KR101726959B1 - 전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 발광소자에 관한 것으로서 나노입자와 용매를 혼합한 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포하고 용매는 박막 형성 위치에 도달하기 전에 휘발되도록 함으로써 나노입자로 이루어진 박막을 형성하는 것을 특징으로 하며, 용매가 박막 형성 위치에 도달하기 전에 휘발되므로 동일한 종류의 용매를 사용하는 하부 박막을 손상시키지 않고 복수의 박막을 연속하여 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법{Method For Manufacturing Light Emitting Diode Using Electrospray}

본 발명은 발광소자 및 발광소자 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 전기분무 방법을 이용한 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 발광소자에 관한 것이다.

발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이 나노 결정의 박막이 다수 적층되어 형성된다.

나노 결정 다층 박막 구조의 발광소자를 제조함에 있어서 용매에 나노입자를 혼합하고 이를 박막으로 형성하기 위해서는 용액공정이 필수적으로 사용되고 있으나 도 2에 도시된 바와 같이 같은 종류의 용매를 사용하는 박막은 상부층 코팅시 상부층을 형성하기 위한 용액의 용매에 하부층이 용해되기 때문에 다층 박막 구조를 만들기 어렵다.

이러한 문제에 대한 개선책으로 하기 선행 특허와 같이 가교물질을 이용하는 가교물질 이용법, 버퍼층 삽입법, 블레이드 코팅법 등이 연구개발되고 있으나 이들 방법들은 모두 다층을 형성하기 위해 추가적인 공정들을 요구한다는 문제점을 가지고 있다.

이에 본 발명의 발명자는 추가적인 공정 없이 다층박막을 형성할 수 있는 방법을 개발하기에 이른 것이다.

한국공개특허 제10-2005-0112938호

본 발명의 목적은 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전기분무 장치를 이용한 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기분무 장치를 이용하여 박막을 적층하는 과정에서 박막 형성 전에 용매가 휘발되어 동일한 종류의 용매를 사용하는 하부 박막을 손상시키지 않는 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 동일한 종류의 용매를 사용하는 다수의 박막을 손상없이 적층하기 위해 추가공정이 필요없는 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단축된 공정시간, 감소된 공정비용으로 효율이 향상된 발광소자를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자에 의해 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조 방법은 제1 용매에 제1 나노입자가 용해된 제1 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포함으로써 제1 나노입자로 이루어진 제1 박막을 형성하는 단계; 및 제2 용매에 제2 나노입자가 용해된 제2 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포함으로써 상기 제1 박막 상부에 제2 나노입자로 이루어진 제2 박막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 제2 용매는 상기 제1 박막에 도달하기 전에 휘발되는 것을 특징으로 한다.

제2 용매는 상기 제1 나노입자 및 제2 나노입자를 모두 녹일 수 있는 용매일 수 있다.

제2 용매는 주용매와 부용매가 혼합된 혼합용매일 수 있다.

부용매는 1.5F/m~12F/m의 유전율 및 10㎜Hg~150㎜Hg의 증기압력을 갖는 용매일 수 있고, 주용매와 부용매의 혼합비율은 부피비가 2.5:1 ~ 5.5:1일 수 있다.

또한 제1 용매와 제2 용매는 동일한 용매일 수 있고, 제1 나노입자와 제2 나노입자도 동일한 물질의 나노입자일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 발광소자는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하며, 대면적의 면발광 형태를 갖는 것이 가능하며, 발광층이 손상없이 적층된 백색발광소자일 수 있다.

본 발명은 동일한 종류의 용매를 사용하는 나노 결정의 박막을 적층함에 있어서 전기분무를 이용하여 발광소자를 제조할 수 있는 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 전기분무 장치를 이용하여 박막을 적층하는 과정에서 박막 형성 전에 용매가 휘발되어 동일한 종류의 용매를 사용하는 하부 박막을 손상시키지 않는 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 효과를 갖는다.

또한 동일한 종류의 용매를 사용하는 복수의 나노 결정 박막을 추가 공정 없이 적층함으로써 공정시간 및 공정비용을 절감할 수 있는 발광소자 제조방법 및 이를 이용하여 형성된 발광소자를 제공하는 효과를 갖는다.

도 1은 발광소자의 다층박막 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 동일한 용매를 사용하여 스핀코팅 방법으로 다층 박막을 형성하였을 때의 단면 TEM사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 박막을 형성하는 모습을 보여주는 개략도이다.
도 4는 인가전압에 따라 전기분무되는 용액이 형성하는 콘 모양의 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 박막을 형성하였을 때의 표면 AFM사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 이미 형성된 박막 위에 다른 박막을 적층하는 모습을 보여주는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 다층 박막을 형성하였을 때의 단면 TEM사진이다.
도 8은 스핀코팅 방법으로 형성된 발광소자의 인가 전압에 따른 발광 스펙트럼 및 색좌표이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 발광소자의 인가 전압에 따른 발광 스펙트럼 및 색좌표이다.
도 10은 스핀코팅 방법으로 형성된 발광소자의 전압-밝기 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 발광소자의 전압-밝기 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 발광소자에 대해 상세히 설명하도록 한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 발광소자를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 3에 본 발명의 일 실시예에 따라 박막을 형성하는 모습을 보여주는 개략도가 도시되어 있다.

본 발명의 목적은 전기분무를 이용하여 발광소자를 제조하는 것이다. 이를 위해 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법은 박막을 형성하기 위한 나노입자(1)를 용매(2)에 용해시켜 용액을 만들고, 이를 도 3에 도시된 바와 같은 전기분무 장치(10)를 이용하여 분무함으로써 나노입자(1)로 이루어진 박막을 형성한다.

나노입자(1)는 발광소자의 정공수송층, 발광층, 전자수송층을 형성하기 위한 나노결정일 수 있다.

예를 들어 나노 입자(1)는 반도체 나노결정일 수 있으며, Ⅱ-Ⅵ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, Ⅳ-Ⅳ족 화합물, Ⅳ족 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

Ⅱ-Ⅵ족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택 될 수 있다.

또한 III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이 들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택 될 수 있다.

또한 IV-VI 족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한 IV족 화합물은 Si, Ge 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 단원소 화합물; 및 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

이와 같은 나노입자(1)와 혼합되는 용매(2)는 나노입자(1)를 녹일 수 있는 물질이며, 예를 들어 나노입자가 발광층을 형성하기 위한 발광 무기나노입자인 경우 용매(2)는 이를 녹일 수 있는 유기용매일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조 방법은 전기분무를 이용하여 발광소자를 제조하기 때문에 전기분무 과정에서 대전되고 안정된 테일러콘(taylor cone) 형태의 전기분무가 가능하도록 용매(2)가 일정 값 이상의 유전율을 가져야 한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조 방법은 도 3에 도시된 바와 같이 용매(2)에 나노입자(1)를 녹인 용액을 전기분무를 이용하여 기판(20) 상부에 도포한 경우 용매(2)는 기판(20) 표면에 닿기 전에 휘발되고 나노입자(1)만 기판(20) 상부면에 도달하여 나노입자로 이루어진 박막을 형성한다. 이를 위해 용매(2)는 일정 값 이상의 증기압력(휘발성)을 가져야 한다.

용매가 위와 같은 특징을 갖도록 하기 위해 주용매와 부용매를 혼합한 혼합용매가 바람직하게 사용될 수 있다.

주용매와 부용매는 서로 잘 섞여야 하고, 나노입자를 녹일 수 있는 용해성이 있어야 함과 동시에 부용매는 주용매가 갖는 유전율, 점성, 휘발성 등을 보충할 수 있는 물질인 것이 바람직하다.

주용매와 부용매의 혼합 비율은 부피비 2.5:1 ~ 5.5:1 정도가 바람직하며, 부용매는 발광소자 제조시 주로 사용되는 용매들인 주용매의 일반적인 성질을 고려할 때 1.5F/m~12F/m의 유전율 및 10㎜Hg~150㎜Hg의 증기압력을 갖는 용매인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조방법은 위와 같은 나노입자(1)를 용매(2)에 용해시켜 만든 용액을 전기분무 장치(10)를 이용하여 분무함으로써 나노입자(1)로 이루어진 박막을 형성한다.

이때 전기분무 장치(10)에서 적절한 전압을 용액에 인가함으로써 용액이 균일하게 분사되도록 해야 한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 전기분무 장치에서 인가하는 전압의 크기에 따라 전기분무 장치에서 분무되는 용액의 분무 형태가 달라진다. 따라서 당업자는 이러한 사항 및 사용하는 용액의 특성에 따라 Cone-Jet 스프레이를 형성하는 적절한 전압을 결정하여 용액에 인가할 수 있을 것이다.

또한 전기분무 장치를 이용하여 박막을 형성함에 있어서 노즐(11)과 기판(20)은 적절한 거리만큼 이격되어야 한다. 이러한 이격거리는 당업자가 분무되는 용액의 양, 용매의 증발정도에 따라 노즐에서 용액이 분사된 후 기판(20)에 도달하는 과정에서 용매(2)는 모두 휘발되고 나노입자(1)만 기판(20)에 도달할 수 있는 거리를 적절히 선택할 수 있을 것이다.

본 발명의 발명자는 주용매와 부용매로 각각 헥산(hexane)과 옥탄(octane)을 사용하고 이를 부피비 4:1의 비율로 혼합한 후 발광층을 형성하기 위한 발광 무기나노입자를 혼합 용매에 용해시켜 용액을 만들고 전기분무 장치에서 분무되는 용액이 Cone-Jet 스프레이를 형성할 수 있도록 2.5㎸~4.0㎸의 전압을 인가하고 노즐과 기판을 4.5㎝~5.5㎝ 이격시킨 상태에서 용액을 분산하여 기판 위에 박막을 형성하였다.

그 결과 혼합 용액은 기판에 도달하기 전에 모두 휘발되고 도 5에 도시된 바와 같이 발광 무기나노입자로 이루어진 박막이 기판 상부에 고르게 형성됨을 확인할 수 있었다(평균 표면 거칠기 값: 3.4㎚).

다음으로, 본 발명의 다른 목적은 추가적인 공정없이 동일한 종류의 용매에 용해되는 나노입자로 이루어진 복수 개의 박막을 연속하여 형성하는 것이다.

이를 위해 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광소자 제조 방법은 제1 용매에 제1 나노입자를 용해시킨 제1 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포함으로써 제1 나노입자로 이루어진 제1 박막을 형성하는 단계; 및 제2 용매에 제2 나노입자를 용해시킨 제2 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포함으로써 제1 박막 상부에 제2 나노입자로 이루어진 제2 박막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 제1 박막을 형성하는 단계 및 제2 박막을 형성하는 단계는 앞서 설명한 제1 실시예에 따른 박막 형성 과정을 두 번 반복하는 것이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 기판(20) 상부에 제1 나노입자(1)를 제1 용매(2)에 용해시킨 제1 용액을 전기분무 방법으로 도포함으로써 제1 나노입자로 이루어진 제1 박막을 형성한 후 제2 나노입자(3)를 제2 용매(4)에 용해시킨 제2 용액을 전기분무 방법으로 제1 박막 상부에 도포함으로써 제1 박막 상부에 제2 나노입자로 이루어진 제2 박막을 형성하는 것이다.

이때 제2 용매(4)는 제1 나노입자도 용해시킬 수 있는 용매일 수 있다. 하지만 노즐에서 분사된 후 제1 박막에 도달하는 과정에서 모두 휘발되어 제1 박막에 도달하지 않으므로 제1 박막을 형성한 후 종래 기술과 같이 제1 박막을 보호하기 위한 별도의 공정을 수행하지 않더라도 제1 박막을 손상시키지 않고 제1 박막 상부에 제2 박막을 형성할 수 있게 된다.

제2 실시예에 있어서 제1 나노입자, 제2 나노입자, 제1 용매, 제2 용매, 제1 용액, 제2 용액으로 구분하여 명명하였으나 제1 나노입자와 제2 나노입자는 동일한 나노입자일 수 있고, 제1 용매와 제2 용매 역시 동일한 용매일 수 있으며, 제1 용액과 제2 용액도 동일한 용액일 수 있다.

또한 본 발명의 제2 실시예에서 나노입자, 용매, 전기분무에 의한 박막형성 방법 등은 제1 실시예에서의 설명과 동일하므로 앞선 설명으로 갈음하고 생략하기로 한다.

지금까지 설명한 본 발명의 제2 실시예에 따라 복수의 박막을 적층하여 발광소자를 제조한 결과 도 2에 도시된 종래 방법에 따라 제조한 경우와 달리 같은 종류의 용매를 사용하더라도 상부 박막을 형성하는 과정에서 하부 박막이 용해되지 않음을 확인할 수 있었다(도 7 참조).

또한 본 발명의 발명자는 주용매와 부용매로 각각 헥산(hexane)과 옥탄(octane)을 사용하고 이를 부피비 4:1의 비율로 혼합한 후 발광층을 형성하기 위한 발광 무기나노입자를 혼합 용매에 용해시켜 용액을 만들고 전기분무 장치에서 분무되는 용액이 Cone-Jet 스프레이를 형성할 수 있도록 2.5㎸~4.0㎸의 전압을 인가하고 노즐과 기판을 4.5㎝~5.5㎝ 이격시킨 상태에서 용액을 분산하여 기판 위에 박막을 형성하는 방법으로 청, 적, 녹의 세가지 색을 나타내는 양자점을 순서대로 적층하여 발광소자를 제조하고 이와 비교하기 위해 동일한 용액을 스핀코팅 방법으로 적층하여 발광소자를 제조한 후 두 발광소자의 특성을 비교하였다.

그 결과 스핀코팅 방법으로 형성된 발광소자의 인가 전압에 따른 발광 스펙트럼 및 색좌표를 보여주는 도 8에서 확인할 수 있듯이 스핀코팅 방법으로 형성한 발광소자에서는 가장 마지막에 적층한 녹색의 스펙트럼이 가장 강하게 나오고, 두번째로 적층한 적색의 스펙트럼은 일부 확인되나 제일 처음 적층했던 청색의 스펙트럼은 관찰되지 않아 박막이 제대로 형성되지 않았음을 알 수 있다.

이에 반해 본 발명의 실시예에 따라 형성된 발광소자의 인가 전압에 따른 발광 스펙트럼 및 색좌표를 보여주는 도 9에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따라 형성된 발광소자는 적층된 적, 녹, 청의 세가지 색을 모두 확인할 수 있어 각각의 층이 손상되지 않고 제대로 적층되었음을 알 수 있었다.

또한 스핀코팅 방법으로 형성된 발광소자의 전압-밝기 그래프를 보여주는 도 10과 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 발광소자의 전압-밝기 그래프를 보여주는 도 11을 비교하여 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 발광소자의 밝기가 더 밝고 효율적임을 확인할 수 있었다.

지금까지 설명한 본 발명의 실시예에 따른 전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법으로 용매의 변경없이 적층된 구조의 발광소자를 연속된 공정으로 제조할 수 있기 때문에 종래보다 단축된 공정시간과 저렴한 제조비용으로 성능이 향상된 발광소자를 제조할 수 있다.

또한 박막을 대면적으로 형성할 수 있어 면발광 형태의 발광소자를 제조할 수 있고, 오렌지색 발광층과 청색층 발광층, 또는 적색-녹색-청색 발광층을 하부 발광층의 손상없이 형성시켜 백색 발광소자를 제조할 수 있으며, 이를 포함하는 백라이트 유닛 등 다양한 형태의 활용이 가능한 발광소자를 제조할 수 있다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분무를 이용한 발광소자 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 발광소자를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

1, 3: 나노입자 2, 4: 용매
10: 전기분무장치 11: 노즐
20: 기판

Claims (9)

1. 제1 용매에 제1 나노입자가 용해된 제1 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포함으로써 제1 나노입자로 이루어진 제1 박막을 형성하는 단계; 및
   제2 용매에 제2 나노입자가 용해된 제2 용액을 전기분무 방법을 이용하여 도포함으로써 상기 제1 박막 상부에 제2 나노입자로 이루어진 제2 박막을 형성하는 단계;
   를 포함하여 이루어지고, 상기 제2 용매는 상기 제1 박막에 도달하기 전에 휘발되는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 용매는 상기 제1 나노입자 및 제2 나노입자를 모두 녹일 수 있는 용매인 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 용매는 주용매와 부용매가 혼합된 혼합용매인 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 부용매는 1.5F/m~12F/m의 유전율 및 10㎜Hg~150㎜Hg의 증기압력을 갖는 용매인 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 주용매와 부용매는 2.5:1 ~ 5.5:1의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 용매와 상기 제2 용매는 동일한 용매인 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 나노입자와 상기 제2 나노입자는 동일한 물질의 나노입자인 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
   
8. 삭제
9. 삭제

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