KR102304839B1 - 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다양한 실시예에 따른 양자점 발광소자는, 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극; 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하고, 양자점을 포함하는 발광층; 및 상기 제1 전극과 상기 발광층 사이에 위치하고, 금속 산화물 박막을 포함하는 전자 수송층을 포함하고, 상기 금속 산화물 박막은 In2O3, ZnO, SiO2 및 SnO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 조성을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예는 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
양자점 (quantum dot)은 콜로이드성 반도체 결정체로, 수 나노미터에서 수십 나노미터의 크기를 가지며 높은 색 순도, 색 재현성 및 광안정성으로 차세대 발광물질로 각광받고 있다. 반도체 결정의 입자 크기를 조절함으로써 다양한 범위의 발광 파장을 제어할 수 있으며 용액공정이 가능하여 제조 공정이 간단하다는 이점이 있다. 이로 인하여 양자점을 발광 물질로 사용한 양자점 발광소자(quantum dot light-emitting diode: QLED)가 차세대 소자로 활발하게 연구되고 있다.
일반적인 양자점 발광소자는 양극, 음극 및 이들 전극 사이에 위치한 양자점(quantum dot) 발광층을 갖는다. 전극 사이에 전압을 인가하면, 음극으로부터 양자점 발광층으로 전자가 주입되고 양극으로부터 양자점 발광층으로 정공이 주입된다. 정공과 전자가 양자점 발광층 내에서 재결합 되었을 때 결합 에너지가 발생한다.
일반적으로 양자점 발광소자에서 전자 수송층으로 금속 산화물 박막을 사용한다. 일 예로, 금속 산화물 박막으로 용액형 ZnO 층(예, 나노 입자층 또는 졸겔 박막층)이 사용된다. 그러나, 용액형 ZnO층은 표면이 거칠어 균일한 발광 특성에 불리하다. 또한, 이러한 용액형 ZnO층은 무기 반도체인 양자점의 리간드 & 단글링 결합(dangling-bond)에 의한 엑시톤 퀀칭(exciton quenching)을 일으키는 주요 원인이 되고 있다.
따라서 용액형 ZnO층 사용의 한계를 극복할 수 있는 진공 증착 기반의 전자 수송층이 요구되고 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서는, 스퍼터링 공법으로 형성되는 전자 수송층을 포함하는 발광소자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에는, 기존의 용액형 ZnO층의 한계를 극복할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 발광소자는 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극; 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하고, 양자점을 포함하는 발광층; 및 상기 제1 전극과 상기 발광층 사이에 위치하고, 금속 산화물 박막을 포함하는 전자 수송층을 포함하고, 상기 금속 산화물 박막은 In2O3, ZnO, SiO2 및 SnO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 조성을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 스퍼터링 공법을 통해 전극 및 전자 수송층을 제조할 수 있고, 연속 증착 공정 도입이 가능하다.
본 발명에 따르면 저온에서 진공 증착으로 전극 및 전자 수송층을 형성할 수 있어 플렉서블 소자에 용이하게 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 균일성, 재연성 및 안정성이 뛰어난 양자점 발광소자를 대량 생산으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 통상적인 전자 수송층인 용액형 ZnO 층보다 전자 밀도, 전자 이동도, 전기 전도도 및 일함수의 조절이 용이하여 양자점 발광층의 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 양자점과 전자 수송층 사이의 댕글링 본드에 의한 엑시톤 퀀칭 발생이 줄어드는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자의 특성을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자의 특성을 측정한 그래프이다.
도 4는 IZSO(Si 10.05at%)의 산소 분압에 따른 소자 특성을 평가한 결과이다.
도 5는 ITSO(Si 33.0at%)의 산소 분압에 따른 소자 특성을 평가한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자의 특성을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자의 특성을 측정한 그래프이다.
도 4는 IZSO(Si 10.05at%)의 산소 분압에 따른 소자 특성을 평가한 결과이다.
도 5는 ITSO(Si 33.0at%)의 산소 분압에 따른 소자 특성을 평가한 결과이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광소자는, 기판 기판(110), 서로 대향하여 배치되는 제1 전극(120)과 제2 전극(170), 제1 전극(120)과 제2 전극(170) 사이에 배치된 양자점 발광층(140), 양자점 발광층(140)을 기준으로 서로 대향하여 배치된 전자 수송층(130)와 정공 수송층(150, 160)를 포함할 수 있다.
한편, 전자 수송층(130)는 전자 주입/수송층의 모노레이어 구조이거나, 전자 주입층과 전자 수송층의 바이레이어 구조일 수 있다. 이와 유사하게, 정공 수송층(150, 160)는 정공 주입/수송층의 모노레이어 구조이거나, 정공 주입층과 정공 수송층의 바이레이어 구조일 수 있다.
기판(110)은 상부에 양자점 발광소자를 구성하는 각 층을 지지한다. 기판(110)은 약 1.4 내지 약 1.9 정도의 제 1 굴절률을 갖는 유리, 석영, 플라스틱 또는 유무기 복합 고분자와 같은 투명 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 유리기판일 수 있으며, 붕규산 유리를 포함할 수 있다. 다른 예로, 기판(110)은 유연기판(flexible substrate)일 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR) 또는 폴리이미드(PI)를 포함할 수 있다. 그리고 기판(110) 상에는 기판 버퍼층이 위치할 수 있으나, 기판의 종류 및 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다. 기판 버퍼층은 불순 원소의 침투를 방지하면서 표면을 평탄화하는 기능을 수행할 수 있는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판 버퍼층은 질화 규소(SiNx)막, 산화 규소(SiOy)막, 산질화 규소(SiOxNy)막 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
제1 전극(120)은 애노드(anode) 전극, 제2 전극(170)은 캐소드(cathode) 전극일 수 있으나, 이와 반대로 제1 전극(120)이 캐소드 전극이고 제2 전극(170)이 애노드 전극일 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(170)은 각각 투명한 도전성 물질로 형성되거나 반투과성 또는 반사형 도전성 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(120)과 제2 전극(170)은 각각 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO), 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO), GZO(ZnO-Ga2O3 : 갈륨이 도핑된 아연 산화물), Nb 도프 TiO2, Ta 도프 TiO2, 및 IWZO(In2O3-WO3-ZnO : 삼산화텅스텐 및 산화아연이 도핑된 인듐 산화물), 안티몬 산화물(Sb2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 주석 산화물(SnO2)등을 포함할 수 있다.
또는, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 주석(Sn), 탄소(C), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 텅스텐(W), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 리튬플로라이드와 알루미늄 적층(LiF/Al), 칼슘과 알루미늄 적층(Ca/Al) 또는 칼슘과 은 적층(Ca/Ag) 등을 포함할 수 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(170)을 형성하는 물질의 종류에 따라 발광 형태가 전면 발광, 배면 발광 또는 양면 발광을 제공할 수 있다. 제1 전극(120)이 애노드(anode)일 경우 정공 주입이 용이하도록 높은 일함수를 갖는 물질 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(170)의 두께는 50 nm 내지 150 nm일 수 있다. 투명 전극으로서 금속재료를 사용하는 경우의 제1 전극(120) 및 제2 전극(170)의 두께는 2 nm 내지 50 nm 의 범위인 것이 바람직하다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(170)의 사이에 발광층(140)이 배치될 수 있다. 발광층(140)은 양자점을 포함할 수 있다. 발광층(140)는 일례로 발광 영역의 파장이 570nm ~ 780nm인 적색 양자점, 발광 영역의 파장이 480nm ~ 570nm인 녹색 양자점, 및 발광 영역의 파장이 380 ~ 480nm인 청색 양자점으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
양자점은 II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 화합물 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. II-VI족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
IV-VI족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
IV족 원소로는 Si, Ge 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, IV족 화합물로는 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물일 수 있다. 이외에도 II족의 산화물; III족의 산화물; VI족의 산화물; V족의 산화물; 또는 VI족의 산화물을 포함할 수 있다.
코어/쉘 양자점 중 코어의 평균 입경은 2nm 내지 5nm일 수 있다. 한편, 쉘의 평균 두께는 3nm 내지 5nm일 수 있다. 또한, 양자점의 평균 입경은 5nm 내지 10nm일 수 있다. 코어, 쉘 및 양자점이 상술한 바와 같은 평균 입경 또는 평균 두께 범위를 만족할 경우, 양자점으로서의 특징적인 거동을 할 수 있음은 물론, 우수한 분산성을 가질 수 있다. 상술한 바와 같은 범위 내에서 코어의 입경, 쉘의 평균 두께, 양자점의 평균 입경을 다양하게 선택함으로써, 양자점의 발광 컬러 및/또는 양자점의 반도체성 특성 등을 다양하게 변화시킬 수 있다. 양자점의 형태는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 형태의 것으로 특별히 한정하지 않지만, 보다 구체적으로 구형, 피라미드형, 다중 가지형(multi arm), 또는 입방체(cubic)의 나노 입자, 나노 튜브, 나노와이어, 나노 섬유, 나노 판상 입자 등의 형태의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 양자점은 쉘의 표면에 형성되어 화학적으로 결합되어 있는 리간드를 더 포함할 수 있다. 리간드는 유기 작용기를 포함할 수 있으며, 유기 작용기는 예를 들어, 올레산염, 트리옥틸포스핀, 덴드리머 등을 포함할 수 있다.
한편, 발광층(140) 상에 정공 수송층(150) 및 정공 주입층(160)이 배치될 수 있다. 정공 주입층(160)은 전극(170)으로부터 정공 수송층(150)으로의 정공의 주입을 개선하는 역할을 수행할 수 있다. 정공 주입층(160)은 CBP(4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl), TCTA(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine), PVK(Poly(9-vinylcarbazole)), TFB(poly(9,9-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine)), CuPc(copper phthalocyanine), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene), PANI(polyaniline) 또는 NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine) 등의 재료로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
정공 수송층(150)은 정공 주입층(160)에 적층하여 배치될 수 있다. 정공 수송층(150)은 정공 주입층(160)으로부터 전달되는 정공을 원활하게 수송하는 기능을 수행할 수 있다. 정공 수송층(150)은 HAT-CN(hexaazatriphenylene hexacarbonitrile), 산화 몰리브덴(MoO3), 산화 텅스텐(WO3), 오산화 바나듐(V2O5), NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD,MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-Nphenyl-amino)-triphenylamine), TCTA(4-(9H-carbazol-9-yl)-N,N-bis[4-(9H-carbazol-9-yl)phenyl]-benzenamine), CBP(4,4'-N,N'-dicarbazole-biphenyl) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 정공 주입층(160)과 정공 수송층(150)이 적층된 구조를 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 정공 주입층(160) 및 정공 수송층(150)은 단일층으로 형성될 수도 있다.
제1 전극(120)과 발광층(140) 사이에 전자 수송층(130)이 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 전자 수송층(130)은 금속 산화물 박막을 포함할 수 있다. 이때, 전자 수송층(130)은 In2O3, ZnO, SiO2 및 SnO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 조성을 가질 수 있다. 전자 수송층(130)은 비정질(amorphous), 결정질, 또는 비정질과 결정질의 혼합상일 수 있다. 구체적으로, 전자 수송층(130)은 In2O3-ZnO-SiO2 (In-Zn-Si-O)계, In2O3-ZnO(In-Zn-O) 계, ZnO-SiO2 (Zn-Si-O)계, In2O3-SiO2 (In-Si-O)계, In2O3-SnO2-SiO2 (In-Sn-Si-O)계, In2O3-SnO2 (In-Sn-O)계, SnO2-SiO2 (Sn-Si-O)계, ZnO-SnO2-SiO2 (Zn-Sn-Si-O)계, 및 ZnO-SnO2 (Zn-Si-O)계 중 적어도 어느 하나의 조성을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전자 수송층(130)은 IZSO(In-Zn-Si-O), ITSO(In-Sn-Si-O), 또는 ZTSO(Zn-Sn-Si-O)로 구성된 얇은 박막일 수 있다.
구체적으로, 전자 수송층(130)의 금속 산화물 박막은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
(1-y)[(1-x)(In2O3)-xZnO]-ySiO2
상기 화학식 1에서 0≤x≤1 이고, 0≤y<1이다. 바람직하게는, 0≤x<1 이고, 0≤y≤0.6일 수 있다.
또는, 전자 수송층(130)의 금속 산화물 박막은 하기 화학식 2의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 2]
(1-y)[(1-x)(In2O3)-xSnO2]-ySiO2
상기 화학식 2에서 0≤x≤1 이고, 0≤y<1이다. 바람직하게는, 0≤x<1 이고, 0≤y≤0.6일 수 있다.
또는, 전자 수송층(130)의 금속 산화물 박막은 하기 화학식 3의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 3]
(1-y)[(1-x)(ZnO)-xSnO2]-ySiO2
상기 화학식 1에서 0≤x≤1 이고, 0≤y<1이다. 바람직하게는, 0≤x<1 이고, 0≤y≤0.6일 수 있다.
한편, 이러한 전자 수송층(130)의 두께는 10 nm 내지 100nm 일 수 있다.
이러한 전자 수송층(130)은 스퍼터링 공법으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 발광층(140)이 양자점을 포함하는 QLED인 것으로 작성하였으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, OLED, 프린팅 OLED, 프린팅 QLED, flexible OLED, flexible QLED 등에도 적용 가능하다.
이하 전자 수송층(130)을 포함한 양자점 발광소자의 제조 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 기판(110) 상에 제1 전극(120)을 스퍼터링 공법으로 형성할 수 있다.
다음으로, 제1 전극(120) 상에 전자 수송층(130)을 스퍼터링 공법으로 형성할 수 있다. 즉, 제1 전극(120) 및 전자 수송층(130)은 모두 스퍼터링 공법을 통한 연속 증착 공정으로 형성될 수 있다.
전자 수송층(130)을 형성하는 단계에서는, In-Zn-O 타겟 및 SiO2 타겟을 이용한 스퍼터링 공법으로 진행될 수 있다. 또는, In-Sn-O 타겟 및 SiO2 타겟을 이용한 스퍼터링 공법으로 진행될 수 있다. 또는, Zn-Sn-O 타겟 및 SiO2 타겟을 이용한 스퍼터링 공법으로 진행될 수 있다.
본 발명에서는 SiO2 타겟을 별도로 이용함으로써, 전자 수송층(130)의 금속 산화물 박막에 포함되는 SiO2의 조성비를 용이하게 조절할 수 있다. SiO2 함량 조절을 통해 전자 수송층(130)의 전기 전도도를 조절할 수 있다. 또한, SiO2 함량을 조절하여 일함수, 전자친화도(electron affinity), 에너지 밴드 갭(energy band gap : Eg), 페르미 레벨(Fermi level) 등을 조절할 수 있다. 여기서 electron affinity 조정함은 conduction band minimum(CBM) level을 조정함을 말한다.
그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, In-Zn-Si-O 타겟, In-Sn-Si-O 타겟 및 Zn-Sn-Si-O 타겟으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 타겟을 이용한 단일타겟 스퍼터링 공법으로 진행될 수도 있다.
이때, 스퍼터링 공정의 온도는 상온 내지 400 ℃일 수 있다. 본 발명에 따르면, 상온에서의 스퍼터링 공정을 통해서도 충분히 전자 수송층(130)을 형성할 수 있다. 따라서, 열에 취약한 플렉서블 기판 상에 전극 및 전자 수송층을 용이하게 형성할 수 있고, 플렉서블 양자점 발광소자를 제공할 수 있다.
또한, 스퍼터링 공정은 Ar 및 O2 분위기 하에서 진행할 수 있다. 이때, Ar:O2 는 100:1 내지 1000:1로 조절할 수 있다. 이러한 산소분압조절을 통해서도 전자 수송층(130)의 전지 전도도를 조절할 수 있다. 즉, 산소 분압 조절을 통해 mobility, carrier concentration 및 Fermi level을 조절할 수 있다.
양자점 발광소자의 경우, 발광층(140)에서 n형이 p형에 비하여 강한 특성이 있어 전자 수송층의 전하 수송 특성이 지나치게 뛰어날 필요가 없다. 따라서, 계면 엑시톤 퀀칭 감소를 위해 전자 수송층(130)의 전기 전도도(conductivity =mobility * carrier concentration)를 작게 조절할 필요가 있다.
본 발명을 통해, 통상적인 전자 수송층인 용액형 ZnO 층보다 전자밀도, 전자이동도, 전기전도도 및 일함수의 조절이 용이하여 양자점 발광층의 효율을 높일 수 있다. 또한, 기존 용액 공정 대비 전자 수송층의 균일성, 재연성, 및 안정성을 높일 수 있다. 또한, 저온 공정으로 전자 수송층을 형성할 수 있어, Soluble을 이용한 프린팅 OLED, QLED, flexible OLED, flexible QLED 등에 적용가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 양자점과 전자 수송층 사이의 댕글링 본드에 의한 엑시톤 퀀칭이 줄어드는 효과가 있다. 기존의 용액형 ZnO 또는 ZnO 나노분말을 이용한 전자 수송층의 경우, 전자 수송층의 표면이 비교적 거칠고 양자점과의 접촉 계면의 크기에 차이가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 금속 산화물 박막은 접촉 표면적을 줄이는 효과가 있고 이를 기초로 엑시톤 퀀칭이 줄어드는 효과가 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
RF-magnetron Sputtering 장치를 사용하고, 직경 2인치인 In-Zn-O 타겟 및/또는 In-Sn-O 타겟, 및 SiO2 타겟을 사용하였다. Gun의 위치는 공정에 따라 조절할 수 있도록 설계하였고, 타겟과 기판과의 거리는 타겟의 평균 자유행정거리(Mean Free Path)에 따라 조절할 수 있게 제작하였다. 균일한 막의 제작을 위해 기판 홀더는 회전속도를 조절할 수 있는 구조로 설계하였다.
그리고 Pre-Sputtering시 기판에 영향을 주지 않기 위해 gun shutter와 main shutter로 이중으로 설계하였다. Chamber는 sputtering 공정이 진행되는 main chamber와 시편을 쉽게 장착하기 위한 보조 chamber로 구성하였다.
장치의 최고 도달 진공도는 3X10-7 Torr이며 이온게이지를 사용하여 고진공의 진공을 측정하였다. 그리고 공정 압력에 따라 피라니 게이지와 Hot Cathode 게이지를 사용하였다. 배기계는 550L/min, 150L/min의 로터리 펌프 및 850L/min의 배기능력을 가진 Turbo Molecular Pump(TMP)를 사용하였다. Magnet은 10000 Gauss의 원형의 영구 자석을 사용하였고 중앙부 자석과 외곽 자석에 의한 N극 및 S극에 의한 자장을 형성하여 박막의 균일성을 유지하였다.
전원 공급 장치는 13.56MHz 고주파수를 사용하여 300W까지의 전원을 출력할 수 있게 하였고, 사용된 matching box는 sputtering에서 발생되는 반사파를 최소화시키므로, 일정한 주파수를 전달하게 하였다.
플라즈마를 이용한 Sputtering 공정은 일반적으로 증착 과정동안 target에 큰 에너지가 전달되어 target 온도가 상승하게 된다. 온도가 상승하면서 자석의 열화를 일으켜 높은 에너지를 가진 입자들이 박막에 충돌하여 손상이 되고 sputter의 수명을 단축시키게 된다. 이를 해결하기 위하여 본 실험에서는 holder 아래에 수냉식 냉각장치를 구성하였다.
반응 가스의 유량은 MFC(Mass Flow Controller, Mounting a type 2179 MFC)를 사용하였고, 반응 가스는 Ar(99.99%), O2(99.99%), Ar과 O2의 혼합가스(Ar:O2=1000:1, 99.99%)를 사용하였다. 성막온도(즉, 기판온도)는 상온이다.
이러한 공정 조건에서 스퍼터링 공정을 통해 (1-y)[(1-x)(In2O3)-xZnO]-ySiO2이며, x=0.75, y=15.54인 조성의 금속 산화물 박막을 포함하는 전자 수송층을 형성하는데 성공하였다.
실험예 1-
IZSO 조성별 전자 수송층 특성 측정
IZSO(In-Zn-Si-O)에서 SiO2 함량에 따른 IZSO 조성별 특성을 비교하기 위해 In-Zn-O 타겟과 SiO2 타겟을 이용하여 co-sputtering을 진행하였다. 먼저 oxygen partial pressure(O2/(Ar+O2)) = 0.001%, working pressure = 10 mTorr, Substrate Temperature=상온(Room Temperature)으로 고정하였으며, In-Zn-O 타겟과 SiO2 타겟의 RF power를 조절하여 박막 증착을 진행하였다. SiO2 함량에 따른 박막 특성 비교를 위해 Substrate holder는 고정시킨 채로 증착을 하였다.
다음 표 1은 SiO2 변화에 따른 IZSO 전자 수송층의 특성을 측정한 결과이다.
| Mobility [cm2/V·s] |
carrier concentration[/cm3] | Resistivity [Ωcm] |
Work function [eV] |
Energy bandgap [eV] |
|
| 3.05% | 2.2E+1 | 9.8E+19 | 3.0E-3 | 4.04 | 3.74 |
| 7.41% | 1.4E+1 | 4.6E+19 | 9.7E-3 | 4.01 | 4.14 |
| 15.54% | 8.5E+0 | 1.4E+15 | 5.2E+2 | 3.95 | 4.38 |
| 23.62% | 3.3E+2 | 2.1E+12 | 9.2E+3 | 3.91 | 4.75 |
| 28.82% | 5.6E+2 | 2.8E+11 | 3.9E+4 | 3.89 | 4.80 |
상기 표 1을 참조하면, SiO2의 변화에 따라 전자수송층의 mobility, carrier concentration, resistivity, work function, energy bandgap 등을 이 변함을 알 수 있다. 즉, 전자 수송층의 conductivity를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한, SiO2의 3 % 내지 29 %까지의 범위에서 양자점 발광소자에서 요구되는 전자 수송층의 특성을 만족시킴을 확인할 수 있다. 그리고 선행되었던 소자 적용실험에서는 IZSO 2(Si 15.75at%)에서 높은 효율을 나타내었다.
실험예 2
-
IZSO 조성 및 증착 두께에 따른 소자 특성 측정
도 2 및 도 3을 참고하면, IZSO(In-Zn-Si-O)의 조성 및 증착 두께에 따른 QLED의 특성을 관찰하였다. 도 2에서 IZSO 1(10 nm)은 Si 15.54 at%의 조성을 가지고 10 nm의 증착 두께를 가지는 전자수송층을 사용한 QLED 이고, IZSO 1(20 nm)는 Si 15.54 at%의 조성을 가지고 10 nm의 증착 두께를 가지는 전자수송층을 사용한 QLED 이고, IZSO 2(10 nm)은 Si 15.75 at%의 조성을 가지고 10 nm의 증착 두께를 가지는 전자수송층을 사용한 QLED 이고, IZSO 2(20 nm)은 Si 15.75 at%의 조성을 가지고 20 nm의 증착 두께를 가지는 전자수송층을 사용한 QLED 이다. 이때, IZSO는 resistivity 가 가장 높아지도록 진공 증착하였고, 이를 이용하여 역구조 QLED를 제작하였다. 한편, 대조군(Ref)으로는 ZnO를 용액증착하여 전자수송층으로 사용한 QLED를 사용하였다.
그 결과, IZSO 1(10 nm), IZSO 1(20 nm), IZSO 2(10 nm) 및 IZSO 2(20 nm) 모두 대조군(Ref)보다 turn on 전압이 낮아지고, EQE 가 더욱 증가함을 알 수 있다. 이는 구동전류를 낮출 수 있어 전력소모를 감소시킬 수 있고, EQE 증가로 인한 발광효율 극대화가 가능하다.
도 3을 참고하면, Si 15.54 at%의 조성을 가지는 IZSO 1 및 Si 15.75 at%의 조성을 가지는 IZSO 2에 대해, 각각 40 nm 및 60 nm 로 진공증착하여, 역구조 QLED 를 제작한 후 특성 분석을 진행한 결과이다. 두께가 두꺼워지면서 resistivity 가 감소하고 conductivity 가 증가하여 계면에서의 엑시톤 quenching 이 더욱 활발해진다. 이로 인해, 도 2의 결과보다 EQE 가 감소했다. 또한, 대조군(ref)보다 구동전류가 높은 현상을 보인다.
실험예 3-
IZSO의 산소 분압 조절에 따른 전자 수송층 특성 측정
산소 분압 조절 (Ar:O2) 에 따른 IZSO 전자 수송층의 특성을 비교하기 위해 SiO2 함량(Si 10.05at%)을 고정하여 스퍼터링을 진행하였다.
다음 표 2는 산소 분압에 따른 IZSO 전자 수송층의 특성을 측정한 결과이다.
| Mobility [cm2/V·s] |
carrier concentration[/cm3] | Resistivity [Ωcm] |
|
| 1000:1 | 3.5E+0 | 2.8E+19 | 6.3E-2 |
| 800:1 | 1.7E+0 | 1.0E+18 | 3.6E+0 |
| 500:1 | 5.9E+0 | 1.6E+16 | 6.6E+1 |
| 250:1 | 3.7E+2 | 2.1E+11 | 8.0E+4 |
상기 표 2를 참조하면 산소 분압을 조절함에 따라 전자 수송층의 mobility, carrier concentration 및 resistivity을 조절할 수 있음을 확인하였다. 즉, 산소 분압을 조절하여 전자 수송층의 conductivity를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 4-IZSO의 산소 분압 조절에 따른 소자특성 측정
도 4를 참고하면, IZSO(Si 10.05at%)의 산소 분압에 따른 소자 특성을 평가하였다. 도 4에서 250:1은 Ar:O2 = 250 : 1로 조절한 IZSO(Si 10.05at%)가 전자 수송층으로 적용된 QLED를 제작한 후 특성 분석을 진행한 결과이다. 500:1은 Ar:O2 = 250 : 1로 조절한 IZSO(Si 10.05at%)가 전자 수송층으로 적용된 QLED이고, 1000:1은 Ar:O2 = 1000 : 1로 조절한 IZSO(Si 10.05at%)가 전자 수송층으로 적용된 QLED에 관한 것이다. 그 결과, Ar:O2 = 250 : 1에서 가장 좋은 특성을 나타내었다. 즉, 실험예 3에서 확인한 바와 같이, 산소 분압이 높을수록, Carrier Concentration이 낮아지는데, 낮은 Carrier Concentration를 통해 QLED 소자특성이 향상됨을 확인하였다. 즉, 도 4를 참고하면, 비교적 높은 Carrier Concentration을 갖는 1000:1 및 500:1보다 250:1에서 더 우수한 소자특성을 가짐을 확인할 수 있다.
실험예 5-ITSO 조성별 따른 전자 수송층 특성 측정
ITSO(In-Sn-Si-O)에서 SiO2 함량에 따른 ITSO 조성별 특성을 비교하기 위해 In-Sn-O 타겟과 SiO2 타겟을 이용하여 co-sputtering을 진행하였다. 먼저 oxygen partial pressure(O2/(Ar+O2)) = 0.001%, working pressure = 10 mTorr, Substrate Temperature=상온(Room Temperature)으로 고정하였으며, In-Sn-O 타겟과 SiO2 타겟의 RF power를 조절하여 박막 증착을 진행하였다. SiO2 함량에 따른 박막 특성 비교를 위해 Substrate holder는 고정시킨 채로 증착을 하였다.
다음 표 3은 SiO2 변화에 따른 ITSO 전자 수송층의 특성을 측정한 결과이다.
| Mobility [cm2/V·s] |
carrier concentration[/cm3] | Resistivity [Ωcm] |
Work function [eV] |
Energy bandgap [eV] |
|
| 14.9 % | 1.7E-1 | 1.9E+20 | 1.9E-3 | 4.41 | 4.11 |
| 29.6 % | 1.3E+0 | 3.0E+17 | 1.5E+1 | 4.28 | 4.45 |
| 33.0 % | 3.6E+1 | 1.0E+15 | 1.6E+2 | 4.30 | 4.56 |
| 41.1 % | 4.9E+2 | 5.6E+12 | 2.3E+3 | 4.24 | 4.74 |
| 53.8 % | 7.6E+2 | 1.4E+12 | 5.7E+3 | 4.58 | 5.19 |
상기 표 3을 참조하면, SiO2의 변화에 따라 ITSO 전자 수송층의 mobility, carrier concentration, resistivity, work function, energy bandgap 등이 변함을 알 수 있다. 즉, 전자 수송층의 conductivity를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한, ITSO는 SiO2의 14 % 내지 54 %까지의 범위에서 양자점 발광소자에서 요구되는 전자 수송층의 특성을 만족시킴을 확인할 수 있다.
실험예 6-ITSO의 산소 분압 조절에 따른 전자수송층 특성 측정
ITSO박막을 산소 분압 조절 (Ar:O2) 에 따른 금속 산화물 박막 특성을 비교하기 위해 SiO2 함량(Si 33.0 at%)을 고정하여 스퍼터링을 진행하였다.
다음 표 4는 산소 분압에 따른 ITSO 전자 수송층의 특성을 측정한 결과이다.
| Mobility [cm2/V·s] |
carrier concentration[/cm3] | Resistivity [Ωcm] |
|
| 1000:1 | 7.9E-1 | 6.8E+18 | 1.2E+0 |
| 100:1 | 1.4E+2 | 1.8E+11 | 1.1E+0 |
상기 표 4를 참조하면 산소 분압을 조절함에 따라 전자 수송층의 mobility, carrier concentration 및 resistivity을 조절할 수 있음을 확인하였다. 즉, 산소 분압을 조절하여 전자 수송층의 conductivity를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 7-ITSO의 산소 분압 조절에 따른 소자 특성 측정
도 5를 참고하면, ITSO(Si 33.0at%)의 산소 분압에 따른 소자 특성을 평가하였다. 도 5에서 100:1은 Ar:O2 = 100 : 1로 조절한 ITSO(Si 33.0 at%)가 전자 수송층으로 적용된 QLED이고, 1000:1은 Ar:O2 = 1000 : 1로 조절한 ITSO(Si 33.0 at%)가 전자 수송층으로 적용된 QLED에 관한 것이다.
그 결과, Ar:O2 = 100:1이 1000:1보다 더 우수한 특성을 보였다. 즉, 실험예 6에서 확인한 바와 같이, 산소 분압이 높을수록, Carrier Concentration이 낮아지는데, 낮은 Carrier Concentration를 통해 QLED 소자특성이 향상됨을 확인하였다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극;
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하고, 양자점을 포함하는 발광층; 및
상기 제1 전극과 상기 발광층 사이에 위치하고, 금속 산화물 박막을 포함하는 전자 수송층을 포함하고,
상기 금속 산화물 박막은 하기 화학식 1 또는 화학식 2 의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 발광소자.
[화학식 1]
(1-y)[(1-x)(In2O3)-xZnO]-ySiO2
상기 화학식 1에서 0<x<1 이고, 0.03≤y<0.29이다.
[화학식 2]
(1-y)[(1-x)(In2O3)-xSnO2]-ySiO2
상기 화학식 2에서 0<x<1 이고, 0.14≤y<0.54이다. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 박막은 스퍼터링(sputtering) 공법을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 전자 수송층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전자 수송층을 형성하는 단계는 스퍼터링 공법으로 진행되는 것을 특징으로 하고,
상기 전자 수송층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 조성을 가지도록 형성되는 발광소자 제조 방법.
[화학식 1]
(1-y)[(1-x)(In2O3)-xZnO]-ySiO2
상기 화학식 1에서 0<x<1 이고, 0.03≤y<0.29이다.
[화학식 2]
(1-y)[(1-x)(In2O3)-xSnO2]-ySiO2
상기 화학식 2에서 0<x<1 이고, 0.14≤y<0.54이다. - 제7항에 있어서,
상기 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 전자 수송층을 형성하는 단계는 스퍼터링 공법을 통한 연속 증착 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 전자 수송층을 형성하는 단계는,
In-Zn-O 타겟 및 SiO2 타겟을 이용한 스퍼터링 공법으로 진행되는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 전자 수송층을 형성하는 단계는,
In-Sn-O 타겟 및 SiO2 타겟을 이용한 스퍼터링 공법으로 진행되는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법. - 삭제
- 제7항에 있어서,
In-Zn-Si-O 타겟 및 In-Sn-Si-O 타겟으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 타겟을 이용한 단일타겟 스퍼터링 공법으로 진행되는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 전자 수송층을 형성하는 단계에서는, 스퍼터링 공법을 통해 SiO2의 조성비를 조절하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조 방법.
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