KR102467691B1 - 양자점 발광 소자, 그 제조 방법 및 양자점 발광 소자를 포함하는 디스플레이 소자 - Google Patents

양자점 발광 소자, 그 제조 방법 및 양자점 발광 소자를 포함하는 디스플레이 소자 Download PDF

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Abstract

양자점 발광 소자와 그 제조 방법 및 양자점 발광 소자를 포함하는 디스플레이 소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 양자점 발광 소자는 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역, 제 2 픽셀 영역 및 제 3 픽셀 영역을 포함할 수 있고, 상호 이격된 제 1 전극 부재와 제 2 전극 부재 사이에 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하기 위한 적층 구조를 구비할 수 있다. 상기 적층 구조는 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부, 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 2 컬러의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유하는 제 2 양자점 발광부 및 상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비된 유기 공통층을 포함할 수 있다. 상기 유기 공통층은 상기 제 3 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역과 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비할 수 있고, 상기 제 1 영역은 제 3 컬러 발광부일 수 있다.

Description

양자점 발광 소자, 그 제조 방법 및 양자점 발광 소자를 포함하는 디스플레이 소자{Quantum dot light-emitting device, method of fabricating the same and display device including quantum dot light-emitting device}
본 발명은 발광 소자, 디스플레이 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양자점 발광 소자, 그 제조 방법 및 양자점 발광 소자를 포함하는 디스플레이 소자에 관한 것이다.
양자점(Quantum dot)은 수 내지 수십 나노미터 정도의 크기를 갖는 결정질 반도체로서, 수백에서 수천 개 정도의 원자로 구성될 수 있다. 양자점은 크기가 매우 작기 때문에 단위 부피당 표면적이 넓고, 대부분의 원자들이 결정 표면에 존재할 수 있다. 이러한 양자점은 양자 구속(quantum confinement) 효과에 의한 불연속적 에너지 준위를 갖기 때문에, 연속적인 에너지 밴드를 갖는 벌크(bulk) 상태의 반도체와는 다른 광학적 및/또는 전기적 특성을 나타낼 수 있다.
최근, 양자점을 다양한 광학소자 및 전자소자에 적용하려는 연구가 이루어지고 있다. 특히, 양자점의 전기발광(electroluminescence) 현상을 이용하는 양자점 발광 소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 양자점 발광 소자는 고효율 및 저전력 발광소자로 사용될 수 있고, 특히, 좁은 발광 스펙트럼과 용이한 파장 조절 특성 등으로 인하여 차세대 발광 소자의 하나로 주목받고 있다.
그러나 자발광 타입의 양자점 발광 소자, 즉, 자발광 QLED(quantum dot light-emitting diode)를 이용해서 풀-컬러(full-color) 디스플레이 소자를 제조함에 있어서, 용액 공정(solution process)을 기반으로 한 양자점층의 패터닝 단계가 여러 번 적용되어야 하므로, 제조 공정이 어려울 뿐 아니라 양자점층의 성능이 열화되는 문제가 발생한다. 잉크젯 프린팅을 비롯하여 여러 가지 용액 공정법이 개발되고 있으나, 먼저 패터닝된 양자점층이 후속 공정, 예를 들면, 마스크 형성 공정, 노광 공정, 식각 공정, 현상 공정과 같은 단위 공정에서 다수의 용매 및 자외선(UV ray)에 노출되어, 양자점층이 손상되거나 심각한 성능 저하가 발생할 수 있다. 또한, 용액 공정이 여러 번 진행되면 양자점이 공기 중에 노출되는 시간이 길어지므로, 양자점의 안정성에도 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 이에 실질적인 자발광 QLED의 산업화를 위해서는 양자점층이 외부의 광, 공기, 용매 등에 노출되는 시간을 최소화하고, 양자점층의 성능 및 안정성을 용이하게 확보할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 양자점층의 패터닝 공정 횟수를 줄임으로써 그에 따른 제반 효과를 얻음과 동시에 양자점에 의한 발광 성능을 향상시킬 수 있는 구성을 갖는 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 양자점 발광 소자를 적용한 양자점 디스플레이 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역, 제 2 픽셀 영역 및 제 3 픽셀 영역을 포함하는 양자점 발광 소자로서, 상호 이격된 제 1 전극 부재와 제 2 전극 부재 사이에 배치된 것으로, 상기 제1 및 제2 전극 부재를 통해 공급된 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하기 위한 적층 구조를 구비하고, 상기 적층 구조는 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부; 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 2 컬러의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유하는 제 2 양자점 발광부; 및 상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비된 유기 공통층(organic common layer)을 포함하고, 상기 유기 공통층은 상기 제 3 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역과 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비하고, 상기 제 1 영역은 제 3 컬러 발광부인 양자점 발광 소자가 제공된다.
상기 제 1 픽셀 영역은 적색 픽셀 영역일 수 있고, 상기 제 2 픽셀 영역은 녹색 픽셀 영역일 수 있고, 상기 제 3 픽셀 영역은 청색 픽셀 영역일 수 있다. 상기 제 1 양자점 발광부는 적색 양자점 발광부일 수 있고, 상기 제 2 양자점 발광부는 녹색 양자점 발광부일 수 있고, 상기 제 3 컬러 발광부는 청색 발광부일 수 있다.
상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 실질적인 비발광 영역일 수 있다.
상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부에 대하여 전하 수송 영역 또는 엑시톤 전달 영역으로 작용할 수 있다.
상기 유기 공통층은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부 각각의 상면을 덮으면서 상기 제 3 픽셀 영역으로 연장된 형태를 가질 수 있다.
상기 유기 공통층은 양자점을 미함유할 수 있다.
상기 유기 공통층은 상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에서 전체적으로 동일한 재료로 구성될 수 있다.
상기 유기 공통층은 청색 발광을 위한 호스트(host) 재료 및 도펀트(dopant) 재료를 포함할 수 있다.
상기 제 1 양자점 발광부, 상기 제 2 양자점 발광부 및 상기 유기 공통층은 제 1 적층체를 구성할 수 있고, 상기 적층 구조는 상기 제 1 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 구비된 정공 수송층; 및 상기 제 2 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 구비된 전자 수송층;을 더 포함할 수 있다.
상기 적층 구조는 상기 제 1 전극 부재와 상기 정공 수송층 사이에 구비된 정공 주입층; 및 상기 제 2 전극 부재와 상기 전자 수송층 사이에 구비된 전자 주입층; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 전자 수송층은 상기 유기 공통층에 접촉될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 양자점 발광 소자를 구비한 양자점 디스플레이 소자가 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역, 제 2 픽셀 영역 및 제 3 픽셀 영역을 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법으로서, 제 1 전극 부재를 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 부재 상에 적층 구조를 형성하는 단계; 및 상기 적층 구조 상에 제 2 전극 부재를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 적층 구조를 형성하는 단계는 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치되고 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부 및 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하여 배치되고 제 2 컬러의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유하는 제 2 양자점 발광부를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비되는 유기 공통층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 유기 공통층은 상기 제 3 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역과 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비하고, 상기 제 1 영역은 제 3 컬러 발광부인 양자점 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.
상기 제 1 픽셀 영역은 적색 픽셀 영역일 수 있고, 상기 제 2 픽셀 영역은 녹색 픽셀 영역일 수 있고, 상기 제 3 픽셀 영역은 청색 픽셀 영역일 수 있다. 상기 제 1 양자점 발광부는 적색 양자점 발광부일 수 있고, 상기 제 2 양자점 발광부는 녹색 양자점 발광부일 수 있고, 상기 제 3 컬러 발광부는 청색 발광부일 수 있다.
상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 실질적인 비발광 영역일 수 있고, 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부에 대하여 전하 수송 영역 또는 엑시톤 전달 영역으로 작용할 수 있다.
상기 유기 공통층은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부 각각의 상면을 덮으면서 상기 제 3 픽셀 영역으로 연장된 형태로 형성될 수 있다.
상기 유기 공통층은 픽셀 영역 단위로 패터닝하는 공정 없이 형성될 수 있다.
상기 제 1 양자점 발광부, 상기 제 2 양자점 발광부 및 상기 유기 공통층은 제 1 적층체를 구성할 수 있고, 상기 적층 구조를 형성하는 단계는 상기 제 1 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 전자 수송층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 적층 구조를 형성하는 단계는 상기 제 1 전극 부재와 상기 정공 수송층 사이에 정공 주입층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 전극 부재와 상기 전자 수송층 사이에 전자 주입층을 형성하는 단계; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 전자 수송층은 상기 유기 공통층에 접촉하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역 및 제 2 픽셀 영역을 포함하는 양자점 발광 소자로서, 상호 이격된 제 1 전극 부재와 제 2 전극 부재 사이에 배치된 것으로, 상기 제1 및 제2 전극 부재를 통해 공급된 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하기 위한 적층 구조를 구비하고, 상기 적층 구조는 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부; 및 상기 제 1 픽셀 영역 및 상기 제 2 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비된 유기 공통층(organic common layer)을 포함하고, 상기 유기 공통층은 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비하고, 상기 제 1 영역은 제 2 컬러 발광부인 양자점 발광 소자가 제공된다.
상기 제 1 픽셀 영역은 적색 픽셀 영역 또는 녹색 픽셀 영역일 수 있고, 상기 제 2 픽셀 영역은 청색 픽셀 영역일 수 있다. 상기 제 1 양자점 발광부는 적색 양자점 발광부 또는 녹색 양자점 발광부일 수 있고, 상기 제 2 컬러 발광부는 청색 발광부일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 양자점층의 패터닝 공정 횟수를 줄임으로써 그에 따른 제반 효과를 얻을 수 있고 아울러 양자점에 의한 발광 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 구성을 갖는 양자점 발광 소자 및 이를 적용한 양자점 디스플레이 소자를 구현할 수 있다.
특히, 실시예들에 따른 방식을 활용하면, 적색, 녹색, 청색 픽셀로 구성되는 풀-컬러(full-color) 디스플레이 소자를 제작함에 있어서, 청색 픽셀에 대한 패터닝 과정을 생략함으로써 비용을 절감하고 생산 소요 시간을 크게 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 밴드갭(bandgap)이 큰 유기 공통층에서 상대적으로 밴드갭이 작은 양자점층으로의 에너지 트랜스퍼(즉, Forster resonant energy transfer)를 통해서 양자점층 픽셀의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자(quantum dot light-emitting device)를 보여주는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 1 픽셀 영역에 적용되는 제 1 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 적색 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 2 픽셀 영역에 적용되는 제 2 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 녹색 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 3 픽셀 영역에 적용되는 제 3 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 청색 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 전기발광 (electroluminescence)(EL) 스펙트럼 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자(quantum dot light-emitting device)를 보여주는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀 영역(P1, P2, P3)은 서브 픽셀 영역이라고 할 수도 있다. 제 1 픽셀 영역(P1)은 적색 픽셀 영역일 수 있고, 제 2 픽셀 영역(P2)은 녹색 픽셀 영역일 수 있고, 제 3 픽셀 영역(P3)은 청색 픽셀 영역일 수 있다. 이하의 도 1에 대한 설명은 제 1 픽셀 영역(P1)이 적색 픽셀 영역이고, 제 2 픽셀 영역(P2)이 녹색 픽셀 영역이고, 제 3 픽셀 영역(P3)이 청색 픽셀 영역인 경우를 예시로 한다. 그러나, 서브 픽셀 영역의 배열은 다양하게 설계 변형될 수 있으며, 본 발명은 이러한 변형예에도 적용되는 것이다.
일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 상호 이격된 제 1 전극 부재(110)와 제 2 전극 부재(190)를 포함할 수 있다. 또한, 양자점 발광 소자는 제 1 전극 부재(110)와 제 2 전극 부재(190) 사이에 배치되어 이들(110, 190)을 통해 공급된 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하기 위한 적층 구조(S10)를 포함할 수 있다.
기판(100) 상에 제 1 전극 부재(110)가 구비될 수 있고, 제 1 전극 부재(110) 상에 적층 구조(S10)가 구비될 수 있으며, 적층 구조(S10) 상에 제 2 전극 부재(190)가 구비될 수 있다. 기판(100)은 유리 기판과 같은 투명 기판일 수 있다. 유리 이외에 투명 폴리머 등 다른 재료도 기판(100)의 재료로 적용될 수 있다. 제 1 전극 부재(110)는 복수의 제 1 전극 요소(10)를 포함할 수 있다. 복수의 제 1 전극 요소(10)는, 예컨대, 제 1 방향으로 연장되면서 나란히 배치될 수 있다. 복수의 제 1 전극 요소(10)는 복수의 픽셀 영역(P1, P2, P3)에 각각 대응하도록 배치될 수 있다. 제 2 전극 부재(190)는 복수의 제 2 전극 요소(20)를 포함할 수 있다. 복수의 제 2 전극 요소(20)는, 예컨대, 제 2 방향으로 연장되면서 나란히 배치될 수 있다. 여기서, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향과 수직한 방향일 수 있다. 따라서, 복수의 제 2 전극 요소(20)는 복수의 제 1 전극 요소(10)에 대하여 수직하게 교차할 수 있다. 그러나, 복수의 제 2 전극 요소(20)의 배열 방향은 달라질 수 있다. 예를 들어, 복수의 제 2 전극 요소(20)는 복수의 제 1 전극 요소(10)와 동일한 방향으로 연장될 수도 있다.
제 1 전극 부재(110)와 제 2 전극 부재(190) 사이에 배치되는 적층 구조(S10)는 제 1 픽셀 영역(P1)에 대응하여 배치된 적색 양자점 발광부(140) 및 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하여 배치된 녹색 양자점 발광부(150)를 포함할 수 있다. 적색 양자점 발광부(140)는 제 1 컬러, 예를 들면, 적색의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유할 수 있다. 녹색 양자점 발광부(150)는 제 2 컬러, 예를 들면, 녹색의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유할 수 있다.
또한, 적층 구조(S10)는 제 1 픽셀 영역(P1)과 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에 걸쳐 공통으로 제공된 유기 공통층(organic common layer)(160)을 포함할 수 있다. 유기 공통층(160)은 제 3 픽셀 영역(P3)에 대응하는 제 1 영역(1) 및 제 1 픽셀 영역(P1)과 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하는 제 2 영역(2)을 구비할 수 있다. 유기 공통층(160)의 상기 제 1 영역(1)은 "청색 발광부"일 수 있다.
유기 공통층(160)은 청색 발광을 위한 호스트(host) 재료 및 도펀트(dopant) 재료를 포함할 수 있다. 즉, 유기 공통층(160)은 호스트-도펀트 시스템을 가질 수 있고, 청색을 발광하는 유기 도펀트 및 그 발광을 제어할 수 있는 유기 호스트를 포함할 수 있다.
유기 공통층(160)은 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에서 전체적으로 동일한 재료로 구성될 수 있다. 유기 공통층(160)은 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에 걸쳐 연속된 하나의 층 구조를 이룰 수 있다. 유기 공통층(160)은 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150) 각각의 상면을 덮으면서 제 3 픽셀 영역(P3)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 따라서, 유기 공통층(160)은 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150) 각각의 상면에 접촉할 수 있고, 제 3 픽셀 영역(P3)에서는 이와 상하로 접촉하는 별도의 양자점 발광부 없이 존재할 수 있다. 유기 공통층(160)은 양자점을 함유하지 않는 유기물층일 수 있다.
이러한 유기 공통층(160)의 제 3 픽셀 영역(P3)에 대응하는 제 1 영역(1)은 "청색 발광부"로 작용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제 3 픽셀 영역(P3)에 "제 3 양자점 발광부"를 구비시키지 않고, 유기 공통층(160)을 사용하여 상기한 "청색 발광부"를 구현할 수 있다. 따라서, 풀-컬러(full-color) 디스플레이를 제작함에 있어서, 제 3 픽셀 영역(P3)에 대한 패터닝 과정(양자점층 패터닝 과정)을 생략할 수 있다. 이와 같이 하나의 픽셀(즉, P3)에 대한 패터닝 과정을 생략함으로써 공정을 단순화하고 비용을 절감하며 생산 소요 시간을 크게 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 양자점층의 패터닝 단계를 여러 번 적용할 경우 발생할 수 있는 제반의 문제점, 즉, 양자점층의 성능이 열화되거나 안정성이 떨어지는 문제 등을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 적색 양자점 발광층(140) 및 녹색 양자점 발광층(150)의 성능 및 안정성을 확보하는데 유리할 수 있다.
한편, 유기 공통층(160)의 제 1 픽셀 영역(P1)과 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하는 제 2 영역(2)은 "실질적인 비발광 영역"일 수 있다. 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)에서는 청색 발광의 기능이 실질적으로 발현되지 않을 수 있다. 대신에, 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)은 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)에 대하여 전하 수송 영역(즉, 전하 수송층) 또는 엑시톤 전달 영역(즉, 엑시톤 전달층)으로 작용할 수 있다. 따라서, 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)에 의해 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)의 발광 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)에서 발생되는 에너지는 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)로 트랜스퍼(trasnfer)되어 적색 양자점 발광부(140)의 적색 발광 성능 및 녹색 양자점 발광부(150)의 녹색 발광 성능을 개선하는 역할을 할 수 있다. 이러한 에너지 트랜스퍼는 "펠스터 공명 에너지 전이(Forster resonant energy transfer)"일 수 있다. 유기 공통층(160)이 청색 발광을 위한 유기 공통층(청색 유기 공통층)인 경우, 밴드갭(bandgap)이 큰 청색 유기 공통층에서 상대적으로 밴드갭이 작은 적색/녹색 양자점 발광부(140, 150)로 펠스터 공명 에너지 전이(Forster resonant energy transfer)가 용이하게 일어날 수 있고, 이를 통해서 양자점층 픽셀(즉, P1, P2)의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 이와 관련해서, 유기 공통층(160)(ex, 청색 유기 공통층)에서 청색 발광과 관련된 엑시톤(exciton)이 발생하더라도, 상기 엑시톤이 적색/녹색 양자점 발광부(140, 150)로 트랜스퍼되어 적색 발광 및 녹색 발광의 효율이 개선될 수 있다. 유기 공통층(160)(ex, 청색 유기 공통층)에서 발생되는 에너지는 상대적으로 높고, 적색/녹색 양자점 발광부(140, 150)에서 발생시키고자 하는 에너지(즉, 광에너지)는 상대적으로 낮기 때문에, 에너지 트랜스퍼(energy transfer)에 의한 발광 성능/효율의 개선이 용이하게 이루어질 수 있다.
적색 양자점 발광부(140), 녹색 양자점 발광부(150) 및 유기 공통층(160)이 하나의 "제 1 적층체"를 구성한다고 할 때, 적층 구조(S10)는 제 1 전극 부재(110)와 상기 제 1 적층체 사이에 구비된 정공 수송층(130) 및 제 2 전극 부재(190)와 상기 제 1 적층체 사이에 구비된 전자 수송층(170)을 더 포함할 수 있다. 또한, 적층 구조(S10)는 제 1 전극 부재(110)와 정공 수송층(130) 사이에 구비된 정공 주입층(120) 및 제 2 전극 부재(190)와 전자 수송층(170) 사이에 구비된 전자 주입층(180) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 부재(110) 상에 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 상기 제 1 적층체(즉, 140 + 150 + 160), 전자 수송층(170), 전자 주입층(180) 및 제 2 전극 부재(190)가 순차로 구비될 수 있다. 이때, 정공 수송층(130)의 상면에 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)가 각각 구비될 수 있고, 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)를 덮으면서 제 3 픽셀 영역(P3)으로 확장된 형태의 유기 공통층(160)이 구비될 수 있다. 제 3 픽셀 영역(P3)에서 유기 공통층(160)은 정공 수송층(130)의 상면과 접촉될 수 있다. 또한, 유기 공통층(160) 상에 전자 수송층(170)이 구비될 수 있다. 따라서, 전자 수송층(170)은 유기 공통층(160)에 접촉될 수 있다. 또한, 전자 수송층(170)과 양자점 발광부(140, 150) 사이에 유기 공통층(160)이 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에서 발생된 광이 기판(100) 쪽으로 방출(발광)되는 구조일 수 있다. 이때, 발광을 위한 정공의 공급은 상기 제 1 적층체(즉, 140 + 150 + 160)의 아래쪽으로부터 이루어질 수 있고, 발광을 위한 전자의 공급은 상기 제 1 적층체(즉, 140 + 150 + 160)의 위쪽으로부터 이루어질 수 있다. 유기 공통층(160)은 전자 수송층(170)이 구비되는 쪽에 배치될 수 있고, 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)은 전자를 수송하는 역할을 할 수 있다. 이와 같은 배치 구조를 가질 때, 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)은 에너지 트랜스퍼 기능을 효율적으로 수행할 수 있다. 즉, 전지의 수송은 정공의 수송보다 빠르게 이루어질 수 있기 때문에, 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)이 정공 보다 전자를 수송하는 역할을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)에서 청색 광이나 이와 관련된 에너지가 발생하더라도, 상기 청색 광이나 이와 관련된 에너지는 그 아래의 적색/녹색 양자점 발광부(140, 150)를 거치면서 에너지 트랜스퍼를 일으키고 적색 발광 및 녹색 발광의 성능/효율을 개선하는 역할을 할 수 있다. 그리고 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)에서는 청색 발광의 기능이 실질적으로 발현되지 않을 수 있다.
도 1을 참조하여 설명한 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 양자점 디스플레이 소자에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 디스플레이 소자는 도 1을 참조하여 설명한 구성들을 구비할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 아래에서 설명할 양자점 발광 소자의 제조 방법은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 내용과 연계하여 이해될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 소정의 기판(101) 상에 제 1 전극 부재(111)를 형성할 수 있다. 기판(101)은 유리 기판과 같은 투명 기판일 수 있다. 유리 이외에 투명 폴리머 등 다른 재료도 기판(101)의 재료로 적용될 수 있다. 제 1 전극 부재(111)는 복수의 제 1 전극 요소(11)를 포함할 수 있다. 복수의 제 1 전극 요소(11)는, 예컨대, 제 1 방향으로 연장되면서 나란히 배치될 수 있다. 복수의 제 1 전극 요소(11)는 복수의 픽셀 영역(P1, P2, P3)에 각각 대응하도록 배치될 수 있다.
다음, 제 1 전극 부재(111) 상에 정공 주입층(121) 및 정공 수송층(131)을 차례로 형성할 수 있다. 정공 주입층(121) 및 정공 수송층(131)은 복수의 픽셀 영역(P1, P2, P3)을 덮도록 전체적으로 형성될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 경우에 따라서는, 복수의 제 1 전극 요소(11) 사이의 공간에 절연 재료가 충진될 수도 있다. 또는, 정공 주입층(121)의 일부가 복수의 제 1 전극 요소(11) 사이의 공간을 충진하도록 구비될 수 있다.
제 1 픽셀 영역(P1)은 적색 픽셀 영역일 수 있고, 제 2 픽셀 영역(P2)은 녹색 픽셀 영역일 수 있고, 제 3 픽셀 영역(P3)은 청색 픽셀 영역일 수 있다. 이하의 설명은 제 1 픽셀 영역(P1)이 적색 픽셀 영역이고, 제 2 픽셀 영역(P2)이 녹색 픽셀 영역이고, 제 3 픽셀 영역(P3)이 청색 픽셀 영역인 경우를 기준으로 한다.
도 2b를 참조하면, 정공 수송층(131) 상에 제 1 픽셀 영역(P1)에 대응하여 배치된 적색 양자점 발광부(141) 및 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하여 배치된 녹색 양자점 발광부(151)를 각각 형성할 수 있다. 적색 양자점 발광부(141)는 제 1 컬러(즉, 적색)의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유할 수 있다. 녹색 양자점 발광부(151)는 제 2 컬러(즉, 녹색)의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유할 수 있다. 적색 양자점 발광부(141)는 용액 공정을 이용한 패너닝 공정을 통해서 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 녹색 양자점 발광부(151)도 용액 공정을 이용한 패너닝 공정을 통해서 형성될 수 있다. 적색 양자점 발광부(141)를 먼저 형성하고, 녹색 양자점 발광부(151)를 나중에 형성할 수 있고, 그 반대일 수도 있다. 도 2b에서는 적색 양자점 발광부(141)와 녹색 양자점 발광부(151)가 접촉된 형태로 도시하였지만, 경우에 따라, 이들은 다소 이격될 수도 있다.
도 2c를 참조하면, 정공 수송층(131) 상에 적색 양자점 발광부(141) 및 녹색 양자점 발광부(151)를 덮는 유기 공통층(161)을 형성할 수 있다. 다시 말해, 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에 걸쳐 공통으로 구비되는 유기 공통층(161)을 형성할 수 있다. 유기 공통층(161)은 픽셀 영역 단위로 패터닝하는 공정 없이 형성될 수 있다. 따라서, 유기 공통층(161)의 형성 시에는 별도의 마스크를 사용하지 않을 수 있다. 예를 들어, 유기 공통층(161)은 열 증착 공정으로 형성하거나, 그 밖에 다른 공정으로 형성할 수도 있다.
유기 공통층(161)은 제 3 픽셀 영역(P3)에 대응하는 제 1 영역(도 1의 1) 및 제 1 픽셀 영역(P1)과 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하는 제 2 영역(도 1의 2)을 구비할 수 있다. 제 3 픽셀 영역(P3)에 대응하는 유기 공통층(161)의 상기 제 1 영역(도 1의 1)은 "청색 발광부"일 수 있다. 제 1 픽셀 영역(P1)과 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하는 유기 공통층(161)의 상기 제 2 영역(도 1의 2)은 "실질적인 비발광 영역"일 수 있다.
유기 공통층(161)은 청색 발광을 위한 호스트(host) 재료 및 도펀트(dopant) 재료를 포함할 수 있다. 즉, 유기 공통층(161)은 호스트-도펀트 시스템을 가질 수 있고, 청색을 발광하는 유기 도펀트 및 그 발광을 제어할 수 있는 유기 호스트를 포함할 수 있다. 유기 공통층(161)은 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에서 전체적으로 동일한 재료로 구성될 수 있다. 유기 공통층(161)은 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에 걸쳐 연속된 하나의 층 구조를 이룰 수 있다. 유기 공통층(161)은 적색 양자점 발광부(141) 및 녹색 양자점 발광부(151) 각각의 상면을 덮으면서 제 3 픽셀 영역(P3)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 따라서, 유기 공통층(161)은 적색 양자점 발광부(141) 및 녹색 양자점 발광부(151) 각각의 상면에 접촉할 수 있고, 제 3 픽셀 영역(P3)에서는 이와 상하로 접촉하는 별도의 양자점 발광부 없이 존재할 수 있다. 유기 공통층(161)은 양자점을 함유하지 않는 유기물층일 수 있다.
도 2d를 참조하면, 유기 공통층(161) 상에 전자 수송층(171) 및 전자 주입층(181)을 차례로 형성할 수 있다. 전자 수송층(171) 및 전자 주입층(181)은 복수의 픽셀 영역(P1, P2, P3)을 덮도록 전체적으로 형성될 수 있다.
다음, 전자 주입층(181) 상에 제 2 전극 부재(191)를 형성할 수 있다. 제 2 전극 부재(191)는 복수의 제 2 전극 요소(21)를 포함할 수 있다. 여기서는, 편의상, 복수의 제 2 전극 요소(21)가 복수의 제 1 전극 요소(11)와 동일한 방향으로 연장된 형태로 도시하였지만, 복수의 제 2 전극 요소(21)는 복수의 제 1 전극 요소(11)와 다른 방향, 즉, 제 2 방향으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 복수의 제 2 전극 요소(21)는 복수의 제 1 전극 요소(11)와 수직한 방향으로 연장될 수 있다.
유기 공통층(161)의 제 3 픽셀 영역(P3)에 대응하는 상기 제 1 영역(도 1의 1)은 "청색 발광부"로 작용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제 3 픽셀 영역(P3)에 "제 3 양자점 발광부"를 구비시키지 않고, 유기 공통층(161)을 사용하여 상기한 "청색 발광부"를 구현할 수 있다. 따라서, 풀-컬러(full-color) 디스플레이를 제작함에 있어서, 제 3 픽셀 영역(P3)에 대한 패터닝 과정(양자점층 패터닝 과정)을 생략할 수 있다. 이와 같이 하나의 픽셀(즉, P3)에 대한 패터닝 과정을 생략함으로써 공정을 단순화하고 비용을 절감하며 생산 소요 시간을 크게 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 양자점층의 패터닝 단계를 여러 번 적용할 경우 발생할 수 있는 제반의 문제점, 즉, 양자점층의 성능이 열화되거나 안정성이 떨어지는 문제 등을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 적색 양자점 발광층(141) 및 녹색 양자점 발광층(151)의 성능 및 안정성을 확보하는데 유리할 수 있다.
한편, 유기 공통층(161)의 제 1 픽셀 영역(P1)과 제 2 픽셀 영역(P2)에 대응하는 상기 제 2 영역(도 1의 2)은 "실질적인 비발광 영역"일 수 있다. 유기 공통층(161)의 상기 제 2 영역(도 1의 2)에서는 청색 발광의 기능이 실질적으로 발현되지 않을 수 있다. 대신에, 유기 공통층(161)의 상기 제 2 영역(도 1의 2)은 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)에 대하여 전하 수송 영역(즉, 전하 수송층) 또는 엑시톤 전달 영역(즉, 엑시톤 전달층)으로 작용할 수 있다. 유기 공통층(161)의 상기 제 2 영역(도 1의 2)에서 적색 양자점 발광부(140) 및 녹색 양자점 발광부(150)로 에너지 트랜스퍼가 발생할 수 있다. 따라서, 유기 공통층(161)의 상기 제 2 영역(도 1의 2)에 의해 적색 양자점 발광부(141) 및 녹색 양자점 발광부(151)의 발광 성능 및 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 이와 관련된 자세한 사항은 도 1에서 유기 공통층(160)의 제 2 영역(2)에 대해 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략한다.
부가해서, 도 2d의 구조에서 정공 주입층(121) 및 전자 주입층(181) 중 적어도 하나는 구비되지 않을 수 있다. 또한, 정공 수송층(131) 및 전자 수송층(171) 중 적어도 하나는 구비되지 않을 수 있다. 그 밖에도 도 2d의 구조는 다양하게 변화될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법은 양자점 디스플레이 소자의 제조 방법에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 디스플레이 소자의 제조 방법은 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 공정들을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 1 픽셀 영역에 적용되는 제 1 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 적색 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 1 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 적색 발광 소자는 기판(100a), 제 1 전극(110a), 정공 주입층(120a), 정공 수송층(130a), 적색 양자점 발광층(140a), 유기 공통층(160a), 전자 수송층(170a), 전자 주입층(180a) 및 제 2 전극(190a)을 포함할 수 있다.
제 1 전극(110a)은 양극, 즉, 양의 전극일 수 있다. 제 1 전극(110a)으로는, 예컨대, 약 150 nm 두께의 ITO(indium tin oxide)가 적용될 수 있다. 제 1 전극(110a)은 기판(100a) 상에 패터닝될 수 있다. 기판(100a)은, 예컨대, 약 0.7 mm의 두께를 갖는 유리 기판일 수 있다. 기판(100a)은 소자 제작 전, 아세톤(acetone), 탈이온수(deionized water), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)로 각각 약 15분 동안 초음파 세척조(ultrasonic bath)에서 세척하고, 약 120℃ 온도의 오븐에서 약 12 시간 이상 보관한 후, 사용할 수 있다.
이후, 제 1 전극(110a)이 형성된 기판(100a) 위의 잔여물을 제거하고 친수성을 띠게 하기 위해, 제 1 전극(110a)이 형성된 기판(100a)의 표면을 자외선-오존(UV-ozone)으로 약 15분 동안 표면 처리를 진행할 수 있고, 그 위에 정공 주입층(120a)을 형성할 수 있다. 정공 주입층(120a)으로는 PEDOT:PSS, 즉, poly(ethylenedioxythiophene):polystyrene sulphonate를 적용할 수 있다. 정공 주입층(120a)은 스핀 코팅 방식으로 형성할 수 있다. 상기 스핀 코팅은, 예컨대, 3000 rpm의 속도 및 4초의 가속 조건으로 60초 간 수행할 수 있다. 상기 스핀 코팅 시, 예컨대, 약 0.45 ㎛의 기공(pore) 사이즈를 갖는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필터를 사용하여 PEDOT:PSS 용액을 투과시킨 후, 투과된 용액을 사용할 수 있다. 스핀 코팅층이 형성된 소자부는 핫플레이트(hot plate) 상에서, 예컨대, 약 150℃ 온도로 약 30분 간 열처리를 수행할 수 있다. 이와 같은 방식으로 형성된 정공 주입층(120a)의 두께는 약 45 nm 정도일 수 있다. 정공 주입층(120a)은 높은 전기전도도를 갖는 PEDOT:PSS의 특성 상 전극에 준하는 역할을 수행할 수 있으며, 정공 주입층(120a)을 통한 정공의 주입이 원활히 이루어질 수 있다.
상기 열처리가 완료된 소자부는 아르곤(Ar)으로 채워진 글러브 박스(glove box) 안으로 이동시킨 뒤, 정공 주입층(120a) 상에 정공 수송층(130a)을 형성할 수 있다. 정공 수송층(130a)으로는 PVK, 즉, poly(9-vinylcarbazole)를 적용할 수 있다. 정공 수송층(130a)도 스핀 코팅 방식으로 형성할 수 있다. 이때, 상기 스핀 코팅은 4000 rpm의 속도로 약 30초 동안 수행할 수 있다. 스핀 코팅에 사용된 PVK는 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹여 20 mg/mL의 농도를 갖는 용액(즉, PVK 용액)의 형태일 수 있고, 스핀 코팅 시 약 0.2 ㎛의 기공 사이즈를 갖는 PTFE (polytetrafluoroethylene) 필터에 용액을 투과시켜 사용할 수 있다. 이와 같은 방식으로 형성된 정공 수송층(130a)은 약 50 nm 정도의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 정공 수송층(130a) 상에 적색 양자점 발광층(140a)을 형성할 수 있다. 적색 양자점 발광층(140a)은 적색 양자점으로, 예컨대, CdZnSe/ZnS QD를 사용할 수 있다. 이 경우, 헥산(hexane)에 분산된 9 mg/mL의 적색 CdZnSe/ZnS QD를 상기 PVDF 필터에 투과시킨 후, 약 4000 rpm 속도로 30초 간 스핀 코팅한 다음, 핫플레이트 상에서 약 75℃ 온도로 약 30분 간 열처리를 수행할 수 있다. 적층된 적색 양자점 발광층(140a)의 두께는 약 30 nm 정도일 수 있다.
이후, 적색 양자점 발광층(140a) 상에 유기 공통층(160a), 전자 수송층(170a), 전자 주입층(180a) 및 제 2 전극(190a)을 진공 열증착 방법으로 차례로 형성할 수 있다. 유기 공통층(160a)은 청색 발광을 위한 유기물을 포함하는 청색 유기 공통층일 수 있다. 유기 공통층(160a)은 호스트(host)-도펀트(dopant) 시스템을 적용하며 청색을 발광하는 유기 도펀트 및 그 발광을 제어할 수 있는 유기 호스트를 포함하도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 유기 공통층(160a)은 청색 인광 도펀트로서 퍼픽(Firpic)을 포함할 수 있다. 전자 수송층(170a)의 재료로는 전자 이동도가 높고 유기 공통층(160a)으로 전자 주입을 원활히 할 수 있는 에너지 레벨을 갖는 유기물이 사용될 수 있다. 전자 주입층(180a)의 재료로는 진공 에너지 레벨을 조절하여 전자 수송층(170a)으로의 전자 이동을 원활하게 할 수 있는 유기물이 사용될 수 있는데, 일례로, 플루오린화 리튬(lithium fluoride)이 사용될 수 있다. 제 2 전극(190a)의 재료로는 높은 반사율을 가져 소자 내부에서 발생한 광을 기판(100a) 방향으로 반사시킬 수 있는 금속 재료가 사용될 수 있는데, 일례로, 알루미늄(Al)이 사용될 수 있다. 따라서, 제 2 전극(190a)은 반사 전극일 수 있고, 소자 내부에서 발생된 광은 기판(100a) 쪽으로 방출될 수 있다.
상기한 도 3의 적색 발광 소자는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 1 픽셀 영역(도 1 및 도 2d의 P1)에 적용되는 제 1 단위 발광 소자부(즉, 적색 발광 소자부)에 대응될 수 있다. 그러나, 도 3을 참조하여 설명한 적색 발광 소자의 구체적인 재료, 공정 조건, 두께 등은 예시적인 것에 불과하고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 2 픽셀 영역에 적용되는 제 2 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 녹색 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 2 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 녹색 발광 소자는 기판(100a), 제 1 전극(110a), 정공 주입층(120a), 정공 수송층(130a), 녹색 양자점 발광층(150a), 유기 공통층(160a), 전자 수송층(170a), 전자 주입층(180a) 및 제 2 전극(190a)을 포함할 수 있다.
도 4의 녹색 발광 소자는 도 3의 적색 발광 소자와 양자점 발광층의 재료에서 차이가 있고, 그 외에 다른 구성요소는 동일할 수 있다. 도 4의 녹색 양자점 발광층(150a)은 녹색 양자점으로, 예컨대, CdZnSeS/ZnS QD를 사용할 수 있다. 이 경우, 헥산(hexane)에 분산된 9 mg/mL의 녹색 CdZnSeS/ZnS QD를 상기 PVDF 필터에 투과시킨 후, 약 4000 rpm 속도로 30초 간 스핀 코팅한 다음, 핫플레이트 상에서 약 75℃ 온도로 약 30분 간 열처리를 수행할 수 있다. 적층된 녹색 양자점 발광층(150a)의 두께는, 예컨대, 약 30 nm 정도일 수 있다. 그러나, 녹색 양자점 발광층(150a)의 재료, 형성 조건, 두께 등은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 4의 녹색 발광 소자는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 2 픽셀 영역(도 1 및 도 2d의 P2)에 적용되는 제 2 단위 발광 소자부(즉, 녹색 발광 소자부)에 대응될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 3 픽셀 영역에 적용되는 제 3 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 청색 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 3 단위 발광 소자부에 대응될 수 있는 청색 발광 소자는 기판(100a), 제 1 전극(110a), 정공 주입층(120a), 정공 수송층(130a), 유기 공통층(160a), 전자 수송층(170a), 전자 주입층(180a) 및 제 2 전극(190a)을 포함할 수 있다. 여기서, 유기 공통층(160a)은 청색 발광층(즉, 청색 유기 발광층)일 수 있다. 도 5의 소자 구조는 도 3의 소자 구조에서 적색 양자점 발광층(140a)만 배제한 구조와 대응되거나 거의 유사할 수 있다. 도 5의 소자는 도 3의 적색 발광 소자와 비교하여 적색 양자점 발광층(140a)을 제외한 나머지 구조, 재료, 제작 방법 등에서 동일할 수 있다.
도 5의 청색 발광 소자는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제 3 픽셀 영역(도 1 및 도 2d의 P3)에 적용되는 제 3 단위 발광 소자부(즉, 청색 발광 소자부)에 대응될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 전기발광(electroluminescence)(EL) 스펙트럼 특성을 보여주는 그래프이다. 도 6은 도 3, 도 4 및 도 5의 소자들의 전기발광(EL) 특성을 평가한 결과이다. 이러한 평가 결과는 도 3, 도 4 및 도 5의 소자들이 조합된 도 1의 양자점 발광 소자에 대한 결과에 대응될 수 있다. 도 3, 도 4 및 도 5의 각 소자에 Keithley 237 source meter로 전류를 흘려주면서 전기적 특성을 측정하였고, Keithley 2000 multimeter, silicon photodiode 및 photomultiplier tube를 사용해서 광량을 측정하였다. 또한, Konica Minolta CS 2000을 이용해서 전기발광(EL) 스펙트럼을 측정하였다.
도 6을 참조하면, 확연히 구분되는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 발광 피크들이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 적색 발광 소자 및 녹색 발광 소자의 경우, 청색 발광 성분은 충분히 억제되어 각각의 색순도에 미치는 영향이 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 또한, 청색 발광 소자 역시 청색 도펀트로부터 발생하는 청색 발광 성분만 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이 세 개의 픽셀 영역에 공통으로 적용된 유기 공통층을 사용하더라도, R/G/B 발광에 의한 풀-컬러(full-color) 디스플레이 구현이 가능하고, 개선된 발광 성능 및 효율을 갖는 양자점 디스플레이 구현이 가능할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 양자점층의 패터닝 공정 횟수를 줄임으로써 그에 따른 제반 효과를 얻을 수 있고 아울러 양자점에 의한 발광 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 구성을 갖는 양자점 발광 소자 및 이를 적용한 양자점 디스플레이 소자를 구현할 수 있다. 특히, 실시예들에 따른 방식을 활용하면, 적색, 녹색, 청색 픽셀로 구성되는 풀-컬러(full-color) 디스플레이 소자를 제작함에 있어서, 청색 픽셀에 대한 패터닝 과정을 생략함으로써 비용을 절감하고 생산 소요 시간을 크게 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 밴드갭(bandgap)이 큰 유기 공통층에서 상대적으로 밴드갭이 작은 양자점층으로의 에너지 트랜스퍼(즉, Forster resonant energy transfer)를 통해서 양자점층 픽셀의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
부가적으로, 이상의 실시예에서는, 양자점 발광 소자가 세 개의 픽셀 영역(P1, P2, P3)을 포함하는 경우를 주로 설명하였지만, 다른 실시예의 경우, 양자점 발광 소자는 기본 단위로서 두 개의 픽셀 영역을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역 및 제 2 픽셀 영역을 포함할 수 있고, 상호 이격된 제 1 전극 부재와 제 2 전극 부재 사이에 배치된 적층 구조를 구비할 수 있으며, 상기 적층 구조는 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부, 및 상기 제 1 픽셀 영역 및 상기 제 2 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비된 유기 공통층(organic common layer)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 유기 공통층은 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비할 수 있고, 상기 제 1 영역은 제 2 컬러 발광부일 수 있다. 여기서, 상기 제 1 픽셀 영역은, 예컨대, 적색 픽셀 영역 또는 녹색 픽셀 영역일 수 있고, 상기 제 2 픽셀 영역은, 예컨대, 청색 픽셀 영역일 수 있다. 상기 제 1 양자점 발광부는, 예컨대, 적색 양자점 발광부 또는 녹색 양자점 발광부일 수 있고, 상기 제 2 컬러 발광부는, 예컨대, 청색 발광부일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 양자점 발광 소자는 기본 단위로서 네 개 또는 그 이상의 픽셀 영역을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예에 따른 양자점 발광 소자와 그 제조 방법 및 양자점 발광 소자를 포함하는 디스플레이 소자가, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 전술한 실시예에서 제 1 픽셀 영역(P1), 제 2 픽셀 영역(P2) 및 제 3 픽셀 영역(P3)에 각각 해당하는 컬러는 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 디스플레이 소자에 적용될 수 있을 뿐 아니라 QLED를 기반한 조명 장치 등에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100, 101 : 기판 110, 111 : 제 1 전극 부재
120, 121 : 정공 주입층 130, 131 : 정공 수송층
140, 141 : 적색 양자점 발광부 150, 151 : 녹색 양자점 발광부
160, 161 : 유기 공통층 170, 171 : 전자 수송층
180, 181 : 전자 주입층 190, 191 : 제 2 전극 부재
P1 : 제 1 픽셀 영역 P2 : 제 2 픽셀 영역
P3 : 제 3 픽셀 영역 S10 : 적층 구조

Claims (21)

  1. 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역, 제 2 픽셀 영역 및 제 3 픽셀 영역을 포함하는 양자점 발광 소자로서,
    상호 이격된 제 1 전극 부재와 제 2 전극 부재 사이에 배치된 것으로, 상기 제1 및 제2 전극 부재를 통해 공급된 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하기 위한 적층 구조를 구비하고,
    상기 적층 구조는,
    상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부;
    상기 제 2 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 2 컬러의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유하는 제 2 양자점 발광부; 및
    상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비된 유기 공통층(organic common layer)을 포함하고,
    상기 유기 공통층은 상기 제 3 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역과 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비하고, 상기 제 1 영역은 제 3 컬러 발광부이고,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부에 대하여 엑시톤 전달 영역으로 작용하며,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역에서 상기 제 1 양자점 발광부 및 상기 제 2 양자점 발광부 각각으로 펠스터 공명 에너지 전이(Forster resonant energy transfer)가 발생되고, 상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역에서 발생된 엑시톤이 상기 제 1 양자점 발광부 및 상기 제 2 양자점 발광부 각각으로 트랜스퍼되어 상기 제 1 컬러의 발광 효율 및 상기 제 2 컬러의 발광 효율이 증가되도록 구성된 양자점 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀 영역은 적색 픽셀 영역이고, 상기 제 2 픽셀 영역은 녹색 픽셀 영역이고, 상기 제 3 픽셀 영역은 청색 픽셀 영역이며,
    상기 제 1 양자점 발광부는 적색 양자점 발광부이고, 상기 제 2 양자점 발광부는 녹색 양자점 발광부이고, 상기 제 3 컬러 발광부는 청색 발광부인 양자점 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부에 대하여 전하 수송 영역으로 작용하는 양자점 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 공통층은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부 각각의 상면을 덮으면서 상기 제 3 픽셀 영역으로 연장된 형태를 갖는 양자점 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 공통층은 양자점을 미함유하는 양자점 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 공통층은 상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에서 전체적으로 동일한 재료로 구성된 양자점 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 공통층은 청색 발광을 위한 호스트(host) 재료 및 도펀트(dopant) 재료를 포함하는 양자점 발광 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 양자점 발광부, 상기 제 2 양자점 발광부 및 상기 유기 공통층은 제 1 적층체를 구성하고,
    상기 적층 구조는 상기 제 1 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 구비된 정공 수송층; 및 상기 제 2 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 구비된 전자 수송층을 더 포함하고,
    상기 정공 수송층은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 연속된 하나의 층으로 형성되고, 상기 유기 공통층은 상기 연속된 하나의 층으로 형성된 상기 정공 수송층에 직접 접촉된 양자점 발광 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적층 구조는 상기 제 1 전극 부재와 상기 정공 수송층 사이에 구비된 정공 주입층; 및 상기 제 2 전극 부재와 상기 전자 수송층 사이에 구비된 전자 주입층; 중 적어도 하나를 더 포함하는 양자점 발광 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자 수송층은 상기 유기 공통층에 접촉된 양자점 발광 소자.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 양자점 발광 소자를 구비한 양자점 디스플레이 소자.
  12. 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역, 제 2 픽셀 영역 및 제 3 픽셀 영역을 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법으로서,
    제 1 전극 부재를 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 부재 상에 적층 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 적층 구조 상에 제 2 전극 부재를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 적층 구조를 형성하는 단계는,
    상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치되고 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부 및 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하여 배치되고 제 2 컬러의 발광을 위한 제 2 양자점을 함유하는 제 2 양자점 발광부를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 픽셀 영역, 상기 제 2 픽셀 영역 및 상기 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비되는 유기 공통층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 유기 공통층은 상기 제 3 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역과 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비하고, 상기 제 1 영역은 제 3 컬러 발광부이고,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부에 대하여 엑시톤 전달 영역으로 작용하며,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역에서 상기 제 1 양자점 발광부 및 상기 제 2 양자점 발광부 각각으로 펠스터 공명 에너지 전이(Forster resonant energy transfer)가 발생되고, 상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역에서 발생된 엑시톤이 상기 제 1 양자점 발광부 및 상기 제 2 양자점 발광부 각각으로 트랜스퍼되어 상기 제 1 컬러의 발광 효율 및 상기 제 2 컬러의 발광 효율이 증가되도록 구성된 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀 영역은 적색 픽셀 영역이고, 상기 제 2 픽셀 영역은 녹색 픽셀 영역이고, 상기 제 3 픽셀 영역은 청색 픽셀 영역이며,
    상기 제 1 양자점 발광부는 적색 양자점 발광부이고, 상기 제 2 양자점 발광부는 녹색 양자점 발광부이고, 상기 제 3 컬러 발광부는 청색 발광부인 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부에 대하여 전하 수송 영역으로 작용하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 유기 공통층은 상기 제 1 양자점 발광부 및 제 2 양자점 발광부 각각의 상면을 덮으면서 상기 제 3 픽셀 영역으로 연장된 형태로 형성되는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 유기 공통층은 픽셀 영역 단위로 패터닝하는 공정 없이 형성되는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 양자점 발광부, 상기 제 2 양자점 발광부 및 상기 유기 공통층은 제 1 적층체를 구성하고,
    상기 적층 구조를 형성하는 단계는,
    상기 제 1 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 전극 부재와 상기 제 1 적층체 사이에 전자 수송층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 정공 수송층은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 픽셀 영역에 걸쳐 연속된 하나의 층으로 형성되고, 상기 유기 공통층은 상기 연속된 하나의 층으로 형성된 상기 정공 수송층에 직접 접촉된 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적층 구조를 형성하는 단계는,
    상기 제 1 전극 부재와 상기 정공 수송층 사이에 정공 주입층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 전극 부재와 상기 전자 수송층 사이에 전자 주입층을 형성하는 단계; 중 적어도 하나를 더 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전자 수송층은 상기 유기 공통층에 접촉하도록 형성되는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  20. 서로 다른 컬러의 광을 발생하는 제 1 픽셀 영역 및 제 2 픽셀 영역을 포함하는 양자점 발광 소자로서,
    상호 이격된 제 1 전극 부재와 제 2 전극 부재 사이에 배치된 것으로, 상기 제1 및 제2 전극 부재를 통해 공급된 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하기 위한 적층 구조를 구비하고,
    상기 적층 구조는,
    상기 제 1 픽셀 영역에 대응하여 배치된 것으로, 제 1 컬러의 발광을 위한 제 1 양자점을 함유하는 제 1 양자점 발광부; 및
    상기 제 1 픽셀 영역 및 상기 제 2 픽셀 영역에 걸쳐 공통으로 구비된 유기 공통층(organic common layer)을 포함하고,
    상기 유기 공통층은 상기 제 2 픽셀 영역에 대응하는 제 1 영역 및 상기 제 1 픽셀 영역에 대응하는 제 2 영역을 구비하고, 상기 제 1 영역은 제 2 컬러 발광부이고,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 양자점 발광부에 대하여 엑시톤 전달 영역으로 작용하며,
    상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역에서 상기 제 1 양자점 발광부로 펠스터 공명 에너지 전이(Forster resonant energy transfer)가 발생되고, 상기 유기 공통층의 상기 제 2 영역에서 발생된 엑시톤이 상기 제 1 양자점 발광부로 트랜스퍼되어 상기 제 1 컬러의 발광 효율이 증가되도록 구성된 양자점 발광 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 픽셀 영역은 적색 픽셀 영역 또는 녹색 픽셀 영역이고, 상기 제 2 픽셀 영역은 청색 픽셀 영역이며,
    상기 제 1 양자점 발광부는 적색 양자점 발광부 또는 녹색 양자점 발광부이고, 상기 제 2 컬러 발광부는 청색 발광부인 양자점 발광 소자.
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