KR101766587B1 - 그래핀 기반의 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀 기반의 발광소자의 구조 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 강유전체층, 제1 그래핀층, 발광층, 제2 그래핀층 및 제2 강유전체층을 포함하는 그래핀 기반의 발광소자에 있어서, 상기 강유전체층의 분극 특성에 의해 그래핀층 내의 전하를 유도하여 페르미 준위를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 실시예들은 분극 특성에 의해 그래핀 내의 전하를 유도하여 페르미 준위를 제어할 수 있는 강유전체층을 포함하는 그래핀 기반의 발광소자에 관한 것이다.
발광 소자(Light Emitting Device:LED)는 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체로 만들어진 다이오드에 전류가 흐를 때 전자와 홀이 결합하면서 빛을 발하는 현상을 이용한 소자로서, 광소자 및 고출력 전자 소자 개발 분야에서 큰 주목을 받고 있다.
유기 발광 소자(OLED)는 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체 재료로 이루어지는 점광원 소자인 LED와는 다르게, 양극(anode)과 음극(cathode) 사이에 기능성 유기물계 재료로 이루어지는 소자이고, 면발광이 가능할 뿐만 아니라, 낮은 소비전력, 높은 야외시인성 및 가요성(flexible)과 같은 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 유기 발광 소자는 디스플레이 장치뿐만 아니라 조명 분야에서도 많은 관심을 받고 있다.
하지만 유기 발광 소자는 수분이나 대기에 민감한 OLED 물질 특성을 가지고, 양극의 낮은 일함수에 의한 안전성 문제가 있다. 또한, 양극과 음극의 전하 주입 효율 불균일, 유기물 내의 전하들의 이동도 차이, 열화 현상 및 엑시톤의 형성비 문제에 의해 발광 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 이차원 구조를 가지고, 육각형 결정 구조를 가지며, 단일 원자층의 탄소로 이루어진 그래핀을 투명 전극으로 사용하는 기술이 개발되고 있다. 상기 그래핀은 단일 원자층 구조로 인하여 외부에서 전자를 주입하거나 빼낼 경우 그래핀 내의 페르미 준위가 쉽게 이동하는 특성을 가지고 있다.
하지만 그래핀의 페르미 준위를 원하는 정도로 이동하는데 한계가 있어, 유기 발광 소자에 충분히 적용하지 못하고 있다.
또한, 유기 발광 소자는 통상적으로 상용 전원으로 직류 전압을 사용하게 된다. 그러므로 외부로부터 입력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 공급하는 직류 전압 공급부를 구동하여야 하기 때문에 제조 원가 및 소비 전력이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 강유전체층을 포함하는 그래핀 기반의 발광소자를 형성함으로써, 강유전체층의 분극 특성을 이용하여 그래핀층의 페르미 준위의 조절을 통하여 발광 소자의 발광 특성을 제어하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들은 그래핀 기반의 발광소자에 AC 전압을 갖는 전원을 인가하여 구동함으로써, 발광층에 주입된 전자 및 홀이 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받은 전자 및 홀을 상기 발광층 내에 트래핑(trapping)하고, 상기 트랩된 전자 및 홀의 재결합(recombine)을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성을 제어하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들은 강유전체층을 포함하는 그래핀 기반의 발광소자에 펄스 파형을 갖는 전원을 인가하여 구동함으로써, 발광층에 주입된 전자 및 홀이 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받은 전자 및 홀을 상기 발광층 내에 트래핑하고, 상기 트랩된 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성을 제어하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 제1 강유전체층; 상기 제1 강유전체층 상에 형성된 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 발광층; 상기 발광층 상에 형성된 제2 그래핀층; 및 상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 강유전체층을 포함하고, 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층은 각각의 분극 특성에 따라 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층에 상기 분극 특성에 대응하는 전하를 유도하여 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층의 각각의 페르미 준위를 조절하며, 상기 페르미 준위의 조절을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성이 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 발광소자는, 상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층의 분극에 비례하여 상기 제1 그래핀 및 상기 제2 그래핀의 페르미 준위가 각각 조절되어 상기 발광 특성이 제어될 수 있다.
상기 제1 강유전체층의 전기 쌍극자는 상기 제1 그래핀의 반대 방향으로 향하여, 상기 제1 그래핀 내의 홀을 유도하여 상기 제1 그래핀의 페르미 준위를 높이고, 상기 제2 강유전체층의 전기 쌍극자는 상기 제2 그래핀의 방향으로 향하여, 상기 제2 그래핀 내의 전자를 유도하여 상기 제2 그래핀의 페르미 준위를 낮출 수 있다.
상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층은, PVDF(Polyvinylidene difluoride), P(VDF-TrFE)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)), P(VDF-TrFE-CFE)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), SBT(SrBi2Ta2O9), Bi4Ti3O12 및 BaTiO3으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자는 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 발광층; 및 상기 발광층 상에 형성된 제2 그래핀층을 포함하고, 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 AC 전원 장치로부터 인가되는 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고, 상기 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성이 제어된다.
상기 전압의 주기는 상기 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 발광 특성이 제어될 수 있다.
상기 전압의 주기에 대한 제어를 통하여 상기 주입 받는 전자 및 홀은 상기 발광층 내에 트래핑되고, 상기 트랩된 전자 및 홀의 재결합이 유도될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 발광 소자는, 상기 발광층 및 상기 제1 그래핀층 사이에 형성되는 제1 절연막; 및 상기 발광층 및 상기 제2 그래핀층 사이에 형성되는 제2 절연막을 더 포함하고, 상기 제1 절연막 및 상기 제2 절연막은 상기 발광층에 주입된 전하가 대향하는 전극으로 이동하는 전하를 차단하여 상기 발광층에 주입된 전하를 상기 발광층 내에 트랩할 수 있는 차단층(blocking layer)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광소자는 제1 강유전체층; 상기 제1 강유전체층 상에 형성된 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 발광층; 상기 발광층 상에 형성된 제2 그래핀층; 및 상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 강유전체층을 포함하고, 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 펄스 전원 장치로부터 인가되는 펄스 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고, 상기 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성이 제어된다.
상기 펄스 전압의 주기는 상기 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 발광 특성이 제어될 수 있다.
상기 전압의 주기에 대한 제어를 통하여 상기 주입 받는 전자 및 홀은 상기 발광층 내에 트래핑되고, 상기 트랩된 전자 및 홀의 재결합이 유도될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 강유전체층을 포함하는 그래핀 기반의 발광소자를 형성함으로써, 강유전체층의 분극 특성을 이용하여 그래핀층의 페르미 준위의 조절을 통하여 발광 소자의 발광 특성을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 그래핀 기반의 발광소자에 AC 전압을 갖는 전원을 인가하여 구동함으로써, 발광층에 주입된 전자 및 홀이 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받은 전자 및 홀을 상기 발광층 내에 트래핑하고, 상기 트랩된 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 강유전체층을 포함하는 그래핀 기반의 발광소자에 펄스 파형을 갖는 전원을 인가하여 구동함으로써, 발광층에 주입된 전자 및 홀이 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받은 전자 및 홀을 상기 발광층 내에 트래핑하고, 상기 트랩된 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광 소자를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자(100)는 제1 강유전체층(110), 제1 강유전체층(110) 상에 형성되는 제1 그래핀층(120), 제1 그래핀층(120) 상에 형성되는 발광층(130), 발광층(130) 상에 형성되는 제2 그래핀층(140) 및 제2 그래핀층(140) 상에 형성되는 제2 강유전체층(150)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광 소자는 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)의 분극 특성에 의해 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)의 페르미 준위가 조절될 수 있고, 이로 인해 그래핀 기반의 발광소자(100)의 발광 특성이 제어될 수 있다.
제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 전기 분극(electric polarization) 특성을 가질 수 있고, 바람직하게는, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 하면부에 양(+)의 분극을 갖고 상면부에 음(-)의 분극을 갖거나, 그 반대일 수 있다.
즉, 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)의 페르미 준위는 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)의 분극에 비례하여 조절될 수 있고, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 각각의 분극 특성에 따라 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)에 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)의 분극 특성에 대응하는 전하를 유도하여 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140) 각각의 페르미 준위를 조절할 수 있다.
제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 유기물 강유전체를 포함할 수 있고, 바람직하게는, PVDF(Polyvinylidene difluoride), P(VDF-TrFE)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)) 및 P(VDF-TrFE-CFE)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene))으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
유기물 강유전체는 탄소 간의 거리가 그래핀층 내의 탄소 간의 거리와 유사하여, 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140) 상에 증착한다면 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140) 내에 큰 전하 밀도를 유지할 수 있다.
또한, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 무기물을 포함할 수 있고, 바람직하게는, PZT(Pb(Zr,Ti)O3), SBT(SrBi2Ta2O9), Bi4Ti3O12 및 BaTiO3으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
무기물 강유전체는 형성 공정 시 500℃ 이상의 고온처리가 요구되고, 이로 인해, 고온 공정에서 Pb 및 Bi와 같은 원소가 확산되는 문제가 발생하게 된다. 한편, 유기물 강유전체는 형성 온도가 매우 낮은 반면에 무기물 강유전체에 비해 낮은 유전율 값을 가진다.
제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 스핀 코팅(spin coating), 롤투롤 코팅(roll-to-roll coating), 스크린 프린팅(screen printing), 딥 코팅(dip coating), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition) 및 존 캐스팅(zone casting)을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 제조될 수 있다.
제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)을 스핀 코팅을 이용하여 형성하면, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)을 얇은 박막으로 균일하게 코팅될 수 있다.
실시예에 따라서는 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 스크린 프린팅을 이용하여 형성할 수도 있다. 스크린 프린팅은 나일론 또는 스테인리스 스틸과 같은 물질로 짜여진 망사 구조를 가지는 스크린을 기판 상에 놓고 잉크를 부은 후, 스퀴지(squeegee) 또는 고무롤러로 스크린 내면을 가압하면서 움직여 잉크가 스크린을 통과하여 원하는 부분에 코팅이 되도록 하는 기술이다.
또한, 스크린 프린팅 방법을 사용하여 사용되는 잉크의 조성과 점도를 조절함으로써 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)을 효율적으로 형성할 수 있다.
또한, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 발광층(130)을 보호하는 역할을 할 수 있고, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150) 자체가 기판으로 사용될 수 있어, 기판 제거가 가능해지고, 플렉서블 디스플레이(flexible display)에 적합하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자(100)의 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)은 전극으로 사용되고, 바람직하게는, 제1 그래핀층(120)은 양극으로 사용되고, 제2 그래핀층(140)은 음극으로 사용되나, 그 역도 가능하다.
제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)은 그래핀 산화물을 환원시키거나, 그래핀층을 전사할 수도 있고, 증착법에 의해 형성될 수 있다.
그래핀 산화물을 환원시키는 방법은, 화학적으로 산화된 그래핀을 합성한 후 다시 환원시키는 방법을 의미할 수 있다. 보다 상세하게는, 화학적인 방법으로 작용기가 도입되어 단층으로 분리된 그래핀 산화물을 용액 공정을 통해 기판 상에 코팅한 후 환원시키거나 용액 상에서 환원시킨 후 기판 상에 코팅하여 환원된 그래핀 산화물 박막을 제조할 수 있다.
또한, 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)을 전사하는 경우에는, 탄소원으로부터 화학적으로 합성하는 방법으로서, 그래핀층을 형성한 후 전사할 수 있고, 보다 상세하게는 화학 기상 증착법을 이용하여 예비 기판 상의 금속 촉매 표면에 그래핀층을 형성한 후 다른 기판으로 전사할 수 있다.
실시예에 따라, 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140)을 증착하는 방법은, 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition)과 같은 증착법이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 화학 기상 증착법을 이용하여 그래핀층을 형성할 수 있고, 예를 들어, 탄소에 대한 용해도가 작은 니켈 또는 구리와 같은 금속을 촉매로 사용하여 촉매층을 형성한 다음, 촉매층을 탄소 함유 혼합 가스와 반응시켜 그래핀층을 형성할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면 상대적으로 높은 비율의 단층의 그래핀층을 형성하는 것이 가능하다.
발광층(130)은 제1 그래핀층(120)에서 주입된 홀과 제2 그래핀층(140)에서 주입된 전자가 만나 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이때 형성된 엑시톤이 특정한 파장을 갖는 빛을 발생시킨다.
발광층(130)으로는 산화층(oxide layer), 질화층(nitride layer), 반도체층(semiconductor layer), 유기화합물층(organic compound layer), 무기화합물층(inorganic compound layer), 양자점층 (quantum dot layer), 양자우물층 (quantum well layer), 인광층(phosphor layer) 및 염료층(dye layer)을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 유기화합물층이 사용되나, 이에 제한되지 않는다.
발광층(130)은 진공 증착법 (vacuum deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting)을 이용하여 형성될 수 있다.
바람직하게는, 박막 형성 공정이 간편하고, 핀홀(pin hole)이 거의 없는 균질한 박막을 형성할 수 있는 진공 증착법이 사용될 수 있다.
이하에서는, 도2를 참조하여 도 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 강유전체층(110), 제1 그래핀층(120), 발광층(130), 제2 그래핀층(140) 및 제2 강유전체층(150)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)의 하면부에는 양(+)의 분극을 갖고 상면부에는 음(-)의 분극을 가지는 구조를 가진다.
제1 강유전체층(110)의 전기 쌍극자는 제1 그래핀층(120)의 반대 방향으로 향하여, 제1 그래핀(120) 내의 홀을 유도함으로써, 제1 그래핀층(120)의 페르미 준위를 높이고, 제2 강유전체층(150)의 전기 쌍극자는 제2 그래핀층(140)의 방향으로 향하여, 제2 그래핀층(140) 내의 전자를 유도함으로써, 제2 그래핀층(140)의 페르미 준위를 낮출 수 있다.
즉, 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)은 각각의 분극 특성에 따라 제1 강유전체층(110) 및 제2 강유전체층(150)의 분극 특성에 대응하는 전하를 유도하여 제1 그래핀층(120) 및 제2 그래핀층(140) 각각의 페르미 준위를 조절하고, 이를 통하여 발광 소자의 발광 특성이 제어된다.
이하에서는 도3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 도시한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자(200)는 제1 그래핀층(210), 제1 그래핀층(210) 상에 형성된 발광층(220) 및 발광층(220) 상에 형성된 제2 그래핀층(220)을 포함하고, 제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(220)은 전원 장치(240)를 통하여 AC 전원이 인가된다.
제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(230)은 그래핀 기반의 발광소자(200)의 전극으로서, 바람직하게는, 제1 그래핀층(210)은 양극으로 사용되고, 제2 그래핀층(230)은 음극으로 사용되나, 그 역도 가능하다.
제1 그래핀층(210), 발광층(220) 및 제2 그래핀층(230)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(220)에 전원 장치(240)를 통하여, 소정의 주파수를 갖고, 소정 주기 동안에는 소정 방향으로 전류가 흐르며, 다음 소정주기 동안에는 그와 반대 방향으로 전류가 교대로 흐르는 AC 전원이 인가된다.
제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(220)은 전원 장치(240)로부터 인가되는 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고, 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 발광 소자(200)의 발광 특성이 제어된다.
즉, 인가되는 AC 전압의 주기는 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 전압의 주기가 빠르게 제어되어 주입 받은 전자 및 홀이 발광층(220) 내에 트래핑되고, 트랩된 전자 및 홀의 재결합이 유도될 수 있다.
또한, 전원 장치(240)로부터 인가되는 AC 전압의 주파수는 발광층(220)의 두께 및 발광층(220) 내의 전자와 홀의 이동도에 따라 결정될 수 있다.
AC 구동은 발광층(220)에서 전자와 홀이 트래핑되게 하고, 엑시톤을 형성하며, 이 엑시톤이 발광 후 소멸되도록 한다. 즉, 전원 장치(240)로부터 AC 전압이 인가되면 제1 그래핀층(210)으로부터 전자와 홀이 발광층(220)에 주입되고, 주입된 전자나 홀이 대향하는 전극으로 이동하는 것을 막는다.
즉, AC 전압은 주입된 전자나 홀이 대향하는 전극으로 이동하는 것을 막기 위하여 펄스의 크기(V), 주기(f) 또는 폭이 발광층(220)의 두께(d) 및 발광층(220)의 전자 및 홀의 이동도(μe, μh)와 하기 식 1의 상관관계를 가지도록 전원 장치(240)를 통하여 구동될 수 있다
[식 1]
(여기서, d는 발광층의 두께이고, μ는 전자 또는 홀의 이동도(μe, μh)이며, V는 펄스의 크기이고, f는 주기를 나타낸다.)
본 발명의 실시예에 따라 전자와 홀의 이동도는 0.01 cm2/(V*sec) 내지 1000cm2/(V*sec)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광층(220)의 두께는 100μm 이하일 수 있고, 전원 장치(240)로부터 인가되는 AC 전압의 주파수는 10KHz 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 발광층(220)의 두께가 100μm를 초과하는 경우에는 구동 전압이 상승하기 때문에 비경제적이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 AC 전원 장치(240)는 통상적인 주파수 대비 상대적으로 높은 주파수를 가질 수 있다.
전원 장치(240)로부터 인가되는 AC 파형은 정현파(sine wave), 삼각파(triangular wave) 및 사각형파(square wave)를 포함하는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통상의 발광소자를 구동시키기 위해서는 상용 전원이 AC 전원이므로 이를 DC 전원으로 변환하여 사용하여야 하고, 이로 인해, AC-DC 변환기 회로 및 DC 조정기(regulator)와 같은 별도의 구동 장치가 필요하게 된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자는 AC-DC 변환기와 같은 별도의 구동 장치 필요 없이 직접 AC 전원 장치를 이용하여 발광소자(200)를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)는, 도 3에는 도시되지 않았지만, 발광층(220) 및 제1 그래핀층(210) 사이에 제1 절연막이 추가로 형성되고, 발광층(220) 및 제2 그래핀층(230) 사이에 제2 절연막이 추가로 형성될 수 있다.
제1 절연막 및 제2 절연막은 발광층(220)에 주입된 전자 및 홀이 대향하는 전극으로 이동하는 것을 차단하여 발광층(220)에 주입된 전자 및 홀을 발광층(220) 내에 트랩시킬 수 있는 차단층(blocking layer)으로 사용될 수 있다.
제1 절연막 및 제2 절연막은 발광층(220)보다 상대적으로 큰 밴드갭을 가짐으로써, 제1 그래핀(210) 및 제2 그래핀(230)으로부터 주입된 전자 및 홀이 발광층(220)에서 재결합되지 않고 대향 전극으로 주입되는 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 발광층(220)에서의 전자와 홀의 재결합 확률을 높일 수 있다.
제1 절연막 및 제2 절연막은 실리콘옥시카바이드(silicon oxycarbide, SiOC), 옥사디아졸 유도체(oxadiazole derivative), 트리아졸 유도체(triazole derivative), 페난트롤린 유도체(phenanthroline derivative), Balq(bis(2-methyl-8-quninolinato)-4-phenylphenolate) 및 BCP(block copolymer)을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
제1 절연막 및 제2 절연막은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting)을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 제조될 수 있다.
또한, 제1 절연막 및 제2 절연막의 두께는 2nm 내지 50nm로 형성될 수 있다. 제1 절연막 및 제2 절연막의 두께가 5nm 미만일 경우 차단층(blocking layer)의 역할을 충분히 할 수 없게 되고, 두께가 50nm를 초과할 경우 너무 두꺼워져 발광층 방향에 대한 저항 성분이 커짐에 따라 홀의 주입이 어려워져 휘도 또는 순방향 전압(VF) 강하 특성이 저하될 수 있다.
이하에서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 설명하기로 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 그래핀층(210), 발광층(220), 제2 그래핀층(230) 및 전원 장치(240)를 포함한다.
도 4a는 양(+)의 전압을 가했을 때의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이고, 도 4b는 음(-)의 전압을 가했을 때의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 그래핀(210) 및 제2 그래핀(230)은 전원 장치(240)을 통해 AC 전압이 인가될 수 있다.
제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(220)에 전원 장치(240)를 통하여, 소정의 주파수를 갖고, 소정 주기 동안에는 양(+)의 전압을 가하고, 다음 소정주기 동안에는 그와 반대 방향인 음(-)의 전압을 가하는 AC 전원이 인가된다. 교대로 인가되는 AC 전원에 의해 제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(220)의 페르미 준위가 변할 수 있다.
제1 그래핀층(210) 및 제2 그래핀층(220)은 전원 장치(240)로부터 인가되는 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고, 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 발광 소자의 발광 특성이 제어될 수 있다.
이하에서는 도5를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자를 도시한 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자(300)는 제1 강유전체층(310), 제1 강유전체층(310) 상에 형성된 제1 그래핀층(320), 제1 그래핀층(320) 상에 형성된 발광층(330), 발광층(330) 상에 형성된 제2 그래핀층(340) 및 제2 그래핀층(340) 상에 형성된 제2 강유전체층(350)을 포함하고, 제1 그래핀층(320) 및 제2 그래핀층(340)은 전원 장치(360)를 통하여 펄스 전원이 인가된다.
제1 그래핀층(320) 및 제2 그래핀층(340)은 그래핀 기반의 발광소자(300)의 전극으로서, 제1 그래핀층(320)은 양극으로 사용되고, 제2 그래핀층(340)은 음극으로 사용되나, 그 역도 가능하다.
제1 강유전체층(310), 제1 그래핀층(320), 발광층(330), 제2 그래핀층(340) 및 제2 강유전체층(350)은 도 1에서 설명한 바와 같고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 그래핀층(320) 및 제2 그래핀층(340)은 전원 장치(360)로부터 인가되는 펄스 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고, 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 발광 소자(300)의 발광 특성이 제어된다.
즉, 인가되는 펄스 전압 주기는 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 펄스 전압의 주기가 빠르게 제어되어 주입 받은 전자 및 홀이 발광층(330) 내에 트래핑되고, 트랩된 전자 및 홀의 재결합이 유도될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원 장치(360)에 인가되는 주파수는 10KHz 이상이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 식 1에서 전술한 바과 같이 전원 장치(360)에 인가되는 주파수 및 펄스 폭은 발광층(330)의 두께 및 전자와 홀의 이동도에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자와 홀의 이동도는 0.01 cm2/(V*sec) 내지 1000cm2/(V*sec)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전원 장치(360)에 인가되는 펄스 파형은, 정현파(sine wave), 삼각파(triangular wave), 사각형파(square wave)를 포함하는 군에서 선택될 수 있고, 펄스 파형의 인가 전압을 1회 또는 복수회 인가할 수 있다.
이하에서는 도6를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 기반의 발광소자는 도 6에서 도시된 바와 같이, 제1 강유전체층(310), 제1 그래핀층(320), 발광층(330), 제2 그래핀층(340), 제2 강유전체층(350) 및 전원 장치(360)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 그래핀층(320) 및 제2 그래핀층(340)에 전원 장치(360)를 통하여 펄스 전원이 인가될 수 있다.
전원 장치(360)에서 인가되는 펄스 전원은 소정의 주기를 갖는 펄스 파형으로 전압이 인가되고, 이로 인해 제1 그래핀층(320) 및 제2 그래핀층(340)의 페르미 준위가 조절될 수 있다.
인가되는 펄스 전압 주기는 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 펄스 전압의 주기가 빠르게 제어되어 주입 받은 전자 및 홀이 발광층(330) 내에 트래핑되고, 트랩된 전자 및 홀의 재결합이 유도될 수 있다. 이로 인해 그래핀 기반의 발광소자의 발광 특성이 향상된다
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되고, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200, 300 : 발광소자
110, 310 : 제1 강유전체층
120. 210, 320 : 제1 그래핀층
130, 220, 330 : 발광층
140, 230, 340 : 제2 그래핀층
150, 350 : 제2 강유전체층
240, 360 : 전원 장치
110, 310 : 제1 강유전체층
120. 210, 320 : 제1 그래핀층
130, 220, 330 : 발광층
140, 230, 340 : 제2 그래핀층
150, 350 : 제2 강유전체층
240, 360 : 전원 장치
Claims (11)
- 발광 소자에 있어서,
제1 강유전체층;
상기 제1 강유전체층 상에 형성된 제1 그래핀층;
상기 제1 그래핀층 상에 형성된 발광층;
상기 발광층 상에 형성된 제2 그래핀층; 및
상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 강유전체층을 포함하고,
상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층은 각각의 분극 특성에 따라 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층에 상기 분극 특성에 대응하는 전하를 유도하여 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층의 각각의 페르미 준위를 조절하며,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 AC 전원 장치로부터 인가되는 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고,
상기 전압의 주기는 상기 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 상기 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성이 제어되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 발광소자는,
상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층의 분극에 비례하여 상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층의 페르미 준위가 각각 조절되어 상기 발광 특성이 제어되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 강유전체층의 전기 쌍극자는 상기 제1 그래핀층의 반대 방향으로 향하여, 상기 제1 그래핀층 내의 홀을 유도하여 상기 제1 그래핀층의 페르미 준위를 높이고,
상기 제2 강유전체층의 전기 쌍극자는 상기 제2 그래핀층의 방향으로 향하여, 상기 제2 그래핀층 내의 전자를 유도하여 상기 제2 그래핀층의 페르미 준위를 낮추는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 강유전체층 및 상기 제2 강유전체층은,
PVDF(Polyvinylidene difluoride), P(VDF-TrFE)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)), P(VDF-TrFE-CFE)(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), SBT(SrBi2Ta2O9), Bi4Ti3O12 및 BaTiO3으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 발광 소자에 있어서,
제1 그래핀층;
상기 제1 그래핀층 상에 형성된 발광층; 및
상기 발광층 상에 형성된 제2 그래핀층을 포함하고,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 AC 전원 장치로부터 인가되는 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고,
상기 전압의 주기는 상기 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 상기 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받는 전자 및 홀의 재결합(recombine)을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성이 제어되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 전압의 주기에 대한 제어를 통하여 상기 주입 받는 전자 및 홀은 상기 발광층 내에 트래핑(trapping)되고, 상기 트래핑된 전자 및 홀의 재결합이 유도되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 제5항에 있어서,
상기 발광 소자는,
상기 발광층 및 상기 제1 그래핀층 사이에 형성되는 제1 절연막; 및
상기 발광층 및 상기 제2 그래핀층 사이에 형성되는 제2 절연막
을 더 포함하고,
상기 제1 절연막 및 상기 제2 절연막은 상기 발광층에 주입된 전하가 대향하는 전극으로 이동하는 것을 차단하여
상기 발광층에 주입된 전하를 상기 발광층 내에 트랩할 수 있는 차단층(blocking layer)인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 발광 소자에 있어서,
제1 강유전체층;
상기 제1 강유전체층 상에 형성된 제1 그래핀층;
상기 제1 그래핀층 상에 형성된 발광층;
상기 발광층 상에 형성된 제2 그래핀층; 및
상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 강유전체층을 포함하고,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층은 펄스 전원 장치로부터 인가되는 펄스 전압의 주기에 대응하여 전자 및 홀을 교대로 주입 받고,
상기 펄스 전압의 주기는 상기 전자 및 홀이 주입되어 대향하는 전극에 도달하는 시간보다 상기 펄스 전압의 주기가 빠르게 제어되어 상기 주입 받는 전자 및 홀의 재결합을 통하여 상기 발광 소자의 발광 특성이 제어되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 전압의 주기에 대한 제어를 통하여 상기 주입 받는 전자 및 홀은 상기 발광층 내에 트래핑되고, 상기 트래핑된 전자 및 홀의 재결합이 유도되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160083327A KR101766587B1 (ko) | 2016-07-01 | 2016-07-01 | 그래핀 기반의 발광소자 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160083327A KR101766587B1 (ko) | 2016-07-01 | 2016-07-01 | 그래핀 기반의 발광소자 및 그 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101766587B1 true KR101766587B1 (ko) | 2017-08-23 |
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ID=59759125
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| KR1020160083327A KR101766587B1 (ko) | 2016-07-01 | 2016-07-01 | 그래핀 기반의 발광소자 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101766587B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102187443B1 (ko) * | 2019-06-03 | 2020-12-08 | 한국과학기술원 | 광소자 및 그의 제조방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150075602A1 (en) * | 2012-03-23 | 2015-03-19 | National University Of Singapore | Photovoltaic cell with graphene-ferroelectric electrode |
| US20150083206A1 (en) | 2012-03-22 | 2015-03-26 | The University Of Manchester | Photovoltaic cells |
-
2016
- 2016-07-01 KR KR1020160083327A patent/KR101766587B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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| KR102187443B1 (ko) * | 2019-06-03 | 2020-12-08 | 한국과학기술원 | 광소자 및 그의 제조방법 |
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