KR101686104B1 - 양자점 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기물인 전하 수송 물질과 양자점으로 구성된 양자 발광층을 형성하여, 양자점으로 정공 및 전자의 주입을 원활하게 하여 소자의 효율을 높이는 양자점 발광 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 양자점 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성되는 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 형성되며, 유기물인 전하 수송 물질과 양자점이 혼합된 양자 발광층; 상기 양자 발광층 상에 형성되는 전자 수송층; 및 상기 양자 발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어진다.

Description

양자점 발광 소자{QUANTUM-DOT LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 양자점 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 양자점으로 정공과 전자의 주입을 원활하게 하여 소자의 효율을 높이는 고효율 양자점 발광 소자에 관한 것이다.
정보화 사회에서 디스플레이(Display)는 시각정보 전달매체로서 그 중요성이 한층 강조되고 있으며, 향후 주요한 위치를 점하기 위해서는 저소비전력화, 박형화, 경량화, 고화질화 등의 요건을 충족시켜야 한다.
이러한 디스플레이 중 발광 재료를 이용하여 표시가 가능하며, 슬림화가 가능하며, 색순도가 높고 또한, 장시간 구동이 가능한 양자점 발광 소자가 근래 연구되고 있다.
양자점(QD:Quantum Dot)은 반도체 나노입자이다. 직경이 나노미터 크기의 양자점은 불안정한 상태의 전자가 전도대에서 가전자대로 내려오면서 발광하는데, 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛이 발생한다. 이는 기존의 반도체 물질과 다른 독특한 전기적이며 광학적인 특성이다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선을 표현하고, 여러 크기의 양자점과 양자점 성분을 달리하여 다양한 색을 동시에 구현할 수 있다.
일반적인 유기 발광 표시 소자는 발광층의 재료로 유기 발광 재료를 사용하며, 유기 발광 재료를 사용하는 유기 발광 다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diode)는 소자의 종류에 따라 백색, 적색, 청색 등 단일색을 구현하는데, 많은 빛을 화려하게 표현하기에는 한계가 있다.
이에 반해, 양자점 발광 소자는 발광층의 재료로 양자점을 사용하는 표시 소자이며, 양자점의 크기를 제어하여 원하는 천연색을 구현할 수 있으며, 색재현율이 좋고 휘도 또한 발광다이오드에 뒤쳐지지 않는다. 따라서, 양자점 발광 소자는 차세대 광원으로 주목 받는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)의 단점을 보완할 수 있는 소재로 각광받고 있다.
이하, 일반적인 양자점 발광 소자의 구조를 설명한다.
도 1a는 일반적인 양자점 발광 소자의 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 1a를 참조하면, 양자점 발광 소자는, 기판(100) 상에 서로 대향된 양극(10) 및 음극(50)과, 상기 양극(10)과 음극(50) 사이에 형성된 양자 발광층(30)과, 상기 양극(10)과 양자 발광층(30) 사이에 형성된 정공 수송층(20)과, 상기 양자 발광층(30)과 음극(50) 사이에 형성된 전자 수송층(40)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 양자 발광층(30)은 직경이 나노미터 크기인 복수개의 양자점(30a)들이 채워져 이루어지는데, 예를 들어, 용매에 상기 양자점(30a)을 분산시킨 후, 용액 공정(Solution Process)으로 상기 정공 수송층(20) 상에 도포한 후 용매를 휘발시켜 이루어진다.
그리고, 상기 정공 수송층(20)은 상기 양극(10)으로부터 정공 주입을 용이하게 해주고 상기 양자 발광층(30)으로 정공을 전달하는 역할을 하며, 상기 전자 수송층(40)은 상기 음극(50)으로부터의 전자 주입을 용이하게 해주고 상기 양자 발광층(30)으로 전자를 전달하는 역할을 한다.
그런데, 도 1b와 같이, 낮은 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)준위를 갖는 양자점(30a)이 정공과 전자의 높은 에너지 장벽으로 작용하여, 정공과 전자가 상기 양자점(30a)으로 원활하게 주입되지 못한다.
또한, 상기 양자점(30a)으로 주입된 정공이 전자 수송층(40)으로 쉽게 이동할 수 있으므로, 상기 양자점(30a)으로 주입되는 전자와 정공의 전하 밸런스(Charge Balance)가 맞지 않아 양자점 발광 소자의 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 유기물인 전하 수송 물질과 양자점을 혼합하여 양자 발광층을 형성하여 정공과 전자가 원활하게 양자점에 주입되어 소자의 효율을 증가시키는데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자점 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성되는 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 형성되며, 유기물인 전하 수송 물질과 양자점이 혼합된 양자 발광층; 상기 양자 발광층 상에 형성되는 전자 수송층; 및 상기 양자 발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어진다.
상기 양극과 정공 수송층 사이에 형성된 정공 주입층을 더 포함한다.
상기 음극과 전자 수송층 사이에 형성된 전자 주입층 및 정공 억제층을 더 포함한다.
상기 전하 수송 물질은 정공 수송 물질이다.
상기 정공 수송 물질은 TPD, PPV, PVK, NPD, CBP, DNA0CTMA, mCP, PEDOT:PSS 중 어느 하나이다.
상기 전하 수송 물질은 전자 수송 물질이다.
상기 전자 수송 물질은 TAZ, BCP, TPBI, Alq3 중 어느 하나이다.
상기 전하 수송 물질은 정공 수송 물질과 전자 수송 물질 모두 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 양자점 발광 소자는, 유기물인 전자 수송 물질과 정공 수송 물질 및 양자점이 용매에 분산된 혼합물로 양자 발광층이 이루어져, 전자와 정공이 원활하게 양자점으로 주입되어 소자의 효율이 향상된다.
도 1a는 일반적인 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
본 발명의 양자점 발광 소자는, 양자 발광층이 유기물인 전하 수송 물질과 양자점이 혼합되는 구조로 형성되어, 전자와 정공이 원활하게 양자점으로 주입되어 소자의 효율이 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 양자점 발광 소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
* 제 1 실시예 *
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이며, 도 2b는 도 2a의 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(110)과, 상기 양극(110) 상에 형성된 정공 수송층(120)과, 상기 정공 수송층(120) 상에 형성되며, 정공 수송 물질(120a), 전자 수송 물질(140a) 및 양자점(130a)이 혼합된 양자 발광층(130)과, 상기 양자 발광층(130) 상에 형성된 전자 수송층(140) 및 상기 전자 수송층(140) 상에 형성된 음극(150)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 정공 수송층(120)과 양극(110) 사이에 정공 주입층이 더 형성될 수 있으며, 상기 전자 수송층(140)과 음극(150) 사이에 전자 주입층과 정공 억제층이 더 형성될 수 있다.
상기 정공 억제층은 양자점(130a)으로 주입된 정공이 전자 수송층으로 이동하는 것을 방지하는 기능을 한다.
상기 기판(200)의 종류는 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하며, 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판 등이 가능하다.
그리고, 상기 양극(110)은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide), 아연 산화물(Zinc Oxide), 인듐 산화물(Indium Oxide), 주석 산화물(Tin Oxide), 인듐 아연 산화물(Indium Tin Oxide)로부터 선택되는 투명 전극으로 이루어지며, 상기 음극(150)은 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 바륨(Ba) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 이루어진다.
상기 양극(110) 상에 형성되는 정공 수송층(120)은 상기 양극(110)으로부터 정공 주입을 용이하게 해주고, 상기 양자 발광층(130)으로 정공을 전달하는 역할을 한다.
상기 양자 발광층(130)은 1㎚ 내지 100㎚의 직경을 갖는 나노 크기의 양자점(130a)들과 정공 수송 물질(120a) 및 전자 수송 물질(140a)이 혼합된 구조이다. 상기 양자점(130a)들은 상기 정공 수송 물질(120a) 및 상기 전자 수송 물질(140a) 내에 분산될 수 있다.
그리고, 도시하지는 않았지만, 상기 양자점(130a)은 코어(Core), 쉘(Shell) 및 리간드(Ligand) 또는 코어와 쉘로만 이루어질 수 있으며, 상기 양자점(130a)은 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴설파이드(CdS), 카드뮴텔레라이드(CdTe), 징크셀레나이드(ZnSe), 징크텔레라이드(ZnTe), 징크설파이드(ZnS), 머큐리텔레라이드(HgTe)와 같은 2-6족 반도체 화합물 또는, 인듐 아세나이드(InAs), 인듐 포스파이드(InP)와 같은 3-5족 반도체 화합물 등으로부터 선택된다.
그리고, 상기 정공 수송 물질(120a)은 TPD, PPV, PVK, NPD, CBP, DNA-CTMA, mCP, PEDOT:PSS 등으로부터 선택되며, 상기 전자 수송 물질(140a)은 TAZ, BCP, TPBI, Alq3 등으로부터 선택된다.
상기 양자 발광층(130) 상에 형성된 전자 수송층(140)은 상기 음극(150)으로부터 전자 주입을 용이하게 해주고, 상기 양자 발광층(130)으로 전자를 전달하는 역할을 한다.
상기 정공 수송층(120)은, 정공 수송 물질을 H2O 또는 헥세인(Hexane), 클로로포름(Chloroform) 및 톨루엔(Toluene)과 같은 유기 용매에 분산시킨 혼합물을 상기 양극(110) 상에 도포한 후 상기 용매를 휘발시키는 잉크젯(Inkjet) 방식, 스핀 코팅(Spin Coating) 방식, 노즐 코팅(Nozzle Coating) 방식, 스프레이 코팅(Spray Coating) 방식 및 슬릿 코팅(Slit Coating) 등의 공정으로 형성되며, 상기 전자 수송층(140) 역시, 전자 수송 물질을 상기 용매에 분산시켜 상기와 같은 공정으로 형성된다.
그리고, 상기 양자 발광층(130)은 정공 수송 물질(120a), 전자 수송 물질(140a) 및 양자점(130a)을 용매에 분산시켜 혼합용액을 만든 후, 상기 혼합용액을 상기 정공 수송층(120) 상에 도포하고, 상기 용매를 휘발시킨다. 이 때, 적층하는 상기 정공 수송층(120), 양자 발광층(130) 및 전자 수송층(140)의 손상을 방지하기 위해, 상기 정공 수송층(120)의 용매와 상기 양자 발광층(130)의 용매 및 상기 전자 수송층(140)의 용매로 각각 서로 다른 용매를 사용한다.
상기와 같이, 양자 발광층(130)을 정공 수송 물질(120a), 전자 수송 물질(140a) 및 양자점(130a)을 혼합하여 형성하면, 도 2b와 같이, 정공이 양자 발광층(130)의 정공 수송 물질(120a)을 통해 양자점(130a)으로 주입되므로 정공의 에너지 장벽이 낮아지고, 전자가 양자 발광층(130)의 전자 수송 물질(140a)을 통해 양자점(130a)으로 주입되므로 전자의 에너지 장벽이 낮아져, 정공과 전자가 원활하게 주입되어, 전자와 정공의 전하 밸런스(Charge Valance)가 조절되어 소자의 구동전압이 감소하고 수명 특성이 개선되며 양자점 발광 소자의 효율이 증가한다.
* 제 2 실시예 *
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
이때, 중복된 설명을 피하기 위해, 앞서 설명한 도 2a의 설명과 동일한 역할을 하는 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 특징적인 내용만을 살펴보겠다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(110)과, 상기 양극(110) 상에 형성된 정공 수송층(120)과, 상기 정공 수송층(120) 상에 형성되며, 정공 수송 물질(120a)과 양자점(130a)이 혼합된 양자 발광층(230)과, 상기 양자 발광층(230) 상에 형성된 전자 수송층(140) 및 상기 전자 수송층(140) 상에 형성된 음극(150)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 정공 수송층(120)과 양극(110) 사이에 정공 주입층이 더 형성될 수 있으며, 상기 전자 수송층(140)과 음극(150) 사이에 전자 주입층과 정공 억제층이 더 형성될 수 있다.
상기 양자 발광층(230)은, 정공 수송 물질(120a)과 양자점(130a)을 H2O 또는 헥세인(Hexane), 클로로포름(Chloroform) 및 톨루엔(Toluene)과 같은 유기 용매에 분산시킨 혼합물을 상기 정공 수송층(120) 상에 도포한 후 상기 용매를 휘발시키는 잉크젯(Inkjet) 방식, 스핀 코팅(Spin Coating) 방식, 노즐 코팅(Nozzle Coating) 방식, 스프레이 코팅(Spray Coating) 방식 및 슬릿 코팅(Slit Coating) 등의 공정으로 형성된다.
즉, 제 2 실시예의 양자 발광층(230)은 정공 수송 물질(120a)과 양자점(130a)이 혼합된 구조로, 정공의 에너지 장벽이 낮아져 정공이 양자 발광층(230)의 정공 수송 물질(120a)을 통해 원활하게 양자점(130a)으로 주입되어 양자점 발광 소자의 효율이 증가된다.
* 제 3 실시예 *
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
이때, 중복된 설명을 피하기 위해, 앞서 설명한 도 2의 설명과 동일한 역할을 하는 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 특징적인 내용만을 살펴보겠다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(110)과, 상기 양극(110) 상에 형성된 정공 수송층(120)과, 상기 정공 수송층(120) 상에 형성되며, 전자 수송 물질(140a)과 양자점(130a)이 혼합된 양자 발광층(330)과, 상기 양자 발광층(330) 상에 형성된 전자 수송층(140) 및 상기 전자 수송층(140) 상에 형성된 음극(150)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 정공 수송층(120)과 양극(110) 사이에 정공 주입층이 더 형성될 수 있으며, 상기 전자 수송층(140)과 음극(150) 사이에 전자 주입층과 정공 억제층이 더 형성될 수 있다.
상기 양자 발광층(330)은, 전자 수송 물질(140a)과 양자점(130a)을 H2O 또는 헥세인(Hexane), 클로로포름(Chloroform) 및 톨루엔(Toluene)과 같은 유기 용매에 분산시킨 혼합물을 상기 정공 수송층(120) 상에 도포한 후 상기 용매를 휘발시키는 잉크젯(Inkjet) 방식, 스핀 코팅(Spin Coating) 방식, 노즐 코팅(Nozzle Coating) 방식, 스프레이 코팅(Spray Coating) 방식 및 슬릿 코팅(Slit Coating) 등의 공정으로 형성된다.
즉, 제 3 실시예의 양자 발광층(330)은 전자 수송 물질(140a)과 양자점(130a)이 혼합된 구조로, 전자의 에너지 장벽이 낮아져 전자가 양자 발광층(230)의 전자 수송 물질(140a)을 통해 원활하게 양자점(130a)으로 주입되어 양자점 발광 소자의 효율이 증가된다.
이상과 같이, 본 발명의 양자점 발광 소자는 전하 수송 입자와 양자점을 혼합하여 양자 발광층을 형성하여, 정공과 전자의 에너지 배리어가 낮아져 정공과 전자가 원활하게 주입되므로, 전하 밸런스(Charge Valance)가 조절되어 소자의 구동전압이 감소하고 수명 특성이 개선되며 양자점 발광 소자의 효율이 증가한다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
200: 기판 110: 양극
120: 정공 수송층 120a: 정공 수송 입자
130: 양자 발광층 130a: 양자점
140: 전자 수송층 140a: 전자 수송 입자
150: 음극

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 양극;
    상기 양극 상에 형성되는 정공 수송층;
    상기 정공 수송층 상에 형성되며, 유기물인 전하 수송 물질과 양자점이 혼합된 양자 발광층;
    상기 양자 발광층 상에 형성되는 전자 수송층; 및
    상기 양자 발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어지되,
    상기 양자점은 상기 전하 수송 물질 내에 분산되는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극과 정공 수송층 사이에 형성된 정공 주입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극과 전자 수송층 사이에 형성된 전자 주입층 및 정공 억제층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 수송 물질은 정공 수송 물질인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 정공 수송 물질은 TPD, PPV, PVK, NPD, CBP, DNA0CTMA, mCP, PEDOT:PSS 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 수송 물질은 전자 수송 물질인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 수송 물질은 TAZ, BCP, TPBI, Alq3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 수송 물질은 정공 수송 물질과 전자 수송 물질 모두 포함한 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
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