Green)을 발광하는 발광층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 노란색 발광층은 옐로그린(Yellow-Green) 발광층 또는 그린(Green)을 발광하는 발광층 또는 옐로그린 발광층과 그린(Green)을 발광하는 발광층의 다층 구조를 포함한다. 본 실시예에서는 옐로그린을 발광하는 노란색 발광층의 단층 구조를 예로 설명한다. 노란색 발광층은 CBP(4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl) 또는 BAlq(Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium) 중 선택된 적어도 하나의 호스트에 옐로그린을 발광하는 인광 옐로그린 도펀트로 이루어질 수 있다. 그리고, 옐로그린 발광층의 발광 영역은 510nm 내지 590nm 범위일 수 있다. 유기전계발광소자의 적색 효율을 향상시키기 위해서, 제1 발광부(ST1)에 두 개의 발광층으로 옐로그린 발광층과 적색 발광층을 구성할 수 있다. 옐로그린 발광층과 적색 발광층을 구성할 경우의 발광 영역은 510nm 내지 650nm 범위일 수 있다.

상기 제1 전자수송층(150)은 전자의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq₃(tris(8-hydroxy-quinolinato)aluminum), PBD(2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole), TAZ(3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole), 및 BAlq(Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminum)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제1 전자수송층(150)의 두께는 1 내지 150nm일 수 있다. 여기서, 제1 전자수송층(150)의 두께가 1nm 이상이면 전자 수송 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 150nm 이하이면 제1 전자수송층(150)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다.

제1 발광부(ST1)는 양극(110)과 제1 발광층(140) 사이에 정공주입층(120)과 제1 정공수송층(130)을 포함하고, 제1 발광층(140) 상에 제1 전자수송층(150)을 포함한다. 따라서, 양극(110) 상에 정공주입층(120), 제1 정공수송층(130), 제1 발광층(140) 및 제1 전자수송층(150)을 포함하는 제1 발광부(ST1)를 구성한다. 상기 정공주입층(120)은 소자의 구조나 특성에 따라 제1 발광부(ST1)의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.

제1 발광부(ST1)와 제2 발광부(ST2) 사이에 전하생성층(Charge Generation Layer; CGL)(160)이 위치한다. 상기 제1 발광부(ST1)와 상기 제2 발광부(ST2)는 상기 전하생성층(160)에 의해 연결된 구조로 이루어져 있다. 상기 전하생성층(160)은 N형 전하생성층(160N)과 P형 전하생성층(160P)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다. 이때, 상기 PN접합 전하생성층(160)은 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 발광층에 정공 및 전자를 주입한다. 즉, N형 전하생성층(160N)은 제1 전자수송층(150)으로 전자를 전달하고, 제1 전자수송층(150)은 양극에 인접한 제1 발광층(140)에 전자를 공급한다. 상기 P형 전하생성층(160P)은 제2 정공수송층(180)으로 정공을 전달하고, 제2 발광부(ST2)의 제2 발광층(190)에 정공을 공급함으로써, 다수의 발광층을 구비하는 유기전계발광소자의 발광 효율을 더욱 증대시킬 수 있으며, 구동 전압도 낮출 수 있다. 따라서, 상기 전하생성층(160)은 유기전계발광소자의 특성인 발광 효율이나 구동 전압에 중요한 영향을 미치게 된다.

이에 본 발명자들은 N형 전하생성층의 전자 주입 특성을 향상시키기 위한 여러 실험을 하게 되었다. 이 실험을 통하여 전자수송층과 N형 전하생성층 간의 LUMO 에너지 레벨 차이로 인해 N형 전하생성층으로 주입된 전자가 전자수송층으로 이동할 때 구동 전압이 상승함을 인식하였다. 따라서, 구동 전압이 감소되고 효율이 향상될 수 있는 전자수송층과 N형 전하생성층의 재료를 선택하기 위해서 여러 실험을 통하여 N형 전하생성층에 본 발명의 화합물을 도입하였다. 본 발명의 질소 원자를 포함하는 화합물은 전자가 풍부한 질소(N)를 2개 포함함으로써, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 또한, 본 발명의 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp² 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합(binding)하여 갭 스테이트(gap state)를 형성한다. 따라서, 형성된 갭 스테이트에 의해, N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 그리고, 질소가 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명이 향상될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 N형 전하생성층(160N)에 사용되는 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, Ar₁은 페난쓰롤리닐(phenanthrolinyl) 또는 페난쓰롤리닐렌(phenanthrollinylene)이고, Ar₂ 및 Ar₃은 각각 독립적으로, 수소, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로 아릴기 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택된다. L₁ 및 L₃은 각각 독립적으로, 단일 결합, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로 아릴기 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되며, L₂는 단일 결합, 치환 또는 치환되지 않은 안트라세닐렌(anthracenylene) 및 치환 또는 치환되지 않은 피레닐렌(pyrenylene) 중에서 선택된다.

보다 자세하게, 상기 Ar₂ 및 Ar₃은 각각 독립적으로, 수소, 치환 또는 치환되지 않은 페닐(phenyl), 알킬페닐(alkylphenyl), 비페닐(biphenyl), 알킬비페닐(alkylbiphenyl), 할로페닐(halophenyl), 알콕시페닐(alkoxyphenyl), 할로알콕시페닐(haloalkoxyphenyl), 시아노페닐(cyanophenyl), 실릴페닐(silylphenyl), 나프틸(naphthyl), 알킬나프틸(alkylnaphthyl), 할로나프틸(halonaphthyl), 시아노나프틸(cyanonaphthyl), 실릴나프틸(silylnaphthyl), 피리딜(pyridyl), 알킬피리딜(alkylpyridyl), 할로피리딜(halopyridyl), 시아노피리딜(cyanopyridyl), 알콕시피리딜(alkoxypyridyl), 실릴피리딜(silylpyridyl), 피리미딜(pyrimidyl), 할로피리미딜(halopyrimidyl), 시아노피리미딜(cyanopyridimyl), 알콕시피리미딜(alkoxypyrimidyl), 퀴놀리닐(quinolinyl), 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl), 퀴녹살리닐(quinoxalinyl), 피라지닐(pyrazinyl), 퀴나졸리닐(quinazolinyl), 나프틸리디닐(naphthyridinyl), 벤조티오페닐(benzothiophenyl), 벤조퓨라닐(benzofuranyl), 디벤조티오페닐(dibenzothiophenyl), 아릴티아졸릴(arylthiazolyl), 디벤조퓨라닐(dibenzofuranyl), 플루오레닐(fluorenyl), 카바조일(carbazoyl), 이미다졸릴(imidazolyl), 카볼리닐(carbolinyl), 페난쓰레닐(phenanthrenyl), 터페닐(terphenyl), 터피리디닐(terpyridinyl), 트리페닐레닐(triphenylenyl), 플루오르안테닐(fluoranthenyl) 및 디아카플루오레닐(diazafluorenyl) 중에서 선택된다.

또한, 상기 L₁ 및 L₃은 각각 독립적으로, 단일 결합, 치환 또는 치환되지 않은 페닐렌(phenylene), 알킬페닐렌(alkylphenylene), 할로페닐렌(halophenylene), 시아노페닐렌(cyanophenylene), 나프틸렌(naphthylene), 알킬나프틸렌(alkylnaphthylene), 비페닐렌(biphenylene), 알킬비페닐렌(alkylbiphenylene), 피리딜렌(pyridylene), 피리미딜렌(pyrimidylene), 퀴놀리닐렌(quinolinylene), 이소퀴놀리닐렌(isoquinolinylene), 퀴녹살리닐렌(quinoxalinylene), 피라지닐렌(pyrazinylene), 퀴나졸리닐렌(quinazolinylene), 나프티리디닐렌(naphthyridinylene), 티오페닐렌(thiophenylene), 퓨라닐렌(furanylene), 벤조티오페닐렌(benzothiophenylene), 벤조퓨라닐렌(benzofuranylene), 디벤조티오페닐렌(dibenzothiophenylene), 디벤조퓨라닐렌(dibenzofuranylene), 플루오레닐렌(fluorenylene), 카바조일렌(carbazoylene), 이미다졸릴렌(imidazolylene), 트리페닐레닐렌(triphenylenylene), 플루오르안테닐렌(fluoranthenylene) 및 디아카플루오레닐렌(diazafluorenylene) 중에서 선택된다.

전술한 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기와 같이 모식화하여 나타낼 수 있다.

여기서, 화학식 1의 Ar₁에 해당되는 페난쓰롤린은 코어(Core)로서 N형 전하생성층에 도핑되는 알칼리 금속과 결합하여 N형 전하생성층의 특성을 나타낸다. 보다 자세하게, 페난쓰롤린 코어는 전자가 상대적으로 풍부한 sp² 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합(binding)하여 갭 스테이트(gap state)를 형성한다. 따라서, 형성된 갭 스테이트에 의해, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 그리고, 질소가 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명이 향상될 수 있다.

화학식 1의 L₁과 L₂에 해당되는 링커(linker)는 전하 이동도(carrier mobility)를 조절한다. L₁은 컨쥬게이션(conjugation) 조절을 통해 L₂의 풍부한 전자를 Ar₁로 도달하게 하는 통로 역할을 하고, HOMO(highest occupied molecular orbital)와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)를 조절한다. L₂는 방향족 거대고리(aromatic macrocycle) 도입을 통한 파이(π)-전자 밀도를 향상시키고, HOMO와 LUMO의 주요 틀을 잡아주는 역할을 한다. 따라서, N형 전하생성층의 전하 이동도를 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

화학식 1의 L₃-Ar₂ 및 Ar₃에 해당되는 펜던트(pendant)는 전하 특성을 부가시켜주는 역할을 하고 HOMO와 LUMO를 조절한다. 예를 들어, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물들은 정공 특성을 부여하고, 화학식 3으로 표시되는 화합물들은 전자 특성을 부여한다. 전자 특성이 부여된 펜던트는 N형 전하생성층의 전자 특성을 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

[화학식 2]

상기 Ar은 아릴(aryl)이다.

[화학식 3]

전술한 링커와 펜던트는 코어에 치환기로 작용하여 화합물의 전자 이동도를 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 화합물을 포함하는 N형 전하생성층의 전자 이동도를 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

또한, 전술한 화학식 1로 표시되는 화합물 중 본 발명의 제1 실시예에 따른 N형 전하생성층(160N)은 하기 화학식 4 또는 5로 표시되는 화합물로 이루어질 수 있다.

[화학식 4]

[화학식 5]

상기 화학식 4 및 5에서, 상기 R은 수소, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로 아릴기 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중 어느 하나이다.

상기 화학식 4 및 5로 표시되는 화합물은 하기 표시되는 화합물들 중 선택된 어느 하나일 수 있다.

전술한 본 발명의 화학식 4 및 5로 표시되는 화합물은 페난쓰롤린의 2번 위치에 나프탈렌이 위치하며, 나프탈렌이 1번 또는 2번으로 치환된 구조이다. 나프탈렌은 페난쓰롤린의 2번 위치에 결합하여 N형 전하생성층과 전자수송층 사이의 에너지 레벨 차이를 줄여 전자가 이동할 수 있는 터널링효과를 극대화시킨다. 따라서, 본 발명은 상기 화합물을 N형 전하생성층으로 형성함으로써, 터널링효과에 의해서 전자의 주입 능력을 향상시킬 수 있다.

한편, P형 전하생성층(160P)은 금속 또는 P형이 도핑된 유기물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 금속은 Al, Cu, Fe, Pb, Zn, Au, Pt, W, In, Mo, Ni 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 P형이 도핑된 유기물질에 사용되는 P형 도펀트와 호스트의 물질은 통상적으로 사용되는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 P형 도펀트는 F₄-TCNQ(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanl-quinodemethane), 테트라시아노퀴노디메탄의 유도체, 요오드, FeCl₃, FeF₃ 및 SbCl₅으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 물질일 수 있다. 또한, 상기 호스트는 NPB(N,N’-bis(naphthaen-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)-benzidine), TPD(N,N’-bis(3-methylphenyl)N,N’-bis(phenyl)-benzidine) 및 TNB(N,N,N’,N’-tetra-naphthalenyl-benzidine)로 이루어진 군에서 선택된 하나의 물질일 수 있다.

한편, 상기 제1 발광부(ST1) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190), 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제2 발광부(ST2)가 위치한다. 제2 정공수송층(180) 및 제2 전자수송층(200)은 각각 전술한 제1 발광부(ST1)의 제1 정공수송층(130) 및 제1 전자수송층(150)의 구성과 동일하거나 다르게 이루어질 수 있다. 상기 전자주입층(210)은 소자의 구조나 특성에 따라 생략할 수 있다.

제2 발광층(190)은 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 본 실시예에서는 옐로그린(Yellow-Green)을 발광하는 옐로그린 발광층일 수 있다. 옐로그린 발광층은 옐로그린(Yellow-Green) 발광층 또는 그린(Green) 발광층의 단층 구조 또는 옐로그린 발광층과 그린(Green) 발광층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 제2 발광층(190)은 옐로그린(Yellow-Green) 발광층 또는 그린(Green) 발광층 또는 옐로그린 발광층과 그린(Green) 발광층 또는 옐로그린 발광층과 적색(Red) 발광층 또는 녹색 발광층과 적색 발광층 또는 옐로그린 발광층과 적색 발광층의 다층 구조를 포함한다. 본 실시예에서는 옐로그린을 발광하는 제2 발광층의 단층 구조를 예로 설명한다. 제2 발광층(190)은 CBP(4,4’-bis(carbazol-9-yl)biphenyl) 또는 BAlq (Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium) 중 선택된 적어도 하나의 호스트에 옐로그린을 발광하는 인광 옐로그린 도펀트로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 전자주입층(210)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq₃(tris(8-hydroxy-quinolinato)aluminum), PBD(2-(4-biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole), TAZ(3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole), 및 BAlq(Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminum)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 반면, 전자주입층(210)은 금속화합물로 이루어질 수 있으며, 금속화합물은 예를 들어 LiQ, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF₂, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 전자주입층(210)의 두께는 1 내지 50nm일 수 있다. 여기서, 상기 전자주입층(210)의 두께가 1nm 이상이면 전자 주입 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 50nm 이하이면 전자주입층(210)의 두께의 증가를 방지하여 구동 전압의 상승을 방지할 수 있다.

상기 제2 발광부(ST2)는 제2 정공수송층(180)과 상기 제2 발광층(190)을 포함하고, 제2 발광층(190) 상에 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함한다. 따라서, 제1 발광부(ST1) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190), 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제2 발광부(ST2)를 구성한다.

제2 발광부(ST2) 상에는 음극(220)이 구비되어 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기전계발광소자를 구성한다. 상기 음극(220)은 전자 주입 전극으로, 일함수가 낮은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 여기서, 음극(220)은 유기전계발광소자가 전면 또는 양면발광구조일 경우, 빛을 투과할 수 있을 정도로 얇은 두께로 형성할 수 있으며, 유기전계발광소자가 배면발광구조일 경우, 빛을 반사시킬 수 있을 정도로 두껍게 형성할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 화합물은 페난쓰롤린 코어에 링커와 펜던트가 결합된 구조로 이루어진다. 따라서, 본 발명은 화합물의 코어의 질소가 도펀트와 결합하여 갭 스테이트를 형성하고 링커에 의해 전하 이동도가 향상되며 펜던트에 의해 전자 특성이 부여됨으로써, N형 전하생성층의 전자 특성을 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 화합물은 페난쓰롤린의 2번 위치에 나프탈렌이 위치하며, 나프탈렌이 1번 또는 2번으로 치환된 구조이다. 나프탈렌은 페난쓰롤린의 2번 위치에 결합하여 N형 전하생성층과 전자수송층 사이의 에너지 레벨 차이를 줄여 전자가 이동할 수 있는 터널링효과를 극대화시킨다. 따라서, 본 발명은 상기 화합물을 N형 전하생성층으로 형성함으로써, 터널링효과에 의해 전자의 주입 능력을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 N형 전하생성층에 질소 원자를 포함하는 화합물을 포함함으로써, N형 전하생성층으로부터 전자수송층으로 전자를 효율적으로 전달하여 소자의 효율 및 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달이 원활해지므로 전자 주입이 원활하지 못해서 생기는 수명이 저하되는 문제점을 개선할 수 있다. 그리고, 전자수송층과 N형 전하생성층 간의 LUMO 에너지 레벨 차이로 인해 N형 전하생성층으로 주입된 전자가 전자수송층으로 이동할 때 생기는 구동 전압이 상승되는 문제점을 개선할 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자에 대해 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자의 구조는 도 1과 동일하므로 도 1을 참조하여 설명하고, 전술한 제1 실시예와 중복되는 설명은 간략히 하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자(100)는 양극(110)과 음극(220) 사이에 위치하는 발광부들(ST1, ST2) 및 발광부들(ST1, ST2) 사이에 위치하는 전하생성층(160)을 포함한다. 제1 발광부(ST1)는 양극(110)과 제1 발광층(140) 사이에 정공주입층(120)과 제1 정공수송층(130)을 포함하고, 제1 발광층(140) 상에 위치하는 제1 전자수송층(150)을 포함한다.

제1 발광부(ST1) 상에 전하생성층(160)이 위치한다. 전하생성층(160)은 N형 전하생성층(160N)과 P형 전하생성층(160P)이 접합된 PN접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 각 발광층에 정공 및 전자를 주입한다.

본 발명의 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)은 전술한 제1 실시예의 N형 전하생성층과 동일한 화합물로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 N형 전하생성층(160N)은 화학식 1로 표시되는 화합물과 화학식 4 및 5로 표시되는 화합물들로 구성될 수 있다.

본 발명의 화합물은 페난쓰롤린 코어에 링커와 펜던트가 결합된 구조로 이루어진다. 따라서, 본 발명은 화합물의 코어의 질소가 도펀트와 결합하여 갭 스테이트를 형성하고 링커에 의해 전자 이동도가 향상되며 펜던트에 의해 전자 특성이 부여됨으로써, N형 전하생성층의 전자 특성을 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 페난쓰롤린의 2번 위치에 나프탈렌이 위치하며, 나프탈렌이 1번 또는 2번으로 치환된 구조이다. 나프탈렌은 페난쓰롤린의 2번 위치에 결합하여 N형 전하생성층과 전자수송층 사이의 에너지 레벨 차이를 줄여 전자가 이동할 수 있는 터널링효과를 극대화시킨다. 따라서, 본 발명은 상기 화합물을 N형 전하생성층으로 형성함으로써, 터널링효과에 의해 전자의 주입 능력을 향상시킬 수 있다.

반면, 본 발명의 N형 전하생성층(160N)이 전술한 화합물로 구성되지 않는 경우, 금속 또는 N형이 도핑된 유기물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 금속은 Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Sm, Eu, Tb, Dy 및 Yb로 이루어진 군에서 선택된 하나의 물질일 수 있다. 또한, 상기 N형이 도핑된 유기물질에 사용되는 N형 도펀트와 호스트의 물질은 통상적으로 사용되는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 N형 도펀트는 알칼리 금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속 화합물일 수 있다. 자세하게는 상기 N형 도펀트는 Li, Cs, K, Rb, Mg, Na, Ca, Sr, Eu 및 Yb로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다. 도펀트의 비율은 호스트 전체 100% 대비 1 내지 8%로 혼합된다. 여기서, 도펀트의 일함수(work function)는 2.5eV 이상인 것이 바람직하다. 상기 호스트 물질은 질소 원자를 포함하는 헤테로고리를 갖는 탄소수가 20개 이상 60개 이하인 유기물일 수 있고, 예를 들어, 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄, 트리아진, 하이드록시퀴놀린 유도체 및 벤즈아졸 유도체 및 실롤 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나의 물질일 수 있다.

한편, 상기 제1 발광부(ST1) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190), 제2 전자수송층(200) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제2 발광부(ST2)가 위치한다. 본 발명의 제2 전자수송층(200)은 전자의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, 전자가 제2 발광층(190)으로 원활하게 전달하지 못할 경우, 유기전계발광소자의 수명이나 효율에 영향을 미치게 된다. 이에 본 발명의 발명자들은 전자수송층의 전자 주입 특성을 향상시키기 위한 여러 실험을 하게 되었다. 유기전계발광소자의 수명이나 효율 등에 영향을 주지 않고 구동전압의 상승이 없는 재료들의 여러 실험을 통하여 전자수송층에 전자수송 화합물로서 질소 원자를 포함하는 화합물을 도입하였다. 화합물은 페난쓰롤린 화합물을 포함할 수 있다. 본 발명의 화합물은 질소 원자 2개를 포함하여 전자가 풍부해지므로, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다.

따라서, 상기 제2 전자수송층(200)은 전술한 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진다. 화학식 1로 표시되는 화합물은 다음과 같이 구성될 수 있는데, 본 발명의 제1 실시예의 N형 전하생성층에서의 역할과 본 발명의 제2 실시예의 제2 전자수송층에서의 역할이 일부 상이할 수 있다.

여기서, 화학식 1의 Ar₁에 해당되는 페난쓰롤린은 코어(Core)로서 질소 원자 2개를 포함하여 전자가 풍부해지므로, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다.

화학식 1의 L₁과 L₂에 해당되는 링커(linker)는 전하 이동도(carrier mobility)를 조절한다. L₁은 컨쥬게이션(conjugation) 조절을 통해 L₂의 풍부한 전자를 Ar₁로 도달하게 하는 통로 역할을 하고, HOMO(highest occupied molecular orbital)와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)를 조절한다. L₂는 방향족 거대고리(aromatic macrocycle) 도입을 통한 파이(π)-전자 밀도를 향상시키고, HOMO와 LUMO의 주요 틀을 잡아주는 역할을 한다. 따라서, 제1 전자수송층의 전자 이동도를 향상시켜 제1 전자수송층에서 제1 발광층으로의 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

[화학식 2]

상기 Ar은 아릴(aryl)이다.

[화학식 3]

전술한 링커와 펜던트는 코어에 치환기로 작용하여 화합물의 전자 이동도를 향상시키는 역할을 하고, 화합물을 포함하는 N형 전하생성층의 전자 이동도를 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

본 발명의 제2 전자수송층(200)에 사용할 수 있는 화학식 1로 표시되는 화합물은 다음 표 1에 나타나는 화합물일 수 있다.

전술한 본 발명의 화합물은 옐로그린 발광층을 포함하는 제2 발광부(ST2)에 포함된다. 옐로그린 발광층은 인광 발광층으로 전자이동도가 빠른 유기물층을 요구한다. 본 발명의 화합물은 전자이동도가 빠르고 삼중항에너지가 낮으므로 인광 발광층에 부합한다. 따라서, 본 발명의 화합물이 제2 발광부(ST2)에 포함되면 제2 발광부(ST2)의 전자이동도가 빨라지는 특성을 가진다. 그러므로, 본 발명의 화합물은 인광의 옐로그린을 발광하는 제2 발광부(ST2)에 위치함이 바람직하다. 또한, 인광 발광층이 제1 발광부(ST1)에 위치하는 경우나, 인광 발광층이 제3 발광부(ST3)에 위치하는 경우에는 본 발명의 화합물은 제1 발광부(ST1) 또는 제3 발광부(ST3)에 위치할 수도 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 전자수송층(200)은 본 발명의 화합물을 포함함으로써 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 하고 전자수송층에서 발광층으로의 전자의 수송을 용이하게 한다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기전계발광소자는 양극(100)과 음극(220) 사이에 제1 발광부(ST1), 전하생성층(160) 및 제2 발광부(ST2)를 포함하여 유기전계발광소자를 구성한다.

전술한 본 발명의 제2 실시예에서는 전하생성층의 N형 전하생성층(160N), 제2 전자수송층(200)에 본 발명의 화합물을 포함하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 제1 전자수송층(150), 제2 전자수송층(200) 및 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N) 중 적어도 하나 이상이 본 발명의 화합물로 이루어질 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 질소 원자를 포함하는 화합물은 질소 원자 2개를 포함하여 전자가 풍부해지므로, 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다. 따라서, 본 발명의 유기전계발광소자는 발광부에 포함된 전자수송층들 중 적어도 하나에 화합물을 사용함으로써, N형 전하생성층으로부터 전달되는 전자를 효율적으로 발광층에 전달한다.

도 2는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 도면이다. 하기에서는 전술한 제1 및 제2 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 붙여 그 설명을 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 유기전계발광소자(100)는 양극(110)과 음극(220) 사이에 위치하는 복수의 발광부들(ST1, ST2, ST3) 및 복수의 발광부들(ST1, ST2, ST3) 사이에 위치하는 제1 전하생성층(160)과 제2 전하생성층(230)을 포함한다. 본 실시예에서는 양극(110)과 음극(220) 사이에 3개의 발광부들이 위치하는 것으로 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 양극(110)과 음극(220) 사이에 4개 또는 그 이상의 발광부들을 포함할 수도 있다.

보다 자세하게, 제1 발광부(ST1)는 하나의 발광소자 단위를 이루는 것으로, 제1 발광층(140)을 포함한다. 제1 발광층(140)은 적색, 녹색 및 청색 중 어느 하나의 색을 발광할 수 있으며, 본 실시예에서는 청색(blue)을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 상기 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 이 경우, 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 480nm 범위일 수 있다. 또는 제1 발광층(140)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다. 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 650nm 범위일 수 있다. 그리고, 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 590nm 범위일 수 있다. 그리고, 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 570nm 범위일 수 있다.

상기 제1 발광부(ST1)는 양극(110)과 제1 발광층(140) 사이에 정공주입층(120), 제1 정공수송층(130)을 포함하고, 제1 발광층(140) 상에 제1 전자수송층(150)을 포함한다. 따라서, 양극(110) 상에 정공주입층(120), 제1 정공수송층(130), 제1 발광층(140) 및 제1 전자수송층(150)을 포함하는 제1 발광부(ST1)를 구성한다. 상기 정공주입층(120)은 소자의 구조나 특성에 따라 제1 발광부(ST1)의 구성에 포함되지 않을 수도 있다.

상기 제1 발광부(ST1)와 상기 제2 발광부(ST2) 사이에는 제1 전하생성층(160)이 위치한다. 제1 전하생성층(160)은 N형 전하생성층(160N)과 P형 전하생성층(160P)이 접합된 PN접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 각 발광층에 정공 및 전자를 주입한다.

본 발명의 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)은 전술한 제1 실시예의 N형 전하생성층 및 제2 실시예의 N형 전하생성층과 동일한 화합물로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 N형 전하생성층(160N)은 화학식 1로 표시되는 화합물과 화학식 2 및 3으로 표시되는 화합물들로 구성될 수 있다.

본 발명의 화합물은 페난쓰롤린 코어에 링커와 펜던트가 결합된 구조로 이루어진다. 따라서, 본 발명은 화합물의 코어의 질소가 도펀트와 결합하여 갭 스테이트를 형성하고 링커에 의해 전하 이동도가 향상되며 펜던트에 의해 전자 특성이 부여됨으로써, N형 전하생성층의 전자 특성을 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 화합물은 페난쓰롤린의 2번 위치에 나프탈렌이 위치하며, 나프탈렌이 1번 또는 2번으로 치환된 구조이다. 나프탈렌은 페난쓰롤린의 2번 위치에 결합하여 N형 전하생성층과 전자수송층 사이의 에너지 레벨 차이를 줄여 전자가 이동할 수 있는 터널링효과를 극대화시킨다. 따라서, 본 발명은 상기 화합물을 N형 전하생성층으로 형성함으로써, 터널링효과에 의해 전자의 주입 능력을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 제1 전하생성층(160) 상에 제2 발광층(190)을 포함하는 제2 발광부(ST2)가 위치한다. 제2 발광층(190)은 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 예를 들어 본 실시예에서는 옐로그린(yellow-green)을 발광하는 옐로그린 발광층일 수 있다. 옐로그린 발광층은 노란색 발광층 또는 그린(Green) 발광층 또는 옐로그린(yellow-green) 발광층과, 그린(green) 발광층 또는 노란색 발광층과 적색(Red) 발광층 또는 녹색 발광층과 적색 발광층 또는 옐로그린 발광층과 적색 발광층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 그리고, 옐로그린(yellow-green) 발광층의 발광 영역은 510nm 내지 590nm 범위일 수 있다. 적색 효율을 향상시키기 위해서, 옐로그린(yellow-green) 발광층과 적색(Red) 발광층의 두 개의 발광층으로 제2 발광층(190)을 구성할 경우, 옐로그린(yellow-green) 발광층과 적색(Red) 발광층의 발광 영역은 510nm 내지 650nm 범위일 수 있다.

상기 제2 발광부(ST2)는 상기 제2 정공수송층(180)과 상기 제2 발광층(190)을 포함하고, 제2 발광층(190) 상에 제2 전자수송층(200)을 포함한다. 따라서, 제1 전하생성층(160) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190) 및 제2 전자수송층(200)을 포함하는 제2 발광부(ST2)를 구성한다.

상기 제2 발광부(ST2)와 상기 제3 발광부(ST3) 사이에는 제2 전하생성층(230)이 위치한다. 제2 전하생성층(230)은 N형 전하생성층(230N)과 P형 전하생성층(230P)이 접합된 PN접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 각 발광층에 정공 및 전자를 주입한다. 본 발명의 제2 전하생성층(230)의 N형 전하생성층(230N)도 전술한 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)과 동일하게 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진다.

상기 제2 발광부(ST2) 상에 제3 발광층(250)을 포함하는 제3 발광부(ST3)가 위치한다. 제3 발광층(250)은 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 예를 들어 본 실시예에서는 청색(blue)을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 상기 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 이 경우, 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 480nm 범위일 수 있다. 또는 제1 발광층(140)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다. 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 650nm 범위일 수 있다. 그리고, 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 590nm 범위일 수 있다. 그리고, 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층의 발광 영역은 440nm 내지 570nm 범위일 수 있다.

상기 제3 발광부(ST3)는 제3 정공수송층(240)과 상기 제3 발광층(250)을 포함하고, 제3 발광층(250) 상에 제3 전자수송층(260)과 전자주입층(210)을 포함한다. 따라서, 제2 전하생성층(230) 상에 제3 정공수송층(240), 제3 발광층(250), 제3 전자수송층(260) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제3 발광부(ST3)를 구성한다. 제3 발광부(ST3) 상에는 음극(220)이 구비되어 본 발명의 제3 실시예에 따른 유기전계발광소자를 구성한다.

전술한 본 발명의 제3 실시예에서는 제1 전하생성층의 N형 전하생성층(160N) 및 제2 전하생성층의 N형 전하생성층(230N)에 화합물을 포함하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N) 및 제2 전하생성층(230N)의 N형 전하생성층(230N) 중 적어도 하나 이상이 본 발명의 화합물로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 제4 실시예에 따른 유기전계발광소자에 대해 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 제4 실시예에 따른 유기전계발광소자의 구조는 도 2와 동일하므로 도 2를 참조하여 설명하고, 전술한 제1 내지 제3 실시예와 중복되는 설명은 간략히 하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 유기전계발광소자(100)는 양극(110)과 음극(220) 사이에 위치하는 복수의 발광부들(ST1, ST2, ST3) 및 복수의 발광부들(ST1, ST2, ST3) 사이에 위치하는 제1 전하생성층(160)과 제2 전하생성층(230)을 포함한다. 본 실시예에서는 양극(110)과 음극(220) 사이에 3개의 발광부들이 위치하는 것으로 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 양극(110)과 음극(220) 사이에 4개 또는 그 이상의 발광부들을 포함할 수도 있다.

상기 제1 발광부(ST1)와 상기 제2 발광부(ST2) 사이에 제1 전하생성층(160)이 위치한다. 제1 전하생성층(160)은 N형 전하생성층(160N)과 P형 전하생성층(160P)이 접합된 PN접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 각 발광층에 정공 및 전자를 주입한다.

본 발명의 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)은 전술한 제1 내지 제3 실시예와 동일하게 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진다. 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 페난쓰롤린 코어에 링커와 펜던트가 결합된 구조로 이루어진다. 따라서, 본 발명의 화합물은 코어의 질소와 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합하여 갭 스테이트를 형성하고 링커에 의해 전하 이동도가 향상되며 펜던트에 의해 전자 특성이 부여됨으로써, N형 전하생성층의 전자 특성을 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 그리고, 질소가 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명이 향상될 수 있다.

한편, 상기 제1 전하생성층(160) 상에 제2 발광층(190)을 포함하는 제2 발광부(ST2)가 위치한다. 제2 발광층(190)은 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 예를 들어 본 실시예에서는 옐로그린(yellow-green)을 발광하는 옐로그린 발광층일 수 있다. 옐로그린 발광층은 옐로그린(yellow-green) 발광층 또는 그린(Green) 발광층 또는 옐로그린(yellow-green) 발광층과 그린(green) 발광층 또는 노란색 발광층과 적색(Red) 발광층 또는 녹색 발광층과 적색 발광층 또는 옐로그린 발광층과 적색 발광층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 옐로그린 발광층의 발광 영역은 510nm 내지 590nm 범위일 수 있다. 그리고, 적색 효율을 향상시키기 위해서, 옐로그린(yellow-green) 발광층과 적색(Red) 발광층의 두 개의 발광층으로 제2 발광층(190)을 구성할 경우, 옐로그린(yellow-green) 발광층과 적색(Red) 발광층의 발광 영역은 510nm 내지 650nm 범위일 수 있다.

상기 제2 발광부(ST2)는 제2 정공수송층(180)을 더 포함하고, 제2 발광층(190) 상에 제2 전자수송층(200)을 포함한다. 따라서, 제1 발광부(ST1) 상에 제2 정공수송층(180), 제2 발광층(190) 및 제2 전자수송층(200)을 포함하는 제2 발광부(ST2)를 구성한다.

본 발명의 제2 전자수송층(200)은 전술한 제2 실시예와 동일하게 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진다. 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 페난쓰롤린 코어에 링커와 펜던트가 결합된 구조로 이루어진다. 따라서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제2 전자수송층(200)은 빠른 전자 이동도를 가져 전자의 수송을 용이하게 한다.

상기 제2 발광부(ST2)와 상기 제3 발광부(ST3) 사이에는 제2 전하생성층(230)이 위치한다. 제2 전하생성층(230)은 N형 전하생성층(230N)과 P형 전하생성층(230P)이 접합된 PN접합 전하생성층으로, 전하를 생성하거나 정공 및 전자로 분리하여 상기 각 발광층에 정공 및 전자를 주입한다.

본 발명의 제2 전하생성층(230)의 N형 전하생성층(230N)도 전술한 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N)과 동일하게 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진다. 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물은 페난쓰롤린 코어에 링커와 펜던트가 결합된 구조로 이루어진다. 따라서, 본 발명의 화합물은 코어의 질소가 도펀트와 결합하여 갭 스테이트를 형성하고 링커에 의해 전하 이동도가 향상되며 펜던트에 의해 전자 특성이 부여됨으로써, N형 전하생성층의 전자 특성을 향상시켜 N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다.

상기 제2 발광부(ST2) 상에 제3 발광층(250)을 포함하는 제3 발광부(ST3)가 위치한다. 제3 발광층(250)은 적색, 녹색 및 청색 중 하나의 색을 발광할 수 있으며, 예를 들어 본 실시예에서는 청색(blue)을 발광하는 청색 발광층일 수 있다. 상기 청색 발광층은 청색(Blue) 발광층, 진청색(Dark Blue) 발광층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광층 중 하나를 포함한다. 또는 제1 발광층(140)은 청색 발광층 및 적색(Red) 발광층, 또는 청색 발광층 및 옐로그린(Yellow-Green) 발광층, 또는 청색 발광층 및 녹색(Green) 발광층으로 구성할 수도 있다.

상기 제3 발광부(ST3)는 제3 정공수송층(240)을 포함하고, 제3 발광층(250) 상에 제3 전자수송층(260)과 전자주입층(210)을 포함한다. 따라서, 제2 발광부(ST2) 상에 제3 정공수송층(240), 제3 발광층(250), 제3 전자수송층(260) 및 전자주입층(210)을 포함하는 제3 발광부(ST3)를 구성한다. 제3 발광부(ST3) 상에는 음극(220)이 구비되어 본 발명의 제4 실시예에 따른 유기전계발광소자를 구성한다.

전술한 본 발명의 제4 실시예에서는 제1 전하생성층의 N형 전하생성층(160N), 제2 전하생성층의 N형 전하생성층(230N) 및 제2 전자수송층(200)에 화합물을 포함하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 전자수송층(150), 제1 전하생성층(160)의 N형 전하생성층(160N), 제2 전하생성층(230N)의 N형 전하생성층(230N) 및 제3 전자수송층(260) 중 적어도 하나 이상이 본 발명의 화합물로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 질소 원자를 포함하는 화합물은 전자가 상대적으로 풍부한 sp² 혼성 오비탈의 질소(N)를 포함하고, 이 질소가 N형 전하생성층의 도펀트인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속과 결합(binding)하여 갭 스테이트(gap state)를 형성한다. 형성된 갭 스테이트에 의해, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 유기전계발광소자는 N형 전하생성층에 본 발명의 화합물을 사용함으로써, N형 전하생성층에서 전자수송층으로 전자의 전달을 원활하게 할 수 있다. 그리고, 질소가 N형 전하생성층에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 결합함으로써, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 P형 전하생성층으로 확산되지 않으므로 수명이 향상될 수 있다.

이하, 본 발명의 화합물의 합성예에 관하여 하기 실시예에서 상술하기로 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실험 1>

합성예

1) 중간체 A의 합성

둥근바닥 플라스크에 1-(1-브로모나프탈렌-4-일)에타논(1-(1-bromonaphthalen-4-yl)ethanone) (14.5g, 0.058mol), 8-아미노퀴놀린-7-카발데히드(8-aminoquinoline-7-carbaldehyde)(10g, 0.058mol), ABS 에탄올(Absolute EtOH) 800ml, 수산화칼륨(KOH) 13g을 넣고 온도를 승온하여 환류시키고 15시간동안 교반한다. 반응액을 상온으로 냉각 한 후 디클로로메탄(CH₂Cl₂, MC)/물로 추출하여 유기층을 회수한다. 유기층을 감압농축한 후 산화알루미늄(Al₂O₃)을 사용하여 디클로로메탄을 전개시켜 컬럼분리하여 10.5g의 중간체 A를 수득하였다.

2) 화합물 NC09(2-4, biphenyl-3-yl-naphthalene-1-yl-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 2-브로모-1,10-페난쓰롤린(2-Bromo-1,10-phenanthroline)(3g, 0.012mol), 4-바이페닐-3-일-나프탈렌-1-보로닉산(4-biphenyl-3-yl-naphthalene-1-boronic acid)(4.5g, 0.014mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0)(0.5g, 0.5mmol), 톨루엔(Toluene) 60ml, 에탄올(EtOH) 15ml, 2M 탄산칼륨(K₂CO₃) 12ml을 넣고, 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 추출하여 유기층을 회수하고 감압농축하여 용매를 제거한 후 실리카겔 컬럼(silicagel Column)(MC→MC:Acetone=10:1) 분리하였다. 감압농축하여 3.2g의 NC09 화합물을 수득하였다.

3) 화합물 NC12(2-(1-(10-phenylanthracen-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 A 3g(8mmol), 9-페닐안트라센-10-보로닉산(9-phenylanthracene-10-boronic acid)(2.8g, 9mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(0.4g, 0.3mmol), 톨루엔 60ml, 에탄올 15ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드(Crude) 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드 상태의 생성물을 클로로포름(CHCl₃)에 가열하여 녹인 후 산화알루미늄(Al₂O₃)에 감압여과한 후 농축하여 재결정하여 2g의 NC12 화합물을 수득하였다.

4) 화합물 NC17(2-(1-(quinolin-2-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 A (3g, 8mmol), 9-페닐안트라센-10-보로닉산(1.6g, 9mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(0.4g, 0.3mmol), 톨루엔 60ml, 에탄올 15ml, 2M 탄산칼륨(K₂CO₃) 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 추출하여 유기층을 회수하고 감압농축하여 용매를 제거한 후 산화알루미늄(Al₂O₃)을 사용하여 실리카겔 컬럼(MC→MC:Acetone=10:1) 분리하였다. 감압농축하여 2.4g의 NC17 화합물을 수득하였다.

5) 중간체 B(2-(2-bromonaphthalen-6-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 1-(2-브로모나프탈렌-4-일)에타논(1-(2-bromonaphthalen-4-yl)ethanone)(7.3g, 0.029mol), 8-아미노퀴놀린-7-카발데히드 (5g, 0.029mol), ABS 에탄올 400ml, 수산화칼륨(KOH) 6.5g을 넣고 온도를 승온하여 환류시키고 15시간 동안 교반한다. 반응액을 상온으로 냉각한 후 디클로로메탄/물로 추출하여 유기층을 회수한다. 유기층을 감압 농축한 후 산화알루미늄(Al₂O₃)을 사용하여 디클로로메탄을 전개시켜 컬럼분리하여, 4.6g의 중간체 B를 수득하였다.

6) 화합물 NC34(2-(2-(pyren-1-yl)naphthalen-6-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 B (3g, 8mmol), 피렌-1-보로닉산(2.3g, 9mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(0.4g, 0.3mmol), 톨루엔 60ml, 에탄올 15ml, 2M 탄산칼륨(K₂CO₃) 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 산화알루미늄에 감압여과한 후 농축하여 재결정하여, 1.6g의 NC34 화합물을 수득하였다.

7) 화합물 NC42(2-(1-(10-(4-tert-butylphenyl)anthracene-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 A (3g, 8mmol), 9-(4-터트-부틸페닐)안트라센-10-일-10-보로닉산(9-(4-tert-butylphenyl)anthracene-10-yl-10-boronic acid) (3.3g, 9mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(0.4g, 0.3mmol), 톨루엔 60ml, 에탄올 15ml, 2M K2CO3 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 산화알루미늄에 감압여과한 후 농축하여 재결정하여, 2.4g의 NC42 화합물을 수득하였다.

8) 화합물 NC43(2-(1-(3-(10-(4-tert-butylphenyl)anthracene-9-yl)phenyl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 A (3g, 8mmol), 9-페닐안트라센-10-보로닉산(4g, 9mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(0.4g, 0.3mmol), 톨루엔 60ml, 에탄올 15ml, 2M 탄산칼륨(K₂CO₃) 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 추출하여 유기층을 회수하고 감압농축하여 용매를 제거한 후 산화알루미늄(Al₂O₃)을 사용하여 실리카겔 컬럼(MC→MC:Acetone=10:1) 분리하였다. 감압농축하여 2.4g의 NC43 화합물을 수득하였다.

상기 제조된 화합물들의 열 안정성을 확인해보기 위해, 화합물 NC09, NC12, NC17, NC34, NC42 및 NC43의 유리전이온도(Tg)와 녹는점(Tm)을 측정하여 도 3 내지 도 12에 나타내었고 하기 표 2에 정리하였다. 유리전이온도(Tg)와 녹는점(Tm)은 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 방법으로 측정한 것이다. DSC는 온도 변화에 따른 열에너지 변화를 측정하는 것으로 고분자 물질의 연구에 이용된다. 도 3은 화합물 NC09의 유리전이온도를 나타낸 그래프이다. 도 4는 화합물 NC12의 유리전이온도를 나타낸 그래프이다. 도 5는 화합물 NC12의 녹는점을 나타낸 그래프이다. 도 6은 화합물 NC17의 유리전이온도를 나타낸 그래프이고, 도 7은 화합물 NC17의 녹는점을 나타낸 그래프이다. 도 8은 화합물 NC34의 유리전이온도를 나타낸 그래프이다. 도 9는 화합물 NC42의 유리전이온도를 나타낸 그래프이고, 도 10은 화합물 NC42의 녹는점을 나타낸 그래프이다. 도 11은 화합물 NC43의 유리전이온도를 나타낸 그래프이고, 도 12는 화합물 NC43의 녹는점을 나타낸 그래프이다. (참고로, NC09와 NC34의 경우 녹는점이 측정되지 않았음.) 도 3 내지 도 12에서 가로축은 온도이고, 세로축은 heat flow(열 유속)이다.

화합물	유리전이온도(Tg, ℃)	녹는점(Tm, ℃)
NC09	101.05	-
NC12	185.39	347.44
NC17	114.25	251.00
NC34	156.84	-
NC42	199.64	375.46
NC43	167.31	352.35

도 3 은 화합물 NC09의 유리전이온도를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 세로축의 heat flow가 어느 온도에서 변화하는 부분이 있다. 유리전이온도는 heat flow가 시작하는 온도와 변화가 끝나는 온도의 중간값으로 결정한다. 따라서, NC09의 유리전이온도(Tg)는 101.05℃임을 알 수 있다. 그리고, NC09의 녹는점은 측정되지 않았다.

도 5는 화합물 NC12의 녹는점을 나타낸 그래프이다. 녹는점(Tm)은 온도를 일정한 온도로 올릴 때 유리전이온도가 나타난 후 어느 특정 온도에서 흡열하여 또 한번의 피크(peak)가 나타나는 온도를 말한다. 따라서, NC12의 녹는점(Tm)은 347.44℃임을 알 수 있다.

상기 도 3 내지 12와 표 2를 참조하면, 합성예에서 제조된 본 발명의 화합물들은 약 100℃ 이상의 유리전이온도를 나타내고, 250℃ 이상의 녹는점을 나타내는 바, 본 발명의 화합물들이 유기전계발광소자에 적용하였을 때 열 안정성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.

이하, 전술한 화합물을 N형 전하생성층으로 사용하여 유기전계발광소자를 제작한 실시예를 개시한다. 아래의 유기막들의 두께나 형성 조건 등이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

비교예

ITO 기판의 발광 면적이 2mm × 2mm 크기가 되도록 패터닝한 후 UV 오존으로 세정하였다. 기판을 진공 챔버에 장착한 후 기본 압력이 5~7x10^-8 torr가 되도록 한 후 가열 보트로부터 증발에 의해 다음과 같은 층들이 다음과 같은 순서로 증착되었다.

(1) 정공주입층으로 NPD에 F₄-TCNQ를 10%로 도핑하여 100Å의 두께로 형성하고,

(2) 정공수송층으로 NPD를 1200Å의 두께로 형성하고,

(3) 청색 발광층으로 안트라센 호스트에 피렌 도펀트를 4%로 도핑하여 200Å의 두께로 형성하고,

(4) 제1 전자수송층으로 TmPyPB를 100Å의 두께로 형성하고,

(5) N형 전하생성층으로 BPhen에 Li을 2%로 도핑하여 100Å의 두께로 형성하고,

(6) P형 전하생성층으로, NPD에 F₄-TCNQ를 10%로 도핑하여 200Å의 두께로 형성하고,

(7) 정공수송층으로 NPD를 200Å의 두께로 형성하고,

(8) 노란색 발광층으로 CBP 호스트에 Ir 화합물을 10%로 도핑하여 200Å의 두께로 형성하고,

(9) 제2 전자수송층으로 Alq₃를 100Å의 두께로 형성하고,

(10) 전자주입층으로 LiF를 5Å의 두께로 형성하고,

(11) 음극으로 Al을 2000Å의 두께로 형성하였다.

이러한 층들의 증착 후 피막 형성을 위해 증착 챔버에서 건조 박스 내로 옮기고 후속적으로 UV 경화 에폭시 및 수분 게터를 사용하여 인캡슐레이션하여 유기전계발광소자를 제작하였다.

실시예 1

전술한 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC09로 형성하였다.

실시예 2

전술한 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC12로 형성하였다.

실시예 3

전술한 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC17로 형성하였다.

실시예 4

전술한 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC34로 형성하였다.

실시예 5

전술한 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC42로 형성하였다.

실시예 6

전술한 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC43으로 형성하였다.

상기 비교예와 실시예들에서 N형 전하생성층의 재료 등이 본 발명의 내용을 제한하는 것은 아니다.

상기 비교예, 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압, 전류효율 및 수명을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 또한, 구동전압에 따른 전류밀도를 측정하여 도 13에 나타내었고, 발광 스펙트럼을 측정하여 도 14에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도의 저하율을 측정하여 도 15에 나타내었다. 또한, 하기 표 3에서는 비교예의 결과 값을 100%로 보고 나머지 실시예의 결과 값을 비율로 나타내었다. 또한, 수명(T95)은 초기 휘도 100%에 대비하여 95%의 휘도에 도달한 시간을 비교예에 대비하여 나타내었다.

	구동전압(%)	전류효율(%)	수명(T95)(%)
비교예	100	100	100
실시예1	94	104	119
실시예2	103	105	124
실시예3	94	101	85
실시예4	93	102	128
실시예5	91	102	108
실시예6	105	102	243

상기 도 13 내지 도 15, 및 표 3을 참조하면, 스택 구조에서 BPhen을 N형 전하생성층에 사용한 비교예에 비해, 화합물 NC09를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 1은 구동전압이 6% 낮아졌고 전류효율이 4% 증가하였고 수명이 19% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해 화합물 NC12를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 2는 구동전압이 3% 증가하였으나 전류효율이 5% 증가하였고 수명이 24% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해 화합물 NC17을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 3은 수명이 15% 증가하였지만 구동전압이 6% 감소하였고 전류효율이 1% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해 화합물 NC34를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 4는 구동전압이 7% 감소하였고 전류효율이 2% 증가하였고 수명이 28% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해 화합물 NC42를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 5는 구동전압이 9% 감소하였고 전류효율이 2% 증가하였고 수명이 8% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해 화합물 NC43을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 6은 구동전압이 5% 증가하였으나 전류효율이 2% 증가하였고 수명이 143% 증가하여 특히 수명 특성이 우수하였다.

<실험 2>

합성예

1) 중간체 C(2-(1-bromonaphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 1-(1-브로모나프탈렌-4-yl)에탄온(1-(1-bromonaphthalen-4-yl)ethanone) (14.5g, 0.058mol), 8-아미노퀴놀린-7-카발데히드(8-aminoquinoline-7-carbaldehyde) (10g, 0.058mol), ABS 에탄올 800ml, KOH 13g을 넣고 온도를 승온하여 환류시키고 15시간동안 교반한다. 반응액을 상온으로 냉각 한 후 디클로로메탄/물로 추출하여 유기층을 회수한다. 유기층을 감압농축한 후 Al₂O₃를 사용하여 디클로로메탄을 전개시켜 컬럼분리하여, 10.5g의 중간체 C를 수득하였다.

2) 중간체 D(2-(3-bromophenyl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 1-(3-브로모페닐)에탄온(1-(3-bromophenyl)ethanone) (15g, 0.075mol), 8-아미노퀴놀린-7-카발데히드(8-aminoquinoline-7-carbaldehyde) (13g, 0.075mol), ABS 에탄올 800ml, KOH 15g을 넣고 온도를 승온하여 환류시키고 15시간동안 교반한다. 반응액을 상온으로 냉각 한 후 디클로로메탄/물로 추출하여 유기층을 회수한다. 유기층을 감압농축한 후 Al₂O₃를 사용하여 디클로로메탄을 전개시켜 컬럼분리하여, 13.7g의 중간체 D를 수득하였다.

3) NC119(2-(1-(10-(naphthalen-2-yl)anthracene-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 9-(나프탈렌-2-yl)안트라센-10-보로닉산(9-(naphthalen-2-yl)anthracene-10-boronic acid) (5.4g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여 4.2g의 NC119 화합물을 수득하였다.

4) NC124(2-(3-(10-phenylanthracene-9-yl)phenyl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 2 (5g, 0.015mol), 9-페닐안트라센-10-보로닉산(9-phenylanthracene-10-boronic acid) (5.3g, 0.018mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.7g, 0.6mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 3.6g의 NC124 화합물을 수득하였다.

5) NC126(2-(1-(10-(4-(trimethylsilyl)phenyl)anthracene-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 9-(4-(트리메틸실릴)페닐)안트라센-10-yl-10-보로닉산(9-(4-(trimethylsilyl)phenyl)anthracene-10-yl-10-boronic acid) (5.8g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 3.7g의 NC126 화합물을 수득하였다.

6) NC132(2-(1-(10-(4-(pyrimidin-2-yl)phenyl)anthracene-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 9-(4-(피리미딘-2-yl)페닐)안트라센-10-yl-10-보로닉산(9-(4-(pyrimidin-2-yl)phenyl)anthracene-10-yl-10-boronic acid (5.9g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 3g의 NC132 화합물을 수득하였다.

7) NC175(2-(1-(10-(dibenzofuran-2-yl)anthracene-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 9-(디벤조퓨란-2-yl)안트라센-10-보로닉산(9-(dibenzofuran-2-yl)anthracene-10-boronic acid) (6g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 4g의 NC175 화합물을 수득하였다.

8) 중간체 E(9-(4-bromodibenzothiophene-6-yl)-10-phenylanthracene)의 합성

둥근바닥 플라스크에 4,6-브로모디벤조티오펜(4,6-dibromodibenzothiophene) (10g, 0.029mol), 9-페닐안트라센-10-보로닉산(9-phenylanthracene-10-boronic acid) (8.7g, 0.029mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (1.4g, 1.2mmol), 톨루엔 250ml, 에탄올 30ml, 2M 탄산칼륨 15ml을 넣고 60℃에서 24시간 동안 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 8.2g의 중간체 E를 수득하였다.

9) 중간체 F(4,4,5,5-tetramethyl-2-(6-(10-phenylanthracene-9-yl)-(dibenzothiophene-4-yl))-1,3,2-dioxaborolane)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 E (8g, 0.016mol), 비스(피나콜라토)디보론(Bis(pinacolato)diboron) (5.9g, 0.023mol), 1,1-비스(디페닐포스피노)페로센 디클로로팔라듐(Ⅱ)(1,1-Bis(diphenylphosphino)ferrocene dichloropalladium(Ⅱ)) (0.5g, 0.6mmol), 1,4-디옥산(1,4-Dioxane) 150ml, 포타슘 아세테이트(Potassium acetate) (6.1g, 0.062mol)을 넣고 24시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 7.8g의 중간체 F를 수득하였다.

10) NC151(2-(4-(10-phenylanthracene-9-yl)dibenzothiophene-6-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 2-브로모-1,10-페난쓰롤린(2-bromo-1,10-phenanthroline) (3g, 0.012mol), 중간체 F (7.8g, 0.014mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.5g, 0.5mmol), 톨루엔 200ml, 에탄올 10ml, 테트라하이드로퓨란(THF) 50ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 3.3g의 NC151 화합물을 수득하였다.

11) NC195(2-(10-(fluoranthen-3-yl)anthracene-9-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 2-브로모-1,10-페난쓰롤린(2-bromo-1,10-phenanthroline) (5g, 0.019mol), 9-(플루오르안텐-3-yl)안트라센-10-yl-10-보로닉산(9-(fluoranthen-3-yl)anthracene-10-yl-10-boronic acid) (9.8g, 0.023mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.9g, 0.8mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 10ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 7.2g의 NC195 화합물을 수득하였다.

12) NC197(2-(1-(1-phenylpyren-6-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 6-페닐피렌-1-yl-1-보로닉산(6-phenylpyren-1-yl-1-boronic acid) (5g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 4.1g의 NC197 화합물을 수득하였다.

13) 중간체 G(8-amino-5-phenylquinoline-7-carbaldehyde)의 합성

둥근바닥 플라스크에 8-아미노-5-브로모퀴놀린-7-카발데히드(8-amino-5-bromoquinoline-7-carbaldehyde) (15g, 0.06mol), 페닐보로닉산(phenylboronic acid) (7.3g, 0.06mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (2.8g, 2mmol), 톨루엔 300ml, 에탄올 30ml, 2M 탄산칼륨 30ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 실리카겔에 여과한 후 실리카겔을 디클로로메탄으로 씻어준다. 여액을 감압농축 한 후 생성된 물질을 디클로로메탄으로 녹인 후 Hx을 첨가하여 파우더를 석출하고 세척하여, 12g의 중간체 G를 수득하였다.

14) NC209(6-phenyl-2-(4-(pyren-8-yl)phenyl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 G (5g, 0.028mol), 1-(4-(피렌-3-yl)페닐)에탄온(1-(4-(pyren-3-yl)phenyl)ethanone) (6.4g, 0.028mol), ABS 에탄올 600ml, KOH 8g을 넣고 온도를 승온하여 환류시키고 15시간 동안 교반한다. 반응액을 상온으로 냉각한 후 여과한다. 여과물을 물로 세척한 후 디클로로메탄으로 세척하여, 6.5g의 NC209 화합물을 수득하였다.

15) NC223(2-(1-(phenanthren-9-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 페난쓰렌-9-보로닉산(phenanthrene-9-boronic acid) (3.5g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 4.8g의 NC223 화합물을 수득하였다.

16) NC231(2-(1-(fluoranthen-3-yl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 플루오르안텐-3-보로닉산(fluoranthene-3-boronic acid) (3.8g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 4.5g의 NC231 화합물을 수득하였다.

17) NC232(2-(1-(3-(fluoranthen-3-yl)phenyl)naphthalen-4-yl)-1,10-phenanthroline)의 합성

둥근바닥 플라스크에 중간체 C (5g, 0.013mol), 3-(플루오르안텐-3-yl)페닐보로닉산(3-(fluoranthen-3-yl)phenylboronic acid) (5g, 0.016mol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0) (0.6g, 0.5mmol), 톨루엔 100ml, 에탄올 10ml, 2M 탄산칼륨 8ml을 넣고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 종료 후 반응액을 여과하여 크루드 상태의 생성물을 얻는다. 여과된 크루드를 클로로포름에 가열하여 녹인 후 실리카겔에 감압 여과한 후 농축하여 재결정하여, 5.1g의 NC232 화합물을 수득하였다.

이하, 전술한 합성예에 따라 제조된 화합물을 N형 전하생성층으로 사용하여 유기전계발광소자를 제작한 실시예를 개시한다. 아래의 유기막들의 두께나 형성 조건 등이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

실시예 7

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC119로 형성하였다.

실시예 8

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC124로 형성하였다.

실시예 9

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC126으로 형성하였다.

실시예 10

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC132로 형성하였다.

실시예 11

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC151로 형성하였다.

실시예 12

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC175로 형성하였다.

실시예 13

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC195로 형성하였다.

실시예 14

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC197로 형성하였다.

실시예 15

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC223으로 형성하였다.

실시예 16

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC231로 형성하였다.

실시예 17

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, N형 전하생성층은 화합물 NC232로 형성하였다.

상기 비교예, 실시예 7 내지 17에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압, 전류효율, 양자효율 및 수명을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다. 하기 표 4에서는 비교예의 결과 값을 100%로 보고 나머지 실시예의 결과 값을 비율로 나타내었다. 또한, 수명(T95)은 초기 휘도 100%에 대비하여 95%의 휘도에 도달한 시간을 비교예에 대비하여 나타내었다.

또한, 비교예, 실시예 7 내지 10에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 측정하여 도 16에 나타내었고, 휘도에 따른 양자효율을 측정하여 도 17에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도의 저하율을 측정하여 도 18에 나타내었다. 또한, 비교예, 실시예 11 내지 14에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 측정하여 도 19에 나타내었고, 휘도에 따른 양자효율을 측정하여 도 20에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도의 저하율을 측정하여 도 21에 나타내었다. 또한, 비교예, 실시예 15 내지 17에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 측정하여 도 22에 나타내었고, 휘도에 따른 양자효율을 측정하여 도 23에 나타내었으며, 시간에 따른 휘도의 저하율을 측정하여 도 24에 나타내었다.

	구동전압(%)	전류효율(%)	양자효율(%)	수명(%)
비교예	100.0	100.0	100.0	100.0
실시예 7	94.4	96.1	95.9	105.0
실시예 8	92.7	99.0	99.5	114.0
실시예 9	91.4	98.6	99.4	68.6
실시예 10	94.3	101.3	100.4	209.0
실시예 11	100.0	93.5	93.2	110.6
실시예 12	91.9	99.3	99.7	116.1
실시예 13	95.9	99.9	99.3	78.8
실시예 14	98.5	95.4	95.6	91.2
실시예 15	85.8	100.6	99.5	134.9
실시예 16	97.0	96.5	96.1	96.5
실시예 17	99.1	96.9	96.6	79.7

상기 도 16 내지 도 24, 표 4를 참조하면, 스택 구조에서 BPhen을 N형 전하생성층에 사용한 비교예에 비해, 화합물 NC119를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 7은 전류효율 및 양자효율이 각각 3.9%, 4.1% 감소하였으나, 구동전압이 5.6% 감소하였고 수명이 5% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC124를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 8은 전류효율 및 양자효율이 각각 1%, 0.5% 감소하였으나, 구동전압이 7.3% 감소하였고 수명이 5% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC126을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 9는 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 1.4%, 0.6%, 31.4% 감소하였으나, 구동전압이 8.6% 감소하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC132를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 10은 구동전압이 5.7% 감소하였고 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 1.3%, 0.4%. 109% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC151을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 11은 전류효율 및 양자효율이 각각 6.5%, 6.8% 감소하였으나, 구동전압은 변함 없었고 수명이 10.6% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC175를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 12는 전류효율 및 양자효율이 각각 0.7%, 0.3% 감소하였으나, 구동전압이 8.1% 감소하였고 수명이 16.1% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC195를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 13은 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 0.1%, 0.7%, 21.2% 감소하였으나, 구동전압이 4.1% 감소하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC197을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 14는 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 4.6%, 4.4%, 8.8% 감소하였으나, 구동전압이 1.5% 감소하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC223을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 15는 양자효율이 0.5% 감소하였으나, 구동전압이 14.2% 감소하였고 전류효율과 수명이 각각 0.6%, 34.9% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC231을 N형 전하생성층에 사용한 실시예 16은 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 3.5%, 3.9%, 3.5% 감소하였으나, 구동전압이 3% 감소하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC232를 N형 전하생성층에 사용한 실시예 17은 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 3.1%, 3.4%, 20.3% 감소하였으나, 구동전압이 0.9% 감소하였다.

상기 결과로부터, 본 발명의 화합물을 포함하는 N형 전하생성층을 구성함으로써, 소자의 구동 전압이 감소하고 대체적으로 수명이 증가하였음을 알 수 있다.

또한, 전술한 합성예에 따라 제조된 화합물을 전자수송층으로 사용하여 유기전계발광소자를 제작한 실시예를 개시한다.

실시예 18

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, 제2 전자수송층은 화합물 NC119로 형성하였다.

실시예 19

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, 제2 전자수송층은 화합물 NC124로 형성하였다.

실시예 20

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, 제2 전자수송층은 화합물 NC197로 형성하였다.

실시예 21

전술한 실험 1의 비교예와 동일한 구성으로, 제2 전자수송층은 화합물 NC209로 형성하였다.

상기 비교예, 실시예 18 내지 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압, 전류효율, 양자효율 및 수명을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 또한, 비교예, 실시예 18 및 19에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 도 25에 나타내었고, 비교예, 실시예 18 및 19에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 도 26에 나타내었고, 비교예, 실시예 18 및 19에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 도 27에 나타내었다. 또한, 비교예, 실시예 20 및 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 구동전압에 따른 전류밀도를 도 28에 나타내었고, 비교예, 실시예 20 및 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 발광 스펙트럼을 도 29에 나타내었으며, 비교예, 실시예 20 및 21에 따라 제조된 유기전계발광소자의 시간에 따른 휘도의 저하율을 도 30에 나타내었다.

	구동전압(%)	전류효율(%)	양자효율(%)	수명(%)
비교예	100.0	100.0	100.0	100.0
실시예 18	91.9	99.3	99.7	114.0
실시예 19	94.5	97.2	97.2	91.2
실시예 20	95.6	98.4	98.5	110.6
실시예 21	90.0	94.1	94.0	79.7

상기 표 5 및 도 25 내지 도 28을 참조하면, 스택 구조에서 Alq₃를 전자수송층에 사용한 비교예에 비해, 화합물 NC119를 전자수송층에 사용한 실시예 18은 전류효율 및 양자효율이 각각 0.7%, 0.3% 감소하였으나, 구동전압이 8.1% 감소하였고 수명이 14% 증가하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC124를 전자수송층에 사용한 실시예 19는 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 2.8%, 2.8%, 8.8% 감소하였으나, 구동전압이 5.5% 감소하였다. 또한, 비교예에 비해, 화합물 NC197을 전자수송층에 사용한 실시예 20은 전류효율 및 양자효율이 각각 1.6%, 1.5% 감소하였으나, 구동전압이 4.4% 감소하였고 수명이 10.6% 증가하였다. 또한, 화합물 NC209를 전자수송층에 사용한 실시예 21은 전류효율, 양자효율 및 수명이 각각 5.9%, 6%, 20.3% 감소하였으나, 구동전압이 10% 감소하였다.

상기 결과로부터, 본 발명의 화합물을 포함하는 전자수송층을 구성함으로써, 소자의 구동 전압이 감소하고 수명이 증가하였음을 알 수 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 실시예들은 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 : 정공주입층 130 : 제1 정공수송층
140 : 제1 발광층 150 : 제1 전자수송층
160 : 전하생성층 160N : N형 전하생성층
160P : P형 전하생성층 170 : 제2 정공수송층
190 : 제2 발광층 200 : 제2 전자수송층
210 : 전자주입층 220 : 음극

Claims

발광층과 전자수송층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들; 및
상기 발광부들 사이에 위치하는 전하생성층을 포함하며,
상기 전하생성층과 상기 전자수송층 중 적어도 하나는 질소 원자를 포함하며 전자 이동도를 증가시키는 치환기를 포함하는 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 둘 이상의 발광부들 중 어느 하나는 청색을 발광하는 발광부이며 다른 하나는 황색-녹색을 발광하는 발광부인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제2 항에 있어서,
상기 전자수송층은 상기 황색-녹색을 발광하는 발광부에 포함되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
Ar₁은 페난쓰롤리닐 또는 페난쓰롤리닐렌이고,
Ar₂ 및 Ar₃은 각각 독립적으로, 수소, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로 아릴기 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고,
L₁ 및 L₃은 각각 독립적으로, 단일 결합, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로 아릴기 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되며,
L₂는 단일 결합, 치환 또는 치환되지 않은 안트라세닐렌 및 치환 또는 치환되지 않은 피레닐렌 중에서 선택된다.
제4 항에 있어서,
상기 Ar₂ 및 Ar₃은 각각 독립적으로, 수소, 치환 또는 치환되지 않은 페닐, 알킬페닐, 비페닐, 알킬비페닐, 할로페닐, 알콕시페닐, 할로알콕시페닐, 시아노페닐, 실릴페닐, 나프틸, 알킬나프틸, 할로나프틸, 시아노나프틸, 실릴나프틸, 피리딜, 알킬피리딜, 할로피리딜, 시아노피리딜, 알콕시피리딜, 실릴피리딜, 피리미딜, 할로피리미딜, 시아노피리미딜, 알콕시피리미딜, 퀴놀리닐, 이소퀴놀리닐, 퀴녹살리닐, 피라지닐, 퀴나졸리닐, 나프틸리디닐, 벤조티오페닐, 벤조퓨라닐, 디벤조티오페닐, 아릴티아졸릴, 디벤조퓨라닐, 플루오레닐, 카바조일, 이미다졸릴, 카볼리닐, 페난쓰레닐, 터페닐, 터피리디닐, 트리페닐레닐, 플루오르안테닐 및 디아카플루오레닐 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제4 항에 있어서,
상기 L₁ 및 L₃은 각각 독립적으로, 단일 결합, 치환 또는 치환되지 않은 페닐렌, 알킬페닐렌, 할로페닐렌, 시아노페닐렌, 나프틸렌, 알킬나프틸렌, 비페닐렌, 알킬비페닐렌, 피리딜렌, 피리미딜렌, 퀴놀리닐렌, 이소퀴놀리닐렌, 퀴녹살리닐렌, 피라지닐렌, 퀴나졸리닐렌, 나프티리디닐렌, 티오페닐렌, 퓨라닐렌, 벤조티오페닐렌, 벤조퓨라닐렌, 디벤조티오페닐렌, 디벤조퓨라닐렌, 플루오레닐렌, 카바조일렌, 이미다졸릴렌, 트리페닐레닐렌, 플루오르안테닐렌 및 디아카플루오레닐렌 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제4 항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
[화학식 2]

[화학식 3]

상기 화학식 2 및 3에서,
R은 수소, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 6 내지 60의 아릴기, 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 3 내지 60의 헤테로 아릴기 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택된다.
제7 항에 있어서,
상기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 화합물은 하기 표시되는 화합물들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제4 항에 있어서,
상기 L₁은 컨쥬게이션 조절을 통해 L₂의 풍부한 전자를 Ar₁로 도달하게 하는 통로 역할을 하고, 상기 L₂는 방향족 거대고리 도입을 통한 파이-전자 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제4 항에 있어서,
상기 L₃-Ar₂와 Ar₃은 상기 화합물에 전자 또는 정공 특성을 부여하는 역할을 하되, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물은 정공 특성을 부여하고 하기 화학식 5로 표시되는 화합물은 전자 특성을 부여하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
[화학식 4]

상기 Ar은 아릴(aryl)이다.
[화학식 5]
제4 항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 표에 표시되는 화합물 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
발광층과 전자수송층을 포함하는 적어도 두 개 이상의 발광부들; 및
상기 발광부들 사이에 있는 전하생성층을 포함하며,
상기 전하생성층과 상기 전자수송층 중 적어도 하나는 질소 원자를 포함하는 코어(core)와 전하 이동도를 조절하는 치환기, 또는 정공 특성 또는 전자 특성을 가지는 치환기를 포함하는 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제12 항에 있어서,
상기 질소 원자를 포함하는 코어는 페난쓰롤린인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제12 항에 있어서,
상기 전하 이동도를 조절하는 치환기는 안트라센 또는 페릴렌 중 하나인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제12 항에 있어서,
상기 전자 특성을 가지는 치환기는 헤테로원자가 포함되며 상기 헤테로 원자에 의해 전자 이동도가 증가하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제12 항에 있어서,
상기 질소 원자를 포함하는 코어와 전하 이동도를 조절하는 치환기에 의해 전자 이동도가 증가하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
제12 항에 있어서,
상기 질소 원자를 포함하는 코어는 상기 전하 생성층에 포함된 금속이 결합하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.