KR100636959B1 - 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조 방법 및 이를 이용한유·무기 하이브리드 전기 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 결정의 다층 박막 제조방법과 이를 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (i) 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성하는 단계; 및 (ii) 상기 (i) 단계에서 수득된 나노 결정 박막 위에 상기 (i) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 나노 결정의 다층 박막 제조방법과 상기 방법에 의해 제조된 나노 결정의 다층 박막 을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명의 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자는 본 발명에서 제조된 나노 결정의 다층 박막을 발광층으로 이용함으로써 발광 효율과 발광 세기를 증진시킬 수 있고, 발광 소자의 전기적 특성도 조절할 수 있다.
나노 결정, 다층 박막, 전기 발광 소자, 발광층
Description
도 1은 본 발명에 의해 수득된 나노 결정 다층 박막의 구조도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 결정의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 구조도이며;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 나노 결정-고분자의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 구조도이며;
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 얻어진 나노 결정 다층박막의 박막 수(1층, 3층, 5층)에 따른 박막의 광여기 발광 스펙트럼을 나타낸 것이고;
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 얻어진 나노 결정-고분자의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자와 나노 결정 단층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 전기 발광 스펙트럼이고;
도 6은 본 발명의 본 발명의 실시예 2에 따라 얻어진 나노 결정-고분자의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자와 나노 결정 단층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 발광 효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 나노 결정의 다층 박막 제조방법과 이를 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우선 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성하고, 형성된 나노 결정 박막 위에 전 단계를 반복하여 나노 결정의 다층 박막을 제조하고 제조된 나노 결정의 다층 박막 을 발광층으로 이용함으로써 발광 효율과 발광 세기를 증진시킬 수 있고, 발광 소자의 전기적 특성도 조절할 수 있는 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에 관한 것이다.
나노 결정은 수 나노 크기의 결정 구조를 가진 물질로, 수백 내지 수천 개의 원자로 구성되어 있다. 이렇게 크기가 작은 나노 결정 물질은 단위 부피 당 표면적이 넓어 대부분의 원자들이 표면에 존재하여 양자 제한 효과 등을 나타내게 되며, 물질 자체의 고유한 특성과는 다른 독특한 전기적, 자기적, 광학적, 화학적, 기계적 특성을 가지게 된다. 즉, 나노 결정의 물리적 크기를 조절함으로써, 다양한 특성의 조절이 가능하게 된다.
나노 결정을 합성하기 위해 종래에는 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition : MOCVD)이나 분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy : MBE) 같은 기상 증착법을 사용하여 양자점을 제조하였으나, 최근 십년 동안 유기 용매에 전구체 물질을 넣어 결정을 성장시키는 습식 방법이 빠르게 발전되어 왔다. 특히, 화학적 습식 방법은 결정이 성장할 때 유기 용매가 자연스럽게 양자점 결정 표면에 배위 되어 분산제 역할을 하게 함으로써 결정의 성장을 조절하는 방법으로 종래의 MOCVD나 MBE와 같은 기상 증착법보다 쉽고 저렴하게 나노 결정의 크기와 형태의 균일도를 조절할 수 있다. 그러나, 화학적 습식 방법에 의해 합성된 나노 결정은 용액 중에 분산된 상태로 존재하게 되므로, 이 나노 결정을 전자 소자에 응용하기 위하여서는 고체상으로 박막화 하는 기술이 필요하다.
이렇게 화학적 습식 방법에 의해 합성된 나노 결정의 박막화를 위해 종래에는 대부분 자기조립을 이용하고 있다. 즉, 미국 특허 제 5,751,018 호는 반도체 자기 조립된 2-기능성 유기 단일층들을 브릿지(bridge) 화합물로 사용하여 반도체 나노 결정들을 고체 무기 표면에 부착시키는 방법을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 특허출원 제 2002-85262 호는 나노 결정의 표면에 디티올(dithiol)기를 배위시켜, 나노 결정들이 디설파이드(disulfide) 결합을 형성하게 하여 다층 박막을 제조하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 또한, 전하-전하 상호작용(charge-charge interaction)을 이용하여 전하를 띄는 기판 위에 반대되는 전하를 띄는 화합물로 표면이 치환된 나노 결정을 결합시켜 나노 결정 박막을 제조하고, 이렇게 제조된 나노 결정 박막 위에 반대되는 전하를 띄는 유기화합물을 결합시키는 과정을 반복하여 나노 결정 다층 박막을 제조하는 방법도 개시되어 있다.
그러나, 상기 자기 조립에 의한 나노 결정의 박막화 방법들은 나노 결정 표 면과 기판의 표면을 특정한 기능성 기를 가지는 화합물로 처리하는 별도의 과정을 거쳐서 자기 조립이 이루어지므로 그 공정에 있어서 복잡한 문제점이 있었다.
한편, 종래에 나노 결정을 발광층으로 이용한 전기 발광 소자들은, 미국 특허 제 5,537,000 호, 국제 공개 특허 제 03/084292호, 미국 특허 제 6,608,439 호 및 미국 특허 제 6,049,090 호에 기재되어 있다.
그러나, 미국 특허 제 5,537,000호는 유기 전자 수송층을 따로 포함하지 않고, 나노 결정을 다층으로 쌓아 발광층과 전자 수송층의 역할을 동시에 하게끔 하며 전압에 따라 발광 파장이 변하는 전기 발광 소자를 기재하고 있다. 또한, 나노 결정을 단층 또는 다층으로 쌓기 위한 방법에 대해서는 전혀 기재하지 않고, 단지 상기 미국 특허 제 5,751,018 호에 기재된 자기조립 방법을 사용할 수 있다고만 언급하고 있다.
또한, 국제 공개 특허 제 03/084292호는 두 개의 전극 사이에 나노 결정을 다량 함유하고 있는 매트릭스로 구성되어 있는 소자에 대하여 기재하고 있는데, 나노 결정과 저분자 정공 수송 물질(예를 들면, N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민(TPD))의 혼합물을 전극 위에 스핀 코팅하고, 유기물 전자 수송층과 전자/정공 억제층을 도입하여 유·무기 발광 소자에서 유기층은 전자/정공의 수송 역할을, 나노 결정은 발광 역할을 하도록 하여 전기 발광 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다.
또한, 미국 특허 제 6,608,439 호는 유기층에서 발광하는 단색 단파장의 빛이 색변환층으로 사용되는 나노 결정을 통과함에 따라 흡수 및 PL (photoluminescent) 발광함을 이용한 완전 칼라 디스플레이용 발광 소자에 대한 것으로 EL(electroluminescent)에 의한 구동이 아니다.
한편, 미국 특허 제 6,049,090 호는 두 개의 전극 사이에 나노 결정- 매트릭스 혼합층을 발광층으로 사용하는 소자에 대하여 기재하고 있는데, 나노 결정에서 발광이 잘 일어나도록 밴드 갭 에너지가 나노 결정 보다 크고 전도대(Conduction band) 에너지 준위는 더 높고 가전자대(Valence band) 에너지 준위는 더 낮은 매트릭스를 선택하여 전자와 홀을 나노 결정에 감금하여 소자의 발광 효율을 높일 수 있다고 설명하고 있다.
상술한 바와 같이, 종래기술에서는 전기 발광 소자의 효율을 증가시키기 위해 발광층으로 사용되는 나노 결정의 다층 박막의 제조에 있어서, 복잡한 공정을 필요로 하는 자기 조립의 방법 이외에는 개발된 기술이 없었다.
이에, 본 발명자들은 종래의 나노 결정의 다층 박막화 방법들이 갖고 있는 복잡한 공정상의 문제점을 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정을 기판 위에 코팅한 후, 자외선에 노광하면 감광기가 있는 물질들 사이에 가교반응이 일어나 망목 구조(network)를 형성하여 용매에 녹지 않는 박막을 형성하게 됨에 착안하여 종래에 비해 간단한 공정에 의해 나노 결정의 다층 박막을 제조할 수 있는 본 발명을 성안하게 되었다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 나노 결정의 자기 조립 단계 등의 복잡한 공정을 거치지 않고 간단하게 나노 결정의 다층 박막을 제조할 수 있는 방법을 제 공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이를 활용하여 나노 결정-고분자의 다층박막을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 방법에 의해 제조된 나노 결정 다층 박막 및 나노 결정-고분자 다층 박막을 발광층으로 이용하여 발광 효율이 향상된 전기 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 따르면, (i) 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성하는 단계; 및 (ii) 상기 (i) 단계에서 수득된 나노 결정 박막 위에 상기 (i) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 나노 결정의 다층 박막 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (i) 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성하는 단계; (ii) 상기 (i) 단계에서 수득된 나노 결정 박막 위에 고분자 박막을 형성하는 단계; 및 (iii) 상기 (i) 단계 또는 상기 (ii) 단계 또는 상기 (i) 및 (ii) 단계를 선택하여, 반복 실시하는 단계를 포함하는 나노결정-고분자의 다층박막 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 한 측면에 따르면, 상기 방법에 의해 제조된 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막을 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 발광층으로 이용함으로써 한 쌍의 전극 사이에 다층의 나노 결정 및 다층의 나노 결정-고분자 박막으로 구성된 전기 발광 소자가 제공된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
나노 결정의 다층박막 제조방법
본 발명에 의해 나노 결정의 다층 박막을 제조하는 경우에는 우선 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성한다. 이어서 전 단계에서 수득된 상기 나노 결정 박막 위에 상기 나노 결정 박막 형성 단계를 반복하여 다층의 나노 결정 박막을 형성한다.
본 발명에서는 화학적 습식 합성법에 의해 합성된 나노 결정의 표면을 적절한 분산제로 배위시켜 나노 결정 간에 서로 붙어 침전이 되는 현상을 방지한다.
따라서, 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정을 기판 위에 코팅한 후, 자외선과 같이 높은 에너지를 갖는 광원에 노광하면 감광기가 있는 물질들 사이에 가교반응이 일어나 망목 구조(network)를 형성하여 용매에 녹지 않는 박막을 형성하게 된다.
한편, 감광기가 없는 분산제에 의해 표면 배위된 나노 결정이라도 그 분산제가 감광기와 혼합 가능한 물질이라면, 나노 결정을 감광성 화합물과 균일하게 혼합한 혼합액으로 기판을 코팅한 후, 자외선과 같이 높은 에너지를 갖는 광원에 노광하면 감광기가 있는 물질들 사이에 가교반응이 일어나 나노 결정들이 망목 구조 (network)에 포함되어 용매에 녹지 않는 박막을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 나노 결정의 박막 위에, 동일한 방법으로 나노 결정의 박막을 형성하는 과정을 반복함으로써 도 1에 도시한 바와 같은 형태의 나노 결정 다층 박막을 형성시킬 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 나노결정은 금속 전구체를 이용하는 화학적 습식방법에 의해 제조된 모든 나노결정을 포함한다. 예를 들어, 상기 나노결정은 소정의 금속 전구체를, 필요에 따라 분산제 존재 하에, 유기용매에 주입하고 일정한 온도에서 결정을 성장시키는 방법으로 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 사용되는 나노 결정은 금속 나노 결정, 반도체 나노 결정 등 화학적 습식 합성법에 의해 합성된 나노 결정이 대부분 해당된다. 그 예로는, Au, Ag, Pt, Pd, Co, Cu, Mo 등의 금속 나노 결정, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe 등의 II-VI족 화합물 반도체 나노 결정, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs 등의 III-V족 화합물 반도체 나노 결정을 들 수 있다. 경우에 따라, 2 종 이상의 나노 결정 화합물이 단순 혼합 상태로 존재하는 나노 입자, 혹은 코어-쉘 (core-shell) 구조를 가진 결정 또는 그래디언트(gradient) 구조를 가진 결정과 같 이 동일 결정 내에 2 종 이상의 화합물 결정이 부분적으로 나뉘어져 존재하는 혼합결정, 또는 2 종 이상의 나노 결정 화합물의 합금을 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 나노 결정의 다층 박막 제조에 있어서, 상술한 본 발명에서 사용되는 나노 결정에서 선택된 1 종의 나노 결정을 반복, 사용하여 다층 박막을 제조함으로써 각 박막층의 구성을 동일하게 할 수도 있고, 상술한 나노 결정에서 2 종 이상을 선택하여 다층 박막을 제조함으로써 다층 박막의 각 박막층의 구성을 다르게 할 수도 있다.
본 발명에서 상기 나노결정의 표면을 배위하는 감광성 화합물은 이중결합 또는 아크릴기와 같은 광반응성의 작용기가, 선택적으로 알킬렌기, 아마이드기, 페닐렌기, 바이페닐렌기, 에스테르기, 에테르기 등을 통해, 시아나이드, SH, 아민, 카르복시기, 포스포닉산기(phosphonic acid group) 등의 링커와 연결된 화합물이다.
본 발명의 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노결정은 소망하는 나노결정 화합물을 제공할 수 있는 금속 전구체를 이용하여 나노 결정을 제조한 후, 이를 다시 유기용매에 분산시켜 감광성 화합물로 처리하여 제조할 수 있다. 처리 방법은 특별히 제한되지 않으며, 나노결정의 분산액을 감광성 화합물의 존재 하에 환류시켜 제조할 수 있다. 환류시간, 온도, 감광성 화합물의 농도 등은 나노결정을 배위하는 감광성 화합물, 분산용매, 나노결정에 따라 적절히 선택할 수 있다. 이 경우, 일단 멀켑토 프로판올과 같이 말단 반응성기를 가진 분산제를 먼저 나노결정의 표면에 배위시킨 후, 이를 상기 말단 반응성기와 반응할 수 있는 감광성 화합물 (예를 들어, 메타크릴로일 클로라이드)로 반응시켜 최종적으로 감광성 화합물로 표 면 배위된 나노결정을 수득할 수도 있다.
대안으로써, 상기 감광성 작용기를 갖는 화합물의 존재하에 적절한 금속 전구체를 유기 용매 내에 주입하여 소정의 온도에서 결정을 성장시킴으로써 직접 감광성 화합물이 표면 배위된 나노결정을 수득할 수도 있다. 유기 용매의 종류, 결정 성장온도, 전구체 농도 등은 사용하는 감광성 화합물, 제조되는 나노 결정의 종류, 크기, 형태에 따라 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 나노 결정을 기판에 코팅하는 방법으로는 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 블레이드 코팅 (blade coating) 등이 사용될 수 있다.
상기 코팅 후, 건조는 20 내지 300℃, 바람직하게는 40 내지 120℃의 온도에서 실시하며, 나노 결정이 분산되어 있었던 용매의 끓는 점 등을 고려할 때 용매를 완전히 제거하기 위하여서는 상기 온도 범위가 바람직하다.
한편, 본 발명의 박막의 노광에는 접촉 노광법과 비접촉 노광법이 모두 사용될 수 있다. 또한, 감광처리 에너지는 50 ~ 850 mJ/㎝2 정도로, 박막의 두께에 따라 달라지지만, 50 mJ/㎝2 미만 이거나 850 mJ/㎝2를 초과할 경우에는 가교반응이 충분히 일어나기 어렵거나, 박막이 손상될 우려가 있다. 본 발명의 노광에 사용되는 광원은 유효 파장 200 ~ 500 ㎚ 사이, 바람직하게는 300 ~ 400 ㎚의 유효파장으로 에너지는 100 ~ 800W 정도를 사용하는 것이 바람직한데, 감광기의 흡수 파장 및 가교 조건을 고려할 때 상기 파장 범위와 에너지 범위가 바람직하다.
나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법
본 발명의 다른 측면은 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법에 관계한다. 본 발명에 의한 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조시에는 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성한다. 이어서, 상기 나노 결정 박막 위에 고분자 박막을 형성하고, 상기 나노 결정 박막 형성 단계 또는 상기 고분자 박막 형성 단계 또는 상기 나노 결정 박막 형성 단계와 상기 고분자 박막 형성 단계를 반복 실시하여, 나노 결정-고분자 다층 박막을 수득한다.
본 발명의 나노 결정-고분자의 다층 박막 제조는 상술한 나노 결정의 다층 박막 제조방법과 같이 상기 (i) 단계에서 나노 결정 박막을 형성한 후, 그 위에 고분자 박막을 형성한다. 이 때, 노광한 나노 결정 박막은 용매에 매우 안정하므로 나노 결정 박막 위에 고분자 또는 고분자 전구체로 박막을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 고분자 또는 고분자 전구체로 만든 박막 위에 이를 손상시키지 않는 용매를 선택하여 다시 나노 결정 박막을 형성하게 되면 나노 결정-고분자의 다층 박막을 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 나노 결정을 기판 위에 코팅한 후 자외선에 노광하여 용매에 녹지 않도록 형성된 나노 결정 박막 위에 고분자 박막을 형성시키고 다시 나노 결정 박막을 형성시키는 단계를 반복함으로써 나노 결정-고분자 다층 박막을 형성시킬 수 있다. 이 때 나노 결정과 고분자는 한 가지 종류 이상을 사용할 수 있 으며, 나노 결정-고분자의 다층 박막은 나노 결정층과 고분자층을 한 층씩 번갈아 형성시키거나 또는 여러 층의 나노 결정층과 여러층의 고분자층을 번갈아 형성시켜 제조할 수 있다.
나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자 다층 박막을 이용한 유·무기
하이브리드
전기 발광 소자
상기 방법에 의해 제조된 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막은 본 발명의 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 발광층으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 한 쌍의 전극 사이에 나노 결정의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 구조를 나타낸 것으로, 최하층부터 기판/정공 주입 전극/정공 수송층/나노 결정의 다층 박막/전자 수송층/전자 주입 전극의 순으로 구성되어져 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 한 쌍의 전극 사이에 나노 결정-고분자의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 구조를 나타낸 것으로, 최하층부터 기판/정공 주입 전극/정공 수송층/나노 결정-고분자의 다층 박막/전자 수송층/전자 주입 전극의 순으로 구성되어져 있다.
본 발명의 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막을 발광층으로 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자는 발광층과 정공 수송층 사이 또는 발광층과 전자 수송층 사이에 전자 억제층 또는 정공 억제층 또는 전자/정 공 억제층이 형성된 구조가 모두 가능하다.
한편, 도 2와 도 3에 나타난 구조를 가지는 본 발명의 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자는 (i) 기판 위에 정공 주입 전극(anode)을 형성하는 단계; (ii) 상기 정공 주입 전극 위에 정공 수송층(HTL: hole transport layer)을 형성하는 단계; (iii) 상기 정공 수송층 박막 위에 상술한 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막의 제조 방법에 따라 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막을 형성하는 단계; (iv) 상기 다층 박막 위에 전자 수송층(ETL: electron transport layer)을 형성하는 단계; 및 (v) 상기 전자 수송층 위에 전자 주입 전극(cathode)을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조할 수 있다.
본 발명의 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 기판은 유기 전기 발광 소자에 통상적으로 사용되는 것을 사용하며, 투명성, 표면 평활성, 취급 용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 바람직하다. 더욱 구체적으로는 유리기판, 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 폴리카보네이트 기판 등을 예로 들 수 있으며, 두께는 0.3~1.1 ㎜인 것이 바람직하다.
본 발명의 정공 주입 전극은 전도성 금속 또는 그 산화물, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 전극이 형성된 기판은 일반적으로 중성세제, 탈이온수, 아세톤, 이소프로필 알콜 등의 용매로 세정한 다음, UV-오존 처리 및 플라즈마 처리를 하여 사용하게 된다.
본 발명의 정공 수송층의 형성에는 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막을 형성하는 과정에서 손상되지 않는 고분자 물질이 적당하며, 그 예로는 폴리(3, 4-에틸렌디오펜)(PEDOT)/폴리스티렌 파라술포네이트(PSS), 폴리트리페닐아민, 폴리페닐렌비닐렌 또는 이들의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이들의 유도체 등을 들 수 있다. 한편, 형성되는 정공 수송층의 두께는 10 내지 100 ㎚가 바람직하다.
본 발명의 나노 결정의 다층 박막 또는 나노 결정-고분자의 다층 박막은 상술한 나노 결정의 다층 박막 제조방법과 나노 결정-고분자의 다층 박막 제조방법에 따라 형성된다.
그러나, 본 발명의 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 발광층으로 나노 결정-고분자의 다층 박막을 이용할 때는, 나노 결정-고분자의 다층 박막의 제조시 사용하는 고분자는 정공 및 전자를 수송하거나 수송속도를 제어할 수 있는 물질이 바람직하다. 그 예로써는 폴리(3, 4-에틸렌디오펜)(PEDOT)/폴리스티렌 파라술포네이트(PSS), 폴리트리페닐아민, 폴리페닐렌비닐렌 또는 이들의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리 아닐린, 폴리 피롤 또는 이들의 유도체 등이다. 즉, 정공 및 전자를 수송하거나 수송속도를 제어할 수 있는 고분자 층을 나노 결정 층 사이에 형성시킴으로써 정공 및 전자의 수송을 능동적으로 제어하여 특정한 나노 결정 층이 발광하도록 하거나 소자의 발광효율을 향상시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 전자 수송층의 형성에는 상기 정공 수송층을 형성하는 경우와는 달리 이 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 저분자 및 고분자 물질을 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥시디아졸계 화합물, 티아디아졸계 화합물, 페릴렌 (perylene)계 화합물, 트리스(8-히드록시퀴놀린)-알루미늄(Alq3), 비스(2-메틸-8-퀴놀라토)(p-페닐-페놀라토)알루미늄(Balq), 비스(2-메틸-8-퀴놀리네이토)(트리페닐실록시)알루미늄(III)(Salq)등의 알루미늄 착물을 사용할 수 있다. 또한, 형성되는 전자 수송층의 두께는 10 내지 100 ㎚가 바람직하다.
전자 억제층 또는 정공 억제층 또는 전자 및 정공 억제층 형성 재료는 이 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있는데, 그 예로는 3-페닐-4-(1´-나프틸)-5-페닐-1, 2, 4-트리아졸(TAZ), 2, 9-디메틸-1, 10-페난트롤린(BCP), 페난트롤린(phenanthrolines)계 화합물, 이미다졸계 화합물, 트리아졸(triazoles)계 화합물, 옥사디아졸(oxadiazoles)계 화합물, 알루미늄 착물 등을 들 수 있으며, 그 두께는 5 내지 50 ㎚가 바람직하다.
전자 주입 전극의 형성에는 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 금속 즉, I, Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Ag:Mg 합금 등을 사용할 수 있으며, 그 두께는 50 내지 300 ㎚인 것이 바람직하다.
본 발명의 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에서 발광층 이외의 제작은 특별한 장치나 방법을 필요로 하지 않으며, 통상의 발광 재료를 이용한 유기 전기 발광 소자의 제조방법에 따라 제조될 수 있다.
이하, 하기 제조예와 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나 하기의 제조예와 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
제조예
1. 이중결합을 가지는
감광기에
의해
배위된
CdSeS
나노 결정의 제조
트리 옥틸 아민 (Tri-octyl-amine) 16g과 올레인산 0.5g, 카드뮴 옥사이드 0.4 m㏖을 환류 콘덴서가 설치된 125 ㎖ 플라스크에 동시에 넣고, 교반하면서 반응 온도를 300℃로 조절하였다. 이와 별도로 Se 분말을 트리-n-옥틸 포스핀(이하, ‘TOP’라 함)에 녹여서 Se 농도가 약 0.25M 정도인 Se-TOP 착물 용액을 만들고, S 분말을 TOP에 녹여서 S 농도가 약 1.0M 정도인 S-TOP 착물 용액을 만들었다. 상기 교반되고 있는 반응 혼합물에 S-TOP 착물 용액 0.9㎖와 Se-TOP 착물 용액 0.1㎖의 혼합물을 빠른 속도로 주입하고 4분 정도 더 교반시켰다. 반응이 종결되면, 반응 혼합물의 온도를 가능한 빨리 상온으로 떨어뜨리고, 비용매 (non solvent)인 에탄올을 부가하여 원심 분리를 실시하였다. 원심 분리된 침전을 제외한 용액의 상등액은 버리고, 침전은 톨루엔에 1 중량% 용액이 되도록 분산시켰다. 이렇게 합성된 나노 결정의 광여기 발광 스펙트럼은 550 ㎚ 정도에서 나타났으며, 365 ㎚ UV 램프 아래에서 연두색으로 발광하였다.
실시예
1.
감광기에
의해
배위된
CdSeS
나노 결정 다층 박막의 제조
제조예 1에 의해 합성된 1 중량% CdSeS 톨루엔 용액을 이소프로판 알코올로 깨끗이 세척한 유리 기판 위에 떨어뜨려 2000 rpm으로 30초간 스핀 코팅하였다. 유리기판을 50℃의 가열판에서 가열하여 용매를 제거한 후 얻어진 나노 결정 박막을 유효파장이 200~300 ㎚의 자외선 노광기 안에 넣고 800W에서 약 300 초간 자외선을 조사하였다. 자외선을 조사하여 형성된 나노 결정 박막 위에 다시 나노 결정 용액을 떨어뜨리고 상기 나노 결정 박막 형성과 같은 조건에서 스핀코팅, 건조 후 자외선에 노광시키는 과정을 4번 더 반복하였다. 나노 결정 박막이 한층 올라갈 때마다 박막의 광여기 발광 스펙트럼(photoluminescence spectrum)을 측정하여 도 4에 그래프로 도시하였다. 도 4를 참고하면, 발광 파장은 모두 약 550 ㎚에서 나타났으나, 발광 세기는 박막층이 한층 올라갈 때마다 증가하였으며, 스펙트럼의 반측치(Full Width at Half Maximum: FWHM)은 36 ㎚ 정도로 나타났다.
실시예 2. 나노 결정-고분자 다층 박막을 발광층으로 이용한 전기 발광 소자의 제작
유리 기판 위에 ITO가 패턴되어 있는 기판을 중성세제, 탈이온수, 이소프로필 알콜 등의 용매를 사용하여 순차적으로 세정한 다음, UV-오존 처리를 한다. 그 위에 정공 수송층인 TFB 고분자(폴리(9, 9'-디옥틸플루오렌-co-N-(4-부틸페닐)디페닐아민))을 50 ㎚ 두께로 스핀 코팅하여 열처리 하고, 그 위에 제조예 1에서 합성한 CdSeS 나노 결정의 클로로벤젠 용액(1중량%)을 스핀 코팅하고, 이를 건조하여 약 5 ㎚ 두께의 나노 결정 박막을 형성하였다. 이 나노 결정 박막을 200 ~ 300 ㎚의 자외선 노광기 안에 넣고 800W에서 약 200 초간 노광하였다. 노광한 나노 결정 박막 위에 다시 TFB 고분자 용액을 스핀 코팅하여 열처리 하고, 이렇게 얻어진 고분자 박막 위에 CdSeS 나노 결정을 다시 스핀 코팅하였다. 상기 나노 결정-고분자의 다층 박막을 완전히 건조시켜 발광층을 형성시키고, 그 발광층 상부에 정공 억제층인 (3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-tert-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(3-(4-biphenylyl)-4-phenyl-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-triazole : TAZ)를 10 ㎚ 증착하고, 전자 수송층인 Alq3(트리스(8-히드록시퀴놀린)-알루미늄)를 30 ㎚ 정도의 두께로 증착하여 형성하고, 그 상부에 LiF를 1 ㎚ 두께로 증착하고, 알루미늄을 200 ㎚ 두께로 증착하여 전극을 형성하여, 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자를 완성하였다.
상기 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에 있어서, 전기 발광 스펙트럼을 조사하였고, 그 결과, 발광 파장은 약 550 ㎚에서 나타났고, FWHM은 약 90 ㎚이며, 밝기는 약 73 Cd/m2, 효율은 0.32 Cd/A을 나타내었다.
도 5과 도 6에는 각각 실시예 2에 따라 제작된 나노 결정-TFB 고분자-나노 결정 다층 박막을 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자와 발광층으로써 실시예 2의 나노 결정-고분자-나노 결정 다층 박막 대신에 나노 결정 단층 박막을 이용한 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자의 전기 스펙트럼과 발광효율을 나타내었다.
도 5에서 알 수 있듯이, 나노 결정-고분자-나노 결정 다층 박막을 발광층으로 사용하는 경우와 나노 결정 단층 박막을 발광층으로 사용하는 경우의 전기 스펙 트럼은 비슷하게 나타났다. 그러나, 도 6에서 알 수 있듯이, 발광 효율은 나노 결정-고분자-나노 결정 다층 박막을 발광층으로 사용하였을 때가 나노 결정 단층박막을 발광층으로 사용하였을 때에 비하여 5.5배 증가한 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 의해 제조된 나노 결정 다층 박막 및 나노 결정-고분자 다층 박막을 발광층으로 이용하여 새로운 구조를 가지는 유·무기 하이브리드 소자를 제작할 수 있고, 소자의 발광 효율과 발광 세기를 증진시킬 수 있을 뿐만 아니라 고분자의 특성에 따라 발광 소자의 전기적 특성을 조절할 수 있다.
Claims (14)
- 나노 결정-고분자의 다층 박막 제조방법에 있어서,(i) 감광성 화합물에 의해 표면 배위된 나노 결정 또는 감광기와 혼합 가능한 물질에 의해 표면 배위된 나노 결정과 감광성 화합물의 혼합액을 기판 위에 코팅하고, 건조한 후 자외선에 노광하여 나노 결정 박막을 형성하는 단계;(ii) 상기 (i) 단계에서 수득된 나노 결정 박막 위에 고분자 박막을 형성하는 단계; 및(iii) 상기 (i) 단계 또는 상기 (ii) 단계 또는 상기 (i) 및 (ii) 단계를 선택하여, 반복 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 나노 결정은 금속 나노 결정, II-VI족 화합물 반도체 나노 결정, III-V족 화합물 반도체 나노 결정 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 나노 결정이 금속 나노 결정, II-VI족 화합물 반도체 나노 결정 및 III-V족 화합물 반도체 나노 결정으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상의 화합물의 혼합물인 경우, 단순 혼합물로 존재하거나, 각 화합물들의 결정구조 가 부분적으로 나누어져 동일 입자 내에 존재하거나, 또는 합금 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 금속 나노 결정은 Au, Ag, Pt, Pd, Co, Cu 및 Mo의 나노 결정으로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 II-VI족 화합물 반도체 나노 결정은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe 및 HgTe 화합물 반도체 나노 결정으로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 III-V족 화합물 반도체 나노 결정은 GaN, GaP, GaAs, InP 및 InAs 화합물 반도체 나노 결정으로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 코팅은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 및 블레이드 코팅에서 선택된 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 건조는 20 내지 300℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 노광은 200 ~ 500 ㎚의 파장에서, 에너지 100 ~ 800W의 광원을 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 노광시의 감광 처리 에너지는 50 mJ/㎝2 ~ 850 mJ/㎝2 인 것을 특징으로 하는 나노 결정-고분자 다층 박막의 제조 방법.
- 한 쌍의 전극 사이에 유·무기 혼합물을 포함하는 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자에 있어서, 발광 소자의 발광층으로 제 1항의 방법에 의해 제조된 나노 결정-고분자 다층 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자.
- 제 11항에 있어서, 상기 발광층을 형성하는 고분자가 폴리(3, 4-에틸렌디오펜)(PEDOT)/폴리스티렌 파라술포네이트(PSS), 폴리트리페닐아민, 폴리페닐렌비닐렌 또는 이들의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자.
- 제 11항에 있어서, 최하층부터 기판, 정공 주입 전극, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 전자 주입 전극이 형성된 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자.
- 제 13항에 있어서, 상기 발광층과 상기 정공 수송층 사이 또는 상기 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 전자 억제층 또는 정공 억제층 또는 전자/정공 억제층이 더 형성된 유·무기 하이브리드 전기 발광 소자.
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