KR20120120514A - 도핑 탄소나노구조체를 이용한 소자 제어방법 및 도핑 탄소나노구조체를 포함하는 소자 - Google Patents
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Abstract
도핑 탄소나노구조체를 이용한 소자 제어방법 및 도핑 탄소나노구조체를 포함하는 소자가 제공된다.
본 발명에 따른 소자의 제어방법은 N형 또는 P형 도핑 탄소나노구조체를 이용하여, 전자 또는 정공의 이동량을 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따르면, N형 또는 P형 불순물이 도핑된 탄소나노구조체는 도핑 물질에 따라 전자 또는 정공의 이동을 선택적으로 제어할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 도핑 탄소나노구조체는 이동이 촉진되는 종류의 전하와 반대되는 전하의 이동은 제한하므로, 전자 또는 전공만 이동되어야 하는 소자의 기능층에 첨가되거나, 또는 별도 층으로 사용되어, 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 소자의 제어방법은 N형 또는 P형 도핑 탄소나노구조체를 이용하여, 전자 또는 정공의 이동량을 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따르면, N형 또는 P형 불순물이 도핑된 탄소나노구조체는 도핑 물질에 따라 전자 또는 정공의 이동을 선택적으로 제어할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 도핑 탄소나노구조체는 이동이 촉진되는 종류의 전하와 반대되는 전하의 이동은 제한하므로, 전자 또는 전공만 이동되어야 하는 소자의 기능층에 첨가되거나, 또는 별도 층으로 사용되어, 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 도핑 탄소나노구조체를 이용한 소자 제어방법 및 도핑 탄소나노구조체를 포함하는 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 N형 또는 P형으로 도핑된 탄소나노구조체를 선택적으로 사용하여, 전자 또는 정공의 이동량을 선택적으로 제어함으로써, 전자 또는 정공의 이동에 기반한 다양한 종류의 소자의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 방식의, 도핑 탄소나노구조체를 이용한 소자 제어방법 및 도핑 탄소나노구조체를 포함하는 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 정보통신기술의 발달로, 다양화된 정보화 사회의 요구에 따라, 다양한 종류의 소자가 개발, 사용되고 있다. 이러한 소자 중 하나는 전자와 정공을 선택적으로 이동시켜, 이를 결합시켜 빛을 발생시키는 발광소자로서, 발광다이오드(LED), 유기전계발광소자(OLED) 등이 이에 속한다. 또 하나는 조사되는 빛에 의하여 전자를 생성시키는 광전소자로서, 태양전지나 CMOS 이미지 센서가 이에 속한다. 이와 같이 빛을 생성시키는 소자이든, 빛으로부터 전자 등의 캐리어를 분리하는 소자이든, 전자, 정공의 이동속도를 선택적으로 제어하는 기술을 필요로 한다. 즉, 전자가 이동하는 소자층에서는 전자 이동도를 증가시키는 대신, 정공의 이동도는 감소시켜야 하며, 그 반대인 경우에는 정공 이동도를 증가시켜야 한다. 따라서, 기존의 물질에 첨가되어, 전자와 정공의 이동도를 선택적으로 제어할 수 있는 방법 및 물질의 개발이 절실한 상황이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전자 또는 정공의 이동을 선택적으로 제어함으로써 전자 및 정공이 선택적으로 이동되는 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 소자 제어방법 및 이를 위한 물질을 개발하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전자 또는 정공이 선택적으로 이동되는 층을 포함하는 소자의 제어방법으로, 상기 방법은 N형 또는 P형 도핑 탄소나노구조체를 이용하여, 전자 또는 정공의 이동량을 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 소자 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노구조체는 흑연(graphite) 구조이며, 상기 탄소나노구조체는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 흑연, 플러렌, 그래핀 양자점, 그래핀 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소나노구조체이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 P형 탄소나노구조체는 상기 정공이 이동하는 층에서 정공 이동량을 증가시키거나, 또는 전자 이동량을 감소시킨다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 N형 탄소나노구조체는 상기 전자가 이동하는 층에서 전자 이동량을 증가시키거나, 정공 이동량을 감소시킨다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소자는 발광소자이며, 또 다른 일 실시예에서 상기 소자는 태양전지 또는 박막 트랜지스터이다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전자 또는 정공이 선택적으로 이동되는 층을 포함하는 발광소자로서, 상기 전자 또는 정공이 각각 선택적으로 이동되는 층은 3가 또는 5가 원소로 도핑된 탄소나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 3가 원소는 붕소, 5가 원소는 질소이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브이며, 상기 정공이 선택적으로 이동되는 층은 3가 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하며, 이로써 정공이 선택적으로 이동되는 층에서 정공 이동량은 증가한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전자가 선택적으로 이동되는 층은 5가 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하며, 이로써 전자가 선택적으로 이동되는 층에서 전자 이동량은 증가한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전자수송층 및 정공수송층을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 발광소자는 전자수송층 또는 정공수송층 중 적어도 어느 하나는 질소-도핑 탄소나노튜브 또는 붕소-도핑 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전자수송층은 질소-도핑 탄소나노튜브를 포함하며, 상기 정공수송층은 붕소-도핑 탄소나노튜브를 포함한다.
또한, 본 발명은 전자수송층, 정공수송층 및 상기 전자수송층 및 정공수송층 사이에 구비되는 활성층을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 발광소자는 상기 전자수송층과 활성층 사이에 구비되는 질소-도핑 탄소나노튜브 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 질소-도핑 탄소나노튜브는 전자의 활성층으로의 이동량은 증가시키며, 동시에 정공의 이동량은 감소시킨다.
본 발명은 또한 전자수송층, 정공수송층 및 상기 전자수송층 및 정공수송층 사이에 구비되는 활성층을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 발광소자는 상기 전공수송층과 활성층 사이에 구비되는 붕소-도핑 탄소나노튜브 층을 포함한다. 여기에서 상기 붕소-도핑 탄소나노튜브는 전공의 활성층으로의 이동량은 증가시키며, 동시에 정자의 이동량은 감소시킨다.
본 발명에 따르면, N형 또는 P형 불순물이 도핑된 탄소나노구조체는 도핑 물질에 따라 전자 또는 정공의 이동을 선택적으로 제어할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 도핑 탄소나노구조체는 이동이 촉진되는 종류의 전하와 반대되는 전하의 이동은 제한하므로, 전자 또는 전공만 이동되어야 하는 소자의 기능층에 첨가되거나, 또는 별도 층으로 사용되어, 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 탄소나노튜브가 분산된 ZnO 용액의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광다이오드 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따라 제조된 스프레이 도포 방식에 따라 형성된 ZnO+도핑된 탄소나노튜브 복합필름의 SEM 이미지이다.
도 4 내지 6은 OLED 발광 특성에 대한 분석 결과 그래프이다.
도 7은 전자수송층에 사용된 탄소나노튜브의 종류에 따른 분석 결과표이다.
도 8은 본 실시예에 따른 도핑 탄소나노튜브의 전자수송 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
도 9와 같은 전자 단독 소자의 구성도이다.
도 10 및 11은 인가되는 전압에 대한 전류밀도의 측정결과 그래프이다.
도 12는 전자수송층에 사용된 탄소나노튜브의 종류에 따른 분석 결과표이다.
도 13은 본 실험예에 따라 제조된 발광소자의 단면도이다.
도 14는 도핑 탄소나노튜브를 층을 별도층으로 사용한 경우에 대한 분석 결과표이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광다이오드 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따라 제조된 스프레이 도포 방식에 따라 형성된 ZnO+도핑된 탄소나노튜브 복합필름의 SEM 이미지이다.
도 4 내지 6은 OLED 발광 특성에 대한 분석 결과 그래프이다.
도 7은 전자수송층에 사용된 탄소나노튜브의 종류에 따른 분석 결과표이다.
도 8은 본 실시예에 따른 도핑 탄소나노튜브의 전자수송 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
도 9와 같은 전자 단독 소자의 구성도이다.
도 10 및 11은 인가되는 전압에 대한 전류밀도의 측정결과 그래프이다.
도 12는 전자수송층에 사용된 탄소나노튜브의 종류에 따른 분석 결과표이다.
도 13은 본 실험예에 따라 제조된 발광소자의 단면도이다.
도 14는 도핑 탄소나노튜브를 층을 별도층으로 사용한 경우에 대한 분석 결과표이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 상술한 바와 같이 전자 또는 정공의 전하 이동을 선택적으로 제어하는 물질로 N형 또는 P형 도핑 탄소나노구조체를 이용한다. 여기에서 전하 이동의 제어라 함은 특정 종류의 전하의 이동은 촉진(facilitate)하여, 이동량/속도를 증가시키는 것을 의미한다. 또는 이와 달리 그 반대종류의 전하 이동은 막거나, 감소시키는 기능 또한 포함하는 의미이다.
본 발명에 따른 탄소나노구조체는 육각의 탄소로 이루어진 흑연 구조를 포함하는 물질로서, 그래핀, 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어가 본 발명에 따른 탄소나노구조체에 속한다. 또는 흑연, 플러렌, 그래핀 양자점, 그래핀 나노리본 등과 같이 흑연 구조에 기반한 임의의 모든 물질도 본 발명에 따른 탄소나노구조체이며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 따르면 N형 불순물 또는 P형 불순물이 도핑된 탄소나노구조체는 그 도핑물질에 따라 이동량이 증가되는 전하의 종류를 달리한다. 예를 들면, 탄소나노구조체를 이루는 4가의 탄소에 비하여 최외곽전자가 부족한 P형 불순물을 도핑한 물질은 정공의 이동량을 증가시키고, 그 반대의 경우, 즉, N형 불순물이 도핑된 탄소나노구조체는 전자의 이동량을 증가시킨다. 더 나아가, 도핑-탄소나노구조체가 독립된 소자층으로 사용되는 경우, 반대 전하를 차단하는 효과를 발생시키는데, 이는 이하 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브로서, 특히 이중 이상의 다중벽 탄소나노튜브가 바람직한데, 만일 단일벽 탄소나노튜브는 불순물 도핑과정에서 나노튜브 구조가 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소자는 전자와 정공이 각각의 경로로 이동된 후, 결합됨으로써 빛이 발생하는 발광소자로서, 발광다이오드 또는 유기전계발광소자 등이 그 예이다. 이와 달리, 빛에 의하여 전자가 발생하는 태양전지 등에도 전자의 이동량을 증가시키는 본 발명에 따른 도핑 탄소나노튜브가 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명의 일 실시예에서는 상술한 바와 같이 전자 또는 정공이 선택적으로 이동되는 층을 포함하는 발광소자에 대하여 도핑 탄소나노구체를 사용하였으며, 이 경우, 상기 전자 또는 정공이 각각 선택적으로 이동되는 층 자체에 3가 또는 5가 원소로 도핑된 탄소나노구조체가 첨가, 포함되었다. 이때 상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이었으며, 3가 원소는 붕소, 5가 원소는 질소이었다.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1
실시예
1-1
도핑 탄소나노튜브의 제조
본 실시예에서는 일차원 나노구조체로서 탄소나노튜브를 사용하였다. 이를 위하여 먼저 ㈜ 한화나노테크로부터 화학기상증착법에 의하여 성장한 탄소나노튜브(>95% 순도, 다중벽)를 구입하였고, 500ml 산 용액(질산: 황산 = 1:3)에서 1g의 탄소나노튜브를 10시간 초음파 처리하였다. 다음 탈이온수(DI)로 세척하고, 여과시켰다. 여과된 탄소나노튜브를 건조시킨 후, 40분간 400℃로 열처리하여, 비정질탄소를 모두 제거하였다. 이상의 공정에서 얻어진 탄소나노튜브(미도핑)의 평균 직경은 1㎛ 미만이었다. 또한, 다중벽 탄소나노튜브 특성에 기인하여, 본 실시예에서 제조된 도핑되지 않은 정제 탄소나노튜브(미도핑 탄소나노튜브)는 금속성을 갖는다.
탄소나노튜브의 붕소도핑공정은 Ar(40sccm)과 NH3(60sccm) 가스를 흘리면서 증기화된 B2O3로 탄소나노튜브를 열처리하는 방식으로 수행되었다. 흑연 구조의 탄소 원자는 직접 치환되기 어렵기 때문에, 본 발명은 NH3를 식각가스로 사용하여 탄소나노튜브에서 CNx와 CxHy 기의 공격결함(vacancy defect) 을 유도하였다. 이러한 붕소 도핑 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실시예에서 정제된 탄소나노튜브를 분말 형태의 B2O3에 혼합하고, 소결된 개방 흑연 도가니에 적치하였다. B2O3와 탄소나노튜브의 무게분율은 약 5였다. Ar(40sccm)과 NH3(60sccm) 혼합가스를 흘리면서 B2O3:탄소나노튜브 혼합물을 1100℃에서 4시간 열처리하였다. 열처리 후, 뜨거운 탈이온수로 잔류 B2O3 분말을 세척하였다. 질소(N) 도핑은 상시 도가니에 실시예의 정제 탄소나노튜브를 Ar(40sccm)과 NH3(60sccm) 혼합가스 분위기에서 1100℃에서 4시간 열처리하는 방식으로 수행되었다.
실시예
1-2
도핑 탄소나노튜브 분산
ZnO
용액 제조
Zinc acetate dihydrate(Zn(CH3COO)2?2H2O, Sigma-Aldrich)를 2-methoxyethanol에 용해시켰다 (농도: 0.032 중량%). Stabilizer로 ethanolamine (농도: 0.002 중량%)을 추가로 용액에 혼입하여 60 ?에서 1시간 동안 교반시켰고, 미도핑된 정제 탄소나노튜브(이하, 미도핑 탄소나노튜브)와 실시예 1-1의 붕소 도핑 탄소나노튜브 및 질소 도핑 탄소나노튜브(농도: 0.02 중량%)를 각각 제조된 zinc acetate dihydrate/2-methoxyethanol 용액에 혼입하여 4시간 동안 초음파 처리하였다. 제조된 분산 용액은 24 시간 동안 침전 과정을 거쳐, 침전되지 않은 상층액(농도: 0.016 중량%)을 최종적으로 사용하였다.
도 1은 탄소나노튜브가 분산된 ZnO 용액의 사진이다.
실시예
1-3
발광다이오드 소자 제조
투명전극인 FTO 층 상에 zinc acetate dihydrate/methanol 용액(농도: 8 중량%) 대비 0.08 %의 탄소나노튜브를 포함하는 실시예 1-2에서 제조된 도핑된 탄소나노튜브 분산 ZnO 용액을 첨가하여 400 ℃에서 스프레이 도포한 후, 열분해하여 70nm 두께의 전자전송층(Electron Transport Layer, ETL)인 ZnO+도핑된 탄소나노튜브(혹은 미도핑된 탄소나노튜브) 나노복합체 필름을 제작하였다. 정공저지층(Hole Blocking Layer, HBL)으로 Cs2CO3 (농도: 0.5 중량%)를 2-methoxyethanol에 용해시켜 10nm 두께로 스핀코팅하였고, 녹색발광고분자(예를 들면 poly(9,9'-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole, F8BT)를 400nm 두께로 스핀코팅하여 발광층으로 사용하였다. 정공수송층(Hole Transport Layer, HTL)으로는 MoO3를 10nm 두께로 열증착하였으며, 다시 Au 금속전극을 65nm 두께로 열증착하여, 도 2에 도시된 구조의 발광다이오드를 제작하였다.
도 3은 본 실시예에 따라 제조된 스프레이 도포 방식에 따라 형성된 ZnO+도핑된 탄소나노튜브 복합필름의 SEM 이미지이다.
도 3을 참조하면, 도핑 탄소나노튜브가 ZnO 기재 상에 응집되지 않고, 넓게 분포되어 있음을 알 수 있다.
붕소 혹은 질소가 도핑된 탄소나노튜브는 도핑된 지점에 국소적인 양 전하 혹은 음전하를 띠게 되어, 이웃하는 붕소 도핑 탄소나노튜브 혹은 질소 도핑탄소나노튜브와의 전기적인 반발이 발생한다. 더 나아가, 붕소-탄소 결합 혹은 질소-탄소 결합에 의하여 유도되는 국소적인 극성은 zinc acetate dihydrate/methanol 용액에서의 붕소 도핑 탄소나노튜브 혹은 질소 도핑 탄소나노튜의 젖음 효과 및 용해도를 향상시킬 수 있다.
비교예
1
도핑되지 않은 탄소나노튜브를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소나토튜브 분산 ZnO 용액을 사용, 발광다이오드 소자를 제조하였다.
실험예
1
발광특성분석
도 4 내지 6은 OLED 발광 특성에 대한 분석 결과 그래프이다.
도 4는 0.08 %의 미도핑 또는 도핑된 탄소나노튜브, 또는 탄소나노튜브가 없는 OLED소자의 J(current density)-V(voltage) 특성을 나타낸다. 탄소나노튜브가 없는 OLED 소자에 비해 미도핑 또는 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 OLED 소자의 전류밀도(J)가 구동 전압(V) 범위 내에서 상대적으로 높게 나타나고 있으며, 이는 탄소나노튜브가 소자 내에서 전자 및 정공의 주입에 상당한 영향을 주고 있음을 의미한다.
도 5는 0.08 %의 미도핑 또는 도핑된 탄소나노튜브, 또는 탄소나노튜브가 없는 OLED 소자의 L(luminance)-V(voltage) 특성을 나타내며, 도 6는 LE(luminous efficiency)-L(luminance) 특성을 나타낸다. 소자의 luminance 턴온 전압 범위는 탄소나노튜브의 유무에 관계없이 유사한 전압 거동을 나타내었으며, 이는 탄소나노튜브가 소자 내에서 요소 층 간의 에너지 장벽을 변화시키기 보다는 ZnO와 미도핑 혹은 도핑된 탄소나노튜브 간의 에너지 준위 매칭에 따라 주입되는 전자의 이동량이 변화되었음을 의미한다.
실험예
2
전자
수송층에
대한 특성분석
도 7은 전자수송층에 사용된 탄소나노튜브의 종류에 따른 분석 결과표이다.
도 7을 참조하면, N형 불순물이 도핑된 탄소나노튜브(ZnO/N-MWNT(0.08%))가 사용된 경우, 발광 특성이 크게 향상됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 N-도핑 탄소나노튜브에 의한 전자 이동량 향상 효과 및 정공의 이동 억제 효과를 증명한다.
도 8은 본 실시예에 따른 도핑 탄소나노튜브의 전자수송 메커니즘을 설명하는 모식도이다.
본 연구에서는 캐리어 종류 선택적인, 도핑 탄소나노튜브를 ZnO 기재 상에 결합시킴으로써 전하 수송 특성 향상을 기대할 수 있다. 예를 들면, 질소 도핑 탄소나노튜브의 일함수 (4.4 eV)는 ZnO의 전도대 (conduction band, 4.0 ~ 4.4 eV)에 근접하므로, FTO 양극으로부터 ZnO 층으로 주입된 전자를 용이하게 전달받고, 또한 탄소나노튜브의 길이 방향을 통하여 전자를 효과적으로 수송하여, ZnO→질소 도핑 탄소나노튜브→ZnO 의 경로를 따라서 발광층 내부까지 전자를 전달한다. 하지만, 붕소 도핑 탄소나노튜브를 함유시키는 경우, 전자 수송 특성 향상은 이루어지지 않았는데, 이것은 붕소 도핑 탄소나노튜브의 상대적으로 높은 일 함수 (5.2 eV)에 기인한다. 왜냐하면, ZnO로 주입된 전자가 붕소 도핑 탄소나노튜브로 전달되는 것은 용이하나, 붕소 도핑 탄소나노튜브로 부터 다시 ZnO로 전자가 이동하기 위해서는 ~ 1 eV 정도의 에너지 장벽을 극복해야 하기 때문이다.
실험예
3
전압-전류밀도 및 전자이동도 분석
본 실험예에서는 도 9와 같은 전자 단독(electron-only) 소자를 제작하여 미도핑 혹은 도핑된 탄소나노튜브가 첨가되었을 때 소자 내 주입되는 전자의 이동속도를 분석하였다.
도 10 및 11은 인가되는 전압에 대한 전류밀도의 측정결과 그래프이다.
도 10 및 11을 참조하면, N형 도핑 탄소나노튜브를 전자수송층에 첨가한 경우, 매우 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 특히 도핑되지 않은 탄소나노튜브와 비교하여 볼 때, 5V이상의 전압에서는 전류밀도 차이가 상당히 커지는 것을 알 수 있다.
또한, 각 소자의 전자 이동도(electron mobility)는 정량적으로 아래의 Mott-Gurney 식으로부터 얻을 수 있다.
여기에서 εr은 상대적 유전상수, εo는 자유 공간에서의 유전률, μ는 전자 캐리어 이동도이고, L은 소자의 두께를 나타낸다. 녹색발광고분자 F8BT의 상대적 유전상수를 2.9로, 소자 두께를 400nm로 고정시킨 후 측정된 전자 이동도는 도 12와 같다.
도 12를 참조하면, N형 불순물이 도핑된 탄소나노튜브(ZnO +N-MWNT)를 ZnO 층에 첨가하여 사용하는 경우, 전자 이동도가 크게 향상되는 것을 알 수 있다.
실험예
4
탄소나노튜브층
단독 사용에 따른 특성분석
본 실험예에서는 전자수송층인 ZnO층에 도핑 탄소나노튜브를 첨가하지 않고, 별도의 탄소나노튜브층을 ZnO층 상에 적층하여 발광소자를 제조하였다. 본 실험예에서는 즉 기존의 많은 연구에서 정공 차단 및/또는 전자 수송층으로 많이 사용되었던 Cs2CO3 층을 N-도핑 탄소나노튜브층으로 대체하였다. 본 실험예에서는 2-methoxyethanol 상에 N형 도핑 탄소나노튜브를 분산시킨 후, ZnO 층상에 도포하여, 스핀코팅하는 방식으로 탄소나노튜브층을 ZnO 층 상에 형성시켰으며, 도 13은 본 실험예에 따라 제조된 발광소자의 단면도이다.
도 14는 도핑 탄소나노튜브를 층을 별도층으로 사용한 경우에 대한 분석 결과표이다.
도 14를 참조하면, N형 불순물이 도핑된 탄소나노튜브가 ZnO층 상에 별도층으로 사용된 경우, 발광 특성이 크게 향상됨을 알 수 있다.
특히, 도 7의 결과와 비교하여 볼 때, 도핑 탄소나노튜브를 별도층으로 사용하는 경우, ZnO 층에 블렌딩하여 사용한 경우보다 발광특성이 현저히 개선되는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 도핑 탄소나노구조체가 독립층으로 사용되는 경우 원하지 않는 전하의 차단 효과를 동시에 가짐을 의미한다.
이상 살핀 바와 같이 본 발명은 N형 또는 P형 도핑 탄소구조체를 사용하여, 전자 또는 정공의 이동속도와 이동량을 선택적으로 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명은 전자 등의 캐리어가 선택적으로 이동되는 태양전지, 발광 다이오드와 같은 소자에 적용될 수 있다. 더 나아가, 박막 트랜지스터와 같이 전자의 흐름이 발생하는 임의의 모든 소자에도 본 발명에 따른 도핑 탄소나노튜브가 사용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (21)
- 전자 또는 정공이 선택적으로 이동되는 층을 포함하는 소자의 제어방법으로, 상기 방법은
N형 또는 P형 도핑 탄소나노구조체를 이용하여, 전자 또는 정공의 이동량을 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소나노구조체는 흑연(graphite) 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 2항에 있어서,
상기 탄소나노구조체는 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 흑연, 플러렌, 그래핀 양자점, 그래핀 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소나노구조체인 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 3항에 있어서,
상기 P형 탄소나노구조체는 상기 정공이 이동하는 층에서 정공 이동량을 증가시키고, 전자 이동량은 감소시키는 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 3항에 있어서,
상기 N형 탄소나노구조체는 상기 전자가 이동하는 층에서 전자 이동량을 증가시키고, 정공 이동량은 감소시키는 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 3항에 있어서,
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 6항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자는 발광소자인 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자는 태양전지 또는 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 소자 제어방법. - 전자 또는 정공이 선택적으로 이동되는 층을 포함하는 발광소자로서,
상기 전자 또는 정공이 각각 선택적으로 이동되는 층은 3가 또는 5가 원소로 도핑된 탄소나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 10항에 있어서,
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브이며, 3가 원소는 붕소, 5가 원소는 질소인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 11항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 12항에 있어서,
상기 정공이 선택적으로 이동되는 층은 3가 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하며, 이로써 정공이 선택적으로 이동되는 층에서 정공 이동량은 증가하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 12항에 있어서,
상기 전자가 선택적으로 이동되는 층은 5가 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 포함하며, 이로써 전자가 선택적으로 이동되는 층에서 전자 이동량은 증가하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 전자수송층 및 정공수송층을 포함하는 발광소자에 있어서,
상기 발광소자는 전자수송층 또는 정공수송층 중 적어도 어느 하나는 질소-도핑 탄소나노튜브 또는 붕소-도핑 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 15항에 있어서,
상기 전자수송층은 질소-도핑 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 15항에 있어서,
상기 정공수송층은 붕소-도핑 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 전자수송층, 정공수송층 및 상기 전자수송층 및 정공수송층 사이에 구비되는 활성층을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 발광소자는
상기 전자수송층과 활성층 사이에 구비되는 질소-도핑 탄소나노튜브 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 18항에 있어서,
상기 질소-도핑 탄소나노튜브는 전자의 활성층으로의 이동량은 증가시키며, 동시에 정공의 이동량은 감소시키는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 전자수송층, 정공수송층 및 상기 전자수송층 및 정공수송층 사이에 구비되는 활성층을 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 발광소자는
상기 전공수송층과 활성층 사이에 구비되는 붕소-도핑 탄소나노튜브 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 20항에 있어서,
상기 붕소-도핑 탄소나노튜브는 전공의 활성층으로의 이동량은 증가시키며, 동시에 정자의 이동량은 감소시키는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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