KR20230062533A - 유기 화합물, 이를 포함하는 유기발광다이오드와 유기발광장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자와의 결합이 우수한 헤테로 방향족 코어와, 헤테로 방향족 코어에 직접 또는 간접적으로 각각 연결되는 트리페닐렌 모이어티와, 카바졸 모이어티를 가지는 축합 헤테로 방향족 모이어티를 포함하는 유기 화합물과, 유기 화합물을 유기물층에 사용한 유기발광다이오드 및 유기발광장치에 관한 것이다. 본 발명의 유기 화합물은 전하 수송 특성이 우수하여, 발광다이오드에서 전하 주입의 지연으로 야기되는 구동 전압의 상승을 방지할 수 있으며, 인접 층과의 계면 영역이 아니라 발광물질층의 전 영역에서 발광을 유도할 수 있기 때문에, 유기발광다이오드의 발광 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 유기발광다이오드에 사용되는 유기 화합물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기발광다이오드의 유기물층의 소재로 활용될 수 있는 유기 화합물, 이를 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광장치에 관한 것이다.
최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있다. 이러한 평면표시소자 중 하나로서 유기전계발광소자(organic electroluminescent device: OELD)라고도 불리는 발광다이오드를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치(organic light emitting diode (OLED) display device)가 주목을 받고 있다.
유기발광다이오드(OLED) 표시장치는 액정표시장치(Liquid Crystal Display Device, LCD)에서 요구되는 백라이트 유닛이 필요 없으며, 발광다이오드의 발광 화소부에 의해 발광하는 자체 발광형 표시장치이다. 유기발광다이오드 표시장치는 공정의 단순화가 가능하기 때문에 경량 박형의 매우 얇은 디스플레이를 구현할 수 있으며, 낮은 전압(10V 이하)에서 구동이 가능하고, 전력 소모가 비교적 적으며 색 순도가 뛰어나다는 장점이 있다. 또한, 유기발광다이오드 표시장치는 LCD에 비하여 시야각 및 콘트라스트비(contrast ratio)가 우수하며, 플라스틱 같은 휠 수 있는(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있어 LCD 이후의 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있다.
유기발광다이오드 표시장치에서 사용되는 발광다이오드는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기 소재의 발광층에 전하를 주입하면 전자(electron)와 정공(hole)이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 발광층에서 전자와 정공이 만나서 엑시톤(Exciton)을 형성되고 이 에너지에 의하여 발광층에 포함된 유기 화합물이 여기 상태(excited state)가 되는데, 유기 화합물이 여기 상태에서 바닥상태(ground state)로 에너지 전이가 발생하고, 발생한 에너지를 빛으로 방출하여 발광한다.
발광다이오드를 구성하는 발광층은 발광물질층의 단층 구조를 가지거나, 발광 효율 및 소자의 수명 향상을 위해 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 발광다이오드의 발광층은 정공주입층(hole injection layer; HIL), 정공수송층(hole transporting layer; HTL), 발광물질층(emitting material layer; EML), 전자수송층(electron transporting layer; ETL) 및 전자주입층(electron injection layer; EIL)으로 구성되는 다층 구조를 가질 수 있다.
유기발광다이오드를 제작하는 과정을 간단히 살펴보면,
(1) 먼저, 투명기판 위에 인듐-틴-옥사이드(indium tin oxide; ITO)와 같은 물질을 증착하여 양극(anode)을 형성한다.
(2) 상기 양극 상에 정공주입층을 형성한다. 정공주입층은 Dipyrazino[2,3-f:2',3'-h]quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile(HATCN)과 같은 유기물을 10 nm 내지 60 nm의 두께로 증착하여 형성한다.
(3) 다음, 상기 정공주입층 상에 정공수송층을 형성한다. 정공수송층은 4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenylamino]-biphenyl(NPB)과 같은 유기물을 20 nm 내지 60 nm 정도 증착하여 형성된다. 인광 소자의 경우, 삼중항 엑시톤을 발광물질층 내에 효과적으로 가두기 위하여, 정공수송층과 발광물질층 사이에 전자차단층(electron blocking layer; EBL)과 같은 엑시톤 차단층을 형성하기도 한다.
(4) 다음, 상기 정공수송층 상에 유기발광층(Organic emitting layer)라고도 불리는 발광물질층을 형성한다. 상기 발광물질층은 적절한 호스트(host)와 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 청색 형광 발광의 경우, 흔히 호스트로 9,10-Bis(1-naphtyl)anthracene(α-ADN)을 사용하고, 도펀트로서 4,4'-bis[2-(4-(N,N-diphenylamino)phenyl)vinyl]biphenyl(DPAVBi)이나 diphenyl-[4-(2-[1,1;4,1]terphenyl-4-yl-vinyl)-phenyl]-amine(BD-1)을 1 내지 50 중량%, 예를 들어 1 내지 10 중량%의 비율로 도핑하여, 20 nm 내지 60 nm의 두께로 증착한다.
(5) 다음, 상기 발광물질층 상에 전자수송층 및 전자주입층을 형성한다. 예를 들어, 전자수송층으로 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄 tris-(8-hydroxyquinoline aluminum; Alq3)을 이용하고, 전자주입층으로 LiF를 이용한다. 인광 소자의 경우, 삼중항 엑시톤을 발광물질층 내에 효과적으로 가두기 위해, 전자수송층 형성 전에 정공차단층(HBL: hole blocking layer)을 형성할 수 있다.
(6) 다음, 상기 전자주입층 상에 음극(cathode)을 형성한다.
전술한 바와 같이, 발광다이오드에서 양극과 음극에서 각각 주입된 정공과 전자는 발광층에서 엑시톤을 형성하여 발광한다. 발광 소재로서 한 물질만을 적용하는 경우 색 순도, 소자의 발광 효율과 수명이 떨어질 수 있기 때문에, 소자의 효율과 수명을 개선하기 위하여 통상적으로 발광층은 호스트(host)와 도펀트(dopant)로 구성된다. 호스트-도펀트의 이원 시스템에서 호스트는 엑시톤을 생성하고 스스로 빛을 내기보다는 도펀트에 에너지를 전달하여 도펀트를 통하여 높은 효율의 빛을 발생시킨다. 즉, 발광층에서 엑시톤이 형성되어 바닥상태로 전이될 때 얻어지는 에너지는 호스트를 거쳐 최종적으로 도펀트로 전달되는데, 호스트와 도펀트의 이중 소재로 발광층을 형성할 때, 도펀트로의 에너지가 집중적으로 전달되어, 도펀트에서 엑시톤 형성 확률이 증가하여 발광 효율이 상승한다.
유기발광소자에서 사용되는 발광 재료는 소자의 발광 효율을 결정하는 가장 중요한 요인이며, 특히 호스트-도펀트 이원 시스템에서 호스트는 발광 소자의 효율과 수명 등에 큰 영향을 미치기 때문에 적절한 호스트를 선택하여야 한다. 이와 관련해서, 대한민국등록특허 제10-1404346호에서는 비닐 타입의 폴리노보넨 중합체를 녹색 인광 호스트로 사용할 수 있다고 제안하고 있다.
그런데, 유기발광소자에서 사용되는 발광 재료는 양자 효율이 높고 전자와 정공의 이동도가 양호하여야 한다. 현재 사용되고 있는 발광 재료 중에서 호스트는 넓은 밴드갭(wide band gap)을 가지고 있기 때문에, 전하의 주입이 지연되어 소자의 구동 전압을 상승시키는 요인이 되고 있다. 뿐만 아니라, 정공과 전자가 발광층으로 균형 있게 주입되지 못하여, 발광층에 인접한 층과의 계면에서 발광이 일어나고, 이로 인하여 소자의 효율이나 수명이 저하되는 문제가 있다.
특히, 최근에 고효율 및 장수명의 유기발광소자의 개발이 시급한 과제로 대두되고 있다. 중대형 OLED 패널에서 요구하고 있는 소자 특성 수준을 고려해 볼 때 기존의 발광 재료에 비하여 열 안정성을 구비하는 동시에, 전하의 주입 및 이동 특성이 우수하여 계면 발광을 방지함으로써, 소자의 발광 효율 및 소자의 수명을 개선할 수 있는 재료를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 전하 수송 특성이 우수하며, 엑시톤을 형성할 때 에너지를 효율적으로 전달할 수 있는 유기 화합물과, 이를 이용한 유기발광다이오드 및 유기발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소자의 박막 내구성을 향상시킴으로써, 소자의 낮은 구동 전압을 유도하며, 우수한 발광 효율 및 향상된 소자 수명을 유도할 수 있는 유기 화합물, 이를 이요한 유기발광다이오드 및 유기발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 목적을 가지는 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 질소 원자를 가지는 헤테로 방향족 코어와, 헤테로 방향족 코어에 직접 또는 간접적으로 각각 연결되는 트리페닐렌 모이어티와, 카바졸 모이어티를 가지는 축합 헤테로 방향족 모이어티를 포함하는 유기 화합물을 제공한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 축합 헤테로 방향족 모이어티는 카바졸 모이어티를 포함하는 3 내지 6개의 방향족 고리, 바람직하게는 4 내지 6개의 방향족 고리로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 유기 화합물이 유기물층에 포함되어 있는 유기발광다이오드에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 유기 화합물이 유기물층에 포함된 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치에 관한 것이다.
본 발명의 유기 화합물은 하나 이상의 질소 원자를 가지고 있는 헤테로 방향족 코어를 가지고 있으며, 헤테로 방향족 코어에 직접 또는 간접적으로 각각 연결된 트리페닐렌 모이어티와, 카바졸 모이어티를 가지는 축합 헤테로 방향족 모이어티를 가지고 있다.
구조적으로 견고한 축합 헤테로 방향족 모이어티와 트리페닐렌 모이어티를 가지고 있기 때문에, 이들 축합 방향족 고리와 헤테로 방향족 코어 사이의 3차원 화학 구조가 제한된다. 이에 따라 발광과 관련한 진동 모드(vibration mode)에서 분자의 회전으로 인한 에너지 손실 없이 에너지를 전달할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 유기 화합물은 전자 밀도가 높은 헤테로 방향족 코어를 포함하고 있기 때문에, 전자가 신속하게 결합할 수 있으며, 전자의 이동 및 수송 특성을 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 유기 화합물을 유기발광다이오드의 유기발광층에 적용하였을 때, 전하의 주입이 지연되지 않으므로, 낮은 전압에서도 충분히 소자가 구동될 수 있다.
특히, 본 발명의 유기 화합물을 발광다이오드의 유기발광층에 사용하면, 유기발광층으로 정공과 전자가 균형 있게 주입되어, 유기발광층에서 전하 균형을 극대화할 수 있다. 유기발광층, 특히 발광물질층과 인접한 전하이동층 사이의 계면에서 발광이 일어나지 않고, 발광물질층의 전 영역에서 발광을 유도할 수 있기 때문에, 발광다이오드의 내구성, 발광 효율 및/또는 소자 수명을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 유기 화합물은 유기발광다이오드의 유기발광층, 예를 들어 발광물질층은 물론이고, 전자수송층 및/또는 엑시톤 차단층과 같은 공통층의 소재로도 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 유기화합물이 적용된 유기발광다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라, 유기화합물이 적용되며 엑시톤 차단층을 가지는 유기발광다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 본 발명의 유기 화합물을 사용한 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치의 일례로서, 유기발광다이오드 표시장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 11은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성된 유기 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라, 유기화합물이 적용되며 엑시톤 차단층을 가지는 유기발광다이오드의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 본 발명의 유기 화합물을 사용한 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치의 일례로서, 유기발광다이오드 표시장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 11은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성된 유기 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 필요한 경우에는 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 상세하게 설명한다.
[유기 화합물]
유기발광다이오드에서 사용되는 발광 재료는 양자 효율과 같은 발광 효율이 높고, 전자와 정공의 이동도가 커야 한다. 발광 재료는 또한 발광물질층 중에 균일하게 형성되어야 하며, 안정적으로 발광을 유도하여야 한다. 최근에 고효율 및 장수명의 유기발광소자의 개발이 시급한 과제로 대두되고 있는데, 2개의 독립적인 유기 화합물로 구성되는 이원 시스템의 발광층에서 에너지 전달자 역할을 하는 호스트는 색 순도가 양호하고, 진공 증착이 가능하도록 적당한 분자량을 가져야 한다. 또한 유리 전이온도와 열분해 온도가 높아 열 안정성을 확보해야 하며, 장수명화를 위해 높은 전기화학적 안정성이 요구된다. 본 발명의 일 측면에 따른 유기 화합물은 이러한 특성을 충족시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
화학식 1
(화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 C5~C30 호모 아릴기, 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 C4~C30 헤테로 아릴기, 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 C5~C30 호모 아릴알킬기, 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 C4~C30 헤테로 아릴알킬기, 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 C5~C30 호모 아릴옥실기 및 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 C4~C30 헤테로 아릴옥실기로 구성되는 군에서 선택되고, R1 및 R2 중에서 어느 하나는 카바졸(carbazole) 모이어티를 가지며 3 ~ 6개의 방향족 고리로 이루어진 C10~C30 축합 헤테로 아릴기임; R3 내지 R5는 각각 독립적으로 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기이고, o는 0 내지 3의 정수이며, p와 q는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수임; L1 내지 L3은 각각 독립적으로 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기로 치환된 C5~C30 호모 아릴렌기, 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기로 치환된 C4~C30 헤테로 아릴렌기, 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기로 치환된 C5~C30 호모 아릴옥실렌기 및 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기로 치환된 C4~C30 헤테로 아릴옥실렌기로 구성되는 군에서 선택됨; a, b, c는 각각 독립적으로 0 또는 1임; X1, X2 및 X3는 각각 독립적으로 -N 또는 -CR6이며, R6는 수소, 중수소, 삼중수소, C1~C20 알킬기 및 C1~C20 알콕시기로 구성되는 군에서 선택되며, X1 내지 X3 중에서 적어도 하나는 N임)
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 알킬기, 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 알콕시기, 할로겐, 시아노기, 카르복시기, 카르보닐기, 아민기, 알킬아민기, 니트로기, 하이드라질기(hydrazyl group), 술폰산기, 알킬 실릴기, 알콕시 실릴기, 사이클로알킬 실릴기, 아릴 실릴기, 치환되지 않거나 치환된 아릴기, 헤테로아릴기 등을 들 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 '헤테로 방향족 고리', '헤테로 사이클로알킬기', '헤테로 아릴렌기', '헤테로 아릴알킬렌기', '헤테로 아릴옥실렌기', '헤테로 아릴기', '헤테로 아릴알킬기', '헤테로 아릴옥실기', '헤테로 아릴 아민기' 등에서 사용된 용어 '헤테로'는 이들 방향족 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.
하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 화학식 1에서 R1 내지 R2는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 치환된 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 테트라페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 인데닐기, 페날레닐기, 페난트레닐기, 아줄레닐기, 파이레닐기, 플루오레닐기, 테트라세닐기, 인다세닐기 또는 스파이로 플루오레닐기와 같은 축합되지 않거나 축합된(fused) 호모 방향족 고리, 및/또는 피롤릴기, 피리디닐기, 피리미디닐기, 피라지닐기, 피리다지닐기, 트리아지닐기, 테트라지닐기, 이미다졸일기, 피라졸일기, 인돌일기, 카바졸일기, 벤조카바졸일기, 디벤조카바졸일기, 인돌로카바졸일기, 인데노카바졸일기, 벤조퓨라노카바졸일기, 디벤조퓨라노카바졸일기, 벤조티에노카바졸일기, 디벤조티에노카바졸일기, 퀴놀리노카바졸일기, 이소퀴놀리노카바졸일기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀리닐기, 프탈라지닐기, 퀴녹살리닐기, 시놀리닐기, 퀴나졸리닐기, 프탈라지닐기, 퀴녹살리닐기, 시놀리닐기, 퀴나졸리닐기, 벤조퀴놀리닐기, 벤조이소퀴놀리닐기, 벤조퀴나졸리닐기, 벤조퀴녹살리닐기, 아크리디닐기, 페난트롤리닐기, 퓨라닐기, 파이라닐기, 옥사지닐기, 옥사졸일기, 옥사디아졸일기, 트리아졸일기, 디옥시닐기, 벤조퓨라닐기, 디벤조퓨라닐기, 티오파이라닐기, 티아지닐기, 티오페닐기 또는 N-치환된 스파이로 플루오레닐기와 같은 축합되지 않거나 축합된 헤테로 방향족 고리일 수 있다.
일례로, 화학식 1에서 R1 및/또는 R2가 방향족 작용기, 예를 들어 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환된 경우, 이들 작용기는 치환되지 않거나 페닐기가 메타 또는 파라 위치로 치환된 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기, 플루오레닐기 또는 스파이로 플루오레닐기와 같은 호모 아릴기 및/또는 치환되지 않거나 페닐기가 메타 또는 파라 위치로 치환된 벤조티오펜일기, 디벤조티오펜일기, 벤조퓨라닐기, 디벤조퓨라닐기, 피롤릴기, 피리디닐기, 피리미디닐기, 피라지닐기, 피리다지닐기, 트리아지닐기, 테트라지닐기, 이미다졸일기, 피라졸일기, 인돌일기, 카바졸일기, 벤조카바졸일기, 디벤조카바졸일기, 인돌로카바졸일기, 인데노카바졸일기, 벤조퓨라노카바졸일기, 벤조티에노카바졸일기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀리닐기, 프탈라지닐기, 퀴녹살리닐기, 시놀리닐기, 퀴나졸리닐기, 프탈라지닐기, 퀴녹살리닐기, 시놀리닐기, 퀴나졸리닐기, 벤조퀴놀리닐기, 벤조이소퀴놀리닐기, 벤조퀴나졸리닐기 또는 벤조퀴녹살리닐기와 같은 헤테로 아릴기일 수 있다.
이때, R1 및/또는 R2에 치환될 수 있는 방향족 고리의 개수는 1개 내지 2개, 더욱 바람직하게는 1개이다. 이들 방향족 고리의 개수가 너무 많아지면, 전체 분자에서 공액화 구조가 길어지면서 유기 화합물의 삼중항 에너지 준위가 낮아지며, 밴드갭 에너지가 지나치게 감소할 수 있다. 전하의 이동 특성을 감소시키지 않으면서, 양호한 밴드갭을 유지하기 위해서, R1 및/또는 R2에 치환될 수 있는 방향족 치환기는 페닐기, 바이페닐기, 피롤릴기, 이미다졸일기, 피라졸일기, 피리디닐기, 피라지닐기, 피리미디닐기, 피리다지닐기, 퓨라닐기 또는 티오페닐기일 수 있다.
한편, 화학식 1에서 R1 및 R2 중에서 어느 하나는 카바졸(carbazole) 모이어티를 가지며 3 내지 6개, 바람직하게는 3 내지 5개의 방향족 고리로 이루어진 C10~C30 축합 헤테로 아릴기이다. 카바졸 모이어티를 가지는 C10~C30 축합 헤테로 아릴기는 카바졸일기(carbazolyl group)는 물론이고, 카바졸 모이어티에 다른 방향족 고리가 축합된(fused) 아릴기를 포함한다. 카바졸 모이어티에 다른 방향족 고리가 축합된 축합 헤테로 아릴기는 벤조카바졸일기(benzocarbazolyl group), 디벤조바카졸일기(dibenzocarbazolyl group), 인데노카바졸일기(indenocarbazoly group), 인돌로카바졸일기(indolocarbazolyl group), 벤조퓨로카바졸일기(benzofurocarbazolyl group), 디벤조퓨로카바졸일기(dibenzocarbazolyl group), 벤조티에노카바졸일기(benzothienoocarbazolyl group) 및 디벤조티에노카바졸일기(dibenzothenocarbazolyl group), 퀴놀리노카바졸일기(quinolinocarbazolyl group)로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
화학식 1에서 X1 내지 X3 중에서 적어도 하는 질소 원자로서, 이에 따라 본 발명에 따른 유기 화합물 분자의 중앙은 전자와의 친화도가 우수한 헤테로 아릴 코어를 구성한다. 이에 따라, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 발광물질층(EML, 도 1 참조)에서 이른바 'n-타입 호스트'로 사용되고/사용되거나, 전자 이동이나 정공 차단이 요구되는 다른 유기물층, 일례로 전자수송층(ETL, 도 1 참조)이나 정공차단층(HBL, 도 2 참조)의 전하 이동과 관련한 공통층의 소재로도 활용될 수 있다. 일례로, 중앙에 위치하는 헤테로 아릴 코어는 질소 원자의 개수에 따라 피리디닌(pyridinine), 피리미딘(pyrimidine), 피라진(pyrazine), 리피다진(pyridazine) 또는 트리아진(triazine) 모이어티를 가질 수 있다.
한편, 하나의 예시적인 실시형태에서, 화학식 1에서 L1 내지 L3은 전자와의 친화력이 우수한 중앙의 헤테로 방향족 코어와, 외측에 위치하는 트리페닐렌 모이어티 및 방향족 고리를 매개하는 연결기(linker)일 수 있다. 예를 들면, L1 내지 L3은 각각 독립적으로 C5~C30 호모 아릴렌기 또는 C4~C30 헤테로 아릴렌기일 수 있다.
하나의 비-제한적인 실시형태에서, 화학식 1에서 L1 내지 L3가 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기로 치환된 C5~C30 호모 아릴렌기인 경우, 에서 L1 내지 L3는 각각 독립적으로 페닐렌기(phenylene), 바이페닐렌기(biphenylene), 터페닐렌기(terphenylene), 테트라페닐렌기(tetraphenylene), 인데닐렌기(indenylene), 나프틸렌기(naphthylene), 아줄레닐렌기(azulenylene), 인다세닐렌기(indacenylene), 아세나프틸렌기(acenaphthylene), 플루오레닐렌기(fluorenylene), 스파이로-플루오레닐렌기, 페날레닐렌기(phenalenylene), 페난트레닐렌기(phenanthrenylene), 안트라세닐렌기(anthracenylene), 플루오란트레닐렌기(fluoranthrenylene), 트리페닐레닐렌기(triphenylenylene), 파이레닐렌기(pyrenylene), 크라이세닐렌기(chrysenylene), 나프타세닐렌기(naphthacenylene), 피세닐렌기(picenylene), 페릴레닐렌기(perylenylene), 펜타페닐렌기(pentaphenylene) 및 헥사세닐렌기(hexacenylene)로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
다른 선택적인 실시형태에서, L1 내지 L3가 치환되지 않거나 C1~C20 알킬기 또는 C1~C20 알콕시기로 치환된 C4~C30 헤테로 아릴렌기인 경우, L1 내지 L3는 각각 독립적으로 피롤릴렌기(pyrrolylene), 이미다졸일렌기(imidazolylene), 피라졸일렌기(pyrazolylene), 피리디닐렌기(pyridinylene), 피라지닐렌기(pyrazinylene), 피리미디닐렌기(pyrimidinylene), 피리다지닐렌기(pyridazinylene), 이소인돌일렌기(isoindolylene), 인돌일렌기(indolylene), 인다졸일렌기(indazolylene), 푸리닐렌기(purinylene), 퀴놀리닐렌기(quinolinylene), 이소퀴놀리닐렌기(isoquinolinylene), 벤조퀴놀리닐렌기(benzoquinolinylene), 프탈라지닐렌기(phthalazinylene), 나프티리디닐렌기(naphthyridinylene), 퀴녹살리닐렌기(quinoxalinylene), 퀴나졸리닐렌기(quinazolinylene), 벤조퀴놀리닐렌기, 벤조이소퀴놀리닐렌기, 벤조퀴나졸리닐렌기, 벤조퀴녹살리닐렌기, 시놀리닐렌기(cinnolinylene), 페난트리디닐렌기(phenanthridinylene), 아크리디닐렌기(acridinylene), 페난트롤리닐렌기(phenanthrolinylene), 페나지닐렌기(phenazinylene), 벤즈옥사졸일렌기(benzoxazolylene), 벤즈이미다졸일렌기(benzimidazolylene), 퓨라닐렌기(furanylene), 벤조퓨라닐렌기(benzofuranylene), 티오페닐렌기(thiophenylene), 벤조티오페닐렌기(benzothiophenylene), 티아졸일렌기(thiazolylene), 이소티아졸일렌기(isothiazolylene), 벤조티아졸일렌기(benzothiazolylene), 이소옥사졸일렌기(isoxazolylene), 옥사졸일렌기(oxazolylene), 트리아졸일렌기, 테트라졸일렌기, 옥사디아졸일렌기(oxadiazolylene), 트리아지닐렌기(triazinylene), 벤조퓨라닐렌기, 디벤조퓨라닐렌기(dibenzofuranylene), 벤조퓨로디벤조퓨라닐렌기, 벤조티에노벤조퓨라닐렌기, 벤조티에노디벤조퓨라닐렌기, 벤조티오페닐렌기, 디벤조티오페닐렌기(dibenzothiophenylene), 벤조티에토벤조티오페닐렌기, 벤조티에노디벤조티오페닐렌기, 카바졸일렌기, 벤조카바졸일렌기, 디벤조카바졸일렌기, 인돌로카바졸일렌기, 인데노카바졸일렌기, 벤조퓨로카바졸일렌기, 벤조티에노카바졸일렌기, 이미다조피리미디닐렌기(imidazopyrimidinylene) 및 이미다조피리디닐렌기(imidazopyridinylene)로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, L1 내지 L3를 각각 구성하는 방향족 고리의 개수가 많아지면, 전체 유기 화합물에서 공액화(conjugated) 구조가 지나치게 길어져서, 유기 화합물의 밴드갭이 지나치게 감소할 수 있으며, 삼중항 에너지 준위가 낮아질 수 있다. 따라서 바람직하게는 L1 내지 L3를 각각 구성하는 방향족 고리의 개수는 1 내지 2개, 더욱 바람직하게는 1개이다. 또한 전하의 주입 및 이동 특성과 관련해서, L1 내지 L3는 각각 5-원자 고리(5-membered ring) 내지 7-원자 고리(7-membered ring)일 수 있으며, 특히 6-원자 고리(6-membered ring)인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, L1 내지 L3는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 치환된 페닐렌기, 바이페닐렌기, 피롤릴렌기, 이미다졸일렌기, 피라졸일렌기, 피리디닐렌기, 피라지닐렌기, 피리미디닐렌기, 피리다지닐렌기, 퓨라닐렌기 또는 티오페닐렌기일 수 있다.
화학식 1로 표시되는 유기 화합물은 전자와의 친화력이 우수한 중앙의 헤테로 방향족 코어를 가지며, 헤테로 방향족 코어에 견고한 화학 구조를 가지는 트리페닐렌 모이어티와, 카바졸 모이어티를 포함하는 축합 헤테로 방향족 모이어티를 가지고 있다. 구조적으로 견고한 트리페닐렌 모이어티 및/또는 축합 헤테로 방향족 모이어티와 중앙의 헤테로 방향족 코어 사이의 3차원 화학 구조가 제한되고, 발광 메커니즘에서 분자의 회전으로 인한 에너지 손실이 없다. 중앙에 위치하는 헤테로 방향족 코어에 기인하여, 전자와 효율적으로 결합하여 전자의 이동 및 수송 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 화학식 1로 표시되는 유기 화합물을 유기발광층에 적용하면, 유기발광층에서 정공과 전자가 균형 있게 이동하여 발광물질층으로 주입될 수 있다. 화학식 1로 표시되는 유기 화합물을 유기발광층에 적용하여 저-전압 구동을 구현할 수 있으며, 발광물질층의 전 영역에서 발광을 유도하여, 발광다이오드의 내구성, 발광 효율 및 소자 수명을 개선할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 본 발명의 유기 화합물에서 카바졸 모이어티를 구성하는 축합 헤테로 방향족 모이어티는 4 내지 6개의 방향족 고리로 이루어질 수 있다. 이와 같은 유기 화합물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
화학식 2
(화학식 2에서, R7은 치환되지 않거나 C5~C30 호모 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기로 치환되며 축합 헤테로 아릴기로서, 상기 축합 헤테로 아릴기는 벤조카바졸일기, 디벤조바카졸일기, 인데노카바졸일기, 인돌로카바졸일기, 벤조퓨로카바졸일기, 디벤조퓨로카바졸일기, 벤조티에노카바졸일기, 디벤조티에노카바졸일기, 퀴놀리노카바졸일기 및 이소퀴놀리노카바졸일기로 구성되는 군에서 선택됨; R8은 C5~C30 아릴기 또는 C4~C30 헤테로 아릴기임; L4와 L5는 각각 독립적으로 페닐렌기, 바이페닐렌기, 피롤릴렌기, 이미다졸일렌기, 피라졸일렌기, 피리디닐렌기, 피라지닐렌기, 피리미디닐렌기, 피리다지닐렌기, 퓨라닐렌기 또는 티오페닐렌기로 구성되는 군에서 선택됨; a와 b는 화학식 1에서 정의된 것과 동일함)
화학식 2로 표시되는 유기 화합물을 구성하는 축합 헤테로 방향족 모이어티(R7)는 4 내지 6개의 방향족 고리로 이루어지므로, 카바졸 모이어티에 비하여 보다 견고한 화학 구조를 갖는다. 이에 따라, 이들 축합 헤테로 방향족 모이어티(R7)와 중앙의 트리아진 모이어티 사이의 3차원 화학 구조가 더욱 제한되기 때문에, 발광과 관련한 진동 모드에서 에너지의 손실 없이 에너지를 다른 분자, 예를 들어 발광 도펀트로 전달할 수 있다. 유효한 발광을 구현하기 위하여 높은 전압을 가할 필요가 없기 때문에, 저-전압 구동이 가능할 뿐만 아니라, 높은 전압을 인가하는데 따른 발광 소재 또는 전하 이동 소재에 대한 스트레스가 감소한다. 따라서, 화학식 2로 표시되는 유기 화합물을 사용하여 소비 전력을 낮추고 발광 효율은 우수하며 소자 수명이 향상된 발광다이오드를 제작할 수 있다.
화학식 1로 표시되는 유기 화합물을 보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 유기 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 PGH1 내지 PGH24 중에서 선택되는 어느 하나의 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 3
전술한 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 전자와 효율적으로 결합하여 전자의 이동 및 수송 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 분자의 중앙에 위치하는 헤테로 아릴 코어와, 외측에 위치한 견고한 축합 방향족 모이어티 사이의 화학 구조가 제한되면서, 에너지 손실 없이 에너지를 전달할 수 있다. 따라서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 사용하여, 저-전압 구동이 가능하고, 발광 효율이 향상되며, 수명이 향상된 발광다이오드를 구현할 수 있다. 일례로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 전자 수송 특성이 우수하므로, 발광다이오드를 구성하는 발광물질층, 전자수송층 및/또는 정공차단층의 소재로 사용될 수 있다.
[발광다이오드 및 유기발광장치]
전술한 바와 같이, 예를 들어 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 전자에 대한 결합 특성이 우수하고, 3차원 구조가 제한되어 에너지 손실 없이 발광 에너지를 전달할 수 있다. 따라서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 유기발광다이오드에 적용될 수 있는데, 이에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따라 유기 화합물이 적용된 발광다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(100)는 서로 마주하는 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120)과, 제 1 및 제 2 전극(110, 120) 사이에 위치하는 유기물층(유기발광층, 130)을 포함한다. 유기물층(130)은 제 1 전극(110)으로부터 순차적으로 적층되어 있는 정공주입층(HIL; 140), 정공수송층(HTL; 150), 발광물질층(EML; 160), 전자수송층(ETL; 170) 및 전자주입층(EIL; 180)을 포함한다.
제 1 전극(110)은 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며 양극(anode)이다. 예를 들어, 제 1 전극(110)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide; ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(indium-zinc-oxide; IZO)로 이루어질 수 있다.
제 2 전극(120)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극(cathode)이다. 예를 들어, 제 2 전극(120)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 은(Ag), 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
정공주입층(140)은 제 1 전극(110)과 정공수송층(150) 사이에 위치하는데, 무기물인 제 1 전극(110)과 유기물인 정공수송층(150) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공주입층(140)은 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine; MTDATA), 프탈로시아닌구리(copper phthalocyanine; CuPc), 트리스(4-카바조일-9-일-페닐)아민(Tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine; TCTA), N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-1,1'--4,4"-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine; α-NPB; NPD), 1,4,5,8,9,11-헥사아자트리페닐렌헥사카보니트릴(1,4,5,8,9,11-hexaazatriphenylenehexacarbonitrile; 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), 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), 2,3,5,6-테트라플루오로-7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄(2,3,5,6-Tetralfluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane; F4TCNQ) 및/또는 N,N,N',N'-테트라키스(4-바이페닐)벤지딘(N,N,N',N'-Tetrakis(4-biphenyl)benzidine) 등의 유기 물질로 이루어질 수 있다. 유기발광다이오드(100)의 특성에 따라 정공주입층(140)은 생략될 수 있다.
정공수송층(150)은 제 1 전극(110)과 발광물질층(160) 사이에 발광물질층(160)에 인접하여 위치한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공수송층(150)은 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'--4,4'-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine; TPD), NPD, 4,4'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-(4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; CBP), N,N,N',N'-테트라키스(4-바이페닐)벤지딘, N-(-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)과 같은 방향족 아민 화합물로 이루어질 수 있다.
발광물질층(160)은 소자의 발광 효율 등을 증대시키기 위하여 호스트에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있다. 발광물질층(160)의 호스트로서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 적어도 어느 하나의 유기 화합물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 전자와 효율적으로 결합하여 전자받개로 기능하는 중앙의 헤테로 방향족 모이어티를 가지고 있으므로, 발광물질층(160)의 n-타입 호스트로 사용될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 정공 수송 특성이 우수한 화합물인 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 적어도 어느 하나의 유기 화합물만을 발광물질층(160)의 호스트로 사용하여, 발광물질층(160)으로의 전자 주입 능력을 향상시키고, 발광과 관련한 에너지를 잃지 않고 적절한 발광 도펀트에 에너지를 전달할 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(160)의 호스트로서 n-타입 호스트인 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 적어도 어느 하나의 유기 화합물을 사용하고, 별도로 전자주개 모이어티를 가지는 p-타입 호스트를 병용할 수 있다. n-타입 호스트로서의 화학식 1 내지 3으로 표시되는 유기 화합물과 병용하여 사용될 수 있는 p-타입 호스트는 카바졸 모이어티를 가지는 화합물, 일례로 바이카바졸계 또는 트리카바졸계 화합물일 수 있다.
예를 들어, p-타입 호스트는 CBP, 3,3-디(9H-카바졸-9-일)바이페닐(3,3-Di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl; mCBP), 4,4'-비스(카바졸-9-일)-2,2'-디메틸바이페닐(4,4'-Bis(carbazol-9-yl)-2,2'-dimethylbiphenyl; CDBP), 4,4',4"-트리스(카바졸-9-일)트리페닐아민(4,4',4"-Tris(carbazol-9-yl)triphenylamine; 2T-NATA 또는 TcTa), 1,3,5-트리스(카바졸-9-일)벤젠(1,3,5-Tris(carbazol-9-yl)benzene; TCP), 1,3-비스(카바졸-9-일)벤젠(1,3-Bis(carbazol-9-yl)benzene; MCP), 9,9'-디(바이페닐-3-일)-9H,9'H-3,3'-바이카바졸(9,9'-di(biphenyl-3-yl)-9H,9'H-3,3'-bicarbazole), 9,9'-디([1,1'-바이페닐]-4-일)-9H,9'H-3,3'-바이카바졸(9,9'-di([1,1'-biphenyl]-4-yl)-9H,9'H-3,3'-bicarbazole) 및/또는 9-페닐-3,3'-바이카바졸(9-phenyl-3,3'-bicarbazole)로 구성되는 군에서 선택되는 유기 물질일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
이때, p-타입 호스트의 최고점유분자궤도함수(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO) 에너지 준위는 n-타입 호스트의 HOMO 에너지 준위보다 높고, n-타입 호스트의 최저비점유분자궤도함수(Lowest Unoccupied Molecular Orbital; LUMO) 에너지 준위는 p-타입 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비하여 낮을 수 있다. 또한, p-타입 호스트 및 n-타입 호스트의 삼중항 에너지 준위(ET1 H)는 도펀트의 삼중항 에너지 준위(ET1 D)에 비하여 높고, p-타입 호스트 및 n-타입 호스트의 단일항 에너지 준위(ES1 H)는 도펀트의 단일항 에너지 준위(ES1 D)에 비하여 높을 수 있다.
p-타입 호스트와 n-타입 호스트를 병용하는 경우, p-타입 호스트와 화학식 1 내지 3으로 표시되는 유기 화합물인 n-타입 호스트는 발광물질층(160)에서 들뜬 상태 전하전달복합체(excited state charge transfer complex)인 엑시플렉스(exciplex)를 형성할 수 있다. 엑시플렉스의 삼중항 에너지 준위 및 단일항 에너지 준위는 각각 도펀트의 삼중항 에너지 준위 및 단일항 에너지 준위보다 높아서, 엑시플렉스의 삼중항 상태 또는 단일항 상태에서 도펀트로의 에너지 전이가 일어날 수 있다.
이처럼 발광물질층(160)의 호스트로서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물인 n-타입 호스트와, p-타입 호스트를 병용하는 경우, 낮은 전압에서도 발광다이오드(100)를 구동시킬 수 있다. 이 경우, 발광물질층(160)의 전 영역에서 발광을 유도함으로써 높은 발광 효율 및 장수명을 갖는 발광다이오드(100)를 구현할 수 있다. 이때, 호스트의 삼중항 에너지보다 낮은 삼중항 에너지를 갖는 도펀트를 채택함으로써, 도펀트로 전이된 에너지가 호스트로 역-전이되는 것을 차단하여 높은 발광 효율을 가질 수 있으며, 호스트에서 도펀트로 전하가 용이하게 전이될 수 있다.
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 n-타입 호스트와 p-타입 호스트의 병용 호스트를 채택하는 경우, 전체 호스트에서 n-타입 호스트와 p-타입 호스트는 각각 20 내지 80 중량%, 바람직하게는 30 내지 70 중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 중량%의 비율로 혼합될 수 있다. p-타입 호스트와 n-타입 호스트의 배합 비율을 적절히 제어함으로써, 정공과 전자가 균형을 맞추어 발광물질층(160)으로 주입될 수 있으며, 이에 따라 발광다이오드(100)의 발광 효율 및 소자 수명을 향상시킬 수 있다.
발광물질층(160)은 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물인 호스트 및/또는 p-타입 호스트 이외에도 도펀트를 포함한다. 예를 들어, 발광물질층(160)에 포함되는 도펀트는 인광 도펀트일 수 있다. 발광물질층(160)에 사용될 수 있는 인광 도펀트는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 구성되는 금속 원자의 착화합물이다. 바람직하게는 이리듐(Ir) 또는 백금(Pt)과 같은 금속 착화합물이며, 특히 바람직하게는 이리듐(Ir) 착화합물이다.
화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 호스트로 사용하는 것을 고려해 볼 때, 이들 호스트로부터 전하를 효율적으로 전달받을 수 있으며, 호스트로 에너지가 역-전이되는 것을 방지할 필요가 있다. 이러한 목적과 관련해서, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물의 에너지 밴드갭 사이의 에너지 밴드갭을 갖는 도펀트, 즉 삼중항 에너지 준위가 호스트의 삼중항 에너지 준위 이하인 도펀트를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(160)에 사용될 수 있는 도펀트는 하기 화학식 4 또는 화학식 5로 표시되는 적어도 어느 하나의 물질일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
화학식 4
화학식 5
(화학식 4에서 R11 내지 R19는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 할로겐, 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 C1~C30 알킬기, 시아노기, 치환되지 않거나 치환된 C3~C30 호모 사이클로알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C3~C30 헤테로 사이클로알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴기, 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴옥실기 및 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴옥실기로 구성되는 군에서 선택됨; R20은 수소, 중수소, 삼중수소 또는 치환되지 않거나 치환된 C1~C30 알킬기임; r은 1 내지 4의 정수임; 화학식 5에서 R21 내지 R28은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 할로겐, 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 C1~C30 알킬기, 시아노기, 치환되지 않거나 치환된 C3~C30 호모 사이클로알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C3~C30 헤테로 사이클로알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴기, 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 아릴알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴옥실기 및 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴옥실기로 구성되는 군에서 선택되거나, 인접한 치환기와 함께 연결되어 치환되지 않거나 치환된 C5~C30의 방향족 고리를 형성함; 화학식 4 및 화학식 5에서 L은 하기 화학식 6으로 표시됨; 화학식 4 및 화학식 5에서 n은 1 내지 3의 정수임)
화학식 6
(화학식 6에서 R31 내지 R38은 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 할로겐, 치환되지 않거나 할로겐으로 치환된 C1~C30 알킬기, 시아노기, 치환되지 않거나 치환된 C3~C30 호모 사이클로알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C3~C30 헤테로 사이클로알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴기, 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴알킬기, 치환되지 않거나 치환된 C5~C30 호모 아릴옥실기 및 치환되지 않거나 치환된 C4~C30 헤테로 아릴옥실기로 구성되는 군에서 선택되거나, 인접한 치환기와 함께 연결되어 치환되지 않거나 치환된 C5~C30의 방향족 고리를 형성함)
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(160)의 도펀트는 하기 화학식 7로 표시되는 D1 내지 D14 중 적어도 어느 하나의 물질일 수 있다.
화학식 7
발광물질층(160)에서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 호스트로 사용하고, 호스트로부터 에너지를 전달받는 도펀트가 사용되는 경우, 도펀트는 발광물질층(160)에 적용된 호스트를 기준으로 대략 0.1 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 20 중량%의 비율로 도핑될 수 있다.
발광물질층(160)과 제 2 전극(120) 사이에는 전자수송층(170)과 전자주입층(180)이 순차적으로 적층될 수 있다. 전자수송층(170)을 이루는 소재는 높은 전자 이동도가 요구되는데, 원활한 전자 수송을 통하여 발광물질층(160)에 전자를 안정적으로 공급한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(170)은 이미다졸(imidazole), 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 전자수송층(170)은 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(tris-(8-hydroxyquinoline aluminum; Alq3), 2--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), 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸(2-[4-(9,10-Di-2-naphthalenyl-2-anthracenyl)phenyl-1H-benzimidazole), 3-(4-바이페닐-4-일)-5-(4-터르부틸페닐)-4-페닐-4H-1,2,4-트리아졸(3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole; TAZ), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-Diphenyl-1,10-phenanthrloine; Bphen), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenathroline; Bathocuproine, BCP), 트리스(페닐퀴녹살린)(Tris(phenylquinoxaline; TPQ) 및/또는 1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠(1,3,5-Tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl)benzene; TPBi) 등과 같은 물질로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 선택적인 실시형태에서, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물이 전자수송층(170)의 소재로 사용될 수 있다.
전자주입층(180)은 제 2 전극(120)과 전자수송층(170) 사이에 위치하는데, 제 2 전극(120)의 특성을 개선하여 소자의 수명을 개선할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자주입층(180)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq, 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate) 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 상기 발광다이오드(100)는 서로 마주하는 제 1 및 제 2 전극(110, 120)과, 제 1 및 제 2 전극(110, 120) 사이에 정공주입층(140), 정공수송층(150), 발광물질층(160), 전자수송층(170) 및 전자주입층(180)으로 이루어지는 유기물층(130)을 포함한다. 화학식 1 내지 화학식 3의 유기 화합물은 전자 수송 특성이 우수하므로, 이들 유기물층(130) 중에서 특히 발광물질층(160) 및/또는 전자수송층(170)을 구성하는 적어도 하나의 층에 단독으로 사용하거나 도펀트와 함께 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 유기 화합물은 전하 수송 특성이 매우 우수하기 때문에, 유기 화합물을 발광물질층(160) 및/또는 전자수송층(170)에 사용하면, 전하 수송 능력의 개선에 의하여 낮은 전압에서도 발광다이오드(100)를 구동할 수 있다. 특히, 화학식 1 내지 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광물질층(160)에 사용되는 경우, 전하가 균형 있게 주입되어 발광물질층(160)의 전 영역에서 발광을 유도할 수 있으며, 발광다이오드(100)의 발광 효율 향상 및/또는 장수명을 유도할 수 있다.
제 1 실시형태의 발광다이오드(100)에서도 유기물층(130) 중 적어도 한 곳에 화학식 1 내지 화학식 3의 유기 화합물을 사용하여 낮은 구동 전압 유도, 우수한 발광 효율 및/또는 향상된 소자 수명 향상을 유도할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광다이오드는 전하가 보다 균형 있게 주입, 이동할 수 있도록 추가적인 유기물층을 포함할 수 있는데, 도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(200)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(200)는 서로 마주하는 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)과, 제 1 및 제 2 전극(210, 220) 사이에 위치하는 유기물층(230)을 포함한다. 유기물층(230)은 제 1 전극(210)으로부터 순차적으로 적층되어 있는 정공주입층(240), 정공수송층(250), 전자차단층(EBL; 310), 발광물질층(260), 정공차단층(HBL; 320), 전자수송층(ETL; 170) 및 전자주입층(EIL; 180)을 포함한다.
제 1 전극(210)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며 양극(anode)이다. 예를 들어, 제 1 전극(110)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide; ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(indium-zinc-oxide; IZO)로 이루어질 수 있다.
제 2 전극(220)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극(cathode)이다. 예를 들어, 제 2 전극(220)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 은(Ag), 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
정공주입층(240)은 제 1 전극(210)과 정공수송층(250) 사이에 위치하는데, 무기물인 제 1 전극(210)과 유기물인 정공수송층(250) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공주입층(240)은 MTDATA, CuPc, TCTA, NPB, HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, F4TCNQ 및/또는 N,N,N',N'-테트라키스(4-바이페닐)벤지딘 등의 유기 물질로 이루어질 수 있다. 유기발광다이오드(200)의 특성에 따라 정공주입층(240)은 생략될 수 있다.
정공수송층(250)은 제 1 전극(210)과 발광물질층(260) 사이에 발광물질층(260)에 인접하여 위치한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공수송층(250)은 TPD, NPB, CBP, N,N,N',N'-테트라키스(4-바이페닐)벤지딘, N-(바이페닐-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-아민과 같은 방향족 아민 화합물로 이루어질 수 있다.
한편, 정공이 발광물질층(260)을 지나 제 2 전극(220)으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(260)을 지나 제 1 전극(210)으로 가는 경우, 소자의 수명과 효율에 감소를 가져올 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(200)는 발광물질층(260)의 상부와 하부 중 적어도 한 곳에 엑시톤 차단층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(200)는 정공수송층(250)과 발광물질층(260) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(255)이 위치할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자차단층(255)은 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine), N-(-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민(tri-p-tolylamine), 1,1-비스(4-(N,N-디(p-톨릴)아미노)페닐)사이클로헥산(1,1-bis(4-(N,N'-di(p-tolyl)amino)phenyl)cyclohexane; TAPC), MTDATA, mCP, mCBP, CuPC, N,N'-비스[4-[비스(3-메틸페닐)아미노]페닐]-N,N'-디페닐-[1,1'-]-4,4'-디아민(N,N'-bis[4-[bis(3-methylphenyl)amino]phenyl]-N,N'-diphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine; DNTPD), TDAPB, 및/또는 (N-(바이페닐)-2-일)-N-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-9,9'-스파이로바이[플루오렌]-2-아민((N-(biphenyl-2-yl)-N-(9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-yl)-9,9'-spirobi[fluoren]-2-amine)으로 이루어질 수 있다.
발광물질층(260)은 소자의 발광 효율 등을 증대시키기 위하여 호스트에 도펀트가 도핑되어 이루어질 수 있다. 발광물질층(260)의 호스트로서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 적어도 어느 하나의 유기 화합물이 발광물질층(260)의 n-타입 호스트로 사용될 수 있다. 이 경우, 예를 들어 카바졸 모이어티를 가지는 p-타입 호스트가 발광물질층(260)에 포함될 수 있다.
이때, 발광물질층(260)은 예를 들어 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물에 비하여 삼중항 에너지 준위가 낮은 인광 도펀트와 같은 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들어 도펀트는 상기 화학식 4 내지 화학식 7로 표시되는 금속 착화합물일 수 있다. 발광물질층(260)이 호스트-도펀트로 구성되는 경우, 도펀트는 호스트를 기준으로 대략 0.1 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 20 중량%의 비율로 도핑될 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시형태에서는 발광물질층(260)과 전자수송층(270) 사이에 다른 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(265)이 위치하여 발광물질층(260)과 전자수송층(270) 사이에 정공의 이동을 방지한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(265)의 소재로서 전자수송층(270)에 사용될 수 있는 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어 정공차단층(265)은 발광물질층(260)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 낮은 BCP, Alq3, Liq, 비스(2-메틸-8-퀴놀리노라토-N1,O8)-(1,1'--4-올라토)알루미늄(Bis(2-methyl-8-quinolinolato-N1,O8)-(1,1'-Biphenyl-4-olato)aluminum; BAlq), 비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine; B3PYMPM), 2--4-일-5-(4-터셔리-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole; PBD) 및/또는 스파이로-PBD 등의 물질로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 선택적인 실시형태에서, 정공차단층(265)은 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물로 이루어질 수 있다.
한편, 발광물질층(260)과 제 2 전극(220) 사이에는 전자수송층(270)과 전자주입층(280)이 순차적으로 적층될 수 있다. 전자수송층(270)을 이루는 소재는 높은 전자 이동도가 요구되는데, 원활한 전자 수송을 통하여 발광물질층(260)에 전자를 안정적으로 공급한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(270)은 이미다졸(imidazole), 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 전자수송층(270)은 Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸, TAZ, Bphen, BCP, TPQ 및/또는 TPBi 등과 같은 물질로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 선택적인 실시형태에서, 전자수송층(270)은 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물로 이루어질 수 있다.
전자주입층(280)은 제 2 전극(220)과 전자수송층(270) 사이에 위치하는데, 제 2 전극(220)의 특성을 개선하여 소자의 수명을 개선할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자주입층(280)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq, lithium benzoate, sodium stearate 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(200)는 제 1 실시형태의 발광다이오드(100)와 비교하여, 발광물질층(260)의 상면과 하면 중 적어도 한 곳에 정공 또는 전자의 이동을 방지할 수 있는 엑시톤 차단층으로서의 전자차단층(255)과 정공차단층(265) 중 적어도 하나를 더욱 포함한다. 화학식 1 내지 화학식 3의 유기 화합물은 전자 수송 특성이 우수하므로, 이들 유기물층(230) 중에서 특히 발광물질층(260), 정공차단층(265) 및/또는 전자수송층(270)을 구성하는 적어도 하나의 층에 단독으로 사용하거나 도펀트와 함께 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 유기 화합물은 전하 수송 특성이 매우 우수하기 때문에, 유기 화합물을 발광물질층(260), 정공차단층(265) 및/또는 전자수송층(270)에 적용하는 경우, 전하 수송 능력의 개선에 의하여 낮은 전압에서도 발광다이오드(200)를 구동할 수 있다. 특히, 화학식 1 내지 3으로 표시되는 유기 화합물을 발광물질층(260)에 사용되는 경우, 전하가 균형 있게 주입되어 발광물질층(260)의 전 영역에서 발광을 유도할 수 있으며, 발광다이오드(200)의 발광 효율 향상 및/또는 장수명을 유도할 수 있다.
본 발명에 따른 유기발광다이오드는 유기발광다이오드 표시장치 또는 전술한 유기발광다이오드를 적용한 조명 장치 등의 유기발광장치에 적용될 수 있다. 일례로, 본 발명의 유기발광다이오드를 적용한 표시장치에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드 표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 유기발광다이오드 표시장치(300)는 구동 소자인 구동 박막트랜지스터(Td)와, 구동 박막트랜지스터(Td)를 덮는 평탄화층(360)과, 평탄화층(360) 상에 위치하며 구동 소자인 구동 박막트랜지스터(Td)에 연결되는 유기발광다이오드(400)를 포함한다. 구동 박막트랜지스터(Td)는, 반도체층(310)과, 게이트 전극(330)과, 소스 전극(352)과, 드레인 전극(354)을 포함하는데, 도 5에서는 코플라나(coplanar) 구조의 구동 박막트랜지스터(Td)를 나타낸다.
기판(302)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/또는 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 구동 소자인 구동 박막트랜지스터(Td)와, 유기발광다이오드(400)가 위치하는 기판(302)은 어레이 기판을 이룬다.
기판(302) 상부에 반도체층(310)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(310)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우 반도체층(310) 하부에는 차광패턴(미도시)과 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있으며, 차광패턴은 반도체층(310)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(310)이 빛에 의해 열화되는 것을 방지한다. 이와 달리, 반도체층(310)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(310)의 양 가장자리에 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
반도체층(310) 상부에는 절연물질로 이루어진 게이트 절연막(320)이 기판(302) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(320)은 실리콘산화물(SiO2) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(320) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(330) 반도체층(310)의 중앙에 대응하여 형성된다. 또한, 게이트 절연막(320) 상부에는 게이트 배선(미도시)과 제 1 캐패시터 전극(미도시)이 형성될 수 있다. 게이트 배선은 제 1 방향을 따라 연장되고, 제 1 캐패시터 전극은 게이트 전극(330)에 연결될 수 있다. 한편, 게이트 절연막(320)이 기판(302) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(320)은 게이트 전극(330)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.
게이트 전극(330) 상부에는 절연물질로 이루어진 층간 절연막(340)이 기판(302) 전면에 형성된다. 층간 절연막(340)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(340)은 반도체층(310)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(342, 344)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(342, 344)은 게이트 전극(330)의 양측에서 게이트 전극(330)과 이격되어 위치한다. 여기서, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(342, 344)은 게이트 절연막(320) 내에도 형성된다. 이와 달리, 게이트 절연막(320)이 게이트 전극(330)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(342, 344)은 층간 절연막(340) 내에만 형성된다.
층간 절연막(340) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(352)과 드레인 전극(354)이 형성된다. 또한, 층간 절연막(340) 상부에는 제 2 방향을 따라 연장되는 데이터 배선(미도시)과 전원 배선(미도시) 및 제 2 캐패시터 전극(미도시)이 형성될 수 있다.
소스 전극(352)과 드레인 전극(354)은 게이트 전극(330)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(342, 344)을 통해 반도체층(310)의 양측과 접촉한다. 도시하지 않았지만, 데이터 배선은 제 2 방향을 따라 연장되고 게이트 배선과 교차하여 화소영역을 정의하며, 고전위 전압을 공급하는 전원 배선은 데이터 배선과 이격되어 위치한다. 제 2 캐패시터 전극은 드레인 전극(354)과 연결되고 제 1 캐패시터 전극과 중첩함으로써, 제 1 및 제 2 캐패시터 전극 사이의 층간 절연막(340)을 유전체층으로 하여 스토리지 캐패시터를 이룬다.
한편, 반도체층(310), 게이트 전극(330), 소스 전극(352) 및 드레인 전극(354)은 구동 박막트랜지스터(Td)를 이룬다. 도 3에 예시된 구동 박막트랜지스터(Td)는 반도체층(310)의 상부에 게이트 전극(330), 소스 전극(352) 및 드레인 전극(354)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 구동 박막트랜지스터(Td)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.
또한, 구동 박막트랜지스터(Td)와 실질적으로 동일한 구조의 스위칭 소자인 스위칭 박막트랜지스터(미도시)가 기판(302) 상에 더 형성된다. 구동 박막트랜지스터(Td)의 게이트 전극(330)은 스위칭 박막트랜지스터(미도시)의 드레인 전극(미도시)에 연결되고 구동 박막트랜지스터(Td)의 소스 전극(352)은 전원 배선(미도시)에 연결된다. 또한, 스위칭 박막트랜지스터(미도시)의 게이트 전극(미도시)과 소스 전극(미도시)은 게이트 배선 및 데이터 배선과 각각 연결된다.
한편, 유기발광다이오드 표시장치(300)는 유기발광다이오드(400)에서 생성된 빛을 흡수하는 컬러 필터(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(미도시)는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 및 백색(W) 광을 흡수할 수 있다. 이 경우, 광을 흡수하는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터 패턴이 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성될 수 있으며, 이들 각각의 컬러 필터 패턴은 흡수하고자 하는 파장 대역의 빛을 방출하는 유기발광다이오드(400) 중의 유기물층(430)과 각각 중첩되게 배치될 수 있다. 컬러 필터(미도시)를 채택함으로써, 유기발광다이오드 표시장치(300)는 풀-컬러를 구현할 수 있다.
예를 들어, 유기발광다이오드 표시장치(300)가 하부 발광 타입인 경우, 유기발광다이오드(400)에 대응하는 층간 절연막(340) 상부에 광을 흡수하는 컬러 필터(미도시)가 위치할 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 유기발광다이오드 표시장치(300)가 상부 발광 타입인 경우, 컬러 필터는 유기발광다이오드(400)의 상부, 즉 제 2 전극(420) 상부에 위치할 수도 있다.
소스 전극(352)과 드레인 전극(354) 상부에는 평탄화층(360)이 기판(302) 전면에 형성된다. 평탄화층(360)은 상면이 평탄하며, 구동 박막트랜지스터(Td)의 드레인 전극(354)을 노출하는 드레인 컨택홀(362)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(362)은 제 2 반도체층 컨택홀(344) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(344)과 이격되어 형성될 수도 있다. 평탄화층(360)은 실리콘산화물(SiO2) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기절연물질로 형성될 수 있다.
발광다이오드(400)는 평탄화층(360) 상부에 위치하며 구동 박막트랜지스터(Td)의 드레인 전극(354)에 연결되는 제 1 전극(410)과, 제 1 전극(410) 상에 순차 적층되는 유기물층(430) 및 제 2 전극(420)을 포함한다.
1 전극(410)은 각 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(410)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(410)은 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 등과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 유기발광다이오드 표시장치(300)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 상기 제 1 전극(410) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 평탄화층(360) 상에는 상기 제 1 전극(410)의 가장자리를 덮는 뱅크층(370)이 형성된다. 상기 뱅크층(370)은 상기 화소영역에 대응하여 상기 제 1 전극(410)의 중앙을 노출한다.
상기 제 1 전극(410) 상에는 유기물층(430)이 형성된다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 유기물층(430)은, 발광물질층의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 유기물층(430)은 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 발광물질층, 정공차단층, 전자수송층 및/또는 전자주입층과 같은 다수의 유기물층으로 이루어질 수도 있다.
유기물층(430)이 형성된 상기 기판(302) 상부로 제 2 전극(420)이 형성된다. 상기 제 2 전극(420)은 표시영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전극(420)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(ca), 은(Ag) 또는 알루미늄-마그네슘 합금(AlMg)과 같은 이들의 합금이나 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
제 2 전극(420) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(400)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 380)이 형성된다. 상기 인캡슐레이션 필름(380)은 제 1 무기 절연층(382)과, 유기 절연층(384)과 제 2 무기 절연층(386)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전술한 바와 같이, 유기발광다이오드(400)는 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물이, 예를 들어 호스트로 사용되는 유기물층(430)을 포함하고 있다. 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 전하 수송 특성이 우수하며, 도펀트보다 큰 삼중항 에너지 준위를 갖는다.
따라서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 유기발광다이오드(400)를 구성하는 유기물층(430)의 전자 수송 특성이 향상된 호스트로 사용하는 경우, 도펀트로 전이된 에너지가 호스트로 역-전이되는 것을 방지할 수 있다. 이처럼, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물은 전하 수송 특성이 매우 우수하기 때문에, 유기물층(430)에 적용하는 경우, 낮은 전압에서도 유기발광다이오드(400)를 구동할 수 있다. 또한, 전하가 유기물층(430)에서 균형 있게 주입되어, 계면 발광을 방지할 수 있다. 따라서 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 유기 화합물을 유기물층(430)에 사용하여, 유기발광다이오드(400) 및 이를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치(300)의 발광 효율이 향상되며, 긴 수명을 가지는 유기발광다이오드(400)를 구현할 수 있다.
이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
합성예 1: PGH1 화합물의 합성
1) 화합물 [1] 합성
[반응식 1a]
1,3-클로로-5-페닐트리아진 20g (88 mmol), 2-보로닉에스테르트리페닐렌 31g (88 mmol), Pd(PPh3)4(Tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)) 6g (4 mmol), 포타슘카보네이트 26g (177 mmmol)을 톨루엔 600 mL, 에틸알코올 200 mL, 증류수 200 mL의 혼합 용매에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 반응액을 감압 중류 후 재결정하여 화합물 [1] 18g (수율: 48%)을 얻었다.
2) PGH1의 합성
[반응식 1b]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 3-보로닉에스테르9-페닐-카바졸 13g (28 mmol), Pd(PPh3)4 2g (1 mmol), 포타슘카보네이트 8g (56 mmmol)을 톨루엔 150 mL, 에틸알코올 50 mL, 증류수 50 mL의 혼합 용매에 현탁시킨 후 12시간 동안 ?Q류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 반응액을 감압 중류 후 재결정하여 PGH1 9g (수율: 51%)을 얻었다. 합성된 PGH1 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 4에 나타낸다.
합성예 2: PGH2 화합물의 합성
[반응식 2]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 9-하이드로 카바졸 4.7g (28 mmol), Pd(PPh3)4 2g (1 mmol), 포타슘카보네이트 8g (56 mmmol)을 톨루엔 150 mL, 에틸알코올 50 mL, 증류수 50 mL의 혼합 용매에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 반응액을 감압 중류 후 재결정하여 PGH2 8.6g (수율: 56%)을 얻었다. 합성된 PGH2 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 5에 나타낸다.
합성예 3: PGH3 화합물의 합성
[반응식 3]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 4-보로닉에스테르-9-7-페닐인돌로카바졸 15g (28 mmol), Pd(PPh3)4 2g (1 mmol), 포타슘카보네이트 8g (56 mmmol)을 톨루엔 150 mL, 에틸알코올 50 mL, 증류수 50 mL의 혼합 용매에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 반응액을 감압 중류 후 재결정하여 PGH3 10g (수율: 45%)을 얻었다. 합성된 PGH3 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 6에 나타낸다.
합성예 4: PGH4 화합물의 합성
[반응식 4]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 3-보로닉에스테르-9-7-페닐인돌로카바졸 15g (28 mmol), Pd(PPh3)4 2g (1 mmol), 포타슘카보네이트 8g (56 mmmol)을 톨루엔 150 mL, 에틸알코올 50 mL, 증류수 50 mL의 혼합 용매에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 반응액을 감압 중류 후 재결정하여 PGH4 11g (수율: 50%)을 얻었다. 합성된 PGH4 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 7에 나타낸다.
합성예 5: PGH5 화합물의 합성
[반응식 5]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 9-하이드로-7-페닐인돌로카바졸 9g (28 mmol), Pd2(dba)3(Tris(dibenzylideneacetone)dipallaium(0)) 2g (2 mmol), 트리터셔리부틸포스핀 3 mL (4 mmol), 소듐터셔리부톡사이드 5g (56 mmol)를 톨루엔 150 mL에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추?t하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 유기 용액을 제거하고 실리카겔 컬럼, 톨루엔으로 재결정하여 PGH5 10g (수율: 50%)을 얻었다 합성된 PGH5 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 8에 나타낸다.
합성예 6: PGH6 화합물의 합성
[반응식 6]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 9-하이드로-8-페닐인돌로카바졸 9g (28 mmol), Pd2(dba)3 2g (2 mmol), 트리터셔리부틸포스핀 3 mL (4 mmol), 소듐터셔리부톡사이드 5g (56 mmol)를 톨루엔 150 mL에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 유기 용액을 제거하고 실리카겔 컬럼, 톨루엔으로 재결정하여 화합물 PGH6 8g (수율: 40%)을 얻었다. 합성된 PGH6 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 9에 나타낸다.
합성예 7: PGH15 화합물의 합성
[반응식 7]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 벤조퓨로카바졸 8g (28 mmol), Pd2(dba)3 2g (2 mmol), 트리터셔리부틸포스핀 3 mL (4 mmol), 소듐터셔리부톡사이드 5g (56 mmol)를 톨루엔 150 mL에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 유기 용액을 제거하고 실리카겔 컬럼, 톨루엔으로 재결정하여 화합물 PGH15 11g (수율: 62%)을 얻었다. 합성된 PGH15 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 10에 나타낸다.
합성예 8: PGH21 화합물의 합성
[반응식 8]
화합물 [1] 12g (28 mmol), 벤조티오카바졸 8g (28 mmol), Pd2(dba)3 2g (2 mmol), 트리터셔리부틸포스핀 3 mL (4 mmol), 소듐터셔리부톡사이드 5g (56 mmol)를 톨루엔 150 mL에 현탁시킨 후 12시간 동안 환류 교반하였다. 디클로로메탄과 증류수로 추출하고 유기층을 실리카겔 필터하였다. 유기 용액을 제거하고 실리카겔 컬럼, 톨루엔으로 재결정하여 PGH21 9g (수율: 49%)을 얻었다. 합성된 PGH21 화합물에 대한 NMR 분석 결과를 도 11에 나타낸다.
실시예 1: 유기발광다이오드 제작
ITO (반사판) / 정공주입층 / 정공수송층 / 전자차단층 / 발광물질층 / 전자수송층 / 전자주입층 / 음극(Cathode) / CPL의 순으로 적층된 유기발광다이오드를 제작하였다. ITO 기판은 사용 전에 UV 오존으로 세척한 다음에 이를 증발시스템에 적재하였다. 기판 세정 후에 기판을 진공 증착 챔버 내로 이송하고, 약 10-7 Torr 진공 하에 가열 보트로부터 증발에 의해 다음과 같은 순서로 층들을 증착하였다.
정공주입층(F4TCNQ에 N,N,N',N'-테트라키스(4-바이페닐)벤지딘 5% 도핑, 100 Å), 정공수송층(N,N,N',N'-테트라키스(4-바이페닐)벤지딘, 750 Å), 전자차단층((N-(바이페닐)-2-일)-N-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-9,9'-스파이로바이[플루오렌]-2-아민, 150 Å), 발광물질층(p-타입 호스트인 제 1 호스트 9,9'-디(바이페닐-3-일)-9H,9'H-3,3'-바이카바졸과 n-타입 호스트인 제 2 호스트 PGH1(1:1)/ 도펀트(Ir(ppy)3)를 10% 도핑, 350 Å), 전자수송층(BCP, 350Å), 전자주입층(LiF, 10 Å), 음극(Al, 1000 Å), CPL(capping layer).
CPL을 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. 이 유기발광다이오드는 9 ㎟의 방출 영역을 갖는다.
실시예 2 내지 6: 유기발광다이오드 제작
발광물질층의 제 2 호스트로서 PGH1을 대신하여, 합성예 2 내지 합성예 8에서 각각 합성한 PGH2(실시예 2), PGH3(실시예 3), PGH4(실시예 4), PGH5(실시예 5), PGH6(실시예 6), PGH15(실시예 7), PGH21(실시예 8)을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제작하였다.
비교예 1: 유기발광다이오드 제작
발광물질층의 제 2 호스트로서, PGH1을 대신하여 하기에 나타낸 n-타입 호스트를 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제작하였다.
비교예 호스트
실험예 2: 유기발광다이오드의 물성 평가
실시예 1 내지 실시예 8과 비교예에서 각각 제작된 유기발광다이오드를 대상으로 구동전압, 발광 효율, 소자 수명을 평가하였다. 소자의 물성을 평가하기 위하여 제작된 유기발광다이오드를 외부 전력공급원(KEITHLEY)에 연결하였으며, 광도계(PR 650)을 사용하여 실온에서 평가하였다. 유기발광다이오드에 대하여 8,000 nit 휘도 기준에서 구동 전압, 발광 효율, 20,000 nit 휘도 기준 정전류에서 100%에서 95%로 떨어지는 수명 시간의 결과는 하기 표 1에 나타내었다. 효율과 수명은 비교예를 기준으로 평가하였다.
| 샘플 | 전압(V) | 상대 효율 | 상대 수명 |
| 비교예 | 3.98 | 1.00 | 1.00 |
| 실시예 1 | 3.94 | 0.99 | 1.11 |
| 실시예 2 | 4.09 | 0.99 | 1.69 |
| 실시예 3 | 3.61 | 1.02 | 2.40 |
| 실시예 4 | 3.68 | 1.02 | 2.84 |
| 실시예 5 | 3.80 | 1.00 | 4.69 |
| 실시예 6 | 3.64 | 1.02 | 9.47 |
| 실시예 7 | 3.83 | 1.01 | 4.53 |
| 실시예 8 | 3.74 | 1.02 | 4.82 |
표 1에 나타난 바와 같이, 종래의 n-타입 호스트를 발광물질층의 호스트로 사용하는 경우와 비교하여, 본 발명에 따라 합성된 유기 화합물을 발광물질층의 n-타입 호스트로 사용하는 경우에 발광다이오드의 구동 전압은 최고 9.3% 낮아졌으며, 발광 효율은 최고 2% 증가하였으며, 소자 수명은 최대 9.47배 향상되었다. 이러한 결과는 본 발명에 따라 합성된 유기 화합물이 발광물질층에서의 전하 수송 능력을 향상시켰으며, 발광물질층의 전 영역에서 발광을 유도한 것에 기인하는 것으로 해석된다.
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, 200, 400: 유기발광다이오드
110, 210, 410: 제 1 전극
120, 220, 420: 제 2 전극
130, 230, 430: 유기물층
140, 240: 정공주입층
150, 250: 정공수송층
160, 260: 발광물질층
170, 270: 전자수송층
180, 280: 전자주입층
255: 전자차단층
265: 정공차단층
300: 유기발광다이오드 표시장치
Td: 구동 박막트랜지스터
110, 210, 410: 제 1 전극
120, 220, 420: 제 2 전극
130, 230, 430: 유기물층
140, 240: 정공주입층
150, 250: 정공수송층
160, 260: 발광물질층
170, 270: 전자수송층
180, 280: 전자주입층
255: 전자차단층
265: 정공차단층
300: 유기발광다이오드 표시장치
Td: 구동 박막트랜지스터
Claims (10)
- 하기 화학식 3으로 표시되는 어느 하나의 유기 화합물.
화학식 3
- 제 1항에 있어서, 상기 유기 화합물은 PGH6인 유기 화합물.
- 제 1 전극,
상기 제 1 전극과 마주보는 제 2 전극 및
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 적어도 하나의 유기물층을 포함하고,
상기 유기물층은 하기 화학식 3으로 표시되는 어느 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
화학식 3
- 제 3항에 있어서,
상기 유기 화합물은 PGH6인 유기발광다이오드.
- 제 3항에 있어서,
상기 유기물층은 발광물질층, 정공차단층 및 전자수송층 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 3항에 있어서,
상기 유기 화합물은 발광물질층의 호스트로 사용되는 유기발광다이오드.
- 제 3항에 있어서,
상기 유기물층은 발광물질층을 포함하고,
상기 발광물질층은 p-타입 호스트와 n-타입 호스트를 포함하고,
상기 n-타입 호스트는 상기 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 7항에 있어서,
상기 p-타입 호스트의 최고점유분자궤도함수(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO) 에너지 준위는 상기 n-타입 호스트의 HOMO 에너지 준위보다 높고, 상기 n-타입 호스트의 최저비점유분자궤도함수(Lowest Unoccupied Molecular Orbital; LUMO) 에너지 준위는 상기 p-타입 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비하여 낮은 유기발광다이오드.
- 기판,
상기 기판에 위치하는 구동 박막트랜지스터 및
상기 기판에 위치하며, 상기 구동 박막트랜지스터에 연결되는 제 3항 내지 제 8항 중 어느 하나의 청구항에 기재된 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 유기발광장치는 유기발광다이오드 표시장치를 포함하는 유기발광장치.
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