KR102371152B1 - 양자점 발광다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 제1전극; 상기 제1전극 상에 위치하고, 양자점을 포함하는 양자점 발광층; 상기 양자점 발광층 상에 위치하는 제2전극; 상기 제2전극 상에 위치하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 위치하는 자기구조층; 을 포함하는 양자점 발광 다이오드를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 자기구조층이 형성된 양자점 발광다이오드는 발광층 내에 자기장이 불균일하게 분포되도록 하여 보다 많은 전자와 정공이 발광재결합을 하도록 유도함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 양자점 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기구조층을 포함하는 양자점 발광다이오드에 관한 것이다.
디스플레이 기술의 발전과 함께, 지난 십 수년 동안 CRT(Cathode Ray Tube), LCD(liquid crystal display), OLED(organic light-emitting-diode; 유기 발광 다이오드), QLED(quantum dot light emitting diode; 양자점 발광 다이오드) 등이 시장에 등장했고, 현재 OLED 및 QLED 기술에 대하여 지속적인 성장이 이루어지고 있다.
OLED는 음극과 양극 사이에 주입된 전자와 정공이 유기물층에서 결합할 때 발생하는 에너지 차이가 빛으로 발광하는 원리로 작동된다. 일반적인 구조는 ITO 양극(anode), 정공 주입층(hole injection layer, HIL), 정공수송층(hoe transport layer, HTL), 발광층(emissive layer, EML), 전자수송층(electron transport layer, ETL), 전자주입층(electron injection layer, EIL) 및 음극(cathode)의 순서로 이루어져 있다.
OLED는 LCD에 비하여 디스플레이 두께가 더 얇고, 명암비, 응답속도, 잔상현상, 전력소모 등에서 우수하다.
한편, QLED(양자점 발광 다이오드)는 발광층의 재료로 유기물 대신 양자점을 이용하는 것인데, 양극과 음극으로부터 정공과 전자가 발광층으로 주입되면, 발광층에서 엑시톤을 형성하여 발광 재결합을 통해 빛을 생성하는 원리이다.
양자점(QD:Quantum Dot)은 반도체 나노입자이다. 전자와 정공이 자연스럽게 떨어져 있는 거리를 excitonic Bohr radius라고 하는데 반도체 조성마다 서로 다른 크기를 가지고 있어서 에너지 밴드갭을 변화시킬 수 있고, 양자제한 효과(quantum confinement effect)로 다양한 파장의 빛을 구현할 수 있다.
QLED는 OLED보다 더 다양한 색을 구현할 수 있어 색재현율이 뛰어나고, 소자의 두께를 매우 얇게 할 수 있어 flexible 및 foldable한 특성을 구현할 수 있다. 또한 OLED및 고분자 발광 다이오드(Polymer light emitting diode, PLED)와 유사한 방식의 디스플레이로 전통적인 OLED 제조 공정을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
QLED의 발광 효율을 개선하기 위해 코어-쉘(core-shell) 구조인 양자점을 이용하기도 하는데, 이러한 코어쉘 구조는 최대한 코어 영역으로 들어선 전자와 정공이 발광 재결합에 참여할 수 있도록 전자와 정공을 잡아두기 위한 것이다.
그러나 이러한 양자점 발광다이오드는 양자점 자체의 크기가 작아 많은 양의 전자와 정공을 내부에 받아들이기 어려운데다 상온에서 발생하는 작은 열에너지만으로도 전자와 정공이 양자점 내부에서 튀어나갈 수 있는 수준의 에너지를 공급하는 것이 가능하기 때문에 이러한 코어-쉘 구조로도 주입되는 전자와 정공을 충분히 잡아 두지 못할 수 있다.
따라서 QLED의 발광 효율 개선을 위해서 양자점으로 유입된 전자와 정공을 발광 재결합이 이루어질 때까지 붙잡아둘 수 있도록 하는 기술 연구의 필요성이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자기구조체를 포함하는 양자점 발광다이오드 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 양자점 발광 다이오드를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서 양자점 발광 다이오드는, 제1전극; 상기 제1전극 상에 위치하고, 양자점을 포함하는 양자점 발광층; 상기 양자점 발광층 상에 위치하는 제2전극; 상기 제2전극 상에 위치하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 위치하는 자기구조층; 을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양자점 발광층의 양자점은 코어-쉘 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 절연층은 금속산화물, 금속질화물, 금속불화물 및 금속황화물 중에 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 자기구조층은 비자성물질을 포함하는 비자성층과 자성물질을 포함하는 자성층이 교대로 형성된 다중층 또는 비자성물질과 자성물질의 혼합층일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비자성물질은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금물질일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 자성물질은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 가돌리뮴(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd) 또는 이들의 합금물질일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 자기구조층은 패턴 구조를 갖고, 상기 패턴 구조는 원형, 타원형, 직선형, 곡선형, 다각형, 격자형, 스트라이프(stripe)형, 메쉬(mesh)형, 그리드(grid)형 및 이들의 혼합형 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 형태일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 양자점 발광 다이오드 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서 양자점 발광 다이오드 제조방법은, 제1전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극 상에 양자점 발광층을 형성하는 단계; 상기 양자점 발광층 상에 제2전극을 형성하는 단계; 상기 제2전극 상에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층 상에 자기구조층를 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계는, 전자빔 증착법(e-beam Evaporation), 열 증착법(Thermal Evaporation) 또는 스퍼터링법(Sputtering)으로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 자기구조층을 형성하는 단계는, 전자빔(e-beam) 증착법, 스퍼터링(sputtering) 증착법, 액적 주조(droplet casting)법 또는 스핀코팅(spin coating)법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 자기구조층을 형성하는 단계는, 패터닝 공정으로 수행되고, 상기 패터닝 공정은 섀도우 마스크(shadow mask) 공정 또는 리소그래피(lithography) 공정으로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기구조층이 형성된 양자점 발광다이오드는 발광층 내에 자기장이 불균일하게 분포되도록 하여 보다 많은 전자와 정공이 발광재결합을 하도록 유도함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 자기구조층이 패턴 구조를 이루도록 함으로써 불균일한 자기장을 더욱 강하게 형성할 수 있어 발광다이오드의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드의 모식도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다양한 패턴의 자기구조층이 형성된 양자점 발광 다이오드의 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드에서 광이 표출되는 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드 제조방법의 순서도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 비교예의 모식도이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제조예의 모식도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광다이오드의 광출력을 나타내는 그래프이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다양한 패턴의 자기구조층이 형성된 양자점 발광 다이오드의 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드에서 광이 표출되는 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드 제조방법의 순서도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 비교예의 모식도이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제조예의 모식도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광다이오드의 광출력을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드를 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드의 모식도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다양한 패턴의 자기구조층이 형성된 양자점 발광 다이오드의 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드에서 광이 표출되는 모식도이다.
도1 내지 도3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드는, 제1전극(10); 상기 제1전극(10) 상에 위치하고, 양자점을 포함하는 양자점 발광층(20); 상기 양자점 발광층(20) 상에 위치하는 제2전극(30); 상기 제2전(30)극 상에 위치하는 절연층(40); 및 상기 절연층(40) 상에 위치하는 자기구조층(50); 을 포함한다.
본 발명의 양자점 발광 다이오드는 일반적인(normal) 구조 또는 역(invertied)구조일 수 있다.
상기 제1전극(10)은 본 발명의 발광다이오드가 일반적인 구조인 경우 정공(hole)을 공급하는 양극(anode)일 수 있고, 역구조인 경우에는 전자(electron)를 공급하는 음극(cathode)일 수 있다.
상기 제1전극(10)은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO), 인듐-텅스텐-산화물 (indium-tungsten-oxide; IWO), 불소주석산화물 (fluorine-tin-oxide; FTO), 주석산화물(SnO2), 인듐산화물(In2O3), 카드뮴:산화아연(Cd:ZnO), 불소:산화주석(F:SnO2), 인듐:산화주석(In:SnO2), 갈륨:산화주석(Ga:SnO2), 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO) 중에 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으며, 본 발명의 기술분야에서 적용되는 것이면 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 제1전극(10)은 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 포함하는 금속 소재 또는 비금속 소재를 포함할 수도 있다.
상기 제1전극(10)은 불투명 또는 투명일 수 있으며, 투명인 경우 상기 발광층에서 형성된 광이 외부로 나갈 수 있도록 하여 불투명한 전극에 비해 광 손실을 감소시킬 수 있다.
추가적으로, 상기 제1전극(10)은 기판(미도시) 상에 위치할 수도 있다.
상기 기판은 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 사파이어(Al2O3), 갈륨비소(GaAs), 유리(glass) 또는 고분자 물질을 포함할 수 있으나, 본 발명의 기술분야에서 적용되는 것이면 이에 제한되지 않는다.
상기 기판은 투명할 수 있으며, 발광층에서 형성된 광이 상기 기판을 통해 외부로 표출될 수 있다(도3).
상기 제2전극(30)은 본 발명의 발광다이오드가 일반적인 구조인 경우 전자(electron)를 공급하는 음극(cathode)일 수 있고, 역구조인 경우에는 정공(hole)을 공급하는 양극(anode)일 수 있다.
상기 제2전극(30)은 Ca, Ba, Ca/Al(칼슘과 알루미늄 적층), LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 및 Ag:Mg 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 본 발명의 기술분야에서 적용되는 것이면 이에 제한되지 않는다.
상기 제2전극은 발광층(Emitting Material Layer; EML)에서 형성된 광을 기판쪽으로 반사시킬 수 있도록 반사율이 높은 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, p형 반도체와 옴접촉(ohmic contact)이 가능한 Ag 또는 Al과 같은 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1전극, 제2전극 및 투명 기판은 빛(광)이 기판을 통해 용이하게 표출될 수 있도록 하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 양자점 발광층(20)은 제1전극(10) 및 제2전극(30) 사이에 위치할 수 있다.
상기 양자점 발광층(20)의 양자점은 코어-쉘 구조일 수 있다. 상기 코어 및 쉘은 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는다. 발광층에서는 음극 및 양극으로부터 주입된 전자와 정공이 양자점 내에서 만나 엑시톤(exciton)을 형성하고 방사성 붕괴(radiative decay)를 통해 엑시톤들이 에너지와 빛(광, photon)을 방출하게 된다. 이때 매우 작은 양자점 내부에서 전자와 정공이 재결합(recombination) 하는 확률을 높여주기 위해 코어-쉘 구조, 더블 쉘 구조, 다양한 두께의 쉘 구조 또는 코어-쉘-리간드 구조를 이용할 수 있다.
상기 양자점 발광층(20)의 양자점의 코어 및 쉘 각각은 2-6족, 3-5족의 나노 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 반도체 화합물은 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴설파이드(CdS), 카드뮴 텔레라이드(CdTe), 징크셀레나이드(ZnSe), 징크텔레라이드(ZnTe), 징크설파이드(ZnS), 머큐리텔레라이드(HgTe), 인듐 아세나이드(InAs), Cd1-xZnxSe1-ySy', CdSe/ZnS, 인듐 포스포러스(InP) 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 양자점 발광층(20)의 양자점은 CdSe-ZnS, CdTe-CdSe 또는 InP-ZnSe(코어-쉘)일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 양자점 발광층(20)의 양자점은 InP-ZnSe/ZnS(코어-쉘-쉘, double core shell)일 수 있다.
상기 절연층(40)은 상기 제2전극(30) 상에 위치할 수 있다.
상기 절연층(40)은 금속산화물, 금속질화물, 금속불화물 및 금속황화물등 중에 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, MgF2, NaF, CaF2, ZrO2, TiO2, SiO2, SixNy(x와 y는 각각 정수), HfO2 또는 Al2O3를 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연층(40)은 전극과 자기구조층이 접촉하는 것을 방지하여 소자의 특성 저하 및 편광 현성을 방지하는 역할을 할 수 있다. 강자성 물질의 경우 자기장이 인가되면 자기저항(magnetoresistance)으로 인해 소자의 옴접촉이 저하될 수 있고, 형성된 자성층을 통해 전류 및 전압이 인가되는 경우 spin-polarized infection의 발생으로 편광이 발생할 수 있기 때문에, 절연층에 의해 자성층 및 반사층 간의 직렬 저항을 줄여 발광다이오드의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 절연층(40)은 실링 역할을 하여 양자점이 수분 접촉등 외부 자극에 의해 성능이 저하되는 것을 방지할 수도 있다.
상기 절연층(40)의 두께는 예를 들어, 10nm 내지 50nm일 수 있다.
상기 절연층(40)의 두께가 10nm 미만인 경우에는 하부의 전극과 상부의 자기구조층과의 접촉을 효과적으로 차단하기 어려울 수 있고, 50nm 초과인 경우에는 양자점 발광층과 자기구조층의 거리가 멀어져서 자기장의 영향이 작아질 수 있고, 또한, 증착 방식에 따라 절연층이 일정 구조를 갖게 되는 경우 자기구조층의 성장에 영향을 주어 원하는 자기 특성을 확보하기 어려울 수 있다.
상기 자기구조층(50)은 상기 절연층(40) 상에 위치할 수 있다.
상기 자기구조층(50)은 비자성층과 자성층이 교대로 형성된 다중층(multi-layer) 또는 비자성물질과 자성물질의 혼합층일 수 있고, 상기 절연층(40) 상에 전체적으로 또는 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 자기구조층(50)은 상기 양자점 발광층(20) 내의 전자 및 정공에 로렌츠 힘을 가하여 상기 전자 및 정공을 양자점 발광층(20) 내에 스프레딩시킬 수 있으므로, 상기 양자점 발광층(20) 내에서 전자와 정공의 재결합률은 증가될 수 있다. 이에 따라 발광다이오드의 내부양자효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 양자점 발광층(20)내의 양자점은 발광 효율의 증대를 위해 코어쉘 구조를 이용할 수 있는데, 이러한 구조는 최대한 핵 영역으로 들어선 전자와 정공이 발광재결합에 참여할 수 있도록 전자와 정공을 잡아두는 역할을 한다. 그러나 이러한 양자점은 크기 자체가 작아 많은 양의 전자와 정공을 내부에 받아들이기 어렵고 작은 열에너지만으로도 전자와 정공이 외부로 튀어나가버릴 수 있다. 따라서, 유입된 전자와 정공을 발광 재결합이 될 때까지 충분히 잡아두기 위하여, 자기장을 이용할 수 있다.
상기 자기구조층(50)의 비자성층은 비자성물질을 포함할 수 있으며, 상기 비자성물질은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금물질일 수 있다.
상기 자기구조층(50)의 자성층은 자성물질을 포함할 수 있으며, 상기 자성물질은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 가돌리뮴(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd) 또는 이들의 합금물질일 수 있다. 상기 물질 이외에도, 상기 자성층은 강자성체(ferromagnetic)물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 자기구조층(50)은 Co/Pt층으로 적층되어 형성될 수 있으며, 다시 예를 들어, 상기 절연층(40) 상에 Pt층/Co층/Pt층/Co층/Pt층/Co층을 교대로 형성할 수 있다.
상기 자기구조층(50)이 적층되어 형성되는 경우, 적어도 3층(tri-layer) (예를 들어, pt/co/pt층) 이상으로 형성될 수 있다. 바람직하게는 각각 3층 내지 20층으로 형성될 수 있으나, 원하는 자기장 형태 및 패턴에 따라 층수를 더 증가시킬 수 있다.
상기 자기구조층(50)이 3층 이하인 경우에는 자기장의 특성을 확보하기 어려울 수 있고, 20층 초과인 경우에는 자기장 방향을 제어하기 어려워 효율성이 감소할 수 있다.
또한, 상기 자기구조층(50)은 비자성물질과 자성물질의 혼합층으로 형성될 수도 있다.
예를 들어, Co와Pt의 합금층으로 형성될 수 있다.
상기 자기구조층(50)이 비자성층/자성층의 다중층 또는 혼합층을 구성하는 경우, 강한 수직 자기 이방성을 형성하여, 자화(magnetization) 열처리 공정이 없더라도 자기장을 발생시킬 수 있다. QLED는 자화 공정의 온도를 견딜 수 없기 때문에 상기 자기구조층(50)을 형성함으로써 QLED의 성능을 향상시킬 수 있다.
도2와 같이, 상기 자기 구조층(50)은 상기 절연층(40) 상에 전체적으로 또는 부분적으로 형성될 수 있고, 상기 자기구조층(50)이 부분적으로 형성되는 경우 패턴 구조를 가질 수 있으며, 상기 패턴 구조는 예를 들어, 원형, 타원형, 직선형, 곡선형, 다각형, 격자형, 스트라이프(stripe)형, 메쉬(mesh)형, 그리드(grid)형 및 이들의 혼합형 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 형태일 수 있다.
상기 패턴 구조에서, 패턴 형태 및 패턴 간의 간격 조절을 통해 자기장의 형태 및 자기장의 세기를 조절하여 원하는 자기적 특성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 주입되는 캐리어(carrier) 양과 QD 크기에 따라 적절한 자기장 크기 및 자기장 형태를 가질 수 있다. 또한, 패턴 간의 거리 조절을 통한 척력(repulsive force) 조절로 불균일성을 증가시킬 수 있고 전자 확산 조절이 가능하다. 또한, 가상 국소화(virtual localization)를 통한 carrier trapping의 증가 등의 특성도 부여할 수 있다.
상기 자기구조층(50)의 패턴 구조는 전술된 특정 패턴이 나노미터 혹은 마이크로미터 단위로 주기적 또는 비주기적으로 배치된 것일 수 있다.
예를 들어, 도2을 참조하면 상기 패턴 구조는 직사각형(도2(b)) 또는 원형(도2(c))이 주기적으로 배치된 것일 수 있다.
상기 자기구조층(50)이 상기 절연체(40) 상에 전체적으로 형성되어 필름형태의 층(도2(a))을 형성하는 경우, 상기 자기구조층(50)으로부터 인가되는 불균일한 자기장으로부터 비롯되는 자기장 기울기 및 자기장의 크기는 외부의 균일한 자기장보다는 내부 양자효율을 효율적으로 증대시킬 수 있다
상기 자기구조층(50)이 상기 절연체(40) 상에 부분적으로 형성되어 패턴 구조를 갖는 경우(도2(b), 도2(c)), 상기 자기구조층(50)이 필름형태로 형성되는 경우에 비하여 더욱 내부 양자효율을 증가시킬 수 있으며, 또한 보다 경제적일 수 있다.
불균일한 자기장에 의한 자기장 세기의 차이에 의하여 전자와 정공이 발광층인 QD층에 도달하기까지 나선운동을 하게 되는데, 패턴을 갖는 자기구조층을 형성함으로써 발광층 내에 불균일한 자기장의 분포를 많이 만들어 전자와 정공이 나선운동을 할 수 있는 분포를 늘릴 수 있다. 또한, 불균일한 자기장의 크기와 패턴 형태에 따른 자기장 방향의 부분적인 변환을 통하여 전자와 정공의 움직임을 횡적으로 멀리 퍼트려 보다 많은 전자와 정공을 QD에 공급할 수 있다. 이를 통해, 다양한 패턴이 적용된 자기구조층의 내부의 양자효율은 필름형태의 자기구조층 보다 우수할 수 있다.
즉, 양자점 발광다이오드에 전류가 흐를 때, 기판에 수직한 방향으로 불균일한 자기장이 걸린 경우 불균일한 자기장 분포에 의해 전자나 정공이 드리프트 하여 기판에 평행한 방향으로 국소화(localization)가 이루어지게 된다.
그러므로, 동일 물질의 QD를 사용하는 경우에, 자기구조층을 포함하지 않는 양자점 발광다이오드와 비교하여 자기구조층을 포함하는 양자점 발광다이오드는 광출력이 향상될 수 있다. 이는 동일 물질과 구조를 가진 발광다이오드의 경우 자기구조층이 증착됨에 따라 활성층 내의 전자 또는 정공이 존재할 확률이 증가되어 기존의 자기구조층이 없는 양자점 발광다이오드에 비해 많은 전자와 정공이 효율적으로 결합하여 발광할 수 있다.
추가적으로, 상기 제1전극 또는 제2전극 일면에 위치하는 정공 주입층(Hole Injection Layer; HIL); 및 상기 정공 주입층 상에 위치하는 정공 수송층(Hole Transport Layer; HTL); 을 더 포함할 수 있고, 상기 정공 수송층은 상기 양자점 발광층의 일면에 접하여 위치될 수 있다.
예를 들어, 일반 구조 발광 다이오드인 경우에는 상기 제1전극(10) 상에 상기 정공 주입층 및 정공 수송층이 위치할 수 있고, 역구조 발광 다이오드인 경우에는 상기 제2전극(30) 일면(하부면)에 정공 주입층 및 정공 수송층이 순서대로 위치할 수 있으며, 상기 정공 수송층은 상기 양자점 발광층(20)에 접하여 위치될 수 있다.
상기 정공 주입층은 정공 주입을 용이하게 해주는 물질이라면 한정되지 않으며, 유기물 또는 무기물의 적용이 가능하다. 예를 들어, PEDOT:PSS, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌-헥사니트릴;hexaazatriphenylene-hexanitrile), 산화몰리브덴(MoO3), 산화텅스텐(WO3) 및 산화바나듐 (V2O5) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 정공 주입층 상에 위치할 수 있고, 유기물 또는 무기물을 포함할 수 있다. 상기 정공 수송층이 유기물인 경우에는 Poly - TPD (Poly[bis(4-butypheny)-bis(phenyl)benzidine]), CBP(4,4'-N, N'-dicarbazole-biphenyl), α-NPD(N,N'-iphenyl-N,N'-bis(1=naphtyl)-1,1'-biphenyl-4,4''-diamine), TCTA(4,4',4''-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine) 및 DNTPD(N, N'-di(4-(N,N'-diphenyl-amino)phenyl)-N.N'-diphenylbenzidine) 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 무기물인 경우에는, NiO 또는 MoO3를 포함할 수 있다.
또한, 추가적으로 상기 제1전극 또는 제2전극 일면에 위치하는 전자 주입층(Electron Injection Layer; ETL); 및 상기 전자 주입층 상에 위치하는 전자 수송층(Electron Transport Layer; ETL); 을 더 포함하고, 상기 전자 수송층은 상기 양자점 발광층의 일면에 접하여 위치될 수 있다.
예를 들어, 일반 구조 발광 다이오드인 경우에는 상기 제2전극(30) 일면(하부면)에 상기 전자 주입층 및 전자 수송층이 위치할 수 있고, 역구조 발광 다이오드인 경우에는 상기 제1전극(10) 상에 전자 주입층 및 전자 수송층이 위치할 수 있으며, 상기 전자 수송층은 상기 양자점 발광층(20)에 접하여 위치될 수 있다.
상기 전자 주입층은 전자 주입을 용이하게 해주는 물질이라면 한정되지 않으며, 예를 들어, LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 전자 수송층은 무기물 또는 유기물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 무기물일 경우에는, ZnO, TiO2, WO3 및 SnO2 와 같은 산화물이거나, 혹은 유기물일 경우에는 TPBI(1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl) benzene) 또는 TAZ( 3-(4-biphenylyl)-4-phenyl-5-t-butylphenyl-1,2,4-triazole)을 포함할 수 있다.
상기 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 주입층, 전자 수송층은 필요에 따라서 전부를 포함하거나, 이들 중에 일부만 포함하여 발광다이오드를 제작할 수 있다.
본 발명의 일실시예인 양자점 발광다이오드는, 예를 들어, 유리기판; ITO전극; PEDOT:PSS 정공 주입층; Poly-TPD 정공 수송층; QD 발광층; ZnO 나노입자 전자 수송층; Al 전극; MgF2 절연층; Co/Pt 다중층으로 이루어진 자기구조층;이 순서대로 구성된 것일 수 있다(도6).
본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드 제조방법을 설명한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광 다이오드 제조방법의 순서도이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 다이오드 제조방법은, 제1전극을 형성하는 단계(S100); 상기 제1전극 상에 양자점 발광층을 형성하는 단계(S200); 상기 양자점 발광층 상에 제2전극을 형성하는 단계(S300); 상기 제2전극 상에 절연층을 형성하는 단계(S400); 및 상기 절연층 상에 자기구조층을 형성하는 단계(S500); 를 포함한다.
첫재 단계에서, 제1전극을 형성한다(S100).
상기 제1전극을 형성하는 단계는, 유기금속 화학기상증착법 (metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 수소화물 기상성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(e-beam Evaporation), 스퍼터링법 (Sputtering), 레이저 분자빔 증착법 (Laser Molecular Beam Epitaxy, L-MBE) 및 스핀코팅법(spin-coating) 중에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
둘째 단계에서, 상기 제1전극 상에 양자점 발광층을 형성한다(S200).
상기 양자점 발광층을 형성하는 단계는, 유기금속 화학기상증착법 (metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 수소화물 기상성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(e-beam Evaporation), 스퍼터링법 (Sputtering), 레이저 분자빔 증착법 (Laser Molecular Beam Epitaxy, L-MBE) 및 스핀코팅법(spin-coating) 중에서 선택 되는 어느 하나의 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
셋째 단계에서, 상기 양자점 발광층 상에 제2전극을 형성한다(S300).
상기 제2전극을 형성하는 단계는, 유기금속 화학기상증착법 (metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 분자선 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 수소화물 기상성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE), 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(e-beam Evaporation), 스퍼터링법 (Sputtering), 레이저 분자빔 증착법 (Laser Molecular Beam Epitaxy, L-MBE) 및 스핀코팅법(spin-coating) 중에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
넷째 단계에서, 상기 제2전극 상에 절연층을 형성한다(S400).
상기 절연층을 형성하는 단계는, 전자빔 증착법(e-beam Evaporation), 열 증착법(Thermal Evaporation) 또는 스퍼터링법(Sputtering)으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다셋째 단계에서, 상기 절연층 상에 전체적으로 또는 부분적으로 자기구조층을 형성한다(S500).
상기 전체적으로 자기구조층을 형성하는 단계는, 전자빔(e-beam) 증착법, 스퍼터링(sputtering) 증착법, 액적 주조(droplet casting)법 또는 스핀코팅(spin coating)법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 부분적으로 자기구조층을 형성하는 단계는, 패터닝 공정으로 수행될 수 있다.
상기 패터닝 공정은 예를 들어, 섀도우 마스크(shadow mask) 공정 또는 리소그래피(lithography) 공정으로 수행되어, 패턴을 갖는 자기구조층을 형성할 수 있다.
상기 섀도우 마스크 공정은, 예를 들어, 목적에 알맞게 섀도우 마스크를 제작하고, 상기 쉐도우 마스크를 이용하여 전자빔(e-beam) 증착법 또는 스퍼터링(sputtering) 증착법으로 물질을 증착시켜 원하는 패턴의 자기구조층을 형성할 수 있다.
상기 리소그래피 공정은, 예를 들어, 기판 상에 포토리소그래피(photo lithography) 등의 공정으로 마스크 패턴을 형성하고, 상기 마스크 패턴이 형성된 기판 상에 전자빔(e-beam) 증착법 또는 스퍼터링(sputtering) 증착법 등으로 물질을 증착시켜 상기 패턴 구조를 갖는 자기구조층을 형성할 수도 있다.
추가적으로, 상기 절연층 상에 자기구조층를 형성하는 공정 중에 외부에서 자기장을 인가해서 원하는 형태나 방향으로의 자기장 정렬을 이루도록 특성을 변형하는 공정 또는 혼성화(hybridization)과 같은 현상을 이용하여 다중박막 자성층 구현을 통해 수직방향의 자성 방향을 자연적으로 형성하는 공정을 수행할 수도 있다.
제조예
도6을 참조하면, 유리기판 상에 스퍼터링법으로 ITO전극(제1전극)을 형성하였다. 다음으로, ITO전극 상에 유기금속 화학기상증착법으로 PEDOT:PSS 정공주입층을 형성하였다. 다음으로, PEDOT:PSS 정공주입층 상에 유기금속 화학기상증착법으로 poly-TPD 정공수송층을 형성하였다. 다음으로, poly-TPD 정공수송층 상에 유기금속 화학기상증착법으로 양자점 발광층을 형성하였다. 다음으로, 양자점 발광층 상에 열증착법으로 ZnO 나노입자 전자수송층을 형성하였다. 다음으로, ZnO 나노입자 전자수송층 상에 열증착법으로 Al전극(제2전극)을 형성하였다. 다음으로, Al전극 상에 전자빔 증착법으로 MgF2 절연층을 형성하였다. 다음으로, MgF2 절연층 상에 쉐도우 마스크를 이용한 스퍼터링 증착법으로 Co/Pt 멀티레이어 자기구조층을 형성하였다.
비교예
도5를 참조하면, 유리기판 상에 스퍼터링법으로 ITO전극(제1전극)을 형성하였다. 다음으로, ITO전극 상에 유기금속 화학기상증착법으로 PEDOT:PSS 정공주입층을 형성하였다. 다음으로, PEDOT:PSS 정공주입층 상에 유기금속 화학기상증착법으로 poly-TPD 정공수송층을 형성하였다. 다음으로, poly-TPD 정공수송층 상에 유기금속 화학기상증착법으로 양자점 발광층을 형성하였다. 다음으로, 양자점 발광층 상에 열증착법으로 ZnO 나노입자 전자수송층을 형성하였다. 다음으로, ZnO 나노입자 전자수송층 상에 열증착법으로 Al전극(제2전극)을 형성하였다.
실험예
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 양자점 발광다이오드의 광출력을 나타내는 그래프이다.
도7을 참조하면, 동일 물질로 구성된 QD의 크기에 따른 광출력을 보여주고 있는데, 자성층이 성장되지 않은 양자점 발광다이오드에 비해 자성층을 성장시킨 양자점 발광다이오드의 광출력이 적색, 녹색, 청색 각기 33%, 22%, 17% 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 동일 물질과 구조를 가진 발광다이오드의 경우 자기구조층이 증착됨에 따라 활성층 내의 전자 또는 정공이 존재할 확률이 증가되어 기존의 자기구조층이 없는 양자점 발광다이오드에 비해 많은 전자와 정공이 효율적으로 결합하여 발광한다는 것을 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 자기구조층이 형성된 양자점 발광다이오드는 발광층 내에 자기장이 불균일하게 분포되도록 하여 보다 많은 전자와 정공이 발광재결합을 하도록 유도함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 자기구조층이 패턴 구조를 이루도록 함으로써 불균일한 자기장을 더욱 강하게 형성할 수 있어 발광다이오드의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제1전극
20: 양자점 발광층
30: 제2전극
40: 절연층
50: 자기구조층
20: 양자점 발광층
30: 제2전극
40: 절연층
50: 자기구조층
Claims (11)
- 제1전극;
상기 제1전극 상에 위치하고, 양자점을 포함하는 양자점 발광층;
상기 양자점 발광층 상에 위치하는 제2전극;
상기 제2전극 상에 위치하는 절연층; 및
상기 절연층 상에 위치하는 자기구조층; 을 포함하고,
상기 자기구조층은 패턴 구조를 갖고,
상기 패턴 구조는 원형, 타원형, 직선형, 곡선형, 다각형, 격자형, 스트라이프(stripe)형, 메쉬(mesh)형, 그리드(grid)형 및 이들의 혼합형 중에서 선택되는 하나 이상의 형태인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 양자점 발광층의 양자점은 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은 금속산화물, 금속질화물, 금속불화물 및 금속황화물 중에 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 자기구조층은 비자성물질을 포함하는 비자성층과 자성물질을 포함하는 자성층이 교대로 형성된 다중층 또는 비자성물질과 자성물질의 혼합층인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드. - 제4항에 있어서,
상기 비자성물질은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금물질인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드. - 제4항에 있어서,
상기 자성물질은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 가돌리뮴(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd) 또는 이들의 합금물질인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드. - 삭제
- 제1전극을 형성하는 단계;
상기 제1전극 상에 양자점 발광층을 형성하는 단계;
상기 양자점 발광층 상에 제2전극을 형성하는 단계;
상기 제2전극 상에 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층 상에 자기구조층를 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 자기구조층을 형성하는 단계는,
전자빔(e-beam) 증착법, 스퍼터링(sputtering) 증착법, 액적 주조(droplet casting)법, 스핀코팅(spin coating)법 또는 패터닝공정 중 어느 하나로 수행되고,
상기 패터닝 공정은 섀도우 마스크(shadow mask) 공정 또는 리소그래피(lithography) 공정에 의해 패턴을 갖는 자기구조층을 형성하고,
상기 패턴은 타원형, 직선형, 곡선형, 다각형, 격자형, 스트라이프(stripe)형, 메쉬(mesh)형, 그리드(grid)형 및 이들의 혼합형 중에서 선택되는 하나 이상의 형태인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 다이오드 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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