KR101777596B1 - 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 우수한 광학특성을 가져, 광전소자의 광효율을 향상시킬 수 있는 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 매트릭스 층; 상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점; 및 상기 다수의 양자점 사이에 배치되는 형태로 상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자를 포함하되, 상기 산란입자는 내부에 중공이 형성되어 있어 다중 굴절률을 나타내는 것을 특징으로 하는 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자를 제공한다.

Description

양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자{QUANTUM DOT COMPOSITE AND OPTOELECTRONICS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 우수한 광학특성을 가져, 광전소자의 광효율을 향상시킬 수 있는 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 약 10㎚ 이하의 직경을 갖는 반도체 물질의 나노 결정으로, 양자제한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이다. 이러한 양자점은 통상의 형광체보다 강한 빛을 좁은 파장대에서 발생시킨다. 이때, 양자점의 발광은 전도대에서 가전자대로 들뜬 상태의 전자가 전이하면서 발생되는데 같은 물질의 경우에도 입자 크기에 따라 파장이 달라지는 특성을 나타낸다. 즉, 양자점의 크기가 작을수록 짧은 파장의 빛을 발광하기 때문에 크기 조절을 통해 원하는 파장 영역의 빛을 얻을 수 있다.
나노 결정의 양자점을 합성하는 방법으로는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)나 MBE(molecular beam epitaxy)와 같은 기상 증착법과 유기용매에 전구체 물질을 넣어 결정을 성장시키는 화학적 습식법이 이용된다.
여기서, 화학적 습식법은 결정이 성장할 때, 유기용매가 자연스럽게 양자점의 결정 표면에 배위되어, 분산제의 역할을 하도록 하여 결정의 성장을 조절하는 방법으로, MOCVD나 MBE와 같은 기상 증착법보다 간단하고, 저가의 공정을 통해서도 나노 결정의 크기와 형태의 균일도를 조절할 수 있는 장점을 갖는다.
상기와 같은 방법을 통해 제조된 양자점은 나노미터 스케일의 크기, 크기 조절이 가능한 광학특성, 높은 광 안정성 및 넓은 흡수 스펙트럼과 같은 독특한 물리적 특성으로 인해, 생체영상, 광전지 장치, 광 발광소자, 메모리 및 디스플레이 장치 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
한편, 이러한 양자점은 통상의 폴리머(polymer)와 혼합하여 시트(sheet) 형태로 만들어 다양한 분야에 적용하게 된다. 종래에는 높은 광효율을 얻기 위해, 산화티타늄, 산화알루미늄, 티탄산바륨 및 이산화실리콘 등의 산란제를 첨가하였으나, 상기와 같은 산란제를 첨가하는 방식만으로는 광효율 향상에 한계가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0136259호(2013.12.12.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 광학특성을 가져, 광전소자의 광효율을 향상시킬 수 있는 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 매트릭스 층; 상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점; 및 상기 다수의 양자점 사이에 배치되는 형태로 상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자를 포함하되, 상기 산란입자는 내부에 중공이 형성되어 있어 다중 굴절률을 나타내는 것을 특징으로 하는 양자점 복합체를 제공한다.
여기서, 상기 산란입자는 내부에 중공이 형성되어 있는 유리입자 또는 폴리머입자로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 다수의 산란입자는 상기 매트릭스 층 내부에 상기 매트릭스 층과 상기 다수의 양자점의 함량 대비 0.04~10wt% 비율로 포함되어 있을 수 있다.
그리고 상기 산란입자는 상기 양자점보다 크기가 클 수 있다.
이때, 상기 산란입자의 크기는 3~100㎛일 수 있다.
또한, 상기 매트릭스 층은 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 양자점은 Si계 나노결정, Ⅱ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정, Ⅲ-Ⅴ족계 화합물 반도체 나노결정, Ⅳ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나의 나노 결정을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기의 양자점 복합체를 광이 출사 또는 입사되는 경로 상에 구비하는 것을 특징으로 하는 광전소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점들 사이에서 양자점으로부터 발광된 빛이 충분히 발광될 수 있는 공간을 만들고, 양자점으로부터 발광된 빛, 광전소자로부터 출사되는 빛 또는 광전소자로 입사되는 빛의 경로를 복잡화 혹은 다양화시키기 위한 수단으로, 매트릭스 층 내부에 분산되어 있되 내부에 중공이 형성되어 있어 다중 굴절률을 갖는 다수의 산란입자를 구비함으로써, 광전소자의 광효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 양자점 복합체를 발광 다이오드의 색변환 기판으로 적용하는 경우, 종래보다 발광 다이오드의 색변환 효율 및 휘도를 크게 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 종래보다 양자점 사용량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체를 나타낸 모식도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체에 대한 광학 현미경 사진들.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예1 내지 실시 예5에 따른 양자점 복합체에 대한 발광 스펙트럼.
도 9는 본 발명의 비교 예1에 따른 양자점 복합체에 대한 발광 스펙트럼.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체 및 이를 포함하는 광전소자에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)는 광전소자에 적용되어, 이의 광효율을 향상시키는 역할을 한다. 예를 들어, 광전소자가 발광 다이오드나 유기 발광 다이오드와 같은 광전 발신기로 이루어진 경우, 양자점 복합체(100)는 광전소자로부터 발생된 광이 출사되는 경로 상에 배치되어, 이를 통과하는 광을 다양한 경로로 산란시켜 외부로 추출되는 광량을 증가시키고, 광전소자가 광전지와 같은 광전 수신기로 이루어진 경우, 양자점 복합체(100)는 광전소자로 광이 입사되는 경로 상에 배치되어, 이를 통과하는 광을 다양한 경로로 산란시켜 양자점에 흡수되는 광량을 증가시킴으로써, 광전소자의 광효율을 향상시킨다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)는 시트 혹은 기판 형태로 이루어질 수 있는데, 이러한 양자점 복합체(100)는 발광 다이오드 상에 배치되어 발광 다이오드로부터 출사되는 광의 일부를 색변환시키는 부재로 사용될 수 있다. 이를 구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)와 발광 다이오드를 포함하는 발광 다이오드 패키지는 예컨대, 청색 발광 다이오드로부터 방출된 청색광과 양자점 복합체(100)에 의해 색변환된 광이 혼합된 백색광을 외부로 방출하게 된다. 여기서, 도시하진 않았지만, 발광 다이오드는 본체 및 발광 다이오드 칩을 포함하여 형성될 수 있다. 본체는 소정 형상의 개구부가 형성된 구조물로, 발광 다이오드 칩이 실장되는 구조적 공간을 제공한다. 이러한 본체에는 발광 다이오드 칩을 외부 전원과 전기적으로 접속시키는 와이어와 리드 프레임이 설치된다. 또한, 발광 다이오드 칩은 외부에서 인가되는 전류에 의해 광을 방출하는 광원으로, 본체에 실장되고, 와이어와 리드 프레임을 통해 외부 전원과 연결되며, 전자(electron)를 제공하는 n형 반도체층과 정공(hole)을 제공하는 p형 반도체층의 순방향 접합으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 다양한 광전소자의 광 기능성 부재, 특히, 발광소자의 색변환 기판으로 사용되는 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)는 매트릭스 층(110), 다수의 양자점(120) 및 다수의 산란입자(130)를 포함하여 형성된다.
매트릭스 층(110)은 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점(120) 및 다수의 산란입자(130)를 산소나 수분과 같은 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 또한, 매트릭스 층(110)은 다수의 양자점(120)이 분산 배열되어 있는 구조를 유지하는 역할을 한다. 그리고 매트릭스 층(110)은 시트 혹은 기판 형태로 가공 혹은 성형되어, 발광 또는 수광되는 광의 이동 통로를 제공한다. 본 발명의 실시 예에서, 이러한 매트릭스 층(110)은 열 또는 UV 경화성 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
다수의 양자점(120)은 매트릭스 층(110) 내부에 분산되어 있다. 이때, 다수의 양자점(120)은 매트릭스 층(110)에 의해 외부 환경으로부터 보호되고, 그 분산성이 유지된다.
여기서, 양자점(120)은 대략 1~10㎚의 직경을 갖는 반도체 물질의 나노 결정(nano crystal)으로, 양자제한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이다. 이러한 양자점(120)은 예컨대, 발광 다이오드에서 방출되는 광의 파장을 변환하여 파장 변환광, 즉, 형광을 발생시킨다. 예들 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)가 청색 발광 다이오드의 색변환 기판으로 적용되는 경우, 청색 발광 다이오드로부터 발광되는 청색광과의 혼색을 통한 백색광 구현을 위해, 양자점(120)은 청색 발광 다이오드로부터 발광된 광의 일부를 황색으로 파장 변환시키는 형광을 발생시킨다.
이러한 양자점(120)은 Si계 나노결정, Ⅱ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정, Ⅲ-Ⅴ족계 화합물 반도체 나노결정, Ⅳ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나의 나노 결정을 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅱ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정으로는 CdSe, Ⅲ-Ⅴ족계 화합물 반도체 나노결정으로는 InP가 양자점(120)으로 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시 예에서, 양자점(120)을 CdSe나 InP로 특별히 한정하는 것은 아니다.
다수의 산란입자(130)는 다수의 양자점(120)과 마찬가지로, 매트릭스 층(110) 내부에 분산되어 있다. 이때, 다수의 산란입자(130)는 다수의 양자점(120) 사이에 배치되는 형태로 매트릭스 층(110) 내부에 분산되어 있다. 본 발명의 실시 예에서, 이러한 산란입자(130)는 양자점(120)보다 큰 크기를 갖는다. 예를 들어, 산란입자(130)는 나노 결정인 양자점(120)보다 큰 3~100㎛ 크기로 형성될 수 있다. 이때, 산란입자(130)의 크기는 구형으로 이루어지는 산란입자(130)의 직경으로 정의될 수 있다.
이와 같이, 크기가 큰 다수의 산란입자(130)가 이보다 작은 양자점(120)들 사이 사이에 배치되면, 양자점(120)으로부터 발생되는 빛이 충분히 발광될 수 있는 공간이 매트릭스 층(110) 내부에서 서로 이웃하는 양자점(120) 사이에 만들어지기 때문에, 이를 통해, 우수한 색변환 효율 및 연색지수(CRI) 구현이 가능해진다. 본 발명의 실시 예에서는 이와 같이, 산란입자(130)를 통해 양자점 복합체(100)의 색변환 효율 및 연색지수와 같은 광학특성이 우수해짐에 따라, 종래보다 양자점(120) 사용량을 줄이는 것 또한 가능해진다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 산란입자(130)는 다중 굴절률을 나타낸다. 이를 위해, 산란입자(130)는 내부에 중공(131)이 형성되어 있는 유리입자 또는 폴리머입자로 이루어질 수 있다. 이때, 중공(131)은 산란입자(130) 내부에 산란입자(130)의 전체 부피 대비 대략 80부피%를 차지하는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 산란입자(130)는 대략 80부피%를 차지하는 중공(131)으로 이루어진 코어 및 이를 감싸는 유리 또는 폴리머로 이루어진 쉘 구조로 형성될 수 있다. 이와 같이, 산란입자(130)가 서로 굴절률 차이를 갖는 코어-쉘 구조의 유리입자 또는 폴리머입자로 이루어지면, 예컨대, 발광 다이오드로부터 발광된 빛 또는 양자점(120)으로부터 발생되는 빛의 경로를 복잡화 혹은 다변화시켜, 발광된 빛을 외부로 추출하는 효율, 즉, 발광 다이오드의 광효율을 향상시킬 수 있게 된다.
광전지의 경우에도 입사되는 빛을 산란입자(130)를 통해 산란시켜, 광전지의 광 흡수층으로 흡수되는 광량을 증가시킬 수 있고, 이를 통해, 광전지의 광효율 또한 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 다수의 산란입자(130)는 매트릭스 층(110)과 이의 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점(120)의 함량 대비 0.04~10wt% 비율로 매트릭스 층(110) 내부에 포함될 수 있다. 이때, 산란입자(130)들의 분산 함량이 0.04wt%보다 작게 되면, 이를 통한 색변환 효율 향상 효과가 미미하거나 없게 되어, 산란입자(130)를 구비하는 효용이 사라지게 된다. 반대로, 산란입자(130)들의 분산 함량이 10wt%를 넘게 되면, 이를 채용한 광전소자, 예컨대, 발광 다이오드의 휘도가 저하된다.
실시 예1
양자점 6.6g, 저점도 UV 수지 2g, 고점도 UV 수지 2g을 혼합한 제1 혼합물과, 속이 빈 유리 또는 폴리머로 이루어진 산란입자 2g과 고점도 UV 수지 10g을 혼합한 제2 혼합물을 1:0.2의 비율로 혼합하여 양자점 복합체를 제조하였다. 이에 따라, 산란입자는 양자점과 UV 수지의 함량 대비 3.08wt%로 매트릭스 층을 이루는 혼합물에 분산되어 있는 구조를 이룬다.
실시 예2
상기 실시 예1의 제1 혼합물과, 제2 혼합물을 1:0.4의 비율로 혼합하여 양자점 복합체를 제조하였다. 이에 따라, 산란입자는 양자점과 UV 수지의 함량 대비 5.19wt%로 매트릭스 층을 이루는 혼합물에 분산되어 있는 구조를 이룬다.
실시 예3
상기 실시 예1의 제1 혼합물과, 제2 혼합물을 1:0.6의 비율로 혼합하여 양자점 복합체를 제조하였다. 이에 따라, 산란입자는 양자점과 UV 수지의 함량 대비 6.74wt%로 매트릭스 층을 이루는 혼합물에 분산되어 있는 구조를 이룬다.
실시 예4
상기 실시 예1의 제1 혼합물과, 제2 혼합물을 1:0.8의 비율로 혼합하여 양자점 복합체를 제조하였다. 이에 따라, 산란입자는 양자점과 UV 수지의 함량 대비 7.92wt%로 매트릭스 층을 이루는 혼합물에 분산되어 있는 구조를 이룬다.
실시 예5
상기 실시 예1의 제1 혼합물과, 제2 혼합물을 1:1의 비율로 혼합하여 양자점 복합체를 제조하였다. 이에 따라, 산란입자는 양자점과 UV 수지의 함량 대비 8.85wt%로 매트릭스 층을 이루는 혼합물에 분산되어 있는 구조를 이룬다.
비교 예1
상기 실시 예1의 제1 혼합물로 양자점 복합체를 제조하였다. 즉, 비교 예1에서는 내부에 중공이 형성되어 있어 다중 굴절률을 가지는 산란입자가 포함되어 있지 않은 양자점 복합체를 제조하였다.
x y 휘도 산란입자(wt%)
실시 예1 0.2160 0.2024 10641 3.08
실시 예2 0.2282 0.2368 11058 5.19
실시 예3 0.2409 0.2569 11368 6.74
실시 예4 0.2494 0.2659 11062 7.92
실시 예5 0.2393 0.2574 11266 8.85
비교 예1 0.1748 0.1117 7586 -
상기 표 1은 본 발명의 실시 예1 내지 실시 예5 및 비교 예1에 따른 양자점 복합체를 발광 다이오드에 적용한 후, 색좌표 및 휘도 변화를 나타낸 것이다. 또한, 도 4 내지 도 8은 실시 예1 내지 실시 예5에 따른 양자점 복합체에 대한 발광 스펙트럼을 보여주고 있고, 도 9는 비교 예1에 따른 양자점 복합체에 대한 발광 스펙트럼을 보여주고 있다.
표 1 및 도 4 내지 도 9을 보면, 산란입자가 포함된 경우(실시 예1 내지 실시 예5)는 그렇지 않은 경우(비교 예1)보다 휘도가 크게 향상되는 것으로 확인되었다. 이를 통해, 산란입자가 광학특성 향상에 기여한다는 것을 알 수 있다. 이때, 산란입자가 6.74wt% 포함되었을 때, 가장 큰 휘도를 나타내는 것으로 확인되었다. 또한, 산란입자를 포함하는 경우(실시 예1 내지 실시 예5)는 그렇지 않은 경우(비교 예1)보다 색변환 효율이 거의 2배 정도 상승되는 것으로 확인되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)는 매트릭스 층(110) 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점(120) 및 양자점(120)들 사이에 배치되어, 양자점(120)으로부터 발생된 빛에 대한 충분한 발광이 이루어질 수 있도록, 양자점(120)들 사이에 공간을 형성하고, 발광된 광을 다양한 경로로 산란시키는 다중 굴절률을 갖는 산란입자(130)를 구비한다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)는 적용되는 광전소자의 광효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따른 양자점 복합체(100)가 발광 다이오드의 색변환 기판으로 적용되면, 다중 굴절률을 갖는 산란입자(130)를 구비하지 않는 종래의 양자점 복합체보다 발광 다이오드의 색변환 효율 및 휘도를 크게 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 종래보다 양자점(120) 사용량을 줄일 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 양자점 복합체 110: 매트릭스 층
120: 양자점 130: 산란입자
131: 중공

Claims (8)

  1. 매트릭스 층;
    상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 양자점; 및
    상기 다수의 양자점 사이에 배치되는 형태로 상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자;
    를 포함하고,
    상기 산란입자는 내부에 중공이 형성되어 있어 다중 굴절률을 나타내되,
    상기 산란입자는 상기 산란입자의 전체 부피 대비 80부피%를 차지하는 상기 중공으로 이루어진 코어 및 상기 코어를 감싸는 유리 또는 폴리머로 이루어진 쉘 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 복합체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 산란입자는 상기 매트릭스 층 내부에 상기 매트릭스 층과 상기 다수의 양자점의 함량 대비 0.04~10wt% 비율로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 양자점 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산란입자는 상기 양자점보다 크기가 큰 것을 특징으로 하는 양자점 복합체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산란입자의 크기는 3~100㎛인 것을 특징으로 하는 양자점 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스 층은 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 복합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양자점은 Si계 나노결정, Ⅱ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정, Ⅲ-Ⅴ족계 화합물 반도체 나노결정, Ⅳ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나의 나노 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 복합체.
  8. 제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 양자점 복합체를 광이 출사 또는 입사되는 경로 상에 구비하는 것을 특징으로 하는 광전소자.
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