KR20230101288A - 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치 - Google Patents

유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치 Download PDF

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KR20230101288A
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Abstract

본 발명은 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함하는 발광층 및 발광층 상에 배치되는 캐소드를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자는 특정 위치에 억셉터로 기능하는 치환기가 도입된 인광 도펀트를 형광 도펀트와 조합하여 발광층을 구성함에 따라 발광 과정에서 에너지 손실을 최소화하고, 에너지 전달 효율을 개선하여 발광 효율이 향상된 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치를 제공한다.

Description

유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치{ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE AND ORGANIC LIGHT EMITTING DISPLAY DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 효율이 우수한 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치에 관한 것이다.
유기 발광 표시 장치(OLED)는 자체 발광 소자인 유기 발광 소자를 이용함에 따라 구조가 간단하고 제조 공정상의 이점이 있으며, 저전압 구동에 의해 소비 전력 측면에서 유리한 이점이 있다. 또한, 유기 발광 표시 장치는 색상 구현이 용이하며 휘도, 시야각, 응답성 및 콘트라스트비가 우수하여 차세대 디스플레이로서 활발하게 개발이 진행중에 있다.
유기 발광 소자는 전압을 인가하면 애노드(anode)로부터 주입된 정공과 캐소드(cathode)로부터 주입된 전자가 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exiton)을 형성한다. 이와 같이 형성된 엑시톤이 불안정한 여기 상태에서 안정한 바닥 상태로 떨어질 때, 유기 발광 소자로부터 광이 방출되는 유기 발광 현상을 이용한 소자이다.
최근 유기 발광 소자를 이용한 디스플레이가 점차 대면적화 및 박형화되고 있으며, 이에 부합하여 종래 디스플레이 대비 동등 이상의 수명을 유지하고 저전력 구동이 가능하면서도 보다 우수한 발광 효율을 제공하는 표시 장치에 대한 요구가 증가하고 있다.
종래 유기 발광 표시 장치에서는 호스트 물질에 형광 도펀트를 첨가하여 발광층을 형성하였다. 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. 일반적인 형광 물질은 단일항 엑시톤만이 발광에 참여하고 나머지 75%의 삼중항 엑시톤은 발광에 참여하지 못하여 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에 발광 효율을 개선하기 위해 인광 물질을 발광 도펀트로 사용하는 것이 제안되었다. 가장 일반적으로 발광 도펀트로 사용되는 인광 물질은 중금속 착화합물이다. 이러한 인광 물질은 단일항 엑시톤이 계간 전이(Intersystem crossing, ISC)를 통해 대부분 삼중항 상태로 전이되고, 삼중항 상태의 에너지는 중금속에 의한 강한 스핀-궤도 커플링(spin-orbitcoupling)에 의하여 바닥 상태로 전이될 수 있다. 즉, 인광 물질은 단일항 엑시톤과 삼중항 엑시톤이 모두 발광에 참여하여 형광 도펀트 대비 발광 효율이 우수한 이점이 있다. 그러나, 인광 물질은 형광 물질 대비 수명이 낮고 청색 인광 물질의 경우 색순도가 낮아 이를 단독으로 표시 장치에 적용하는데 한계가 있었다. 이에 색순도와 발광 효율을 동시에 확보하기 위해 형광 물질과 인광 물질을 혼합하여 구성된 발광층을 포함하는 유기 발광 소자가 제안되었다.
본 발명은 형광 도펀트와 인광 도펀트를 혼합 적용하여 발광층을 구성함에 있어서, 형광 도펀트와 인광 도펀트 간의 에너지 전달 효율을 개선하여 발광 효율이 보다 향상된 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 호스트, 하기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 하기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함하는 발광층 및 발광층 상에 배치되는 캐소드를 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서, a1 내지 a5는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a6은 1 내지 4의 정수이고, a4와 a6의 합은 4 이하이며, R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 서로 인접하는 치환기가 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있으며, W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기, 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환된 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 이때, 치환된 알킬기, 치환된 아릴기 및 치환된 헤테로 아릴기 각각은 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기를 하나 이상 포함하고, n은 0 내지 3의 정수이다.
[화학식 2]
Figure pat00002
화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 서로 인접하는 치환기가 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 표시 장치는, 기판, 기판 상의 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터 상에 배치되고, 전술한 유기 발광 소자를 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 유기 발광 소자는 형광 도펀트와 특정 위치에 억셉터로서 기능하는 치환기가 도입된 인광 도펀트를 조합하여 인광 도펀트의 피크 파장을 단파장대로 쉬프트시킴으로써 발광 과정에서 에너지 손실을 최소화하고 이에 따라 에너지 전달 효율이 개선될 수 있다. 나아가, 저전압 구동이 가능하면서도 발광 효율이 크게 향상된 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 발명 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 스펙트럼과 치환기(W)가 도입되지 않은 인광 도펀트의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3은 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 스펙트럼과 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 표시 장치의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형상으로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 면적, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 제한되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
또한 제 1, 제 2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 구성 요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 면적 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 면적 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
본 명세서에서 '치환'은 원화합물의 수소 원자 또는 일부 원자단이 치환기로 치환된 것을 의미한다.
본 명세서에 기재된 화합물의 수소 원자는 중수소, 삼중수소로 치환될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 '헤테로'는 고리 형태의 포화 또는 불포화 탄화수소를 구성하는 탄소 원자 중 1개 이상이 N, O, S 및 Se와 같은 헤테로원자로 치환된 것을 의미한다.
본 명세서에서, '알킬'은 선형 또는 분지형 포화 탄화수소로부터 유래되는 1가의 유기기를 의미한다. 예를 들어, 알킬은 메틸, 에틸, 프로필, n-부틸, iso-부틸, n-펜틸, 헥실, tert-부틸 등이 있으며, 이에 제한되지는 않는다.
본 명세서에서 '아릴'은 방향족 탄화수소로부터 유래되는 1가의 유기기를 의미하며, 2개 이상의 고리가 단순 연결된 펜던트 형태나 축합된 형태 모두가 포함될 수 있다. 예를 들어, 아릴은 페닐기, 나프틸기, 페난트릴기 등이 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 '헤테로아릴'은 고리 중 하나 이상의 탄소가 N, O, S 또는 Se와 같은 헤테로원자로 치환된 방향족 탄화수소로부터 유래되는 1가의 유기기를 의미한다. 헤테로아릴은 2개 이상의 고리가 단순 연결된 펜던트 형태나 2개 이상의 고리가 축합된 형태를 포함하고, 아릴기와 축합된 형태도 포함한다. 예를 들어, 헤테로아릴은 피리딘기, 피라진기, 피리미딘기, 피리다진기, 트리아진기, 페녹사진기, 인돌리진기, 벤조티아졸기, 벤조옥사졸기, 벤조퓨란기, 퓨리닐, 퀴놀릴, 카바졸일, N-이미다졸일, 2-피리디닐, 2-피미니디닐 등이 있으나 이에 제한되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 유기 발광 소자 및 유기 발광 표시 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자(OLED)는 유기 발광 소자(OLED)는 애노드(AND), 정공주입층(HIL), 정공수송층(HTL), 발광층(EML), 전자수송층(ETL), 전자주입층(EIL) 및 캐소드(CTD)를 포함한다. 도면에서는 설명의 편의를 위해 하나의 발광 유닛을 포함하는 단일 스택 구조의 유기 발광 소자를 도시하였으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 유기 발광 소자는 복수의 발광 유닛을 포함하는 탠덤 구조의 유기 발광 소자로 구현될 수 있다.
애노드(AND)는 발광층(EML)에 정공을 공급하기 위한 구성요소로서, 일함수가 높은 도전성 물질로 형성된다. 애노드(AND)는 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide)로 형성된 투명 도전층일 수 있다. 예를 들면, 애노드(AND)는 인듐-주석-산화물 (indium-tin-oxide, ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide, IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide, ITZO), 주석산화물(SnO2), 아연산화물(ZnO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide, ICO) 및 알루미늄 도핑된 산화아연(Al-dopped ZnO, AZO)과 같은 투명 도전성 산화물 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
유기 발광 소자(OLED)가 상부 발광 방식으로 구동하는 경우, 발광층(EML)으로부터 발광된 광이 상부 방향을 향해 출광될 수 있도록 애노드(AND) 하부에 반사층이 배치될 수 있다. 반사층은 반사율이 높은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리 합금 등으로 형성될 수 있다.
애노드(AND) 상에는 애노드(AND)로부터 공급된 정공을 발광층(EML)으로 주입하기 위한 정공주입층(HIL)이 배치된다. 정공주입층(HIL)은 애노드(Anode)와 후술하는 정공수송층(HTL) 사이의 계면 특성을 향상시켜 발광층(EML)으로 정공이 원활하게 주입될 수 있도록 하는 물질로 형성된다.
예를 들어, 정공주입층(HIL)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-phenylamino)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(1naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine, NPB or 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), 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-9Hcarbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
정공주입층(HIL) 상에는 정공주입층(HIL)으로부터 발광층(EML)으로 정공이 원활하게 전달될 수 있도록 하기 위하여 정공수송층(HTL)이 배치될 수 있다.
예를 들어, 정공수송층(HTL)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), NPD(or NPB), MTDATA, 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-dip-tolyl-amino)-phenyl]cyclohexane, TAPC), 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), 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 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물로 형성될 수 있다.
필요에 따라 선택적으로 정공주입층(HIL) 또는 정공수송층(HTL)은 생략될 수 있고, 정공주입층(HIL)과 정공수송층(HTL)을 하나의 층으로 구성하는 것도 가능할 수 있다.
예를 들어, 정공주입층(HIL) 및 정공수송층(HTL)은 각각 5nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다.
정공수송층(HTL) 상에는 발광층(EML)이 배치된다. 발광층(EML)은 전자와 정공이 결합하여 광을 발광하는 층이다. 발광층(EML)은 호스트, 인광 도펀트 및 형광 도펀트를 포함한다. 호스트는 애노드(AND)로부터 공급된 정공과 캐소드(CTD)로부터 공급된 전자가 소실되지 않고 발광층(EML)에 트랩될 수 있도록 한다. 인광 도펀트 및 형광 도펀트는 실질적으로 광을 발광하는 물질이다.
예를 들어, 호스트는 카바졸계 화합물, 디벤조퓨란계 화합물, 디벤조티오펜계 화합물, 카바졸기, 디벤조퓨란기 및/또는 디벤조티오펜기의 조합으로 이루어지는 화합물로부터 선택될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 호스트는 하기 화합물 3-1 내지 3-24 중에서 선택되는 화합물 중 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
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도면에서는 설명의 편의를 위해 발광층(EML)이 단일층인 구조를 도시하였으나, 필요에 따라 발광층(EML)은 복수의 층으로 구성될 수 있다. 이때, 복수의 발광층 중 적어도 하나의 발광층은 호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함하여 형성된다.
인광 도펀트 및 형광 도펀트에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
정공수송층(HTL)과 발광층(EML)의 사이에 전자차단층이 배치될 수 있다. 전자차단층은 발광층(EML)으로 주입된 전자가 정공수송층(HTL)으로 이동하는 것을 제어하여 발광층(EML)에서 엑시톤의 형성 효율을 향상시킨다. 예를 들어, 전자차단층은 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, 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) 등으로부터 선택되는 화합물로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
발광층(EML) 상에 전자수송층(ETL)이 배치된다. 전자수송층(ETL)은 발광층(EML)으로 전자를 가속하여 수송한다. 전자수송층(ETL)은 캐소드(CTD)로부터 공급된 전자가 발광층(EML)으로 용이하게 전달될 수 있도록 한다.
예를 들어, 전자수송층(ETL)은 Alq3 [Tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum], TPBI [2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)], Bphen [4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline], TAZ [3-(4-Biphenylyl)-4-phenyl-5-tertbutylphenyl-1,2,4-triazole], BCP [2,9-Di-methyl-4,7-diphenyl1,10-phenanthroline], PBD [2-(4-biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole], Liq (8-hydroxyquinolinolato-lithium), BAlq (bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium), TpPyPB, TmPPPyTz, PFNBr, TPQ 등으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
발광층(EML)과 전자수송층(ETL) 사이에 정공차단층이 배치될 수 있다. 정공차단층은 정공수송층(HTL)으로부터 발광층(EML)으로 주입된 정공이 엑시톤을 형성하지 않고, 전자수송층(ETL)으로 넘어가는 것을 방지한다. 이에 따라 전자가 발광층(EML) 내에 트랩되어 유기 발광 소자(OLED)의 성능이 향상될 수 있다.
예를 들어, 정공차단층은 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계 화합물로부터 선택되는 물질을 사용할 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 정공차단층은 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, B3PYMPM, DPEPO, 9-(6-(9H-카바졸-9-일)피리딘-3-일)-9H-3,9'-바이카바졸 등으로부터 선택되는 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전자수송층(ETL) 상에 전자주입층(EIL)이 배치된다. 전자주입층(EIL)은 캐소드(CTD)로부터 공급되는 전자가 전자수송층(ETL)으로 원활하게 주입될 수 있도록 한다. 예를 들어, 전자주입층(EIL)은 BaF2, LiF, CsF, NaF, BaF2, Li2O, BaO, Liq 및 리튬 벤조에이트 중 선택되는 1종 이상을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 전자주입층(EIL) 또는 전자수송층(ETL)은 필요에 따라 생략될 수 있고, 하나의 층으로 구성될 수도 있다.
전자주입층(EIL) 상에 캐소드(CTD)가 배치된다. 캐소드(CTD)는 발광층(EML)으로 전자를 원활하게 공급하기 위해 일함수가 낮은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 캐소드(CTD)는 Ca, Ba, Al, Ag 및 이들 중 1종 이상을 포함하는 합금 중에서 선택되는 금속 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 발광층(EML)에 포함되는 인광 도펀트 및 형광 도펀트에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 인광 도펀트는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.
[화학식 1]
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화학식 1에서, a1 내지 a5는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a6은 1 내지 4의 정수일 수 있다. 이때, a4와 a6의 합은 4 이하이다.
화학식 1에서, R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택된다. 이때, 서로 인접하는 치환기는 서로 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있다.
화학식 1에서, W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기, 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환된 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택된다. 이때, 치환된 알킬기, 치환된 아릴기 및 치환된 헤테로 아릴기 각각은 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기를 하나 이상 포함할 수 있다. 즉, 알킬기, 아릴기 및 헤테로 아릴기는 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 작용기로 더 치환될 수 있다.
화학식 1에서, n은 0 내지 3의 정수이다.
화학식 1로 표시되는 인광 도펀트는 특정 위치에 시아노기, 니트로기, 할로겐기를 포함하는 치환기(W)가 도입된 것을 특징으로 한다. 이들 치환기는 억셉터(acceptor)로서 인광 도펀트의 발광 피크 파장을 단파장대로 이동(shift)시킨다. 이에 따라 인광 도펀트의 발광 피크 파장과 형광 도펀트의 흡수 피크 파장 간의 차이가 감소되어, 인광 도펀트로부터 형광 도펀트로의 에너지 전이 효율이 향상될 수 있다. 이에 따라 유기 발광 소자의 발광 효율이 개선되는 효과를 제공한다.
구체적으로 예를 들어, 화학식 1에서 a1 내지 a4는 각각 0이고, a5는 0 또는 1이고, a6은 1 내지 4의 정수일 수 있다. 이때, a5가 1인 경우, R5는 수소, 중수소, 삼중수소 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택될 수 있다. 화학식 1에서, W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기 및 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기로 하나 이상 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고, n은 1일 수 있다. 이 경우, 인광 도펀트의 발광 피크 파장과 형광 도펀트의 흡수 피크 파장 간의 차이가 더욱 감소되어 발광 효율이 더욱 우수한 이점이 있다.
보다 구체적으로 예를 들면, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트는 화합물 1-1 내지 1-405 중에서 선택되는 화합물일 수 있다.
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화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 에너지 밴드 갭은 2.0eV 이상 내지 3.0eV 이하, 바람직하게는 2.2eV 내지 2.8eV일 수 있다. 이 경우, 전하의 이동이 원활하여 구동 전압을 높이지 않으면서도 발광 효율이 우수한 이점이 있다.
형광 도펀트는 화학식 2로 표시되는 화합물이다.
[화학식 2]
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화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.
화학식 2에서, R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택된다. 이때, 서로 인접하는 치환기들은 서로 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수일 수 있다. 화학식 2에서, R11 및 R13은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기 중에서 선택될 수 있다. 또한, 화학식 2에서, R12 및 R14는 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택될 수 있다. 이 경우, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트와의 에너지 전달이 더욱 용이하여 발광 효율이 보다 향상될 수 있다.
보다 구체적으로 예를 들면, 형광 도펀트는 하기 화합물 2-1 내지 2-117 중에서 선택되는 화합물일 수 있다.
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상술한 바와 같이, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트는 특정 위치에 시아노기, 니트로기 및 할로겐기 중 적어도 하나를 포함하는 치환기(W)가 도입되며, 이러한 치환기는 억셉터로서 기능한다. 이와 같이, 특정 위치에 치환기(W)가 억셉터로 도입된 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트는 억셉터가 도입되지 않은 화합물 대비 발광 피크 파장이 단파장으로 이동한다. 이에 따라, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최대 발광 피크 파장과 화학식 2로 표시되는 발광 도펀트의 최대 흡수 피크 파장 차이가 감소될 수 있다. 또한, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 발광 피크와 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 피크는 서로 중첩될 수 있다. 이 경우, 발광층(EML) 물질들 간의 에너지 전이가 보다 용이하여 발광 효율이 향상될 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 함께 참조하여 본 발명의 효과에 대해 상세하게 설명한다. 도 2는 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 스펙트럼과 치환기(W)가 도입되지 않은 인광 도펀트의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 3은 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 스펙트럼과 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 구체적으로 도 2는 형광 도펀트인 화합물 2-10의 흡수 스펙트럼(FD2-10)과 인광 도펀트인 화합물 6-1의 발광 스펙트럼(PD6-1)을 도시한 그래프이다. 도 3은 형광 도펀트인 화합물 2-10의 흡수 스펙트럼(FD2-10)과 인광 도펀트인 화합물 1-7의 발광 스펙트럼(PD1-7)을 도시한 그래프이다.
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먼저, 도 2를 참조하면, 화합물 2-10의 최대 흡수 피크 파장은 516nm이고, 화합물 6-1의 최대 발광 피크 파장은 542nm로 두 피크의 파장 차이는 26nm 정도이다. 이때 화합물 2-10의 흡수 피크와 화합물 6-1의 발광 피크의 전체 면적을 기준으로 이들이 서로 중첩되는 영역의 비율은 28%인 것을 확인하였다.
도 3을 참조하면, 화합물 1-7의 경우, 특정 위치에 도입된 치환기 '-F'가 억셉터로서 기능하며, 이에 화합물 6-1 대비 발광 피크 파장이 단파장으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 이때 화합물 1-7의 최대 발광 피크 파장은 531nm이다. 이에 따라, 화합물 1-7의 최대 발광 피크 파장과 화합물 2-10의 최대 흡수 피크 파장 차이는 15nm로 감소된다. 이때 화합물 2-10의 흡수 피크와 화합물 1-7의 발광 피크의 전체 면적을 기준으로 이들이 서로 중첩되는 영역의 비율은 39%로 크게 증가한다. 이와 같이 인광 도펀트의 발광 피크와 형광 도펀트의 흡수 피크가 중첩되는 정도가 증가하면 소실되는 에너지없이 효과적으로 에너지 전달이 가능하여 발광 효율이 증가한다.
예를 들어, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최대 발광 피크 파장과 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최대 흡수 피크 파장의 차이는 5nm 내지 20nm일 수 있다. 이 범위 내일 경우, 인광 도펀트의 발광 피크와 형광 도펀트의 흡수 피크가 중첩되는 면적이 넓어 발광 효율이 크게 개선될 수 있다.
예를 들어, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 발광 피크와 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 피크가 중첩되는 면적은 발광 피크와 흡수 피크를 합한 전체 면적에 대해 35% 이상일 수 있다. 이 범위 내일 경우, 에너지 전달 효율이 개선되어 발광 효율이 크게 향상될 수 있다.
한편, 발광층(EML)을 구성하는 호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트 각각의 에너지 준위는 적절하게 조절되어야 한다. 이 경우, 구동 전압을 높이지 않으면서도 발광 효율이 개선되는 이점이 있다.
예를 들어, 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최고 점유 분자 오비탈 에너지 준위(HOMOFD)는 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최고 점유 분자 오비탈 에너지 준위(HOMOPD)와 같거나 더 클 수 있다.
예를 들어, 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최저 비점유 분자 오비탈 에너지 준위(LUMOFD)와 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최저 비점유 분자 오비탈 에너지 준위(LUMOPD)의 차이는 식 A를 충족할 수 있다.
[식 A]
0.1 ≥ LUMOFD - LUMOPD ≥ - 0.6
예를 들어, 호스트의 단일항 에너지 준위(S1H), 인광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1PD) 및 형광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1FD)는 식 B를 충족할 수 있다.
[식 B]
S1H > S1PD > S1FD
예를 들어, 호스트의 삼중항 에너지 준위(T1H), 인광 도펀트의 삼중항 에너지 준위(T1PD) 및 형광 도펀트의 삼중항 에너지 준위(T1FD)는 식 C를 충족할 수 있다.
[식 C]
T1H > T1PD > T1FD
호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트 각각의 에너지 준위가 상기 조건들을 만족하는 경우, 발광 물질들 간의 에너지 전이가 용이하고, 인광 도펀트의 삼중항 에너지 준위의 엑시톤이 호스트의 삼중항 에너지 준위의 엑시톤으로 역-전하 이동하는 것이 억제되어 비발광 소멸을 최소화할 수 있다. 이에 따라 발광층(EML)의 발광 효율이 크게 개선될 수 있다.
화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 대 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 중량의 비는 7:3 내지 10:1일 수 있으며, 이 범위 내에서 발광 효율이 더욱 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자(OLED)는 특정 위치에 억셉터가 결합된 인광 도펀트를 형광 도펀트와 조합하여 발광층(EML)을 구성함에 따라 발광 과정에서 에너지 손실을 최소화하고, 에너지 전달 효율을 개선하여 발광 효율이 향상되는 효과를 제공한다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 표시 장치에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 표시 장치의 개략적인 단면도이다. 도 4에서는 설명의 편의상 유기 발광 소자(OLED)의 정공주입층, 정공수송층, 전자수송층 및 전자주입층의 도시를 생략하였으나, 도 4에 도시된 유기 발광 표시 장치(100)에 구비된 유기 발광 소자(OLED)는 도 1에 도시된 유기 발광 소자(OLED)와 실질적으로 동일하다. 따라서 유기 발광 소자(OLED)에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 표시 장치(100)는 표시 영역 및 비표시 영역으로 구분될 수 있다. 표시 영역은 복수의 화소가 배치되어 실질적으로 영상이 표시되는 영역이다. 표시 영역에는 영상을 표시하기 위한 발광 영역을 포함하는 화소 및 화소를 구동하기 위한 구동 회소가 배치될 수 있다. 비표시 영역은 표시 영역을 둘러싼다. 비표시 영역은 실질적으로 영상이 표시되지 않는 영역으로 표시 영역에 배치되는 화소 및 구동 회로를 구동하기 위한 다양한 배선, 인쇄 회로 기판 등이 배치된다.
복수의 화소는 매트릭스 형상으로 배열될 수 있고, 복수의 화소 각각은 복수의 서브 화소를 포함한다. 서브 화소는 하나의 색을 표시하기 위한 엘리먼트로서, 광이 발광되는 발광 영역 및 광이 발광되지 않는 비발광 영역을 포함한다. 복수의 서브 화소 각각은 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G), 청색 서브 화소(B) 및 백색 서브 화소 중 어느 하나일 수 있다.
도 4에서는 유기 발광 표시 장치(100)가 탑 에미션(top emission) 방식으로 구동되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
기판(110)은 유기 발광 표시 장치(100)의 다양한 엘리먼트들을 지지하는 기재이다. 기판(110)은 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다.
기판(110) 상에는 외부의 산소나 수분 등의 침투로부터 유기 발광 표시 장치(100)를 구성하는 다양한 엘리먼트들을 보호하고, 기판(110) 상의 이물이 박막 트랜지스터(120)로 유입되는 것을 방지한다.
버퍼층(131) 상에는 게이트 전극(121), 액티브층(122), 소스 전극(123) 및 드레인 전극(124)을 포함하는 박막 트랜지스터(120)가 배치된다. 박막 트랜지스터(120)는 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G) 및 청색 서브 화소(B) 각각의 영역에 형성된다.
구체적으로, 기판(110) 상에 액티브층(122)이 배치되고, 액티브층(122) 상에 액티브층(122)과 게이트 전극(121)을 절연시키기 위한 게이트 절연층(132)이 배치된다. 또한, 버퍼층(131) 상에는 게이트 전극(121)과 소스 전극(123) 및 드레인 전극(124)을 절연시키기 위한 층간 절연층(133)이 배치된다. 층간 절연층(133) 상에는 액티브층(122)과 각각 접하는 소스 전극(123) 및 드레인 전극(124)이 형성된다.
박막 트랜지스터(120) 상에는 오버 코팅층(134)이 배치될 수 있다. 오버 코팅층(134)은 하부 기판(110) 상부를 평탄화한다. 오버 코팅층(134)은 박막 트랜지스터(120)와 유기 발광 소자(OLED)의 애노드(141)를 전기적으로 연결하기 위해 컨택홀을 포함할 수 있다.
오버 코팅층(134) 상에는 유기 발광 소자(OLED)가 배치된다. 유기 발광 소자(OLED)는 적색 서브 화소(R) 영역, 녹색 서브 화소(G) 영역 및 청색 서브 화소(B) 영역 각각에 배치된다. 각각의 서브 화소 영역에 배치된 유기 발광 소자(OLED)는 애노드(AND), 발광층(EML) 및 캐소드(CTD)를 포함한다.
애노드(AND)는 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G) 및 청색 서브 화소(B) 영역 별로 분리되어 형성될 수 있다. 애노드(AND) 및 오버 코팅층(134) 상에 인접하는 서브 화소 영역을 서로 구분하기 위해 뱅크(135)가 배치된다. 또한, 뱅크(135)는 복수의 서브 화소 영역으로 구성된 화소 영역을 구분할 수도 있다. 뱅크(135)는 인접하는 서브 화소의 애노드(AND)를 서로 절연시키기 위해 절연 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 뱅크(135)는 인접하는 서브 화소간의 혼색을 방지하기 위해 광 흡수율이 높은 블랙 뱅크(135)로 구성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 발광층(EML) 호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함한다. 발광층(EML)은 각각의 서브 화소 영역별로 패터닝될 수 있다. 각각의 서브 화소 영역별로 패터닝된 발광층(EML)은 서브 화소의 색상에 대응하는 색상의 광을 발광하도록 구성된다. 예를 들어, 적색 서브 화소(R) 영역에 배치된 발광층(EML)은 적색 광을 발광하는 도펀트를 포함하고, 녹색 서브 화소(G) 영역에 배치된 발광층(EML)은 녹색 광을 발광하는 도펀트를 포함하며, 청색 서브 화소(B) 영역에 배치된 발광층(EML)은 청색 광을 발광하는 도펀트를 포함한다.
캐소드(CTD)는 패터닝되지 않고, 발광층(EML) 상에서 하나의 층으로 형성된다. 즉, 캐소드(CTD)는 전체 서브 화소 영역에 걸쳐 단일층으로 형성된다. 유기 발광 표시 장치(100)가 탑 에미션 방식으로 구동되는 경우, 캐소드(CTD)는 매우 얇은 두께로 형성되어 실질적으로 투명하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 표시 장치(100)는 발광층(EML)으로 호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함한다. 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트는 억셉터의 도입으로 발광 피크 파장이 단파장대로 이동하여 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 피크와 중첩되는 영역이 넓다. 이에 따라 형광 도펀트와 인광 도펀트 간의 에너지 전달 효율이 향상되어 발광 효율이 우수한 효과를 제공한다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 통하여 상술한 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
[합성예 1] 화합물 1-7의 합성
(1) 중간체 A의 합성
Figure pat00098
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 2-브로모피리딘(2-bromopyridine) (10.00g, 63.29mmol), (4-플루오로페닐)보론산 [(4-fluorophenyl)boronic acid] (9.74g, 69.62mmol), K2CO3 (17.49g, 126.58mmol), 트리페닐포스핀(PPh3) (3.32g, 12.66mmol), 팔라듐아세테이트 [Pd(OAC)2] (1.42g, 6.33mmol) 및 혼합 용매 (THF : MeOH = 100ml : 50ml)를 넣고, 60℃에서 24시간 교반하였다. 반응 완료 후 상온으로 온도를 낮춘 다음 유기층을 디클로로메탄으로 추출하고 물로 충분히 세정하였다. 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거하고 필터로 걸러진 용액을 감압 농축 후 에틸아세테이트와 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리하고, 고체 상태의 중간체 A 7.9g (72%)을 얻었다.
(2) 중간체 B의 합성
Figure pat00099
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 이리듐 클로라이드 수화물 [Iridium(III) chloride hydrate] (10.00g, 33.49mmol), 중간체 A (29.00g, 167.46mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : H2O = 120ml : 40ml)를 넣고, 130 ℃에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후, 상온으로 온도를 낮추고 메탄올을 넣어 생성된 고체를 감압 여과하고, 고체 상태의 중간체 B 14.6g (76%)을 얻었다.
(3) 중간체 C의 합성
Figure pat00100
질소 분위기에서 1000ml 둥근바닥 플라스크에 중간체 B (10.00g, 8.74 mmol), 은 트리플루오로메탄 술폰산염(AgOTf) (6.74g, 26.22mmol) 및 혼합 용매 (디클로로메탄 : MeOH = 500ml : 50ml)를 넣고 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 celite로 필터하여 고체를 제거 한다. 감압 증류로 용매를 제거하여 고체 상태의 중간체 C 10.2g (78%)을 얻었다.
(4) 중간체 D의 합성
Figure pat00101
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 2,5-디브로모피리딘 (10.00g, 42.21mmol), 페닐보론산 (phenylboronic acid) (11.32g, 92.87 mmol), K2CO3 (23.34g, 168.85mmol), PPh3 (4.43g, 16.89mmol), Pd(OAC)2 (1.90g, 8.44 mmol) 및 혼합 용매 (THF : MeOH = 100ml : 50ml)를 넣고, 60 ℃에서 24시간 교반하였다. 반응 완료 후 상온으로 온도를 낮춘 다음 유기층을 디클로로메탄으로 추출하고 물로 충분히 세정하였다. 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거하고 필터로 걸러진 용액을 감압 농축 후 에틸아세테이트와 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리하고, 고체 상태의 중간체 D 7.0g (72%)을 얻었다.
(5) 화합물 1-7의 합성
Figure pat00102
질소 분위기에서 100mL 둥근 바닥 플라스크에 중간체 D (1.54g, 6.67mmol), 중간체 C (2.00g, 2.67mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : 디메틸포름아마이드 = 75ml : 75ml)를 넣고, 130 ℃에서 24시간 교반하였다. 반응 종료 후 상온으로 온도를 낮춘 후 디클로로메탄과 증류수를 사용하여 유기층을 추출하고 수분은 무수황산마그네슘을 첨가하여 제거하였다. 여과를 통해 얻어진 여과액을 감압하여 수득한 조생성물을 톨루엔 및 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하고, 고체 화합물 1-7 1.3g (65%)을 얻었다.
[합성예 2] 화합물 1-16의 합성
(1) 중간체 E의 합성
Figure pat00103
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 2-브로모피리딘 (10.00g, 63.29mmol), (2,4-디플루오로페닐)보론산 (10.99g, 69.62mmol), K2CO3 (17.49g, 126.58mmol), PPh3 (3.32g, 12.66mmol), Pd(OAC)2 (1.42g, 6.33mmol) 및 혼합 용매 (THF : MeOH = 100ml : 50ml)를 넣고, 60 ℃에서 24시간 교반하였다. 반응 완료 후 상온으로 온도를 낮춘 다음 유기층을 디클로로메탄으로 추출하고 물로 충분히 세정하였다. 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거하고 필터로 걸러진 용액을 감압 농축 후 에틸아세테이트와 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리하고, 고체 상태의 중간체 E 9.9g (82%)을 얻었다.
(2) 중간체 F의 합성
Figure pat00104
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 이리듐 클로라이드 수화물 (10.00g, 33.49mmol), 중간체 E (32.01g, 167.46mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : H2O = 120ml : 40ml)를 넣고, 130 ℃에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후, 상온으로 온도를 낮추고 메탄올을 넣어 생성된 고체를 감압 여과하여 고체 상태의 중간체 F 12.8g (63%)을 얻었다.
(3) 중간체 G의 합성
Figure pat00105
질소 분위기에서 1000ml 둥근바닥 플라스크에 중간체 F (10.00g, 8.22mmol), AgOTf (6.34g, 24.67mmol) 및 혼합 용매 (DCM : MeOH = 500 ml : 50 ml)를 넣고 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 celite로 필터 하여 고체를 제거 한다. 감압 증류로 용매를 제거하여 고체 상태의 중간체 G 8.4g (65%)을 얻었다.
(4) 화합물 1-16의 합성
Figure pat00106
질소 분위기에서 100mL 둥근 바닥 플라스크에 중간체 D (1.47g, 6.36mmol), 중간체 G (2.00g, 2.55mmol) 에 혼합된 용액 (2-Ethoxyethanol : DMF = 75ml : 75ml)를 넣고, 130 ℃에서 24시간 교반하였다. 반응 종료 후 상온으로 온도를 낮춘 후 디클로로메탄과 증류수를 사용하여 유기층을 추출하고 무수 황산마그네슘을 첨가하여 수분을 제거하였다. 여과를 통해 얻어진 여과액을 감압하여 수득한 조생성물을 톨루엔 및 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하고, 고체 화합물 1-16 1.5g (71%)을 얻었다.
[합성예 3] 화합물 1-17의 합성
(1) 중간체 H의 합성
Figure pat00107
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 2,4-브로모피리딘 (10.00g, 42.21mmol), 페닐보론산 (11.32g, 92.87mmol), K2CO3 (23.34g, 168.85mmol), PPh3 (4.43g, 16.89mmol), Pd(OAC)2 (1.90g, 8.44mmol) 및 혼합 용매 (THF : MeOH = 100ml : 50ml)를 넣고, 60℃에서 24시간 교반하였다. 반응 완료 후 상온으로 온도를 낮춘 다음 유기층을 디클로로메탄으로 추출하고 물로 충분히 세정하였다. 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거하고 필터로 걸러진 용액을 감압 농축 후 에틸아세테이트와 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리하고, 고체 상태의 중간체 H 8.1g (83%)을 얻었다.
(2) 화합물 1-17의 합성
Figure pat00108
질소 분위기에서 100mL 둥근 바닥 플라스크에 중간체 H (1.47g, 6.36mmol), 중간체 G (2.00g, 2.55mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : DMF = 75ml : 75ml)를 넣고, 130℃에서 24시간 교반하였다. 반응 종료 후 상온으로 온도를 낮춘 후 디클로로메탄과 증류수를 사용하여 유기층을 추출하고 수분은 무수 황산마그네슘을 첨가하여 제거하였다. 여과를 통해 얻어진 여과액을 감압하여 수득한 조생성물을 톨루엔 및 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하고, 고체 화합물 1-17 1.3g (66%)을 얻었다.
[합성예 4] 1-61의 합성
(1) 중간체 I의 합성
Figure pat00109
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 2-브로모피리딘 (10.00g, 63.29mmol), (2,4-bis(트리플루오로메틸)페닐)보론산 (17.96g, 69.62mmol), K2CO3 (17.49g, 126.58mmol), PPh3 (3.32g, 12.66mmol), Pd(OAC)2 (1.42g, 6.33mmol) 및 혼합 용매 (THF : MeOH = 100ml : 50ml)를 넣고, 60℃에서 24시간 교반하였다. 반응 완료 후 상온으로 온도를 낮춘 다음 유기층을 디클로로메탄으로 추출하고 물로 충분히 세정하였다. 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거하고 필터로 걸러진 용액을 감압 농축 후 에틸아세테이트와 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리하고, 고체 상태의 중간체 I 11.8g (64%)을 얻었다.
(2) 중간체 J의 합성
Figure pat00110
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 이리듐 클로라이드 수화물 (10.00g, 33.49mmol), 중간체 I (48.76g, 167.46mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : H2O = 120ml : 40ml)를 넣고, 130℃에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후, 상온으로 온도를 낮추고 메탄올을 넣어 생성된 고체를 감압 여과한다. 고체 상태의 중간체 J 16.0g (59%)을 얻었다.
(3) 중간체 K의 합성
Figure pat00111
질소 분위기에서 1000ml 둥근바닥 플라스크에 중간체 J (10.00g, 6.19mmol), AgOTf (4.77g, 18.56mmol) 및 혼합 용매 (DCM : MeOH = 500ml : 50ml)를 넣고 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 celite로 필터 하여 고체를 제거 한다. 감압 증류하여 용매를 제거하고, 고체 상태의 중간체 K 9.1g (75%)을 얻었다.
(4) 화합물 1-61의 합성
Figure pat00112
질소 분위기에서 100mL 둥근 바닥 플라스크에 중간체 D (1.17g, 5.07mmol), 중간체 K (2.00g, 2.03mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : DMF = 75ml : 75ml)를 넣고, 130℃에서 24시간 교반하였다. 반응 종료 후 상온으로 온도를 낮춘 후 디클로로메탄과 증류수를 사용하여 유기층을 추출하고 수분은 무수황산마그네슘을 첨가하여 제거하였다. 여과를 통해 얻어진 여과액을 감압하여 수득한 조생성물을 톨루엔 및 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하고, 고체 화합물 1-61 1.6g (79%)을 얻었다.
[합성예 5] 화합물 1-98의 합성
(1) 중간체 L의 합성
Figure pat00113
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 2-브로모피리딘 (10.00g, 63.29mmol), (4-시아노페닐)보론산 (10.23g, 69.62mmol), K2CO3 (17.49g, 126.58mmol), PPh3 (3.32g, 12.66mmol), Pd(OAC)2 (1.42g, 6.33mmol) 및 혼합 용매 (THF : MeOH = 100ml : 50ml)를 넣고, 60℃에서 24시간 교반하였다. 반응 완료 후 상온으로 온도를 낮춘 다음 유기층을 디클로로메탄으로 추출하고 물로 충분히 세정하였다. 무수 황산마그네슘으로 수분을 제거하고 필터로 걸러진 용액을 감압 농축 후 에틸아세테이트와 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 분리하고, 고체 상태의 중간체 L 9.0g (79%)을 얻었다.
(2) 중간체 M의 합성
Figure pat00114
질소 분위기에서 250mL 둥근 바닥 플라스크에 이리듐 클로라이드 수화물 (10.00g, 33.49mmol), 중간체 L (30.18g, 167.46mmol) 및 혼합 용매 (2-에톡시에탄올 : H2O = 120ml : 40ml)를 넣고, 130℃에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후, 상온으로 온도를 낮추고 메탄올을 넣어 생성된 고체를 감압 여과한다. 고체 상태의 중간체 M 13.5g (69%)을 얻었다.
(3) 중간체 N의 합성
Figure pat00115
질소 분위기에서 1000ml 둥근바닥 플라스크에 중간체 M (10.00g, 8.53mmol), AgOTf (6.58g, 25.59mmol) 및 혼합 용매 (DCM : MeOH = 500ml : 50ml)를 넣고 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 celite로 필터 하여 고체를 제거 한다. 감압 증류로 용매를 제거하여 고체 상태의 중간체 N 8.8g (69%)을 얻었다.
(4) 화합물 1-98의 합성
Figure pat00116
질소 분위기에서 100mL 둥근 바닥 플라스크에 중간체 H (1.51g, 6.55mmol), 중간체 N (2.00g, 2.62mmol) 및 혼합 용액 (2-에톡시에탄올 : DMF = 75ml : 75ml)를 넣고, 130℃에서 24시간 교반하였다. 반응 종료 후 상온으로 온도를 낮춘 후 디클로로메탄과 증류수를 사용하여 유기층을 추출하고 수분은 무수황산마그네슘을 첨가하여 제거하였다. 여과를 통해 얻어진 여과액을 감압하여 수득한 조생성물을 톨루엔 및 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하고, 고체 화합물 1-98 1.3g (66%)을 얻었다.
[실시예 1] 유기 발광 소자의 제조
먼저 40mm x 40mm x 두께 0.5mm의 ITO 전극(70㎛) 부착 유리 기판을 이소프로필알코올, 아세톤, 증류수로 각각 5분 동안 초음파 세정을 진행한 후 100℃오븐에 건조하였다. 세정 후 진공상태에서 2분 동안 O2 플라즈마 처리하고 상부에 다른 층들을 증착하기 위하여 증착 챔버로 이송하였다. 약 10-7Torr 진공 하에 가열 보트로부터 증발에 의해 각각의 층을 증착하였다. 이때, 증착 속도는 1 Å로 설정하였다. 구체적으로 ITO 기판 상에, 정공주입층(화학식 5-1, 10nm), 정공수송층(화학식5-2, 140nm), 전자차단층(화학식5-3, 10nm), 발광층(40nm), 정공차단층(화학식5-4, 10nm), 전자수송층(화학식5-5, 30nm), 전자주입층(Liq, 1nm) 및 음극(Mg:Ag, 10 nm)을 순차 적층하여 유기 발광 소자를 제작하였다. 이때, 발광층은 화학식 3의 화합물 3-1 (89중량%), 화합물 1-7 (10중량%) 및 화합물 2-10 (1중량%)를 혼합하여 형성하였다.
[화학식 5-1] [화학식 5-2]
Figure pat00117
Figure pat00118
[화학식 5-3] [화학식 5-4]
Figure pat00119
Figure pat00120
[화학식 5-5]
Figure pat00121
[실시예 2]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 1-16 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[실시예 3]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 1-17 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[실시예 4]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 1-61 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[실시예 5]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 1-98 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[실시예 6]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 1-17 (10중량%)을 사용하고, 화합물 2-10 (1중량%) 대신 화합물 2-28 (1중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[실시예 7]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 1-17 (10중량%)을 사용하고, 화합물 2-10 (1중량%) 대신 화합물 2-73 (1중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 1]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 6-1 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 2]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 6-2 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 3]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 6-3 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 4]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 6-4 (10중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 5]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 6-1 (10중량%)을 사용하고, 화합물 2-10 (1중량%) 대신 화합물 2-28 (1중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 6]
발광층 형성 시, 화합물 1-7 (10중량%) 대신 화합물 6-1 (10중량%)을 사용하고, 화합물 2-10 (1중량%) 대신 화합물 2-73 (1중량%)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기 발광 소자를 제작하였다.
실시예 및 비교예에서 사용된 인광 도펀트 및 발광 도펀트의 화학식은 다음과 같다.
Figure pat00122
Figure pat00123
Figure pat00124
[실험예]
먼저, 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1 내지 비교예 6에서 각각 사용된 인광 도펀트(PD)의 발광 스펙트럼(PDEL) 및 형광 도펀트(FD)의 흡수 스펙트럼(FDads)을 분석하였으며, 인광 도펀트의 최대 발광 피크 파장 및 형광 도펀트의 최대 흡수 피크 파장을 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 인광 도펀트의 발광 피크와 형광 도펀트의 흡수 피크가 중첩되는 면적을 하기 표 1에 나타내었다.
또한, 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 6에서 각각 제조한 유기 발광 소자의 특성을 측정하였다. 각각의 유기 발광 소자를 외부전력 공급원에 연결하였으며, 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 사용하여 실온에서 소자 특성을 평가하였다. 10㎃/㎠의 전류밀도에서 측정한 각 소자의 구동 전압(V) 및 전류효율(cd/A) 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
PD FD 구동전압
[V]		 전류효율
[cd/A]		 λmax [nm] Overlap Area [%]
PDEL FDads
비교예 1 6-1 2-10 3.4 78 542 516 29
비교예 2 6-2 3.4 34 565 18
비교예 3 6-3 3.4 28 565 18
비교예 4 6-4 3.3 100 495 30
실시예 1 1-7 3.5 144 531 39
실시예 2 1-16 3.4 153 526 42
실시예 3 1-17 3.5 134 535 37
실시예 4 1-61 3.5 135 534 36
실시예 5 1-98 3.4 120 512 35
비교예 5 6-1 2-28 3.4 79 542 518 31
실시예 6 1-17 3.4 139 531 41
비교예 6 6-1 2-73 3.5 83 542 518 31
실시예 7 1-17 3.4 144 531 41
상기 표 1을 참조하면, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 화합물을 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트 화합물을 조합하여 발광층의 도펀트로 사용한 실시예 1 내지 7의 경우, 비교예 1 내지 6과 비교하여 구동 전압은 동등한 수준을 유지하면서도 전류효율이 크게 개선되는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1 내지 6에서 사용한 인광 도펀트 화합물의 경우, 형광 도펀트 대비 최대 피크가 장파장대에 나타나며, 이로 인해 인광 도펀트의 피크와 형광 도펀트의 흡수 피크가 중첩되는 면적이 작은 것을 확인할 수 있다.
그러나, 실시예 1 내지 7에서 사용한 인광 도펀트 화합물의 경우, 특정 위치에 할로겐기, 시아노기, 트리플루오로메틸기와 같은 억셉터가 도입되어 인광 도펀트의 피크 파장이 비교예 1 내지 6에 따른 인광 도펀트 화합물 대비 단파장대로 쉬프트된 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 인광 도펀트의 피크와 형광 도펀트의 흡수 피크가 중첩되는 면적이 35% 이상으로 증가한다. 이에 따라 형광 도펀트와 인광 도펀트 간의 에너지 전달 효율이 향상되어 소자 특성이 크게 개선되는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 비교예 3에서 사용한 화합물 6-3의 경우, 실시예 1에서 사용한 화합물 1-7과 억셉터 “F”의 위치를 제외하고는 화학구조가 동일하나, 비교예 3의 전류효율은 28cd/A이고, 실시예 1의 전류효율은 144cd/A로 차이가 상당한 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 4에서 사용한 화합물 6-4의 경우, 실시예 2에서 사용한 화합물 1-16과 억셉터 “F”의 위치를 제외하고는 화학구조가 동일하나, 비교예 3의 전류효율은 100cd/A이고, 실시예 2의 전류효율은 153cd/A로 그 차이가 상당한 것을 확인할 수 있다. 이로부터 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트와 같이 특정한 위치에 억셉터가 도입되어야 본 발명의 목적 및 효과를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치는 다음과 같이 설명될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자는, 애노드, 애노드 상에 배치되고 호스트, 하기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 하기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함하는 발광층 및 발광층 상에 배치되는 캐소드를 포함한다.
[화학식 1]
Figure pat00125
화학식 1에서, a1 내지 a5는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a6은 1 내지 4의 정수이고, a4와 a6의 합은 4 이하이며, R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 서로 인접하는 치환기가 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있으며, W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기, 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환된 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 이때, 치환된 알킬기, 치환된 아릴기 및 치환된 헤테로 아릴기 각각은 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기를 하나 이상 포함하고, n은 0 내지 3의 정수이다.
[화학식 2]
Figure pat00126
화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 서로 인접하는 치환기가 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 발광 피크와 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 피크는 서로 중첩되고, 발광 피크와 흡수 피크가 중첩되는 면적은 발광 피크와 흡수 피크를 합한 전체 면적에 대해 35% 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최대 발광 피크 파장과 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최대 흡수 피크 파장의 차이는 5nm 내지 20nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최저 비점유 분자 오비탈 에너지 준위(LUMOFD)와 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최저 비점유 분자 오비탈 에너지 준위(LUMOPD)의 차이는 하기 식 A를 충족할 수 있다.
[식 A]
0.1 ≥ LUMOFD - LUMOPD ≥ - 0.6
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최고 점유 분자 오비탈 에너지 준위(HOMOFD)는 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최고 점유 분자 오비탈 에너지 준위(HOMOPD)와 같거나 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 에너지 밴드 갭은 2.0eV 이상 내지 3.0eV 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 1에서, a1 내지 a4는 각각 0이고, a5는 0 또는 1이고, a6은 1 내지 4의 정수이며, a5가 1인 경우, R5는 수소, 중수소, 삼중수소 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고, W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기 및 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기로 하나 이상 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고, n은 1일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이고, R11 및 R13은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기 중에서 선택되고, R12 및 R14는 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 인광 도펀트는 전술한 화합물 1-1 내지 1-405 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 형광 도펀트는 전술한 화합물 2-1 내지 2-117 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 인광 도펀트 대 형광 도펀트의 중량의 비는 7:3 내지 10:1일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 호스트의 단일항 에너지 준위(S1H), 인광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1PD) 및 형광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1FD)는 하기 식 B를 충족하고, 호스트의 삼중항 에너지 준위(T1H), 인광 도펀트의 삼중항 에너지 준위(T1PD) 및 형광 도펀트의 삼중항 에너지 준위(T1FD)는 하기 식 C를 충족할 수 있다.
[식 B]
S1H > S1PD > S1FD
[식 C]
T1H > T1PD > T1FD
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 호스트는 전술한 화합물 3-1 내지 3-24 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 소자는 복수의 발광층을 포함하고, 복수의 발광층 중 적어도 하나의 발광층은 호스트, 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 소자는 정공주입층, 정공수송층, 정공차단층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층 중 선택되는 적어도 하나의 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 표시 장치는 기판, 기판 상의 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터 상에 배치되고, 전술한 유기 발광 소자를 포함한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 제한되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
OLED: 유기 발광 소자
AND: 애노드
HIL: 정공주입층
HTL: 정공수송층
EML: 발광층
ETL: 전자수송층
EIL: 전자주입층
CTD: 캐소드
100: 유기 발광 표시 장치
110: 기판
120: 박막 트랜지스터
121: 게이트 전극
122: 액티브층
123: 소스 전극
124: 드레인 전극
131: 버퍼층
132: 게이트 절연층
133: 층간 절연층
134: 오버 코팅층
135: 뱅크
R: 적색 서브 화소
G: 녹색 서브 화소
B: 청색 서브 화소

Claims (16)

  1. 애노드;
    상기 애노드 상에 배치되고 호스트, 하기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 하기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함하는 발광층; 및
    상기 발광층 상에 배치되는 캐소드를 포함하는, 유기 발광 소자.
    [화학식 1]
    Figure pat00127

    상기 화학식 1에서, a1 내지 a5는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, a6은 1 내지 4의 정수이고, a4와 a6의 합은 4 이하이며,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 서로 인접하는 치환기가 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있으며,
    W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기, 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환된 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 이때, 치환된 알킬기, 치환된 아릴기 및 치환된 헤테로 아릴기 각각은 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기를 하나 이상 포함하고,
    n은 0 내지 3의 정수이다.
    [화학식 2]
    Figure pat00128

    상기 화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고,
    R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 삼중수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 3 내지 40의 헤테로 아릴기 중에서 선택되고, 서로 인접하는 치환기가 결합되어 축합 고리를 형성할 수 있다.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 발광 피크와 상기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 흡수 피크는 서로 중첩되고,
    상기 발광 피크와 상기 흡수 피크가 중첩되는 면적은 상기 발광 피크와 상기 흡수 피크를 합한 전체 면적에 대해 35% 이상인, 유기 발광 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최대 발광 피크 파장과 상기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최대 흡수 피크 파장의 차이는 5nm 내지 20nm인, 유기 발광 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최저 비점유 분자 오비탈 에너지 준위(LUMOFD)와 상기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최저 비점유 분자 오비탈 에너지 준위(LUMOPD)의 차이는 하기 식 A를 충족하는, 유기 발광 소자.
    [식 A]
    0.1 ≥ LUMOFD - LUMOPD ≥ - 0.6
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트의 최고 점유 분자 오비탈 에너지 준위(HOMOFD)는 상기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 최고 점유 분자 오비탈 에너지 준위(HOMOPD)와 같거나 더 큰, 유기 발광 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트의 에너지 밴드 갭은 2.0eV 이상 내지 3.0eV 이하인, 유기 발광 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, a1 내지 a4는 각각 0이고, a5는 0 또는 1이고, a6은 1 내지 4의 정수이며, a5가 1인 경우, R5는 수소, 중수소, 삼중수소 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되고, W는 시아노기, 니트로기, 할로겐기 및 시아노기, 니트로기, 할로겐기 중 선택되는 치환기로 하나 이상 치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고, n은 1인, 유기 발광 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 화학식 2에서, b1 및 b2는 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이고,
    R11 및 R13은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기 중에서 선택되고, R12 및 R14는 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20의 알킬기 중에서 선택되는, 유기 발광 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 인광 도펀트는 하기 화합물 1-1 내지 1-405 중에서 선택되는, 유기 발광 소자.
    Figure pat00129

    Figure pat00130

    Figure pat00131

    Figure pat00132

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    Figure pat00193

    Figure pat00194

    Figure pat00195

    Figure pat00196
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 형광 도펀트는 하기 화합물 2-1 내지 2-117 중에서 선택되는, 유기 발광 소자.
    Figure pat00197

    Figure pat00198

    Figure pat00199

    Figure pat00200

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    Figure pat00213

    Figure pat00214

    Figure pat00215

    Figure pat00216
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 인광 도펀트 대 상기 형광 도펀트의 중량의 비는 7:3 내지 10:1인, 유기 발광 소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 호스트의 단일항 에너지 준위(S1H), 상기 인광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1PD) 및 상기 형광 도펀트의 단일항 에너지 준위(S1FD)는 하기 식 B를 충족하고,
    상기 호스트의 삼중항 에너지 준위(T1H), 상기 인광 도펀트의 삼중항 에너지 준위(T1PD) 및 상기 형광 도펀트의 삼중항 에너지 준위(T1FD)는 하기 식 C를 충족하는, 유기 발광 소자.
    [식 B]
    S1H > S1PD > S1FD
    [식 C]
    T1H > T1PD > T1FD
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 호스트는 하기 화합물 3-1 내지 3-24 중에서 선택되는, 유기 발광 소자.
    Figure pat00217

    Figure pat00218

    Figure pat00219

    Figure pat00220
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 유기 발광 소자는 복수의 발광층을 포함하고,
    상기 복수의 발광층 중 적어도 하나의 발광층은 상기 호스트, 상기 화학식 1로 표시되는 인광 도펀트 및 상기 화학식 2로 표시되는 형광 도펀트를 포함하는, 유기 발광 소자.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 유기 발광 소자는 정공주입층, 정공수송층, 정공차단층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층 중 선택되는 적어도 하나의 층을 더 포함하는, 유기 발광 소자.
  16. 기판; 상기 기판 상의 박막 트랜지스터; 및 상기 박막 트랜지스터 상의 유기 발광 소자를 포함하고,
    상기 유기 발광 소자는 제1항에 따른 유기 발광 소자인, 유기 발광 표시 장치.
KR1020210191272A 2021-12-29 2021-12-29 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 유기 발광 표시 장치 KR20230101288A (ko)

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