KR102252445B1 - 양자점 및 이를 포함하는 소자 - Google Patents

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Abstract

제1 반도체 나노 결정을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되고 제2 반도체 나노 결정 및 도펀트를 포함하는 쉘을 포함하되, 상기 제1 반도체 나노 결정은 III-V족 화합물을 포함하고, 상기 제2 반도체 나노결정은, 아연(Zn), 셀레늄(Se), 및 황(S)을 포함하고, 상기 도펀트는, 리튬, Zn2 +의 유효 이온 반경(effective ionic radius) 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, Zn2 +의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 금속, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 도펀트를 포함하는 양자점과, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 복합체 및 전자 소자에 대한 것이다.

Description

양자점 및 이를 포함하는 소자 {QUANTUM DOTS AND DEVICES INCLUDING THE SAME}
양자점 및 이를 포함하는 소자에 관한 것이다.
나노 입자는 벌크물질과 달리 물질의 고유 특성이라 알려져 있는 물리적 특성(에너지 밴드갭, 녹는점 등)을 입자 크기에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 양자점(quantum dot)이라고도 불리우는 반도체 나노결정은 수 나노 크기의 결정 구조를 가진 반도체 재료이다. 양자점은 매우 작은 입자 크기로 인해 단위 부피당 표면적이 넓고, 양자 구속(quantum confinement) 효과를 나타낼 수 있으므로 동일 조성의 벌크 물질과는 다른 물리 화학적 특성을 가진다.
일 구현예는 향상된 발광 특성과 열안정성을 나타낼 수 있는 양자점 (예컨대, 친환경적 양자점)에 관한 것이다.
다른 구현예는, 상기 양자점의 제조 방법에 대한 것이다.
또 다른 구현예는, 상기 양자점을 포함하는 양자점 폴리머 복합체에 대한 것이다.
또 다른 구현예는, 상기 양자점을 포함하는 전자 소자에 대한 것이다.
일 구현예에서, 양자점은, 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되고 제2 반도체 나노 결정 및 도펀트를 포함하는 쉘을 포함하고,
상기 제1 반도체 나노 결정은 III-V족 화합물을 포함하고, 상기 제2 반도체 나노결정은, 아연(Zn), 셀레늄(Se), 및 황(S)을 포함하고, 상기 도펀트는 리튬, Zn2+의 유효 이온 반경(effective ionic radius) 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, Zn2 +의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 원소, 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 III-V족 화합물은, II족 금속, IV족 원소, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체 나노결정은, II-VI족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI족 화합물, I-II-IV-VI족 화합물, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체 나노결정은, InP, InZnP, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 쉘 또는 상기 양자점에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비는 1 이상 (예컨대, 1 초과)일 수 있다.
상기 쉘은, 2 이상의 층을 포함하고, 인접하는 층들이 상이한 조성을 가지는 반도체 나노결정들을 포함하는 다층쉘일 수 있다.
상기 쉘은 ZnS 를 포함하는 최외각층을 가질 수 있다.
상기 양자점은, 상기 코어 바로 위에, 제3 반도체 나노결정을 포함하는 층을 가질 수 있다.
상기 제3 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭은, 상기 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 작을 수 있다.
상기 제3 반도체 나노결정은, ZnSe, ZnTe, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 쉘 내에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비는 반경을 따라 변화할 수 있다.
상기 도펀트는, 알루미늄(Al), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도펀트의 함량은, Zn 1몰에 대하여 0.3몰 이하, 예컨대, 0.2몰 이하, 또는 0.1 몰 이하일 수 있다.
상기 양자점은, 반치폭이 40 nm 이하일 수 있다.
상기 양자점은 양자 수율이 72% 이상, 예컨대, 80% 이상일 수 있다.
다른 구현예에서, 전술한 양자점을 제조하는 방법은,
상기 제1 반도체 나노 결정을 포함하는 코어를 가지는 입자, Zn을 함유한 제1 쉘 전구체, S를 함유한 제2 쉘 전구체, Se를 함유한 제3 쉘 전구체, 유기 리간드, 용매, 및 도펀트를 함유한 도펀트 전구체를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 및
상기 혼합물을 반응 온도로 가열하여 상기 입자 상에 도펀트 및 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 형성하는 (예컨대, 이에 따라 양자점을 제조하는) 단계를 포함하고,
상기 도펀트는, 리튬, Zn2 +의 유효 이온 반경(effective ionic radius) 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, 또는 Zn2 +의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 원소를 포함한다.
상기 혼합물을 준비하는 단계는, 상기 코어 바로 위에 상기 제2 반도체 나노결정과 다른 조성을 가지고, 상기 도펀트를 포함하지 않는 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 도펀트 전구체는, 올리에이트 (oleate), 스테아레이트(stearate), 클로라이드, 옥타노에이트, 하이드라이드(hydride), 이소프로폭시드(isopropoxide), 팔미테이트, 유기보레인(organoborane) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도펀트는, 알루미늄(Al), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도펀트 전구체는, 알루미늄올리에이트, 알루미늄모노스테아레이트, 알루미늄클로라이드, 알루미늄옥타노에이트, 알루미늄이소프로폭시드, 리튬팔미테이트, 리튬옥타노에이트, 마그네슘스테아레이트, 마그네슘올리에이트, 마그네슘(이소프로필)클로라이드, 보레인, 트리에틸보레인, 갈륨올리에이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 혼합물 내에서 황의 몰 함량은 셀레늄의 몰 함량보다 더 많을 수 있다.
상기 혼합물은, 이온성 액체를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 양자점 폴리머 복합체는, 폴리머 매트릭스; 및
상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 전술한 양자점을 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는, 티올렌 수지, (메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 구현예는 전술한 양자점을 포함하는 전자 소자를 제공한다.
일구현예에 따른 양자점은 향상된 발광 특성을 나타낼 수 있다. 상기 양자점은 향상된 열안정성을 나타낼 수 있다.
도 1은 일구현예에서 양자점에서 추가 금속을 포함하는 최외곽층 형성에 대한 가설적 메커니즘을 모식적으로 설명한 것이다.
도 2는, 일구현예에 따른 전자 소자 (액정 디스플레이)의 분해도를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 비제한적인 일구현예에서 양자점의 단면을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 4는 실시예 1-1에서 합성 과정 중의 양자점들에 대한 비행 시간형 2차 이온 질량 분석 (Time of flight secondary ion mass spectrometry: TOFSIMS) 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 실시예 2에서 합성된 갈륨 도핑된 양자점에 대하여 XPS 결과를 나타낸 것이다.
도 6은, 비교예 1의 양자점과 실시예 1-1에서 제조된 양자점의 X선 회절분석 결과를 나타낸 도이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 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 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 달리 언급이 없는 경우, "금속" 이라 함은, 금속원소 및 준금속 원소 (Si, B, 등)를 포함한다.
본 명세서에서, "알킬" 은 직쇄 또는 측쇄형의, 포화 1가 탄화수소기 (예컨대, 메틸, 헥실 등)를 말한다.
본 명세서에서, "알케닐"은 직쇄 또는 측쇄형이고, 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합을 가지는 1가의 탄화수소기를 말한다.
본 명세서에서, 아릴은, 하나 이상의 방향족 고리로부터 하나의 수소 원자의 제거에 의해 형성된 1가의 기 (예컨대, 페닐 또는 나프틸)를 말한다.
본 명세서에서, "족(Group) "은 원소 주기율표의 족을 말한다.
여기서, "II족" 또는 2족 은 IIA (또는 2A)족 및 IIB (또는 3B)족을 포함할 수 있으며, II족 금속의 예는 Cd, Zn, Hg 및 Mg을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"III 족" 또는 3족은 IIIA(또는 3A)족 및 IIIB (또는 3B)족을 포함할 수 있으며, III족 금속의 예들은 Al, In, Ga, 및 Tl을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"IV 족"은 IVA족 및 IVB 족을 포함할 수 있으며, IV 족 금속의 예들은 Si, Ge, Sn을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
"I족"은 IA족 및 IB족을 포함할 수 있으며, Li, Na, K, Ru, Cs을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서, "도핑" 이라 함은, 원래 결정 구조에 실질적으로 변화를 주지 않고 (예컨대, 격자 내 또는 격자 간 원소로서) 도펀트를 포함하는 것을 말한다. 예를 들어, 도펀트 원자는, 해당 결정 구조에 치환될 수 있거나 결정 격자 틈새에 존재할 수 있다. 도펀트 원소는, X선 회절 스텍트럼에서 실질적으로 결정성 피크를 나타내지 않을 수 있다. 도펀트 원소의 존재 (또는 함량)는, X선 광전자 분석법(X ray photoelectron spectroscopy), 에너지 분산 분광분석 (energy dispersive X ray spectroscopy), ICP-AES, 또는 TOF-SIMS 에 의해 확인할 수 있다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, "치환" 이란, 화합물 또는 해당 잔기가, 수소 대신, C1 내지 C30의 알킬기, C2 내지 C30의 알키닐기, C6 내지 C30의 아릴기, C7 내지 C30의 알킬아릴기, C1 내지 C30의 알콕시기, C1 내지 C30의 헤테로알킬기, C3 내지 C30의 헤테로알킬아릴기, C3 내지 C30의 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C30의 사이클로알키닐기, C2 내지 C30의 헤테로사이클로알킬기, 할로겐(-F, -Cl, -Br 또는 -I), 히드록시기(-OH), 니트로기(-NO2), 시아노기(-CN), 아미노기(-NRR' 여기서 R과 R'은 서로 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C6 알킬기임), 아지도기(-N3), 아미디노기(-C(=NH)NH2)), 히드라지노기(-NHNH2), 히드라조노기(=N(NH2)), 알데히드기(-C(=O)H), 카르바모일기(carbamoyl group, -C(O)NH2), 티올기(-SH), 에스테르기(-C(=O)OR, 여기서 R은 C1 내지 C6 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기임), 카르복실기(-COOH) 또는 그것의 염(-C(=O)OM, 여기서 M은 유기 또는 무기 양이온임), 술폰산기(-SO3H) 또는 그것의 염(-SO3M, 여기서 M은 유기 또는 무기 양이온임), 인산기(-PO3H2) 또는 그것의 염(-PO3MH 또는 -PO3M2, 여기서 M은 유기 또는 무기 양이온임) 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
여기서 탄화수소기라 함은, 탄소와 수소를 포함하는 기 (예컨대, 알킬, 알케닐, 알키닐, 또는 아릴기 등)을 말한다. 탄화수소기는, 알칸, 알켄, 알킨, 또는 아렌으로부터 1개 이상의 수소원자의 제거에 의해 형성되는 1가 이상의 기일 수 있다. 탄화 수소기에서 하나 이상의 메틸렌은 옥사이드 잔기, 카르보닐 잔기, 에스테르 잔기, -NH-, 또는 이들의 조합으로 대체될 수 있다.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
양자점은 여기원(excitation source)으로부터 광을 흡수하여 에너지 여기 상태로 되고, 양자점의 에너지 밴드갭에 해당하는 에너지 (예컨대, 광)를 방출할 수 있다. 양자점은 나노 결정의 크기 및 조성을 조절함에 의해 에너지 밴드갭을 조절할 수 있고 색순도가 높은 발광특성을 가지고 있다. 따라서, 양자점은, 디스플레이 소자, 에너지 소자 또는 생체 발광 소자 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
코어-쉘 구조를 갖는 양자점은, 쉘의 표면 패시베이션에 의해 다소 증가된 발광효율을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 실제 응용 가능한 양자점의 대부분이 카드뮴을 포함하는 코어를 가진다. 카드뮴은 환경 유해 성분이므로, 카드뮴이 없고 향상된 발광 물성을 나타낼 수 있는 양자점의 개발이 필요하다. 쉘 형성 시 발생하는 각종 결함은 코어쉘 타입 양자점의 발광 물성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
일 구현예에 따라 제공되는 양자점은, 제1 반도체 나노 결정을 포함하는 코어 및 상기 코어 상에 배치되는 쉘을 가진다. 상기 쉘은 제2 반도체 나노 결정 및 도펀트를 포함한다.
상기 제2 반도체 나노결정은, 제1 나노결정과 상이한 조성을 가질 수 있다. 상기 제2 반도체 나노결정은, 제1 나노결정의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가질 수 있다. 일구현예에서, 상기 양자점은 카드뮴을 포함하지 않을 수 있다.
상기 제1 반도체 나노 결정은 III-V족 화합물을 포함한다. 상기 III-V족 화합물은, II족 금속, IV족 금속, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제1 비금속은, V족 원소, VI족 원소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일구현예에서, 상기 제1 반도체 나노결정은, 카드뮴을 제외한 II족 금속 (예컨대, 아연) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 코어는 구리를 포함하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 반도체 나노결정은, II-VI족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 원소 또는 화합물, I-III-VI족 화합물, I-II-IV-VI 화합물, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 일구현예에서, 상기 제1 반도체 나노결정은, InP, InZnP, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 쉘은 제2 반도체 나노결정과 도펀트를 포함한다. 상기 제2 반도체 나노결정은, 상기 제1 반도체 나노결정과 상이한 조성을 가지고, 아연(Zn), 셀레늄(Se), 및 황(S)을 포함한다. 상기 도펀트는 리튬, Zn2 +의 유효 이온 반경(effective ionic radius) 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, 예컨대, 베릴륨 또는 마그네슘, Zn2 +의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 금속 (또는 준금속), 예컨대, 알루미늄, 갈륨, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일구현예에서, 상기 제2 반도체 나노결정은, 전술한 도펀트로 도핑되어 있을 수 있다. 상기 쉘에서, 셀레늄에 대한 황의 비율 (예컨대, 몰 비율)이 1 이상, 예컨대, 일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 반도체 나노결정은, ZnSeS 등의 3원소 화합물(ternary compound)을 포함할 수 있다. 상기 제2 반도체 나노결정에서, 황의 함량은 셀레늄보다 과량일 수 있다.
상기 쉘은, 결정질 또는 비정질 물질을 더 포함할 수 있다. 쉘에 포함되어 있는 상기 결정질 또는 비정질 물질은, II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 원소 또는 화합물, 금속 함유 할로겐 화합물, 금속 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일구현예에서, 상기 쉘은 2개 이상의 층, 예컨대, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 그 이상의 층들을 가진 다층쉘(multi-layered shell)일 수 있다. 상기 쉘의 각각의 층은 서로 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다. 인접하는 층들은 서로 상이한 조성을 가질 수 있다. 각각의 층의 물질은, 단일 조성이거나, 혹은 2종 이상의 물질의 조합 (예컨대, 합금)을 포함할 수 있다. 각각의 층의 물질 중 하나 이상의 원소는 반경 방향으로 변화하는 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 층은 상기 2종 이상의 물질의 조합의 농도 구배를 가질 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 층은 그래디언트 합금 (gradient alloy) 를 포함할 수 있다. 얼로이와 같이 2종 이상의 물질의 조합을 포함하는 층은 균질 조성 (예컨대, 균일합금)을 포함할 수 있다. 2종 이상의 물질의 조합의 농도 구배를 가지는 (예컨대, 그래디언트 합금을 포함하는) 층은, 합금 조성이 균일하지 않으며, 반경 방향으로 변화하는 조성을 가질 수 있다.
일구현예에서, 상기 쉘은, 다층쉘일 수 있다, 상기 다층쉘의 최외각층은 ZnS 를 포함할 수 있다. 일구현예에서 상기 쉘은, 반경을 따라 변화하는 조성을 가질 수 있다. 상기 쉘에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비율은 1 이상, 또는 1 초과일 수 있다. 상기 쉘에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비율은 반경 방향으로 계속 증가할 수 있다. 상기 쉘의 표면은 셀레늄을 포함하지 않을 수도 있다.
일 구현예에서, 상기 양자점은 상기 코어 바로 위에, 제3 반도체 나노결정을 포함하는 층을 가질 수 있다. 상기 제3 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭은, 상기 코어의 에너지 밴드갭보다는 크고, 상기 제2 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 작을 수 있다. 상기 제3 반도체 나노결정은, ZnSe, ZnSeS (Se 과량), ZnTe, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하여 설명하면, 일부 구현예에서, 양자점은 InZnP 코어를 가지고, 상기 코어 상에 배치된 다층 쉘을 가지되, 상기 코어 바로 위에 배치되는 제1층은, ZnSe 또는 ZnSeS (Se 과량)를 포함하고, 최외각층은 ZnS를 포함하며, 상기 제1층과 상기 최외각층 사이에 배치되는 제2층은 ZnSeS (S 과량)를 포함할 수 있다. 상기 쉘은 도펀트를 제2층 및/또는 최외각층에 포함할 수 있다. 일부 구현예에 따른 양자점의 경우, 쉘 내에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비가 반경을 따라 변화 (예컨대, 증가)할 수 있다.
상기 II-VI족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNP, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 III-V족 화합물은, (예컨대, InZnP 등 에서와 같이) II족 금속을 더 포함할 수 있다.
상기 IV-VI족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 I-III-VI족 화합물은, CuInSe2, CuInS2, CuInGaSe, CuInGaS, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 II-III-VI족 화합물은 ZnGaS, ZnAlS, ZnInS, ZnGaSe, ZnAlSe, ZnInSe, ZnGaTe, ZnAlTe, ZnInTe, ZnGaO, ZnAlO, ZnInO, HgGaS, HgAlS, HgInS, HgGaSe, HgAlSe, HgInSe, HgGaTe, HgAlTe, HgInTe, MgGaS, MgAlS, MgInS, MgGaSe, MgAlSe, MgInSe, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 I-II-IV-VI족 화합물은 CuZnSnSe 및 CuZnSnS로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 IV족 원소 또는 화합물은 Si, Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단원소물질; 및 SiC, SiGe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 이원소 화합물, 삼원소 화합물 또는 사원소 화합물은 균일한 농도로 입자 내에 존재하거나, 농도 분포가 부분적으로 다른 상태로 나누어져 동일 입자 내에 존재하는 것일 수 있다.
상기 금속 산화물은, CdO, In2O3, PbO, HgO, MgO, Ga2O3, Al2O3, ZnO, SiO2, ZnOS, ZnOSe, ZnOSeS, InPO, InPOS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다,
상기 금속 함유 할로겐 화합물은, LiF, NaF, KF, BeF2, MgF2, CaF2, SrF2, CuF, AgF, AuF, ZnF2, CdF2, HgF2, AlF3, GaF3, InF3, SnF2, PbF2, LiCl, NaCl, KCl, BeCl2, MgCl2, CaCl2, SrCl2, CuCl, AgCl, AuCl, ZnCl2, CdCl2, HgCl2, AlCl3, GaCl3, InCl3, SnCl2, PbCl2, LiBr, NaBr, KBr, BeBr2, MgBr2, CaBr2, SrBr2, CuBr, AgBr, AuBr, ZnBr2, CdBr2, HgBr2, AlBr3, GaBr3, InBr3, SnBr2, PbBr2, LiI, NaI, KI, BeI2, MgI2, CaI2, SrI2, CuI, AgI, AuI, ZnI2, CdI2, HgI2, AlI3, GaI3, InI3, SnI2, PbI2, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
반도체 재료를 포함한 나노결정 입자 (즉, 양자점)은 크기 및 조성에 따른 에너지 밴드 갭의 조절이 가능하고 색순도가 높은 발광특성을 가지고 있으므로 디스플레이, 에너지, 반도체 및 바이오 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 소재로서 주목받고 있다. 양자점의 광학적 및/또는 전기적 성질을 다양한 분야에 활용하기 위해 무기물 쉘(inorganic shell)을 가진 양자점이 제안된 바 있다. 예를 들어, 코어쉘 구조의 양자점은, III-V족 또는 II-VI족 화합물 반도체를 포함하는 코어 (core) 및 상기 코어보다 더 넓은 밴드갭을 가진 II-VI족 화합물 반도체 쉘을 포함할 수 있다. 그러나, 코어의 반도체 나노결정과 쉘의 반도체 나노결정는 서로 다른 결정 상수 (lattice constant)를 가지므로, 균일한 쉘 코팅은 쉽지 않다. 카드뮴이 없는 코어로서 III-V족 (e.g. InP) 반도체 나노결정 코어 상에 II-VI족 (e.g. ZnSeS) 쉘을 형성하는 경우, 이들 간의 결정 상수 차이로 인해 결함이 적은 (예컨대 균일한) 쉘 코팅을 얻는 것은 더욱 어렵다.
코어 반도체 나노결정 상에 상이한 결정 상수를 가지는 쉘이 코팅될 때, 얇은 쉘은 코어의 결정상수에 맞추어 성장될 수 있다. 그러나, 쉘의 두께 증가는 격자 상수 차이에 의한 스트레인의 증가로 이어지고, 그 결과, 쉘은 고유의 결정 상수에 대응하도록 성장하며 코어 전체를 감싸지 못하게 되거나 표면 결함을 다수 포함하게 된다. 이러한 현상은 양자점의 발광 효율 저하의 원인이 될 수 있다. 이 때문에 쉘 코팅에 의해 발광 효율을 최대화 하기 위해서는, 쉘 두께를 얇게 해야 하는데, 이는 양자점의 열적, 광학적 안정성에 불리하다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 레이어 바이 레이어 (layer-by-layer) 법에 의해 더 증가된 두께의 쉘을 제공하고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 이러한 기술은 격자 상수 차이가 작은 소정의 코어/쉘 조합에서만 가능하다. 한편, 쉘 내의 합금 조성을 조절하여 전술한 문제점을 해결하고자 하는 시도도 있었다. 그러나, 이러한 기술에서도, 소정의 두께 이상에서는 쉘 고유의 격자 상수를 가지려는 경향이 우세하여 균일한 코팅을 형성하기는 여전히 쉽지 않다.
한편, 현재 발광 특성 및 안정성 면에서 좋은 성능을 나타낼 수 있는 양자점은 대부분 카드뮴(Cd)을 포함한다. 예를 들어 코어 및/또는 쉘에 Cd 을 포함하는 양자점은, 비교적 높은 발광 효율을 나타낼 수 있다. 그러나, 카드뮴은 심각한 환경 문제를 제기하는 원소 중 하나이므로 카드뮴이 없는(cadmium-free) 양자점은 환경적 면에서 유리할 수 있다. III족-V족 화합물 반도체 나노결정은 카드뮴 없는 반도체 나노결정이나, 카드뮴계 반도체 나노결정 (예컨대, CdSe 기반의 양자점)에 비하여 합성 공정에 사용되는 전구체가 산화에 민감하며 활성도 좋지 않아 합성 반응 제어가 쉽지 않다. III족-V족 반도체 나노결정으로서, InP 등 III족-V족 코어를 포함하는 양자점에 대하여 비교적 많은 연구가 진행되어 왔다. 그럼에도 불구하고, InP 기반의 반도체 나노결정은, 합성이 쉽지 않고 기존의 Cd 기반의 양자점에 비해 발광 특성이 좋지 않은 것으로 알려져 있다.
일구현예의 양자점은 III-V족 (예컨대 인듐 포스파이드) 코어 및 쉘 (또는 다층쉘)을 포함하되, 쉘이 코어의 반도체 나노결정과 상이한 조성을 가지고, 아연(Zn), 셀레늄(Se), 및 황(S)을 포함하는 제2 반도체 나노결정과 리튬, Zn2 +의 유효 이온 반경 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, Zn2 +의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 금속 (또는 준금속), 및 이들의 조합으로부터 선택되는 도펀트를 포함한다. 이러한 구조의 양자점에서 상기 쉘은 (비교적 두꺼운 쉘의 형성시에도) 향상된 패시베이션을 제공할 수 있으며, 이에 따라 제조된 양자점이 향상된 물성을 나타낼 수 있다.
Zn2 +의 유효이온반경이 74pm이고, 리튬 이온 (Li+)의 유효 이온 반경은 76pm이고, 갈륨 이온 (Ga3 +) 의 유효 이온 반경은 62pm이고, 알루미늄 이온 (Al3 +) 의 유효 이온 반경은 53.5pm 이다. 전술한 구조를 가진 양자점은, (심지어 카드뮴을 포함하지 않은 경우에도) 향상된 발광특성 및/또는 열안정성을 나타낼 수 있다. 상기 도펀트는, 알루미늄(Al), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
여기서, 이온 반경이라 함은, 원자 이온에 부여된 반경을 말하며, 여기서 유효 이온 반경이라 함은, Shannon 에 의해 수정된 반경을 말하며, 이에 대한 상세 내용은 R. D. Shannon (1976). Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides Acta Cryst A32: 751-767. Bibcode 1976 AcCrA..32..751S. doi:10.1107/S0567739476001551 에 나와 있고, 상기 문헌은 전체로서 본 명세서에 포함된다.
일구현예에서, 코어-쉘 (또는 코어-다층쉘) 구조를 가지는 양자점의 제조에서 쉘 제조 시 격자 결절 등에 의해 결함이 발생할 수 있고, 예컨대, 쉘이 두꺼워짐에 따라 이러한 결함에 의해 균일 코팅이 어려워질 수 있다. 이와 달리, 일구현예에 따른 양자점에서는 쉘의 제2 반도체 나노결정 (e.g. ZnS)에 도펀트가 (예컨대, 알루미늄이) 도입되며, (특정 이론에 의해 구속되려 함은 아니지만) 이는 인호모지니어스 스트레스 인덕션 (Inhomogeneous stress induction) 및/또는 결함 패시베이션 하에서 물성 향상에 기여할 수 있는 것으로 생각된다. (참조: 도 1)
예를 들어, 인호모지니어스 스트레스 인덕션에서는, 쉘이 성장하면서 metal doping이나 lattice ion 치환/삽입이 가능한 시점 (예를 들어, ZnS 결정 격자가 성장하기 시작할 때)에 적절한 유효 이온 반경의 추가 금속 (예를 들어 Al)이 함께 존재하여 상기 ZnS 결정 격자 중 선호 사이트 (preferential site)에 들어갈 수 있고, 이 후, ZnS 층의 결정은 Al 도입 (e.g. 삽입/치환) 전과는 다른 방향으로 (예를 들어, {111} 이 아닌 다른 면으로) 성장할 수 있다. 이렇게 도펀트 도입에 의해 양자점 내에서 inhomogeneous 한 strain 이 induce 될 수 있고, 이에 따라 (예를 들어, 발생된 스트레인의 감소를 위해) 도펀트 도입 부분이 쉘 성장을 유도하는 시드(seed)의 역할을 할 수 있어 ZnS 결정이 증가된 속도로 성장할 수 있거나/하고 다른 facet으로의 ZnS 성장이 이루어질 수 있다. 결함 패시베이션에서는, 적절한 유효 이온 반경을 가지는 추가금속 또는 도펀트 (e.g., Al)가 최외각층 (e.g. ZnS 나노결정) 격자가 성장할 때 격자 수축 등에 의해 발생할 수 있는 결함(defect) 부위를 연결하는 tethering linker 역할을 할 수 있으며, 그 결과 최외각층 내 defect 개수가 감소할 수 있다
상기 양자점에서 또는 상기 쉘에서, 도펀트의 함량은, Zn 1몰을 기준으로 0.0001 몰 이상, 예를 들어, 0.0002 몰 이상, 0.0003 몰 이상, 0.0004 몰 이상, 0.0005 몰 이상, 0.0006 몰 이상, 0.0007 몰 이상, 0.0008 몰 이상, 0.0009 몰 이상, 0.001 몰 이상, 0.0011 몰 이상, 0.0012 몰 이상, 0.0013 몰 이상, 0.0013 몰 이상, 0.0014 몰 이상, 0.0015 몰 이상, 0.0016 몰 이상, 0.0017 몰 이상, 0.0018 몰 이상, 0.0019 몰 이상, 0.002 몰 이상, 0.0021 몰 이상, 0.0022 몰 이상, 0.0023 몰 이상, 0.0024 몰 이상, 0.0025 몰 이상, 0.0026 몰 이상, 0.0027 몰 이상, 0.0028 몰 이상, 0.0029 몰 이상, 0.003 몰 이상, 0.0035 몰 이상, 0.004 몰 이상, 0.0045 몰 이상, 0.005 몰 이상, 0.0055 몰 이상, 0.006 몰 이상, 0.0065 몰 이상, 0.007 몰 이상, 또는 0.075 몰 이상일 수 있다. 상기 양자점에서 또는 상기 쉘에서, 상기 도펀트의 함량은, Zn 1몰을 기준으로 0.3 몰 이하, 예를 들어, 0.25 몰 이하, 0.2 몰 이하, 0.15몰 이하, 또는 0.1 몰 이하일 수 있다.
일구현예에서, 상기 도펀트의 함량은 상기 코어에 포함되어 있는 인듐 1 몰에 대하여, 0.01 몰 이상, 예컨대, 0.02 몰 이상, 0.03몰 이상, 0.04 몰 이상, 0.05몰 이상, 0.06몰 이상, 0.07몰 이상, 0.08몰 이상, 0.09몰 이상, 0.1몰 이상, 0.15몰 이상, 또는 0,2 몰 이상일 수 있다. 일구현예에서, 상기 도펀트의 함량은 상기 코어에 포함되어 있는 금속의 1 몰에 대하여, 10 몰 이하, 예컨대, 9 몰 이하, 8몰 이하, 7 몰 이하, 6 몰 이하, 5 몰 이하, 4 몰 이하, 3몰 이하, 또는 2몰 이하일 수 있다.
상기 쉘은 X선 회절 분석에서, 상기 도펀트로부터 유래된 결정성 피크를 나타내지 않을 수 있다. 이러한 함량 범위의 도펀트를 포함하는 양자점은 더 향상된 발광 특성을 나타낼 수 있다.
상기 양자점 또는 상기 쉘에서, 황에 대한 셀레늄의 함량비는 1 미만 일 수 있다. 상기 양자점 또는 상기 쉘은, 과량의 황을 포함할 수 있다). 상기 양자점 또는 상기 쉘에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비는, 1 초과, 예컨대, 1.1 이상, 1.12 이상, 1.13 이상, 1.14 이상, 1.15 이상, 1.16 이상, 1.17 이상, 1.18 이상, 1.19 이상, 1.2 이상, 또는 1.21 이상일 수 있다. 상기 양자점 또는 상기 쉘에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비는 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1.9 이하, 1.8 이하, 1.7 이하, 1.6 이하, 또는 1.5 이하일 수 있다.
상기 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘은 불소, 염소, 브롬 등 할로겐 원소를 더 포함할 수 있다. 상기 할로겐 원소는 쉘 형성 과정 중 사용되는 이온성 액체로부터 유래된 것일 수 있다.
전술한 구조를 가짐에 의해, 일구현예에 따른 양자점은, (심지어, 카드뮴을 포함하지 않으면서도) 향상된 발광 효율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점은 반치폭이 45 nm 이하, 42 nm 이하, 41 nm 이하, 40 nm 이하, 또는 39 nm 이하일 수 있다. 상기 양자점은 양자 수율이 70% 이상, 예를 들어, 71% 이상, 72% 이상, 73% 이상, 74% 이상, 75% 이상, 76% 이상, 77% 이상, 78% 이상, 79% 이상, 또는 80% 이상일 수 있다.
상기 양자점은, 300 nm 내지 700 nm 범위의 파장의 광을 흡수하여, 400 nm 내지 600 nm 범위, 600 nm 내지 700 nm 범위, 또는 550 nm 내지 650 nm 범위의 파장의 광을 발할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 발광 파장은, 양자점 (코어/쉘)의 조성, 크기 등에 따라 용이하게 조절할 수 있다. 상기 양자점은 미도핑된 동일 조성의 양자점에 비해 실질적으로 동일하거나 장파장쪽으로 이동한 발광 파장을 나타낼 수 있다.
상기 양자점은, (예컨대, 평균) 크기 (입경 또는 구형이 아닌 경우, 입자를 가로지르는 직선의 최장 길이)가 약 1 nm 내지 약 100 nm, 예컨대 약 1 nm 내지 약 20 nm, 또는 약 1nm 내지 10 nm 일 수 있다. 상기 양자점은, 쉘의 두께의 증가에도 결함이 감소된 쉘을 형성할 수 있다. 상기 양자점의 크기는 예컨대, 3 nm 이상, 4nm 이상, 5 nm 이상, 또는 6 nm 이상일 수 있다. 상기 양자점의 크기는, 50 nm 이하, 40 nm 이하, 30 nm 이하, 20 nm 이하, 19 nm 이하, 18 nm 이하, 17 nm 이하, 15 nm 이하, 14 nm 이하, 13 nm 이하, 12nm 이하, 11nm 이하, 10 nm 이하, 또는 9 nm 이하일 수 있다. 상기 양자점의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 양자점은, 구형, 타원체, 피라미드형, 다중 가지형(multi-arm) (혹은, 멀티포드형) 또는 입방체(cubic) 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
양자점 내에 포함된 도펀트의 존재는, 광 전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS), 유도결합 플라즈마 원자 발광 분광분석 (ICP-AES), 비행 시간형 2차 이온 질량 분석 (TOFSIMS) 등에 의해 확인할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 양자점에 포함되어 있는 도펀트의 함량은 XPS 분석, ICP-AES 분석에 의해 확인할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 양자점은, 표면에 유기 리간드를 포함할 수 있다. 상기 유기 리간드는 양자점 표면에 결합(bound)될 수 있다. 상기 유기 리간드는 RCOOH, RNH2, R2NH, R3N, RSH, RH2PO, R2HPO, R3PO, RH2P, R2HP, R3P, ROH, RCOOR', RPO(OH)2, R2POOH (여기서, R, R'는 각각 독립적으로 C1 내지 C24의 치환 또는 미치환의 지방족 탄화수소 (e.g., C1 내지 C24의 알킬기, C2 내지 C24의 알케닐기, C2 내지 C24의 알키닐기), 또는 C6 내지 C20의 치환 또는 미치환의 방향족 탄화수소 (e.g., C6 내지 C20의 아릴기)), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기 유기 리간드는 제조된 나노 결정의 표면을 배위하며, 나노 결정이 용액 상에 잘 분산되어 있도록 하고/거나 양자점의 발광 및 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다. 상기 유기 유기 리간드의 구체적인 예로서는, 메탄 티올, 에탄 티올, 프로판 티올, 부탄 티올, 펜탄 티올, 헥산 티올, 옥탄 티올, 도데칸 티올, 헥사데칸 티올, 옥타데칸 티올, 벤질 티올; 메탄 아민, 에탄 아민, 프로판 아민, 부틸 아민, 펜틸 아민, 헥실 아민, 옥틸 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 디메틸 아민, 디에틸 아민, 디프로필 아민; 메탄산, 에탄산, 프로판산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 도데칸산, 헥사데칸산, 옥타데칸산, 올레인산, 벤조산; 치환 또는 미치환 메틸 포스핀 (e.g., 트리메틸 포스핀, 메틸디페닐 포스핀 등), 치환 또는 미치환 에틸 포스핀(e.g., 트리에틸 포스핀, 에틸디페닐 포스핀 등), 치환 또는 미치환 프로필 포스핀, 치환 또는 미치환 부틸 포스핀, 치환 또는 미치환 펜틸 포스핀, 치환 또는 미치환 옥틸포스핀 (e.g., 트리옥틸포스핀(TOP)) 등의 포스핀; 치환 또는 미치환 메틸 포스핀 옥사이드(e.g., 트리메틸 포스핀 옥사이드, 메틸디페닐 포스핀옥사이드 등), 치환 또는 미치환 에틸 포스핀 옥사이드(e.g., 트리에틸 포스핀 옥사이드, 에틸디페닐 포스핀옥사이드 등), 치환 또는 미치환 프로필 포스핀 옥사이드, 치환 또는 미치환 부틸 포스핀 옥사이드, 치환 또는 미치환 옥틸포스핀옥사이드 (e.g., 트리옥틸포스핀옥사이드(TOPO) 등의 포스핀 옥사이드; 다이 페닐 포스핀, 트리 페닐 포스핀 화합물, 또는 그의 옥사이드 화합물; 포스폰산(phosphonic acid) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유기 유기 리간드는, 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물로 사용할 수 있다.
다른 일구현예에에서, 상기 양자점의 제조 방법은, 제1 반도체 나노 결정을 포함하는 코어를 포함하는 입자 (이하, 코어 입자), Zn을 함유한 제1 쉘 전구체, S를 함유한 제2 쉘 전구체, Se 를 함유한 제3 쉘 전구체, 유기 리간드, 용매, 및 도펀트를 함유한 도펀트 전구체를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 및 상기 혼합물을 반응 온도로 가열하여 상기 입자 상에 도펀트 및 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 도펀트는, 리튬, Zn2 +의 유효 이온 반경 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, Zn2 +의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 금속, 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 혼합물을 준비하는 단계는, 상기 코어 바로 위에 상기 제2 반도체 나노결정과 다른 조성을 가지고, 상기 도펀트를 포함하지 않는 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 층 (예컨대, 제1층)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합물을 준비하는 단계는 상이한 조성을 가지는 (예컨대, 상이한 코어입자를 포함하거나, 혹은 제1 쉘 전구체, 제2 쉘 전구체, 및 제3 쉘 전구체 중 적어도 하나의 비율이 상이한) 복수개의 혼합물을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 제3 전구체의 함량이 매우 감소된 상기 혼합물을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 코어 입자, 제1 쉘 전구체, 제2 쉘 전구체, 유기리간드, 용매, 및 선택에 따라 도펀트를 함유하는 전구체를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계 및 상기 혼합물을 반응 온도로 가열하여 상기 코어 입자 상에 ZnS 쉘을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 반도체 나노결정, 제2 반도체 나노결정, 제3 반도체 나노결정, 도펀트, 및 유기 리간드에 대한 내용은 전술한 바와 같다.
제1 반도체 나노결정을 포함한 코어 입자, 제3 반도체 나노결정, 및 제2 반도체 나노결정은 임의의 방법으로 준비할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1, 제3, 또는 제2 반도체 나노결정은, II족 금속, III족 금속, IV족 금속, 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 전구체와 V족 원소 (또는 이를 포함하는 화합물) 또는 VI족 원소 (또는 이를 포함하는 화합물)를 함유하는 비금속 전구체를 반응시켜 제조할 수 있다.
상기 금속 전구체의 예는, 디메틸아연, 디에틸아연, 아연아세테이트, 아연아세틸아세토네이트, 아연아이오다이드, 아연브로마이드, 아연클로라이드, 아연플루오라이드, 아연카보네이트, 아연시아나이드, 아연나이트레이트, 아연옥사이드, 아연퍼옥사이드, 아연퍼클로레이트, 아연설페이트, 수은아세테이트, 수은아이오다이드, 수은브로마이드, 수은클로라이드, 수은플루오라이드, 수은시아나이드, 수은나이트레이트 수은옥사이드, 수은퍼클로레이트, 수은설페이트, 납아세테이트, 납브로마이드, 납클로라이드, 납플루오라이드, 납옥사이드, 납퍼클로레이트, 납나이트레이트, 납설페이트, 납카보네이트, 주석아세테이트, 주석비스아세틸아세토네이트, 주석브로마이드, 주석클로라이드, 주석플루오라이드, 주석옥사이드, 주석설페이트, 게르마늄테트라클로라이드, 게르마늄옥사이드, 게르마늄에톡사이드, 트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨, 갈륨아세틸아세토네이트, 갈륨클로라이드, 갈륨플루오라이드, 갈륨옥사이드, 갈륨나이트레이트, 갈륨설페이트, 트리메틸인듐, 인듐 아세테이트, 인듐 하이드록사이드, 인듐클로라이드, 인듐옥사이드, 인듐나이트레이트, 인듐설페이트, 탈륨 아세테이트, 탈륨 아세틸아세토네이트, 탈륨 클로라이드, 탈륨 옥사이드, 탈륨 에톡사이드, 탈륨 나이트레이트, 탈륨 설페이트, 탈륨 카보네이트를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 상기 금속 전구체는, 제조하고자 하는 반도체 나노결정의 조성에 따라, 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용할 수 있다.
상기 비금속 전구체의 예는, 헥산 싸이올, 옥탄 싸이올, 데칸 싸이올, 도데칸 싸이올, 헥사데칸 싸이올, 머캡토 프로필 실란, 설퍼-트리옥틸포스핀(S-TOP), 설퍼-트리부틸포스핀(S-TBP), 설퍼-트리페닐포스핀(S-TPP), 설퍼-트리옥틸아민(S-TOA), 트리메틸실릴 설퍼, 황화 암모늄, 황화 나트륨, 셀렌-트리옥틸포스핀(Se-TOP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP), 텔루르-트리부틸포스핀(Te-TBP), 텔루르-트리페닐포스핀(Te-TPP), 트리스 트리메틸실릴 포스핀, 트리스(디메틸아미노)포스핀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 알세닉 옥사이드 (Arsenic , 알세닉 클로라이드(Arsenic chloride), 알세닉 설페이트(Arsenic sulfate), 알세닉 브로마이드(Arsenic bromide), 알세닉 아이오다이드(Arsenic iodide), 나이트릭 옥사이드, 나이트릭산(Nitric acid), 암모늄 나이트레이트(Ammonium nitrate), 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 상기 비금속 전구체는, 제조하고자 하는 나노 결정의 조성에 따라, 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용할 수 있다.
제1 쉘 전구체의 종류 및 함량은 특별히 제한되지 않으며 제2 반도체 나노결정의 조성을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 제1 쉘 전구체는, Zn 금속 분말, 알킬화 Zn 화합물, Zn 알콕시드, Zn 카르복실레이트, Zn 니트레이트, Zn 퍼콜레이트, Zn 설페이트, Zn 아세틸아세토네이트, Zn 할로겐화물, Zn 시안화물, Zn 히드록시드, Zn 옥사이드, 또는 Zn 퍼옥사이드일 수 있다. 상기 제1 쉘 전구체의 예는, 디메틸아연, 디에틸아연, 아연아세테이트, 아연아세틸아세토네이트, 아연아이오다이드, 아연브로마이드, 아연클로라이드, 아연플루오라이드, 아연카보네이트, 아연시아나이드, 아연나이트레이트, 아연옥사이드, 아연퍼옥사이드, 아연퍼클로레이트, 아연설페이트, 등일 수 있다. 상기 제1 쉘 전구체는, 제2 반도체 나노결정의 조성에 따라, 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용할 수 있다.
상기 제2 쉘 전구체의 종류 및 함량은 적절히 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 제2 쉘 전구체의 예는, 헥산 싸이올, 옥탄 싸이올, 데칸 싸이올, 도데칸 싸이올, 헥사데칸 싸이올, 머캡토 프로필 실란, 설퍼-트리옥틸포스핀(S-TOP), 설퍼-트리부틸포스핀(S-TBP), 설퍼-트리페닐포스핀(S-TPP), 설퍼-트리옥틸아민(S-TOA), 트리메틸실릴 설퍼(trimethylsilyl sulfur), 황화 암모늄, 및 황화 나트륨을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
제3 쉘 전구체의 종류 및 함량은, 적절히 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 제3 쉘 전구체의 예는, 셀렌-트리옥틸포스핀(Se-TOP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP) 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 쉘 전구체 및 상기 제3 쉘 전구체는, 제조하고자 하는 나노 결정의 조성에 따라, 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용할 수 있다.
상기 도펀트 전구체는, 올리에이트 (oleate), 스테아레이트(stearate), 클로라이드, 옥타노에이트, 하이드라이드(hydride), 이소프로폭시드(isopropoxide), 팔미테이트, 유기보레인, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 도펀트는, 알루미늄(Al), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 붕소(B), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도펀트 전구체는, 알루미늄올리에이트, 알루미늄모노스테아레이트, 알루미늄클로라이드, 알루미늄옥타노에이트, 알루미늄이소프로폭시드, 리튬팔미테이트, 리튬옥타노에이트, 마그네슘스테아레이트, 마그네슘올리에이트, 마그네슘 이소프로필클로라이드, 보레인, 트리에틸보레인, 갈륨올리에이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
반응 혼합물의 온도, 전구체들의 투입 시기 및 투입량을 조절하여 제조되는 양자점의 최외각 쉘 조성을 조절할 수 있다.
제 1 쉘전구체, 제2 쉘전구체, 제3 쉘전구체, 및 도펀트 전구체 각각은 서로 독립적으로 2종 이상일 수 있다. 2종 이상의 전구체들을 사용하는 경우, 각각의 전구체는, 동시에 혹은 소정의 시간차를 두고 상기 (선택에 따라 가열된) 반응 혼합물에 (동일 또는 상이한 온도에서) 투입될 수 있다. 예를 들어 각각의 전구체는 최종 양자점의 쉘 조성을 고려하여 동일/상이한 종류의 리간드 및/또는 용매 (예컨대, 유기 용매)와 혼합하여 1회 또는 그 이상에 걸쳐 반응계로 투입될 수 있다.
상기 용매는, 헥사데실아민 등의 C6 내지 C22의 1차 아민; 다이옥틸아민 등의 C6 내지 C22의 2차 아민; 트리옥틸아민 등의 C6 내지 C40의 3차 아민; 피리딘 등의 질소함유 헤테로고리 화합물; 헥사데칸, 옥타데칸, 옥타데센, 스쿠알렌(squalane) 등의 C6 내지 C40의 지방족 탄화수소 (예컨대, 알칸, 알켄, 알킨 등); 페닐도데칸, 페닐테트라데칸, 페닐 헥사데칸 등 C6 내지 C30의 방향족 탄화수소; 트리옥틸포스핀 등의 C6 내지 C22의 알킬기로 치환된 포스핀; 트리옥틸포스핀옥사이드 등의 C6 내지 C22의 알킬기로 치환된 포스핀옥사이드; 페닐 에테르, 벤질 에테르 등 C12 내지 C22의 방향족 에테르, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 용매의 종류 및 사용량은 사용하는 전구체들과 유기 리간드의 종류를 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
혼합물에서, 각 성분들 (예컨대, 제 1 쉘전구체, 제2 쉘전구체, 제3 쉘전구체) 의 함량은 소망하는 바에 따라 (예컨대, 원하는 쉘의 두께, 쉘 조성, 전구체의 종류 등을 고려하여) 적절히 조절할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 도펀트 전구체의 함량도 도펀트의 종류, 소망하는 도핑량에 따라 적절히 조절할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 도펀트 전구체의 함량은, 제1 쉘 전구체 1 몰 당 0.001 몰 내지 0.5 몰의 범위로 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 혼합물은 반응 온도로 가열되어 제1 쉘 전구체, 제2 쉘 전구체 및 선택에 따라 제3 쉘 전구체 간의 반응이 수행되어, 상기 코어 입자 상에 Zn 및 S 를 포함하는 제2 반도체 나노 결정을 포함하는 쉘층이 형성되며, 동시에 도펀트가 상기 제2 반도체 결정 내로 도입 (예컨대, 제2 반도체 나노결정에 도핑)될 수 있다.
반응 온도는 특별히 제한되지 않으며, 제1 쉘 전구체, 제2 쉘 전구체, 선택에 따라 제3 전구체, 도펀트 전구체, 및 사용하는 용매/유기 리간드의 종류를 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 예컨대, 반응 온도는 100도씨 이상, 예를 들어, 120도씨 이상, 150도씨 이상, 170도씨 이상, 200도씨 이상, 210도씨 이상, 220도씨 이상, 230도씨 이상, 240도씨 이상, 250 도씨 이상, 또는 260 도씨 이상의 온도일 수 있다. 예를 들어, 반응 온도는 350 도씨 이하, 예를 들어, 340도씨 이하, 또는 330도씨 이하의 온도일 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 온도는, 220 도씨 내지 340도씨의 범위일 수 있다.
반응 시간은, 특별히 제한되지 않으며, 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 반응은, 1초 이상, 예컨대, 1분 이상, 5분 이상, 10분 이상, 15분 이상, 20분 이상, 또는 25분 이상 동안 수행될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 전구체 혼합물을 단계적으로 투입할 경우, 각각의 단계에서 소정의 시간 (예컨대, 5분 이상, 10분 이상, 또는 15분 이상) 동안 반응을 수행할 수 있다. 반응은, 불활성 기체 분위기 또는 공기 중 또는 진공 상태에서 수행될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
제2 쉘 전구체, (존재하는 경우, 제3 쉘 전구체) 및 도펀트 전구체는, 1회 이상에 (예컨대, 2회, 3회, 4회, 또는 그 이상) 추가로 투입될 수 있다.
상기 방법은, (선택에 따라 가열된) 상기 혼합물 에 이온성 액체를 부가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는, 제2 쉘 전구체 및 추가 금속을 위한 전구체와 함께 부가될 수 있다. 이온성 액체는, 액체 상태의 염이며 이온과 짝이온으로 이루어진다. 일 구현예에서, 상기 이온성 액체는, 치환 또는 미치환의 이미다졸륨염, 치환 또는 미치환의 피라졸륨염, 치환 또는 미치환의 트리아졸륨염, 치환 또는 미치환의 티아졸륨염, 치환 또는 미치환의 옥사졸륨염, 치환 또는 미치환의 피리디지늄염, 치환 또는 미치환의 피리미디늄염, 치환 또는 미치환의 암모늄염, 치환 또는 미치환의 포스포늄염, 치환 또는 미치환의 설포늄염, 치환 또는 미치환의 피리디늄염, 치환 또는 미치환의 피롤리디늄염일 수 있다. 상기 이온성 액체는, 음이온으로서, F- 등의 할라이드 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온(BF4 -), 헥사플루오로포스페이트 음이온(PF6 -), ClO4 -, 아세테이트 음이온, 트리플루오로아세테이트 음이온, 트리플레이트 음이온, 하이드로겐설페이트 음이온, 알킬설페이트 음이온, 설파이트 음이온, 하이드로겐설파이트 음이온, 클로로알루미네이트 음이온, 테트라브로모알루미네이트 음이온, 니트라이트 음이온, 니트레이트 음이온, 디클로로 큐프레이트 음이온, 포스페이트 음이온, 하이드로겐포스페이트 음이온, 디하이드로겐 포스페이트 음이온, 카르보네이트 음이온, 하이드로겐카르보네이트 음이온, 설포네이트 음이온, 토실레이트 음이온, 또는 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 상기 이온성 액체는, 이미다졸륨염, 피리디늄염, 포스포늄염, 또는 암모늄염 일 수 있고, 음이온으로서, F-, BF4 -, 또는 PF6 - 를 포함할 수 있다.
이온성 액체는, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는 단독으로 또는 2종 이상의 염의 조합으로 사용될 수 있다.
상기 이온성 액체의 양은, 반응 혼합물 내의 상기 유기 용매 총 부피에 대하여 20 부피% 이하, 예를 들어, 1 부피% 내지 10 부피%, 또는 1 부피% 내지 약 20 부피%의 범위일 수 있다. 이온성 액체가 부가된 경우, 제조된 양자점을 포함하는 양자점 폴리머 복합체 필름이 향상된 휘도를 나타낼 수 있는 점에서 유리하다.
제조된 최종 반응액에 비용매(nonsolvent)를 부가하면 상기 유기 리간드가 배위된 나노 결정이 분리 (e.g. 침전)될 수 있다. 상기 비용매는, 상기 반응에 사용된 상기 용매와 섞이지만 나노 결정을 분산시킬 수 없는 극성 용매일 수 있다. 상기 비용매는, 상기 반응에 사용한 용매에 따라 결정할 수 있으며, 예컨대, 아세톤, 에탄올, 부탄올, 이소프로판올, 에탄다이올, 물, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸술폭시드(DMSO), 디에틸에테르(diethylether), 포름 알데하이드, 아세트 알데하이드, 상기 나열된 용매들과 유사한 용해도 파라미터(solubility parameter)를 갖는 용매, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 분리는, 원심 분리, 침전, 크로마토 그래피, 또는 증류를 이용할 수 있다. 분리된 나노 결정은 필요에 따라 세정 용매에 부가되어 세정될 수 있다. 세정 용매는 특별히 제한되지 않으며, 상기 리간드와 유사한 용해도 파라미터를 갖는 용매를 사용할 수 있으며, 그 예로는 헥산, 헵탄, 옥탄, 클로로포름, 톨루엔, 벤젠 등을 들 수 있다.
다른 구현예에서, 양자점 폴리머 복합체는, 폴리머 매트릭스; 및 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 전술한 양자점을 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는, 티올렌 중합체, (메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 티올렌 중합체에 대한 내용은 US-2012-0001217-A1에 상세히 개시되어 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 명세서에 통합된다. (메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지 는 공지된 방법에 의해 합성될 수 있거나, 그 모노머 또는 폴리머를 상업적으로 입수할 수 있다.
폴리머 매트릭스 내에 양자점의 함량은 적절히 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리머 매트릭스 내 양자점 함량은, 복합체 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 및 50 중량% 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
양자점 폴리머 복합체의 제조 방법은, 상기 양자점을 포함하는 분산액을 폴리머를 포함하는 용액과 혼합하고 용매를 제거하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 대안적으로, 상기 양자점을 상기 폴리머를 형성하기 위한 모노머 혼합물 내에 분산시키고, 얻어진 최종 혼합물을 중합시켜 제조할 수 있다. 이러한 양자점-폴리머 복합체는, 시트 형태, 칩 형태, 막대 (레일)형태일 수 있다.
다른 구현예는, 전술한 양자점을 포함하는 전자 소자를 제공한다. 양자점에 대한 상세 내용은 전술한 바와 같다. 상기 소자는, 발광 다이오드(LED), 유기발광 다이오드(OLED), 각종 디스플레이 (예컨대, 액정 표시 장치), 센서(sensor), 태양전지, 하이브리드복합체, 바이오 표지 (bio labeling), 또는 이미징 센서, 보안(security-ink), 각종 조명(lighting)을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 이러한 소자 중 양자점 시트를 포함한 액정 표시 장치의 간략화된 적층 구조를 도 2에 나타낸다. 액정 표시 장치의 일반적 구조는 잘 알려져 있으며, 도 2은 이러한 구조를 간략화하여 나타낸 것이다.
도 2을 참조하면, 액정 디스플레이는, 반사판(reflector), 도광판(light guide panel; LGP)과 청색 LED 광원 (Blue-LED), 양자점-폴리머 복합체 시트 (QD 시트), 각종 광학 필름 (예컨대, 프리즘 필름, 이중 휘도 향상 필름 (DBEF:Double brightness enhance film) 등)이 적층되어 있고 그 위에 액정 패널 모듈(LCM)이 위치하는 구조를 가질 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 발명의 범위가 제한되어서는 아니된다.
[실시예]
분석 방법
[1] 양자점 Photoluminescence 분석
Hitachi사의 F7000 fluorescence spectrophotometer 를 이용하여 용액 상태의 양자 효율을 측정한다. (여기파장: 365 nm 또는 458 nm)
[2] XPS 분석
Physical Electronics 의 Quantum 2000기기를 사용하여 가속전압: 0.5~15keV, 300W, 최소분석영역: 200 X 200 um2의 조건으로 XPS 원소 분석을 수행한다.
[3] 유도 결합 플라즈마 원자 발광 분광분석 (ICP-AES)분석
시마즈 ICPS-8100 을 사용하여 수행한다.
[4] Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS) 분석
25 keV Bi+ 이온건을 장착한 TOF-SIMS V (ION-TOF GmbH, Germany) 를 사용하여 (TOF-SIMS) 분석을 수행한다. TOF-SIMS 이미지화를 위해, 이온건을 샘플 홀더에서, 평균전류 0.2 pA (Bi+) 로 5kHz에서 운전한다. 0.7ns 지속 기간(duration)의 번치 펄스(bunch pulse)에 의해 매스 리졸류션(mass resolution: M/DM)을 8000 보다 크게 한다. 200 x 200 mm2 면적을 프라이머리 이온에 의해 래스터(rater)하여 SIMS 스펙트럼을 얻는데, 이 동안 이온 도즈(ion dose)는 1012 ions cm-2로 유지한다. 음이온 질량 스펙트럼은 C-, CH-, C2H-, 및 C4H- 피크를 사용하여 내부적으로 조정(calibration)한다.
[5] 광전환 효율 (Conversion Efficiency, CE)
광전환 효율은, 양자점 복합체가 여기광으로부터 흡수한 광량에 대한 양자점 폴리머 복합체의 발광량의 비율이다. 여기광의 PL 스펙트럼의 적분에 의해 여기광(즉, 청색광)의 총 광량 (B)을 구하고 양자점 복합체 필름의 PL 스펙트럼을 측정하여, 양자점 폴리머 복합체 필름로부터 방출된 녹색 또는 적색 파장 광의 광량(A)과 청색광의 광량(B')를 구한 다음, 하기 식에 의해 광전환 효율을 구한다:
A/(B-B') x 100 = 광전환 효율 (%)
상기 방식으로 정해진 광전환 효율은 전면 광전환 효율 (front conversion efficiency)이다.
양자점 폴리머 복합체 필름은, 비용매 침전 및 원심 분리 등에 의해 양자점 분산액으로부터 양자점을 분리해 내고 분리된 양자점을 모노머 조합과 혼합하여 혼합물을 얻고, 얻어진 혼합물을 소정의 기재 상에 적용한 다음 배리어 필름을 덮고 경화하여 제조한다. 모노머 조합은, 펜타에리트리톨 테트라키스(3-머캅토프로피오네이트), 1,3,5-트리알릴-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리온(1,3,5-triallyl-1,3,5-trizaine-2,4,6-trione: TTT), 및 irgacure 754 을 0.89: 0.61: 0.03 (중량 그램비) 로 혼합하여 준비한다.
실시예들 및 비교예들에서 광전환 효율 측정용 양자점 필름의 제조를 위해 사용된 양자점의 함량은, (사용된 폴리머 중량을 감안하여) 소정량이 되도록 조정한다.
제조된 양자점 폴리머 복합체 필름을 피크 파장이 458 nm 인 청색 LED 를 장착한 60인치 TV 의 도광판과 광학시트 사이에 삽입한다. TV 를 구동하여 약 45 cm 앞에서 PSI DARSA-5200 스펙트로미터를 이용하여 양자점-폴리머 복합체 필름의 광발광 스펙트럼을 얻는다. 얻어진 광발광 스펙트럼으로부터 광 전환율을 계산한다.
[6] 열안정성 평가
양자점의 시클로헥산(cyclohexane) 분산액을 유리 기판에 코팅하여 양자점 박막을 형성하고, 180도씨에서 10분간 열처리한 다음, 열처리 전 광발광 강도에 대한 열처리 후 광발광 강도의 비율을 측정한다.
[7] XRD 분석
Philips XPert PRO X ray 회절 분석기를 사용하여 XRD 패턴을 얻는다.
참고예 1: InZnP 코어의 제조
인듐 아세테이트(Indium acetate) 0.2 mmol, 아연 아세테이트(zinc acetate) 0.125 mmol, 팔미트산 (palmitic acid) 0.6mmol, 1-옥타데센(octadecene) 10mL를 반응기에 넣고 진공 하에 120도씨로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 질소로 전환한다. 대략 250 도씨 정도의 고온으로 가열한 후 트리스(트리메틸실릴) 포스핀(tris(trimethylsilyl)phosphine: TMS3P) 0.15 mmol 및 트리옥틸포스핀 1 mL의 혼합 용액을 신속히 주입하고 20분간 반응시킨다. 상온으로 신속하게 식힌 반응 용액에 아세톤을 넣고 원심 분리하여 얻은 침전을 톨루엔 또는 시클로헥산에 분산시킨다. 얻어진 InZnP 반도체 나노 결정의 UV 분광 분석결과로부터, UV 제1 흡수 최대 파장 440 nm 이며, 이로부터 코어 지름이 대략 2 nm 임을 확인한다.
실시예 1-1 :
[1] 300 mL 용량의 반응 플라스크에서, 아연 아세테이트 0.6 mmoL 및 올레산 1.2 mmol를 트리옥틸아민 용매 내에 용해시키고 120에서 10분간 진공 처리한다. 질소(N2)로 상기 플라스크 내를 치환한 후 280로 승온하여 스톡 용액을 얻는다.
상기 스톡 용액에, 참조예 1에서 제조된 InZnP 코어와, Se/TOP 및 S/TOP 를 (4단계 또는 5단계에 걸쳐) 부가하고 가열하여 반응시킨다. 각 단계에서 Se 및 S 간의 몰 비율과 반응 시간을 조절하여 제조된 양자점의 코어-다층 쉘에서 각 층의 두께 및 양자점의 최종 크기를 조절하여 도 3에 예시적으로 나타낸 바의 구조를 가지는 코어쉘 양자점을 제조한다. 도 3에서, ZnSeS (ZnSe rich) 는 ZnSe 과량의 ZnSeS 를 의미하고, ZnSeS (ZnS rich)는 ZnS 과량의 ZnSeS 를 의미한다.
각 단계에서, Se/TOP 및 S/TOP 간의 몰 비율은 S:Se = 0:6 내지 6:0 의 범위에서 선택한다. 첫 번째 단계에서는 Se/TOP 만을 주입하고, 마지막 단계에서는 S/TOP 만을 주입하여 InZnP 코어 상에 ZnSe 층 및 최외각에 ZnS 층을 형성한다. 중간 단계에서 Se/TOP 및 S/TOP를 모두 사용하여 ZnSeS (제2 반도체 나노결정)을 포함한 쉘이 형성된다. 중간 단계에서 알루미늄 올리에이트를 알루미늄 전구체로서 사용하여 도핑을 수행한다 (도펀트 사용량: 0.1 mmol). 셀레늄의 총 사용량은 0.3 몰이고, 황의 총 사용량은 0.9 몰이다. 각각의 반응 단계에서 반응 시간은 280 도씨 내지 360도씨로, 반응시간은 5분 내지 1시간로 조절한다.
최종 반응 단계 후, 얻어진 반응 생성물을 상온으로 (예컨대 20도씨) 냉각한다. 냉각된 반응 혼합물에 에탄올을 부가하여 침전을 형성한다. 형성된 침전물을 원심분리하고, 얻어진 양자점을 톨루엔에 분산한다.
[2] 반응계에 알루미늄 올리에이트를 주입하기 전에 얻어진 반응물 및 알루미늄 올리에이트를 주입한 후 얻어진 반응물로부터 각각 샘플을 취하여 TOF-SIMS 분석을 수행한다. 그 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4의 결과로부터, 알루미늄 사용 전 단계로부터 취한 샘플은 알루미늄이 없으나, 알루미늄 사용 후 단계에서 취한 샘플은 알루미늄을 함유함을 확인한다.
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 반치폭은 38 nm 정도이고, 발광 파장은 537 nm 내지 540 nm 이며, 양자 효율은 80% 이상 (예컨대, 90% 또는 98%)임을 확인한다.
제조된 양자점에 대하여 양자점-폴리머 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 제조된 양자점 복합체 필름의 광전환 효율은 대략 62% 이상 (알루미늄 주입 시점에 따라 62% 내지 62.6%)임을 확인한다.
실시예 1-2 :
알루미늄 올리에이트 대신 알루미늄 클로라이드를 전구체로 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 양자점을 제조한다.
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 반치폭은 38 nm 정도이고, 발광 파장은 538 nm 내지 540 nm 이며, 양자 효율은 80% 정도임을 확인한다.
제조된 양자점에 대하여 양자점-폴리머 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 제조된 양자점 복합체 필름의 광전환 효율은 대략 61% 이상임을 확인한다.
비교예 1 :
알루미늄 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다.
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 반치폭은 38 nm 정도이고, 발광 파장은 538 nm 내지 540 nm 이며, 양자 효율은 71% 이하임을 확인한다.
제조된 양자점에 대하여 양자점-폴리머 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 제조된 양자점 복합체 필름의 광전환 효율은 대략 57% 이하임을 확인한다.
상기 결과로부터, 알루미늄 도펀트 및 ZnSeS 를 포함하는 쉘을 가지는 실시예들의 양자점은, 비교예의 양자점에 비해 향상된 양자 효율을 나타냄을 확인한다. 실시예들의 양자점은, 미도핑된 양자점 (비교예 1-3) 에 비해 3% 이상 이상의 필름 상태 전면 광전환 효율 증가를 나타내는데, 양자점이 모든 방향으로 발광할 수 있다는 점을 감안할 때, 이러한 결과는, 양자점 자체의 발광 효율이 비교적 큰 폭으로 향상되었음을 시사한다.
실험예 1 :
[1] 실시예 1-1에서 제조된 양자점에 대하여 XPS 원소 분석을 수행한다. 그 결과를 아래 표 1에 정리한다.
　피크 Al2p P2p S2p.cf2 Zn2p3 Se3d In3d5
강도 0.73 1.99 14.18 18.41 4.04 0.57
표 1의 결과로부터, XPS로부터 확인되는 Zn 에 대한 Al 몰비는 0.73/18.41 = 0.039 임을 확인한다.
[2] 실시예 1-1 의 알루미늄 도핑된 양자점과 비교예 1의 미도핑 양자점에 대하여 X선 회절 분석을 수행하고 그 결과를 도 6에 나타낸다. 실시예 1-1에서 제조된 양자점은 비교예 1의 양자점과 사실상 동일한 위치에서 피크를 가짐을 확인한다.
실험예 2 :
실시예 1-1에서 제조된 양자점에 대하여 유도결합 플라즈마 원자 방출 분광 (ICP-AES) 분석을 수행한다. 그 결과, 아연 대비 알루미늄의 몰 비 (Al/Zn)는 대략 0.008 내지 0.05 의 범위 내이고, 인듐 대비 알루미늄의 몰비 (Al/In) 는 대략 0.24 내지 1.56 정도임을 확인한다.
실시예 2
알루미늄 함유 전구체 대신, 갈륨 올레이트를 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다.
제조된 양자점의 XPS 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5로부터, 제조된 양자점에 갈륨이 포함되어 있음을 확인한다.
제조된 양자점을 포함한 양자점 폴리머 복합체 필름의 광전환 효율을 측정하여, 대략 60 % 정도임을 확인한다.
실시예 3-1 내지 3-9 :
[1] 알루미늄 올리에이트 함량을 하기 표와 같이 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다.
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 표 1에 함께 정리한다.
제조된 양자점에 대하여 양자점 폴리머 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 표 2에 함께 정리한다.
알루미늄 올리에이트 사용량 (mmol) QY (%) 및 FWHM (nm) 복합체
광전환율
실시예 3-1 0.01 90%, 38nm 60.8
실시예 3-2 0.02 90%, 38nm 61.1
실시예 3-3 0.04 89%, 38nm 62.5
실시예 3-4 0.1 86.5%, 38nm ~62%
실시예 3-5 0.2 83%, 38nm 59.7
표 2의 결과로부터, 알루미늄 도핑에 의해 양자점이 향상된 광 특성을 나타낼 수 있음을 확인한다.
[2] 알루미늄 전구체로서, 알루미늄 올리에이트 대신 알루미늄 모노스테아레이트를 하기 표 3에 나타낸 바의 함량으로 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다.
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 표 3에 함께 정리한다.
제조된 양자점에 대하여 양자점 폴리머 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 표 3에 함께 정리한다.
알루미늄 모노스테아레이트 사용량(mmol) QY (%) 및 FWHM (nm) 복합체
광전환율(%)
실시예 3-6 0.04 89%, 38nm 61.2
실시예 3-7 0.1 98%, 38nm 61. 4
실시예 3-8 0.2 96%, 38nm 59.6
실시예 3-9 0.4 85%, 38nm 59.6
표 3의 결과로부터, 알루미늄 도핑에 의해 양자점이 향상된 광 특성을 나타낼 수 있음을 확인한다.
실시예 4
알루미늄 전구체 대신, 리튬 팔미테이트를 그대로 또는 트리옥틸아민 등의 캐리어 용매 내에 용해시켜서 제3단계 또는 제5단계에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다. 제조된 양자점의 광전환 효율은 각각 61.8% 및 61.6% 임을 확인한다. ICP-AES 분석 결과, 양자점에서 Zn 대비 리튬의 몰 함량은 0.2 정도임을 확인한다.
실시예 5
알루미늄 전구체 대신, 소정량의 마그네슘 이소프로필클로라이드를 포함한 트리옥틸아민 용액을 제4단계에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다. 제조된 양자점의 광전환 효율은 각각 60.3% 임을 확인한다.
실시예 6
알루미늄 전구체 대신, 소정량의 트리에틸보레인을 포함한 트리옥틸아민 용액을 제4단계에 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방식으로 양자점을 제조한다. 제조된 양자점의 광전환 효율은 각각 60.8% 임을 확인한다.
비교예 2-1 및 2-2
황 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 유사한 방법으로 알루미늄 도핑된 InZnP/ZnSe:Al 양자점을 제조한다 (비교예 2-1).
알루미늄 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는 비교예 2-1과 동일한 방법으로 미도핑의 InZnP/ZnSe 양자점을 제조한다. (비교예 2-2)
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 표 4에 함께 정리한다.
제조된 양자점에 대하여 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 표 4에 함께 정리한다.
비교예 3-1 및 3-2
셀레늄 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 유사한 방법으로 알루미늄 도핑된 InZnP/ZnS:Al 양자점을 제조한다 (비교예 3-1).
알루미늄 전구체를 사용하지 않는 것을 제외하고는 비교예 3-1과 동일한 방법으로 미도핑의 InZnP/ZnS 양자점을 제조한다. (비교예 3-2)
제조된 양자점에 대하여 365 nm 또는 458 nm 의 여기광을 사용하여 광발광 분석을 수행한다. 그 결과를 표 4에 함께 정리한다.
제조된 양자점에 대하여 복합체 필름을 제조하고, 광전환 효율을 측정한다. 그 결과 표 4에 함께 정리한다.
QD 용액
광발광 (PL) 양자 효율 (QY)
중심 파장 (nm) 반치폭 (nm)
비교예 2-2 (InZnP/ZnSe) 540 40 37%
비교예 2-1 InZnP/ZnSe:Al) 539 39 36%
비교예 3-2 (InZnP/ZnS) 489 43 28%
비교예 3-1 (InZnP/ZnS:Al) 490 43 28%
표 4의 결과로부터 인듐 포스파이드 기반의 코어에 배치된 ZnS 쉘 또는 ZnSe 쉘에 알루미늄이 도핑된 경우, 발광 물성 향상 효과가 없음을 확인한다.
실험예 3: 열안정성 평가
실시예 1-1에서 제조한 양자점, 비교예 1에서 제조한 양자점 (Ref.), 및 실시예 4에서 제조한 양자점에 대하여 열안정성 시험을 수행한다. 그 결과를 아래 표5에 나타낸다.
양자점 유지율
비교예 1 39%
실시예 1-1 48%
실시예 4 44%
상기 결과로부터, 실시예에 따른 양자점은 비교예의 양자점에 비해 향상된 열안정성을 나타낼 수 있음을 확인한다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (25)

  1. 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어 및
    상기 코어 상에 배치되고 제2 반도체 나노결정 및 도펀트를 포함하는 제2층을 포함하는 반도체 나노결정 쉘을 포함하는 양자점으로서,
    상기 제1 반도체 나노 결정은 III-V족 화합물을 포함하고,
    상기 제2 반도체 나노결정은, 아연(Zn), 황(S), 및 셀레늄(Se)을 포함하고,
    상기 도펀트는, 리튬, Zn2+의 유효 이온 반경(effective ionic radius) 보다 작은 유효 이온 반경을 가지는 2A족 금속, Zn2+의 유효 이온 반경보다 작은 이온 반경을 가지는 3A족 원소, 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 양자점은 카드뮴을 포함하지 않고,
    상기 양자점은 크기가 50 nm 이하이고,
    상기 2A족 금속은 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 3A족 원소는 알루미늄(Al), 갈륨, 붕소, 또는 이들의 조합을 포함하는 양자점.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노결정은, II-VI족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI족 화합물, I-II-IV-VI족 화합물, 또는 이들의 조합을 더 포함하는 양자점.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노결정은, InP, InZnP, 또는 이들의 조합을 포함하는 양자점.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양자점에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비는 1 이상인 양자점.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정 쉘은, 2 이상의 층을 포함하고, 인접하는 층들이 상이한 조성을 가지는 반도체 나노결정들을 포함하는 양자점.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정 쉘은 상기 제2층 상에 배치되고 Zn 및 S 를 포함하며 셀레늄을 포함하지 않는 제3층을 가지는 양자점.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정 쉘은, 상기 코어와 상기 제2층 사이에 배치되고, 제3 반도체 나노결정을 포함하는 제1층을 더 포함하고, 상기 제3 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭은, 상기 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 작은 양자점.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 반도체 나노결정은, ZnSe, ZnTe, 또는 이들의 조합을 포함하는 양자점.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쉘 내에서, 셀레늄에 대한 황의 몰 비가 반경을 따라 변화하는 양자점.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트의 함량은, Zn 1몰에 대하여 0.3 몰 이하인 양자점.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 양자점은, 반치폭 40 nm 이하 및 양자 수율 72% 이상을 나타내도록 구성된 양자점.
  13. 폴리머 매트릭스; 및
    상기 폴리머 매트릭스에 분산된 복수개의 양자점들을 포함하고,
    상기 복수개의 양자점들은, 제1항의 양자점을 포함하는 양자점-폴리머 복합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 양자점-폴리머 복합체는, 광전환 효율이 61% 이상을 나타내는 양자점-폴리머 복합체.
  15. 제1항의 양자점들을 포함하는 표시 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 표시 장치는, 광원 및 상기 광원 상에 배치되어 있는 양자점 복합체를 포함하고, 상기 양자점 복합체는, 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 분산되어 있는 상기 양자점들을 포함하며, 상기 광원은 여기광을 상기 양자점에 제공하도록 구성되어 있는 표시 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광원은 유기발광 다이오드(OLED)를 포함하는 표시 장치.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
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