KR20180032496A - 전자 버퍼층 및 전자 전달층을 포함하는 유기 전계 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명의 유기 전계 발광 소자는 특정 조합의 전자 버퍼 재료 및 전자 전달 재료를 포함함으로써 고효율 및/또는 장수명을 나타낼 수 있다.
Description
본 발명은 전자 버퍼층 및 전자 전달층을 포함하는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.
전계 발광 소자(electroluminescent device: EL device)는 자체 발광형 표시 소자로서 시야각이 넓고 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라 응답속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 1987년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)사는 발광층 형성용 재료로서 저분자인 방향족 다이아민과 알루미늄 착물을 이용하는 유기 전계 발광 소자를 처음으로 개발하였다[참조: Appl. Phys. Lett. 51, 913, 1987].
유기 전계 발광 소자(organic electroluminescent device: OLED)는 유기 발광 재료에 전기를 가해 전기 에너지를 빛으로 바꾸는 소자로서, 통상 양극(애노드) 및 음극(캐소드)과 이들 사이에 유기물층을 포함하는 구조를 가진다. 유기 전계 발광 소자의 유기물층은 정공주입층, 정공전달층, 전자차단층, 발광층(호스트 및 도판트 재료 포함), 전자버퍼층, 정공차단층, 전자전달층, 전자주입층 등으로 이루어질 수 있으며, 유기물층에 사용되는 재료는 기능에 따라 정공주입 재료, 정공전달 재료, 전자차단 재료, 발광 재료, 전자버퍼 재료, 정공차단 재료, 전자전달 재료, 전자주입 재료 등으로 나뉜다. 이러한 유기 전계 발광 소자에서는 전압 인가에 의해 애노드에서 정공이, 캐소드에서 전자가 발광층에 주입되고, 정공과 전자의 재결합에 의해 에너지가 높은 엑시톤이 형성된다. 이 에너지에 의해 유기 발광 화합물이 여기 상태로 되며, 유기 발광 화합물의 여기 상태가 기저 상태로 돌아가면서 에너지를 빛으로 방출하여 발광하게 된다.
유기 전계 발광 소자에서 전자 전달 재료는 캐소드로부터 전자를 발광층으로 원활히 전달하고 발광층에서 결합하지 못한 정공의 이동을 억제하여 발광층 내의 정공과 전자의 재결합 기회를 증가시키는 역할을 하는 것으로, 전자 친화성이 우수한 재료가 사용된다. 종래에는 Alq3와 같은 발광 기능을 가진 유기 금속 착체가 전자 이동 능력이 우수하여 전자 전달 재료로서 사용되었다. 그러나, Alq3은 다른 층으로 이동한다는 것이 문제가 되었고 청색 발광 소자에 사용되는 경우 색순도가 저하되는 문제점이 있었다. 따라서, 상기한 문제점이 없으면서도 전자 친화도가 높아 유기 전계 발광 소자에 사용되는 경우 빠른 전자 이동특성을 보여 발광 소자가 높은 발광 효율을 나타낼 수 있는 새로운 전자 전달 재료가 요구되고 있다.
또한, 전자 버퍼층은 패널 제작 공정에서 고온에 노출시 소자 내의 전류 특성이 변하여 발광 휘도의 변형 문제가 발생할 수 있는 문제를 개선할 수 있는 층으로써 전자 버퍼층이 없는 소자 대비 유사한 전류 특성과 함께 고온 노출에 따른 안정성 확보를 위해서는 전자 버퍼층에 포함되는 화합물의 특성이 중요하다.
또한, 형광 발광 재료는 재료적인 측면에서도 인광 발광 재료에 비하여 낮은 효율 특성을 가지고 있다. 이에, 안트라센계 호스트와 파이렌계 도판트의 조합과 같은 특정 형광 발광 재료를 통하여 효율을 개선시키고자 하였으나, 이들은 정공 트랩이 커서, 발광층 내의 발광 영역이 정공 전달층 쪽으로 치우쳐서 계면 발광을 하는 경향이 있고, 이와 같은 계면 발광은 소자 수명을 저하시키는 문제점을 가질 뿐만 아니라, 효율도 여전히 만족스럽지 못하였다. 이에 형광 발광 재료가 갖는 문제점을 개선하기 위한 방법 중 하나로 발광층과 전자 전달층 사이에 전자 버퍼층을 삽입하여 효율과 수명을 동시에 해결하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
한국 특허공개공보 제2015-0080213호는 안트라센계 화합물 및 헤테로아릴계 화합물을 포함하는 이층 구조의 전자전달층을 포함하는 유기 전계 발광 소자를 개시하고 있다.
한국 특허공개공보 제2016-0034804호는 질소 함유 헤테로아릴이 2개 이상의 아릴기를 포함하는 링커에 의해 벤조카바졸 등에 결합된 화합물을 전자 전달층에 포함하는 유기 전계 발광 소자를 개시하고 있다.
한국 특허공개공보 제2015-0108330호는 질소 함유 헤테로아릴이 카바졸 등에 결합된 화합물을 전자 버퍼 재료로 포함하는 유기 전계 발광 소자를 개시하고 있다.
그러나, 상기 문헌들은 질소 함유 헤테로아릴을 포함하는 화합물을 전자 버퍼 재료로서, 질소 함유 헤테로아릴이 나프틸렌의 링커에 의해 벤조카바졸 등에 결합된 화합물을 전자 전달 재료로서 포함하는 유기 전계 발광 소자를 구체적으로 개시하고 있지 않다. 또한, 전자 전달 재료로서 질소 함유 헤테로아릴이 2개 이상의 아릴기를 포함하는 링커에 의해 벤조카바졸 등에 결합된 헤테로 화합물을 사용하는 경우 LUMO 에너지 값이 낮아져 전자 전달 재료로서 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 특정 조합의 전자 버퍼 재료 및 전자 전달 재료를 포함함으로써 고효율 및/또는 장수명을 갖는 유기 전계 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 본 발명자들은 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 발광층; 및 상기 발광층과 상기 제2 전극 사이의 전자 전달층 및 전자 버퍼층을 포함하고, 상기 전자 버퍼층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 전자 전달층은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 유기 전계 발광 소자가 상술한 목적을 달성함을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서,
X1 내지 X5는 각각 독립적으로 CR1 또는 N이고;
R1은 수소, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬, 치환 또는 비치환된 (C3-C30)시클로알킬, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 치환 또는 비치환된 (5-30원)헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 트리(C1-C30)알킬실릴, 치환 또는 비치환된 트리(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 디(C1-C30)알킬(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬디(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C1-C30)알킬아미노, 또는 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C6-C30)아릴아미노이거나; 인접한 치환체끼리 서로 연결되어 치환 또는 비치환된 (C3-C30) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있으며, 상기 형성된 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리의 탄소 원자는 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로원자로 대체될 수 있으며;
L은 단일결합, 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴렌, 또는 치환 또는 비치환된 (5-50원)헤테로아릴렌이고;
Ar은 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (5-50원)헤테로아릴이며;
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴이고;
L1은 나프틸렌이며;
A 고리 및 B 고리는 각각 독립적으로 벤젠, 페닐벤젠 또는 나프탈렌이고, 단, 이들 중 적어도 하나는 나프탈렌이며;
n은 1 내지 3의 정수이고;
상기 헤테로아릴(렌)은 B, N, O, S, Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다.
본 발명에 따르면 고효율 및/또는 장수명을 갖는 유기 전계 발광 소자가 제공되며, 이를 이용한 표시 장치 또는 조명 장치의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일양태에 따른 유기 전계 발광 소자의 모식적인 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일양태에 따른 유기 전계 발광 소자의 층들 간 에너지 갭의 관계를 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 비교예 1과 소자 실시예 2의 유기 전계 발광 소자의, 휘도에 따른 전류 효율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일양태에 따른 유기 전계 발광 소자의 층들 간 에너지 갭의 관계를 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 비교예 1과 소자 실시예 2의 유기 전계 발광 소자의, 휘도에 따른 전류 효율을 나타낸 그래프이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 이는 설명을 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 방법으로 해석되어서는 안 된다.
본원에서 "유기 전계 발광 화합물"은 유기 전계 발광 소자에 사용될 수 있는 화합물을 의미하며, 필요에 따라 유기 전계 발광 소자를 구성하는 임의의 층에 포함될 수 있다.
본원에서 "유기 전계 발광 재료"는 유기 전계 발광 소자에 사용될 수 있는 재료를 의미하고, 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있으며, 필요에 따라 유기 전계 발광 소자를 구성하는 임의의 층에 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 전계 발광 재료는 정공주입 재료, 정공전달 재료, 정공보조 재료, 발광보조 재료, 전자차단 재료, 발광 재료, 전자버퍼 재료, 정공차단 재료, 전자전달 재료, 또는 전자주입 재료일 수 있다.
제1 및 제2전극, 및 발광층을 포함하는 유기 전계 발광 소자에서 전자 버퍼층이 발광층과 제2전극 사이에 삽입됨으로써 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 값에 의한 전자 주입 조절에 따른 효율 및/또는 수명 연관성 확보에 중점을 둘 수 있다.
본래 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 및 HOMO (highest occupied molecular orbital) 에너지 값은 음수의 값을 가지나, 본원 발명에서 LUMO 에너지 값(A) 및 HOMO 에너지 값은 편의 상 그 절대값으로 나타낸다. 또한, LUMO 에너지 값의 크기를 비교함에 있어서도 그 절대값을 기준으로 비교한다. 본원 발명에서의 LUMO 에너지 값 및 HOMO 에너지 값은 밀도 함수 이론 (Density Functional theory, DFT) 계산에 의한 값에 의한다.
상기 LUMO 에너지 값은 다양한 공지의 방법에 의해 용이하게 측정될 수 있다. 통상적으로, cyclic voltammetry 또는 자외선 광전자 분광학(UPS)을 이용하여 LUMO 에너지 값을 측정한다. 따라서, 당업자라면 본 발명의 LUMO 에너지 값의 관계를 만족하는 전자 버퍼층, 발광층, 및 전자 전달층을 용이하게 파악하여 본 발명을 구현할 수 있다. HOMO 에너지 값도 LUMO 에너지 값과 동일한 방식으로 용이하게 측정될 수 있다.
본 발명은 제1전극; 상기 제1전극에 대향하는 제2전극; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 발광층; 및 상기 발광층과 상기 제2전극 사이의 전자 전달층 및 전자 버퍼층을 포함하고, 상기 전자 버퍼층은 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 전자 전달층은 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.
전자 버퍼층 및 전자 전달 대역은 발광층과 제2전극 사이에 삽입되는데, 전자 버퍼층은 발광층과 전자 전달 대역 사이에 설치될 수 있고, 전자 전달 대역과 제2전극 사이에 설치될 수도 있다.
상기 전자 버퍼층에 포함되는 전자 버퍼 재료는 전하의 흐름 특성을 제어하는 재료를 가리킨다. 이에, 상기 전자버퍼 재료는 예를 들어, 전자를 트랩(trap)하거나, 전자를 블로킹(blocking)하거나, 또는 전자 전달 대역과 발광층 사이의 에너지 장벽을 낮추는 것일 수 있다. 유기 전계 발광 소자에서 상기 전자 버퍼 재료는 전자 버퍼층 용으로 사용되거나, 또는 전자 전달 대역이나 발광층과 같은 다른 영역에 혼입되어 사용될 수 있다. 여기서, 상기 전자 버퍼층은 유기 전계 발광 소자의 발광층과 전자 전달 대역의 사이에 형성되거나, 전자 전달 대역과 제2 전극 사이에 형성되는 것이다. 상기 전자 버퍼 재료는 화학식 1의 화합물 이외에 유기 전계 발광 소자의 제조에 사용되는 통상의 물질을 추가로 포함할 수도 있다.
상기 전자 전달층에 포함되는 전자 전달 재료는 캐소드로부터 전자를 발광층으로 원활히 전달하고 발광층에서 결합하지 못한 정공의 이동을 억제하여 발광층 내의 정공과 전자의 재결합 기회를 증가시키는 역할을 하는 것으로, 전자 친화성이 우수한 재료가 사용된다. 여기서, 상기 전자 전달층은 유기 전계 발광 소자의 제2 전극과 발광층 사이의 전자 전달 대역에 형성된다. 상기 전자 전달 재료는 화학식 2의 화합물 이외에 유기 전계 발광 소자의 제조에 사용되는 통상의 물질을 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명에 기재되어 있는 "(C1-C30)알킬"은 쇄를 구성하는 탄소수가 1 내지 30개인 직쇄 또는 분지쇄 알킬을 의미하고, 여기에서 탄소수가 1 내지 10개인 것이 바람직하고, 1 내지 6개인 것이 더 바람직하다. 상기 알킬의 구체적인 예로서, 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸 및 tert-부틸 등이 있다. 본원에서 "(C2-C30)알케닐"은 쇄를 구성하는 탄소수가 2 내지 30개인 직쇄 또는 분지쇄 알케닐을 의미하고, 여기에서 탄소수가 2 내지 20개인 것이 바람직하고, 2 내지 10개인 것이 더 바람직하다. 상기 알케닐의 구체적인 예로서, 비닐, 1-프로페닐, 2-프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 2-메틸부트-2-에닐 등이 있다. 본원에서 "(C2-C30)알키닐"은 쇄를 구성하는 탄소수가 2 내지 30개인 직쇄 또는 분지쇄 알키닐을 의미하고, 여기에서 탄소수가 2 내지 20개인 것이 바람직하고, 2 내지 10개인 것이 더 바람직하다. 상기 알키닐의 예로서, 에티닐, 1-프로피닐, 2-프로피닐, 1-부티닐, 2-부티닐, 3-부티닐, 1-메틸펜트-2-이닐 등이 있다. 본원에서 "(C3-C30)시클로알킬"은 환 골격 탄소수가 3 내지 30개인 단일환 또는 다환 탄화수소를 의미하고, 여기에서 탄소수가 3 내지 20개인 것이 바람직하고, 3 내지 7개인 것이 더 바람직하다. 상기 시클로알킬의 예로서, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 등이 있다. 본원에서 "(3-7 원) 헤테로시클로알킬"은 환 골격 원자수가 3 내지 7개이고, B, N, O, S, Si 및 P로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자, 바람직하게는 O, S 및 N에서 선택되는 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 시클로알킬을 의미하고, 예를 들어, 테트라하이드로푸란, 피롤리딘, 티올란, 테트라하이드로피란 등이 있다. 본원에서 "(C6-C30)아릴(렌)"은 환 골격 탄소수가 6 내지 30개인 방향족 탄화수소에서 유래된 단일환 또는 융합환계 라디칼을 의미하고, 부분적으로 포화될 수도 있다. 여기에서 환 골격 탄소수가 6 내지 20개인 것이 바람직하고, 6 내지 15개인 것이 더 바람직하다. 상기 아릴의 예로서, 페닐, 비페닐, 터페닐, 나프틸, 비나프틸, 페닐나프틸, 나프틸페닐, 플루오레닐, 페닐플루오레닐, 벤조플루오레닐, 디벤조플루오레닐, 페난트레닐, 페닐페난트레닐, 안트라세닐, 인데닐, 트리페닐레닐, 피레닐, 테트라세닐, 페릴레닐, 크라이세닐, 나프타세닐, 플루오란테닐 등이 있다. 본원에서 "(3-30 원) 헤테로아릴(렌)"은 환 골격 원자수가 3 내지 30개이고, B, N, O, S, Si 및 P로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 아릴기를 의미한다. 여기에서 환 골격 원자수가 3 내지 20개인 것이 바람직하고, 5 내지 15개인 것이 더 바람직하다. 헤테로원자수는 바람직하게는 1 내지 4개이고, 단일 환계이거나 하나 이상의 벤젠환과 축합된 융합환계일 수 있으며, 부분적으로 포화될 수도 있다. 또한, 본원에서 상기 헤테로아릴(렌)은 하나 이상의 헤테로아릴 또는 아릴기가 단일 결합에 의해 헤테로아릴기와 연결된 형태도 포함한다. 상기 헤테로아릴의 예로서, 푸릴, 티오펜일, 피롤릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 티아졸릴, 티아디아졸릴, 이소티아졸릴, 이속사졸릴, 옥사졸릴, 옥사디아졸릴, 트리아진일, 테트라진일, 트리아졸릴, 테트라졸릴, 푸라잔일, 피리딜, 피라진일, 피리미딘일, 피리다진일 등의 단일 환계 헤테로아릴, 벤조푸란일, 벤조티오펜일, 이소벤조푸란일, 디벤조푸란일, 디벤조티오펜일, 벤조나프토티오펜일, 벤조이미다졸릴, 벤조티아졸릴, 벤조이소티아졸릴, 벤조이속사졸릴, 벤조옥사졸릴, 이소인돌릴, 인돌릴, 인다졸릴, 벤조티아디아졸릴, 퀴놀릴, 이소퀴놀릴, 신놀리닐, 퀴나졸리닐, 퀴녹살리닐, 카바졸릴, 페녹사진일, 페난트리딘일, 벤조디옥솔릴 등의 융합 환계 헤테로아릴 등이 있다. 본원에서 "할로겐"은 F, Cl, Br 및 I 원자를 포함한다.
또한, 본 발명에 기재되어 있는 "치환 또는 비치환"이라는 기재에서 '치환'은 어떤 작용기에서 수소 원자가 다른 원자 또는 다른 작용기 (즉, 치환체)로 대체되는 것을 뜻한다. 상기 화학식 1 및 2의 상기 R1, L, Ar, Ar1 및 Ar2에서 치환 알킬, 치환 시클로알킬, 치환 아릴(렌), 치환 헤테로아릴(렌), 치환 트리알킬실릴, 치환 트리아릴실릴, 치환 디알킬아릴실릴, 치환 알킬디아릴실릴, 치환 모노- 또는 디- 알킬아미노, 치환 모노- 또는 디- 아릴아미노, 및 치환 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리의 치환체는 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 카르복실, 니트로, 히드록시, (C1-C30)알킬, 할로(C1-C30)알킬, (C2-C30)알케닐, (C2-C30)알키닐, (C1-C30)알콕시, (C1-C30)알킬티오, (C3-C30)시클로알킬, (C3-C30)시클로알케닐, (3-7원)헤테로시클로알킬, (C6-C30)아릴옥시, (C6-C30)아릴티오, (C6-C30)아릴로 치환 또는 비치환된 (3-30원)헤테로아릴, (3-30원)헤테로아릴로 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 트리(C1-C30)알킬실릴, 트리(C6-C30)아릴실릴, 디(C1-C30)알킬(C6-C30)아릴실릴, (C1-C30)알킬디(C6-C30)아릴실릴, 아미노, 모노- 또는 디- (C1-C30)알킬아미노, 모노- 또는 디- (C6-C30)아릴아미노, (C1-C30)알킬(C6-C30)아릴아미노, (C1-C30)알킬카보닐, (C1-C30)알콕시카보닐, (C6-C30)아릴카보닐, 디(C6-C30)아릴보로닐, 디(C1-C30)알킬보로닐, (C1-C30)알킬(C6-C30)아릴보로닐, (C6-C30)아르(C1-C30)알킬 및 (C1-C30)알킬(C6-C30)아릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 전자 버퍼층에 포함되는 상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 3 또는 4로 표시될 수 있다.
[화학식 3] [화학식 4]
상기 화학식 3 및 4에서,
Ar3 및 Ar4는 R1의 정의와 같고,
L, Ar 및 n은 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 전자 전달층에 포함되는 상기 화학식 2의 화합물은 하기 화학식 5 또는 6으로 표시될 수 있다.
[화학식 5] [화학식 6]
상기 화학식 5 및 6에서,
X1, L1, Ar1 및 Ar2는 화학식 2에서 정의한 바와 같고,
m은 0 또는 1이다.
상기 화학식 1에서, X2 내지 X5는 각각 독립적으로 CR1 또는 N이다.
상기 화학식 1에서, R1은 수소, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬, 치환 또는 비치환된 (C3-C30)시클로알킬, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 치환 또는 비치환된 (5-30원)헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 트리(C1-C30)알킬실릴, 치환 또는 비치환된 트리(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 디(C1-C30)알킬(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬디(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C1-C30)알킬아미노, 또는 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C6-C30)아릴아미노이거나; 인접한 치환체끼리 서로 연결되어 치환 또는 비치환된 (C3-C30) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있으며, 상기 형성된 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리의 탄소 원자는 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로원자로 대체될 수 있다. R1은 바람직하게는, 수소, 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (5-15원)헤테로아릴이거나; 인접한 치환체끼리 서로 연결되어 치환 또는 비치환된 (C6-C15) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있고, 더욱 바람직하게는, 수소, (C1-C6)알킬 또는 (5-15원)헤테로아릴로 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴, 또는 비치환된 (5-15원)헤테로아릴이거나; 인접한 치환체끼리 서로 연결되어 비치환된 (C6-C15) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있다.
상기 화학식 1에서, L은 단일결합, 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴렌, 또는 치환 또는 비치환된 (5-50원)헤테로아릴렌이다. L은 바람직하게는, 단일결합, 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴렌, 또는 치환 또는 비치환된 (5-40원)헤테로아릴렌이고, 더욱 바람직하게는, 단일결합, (C1-C6)알킬 또는 (C6-C12)아릴로 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴렌, 또는 (C1-C6)알킬 또는 (C6-C12)아릴로 치환 또는 비치환된 (5-40원)헤테로아릴렌이다.
상기 화학식 1에서, Ar은 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (5-50원)헤테로아릴이다. Ar은 바람직하게는, 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (5-40원)헤테로아릴이고, 더욱 바람직하게는, (C1-C6)알킬 또는 (C6-C12)아릴로 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴, 또는 (C1-C6)알킬 또는 (C6-C12)아릴로 치환 또는 비치환된 (5-40원)헤테로아릴이다.
상기 화학식 2에서, Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴이다. Ar1 및 Ar2는 바람직하게는, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 (C6-C20)아릴이고, 더욱 바람직하게는, 각각 독립적으로 비치환된 (C6-C20)아릴이다.
상기 화학식 2에서, L1은 나프틸렌이다. 구체적으로, L1은 하기 화학식 8 내지 10 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
[화학식 8] [화학식 9] [화학식 10]
상기 화학식 8 내지 10에서,
상기 화학식 2에서, A 고리 및 B 고리는 각각 독립적으로 벤젠, 페닐벤젠 또는 나프탈렌이고, 단, 이들 중 적어도 하나는 나프탈렌이다.
상기 화학식 1은 화학식 11 또는 12로 표시될 수 있다.
[화학식 11] [화학식 12]
상기 화학식 11 및 12에서,
Ar3, Ar4, L 및 n은 상기 화학식 3 및 4에서 정의한 바와 같고,
Ar5 및 Ar6은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 치환 또는 비치환된 (5-30원)헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 (C3-C30)시클로알킬, 치환 또는 비치환된 (C3-C30)시클로알케닐, 치환 또는 비치환된 (3-7원)헤테로시클로알킬, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알콕시, 치환 또는 비치환된 트리(C1-C30)알킬실릴, 치환 또는 비치환된 트리(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 디(C1-C30)알킬(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬디(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C1-C30)알킬아미노, 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C6-C30)아릴아미노, 또는 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬(C6-C30)아릴아미노이거나, 인접한 치환체와 서로 연결되어 치환 또는 비치환된 (C3-C30) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 환을 형성할 수 있고, 상기 형성된 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 환의 탄소 원자는 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로원자로 대체될 수 있고;
상기 헤테로아릴(렌) 및 헤테로시클로알킬은 각각 독립적으로 B, N, O, S, Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고;
s 및 t는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이며, 상기 s 또는 t가 2 이상의 정수인 경우, 각각의 Ar5 또는 각각의 Ar6는 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기의 화합물로서 예시될 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 하기의 화합물로서 예시될 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 화학식 1의 화합물 및 상기 화학식 2의 화합물은 당업자에게 공지된 합성 방법, 예를 들어 Bromination, Suzuki 반응, Buchwald-Hartwig 반응, Ullmann 반응 등을 이용함으로써 제조할 수 있다.
본 발명에 사용되는 호스트는 인광성 호스트 화합물 또는 형광성 호스트 화합물일 수 있다. 이들 호스트 화합물은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 화합물 중에서, 전술한 바와 같은 LUMO 에너지 값을 가지는 것을 선택하여 사용하면 된다. 구체적으로, 상기 호스트 화합물은 형광성 호스트 화합물일 수 있고, 예를 들어, 하기 화학식 30으로 표시되는 안트라센 화합물일 수 있다.
[화학식 30]
상기 화학식 30에서,
Ar31 및 Ar32는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (5-30원) 헤테로아릴이며; Ar33 및 Ar34는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 시아노, 니트로, 하이드록시, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 치환 또는 비치환된 (5-30원) 헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 (C3-C30)시클로알킬, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알콕시, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬실릴, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아르(C1-C30)알킬실릴, 또는 -NR41R42이고; R41 및 R42은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 (5-30원) 헤테로아릴기이거나; 서로 결합하여 (C3-C30) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있고, 상기 형성된 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 환의 탄소 원자는 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로원자로 대체될 수 있으며; gg 및 hh는 각각 독립적으로 1 내지 4의 정수이고, gg 또는 hh가 2 이상의 정수일 경우, 각각의 Ar33 또는 Ar34는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 화학식 30의 화합물은 구체적으로 하기의 화합물로서 예시될 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 사용되는 도판트는 인광성 도판트 화합물 또는 형광성 도판트 화합물일 수 있다. 구체적으로, 상기 도판트 화합물은 형광성 도판트 화합물일 수 있고, 예를 들어, 하기 화학식 40으로 표시되는 축합 다환 아민 유도체일 수 있다.
[화학식 40]
상기 화학식 40에서,
Ar41은 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴 또는 스티릴이고; La은 단일결합, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴렌, 또는 치환 또는 비치환된 (3-30 원)헤테로아릴렌이며; Ar42 및 Ar43은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (3-30 원)헤테로아릴이거나; 인접한 치환체와 결합하여 (C3-C30) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있고, 상기 형성된 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 환의 탄소 원자는 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로원자로 대체될 수 있고; jj는 1 또는 2이며, jj가 2인 경우 각각의 
는 동일하거나 상이할 수 있다.
Ar41에서 바람직한 아릴기로는 치환 또는 비치환의 페닐, 치환 또는 비치환의 플루오레닐기, 치환 또는 비치환의 안트릴기, 치환 또는 비치환의 피레닐기, 치환 또는 비치환의 크리세닐기, 치환 또는 비치환의 벤조플루오레닐기, 및 스피로[플루오렌-벤조플루오렌] 등이 있다.
상기 화학식 40의 화합물은 하기의 화합물로서 예시될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 유기 전계 발광 소자는 상기 제1전극과 상기 발광층 사이에 정공 주입층 또는 정공 전달층을 추가로 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 유기 전계 발광 소자의 구성 및 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일양태에 따른 유기 전계 발광 소자의 모식적인 단면도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 유기 전계 발광 소자(100)는 기판(101), 상기 기판(101) 상에 형성된 제1전극(110), 상기 제1전극(110) 상에 형성된 유기층(120) 및 상기 제1전극(110)과 대향하며 상기 유기층(120) 상에 형성된 제2전극(130)을 포함한다.
상기 유기층(120)은 정공 주입층(122), 상기 정공 주입층(122) 상에 형성된 정공 전달층(123), 상기 정공 전달층(123) 상에 형성된 발광층(125), 상기 발광층(125) 상에 형성된 전자 버퍼층(126), 및 상기 전자 버퍼층(126) 상에 형성된 전자 전달 대역(129)을 포함하고, 상기 전자 전달 대역(129)은 상기 전자 버퍼층(126) 상에 형성된 전자 전달층(127) 및 상기 전자 전달층(127) 상에 형성된 전자 주입층(128)을 포함한다.
상기 발광층(125)은 호스트 화합물 및 도판트 화합물을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 호스트 화합물 및 도판트 화합물은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 화합물 중에서 적절히 선택하여 사용하면 된다. 호스트 화합물 및 도판트 화합물의 예는 전술한 바와 같다. 발광층(125)이 호스트 및 도판트를 포함할 경우, 도판트는 발광층의 도판트와 호스트 전체에 대하여 약 25 중량% 미만, 바람직하게는 17 중량% 미만으로 도핑될 수 있다. 상기 발광층(125)을 2 층 이상의 층으로 할 경우, 각 발광층들은 서로 다른 색을 발광하도록 할 수 있다. 예를 들어, 청색, 적색, 녹색을 각각 발광하는 3개의 발광층(125)을 형성함으로써 백색 발광 소자를 제작할 수 있다. 또한 필요에 따라, 황색 또는 오렌지색 발광층을 포함할 수도 있다.
상기 전자 버퍼층(126)에는 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전자 버퍼 재료를 포함하거나, 다른 전자 버퍼용 화합물을 포함할 수 있다. 상기 전자 버퍼층(126)의 두께는 1 nm 이상일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 전자 버퍼층(126)의 두께는 2 내지 200 nm일 수 있다. 상기 전자 버퍼층(126)은 발광층(125)의 상부에 진공증착법, 습식 공정, 레이저 전사법 등과 같은 공지의 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 전자 버퍼층은 전하의 흐름 특성을 제어하는 층을 가리킨다. 이에, 상기 전자 버퍼층은 예를 들어, 전자를 트랩(trap)하거나, 전자를 블로킹(blocking)하거나, 또는 전자 전달 대역과 발광층 사이의 에너지 장벽을 낮추는 것일 수 있다.
상기 전자 전달 대역(129)은 제2 전극에서 발광층으로 전자를 전달하는 대역을 의미한다. 상기 전자 전달 대역(129)은 전자 전달성 화합물, 환원성 도판트, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 상기 전자 전달성 화합물은 트리아진계 화합물, 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디아졸계 화합물, 페릴렌계 화합물, 안트라센계 화합물, 알루미늄 착물, 및 갈륨 착물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 환원성 도판트는 알칼리 금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토류 금속, 희토류 금속, 이들의 할로겐화물, 이들의 산화물, 및 이들의 착체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 환원성 도판트의 구체적인 예로는, 리튬 퀴놀레이트, 나트륨 퀴놀레이트, 세슘 퀴놀레이트, 칼륨 퀴놀레이트, LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO, BaF2가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 전자 전달 대역(129)은 전자 전달층(127), 전자 주입층(128) 또는 이들 둘 다를 포함할 수 있다. 상기 전자 전달층(127) 및 전자 주입층(128) 각각은 2개 이상의 층으로 구성될 수 있다. 상기 전자 전달층(127)은 본 발명의 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 전자 전달 재료를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자 전달층(127)은 전술한 환원성 도판트를 더 포함할 수 있다.
상기 전자 주입층(128)에 사용되는 물질로는 공지된 전자 주입 재료를 사용할 수 있다. 그 예로는 리튬 퀴놀레이트, 나트륨 퀴놀레이트, 세슘 퀴놀레이트, 칼륨 퀴놀레이트, LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO, BaF2가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도 1의 유기 전계 발광 소자는 본원의 내용이 당업자에게 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 일구현예일 뿐, 본 발명이 해당 구현예에 한정되어서는 아니되며, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 예를 들어, 상기 도 1의 유기 전계 발광 소자에서 발광층 및 전자 버퍼층을 제외한, 정공 주입층과 같은 일 임의 구성 요소가 생략될 수 있다. 또한, 일 임의 구성 요소가 추가될 수 있다. 상기 추가될 수 있는 일 구성 요소의 예로는 n-도핑층 및 p-도핑층과 같은 불순물층을 들 수 있다. 또한, 상기 불순물층을 사이에 두고, 양쪽에 하나씩 발광층을 두어 유기 전계 발광 소자를 양면 발광형으로 할 수 있고, 이 때, 양쪽의 발광층이 서로 다른 색을 발광하도록 할 수도 있다. 또한, 상기 제1 전극을 투명 전극으로 하고, 상기 제2 전극을 반사 전극으로 하여 배면 발광형 유기 전계 발광 소자로 하거나, 상기 제1 전극을 반사 전극으로 하고 상기 제2 전극을 투과 전극으로 하여 전면 발광형 유기 전계 발광 소자로 할 수도 있다. 또한, 기판 위에, 캐소드, 전자 전달층, 발광층, 정공 전달층, 정공 주입층, 애노드의 순서로 적층하여 인버티드(inverted) 형태의 유기 전계 발광 소자로 할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일양태에 따른 유기 전계 발광 소자의 층들 간 에너지 갭의 관계를 간략하게 도시한 것이다.
도 2에서, 정공 전달층(123), 발광층(125), 전자 버퍼층(126) 및 전자 전달 대역(129)은 순차적으로 적층되어 있으며, 캐소드로부터 주입된 전자(e)가 전자 전달 대역(129)을 거쳐 전자 버퍼층(126)을 통해 발광층(125)으로 주입된다.
전자 버퍼층(126)의 LUMO 에너지 값은 발광층(125)의 호스트 화합물과 도판트 화합물 및 전자 전달층(127)의 LUMO 에너지 값의 중간 에너지 값을 갖는다. 구체적으로는, LUMO 에너지 값은 상기 전자 전달층 > 전자 버퍼층 > 발광층의 관계에 있다. 도 2와 같이 발광층과 전자 전달층 사이에 0.5 eV 이상의 LUMO 에너지 값 차이가 발생하지만 해당 전자 버퍼층을 삽입함으로써 전자 전달이 원활한 이점이 있다.
본 발명 유기 전계 발광 소자의 일양태에 따르면, 발광층의 LUMO 에너지 값(Ah)이 도판트의 LUMO 에너지 값(Ad)보다 크다.
본 발명 유기 전계 발광 소자의 일양태에 따르면, 전자 전달층의 LUMO 에너지 값(Ae)이 전자버퍼층의 LUMO 에너지 값(Ab)보다 크다.
본 발명 유기 전계 발광 소자의 일양태에 따르면, 전자 전달층의 LUMO 에너지 값(Ae)과 발광층의 LUMO 에너지 값(Ah)은 하기의 식을 만족한다.
Ae ≤ Ah + 0.5 eV
적절한 효율 및 장수명을 위해 바람직하게는, 전자 전달층의 LUMO 에너지 값(Ae)과 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 값(Ab)은 하기의 식을 만족한다.
Ae ≤ Ab + 0.2 ~ 0.3 eV
상기 전자 전달층의 LUMO 에너지 값(Ae), 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 값(Ab)과 발광층의 LUMO 에너지 값(Ah)의 관계에 따른 결과는 전체적인 LUMO 에너지 군에 따른 대체적인 소자의 경향성을 설명하기 위한 것이며, 특정 유도체의 고유 특성 및 재료의 안정성에 따라 상기 결과와 다른 결과가 나타날 수 있다.
상기 전자 버퍼층은 청색, 적색, 녹색 등 모든 색을 발광하는 유기 전계 발광 소자에 포함될 수 있다. 바람직하게는, 청색 발광(즉, 주 피크 파장이 430 내지 470 nm, 바람직하게는 450 nm 대)을 하는 유기 전계 발광 소자에 포함될 수 있다.
또한, 본원의 유기 전계 발광 소자를 이용하여 디스플레이 장치, 예를 들면, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PC, TV 또는 차량용의 디스플레이 장치, 또는 조명 장치, 예를 들면, 옥외 또는 옥내용 조명 장치를 제조하는 것이 가능하다.
이하에서, 본 발명의 상세한 이해를 위하여 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자의 발광특성을 설명한다.
[
비교예
1] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
본 발명에 따르지 않는 OLED 소자를 제조하였다. 우선, OLED용 글래스(지오마텍사 제조) 기판 상의 투명 전극 ITO 박막(10Ω/□)을 아세톤 및 이소프로필알코올을 순차적으로 사용하여 초음파 세척을 실시한 후, 이소프로판올에 넣어 보관한 후 사용하였다. 다음으로 진공 증착 장비의 기판 홀더에 ITO 기판을 장착한 후, 진공 증착 장비 내의 셀에 N4,N4'-디페닐-N4,N4'-비스(9-페닐-9H-카바졸-3-일)-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민(화합물 HI-1)을 넣고 챔버 내의 진공도가 10-7 torr에 도달할 때까지 배기시킨 후, 셀에 전류를 인가하여 증발시켜 ITO 기판 위에 60 nm 두께의 제1 정공주입층을 증착하였다. 이어서, 진공 증착 장비 내의 다른 셀에 1,4,5,8,9,12-헥사아자트리페닐렌-헥사카르보니트릴(화합물 HI-2)을 넣고, 셀에 전류를 인가하여 증발시켜 제1 정공주입층 위에 5 nm 두께의 제2 정공주입층을 증착하였다. 이어서, 진공 증착 장비 내의 다른 셀에 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민(화합물 HT-1)을 넣고, 셀에 전류를 인가하여 증발시켜 제2 정공주입층 위에 20 nm 두께의 제1 정공전달층을 증착하였다. 이어서, 진공 증착 장비 내의 다른 셀에 9-(나프탈렌-2-일)-3-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-카바졸(화합물 HT-2)을 넣고, 셀에 전류를 인가하여 증발시켜 제1 정공전달층 위에 5 nm 두께의 제2 정공전달층을 증착하였다. 정공주입층과 정공전달층을 형성시킨 후, 그 위에 발광층을 다음과 같이 증착시켰다. 진공 증착 장비 내의 한쪽 셀에 호스트로서 화합물 H-82를 넣고, 또 다른 셀에는 도판트로서 화합물 D-38을 각각 넣은 후, 두 물질을 다른 속도로 증발시켜 호스트와 도판트의 합계량에 대해 도판트를 2 중량%의 양으로 도핑함으로써 상기 제2 정공전달층 위에 20 nm 두께의 발광층을 증착하였다. 이어서 상기 발광층 위에 전자 전달 재료로서 한쪽 셀에 BCP(화합물 ETL-1)을 넣고 증발시켜 35 nm 두께의 전자전달층을 증착하였다. 이어서 전자주입층으로 리튬퀴놀레이트(화합물 EIL-1)를 2 nm 두께로 증착한 후, 다른 진공 증착 장비를 이용하여 Al 캐소드를 80 nm의 두께로 증착하여 OLED 소자를 제조하였다. 재료 별로 각 화합물은 10-6 torr 하에서 진공 승화 정제하여 사용하였다.
이상과 같이 제조된 유기 전계 발광 소자의 1,000 nits 휘도 기준의 구동 전압, 발광 효율, CIE색좌표 및 휘도 100%에서 90%로 떨어지는 데까지의 수명 시간의 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한, 비교예 1에서 제조된 유기 전계 발광 소자의 휘도에 따른 전류 효율을 도 3에 그래프로 나타내었다.
[
비교예
2] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
전자전달 재료로서 Alq3(화합물 ETL-2)를 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 비교예 2의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[
비교예
3 및 4] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
전자전달층을 35 nm로 형성하는 대신 전자버퍼층으로 BCP(화합물 ETL-1)를 5 nm 증착한 후, 전자전달층으로 Alq3(화합물 ETL-2)를 30 nm 증착한 것(비교예 3)과 전자버퍼층으로 화합물 B-21을 5 nm 증착한 후, 전자전달층으로 화합물 ETL-3:Liq를 50:50 중량비로 30 nm 증착한 것(비교예 4)을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 비교예 3 및 4의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[
비교예
5 내지 8] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
전자 버퍼층을 형성하지 않고 전자전달층을 [표 1]의 화합물:Liq를 50:50의 중량비로 30 nm 증착한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 비교예 5 내지 8의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[소자
실시예
1 내지 4] 본 발명에 따른 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
소자 실시예 1 내지 4에서는, 전자버퍼층으로 화합물 B-21을 5 nm 증착한 후, 전자전달층으로 [표 1]의 화합물:Liq를 50:50의 중량비로 30 nm 증착한 것 외에는 비교예 1과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 각 소자 실시예 1 내지 4의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한, 소자 실시예 2에서 제조된 유기 전계 발광 소자의 휘도에 따른 전류 효율을 도 3에 그래프로 나타내었다.
[표 1]
[
비교예
9 및 10] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
호스트를 화합물 H-15로 사용하고, 전자전달 재료로서 하기 표 2와 같이 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 비교예 9 및 10의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
[
비교예
11] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
전자전달층을 35 nm로 형성하는 대신 전자버퍼층으로 BCP(화합물 ETL-1)를 5 nm 증착한 후, 전자전달층으로 Alq3(화합물 ETL-2)를 30 nm 증착한 것을 제외하고는, 비교예 9 및 10과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 비교예 11의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
[
비교예
12 내지 14] 본 발명에 따르지 않는 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
전자 버퍼층을 형성하지 않고 전자전달층을 [표 2]의 화합물:Liq를 50:50의 중량비로 30 nm 증착한 것을 제외하고는, 비교예 9 및 10과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 비교예 12 내지 14의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
[소자
실시예
5 내지 7] 본 발명에 따른 청색 발광 유기
전계
발광 소자의 제조
소자 실시예 5 내지 7에서는, 전자버퍼층으로 화합물 B-28을 5 nm 증착한 후, 전자전달층으로 [표 2]의 화합물:Liq를 50:50의 중량비로 30 nm 증착한 것 외에는 비교예 9 및 10과 동일한 방법으로 OLED 소자를 제조하고 평가하였다. 각 소자 실시예 5 내지 7의 유기 전계 발광 소자의 평가 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
[표 2]
상기 [표 1] 및 [표 2]로부터, 소자 실시예 1 내지 4 및 소자 실시예 5 내지 7은 본 발명의 전자 버퍼층 및 전자 전달층의 적절한 조합을 통해, 각각 비교예 1 내지 4 및 비교예 9 내지 11과 대비했을 때, 낮은 구동전압, 높은 효율 및 장수명 특성을 보였다. 또한, 비교예 5 내지 8 및 비교예 12 내지 14와 소자 실시예 1 내지 4 및 소자 실시예 5내지 7을 각각 비교하였을 때, 전자 버퍼층이 발광층과 전자 전달층 사이에 삽입됨에 따라 구동전압, 효율 및 수명 특성이 모두 개선되는 것을 확인하였다. 이는 전자 버퍼층과 전자 전달층의 조합에 따라 전자 주입 특성이 개선될 수 있음을 의미하는데, 이는 LUMO 에너지 값의 원활한 계단 효과(cascade)에 기인하는 것일 수 있다. 하나의 예로, 발광층의 LUMO 에너지 값은 1.6 eV이며, 카바졸 유도체와 트리아진 사이에 링커로 1,4-나프틸기가 포함된 경우 LUMO 에너지 값은 2.1 eV일 수 있다. 이러한 경우 발광층과 전자 전달층의 에너지 장벽이 약 0.5 eV로 매우 높아 비교예 5 내지 8과 같이 높은 구동전압 및 낮은 효율 특성을 보일 수 있다. 하지만 본원 발명 화합물의 전자 버퍼층을 발광층과 전자 전달층 사이에 삽입하게 되면 [도 2]에서와 같이 전자 주입 장벽을 개선시켜 구동전압, 효율 및 수명 특성 모두 개선되는 결과를 얻을 수 있다. 다만, 이는 전자 전달 재료의 링커가 하나의 아릴인 경우로 한정된다. 그 이유는, 2개 이상의 아릴기를 포함하는 링커를 갖는 화합물의 경우 공액길이(conjugation length)가 길어지고 이는 LUMO 에너지 값이 낮아지는 결과로 이어지는데, 이러한 경우 발광층과 전자 전달층의 LUMO 에너지 값 차이가 심해져 전자 전달층의 용도로 적합하지 않기 때문이다.
본 특허의 전자 버퍼층과 전자 전달층의 조합은 수명 상승을 통해 장수명이 요구되는 플렉시블 디스플레이, 조명 및 자동차용 디스플레이에 용이할 것으로 사료된다.
[표 3] 비교예 및 소자 실시예에서 사용된 화합물
100: 유기 발광 소자
101: 기판
110: 제1전극 120: 유기층
122: 정공 주입층 123: 정공 전달층
125: 발광층 126: 전자 버퍼층
127: 전자 전달층 128: 전자 주입층
129: 전자 전달 대역 130: 제2전극
110: 제1전극 120: 유기층
122: 정공 주입층 123: 정공 전달층
125: 발광층 126: 전자 버퍼층
127: 전자 전달층 128: 전자 주입층
129: 전자 전달 대역 130: 제2전극
Claims (10)
- 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 발광층; 및 상기 발광층과 상기 제2 전극 사이의 전자 전달층 및 전자 버퍼층을 포함하고,
상기 전자 버퍼층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 전자 전달층은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 유기 전계 발광 소자.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서,
X1 내지 X5는 각각 독립적으로 CR1 또는 N이고;
R1은 수소, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬, 치환 또는 비치환된 (C3-C30)시클로알킬, 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴, 치환 또는 비치환된 (5-30원)헤테로아릴, 치환 또는 비치환된 트리(C1-C30)알킬실릴, 치환 또는 비치환된 트리(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 디(C1-C30)알킬(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 (C1-C30)알킬디(C6-C30)아릴실릴, 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C1-C30)알킬아미노, 또는 치환 또는 비치환된 모노- 또는 디- (C6-C30)아릴아미노이거나; 인접한 치환체끼리 서로 연결되어 치환 또는 비치환된 (C3-C30) 단일환 또는 다환의 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리를 형성할 수 있으며, 상기 형성된 지환족, 방향족 또는 이들의 조합의 고리의 탄소 원자는 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로원자로 대체될 수 있으며;
L은 단일결합, 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴렌, 또는 치환 또는 비치환된 (5-50원)헤테로아릴렌이고;
Ar은 치환 또는 비치환된 (C6-C50)아릴, 또는 치환 또는 비치환된 (5-50원)헤테로아릴이며;
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 (C6-C30)아릴이고;
L1은 나프틸렌이며;
A 고리 및 B 고리는 각각 독립적으로 벤젠, 페닐벤젠 또는 나프탈렌이고, 단, 이들 중 적어도 하나는 나프탈렌이며;
n은 1 내지 3의 정수이고;
상기 헤테로아릴(렌)은 B, N, O, S, Si 및 P로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함한다. - 제1항에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 3 또는 4로 표시되는 것인, 유기 전계 발광 소자.
[화학식 3] [화학식 4]
상기 화학식 3 및 4에서,
Ar3 및 Ar4는 R1의 정의와 같고,
L, Ar 및 n은 제1항에서 정의한 바와 같다. - 제1항에 있어서, 상기 화학식 2는 하기 화학식 5 또는 6으로 표시되는 것인, 유기 전계 발광 소자.
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 5 및 6에서,
X1, L1, Ar1 및 Ar2는 제1항에서 정의한 바와 같고,
m은 0 또는 1이다. - 제1항에 있어서, 상기 화학식 2에서 L1이 하기 화학식 8 내지 10 중 어느 하나로 표시되는 것인, 유기 전계 발광 소자.
[화학식 8] [화학식 9] [화학식 10]
상기 화학식 8 내지 10에서,
은 연결 부위를 나타낸다.
- 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 하기 화합물로부터 선택되는 것인, 유기 전계 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물이 하기 화합물로부터 선택되는 것인, 유기 전계 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 발광층이 호스트 화합물 및 도판트 화합물을 포함하고, 상기 전자 버퍼층의 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 값이 상기 호스트 화합물의 LUMO 에너지 값보다 크고, 상기 전자 전달층의 LUMO 에너지 값이 상기 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 값보다 큰 것인, 유기 전계 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전자 전달층의 LUMO 에너지 값(Ae)과 상기 발광층의 LUMO 에너지 값(Ah)은 하기의 식을 만족하는 것인, 유기 전계 발광 소자.
Ae ≤ Ah + 0.5 eV - 제1항에 있어서, 상기 전자 전달층의 LUMO 에너지 값(Ae)과 상기 전자 버퍼층의 LUMO 에너지 값(Ab)은 하기의 식을 만족하는 것인, 유기 전계 발광 소자.
Ae ≤ Ab + 0.2 ~ 0.3 eV - 제1항에 있어서, 상기 전자 전달층은 환원성 도판트를 추가로 포함하는, 유기 전계 발광 소자.
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