KR102607857B1 - 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자 - Google Patents

코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR102607857B1
KR102607857B1 KR1020160032067A KR20160032067A KR102607857B1 KR 102607857 B1 KR102607857 B1 KR 102607857B1 KR 1020160032067 A KR1020160032067 A KR 1020160032067A KR 20160032067 A KR20160032067 A KR 20160032067A KR 102607857 B1 KR102607857 B1 KR 102607857B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
emitting layer
light emitting
nanoparticles
layer
Prior art date
Application number
KR1020160032067A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170108342A (ko
Inventor
최준희
신태호
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020160032067A priority Critical patent/KR102607857B1/ko
Priority to US15/420,877 priority patent/US10121983B2/en
Publication of KR20170108342A publication Critical patent/KR20170108342A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102607857B1 publication Critical patent/KR102607857B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/18—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the nature or concentration of the activator
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/02—Use of particular materials as binders, particle coatings or suspension media therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B1/008—Nanostructures not provided for in groups B82B1/001 - B82B1/007
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02601—Nanoparticles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
    • H01L33/502—Wavelength conversion materials
    • H01L33/504—Elements with two or more wavelength conversion materials
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/20—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the chemical or physical composition or the arrangement of the material in which the electroluminescent material is embedded
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B33/00—Electroluminescent light sources
    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/26—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the composition or arrangement of the conductive material used as an electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • H10K50/115—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers comprising active inorganic nanostructures, e.g. luminescent quantum dots
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • H10K50/125—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers specially adapted for multicolour light emission, e.g. for emitting white light
    • H10K50/13—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers specially adapted for multicolour light emission, e.g. for emitting white light comprising stacked EL layers within one EL unit
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/14—Carrier transporting layers
    • H10K50/15—Hole transporting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/14—Carrier transporting layers
    • H10K50/16—Electron transporting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/17—Carrier injection layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

발광층 내에 배치된 코어쉘 구조의 나노 입자들에서 발생하는 플라즈몬 공명에 의해 발광 효율이 향상된 발광 소자가 개시된다. 개시된 발광 소자는, 제 1 전극 구조체, 제 1 전극 구조체 위에 배치된 발광층, 발광층 위에 배치된 제 2 전극 구조체, 및 발광층의 내부에 배치된 다수의 나노 입자를 포함하며, 각각의 나노 입자는 플라즈몬 공명을 일으키도록 금속 코어 및 금속 구조를 둘러싸는 유전체 쉘을 포함할 수 있다.

Description

코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자{Light emitting device including nano particle having core shell structure}
개시된 실시예들은 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광층 내에 배치된 코어쉘 구조의 나노 입자들에서 발생하는 플라즈몬 공명에 의해 발광 효율이 향상된 발광 소자에 관한 것이다.
전계 발광 소자(electroluminescence device)에는 예를 들어 유기 전계 발광소자(organic light emitting device)와 무기 전계 발광소자(inorganic light emitting device)가 있다. 유기 전계 발광 소자는 양극으로부터 공급되는 홀과 음극으로부터 공급되는 전자가 유기 발광층 내에서 결합하여 빛을 방출할 수 있다. 유기 전계 발광 소자는 넓은 시야각, 빠른 응답속도, 얇은 두께, 낮은 제조 비용 및 높은 콘트라스트 등과 같은 우수한 디스플레이 특성을 나타내기 때문에, 차세대 평판 디스플레이 소자로서 각광을 받고 있다.
또한, 무기 전계 발광 소자는 발광층으로서 ZnCdS/ZnS, ZnCdSSe/ZnS 등과 같은 코어쉘 구조의 양자점(quantum dot)들을 주로 사용하고 있다. 양자점을 이용한 무기 전계 발광 소자는 색조절이 용이하고 높은 색순도를 갖는다는 장점이 있다. 따라서, 양자점을 이용한 무기 전계 발광 소자는 대면적의 고화질 차세대 디스플레이에 응용이 가능하다.
한편, 위와 같은 유기 전계 발광 소자와 무기 전계 발광 소자는 청색 발광을 구현할 때 안정성 및 효율성이 저하된다는 공통점도 있다.
발광 효율이 향상된 발광 소자를 제공한다.
일 실시예에 따른 발광 소자는, 제 1 전극 구조체; 상기 제 1 전극 구조체 위에 배치된 발광층; 상기 발광층 위에 배치된 제 2 전극 구조체; 및 상기 발광층의 내부에 배치된 다수의 나노 입자;를 포함하며, 각각의 나노 입자는 플라즈몬 공명을 일으키도록 금속 코어 및 상기 금속 구조를 둘러싸는 유전체 쉘을 포함하고, 상기 다수의 나노 입자들은 상기 발광층과 제 1 전극 구조체 사이의 계면 및 상기 발광층과 제 2 전극 구조체 사이의 계면에 접촉하지 않도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 발광층은 유기 발광체 또는 양자점을 포함할 수 있다.
상기 다수의 나노 입자는 상기 발광층 내에서 규칙적으로 배열될 수 있다.
대신에, 상기 다수의 나노 입자는 상기 발광층 내에서 불규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 다수의 나노 입자의 전체 부피와 상기 발광층의 부피의 비율은, 예를 들어 1:1 내지 1:00,000의 범위에 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 나노 입자의 금속 코어는 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중에서 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 나노 입자의 유전체 쉘은 Si3N4, SiO2, Al2O3, HfO2 중에서 적어도 하나의 유전체로 이루어질 수 있다.
상기 나노 입자의 금속 코어의 직경은, 예를 들어, 5 nm 내지 200 nm의 범위에 있으며, 상기 나노 입자의 유전체 쉘의 두께는, 예를 들어, 1 nm 내지 100 nm의 범위에 있을 수 있다.
상기 발광층은, 상기 제 1 전극 구조체와 접하는 제 1 발광층; 상기 제 2 전극 구조체와 접하는 제 3 발광층; 및 상기 제 1 발광층과 제 3 발광층 사이에 배치된 제 2 발광층;을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 발광층 내에만 상기 다수의 나노 입자가 배치될 수 있다.
상기 제 1 발광층의 두께와 제 3 발광층의 두께는 각각 상기 제 2 발광층의 두께보다 작을 수 있다.
또한, 상기 발광층은, 제 1 파장 대역의 빛을 방출하는 제 1 색 발광층; 및 상기 제 1 색 발광층 위에 배치된 것으로, 상기 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 방출하는 제 2 색 발광층;을 포함하고, 상기 나노 입자는 제 1 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 1 나노 입자 및 제 2 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 2 나노 입자를 포함할 수 있다.
상기 제 1 나노 입자는 상기 제 1 색 발광층 내에 배치되고 상기 제 2 나노 입자는 상기 제 2 색 발광층 내에 배치될 수 있다.
상기 제 1 색 발광층 내에는 나노 입자가 배치되지 않으며, 상기 제 1 나노 입자와 제 2 나노 입자는 모두 상기 제 2 색 발광층 내에서 상기 제 1 색 발광층과의 계면에 접촉하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 나노 입자와 제 2 나노 입자가 서로 번갈아 배치될 수 있다.
상기 발광층은, 제 1 및 제 2 파장 대역과 상이한 제 3 파장 대역의 빛을 방출하며 상기 제 2 색 발광층 위에 배치된 제 3 색 발광층을 더 포함하고, 상기 나노 입자는 제 3 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 3 나노 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 색 발광층 내에는 나노 입자가 배치되지 않으며, 상기 제 1 나노 입자 및 제 2 나노 입자가 상기 제 2 색 발광층 내에서 상기 제 1 색 발광층과의 계면에 접촉하도록 배치되고, 상기 제 2 나노 입자 및 제 3 나노 입자가 상기 제 3 색 발광층 내에서 상기 제 2 색 발광층과의 계면에 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 나노 입자는, 제 1 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 1 나노 입자, 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 2 나노 입자, 및 제 1 및 제 2 파장 대역과 상이한 제 3 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 3 나노 입자를 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 나노 입자는 상기 발광층 내에서 서로 혼합되어 불규칙하게 배치될 수 있다.
상기 발광층은 제 1 파장 대역의 빛을 방출하는 제 1 발광 재료, 제 2 파장 대역의 빛을 방출하는 제 2 발광 재료, 제 3 파장 대역의 빛을 방출하는 제 3 발광 재료를 포함하며, 상기 발광층 내에서 제 1 내지 제 3 발광 재료가 함께 혼합될 수 있다.
상기 제 1 전극 구조체는, 제 1 전극층 및 상기 제 1 전극층 위에 배치된 제 1 캐리어 수송층을 포함하며, 상기 제 2 전극 구조체는 상기 발광층 위에 배치된 제 2 캐리어 수송층 및 상기 제 2 캐리어 수송층 위에 배치된 제 2 전극층을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전극층 중에서 하나는 반사 전극이고 다른 하나는 투명 전극일 수 있다.
개시된 실시예들에 따르면, 발광층 내에 배치된 코어쉘 구조의 나노 입자들에서 발생하는 플라즈몬 공명에 의해 발광층의 발광 효율이 향상될 수 있다. 이로 인해, 발광층의 휘도, 안정성 및 수명도 증가할 수 있다.
또한, 코어쉘 구조의 나노 입자들이 발광층 내부에만 배치되고 발광층과 전극 사이의 계면에 나노 입자들이 접촉하지 않기 때문에, 전극으로부터 발광층으로의 전류 주입에 영향을 주지 않을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 발광층 내의 나노 입자들의 2차원 배열을 예시적으로 보이는 횡방향의 단면도이다.
도 3은 나노 입자의 유전체 쉘의 두께에 따른 발광 효율의 향상 효과를 확인하는 실험을 위한 발광 구조의 단면도이다.
도 4는 도 3의 구조에서 유전체층의 두께에 따른 발광 특성의 변화를 보이는 그래프이다.
도 5는 플라즈몬 공명에 의한 발광 효율 증가 효과가 미치는 거리 범위를 확인하는 실험을 위한 발광 구조의 단면도이다.
도 6은 도 5의 구조에서 양자점들의 층 개수에 따른 발광 특성의 변화를 보이는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 1에 도시된 발광 소자를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 도시된 발광 소자를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 도 1에 도시된 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 하나의 화소 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 14는 도 13에 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치의 하나의 화소 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는 제 1 전극 구조체(106), 제 1 전극 구조체(106) 위에 배치된 발광층(105), 발광층(105) 위에 배치된 제 2 전극 구조체(109), 및 발광층(105)의 내부에 배치된 다수의 나노 입자(10)를 포함할 수 있다.
제 1 전극 구조체(106)는, 예를 들어, 투명 기판(101) 위에 배치된 제 1 전극층(102), 제 1 전극층(102) 위에 배치된 정공 주입층(103), 및 정공 주입층(103) 위에 배치된 정공 수송층(104)을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 전극 구조체(109)는, 예를 들어, 발광층(105) 위에 배치된 전자 수송층(107) 및 전자 수송층(107) 위에 배치된 제 2 전극층(108)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 전극층(102)은 양극이고 제 2 전극층(108)은 음극일 수 있다. 그러나, 양극과 음극의 위치는 반드시 이에 한정되지 않으며, 발광층(105)의 하부에 음극이 배치되고 발광층(105)의 상부에 양극이 배치될 수도 있다. 이 경우, 정공 주입층(103)과 정공 수송층(104)이 발광층(105) 위에 배치되고 전자 수송층(107)은 발광층(105)의 아래에 배치될 수도 있다. 또한, 정공 주입층(103), 정공 수송층(104), 및 전자 수송층(107)은 필수적인 구성은 아니며, 이들 중에서 적어도 하나의 층은 필요에 따라 생략될 수도 있다.
또한, 제 1 전극층(102)과 제 2 전극층(108) 중에서 하나는 빛을 반사하는 반사 전극이고 다른 하나는 빛을 투과시키는 투명 전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극층(102)은 ITO(indium tin oxide)나 나 IZO(indume zinc oxide)와 같은 투명한 도전성 재료로 이루어질 수 있으며, 제 2 전극층(108)은 알루미늄(Al) 등과 같은 반사성 금속 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 전극층(102)이 반사 전극이고 제 2 전극층(108)이 투명 전극일 수도 있다.
발광층(105)은 유기 발광체로 이루어지거나 또는 양자점과 같은 무기 발광체로 이루어질 수 있다. 유기 발광체의 재료는 발광색에 따라 매우 다양한 화합물들이 개발되고 있다. 또한, 양자점은 양자 구속 효과를 가지는 소정 크기의 입자로서, CdTe, CdSe, ZnS, CdS 등과 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 양자점은 발광 파장에 따라 대략 1 nm 내지 10 nm 정도의 직경을 가질 수 있다. 각각의 양자점은 균질한 단일 구조로 형성될 수도 있으며 또는 코어-쉘(core-shell)의 이중 구조로 형성될 수도 있다. 여기서, 쉘 재료의 에너지 밴드 갭은 코어 재료의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다.
발광층(105) 내에 배치된 다수의 나노 입자(10)는 표면 플라즈몬 공명을 일으켜 발광층(105)의 발광 효율을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이를 위하여, 각각의 나노 입자(10)는 금속 코어(10c) 및 금속 구조(10c)를 둘러싸는 유전체 쉘(10s)을 포함할 수 있다. 금속 코어(10c)는 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 등과 같은 금속 재료로 이루어질 수 있으며, 금속 코어(10c)의 직경은 약 5 nm 내지 약 200 nm의 범위를 가질 수 있다. 또한, 유전체 쉘(10s)은 Si3N4, SiO2, Al2O3, HfO2 등과 같은 절연성 재료로 이루어질 수 있다. 유전체 쉘(10s)의 두께는 약 1 nm 내지 약 100 nm의 범위를 가질 수 있다. 여기서, 유전체 쉘(10s)은 플라즈몬 효과를 유지시켜줄 수 있는 절연막으로서, 발광층(105) 내의 발광체와 금속 코어(10c) 사이의 간극(gap)을 일정하게 유지시켜 주는 스페이서의 역할을 한다. 유전체 쉘(10s)이 없으면 엑시톤 해리(전하 분리)에 의한 소광(quenching) 효과가 플라즈몬 효과보다 강하게 되어 빛이 오히려 감소하게 된다.
금속 코어(10c)와 유전체 쉘(10s)을 갖는 나노 입자(10)는 발광층(105)에서 발생하는 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명을 일으키는데, 발광층(105)에서 비효율적으로 버려지는 에너지를 이러한 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 플라즈몬으로 재생하여 빛으로 바꿈으로써 광증폭(light enhancement) 효과을 얻을 수 있다. 따라서, 발광층(105)의 발광 효율이 향상될 수 있으며, 이로 인해 발광층(105)의 휘도, 안정성 및 수명도 증가할 수 있다.
나노 입자(10)의 표면 플라즈몬 공명 파장은 금속 코어(10c)와 유전체 쉘(10s)의 조합에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 은(Ag)은 주로 청색 발광을 증가시키는 플라즈몬 공명 효과에 적합하고, 금(Au)은 적색 발광을 증가시키는데 적합할 수 있으며, 알루미늄(Al)은 자외선 발광을 증가시키는데 적합할 수 있다. 또한, 유전체 쉘(10s)의 재료에 따라 공명 파장을 조절할 수도 있다. 공명 파장은 금속 코어(10c)의 유전 상수와 유전체 쉘(10s)의 유전 상수의 합이 0(zero)이 되는 조건을 만족시키는 파장이다. 예를 들어, Ag/Si3N4의 조합의 공명 파장은 약 470 nm이며, Ag/Al2O3 조합의 공명 파장은 약 540 nm, Au/SiO2 조합의 공명 파장은 약 520 nm, Au/Al2O3 조합의 공명 파장은 약 630 nm, Au/HfO2 조합의 공명 파장은 약 800 nm이다. 이와 같이 금속 코어(10c)와 유전체 쉘(10s)의 적절한 조합을 통해 공명 파장을 조절할 수 있으므로, 발광층(105)의 발광색(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)에 대응하여 금속 코어(10c)와 유전체 쉘(10s)의 재료를 선택함으로써 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 개시된 실시예에서 다수의 나노 입자(10)는 발광층(105)의 내부에만 위치하며, 발광층(105)과 제 1 전극 구조체(106) 사이의 계면 및 발광층(105)과 제 2 전극 구조체(109) 사이의 계면에 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 발광층(105)의 상부에 전자 수송층(107)이 위치하고 하부에 정공 수송층(104)이 위치하는 경우, 나노 입자(10)는 발광층(105)과 전자 수송층(107) 사이의 계면에 접촉하지 않으며 발광층(105)과 정공 수송층(104) 사이의 계면에도 접촉하지 않는다. 일반적으로 발광층(105)의 하부와 상부에 배치된 제 1 전극 구조체(106)와 제 2 전극 구조체(109)는 발광층(105)으로의 전류 주입을 최적화하도록 구성되어 있는데, 나노 입자(10)가 제 1 전극 구조체(106)나 제 2 전극 구조체(109)에 접촉할 경우, 최적화된 전극 구조에 영향을 주어 발광층(105)으로의 전류 주입이 저하될 수 있다. 개시된 실시예에 따르면, 나노 입자(10)가 발광층(105)의 내부에만 위치하기 때문에 제 1 전극 구조체(106)와 제 2 전극 구조체(109)의 전류 주입 성능에 영향을 주지 않을 수 있다.
다수의 나노 입자(10)는 발광층(105) 내에서 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 발광층(105) 내의 어느 한 평면 내에서 다수의 나노 입자(10)가 일정한 간격으로 배열되어 있으며, 높이가 상이한 또 다른 한 평면 내에서 다수의 나노 입자(10)가 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 도 1에는 나노 입자(10)가 배열된 평면이 2개인 것으로 도시되어 있으나 높이가 상이한 3개 이상의 평면에 다수의 나노 입자(10)가 배치될 수도 있다. 또한, 도 2는 도 1에 도시된 발광 소자(100)의 발광층(105) 내의 나노 입자(10)들의 2차원 배열을 예시적으로 보이는 횡방향의 단면도로서, 발광층(105) 내에서 나노 입자(10)들이 배열된 어느 한 평면을 보이고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 나노 입자(10)는 일정한 간격의 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다.
한편, 발광층(105)의 발광 효율을 최대화하기 위하여 유전체 쉘(10s)의 두께 및 나노 입자(10)들의 배치 간격이 최적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 나노 입자(10)의 유전체 쉘(10s)의 두께에 따른 발광 효율의 향상 효과를 확인하는 실험을 위한 발광 구조의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 기판(20) 위에 금속층(21)과 유전체층(22)을 순차적으로 적층한 후, 유전체층(22) 위에 발광체 재료로서 양자점(23)들을 한층 적층하였다. 그리고, 유전체층(22)의 두께를 바꾸어 가며 발광 강도를 측정하였다. 금속층(21)으로는 은(Ag)을 사용하였으며 유전체층(22)으로는 Si3N4를 사용하였고 CdS 코어와 ZnS 쉘 구조를 갖는 양자점(23)을 사용하였다.
도 4는 도 3의 구조에서 유전체층(22)의 두께에 따른 발광 특성의 변화를 보이는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 유전체층(22)이 없는 경우(0 nm)에는 발광이 거의 일어나지 않는다. 유전체층(22)의 두께를 점차 증가시키면, 유전체층(22)의 두께가 30 nm가 될 때까지는 발광 세기가 점차 증가하다가 유전체층(22)의 두께가 30 nm를 초과하면 발광 세기가 다시 줄어든다는 것을 알 수 있다. 따라서, 약 475 nm 정도의 청색 발광의 경우에, 유전체 쉘(10s)의 최적의 두께는 약 30 nm 근방이라는 것을 알 수 있다. 이러한 유전체 쉘(10s)의 최적의 두께는 발광 파장 및 금속 코어(10c)의 종류에 따라 달라질 수 있다.
또한, 도 5는 플라즈몬 공명에 의한 발광 효율 증가 효과가 미치는 거리 범위를 확인하는 실험을 위한 발광 구조의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 기판(20) 위에 금속층(21)과 유전체층(22)을 순차적으로 적층한 후, 유전체층(22) 위에 발광체 재료로서 양자점(23)들을 적층하였다. 그리고, 양자점(23)들의 층 개수를 한 층씩 증가시켜면서 발광 강도를 측정하였다. 여기서, 금속층(21)으로는 은(Ag)을 사용하였으며 유전체층(22)으로는 Si3N4를 사용하였고 CdS 코어와 ZnS 쉘 구조를 갖는 양자점(23)을 사용하였다.
도 6은 도 5의 구조에서 양자점(23)들의 층 개수에 따른 발광 특성의 변화를 보이는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 유전체층(22)의 두께에 따라 조금씩 달라지지만 대체로 양자점(23)들이 5층으로 적층된 경우에 발광 세기가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 양자점(23)들을 이용한 약 475 nm 정도의 청색 발광의 경우에, 5개의 양자점(23)마다 나노 입자(10)들을 하나씩 배치하는 것이 발광 효율을 가장 크게 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 양자점(23)들을 5층으로 적층한 후에 나노 입자(10)들을 한 층 적층할 수 있으며, 인접한 나노 입자(10)들 사이의 수평 방향 간격은 5개의 양자점(23)들의 직경과 같을 수 있다. 이 경우, 나노 입자(10)들의 전체 부피와 발광층(105)의 부피의 비율이 약 1:125일 수 있다. 그러나, 나노 입자(10)들의 전체 부피와 발광층(105)의 부피의 비율은 이에 반드시 한정되는 것이 아니며, 발광 파장, 발광체 재료의 종류, 유전체 쉘(10s)의 두께 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 나노 입자(10)들의 전체 부피와 발광층(105)의 부피의 비율은 약 1:1 내지 1:100,000의 범위에 있을 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 1에 도시된 발광 소자(100)를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다. 이하, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 발광 소자(100)의 제조 방법을 예시적으로 설명한다.
먼저, 도 7a를 참조하면, 기판(101) 위에 순차적으로 제 1 전극층(102), 정공 주입층(103), 및 정공 수송층(104)을 형성할 수 있다. 만약 제 1 전극층(102)이 양극이 아니라 음극인 경우에는, 정공 주입층(103)과 정공 수송층(104) 대신에 전자 수송층(107)을 형성할 수도 있다. 그런 후, 정공 수송층(104) 위에 제 1 발광층(105a)을 형성한다. 제 1 발광층(105a)은 유기 발광체로 이루어지거나 양자점과 같은 무기 발광체로 이루어질 수 있다. 이러한 제 1 발광층(105a), 예를 들어, 증착, 스핀 코팅, 또는 전사 인쇄(transfer printing) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 7b에 도시된 바와 같이, 제 1 발광층(105a)의 상부 표면 위에 다수의 나노 입자(10)를 일정한 간격으로 형성할 수 있다. 이러한 나노 입자(10)들은 예를 들어 전사 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
나노 입자(10)들을 형성한 후, 도 7c에 도시된 바와 같이, 다수의 나노 입자(10)를 완전히 덮도록 제 1 발광층(105a)의 상부 표면 위에 제 2 발광층(105b)을 더 형성할 수 있다. 그러면, 제 1 발광층(105a)과 제 2 발광층(105b)이 하나의 발광층(105)을 구성하게 되며, 발광층(105) 내부의 어느 한 평면 내에서 다수의 나노 입자(10)가 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 도 7c에는 나노 입자(10)들이 한 층만 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 발광층(105b) 위에 나노 입자(10)들을 더 형성하고 그 위에 추가적인 발광층을 더 형성할 수도 있다. 이러한 방식으로 발광층(105)을 형성할 경우, 나노 입자(10)들은 발광층(105)의 내부에만 위치하게 되므로 나노 입자(10)들이 제 1 전극 구조체(106) 또는 제 2 전극 구조체(109)와 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 앞서 설명한 실시예에서는 발광층(105)의 내부에서 나노 입자(10)들이 규칙적으로 배열되었지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 발광층(105)의 내부에 있는 나노 입자(10)들이 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 도 8에 도시된 발광 소자(100')의 나머지 구조들은 도 1에서 설명한 발광 소자(100)와 같다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 도시된 발광 소자(100')를 제조하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
먼저, 도 9a를 참조하면, 기판(101) 위에 순차적으로 제 1 전극층(102), 정공 주입층(103), 및 정공 수송층(104)을 형성할 수 있다. 만약 제 1 전극층(102)이 양극이 아니라 음극인 경우에는, 정공 주입층(103)과 정공 수송층(104) 대신에 전자 수송층(107)을 형성할 수도 있다. 그런 후, 정공 수송층(104) 위에 제 1 발광층(105a)을 형성한다. 제 1 발광층(105a)은 유기 발광체로 이루어지거나 양자점과 같은 무기 발광체로 이루어질 수 있다. 이러한 제 1 발광층(105a), 예를 들어, 증착, 스핀 코팅, 또는 전사 인쇄(transfer printing) 등의 방법으로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 발광층(105a)의 내부에는 나노 입자(10)들이 배치되어 있지 않으며, 제 1 발광층(105a)의 두께는 예를 들어 약 1 nm 내지 50 nm 정도로 작을 수 있다. 만약 양자점을 발광체 재료로서 사용하는 경우, 제 1 발광층(105a)으로서 한 층의 양자점만을 적층할 수 있다.
다음으로, 도 9b를 참조하면, 제 1 발광층(105a) 위에 제 2 발광층(105b)을 적층할 수 있다. 여기서, 제 2 발광층(105b) 내에는 미리 나노 입자(10)들을 불규칙하게 분산시켜 놓을 수 있다. 예를 들어, 발광체 재료와 나노 입자(10)들을 미리 혼합한 후, 나노 입자(10)들이 혼합된 발광체 재료를 스핀 코팅 또는 전사 인쇄 방법으로 제 1 발광층(105a) 위에 적층하여 제 2 발광층(105b)을 형성할 수 있다.
마지막으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 제 2 발광층(105b) 위에 제 3 발광층(105c)을 형성할 수 있다. 제 1 발광층(105a)과 마찬가지로 제 3 발광층(105c) 내에도 나노 입자(10)들이 배치되어 있지 않다. 또한, 제 1 발광층(105a)과 제 3 발광층(105c)의 두께는 제 2 발광층(105b)의 두께보다 작을 수 있다.
도 9a 내지 도 9c에서 설명한 바와 같이, 나노 입자(10)들이 불규칙하게 배열되어 있는 제 2 발광층(105b)이 나노 입자(10)가 없는 제 1 발광층(105a)과 제 3 발광층(105c) 사이에 끼워져 있기 때문에, 발광층(105) 내에서 나노 입자(10)들을 불규칙하게 배열시키더라도 어떠한 나노 입자(10)도 제 1 전극 구조체(106) 또는 제 2 전극 구조체(109)와 접촉하지 않는다. 예를 들어, 제 1 발광층(105a)과 제 3 발광층(105c)이 없는 경우에는, 제 2 발광층(105b) 내에서 제 2 발광층(105b)의 상부 표면이나 하부 표면에 접하는 나노 입자(10)는 제 1 전극 구조체(106) 또는 제 2 전극 구조체(109)와 접촉할 수 있다. 그러나, 제 1 전극 구조체(106)와 제 2 발광층(105b) 사이에 나노 입자(10)가 없는 제 1 발광층(105a)이 배치되고 제 2 전극 구조체(109)와 제 2 발광층(105b) 사이에 나노 입자(10)가 없는 제 2 발광층(105c)이 배치되기 때문에, 제 2 발광층(105b) 내의 나노 입자(10)들은 제 1 전극 구조체(106) 또는 제 2 전극 구조체(109)와 접촉하지 않게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 금속 코어(10c)와 유전체 쉘(10s)의 적절한 조합을 통해 나노 입자(10)의 표면 플라즈몬 공명 파장을 조절할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 발광 소자(100, 100')는 컬러 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 도 1에 도시된 발광 소자(100)를 이용한 디스플레이 장치의 하나의 화소 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 디스플레이 장치의 하나의 화소는, 적색 발광층(105R), 녹색 발광층(105G), 및 청색 발광층(105B)을 포함할 수 있으며, 각각의 발광층(105R, 105G, 105B) 사이에는 격막(110)이 배치될 수 있다. 적색 발광층(105R)은 적색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료로 이루어질 수 있으며, 녹색 발광층(105G)은 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료로 이루어질 수 있고, 청색 발광층(105B)은 청색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료로 이루어질 수 있다.
그리고, 적색 발광층(105R) 내에는 적색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 1 나노 입자(10R)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 나노 입자(10R)는 금(Au)으로 이루어진 금속 코어(10c)와 Al2O3로 이루어진 유전체 쉘(10s)을 포함할 수 있다. 또한, 녹색 발광층(105G) 내에는 녹색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 2 나노 입자(10G)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 나노 입자(10G)는 금(Au)으로 이루어진 금속 코어(10c)와 SiO2로 이루어진 유전체 쉘(10s), 또는 은(Ag)으로 이루어진 금속 코어(10c)와 Al2O3로 이루어진 유전체 쉘(10s)을 포함할 수 있다. 또한, 청색 발광층(105B) 내에는 청색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 3 나노 입자(10B)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 3 나노 입자(10B)는 은(Ag)으로 이루어진 금속 코어(10c)와 Si3N4로 이루어진 유전체 쉘(10s)을 포함할 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 발광 소자(200)는 기판(101), 기판(101) 위에 배치된 제 1 전극층(102), 제 1 전극층(102) 위에 배치된 백색 발광층(105W), 백색 발광층(105W) 위에 배치된 제 2 전극층(108)을 포함할 수 있다. 도 11에는 생략되었지만, 도 1의 실시예와 마찬가지로, 제 1 전극층(102)과 백색 발광층(105W) 사이에 정공 주입층(103)과 정공 수송층(104)을 더 배치할 수 있다. 또한, 백색 발광층(105W)과 제 2 전극층(108) 사이에 전자 수송층(107)을 더 배치할 수도 있다.
백색 발광층(105W)은 제 1 전극층(102) 위에 배치된 청색 발광층(105B), 청색 발광층(105B) 위에 배치된 녹색 발광층(105G), 및 녹색 발광층(105G) 위에 배치된 적색 발광층(105R)을 포함할 수 있다. 적색 발광층(105R)은 적색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료로 이루어질 수 있으며, 녹색 발광층(105G)은 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료로 이루어질 수 있고, 청색 발광층(105B)은 청색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료로 이루어질 수 있다. 도 11에는 비록 청색 발광층(105B), 녹색 발광층(105G), 및 적색 발광층(105R)의 순서로 적층된 것으로 도시되었으나, 적층 순서는 반드시 이에 한정될 필요가 없다.
청색 발광층(105B)과 녹색 발광층(105G) 사이의 계면에는 녹색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 2 나노 입자(10G)와 청색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 3 나노 입자(10B)가 함께 배치될 수 있다. 예를 들어, 다수의 제 2 나노 입자(10G)와 다수의 제 3 나노 입자(10B)가 서로 번갈아 배치될 수 있다. 이 경우, 청색 발광층(105B)의 내부에는 어떠한 나노 입자(10)도 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 청색 발광층(105B)을 형성한 후에, 청색 발광층(105B)의 상부 표면 위에 다수의 제 2 나노 입자(10G)와 다수의 제 3 나노 입자(10B)를 형성하고, 제 2 나노 입자(10G)와 제 3 나노 입자(10B)를 덮도록 청색 발광층(105B) 위에 녹색 발광층(105G)을 형성할 수 있다.
또한, 녹색 발광층(105G)과 적색 발광층(105R) 사이의 계면에는 적색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 1 나노 입자(10R)와 녹색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 2 나노 입자(10G)가 함께 배치될 수 있다. 예를 들어, 녹색 발광층(105G)의 상부 표면 위에 다수의 다수의 제 1 나노 입자(10R)와 다수의 제 2 나노 입자(10G)를 형성하고, 제 1 나노 입자(10R)와 제 2 나노 입자(10G)를 덮도록 녹색 발광층(105G) 위에 적색 발광층(105R)을 형성할 수 있다. 필요에 따라서는, 다수의 제 1 나노 입자(10R)와 다수의 제 2 나노 입자(10G)가 서로 번갈아 배치될 수도 있다.
도 11에는 제 2 나노 입자(10G)가 청색 발광층(105B)과 녹색 발광층(105G) 사이의 계면 및 녹색 발광층(105G)과 적색 발광층(105R) 사이의 계면에 모두 배치된 것으로 도시되어 있으나, 색순도의 조절을 위해 제 1 나노 입자(10R), 제 2 나노 입자(10G) 및 제 3 나노 입자(10B)의 개수를 조절할 수도 있다. 예를 들어, 청색 발광층(105B)과 녹색 발광층(105G) 사이의 계면 및 녹색 발광층(105G)과 적색 발광층(105R) 사이의 계면 중에서 어느 하나의 계면에만 제 2 나노 입자(10G)가 배치될 수도 있다. 대신에, 청색 발광층(105B)과 녹색 발광층(105G) 사이의 계면 및 녹색 발광층(105G)과 적색 발광층(105R) 사이의 계면에 각각 배치되어 있는 제 2 나노 입자(10G)의 개수가 제 1 나노 입자(10R)의 개수 및 제 3 나노 입자(10B)의 개수보다 적을 수도 있다. 그러나 제 1 내지 제 3 나노 입자(10R, 10G, 10B)들의 개수가 완전히 동일할 필요는 없으며, 적색 발광층(105R), 녹색 발광층(105G) 및 청색 발광층(105B)의 발광 효율을 각각 고려하여 제 1 내지 제 3 나노 입자(10R, 10G, 10B)들의 개수를 적절하게 선택할 수 있다.
또한, 도 11의 실시예에서는 발광 소자(200)가 적색 발광층(105R), 녹색 발광층(105G) 및 청색 발광층(105B)이 모두 배치된 백색 발광층(105W)을 포함하고 있으나, 적색 발광층(105R), 녹색 발광층(105G) 및 청색 발광층(105B) 중에서 어느 2개만을 선택하여 백색이 아닌 다른 색을 방출하도록 발광 소자(200)를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 발광 소자(200)는 적색 발광층(105R), 상기 적색 발광층(105R) 위에 배치된 녹색 발광층(105G), 및 적색 발광층(105R)과 녹색 발광층(105G) 사이의 계면에 배치된 제 1 및 제 2 나노 입자(10R, 10G)를 포함할 수도 있다. 또는, 발광 소자(200)는 적색 발광층(105R), 상기 적색 발광층(105R) 위에 배치된 청색 발광층(105B), 및 적색 발광층(105R)과 청색 발광층(105B) 사이의 계면에 배치된 제 1 및 제 3 나노 입자(10R, 10B)를 포함할 수도 있다. 또한, 발광 소자(200)는 녹색 발광층(105G), 상기 녹색 발광층(105G) 위에 배치된 청색 발광층(105B), 및 녹색 발광층(105G)과 청색 발광층(105B) 사이의 계면에 배치된 제 2 및 제 3 나노 입자(10G, 10B)를 포함할 수도 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 발광 소자(200')는 기판(101), 기판(101) 위에 배치된 제 1 전극층(102), 제 1 전극층(102) 위에 배치된 백색 발광층(105W), 백색 발광층(105W) 위에 배치된 제 2 전극층(108)을 포함할 수 있다. 백색 발광층(105W)은 제 1 전극층(102) 위에 배치된 청색 발광층(105B), 청색 발광층(105B) 위에 배치된 녹색 발광층(105G), 및 녹색 발광층(105G) 위에 배치된 적색 발광층(105R)을 포함할 수 있다. 적색 발광층(105R)의 내부에는 적색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 1 나노 입자(10R)가 불규칙하게 배치될 수 있다. 그리고, 녹색 발광층(105G)의 내부에는 녹색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 2 나노 입자(10G)가 불규칙하게 배치될 수 있으며, 청색 발광층(105B)의 내부에는 청색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 3 나노 입자(10B)가 불규칙하게 배치될 수 있다. 이 경우, 제 3 나노 입자(10B)가 제 1 전극층(102)과 접촉하지 않도록 청색 발광층(105B)의 하부는 도 9a 및 도 9b에 도시된 방식으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 나노 입자(10R)가 제 2 전극층(108)과 접촉하지 않도록 적색 발광층(105R)의 상부는 도 9b 및 도 9c에 도시된 방식으로 형성될 수 있다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 발광 소자(300)는 기판(101), 기판(101) 위에 배치된 제 1 전극층(102), 제 1 전극층(102) 위에 배치된 백색 발광층(105W), 백색 발광층(105W) 위에 배치된 제 2 전극층(108)을 포함할 수 있다. 도 13에는 생략되었지만, 도 1의 실시예와 마찬가지로, 제 1 전극층(102)과 백색 발광층(105W) 사이에 정공 주입층(103)과 정공 수송층(104)을 더 배치할 수 있다. 또한, 백색 발광층(105W)과 제 2 전극층(108) 사이에 전자 수송층(107)을 더 배치할 수도 있다.
백색 발광층(105W)은 적색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료, 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료, 및 청색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료가 하나의 층 내에 혼합된 단일 층 구조를 갖는다. 그리고, 백색 발광층(105W) 내에는 적색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 1 나노 입자(10R), 녹색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 2 나노 입자(10G), 및 청색 파장 대역에서 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 다수의 제 3 나노 입자(10B)들이 서로 혼합되어 불규칙하게 배치될 수 있다. 여기서, 다수의 제 1 내지 제 3 나노 입자(10R, 10G, 10B)들이 제 1 전극층(102) 및 제 2 전극층(108)과 접촉하지 않도록 백색 발광층(105W)은 도 9a 내지 도 9c에 도시된 방식으로 형성될 수 있다.
도 13에는 발광 소자(300)가 백색광을 방출하는 백색 발광층(105W)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정될 필요는 없다. 예를 들어, 발광 소자(300)는 적색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료와 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료가 하나의 층 내에 혼합된 발광층을 포함할 수도 있다. 이 경우, 발광층 내에는 제 1 나노 입자(10R)와 제 2 나노 입자(10G)만이 불규칙하게 배치될 수 있다. 또한, 발광 소자(300)는 적색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료와 청색 파장 대역의 빛을 방출하는 발광체 재료가 하나의 층 내에 혼합된 발광층을 포함할 수도 있다. 이 경우, 발광층 내에는 제 1 나노 입자(10R)와 제 3 나노 입자(10B)만이 불규칙하게 배치될 수 있다.
도 14는 도 13에 발광 소자(300)를 이용한 디스플레이 장치의 하나의 화소 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 14를 참조하면, 디스플레이 장치의 하나의 화소는, 기판(101), 기판(102) 위에 배치된 제 1 전극층(102), 제 1 전극층(102) 위에 배치된 3개의 백색 발광층(105W), 3개의 백색 발광층(105W) 위에 각각 배치된 3개의 제 2 전극층(108), 및 제 2 전극층(108) 위에 배치된 컬러 필터층(120)을 포함할 수 있다. 3개의 백색 발광층(105W)들 사이에는 각각 격막(110)이 배치될 수 있다. 그리고, 3개의 백색 발광층(105W)들 내에는 각각 다수의 제 1 내지 제 3 나노 입자(10R, 10G, 10B)들이 불규칙하게 분산될 수 있다.
컬러 필터층(120)은 적색광을 투과시키는 적색 컬러 필터(120R), 녹색광을 투과시키는 녹색 컬러 필터(120G), 및 청색광을 투과시키는 청색 컬러 필터(120B)를 포함할 수 있다. 그리고, 각각의 컬러 필터(120R, 120G, 120B) 사이에는 블랙 매트릭스(121)가 배치될 수 있다. 컬러 필터층(120)의 적색 컬러 필터(120R), 녹색 컬러 필터(120G) 및 청색 컬러 필터(120B)는 3개의 백색 발광층(105W)들 중에서 대응하는 하나에 각각 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 전극층(102)은 공통 전극의 역할을 하고 제 2 전극층(108)의 화소 전극의 역할을 할 수 있다.
지금까지, 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자에 대한 다양한 실시예들이 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시를 위한 것이고 권리범위를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 권리범위는 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....나노 입자 10c....금속 코어
10s....유전체 쉘
100, 100', 200, 200', 300.....발광 소자
101.....기판 102.....제 1 전극층
103.....정공 주입층 104.....정공 수송층
105.....발광층 106.....제 1 전극 구조체
107.....전자 수송층 108.....제 2 전극층
109.....제 2 전극 구조체 110.....격막
120.....컬러 필터층 121.....블랙 매트릭스

Claims (18)

  1. 제 1 전극 구조체;
    상기 제 1 전극 구조체 위에 배치된 발광층;
    상기 발광층 위에 배치된 제 2 전극 구조체; 및
    상기 발광층의 내부에만 배치된 다수의 나노 입자;를 포함하며,
    각각의 나노 입자는 플라즈몬 공명을 일으키도록 금속 코어 및 상기 금속 코어를 둘러싸는 유전체 쉘을 포함하고,
    상기 다수의 나노 입자들은 상기 발광층과 제 1 전극 구조체 사이의 계면 및 상기 발광층과 제 2 전극 구조체 사이의 계면에 접촉하지 않도록 배치되며,
    상기 발광층은:
    상기 제 1 전극 구조체와 접하는 제 1 발광층;
    상기 제 2 전극 구조체와 접하는 제 3 발광층; 및
    상기 제 1 발광층과 제 3 발광층 사이에 배치된 제 2 발광층;을 포함하고,
    상기 제 2 발광층 내에만 상기 다수의 나노 입자가 배치되어 있는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광층은 유기 발광체 또는 양자점을 포함하는 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 나노 입자는 상기 발광층 내에서 규칙적으로 배열되어 있는 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 나노 입자는 상기 발광층 내에서 불규칙적으로 배열되어 있는 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 나노 입자의 전체 부피와 상기 발광층의 부피의 비율은 1:1 내지 1:100,000의 범위에 있는 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 입자의 금속 코어는 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 중에서 적어도 하나의 금속으로 이루어지며, 상기 나노 입자의 유전체 쉘은 Si3N4, SiO2, Al2O3, HfO2 중에서 적어도 하나의 유전체로 이루어지는 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 입자의 금속 코어의 직경은 5 nm 내지 200 nm의 범위에 있으며, 상기 나노 입자의 유전체 쉘의 두께는 1 nm 내지 100 nm의 범위에 있는 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 발광층의 두께와 제 3 발광층의 두께는 각각 상기 제 2 발광층의 두께보다 작은 발광 소자.
  10. 제 1 전극 구조체;
    상기 제 1 전극 구조체 위에 배치된 발광층;
    상기 발광층 위에 배치된 제 2 전극 구조체; 및
    상기 발광층의 내부에 배치된 다수의 나노 입자;를 포함하며,
    각각의 나노 입자는 플라즈몬 공명을 일으키도록 금속 코어 및 상기 금속 코어를 둘러싸는 유전체 쉘을 포함하고,
    상기 다수의 나노 입자들은 상기 발광층과 제 1 전극 구조체 사이의 계면 및 상기 발광층과 제 2 전극 구조체 사이의 계면에 접촉하지 않도록 배치되며,
    상기 발광층은:
    제 1 파장 대역의 빛을 방출하는 제 1 색 발광층; 및
    상기 제 1 색 발광층 위에 배치된 것으로, 상기 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 방출하는 제 2 색 발광층;을 포함하고,
    상기 나노 입자는 제 1 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 1 나노 입자 및 제 2 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 2 나노 입자를 포함하는 발광 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 나노 입자는 상기 제 1 색 발광층 내에 배치되고 상기 제 2 나노 입자는 상기 제 2 색 발광층 내에 배치되는 발광 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 색 발광층 내에는 나노 입자가 배치되지 않으며, 상기 제 1 나노 입자와 제 2 나노 입자는 모두 상기 제 2 색 발광층 내에서 상기 제 1 색 발광층과의 계면에 접촉하도록 배치되는 발광 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 나노 입자와 제 2 나노 입자가 서로 번갈아 배치되는 발광 소자.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광층은, 제 1 및 제 2 파장 대역과 상이한 제 3 파장 대역의 빛을 방출하며 상기 제 2 색 발광층 위에 배치된 제 3 색 발광층을 더 포함하며,
    상기 나노 입자는 제 3 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 3 나노 입자를 더 포함하는 발광 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 색 발광층 내에는 나노 입자가 배치되지 않으며, 상기 제 1 나노 입자 및 제 2 나노 입자가 상기 제 2 색 발광층 내에서 상기 제 1 색 발광층과의 계면에 접촉하도록 배치되고, 상기 제 2 나노 입자 및 제 3 나노 입자가 상기 제 3 색 발광층 내에서 상기 제 2 색 발광층과의 계면에 접촉하도록 배치되는 발광 소자.
  16. 제 1 전극 구조체;
    상기 제 1 전극 구조체 위에 배치된 발광층;
    상기 발광층 위에 배치된 제 2 전극 구조체; 및
    상기 발광층의 내부에 배치된 다수의 나노 입자;를 포함하며,
    각각의 나노 입자는 플라즈몬 공명을 일으키도록 금속 코어 및 상기 금속 코어를 둘러싸는 유전체 쉘을 포함하고,
    상기 다수의 나노 입자들은 상기 발광층과 제 1 전극 구조체 사이의 계면 및 상기 발광층과 제 2 전극 구조체 사이의 계면에 접촉하지 않도록 배치되며,
    상기 나노 입자는, 제 1 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 1 나노 입자, 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 2 나노 입자, 및 제 1 및 제 2 파장 대역과 상이한 제 3 파장 대역에서 플라즈몬 공명을 일으키는 제 3 나노 입자를 포함하며,
    상기 제 1 내지 제 3 나노 입자는 상기 발광층 내에서 서로 혼합되어 불규칙하게 배치되어 있는 발광 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광층은 제 1 파장 대역의 빛을 방출하는 제 1 발광 재료, 제 2 파장 대역의 빛을 방출하는 제 2 발광 재료, 제 3 파장 대역의 빛을 방출하는 제 3 발광 재료를 포함하며, 상기 발광층 내에서 제 1 내지 제 3 발광 재료가 함께 혼합되어 있는 발광 소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 구조체는, 제 1 전극층 및 상기 제 1 전극층 위에 배치된 제 1 캐리어 수송층을 포함하며, 상기 제 2 전극 구조체는 상기 발광층 위에 배치된 제 2 캐리어 수송층 및 상기 제 2 캐리어 수송층 위에 배치된 제 2 전극층을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전극층 중에서 하나는 반사 전극이고 다른 하나는 투명 전극인 발광 소자.
KR1020160032067A 2016-03-17 2016-03-17 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자 KR102607857B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160032067A KR102607857B1 (ko) 2016-03-17 2016-03-17 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자
US15/420,877 US10121983B2 (en) 2016-03-17 2017-01-31 Light-emitting device including nano particle having core shell structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160032067A KR102607857B1 (ko) 2016-03-17 2016-03-17 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170108342A KR20170108342A (ko) 2017-09-27
KR102607857B1 true KR102607857B1 (ko) 2023-11-29

Family

ID=59855343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160032067A KR102607857B1 (ko) 2016-03-17 2016-03-17 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10121983B2 (ko)
KR (1) KR102607857B1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109445225B (zh) 2017-08-24 2020-07-14 京东方科技集团股份有限公司 一种显示器件及显示装置
CN109494307B (zh) * 2017-09-12 2021-06-08 乐金显示有限公司 量子点发光二极管以及包括该量子点发光二极管的量子点显示设备
KR102444287B1 (ko) * 2017-11-15 2022-09-16 삼성전자주식회사 디스플레이 장치 및 그 제조방법
US20220019006A1 (en) * 2018-11-30 2022-01-20 Dic Corporation Color filter
CN110289353B (zh) * 2019-04-23 2022-07-19 武汉工程大学 以Au@CdS纳米颗粒钝化的钙钛矿光伏电池
CN111463354B (zh) * 2020-04-13 2022-11-08 Tcl华星光电技术有限公司 纳米粒子发光器件的制备方法和装置
KR102475882B1 (ko) * 2021-01-25 2022-12-07 홍익대학교 산학협력단 금속 합금 나노 입자의 제조 방법 및 이것을 포함하는 양자점 발광 소자

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013093317A (ja) * 2011-10-03 2013-05-16 Sumitomo Chemical Co Ltd 量子ドット発光素子
US20130200360A1 (en) * 2010-10-22 2013-08-08 Konica Minolta , Inc. Organic electroluminescent element
US20140203273A1 (en) * 2011-09-21 2014-07-24 Panasonic Corporation Organic electroluminescence element

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007035430A (ja) 2005-07-27 2007-02-08 Seiko Instruments Inc 有機発光素子
JP5312146B2 (ja) 2009-03-30 2013-10-09 ユー・ディー・シー アイルランド リミテッド 発光素子
KR101176510B1 (ko) 2010-09-02 2012-08-23 주식회사 큐디솔루션 양자점을 이용한 ｌｅｄ 램프 및 제조방법
KR101330045B1 (ko) * 2012-03-12 2013-11-18 한국과학기술원 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 공명을 이용하는 백색 발광 다이오드 소자
US20140008676A1 (en) * 2012-07-03 2014-01-09 Invensas Corporation Optical enhancement of light emitting devices
KR101328477B1 (ko) 2012-08-20 2013-11-13 포항공과대학교 산학협력단 유기발광다이오드의 제조방법
KR101440232B1 (ko) 2013-05-23 2014-09-12 삼성토탈 주식회사 이방성 금속 나노입자를 이용한 발광효율이 증대된 광변환 발광소자

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130200360A1 (en) * 2010-10-22 2013-08-08 Konica Minolta , Inc. Organic electroluminescent element
US20140203273A1 (en) * 2011-09-21 2014-07-24 Panasonic Corporation Organic electroluminescence element
JP2013093317A (ja) * 2011-10-03 2013-05-16 Sumitomo Chemical Co Ltd 量子ドット発光素子

Also Published As

Publication number Publication date
US10121983B2 (en) 2018-11-06
US20170271606A1 (en) 2017-09-21
KR20170108342A (ko) 2017-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102607857B1 (ko) 코어쉘 구조의 나노 입자를 포함하는 발광 소자
JP5243534B2 (ja) 光出力が改善されたエレクトロルミネッセンス・デバイス
CN106953020B (zh) 一种有机发光显示器件和有机发光显示装置
US7969085B2 (en) Color-change material layer
US20080278063A1 (en) Electroluminescent device having improved power distribution
WO2020030042A1 (zh) Oled显示基板及其制作方法、显示装置
KR101649237B1 (ko) 양자점 발광 소자 및 이를 이용한 조명 장치
US10600980B1 (en) Quantum dot light-emitting diode (LED) with roughened electrode
WO2019186896A1 (ja) 発光素子、発光デバイス、発光素子の製造方法、発光素子の製造装置
EP3255673B1 (en) Display substrate and manufacturing method thereof, and display device
US10367162B1 (en) Light-emitting device including optical cavity with low angular colour shift
US20180108871A1 (en) Manufacturing method for led display panel and led display panel
US11963390B2 (en) Light-emitting device and display apparatus including the same
JP2008251217A (ja) 有機エレクトロルミネセンス素子
US20170271552A1 (en) Light emitting element and display device including the same
US11417851B2 (en) Light-emitting element, light-emitting device, and device for producing light-emitting element
CN110048009B (zh) 一种qled器件及其制备方法、显示面板
WO2020174594A1 (ja) 発光デバイス、表示デバイス
WO2019010817A1 (zh) 主动发光显示面板及其制造方法
CN106856205B (zh) 有机发光显示器件及其制造方法、以及有机发光显示装置
CN112614956A (zh) 倒置qled器件、显示装置及制备方法
CN111224004A (zh) Oled显示面板和oled显示装置
KR101268534B1 (ko) 유기 발광 소자 및 유기 발광 소자 제조 방법
US11404504B2 (en) Display panel and method of manufacturing the same
WO2021053813A1 (ja) 表示デバイスおよび表示デバイスの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right