KR102594687B1 - 고휘도 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고휘도 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 양자점 발광 소자는 25℃에서 100 W/mㆍK 이상의 열전도도를 갖는 기판, 상기 기판 상에 배치된 제 1 전극, 상기 기판 상에 상기 기판에 수직한 방향으로 상기 제 1 전극과 이격하여 배치된 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 것으로 코어부 및 쉘부를 갖는 양자점을 포함하되 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배를 갖는 양자점 발광층, 상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이에 배치된 전자 수송층, 상기 제 2 전극과 상기 양자점 발광층 사이에 배치된 것으로 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함하는 정공 수송층 및 상기 정공 수송층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 것으로 상기 정공 수송층 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되 상기 제 1 층은 MoO3를 구비하고 상기 제 2 층은 HAT-CN (hexaazatriphenylene hexacarbonitrile)을 구비하는 정공 주입층을 포함할 수 있다. 상기 양자점 발광 소자는 상기 양자점 발광층으로부터 상기 기판이 배치된 쪽의 반대쪽으로 광을 방출하는 전면 발광(top emission) 구조를 가질 수 있다.

Description

고휘도 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법{High-luminance quantum dot light-emitting device and method of manufacturing the same}
본 발명은 광학 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 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 존재하게 된다. 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 나타낸다.
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/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 device)는 전자와 정공의 주입 특성이 다르기 때문에 발광층 내에 전하 불균형이 발생하고, 이 불균형은 여분의 전하가 엑시톤(exciton)의 발광을 억제하는 오제(Auger) 재결합을 초래한다. 오제 재결합은 전류 밀도가 증가할수록 더욱 증가하고, 따라서 고전류밀도/고휘도 조건에서 소자의 구동을 제한한다. 또한, 상기한 오제 재결합을 억제한다고 하더라도, 고전류밀도에서는 소자 내에 약 100 ℃ 이상의 심각한 줄 발열(Joule heating)이 발생하게 되고, 이로 인해 유기물층이 손상되어 소자 성능이 크게 저하되는 문제가 발생한다. 상대적으로 저휘도가 요구되는 텔레비전(TV), 휴대전화 등에서는 약 1000 cd/m2 이하의 휘도 영역에서만 전하 균형을 맞춰주면 사용에 문제가 없을 수 있지만, 옥외 디스플레이, AR(augmented reality)/VR(virtual reality)용 디스플레이, 의료/미용을 위한 장치의 광원 등 고휘도가 요구되는 응용 분야에서는 상기한 특성은 단점들로서 큰 문제가 될 수 있다.
따라서, 고휘도가 요구되는 분야에서 고전류밀도로 안정적으로 발광할 수 있으면서 우수한 광추출 효율을 갖고, 아울러 줄(Joule) 열에 의한 성능 저하 문제를 극복하고 내구성 및 안정적 구동 특성을 확보할 수 있는 양자점 발광 소자의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고휘도가 요구되는 분야에서 고전류밀도로 안정적으로 발광할 수 있으면서 우수한 광추출 효율을 갖고, 아울러 줄(Joule) 열에 의한 성능 저하 문제를 극복하고 내구성(장수명 특성) 및 안정적 구동 특성을 확보할 수 있는 양자점 발광 소자를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 양자점 발광 소자를 제조하는 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, 25℃에서 100 W/mㆍK 이상의 열전도도를 갖는 기판; 상기 기판 상에 배치된 제 1 전극; 상기 기판 상에 상기 기판에 수직한 방향으로 상기 제 1 전극과 이격하여 배치된 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 것으로, 코어부 및 쉘부를 갖는 양자점을 포함하되, 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배(composition gradient)를 갖는 양자점 발광층; 상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이에 배치된 전자 수송층; 상기 제 2 전극과 상기 양자점 발광층 사이에 배치된 것으로, 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함하는 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 것으로, 상기 정공 수송층 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 MoO3를 구비하고, 상기 제 2 층은 HAT-CN (hexaazatriphenylene hexacarbonitrile)을 구비하는 정공 주입층;을 포함하고, 상기 양자점 발광층으로부터 상기 기판이 배치된 쪽의 반대쪽으로 광을 방출하는 전면 발광(top emission) 구조를 갖는 양자점 발광 소자가 제공된다.
상기 기판은 실리콘 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면에 형성된 실리콘 산화물층을 포함할 수 있다. 상기 기판의 열전도도는 상기 실리콘 기판부에 의해 지배적으로(dominantly) 결정될 수 있다.
상기 제 1 전극은 반사 전극일 수 있고, 상기 제 2 전극은 투명 전극일 수 있다. 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격, 상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이의 간격 및 상기 양자점 발광층과 상기 제 2 전극 사이의 간격은 광의 방출과 관련된 광학적 보강 간섭을 발생시키도록 제어될 수 있다.
상기 제 1 전극은 제 1 두께를 갖는 제 1 금속층을 포함할 수 있고, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 두께 보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 금속층을 포함할 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 카르바졸 유도체로 CBP [4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl]를 포함할 수 있다.
상기 제 1 층은 MoO3층일 수 있고, 상기 제 2 층은 HAT-CN층일 수 있다.
상기 제 1 층은 약 3∼7 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 상기 제 2 층은 약 3∼7 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 전자 수송층은 산화아연(ZnO) 계열의 나노입자(nanoparticles)를 포함할 수 있다.
상기 양자점의 상기 쉘부는 상기 코어부 측으로부터 순차로 배치된 연속적 그레이딩층(continuous grading layer), 격자 어댑터층(lattice adaptor layer) 및 주입 배리어층(injection barrier layer)을 포함할 수 있다.
상기 코어부의 반지름은 3.2±0.5 nm 정도일 수 있고, 상기 연속적 그레이딩층의 두께는 4.2±0.6 nm 정도일 수 있고, 상기 격자 어댑터층의 두께는 2.2±1.1 nm 정도일 수 있고, 상기 주입 배리어층의 두께는 2.8±0.8 nm 정도일 수 있다.
상기 전자 수송층의 두께는 약 30∼40 nm 일 수 있고, 상기 양자점 발광층의 두께는 약 25∼45 nm 일 수 있고, 상기 정공 수송층의 두께는 약 30∼50 nm 일 수 있고, 상기 정공 주입층의 두께는 약 6∼14 nm 일 수 있다.
상기 양자점 발광 소자는 약 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 가질 수 있다.
상기 양자점 발광 소자는 약 5 A/cm2 이상의 전류 밀도로 구동되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 25℃에서 100 W/mㆍK 이상의 열전도도를 갖는 기판을 마련하는 단계; 상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 전자 수송층을 형성하는 단계; 상기 전자 수송층 상에 코어부 및 쉘부를 갖는 양자점을 포함하되, 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배를 갖는 양자점 발광층을 형성하는 단계; 상기 양자점 발광층 상에 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함하는 정공 수송층을 형성하는 단계; 상기 정공 수송층 상에 상기 정공 수송층 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 MoO3를 구비하고, 상기 제 2 층은 HAT-CN을 구비하는 정공 주입층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 주입층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 양자점 발광층으로부터 상기 기판이 배치된 쪽의 반대쪽으로 광을 방출하는 전면 발광(top emission) 특성을 갖는 양자점 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.
상기 기판은 실리콘 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면에 형성된 실리콘 산화물층을 포함할 수 있다. 상기 기판의 열전도도는 상기 실리콘 기판부에 의해 지배적으로(dominantly) 결정될 수 있다.
상기 제 1 전극은 반사 전극일 수 있고, 상기 제 2 전극은 투명 전극일 수 있다. 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격, 상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이의 간격 및 상기 양자점 발광층과 상기 제 2 전극 사이의 간격은 광의 방출과 관련된 광학적 보강 간섭을 발생시키도록 제어될 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 카르바졸 유도체로 CBP [4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl]를 포함할 수 있다.
상기 제 1 층은 MoO3층일 수 있고, 상기 제 2 층은 HAT-CN층일 수 있다.
상기 제 1 층은 약 3∼7 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 상기 제 2 층은 약 3∼7 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 양자점의 상기 쉘부는 상기 코어부 측으로부터 순차로 배치된 연속적 그레이딩층(continuous grading layer), 격자 어댑터층(lattice adaptor layer) 및 주입 배리어층(injection barrier layer)을 포함할 수 있다.
상기 코어부의 반지름은 3.2±0.5 nm 정도일 수 있고, 상기 연속적 그레이딩층의 두께는 4.2±0.6 nm 정도일 수 있고, 상기 격자 어댑터층의 두께는 2.2±1.1 nm 정도일 수 있고, 상기 주입 배리어층의 두께는 2.8±0.8 nm 정도일 수 있다.
상기 양자점 발광 소자는 약 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 가질 수 있다.
상기 양자점 발광 소자는 약 5 A/cm2 이상의 전류 밀도로 구동되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 고휘도가 요구되는 분야에서 고전류밀도로 안정적으로 발광할 수 있으면서 우수한 광추출 효율을 갖고, 아울러 줄(Joule) 열에 의한 성능 저하 문제를 극복하고 내구성(장수명 특성) 및 안정적 구동 특성을 확보할 수 있는 양자점 발광 소자를 구현할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다중 구조의 정공 주입층, 상기 정공 주입층과 조합된 정공 수송층의 구성, 열전도도가 높은 기판, 최적화된 전면 발광(top emission) 구조, 조성 구배(composition gradient)를 갖는 양자점 및 두께 조건의 최적화 등을 통해서, 높은 전류 밀도에서도 효과적으로 오제(Auger) 재결합을 억제할 수 있고, 약 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 가지며, 높은 효율과 우수한 안정성 및 내구성(장수명 특성)을 갖는 양자점 발광 소자를 구현할 수 있다.
실시예들에 따른 양자점 발광 소자는 옥외 디스플레이, AR(augmented reality)/VR(virtual reality)용 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이, 광선요법(phototherapy)을 위한 의료/미용 장치의 광원, 고휘도 조명 등 고휘도가 요구되는 다양한 응용 분야에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자(quantum dot light-emitting device)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 양자점의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 전류 밀도(current density)에 따른 전류 효율(current efficiency)과 휘도(luminance) 특성을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 전류 밀도에 따른 전류 효율과 휘도 특성을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 인가되는 전류 밀도 별 시간에 따른 최대 픽셀 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 비교예에 따른 양자점 발광 소자(G-QLED)의 인가되는 전류 밀도 별 시간에 따른 최대 픽셀 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 정공 수송층(HTL) 및 전자 수송층(ETL)의 두께 조건에 따른 발광 강도의 변화를 보여주는 광학적 시뮬레이션 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 QD 면적 밀도(areal density)(ρ) 및 인가된 전류(J)에 따른 평균 QD 점유율(average QD occupancy) <N>의 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 인가된 전류(J)가 8.0 A cm-2 일 때, 서로 다른 QD 면적 밀도(areal density)(ρ)를 갖는 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 정규화된 EL(electroluminescence) 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 양자점의 쉘부 성장 과정에 따른 PL(photoluminescence) 양자 수율(quantum yield)(%)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13은 CdSe QD (빨간색), cg-QD (주황색), cg/A-QD (녹색) 및 cg/A/B-QD (파란색)의 앙상블(ensemble) PL 감쇠(photoluminescence decay) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 인가 전압에 따른 전류 밀도 및 휘도의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 인가된 전류 밀도에 따른 전류 효율 및 EQE(external quantum efficiency)의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 작동 수명(operational lifetime)을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 17은 11.8V의 전압 펄스를 갖는 시간-분해 EL 분광법(time-resolved EL spectroscopy)을 사용하여 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 과도 EL 감쇠 프로파일(transient EL decay profile)을 평가한 결과를 보여주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 0.3, 1.6, 6.0 및 12.0 A cm-2의 다양한 정상 상태(steady-state) 전류 밀도(J)에 대하여 정규화된 과도 EL 감쇠(Normalised transient EL decay) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 발광 성능을 보여주는 사진이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 발광 성능을 평가한 결과를 보여주는 사진이다.
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 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 25℃에서 약 100 W/mㆍK 이상의 열전도도를 갖는 기판(110)을 포함할 수 있다. 기판(110)의 열전도도는, 예컨대, 25℃에서 약 100 W/mㆍK 이상이면 바람직하며, 적어도 350 W/mㆍK의 열전도도를 갖는 기판 재료도 적용 가능하다. 구체적인 예로, 기판(110)은 실리콘(Si) 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면(상면)에 형성된 실리콘 산화물층(SiO2층)을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 산화물층의 두께는 상기 실리콘 기판부의 두께에 비해 상대적으로 매우 얇을 수 있다. 기판(110)의 열전도도는 상기 실리콘 기판부에 의해 지배적으로(dominantly) 결정될 수 있다. 기판(110)이 우수한 열전도도를 갖기 때문에, 기판(110)은 우수한 내열 특성 및 방열 특성을 가질 수 있고, 상기 양자점 발광 소자에 고밀도 전류를 인가할 수 있다. 경우에 따라서는, 기판(110)으로서 열전도도가 우수한 사파이어(Al2O3) 기판, 불화마그네슘(MgF2) 기판 등을 사용할 수도 있다. 다른 실시예에서, 열전도도가 우수한 기판으로서, 높은 전도성의 구리, 알루미늄과 같은 금속 기판의 표면 상에 전기절연층을 형성한 전기적 절연 표면을 갖는 금속 기판이 사용될 수도 있다.
상기 양자점 발광 소자는 기판(110) 상에 배치된 제 1 전극(120), 기판(110) 상에 기판(110)에 수직한 방향으로 제 1 전극(120)과 이격하여 배치된 제 2 전극(170) 및 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170) 사이에 배치된 양자점 발광층(140)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양자점 발광 소자는 제 1 전극(120)과 양자점 발광층(140) 사이에 배치된 전자 수송층(electron transport layer:ETL)(130), 제 2 전극(170)과 양자점 발광층(140) 사이에 배치된 정공 수송층(hole transport layer:HTL)(150) 및 정공 수송층(150)과 제 2 전극(170) 사이에 배치된 정공 주입층(hole injection layer:HIL)(160)을 포함할 수 있다. 상기 양자점 발광 소자는 기판(110)의 상면에 제 1 전극(120), 전자 수송층(130), 양자점 발광층(140), 정공 수송층(150), 정공 주입층(160) 및 제 2 전극(170)이 순차로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 양자점 발광 소자는 양자점 발광층(140)으로부터 기판(110)이 배치된 쪽의 반대쪽(즉, 소자의 전면부 쪽으로)으로 광을 방출하는 전면 발광(top emission) 구조를 가질 수 있다.
제 1 전극(120)은 반사 전극일 수 있고, 제 2 전극(170)은 투명 전극(광투과성 전극)일 수 있다. 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)은 광학적 마이크로캐비티(microcavity) 효과를 발생시키기 위해 모두 금속이나 금속성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170) 사이의 간격, 제 1 전극(120)과 양자점 발광층(140) 사이의 간격 및 양자점 발광층(140)과 제 2 전극(170) 사이의 간격은 광의 방출과 관련된 광학적 보강 간섭을 발생시키도록 제어될 수 있다. 따라서, 양자점 발광층(140)으로부터 소자의 전면부로 방출되는 광(L1)과 양자점 발광층(140)에서 발생하여 제 1 전극(120)에서 반사된 후 소자의 전면부로 방출되는 광(L2)은 보강 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 양자점 발광층(140)으로부터 소자의 전면부로 방출되는 광(L1)과 양자점 발광층(140)에서 발생하여 제 1 전극(120)에서 반사된 후 소자의 전면부로 방출되는 광(L2)은 마이크로캐비티(microcavity) 구조에 의한 공진에 따른 강화 효과를 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 양자점 발광 소자의 광추출 특성이 크게 향상될 수 있다.
제 1 전극(120)은 제 1 두께를 갖는 제 1 금속층을 포함할 수 있고, 제 2 전극(170)은 상기 제 1 두께 보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 금속층을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 제 1 전극(120)으로는 높은 반사율을 위하여 약 80 nm 이상 또는 약 85 nm 이상의 두께를 갖는 Ag층(silver layer)을 증착하여 사용할 수 있고, 제 2 전극(170)으로는 높은 투과율을 위하여 약 30 nm 이하 또는 약 25 nm 이하의 두께를 갖는 Ag층(silver layer)을 증착하여 사용할 수 있다. 제 1 전극(120)의 두께는 약 80∼120 nm 정도일 수 있고, 제 2 전극(170)의 두께는 약 15∼30 nm 정도일 수 있다. 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)의 물질은 Ag로 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
양자점 발광층(140)은 코어부(core portion) 및 쉘부(shell portion)를 갖는 양자점(quantum dots)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배(composition gradient)를 가질 수 있다. 또한, 상기 쉘부는 상기 조성 구배를 이루는 복수의 쉘층을 가질 수 있다. 상기 코어부 및 상기 쉘부(상기 복수의 쉘층)의 두께는 적절히 제어될 수 있다. 이러한 양자점의 구성 및 두께 제어 특성 등과 관련해서, 양자점 발광층(140)에서 엑시톤(exciton)의 소멸이 최소화되고, 오제(Auger) 재결합에 따른 소광(quenching)이 억제되며, 발광 특성 및 발광 효율이 크게 향상될 수 있다. 양자점 발광층(140)에 적용된 양자점이 가질 수 있는 구체적인 구조에 대해서는 추후에 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 한편, 양자점 발광층(140)의 두께는, 예를 들어, 약 25∼45 nm 정도 또는 약 30∼40 nm 정도일 수 있다.
정공 주입층(160)은 복층 구조, 예컨대, 이중층 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 정공 주입층(160)은 정공 수송층(150) 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층(160a) 및 제 2 층(160b)을 포함할 수 있다. 제 1 층(160a)은 정공 주입층(160)과 제 2 층(160b) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 층(160a)은 MoO3를 포함할 수 있고, 제 2 층(160b)은 HAT-CN (hexaazatriphenylene hexacarbonitrile)을 포함할 수 있다. 제 1 층(160a)은 MoO3층일 수 있고, 제 2 층(160b)은 HAT-CN층일 수 있다. 이 경우, 제 1 층(160a)은 약 3∼7 nm 범위 또는 약 4∼6 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 제 2 층(160b)은 약 3∼7 nm 범위 또는 약 4∼6 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 일례로, 제 1 층(160a)의 두께는 5 nm 또는 6 nm 일 수 있고, 제 2 층(160b)의 두께는 5 nm 또는 6 nm 일 수 있다. 정공 주입층(160)의 두께는 약 6∼14 nm 정도 또는 약 8∼12 nm 정도일 수 있다. 이와 같이, 정공 주입층(160)이 MoO3층과 HAT-CN층이 적층된 구조를 갖고, 이들의 두께가 적절히 제어될 경우, 정공 주입층(160)에 의해 정공 주입 장벽이 크게 감소되고, 정공 주입 특성이 향상되며, 결과적으로, 발광 특성 및 발광 효율이 개선될 수 있다.
정공 수송층(150)은 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 정공 수송층(150)은 상기 카르바졸 유도체로 CBP [4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl]를 포함할 수 있다. 정공 수송층(150)은, 예컨대, CBP층일 수 있다. 상기 CBP층은 유기물층일 수 있다. 정공 수송층(150)의 두께는 약 30∼50 nm 또는 약 35∼45 nm 정도일 수 있다. 이러한 정공 수송층(150)의 구성은 정공 주입층(160)의 구성과 함께 정공의 이동 특성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 특히, CBP층을 정공 수송층(150)의 물질로 적용하여, CBP층을 정공 주입층(160)의 MoO3층 및 HAT-CN층과 함께 사용할 경우, 우수한 정공 이동 특성을 확보하는데 유리할 수 있다. 따라서, 정공 수송층(150)과 정공 주입층(160)은 CBP/MoO3/HAT-CN 구조를 이루는 것이 바람직할 수 있다.
전자 수송층(130)은 금속 산화물 계열의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 전자 수송층(130)은 산화아연(ZnO) 계열의 물질이나 산화타이타늄 계열의 물질 등을 포함할 수 있다. 상기 산화아연(ZnO) 계열의 물질은 산화아연(ZnO) 또는 산화아연(ZnO)에 금속을 도핑한 물질을 포함할 수 있고, 상기 산화아연(ZnO)에 금속을 도핑한 물질은, 예를 들어, ZnMgO, ZnAlO 등일 수 있다. 상기 산화타이타늄 계열의 물질은, 예컨대, TiO2 등을 포함할 수 있다. 또한, 전자 수송층(130)에 포함된 상기 금속 산화물 계열의 물질은 나노입자(nanoparticle) 형태를 가질 수 있다. 여기서, 상기 나노입자의 평균 입경은 수 nm 내지 수십 nm 정도일 수 있다. 예컨대, 상기 나노입자의 평균 입경은 약 2 nm 내지 40 nm 정도 또는 약 2 nm 내지 35 nm 정도일 수 있다. 구체적인 일례로, 전자 수송층(130)은 산화아연(ZnO) 계열의 나노입자(nanoparticles)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 산화아연(ZnO) 계열의 나노입자는 ZnO 나노입자일 수 있다. 전자 수송층(130)의 두께는, 예컨대, 약 25∼45 nm 정도 또는 약 30∼40 nm 정도일 수 있다. 전자 수송층(130)의 두께가 적절히 제어될 경우, 상기 양자점 발광 소자의 발광 특성 및 발광 효율이 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 약 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 가질 수 있다. 상기 양자점 발광 소자의 최대 휘도는 약 300만 내지 400만 cd/m2 정도일 수 있다. 상기 양자점 발광 소자는 약 10만 cd/m2 이상의 초고휘도 구동 조건에서도 열화가 거의 없이 안정적으로 구동될 수 있다. 또한, 상기 양자점 발광 소자는 약 1 A/cm2 이상 또는 약 5 A/cm2 이상의 고전류밀도로 구동될 수 있다. 기존의 일반적인 양자점 발광 소자의 경우, 약 1 A/cm2 정도의 전류 밀도를 인가하더라도, 줄(Joule) 발열 및 그에 따른 박막의 손상 등으로 인해 소자의 기능이 손실되거나 소자가 파괴되는 등의 문제가 발생한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 약 5 A/cm2 이상 최대 약 12 A/cm2 정도까지의 고전류밀도에서도 안정적인 구동이 가능할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 열전도도가 높은 기판(110)을 사용하고, 특정한 물질들로 구성된 다중층(이중층) 구조의 정공 주입층(160)을 사용하며, 조성 구배(composition gradient)를 갖는 쉘부를 포함하는 양자점을 적용하고, 보강 간섭을 이용하는 전면 발광 구조를 채택하며, 구성 요소들의 두께를 최적화함으로써, 고전류밀도에서도 안정적으로 구동될 수 있는 초고휘도(최대 휘도가 300만 cd/m2 이상인 전례 없는 초고휘도)를 갖는 양자점 발광 소자를 구현할 수 있다. 특히, 초고휘도 특성을 위해서는 고전류 구동뿐 아니라 광추출 효율을 극대화(최대화)하는 것도 중요할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 상기한 전면 발광 구조를 도입하면서 아울러 구성 요소들의 두께를 적절히 제어함으로써 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 우수한 소자 안정성 및 내구성을 가질 수 있고, 아울러, 높은 소자 효율을 가질 수 있다. 예를 들어, 적색 양자점 사용을 기준으로 할때, 소자의 안정성은 100 cd/m2 기준으로 약 1억 시간 정도일 수 있고, 소자 효율은 약 75.6 cd/A 정도일 수 있다. 이러한 안정성 및 효율 특성은 기존 양자점 발광 소자의 성능을 크게 뛰어넘는 것으로 평가될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 오제(Auger) 재결합에 의한 엑시톤 소광(quenching) 등과 같은 비발광 재결합의 문제를 감소/억제함으로써, 우수한 발광 특성을 확보함과 아울러 소자의 안정성/내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2에서 우측 상부의 사시도는 양자점 발광 소자의 일례를 보여주고, 좌측 상부의 단면 이미지는 실제로 제작된 양자점 발광 소자의 단면을 보여주는 TEM(transmission electron microscope) 이미지이다. 한편, 도 2에서 하측 도면(사시도)은 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 Si/SiO2 기판 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 유리(glass) 기판을 보여준다.
도 2의 우측 상부의 사시도를 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판 상에 순차로 구비된 제 1 전극(120), 전자 수송층(130), 양자점 발광층(140), 정공 수송층(150), 정공 주입층(160) 및 제 2 전극(170)을 포함할 수 있고, 정공 주입층(160)은 제 1 층(160a) 및 제 2 층(160b)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(120), 전자 수송층(130), 양자점 발광층(140), 정공 수송층(150), 정공 주입층(160)(160a + 160b) 및 제 2 전극(170) 각각은 도 1에서 설명한 바와 동일한 구성 및 특성을 가질 수 있다.
도 2의 하측 도면(사시도)을 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 Si/SiO2 기판이 적용될 수 있고, 비교예에 따른 양자점 발광 소자에 유리(glass) 기판이 적용될 수 있다. 여기서, 상기 Si/SiO2 기판은 도 1의 기판(110)의 일례일 수 있다. 0.2 W의 히트 소스(heat source)의 사용을 가정한 열적 시뮬레이션(thermal simulation)을 통해서, 유리 기판과 Si/SiO2 기판의 방열 양상(특성)이 큰 차이를 나타내는 것을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 양자점(QD)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 우측의 도면은 양자점(QD)이 가질 수 있는 밴드 다이어그램(band diagram)(즉, 전기적 구조)을 보여주고, 좌측의 도면은 양자점(QD)의 TEM 이미지를 보여준다.
도 3을 참조하면, 양자점(QD)은 코어부(10) 및 이를 둘러싼 쉘부(20)를 구비한 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 여기서, 쉘부(20)는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배(composition gradient)를 가질 수 있다. 다시 말해, 쉘부(20)는 코어부(10)에서 멀어지면서 에너지 밴드(에너지 장벽)가 변화되는 구성을 가질 수 있다. 쉘부(20)는 상기 조성 구배를 이루는 복수의 쉘층(20a, 20b, 20c)을 포함할 수 있다. 또한, 코어부(10) 및 쉘부(20)(20a, 20b, 20c)의 두께는 적절히 제어될 수 있다. 이러한 양자점(QD)의 구성 및 두께 조건 등과 관련해서, 양자점(QD)을 포함하는 양자점 발광층에서 엑시톤(exciton)의 소멸이 최소화되고, 오제(Auger) 재결합에 따른 소광(quenching)이 억제되며, 발광 특성 및 발광 효율이 크게 향상될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 쉘부(20)는 코어부(10) 측으로부터 순차로 배치된 연속적 그레이딩층(continuous grading layer)(20a), 격자 어댑터층(lattice adaptor layer)(20b) 및 주입 배리어층(injection barrier layer)(20c)을 포함할 수 있다. 연속적 그레이딩층(20a)은 코어부(10)에서 멀어지는 방향으로 가면서 조성이 연속적으로(점진적으로 또는 단계적으로) 변화되는 층일 수 있다. 이러한 연속적 그레이딩층(20a)의 조성 변화를 이용하면, 발광 특성 및 발광 효율을 개선할 수 있다. 격자 어댑터층(20b)은 쉘부(20) 내에서 격자 상수(lattice constant)를 제어하는 역할을 할 수 있다. 격자 불일치(lattice mismatch)가 존재하는 경우, 불안정성이 증가하고 발광 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있는데, 격자 어댑터층(20b)을 이용해서 격자 상수를 제어함으로써 이러한 문제를 방지/억제할 수 있다. 주입 배리어층(20c)은 전자와 정공의 주입 밸런스(balance)를 개선하는 역할을 할 수 있다. 만일 양자점(QD)의 소재 자체가 전자-리치(rich)한 특성을 갖는 경우, 주입 배리어층(20c)을 사용해서 전자의 주입을 다소 억제함으로써, 전자와 정공의 주입 밸런스(balance)를 맞춰줄 수 있다.
양자점(QD)이 적색 양자점(즉, 적색 발광 양자점)인 경우, 코어부(10)는 CdSe로 형성될 수 있고, 연속적 그레이딩층(20a)은 CdxZn1-xSe로 형성될 수 있고, 격자 어댑터층(20b)은 ZnSe로 형성될 수 있고, 주입 배리어층(20c)은 ZnSeyS1-y로 형성될 수 있다. 연속적 그레이딩층(20a)을 구성하는 CdxZn1-xSe에서 x 값은 코어부(10)에서 멀어질수록 감소할 수 있다. 주입 배리어층(20c)을 구성하는 ZnSeyS1-y에서 y 값은 코어부(10)에서 멀어질수록 감소할 수 있다.
코어부(10)의 반지름은 3.2±0.5 nm 또는 3.2±0.1 nm 정도일 수 있다. 연속적 그레이딩층(20a)의 두께(쉘 두께)는 4.2±0.6 nm 정도일 수 있다. 격자 어댑터층(20b)의 두께(쉘 두께)는 2.2±1.1 nm 정도일 수 있다. 주입 배리어층(20c)의 두께(쉘 두께)는 2.8±0.8 nm 정도일 수 있다. 이러한 두께 조건을 만족할 때, 발광 특성 및 발광 효율이 더욱 향상되는 결과를 얻을 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 기판(110)을 마련할 수 있다. 기판(110)은 25℃에서 약 100 W/mㆍK 이상의 우수한 열전도도를 가질 수 있다. 기판(110)의 열전도도는, 예컨대, 25℃에서 약 100∼200 W/mㆍK 정도일 수 있다. 구체적인 예로, 기판(110)은 실리콘(Si) 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면(상면)에 형성된 실리콘 산화물층(SiO2층)을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 산화물층의 두께는 상기 실리콘 기판부의 두께에 비해 상대적으로 매우 얇을 수 있다. 기판(110)의 열전도도는 상기 실리콘 기판부에 의해 지배적으로(dominantly) 결정될 수 있다. 기판(110)이 우수한 열전도도를 갖기 때문에, 우수한 내열 특성 및 방열 특성을 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 기판(110)으로 열전도도가 우수한 사파이어(Al2O3) 기판이나 불화마그네슘(MgF2) 기판 등을 사용할 수도 있다.
기판(110)이 상기 실리콘(Si) 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면(상면)에 형성된 상기 실리콘 산화물층(SiO2층)을 포함하는 경우, 기판(110)은 아세톤(acetone), 이소프로필 알코올(IPA), 증류수(DI water) 순서로 세척한 후, 약 120 ℃ 온도에서 건조될 수 있다. 그러나, 이러한 세척 및 건조 조건은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 기판(110) 상에 제 1 전극(120)을 형성할 수 있다. 제 1 전극(120)은 반사 전극일 수 있다. 제 1 전극(120)은 금속이나 금속성 물질로 형성될 수 있다. 구체적인 예로, 제 1 전극(120)으로는 높은 반사율을 위하여 약 80 nm 이상 또는 약 85 nm 이상의 두께를 갖는 Ag층(silver layer)을 증착하여 사용할 수 있다. 제 1 전극(120)의 두께는 약 80∼120 nm 정도일 수 있다. 제 1 전극(120)의 물질은 Ag로 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
다음, 제 1 전극(120) 상에 전자 수송층(130)을 형성할 수 있다. 전자 수송층(130)은 금속 산화물 계열의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 전자 수송층(130)은 산화아연(ZnO) 계열의 물질이나 산화타이타늄 계열의 물질 등을 포함할 수 있다. 상기 산화아연(ZnO) 계열의 물질은 산화아연(ZnO) 또는 산화아연(ZnO)에 금속을 도핑한 물질을 포함할 수 있고, 상기 산화아연(ZnO)에 금속을 도핑한 물질은, 예를 들어, ZnMgO, ZnAlO 등일 수 있다. 상기 산화타이타늄 계열의 물질은, 예컨대, TiO2 등을 포함할 수 있다. 또한, 전자 수송층(130)에 포함된 상기 금속 산화물 계열의 물질은 나노입자(nanoparticle) 형태를 가질 수 있다. 여기서, 상기 나노입자의 평균 입경은 수 nm 내지 수십 nm 정도일 수 있다. 예컨대, 상기 나노입자의 평균 입경은 약 2 nm 내지 40 nm 정도 또는 약 2 nm 내지 35 nm 정도일 수 있다. 구체적인 일례로, 전자 수송층(130)은 산화아연(ZnO) 계열의 나노입자(nanoparticles)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 산화아연(ZnO) 계열의 나노입자는 ZnO 나노입자일 수 있다. 이 경우, ZnO 나노입자를 포함하는 용액(나노입자 용액)을 스핀 코팅 방식으로 제 1 전극(120) 상에 도포한 후에, 질소 분위기에서 약 100 ℃의 온도로 약 30분 정도 열처리하여 전자 수송층(130)을 형성할 수 있다. 전자 수송층(130)의 두께는, 예컨대, 약 25∼45 nm 정도 또는 약 30∼40 nm 정도일 수 있다.
도 4c를 참조하면, 전자 수송층(130) 상에 양자점 발광층(140)을 형성할 수 있다. 양자점 발광층(140)은, 예컨대, 용액 공정을 이용해서 스핀 코팅 방식으로 형성할 수 있다. 양자점 발광층(140)은 코어부 및 쉘부를 갖는 양자점을 포함할 수 있다. 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배(composition gradient)를 가질 수 있다. 또한, 상기 쉘부는 상기 조성 구배를 이루는 복수의 쉘층을 가질 수 있다. 상기 코어부 및 상기 쉘부(상기 복수의 쉘층)의 두께는 적절히 제어될 수 있다. 이러한 양자점의 구성 및 두께 제어 특성 등과 관련해서, 양자점 발광층(140)에서 엑시톤(exciton)의 소멸이 최소화되고, 오제(Auger) 재결합에 따른 소광(quenching)이 억제되며, 발광 특성 및 발광 효율이 크게 향상될 수 있다. 양자점 발광층(140)의 두께는, 예를 들어, 약 25∼45 nm 정도 또는 약 30∼40 nm 정도일 수 있다.
도 4d를 참조하면, 양자점 발광층(140) 상에 정공 수송층(150), 정공 주입층(160) 및 제 2 전극(170)을 순차로 진공 증착 공정을 통해 형성할 수 있다. 정공 수송층(150)은 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 정공 수송층(150)은 상기 카르바졸 유도체로 CBP [4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl]를 포함할 수 있다. 정공 수송층(150)은, 예컨대, CBP층일 수 있다. 상기 CBP층은 유기물층일 수 있다. 정공 수송층(150)의 두께는 약 30∼50 nm 또는 약 35∼45 nm 정도일 수 있다. 이러한 정공 수송층(150)의 구성은 정공 주입층(160)의 구성과 함께 정공의 이동 특성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 특히, CBP층을 정공 수송층(150)의 물질로 적용하면, 우수한 정공 이동 특성을 확보하는데 유리할 수 있다.
정공 주입층(160)은 복층 구조, 예컨대, 이중층 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 정공 주입층(160)은 정공 수송층(150) 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층(160a) 및 제 2 층(160b)을 포함할 수 있다. 제 1 층(160a)은 정공 주입층(160)과 제 2 층(160b) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 층(160a)은 MoO3를 포함할 수 있고, 제 2 층(160b)은 HAT-CN (hexaazatriphenylene hexacarbonitrile)을 포함할 수 있다. 제 1 층(160a)은 MoO3층일 수 있고, 제 2 층(160b)은 HAT-CN층일 수 있다. 이 경우, 제 1 층(160a)은 약 3∼7 nm 범위 또는 약 4∼6 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 제 2 층(160b)은 약 3∼7 nm 범위 또는 약 4∼6 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 일례로, 제 1 층(160a)의 두께는 5 nm 또는 6 nm 일 수 있고, 제 2 층(160b)의 두께는 5 nm 또는 6 nm 일 수 있다. 정공 주입층(160)의 두께는 약 6∼14 nm 정도 또는 약 8∼12 nm 정도일 수 있다. 이와 같이, 정공 주입층(160)이 MoO3층과 HAT-CN층이 적층된 구조를 갖고, 이들의 두께가 적절히 제어될 경우, 정공 주입층(160)에 의해 정공 주입 장벽이 크게 감소되고, 정공 주입 특성이 향상되며, 결과적으로, 발광 특성 및 발광 효율이 개선될 수 있다. 본 실시예에서 정공 수송층(150)과 정공 주입층(160)은 CBP/MoO3/HAT-CN 구조를 이룰 수 있고, 이 경우, 우수한 정공 이동 특성을 확보하는데 유리할 수 있다.
제 2 전극(170)은 투명 전극(광투과성 전극)일 수 있다. 제 2 전극(170)은 금속이나 금속성 물질로 형성될 수 있다. 제 2 전극(170)으로는 높은 투과율을 위하여 약 30 nm 이하 또는 약 25 nm 이하의 두께를 갖는 Ag층(silver layer)을 증착하여 사용할 수 있다. 제 2 전극(170)의 두께는 약 15∼30 nm 정도일 수 있다. 제 2 전극(170)의 물질은 Ag로 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
제 1 전극(120)과 제 2 전극(170)은 광학적 마이크로캐비티(microcavity) 효과를 발생시키도록 구성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(170) 사이의 간격, 제 1 전극(120)과 양자점 발광층(140) 사이의 간격 및 양자점 발광층(140)과 제 2 전극(170) 사이의 간격은 광의 방출과 관련된 광학적 보강 간섭을 발생시키도록 제어될 수 있다. 따라서, 양자점 발광층(140)으로부터 소자의 전면부로 방출되는 광과 양자점 발광층(140)에서 발생하여 제 1 전극(120)에서 반사된 후 소자의 전면부로 방출되는 광은 보강 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 양자점 발광층(140)으로부터 소자의 전면부로 방출되는 광과 양자점 발광층(140)에서 발생하여 제 1 전극(120)에서 반사된 후 소자의 전면부로 방출되는 광은 마이크로캐비티(microcavity) 구조에 의한 공진에 따른 강화 효과를 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 양자점 발광 소자는 우수한 광추출 특성을 가질 수 있다.
도 4d의 양자점 발광 소자는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 양자점 발광 소자와 동일할 수 있다. 따라서, 도 1 내지 도 3에서 설명한 양자점 발광 소자의 구성 및 특성은 도 4d의 양자점 발광 소자에 동일하게 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 전류 밀도(current density)에 따른 전류 효율(current efficiency)과 휘도(luminance) 특성을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 도 1의 구조를 갖되, 정공 주입층(160)의 제 1 층(160a)으로 MoO3층(두께: 5 nm)을 적용하고, 제 2 층(160b)으로 HAT-CN층(두께: 5 nm)을 적용한 경우이다. 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 MoO3 단일층을 정공 주입층으로 적용한 경우이고, 그 밖에 다른 조건은 상기 실시예와 동일하였다. 상기 실시예 및 상기 비교예 모두에서 정공 수송층으로 CBP층을 사용하였다. 한편, 상기 양자점 발광 소자에 키슬리 2400 소스 미터(Keithley 2400 source meter)를 이용해서 전압을 가해주며 전류 특성을 얻었고, 키슬리 2000 멀티미터(Keithley 2000 multimeter)와 실리콘 포토다이오드(silicon photodiode)를 사용하여 빛의 세기를 측정하였다. 또한, 분광 방사 휘도계인 미놀타 CS-2000(Minolta CS-2000)을 사용하여 발광 스펙트럼을 얻었고, 전류-전압 특성과 빛의 세기, 발광 스펙트럼을 통해서 효율과 휘도를 계산하였다. 이러한 측정 방법은 아래의 도 6에 대해서도 동일하였다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 이중층 구조(MoO3/HAT-CN)를 갖는 정공 주입층을 사용하는 경우, 비교예에 따른 단일층 구조(MoO3)를 갖는 정공 주입층을 사용하는 경우 보다 전류 효율과 휘도가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해서, 실시예에서와 같이 이중층 구조(MoO3/HAT-CN)를 갖는 정공 주입층을 사용할 경우, 정공 주입 특성이 크게 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 전류 밀도에 따른 전류 효율과 휘도 특성을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 도 1의 구조를 갖되, 기판(110)으로 Si/SiO2 기판을 사용한 경우이다. 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 기판으로 유리(glass) 기판을 사용한 경우이고, 그 밖에 다른 조건은 상기 실시예와 동일하였다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 S-QLED로 표시하였고, 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 G-QLED로 표시하였다.
도 6을 참조하면, Si/SiO2 기판을 사용하는 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 유리 기판을 사용하는 비교예에 따른 양자점 발광 소자 보다 개선된 전류 효율 및 휘도 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예의 Si/SiO2 기판은 우수한 열전도도를 갖고, 구동 픽셀에서 발생하는 열을 빠르게 주변으로 확산시키기 때문에, 이를 적용한 양자점 발광 소자는 월등히 높은 전류 밀도까지 동작이 가능할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 인가되는 전류 밀도 별 시간에 따른 최대 픽셀 온도의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 기판은 Si/SiO2 기판이다.
도 8은 비교예에 따른 양자점 발광 소자(G-QLED)의 인가되는 전류 밀도 별 시간에 따른 최대 픽셀 온도의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자(G-QLED)의 기판은 유리 기판이다. 도 7 및 도 8에서 온(ON) 구간은 5초에서 15초 사이였다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 최대 픽셀 온도는 비교예에 따른 양자점 발광 소자(G-QLED)의 최대 픽셀 온도 보다 상대적으로 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)는 높은 전류 밀도에서도 발열로 인한 문제가 거의 없이 안정적으로 구동될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 정공 수송층(HTL) 및 전자 수송층(ETL)의 두께 조건에 따른 발광 강도의 변화를 보여주는 광학적 시뮬레이션 결과이다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 도 1에서 설명한 바와 같은 전면 발광(top emission) 구조를 갖는다. 한편, 도 9에서 큰 그래프 내부에 삽입된 작은 그래프(즉, insert)는 비교예에 따른 양자점 발광 소자에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 배면 발광(bottom emission) 구조를 갖는다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자에서 정공 수송층(HTL)의 두께는 약 30∼50 nm 또는 약 35∼45 nm 정도인 것이 바람직할 수 있고, 전자 수송층(ETL)의 두께는 약 25∼45 nm 또는 약 30∼40 nm 정도일 수 있다. 특히, 정공 수송층(HTL)의 두께는 약 35∼45 nm 정도인 것이 바람직할 수 있고, 전자 수송층(ETL)의 두께는 약 30∼40 nm 정도일 수 있다. 이러한 조건을 만족할 때, 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 발광 특성 및 발광 효율이 더욱 개선될 수 있다. 한편, 배면 발광(bottom emission) 구조를 갖는 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 경우(insert 참조), 발광 강도가 상대적으로 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 QD 면적 밀도(areal density)(ρ) 및 인가된 전류(J)에 따른 평균 QD 점유율(average QD occupancy) <N>의 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 점선은 <N> = 1, 2 및 3인 경우의 윤곽(contour)(등고선)을 나타낸다. 한편, 삽입된 그래프(insert)는 1×1011 cm-2 (black)에서 5×1011 cm-2 (blue) 까지 다양한 ρ를 갖는 J의 함수로서 QLED의 계산된 IQE(internal quantum efficiency)를 보여준다.
도 11은 인가된 전류(J)가 8.0 A cm-2 일 때, 서로 다른 QD 면적 밀도(areal density)(ρ)를 갖는 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 정규화된 EL(electroluminescence) 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 삽입된 그래프(insert)는 1Se-1Shh 전환(S) 및 1Pe-1Shh 전환(P)을 보여준다. QD 면적 밀도(ρ)가 주어진 범위 내에서 소정 수준으로 증가함에 따라, 주요 발광이 아닌 P-emission에 해당하는 피크(peak)가 억제된 것을 확인할 수 있다. 이는 QD층의 두께 조절 등을 통해서, 발광 특성을 개선할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 양자점의 쉘부 성장 과정에 따른 PL(photoluminescence) 양자 수율(quantum yield)(%)의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 12의 결과는 도 3을 참조하여 설명한 구조를 갖는 양자점(QD)에 대한 것이다.
도 12를 참조하면, 도 3에서 설명한 바와 같이, 양자점은 코어부(core) 및 이를 둘러싼 쉘부를 가질 수 있고, 상기 쉘부는 코어부(core) 측으로부터 순차로 배치된 연속적 그레이딩층(cg), 격자 어댑터층(A) 및 주입 배리어층(B)을 포함할 수 있다. 쉘부를 성장시키는 과정에 따라 양자 수율(%)을 측정한 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, 상기 연속적 그레이딩층(cg), 격자 어댑터층(A) 및 주입 배리어층(B)을 각각 적절한 두께로 모두 형성하였을 때, 높은 양자 수율(%)을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 CdSe QD (빨간색), cg-QD (주황색), cg/A-QD (녹색) 및 cg/A/B-QD (파란색)의 앙상블(ensemble) PL 감쇠(photoluminescence decay) 특성을 보여주는 그래프이다. 여기서, CdSe QD는 코어부만 존재하는 QD를 의미하고, cg-QD는 코어부에 cg층만 부가된 QD를 의미하고, cg/A-QD는 코어부에 cg층과 A층이 부가된 QD를 의미하고, cg/A/B-QD는 코어부에 cg층과 A층 및 B층이 모두 부가된 QD를 의미한다. 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자에는 cg/A/B-QD가 적용될 수 있다. 명확성을 위해 각 트레이스(trace)의 크기가 조정되었다(rescaled). 삽입된 그래프(insert)에는 쉘부 두께의 함수로서 단일 엑시톤 수명(single exciton lifetime)(τX)이 제공되며, 여기서 색상 인코딩된 화살표는 감쇠 곡선(decay curves)에 해당한다.
도 13을 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자에 적용될 수 있는 cg/A/B-QD가 가장 우수한 광학적 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서, cg/A/B-QD가 적용된 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 양자점의 구성 및 두께 조건 등과 관련해서 우수한 발광 성능을 나타낼 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 인가 전압에 따른 전류 밀도 및 휘도의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 도 1의 구조를 갖되, 기판(110)으로 Si/SiO2 기판을 사용한 경우이다. 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 기판으로 유리(glass) 기판을 사용한 경우이고, 그 밖에 다른 조건은 상기 실시예와 동일하였다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 S-QLED로 표시하였고, 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 G-QLED로 표시하였다.
도 14를 참조하면, Si/SiO2 기판을 사용하는 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 유리 기판을 사용하는 비교예에 따른 양자점 발광 소자 보다 상대적으로 높은 최대 전류 밀도 및 휘도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 실시예의 Si/SiO2 기판은 우수한 열전도도를 갖고, 구동 픽셀에서 발생하는 열을 빠르게 주변으로 확산시키기 때문에, 이를 적용한 양자점 발광 소자는 월등히 높은 전류 밀도까지 동작이 가능할 수 있다. 또한, Si/SiO2 기판은 높은 휘도 구현에 기여할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 인가된 전류 밀도에 따른 전류 효율 및 EQE(external quantum efficiency)의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 도 1의 구조를 갖되, 기판(110)으로 Si/SiO2 기판을 사용한 경우이다. 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 기판으로 유리(glass) 기판을 사용한 경우이고, 그 밖에 다른 조건은 상기 실시예와 동일하였다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 S-QLED로 표시하였고, 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 G-QLED로 표시하였다.
도 15를 참조하면, Si/SiO2 기판을 사용하는 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 유리 기판을 사용하는 비교예에 따른 양자점 발광 소자 보다 상대적으로 높은 전류 효율 및 EQE를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 월등히 높은 전류 밀도까지 동작이 가능할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 작동 수명(operational lifetime)을 평가한 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 실시예 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자의 초기 밝기(L0)는 200000 cd m-2 이었다. 상기 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 S-QLED 이고, 상기 비교예에 따른 양자점 발광 소자는 G-QLED 이다. 도 16에 삽입된 그래프(insert)는 다양한 L0 값에서 G-QLED (파란색) 및 S-QLED (빨간색)의 하프-수명(half-lifetime)(T50)과 가속 계수(acceleration factor) 1.8을 사용한 T50 (점선)의 추정치를 보여준다.
도 16을 참조하면, 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 비교예에 따른 양자점 발광 소자 보다 상대적으로 매우 긴 작동 수명을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 100 cd/m2 기준으로 약 1억 시간 이상의 안정성 및 수명을 가질 수 있다. 이는 비교예에 따른 양자점 발광 소자 보다 약 10배 정도 증가된 수치이다.
도 17은 11.8V의 전압 펄스(이는 12.0 A cm-2의 steady-state 전류 밀도에 해당)를 갖는 시간-분해 EL 분광법(time-resolved EL spectroscopy)을 사용하여 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 과도 EL 감쇠 프로파일(transient EL decay profile)을 평가한 결과를 보여주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 0.3, 1.6, 6.0 및 12.0 A cm-2의 다양한 정상 상태(steady-state) 전류 밀도(J)에 대하여 정규화된 과도 EL 감쇠(Normalised transient EL decay) 특성을 보여주는 그래프이다. 삽입된 그래프(insert)는 cg/A/B-QD의 PL 수명(τX)과 비교하여 전류밀도(J) 종속 EL 감쇠 시간 상수(τEL)를 그래프화하여 보여준다.
도 17 및 도 18로부터, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 약 12 A/cm2 정도까지 고전류밀도에서 안정적인 구동이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 발광 성능을 보여주는 사진으로, 강한 일광 조건(약 100000 lux)에서 다른 광을 방출하는 S-QLED 픽셀을 보여준다. 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)는 매우 높은 휘도를 갖는 광을 발생시킬 수 있기 때문에, 강한 일광 조건에서도 발광되는 빛을 뚜렷하게 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 발광 성능을 평가한 결과를 보여주는 사진이다. 도 20에서 왼쪽 상단의 사진은 단일 픽셀을 갖는 S-QLED의 발광을 보여주고, 왼쪽 하단의 사진은 10개의 픽셀을 갖는 S-QLED의 발광을 보여준다. 한편, 도 20의 우측 사진은 S-QLED의 단일 픽셀에 의해 조명되는 문자(Q, L, E, D) 구조물들을 보여준다. 여기서, 문자(Q, L, E, D) 구조물들은 이들을 비추고 있는 상기 단일 픽셀로부터 각각 2.0, 3.5, 5.0 및 6.5 m 만큼 떨어져 있다. 도 20의 모든 사진에서 각 발광 픽셀의 면적은 1.4 mm × 1.4 mm 였다. 도 20으로부터 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)는 고휘도(초고휘도)를 갖는 광을 발광하는 것을 확인할 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED) 및 비교예에 따른 양자점 발광 소자(G-QLED)의 다양한 물성 및 성능을 정리한 것이다.
상기한 표 1에서 EL peak는 발광 파장(중심 파장)을 의미하고, FWHM은 발광 스펙트럼의 반치전폭을 의미하며, Max L은 최대 휘도를 의미하고, Max CE는 최대 전류 효율을 의미하고, Max EQE는 최대 외부 양자 효율(external quantum efficiency)을 의미한다.
표 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)는 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도(Max L)를 갖고, 70 cd A-1 이상의 최대 전류 효율(Max CE)을 가지며, 20% 이상의 최대 외부 양자 효율(Max EQE)을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 수치들은 비교예에 따른 양자점 발광 소자(G-QLED) 및 기존의 양자점 발광 소자 보다 월등히 우수하거나 크게 개선된 것이라 할 수 있다. 그러나, 표 1에 개시된 실시예에 따른 양자점 발광 소자(S-QLED)의 특성들은 예시적인 것이고, 사용하는 물질이나 구성 등에 따라서, 특성은 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 고휘도가 요구되는 분야에서 고전류밀도로 안정적으로 발광할 수 있으면서 우수한 광추출 효율을 갖고, 아울러 줄(Joule) 열에 의한 성능 저하 문제를 극복하고 내구성(장수명 특성) 및 안정적 구동 특성을 확보할 수 있는 양자점 발광 소자를 구현할 수 있다. 특히, 다중 구조의 정공 주입층, 상기 정공 주입층과 조합된 정공 수송층의 구성, 열전도도가 높은 기판, 최적화된 전면 발광(top emission) 구조, 조성 구배(composition gradient)를 갖는 양자점 및 두께 조건의 최적화 등을 통해서, 높은 전류 밀도에서도 효과적으로 오제(Auger) 재결합을 억제할 수 있고, 약 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 가지며, 높은 효율과 우수한 안정성 및 내구성(장수명 특성)을 갖는 양자점 발광 소자를 구현할 수 있다. 실시예들에 따른 양자점 발광 소자는 최대 휘도(약 300만 cd/m2 이상), 소자 안정성(100 cd/m2 기준 약 1억 시간 이상), 소자 효율(약 75.6 cd/A) 등 모든 측면에서 기존의 양자점 발광 소자 보다 월등히 우수한 성능을 가질 수 있다.
상기한 실시예들에 따른 양자점 발광 소자는 옥외 디스플레이, 2000 ppi 이상의 초고해상도와 고휘도가 동시에 요구되는 AR/VR 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이, 광선요법(phototherapy)을 위한 의료/미용 장치의 광원, 고휘도 조명 등 고휘도가 요구되는 다양한 응용 분야에 유용하게 적용될 수 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 20을 참조하여 설명한 실시예들에 따른 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법이, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 도 1에서는 양자점 발광층(140) 아래에 전자 수송층(130)이 배치되고, 양자점 발광층(140) 위에 정공 수송층(150)과 정공 주입층(160)이 배치된 경우를 도시하고 설명하였지만, 경우에 따라서는, 양자점 발광층(140) 아래에 정공 수송층(150)과 정공 주입층(160)이 배치되고, 양자점 발광층(140) 위에 전자 수송층(130)이 배치될 수도 있다. 그 밖에도 다양한 변형이 가능할 수 있다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 코어부 20 : 쉘부
20a : 연속적 그레이딩층 20b : 격자 어댑터층
20c : 주입 배리어층 110 : 기판
120 : 제 1 전극 130 : 전자 수송층
140 : 양자점 발광층 150 : 정공 수송층
160 : 정공 주입층 160a : 제 1 층
160b : 제 2 층 170 : 제 2 전극
QD : 양자점

Claims (19)

  1. 25℃에서 100 W/mㆍK 이상의 열전도도를 갖는 기판;
    상기 기판 상에 배치된 제 1 전극;
    상기 기판 상에 상기 기판에 수직한 방향으로 상기 제 1 전극과 이격하여 배치된 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 것으로, 코어부 및 쉘부를 갖는 양자점을 포함하되, 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배(composition gradient)를 갖는 양자점 발광층;
    상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이에 배치된 전자 수송층;
    상기 제 2 전극과 상기 양자점 발광층 사이에 배치된 것으로, 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함하는 정공 수송층; 및
    상기 정공 수송층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 것으로, 상기 정공 수송층 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 MoO3를 구비하고, 상기 제 2 층은 HAT-CN (hexaazatriphenylene hexacarbonitrile)을 구비하는 정공 주입층;을 포함하고,
    상기 양자점의 상기 쉘부는 상기 코어부 측으로부터 순차로 배치된 연속적 그레이딩층(continuous grading layer), 격자 어댑터층(lattice adaptor layer) 및 주입 배리어층(injection barrier layer)을 포함하고,
    상기 양자점 발광층으로부터 상기 기판이 배치된 쪽의 반대쪽으로 광을 방출하는 전면 발광(top emission) 구조를 갖는 양자점 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면에 형성된 실리콘 산화물층을 포함하고, 상기 기판의 열전도도는 상기 실리콘 기판부에 의해 지배적으로(dominantly) 결정되는 양자점 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 반사 전극이고, 상기 제 2 전극은 투명 전극이며,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격, 상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이의 간격 및 상기 양자점 발광층과 상기 제 2 전극 사이의 간격은 광의 방출과 관련된 광학적 보강 간섭을 발생시키도록 제어된 양자점 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 제 1 두께를 갖는 제 1 금속층을 포함하고,
    상기 제 2 전극은 상기 제 1 두께 보다 작은 제 2 두께를 갖는 제 2 금속층을 포함하는 양자점 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 수송층은 상기 카르바졸 유도체로 CBP [4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl]를 포함하는 양자점 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 MoO3층이고, 상기 제 2 층은 HAT-CN층이며,
    상기 제 1 층은 3∼7 nm 범위의 두께를 갖고, 상기 제 2 층은 3∼7 nm 범위의 두께를 갖는 양자점 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 수송층은 산화아연(ZnO) 계열의 나노입자(nanoparticles)를 포함하는 양자점 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어부의 반지름은 3.2±0.5 nm 이고,
    상기 연속적 그레이딩층의 두께는 4.2±0.6 nm 이고,
    상기 격자 어댑터층의 두께는 2.2±1.1 nm 이고,
    상기 주입 배리어층의 두께는 2.8±0.8 nm 인 양자점 발광 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 수송층의 두께는 30∼40 nm 이고,
    상기 양자점 발광층의 두께는 25∼45 nm 이고,
    상기 정공 수송층의 두께는 30∼50 nm 이고,
    상기 정공 주입층의 두께는 6∼14 nm 인 양자점 발광 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자점 발광 소자는 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 갖는 양자점 발광 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자점 발광 소자는 5 A/cm2 이상의 전류 밀도로 구동되도록 구성된 양자점 발광 소자.
  13. 25℃에서 100 W/mㆍK 이상의 열전도도를 갖는 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 전자 수송층을 형성하는 단계;
    상기 전자 수송층 상에 코어부 및 쉘부를 갖는 양자점을 포함하되, 상기 쉘부는 상기 코어부에서 멀어질수록 조성이 변화되는 조성 구배를 갖는 양자점 발광층을 형성하는 단계;
    상기 양자점 발광층 상에 카르바졸 유도체(carbazole derivative)를 포함하는 정공 수송층을 형성하는 단계;
    상기 정공 수송층 상에 상기 정공 수송층 측으로부터 순차로 배치된 제 1 층 및 제 2 층을 포함하되, 상기 제 1 층은 MoO3를 구비하고, 상기 제 2 층은 HAT-CN을 구비하는 정공 주입층을 형성하는 단계; 및
    상기 정공 주입층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 양자점의 상기 쉘부는 상기 코어부 측으로부터 순차로 배치된 연속적 그레이딩층(continuous grading layer), 격자 어댑터층(lattice adaptor layer) 및 주입 배리어층(injection barrier layer)을 포함하고,
    상기 양자점 발광층으로부터 상기 기판이 배치된 쪽의 반대쪽으로 광을 방출하는 전면 발광(top emission) 특성을 갖는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판부 및 상기 실리콘 기판부의 표면에 형성된 실리콘 산화물층을 포함하고, 상기 기판의 열전도도는 상기 실리콘 기판부에 의해 지배적으로(dominantly) 결정되는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 반사 전극이고, 상기 제 2 전극은 투명 전극이며,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 간격, 상기 제 1 전극과 상기 양자점 발광층 사이의 간격 및 상기 양자점 발광층과 상기 제 2 전극 사이의 간격은 광의 방출과 관련된 광학적 보강 간섭을 발생시키도록 제어된 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 정공 수송층은 상기 카르바졸 유도체로 CBP [4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl]를 포함하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 MoO3층이고, 상기 제 2 층은 HAT-CN층이며,
    상기 제 1 층은 3∼7 nm 범위의 두께를 갖고, 상기 제 2 층은 3∼7 nm 범위의 두께를 갖는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 코어부의 반지름은 3.2±0.5 nm 이고, 상기 연속적 그레이딩층의 두께는 4.2±0.6 nm 이고, 상기 격자 어댑터층의 두께는 2.2±1.1 nm 이고, 상기 주입 배리어층의 두께는 2.8±0.8 nm 인 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 양자점 발광 소자는 300만 cd/m2 이상의 최대 휘도를 갖는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
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