Molecular Design and Synthesis for the Modulation of Photophysical Properties in o-Carborane Derivatives: Applications in White Organic Light-Emitting Diode = o-카보란 유도체의 광물리적 특성 조정을 위한 분자 설계 및 합성 및 백색 유기 발광 다이오드 적용 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Two derivatives of o-carborane (o-Cb) were synthesized, enabling effective modulation of their photophysical properties by varying the substituents on the carbon atom within the o-Cb cage. CAPCb incorporates phenyl groups into the carbazole–anthracene motif, demonstrating weak dual emissions in solution due to efficient charge transfer (CT) from the carbazole to the o-Cb groups. In contrast, its methyl analog (CAMCb) primarily emits from a locally excited (LE) state in solution. The most notable characteristics were revealed in their solid-state photochemistry. CAMCb displayed multiple photoemissions in the film state, featuring strong LE emission at 450 nm and slightly weaker CT emission at 640 nm. In comparison, CAPCb exhibited weaker LE emission at 430 nm and stronger CT emission at 620 nm. This indicates that the CT states can be selectively activated or deactivated based on the substituents on the o-Cb and the phase. Minor modifications in molecular geometries through changes in the substituents at the o-Cb cage significantly influence their excited-state properties and emission characteristics. The distinct properties of CAPCb and CAMCb were utilized in the fabrication of white OLED devices, which demonstrated cool white emission with Commission Internationale de L’Eclairage (CIE) coordinates of (0.37, 0.30) and a correlated color temperature (CCT) of 3556 K measured at 500 cd m^(-2).

국문 초록 (Abstract)

T_(2) 이상의 삼중항 엑시톤을 단일항 엑시톤으로 전환시켜 100%의 이론적 내부 양자 효율을 달성할 수 있는 로컬 및 전하 이동 (HLCT) 이미터는 유기 발광 다이오드(OLED)의 감소된 효율 롤-오프로 인해 유망한 후보로 사용되었다. 치환기에 따라 전자 끌어당김 능력을 조절할 수 있는 o-카보란을 도입하여, 로컬 상태 (LE)와 전하 이동 상태 (CT)가 적절히 혼합된 HLCT 특성을 유도하고자 하였다. 이에 따라 o-카보란의 치환체를 달리한 두 유도체 CAPCb와 CAMCb을 설계하였다. 광물리적 특성 분석 결과, 용액 상태에서는 CAPCb만 이중 발광을 나타냈지만, 필름 상태에서는 두 화합물 모두 이중 발광을 나타냈다. 특히 CAPCb는 장파장에서, CAMCb는 단파장에서 강한 발광을 보였다. 시간 의존 밀도 함수 이론 (TD-DFT) 계산 결과 CAPCb의 경우 o-카보란에서 안트라센 유닛으로 전자가 이동하는 CT 특성을 보인 반면, CAMCb는 안트라센에 국한된 LE 특성을 보여 치환기에 따라 화합물의 여기 상태 특성이 달라짐을 확인하였다.
각각의 화합물을 단일 이미터로 사용한 OLED는 낮은 효율과 삼중항-삼중항 소광 (TTA) 소자가 보이는 MEL (magneto-electroluminance) 특성을 보였으나, 두 화합물을 적절히 혼합하여 단일층으로 제작한 OLED는 비율에 따라 표준 백색에 가까운 색좌표를 구현하는 데 성공하였다. 본 연구는 단일 발광층 기반 백색 OLED 구현 가능성을 제시하며, o-카보란 유도체의 구조 및 발광 특성, 소자 성능 간의 상관관계를 체계적으로 분석하였다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT
• INTRODUCTION
• EXPERIMENTAL SECTION
• General Information
• Synthesis
• Thermal properties
• Electrochemistry
• Absorption and emission spectra
• Preparation of spin-coated thin film
• DFT calculations
• Device fabrication
• RESULTS AND DISCUSSION
• Synthesis
• Thermal properties
• Electrochemical properties
• Photophysical properties in solution
• Solvatochromism
• Aggregation-induced emission (AIE)
• Theoretical calculations
• Device performances
• CONCLUSIONS
• REFERENCES