KR102400109B1

KR102400109B1 - 유기 발광 소자

Info

Publication number: KR102400109B1
Application number: KR1020200102563A
Authority: KR
Inventors: 최민우; 전상영; 천민승; 차용범; 전현수; 김재은
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-05-19
Also published as: KR20210073439A

Abstract

본 발명은 구동 전압, 효율 및 수명이 개선된 유기발광 소자를 제공한다.

Description

유기 발광 소자{Organic light emitting device}

본 발명은 구동 전압, 효율 및 수명이 개선된 유기 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로 유기 발광 현상이란 유기 물질을 이용하여 전기 에너지를 빛 에너지로 전환시켜주는 현상을 말한다. 유기 발광 현상을 이용하는 유기 발광 소자는 넓은 시야각, 우수한 콘트라스트, 빠른 응답 시간을 가지며, 휘도, 구동 전압 및 응답 속도 특성이 우수하여 많은 연구가 진행되고 있다.

유기 발광 소자는 일반적으로 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 유기물 층을 포함하는 구조를 가진다. 상기 유기물 층은 유기 발광 소자의 효율과 안정성을 높이기 위하여 각기 다른 물질로 구성된 다층의 구조로 이루어진 경우가 많으며, 예컨대 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 유기 발광 소자의 구조에서 두 전극 사이에 전압을 걸어주게 되면 양극에서는 정공이, 음극에서는 전자가 유기물층에 주입되게 되고, 주입된 정공과 전자가 만났을 때 엑시톤(exciton)이 형성되며, 이 엑시톤이 다시 바닥상태로 떨어질 때 빛이 나게 된다.

상기와 같은 유기 발광 소자에서, 구동 전압, 효율 및 수명이 개선된 유기 발광 소자의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.

한국특허 공개번호 제10-2000-0051826호

본 발명은 하기의 유기 발광 소자를 제공한다:

양극,

제1 호스트 및 제1 도판트를 포함하는 제1 정공가속층,

제1 정공수송층,

제2 호스트 및 제2 도판트를 포함하는 제2 정공가속층,

제2 정공수송층,

발광층,

전자수송층, 및

음극을 포함하는 유기 발광 소자에 있어서,

상기 제1 도판트와 제2 도판트는 서로 동일한 물질이고,

상기 제2 호스트는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이고,

상기 제2 정공수송층은 상기 제2 호스트를 포함하는,

유기 발광 소자:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

R은 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C_1-60 알킬, 또는 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴이고,

L₁ 및 L₂는 각각 독립적으로, 단일 결합; 또는 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴렌이고,

Ar₁은 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴이고,

Ar₂는 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴; 또는 치환 또는 비치환된 아다만틸이다.

상술한 유기 발광 소자는, 구동 전압, 효율 및 수명이 우수하다.

도 1은, 기판(1), 양극(2), 제1 정공가속층(3), 제1 정공수송층(4), 제2 정공가속층(5), 제2 정공수송층(6), 발광층(7), 전자수송층(8), 및 음극(9)으로 이루어진 유기 발광 소자의 예를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 보다 상세히 설명한다.

본 명세서에서,

또는

는 다른 치환기에 연결되는 결합을 의미한다.

본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 카보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미노기; 포스핀옥사이드기; 알콕시기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 아릴티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 실릴기; 붕소기; 알킬기; 사이클로알킬기; 알케닐기; 아릴기; 아르알킬기; 아르알케닐기; 알킬아릴기; 알킬아민기; 아랄킬아민기; 헤테로아릴아민기; 아릴아민기; 아릴포스핀기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환 또는 비치환되거나, 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환 또는 비치환된 것을 의미한다. 예컨대, "2 이상의 치환기가 연결된 치환기"는 비페닐기일 수 있다. 즉, 비페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수 있다.

본 명세서에서 카보닐기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적으로 하기와 같은 구조의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, 에스테르기는 에스테르기의 산소가 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄 알킬기 또는 탄소수 6 내지 25의 아릴기로 치환될 수 있다. 구체적으로, 하기 구조식의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, 이미드기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 25인 것이 바람직하다. 구체적으로 하기와 같은 구조의 화합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, 실릴기는 구체적으로 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, t-부틸디메틸실릴기, 비닐디메틸실릴기, 프로필디메틸실릴기, 트리페닐실릴기, 디페닐실릴기, 페닐실릴기 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에 있어서, 붕소기는 구체적으로 트리메틸붕소기, 트리에틸붕소기, t-부틸디메틸붕소기, 트리페닐붕소기, 페닐붕소기 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에 있어서, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다.

본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 40인 것이 바람직하다. 일 실시상태에 따르면, 상기 알킬기의 탄소수는 1 내지 20이다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 알킬기의 탄소수는 1 내지 10이다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 알킬기의 탄소수는 1 내지 6이다. 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 사이클로펜틸메틸,사이클로헥틸메틸, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸펜틸, 4-메틸헥실, 5-메틸헥실 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.

본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 일 실시상태에 따르면, 상기 알케닐기의 탄소수는 2 내지 20이다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 알케닐기의 탄소수는 2 내지 10이다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 알케닐기의 탄소수는 2 내지 6이다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기, 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.

본 명세서에 있어서, 사이클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 일 실시상태에 따르면, 상기 사이클로알킬기의 탄소수는 3 내지 30이다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 사이클로알킬기의 탄소수는 3 내지 20이다. 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 사이클로알킬기의 탄소수는 3 내지 6이다. 구체적으로 사이클로프로필, 사이클로부틸, 사이클로펜틸, 3-메틸사이클로펜틸, 2,3-디메틸사이클로펜틸, 사이클로헥실, 3-메틸사이클로헥실, 4-메틸사이클로헥실, 2,3-디메틸사이클로헥실, 3,4,5-트리메틸사이클로헥실, 4-tert-부틸사이클로헥실, 사이클로헵틸, 사이클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에 있어서, 아릴기는 특별히 한정되지 않으나 탄소수 6 내지 60인 것이 바람직하며, 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 일 실시상태에 따르면, 상기 아릴기의 탄소수는 6 내지 30이다. 일 실시상태에 따르면, 상기 아릴기의 탄소수는 6 내지 20이다. 상기 아릴기가 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, 플루오레닐기는 치환될 수 있고, 치환기 2개가 서로 결합하여 스피로 구조를 형성할 수 있다. 상기 플루오레닐기가 치환되는 경우,

등이 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, 헤테로고리기는 이종 원소로 O, N, Si 및 S 중 1개 이상을 포함하는 헤테로고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로고리기의 예로는 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, 페난쓰롤린기(phenanthroline), 티아졸릴기, 이소옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 티아디아졸릴기, 벤조티아졸릴기, 페노티아지닐기 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에 있어서, 아르알킬기, 아르알케닐기, 알킬아릴기, 아릴아민기 중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 본 명세서에 있어서, 아르알킬기, 알킬아릴기, 알킬아민기 중 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다. 본 명세서에 있어서, 헤테로아릴아민 중 헤테로아릴은 전술한 헤테로고리기에 관한 설명이 적용될 수 있다. 본 명세서에 있어서, 아르알케닐기 중 알케닐기는 전술한 알케닐기의 예시와 같다. 본 명세서에 있어서, 아릴렌은 2가기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기에 관한 설명이 적용될 수 있다. 본 명세서에 있어서, 헤테로아릴렌은 2가기인 것을 제외하고는 전술한 헤테로고리기에 관한 설명이 적용될 수 있다. 본 명세서에 있어서, 탄화수소 고리는 1가기가 아니고, 2개의 치환기가 결합하여 형성한 것을 제외하고는 전술한 아릴기 또는 사이클로알킬기에 관한 설명이 적용될 수 있다. 본 명세서에 있어서, 헤테로고리는 1가기가 아니고, 2개의 치환기가 결합하여 형성한 것을 제외하고는 전술한 헤테로고리기에 관한 설명이 적용될 수 있다.

이하, 각 구성 별로 본 발명을 상세히 설명한다.

양극 및 음극

본 발명에서 사용되는 양극 및 음극은, 유기 발광 소자에서 사용되는 전극을 의미한다.

상기 양극 물질로는 통상 유기물 층으로 정공 주입이 원활할 수 있도록 일함수가 큰 물질이 바람직하다. 상기 양극 물질의 구체적인 예로는 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 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](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.

상기 음극 물질로는 통상 유기물층으로 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 물질인 것이 바람직하다. 상기 음극 물질의 구체적인 예로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 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.

제1 정공가속층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는, 상기 양극 상에 제1 호스트 및 제1 도판트를 포함하는 제1 정공가속층을 포함한다. 바람직하게는, 상기 양극 상에 상기 제1 정공가속층이 인접한다.

고효율의 유기 발광 소자를 위해서는 전자의 이동이 빠른 재료를 사용하여야 한다. 그러나, 이 경우 높은 구동 전압이 필요하게 되고, 이에 따라 발광존이 발광층 내에서 정공수송층 쪽으로 편향되어 있어 구동 전압이 높고 수명이 짧아지는 단점이 있다. 발광존은 발광층 내에서 전체적으로 골고루 분포하는 것이 가장 이상적이나, 정공과 전자의 밸런스를 맞추기가 쉽지 않다. 이에 본 발명에서는 상기 제1 정공가속층 및 후술할 제2 정공가속층을 구비하여, 양극에서부터 발광층까지 정공 주입을 가속하거나 이동을 용이하게 하여, 발광층 내의 정공과 전자의 밸런스를 조절하여, 구동 전압을 낮추고 효율을 높이며, 또한 수명을 개선할 수 있다. 또한, 상기를 위하여 후술할 바와 같이, 상기 제1 정공가속층에 포함된 제1 도판트와, 상기 제2 정공가속층에 포함된 제2 도판트가 서로 동일한 화합물을 사용함으로써, 발광층 내의 정공과 전자의 밸런스를 조절할 수 있다.

상기 제1 호스트는, 종래 유기 발광 소자의 정공주입층에 사용되는 호스트 물질이면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 상기 제1 호스트는 하기의 화합물이다.

또한, 상기 제1 호스트는, 후술할 제2 정공가속층의 제2 호스트와 상이한 화합물이다. 또한, 상기 제1 호스트와 상기 제1 도판트는 상이한 화합물이다.

상기 제1 도펀트는, 종래 유기 발광 소자의 정공주입층에 사용되는 도펀트 물질이면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 상기 제1 도펀트는 하기의 화합물이다.

바람직하게는, 상기 제1 정공가속층에서, 상기 제1 호스트와 상기 제1 도판트의 중량비는 90:10 내지 99:1이다. 또한, 상기 제1 정공가속층은 상기 제1 호스트와 상기 제1 도판트로 구성된 것으로, 달리 말하여 상기 제1 호스트와 상기 제1 도판트 외에는 다른 물질이 실질적으로 상기 제1 정공가속층에 포함되지 않는다.

제1 정공수송층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는, 상기 제1 정공가속층 상에 제1 정공수송층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 정공가속층 상에 상기 제1 정공수송층이 인접한다.

상기 정공수송층은 상기 제1 정공가속층으로부터 정공을 수취하여 후술할 제2 정공가속층까지 정공을 수송하는 층으로, 정공에 대한 이동성이 큰 물질이 적합하다.

상기 정공수송층을 구성하는 물질의 구체적인 예로는 아릴아민 계열의 유기물, 전도성 고분자, 및 공액 부분과 비공액 부분이 함께 있는 블록 공중합체 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는, 상기 정공수송층은 상기 제1 정공가속층의 제1 호스트와 동일한 물질로 이루어진다. 달리 말하여 상기 제1 호스트 외에는 다른 물질이 실질적으로 상기 정공수송층층에 포함되지 않는다. 상기와 같이 정공수송층은 상기 제1 정공가속층의 제1 호스트와 동일한 물질로 이루어지므로, 정공의 전달이 보다 용이하게 되어, 발광층 내 정공과 전자의 밸런스를 조절하는데 용이하다.

제2 정공가속층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는, 상기 정공수송층 상에 제2 호스트 및 제2 도판트를 포함하는 제2 정공가속층을 포함한다. 바람직하게는, 상기 정공수송층 상에 상기 제2 정공가속층이 인접한다.

앞서 제1 정공가속층과 유사하게, 상기 제2 정공가속층은 상기 정공수송층으로부터 정공을 수취하여 발광층까지 정공 주입을 가속하거나 이동을 용이하게 하여, 발광층 내의 정공과 전자의 밸런스를 조절한다.

바람직하게는, 상기 제1 호스트와 제2호스트의 밴드갭의 차이는 0.3 eV 이하이다.

바람직하게는, 상기 제2 호스트는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용한다.

상기 화학식 1에서, 바람직하게는, R은 모두 메틸이거나, 또는 모두 페닐이다.

바람직하게는, L₁은 각각 독립적으로, 단일 결합, 또는 페닐렌이다.

바람직하게는, L₂는 각각 독립적으로, 단일 결합, 페닐렌, 비페닐디일, 또는 터페닐디일이다.

바람직하게는, Ar₁은 페닐, 비페닐릴, 터페닐릴, 나프틸, 페난쓰레닐, 디메틸플루오레닐, 또는 디페닐플루오레닐이다.

바람직하게는, Ar₂는 치환 또는 비치환된 스피로비플루오레닐; 치환 또는 비치환된 디메틸플루오레닐; 치환 또는 비치환된 디페닐플루오레닐; 치환 또는 비치환된 트리페닐레닐; 또는 치환 또는 비치환된 아다만틸이다. 보다 바람직하게는, Ar₂는 하기로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나이다:

상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 대표적인 예는 하기와 같다:

한편, 상기 제2 도판트는, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 정공가속층의 제1 도판트와 동일한 물질을 사용한다. 또한, 상기 제2 호스트와 상기 제2 도판트는 상이한 화합물이다.

바람직하게는, 상기 제2 정공가속층에서, 상기 제2 호스트와 상기 제2 도판트의 중량비는 90:10 내지 99:1이다. 또한, 상기 제2 정공가속층은 상기 제2호스트와 상기 제2 도판트로 구성된 것으로, 달리 말하여 상기 제2 호스트와 상기 제2 도판트 외에는 다른 물질이 실질적으로 상기 제2 정공가속층에 포함되지 않는다.

제2 정공수송층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는, 상기 제2 정공가속층 상기 제2 정공수송층을 포함한다. 바람직하게는, 상기 제2 정공가속층 상에 상기 제2 정공수송층층이 인접한다. 또한, 상기 제2 정공수송층은 상기 제2 호스트와 동일한 물질을 포함한다.

상기와 같이 제2 정공수송층은 상기 제2 정공가속층의 제2 호스트와 동일한 물질로 이루어지므로, 정공의 전달이 보다 용이하게 되어, 발광층 내 정공과 전자의 밸런스를 조절하는데 용이하다. 바람직하게는, 상기 제2 정공수송층은 상기 제2 호스트로 구성된 것으로, 달리 말하여 상기 제2 호스트 외에는 다른 물질이 실질적으로 상기 제2 정공수송층에 포함되지 않는다.

발광층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는, 상기 제2 정공수송층과 전자수송층 사에 발광층을 포함한다.

상기 발광층은, 양극과 음극으로부터 전달받은 정공과 전자를 결합시킴으로써 가시광선 영역의 빛을 낼 수 있는 층을 의미한다. 일반적으로, 발광층은 호스트 재료와 도펀트 재료를 포함한다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 정공가속층 및 제2 정공가속층에 의하여 발광층 내 정공과 전자의 밸런스가 조절되어, 구동전압이 낮아지고, 발광 효율 및 수명이 개선될 수 있다.

상기 호스트 재료는 축합 방향족환 유도체 또는 헤테로환 함유 화합물 등이 있다. 구체적으로 축합 방향족환 유도체로는 안트라센 유도체, 피렌 유도체, 나프탈렌 유도체, 펜타센 유도체, 페난트렌 화합물, 플루오란텐 화합물 등이 있고, 헤테로환 함유 화합물로는 카바졸 유도체, 디벤조퓨란 유도체, 래더형 퓨란 화합물, 피리미딘 유도체 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 도펀트 재료로는 유기 발광 소자에 사용되는 물질이면 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 방향족 아민 유도체, 스트릴아민 화합물, 붕소 착체, 플루오란텐 화합물, 금속 착체 등이 있다. 구체적으로 방향족 아민 유도체로는 치환 또는 비치환된 아릴아미노기를 갖는 축합 방향족환 유도체로서, 아릴아미노기를 갖는 피렌, 안트라센, 크리센, 페리플란텐 등이 있으며, 스티릴아민 화합물로는 치환 또는 비치환된 아릴아민에 적어도 1개의 아릴비닐기가 치환되어 있는 화합물로, 아릴기, 실릴기, 알킬기, 사이클로알킬기 및 아릴아미노기로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상 선택되는 치환기가 치환 또는 비치환된다. 구체적으로 스티릴아민, 스티릴디아민, 스티릴트리아민, 스티릴테트라아민 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 금속 착체로는 이리듐 착체, 백금 착체 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 필요에 따라, 본 발명에 따른 유기 발광 소자는 상기 발광층의 양극 방향 쪽에 인접한 전자억제층을 포함할 수 있다. 상기 전자억제층은 발광층으로부터 전자가 양극 쪽으로 전달되는 것을 억제하는 층으로, 유기 발광 소자에서 사용되는 전자억제층 소재이면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다.

전자수송층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는, 상기 발광층과 음극 사이에 전자수송층을 포함할 수 있다.

상기 전자수송층은, 음극 또는 음극 상에 형성된 전자주입층으로부터 전자를 수취하여 발광층까지 전자를 수송하는 층으로, 전자 수송 물질로는 음극으로부터 전자를 잘 주입 받아 발광층으로 옮겨줄 수 있는 물질로서, 전자에 대한 이동성이 큰 물질이 적합하다.

상기 전자 수송 물질의 구체적인 예로는 8-히드록시퀴놀린의 Al 착물; Alq₃를 포함한 착물; 유기 라디칼 화합물; 히드록시플라본-금속 착물 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 전자 수송층은 종래기술에 따라 사용된 바와 같이 임의의 원하는 캐소드 물질과 함께 사용할 수 있다. 특히, 적절한 캐소드 물질의 예는 낮은 일함수를 가지고 알루미늄층 또는 실버층이 뒤따르는 통상적인 물질이다. 구체적으로 세슘, 바륨, 칼슘, 이테르븀 및 사마륨이고, 각 경우 알루미늄 층 또는 실버층이 뒤따른다.

전자주입층

본 발명에 따른 유기 발광 소자는 필요에 따라 상기 전자수송층과 음극 사이에 전자주입층을 추가로 포함할 수 있다.

상기 전자주입층은 전극으로부터 전자를 주입하는 층으로, 전자를 수송하는 능력을 갖고, 음극으로부터의 전자 주입 효과, 발광층 또는 발광 재료에 대하여 우수한 전자주입 효과를 가지며, 발광층에서 생성된 여기자의 정공주입층에의 이동을 방지하고, 또한, 박막형성능력이 우수한 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전자주입층으로 사용될 수 있는 물질의 구체적인 예로는, 플루오레논, 안트라퀴노다이메탄, 다이페노퀴논, 티오피란 다이옥사이드, 옥사졸, 옥사다이아졸, 트리아졸, 이미다졸, 페릴렌테트라카복실산, 프레오레닐리덴 메탄, 안트론 등과 그들의 유도체, 금속 착체 화합물 및 질소 함유 5원환 유도체 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 금속 착체 화합물로서는 8-하이드록시퀴놀리나토 리튬, 비스(8-하이드록시퀴놀리나토)아연, 비스(8-하이드록시퀴놀리나토)구리, 비스(8-하이드록시퀴놀리나토)망간, 트리스(8-하이드록시퀴놀리나토)알루미늄, 트리스(2-메틸-8-하이드록시퀴놀리나토)알루미늄, 트리스(8-하이드록시퀴놀리나토)갈륨, 비스(10-하이드록시벤조[h]퀴놀리나토)베릴륨, 비스(10-하이드록시벤조[h]퀴놀리나토)아연, 비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)클로로갈륨, 비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)(o-크레졸라토)갈륨, 비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)(1-나프톨라토)알루미늄, 비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)(2-나프톨라토)갈륨 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

유기 발광 소자

본 발명에 따른 유기 발광 소자의 구조를 도 1에 예시하였다. 도 1은, 기판(1), 양극(2), 제1 정공가속층(3), 제1 정공수송층(4), 제2 정공가속층(5), 제2 정공수송층(6), 발광층(7), 전자수송층(8), 및 음극(9)으로 이루어진 유기 발광 소자의 예를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 유기 발광 소자는 상술한 구성을 순차적으로 적층시켜 제조할 수 있다. 이때, 스퍼터링법(sputtering)이나 전자빔 증발법(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 상술한 각 층을 형성한 후, 그 위에 음극으로 사용할 수 있는 물질을 증착시켜 제조할 수 있다. 이와 같은 방법 외에도, 기판 상에 음극 물질부터 상술한 구성의 역순으로 양극 물질까지 차례로 증착시켜 유기 발광 소자를 만들 수 있다(WO 2003/012890). 또한, 발광층은 호스트 및 도펀트를 진공 증착법 뿐만 아니라 용액 도포법에 의하여 형성될 수 있다. 여기서, 용액 도포법이라 함은 스핀 코팅, 딥코팅, 닥터 블레이딩, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스프레이법, 롤 코팅 등을 의미하지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 유기 발광 소자는 사용되는 재료에 따라 전면 발광형, 후면 발광형 또는 양면 발광형일 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[제조예]

제조예 1: 화합물 HTL-A의 제조

질소 분위기에서 500 mL 둥근 바닥 플라스크에 화합물 A(7.2 g, 18.21 mmol), 및 화합물 a1(6.72 g, 18.58 mmol)을 톨루엔(150 mL)에 완전히 녹인 후 NaOtBu(2.45 g, 25.50 mmol)을 첨가하고, 비스(트리-터트-부틸포스핀)팔라듐(0)(0.09 g, 0.18 mmol)을 넣은 후 3시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 온도를 낮추고 여과하여 base를 제거한 후 톨루엔을 감압 농축시키고 에틸 아세테이트(250 mL)로 재결정하여 화합물 HTL-A(10.25 g, 수율: 83.3%)를 제조하였다.

MS: [M+H]⁺= 676

제조예 2: 화합물 HTL-B 의 제조

질소 분위기에서 500 mL 둥근 바닥 플라스크에 화합물 B(10.2 g, 25.67 mmol), 및 화합물 a1(9.47 g, 26.19 mmol)을 톨루엔(170 mL)에 완전히 녹인 후 NaOtBu(3.45 g, 35.94 mmol)을 첨가하고, 비스(트리-터트-부틸포스핀)팔라듐(0)(0.13 g, 0.26 mmol)을 넣은 후 3시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 온도를 낮추고 여과하여 base를 제거한 후 톨루엔을 감압 농축시키고 에틸 아세테이트(200 mL)로 재결정하여 화합물 HTL-B(15.5 g, 수율: 89.1%)를 제조하였다.

MS: [M+H]⁺= 678

제조예 3: 화합물 HTL-C의 제조

질소 분위기에서 500 ml 둥근 바닥 플라스크에 화합물 C(8.5 g, 27.7 mmol), 화합물 a2(15.9 g, 28.2 mmol)를 테트라하이드로퓨란(280 mL)에 완전히 녹인 후 2 M 탄산칼륨 수용액(140 mL)을 첨가하고, 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐(0.96 g, 0.83 mmol)을 넣은 후 4시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 온도를 낮추고 물 층을 제거하고 무수 황산 마그네슘으로 건조한 후 감압 농축시키고 에틸 아세테이트(180 mL)로 재결정하여 화합물 HTL-C(15.43 g, 84%)를 제조하였다.

MS: [M+H]⁺= 664

제조예 4: 화합물 HTL-D의 제조

질소 분위기에서 500 ml 둥근 바닥 플라스크에 화합물 D(7.6 g, 26.1 mmol), 화합물 a2(15.0 g, 26.6 mmol)를 테트라하이드로퓨란(260 mL)에 완전히 녹인 후 2 M 탄산칼륨 수용액(130 mL)을 첨가하고, 테트라키스-(트리페닐포스핀)팔라듐(0.90 g, 0.78 mmol)을 넣은 후 4시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 온도를 낮추고 물 층을 제거하고 무수 황산 마그네슘으로 건조한 후 감압 농축시키고 에틸 아세테이트(160 mL)로 재결정하여 화합물 HTL-D(12.73 g, 75.3%)를 제조하였다.

MS: [M+H]⁺= 648

[실시예]

실시예 1-1

ITO(indium tin oxide)가 1300 Å의 두께로 박막 코팅된 유리 기판을 세제를 녹인 증류수에 넣고 초음파로 세척하였다. 이때, 세제로는 피셔사(Fischer Co.) 제품을 사용하였으며, 증류수로는 밀러포어사(Millipore Co.) 제품의 필터(Filter)로 2차로 걸러진 증류수를 사용하였다. ITO를 30분간 세척한 후 증류수로 2회 반복하여 초음파 세척을 10분간 진행하였다. 증류수 세척이 끝난 후, 이소프로필알콜, 아세톤, 메탄올의 용제로 초음파 세척을 하고 건조시킨 후 플라즈마 세정기로 수송시켰다. 또한, 산소 플라즈마를 이용하여 상기 기판을 5분간 세정한 후 진공 증착기로 기판을 수송시켰다.

상기와 같이 준비된 ITO 투명 전극 상에, 하기 HTL1 화합물과 하기 P-Dopant 화합물을 98:2의 중량비로 진공 증착하여 100 Å 두께의 제1 정공가속층을 형성하였다.

상기 제1 정공가속층 상에, 하기 HTL1 화합물을 진공 증착하여 1150 Å 두께의 정공수송층을 형성하였다. 상기 정공수송층 상에, 앞서 제조한 HTL-A 화합물 및 하기 P-Dopant 화합물을 99:1의 중량비로 진공 증착하여 100 Å 두께의 제2 정공가속층을 형성하였다. 상기 제2 정공가속층 상에, 앞서 제조한 HTL-A 화합물을 진공 증착하여 200 Å 두께의 제2 정공수송층을 형성하였다. 상기 제2 정공수송층 상에, 하기 EBL 화합물을 진공 증착하여 150 Å 두께의 전자억제층을 형성하였다. 상기 전자억제층 상에, 하기 P-Host 화합물, 하기 N-Host 화합물 및 하기 GD 화합물을 47:47:6의 중량비로 진공 증착하여 350 Å 두께의 발광층을 형성하였다. 상기 발광층 상에, 하기 HBL 화합물을 진공 증착하여 50 Å 두께의 정공억제층을 형성하였다. 상기 정공억제층 상에, 하기 ETL 화합물, 및 하기 LiQ 화합물을 1:1의 중량비로 진공 증착하여 300 Å 두께의 전자전달층을 형성하였다. 상기 전자전달층 상에, 하기 LiQ 화합물을 진공 증착하여 15 Å 두께의 전자주입층을 형성하였다. 상기 전자주입층 위에 1,000 Å 두께의 알루미늄을 증착하여 음극을 형성하여, 유기 발광 소자를 제조하였다.

상기의 과정에서 유기물의 증착속도는 0.4 ~ 0.7 Å/sec를 유지하였고, 알루미늄은 2 Å/sec의 증착 속도를 유지하였으며, 증착시 진공도는 2×10^-7 ~ 5×10^-6 torr를 유지하여, 유기 발광 소자를 제작하였다.

한편, 상기 사용한 HTL-A 화합물과 HTL-A 화합물의 밴드갭은 각각 3.07 eV, 및 3.30 eV이었다.

실시예 1-2 내지 1-8 및 비교예 1-1 내지 1-7

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 상기 제1 정공가속층, 상기 제2 정공가속층, 제2 정공수송층 및/또는 전자억제층을 하기 표 1의 구성 및 두께로 변경하여, 유기 발광 소자를 제조하였다.

	제1 정공가속층(Å)	제2 정공가속층(Å)	제2 정공수송층(Å)	전자억제층(Å)
실시예 1-1	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(1wt%) (100)	HTL-A (200)	EBL (150)
실시예 1-2	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-A (200)	EBL (150)
실시예 1-3	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(3wt%) (100)	HTL-A (200)	EBL (150)
실시예 1-4	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(4wt%) (100)	HTL-A (200)	EBL (150)
실시예 1-5	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(1wt%) (100)	HTL-A (350)	-
실시예 1-6	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-A (350)	-
실시예 1-7	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(3wt%) (100)	HTL-A (350)	-
실시예 1-8	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(4wt%) (100)	HTL-A (350)	-
비교예 1-1	HTL1 (100)	HTL-A (300)	-	EBL (150)
비교예 1-2	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A (300)	-	EBL (150)
비교예 1-3	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A (450)	-	-
비교예 1-4	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(1wt%) (100)	-	-
비교예 1-5	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(2wt%) (100)	-	-
비교예 1-6	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(3wt%) (100)	-	-
비교예 1-7	HTL1 & P-Dopant(2 wt%) (100)	HTL-A & P-Dopant(4wt%) (100)	-	-

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 유기 발광 소자를 10 mA/cm²의 전류 밀도에서 구동 전압(V), 휘도(cd/A), 발광 효율(lm/w), 외부 양자 효율(external quantum efficiency, QE), 및 색좌표를 측정한 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 상기 외부양자효율은 (방출된 광자 수)/(주입된 전하운반체 수)로 구하였다.

	V	cd/A	lm/w	QE	CIE-x	CIE-y
실시예 1-1	3.77	64.07	53.39	18.83	0.362	0.609
실시예 1-2	3.62	63.43	55.07	18.65	0.363	0.608
실시예 1-3	3.54	63.16	56.00	18.57	0.363	0.609
실시예 1-4	3.50	63.14	56.60	18.55	0.363	0.609
실시예 1-5	3.73	65.33	54.94	19.12	0.354	0.616
실시예 1-6	3.60	64.70	56.50	18.94	0.354	0.616
실시예 1-7	3.52	64.26	57.35	18.81	0.354	0.616
실시예 1-8	3.48	64.18	57.95	18.79	0.353	0.617
비교예 1-1	4.52	58.24	40.46	16.83	0.346	0.623
비교예 1-2	4.07	64.91	50.00	19.06	0.362	0.609
비교예 1-3	4.08	69.33	53.33	20.33	0.361	0.611
비교예 1-4	3.64	59.06	51.00	17.31	0.360	0.611
비교예 1-5	3.50	55.00	49.39	16.13	0.360	0.611
비교예 1-6	3.44	52.60	47.99	15.43	0.360	0.611
비교예 1-7	3.42	50.74	46.66	14.88	0.360	0.611

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 발광 소자의 성능이 현저히 개선됨을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 비교예 1-1 내지 1-3의 경우, 제1 정공가속층과 제2 정공가속층에 동일한 도판트를 포함하지 않아, 유기 발광 소자의 성능이 본 발명에 따른 유기 발광 소자에 비하여 떨어졌으며, 비교예 1-4 내지 1-7의 경우 제2 정공가속층에 인접하고 제2 정공가속층의 제2 호스트와 동일한 물질로 이루어진 제2 정공수송층이 존재하지 않아, 유기 발광 소자의 성능이 본 발명에 따른 유기 발광 소자에 비하여 떨어졌음을 확인할 수 있었다.

실시예 2-1 내지 4-2 및 비교예 2-1 내지 4-1

상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 제조하되, 상기 제1 정공가속층, 상기 제2 정공가속층, 제2 정공수송층 및/또는 전자억제층을 하기 표 3의 구성 및 두께로 변경하여, 유기 발광 소자를 제조하였다.

	제1 정공가속층(Å)	제2 정공가속층(Å)	제2 정공수송층 (Å)	전자억제층(Å)
실시예 2-1	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-B & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-B (200)	EBL (150)
실시예 2-2	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-B & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-B (350)	-
비교예 2-1	HTL1 (100)	HTL-B (300)	-	EBL (150)
비교예 2-2	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-B (300)	-	EBL (150)
실시예 3-1	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-C & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-C (200)	EBL (150)
실시예 3-2	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-C & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-C (350)	-
비교예 3-1	HTL1 (100)	HTL-C (300)	-	EBL (150)
비교예 3-2	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-C (300)	-	EBL (150)
실시예 4-1	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-D & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-D (200)	EBL (150)
실시예 4-2	HTL1 & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-D & P-Dopant(2wt%) (100)	HTL-D (350)	-
비교예 4-1	HTL1 (100)	HTL-D (300)	-	EBL (150)

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 유기 발광 소자를 10 mA/cm²의 전류 밀도에서 구동 전압(V), 휘도(cd/A), 발광 효율(lm/w), 외부 양자 효율(external quantum efficiency, QE), 및 색좌표를 측정한 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 상기 외부양자효율은 (방출된 광자 수)/(주입된 전하운반체 수)로 구하였다.

	V	cd/A	lm/w	QE	CIE-x	CIE-y
실시예 2-1	4.16	68.02	51.42	19.82	0.356	0.615
실시예 2-2	4.05	67.09	52.07	19.58	0.358	0.613
비교예 2-1	4.72	58.60	39.04	16.99	0.349	0.620
비교예 2-2	4.17	55.43	44.25	16.02	0.351	0.620
실시예 3-1	4.09	65.68	50.49	19.13	0.356	0.615
실시예 3-2	3.99	64.68	50.91	18.86	0.357	0.614
비교예 3-1	4.69	65.65	43.95	19.04	0.350	0.619
비교예 3-2	4.13	58.65	47.34	16.97	0.353	0.619
실시예 4-1	4.17	67.49	50.89	19.60	0.352	0.618
실시예 4-2	4.07	67.62	52.22	19.66	0.353	0.618
비교예 4-1	4.82	56.66	36.91	16.37	0.345	0.623

상기 표 4의 결과는 앞서 표 2의 결과와 유사한 것으로, 본 발명에 따른 유기 발광 소자의 성능이 현저히 개선됨을 확인할 수 있었다.

1: 기판 2: 양극
3: 제1 정공가속층 4: 제1 정공수송층
5: 제2 정공가속층 6: 제2 정공수송층
7: 발광층 8: 전자수송층
9: 음극

Claims

양극,
제1 호스트 및 제1 도판트를 포함하는 제1 정공가속층,
제1 정공수송층,
제2 호스트 및 제2 도판트를 포함하는 제2 정공가속층,
제2 정공수송층,
발광층,
전자수송층, 및
음극을 포함하는 유기 발광 소자에 있어서,
상기 제1 도판트와 제2 도판트는 서로 동일한 물질이고,
상기 제2 호스트는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이고,
상기 제2 정공수송층은 상기 제2 호스트를 포함하는,
유기 발광 소자:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
R은 각각 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C_1-60 알킬, 또는 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴이고,
L₁ 및 L₂는 각각 독립적으로, 단일 결합; 또는 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴렌이고,
Ar₁은 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴이고,
Ar₂는 치환 또는 비치환된 C_6-60 아릴; 또는 치환 또는 비치환된 아다만틸이다.
제1항에 있어서,
상기 제1 정공가속층에서, 상기 제1 호스트와 상기 제1 도판트의 중량비는 90:10 내지 99:1인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제2 정공가속층에서, 상기 제2 호스트와 상기 제2 도판트의 중량비는 90:10 내지 99:1인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
R은 모두 메틸이거나, 또는 모두 페닐인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
L₁은 각각 독립적으로, 단일 결합, 또는 페닐렌인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
L₂는 각각 독립적으로, 단일 결합, 페닐렌, 비페닐디일, 또는 터페닐디일인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
Ar₁은 페닐, 비페닐릴, 터페닐릴, 나프틸, 페난쓰레닐, 디메틸플루오레닐, 또는 디페닐플루오레닐인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
Ar₂는 치환 또는 비치환된 스피로비플루오레닐; 치환 또는 비치환된 디메틸플루오레닐; 치환 또는 비치환된 디페닐플루오레닐; 치환 또는 비치환된 트리페닐레닐; 또는 치환 또는 비치환된 아다만틸인,
유기 발광 소자.
제1항에 있어서,
Ar₂는 하기로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나인,
유기 발광 소자:

.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나인,
유기 발광 소자:

.
제1항에 있어서,
상기 제1 호스트는 하기의 화합물인,
유기 발광 소자:

.
제1항에 있어서,
상기 제1 도펀트는 하기의 화합물인,
유기 발광 소자:

.
제1항에 있어서,
상기 제1 호스트와 제2호스트의 밴드갭의 차이는 0.3 eV 이하인,
유기 발광 소자.