WO2023211162A1 - 유기 전계 발광 소자 - Google Patents

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WO2023211162A1
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compound
organic electroluminescent
paragraph
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PCT/KR2023/005722
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English (en)
French (fr)
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한송이
김태형
심재의
이용환
박우재
김진웅
문종훈
김영모
김근형
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솔루스첨단소재 주식회사
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Definitions

  • the present invention is an electron transport layer of at least two layers, including a first layer disposed adjacent to the light emitting layer and composed of a single compound, and a second layer disposed adjacent to the cathode and composed of at least two types of organic compounds to achieve low driving voltage and high luminous efficiency. It relates to an organic electroluminescent device with improved properties such as.
  • the introduction of a multi-layer laminated structure has improved the performance of organic EL devices to commercialization characteristics, and is attempting to expand its scope of application to portable information display devices and TV display devices, starting with automotive radio display products in 1997.
  • organic EL devices In an organic EL device, when current or voltage is applied to two electrodes, holes are injected into the organic material layer from the anode, and electrons are injected into the organic material layer from the cathode. When the injected hole and electron meet, an exciton is formed, and this exciton falls to the ground state and emits light. At this time, organic EL devices can be divided into fluorescent EL devices in which singlet excitons contribute to light emission and phosphorescent EL devices in which triplet excitons contribute to light emission, depending on the type of electron spin of the formed exciton.
  • the electron spin of the exciton formed by the recombination of electrons and holes is generated by singlet excitons and triplet excitons at a ratio of 25% and 75%.
  • Fluorescent EL devices that emit light by singlet excitons theoretically cannot exceed 25% in internal quantum efficiency depending on the generation rate, and 5% in external quantum efficiency is accepted as the limit.
  • Phosphorescent EL devices that emit light by triplet exciton improve luminous efficiency by up to 4 times compared to fluorescence when metal complex compounds containing transition metal heavy atoms such as Ir and Pt are used as phosphorescent dopants. You can do it.
  • organic EL devices used an electron transport layer doped with a lithium compound to facilitate the injection of electrons from the cathode. Because this electron transport layer contains metal, it is fundamentally prone to oxidation, which may cause a decrease in the lifespan of the organic electroluminescent device.
  • the present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and consists of at least two electron transport layers composed only of organic compounds, wherein the first layer is composed of a single compound in a region of the electron transport layer adjacent to the light-emitting layer;
  • the purpose is to provide an organic EL device that simultaneously exhibits high efficiency, low voltage, and long life by providing a second layer composed of a mixture of at least two types of organic compounds in a region of the electron transport layer adjacent to the cathode.
  • the present invention includes an anode; a cathode disposed opposite to the anode; a light emitting layer disposed between the anode and the cathode; and an electron transport layer disposed between the light-emitting layer and the cathode, wherein the electron transport layer includes at least two layers including a first layer and a second layer, and a first layer in contact with the light-emitting layer among the at least two layers.
  • the electron transport layer includes at least two layers including a first layer and a second layer, and a first layer in contact with the light-emitting layer among the at least two layers.
  • the electron transport layer includes at least two layers including a first layer and a second layer, and a first layer in contact with the light-emitting layer among the at least two layers.
  • the second layer disposed adjacent to the cathode is composed of at least two kinds of organic mixtures including a second compound and a third compound
  • the second layer is composed of the second compound and the third compound. Any one of the three
  • the electron transport layer having at least two layers does not contain metal and may be made of an organic material.
  • the HOMO energy level of the first layer may be 5.4 eV or more.
  • the band gap energy of the first layer may be 2.7 eV or more.
  • the triplet energy of the first layer may be 1.5 eV or more.
  • the singlet energy of the first layer may be 2.5 eV or more.
  • the HOMO energy level of the second layer may be 5.6 eV or more.
  • the band gap energy of the second layer may be 2.5 eV or more.
  • the triplet energy of the second layer may be 1.7 eV or more.
  • the sum (D) of the combined moment vectors of the first layer and the second layer may each be 3.336 ⁇ 10 -31 C ⁇ m or more.
  • the second layer may be co-deposited of different second and third compounds.
  • the first to third compounds may be different materials.
  • the sum of the bond moment vectors of any one of the second and third compounds constituting the second layer (D 2 ) is the sum of the bond moment vectors of the first compound (D 1 ) It may be larger.
  • one of the second compound and the third compound may be the same material as the first compound, and the other may be a different material from the first compound.
  • the sum of the bond moment vectors of materials different from the first compound among the second and third compounds (D 2 ) is the sum of the bond moment vectors of the first compound (D 1 ) may be larger.
  • the content of a material different from the first compound may be greater than the content of the same material as the first compound.
  • the mixing ratio of the second compound and the third compound may be 50:50 to 90:10 by weight, based on the total weight of the second layer.
  • the present invention includes a hole transport region disposed between the anode and the light emitting layer, and the hole transport region may include at least one of a hole injection layer and a hole transport layer.
  • the organic electroluminescent device may include a plurality of light-emitting layer stacks including at least one light-emitting layer.
  • At least two electron transport layers composed only of organic compounds are formed, wherein a first layer composed of a single compound is disposed in one region of the electron transport layer adjacent to the light-emitting layer, and another region adjacent to the cathode.
  • a second layer composed of at least two types of organic mixture it is possible to exhibit low voltage, high efficiency, and long life characteristics compared to an organic electroluminescent device using a metal-containing electron transport layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an organic electroluminescent device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an organic electroluminescent device 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • an organic electroluminescent device 100 When described with reference to FIG. 1, an organic electroluminescent device 100 according to an embodiment of the present invention includes an anode 10; cathode (20); A light emitting layer (40) located between the anode (10) and the cathode (20); a hole transport region 30 located between the anode 10 and the light emitting layer 40; and an electron transport region 50 located between the light emitting layer 40 and the cathode 20, wherein the electron transport region 50 includes at least two layers of electron transport layers 51, wherein the light emitting layer 40 )
  • a first layer (51a) composed of a first compound is disposed in one area of the electron transport layer 51 in contact with the cathode 20, and at least two types of It has a structure in which a second layer 51b composed of an organic mixture is disposed.
  • the anode 10 serves to inject holes into the organic material layer (A).
  • the material forming the anode 10 is not particularly limited, and common materials known in the art can be used.
  • Non-limiting examples thereof include metals such as vanadium, chromium, copper, zinc, and gold; alloys thereof; metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO); Combinations of metals and oxides such as ZnO:Al, SnO 2 :Sb; Conductive polymers such as polythiophene, poly(3-methylthiophene), poly[3,4-(ethylene-1,2-dioxy)thiophene] (PEDT), polypyrrole, and polyaniline; and carbon black.
  • metals such as vanadium, chromium, copper, zinc, and gold
  • alloys thereof metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide (IZO); Combinations of metals and oxides such as ZnO:Al, SnO 2 :S
  • the method of manufacturing the anode 10 is also not particularly limited, and may be manufactured according to a conventional method known in the art.
  • One example is a method of coating an anode material on a substrate made of a silicon wafer, quartz, glass plate, metal plate, or plastic film.
  • the cathode 20 serves to inject electrons into the organic material layer (A).
  • the material forming the cathode 20 is not particularly limited, and common materials known in the art can be used. Non-limiting examples thereof include metals such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, gadolinium, aluminum, silver, tin, and lead; alloys thereof; and multilayer structure materials such as LiF/Al and LiO 2 /Al.
  • the method of manufacturing the cathode 20 is also not particularly limited, and may be manufactured according to methods known in the art.
  • the organic material layer (A) included in the organic electroluminescent device according to the present invention can be used without limitation any of the typical configurations used as organic material layers in existing organic EL devices, for example, the hole transport region 30, the light emitting layer 40, and the electron layer. It may include one or more types selected from the group consisting of the transport area 50. At this time, considering the characteristics of the organic electroluminescent device, it is preferable to include all of the above-mentioned organic layers.
  • the hole transport region 30 included in the organic material layer (A) of the present invention serves to move holes injected from the anode 10 to the light emitting layer 40.
  • This hole transport region 30 may include one or more types selected from the group consisting of a hole injection layer 31 and a hole transport layer 32. At this time, considering the characteristics of the organic electroluminescent device, it is preferable to include both the hole injection layer 31 and the hole transport layer 32 described above.
  • the material forming the hole injection layer 31 and the hole transport layer 32 is not particularly limited as long as it has a low hole injection barrier and high hole mobility, and the hole injection layer/transport layer materials used in the industry are not limited. You can use it. At this time, the materials forming the hole injection layer 31 and the hole transport layer 32 may be the same or different from each other.
  • the hole injection material may be any hole injection material known in the art without limitation.
  • usable hole injection materials include phthalocyanine compounds such as copper phthalocyanine; DNTPD (N,N'-diphenyl-N,N'-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]-biphenyl-4,4'-diamine), m-MTDATA(4,4' ,4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine), TDATA (4,4'4"-Tris(N,N-diphenylamino)triphenylamine), 2TNATA (4,4',4"-tris ⁇ N,-(2 -naphthyl)-N-phenylamino ⁇ -triphenylamine), PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate)), PANI/DBSA (Polyani
  • the hole transport material may be any hole transport material known in the art without limitation.
  • hole transport materials that can be used include carbazole-based derivatives such as phenylcarbazole and polyvinylcarbazole, fluorene-based derivatives, TPD (N,N'-bis(3-methylphenyl)-N, Triphenylamine derivatives such as N'-diphenyl-[1,1-biphenyl]-4,4'-diamine), TCTA (4,4',4"-tris(N-carbazolyl)triphenylamine), NPB(N ,N'-di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidine), TAPC (4,4'-Cyclohexylidene bis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine]), etc. Use these alone. Or, two or more types can be used together.
  • the hole transport region 30 can be manufactured through a common method known in the art. For example, there are vacuum deposition methods, spin coating methods, casting methods, LB methods (Langmuir-Blodgett), inkjet printing methods, laser printing methods, and laser induced thermal imaging (LITI) methods, but are not limited thereto.
  • vacuum deposition methods spin coating methods, casting methods, LB methods (Langmuir-Blodgett), inkjet printing methods, laser printing methods, and laser induced thermal imaging (LITI) methods, but are not limited thereto.
  • the light-emitting layer 40 included in the organic material layer (A) of the present invention is a layer where holes and electrons meet to form excitons, and the color of light emitted by the organic electroluminescent device varies depending on the material forming the light-emitting layer 40. It may vary.
  • This light-emitting layer 40 may include a host and a dopant, and the mixing ratio thereof can be appropriately adjusted within a range known in the art.
  • the light emitting layer 40 may include 70 to 99.9 parts by weight of the host and 0.1 to 30 parts by weight of the dopant based on the total weight of the light emitting layer 40. More specifically, when the light emitting layer 40 is blue fluorescent, green fluorescent, or red fluorescent, it may include 80 to 99.9 parts by weight of the host and 0.1 to 20 parts by weight of the dopant. Additionally, when the light-emitting layer 40 is blue fluorescent, green fluorescent, or red phosphorescent, it may include 70 to 99 parts by weight of the host and 1 to 30 parts by weight of the dopant.
  • the host included in the light emitting layer 40 of the present invention is not particularly limited as long as it is known in the art, and non-limiting examples include an alkali metal complex; alkaline earth metal complex; or condensed aromatic ring derivatives.
  • host materials include aluminum complexes, beryllium complexes, anthracene derivatives, pyrene derivatives, triphenylene derivatives, carbazole derivatives, dibenzofuran derivatives, and dibenzo compounds, which can increase the luminous efficiency and lifespan of organic electroluminescent devices. It is preferable to use thiophene derivatives, or a combination of one or more types thereof.
  • the dopants included in the light-emitting layer 40 of the present invention are not particularly limited as long as they are known in the art, and non-limiting examples include anthracene derivatives, pyrene derivatives, arylamine derivatives, iridium (Ir), or platinum (Pt). ), etc. can be mentioned.
  • the dopant can be classified into red dopant, green dopant, and blue dopant. Red dopant, green dopant, and blue dopant commonly known in the art can be used without particular limitation.
  • red dopants include PtOEP (Pt(II) octaethylporphine), Ir(piq)3 (tris(2-phenylisoquinoline)iridium: tris(2-phenylisoquinoline) )iridium), Btp2Ir(acac) (bis(2-(2'-benzothienyl)-pyridinato-N,C3')iridium(acetylacetonate): bis(2-(2'-benzothienyl)-pyridinato-N ,C3')iridium (acetylacetonate)), or mixtures of two or more thereof.
  • PtOEP Pt(II) octaethylporphine
  • Ir(piq)3 tris(2-phenylisoquinoline)iridium: tris(2-phenylisoquinoline) )iridium
  • green dopants include Ir(ppy)3 (tris(2-phenylpyridine) iridium: tris(2-phenylpyridine) iridium), Ir(ppy)2(acac) (Bis(2-phenylpyridine)( Acetylacetonato)iridium(III): Bis(2-phenylpyridine)(acetylaceto)iridium(III)), Ir(mppy)3 (tris(2-(4-tolyl)phenylpiridine)iridium: Tris(2-(4-) Tolyl) phenylpyridine) iridium), C545T (10-(2-benzothiazolyl)-1,1,7,7-tetramethyl-2,3,6,7-tetrahydro-1H,5H,11H-[1]benzopyrano [6 ,7,8-ij]-quinolizin-11-one: 10-(2-benzothiazolyl)-1,1,7,7-t
  • blue dopants include F2Irpic (Bis[3,5-difluoro-2-(2-pyridyl)phenyl](picolinato)iridium(III): bis[3,5-difluoro-2-( 2-pyridyl)phenyl(picolinato) iridium(III)), (F2ppy)2Ir(tmd), Ir(dfppz)3, DPVBi (4,4'-bis(2,2'-diphenylethen-1-yl) )biphenyl: 4,4'-bis(2,2'-diphenylethen-1-yl)biphenyl), DPAVBi (4,4'-Bis[4-(diphenylamino)styryl]biphenyl: 4,4' -bis(4-diphenylaminostyryl)biphenyl), TBPe (2,5,8,11-tetra-tert-butyl perylene: 2,
  • the light-emitting layer 40 includes a red light-emitting layer containing a red phosphorescent material; A green light-emitting layer comprising a green phosphorescent material; Alternatively, it may be a blue light-emitting layer containing a blue phosphorescent material or a blue fluorescent material. Preferably, it may be a light-emitting layer containing a blue fluorescent material.
  • the above-described light-emitting layer 40 may be made of a single layer made of one type of material, a single layer made of a plurality of different materials, or a plurality of two or more layers, with each layer made of a different material.
  • the organic electroluminescent device can emit light of various colors.
  • the present invention can provide an organic electroluminescent device that has a plurality of light-emitting layers made of different materials in series and has mixed colors.
  • the driving voltage of the device increases, while the current value within the organic electroluminescent device remains constant, making it possible to provide an organic electroluminescent device whose luminous efficiency is improved by the number of light-emitting layers.
  • the organic electroluminescent device 100 may include a plurality of light emitting stacks (not shown) including at least one light emitting layer.
  • the plurality of light-emitting layers included in this light-emitting stack may each emit light of different colors or may be light-emitting layers that emit light of the same color.
  • the color of light emission may vary depending on the material constituting the light emitting layer.
  • the plurality of light-emitting stacks may include materials that emit blue, green, red, yellow, or white light, and may be formed using phosphorescent or fluorescent materials.
  • the colors displayed by each light-emitting layer may be complementary to each other.
  • the color may be selected as a combination of colors that can emit white light.
  • Each of these light-emitting layers may include phosphorescent dopants or fluorescent dopants corresponding to the selected color, respectively.
  • the organic electroluminescent device 100 may further include a charge generation layer (not shown) disposed between adjacent stacks among the plurality of light emitting stacks and connecting them.
  • the charge generation layer refers to a layer that separates adjacent light-emitting stacks without directly contacting a positive electrode (eg, anode, cathode) in an organic light-emitting device having a plurality of light-emitting stacks.
  • This charge generation layer is placed between two adjacent light-emitting stacks and acts as a cathode by generating electrons for one light-emitting stack, and as an anode by generating holes for the other light-emitting stack. Do it.
  • This charge generation layer can be made of materials that can be used as charge generation layer (CGL) materials known in the art without limitation.
  • the charge generation layer may be formed by doping the material for use with a typical n-type material and/or a p-type material known in the art.
  • the electron transport region 50 included in the organic material layer (A) serves to move electrons injected from the cathode 20 to the light emitting layer 40.
  • This electron transport region 50 may include at least two or more multilayer electron transport layers 51, or the multilayer electron transport layer 51 and the electron injection layer 52. If necessary, an auxiliary electron transport layer (not shown) may be further included.
  • lithium compounds such as Li, LiF, and LiQ are sometimes formed as a layer together with the electron transport layer material.
  • the electron transport layer doped with a lithium compound contains metal, it is likely to be oxidized over time, which is highly likely to fundamentally reduce the lifespan of the organic electroluminescent device.
  • the problems of metal-containing electron transport layers are fundamentally solved by constructing an electron transport layer composed only of organic compounds instead of lithium compounds.
  • an organic material with a high electron injection ability to construct an electron transport layer with a predetermined multi-layer structure it is intended to exhibit low voltage, high efficiency, and long life characteristics that are superior to those of the organic electroluminescent device using the above-mentioned metal-containing electron transport layer.
  • an electron transport layer 51 of at least two layers non-containing metal is formed, and a region of the electron transport layer 51 adjacent to the light-emitting layer 40 contains a single compound (e.g., a first A first layer 51a composed of a compound) is disposed, and a second layer 51b composed of at least two types of organic mixtures (e.g., 2-3 compounds) is disposed in another area adjacent to the cathode 20. Place it.
  • a single compound e.g., a first A first layer 51a composed of a compound
  • a second layer 51b composed of at least two types of organic mixtures (e.g., 2-3 compounds) is disposed in another area adjacent to the cathode 20. Place it.
  • one of the single compound (e.g., first compound) constituting the first layer 51a and the organic mixture (e.g., second to third compounds) constituting the second layer 51b is the same or both may be different.
  • the first layer 51a is a single layer composed of an organic compound that has a stable structure during electron transfer.
  • This first layer 51a can improve the efficiency of the device by blocking holes coming from the light-emitting layer and increasing the exciton density of the light-emitting layer. It also serves to increase mobility so that electrons transferred from the second layer 51b can be quickly transferred to the light emitting layer 40.
  • the first layer 51a is composed of a predetermined single organic compound and can further satisfy at least one of the physical properties described below in order to improve the performance of the device described above and at the same time exhibit low driving voltage and high efficiency characteristics. there is.
  • the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) energy level of the first layer 51a may be 5.4 eV or more, specifically 5.4 to 6.5 eV, and more specifically 5.4 to 6.3 eV.
  • this HOMO energy value it is possible to prevent holes transferred to the light emitting layer 40 from diffusing or passing over to other electron transport regions. Accordingly, the luminous efficiency of the organic electroluminescent device can be further increased by increasing the recombination probability of holes and electrons inside the light emitting layer 40.
  • the lifespan characteristics of the device can be improved by solving the irreversible decomposition reaction due to oxidation that occurs when holes diffuse or move beyond the light-emitting layer 40 to another layer and the resulting decrease in lifespan of the organic electroluminescent device.
  • the HOMO energy level may mean the absolute value size of HOMO.
  • the band gap energy (E bg ) of the first layer 51a may be 2.7 eV or more, specifically 2.7 to 4.0 eV, and more specifically 2.7 to 3.8 eV.
  • the first layer 51a has the above-described bandgap energy, it can exhibit high efficiency characteristics.
  • the triplet energy (T1) of the first layer 51a may be 1.5 eV or more, specifically 1.5 to 3.3 eV, and more specifically 1.6 to 3.3 eV. This prevents excitons from moving to other layers, thereby significantly increasing the efficiency of the organic electroluminescent device.
  • the singlet energy (S1) of the first layer 51a may be 2.5 eV or more, specifically 2.5 to 3.5 eV, and more specifically 2.7 to 3.5 eV. It prevents singlet excitons from diffusing to adjacent interfaces and/or other layers or emitting light at the interface, and singlet excitons are efficiently confined. Accordingly, the amount of exciton increases, thereby improving the luminous efficiency of the organic electroluminescent device. As a result, this can prevent spectral color mixing of the organic electroluminescent device and improve stability, thereby improving the efficiency and lifespan of the organic electroluminescent device.
  • the second layer 51b is a single layer formed by mixing two or more types of specific organic materials with high electron injection ability (e.g., compounds 2-3) instead of metals, such as lithium compounds. It's a floor.
  • an organic material effective in improving lifespan e.g., a second compound
  • an organic material effective in improving efficiency e.g., a third compound
  • the second layer 51b includes an organic mixture of different second and third compounds. This organic mixture may be co-deposited or may be formed according to a conventional method known in the art.
  • the mixing ratio of the second compound and the third compound is not particularly limited, and for example, is 50:50 to 90 based on the total weight of the second layer (51b). : It may be a weight ratio of 10.
  • the material having a higher content among the second and third compounds mainly plays an electron transport role in moving electrons injected from the cathode 20 to the light-emitting layer 40, and has a lower content. Materials having this content can play an auxiliary role in the electron transport layer.
  • the second layer 51b which is composed of a predetermined organic mixture, can improve the performance of the device by excluding the use of metal, and has at least one of the physical properties described later to demonstrate the low voltage, high efficiency, and long life characteristics of the device. It is desirable to be more satisfied.
  • the HOMO energy level of the second layer 51b may be greater than the HOMO energy level of the above-described first layer 51a.
  • it may be 5.6 eV or more, specifically 5.6 to 6.5 eV, and more specifically 5.6 to 6.3 eV.
  • the HOMO energy level may mean the absolute value size of HOMO.
  • the band gap energy of the second layer 51b may be smaller than the band gap energy of the above-described first layer 51a.
  • it may be 2.5 eV or more, specifically 2.5 to 3.7 eV, and more specifically 2.5 to 3.5 eV.
  • the triplet energy of the second layer 51b may be greater than the triplet energy of the above-described first layer 51a.
  • it may be 1.7 eV or more, specifically 1.7 to 3.3 eV, and more specifically 1.7 to 3.1 eV.
  • the sum (D) of the combined moment vectors of the first layer 51a and the second layer 51b may each be 3.336 ⁇ 10 -31 C ⁇ m or more.
  • the sum (D) of the bond moment vectors may mean obtained from the results of a structural optimization calculation based on density function calculation B3LYP/6-31G* for the compounds constituting each layer (51a, 51b).
  • the sum (D 2 ) of the coupling moment vectors of the second layer 51b disposed at a predetermined distance based on the light emitting layer 40 is the bond of the first layer 51a disposed adjacent to the light emitting layer 40. It may be larger than the sum of the moment vectors (D 1 ).
  • the sum (D) of the combined moment vectors of the first layer 51a and the second layer 51b is configured as above, excitons are prevented from being lost at the interface between the light emitting layer 40 and the electron transport layer 51, thereby preventing the device from being lost. efficiency can be improved.
  • the difference (D 2 - D 1 ) in the sum of the coupling moment vectors between the second layer 51b and the first layer 51a may be greater than 0.
  • one of the first compound constituting the first layer 51a, the second compound, and the third compound constituting the second layer 51b is They may be the same, or they may all be different from each other.
  • the second layer 51b is The sum (D 2 ) of the bond moment vectors of any one of the second and third compounds constituting the compound may be greater than the sum (D 1 ) of the bond moment vectors of the first compound.
  • D 2 the sum of the bond moment vectors of any one of the second and third compounds constituting the compound
  • one of the second compound and the third compound constituting the second layer 51b is the same material as the first compound included in the first layer 51a, and the other is the same material as the first compound included in the first layer 51a. 1 It may be a different substance from the compound.
  • the sum (D 2 ) of the bond moment vectors of the first compound and the different materials of the first layer 51a among the second and third compounds is the sum of the bond moment vectors of the first compound. It may be larger than (D 1 ). Additionally, among the second and third compounds, the content of a material different from the first compound may be greater than the content of the same material as the first compound.
  • the first layer 51a and the second layer 51b constituting the electron transport layer according to the present invention if they satisfy the above-described configuration, predetermined parameters, and/or corresponding values, constitute the electron transport layer 51.
  • the detailed composition of the compound such as the type of moiety (e.g., EDG group, EWG group) contained in the compound, its binding site, the introduction site of the linker, etc., and its composition.
  • the first compound constituting the first layer 51a and the second to third compounds constituting the second layer 51b have electron withdrawing (EWG) characteristics with high electron absorption. It may be a bipolar compound that simultaneously contains a moiety and a moiety with a large electron donating group (EDG) characteristic.
  • EWG electron withdrawing
  • the first to third compounds include a 6-membered moiety described later; 5-membered moiety; And it may include at least one electron withdrawing (EWG) moiety among the polycyclic moieties obtained by condensing the 6-membered moiety and the 5-membered moiety.
  • EWG electron withdrawing
  • first to third compounds may each include at least one first moiety represented by the following formula.
  • the plurality of R's are the same or different from each other, and are each independently hydrogen, deuterium, halogen group, cyano group, nitro group, amino group, C 1 to C 40 alkyl group, C 2 to C 40 alkenyl group, C 2 to C 40 alkynyl group, C 3 to C 40 cycloalkyl group, heterocycloalkyl group with 3 to 40 nuclear atoms, C 6 to C 60 aryl group, 5 to 60 nuclear atoms Heteroaryl group, C 1 ⁇ C 40 alkyloxy group, C 6 ⁇ C 60 aryloxy group, C 1 ⁇ C 40 alkylsilyl group, C 6 ⁇ C 60 arylsilyl group, C 1 ⁇ C 40 It is selected from the group consisting of an alkyl boron group, a C 6 to C 60 aryl boron group, a C 6 to C 60 arylphosphine group, a C 6 to C 60
  • the phosphine group, arylphosphine oxide group, and arylamine group are each independently hydrogen, deuterium (D), halogen, cyano group, nitro group, C 1 to C 40 alkyl group, C 2 to C 40 alkenyl group, C 2 to C 40 alkynyl group, C 3 to C 40 cycloalkyl group, heterocycloalkyl group with 3 to 40 nuclear atoms, C 6 to C 60 aryl group, heteroaryl group with 5 to 60 nuclear atoms, C 1 ⁇ C 40 alkyloxy group, C 6 ⁇ C 60 aryloxy group, C 1 ⁇ C
  • the first to third compounds (materials) exhibit excellent electronic properties by including one or more nitrogen-containing heteroaromatic rings containing at least one nitrogen (N) in the molecular structure, that is, an electron-withdrawing group (EWG). . Accordingly, when the compound having the above-described 6-membered moiety, 5-membered moiety, or a polycyclic moiety condensed thereof is applied as a material for the multilayer electron transport layer 51, it can well accept electrons from the cathode 20, thereby forming a light emitting layer. Electrons can be smoothly transferred to (40), thereby lowering the driving voltage of the device (100) and leading to high efficiency and long lifespan.
  • EWG electron-withdrawing group
  • the material of the electron transport layer 51 not only has high triplet energy, but also significantly increases the molecular weight of the compound through controlling the types and introduction positions of various substituents introduced into the parent nucleus, resulting in improved glass transition temperature and high thermal stability. You can have And since it is effective in suppressing crystallization of the organic layer, the durability and lifespan characteristics of the organic electroluminescent device 100 including it can be greatly improved.
  • the electron withdrawing group (EWG) moiety of the first to third compounds constituting the electron transport layer 51 may be further specified as one selected from the group of the following structural formulas. However, it is not particularly limited thereto.
  • the first to third compounds constituting the at least two layers of the electron transport layer 51 are different from the electron withdrawing group (EWG) described above, and the electron withdrawing group (EWG) It may contain at least one conventional electron donating group (EDG) moiety known in the art with higher electron donation.
  • EWG electron withdrawing group
  • first to third compounds may each include at least one second moiety (eg, EDG) represented by the following formula.
  • EDG second moiety
  • Compounds that can be used as materials for the electron transport layer 51 of the present invention described above can be further specified as example compounds described later.
  • the first to third compounds according to the present invention are not limited to those exemplified below.
  • the type of moiety e.g., EDG group, EWG group
  • the introduction site of the linker are not particularly limited, and its chemistry Compounds with variously modified structures also fall within the scope of the present invention.
  • the electron transport layer 51 according to the present invention can be formed using vacuum deposition, spin coating, casting, LB (Langmuir-Blodgett), inkjet printing, laser printing, and laser induced thermal transfer methods. It may be formed by Thermal Imaging (LITI), etc., but is not particularly limited thereto.
  • LB Liuir-Blodgett
  • LITI Thermal Imaging
  • the electron injection layer 52 can be made of an electron injection material that facilitates electron injection and has high electron mobility without limitation.
  • usable electron injection materials include the above-described amphiphilic compounds, anthracene derivatives, heteroaromatic compounds, and alkali metal complexes. Specifically, LiF, Li 2 O, BaO, NaCl, CsF; lanthanide metals such as Yb and the like; Alternatively, there are halogenated metals such as RbCl, RbI, etc., which may be used individually or in combination of two or more types.
  • the electron transport region 50 according to the present invention may be co-deposited with an n-type dopant to facilitate injection of electrons from the cathode.
  • the n-type dopant can be any alkali metal complex known in the art without limitation, and examples include alkali metal, alkaline earth metal, or rare earth metal.
  • the electron transport region 50 can be manufactured through a common method known in the art. For example, there are vacuum deposition methods, spin coating methods, casting methods, LB methods (Langmuir-Blodgett), inkjet printing methods, laser printing methods, and laser induced thermal imaging (LITI) methods, but are not limited thereto.
  • vacuum deposition methods spin coating methods, casting methods, LB methods (Langmuir-Blodgett), inkjet printing methods, laser printing methods, and laser induced thermal imaging (LITI) methods, but are not limited thereto.
  • the organic light emitting device 100 of the present invention may further include a light emitting auxiliary layer (not shown) disposed between the hole transport region 30 and the light emitting layer 40.
  • a light emitting auxiliary layer (not shown) disposed between the hole transport region 30 and the light emitting layer 40.
  • the light emitting auxiliary layer serves to transport holes moving from the hole transport region 30 to the light emitting layer 40 and serves to control the thickness of the organic material layer (A).
  • This light-emitting auxiliary layer has a high LUMO value to prevent electrons from moving to the hole transport layer 32, and has a high triplet energy to prevent excitons from the light-emitting layer 40 from diffusing into the hole transport layer 32.
  • This light-emitting auxiliary layer may include a hole transport material and may be made of the same material as the hole transport region. Additionally, the light-emitting auxiliary layers of the red, green, and blue organic light-emitting devices may be made of the same materials.
  • the material for the auxiliary light emitting layer is not particularly limited, and examples include carbazole derivatives or arylamine derivatives.
  • Non-limiting examples of usable light-emitting auxiliary layers include NPD (N, N-dinaphthyl-N, N'-diphenyl benzidine), TPD (N, N'-bis-(3-methylphenyl)-N, N'-bis( phenyl)- benzidine), s-TAD, MTDATA (4, 4', 4′′-Tris(N-3-methylphenyl-Nphenyl-amino)- triphenylamine), etc. These may be used individually or in combination of two or more types.
  • the light emitting auxiliary layer may include a p-type dopant in addition to the above-described materials. As the p-type dopant, a known p-type dopant used in the art may be used.
  • the organic electroluminescent device 100 of the present invention may further include a capping layer (not shown) disposed on the cathode 20 described above.
  • the capping layer protects the organic light-emitting device and helps the light generated in the organic material layer to be efficiently emitted to the outside.
  • the capping layer is tris-8-hydroxyquinoline aluminum (Alq3), ZnSe, 2,5-bis(6′- (2′,2′′-bipyridyl))-1,1-dimethyl-3,4-diphenylsilole, 4′-bis[N-(1-napthyl)-N-phenyl-amion] biphenyl ( ⁇ -NPD), N,N′-diphenyl-N,N′-bis(3-methylphenyl) -1,1′- It may include at least one selected from the group consisting of biphenyl-4,4'-diamine (TPD) and 1,1'-bis(di-4-tolylaminophenyl) cyclohexane (TAPC).
  • TPD biphenyl-4,4'-diamine
  • TAPC 1,1'-bis(di-4-tolylaminophenyl) cyclohexane
  • This capping layer may be a single layer, but may include two or more layers with different refractive indices, so that the refractive index gradually changes as it passes through the two or more layers.
  • the capping layer can be manufactured through common methods known in the art, and for example, various methods such as vacuum deposition, spin coating, casting, or LB (Langmuir-Blodgett) method can be used.
  • various methods such as vacuum deposition, spin coating, casting, or LB (Langmuir-Blodgett) method can be used.
  • the organic light-emitting device of the present invention comprising the above-described configuration can be manufactured according to conventional methods known in the art.
  • an organic light emitting device can be manufactured by vacuum depositing an anode material on a substrate, and then sequentially vacuum depositing a hole transport region material, a light emitting layer material, an electron transport region material, and a cathode material on the anode. .
  • the organic electroluminescent device (100, 200) has a structure in which an anode (10), an organic layer (A), and a cathode (20) are sequentially stacked, between the anode (10) and the organic layer (A) or at the cathode.
  • An insulating layer or adhesive layer may be further included between (20) and the organic material layer (A).
  • the organic electroluminescent device of the present invention may have excellent lifespan characteristics because the half-life time of the initial brightness is increased while maintaining maximum luminous efficiency when voltage, current, or both are applied.
  • the compounds according to the present invention were prepared as follows, and the vector sum of their bonding moments, HOMO, triplet energy, and singlet energy were measured by methods known in the art and are shown in Table 1 below.
  • HOMO may be an energy level measured by CV (cyclic voltammetry), which determines the energy level from the relative potential value with respect to the reference electrode whose electrode potential value is known.
  • CV cyclic voltammetry
  • the HOMO energy level of any substance to be measured can be measured using Ferrocene, whose oxidation and reduction potential values are known, as a reference electrode.
  • a glass substrate coated with a thin film of ITO (indium tin oxide) to a thickness of 1500 ⁇ was washed with distilled water ultrasonic waves. After cleaning with distilled water, ultrasonic cleaning with solvents such as isopropyl alcohol, acetone, and methanol, drying, and transferring to a UV OZONE cleaner (Power sonic 405, Hwashin Tech), the substrate is cleaned using UV for 5 minutes and vacuumed. The substrate was transferred to the vapor deposition machine.
  • ITO indium tin oxide
  • the blue organic light emitting device of Comparative Example 1 was produced by performing the same process as Example 1, except that Alq 3 was used alone as the second compound constituting the second layer instead of using the first compound and the third compound. was produced.
  • the blue organic material of Comparative Example 2 was obtained by carrying out the same process as Example 1, except that Alq 3 and LiQ were used as the second and third compounds constituting the second layer without using the first compound. A light emitting device was manufactured.
  • Example 1 The same process as Example 1 was performed except that the first compound was not used and Compound 16 and Compound 17 were used as the second and third compounds constituting the second layer, and the blue color of Comparative Example 3 was obtained. An organic light emitting device was manufactured.
  • the blue organic light emitting device of Comparative Example 4 was manufactured by performing the same process as Example 1, except that the first compound was not used.
  • the blue organic light-emitting device of Comparative Example 5 was manufactured by performing the same process as Example 1, except that Alq3 was used instead of Compound 16 as the second compound constituting the second layer, and the third compound was not included. did.
  • a blue organic light-emitting device of Comparative Example 6 was manufactured by performing the same process as Example 1, except that Alq 3 and LiQ were used as the second and third compounds constituting the second layer, respectively.
  • At least two electron transport layers include a first layer composed of a single predetermined compound (e.g., compounds 1 to 15) and a mixture of two predetermined compounds (e.g., compounds 16 to 30). It was confirmed that the blue organic light-emitting device of the present invention, which includes a second layer, exhibits excellent performance in terms of driving voltage and current efficiency of the device compared to the control group that does not include the second layer.
  • the first layer In Comparative Examples 1 to 4, Comparative Examples 3 to 4 including an electron transport layer made of an organic compound as an electron transport layer material, compared to Comparative Examples 1 to 2 including a metal as an electron transport layer material, device It was found that the driving voltage and efficiency characteristics were improved.
  • Comparative Example 7 includes two electron transport layers, with the first and second layers each using one type of organic material;
  • Comparative Example 8 which includes a first layer composed of one type of organic material and a second layer including one type of organic material and a metal, in terms of driving voltage and efficiency characteristics of the device, it is compared with a single layer electron transport layer. It was found that performance was equivalent to or better than Examples 1 and 2.
  • a glass substrate coated with a thin film of ITO (indium tin oxide) to a thickness of 1500 ⁇ was washed with distilled water ultrasonic waves. After cleaning with distilled water, ultrasonic cleaning with solvents such as isopropyl alcohol, acetone, methanol, etc., drying, transferring to a UV OZONE cleaner (Power sonic 405, Hwashin Tech), cleaning the substrate for 5 minutes using UV, and vacuum evaporation. The substrate was transferred to .
  • ITO indium tin oxide
  • At least two electron transport layers include a first layer composed of a single predetermined compound (e.g., compounds 1 to 15) and a mixture of two predetermined compounds (e.g., compounds 1 to 30). It was confirmed that the blue organic light-emitting device of the present invention, which includes a second layer, exhibits excellent performance in terms of driving voltage and current efficiency of the device compared to the control group that does not include the second layer. Specifically, at least two layers It was found that even when a single organic material of the first layer of the electron transport layer of is used as a mixture component of the second layer, the device exhibits excellent performance in terms of driving voltage and current efficiency characteristics.

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Abstract

본 발명은 적어도 2개층의 전자수송층으로서, 발광층에 인접 배치되고 단일 화합물로 구성된 제1층; 및 음극에 인접 배치되고 적어도 2종의 유기 화합물로 구성된 제2층;을 구비하여, 낮은 구동전압 및 높은 발광효율을 동시에 발휘하는 유기 전계 발광 소자를 제공할 수 있다.

Description

유기 전계 발광 소자
본 발명은 적어도 2개층의 전자수송층으로서, 발광층에 인접 배치되고 단일 화합물로 구성된 제1층, 음극에 인접 배치되고 적어도 2종의 유기 화합물로 구성된 제2층을 구비하여 낮은 구동전압, 높은 발광효율 등의 특성이 향상된 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.
1965년 안트라센 단결정을 이용한 청색 전기발광으로 이어진 유기 전계발광 (electroluminescent, EL) 소자 (이하, 간단히 '유기 EL 소자'로 칭함)에 대한 연구가 이어져 오다가, 1987년 탕(Tang)에 의하여 정공층(NPB)과 발광층(Alq3)으로 구성된 2층 적층 구조의 유기 EL 소자가 제안되었다. 이후 유기 EL 소자는 상용화를 위해 필요한 고효율, 장수명 특성을 구현하기 위해 소자 내에 정공주입 및 수송을 담당하는 유기층과 전자주입 및 수송을 담당하는 유기층, 정공과 전자의 결합에 의해 전계 발광이 일어나도록 유도하는 유기층 등과 같이 각각의 특징적이고, 세분화된 기능을 부여한 다층 적층 구조의 형태가 제안되었다. 다층 적층 구조의 도입은 유기 EL 소자의 성능을 상용화 특성까지 향상시켜, 1997년 차량용 라디오 디스플레이 제품을 시작으로 휴대용 정보표시기기 및 TV용 디스플레이 소자로까지 그 적용 범위를 확대시키려 하고 있다.
디스플레이의 대형화, 고해상도화의 요구는 유기 EL 소자의 고효율화, 장수명화의 과제를 부여하고 있다. 특히, 같은 면적에서 더 많은 화소 형성을 통해 구현되는 고해상도화의 경우 유기 EL 화소의 발광면적을 감소시키는 결과를 초래하여 수명을 감소시킬 수 밖에 없으며, 유기 EL 소자가 극복해야 할 가장 중요한 기술적 과제가 되었다.
유기 EL 소자는 두 전극에 전류, 또는 전압을 인가하면 양극에서는 정공이 유기물층으로 주입되고, 음극에서는 전자가 유기물층으로 주입된다. 주입된 정공과 전자가 만났을 때 엑시톤(exciton)이 형성되며, 이 엑시톤이 바닥상태로 떨어져 빛을 내게 된다. 이때, 유기 EL 소자는 형성된 엑시톤의 전자 스핀 종류에 따라 일중항 엑시톤이 발광에 기여하는 형광 EL 소자와 삼중항 엑시톤이 발광에 기여하는 인광 EL 소자로 구분될 수 있다.
전자와 정공의 재결합에 의해 형성되는 엑시톤의 전자 스핀은 일중항 엑시톤과 삼중항 엑시톤이 25%, 75%의 비율로 생성된다. 일중항 엑시톤에 의해 발광이 이루어지는 형광 EL 소자는 생성 비율에 따라 이론적으로 내부 양자 효율이 25%를 넘을 수 없으며, 외부 양자 효율은 5%가 한계로 받아들여 지고 있다. 삼중항 엑시톤에 의해 발광이 이루어지는 인광 EL 소자는 Ir, Pt와 같은 전이금속 중원자(heavy atoms)가 포함된 금속 착체 화합물을 인광 도판트로 사용했을 경우, 형광에 비해 최고 4배까지 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
한편 종래 유기 EL 소자는 음극으로부터 전자의 주입이 용이하도록 리튬 화합물이 도핑된 전자수송층을 사용하였다. 이러한 전자수송층은 금속을 함유하기 때문에 근본적으로 산화되기 쉽고, 이로 인해 유기 전계 발광 소자의 수명 저하를 초래할 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유기 화합물로만 구성된 적어도 2개층의 전자수송층을 구성하되, 발광층과 인접한 전자수송층의 일 영역에 단일 화합물로 구성된 제1층; 음극과 인접한 전자수송층의 일 영역에 적어도 2종의 유기 화합물의 혼합물로 구성된 제2층을 구비하여 고효율, 저전압 및 장수명을 동시에 발휘하는 유기 EL 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 설명될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 양극; 상기 양극과 대향 배치되는 음극; 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 발광층; 및 상기 발광층과 상기 음극 사이에 배치되는 전자수송층;을 포함하고, 상기 전자수송층은 제1층 및 제2층을 포함하는 적어도 2개층을 구비하며, 상기 적어도 2개층 중 상기 발광층과 접하는 제1층은 제1 화합물로 구성되고, 상기 적어도 2개층 중 상기 음극에 인접 배치되는 제2층은, 제2 화합물과 제3 화합물을 포함하는 적어도 2종의 유기 혼합물로 구성되며, 상기 제2 화합물과 제3 화합물 중 어느 하나는 상기 제1 화합물과 동일하거나 상이한 유기 전계 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 적어도 2개층을 구비하는 전자수송층은, 금속을 비(非)포함하고 유기물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1층의 HOMO 에너지 준위는 5.4 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1층의 밴드갭 에너지는 2.7 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1층의 삼중항 에너지는 1.5 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1층의 일중항 에너지는 2.5 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2층의 HOMO 에너지 준위는 5.6 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2층의 밴드갭 에너지는 2.5 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2층의 삼중항 에너지는 1.7 eV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1층과 제2층의 결합 모멘트 벡터의 합(D)은 각각 3.336 × 10-31 C·m 이상일 수 있다.
(상기 결합 모멘트 벡터의 합(D)은 밀도 함수 계산 B3LYP/6-31G*를 기초로 하는 구조 최적화 계산의 결과로부터 얻어짐)
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2층은 서로 상이한 제2 화합물과 제3 화합물이 공증착(co-deposition)된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제1 화합물 내지 제3 화합물은 서로 상이한 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2층을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물 중 어느 하나의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 상기 제1 화합물의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2 화합물과 상기 제3 화합물 중 어느 하나는 상기 제1 화합물과 동일한 물질이고, 다른 하나는 상기 제1 화합물과 상이한 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2 화합물 및 제3 화합물 중 상기 제1 화합물과 상이한 물질의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 상기 제1 화합물의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2 화합물 및 제3 화합물 중 상기 제1 화합물과 상이한 물질의 함량은 상기 제1 화합물과 동일한 물질의 함량 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 제2 화합물과 제3 화합물의 혼합 비율은, 당해 제2층의 전체 중량을 기준으로, 50 : 50 내지 90 :10 중량비일 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 양극과 상기 발광층 사이에 배치되는 정공 수송 영역을 포함하되, 상기 정공 수송 영역은 정공주입층 및 정공수송층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 들면, 상기 유기 전계 발광 소자는, 적어도 하나의 발광층을 포함하는 복수의 발광층 스택을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기 화합물로만 구성된 적어도 2개층의 전자수송층을 구성하되, 상기 전자수송층 중 발광층과 인접한 일 영역에 단일 화합물로 구성된 제1층을 배치하고, 음극과 인접한 다른 일 영역에 적어도 2종의 유기 혼합물로 구성된 제2층을 배치함으로써, 금속 함유 전자수송층이 적용된 유기 전계 발광소자에 비해 저전압, 고효율 및 장수명 특성을 발휘할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 보다 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
<부호의 설명>
100: 유기 전계 발광 소자
A: 유기층
10: 양극
20: 음극
30: 정공 수송 영역
31: 정공주입층
32: 정공수송층
40: 발광층
50: 전자 수송 영역
51: 전자수송층
51a: 제1층
51b: 제2층
52: 전자주입층
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 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "위에" 또는 "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 위쪽에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 그리고, 본원 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 구성요소들을 서로 구별하고자 사용된 것이다.
<유기 전계 발광 소자>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자(100)의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
상기 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 일 실시형태의 유기 전계 발광 소자(100)는,양극(10); 음극(20); 상기 양극(10)과 음극(20) 사이에 위치한 발광층(40); 상기 양극(10)과 상기 발광층(40) 사이에 위치한 정공 수송 영역(30); 및 상기 발광층(40)과 상기 음극(20) 사이에 위치한 전자 수송 영역(50)을 포함하고, 상기 전자 수송 영역(50)은 적어도 2개층의 전자수송층(51)을 포함하되, 상기 발광층(40)과 접하는 전자수송층(51)의 일 영역에 제1 화합물로 구성된 제1층(51a)을 배치하고, 상기 음극(20)과 인접 배치된 전자수송층(51)의 다른 일 영역에 적어도 2종의 유기 혼합물로 구성된 제2층(51b)이 배치된 구조를 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자의 바람직한 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
양극
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자(100)에 있어서, 양극(10)은 정공을 유기물층(A)으로 주입하는 역할을 한다.
상기 양극(10)을 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예로는, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금 등의 금속; 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO) 등의 금속 산화물; ZnO:Al, SnO2:Sb 등의 금속과 산화물의 조합; 폴리티오펜, 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDT), 폴리피롤, 폴리아닐린 등의 전도성 고분자; 및 카본블랙 등이 있다.
상기 양극(10)을 제조하는 방법도 특별히 한정되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 실리콘 웨이퍼, 석영, 유리판, 금속판 또는 플라스틱 필름으로 이루어진 기판 상에 양극 물질을 코팅하는 방법을 들 수 있다.
음극
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자(100)에 있어서, 음극(20)은 전자를 유기물층(A)으로 주입하는 역할을 한다.
상기 음극(20)을 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예로, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 타이타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석, 납 등의 금속; 이들의 합금; 및 LiF/Al, LiO2/Al 등의 다층 구조 물질을 들 수 있다.
또한 상기 음극(20)을 제조하는 방법 역시 특별히 한정되지 않으며, 당 업계에 공지된 방법에 따라 제조될 수 있다.
유기물층
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자에 포함되는 유기물층(A)은 기존 유기 EL 소자의 유기물층으로 사용되는 통상적인 구성을 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 정공 수송 영역(30), 발광층(40), 전자 수송 영역(50)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때 유기 전계 발광 소자의 특성을 고려할 때, 전술한 유기물 층들을 모두 포함하는 것이 바람직하다.
정공 수송 영역
본 발명의 유기물층(A)에 포함되는 정공 수송 영역(30)은, 양극(10)에서 주입된 정공을 발광층(40)으로 이동시키는 역할을 한다. 이러한 정공 수송 영역(30)은, 정공주입층(31), 및 정공수송층(32)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때 유기 전계 발광 소자의 특성을 고려할 때, 전술한 정공주입층(31)과 정공수송층(32)을 모두 포함하는 것이 바람직하다.
전술한 정공주입층(31)과 정공수송층(32)을 이루는 물질은, 정공 주입 장벽이 낮고 정공 이동도가 큰 물질이라면 특별히 한정되지 않으며, 당 업계에 사용되는 정공 주입층/수송층 물질을 제한없이 사용할 수 있다. 이때 상기 정공주입층(31)과 정공수송층(32)을 이루는 물질은 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
상기 정공 주입 물질은 당 분야에 공지된 정공 주입 물질을 제한 없이 사용할 수 있다. 사용 가능한 정공 주입 물질의 비제한적인 예로는 구리프탈로시아닌 (copper phthalocyanine) 등의 프탈로시아닌(phthalocyanine) 화합물; DNTPD (N,N'-diphenyl-N,N'-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]-biphenyl-4,4'-diamine), m-MTDATA(4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino) triphenylamine), TDATA (4,4'4"-Tris(N,N-diphenylamino)triphenylamine), 2TNATA (4,4',4"-tris{N,-(2-naphthyl)-N-phenylamino}-triphenylamine), PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate)), PANI/DBSA (Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid), PANI/CSA (Polyaniline/Camphor sulfonicacid), PANI/PSS ((Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate)) 등이 있다. 이들을 각각 단독으로 사용하거나, 또는 2종 이상 혼용할 수 있다.
또한 상기 정공 수송 물질은 당 분야에 공지된 정공 수송 물질을 제한 없이 사용할 수 있다. 사용 가능한 정공 수송 물질의 비제한적인 예로는, 페닐카바졸, 폴리비닐카바졸 등의 카바졸계 유도체, 플루오렌(fluorene)계 유도체, TPD (N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenyl-[1,1-biphenyl]-4,4'-diamine), TCTA (4,4',4"-tris(N-carbazolyl)triphenylamine) 등과 같은 트리페닐아민계 유도체, NPB(N,N'-di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidine), TAPC(4,4'-Cyclohexylidene bis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine]) 등이 있다. 이들을 단독으로 사용되거나, 또는 2종 이상 혼용할 수 있다.
상기 정공 수송 영역(30)은 당해 기술분야에서 알려진 통상적인 방법을 통해 제조될 수 있다. 예컨대, 진공 증착법, 스핀 코팅법, 캐스트법, LB법(Langmuir-Blodgett), 잉크젯 프린팅법, 레이저 프린팅법, 레이저 열전사법(Laser Induced Thermal Imaging, LITI) 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.
발광층
본 발명의 유기물층(A)에 포함되는 발광층(40)은, 정공과 전자가 만나 엑시톤(exciton)이 형성되는 층으로, 발광층(40)을 이루는 물질에 따라 유기 전계 발광 소자가 내는 빛의 색이 달라질 수 있다.
이러한 발광층(40)은 호스트와 도펀트를 포함할 수 있는데, 이의 혼합 비율은 당 분야에 공지된 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 발광층(40)은 당해 발광층(40)의 전체 중량을 기준으로 70 내지 99.9 중량부의 호스트와 0.1 내지 30 중량부의 도펀트를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 발광층(40)이 청색 형광, 녹색 형광 또는 적색 형광일 경우, 80 내지 99.9 중량부의 호스트와 0.1 내지 20 중량부의 도펀트를 포함할 수 있다. 또한 상기 발광층(40)이 청색 형광, 녹색 형광 또는 적색 인광일 경우, 70 내지 99 중량부의 호스트와 1 내지 30 중량부의 도펀트를 포함할 수 있다.
본 발명의 발광층(40)에 포함되는 호스트는 당 업계에 공지된 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 이의 비제한적인 예로는, 알칼리 금속 착화합물; 알칼리토금속 착화합물; 또는 축합 방향족환 유도체 등이 있다.
보다 구체적으로, 호스트 재료로는 유기 전계 발광 소자의 발광효율 및 수명을 높일 수 있는 알루미늄 착화합물, 베릴륨 착화합물, 안트라센 유도체, 파이렌 유도체, 트리페닐렌 유도체, 카바졸 유도체, 디벤조퓨란 유도체, 디벤조싸이오펜 유도체, 또는 이들의 1종 이상의 조합을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 발광층(40)에 포함되는 도펀트는 당 업계에 공지된 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 이의 비제한적인 예로는, 안트라센 유도체, 파이렌 유도체, 아릴아민 유도체, 이리듐(Ir) 또는 백금(Pt)을 포함하는 금속 착체 화합물 등을 들 수 있다.
상기 도펀트는 적색 도펀트, 녹색 도펀트 및 청색 도펀트로 분류될 수 있는데, 당해 기술 분야에 통상적으로 공지된 적색 도펀트, 녹색 도펀트 및 청색 도펀트는 특별히 제한 없이 사용될 수 있다.
구체적으로, 적색 도펀트의 비제한적인 예로는 PtOEP(Pt(II) octaethylporphine: Pt(II) 옥타에틸포르핀), Ir(piq)3 (tris(2-phenylisoquinoline)iridium: 트리스(2-페닐이소퀴놀린)이리듐), Btp2Ir(acac) (bis(2-(2'-benzothienyl)-pyridinato-N,C3')iridium(acetylacetonate): 비스(2-(2'-벤조티에닐)-피리디나토-N,C3')이리듐(아세틸아세토네이트)), 또는 이들의 2종 이상 혼합물 등이 있다.
또한, 녹색 도펀트의 비제한적인 예로는 Ir(ppy)3 (tris(2-phenylpyridine) iridium: 트리스(2-페닐피리딘) 이리듐), Ir(ppy)2(acac) (Bis(2-phenylpyridine)(Acetylacetonato)iridium(III): 비스(2-페닐피리딘)(아세틸아세토) 이리듐(III)), Ir(mppy)3 (tris(2-(4-tolyl)phenylpiridine)iridium: 트리스(2-(4-톨일)페닐피리딘) 이리듐), C545T (10-(2-benzothiazolyl)-1,1,7,7-tetramethyl-2,3,6,7-tetrahydro-1H,5H,11H-[1]benzopyrano [6,7,8-ij]-quinolizin-11-one: 10-(2-벤조티아졸일)-1,1,7,7-테트라메틸-2,3,6,7,-테트라하이드로-1H,5H,11H-[1]벤조피라노 [6,7,8-ij]-퀴놀리진-11-온), 또는 이들의 2종 이상 혼합물 등이 있다.
또한, 청색 도펀트의 비제한적인 예로는 F2Irpic (Bis[3,5-difluoro-2-(2-pyridyl)phenyl](picolinato)iridium(III): 비스[3,5-디플루오로-2-(2-피리딜)페닐(피콜리나토) 이리듐(III)), (F2ppy)2Ir(tmd), Ir(dfppz)3, DPVBi (4,4'-bis(2,2'-diphenylethen-1-yl)biphenyl: 4,4'-비스(2,2'-디페닐에텐-1-일)비페닐), DPAVBi (4,4'-Bis[4-(diphenylamino)styryl]biphenyl: 4,4'-비스(4-디페닐아미노스티릴)비페닐), TBPe (2,5,8,11-tetra-tert-butyl perylene: 2,5,8,11-테트라-터트-부틸 페릴렌), 또는 이들의 2종 이상 혼합물 등이 있다.
본 발명에 따른 발광층(40)은 적색 인광 재료를 포함하는 적색 발광층; 녹색 인광 재료를 포함하는 녹색 발광층; 또는 청색 인광 재료 또는 청색 형광 물질을 포함하는 청색 발광층일 수 있다. 바람직하게는 청색 형광 재료를 포함하는 발광층일 수 있다.
전술한 발광층(40)은 1종의 물질로 이루어진 단일층, 서로 다른 복수의 물질로 이루어진 단일층, 또는 각 층이 서로 다른 물질로 이루어진 2층 이상의 복수층으로 이루어질 수 있다. 여기서 발광층(40)이 복수 개의 층일 경우, 유기 전계 발광 소자는 다양한 색의 빛을 낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 이종(異種) 재료로 이루어진 발광층을 직렬로 복수 개 구비하여 혼합색을 띠는 유기 전계 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한 복수 개의 발광층을 포함할 경우 소자의 구동전압은 커지는 반면, 유기 전계 발광 소자 내의 전류값은 일정하게 되어 발광층의 수만큼 발광 효율이 향상된 유기 전계 발광 소자를 제공할 수 있다.
도면 상에 도시되지 않았으나, 상기 유기 전계 발광 소자(100)는 적어도 하나의 발광층을 포함하는 복수의 발광 스택(미도시)을 구비할 수 있다.
이러한 발광 스택에 포함된 복수의 발광층은 각각 서로 다른 색상의 광을 발광하는 발광층이거나 또는 동일한 색상의 광을 발광하는 발광층일 수 있다. 즉, 발광층을 구성하는 물질에 따라 발광 색이 달라질 수 있다. 일례로, 복수의 발광 스택은 청색, 녹색, 적색, 황색, 백색 등을 발광하는 물질을 포함할 수 있으며, 인광 또는 형광물질을 이용하여 형성될 수 있다. 이때 각 발광층이 나타내는 색상은 서로 보색관계에 있을 수 있다. 이외에도, 백색을 발광할 수 있는 색의 조합으로서 색상이 선택될 수 있다. 이러한 각 발광층은 선택된 색상에 대응하는 인광 도펀트들 또는 형광 도펀트들을 각각 포함할 수 있다.
도면 상에 도시되지 않았으나, 상기 유기 전계 발광 소자(100)는 복수의 발광 스택 중 인접하는 스택들 사이에 배치되어 이들을 연결하는 전하생성층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
전하생성층(CGL)은 복수 개의 발광 스택을 구비하는 유기발광소자에서, 양 전극(예, 양극, 음극)과 직접적으로 접촉하지 않으면서, 인접하게 배치된 발광 스택들을 분리하는 층을 의미한다. 이러한 전하생성층은 서로 인접한 2개의 발광 스택들 사이에 배치되어 하나의 발광 스택에 대해서는 전자를 생성하여 캐소드(cathode) 역할을 하고, 다른 하나의 발광 스택에 대해서는 정공을 생성하여 애노드(anode) 역할을 한다. 이러한 전하생성층은 당 분야에 공지된 전하생성층(charge generation layer, CGL) 재료로 사용될 수 있는 물질을 제한 없이 사용할 수 있다. 또한 상기 전하생성층 용도의 물질에 당 분야에 공지된 통상의 n형 물질 및/또는 p형 물질이 도핑되어 형성될 수 있다.
전자 수송 영역
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자(100)에 있어서, 유기물층(A)에 포함되는 전자 수송 영역(50)은 음극(20)에서 주입된 전자를 발광층(40)으로 이동시키는 역할을 한다.
이러한 전자 수송 영역(50)은 적어도 2개층 이상의 다층 전자수송층(51), 또는 상기 다층 전자수송층(51)과 전자주입층(52)을 포함할 수 있다. 필요에 따라 전자수송 보조층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
종래 전자수송층(51)의 전자 주입 특성을 향상시키기 위해서 Li, LiF, LiQ 등의 리튬 화합물을 전자수송층 물질과 같이 층을 형성하기도 한다. 이와 같이 리튬 화합물이 도핑된 전자수송층은 금속을 함유하므로 시간이 경과함에 따라 산화되기 쉽고, 이로 인해 유기 전계 발광 소자의 수명 저하가 근본적으로 초래될 가능성이 높다.
본 발명에서는 리튬 화합물을 대신하여 유기 화합물로만 구성되는 전자수송층을 구성하여 금속 함유 전자수송층의 문제점을 근본적으로 해결한다. 이와 동시에 전자주입능이 높은 유기물질을 채택하여 소정의 다층 구조를 갖는 전자수송층을 구성함으로써, 전술한 금속 함유 전자수송층이 적용된 유기 전계 발광소자 보다 우수한 저전압, 고효율 및 장수명 특성을 발휘하고자 한다.
구체적으로, 본 발명에서는 금속을 비(非)포함하는 적어도 2개층의 전자수송층(51)을 구성하되, 상기 전자수송층(51) 중 발광층(40)과 인접한 일 영역에 단일 화합물(예, 제1 화합물)로 구성되는 제1층(51a)을 배치하고, 음극(20)과 인접한 다른 일 영역에 적어도 2종의 유기 혼합물(예, 제2-3 화합물)로 구성되는 제2층(51b)을 배치한다.
여기서, 제1층(51a)을 구성하는 단일 화합물(예, 제1 화합물)과, 제2층(51b)을 구성하는 유기 혼합물(예, 제2~3 화합물) 중 하나는 서로 동일하거나 또는 모두 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 전자수송층(51)에서, 제1층(51a)은 전자 이동시 안정되는 구조를 갖는 하나의 유기 화합물로 구성되는 단일층이다. 이러한 제1층(51a)은 발광층에서 넘어오는 정공을 막아 발광층의 엑시톤 밀도를 증가시켜 소자의 효율을 개선시킬 수 있다. 또한 제2층(51b)으로부터 전달된 전자가 발광층(40)으로 빠르게 전달될 수 있도록 모빌리티를 증가시키는 역할을 한다.
상기 제1층(51a)은 소정의 단일 유기 화합물로 구성되어 상술한 소자의 성능 개선 효과를 발휘함과 동시에 낮은 구동전압과 고효율 특성을 나타내기 위해서, 하기에 기재된 물성 중 적어도 하나를 더 만족할 수 있다.
일 구체예를 들면, 상기 제1층(51a)의 HOMO((Highest Occupied Molecular Orbital)) 에너지 준위는 5.4 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 5.4 내지 6.5 eV, 보다 구체적으로 5.4 내지 6.3 eV일 수 있다. 이러한 HOMO 에너지 값을 가지면, 발광층(40)으로 전달된 정공이 다른 전자수송 영역으로 확산되거나 넘어가는 현상을 차단할 수 있다. 이에 따라, 발광층(40) 내부에서 정공과 전자가 만날 재결합(recombination) 확률을 증가시켜 유기 전계 발광 소자의 발광효율을 보다 상승시킬 수 있다. 또한, 정공이 발광층(40)을 넘어 다른층으로 확산하거나 또는 이동할 경우 초래되는 산화에 의한 비가역적 분해반응 및 이로 인한 유기 전계 발광 소자의 수명 저하를 해결하여 소자의 수명 특성을 개선할 수 있다. 여기서, HOMO 에너지 준위는 HOMO의 절대값 크기를 의미할 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 상기 제1층(51a)의 밴드갭 에너지(Ebg)는 2.7 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 2.7 내지 4.0 eV, 보다 구체적으로 2.7 내지 3.8 eV일 수 있다. 상기 제1층(51a)이 전술한 밴드갭 에너지를 가질 경우 고효율 특성을 발휘할 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 상기 제1층(51a)의 삼중항 에너지(T1)는 1.5 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 1.5 내지 3.3 eV, 보다 구체적으로 1.6 내지 3.3 eV일 수 있다. 이는 엑시톤이 다른 층으로 이동하는 것을 방지하므로 유기 전계 발광 소자의 효율이 유의적으로 증대되는 효과를 도모할 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 상기 제1층(51a)의 일중항 에너지(S1)는 2.5 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 2.5 내지 3.5 eV, 보다 구체적으로 2.7 내지 3.5 eV일 수 있다. 일중항 엑시톤(exciton)이 인접한 계면(界面) 및/또는 다른 층으로 확산되거나 또는 계면에서 발광이 일어나는 현상을 저지하고, 일중항 엑시톤을 효율적으로 속박시키게 된다. 이에 따라, 엑시톤(exciton) 양이 증가하여 유기 전계 발광소자의 발광효율을 개선할 수 있다. 이는 결과적으로 유기 전계 발광 소자의 스펙트럼 혼색을 방지하며 안정성을 향상시켜 유기 전계 발광 소자의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전자수송층(51)에서, 제2층(51b)은 금속, 예컨대 리튬 화합물을 대신하여 전자주입능이 높은 특정 유기물질(예, 제2-3 화합물)이 2종 이상 혼합하여 형성된 단일층이다. 특히 본 발명에서는 제2층(51b)을 구성하는 유기 혼합물의 재료로서, 수명 개선에 효과가 있는 유기 물질(예, 제2 화합물)과 효율 개선에 효과가 있는 유기 물질(예, 제3 화합물)을 소정의 혼합 비율로 구성함으로써 소자의 효율 및 수명을 동시에 향상시킬 수 있다.
상기 제2층(51b)은 서로 상이한 제2 화합물과 제3 화합물의 유기 혼합물을 포함한다. 이러한 유기 혼합물은 공증착(co-deposition)된 것일 수 있으며, 그 외 당 분야에 공지된 통상의 방법에 따라 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 제2층(51b)에서, 제2 화합물과 제3 화합물의 혼합 비율은, 특별히 제한되지 않으며, 일례로 당해 제2층(51b)의 전체 중량을 기준으로, 50 : 50 내지 90 : 10 중량비일 수 있다. 상기 제2층(51b)에서, 제2 화합물과 제3 화합물 중에서 더 높은 함량을 갖는 물질은 음극(20)에서 주입된 전자를 발광층(40)으로 이동시키는 전자 수송 역할을 주로 수행하게 되며, 낮은 함량을 갖는 물질은 전자수송층의 보조 역할을 수행할 수 있다.
소정의 유기 혼합물로 구성되는 제2층(51b)은 금속 사용을 배제함에 따라 소자의 성능 개선 효과를 발휘할 수 있으며, 더불어 소자의 저전압, 고효율 및 장수명 특성을 나타내기 위해서 후술되는 물성 중 적어도 하나를 더 만족하는 것이 바람직하다.
일 구체예를 들면, 제2층(51b)의 HOMO 에너지 준위는 전술한 제1층(51a)의 HOMO 에너지 준위보다 큰 것일 수 있다. 일례로 5.6 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 5.6 내지 6.5 eV, 보다 구체적으로 5.6 내지 6.3 eV일 수 있다. 여기서, HOMO 에너지 준위는 HOMO의 절대값 크기를 의미할 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 제2층(51b)의 밴드갭 에너지는 전술한 제1층(51a)의 밴드갭 에너지 보다 작은 것일 수 있다. 일례로, 2.5 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 2.5 내지 3.7 eV, 보다 구체적으로 2.5 내지 3.5 eV일 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 제2층(51b)의 삼중항 에너지는 전술한 제1층(51a)의 삼중항 에너지 보다 큰 것일 수 있다. 일례로, 1.7 eV 이상일 수 있으며, 구체적으로 1.7 내지 3.3 eV, 보다 구체적으로 1.7 내지 3.1 eV일 수 있다.
다른 일 구체예를 들면, 제1층(51a)과 제2층(51b)의 결합 모멘트 벡터의 합(D)은 각각 3.336 × 10-31 C·m 이상일 수 있다. 여기서, 결합 모멘트 벡터의 합(D)은 각 층(51a, 51b)을 구성하는 화합물에 대해서 밀도 함수 계산 B3LYP/6-31G*를 기초로 하는 구조 최적화 계산의 결과로부터 얻어지는 것을 의미할 수 있다.
구체적으로, 발광층(40)을 기준으로 소정 거리를 두고 배치된 제2층(51b)의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 발광층(40)에 인접 배치된 제1층(51a)의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것일 수 있다. 제1층(51a)과 제2층(51b)의 결합 모멘트 벡터의 합(D)이 상기와 같이 구성될 경우, 발광층(40)과 전자수송층(51) 계면에서 엑시톤이 손실되는 것을 방지하여 소자의 효율을 개선할 수 있다. 일례로, 제2층(51b)과 제1층(51a) 간의 결합 모멘트 벡터의 합의 차이(D2 - D1)는 0 초과일 수 있다.
또한, 제1층(51a)에 포함된 제1 화합물과 제2층(51b)에 포함된 제2 화합물과 제3 화합물은 유사한 모이어티를 가질수록 음극-전자수송층(제2층)-전자수송층(제1층)-발광층으로의 전자의 이동이 원활하게 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1층(51a)과 제2층(51b)에 포함된 물질들이 서로 유사한 모이어티를 가지면서 상술한 수치 범위의 결합 모멘트 벡터의 합(D)을 갖는 것이 필요하다. 상기 전자수송층(51)을 구성하는 제1 화합물 내지 제3 화합물이 갖는 모이어티에 대한 상세한 설명은 하기에 후술될 것이다.
한편 본 발명에 따른 적어도 2개층의 전자수송층(51) 중에서, 제1층(51a)을 구성하는 제1 화합물과, 제2층(51b)을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물 중 어느 하나는 동일하거나, 또는 이들 모두가 서로 상이할 수 있다.
일 실시예를 들면, 제1층(51a)을 구성하는 제1 화합물과, 제2층(51b)을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물이 모두 상이할 경우, 상기 제2층(51b)을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물 중 어느 하나의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 상기 제1화합물의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것일 수 있다. 그러나 이에 특별히 제한되지 않는다.
다른 일 실시예를 들면, 제2층(51b)을 구성하는 제2 화합물과 상기 제3 화합물 중 어느 하나는 제1층(51a)에 포함된 제1 화합물과 동일한 물질이고, 다른 하나는 상기 제1 화합물과 상이한 물질일 수 있다.
구체적인 일 실시예를 들면, 제2 화합물 및 제3 화합물 중 제1층(51a)의 제1 화합물과 상이한 물질의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 상기 제1 화합물의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것일 수 있다. 또한 제2 화합물 및 제3 화합물 중 상기 제1 화합물과 상이한 물질의 함량은 제1 화합물과 동일한 물질의 함량 보다 큰 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전자수송층을 구성하는 제1층(51a)과 제2층(51b)은, 전술한 구성, 소정의 파라미터 및/또는 해당 수치 등을 만족한다면, 상기 전자수송층(51)을 구성하는 화합물의 상세 구성, 예컨대 해당 화합물에 포함된 모이어티의 종류(예, EDG기, EWG기) 및 이의 결합 위치, 링커의 도입 위치 등과 이의 조성 등에 특별히 제한되지 않는다.
일 구체예를 들면, 상기 제1층(51a)을 구성하는 제1 화합물과, 제2층(51b)을 구성하는 제2 내지 제3 화합물은, 전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG) 특성을 가지는 모이어티와 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG) 특성을 가지는 모이어티를 동시에 포함하는 양극성(bipolar) 화합물일 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 화합물 내지 제3 화합물(재료)은, 후술되는 6원 모이어티; 5원 모이어티; 및 상기 6원 모이어티와 5원 모이어티가 축합된 다환 모이어티 중 적어도 하나의 전자끌게기(EWG) 모이어티를 포함할 수 있다.
일례로, 제1 화합물 내지 제3 화합물은 각각 하기 화학식으로 표시되는 제1 모이어티를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
Figure PCTKR2023005722-appb-img-000001
상기 화학식에서,
X1 내지 X10 및 Y1 내지 Y5는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R)이고, 다만 상기 단일환 또는 다환 모이어티는 적어도 하나의 N을 포함하며,
상기 C(R)이 복수 개인 경우 복수의 R은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, C1~C40의 알킬기, C2~C40의 알케닐기, C2~C40의 알키닐기, C3~C40의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C6~C60의 아릴기, 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기, C1~C40의 알킬옥시기, C6~C60의 아릴옥시기, C1~C40의 알킬실릴기, C6~C60의 아릴실릴기, C1~C40의 알킬보론기, C6~C60의 아릴보론기, C6~C60의 아릴포스핀기, C6~C60의 아릴포스핀옥사이드기 및 C6~C60의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 이들은 인접한 기와 결합하여 축합고리를 형성할 수 있으며,
상기 R의 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 헤테로아릴기, 아릴옥시기, 알킬옥시기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 아릴아민기, 알킬실릴기, 알킬보론기, 아릴보론기, 아릴포스핀기, 아릴포스핀옥사이드기, 및 아릴아민기는, 각각 독립적으로 수소, 중수소(D), 할로겐, 시아노기, 니트로기, C1~C40의 알킬기, C2~C40의 알케닐기, C2~C40의 알키닐기, C3~C40의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C6~C60의 아릴기, 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기, C1~C40의 알킬옥시기, C6~C60의 아릴옥시기, C1~C40의 알킬실릴기, C6~C60의 아릴실릴기, C1~C40의 알킬보론기, C6~C60의 아릴보론기, C6~C60의 아릴포스핀기, C6~C60의 아릴포스핀옥사이드기 및 C6~C60의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 치환기로 치환될 수 있으며, 이때 상기 치환기가 복수인 경우, 이들은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 화합물 내지 제3 화합물(재료)은, 분자 구조 내 적어도 하나의 질소(N)를 함유하는 함질소 헤테로방향족환, 즉 전자끄는기(EWG)를 하나 이상 포함함으로써 우수한 전자특성을 나타내게 된다. 이에 따라, 전술한 6원 모이어티, 5원 모이어티 또는 이들이 축합된 다환 모이어티를 갖는 화합물을 다층 전자수송층(51)의 재료로 적용시, 음극(20)으로부터 전자를 잘 수용할 수 있어 발광층(40)으로 전자를 원활히 전달할 수 있으며, 이에 따라 소자(100)의 구동전압을 낮추고 고효율 및 장수명을 유도할 수 있다.
또한 상기 전자수송층(51)의 재료는 높은 삼중항 에너지를 가질 뿐만 아니라, 모핵에 도입되는 다양한 치환체 종류 및 도입 위치 조절을 통해 화합물의 분자량이 유의적으로 증대되어, 향상된 유리전이온도와 높은 열적 안정성을 가질 수 있다. 그리고 유기물층의 결정화 억제에도 효과적이므로, 이를 포함하는 유기 전계 발광 소자(100)는 내구성 및 수명 특성이 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자수송층(51)을 구성하는 제1 화합물 내지 제3 화합물이 갖는 전자끄는기(EWG) 모이어티는 하기 구조식 군에서 선택되는 어느 하나로 보다 구체화될 수 있다. 그러나 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
Figure PCTKR2023005722-appb-img-000002
상기 식에서,
*는 제1 화합물 내지 제3 화합물 중 어느 하나와 결합이 이루어지는 부분을 의미한다.
상기 구조식에서 구체적으로 표시되지 않았으나, 당 분야에 공지된 치환기(예컨대, R의 정의부와 동일)가 적어도 하나 이상 치환될 수 있다. 또한 상기 구조식에서 엑시톤 속박층을 구성하는 화합물과 연결되는 부분(*)은 하나만 표시하였으나, 2개가 포함된 경우도 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명에 따른 일 실시예를 들면, 적어도 2개층의 전자수송층(51)을 구성하는 제1 화합물 내지 제3 화합물은, 전술한 전자끄는기(EWG)와 상이하고, 상기 전자끄는기(EWG) 보다 전자공여성이 높은 당 분야에 공지된 통상의 전자주게기(EDG) 모이어티를 적어도 하나 포함할 수 있다.
일례로, 상기 제1 화합물 내지 제3 화합물은 각각 하기 화학식으로 표시되는 제2 모이어티(예, EDG)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
Figure PCTKR2023005722-appb-img-000003
상기 식에서,
*는 제1 화합물 내지 제3 화합물 중 어느 하나와 결합이 이루어지는 부분을 의미한다.
상기 구조식에서 구체적으로 표시되지 않았으나, 당 분야에 공지된 치환기(예컨대, R의 정의부와 동일)가 적어도 하나 이상 치환될 수 있다. 또한 상기 구조식에서 제1 화합물 내지 제3 화합물 중 적어도 하나와 연결되는 부분(*)은 하나만 표시하였으나, 2개가 포함된 경우도 본 발명의 범주에 속한다.
이상에서 설명한 본 발명의 전자수송층(51) 재료로 사용 가능한 화합물은 후술되는 예시 화합물들로 보다 구체화될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 제1 화합물 내지 제3 화합물이 하기 예시된 것들에 의해 한정되는 것은 아니다. 특히 전술한 전자수송층의 구성 및/또는 이의 물성을 만족한다면, 화합물에 포함된 모이어티의 종류(예, EDG기, EWG기) 및 이의 결합 위치, 링커의 도입 위치는 특별히 제한되지 않으며, 이의 화학 구조가 다양하게 변형된 화합물도 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명에 따른 전자수송층(51)은 당해 기술분야에서 알려진 바와 같이, 진공 증착법, 스핀 코팅법, 캐스트법, LB법(Langmuir-Blodgett), 잉크젯 프린팅법, 레이저 프린팅법, 레이저 열전사법(Laser Induced Thermal Imaging, LITI) 등에 의해 형성될 수 있으며, 이에 특별히 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 전자 수송 영역(50)에서, 전자주입층(52)은 전자 주입이 용이하고 전자 이동도가 큰 전자 주입 물질을 제한 없이 사용할 수 있다. 사용 가능한 전자 주입 물질의 비제한적인 예로, 상기 양극성 화합물, 안트라센 유도체, 헤테로방향족 화합물, 알칼리 금속 착화합물 등이 있다. 구체적으로, LiF, Li2O, BaO, NaCl, CsF; Yb 등과 같은 란타넘족 금속; 또는 RbCl, RbI 등과 같은 할로겐화 금속 등이 있는데, 이들은 단독으로 사용되거나 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전자 수송 영역(50), 구체적으로 전자 주입층(52)은 음극으로부터 전자의 주입이 용이하도록 n형 도펀트와 공증착된 것을 사용할 수도 있다. 이때, n형 도펀트는 당 분야에 공지된 알칼리 금속 착화합물을 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 희토류 금속 등을 들 수 있다.
상기 전자 수송 영역(50)은 당해 기술분야에서 알려진 통상적인 방법을 통해 제조될 수 있다. 예컨대, 진공 증착법, 스핀 코팅법, 캐스트법, LB법(Langmuir-Blodgett), 잉크젯 프린팅법, 레이저 프린팅법, 레이저 열전사법(Laser Induced Thermal Imaging, LITI) 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.
발광보조층
선택적으로, 본 발명의 유기 발광 소자(100)는 상기 정공 수송 영역(30)과 발광층(40) 사이에 배치된 발광보조층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
발광 보조층은 정공 수송 영역(30)으로부터 이동되는 정공을 발광층(40)으로 수송하는 역할을 하면서, 유기물층(A)의 두께를 조절하는 역할을 한다. 이러한 발광보조층은 높은 LUMO 값을 가져 전자가 정공 수송층(32)으로 이동하는 것을 막고, 높은 삼중항 에너지를 가져 발광층(40)의 엑시톤이 정공 수송층(32)으로 확산되는 것을 방지한다.
이러한 발광 보조층은 정공 수송 물질을 포함할 수 있고, 정공 수송 영역과 동일한 물질로 만들어질 수 있다. 또한 적색, 녹색 및 청색 유기 발광 소자의 발광 보조층은 서로 동일한 재료로 만들어질 수 있다.
발광보조층 재료로는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 카바졸 유도체 또는 아릴아민 유도체 등을 들 수 있다. 사용 가능한 발광 보조층의 비제한적인 예로는 NPD(N, N-dinaphthyl-N, N'-diphenyl benzidine), TPD(N, N'-bis-(3-methylphenyl)-N, N'-bis(phenyl)- benzidine), s-TAD, MTDATA(4, 4', 4″-Tris(N-3-methylphenyl-Nphenyl-amino)- triphenylamine) 등이 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. 또한, 상기 발광 보조층은 전술한 물질 이외에, p형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 p형 도펀트로는 당해 기술분야에서 사용되는 공지의 p형 도펀트가 사용될 수 있다.
캡핑층
선택적으로, 본 발명의 유기 전계 발광 소자(100)는 전술한 음극(20) 상에 배치되는 캡핑층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 캡핑층은 유기 발광 소자를 보호하면서, 유기물층에서 발생된 빛이 효율적으로 외부로 방출될 수 있도록 돕는 역할을 한다.
상기 캡핑층은 트리스-8-하이드록시퀴놀린알루미늄(Alq3), ZnSe, 2,5-bis(6′- (2′,2″-bipyridyl))-1,1-dimethyl-3,4-diphenylsilole, 4′-bis[N-(1-napthyl)-N- phenyl-amion] biphenyl (α-NPD), N,N′-diphenyl-N,N′-bis(3-methylphenyl) -1,1′-biphenyl-4,4′-diamine (TPD), 1,1′-bis(di-4-tolylaminophenyl) cyclohexane (TAPC) 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 캡핑층을 형성하는 물질은 유기발광소자의 다른 층의 재료들에 비하여 저렴하다.
이러한 캡핑층은 단일층일 수도 있으나, 서로 다른 굴절률을 갖는 2 이상의 층을 포함하여, 상기 2 이상의 층을 통과하면서 점점 굴절률이 변화하도록 할 수 있다.
상기 캡핑층은 당 기술분야에서 알려진 통상적인 방법을 통해 제조될 수 있으며, 일례로 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB(Langmuir-Blodgett)법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다.
전술한 구성을 포함하는 본 발명의 유기 발광 소자는 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 기판 상에 양극 물질을 진공 증착한 다음, 상기 양극 상에 정공 수송 영역 물질, 발광층 물질, 전자 수송 영역 물질, 및 음극 물질의 재료를 순서로 진공 증착하여 유기 발광 소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자(100, 200)는 양극(10), 유기물층(A) 및 음극(20)이 순차적으로 적층된 구조를 가지되, 양극(10)과 유기물층(A) 사이 또는 음극(20)과 유기물층(A) 사이에 절연층 또는 접착층을 더 포함할 수도 있다. 이러한 본 발명의 유기 전계 발광 소자는 전압, 전류, 또는 이들 모두를 인가하는 경우 최대 발광효율을 유지하면서 초기 밝기의 반감시간(Life time)이 증가되기 때문에 수명 특성이 우수할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[준비예] 화합물 1 내지 30
본 발명에 따른 화합물을 하기와 같이 준비하였으며, 이들의 결합 모멘트의 벡터 합, HOMO, 삼중항에너지, 일중항에너지를 당 업계에 공지된 방법으로 각각 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
HOMO이란, 전극 전위 값을 알고 있는 기준 전극에 대한, 상대적인 전위값으로부터 에너지 준위를 결정하는, CV(cyclic voltammetry) 법으로 측정한 에너지 레벨일 수 있다. 예를 들어, 산화 전위 값 및 환원 전위값을 아는 Ferrocene을 기준 전극으로 하여 측정하고자 하는 어떠한 물질의 HOMO 에너지 레벨을 측정할 수 있다.
결합 모멘트 벡터의 합, HOMO 에너지, 삼중항에너지 및 일중항에너지는 각각 Gaussian 사의 프로그램을 이용하여 계산식 B3LYP/6-31G* 로 계산을 구하였다.
화합물 HOMO (eV) Band Gap (eV) 결합 모멘트 벡터의 합
(C·m)		 삼중항
에너지
(T1, eV)		 일중항
에너지
(S1, eV)
1 5.42 2.80 3.27 x 10-30 2.46 2.94
2 6.08 3.59 3.74 x 10-30 2.34 3.10
3 6.23 3.78 1.93 x 10-30 2.31 3.09
4 5.82 3.65 3.04 x 10-30 2.54 2.90
5 6.02 3.60 2.54 x 10-30 2.53 3.00
6 6.20 3.64 6.41 x 10-30 2.35 2.93
7 5.73 3.50 3.90 x 10-30 2.52 2.89
8 6.06 3.35 9.34 x 10-30 2.46 3.01
9 5.93 3.70 7.11 x 10-30 2.43 2.97
10 5.59 3.29 8.67 x 10-30 2.39 3.09
11 5.57 3.60 7.11 x 10-30 2.44 3.20
12 6.00 3.57 2.70 x 10-30 2.53 3.15
13 6.29 3.71 3.04 x 10-30 2.70 3.22
14 5.98 3.37 2.87 x 10-30 2.39 3.21
15 5.88 3.21 6.27 x 10-30 2.49 3.10
16 5.96 3.62 3.34 x 10-30 2.41 3.21
17 6.12 3.57 9.94 x 10-30 2.45 3.06
18 5.93 3.45 5.57 x 10-30 2.31 3.27
19 6.25 3.60 7.01 x 10-30 2.54 3.25
20 5.98 3.27 1.38 x 10-29 2.49 3.11
21 6.46 3.70 1.17 x 10-29 2.41 3.06
22 5.86 3.37 6.24 x 10-30 2,31 3.14
23 5.90 3.75 4.10 x 10-30 2.55 3.24
24 5.91 3.30 1.37 x 10-29 2.49 3.29
25 6.01 3.27 4.74 x 10-30 2.39 3.16
26 6.21 3.47 1.44 x 10-29 2.31 3.11
27 6.05 3.20 3.37 x 10-30 2.39 3.00
28 5.76 3.34 7.27 x 10-30 2.63 2.06
29 5.74 3.03 3.17 x 10-30 2.30 2.87
30 6.04 3.41 7.17 x 10-30 2.33 3.06
상기 표 1에 사용된 각 화합물 1 내지 30의 구조는 하기와 같다.
Figure PCTKR2023005722-appb-img-000004
Figure PCTKR2023005722-appb-img-000005
[실시예 1 ~ 15] 청색 유기 EL 소자의 제작
화합물 1 내지 15를 통상적으로 알려진 방법으로 고순도 승화정제를 한 후, 아래의 과정에 따라 청색 유기 EL 소자를 제작하였다.
먼저, ITO (Indium tin oxide)가 1500Å 두께로 박막 코팅된 유리 기판을 증류수 초음파로 세척하였다. 증류수 세척이 끝나면 이소프로필 알코올, 아세톤, 메탄올 등의 용제로 초음파 세척을 하고 건조시킨 후 UV OZONE 세정기 (Power sonic 405, 화신테크)로 이송시킨 다음, UV를 이용하여 상기 기판을 5분간 세정하고 진공 증착기로 기판을 이송하였다.
상기와 같이 준비된 ITO 투명 전극 위에, DS-205 (㈜두산전자, 80 nm)/NPB (15 nm)/ADN + 5 % DS-405 (㈜두산전자, 30nm)/하기 표 3의 화합물 (제1층: 5nm, 제2층: 25nm)/LiF (1 nm)/Al (200 nm) 순으로 적층하여 유기 전계 발광 소자를 제작하였다(하기 표 2 참조).
화합물 두께 (nm)
정공주입층 DS-205 80
정공수송층 NPB 15
발광층 ADN + 5% DS-405 30
전자수송층(제1층) 화합물 1~15 5
전자수송층(제2층) 화합물 16~30 + 화합물 16~30 25
전자주입층 LiF 1
음극 Al 200
[비교예 1] 청색 유기 EL 소자의 제작
제1 화합물과 제3 화합물을 사용하지 않고, 제2층을 구성하는 제2 화합물로서 Alq3를 단독 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 비교예 1의 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 2] 청색 유기 EL 소자의 제작
제1 화합물을 사용하지 않고, 제2층을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물로서 Alq3와 LiQ를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 비교예 2의 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 3] 청색 유기 EL 소자의 제작
제1 화합물을 사용하지 않고, 제2층을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물로서 화합물 16과 화합물 17을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 비교예 3의 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 4] 청색 유기 EL 소자의 제작
제1 화합물을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 비교예 4의 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 5] 청색 유기 EL 소자의 제작
제2층을 구성하는 제2 화합물로서 화합물 16 대신 Alq3를 사용하고, 제3 화합물을 비포함하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 비교예 5의 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
[비교예 6] 청색 유기 EL 소자의 제작
제2층을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물로서 각각 Alq3와 LiQ를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 비교예 6의 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
[평가예 1]
실시예 1 ~ 15 및 비교예 1~6에서 제작한 각각의 청색 유기 EL 소자에 대하여 전류밀도 10 mA/㎠에서의 구동전압, 전류효율 및 발광 피크를 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
샘플 제1층 제2층 구동 전압
(V)		 EL 피크
(nm)		 전류효율
(cd/A)
제1
화합물		 제2
화합물		 제3
화합물		 혼합 비율
실시예 1 1 16 17 5:5 3.9 457 8.0
실시예 2 2 17 28 5:5 4.1 455 8.0
실시예 3 3 18 23 5:5 4.2 455 7.8
실시예 4 4 19 29 5:5 4.1 457 8.1
실시예 5 5 20 26 5:5 4.2 456 7.9
실시예 6 6 21 19 6:4 3.9 457 8.0
실시예 7 7 22 28 6:4 4.0 456 7.8
실시예 8 8 23 28 3:7 4.1 456 8.1
실시예 9 9 24 23 3:7 4.0 456 7.9
실시예 10 10 25 16 1:9 4.2 458 8.1
실시예 11 11 26 24 1:9 4.0 454 7.9
실시예 12 12 27 18 9:1 3.9 454 8.1
실시예 13 13 28 20 9:1 4.3 455 7.8
실시예 14 14 29 30 4:6 4.0 455 8.0
실시예 15 15 30 17 4:6 4.2 457 8.1
비교예 1 - Alq3 - 4.8 458 6.0
비교예 2 - Alq3 LiQ 5:5 4.8 457 6.3
비교예 3 - 16 - 4.6 457 6.5
비교예 4 - 16 17 5:5 4.6 458 6.6
비교예 5 1 Alq3 - 4.6 458 6.9
비교예 6 1 Alq3 LiQ 5:5 4.5 457 7.2
비교예 7 1 16 - 4.7 457 6.4
비교예 8 1 16 Alq3 5:5 4.5 458 7.4
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 적어도 2개층의 전자수송층으로서, 소정의 단일 화합물로 구성된 제1층(예, 화합물 1~15)과, 소정의 2종 화합물의 혼합물(예, 화합물 16~30)을 포함하는 제2층을 구비하는 본 발명의 청색 유기 발광 소자는, 이를 비포함하는 대조군에 비해, 소자의 구동전압 및 전류 효율 면에서 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.구체적으로 제1층을 비(非)포함하는 비교예 1 내지 4에서, 전자수송층 재료로서 유기 화합물로 구성된 전자수송층을 구비하는 비교예 3~4는, 전자수송층 재료로 금속을 포함하는 비교예 1~2에 비해, 소자의 구동전압 및 효율 특성이 개선됨을 알 수 있었다.
또한 2개층의 전자수송층을 구비하는 비교예 5~6의 경우, 단일층의 전자수송층을 구비하는 비교예 1~2에 비해 소자의 구동전압 및 효율 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
또한 2개층의 전자수송층을 구비하되, 각각 1종의 유기물을 사용하는 제1층과 제2층을 구비하는 비교예 7과; 1종의 유기물로 구성된 제1층, 및 1종의 유기물과 금속을 포함하는 제2층을 구비하는 비교예 8의 경우, 소자의 구동전압 및 효율 특성 면에서 단일층의 전자수송층을 구비하는 비교예 1~2와 동등 이상의 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다.
[실시예 16 ~ 30] 청색 유기 EL 소자의 제작
화합물 1 내지 15를 통상적으로 알려진 방법으로 고순도 승화정제를 한 후 아래의 과정에 따라 청색 유기 EL 소자를 제작하였다.
먼저, ITO (Indium tin oxide)가 1500Å 두께로 박막 코팅된 유리 기판을 증류수 초음파로 세척하였다. 증류수 세척이 끝나면 이소프로필 알코올, 아세톤, 메탄올 등의 용제로 초음파 세척을 하고 건조시킨 후 UV OZONE 세정기 (Power sonic 405, 화신테크)로 이송시킨 다음 UV를 이용하여 상기 기판을 5분간 세정하고 진공 증착기로 기판을 이송하였다.
상기와 같이 준비된 ITO 투명 전극 위에, DS-205 (㈜두산전자, 80 nm)/NPB (15 nm)/ADN + 5 % DS-405 (㈜두산전자, 30nm)/하기 표 5의 화합물 (제1층 5nm, 제2층 25nm)/LiF (1 nm)/Al (200 nm) 순으로 적층하여 유기 전계 발광 소자를 제작하였다(하기 표 4 참조).
화합물 두께 (nm)
정공주입층 DS-205 80
정공수송층 NPB 15
발광층 ADN + 5% DS-405 30
전자수송층(제1층) 화합물 1~15 5
전자수송층(제2층) 화합물 16~30 + 화합물 1~15 25
전자주입층 LiF 1
음극 Al 200
[평가예 2]
실시예 16 ~ 30 및 비교예 7에서 제작한 각각의 청색 유기 EL 소자에 대하여 전류밀도 10 mA/㎠에서의 구동전압, 전류효율 및 발광 피크를 측정하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
샘플 제1층 제2층 구동
전압
(V)		 EL 피크
(nm)		 전류효율
(cd/A)
제1
화합물		 제2
화합물		 제3
화합물		 혼합
비율
실시예 16 1 16 1 5:5 4.1 455 8.1
실시예 17 2 17 2 5:5 4.1 455 7.8
실시예 18 3 18 3 6:4 3.9 455 7.8
실시예 19 4 19 4 6:4 4.0 457 7.9
실시예 20 5 20 5 7:3 4.0 457 7.8
실시예 21 6 21 6 7:3 3.9 456 8.0
실시예 22 7 22 7 8:2 4.2 456 8.0
실시예 23 8 23 8 8:2 4.1 454 8.1
실시예 24 9 24 9 9:1 4.1 456 8.0
실시예 25 10 25 10 9:1 4.1 458 7.9
실시예 26 11 26 11 1:9 4.0 454 7.8
실시예 27 12 27 12 1:9 4.2 455 7.7
실시예 28 13 28 13 3:7 4.2 454 7.8
실시예 29 14 29 14 3:7 3.9 455 8.1
실시예 30 15 30 15 5:5 3.9 458 7.9
비교예 5 1 Alq3 - - 4.6 458 6.9
비교예 9 1 30 - - 4.7 456 6.5
비교예 10 1 30 Alq3 5:5 4.4 458 7.2
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 적어도 2개층의 전자수송층으로서, 소정의 단일 화합물로 구성된 제1층(예, 화합물 1~15)과, 소정의 2종 화합물의 혼합물(예, 화합물 1~30)을 포함하는 제2층을 구비하는 본 발명의 청색 유기 발광 소자는, 이를 비포함하는 대조군에 비해, 소자의 구동전압 및 전류 효율 면에서 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.구체적으로, 적어도 2개층의 전자수송층 중 제1층의 단일 유기 재료를 제2층의 혼합물 성분으로 사용하는 경우에도, 소자의 구동전압, 전류효율 특성 면에서 우수한 성능을 발휘한다는 것을 알 수 있었다.

Claims (20)

  1. 양극;
    상기 양극과 대향 배치되는 음극;
    상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 발광층; 및
    상기 발광층과 상기 음극 사이에 배치되는 전자수송층;을 포함하고,
    상기 전자수송층은 제1층 및 제2층을 포함하는 적어도 2개층을 구비하며,
    상기 적어도 2개층 중 상기 발광층과 접하는 제1층은 제1 화합물로 구성되고,
    상기 적어도 2개층 중 상기 음극에 인접 배치되는 제2층은, 제2 화합물과 제3 화합물을 포함하는 적어도 2종의 유기 혼합물로 구성되며,
    상기 제2 화합물과 제3 화합물 중 어느 하나는 상기 제1 화합물과 동일하거나 상이한 유기 전계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개층을 구비하는 전자수송층은, 금속을 비(非)포함하는 유기 전계 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 HOMO 에너지 준위는 5.4 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 밴드갭 에너지는 2.7 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 삼중항 에너지는 1.5 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 일중항 에너지는 2.5 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2층의 HOMO 에너지 준위는 5.6 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2층의 밴드갭 에너지는 2.5 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2층의 삼중항 에너지는 1.7 eV 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층의 결합 모멘트 벡터의 합(D)은 각각 3.336 × 10-31 C·m 이상인, 유기 전계 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 제2 화합물과 제3 화합물이 공증착된 것이며,
    상기 제1 화합물 내지 제3 화합물은 서로 상이한 물질인, 유기 전계 발광 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2층을 구성하는 제2 화합물과 제3 화합물 중 어느 하나의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 상기 제1화합물의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것인, 유기 전계 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 제2 화합물과 제3 화합물이 공증착된 것이며,
    상기 제2 화합물과 상기 제3 화합물 중 어느 하나는 상기 제1 화합물과 동일한 물질이고, 다른 하나는 상기 제1 화합물과 상이한 물질인, 유기 전계 발광 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 화합물 및 제3 화합물 중 상기 제1 화합물과 상이한 물질의 결합 모멘트 벡터의 합(D2)은, 상기 제1 화합물의 결합 모멘트 벡터의 합(D1) 보다 큰 것인, 유기 전계 발광 소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 화합물 및 제3 화합물 중 상기 제1 화합물과 상이한 물질의 함량은, 상기 제1 화합물과 동일한 물질의 함량 보다 큰 것인, 유기 전계 발광 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화합물과 제3 화합물의 혼합 비율은, 당해 제2층의 전체 중량을 기준으로, 50 : 50 내지 90 : 10 중량비인, 유기 전계 발광 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층을 구성하는 제1 화합물 내지 제3 화합물은 각각, 하기 화학식으로 표시되는 제1 모이어티를 적어도 하나 이상 포함하는 유기 전계 발광 소자.
    Figure PCTKR2023005722-appb-img-000006
    상기 화학식 1 또는 2에서,
    X1 내지 X10 및 Y1 내지 Y5는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R)이고, 다만 상기 단일환 또는 다환 모이어티는 적어도 하나의 N을 포함하며,
    상기 C(R)이 복수 개인 경우 복수의 R은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 중수소, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, C1~C40의 알킬기, C2~C40의 알케닐기, C2~C40의 알키닐기, C3~C40의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C6~C60의 아릴기, 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기, C1~C40의 알킬옥시기, C6~C60의 아릴옥시기, C1~C40의 알킬실릴기, C6~C60의 아릴실릴기, C1~C40의 알킬보론기, C6~C60의 아릴보론기, C6~C60의 아릴포스핀기, C6~C60의 아릴포스핀옥사이드기 및 C6~C60의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 이들은 인접한 기와 결합하여 축합고리를 형성할 수 있으며,
    상기 R의 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 헤테로아릴기, 아릴옥시기, 알킬옥시기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 아릴아민기, 알킬실릴기, 알킬보론기, 아릴보론기, 아릴포스핀기, 아릴포스핀옥사이드기, 및 아릴아민기는, 각각 독립적으로 수소, 중수소(D), 할로겐, 시아노기, 니트로기, C1~C40의 알킬기, C2~C40의 알케닐기, C2~C40의 알키닐기, C3~C40의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C6~C60의 아릴기, 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기, C1~C40의 알킬옥시기, C6~C60의 아릴옥시기, C1~C40의 알킬실릴기, C6~C60의 아릴실릴기, C1~C40의 알킬보론기, C6~C60의 아릴보론기, C6~C60의 아릴포스핀기, C6~C60의 아릴포스핀옥사이드기 및 C6~C60의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 치환기로 치환될 수 있으며, 이때 상기 치환기가 복수인 경우, 이들은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층을 구성하는 제1 화합물 내지 제3 화합물은 각각, 하기 화학식으로 표시되는 제2 모이어티를 적어도 하나 이상 포함하는, 유기 전계 발광 소자.
    Figure PCTKR2023005722-appb-img-000007
  19. 제1항에 있어서,
    상기 양극과 상기 발광층 사이에 배치되는 정공 수송 영역을 포함하되,
    상기 정공 수송 영역은 정공주입층 및 정공수송층 중 적어도 하나를 포함하는, 유기 전계 발광 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 유기 전계 발광 소자는, 적어도 하나의 발광층을 포함하는 복수의 발광층 스택을 구비하는, 유기 전계 발광 소자.
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