KR20130016616A - 다층막 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양전하로 대전된 나노 입자 용액을 제조하는 단계와, 음전하로 대전된 기판을 제조하는 단계와, 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 나노 입자 용액에 디핑하여 이중층을 형성하는 단계와, 이중층 형성을 반복하여 다층막을 형성하는 단계를 포함하는 다층막 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자를 제시한다.
Description
본 발명은 다층막 제조 방법에 관한 것으로, 특히 정전기적 자기조립법을 이용한 다층막 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자에 관한 것이다.
나노 결정은 수 나노 크기의 결정 구조를 가진 물질로, 수백 내지 수천 개의 원자로 구성되어 있다. 이렇게 크기가 작은 나노 결정 물질은 단위 부피당 표면적이 넓어 대부분의 원자들이 표면에 존재하여 양자 제한 효과 등을 나타내게 되며, 물질 자체의 고유한 특성과는 다른 독특한 전기적, 자기적, 광학적, 화학적, 기계적 특성을 가지게 된다. 즉, 나노 결정의 물리적 크기를 조절함으로써, 다양한 특성의 조절이 가능하게 된다.
나노 결정을 합성하기 위해 종래에는 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)이나 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE) 같은 기상 증착법을 사용하여 양자점을 제조하였으나, 최근 유기 용매에 전구체 물질을 넣어 결정을 성장시키는 습식 방법이 빠르게 발전되어 왔다. 특히, 화학적 습식 방법은 결정이 성장할 때 유기 용매가 자연스럽게 양자점 결정 표면에 배위되어 분산제 역할을 하게 함으로써 결정의 성장을 조절하는 방법으로 종래의 MOCVD나 MBE와 같은 기상 증착법보다 쉽고 저렴하게 나노 결정의 크기와 형태의 균일도를 조절할 수 있다. 그러나, 화학적 습식 방법에 의해 합성된 나노 결정은 용액 중에 분산된 상태로 존재하기 때문에 이 나노 결정을 전자 소자에 응용하기 위해서는 고체상으로 박막화 하는 기술이 필요하다.
이렇게 화학적 습식 방법에 의해 합성된 나노 결정의 박막화를 위해 자기 조립법을 이용하고 있다. 자기 조립법은 수용액 내에서 반대 전하의 종들을 이용하여 다양한 박막 합성물을 만드는 것으로 잘 알려져 있다. 즉, 양이온과 음이온 종의 연이은 흡착으로 원하는 재료의 각각 다른 층을 교대로 조립하는 방법이다.
또한, 나노 결정 반도체 재료는 특별한 특성을 얻기 위해 자기 조립법에 의해 다양한 고분자와 화합될 수 있다. 이런 특성들은 특히 전기 발광 소자의 제조에서 기대되는데, 유기 공액 고분자와 고분자 전해질의 층간 흡착에 의한 박막은 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Device; OLED)의 개발 측면에서 많은 관심을 받고 있다.
한편, 미국특허 제5,751,018호는 반도체 자기 조립된 2-기능성 유기 단일층들을 브릿지(bridge) 화합물로 이용하여 반도체 나노 결정들을 고체 무기 표면에 부착시키는 방법을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 특허출원 제2002-85262호는 나노 결정의 표면에 디티올(dithiol)기를 배위시켜 나노 결정들이 디설파이드(disulfide) 결합을 형성하게 하여 다층 박막을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
Poly(sodium 4-styrene sulfonate)(PSS)는 많은 전자 발광 소자를 위한 박막으로 사용되는 촉망받는 고분자 전해질이고, 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 나노 입자는 수용액 내에서 정전기적 자기 조립법에 의해 PSS와 쉽게 화합할 수 있다. 이러한 반도체 나노 입자와 고분자의 다층막은 별개의 막이 적층된 구조보다 균일한 혼합물을 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 정전기적 자기 조립법을 이용한 CdTe/PSS 다층막의 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자를 제공한다.
본 발명은 음전하로 대전된 PSS와 양전하로 대전된 CdTe를 정전기적 자기 조립법으로 제조하는 다층막의 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 다층막 제조 방법은 양전하로 대전된 나노 입자 용액을 제조하는 단계; 음전하로 대전된 기판을 제조하는 단계; 상기 음전하로 대전된 기판을 상기 양전하로 대전된 나노 입자 용액에 디핑하여 이중층을 형성하는 단계; 및 상기 이중층 형성을 반복하여 다층막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 나노 입자 용액은 CdTe 나노 입자 용액을 포함한다.
상기 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 용액을 제조하는 단계는, NaBH4과 텔루리움 분말을 증류수에 혼합하여 NaHTe 용액을 제조하는 단계; 상기 NaHTe 용액을 CdCl2 용액에 첨가하는 단계; 및 상기 NaHTe와 CdCl2의 혼합물을 교반하는 단계를 포함한다.
상기 음전하로 대전된 기판을 제조하는 단계는, 기판을 PEI 용액에 디핑하는 단계; 및 상기 기판을 PSS 용액 내에 디핑하는 단계를 포함한다.
상기 이중층은 PSS와 CdTe가 자기 조립된 CdTe/PSS를 포함하고, 상기 다층막은 상기 CdTe/PSS 이중층이 복수 자기 조립되어 형성된다.
본 발명의 다른 양태에 따른 전자 소자는 상기 다층막 제조 방법으로 형성된 다층막을 이용하며, 상기 다층막은 적어도 한층의 유기물을 포함하는 발광 소자의 발광층으로 이용한다.
본 발명의 실시 예는 정전기적 자기 조립법에 의해 음전하로 대전된 PSS와 양전하로 대전된 CdTe로 구성된 CdTe/PSS 이중층을 제조하고, 수용액 내에서 CdTe/PSS 이중층의 수를 다르게 하여 다층막을 조립할 수 있다.
이렇게 정전기적 자기 조립법에 의해 제조된 CdTe/PSS 다층막은 강한 인력에 의한 상호 작용에 의해 PSS에 결합된 CdTe 나노 입자를 안정화시키고, 그에 따라 CdTe 나노 입자의 표면 전자가 더 높은 결합 에너지로 변화시킨다. 또한, PSS와 CdTe의 연속적인 증착이 전극의 산화/환원 전류를 상당히 감소시킬 수 있고, 산화 전류의 감소는 HOMO 에너지 레벨의 증가를 야기하고, 그에 따라 HOMO 레벨과 LUMO 레벨의 에너지 밴드갭이 커지게 된다. 한편, CdTe/PSS 다층막은 이중층의 갯수가 증가할수록 흡광도가 증가한다.
따라서, 이러한 특성을 갖는 정전기적 자기 조립법에 의해 제조된 CdTe/PSS 다층막을 이용하는 전자 소자, 예를 들어 발광 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층막의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 2 및 도 3은 글래스 기판 상에 자기 조립된 CdTe/PSS 다층막의 UV/Vis 흡수 스펙트럼 및 흡광도.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 CdTe 나노 입자, PSS 및 CdTe/PSS 다층막의 XPS 데이터.
도 5는 Au 전극, PSS/PEI 및 CdTe/PSS 이중층의 CV 특성 그래프.
도 6은 CdTe/PSS 다층막의 이중층 개수에 따른 피크 포텐셜과 순환 전류 밀도의 변화 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 정전기적 자기 조립법으로 제조된 CdTe/PSS 다층막을 이용하는 발광 소자의 단면도.
도 2 및 도 3은 글래스 기판 상에 자기 조립된 CdTe/PSS 다층막의 UV/Vis 흡수 스펙트럼 및 흡광도.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 CdTe 나노 입자, PSS 및 CdTe/PSS 다층막의 XPS 데이터.
도 5는 Au 전극, PSS/PEI 및 CdTe/PSS 이중층의 CV 특성 그래프.
도 6은 CdTe/PSS 다층막의 이중층 개수에 따른 피크 포텐셜과 순환 전류 밀도의 변화 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 정전기적 자기 조립법으로 제조된 CdTe/PSS 다층막을 이용하는 발광 소자의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층막 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, CdTe/PSS 다층막의 제조 방법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층막의 제조 방법은 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 수용액을 제조하는 단계(S110)와, 음전하로 대전된 기판을 제조하는 단계(S120)와, 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 수용액에 디핑하여 CdTe/PSS 이중층(bilayer)을 형성하는 단계(S130)를 포함하고, 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 용액에 디핑하는 단계(S130)를 복수회 반복하여 CdTe/PSS 이중층이 복수 적층된 다층막을 형성할 수 있다.
단계 S110 : CdTe 나노 입자를 합성하기 이전에 소디움 하이드로겐 텔루라이드(Sodium hydrogen telluride)(NaHTe) 용액을 준비한다. NaHTe 용액을 준비하기 위해 소디움 보로하이드라이드(Sodium borohydride; NaBH4)과 텔루리움(tellurium) 분말을 이용할 수 있다. 이어서, 무수 언하이드로스 카드뮴 클로라이드(anhydrous cadmium chloride; CdCl2)를 증류수에 넣고 교반시키며, 질소 기체를 사용하여 포화시킨다. 이어서, NaHTe를 2-(dimethylamino)ethanethiol hydrochloride가 있는 CdCl2 용액에 첨가한다. 따라서, 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자의 용액이 마련된다.
단계 S120 : 음전하로 대전된 기판을 제조하기 위해 먼저, 기판(글래스 또는 실리콘 웨이퍼)을 초음파 처리 및 세정한 후 건조시킨다. 이어서, 다가양이온(polycation)의 첫 번째 층을 적층하기 위해 기판을 PEI 용액에 디핑한다. 그 다음 PEI가 덮힌 기판을 다가음이온(polyanion), 즉 PSS의 용액 내에 디핑하면, 결과적으로 기판의 표면은 음전하로 대전된다.
단계 S130 : PSS로 덮히고 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자의 용액 내에 디핑한다. PSS층의 표면으로 CdTe가 흡착됨으로써 PSS로 덮힌 기판의 표면을 양전하로 변화시킨다. 따라서, CdTe/PSS 구조의 이중층(bilayer)이 형성된다. 이러한 PSS로 덮히고 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자의 용액 내에 디핑하는 주기를 복수회(n) 반복하여 CdTe/PSS 이중층의 다층막을 형성한다((CdTe/PSS)n).
실시 예
먼저, 본 발명의 실시 예를 위해 모든 화학 약품은 더 이상의 정제 없이 받은 대로 사용하였다. 소디움 보로하이드라이드(Sodium borohydride)(NaBH4, 98%), 텔루리움(tellurium) 파우더(Te, 99.8%, -200mesh), 2-(디메틸아미노)에탄에티올 하이드로클로라이드(2-(dimethylamino)ethanethiol hydrochloride)(95%), 폴리(소디움 4-시티렌 서로네이트(poly(sodium 4-styrene sulfonate))(PSS, Mw = 70,000), 폴리에티렌이민(Polyethylenimine)(PEI, branched, Mw = 25,000)는 각각 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)로부터 구매하였고, 언하이드로스 카드뮴 클로라이드(anhydrous cadmium chloride)(CdCl2, 99%)는 플루카(Fluka)로부터 구매하였다.
양전하로 대전된 CdTe 나노 입자, 예를 들어 티올(Thiol)로 덮힌 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 나노 입자는 수용액 내에서 몇 가지 합성 방법에 따라 합성한다. 먼저, CdTe 나노 입자를 합성하기 이전에 NaHTe 용액을 준비한다. NaHTe 용액을 준비하기 위해 NaBH4 0.080g(2.11mmol)과 텔루리움(tellurium) 분말 0.128g(1.00mmol)을 작은 플라스크에 담고, 증류수 1㎖를 첨가한 후 파라필름(parafilm)으로 재빨리 봉한다. 이후 기체 부산물을 내보내기 위해 작은 핀홀(pin hole) 낸다. 반응 플라스크는 얼음 반응조 내에 위치시키고, 소정 시간 예를 들어 8시간 동안 교반한다. 이어서, 무수 CdCl2 0.183g(1.0mmol)을 100㎖의 증류수에 넣고 교반시키며, 질소 기체를 사용하여 포화시킨다. 이어서, NaHTe 0.5㎖를 2-(dimethylamino)ethanethiol hydrochloride 0.340g(2.4mmol)가 있는 CdCl2 용액에 첨가한다. 그리고, 반응 혼합물은 교반과 동시에 10시간 동안 환류시킨다. 따라서, 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자의 수용액이 마련된다. 한편, CdTe 나노 입자의 수용액은 사용 전에 0.2㎛의 기공 크기를 갖는 주사기 필터로 필터한다.
양전하로 대전된 기판을 제조하기 위해 먼저, 기판(글래스 또는 실리콘 웨이퍼)은 처음에 물과 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)(1:1 v/v) 혼합 용액 내에서 20분간 초음파 처리한다. 그 다음 피라냐(piranha) 용액을 사용하여 80℃에서 20분 동안 처리한 후, NH4OH:H2O2:H2O (1:1:5 v/v)의 혼합 용액에 20분 동안 디핑(dipping)한다. 여기서, 각각의 단계 후에 기판은 증류수로 세정하고, 질소 가스 플로워에서 건조시킨다. 이어서, 다가양이온(polycation)의 첫 번째 층을 적층하기 위해 기판을 PEI 용액에 30분 동안 디핑한다. 그 다음 증류수로 여러 번 세정하고, 질소 가스 플로워에서 건조시킨다. 그 뒤에 PEI가 덮힌 기판을 다가음이온(polyanion), 즉 PSS의 용액 내에 30분 동안 디핑하면, 결과적으로 기판의 표면은 음전하로 대전된다. 다시 세척과 건조를 한다.
그리고, PSS로 덮히고 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자의 용액 내에 30분 동안 디핑한다. PSS층의 표면으로 CdTe가 흡착됨으로써 PSS로 덮힌 기판의 표면을 양전하로 변화시킨다. 따라서, CdTe/PSS 구조의 이중층(bilayer)이 형성된다. 이러한 PSS로 덮히고 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자의 용액 내에 디핑하는 주기를 복수회(n) 반복하여 CdTe/PSS 이중층의 다층막을 형성한다((CdTe/PSS)n). 이때, 전해질의 농도, PEI와 PSS는 물에서 1mg/㎖로 유지한다.
특성 측정
UV/Vis 스펙트라(spectra)는 300～800㎚ 범위에서 SCINCO-S3100 스펙트로포토메터(spectrophotometer)를 사용하여 수집하였다. CdTe/PSS막의 X-선 광전자 분광(photoelectron spectroscopic)(XPS) 정보는 VG 사이언티픽 에스칼랩(Scientific Escalab) 250를 사용하여 얻었다. 모든 결합 에너지는 레퍼런스로서 284.6eV에서 C1s 코어 레벨 피크를 사용하여 결정하였다. 순환 전압전류(Cyclic voltammetry)(CV)는 0.1M KNO3 수용액 내에서 일렉트로케미컬 워크스테이션(electrochemical workstation)(SP-150 BioLogic Science Instruments)를 사용하여 실행하였다. 플래티늄 거즈 카운터 전극(platinum gauze counter electrode)과 레퍼런스 전극으로서 포화된 칼로멜 전극(Saturated Calomel Electrode)(SCE)을 사용하였다. 각각 다른 이중층의 개수를 사용해 얻은 CdTe/PSS 막은 위에서 말한 바와 같이 자기 조합법에 의해 금으로 코팅된 실리콘 웨이퍼 위에 증착시켰다. 측정시 100mV/s의 스캔 속도를 사용하였고, 인가 전압의 범위는 1.5V부터 -0.2V로 하였다.
실험 결과
도 2는 글래스 기판 상에 자기 조립된 (CdTe/PSS)n 다층막의 UV/Vis 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 여기서, n은 5, 10, 15로서, CdTe/PSS막이 각각 5회, 10회 및 15회 적층되었다. 각각의 스펙트럼에서 약한 숄더(shoulder) 형태의 스펙트럼이 약 500㎚ 부근에서 발견되었다. 이는 다층막 상에서 PSS와 단단히 결합한 CdTe 나노 입자의 표면 플라스몬(plasmon) 때문이다. PSS 스스로는 흡수 스펙트럼 상에서 무시될 정도로 기여한다. 막의 흡광도는 이중층의 개수 증가와 함께 증가된다. 400, 500, 600㎚에서 각각의 스펙트럼의 흡광도는 이중층(n)의 개수에 따라 도 3에 도시하였다. 이중층 개수에 대한 흡광도의 선형 비율은 CdTe의 같은 양이 각각의 디핑 주기 후에 흡착되었음을 의미한다. 이러한 결과는 다가음이온(polyanion), 즉 PSS가 다음 층 내에서 양이온 CdTe에 효과적으로 흡착되었음을 뒷받침한다.
XPS 데이터는 에너지 변화의 관점에서 볼 때, 주어진 합성물 내 각각의 원소의 화학량론과 결합 특성의 분석에 중요한 증거가 된다. 접촉 환경에 의존적이고, 주어진 원소의 결과로서 생기는 결합 에너지는 높거나 낮은 위치로 변화할 수 있다. XPS 분석 상의 결합 에너지 변화는 계면 상에 전자 구름의 재분포에 기인한다. 이러한 재분포는 이웃 원소 간의 강한 상호 작용에 의해 발생한다. 도 4는 CdTe 나노 입자, PSS 그리고 그것들의 (CdTe/PSS)15 다층막으로부터 얻어진 XPS 결과를 나타낸다. 막 상의 CdTe의 결합 에너지는 CdTe 나노 입자 하나와 비교하여 도 4(a)와 (b)에서 나타내었다. XPS 데이터로부터 (CdTe/PSS)15 다층막 내의 Cd와 Te의 결합 에너지가 높은 에너지 쪽으로 변화되었음을 발견했다. 즉, Cd 3d3 /2 및 3d5 /2에서 CdTe 나노 입자는 410.7eV 및 404.0eV이고, CdTe/PSS 다층막은 411.8eV 및 405.1eV이다. 또한, Te 3d3 /2 및 3d5 /2에서 CdTe 나노 입자는 581.7eV 및 571.4eV이고, CdTe/PSS 다층막은 586.7eV 및 576.3eV이다. 이렇게 더 높은 에너지로의 변화는 카운터-차지된(conuter-charged) PSS와 CdTe 간의 강한 인력 때문이다. 강한 인력이 있는 상호 작용은 PSS에 결합된 나노 입자를 안정화시켰고, 결과적으로 CdTe 나노 입자의 표면 전자가 더 높은 결합 에너지로 변화되었다. (CdTe/PSS)15 다층막 상의 Cd와 Te의 결합 에너지는 다중벽 탄소 나노 튜브(MWNTs)와 카르복실화된(carboxylated) MWNTs(c-MWNTs)의 벽면에 부착된 CdTe 나노 입자의 합성물 내 Cd와 Te 보다 더 높게 변화되었다. 결합 에너지의 더 높은 변화는 PSS와 CdTe의 연이은 흡착에 의해 설명될 수 있다. 카운터-차지드(counter-charged) PSS와 CdTe는 다른 것들(CdTe 또는 PSS)에 의해 순차적이면서도 완벽하게 둘러싸여져 있다. 결과적으로, CdTe 나노 입자의 표면 전자는 PSS 분자의 더 큰 음성의 산소 이온에 의해 상당히 영향을 받는다. 도 4(c)에서 보듯이, 다른 한 편으로 PSS로부터 비롯된 (CdTe/PSS)15 다층막의 O1s 피크는 PSS 고유의 것보다 더 낮은 결합 에너지 쪽으로 변화되었다. 즉, PSS은 531.6eV이고, (CdTe/PSS)15 다층막은 530.7이다. 결합 에너지의 더 낮은 변화는 전기적 접촉의 강화에 기인한 것이다. 어떤 원소의 결합 에너지는 반대되는 전하의 합성물계 내에서 합성물계의 특성에 의존해 더 낮거나 더 높은 위치로 변화할 수 있다. 결합 에너지의 변화는 반대되는 전하의 PSS와 CdTe가 정전기적 상호작용에 의해 잘 결합되었음을 나타낸다.
순환 전압전류(Cyclic voltammetry)(CV)는 인가되는 전압으로 전류, 세기(intensity), 피크 포텐셜(peak pontetial)의 위치를 모니터링 함으로써 주어진 샘플의 전기화학적 정보를 얻거나 정성 정보와 산화/환원(redox) 반응의 메커니즘을 분석하는 유용한 기술 중 하나이다. CdTe/PSS 다층막의 전기화학적 거동은 본 발명에서 CV에 의해 정교하게 연구되었다. 도 5은 Au 전극, PSS/PEI와 (CdTe/PSS)1 막의 CV 전류 곡선을 나타내었다. 산화와 환원은 전압 범위를 각각 1.31～1.11V, 0.52～0.68V에서 측정하였다. 하지만 결과와 무시해도 될 정도의 산화와 환원은 각각 0.53에서 0.63V, -0.17V에서 0.11V에서 발견하였다. 이러한 매우 작은 산화/환원 피크는 다층 필름의 전기화학적 거동에 대해 거의 기여하지 않는다. 그것들의 산환/환원 상의 전류 밀도는 Au, PSS/PEI, 및 (CdTe/PSS)1 순으로 감소한다. 반면에 피크 위치는 같은 순서대로 제로 포텐셜 쪽으로 변화한다. CV 실험에서, 산화/환원 반응은 포텐셜의 주기적인 변화 하에서 전극 표면에 근접한 재료로부터 시작되고, 관련해서 생기는 전기적 이동은 전극에 근접한 재료와 전해질 사이에서 발생하고 결과적으로 순환 전류가 생긴다. 이러한 수치는 명백하게 PSS와 CdTe의 연이은 증착이 산화/환원 피크 위치와 그것들의 순환 전류를 변화시켰음을 보여준다. 추가적인 구성물들이 워킹 전극에 근접한 분석물질 상에 증착되었을 때, 그것은 전자 이동과 순환 전류 밀도의 영향을 강화시키거나 감소시킨다. 도 5는 PSS와 CdTe의 연속적인 증착이 전극의 산화/환원 전류를 상당히 감소시켰음을 보여준다. 추가적으로 피크 포텐셜의 이동은 증착된 물질의 전자적 에너지의 상태가 전극 상에 연속적인 증착과 함께 변화되었다. 이것은 XPS 결과와 일맥상통한다.
막의 두께, 전류 밀도와 산화/환원 피크의 포텐셜의 관점에서 워킹 전극에 전압을 가함으로써 얻어지는 순환 전류 밀도와 피크 포텐셜의 변화는 CdTe/PSS 다층막의 이중층 개수에 따라 측정하고 플로팅하였으며, 도 6에서 나타냈다. 8까지의 이중층의 증가와 함께, 산화와 환원 피크는 각각 낮고, 높은 포텐셜로 이동하였다. 순환 전류 밀도는 0의 값 쪽으로 산화와 환원 둘 다 이동하였다. 즉, 산화는 1.13mA에서 0.23mA로 이동하였고, 환원은 -0.5mA에서 -0.11mA로 이동하였다. 전류 밀도의 감소는 전자가 매질 내로 이동하는 것이 점점 어려워졌음을 나타낸다. 이것은 CdTe/PSS 이중층 간 접촉 계면의 증가에 기인한 것이다. 전류 밀도는 CdTe/PSS의 8개 이중층까지 계속해서 감소하고 8개 이중층을 넘어서는 바닥 레벨을 유지한다. 그 동안, 특징적인 산화/환원 포텐셜의 변화는 밴드 갭과 마찬가지로 HOMO와 LUMO 에너지들이 CdTe/PSS 합성막의 형성에 의해 변화할 것임을 나타낸다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 포텐셜들은 CdTe/PSS 이중층의 반복된 증착에 의해 변화될 수 있다. HOMO/LUMO 에너지 레벨은 CV 결과로부터 포함된 산화, 환원 포텐셜의 분석을 통하여 추정될 수 있다. 산화 포텐셜의 감소는 HOMO 에너지 레벨의 증가를 야기한다. 그와는 반대로, 환원 포텐셜의 증가는 LUMO 에너지 레벨의 감소를 암시한다. 이러한 에너지 레벨은 CdTe/PSS 다층막의 8개 이중층 넘어서 보존된다. 에너지 밴드갭의 수정은 기기의 효율을 결정하는 중요한 조건을 가능케 한다. 태양전지의 경우 다층 구조로 이뤄져 있다. 특히 이러한 결과는 CdTe 나노 입자를 기반으로 하는 태양 전지 시스템에 유용하게 적용 가능하다. 인접한 층의 에너지 레벨은 전자-홀 쌍의 분리를 주의 깊게 조정할 것이다. 쇼클리-퀘이셔 한계(Shockley-Queisser limit)로서 에너지 밴드갭은 태양 전지 시스템 적용에서 적절하게 조정될 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전기적 자기조립법에 의해 제조된 CdTe/PSS 다층막을 이용한 발광 소자의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명이 적용되는 발광 소자는 기판(200) 상에 제 1 전극(210), 정공 수송층(220), CdTe/PSS 다층막으로 이루어진 발광층(230), 전자 수송층(240) 및 제 2 전극(250)이 적층 형성된다.
기판(200)은 투명 기판을 이용할 수 있는데, 예를 들어 실리콘 기판, 글래스 기판 또는 플라스틱 기판(PE, PES, PET, PEN 등)이 이용될 수 있다. 또한, 기판(200)은 반사형 기판이 이용될 수 있는데, 예를 들어 메탈 기판이 사용될 수 있다. 메탈 기판은 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 한편, 기판(10)으로 메탈 기판을 이용할 경우 메탈 기판 상부에 절연막을 형성하는 것이 바람직하다. 이는 메탈 기판과 제 1 전극(210)의 단락을 방지하고, 메탈 기판으로부터 금속 원자의 확산을 방지하기 위함이다. 이러한 절연막으로는 티타늄질화물(TiN), 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 실리콘탄화물(SiC) 또는 이들의 화합물중 적어도 하나를 포함하는 무기 물질을 이용할 수 있다.
제 1 전극(210)은 정공을 생성하기 위한 전극으로서, 전도성 금속 또는 그 산화물, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(210)이 형성된 기판(200)은 일반적으로 중성세제, 탈이온수, 아세톤, 이소프로필 알콜 등의 용매로 세정한 다음, UV-오존 처리 및 플라즈마 처리를 하여 사용하게 된다.
정공 수송층(220)은 CdTe/PSS 다층막을 이용한 발광층(230)을 형성하는 과정에서 손상되지 않는 고분자 물질이 적당하며, 그 예로 폴리(3,4-에틸렌티오펜)(poly(3,4-ethilenthiopene)(PEDOT)/PSS, 폴리트리페닐아민(polytriphenylamine), 폴리페닐렌비닐렌(poly(phenylenevinylene)(PPV) 또는 이들의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이들의 유도체 등을 들 수 있다.
발광층(230)은 본 발명에 따라 제조된 CdTe/PSS 다층막을 이용한다. 즉, 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 수용액을 제조하고, 음전하로 대전된 기판을 제조한 후 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 수용액에 디핑하여 CdTe/PSS 이중층(bilayer)을 형성하고, 음전하로 대전된 기판을 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 용액에 디핑하는 단계를 복수회 반복하여 CdTe/PSS 다층막을 형성할 수 있다. 이때, PSS 이외에 정공 및 전자를 수송하거나 수송 속도를 제어할 수 있는 고분자 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 폴리트리페닐아민, 폴리페닐렌비닐렌 또는 이들의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene), 폴리아닐린, 폴리피롤 또는 이들의 유도체 등을 이용할 수 있다. 즉, 정공 및 전자를 수송하거나 수송 속도를 제어할 수 있는 고분자를 이용함으로써 정공 및 전자의 수송을 능동적으로 제어하여 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
전자 수송층(240)은 저분자 및 고분자 물질을 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥시디아졸계 화합물, 티아디아졸계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, Alq3, Balq, Salq등의 알루미늄 착물을 사용할 수 있다.
제 2 전극(250)은 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 금속 즉, I, Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Ag:Mg 합금 등을 사용할 수 있다.
한편, 정공 수송층(220)과 발광층(230) 사이에 전자 억제층이 형성될 수 있고, 발광층(230)과 전자 수송층(240) 사이에 정공 억제층이 형성될 수 있다. 이때, 전자 억제층 및 정공 억제층은 TAZ, BCP, 페난트롤린(phenanthrolines)계 화합물, 이미다졸계 화합물, 트리아졸(triazoles)계 화합물, 옥사디아졸(oxadiazoles)계 화합물, 알루미늄 착물 등을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 본 발명이 적용되는 예로 발광 소자를 예로들어 설명하였으나, 발광 소자 이외에 다양한 전자 기기에 본 발명이 적용될 수 있다. 예를 들어 본 발명에 따른 CdTe/PSS 다층막은 태양 전지에 이용될 수도 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
200 : 기판 210 : 제 1 전극
220 : 정공 수송층 230 : 발광층
240 : 전자 수송층 250 : 제 2 전극
220 : 정공 수송층 230 : 발광층
240 : 전자 수송층 250 : 제 2 전극
Claims (8)
- 양전하로 대전된 나노 입자 용액을 제조하는 단계;
음전하로 대전된 기판을 제조하는 단계;
상기 음전하로 대전된 기판을 상기 양전하로 대전된 나노 입자 용액에 디핑하여 이중층을 형성하는 단계; 및
상기 이중층 형성을 반복하여 다층막을 형성하는 단계를 포함하는 다층막 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 나노 입자 용액은 CdTe 나노 입자 용액을 포함하는 다층막 제조 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 양전하로 대전된 CdTe 나노 입자 용액을 제조하는 단계는,
NaBH4과 텔루리움 분말을 증류수에 혼합하여 NaHTe 용액을 제조하는 단계;
상기 NaHTe 용액을 CdCl2 용액에 첨가하는 단계; 및
상기 NaHTe와 CdCl2의 혼합물을 교반하는 단계를 포함하는 다층막 제조 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 음전하로 대전된 기판을 제조하는 단계는,
기판을 PEI 용액에 디핑하는 단계; 및
상기 기판을 PSS 용액 내에 디핑하는 단계를 포함하는 다층막 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 이중층은 PSS와 CdTe가 자기 조립된 CdTe/PSS를 포함하는 다층막 제조 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 다층막은 상기 CdTe/PSS 이중층이 복수 자기 조립되어 형성된 다층막 제조 방법.
- 청구항 1 내지 6의 적어도 어느 한 항에 의해 제조된 다층막을 이용하는 전자 소자.
- 청구항 7에 있어서, 상기 다층막은 적어도 한층의 유기물을 포함하는 발광 소자의 발광층으로 이용하는 전자 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110078651A KR20130016616A (ko) | 2011-08-08 | 2011-08-08 | 다층막 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130016616A true KR20130016616A (ko) | 2013-02-18 |
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ID=47895930
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| KR1020110078651A KR20130016616A (ko) | 2011-08-08 | 2011-08-08 | 다층막 제조 방법 및 이를 이용한 전자 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130016616A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160013725A (ko) * | 2014-07-28 | 2016-02-05 | 고려대학교 산학협력단 | 야누스 나노복합체 다층막, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전극 |
-
2011
- 2011-08-08 KR KR1020110078651A patent/KR20130016616A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20160013725A (ko) * | 2014-07-28 | 2016-02-05 | 고려대학교 산학협력단 | 야누스 나노복합체 다층막, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전극 |
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