KR20230110447A - 유기 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 유기 화합물로서, 청색, 녹색, 적색 각 파장대에서의 굴절률 값이 종래의 정공수송 재료에 비하여 낮은 굴절률을 가져서 이를 정공수송층에 채용하여 소자를 구성하는 경우 유기발광소자의 효율 최적화를 기대할 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 화합물을 소자 내의 정공수송층 등에 채용하는 경우, 발광 효율, 양자 효율 등 발광 특성이 매우 우수한 유기발광소자의 구현이 가능하다.
[화학식 Ⅰ]

Description

유기 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 {Organic compound and electroluminescent device comprising the same}
본 발명은 유기발광소자에 채용되는 화합물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기발광소자 내의 유기층 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 재료로서 광학적 특성과 발광 특성을 보다 향상시킬 수 있는 새로운 재료의 개발이 요구되고 있으며, 소자 내 유기층 구조에 대한 개발 역시 계속 요구되고 있는 실정이다.
또한, 최근에는 상기 유기발광소자의 구조 중에서 정공수송층 재료에 대해서는 기존 유기 소재의 도전율 (mobility)을 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
따라서, 본 발명은 유기발광소자 내의 정공수송층 등의 유기층에 채용되어 소자의 저전압 구동과 향상된 발광 효율 등의 우수한 발광 특성을 구현할 수 있는 유기 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되고, A 및 B 중 적어도 하나 이상은 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 유기 화합물 및 이를 소자 내 정공수송층 등의 유기층에 포함하는 유기발광소자를 제공한다.
[화학식 Ⅰ]
[구조식 1]
상기 [화학식 Ⅰ]과 [구조식 1]의 특징적인 구조 및 이에 의하여 구현되는 본 발명에 따른 구체적인 화합물과 A, B, R, L1 내지 L3, Ar1 및 Ar2의 정의에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명에 따른 유기 화합물을 유기발광소자 내의 정공수송층 등의 유기층 재료로 채용할 경우에 소자의 저전압 구동과 우수한 발광 효율 등의 발광 특성을 구현할 수 있어 다양한 디스플레이 소자에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 소자의 저전압 구동과 우수한 발광 효율 등의 발광 특성을 거둘 수 있는 유기발광소자 내의 유기층에 채용되는 화합물에 관한 것으로서, 구조적으로 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 바와 같이 다이벤조퓨란 또는 다이벤조 티오펜을 골격으로 하면서 아민기를 도입하고, 특히 하기 특징적 위치에 A 및 B의 치환기를 도입하면서, A 및 B 중 적어도 하나 이상은 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 하기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 유기 화합물은 청색, 녹색, 적색 각 파장대 (450, 520, 630 nm)에서의 굴절률 값이 종래의 정공수송 재료에 비하여 낮은 굴절률을 가져서 이를 정공수송층에 채용하여 소자를 구성하는 경우 유기발광소자의 효율 최적화를 기대할 수 있다.
[화학식 Ⅰ]
상기 [화학식 Ⅰ]에서,
X는 O 또는 S이다.
A 및 B는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기 중에서 선택되고, 단 상기 A 및 B 중 적어도 하나 이상은 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 한다.
[구조식 1]
상기 [구조식 1]에서,
R은 수소, 중수소, 시아노기, 할로겐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬실릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴실릴기 중에서 선택된다.
s는 0 내지 4의 정수이고, 상기 s가 2 이상인 경우 복수 개의 R은 서로 동일하거나 상이하다.
L1 내지 L3은 각각 독립적으로 직접 결합이거나, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴렌기 중에서 선택되는 어느 하나이며, o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 상기 o, p 및 q가 각각 2 이상인 경우 복수 개의 L1 내지 L3은 각각 서로 동일하거나 상이하다.
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기 중에서 선택되는 어느 하나이며, n 및 m은 각각 0 내지 4의 정수이고, 상기 n 및 m이 각각 2 이상인 경우 복수 개의 A 및 B는 서로 동일하거나 상이하다.
또한, 본 발명에 따른 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물에서 상기 A 및 B 중 적어도 하나 이상은 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 것으로서, 상기 n+m ≥ 1인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 A, B, R, L1 내지 L3, Ar1 및 Ar2의 정의에서, '치환 또는 비치환된'이라 함은 상기 A, B, R, L1 내지 L3, Ar1 및 Ar2가 각각 중수소, 할로겐기, 시아노기, 알킬기, 할로겐화된 알킬기, 중수소화된 알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알콕시기, 할로겐화된 알콕시기, 중수소화된 알콕시기, 아민기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬실릴기 및 아릴실릴기로 이루어진 군에서 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 다른 치환기로 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 다른 치환기로 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 다른 치환기로 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, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 20인 것이 바람직하다. 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. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 입체적 방해를 주지 않는 범위인 1 내지 20개인 것이 바람직하다. 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.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 알킬기나 알콕시기는 중수소 또는/및 할로겐기로 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, 헤테로아릴기는 이종원자로 O, N 또는 S를 포함하는 헤테로고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 탄소수 2 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, 실릴기는 비치환된 실릴기 또는 알킬기, 아릴기 등으로 치환된 실릴기로서, 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.
본 발명에 있어서, 아민기는 -NH2, 알킬아민기, 아릴아민기, 아릴헤테로아릴아민기 등일 수 있고, 아릴아민기는 아릴로 치환된 아민을 의미하고, 알킬아민기는 알킬로 치환된 아민을 의미하는 것이며, 아릴헤테로아릴아민기는 아릴 및 헤테로아릴기로 치환된 아민을 의미하는 것으로서, 아릴아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 모노아릴아민기, 치환 또는 비치환된 디아릴아민기, 또는 치환 또는 비치환된 트리아릴아민기가 있고, 상기 아릴아민기 및 아릴헤테로아릴아민기 중의 아릴기 및 헤테로아릴기는 단환식 아릴기, 단환식 헤테로아릴기일 수 있고, 다환식 아릴기, 다환식 헤테로아릴기일 수 있으며, 상기 아릴기, 헤테로아릴기를 2 이상을 포함하는 아릴아민기, 아릴헤테로아릴아민기는 단환식 아릴기(헤테로아릴기), 다환식 아릴기(헤테로아릴기), 또는 단환식 아릴기(헤테로아릴기)와 다환식 아릴기(헤테로아릴기)를 동시에 포함할 수 있다. 또한, 상기 아릴아민기 및 아릴헤테로아릴아민기 중의 아릴기, 헤테로아릴기는 전술한 아릴기, 헤테로아릴기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
상기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 본 발명에 따른 유기 화합물은 그 구조적 특이성으로 인하여 유기발광소자 내의 다양한 유기층에 사용될 수 있으며, 바람직하게는 정공수송층에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 유기 화합물의 바람직한 구체예로는 하기 화합물들이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명에 따른 유기 화합물은 고유의 특성을 발휘하는 특징적인 골격과 이에 도입되는 고유의 특성을 갖는 모이어티 (moiety)를 이용하여 다양한 특성을 갖는 유기 화합물을 합성할 수 있고, 그 결과 본 발명에 따른 유기 화합물을 발광층, 정공수송층, 전자수송층, 전자저지층, 정공저지층 등 다양한 유기층 물질로 적용할 수 있고, 바람직하게는 정공수송 재료로 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 유기 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 등을 포함할 수 있으며, 유기발광소자에 구비되는 광효율 개선층 (Capping layer)을 포함하는 구조를 가질 수도 있으며, 그러나, 이에 한정되지 않고 더 적은 수, 더 많은 수의 유기층을 포함할 수도 있다.
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 정공주입층, 정공수송층, 발광층 및 전자수송층 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 전자주입이 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, 정공 주입 물질의 HOMO (highest occupied molecular orbital)가 양극 물질의 일함수와 주변 유기층의 HOMO 사이인 것이 바람직하다. 정공 주입 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, 본 발명에 따른 유기 화합물을 이용하여 소자의 저전압 구동 특성, 발광효율 및 수명 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
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 적합하고, 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.
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 25의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 25-1의 합성
1-Bromo-3-iodo-2-methoxybenzene (10.0 g, 0.032 mol), 3-bromo-4-chloro-2-fluorophenylboronic acid (9.7 g, 0.038 mol), K2CO3 (13.3 g, 0.096 mol), Pd(PPh3)4 (0.7 g, 0.0006 mol)에 Toluene 200 mL, EtOH 50 mL, H2O 50 mL 넣고 6시간 동안 100 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 25-1>을 8.5 g (수율 67.4%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 중간체 25-2의 합성
중간체 25-1 (10.0 g, 0.025 mol)을 anhydrous DCM에 용해시키고, BBr3 (in DCM) (15.9 g, 0.063 mol)를 0 ℃에서 적가하였다. 상온에서 16시간 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 25-2>를 7.1 g (수율 73.6%) 수득하였다.
(3) 제조예 3 : 중간체 25-3의 합성
중간체 25-2 (10.0 g, 0.026 mol), K2CO3 (9.1 g, 0.066 mol)에 NMP 500 mL 넣고 180 ℃에서 24시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 25-3>을 4.8 g (수율 50.7%) 수득하였다.
(4) 제조예 4 : 중간체 25-4의 합성
중간체 25-3 (10.0 g, 0.028 mol), 3-Pyridylboronic acid (8.2 g, 0.067 mol), K2CO3 (23.0 g, 0.167 mol), Pd(PPh3)4 (0.6 g, 0.0006 mol)에 Toluene 200 mL, EtOH 50 mL, H2O 50 mL 넣고 6시간 동안 100 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 25-4>를 6.2 g (수율 62.6%) 수득하였다.
(5) 제조예 5 : 화합물 25의 합성
중간체 25-4 (10.0 g, 0.028 mol), N-[1,1'-Biphenyl]-4-yl-9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-amine (15.2 g, 0.042 mol), NaOtBu (8.1 g, 0.084 mol), Pd(dba)2 (0.6 g, 0.001 mol), t-Bu3P (0.5 g, 0.002 mol)에 Toluene 150 mL를 넣고 4시간 동안 70 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 25>를 11.3 g (수율 59.1%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=681[(M)+]
합성예 2 : 화합물 27의 합성
(1) 제조예 1 : 화합물 27의 합성
중간체 25-4 (10.0 g, 0.028 mol), N-(9,9-Dimethyl-9H-fluoren-2-yl)-9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-amine (16.9 g, 0.042 mol), NaOtBu (8.1 g, 0.084 mol), Pd(dba)2 (0.6 g, 0.001 mol), t-Bu3P (0.5 g, 0.002 mol)에 Toluene 150 mL를 넣고 4시간 동안 70 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 27>을 10.8 g (수율 53.4%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=721[(M)+]
합성예 3 : 화합물 42의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 42-1의 합성
중간체 25-3 (10.0 g, 0.028 mol), B-[4-(3-Pyridinyl)phenyl]boronic acid (13.3 g, 0.067 mol), K2CO3 (23.0 g, 0.067 mol), Pd(PPh3)4 (0.6 g, 0.0006 mol)에 Toluene 200 mL, EtOH 50 mL, H2O 50 mL 넣고 6시간 동안 100 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 42-1>을 7.5 g (수율 53.1%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 화합물 42의 합성
중간체 42-1 (10.0 g, 0.020 mol), N-[1,1'-Biphenyl]-4-yl-9,9-dimethyl-9H-fluoren-2-amine (10.7 g, 0.030 mol), NaOtBu (5.7 g, 0.059 mol), Pd(dba)2 (0.5 g, 0.0008 mol), t-Bu3P (0.3 g, 0.002 mol)에 Toluene 150 mL를 넣고 4시간 동안 70 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 42>를 8.1 g (수율 49.4%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=834[(M)+]
합성예 4 : 화합물 118의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 118-1의 합성
1-Bromo-3-iodo-2-methoxybenzene (10.0 g, 0.032 mol), (3-bromo-5-chloro-2-fluorophenyl)boronic acid (9.7 g, 0.038 mol), K2CO3 (13.3 g, 0.096 mol), Pd(PPh3)4 (0.7 g, 0.0006 mol)에 Toluene 200 mL, EtOH 50 mL, H2O 50 mL 넣고 6시간 동안 100 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 118-1>을 7.2 g (수율 57.1%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 중간체 118-2의 합성
중간체 118-1 (10.0 g, 0.025 mol)을 anhydrous DCM에 용해시키고, BBr3 (in DCM) (15.9 g, 0.063 mol)를 0 ℃에서 적가하였다. 상온에서 16시간 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 118-2>를 8.1 g (수율 84.0%) 수득하였다.
(3) 제조예 3 : 중간체 118-3의 합성
중간체 118-2 (10.0 g, 0.026 mol), K2CO3 (9.1 g, 0.066 mol)에 NMP 500 mL 넣고 180 ℃에서 24시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼하여 <중간체 118-3>을 5.4 g (수율 57.0%) 수득하였다.
(4) 제조예 4 : 중간체 118-4의 합성
중간체 118-3 (10.0 g, 0.028 mol), (6-(2-(trifluoromethyl)phenyl)pyridin-3-yl)boronic acid (17.8 g, 0.067 mol), K2CO3 (23.0 g, 0.167 mol), Pd(PPh3)4 (0.6 g, 0.0006 mol)에 Toluene 200 mL, EtOH 50 mL, H2O 50 mL 넣고 6시간 동안 100 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 118-4>를 11.8 g (수율 65.9%) 수득하였다.
(5) 제조예 5 : 화합물 118의 합성
중간체 118-4 (10.0 g, 0.016 mol), Bis(4-biphenylyl)amine (7.5 g, 0.023 mol), NaOtBu (4.5 g, 0.047 mol), Pd(dba)2 (0.4 g, 0.0006 mol), t-Bu3P (0.3 g, 0.001 mol)에 Toluene 150 mL를 넣고 4시간 동안 70 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 118>을 7.7 g (수율 53.4%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=929[(M)+]
합성예 5 : 화합물 152의 합성
(1) 제조예 1 : 중간체 152-1의 합성
중간체 118-2 (10.0 g, 0.028 mol), B-(3,5-Di-3-pyridinylphenyl)boronic acid (18.4 g, 0.067 mol), K2CO3 (23.0 g, 0.167 mol), Pd(PPh3)4 (0.6 g, 0.0006 mol)에 Toluene 200 mL, EtOH 50 mL, H2O 50 mL 넣고 6시간 동안 100 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <중간체 152-1>을 10.2 g (수율 55.4%) 수득하였다.
(2) 제조예 2 : 화합물 152의 합성
중간체 152-1 (10.0 g, 0.015 mol), Bis(4-biphenylyl)amine (7.3 g, 0.045 mol), NaOtBu (4.4 g, 0.045 mol), Pd(dba)2 (0.4 g, 0.0006 mol), t-Bu3P (0.2 g, 0.001 mol)에 Toluene 150 mL를 넣고 4시간 동안 70 ℃에서 교반하여 반응시켰다. 반응 종료 후, 추출하여 농축한 후 컬럼 및 재결정하여 <화합물 152>를 6.8 g (수율 47.6%) 수득하였다.
LC/MS: m/z=948[(M)+]
실험예 1 : 본 발명에 따른 화합물의 광학 특성
본 발명에 따른 실험예 1을 위하여, 25 mm × 25 mm 크기를 갖는 Quartz glass를 세정하였다. 그 후 진공 챔버에 장착하여 베이스 압력이 1 × 10-6 torr 이상 되면 유리기판 위에 본 발명에 따른 화합물 및 비교 화합물을 각각 증착하여 광학 특성을 측정하였다.
소자 실시예 1 내지 5
본 발명에 따른 유기발광소자를 구현하는 실시예 화합물 1 내지 5를 유리 기판 위에 각각 100 nm 증착하여 굴절률을 측정하였다.
Quartz glass / 유기물 (100 nm)
비교예 1
비교예 1을 위한 기판은 실시예 화합물 1 내지 5 대신 하기 [α-NPB]를 사용한 것을 제외하고 동일하게 제작하여 광학 특성을 측정하였다.
실험예 1 : 실시예 1 내지 5 화합물의 광학 특성
상기 실시예 및 비교예 화합물을 이용하여 제작된 기판에 대해서 Ellipsometry (Elli-SE)를 이용하여 굴절률을 측정하였다. 청색 (450 nm), 녹색 (520 nm), 적색 (630 nm)의 각 파장 영역에서 굴절률을 측정하였으며 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
구분 굴절률
청색 (450 nm) 녹색 (520 nm) 적색 (630 nm)
실시예 1 (화합물 25) 1.84 1.79 1.69
실시예 2 (화합물 27) 1.83 1.76 1.67
실시예 3 (화합물 42) 1.79 1.72 1.66
실시예 4 (화합물 118) 1.81 1.74 1.68
실시예 5 (화합물 152) 1.85 1.81 1.76
비교예 1 (α-NPB) 1.92 1.84 1.78
이와 같이 본 발명에 따른 실시예 화합물은 각 파장대 (450, 520, 630 nm)에서의 굴절률 값이 비교예 1 화합물 (α-NPB) 보다 현저히 낮으며, 낮은 굴절률 값을 갖는 본 발명에 따른 화합물을 정공수송층에 채용할 경우 소자의 효율 최적화를 기대할 수 있다.
[α-NPB]
소자 실시예 ( HTL )
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 6 내지 33
본 발명에 따라 구현되는 화합물을 정공수송층에 채용하여, 하기와 같은 소자 구조를 갖는 유기발광소자를 제작 후, 본 발명에 따라 구현되는 화합물이 갖는 발광 및 구동 특성을 측정하였다.
Ag/ITO / 정공주입층 (HAT-CN, 5 nm) / 정공수송층 (60 nm) / 전자저지층 (EB1, 10 nm) / 발광층 (20 nm) / 전자수송층 (ET1:Liq, 30 nm) / LiF (1 nm) / Mg:Ag (15nm) / 광효율 개선층 (70 nm)
유리 기판상에 Ag를 포함하는 ITO 투명 전극 상부에 [HAT-CN]을 5 nm 두께로 성막하여 정공주입층을 형성한 후에, 하기 [표 2]에 기재된 본 발명에 따른 화합물을 60 nm로 성막하여 정공수송층을 형성하였으며, [EB1]을 10 nm 두께로 성막하여 전자저지층을 형성하였다. 발광층은 호스트 화합물로 [BH1], 도펀트 화합물로 [BD1]을 사용하여 20 nm로 공증착하여 형성하였다. 이후, 전자수송층 (하기 [ET1] 화합물 Liq 50% 도핑)을 30 nm 증착한 후, LiF를 1 nm의 두께로 성막하여 전자주입층을 형성하였다. 그 후, Mg:Ag를 1:9의 비율로 15 nm의 두께로 성막하여 캐소드를 형성하였다. 그리고 광효율 개선층 (capping layer) 화합물로는 Alq3 화합물을 70 nm의 두께로 성막하여 유기발광소자를 제작하였다.
소자 비교예 2
소자 비교예 2를 위한 유기발광소자는 상기 실시예 6 내지 33의 소자구조에서 정공 수송층에 본 발명에 따른 화합물 대신에 하기 [α-NPB]를 사용한 것을 제외하고 동일하게 제작하였다.
실험예 2 : 소자 실시예 6 내지 33의 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 2]와 같다.
실시예 정공수송층 V cd/A CIEx CIEy
6 화학식 3 3.84 8.14 0.1353 0.0538
7 화학식 18 3.73 8.10 0.1341 0.0569
8 화학식 21 3.82 8.28 0.1354 0.0512
9 화학식 25 3.66 8.16 0.1339 0.0526
10 화학식 27 3.80 8.21 0.1348 0.0531
11 화학식 33 3.64 8.27 0.1366 0.0503
12 화학식 42 3.71 8.23 0.1371 0.0481
13 화학식 55 3.63 8.19 0.1369 0.0489
14 화학식 71 3.82 8.28 0.1372 0.0550
15 화학식 89 3.76 8.11 0.1356 0.0561
16 화학식 97 3.91 8.25 0.1367 0.0533
17 화학식 101 3.86 8.19 0.1368 0.0513
18 화학식 118 3.87 8.02 0.1347 0.0533
19 화학식 129 3.95 8.17 0.1351 0.0541
20 화학식 131 3.84 8.20 0.1343 0.0563
21 화학식 137 3.70 8.23 0.1379 0.0531
22 화학식 143 3.82 8.29 0.1373 0.0526
23 화학식 152 3.65 7.98 0.1376 0.0528
24 화학식 197 3.68 8.13 0.1380 0.0554
25 화학식 203 3.74 8.21 0.1371 0.0561
26 화학식 218 3.86 8.17 0.1363 0.0540
27 화학식 230 3.91 8.24 0.1372 0.0525
28 화학식 241 3.74 7.95 0.1362 0.0496
29 화학식 267 3.82 8.03 0.1354 0.0554
30 화학식 274 3.79 8.18 0.1359 0.0578
31 화학식 301 3.80 8.21 0.1343 0.0569
32 화학식 322 3.91 8.13 0.1343 0.0592
33 화학식 348 3.88 8.29 0.1348 0.0586
비교예 2 α-NPB 4.33 7.84 0.1471 0.0583
상기 [표 2]에 나타낸 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 화합물을 소자 내 정공수송층에 채용한 유기발광소자의 경우 종래 정공수송 재료로 널리 사용된 화합물을 채용한 유기발광소자 (비교예 2)에 비하여 구동 전압이 감소하고, 전류 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이는 상기 [표 1]에서 확인한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 화합물의 굴절률이 종래 정공수송 재료로 사용된 비교예 화합물에 비하여 현저하게 낮아짐에 따라 발광효율이 최적화되어 개선됨을 명확히 확인할 수 있다.
[HAT-CN] [α-NPB] [BH1] [BD1] [ET1]
[EB1]

Claims (6)

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

    상기 [화학식 Ⅰ]에서,
    X는 O 또는 S이고,
    A 및 B는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기 중에서 선택되는 어느 하나이고,
    상기 A 및 B 중 적어도 하나 이상은 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하며
    [구조식 1]

    상기 [구조식 1]에서,
    R은 수소, 중수소, 시아노기, 할로겐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 헤테로시클로알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬실릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴실릴기 중에서 선택되는 어느 하나이고,
    s는 0 내지 4의 정수이고, 상기 s가 2 이상인 경우 복수 개의 R은 서로 동일하거나 상이하며,
    L1 내지 L3은 각각 독립적으로 직접 결합이거나, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴렌기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
    o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 상기 o, p 및 q가 각각 2 이상인 경우 복수 개의 L1 내지 L3은 각각 서로 동일하거나 상이하며,
    Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기 및 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 30의 헤테로아릴기 중에서 선택되는 어느 하나이며,
    n 및 m은 각각 0 내지 4의 정수이고 (n+m ≥ 1), 상기 n 및 m이 각각 2 이상인 경우 복수 개의 A 및 B는 서로 동일하거나 상이하다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 A, B, R, L1 내지 L3, Ar1 및 Ar2의 정의에서, '치환 또는 비치환된'이라 함은 상기 A, B, R, L1 내지 L3, Ar1 및 Ar2가 각각 중수소, 할로겐기, 시아노기, 알킬기, 할로겐화된 알킬기, 중수소화된 알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알콕시기, 할로겐화된 알콕시기, 중수소화된 알콕시기, 아민기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬실릴기 및 아릴실릴기로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2 이상의 치환기로 치환되거나, 상기 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환기로 치환되거나, 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것인 것을 특징으로 하는 화합물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 [화학식 Ⅰ]은 하기 [화합물 1] 내지 [화합물 356] 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화합물:



































  4. 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 1층 이상의 유기층을 포함하는 유기발광소자로서,
    상기 유기층 중 1 층 이상은 제1항에 따른 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물을 포함하는 것인 유기발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유기층은 정공주입층, 정공수송층, 정공주입과 정공수송 기능을 동시에 하는 층, 전자수송층, 전자주입층, 전자수송과 전자주입 기능을 동시에 하는 층, 전자저지층, 정공저지층 및 발광층 중에서 선택되는 1층 이상을 포함하고,
    상기 층들 중 1층 이상이 상기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정공수송층, 정공주입층 및 정공수송과 정공주입 기능을 동시에 하는 층 중 어느 하나에 상기 [화학식 Ⅰ]로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
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