KR20020059256A - 개선된 휘도 효율을 갖는 유기 발광 다이오드 장치 - Google Patents

개선된 휘도 효율을 갖는 유기 발광 다이오드 장치 Download PDF

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Abstract

유기 발광 장치는 기판; 상기 기판에 배치된 양극 및 음극; 및 양극과 음극 사이에 배치되고 호스트 및 하나 이상의 도판트를 포함하는 발광층을 포함하되; 상기 발광층의 호스트가 2 성분 이상의 혼합물로서, 혼합물의 제 1 성분이 전자 및 정공을 둘다 수송할 수 있고 실질적으로 비극성인 유기 화합물이고 혼합물의 제 2 성분이 제 1 성분 보다 더 극성의 유기 화합물인 혼합물을 포함하는 고체 유기 물질을 포함하도록 선택되고, 상기 발광층의 도판트가 발광 장치로부터 빛을 생성하도록 선택된다.

Description

개선된 휘도 효율을 갖는 유기 발광 다이오드 장치{ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE DEVICES WITH IMPROVED LUMINANCE EFFICIENCY}
본 발명은 휘도 효율을 개선하기 위한 유기 발광 다이오드 장치, 보다 구체적으로는 유기 층의 조성의 설계에 관한 것이다.
유기 전자발광(EL) 장치로도 공지된 유기 발광 다이오드(OLED)는 장치에 가해진 전류에 대한 반응으로 빛을 방출하는 전자 장치의 한 부류이다. OLED 장치의구조는 통상적으로 양극, 유기 EL 매체 및 음극을 포함한다. 본 발명에서 유기 EL 매체라는 용어는 OLED 장치에서 양극 및 음극 사이에 배치된 유기 물질 또는 유기 물질 층을 말한다. 유기 EL 매체는 저분자량 화합물, 고분자량 중합체, 저분자량 화합물의 올리고머, 또는 생체물질을 박막 또는 거대 고형물 형태로 포함할 수 있다. 매체는 비결정질 또는 결정질일 수 있다. 다양한 구조의 유기 전자발광 매체는 선행 기술분야에 기술되어 있다. 드레스너(Dresner)의 문헌[RCA Review, 30, 322 (1969)]에서는 단층의 안트라센 막을 포함하는 매체를 기술하였다. 탱(Tang) 등의 문헌[Applied Physics Letters, 51, 913 (1987), Journal of Applied Physics, 65, 3610 (1989) 및 일반적으로 양도된 미국 특허 제 4,769,292 호]에서는 유기 박막의 다층 구조를 갖는 EL 매체를 보고하였고, 이러한 매체를 사용한 매우 효율적인 OLED 장치를 기술하였다. 일부 OLED 장치 구조에서, 다층 EL 매체는 양극에 인접한 정공 수송 층, 음극에 인접한 전자 수송 층, 및 상기 두 층 사이에 배치된 발광층을 포함한다. 또한, 일부 바람직한 장치 구조에서, 발광층은 정공으로서 유기 물질과 도판트로서 소량의 형광 화합물을 포함하는 도핑된 유기막으로 이루어져 있다. 적합한 도판트-정공 조성을 선택함으로써 이러한 도핑된 OLED 장치에서 EL 효율 및 색도를 개선시킬 수 있었다. 주도적인 방출 중심인 도판트는 흔히 목적하는 EL 색상을 생성하도록 선택된다. 탱 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 4,769,292 호 및 첸(Chen) 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 5,908,581 호에 의해 보고된 도핑된 발광층의 예로는, 녹색을 방출하는 OLED를 위해 쿠마린 염료로 도핑된 트리스(8-퀴놀리놀)알루미늄(AlQ) 호스트 및 오렌지색 내지 적색을 방출하는 OLED를 위해 4-디시아노메틸렌-4H-피란(DCM)으로 도핑된 AlQ가 있다. 색상 및 휘도 효율을 향상시키는 것 이외에, 도핑된 발광층을 사용하면 그밖의 중요한 이점이 있다. 쉬(Shi) 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 5,593,788 호에서는 도핑된 발광층을 사용하여 OLED 장치의 안정성을 상당히 개선시켰음을 개시하고 있다. 쉬의 개시내용에서, AlQ 호스트에서 도판트로서 퀴나크리돈 화합물을 사용함으로써 OLED 장치의 작동 수명을 연장시킬 수 있었다. 퀴나크리돈 도판트는 높은 휘도 효율로 녹색을 방출시켰다. 브리안(Bryan) 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 5,141,671 호에서는 청색 방출 호스트에서 도판트로서 페릴렌 또는 페릴렌 유도체를 함유하는 발광층을 개시하고 있다. 상기 문헌에서는 개선된 청색 색조 및 개선된 작동 안정성을 갖는 청색 방출 OLED 장치가 수득됨을 보여주었다. 상기 두 문헌에서, 발광층에 선택된 형광 도판트를 혼입함으로써 전체 OLED 장치 성능 파라미터를 실질적으로 개선시킴이 밝혀졌다.
도핑된 발광층의 가장 통상적인 배합은 호스트 매트릭스에 하나의 도판트만을 포함하는 것이다. 그러나, 몇몇 예에서는, 발광층에 하나 이상의 도판트의 혼입이 색조를 개선시키는데 유리한 것으로 밝혀졌다. 이러한 한가지 예는 하마다(Hamada) 등의 문헌[Applied Phys. Lett. 75, 1682 (1999)]에 보고되었다. 하마다 등의 문헌에서는, AlQ 호스트에서 황색 방출 도판트로서 루브렌 및 적색 방출 도판트로서 DCJ 4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-[2-(4-줄롤리딜)에테닐]-4H-피란을 함유한 발광층을 사용하여 우수한 색도를 갖는 적색 방출 OLED 장치를 제작할 수 있었다. 또한, DCJ 도판트로부터의 적색 색조는 OLED로부터 나오는 빛의 세기에는 무관하게 본질적으로 변하지 않는다. 반대로, AlQ 호스트에서 DCJ 도판트만을 갖는 경우, 도판트 DCJ으로부터 방출되는 빛의 색상은 두드러지게 청색-이동하여 적색 색조 보다는 목적하는 오렌지 색조를 덜 생성하였다. 이중 도판트 시스템을 갖는 경우, 루브렌은, AlQ 호스트로부터 DCJ 방출기로의 에너지-전달을 조절하는 공동-도판트로서 작용한다. 단일 도판트 또는 이중 도판트 시스템에서, 휘도 효율은, 밝기를 증가시킴에 따라, 즉 전류 밀도를 증가시킴에 따라 감소하는 경향이 있다. 적색-방출 도판트를 갖는 경우, 전류 밀도를 증가시킴에 따라 색조는 통상적으로 오렌지색 쪽으로 이동한다.
다양한 조성의 도핑된 발광층을 사용하여 EL 효율, 색상 및 안정성은 상당히 개선되었지만, 광 출력 또는 유도 전류 밀도를 증가시킴에 따라 EL 효율이 감소하는 문제점이 특히 적색-방출 OLED 장치에서 여전히 존재하였다.
본 발명의 목적은, OLED로부터의 광 출력의 세기에 본질적으로 독립적인 휘도 효율이 개선된 OLED 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 광 출력의 세기에 본질적으로 독립적인 휘도 효율이 개선된 적색 OLED 장치를 구체적으로 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 광 출력에 본질적으로 독립적인 색도를 갖는 적색 OLED 장치를 구체적으로 제공하는 것이다.
이러한 목적은
(a) 기판;
(b) 상기 기판에 배치된 양극 및 음극; 및
(c) 양극과 음극 사이에 배치되고 호스트 및 하나 이상의 도판트를 포함하는 발광층을 포함하되;
(d) 상기 발광층의 호스트가 2 성분 이상의 혼합물로서 (i) 혼합물의 제 1 성분이 전자 및 정공을 둘다 수송할 수 있고 실질적으로 비극성인 유기 화합물이고 (ii) 혼합물의 제 2 성분이 제 1 성분 보다 더 극성의 유기 화합물인 혼합물을 포함하는 고체 유기 물질을 포함하도록 선택되고;
(e) 상기 발광층의 도판트가 발광 장치로부터 빛을 생성하도록 선택된 유기 발광 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 이점은, 발광층의 제 1 및 제 2 호스트 성분, 및 도판트를 적당하게 선택하여 높은 휘도 효율을 갖는 OLED 장치를 제작하는데 있다.
본 발명의 다른 이점은, OLED 장치로부터의 광 출력의 세기에 상대적으로 독립적인 휘도 효율을 갖는 OLED 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 이점은, OLED 장치로부터의 광 출력의 세기에 본질적으로 독립적인 색도를 갖는 OLED 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 이점은, 우수한 효율 및 색도를 갖는 적색 방출 OLED를 제공하는데 있다.
도 1은 유기 EL 매체를 갖는 OLED의 개략적인 구조이다.
도 2 및 도 3은 2가지의 다른 배열의 유기 EL 매체를 나타내는 2가지의 개략적인 OLED 구조이다.
도면은 부득이하게 개략적으로 나타내는데, 이는 개별적인 층이 너무 얇고, 다양한 구성요소의 두께의 차이가 너무 커서 일정 비율로 증감하여 표시하거나 사용하기에 알맞은 적당한 비율로 표현할 수 없기 때문이다.
도 1은 본 발명에서 실용화된 가장 간단한 구조의 OLED 장치의 구조를 기술한다. 상기 구조에서, OLED 장치(100)는 기판(110)에 배치된 양극(120), EL 매체(130), 및 음극(140)을 포함한다. 작동시, 전기 전도체(10)를 사용하여 외부 전류 또는 전압 공급원을 양극 및 음극에 연결시킴으로써 전류는 OLED를 통해 흘러 EL 매체로부터 빛을 방출시킨다. 빛은, 목적하는 바 및 양극 및 음극의 광학 투명도에 따라 양극 또는 음극 중 하나, 또는 둘다를 통해 방출될 수 있다. EL 매체는 단층 또는 다층의 유기 물질을 포함한다.
도 2는 본 발명의 다른 OLED 장치의 구조를 나타낸다. 이러한 구조에서, OLED 장치(200)는 기판(210), 및 양극(220) 및 음극(240) 사이에 배치된 EL 매체(230)를 포함한다. EL 매체(230)는 양극에 인접한 정공-수송 층(231), 음극에 인접한 전자 수송 층(233), 및 정공-수송 층 및 전자-수송 층 사이에 배치된 발광층(232)을 포함한다. 작동시, 전기 전도체(10)를 사용하여 외부 전류 또는 전압 공급원을 양극 및 음극에 연결시킴으로써 전류는 OLED 장치를 통해 흐르게 된다. EL 매체를 통해 흐르는 이러한 전류는 주로 발광층(232)으로부터 빛을 방출시키게 한다. 정공-수송 층(231), 즉 양전하 캐리어는 정공을 양극으로부터 발광층으로 운반한다. 전자-수송 층(233), 즉 음전하 캐리어는 전자를 음극으로부터 발광층(232)으로 운반한다. 정공 및 전자의 재조합은 발광층(232)으로부터 빛을 방출시킨다. 즉, 전자발광된다.
도 3은 본 발명의 또다른 OLED 장치의 구조를 기술한다. 이러한 구조에서,OLED 장치(300)는 기판(310), 및 양극(320) 및 음극(340) 사이에 배치된 EL 매체(330)를 포함한다. EL 매체(330)는 정공 주입 층(331), 정공 수송 층(332), 발광층(333), 전자 수송 층(334), 및 전자 주입 층(335)을 포함한다. 도 2의 OLED 장치(200)와 유사하게, 전자 및 정공의 재조합은 발광층(333)으로부터 빛을 방출시킨다. 정공-주입 층(331) 및 전자 주입 층(335)의 제공은 각각의 전극으로부터 캐리어 주입에 대한 방벽을 감소시키는 작용을 한다. 결과적으로, OLED 장치를 위해 요구되는 유도 전압을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 발광층(도 2의 층(232) 또는 도 3의 층(333) 중 하나)는 주로 OLED 장치로부터 방출되는 전자발광을 유발한다. 이러한 발광층을 위해 가장 통상적으로 사용되는 배합물 중 하나는 호스트 및 하나 이상의 도판트를 포함하는 유기 박막이다. 호스트는 양극 및 음극으로부터 주입된 전하 캐리어의 수송 및 재조합을 위한 고체 매체 또는 매트릭스로서 작용한다. 도판트는, 통상적으로 소량으로 호스트에 균일하게 분포되어, 빛이 생성되는 방출 중심을 제공한다. 선행 기술분야에 교시된 바를 따르면, 본 발명은 호스트 및 도판트를 포함하는 발광층을 사용하지만, 본 발명의 호스트가 특정적인 전기 특성을 각각 갖는 2 성분 이상을 갖는 혼합물이라는 점에서 선행 기술과는 구별된다. 이러한 호스트 성분 및 상용하는 도판트 물질의 선택은 하기의 기준을 따른다:
1. 호스트는 2 이상의 균일하게 혼합된 호스트 성분을 갖는 고체 유기 박막이다;
2. 제 1 호스트 성분은 전자 및 정공을 둘다 수송할 수 있는 유기 화합물이고, 이러한 유기 화합물의 분자 구조는 실질적으로 비극성이다;
3. 제 2 호스트 성분은 제 1 호스트 성분 보다 극성인 분자 구조를 갖는 유기 화합물이다;
4. 도판트는 제 1 또는 제 2 호스트 성분 중 하나에서 전자 및 정공의 재조합으로부터 방출되는 에너지를 수용하여 빛으로서 에너지를 방출할 수 있는 유기 발광성 화합물이다.
본 발명의 선택 기준에 따라, OLED 장치가 우수한 휘도 효율 및 색도를 갖도록 구성되어 왔다. 더욱 중요하게는, cd/A의 단위로 측정된 휘도 효율은 넓은 범위의 밝기 또는 전류 밀도에서도 본질적으로 일정하다. 이는, 밝기 또는 전류 밀도가 증가함에 따라 휘도 효율이 흔히 감소하거나 변하는 선행 기술에 비해 구별되는 이점이다. 다른 중요한 이점은, 색도도 밝기 또는 전류 밀도에 무관하게 본질적으로 일정하게 유지된다는 것이다. 따라서, OLED 장치에서 밝기에 따른 색상 이동의 문제점이 없어진다.
본 발명의 발광층의 제 1 호스트 성분을 위한 바람직한 물질로는, 본 발명의 목적을 위해 벤젠노이드 화합물로서 지칭되는 부류의 화합물을 포함한다. 벤젠노이드 화합물은 폴리사이클릭 탄화수소(PAH) 및 2 이상의 PAH의 조합을 포함한다. 2 이상의 PAH의 조합에 의해 형성되는 벤젠노이드 화합물에서, PAH는 화학적 단일결합을 통해 함께 연결되거나, 포화 또는 불포화 탄화수소 기를 통해 연결된다. 벤젠노이드 화합물을 위한 빌딩 블록으로서 유용한 PAH의 목록은 다음과 같다:
1. 벤젠
2. 나프탈렌
3. 안트라센
4. 페난트렌
5. 테트라센
6. 피렌
7. 펜타센
8. 페릴렌
9. 코로넨
10. 크리센
11. 피센
12. 페리사이클렌
상기 목록의 임의의 PAH, 및 상기 목록의 PAH 중 하나 이상의 조합에 의해 형성된 임의의 벤젠노이드 화합물은, 실온에서 막-형성 물질이기도 한다면, 제 1 호스트 성분으로서 유용하다. PAH 기에서 총 5원 또는 6원 고리를 함유한 벤젠노이드 화합물은 통상적으로 막을 형성한다.
PAH가 화학적 단일결합을 통해 함께 연결된, 유용한 벤젠노이드 화합물의 대표적인 예는 다음과 같다:
1) 헥사페닐벤젠
2) 벤젠-안트라센-벤젠(예를 들어, 9,10-디페닐안트라센)
3) 나프탈렌-안트라센-나프탈렌(예를 들어, 9,10-비스(2-나프틸)안트라센)
4) (벤젠)2-테트라센-(벤젠)2(예를 들어, 루브렌)
5) 안트라센-안트라센(예를 들어, 비안트릴)
6) 안트라센-안트라센-안트라센(예를 들어, 9,10-디안트릴안트라센)
7) 피렌-페릴렌
8) 페릴렌-안트라센
상기 예에서, 하이픈(-)은 PAH 잔기 사이의 화학적 단일결합을 나타낸다. 유용한 벤젠노이드 화합물은 하나 이상의 탄화수소 기에 의해 연결된 PAH 기를 포함하는 화합물을 포함한다. 하나 이상의 탄화수소 기로 치환된 임의의 상기 벤젠노이드 화합물이 유용하다.
본 발명의 발광층의 제 1 호스트 성분을 위한 특히 바람직한 물질로는 하기 화학식 1의 벤젠노이드 화합물을 포함한다:
상기 식에서,
치환기 R1, R2, R3및 R4는 각각 개별적으로 수소, 탄소수 1 내지 24의 알킬, 아릴, 또는 탄소수 5 내지 30의 치환된 아릴이다.
특히 바람직한 물질의 구체적인 예의 화학적 명칭 및 약자는 다음과 같다:
제 1 호스트 성분을 선택하는 한가지 특별한 기준은 유기 화합물이 실질적으로 비극성인 분자 구조를 가져야 한다는 것이다. 화합물의 극성은 분자내 전하 분포의 측정치이다. 비극성 또는 실질적으로 비극성인 분자는 모든 원자가 대략 전기적으로 중성인 구조를 갖는다. 반대로, 극성 화합물은 몇몇의 원자가 부분적으로 양전하 또는 음전하를 갖는 분자 구조를 갖는다. 분자의 극성은, 예를 들어 Debye의 단위로 정의된 쌍극자 모멘트의 크기에 의해 표시될 수 있다. 참고하기 위해서, 다수의 유기 화합물의 쌍극자 모멘트의 값은 문헌[Handbook of Chemistry and Physics, 51st edition, page E70]에서 알 수 있다. 비극성 분자는 통상적으로 1.0 Debye 미만의 쌍극자 모멘트를 갖는다.
몇몇 유기 화합물의 경우, 분자 구조는, 개별적인 기로서 다소 극성인 다양한 잔기 또는 원자단을 함유할 수도 있지만, 분자의 평균 쌍극자 모멘트가 상대적으로 작을 수 있다. 그 이유는, 분자 구조 내에 개별적인 잔기의 쌍극자 모멘트는 서로 반대여서 이러한 쌍극자 모멘트를 상쇄시킬 수 있기 때문이다. 기 쌍극자 모멘트로서 공지된, 분자내 다양한 원자단의 쌍극자 모멘트 값은 문헌[Dipole Moments in Organic Chemistry by V. I. Minkin, O. A. Osipov, and Y. A. Zhdanov]에서 알 수 있다. OLED에 유용한 분자의 비극성 또는 극성 특성을 기술하기 위한 순(net) 쌍극자 모멘트 및 기 쌍극자 모멘트의 사용의 추가의 예는 문헌[Young and fitzgerald, Journal of Physical Chemistry, 99, 4230 (1995)]에서 이용할 수 있다.
본 발명에서 사용된 바와 같이, 분자내 잔기 또는 원자단의 쌍극자 모멘트는 기 쌍극자 모멘트로 지칭된다. 전체 분자의 쌍극자 모멘트는 분자의 순 쌍극자 모멘트로 지칭된다. 유기 화합물이 본 발명에서 사용되는 바와 같이 실질적으로 비극성이도록, 분자의 기 쌍극자 모멘트 또는 순 쌍극자 모멘트는 1 Debye 미만이어야 한다.
본 발명에서 제 1 호스트 성분으로서 유용한 것으로 밝혀진 거의 모든 벤젠노이드 화합물은 1 Debye 미만의 쌍극자 모멘트를 갖고, 이러한 화합물내 원자단도 1 Debye 미만의 쌍극자 모멘트를 갖는다. 수많은 대표적인 벤젠노이드, 예를 들어 나프탈렌, 안트라센 및 페릴렌은 실제로 0의 기 쌍극자 모멘트 및 순 쌍극자 모멘트를 갖는다. 이러한 비극성 기준을 만족시키는 다른 유기 화합물도 유용하다.
본 발명의 발광층의 제 2 호스트 성분용 물질로는 제 1 호스트 성분 보다 높은 쌍극자 모멘트를 갖는 유기 화합물을 들 수 있다. 상기 정의된 바와 같이, 분자의 순 쌍극자 모멘트 및 기 쌍극자 모멘트의 값은 매우 다를 수 있다. 제 2 호스트 성분으로서 유용한 유기 화합물의 경우에는, 반드시 분자의 임의의 개별적인 기 쌍극자 모멘트 또는 순 쌍극자 모멘트가 제 1 호스트 성분으로 사용된 분자의 임의의 개별적인 기 쌍극자 모멘트 또는 순 쌍극자 모멘트 보다 커야 한다. 발광층의 제 2 호스트 성분으로서 유용한 분자의 개별적인 기 또는 순 쌍극자 모멘트의 바람직한 값은 0.5 Debye 이상이다.
바람직하게 제 2 호스트 성분은 제 1 호스트 성분 보다 작은 밴드 갭(band gap)을 가져야 한다. 밴드 갭은, 전자를 분자의 가장 높은 채워진 분자 오비탈로부터 분자의 가장 낮은 채워지지 않은 오비탈로 가져오는데 필요한 에너지로 정의된다. 이러한 조건은 제 1 호스트 성분으로부터 제 2 호스트 성분으로의 에너지 수송을 용이하게 하고, 제 1 호스트 성분에서의 전자 및 정공의 재조합으로부터 발생하는 에너지는 제 2 호스트 성분, 후속적으로 빛 생성 도판트에 전달될 수 있다.
제 2 호스트 성분을 위한 낮은 밴드 갭의 물질을 선택해야 하는 다른 이유는, 이것이 정공 트랩, 전자 트랩 또는 둘다로 작용할 수도 있기 때문이다. 제 2 호스트 성분에서의 주입된 캐리어의 직접적인 트랩핑은, 제 1 호스트 성분에서 캐리어 재조합에 필요한 손쉬운 방법으로서, 상기 성분에서 전자-정공 재조합을 촉진시키기 때문에 유리하다. 이러한 조건하에, 제 1 호스트 성분은 캐리어 수송만을 위해 필요하게 된다.
발광층의 제 2 호스트 성분으로서 유용한 물질로는, 분자 구조내에 하나 이상의 전자-주기 또는 전자-끌기 잔기를 보유하여 극성을 부여하는 벤젠노이드를 포함한다. 전자-주기 잔기로는 아미노, 알킬아미노, 아릴아미노, 디알킬아미노, 디아릴아미노, 메톡시 및 페녹시를 포함한다. 전자-끌기 잔기로는 시아노, 니트로, 플루오로, 클로로, 케토, 카복실 및 피리딜을 포함한다.
제 2 호스트 성분으로서 유용한 다른 부류의 물질로는 헤테로사이클릭 구조를 함유한 벤젠노이드를 포함한다. 이러한 구조는 벤족사졸릴, 및 하기 화학식 2의 벤족사졸릴의 티오 및 아미노 유사물질을 포함한다:
상기 식에서,
Z는 O, NR" 또는 S이고;
R 및 R'는 개별적으로 수소; 탄소수 1 내지 24의 알킬; 아릴 또는 탄소수 5 내지 20의 헤테로원자 치환된 아릴; 할로 또는 접합된 방향족 고리를 완성하는데 필요한 원자이고;
R"는 수소; 탄소수 1 내지 24의 알킬; 또는 탄소수 5 내지 20의 아릴이다.
이러한 구조에서 벤즈이미다졸 기의 쌍극자 모멘트는 보고된 문헌[Tables of Experimental Dipole Moments, edited by A. L. McClellan, Freeman, 1963, Page 238]으로부터 약 4 Debye로 추정된다.
제 2 호스트 성분을 위한 바람직한 다른 부류의 물질은 옥시노이드 화합물이다. 고려되는 옥시노이드 화합물의 예는 하기 화학식 3의 구조를 만족시키는 것들이다:
상기 식에서,
Me는 금속을 나타내고;
n은 1 내지 3의 정수이고;
Z는 각각의 경우에서 독립적으로 2 이상의 접합된 방향족 고리를 갖는 핵을 완성시키는 원자를 나타낸다.
상기로부터, 금속은 1가, 2가 또는 3가 금속일 수 있음이 자명하다. 금속은, 예를 들어 리튬, 나트륨 또는 칼륨과 같은 알칼리 금속; 마그네슘 또는 칼슘과 같은 알칼리 토금속; 또는 붕소 또는 알루미늄과 같은 토금속일 수 있다. 일반적으로, 유용한 킬레이팅 금속으로 공지된 임의의 1가, 2가 또는 3가 금속을 사용할 수 있다.
Z는, 접합된 방향족 고리의 하나 이상이 아졸 또는 아진 고리인 2 이상의 접합된 방향족 고리를 함유한 헤테로사이클릭 핵을 완성시킨다. 지방족 고리 및 방향족 고리를 둘다 포함하는 추가의 고리는, 요구된다면, 2개의 요구되는 고리와 접합될 수 있다. 기능이 개선되지 않고 분자 크기가 거대해지는 것을 방지하기 위해서, 고리 원자의 수는 18개 이하로 유지되는 것이 바람직하다.
유용한 킬레이팅된 옥시노이드 화합물의 예와 이들의 약어 명칭은 다음과 같다:
AlQ: 트리스(8-퀴놀리놀)알루미늄,
MgQ: 비스(8-퀴놀리놀)-마그네슘,
InQ: 트리스(8-퀴놀리놀)인듐,
LiQ: 8-퀴놀리놀 리튬.
발광층의 도판트용 물질의 선택 기준은 1) 도판트 분자가 발광층에서 높은 효율의 형광 또는 인광을 갖고, 2) 제 1 및 제 2 호스트 성분 둘다 보다 작은 밴드 갭을 갖는 것이다.
적색 방출 OLED를 위한, 본 발명의 바람직한 부류의 도판트로는 하기 화학식 4의 화합물을 포함한다:
상기 식에서,
R1, R2, R3및 R4는 개별적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬이고,
R5는 탄소수 2 내지 20의 알킬, 아릴, 입체장애 아릴 또는 헤테로아릴이고,
R6은 탄소수 1 내지 10의 알킬 또는 R5와 연결된 5원 또는 6원 카보사이클릭 고리이다.
이러한 물질은 용액 중 단일체 만큼의 높은 형광 효율을 갖고, 오렌지색 내지 적색 스펙트럼 영역에서 방출한다. 이러한 부류의 대표적인 물질 및 이들의 약어 명칭은 다음과 같다:
본 발명에서 도판트로서 유용한 다른 부류의 형광 물질은 하기 화학식 5의 화합물을 포함한다:
상기 식에서,
X는 S 또는 O이고,
R1및 R2는 개별적으로 탄소수 1 내지 20의 알킬, 아릴 또는 카보사이클릭 시스템이고,
R3및 R4는 개별적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬, 또는 R1, R2와 각각 연결된 분지되거나 분지되지 않은 5원 또는 6원 치환기 고리이고,
R5및 R6은 개별적으로 분지되거나 분지되지 않은 탄소수 1 내지 20의 알킬이다.
이러한 부류의 대표적인 물질 및 이들의 약어 명칭은 다음과 같다:
본 발명의 발광층의 조성은, 제 1 호스트 성분이 가장 많은 부피의 분획을 구성하고, 제 2 호스트 성분이 그 다음의 부피의 분획을 구성하는 것이다. 도판트는 가장 작은 부피의 분획을 구성한다. 제 1 호스트 성분의 바람직한 범위는 약 50 내지 95 부피%이다. 제 2 호스트 성분의 바람직한 농도 범위는 약 5 내지 약 40 부피%이다. 도판트의 바람직한 농도 범위는 0.1 내지 10 부피%이다. 본 발명에 유용한 발광층의 두께는 50 내지 2000 Å이다. 이러한 범위의 두께는 충분히 커서 전하 캐리어의 재조합을 가능하게 하므로, 전자발광이 상기층에서 독점적으로 일어나게 된다. 바람직한 범위는 100 내지 500 Å이고, 유도 전압을 포함하는 총 OLED 장치 성능의 파라미터는 최적이다.
본 발명의 발광층을 형성하는 유용한 방법은 진공 챔버에서 증착에 의해 것이다. 이러한 방법은, 유기층을 포함하는 층 구조가 층 사이에서 상당한 방해 없이 기판에 연속적으로 침착될 수 있는, OLED 장치를 가공하는데 특히 유용하다. 각각의 개별적인 층의 두께 및 조성은 침착 방법에서 정밀하게 조절될 수 있다. 발광층에서 목적하는 조성을 수득하기 위해서, 각각의 성분의 침착 속도는 침착 속도 모니터를 사용하여 독립적으로 조절된다.
도 2에서, 정공-수송 층(231) 및 전자-수송 층(233)은 각각 정공 및 전자를 발광층(232)에 수송하는 기능을 제공한다. OLED 장치에서 이들 층의 사용 및 이들 물질의 조성은, 본원에 참고로 인용된 탱 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 4,769,292 호에 개시되어 있다. 전형적인 정공-수송 층은 정공-수송 화합물, NPB, N,N'-비스(1-나프틸)-N,N'-디페닐벤지딘을 포함한다.
도 3에서, 정공-주입 층(331) 및 전자-주입 층(335)은, 각각 양극으로부터 정공 주입 및 음극(340)으로부터 전자 주입을 개선시키는 기능을 제공한다. OLED 장치에서 정공-주입 층의 사용은, 본원에 참고로 인용된 반 슬리케(Van Slyke) 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 4,720,432 호에 개시되어 있다. 전자-주입 층의 사용은, 본원에 참고로 인용된 훙(Hung) 등에게 일반적으로 양도된 미국 특허 제 5,776,622 호에 개시되어 있다.
대조용 실시예 1
OLED 장치를 다음과 같이 제조하였다. 투명 인듐-주석-산화물(ITO) 전도층으로 코팅된 유기 기판을 시판되는 유리 세정기를 사용하여 세정하고 건조시켰다.ITO 표면을 계속해서 산화성 플라즈마로 처리하여 표면이 양극으로의 조건을 이루게 한다. 종래의 증착 챔버에서 약 10-6torr의 진공하에 가열된 도가니 보트로부터 승화에 의해 (1) NPB로 이루어진 정공-수송 층을 700 Å 두께, (2) 단일 호스트 물질로서 TBADN 및 도판트로서 1% DCJTB로 이루어진 발광층을 350 Å 두께, (3) AlQ로 이루어진 전자-수송 층을 400 Å 두께, 및 (4) 약 10:1의 Mg:Ag 부피비를 갖는 마그네슘 및 은의 합금으로 이루어진 음극을 약 2200 Å 두께로 순서대로 침착시킨다.
상기 장치의 EL 특성은 일정한 전류 공급원 및 광도계를 사용하여 평가되었다. 효율, CIE 좌표, 상대적으로 낮은 전류 밀도, 1 mA/cm2및 상대적으로 높은 전류 밀도, 100 mA/cm2에서의 유도 전압을 측정하였다. 이들 값은 하기 표 1에서 나타낸다.
실시예 2
발광층의 제 1 호스트 성분용 물질이 TBADN이고, 제 2 호스트 성분용 물질이 AlQ이고, 형광 도판트가 DCJTB인 것을 제외하고는, 대조용 실시예 1과 유사하게 OLED 장치를 구성하였다. 부피를 기준으로 TBADN, AlQ 및 DCJTB의 상대적인 양은 89:10:1이다. 또한, 이 장치의 EL 특성은 하기 표 1에서 나타낸다.
실시예 3 내지 5
발광층에서 TBADN, AlQ 및 DCJTB의 상대적인 양이 실시예 3에서는 74:25:1이고, 실시예 4에서는 49:50:1이고, 실시예 5에서는 25:74:1인 것을 제외하고는, 실시예 2와 유사하게 OLED 장치를 구성하였다. 또한, 이들 장치의 EL 특성은 하기 표 1에서 나타낸다.
대조용 실시예 6
발광층의 단일 호스트 물질이 TBADN이 아니고 AlQ인 것을 제외하고는, 대조용 실시예 1과 유사하게 OLED 장치를 구성하였다. 또한, 이 장치의 EL 특성은 하기 표 1에서 나타낸다.
하기 표 1은 실시예 1 내지 6의 OLED 장치의 조성 및 EL 특성을 나타낸다.
대조용 실시예 1 또는 6은 단일 호스트 물질을 사용한 OLED 장치의 휘도 효율이 상대적으로 낮음을 보여주는데, 단일 호스트 물질이 TBADN인 실시예 1의 경우에는 4 cd/A 미만이고, 단일 호스트 물질이 AlQ인 실시예 6의 경우에는 2.5 cd/A이다. 반대로, 제 1 및 제 2 호스트 물질의 혼합물을 갖는 OLED 장치의 휘도 효율은 상당히 높아, 모든 실시예에서 3 cd/A 초과이고 실시예 2의 경우에는 5.93 cd/A 만큼 높다. 실시예 2 내지 5에서, 제 1 호스트 물질, TBADN은 실질적으로 비극성 벤젠노이드 탄화수소이다. 제 2 호스트 물질, AlQ는 상대적으로 극성으로, 5.5 Debye의 쌍극자 모멘트를 갖는다. TBADN, AlQ 및 DCJTB의 밴드 갭 값은 각각 3.2, 2.8 및 2.4 전자 볼트이다.
저 및 고 전류 밀도 둘다에서의 휘도 효율은 일반적으로 발광층에 호스트 성분의 혼합물을 갖는 OLED 장치(실시예 2, 3, 4)에서 가장 높다. 단일 호스트 성분을 갖는 OLED 장치(대조용 실시예 1 또는 6)의 경우, 휘도 효율은 상당히 낮다. 또한, 실시예 6의 OLED 장치는, 전류 밀도가 증가함에 따라 휘도 효율의 상당한 강하를 나타낸다. 또한, 색상 좌표 CIEx 및 CIEy에 따르면, OLED 장치의 색상은 발광층의 제 2 호스트 성분의 농도가 증가할수록 적색쪽으로 이동한다.
실시예 7 내지 10
제 1 호스트 물질이 ADN인 것을 제외하고는, 실시예 2 내지 5와 유사하게 OLED 장치를 구성하였다. 또한, 제 2 호스트 물질은 AlQ이고, 형광 도판트는 DCJTB이다. 이들 장치의 발광층의 조성 및 EL 특성은 하기 표 2에서 나타낸다. ADN:AlQ 혼합된 호스트의 경우, 실시예 1 내지 6의 TBADN:AlQ에 대해서 수득된 결과와 유사한 결과를 수득할 수 있다.
하기 표 2는 실시예 7 내지 10의 OLED 장치의 조성 및 EL 특성을 나타낸다.
대조용 실시예 11
발광층의 단일 호스트 물질이 TBADN이 아니고 ADN이고, 형광 도판트가 DCJTB가 아니고 C-545T인 것을 제외하고는, 대조용 실시예 1과 유사하게 OLED 장치를 구성하였다. 이 장치의 EL 특성은 하기 표 3에서 나타낸다.
실시예 12 내지 14
발광층의 제 1 호스트 성분용 물질이 ADN이고, 제 2 호스트 성분용 물질이 AlQ인 것을 제외하고는, 대조용 실시예 11과 유사하게 OLED 장치를 구성하였다. 이들 장치의 발광층의 조성 및 EL 특성은 하기 표 3에서 나타낸다.
하기 표 3은 실시예 11 내지 14의 OLED 장치의 조성 및 EL 특성을 나타낸다.
실시예 12 내지 14와 대조용 실시예 11의 비교는, 제 1 및 제 2 호스트 물질로서 ADN 및 AlQ의 혼합물을 사용한 OLED 장치의 휘도 효율이 단일 호스트 물질로서 ADN을 사용한 것보다 상당히 높음을 보여준다. 또한, CIEx 및 CIEy 좌표는 더포화된 녹색 색조를 나타낸다.
본 발명에 따르면 종래의 제품에 비해, 발광층의 제 1 및 제 2 호스트 성분, 및 도판트를 적합하게 선택하여 높은 휘도 효율을 갖는 OLED 장치 및 상기 OLED 장치로부터의 광 출력의 세기에 상대적으로 독립적인 우수한 휘도 효율, 색도를 갖는 적색 방출 OLED 장치를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. (a) 기판;
    (b) 상기 기판에 배치된 양극 및 음극; 및
    (c) 양극과 음극 사이에 배치되고 호스트 및 하나 이상의 도판트를 포함하는 발광층을 포함하되;
    (d) 상기 발광층의 호스트가 2 성분 이상의 혼합물로서 (i) 혼합물의 제 1 성분이 전자 및 정공을 둘다 수송할 수 있고 실질적으로 비극성인 유기 화합물이고 (ii) 혼합물의 제 2 성분이 제 1 성분 보다 더 극성의 유기 화합물인 혼합물을 포함하는 고체 유기 물질을 포함하도록 선택되고;
    (e) 상기 발광층의 도판트가 발광 장치로부터 빛을 생성하도록 선택된 유기 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 2 성분이 제 1 성분 보다 작은 밴드 갭(band gap)을 갖는 유기 발광 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    발광층의 도판트가 제 1 및 제 2 호스트 성분 보다 작은 밴드 갭을 갖는 유기 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    벤젠노이드 화합물이 하기 화학식 1의 화합물을 갖는 유기 발광 장치:
    화학식 1
    상기 식에서,
    치환기 R1, R2, R3및 R4는 각각 개별적으로 수소, 탄소수 1 내지 24의 알킬, 아릴, 또는 탄소수 5 내지 30의 치환된 아릴이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 성분이
    을 포함하는 유기 발광 장치.
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