KR101309110B1 - 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 양자점 발광 소자는 n형 그래핀층, p형 그래핀층, n형 및 p형 그래핀층 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층 및 n형 및 p형 그래핀층 사이에 마련된 양자점층을 포함할 수 있다.
그리고, 개시된 양자점 발광 소자의 제조 방법은 n형 그래핀층을 형성하는 단계, n형 그래핀층 상에 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계와 n형 그래핀층 상에 양자점층을 형성하는 단계 및 버퍼층과 양자점층 상에 p형 그래핀층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 개시된 양자점 발광 소자의 제조 방법은 n형 그래핀층을 형성하는 단계, n형 그래핀층 상에 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계와 n형 그래핀층 상에 양자점층을 형성하는 단계 및 버퍼층과 양자점층 상에 p형 그래핀층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
개시된 발명은 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 개시된 발명은 그래핀과 BN 버퍼층을 포함하는 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
양자점 발광 소자(quantum dot electroluminescence device, QD-EL)는 양자점 발광층을 사이에 두고 양단에 정공 전달층(hole transport layer, HTL)과 전자 전달층(electron transport layer, ETL)을 포함하는 3층 구조의 소자가 기본 소자로 알려져 있다.
양자점(quantum dot)은 수 나노 크기의 결정 구조를 가진 반도체 물질로서, 수백에서 수천 개 정도의 원자로 구성되어 있다. 양자점은 크기가 매우 작기 때문에 단위 부피당 표면적이 넓고, 대부분의 원자들이 나노 결정의 표면에 존재하며, 양자 구속(quantum confinement) 효과 등을 나타낸다. 이러한 양자 구속 효과에 의하여 양자점의 크기 조절만으로 발광 파장을 조절할 수 있고, 우수한 색순도 및 높은 PL(photoluminescence) 발광 효율 등의 특성으로 관심을 받고 있다. 한편, 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0095875(2010.09.01) 및 제10-2011-0061245(2011.06.09)에 개시되어 있다.
하지만, 전공 및 전자 전달층으로 사용하는 유기물과의 적합성, 고효율 반도체 나노입자의 부재 등으로 양자점 발광 소자의 효율이 낮은 문제점이 있다. 따라서, 최근 양자점 발광 소자의 효율을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
개시된 발명은 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
개시된 양자점 발광 소자는
n형 그래핀층;
상기 n형 그래핀층과 서로 이격되어 마련된 p형 그래핀층;
상기 n형 및 p형 그래핀층 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층; 및
상기 n형 및 p형 그래핀층 사이에 마련된 양자점층;을 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 그래핀 양자점 및 BN 양자점 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 n형 양자점층과 p형 양자점층을 포함할 수 있다.
상기 n형 양자점층은 상기 n형 그래핀층 상에 마련되고, 상기 버퍼층은 상기 n형 양자점층 상에 마련되며, 상기 p형 양자점층은 상기 버퍼층 상에 마련될 수 있다.
상기 양자점층은 그래핀 양자점층과 BN 양자점층 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 적어도 하나의 그래핀 양자점층과 적어도 하나의 BN 양자점층이 서로 교대하여 적층될 수 있다.
상기 버퍼층은 제1버퍼층과 제2버퍼층을 포함할 수 있다.
상기 제1버퍼층은 상기 n형 그래핀층과 상기 양자점층 사이에 마련되고, 상기 제2버퍼층은 상기 양자점층과 상기 p형 그래핀층 사이에 마련될 수 있다.
상기 n형 및 p형 그래핀층은 적어도 하나의 그래핀 시트를 포함할 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자의 제조 방법은
적어도 하나의 그래핀 시트를 마련하고, 상기 그래핀 시트를 n형 도펀트로 도핑하여 n형 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 n형 그래핀층 상에 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 n형 그래핀층 상에 양자점층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층과 상기 양자점층 상에 적어도 하나의 그래핀 시트를 형성하고, 상기 그래핀 시트를 p형 도펀트로 도핑하여 p형 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 그래핀 양자점 및 BN 양자점 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 n형 양자점층과 p형 양자점층을 포함할 수 있다.
상기 n형 양자점층은 상기 n형 그래핀층 상에 형성되고, 상기 버퍼층은 상기 n형 양자점층 상에 형성되며, 상기 p형 양자점층은 상기 버퍼층 상에 형성될 수 있다.
상기 버퍼층은 제1 및 제2버퍼층을 포함하고, 상기 양자점층은 상기 제1 및 제2버퍼층 사이에 형성될 수 있다.
상기 양자점층은 그래핀 양자점층 및 BN 양자점층 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점층은 그래핀 양자점층 및 BN 양자점층을 적어도 2회 적층하여 형성될 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자는 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층을 구비하여, 이 버퍼층에 많은 전자와 정공을 축적할 수 있다. 따라서, 발광 소자의 광효율이 향상될 수 있다. 또한, 개시된 양자점 발광 소자는 얇은 그래핀층과 BN 버퍼층을 구비하여, 얇고 플렉서블(flexible)한 발광 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 개시된 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 개시된 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3은 개시된 다른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6은 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 개시된 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3은 개시된 다른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6은 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 개시된 또 다른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의성을 위해서 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 개시된 양자점 발광 소자(100)의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 개시된 양자점 발광 소자(100)는 n형 그래핀층(110)과 p형 그래핀층(150), n형 및 p형 그래핀층(110, 150) 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층(130), 그리고 n형 및 p형 그래핀층(110, 150) 사이에 마련된 양자점층을 포함할 수 있다. 상기 양자점층은 n형 및 p형 양자점층(120, 140)을 포함할 수 있다.
n형 그래핀층(110)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. 그래핀 시트(graphene sheet)는 탄소로 이루어진 육방정계(hexagonal) 단층 구조물이다. 이러한 그래핀 시트(sheet)는 이차원 탄도 이동(2-dimensional ballistic transport) 특성을 갖는다. 전하가 물질 내에서 이차원 탄도 이동한다는 것은 산란(scattering)에 의한 저항이 거의 없는 상태로 이동한다는 것을 의미한다. 따라서 그래핀 시트 내에서 전하의 이동도(mobility)는 매우 높고, 그래핀 시트는 매우 낮은 비저항을 갖는다. 아울러, 그래핀 시트는 우수한 투광성을 갖는다. 그래핀 시트의 적층 수가 늘어날수록 비저항이 다소 커질 수 있고, 광 투과율은 감소할 수 있지만, 약 10층 이내의 그래핀 시트가 적층된 그래핀층은 하나의 그래핀 시트와 유사한 수준의 비저항 및 광 투과율을 가질 수 있다. 또한, 그래핀은 플렉서블(flexible)하며, 플라스틱 기판과의 접착력도 우수하다.
상기 그래핀 시트는 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등으로 형성될 수 있다. n형 그래핀층(110)은 상기 적어도 하나의 그래핀 시트를 n형 도펀트로 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 n형 도펀트로는 예를 들어, PEI(polyethylenimine), 하이드라진(N2H4), 보론 바나듐(boron vanadium, BV), N 또는 F 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
n형 그래핀층(110)은 우수한 전기 전도도를 갖기 때문에, n형 양자점층(120)에 전하 캐리어(charge carrier)를 주입할 수 있다. n형 그래핀층(110)은 예를 들어, 전자(electron)를 n형 양자점층(120)에 주입할 수 있다. 따라서, n형 그래핀층(110)은 종래의 유기 발광 소자의 전자 주입층(electron injection layer) 내지 전자 수송층(electron transport layer)을 대체할 수 있으며, 외부로부터 전자가 주입되는 n형 전극도 대체할 수 있다. 그러므로, 개시된 양자점 발광 소자(100)는 n형 그래핀층(110)을 통해서 n형 양자점층(120)에 전자를 더 효율적으로 주입할 수 있으며, 따라서 양자점 발광 소자(100)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
n형 양자점층(120)은 n형 그래핀층(110) 상에 마련될 수 있다. n형 양자점층(120)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 그래핀 양자점은 n형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 n형 도펀트로는 예를 들어, PEI(polyethylenimine), 하이드라진(N2H4), 보론 바나듐(boron vanadium, BV), N 또는 F 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀 양자점의 크기는 예를 들어, 수 내지 수십 ㎚일 수 있으며, 더 구체적으로 약 1 내지 약 50㎚일 수 있다. 그래핀 양자점은 양자 구속(quantum confinement) 효과에 의한 불연속적 에너지 준위를 갖기 때문에, 연속적인 에너지 밴드를 갖는 벌크(bulk) 상태의 반도체 또는 시트 형태의 그래핀과는 다른 광학적/전기적 특성을 나타낼 수 있다. 그래핀 양자점의 크기를 조절하면 에너지 밴드갭이 달라지기 때문에, 양자점 발광 소자(100)로부터 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.
복수 개의 그래핀 양자점은 유기 용매에 분산된 액상 형태로 n형 그래핀층(110) 상에 도포될 수 있으며, 상기 유기 용매는 열처리 등을 통해서 증발될 수 있다. 상기 유기 용매는 예를 들어, 톨루엔(toluene), 클로로포름(chloroform) 또는 에탄올(ethanol) 등을 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 그래핀 양자점은 고분자 수지에 분산된 형태로 n형 그래핀층(110) 상에 도포될 수도 있다. 상기 고분자 수지는 예를 들어, 에폭시(epoxy), 실리콘(silicone), 폴리스틸렌(polysthylene) 또는 아크릴레이트(acrylate) 등을 포함할 수 있다. 상기 액상 형태의 그래핀 양자점은 n형 그래핀층(110) 상에 스핀 코팅, 딥 코팅, 프린팅 또는 스프레이 코팅 공정 등에 의해서 코팅될 수 있다.
버퍼층(130)은 n형 양자점층(120) 상에 마련될 수 있다. 버퍼층(130)은 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)로 이루어질 수 있다. 보론 나이트라이드(BN)는 강도가 우수하며, 밴드 갭(band gap)이 크다. 또한, 보론 나이트라이드(BN)는 열적 또는 화학적 안정성도 우수하다. 보론 나이트라이드(BN)는 그래핀과 그 구조가 비슷하여 격자 불일치가 작으며, 얇은 층 형태로 형성될 수 있다. 버퍼층(130)이 두께가 얇은 층으로 형성되는 경우, 전자가 터널링(tunneling)할 수 있다. BN로 형성된 버퍼층(130) 상에 그래핀이 마련되는 경우, 그래핀의 전도성이 더 향상될 수 있다. 또한, 그래핀과 BN 버퍼층(130)을 포함하는 발광 소자는 진공 상태에서 제조될 필요가 없어서, 제조 비용이 절감될 수 있다.
p형 양자점층(140)은 버퍼층(30) 상에 마련될 수 있다. p형 양자점층(140)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 그래핀 양자점은 p형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 p형 도펀트는 예를 들어, AuCl3, HNO3, Fe, Mn, O, Au 또는 Bi 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀 양자점의 크기는 예를 들어, 수 내지 수십 ㎚일 수 있으며, 더 구체적으로 약 1 내지 약 50㎚일 수 있다. 그래핀 양자점의 크기를 조절하면 에너지 밴드갭이 달라지기 때문에, 양자점 발광 소자(100)로부터 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 복수 개의 그래핀 양자점은 유기 용매 또는 고분자 수지에 분산된 액상 형태로 버퍼층(130) 상에 도포될 수 있다.
p형 그래핀층(150)은 p형 양자점층(140) 상에 마련될 수 있다. p형 그래핀층(150)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. 상기 그래핀 시트는 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등으로 형성될 수 있다. p형 그래핀층(150)은 상기 적어도 하나의 그래핀 시트를 p형 도펀트로 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 p형 도펀트는 예를 들어, AuCl3, HNO3, Fe, Mn, O, Au 또는 Bi 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. p형 그래핀층(150)은 p형 양자점층(140)에 전하 캐리어(charge carrier)를 주입할 수 있다. p형 그래핀층(150)은 예를 들어, 정공(hole)를 p형 양자점층(140)에 주입할 수 있다. 따라서, p형 그래핀층(150)은 종래의 유기 발광 소자의 정공 주입층(hole injection layer) 내지 정공 수송층(hole transport layer)을 대체할 수 있으며, 외부로부터 정공이 주입되는 p형 전극을 대체할 수 있다. 개시된 양자점 발광 소자(100)는 p형 그래핀층(150)을 통해서 p형 양자점층(140)에 정공을 더 효율적으로 주입할 수 있으므로, 양자점 발광 소자(100)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
한편, n형 및 p형 전극 패드(115, 155)가 n형 및 p형 그래핀층(110, 150) 상에 각각 더 마련될 수 있다. n형 및 p형 전극 패드(115, 155)는 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Au, Cr, Cu, Ni, Co, Fe, Ag, Al, Ti, Pd 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자(100)는 n형 및 p형 양자점층(120, 140) 사이에 BN를 포함하는 버퍼층(130)을 구비하여, 이 버퍼층에 많은 전자와 정공을 축적할 수 있다. 따라서, 양자점 발광 소자(100)의 광효율이 향상될 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(100)는 전자와 정공이 재결합하기 전에, 이들을 n형 및 p형 양자점층(120, 140)에 충분히 축적할 수 있다. 그리고, 전자와 정공이 BN 버퍼층(130)을 통해서 터널링하여 빛이 방출될 수 있다. 또한, 개시된 양자점 발광 소자(100)는 얇은 그래핀층과 BN층을 구비하여, 얇고 플렉서블한 발광 소자를 구현할 수 있다. 한편, 개시된 양자점 발광 소자(100)의 n형 및 p형 양자점층(120, 140)은 그래핀 양자점이 아니라 BN 양자점을 포함할 수도 있으며, 그래핀 양자점과 BN 양자점을 모두 포함할 수도 있다.
도 2는 개시된 다른 양자점 발광 소자(200)의 개략적인 단면도이고, 도 3은 발광 소자(200)의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 개시된 양자점 발광 소자(200)는 n형 그래핀층(210), p형 그래핀층(250), n형 및 p형 그래핀층(210, 250) 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층, 그리고 n형 및 p형 그래핀층(210, 250) 사이에 마련된 그래핀 양자점층(225)을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 제1버퍼층(231)과 제2버퍼층(233)을 포함할 수 있다.
n형 그래핀층(210)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. n형 그래핀층(210)은 상기 적어도 하나의 그래핀 시트를 n형 도펀트로 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 n형 도펀트로는 예를 들어, PEI(polyethylenimine), 하이드라진(N2H4), 보론 바나듐(boron vanadium, BV), N 또는 F 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
n형 그래핀층(210)은 우수한 전기 전도도를 갖기 때문에, 그래핀 양자점층(225)에 전하 캐리어(charge carrier)를 주입할 수 있다. n형 그래핀층(210)은 예를 들어, 전자(electron)를 그래핀 양자점층(225)에 주입할 수 있다. 개시된 양자점 발광 소자(200)는 n형 그래핀층(210)을 통해서 그래핀 양자점층(225)에 전자를 더 효율적으로 주입할 수 있으며, 따라서 양자점 발광 소자(200)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
제1버퍼층(231)은 n형 그래핀층(210) 상에 마련될 수 있다. 제1버퍼층(231)은 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)로 이루어질 수 있다. 보론 나이트라이드(BN)는 그래핀과 그 구조가 비슷하여 격자 불일치가 작으며, 얇은 층 형태로 형성될 수 있다. BN로 형성된 버퍼층(231) 상에 그래핀이 마련되는 경우, 그래핀의 전도성이 더 향상될 수 있다. 또한, n형 그래핀층(210)으로부터 주입된 전자가 제1버퍼층(231)에 축적될 수 있다. 제1버퍼층(231)은 종래의 유기 발광 소자의 배리어층을 대체할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2버퍼층(231, 233)과 그 사이에 마련된 그래핀 양자점(225)은 양자 우물(quantum well)과 유사한 에너지 밴드 다이어그램을 가질 수 있다.
그래핀 양자점층(225)은 제1버퍼층(231) 상에 마련될 수 있다. 그래핀 양자점층(225)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있다. 그래핀 양자점의 크기는 예를 들어, 수 내지 수십 ㎚일 수 있으며, 더 구체적으로 약 1 내지 약 50㎚일 수 있다. 그래핀 양자점은 양자 구속(quantum confinement) 효과에 의한 불연속적 에너지 준위를 갖기 때문에, 연속적인 에너지 밴드를 갖는 벌크(bulk) 상태의 반도체 또는 시트 형태의 그래핀과는 다른 광학적/전기적 특성을 나타낼 수 있다. 그래핀 양자점의 크기를 조절하면 에너지 밴드갭이 달라지기 때문에, 양자점 발광 소자(200)로부터 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 복수 개의 그래핀 양자점은 유기 용매 또는 고분자 수지에 분산된 액상 형태로 제1버퍼층(231) 상에 도포될 수 있다. 상기 액상 형태의 그래핀 양자점은 제1버퍼층(231) 상에 스핀 코팅, 딥 코팅, 프린팅 또는 스프레이 코팅 공정 등에 의해서 코팅될 수 있다.
제2버퍼층(233)은 그래핀 양자점층(225) 상에 마련될 수 있다. 제2버퍼층(233)은 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)로 이루어질 수 있다. 보론 나이트라이드(BN)는 그래핀과 그 구조가 비슷하여 격자 불일치가 작으며, 얇은 층 형태로 형성될 수 있다. 또한, p형 그래핀층(210)으로부터 주입된 정공이 제2버퍼층(233)에 축적될 수 있다. 제2버퍼층(233)은 종래의 유기 발광 소자의 배리어층을 대체할 수 있다.
p형 그래핀층(250)은 제2버퍼층(233) 상에 마련될 수 있다. p형 그래핀층(250)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. p형 그래핀층(250)은 상기 적어도 하나의 그래핀 시트를 p형 도펀트로 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 p형 도펀트는 예를 들어, AuCl3, HNO3, Fe, Mn, O, Au 또는 Bi 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. p형 그래핀층(250)은 그래핀 양자점층(225)에 전하 캐리어(charge carrier)를 주입할 수 있다. p형 그래핀층(250)은 예를 들어, 정공(hole)를 그래핀 양자점층(225)에 주입할 수 있다. 개시된 양자점 발광 소자(200)는 p형 그래핀층(250)을 통해서 그래핀 양자점층(225)에 정공을 더 효율적으로 주입할 수 있으므로, 양자점 발광 소자(200)의 발광 효율이 향상될 수 있다. 한편, n형 및 p형 전극 패드(215, 255)가 n형 및 p형 그래핀층(210, 250) 상에 각각 더 마련될 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자(200)는 BN를 포함하는 제1 및 제2버퍼층(231, 233)과 그 사이에 마련된 그래핀 양자점층(225)을 구비하여, BN 버퍼층에 많은 전자와 정공을 축적할 수 있다. 따라서, 양자점 발광 소자(200)의 광효율이 향상될 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(200)는 전자와 정공이 재결합하기 전에, 이들을 제1 및 제2버퍼층(231, 233)에 충분히 축적할 수 있다. 그리고, 축적된 전자와 정공이 그래핀 양자점층(225)에서 재결합하여 빛이 방출될 수 있다. 또한, 제1버퍼층(231)은 n형 그래핀층(210)으로부터 그래핀 양자점층(225)으로 주입되는 전자의 이동 속도를 늦출 수 있다. 전자가 정공보다 이동도(mobility)가 높기 때문에 즉, 이동 속도가 빠르게 때문에 전자의 이동 속도를 늦춰서 그래핀 양자점층(225)에서 전자와 정공이 재결합되는 확률을 높일 수 있다. 따라서, 개시된 양자점 발광 소자(200)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
도 4는 개시된 또 다른 양자점 발광 소자(300)의 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 개시된 양자점 발광 소자(300)는 n형 그래핀층(310) 및 p형 그래핀층(350), n형 및 p형 그래핀층(310, 350) 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층, 그리고 n형 및 p형 그래핀층(310, 350) 사이에 마련된 BN 양자점층(345)을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 제1버퍼층(331)과 제2버퍼층(333)을 포함할 수 있다.
n형 및 p형 그래핀층(310, 350)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. n형 그래핀층(310)은 우수한 전기 전도도를 갖기 때문에, BN 양자점층(345)에 전자(electron)를 주입할 수 있다. p형 그래핀층(350)은 제2버퍼층(333) 상에 마련될 수 있다. p형 그래핀층(350)은 BN 양자점층(345)에 정공(hole)를 주입할 수 있다. 개시된 양자점 발광 소자(300)는 n형 및 p형 그래핀층(310, 350)을 통해서 BN 양자점층(345)에 전자와 정공을 더 효율적으로 주입할 수 있으므로, 양자점 발광 소자(300)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
제1버퍼층(331)이 n형 그래핀층(310) 상에 마련될 수 있으며, 제2버퍼층(333)이 BN 양자점층(345) 상에 마련될 수 있다. 제1 및 제2버퍼층(331, 333)은 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)로 이루어질 수 있다. 또한, n형 및 p형 그래핀층(310, 350)으로부터 주입된 전자와 정공이 제1 및 제2버퍼층(331, 333)에 각각 축적될 수 있다. 제1 및 제2버퍼층(331, 333)은 종래의 유기 발광 소자의 배리어층을 대체할 수 있다.
BN 양자점층(345)은 제1 및 제2버퍼층(331, 333) 사이에 마련될 수 있다. BN 양자점층(345)은 복수 개의 보론 나이트라이드(boron nitride, BN) 양자점을 포함할 수 있다. BN 양자점의 크기는 예를 들어, 수 내지 수십 ㎚일 수 있으며, 더 구체적으로 약 1 내지 약 50㎚일 수 있다. BN 양자점은 양자 구속(quantum confinement) 효과에 의한 불연속적 에너지 준위를 갖기 때문에, 연속적인 에너지 밴드를 갖는 벌크(bulk) 상태의 반도체와는 다른 광학적/전기적 특성을 나타낼 수 있다. BN 양자점의 크기를 조절하면 에너지 밴드갭이 달라지기 때문에, 양자점 발광 소자(300)로부터 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.
복수 개의 BN 양자점은 유기 용매에 분산된 액상 형태로 제1버퍼층(331) 상에 도포될 수 있으며, 상기 유기 용매는 열처리 등을 통해서 증발될 수 있다. 상기 유기 용매는 예를 들어, 톨루엔(toluene), 클로로포름(chloroform) 또는 에탄올(ethanol) 등을 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 BN 양자점은 고분자 수지에 분산된 형태로 제1버퍼층(331) 상에 도포될 수 있다. 상기 고분자 수지는 예를 들어, 에폭시(epoxy), 실리콘(silicone), 폴리스틸렌(polysthylene) 또는 아크릴레이트(acrylate)등을 포함할 수 있다. 상기 액상 형태의 BN 양자점은 제1버퍼층(331) 상에 스핀 코팅, 딥 코팅, 프린팅 또는 스프레이 코팅 공정 등에 의해서 코팅될 수 있다. 한편, n형 및 p형 전극 패드(315, 355)가 n형 및 p형 그래핀층(310, 350) 상에 각각 더 마련될 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자(300)는 BN를 포함하는 제1 및 제2버퍼층(331, 333)과 그 사이에 마련된 BN 양자점층(345)을 구비하여, BN 버퍼층에 많은 전자와 정공이 축적될 수 있다. 따라서, 양자점 발광 소자(300)의 광효율이 향상될 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(300)는 전자와 정공이 재결합하기 전에, 이들을 제1 및 제2버퍼층(331, 333)에 충분히 축적할 수 있다. 그리고, 축적된 전자와 정공이 BN 양자점층(345)에서 재결합하여 빛이 방출될 수 있다.
도 5는 개시된 또 다른 양자점 발광 소자(400)의 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 개시된 양자점 발광 소자(400)는 n형 그래핀층(410) 및 p형 그래핀층(450), n형 및 p형 그래핀층(410, 450) 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층, 그리고 n형 및 p형 그래핀층(410, 450) 사이에 마련된 양자점층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 제1버퍼층(431)과 제2버퍼층(433)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양자점층은 BN 양자점층(445)와 그래핀 양자점층(425)을 포함할 수 있다.
n형 및 p형 그래핀층(410, 450)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. n형 그래핀층(410)은 우수한 전기 전도도를 갖기 때문에, 전자(electron)를 양자점층(425, 445)에 주입할 수 있다. p형 그래핀층(450)은 제2버퍼층(433) 상에 마련될 수 있다. p형 그래핀층(450)은 정공(hole)를 양자점층(425, 445)에 주입할 수 있다. 개시된 양자점 발광 소자(400)는 n형 및 p형 그래핀층(410, 450)을 통해서 양자점층(425, 445)에 전자와 정공을 더 효율적으로 주입할 수 있으므로, 양자점 발광 소자(400)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
제1버퍼층(431)이 n형 그래핀층(410) 상에 마련될 수 있으며, 제2버퍼층(433)이 그래핀 양자점층(425) 상에 마련될 수 있다. 제1 및 제2버퍼층(431, 433)은 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)로 이루어질 수 있다. 또한, n형 및 p형 그래핀층(410, 450)으로부터 주입된 전자와 정공이 제1 및 제2버퍼층(431, 433)에 각각 축적될 수 있다. 제1 및 제2버퍼층(431, 433)은 종래의 유기 발광 소자의 배리어층을 대체할 수 있다.
BN 양자점층(445)은 제1버퍼층(431) 상에 마련될 수 있다. BN 양자점층(445)은 복수 개의 보론 나이트라이드(boron nitride, BN) 양자점을 포함할 수 있다. 그래핀 양자점층(425)은 BN 양자점층(445) 상에 마련될 수 있다. 그래핀 양자점층(425)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있다. 한편, 도 5에 도시된 바와 달리, BN 양자점층(445)이 그래핀 양자점층(425) 상에 마련될 수도 있다. 그래핀 양자점과 BN 양자점의 크기는 예를 들어, 수 내지 수십 ㎚일 수 있으며, 더 구체적으로 약 1 내지 약 50㎚일 수 있다. 그래핀 양자점과 BN 양자점의 크기를 조절하면 에너지 밴드갭이 달라지기 때문에, 양자점 발광 소자(400)로부터 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.
그래핀 양자점과 BN 양자점은 서로 동일한 크기를 갖거나, 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 그래핀 양자점과 BN 양자점이 서로 동일한 크기를 갖는 경우, 그래핀 양자점층(425)과 BN 양자점층(445)은 동일한 파장의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(400)는 단파장 발광 소자일 수 있다. 한편, 그래핀 양자점과 BN 양자점이 서로 다른 크기를 갖는 경우, 그래핀 양자점층(425)과 BN 양자점층(445)은 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(400)는 다파장 발광 소자일 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자(400)는 BN를 포함하는 제1 및 제2버퍼층(431, 433)과 그 사이에 마련된 BN 양자점층(445)과 그래핀 양자점층(425)을 구비하여, BN 버퍼층에 많은 전자와 정공을 축적할 수 있다. 따라서, 양자점 발광 소자(400)의 광효율이 향상될 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(400)는 전자와 정공이 재결합하기 전에, 이들을 제1 및 제2버퍼층(431, 433)에 충분히 축적할 수 있다. 그리고, 축적된 전자와 정공이 BN 양자점층(445)과 그래핀 양자점층(425)에서 재결합하여 빛이 방출될 수 있다. 또한, 개시된 양자점 발광 소자(400)는 그래핀 양자점과 BN 양자점이 서로 다른 크기를 갖는 경우, 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다.
도 6은 개시된 또 다른 양자점 발광 소자(500)의 개략적인 단면도이고, 도 7은 양자점 발광 소자(500)의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 개시된 양자점 발광 소자(500)는 n형 그래핀층(510) 및 p형 그래핀층(550), n형 및 p형 그래핀층(510, 550) 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층, 그리고 n형 및 p형 그래핀층(510, 550) 사이에 마련된 양자점층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 제1버퍼층(531)과 제2버퍼층(533)을 포함할 수 있다. 상기 양자점층은 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양자점층은 적어도 하나의 BN 양자점층(545)과 적어도하나의 그래핀 양자점층(525)이 서로 교대하여 적층된 구조일 수 있다.
n형 및 p형 그래핀층(510, 550)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 포함할 수 있다. n형 그래핀층(510)은 우수한 전기 전도도를 갖기 때문에, 전자(electron)를 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)에 주입할 수 있다. p형 그래핀층(550)은 제2버퍼층(533) 상에 마련될 수 있다. p형 그래핀층(550)은 정공(hole)를 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)에 주입할 수 있다. 개시된 양자점 발광 소자(500)는 n형 및 p형 그래핀층(510, 550)을 통해서 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)에 전자와 정공을 더 효율적으로 주입할 수 있으므로, 양자점 발광 소자(500)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
제1버퍼층(531)이 n형 그래핀층(510) 상에 마련될 수 있으며, 제2버퍼층(533)이 그래핀 양자점층(525) 상에 마련될 수 있다. 제1 및 제2버퍼층(531, 533)은 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)로 이루어질 수 있다. 또한, n형 및 p형 그래핀층(510, 550)으로부터 주입된 전자와 정공이 제1 및 제2버퍼층(531, 533)에 각각 축적될 수 있다. 제1 및 제2버퍼층(531, 533)은 종래의 유기 발광 소자의 배리어층을 대체할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2버퍼층(531, 533)과 그 사이에 마련된 BN 양자점층(545) 및 그래핀 양자점(525)의 적층 구조는 다중 양자 우물(multi-quantum well)과 유사한 에너지 밴드 다이어그램을 가질 수 있다.
양자점층은 복수 개의 BN 양자점층(545)과 복수 개의 그래핀 양자점층(525)을 포함할 수 있다. 양자점층은 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)이 서로 교대하여 적층된 구조를 포함할 수 있다. 또한, BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)이 적층된 구조는 적어도 2회 반복하여 형성될 수 있다. BN 양자점층(545)은 제1버퍼층(531) 상에 마련될 수 있다. BN 양자점층(545)은 복수 개의 보론 나이트라이드(boron nitride, BN) 양자점을 포함할 수 있다. 그리고, 그래핀 양자점층(525)은 BN 양자점층(545) 상에 마련될 수 있다. 그래핀 양자점층(525)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있다. 한편, 도 6에 도시된 바와 달리, 그래핀 양자점층(525)이 제1버퍼층(531) 상에 마련되고, BN 양자점층(545)이 그래핀 양자점층(525) 상에 마련될 수도 있다. 그래핀 양자점과 BN 양자점의 크기는 예를 들어, 수 내지 수십 ㎚일 수 있으며, 더 구체적으로 약 1 내지 약 50㎚일 수 있다. 그래핀 양자점과 BN 양자점의 크기를 조절하면 에너지 밴드갭이 달라지기 때문에, 양자점 발광 소자(500)로부터 방출되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.
그래핀 양자점과 BN 양자점은 서로 동일한 크기를 갖거나, 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 그래핀 양자점과 BN 양자점이 서로 동일한 크기를 갖는 경우, 그래핀 양자점층(525)과 BN 양자점층(545)은 동일한 파장의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(500)는 단파장 발광 소자일 수 있다. 한편, 그래핀 양자점과 BN 양자점이 서로 다른 크기를 갖는 경우, 그래핀 양자점층(525)과 BN 양자점층(545)은 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(500)는 다파장 발광 소자일 수 있다.
개시된 양자점 발광 소자(500)는 BN를 포함하는 제1 및 제2버퍼층(531, 533)과 그 사이에 마련된 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)의 적층 구조를 구비하여, BN 버퍼층에 많은 전자와 정공을 축적할 수 있다. 따라서, 양자점 발광 소자(500)의 광효율이 향상될 수 있다. 즉, 개시된 양자점 발광 소자(500)는 전자와 정공이 재결합하기 전에, 이들을 제1 및 제2버퍼층(531, 533)에 충분히 축적할 수 있다. 그리고, 축적된 전자와 정공이 BN 양자점층(545)과 그래핀 양자점층(525)에서 재결합하여 빛이 방출될 수 있다. 또한, 개시된 양자점 발광 소자(500)는 그래핀 양자점과 BN 양자점이 서로 다른 크기를 갖는 경우, 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다.
이러한 본 발명인 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110, 210, 310, 410, 510: n형 그래핀층
120, 140: n형 및 p형 양자점층 130: 버퍼층
231, 331, 431, 531: 제1버퍼층 233, 333, 433, 533: 제2버퍼층
225, 325, 425, 525: 그래핀 양자점층 345, 445, 545: BN 양자점층
150, 250, 350, 450, 550: p형 그래핀층
100, 200, 300, 400, 500: 양자점 발광 소자
120, 140: n형 및 p형 양자점층 130: 버퍼층
231, 331, 431, 531: 제1버퍼층 233, 333, 433, 533: 제2버퍼층
225, 325, 425, 525: 그래핀 양자점층 345, 445, 545: BN 양자점층
150, 250, 350, 450, 550: p형 그래핀층
100, 200, 300, 400, 500: 양자점 발광 소자
Claims (16)
- n형 그래핀층;
상기 n형 그래핀층과 서로 이격되어 마련된 p형 그래핀층;
상기 n형 및 p형 그래핀층 사이에 마련된 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하고, 전자 또는 정공을 축적하는 버퍼층; 및
상기 n형 및 p형 그래핀층 사이에 마련된 양자점층;을 포함하는 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자점층은 그래핀 양자점 및 BN 양자점 중에서 적어도 하나를 포함하는 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자점층은 n형 양자점층과 p형 양자점층을 포함하는 양자점 발광 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 n형 양자점층은 상기 n형 그래핀층 상에 마련되고, 상기 버퍼층은 상기 n형 양자점층 상에 마련되며, 상기 p형 양자점층은 상기 버퍼층 상에 마련되는 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자점층은 그래핀 양자점층과 BN 양자점층 중에서 적어도 하나를 포함하는 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자점층은 적어도 하나의 그래핀 양자점층과 적어도 하나의 BN 양자점층이 서로 교대로 적층된 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 제1버퍼층과 제2버퍼층을 포함하는 양자점 발광 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 제1버퍼층은 상기 n형 그래핀층과 상기 양자점층 사이에 마련되고, 상기 제2버퍼층은 상기 양자점층과 상기 p형 그래핀층 사이에 마련되는 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 n형 및 p형 그래핀층은 적어도 하나의 그래핀 시트를 포함하는 양자점 발광 소자. - 적어도 하나의 그래핀 시트를 마련하고, 상기 그래핀 시트를 n형 도펀트로 도핑하여 n형 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 n형 그래핀층 상에 보론 나이트라이드(boron nitride, BN)를 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 n형 그래핀층 상에 양자점층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층과 상기 양자점층 상에 적어도 하나의 그래핀 시트를 형성하고, 상기 그래핀 시트를 p형 도펀트로 도핑하여 p형 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 10 항에 있어서,
상기 양자점층은 그래핀 양자점 및 BN 양자점 중에서 적어도 하나를 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 10 항에 있어서,
상기 양자점층은 n형 양자점층과 p형 양자점층을 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 12 항에 있어서,
상기 n형 양자점층은 상기 n형 그래핀층 상에 형성되고, 상기 버퍼층은 상기 n형 양자점층 상에 형성되며, 상기 p형 양자점층은 상기 버퍼층 상에 형성되는 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 10 항에 있어서,
상기 버퍼층은 제1 및 제2버퍼층을 포함하고, 상기 양자점층은 상기 제1 및 제2버퍼층 사이에 형성되는 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 10 항에 있어서,
상기 양자점층은 그래핀 양자점층 및 BN 양자점층 중에서 적어도 하나를 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 10 항에 있어서,
상기 양자점층은 그래핀 양자점층 및 BN 양자점층을 적어도 2회 적층하여 형성되는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
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