KR20200082022A - 발광 특성이 우수한 유기 화합물, 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 p-타입 특성을 가지는 축합 헤테로 방향족 모이어티와, n-타입 특성을 가지는 아자-아크리딘 모이어티가 방향족 연결기를 통하여 연결된 유기 화합물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유기 화합물은 다수의 축합 헤테로 방향족 고리를 포함하고 있어 상대적으로 높은 에너지 준위를 갖는다. 바이폴라(bipolar) 특성을 가지고 있어 정공과 전자가 발광물질층에서 균형 있게 재결합할 수 있다. 본 발명의 유기 화합물을 도입하여, 발광 효율 및 소자 수명이 개선된 유기발광다이오드 및 유기발광장치를 제조, 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 유기 화합물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 발광 특성을 가지는 유기 화합물과 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광장치에 관한 것이다.
현재 널리 사용되고 있는 평면표시소자 중 하나로서 유기발광다이오드는 액정표시장치(Liquid Crystal Display Device)를 빠르게 대체하는 표시 소자로서 주목을 받고 있다. 유기발광다이오드(organic light emitting diodes; OLED)는 2000 Å 이내의 얇은 유기 박막으로 형성되고, 사용되는 전극의 구성에 따라 단일 방향 또는 양방향으로의 화상 구현이 가능하다. 또한 유기발광다이오드 표시장치는 플라스틱과 같은 플렉서블(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있어서 플렉서블 또는 폴더블(foldable) 표시장치를 구현하기 용이하다. 뿐만 아니라, 유기발광다이오드 표시장치는 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 색 순도가 우수하여, 액정표시장치에 비하여 큰 장점을 가지고 있다.
종래의 일반적인 형광 물질은 단일항 엑시톤만이 발광에 참여하기 때문에 발광 효율이 낮다. 삼중항 엑시톤도 발광에 참여하는 인광 물질은 형광 물질에 비하여 발광 효율이 높다. 하지만, 대표적인 인광 물질인 금속 착화합물은 발광 수명이 짧아서 상용화에 한계가 있다. 특히, 청색 발광을 구현하기 위해 개발된 유기 화합물은 발광 특성이 떨어질 뿐만 아니라 발광 수명이 길지 못하다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 발광 효율 및 발광 수명이 향상된 유기 화합물과 이 유기 화합물을 도입한 유기발광다이오드 및 유기발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 본 발명은 p-타입 특성을 가지는 축합 헤테로 방향족 모이어티와, n-타입 특성을 가지는 아자-아크리딘 모이어티가 방향족 연결기를 통하여 결합된 유기 화합물을 제공한다. 일례로, 본 발명의 유기 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 서로 합쳐져서 C5~C30 스파이로 구조를 형성함; R3는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; o는 1 내지 4의 정수임; X1 내지 X4 는 각각 독립적으로 CR4 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 하나는 질소임, R4는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; Y1 내지 Y5는 각각 독립적으로 CR5 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 3개는 CR5임; R5는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, Y1 내지 Y5 중에 적어도 하나의 치환기인 R5는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임.
다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 유기 화합물이 발광물질층에 적용된 유기발광다이오드를 제공한다.
상기 유기 화합물은 발광물질층의 호스트로 사용될 수 있으며, 상기 발광물질층은 지연 형광 물질일 수 있는 적어도 하나의 도펀트를 더욱 포함할 수 있다.
상기 발광물질층은 단일 발광물질층으로 이루어지거나, 2개 이상의 구분된 발광물질층을 포함할 수 있다.
상기 유기발광다이오드는 단일 발광 유닛으로 이루어지거나, 복수의 발광 유닛을 포함하는 탠덤(tandem) 구조를 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 유기 화합물이 발광물질층에 도입된 유기발광다이오드가 기판 상에 배치되는 유기발광장치, 예를 들어 유기발광 조명장치 또는 유기발광다이오드 표시장치를 제공한다.
본 발명의 유기 화합물은 p-타입 특성을 가지는 축합 헤테로 방향족 모이어티와, n-타입 특성을 가지는 아자-아크리딘 모이어티가 방향족 연결기를 통해 결합한다. 양쪽성(bipolar) 특성을 가지고 있어서, 정공과 전자를 균형 있게 주입하거나, 정공과 전자가 균형 있게 재결합할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 화합물은 지연 형광 물질과 비교해서 상대적으로 넓은 밴드갭을 가지고 있으며, 삼중항 에너지 준위는 지연 형광 물질의 삼중항 에너지보다 높다. 따라서 본 발명에 따른 유기 화합물을 발광물질층의 호스트로 사용하면, 호스트 엑시톤 에너지가 도펀트로 효율적으로 전달되고, 호스트 또는 도펀트의 삼중항/단일항 엑시톤과 주변의 정공(또는 전자)-폴라론의 상호작용에 의한 엑시톤 소광이 최소화된다. 이에 따라 전기-산화 및 광-산화에 의하여 발광다이오드 소자의 수명이 저하되는 방지할 수 있으므로, 장수명의 발광 소자를 구현할 수 있다.
본 발명의 유기 화합물이 발광 과정에서 에너지를 손실하지 않으면서 도펀트로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있으므로, 높은 발광 효율을 달성할 수 있다. 필요에 따라, 반치폭이 협소한 형광 물질을 사용하여, 발광 파장의 색 순도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 유기 화합물을 유기발광다이오드를 구성하는 유기발광층의 호스트로 사용하고 지연 형광 특성을 보이는 화합물 및 필요에 따라 반치폭이 협소한 형광 물질을 도펀트로 사용하여, 발광 효율, 소자 수명 특성 및 색 순도가 개선된 유기발광다이오드와, 유기발광장치를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 가지는 유기발광장치의 일례로서 유기발광다이오드 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 지연 형광 물질의 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 호스트와 지연 형광 물질이 포함된 발광물질층에서 이들 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 호스트, 지연 형광 물질 및 형광 물질을 포함하는 발광물질층에서 이들 물질 사이의 에너지 준위 관계에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 2개의 발광물질층으로 이루어진 발광물질층에서 호스트, 지연형광 물질 및 형광 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 3개의 발광물질층으로 이루어진 발광물질층에서 호스트, 지연 형광 물질 및 형광 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 지연 형광 물질의 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 호스트와 지연 형광 물질이 포함된 발광물질층에서 이들 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 호스트, 지연 형광 물질 및 형광 물질을 포함하는 발광물질층에서 이들 물질 사이의 에너지 준위 관계에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 2개의 발광물질층으로 이루어진 발광물질층에서 호스트, 지연형광 물질 및 형광 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 3개의 발광물질층으로 이루어진 발광물질층에서 호스트, 지연 형광 물질 및 형광 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 설명한다.
[유기 화합물]
유기발광다이오드에 적용되는 유기 화합물은 우수한 발광 특성을 가지며, 소자의 구동에 의해서도 안정적인 특성을 유지하여야 한다. 특히, 유기발광다이오드에 적용되는 발광 재료는 소자의 발광 효율을 결정하는 가장 중요한 요인이다. 발광 재료는 양자 효율이 높고, 전자와 정공의 이동도가 커야 하며, 안정적이고 균일하게 형성될 수 있어야 한다. 본 발명에 따른 유기 화합물은 아자-아크리딘 모이어티와, 축합 헤테로 아릴 모이어티가 방향족 연결기로 연결된 구조를 갖는다. 본 발명에 따른 유기 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 서로 합쳐져서 C5~C30 스파이로 구조를 형성함; R3는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; o는 1 내지 4의 정수임; X1 내지 X4 는 각각 독립적으로 CR4 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 하나는 질소임, R4는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; Y1 내지 Y5는 각각 독립적으로 CR5 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 3개는 CR5임; R5는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, Y1 내지 Y5 중에서 적어도 하나의 치환기인 R5는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임.
본 명세서에서 '치환되지 않은' 또는 '치환되지 않거나'란, 수소 원자가 치환된 것을 의미하며, 이 경우 수소 원자는 경수소, 중수소 및 삼중수소가 포함된다.
본 명세서에서 '치환된'에서 치환기는 예를 들어, 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 C1~C20 알킬기, 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 C1~C20 알콕시기, 할로겐, 시아노기, -CF3, 하이드록시기, 카르복시기, 카르보닐기, 아민기, C1~C10 알킬치환 아민기, C5~C30 아릴치환 아민기, C4~C30 헤테로아릴치환 아민기, 니트로기, 하이드라질기(hydrazyl group), 술폰산기, C1~C20 알킬 실릴기, C1~C20 알콕시 실릴기, C3~C30 사이클로알킬 실릴기, C5~C30 아릴 실릴기, C4~C30 헤테로아릴 실릴기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기 등을 들 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 화학식 1에서 R1 내지 R15가 알킬기로 치환된 경우, 알킬기는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20, 바람직하게는 C1~C10 알킬기일 수 있다.
본 명세서에서 '헤테로 방향족 고리', '헤테로 사이클로알킬렌기', '헤테로 아릴렌기', '헤테로 아릴알킬렌기', '헤테로 아릴옥실렌기', '헤테로 사이클로알킬기', '헤테로 아릴기', '헤테로 아릴알킬기', '헤테로 아릴옥실기', '헤테로 아릴 아민기' 등에서 사용된 용어 '헤테로'는 이들 방향족(aromatic) 또는 지환족(alicyclic) 고리를 구성하는 탄소 원자 중 1개 이상, 예를 들어 1 내지 5개의 탄소 원자가 N, O, S 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택된 하나 이상의 헤테로 원자로 치환된 것을 의미한다.
화학식 1에 표시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 화합물은 하나의 측면 축합 고리에 적어도 하나의 질소 원자를 포함하여, 아자-아크리딘 모이어티가 분자의 일 측에 형성된다. 아자-아크리딘 모이어티는, Y1 내지 Y5를 포함하는 방향족 연결기를 통하여, 예를 들어 적어도 하나의 질소 원자를 함유하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴 모이어티(R5)를 갖는다. 하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 화학식 1의 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 적어도 하나의 질소 원자를 포함할 수 있다. 예를 들어, CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 카바졸일기, 아크리디닐기, 카볼리닐기, 스파이로플루오레노카바졸일기, 스파이로플루오레노아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 페노티아지닐기(phenothizinyl)로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 유기 화합물에서 아자-아크리딘 모이어티는 전자와의 결합 능력이 우수하기 때문에, 아자-아크리딘 모이어티는 전자의 주입 및 이동을 유도하는 n-타입 특성을 가질 수 있다. 또한, C10~C30 축합 헤테로 아릴기 모이어티는 정공과의 결합 능력이 우수하기 때문에, C10~C30 축합 헤테로 아릴기 모이어티는 정공의 주입 및 이동을 유도하는 p-타입 특성을 가질 수 있다. 따라서, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 양쪽성(bi-polar) 특성을 가질 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, R1 내지 R4를 각각 구성하거나, R5에 치환될 수 있는 C5~C30 아릴기는 각각 독립적으로 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 펜탄레닐기, 인데닐기, 인데노인데닐기, 헵탈레닐기, 바이페닐레닐기, 인다세닐기, 페날레닐기, 페난트레닐기, 벤조페난트레닐기, 디벤조페난트레닐기, 아줄레닐기, 파이레닐기, 플루오란테닐기, 트리페닐레닐기, 크라이세닐기, 테트라페닐기, 테트라세닐기, 플레이다에닐기, 파이세닐기, 펜타페닐기, 펜타세닐기, 플루오레닐기, 인데노플루오레닐기 또는 스파이로 플루오레닐기와 같은 축합되지 않거나 축합된(fused) 아릴기일 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, R1 내지 R4를 각각 구성하거나, R5에 치환될 수 있는 C4~C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 피롤릴기, 피리디닐기, 피리미디닐기, 피라지닐기, 피리다지닐기, 트리아지닐기, 테트라지닐기, 이미다졸일기, 피라졸일기, 인돌일기, 이소인돌일기, 인다졸일기, 인돌리지닐기, 피롤리지닐기, 카바졸일기, 벤조카바졸일기, 디벤조카바졸일기, 인돌로카바졸일기, 인데노카바졸일기, 벤조퓨로카바졸일기, 벤조티에노카바졸일기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀리닐기, 프탈라지닐기, 퀴녹살리닐기, 시놀리닐기, 퀴나졸리닐기, 퀴노졸리닐기, 퀴놀리지닐기, 퓨리닐기, 프탈라지닐기, 퀴녹살리닐기, 벤조퀴놀리닐기, 벤조이소퀴놀리닐기, 벤조퀴나졸리닐기, 벤조퀴녹살리닐기, 아크리디닐기, 페난트롤리닐기, 페리미디닐기, 페난트리디닐기, 프테리디닐기, 신놀리닐기, 나프타리디닐기, 퓨라닐기, 파이라닐기, 옥사지닐기, 옥사졸일기, 옥사디아졸일기, 트리아졸일기, 디옥시닐기, 벤조퓨라닐기, 디벤조퓨라닐기, 티오파이라닐기, 잔테닐기, 크로메닐기, 이소크로메닐기, 티오아지닐기, 티오페닐기, 벤조티오페닐기, 디벤조티오페닐기, 디퓨로피라지닐기, 벤조퓨로디벤조퓨라닐기, 벤조티에노벤조티오페닐기, 벤조티에노디벤조티오페닐기, 벤조티에노벤조퓨라닐기, 벤조티에노디벤조퓨라닐기 또는 N-치환된 스파이로 플루오레닐기와 같은 축합되지 않거나 축합된 헤테로 아릴기일 수 있다.
일례로, R1 내지 R4를 각각 구성하거나, R5에 치환될 수 있는 C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기는 1개 내지 3개의 방향족 고리로 이루어질 수 있다. R1 내지 R4를 각각 구성하거나, R5에 치환될 수 있는 이들 방향족 고리의 개수가 많아지면, 전체 유기 화합물에서 공액화(conjugated) 구조가 지나치게 길어져서, 유기 화합물의 밴드갭이 지나치게 줄어들 수 있다. 일례로, R1 내지 R4가 각각 독립적으로 방향족 작용기이거나, R5에 치환될 수 있는 작용기가 방향족 작용기인 경우, 이들 방향족 작용기는 각각 독립적으로 페닐기, 바이페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 피롤릴기, 트리아지닐기, 이미다졸일기, 피라졸일기, 피리디닐기, 피라지닐기, 피리미디닐기, 피리다지닐기, 퓨라닐기, 벤조퓨라닐기, 디벤조퓨라닐기, 티오페닐기, 벤조티오페닐기, 디벤조티오페닐기, 카바졸일기, 아크리디닐기, 카볼리닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및/또는 페노티아지닐기를 포함하지만, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
다른 선택적인 실시형태에서, R3 및 R4는 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성하고/형성하거나, R5는 C5~C20 축합 방향족 고리가 축합될 수 있다. 이 경우, C5~C20 축합 방향족 고리는 축합 페닐 고리, 축합 나프틸 고리 및/또는 축합 인데노 고리와 같은 축합 아릴 고리, 또는 축합 피리딜기, 축합 피리미딜기 및/또는 축합 인돌일기와 같은 축합 헤테로 아릴 고리일 수 있다.
예를 들어, R3 및 R4는 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성한다. 예를 들어, 아자-아크리딘 모이어티는 방향족 고리와 축합하여 벤조 아자-아크리딘 모이어티, 디벤조 아자-아크리딘 모이어티, 벤조퓨로 아자-아크리딘 모이어티, 벤조티에노 아자-아크리딘 모이어티, 피리디 아자-아크리딘 모이어티, 인데노 아자-아크리딘 모이어티 및/또는 인돌로 아자-아크리딘 모이어티 등을 형성할 수도 있다.
또한, R5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 다른 축합 고리와 합쳐져서, 벤조 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티, 디벤조 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티, 벤조퓨로 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티, 벤조티에노 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티, 피리도 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티, 인데노 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티, 인돌로 카바졸/아크리딘/카볼린/페나진/페녹사진/페노티아진 모이어티를 형성할 수도 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, R1 및 R2가 서로 합쳐져서 C5~C30 스파이로 구조를 형성하고/형성하거나, R5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기에 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조가 연결될 수 있다. 스파이로 구조는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 방향족 작용기 또는 C5~C30 방향족 아미노기로 치환된 스파이로 플루오렌, 스파이로 벤조플루오렌을 포함할 수 있다.
화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 p-타입 특성을 가질 수 있는 축합 헤테로 아릴 모이어티와, n-타입 특성을 가지는 아자-아크리딘 모이어티를 가지고 있기 때문에, 정공 및 전자에 대한 친화성이 우수하다. 화학식 1로 표시되는 유기 화합물을 발광다이오드의 발광층에 적용하면, 정공과 전자가 엑시톤을 형성하는 재결합 영역(recombination zone)이 발광물질층(EML)-전자수송층(ETL)/정공차단층(HBL)의 계면이 아니라, 발광물질층(EML)의 중앙 영역에 형성된다.
또한, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 견고한 화학 구조인 다수의 축합 방향족 고리를 포함하고 있어서 내열 특성이 우수하며, 여기 상태 삼중항 에너지 준위 및 여기 상태 단일항 에너지 준위가 상대적으로 높다. 뿐만 아니라, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 최고준위점유분자궤도(Highets Occupied Molecular Orbital; HOMO) 에너지 준위는 상대적으로 낮고(deep), 최저준위비점유분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO) 에너지 준위는 상대적으로 높다(shallow). 즉, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(Eg)이 넓다. 이에 따라, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위가 발광층의 소재, 예를 들어 발광층의 호스트로 사용되기에 적절할 수 있다. 일례로, 지연형광 재료와 함께 사용하면, 발광 소자의 구동 전압을 낮추어 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 구동 전압 상승으로 인하여 구동 소자에 가해지는 스트레스가 감소하게 되어 발광 효율을 향상시키고, 소자의 수명을 증가시킬 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H)는 3.1 eV 이상일 수 있으며, 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)은 2.7 eV 이상일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 또한, 화학식 1 로 표시되는 유기 화합물의 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO) 에너지 준위는 대략 -5.5 내지 -6.5 eV, 바람직하게는 -5.7 내지 -6.3 eV일 수 있다. 또한, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물의 최저준위비점유분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital; LUMO) 에너지 준위는 -1.5 내지 -3.0 eV, 바람직하게는 -2.0 내지 -2.5 eV일 수 있으며, 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(Eg)은 3.0 내지 4.5 eV, 바람직하게는 3.5 내지 4.2 eV일 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 벤조-나프티리딘(benzo-naphthridine) 모이어티를 가질 수 있다. 예를 들어, 화학식 1에서 X1 내지 X4 중에서 하나는 질소 원자이고, 나머지는 CR4로 표시될 수 있다. 또한, 화학식 1에서 Y1은 질소 또는 치환되지 않거나 치환된 탄소이고, Y2 내지 Y5는 치환되지 않거나 치환된 탄소일 수 있다. 일례로, 벤조-나프티리딘 모이어티를 가지는 유기 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 유기 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
화학식 2에서 R11 및 R12는 각각 독립적으로 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기 또는 C5~C20 아릴기임; R13 및 R14는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기임; o는 화학식 1에서 정의된 것과 동일함; p는 1 내지 3의 정수임; R15 내지 R18은 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, R15 내지 R18 중에서 적어도 어느 하나는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임; Y는 질소(N) 또는 CR19이고, R19는 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기임.
보다 구체적으로, 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 유기 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 어느 하나의 유기 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 3]
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 p-타입 특성을 가질 수 있는 축합 헤테로 아릴 모이어티와, n-타입 특성을 가지는 아자-아크리딘 모이어티가 방향족 연결기를 통하여 연결된다. 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 내열 특성이 우수하고, 높은 여기 상태 단일항 에너지 준위와 여기 상태 삼중항 에너지 준위를 가지며, HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(Eg)이 매우 넓다. 일례로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 호스트로서 지연 형광 도펀트와 함께 병용하는 경우에, 발광 과정에서 에너지 손실 없이 엑시톤 에너지를 지연 형광 도펀트로 전달할 수 있다.
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광 소자의 유기발광층에 사용하면 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 호스트 엑시톤과 주변 폴라론의 상호작용에 의한 엑시톤 소광(exciton quenching)이 최소화되고, 전기-산화 및 광-산화에 의한 발광다이오드 소자의 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광물질층의 호스트로 사용하는 경우, 도펀트로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있기 때문에, 본 발명의 유기 화합물이 적용된 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 발광물질층에 적용된 재료에 대한 손상이 감소하여 장수명의 발광 소자를 제조할 수 있으며, 색 순도가 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다.
[유기발광장치 및 유기발광다이오드]
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 내열 특성 및 발광 특성이 우수하다. 따라서, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 유기발광다이오드를 구성하는 발광물질층에 적용하여, 구동 전압을 낮고, 발광 효율이 우수하며, 발광 수명이 크게 향상된 발광 소자를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 유기발광다이오드는 유기발광다이오드 표시장치 또는 유기발광다이오드를 적용한 조명 장치 등의 유기발광장치에 적용될 수 있다. 일례로, 본 발명의 유기발광다이오드를 적용한 표시장치에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드 표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 유기발광다이오드 표시장치(100)는 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(200)를 포함한다. 박막트랜지스터(Tr)는, 반도체층(110)과, 게이트 전극(130)과, 소스 전극(152)과, 드레인 전극(154)을 포함한다.
기판(102)은 유리 기판, 얇은 플렉서블(flexible) 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone; PES), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate; PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene Terephthalate; PET) 및 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 박막트랜지스터(Tr)와, 유기발광다이오드(200)가 위치하는 기판(102)은 어레이 기판을 이룬다.
기판(102) 상에 버퍼층(104)이 형성되고, 버퍼층(104) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(104)은 생략될 수 있다.
버퍼층(104) 상부에 반도체층(110)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(110)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 반도체층(110)이 산화물 반도체 물질로 이루어지는 경우, 반도체층(110) 하부에 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 차광패턴은 반도체층(110)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(110)이 빛에 의하여 열화되는 것을 방지한다. 이와 달리, 반도체층(110)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(110)의 양 가장자리에 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
반도체층(110) 상부에는 절연물질로 이루어진 게이트 절연막(120)이 기판(102) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(120)은 실리콘산화물(SiO2) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(120) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(130) 반도체층(110)의 중앙에 대응하여 형성된다. 도 1에서 게이트 절연막(120)은 기판(102) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(120)은 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.
게이트 전극(130) 상부에는 절연물질로 이루어진 층간 절연막(140)이 기판(102) 전면에 형성된다. 층간 절연막(140)은 실리콘산화물(SiO2) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기절연물질로 형성될 수 있다.
층간 절연막(140)은 반도체층(110)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(142, 144)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(142, 144)은 게이트 전극(130)의 양측에서 게이트 전극(130)과 이격되어 위치한다. 도 1에서 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(142, 144)은 게이트 절연막(520) 내에도 형성된 것으로 도시하였다. 이와 달리, 게이트 절연막(120)이 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(142, 144)은 층간 절연막(140) 내에만 형성된다.
층간 절연막(140) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(152)과 드레인 전극(154)이 형성된다. 소스 전극(152)과 드레인 전극(154)은 게이트 전극(130)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(142, 144)을 통해 반도체층(110)의 양측과 접촉한다.
반도체층(110), 게이트 전극(130), 소스 전극(152) 및 드레인 전극(154)은 박막트랜지스터(Tr)를 이루며, 박막트랜지스터(Tr)는 구동 소자(driving element)로 기능한다. 도 1에 예시된 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층(110)의 상부에 게이트 전극(130), 소스 전극(152) 및 드레인 전극(154)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.
도 1에 도시하지 않았으나, 게이트 배선과 데이터 배선이 서로 교차하여 화소영역을 정의하며, 게이트 배선과 데이터 배선에 연결되는 스위칭 소자가 더 형성된다. 상기 스위칭 소자는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 또한, 파워 배선이 데이터 배선 또는 데이터 배선과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 캐패시터가 더 구성될 수 있다.
한편, 유기발광다이오드 표시장치(100)는 유기발광다이오드(200)에서 생성된 빛을 흡수하는 컬러필터(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러필터(도시하지 않음)는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 및 백색(W) 광을 흡수할 수 있다. 이 경우, 광을 흡수하는 적색, 녹색 및 청색의 컬러필터 패턴이 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성될 수 있으며, 이들 각각의 컬러필터 패턴은 흡수하고자 하는 파장 대역의 빛을 방출하는 유기발광다이오드(200) 중의 발광 유닛(230)과 각각 중첩되게 배치될 수 있다. 컬러필터(도시하지 않음)를 채택함으로써, 유기발광다이오드 표시장치(200)는 풀-컬러를 구현할 수 있다.
예를 들어, 유기발광다이오드 표시장치(100)가 하부 발광 타입인 경우, 유기발광다이오드(200)에 대응하는 층간 절연막(140) 상부에 광을 흡수하는 컬러필터(도시하지 않음)가 위치할 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 유기발광다이오드 표시장치(100)가 상부 발광 타입인 경우, 컬러필터는 유기발광다이오드(200)의 상부, 즉 제 2 전극(220) 상부에 위치할 수도 있다.
소스 전극(152)과 드레인 전극(154) 상부에는 평탄화층(160)이 기판(102) 전면에 형성된다. 평탄화층(160)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(154)을 노출하는 드레인 컨택홀(162)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(162)은 제 2 반도체층 컨택홀(144) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(144)과 이격되어 형성될 수도 있다.
유기발광다이오드(200)는 평탄화층(160) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(154)에 연결되는 제 1 전극(210)과, 제 1 전극(210) 상에 순차 적층되는 발광 유닛(230) 및 제 2 전극(220)을 포함한다.
1 전극(210)은 각 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(210)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(210)은 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극(210)은 인듐-주석-산화물 (indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 주석산화물(SnO), 아연산화물(ZnO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 유기발광다이오드 표시장치(100)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 제 1 전극(210) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사전극 또는 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 평탄화층(160) 상에는 제 1 전극(210)의 가장자리를 덮는 뱅크층(170)이 형성된다. 뱅크층(170)은 화소영역에 대응하여 제 1 전극(210)의 중앙을 노출한다.
제 1 전극(210) 상에는 발광 유닛(230)이 형성된다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 발광 유닛(230)은, 발광물질층(emitting material layer; EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광 유닛(230)은 도 2, 도 6, 도 8 및 도 10에 각각 도시한 바와 같이, 정공주입층(hole injection layer; HIL), 정공수송층(hole transport layer; HTL), 전자차단층(electron blocking layer; EBL), 발광물질층(EML), 정공차단층(hole blocking layer; HBL), 전자수송층(electron transport layer; ETL) 및/또는 전자주입층(electron injection layer; EIL)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 유닛(230)은 단층으로 이루어질 수도 있고, 2개 이상의 발광 유닛이 탠덤 구조를 형성할 수도 있다. 발광 유닛(230)은 화학식 1 내지 3으로 표시되는 유기 화합물을 포함한다. 일례로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 발광물질층의 호스트로 이용될 수 있고, 발광물질층은 적어도 하나의 도펀트를 포함할 수 있다.
발광 유닛(230)이 형성된 기판(102) 상부로 제 2 전극(220)이 형성된다. 제 2 전극(220)은 표시영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(220)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(ca), 은(Ag) 또는 이들의 합금이나 조합(예를 들어, 알루미늄-마그네슘 합금(AlMg))과 같은 반사 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다.
제 2 전극(220) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(200)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 180)이 형성된다. 인캡슐레이션 필름(180)은 제 1 무기 절연층(182)과, 유기 절연층(184)과, 제 2 무기 절연층(186)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전술한 바와 같이, 유기발광다이오드(200)는 발광 유닛(230)에 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물이 적용된다. 이들 유기 화합물은 내열 특성 및 발광 특성이 우수하기 때문에, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광 유닛(230)에 적용하여, 유기발광다이오드(200)의 발광 효율을 향상시키고, 구동 전압을 낮추어 소비 전력을 줄이는 동시에 장 수명의 유기발광다이오드(200)를 구현할 수 있다.
[유기발광다이오드]
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(300)는 서로 마주하는 제 1 전극(310) 및 제 2 전극(320)과, 제 1 및 제 2 전극(310, 320) 사이에 위치하는 발광 유닛(330)을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 발광 유닛(330)은 제 1 전극(310)으로부터 순차적으로 적층되는 정공주입층(hole injection layer, HIL, 340), 정공수송층(hole transfer layer, HTL, 350), 발광물질층(emissitve material layer, EML, 360), 전자수송층(electron transfer layer, ETL, 370) 및 전자주입층(electron injection layer, EIL, 380)을 포함한다. 선택적으로, 발광 유닛(330)은 정공수송층(350)과 발광물질층(360) 사이에 위치하는 제 1 엑시톤 차단층인 전자차단층(electron blocking layer, EBL, 355) 및/또는 발광물질층(360)과 전자수송층(370) 사이에 위치하는 제 2 엑시톤 차단층인 정공차단층(hole blocking layer, HBL, 375)을 더욱 포함할 수 있다.
제 1 전극(310)은 발광물질층(360)에 정공을 공급하는 양극(anode)일 수 있다. 제 1 전극(310)은 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 형성되는 것이 바람직하다. 예시적인 실시형태에서, 제 1 전극(310)은 인듐-주석-산화물 (indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 주석산화물(SnO), 아연산화물(ZnO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)으로 이루어질 수 있다.
제 2 전극(320)은 발광물질층(360)에 전자를 공급하는 음극(cathode)일 수 있다. 제 2 전극(320)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 은(Ag), 또는 이들의 합금이나 조합과 같은 반사 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(310)과 제 2 전극(320)은 각각 30 내지 300 nm의 두께로 적층될 수 있다.
정공주입층(340)은 제 1 전극(310)과 정공수송층(350) 사이에 위치하는데, 무기물인 제 1 전극(310)과 유기물인 정공수송층(350) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공주입층(340)은 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-Tris(3-methylphenylamino)triphenylamine; MTDATA), 4,4',4"-트리스(N,N-디페닐-아미노)트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N,N-diphenyl-amino)triphenylamine; NATA), 4,4',4"-트리스(N-(나프탈렌-1-일)-N-페닐-아미노)트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N-(naphthalene-1-yl)-N-phenyl-amino)triphenylamine; 1T-NATA), 4,4',4"-트리스(N-(나프탈렌-2-일)-N-페닐-아미노)트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N-(naphthalene-2-yl)-N-phenyl-amino)triphenylamine; 2T-NATA), 프탈로시아닌구리(Copper phthalocyanine; CuPc), 트리스(4-카바조일-9일-페닐)아민(Tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine; TCTA), N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-1,1'-바이페닐-4,4"-디아민(N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine; NPB; NPD), 1,4,5,8,9,11-헥사아자트리페닐렌헥사카보니트릴(1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile, Dipyrazino[2,3-f:2'3'-h]quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile; HAT-CN), 1,3,5-트리스[4-(디페닐아미노)페닐]벤젠(1,3,5-tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene; TDAPB), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 술포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiphene)polystyrene sulfonate; PEDOT/PSS) 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민(N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine) 등으로 이루어지는 어느 하나의 화합물로 이루어질 수 있다. 유기발광다이오드(300)의 특성에 따라 정공주입층(340)은 생략될 수 있다.
정공수송층(350)은 제 1 전극(310)과 발광물질층(360) 사이에 발광물질층(360)에 인접하여 위치한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공수송층(350)은 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-바이페닐-4,4'-디아민(N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine; TPD), NPB(NPD), 4,4'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-바이페닐(4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; CBP), 폴리[N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘](Poly[N,N'-bis(4-butylpnehyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine]; Poly-TPD), 폴리[(9,9-디옥닐플루오레닐-2,7-디일)-co-(4,4'-(N-(4-sec-부틸페닐)디페닐아민))](Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine))], TFB), 디-[4-(N,N-디-p-톨릴-아미노)페닐]사이클로헥산(Di-[4-(N,N-di-p-tolyl-amino)-phenyl]cyclohexane; TAPC), 3,5-디(9H-카바졸-9-일)-N,N-디페닐아닐린(3,5-Di(9H-carbazol-9-yl)-N,N-diphenylaniline; DCDPA), N-(비페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민(N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine) 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)바이페닐)-4-아민(N-(biphenyl-4-yl)-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)biphenyl-4-amine) 등으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
예시적인 실시형태에서, 정공주입층(340) 및 정공수송층(350)은 각각 5 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 5 nm 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(360)은 호스트와 도펀트를 포함하며, 실질적인 발광은 도펀트에서 수행될 수 있다. 본 실시형태에서, 발광물질층(360)은 호스트(host; 제 1 호스트)에 도펀트(dopant; 제 1 도펀트)가 도핑되어 이루어질 수 있다. 예를 들어, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 발광물질층(360)의 호스트로 사용될 수 있다. 일례로, 발광물질층(360)은 적색, 녹색, 청색 등으로 발광할 수 있다. 발광물질층(360)을 구성하는 제 1 도펀트의 종류와, 제 1 호스트와 제 1 도펀트의 에너지 준위 등에 대해서는 후술한다.
발광물질층(360)과 제 2 전극(320) 사이에는 전자수송층(370)과 전자주입층(380)이 순차적으로 적층될 수 있다. 전자수송층(370)을 이루는 소재는 높은 전자 이동도가 요구되는데, 원활한 전자 수송을 통하여 발광물질층(360)에 전자를 안정적으로 공급한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(370)은 옥사디아졸계(oxadiazole-base), 트리아졸계(triazole-base), 페난트롤린계(phenanthroline-base), 벤족사졸계(benzoxazole-based), 벤조티아졸계(benzothiazole-base), 벤즈이미다졸계(benzimidazole-base), 트리아진(triazine-base) 등의 유도체 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 전자수송층(370)은 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(tris-(8-hydroxyquinoline aluminum; Alq3), 2-바이페닐-4-일-5-(4-터셔리-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole; PBD), 스파이로-PBD, 리튬 퀴놀레이트(lithium quinolate; Liq), 1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠(1,3,5-Tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl)benzene; TPBi), 비스(2-메틸-8-퀴놀리노라토-N1,O8)-(1,1'-바이페닐-4-올라토)알루미늄(Bis(2-methyl-8-quinolinolato-N1,O8)-(1,1'-biphenyl-4-olato)aluminum; BAlq), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; Bphen), 2,9-비스(나프탈렌-2-일)4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-Bis(naphthalene-2-yl)4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; NBphen), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenathroline; BCP), 3-(4-바이페닐)-4-페닐-5-터르-부틸페닐-1,2,4-트리아졸(3-(4-Biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole; TAZ), 4-(나프탈렌-1-일)-3,5-디페닐-4H-1,2,4-트리아졸(4-(Naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole; NTAZ), 1,3,5-트리(p-피리드-3-일-페닐)벤젠(1,3,5-Tri(p-pyrid-3-yl-phenyl)benzene; TpPyPB), 2,4,6-트리스(3'-(피리딘-3-일)바이페닐-3-일)1,3,5-트리아진(2,4,6-Tris(3'-(pyridin-3-yl)biphenyl-3-yl)1,3,5-triazine; TmPPPyTz), 폴리[(9,9-비스(3'-((N,N-디메틸)-N-에틸암모늄)-프로필)-2,7-플루오렌)-알트-2,7-(9,9-디옥틸플루오렌)](Poly[9,9-bis(3'-((N,N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene]-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]; PFNBr), 트리스(페닐퀴녹살린)(tris(phenylquinoxaline; TPQ) 및/또는 디페닐-4-트리페닐실릴-페닐포스핀옥사이드(Diphenyl-4-triphenylsilyl-phenylphosphine oxide; TSPO1) 등으로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전자주입층(380)은 제 2 전극(320)과 전자수송층(370) 사이에 위치하는데, 제 2 전극(320)의 특성을 개선하여 소자의 수명을 개선할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자주입층(380)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate) 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 전자수송층(370) 및 전자주입층(380)은 각각 10 내지 200 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
한편, 정공이 발광물질층(360)을 제 2 전극(320)으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(360)을 지나 제 1 전극(310)으로 가는 경우, 소자의 수명과 효율에 감소를 가져올 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(300)는 발광물질층(360)에 인접하여 적어도 1개의 엑시톤 차단층이 위치한다.
예를 들어, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(300)는 정공수송층(350)과 발광물질층(360) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(355)이 위치한다. 일례로, 전자차단층(355)은 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine), N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, TAPC, MTDATA, 1,3-비스(카바졸-9-일)벤젠(1,3-Bis(carbazol-9-yl)benzene; mCP), 3,3'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-바이페닐(3,3'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; mCBP), CuPC, N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-바이페닐]-4,4'-디아민(N,N'-bis[4-[bis(3-methylphenyl)amino]phenyl]-N,N'-diphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine; DNTPD), TDAPB, DCDPA 및/또는 2,8-비스(9-페닐-9H-카바졸-3-일)디벤조[b,d]티오펜(2,8-bis(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)dibenzo[b,d]thiophene)으로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
또한, 발광물질층(360)과 전자수송층(370) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(375)이 위치하여 발광물질층(360)과 전자수송층(370) 사이에 정공의 이동을 방지한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(375)의 소재로서 전자수송층(370)에 사용될 수 있는 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 등의 유도체가 사용될 수 있다.
예를 들어, 정공차단층(375)은 발광물질층(360)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 낮은 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, 비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine; B3PYMPM), 비스[2-(디페닐포스피노)페닐]에테르옥사이드(Bis[2-(diphenylphosphino)phenyl]teeth oxide; DPEPO), 9-(6-(9H-카바졸-9-일)피리딘-3-일)-9H-3,9'-바이카바졸, TSPO1 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.
위에서 개략적으로 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(300)를 구성하는 발광물질층(360)은 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 호스트와 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트를 포함한다. 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트를 발광물질층(360)에 포함시켜 유기발광다이오드(300)의 발광 효율을 향상시키고, 구동 전압을 낮추며, 발광 수명을 개선할 수 있다.
유기발광다이오드는 양극에서 주입된 정공(hole)과 음극에서 주입된 전자(electron)가 발광물질층에서 결합하여 엑시톤을 형성하여 불안정한 에너지 상태(excited state)로 되었다가, 안정한 바닥 상태(ground state)로 돌아오며 빛을 방출한다. 이론적으로 정공과 전자가 만나 엑시톤을 형성할 때, 스핀의 배열에 따라 짝스핀(paired spin) 형태인 단일항 엑시톤(singlet exciton)과 홀스핀(unpaired spin) 형태인 삼중항 엑시톤(triplet exciton)이 1:3의 비율로 생성된다. 형광 물질에서는 단일항 엑시톤만이 발광에 참여하고 나머지 75%의 삼중항 엑시톤은 발광에 참여하지 못하기 때문에, 통상적인 형광 물질을 이용한 유기발광다이오드의 최대 발광 효율은 약 5%에 불과하다.
반면, 인광 물질은 단일항 엑시톤과 삼중항 엑시톤을 모두 빛으로 전환시키는 발광 메커니즘을 가지고 있다. 인광 물질은 단일항 엑시톤을 계간전이(intersystem crossing; ISC)를 통해 삼중항으로 변환시킨다. 따라서 단일항 엑시톤과 삼중항 엑시톤을 모두 사용하는 인광 물질을 사용하는 경우, 형광 물질이 가지는 낮은 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 하지만, 특히 청색 인광 물질은 색-순도가 표시장치에 적용하기 어려운 수준이며, 수명 또한 매우 짧아 상용화 수준에 크게 미치지 못하고 있다.
최근에는 종래의 형광 도펀트와 인광 도펀트가 가지는 문제점을 해결할 수 있는 이른바 지연형광 물질이 개발되었다. 대표적인 지연형광 물질은 열-활성 지연형광(thermally activated delayed fluorescence; TADF) 물질이다. 지연형광 물질은 전자주개 모이어티와 전자받개 모이어티를 모두 가지고 있어서, 분자내전하이동(intramolecular charge transfer; ICT)이 가능하다. 지연형광 물질을 발광물질층의 도펀트로 사용하면, 발광 과정에서 단일항 에너지와 삼중항 에너지를 모두 이용할 수 있다. 지연형광 물질의 발광 메커니즘을 도 3을 참조하면서 설명한다.
지연형광 물질에서 단일항 에너지 준위(S1 TD)를 가지는 엑시톤은 형광으로 발광한다. 한편, 삼중항 에너지 준위(T1 TD)를 가지는 엑시톤은 ICT가 가능하기 때문에 전하이동(Charge transfer; CT) 상태이다. CT 상태는 단일항 또는 삼중항의 성격을 가질 수 있는데, CT 상태의 삼중항 엑시톤이 역 계간전이(Reverse Inter System Crossing; RISC)에 의하여 단일항 엑시톤으로 전환되면서, 바닥 상태(ground state, S0)로 전이된다. 이에 따라, 단일항 에너지 준위(S1 TD)를 가지는 엑시톤과 삼중항 에너지 준위(T1 TD)를 가지는 엑시톤이 모두 발광에 참여하기 때문에 내부양자효율이 향상되고, 이에 따라 발광 효율이 향상된다.
종래의 형광 물질은 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO)와 최저준위비점유분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital; LUMO)가 분자 전체에 퍼져있기 때문에, 단일항 상태와 삼중항 상태 사이의 상호 전환이 불가능하다(선택 규칙, selection rule). 하지만, ICT 상태를 가지는 화합물은 HOMO와 LUMO의 궤도 겹침이 적기 때문에, HOMO 상태의 분자 궤도와 LUMO 상태의 분자 궤도 사이의 상호작용이 작다. 따라서 전자의 스핀 상태 변화가 다른 전자에 영향을 미치지 않게 되고, 선택 규칙을 따르지 않는 새로운 전하 이동 밴드(charge transfer band, CT band)가 형성된다.
지연형광 물질에서 전자받개 모이어티와 전자주개 모이어티가 분자 내에서 이격되어 있기 때문에, 분자 내 쌍극자 모멘트(dipole moment)가 큰 분극 상태로 존재하게 된다. 쌍극자 모멘트가 분극된 상태에서 HOMO와 LUMO 상태의 분자 궤도 간의 상호작용이 작아지면서, ICT가 가능하게 되어, 단일항 또는 삼중항의 성격을 가지는 CT 상태가 된다. CT 상태의 삼중항 엑시톤이 RISC에 의해 단일항 엑시톤으로 전환되면서 지연 형광이 일어난다.
따라서 지연형광 물질을 포함하는 발광 소자가 구동되면, 원래의 25%의 단일항 에너지 준위(S1 TD)를 가지는 엑시톤은 물론이고, 열이나 전계에 의하여 75%의 삼중항 에너지 준위(T1 TD)를 가지는 엑시톤도 단일항 엑시톤으로 전환되어 모두 바닥 상태(S0)로 떨어지면서 발광이 일어나기 때문에, 내부양자효율은 이론적으로 100%가 된다.
삼중항 상태와 단일항 상태에서 모두 에너지 전이가 일어나기 위해서는, 지연 형광 물질은 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 삼중항 에너지 준위(T1 TD)의 차이(ΔEST TD)가 0.3 eV 이하, 예를 들어 0.05 내지 0.3 eV이어야 한다. 단일항 상태와 삼중항 상태의 에너지 차이가 작은 재료는 원래의 단일항 엑시톤이 발광하면서 형광을 나타낼 뿐만 아니라, 상온 수준의 열 에너지 또는 전계에 의하여 삼중항 상태에서 에너지가 보다 높은 단일항 상태로 역 계간전이(Reverse Inter System Crossing; RISC)가 일어나고, 단일항 상태가 바닥 상태로 전이되면서 지연 형광을 나타낸다.
지연 형광의 경우 이론적으로 최대 100%의 효율을 얻을 수 있기 때문에, 종래의 중금속을 포함하는 인광 재료와 동등한 내부 양자 효율을 구현할 수 있다. 그런데, 지연 형광을 구현하기 위한 호스트는 도펀트에서의 삼중항 상태의 엑시톤이 소광(비-발광 소멸, quenching)되지 않고 발광에 관여할 수 있도록 유도할 수 있어야 하고, 이를 위해서는 호스트와 지연 형광 물질의 에너지 준위가 조절되어야 한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 호스트와 지연 형광 물질이 포함된 발광물질층에서 이들 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다. 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 발광물질층(EML, 360)에 포함되는 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)와, 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H)는 각각 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트(T 도펀트)의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)와 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)보다 높아야 한다. 예를 들어, 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)는 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 0.2 eV 이상 높을 수 있다.
제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H) 및/또는 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H)가 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD) 및/또는 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)보다 충분히 높지 않은 경우에는, 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)의 엑시톤이 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)로의 역-전하 이동이 발생한다. 이에 따라, 삼중항 엑시톤이 발광할 수 없는 제 1 호스트에서 삼중항 엑시톤이 비-발광 소멸되기 때문에, 제 1 도펀트의 삼중항 상태 엑시톤이 발광에 기여하지 못하게 된다. 일례로, 제 1 호스트로 사용되는 화합물의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H)는 2.9 eV 이상일 수 있으며, 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)은 2.8 eV 이상일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)의 차이(ΔEST TD)가 0.3 eV 이하, 예를 들어 0.05 내지 0.3 eV일 수 있다.
또한, 제 1 호스트와 제 1 도펀트의 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위를 적절하게 조정할 필요가 있다. 일례로, 제 1 호스트의 최고준위점유분자궤도 에너지 준위(HOMOH)와 제 1 도펀트의 최고준위점유분자궤도 에너지 준위(HOMOTD)의 차이(|HOMOH-HOMOTD|) 또는 제 1 호스트의 최저준위비점유분자궤도 에너지 준위(LUMOH)와 제 1 도펀트의 최저준위비점유분자궤도 에너지 준위(LUMOTD)의 차이(|LUMOH-LUMOD|)는 0.5 eV 이하, 예를 들어, 0.1 내지 0.5 eV인 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 호스트에서 제 1 도펀트로의 전하 이동 효율이 향상되어, 최종적으로 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 호스트의 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(EgH)은 제 1 도펀트의 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(EgTD)보다 클 수 있다. 일례로, 제 1 호스트의 HOMO 에너지 준위(HOMOH)는 제 1 도펀트의 HOMO 에너지 준위(HOMOTD)보다 낮고(deep), 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위(LUMOH)는 제 1 도펀트의 LUMO 에너지 준위(LUMOTD)보다 높다(shallow).
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 p-타입 특성을 가지는 축합 헤테로 아릴 모이어티와, n-타입 특성을 가지는 아자-아크리딘 모이어티가 방향족 연결기를 통하여 결합되어, 내열 특성이 우수하다. 유기발광다이오드(100)를 구동할 때 발생하는 Joule 열에 의하여 야기되는 결정화가 방지될 수 있다. 아울러, 여기 상태 삼중항/단일항 에너지 준위가 높고, 에너지 밴드갭이 넓다. 따라서, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 발광물질층(360)의 호스트로 사용하기에 적합하다. 특히, 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트와 함께 병용하면, 발광 과정에서 에너지 손실 없이 엑시톤 에너지를 지연 형광 도펀트로 전달할 수 있다.
즉, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 유기발광다이오드(100)의 발광물질층(360)에 호스트로 사용하면, 호스트 엑시톤과 주변 폴라론의 상호작용에 의한 엑시톤 소광(exciton quenching)이 최소화되고, 전기-산화 및 광-산화에 의한 발광다이오드 소자의 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 유기 화합물은 내열 특성이 우수하며, 에너지 밴드갭과 삼중항 에너지 준위도 높다.
따라서, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광물질층의 호스트로 사용하는 경우, 도펀트로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있기 때문에, 본 발명의 유기 화합물이 적용된 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 발광물질층에 적용된 재료에 대한 손상이 감소하여 장수명의 발광 소자를 제조할 수 있으며, 색 순도가 우수한 발광 소자를 구현할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에 따라, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광물질층(360)의 호스트로 사용하는 경우, 지연 형광 특성을 보이면서 호스트와의 에너지 준위가 적절한 물질을 제 1 도펀트로 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제 1 도펀트는 청색, 녹색 또는 적색으로 발광하는 지연형광도펀트일 수 있다. 일례로, 표시장치에 적용할 수 있는 수준의 발광을 구현하기 위하여, 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)는 2.7 내지 2.75 eV 수준일 수 있고, 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)는 2.4 내지 2.5 eV 수준일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트로 사용될 수 있는 유기 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMOTD)는 -5.0 내지 -6.0 eV, 바람직하게는 -5.0 내지 -5.5 eV이고, LUMO 에너지 준위(LUMOTD)는 -2.5 내지 -3.5 eV, 바람직하게는 -2.5 내지 -3.0 eV이며, 이들 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(EgTD)은 2.2 내지 3.0 eV, 바람직하게는 2.4 내지 2.8 eV일 수 있다. 한편, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물일 수 있는 제 1 호스트의 HOMO 에너지 준위(HOMOH)는 -5.5 내지 -6.5 eV, 바람직하게는 -5.7 내지 -6.3 eV이고, LUMO 에너지 준위(LUMOH)는 -1.5 내지 -3.0 eV, 바람직하게는 -2.0 내지 -2.5 eV이며, 이들 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(EgH)은 3.0 내지 4.5 eV, 바람직하게는 3.5 내지 4.2 eV일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광물질층(360)의 제 1 도펀트로 사용될 수 있는 지연 형광 물질은 하기 화학식 4로 표시되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
[화학식 4]
예시적인 실시형태에서, 발광물질층(360)에 사용될 수 있는 지연 형광 물질인 제 1 도펀트는 10-(4-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)페닐)-9,9-디메틸-9,10-디하이드로아크리딘(10-(4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl)-9,9-dimethyl-9,10-dihydroacridine, DMAC-TRZ), 10,10'-(4,4'-술포닐비스(4,1-페닐렌))비스(9,9-디메틸-9,10-디하이드로아크리딘)(10,10'-(4,4'-sulfonylbis(4,1-phenylene))bis(9,9-dimethyl-9,10-dihydroacridine), DMAC-DPS), 10-페닐-10H,10'H-스파이로[아크리딘-9,9'-안트라센]-10'-온(10-phenyl-10H,10'H-spiro[acridine-9,9'-anthracen]-10'-one, ACRSA), 3,6-디벤조일-4,5-디(1-메틸-9-페닐-9H-카바조일)-2-에티닐벤조니트릴(3,6-dibenzoyl-4,5-di(1-methyl-9-phenyl-9H-carbazoyl)-2-ethynylbenzonitrile, Cz-VPN), 9,9',9"-(5-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)벤젠-1,2,3-트리일)트리스(9H-카바졸(9,9',9"-(5-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)benzene-1,2,3-triyl) tris(9H-carbazole), TcZTrz), 9,9'-(5-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)-1,3-페닐렌)비스(9H-카바졸)(9,9'-(5-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)-1,3-phenylene)bis(9H-carbazole), DczTrz), 9,9',9",9"'-((6-페닐-1,3,5-트리아진-2,4-디일)비스(벤젠-5,3,1-트리일))테트라키스(9H-carbazole)(9,9',9",9"'-((6-phenyl-1,3,5-triazin-2,4-diyl)bis(benzene-5,3,1-triyl))tetrakis(9H-carbazole, DDczTrz), 비스(4-(9H-3,9'-바이카바졸-9-일)페닐)메타논(bis(4-(9H-3,9'-bicarbazol-9-yl)phenyl)methanone, CC2BP), 9'-[4-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)페닐]-3,3",6,6"-테트라페닐-9,3',6',9"-터르-9H-카바졸(9'-[4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl]-3,3",6,6"-tetraphenyl-9,3':6',9"-ter-9H-carbazole, BDPCC-TPTA), 9'-[4-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)페닐]-9,3':6',9"-터르-9H-카바졸(9'-[4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl]-9,3':,6',9"-ter-9H-carbazole, BCC-TPTA),
9,9'-(4,4'-설포닐비스(4,1-페닐렌))비스(3,6-디메톡시-9H-카바졸)(9,9'-(4,4'-sulfonylbis(4,1-phenylene))bis(3,6-dimethoxy-9H-carbazole), DMOC-DPS), 9-(4-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)페닐)-3',6'-디페닐-9H-3,9'-바이카바졸(9-(4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl)-3',6'-diphenyl-9H-3,9'-bicarbazole, DPCC-TPTA), 10-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)-10H-페녹사진(10-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)-10H-phenoxazine, Phen-TRZ), 9-(4-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)페닐)-9H-카바졸(9-(4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl)-9H-carbazole, Cab-Ph-TRZ), 1,2,3,5-테트라키스(3,6-카바졸-9-일)-4,6-디시아노벤젠(1,2,3,5-Tetrakis(3,6-carbazol-9-yl)-4,6-dicyanobenzene, 4CzIPN), 2,3,4,6-테트라(9H-카바졸-9-일)-5-플루오로벤조니트릴(2,3,4,6-tetra(9H-carbazol-9-yl)-5-fluorobenzonitrile, 4CZFCN), 및/또는 10-(4-(4,6-디페닐-1,3,5-트리아진-2-일)페닐)-10H-스파이로[아크리딘-9,9'-플루오렌](10-(4-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl)-10H-spiro[acridine-9,9'-fluorene], SpiroAC-TRZ)일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 지연형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트는 하기 화학식 5로 표시되는 유기 화합물을 포함할 수 있다(이들 화합물의 HOMO는 각각 -5.65 eV, -5.69 eV, -5.66 eV이고, LUMO는 각각 -2.42 eV, -2.61 eV, -2.23 eV이며, 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1)은 각각 2.82 eV, 2.73 eV, 2.85 eV이다.
[화학식 5]
발광물질층(360)이 제 1 호스트와 제 1 도펀트를 포함하는 경우, 제 1 도펀트는 발광물질층(360) 내에 1 내지 70 중량%, 바람직하게는 10 내지 50 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 50 중량%의 비율로 도핑될 수 있다. 발광물질층(360)은 10 내지 200 nm, 바람직하게는 20 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 nm의 두께로 적층될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
한편, 전술한 실시형태에서는 발광물질층(360)은 1개의 지연 형광 특성을 가지는 도펀트만을 포함하고 있다. 이와 달리, 발광물질층(360)은 2개 이상의 상이한 특성을 가지는 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광물질층(360)은 호스트(제 1 호스트)와, 제 1 도펀트와 제 2 도펀트로 이루어질 수 있다. 일례로, 지연 형광 물질인 화학식 4로 표시되는 유기 화합물이 제 1 도펀트(T 도펀트)로 사용될 수 있고, 형광 또는 인광 물질이 제 2 도펀트(F 도펀트)로 사용될 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 호스트, 지연 형광 물질 및 형광 물질을 포함하는 발광물질층에서 이들 물질 사이의 에너지 준위 관계에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
지연 형광 특성을 가지는 화학식 4로 표시되는 유기 화합물로 이루어진 도펀트만을 발광물질층(360)에 도입하면 이론적으로 최대 100%의 효율을 얻을 수 있기 때문에, 종래의 중금속을 포함하는 인광 재료와 동등한 내부 양자 효율을 구현할 수 있다.
하지만, 지연 형광 특성을 가지는 화합물의 전자주개-전자받개의 결합 구조 및 구조적 뒤틀림으로 인하여, 발광 과정에서 추가적인 전하 이동 전이(charge transfer transition, CT transition)가 유발되고, 다양한 지오메트리(geometry)를 가지게 된다. 따라서 지연 형광 물질이 발광할 때 반치폭(full width at half maximum; FWHM)이 넓은 스펙트럼을 가지게 되어 색 순도를 저하시키는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 지연 형광 물질은 삼중항 엑시톤 에너지도 발광 과정에서 사용되며, 분자를 구성하는 각각의 모이어티가 회전하면서, TICT(Twisted Internal Charge Transfer)를 초래한다. 이에 따라, 분자의 결합력이 저하되기 때문에, 소자의 수명이 저하될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에서는 지연 형광 물질을 사용할 경우에 야기되는 색 순도의 및 소자 수명의 저하를 방지할 수 있도록, 발광물질층(360, EML)에 형광 또는 인광 물질일 수 있는 제 2 도펀트를 더욱 포함한다. 이에 따라, 도 5에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트(T 도펀트)의 삼중항 에너지가 단일항 에너지로 전환되고, 제 1 도펀트의 단일항 에너지는, 분자간 전자의 교환에 의한 엑시톤의 확산에 의하여 인접한 분자 사이의 파동 함수 중첩에 의존하는 Dexter 에너지 전이에 의하여 동일한 발광물질층 내의 제 2 도펀트(F 도펀트)로 전달되어 초형광(hyper-fluorescence)를 구현할 수 있다.
발광물질층(360, EML)이 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물인 제 1 호스트, 지연 형광 특성을 가지는 화학식 4로 표시되는 유기 화합물인 제 1 도펀트(F 도펀트), 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트(F 도펀트)로 이루어진 경우, 이들 물질 사이의 에너지 준위를 적절하게 조절할 필요가 있다.
지연 형광 특성을 구현할 수 있도록 지연 형광 물질인 제 1 도펀트(T 도펀트)의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)의 차이는 0.3 eV 이하일 수 있다(도 4 참조).
한편, 도 5를 참조하면, 제 1 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)는 각각 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 높다. 예를 들어, 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)는 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 0.2 eV 이상 높을 수 있다. 아울러, 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)는 각각 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 FD)보다 높다.
또한, 제 1 호스트의 HOMO 에너지 준위(HOMOH)와 제 1 도펀트의 HOMO 에너지 준위(HOMOTD)의 차이(|(HOMOH-(HOMOTD|) 또는 호스트의 LUMO 에너지 준위(LUMOH)와 제 1 도펀트의 LUMO 에너지 준위(LUMOTD)의 차이(|LUMOH-LUMOTD|)는 0.5 eV 이하일 수 있다.
예를 들어, 제 1 호스트는 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 포함한다. 또한, 제 1 도펀트는 화학식 4로 표시되는 유기 화합물을 포함할 수 있다.
한편, 초형광을 구현하기 위해서, 지연 형광 물질인 제 1 도펀트로부터 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트로 에너지를 효율적으로 전달하여야 한다. 지연 형광 물질로부터 형광 또는 인광 물질로의 에너지 전이 효율과 관련해서, 지연 형광 물질의 발광 스펙트럼과, 에너지를 전달받는 형광 또는 인광 물질의 흡수 스펙트럼의 중첩이 가장 중요한 요소로 고려될 수 있다. 따라서, 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트의 발광 스펙트럼과의 중첩 영역이 넓은 흡수 스펙트럼을 가지는 형광 또는 인광 물질이 제 2 도펀트로 사용될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 제 2 도펀트로 사용될 수 있는 형광 물질은 퀴놀리노-아크리딘(quinolino-acridine) 코어를 가질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
일례로, 퀴놀리노-아크리딘 코어를 가지는 제 2 도펀트는 5,12-dimethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione( S1: 2.3 eV; T1: 2.0 eV; LUMO: -3.0 eV; HOMO: -5.4 eV), 5,12-diethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione(S1: 2.3 eV; T1: 2.2 eV; LUMO: -3.0 eV; HOMO: -5.4 eV), 5,12-dibutyl-3,10-difluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione(S1: 2.2 eV; T1: 2.0 eV; LUMO: -3.1 eV; HOMO: -5.5 eV), 5,12-dibutyl-3,10-bis(trifluoromethyl)quinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione(S1: 2.2 eV; T1: 2.0 eV; LUMO: -3.1 eV; HOMO: -5.5 eV), 5,12-dibutyl-2,3,9,10-tetrafluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione(S1: 2.0 eV; T1: 1.8 eV; LUMO: -3.3 eV; HOMO: -5.5 eV) 등을 들 수 있다.
그 외에도 제 2 도펀트로 사용될 수 있는 형광 물질은 1,1,7,7-tetramethyl-2,3,6,7-tetrahydro-1H,5H-benzo[ij]quinolizin-9-yl)ethenyl]-4H-pyran-4-ylidene}propanedinitrile(DCJTB; S1: 2.3 eV; T1: 1.9 eV; LUMO: -3.1 eV; HOMO: -5.3 eV)이다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 그 외에도 인광 물질로서 청색, 녹색 또는 적색으로 발광할 수 있는 금속 착화합물이 제 2 도펀트로 사용될 수도 있다.
다른 선택적인 실시형태에서, 제 2 도펀트로 사용될 수 있는 형광 물질은 하기 화학식 6으로 표시되는 파이렌계 유기 화합물일 수 있다(화학식 6에 포함되는 유기 화합물의 HOMO는 각각 -5.32 eV, -5.16 eV, -5.39 eV이고, LUMO는 각각 -2.25 eV, -2.37 eV, -2.57 eV)이다.
[화학식 6]
예시적인 실시형태에서, 발광물질층(360, EML) 내에 제 1 호스트의 중량비는 제 1 도펀트 및 제 2 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 이때, 제 1 도펀트의 중량비는 제 2 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 제 1 호스트의 중량비는 제 1 도펀트의 중량비보다 크고, 제 1 도펀트의 중량비는 제 2 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 제 1 도펀트의 중량비가 제 2 도펀트의 중량비보다 큰 경우, 제 1 도펀트로부터 제 2 도펀트로의 Dexter 메커니즘에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다. 예를 들어, 발광물질층(360, EML) 중의 제 1 호스트는 60 내지 75 중량%, 제 1 도펀트는 20 내지 40 중량%, 제 2 도펀트는 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있다.
전술한 제 1 실시형태에서는 발광물질층이 단층으로 이루어진 유기발광다이오드를 설명하였다. 이와 달리, 본 발명에 따른 유기발광다이오드는 다층의 발광물질층으로 이루어질 수 있다. 도 6은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따라 유기 화합물이 발광 유닛에 적용된 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따라 2개의 발광물질층으로 이루어진 발광물질층에서 호스트, 지연형광 물질 및 형광 물질 사이의 에어지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광다이오드(400)는 서로 마주하는 제 1 전극(410) 및 제 2 전극(420)과, 제 1 및 제 2 전극(410, 420) 사이에 위치하는 발광 유닛(430)을 포함한다.
예시적인 실시형태에서, 발광 유닛(430)은 제 1 전극(410)으로부터 순차적으로 적층되는 정공주입층(440), 정공수송층(450), 발광물질층(460), 전자수송층(470) 및 전자주입층(480)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 유닛(430)은 정공수송층(450)과 발광물질층(460) 사이에 위치하는 제 1 엑시톤 차단층인 전자차단층(455) 및/또는 발광물질층(460)과 전자수송층(470) 사이에 위치하는 제 2 엑시톤 차단층인 정공차단층(475)을 더욱 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 전극(410)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질인 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 등으로 이루어질 수 있다. 제 2 전극(420)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 적은 도전성 물질인 Al, Mg, Ca, Ag 또는 이들의 합금이나 조합으로 이루어질 수 있다.
정공주입층(440)은 제 1 전극(410)과 정공수송층(450) 사이에 위치한다. 정공주입층(440)은 MTDATA, NATA, 1T-NATA, 2T-NATA, CuPc, TCTA, NPB(NPD), HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS 및/또는 N-(비페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등으로 이루어지는 어느 하나의 화합물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(450)은 제 1 전극(410)과 발광물질층(460) 사이에 발광물질층(460)에 인접하여 위치한다. 정공수송층(450)은 TPD, NPD(NPB), CBP, Poly-TPD, TFB, TAPC, DCDPA, N-(비페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 및/또는 N-(비페닐-4-일)-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)비페닐)-4-아민 등의 방향족 아민 화합물을 포함하는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.
발광물질층(460)은 정공수송층(450)과 전자수송층(470) 사이에 위치하는 제 1 발광물질층(EML1, 462)과, 제 1 발광물질층(462)과 전자수송층(470) 사이에 위치하는 제 2 발광물질층(EML2, 464)을 포함한다. 제 1 발광물질층(462, EML1)과 제 2 발광물질층(464, EML2) 중에서 어느 하나는 지연 형광 물질, 예를 들어 화학식 4로 표시되는 유기 화합물인 제 1 도펀트(T 도펀트)를 포함하고, 제 1 발광물질층(462, EML1)과 제 2 발광물질층(464, EML2) 중에서 어느 하나는 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트(F 도펀트)를 포함한다. 이들 호스트와 도펀트의 종류 및 에너지 준위에 대해서는 후술한다.
전자수송층(470)은 발광물질층(460)과 전자주입층(480) 사이에 위치한다. 일례로, 전자수송층(470)은 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 전자수송층(470)은 Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, BAlq, Bphen, NBphen, BCP, TAZ, NTAZ, TpPyPB, TmPPPyTz, PFNBr, TPQ 및/또는 TSPO1 등으로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전자주입층(480)은 제 2 전극(420)과 전자수송층(470) 사이에 위치한다. 전자주입층(480)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq, 리튬 벤조에이트, 소듐 스테아레이트 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 정공수송층(450)과 발광물질층(460) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(455)이 위치한다. 일례로, 전자차단층(455)은 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine), N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, TAPC, MTDATA, mCP, mCBP, CuPC, N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-바이페닐]-4,4'-디아민(N,N'-bis[4-[bis(3-methylphenyl)amino]phenyl]-N,N'-diphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine; DNTPD), TDAPB, DCDPA 및/또는 2,8-비스(9-페닐-9H-카바졸-3-일)디벤조[b,d]티오펜 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 발광물질층(460)과 전자수송층(470) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(475)이 위치하여 발광물질층(460)과 전자수송층(470) 사이에 정공의 이동을 방지한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(475)은 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 등의 유도체가 사용될 수 있다.
예를 들어, 정공차단층(475)은 발광물질층(560)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 낮은 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq 및/또는 비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine; B3PYMPM), DPEPO, 9-(6-(9H-카바졸-9-일)피리딘-3-일)-9H-3,9'-바이카바졸, TSPO1 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에서, 제 1 발광물질층(462)은 제 1 호스트와 지연형광 물질인 제 1 도펀트를 포함한다. 제 2 발광물질층(464)은 제 2 호스트와 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트를 포함한다.
제 1 발광물질층(462, EML1)은 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물인 제 1 호스트와, 지연 형광 물질인 제 1 도펀트로 이루어질 수 있다. 제 1 발광물질층(462, EML1)에 포함되는 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)와 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)의 차이가 매우 적고(ΔEST TD는 0.3 eV 이하, 도 4 참조), 역 계간전이(RISC)에 의하여 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지가 여기 상태 단일항 에너지 준위로 전환된다. 하지만, 제 1 도펀트는 높은 양자 효율을 가지는 반면, 반치폭이 넓기 때문에 색 순도가 좋지 않다.
반면, 제 2 발광물질층(464, EML2)은 제 2 호스트와 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 형광 물질인 제 2 도펀트는 제 1 도펀트에 비하여 반치폭이 협소하기 때문에 색 순도에서 장점이 있지만, 삼중항 엑시톤이 발광에 참여하지 못하기 때문에 양자 효율에 한계가 있다.
하지만, 본 실시형태에 따르면, 제 1 발광물질층(462, EML1)에 포함되는 지연 형광 특성을 가지는 제 1 도펀트의 단일항 에너지 및 삼중항 에너지는, 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction)에 의한 전기장을 통하여 비방사 형태로 전달되는 Forster 공명에너지전이(Forster resonance energy transfer, FRET)를 통하여 인접한 제 2 발광물질층(462, EML2)에 포함된 제 2 도펀트로 전달되어, 제 2 도펀트에서 최종적인 발광이 일어난다.
즉, 역 계간전이 현상에 의해 제 1 발광물질층(462, EML1)에 포함된 제 1 도펀트의 삼중항 에너지가 단일항 에너지로 전환된다. 제 1 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1 TD)는 제 2 발광물질층(464, EML2)의 제 2 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1 FD)보다 높기 때문에, 제 1 도펀트의 단일항 에너지가 제 2 도펀트의 단일항 에너지로 전달된다. 제 2 발광물질층(464, EML2)의 제 2 도펀트는 단일항 에너지와 삼중항 에너지 모두를 이용하여 발광하게 된다.
제 1 발광물질층(462, EML1)의 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트로부터 생성된 에너지가 제 2 발광물질층(464, EML2)의 제 2 도펀트로 효율적으로 전달되어, 초형광을 구현할 수 있다. 이때, 실질적인 발광은 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트를 포함하는 제 2 발광물질층(464, EML2)에서 발광이 일어난다. 따라서 유기발광다이오드(400)의 양자 효율이 향상되고, 반치폭이 좁아지면서, 색 순도가 향상된다.
한편, 제 1 발광물질층(462, EML1) 및 제 2 발광물질층(464, EML2)은 각각 제 1 호스트 및 제 2 호스트를 포함할 수 있다. 제 1 호스트 및 제 2 호스트에서 생성된 엑시톤 에너지는 1차적으로 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트로 전이되어 발광하여야 한다.
제 1 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H1)와 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H2) 및/또는 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1)와 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(T1 H2)는 각각 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 높아야 한다.
예를 들어, 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1) 및 제 2 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H2)가 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 충분히 높지 않은 경우에는, 제 1 도펀트의 삼중항 상태 엑시톤이 제 1, 2 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1, T1 H2)로 넘어가는 역-전하 이동이 발생한다. 이에 따라 지연 형광 물질인 제 1 도펀트의 삼중항 엑시톤 에너지가 비-발광 소멸되어, 제 1 도펀트의 삼중항 상태 엑시톤이 발광이 기여하지 못하게 된다. 예시적으로, 제 1, 2 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1, T1 H2)는 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 최소 0.2 eV 이상 높을 수 있다.
한편, 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H2)는 상기 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD)보다 높다. 이에 따라, 제 2 호스트에서 생성된 단일항 엑시톤 에너지가 제 2 도펀트의 단일항 에너지로 전달될 수 있다.
뿐만 아니라, 제 1 발광물질층(462, EML1)에서 RISC에 의하여 ICT 착물 상태로 변환된 제 1 도펀트로부터, 제 2 발광물질층(464, EML2)의 형광 또는 인광 물질로 에너지를 전이하는 한편, 고효율, 고 색 순도를 가지는 유기발광다이오드를 구현할 필요가 있다. 이러한 유기발광다이오드를 구현하기 위하여, 제 1 발광물질층(462, EML1)에 포함되는 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)는 각각 제 2 발광물질층(464, EML2)에 포함되는 형광 또는 인광 물질일 수 있는 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 FD)보다 높아야 한다.
아울러, 제 1 호스트의 HOMO 에너지 준위(HOMOH1)와 제 1 도펀트의 HOMO 에너지 준위(HOMOTD)의 차이(|HOMOH1-HOMOTD|) 또는 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위(LUMOH1)와 제 1 도펀트의 LUMO 에너지 준위(LUMOTD)의 차이(|LUMOH1-LUMOTD|)는 0.5 eV 이하일 수 있다.
이와 같은 조건을 만족시키지 못하면, 제 1 도펀트 및 제 2 도펀트에서 비-발광 소멸(quenching)이 일어나거나 호스트에서 도펀트로의 에너지 전달이 일어나지 않아, 유기발광다이오드(400)의 양자 효율이 저하될 수 있다.
제 1 호스트와 제 2 호스트는 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 호스트 및 제 2 호스트는 각각 독립적으로 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 포함한다. 지연 형광 물질인 제 1 도펀트는 화학식 4 또는 화학식 5로 표시되는 유기 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 제 2 도펀트는 반치폭이 협소하고, 제 1 도펀트의 흡수 스펙트럼과의 중첩 영역이 넓은 발광 스펙트럼을 가질 수 있다. 일례로, 제 2 도펀트는 5,12-dimethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 12-diethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-3,10-difluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-3,10-bis(trifluoromethyl)quinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-2,3,9,10-tetrafluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione과 같은 퀴놀리노-아크리딘 코어를 가지는 유기 화합물, DCJTB, 적색, 녹색 또는 청색으로 발광할 수 있는 금속 착화합물, 또는 화학식 6으로 표시되는 파이렌계 유기 화합물을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 및 제 2 발광물질층(462, 464) 각각에서, 제 1 및 제 2 호스트는 동일한 발광물질층을 구성하는 제 1 도펀트 및 제 2 도펀트보다 크거나 동일한 중량비를 가질 수 있다. 또한, 제 1 발광물질층(462, EML1)의 제 1 도펀트의 중량비는, 제 2 발광물질층(464, EML2)의 제 2 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 이에 따라, 제 1 발광물질층(462, EML1)의 제 1 도펀트로부터 제 2 발광물질층(464, EML2)의 제 2 도펀트로의 FRET에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다.
한편, 제 1 발광물질층(462, EML1) 내에 제 1 도펀트는 1 내지 70 중량%, 바람직하게는 10 내지 50 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 50 중량%의 비율로 도핑될 수 있다.
한편, 제 2 발광물질층(464, EML2) 내에 제 2 호스트의 중량비는 제 2 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 예를 들어, 제 2 발광물질층(464, EML2)에서 제 2 호스트의 함량은 90 내지 99 중량%, 바람직하게는 95 내지 99 중량%이고, 제 2 도펀트의 함량은 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%이다.
또한, 제 1 발광물질층(462, EML1) 및 제 2 발광물질층(464, EML2)은 각각 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 30 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 nm의 두께로 적층될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
예시적인 실시형태에 따라, 정공차단층(475)에 인접하여 제 2 발광물질층(464)이 위치하는 경우, 제 2 발광물질층(464)을 이루는 제 2 호스트는 정공차단층(475)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(464)은 발광 기능과 함께 정공 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 2 발광물질층(464)은 전자를 차단하기 위한 버퍼층으로 기능한다. 한편, 정공차단층(475)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 발광물질층(464)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
다른 예시적인 실시형태에 따라, 전자차단층(455)에 인접하여 제 2 발광물질층(464)이 위치하는 경우, 제 2 발광물질층(464)을 이루는 제 2 호스트는 전자차단층(455)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(464)은 발광 기능과 함께 전자 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 2 발광물질층(464)은 전자를 차단하기 위한 버퍼층으로 기능한다. 한편, 전자차단층(455)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 발광물질층(464)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용된다.
계속해서, 발광물질층이 3개의 층으로 이루어진 유기발광다이오드에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따라 유기 화합물이 발광 유닛에 적용된 유기발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따라, 3개의 발광물질층으로 이루어진 발광물질층에서 호스트, 지연 형광 물질 및 형광 물질 사이의 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광다이오드(500)는 서로 마주하는 제 1 전극(510) 및 제 2 전극(520)과, 제 1 및 제 2 전극(510, 520) 사이에 위치하는 발광 유닛(530)을 포함한다.
예시적인 실시형태에서, 발광 유닛(530)은 제 1 전극(510)으로부터 순차적으로 적층되는 정공주입층(540), 정공수송층(550), 발광물질층(560), 전자수송층(570) 및 전자주입층(580)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 유닛(530)은 정공수송층(550)과 발광물질층(560) 사이에 위치하는 제 1 엑시톤 차단층인 전자차단층(555) 및/또는 발광물질층(560)과 전자수송층(570) 사이에 위치하는 제 2 엑시톤 차단층인 정공차단층(575)을 더욱 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 전극(510)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질인 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 등으로 이루어질 수 있다. 제 2 전극(520)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 적은 도전성 물질인 Al, Mg, Ca, Ag 또는 이들의 합금이나 조합으로 이루어질 수 있다.
정공주입층(540)은 제 1 전극(510)과 정공수송층(550) 사이에 위치한다. 정공주입층(540)은 MTDATA, NATA, 1T-NATA, 2T-NATA, CuPc, TCTA, NPB(NPD), HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS 및/또는 N-(비페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등으로 이루어지는 어느 하나의 화합물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(550)은 제 1 전극(510)과 발광물질층(560) 사이에 발광물질층(560)에 인접하여 위치한다. 정공수송층(550)은 TPD, NPD(NPB), CBP, Poly-TPD, TFB, TAPC, DCDPA, N-(비페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 및/또는 N-(비페닐-4-일)-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)비페닐)-4-아민 등의 방향족 아민 화합물을 포함하는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.
발광물질층(560)은 정공수송층(550)과 전자수송층(570) 사이에 위치하는 제 1 발광물질층(562, EML1)과, 정공수송층(550)과 제 1 발광물질층(562, EML1) 사이에 위치하는 제 2 발광물질층(564, EML2)과, 제 1 발광물질층(562, EML1)과 전자수송층(570) 사이에 위치하는 제 3 발광물질층(566, EML3)을 포함한다. 각각의 발광물질층을 구성하는 물질 및 에너지 준위는 후술한다.
전자수송층(570)은 발광물질층(560)과 전자주입층(580) 사이에 위치한다. 일례로, 전자수송층(570)은 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 전자수송층(570)은 Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, BAlq, Bphen, NBphen, BCP, TAZ, NTAZ, TpPyPB, TmPPPyTz, PFNBr, TPQ 및/또는 TSPO1 등으로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전자주입층(580)은 제 2 전극(520)과 전자수송층(570) 사이에 위치한다. 전자주입층(580)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq, 리튬 벤조에이트, 소듐 스테아레이트 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
정공수송층(550)과 발광물질층(560) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(555)이 위치할 수 있다. 일례로, 전자차단층(555)은 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine), N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, TAPC, MTDATA, mCP, mCBP, CuPC, N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-바이페닐]-4,4'-디아민(N,N'-bis[4-[bis(3-methylphenyl)amino]phenyl]-N,N'-diphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine; DNTPD), TDAPB, DCDPA 및/또는 2,8-비스(9-페닐-9H-카바졸-3-일)디벤조[b,d]티오펜 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 발광물질층(560)과 전자수송층(570) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(575)이 위치하여 발광물질층(660)과 전자수송층(670) 사이에 정공의 이동을 방지한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(675)은 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 등의 유도체가 사용될 수 있다.
예를 들어, 정공차단층(675)은 발광물질층(660)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 낮은 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq 및/또는 비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine; B3PYMPM), DPEPO, 9-(6-(9H-카바졸-9-일)피리딘-3-일)-9H-3,9'-바이카바졸, TSPO1 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.
제 1 발광물질층(562, EML1)은 지연 형광 물질, 예를 들어 화학식 7로 표시되는 유기 화합물인 제 1 도펀트(T 도펀트)를 포함한다. 제 2 및 제 3 발광물질층(564, 566)은 각각 형광 또는 인광 물질일 수 있는 제 2 도펀트(제 1 F 도펀트) 및 제 3 도펀트(제 2 F 도펀트)를 포함한다. 제 1 내지 제 3 발광물질층(562, 564, 566)은 또한 각각 제 1 호스트 내지 제 3호스트를 더욱 포함한다.
본 실시형태에 따르면, 제 1 발광물질층(562, EML1)에 포함되는 지연 형광 물질인 제 1 도펀트(T 도펀트)의 단일항 에너지 및 삼중항 에너지는, Foster 에너지 전이인 FRET을 통하여 인접한 제 2 발광물질층(564, EML2) 및 제 3 발광물질층(566, EML3)에 각각 포함된 형광 또는 인광 물질인 제 2 도펀트(제 1 F 도펀트) 및 제 3 도펀트(제 2 F 도펀트)로 전달되어, 제 2 도펀트 및 제 3 도펀트에서 최종적인 발광이 일어난다.
즉, 역 계간전이 현상에 의해 제 1 발광물질층(562, EML1)의 제 1 도펀트의 삼중항 에너지가 단일항 에너지고 전환된다. 지연 형광 물질인 제 1 도펀트의 단일항 에너지는, 형광 또는 인광 물질인 제 2 및 3 발광물질층(564, 566)의 제 2 및 3 도펀트의 단일항 에너지보다 크다. 제 1 발광물질층(562, EML1)의 제 1 도펀트의 단일항 에너지는 FRET을 통하여 인접한 제 2 및 제 3 발광물질층(564/EML2, 566/EML3)의 제 2 및 3 도펀트의 단일항 에너지로 전달된다.
따라서, 제 2 및 제 3 발광물질층(564, 566)의 제 2 및 3 도펀트는 단일항 에너지와 삼중항 에너지 모두를 이용하여 발광하게 된다. 제 2 및 제 3 도펀트는 제 1 도펀트에 비하여 반치폭이 협소하다. 따라서 유기발광다이오드(500)의 양자 효율이 향상되고, 반치폭이 좁아지면서, 색 순도가 향상된다. 특히, 제 1 도펀트의 흡수 파장과 중첩되는 영역이 큰 발광 파장을 가지는 제 2 및 제 3 도펀트를 사용하면, 제 1 도펀트로부터 제 2 및 제 3 도펀트로 에너지가 효율적으로 전달될 수 있다. 이때, 실질적인 발광은 제 2 및 3 도펀트를 각각 포함하는 제 2 및 3 발광물질층(564, 566)에서 발광이 일어난다.
효율적인 발광을 구현하기 위하여, 제 1 내지 제 3 발광물질층(562/EML1, 564/EML2, 566/EML3)에 적용된 호스트와 도펀트의 에너지 준위를 적절하게 조절할 필요가 있다. 도 9를 참조하면, 제 1 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H1), 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H2)와 제 3 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H3) 및/또는 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1), 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(T1 H2)와 제 3 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H3)는 각각 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 높아야 한다.
예를 들어, 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1), 제 2 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H2) 및 제 3 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H3)가 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 충분히 높지 않은 경우에는, 제 1 도펀트의 삼중항 상태 엑시톤이 제 1, 2, 3 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H1, T1 H2, T1 H3)로 넘어가는 역-전하 이동이 발생한다. 이들 호스트는 삼중항 상태에서 발광하지 않을 수 있기 때문에, 역-전하 이동에 따른 엑시톤은 비-발광 소멸되고, 발광 효율이 저하될 수 있다.
뿐만 아니라, 제 1 발광물질층(562, EML1)에서 RISC에 의하여 ICT 착물 상태로 변환된 제 1 도펀트로부터, 제 2 발광물질층(564, EML2) 및 제 3 발광물질층(566, EML3)에 각각 첨가된 형광 또는 인광 물질인 제 2 및 제 3 도펀트로 에너지를 전이하는 한편, 고효율, 고 색 순도를 가지는 유기발광다이오드를 구현할 필요가 있다. 이러한 유기발광다이오드를 구현하기 위하여, 제 1 발광물질층(562, EML1)에 포함되는 지연 형광 물질인 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)는 각각 제 2, 3 발광물질층(564/EML2, 566/EML3)에 각각 포함되는 형광 또는 인광 물질일 수 있는 제 2 및 제 3 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD1, S1 FD2) 및/또는 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 FD1, T1 FD2)보다 높아야 한다.
또한, 지연 형광 물질로부터 형광 또는 인광 물질로 전이된 에너지가 제 2 호스트 및 제 3 호스트로 전이되는 것을 방지하여 효율적인 발광을 구현할 필요가 있다. 이러한 목적과 관련하여, 제 2 호스트 및 제 3 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H2, S1 H3)는 각각 형광 또는 인광 물질일 수 있는 제 2 도펀트 및 제 3 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD1, S1 FD2)보다 높아야 한다. 지연 형광을 구현할 수 있도록, 제 1 도펀트는 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 삼중항 에너지 준위(T1 TD)의 차이(ΔEST TD)가 0.3 eV 이하이어야 한다(도 4 참조).
아울러, 제 1 호스트의 최고준위점유분자궤도 에너지 준위(HOMOH1)와 제 1 도펀트의 최고준위점유분자궤도 에너지 준위(HOMOTD)의 차이(|HOMOH1-HOMOTD|) 또는 제 1 호스트의 최저준위비점유분자궤도 에너지 준위(LUMOH1)와 제 1 도펀트의 최저준위비점유분자궤도 에너지 준위(LUMOTD)의 차이(|LUMOH1-LUMOTD|)는 0.5 eV 이하일 수 있다.
한편, 제 1 발광물질층 내지 제 3 발광물질층(562, 564, 566)은 각각 제 1 호스트 내지 제 3 호스트를 포함할 수 있다. 제 1 호스트 내지 제 3 호스트는 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 호스트 내지 제 3 호스트는 각각 독립적으로 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 포함한다. 제 1 도펀트는 화학식 4 또는 화학식 5로 표시되는 유기 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 제 2 및 제 3 도펀트는 반치폭이 협소하고, 제 1 도펀트의 흡수 스펙트럼과의 중첩 영역이 넓은 발광 스펙트럼을 가질 수 있다. 일례로, 제 2 및 제 3 도펀트는 5,12-dimethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 12-diethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-3,10-difluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-3,10-bis(trifluoromethyl)quinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-2,3,9,10-tetrafluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione과 같은 퀴놀리노-아크리딘 코어를 가지는 유기 화합물, DCJTB, 적색, 녹색 또는 청색으로 발광하는 금속 착화합물, 또는 화학식 6으로 표시되는 파이렌계 유기 화합물을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 제 2 내지 제 3 발광물질층(564, 566) 각각에서, 제 2 내지 제 3 호스트는 동일한 발광물질층을 구성하는 제 1 내지 제 2 형광 도펀트보다 크거나 동일한 중량비를 가질 수 있다. 또한, 제 1 발광물질층(562)의 제 1 도펀트의 중량비는, 제 2 및 제 3 발광물질층(564, 566)의 제 2 및 제 3 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 이에 따라, 제 1 발광물질층(562)의 제 1 도펀트로부터 제 2 및 제 3 발광물질층(564, 566)의 제 2 및 제 3 도펀트로의 FRET에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다.
한편, 제 1 발광물질층(562, EML1) 내에 제 1 도펀트는 1 내지 70 중량%, 바람직하게는 10 내지 50 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 50 중량%의 비율로 도핑될 수 있다.
한편, 제 2 및 제 3 발광물질층(564, 566) 내에 제 2 및 제 3 호스트의 중량비는 각각, 동일한 발광물질층 내의 제 2 및 제 3 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 예를 들어, 제 2 및 제 3 발광물질층(564, 566)에서 제 2 및 제 3 호스트의 함량은 각각 90 내지 99 중량%, 바람직하게는 95 내지 99 중량%이고, 제 2 및 제 3 도펀트의 함량은 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%이다.
또한, 제 1 발광물질층(562, EML1)은 2 내지 100 nm, 바람직하게는 2 내지 30 nm, 더욱 바람직하게는 2 내지 20 nm의 두께로 적층될 수 있다. 한편, 2 발광물질층(564, EML2) 및 제 3 발광물질층(566, EML3)은 각각 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 30 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 nm의 두께로 적층될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
예시적인 실시형태에서, 전자차단층(555)에 인접하여 제 2 발광물질층(564)이 위치하는 경우, 제 2 발광물질층(564)을 이루는 제 2 호스트는 전자차단층(555)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(564)은 발광 기능과 함께 전자 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 2 발광물질층(564)은 전자를 차단하기 위한 버퍼층으로 기능한다. 한편, 전자차단층(555)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 발광물질층(564)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용된다.
한편, 예시적인 실시형태에 따라 정공차단층(575)에 인접하여 제 3 발광물질층(564)이 위치하는 경우, 제 3 발광물질층(566)을 이루는 제 3 호스트는 정공차단층(575)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 제 3 발광물질층(566)는 발광 기능과 함께 정공 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 3 발광물질층(566)은 정공을 차단하기 위한 버퍼층으로 기능한다. 한편, 정공차단층(575)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 3 발광물질층(564)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
다른 예시적인 실시형태에서, 제 2 발광물질층(564)을 이루는 제 2 호스트는 전자차단층(555)의 물질과 동일한 물질이고, 제 3 발광물질층(566)을 이루는 제 3 호스트는 정공차단층(575)의 물질과 동일할 물질일 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(564)은 발광 기능과 함께 전자 차단 기능을 동시에 가지며, 제 3 발광물질층(566)은 발광 기능과 함께 정공 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 2 발광물질층(564) 및 제 3 발광물질층(566)은 각각 전자 차단을 위한 버퍼층과 정공 차단을 위한 버퍼층으로 기능할 수 있다. 한편, 전자차단층(555) 및 정공차단층(575)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 발광물질층(564)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용되며, 제 3 발광물질층(566)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
한편, 전술한 실시형태에서는 단일 발광 유닛으로 이루어진 유기발광다이오드를 설명하였으나, 이와 달리 탠덤(tandem) 구조를 가지는 유기발광다이오드에도 본 발명이 적용될 수 있는데, 이에 대해서 설명한다. 도 11은 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따른 유기발광다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 유기발광다이오드(600)는 서로 마주하는 제 1 전극(610) 및 제 2 전극(620)과, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(620) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(630)과, 제 1 발광 유닛(630)과 제 2 전극(620) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(730)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(630, 730) 사이에 위치하는 전하생성층(710)을 포함한다.
제 1 전극(610)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 형성되는 것이 바람직하다. 예시적인 실시형태에서, 제 1 전극(610)은 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO) 및/또는 AZO로 이루어질 수 있다. 제 2 전극(620)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 Al, Mg, Ca, Ag, 또는 이들의 합금이나 조합과 같은 반사 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다. 제 1 전극(610)과 제 2 전극(620)은 각각 30 내지 300 nm의 두께로 적층될 수 있다.
제 1 발광 유닛(630)은 정공주입층(640), 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 650), 하부 발광물질층(660) 및 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 670)을 포함한다. 필요에 따라, 제 1 발광 유닛(630)은 제 1 정공수송층(650)과 하부 발광물질층(660) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(하부 전자차단층, 655) 및/또는 하부 발광물질층(660)과 제 1 전자수송층(670) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(하부 정공차단층, 675)을 더욱 포함할 수 있다.
제 2 발광 유닛(730)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 750)과, 상부 발광물질층(760)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 770) 및 전자주입층(780)을 포함한다. 필요에 따라, 제 2 발광 유닛(730)은 제 2 정공수송층(750)과 상부 발광물질층(760) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(상부 전자차단층, 755) 및/또는 상부 발광물질층(760)과 제 2 전자수송층(770) 사이에 제 2 정공차단층(상부 정공차단층, 775)을 더욱 포함할 수 있다.
이때, 하부 발광물질층(660) 및 상부 발광물질층(760) 중에서 적어도 어느 하나는 본 발명에 따른 유기 화합물을 포함할 수 있다. 이하에서는, 하부 발광물질층(660)이 본 발명에 따른 유기 화합물을 포함하는 경우를 중심으로 설명한다.
정공주입층(640)은 제 1 전극(610)과 제 1 정공수송층(650) 사이에 위치하여, 무기물인 제 1 전극(610)과 유기물인 제 1 정공수송층(650) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 일례로, 정공주입층(640)은 MTDATA, NATA, 1T-NATA, 2T-NATA, CuPc, TCTA, NPB(NPD), HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등으로 이루어지는 어느 하나의 화합물로 이루어질 수 있다. 유기발광다이오드(600)의 특성에 따라 정공주입층(640)은 생략될 수 있다.
제 1 및 제 2 정공수송층(650, 750)은 각각 TPD, NPB, CBP, Poly-TPD, TFB, TAPC, DCDPA, N-(비페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)바이페닐)-4-아민 등으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 정공주입층(640) 및 제 1 및 제 2 정공수송층(650, 750)은 각각 5 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 5 nm 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
제 1 전자수송층(670)과 제 2 전자수송층(770)은 각각 제 1 발광 유닛(630)과 제 2 발광 유닛(730)에서의 전자 수송을 원활하게 한다. 일례로, 제 1 및 제 2 전자수송층(670, 770)은 각각 옥사디아졸계(oxadiazole-base), 트리아졸계(triazole-base), 페난트롤린계(phenanthroline-base), 벤족사졸계(benzoxazole-based), 벤조티아졸계(benzothiazole-base), 벤즈이미다졸계(benzimidazole-base), 트리아진(triazine-base) 등의 유도체로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 및 제 2 전자수송층(670, 770)은 각각 Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, TPBi, BAlq, Bphen, NBphen, BCP, TAZ, NTAZ, TpPyPB, TmPPPyTz, PFNBr TPQ 및/또는 TSPO1 등으로 구성되는 군에서 선택되는 소재로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전자주입층(780)은 제 2 전극(720)과 제 2 전자수송층(770) 사이에 위치하는데, 제 2 전극(720)의 특성을 개선하여 소자의 수명을 개선할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자주입층(780)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate) 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제 1 및 제 2 전자차단층(655, 755)은 각각 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, TAPC, MTDATA, mCP, mCBP, CuPC, DNTPD, TDAPB, DCDPA 및/또는 2,8-비스(9-페닐-9H-카바졸-3-일)디벤조[b,d]티오펜으로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
제 1 및 제 2 정공차단층(675, 775)은 각각 제 1 및 제 2 전자수송층(670, 770)에 사용될 수 있는 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 등의 유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 정공차단층(675, 775)은 각각 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, B3PYMPM, DPEPO, 9-(6-(9H-카바졸-9-일)피리딘-3-일)-9H-3,9'-바이카바졸, TSPO1 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.
상부 발광물질층(760)은 청색(B) 발광물질층일 수 있다. 이와 달리, 상부 발광물질층(769)은 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y), 황록색(Yellow-Green, YG), 적록색(Red-Green, RG) 발광물질층일 수도 있다. 또는, 상부 발광물질층(760)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 상부 발광물질층(760)이 적색(R) 발광물질층인 경우, 상부 발광물질층(760)은 CBP 등의 호스트와, PIQIr(acac)(bis(1-phenylisoquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(acac)(bis(1- phenylquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(tris(1-phenylquinoline)iridium) 및 PtOEP(octaethylporphyrin platinum)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 도펀트를 포함하는 인광 발광물질층일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, 상부 발광물질층(760)은 PBD:Eu(DBM)3(Phen) 또는 페릴렌(Perylene) 및 그 유도체를 포함하는 형광 발광물질층일 수도 있다. 이때, 제 2 발광 유닛(730)에서의 발광 파장은 600 nm 내지 650 nm 범위일 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 상부 발광물질층(760)이 녹색(G) 발광물질층인 경우, 상부 발광물질층(760)은 CBP 등의 호스트와 이리듐(iridium) 계열의 도펀트를 포함하는 인광 발광물질층일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, Alq3(tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum)을 포함하는 형광 발광물질층일 수도 있다. 이때, 제 2 발광 유닛(730)에서의 발광 파장은 510 nm 내지 570 nm 범위일 수 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 상부 발광물질층(760)이 청색(B) 발광물질층인 경우, 상부 발광물질층(760)은 CBP 등이 호스트와, 이리듐 계열을 포함하는 도펀트를 포함하는 인광 발광물질층일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 선택적으로, 상부 발광물질층(760)은 spiro-DPVBi, spiro-CBP, 디스틸벤젠(DSB), 디스트릴아릴렌(DSA), PFO계 고분자 및 PPV계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 형광 발광물질층일 수도 있다. 상부 발광물질층(760)은 청색 발광물질층 외에 스카이 블루(Sky Blue) 발광물질층 또는 진청색(Deep Blue) 발광물질층일 수 있다. 이때, 제 2 발광 유닛(730)에서의 발광 파장은 440 nm 내지 480 nm 범위일 수 있다.
또 다른 선택적인 실시형태에서, 상부 발광물질층(760)이 황색(Y) 발광물질층인 경우, 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층의 단일 구조 또는 황록색 발광물질층과 녹색Green) 발광물질층의 이중층 구조일 수 있다.
이때, 황색 발광물질층은 CBP 또는 BAlq(Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium) 중 선택된 적어도 하나의 호스트와, 황록색을 발광하는 황록색 인광 도펀트를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 발광부(ST1)에서의 발광 파장은 510 nm 내지 590 nm 범위일 수 있다.
한편, 유기발광다이오드(600)의 적색 효율을 향상시키기 위해서 제 2 발광 유닛(730)은 두 개의 발광물질층, 예를 들어 청색 발광물질층과 적색 발광물질층을 포함할 수 있다. 이때, 제 2 발광 유닛(730)에서의 발광 파장은 440 nm 내지 650 nm 범위일 수 있다.
전하생성층(charge generation layer, CGL; 800)은 제 1 발광 유닛(630)과 제 2 발광 유닛(730) 사이에 위치한다. 전하생성층(710)은 제 1 발광 유닛(630)에 인접하게 위치하는 N타입 전하생성층(N-CGL, 810)과 제 2 발광 유닛(730)에 인접하게 위치하는 P타입 전하생성층(P-CGL, 820)을 포함한다. N타입 전하생성층(810)은 제 1 발광 유닛(630)으로 전자(electron)를 주입해주고, P타입 전하생성층(820)은 제 2 발광 유닛(730)으로 정공(hole)을 주입해준다.
N타입 전하생성층(810)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(810)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.
한편, P타입 전하생성층(820)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be2O3), 바나듐산화물(V2O5) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기물 및/또는 NPD, HAT-CN, F4TCNQ, TPD, N,N,N',N'-테트라나프탈레닐-벤지딘(TNB), TCTA, N,N'-디옥틸-3,4,9,10-페릴렌디카복시미드(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide; PTCDI-C8) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
하부 발광물질층(660)은 제 1 정공수송층(650) 제 1 전자수송층(670) 사이에 위치하는 제 1 발광물질층(662)과, 제 1 정공수송층(650)과 제 1 발광물질층(662) 사이에 위치하는 제 2 발광물질층(664)과, 제 1 발광물질층(662)과 제 1 전자수송층(670) 사이에 위치하는 제 3 발광물질층(666)을 포함할 수 있다. 제 1 발광물질층(662)은 지연 형광 물질, 예를 들어 화학식 7로 표시되는 유기 화합물인 제 1 도펀트(T 도펀트, 지연형광도펀트)를 포함한다. 제 2 및 제 3 발광물질층(664, 666)은 각각 형광 또는 인광 물질일 수 있는 제 2 도펀트(제 1 F 도펀트) 및 제 3 도펀트(제 2 F 도펀트)를 포함한다. 제 1 내지 제 3 발광물질층(662, 664, 666)은 또한 각각 제 1 호스트 내지 제 3 호스트를 더욱 포함한다.
전술한 제 3 실시형태에서와 유사하게, 제 1 발광물질층(662)에 포함된 제 1 도펀트(T 도펀트)의 단일항 에너지 및 삼중항 에너지는, Foster 에너지 전이인 FRET을 통하여 인접한 제 2 발광물질층(664) 및 제 3 발광물질층(666)에 각각 포함된 제 1 형광 도펀트 및 제 2 형광 도펀트로 전달되어, 제 1 형광 도펀트 및 제 2 형광 도펀트에서 최종적인 발광이 일어날 수 있다.
즉, 역 계간전이 현상에 의해 제 1 발광물질층(662)에 포함되는 제 1 지연형광도펀트의 삼중항 에너지가 단일항 에너지로 전환된다. 제 1 지연형광도펀트의 단일항 에너지 준위(S1 TD1)는 제 2 및 3 발광물질층(664, 666)의 제 1 및 2 형광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1 FD1, S1 FD2)보다 높기 때문에, 제 1 지연형광도펀트의 단일항 에너지가 제 1 및 2 형광 도펀트의 단일항 에너지로 전달된다(도 10 참조).
제 2 및 제 3 발광물질층(664, 666)의 제 1 및 2 형광 도펀트는 단일항 에너지와 삼중항 에너지 모두를 이용하여 발광하게 된다. 따라서 유기발광다이오드(600)의 양자 효율이 향상되고, 반치폭이 좁아지면서, 색 순도가 향상된다.
한편, 제 1 발광물질층 내지 제 3 발광물질층(662, 664, 662)은 각각 제 1 호스트 내지 제 3 호스트를 포함할 수 있다. 제 1 호스트 내지 제 3 호스트는 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 호스트 내지 제 3 호스트는 각각 독립적으로 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 포함한다. 한편, 제 1 지연형광도펀트는 화학식 4로 표시되는 유기 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 제 2 및 제 3 도펀트는 반치폭이 협소하고, 제 1 도펀트의 흡수 스펙트럼과의 중첩 영역이 넓은 발광 스펙트럼을 가질 수 있다. 일례로, 제 2 및 제 3 도펀트는 5,12-dimethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 12-diethylquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-3,10-difluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-3,10-bis(trifluoromethyl)quinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione, 5,12-dibutyl-2,3,9,10-tetrafluoroquinolino[2,3-b]acridine-7,14(5H, 12H)-dione과 같은 퀴놀리노-아크리딘 코어를 가지는 유기 화합물, DCJTB, 적색, 녹색 또는 청색으로 발광할 수 있는 금속 착화합물 또는 화학식 6으로 표시되는 파이렌계 화합물을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
이 경우, 발광물질층(660)을 구성하는 제 1 호스트 내지 제 3 호스트와, 지연형광도펀트와, 제 1 및 제 2 형광 도펀트의 에너지 준위 관계는 도 10에서 설명한 것과 동일할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 제 2 내지 제 3 발광물질층(664, 666) 각각에서, 제 2 내지 제 3 호스트는 동일한 발광물질층을 구성하는 제 1 내지 제 2 형광 도펀트보다 크거나 동일한 중량비를 가질 수 있다. 또한, 제 1 발광물질층(662)에서 제 1 지연형광도펀트의 중량비는, 제 2 발광물질층(664) 및 제 3 발광물질층(666)을 각각 구성하는 제 1 형광 도펀트 및 제 2 형광 도펀트의 중량비보다 클 수 있다. 이에 따라, 제 1 발광물질층(662)의 지연형광도펀트로부터 제 2 및 제 2 발광물질층(664, 666)의 제 1 및 제 2 형광 도펀트로의 FRET에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 제 1 전자차단층(655)에 인접하여 제 2 발광물질층(664)이 위치하는 경우, 제 2 발광물질층(664)을 이루는 제 2 호스트는 제 1 전자차단층(555)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(664)은 발광 기능과 함께 전자 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 2 발광물질층(664)은 전자를 차단하기 위한 버퍼층으로 기능한다. 한편, 제 1 전자차단층(655)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 발광물질층(664)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용된다.
한편, 예시적인 실시형태에 따라 제 1 정공차단층(675)에 인접하여 제 3 발광물질층(664)이 위치하는 경우, 제 3 발광물질층(666)을 이루는 제 3 호스트는 제 1 정공차단층(675)의 물질과 동일한 물질일 수 있다. 이때, 제 3 발광물질층(666)는 발광 기능과 함께 정공 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 3 발광물질층(666)은 정공을 차단하기 위한 버퍼층으로 기능한다. 한편, 제 1 정공차단층(675)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 3 발광물질층(664)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
다른 예시적인 실시형태에서, 제 2 발광물질층(664)을 이루는 제 2 호스트는 제 1 전자차단층(655)의 물질과 동일한 물질이고, 제 3 발광물질층(666)을 이루는 제 3 호스트는 제 1 정공차단층(675)의 물질과 동일할 물질일 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(664)은 발광 기능과 함께 전자 차단 기능을 동시에 가지며, 제 3 발광물질층(666)은 발광 기능과 함께 정공 차단 기능을 동시에 가질 수 있다. 즉, 제 2 발광물질층(664) 및 제 3 발광물질층(666)은 각각 전자 차단을 위한 버퍼층과 정공 차단을 위한 버퍼층으로 기능할 수 있다. 한편, 제 1 전자차단층(655) 및 제 2 정공차단층(675)은 생략될 수 있고, 이 경우 제 2 발광물질층(664)은 발광물질층과 전자차단층으로 이용되며, 제 3 발광물질층(666)은 발광물질층과 정공차단층으로 이용된다.
한편, 도 10에서는 하부 발광물질층(660)의 3개의 발광물질층(662, 664, 666)으로 이루어진 경우를 예시하고 있다. 하지만, 하부 발광물질층(660)은 제 1 호스트 및 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트만으로 이루어지거나, 제 1 호스트, 지연 형광 물질인 제 1 도펀트 및 제 1 형광 도펀트로 이루어지는 1층의 발광물질층으로 이루어질 수 있다(도 2 참조). 아울러, 하부 발광물질층(660)은 제 1 호스트 및 지연 형광 물질일 수 있는 제 1 도펀트로 이루어지는 제 1 발광물질층과, 제 2 호스트 및 형광 도펀트로 이루어지는 제 2 발광물질층의 2층으로 이루어질 수 있다(도 6 참조).
이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
합성예 1: 화합물 1의 합성
(1) 중간체 1-1 (Methyl-2-(pyridine-3-ylamino)benzoate) 합성
[반응식 1-1]
250 mL 3구 둥근 바닥 플라스크에 methyl 2-aminobenzoate (5.30 g, 35 mmol)와 3-bromopyridine (5.0 g, 32 mmol), Cs2CO3 (14.3 g, 44 mmol), toluene 50 mL를 넣고 질소로 치환한다. 질소 치환된 플라스크에 Pd(OAc)2 (Palladium(Ⅱ) acetate, 0.072 g, 0.32 mmol)와 Xantphos (4,5-Bis(diphenylphosphine)-9,9-dimethylxanthene, 0.56 g, 0.96 mmol)를 넣고 110℃의 온도 조건에서 12시간 동안 교반을 진행한다. TLC(thin layer chromatography)를 이용하여 반응의 진행 상황을 확인하고 상온으로 냉각시킨다. 반응 중 생성된 염과 과량의 Cs2CO3를 Celite filter를 통해 제거한 뒤, 여액을 감압 증류하고 고체 column chromatography 방법으로 정제를 진행한다. 용매를 제거하고 최종적으로 4.5 g (수율: 66%)의 노란색 고체인 중간체 1-1을 얻었다.
(2) 중간체 1-2 (Diphenyl(2-(pyridine-3-ylamino)phenyl)methanol) 합성
[반응식 1-2]
100 mL 3구 둥근 바닥 플라스크에 중간체 1-1 (2.0 g, 8.7 mmol)와 25 mL의 THF를 넣는다. 질소치환 후, PhMgBr (Phenylmagnesium bromide, 26 mmol)을 0℃의 온도 조건에서 천천히 dropping하며 교반을 진행한다. Dropping이 완료된 후, 상온에서 12시간 동안 교반을 진행한다. TLC를 이용하여 반응의 진행 상황을 확인하고 반응물을 감압 증류한 뒤, 고체 column chromatography 방법으로 정제를 진행한다. 용매를 제거하고 최종적으로 2.8 g (수율: 91%)의 노란색 고체인 중간체 1-2를 얻었다.
(3) 중간체 1-3 (5,5-Diphenyl-5,10-dihydrobenzo[1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 1-3]
250 mL 3구 둥근 바닥 플라스크에 중간체 1-2 (2.8 g, 7.9 mmol)과 acetic acid 40 mL, HCl 4 mL를 넣고 70℃의 온도조건에서 12시간 동안 교반을 진행한다. 감압 filter를 통해 반응 중 생성된 고체를 얻어내고, 이를 고체 column chromatography 방법으로 정제를 진행한다. 용매를 제거하고 MC와 hexane을 이용한 재결정을 통해 2.3 g (수율: 86%)의 노란색 고체인 중간체 1-3을 얻었다.
(4) 중간체 1-4 (9-(3-bromophenyl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 1-4]
250 mL 3구 둥근 바닥 플라스크에 1-Bromo-3-iodobenzene (145 mL, 53 mmole), Carbazole (8.7 g, 52 mmole), Cu powder (10.1 g, 159 mmole)과 K2CO3 (22 g, 159 mmole)을 DMF 150 mL에 녹이고, 130℃에서 24 시간 교반하였다. 반응 진행 정도를 TLC로 확인하고 반응 진행 완료가 확인되면 반응 용액을 실온으로 식히고, 반응 중 생성된 염과 과량의 K2CO3를 Celite Filter를 통해 제거한 후, 용액을 증류수 20 mL와 EtOAc (150 mL X 3)으로 추출하였다. 유기 용액을 MgSO4로 건조시키고 감압 증류하여 고체 혼합물을 얻었다. 고체 혼합물은 Silica Column Chromatography로 정제하여 14.9 g (수율: 89%)의 중간체 1-4를 얻었다.
(5) 화합물 1 (10-(3-(9H-carbazol-9-yl)phenyl)-5,5-diphenyl-5,10-dihydrobenzo[b][1,7]naphthyridine)의 합성
[반응식 1-5]
100 mL 3구 둥근 바닥 플라스크에 중간체 1-4 (1.61 g, 5 mmol)와 중간체 1-3 (1.5 g, 4.5 mmol), t-BuOK (Potassium tert-butoxide, 1.12 g, 10 mmol), toluene 40 mL를 넣고 질소로 치환한다. 질소 치환된 플라스크에 Pd2(dba)3 (Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0), 0.22 g, 0.23 mmol)와 P(tBu)3 (Tri-tert-butylphosphine, 0.18 g, 0.9 mmol)를 넣고 110℃의 온도 조건에서 12시간 동안 교반을 진행한다. TLC를 이용하여 반응의 진행상황을 확인하고 상온으로 냉각시킨다. 반응 중 생성된 염과 과량의 t-BuOK를 Celite filter를 통해 제거한 뒤, 여액을 감압증류하고 고체 column chromatography 방법으로 정제를 진행한다. 용매를 제거하고 MC와 hexane을 이용한 재결정을 통해 1.7 g (수율: 66%)의 하얀색 고체 화합물 1을 얻었다.
합성예 2: 화합물 2의 합성
(1) 중간체 2-1 (9-(4-bromophenyl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 2-1]
1-Bromo-4-iodobenzene (145 mL, 53 mmole)와 Carbazole (8.7 g, 52 mmole)을 중간체 1-4의 합성법을 이용하여 반응시켜, 14.1 g (수율: 84%)의 중간체 2-1을 얻었다.
(3) 화합물 2 (10-(4-(9H-carbazol-9-yl)phenyl)-5,10-dihydro-5,5-diphenylbenzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 2-2]
중간체 2-1 (0.7 g, 1.4 mmol)과 중간체 1-3 (0.52 g, 1.5 mmol)을 반응시켜 최종적으로 0.6 g (수율: 75%)의 하얀색 고체 화합물 2를 얻었다.
합성예 3: 화합물 3의 합성
(1) 중간체 3-1 (10-(3-bromophenyl)-9,9-diphenyl-9,10-dihydroacridine) 합성
[반응식 3-1]
250 mL 3구 둥근 바닥 플라스크에 1-Bromo-3-iodobenzene (12 g, 43 mmole), diphenylacridine (12 g, 36 mmole), CuI (0.343 g, 1.8 mmole), NaOt-Bu (6.92 g, 72.0 mmole)과 t-1,2-diaminocyclohexan (0.822 g, 7.20 mmole)을 1,4-dioxane 150 mL에 녹이고 100℃에서 12시간 교반하였다. 반응 혼합물을 실온으로 냉각 시키고, MeOH 100 mL을 가하고 감압 여과하여 침전물을 회수하였다. 반응 혼합물을 Silica Column Chromatography로 정제 하여 10.1 g (수율: 58%)의 중간체 3-1을 얻었다.
(2) 화합물 3 (10-(3-(9,9-diphenylacridin-10(9H)-yl)phenyl)-5,5-diphenyl-5,10-dihydrobenzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 3-2]
중간체 3-1 (0.7 g, 1.4 mmol)과 중간체 1-3 (0.52 g, 1.5 mmol)을 반응시켜 최종적으로 0.8 g (수율: 78%)의 하얀색 고체 화합물 3을 얻었다.
합성예 4: 화합물 4의 합성
(1) 중간체 4-1 (10-(4-bromophenyl)-9,9-diphenyl-9,10-dihydroacridine) 합성
[반응식 4-1]
Diphenylacridine (7.6g, 36 mmole)와 1-bromo-4-iodobenzene (36g, 127mmole)을 중간체 3-1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 11g (수율: 80%)의 중간체 4-1을 얻었다.
(2) 화합물 4 (5,10-dihydro-5,5-diphenyl-10-(4-(9,9-diphenylacridin-10(9H)-yl)phenyl)benzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 4-2]
중간체 4-1 (0.7 g, 1.4 mmol)과 중간체 1-3 (0.52 g, 1.5 mmol)을 화합물 1의 합성법을 이용하여 반응시켜 최종적으로 0.85 g (수율: 85%)의 하얀색 고체 화합물 4를 얻었다.
합성예 5: 화합물 5의 합성
(1) 중간체 5-1 (3-(9H-carbazol-9-yl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 5-1]
3-bromo-carbazole (35.3 g, 143.5 mmole), Carbazole (20 g, 119.6 mmole), CuI (60 g, 60 mmole), Cs2CO3 (97.4 g, 229 mmole), ethylene diamine (7.18g, 119.6 mmole)을 Toluene 700 mL에 녹이고 12시간 환류시켰다. 반응 혼합물을 실온으로 식히고, EtOAc (150 mL X 4)로 추출한 후, 유기층의 수분을 MgSO4로 건조시켰다. 유기 용매를 증발 시키고 Silica 관 크로마토그래피를 이용하여 33 g (수율: 80%)의 중간체 5-1을 얻었다.
(2) 중간체 5-2 (9-(9-(3-bromophenyl)-9H-carbazol-6-yl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 5-2]
중간체 5-1 (10.0 g, 30 mmole)와 1-bromo-3-iodobenzene (18 g, 64 mmole)을 중간체 1-4의 합성법을 이용하여 반응시켜, 12.1 g (수율: 83%)의 중간체 5-2를 얻었다.
(3) 화합물 5 (10-(3-(9H-carbazol-9-yl)phenyl)-5,5-diphenyl-5,10-dihydrobenzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 5-3]
중간체 5-2 (2.04g, 5 mmol)과 중간체 1-3 (1.5 g, 4.5 mmol)을 화합물 1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 2.0 g (수율: 60%)의 하얀색 고체 화합물 5를 얻었다.
합성예 6: 화합물 6의 합성
(1) 중간체 6-1 (9-(3-bromo-5-(9H-carbazol-9-yl)phenyl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 6-1]
Carbazole (52 g, 0.31 mole)과 NaH (60% suspension in oil, 13 g, 0.31 mole)을 anhydrous DMF 250 mL에 분산 시키고, 1시간 동안 실온에서 교반하였다. 3,5-difluorobromobenzene (12 mL, 0.10 mole)을 dropping funnel을 이용하여 서서히 적가하고 130℃에서 12 시간 교반시켰다. 반응 용액을 실온으로 식히고, EtOH/H20 (10/1) 혼합용액을 가하여 침전을 생성시켰다. 반응 혼합물을 CH2Cl2/MeOH로 재결정하여 39.3 g (수율: 81%)의 중간체 6-1을 얻었다.
(2) 화합물 6 (10-(3,5-di(9H-carbazol-9-yl)phenyl)-5,10-dihydro-5,5-diphenylbenzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 6-2]
중간체 6-1 (2.44 g, 5 mmol)과 중간체 1-3 (1.5 g, 4.5 mmol)을 화합물 1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 2.17 g (수율: 65%)의 하얀색 고체 화합물 6을 얻었다.
합성예 7: 화합물 7의 합성
(1) 중간체 7-1 (9-(3-fluoro-5-bromo-phenyl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 7-1]
Carbazole (10 g, 59.8 mmole)과 3,5-difluorobromobenzene (11.6 g, 60 mmole)을 중간체 6-1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 9.8 g (수율: 48%)의 중간체 7-1을 얻었다.
(2) 중간체 7-2 (9-(3-(3-(9H-carbazol-9-yl)-9H-carbazol-9-yl)-5-bromophenyl)-9H-carbazole) 합성
[반응식 7-2]
중간체 7-1 (5 g, 14.7 mmole)과 중간체 5-1 (4.89, 14.7 mmole)을 중간체 1-4의 합성법을 이용하여 반응시켜, 5.1 g (수율: 53%)의 중간체 7-2를 얻었다.
(3) 화합물 7 10-(3-(3-(9H-carbazol-9-yl)-9H-carbazol-9-yl)-5-(9H-carbazol-9-yl)phenyl)-5,10-dihydro-5,5-diphenylbenzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 7-3]
중간체 7-2 (3.26 g, 5 mmol)과 중간체 1-3 (1.5 g, 4.5 mmol)을 화합물 1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 2.08 g (수율: 51%)의 하얀색 고체 화합물 7을 얻었다.
합성예 8: 화합물 8의 합성
(1) 중간체 8-1 합성
[반응식 8-1]
1,3-dibromo-5-iodobenzene (30.4 g, 84.0 mmole)과 diphenylacridine (30.2 g, 90.6 mmole)을 중간체 3-1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 15.4 g (수율: 32%)의 중간체 8-1을 얻었다.
(2) 중간체 8-2 합성
[반응식 8-2]
중간체 8-1 (15.4g, 27.1 mmole)와 Carbazole (4.5 g, 26.9 mmole)을 중간체 1-4의 합성과 동일한 방법을 이용하여 반응시켜, 15.9 g (수율: 76%)의 중간체 8-2를 얻었다.
(3) 화합물 8 (10-(3-(9H-carbazol-9-yl)-5-(9,9-diphenylacridin-10(9H)-yl)phenyl)-5,10-dihydro-5,5-diphenylbenzo[b][1,7]naphthyridine) 합성
[반응식 8-3]
중간체 8-2 (3.27 g, 5 mmol)과 중간체 1-3 (1.5 g, 4.5 mmol)을 화합물 1의 합성법을 이용하여 반응시켜, 1.88 g (수율: 46%)의 하얀색 고체 화합물 8을 얻었다.
실험예 1: 유기 화합물의 물성 평가
합성예 1 내지 합성예 8에서 각각 합성한 화합물 1 내지 8에 대한 물성을 평가하였다. 각각의 유기 화합물에 대한 HOMO 에너지 준위, LUMO 에너지 준위, 에너지 밴드갭(LUMO - HOMO, Eg) 및 삼중항 에너지 준위(T1)을 평가하였다. 후술하는 비교예에서 사용된 유기 화합물에 대한 물성을 또한 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
| 화합물 | HOMO*(eV) | LUMO*(eV) | Eg(eV) | T1 *(eV) |
| 비교예 | -5.81 | -2.22 | 3.59 | 3.01 |
| 화합물 1 | -5.93 | -2.16 | 3.77 | 3.27 |
| 화합물 2 | -6.05 | -2.11 | 3.96 | 2.83 |
| 화합물 3 | -5.98 | -2.22 | 3.76 | 3.29 |
| 화합물 4 | -5.97 | -2.27 | 3.70 | 2.78 |
| 화합물 5 | -6.22 | -2.20 | 4.02 | 3.17 |
| 화합물 6 | -6.16 | -2.34 | 3.82 | 3.11 |
| 화합물 7 | -6.21 | -2.16 | 4.05 | 3.12 |
| 화합물 8 | -6.01 | -2.02 | 3.99 | 3.21 |
| *HOMO: Film (100 nm/ITO) by AC3; *LUMO: 필름 흡착 에지((edge)에서 산출; * T1: Gaussian ED-DFT(time-dependent density functional theory)에 의해 연산된 값, solution(toluene) by FP-8600; |
||||
표 1에 나타낸 바와 같이, 화합물 1 내지 화합물 8의 HOMO 에너지 준위, LUMO 에너지 준위 및 에너지 밴드갭은 발광물질층에 사용하기에 적합하였다. 또한, 이들 화합물의 삼중항 에너지 준위를 고려해 볼 때, 지연형광 특성을 가지는 도펀트와 병용하면, 엑시톤을 형성하기 위한 에너지 전달에 있어서 적절하였으며, 비발광 소멸을 감소시키면서 양호한 발광 효율을 얻을 것으로 확인되었다.
실시예 1: 유기발광다이오드 제조
화합물 1을 발광물질층의 호스트로 적용한 유기발광다이오드를 제조하였다. 먼저 40 mm x 40 mm x 두께 0.5 mm의 ITO(두께 50 nm) 전극 부착 유리 기판을 이소프로필알코올, 아세톤, DI Water로 5분 동안 초음파 세정을 진행한 후 100℃ Oven에 건조하였다. 기판 세정 후 진공상태에서 2분 동안 O2 플라즈마 처리하고 상부에 다른 층들을 증착하기 위하여 증착 챔버로 이송하였다. 약 10-7 Torr 진공 하에 가열 보트로부터 증발에 의해 다음과 같은 순서로 유기물층을 증착하였다. 이때, 유기물의 증착 속도는 1 Å/s로 설정하였다.
정공주입층(HAT-CN, 두께 50 Å), 정공수송층(TAPC, 두께 500 Å), 전자차단층(DCDPA, 두께 100 Å), 발광물질층(화합물 1을 호스트로 사용하고 지연형광물질인 TcTrz가 30 중량% 도핑, 두께 250 Å), 정공차단층(TSPO1, 두께 100 Å), 전자수송층(TPBi, 두께 300 Å), 전자주입층(LiF, 두께 15 Å), 음극(Al, 두께 1000 Å).
CPL(capping layer)을 성막한 뒤에 유리로 인캡슐레이션 하였다. 이러한 층들의 증착 후 피막 형성을 위해 증착 챔버에서 건조 박스 내로 옮기고 후속적으로 UV 경화 에폭시 및 수분 게터(getter)를 사용하여 인캡슐레이션 하였다.
실시예 2 내지 실시예 6: 유기발광다이오드 제조
발광물질층의 호스트로서 화합물 1 대신에 합성예 3에서 합성한 화합물 3(실시예 2), 합성예 5에서 합성한 화합물 5(실시예 3), 합성예 6에서 합성한 화합물 6(실시예 4), 합성예 7에서 합성한 화합물 7(실시예 5), 합성예 8에서 합성한 화합물 8(실시예 6)을 각각 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제작하였다.
비교예: 유기발광다이오드 제작
발광물질층의 호스트로서 화합물 1 대신에 하기 표시된 유기 화합물을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제작하였다.
[비교예]
실험예 2: 유기발광다이오드의 발광 특성 측정
실시예 1 내지 실시예 6과, 비교예에서 각각 제작된 유기발광다이오드를 대상으로 광학 특성을 측정하였다. 9 ㎟의 방출 영역을 갖는 각각의 유기발광다이오드를 외부전력 공급원에 연결하였으며, 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 사용하여 실온에서 소자 특성을 평가하였다. 각각의 유기발광다이오드에 대하여 10 ㎃/㎠의 전류밀도에서 측정한 구동 전압(V), 전류효율(cd/A), 외부양자효율(EQE) 및 CIE 색 좌표를 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
| 소자 | V | cd/A | EQE (%) | CIEx, CIEy |
| 비교예 | 3.9 | 32.1 | 18.3 | 0.161, 0.257 |
| 실시예 1 | 3.5 | 40.4 | 25.2 | 0.160, 0.255 |
| 실시예 2 | 3.4 | 40.9 | 25.6 | 0.159, 0.252 |
| 실시예 3 | 3.6 | 39.1 | 23.7 | 0.163, 0.250 |
| 실시예 4 | 3.8 | 35.3 | 21.2 | 0.160, 0.250 |
| 실시예 5 | 3.7 | 37.8 | 22.7 | 0.159, 0.249 |
| 실시예 6 | 3.6 | 39.9 | 24.1 | 0.162, 0.252 |
표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예의 물질을 발광물질층의 호스트로 사용한 발광다이오드와 비교해서, 본 발명에 따라 합성된 유기 화합물을 발광물질층의 호스트로 사용한 발광다이오드의 구동 전압은 최대 12.8% 감소하였고, 전류효율 및 외부양자효율은 각각 최대 27.4%, 39.9% 향상되었다. 본 발명의 유기 화합물을 유기발광층에 적용하여 발광다이오드의 구동 전압을 낮추고, 발광 효율이 향상된다는 것을 확인하였다. 본 발명의 유기 화합물이 적용된 유기발광다이오드를 이용하여, 소비 전력을 낮추고, 발광 효율이 향상된 유기발광다이오드 표시장치 및/또는 조명 장치와 같은 발광장치 등을 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.
100: 유기발광다이오드 표시장치
200, 300, 400, 500, 600: 유기발광다이오드
210, 310, 410, 510, 610: 제 1 전극
220, 320, 420, 520, 620: 제 2 전극
230, 330, 430, 530, 630: 발광 유닛
340, 440, 540, 640: 정공주입층
350, 450, 550, 650, 750: 정공수송층
355, 455, 555, 655, 755: 전자차단층
360, 460, 560, 660, 760: 발광물질층
370, 470, 570, 670, 770: 전자수송층
375, 475, 575, 675, 775: 정공차단층
380, 480, 580, 780: 전자주입층
462, 562, 662: 제 1 발광물질층
464, 564, 664: 제 2 발광물질층
566, 666: 제 3 발광물질층
710: 전하생성층
810: N타입 전하생성층
820: P타입 전하생성층
200, 300, 400, 500, 600: 유기발광다이오드
210, 310, 410, 510, 610: 제 1 전극
220, 320, 420, 520, 620: 제 2 전극
230, 330, 430, 530, 630: 발광 유닛
340, 440, 540, 640: 정공주입층
350, 450, 550, 650, 750: 정공수송층
355, 455, 555, 655, 755: 전자차단층
360, 460, 560, 660, 760: 발광물질층
370, 470, 570, 670, 770: 전자수송층
375, 475, 575, 675, 775: 정공차단층
380, 480, 580, 780: 전자주입층
462, 562, 662: 제 1 발광물질층
464, 564, 664: 제 2 발광물질층
566, 666: 제 3 발광물질층
710: 전하생성층
810: N타입 전하생성층
820: P타입 전하생성층
Claims (36)
- 하기 화학식 1로 표시되는 유기 화합물.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 서로 합쳐져서 C5~C30 스파이로 구조를 형성함; R3는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; o는 1 내지 4의 정수임; X1 내지 X4 는 각각 독립적으로 CR4 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 하나는 질소임, R4는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; Y1 내지 Y5는 각각 독립적으로 CR5 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 3개는 CR5임; R5는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, Y1 내지 Y5 중에서 적어도 하나의 치환기인 R5는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임.
- 제 1항에 있어서,
상기 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 적어도 하나의 질소 원자를 포함하는 유기 화합물.
- 제 1항에 있어서,
상기 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 카바졸일기, 아크리디닐기, 카볼리닐기, 스파이로플루오레노카바졸일기, 스파이로플루오레노아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 페노티아지닐기(phenothizinyl)로 구성되는 군에서 선택되는 유기 화합물.
- 제 1항에 있어서,
상기 유기 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 유기 화합물.
[화학식 2]
화학식 2에서 R11 및 R12는 각각 독립적으로 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기 또는 C5~C20 아릴기임; R13 및 R14는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기임; o는 화학식 1에서 정의된 것과 동일함; p는 1 내지 3의 정수임; R15 내지 R18은 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, R15 내지 R18 중에서 적어도 어느 하나는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임; Y는 질소(N) 또는 CR19이고, R19는 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기임.
- 제 1항에 있어서,
상기 유기 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 어느 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기 화합물.
[화학식 3]
- 서로 마주하는 제 1 전극 및 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고,
상기 발광물질층은 하기 화학식 1로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 서로 합쳐져서 C5~C30 스파이로 구조를 형성함; R3는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; o는 1 내지 4의 정수임; X1 내지 X4 는 각각 독립적으로 CR4 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 하나는 질소임, R4는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; Y1 내지 Y5는 각각 독립적으로 CR5 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 3개는 CR5임; R5는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, Y1 내지 Y5 중에서 적어도 하나의 치환기인 R5는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임.
- 제 6항에 있어서,
상기 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 적어도 하나의 질소 원자를 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 6항에 있어서,
상기 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 카바졸일기, 아크리디닐기, 카볼리닐기, 스파이로플루오레노카바졸일기, 스파이로플루오레노아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 페노티아지닐기(phenothizinyl)로 구성되는 군에서 선택되는 유기발광다이오드.
- 제 6항에 있어서,
상기 유기 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 2]
화학식 2에서 R11 및 R12는 각각 독립적으로 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기 또는 C5~C20 아릴기임; R13 및 R14는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기임; o는 화학식 1에서 정의된 것과 동일함; p는 1 내지 3의 정수임; R15 내지 R18은 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, R15 내지 R18 중에서 적어도 어느 하나는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임; Y는 질소(N) 또는 CR19이고, R19는 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기임.
- 제 6항에 있어서,
상기 발광물질층은 제 1 호스트와 제 1 도펀트를 포함하고, 상기 제 1 호스트는 상기 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 10항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 최고준위점유분자궤도 에너지 준위(HOMOH)와 상기 제 1 도펀트의 최고준위점유분자궤도 에너지 준위(HOMOTD)의 차이(|HOMOH-HOMOTD|) 또는 상기 제 1 호스트의 최저준위비점유분자궤도 에너지 준위(LUMOH)와 상기 제 1 도펀트의 최저준위비점유분자궤도 에너지 준위(LUMOTD)의 차이(|LUMOH-LUMOTD|)는 0.5 eV 이하인 유기발광다이오드.
- 제 10항에 있어서,
상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)의 차이(ΔEST TD)가 0.3 eV 이하인 유기발광다이오드.
- 제 10항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H)와 삼중항 에너지 준위(T1 H)는 각각 상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 10항에 있어서,
상기 발광물질층은 제 2 도펀트를 더욱 포함하고,
상기 제 1 도펀트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 TD)는, 상기 제 1 호스트의 여기 상태 삼중항 에너지 준위(T1 H)보다 낮고,
상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)는 상기 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD)보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 6항에 있어서,
상기 발광물질층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며 상기 유기 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이 또는 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 15항에 있어서,
상기 제 1 발광물질층은 제 1 호스트와 제 1 도펀트를 포함하고, 상기 제 1 호스트는 상기 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 16항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 제 2 호스트와 제 2 도펀트를 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 17항에 있어서,
상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)는 상기 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD)보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 17항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H1)와 삼중항 에너지 준위(T1 H1)는 각각 상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 높고,
상기 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H2)는 상기 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD)보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 17항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하고,
상기 유기발광다이오드는, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더욱 포함하고,
상기 제 2 호스트는 상기 전자차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
- 제 17항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고,
상기 유기발광다이오드는, 상기 제 2 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 정공차단층을 더욱 포함하고,
상기 제 2 호스트는 상기 정공차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
- 제 15항에 있어서,
상기 발광물질층은, 상기 제 1 발광물질층을 중심으로 상기 제 2 발광물질층의 반대쪽에 위치하는 제 3 발광물질층을 더욱 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 22항에 있어서,
상기 제 1 발광물질층은 제 1 호스트와 제 1 도펀트를 포함하고, 상기 제 1 호스트는 상기 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 23항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 제 2 호스트와 제 2 도펀트를 포함하고,
상기 제 3 발광물질층은 제 3 호스트와 제 3 도펀트를 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 24항에 있어서,
상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)는 상기 제 2 및 제 3 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD1, S1 FD2)보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 24항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H1)와 삼중항 에너지 준위(T1 H1)는 각각 상기 제 1 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 TD)와 삼중항 에너지 준위(T1 TD)보다 높고,
상기 제 2 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H2)는 상기 제 2 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD1)보다 높은 유기발광다이오드.
상기 제 3 호스트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 H3)는 상기 제 3 도펀트의 여기 상태 단일항 에너지 준위(S1 FD2)보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 24항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하고, 상기 제 3 발광물질층은 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더욱 포함하고, 상기 제 2 호스트는 상기 전자차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
- 제 24항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하고, 상기 제 3 발광물질층은 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며,
상기 제 2 전극과 상기 제 3 발광물질층 사이에 위치하는 정공차단층을 더욱 포함하고, 상기 제 3 호스트는 상기 정공차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
- 제 28항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 제 2 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더욱 포함하고, 상기 제 2 호스트는 상기 전자차단층의 물질과 동일한 유기발광다이오드.
- 서로 마주하는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며, 하부 발광물질층을 포함하는 제 1 발광 유닛;
상기 제 1 발광 유닛과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며, 상부 발광물질층을 포함하는 제 2 발광 유닛; 및
상기 제 1 발광 유닛과 상기 제 2 발광 유닛 사이에 위치하는 전하생성층을 포함하고,
상기 하부 발광물질층과 상기 상부 발광물질층 중에서 어느 하나는 하기 화학식 1로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 1]
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 서로 합쳐져서 C5~C30 스파이로 구조를 형성함; R3는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; o는 1 내지 4의 정수임; X1 내지 X4 는 각각 독립적으로 CR4 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 하나는 질소임, R4는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기이거나, 인접한 기와 합쳐져서 C5~C20 축합 방향족 고리를 형성함; Y1 내지 Y5는 각각 독립적으로 CR5 또는 질소(N)이고, 그 중에서 적어도 3개는 CR5임; R5는 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, Y1 내지 Y5 중에서 적어도 하나의 치환기인 R5는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되거나, C5~C20 방향족 고리가 축합되거나 C5~C20 방향족 고리가 스파이로 구조로 연결되는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임.
- 제 30항에 있어서,
상기 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 적어도 하나의 질소 원자를 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 30항에 있어서,
상기 CR5를 구성하는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 카바졸일기, 아크리디닐기, 카볼리닐기, 스파이로플루오레노카바졸일기, 스파이로플루오레노아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 페노티아지닐기(phenothizinyl)로 구성되는 군에서 선택되는 유기발광다이오드.
- 제 30항에 있어서,
상기 유기 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 2]
화학식 2에서 R11 및 R12는 각각 독립적으로 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기 또는 C5~C20 아릴기임; R13 및 R14는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10 알킬기임; o는 화학식 1에서 정의된 것과 동일함; p는 1 내지 3의 정수임; R15 내지 R18은 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기, 또는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이며, R15 내지 R18 중에서 적어도 어느 하나는 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기, C5~C30 아릴기, C4~C30 헤테로 아릴기, C5~C30 방향족 아미노기 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 작용기로 치환되며, 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임; Y는 질소(N) 또는 CR19이고, R19는 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C20 알킬기임.
- 제 30항에 있어서,
상기 하부 발광물질층과 상기 상부 발광물질층 중에서 어느 하나는, 상기 유기 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이 또는 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 34항에 있어서,
상기 하부 발광물질층과 상기 상부 발광물질층 중에서 어느 하나는 상기 제 1 발광물질층을 중심으로 상기 제 2 발광물질층의 반대 쪽에 위치하는 제 3 발광물질층을 더욱 포함하는 유기발광다이오드.
- 기판; 및
상기 기판 상에 위치하며, 제 6항 내지 제 35항 중에서 어느 하나의 청구항에 기재된 유기발광다이오드
를 포함하는 유기발광장치.
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