KR20110127897A - 양자점 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

양자점 발광 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전하수송입자와 양자점으로 구성된 양자발광층 및 전하수송층을 용액 공정(Solution process)으로 형성한 양자점 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 양자점 발광 소자는 기판과; 상기 기판 상에 형성된 양극과; 상기 양극 상에 형성되며 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층; 및 상기 양자 발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어진다.

Description

양자점 발광 소자 및 이의 제조 방법{QUANTUM-DOT LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD FOR FABRICATION THE SAME}
본 발명은 양자점 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 전하수송입자와 양자점으로 구성된 양자발광층 및 전하수송층을 용액 공정(Solution process)으로 형성하여 공정 비용을 줄이고, 소자의 구조가 단순한 고효율 양자점 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
양자점(QD:Quantum Dot)은 반도체 나노입자이다. 나노미터 크기의 양자점은 불안정한 상태의 전자가 전도대에서 가전자대로 내려오면서 발광하는데, 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 발생한다. 이는 기존의 반도체 물질과 다른 독특한 전기적 광학적 특성이다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선을 표현하고, 여러 크기의 양자점을 이용하여 다양한 색을 동시에 구현할 수도 있다.
양자점 발광 소자는 유기 발광 표시 소자와 비교하여 보면, 발광층의 재료로 유기 발광 재료 대신 양자점을 이용하는 표시 소자이다. 유기 발광 재료를 사용하는 유기 발광 다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diode)는 소자의 종류에 따라 백색, 적색, 청색 등 단일색을 구현하는데, 많은 빛을 화려하게 표현하기에는 한계가 있다. 이에 반해 양자점 발광 소자는 양자점의 크기를 제어하여 원하는 천연색을 구현할 수 있으며, 색재현율이 좋고 휘도 또한 발광다이오드에 뒤쳐지지 않아 차세대 광원으로 주목받는 발광다이오드의 단점을 보완할 수 있는 소재로 각광받고 있다.
이하, 일반적인 양자점 발광 소자의 구조를 설명한다.
도 1은 일반적인 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 양자점 발광 소자는 기판(100) 상에 서로 대향된 양극(10)과 음극(50)이 형성되고, 상기 양극(10)과 음극(50) 사이에 복수개의 양자점(31)들을 포함한 양자 발광층(30)이 형성되어 이루어진다. 상기 양극(10) 상에 정공수송입자들로 구성된 정공수송층(20)이 형성되고, 상기 정공수송층(20) 상에 상기 양자 발광층(30)이 형성된다. 상기 양자 발광층(30) 상에 전자수송입자들로 구성된 전자수송층(40)과 상기 음극(50)이 차례로 형성된다.
상기 정공수송층(20)은 양극(10)에서 양자 발광층(30)의 양자점(31)으로 정공을 수송 및 주입한다. 마찬가지로 음극(50)을 통해 주입된 전자는 전자수송층(40)을 통해 양자 발광층(30)의 양자점(31)으로 주입된다.
그런데, 상기와 같은 일반적인 양자점 발광 소자는 전극 외에 4개 이상의 층으로 이루어져 소자의 구조가 복잡하며, 또한, 양자 발광층(30)을 제외한 대부분의 층을 진공 증착 공정으로 형성하므로, 이와 같은 양자점 발광 소자 형성을 위한 공정 챔버를 더 구비하여야 하므로, 양자점 발광 소자의 제조 비용이 증가하는 문제가 있으며, 이로써 공정 시간이 증가하는 문제점도 수반된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전하수송입자들과 양자점을 용매에 분산시켜 용액 공정(Solution process)으로 양자발광층 및 전하수송층을 형성하여 소자의 구조를 단순화하고, 양자점 발광 소자의 제조 비용을 절감하는데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자점 발광 소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성되며 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층; 및 상기 양자 발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 전하수송입자는 산화물 나노 입자이다.
상기 양자점은 직경이 2㎚ 내지 20㎚인 것을 특징으로 한다.
상기 양자점은 2-6족 또는 3-5족 화합물 반도체로 이루어진다.
상기 산화물 나노 입자는 직경이 1㎚ 내지 100㎚인 것을 특징으로 한다.
상기 산화물 나노 입자는 P-타입 반도체 나노 입자인 것을 특징으로 한다.
상기 P-타입 반도체 나노 입자는 NiOx(Nickel Oxide), VOx(Vanadium oxide), MoOx(Molybdenum Oxide), CrOx(Chrome Oxide), BOx(Barium Oxide) 중 선택되어 이루어진다.
상기 양자발광층 상에 형성되며 N-타입 반도체 나노 입자로 구성되는 전자수송층을 더 포함한다.
상기 산화물 나노 입자는 N-타입 반도체 나노 입자인 것을 특징으로 한다.
상기 N-타입 반도체 나노 입자는 TiO2(Titanium dioxide), ZnO(Zinc oxide), InOx(Indium oxide), Al2O3(Aluminium oxide), ZrOx(Zirconium oxide), SnOx(Tin oxide), WOx(Tungsten oxide) 중 선택되어 이루어진다.
상기 양극 상에 형성되며 P-타입 반도체 나노 입자로 구성되는 정공수송층을 더 포함한다.
상기 산화물 나노 입자는 P-타입 반도체 나노 입자와 N-타입 반도체 나노 입자를 모두 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 동일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자점 발광 소자의 제조 방법은 기판 상에 형성된 양극을 형성하는 단계; 상기 양극 상에 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층을 형성하는 단계; 및 상기 양자 발광층 상에 음극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 전하수송입자는 산화물 나노 입자이다.
상기 양자발광층을 형성하는 단계는 상기 전하수송입자와 상기 양자점을 용매에 분산시켜 액상으로 코팅하는 용액 공정(Solution process)으로 형성된다.
상기 용액 공정은 잉크젯(Inkjet) 방식, 스핀 코팅(Spin Coating) 방식, 노즐 코팅(Nozzle Coating) 방식, 스프레이 코팅(Spray Coating) 방식 및 슬릿 코팅(Slit Coating) 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 용매는 H2O 또는 유기 용매이다.
상기와 같은 본 발명의 양자점 발광 소자는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전하수송입자와 양자점이 용매에 분산된 혼합물로 양자발광층이 이루어져 양자점 발광 소자의 구조가 3층 이하로 단순해져 수율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 상기 양자발광층과 전하수송층을 용액 공정(Solution process)으로 형성하여 소자 제조 비용을 절감할 수 있다. 특히, 액정 표시 장치의 기타 평판 표시 장치의 공정 라인을 적용하여 양자점 발광 소자를 형성할 수 있다.
도 1은 일반적인 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
본 발명에 따른 양자점 발광 소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 양극과, 상기 양극 상에 형성되며 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층 및 상기 양자발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어진다.
여기서, 전하수송입자는 산화물 나노 입자에서 선택되어 이루어지며, 상기 전하수송입자는 정공수송층 또한 전자수송층의 기능을 한다.
상기 전하수송입자가 P-타입 반도체 나노 입자면, 상기 양자발광층 상에 N-타입 반도체 나노 입자로 구성된 전자수송층을 더 형성하고, 상기 전하수송입자가 N-타입 반도체 나노 입자면, 상기 양극 P-타입 반도체 나노 입자로 구성된 정공수송층을 더 형성한다.
또한, 상기 전하수송입자는 P-타입 반도체 나노 입자와 N-타입 반도체 나노 입자 일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 양자점 발광 소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
* 제 1 실시예 *
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(210)과, 상기 양극(210) 상에 형성된 P-타입 반도체 나노 입자(220)와 양자점(231)이 혼합된 양자발광층(230)과, 상기 양자발광층(230) 상에 형성된 음극(250)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 양자발광층(230)과 상기 음극(250) 사이에 전자수송층(240a)이 더 형성될 수 있다.
상기 기판(200)의 종류는 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하며, 유리기판, 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판 등이 가능하다. 상기 양극(210)은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide), 아연 산화물(Zinc Oxide), 인듐 산화물(Indium Oxide), 주석 산화물(Tin Oxide), 인듐 아연 산화물(Indium Tin Oxide)로부터 선택되는 투명 전극으로 이루어지며, 상기 음극(250)은 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 바륨(Ba) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 이루어진다.
또한, 상기 양자점(231)은 직경이 2㎚ 내지 20㎚ 이며, 코어(미도시)와 쉘(미도시)로 이루어지며, 쉘의 밴드갭 에너지가 상기 코어보다 크다.
상기 양자점(231)은 카드뮴셀레나이드(CdSe), 카드뮴설파이드(CdS), 카드뮴텔레라이드(CdTe), 징크셀레나이드(ZnSe), 징크텔레라이드(ZnTe), 징크설파이드(ZnS), 머큐리텔레라이드(HgTe)와 같은 2-6족 반도체 화합물 또는, 인듐 아세나이드(InAs), 인듐 포스파이드(InP)와 같은 3-5족 반도체 화합물 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 P-타입 반도체 나노 입자(220)와 N-타입 반도체 나노 입자(240)는 직경이 10㎚ 내지 100㎚ 이며, 상기 P-타입 반도체 나노 입자(220)는 NiOx(Nickel Oxide), VOx(Vanadium oxide), MoOx(Molybdenum Oxide), CrOx(Chrome Oxide), BOx(Barium Oxide) 등의 산화물 나노 입자 중 선택되어 이루어지며, 상기 N-타입 반도체 나노 입자(240)는 TiO2(Titanium dioxide), ZnO(Zinc oxide), InOx(Indium oxide), Al2O3(Aluminium oxide), ZrOx(Zirconium oxide), SnOx(Tin oxide), WOx(Tungsten oxide) 등의 산화물 나노 입자 중 선택되어 이루어진다.
상기 P-타입 반도체 나노 입자(220)는 상기 양자점(231)으로 정공을 수송하며, 상기 N-타입 반도체 나노 입자(240)는 상기 양자점(231)으로 전자를 수송한다.
상기 양자발광층(230)은 상기 P-타입 반도체 나노 입자(220)와 양자점(231)이 혼합된 구조이며, 상기 양자발광층(230) 상에 상기 N-타입 반도체 나노 입자(240)로 구성된 전자수송층(240a)이 형성된다.
상기와 같은 제 1 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 P-타입 반도체 나노 입자와 양자점을 혼합하여 양자발광층을 형성하여, 일반적인 양자 발광 소자에 비해 소자의 구조가 단순하여 소자의 불량 가능성이 감소되며, 상기 양자발광층과 전자수송층을 용액 공정으로 형성하여 소자 제조 비용을 절감할 수 있다.
* 제 2 실시예 *
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
이때, 여기서 중복된 설명을 피하기 위해, 앞서 설명한 도 2의 설명과 동일한 역할을 하는 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 특징적인 내용만을 살펴보도록 하겠다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(210)과, 상기 양극(210) 상에 형성된 N-타입 반도체 나노 입자(240)와 양자점(231)이 혼합된 양자발광층(330)과, 상기 양자발광층(330) 상에 형성된 음극(250)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 양자발광층(330)과 상기 양극(210) 사이에 정공수송층(220a)이 더 형성될 수 있다.
* 제 3 실시예 *
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 단면도이다.
이때, 여기서 중복된 설명을 피하기 위해, 앞서 설명한 도 2의 설명과 동일한 역할을 하는 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 특징적인 내용만을 살펴보도록 하겠다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 기판(200)과, 상기 기판(200) 상에 형성된 양극(210)과, 상기 양극(210) 상에 형성된 N-타입 반도체 나노 입자(240), P-타입 반도체 나노 입자(220) 및 양자점(231)이 혼합된 양자발광층(430)과, 상기 양자발광층(430) 상에 형성된 음극(250)을 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 양자점 발광 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 양자점 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5a 내지 도 5b과 같이, 기판 상에 양극을 형성하고, 상기 양극 상에 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층을 형성한다.
이때, 도 5a와 같이, 상기 전하수송입자와 상기 양자점을 제 1 용매(미도시)에 분산시킨 양자발광 액상 물질(230a)을 용액 공정(Solution process)으로 상기 양극 상에 코팅하고, 도 5b과 같이 상기 제 1 용매가 휘발 되어 양자발광층(230)이 형성된다.
한편, 상기 전하수송입자는 P-타입 반도체 나노 입자 또는 N-타입 반도체 나노 입자이며, 상기 전하수송입자가 P-타입 반도체 나노 입자면, 도 5c과 같이, 상기 양자발광층(230) 상에 N-타입 반도체 나노 입자를 제 2 용매(미도시)에 분산시킨 전자수송 액상 물질(240b)을 용액 공정으로 형성한다.
상기 용액 공정은 잉크젯(Inkjet) 방식, 스핀 코팅(Spin Coating) 방식, 노즐 코팅(Nozzle Coating) 방식, 스프레이 코팅(Spray Coating) 방식 및 슬릿 코팅(Slit Coating) 방식 중 선택된 하나이다.
이어, 도 5d과 같이, 상기 제 2 용매가 휘발 되어 전자수송층(240a)이 형성되며, 도 5e와 같이, 상기 전자수송층(240a) 상에 음극을 형성한다.
상기 제 1 용매(미도시)와 제 2 용매(미도시)는 H2O 또는 헥세인(Hexane), 클로로포름(Chloroform) 및 톨루엔(Toluene)과 같은 다양한 유기 용매로, 상기 제 1 용매(미도시)가 H2O이면, 상기 제 2 용매(미도시)는 유기 용매이며, 상기 제 1 용매(미도시)가 유기 용매이면, 상기 제 2 용매(미도시)는 H2O 이다.
즉, 적층하는 서로 다른 층을 손상 없이 형성하기 위해, 각각 서로 다른 층에 다른 특성의 용매를 사용한다.
상기와 같이 양자발광층(230)과 전자수송층(240a)은 서로 다른 용매를 사용하여, 상기 N-타입 반도체 나노 입자(240)를 용매에 분산시켜 상기 양자발광층(230) 상에 코팅하여도 상기 양자발광층(230)은 손상을 입지 않는다.
그리고, 본 발명의 제 2 실시예와 같이 상기 전하수송입자가 N-타입 반도체 나노 입자면, 상기 N-타입 반도체 나노 입자와 양자점으로 구성된 양자발광층과 P-타입 반도체 나노 입자로 구성된 정공 수송층을 용액 공정으로 형성하며, 상기 N-타입 반도체 나노 입자와 양자점이 분산된 용매와, P-타입 반도체 나노 입자가 분산된 용매는 상기와 같이 다른 특성의 용매이다.
또한, 본 발명의 제 3 실시예와 같이 N-타입 반도체 나노 입자, P-타입 반도체 나노 입자 및 양자점으로 구성된 양자발광층도 용액 공정으로 형성되며, N-타입 반도체 나노 입자, P-타입 반도체 나노 입자 및 양자점이 분산된 용매는 H2O 또는 헥세인(Hexane), 클로로포름(Chloroform) 및 톨루엔(Toluene)과 같은 다양한 유기 용매이다.
이상과 같이, 본 발명의 양자 발광 소자는 전하수송입자와 양자점을 혼합하여 양자발광층을 형성하여, 양자점 발광 소자의 구조가 3층 이하로 단순해져 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 양자발광층과 전자수송층을 용액 공정으로 형성하여 소자 제조 비용을 절감하며, 특히, 액정 표시 장치나 기타 평판 표시 장치의 공정 라인을 적용하여 양자점 발광 소자를 형성할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
200: 기판 210: 양극
220: P-타입 반도체 나노 입자 230: 양자발광층
231: 양자점 240: N-타입 반도체 나노 입자
240a: 전자수송층 250: 음극

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 양극;
    상기 양극 상에 형성되며 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층; 및
    상기 양자 발광층 상에 형성된 음극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하수송입자는 산화물 나노 입자인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자점은 직경이 2㎚ 내지 20㎚인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자점은 2-6족 또는 3-5족 화합물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 나노 입자는 직경이 1㎚ 내지 100㎚인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 나노 입자는 P-타입 반도체 나노 입자인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 P-타입 반도체 나노 입자는 NiOx(Nickel Oxide), VOx(Vanadium oxide), MoOx(Molybdenum Oxide), CrOx(Chrome Oxide), BOx(Barium Oxide) 중 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 양자발광층 상에 형성되며 N-타입 반도체 나노 입자로 구성되는 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 나노 입자는 N-타입 반도체 나노 입자인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 N-타입 반도체 나노 입자는 TiO2(Titanium dioxide), ZnO(Zinc oxide), InOx(Indium oxide), Al2O3(Aluminium oxide), ZrOx(Zirconium oxide), SnOx(Tin oxide), WOx(Tungsten oxide) 중 선택되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 양극 상에 형성되며 P-타입 반도체 나노 입자로 구성되는 정공수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 나노 입자는 P-타입 반도체 나노 입자와 N-타입 반도체 나노 입자를 모두 포함한 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자.
  13. 기판 상에 형성된 양극을 형성하는 단계;
    상기 양극 상에 전하수송입자와 양자점이 혼합된 양자발광층을 형성하는 단계; 및
    상기 양자 발광층 상에 음극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전하수송입자는 산화물 나노 입자인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 양자발광층을 형성하는 단계는 상기 전하수송입자와 상기 양자점을 용매에 분산시켜 액상으로 코팅하는 용액 공정(Solution process)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 용액 공정은 잉크젯(Inkjet) 방식, 스핀 코팅(Spin Coating) 방식, 노즐 코팅(Nozzle Coating) 방식, 스프레이 코팅(Spray Coating) 방식 및 슬릿 코팅(Slit Coating) 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서.
    상기 용매는 H2O 또는 유기 용매인 것을 특징으로 하는 양자점 발광 소자의 제조 방법.
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