KR100819337B1 - 양자점을 이용한 백색광 ｌｅｄ 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단파장 발광원과 발광원으로부터 나오는 빛을 흡수하여 파장 변환된 빛을 방출하는 반도체 양자점(quantum dot) 나노 형광체를 결합하여 백색광을 발현하는, 단파장광원과 양자점 나노형광체로 구성되는 소자 구조의 백색광다이오드(White LED)를 제조하는 기술이다.

Description

양자점을 이용한 백색광 ＬＥＤ 구조 및 그 제조 방법{White LED structure using quantum dots and the manufacturing method thereof }

위 그림은 단파장 광원(청색 또는 자외선 영역 발광), RGB양자점, 양자점이 분산 탐재된 매트릭스로 구성되는 백색광 발현 백색광다이오드(White LED) 구조를 보여주는 개략도이다. II-VI족, III-V족 반도체로 구성되어 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 발광하는 RGB 양자점, 이들을 담거나 분산하여 함유할 수 있는 밴드갭이 큰 매트릭스 물질, 단파장 여기 광원, 전위를 적용할 수 있는 전극 등으로 구성된 양자점을 이용한 백색광다이오드(White Light Emitting Device 또는 Diode, White LED) 장치 구조이다.

본 발명은 양자점을 이용한 백색광 LED 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

양자 국한 현상의 기본인 크기 조절을 통해 밴드갭(bandgap)을 조절할 수 있다는 사실에(문헌[J. Phys. Chem., 1996, 100, 13226] 참조) 의하면, 거시 물질(bulk material)일 때 적색을 발광하는 물질은 나노 영역에서 그 크기를 벌크 보어 엑시톤보다 작게 제조하면, 적색 파장보다 짧은 파장의 빛을 발하는 것이 가능하다는 것이다. 적색발광체 반도체 기본 물질로 이미 잘 알려진 바 있는 CdSe을 이용하여(문헌[J. Phys. Chem., B 1997, 101, 9463] 참조) 이의 크기를 조절하여 전 가시광영역의 양자점을 제조하려는 노력이 계속되고 있다.

또한, 국내에서는 이성훈(서울대학교) 교수 연구실에서 양자점의 크기를 조절하여 가시광 영역, 청색 영역, 자외선 영역, 적외선 영역에서 높은 효율로 발광하는 양자점을 습식화학법으로 제조하는 방법을 연구하여 오고 있다. 이는 습식 화학법에 의한 양자점 합성방법을 국내에서 최초로 소개하는 발판을 마련하였으며, 대외적으로는 최초로 청색, 자외선 영역에서 높은 발광 효율을 내는 물질을 제조하는 방법을 특허 출원한 바 있다. 기존의 반도체 공정을 통한 양자점 제조 공정과 달리, 습식화학적 양자점 합성 방법은 bottom-up 방식으로 아래와 같은 장점을 가진다.

첫째로, 고진공 장비를 사용하는 기존의 top-down 방식의 제조방법에 비해 손쉽게 양자점을 얻을 수 있고, 둘째로, 제조에 필요한 장비의 설치 및 유지가 용이하고 소요비용이 저렴하며, 셋째로, 대량생산이 가능하고, 넷째로, 물질을 바꿀 필요없이 하나의 물질로서 크기만의 조절을 통해 원하는 색을 마음대로 구현할 수 있으며, 마지막으로, 고체 레이저, 화학적 촉매, 및 전도성 고분자와 복합체를 형성하는 경우 전자 소자인 다이오드, 트랜지스터 및 디스플레이와 같은 여러 분야에 걸쳐 활용 가능성이 크다.
종래의 백색발광 장치는 서로 다른 색을 발하는 광원들을 결합하는 방법을 택하거나 발광성을 갖는 고분자 물질을 사용하는 방법으로 구현하고 있다. 서로 다른 색을 발하는 광원들을 결합하는 방법은 일반적으로 청색광원과 황색광원을 결합하는 방식을 취하고 있는데, GaN 청색 LED와 이로부터 나오는 광원을 이용하여 황색을 내는 YAG계 형광체를 이용하는 방식이 있고, 충분한 적색영역을 표현하기 힘들어 연색성 지수가 낮은 백색광이 되는 문제가 있다. 발광 고분자 물질을 사용하는 경우에는 발광 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.

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본 발명의 목적은 발광효율이 충분히 달성될 수 있는 양자점을 사용하는 것으로, RGB 양자점을 매질에 분산하여 자연 백색광을 발현하는 양자점/매트릭스 구조의 백색광 LED( White LED)를 제공하는 것이다.

본 발명은 발광 효율이 좋으며, 색 순도가 뛰어나고, 광 감쇄가 없는 양자점과 이 양자점을 효율적으로 분산 탐재하는 매질과 단파장 여기 광원을 결합하여 새로운 백색광 다이오드, 또는 백색광 기기를 제조하는 것으로 구성된다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 습식 화학적 방법으로 빛의 삼원색을 발하는 RGB 양자점 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는, RGB 양자점을 매질에 분산 또는 탐재하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는, RGB 양자점/매트릭스와 단파장 여기 광원을 도입하여 백색광 LED (White LED) 소자를 구현하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는, RGB 양자점/매트릭스, 단파장 다이오드에 전극을 도입하여 백색광 LED (White LED) 소자를 구현하는 방법을 제공한다.
본 발명자들은 예의 연구를 계속한 결과, 습식 화학법을 이용하여 각 크기에서 고색순도의 고유 발광 파장을 발하는 각각의 양자점을 제조하였다. 즉 적색(Red)을 발하는 양자점, 녹색(Green)을 발하는 양자점, 청색(Blue)을 발하는 양자점을 제조하였다. 또한 이러한 양자점을 전도성이 우수하고 밴드갭이 큰 매질에 담거나 분산하여 파장 변환 매체를 형성하는 방법을 개발하였다. 양자점과 매트릭스로 구성되는 이러한 파장 변환 매체를 단파장 여기 광원과 결합하면 다양한 새로운 광원의 개발이 가능함을 인지하게 되었다.
이에 빛의 삼원색인 RGB를 발하는 양자점의 제조, 이 양자점을 매질에 분산하여 백색광을 발하는 양자점, 매트릭스 파장 변환 매체의 제조, 이 백색광을 발하는 양자점과 매트릭스 매체와 단파장 여기 광원을 결합하면, 높은 에너지 효율과 자연백색광을 발하는 높은 색순도를 갖는 백색광 LED를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 발광 센터인 반도체 양자점은 습식 화학적 방법으로 제조되는 데, 간략히 기술하면, 빠른 핵 생성과 느린 성장 과정으로 이루어지는 제조 방법으로 급격히 온도차를 야기하여 과포화 상태를 초래하여 빠르게 균일한 핵을 생성한 다음 성장 온도와 시간에 따라 핵 주변을 성장시켜 원하는 크기, 즉 원하는 파장을 발하는 양자점을 제조한다.

제조된 RGB 양자점을 전기 전도성이 뛰어나고, 밴드 갭이 양자점들의 밴드 갭보다 크고, 성형이 용이하고 구조적으로, 열적으로 안정한 매트릭스 물질에 분산하여 여기 광원으로부터 빛을 받아 백색광을 발현하는 파장 변환 매체인 액티브층을 구현한다.

다음으로 백색광 발현 LED를 구현하기 위하여 양자점-매트릭스 액티브층에 빛을 제공하는 여기 단파장 광원을 결합하여 최종으로 양자점-매트릭스, 단파장 여기 광원 구조의 백색광 LED (White LED)를 완성한다.

이와 같이, 본 발명에 따라 백색 LED을 구현하고 더 나아가 이 발명은 플라스틱 전자 소자, 단일전자 트랜지스터(single electron transistor), 단일 전하 측정 기기, 단일 광자 측정 장치 및 메모리 소자 등 산업적으로 널리 응용될 수 있다.

이하, 본 발명을 아래 실시 예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

실시예 1 : 셀렌화카드뮴 양자점의 형성

사용하는 전구 물질은 산소와 물에 민감하여 질소로 채워진 글러브 박스 안에서 모든 실험을 행한다. 생성된 양자점은 실온 및 공기하에서 안정하다. 트라이옥틸포스핀옥사이드(TOPO)가 들어있는 반응용기를 1torr 및 200℃의 조건에서 20분동안 유지시켜 TOPO 를 건조시킨다. 건조된 TOPO를 1 atm의 질소 또는 아르곤 분위기 하에서 310℃로 가열하였다. 이어, CdSe 합성을 위한 전구물질인 TOPSe 1mL와 디에틸카드뮴(Et₂Cd) 82㎕를 글러브 박스 안에서 혼합시킨 다음 이 혼합물을 310℃로 가열된 TOPO 용매를 함유하고 있는 반응용기에 빠르게 주입하면 반응기의 온도가 180 ℃로 급격히 떨어진다.

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다음 서서히 230~260℃로 반응기의 온도를 올리면서 원하는 크기로의 성장 과정을 거쳐 각 각의 RGB를 발하는 셀렌화카드뮴 양자점을 제조하였다.

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실시예 2 : 셀렌화카드뮴 양자점 주위를 황화아연으로 둘러싼 구조의 양자점의 형성

상기 실시예 1에서 얻은 셀렌화카드뮴 양자점 각각이 들어있는 반응액의 온도를 230~260℃로 유지하면서, 반응액 중에 헥사메틸디실라싸이엔((TMS)₂S) 0.16mL 및 Et₂Zn 62㎕를 주입하고 24시간동안 반응시켜, 셀렌화카드뮴 양자점을 코어로 하고 코어 주위를 황화아연으로 둘러싼 코어/쉘 구조의 각 각의 RGB를 발하는 크기의 코어-쉘 구조의 양자점을 제조하였다.

실시예 3 : 황화아연으로 둘러싼 셀렌화카드뮴 양자점을 매트릭스에 분산하여 백색광 발현 액티브층의 형성

실시예 1, 2에서 제조된 높은 발광 효율의 RGB 양자점[23Å크기의 양자점(청색발현), 42Å크기의 양자점(녹색발현), 55Å크기의 양자점(적색발현)]을 잘 혼합하여 헥산/톨루엔 용매에 용해한다. RGB 양자점을 직접 도포하여 박막을 형성하여 백색광 발현 액티브 발광층을 형성하거나 또는 양자점을 가시광 영역에서 투명한 고분자 매트릭스 PMMA(polymethylmethacrylate)에 분산하여 양자점-고분자 매트릭스로 발광층을 형성한다. 양자점의 고분자에의 분산을 위하여 양자점의 양과 고분자의 비를 조율한다. 이러한 방법으로 백색광 발현 액티브 발광층을 형성한다.

실시예 4 : 백색광 발현 LED를 구현하기 위한 여기 광원, 양자점-매트릭스 구조의 white LED 제조

RGB 양자점 박막이나 또는 RGB 양자점을 PMMA 고분자에 분산하여 형성한 RGB 양자점-고분자 매트릭스를 백색광 발현 액티브 발광층으로하여 이 RGB 양자점을 동시에 여기시킬 수 있는 단파장 여기 광원을 결합하여 여기광원, 백색광 발현 양자점/매트릭스 구조의 White LED를 구현한다.

본 발명에 따른 양자점 여기를 위한 단파장 여기광원과 발광층으로 이용되는 양자점 박막, 또는 양자점-매트릭스로 구성되는 백색광 LED(white LED) 의 제조방법은 국내외 최초이며 발광층 양자점을 기존의 Top-down 방식의 반도체 양자점 제조 공정과 달리 습식 화학적 방법으로 균일한 양자점을 보다 쉽게 제조할 수 있으며, 장비 설치비용과 유지비용이 저렴하며 대량생산이 가능한, 경제적이고 효율적인 방법이고, RGB 양자점을 동시에 여기시키는 에너지 효율적인 단파장 광원을 결합하여 형성되기 때문에 자연광에 매우 유사한 높은 연색성을 갖는 신광원이다.

이러한 본 발명은 전 가시광 영역에서의 발광영역을 가지며 에너지 효율적이고, 높은 연색성으로 인하여 기존의 가정용 형광등, 전구조명을 획기적으로 개선하여 미래의 신광원및 조명 산업에 이바지 할 것이다. 또한 이 과정에서 생산되는 양자점재료는 발광효율이 우수하여 미래적 양자점 나노 형광체 소재 산업분야 뿐만 아니라 촉매, 단일전자 트랜지스터(single electron transistor), 디스플레이 분야 및 메모리 분야 등에 산업적으로 널리 이용될 수 있다.

Claims (10)

1. 단파장 여기광원과, 상기 단파장 여기광원 상부에는 상기 여기광원에 의해 여기되어 파장이 변환되는 양자점들을 함유하거나 도포되어 있는 막이 형성되어 있되, 상기 양자점들은 여기 광원에 의해 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue)의 빛을 발하는 파장으로 변환될 수 있는 크기의 양자점들인 백색광 LED 소자.
2. 단파장 여기광원과, 상기 단파장 여기광원 상부에 상기 여기광원에 의해 여기되어 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue)의 빛을 발하는 파장으로 변환될 수 있는 크기의 양자점들이 상기 양자점들보다 큰 밴드갭을 갖는 고분자 매트릭스에 분산되어 백색을 발하는 양자점-매트릭스 발광층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 백색광 LED 소자.
3. 제 1항 또는 제 2항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 양자점들은 코어-쉘 구조의 양자점으로서, 양자점의 크기의 조절을 통해 여기광원에 의해 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue)의 빛을 발하는 파장으로 변환되는 것을 특징으로 하는 백색광 LED 소자.
4. 습식화학법으로 코어-쉘 구조의 양자점의 크기를 조절하여 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue)의 빛을 발하는 양자점을 제조하는 단계;

   상기 양자점을 양자점보다 밴드갭이 큰 고분자 매트릭스에 분산하여 양자점-매트릭스 발광체를 형성하는 단계;

   상기 양자점-매트릭스 발광체를 단파장 여기광원위에 도포하거나 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색광 LED 소자의 제조방법.
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