KR20090002787A - 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자 및 수광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 발광층을 포함하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자에 관한 것으로, 본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기의 조절에 의해 전자 또는 정공의 이동도를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 발광 영역을 선택할 수 있어 발광소자의 수명이 증가되며 제작공정이 용이하고 고효율, 고순도의 발광 또는 수광 특성을 시현할 수 있다.
트랜지스터, 소스 전극, 드레인 전극, 발광층, 양자점, 백라이트 유닛, 광검출소자
Description
본 발명은 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자 및 수광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 발광층, 전자수송층 및 정공수송층을 포함함으로써, 소자의 수명이 증가되며 제작공정이 용이하고 고효율, 고순도의 발광 또는 수광 특성을 갖는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자 및 수광소자에 관한 것이다.
전계발광소자(Electroluminescence Device)는 물질에 전계를 가하였을 경우 빛을 내는 현상을 이용한 소자로서, 발광층으로 주입된 전자와 정공이 엑시톤(exciton)을 형성한 후 재결합(recombination)에 의해 발광하게 되는데, 소자의 구동에 있어 그 크기를 줄이고 효율을 높이기 위해 트랜지스터 구동을 이용한 소자가 많이 사용되고 있다.
그러나 소자의 발광 부분과 이를 구동하는 트랜지스터의 부분이 서로 독립되 어 있어 소자의 전체적인 크기가 커지게 되고 제작공정이 용이하지 않은 문제가 있어, 최근에는 소자의 발광부와 구동부를 일체화시킨 발광소자가 연구되고 있다.
미국특허공개 제2005-0247924호는 연속적으로 하전된 나노결정 발광소자에 관한 것으로, 기판, 소스, 드레인, 채널부, 게이트 옥사이드 및 게이트 전극으로 이루어진 트랜지스터 구조를 포함하는 발광소자를 개시하고 있다. 상기 발광소자는 게이트 옥사이드 내에 하나 이상의 Si 나노결정을 포함함으로써 교류 구동에 의해 게이트 전극으로부터 주입된 전자와 정공이 만나서 엑시톤을 형성하여 발광하는 것이다. 이는 발광 소자와 구동부인 트랜지스터가 일체화된 구조이기는 하나, 정공수송층 및 전자수송층이 없어 정공 및 전자의 효과적인 주입이 어려울 뿐 아니라, 게이트 전극에 인가되는 전계의 조절을 통해 발광영역을 선택할 수 없어 소자의 수명이 단축되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로,
본 발명의 하나의 목적은 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 발광층을 포함함으로써 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기의 조절에 의해 전자 또는 정공의 이동도를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 발광 영역을 선택할 수 있어 발광소자의 수명이 증가되며 제작공정이 용이하고 고효율, 고순도의 발광 특성을 갖는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 채용한 디스플레이 소자, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등의 전자소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 수광층을 포함하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 채용한 디스플레이 소자, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등의 전자소자에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양상은 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 수광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자에 관한 것이다.
본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 트랜지스터 구조 상에 채널부로서 발광층, 전자수송층 및 정공수송층을 형성하는 구조로서, 소스 전극 또는 드레인 전극으로부터 수평 방향으로 전자 또는 정공이 주입되는바, 전자수송층이나 정공수송층의 두께나 물성의 제한 없이 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기를 조절함으로써 전자 또는 정공의 이동도를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 회로 자체에 흐르는 과전류를 제거하여 회로의 구동 시 안정성 면에서 유리하다. 또한, 게이트 전극의 전계를 변화시켜주면 발광 영역이 이동되는 바, 특정 영역에서의 발광 물질의 손실을 감소시킬 수 있어 소자의 수명이 증가되며, 기존의 트랜지스터 소자 위에 바로 제작이 가능한 바, 소자의 구동 시 부가적으로 필요한 회로나 칩의 수요를 줄일 수 있다. 또한, 발광층의 재료로서 양자점을 사용하는 경우에는 발광 효율 및 색순도 면에서 우수할 뿐 아니라, 효율 증대의 방법이 간편하여 높은 경제성을 나타낼 수 있다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
종래의 유기발광소자는 전자주입전극, 전자수송층, 발광층, 정공수송층, 정공주입전극을 순차적으로 포함하는 구조로서, 전자 또는 정공의 주입 전극과 각 층 의 구조가 수직 방향으로 형성되어 있는바, 전자 또는 정공의 주입 정도의 조절을 위해서는 전자수송층이나 정공수송층의 두께나 물성(이동도 또는 밴드갭 등)을 조절해 주어야 한다.
그러나 본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 트랜지스터 구조 상의 채널부에 발광층, 전자수송층 및 정공수송층을 포함하는 신규한 구조로서, 전자 또는 정공의 주입이 전자수송층 또는 정공수송층과 수평 방향으로 이루어지므로, 전자 또는 정공의 주입이 용이할 뿐 아니라, 전자수송층 또는 정공수송층의 두께나 물성을 제한할 필요가 없다는 이점이 있다. 이는 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기에 의해 조절될 수 있기 때문이다.
본 발명의 하나의 양상의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 발광층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 기판(1), 제 1 게이트 전극(2), 제 1 절연층(3), 소스 전극(4), 드레인 전극(5)을 포함하여 구성되고, 일반적으로 채널이 형성되는 상기 소스 전극(4)과 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 발광층(6)을 포함한다.
이러한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자에서 상기 소스 전극(4)과 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 발광층(6)을 형성하면, 게이트 전극(2)에 인가되는 전압의 세기를 조절함으로써 전자 또는 정공의 이동도를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 발광 영역을 선택할 수 있어 발광소자의 수명이 증가되며 고효율, 고순도의 발광 특성을 갖는 발광소자를 수득할 수 있다.
또한, 이러한 발광소자는 트랜지스터 소자 위에 바로 제작이 가능하므로, 소자의 구동 시 부가적으로 필요한 회로나 칩의 수요를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 기존의 트랜지스터 생산공정에 그대로 적용될 수 있으므로 대량생산 시 기존의 반도체 설비공정을 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다.
이 때, 상기 발광층(6)은 유기발광물질로 형성될 수 있는데, 상기 유기발광물질은 루브렌(rubrene), 안트라센(anthracene), 페릴렌(perylene), 쿠마린 (coumarin 6), 나일 레드(Nile Red), 방향족 다이아민 (aromatic diamine), TPD(N, N'-diphenyl-N,N'-bis-(3-methylphenyl)- 1,1'-biphenyl-4,4'-diamine), DCM(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl) H-pyran) 또는 상기 물질의 유도체; 폴리파라-페닐렌비닐렌계의 유도체, 폴리티오펜계의 유도체, 폴리파라-페닐렌계의 유도체 또는 폴리플로렌계 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 발광층(6)은 양자점 발광층일 수 있다. 양자점은 발광효율 및 색순도가 우수하여 기존의 발광체에 비해 발광 특성이 좋을 뿐 아니라, 무기물 자체의 열적 안정성이 좋아 소자의 안정성 및 수명을 향상시킨다.
본 발명에서 발광층 재료로 사용가능한 양자점은 II-VI족 화합물 반도체 나 노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정, IV-VI족 화합물 반도체 나노결정, IV족 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe을 포함하는 삼원소 화합물; 및 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP을 포함하는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 IV-VI족 화합물 반도체 나노결정은 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물; PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe을 포함하는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 IV족 화합물 반도체 나노결정은 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물; SiC, SiGe 등과 같은 이원소 화합물이 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
이 때, 상기 발광층(6)은 양자점과 바이폴라성 물질이 혼합된 형태일 수 있다. 양자점 자체는 절연 특성을 가지므로 전자나 정공이 효과적으로 주입되기 어려우나, 바이폴라성 물질과 혼합하여 사용함으로써 소스 전극 및 드레인 전극으로부터 전자 및 정공의 수송 효율을 높여 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소스 전극(4) 및 드레인 전극(5) 사이에 형성된 발광층(6)은 트랜지스터의 채널부로서의 기능을 하며, 제 1 게이트 전극(2)에 전압을 인가하면, 소스 전극(4)으로부터 발광층(6)으로 전자가 주입되고 드레인 전극(5)으로부터 발광층(6)으로 정공이 주입되어 엑시톤을 형성한 후 재결합에 의해 화살표 방향으로 발광이 일어나게 된다.
상기 바이폴라성 물질은 구리 프탈로시아닌(copper pthalocyanine)과 같은 바이폴라 모노머(bipolar monomer) 및 폴리아닐린(polyaniline)과 같은 바이폴라 폴리머(bipolar polymer) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 기판(1)은 트랜지스터에 통상적으로 이용되는 기판으로서 유리 기판, 실리콘 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 상기 제 1 게이트 전극(2)은 Al, Au, Ag, In, Sn, Mg, Ca, Pt, Ba, Ni 및 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 소스 전극(4) 및 드레인 전극(5)은 Ti, Pd, Cr, Al, Au, Ag, In, Sn, Mg, Ca, Pt, Ba, Ni, Zn 및 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 구현예의 발광소자는 상기 발광층 위에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 도 2에 도시하였다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 구현예의 발광소자는 기판(1), 제 1 게이트 전극(2), 제 1 절연층(3), 소스 전극(4), 드레인 전극(5)을 포함하는 트랜지스터 구조에 있어서, 상기 소스 전극(4)과 상기 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 발광층(6)을 포함하고, 상기 발광층(6) 위에 전자수송층(7)을 포함할 수 있다.
상기 전자수송층(7)은 전자를 효과적으로 수송할 수 있는 임의의 물질로 구성될 수 있는데, 이는 TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3,Y2O3 및 ZrSiO4을 포함하는 금속산화물; 및 CdS, ZnSe, ZnS을 포함하는 밴드갭 2.4eV 이상의 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
이러한 구조의 소자에서는 상기 소스 전극(4)으로부터 드레인 전극(5)으로 전자가 수송되고, 드레인 전극(5)으로부터 발광층(6)으로 정공이 주입되게 된다. 이 때, 제 1 게이트 전극(2)에 (+) 전압을 인가하면, 소스 전극(4)으로부터 드레인 전극(5)으로 수송되던 전자가 제 1 게이트 전극(2)쪽으로 밀려오게 되어 발광층(6)으로의 주입이 이루어지게 된다. 이렇게 하여 전자와 정공이 발광층(6)에서 엑시톤을 형성한 후 재결합에 의해 화살표 방향으로 발광이 일어나게 된다.
이 때, 전자수송층(7)을 통한 전자의 이동도가 발광층(6)을 통한 정공의 이동도보다 빠르므로, 발광 영역이 정공이 주입되는 드레인 전극(5) 근처에서 형성되게 되는데, 이 경우 여기된 엑시톤들이 다시 드레인 전극(5)으로 빠져나가는 퀀칭(quenching) 현상이 일어나 효율이 저하될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 제 1 게이트 전극(2)에 인가되는 전압의 세기를 높일 경우, 채널부의 기능을 하는 전자수송층(7)에서 발광층(6)으로의 전자의 주입이 더 빨리 이루어져 발광 영역이 드레인 전극(5)과 더 멀리 떨어진 곳에 형성되므로, 퀀칭(quenching) 현상을 방지할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 상기 제 1 게이트 전극(2)에 인가되는 전압의 세기의 조절을 통해 발광 영역을 선택할 수 있게 되는 것이다. 즉, 게이트 전극(2)의 전계를 이용해 전자와 정공이 재결합되는 영역(recombination zone)을 특정 영역으로 한정함으로써 발광 영역을 선택할 수 있을 뿐 아니라, 회로 자체에 흐르는 과전류를 제거하여 회로의 구동 시 안정성 면에서 유리한 이점이 있다.
본 발명에 의한 또 다른 구현예는, 도 2에 도시한 소자에 있어서, 전자수송층(7) 대신에 정공수송층을 포함할 수 있다. 이 경우는 드레인 전극으로부터 정공수송층으로 주입된 정공이 제 1 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 밀려들어와 발 광층으로 주입되어, 소스 전극으로부터 주입된 전자와 만나 엑시톤을 형성하고 이들의 재결합에 의해 발광이 일어나게 된다. 이때는 상기와 달리, 정공의 이동도가 전자의 이동도보다 빠르므로, 소스 전극 근처에서 발광영역이 형성되나, 마찬가지로 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기의 조절을 통해 발광 영역을 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 상기 제 1 절연층과 상기 발광층 사이에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 도 3에 도시하였다.
도 3을 참고하면, 이러한 구현예의 발광소자는 기판(1), 제 1 게이트 전극(2), 제 1 절연층(3), 소스 전극(4), 드레인 전극(5)을 포함하는 트랜지스터 구조에 있어서, 상기 소스 전극(4)과 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 발광층(6)을 포함하고, 상기 제 1 절연층(3)과 상기 발광층(6) 사이에 정공수송층(8)을 포함한다.
상기 정공수송층(8)은 정공을 효과적으로 주입하기 위해 공정 용이도 및 신뢰성 등이 고려된 물질이 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 정공수송층(8)은 폴리 3,4-에틸렌디오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene, PEDOT)/폴리스티렌파라술포네이트(polystyrene parasulfonate, PSS), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리파라페닐렌 (polyparaphenylene), 폴리메타크릴레이트(polymethaacrylate), 폴리 9,9-옥틸플루오렌(poly(9,9-octylfluorene), 폴리 스파이로-플루오렌 (poly(spiro-fluorene), N,N'-디페닐-N,N'-비스 3-메틸페닐-1,1'-비페닐-4,4'-디아민(TPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N-N'-디페닐-벤지딘, 트리스(3-메틸페닐페닐아미노)-트리페닐아민 (m-MTDATA), 폴리 9,9'-디옥틸플루오렌-co-N-(4-부틸페닐)디페닐아민(TFB), 구리프탈로시아닌(Copper phthalocyanine), 폴리비닐카르바졸(polyvinylcarbazole, PVK) 및 이들의 유도체; 스타버스트 계열의 물질; TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3 및 ZrSiO4을 포함하는 금속산화물; 및 CdS, ZnSe, ZnS를 포함하는 반도체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
이 때, 상기 정공수송층(8)은 p-형 물질을 만들기 위해 도펀트를 사용하여 도핑된 물질을 이용할 수 있으며, 특별히 제한되지는 않으나 일례로 도펀트로서 질소(Nitrogen)를 사용하여 ZnO을 도핑하여 정공수송층으로 사용할 수도 있는데, 이 경우는 상기 정공수송층(8)의 정공수송 기능이 향상될 수 있다.
이러한 발광소자에서 상기 정공수송층(8)에서 드레인 전극(5)으로부터 소스 전극(4)으로 정공이 수송되고, 소스 전극(4)으로부터 발광층(6)으로 전자가 주입되게 된다. 이 때, 제 1 게이트 전극(2)에 (+) 전압을 인가하면, 드레인 전극(5)으로부터 소스 전극(4)으로 수송되던 정공이 발광층(6) 쪽으로 밀려가게 되어 발광층(6)으로의 주입이 이루어지게 된다. 이렇게 하여 전자와 정공이 발광층(6)에서 엑시톤을 형성한 후 재결합에 의해 화살표 방향으로 발광이 일어나게 된다.
이 경우에도, 상기 제 1 게이트 전극(2)에 인가되는 전압의 세기의 조절을 통해 발광 영역을 선택할 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 구현예는, 도 3에 도시한 소자에 있어서, 정공수송층(8) 대신에 전자수송층을 포함할 수 있다. 이 경우는 소스 전극으로부터 전자수송층으로 주입된 전자가 제 1 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 밀려들어와 발광층으로 주입되어, 드레인 전극으로부터 주입된 정공과 만나 엑시톤을 형성하고 이들의 재결합에 의해 발광이 일어나게 되고, 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기의 조절을 통해 발광 영역을 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 상기 발광층의 일측에 전자수송층 또는 정공수송층을 포함하고, 상기 제 1 절연층과 발광층 사이에 정공수송층 또는 전자수송층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 도 4에 도시하였다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 또 다른 구현예의 발광소자는 기판(1), 제 1 게이트 전극(2), 제 1 절연층(3), 소스 전극(4), 드레인 전극(5)을 포함하는 트랜지스터 구조에 있어서, 상기 소스 전극(4)과 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 정공수송층(8), 발광층(6) 및 전자수송층(7)을 포함한다.
이러한 경우의 발광소자에서는 전자와 정공의 이동도가 비슷하여 발광층(6)의 중앙부분에서 화살표 방향으로 발광이 일어나게 된다. 이 때, 제 1 게이트 전극(2)에 (+) 전압을 인가하고 그 전압의 세기를 증가시키면 정공수송층(8)에서 드레인 전극(5)으로부터 소스 전극(4)으로 이동하던 정공이 밀려나가 드레인 전극(5) 근처에서 발광층(6)으로 주입되고, 전자수송층(7)에서 소스 전극(4)으로부터 드레 인 전극(5)으로 이동하던 전자는 게이트 전극(2)의 전계의 영향으로 좀더 멀리 이동하다가 발광층(6)으로 주입되는바, 발광이 일어나는 영역을 드레인 전극(5) 근처로 조절할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 상기 발광층 위에 형성된 전자수송층 또는 정공수송층 위에 형성된 제 2 절연층 및 상기 제 2 절연층 위에 형성된 제 2 게이트 전극을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 도 5에 도시하였다.
도 5를 참고하면, 이러한 구현예의 발광소자는 기판(1), 제 1 게이트 전극(2), 제 1 절연층(3), 소스 전극(4), 드레인 전극(5)을 포함하는 트랜지스터 구조에 있어서, 상기 소스 전극(4)과 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 차례로 적층된 정공수송층(8), 발광층(6), 전자수송층(7) 및 제 2 절연층(3')을 포함하고, 상기 제 2 절연층(3') 위에 제 2 게이트 전극(2')을 포함하는 구조로 되어 있다.
상기 제 2 게이트 전극(2')은 발광소자의 발광 영역을 조절해 주는 제 1 게이트 전극(2)의 기능을 강화하기 위해 사용되는 것이나, 발광이 이루어지는 방향인바, 투명한 전극을 이용해야 할 것이다.
이러한 제 2 게이트 전극(2')은 ITO (Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO, 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir), 이들의 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
도 6은 상기 도 5에 도시된 소자의 동작을 설명하기 위한 도면으로 도 6을 참고하면, 전자수송층(7)에서 이동하는 전자와 정공수송층(8)에서 이동하는 정공이 제 1 게이트 전극(2) 및 제 2 게이트 전극(2')에 인가되는 전계의 영향으로 발광층(6)으로 주입되어 화살표 방향으로 발광이 일어나게 된다. 이 때, 상기에서 설명한 바와 같이, 각 게이트 전극(2, 2')에 인가되는 전압의 세기에 따라 발광 영역을 선택할 수 있다.
소자의 구동은 일반적으로 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전위 방향이 일정한 직류 구동으로 이루어지나, 상기 본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 구현예들 중 정공수송층과 전자수송층을 모두 포함하는 소자의 경우에는 교류 규동도 가능하다. 교류 구동의 경우는 소자의 구조가 간단해져 제작이 용이한 이점이 있다.
본 발명의 또 다른 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는, 상기 정공수송층 또는 전자수송층은 그의 정공 또는 전자 주입 방향의 반대편 말단에 상기 소스 전극 또는 드레인 전극과 인접하여 절연 물질로 형성된 차단부를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 구현예의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 도 7에 도시하였다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 기판(1), 제 1 게이트 전극(2), 제 1 절연층(3), 소스 전극(4), 드레인 전극(5)을 포함하는 트랜지스터 구조에 있어서, 상기 소스 전극(4)과 드레인 전극(5) 사이에 그와 수평 방향으로 차례로 적층된 정공수송층(8), 발광층(6), 전자수송층(7) 및 제 2 절연 층(3')을 포함하고, 상기 제 2 절연층(3') 위에 제 2 게이트 전극(2')을 포함하는 구조로 되어 있는데, 상기 전자수송층(7)의 전자 주입 방향의 반대편 말단에 드레인 전극(5)과 인접하여 절연 물질로 형성된 차단부를 포함하고, 상기 정공수송층(8)의 정공 주입 방향의 반대편 말단에 소스 전극(4)과 인접하여 절연 물질로 형성된 차단부를 포함할 수 있다. 상기 차단부는 상기 제 1 절연층(3) 또는 제 2 절연층(3')을 수직 방향으로 연장해서 형성될 수 있으며, 이를 화살표로 도시하였다.
도 8은 상기 도 7에 도시된 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 소자에 형성된 차단부에 의해서 전자수송층(7) 및 정공수송층(8)의 일말단을 절연 물질에 의해 소스 전극(4) 또는 드레인 전극(5)으로부터 단락시키는 경우, 여분의 전자 또는 정공이 반대편 전극으로 빠져나가는 현상을 방지함으로써 소자의 발광 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 구현 예들 중 전자수송층이나 정공수송층을 포함하는 소자의 경우는 그 전자 또는 정공의 주입 방향과 반대 방향이면서 반대편 전극과 인접하는 지점에 절연 물질로 차단부를 형성하여 소자의 효율을 높일 수 있는데, 이러한 구현예들을 도 9 및 도 10에 도시하였다.
도 9 및 도 10을 참고하면, "x(화살표)"로 표시한 것은 전자 또는 정공 주입 전극과 반대편 전극인 소스 전극(4) 또는 드레인 전극(5)으로 전자나 정공이 이동할 수 없음을 나타내며, 이로써 전류의 누설(leakage current)을 줄일 수 있어 소자의 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 차단부는 제 1 절연층(3) 또는 제 2 절연층(3')과 일체로 형성될 수 있 다.
본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자에 적층되는 상기 제 1 절연층(3) 및 제 2 절연층(3')은 절연물질로 사용될 수 있는 물질이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 무기 절연물질로는 SiO2, LiF, BaF2 , TiO2, ZnO, SiC, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3, ZrSiO4, Si3N4, TiN 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 제 1 절연층(3) 및 제 2 절연층(3')은 유기 절연물질로 구성될 수 있는데, 이러한 유기 절연물질로는 에폭시수지, 페놀수지를 포함하는 폴리머, 3-(4-바이페닐일)-4-페닐-5-터셔리-부틸페닐-1,2,4-트리아졸(TAZ), 3,4,5-트리페닐-1,2,4-트리아졸,3,5-비스(4-터셔리-부틸페닐)-4-페닐-1,2,4-트리아졸 및 아라키딘산(arachidic acid), 스테아린산을 포함하는 지방산 단량체 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 효율적인 전자 주입과 전면 발광이 이루어짐으로써 디스플레이 장치, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등과 같은 전자소자에 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자는 바이어스를 다르게 하면 수광 특성을 나타내는바, 태양 전지(solar cell), 광검출소자(photodetector) 및 센서(sensor) 등의 수광소자에 유용하게 적용될 수 있다.
이러한 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자의 하나의 양상은 기 판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 수광층을 포함한다.
또한, 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자의 다른 구현예는 상기 수광층 위에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자의 또 다른 구현예는 상기 제 1 절연층과 상기 수광층 사이에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자의 또 다른 구현예는 상기 수광층의 일측에 전자수송층 또는 정공수송층을 포함하고, 상기 제 1 절연층과 발광층 사이에 정공수송층 또는 전자수송층을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자의 또 다른 구현예는 상기 수광층 위에 형성된 전자수송층 또는 정공수송층 위에 형성된 제 2 절연층 및 상기 제 2 절연층 위에 형성된 제 2 게이트 전극을 추가로 포함한다.
또한, 본 발명의 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자의 또 다른 구현예는 상기 정공수송층 또는 전자수송층은 그의 정공 또는 전자 주입 방향의 반대편 말단에 상기 소스 전극 또는 드레인 전극과 인접하여 절연 물질로 형성된 차단부를 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 6은 도 5의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 동작을 설명하기 위한 단면 모식도,
도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 8은 도 7의 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 동작을 설명하기 위한 단면 모식도,
도 9는 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자의 단면 개략도,
도 10은 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 트랜지스터 구조를 이용한 발광소 자의 단면 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 기판
2: 제 1 게이트 전극 2': 제 2 게이트 전극
3: 제 1 절연층 3': 제 2 절연층
4: 소스 전극 5: 드레인 전극
6: 발광층
7: 전자수송층 8: 정공수송층
Claims (26)
- 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소자가 상기 발광층 위에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소자가 상기 제 1 절연층과 상기 발광층 사이에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소자가 상기 발광층의 일측에 전자수송층 또는 정공수송층을 포함하고, 상기 제 1 절연층과 발광층 사이에 정공수송층 또는 전자수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 4 항에 있어서, 상기 소자가 상기 발광층 위에 형성된 전자수송층 또는 정공수송층 위에 형성된 제 2 절연층 및 상기 제 2 절연층 위에 형성된 제 2 게이트 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정공수송층 또는 전자수송층은 그의 정공 또는 전자 주입 방향의 반대편 말단에 상기 소스 전극 또는 드레인 전극과 인접하여 절연 물질로 형성된 차단부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 차단부는 제 1 절연층 또는 제 2 절연층과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 절연층 및 제 2 절연층은 무기 절연물질 또는 유기 절연물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 무기 절연물질은 SiO2, LiF, BaF2 , TiO2, ZnO, SiC, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3, ZrSiO4 , Si3N4 , TiN 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 유기 절연물질은 에폭시수지, 페놀수지를 포함하는 폴리머, 3-(4-바이페닐일)-4-페닐-5-터셔리-부틸페닐-1,2,4-트리아졸(TAZ), 3,4,5-트리페닐-1,2,4-트리아졸,3,5-비스(4-터셔리-부틸페닐)-4-페닐-1,2,4-트리아졸 및 아라키딘산(arachidic acid), 스테아린산을 포함하는 지방산 단량체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발광층은 유기발광물질로 형성되고, 상기 유기발광물질은 루브렌(rubrene), 안트라센(anthracene), 페릴렌(perylene), 쿠마린 (coumarin 6), 나일 레드(Nile Red), 방향족 다이아민 (aromatic diamine), TPD(N, N'-diphenyl-N,N'-bis-(3-methylphenyl)- 1,1'-biphenyl-4,4'-diamine), DCM(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl) H-pyran) 또는 상기 물질의 유도체; 폴리파라-페닐렌비닐렌계의 유도체, 폴리티오펜계의 유도체, 폴리파라-페닐렌계의 유도체 또는 폴리플로렌계 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발광층은 양자점 발광층이고, 상기 양자점 발광층은 II-VI족 화합물 반도체 나노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정, IV-VI족 화합물 반도체 나노결정, IV족 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 12 항에 있어서, 상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe을 포함하는 삼원소 화합물; 및 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되며,상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP을 포함하는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되고,상기 IV-VI족 화합물 반도체 나노결정은 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물; PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe을 포함하는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되며,상기 IV족 화합물 반도체 나노결정은 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물; SiC, SiGe을 포함하는 이원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 발광층은 양자점과 바이폴라성 물질이 혼합된 형태인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 14 항에 있어서, 상기 바이폴라성 물질은 구리 프탈로시아닌(copper pthalocyanine)과 같은 바이폴라 모노머(bipolar monomer) 및 폴리아닐린(polyaniline)과 같은 바이폴라 폴리머(bipolar polymer)로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정공수송층은 폴리 3,4-에틸렌디오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene, PEDOT)/폴리 스티렌파라술포네이트(polystyrene parasulfonate, PSS), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리파라페닐렌 (polyparaphenylene), 폴리메타크릴레이트(polymethaacrylate), 폴리 9,9-옥틸플루오렌(poly(9,9-octylfluorene), 폴리 스파이로-플루오렌 (poly(spiro-fluorene), N,N'-디페닐-N,N'-비스 3-메틸페닐-1,1'-비페닐-4,4'-디아민(TPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N-N'-디페닐-벤지딘, 트리스(3-메틸페닐페닐아미노)-트리페닐아민 (m-MTDATA), 폴리 9,9'-디옥틸플루오렌-co-N-(4-부틸페닐)디페닐아민(TFB), 구리프탈로시아닌(Copper phthalocyanine), 폴리비닐카르바졸(polyvinylcarbazole, PVK) 및 이들의 유도체; 스타버스트 계열의 물질; TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3 및 ZrSiO4을 포함하는 금속산화물; 및 CdS, ZnSe, ZnS를 포함하는 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자수송층은 TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3,Y2O3 및 ZrSiO4을 포함하는 금속산화물; 및 CdS, ZnSe, ZnS을 포함하는 밴드갭 2.4eV 이상의 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 트랜지스터 구조를 이용한 발광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자.
- 제 18 항에 있어서, 상기 전자소자가 디스플레이 소자, 조명 장치, 백라이트 유닛 또는 면발광 소자인 것을 특징으로 하는 전자소자.
- 기판, 제 1 게이트 전극, 제 1 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 포함하고, 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 그와 수평 방향으로 형성된 수광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
- 제 20 항에 있어서, 상기 소자가 상기 수광층 위에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
- 제 20 항에 있어서, 상기 소자가 상기 제 1 절연층과 상기 수광층 사이에 전자수송층 또는 정공수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
- 제 20 항에 있어서, 상기 소자가 상기 수광층의 일측에 전자수송층 또는 정공수송층을 포함하고, 상기 제 1 절연층과 수광층 사이에 정공수송층 또는 전자수송층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
- 제 23 항에 있어서, 상기 소자가 상기 수광층 위에 형성된 전자수송층 또는 정공수송층 위에 형성된 제 2 절연층 및 상기 제 2 절연층 위에 형성된 제 2 게이트 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
- 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정공수송층 또는 전자수송층은 그의 정공 또는 전자 주입 방향의 반대편 말단에 상기 소스 전극 또는 드레인 전극과 인접하여 절연 물질로 형성된 차단부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
- 제 20 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수광소자는 태양 전지(solar cell), 광검출소자(photodetector) 또는 센서(sensor)인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조를 이용한 수광소자.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20090108 Effective date: 20100325 |