KR101945128B1 - 양자점 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양자점 발광 다이오드 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 양자점 발광 다이오드는 균일하게 배열된 나노 기공들을 갖는 블록공중합체층을 포함하고, 하나의 상기 나노 기공 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들이 담지되어 인가 전압에 따라 발광 파장이 변화한다. 또한, 양자점은 블록공중합체층의 표면과 표면 에너지 차이로 인한 반발력을 갖는 유기 리간드 물질로 코팅되어 있어 블록공중합체층의 나노 기공으로 쉽게 주입될 수 있다. 또한 블록공중합체의 분자량을 조절함으로써 하나의 나노 기공이 담지하는 양자점의 개수 및 나노 기공 사이의 거리를 효과적으로 조절할 수 있다.

Description

양자점 발광 다이오드 및 그 제조 방법{Quantum Dot Light Emitting Diode and Fabrication Method Thereof}
본 발명은 양자점 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고분자 중합체 패턴을 이용한 양자점 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
양자점은 높은 색순도와 발광 효율, 넓은 범위의 색 재현성 및 양자점의 크기에 따라 에너지 밴드갭을 용이하게 제어 가능하여 차세대 발광 다이오드 기술로 주목받고 있다. 또한 용액 공정이 가능하여 저비용, 대면적의 디스플레이 제작이 가능하다.
CdSe 기반의 양자점은 사이즈에 따라 가시광선 영역의 다양한 발광 스펙트럼을 얻을 수 있어 발광 다이오드의 재료로 사용되고 있다. 양자점은 CdSe와 같은 코어(core)의 표면에 CdS 또는 ZnS와 같은 쉘(shell)을 단일막 혹은 이중막으로 형성하의 사용한다.
양자점은 산소나 수분과 같은 산화 환경 및 고온에 노출될 때 양자점의 물리 화학적인 변환에 의하여 양자 효율이 감소될 수 있다. 또한 양자점들이 서로 뭉치는 응집(aggregation)현상 역시 양자 효율을 감소시키는 원인 중의 하나이다. 따라서 양자점들의 표면을 화학적으로 안정화시키고, 균일하게 분산시키기 위하여 양자점의 표면은 일반적으로 유기 리간드를 이용하여 코팅하게 된다.
양자점 콜로이드 용액은 종래의 증착, 포토 리소그래피 작업이 불가능하여 다양한 방식으로 양자점을 패터닝 하기 위한 방법들이 연구되었다. 스프레이 코팅 방식, 드롭렛(mist-droplet) 방식, 잉크젯 프린팅 방식 또는 컨택 프린팅 방식 등이 알려져 있으나, 나노-사이즈에 불과한 양자점의 개수 및 양자점 사이의 거리를 조절하는 것이 매우 어렵거나 공정 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 고분자 중합체 패턴을 이용하여 하나의 픽셀 내에 배치되는 양자점의 개수와 픽셀 사이의 거리가 조절 가능한 양자점 발광 다이오드를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 고분자 중합체 패턴을 이용하여 하나의 픽셀 내에 배치되는 양자점의 개수와 픽셀 사이의 거리가 조절 가능한 양자점 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 제1 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 애노드, 캐소드, 발광층, 정공 주입층, 정공 수송층 및 전자 수송·주입층을 포함하고, 상기 발광층은 균일하게 배열된 나노 기공들을 갖는 블록공중합체층을 포함하고, 하나의 상기 나노 기공 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들이 담지되어 인가 전압에 따라 발광 파장이 변화하는 양자점 발광 다이오드를 제공한다.
상기 블록공중합체층은 육각 배열된 원기둥 형태의 상기 나노 기공들을 갖고, 상기 나노 기공들은 10 nm 내지 100 nm의 지름을 가질 수 있다.
상기 블록공중합체층은 이중블록공중합체 또는 삼중블록공중합체이고, 예를들어 상기 이중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리메틸메타클릴레이드(PS-b-PMMA), 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP), 폴리스틸렌-블럭-폴리4비닐피리딘(PS-b-P4VP) 또는 폴리스틸렌-블럭-폴리디메틸실록산(PS-b-PDMS)일 수 있고, 상기 삼중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리부타디엔-블럭-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-블럭-폴리이소프랜-블럭-폴리스티렌일 수 있다.
상기 양자점은 상기 블록공중합체층의 표면과 표면 에너지 차이로 인한 반발력을 갖는 유기 리간드로 코팅되며, 예를 들면, 상기 블록공중합체층은 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP)이고, 상기 양자점은 올레 산(Oleic acid)로 코팅될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양자점은 3 nm 내지 15 nm의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드는 상기 전자 수송·주입층은 ZnO이고, 상기 정공 수송층은 4,4'-N,N-디카바졸비페닐(CBP)이고, 상기 정공 주입층은 MoO3일 수 있다.
상술한 제2 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 애노드, 캐소드, 발광층, 정공 주입층, 정공 수송층 및 전자 수송·주입층을 포함하는 양자점 발광 다이오드의 제조 방법에 있어서, 상기 전자 수송·주입층 상에 블록공중합체 박막을 형성하는 단계, 상기 블록공중합체 박막을 상분리 하여 균일하게 배열된 원기둥 패턴을 형성하는 단계, 상기 원기둥 패턴을 선택적으로 식각하여 나노 기공이 형성된 블록공중합체층을 형성하는 단계 및 상기 블록공중합체층 상에 서로 다른 발광 파장을 갖는 양자점들을 동시에 도입하는 단계를 포함한다.
상기 전자 수송·주입층 상에 블록공중합체 박막을 형성하는 단계는 이중블록공중합체 또는 삼중블록공중합체를 유기 용매에 용해시켜 블록공중합체 혼합 용액을 제조하는 단계 및 상기 블록공중합체 혼합 용액을 상기 전자 수송·주입층 상에 스핀 코팅(Spin coating) 하여 상기 블록공중합체 박막을 형성하는 단계를 포함하고,블록공중합체를 용해하기 위한 유기 용매는 톨루엔(Toluene), 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 자일렌(Xylene) 또는 벤젠(Benzene)일 수 있고, 상기 이중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리메틸메타클릴레이드(PS-b-PMMA), 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP), 폴리스틸렌-블럭-폴리4비닐피리딘(PS-b-P4VP) 또는 폴리스틸렌-블럭-폴리디메틸실록산(PS-b-PDMS)일 수 있고, 상기 삼중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리부타디엔-블럭-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-블럭-폴리이소프랜-블럭-폴리스티렌일 수 있다.
상기 블록공중합체 박막을 상분리 하여 균일하게 배열된 원기둥 패턴을 형성하는 단계는 상기 블록공중합체 박막 상에 0.1 ml 내지 0.5 ml의 유기 용매를 주입하여 상분리를 유도하는 단계를 포함하고, 상기 유기 용매는 톨루엔(Toluene), 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 자일렌(Xylene) 또는 벤젠(Benzene)일 수 있다.
또한, 상기 원기둥 패턴의 직경은 상기 블록공중합체의 분자량에 따라 변화할 수 있다.
상기 원기둥 패턴을 선택적으로 식각하여 나노 기공이 형성된 블록공중합체층을 형성하는 단계는 극성 유기 용매를 이용하여 상기 원기둥 패턴 내의 블록공중합체 사슬을 선택적으로 용해시키는 단계 및 산소 플라즈마(Oxygen plasma)를 이용하여 블록공중합체 박막의 표면을 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 블록공중합체층 상에 서로 다른 발광 파장을 갖는 양자점들을 동시에 도입하는 단계는 상기 블록공중합체층의 표면과 표면 에너지 차이로 인한 반발력을 갖는 유기 리간드 물질로 코팅된 양자점이 분산된 양자점 콜로이드 용액을 준비하는 단계 및 상기 양자점 콜로이드 용액을 상기 블록공중합체층 상에 스핀코팅하는 단계를 포함하고 상기 양자점 콜로이드 용액은 3 nm 내지 15 nm의 직경을 갖는 양자점들이 유기 용매에 균일하게 분산된 용액일 수 있다.
상기 유기 리간드 물질은 구체적으로 올레 산(Oleic acid)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 상기 블록공중합체층은 육각 배열된 원기둥 형태의 상기 나노 기공들을 갖고, 상기 나노 기공들은 10 nm 내지 100 nm의 지름을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블록공중합체층은 규칙적으로 육각 배열된 원기둥 형태의 나노 기공들을 갖고, 나노 기공 내에는 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들이 담지된 양자점 발광 다이오드를 제조할 수 있다. 양자점들은 블록공중합체층의 표면과 표면 에너지 차에 의한 반발력을 갖는 유기 리간드로 코팅되어 있어, 스핀 코팅과 같은 간단한 용액 공정을 통하여 나노 기공 내에 양자점들을 손쉽게 담지할 수 있다.
나노 기공의 직경 및 나노 기공 간의 거리는 블록공중합체의 분자량을 조절함에 따라 손쉽게 조절 가능하다.
100 nm 이하의 지름을 갖는 나노 기공 내에는 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들이 동시에 담지 되어 있어, 인가되는 전압에 따라 다른 파장의 빛을 발광할 수 있다. 이는 대면적에 R, G, B 파장을 갖는 양자점들을 혼합 적층하거나 교대로 적층하여 백색광 발광 다이오드의 필름으로 사용하는 것과 달리, 하나의 픽셀 내에 매우 적은 수의 양자점들만이 담지되어 각 양자점이 인가되는 전압에 따라 고유의 발광 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있도록 한다.
따라서 나노 사이즈의 작은 픽셀 내에서 R, G, B의 다색 발광이 가능하여 차세대 디스플레이에 적용 가능하다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드를 도시하는 단면도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 블록공중합체 박막이 상분리되어 균일하게 배열된 원기둥 패턴을 형성한 것을 도시하는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 상분리 된 블록공중합체 박막을 극성 유기용매를 이용하여 나노 기공을 형성한 것을 도시하는 원자간력 현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 기공이 형성된 블록공중합체 박막을 산소 플라즈마 처리 한 후를 도시하는 원자간력 현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 기공 내에 서로 다른 에너지갭을 갖는 양자점들이 담지된 블록공중합체층의 원자간력 현미경 사진(a)과 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope) 사진(b)이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 분자량이 245 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 블록공중합체층(a) 및 나노 기공에 양자점이 담지된 블록록공중합체층(b)을 도시하는 전자주사 현미경 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 분자량이 58 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 블록공중합체층(a) 및 나노 기공에 양자점이 담지된 블록록공중합체층(b)을 도시하는 전자주사 현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드의 정규화된 전계 발광 세기(Electroluminescence Intensity)를 도시하는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드가 인가되는 전압에 따라 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 나타내는 사진이다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드를 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드는 캐소드(10), 상기 캐소드(10) 상에 형성된 전자 수송·주입층(20, Electron Transfer·Injection Layer), 상기 전자 수송·주입층(20) 상에 형성된 발광층(30), 상기 발광층(30) 상에 형성된 정공 수송층(40), 상기 정공 수송층(40) 상에 형성된 정공 주입층(50) 및 상기 정공 주입층(50) 상에 형성된 애노드(60)를 포함한다.
상기 발광층(30)은 나노 기공을 갖는 블록공중합체층(33)과 상기 나노 기공 내에 담지된 양자점(37)을 포함한다.
상기 캐소드(10)는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그라핀(Graphine), 금속 나노 와이어, 알루미늄, 마그네슘 또는 이들의 합금일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드(10) 상에 형성된 전자 수송·주입층(20)은 높은 전자 이동도를 가지며, 캐소드(10)로 전자를 원활하게 주입하기 위해 에너지 레벨을 조절하는 층이다. 상기 전자 수송·주입층(20)은 TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3,Y2O3 또는 ZrSiO4일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수송·주입층(20) 상에 발광층(30)이 형성된다. 상기 발광층(30)은 나노 기공을 갖는 블록공중합체층(33)과 상기 나노 기공 내에 담지된 양자점(37)을 포함한다.
상기 블록공중합체층(33)은 균일하게 배열된 원기둥 형태의 나노 기공을 갖는 블록공중합체 박막으로, 이중블록공중합체 또는 삼중블록공중합체를 포함할 수 있다. 이중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리메틸메타클릴레이드(PS-b-PMMA), 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP), 폴리스틸렌-블럭-폴리4비닐피리딘(PS-b-P4VP) 또는 폴리스틸렌-블럭-폴리디메틸실록산(PS-b-PDMS)일 수 있고, 삼중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리부타디엔-블럭-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-블럭-폴리이소프랜-블럭-폴리스티렌일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 블록공중합체층(33)은 사용되는 블록공중합체의 분자량에 따라 다양한 직경과 거리를 갖는 원기둥 형태의 나노 기공이 형성될 수 있다. 일반적으로 분자량이 큰 블록공중합체를 사용하는 경우 나노 기공의 직경이 더 커지고, 나노 기공 사이의 거리가 증가한다. 따라서, 사용하고자 하는 양자점 및 디스플레이의 특성에 따라 블록공중합체를 선택할 수 있다. 예를 들어, 상술한 블록공중합체의 분자량이 58 kg/mol인 경우 상기 나노 기공의 직경은 10 nm 내지 20 nm 일 수 있다. 또는 상술한 블록공중합체의 분자량이 245 kg/mol인 경우 상기 나노 기공의 직경은 50 nm 내지 70 nm일 수 있다.
상기 양자점(37)은 다양한 발광 파장을 갖는 양자점들이 혼합된 것일 수 있다. 즉 양자점(37)들은 사이즈가 다른 동일한 물질이거나, 사이즈가 동일하더라도 발광 파장이 다른 물질이거나, 또는 사이즈와 물질이 모두 다를 수 있다. 양자점(37)들은 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 설파이드(CdS), 카드뮴 텔레라이드(CdTd), 징크 셀레나이드(ZnSe), 징크 텔레라이드(ZnTe), 징크 설파이드(ZnS), 인듐 아세나이드(InAs) 및 인듐 포스파이드(InP) 중에서 선택되는 단일 입자 또는 코어-쉘(Core-Shell) 구조일 수 있다. 상기 양자점(37)들은 3 nm 내지 15 nm의 직경을 가질 수 있다.
상기 양자점(37)은 콜로이드 상에서 응집(Aggregation)을 막고, 상기 나노 기공 내로 효과적으로 주입되기 위하여 유기 리간드로 코팅된다. 예를 들어 상기 유기 리간드는 올레 산(Oleic acid)일수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광층(30) 상에 정공 수송층(40)이 형성된다. 정공 수송층(40)은 애노드(60)로부터 정공 주입층(50)을 통하여 전달된 정공을 원활하게 발광층(30)으로 이동하게 하고, 캐소드(10)로부터 전달된 전자를 발광층(30)에 속박한다. 따라서 정공 수송층(40)은 높은 정공 이동도를 갖는 물질일 수 있다. 예를 들어 정공 수송층(40)은 NPB(N,N`-bis(1-naphtalenyl)-N-N`-bis(phenyl-benzidine)), DPFL-NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-9,9'-diphenyl-fluorene), Spiro-NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-spiro), Poly-TPD(poly(N,N0-bis(4-butylphenyl)-N,N0-bis(phenyl)benzidine), CBP(4, 4'-N, N'-dicarbazole-biphenyl), PVK(tetraphenyl-diaminophenyl/poly-vinylcarbazole), F8BT (poly (9,9-din-octylfluorene-alt-benzothiadiazolo)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), TBADN : 3-Tert-butyl-9,10-di(naphth-2-yl)anthracene, mHOST5(2,7-Di(N,N'-carbarzolyl)-9,9-bis[4-(2-ethylhexyloxy)-phenyl]fluorine) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 정공 수송층(40) 상에 정공 주입층(50) 및 애노드(60)가 순차적으로 적층된다. 상기 정공 주입층(50)은 애노드(60)로부터 정공 수송층(40)에 정공의 주입을 용이하게 하는 역할을 한다. 따라서 정공 주입층(50)의 일함수 값은 애노드(60)와 정공 수송층(40)의 일함수 값의 중간에 위치한다. 상기 정공 주입층(50)은 WO3, MoO3, V2O5, NiO 및 RuO 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
애노드(60)는 정공을 쉽게 주입할 수 있는 금속 또는 그 산화물일 수 있다. 예를 들어, ITO, 알루미늄, AZO(Aluminum Zinc Oxide), 금, 은 또는 이들의 산화물일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 먼저 캐소드(10)가 형성되고, 상기 캐소드(10) 상에 전자 수송·주입층(20)이 형성된다.
도 4를 참조하면, 상기 전자 수송·주입층(20) 상에 블록공중합체 박막(31)이 형성된다.
폴리스틸렌-블럭-폴리메틸메타클릴레이드(PS-b-PMMA), 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP), 폴리스틸렌-블럭-폴리4비닐피리딘(PS-b-P4VP) 또는 폴리스틸렌-블럭-폴리디메틸실록산(PS-b-PDMS)를 유기 용매에 용해시킨 블록공중합체 혼합 용액을 상기 전자 수송·주입층(20) 상에 스핀 코팅하여 상기 블록 공중합체 박막(31)을 형성할 수 있다. 상기 유기 용매는 톨루엔(Toluene), 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 자일렌(Xylene) 또는 벤젠(Benzene)일 수 있다. 블록공중합체 혼합 용액의 농도 및 스핀 코팅의 회전 속도(rpm)을 조절하여 블록공중합체 박막(31)의 두께를 조절할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 블록공중합체 박막(31)을 상분리하여 균일하게 배열된 원기둥 패턴(35)과 나노기공(35)을 갖는 블록공중합체층(33)을 형성한다. 상기 블록공중합체 박막(31)에 유기 용매를 주입하면 블록공중합체의 극성인 부분과 비극성인 부분이 유기 용매와 상호작용을 하며 자기 정렬(self-assembly)을 통하여 원기둥 패턴(35)을 형성하게 된다. 유기 용매는 톨루엔(Toluene), 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 자일렌(Xylene) 또는 벤젠(Benzene)일 수 있다. 이때 원기둥 패턴(35)의 직경과 패턴 사이의 거리는 일반적으로 블록공중합체의 분자량이 클수록 함께 커진다.
도 6을 참조하면, 에탄올과 같은 극성 유기 용매를 원기둥 패턴(35)과 반응시켜 원기둥 패턴(35)을 이루는 고분자 사슬을 선택적으로 용해시킬 수 있다. 에탄올 용매 분자와 블록공중합체의 선택적 상호 작용에 의하여 원기둥 내부의 부피가 증가하고 나노 기공이 형성되게 된다. 이 후, 산소 플라즈마 처리를 통하여 블록공중합체층(33)의 표면을 개질하고, 필요한 두께만이 잔류하도록 표면을 식각할 수 있다.
도 7을 참조하면, 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 양자점(37)들이 블록공중합체층(33)의 나노 기공 내로 주입된다.
양자점(37)들은 블록공중합체층(33)의 표면을 주로 이루는 폴리스티렌 고분자와 표면 에너지 차에 의하여 반발하는 유기 리간드 물질로 코팅된다. 유기 리간드 물질은 올레 산(Oleic acid)일 수 있다.
양자점(37)들은 서로 다른 물질이거나, 크기가 달라 서로 다른 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
유기 리간드 물질로 코팅된 양자점(37)들은 n-옥탄(n-Octane), 톨루엔(Toluen), 클로로포름(Chloroform) 또는 n-헥산(n-Hexane)과 같은 유기 용매들에 분산되어 양자점 콜로이드 용액을 형성한다.
양자점 콜로이드 용액은 상기 나노 기공을 갖는 블록공중합체층(33) 상에 스핀 코팅 된다. 이 때 양자점(37) 표면에 코팅된 유기 리간드 물질과 고분자의 표면 에너지 차이, 스핀 코팅 과정에서의 원심력 및 나노 기공의 모세관 현상(Capillary force)로 인하여 양자점(37)이 나노 기공 내에 효과적으로 주입된다.
도 8을 참조하면, 나노 기공 내에 양자점(37)이 담지된 블록공중합체층(33) 상에 정공 수송층(40), 정공 주입층(50) 및 애노드(60)을 순차적으로 적층한다.
실험예
실험예 1 : 분자량이 245 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 공중합체를 이용한 양자점 발광 다이오드의 제조
ITO 기판 상에 ZnO를 스핀 캐스팅(Spin Casting)하여 건조하여 캐소드와 전자 수송·주입층을 형성하였다. 분자량이 245 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 공중합체를 톨루엔에 1 wt%의 질량 분율을 갖도록 용해하여 블록공중합체 혼합 용액을 제조 하였다. ZnO 전자 수송·주입층 상에 블록공중합체 혼합 용액을 1500 rpm의 속도로 스핀 코팅(Spin Coating)하여 블록공중합체 박막을 형성하였다. 블록공중합체 박막 상에 톨루엔 0.1 ml 내지 0.5 ml를 주입하여 블록공중합체의 상분리를 통하여 육각 배열을 갖는 원기둥 패턴을 형성하였다. 상분리된 블록공중합체 박막을 에탄올과 반응시켜 원기둥 패턴 내의 폴리2비닐피리딘 사슬을 선택적으로 용해시켜 나노 기공을 형성하였다. 나노 기공의 깊이 조절 및 블록공중합체층의 표면 처리를 위하여 산소 플라즈마 처리를 하였다. 서로 다른 직경을 갖는 CdSe/ZnS 코어-쉘 구조의 양자점들에 올레산 코팅을 한 뒤 톨루엔에 분산시킨 양자점 콜로이드 용액을 블록공중합체층 상에 스핀 코팅 하였다. 그 후 블록공중합체층 상에 CBP 층, MoO3층 및 Ag층을 순차적으로 열 증착(Thermal deposition)하여 정공 수송층, 정공 주입층 및 애노드를 형성하였다.
실험예 2 : 분자량이 58 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 공중합체를 이용한 양자점 발광 다이오드의 제조
실험예 1과 동일한 방법을 사용하되, 블록공중합체를 분자량이 58 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 공중합체를 사용하여 양자점 발광 다이오드를 형성하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 블록공중합체 박막이 상분리되어 균일하게 배열된 원기둥 패턴을 형성한 것을 도시하는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope) 사진이다.
도 9를 참조하면, 분자량이 245 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 공중합체 박막을 상분리하였을 때 형성되는 원기둥 패턴을 확인할 수 있다. 원기둥은 육각 배열(Hexagonal array)를 형성하며 균일하게 배열된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 상분리 된 블록공중합체 박막을 극성 유기용매를 이용하여 나노 기공을 형성한 것을 도시하는 원자간력 현미경 사진이다.
도 10을 참조하면, 도 9의 상분리 된 블록공중합체 박막을 에탄올과 반응시켜 원기둥 패턴 내의 P2VP 사슬을 선택적으로 용해시켜 형성하는 나노 기공을 확인할 수 있다. 나노 기공은 약 33 nm의 직경을 가지며, 나노 기공 중심점의 사이는 64 nm이다. 사용한 블록공중합체의 분자량에 따라 나노 기공의 직경과 중심점 사이의 거리를 조절할 수 있는데, 분자량이 58 kg/mol인 블록공중합체를 이용하였을 때 나노 기공의 직경은 15 nm, 중심점 사이의 거리는 45 nm인 것을 확인할 수 있었다. 따라서 사용하는 양자점의 종류 및 양자점 발광 다이오드의 용도에 따라 나노 기공의 직경과 나노 기공 사이의 거리를 손쉽게 조절 가능하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 기공이 형성된 블록공중합체 박막을 산소 플라즈마 처리 한 후를 도시하는 원자간력 현미경 사진이다.
산소 플라즈마 처리를 통하여 블록공중합체 박막의 두께를 조절할 수 있다. 블록공중합체 박막의 두께가 나노 기공의 깊이를 결정하고, 나노 기공의 깊이에 따라 담지되는 양자점의 개수가 결정된다. 따라서, 하나의 픽셀 내에 포함되는 양자점의 수를 산소 플라즈마 처리를 통하여 조절 가능하다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 기공 내에 서로 다른 에너지갭을 갖는 양자점들이 담지된 블록공중합체층의 원자간력 현미경 사진(a)과 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope) 사진(b)이다.
도 12를 참조하면, 블록공중합체층의 표면에는 양자점이 위치하지 않는 반면 나노 기공 내에 양자점이 담지되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 블록공중합체층의 표면을 이루는 폴리스티렌과 양자점의 표면에 코팅된 올레 산 사이의 표면 에너지 차이로 인한 반발력 및 나노 기공의 모세관 힘에 의하여 양자점이 나노 기공 내로 주입되려 하기 때문이다. 따라서 낭비되는 양자점이 없도록 적은 양의 양자점을 이용하여 육각 배열을 갖는 양자점 발광층을 형성할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 분자량이 245 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 블록공중합체층(a) 및 나노 기공에 양자점이 담지된 블록록공중합체층(b)을 도시하는 전자주사 현미경 사진이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 분자량이 58 kg/mol인 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘 블록공중합체층(a) 및 나노 기공에 양자점이 담지된 블록록공중합체층(b)을 도시하는 전자주사 현미경 사진이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 분자량이 245 kg/mol인 블록공중합체를 사용하는 경우 나노 기공은 약 33 nm의 직경을 가지며, 나노 기공 중심점의 사이는 64 nm이다. 분자량이 58 kg/mol인 블록공중합체층의 경우 나노 기공의 직경은 15 nm, 중심점 사이의 거리는 45 nm로 보다 조밀한 배열을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 양자점들은 두 경우 모두 나노 기공 내에 용이하게 주입되어, 균일한 육각 배열을 갖는 양자점 어레이를 형성할 수 있었다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드의 정규화된 전계 발광 세기(Normalized Electroluminescence Intensity)를 도시하는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실험예 1에 따른 양자점 발광 다이오드는 인가되는 전압에 따라 하나의 픽셀에서 600 nm 내지 700 nm 파장, 470 nm 내지 570 nm 파장, 400 nm 내지 470 nm 파장 대역의 빛을 발광하는 것을 확인할 수 있었다. 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들을 다수 적층하여 사용하는 화이트 LED 달리 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들이 하나의 픽셀 내에 적은 수만 담지되어 있으므로 인가되는 전압에 따라 개별적 발광 특성을 나타내는 것으로 생각된다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드가 인가되는 전압에 따라 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 나타내는 사진이다.
도 16을 참조하면, 실험예 1에 따른 양자점 발광 다이오드가 공급 전압에 따라 R, G, B의 삼원색을 발광하는 것을 확인할 수 있다. 실험예 1에 따른 양자점 발광 다이오드는 3 V 내지 4 V의 전압이 인가되었을 때 붉은 빛을 발광하고(a), 4.5 V 내지 6 V의 전압이 인가되었을 때 녹색 빛을 발광하였으며(b), 10 V 내지 13 V의 전압이 인가되었을 때 파란 빛을 발광하였다(c). 본 발명에 따른 양자점 발광 다이오드는 하나의 픽셀을 나노 사이즈의 나노 기공으로 축소하였으며, 하나의 픽셀에서 다색 발광이 가능하게 한다. 또한 종래의 QD-LED가 양자점을 필름으로 이용하는 것에 반하여 양자점을 직접 발광 다이오드의 발광층으로 이용함으로써 높은 색순도를 가지는 고해상도의 차세대 디스플레이에 적용 가능할 것으로 생각된다.
10 : 캐소드 20 : 전자 수송·주입층
30 : 발광층 31 : 블록공중합체 박막
33 : 블록공중합체층 35 : 원기둥 패턴
37 : 양자점 40 : 정공 수송층
50 : 정공 주입층 60 : 애노드

Claims (15)

  1. 캐소드 상에 형성된 전자 수송·주입층;
    상기 전자 수송·주입층 상에 형성된 발광층;
    상기 발광층 상에 형성된 정공 수송층;
    상기 정공 수송층 상에 형성된 정공 주입층; 및
    상기 정공 주입층 상에 형성된 애노드를 포함하고,
    상기 발광층은 균일하게 배열된 나노 기공들을 갖는 블록공중합체층을 포함하고,
    하나의 상기 나노 기공 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 양자점들이 담지되고 상기 양자점은 유기 리간드로 코팅되어 인가 전압에 따라 발광 파장이 변화하는 양자점 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블록공중합체층은 육각 배열된 원기둥 형태의 상기 나노 기공들을 갖고,
    상기 나노 기공들은 10 nm 내지 100 nm의 지름을 갖는 양자점 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블록공중합체층은 이중블록공중합체 또는 삼중블록공중합체이고,
    상기 이중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리메틸메타클릴레이드(PS-b-PMMA), 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP), 폴리스틸렌-블럭-폴리4비닐피리딘(PS-b-P4VP) 또는 폴리스틸렌-블럭-폴리디메틸실록산(PS-b-PDMS)이고,
    상기 삼중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리부타디엔-블럭-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-블럭-폴리이소프랜-블럭-폴리스티렌인 양자점 발광 다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기 리간드는 상기 블록공중합체층의 표면과 표면 에너지 차이로 인한 반발력을 갖는 것인 양자점 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 블록공중합체층은 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP)이고, 상기 양자점은 올레 산(Oleic acid)로 코팅된 양자점 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양자점은 3 nm 내지 15 nm의 직경을 갖는 양자점 발광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전자 수송·주입층은 ZnO이고,
    상기 정공 수송층은 4,4'-N,N-디카바졸비페닐(CBP)이고,
    상기 정공 주입층은 MoO3인 양자점 발광 다이오드.
  8. 캐소드를 형성하는 단계;
    상기 캐소드 상에 전자 수송·주입층을 형성하는 단계;
    상기 전자 수송·주입층 상에 블록공중합체 박막을 형성하는 단계;
    상기 블록공중합체 박막을 상분리 하여 균일하게 배열된 원기둥 패턴을 형성하는 단계;
    상기 원기둥 패턴을 선택적으로 식각하여 나노 기공이 형성된 블록공중합체층을 형성하는 단계;
    상기 블록공중합체층 상에 서로 다른 발광 파장을 갖는 양자점들을 동시에 도입하는 단계;
    상기 블록공중합체층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계;
    상기 정공 수송층 상에 정공 주입층을 형성하는 단계; 및
    상기 정공 주입층 상에 애노드를 형성하는 단계를 포함하는 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자 수송·주입층 상에 블록공중합체 박막을 형성하는 단계는
    이중블록공중합체 또는 삼중블록공중합체를 유기 용매에 용해시켜 블록공중합체 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 블록공중합체 혼합 용액을 상기 전자 수송·주입층 상에 스핀 코팅(Spin coating) 하여 상기 블록공중합체 박막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 유기 용매는 톨루엔(Toluene), 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 자일렌(Xylene) 또는 벤젠(Benzene)이고,
    상기 이중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리메틸메타클릴레이드(PS-b-PMMA), 폴리스틸렌-블럭-폴리2비닐피리딘(PS-b-P2VP), 폴리스틸렌-블럭-폴리4비닐피리딘(PS-b-P4VP) 또는 폴리스틸렌-블럭-폴리디메틸실록산(PS-b-PDMS)이고,
    상기 삼중블록공중합체는 폴리스틸렌-블럭-폴리부타디엔-블럭-폴리스티렌 또는 폴리스티렌-블럭-폴리이소프랜-블럭-폴리스티렌인 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 블록공중합체 박막을 상분리 하여 균일하게 배열된 원기둥 패턴을 형성하는 단계는
    상기 블록공중합체 박막 상에 0.1 ml 내지 0.5 ml의 유기 용매를 주입하여 상분리를 유도하는 단계를 포함하고,
    상기 유기 용매는 톨루엔(Toluene), 클로로포름(Chloroform), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 자일렌(Xylene) 또는 벤젠(Benzene)인 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 원기둥 패턴의 직경은 상기 블록공중합체의 분자량에 따라 변화하는 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 원기둥 패턴을 선택적으로 식각하여 나노 기공이 형성된 블록공중합체층을 형성하는 단계는
    극성 유기 용매를 이용하여 상기 원기둥 패턴 내의 블록공중합체 사슬을 선택적으로 용해시키는 단계; 및
    산소 플라즈마(Oxygen plasma)를 이용하여 상기 블록공중합체 박막의 표면을 식각하는 단계를 포함하는 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 블록공중합체층 상에 서로 다른 발광 파장을 갖는 양자점들을 동시에 도입하는 단계는
    상기 유기 리간드 물질로 코팅된 양자점이 분산된 양자점 콜로이드 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 양자점 콜로이드 용액을 상기 블록공중합체층 상에 스핀코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 유기 리간드 물질은 블록공중합체층의 표면과 표면 에너지 차이로 인한 반발력을 가지며,
    상기 양자점 콜로이드 용액은 3 nm 내지 15 nm의 직경을 갖는 양자점들이 유기 용매에 균일하게 분산된 용액인 발광 다이오드의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유기 리간드 물질은 올레 산(Oleic acid)인 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 블록공중합체층은 육각 배열된 원기둥 형태의 상기 나노 기공들을 갖고,
    상기 나노 기공들은 10 nm 내지 100 nm의 지름을 갖는 양자점 발광 다이오드의 제조 방법.

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