KR101794645B1 - 양자 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양자점으로 주입되는 정공과 전자의 밸런스를 맞추어 소자의 효율을 향상시킬 수 있는 양자 발광 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 양자 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성된 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 형성된 양자 발광층; 상기 양자 발광층 상에 차례로 형성된 제 1 전자 수송층과 제 2 전자 수송층; 상기 제 1 전자 수송층과 제 2 전자 수송층 사이에 형성된 전자 억제층; 및 상기 제 2 전자 수송층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어진다.

Description

양자 발광 소자{QUANTUM-DOT LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 양자 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 양자점으로 주입되는 정공과 전자의 밸런스를 맞추어 소자의 효율을 높이는 고효율 양자 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 양자 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, 양자 발광 소자는 발광층의 재료로 양자점을 사용하는 표시 소자이며, 양자점의 크기를 제어하여 원하는 천연색을 구현할 수 있으며, 색재현율이 좋고 휘도 또한 발광다이오드에 뒤쳐지지 않아 차세대 광원으로 주목 받는 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode)의 단점을 보완할 수 있는 소재로 각광받고 있다.
이하, 일반적인 양자 발광 소자의 구조를 설명한다.
도 1a는 일반적인 양자 발광 소자의 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 1a를 참조하면, 일반적인 양자 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.
상기 양자 발광층(30)은 직경이 나노미터 크기인 복수개의 양자점(30a)들고 구성된다. 예를 들어, 용매에 상기 양자점(30a)을 분산시킨 후, 용액 공정(Solution Process)으로, 상기 복수개의 양자점(30a)이 분산된 용매를 상기 정공 수송층(20) 상에 도포한 후, 상기 용매를 휘발시켜 상기 양자 발광층(30)을 형성한다.
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, 상기 양자점(30a)과 전자 수송층(40) 사이의 에너지 장벽보다 양자점(30a)과 정공 수송층(20) 사이의 에너지 장벽이 더 높으므로 정공보다 전자가 양자점(30a)으로 더 많이 주입된다.
따라서, 양자점(30a)으로 주입된 전자 중 발광에 참여하지 못한 전자들이 양자점(30a)에 쌓이게 되고, 전자와 정공이 만나 방출하는 에너지가 발광에 쓰이지 않고 쌓여있는 전자들에게 전이되는 비발광 에너지 전이(Auger Recombination)가 발생하여 양자 발광 소자의 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 전자 수송층 사이에 전자 억제층을 형성하여, 양자점으로 주입되는 정공과 전자의 밸런스를 맞추어 양자 발광 소자의 효율을 증가시키는데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성된 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 형성된 양자 발광층; 상기 양자 발광층 상에 차례로 형성된 제 1 전자 수송층과 제 2 전자 수송층; 상기 제 1 전자 수송층과 제 2 전자 수송층 사이에 형성된 전자 억제층; 및 상기 제 2 전자 수송층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어진다.
상기 전자 억제층의 두께는 100Å 이상이다.
상기 전자 억제층은 무기물 또는 유기물로 형성된다.
상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는다.
상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 0.1eV 내지 1.5eV 낮다.
상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 높은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는다.
상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 0.1eV 내지 1.5eV 높다.
상기와 같은 본 발명의 양자 발광 소자는, 양자 발광층 상에 차례로 형성된 제 1 전자 수송층과 제 2 전자 수송층 사이에 전자 억제층을 형성하여, 상기 전자 억제층이 상기 양자점으로 주입되는 전자의 수를 감소시켜 양자 발광층으로 주입되는 정공과 전자의 밸런스를 맞추어 소자의 효율이 향상된다.
도 1a는 일반적인 양자 발광 소자의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양자 발광 소자의 단면도이다.
도 3a는 전자 억제층이 전자 수송층보다 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
도 3b는 전자 억제층이 전자 수송층보다 높은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
본 발명의 양자 발광 소자는, 양자 발광층 상에 차례로 형성된 제 1 전자 수송층과 제 2 전자 수송층 사이에 전자 억제층을 형성하여, 양자점으로 주입되는 정공과 전자의 밸런스를 맞추어 소자의 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 양자 발광 소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 양자 발광 소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 양자 발광 소자는, 기판(200), 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(110), 상기 양극(110) 상에 형성된 정공 수송층(120), 상기 정공 수송층(120) 상에 형성된 양자 발광층(130), 상기 양자 발광층(130) 상에 차례로 형성된 제 1 전자 수송층과(140a) 제 2 전자 수송층(140b), 상기 제 1 전자 수송층(140a)과 제 2 전자 수송층(140b) 사이에 형성된 전자 억제층(170), 그리고 상기 제 2 전자 수송층(140b) 상에 형성된 음극(150)을 포함하여 이루어진다.
도시하지는 않았지만, 상기 정공 수송층(120)과 양극(110) 사이에 정공 주입층이 더 형성될 수 있으며, 상기 제 2 전자 수송층(140b)과 음극(150) 사이에 전자 주입층이 더 형성될 수 있다. 또한, 상기 양자점(130a)으로 주입된 정공이 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)으로 이동하는 것을 방지하기 위해, 상기 양자 발광층(130)과 음극(150) 사이에 정공 억제층이 더 형성될 수 있다.
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 투명한 금속 산화물로 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 정공 수송층(120)은 유기물 또는 무기물로의 적용이 모두 가능하며, 유기물인 경우에는 CBP(4, 4'-N, N'-dicarbazole-biphenyl), α-NPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1=naphtyl)-1,1'-biphenyl-4,4''-diamine), TCTA(4,4',4''-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine) 및 DNTPD(N, N'-di(4-(N,N'-diphenyl-amino)phenyl)-N.N'-diphenylbenzidine) 중 어느 하나일 수 있으며, 무기물일 경우에는, NiO 또는 MoO3의 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 양자 발광층(130)은, 1nm~100nm 의 직경을 갖는 나노 크기의 양자점들로 이루어진 층이며, 여기서, 상기 양자점은 2-6족 또는 3-5족의 나노 반도체 화합물을 포함한 것이다.
이러한 상기 양자점(130a)들은 중심에 빛을 내는 코어(core) 성분이 있고, 상기 코어 표면에는 그 표면을 보호하기 위해 쉘(shell)이 둘러싸고 있으며, 상기 쉘(shell) 표면에는 양자점을 용매에 분산하기 위한 리간드(ligand) 성분이 둘러싸고 있다. 경우에 따라, 상기 리간드는 양자 발광층의 형성시 제거할 수 있는 성분이다.
예를 들어, 상기 양자점을 이루는 나노 반도체 화합물은 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴설파이드(CdS), 카드뮴텔레라이드(CdTe), 징크셀레나이드(ZnSe), 징크텔레라이드(ZnTe), 징크설파이드(ZnS), 머큐리텔레라이드(HgTe), 인듐 아세나이드(InAs), Cd1 - xZnxSe1 - ySy', CdSe/ZnS, 인듐 포스포러스(InP) 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 양자 발광층(130)은, 양자점(130a)을 H2O 또는 헥세인(Hexane), 클로로포름(Chloroform) 및 톨루엔(Toluene)과 같은 유기 용매에 분산시켜 혼합용액을 만든 후, 상기 혼합용액을 상기 정공 수송층(120) 상에 도포하고, 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.
상기 양자 발광층(130) 상에 형성된 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)은 상기 음극(150)으로부터 전자 주입을 용이하게 해주고, 상기 양자 발광층(130)으로 전자를 전달하는 역할을 한다.
상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다. 무기물일 경우에는, ZnO, TiO2, WO3 및 SnO2 와 같은 산화물이거나, 유기물일 경우에는 TPBI(1,3,5- tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl) benzene) 또는 TAZ(3-(4-biphenylyl)-4-phenyl-5-t-butylphenyl-1,2,4-triazole)로 이루어질 수 있다.
그런데, 상술한 바와 같이 일반적인 양자 발광 소자는, 양자점과 전자 수송층 사이의 에너지 장벽보다 양자점과 정공 수송층 사이의 에너지 장벽이 더 높기 때문에 전자가 정공보다 양자점으로 더 많이 주입되므로, 양자점으로 주입된 전자 중 발광에 참여하지 못한 전자들이 양자점에 쌓여 비발광 에너지 전이(Auger Recombination)가 발생하여 양자 발광 소자의 효율이 떨어진다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 양자 발광 소자는, 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b) 사이에 전자 억제층(170)을 형성하고, 상기 전자 억제층(170)이 양자점(130a)으로 주입되는 전자의 수를 감소시켜, 양자점(130a)으로 주입된 전자와 정공의 밸런스를 맞출 수 있다.
상기 전자 억제층(170)은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)보다 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 높거나 낮은 물질로 형성될 수 있다.
상기 전자 억제층(270)이 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)와 LUMO가 같지 않으면 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기 전자 억제층(170)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3a는 전자 억제층이 전자 수송층보다 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는 밴드갭 에너지 다이어그램도이고, 도 3b는 전자 억제층이 전자 수송층보다 높은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는 밴드갭 에너지 다이어그램도이다.
전자는 상기 음극(150)으로부터 제 2 전자 수송층(140b), 전자 억제층(170) 및 제 1 전자 수송층(140a)을 지나 양자점(130a)으로 주입된다.
이때, 상기 제 2 전자 수송층(140b)에서 상기 제 1 전자 수송층(140a)으로 전자가 터널링하지 못하도록 상기 전자 억제층(170)의 두께는 100Å이상인 것이 바람직하다.
먼저, 도 3a와 같이, 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)보다 낮은 LUMO를 가지는 전자 억제층(170)을 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b) 사이에 형성하면, 상기 제 1 전자 수송층(140a)으로 이동하는 전자 중 일부가 상기 전자 억제층(170)보다 LUMO가 높은 제 1 전자 수송층(140a)으로 이동하지 못하고 상기 전자 억제층(170)에 갇힌다.
상기 전자 억제층(170)은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)보다 LUMO가 0.1eV 내지 1.5eV 낮은 것이 바람직하며, 이 때, 상기 전자 억제층(170)은 SnO2, PtO 등과 같은 무기물 또는 TCNQ(tetracyanoquinodimethane), CuPC(Copper Phthalocyanine) 등에서 선택된 유기물로 형성된다.
또한, 도 3b와 같이, 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)보다 높은 LUMO를 가지는 전자 억제층(170)을 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b) 사이에 형성하면, 상기 전자 억제층(170)이 전자의 에너지 장벽으로 작용한다.
따라서, 상기 제 2 전자 수송층(140b)에서 상기 전자 억제층(170)으로 이동하는 전자 중 일부가 상기 전자 억제층(170)을 통과하지 못하고 상기 제 2 전자 수송층(140a)에 갇힌다.
상기 전자 억제층(170)은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층(140a, 140b)보다 LUMO가 0.1eV 내지 1.5eV 높은 것이 바람직하며, 이 때, 상기 전자 억제층(170)은 NiO, ZnS, WO 등과 같은 무기물 또는 α-NPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1=naphtyl)1,1'-biphenyl-4,4''-diamine), TATC(4,4',4''-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine), DNTPD(N, N'-di(4-(N,N'-diphenyl-amino)phenyl)-N.N'-diphenylbenzidine), PVK (poly-N-vinylcarbazole), TPD(N, N -diphenyl-N,N -bis3-methylphenyl-1,1 -biphenyl. -4,4 -diamine ) 등에서 선택된 유기물로 형성된다.
즉, 본 발명의 양자 발광 소자는, 제 1, 제 2 전자 수송층보다 LUMO가 높거나 낮은 물질로 상기 제 1, 제 2 전자 수송층 사이에 전자 억제층을 형성하여 상기 전자 억제층이 양자점으로 주입되는 전자를 억제하여 양자점으로 주입되는 전자와 정공의 밸런스를 맞추어 양자 발광 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 전자와 정공이 만나 방출하는 에너지가 양자점으로 주입된 전자 중 발광에 참여하지 못한 전자들에게 전이되는 비발광 에너지 전이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
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 130: 양자 발광층
140a: 제 1 전자 수송층 140b: 제 2 전자 수송층
150: 음극 170: 전자 억제층

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 양극;
    상기 양극 상에 형성된 정공 수송층;
    상기 정공 수송층 상에 형성된 양자 발광층;
    상기 양자 발광층 상에 형성된 제 1 전자 수송층;
    상기 제 1 전자 수송층 상에 형성된 전자 억제층;
    상기 전자 억제층 상에 상기 제1 전자 수송층과 동일한 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)를 갖도록 형성된 제2 전자 수송층; 및
    상기 제 2 전자 수송층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어지는 양자 발광 소자에 있어서,
    상기 전자 억제층의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)는 상기 제1 전자 수송층 및 제2 전자 수송층의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)와 다른 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 억제층의 두께는 100Å 이상인 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 억제층은 무기물 또는 유기물로 형성된 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 0.1eV 내지 1.5eV 낮은 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 높은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 억제층은 상기 제 1, 제 2 전자 수송층보다 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 0.1eV 내지 1.5eV 높은 것을 특징으로 하는 양자 발광 소자.
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