KR101850538B1 - 그래핀 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
그래핀 발광소자 및 이의 제조방법이 개시된다. 개시된 그래핀 발광소자는 p형 도펀트가 도핑된 p형 그래핀과, n형 도펀트가 도핑된 n형 그래핀과, 발광하는 활성 그래핀이 수평 배열되어 있다.
Description
본 개시는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀을 이용한 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자 한 층으로 만들어진 벌집 구조의 2차원 박막을 말한다. 탄소 원자는 sp2 혼성 궤도에 의해 화학 결합시 이차원 구조를 가지는 탄소 육각망면을 형성한다. 이 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그래핀인데, 그 두께가 단지 탄소 원자 한 개에 불과한 0. 3 nm이다.
이러한 그래핀은 기계적 박리법, 화학적 박리법, SiC의 열처리법, 화학증기 증착법, 에피택셜 합성법, 유기 합성법 등의 제조 방법들이 제안되고 있으며, 나아가 리소그래피 공정 등을 이용한 그래핀의 미세 패터닝등이 제안되고 있다.
이러한 그래핀은 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성을 지니므로, 전자소자에 그래픽을 적용하고자 하는 다양한 연구들이 진행되고 있다.
LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)와 같은 반도체 발광소자는 전기발광(electroluminescence) 현상, 즉, 전류 또는 전압의 인가에 의해 물질(반도체)에서 빛이 방출되는 현상을 이용하는 것으로, 화합물 반도체를 기반으로 형성된다. 본 발명은 이러한 화합물 반도체 기반의 발광소자를 대체하여 그래핀을 이용한 발광소자 및 이의 제조방법을 제공한다.
일 유형에 따르는 그래핀 발광소자는 p형 도펀트가 도핑된 p형 그래핀; n형 도펀트가 도핑된 n형 그래핀; 및 p형 그래핀과 n형 그래핀 사이에 마련되며 발광하는 활성 그래핀;을 포함하며, p형 그래핀, n형 그래핀, 및 활성 그래핀은 수평 배열되어 있다. p형 그래핀, n형 그래핀, 및 활성 그래핀이 수평 배열되어 있다는 것은 p형 그래핀, n형 그래핀, 및 활성 그래핀이 실질적으로 동일 층상에 마련된 것으로 이해될 수 있다.
활성 그래핀은 그래핀 초격자를 포함할 수 있다. 이러한 그래핀 초격자는 다중 양자 우물 포텐셜을 가질 수 있다.
그래핀 초격자는 p형 그래핀과 n형 그래핀을 잇는 띠형상을 지닌 적어도 하나의 그래핀 나노리본을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 그래핀 나노리본 각각은 양 가장자리 중 적어도 하나는 지그재그 형상을 지닐 수 있다. 이때, 적어도 하나의 그래핀 나노리본 각각의 폭은 3 nm 내지 20 nm의 범위 내에 길이방향으로 주기적으로 변동될 수 있다. 한편, 적어도 하나의 그래핀 나노리본들 사이의 간격은 2 nm 내지 15 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
그래핀 초격자는 주기적으로 배열된 양자점 패턴을 포함할 수도 있다.
활성 그래핀은 그래핀 초격자와 함께 p형 그래핀과 n형 그래핀 사이에 분산되어 위치한 복수의 그래핀 양자점들을 더 포함할 수도 있다. 이때, 그래핀 초격자가 마련되는 제1 영역과 복수의 그래핀 양자점들이 마련된 제2 영역은 겹쳐지지 않을 수 있다. 그래핀 초격자가 마련되는 제1 영역과 복수의 그래핀 양자점들이 마련된 제2 영역은 서로 교번하여 위치할 수도 있다. 또는 그래핀 초격자가 마련되는 제1 영역과 복수의 그래핀 양자점들이 마련된 제2 영역은 겹쳐질 수도 있다.
활성 그래핀은 그래핀 초격자 없이 p형 그래핀과 n형 그래핀 사이에 분산되어 형성된 복수의 그래핀 양자점들만을 포함할 수도 있다.
복수의 그래핀 양자점들은 실질적으로 모두 같은 크기를 가질 수도 있다. 또는 복수의 그래핀 양자점들은 적어도 2가지의 서로 다른 크기를 가질 수도 있다. 이 경우 복수의 그래핀 양자점들은 적색 발광, 녹색 발광, 및 청색 발광에 각각 대응되는 3가지의 서로 다른 크기를 가질 수도 있다.
복수의 그래핀 양자점들은 실질적으로 모두 같은 형상을 가질 수도 있다. 또는 복수의 그래핀 양자점들은 적어도 2가지의 서로 다른 형상을 가질 수도 있다.
활성 그래핀은 표면 또는 가장자리에 작용기가 부착되어 기능화도리 수도 있다. 이때 작용기는 알킬아민, 아닐린, 메틸렌 블루 또는 아민 계열의 폴리머이거나 그밖의 공지의 작용기일 수도 있다.
p형 그래핀, n형 그래핀, 및 활성 그래핀은 기판에 의해 지지될 수 있다.
p형 도펀트는 O, Au, Bi로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소이거나, CH3NO2, HNO3, HAuCl4, H2SO4, HCl, AuCl3으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 화합물, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이때, p형 도펀트는 1x 10-20 cm-2 내지 1x 10-5 cm-2 범위 내의 농도를 가질 수 있다.
n형 도펀트는 N, F, Mn으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소, NH3, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이때, n형 도펀트는 1x 10-20 cm-2 내지 1x 10-5 cm-2 범위 내의 농도를 가질 수 있다.
p형 그래핀과 n형 그래핀은 수평방향으로 일정한 간격으로 이격되어 있을 수 있다.
다른 유형에 따르는 그래핀 발광소자의 제조방법은 그래핀을 마련하는 단계; 그래핀의 제1 영역에 p형 도펀트를 도핑하여 p형 그래핀을 형성하는 단계; 그래핀의 제1 영역에 이격되어 있는 제2 영역에 n형 도펀트를 도핑하여 n형 그래핀을 형성하는 단계; 및 그래핀의 p형 그래핀과 n형 그래핀 사이의 제3 영역에 활성 그래핀을 형성하는 단계;를 포함한다. p형 그래핀을 형성하는 단계, n형 그래핀을 형성하는 단계, 및 활성 그래핀을 형성하는 단계는 서로 뒤바뀔 수 있다.
활성 그래핀을 형성하는 단계는 그래핀을 패터닝하여 그래핀 초격자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 가령, 활성 그래핀을 형성하는 단계는 그래핀을 패터닝하여 p형 그래핀과 n형 그래핀을 잇는 띠형상을 지닌 적어도 하나의 그래핀 나노리본을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 그래핀 나노리본 각각은 양 가장자리 중 적어도 하나는 지그재그 형상을 지닐 수 있다. 이때, 적어도 하나의 그래핀 나노리본 각각의 폭은 3 nm 내지 20 nm의 범위 내에 길이방향으로 주기적으로 변동될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 그래핀 나노리본들 사이의 간격은 2 nm 내지 15 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
활성 그래핀을 형성하는 단계는 그래핀을 패터닝하여 주기적으로 배열된 양자점 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수도 있다.
활성 그래핀을 형성하는 단계는 그래핀 초격자를 형성하는 단계에 추가적으로 그래핀 양자점들을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
활성 그래핀을 형성하는 단계는 그래핀 초격자를 형성하는 단계없이 그래핀 양자점들을 도포하는 단계를 포함할 수도 있다.
그래핀 양자점들은 실질적으로 모두 같은 크기를 가질 수 있다. 또는 복수의 그래핀 양자점들은 적어도 2가지의 서로 다른 크기를 가질 수도 있다. 후자의 경우, 복수의 그래핀 양자점들은 적색 발광, 녹색 발광, 및 청색 발광에 각각 대응되는 3가지의 서로 다른 크기를 가질 수도 있다.
복수의 그래핀 양자점들은 실질적으로 모두 같은 형상을 가질 수 있다. 또는 복수의 그래핀 양자점들은 적어도 2가지의 서로 다른 형상을 가질 수도 있다.
활성 그래핀을 형성하는 단계는 활성 그래핀의 표면 또는 가장자리에 작용기를 부착하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때 작용기는 알킬아민, 아닐린, 메틸렌 블루, 또는 아민 계열의 폴리머일 수 있으며, 그밖의 공지의 작용기가 사용될 수 있다.
활성 그래핀에 작용기를 부착하는 단계는, 활성 그래핀을 산화시키는 단계; 산화된 활성 그래핀의 카르복실산과 작용기의 아민기를 반응시켜 작용기를 산화된 활성 그래핀에 부착하는 단계;및 작용기가 부착된 산화된 활성 그래핀을 환원시키는 단계;를 포함할 수 있다.
p형 도펀트는 O, Au, Bi로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소이거나, CH3NO2, HNO3, HAuCl4, H2SO4, HCl, AuCl3으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 화합물, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, n형 도펀트는 N, F, Mn으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소, NH3, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 그래핀 발광소자는 활성 그래핀의 그래핀 초격자나 그래핀 양자점에 의해 전자 및 정공의 재결합 효율을 높여 발광효율을 높일 수 있으며, 그래핀 자체의 기계적 특성 덕분에 플렉서블한 소자의 구현이 가능하며, 에칭등의 공정을 통해 그래핀을 제단함으로써 다양한 디자인이 가능하다. 또한, 개시된 실시예들에 따른 그래핀 발광소자는 고가의 유기금속화학증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition: MOCVD) 장비를 필요로 하는 화합물 반도체를 대신하여, 통상적인 화학증착(Chemical Vapour Deposition: CVD) 장비로 제조가 가능하므로, 종래의 화합물 반도체 발광소자에 비하여 제조비용을 낮추고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 측면도이다.
도 2는 도 1의 그래핀 발광소자의 평면도이다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀의 그래핀 초격자의 일 예를 도시한다.
도 4는 활성 그래핀의 그래핀 초격자의 다른 예들을 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 제조공정을 도시한다.
도 8은 그래핀 발광소자에서의 p형 그래핀과 n형 그래핀의 전기적 특성을 살펴보기 위해 제작된 그래핀 FET의 개략적인 구성도이다.
도 9와 도 10은 p형 그래핀과 n형 그래핀의 전기적 특성을 도시한다.
도 11은 그래핀 발광소자에서의 발광특성을 도시한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 측면도이다.
도 13은 도 12의 그래핀 발광소자의 평면도이다.
도 14는 도 13의 B 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀의 그래핀 양자점의 일 예를 도시한다.
도 15는 활성 그래핀의 그래핀 양자점의 다른 예를 도시한다.
도 16a 내지 도 16c는 그래핀 양자점의 예들을 도시한다.
도 17은 그래핀 양자점의 크기와 형상에 따른 파장 흡수 특성을 나타낸다.
도 18은 산화그래핀에 작용기가 부착된 일 예를 도시한다.
도 19는 아닐린이 부착된 그래핀 양자점의 발광 특성을 도시한다.
도 20은 PEG가 부착된 그래핀 양자점의 발광 특성을 도시한다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 제조공정을 도시한다.
도 22는 아닐린이 부착된 그래핀 양자점에 대한 FT-IR 특성을 도시한다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 측면도이다.
도 24는 도 23의 그래핀 발광소자의 평면도이다.
도 25는 도 24의 C 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀의 일 예를 도시한다.
도 26 및 도 27은 활성 그래핀의 다른 예들을 도시한다.
도 2는 도 1의 그래핀 발광소자의 평면도이다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀의 그래핀 초격자의 일 예를 도시한다.
도 4는 활성 그래핀의 그래핀 초격자의 다른 예들을 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 제조공정을 도시한다.
도 8은 그래핀 발광소자에서의 p형 그래핀과 n형 그래핀의 전기적 특성을 살펴보기 위해 제작된 그래핀 FET의 개략적인 구성도이다.
도 9와 도 10은 p형 그래핀과 n형 그래핀의 전기적 특성을 도시한다.
도 11은 그래핀 발광소자에서의 발광특성을 도시한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 측면도이다.
도 13은 도 12의 그래핀 발광소자의 평면도이다.
도 14는 도 13의 B 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀의 그래핀 양자점의 일 예를 도시한다.
도 15는 활성 그래핀의 그래핀 양자점의 다른 예를 도시한다.
도 16a 내지 도 16c는 그래핀 양자점의 예들을 도시한다.
도 17은 그래핀 양자점의 크기와 형상에 따른 파장 흡수 특성을 나타낸다.
도 18은 산화그래핀에 작용기가 부착된 일 예를 도시한다.
도 19는 아닐린이 부착된 그래핀 양자점의 발광 특성을 도시한다.
도 20은 PEG가 부착된 그래핀 양자점의 발광 특성을 도시한다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 제조공정을 도시한다.
도 22는 아닐린이 부착된 그래핀 양자점에 대한 FT-IR 특성을 도시한다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 측면도이다.
도 24는 도 23의 그래핀 발광소자의 평면도이다.
도 25는 도 24의 C 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀의 일 예를 도시한다.
도 26 및 도 27은 활성 그래핀의 다른 예들을 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 이차원 구조의 탄소 육각망면, 즉 벌집 구조의 2차원 박막을 형성한 폴리시클릭 방향족 분자를 의미하며, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그래핀은 서로 공유결합된 탄소원자들(sp2 hibridazation)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 상기 그래핀은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 본 명세서에서는 단일층 그래핀들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성한 경우까지 포괄적으로 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 발광소자(10)의 측면도이며, 도 2는 그래핀 발광소자(10)의 평면도이다. 도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(15)의 그래핀 초격자(graphene superlattice)의 일 예를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 발광소자(10)는 기판(11) 상의 동일층에 수평 배열된 p형 그래핀(p-type graphene)(13), 활성 그래핀(active grapheme)(15), 및 n형 그래핀(n-type grapheme)(17)을 포함한다.
기판(11)은 p형 그래핀(13), 활성 그래핀(15) 및 n형 그래핀(17)을 지지하는 것으로서, 비전도성 재질로 형성될 수 있다. 그래핀은 강철의 200배 이상인 1,100 GPa의 물리적 강도로 가지고 있다고 알려져 있다. 따라서, 본 실시예에 있어서, p형 그래핀(13), 활성 그래핀(15) 및 n형 그래핀(17) 만으로도 그 구조가 유지될 수 있으므로, 기판(11)은 제거될 수도 있다.
p형 그래핀(13)은 p형 도펀트가 도핑된 그래핀이다. p형 도펀트는 O, Au, Bi로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소이거나, CH3NO2, HNO3, HAuCl4, H2SO4, HCl, AuCl3으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 화합물, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이때, p형 도펀트는 1x 10-20 cm-2 내지 1x 10-5 cm-2 범위 내의 농도로 도핑될 수 있다.
n형 그래핀(17)은 n형 도펀트가 도핑된 그래핀이다. n형 도펀트는 N, F, Mn으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소, NH3, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. n형 도펀트는 1x 10-20 cm-2 내지 1x 10-5 cm-2 범위 내의 농도로 도핑될 수 있다.
도핑되지 않은 그래핀은 전도대와 가전자대가 서로 만나 에너지 밴드 갭을 가지고 있지 아니하나, 상기와 같이 p형 도펀트 또는 n형 도펀트가 그래핀에 도핑됨에 따라 에너지 밴드 갭이 발생하게 된다. 이러한 에너지 밴드 갭은 p형 도펀트나 n형 도펀트의 종류, 도핑 농도 등에 따라 제어될 수 있다.
p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)은 일정한 간격으로 이격되어 수평 배열된다. 이때 수평 배열되어 있다는 것은 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)이 실질적으로 동일한 층상에 마련된 것으로 이해될 수 있다.
도면에는 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)가 직사각형 형상으로 도시되어 있으나, p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)의 평면 형상은 다양하게 디자인될 수 있다. p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17) 각각에는 전원을 인가하기 위한 배선구조(미도시)가 마련될 수 있다. 예를 들어, p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17) 각각에 전극 패드가 마련되거나, p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17) 각각의 끝단이 전극에 부착되어 있을 수 있다.
활성 그래핀(15)은 다중 양자 우물(multiple quantum well) 구조의 포텐셜을 갖는 그래핀 초격자를 포함한다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(15)의 그래핀 초격자의 일 예를 도시한다.
도 3을 참조하면, 활성 그래핀(15)은 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)을 잇는 띠형상을 지닌 적어도 하나의 그래핀 나노리본(15a)을 포함한다.
그래핀 나노리본(15a)은 길이 방향을 따라 구간 d1에서 폭 w1을 갖고 구간 d2에서 폭 w2를 갖는 띠 형상을 지닐 수 있다. 즉, 도 3에 도시되듯이, 그래핀 나노리본(15a)의 양 가장자리(edges)는 지그재그 형상을 지닐 수 있다. 이와 같이, 그래핀 나노리본(15a)이 길이 방향을 따라 폭이 주기적으로 변동되는 형상을 지님에 따라, 그래핀 나노리본(15a)의 에너지 포텐션은 주기적인 다중 양자 우물 구조를 가지게 된다. 이러한 의미에서 그래핀 나노리본(15a)는 통상적인 발광다이오드에서 활성층의 다중 양자 우물 구조를 이루는 초격자와 유사하게 그래핀 초격자를 형성한다.
다음으로 본 실시예의 그래핀 발광소자(10)의 동작을 설명한다. p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)에 순방향으로 전원이 인가되면, p형 그래핀(13) 내의 정공과 n형 그래핀(17) 내의 전자는 활성 그래핀(15) 쪽으로 이동한다. 전술한 바와 같이 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)은 도펀트의 도핑에 의해 에너지 밴드 갭을 가지고 있다. 따라서, 활성 그래핀(15) 내로 주입되는 전자와 정공은, 활성 그래핀(15) 내에서 재결합되면서 에너지 밴드 갭에 해당되는 광자(photon), 즉 빛을 방출한다. 이때, 활성 그래핀(15)의 초격자 구조에 의한 다중 양자 우물 포텐셜은 정공과 전자를 활성 그래핀(15)에 가두는 효과를 가져와, 정공과 전자의 재결합 효율이 향상될 수 있다. 또한, 그래핀은 캐리어의 이동도가 매우 높으므로, 높은 수준으로 전류를 주입하여 고휘도의 발광이 가능할 것으로 기대될 수 있다.
활성 그래핀(15)의 그래핀 초격자는 다양한 변형예들이 있을 수 있다. 도 4는 활성 그래핀의 그래핀 초격자의 다른 예들을 도시한 것으로서, 도 2의 A 영역을 확대한 도면으로 이해될 수 있다.
도 4를 참조하면, 일 변형예에 따른 그래핀 발광소자(10')의 활성 그래핀(15')은 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)을 잇는 띠형상을 지닌 적어도 하나의 그래핀 나노리본(15'a)을 포함한다. 그래핀 나노리본(15'a)의 한 쪽 가장자리는 지그재그 형상을 지닐 수 있다. 그래핀 나노리본(15a)의 에너지 포텐션은, 이와 같은 가장자리의 지그재그 형상에 의해 주기적인 다중 양자 우물 구조를 가지게 되므로 그래핀 초격자로 이해될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 제조공정을 도시한다.
도 7a를 참조하면, 먼저 그래핀 시트(20)를 마련한다. 이러한 그래핀 시트(20)는 기계적 박리법, 화학적 박리법, SiC의 열처리법, 화학증기 증착법, 에피택셜 합성법, 유기 합성법 등의 공지의 제조 방법들에 의해 제조될 수 있다. 도 7a에서 참조번호 21은 공유결합으로 연결된 탄소원자들의 기본 반복단위인 6원환을 가르킨다.
도 7b를 참조하면, 그래핀 시트(20)의 제1 영역(20a)을 제외한 나머지 영역을 PDMS와 같은 물질로 선택적으로 덮고, 그래핀 시트(20)의 제1 영역(20a)에 p형 도펀트를 도핑하여, p형 그래핀을 형성한다. p형 도펀트는 O, Au, Bi로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소이거나, CH3NO2, HNO3, HAuCl4, H2SO4, HCl, AuCl3으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 화합물, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. p형 도펀트는 1x 10-20 cm-2 내지 1x 10-5 cm-2 범위 내의 농도로 도핑될 수 있다. 이러한 p형 도펀트의 도핑은 예를 들어 열해리(thermal dissociation)를 통해 이루어질 수 있다.
도 7c를 참조하면, 그래핀 시트(20)의 제2 영역(20b)을 제외한 나머지 영역을 PDMS와 같은 물질로 선택적으로 덮고, 그래핀 시트(20)의 제2 영역(20b)에 n형 도펀트를 열해리등의 방법으로 도핑하여 n형 그래핀을 형성한다. 이때 제2 영역(20b)은 제1 영역(20a)으로부터 일정 간격 떨어진 영역이다. n형 도펀트는 N, F, Mn으로 이루어진 그룹 중 적어도 어느 하나의 원소, NH3, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이때, n형 도펀트는 1x 10-20 cm-2 내지 1x 10-5 cm-2 범위 내의 농도로 도핑될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 그래핀 시트(20)의 제1 영역(20a)과 제2 영역(20b) 사이의 제3 영역(20c)에 그래핀 초격자 구조를 형성한다. 일 예로 그래핀 시트(20)에 포토 레지스트를 스핀코팅하고, 전자빔 리소그래피 공정을 통해 그래핀 시트(20)의 제3 영역(20c) 상에 도포된 포토 레지스트를 양 가장자리가 지그재그 형상을 지니는 나노리본으로 패터닝한 후, 반응성 이온에칭(Reaction Ion Exching; RIE) 방법으로 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리를 하여 노출된 그래핀을 제거한다. 이후 아세톤으로 포토 레지스트를 제거하게 되면, 그래핀 나노리본을 형성할 수 있다. 이후, 그래핀 시트(20)의 제1 영역(20a)과 제2 영역(20b) 각각에 금속을 증착하여 전극을 형성하게 되면, 그래핀 발광소자를 완성하게 된다.
도 8은 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명한 바와 같은 제조 공정을 통해 제작된 그래핀 발광소자에서의 p형 그래핀과 n형 그래핀의 전기적 특성을 살펴보기 위해 제작된 그래핀 FET(Field Effect Transistor)이며, 도 9와 도 10은 p형 그래핀과 n형 그래핀의 전기적 특성을 도시한다.
도 8을 참조하면, 통상적인 FET의 소스 전극(S)과 드레인 전극(D) 사이에 그래핀(G)을 놓고, 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)에 일정 전압을 인가하고, 게이트전극(Gate)에 바이어스 전압을 인가한다. 이때, 게이트 전극(Gate)에 인가되는 바이어스 전압이 양(+)이면, 그래핀(G)에는 전자들이 유도되어 스스 전극(S)과 드레인 전극(D) 사이에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)에 일정 전압을 인가한 상태에서 게이트전극(Gate)에 인가하는 양(+)의 바이어스 전압의 세기를 높일수록 그래핀(G)에는 더 많은 전자들이 유도되어 더 많은 전류가 흐르게 된다.
도 9는 상기와 같은 그래핀 FET에서 그래핀의 도전성에 따른 전기적 특성을 도시하며, 도 10은 도 9에서의 그래핀의 도전성에 따른 전기적 특성을 설명하는 도면이다. 도 9에서 실선은 n형 도핑된 그래핀에서의 드레인 전류의 곡선을 나타내며, 점선은 p형 도핑된 그래핀에서의 드레인 전류의 곡선을 나타낸다.
상기와 같은 그래핀 FET에서 그래핀(G)이 n형 도펀트로 도핑되었다면, 상대적으로 전자가 풍부하게 되어, 게이트전극(Gate)에 양(+)의 바이어스 전압을 인가하였을 때 n형 도핑된 그래핀(G)에 형성되는 전자들이 도핑되지 않은 그래핀(G)에 형성되는 전자들보다 더 많게 될 것이다. 따라서, n형 도핑된 그래핀(G)에 흐르는 전류가 도핑되지 않은 그래핀(G)에 흐르는 전류와 같으려면, n형 도핑된 그래핀(G)의 경우에 인가되는 바이어스 전압이 도핑되지 않은 그래핀(G)의 경우에 인가되는 바이어스 전압보다 더 작아야 할 것이다. 즉, 도 9 및 도 10을 참조하면, 도핑되지 않은 그래핀의 디랙 포인트(Dirac point)에 비하여 n형 도핑된 그래핀(G)의 디랙 포인트가 음(-)의 방향으로 대략 50V 이동됨을 볼 수 있어, n형 도핑된 그래핀(G)의 n형 도전성을 확인할 수 있다.
마찬가지로, 그래핀 FET에서 그래핀(G)이 p형 도펀트로 도핑되었다면, 상대적으로 전공이 풍부하게 되어, 게이트전극(Gate)에 인가되는 양(+)의 바이어스 전압에 의해 그래핀(G)에 형성되는 전자들이 p형 도펀트들에 의한 전공들과 상쇄될 것이다. 따라서, p형 도핑된 그래핀(G)에 흐르는 전류가 도핑되지 않은 그래핀(G)에 흐르는 전류와 같으려면, p형 도핑된 그래핀(G)의 경우에 인가되는 바이어스 전압이 도핑되지 않은 그래핀(G)의 경우에 인가되는 바이어스 전압보다 더 높아야 할 것이다. 즉, 도 9 및 도 10을 참조하면, 도핑되지 않은 그래핀의 디랙 포인트(Dirac point)에 비하여 p형 도핑된 그래핀(G)의 디랙 포인트가 양(+)의 방향으로 대략 130V 이동됨을 볼 수 있어, p형 도핑된 그래핀(G)의 p형 도전성을 확인할 수 있다.
도 11은 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명한 바와 같은 제조 공정을 통해 제작된 그래핀 발광소자에서의 발광특성을 도시한다. 도 11에서 백색점들로 이루어진 곡선을 레이저빔을 조사하였을 때 발광하는 PL(photoluminescence)을 나타내며, 흑색점들로 이루어진 곡선을 전압을 인가하였을 때 발광하는 EL(electroluminescence)을 나타낸다. 도 11의 PL 곡선과 EL 곡선은 본 실시예에서의 활성 그래핀(도 1의 15)에 레이저 빔을 조사하였을 때 빛을 방출하고 전압을 인가하였을 때 빛을 방출함을 보여주는바, 발광소자로서의 동작을 확인할 수 있다. 또한, 도 11을 참조하면, PL 곡선과 EL 곡선이 거의 일치함을 볼 수 있는데, 이는 본 실시예의 그래핀 발광소자의 발광효율이 우수함을 의미한다.
본 실시예에 따른 그래핀 발광소자는 그래핀 자체의 기계적 특성 덕분에 플렉서블한 소자의 구현이 가능하며, 에칭등의 공정을 통해 그래핀을 제단함으로써 다양한 디자인이 가능하다.
고가의 유기금속화학증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition: MOCVD) 장비를 필요로 하는 화합물 반도체를 대신하여, 통상적인 화학증착(Chemical Vapour Deposition: CVD) 장비로 제조가 가능하므로, 종래의 화합물 반도체 발광소자에 비하여 제조비용을 낮추고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자(30)의 측면도이며, 도 13은 그래핀 발광소자(30)의 평면도이다. 도 14는 도 13의 B 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(35)의 그래핀 양자점의 일 예를 도시한다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 발광소자(30)는 기판(11) 상의 동일층에 수평 배열된 p형 그래핀(13), 활성 그래핀(35), 및 n형 그래핀(17)을 포함한다. 기판(11), p형 그래핀(13), 및 n형 그래핀(17)은 전술할 실시예의 대응되는 구성요소와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 활성 그래핀(35)은 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17) 사이의 영역에 분산되어 위치하는 복수의 그래핀 양자점들을 포함한다.
도 14는 도 13의 B 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(35)의 그래핀 양자점의 일 예를 도시한다. 도 14를 참조하면, 그래핀 양자점들(35a)은 실질적으로 모두 같은 직경 d의 크기를 가지며, p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17) 사이에서 분산되어 형성되어 있을 수 있다. 그래핀 양자점들(35a)의 크기(즉, 직경 d)는 대략 1nm 내지 100nm의 범위내에 있을 수 있다. 후술하는 바와 같이 그래핀 양자점들(35a)의 크기와 발광파장은 직접적인 상관 관계에 있으며, 그래핀 양자점들(35a)의 크기가 커질수록 그래핀 양자점들(35a)의 발광파장은 길어지는 경향을 보여준다. 따라서, 그래핀 양자점들(35a)의 크기를 실질적으로 일정하게 함으로써, 그래핀 발광소자(30)가 단색 발광 특성을 지니도록 할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점들(35a)의 크기를 적절히 선택함으로써 그래핀 발광소자(30)가 방출하는 빛의 파장대역을 결정할 수 있다. 종래의 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드(light emitting diode)의 경우 발광파장을 조절하기 위해 화합물 반도체의 조성을 바꾸어야 하였다. 반면에 본 실시예의 발광소자(30)는 동일 물질인 그래핀 양자점들(35a)의 크기를 조절함으로써 발광파장을 매우 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 그래핀 양자점들(35a)은 작용기가 부착되어 기능화되어 있을 수 있다. 후술하는 바와 같이 작용기가 부착되게 되면 그래핀 양자점들(35a)의 도핑특성이나 밴드갭 등이 변하게 되므로, 작용기를 부착시킴으로써 그래핀 발광소자(30)의 발광파장이나 발광특성(반치폭)을 조절할 수 있다.
다음으로 본 실시예의 그래핀 발광소자(30)의 동작을 설명한다. p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)에 순방향으로 전원이 인가되면, p형 그래핀(13) 내의 정공과 n형 그래핀(17) 내의 전자는 활성 그래핀(35) 쪽으로 이동한다. 전술한 바와 같이 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)은 도펀트의 도핑에 의해 에너지 밴드 갭을 가지고 있다. 따라서, 활성 그래핀(35) 내로 주입되는 전자와 정공은, 활성 그래핀(35) 내에서 재결합되면서 에너지 밴드 갭에 해당되는 광자(photon), 즉 빛을 방출한다. 이때, 활성 그래핀(35)의 그래핀 양자점들(35a)에 의한 발광(photoluminescence)은 정공과 전자의 재결합에 의한 빛을 증폭시키는 효과를 가져와, 정공과 전자의 재결합 효율이 향상될 수 있다. 또한, 그래핀은 캐리어의 이동도가 매우 높으므로, 높은 수준으로 전류를 주입하여 고휘도의 발광이 가능할 것으로 기대될 수 있다.
도 14를 참조한 예는 그래핀 양자점들(35a)이 실질적으로 모두 같은 직경 d의 크기를 갖는 경우이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀 양자점들(35a)은 서로 다른 크기를 가질 수도 있다.
도 15는 도 13의 B 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(35')의 그래핀 양자점의 다른 예를 도시한다. 도 15를 참조하면, 그래핀 양자점들(35'a, 35'b, 35'c)은 각기 서로 다른 직경 d1, d2, 및 d3을 가질 수 있다. 그래핀 양자점들(35'a, 35'b, 35'c)의 크기가 커질수록 그래핀 양자점들(35'a, 35'b, 35'c)의 발광파장은 길어지는 경향을 보여주므로, 그래핀 양자점들(35'a, 35'b, 35'c)의 직경 d1, d2, 및 d3을 적절히 조절함으로써, 그래핀 양자점들(35'a, 35'b, 35'c)이 각기 적색, 녹색 및 청색의 발광 특성을 지니도록 할 수 있으며, 이에 따라 그래핀 발광소자(30')가 백색 광원으로 기능할 수 있다.
이때, 그래핀 양자점들(35'a)은 작용기가 부착되어 그래핀 발광소자(30)의 발광파장이나 발광특성(반치폭)이 조절될 수 있음은 물론이다.
활성 그래핀(35, 35')의 그래핀 양자점들(35a, 35'a, 35'b, 35'c)의 형상은 본 실시예를 제한하지 않는다. 도 16a 내지 도 16c는 그래핀 양자점들(35a, 35'a, 35'b, 35'c)의 다양한 형상을 도시한 것이며, 이외에도 다양한 형상이 가능함은 물론이다.
그래핀 양자점은 레이저 광이 조사되면, 여기현상에 따른 광증폭 현상을 발생됨이 알려져 있다. 이러한 그래핀 양자점은 최대 6.2 eV의 파이 상태밀도를 보이고, 그래핀 양자점의 사이즈에 따라 200 nm 내지 416 n의 흡수 특성을 보여준다. 도 17은 그래핀 양자점들의 크기 및 형상에 따라 발광파장이 변동되는 것을 보여준다. 도 17을 참조하면, 가령 2.3 nm의 원형 그래핀 양자점은 청색 발광특성을 보여주며, 7.8 nm의 원형 그래핀 양자점은 청녹색 발광특성을 보여주며, 14 nm의 원형 그래핀 양자점은 녹색 발광특성을 보여주며, 17.4 nm의 타원형 그래핀 양자점은 황녹색 발광특성을 보여주며, 23 nm의 육각형 그래핀 양자점은 적황색 발광특성을 보여줌을 볼 수 있다. 또한, 대략 5 nm 내지 10 nm의 원형 그래핀 양자점은 청색 계열의 발광특성을 보여주며, 대략 15 nm의 타원형 그래핀 양자점은 녹색 계열의 발광특성을 보여주며, 대략 20 nm의 육각형 그래핀 양자점은 황색 내지 적황색 계열의 발광특성을 보여주며, 25 nm 내지 35 nm의 장방형 그래핀 양자점은 적색 계열의 발광특성을 보여줌을 볼 수 있다. 이와 같이 그래핀 양자점들의 크기 및 형상에 따라 발광파장이 변동되므로, 적절한 크기 및 형상의 그래핀 양자점을 선택함으로써 그래핀 발광소자의 발광 파장을 결정할 수 있다.
다음으로 도 18 내지 도 20을 참조하여 그래핀에 작용기가 부착됨에 따른 발광 특성을 설명하기로 한다.
그래핀의 표면이나 가장자리에는 작용기가 부착될 수 있다. 작용기는 알킬아민, 아닐린, 메틸렌 블루(methylene blue) 또는 아민 계열의 폴리머나, 그밖에 공지된 다양한 형태의 작용기가 이용될 수 있다. 그래핀에 작용기를 부착하는 다양한 방법이 공지되어 있다.
일 예로, 그래핀이 산화되어 형성되거나 혹은 그래핀의 제조전단계에서 얻어지는 산화그래핀에는 다수의 카르복실기(COOH)가 포함되어 있다. 따라서, 하기의 화학식과 같이 산화그래핀의 카르복실기(COOH)와 작용기의 아민기(NH2)의 탈수반응에 의해 펩타이드 결합을 형성하여 산화그래핀에 작용기를 부착하고 추후에 하이드라진 등을 통하여 산화그래핀을 그래핀으로 환원하여 작용기가 부착된 그래핀을 제조할 수 있다.
도 18은 일 예로서 산화그래핀의 카르복실기에 알킬아민이 펩타이드 반응을 통해 부착된 경우를 도시한다. 도 18을 참조하면, 산화그래핀의 표면이나 가장자리에 알킬아민이 결합되어 있는 것을 볼 수 있다.
한편, 그래핀에 부착되는 작용기의 종류나 부착 형태에 따라 그래핀의 전기적 특성이나 발광특성이 조절되어, 발광(photoluminescence) 그래핀이나, n-도핑 그래핀 등이 될 수 있다.
도 19는 방향족 아민인 아닐린(aniline)이 부착된 그래핀 양자점에 325nm의 레이저 광을 조사하여 여기시킴으로 얻어지는 발광 스페트럼을 도시하며, 도 20은 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol: PEG)가 부착된 그래핀 양자점에 325nm의 레이저 광을 조사하여 여기시킴으로 얻어지는 발광 스페트럼을 도시한다. 이때, 아닐린이 부착된 그래핀 양자점은 그래핀 양자점을 산화시켜 산화그래핀 양자점으로 바꾼 이후, 산화그래핀 양자점의 카르복실기와 방향족 아민인 아닐린을 펩타이드 반응으로 결합하고 이를 환원시킴으로써 제조할 수 있다. PEG가 부착된 그래핀 양자점은 산화그래핀 양자점의 카르복실기와 아민 계열의 폴리머 PEG의 아민기의 펩타이드 결합으로 산화그래핀 양자점에 PEG를 부착하고 이를 환원시킴으로써 제조할 수 있다. 도 19와 도 20을 참조하면, 그래핀 양자점에 부착되는 작용기의 종류에 따라 발광파장대가 달라지고, 나아가 발광스펙트럼의 반치폭이 달라짐을 확인할 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자의 제조공정을 도시한다.
도 21a를 참조하면, 먼저 p형 도핑된 영역(40a)과 n형 도핑된 영역(40b)이서로 이격되어 형성된 그래핀 시트(40)를 마련한다. p형 도핑된 영역(40a)과 n형 도핑된 영역(40b) 사이의 영역(40c)은 제거된다. 이러한 그래핀 시트(40)는 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명한 제조예에서 제3 영역(20c)에 그래핀 초격자 구조를 형성하는 대신에 제3 영역(20c)을 제거함으로써 얻어질 수 있으며, 중복되는 설명은 생략한다.
다음으로, 도 21b를 참조하면, p형 도핑된 영역(40a)과 n형 도핑된 영역(40b) 사이의 영역(40c)에 소정 크기의 그래핀 양자점들(41)을 도포한다.
그래핀 양자점들(41)은 일 예로 산화그래핀을 가열 및 환원시킴으로써 환원부분을 절단하여 그래핀의 사이즈를 조절함으로써 제조할 수 있다. 가령, 그라파이트(graphite)를 변형된 휴머즈 방법(Modified Hummers method)을 통해 산화반응 및 분산시키게 되면, 층간의 반데르발스 인력감소와 그레인(grain) 사이즈 감소에 따라 산화 그래핀을 형성한다. 다음으로, 열을 이용한 환원 공정(예를 들어, 건식법(dry process)이나 화학적 환원법(Reducted Graphene Oxide process))을 통해 산화 그래핀을 환원시켜 그래핀 시트로 제작한 후 다시 산화시킨다. 이와 같이 산화공정을 다시 거침으로써 그래핀 그레인의 사이즈를 줄이고 층간 반데르발스 인력을 약화시켜 분산을 용이하게 할 수 있다. 다시 산화된 그래핀 시트는 200℃ 온도에서 10시간동안 열처리함으로써 환원시키고, 초음파법을 이용하여 재 분산후 투석막(membrane)으로 투석(dialysis)하여 소정 사이즈의 그래핀만을 필터링한다. 이때 그래핀의 사이즈가 수 nm 내지 수십 nm으므로, 제조된 그래핀은 그래핀 양자점으로 이해될 수 있다. 상기와 같이 그래핀(혹은 그라파이트)에 대해 산화 및 환원 공정을 2회 반복함으로써, 나노 사이즈의 그래핀 양자점들(41)을 제조할 수 있다.
또한, 그래핀 양자점들(41)에 작용기를 부착할 수도 있다.
일례로 그래핀 양자점에 아닐린을 부착하는 공정을 설명한다. 먼저 화학식 2에서와 같이 그래핀 양자점에 질산처리를 하여 그래핀 양자점을 산화시켜 카르복실기(COOH)을 갖는 산화 그래핀 양자점을 제조한다.
화학식 2에서 GQD는 그래핀 양자점(Graphene Quantum Dot)을 의미한다.
다음으로, 화학식 3과 같은 산화 그래핀 양자점에 티오닐 클로라이드(thionyl chloride) 반응을 60℃의 온도에서 24시간동안 지속시킨다. 합성된 GQD-COCl은 증류(distillation) 및 정제를 통해 추출한다.
다음으로 화학식 4와 같은 아닐린 반응을 100℃의 온도에서 5일 동안 지속시킴으로써 합성된 GQD-COCl에 아닐린을 부착한다.
다음으로, 필터링을 통해 아닐린이나 염을 제거함으로써, 아닐린이 부착된 산화 그래핀 양자점을 얻는다. 아닐린이 부착된 산화 그래핀 양자점은 하이드라진등을 통하여 아닐린이 부착된 그래핀 양자점으로 환원된다.
도 22는 상기와 같은 제조공정을 통해 제작된 아닐린이 부착된 그래핀 양자점에 대한 FT-IR (Fourier-Transform Infra Red) 특성을 도시한다. 도 22를 참조하면, 1302 cm-1 파장영역에서의 C-N 결합이나, 1681 cm-1 파장영역에서의 C=O 결합이나, 1542cm-1 파장영역에서의 N-H 결합에 대한 고유의 적외선 스펙트럼을 통해 그래핀 양자점에 아민기가 부착됨을 확인할 수 있다.
전술한 예는 아닐린 이외에도 아민기를 가는 알킬아민, 메틸렌 블루, 또는 아민 계열의 폴리머에 그래로 적용될 수 있을 것이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 발광소자(50)의 측면도이며, 도 24는 그래핀 발광소자(50)의 평면도이다. 도 25는 도 24의 C 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(55)의 일 예를 도시한다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 발광소자(50)는 기판(11) 상의 동일층에 수평 배열된 p형 그래핀(13), 활성 그래핀(55), 및 n형 그래핀(17)을 포함한다. 기판(11), p형 그래핀(13), 및 n형 그래핀(17)은 전술할 실시예의 대응되는 구성요소와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 활성 그래핀(55)은 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17) 사이의 영역에 마련된 그래핀 초격자와 그래핀 양자점의 복합 구조를 갖는다.
도 25는 도 24의 C 영역을 확대한 도면으로서, 활성 그래핀(55)의 일 예를 도시한다. 도 25를 참조하면, 활성 그래핀(55)은 그래핀 초격자(55a)와 그래핀 초격자(55a)의 빈공간에 분산되어 마련된 복수의 그래핀 양자점들(55b)을 포함한다. 즉, 그래핀 초격자(55a)와 그래핀 양자점들(55b)은 서로 교번하여 배치된다. 본 실시예는 그래핀 초격자(55a)와 그래핀 양자점들(55b)이 교번하는 방향이 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)의 이격 방향에 수직한 방향이나, 그래핀 초격자(55a)와 그래핀 양자점들(55b)이 교번하는 방향이 p형 그래핀(13)과 n형 그래핀(17)의 이격 방향에 평행할 수도 있다.
그래핀 초격자(55a)는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 활성 그래핀(15, 15')의 그래핀 초격자와 실질적으로 동일하다. 그래핀 양자점들(55b)은 도 14 내지 도 18을 참조하여 설명한 활성 그래핀(35, 35')의 그래핀 양자점(35a, 35a', 35b', 35c')과 실질적으로 동일하다. 본 실시예의 경우, 활성 그래핀(55)은 그래핀 초격자(55a)에서의 다중 양자 우물 포텐셜에 의해 양자효율 증가와 그래핀 양자점들(55b)에서의 광증폭 효과가 결합되어 발광효율이 증대될 수 있다.
활성 그래핀(15)의 복합 구조는 다양한 변형예들이 있을 수 있다. 도 26 및 도 27은 활성 그래핀의 복합 구조의 다른 예들을 도시한 것으로서, 도 24의 C 영역을 확대한 도면으로 이해될 수 있다.
도 26을 참조하면, 일 변형예에 따른 그래핀 발광소자(50')의 활성 그래핀(55')은 그래핀 초격자(55'a)가 형성된 영역과 그래핀 양자점들(55'b)이 분산된 영역이 각각 마련된다. 도 27을 참조하면, 다른 변형예에 따른 그래핀 발광소자(50")의 활성 그래핀(55")은 그래핀 초격자(55"a)가 형성된 영역 위에 그래핀 양자점들(55"b)이 분산되어, 그래핀 초격자(55"a)가 마련된 영역과 그래핀 양자점들(55"b)이 마련된 영역이 겹쳐져 있다.
본 실시예들에 따른 그래핀 발광소자는 그래핀 자체의 기계적 특성 덕분에 플렉서블한 소자의 구현이 가능하며, 에칭등의 공정을 통해 그래핀을 제단함으로써 다양한 디자인이 가능하다.
또한, 고가의 유기금속화학증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition: MOCVD) 장비를 필요로 하는 화합물 반도체를 대신하여, 통상적인 화학증착(Chemical Vapour Deposition: CVD) 장비로 제조가 가능하므로, 종래의 화합물 반도체 발광소자에 비하여 제조비용을 낮추고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
전술한 본 발명인 그래핀 발광소자 및 이의 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 30, 50...그래핀 발광소자
11...기판
13...p형 그래핀
15, 15', 15", 15'", 35, 35', 55, 55', 55"...활성 그래핀
17...n형 그래핀
20...그래핀
11...기판
13...p형 그래핀
15, 15', 15", 15'", 35, 35', 55, 55', 55"...활성 그래핀
17...n형 그래핀
20...그래핀
Claims (45)
- p형 도펀트가 도핑된 p형 그래핀;
n형 도펀트가 도핑된 n형 그래핀; 및
상기 p형 그래핀과 상기 n형 그래핀 사이에 마련되며 발광하는 활성 그래핀;을 포함하며,
상기 p형 그래핀, 상기 n형 그래핀, 및 활성 그래핀은 수평 배열되며,
상기 활성 그래핀은 그래핀 초격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 발광소자. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 그래핀 초격자는 다중 양자 우물 포텐셜을 갖는 그래핀 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 그래핀 초격자는 상기 p형 그래핀과 상기 n형 그래핀을 잇는 띠형상을 지닌 적어도 하나의 그래핀 나노리본을 포함하는 그래핀 발광소자. - 제4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 그래핀 나노리본 각각은 양 가장자리 중 적어도 하나는 지그재그 형상을 지닌 그래핀 발광소자. - 제5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 그래핀 나노리본 각각의 폭은 3 nm 내지 20 nm의 범위 내에 길이방향으로 주기적으로 변동되는 그래핀 발광소자. - 제4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 그래핀 나노리본들 중 인접한 그래핀 나노리본 사이의 간격은 2 nm 내지 15 nm의 범위 내에 있는 그래핀 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 활성 그래핀은 상기 p형 그래핀과 상기 n형 그래핀 사이에 분산되어 위치한 복수의 그래핀 양자점들을 더 포함하는 그래핀 발광소자. - 제8 항에 있어서,
상기 그래핀 초격자가 마련되는 제1 영역과 상기 복수의 그래핀 양자점들이 마련된 제2 영역은 겹쳐지는 그래핀 발광소자. - 제8 항에 있어서,
상기 복수의 그래핀 양자점들은 적어도 2가지의 서로 다른 크기를 갖는 그래핀 발광소자. - 제8 항에 있어서,
상기 복수의 그래핀 양자점들은 적색 발광, 녹색 발광, 및 청색 발광에 각각 대응되는 3가지의 서로 다른 크기를 갖는 그래핀 발광소자. - 삭제
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