KR101708097B1

KR101708097B1 - 유기 전계 발광 소자

Info

Publication number: KR101708097B1
Application number: KR1020140143556A
Authority: KR
Inventors: 신진용; 박호철; 김영배; 김회문; 이창준; 백영미; 김태형
Original assignee: 주식회사 두산
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2017-02-17
Also published as: KR20160047296A; WO2016064102A1

Abstract

본 발명은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재(介在)된 1층 이상의 유기물층으로서 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 및 전자주입층으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 발광층과 전자수송층 사이에 수명개선층(Lifetime Enhancement Layer)을 더 포함하는 유기 전계 발광 소자를 제공한다.

Description

유기 전계 발광 소자{ORGANIC ELECTRO LUMINESCENCE DEVICE}

본 발명은 1층 이상의 유기물층을 포함하는 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.

상기와 같이 인광 EL 소자는 이론적인 사실을 근거로 발광효율 면에서 형광보다 높은 효율을 나타내지만, 녹색과 적색을 제외한 청색 인광소자에 있어서는 진청색의 색순도와 고효율의 인광 도판트 및 이를 만족시키는 넓은 에너지 갭의 호스트에 대한 개발수준이 미비하여 아직까지는 청색 인광소자가 상용화되지 못하고, 청색 형광소자가 제품에 사용되고 있다.

전술한 유기 EL 소자의 특성을 향상시키기 위해 정공이 전자 전달층으로 확산되는 것을 방지하여 소자의 안정성을 증가시키기 위한 연구 결과가 보고되어 왔다. 발광층과 전자 전달층 사이에 BCP나 BPhen 등의 재료를 사용함으로 정공이 전자 전달층으로 확산되는 것을 막고, 발광층 내부로 제한시켜 효과적으로 정공과 전자의 재결합 확률을 높이는 기술이 개시되었다. 하지만 정공 저지층의 재료로 사용된 BCP나 BPhen 등의 유도체들은 정공에 대한 산화 안정성이 떨어지고, 열에 대한 내구성이 취약하여 결과적으로 유기 EL 소자의 수명을 감소시켜 상업화되지 못했다. 또한 이러한 재료들은 단순히 정공을 저지하는 기능을 수행하므로 전자의 이동을 저해시켜 유기 EL 소자의 구동전압을 상승시킨다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고효율, 저전압, 특히 장수명을 동시에 발휘하는 유기 EL소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층으로 구성된 군으로부터 선택되는 유기물층이 1층 이상 설치되어 있고, 상기 발광층과 전자수송층 사이에 수명개선층(Lifetime Enhancement Layer, LEL)을 더 포함하는 유기 전계 발광소자를 제공한다.

여기서, 상기 수명개선층은 전자흡수성이 큰 전자끌게기(EWG)와 전자공여성이 큰 전자주게기(EDG)를 모두 가지면서, 전자이동도가 서로 상이한 제1양극성(bipolar) 화합물과 제2양극성(bipolar) 화합물을 포함하되, 상기 제1양극성 화합물 및 제2양극성 화합물은 각각 하기 (i) 내지 (iv) 조건을 모두 만족하고, 1:99 내지 99:1의 비율로 혼합된 것을 특징으로 한다.

(i) 이온화포텐셜[Ip(LEL)]이 5.5 eV 이상이고,

(ⅱ) E_HOMO-E_LUMO > 2.9 eV,

(ⅲ) 삼중항 에너지가 2.3 eV 이상이며,

(ⅳ) ΔEst < 0.5eV (ΔEst는 상기 화합물의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이를 나타냄)

본 발명은 서로 다른 2종 이상의 양극성 화합물로 이루어진 수명 개선층을 유기 전계 발광 소자에 도입함에 따라 구동전압, 발광효율 및 수명이 우수한 유기 전계 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 유기 전계 발광 소자를 디스플레이 패널에 적용함에 따라 성능 및 수명이 향상된 디스플레이 패널을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 수명개선층에 포함되는 양극성 화합물의 상대적 전자이동성을 나타낸 도면이다.
<부호의 간단한 설명>
100: 양극 200: 음극
301: 정공주입층 302: 정공수송층
303: 발광층 304: 수명개선층
305: 전자수송층 306: 전자주입층

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 양극; 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재(介在)된 유기물층을 포함하며, 상기 유기물층은 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 수명 개선층, 전자 수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 수명 개선층(Lifetime Enhancement Layer, LEL)은 전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG)와 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG)를 모두 가지면서, 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성(bipolar) 화합물, 즉 제1양극성 화합물과 제2양극성 화합물을 동시에 포함하는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.

여기서 상기 양극성 화합물은 수명개선층 이외에, 전자수송층, 전자주입층 또는 이들 모두의 재료로서 사용될 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 유기 전계 발광 소자에 포함되는 양극(100)은 정공을 유기물층(300)으로 주입하는 역할을 한다.

상기 양극(100)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(100)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.

본 발명의 유기 전계 발광 소자에 포함되는 음극(200)은 전자를 유기물층(300)으로 주입하는 역할을 한다.

상기 음극(200)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(200)을 제조하는 방법 역시 특별히 한정되지 않으며, 당 업계에 공지된 방법에 따라 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자에 포함되는 유기물층(300)은 기존 유기 EL 소자의 유기물층으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 정공 주입층(301), 정공 수송층(302), 발광층(303), 수명 개선층(304), 전자 수송층(305) 및 전자주입층(306)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때 유기 전계 발광 소자의 특성을 고려할 때, 전술한 유기물 층들을 모두 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 유기물층(300)에 포함되는 정공 주입층(301)과 정공 수송층(302)은 양극(100)에서 주입된 정공을 발광층(303)으로 이동시키는 역할을 한다. 이러한 정공 주입층(301)과 정공 수송층(302)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. 이의 비제한적인 예로는, 아릴아민 유도체를 들 수 있다.

본 발명의 유기물층(300)에 포함되는 발광층(303)은 정공과 전자가 만나 엑시톤(exciton)이 형성되는 층으로, 발광층(303)을 이루는 물질에 따라 유기 전계 발광 소자가 내는 빛의 색이 달라질 수 있다. 이러한 발광층(303)은 호스트와 도펀트를 포함할 수 있는데, 상기 호스트를 70 내지 99.9 중량%로 포함하고 상기 도펀트를 0.1 내지 30 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 발광층(303)이 청색 형광, 녹색 형광 또는 적색 형광일 경우 상기 호스트를 80 내지 99.9 중량%로 포함하고 상기 도펀트를 0.1 내지 20 중량%로 포함할 수 있다. 또한 상기 발광층(303)이 청색 형광, 녹색 형광 또는 적색 인광일 경우 상기 호스트를 70 내지 99 중량%로 포함하고 상기 도펀트를 1 내지 30중량%로 포함할 수 있다.

상기 발광층(303)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, 상기 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 상기 발광층(303)에 포함되는 도펀트는 당업계에 공지된 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 이의 비제한적인 예로는, 안트라센 유도체, 파이렌 유도체, 아릴아민 유도체, 이리듐(Ir) 또는 백금(Pt)을 포함하는 금속 착체 화합물을 들 수 있다.

전술한 발광층(303)은 단일층이거나, 또는 2층 이상의 복수층으로 이루어질 수 있다. 여기서 발광층(303)이 복수 개의 층일 경우 유기 전계 발광 소자는 다양한 색의 빛을 낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 정공 수송층(302)과 수명 개선층(304) 사이에 복수 개의 단일 재료로 이루어진 발광층을 구비하거나, 또는 이종 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 전류 값은 일정하게 되어 발광층의 수만큼 발광 효율이 향상된 유기 전계 발광 소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 유기물층(300)에 포함되는 수명 개선층(304)은 유기 전계 발광 소자의 수명을 향상시키기 위한 것으로, 발광층(303)과 전자 수송층(305) 사이에 구비된다.

이러한 수명 개선층(304)을 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으나, 전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG)와 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG)를 모두 가지면서, 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성(bipolar) 화합물, 즉 제1양극성 화합물과 제2양극성 화합물을 혼용하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성 화합물은 각각 이온화 포텐셜(ionization potenitial)이 5.5eV 이상이며, 구체적으로 5.5 내지 7.0eV 범위일 수 있으며, 바람직하게는 5.5 내지 6.5 eV 범위일 수 있다.

또한 상기 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성 화합물의 HOMO값과 LUMO값의 차이(E_HOMO-E_LUMO)는 각각 2.9eV를 초과하며, 구체적으로, 2.9eV 초과, 3.5eV 이하 범위일 수 있다.

이때 삼중항 에너지는 각각 2.3eV 이상, 구체적으로, 2.3 내지 3.5 eV 범위일 수 있으며, 바람직하게는 2.3 내지 3.0 eV 범위이다. 아울러, 상기 양극성 화합물의 일중항 에너지와 삼중항 에너지 차이(ΔEst)는 각각 0.5eV 미만이며, 구체적으로 0.5eV 미만, 0.01 eV 이상 범위인 화합물이다.

이러한 양극성 화합물은 이온화 포텐셜 5.5eV 이상이기 때문에 이를 수명 개선층(304)에 사용할 경우 정공이 전자 수송층(305)으로 확산 또는 이동하는 것을 방지할 수 있어 유기 전계 발광 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.

즉, 정공은 유기 전계 발광 소자 내에서 이온화 포텐셜 레벨을 타고 이동하게 되는데, 정공이 발광층(303)을 넘어 전자 수송층(305)으로 확산하거나 또는 이동할 경우 산화에 의한 비가역적 분해반응이 일어나 유기 전계 발광 소자의 수명이 떨어지게 된다.

이에 비해, 본 발명에서는 이온화 포텐셜[Ip(LEL)] 5.5eV 이상인 2종 이상의 양극성 화합물로 이루어진 수명 개선층(304)을 구비함으로써, 정공이 전자 수송층(305)으로 확산하거나 또는 이동하는 것이 방지되기 때문에 유기 전계 발광 소자의 수명을 개선할 수 있다. 즉, 정공은 수명 개선층(304)의 높은 에너지 장벽에 막혀 전자 수송층(305)으로 확산 또는 이동하지 못하고 발광층(303)에 머무르게 된다.

여기서, 발광층(303)이 적색 인광 물질로 이루어질 경우 상기 수명 개선층(304)에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물의 이온화 포텐셜은 각각 5.5eV 이상이면 무방하나, 녹색 인광 물질 또는 청색 인광 물질로 이루어질 경우에는 양극성 화합물의 이온화 포텐셜이 6.0eV 이상인 것이 바람직하다.

한편 상기 양극성 화합물은 HOMO값과 LUMO값의 차이(E_HOMO-E_LUMO)가 2.9eV를 초과하고, 삼중항 에너지가 2.3eV 이상이며, 일중항 에너지와 삼중항 에너지 차이가 0.5eV 미만이기 때문에, 이를 수명 개선층(304)에 사용할 경우 발광층(303)에서 형성된 엑시톤이 전자 수송층(305)으로 확산되는 것을 방지하고, 발광층(303)과 전자 수송층(305)의 계면에서 발광이 일어나는 현상도 저지할 수 있다. 이는 결과적으로 유기 전계 발광 소자의 스펙트럼 혼색을 방지하며 안정성을 향상시켜 유기 전계 발광 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 전자이동도가 상이한 2종 이상의 양극성 화합물은 전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG)와 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG)를 모두 가져 HOMO와 LUMO의 전자 구름이 분리된 특징을 가진다. 이로 인해 화합물의 삼중항 에너지와 일중항 에너지의 차이(ΔEst)가 적어 ΔEst < 0.5eV의 관계식을 만족하므로, HOMO값과 LUMO값의 차이(E_HOMO-E_LUMO)가 2.9eV 를 초과하더라도 높은 삼중항 에너지(T1)를 가질 수 있다.

여기서 발광층(303)이 적색 인광 물질로 이루어질 경우 상기 수명 개선층(304)에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물의 삼중항 에너지는 2.3eV 이상이면 무방하나, 상기 발광층이 녹색 인광 물질로 이루어질 경우에는 2.5eV 이상, 청색 인광 물질로 이루어질 경우에는 각각 2.7eV 이상인 것이 바람직하다.

한편, 양극(100)에서 주입된 정공의 수와 음극(200)에서 주입된 전자의 수의 차이로 인해 전자와 정공의 균형이 맞지 않으면 재결합에 의해 엑시톤을 형성하지 못한 전자 또는 정공은 발광층(303)에 쌓이게 된다. 상기 발광층(303)에 쌓인 전자 또는 정공은 발광층(303)에서 산화와 환원이 원활히 일어나지 못하게 하거나, 또는 인접하는 층에 영향을 끼쳐 유기 전계 발광 소자의 수명을 감소시키게 된다.

이에 비해, 상기 전자이동도가 상이한 2종 이상의 양극성 화합물은 정공 이동도 및 전자 이동도가 상온에서 1×10^-6cm²/V·s 이상임에 따라, 이를 수명 개선층(304)에 사용할 경우 양극(100)으로부터 주입된 정공의 수에 비해 전자의 주입이 늦어지는 것을 방지하여 유기 전계 발광 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.

실제로 본 발명의 수명 개선층(304)에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물은 전자주게기(EDG)에 의해 정공의 이동도가 상온에서 1×10^-6cm²/V·s 이상을 나타내고, 전자끌게기(EWG)에 의해 전자 이동도가 상온에서 1×10^-6cm²/V·s 이상을 나타내어 이를 수명 개선층(304)에 사용할 경우 발광층(303)으로 전자를 효과적으로 주입시킬 수 있다. 이와 같이 발광층(303)으로 전자 주입이 원활할 경우 발광층(303)에서 엑시톤의 형성효율이 높아져 유기 전계 발광 소자의 수명을 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 수명 개선층(304)은 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성 화합물, 바람직하게는 제1양극성(bipolar) 화합물과 제2양극성(bipolar) 화합물을 포함한다.

보다 구체적으로, 본 발명에서는 전자이동도가 서로 상이한 제1양극성(bipolar) 화합물과 제2양극성(bipolar) 화합물을 포함하여 구성되는데, 이때 제1양극성(bipolar) 화합물에 비해 전자이동도가 상대적으로 빠른 제2양극성 화합물을 추가로 포함하는 본 발명의 수명 개선층(304)은 제1양극성(bipolar) 화합물을 단일로 포함하는 수명 개선층(304)에 비해 수명이 유지되면서 효율이 개선된다. 추가된 전자이동도가 상대적으로 빠른 제2양극성 화합물은 전자의 이동을 원활하게 하여 엑시톤 형성에 기여하면서 효율을 향상시킨다.

한편 제1양극성(bipolar) 화합물에 비해 전자이동도가 상대적으로 느린 제2양극성 화합물을 추가로 포함하는 본 발명의 수명 개선층(304)은 제1양극성(bipolar) 화합물을 단일로 포함하는 수명 개선층(304)에 비해 효율이 유지되면서 수명이 더 개선된다. 추가된 전자이동도가 상대적으로 느린 제2양극성 화합물은 엑시톤을 형성하지 못한 전자 또는 정공이 인접한 층의 degradation 현상을 저하시켜 수명을 향상시킨다.

본 발명의 수명 개선층(304) 재료로 포함되며, 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성(bipolar) 화합물은, 각각 전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG) 특성을 가지는 모이어티와 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG) 특성을 가지는 모이어티가 결합하여 형성된다. 이때 상기 전자끌게기(EWG)로서 하기 화학식으로 표시되는 전자끌게기(EWG) 모이어티를 1개 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 식에서,

A₁ 내지 A₁₁은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R)이고, 적어도 1개는 N이며, 이때 복수의 R은 동일하게 표시되더라도 각각 동일하거나 또는 상이하고, 또는 이들은 인접한 기와 축합 고리를 형성할 수 있다. 일례로, N이 아닌 C(R)인 복수의 A₁~A₆, 예컨대 A₁과 A₂, A₂와 A₃, A₃와 A₄, A₄와 A₅, A₅와 A₆, 또는 A₆와 A₁은 각각 서로 결합하여 축합고리를 형성할 수 있으며, 이와 마찬가지로 N이 아닌 C(R)인 복수의 A₇~A₁₁, 예컨대 A₇과 A₈, A₈과 A₉, A₉와 A₁₀, A₁₀과 A₁₁, A₁₁과 A₇은 각각 서로 결합하여 축합고리를 형성할 수 있다.

복수의 R은 동일하게 표시되더라도 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, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택되고,

상기 R의 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬옥시기, 아릴옥시기, 알킬실릴기, 아릴실릴기, 알킬보론기, 아릴보론기, 포스핀기, 포스핀옥사이드기 및 아릴아민기는 각각 독립적으로, 중수소, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, C₁~C₄₀의 알킬기, C₂~C₄₀의 알케닐기, C₂~C₄₀의 알키닐기, C₃~C₄₀의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C₆~C₄₀의 아릴기, 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기, C₁~C₄₀의 알킬옥시기, C₆~C₆₀의 아릴옥시기, C₁~C₄₀의 알킬실릴기, C₆~C₆₀의 아릴실릴기, C₁~C₄₀의 알킬보론기, C₆~C₆₀의 아릴보론기, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 치환될 수 있다.

상기 전자끌게기(EWG) 모이어티는 1 내지 3개의 탄소가 질소로 치환된 핵원자수 5 또는 6의 함질소 헤테로방향족 탄화수소이다. 또한, 상기 모이어티는 2 이상의 고리가 서로 단순 부착(pendant)되거나 축합된 형태도 포함될 수 있고, 아릴기와 축합된 형태도 포함할 수 있다.

본 발명에서, 상기 전자끌게기(EWG) 모이어티는 하기 화학식으로 표시되는 구조로 보다 구체화될 수 있으며, 질소를 1 내지 3개를 포함하는 6원 함질소 헤테로방향족 탄화수소일 때가 바람직하다. 바람직한 전자끌게기(EWG) 모이어티의 비제한적인 예로는, 피리딘, 피리미딘, 트리아진, 피라진 등이 있다.

전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG) 특성을 가지는 상기 모이어티의 탄소 또는 질소 원자는 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG) 특성을 가지는 모이어티와 결합을 형성한다.

본 발명의 수명 개선층(304) 재료로 포함되며, 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 전자주게기(EDG) 모이어티를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG) 특성을 가지는 모이어티의 비제한적인 예로는 인돌, 카바졸, 아제핀 등의 축합함질소헤테로방향족환; 또는 비페닐, 트리페닐렌, 플루오란센 등의 축합다환방향족환이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.

상기 화학식 1에서,

X₁은 O, S, Se, N(Ar₁), C(Ar₂)(Ar₃) 및 Si(Ar₄)(Ar₅)로 이루어진 군에서 선택되고,

Y₁ 내지 Y₄는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₁)이고, 이때 복수의 R₁은 동일하게 표시되더라도 각각 동일하거나 상이하고, 이들은 인접한 기와 축합 고리를 형성할 수 있고;

X₂ 및 X₃는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₂)이고, 이때 복수의 R₂는 동일하게 표시되더라도 각각 동일하거나 상이하고, 이들은 인접한 기와 축합 고리를 형성할 수 있고;

상기 R₁ 내지 R₂ 및 Ar₁ 내지 Ar₅는 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, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택되고,

상기 R₁ 내지 R₂ 및 Ar₁ 내지 Ar₅의 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬옥시기, 아릴옥시기, 알킬실릴기, 아릴실릴기, 알킬보론기, 아릴보론기, 포스핀기, 포스핀옥사이드기 및 아릴아민기는 각각 독립적으로, 중수소, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, C₁~C₄₀의 알킬기, C₂~C₄₀의 알케닐기, C₂~C₄₀의 알키닐기, C₃~C₄₀의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C₆~C₄₀의 아릴기, 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기, C₁~C₄₀의 알킬옥시기, C₆~C₆₀의 아릴옥시기, C₁~C₄₀의 알킬실릴기, C₆~C₆₀의 아릴실릴기, C₁~C₄₀의 알킬보론기, C₆~C₆₀의 아릴보론기, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 치환되거나 또는 비치환될 수 있다.

본 발명에서, 상기 화학식 1은 하기 A-1 내지 A-24 중 어느 하나로 보다 구체화될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 A-1 내지 A-24에서,

R₂, Y₁ 내지 Y₄ 및 Ar₁ 내지 Ar₅의 정의는 전술한 화학식 1과 동일하다. 이때 화합물의 물리적, 화학적 특성을 고려했을 때, A-1 내지 A-6일 때가 바람직하다.

한편 본 발명에서 전자주게기(EDG) 모이어티인 상기 화학식 1은, 화학식 1의 구조로 단독으로 사용되거나, 또는 하기 화학식 2 또는 화학식 3과 결합하여 축합된 구조로 나타낼 수 있다.

보다 구체적으로, 화학식 1에서 Y₁ 내지 Y₄는 각각 독립적으로 N 또는 C(R₁)이되, 이들이 복수 개의 C(R₁)인 경우, Y₁과 Y₂, Y₂와 Y₃ 또는 Y₃와 Y₄ 중 하나는 하기 화학식 2와 축합 고리를 형성한다. 이때 복수의 R₁은 각각 동일하거나 상이할 수 있다.

또한, 상기 화학식 1에서 X₂ 및 X₃가 모두 C(R₂) 인 경우, 이때 복수의 R₂는 하기 화학식 2 또는 화학식 3과 각각 결합하여 축합 고리를 형성할 수 있다.

상기 화학식 2 및 화학식 3 에서,

Y₅ 내지 Y₁₄은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₃)이고, 이때 C(R₃)가 복수 개인 경우 복수의 R₃는 각각 동일하거나 상이하고, 상기 화학식 1과 결합하여 축합 고리를 형성할 수 있고,

X₄는 X₁과 동일하고, 이때 복수의 Ar₁ 내지 Ar₅은 각각 동일하거나 상이하다.

축합 환을 비(非)형성하는 복수의 R₃는 동일하게 표시되더라도 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, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택되고,

상기 R₃의 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬옥시기, 아릴옥시기, 알킬실릴기, 아릴실릴기, 알킬보론기, 아릴보론기, 포스핀기, 포스핀옥사이드기 및 아릴아민기는 각각 독립적으로, 중수소, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, C₁~C₄₀의 알킬기, C₂~C₄₀의 알케닐기, C₂~C₄₀의 알키닐기, C₃~C₄₀의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C₆~C₄₀의 아릴기, 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기, C₁~C₄₀의 알킬옥시기, C₆~C₆₀의 아릴옥시기, C₁~C₄₀의 알킬실릴기, C₆~C₆₀의 아릴실릴기, C₁~C₄₀의 알킬보론기, C₆~C₆₀의 아릴보론기, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 치환되거나 또는 비치환될 수 있다.

본 발명에서 상기 화학식 1과 화학식 2가 축합하여 형성된 화합물은, 하기 화학식 1a 내지 1f로 표시되는 화합물 중 어느 하나로 보다 구체화될 수 있다.

[화학식 1a]

[화학식 1b]

[화학식 1c]

[화학식 1d]

[화학식 1e]

[화학식 1f]

상기 화학식 1a 내지 1f에서,

X₁ 내지 X₄ 및 Y₁ 내지 Y₈ 은 화학식 1 및 화학식 2에서 정의한 바와 같다.

본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 축합 고리를 비(非)형성하는 Y₁ 내지 Y₄는 N 또는 C(R₁)이고, 모두 C(R₁)일 때 바람직하며, Y₅ 내지 Y₈은 N 또는 C(R₃)이고, 모두 C(R₃)일 때 바람직하다. 이때 복수의 R₁ 및 R₃는 각각 동일하거나 상이하다.

상기 화학식 1과 화학식 2가 축합된 본 발명의 화합물은 하기 화학식 B-1 내지 B-30 중 어느 하나로 구체화 될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 화학식 B-1 내지 B-30에서,

Ar₁ 및 R₁ 내지 R₃는 화학식 1 및 화학식 2에서 정의한 것과 동일하다.

보다 구체적으로, Ar₁은 치환 또는 비치환된 C₆~C₄₀의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기이며,

R₁ 내지 R₃은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C₁~C₄₀의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C₆~C₄₀의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기인 경우가 바람직하다.

여기서, 상기 화학식 1 및 화학식 2가 축합된 구조를 가지는 상기 화학식 B-1 내지 B-30은 1개 이상의 축합된 인돌 혹은 축합된 카바졸 모이어티를 포함한다.

또한, 본 발명에서 화학식 1과 화학식 3이 축합하여 형성된 화합물은 하기 화학식 1g 내지 1n으로 표시되는 화합물 중 어느 하나로 구체화될 수 있다.

[화학식 1g]

[화학식 1h]

[화학식 1i]

[화학식 1j]

[화학식 1k]

[화학식 1l]

[화학식 1m]

[화학식 1n]

X₁, X₃ 내지 X₄ 및 Y₁ 내지 Y₁₄ 는 화학식 1 및 화학식 3에서 정의한 바와 같다.

보다 구체적으로, X₁ 및 X₄는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 O, S 또는 N(Ar₁)인 것이 바람직하며, 모두 N(Ar₁)인 것이 더욱 바람직하며, 이때 복수의 Ar₁은 동일하거나 상이하다.

Y₁ 내지 Y₄는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₁)이고, 이중 Y₁ 내지 Y₄가 모두 C(R₁)인 것이 바람직하며, 이때 복수의 R₁은 동일하거나 상이하다.

X₃는 각각 독립적으로, N 또는 C(R₂)이며,

Y₅ 내지 Y₁₄는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₃)이고, 이중 Y₅ 내지 Y₁₄가 모두 C(R₃)인 것이 바람직하며, 이때 복수의 R₃은 동일하거나 상이하다.

여기서, Ar₁ 및 R₁ 내지 R₃는 화학식 1 및 화학식 3에서 정의된 것과 동일하다.

본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 화학식 1a 내지 화학식 1n에서, X₁ 및 X₄는 각각 독립적으로, N(Ar₁) 또는 S인 것이 바람직하다. 즉, X₁이 N(Ar₁)이고 X₄가 S이거나, X₁이 S이고 X₄가 N (Ar₁)이거나, 또는 X₁ 및 X₄가 모두 N(Ar₁)인 것이 바람직하다.

또한 상기 화학식 1a 내지 화학식 1n으로 표시되는 화합물에서, Ar₁은 치환 또는 비치환된 C₆~C₆₀의 아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기인 것이 바람직하며, Ar₂내지 Ar₅는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C₁~C₄₀의 알킬기(구체적으로, 메틸기) 또는 치환 또는 비치환된 C₆~C₆₀의 아릴기(구체적으로 페닐기)인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 화학식 1 및 화학식 3이 축합된 구조를 가지는 상기 화학식은 1개 이상의 축합된 아제핀 모이어티를 포함하여 전자 공여성이 큰 강한 전자주게기(EDG)의 특성을 가지게 된다.

한편 본 발명에서 수명개선층 재료로 포함되며, 전자이동도가 서로 상이한 2종 이상의 양극성 화합물은, 하기 화학식 4로 표시되는 전자 공여성이 큰 전자주게기(EDG) 특성을 가지는 모이어티를 포함할 수 있다.

[화학식 4]

상기 화학식 4에서,

L₁ 내지 L₃는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 단일결합, C₆~C₆₀의 아릴렌기, 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴렌기에서 선택되고,

Ar₆ 내지 Ar₈은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로, 수소, 중수소, C₆~C₄₀의 아릴기, 및 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되고, 단 Ar₆ 내지 Ar₈가 모두 동일한 경우는 제외하고,

R₄ 내지 R₆은 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, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택되고,

a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고,

상기 L₁ 내지 L₃, R₄ 내지 R₆ 및 Ar₆ 내지 Ar₈의 아릴렌기, 헤테로아릴렌기, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기, 알킬옥시기, 아릴옥시기, 알킬실릴기, 아릴실릴기, 알킬보론기, 아릴보론기, 포스핀기, 포스핀옥사이드기 및 아릴아민기는 각각 독립적으로, 중수소, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, C₁~C₄₀의 알킬기, C₂~C₄₀의 알케닐기, C₂~C₄₀의 알키닐기, C₃~C₄₀의 시클로알킬기, 핵원자수 3 내지 40의 헤테로시클로알킬기, C₆~C₄₀의 아릴기, 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기, C₁~C₄₀의 알킬옥시기, C₆~C₆₀의 아릴옥시기, C₁~C₄₀의 알킬실릴기, C₆~C₆₀의 아릴실릴기, C₁~C₄₀의 알킬보론기, C₆~C₆₀의 아릴보론기, C₁~C₄₀의 포스핀기, C₁~C₄₀의 포스핀옥사이드기 및 C₆~C₆₀의 아릴아민기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 치환되거나 또는 비치환될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 화학식 4에서, L₁ 내지 L₃는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 단일결합, 또는 C₆~C₆₀의 아릴렌기, 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴렌기에서 선택되고, 바람직하게는 단일결합, C₆~C₁₈의 아릴렌기, 또는 핵원자수 5 내지 18의 헤테로아릴렌기일 수 있다. 일례로 단일결합, 페닐렌, 비페닐렌, 카바졸릴렌에서 선택될 수 있다.

Ar₆ 내지 Ar₈은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로, 수소, 중수소, C₆~C₄₀의 아릴기, 및 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되고, 이때 Ar₆ 내지 Ar₈중 적어도 하나는 N, O, S 로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 원소를 포함하는 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기에서 선택되는 것이 바람직하다. 단, Ar₆ 내지 Ar₈가 모두 동일한 경우는 제외된다.

본 발명에서, 상기 화학식 1a 내지 화학식 1n 및 화학식 4로 표시되는 화합물에서, R₁ 내지 R₆ 및 Ar₁ 내지 Ar₈ 중 적어도 하나는 전자 흡수성이 큰 전자끌게기(EWG) 특성을 가지는 상기 모이어티와 결합을 형성한다.

본 발명에서의 알킬은 탄소수 1 내지 40의 직쇄 또는 측쇄의 포화 탄화수소에서 유래되는 1가의 치환기이며, 이의 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 알케닐(alkenyl)은 탄소-탄소 이중 결합을 1개 이상 가진 탄소수 2 내지 40의 직쇄 또는 측쇄의 불포화 탄화수소에서 유래되는 1가의 치환기이며, 이의 예로는 비닐(vinyl), 알릴(allyl), 이소프로펜일(isopropenyl), 2-부텐일(2-butenyl) 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 알키닐(alkynyl)은 탄소-탄소 삼중 결합을 1개 이상 가진 탄소수 2 내지 40의 직쇄 또는 측쇄의 불포화 탄화수소에서 유래되는 1가의 치환기이며, 이의 예로는 에티닐(ethynyl), 2-프로파닐(2-propynyl) 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 아릴은 단독 고리 또는 2이상의 고리가 조합된 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소로부터 유래된 1가의 치환기를 의미한다. 또한, 2 이상의 고리가 서로 단순 부착(pendant)되거나 축합된 형태도 포함될 수 있다. 이러한 아릴의 예로는 페닐, 나프틸, 페난트릴, 안트릴 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 헤테로아릴은 핵원자수 5 내지 40의 모노헤테로사이클릭 또는 폴리헤테로사이클릭 방향족 탄화수소로부터 유래된 1가의 치환기를 의미한다. 이때, 고리 중 하나 이상의 탄소, 바람직하게는 1 내지 3개의 탄소가 N, O, S 또는 Se와 같은 헤테로원자로 치환된다. 또한, 2 이상의 고리가 서로 단순 부착(pendant)되거나 축합된 형태도 포함될 수 있고, 아릴기와 축합된 형태도 포함할 수 있다. 이러한 헤테로아릴의 예로는 피리딜, 피라지닐, 피리미디닐, 피리다지닐, 트리아지닐과 같은 6-원 모노사이클릭 고리, 페녹사티에닐(phenoxathienyl), 인돌리지닐(indolizinyl), 인돌릴(indolyl), 퓨리닐(purinyl), 퀴놀릴(quinolyl), 벤조티아졸(benzothiazole), 카바졸릴(carbazolyl)과 같은 폴리사이클릭 고리, 2-퓨라닐, N-이미다졸릴, 2-이속사졸릴, 2-피리디닐, 2-피리미디닐 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 아릴옥시는 RO-로 표시되는 1가의 치환기로 상기 R은 탄소수 5 내지 60의 아릴을 의미한다. 이러한 아릴옥시의 예로는 페닐옥시, 나프틸옥시, 디페닐옥시 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 알킬옥시는 R'O-로 표시되는 1가의 치환기로 상기 R'는 1 내지 40개의 알킬을 의미하며, 직쇄(linear), 측쇄(branched) 또는 사이클릭(cyclic) 구조를 포함하는 것으로 해석한다. 이러한 알킬옥시의 예로는 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 1-프로폭시, t-부톡시, n-부톡시, 펜톡시 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 아릴아민은 탄소수 6 내지 60의 아릴로 치환된 아민을 의미한다.

본 발명에서의 시클로알킬은 탄소수 3 내지 40의 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭 비-방향족 탄화수소로부터 유래된 1가의 치환기를 의미한다. 이러한 사이클로알킬의 예로는 사이클로프로필, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 놀보닐(norbornyl), 아다만틴(adamantine) 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 헤테로시클로알킬은 핵원자수 3 내지 40의 비-방향족 탄화수소로부터 유래된 1가의 치환기를 의미하며, 고리 중 하나 이상의 탄소, 바람직하게는 1 내지 3개의 탄소가 N, O, S 또는 Se와 같은 헤테로 원자로 치환된다. 이러한 헤테로시클로알킬의 예로는 모르폴린, 피페라진 등을 들 수 있다.

본 발명에서의 알킬실릴은 탄소수 1 내지 40의 알킬로 치환된 실릴이고, 아릴실릴은 탄소수 5 내지 40의 아릴로 치환된 실릴을 의미한다.

본 발명에서의 축합 고리는 축합 지방족 고리, 축합 방향족 고리, 축합 헤테로지방족 고리, 축합 헤테로방향족 고리 또는 이들의 조합된 형태를 의미한다.

본 발명에서는 수명개선층(304) 제조시, 전자이동도가 서로 다른 2종 이상의 양극성 화합물 간의 혼합 비율을 특별히 한정하지 않는다. 일례로, 상기 2종의 양극성 화합물은 1:99 내지 99:1의 비율로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 10:90 내지 90:10 범위일 수 있다. 이러한 수명개선층(304)을 제조하는 방법은 당 업계에 공지된 방법이라면 특별히 한정되지는 않으며, 일례로 하기 2가지 방법을 통해 제조될 수 있다.

첫번째 방법은 서로 다른 2개의 양극성 화합물을 각각 제 1열원 및 제 2 열원에 위치시키고, 이와 동시에 열을 가해 수명개선층(304)을 형성하는 공증착 방법이다.

보다 구체적으로, 1×10^-06 torr 이하의 진공도에서, 제1 열원과 제2 열원의 초당 증발속도를 조절하여 적정비율로 공증착하는 방법이다. 이때, 제1 열원과 제2 열원에 위치하는 각각의 양극성 화합물의 사용량은 특별히 한정되지 않는다.

또한 두번째 방식은 사용되는 열원의 개수를 줄이고, 형성과정을 간소화하기 위해 수명개선층(304) 형성에 사용되는 각각의 양극성 화합물을 적정비율로 혼합하여 하나의 열원에 위치시키고 열을 가해 수명개선층(304)을 형성하는 공증착 방법이다.

보다 구체적으로, 1 × 10^-06 이하의 진공도에서 제 1 열원에 혼합된 양극성 화합물을 위치시켜 수명개선층(304)을 형성시키는 방법으로서, 이러한 방법은 혼합비율의 오차를 줄이고, 적은 수의 열원으로 발광층을 형성할 수 있다. 이때 사용되는 각각의 양극성 화합물의 사용량은 특별히 한정되지 않는다.

본 발명의 유기물층(300)에 포함되는 전자 수송층(305)과 전자 주입층(306)은 음극(200)에서 주입된 전자를 발광층(303)으로 이동시키는 역할을 한다.

이러한 전자 수송층(305)과 전자 주입층(306)을 이루는 물질은 전자 주입이 용이하고 전자 이동도가 큰 물질이라면 특별히 한정되지 않으나, 이의 비제한적인 예로, 상기 양극성 화합물, 안트라센 유도체, 헤테로방향족 화합물, 알칼리 금속 착화합물 등을 들 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 전자 수송층(305) 및/또는 전자 주입층(306)은 상기 수명 개선층(304)과 동일한 양극성 물질을 사용할 수도 있다. 또한 전자 수송층(305) 및/또는 전자 주입층(306)은 음극으로부터 전자의 주입이 용이하도록 알칼리 금속 착화합물이 공증착된 것을 사용할 수도 있다. 상기 알칼리 금속 착화합물로는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 희토류 금속을 들 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 유기물층(300)은 정공 수송층(302)과 발광층(303) 사이에 전자와 엑시톤을 블로킹하는 유기막층(미도시)을 더 포함할 수 있다.

이러한 유기막층은 높은 LUMO 값을 가져 전자가 정공 수송층(302)으로 이동하는 것을 막고, 높은 삼중항 에너지를 가져 발광층(303)의 엑시톤이 정공 수송층(302)으로 확산되는 것을 방지한다. 이와 같은 유기막층을 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으며, 이의 비제한적인 예로 카바졸 유도체 또는 아릴아민 유도체 등을 들 수 있다.

이러한 본 발명의 유기물층(300)을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 이의 비제한적인 예로는, 진공 증착법, 용액 도포법을 들 수 있다. 상기 용액 도포법의 예로는 스핀 코팅, 딥코팅, 닥터 블레이딩, 잉크젯 프린팅, 열 전사법 등을 들 수 있다.

이상의 본 발명의 유기 전계 발광 소자는 양극(100), 유기물층(300) 및 음극(200)이 순차적으로 적층된 구조를 가지되, 양극(100)과 유기물층(300) 사이 또는 음극(200)과 유기물층(300) 사이에 절연층 또는 접착층이 더 포함될 수도 있다. 이러한 본 발명의 유기 전계 발광 소자는 전압 및 전류 인가 시 최대발광효율을 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 1 내지 36] 화합물 LE-01 내지 LE-16 준비

본 발명의 양극성 화합물로 하기 LE-01 내지 LE-16으로 표시되는 화합물을 준비하였으며, ΔEst, 삼중항 에너지, 이온화포텐셜, E_HOMO-E_LUMO를 당업계에 공지된 방법으로 각각 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

본 발명의 실시 화합물 LE-01 내지 LE-16을 하기에 나타내었다.

	계산값(B3LYP/6-31G*)		실측값
양극성 화합물	ΔEst (S1-T1)	삼중항 에너지	이온화 포텐셜	E_HOMO-E_LUMO
LE-01	0.059	2.53	5.6	3.37
LE-02	0.138	2.65	5.58	3.43
LE-03	0.177	2.50	5.64	3.07
LE-04	0.202	2.57	5.75	3.27
LE-05	0.058	2.39	5.54	3.55
LE-06	0.261	2.81	5.82	3.36
LE-07	0.340	2.78	5.78	3.23
LE-08	0.129	2.57	5.70	2.93
LE-09	0.201	2.43	5.61	3.45
LE-10	0.348	2.39	5.91	3.26
LE-11	0.310	2.52	5.97	3.33
LE-12	0.044	2.47	5.69	3.06
LE-13	0.180	2.40	5.78	3.13
LE-14	0.298	2.74	6.01	3.33
LE-15	0.057	2.50	6.01	3.33
LE-16	0.157	2.43	5.99	3.10

본 발명의 양극성 화합물 중 LE-01, LE-06, LE-08 및 LE-10의 상대적 전자 이동성을 하기와 같이 측정하였다.

ITO(Indium tin oxide)가 1500Å 두께로 박막 코팅된 유리 기판을 증류수로 초음파 세척하였다. 증류수 세척이 끝나면, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메탄올 등의 용제로 초음파 세척하고 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(기판) 상에 하기 표 2의 구조로 증착하여 소자를 제조하고, 전류밀도와 구동전압을 측정하여 하기 도 2에 나타내었다.

화합물	Al	LiQ	LE-01, LE-06, LE-08, LE-10 각각	LiQ	Al
두께	20㎚	1㎚	100㎚	1㎚	120㎚

[실시예 1 내지 20] 청색 형광 유기 전계 발광 소자의 제조

상기와 같이 준비된 ITO 투명 전극(기판) 상에 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 수명 개선층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 음극을 순차적으로 증착하여 소자를 제조하였다. 제조된 소자의 구조는 하기 표 3과 같다.

	화합물	두께
정공주입층	DS-205(두산社)	80nm
정공수송층	NPB	15nm
발광층	ADN + 5% DS-405 (두산社)	30nm
수명개선층	LE-01 내지 LE-36	5nm
전자수송층	Alq₃	25nm
전자주입층	LiF	1nm
음극	Al	200nm

상기 표 3에서 사용된, NPB, AND 및 Alq₃의 구조는 하기와 같다.

[비교예 1] 청색 형광 유기 전계 발광 소자의 제조

수명 개선층을 사용하지 않고 전자 수송층을 30㎚로 증착한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 소자를 제조하였다.

[비교예 2 내지 4] 청색 형광 유기 전계 발광 소자의 제조

수명 개선층에 BCP, LE-08, LE-10을 각각 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 소자를 제조하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 내지 20 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 각각의 소자에 대하여 전류밀도 10mA/cm²에서의 구동전압, 전류효율, 발광파장 및 수명(T₉₇)을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

	수명개선층 화합물	구동전압 (V)	전류효율 (cd/A)	발광 피크 (nm)	수명 (hr)
실시예 1	LE-01+LE-08(5:5)	4.2	6.3	458	60
실시예 2	LE-02+LE-08(5:5)	4.5	6.6	458	58
실시예 3	LE-03+LE-08(5:5)	4.7	6.7	458	80
실시예 4	LE-04+LE-08(5:5)	4.2	6.8	458	82
실시예 5	LE-05+LE-08(5:5)	4.5	6.6	458	59
실시예 6	LE-06+LE-08(5:5)	4.3	6.8	458	103
실시예 7	LE-07+LE-08(5:5)	4.2	6.7	458	89
실시예 8	LE-09+LE-08(5:5)	4.7	6.7	457	62
실시예 9	LE-10+LE-08(5:5)	4.4	7.1	458	109
실시예 10	LE-11+LE-08(5:5)	4.1	6.7	458	60
실시예 11	LE-12+LE-08(5:5)	4.9	6.8	458	61
실시예 12	LE-13+LE-08(5:5)	5.0	6.6	458	64
실시예 13	LE-14+LE-08(5:5)	5.0	6.4	458	84
실시예 14	LE-15+LE-08(5:5)	4.9	7.0	458	88
실시예 15	LE-16+LE-08(5:5)	4.2	6.5	458	81
실시예 16	LE-01+LE-10(5:5)	4.6	6.9	458	57
실시예 17	LE-06+LE-10(5:5)	4.5	6.6	458	103
실시예 18	LE-01+LE-06(5:5)	4.3	6.5	458	100
실시예 19	LE-10+LE-08(8:2)	4.8	7.1	458	105
실시예 20	LE-10+LE-08(2:8)	4.5	7.0	458	107
비교예 1	-	4.7	5.6	458	32
비교예 2	BCP	5.3	5.9	458	28
비교예 3	LE-01	4.2	6.0	458	54
비교예 4	LE-08	4.2	6.6	458	55
수명은 수명측정기를 통해 발광휘도가 97% 되는 시간을 측정함

상기 표 4을 살펴보면, 전자이동도가 상이한 2종 이상의 양극성 화합물을 수명개선층으로 포함하는 본 발명의 실시예 1 내지 20의 유기 전계 발광 소자는, 비교예 1 내지 4의 유기 전계 발광 소자보다 전류효율 및 수명이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 특히 본 발명의 유기 전계 발광 소자는 1종의 양극성 화합물을 수명 개선층으로 사용하는 비교예 3~4에 비해, 수명이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

Claims

양극;
음극; 및
상기 양극과 음극 사이에, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층으로 구성된 군으로부터 선택되는 유기물층이 1층 이상 설치되어 있고,
상기 발광층과 전자수송층 사이에 수명개선층(Lifetime Enhancement Layer, LEL)을 더 포함하는 유기 전계 발광소자로서,
상기 수명개선층은 전자흡수성이 큰 전자끌게기(EWG)와 전자공여성이 큰 전자주게기(EDG)를 모두 가지면서, 전자이동도가 서로 상이한 제1양극성(bipolar) 화합물과 제2양극성(bipolar) 화합물을 포함하되,
상기 제1양극성 화합물과 제2양극성 화합물이 각각 포함하는 전자끌게기(EWG) 모이어티는 하기 화학식으로 표시되는 모이어티 중 하나를 포함하며,

상기 제1양극성 화합물과 제2양극성 화합물이 각각 포함하는 전자주게기(EDG) 모이어티는 하기 화학식 1a 내지 화학식 1n으로 표시되는 모이어티 중 하나를 포함하며,
[화학식 1a]

[화학식 1b]

[화학식 1c]

[화학식 1d]

[화학식 1e]

[화학식 1f]

[화학식 1g]

[화학식 1h]

[화학식 1i]

[화학식 1j]

[화학식 1k]

[화학식 1l]

[화학식 1m]

[화학식 1n]

상기 화학식 1a 내지 1n 에서,
X₁ 및 X₄는 각각 독립적으로 O, S, 및 N(Ar₁)로 이루어진 군에서 선택되고, 이때 복수의 Ar₁은 각각 동일하거나 상이하며,
Y₁ 내지 Y₄는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₁)이고, 이때 복수의 R₁은 각각 동일하거나 상이하며,
X₂ 및 X₃는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₂)이고, 이때 복수의 R₂는 각각 동일하거나 상이하며,
Y₅ 내지 Y₁₄은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 N 또는 C(R₃)이고, 이때 복수의 R₃는 각각 동일하거나 상이하고,
R₁ 내지 R₃ 는 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 수소, 중수소, C₁~C₄₀의 알킬기, C₆~C₆₀의 아릴기, 및 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되고,
Ar₁은 각각 독립적으로 C₆~C₆₀의 아릴기, 및 핵원자수 5 내지 60의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되고,
R₁ 내지 R₃ 및 Ar₁의 알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기는 각각 독립적으로 중수소, C₆~C₄₀의 아릴기, 및 핵원자수 5 내지 40의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 치환되거나 또는 비치환될 수 있으며;
상기 제1양극성 화합물 및 제2양극성 화합물은 각각 하기 (i) 내지 (iv) 조건을 모두 만족하고, 1:99 내지 99:1의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자:
(i) 이온화포텐셜[Ip(LEL)]이 5.5 eV 이상이고,
(ⅱ) E_HOMO-E_LUMO > 2.9 eV,
(ⅲ) 삼중항 에너지가 2.3 eV 이상이며,
(ⅳ) ΔEst < 0.5eV (ΔEst는 상기 화합물의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이를 나타냄)
제 1항에 있어서, 상기 발광층이 청색 형광, 녹색 형광, 또는 적색 인광인 경우, 수명개선층에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물의 삼중항 에너지는 각각 2.3eV 이상인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 발광층이 녹색 인광인 경우, 수명개선층에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물은 각각 삼중항 에너지가 2.5eV 이상이고, 이온화포텐셜이 6.0eV 이상인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 발광층이 청색 인광인 경우, 수명개선층에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물은 각각 삼중항 에너지가 2.7eV 이상이고, 이온화포텐셜이 6.0eV 이상인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 수명개선층에 포함되는 2종 이상의 양극성 화합물의 전자 이동도 및 정공 이동도는 각각 상온에서 적어도 1×10^-6 cm²/V·s 이상인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
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제 1항에 있어서, 상기 전자수송층과 수명개선층에 포함되는 화합물이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 전자주입층과 수명개선층에 포함되는 화합물이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 전자주입층 또는 전자수송층은 알칼리 금속 착물이 공증착되어 구비되는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 정공수송층과 발광층 사이에 전자와 엑시톤을 블로킹하는 유기막층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 발광층은 호스트 재료와 도펀트 재료를 포함하고, 상기 도펀트를 0.1 중량% ~ 30 중량% 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 정공수송층과 전자수송층 사이에 복수 개의 발광층을 순차적으로 적층시켜 전압, 전류 인가시 혼합색을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 정공수송층과 전자수송층 사이에 단일 재료의 발광층을 복수 개 적층하거나 또는 이종 재료의 복수 개의 발광층을 직렬로 구비하여 전압, 전류 인가시 혼합색을 구현하거나 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 스택형 유기 전계 발광 소자.
제 1항에 있어서, 전압, 전류 또는 이들 모두를 인가하는 경우, 최대발광효율은 유지하면서 초기밝기의 반감시간(Lifetime)이 증가하는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.