KR101387357B1 - 양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법 및 이를 포함하는 백색 발광 소자 - Google Patents

Abstract

고색순도의 백색 광원을 위한 양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 양자점 나노 복합체의 형성 방법은, 서로 다른 파장대의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들을 합성하고, 각각의 양자점들에 외부 리간드를 형성한 후, 외부 리간드를 활성화시켜 적어도 2개 이상의 양자점들이 결합된 양자점 나노 복합체를 형성한다. 적어도 2개 이상의 양자점들은, 적색광을 방출하는 적색 양자점, 녹색광을 방출하는 녹색 양자점 및 청색광을 방출하는 청색 양자점을 포함할 수 있다. 이와 같이, 외부 리간드의 결합을 통해 서로 다른 파장의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들이 결합된 양자점 나노 복합체를 백색 광원으로 이용함으로써, 기존 형광물질의 색변환층을 사용할 때와 비교하여 높은 색순도를 갖고 발광 효율이 향상된 백색 광원을 제조할 수 있다.

Description

양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법 및 이를 포함하는 백색 발광 소자{METHOD FOR SYNTHESISING QUANTUM DOT AND NANO COMPOSITE}

본 발명은 양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친환경 양자점을 합성하고 인공적으로 계면이나 외부 리간드를 조절하여 고효율 백색 광원을 형성할 수 있는 양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법에 관한 것이다.

LED는 친환경, 고효율 에너지 소자로써 현재 LCD 백라이트, 플래쉬, 신호등, 조명 등 다양한 IT 및 자동차 분야에서 광범위하게 채용되고 있다. LED는 기존의 광원에 비해 극소형이고, 소비 전력이 적고, 수명이 기존의 전구에 비해 10배 이상이며, 빠른 반응속도로 기존의 광원에 비해 매우 우수한 특성은 나타낸다. 이와 더불어 자외선과 같은 유해파 방출이 없고, 수은 및 기타 방전용 가스를 사용하지 않는 환경 친화적인 광원이다.

현재 LED 조명기기의 가장 큰 문제는 LED 모듈의 효율 향상과 태양광과 같은 자연색의 연색성 확보에 있다. 현재의 백색 LED는 자체에서 백색을 내는 것이 불가능하기 때문에 크게 세 가지 방식으로 제작되고 있다. 첫째로, 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 내는 3개의 LED를 조합하여 백색을 구현하는 방법이다. 이러한 방법은 하나의 백색광원을 만들기 위해 3개의 LED를 사용하여야 하기 때문에, 각각의 LED를 개별적으로 제어해야 하는 어려움이 있으며, 발열에 따른 불안정성을 야기시킬 수 있는 문제가 있다. 둘째로, 청색 LED를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기 시킴으로써 백색을 구현하는 방법이다. 이러한 방법은 발광 효율이 우수한 반면, CRI(color rendering index)가 낮으며, 전류밀도에 따라 CRI가 변하는 특징이 있기 때문에 태양광에 가까운 백색광을 얻기 위해서는 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 마지막으로, 자외선 발광 LED를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기시켜 백색을 만드는 방법이다. 이러한 방법은 고전류 하에서의 사용이 가능하며, 색감이 우수하여 가장 활발하게 연구가 진행되고 있다.

그러나, 이와 같은 백색 LED를 구현함에 있어서, 종래에는 무기 형광체로 이루어진 삼원색 형광체가 주로 이용되었으나, 이러한 무기 형광체, 특히 적색 무기형광체는 발광효율이 낮기 때문에 고효율 및 높은 발광효율의 백색 LED를 구현하는데 있어서 장애가 되고 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 고효율의 양자점을 합성하고, 계면이나 외부 리간드의 조절을 통한 양자점의 인위적 결합을 통해 고색순도를 가지는 백색광을 유도할 수 있는 양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 방법을 통해 형성된 양자점 및 양자점 나노 복합체를 포함하여 고효율 및 고색순도의 백색광을 방출하는 백색 발광 소자를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따른 양자점 나노 복합체의 형성 방법은, 서로 다른 파장대의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들을 합성하는 단계, 상기 양자점들에 외부 리간드를 형성하는 단계, 및 상기 외부 리간드를 활성화시켜 상기 적어도 2개 이상의 양자점들이 결합된 양자점 나노 복합체를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 적어도 2개 이상의 양자점들은, 황색광을 방출하는 황색 양자점 및 청색광을 방출하는 청색 양자점을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 적어도 2개 이상의 양자점들은, 적색광을 방출하는 적색 양자점, 녹색광을 방출하는 녹색 양자점 및 청색광을 방출하는 청색 양자점을 포함할 수 있다.

상기 외부 리간드는 DNA를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 양자점의 형성 방법은, 양자점의 합성 시 양자점의 계면이나 표면 상에 불순물을 도핑하는 단계, 및 상기 불순물이 도핑된 양자점을 에이징하여 상기 양자점에서 방출되는 적어도 2가지 이상의 서로 다른 파장대의 광의 분포를 조절하는 단계를 포함한다.

상기 양자점은 기본적으로 청색광을 방출하는 청색 양자점이며, 상기 에이징 시, 상기 양자점의 계면에 도핑된 불순물에 의한 결함에서 황색광이 방출되도록 에이징 조건을 조절할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 백색 발광 소자는 한 쌍의 전극 사이에 유기막을 포함하며, 상기 유기막은 상기 형성 방법에 의해 형성된 양자점 나노 복합체 또는 양자점을 포함할 수 있다.

이와 같은 양자점 및 양자점 나노 복합체의 형성 방법에 따르면, 외부 리간드의 결합을 통해 서로 다른 파장의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들이 결합된 양자점 나노 복합체, 또는 불순물 도핑을 통해 2가지 이상의 파장의 광을 방출하는 하나의 양자점을 백색 광원으로 이용함으로써, 기존 형광물질의 색변환층을 사용할 때와 비교하여 높은 색순도를 갖고 발광 효율이 향상된 백색 광원을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 나노 복합체의 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 나노 복합체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자점을 나타낸 단면도이다.
도 4는 양자점의 에이징 조건에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광 소자를 나타낸 단면도이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 나노 복합체의 형성 방법을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 나노 복합체의 형성을 위하여, 우선, 서로 다른 파장대의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들을 각각 합성한다(도 1의 (a) 참조). 예를 들어, 백색광의 구현을 위해, 청색 양자점(110), 녹색 양자점(120) 및 적색 양자점(130)을 각각 합성한다.

양자점들(110, 120, 130)은 양자구속효과(quantum confinement effect)를 가지는 나노 크기의 입자를 의미하며, 약 1 내지 10nm의 직경을 갖는다. 이러한 양자점들(110, 120, 130)은 예를 들어, 화학적 습식방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 화학적 습식방법은 유기용매에 전구체 물질을 넣어 입자를 성장시키는 방법으로, 화학적 습식방법에 의한 양자점의 합성방법은 이미 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서, 양자점들(110, 120, 130)의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe 및 HgTe 등과 같은 Ⅱ-Ⅵ족 양자점, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 양자점 등을 포함할 수 있으며, 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.

청색 양자점(110), 녹색 양자점(120) 및 적색 양자점(130)은 서로 다른 입자 크기를 가지며, 예를 들어, 녹색 양자점(120)은 청색 양자점(110)보다 크며, 적색 양자점(130)이 녹색 양자점(120)보다 크게 형성된다. 청색 양자점(110), 녹색 양자점(120) 및 적색 양자점(130) 각각은 양자크기효과(quantum size effect)에 따른 서로 다른 파장대의 광, 즉 그 크기에 따라 청색, 녹색 및 적색 광을 각각 방출한다. 따라서, 청색, 녹색 및 적색 광의 합성을 통해 백색광을 구현할 수 있다.

청색 양자점(110), 녹색 양자점(120) 및 적색 양자점(130)을 각각 합성한 후, 각각의 양자점들(110, 120, 130)에 외부 리간드(140)를 형성한다(도 1의 (b) 참조).

외부 리간드(140)는 청색 양자점(110), 녹색 양자점(120) 및 적색 양자점(130)을 서로 결합시키기 위하여 각각의 양자점들(110, 120, 130)에 형성된다. 예를 들어, 각각의 양자점들(110, 120, 130)은 코어 및 코어를 둘러싼 셀로 구성되며, 외부 리간드(140)는 각각의 양자점들(110, 120, 130)의 코어 표면에 결합되어 셀 외부로 노출되게 형성된다.

각각의 양자점들(110, 120, 130)을 합성할 시 고온(100℃ ~ 350℃)의 소수성 용매에 전구체들을 주입한 후 이를 일정시간 유지하여 양자점을 성장시키게 된다. 이때, 양자점에 붙어있는 리간드가 양자점과의 부착 상태와 떨어짐 상태를 반복하면서 떨어짐 상태에서 용매 내에 있는 전구체들이 분해되어 양자점에 붙으면서 성장하게 된다. 이러한 양자점의 합성시, 양자점 리간드의 자연적인 부착 상태와 떨어짐 상태의 존재를 이용하여 이러한 작용이 진행되는 도중 원하는 기능기를 가지고 있는 외부 리간드(140)를 주입함으로써 양자점의 표면 손상 없이 각각의 양자점들(110, 120, 130)에 외부 리간드(140)를 형성시킬 수 있다.

외부 리간드(140)는 양자점들(110, 120, 130)을 서로 결합시키기 위한 기능기를 포함하는 것으로, 유기물 리간드로 형성될 수 있으며, 특히, DNA로 형성될 수 있다. 외부 리간드(140)는 양자점 결합 기능기 부분, 스페이서 부분 및 리간드 결합 기능기 부분 등의 크게 3 부분을 포함할 수 있다. 상기 양자점 결합 기능기는 양자점(110, 120, 130)과 외부 리간드(140)를 부착시키는 역할을 하는 것으로, 외부 리간드(140)의 일단에 위치한다. 상기 스페이서는 외부 리간드(140)가 유기 용매 내에 분산이 용이하게 하는 역할을 하는 것으로, 상기 양자점 결합 기능기와 상기 리간드 결합 기능기의 사이에 위치한다. 상기 리간드 결합 기능기는 외부 리간드(140)들을 혼성결합시키는 역할을 하는 것으로, 외부 리간드(140)의 타단에 위치한다.

각각의 양자점들(110, 120, 130)에 외부 리간드(140)를 형성한 후, 외부 리간드(140)를 활성화시켜 상기 양자점들(110, 120, 130)이 서로 결합된 양자점 나노 복합체(100)를 형성한다(도 1의 (c) 참조). 예를 들어, 외부 리간드(140)가 형성된 양자점들(110, 120, 130)이 혼합된 용액을 약 70℃ ~ 100℃의 온도로 일정 시간동안 가열한 후, 실온으로 천천히 냉각시킴으로써 양자점들(110, 120, 130)이 서로 결합된 양자점 나노 복합체(100)를 얻을 수 있다.

이와 같이, 경제성과 효율성을 모두 고려한 백색 발광 소자의 제작을 위하여, 서로 다른 파장대의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 고효율의 양자점들을 합성하고, 외부 리간드의 조절을 통해 2개 이상의 양자점들에 대한 인위적 결합을 통해 양자점 나노 복합체를 형성하고, 이러한 양자점 나노 복합체 자체를 광원으로 이용함으로써, 고색순도를 가지는 백색광을 유도할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 나노 복합체를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 나노 복합체는 외부 리간드(140)를 통해 서로 결합된 청색 양자점(150) 및 황색 양자점(160)을 포함할 수 있다. 따라서, 청색 양자점(150)에서 방출되는 청색광과 황색 양자점(160)에서 방출되는 황색광의 합성을 통해 백색광을 구현할 수 있다. 본 실시예에 따른 양자점 나노 복합체는 양자점의 종류가 바뀐 것을 제외하고는 도 1에 도시된 양자점 나노 복합체와 동일한 형성 방법에 의해 형성될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자점을 나타낸 단면도이며, 도 4는 양자점의 에이징 조건에 따른 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자점(200)은 코어(210), 코어(210)를 둘러싸는 쉘(230) 및 코어(210)와 쉘(230)이 만나는 계면에 형성된 도핑층(220)을 포함한다. 도핑층(220)은 양자점(200)의 합성할 때 불순물을 인위적으로 첨가함으로써 형성할 수 있다. 한편, 도핑층(220)은 양자점(200)의 표면 상에 형성될 수 있다.

양자점(200)의 계면 또는 표면에 도핑이 되어 있을 경우, 양자점(200) 고유의 파장 이외에도, 불순물 도핑에 의해 계면이나 표면에 형성된 결함(defect)에서 다른 파장의 광이 방출된다. 따라서, 불순물 도핑을 통해 하나의 양자점(200)에서 두 가지 색깔의 광을 방출시킬 수 있으며, 양자점(200)의 에이징(aging)을 통해 두 가지 색깔의 광의 세기를 조절함으로써 백색광을 구현할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 양자점(200)의 에이징 조건의 하나인 전류를 변화시켜가며 출광 스펙트럼을 확인해 본 결과, 에이징 조건에 따라 방출되는 광의 파장대가 변화되는 것을 볼 수 있으며, 특히, 그래프에서 청색(400nm) 부근의 발광 피크가 황색(600nm) 영역과 점점 균형을 맞추는 것을 볼 수 있다. 따라서, 양자점(200)의 에이징 조건을 최적화시킴으로써, 고색순도의 백색광을 구현할 수 있다.

이러한 양자점(200)의 형성을 위해, 우선, 양자점(200)의 합성 시, 불순물을 인위적으로 첨가하여 양자점(200)의 계면 또는 표면 상에 도핑층(220)을 형성한다. 예를 들어, 양자점(200)은 기본적으로 청색광을 방출하는 청색 양자점으로 형성되며, 도핑을 위한 불순물은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.

이후, 불순물이 도핑된 양자점(200)을 전기적으로 에이징(전류나 전압을 계속적으로 가해주는 방식)하여 양자점(200)에서 방출되는 적어도 2가지 이상의 서로 다른 파장대의 광의 분포를 조절한다. 예를 들어, 양자점(200)의 전기적 에이징 시, 양자점(200)의 계면에 도핑된 불순물에 의한 결함에서 황색광이 방출되도록 에이징 조건을 조절한다. 이에 따라, 하나의 양자점(200)에서 서로 다른 파장의 청색광과 황색광이 방출되며, 이들 광의 혼합을 통해 백색광이 구현될 수 있다. 한편, 양자점(200)의 에이징은 전기적인 방법 외에도 열적 또는 광학적으로 진행할 수도 있다.

이와 같이, 경제성과 효율성을 모두 고려한 백색 발광 소자의 제작을 위하여, 양자점의 계면이나 표면에 불순물이 도핑된 도핑층을 형성하고, 계면이나 표면 특성의 인위적인 조절을 통해 2가지 이상의 파장의 광을 방출하도록 함으로써, 고색순도를 가지는 백색광을 유도할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광 소자를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 백색 발광 소자(300)는 한 쌍의 전극 사이에 형성된 유기막을 포함하는 백색 발광 소자로써, 예를 들어, 유기전계발광소자일 수 있다.

백색 발광 소자(300)는 제1 전극(310), 제1 전극(310)의 상부에 형성된 유기막(320) 및 유기막(320)의 상부에 형성된 제2 전극(330)을 포함한다. 유기막(320)은 제1 전극(310) 및 제2 전극(330)에 대한 전기 인가에 따라 적어도 2가지 이상의 색깔의 광을 방출하는 백색 광원(322)을 포함한다. 유기막(320)에 포함된 백색 광원(322)은 도 1 및 도 2에 도시된 양자점 나노 복합체(100) 또는 도 3에 도시된 양자점(200)으로 구성되므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이, 외부 리간드의 결합을 통해 서로 다른 파장의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들이 결합된 양자점 나노 복합체, 또는 불순물 도핑을 통해 2가지 이상의 파장의 광을 방출하는 하나의 양자점을 유기막 내에 포함시킴으로써, 색순도가 높고 및 발광효율이 향상된 백색 발광 소자를 제조할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 양자점 나노 복합체 110 : 청색 양자점
120 : 녹색 양자점 130 : 적색 양자점
140 : 외부 리간드 160 : 황색 양자점
200 : 양자점 210 : 코어
220 : 도핑층 230 : 쉘
300 : 백색 발광 소자 310 : 제1 전극
320 : 유기막 322 : 백색 광원
330 : 제2 전극

Claims (7)

1. 서로 다른 파장대의 광을 방출하는 적어도 2개 이상의 양자점들을 합성하는 단계;
   상기 양자점들에 외부 리간드를 형성하는 단계; 및
   상기 외부 리간드를 활성화시켜 상기 적어도 2개 이상의 양자점들이 결합된 양자점 나노 복합체를 형성하는 단계를 포함하며,
   상기 적어도 2개 이상의 양자점들은, 황색광을 방출하는 황색 양자점 및 청색광을 방출하는 청색 양자점을 포함하거나, 또는 적색광을 방출하는 적색 양자점, 녹색광을 방출하는 녹색 양자점 및 청색광을 방출하는 청색 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 나노 복합체의 형성 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 외부 리간드는 DNA를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 나노 복합체의 형성 방법.
5. 양자점의 합성 시 양자점의 계면이나 표면 상에 불순물을 도핑하는 단계; 및
   상기 불순물이 도핑된 양자점을 에이징하여 상기 양자점에서 방출되는 적어도 2가지 이상의 서로 다른 파장대의 광의 분포를 조절하는 단계를 포함하는 양자점의 형성 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 양자점은 기본적으로 청색광을 방출하는 청색 양자점이며,
   상기 에이징 시, 상기 양자점에 도핑된 불순물에 의한 결함에서 황색광이 방출되도록 에이징 조건을 조절하는 것을 특징으로 하는 양자점의 형성 방법.
7. 한 쌍의 전극 사이에 유기막을 포함하는 백색 발광 소자에 있어서, 상기 유기막은 제1항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 형성된 양자점 나노 복합체 또는 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 소자.
   

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