KR20160065298A - 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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Abstract

본 발명은 소자의 높은 발광효율, 낮은 구동전압 및 수명을 향상시킬 수 있는 화합물, 이를 이용한 유기전기소자 및 그 전자장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

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 현상이란 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 유기전기소자의 효율과 안정성을 높이기 위하여 각기 다른 물질로 구성된 다층의 구조로 이루어진 경우가 많으며, 예컨대 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층 등으로 이루어질 수 있다.
유기전기소자에서 유기물층으로 사용되는 재료는 기능에 따라, 발광 재료와 전하수송 재료, 예컨대 정공주입 재료, 정공수송 재료, 전자수송 재료, 전자주입 재료 등으로 분류될 수 있다.
상기 발광 재료는 분자량에 따라 고분자형과 저분자형으로 분류될 수 있고, 발광 메커니즘에 따라 전자의 일중항 여기상태로부터 유래되는 형광 재료와 전자의 삼중항 여기상태로부터 유래되는 인광 재료로 분류될 수 있다. 또한, 발광 재료는 발광색에 따라 청색, 녹색, 적색 발광 재료와 보다 나은 천연색을 구현하기 위해 필요한 노란색 및 주황색 발광 재료로 구분될 수 있다.
한편, 발광 재료로서 하나의 물질만 사용하는 경우 분자간 상호 작용에 의하여 최대 발광 파장이 장파장으로 이동하고 색순도가 떨어지거나 발광 감쇄 효과로 소자의 효율이 감소되는 문제가 발생하므로, 색순도의 증가와 에너지 전이를 통한 발광 효율의 증가를 위하여 발광 재료로서 호스트/도판트계를 사용할 수 있다. 그 원리는 발광층을 형성하는 호스트보다 에너지 대역 간극이 작은 도판트를 발광층에 소량 혼합하면, 발광층에서 발생한 엑시톤이 도판트로 수송되어 효율이 높은 빛을 내는 것이다. 이때 호스트의 파장이 도판트의 파장대로 이동하므로, 이용하는 도판트의 종류에 따라 원하는 파장의 빛을 얻을 수 있다.
현재 휴대용 디스플레이 시장은 대면적 디스플레이로 그 크기가 증가하고 있는 추세이며, 이로 인해 기존 휴대용 디스플레이에서 요구하던 소비전력보다 더 큰 소비전력이 요구되고 있다. 따라서, 배터리라는 제한적인 전력 공급원을 가지고 있는 휴대용 디스플레이 입장에서는 소비전력이 매우 중요한 요소가 되었고, 효율과 수명 문제 또한 반드시 해결해야 하는 상황이다.
효율과 수명, 구동전압 등은 서로 연관이 있으며, 효율이 증가되면 상대적으로 구동전압이 떨어지고, 구동전압이 떨어지면서 구동시 발생하는 주울열(Joule heating)에 의한 유기물질의 결정화가 적어져 결과적으로 수명이 늘어나는 경향을 나타낸다. 하지만 상기 유기물층을 단순히 개선한다고 하여 효율을 극대화시킬 수는 없다. 왜냐하면 각 유기물층 간의 에너지 준위 및 T1 값, 물질의 고유특성(이동도, 계면특성 등) 등이 최적의 조합을 이루었을 때 장수명과 높은 효율을 동시에 달성할 수 있기 때문이다.
즉, 유기전기소자가 갖는 우수한 특징들을 충분히 발휘하기 위해서는 소자 내 유기물층을 이루는 물질, 예컨대 정공주입 물질, 정공수송 물질, 발광 물질, 전자수송 물질, 전자주입 물질, 발광보조층 물질 등이 안정하고 효율적인 재료에 의하여 뒷받침되는 것이 선행되어야 하나, 아직까지 안정되고 효율적인 유기전기소자용 유기물층 재료의 개발이 충분히 이루어지지 않은 상태이다. 따라서, 새로운 재료의 개발이 계속 요구되고 있다. 특히, 발광층 물질에 대한 개발 역시 절실히 요구되고 있다.
최근, 발광 재료를 표시부의 발광 소자에 사용한 유기 일렉트로루미네센스 표시 장치(Organic Eletroluminescence Display : 유기 EL 표시 장치)의 개발이 활발해지고 있다.
유기 EL 표시 장치는 액정 표시 장치 등과는 달리 자발광이라는 특징으로 인해 백라이트가 필요 없고 시안성이 좋으며 응답속도가 빠르고 시야각이 넓은 장점을 가지고 있으며 고체 상태로 제작되므로 플렉시블 디스플레이로 제작이 용이한 장점을 가지고 있다.
일반적으로 유기 EL 표시 장치는 양극 및 음극으로 주입된 정공 및 전자를 발광층에서 만나 재결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 엑시톤이 방사붕괴 되면서 물질의 밴드 갭(band gap)에 해당하는 파장의 빛을 발광시켜서 표시를 실현하는 소위 자발광형의 표시 장치이다.
상기 발광층 형성 재료는 그 발광 메커니즘에 따라 생성된 엑시톤을 일중항 상태에서 이용하는 형광재료와, 삼중항 상태에서 이용하는 인광재료로 나뉜다. 일중항 상태의 엑시톤을 이용하는 형광재료를 사용하는 유기 EL 소자는, 생성되는 엑시톤의 에너지 중 75%는 전혀 이용되지 않는다. 발광재료로 형광재료를 이용하는 한, 즉 여기 일중항 상태를 매개로 한 형광의 발광 프로세스를 이용하는 한, 내부 양자 효율은 약 25%가 한계다. 더욱이 기판 재료의 굴절률 등이 빛의 추출효율에 영향을 받으므로 실제 외부 양자 효율은 더욱 낮아져 최대 5%밖에 되지 않는다.
현재까지 알려진 청색 형광물질은 분자 간의 상호작용으로 인하여 형성되는 엑사이머의 형성을 억제하고, 보다 높은 색순도와 효율을 잦는 재료의 특성을 갖는 것을 목표로 연구되어 왔고 현재까지 개발된 유기 청색 발광재료 중 자일렌 치환기를 도입한 안트라센 유도체를 이용하여 형광재료의 한계인 5%를 넘는 5.26% 발광효율과 색 순도 (0.15, 0.058)을 보고하였으며 비대칭 구조의 자일렌의 도입으로 가장 심청색 (0.15, 0.049)을 가지면서 외부양자효율 또한 높은 4.62%가 보고되었다. 하지만 형광은 이론적으로 외부양자효율 10~12%가 최대 값이기 때문에 상용화된 녹색 인광이나 적색 인광에 비해 낮은 효율을 극복하기가 힘들다.
하지만, 최근에는 형광과 인광물질에 이어 3세대 OLED용 물질로 평가받고 있는 지연형광물질을 이용한 OLED가 관심을 끌고 있다. 이 물질은 일중항 여기자를 삼중항으로 바꾸어 빛으로 전환하는 인광물질과 달리 삼중항 여기자를 일중항으로 바꾸어 빛으로 전환하는 물질이며 이 과정 때문에 지연형광특색을 보인다. 이 지연형광물질도 이론적으로 일중항과 삼중항 여기자를 모두 빛으로 바꿀 수 있기 때문에 100% 내부양자효율이 가능하여 청색 인광소재가 가지고 있는 수명과 효율의 한계를 극복할 수 있는 물질로 기대되고 있다.
한편, 상기 발광층의 메커니즘에서 나노초 정도로 빠르게 일어나는 형광감쇠와 마이크로초에서 길게는 밀리초 또는 초 단위에서 느리게 일어나는 인광감쇠가 일어난다. 하지만 삼중항 감쇠가 늦은 관계로 삼중항 여기자는 다양한 경로를 거쳐 일중항으로 변환되어 형광을 낼 수 있으며 이 변환과정은 나노초보다 매우 느려서 일중항 들뜬상태가 기저상태로 다 전환된 후에 빛이 나오기 때문에 지연형광이라고 한다. 이 지연형광은 인광과 달리 중금속을 함유하지 않는 물질에서도 관찰되고 발광스펙트럼이 형광 스펙트럼과 동일한 특성을 지닌다.
하지만 인광과 마찬가지로 지연형광물질에서도 청색의 고효율 재료를 얻기가 매우 어렵고 이제까지 발표된 물질도 매우 적다. 지연형광 특성 발현을 위해서 일중항 에너지준위와 삼중항 에너지준위 차이가 적으면서 형광효율이 높고 색순도가 높으며 수명이 긴 물질을 합성하는 것이 중요하다.
본 발명은 상술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로 일중항 에너지준위와 삼중항 에너지준위 차이가 적으면서 큰 삼중항을 가지는 유기발광재료를 개발하고 이 물질을 이용하여 높은 효율을 가지는 지연형광 발광소재를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 소자의 높은 발광효율, 낮은 구동전압 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 pat00001
다른 측면에서, 본 발명은 상기 화학식으로 표시되는 화합물을 이용한 유기전기소자 및 그 전자장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화합물을 이용함으로써 소자의 높은 발광효율, 낮은 구동전압을 달성할 수 있고, 소자의 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.
본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 달리 언급하지 않는 한, 하기 용어의 의미는 하기와 같다.
본 명세서에서 사용된 용어 "할로" 또는 "할로겐"은 다른 설명이 없는 한 불소(F), 브롬(Br), 염소(Cl) 또는 요오드(I)이다.
본 발명에 사용된 용어 "알킬" 또는 "알킬기"는 다른 설명이 없는 한 1 내지 60의 탄소수의 단일결합을 가지며, 직쇄 알킬기, 분지쇄 알킬기, 사이클로알킬(지환족)기, 알킬-치환된 사이클로알킬기, 시클로알킬-치환된 알킬기를 비롯한 포화 지방족 작용기의 라디칼을 의미한다.
본 발명에 사용된 용어 "할로알킬기" 또는 "할로겐알킬기"는 다른 설명이 없는 한 할로겐으로 치환된 알킬기를 의미한다.
본 발명에 사용된 용어 "헤테로알킬기"는 알킬기를 구성하는 탄소 원자 중 하나 이상이 헤테로원자로 대체된 것을 의미한다.
본 발명에 사용된 용어 "알켄일기" 또는 "알킨일기"는 다른 설명이 없는 한 각각 2 내지 60의 탄소수의 이중결합 또는 삼중결합을 가지며, 직쇄형 또는 측쇄형 사슬기를 포함하며, 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 "알콕실기", "알콕시기", 또는 "알킬옥시기"는 산소 라디칼이 부착된 알킬기를 의미하며, 다른 설명이 없는 한 1 내지 60의 탄소수를 가지며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 "알켄옥실기", "알켄옥시기", "알켄일옥실기", 또는 "알켄일옥시기"는 산소 라디칼이 부착된 알켄일기를 의미하며, 다른 설명이 없는 한 2 내지 60의 탄소수를 가지며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 "아릴옥실기" 또는 "아릴옥시기"는 산소 라디칼이 부착된 아릴기를 의미하며, 다른 설명이 없는 한 6 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 단일 고리 또는 다중 고리의 방향족을 의미하며, 이웃한 치환기가 결합 또는 반응에 참여하여 형성된 방향족 고리를 포함한다. 예컨대, 아릴기는 페닐기, 비페닐기, 터페닐기, 나프틸기, 안트라센일기, 플루오렌기, 스파이로플루오렌기, 스파이로바이플루오렌기일 수 있다.
접두사 "아릴" 또는 "아르"는 아릴기로 치환된 라디칼을 의미한다. 예를 들어 아릴알킬기는 아릴기로 치환된 알킬기이며, 아릴알켄일기는 아릴기로 치환된 알켄일기이며, 아릴기로 치환된 라디칼은 본 명세서에서 설명한 탄소수를 가진다.
또한 접두사가 연속으로 명명되는 경우 먼저 기재된 순서대로 치환기가 나열되는 것을 의미한다. 예를 들어, 아릴알콕시기의 경우 아릴기로 치환된 알콕시기를 의미하며, 알콕실카르보닐기의 경우 알콕실기로 치환된 카르보닐기를 의미하며, 또한 아릴카르보닐알켄일기의 경우 아릴카르보닐기로 치환된 알켄일기를 의미하며 여기서 아릴카르보닐기는 아릴기로 치환된 카르보닐기이다.
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 2 내지 60의 아릴기 또는 아릴렌기를 의미하며, 여기에 제한되는 것은 아니며, 단일 고리 및 다중 고리 중 적어도 하나를 포함하며, 이웃한 작용기기가 결합하여 형성될 수도 있다.
본 발명에 사용된 용어 "헤테로고리기"는 다른 설명이 없는 한 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 2 내지 60의 탄소수를 가지며, 단일 고리 및 다중 고리 중 적어도 하나를 포함하며, 헤테로지방족 고리 및 헤테로방향족 고리를 포함한다. 이웃한 작용기가 결합하여 형성될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "헤테로원자"는 다른 설명이 없는 한 N, O, S, P 또는 Si를 나타낸다.
또한 "헤테로고리기"는, 고리를 형성하는 탄소 대신 SO2를 포함하는 고리도 포함할 수 있다. 예컨대, "헤테로고리기"는 다음 화합물을 포함한다.
Figure pat00002
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 "고리"는 탄소수 3 내지 60의 지방족고리 또는 탄소수 6 내지 60의 방향족고리 또는 탄소수 2 내지 60의 헤테로고리 또는 이들의 조합으로 이루어진 융합 고리를 말하며, 포화 또는 불포화 고리를 포함한다.
전술한 헤테로화합물 이외의 그 밖의 다른 헤테로화합물 또는 헤테로라디칼은 하나 이상의 헤테로원자를 포함하며, 여기에 제한되는 것은 아니다.
다른 설명이 없는 한, 본 발명에 사용된 용어 "카르보닐"이란 -COR'로 표시되는 것이며, 여기서 R'은 수소, 탄소수 1 내지 20 의 알킬기, 탄소수 6 내지 30 의 아릴기, 탄소수 3 내지 30의 사이클로알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알켄일기, 탄소수 2 내지 20의 알킨일기, 또는 이들의 조합인 것이다.
다른 설명이 없는 한, 본 발명에 사용된 용어 "에테르"란 -R-O-R'로 표시되는 것이며, 여기서 R 또는 R'은 각각 서로 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 30의 사이클로알킬기, 탄소수 2 내지 20의 알켄일기, 탄소수 2 내지 20의 알킨일기, 또는 이들의 조합인 것이다.
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 알콕실기, C1~C20의 알킬아민기, C1~C20의 알킬티오펜기, C6~C20의 아릴티오펜기, C2~C20의 알켄일기, C2~C20의 알킨일기, C3~C20의 시클로알킬기, C6~C20의 아릴기, 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기, C8~C20의 아릴알켄일기, 실란기, 붕소기, 게르마늄기, 및 C2~C20의 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개 이상의 치환기로 치환됨을 의미하며, 이들 치환기에 제한되는 것은 아니다.
또한 명시적인 설명이 없는 한,　본 발명에서 사용되는 화학식은 하기 화학식의 지수 정의에　의한 치환기 정의와 동일하게 적용된다.
Figure pat00003
여기서, a가 0의 정수인 경우 치환기 R1은 부존재하며, a가 1의 정수인 경우 하나의 치환기 R1은 벤젠 고리를 형성하는 탄소 중 어느 하나의 탄소에 결합하며, a가 2 또는 3의 정수인 경우 각각 다음과 같이 결합하며 이때 R1은 서로 동일하거나 다를 수 있으며, a가 4 내지 6의 정수인 경우 이와 유사한 방식으로 벤젠 고리의 탄소에 결합하며, 한편 벤젠 고리를 형성하는 탄소에 결합된 수소의 표시는 생략한다.
Figure pat00004
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 보호층 또는 광효율 개선층(Capping layer)을 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 광효율 개선층의 재료로 사용될 수 있을 것이다. 바람직하게는, 본 발명의 화합물은 발광층(150)으로 사용될 수 있을 것이다.
한편, 동일한 코어일지라도 어느 위치에 어느 치환기를 결합시키냐에 따라 밴드갭(band gap), 전기적 특성, 계면 특성 등이 달라질 수 있으므로, 코어의 선택 및 이에 결합된 서브(sub)-치환체의 조합도 아주 중요하며, 특히 각 유기물층 간의 에너지 준위 및 T1 값, 물질의 고유특성(이동도, 계면특성 등) 등이 최적의 조합을 이루었을 때 장수명과 높은 효율을 동시에 달성할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용하여 발광층을 형성함으로써 각 유기물층 간의 에너지 레벨(level) 및 T1 값, 물질의 고유특성(mobility, 계면특성 등) 등을 최적화하여 유기전기소자의 수명 및 효율을 동시에 향상시킬 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 스핀코팅 공정, 노즐 프린팅 공정, 잉크젯 프린팅 공정, 슬롯코팅 공정, 딥코팅 공정, 롤투롤 공정, 닥터 블레이딩 공정, 스크린 프린팅 공정, 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, 기존의 LCD의 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 측면에 따른 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
<화학식 1>
Figure pat00005
상기 화학식 1에서,
X는 C=O, P=O, P=S, C=S 또는 SiRaRb이다. 단, P=O, P=S일 경우 L3이 더 치환될 수 있다.
여기서, 상기 Ra, Rb, L3은 서로 독립적으로 수소; C6~C60의 아릴기; C1~C60의 알킬기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기;로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
m은 1 또는 2의 정수이다.
Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 CR' 또는 N이다.
Z1 내지 Z6는 서로 독립적으로 CR" 또는 N이며, Z1 내지 Z6 중 적어도 하나 이상은 N이다.
상기 R' 및 R"는 서로 독립적으로 수소; C6~C60의 아릴기; C1~C60의 알킬기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기;로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
L1 및 L2는 서로 독립적으로 단일결합; C6-C60의 아릴렌기; 플루오렌일렌기; 및 C2-C60의 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
a는 0~8의 정수이고, b는 0~4의 정수이다.
a, b가 1이상일 경우, R1 및 R2는 서로 독립적으로 중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; 플루오렌일기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C3~C60의 지방족고리와 C6~C60의 방향족고리의 융합고리기; C1~C50의 알킬기; C2~C20의 알켄일기; C2~C20의 알킨일기; C1~C30의 알콕실기; C6~C30의 아릴옥시기;로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 복수의 R1 및 복수의 R2가 존재할 경우, 복수의 R1 또는 복수의 R2는 각각 서로 같거나 상이하며 인접한 R1과 R1끼리, 인접한 R2와 R2끼리는 서로 결합하여 적어도 하나의 방향족 또는 헤테로방향족 고리를 형성할 수 있다. 이때, 고리를 형성하지 않는 R1, R2는 상기에서 정의된 것과 동일하게 정의될 수 있다.
A 환은 C6-C30의 아릴 그룹, 또는 C5-C60의 헤테로아릴 그룹에서 선택될 수 있다(단, X가 P=O 또는 SiRaRb 일 경우 A가 C6의 방향족 일 수 없음).
예컨대, A가 아릴 그룹일 경우 A는 벤젠, 나프탈렌 또는 페난트렌 등일 수 있다.
n은 0~5의 정수이다.
n이 1이상일 경우, Ar은 각각 독립적으로 중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; 플루오렌일기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C3~C60의 지방족고리와 C6~C60의 방향족고리의 융합고리기; C1~C50의 알킬기; C2~C20의 알켄일기; C2~C20의 알킨일기; C1~C30의 알콕실기; C6~C30의 아릴옥시기;로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
예컨대, 상기 L1 내지 L3, Ra, Rb, R', R", R1, R2, Ar이 아릴렌기 또는 아릴기일 경우 L1 내지 L3, Ra, Rb, R', R", R1, R2, Ar은 서로 독립적으로 페닐렌기, 비페닐렌기, 나프틸렌기, 페난트릴렌기, 안트릴렌기 또는 페닐기, 비페닐기, 나프틸기, 페난트릴기, 안트릴기 등일 수 있다.
상기 아릴기, 플루오렌일기, 헤테로고리기, 융합고리기, 알킬기, 알켄일기, 알킨일기, 알콕실기, 아릴옥시기, 아릴렌기, 플루오렌일렌기, 헤테로아릴렌기 각각은 중수소; 할로겐; 실란기; 실록산기; 붕소기; 게르마늄기; 시아노기; 니트로기; C1~C20의 알킬싸이오기; C1~C20의 알콕실기; C1~C20의 알킬기; C2~C20의 알켄일기; C2~C20의 알킨일기; C6~C20의 아릴기; 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기; 플루오렌일기; C2~C20의 헤테로고리기; C3~C20의 시클로알킬기; C7~C20의 아릴알킬기; 및 C8~C20의 아릴알켄일기;로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
여기서, 상기 아릴기인 경우 탄소수는 6~60, 바람직하게는 탄소수 6~40, 보다 바람직하게는 탄소수 6~30의 아릴기일 수 있으며,
상기 헤테로고리기인 경우 탄소수는 2~60, 바람직하게는 탄소수 2~30, 보다 바람직하게는 탄소수 2~20의 헤테로고리일 수 있으며,
상기 알킬기인 경우 탄소수는 1~50, 바람직하게는 탄소수 1~30, 보다 바람직하게는 탄소수 1~20, 특히 바람직하게는 탄소수 1~10의 알킬기일 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 중 하나로 표시될 수 있다.
<화학식 2> <화학식 3>
Figure pat00006
<화학식 4>
Figure pat00007
상기 화학식 2 내지 화학식 4에서,
상기 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n과 같다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 5로 표시될 수 있다.
<화학식 5>
Figure pat00008
상기 화학식 5에서,
상기 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n과 같다.
상기 Y5 내지 Y8은 상기 화학식 1에서 정의된 Y1 내지 Y4와 같다.
단, X가 P=O 또는 SiRaRb 일 경우 Y1 내지 Y8 중 적어도 하나는 N이다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 중 하나로 표시될 수 있다.
<화학식 6> <화학식 7>
Figure pat00009
<화학식 8> <화학식 9>
Figure pat00010
<화학식 10> <화학식 11>
Figure pat00011
<화학식 12> <화학식 13>
Figure pat00012
<화학식 14>
Figure pat00013
상기 화학식 6 내지 화학식 14에서,
상기 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, Z1 내지 Z6, Ar 및 n과 같다.
보다 구체적으로, 상기 화학식 1 내지 화학식 14로 표시되는 화합물은 하기 화합물들 중 어느 하나일 수 있으며, 하기 화합물에만 한정하는 것은 아니다.
Figure pat00014

Figure pat00015

Figure pat00016

Figure pat00017

Figure pat00018

Figure pat00019

Figure pat00020

Figure pat00021

Figure pat00022

Figure pat00023

Figure pat00024

Figure pat00025
다른 실시예로서, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 유기전기소자용 화합물을 제공한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 함유하는 유기전기소자를 제공한다.
이때, 유기전기소자는 제 1전극; 제 2전극; 및 상기 제 1전극과 제2전극 사이에 위치하는 유기물층;을 포함할 수 있으며, 유기물층은 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있으며, 화학식 1로 표시되는 화합물은 유기물층의 정공주입층, 정공수송층, 발광보조층, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층 중 적어도 하나의 층에 함유될 수 있을 것이다. 특히 화학식 1로 표시되는 화합물은 발광층에 포함될 수 있다.
즉, 화학식 1로 표시되는 화합물은 정공주입층, 정공수송층, 발광보조층, 발광층, 전자수송층 또는 전자주입층의 재료로 사용될 수 있다. 특히 화학식 1로 표시되는 화합물은 발광층의 재료로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 유기물층에 상기 화학식 2 내지 화학식 14로 표시되는 화합물 중 하나를 포함하는 유기전기소자를 제공하고, 보다 구체적으로, 상기 유기물층에 상기 개별 화학식(6-1 내지 6-44, 7-1 내지 7-18, 8-1 내지 8-97, 9-1 내지 9-89, 10-1 내지 10-18, 11-1 내지 21, 12-1 내지 12-21)로 표시되는 화합물을 포함하는 유기전기소자를 제공한다.
또 다른 실시예에서, 상기 유기물층의 상기 정공주입층, 상기 정공수송층, 상기 발광보조층, 상기 발광층, 상기 전자수송층 및 상기 전자주입층 중 적어도 하나의 층에, 상기 화합물이 단독으로 함유되거나, 상기 화합물이 서로 다른 2종 이상의 조합으로 함유되거나, 상기 화합물이 다른 화합물과 2종 이상의 조합으로 함유된 것을 특징으로 하는 유기전기소자를 제공한다. 다시 말해서, 각각의 층들에는 화학식 1 내지 화학식 14에 해당하는 화합물이 단독으로 포함될 수 있고, 2종 이상의 화학식 1 내지 화학식 14의 화합물들의 혼합물이 포함될 수 있으며, 청구항 1항 내지 5항의 화합물과, 본 발명에 해당하지 않는 화합물과의 혼합물이 포함될 수 있다. 여기서 본 발명에 해당하지 않는 화합물은 단일의 화합물일 수 있고, 2종 이상의 화합물들일 수도 있다. 이때 상기 화합물이 다른 화합물과 2종 이상의 조합으로 함유될 경우 다른 화합물은 각 유기물층의 이미 알려진 화합물일 수도 있고, 앞으로 개발될 화합물 등일 수 있다. 이때 상기 유기물층에 함유된 화합물은 동종의 화합물로만 이루어질 수도 있지만, 화학식 1로 표시되는 이종의 화합물이 2이상 혼합된 혼합물일 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명은 상기 제 1전극의 일측면 중 상기 유기물층과 반대되는 일측 또는 상기 제 2전극의 일측면 중 상기 유기물층과 반대되는 일측 중 적어도 하나에 형성되는 광효율 개선층을 더 포함하는 유기전기소자를 제공한다.
이하에서, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물의 합성예 및 유기전기소자의 제조예에 관하여 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
합성예
상기 화합물의 합성 방법은 하기의 합성방법과 같다.
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물(final products)은 하기 <반응식 1>로 대표되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
<반응식 1> 대표 반응식
Figure pat00026
Figure pat00027
(R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 것과 동일함)
Ⅰ. Core 1의 합성 예시
상기 반응식 1의 Core 1은 하기 반응식 2 내지 반응식 6 의 반응경로에 의해 합성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 더불어 표 1은 Core 1에 속하는 화합물의 FD-MS 값을 나타낸 것이다.
<반응식 2> X가 C=O이고, m이 1일 경우
Figure pat00028
둥근바닥플라스크에 SM-1 (10g, 45.5mmol)과 AlCl3 (6.7g, 50.1mmol)를 MC에 녹이고 0℃까지 냉각한다. 이후 MC에 녹인 SM-2 (7.8g ,50.1mmol)를 0℃에서 적가하고, 상온까지 천천히 승온시킨 다음 반응물을 3시간동안 교반시켰다. 반응 완료 후 1M NaOH 용액으로 중화하고, MC와 물로 추출한다. 유기층은 MgSO4로 건조하고 농축한 후 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 Core 1-1, 11.4g을 얻었다. (수율: 74%)
<반응식 3> X가 페닐로 치환된 P=O이고, m이 1일 경우
Figure pat00029
둥근바닥플라스크에 SM-4 (27.6g, 117mmol)을 무수 THF에 녹이고, 반응물의 온도를 -78℃로 낮추고, n-BuLi (2.5M in hexane) (8.2g, 128mmol)을 천천히 적가하고 난 후, 반응물을 30분동안 교반시켰다. 그 후 다시 반응물의 온도를 -78℃로 낮추고 SM-3 (10g, 55.8mmol)를 적가하였다. 상온에서 12시간 교반한 뒤 메탄올을 넣어 반응 종료시킨다. MC와 물로 추출한 후 NaSO4로 건조하고 농축하여, 생성된 유기물을 완전히 건조시킨다. 이후 30% H2O2 수용액 (40ml)과 MC을 넣어 상온에서 12시간동안 교반한다. 반응이 완료되면 MC와 물로 추출한 후 유기층을 MgSO4로 건조하고 농축 한 후 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 Core 1-2, 14.8g을 얻었다. (수율: 61%)
<반응식 4> X가 C=S이고, m이 1일 경우
Figure pat00030
둥근바닥플라스크에 Core 1-1 (15g, 44mmol)과 Lawesson's reagent (35.6g, 88.2mmol)을 Toluene에 녹이고, 반응물을 3시간동안 가열환류시켰다. 반응 종료 후 농축하여 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 Core 1-3, 8.63g 을 얻었다. (수율: 55%)
<반응식 4-1> X가 C=S이고 m이 2일 경우.
Figure pat00031
둥근바닥플라스크에 Core 1-6 (15g, 40.7mmol )과 Lawesson's reagent (32.9g, 81.5mmol)을 Toluene에 녹이고, 반응물을 3시간동안 가열환류시켰다. 반응 종료 후 농축하여 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 Core 1-8, 10.2g 을 얻었다. (수율: 63%)
<반응식 5> X가 페닐로 치환된 P=S이고, m이 1일 경우
Figure pat00032
둥근바닥플라스크에 Core 1-2 (15g, 34mmol)과 Lawesson's reagent (27.8g, 68mmol)을 Toluene에 녹이고, 반응물을 3시간동안 가열환류시켰다. 반응 종료 후 농축하여 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 Core 1-4, 11.4g 를 얻었다. (수율: 71%)
<반응식 6> X가 페닐로 치환된 Si이고, m이 1일 경우
Figure pat00033
둥근바닥플라스크에 SM-4 (29g, 124mmol)을 무수 THF에 녹이고, 반응물의 온도를 -78℃로 낮추고, n-BuLi (2.5M in hexane) (8.7g, 136mmol)을 천천히 적가하고 난 후, 반응물을 30분동안 교반시켰다. 그 후 다시 반응물의 온도를 -78℃로 낮추고 SM-5 (15g, 58mmol)를 적가하였다. 상온에서 12시간 교반한 뒤 1M HCl을 넣어 반응 종료시킨다. MC와 물로 추출한 후 MgSO4로 건조하고 농축하여, 생성된 유기물을 silicagel column 및 재결정하여 Core 1-5, 20g 를 얻었다. (수율: 70%)
Core 1의 예시는 다음과 같으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00034
Figure pat00035

[표 1]
Figure pat00036

II. Sub 1의 합성 예시
상기 반응식 1의 Sub 1 은 반응식 7의 반응경로에 의해 합성될 수 있으며 이에 한정된 것은 아니다. 더불어 표 2는 Sub 1에 속하는 화합물의 FD-MS 값을 나타낸 것이다.
<반응식 7> Sub 1의 A가 다환고리인 경우
Figure pat00037

<반응식 7-1>
Figure pat00038
둥근바닥플라스크에 SM-6-1 (20g, 116mmol)을 넣고, SM-7 (25.8g, 127mmol), Pd(PPh3)4 (4g, 3.5mmol), K2CO3 (48.2g, 348mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 7의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 24.9 g (86%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 SM-8-1 (20g, 68mmol)과 PPh3 (53.6g, 204mmol) 를 o-DCB 에 녹이고 상기 반응식 7의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 13.6 g (78%)을 얻었다.
<반응식 7-2>
Figure pat00039
둥근바닥플라스크에 SM-6-2 (20g, 116mmol)을 넣고, SM-7 (25.8g, 127mmol), Pd(PPh3)4 (4g, 3.5mmol), K2CO3 (48.2g, 348mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 7의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 24 g (83%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 SM-8-2 (17g, 68mmol)과 PPh3 (53.6g, 204mmol) 를 o-DCB 에 녹이고 상기 반응식 7의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 13.1 g (75%)을 얻었다.
<반응식 7-3>
Figure pat00040
둥근바닥플라스크에 SM-6-3 (20g, 90.1mmol)을 넣고, SM-7 (20g, 99.1mmol), Pd(PPh3)4 (3.1g, 2.7mmol), K2CO3 (37.3g, 270.2mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 7의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 18 g (80%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 SM-8-3 (15g, 50mmol)과 PPh3 (39.4g, 150mmol) 를 o-DCB 에 녹이고 상기 반응식 7의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 9.5 g (71%)을 얻었다.
<반응식 8> Sub 1의 A가 단환고리이고, R1,2가 알킬 일 경우
Figure pat00041
둥근바닥플라스크에 SM-9 (20g, 119mmol)와 ZnCl2 (48.9g, 358mmol)을 nitromethane 에 녹이고, 상온에서 2-chloro-2-methylpropane (33g, 358mmol) 을 천천히 넣어준다. 6시간동안 교반하여 반응이 완료되면 증류수를 넣어 희석시키고 CH2Cl2와 물로 추출한다. 유기층은 MgSO4로 건조하여 농축한 후 생성된 화합물을 silicagel column 및 재결정하여 Sub 1-4, 22g을 얻었다. (수율: 68%)
Sub 1의 예시는 다음과 같으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00042
[표 2]
Figure pat00043

Ⅲ. Sub 2의 합성 예시
상기 반응식 1의 Sub 2는 하기 반응식 9로 대표되고, 반응식 9-1 내지 9-6의 반응경로에 의해 합성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 더불어 표 3은 Sub 2에 속하는 화합물의 FD-MS 값을 나타낸 것이다.
<반응식 9> Sub 2 대표 반응식
Figure pat00044

<반응식 9-1>
Figure pat00045
둥근바닥플라스크에 Core 1-10 (20g, 58.5mmol), Sub 1-5 (10.76g, 64.3mmol), Pd2(dba)3 (1.61g, 1.75mmol), P(t-Bu)3 (0.71g, 3.51mmol), t-BuONa (16.86g, 175.4mmol), toluene을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 17.5 g (70%)을 얻었다.
<반응식 9-2>
Figure pat00046
Core 1-6 (20g, 13.6 mmol), Sub 1-1 (12.9 g, 54.3mmol), Pd2(dba)3 (1.49 g, 1.63mmol), (t-Bu)3P (0.66 g, 3.26mmol), t-BuONa (15.67 g, 163.03mmol), toluene을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 16.45 g (60%)을 얻었다.
<반응식 9-3>
Figure pat00047
Core 1-8 (20g, 49.98 mmol), Sub 1-3 (14.70 g, 54.98mmol), Pd2(dba)3 (1.50 g, 1.37mmol), P(t-Bu)3 (0.61 g, 3.0mmol), t-BuONa (14.4 g, 149.9mmol), toluene을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 16.45 g (60%)을 얻었다.
<반응식 9-4>
Figure pat00048
Core 1-15 (20g, 37.3 mmol), Sub 1-6 (6.9g, 54.98mmol), Pd2(dba)3 (1.0 g, 1.1mmol), P(t-Bu)3 (0.5 g, 2.2mmol), t-BuONa (10.8 g, 111.9mmol), toluene을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 14.7 g (69%)을 얻었다.
<반응식 9-5>
Figure pat00049
Core 1-22 (20g, 30.7 mmol), Sub 1-2 (7.3g, 33.7mmol), Pd2(dba)3 (0.8g, 0.9mmol), P(t-Bu)3 (0.4g, 2.2mmol), t-BuONa (8.8g, 92mmol), toluene을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 17.2 g (71%)을 얻었다.
<반응식 9-6>
Figure pat00050
Core 1-24 (20g, 40.3mmol), Sub 1-6 (7.5g, 44.3mmol), Pd2(dba)3 (1.1g, 1.2mmol), P(t-Bu)3 (0.5g, 2.4mmol), t-BuONa (11.6g, 120.9mmol), toluene을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 18.3 g (78%)을 얻었다.
Sub 2의 예시는 다음과 같으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00051
Figure pat00052
Figure pat00053
Figure pat00054
[표 3]
Figure pat00055
Figure pat00056

Ⅳ. Sub 3의 합성 예시
상기 반응식 1의 Sub 3 은 하기 반응식 10의 반응경로에 의해 합성될 수 있으며 이에 한정된 것은 아니다. 더불어 표 4는 Sub 3에 속하는 화합물의 FD-MS 값을 나타낸 것이다.
<반응식 10> Sub 3 대표 반응식
Figure pat00057

<반응식 10-1>
Figure pat00058
둥근바닥플라스크에 SM-10-1 (20g, 135.1mmol)을 넣고, SM-11-1 (18g, 148mmol), Pd(PPh3)4 (4.7g, 4.1mmol), K2CO3 (56g, 405mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 9의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 20.5 g (80%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 SM-12-1 (20g, 135mmol)과 Bis(pinacolato)diboron (41g, 162mmol), Pd(dppf)Cl2 (4.7g, 4.1mmol), KOAc (56g, 405mmol)을 DMF 에 녹이고 상기 반응식 10의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 32 g (95%)을 얻었다.
<반응식 10-2>
Figure pat00059
둥근바닥플라스크에 SM-10-6 (20g, 108.5mmol)을 넣고, SM-11-1 (14.5g, 119mmol), Pd(PPh3)4 (3.8g, 3.3mmol), K2CO3 (45g, 325mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 10의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 29 g (83%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 SM-12-6 (25g, 168mmol)과 Bis(pinacolato)diboron (51.5g, 202mmol), Pd(dppf)Cl2 (5.9g, 5.1mmol), KOAc (70g, 506mmol)을 DMF 에 녹이고 상기 반응식 10의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 35.7 g (91%)을 얻었다.
<반응식 10-3>
Figure pat00060
둥근바닥플라스크에 SM-10-3 (20g, 134mmol)을 넣고, SM-11-4 (35g, 147mmol), Pd(PPh3)4 (4.7g, 4mmol), K2CO3 (55.7g, 402mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 10의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 35.8g (87%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 SM-12-24 (30g, 97.8mmol)과 Bis(pinacolato)diboron (29.8g, 117mmol), Pd(dppf)Cl2 (2.1g, 2.9mmol), KOAc (40.5g, 293.4mmol)을 DMF 에 녹이고 상기 반응식 10의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 34.7 g (89%)을 얻었다.
Sub 3의 예시는 다음과 같으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00061
Figure pat00062

[표 4]
Figure pat00063

Ⅴ. Product 의 합성 예시
상기 반응식 1의 Product는 하기 반응식 11-1 내지 11-8의 반응경로에 의해 합성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 더불어 표 5는 Product에 속하는 화합물의 FD-MS 값을 나타낸 것이다.
<반응식 11-1>
Figure pat00064
둥근바닥플라스크에 sub 2-1 (7g, 16.4mmol)을 넣고, sub 3-1 (2.8g, 18.1mmol), Pd(PPh3)4 (0.6g, 0.5mmol), NaOH (2.0g, 49.3mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 7.1g (87%)을 얻었다.
<반응식 11-2>
Figure pat00065
둥근바닥플라스크에 sub 2-6 (7g, 13.3mmol)을 넣고, sub 3-10 (3.4g, 14.7mmol), Pd(PPh3)4 (0.5g, 0.4mmol), NaOH (1.6g, 40mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 7.1g (79%)을 얻었다.
<반응식 11-3>
Figure pat00066
둥근바닥플라스크에 sub 2-13 (7g, 12.9mmol)을 넣고, sub 3-14 (4.7g, 14.2mmol), Pd(PPh3)4 (0.4g, 0.4mmol), NaOH (1.5g, 38.7mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 7.0g (81%)을 얻었다.
<반응식 11-4>
Figure pat00067
둥근바닥플라스크에 sub 2-20 (7g, 10.1mmol)을 넣고, sub 3-17 (5.7g, 11.1mmol), Pd(PPh3)4 (0.4g, 0.3mmol), NaOH (1.2g, 30.3mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 7.4g (73%)을 얻었다.
<반응식 11-5>
Figure pat00068
둥근바닥플라스크에 sub 2-30 (7g, 11.9mmol)을 넣고, sub 3-22 (5.2g, 13.1mmol), Pd(PPh3)4 (0.4g, 0.4mmol), NaOH (1.4g, 35.7mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 7.8g (84%)을 얻었다.
<반응식 11-6>
Figure pat00069
둥근바닥플라스크에 sub 2-43 (7g, 12mmol)을 넣고, sub 3-25 (6.7g, 13.2mmol), Pd(PPh3)4 (0.4g, 0.4mmol), NaOH (1.4g, 36mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 8.2g (77%)을 얻었다.
<반응식 11-7>
Figure pat00070
둥근바닥플라스크에 sub 2-47 (7g, 13.9mmol)을 넣고, sub 3-4 (4.3g, 15.3mmol), Pd(PPh3)4 (0.5g, 0.4mmol), NaOH (1.7g, 41.6mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 6.7g (83%)을 얻었다.
<반응식 11-8>
Figure pat00071
둥근바닥플라스크에 sub 2-53 (7g, 11.9mmol)을 넣고, sub 3-16 (4.4g, 13.1mmol), Pd(PPh3)4 (0.4g, 0.4mmol), NaOH (1.4g, 35.8mmol), THF 와 물 (2:1)을 넣고 상기 반응식 11의 합성법을 사용하여 원하는 화합물 6.2g (89%)을 얻었다.
[표 5]
Figure pat00072

Figure pat00073

Figure pat00074

Figure pat00075

Figure pat00076

Figure pat00077

Figure pat00078

Figure pat00079
한편, 상기에서는 화학식 1로 표시되는 본 발명의 예시적 합성예를 설명하였지만, 이들은 모두 Suzuki cross-coupling 반응, Diazotization-Thiocyanation 반응 (Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 6066), Reduction 반응, MW(Microwave)-assisted cyclization 반응 (Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 6066), PPh3-mediated reductive cyclization 반응 (J. Org. Chem. 2005, 70, 5014.), Ullmann 반응 및 Buchwald-Hartwig cross coupling 반응 등에 기초한 것으로 구체적 합성예에 명시된 치환기 이외에 화학식 1에 정의된 다른 치환기( L1 내지 L3, Ra, Rb, R', R", R1, R2, Ar 등의 치환기)가 결합되더라도 상기 반응이 진행된다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
유기전기소자의 제조평가
[실시예 1] 유기전기발광소자의 제작 및 시험 (지연형광)
합성을 통해 얻은 화합물을 발광층의 도펀트 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 진공증착하여 정공수송층을 형성하였다. 정공수송층 상부에 6 중량%의 발명화합물 6-1과 4,4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(mCP)을 공증착함으로써 상기 정공수송층 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, 할로젠화 알칼리 금속인 LiF를 0.2 nm 두께로 증착하고, 이어서 Al을 150 nm의 두께로 증착하여 이 Al/LiF를 음극으로 사용함으로써 유기 전계 발광소자를 제조하였다.
[mCP]
Figure pat00080

[실시예 2] 내지 [실시예 308]
본 발명의 화합물 6-1 대신 하기 표 6에 기재된 본 발명의 화합물 6-2 내지 12-21을 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기전기발광소자를 제조하였다.
[비교예]
본 발명의 화합물 6-1 대신 하기 비교화합물 A를 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기전기발광소자를 제조하였다.
<비교화합물 A>
Figure pat00081

이와 같이 제조된 실시예 및 비교예 유기전기발광소자들에 순바이어스 직류전압을 가하여 포토리서치(photoresearch)사의 PR-650으로 전기발광(EL) 특성을 측정하였으며, 그 측정 결과 500cd/m2 기준 휘도에서 맥사이언스사에서 제조된 수명 측정 장비를 통해 T95 수명을 측정하였다. 하기 표 6은 소자제작 및 평가한 결과를 나타낸다.
[표 6]
Figure pat00082

Figure pat00083

Figure pat00084

Figure pat00085

Figure pat00086

Figure pat00087

Figure pat00088

Figure pat00089

Figure pat00090

Figure pat00091

Figure pat00092

Figure pat00093

Figure pat00094
상기 표 6의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 유기전기발광소자용 재료를 이용한 유기전기발광소자는 발광층 재료로 사용되어 높은 발광효율, 낮은 구동전압 및 수명을 현저히 개선시킬 수 있다.
다시 말해, 안트라센 코어에 아민기가 두 개 치환되어 있는 일반 형광 도펀트 비교화합물 A보다 fuse 될 수 있는 카바졸 또는 카볼린을 코어이고 C=O, P=O, P=S, C=S, Si가 치환된 발명화합물이 구동전압, 효율, 수명면에서 좋은 결과를 나타내었다. 특히 효율의 경우 fuse 될 수 있는 카바졸 또는 카볼린에 C=O, P=O, P=S, C=S, Si와 같은 특정 분자가 치환되면서, 한 분자 내 donor unit 과 acceptor unit 을 모두 갖게 되어 열 활성 지연형광(Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF)의 확률이 증가되어 발생하는 것으로 판단된다. 이는 비교화합물 A과 같이 기존의 형광재료가 가지는 외부양자효율의 문제점을 해결하여 이와 같이 효율과 수명 그리고 구동전압이 향상된 결과를 초래했다고 설명할 수 있다.
즉 이는 동일한 코어일 지라도 치환기에 따라서 에너지 준위가 변화되고 소자의 특성 자체가 현저히 달라질 수 있음을 시사하고 있다.
아울러, 전술한 소자 제작의 평가 결과에서는 발광층 관점에서 소자 특성을 설명하였으나, 통상적으로 발광층으로 사용되는 재료들은 전술한 전자수송층, 전자주입층, 정공주입층, 정공수송층 및 발광보조층 등 유기전기소자의 유기물층으로 단일 또는 다른 재료와 혼합으로 사용될 수 있다. 따라서 전술한 이유로 본 발명의 화합물은 발광층 이외에 다른 유기물층, 예를 들어 전자수송층, 전자주입층, 정공주입층, 정공수송층 및 발광보조층 등에 단일 또는 다른 재료와 혼합으로 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 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 (12)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물
    <화학식 1>
    Figure pat00095

    [상기 화학식 1에서,
    X는 C=O, P=O, P=S, C=S 또는 SiRaRb이고, 단, P=O, P=S일 경우 L3이 더 치환될 수 있으며,
    여기서, 상기 Ra, Rb, L3은 서로 독립적으로 수소; C6~C60의 아릴기; C1~C60의 알킬기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기;로 이루어진 군에서 선택되고,
    m은 1 또는 2의 정수이며,
    Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 CR' 또는 N이고,
    Z1 내지 Z6는 서로 독립적으로 CR" 또는 N이며, Z1 내지 Z6 중 적어도 하나는 N이고,
    상기 R' 및 R"는 서로 독립적으로 수소; C6~C60의 아릴기; C1~C60의 알킬기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기;로 이루어진 군에서 선택되며,
    L1 및 L2는 서로 독립적으로 단일결합; C6-C60의 아릴렌기; 플루오렌일렌기; 및 C2-C60의 헤테로아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되고,
    a는 0 내지 8의 정수이고, b는 0 내지 4의 정수이며,
    a 및 b가 1 이상일 경우, R1 및 R2는 ⅰ) 서로 독립적으로 중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; 플루오렌일기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C3~C60의 지방족고리와 C6~C60의 방향족고리의 융합고리기; C1~C50의 알킬기; C2~C20의 알켄일기; C2~C20의 알킨일기; C1~C30의 알콕실기; C6~C30의 아릴옥시기;로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 ⅱ) 복수의 R1 및 복수의 R2가 존재할 경우, 복수의 R1 또는 복수의 R2는 각각 서로 같거나 상이하며 인접한 R1과 R1끼리, 인접한 R2와 R2끼리는 서로 결합하여 적어도 하나의 방향족 또는 헤테로방향족 고리를 형성할 수 있고(단, 고리를 형성하지 않는 R1 및 R2는 상기 ⅰ)에서 정의된 것과 동일함),
    A 환은 C6-C30의 아릴 그룹, 또는 C5-C60의 헤테로아릴 그룹이며(단, X가 P=O 또는 SiRaRb 일 경우 A가 C6의 방향족일 수 없음),
    n은 0 내지 5의 정수이고,
    n이 1 이상일 경우, Ar은 각각 독립적으로 중수소; 할로겐; C6~C60의 아릴기; 플루오렌일기; O, N, S, Si 및 P 중 적어도 하나의 헤테로원자를 포함하는 C2~C60의 헤테로고리기; C3~C60의 지방족고리와 C6~C60의 방향족고리의 융합고리기; C1~C50의 알킬기; C2~C20의 알켄일기; C2~C20의 알킨일기; C1~C30의 알콕실기; C6~C30의 아릴옥시기;로 이루어진 군에서 선택되며,
    상기 아릴기, 플루오렌일기, 헤테로고리기, 융합고리기, 알킬기, 알켄일기, 알킨일기, 알콕실기, 아릴옥시기, 아릴렌기, 플루오렌일렌기, 헤테로아릴렌기 각각은 중수소; 할로겐; 실란기; 실록산기; 붕소기; 게르마늄기; 시아노기; 니트로기; C1~C20의 알킬싸이오기; C1~C20의 알콕실기; C1~C20의 알킬기; C2~C20의 알켄일기; C2~C20의 알킨일기; C6~C20의 아릴기; 중수소로 치환된 C6~C20의 아릴기; 플루오렌일기; C2~C20의 헤테로고리기; C3~C20의 시클로알킬기; C7~C20의 아릴알킬기; 및 C8~C20의 아릴알켄일기;로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.]
  2. 제1항에 있어서,
    하기 화학식 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 화합물.
    <화학식 2> <화학식 3>
    Figure pat00096

    <화학식 4>
    Figure pat00097

    (상기 화학식 2 내지 화학식 4에서,
    상기 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 것과 동일함)
  3. 제1항에 있어서,
    하기 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 화합물.
    <화학식 5>
    Figure pat00098

    [상기 화학식 5에서,
    상기 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, X, m, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 것과 동일하고,
    상기 Y5 내지 Y8은 상기 화학식 1에서 정의된 Y1 내지 Y4와 동일하다(단, X가 P=O 또는 SiRaRb 일 경우 Y1 내지 Y8 중 적어도 하나는 N임).]
  4. 제1항에 있어서,
    하기 화학식 중 하나로 표시되는 것을 특징으로 하는 화합물.
    <화학식 6> <화학식 7>
    Figure pat00099

    <화학식 8> <화학식 9>
    Figure pat00100

    <화학식 10> <화학식 11>
    Figure pat00101

    <화학식 12> <화학식 13>
    Figure pat00102

    <화학식 14>
    Figure pat00103

    (상기 화학식 6 내지 화학식 14에서,
    상기 R1, R2, a, b, Y1 내지 Y4, L1, L2, Z1 내지 Z6, Ar 및 n은 상기 화학식 1에서 정의된 것과 동일함)
  5. 제1항에 있어서,
    하기 화합물 중 하나인 것을 특징으로 하는 화합물.

    Figure pat00104


    Figure pat00105


    Figure pat00106



    Figure pat00107




    Figure pat00108




    Figure pat00109



    Figure pat00110


    Figure pat00111



    Figure pat00112



    Figure pat00113


    Figure pat00114



    Figure pat00115
  6. 제 1전극;
    제 2전극; 및
    상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 위치하는 유기물층;을 포함하는 유기전기소자에 있어서,
    상기 유기물층은 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 유기물층은 지연 형광 재료로 상기 화합물을 함유하는 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 유기물층에 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 화합물의 동종 또는 2 이상의 이종의 화합물이 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1전극과 제 2전극의 일면 중 상기 유기물층과 반대되는 적어도 일면에 형성되는 광효율 개선층을 더 포함하는 유기전기소자.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 유기물층은 스핀코팅 공정, 노즐 프린팅 공정, 잉크젯 프린팅 공정, 슬롯코팅 공정, 딥코팅 공정 또는 롤투롤 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유기전기소자.
  11. 제 6항의 유기전기소자를 포함하는 디스플레이장치; 및
    상기 디스플레이장치를 구동하는 제어부;를 포함하는 전자장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 유기전기소자는 유기전기발광소자, 유기태양전지, 유기감광체, 유기트랜지스터 및 단색 또는 백색 조명용 소자 중 하나인 것을 특징으로 하는 전자장치.
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