KR20230078863A - 유기 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 - Google Patents

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KR20230078863A
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Abstract

본 발명은 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층에 채용되어 소자의 저전압 구동과 우수한 색순도, 발광 효율 등의 발광 특성을 구현할 수 있는 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것이다.
[화학식 Ⅰ]

Description

유기 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 {Organic compound and electroluminescent device comprising the same}
본 발명은 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층 (Capping layer) 재료로 채용되는 것을 특징으로 하는 유기 화합물과 이를 채용하여 소자의 저전압 구동과 우수한 발광 효율 등의 발광 특성이 현저히 향상된 유기발광소자에 관한 것이다.
유기발광소자는 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마 디스플레이 패널 (Plasma Display Panel)이나 무기전계발광 (EL) 디스플레이에 비해 10 V 이하의 저전압 구동이 가능하고, 전력 소모가 비교적 적으며, 색감이 뛰어나다는 장점이 있고, 녹색, 청색, 적색의 3가지 색을 나타낼 수가 있어 최근에 차세대 디스플레이 소자로 많은 관심의 대상이 되고 있다.
다만, 이러한 유기발광소자가 상기와 같은 특징으로 발휘하기 위해서는 소자 내 유기층을 이루는 물질인 정공주입 물질, 정공수송 물질, 발광물질, 전자수송 물질, 전자주입 물질 등이 안정하고 효율적인 재료에 의하여 뒷받침되는 것이 선행되어야 하나, 아직까지는 안정하고 효율적인 유기발광소자용 유기층 재료의 개발이 충분히 이루어지지 않은 상태이다.
따라서, 더욱 안정적인 유기발광소자를 구현하고, 소자의 고효율, 장수명, 대형화 등을 위해서는 효율 및 수명 특성 측면에서 추가적인 개선이 요구되고 있는 상황이고, 특히 유기발광소자의 각 유기층을 이루는 소재에 대한 개발이 절실히 필요한 실정이다.
또한, 최근에는 각 유기층 재료의 성능 변화를 주어 유기발광소자의 특성을 향상시키는 연구뿐만 아니라, 애노드 (anode)와 캐소드 (cathode) 사이에서 최적화된 광학 두께에 의한 색순도 향상 및 발광 효율 증대 기술이 소자 성능을 향상시키는데 중요한 요소 중의 하나로 착안되고 있으며, 이러한 방법의 일 예로 전극에 캡핑층 (capping layer)을 사용하여 광효율 증가와 우수한 색순도를 거두기도 한다.
따라서, 본 발명은 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층 (capping layer)에 채용되어 소자의 저전압 구동과 향상된 발광 효율 등의 우수한 발광 특성을 구현할 수 있는 신규한 유기 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 유기 화합물을 제공한다.
[화학식 Ⅰ]
Figure pat00001
상기 [화학식 Ⅰ]에서, A는 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하며, [화학식 Ⅰ], [구조식 1] 및 R의 정의, 이에 의하여 구현되는 본 발명에 따른 구체적인 화합물에 대해서는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 상세히 설명한다.
[구조식 1]
Figure pat00002
또한, 본 발명은 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 1층 이상의 유기층을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제1 전극과 제2 전극의 상부 또는 하부 중에서 상기 유기층과 반대되는 적어도 일측에 형성되는 광효율 개선층 (Capping layer)을 더 포함하고, 상기 광효율 개선층은 상기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 유기 화합물을 포함하는 유기발광소자를 제공한다.
본 발명에 따른 유기 화합물은 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층 재료로 채용되어 유기발광소자의 저전압 구동과 우수한 발광 효율, 색순도 등의 향상된 발광 특성을 구현할 수 있어 조명 소자는 물론이고 다양한 디스플레이 소자에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층 재료로 채용되어 소자의 저전압 구동과 우수한 발광 효율, 색순도 등의 발광 특성을 거둘 수 있는 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 것으로서, 구조적으로 벤젠 고리를 기준으로 하기 [구조식 1]로 표시되는 구조체(A)를 도입하고 B로 정의되는 치환기를 도입한 것을 특징으로 한다.
[화학식 Ⅰ]
Figure pat00003
상기 [화학식 Ⅰ]에서,
(ⅰ) A는 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 한다.
[구조식 1]
Figure pat00004
상기 [구조식 1]에서,
R은 수소, 중수소 (D), 시아노기 (CN), 할로겐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 중에서 선택되며, o는 0 내지 5의 정수이고, 상기 o가 2 이상인 경우 복수 개의 R은 서로 동일하거나 상이하다.
n은 2 또는 3의 정수이고, 복수 개의 A는 서로 동일하거나 상이하다.
(ⅱ) B는 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알콕시기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기 중에서 선택되며, m은 0 내지 4의 정수이고, 상기 m이 2 이상인 경우 복수 개의 B는 서로 동일하거나 상이하다.
(ⅲ) 한편, 상기 R 및 B의 정의에서, '치환 또는 비치환된'이라 함은 상기 R 및 B가 각각 중수소, 할로겐기, 시아노기, 알킬기, 할로겐화된 알킬기, 중수소화된 알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알콕시기, 할로겐화된 알콕시기, 중수소화된 알콕시기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬실릴기 및 아릴실릴기 중에서 선택된 1 또는 2 이상의 치환기로 치환되거나, 상기 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
구체적인 예를 들면, 치환된 아릴기라 함은, 페닐기, 비페닐기, 나프탈렌기, 플루오레닐기, 파이레닐기, 페난트레닐기, 페릴렌기, 테트라세닐기, 안트라센닐기 등이 상기와 같은 치환기 등으로 치환된 것을 의미한다.
또한, 치환된 헤테로아릴기라 함은, 피리딜기, 티오페닐기, 트리아진기, 퀴놀린기, 페난트롤린기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 카바졸기 및 이들의 축합헤테로고리기, 예컨대 벤즈퀴놀린기, 벤즈이미다졸기, 벤즈옥사졸기, 벤즈티아졸기, 벤즈카바졸기, 디벤조티오페닐기, 디벤조퓨란기 등이 상기와 같은 치환기 등으로 치환된 것을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 치환기들의 예시들에 대해서 아래에서 구체적으로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-프로필기, 이소프로필기, 부틸기, n-부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, sec-부틸기, 1-메틸-부틸기, 1-에틸-부틸기, 펜틸기, n-펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 헥실기, n-헥실기, 1-메틸펜틸기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸-2-펜틸기, 3,3-디메틸부틸기, 2-에틸부틸기, 헵틸기, n-헵틸기, 1-메틸헥실기, 시클로펜틸메틸기, 시클로헥틸메틸기, 옥틸기, n-옥틸기, tert-옥틸기, 1-메틸헵틸기, 2-에틸헥실기, 2-프로필펜틸기, n-노닐기, 2,2-디메틸헵틸기, 1-에틸-프로필기, 1,1-디메틸-프로필기, 이소헥실기, 2-메틸펜틸기, 4-메틸헥실기, 5-메틸헥실기 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 발명에 있어서, 알콕시기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 구체적으로, 메톡시기, 에톡시기, n-프로폭시기, 이소프로폭시기, i-프로필옥시기, n-부톡시기, 이소부톡시기, tert-부톡시기, sec-부톡시기, n-펜틸옥시기, 네오펜틸옥시기, 이소펜틸옥시기, n-헥실옥시기, 3,3-디메틸부틸옥시기, 2-에틸부틸옥시기, n-옥틸옥시기, n-노닐옥시기, n-데실옥시기, 벤질옥시기, p-메틸벤질옥시기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 알킬기, 알콕시기는 중수소, 할로겐기 등으로 치환되어 중수소화된 알킬기 또는 알콕시기, 할로겐화된 알킬기 또는 알콕시기일 수 있다.
본 발명에 있어서, 아릴기는 단환식 또는 다환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 6 내지 30인 것이 바람직하며, 또한 시클로알킬 등이 융합된 다환식 아릴기 구조를 포함하고, 단환식 아릴기의 예로는 페닐기, 비페닐기, 터페닐기, 스틸벤기 등이 있고, 다환식 아릴기의 예로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타센닐기, 트리페닐렌기, 플루오안트렌기 (fluoranthrene) 등이 있으나, 본 발명의 범위가 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조로서, 예로는
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
등이 있다.
본 발명에 있어서, 플루오레닐기는 열린 플루오레닐기의 구조를 포함하며, 여기서 열린 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조에서 한쪽 고리 화합물의 연결이 끊어진 상태의 구조로서, 예로는
Figure pat00008
,
Figure pat00009
등이 있다.
또한, 상기 고리의 탄소원자는 N, S 및 O 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 헤테로원자로 치환될 수 있으며, 예로는
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
등이 있다.
본 발명에 있어서, 헤테로아릴기는 이종원자로 O, N 또는 S를 포함하는 헤테로고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 탄소수 3 내지 30인 것이 바람직하며, 시클로알킬 또는 헤테로시클로알킬 등이 융합된 다환식 헤테로아릴기 구조를 포함하며, 본 발명에서 이의 구체적인 예를 들면, 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 피리미딜기, 트리아진기, 트리아졸기, 아크리딜기, 피리다진기, 피라지닐기, 퀴놀리닐기, 퀴나졸린기, 퀴녹살리닐기, 프탈라지닐기, 피리도 피리미디닐기, 피리도 피라지닐기, 피라지노 피라지닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 디벤조퓨라닐기, 페난트롤린기, 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 벤조티아졸릴기, 페노티아지닐기, 페녹사진기, 페노티아진기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 아민기는 -NH2, 알킬아민기, 아릴아민기, 헤테로아릴아민기, 아릴헤테로아릴아민기 등일 수 있고, 아릴(헤테로아릴)아민기는 아릴기 및/또는 헤테로아릴기로 치환된 아민을 의미하고, 알킬아민기는 알킬로 치환된 아민을 의미하는 것이며, 아릴(헤테로아릴)아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 모노 아릴(헤테로아릴)아민기, 치환 또는 비치환된 디 아릴(헤테로아릴)아민기, 또는 치환 또는 비치환된 트리 아릴(헤테로아릴)아민기가 있고, 상기 아릴(헤테로아릴)아민기 중의 아릴기와 헤테로아릴기는 상기 아릴기 및 헤테로아릴기의 정의와 동일하며, 상기 알킬아민기의 알킬기 역시 상기 알킬기의 정의와 동일하다.
예시적으로 상기 아릴아민기로는 페닐아민기, 나프틸아민기, 비페닐아민기, 안트라세닐아민기, 3-메틸-페닐아민기, 4-메틸-나프틸아민기, 2-메틸-비페닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐 아민기, 페닐나프틸아민기, 디톨릴아민기, 페닐톨릴아민기 및 트리페닐아민기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 실릴기는 비치환된 실릴기 또는 알킬기, 아릴기 등으로 치환된 알킬실릴기 또는 아릴실릴기로서, 이러한 실릴기의 구체적인 예로는 트리메틸실릴, 트리에틸실릴, 트리페닐실릴, 트리메톡시실릴, 디메톡시페닐실릴, 디페닐메틸실릴, 디페닐비닐실릴, 메틸사이클로뷰틸실릴, 디메틸퓨릴실릴 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 치환기인 할로겐기의 구체적인 예로는 플루오르 (F), 클로린 (Cl), 브롬 (Br) 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 시클로알킬기는 단환, 다환 및 스피로 알킬 라디칼을 지칭하고, 이를 포함하며, 바람직하게는 탄소수 3 내지 20의 고리 탄소 원자를 함유하는 것으로서, 시클로프로필, 시클로펜틸, 시클로헥실, 비시클로헵틸, 스피로데실, 스피로운데실, 아다만틸 등을 포함하며, 시클로알킬기는 임의로 치환될 수 있다.
본 발명에 있어서, 헤테로시클로알킬기는 하나 이상의 헤테로 원자를 함유하는 방향족 및 비방향족 시클릭 라디칼을 지칭하고, 이를 포함하며, 하나 이상의 헤테로원자는 O, S, N, P, B, Si, 및 Se, 바람직하게는 O, N 또는 S로부터 선택되며, 구체적으로 N을 포함하는 경우 아지리딘, 피롤리딘, 피페리딘, 아제판, 아조칸 등일 수 있다.
상기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 본 발명에 따른 유기 화합물은 그 구조적 특이성으로 인하여 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층 (Capping layer) 재료로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 유기 화합물의 바람직한 구체예로는 하기 화합물들이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
이와 같이, 본 발명에 따른 유기 화합물은 고유의 특성을 갖는 모이어티 (moiety)를 이용하여 다양한 특성을 갖는 유기 화합물을 합성할 수 있고, 그 결과 본 발명에 따른 유기 화합물을 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층에 적용할 경우에 소자의 발광효율 등의 발광 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 화합물은 일반적인 유기발광소자 제조방법에 따라 소자에 적용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자는 제1 전극과 제2 전극 및 이 사이에 배치된 유기층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있으며, 본 발명에 따른 유기발광 화합물을 소자의 유기층에 사용한다는 것을 제외하고는 통상의 소자 제조방법 및 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 유기발광소자의 유기층은 단층 구조로 이루어질 수도 있으나, 2층 이상의 유기층이 적층된 다층 구조로 이루어질 수 있다. 예컨대, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층, 전자저지층, 정공저지층, 광효율 개선층 (Capping layer) 등을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 더 적은 수, 더 많은 수의 유기층을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기전기발광소자는 기판, 제1 전극 (양극), 유기층, 제2 전극 (음극) 및 광효율 개선층을 포함하며, 상기 광효율 개선층은 제1 전극 하부 (Bottom emission) 또는 제2 전극 상부 (Top emission)에 형성될 수 있다.
제2 전극 상부 (Top emission)에 형성되는 방식은 발광층에서 형성된 빛이 캐소드쪽으로 방출되는데 캐소드쪽으로 방출되는 빛이 굴절률이 상대적으로 높은 본 발명에 따른 화합물로 형성된 광효율 개선층 (CPL)을 통과하면서 빛의 파장이 증폭되고 따라서 광효율이 상승하게 된다.
본 발명에 따른 바람직한 유기발광소자의 유기층 구조 등에 대해서는 후술하는 실시예에서 보다 상세하게 설명한다.
또한, 본 발명에 따른 유기발광소자는 스퍼터링 (sputtering)이나 전자빔 증발 (e-beam evaporation)과 같은 PVD (physical vapor deposition) 방법을 이용하여, 기판 상에 금속 또는 전도성을 가지는 금속 산화물 또는 이들의 합금을 증착시켜 양극을 형성하고, 그 위에 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층을 포함하는 유기층을 형성한 후, 그 위에 음극으로 사용할 수 있는 물질을 증착시킴으로써 제조될 수 있다.
이와 같은 방법 외에도, 기판 상에 음극 물질부터 유기층, 양극 물질을 차례로 증착시켜 유기발광소자를 만들 수도 있다. 상기 유기층은 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층 등을 포함하는 다층 구조일 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 단층 구조일 수 있다. 또한, 상기 유기층은 다양한 고분자 소재를 사용하여 증착법이 아닌 솔벤트 프로세스 (solvent process), 예컨대 스핀 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 열 전사법 등의 방법에 의하여 더 적은 수의 층으로 제조할 수 있다.
상기 양극 물질로는 통상 유기층으로 정공주입이 원활할 수 있도록 일함수가 큰 물질이 바람직하다. 본 발명에서 사용될 수 있는 양극 물질의 구체적인 예로는 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금, 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐 주석 산화물 (ITO), 인듐 아연 산화물 (IZO)과 같은 금속 산화물, ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합, 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜 ] (PEDT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 물질로는 통상 유기층으로 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 물질인 것이 바람직하다. 음극 물질의 구체적인 예로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 타이타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금, LiF/Al 또는 LiO2/Al과 같은 다층 구조 물질 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
정공주입 물질로는 낮은 전압에서 양극으로부터 정공을 잘 주입받을 수 있는 물질로서, 정공주입 물질의 HOMO (highest occupied molecular orbital)가 양극 물질의 일함수와 주변 유기층의 HOMO 사이인 것이 바람직하다. 정공주입 물질의 구체적인 예로는 금속 포피린 (porphyrine), 올리고티오펜, 아릴아민 계열의 유기물, 헥사니트릴 헥사아자트리페닐렌, 퀴나크리돈 (quinacridone) 계열의 유기물, 페릴렌 (perylene) 계열의 유기물, 안트라퀴논 및 폴리아닐린과 폴리티오펜 계열의 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
정공수송 물질로는 양극이나 정공주입층으로부터 정공을 수송받아 발광층으로 옮겨줄 수 있는 물질로 정공에 대한 이동성이 큰 물질이 적합하다. 구체적인 예로는 아릴아민 계열의 유기물, 전도성 고분자, 및 공액 부분과 비공액 부분이 함께 있는 블록 공중합체 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
발광 물질로는 정공수송층과 전자수송층으로부터 정공과 전자를 각각 수송받아 결합시킴으로써 가시광선 영역의 빛을 낼 수 있는 물질로서, 형광이나 인광에 대한 양자효율이 좋은 물질이 바람직하다. 구체적인 예로는 8-히드록시-퀴놀린 알루미늄 착물 (Alq3), 카르바졸 계열 화합물, 이량체화 스티릴 (dimerized styryl) 화합물, BAlq, 10-히드록시벤조 퀴놀린-금속 화합물, 벤족사졸, 벤즈티아졸 및 벤즈이미다졸 계열의 화합물, 폴리(p-페닐렌비닐렌) (PPV) 계열의 고분자, 스피로 (spiro) 화합물, 폴리플루오렌, 루브렌 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
전자수송 물질로는 음극으로부터 전자를 잘 주입받아 발광층으로 옮겨줄 수 있는 물질로서, 전자에 대한 이동성이 큰 물질이 적합하다. 구체적인 예로는 8-히드록시퀴놀린의 Al 착물, Alq3를 포함한 착물, 유기 라디칼 화합물, 히드록시플라본-금속 착물 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 유기발광소자는 사용되는 재료에 따라 전면 발광형, 후면 발광형 또는 양면 발광형일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기발광 화합물은 유기 태양 전지, 유기 감광체, 유기 트랜지스터 등을 비롯한 유기 전자 소자에서도 유기발광소자에 적용되는 것과 유사한 원리로 작용할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
합성예 1 : 화합물 2의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 2-1의 합성
Figure pat00026
2,5-Dibromopyridine (10.0 g, 0.042 mol), (3,5-di-tert-butylphenyl)boronic acid (11.9 g, 0.051 mol), K2CO3 (17.5 g, 0.127 mol), Pd(PPh3)4 (1.0 g, 0.0008 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 2-1>을 9.8 g (수율 67.0%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 중간체 2-2의 합성
Figure pat00027
중간체 2-1 (10.0 g, 0.029 mol), Bis(pinacolato)diboron (8.8 g, 0.035 mol), KOAc (8.5 g, 0.087 mol), Pd(dppf)Cl2 (1.1 g, 0.001 mol)에 dioxane 200 mL 넣고 100 ℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 2-2>를 8.1 g (수율 71.3%) 수득하였다.
(3) 제조예 3 : 화합물 2의 합성
Figure pat00028
1,2-Dibromobenzene (10.0 g, 0.042 mol), 중간체 2-2 (40.0 g, 0.102 mol), K2CO3 (35.1 g, 0.254 mol), Pd(PPh3)4 (1.0 g, 0.0008 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 2>를 15.3 g (수율 59.3%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=608[(M)+]
합성예 2 : 화합물 34의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 34-1의 합성
Figure pat00029
2,5-Dibromopyridine (10.0 g, 0.042 mol), 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylboronic acid (13.1 g, 0.051 mol), K2CO3 (17.5 g, 0.127 mol), Pd(PPh3)4 (1.0 g, 0.0008 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 34-1>을 9.1 g (수율 58.3%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 중간체 34-2의 합성
Figure pat00030
중간체 34-1 (10.0 g, 0.027 mol), Bis(pinacolato)diboron (8.2 g, 0.032 mol), KOAc (8.0 g, 0.081 mol), Pd(dppf)Cl2 (1.0 g, 0.001 mol)에 dioxane 200 mL 넣고 100 ℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 34-2>를 7.6 g (수율 67.4%) 수득하였다.
(3) 제조예 3 : 화합물 34의 합성
Figure pat00031
1,4-Dibromobenzene (10.0 g, 0.042 mol), 중간체 34-2 (42.4 g, 0.102 mol), K2CO3 (35.2 g, 0.254 mol), Pd(PPh3)4 (1.0 g, 0.0008 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 34>를 17.1 g (수율 61.5%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=656[(M)+]
합성예 3 : 화합물 51의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 51-1의 합성
Figure pat00032
1,3-Dibromo-5-chlorobenzene (10.0 g, 0.037 mol), 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylboronic acid (22.9 g, 0.089 mol), K2CO3 (30.7 g, 0.222 mol), Pd(PPh3)4 (0.9 g, 0.0007 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 51-1>을 13.3 g (수율 67.0%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 중간체 51-2의 합성
Figure pat00033
중간체 51-1 (10.0 g, 0.019 mol), Bis(pinacolato)diboron (5.7 g, 0.022 mol), KOAc (5.5 g, 0.056 mol), Pd(dppf)Cl2 (0.7 g, 0.001 mol), XPhos (0.8 g, 0.0009 mol)에 dioxane 넣고 100 ℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 51-2>를 8.2 g (수율 70.1%) 수득하였다.
(3) 제조예 3 : 화합물 51의 합성
Figure pat00034
3,3'-(1,4-Phenylene)bis[6-bromopyridine] (10.0 g, 0.026 mol), 중간체 51-2 (38.7 g, 0.062 mol), K2CO3 (21.3 g, 0.154 mol), Pd(PPh3)4 (0.6 g, 0.0005 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 51>을 16.2 g (수율 51.3%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=1232[(M)+]
합성예 4 : 화합물 57의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 57-1의 합성
Figure pat00035
2,5-dibromopyridine (10.0 g, 0.042 mol), 2-(Trifluoromethyl)phenylboronic acid (9.6 g, 0.051 mol), K2CO3 (17.5 g, 0.127 mol), Pd(PPh3)4 (1.0 g, 0.0008 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 57-1>을 9.5 g (수율 74.5%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 중간체 57-2의 합성
Figure pat00036
중간체 57-1 (10.0 g, 0.033 mol), Bis(pinacolato)diboron (10.1 g, 0.040 mol), KOAc (9.8 g, 0.099 mol), Pd(dppf)Cl2 (1.2 g, 0.002 mol)에 dioxane 200 mL 넣고 100 ℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 57-2>를 8.2 g (수율 71.0%) 수득하였다.
(3) 제조예 3 : 화합물 57의 합성
Figure pat00037
1,3,5-Tribromobenzene (10.0 g, 0.032 mol), 중간체 57-2 (39.9 g, 0.114 mol), K2CO3 (39.5 g, 0.286 mol), Pd(PPh3)4 (0.7 g, 0.0006 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 57>을 14.2 g (수율 60.3%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=741[(M)+]
합성예 5 : 화합물 76의 합성
(1) 제조예 1 : 화합물 76의 합성
Figure pat00038
1,3-Dibromo-5-tert-butylbenzene (10.0 g, 0.049 mol), 중간체 2-2 (46.5 g, 0.118 mol), K2CO3 (34.0 g, 0.246 mol), Pd(OAc)2 (5.7 g, 0.005 mol), X-Phos (4.7 g, 0.01 mol), THF 200 mL와 H2O 50 mL를 넣고 70 ℃에서 6시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 76>을 10.1 g (수율 73.1%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=665[(M)+]
합성예 6 : 화합물 104의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 104-1의 합성
Figure pat00039
5-Bromo-2-(3,5-difluorophenyl)pyridine (10.0 g, 0.037 mol), Bis(pinacolato)diboron (11.3 g, 0.044 mol), KOAc (10.9 g, 0.111 mol), Pd(dppf)Cl2 (1.6 g, 0.003 mol)에 dioxane 200 mL 넣고 100 ℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 104-1>을 7.8 g (수율 66.4%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 화합물 104의 합성
Figure pat00040
1,4-Dibromo-2,5-bis(1,1-dimethylethyl)benzene (10.0 g, 0.029 mol), 중간체 104-1 (21.9 g, 0.069 mol), K2CO3 (23.8 g, 0.172 mol), Pd(PPh3)4 (0.7 g, 0.0006 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 104>를 10.2 g (수율 62.4%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=568[(M)+]
합성예 7 : 화합물 165의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 165-1의 합성
Figure pat00041
2-Bromo-6-(3,5-di(tert-butyl)phenyl)pyridine (10.0 g, 0.029mol), Bis(pinacolato)diboron (8.8 0.035 mol), KOAc (8.5 g, 0.087 mol), Pd(dppf)Cl2 (1.1 g, 0.001 mol)에 dioxane 200 mL 넣고 100 ℃에서 12시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 165-1>을 8.2 g (수율 72.2%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 화합물 165의 합성
Figure pat00042
1,4-Dibromo-2,5-bis(trifluoromethyl)benzene (10.0 g, 0.027 mol), 중간체 165-1 (25.4 g, 0.065 mol), K2CO3 (22.3 g, 0.161 mol), Pd(PPh3)4 (0.6 g, 0.0005 mol)에 toluene 200 mL, ethanol 50 mL, H2O 50 mL를 넣고 6시간 동안 80 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 165>를 10.7 g (수율 53.4%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=744[(M)+]
소자 실시예 (CPL)
본 발명에 따른 실시예에서, 양극은 25 mm × 25 mm × 0.7 mm의 Ag를 포함하는 ITO 유리 기판을 이용하여, 발광 면적이 2 mm × 2 mm 크기가 되도록 패터닝한 후 세정하였다. 패터닝된 ITO 기판을 진공 챔버에 장착한 후, 1 × 10-6 torr 이상의 공정 압력에서 기판 위에 하기 구조로 유기물과 금속을 증착하였다.
소자 실시예 1 내지 28
본 발명에 따라 구현되는 화합물을 광효율 개선층에 채용하여, 하기와 같은 소자 구조를 갖는 유기발광소자를 제작 후, 본 발명에 따라 구현되는 화합물 및 이를 광효율 개선층에 채용한 소자 에 대한 발광 및 구동 특성을 측정하였다.
Ag/ITO / 정공주입층 (HAT-CN, 5 nm) / 정공수송층 (α-NPB, 100 nm) / 전자저지층 (TCTA, 10 nm) / 발광층 (20 nm) / 전자수송층 (201:Liq, 30 nm) / LiF (1 nm) / Mg:Ag (15 nm) / 광효율 개선층 (70 nm)
유리 기판상에 Ag를 포함하는 ITO 투명 전극 상부에 [HAT-CN]을 5 nm 두께로 성막하여 정공주입층을 형성한 후에 [α-NPB]를 100 nm로 성막하여 정공수송층을 형성하였으며, [TCTA]를 10 nm 두께로 성막하여 전자저지층을 형성하였다. 이후, 호스트 화합물로 [BH1], 도펀트 화합물로 [BD1]을 사용하여 20 nm로 공증착하여 발광층을 형성하였으며, 전자수송층 (하기 [201] 화합물 Liq 50% 도핑)을 30 nm 증착 후, LiF를 1 nm의 두께로 성막하여 전자주입층을 형성하였다. 이후, Mg:Ag를 1:9의 비율로 15 nm의 두께로 성막하여 캐소드를 형성하였다. 그리고 광효율 개선층 (capping layer)은 본 발명으로 구현되는 화합물을 70 nm의 두께로 성막하여 유기발광소자를 제작하였다.
소자 비교예 1
소자 비교예 1을 위한 유기발광소자는 상기 실시예의 소자구조에서 광효율 개선층을 구비하지 않은 점을 제외하고 동일하게 제작하였다.
소자 비교예 2
소자 비교예 2를 위한 유기발광소자는 상기 실시예의 소자구조에서 광효율 개선층 재료로 본 발명에 따른 화합물 대신 Alq3를 사용한 것을 제외하고 동일하게 제작하였다.
소자 비교예 3
소자 비교예 3을 위한 유기발광소자는 상기 실시예의 소자구조에서 광효율 개선층 재료로 본 발명에 따른 화합물 대신 [CP 1]을 사용한 것을 제외하고 동일하게 제작하였다.
소자 비교예 4
소자 비교예 4를 위한 유기발광소자는 상기 실시예의 소자구조에서 광효율 개선층 재료로 본 발명에 따른 화합물 대신 [CP 2]를 사용한 것을 제외하고 동일하게 제작하였다.
소자 비교예 5
소자 비교예 5를 위한 유기발광소자는 상기 실시예의 소자구조에서 광효율 개선층 재료로 본 발명에 따른 화합물 대신 [CP 3]을 사용한 것을 제외하고 동일하게 제작하였다.
실험예 1 : 소자 실시예 1 내지 28의 발광 특성
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 유기발광소자에 대해서 Source meter (Model 237, Keithley)와 휘도계 (PR-650, Photo Research)를 이용하여 구동 전압, 전류 효율 및 색좌표를 측정하였고, 1,000 nit 기준의 결과값은 하기 [표 1]과 같다.
실시예 광효율 개선층 V cd/A CIEx CIEy
1 화합물 2 3.61 8.59 0.1392 0.0440
2 화합물 5 3.79 8.36 0.1334 0.0539
3 화합물 11 3.88 8.38 0.1358 0.0529
4 화합물 14 3.69 8.56 0.1332 0.0519
5 화합물 25 3.67 8.66 0.1413 0.0410
6 화합물 28 3.61 8.39 0.1343 0.0533
7 화합물 32 3.62 8.34 0.1408 0.0429
8 화합물 34 3.92 8.63 0.1342 0.0522
9 화합물 44 3.86 8.45 0.1376 0.0458
10 화합물 50 3.92 8.12 0.1344 0.0456
11 화합물 51 3.61 8.43 0.1341 0.0526
12 화합물 57 3.96 8.48 0.1403 0.0453
13 화합물 62 3.75 8.37 0.1347 0.0475
14 화합물 76 3.67 8.46 0.1385 0.0472
15 화합물 83 3.72 8.68 0.1388 0.0442
16 화합물 97 3.65 8.60 0.1407 0.0409
17 화합물 104 3.86 8.42 0.1415 0.0410
18 화합물 115 3.68 8.75 0.1324 0.0529
19 화합물 116 3.76 8.50 0.1334 0.0559
20 화합물 125 3.77 8.20 0.1375 0.0445
21 화합물 132 3.83 8.64 0.1400 0.0418
22 화합물 135 3.69 8.78 0.1294 0.0529
23 화합물 137 3.95 8.23 0.1354 0.0499
24 화합물 145 3.79 8.58 0.1398 0.0427
25 화합물 162 3.79 8.40 0.1344 0.0549
26 화합물 165 3.72 8.59 0.1358 0.0485
27 화합물 173 3.69 8.73 0.1363 0.0491
28 화합물 178 3.82 8.75 0.1313 0.0571
비교예 1 사용 안 함 4.68 7.03 0.1502 0.1412
비교예 2 Alq3 4.33 7.84 0.1471 0.0583
비교예 3 CP 1 4.21 7.85 0.1302 0.0617
비교예 4 CP 2 4.17 7.91 0.1319 0.0593
비교예 5 CP 3 4.15 7.78 0.1282 0.0633
상기 [표 1]에 나타낸 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 화합물을 소자에 구비되는 광효율 개선층 재료로 적용한 유기발광소자는 종래 광효율 개선층을 구비하지 않은 소자, 종래 광효율 개선층 재료로 사용되고 있는 화합물을 이용한 소자 및 본 발며에 따른 화합물이 갖는 구조적 특징과 대비되는 화합물을 채용한 소자 (비교예 1 내지 5)에 비하여 구동 전압이 감소하고, 전류 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00043
[HAT_CN] [α-NPB] [BH1] [BD1] [ET1]
Figure pat00044
[EB1] [CP1] [CP2] [CP3]

Claims (5)

  1. 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물:
    [화학식 Ⅰ]
    Figure pat00045

    상기 [화학식 Ⅰ]에서,
    (ⅰ) A는 하기 [구조식 1]로 표시되고,
    [구조식 1]
    Figure pat00046

    상기 [구조식 1]에서,
    R은 수소, 중수소 (D), 시아노기 (CN), 할로겐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
    o는 0 내지 5의 정수이고, 상기 o가 2 이상인 경우 복수 개의 R은 서로 동일하거나 상이하며,
    n은 2 또는 3의 정수이고, 복수 개의 A는 서로 동일하거나 상이하며,

    (ⅱ) B는 수소, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 할로겐화된 알콕시기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
    m은 0 내지 4의 정수이고, 상기 m이 2 이상인 경우 복수 개의 B는 서로 동일하거나 상이하다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 R 및 B의 정의에서, '치환 또는 비치환된'이라 함은 상기 R 및 B가 각각 중수소, 할로겐기, 시아노기, 알킬기, 할로겐화된 알킬기, 중수소화된 알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알콕시기, 할로겐화된 알콕시기, 중수소화된 알콕시기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬실릴기 및 아릴실릴기 중에서 선택된 1 또는 2 이상의 치환기로 치환되거나, 상기 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미하는 화합물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 [화학식 Ⅰ]은 하기 [화합물 1] 내지 [화합물 187] 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 화합물:
    Figure pat00047

    Figure pat00048

    Figure pat00049

    Figure pat00050

    Figure pat00051

    Figure pat00052

    Figure pat00053

    Figure pat00054

    Figure pat00055

    Figure pat00056

    Figure pat00057

    Figure pat00058
  4. 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 1층 이상의 유기층을 포함하는 유기발광소자로서,
    상기 제1 전극과 제2 전극의 상부 또는 하부 중에서 상기 유기층과 반대되는 적어도 일측에 형성되는 광효율 개선층 (Capping layer)을 더 포함하고,
    상기 광효율 개선층은 상기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광효율 개선층은 상기 제1 전극의 하부 또는 상기 제2 전극의 상부 중 적어도 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
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