KR100556422B1

KR100556422B1 - 청색 인광용 유기 전계 발광 소자

Info

Publication number: KR100556422B1
Application number: KR1020040026721A
Authority: KR
Inventors: 정현철; 서정대; 이경훈; 이재만; 박춘건
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2006-03-03
Also published as: KR20050101648A; JP2005310774A; CN1691854A; EP1589787A3; EP1589787A2; US20050233169A1

Abstract

본 발명은 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 발광층(호스트 + 도펀트)을 포함하는 유기전계발광소자로서, 발광층의 호스트 물질이 하기 화학식 1인 것을 특징으로 하는 청색 인광용 유기전계발광소자에 관한 것이다.

화학식 1

유기전계발광소자

Description

청색 인광용 유기 전계 발광 소자{organic electroluminescence device for blue phosphorescence}

본 발명은 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 발광층(호스트+도펀트)을 포함하는 유기전계발광소자로서, 발광층의 호스트 물질이 하기의 화학식 1인 것을 특징으로 하는 청색 인광용 유기전계발광소자에 관한 것이다.

최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는데, 이러한 평면표시소자 중 하나로서 유기발광다이오드(organic light emitting diode: OLED)라고도 불리는 유기 전계 발광 소자의 기술이 빠른 속도로 발전하고 있으며, 이미 여러 시제품들이 발표된 바 있다.

유기 전계 발광 소자는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기막에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 플라스틱 같은 휠 수 있는(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel)이나 무기 전계 발광(EL) 디스플레이에 비해 낮은 전압에서 (10V이하) 구동이 가능하고, 또한 전력 소모가 비교적 적으며, 색감이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 유기 전계 발광(EL) 소자는 녹색, 청색, 적색의 3가지 색을 나타낼 수가 있어 차세대 풍부한 색 디스플레이 소자로 많은 사람들의 많은 관심의 대상이 되고 있다.

낮은 전압에서 소자를 동작시키기 위해서는, 유기 박막층의 총 두께가100-200nm 정도로 매우 얇고, 균일하면서, 소자의 안정성을 유지하는 것이 중요하다. 캐리어의 주입에 따라 발광 중심이 여기될 때, 정공과 전자의 밀도가 균형을 이루는 것은 소자의 고효율화에 있어서 가장 중요한 키이다. 예를 들면, 전자 수송층(ETL: Electron Transport Layer)이 유기 발광층(EML: Emitting Layer)과 음극(Cathode) 사이에 위치하게 되면, 음극에서 발광층에 주입된 전자의 대부분은 정공과 재결합하기 위해 양극 쪽으로 이동하게 되지만, 하기의 소자의 구조와 같이 정공 수송층 (HTL: Hole Transport Layer)을 양극과 유기 발광층 사이에 삽입하게 되면 발광층에 주입된 전자가 정공 수송층과의 계면에 막혀 더 이상 이동하지 못하고 유기 발광층에 갇히게 되어 재결합 효율이 향상된다.

여기서 유기 EL 소자를 제작하는 과정을 간단히 살펴보면,

(1) 먼저, 투명기판 위에 양극 물질을 입힌다. 양극 물질로는 흔히 ITO(indium tin oxide)가 쓰인다.

(2) 그 위에 정공 주입층(HIL:hole injecting layer)을 입힌다. 정공 주입층으로는 주로 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine(CuPC))을 10nm 내지 30nm 두께로 입힌다.

(3) 그런 다음 정공 수송층(HTL:hole transport layer)을 도입한다. 이러한 정공 수송층으로는 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐 (4,4'-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenthylamino]-biphenyl(NPB)을 30nm 내지 60nm 정도 증착하여 입힌다.

(4) 그 위에 유기 발광층(organic emitting layer)을 형성한다. 이때 필요에 따라 불순물(dopant)을 첨가한다. 청색(blue) 발광의 경우 흔히 유기 발광층으로 4,4'-N,N-다이카바졸바이페닐(4,4,'-N,N-dicarbazolebiphenyl(CBP)을 두께 30~60nm 정도 증착하며 불순물(dopant)로는 비스(2-(4,6-다이플루오르페닐)피리딜-N, C2')이리듐(III) 피콜리네이트(bis(2-(4,6-difluorophenyl)pyridyl-N,C2')iridium(III) picolinate(Firpic 이라 명칭)를 많이 쓴다.

(5) 그 위에 전자 수송층(ETL:electron transport layer) 및 전자 주입층(EI L: electron injecting layer)을 연속적으로 입히거나, 아니면 전자주입운송층을 형성한다. 청색(blue) 발광의 경우 4-바이페닐옥소라토 알루미늄(III)비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)4-페닐페놀레이트(4-biphenyloxolato aluminum(III)bis(2-methyl-8-quinolinato)4-phenylphenolate)(BAlq₃이라 명칭)가 우수한 전자 주입/수송선을 갖 기 때문에 많이 사용한다.

(6) 다음 음극(cathode)을 입히고, 마지막으로 보호막을 덧 씌우게 된다.

상기와 같은 구조에 있어 발광층에 어떤 호스트를 사용하느냐에 따라 발광소자의 효율과 성능이 달라진다.

따라서, 본 발명은 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이의 발광층(호스트+도펀트)을 포함하는 유기전계발광소자로서, 발광층의 호스트 물질로 하기의 화학식 1을 사용하는 청색 인광용 유기전계발광소자를 구현하려는 것이다.

고휘도 유기전계발광소자를 구현하기 위한 본 발명의 특징은 다음과 같다. 양극/정공 주입층/정공 수송층/발광층(호스트+도펀트)/전자 수송층/전자 주입층/음극으로 구성되는 유기전계발광소자로서, 발광층의 호스트 물질이 하기의 화학식 1로 나타내어진다.

화학식 1

본 발명에 따른 유기전계발광소자에 있어서 호스트 물질로 사용되는 화학식 1, 즉 4-카바졸-3',5'-다이카바졸바이페닐(4-카바졸-3',5'-dicarbazolbiphenyl( TCB))는 다음과 같이 합성된다.

1. 1-브로모-3,5-다이카바졸릴벤젠(1-Bromo-3,5-dicarbazolylbenzene)의 합성

건조된 3구 둥근 바닥 플라스크에 1,3,5-트라이브로모벤젠(5g, 0.016mol)과 카바졸(5.84, 0.035mol)을 무수 톨루엔(150mL)에 넣고 상온에서 30분 동안 교반시킨다. 그리고 팔라듐 아세테이트(0.11g, 0.5mmol), 트라이(t-뷰틸)포스핀(0.13g, 0.6mmol), 소듐-t-뷰톡사이드(4.03g, 0.042mol)를 넣고, 130℃에서 8시간 동안 환류시킨다. 반응 종결 후 톨루엔을 회전 증발기로 제거하고, 증류수(200mL)에 혼합물을 넣은 다음 30분 동안 교반시킨다. 침전물을 여과하고 헥세인(200mL)으로 세척한다. 실리카겔로 도포하여 헥세인:메틸렌 클로라이드(5:1)에서 플래쉬 컬럼(flash column)한다. 용매를 감압 증류한 후 페트롤륨 에테르를 이용하여 침전이 생기면 여과하여 5.96g(수율:77%)의 1-브로모-3,5-다이카바졸릴벤젠을 얻었다.

2. 1-브로모-4-카바졸벤젠(1-bromo-4-carbazolbenzene)의 합성

건조된 3구 둥근 바닥 플라스크에 1,4-다이브로모바이페닐(5g, 0.021mol)과 카바졸(3.2g, 0.019mol)을 무수 톨루엔(100mL)에 넣고 상온에서 30분 동안 교반시킨다. 그리고 팔라듐 아세테이트(0.1g, 0.42mmol), 트라이(t-뷰틸)포스핀(0.13g, 0.63mmol), 소듐-t-뷰톡사이드(4.03g, 0.042mol)를 넣고, 130℃에서 8시간 동안 환류시킨다. 반응 종결 후 톨루엔을 회전 증발기로 제거하고, 증류수(150mL)에 혼합물을 넣은다음 30분 동안 교반시킨다. 침전물을 여과하여 헥세인(150mL)으로 세척한다. 실리카겔로 도포하여 헥세인:메틸렌 클로라이드(3:1)에서 플래쉬 컬럼한다. 용매를 감압 증류한 후 페트로륨 에테르를 이용하여 침전이 생기면 여과하여 5.41g(수율:80%)의 1-브로모-4-카바졸벤젠을 얻었다.

3. 4-카바졸페닐붕산의 합성

건조된 2구 둥근 바닥 플라스크에 1-브로모-4-카바졸벤젠(5g, 0.016mol)과 무수 THF(50mL)을 넣고 교반시킨다. 플라스크 온도를 -78℃로 내린 후, 2.5M n-BuLi(6.8mL, 0.017mol)을 천천히 적하한다. 온도를 0℃로 올린 다음 1시간 동안 교 반시킨다. 플라스크 온도를 -78℃로 내린 다음 트라이에틸보레이트(4.53g, 0.031mol)을 천천히 적하하고 상온에서 5시간 동안 교반시킨다. 반응물을 2N-염산(100mL)+얼음(100g)에 천천히 쏟아붓는다. 생성된 침전물을 여과하고 헥세인(200mL)으로 세척한다. 그래서 3.1g(수율:70%)의 4-카바졸페닐붕산을 얻었다.

4. 4-카바졸-3',5'-다이카바졸바이페닐(TCB)의 합성

건조된 3구 둥근 바닥 플라스크에 1-브로모-3,5-다이카바졸벤젠(2g, 4mmol)과 4-카바졸페닐붕산(1.2g, 4mmol)을 무수 THF(60mL)와 2M-탄산칼륨 용액(50mL)에 넣고 교반시킨다. 온도를 50℃로 가열한 다음 테트라키스(트라이페닐포스피노)팔라듐(0.24g, 0.21mmol)을 넣고 90℃에서 12시간 동안 환류시킨다. 반응 종결 후 용액을 제거한 다음 여과하고 증류수(100mL)로 씻어준다. 실라카겔로 도포하여 헥세인:메틸렌 클로라이드(3:1)에서 플래쉬 컬럼한다. 용매를 감압 증류한 후 페트롤륨 에테를 사용하여 침전이 생기면 여과하여 2.1g(수율:79%)의 4-카바졸-3',5'-다이카바졸바이페닐을 얻었다.

이하 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자의 바람직한 양태를 실시예를 통하여 설명한다.

실시예

ITO(Indium Tin Oxide)(산화인듐주석) 기판(glass)의 발광 면적이 3mm×3mm 크기가 되도록 패터닝(patterning)한 후 세정한다. 기판을 진공 챔버에 장착한 후 기본 압력이 1×10^-6torr가 되도록 한 후 유기물을 ITO위에 정공 주입층(600Å)/NPD(200Å)/TCB(200Å) + Firpic(8%)(50Å)/BL(350Å)/LiF(5Å)/ Al(1000Å)의 순서로 성막하였다.

1mA에서 1226cd/m²(8.92V)를 나타내었으며 이때 CIE (Commision Internationale de L'Eclairage)는 x=0.186, y=0.400이었다.

상기 NPD, Firpic의 구조식은 하기의 화학식 2와 같다.

본 발명은 전자 주입 전극과 정공 주입 전극 사이에 발광층(호스트+도펀트)을 갖는 유기전계발광소자로서, 발광층의 호스트 물질을 통해 상기와 같이 고휘도의 청색 인광용 유기전계발광소자를 얻을 수 있다.

Claims

전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 발광층(호스트+도펀트)을 포함하는 유기전계발광소자로서, 발광층의 호스트 물질이 하기의 화학식 1인 것을 특징으로 하는 청색 인광용 유기전계발광소자:

화학식 1

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