JP6710248B2 - 量子ドット発光ダイオードおよびこれを含む量子ドット発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオードに関するものであり、さらに詳細には、表面に相異する特性を有する量子ドットを用いる発光ダイオード、およびこれを含む発光装置に関するものである。
電子工学および情報化技術が発達するに伴い、大量の情報を処理して表示するディスプレイ分野における技術も急速に発展している。そのため、従来の陰極線管(Cathode Ray Tube;CRT)に代わり、様々なフラット表示装置が開発されている。フラット表示装置の中でも有機発光ダイオード(organic light emitting diode;OLED)表示装置は、薄型構造が可能であり、消費電力が少ないため、液晶表示装置(LCD)を代替する次世代表示装置として使用されている。
しかしながら、有機発光ダイオード表示装置で発光輝度を高めるため、発光ダイオードの電流密度を増加させたり、駆動電圧を高めたりする場合、有機発光ダイオードに用いられる有機発光物質が分解されるなど、劣化によって発光ダイオードの寿命が縮まるという問題がある。特に、OLEDは、国際電気通信連合(International Telecommunication Union;ITU)で、4K/UHDの規格に関して定めたITU−R Recommendation BT.2020(Rec.2020またはBt.2020)で要求する高レベルの色再現率を達成できていない。
最近は、量子ドット(quantum dot;QD)を表示装置に用いるための研究が行われている。量子ドットとは、不安定な状態の電子が伝導帯(conduction band)から価電子帯(valence band)へ落ちるときに発光する無機粒子である。量子ドットは、吸光係数(extinction coefficient)が非常に大きくて、無機粒子の中では量子効率(quantum yield)も優れているので、強い蛍光を発生させる。また、量子ドットのサイズによって発光波長が変わるので、量子ドットのサイズを調節することにより、可視光線の全領域の光を得ることができ、その結果、様々なカラーを具現化することができる。すなわち、量子ドットを発光物質層(EML)に用いると、個々の画素の色純度を高めることができるだけでなく、高純度の赤(R)・青(B)・緑(G)発光からなる白色光を具現化して、Rec.2020の標準を達成することができる。
そのため、量子ドットを用いる量子ドット発光ダイオード(Quantum Dit Light Emitting Diode;QLED)が開発されている。図1は、一般的な量子ドット発光ダイオードにおけるバンドギャップエネルギーのダイヤグラムを示すものである。図1を参照すると、一般的な量子ドット発光ダイオードは、互いに対向する陽極および陰極と、陽極と陰極との間に位置する量子ドット発光物質層(Emitting Material Layer;EML)と、陽極と発光物質層(EML)との間に位置する正孔注入層(Hole Injection Layer;HIL)および正孔輸送層(Hole Transport layer;HTL)と、陰極と発光物質層(EML)との間に位置する電子輸送層(Electron Transport Layer;ETL)とを含む。
発光物質層(EML)は、ナノサイズの量子ドット(QD)からなり、例えば、溶媒に量子ドット(QD)を含む溶液を利用する工程を通じて正孔輸送層(HTL)上に塗布した後、溶媒を揮発させることによって形成される。一方、正孔注入層(HIL)および正孔輸送層(HTL)は、陽極から発光物質層(EML)へ正電荷キャリアの正孔を注入・伝達し、電子輸送層(ETL)は、陰極から発光物質層(EML)へ負電荷キャリアの電子を注入・伝達する。正孔および電子を発光物質層(EML)へ注入・伝達できるよう、それぞれの層は、適切なバンドギャップエネルギーを有する材料で形成しなければならない。一例に、正孔注入層(HIL)は、poly(3,4−ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)からなり、正孔輸送層(HTL)は、poly(4−butylphenyl−diphenyl−amino)(Poly−TPD)からなり、電子輸送層(ETL)は、ZnOからなり得る。
量子ドット(QD)は、溶液工程を通じて正孔輸送層(HTL)上にコーティングされるが、溶液工程に使用される溶媒中に量子ドット(QD)を均一に分散できるよう、量子ドット(QD)の表面に有機リガンドが結合する。通常、量子ドット(QD)の表面に結合する有機リガンドは、特定の電荷を持った作用基を有する。そのため、有機リガンドに形成された作用基と反対の電荷を持ったキャリアは、電気的引力によって発光物質層(EML)へ速やかに移動するが、有機リガンドに形成された作用基と同一の電荷を持ったキャリアは、電気的斥力によって発光物質層(EML)への移動が遅延する。
このように、従来の量子ドット発光ダイオードにおいて、正孔および電子の発光物質層(EML)への注入がバランスを取れないため、発光物質層(EML)内の量子ドット(QD)で電子と正孔が再結合することができない。その結果、発光物質層(EML)と、発光物質層(EML)に隣接した正孔輸送層(HTL)または電子輸送層(ETL)のような電荷輸送層との界面で発光が起き、量子ドット発光ダイオードの発光効率が低下する。また、発光ダイオードを駆動させるため、高電圧を印加しなければならないので、量子ドット発光ダイオードの駆動電圧が上昇する。
また、量子ドット(QD)の表面に結合したリガンド鎖と、量子ドット(QD)を合成するときに使用した有機溶媒との間におけるファンデルワールス力によって結合され、最終的に合成された量子ドット(QD)がコーティングされた発光物質層(EML)に有機成分が多量残留する。そのため、量子ドット(QD)を含む発光物質層(EML)の厚さを均一に制御することが難しい。さらに、発光物質層(EML)に残留する有機成分が、発光物質層(EML)に隣接した電子輸送層(EML)や陰極に浸透して層間の境界が曖昧となり、電子輸送層(ETL)および陰極を形成することが困難であるという問題が発生する。
特開2014−49436号公報
本発明の目的は、低電圧駆動が可能であり、発光効率が改善された量子ドット発光ダイオードおよびこれを含む量子ドット発光装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、発光ダイオードを構成する発光物質層の厚さを効率的に制御することができ、電荷移動層および電極を容易に形成できる量子ドット発光ダイオードおよびこれを含む量子ドット発光装置を提供することである。
本発明の一側面によると、本発明は、半導体ナノ結晶または金属酸化物のコアと、前記コアを実質的に、または完全に覆うシェルであって、外面を有するシェルと、前記外面の第1の領域に結合し、カルボキシレート基、ホスホネート基、およびチオレート基からなる群から選択される作用基を含むXタイプのリガンドと、前記外面の第2の領域に結合し、アミノ基、チオール基、ホスフィン基、およびホスフィンオキシド基からなる群から選択される作用基を含むLタイプのリガンドとを含む量子ドットを提供する。
前記Xタイプのリガンドは、C〜C30飽和または不飽和炭化水素鎖をさらに含むことである。
前記Xタイプのリガンドは、
の構造のうちの1つを有し、
ここで、nは6以上16以下の整数であり、
mは4以上9以下の整数であり、
pは4以上9以下の整数であり、
Xはカルボキシレート基、ホスフェート基またはチオレート基である。
前記Xタイプのリガンドは、オクタン酸、デカン酸、ドデカン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ヘキサデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることである。
前記Lタイプのリガンドは、C〜C10の直鎖または側鎖のアルキルアミン、C〜Cの脂環族アミン、C〜C20の芳香族アミン、C〜C10の直鎖または側鎖のアルキルホスフィン、C〜C10の直鎖または側鎖のアルキルホスフィンオキシド、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。
前記Lタイプのリガンドは、トリス(2−アミノエチル)アミン、トリス(2−アミノメチル)アミン、N−ブチル−N−エチルエタン−1,2−ジアミン、エチレンジアミン、ペンタエチレンヘキサミン、シクロヘキサン−1,2−ジアミン、シクロヘキセン−1,2−ジアミンまたは2,3−ジアミノピリジンである。
前記Xタイプのリガンドは、負電荷を有する作用基を介し、前記外面の第1の領域に結合する。
前記Lタイプのリガンドは、非共有電子対を介し、前記外面の第2の領域に結合する。
前記外面は実質的に球形であり、第1の領域は第1の半球であり、第2の領域は第2の半球である。
また、本発明の他の側面によると、本発明は、複数の前記量子ドットを含む発光ダイオードを提供する。
例示的な実施形態によると、前記発光ダイオードは、第1電極および第2電極と、発光物質層、電子移動層と、正孔移動層とを含み、前記発光物質層は、前記電子移動層と前記正孔移動層との間に配置され、前記発光物質層は前記複数の量子ドットを備えることができる。
1つの例示的な実施形態において、前記複数の量子ドットの前記外面の複数の前記第1領域は、前記正孔移動層に実質的に隣接して位置し、前記電子移動層に対して実質的に反対側に位置することができる。
前記前記複数の量子ドットの前記外面の複数の前記第2領域は、前記電子移動層に実質的に隣接して位置し、前記正孔移動層に対して実質的に反対側に位置することができる。
また、本発明の他の側面によると、本発明は、前述した量子ドットまたは前述した発光ダイオードを含む発光装置を提供する。
前記発光装置、基板と、前記基板の上部に位置し、前述した発光ダイオードと、前記基板と前記発光ダイオードとの間に位置し、前記発光ダイオードに接続される駆動素子とを備える。
本発明によると、量子ドット(QD)粒子の表面のうち、第1領域にXタイプのリガンドが結合し、第1領域の反対側の第2領域にLタイプのリガンドが結合した量子ドットを発光物質層に適用した。
相異なる2つのリガンドが表面の特定領域に結合した量子ドットを適用することで、発光物質層への電荷のバランスを取れることができる。それによって駆動電圧を低下させることができ、発光効率の向上した量子ドット発光ダイオードおよび発光装置を製造・具現化することができる。
また、リガンド交換反応によって、量子ドットの表面に残留する有機成分の含量を低減させることができる。その結果、本発明に係る量子ドットが適用された発光物質層を、希望する厚さに効率的に制御することができ、発光物質層とこれに隣接して設けられる電荷移動層および電極を容易に形成することができる。
したがって、本発明によると、相異する2つのリガンドが表面に導入された量子ドットを使用し、発光効率の向上および低電圧駆動を具現化する一方、具現化しようとする発光物質層の厚さを容易に制御し、好適な電荷移動層および電極形状を有する量子ドット発光ダイオード並びにこれを用いる量子ドット発光装置を製造することができる。
一般的な量子ドット発光ダイオードにおいて、発光物質層および電荷移動層を構成する材料のバンドギャップエネルギーを概略的に示すダイヤグラムである。 本発明により、単一タイプのリガンドが結合した量子ドットから、相異するタイプのリガンドが特定の表面に結合した量子ドットを合成する過程を概略的に示す模式図である。図2において、Xタイプのリガンドの負電荷がカルボキシレートであり、Lタイプのリガンドがアミン基を構成する窒素原子を介して表面に結合した量子ドットを例示している。 本発明の例示的な第1実施形態により、相異なタイプのリガンドが特定の表面に結合した量子ドットが適用された発光ダイオードを概略的に示す断面図である。発光ダイオードの断面図の下方に、単層でコーティングされた量子ドットからなる発光物質層と、二層でコーティングされた量子ドットからなる発光物質層を示す。 本発明の例示的な第2実施形態により、相異なタイプのリガンドが特定の表面に結合した量子ドットが適用された発光ダイオードを概略的に示す断面図である。発光ダイオードの断面図の下方に、単層でコーティングされた量子ドットからなる発光物質層と、二層でコーティングされた量子ドットからなる発光物質層を示す。 本発明の例示的な実施形態に係る発光ダイオードが適用された発光装置の一例であって、量子ドット発光ダイオード表示装置を概略的に示す断面図である。 本発明の例示的な実施例により、相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを撮影した投射型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;TEM)の写真である。 本発明の例示的な実施例によって合成された、相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットに対するフーリエ変換赤外分光法(Fourier transform infrared spectroscopy;FT−IR)の分析結果を示すグラフである。比較例で合成された、Xタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットに対するFT−IRの分析結果も示す。 従来のXタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットに対する熱重量分析(thermogravimetric analysis;TGA)の結果を示すグラフである。 本発明により、XタイプのリガンドとLタイプのリガンドがそれぞれ反対側の表面に結合した量子ドットに対するTGAの結果を示すグラフである。 本発明の例示的な実施例によって合成された、相異なタイプのガンドが表面に結合した量子ドットに対する飛行時間型二次イオン質量分析法(Time−of−Flight Secondary Ion Mass Spectrometry;TOF−SIMS)の分析結果を示すグラフである。 本発明の例示的な実施例によって合成された、相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを単層でコーティング・積層した発光物質層の断面構造を概略的に示すTEM写真である。 本発明の例示的な実施例によって合成された、相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを二層でコーティング・積層した発光物質層の断面構造を概略的に示すTEM写真である。 本発明の例示的な実施例によって合成された、相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードの断面構造を概略的に示すTEM写真であって、発光物質層および電荷移動層の断面構造を示す。図11Aにおいて左側の写真は、比較例によってXタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードを示し、右側の写真は、本発明によって相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードを示す。 本発明の例示的な実施例によって合成された、相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードの断面構造を概略的に示すTEM写真であって、電極領域の断面構造を示す。図11Bにおいて左側の写真は、比較例によってXタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードを示し、右側の写真は、本発明によって相異なタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードを示す。
以下、図面を参照し、本発明について説明する。
本発明の一側面によると、本発明は、相異する特性を有する、または相異するタイプのリガンドが量子ドットの表面における特定の領域に結合した量子ドットが適用された量子ドット発光ダイオードに関するものである。図2は、本発明により、単一タイプのリガンドが結合した量子ドットから、相異なタイプのリガンドが特定の表面領域に結合した量子ドットを合成する過程を概略的に示す模式図である。
図2に概略的に示すように、本発明によると、Xタイプのリガンド42のみが結合した量子ドット10Aから(図2における左側部分)、量子ドット10表面の一部へLタイプのリガンド44の交換が行われ、表面の領域によってそれぞれ相異するタイプのリガンドが結合した量子ドット10を合成することができる。例えば、図2の右側では、断面が球状である量子ドット10の表面のうち、下半球の表面にはXタイプのリガンド42が結合し、その反対側の上半球の表面にはLタイプのリガンド44が結合した量子ドット10を示す。
1つの例示的な実施形態において、図2の左側に示す、表面にXタイプのリガンド42のみ結合した量子ドット10Aを合成するため、コア20の陽イオンに該当する金属前駆体(例えば、金属の脂肪酸エステル)を高温の反応器に投入して、脂肪酸と共に有機溶媒(例えば、沸騰点の高いオクタデセンなど)に溶解させる熱分解法(pyrolysis)、または高温注入法(Hot Injection)を利用することができる(例えば、コロイド量子ドット)。一方、セレン(Se)や硫黄(S)は、アルキルホスフィン(例えば、トリ−ブチルホスフィン、トリ−n−オクチルホスフィン、トリス(トリメチルシリル)ホスフィンなど)のような有機溶媒に溶解させて、金属前駆体が溶解されている反応器に核生成温度で投入すると、前駆体の核生成が起こり、核生成に参加していない反応前駆体が核の表面と追加反応を起こしてコア20が成長する。
続いて、量子ドットコア20を含有する反応器に、成長させようとするシェル30の前駆体(例えば、Xタイプのリガンド42が表面に結合した陽イオン性金属前駆体およびアルキルホスフィンに溶解された硫黄の前駆体)を追加注入する。それによって、新しい核を生成することなく、無機層としてのXタイプのリガンド42が表面に結合したシェル30がコア20の外側表面を取り囲み、コア20/シェル30の二種構造の量子ドット10Aを合成することができる。コア20および/またはシェル30を構成する反応前駆体の反応性と注入速度、リガンドの種類および反応温度などによって、量子ドット10Aを構成するコア20/シェル30の成長度合いや結晶構造などを調節することができる。その結果、エネルギーバンドギャップの調節による様々な波長帯の光を放出するよう導くことができる。
このとき、Xタイプのリガンド42とは、負電荷(−)を帯びた有機リガンドであって、例えば、カルボキシレート基(−COO)、ホスホネート基およびチオール基からなる群から選択される負電荷作用基を介して量子ドット10Aの表面に結合するリガンドを意味する。1つの例示的な実施形態において、Xタイプのリガンド42は、カルボキシレート基を介して量子ドット10Aの表面に結合することができる。具体的に、Xタイプのリガンド42は、C〜C30の飽和または不飽和脂肪酸、好ましくはC〜C20の飽和または不飽和脂肪酸から由来することができる。より具体的に、Xタイプのリガンド42は、オクタン酸(カプリル酸、CH(CHCOOH)、デカン酸(CH(CHCOOH)、ドデカン酸(ラウリン酸、CH(CH10COOH)、ミリスチン酸(1−テトラデカン酸、CH(CH12COOH)、パルミチン酸(n−ヘキサデカン酸、CH(CH14COOH)、ステアリン酸(n−オクタデカン酸、CH(CH16COOH)、オレイン酸(シス−9−オクタデセン酸、CH(CHCH=CH(CHCOOH)といった飽和または不飽和脂肪酸から由来することができる。一実施形態では、Xタイプのリガンド42は、C〜C30の飽和または不飽和炭化水素鎖をさらに含む。より特定の実施形態では、Xタイプのリガンドは以下の構造の1つを有する:

nは6〜16の範囲の整数であり、nは4〜9の範囲の整数であり、pは4〜9の範囲の整数であり、Xはカルボキシレート基、リン酸基またはチオレート基である。
このとき、Xタイプのリガンド42を構成する負電荷、例えば、カルボキシレート基(−COO)は、シェル30を構成する金属の陽イオン(M)と弱い電気的相互作用により結合している(MOOC)。負電荷を有するXタイプのリガンド42が表面に結合した量子ドット10Aを発光ダイオード100、200(図3および図4を参照)の発光物質層150(EML、図3および図4を参照)に使用する場合、次のような問題が発生する。
Xタイプのリガンド42は負電荷を有するため、正電荷キャリアである正孔は、電気的な引力により、発光物質層150(EML、図3を参照)に形成された発光粒子である量子ドット10Aの表面へ速やかに注入・移動することができる。一方、Xタイプのリガンド42に形成された電荷と同一の負電荷キャリアである電子は、電気的な斥力により、発光物質層150(EML、図3を参照)に形成された量子ドット10Aの表面への注入・移動が遅延する。正孔および電子の注入がバランスを取れないため、電子と正孔は発光物質層内の量子ドット10Aで再結合せず、発光物質層150(EML、図3を参照)と電子輸送層164(ETL、図3を参照)との界面で再結合する。そのため、発光物質層150(EML、図3を参照)で励起子が十分に結合できず、消光するので、発光ダイオードの発光効率が低下する。また、発光ダイオードを駆動するため、高電圧を印加しなければならないので、発光ダイオードの駆動電圧が上昇する。
また、量子ドット10Aを合成するとき、Xタイプのリガンド42のソースとしてアルキル脂肪酸を使用し、溶媒としては有機溶媒であるオクタデセンを使用する。脂肪酸を構成するアルキル鎖とオクタデセンとの間に強いファンデルワールス力が作用するため、溶媒成分が完全に除去されない。そのため、最終的に量子ドット10Aを合成したとき、Xタイプのリガンド42成分の他に多量の有機成分が残存することになる。多量の有機成分が残留する量子ドット10Aを使用して発光物質層150(EML、図3を参照)をコーティングするとき、量子ドット10Aを均一にコーティングすることは難しいので、発光物質層150(EML、図3を参照)の厚さを均一に制御することは困難である。
さらに、発光物質層150(EML、図3を参照)に多量の有機成分が残存するため、発光物質層150(EML、図3を参照)の上部に第2電荷移動層160(図3を参照)および第2電極120(図3を参照)を積層するとき、残存する有機成分が第2電荷移動層および/または第2電極などに浸透する。そのため、第2電荷移動層および/または第2電極の層間境界が曖昧となり、本来の特性を失ってしまう。したがって、Xタイプのリガンド42が表面全体の領域に結合した量子ドット10Aを使用して発光ダイオード100(図3を参照)を製造するとき、第2電荷移動層160(図3を参照)のような電荷移動層(charge transfer layer;CTL)および第2電極120(図3を参照)のような電極を、希望する形状や厚さにすることが難しい。
そこで、本発明では、有機溶媒に分散されたXタイプのリガンド42が表面に結合した量子ドット10Aを基材50にコーティングした状態で、Lタイプのリガンド44を溶媒に分散させる。量子ドット10Aの表面のうち、基材50によって遮断された表面領域(図2では、半球状の量子ドット10Aのうち、下半球の表面領域、第1領域)ではLタイプのリガンド44が反応できないため、リガンド交換が行われず、Xタイプのリガンド42が量子ドット10の表面にそのまま結合する。
Lタイプのリガンド44は、中性有機リガンドであって、非共有電子対を介して量子ドット10の表面に結合するリガンドを意味する。一例に、Lタイプのリガンド44は、アミン基、チオール基、ホスフィン基、およびホスフィンオキシド基からなる群から選択される作用基の非共有電子対を介し、量子ドットの表面に結合することができる。例えば、Lタイプのリガンド44は、アミン基(アミノ基)を構成する窒素原子(N)の非共有電子対を介し、下記のような配位結合で量子ドット10の表面の金属陽イオン(M例えばZn)と強く結合する。
N:+M→N:M
例示的な実施形態において、Lタイプのリガンド44に、量子ドット10を合成するときに使用された有機溶媒(例えば、オクタデセン)との相互作用による引力がないか、または殆どないリガンドを使用することができる。この場合、Xタイプのリガンド42の一部がLタイプのリガンド44へと置換され、有機溶媒に起因する有機成分との結合力が低下するので、最終的に合成された量子ドット10に残留する有機成分の含量を減らすことができる。
例えば、Lタイプのリガンド44は、C〜C10の直鎖または側鎖のアルキルアミン(例えば、1価、2価または3価のアルキルアミン)、好ましくは、C〜Cの直鎖または側鎖のアルキルアミン、C〜Cの脂環族アミン、好ましくは、C〜Cの脂環族アミン、C〜C20の芳香族アミン、好ましくは、C〜C10の芳香族アミン、C〜C10の直鎖または側鎖のアルキルホスフィン(例えば、1価、2価または3価のアルキルホスフィン)、好ましくは、C〜Cの直鎖または側鎖のアルキルホスフィン、C〜C10の直鎖または側鎖のアルキルホスフィンオキシド(例えば、1価、2価または3価のアルキルホスフィンオキシド)、好ましくは、C〜Cの直鎖または側鎖のアルキルホスフィンオキシド、およびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
1つの例示的な実施形態において、Lタイプのリガンド44は、トリス(2−アミノエチル)アミン(TAEA)、トリス(2−(アミノメチル)アミン)のような3価のアミンはもちろん、N−ブチル−N−エチルエタン−1,2−ジアミン、エチレンジアミン、ペンタエチレンヘキサミンのようなアルキルポリアミン、シクロヘキサン−1,2−ジアミンやシクロヘキセン−1,2−ジアミンのような脂環族ポリアミン、2,3−ジアミノピリジンのような芳香族アミン、およびこれらの組み合わせを含むが、本発明がこれに限定されるものではない。
弱い電気的相互作用(MOOC)によって量子ドット10Aの表面に結合したXタイプのリガンド42と異なり、Lタイプのリガンド44は、非共有電子対を介した配位結合によって量子ドット10の表面に強く結合することができる。したがって、量子ドット10Aの表面のうち、基材50によって遮断されていない表面領域(図2では、半球状の量子ドット10Aの上半球の表面領域、第2領域)でリガンド交換反応が誘導され、量子ドット10Aの表面と弱く結合したXタイプのリガンド42に代わって、Lタイプのリガンド44が強く結合することができる。かかるリガンド交換反応により、第1領域にはXタイプのリガンド42が結合し、第1領域の反対表面である第2領域にはLタイプのリガンド44が結合した量子ドット10を合成することができる。
本発明によって量子ドット10の表面のうち、第1領域に負電荷を有するXタイプのリガンド42が結合し、第1領域の反対表面領域である第2領域に正電荷を有するLタイプのリガンド44が結合した量子ドット10を発光物質層(EML、図3を参照)に適用すると、次のようなメリットがある。
正電荷キャリアの正孔は、量子ドット10の第1領域で反対電荷を有するXタイプのリガンド42と電気的な引力により、発光物質層(EML、図3を参照)に形成された量子ドット10の表面へ速やかに注入・移動することができる。それと同時に、負電荷キャリアの電子は、量子ドット10の第2領域で反対電荷を有するLタイプのリガンド44と電気的な引力により、発光物質層(EML、図3を参照)に形成された量子ドット10の表面へ速やかに注入・移動することができる。正孔および電子が速やかにバランスを取り、発光物質層(EML)にコーティングされた量子ドット10で再結合するので、励起子の消光が減少し、発光ダイオードの発光効率が向上する。正孔および電子の注入における不均衡に起因する、発光物質層(EML)と隣接した電荷輸送層(例えば、ETL)との界面における励起子の再結合が防止されるので、低電圧で発光ダイオードを駆動することができる。
また、Xタイプのリガンド42からLタイプのリガンド44へリガンドの置換が起こり、Xタイプのリガンド42が量子ドット10から除去されると、Xタイプのリガンド42とファンデルワールス力によって残存していた有機成分(オクタデセンのような有機溶媒に由来した成分)は、Lタイプのリガンド44とのファンデルワールス力が弱い。そのため、有機成分がLタイプのリガンド44に結合できず、有機成分は量子ドット10の表面から除去される。最終的に合成された量子ドット10における残存有機成分の含量が減少するので、発光物質層(EML、図3を参照)をコーティングするとき、量子ドット10を均一にコーティングすることができ、それによって発光物質層(EML、図3を参照)の厚さを均一に制御することができる。
また、発光物質層(EML、図3を参照)の上部に第2電荷移動層160(図3を参照)および第2電極120(図3を参照)を積層するとき、発光物質層に残存する有機成分が第2電荷移動層および第2電極に浸透しない。有機成分の浸透が防止され、第2電荷移動層と第2電極の層間境界が鮮明に区分でき、本来の特性を維持することができる。したがって、第2電荷移動層160(図3を参照)のような電荷移動層(CTL)および第2電極120(図3を参照)のような電極を、希望する形状や厚さに積層することができる。
続いて、本発明によって合成された量子ドット10の構造について説明する。同種の例示的な実施形態において、量子ドット10は、単一構造を有することができる。他の例示的な実施形態において、量子ドット10は、コア20/シェル30の異種構造を有することもできる。このとき、シェル30は、1つのシェルからなってもよく、複数の同心シェルからなってもよい。
一例に、量子ドット10は、その中心に光を放出するコア20と、コア20を保護するため、その表面を取り囲んでいるシェル30の異種構造を有することができる。また、量子ドット10を溶媒に分散させるためのリガンド42、44がシェル30の表面を取り囲んでいる。例えば、量子ドット10は、コア20を構成する成分のエネルギーバンドギャップがシェル30のエネルギーバンドギャップによって取り囲まれた構造であって、電子と正孔がコア20に向かって移動し、コア20内で再結合する際に放出されるエネルギーで光を発散させる発光体であるタイプIのコア/シェル構造を有することができる。
量子ドット10がタイプIのコア/シェル構造を有する場合、コア20は、実質的に発光が起こる部分であって、コア20のサイズ(例えば、直径)によって量子ドット10の発光波長が決まる。量子拘束効果(quantum confine effect)を得るため、コア20は、それぞれの素材によって励起子ボーア半径より小さいサイズを有し、該当サイズで光学的バンドギャップ(optical band gap)を有しなければならない。
一方、量子ドット10を構成するシェル30は、コア20の量子拘束効果を促進し、量子ドット10の安定性を決定する。単一構造のコロイド量子ドット10の表面の原子は、内部原子とは異なり、化学結合に関与していない電子状態(lone pair electron)を取っている。これらの表面原子のエネルギー準位は、量子ドット10の伝導帯と価電子帯との間に位置し、電荷をトラップすることができるので、表面欠陥が生じる。表面欠陥に起因する励起子の非発光結合過程により、量子ドット10の発光効率が減少し、トラップされた電荷が外部の酸素および化合物と反応して量子ドット10の化学的な組成の変化を起こしたり、または量子ドット10の電気的/光学的な特性が永久に失われたりすることがあり得る。
したがって、1つの好ましい実施形態において、量子ドット10は、コア20/シェル30の異種構造を有することができる。コア20の表面にシェル30が効率よく形成されるためには、シェル30を構成する材料の格子定数が、コア20を構成する材料の格子定数と類似でなければならない。コア20の表面をシェル30で取り囲むことにより、コア20の酸化を防止して量子ドット10の化学的な安定性を向上させ、コア20の表面における表面トラップに起因する励起子の損失を最小化し、分子振動によるエネルギー損失を防止して量子効率を向上させることができる。
量子ドット10は、量子拘束効果を有する半導体ナノ結晶であってもよく、金属酸化物の粒子であってもよい。例えば、量子ドット10は、II−VI族、III−V族、IV−VI族、I−III−VI族のナノ半導体化合物を含むことができる。より具体的に、量子ドット10を構成するコア20および/またはシェル30は、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgTe、および/またはこれらの組み合わせのようなII族ないしVI族化合物半導体のナノ結晶であってもよく、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、および/またはこれらの組み合わせのようなIII族ないしV族化合物半導体のナノ結晶であってもよく、PbS、PbSe、PbTe、および/またはこれらの組み合わせのようなIV族ないしVI族化合物半導体のナノ結晶であってもよく、AgGaS、AgGaSe、AgGaTe、CuInS、CuInSe、CuGaS、CuGaSe、および/またはこれらの組み合わせのようなI−III−VI族化合物半導体のナノ結晶であってもよく、ZnO、TiO、および/またはこれらの組み合わせのような金属酸化物のナノ粒子であってもよく、CdSe/ZnSe、CdSe/ZnS、CdS/ZnSe、CdS/ZnS、ZnSe/ZnS、InP/ZnSZnO/MgO、および/またはこれらの任意の組み合わせのようなコア・シェル構造のナノ結晶であってもよい。半導体ナノ粒子は、Eu、Er、Tb、Tm、Dyのような希土類元素、若しくはこれらの任意の組み合わせでドープされてもされなくてもよく、またはMn、Cu、Ag、Alのような遷移金属元素、若しくはこれらの任意の組み合わせでドープされてもよい。
例えば、量子ドット10を構成するコア20は、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、InP、ZnCdS、CuxIn1−xS、CuxIn1−xSe、AgxIn1−xS、およびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。また、量子ドット10を構成するシェル30は、ZnS、GaP、CdS、ZnSe、CdS/ZnS、ZnSe/ZnS、ZnS/ZnSe/CdSe、GaP/ZnS、CdS/CdZnS/ZnS、ZnS/CdSZnS、CdxZn1−xS、およびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。選択的に、量子ドット10は、均質合金量子ドット、若しくは傾斜合金量子ドットのような合金量子ドット(例えば、CdSxSe1−x、CdSexTe1−x、ZnxCd1−xSe)であってもよい。いくつかの実施形態では、量子ドットは実質的に球形であり、その表面領域は2つの半球または2つの半球、すなわち球形の第1の半球および第2の半球を含む。いくつかの実施形態では、外面の第1の領域は第1の半球であり、外面の第2の領域は第2の半球である
続いて、本発明によって相異なるタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットが適用された発光ダイオードについて説明する。図3は、本発明の例示的な第1実施形態により、相異するリガンドが特定の表面に結合した量子ドットが適用された発光ダイオードを概略的に示す断面図である。図3に示すように、本発明の例示的な実施形態による量子ドット発光ダイオード100は、第1電極110と、第1電極110と向かい合う第2電極120と、第1電極110と第2電極120との間に位置し、発光物質層150を含む発光層130とを備える。一例に、発光層130は、第1電極110と発光物質層150との間に位置する第1電荷移動層140と、発光物質層150と第2電極120との間に位置する第2電荷移動層160をさらに含むことができる。
本実施形態において、第1電極110は、正孔注入電極のような陽極(アノード)であり得る。また、第1電極110は、ガラスまたは高分子からなり得る基板(図3に示していない。)上に形成することができる。一例に、第1電極110は、インジウムスズ酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、インジウムスズ亜鉛酸化物(ITZO)、インジウム銅酸化物(ICO)、スズ酸化物(SnO)、インジウム酸化物(In)、カドミウム:酸化亜鉛(Cd:ZnO)、フッ素:酸化スズ(F:SnO)、インジウム:酸化スズ(In:SnO)、ガリウム:酸化スズ(Ga:SnO)およびアルミニウム:酸化亜鉛(Al:ZnO;AZO)を含む、ドープされた若しくはドープされていない金属酸化物であり得る。選択的に、第1電極110は、前述した金属酸化物の他に、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)若しくはカーボンナノチューブ(CNT)を含む金属素材、または非金属素材からなり得る。
本実施形態において、第2電極120は、電子注入電極のような陰極(カソード)であり得る。一例に、第2電極120は、Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF/Al、CsF/Al、CaCO/Al、BaF/Ca/Al、Al、Mg、Au:Mg、またはAg:Mgからなり得る。例えば、第1電極110および第2電極120は、30ないし300nmの厚さで形成することができる。
1つの例示的な実施形態において、ボトムエミッションタイプの発光ダイオードの場合、第1電極110は、ITO、IZO、ITZO、AZOのような透明導電性金属からなり得る。また、第2電極120は、Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF/Al、Al、Mg、Ag:Mg合金などからなり得る。
第1電荷移動層140は、第1電極110と発光物質層150との間に位置する。本実施形態において、第1電荷移動層140は、発光物質層150へ正孔を供給する正孔移動層であり得る。一例に、第1電荷移動層140は、第1電極110と発光物質層150との間で第1電極110に隣接して位置する正孔注入層142(HIL)、および第1電極110と発光物質層150との間で発光物質層150に隣接して位置する正孔輸送層144(HTL)を含む。
正孔注入層142は、第1電極110から発光物質層150への正孔注入を容易にさせる。正孔注入層142は、例えば、ポリ(エチレンジオキシチオペン):ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)、テトラフルオロ−テトラシアノ−キノジメタン(F4−TCNQ)がドープされた4,4’,4”−トリス(ジフェニルアミノ)トリフェニルアミン(TDATA)、例えばF4−TCNQがドープされた亜鉛フタロシアニン(ZnPc)のようなpドープフタロシアニン、F4−TCNQがドープされたN,N’−ジフェニル−N,N’−ビス(1−ナフチル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン(α−NPD)、ヘキサアザトリフェニレン−ヘキサニトリル(HAT−CN)、およびこれらの組み合わせで構成される群から選択される有機物からなり得るが、本発明がこれに限定されるものではない。一例に、F4−TCNQのようなドーパントは、ホストに対し、1ないし30重量%の割合でドープすることができる。また、正孔注入層142は、発光ダイオード100の構造および形態によって省略することができる。
正孔輸送層144は、第1電極110から発光物質層150へ正孔を伝達する。正孔輸送層144は、無機物からなってもよく、有機物からなってもよい。例えば、正孔輸送層144が有機物からなる場合、正孔輸送層144は、4,4’−N,N’−ジカルバゾリルビフェニル(CBP)、N,N’−ジフェニル−N,N’−ビス(1−ナフチル)−1,1’−ビフェニル−4,4’−ジアミン(α−NPD)、N,N’−ジフェニル−N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−N,N’−ビス(フェニル)−スピロ(spiro−TPD)、N,N’−ジ(4−(N,N’−ジフェニル−アミノ)フェニル−N,N’−ジフェニルベンジジン(DNTPD)、4,4’,4”−トリス(N−カルバゾリル)トリフェニルアミン(TCTA)、トリス(3−メチルフェニルフェニルアミノ)−トリフェニルアミン(m−MTDATA)、ポリ(9,9’−ジオクチルフルオレニル−2,7−ジイル)−コ−(4,4’−N−(4−sec−ブチルフェニル)ジフェニルアミン(TFB)、ポリ(4−ブチルフェニル−ジフェニルアミン)(poly−TPD)のようなアリルアミン類と、ポリアニリンと、ポリピロールと、ポリ(フェニレンビニレン)(PPV)、ポリ[2−メトキシ−5−(2−エチルヘキシルオキシ)−1,4−フェニレンビニレン(MEH−PPV)、ポリ[2−メトキシ−5−(3’,7’−ジメチルオクチルオキシ−1,4−フェニレンビニレン(MOMO−PPV)のようなポリ(パラ)フェニレンビニレン、およびその誘導体と、銅フタロシアニンと、芳香族第三アミン若しくは多核芳香族第三アミンと、4,4’−ビス(p−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニル化合物と、N,N,N’,N’−テトラアリルベンジジンと、PEDOT:PSSおよびその誘導体と、ポリ−N−ビニルカルバゾール(PVK)およびその誘導体と、ポリメタクリレートおよびその誘導体と、ポリ(9,9−オクチルフルオレン)およびその誘導体と、ポリ(スピロ−フルオレン)およびその誘導体と、N,N’−ジ(ナフタレン−1−イル)−N,N’−ジフェニル−ベンジジン(NPB)と、スピロ−NPBおよびこれらの組み合わせから構成される群から選択される有機物からなり得る。
正孔輸送層144が無機物からなる場合、正孔輸送層144は、NiO、MoO、Cr、Bi、またはp型ZnOのような金属酸化物と、CuSCN、MoS、p型GaNのような非酸化等価物、およびこれらの組み合わせから構成される群から選択される無機物からなり得る。
図面では、第1電荷移動層140として正孔注入層142と正孔輸送層144とを区分したが、第1電荷移動層140は、単層からなってもよい。例えば、第1電荷移動層140は、正孔注入層142が省略されて正孔輸送層144のみからなってもよく、前述した正孔輸送有機物に正孔注入物質(例えば、PEDOT:PSS)がドープされて構成されてもよい。
正孔注入層142および正孔輸送層144を含む第1電荷移動層140は、真空気相蒸着法、スパッタリング法を含む真空蒸着工程や、スピンコート、ドロップコート、ディップコート、スプレーコート、ロールコート、フローコートはもちろん、キャスティング工程、スクリーン印刷若しくはインクジェットプリント方式といった溶液工程を、単独または組み合わせて形成することができる。例えば、正孔注入層142と正孔輸送層144の厚さは、10ないし200nm、望ましくは10ないし100nmであり得るが、本発明がこれに限定されるものではない。
発光物質層150は、本発明に係る発光ナノ粒子である量子ドット10で満たされた層であり得る。量子ドット10は、発光体であるコア20と、コア20を取り囲むシェル30の異種構造を有することができ、シェル30の表面に相異するタイプのリガンド42、44が結合する。このとき、発光物質層150は、図3(a)に示すように、単層の量子ドット10からなってもよく、図3(b)に示すように、二層以上の量子ドット10からなってもよい。
1つの例示的な実施形態において、発光物質層150は、溶媒に発光ナノ粒子である量子ドット10が含まれた分散液をコーティングする溶液工程により、第1電荷移動層140上にコーティングし、溶媒を揮発させて形成することができる。発光物質層150を形成する方法としては、スピンコート、ドロップコート、ディップコート、スプレーコート、ロールコート、フローコートはもちろん、キャスティング工程、スクリーン印刷若しくはインクジェットプリント方式といった溶液工程を、単独または組み合わせて利用することができる。
1つの例示的な実施形態において、発光物質層150は、440nm、530nm、620nmのPL発光特性を有する発光ナノ粒子である量子ドット10を含み、白色発光ダイオードを形成することができる。選択的に、発光物質層150は、赤色、緑色、青色のうち、いずれか1つの色を有する発光ナノ粒子である量子ドット10を含んでおり、そのうちのいずれか1つの色で個別発光するように具現化することができる。
前述した通り、量子ドット10の表面には相異するタイプのリガンド42、44が結合する。本実施形態において、負電荷を持つ作用基を有するXタイプのリガンド42は、量子ドット10の表面のうち、反対の電荷を持つキャリアである正孔を注入・輸送する第1電極110側の表面に位置する。すなわち、Xタイプのリガンド42は、発光物質層150と第1電荷移動層140との界面側に位置する。また、正電荷を持つ作用基を有するLタイプのリガンド44は、量子ドット10の表面のうち、反対の電荷を持つキャリアである電子を注入・輸送する第2電極120側の表面に位置する。すなわち、Lタイプのリガンド44は、発光物質層150と第2電荷移動層160との界面側に位置する。
一方、第2電荷移動層160は、発光物質層150と第2電極120との間に位置する。本実施形態において、第2電荷移動層160は、発光物質層150へ電子を供給する電子移動層であり得る。1つの例示的な実施形態において、第2電荷移動層160は、第2電極120と発光物質層150との間で第2電極120に隣接して位置する電子注入層162(EIL)と、第2電極120と発光物質層150との間で発光物質層150に隣接して位置する電子輸送層164(ETL)を含む。
電子注入層162は、第2電極120から発光物質層150への電子注入を容易にさせる。電子注入層162は、例えば、Al、Cd、Cs、Cu、Ga、Ge、In、Liのような金属にフッ素がドープされたり、若しくは結合した素材からなってもよく、または、Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、Cuなどでドープされたり、若しくはドープされていないTiO、ZnO、ZrO、SnO、WO、Taのような金属酸化物からなってもよい。
電子輸送層164は、発光物質層150へ電子を伝達する。電子輸送層164は、無機物からなってもよく、有機物からなってもよい。電子輸送層164が無機物からなる場合、電子輸送層164は、Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、Cuなどでドープされたり、若しくはドープされていないTiO、ZnO、ZrO、SnO、WO、Ta、HfO、Al、ZrSiO、BaTiO、BaZrOのような金属/非金属酸化物と、Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、Cuなどでドープされたり、若しくはドープされていないCdS、ZnSe、ZnSのような半導体粒子と、Siのような窒化物と、これらの組み合わせから構成される群から選択される無機物からなり得る。
電子輸送層164が有機物からなる場合、電子輸送層164は、オキサゾール系化合物、イソオキサゾール系化合物、トリアゾール系化合物、イソチアゾール系化合物、オキサジアゾール系化合物、チアジアゾール系化合物、フェナントロリン系化合物、ペリレン系化合物、ベンゾオキサゾール系化合物、ベンゾチアゾール系化合物、ベンゾイミダゾール系化合物、トリアジン系化合物、およびアルミニウム錯物のような有機物を用いることができる。具体的に、電子輸送層164を構成できる有機物質は、3−(ビフェニル−4−イル)−5−(4−テトラブチルフェニル)−4−フェニル−4H−1,2,4−トリアゾール(TAZ)、バトクプロイン(2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン;BCP)、2,2’,2”−(1,3,5−ベンジントリイル)−トリス(1−フェニル−1−H−ベンゾイミダゾール)(TPBi)、トリス(8−ヒドロキシキノリン)アルミニウム(Alq3)、ビス(2−メチル−8−キノリナト)−4−フェニルフェノラートアルミニウム(III)(Balq)、ビス(2−メチル−キノリナト)(トリフェニルシロキシ)アルミニウム(III)(Salq)、およびこれらの組み合わせから構成される素材から選択することができるが、本発明がこれに限定されるものではない。
第1電荷移動層140と類似に、図面において第2電荷移動層160は、電子注入層162と電子輸送層164の二層で示されているが、第2電荷移動層160は、電子輸送層164のみの単層で構成されてもよい。また、前述した無機物からなる電子輸送材料にセシウムカーボネートをブレンドした電子輸送層164の単層で第2電荷移動層160を形成することもできる。
電子注入層162および/または電子輸送層164を含む第2電荷移動層160は、スピンコート、ドロップコート、ディップコート、スプレーコート、ロールコート、フローコートはもちろん、キャスティング工程、スクリーン印刷若しくはインクジェットプリント方式といった溶液工程を、単独または組み合わせて利用することができる。一例に、電子注入層162および電子輸送層164は、10ないし200nm、望ましくは10ないし100nmの厚さで形成することができる。
例えば、第1電荷移動層140を構成する正孔輸送層144が有機物からなり、かつ第2電荷移動層160が無機物からなり、または正孔輸送層144が無機物からなり、かつ第2電荷移動層160が有機物からなるような混成の電荷移動層(CTL)を適用する場合、量子ドット発光ダイオード100の発光特性が向上できる。
一方、正孔が発光物質層150を通って第2電極120へ移動したり、または電子が発光物質層150を通って第1電極110へ行く場合、素子の寿命および効率の減少をもたらすことがある。これを防止するため、本発明の例示的な第1実施形態に係る量子ドット発光ダイオード100では、発光物質層150に隣接し、少なくとも1つの励起子遮断層が位置することができる。
例えば、本発明の第1実施形態に係る量子ドット発光ダイオード100は、正孔輸送層144と発光物質層150との間に、電子の移動を制御・防止できる電子遮断層(electron blocking layer;EBL)を有することができる。
一例に、電子遮断層は、TCTA、トリス[4−(ジエチルアミノ)フェニル]アミン、N−(ビフェニル−4−イル)−9,9−ジメチル−N−(4−(9−フェニル−9H−カルバゾール−3−イル)フェニル)−9H−フルオレン−2−アミン、トリ−p−トリルアミン、1,1−ビス(4−(N,N’−ジ(p−トリル)アミノ)フェニル)シクロヘキサン(TAPC)、m−MTDATA、1,3−ビス(N−カルバゾリル)ベンゼン(mCP)、3,3’−ビス(N−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニル(mCBP)、Poly−TPD、銅フタロシアニン(CuPc)、DNTPD、および/または1,3,5−トリス[4−(ジフェニルアミノ)フェニル]ベンゼン(TDAPB)などからなり得る。
また、発光物質層150と電子輸送層164との間に、第2励起子遮断層として正孔遮断層(hole blocking layer;HBL)が位置し、発光物質層150と電子輸送層164との間における正孔の移動を防止することができる。1つの例示的な実施形態において、正孔遮断層の素材として、電子輸送層164に用いられるオキサジアゾール系、トリアゾール系、フェナントロリン系、ベンゾオキサゾール系、ベンゾチアゾール系、ベンゾイミダゾール系、トリアジン系などの誘導体を用いることができる。
正孔遮断層は、例えば、発光物質層150に用いられる素材と比較して、HOMO(highest occupied molecular orbital;最高被占軌道)エネルギー準位の低い2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン(BCP)、BAlq、Alq3、PBD、スピロ−PBDおよび/またはLiqなどからなり得る。
前述したように、本実施形態によると、発光物質層150を構成する発光ナノ粒子である量子ドット10の表面に、相異するタイプのリガンドが結合している。発光物質層150内で、負電荷を持つXタイプのリガンド42は、反対電荷である正孔を生成・注入・伝達する第1電極110側の表面、具体的に第1電荷移動層140を構成する正孔輸送層144との界面側に位置する。一方、発光物質層150内で、正電荷を持つLタイプのリガンド44は、反対電荷である電子を生成・注入・伝達する第2電極120側の表面、具体的に第2電荷移動層160を構成する電子輸送層164との界面側に位置する。
正電荷キャリアの正孔は、量子ドット10の表面で、反対電荷を持つXタイプのリガンド42を介し、発光物質層150に積層された量子ドット10の表面へ速やかに移動することができる。それと同時に、負電荷キャリアの電子は、量子ドット10の表面で反対電荷を有するLタイプのリガンド44を介し、発光物質層150に積層された量子ドット10の表面へ速やかに移動することができる。正孔と電子がバランスを取り、発光物質層150で速やかに再結合するので、発光効率が向上し、低電圧で発光ダイオード100を駆動することができる。
また、有機成分に対する相互作用のないLタイプのリガンド44で、Xタイプのリガンド42の一部が置換され、Lタイプのリガンド44が量子ドット10の表面に結合しているので、単にXタイプのリガンド42のみからなる量子ドット10A(図2を参照)に比較し、本発明に係る量子ドット10における有機成分の含量が少ない。したがって、量子ドット10を発光物質層150に均一にコーティングすることができ、発光物質層150の厚さを均一に制御することができる。さらに、発光物質層150の上部に第2電荷移動層160および第2電極120を積層するとき、有機成分が第2電荷移動層160および第2電極120へ浸透しない。その結果、第2電荷移動層160と第2電極120の層間境界が鮮明に区分でき、第2電荷移動層160および第2電極120を、希望する形状や厚さに形成することができる。
一方、図3では、相対的に仕事関数の低い第1電極と発光物質層との間に正孔移動層が位置し、相対的に仕事関数の高い第2電極と発光物質層との間に電子移動層が位置する正常構造を有する量子ドット発光ダイオードについて説明したが、量子ドット発光ダイオードは、逆構造を有することができる。これについて説明する。
図4は、本発明の例示的な第2実施形態により、相異するリガンドが特定の表面に結合した量子ドットが適用された逆構造の量子ドット発光ダイオードを概略的に示す断面図である。図4に示すように、本発明の例示的な実施形態に係る量子ドット発光ダイオード200は、第1電極210と、第1電極210と向かい合う第2電極220と、第1電極210と第2電極220との間に位置する発光物質層250を含む発光層230とを備える。発光層230は、第1電極210と発光物質層250との間に位置する第1電荷移動層240と、発光物質層250と第2電極220との間に位置する第2電荷移動層260をさらに含むことができる。
第1電極210は、電子注入電極のような陰極(カソード)であり得る。第1電極210は、例えばITO、IZO、ITZO、ICO、SnO、In、Cd:ZnO、F:SnO、In:SnO、Ga:SnOおよびAZOを含む、ドープされた若しくはドープされていない金属酸化物であり得る。また、前述した金属酸化物の他に、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)若しくはカーボンナノチューブ(CNT)を含む素材からなり得る。
第2電極220は、正孔注入電極のような陽極(アノード)であってもよい。第2電極220は、例えばCa、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF/Al、CsF/Al、CaCO/Al、BaF/Ca/Al、Al、Mg、Au:Mg、またはAg:Mgからなり得る。例えば、第1電極210および第2電極220は、30ないし300nmの厚さで形成することができる。
本実施形態において、第1電荷移動層240は、発光物質層250へ電子を供給する電子移動層であり得る。1つの例示的な実施形態において、第1電荷移動層240は、第1電極210と発光物質層250との間で第1電極210に隣接して位置する電子注入層242と、第1電極210と発光物質層250との間で発光物質層250に隣接して位置する電子輸送層244を含む。
電子注入層242は、Al、Cd、Cs、Cu、Ga、Ge、In、Liのような金属にフッ素がドープされたり、若しくは結合した素材からなってもよく、または、Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、Cuなどでドープされたり、若しくはドープされていないTiO、ZnO、ZrO、SnO、WO、Taのような金属酸化物からなってもよい。
電子輸送層244は、無機物からなってもよく、有機物からなってもよい。電子輸送層244が無機物からなる場合、電子輸送層244は、Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、Cuなどでドープされたり、若しくはドープされていないTiO、ZnO、ZrO、SnO、WO、Ta、HfO、Al、ZrSiO、BaTiO、BaZrOのような金属/非金属酸化物と、Al、Mg、In、Li、Ga、Cd、Cs、Cuなどでドープされたり、若しくはドープされていないCdS、ZnSe、ZnSのような半導体粒子と、Siのような窒化物と、これらの組み合わせから構成される群から選択される無機物からなり得る。
電子輸送層244が有機物からなる場合、電子輸送層244は、オキサゾール系化合物、イソオキサゾール系化合物、トリアゾール系化合物、イソチアゾール系化合物、オキサジアゾール系化合物、チアジアゾール系化合物、ペリレン系化合物、およびアルミニウム錯物を用いることができる。具体的に、電子輸送層244を構成できる有機物質は、TAZ、BCP、TPBi、Alq、Balq、Salq、およびこれらの組み合わせから構成される群から選択される有機物からなり得るが、本発明がこれに限定されるものではない。
第1電荷移動層240は、電子輸送層244のみの単層で構成されてもよい。また、前述した無機物からなる電子輸送材料にセシウムカーボネートをブレンドした電子輸送層244の単層で第1電荷移動層240を形成することもできる。一例に、電子注入層242および電子輸送層244は、10ないし200nm、望ましくは10ないし100nmの厚さで形成することができる。
発光物質層250は、本発明に係る発光ナノ粒子である量子ドット10で満たされた層であり得る。量子ドット10は、発光体であるコア20と、コア20を取り囲むシェル30の異種構造を有することができ、シェル30の表面に相異するタイプのリガンド42、44が結合する。このとき、発光物質層250は、図4(a)に示すように、単層の量子ドット10からなってもよく、図4(b)に示すように、二層以上の量子ドット10からなってもよい。
1つの例示的な実施形態において、発光物質層250は、溶媒に発光ナノ粒子である量子ドット10が含まれた分散液をコーティングする溶液工程により、第1電荷移動層240上にコーティングし、溶媒を揮発させて形成することができる。
前述した通り、量子ドット10の表面には相異するタイプのリガンド42、44が結合する。本実施形態において、負電荷を持つ作用基を有するXタイプのリガンド42は、量子ドット10の表面のうち、反対の電荷を持つキャリアである正孔を注入・輸送する第2電極220側の表面に位置する。すなわち、Xタイプのリガンド42は、発光物質層250と第2電荷移動層260との界面側に位置する。また、正電荷を持つ作用基を有するLタイプのリガンド44は、量子ドット10の表面のうち、反対の電荷を持つキャリアである電子を注入・輸送する第1電極210側の表面に位置する。すなわち、Lタイプのリガンド44は、発光物質層250と第1電荷移動層240との界面側に位置する。
一方、本実施形態において、第2電荷移動層260は、発光物質層250へ正孔を供給する正孔移動層であり得る。1つの例示的な実施形態において、第2電荷移動層260は、第2電極220と発光物質層250との間で第2電極220に隣接して位置する正孔注入層262、および第2電極220と発光物質層250との間で発光物質層250に隣接して位置する正孔輸送層264を含む。
正孔注入層262は、PEDOT:PSS、F4−TCNQがドープされたTDATA、例えばF4−TCNQがドープされたZnPcのようなpドープフタロシアニン、F4−TCNQがドープされたα−NPD、HAT−CN、およびこれらの組み合わせで構成される群から選択される物質からなり得るが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、F4−TCNQのようなドーパントは、ホストに対し、1ないし30重量%の割合でドープすることができる。また、正孔注入層262は、発光ダイオード200の構造および形態によって省略することができる。
正孔輸送層264は、無機物からなってもよく、有機物からなってもよい。例えば、正孔輸送層264が有機物からなる場合、正孔輸送層264は、CBP、α−NPD、TPD、spiro−TPD、DNTPD、TCTA、m−MTDATA、TFB、poly−TPDのようなアリルアミン類と、ポリアニリンと、ポリピロールと、PPV、MEH−PPV、MOMO−PPVのようなポリ(パラ)フェニレンビニレン、およびその誘導体と、銅フタロシアニンと、芳香族第三アミン若しくは多核芳香族第三アミンと、4,4’−ビス(p−カルバゾリル)−1,1’−ビフェニレ化合物と、N,N,N’,N’−テトラアリルベンジジンと、PEDOT:PSSおよびその誘導体と、ポリ−N−ビニルカルバゾールおよびその誘導体と、ポリメタクリレートおよびその誘導体と、ポリ(9,9−オクチルフルオレン)およびその誘導体と、ポリ(スピロ−フルオレン)およびその誘導体と、NPBと、スピロ−NPBおよびこれらの組み合わせから構成される群から選択される有機物からなり得る。
正孔輸送層264が無機物からなる場合、正孔輸送層264は、NiO、MoO、Cr2O、Bi、またはp型ZnOのような金属酸化物と、CuSCN、MoS、p型GaNのような非酸化等価物、およびこれらの組み合わせから構成される群から選択される無機物からなり得る。
第2電荷移動層260は、単層からなってもよい。例えば、第2電荷移動層260は、正孔注入層262を省略されて正孔輸送層264のみからなってもよく、前述した正孔輸送有機物に正孔注入物質(例えば、PEDOT:PSS)がドープされて構成されてもよい。正孔注入層262および正孔輸送層264の厚さは、10ないし200nm、望ましくは10ないし100nmであり得るが、本発明がこれに限定されるものではない。
第1実施形態に類似に、本発明の例示的な第2実施形態に係る量子ドット発光ダイオード200には、発光物質層250に隣接し、少なくとも1つの励起子遮断層が位置することができる。例えば、量子ドット発光ダイオード200は、発光物質層250と正孔輸送層264との間に位置し、電子の移動を制御・防止できる電子遮断層、および/または電子輸送層244と発光物質層250との間に位置し、正孔の移動を制御・防止できる正孔遮断層をさらに含むことができる。
前述したように、本実施形態によると、発光物質層250を構成する発光ナノ粒子である量子ドット10の表面に相異するタイプのリガンドが結合している。発光物質層250内で、負電荷を持つXタイプのリガンド42は、反対電荷である正孔を生成・注入・伝達する第2電極220側の表面、具体的に第2電荷移動層260を構成する正孔輸送層264との界面側に位置する。一方、発光物質層250内で、正電荷を持つLタイプのリガンド44は、反対電荷である電子を生成・注入・伝達する第1電極210側の表面、具体的に第1電荷移動層240を構成する電子輸送層244との界面側に位置する。
正電荷キャリアである正孔と、負電荷キャリアである電子は、それぞれ反対電荷を持つXタイプのリガンド42、Lタイプのリガンド44と相互作用し、発光物質層250に積層された量子ドット10の表面へ速やかに移動することができる。正孔と電子がバランスを取り、発光物質層250で速やかに再結合するので、発光効率が向上し、低電圧で発光ダイオード200を駆動することができる。
また、有機成分に対する相互作用のないLタイプのリガンド44で、Xタイプのリガンド42の一部が置換され、Lタイプのリガンド44が量子ドット10の表面に結合しているので、本発明に係る量子ドット10における有機成分の含量が少ない。したがって、量子ドット10を発光物質層250に均一にコーティングし、発光物質層250の厚さを均一に制御することができる。さらに、発光物質層250の上部に第2電荷移動層260および第2電極220を積層するとき、有機成分が第2電荷移動層260および第2電極220へ浸透しない。その結果、第2電荷移動層260と第2電極220の層間境界が鮮明に区分でき、第2電荷移動層260および第2電極220を、希望する形状や厚さに形成することができる。
したがって、本発明に係る発光ナノ粒子であって、区分できる表面領域に相異なタイプのリガンド42、44が結合している量子ドット10が発光層に適用された量子ドット発光ダイオードを、照明装置や表示装置のような発光装置に適用することができる。一例に、本発明に係る発光ナノ粒子である量子ドット10が発光層に適用された量子ドット発光ダイオードを有する量子ドット発光表示装置について説明する。図5は、本発明の例示的な実施形態に係る量子ドット発光表示装置を概略的に示す断面図である。
図5に示すように、量子ドット発光表示装置300は、基板310と、基板310上に位置する駆動素子である駆動薄膜トランジスタTrと、駆動薄膜トランジスタTrに接続される量子ドット発光ダイオード400とを備える。
基板310上には、酸化物半導体物質、または多結晶シリコンからなる半導体層322が形成される。半導体層322が酸化物半導体物質からなる場合、半導体層322の下部には、遮光パターン(不図示)を形成することができる。遮光パターンは、半導体層322へ光が入射することを防止し、半導体層322が光によって劣化することを防止する。また、半導体層322は、多結晶シリコンからなってもよいが、この場合は、半導体層322の両端部に不純物がドープされていることがある。
半導体層322の上部には、絶縁物質からなるゲート絶縁膜324が形成される。ゲート絶縁膜324は、シリコン酸化物(SiO)やシリコン窒化物(SiN)のような無機絶縁物質からなることができる。ゲート絶縁膜324の上部には、金属のような導電性物質からなるゲート電極330が、半導体層322の中央に対応して形成される。
ゲート電極330の上部には、絶縁物質からなる層間絶縁膜332が形成される。層間絶縁膜332は、シリコン酸化物(SiO)やシリコン窒化物(SiN)のような無機絶縁物質からなってもよく、ベンゾシクロブテンやフォトアクリルのような有機絶縁物質からなってもよい。
層間絶縁膜332は、半導体層322の両側を露出する第1半導体層コンタクトホール334および第2半導体層コンタクトホール336を有する。第1および第2半導体層コンタクトホール334、336は、ゲート電極330の両側に、ゲート電極330と離隔して位置する。層間絶縁膜332上には、金属のような導電性物質からなるソース電極340とドレイン電極342が形成される。
ソース電極340とドレイン電極342は、ゲート電極330を中心に離隔して位置し、それぞれ前記第1半導体層コンタクトホール334と前記第2半導体層コンタクトホール336を介して前記半導体層322の両側に接触する。
半導体層322と、ゲート電極330と、ソース電極340と、ドレイン電極342は、駆動素子である駆動薄膜トランジスタTrを構成する。
図5において、駆動薄膜トランジスタTrは、半導体層322の上部にゲート電極330、ソース電極340、およびドレイン電極342が位置する共面構造(coplanar)を有する。これとは異なって、駆動薄膜トランジスタTrは、半導体層の下部にゲート電極が位置し、半導体層の上部にソース電極とドレイン電極が位置する逆スタガ(inverted staggered)構造を有してもよい。この場合、半導体層は非晶質シリコンからなり得る。
図面に示していないが、ゲート配線とデータ配線が互いに交差して画素領域を定義し、ゲート配線およびデータ配線に接続されるスイッチング素子がさらに形成される。スイッチング素子は、駆動素子である駆動薄膜トランジスタTrに接続される。また、パワー配線がゲート配線、またはデータ配線と平行に離隔して形成され、1フレーム間、駆動素子である駆動薄膜トランジスタTrのゲート電極の電圧を一定に保つためのストレージキャパシタがさらに備えられてもよい。
一方、駆動薄膜トランジスタTrのドレイン電極342を露出するドレインコンタクトホール352を有する保護層350は、駆動薄膜トランジスタTrを覆う。
保護層350上には、ドレインコンタクトホール352を介して駆動薄膜トランジスタTrのドレイン電極342に接続される第1電極410が各画素領域別に分離して形成される。第1電極410は、陽極(アノード)であってもよく、陰極(カソード)であってもよく、比較的に仕事関数値の大きい導電性物質からなってもよい。例えば、第1電極410は、ITO、IZO、ITZO、ICO、SnO、In、Cd:ZnO、F:SnO、In:SnO、Ga:SnOおよびAZOのような、ドープされた若しくはドープされていない金属酸化物であってもよく、前述した金属酸化物の他に、Ni、Pt、Au、Ag、Ir若しくはCNTを含む金属素材からなってもよい。
一方、本発明の量子ドット発光表示装置300がトップエミッションタイプである場合、第1電極410の下部には、反射電極、または反射層をさらに形成することができる。例えば、反射電極、または反射層は、アルミニウム・パラジウム・銅(APC)の合金からなり得る。
また、保護層350上には、第1電極410の端部を覆うバンク層368が形成される。バンク層368は、画素領域に対応して第1電極410の中央を露出する。
第1電極410上には、本発明に係る発光ナノ粒子である量子ドット10を含む発光層430が形成される。発光層430は、発光物質層のみからなってもよいが、発光効率を高めるため、多数の電荷移動層を有してもよい。一例に、第1電極410と発光層430との間に、第1電荷移動層140、240(図3および図4を参照)を形成し、発光層430と第2電極420との間に、第2電荷移動層160、260(図3および図4を参照)をさらに形成することができる。
発光層430に位置する量子ドット10は、発光体であるコア20と、コア20を取り囲むシェル30からなり、シェル30の表面に相異するタイプのリガンド42、44が結合する。図5では、Xタイプのリガンド42が第1電極410側に位置し、Lタイプのリガンド44が第2電極420側に位置するものと示しているが、Xタイプのリガンド42が第2電極420側に位置し、Lタイプのリガンド44が第1電極410側に位置することもできる。
発光層430が形成された基板310の上部に、第2電極420が形成される。第2電極420は、表示領域の全面に位置し、比較的に仕事関数値の小さい導電性物質からなり得る。また、第2電極420は、陰極であってもよく、陽極であってもよい。例えば、第2電極420は、Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ca、LiF/Al、BaF/Al、CsF/Al、CaCO/Al、BaF/Ca/Al、Al、Mg、Au:Mg、またはAg:Mgからなり得る。
前述した通り、発光ナノ粒子である量子ドット10において、負電荷を有する作用基を持つXタイプのリガンド42と、正電荷を有する作用基を持つLタイプのリガンド44は、それぞれ反対電荷を生成・注入・移動させる電極側に向かって位置する。正孔と電子は、それぞれ反対電荷を有するXタイプのリガンド42と、Lタイプのリガンド44を介し、バランスを取りながら速やかに発光層430へ移動することができる。したがって、発光ダイオード400およびこれを含む発光表示装置300の発光効率が向上し、低電圧で発光ダイオード400を駆動することができる。
また、Lタイプのリガンド44が結合した量子ドット10における有機成分の含量が少ないので、量子ドット10を発光層430に均一にコーティングし、発光層430の厚さを均一に制御することができる。また、残留する有機成分が発光層430および第2電極420へ浸透しないので、発光層430と第2電極420の層間境界が鮮明に区分でき、発光層430および第2電極420を、希望する形状や厚さに形成することができる。
以下、例示的な実施形態を用いて本発明を説明するが、本発明が下記の実施例に記載された技術思想に限定されるものではない。
合成例1:XタイプのリガンドとLタイプのリガンドを有する単層量子ドットの合成
1)ZnSe/ZnSのコア・シェル量子ドットの合成
三つ口フラスコに、0.073gの酢酸亜鉛、0.237gのオレイン酸、0.032gのSe、溶媒であるオクタデセン(ODE)を26ml入れた。120℃の真空状態で2時間加熱し、水分や酸素、および不純物を除去した。N2の雰囲気に切り替えた後、300℃で1時間加熱し、コアであるZnSeを形成した。常温に冷却し、Xタイプのリガンドであるオレアートが表面に結合したZnSシェルを形成するため、0.4Mのオレイン酸亜鉛を7ml、1Mのトリブチルホスフィンスルフィド(TBPS)を1ml、コアが形成されたフラスコに添加した。それを280℃で1時間加熱し、ZnSシェルを形成した。過量のアセトンを添加して反応をワークアップした後、遠心分離機で沈殿過程を数回繰り返し、最終的に、Xタイプのリガンドであるオレアートが表面に結合したZnSe/ZnSの量子ドットを合成した。
2)TAEA処理による二重リガンドの量子ドットの合成
上記で沈殿された量子ドット(ZnSe/ZnS)をヘキサン、またはトルエンに分散させた。分散された量子ドットを10mg/mlの濃度で、基板上にスピンコーティング(rpm2000、60秒)し、70℃で30分間乾燥させた。量子ドットがコーティングされた面に向かってTAEAを1〜2ml滴下した後、スピンコーティング(rpm500、30秒)した。60〜80℃で2時間乾燥させ、リガンドの濃度差による拡散、およびZn−amine基の相互作用によって量子ドットの一部表面(基板と接していない領域)へリガンド交換が起こるよう、誘導した。その後、ヘキサン、またはトルエンのような有機溶媒に再分散させ、反応のワークアップ過程を1回行った。
合成例2:XタイプのリガンドとLタイプのリガンドを有する二層量子ドットの合成
基板上に量子ドットが二層に配列・積層できるよう、ZnSe/ZnSのコア・シェル量子ドットのコーティング濃度を約2倍にし、TAEAの含量を約2倍にしたことを除き、合成例1の手順を繰り返した。
比較合成例:Xタイプのみのリガンドからなる単層量子ドットの合成
合成例1に比較して、TAEA処理過程を省略し、Xタイプのリガンドであるオレアートのみが表面に結合した量子ドットを合成した。
実施例1:量子ドットの物性などの測定
合成例1で合成した量子ドットの物性を測定した。量子ドットの粒子サイズを測るため、合成例1によってヘキサンに分散された量子ドットをTEMグリッドに1〜2滴滴下した後、乾燥させ、TEM(Helios Nanolab 600i、FEI社)で分析した。図6は、合成例1で合成された量子ドットを撮影したTEM写真である。量子ドットの平均粒子サイズは、7.5nmであった。また、合成例1によってヘキサンに分散された量子ドットを硫酸、または塩酸に溶かした後、誘導結合プラズマ質量分析(Inductively coupled plasma−mass spectroscopy;ICP−MS)を行った(ELAN DRCII、Perkin−Elmer)。その結果、合成された量子ドットにおけるZn含量は52.8重量%、Se含量は21.2重量%、S含量は26.0%であって、意図したコア・シェル構造を有する量子ドットが合成されたことを確認した。さらに、合成例1で合成されたヘキサンに分散された量子ドットをKBrにコーティングしたり、または粉末状の量子ドットを用いてFT−IR(FTS7000e、VARIAN)を行った。FT−IRの分析結果、比較例で合成された量子ドットに存在しなかったTAEAリガンドが結合したことを確認した(図7を参照)。
また、比較例で合成された量子ドットを乾燥させた粉末を対象に、熱重量分析(TGA;Pyrisl、Perkin−Elmer)を行った。TGAの分析結果、残存有機物は41重量%であり、相当の有機物が残存することを確認した(図8Aを参照)。一方、合成例1で合成された量子ドットに対するTGA分析における残存有機物の含量は20重量%に過ぎず(図8Bを参照)、相異するタイプのリガンドが表面に結合した量子ドットにおいて、残存有機物の含量が半分以下に減少したことを確認した。
続いて、相異するリガンドが量子ドット表面における異なる表面領域に結合しているかを確認するため、TOF−SIMS分析を行った。シリコンウェーハにUV−ozoneを処理し、1時間後に、合成例1によってヘキサンに分散された量子ドットをウェーハ上にスピンコーティング(2000rpm、60秒)して試験片を作製し、ウェーハの反対側からウェーハ側に向かい、時間を置いて分析した。図9は、合成例1で合成された量子ドットに対するTOF−SIMSの分析結果を示す。図9に示すように、ウェーハによって遮られていない、ウェーハの反対側の量子ドット表面には、LタイプのリガンドであるTAEAリガンドに含まれたCN結合が主に形成され、Xタイプのリガンドに含まれた−O結合は、殆ど検出されなかった。しかしながら、ウェーハ側に行くにつれてLタイプのリガンド含量は減少し、Xタイプのリガンド含量が増加して、ウェーハによって遮られた量子ドットの表面には、本来のXタイプのリガンドが主に結合したことを確認した。
また、合成例1で合成された量子ドットに対するPL(photoluminescence)強度および量子効率(quantum yield;QY)を測定した結果、比較合成例で合成された量子ドットと類似なPL強度および量子ドットを有することが分かり(結果は図示していない。)、光学的な特性に大差はないことを確認した。
実施例2:量子ドット発光ダイオードの作製
合成例1によって単層で形成された量子ドットが適用された発光ダイオードを作製した。ITO(陽極、50nm)を1時間UV−ozone処理した後、次のような順番で発光層および陰極を積層した。正孔注入層(HIL、PEDOT:PSS、スピンコート(2000rpm)の後、120℃で30分乾燥;25nm)、正孔輸送層(HTL、TFB、スピンコート(2000rpm)の後、120℃で30分乾燥;24nm)、発光物質層(EML、合成例1の量子ドット、スピンコート(2000rpm)の後、70℃で60分乾燥;18nm)、電子輸送層(ETL、TPBi、蒸着(3×10−6Torr、0.1Å/s);52nm)、陰極(Al、3×10−6Torr、4〜5Å/s);80nm)。
実施例3:量子ドット発光ダイオードの作製
合成例2によって二層で積層された量子ドットを発光物質層に用いたことを除き、実施例2の手順を繰り返して、量子ドット発光ダイオードを作製した。
比較例:量子ドット発光ダイオードの作製
比較合成例1によってXタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットを、発光物質層に用いたことを除き、実施例2の手順を繰り返して、量子ドット発光ダイオードを作製した。
実施例4:量子ドット発光ダイオードの物性評価
1)発光特性の評価
実施例1および比較例でそれぞれ作製された発光ダイオードの駆動電圧、駆動電流、電流密度、電流効率、電力効率、外部量子効率(external quantum efficiency;EQE)および輝度を測定した。その結果を表1に示す。
表1に示すように、量子ドット表面における特定領域にXタイプのリガンドおよびLタイプのリガンドが結合した量子ドットを発光物質層に適用する場合、Xタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットを発光物質層に適用する場合と比較して、駆動電圧は38.6%減少し、電流は10倍減少した。また、同一の電流密度において、電流効率は16.6倍、電力効率は12.1倍、外部量子効率は15.6倍、輝度は16.6倍向上した。したがって、本発明によって量子ドット表面における特定領域に相異するタイプのリガンドが結合した量子ドットを発光物質層に適用して、低電圧駆動が可能となり、発光効率が大きく向上した量子ドット発光ダイオードを具現化することができ、量子ドット発光装置に適用できることを確認した。
2)量子ドット発光ダイオードを構成する層の形状評価
実施例2および実施例3と、比較例でそれぞれ作製された発光ダイオードを構成する層の形状をTEMで評価した。図10Aおよび図10Bは、それぞれ本発明の例示的な実施例によって合成された、相異する特性を有するリガンドが表面に結合した量子ドットを単層(図10A)、そして二層(図10B)でコーティングした発光物質層の断面構造を概略的に示す電子顕微鏡の写真である。電荷特性の相異する2つのリガンドが量子ドット表面のうち、特定領域に結合するとき、量子ドットを単層、または二層でコーティングして発光物質層の厚さを容易に調節・制御できることを確認した。
一方、図11Aおよび図11Bは、それぞれ本発明の例示的な実施形態によって合成された、相異する特性を有するリガンドが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングした発光ダイオードの断面構造を概略的に示す電子顕微鏡の写真である。図11Aおよび図11Bの左側に示すように、Xタイプのリガンドのみが表面に結合した量子ドットを発光物質層にコーティングすると、発光物質層の厚さが均一でなく、電子輸送層および第2電極を希望する形状に積層することができなかった。一方、図11Aおよび図11Bの右側に示すように、本発明によって量子ドット表面における特定領域にそれぞれXタイプのリガンドとLタイプのリガンドが形成された量子ドットを発光物質層に適用すると、発光物質層の厚さを均一に制御することができ、電子輸送層および第2電極を希望する形状に形成できることを確認した。
以上、本発明の例示的な実施形態および実施例に基づき、本発明を説明したが、本発明は、前述した実施形態および実施例に記載された技術思想に限定されるものではない。むしろ、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、前述した実施形態および実施例に基づき、様々な変形や変更を容易に推考することができる。しかしながら、かかる変形や変更が全て本発明の権利範囲に属するということは、請求の範囲から明らかである。
上述の様々な実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせることができる。本明細書で言及され、及び/又は出願データシートに列挙された全ての米国特許、米国特許出願公開公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願及び非特許刊行物は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。実施形態の態様は、さらに別の実施形態を提供するために、必要に応じて様々な特許、出願および刊行物の概念を使用するように変更することができる。
上記の詳細な説明に照らして、これらのおよび他の変更を実施形態に加えることができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、特許請求の範囲、明細書および特許請求の範囲に開示される特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、そのような均等物の全範囲とともに可能なすべての実施形態を含むと解釈されるべきである。特許請求の範囲は、上述した本開示によって制限されない。
10…量子ドット、20…(量子ドット)コア、30…(量子ドット)シェル、42…Xタイプのリガンド、44…Lタイプのリガンド、100、200、400…量子ドット発光ダイオード、110、210、410…第1電極、120、220、320…第2電極、130、230、430…発光層、140、240…第1電荷移動層、150、250…発光物質層、160、260…第2電荷移動層、300…量子ドット発光表示装置、Tr…駆動薄膜トランジスタ

Claims (10)

  1. 第1電極および第2電極と、
    発光物質層と、
    電子移動層と、
    正孔移動層と
    を含む発光ダイオードであって、
    前記発光物質層は、前記電子移動層と前記正孔移動層との間に配置され、前記発光物質層は複数の量子ドットを備え、
    前記複数の量子ドットの各々は、
    半導体ナノ結晶または金属酸化物のコアと、
    前記コアを全に覆うシェルであって、第1の表面領域及び第2の表面領域を含む外面を有するシェルと、
    前記外面結合し、カルボキシレート基ら選択される作用基を含むXタイプのリガンドと、
    前記外面結合し、アミノ基ら選択される作用基を含むLタイプのリガンドと
    を含み、
    前記外面は球形であり、前記第1の表面領域は第1の半球であり、前記第2の表面領域は前記第1の半球と重畳しない第2の半球であり、
    前記第1の表面領域は、前記正孔移動層に隣接して位置し、且つ前記電子移動層に対して反対側に位置し、
    前記第2の表面領域は、前記電子移動層に隣接して位置し、且つ前記正孔移動層に対して反対側に位置し、
    前記第1の表面領域は、前記LタイプのリガンドよりもXタイプのリガンドを多く含み、前記第2の表面領域は、前記XタイプのリガンドよりもLタイプのリガンドを多く含む、
    発光ダイオード
  2. 前記Xタイプのリガンドは、C5−C30飽和または不飽和炭化水素鎖をさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード
  3. 前記Xタイプのリガンドは、

    の構造のうちの1つを有し、
    ここで、nは6以上16以下の整数であり、
    mは4以上9以下の整数であり、
    pは4以上9以下の整数であり、
    Xはカルボキシレート基ある、
    請求項1に記載の発光ダイオード
  4. 前記Xタイプのリガンドは、オクタン酸、デカン酸、ドデカン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ヘキサデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項3に記載の発光ダイオード
  5. 前記Lタイプのリガンドは、C〜C10の直鎖または分枝アルキルアミン、C〜Cの脂環族アミン、C〜C20の芳香族アミン、よびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の発光ダイオード
  6. 前記Lタイプのリガンドは、トリス(2−アミノエチル)アミン、トリス(2−アミノメチル)アミン、N−ブチル−N−エチルエタン−1,2−ジアミン、エチレンジアミン、ペンタエチレンヘキサミン、シクロヘキサン−1,2−ジアミン、シクロヘキセン−1,2−ジアミンまたは2,3−ジアミノピリジンである、請求項1に記載の発光ダイオード
  7. 前記Xタイプのリガンドは、負電荷を有する作用基を介し、前記外面の第1の領域に結合する、請求項1に記載の発光ダイオード
  8. 前記Lタイプのリガンドは、非共有電子対を介し、前記外面の第2の領域に結合する、請求項1に記載の発光ダイオード
  9. 請求項1に記載の光ダイオードを含む発光装置。
  10. 基板と、
    前記基板の上部に位置する請求項に記載の発光ダイオードと、
    前記基板と前記発光ダイオードとの間に位置し、前記発光ダイオードに接続される駆動素子と
    を含む、請求項に記載の発光装置。
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