KR20200052174A - 신규 화합물 및 이를 포함하는 유기발광 소자 - Google Patents

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KR20200052174A
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김승호
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Abstract

본원은 신규한 화합물, 및 이를 포함하는 유기 발광 소자에 관한 것으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 신규한 화합물은 유기 발광 소자에 적용되어 유기 발광 소자의 고효율, 장수명, 낮은 구동전압 및 구동 안정성을 확보할 수 있다.

Description

신규 화합물 및 이를 포함하는 유기발광 소자{NOVEL COMPOUND AND ORGANIC ELECTROLUMINESCENT DIVICE INCLUDING THE SAME}
본원은 신규한 화합물 및 이를 포함하는 유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 다이오드에서 유기물층으로 사용되는 재료는 크게 기능에 따라, 발광 재료, 정공주입 재료, 정공수송 재료, 전자수송 재료, 전자주입 재료 등으로 분류될 수 있다. 그리고 상기 발광 재료는 분자량에 따라 고분자와 저분자로 분류될 수 있고, 발광 메커니즘에 따라 전자의 일중항 여기상태로부터 유래되는 형광 재료와 전자의 삼중항 여기상태로부터 유래되는 인광 재료로 분류될 수 있으며, 발광 재료는 발광색에 따라 청색, 녹색, 적색 발광 재료와 보다 나은 천연색을 구현하기 위해 필요한 노란색 및 주황색 발광 재료로 구분될 수 있다. 또한, 색순도의 증가와 에너지 전이를 통한 발광 효율을 증가시키기 위하여, 발광 물질로서 호스트/도판트 계를 사용할 수 있다. 그 원리는 발광층을 주로 구성하는 호스트보다 에너지 대역 간극이 작고 발광 효율이 우수한 도판트를 발광층에 소량 혼합하면, 호스트에서 발생한 엑시톤이 도판트로 수송되어 효율이 높은 빛을 내는 것이다. 이때 호스트의 파장이 도판트의 파장대로 이동하므로, 이용하는 도판트와 호스트의 종류에 따라 원하는 파장의 빛을 얻을 수 있다.
현재까지 이러한 유기 발광 소자에 사용되는 물질로서 다양한 화합물들이 알려져 있으나, 이제까지 알려진 물질을 이용한 유기 발광 소자의 경우 높은 구동전압, 낮은 효율 및 짧은 수명으로 인해 새로운 재료의 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 따라서, 우수한 특성을 갖는 물질을 이용하여 저전압 구동, 고휘도 및 장수명을 갖는 유기 발광 소자를 개발하려는 노력이 지속되어 왔다.
한국 공개특허 10-2015-0086721
본원은 신규한 유기 화합물, 및 이를 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
그러나 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제1 측면은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
X는 O 또는 S이고,
Ar1 내지 Ar3은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이고, 단, 플루오렌은 아니며,
R1 및 R2은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 니트로기, 니트릴기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C2~C30의 알케닐기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알콕시기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 설파이드기, 또는 치환 또는 비치환 된 C6~C30의 아릴기이며, 인접한 복수의 R1끼리, R2끼리 서로 환을 형성하거나 하지 않을 수 있고,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 니트로기, 니트릴기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C2~C30의 알케닐기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알콕시기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 설파이드기, 또는 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이며,
l 및 n은 각각 독립적으로 0 또는 1 내지 3의 정수이고, m은 0 또는 1 내지 4의 정수이다.
본원의 제2 측면은 제1 전극 및 제2 전극 사이에 본원에 따른 화합물을 함유하는 유기물층을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 다이아릴아민 화합물은 다이벤조티오펜 또는 다이벤조퓨란을 치환기로 가지고, 두 개의 질소가 메타 또는 오쏘 위치로 페닐렌에 의하여 연결되어 발광 보조층에 적합한 HOMO 레벨을 형성하여 저전압의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
또한, 두 개의 질소가 메타 또는 오쏘 위치로 페닐렌에 의하여 연결되고, 다이벤조티오펜 또는 다이벤조퓨란 치환기와 같은 헤테로고리 구조는 최소화하여 높은 LUMO 레벨을 형성하고, 높은 T1을 유지하여 전자 및 엑시톤 차단 효과가 극대화될 수 있다
또한, 1개의 다이벤조티오펜 또는 다이벤조퓨란 치환기가 질소와 직접한 구조로 도입되어 분자의 벌키 특성을 최소화하고, 분자배열을 용이하게 하여 홀 모빌리티(Hole Mobility)가 개선되어 롤 오프 현상을 억제하여 장수명의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
또한, 다이아릴아민 화합물이 무극성의 아릴기를 가져 발광층 내 정공 주입이 용이한 깊은 HOMO 레벨을 유지하여 고효율의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
또한, 다이아릴아민 화합물이 열 안정성이 우수한 아릴기를 가져 증착 공정 및 소자 구동시 안정성이 확보되어 장수명의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 개략도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐만 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "아릴"은 C5-30의 방향족 탄화수소 고리기, 예를 들어, 페닐, 벤질, 나프틸, 바이페닐, 터페닐, 플루오렌, 페난트레닐, 트리페닐레닐, 페릴레닐, 크리세닐, 플루오란테닐, 벤조플루오레닐, 벤조트리페닐레닐, 벤조크리세닐, 안트라세닐, 스틸베닐, 파이레닐 등의 방향족 고리를 포함하는 것을 의미하며, "헤테로아릴"은 적어도 1 개의 헤테로 원소를 포함하는 C3-30의 방향족 고리로서, 예를 들어, 피롤릴, 피라지닐, 피리디닐, 인돌릴, 이소인돌릴, 푸릴, 벤조퓨라닐, 이소벤조퓨라닐, 다이벤조퓨라닐, 벤조티오페닐, 다이벤조티오페닐, 퀴놀릴기, 이소퀴놀릴, 퀴녹살리닐, 카르바졸릴, 페난트리디닐, 아크리디닐, 페난트롤리닐, 티에닐, 및 피리딘 고리, 피라진 고리, 피리미딘 고리, 피리다진 고리, 트리아진 고리, 인돌 고리, 퀴놀린 고리, 아크리딘고리, 피롤리딘 고리, 디옥산 고리, 피페리딘 고리, 모르폴린 고리, 피페라진 고리, 카르바졸 고리, 퓨란 고리, 티오펜 고리, 옥사졸 고리, 옥사디아졸 고리, 벤조옥사졸 고리, 티아졸 고리, 티아디아졸 고리, 벤조티아졸 고리, 트리아졸 고리, 이미다졸 고리, 벤조이미다졸 고리, 피란 고리, 다이벤조퓨란 고리, 다이벤조티오펜 고리로부터 형성되는 헤테로고리기를 포함하는 것을 의미할 수 있다.
본원 명세서 전체에서 용어 "치환 또는 비치환"은 중수소, 할로겐, 아미노기, 니트릴기, 니트로기 또는 C1~C20의 알킬기, C2~C20의 알케닐기, C1~C20의 알콕시기, C3~C20의 시클로알킬기, C3~C20의 헤테로시클로알킬기, C6~C30의 아릴기 및 C3~C30의 헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 기로 치환되거나 치환되지 않는 것을 의미할 수 있다.
또한, 본원 명세서 전체에서 동일한 기호는 특별히 언급하지 않는 한 같은 의미를 가질 수 있다.
본원 명세서 전체에서 용어"플루오렌"은 9번 탄소에 결합된 수소가 치환 또는 비치환 된 C1-20의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C5-30의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환 된 C3-30의 헤테로아릴기로 치환된 경우를 포함할 수 있다.
본원의 제1 측면은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에서,
X는 O 또는 S이고,
Ar1 내지 Ar3은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이고, 단, 플루오렌은 아니며,
R1 및 R2은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 니트로기, 니트릴기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C2~C30의 알케닐기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알콕시기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 설파이드기, 또는 치환 또는 비치환 된 C6~C30의 아릴기이며, 인접한 복수의 R1끼리, R2끼리 서로 환을 형성하거나 하지 않을 수 있고,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 니트로기, 니트릴기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C2~C30의 알케닐기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알콕시기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 설파이드기, 또는 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이며,
l 및 n은 각각 독립적으로 0 또는 1 내지 3의 정수이고, m은 0 또는 1 내지 4의 정수이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 다이아릴아민 화합물은 다이벤조티오펜 또는 다이벤조퓨란을 치환기로 가지고, 두 개의 질소가 메타 또는 오쏘 위치로 페닐렌에 의하여 연결되어 발광 보조층에 적합한 HOMO 레벨을 형성하여 저전압의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
또한, 두 개의 질소가 메타 또는 오쏘 위치로 페닐렌에 의하여 연결되고, 다이벤조티오펜 또는 다이벤조퓨란 치환기와 같은 헤테로고리 구조는 최소화하여 높은 LUMO 레벨을 형성하고, 높은 T1을 유지하여 전자 및 엑시톤 차단 효과가 극대화될 수 있다
또한, 1개의 다이벤조티오펜 또는 다이벤조퓨란 치환기가 질소와 직접한 구조로 도입되어 분자의 벌키 특성을 최소화하고, 분자배열을 용이하게 하여 홀 모빌리티(Hole Mobility)가 개선되어 롤 오프 현상을 억제하여 장수명의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
또한, 다이아릴아민 화합물이 무극성의 아릴기를 가져 발광층 내 정공 주입이 용이한 깊은 HOMO 레벨을 유지하여 고효율의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
또한, 다이아릴아민 화합물이 열 안정성이 우수한 아릴기를 가져 증착 공정 및 소자 구동시 안정성이 확보되어 장수명의 유기 발광 소자를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00003
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 상기 화학식 1에서 R3이 수소이고, 2개의 질소가 페닐렌 연결기의 메타 위치로 연결된 경우이다. 이러한 경우, 깊은 HOMO를 가져 효율 개선에 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 화학식 2는 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시될 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00004
[화학식 4]
Figure pat00005
상기 화학식 4에서,
Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 플루오렌을 제외한 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이고, 단, Ar2 및 Ar3 중 적어도 하나는 C14~C50의 아릴기이다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 상기 화학식 2에서 R4가 수소이고, 2개의 질소가 페닐렌 연결기의 메타 위치로 연결된 경우이다. 이러한 경우, 2개 질소 사이의 벌키특성이 최소화되어 구동전압 개선에 유리할 수 있다.
상기 화학식 4로 표시되는 화합물은 상기 화학식 2에서 R4가 페닐기이며, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 플루오렌을 제외한 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이되, Ar2 및 Ar3 중 적어도 하나는 C14~C50의 아릴기이고, 2개의 질소가 페닐렌 연결기의 메타 위치로 연결된 경우이다. 이러한 경우, 2개 질소 사이 파이컨쥬게이션이 증가하여 효율 개선에 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 5로 표시될 수 있다.
[화학식 5]
Figure pat00006
상기 화학식 5로 표시되는 화합물은 상기 화학식 1에서 에서 R3이 수소이고, 2개의 질소가 페닐렌 연결기의 오쏘 위치로 연결된 경우이다. 이러한 경우, 보다 높은 HOMO를 가져 구동전압 개선에 유리할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 화학식 5는 하기 화학식 6으로 표시될 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00007
상기 화학식 6으로 표시되는 화합물은 상기 화학식 5에서 에서 R4가 수소이고, 2개의 질소가 페닐렌 연결기의 오쏘 위치로 연결된 경우이다. 이러한 경우, 2개 질소 사이의 벌키특성이 최소화되어 구동전압 개선에 유리할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, R1 및 R-2은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 또는 페닐기일 수 있다. 이러한 경우, 벌키특성이 최소화되어 홀 모빌리티 개선에 효과적일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 5에서, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 또는 치환 또는 비치환 된 C1~C5의 알킬기일 수 있다. 이러한 경우, 벌키특성이 최소화되어 홀 모빌리티 개선에 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 5에서, 상기 R4는 치환 또는 비치환 된 나프틸, 치환 또는 비치환 된 비페닐, 치환 또는 비치환 된 터페닐, 치환 또는 비치환 된 페난트렌, 또는 치환 또는 비치환 된 트리페닐렌일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, X는 O일 수 있다. 이러한 경우, 빠른 홀 모빌리티를 가져 구동 및 수명 개선에 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, X는 S일 수 있다. 이러한 경우, 헤테로 원자의 결합 길이가 길어져 효율 개선에 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, Ar1 내지 Ar3은 각각 독립적으로 페닐, 나프틸, 비페닐, 터페닐, 페난트렌, 트리페닐렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 경우, 높은 T1을 유지할 수 있어 인접한 유기물층으로의 불필요한 엑시톤 이동을 차단하는데에 효과적일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, Ar1 내지 Ar3 중 적어도 하나는 나프틸, 페난트렌, 터페닐 또는 트리페닐렌일 수 있다. 이러한 경우, 높은 Tg를 유지할 수 있어 소자 구동시 안정성을 확보할 수 있다.
또한 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, Ar1 내지 Ar3 중 적어도 하나는 터페닐 또는 트리페닐렌일 수 있다. 이러한 경우, 높은 Td로 화합물의 열 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기의 화합물 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되지 않을 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
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Figure pat00021
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Figure pat00025
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Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
본원의 제2 측면은 상술한 본 발명에 따른 화합물을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다. 상기 유기 발광 소자는 제1 전극 및 제2 전극 사이에 본원에 따른 화합물을 함유하는 유기물층을 1층 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 유기물층은 정공 주입층, 정공 수송층 및 발광 보조층일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 본원에 따른 화합물을 함유하는 유기물층은 정공 수송층과 발광층 사이에 배치되는 발광 보조층일 수 있다. 본 발명에서 발광 보조층이란 정공 수송층과 발광층 사이에 형성되는 층으로, 정공 수송층의 개수에 따라 제2 정공 수송층 또는 제3 정공 수송층 등으로도 지칭될 수 있다.
또한 본 발명의 화합물은 유기층을 형성할 때 단독으로 사용되거나 공지의 화합물과 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기 발광 소자는 제1 전극(애노드, anode)와 제2 전극(캐소드, cathode) 사이에 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL), 발광층(EML), 전자 수송층(ETL), 전자 주입층(EIL) 등의 유기물층을 1층 이상 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 발광 소자는 도 1에 기재된 구조와 같이 제조될 수 있다. 유기 발광 소자는 아래로부터 애노드(정공 주입전극(1000))/정공 주입층(200)/정공 수송층(300)/발광층(400)/전자 수송층(500)/전자 주입층(600)/캐소드(전자 주입전극(2000)) 순으로 적층될 수 있다.
도 1에서 기판(100)은 유기 발광 소자에서 사용되는 기판을 사용할 수 있으며, 특히 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면평활성, 취급용이성, 및 방수성이 우수한 투명한 유리 기판 또는 플렉시블이 가능한 플라스틱 기판일 수 있다.
정공 주입전극(1000)은 유기 발광 소자의 정공 주입을 위한 애노드로 사용된다. 정공의 주입이 가능하도록 낮은 일함수를 갖는 물질을 이용하며, 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 그래핀(graphene)과 같은 투명한 재질로 형성될 수 있다.
상기 애노드 전극 상부에 정공 주입층 물질을 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법, LB(Langmuir-Blodgett)법 등과 같은 방법에 의해 증착하여 정공 주입층(200)을 형성할 수 있다. 상기 진공증착법에 의해 정공주입층을 형성하는 경우 그 증착조건은 정공 주입층(200)의 재료로서 사용하는 화합물, 목적하는 정공 주입층의 구조 및 열적특성 등에 따라 다르지만, 일반적으로 50-500 의 증착온도, 10-8 내지 10-3 torr의 진공도, 0.01 내지 100 Å/sec의 증착속도, 10 Å 내지 5 ㎛의 층 두께 범위에서 적절히 선택할 수 있다.
다음으로 상기 정공 주입층(200) 상부에 정공 수송층 물질을 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법, LB법 등과 같은 방법에 의해 증착하여 정공 수송층(300)을 형성할 수 있다. 상기 진공증착법에 의해 정공 수송층을 형성하는 경우 그 증착조건은 사용하는 화합물에 따라 다르지만 일반적으로 정공 주입층의 형성과 거의 동일한 조건 범위에서 선택하는 것이 좋다.
상기 정공 수송층(300)은 본 발명에 따른 화합물을 사용할 수 있으며, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 화합물을 단독으로 사용하거나 공지의 화합물을 함께 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면 정공 수송층(300)은 1층 이상일 수 있으며, 공지의 물질로만 형성된 정공 수송층을 함께 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 정공 수송층(300) 상에 발광 보조층을 형성할 수 있다.
상기 정공 수송층(300) 또는 발광 보조층 상부에 발광층 물질을 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법, LB법 등과 같은 방법에 의해 증착하여 발광층(400)을 형성할 수 있다. 상기 진공증착법에 의해 발광층을 형성하는 경우 그 증착조건은 사용하는 화합물에 따라 다르지만 일반적으로 정공 주입층의 형성과 거의 동일한 조건 범위에서 선택하는 것이 좋다. 또한, 상기 발광층 재료는 공지의 화합물을 호스트 또는 도펀트로 사용할 수 있다.
또한, 발광층에 인광 도펀트와 함께 사용할 경우에는 삼중항 여기자 또는 정공이 전자 수송층으로 확산되는 현상을 방지하기 위하여 정공억제재료(HBL)를 추가로 진공증착법 또는 스핀코팅법에 의해 적층시킬 수 있다. 이때 사용할 수 있는 정공억제물질은 특별히 제한되지는 않으나, 정공억제재료로 사용되고 있는 공지의 것에서 임의의 것을 선택해서 이용할 수 있다. 예를 들면, 옥사디아졸 유도체나 트리아졸 유도체, 페난트롤린 유도체, 또는 일본특개평 11-329734(A1)에 기재되어 있는 정공억제재료 등을 들 수 있으며, 대표적으로 Balq(비스(8-하이드록시-2-메틸퀴놀리놀나토)-알루미늄 비페녹사이드), 페난트롤린(phenanthrolines)계 화합물(예: UDC사 BCP(바쏘쿠프로인)) 등을 사용할 수 있다.
상기와 같이 형성된 발광층(400) 상부에는 전자 수송층(500)이 형성되는데, 이때 상기 전자 수송층은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 등의 방법으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 전자 수송층의 증착조건은 사용하는 화합물에 따라 다르지만, 일반적으로 정공 주입층의 형성과 거의 동일한 조건 범위에서 선택하는 것이 좋다.
그 뒤, 상기 전자 수송층(500) 상부에 전자 주입층 물질을 증착하여 전자 주입층(600)을 형성할 수 있으며, 이때 상기 전자 수송층은 통상의 전자 주입층 물질을 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 등의 방법으로 형성할 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 정공 주입층(200), 정공 수송층(300), 발광층(400), 전자 수송층(500)는 본 발명에 따른 화합물을 사용하거나 아래와 같은 물질을 사용할 수 있으며, 또는 본 발명에 따른 화합물과 공지의 물질을 함께 사용할 수 있다.
Figure pat00030
전자 주입층(600) 위에 전자 주입을 위한 캐소드(2000)을 진공증착법이나 스퍼터링법 등의 방법에 의해 형성한다. 캐소드로는 다양한 금속이 사용될 수 있다. 구체적인 예로 알루미늄, 금, 은 등의 물질이 있다.
본 발명의 유기 발광 소자는 애노드, 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층, 캐소드 구조의 유기 발광 소자뿐만 아니라, 다양한 구조의 유기 발광 소자의 구조가 가능하며, 필요에 따라 1층 또는 2층의 중간층을 더 형성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 따라 형성되는 각 유기물층의 두께는 요구되는 정도에 따라 조절할 수 있으며, 구체적으로는 1 내지 1,000 ㎚이며, 더욱 구체적으로는 5 내지 200 ㎚일 수 있다.
또한 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 유기물층은 유기물층의 두께를 분자 단위로 조절할 수 있기 때문에 표면이 균일하며, 형태안정성이 뛰어난 장점이 있다.
본 측면에 따른 유기 발광 화합물에 대하여 본원의 제1 측면에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하며, 본 실시예에 의하여 본원의 범위가 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
화학식 1로 표시되는 화합물의 합성
화학식 1로 표시되는 화합물은 하기와 같은 반응을 통하여 합성될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
Figure pat00031
중간체 IM의 합성
목적 화합물 합성을 위해 중간체 IM은 하기와 같은 반응을 통하여 합성될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
Figure pat00032
중간체 IM1의 합성
중간체 IM1은 하기와 같은 방법으로 합성하였다.
Figure pat00033
둥근바닥플라스크에 2-브로모다이벤조[b,d]퓨란 10.0g, [1,1'-비페닐]-4-아민 7.5g, t-BuONa 5.8g, Pd2(dba)3 1.5g, (t-Bu)3P 1.8ml를 톨루엔 260ml에 녹인 후 환류 교반하였다. TLC로 반응을 확인하고 물을 첨가 후 반응을 종결하였다. 유기층을 MC로 추출하고 감압여과한 후 컬럼정제 및 재결정하여 IM1 9.5g (수율 70%)을 얻었다.
중간체 IM2 내지 IM7의 합성
상기 IM1과 같은 방법을 사용하되, 하기 표 1과 같이 출발물질을 달리하여 IM2 내지 IM7을 합성하였다.
Figure pat00034
[표 1]
Figure pat00035
화합물 합성
상기 중간체 IM1 내지 IM7을 사용하여 하기와 같이 목적 화합물을 합성하였다.
화합물1의 합성
Figure pat00036
둥근바닥플라스크에 IM1 5.0g, 1-브로모-3-아이오도벤젠 5.9g, t-BuONa 2.1g, Pd2(dba)3 0.6g, (t-Bu)3P 0.9ml를 톨루엔 160ml에 녹인 후 환류 교반하였다. TLC로 반응을 확인하고 물을 첨가 후 반응을 종결하였다. 유기층을 MC로 추출하고 감압여과한 후 컬럼정제 및 재결정하여 IM1-1 4.4g (수율 60%)을 얻었다.
둥근바닥플라스크에 상기 IM1-1 2.0g, N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 1.8g, t-BuONa 0.6g, Pd2(dba)3 0.15g, (t-Bu)3P 0.2ml를 톨루엔 60ml에 녹인 후 환류 교반하였다. TLC로 반응을 확인하고 물을 첨가 후 반응을 종결하였다. 유기층을 MC로 추출하고 감압여과한 후 컬럼정제 및 재결정하여 화합물1 2.4g (수율 73%)을 얻었다.
m/z: 806.33 (100.0%), 807.33 (65.7%), 808.34 (21.0%), 809.34 (4.6%)
화합물2의 합성
Figure pat00037
IM1 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM2 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물2를 합성하였다.(수율70%)
m/z: 806.33 (100.0%), 807.33 (65.7%), 808.34 (21.0%), 809.34 (4.6%)
화합물3의 합성
Figure pat00038
IM1 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM3 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물3을 합성하였다.(수율65%)
m/z: 806.33 (100.0%), 807.33 (65.7%), 808.34 (21.0%), 809.34 (4.6%)
화합물4의 합성
Figure pat00039
IM1 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM4 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물4를 합성하였다.(수율67%)
m/z: 780.31 (100.0%), 781.32 (63.2%), 782.32 (19.9%), 783.32 (4.2%)
화합물5의 합성
IM1 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM5 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물5를 합성하였다.(수율67%)
m/z: 830.33 (100.0%), 831.33 (67.8%), 832.34 (22.5%), 833.34 (5.0%)
화합물6의 합성
Figure pat00040
N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 N-([1,1'-비페닐]-4-일)트리페닐렌-2-아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물6을 합성하였다.(수율63%)
m/z: 804.31 (100.0%), 805.32 (65.4%), 806.32 (21.2%), 807.32 (4.6%)
화합물7의 합성
Figure pat00041
IM1, 1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM2, 3,5-디클로로-1,1'-비페닐 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물7을 합성하였다.(수율67%)
m/z: 882.36 (100.0%), 883.36 (72.1%), 884.37 (25.7%), 885.37 (6.1%), 886.37 (1.1%)
화합물8의 합성
Figure pat00042
1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 3,5-디클로로-1,1':4',1''-터페닐 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물8을 합성하였다.(수율65%)
m/z: 882.36 (100.0%), 883.36 (72.1%), 884.37 (25.7%), 885.37 (6.1%), 886.37 (1.1%)
화합물9의 합성
Figure pat00043
1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 2-(3,5-디클로로페닐)트리페닐렌 및 N-페닐-[1,1'-비페닐]-4-아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물9를 합성하였다.(수율70%)
m/z: 880.35 (100.0%), 881.35 (71.9%), 882.35 (26.2%), 883.36 (5.9%), 884.36 (1.1%)
화합물10의 합성
Figure pat00044
IM1, 1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM2, 1-브로모-2-아이오도벤젠 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물10을 합성하였다.(수율43%)
m/z: 806.33 (100.0%), 807.33 (65.7%), 808.34 (21.0%), 809.34 (4.6%)
화합물11의 합성
Figure pat00045
IM1 대신 IM6을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물11을 합성하였다.(수율70%)
m/z: 822.31 (100.0%), 823.31 (66.2%), 824.31 (21.7%), 824.30 (4.5%), 825.32 (4.4%), 825.31 (3.3%)
화합물12의 합성
Figure pat00046
IM1, 1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM7, 3,5-디클로로-1,1'-비페닐 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물12를 합성하였다.(수율65%)
m/z: 898.34 (100.0%), 899.34 (73.5%), 900.34 (26.2%), 901.35 (5.9%), 900.33 (4.5%), 901.34 (3.6%), 902.34 (1.2%), 902.35 (1.1%)
화합물13의 합성
Figure pat00047
IM1, 1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM6, 3,5-디클로로-1,1':4',1''-터페닐 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물13을 합성하였다.(수율65%)
m/z: 898.34 (100.0%), 899.34 (73.5%), 900.34 (26.2%), 901.35 (5.9%), 900.33 (4.5%), 901.34 (3.6%), 902.34 (1.2%), 902.35 (1.1%)
화합물14의 합성
Figure pat00048
IM1, 1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 1M6, 2-(3,5-디클로로페닐)트리페닐렌 및 N-페닐-[1,1'-비페닐]-4-아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물14를 합성하였다.(수율62%)
m/z: 896.32 (100.0%), 897.33 (71.9%), 898.33 (26.0%), 899.33 (6.2%), 898.32 (5.1%), 899.32 (3.3%), 897.32 (1.5%), 900.33 (1.2%), 900.34 (1.0%)
화합물15의 합성
Figure pat00049
IM1, 1-브로모-3-아이오도벤젠 및 N-([1,1'-비페닐]-4-일)-[1,1':4',1''-터페닐]-4-아민 대신 IM7, 1-브로모-2-아이오도벤젠 및 디([1,1'-비페닐]-4-일)아민을 이용하여 화합물1과 같은 방법으로 화합물15를 합성하였다.(수율45%)
m/z: 822.31 (100.0%), 823.31 (66.2%), 824.31 (21.7%), 824.30 (4.5%), 825.32 (4.4%), 825.31 (3.3%)
유기 발광 소자 제조
실시예 1
인듐틴옥사이드(ITO)가 1500Å 두께가 박막 코팅된 유리 기판을 증류수 초음파로 세척하였다. 증류수 세척이 끝나면 이소프로필 알코올, 아세톤, 메탄올 등의 용제로 초음파 세척을 하고 건조시킨 후 플라즈마 세정기로 이송 시킨 다음 산소 플라즈마를 이용하여 상기 기판을 5분간 세정 한 후 ITO 기판 상부에 열 진공 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 정공주입층 HI01 600Å, HATCN 50 Å, 정공수송층으로 HT01 250 Å, 발광보조층으로 화합물1 700 Å 을 제막한 후 상기 발광층으로 RH01:RD01 3%로 도핑하여 300 Å 제막하였다. 다음으로 전자 수송층으로 ET01:Liq(1:1) 300 Å 제막한 후 LiF 10 Å, 알루미늄(Al) 1000 Å 제막하고, 이 소자를 글로브 박스에서 밀봉(Encapsulation)함으로써 유기 발광 소자를 제작하였다.
실시예 2 내지 실시예15
실시예 1과 같은 방법으로 화합물1대신 화합물 2내지15를 사용하여 제막한 유기 발광 소자를 제작하였다.
비교예1 내지 비교예 6
실시예 1과 같은 방법으로 화합물 1대신 Ref.1 내지 Ref.6을 사용하여 제막한 유기 발광 소자를 제작하였다.
Figure pat00050
유기발광소자의 성능평가
키슬리 2400 소스 메져먼트유닛(Kiethley 2400 source measurement unit) 으로 전압을 인가하여 전자 및 정공을 주입하고 코니카 미놀타(Konica Minolta) 분광복사계(CS-2000)를 이용하여 빛이 방출될 때의 휘도를 측정함으로써, 실시예 및 비교예의 유기 발광 소자의 성능을 인가전압에 대한 전류 밀도 및 휘도를 대기압 조건하에 측정하여 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다
[표 2]
Figure pat00051
상기 표 2에 나타나는 바와 같이, 정공 수송층으로 본 발명의 화합물을 사용한 실시예 1 내지 15는 비교예 1 내지 비교예 6과 비교하여 효율 및 수명이 상승하고, 낮은 구동전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 실시예들은 비교예 1, 2와 비교하여, 다이벤조퓨란 또는 다이벤조티오펜이 질소에 직접 결합되어 빠른 홀 모빌리티를 가져 낮은 구동전압을 가지며, 비교예 3과 비교하여, 두 개의 질소가 페닐렌의 메타 또는 오쏘 위치로 연결되어 깊은 HOMO 레벨을 형성함과 동시에 높은 LUMO 및 T1을 가져 우수한 효율 및 수명 상승 효과를 나타내었다.
또한, 본 발명의 실시예들은 비교예 4와 비교하여, 플루오렌이 아닌 무극성의 아릴기를 가져, 깊은 HOMO 레벨을 형성함과 동시에 구동 안정성으로 인해 효율 및 수명 상승 효과를 나타내었다.
또한, 본 발명의 실시예들은 비교예 5와 비교하여, 다이벤조퓨란 또는 다이벤조티오펜과 같은 헤테로아릴기를 1개만 포함하여 벌키 특성을 최소화하여 분자간에 효율적인 파이겹침을 유도하여, 분자배열이 우수하게 되며, 홀 모빌리티 개선 및 롤오프 현상도 억제되어 낮은 구동전압을 가지며, 고효율 및 장수명 특성을 나타내었다.
또한, 본 발명의 실시예들은 비교예 6과 비교하여, 2개의 질소가 페닐렌 연결기의 메타 또는 오쏘 위치로 연결되어, 높은 LUMO 및 T1을 유지할 수 있고 2 개의 질소 사이에 전자분포가 집중되어 저전압, 고효율, 및 장수명 특성을 나타내었다.
상기와 같은 평가 결과를 볼 때, 본 발명에 따른 화합물은 유기 발광 소자의 구동전압을 낮추고, 효율 및 수명 개선에 효과가 있는 것으로 판단된다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 기판
200: 정공 주입층
300: 정공 수송층
400: 발광층
500: 전자 수송층
600: 전자 주입층
1000: 애노드
2000: 캐소드

Claims (17)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물;
    [화학식 1]
    Figure pat00052

    상기 화학식 1에서,
    X는 O 또는 S이고,
    Ar1 내지 Ar3은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이고, 단, 플루오렌은 아니며,
    R1 및 R2은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 니트로기, 니트릴기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C2~C30의 알케닐기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알콕시기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 설파이드기, 또는 치환 또는 비치환 된 C6~C30의 아릴기이며, 인접한 복수의 R1끼리, R2끼리 서로 환을 형성하거나 하지 않을 수 있고,
    R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐, 니트로기, 니트릴기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알킬기, 치환 또는 비치환 된 C2~C30의 알케닐기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 알콕시기, 치환 또는 비치환 된 C1~C30의 설파이드기, 또는 치환 또는 비치환 된 C6~C50의 아릴기이며,
    l 및 n은 각각 독립적으로 0 또는 1 내지 3의 정수이고, m은 0 또는 1 내지 4의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물;
    [화학식 2]
    Figure pat00053
    .
  3. 제2항에 있어서,
    상기 화학식 2는 하기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물;
    [화학식 3]
    Figure pat00054

    [화학식 4]
    Figure pat00055

    상기 화학식 4에서,
    Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 플루오렌을 제외한 치환 또는 비치환된 C6~C50의 아릴기이고, 단, Ar2 및 Ar3 중 적어도 하나는 C14~C50의 아릴기이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 5로 표시되는 화합물;
    [화학식 5]
    Figure pat00056
    .
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화학식 5는 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물;
    [화학식 6]
    Figure pat00057
    .
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 R1 및 R2은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 또는 페닐기인 화합물.
  7. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 또는 치환 또는 비치환 된 C1~C5의 알킬기인 화합물.
  8. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 R4는 치환 또는 비치환 된 나프틸, 치환 또는 비치환 된 비페닐, 치환 또는 비치환 된 터페닐, 치환 또는 비치환 된 페난트렌, 또는 치환 또는 비치환 된 트리페닐렌인 화합물.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 X는 O인 화합물.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 X는 S인 화합물.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Ar1 내지 Ar3은 각각 독립적으로 페닐, 나프틸, 비페닐, 터페닐, 페난트렌, 트리페닐렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Ar1 내지 Ar3 중 적어도 하나는 나프틸, 페난트렌, 터페닐 또는 트리페닐렌인 화합물.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Ar1 내지 Ar3 중 적어도 하나는 터페닐 또는 트리페닐렌인 화합물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화합물 중 어느 하나인 화합물;
    Figure pat00058

    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
    Figure pat00073
    Figure pat00074
    Figure pat00075
    Figure pat00076
    Figure pat00077
    Figure pat00078
    Figure pat00079
    .
  15. 제1 전극 및 제2 전극 사이에 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 화합물을 함유하는 유기물층을 포함하는 유기 발광 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유기물층은 정공 주입층, 정공 수송층 및 발광 보조층 중 1층 이상인 유기 발광 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유기물층은 정공 수송층과 발광층 사이에 배치되는 발광 보조층인 유기 발광 소자.
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