KR20190137436A - 유기 화합물과 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치 - Google Patents

유기 화합물과 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하기 화학식으로 표시되는 유기 화합물 및 이를 이용하는 유기발광다이오드와 유기발광표시장치를 제공한다.
Figure pat00129

Description

유기 화합물과 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치{ORGANIC COMPOUNDS, ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE AND ORGNIC LIGHT EMITTING DISPLAY DEVICE INCLUDING THE COMPOUNDS}
본 발명은 유기 화합물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 삼중항 에너지를 갖고 n-타입 호스트로 이용되는 유기 화합물과, 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치에 관한 것이다.
최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는데, 이러한 평면표시소자 중 하나로서 발광다이오드를 포함하며 유기전계발광소자(organic electroluminescent device: OELD)라고도 불리는 유기발광 표시장치(organic light emitting display (OLED) device)의 기술이 빠른 속도로 발전하고 있다.
발광다이오드는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기 발광층에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 플라스틱 같은 휠 수 있는(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있을 뿐 아니라, 낮은 전압에서 (10V이하) 구동이 가능하고, 또한 전력 소모가 비교적 적으며, 색순도가 뛰어나다는 장점이 있다.
유기 발광층은 발광 물질층의 단일층 구조를 갖거나, 발광 효율 향상을 위해 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 유기발광층은, 정공 주입층(hole injection layer, HIL), 정공 수송층(hole transporting layer; HTL), 발광 물질층(emitting material layer; EML), 전자 수송층(electron transporting layer, ETL) 및 전자 주입층(electron injection layer, EIL)으로 구성되는 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 발광 물질층은 발광을 위한 도펀트를 포함한다. 하지만 도펀트는 농도 소광 현상으로 급격한 효율감소가 발생하기 때문에, 발광 물질층이 도펀트만으로 이루어지는 경우 급격한 효율감소로 인해 표시장치에 적용하는데 한계가 있다. 따라서, 도펀트보다 삼중항 에너지가 높은 호스트와 함께 발광 물질층을 구성한다.
예를 들어, CBP와 같은 유기 화합물이 발광 물질층의 호스트로 주로 이용되고 있다. 그런데, 종래 유기발광다이오드에서는, 예측되는 수명과 발광효율이 구현되지 못하는 문제가 있다.
즉, 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치의 수명과 발광효율에 한계가 있다.
본 발명은 종래 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치에서의 낮은 발광 효율과 수명 문제를 해결하고자 한다.
본 발명은, 하기 화학식1로 표시되며, A, B 각각은 독립적으로 하기 화학식2로부터 선택되고,
화학식2에서, X1, X2 각각은 독립적으로 산소 또는 황이며, X3는 탄소 또는 질소이고, R1, R2, R3, R4, R5, R6 각각은 독립적으로 수소, 시아노기 또는 C1~C10의 알킬기인 유기 화합물을 제공한다.
[화학식1]
Figure pat00001
[화학식2]
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
본 발명의 유기 화합물에 있어서, A, B 각각은 독립적으로 하기 화학식3으로부터 선택된다.
[화학식3]
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
본 발명의 유기 화합물에 있어서, 상기 화학식으로 표시되는 유기 화합물은 하기 화합물 중 어느 하나이다.
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
다른 관점에서, 본 발명은, 제 1 전극과; 상기 제 1 전극과 마주보는 제 2 전극과; 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광물질층을 포함하고, 상기 제 1 발광물질층은 전술한 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드를 제공한다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 유기 화합물은 제 1 호스트로 이용되고, 상기 제 1 발광물질층은 지연 형광 물질인 제 1 도펀트를 더 포함한다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 제 1 호스트의 최고준위 점유 분자궤도 레벨(HOMOHost)과 상기 제 1 도펀트의 최고준위 점유 분자궤도 레벨(HOMODopant) 차이(|HOMOHost-HOMODopant|) 또는 상기 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도 레벨(LUMOHost)과 상기 제 1 도펀트의 최저준위 비점유 분자궤도 레벨(LUMODopant) 차이(|LUMOHost- LUMODopant|)는 0.5eV 이하이다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 제 1 발광물질층은 형광 물질인 제 2 도펀트를 더 포함하며, 상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 크다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 제 1 도펀트의 제 1 삼중항 에너지는 상기 제 1 호스트의 제 2 삼중항 에너지보다 작고 상기 제 2 도펀트의 제 3 삼중항 에너지보다 크다.
본 발명의 유기발광다이오드는, 제 2 호스트와 형광 물질인 제 2 도펀트를 포함하며 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 더 포함한다.
본 발명의 유기발광다이오드는, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더 포함하고, 상기 제 2 호스트는 상기 전자차단층의 물질과 동일하다.
본 발명의 유기발광다이오드는, 제 3 호스트와 형광 물질인 제 3 도펀트를 포함하며 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 3 발광물질층을 더 포함한다.
본 발명의 유기발광다이오드는, 상기 제 2 전극과 상기 제 3 발광물질층 사이에 위치하는 정공차단층을 더 포함하고, 상기 제 3 호스트는 상기 정공차단층의 물질과 동일하다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 상기 제 2 및 제 3 도펀트의 단일항 에너지보다 크다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 제 1 호스트의 단일항 에너지와 삼중항 에너지 각각은 상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지와 삼중항 에너지보다 크고, 상기 제 2 호스트의 단일항 에너지는 상기 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 크며, 상기 제 3 호스트의 단일항 에너지는 상기 제 3 도펀트의 단일항 에너지보다 크다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 상기 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 크다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 상기 유기 발광층은, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이의 정공수송층과, 상기 제 1 전극과 상기 정공수송층 사이의 정공주입층과, 상기 정공수송층과 상기 제 1 발광물질층 사이의 전자차단층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이의 전자수송층과, 상기 전자수송층과 상기 제 2 전극 사이의 전자주입층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 전자수송층 사이의 정공차단층을 포함하고, 상기 유기 화합물은 상기 제 1 발광물질층에서 호스트로 이용되며, 상기 제 1 발광물질층은 도펀트를 더 포함한다.
또 다른 관점에서, 본 발명은, 기판과; 상기 기판 상부에 위치하는 전술한 유기발광다이오드와; 상기 기판과 상기 유기발광다이오드 사이에 위치하며 상기 유기발광다이오드에 연결되는 박막트랜지스터를 포함하는 유기발광 표시장치를 제공한다.
본 발명의 유기 화합물은 n-타입 특성과 높은 삼중항 에너지를 갖는다. 따라서, 본 발명의 유기 화합물이 유기 발광층에서 호스트로 이용되는 경우, 발광 물질층과 정공 수송층(또는 전자 차단층)의 계면 근처에서 발광이 일어난다.
이 경우, p-타입 호스트를 이용함으로써 발광이 발광 물질층과 전자 수송층(또는 정공 차단층)의 계면 근처에서 발광이 일어나는 종래 유기발광다이오드(또는 유기발광 표시장치)에 비해 발광 효율과 수명이 향상된다.
즉, 본 발명의 유기발광다이오드와 유기발광 표시장치는 높은 삼중항 에너지를 갖는 n-타입의 유기 화합물을 호스트로 이용함으로써, 발광 효율과 수명 측면에서 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 유기발광 표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 3은 화합물1의 NMR 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 화합물2의 NMR 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 화합물3의 NMR 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 화합물4의 NMR 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b 각각은 p-타입 호스트를 이용한 유기발광다이오드와 본 발명의 유기발광다이오드에서의 발광을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 유기발광 표시장치의 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유기발광 표시장치(100)는 기판(110) 상에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와 상기 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)를 포함한다.
상기 기판(110)은 유리기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 폴리이미드로 이루어질 수 있다.
상기 기판(110) 상에는 버퍼층(120)이 형성되고, 상기 버퍼층(120) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 상기 버퍼층(120)은 생략될 수 있다.
상기 버퍼층(120) 상에는 반도체층(122)이 형성된다. 상기 반도체층(122)은 산화물 반도체 물질로 이루어지거나 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체층(122)이 산화물 반도체 물질로 이루어질 경우, 상기 반도체층(122) 하부에는 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있으며, 차광패턴은 반도체층(122)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(122)이 빛에 의해 열화되는 것을 방지한다. 이와 달리, 반도체층(122)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(122)의 양 가장자리에 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
반도체층(122) 상부에는 절연물질로 이루어진 게이트 절연막(124)이 형성된다. 상기 게이트 절연막(124)은 산화 실리콘 또는 질화 실리콘과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
상기 게이트 절연막(124) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(130)이 반도체층(122)의 중앙에 대응하여 형성된다.
도 1에서는, 게이트 절연막(124)이 기판(110) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(124)은 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝될 수도 있다.
상기 게이트 전극(130) 상부에는 절연물질로 이루어진 층간 절연막(132)이 형성된다. 층간 절연막(132)은 산화 실리콘이나 질화 실리콘과 같은 무기 절연물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연물질로 형성될 수 있다.
상기 층간 절연막(132)은 상기 반도체층(122)의 양측을 노출하는 제 1 및 제 2 콘택홀(134, 136)을 갖는다. 제 1 및 제 2 콘택홀(134, 136)은 게이트 전극(130)의 양측에 게이트 전극(130)과 이격되어 위치한다.
여기서, 제 1 및 제 2 콘택홀(134, 136)은 게이트 절연막(124) 내에도 형성된다. 이와 달리, 게이트 절연막(124)이 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝될 경우, 제 1 및 제 2 콘택홀(134, 136)은 층간 절연막(132) 내에만 형성될 수도 있다.
상기 층간 절연막(132) 상에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어지는 소스 전극(140)과 드레인 전극(142)이 형성된다.
소스 전극(140)과 드레인 전극(142)은 상기 게이트 전극(130)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 상기 제 1 및 제 2 콘택홀(134, 136)을 통해 상기 반도체층(122)의 양측과 접촉한다.
상기 반도체층(122)과, 상기 게이트전극(130), 상기 소스 전극(140), 상기 드레인전극(142)은 상기 박막트랜지스터(Tr)를 이루며, 상기 박막트랜지스터(Tr)는 구동 소자(driving element)로 기능한다.
상기 박막트랜지스터(Tr)는 상기 반도체층(120)의 상부에 상기 게이트 전극(130), 상기 소스 전극(142) 및 상기 드레인 전극(144)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다.
이와 달리, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도시하지 않았으나, 게이트 배선과 데이터 배선이 서로 교차하여 화소영역을 정의하며, 상기 게이트 배선과 상기 데이터 배선에 연결되는 스위칭 소자가 더 형성된다. 상기 스위칭 소자는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다.
또한, 파워 배선이 상기 데이터 배선 또는 상기 데이터 배선과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 캐패시터가 더 구성될 수 있다.
상기 박막트랜지스터(Tr)의 상기 드레인 전극(142)을 노출하는 드레인 콘택홀(152)을 갖는 보호층(150)이 상기 박막트랜지스터(Tr)를 덮으며 형성된다.
상기 보호층(150) 상에는 상기 드레인 콘택홀(152)을 통해 상기 박막트랜지스터(Tr)의 상기 드레인 전극(142)에 연결되는 제 1 전극(160)이 각 화소 영역 별로 분리되어 형성된다. 상기 제 1 전극(160)은 애노드(anode)일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(160)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(indium-zinc-oxide, IZO)와 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 표시패널(110)이 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 상기 제 1 전극(160) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 보호층(150) 상에는 상기 제 1 전극(160)의 가장자리를 덮는 뱅크층(166)이 형성된다. 상기 뱅크층(166)은 상기 화소영역에 대응하여 상기 제 1 전극(160)의 중앙을 노출한다.
상기 제 1 전극(160) 상에는 유기 발광층(162)이 형성된다. 상기 유기 발광층(162)은 발광물질로 이루어지는 발광물질층(emitting material layer)의 단일층 구조일 수 있다. 또한, 발광 효율을 높이기 위해, 상기 유기 발광층(162)은 다중 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 유기 발광층(162)은 상기 제 1 및 제 2 전극(160, 164) 사이에 위치하는 발광물질층(240)과, 상기 제 1 전극(160)과 상기 발광 물질층(240) 사이에 위치하는 정공 수송층(hole transporting layer, 220)과, 상기 제 2 전극(164)과 상기 발광 물질층(240) 사이에 위치하는 전자 수송층(electron transporting layer, 260)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기 발광층(162)은 상기 제 1 전극(160)과 상기 정공 수송층(220) 사이에 위치하는 정공 주입층(hole injection layer, 210)과, 상기 제 2 전극(164)과 상기 전자 수송층(260) 사이에 위치하는 전자 주입층(electron injection layer, 270)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 유기 발광층(162)은 상기 정공 수송층(220)과 발광물질층(240) 사이에 위치하는 전자 차단층(electron blocking layer, 230)과 상기 발광 물질층(240)과 상기 전자 수송층(260) 사이에 위치하는 정공 차단층(hole blocking layer, 250)을 더 포함할 수도 있다.
상기 유기 발광층(162)이 형성된 상기 기판(110) 상부로 제 2 전극(164)이 형성된다. 상기 제 2 전극(164)은 표시영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 캐소드(cathode)로 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전극(164)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 알루미늄-마그네슘 합금(AlMg) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 전극(160), 상기 유기발광층(162) 및 상기 제 2 전극(164)는 유기발광다이오드(D)를 이룬다.
상기 제 2 전극(164) 상에는, 외부 수분이 상기 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 170)이 형성된다. 상기 인캡슐레이션 필름(170)은 제 1 무기 절연층(172)과, 유기 절연층(174)과 제 2 무기 절연층(174)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 인캡슐레이션 필름(170) 상에는 외부광 반사를 줄이기 위한 편광판(미도시)이 부착될 수 있다. 예를 들어, 상기 편광판은 원형 편광판일 수 있다.
또한, 상기 인캡슐레이션 필름(170) 또는 편광판 상에 커버 윈도우(미도시)가 부착될 수 있다. 이때, 상기 기판과 상기 커버 윈도우가 플렉서블 특성을 가져, 플렉서블 표시장치를 이룰 수 있다.
상기 유기발광층(162)은 하기 화학식으로 표시되는 유기 화합물을 포함한다.
[화학식1]
Figure pat00037
상기 화학식1에서, A, B 각각은 독립적으로 치환 또는 비치환된 디벤조퓨라닐, 치환 또는 비치환된 디벤조퓨라닐 페닐, 치환 또는 비치환된 카바조일, 치환 또는 비치환된 카바조일 페닐, 치환 또는 비치환된 카바조일 피리디릴, 치환 또는 비치환된 디벤조티오페닐, 치환 또는 비치환된 디벤조티오페닐 페닐, 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 피리딜로부터 선택될 수 있다. 이때, 치환기는 시아노기 또는 C1~C10의 알킬기일 수 있다.
예를 들어, A, B 중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 디벤조퓨라닐, 치환 또는 비치환된 디벤조퓨라닐 페닐일 수 있다. 즉, 본 발명의 유기 화합물에서, 디벤조퓨라닐 치환기가 디벤조퓨란 코어의 4번 위치와 6번 위치 중 적어도 하나에 직접 또는 페닐렌 링커를 통해 연결(결합)될 수 있다.
A, B 각각은 독립적으로 하기 화학식2로부터 선택될 수 있다.
[화학식2]
Figure pat00038
Figure pat00039
Figure pat00040
Figure pat00041
Figure pat00042
화학식2에서, X1, X2 각각은 독립적으로 산소 또는 황일 수 있고, X는 탄소 또는 질소일 수 있다. 또한, R1, R2, R3, R4, R5, R6 각각은 독립적으로 수소, 시아노기, 또는 C1~C10의 알킬기일 수있다.
예를 들어, A, B 각각은 독립적으로 하기 화학식3으로부터 선택될 수 있다.
[화학식3]
Figure pat00043
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Figure pat00045
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Figure pat00058
본 발명의 유기 화합물은 디벤조퓨란 코어를 가지며 이에 따라 n-타입 호스트로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 화합물에서, 디벤조퓨란 코어의 4번 위치 및 6번 위치에 디벤조퓨라닐 모이어티, 카바조일 모이어티, 디벤조티오페닐 모이어티, 페닐 모이어티 또는 피리딜 모이어티가 직접 또는 링커(페닐렌 링커 또는 피리딜렌 링커)를 통해 결합되기 때문에, 유기 화합물은 높은 삼중항 에너지를 갖는다.
더욱이, 디벤조퓨라닐 모이어티, 카바조일 모이어티 또는 디벤조티오페닐 모이어티가 링커를 통해 디벤조퓨란 코어에 연결되는 경우, 디벤조퓨라닐 모이어티, 카바조일 모이어티 또는 디벤조티오페닐 모이어티와 디벤조퓨란 코어는 메타 위치에 연결되므로, 유기 화합물의 삼중항 에너지는 더욱 증가한다.
따라서, 본 발명의 유기 화합물이 발광물질층의 호스트로 이용되는 경우, 유기발광다이오드 및 유기발광 표시장치의 발광효율과 수명이 향상된다.
일반적으로 n-타입 유기 화합물의 경우 비교적 낮은 삼중항 에너지를 가지며 삼중항 에너지를 높이기 위해 카바졸 모이어티 등이 포함되더라도 삼중항 에너지의 유지가 어렵다.
그러나, 본 발명의 유기 화합물에서는, 디벤조퓨란 코어의 4번 위치 및 6번 위치에서 디벤조퓨란 모이어티, 카바졸 모이어티, 디벤조티오페닐 모이어티, 페닐 모이어티 또는 피리딜 모이어티와의 결합이 일어나기 때문에, 본 발명의 유기 화합물은 n-타입 특성과 높은 삼중항 에너지를 갖게 된다.
본 발명의 유기 화합물은 유기발광층(162), 보다 정확히는 유기발광층(162)의 발광물질층(240) 또는 정공차단층(230)에 포함된다. 발광물질층(240)에서, 유기 화합물은 호스트(host)로 이용되며, 발광물질층(240)은 (dopant)를 더 포함할 수 있다. 도펀트는 호스트에 대하여 약 1~40의 중량비(wt%)를 갖는다. 이때 도펀트는 지연형광 도펀트, 형광 도펀트, 인광 도펀트 중 적어도 하나일 수 있다.
예를 들어, 발광물질층(240)이 본 발명의 유기 화합물인 호스트와 지연 형광 도펀트를 포함하는 경우, 상기 호스트의 최고준위 점유 분자궤도 레벨(HOMOHost)과 상기 지연 형광 도펀트의 최고준위 점유 분자궤도 레벨(HOMODopant) 차이(|HOMOHost-HOMODopant|) 또는 상기 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도 레벨(LUMOHost)과 상기 도펀트의 최저준위 비점유 분자궤도 레벨(LUMODopant) 차이(|LUMOHost-LUMODopant|)는 0.5eV이하가 되도록 한다. 이에 따라, 호스트에서 지연 형광 도펀트로의 전하이동(charge transfer) 효율이 향상된다.
이때, 상기 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지가 상기 호스트의 삼중항 에너지보다 작고, 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지와 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지의 차이(ΔEST)는 0.3eV이하인 것을 특징으로 한다. ΔEST가 작을수록 발광효율이 증가하며, 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지와 삼중항 에너지의 차이(ΔEST)가 비교적 큰 약 0.3eV가 되더라도 전계에 의해 단일항 상태(S1) 여기자와 삼중항 상태(T1) 여기자가 중간 상태(I1)로 전이 될 수 있다. (ΔEST≤0.3)
한편, 상기 발광물질층(240)은 본 발명의 유기 화합물을 호스트로 포함하고 지연 형광 도펀트(제 1 도펀트)와 형광 도펀트(제 2 도펀트)를 포함할 수 있다. 도핑된 상기 제 1 및 제 2 도펀트의 합은 호스트에 대하여 약 1~40wt%일 수 있다.
이때, 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 크다. 또한, 제 1 도펀트의 삼중항 에너지는 호스트의 삼중항 에너지보다 작고 제 2 도펀트의 삼중항 에너지보다 크다.
상기 발광물질층(240)이 호스트 물질과 제 1 및 제 2 도펀트 물질을 포함함으로써, 발광 효율 및 색감이 더욱 향상된다. 즉, 호스트에서 제 1 도펀트로 에너지 전이가 일어나고, 제 1 도펀트의 단일항 에너지와 삼중항에너지가 제 2 도펀트로 전달되어 제 2 도펀트에서 발광이 일어나기 때문에, 유기발광다이오드(D)의 양자 효율이 증가하고 반치폭이 좁아진다.
지연 형광 특성을 갖는 제 1 도펀트는 높은 양자효율을 갖지만 반치폭이 넓기 때문에 색순도가 좋지 않고, 형광 물질인 제 2 도펀트는 반치폭이 좁기 때문에 색순도에서 장점을 갖지만 삼중항 여기자가 발광에 참여하지 못하기 때문에 낮은 양자효율을 갖는다.
그러나, 발광물질층(340)이 지연 형광 물질인 제 1 도펀트와 형광 물질인 제 2 도펀트를 포함하는 경우, 발광효율과 색순도 모두에서 장점을 갖게 된다.
이때 높은 삼중항 에너지를 갖는 n-타입 호스트인 본 발명의 유기 화합물이 이용됨으로써, 발광 효율이 더욱 향상된다.
예를 들어, 화학식1의 유기 화합물은 하기 화학식4의 화합물 중 어느 하나일 수 있다.
[화학식4]
Figure pat00059
Figure pat00060
Figure pat00061
Figure pat00062
Figure pat00063
Figure pat00064
Figure pat00065
Figure pat00066
Figure pat00067
Figure pat00068
Figure pat00069
Figure pat00070
Figure pat00071
Figure pat00072
[유기 화합물의 합성]
1. 화합물1의 합성
[반응식1]
Figure pat00073
질소 환경 하에서, 화합물A를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 2.4 당량의 화합물B를 첨가하였다. 8.8 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.1 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물1을 얻었다.
화합물1의 NMR 분석 결과를 도 3에 도시하였다.
2. 화합물2의 합성
(1) 화합물C
[반응식2-1]
Figure pat00074
질소 환경 하에서, 화합물A를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물B를 첨가하였다. 4.4 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.05 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물C를 얻었다.
(2) 화합물F
[반응식2-2]
Figure pat00075
질소 환경 하에서, 화합물E를 toluene에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물D를 첨가하였다. 4.4 당량의 sodium t-butoxide를 넣은 후, 0.05 당량의 Pd2(dba)3 및 tri-tert-butyl phosphine을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물F를 얻었다.
(3) 화합물G
[반응식2-3]
Figure pat00076
질소 환경 하에서, 화합물F를 tetrahydrofuran에 녹인 다음, 1.2 당량의 n-butyllithium을 -78℃에서 서서히 첨가하였다. 반응 혼합물을 -78℃에서 1시간 동안 교반한 후, 반응 혼합물을 상온에서 2시간 교반하였다. 다시 반응 혼합물을 -78℃로 냉각하여 trimethyl borate를 첨가하고 천천히 상온으로 올려 2시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물에 희석시킨 HCl(5.0%)을 서서히 붓고 pH를 5~6 사이를 유지하면서, 1시간 동안 교반한 후, dichloromethane로 추출하였다. 유기층을 brine 및 DI water로 추출한 후, MgSO4로 수분을 제거하였다. 유기용매를 제거함으로써, 화합물G를 얻었다.
(4) 화합물2
[반응식2-4]
Figure pat00077
질소 환경 하에서, 화합물C를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물G를 첨가하였다. 4.4 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.05 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물2를 얻었다.
화합물2의 NMR 분석 결과를 도 4에 도시하였다.
3. 화합물3의 합성
(1) 화합물F'
[반응식3-1]
Figure pat00078
질소 환경 하에서, 화합물E를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물B를 첨가하였다.
4.4 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.04 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 60℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물F’을 얻었다.
(2) 화합물G'
[반응식3-2]
Figure pat00079
질소 환경 하에서, 화합물F'을 tetrahydrofuran에 녹인 다음, 1.2 당량의 n-butyllithium을 -78℃에서 서서히 첨가하였다. 반응 혼합물을 -78℃에서 1시간 동안 교반한 후, 반응 혼합물을 상온에서 2시간 교반하였다. 다시 반응 혼합물을 -78℃로 냉각하여 trimethyl borate를 첨가하고 천천히 상온으로 올려 2시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물에 희석시킨 HCl(5.0%)을 서서히 붓고 pH를 5~6 사이를 유지하면서, 1시간 동안 교반한 후, dichloromethane로 추출하였다. 유기층을 brine 및 DI water로 추출한 후, MgSO4로 수분을 제거하였다. 유기용매를 제거한 후, 화합물G’을 얻었다.
(3) 화합물H
[반응식3-3]
Figure pat00080
질소 환경 하에서, 화합물A를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물G’을 첨가하였다. 4.4 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.05 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물H를 얻었다.
(4) 화합물3
[반응식3-4]
Figure pat00081
질소 환경 하에서, 화합물H를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물G를 첨가하였다. 4.4 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.05 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물3을 얻었다.
화합물3의 NMR 분석 결과를 도 5에 도시하였다.
4. 화합물4의 합성
(1) 화합물F"
[반응식4-1]
Figure pat00082
질소 환경 하에서, 화합물E’을 toluene에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물D를 첨가하였다. 4.4 당량의 sodium t-butoxide를 넣은 후, 0.05 당량의 Pd2(dba)3 및 tri-tert-butyl phosphine을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물F”을 얻었다.
(2) 화합물G"
[반응식4-2]
Figure pat00083
질소 환경 하에서, 화합물F”을 tetrahydrofuran에 녹인 다음, 1.2 당량의 n-butyllithium을 -78℃에서 서서히 첨가하였다. 반응 혼합물을 -78℃에서 1시간 동안 교반한 후, 반응 혼합물을 상온에서 2시간 교반하였다. 다시 반응 혼합물을 -78℃로 냉각하여 trimethyl borate를 첨가하고 천천히 상온으로 올려 2시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물에 희석시킨 HCl(5.0%)을 서서히 붓고 pH를 5~6 사이를 유지하면서, 1시간 동안 교반한 후, dichloromethane로 추출하였다. 유기층을 brine 및 DI water로 추출한 후, MgSO4로 수분을 제거하였다. 유기용매를 제거함으로써, 화합물G”을 얻었다.
(3) 화합물4
[반응식4-3]
Figure pat00084
질소 환경 하에서, 화합물C를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물G”을 첨가하였다. 4.4 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.05 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물4를 얻었다.
화합물4의 NMR 분석 결과를 도 6에 도시하였다.
5. 화합물5의 합성
[반응식5]
Figure pat00085
질소 환경 하에서, 화합물I를 tetrahydrofuran/toluene(5:1) 용매에 녹인 다음 2.4 당량의 화합물J를 첨가하였다. 8.8 당량의 potassium carbonate을 증류수(DI water)에 녹인 후, 0.1 당량의 Pd(0)을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물5를 얻었다.
6. 화합물10의 합성
[반응식6]
Figure pat00086
질소 환경 하에서, 화합물C를 toluene에 녹인 다음 1.2 당량의 화합물D를 첨가하였다. 4.4 당량의 sodium t-butoxide를 넣은 후, 0.05 당량의 Pd2(dba)3 및 tri-tert-butyl phosphine을 첨가하였다. 이후 반응 혼합물을 80℃에서 환류시키며 24시간 동안 교반하고 반응을 종결하였다. 유기 용매로 추출 후, 유기 용매를 제거하였다. 컬럼(column) 후 재침전을 통해 화합물10을 얻었다.
화학식2의 화합물1 내지 10과, 아래 화학식5 내지 화학식7에 표시된 화합물의 물리적 특성(HOMO레벨, LUMO레벨, 삼중항 에너지(ET))을 측정하여 아래 표1에 기재하였다. (단위 [eV])
[화학식5]
Figure pat00087
[화학식6]
Figure pat00088
[화학식7]
Figure pat00089
[표1]
Figure pat00090
표1에서 보여지는 바와 같이, p-타입 호스트인 화학식5의 화합물(CBP)에 비해 본 발명의 유기 화합물은 높은 삼중항 에너지를 갖는다. 따라서, 본 발명은 유기 화합물은 발광물질층의 호스트로 이용되어 높은 에너지 효율을 구현할 수 있고, n-타입 호스트로서 후술되는 바와 같이 발광 영역의 이동으로 인해 종래 p-타입 호스트를 이용하는 경우보다 발광 효율 및 수명에서 장점을 갖는다.
더욱이, 카바졸 모이어티 또는 디벤조퓨란 모이어티가 디벤조퓨란 코어의 2번 위치 및 8번 위치에 연결되는 화학식6, 7 화합물과 비교할 때, 본 발명의 유기 화합물에서는 디벤조퓨란 코어의 4번 위치 및 6번 위치에 디벤조퓨라닐 모이어티 또는 카바조일 모이어티가 직접 또는 링커(페닐렌 링커 또는 피리디닐렌 링커)를 통해 결합되기 때문에, 본 발명의 유기 화합물은 높은 삼중항 에너지를 갖는다. 즉, 디벤조퓨란 코어에서의 결합 위치에 의해, 화합물의 삼중항 에너지가 증가하며 발광 효율 및 수명이 향상된다.
[유기발광다이오드]
진공 증착 챔버에서, 약 10-7 Torr 진공 하에 아래와 같은 순서로 층들을 ITO기판에 증착하였다.
(a) HIL (50 Å, HATCN)
(b) HTL (500 Å, NPB)
(c) EBL (100 Å, MCP)
(d) EML (300 Å, HOST: Dopant (30wt%, 화학식8))
(e) ETL (300 Å, TPBI)
(f) EIL (10 Å, LiF)
(h) Cathode (1000 Å, Al)
[화학식8]
Figure pat00091
(1) 비교예1(Ref1)
호스트로서 상기 화학식5의 화합물을 이용하였다.
(2) 비교예2(Ref2)
호스트로서 상기 화학식6의 화합물을 이용하였다.
(3) 비교예3(Ref3)
호스트로서 상기 화학식7의 화합물을 이용하였다.
(4) 실험예1(Ex1)
호스트로서 화학식2의 화합물1을 이용하였다.
(5) 실험예2(Ex2)
호스트로서 화학식2의 화합물2를 이용하였다.
(6) 실험예3(Ex3)
호스트로서 화학식2의 화합물3을 이용하였다.
(7) 실험예3(Ex3)
호스트로서 화학식2의 화합물4를 이용하였다.
비교예1 내지 비교예3, 실험예1 내지 실험예4에서 제작된 유기발광다이오드의 특성을 측정하였다. 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 이용하여, 유기발광다이오드의 구동 전압, 외부양자효율(EQE), CIE 색좌표 측정 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
[표 2]
Figure pat00092
표 2에서 보여지는 바와 같이, 비교예1 내지 3과 비교하여, 본 발명의 유기 화합물을 호스트로 이용하는 실험예1 내지 4의 발광효율(외부양자효율)이 크게 증가한다.
전술한 바와 같이, CBP와 같은 유기 화합물이 발광 물질층의 호스트로 이용되고 있는데, 이는 p-타입의 호스트이며 일반적으로 p-타입 유기 화합물의 삼중항 에너지가 비교적 높다.
즉, 도펀트와 호스트를 포함하는 발광 물질층에서 호스트의 삼중항 에너지가 도펀트의 삼중항 에너지보다 높아야 에너지 효율이 증가하며, 이에 따라 p-타입의 호스트가 주로 이용되었다.
그런데, p-타입 호스트를 이용하는 경우 발광 효율과 수명에서 문제가 발생하고 있고, 이는 발광 영역의 이동(shift)에 의한 것으로 보인다.
즉, p-타입 호스트를 이용한 유기발광다이오드에서의 발광을 설명하기 위한 개략적인 도면인 도 7a을 참조하면, 전자 차단층(EBL), 발광 물질층(EML), 정공 차단층(HBL)이 순차 적층된 구조에서, 발광 물질층(EML)의 p-타입 호스트에 의해 정공의 이동 속도가 상대적으로 빨라지고 이에 따라 정공과 전자의 결합으로 인한 발광 영역이 발광 물질층(EML)과 정공 차단층(HBL)의 계면 근처에 형성된다.
한편, 본 발명의 유기발광다이오드에서의 발광을 설명하기 위한 도 7b를 참조하면, 발광 물질층(EML)의 n-타입 호스트(본 발명의 유기 화합물)에 의해 전자의 이동 속도가 상대적으로 빨라지고 이에 따라 정공과 전자의 결합으로 인한 발광 영역이 발광 물질층(EML)과 전자 차단층(EBL)의 계면 근처에 형성된다.
이와 같이, p-타입 호스트와 n-타입 호스트의 차이에 의해 발광 영역의 위치가 다르게 되고, 위 표2에서 보여지는 바와 같이 발광효율 및 수명에서 큰 차이가 발생한다.
즉, p-타입 호스트와 n-타입 호스트를 이용하는 경우 모두에서 발광은 발광 물질층(EML)의 중앙에서 일어나지 않고 어느 한쪽으로 이동하지만, 발광이 제 1 전극에 근접하여, 예를 들어 전자 차단층 또는 정공 수송층과 발광 물질층의 계면 근처에서 일어나는 경우 발광 효율과 수명이 증가한다.
또한, 비교예2 및 비교예3 역시 n-타입 호스트를 이용하지만, 화학식6의 화합물에서는 디벤조퓨란 모이어티의 2번 및 8번 위치에 카바졸 모이어티가 결합되고 화학식7 화합물에서는 디벤조퓨란 모이어티의 2번 및 8번 위치에 디벤조퓨란 모이어티 결합되기 때문에, 화학식5 및 화학식7의 화합물은 본 발명의 화합물에 비해 낮은 삼중항 에너지를 갖고 이에 따라 발광다이오드의 발광효율과 수명이 감소한다.
즉, 본 발명의 유기 화합물에서는, 디벤조퓨란 코어의 4번 위치 및 6번 위치에서 디벤조퓨란 모이어티 또는 카바졸 모이어티와의 결합이 일어나기 때문에, 본 발명의 유기 화합물은 n-타입 특성과 높은 삼중항 에너지를 갖고 유기 화합물을 이용하는 발광다이오드 및 유기발광 표시장치의 발광효율과 수명이 향상된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 유기발광다이오드(D)는 서로 마주하는 제 1 및 제 2 전극(160, 164)와 이들 사이에 위치하는 유기발광층(162)을 포함하며, 상기 유기발광층(162)은 상기 제 1 및 제 2 전극(160, 164) 사이에 위치하며 제 1 및 제 2 층(342, 344)을 포함하는 발광물질층(340)과, 상기 제 1 전극(160)과 상기 발광 물질층(340) 사이에 위치하는 정공수송층(320)과, 상기 제 2 전극(164)과 상기 발광 물질층(340) 사이에 위치하는 전자 수송층(360)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기 발광층(162)은 상기 제 1 전극(160)과 상기 정공 수송층(320) 사이에 위치하는 정공 주입층(310)과, 상기 제 2 전극(164)과 상기 전자 수송층(360) 사이에 위치하는 전자 주입층(370)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 유기 발광층(162)은 상기 정공 수송층(320)과 발광물질층(340) 사이에 위치하는 전자 차단층(330)과 상기 발광 물질층(340)과 상기 전자 수송층(360) 사이에 위치하는 정공 차단층(350)을 더 포함할 수도 있다.
예를 들어, 상기 발광물질층(340)에 있어서, 상기 제 1 층(342)은 본 발명의 유기 화합물을 제 1 호스트로 포함하고 지연 형광 도펀트(제 1 도펀트)를 더 포함하며, 상기 제 2 층(344)은 제 2 호스트와 형광 도펀트(제 2 도펀트)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 제 2 층(344)이 본 발명의 유기 화합물을 제 1 호스트로 포함하고 지연 형광 도펀트(제 1 도펀트)를 더 포함하며, 상기 제 1 층(342)은 제 2 호스트와 형광 도펀트(제 2 도펀트)를 포함할 수 있다. 이때, 제 2 호스트 역시 본 발명의 유기 화합물일 수 있다. 이때, 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지는 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖는다.
이하, 제 1 층(342)이 지연 형광 도펀트를 포함하고 제 2 층(344)이 형광 도펀트를 포함하는 경우에 대하여 설명한다.
이와 같은 유기발광다이오드(D)에서는, 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지와 삼중항에너지가 형광 도펀트로 전달되어 형광 도펀트에서 발광이 일어나기 때문에, 유기발광다이오드(D)의 양자 효율이 증가하고 반치폭이 좁아진다.
즉, 지연 형광 도펀트는 높은 양자효율을 갖지만 반치폭이 넓기 때문에 색순도가 좋지 않고, 형광 도펀트은 반치폭이 좁기 때문에 색순도에서 장점을 갖지만 삼중항 여기자가 발광에 참여하지 못하기 때문에 낮은 양자효율을 갖는다.
그러나, 발광물질층(340)이 지연 형광 도펀트를 포함하는 제 1 층(342)과 형광 도펀트를 포함하는 제 2 층(344)을 포함하는 경우, 발광효율과 색순도 모두에서 장점을 갖게 된다.
즉, 지연 형광 도펀트에서 역계간전이 효과에 의해 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지가 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지로 전환되고, 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지가 형광 도펀트의 단일항 에너지로 전달된다. 즉, 지연 형광 도펀트는 삼중항 에너지와 단일항 에너지의 차이가 0.3eV보다 작고, 이에 따라 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지가 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지로 전환되는 역계간전이(reverse intersystem crossing, RISC) 현상이 일어난다.
따라서, 지연 형광 도펀트는 에너지를 형광 도펀트로 전달하는 역할을 할뿐 지연 형광 도펀트를 포함하는 제 1 층(342)은 발광에 참여하지 않고, 형광 도펀트를 포함하는 제 2 층(344)에서 발광이 일어난다.
즉, 역계간전이 현상에 의해 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지가 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지로 전환되고 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지는 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 가져 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지가 형광 도펀트의 단일항 에너지로 전달되기 때문에, 형광 도펀트는 단일항 에너지와 삼중항 에너지 모두를 이용하여 발광하게 된다. 따라서, 유기발광다이오드(D)의 양자 효율(발광효율)이 향상된다.
다시 말해, 본 발명의 따른 유기발광다이오드(D) 및 이를 포함하는 유기발광 표시장치(도 7의 100)는 양자 효율과 반치폭 모두에서 장점을 갖는다.
제 1 및 제 2 층(342, 344) 각각에서, 제 1 및 제 2 호스트는 지연 형광 도펀트 및 형광 도펀트보다 큰 중량비를 가질 수 있다. 또한, 제 1 층(342)에서 지연 형광 도펀트의 중량비는 제 2 층(344)에서 형광 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 이에 따라, 지연 형광 도펀트에서 형광 도펀트로의 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다.
이때, 제 1 호스트의 단일항 에너지는 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖고, 제 1 호스트의 삼중항 에너지는 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지보다 큰 값을 갖는다. 또한, 제 2 호스트의 단일항 에너지는 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖는다.
이와 같은 조건을 만족시키지 못하면, 제 1 및 제 2 도펀트에서 ?칭(quenching)이 일어나거나 호스트에서 도펀트로의 에너지 전달이 일어나지 않아, 유기발광다이오드(D)의 양자 효율이 저하될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 유기 화합물은 높은 삼중항 에너지를 갖기 때문에, 지연 형광 도펀트로의 에너지 전달 효율이 증가하며 이에 따라 유기발광다이오드(D)의 양자 효율이 향상된다.
또한, n-타입인 본 발명의 유기 화합물이 제 1 층(342)의 호스트로 이용됨으로써, 정공과 전자의 결합이 발광물질층(340)에서 제 1 전극(160) 측으로 쉬프트되어 유기발광다이오드(D)의 발광 효율과 수명이 증가한다.
예를 들어, 형광 도펀트와 함께 상기 제 2 층(344)을 이루는 제 2 호스트는 정공차단층(350)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 상기 제 2 층(344)은 발광 기능과 함께 정공차단 기능을 갖는다. 즉, 제 2 층(344)은 정공차단을 위한 버퍼층의 기능을 갖는다. 한편, 정공차단층(350)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 층(344)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
또한, 제 1 층(342)이 형광 도펀트를 포함하고, 제 2 층(344)이 지연 형광 도펀트를 포함하는 경우, 제 1 층(342)의 제 1 호스트는 전자차단층(330)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 상기 제 1 층(342)은 발광 기능과 함께 전자차단 기능을 갖는다. 즉, 제 1 층(342)은 전자차단을 위한 버퍼층의 기능을 갖는다. 한편, 전자차단층(330)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 1 층(342)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용된다.
도 9는은 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 유기발광다이오드(D)는 서로 마주하는 제 1 및 제 2 전극(160, 164)와 이들 사이에 위치하는 유기발광층(162)을 포함하며, 상기 유기발광층(162)은 상기 제 1 및 제 2 전극(160, 164) 사이에 위치하며 제 1 내지 제 3 층(442, 444, 446)을 포함하는 발광물질층(440)과, 상기 제 1 전극(160)과 상기 발광물질층(440) 사이에 위치하는 정공수송층(420)과, 상기 제 2 전극(164)과 상기 발광물질층(440) 사이에 위치하는 전자수송층(460)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기발광층(162)은 상기 제 1 전극(160)과 상기 정공 수송층(420) 사이에 위치하는 정공 주입층(410)과, 상기 제 2 전극(164)과 상기 전자 수송층(460) 사이에 위치하는 전자 주입층(470)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 유기 발광층(162)은 상기 정공 수송층(420)과 발광물질층(440) 사이에 위치하는 전자 차단층(430)과 상기 발광 물질층(440)과 상기 전자 수송층(460) 사이에 위치하는 정공 차단층(450)을 더 포함할 수도 있다.
상기 발광물질층(440)에 있어서, 상기 제 1 층(442)은 제 2 층(444) 및 제 3 층(446) 사이에 위치한다. 즉, 제 2 층(444)은 전자차단층(430)과 제 1 층(442) 사이에 위치하고, 제 3 층(446)은 제 1 층(442)과 정공차단층(450) 사이에 위치한다.
상기 제 1 층(442)은 본 발명의 유기 화합물을 제 1 호스트로 포함하고 지연 형광 도펀트(제 1 도펀트)를 더 포함하며, 상기 2 층(444)은 제 2 호스트와 형광 도펀트(제 2 도펀트)를 포함하고, 상기 제 3 층(446)은 제 3 호스트와 형광 도펀트(제 3 도펀트)를 포함할 수 있다. 상기 2 층(444)과 상기 제 3 층(446)의 형광 도펀트는 같거나 다를 수 있다. 또한, 제 2 및 제 3 호스트는 본 발명의 유기 화합물일 수 있다. 이때, 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지는 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖는다.
이와 같은 유기발광다이오드(D)에서는, 제 1 층(442)의 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지와 삼중항에너지가 2 층(444)과 제 3 층(446)의 형광 도펀트로 전달되어 형광 도펀트에서 발광이 일어나기 때문에, 유기발광다이오드(D)의 양자 효율이 증가하고 반치폭이 좁아진다.
이때, 제 1 내지 제 3 층(442, 444, 446) 각각에서, 제 1 내지 제 3 호스트는 지연 형광 도펀트 및 형광 도펀트보다 큰 중량비를 가질 수 있다. 또한, 제 1 층(442)에서 지연 형광 도펀트의 중량비는 제 2 층(444) 및 제 3 층(446)에서 형광 도펀트의 중량비보다 클 수 있다.
이때, 제 1 호스트의 단일항 에너지는 지연 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖고, 제 2 및 제 3 호스트의 삼중항 에너지는 지연 형광 도펀트의 삼중항 에너지보다 큰 값을 갖는다. 또한, 제 2 호스트의 단일항 에너지는 제 2 층(444) 내 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖고, 제 3 호스트의 단일항 에너지는 제 3 층(446) 내 형광 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 값을 갖는다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 유기 화합물은 높은 삼중항 에너지를 갖기 때문에, 지연 형광 도펀트로의 에너지 전달 효율이 증가하며 이에 따라 유기발광다이오드(D)의 양자 효율이 향상된다.
또한, n-타입인 본 발명의 유기 화합물이 제 1 층(442)의 호스트로 이용됨으로써, 정공과 전자의 결합이 발광물질층(440)에서 제 1 전극(160) 측으로 쉬프트되어 유기발광다이오드(D)의 발광 효율과 수명이 증가한다. 또한, 본 발명의 유기 화합물이 제 2 층(444)의 호스트로 이용됨으로써, 정공과 전자의 결합이 발광물질층(440)에서 제 1 전극(160) 측으로 쉬프트되어 유기발광다이오드(D)의 발광 효율과 수명이 더욱 증가한다.
예를 들어, 제 2 층(444)을 이루는 제 2 호스트는 전자차단층(430)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 상기 제 2 층(444)은 발광 기능과 함께 전자차단 기능을 갖는다. 즉, 제 2 층(444)은 전자차단을 위한 버퍼층의 기능을 갖는다. 한편, 전자차단층(430)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 층(444)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용된다.
또한, 제 3 층(446)의 제 3 호스트는 정공차단층(450)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 상기 제 3 층(446)은 발광 기능과 함께 전자차단 기능을 갖는다. 즉, 제 3 층(446)은 정공차단을 위한 버퍼층의 기능을 갖는다. 한편,정공차단층(450)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 3 층(446)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
또한, 제 2 층(444)을 이루는 제 2 호스트는 전자차단층(430)의 물질과 동일한 물질이고 제 3 층(446)의 제 3 호스트는 정공차단층(450)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 상기 제 2 층(444)은 발광 기능과 함께 전자차단 기능을 갖고, 제 3 층(446)은 발광 기능과 함께 정공차단 기능을 갖는다. 즉, 제 2 층(444)과 제 3 층(446) 각각은 전자차단을 위한 버퍼층과 정공차단을 위한 버퍼층의 기능을 갖는다. 한편,전자차단층(430)과 정공차단층(450)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 층(444)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용되며 제 3 층(446)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 유기발광표시장치 160: 제 1 전극
162: 유기발광층 210, 310, 410: 정공주입층
220, 320, 420: 정공수송층 230, 330, 430: 전자차단층
240, 340, 440: 발광물질층 250, 350, 450: 정공차단층
260, 360, 460: 전자수송층 270, 370, 470: 전자주입층
164: 제 2 전극 D: 유기발광다이오드

Claims (17)

  1. 하기 화학식1로 표시되며,
    A, B 각각은 독립적으로 하기 화학식2로부터 선택되고,
    화학식2에서, X1, X2 각각은 독립적으로 산소 또는 황이며, X3는 탄소 또는 질소이고,
    R1, R2, R3, R4, R5, R6 각각은 독립적으로 수소, 시아노기 또는 C1~C10의 알킬기인 유기 화합물.
    [화학식1]
    Figure pat00093

    [화학식2]


    Figure pat00094
    Figure pat00095

    Figure pat00096
    Figure pat00097
    Figure pat00098

  2. 제 1 항에 있어서,
    A, B 각각은 독립적으로 하기 화학식3으로부터 선택되는 유기 화합물.
    [화학식3]
    Figure pat00099
    Figure pat00100
    Figure pat00101

    Figure pat00102
    Figure pat00103
    Figure pat00104

    Figure pat00105
    Figure pat00106

    Figure pat00107
    Figure pat00108

    Figure pat00109
    Figure pat00110

    Figure pat00111
    Figure pat00112
    Figure pat00113
    Figure pat00114

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식으로 표시되는 유기 화합물은 하기 화합물 중 어느 하나인 유기 화합물.
    Figure pat00115

    Figure pat00116

    Figure pat00117
    Figure pat00118


    Figure pat00119

    Figure pat00120

    Figure pat00121

    Figure pat00122

    Figure pat00123

    Figure pat00124

    Figure pat00125

    Figure pat00126

    Figure pat00127

    Figure pat00128

  4. 제 1 전극과;
    상기 제 1 전극과 마주보는 제 2 전극과;
    상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광물질층을 포함하고,
    상기 제 1 발광물질층은 제 1 항 내지 제 3 항 중 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유기 화합물은 제 1 호스트로 이용되고, 상기 제 1 발광물질층은 지연 형광 물질인 제 1 도펀트를 더 포함하는 유기발광다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 호스트의 최고준위 점유 분자궤도 레벨(HOMOHost)과 상기 제 1 도펀트의 최고준위 점유 분자궤도 레벨(HOMODopant) 차이(|HOMOHost-HOMODopant|) 또는 상기 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도 레벨(LUMOHost)과 상기 제 1 도펀트의 최저준위 비점유 분자궤도 레벨(LUMODopant) 차이(|LUMOHost- LUMODopant|)는 0.5eV 이하인 유기발광다이오드.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 발광물질층은 형광 물질인 제 2 도펀트를 더 포함하며,
    상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 유기발광다이오드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 도펀트의 제 1 삼중항 에너지는 상기 제 1 호스트의 제 2 삼중항 에너지보다 작고 상기 제 2 도펀트의 제 3 삼중항 에너지보다 큰 유기발광다이오드.
  9. 제 7 항에 있어서,
    제 2 호스트와 형광 물질인 제 2 도펀트를 포함하며 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 더 포함하는 유기발광다이오드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더 포함하고, 상기 제 2 호스트는 상기 전자차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
  11. 제 9 항에 있어서,
    제 3 호스트와 형광 물질인 제 3 도펀트를 포함하며 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 3 발광물질층을 더 포함하는 유기발광다이오드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 전극과 상기 제 3 발광물질층 사이에 위치하는 정공차단층을 더 포함하고, 상기 제 3 호스트는 상기 정공차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 상기 제 2 및 제 3 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 유기발광다이오드.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 호스트의 단일항 에너지와 삼중항 에너지 각각은 상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지와 삼중항 에너지보다 크고,
    상기 제 2 호스트의 단일항 에너지는 상기 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 크며,
    상기 제 3 호스트의 단일항 에너지는 상기 제 3 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 유기발광다이오드.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 상기 제 2 도펀트의 단일항 에너지보다 큰 유기발광다이오드.
  16. 제 4 항에 있어서,
    상기 유기 발광층은, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이의 정공수송층과, 상기 제 1 전극과 상기 정공수송층 사이의 정공주입층과, 상기 정공수송층과 상기 제 1 발광물질층 사이의 전자차단층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이의 전자수송층과, 상기 전자수송층과 상기 제 2 전극 사이의 전자주입층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 전자수송층 사이의 정공차단층을 포함하고,
    상기 유기 화합물은 상기 제 1 발광물질층에서 호스트로 이용되며, 상기 제 1 발광물질층은 도펀트를 더 포함하는 유기발광다이오드.
  17. 기판과;
    상기 기판 상부에 위치하는 제 4 항의 유기발광다이오드와;
    상기 기판과 상기 유기발광다이오드 사이에 위치하며 상기 유기발광다이오드에 연결되는 박막트랜지스터
    를 포함하는 유기발광 표시장치.
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