KR20150072089A - 발광 강화 양자점 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 강화 양자점에 관한 것으로, 특히 양자점을 캐핑(capping)하는 리간드가 발광물질을 함유하여 수용액 상에서 분산성 및 안정성이 뛰어나면서도 양자점과 리간드가 동일 또는 대등한 색상을 발광하여 발광소자에 적용시 색순도 및 발광특성이 우수한 발광 강화 양자점 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

발광 강화 양자점 {Quantum Dot Intensifying Light Emitting}
본 발명은 발광 강화 양자점에 관한 것으로, 특히 양자점을 캐핑(capping)하는 리간드가 발광물질을 함유하여 수용액 상에서 분산성 및 안정성이 뛰어나면서도 양자점과 리간드가 동일 또는 대등한 색상을 발광하여 발광소자에 적용시 색순도 및 발광특성이 우수한 발광 강화 양자점 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
양자점(Quantum Dot)은 나노 크기의 반도체 물질로서 양자 제한(quantum confinement) 효과를 나타내는데, 이러한 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 빛을 받아 에너지 여기 상태에 이르면, 자체적으로 해당하는 에너지 밴드갭(bandgap)에 따른 에너지를 방출하게 된다. 또한 양자점의 크기를 조절하여 해당 밴드 갭을 조절하면 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있으므로 양자점의 크기 조절만으로 발광 파장을 조절할 수 있고, 우수한 색순도 및 높은 발광 효율 등의 특성을 나타낼 수 있기 때문에 발광소자 또는 광전변환소자 등 다양한 소자에 응용할 수 있다.
종래 연구된 발광소자로서의 양자점은 수용액 상에서 분산성 및 안정성이 떨어지고, 색순도 및 발광특성이 떨어져 발광소자로 이용하기 어려움이 있었으며, 이에 대한 꾸준한 연구가 진행되고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 수용액 상에서 분산성 및 안정성이 뛰어나면서도 양자점과 리간드가 동일 또는 대등한 색상을 발광하여 발광소자에 적용시 색순도 및 발광특성이 우수한 발광 강화 양자점, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
코어/쉘의 구조체와 쉘의 표면에 부착된 리간드를 포함하는 양자점으로서,
상기 리간드가 발광그룹을 포함하며,
상기 코어/쉘의 구조체와 리간드는 최대방출피크의 차이가 0 내지 50 nm인 색상을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점을 제공한다.
또한 본 발명은 코어/쉘의 구조체가 분산된 용액에 코어/쉘 구조체와 최대방출피크의 차이가 0 내지 50 nm인 색상을 발광하는 발광그룹을 함유한 리간드를 가한 후, 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 발광소자에 있어서, 발광물질로 상기 발광 강화 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자를 제공한다.
또한 본 발명은 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 발광 강화 양자점으로 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 발광 강화 양자점은 수용액 상에서 분산성 및 안정성이 뛰어나면서도 양자점과 리간드가 동일 또는 대등한 색상을 발광하여 발광소자에 적용시 색순도 및 발광특성이 우수하여 종래의 발광소자에 비하여 우수한 색순도, 고안정성 및 높은 발광효율을 가지게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 강화 양자점의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 발광 강화 양자점의 모식도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발광 강화 양자점은
코어/쉘의 구조체와 쉘의 표면에 부착된 리간드를 포함하는 양자점으로서,
상기 리간드가 발광그룹을 포함하며,
상기 코어/쉘의 구조체와 리간드는 최대방출피크의 차이가 0 내지 50 nm인 색상을 발광하는 것을 특징으로 한다.
상기 리간드는 발광그룹 및 쉘과 발광그룹을 연결하는 연결그룹을 포함하며, 필요에 따라 연결그룹과 발광그룹 사이에 스페이서를 포함할 수 있다.
하기 구조식 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 양자점의 모식도를 나타낸 것이다.
[구조식 1]
Figure pat00001
상기 구조식 1에서, A는 발광그룹을 나타내며, L은 스페이서, X는 연결그룹을 나타낸다.
본 발명의 발광 강화 양자점에서 코어/쉘 구조체는 공지의 코어/쉘 구조체를 사용할 수 있으며, 일예로 대한민국공개특허공보 제2010-35466호에 기재된 코어/쉘 구조체를 이용할 수도 있다. 보다 구체적으로 코어/쉘 구조체는 a) 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택된 제1 원소와 16족에서 선택된 제2 원소; b) 13족에서 선택된 제1 원소 및 15족에서 선택된 제2 원소; 및 c) 14족 원소;로 이루어진 군에서 선택된 하나의 물질, 혹은 이들이 코어/쉘의 구조체를 형성한 것을 예로 들 수 있으며, 이의 예로는 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTE, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2O3, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, SiO2, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si, Ge로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이며, 이들이 코어/쉘 형태의 구조체를 형성한 것을 사용할 수 있다.
상기 코어/쉘의 구조체의 평균 직경은 임의로 조절가능하며, 1-12 nm인 것을 사용할 수 있다. 바람직하기로 500 이상 800 이하 nm 영역대의 빛을 발광하는 코어/쉘의 구조체는 5-12 nm 의 직경, 400 이상 500 미만 nm 영역대의 빛을 발광하는 코어/쉘의 구조체는 1-3 nm 의 직경을 가지게 할 수 있다.
또한 본 발명의 발광 강화 양자점에서 상기 발광그룹은 양자점과 동일 또는 대등한 색을 발광하는 발광그룹을 포함한다. 즉, 상기 코어/쉘의 구조체의 최대방출 peak가 X nm일 경우 발광그룹은 X-50 nm 이상 X+50 nm 이하의 최대방출 peak를 가진다. 보다 바람직하기로는 상기 코어/쉘의 구조체의 최대방출 peak가 X nm일 경우 발광그룹은 X-25 nm 이상 X+25 nm 이하의 최대방출 peak를 가지는 것이 좋다.
상기 발광그룹은 공지의 발광 그룹을 사용할 수 있으며, 예로서 형광 또는 인광 발광그룹을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 400 이상 800 이하 nm 영역대의 빛을 발광하는 그룹은 FL1 내지 FL38, 또는 PL1 내지 PL59 들 중 하나일 수 있다.
하기 FL1 내지 FL38, 또는 PL1 내지 PL59에서 *는 연결부분이며, 여기서 연결부분은 괄호안의 치환위치 중 하나 이상에 연결될 수 있으며, R1 내지 R16은 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐; 아미노기; 니트릴기; 니트로기; 중수소, 할로겐, 아미노기, 니트릴기, 니트로기로 치환되거나 치환되지 않은 C1~C40의 알킬기; C2~C40의 알케닐기; C1~C40의 알콕시기; C3~C40의 시클로알킬기; C3~C40의 헤테로시클로알킬기; C6~C40의 아릴기; C3~C40의 헤테로아릴기 ; C3~C40의 아르알킬기 ; C3~C40의 아릴옥시기 ; C3~C40의 아릴싸이오기 또는 Si이다. 임의적으로 R1 내지 R16에서 선택된 2개 이상은 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있으며 S, N, O, Si가 포함될 수 있다.
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또한 본 발명의 발광 강화 양자점에서 상기 연결그룹은 쉘에 부착되면서 발광그룹 또는 스페이서에 연결될 수 있는 연결기이면 특별히 한정되지 않으며, 일예로 씨올(thiol)기, 카르복시기, 아민기, 포스핀(phospine)기, 및 포스파이드(phosphide)기로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 기를 사용할 수 있다. 바람직하기로 상기 연결기는 씨올기이다.
또한 본 발명의 발광 강화 양자점에서는 상기 발광그룹과 연결그룹 사이에 스페이서를 더욱 포함할 수 있다. 상기 스페이서는 코어/쉘 구조체에 부착될 수 있는 발광그룹을 개수를 늘려주고, 발광 양자점 제조시 발광물질을 포함한 리간드의 용매에 대한 분산을 용이하게 할 수 있다. 구체적으로 상기 스페이서는 치환되거나 치환되지 않은 포화 또는 불포화 C1~C30의 알킬기, C3~C40의 시클로알킬기, Si1~Si30의 실란이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하기로 본 발명에서 발광그룹, 스페이서 및 연결그룹을 모두 포함하며, 일예로 하기와 같은 구조일 수 있다. 하기 구조들에서 -SH의 H 부분이 코어/쉘 구조체와 결합하는 부분이다.
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본 발명에서 말단에 발광 그룹을 포함한 전체 발광 강화 양자점의 크기는 임의로 조절 가능하며, 바람직하기로는 5 내지 30 nm, 더욱 바람직하기로는 10-20 nm인 것이 좋다.
하기 구조식 2는 본 발명의 구체적인 일예에 따른 발광 강화 양자점의 모식도를 나타낸 것으로, 코어는 CdSe, 쉘은 ZnS를 사용할 수 있으며 코어/쉘 구조체의 크기가 1-3 nm로 최대방출 peak가 400-450 nm일 때, 발광물질의 최대방출 peak 가 400-500 nm인 안트라센유도체를 사용 할 수 있다.
[구조식 2]
Figure pat00180

본 발명에 따른 발광 강화 양자점은 코어/쉘의 구조체가 분산된 용액에 코어/쉘의 구조체와 동일한 색상을 발광하는 발광그룹을 함유한 리간드를 가한 후, 교반하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 상기에서 코어/쉘의 구조체의 제조는 공지의 방법들이 사용될 수 있음은 물론이며, 구체적으로 도 1에 기재된 합성방법을 따를 수 있다.
또한 발광그룹을 포함하는 리간드의 제조는 발광그룹에 연결그룹을 결합시키거나 또는 하기 반응식 1 및 2의 과정을 거쳐 스페이서를 발광그룹과 연결그룹 사이에 포함시켜 리간드를 제조할 수 있다.
[반응식 1]
Figure pat00181
[반응식 2]
Figure pat00182
상기 반응식 2는 구체적으로 하기 반응식 3일 수 있다.
[반응식 3]
Figure pat00183

또한 코어/쉘의 구조체에 발광그룹을 함유한 리간드를 부착하는 방법에서 상기 교반은 상온 내지 100 ℃의 온도에서 0.1 내지 100 시간 동안 이루어 질 수 있다.
또한 본 발명은 상기 발광 강화 양자점을 이용한 발광소자(QLED) 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명에서 상기 발광소자는 본 발명에 따른 상기 발광 강화 양자점을 사용하여 형성한 발광층을 제외하고는 다른 공지 기술이 적용될 수 있음은 물론이다.
일예로 발광소자는 일실시예에 따르면 기판 - 음극 - 본 발명에 따른 발광 강화 양자점으로 형성한 발광층 - 양극이 순차적으로 형성될 수 있도록 구성할 수 있으며, 상기 음극과 발광층 사이에 전자 수송층을 더욱 형성할 수 있고, 발광층과 양극 사이에 정공수송층을 더욱 형성할 수도 있다. 또한 필요에 따라 전자수송층과 발광층 사이에 정공억제층을 더욱 포함할 수도 있으며, 각 층들 사이에 버퍼층을 형성할 수도 있다.
본 발명에서 발광 강화 양자점을 이용한 발광소자(QLED) 통상적인 제작방법에 의하여 형성가능하며, 상기 발광층을 포함한 각각의 유기막의 두께는 30 내지 100 nm인 것으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 발광 소자에서는 각 층 사이에 버퍼층이 형성될 수 있는 바, 이와 같은 버퍼층의 소재로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene), 또는 이들의 유도체를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 정공수송층의 소재로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 폴리트리페닐아민(polytriphenylamine)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 전자수송층의 소재로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 폴리옥사디아졸(polyoxadiazole)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 정공억제층의 소재로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 LiF, BaF 2 또는 MgF 2 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
보다 구체적으로 본 발명의 발광소자는 도 2에 기재된 방법에 따라 제조될 수도 있다.
상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 발광소자는 안정성이 높으며, 종래의 발광소자에 비하여 우수한 색순도, 및 높은 발광효율을 가지게 된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[합성예 1] 9-브로모-10-페닐안트라센의 합성(발광물질의 합성)
아르곤 또는 질소분위기하에서 250 ml들이 플라스크에 2-나프탈렌보론산 4.2 g, 9-브로모안트라센 6.8 g, 테트라키스(트라이페닐포스핀)팔라듐(0) 0.6 g, 톨루엔 50 ml 및 탄산나트륨 8.4 g을 물 50 ml에 용해한 시킨 것을 넣고, 환류하면서 24시간 가열 교반하였다. 반응 후, 실온까지 냉각시켜 석출한 결정을 여과 분리하였다. 이를 톨루엔으로 재결정화하여 7.5 g의 결정을 수득하였다.
아르곤 또는 질소분위기하에서, 250 ml들이 플라스크에, 상기 결정 7.5 g과 탈수처리한 DMF(다이메틸폼아마이드) 100 ml를 넣고, 80 ℃로 가열하고, 원료를 용해시킨 후, 50 ℃에서 N-브로모석신산이미드 4.8 g을 가하여 2시간 교반했다. 반응 종료 후, 정제수 200 ml에 반응액을 주입하여 석출한 결정을 여과 분리하였다. 이를 톨루엔으로 재결정화하여, 6.8 g의 결정을 수득하였다.
Figure pat00184

[합성예 2] 9-(10-브로모데실)-10-페닐안트라센 (스페이서 합성)
9-브로모-10-페닐안트라센 8 g를 anhydrous diethyl ether 300 ml에 녹였다. 여기서 0 ℃에서 n-BuLi(2 M) 18 ml를 천천히 넣었다. 0 ℃에서 1시간 유지 후 1,10-다이브로모데켄 21.6 ml를 넣었다. 30 분 후 2시간 환류 교반하였다. 반응이 더 이상 진행되지 않으면 상온으로 냉각 후 증류수 80 ml를 넣었다. 유기층을 모으고 물층을 에틸에테르 40 ml로 3회 추출하였다. 무수황산마그네슘으로 수분제거 후 hexane을 이동상으로 컬럼분리하여 연두색 오일상 9-(10-브로모데실)-10-페닐안트라센 5.7 g (50%)을 얻었다.
Figure pat00185
1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 8.32 (2H, d), 7.63 (2H, d), 7.59(9H, m), 3.92 (2H, t), 3.65 (2H, t), 1.70-1.68 (2H, m), 1.64-1.60 (4H, m), 1.52(10H, m)
[합성예 3] 화합물 DJ-A-1 합성
9-(10-브로모데실)-10-페닐안트라센 4 g(1eq)와 싸이오우레아 1.3 g(2eq)를 무수에탄올 50 ml에 녹이고 4시간 환류 교반하였다. 여기에 6 M의 수산화나트륨 50 ml를 넣고 2시간 환류 교반하였다. 반응이 더 이상 진행되지 않으면 에탄올 제거 후 에틸 아세테이트 30 ml로 3 회 추출하였다. 브라인 용액으로 씻어준 후 무수황산마그네슘으로 수분제거 후 CHCl3을 이동상으로 컬럼분리하여 연두색 오일상 10-(10-phenylanthrace-9-yl)decane-1-thiol 1.4 g (39%)를 얻었다.
Figure pat00186
1H-NMR (CDCl3,Varian400MHz): δ 1.26-1.38 (6H, m), 1.43-1.46 (4H, m), 1.62-1.66 (2H, m), 1.85-1.90 (4H, m), 3.42 (2H, t, J=6.8Hz),3.64-3.69(2H,m),7.31-7.35(2H,m),7.40-7.42(2H,m),7.48-7.59(5H,m),7.66(2H,d,J=8.8Hz),8.33(2H,d,J=9.2Hz).
LC-MS (LC:Agilent 1200, MS:LCQ Advantage Max): Mobile phase from 0% [water+0.01% HFBA+1.0% IPA] and 100% [CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]to0%[water+0.01%HFBA+1.0%IPA]and100%[CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]in6.0min).Purityis99.72%,Rt=2.48min;MSCalcd.:426.24;MSFound426.2[M].
[합성예 4] 화합물 DJ-A-2 합성
상기 합성예 1에서 합성예 3 과정을 반복하였으며, 단 합성예 2에서 1,10-다이브로모데켄 대신 1,5-dibrompentane을 사용하였고, Pale yellow DJ-A-2를 합성하였다.
1H-NMR (CDCl3,Varian400MHz): δ 1.45 (1H, t, J=7.6Hz),1.74-1.81(4H,m),1.87-1.92(2H,m),2.60(2H,q,J=7.6Hz),3.66-3.70(2H,m),7.32-7.35(2H,m),7.40-7.42(2H,m),7.48-7.54(3H,m),7.55-7.59(2H,m),7.66(2H,d,J=8.4Hz),8.31(2H,d,J=8.8Hz).
LC-MS (LC:Agilent 1200, MS:LCQ Advantage Max): Mobile phase from 10% [water+0.01% HFBA+1.0% IPA] and 90% [CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]to5%[water+0.01%HFBA+1.0%IPA]and95%[CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]in6.0min).Purityis99.52%,Rt=2.61min;MSCalcd.:356.16;MSFound356.2[M].
상기 합성예 3 및 4의 전체 반응모식도는 다음과 같다.
Figure pat00187

[합성예 5] 화합물 DJ-A-3 합성
상기 합성예 1에서 합성예 3의 과정을 반복하였으며, 단 합성예 1에서 9-bromo-10-phenyl anthracene 대신 9-(4-bromopheneyl)-10-phenylanthracene 사용하였고, 하얀색 고체 DJ-A-3를 합성하였다.
1H-NMR (CDCl3,Varian400MHz): δ 1.32-1.45 (12H, m), 1.60-1.63 (2H, m), 1.75-1.78 (2H, m), 2.52 (2H, q, J=7.6Hz),2.75-2.79(2H,m),7.30-7.32(4H,m),7.35-7.41(4H,m),7.46-7.48(2H,m),7.53-7.61(3H,m),7.66-7.73(4H,m).
LC-MS (LC:Agilent 1200, MS:LCQ Advantage Max): Mobile phase from 0% [water+0.01% HFBA+1.0% IPA] and 100% [CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]to0%[water+0.01%HFBA+1.0%IPA]and100%[CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]in10min).Purityis99.62%,Rt=3.94min;MSCalcd.:502.27;MSFound502.2[M].
[합성예 6] 화합물 DJ-A-4 합성
상기 합성예 5에서 1,10-다이브로모데켄 대신 1,5-dibrompentane을 사용하였고, Pale yellow 고체 DJ-A-4를 합성하였다.
1H-NMR (CDCl3,Varian400MHz): δ 1.39 (1H, t, J=7.6Hz),1.54-1.60(2H,m),1.73-1.82(2H,m),2.61(2H,q,J=7.6Hz),2.79-2.82(2H,m),7.31-7.33(4H,m),7.39-7.40(4H,m),7.47-7.49(2H,m),7.54-7.60(3H,m),7.67-7.73(4H,m).
LC-MS (LC:Agilent 1200, MS:LCQ Advantage Max): Mobile phase from 5% [water+0.01% HFBA+1.0% IPA] and 95% [CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]to0%[water+0.01%HFBA+1.0%IPA]and100%[CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]in6.0min).Purityis99.58%,Rt=2.85min;MSCalcd.:432.19;MSFound432.2[M].
상기 합성예 5 및 6의 전체 반응모식도는 다음과 같다.
Figure pat00188

[합성예 7] 화합물 DJ-A-5 합성
상기 합성예 1에서 합성예 3의 과정을 반복하였으며, 단 합성예 1에서 9-bromo-10-phenyl anthracene 대신 9-borom-10-(2-napthyl)anthracene 사용하였고, 노란색 고체 DJ-A-5를 합성하였다.
1H-NMR (CDCl3,Varian400MHz): δ 1.32-1.42 (12H, m), 1.59-1.65 (2H, m), 1.75-1.81 (2H, m), 2.54 (2H, q, J=7.6Hz),2.79(2H,t,J=7.6Hz),7.28-7.35(4H,m),7.39-7.43(4H,m),7.57-7.62(3H,m),7.69-7.76(4H,m),7.90-7.93(1H,m),7.98(1H,s),8.01-8.04(1H,m),8.07(1H,d,J=8.4Hz).
LC-MS (LC:Agilent 1200, MS:LCQ Advantage Max): Mobile phase from 0% [water+0.01% HFBA+1.0% IPA] and 100% [CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]to0%[water+0.01%HFBA+1.0%IPA]and100%[CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]in10min).Purityis99.84%,Rt=4.95min;MSCalcd.:552.29;MSFound552.2[M].
합성예 7의 전체 반응모식도는 다음과 같다.
Figure pat00189

[합성예 8] 화합물 DJ-A-6 합성
상기 합성예 7의 과정을 반복하였으며, 단 합성예 2에서 1.10-다이브로모데켄 대신 1,5-dibrompentane을 사용하였고, 노란색 고체 DJ-A-6를 합성하였다.
1H-NMR (CDCl3,Varian400MHz): δ 1.39 (1H, t, J=7.2Hz),1.62-1.54(2H,m),1.85-1.71(4H,m),2.61(2H,q,J=7.2Hz),2.83-2.79(2H,m),7.36-7.28(4H,m),7.42(4H,s),7.63-7.59(3H,m),7.76-7.70(4H,m),7.93-7.91(1H,m),7.98(1H,s),8.04-8.02(1H,m),8.07(1H,d,J=8.4Hz).
LC-MS (LC:Agilent 1200, MS:LCQ Advantage Max): Mobile phase from 0% [water+0.01% HFBA+1.0% IPA] and 100% [CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]to0%[water+0.01%HFBA+1.0%IPA]and100%[CH3CN+0.01%HFBA+1.0%IPA]in6.0min).Purityis99.76%,Rt=2.23min;MSCalcd.:482.21;MSFound482.2[M].
합성예 8의 전체 반응모식도는 다음과 같다.
Figure pat00190

[합성예 9] 9-(10-브로모-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민의 합성(발광물질의 합성)
아르곤 또는 질소분위기하에서, 1000 ml 들이 플라스크에, 2,7-다이브로모-9H-카바졸 32.5 g, 다이페닐아민 37.2 g, 트리스(다이벤질딘아세톤)팔라듐(0) 4.6g, 톨루엔 300 ml 및 테트라부톡사이드나트륨 100 g을 넣고, 환류하면서 24시간 가열 교반하였다. 반응 후, 실온까지 냉각시켜 석출한 결정을 여과 분리하였다. 이를 톨루엔으로 재결정화하여, 40 g의 결정을 수득하였다.
아르곤 또는 질소분위기하에서, 1000 ml들이 플라스크에, 상기 결정 40 g, 9-브로모안트라센 38 g, 트리스(다이벤질딘아세톤)팔라듐(0) 2.2 g, 톨루엔 400 ml 및 테트라부톡사이드나트륨 60 g을 넣고, 환류하면서 24시간 가열 교반하였다. 반응 후, 실온까지 냉각시켜 석출한 결정을 여과 분리하였다. 이를 톨루엔으로 재결정화하여 45 g의 결정을 수득하였다.
아르곤 또는 질소분위기하에서, 1000 ml들이 플라스크에, 상기 결정 45 g과 탈수처리한 DMF(다이메틸폼아마이드) 500 ml를 넣고, 80 ℃로 가열하고, 원료를 용해시킨 후, 50 ℃에서 N-브로모석신산이미드 15 g을 가하여, 2시간 교반했다. 반응 종료 후, 정제수 200 ml에 반응액을 주입하여 석출한 결정을 여과 분리하였다. 이를 톨루엔으로 재결정화하여, 42 g의 결정을 수득하였다.
Figure pat00191

[합성예 10] 9-(10-브로모데실-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민 (스페이서 합성)
9-(10-브로모-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민 9.5 g를 anhydrous diethyl ether 300 ml에 녹였다. 여기서 0 ℃에서 n-BuLi(2 M) 17.5 ml를 천천히 넣었다. 0 ℃에서 1시간 유지 후 1,10-다이브로모데켄 22.4 ml를 넣었다. 30 분 후 2시간 환류교반하였다. 반응이 더 이상 진행되지 않으면 상온으로 냉각 후 증류수 80 ml를 넣었다. 유기층을 모으고 물층을 에틸에테르 40 ml로 3회 추출하였다. 무수황산마그네슘으로 수분제거 후 hexane을 이동상으로 컬럼분리 하여 연두색 오일상 9-(10-브로모데실-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민 6.3g (49%)을 얻었다.
Figure pat00192
1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 8.32 (2H, d), 8.17 (2H, s), 7.89 (4H, m), 7.63 (2H, d), 7.59(14H, m), 3.92 (2H, t), 3.65 (2H, t), 1.70-1.68 (2H, m), 1.64-1.60 (4H, m), 1.52(10H, m)
[합성예 11] 화합물 DJ-A-7 합성
9-(10-브로모데실-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민 4.1 g(1eq)와 싸이오우레아 1.2 g(2eq)를 무수에탄올 50 ml에 녹이고 4시간 환류교반 하였다. 여기에 6 M의 수산화나트륨 50 ml를 넣고 2시간 환류교반하였다. 반응이 더 이상 진행되지 않으면 에탄올 제거 후에틸 아세테이트 30 ml로 3 회 추출하였다. 브라인 용액으로 씻어준 후 무수황산마그네슘으로 수분제거 후(CHCl3:)을 이동상으로 컬럼분리하여 연두색 오일상 10-(10-phenylanthrace-9-yl)decane-1-thiol 1.4g (36%)를 얻었다.
Figure pat00193
1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 8.32 (2H, d), 8.17 (2H, s), 7.89 (4H, m), 7.63 (2H, d), 7.59(14H, m), 3.92 (2H, t), 3.65 (2H, t), 1.70-1.68 (2H, m), 1.63-1.60 (4H, m), 1.51(10H, m)
[합성예 12] 화합물 DJ-A-8 합성
합성예 1에서 합성예 3의 과정을 반복하여, 단 합성예 2에서 1,10-다이브로모데켄 대신 1,5-dibrompentane을 사용하였고, Pale yellow DJ-A-8를 합성하였다.
1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 8.31 (2H, d), 8.18 (2H, s), 7.98 (4H, m), 7.73 (2H, d), 7.59(14H, m), 3.94 (2H, t), 3.65 (2H, t), 1.70-1.68 (2H, m), 1.63-1.60 (4H, m), 1.51(5H, m)
상기 합성예 10 및 12의 전체 반응모식도는 다음과 같다.
Figure pat00194

[합성예 13] 화합물 DJ-A-9 합성
합성예 1에서 합성예 3의 과정을 반복하여, 단 합성예 11에서 9-(10-브로모-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민 대신 9-(10-(4-브로모페닐)-9-안트라실)-N 3,N 3,N 6,N 6-테트라페닐-9H-카바졸-3,6-다이아민 사용하였고, 하얀색 고체 DJ-A-9를 합성하였다.
1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 8.32 (2H, d), 8.17 (2H, s), 7.89 (8H, m), 7.63 (2H, d), 7.59(14H, m), 3.92 (2H, t), 3.65 (2H, t), 1.70-1.68 (2H, m), 1.63-1.60 (4H, m), 1.51(10H, m)
[합성예 14] 화합물 DJ-A-10 합성
상기 [합성예 13]에서 1,10-다이브로모데켄 대신 1,5-dibrompentane을 사용하였고, Pale yellow 고체 DJ-A-10를 합성하였다.
1H NMR (CDCl3, 400 MHz): 8.42 (2H, d), 8.24 (2H, s), 7.79 (8H, m), 7.68 (2H, d), 7.57(14H, m), 3.92 (2H, t), 3.63 (2H, t), 1.74-1.68 (2H, m), 1.63-1.60 (4H, m), 1.49(10H, m)
상기 합성예 13 및 14의 전체 반응모식도는 다음과 같다.
Figure pat00195

[합성예 15] CdSe/ZnS 합성
카드뮴 산화물의 0.4 mmol CDO (99.99 %), 아연 아세테이트 4 mmol (99.9 %, 분말)과 올레산 (OA)의 5.58 mL를 100 mL의 3 구 플라스크에 넣고 질소분위기 하에서 150 ℃로 30분 동안 가열 하였다. 다음 1 octadecene(ODE) 20 mL를 넣고 온도를 310 ℃로 증가하였다. trioctylphosphine 3 mL(TOP), 셀레늄 1 mmol (SE), 황 (S) 2.3 mmol을 빠르게 플라스크에 주입 하였다. 반응 온도를 10 분 동안 310 ℃로 유지한 후 상온으로 냉각하였다. 생성된 양자점을 클로로포름 20 mL와 과량의 아세톤으로 정제하였다(3 회 이상). 양자점을 5.0 ㎎/mL의 농도로 클로로포름 또는 헥산에 redispersed 하였다.
[합성예 16] ZnO nanoparticles 합성
ZnO 나노입자는 전자 수송층으로 사용되며, ZnO 나노 입자 합성을 위한 일반적인 방법은 Zinc acetate를 dimethyl sulfoxide(DMSO, 0.5 M) 30 ml 넣고, 에탄올에 테트라메틸암모늄하이드(TMAH) (0.55 M) 혼합물을 1 시간 동안 교반하였다. 원심분리하여 에탄올과 과도한 아세톤 혼합물로 세척 하였다. 합성된 ZnO 나노입자는 30 ㎎/mL의 농도로 에탄올에 분산 및 LED 제조 장치에 대한 전자수송층 재료로 사용하였다.
[실시예 1] 블루 발광강화 양자점 합성(Ligand Exchange)
상기 합성예 15에서 제조한 양자점(CdSe/ZnO440)으로 CdSe/ZnS 용액(0.2 ml, 5 mg/ml in hexane)을 제조하고, 상기 합성예 3에서 제조한 발광물질(0.5 ml, 3 mM in hexane)을 첨가하고 30분간 상온에서 교반하였다. 반응플라스크에 methanol을 가하여 고체화 시킨 후에 원심 분리하여 양자점을 제조하였다. Ligand exchange 결과는 IR DATA로 확인하였고, UV흡수 및 PL 스펙트라를 확인하였다.
[실시예 2] 그린 발광강화 양자점 합성(Ligand Exchange)
상기 합성예 15에서 제조한 양자점(CdSe/ZnO500)으로 CdSe/ZnS 용액(0.2 ml, 5 mg/ml in hexane)을 제조하고, 상기 합성예 11에서 제조한 발광물질(0.5 ml, 3 mM in hexane)을 첨가하고 30분간 상온에서 교반하였다. 반응플라스크에 methanol을 가하여 고체화 시킨 후에 원심 분리하여 양자점을 제조하였다. Ligand exchange 결과는 IR DATA로 확인하였고, UV흡수 및 PL 스펙트라를 확인하였다.
[실시예 3] QD-LED 소자 제작
QD-LED는 인듐주석산화물이 코팅된 유리 (ITO / 유리) 기판 (sheet resistance <10Ω/□)에 제작 하였다. ITO 유리는 1 분간 초음파를 사용하여 아세톤과 이소프로필 알코올로 세척하였고, 아르곤/산소 1분간 플라즈마 처리하였다.
poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS, Baytron P AI 4083) 9:1부피비로 이소프로필알코올로 희석 한 후, 30초간 4,000 rpm으로 스핀 코팅했다. PEDOT:PSS 코팅 된 ITO 유리를 대기중에 10 분 동안 120℃로 핫 플레이트로 베이킹 해 주었다.
코팅 된 기판을 N2로 채워진 글로브 박스에서 폴리비닐카바졸(PVK, 클로로 벤젠의 0.01g/mL)을 30초 동안 3,000rpm으로 스핀코팅 한 후, 30 분 동안 180 ℃ 에서 기판을 베이킹 처리하여, 홀 수송층으로 사용하였다. 발광층으로는 실시예 1에서 만든 양자점 용액을 20초 동안 1,500 rpm 스핀 코팅 하였다.
다음, ZnO 나노 입자 (30 ㎎ / mL) 용액을 30초 동안 1,500 rpm으로 스핀코팅하고, 기판은 150 ℃에서 30 분간 베이킹 해주었다. 마지막으로, 이러한 다층 박막기판을 고진공 증착 챔버 (배경 압력 ~ 5 × 10-6torr)에 넣고 알루미늄 cathode (100 nm의 두께)를 증착하였다.
[실시예 4] QD-LED 소자 제작
실시예 3의 방법으로 소자를 제작하되 실시예 1의 발광강화 양자점 대신 실시예 2의 발광강화 양자점을 발광층으로 사용하였다.
[비교예 1]
실시예 3의 방법으로 소자를 제조하되 발광강화 양자점 대신 Blue 양자점(CdSe/ZnO440)을 발광층으로 사용하였다.
[비교예 2]
실시예 3의 방법으로 소자를 제조하되 발광강화 양자점 DJ-A-1을 발광층으로 사용하였다.
[비교예 3]
실시예 3의 방법으로 소자를 제조하되 발광강화 양자점 대신 그린양자점(CdSe/ZnO500)을 발광층으로 사용하였다.
[비교예 4]
실시예 3의 방법으로 소자를 제조하되 발광강화 양자점 DJ-A-7을 발광층으로 사용하였다.
상기 실시예 3-4 및 비교예 1-4의 전계발광(EL) 소자의 IVL 특성과 EL 스펙트럼을 확인하였다. 최대발광세기 2,000 cd/m2 이며, 각각 소자의 발광효율은 하기 표 1에 나타내었다.
Color of LED V T (V) λ max (nm) L max (cd/m 2 ) η A (cd/A)
실시예 3 4.3 468, 482 1815 0.22
실시예 4 5.4 520, 540 1980 0.32
비교예 1 4.8 475 1615 0.42
비교예 2 4.4 460 1502 0.29
비교예 3 5.1 535 1820 0.45
비교예 4 5.3 510 1750 0.41
상기 표 1에 나타나는 바와 같이 본 발명의 실시예 3은 비교예 1 및 2에 비하여 발광세기가 크게 향상됨을 확인 할 수 있었으며, 본 발명의 실시예 4는 비교예 3 및 4에 비하여 발광세기가 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

  1. 코어/쉘의 구조체와 쉘의 표면에 부착된 리간드를 포함하는 양자점으로서,
    상기 리간드가 발광그룹을 포함하며,
    상기 코어/쉘의 구조체와 리간드는 최대방출피크의 차이가 0 내지 50 nm인 색상을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리간드는 발광그룹 및 쉘과 발광그룹을 연결하는 연결그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리간드는 상기 연결그룹과 발광그룹 사이에 스페이서를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광그룹은 하기 그룹들로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
    FL1:
    Figure pat00196
    , FL2:
    Figure pat00197
    , FL3:
    Figure pat00198
    , FL4:
    Figure pat00199
    ,
    FL5:
    Figure pat00200
    , FL6:
    Figure pat00201
    , FL7:
    Figure pat00202
    , FL8:
    Figure pat00203
    , FL9:
    Figure pat00204
    , FL10:
    Figure pat00205
    , FL11:
    Figure pat00206
    , FL12:
    Figure pat00207
    , FL13:
    Figure pat00208
    , FL14:
    Figure pat00209
    , FL15:
    Figure pat00210
    , FL16:
    Figure pat00211
    , FL17:
    Figure pat00212
    , FL18:
    Figure pat00213
    , FL19:
    Figure pat00214
    , FL20:
    Figure pat00215
    , FL21:
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    , FL22:
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    , FL23:
    Figure pat00218
    , FL24:
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    Figure pat00220
    , FL26:
    Figure pat00221
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    , FL28:
    Figure pat00223
    , FL29:
    Figure pat00224
    , FL30:
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    , FL31:
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    , FL32:
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    , FL33:
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    , FL34:
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    ,
    FL35:
    Figure pat00230
    , Fl36:
    Figure pat00231
    ,
    FL37:
    Figure pat00232
    , FL38:
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    PL1:
    Figure pat00234
    , PL2:
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    , PL3:
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    , PL4:
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    , PL5:
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    , PL6:
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    , PL7:
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    , PL8:
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    , PL9:
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    , PL10:
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    , PL11:
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    , PL15:
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    , PL16:
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    , PL17:
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    , PL18:
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    , PL20:
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    , PL21:
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    , PL27:
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    , PL28:
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    , PL29:
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    , PL35:
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    , PL37:
    Figure pat00270
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    , PL39:
    Figure pat00272
    , PL40:
    Figure pat00273
    , PL41:
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    , PL51:
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    , PL55:
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    , PL56:
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    , PL57:
    Figure pat00290
    , PL58:
    Figure pat00291
    , PL59:
    Figure pat00292


    상기 FL1 내지 FL38, 또는 PL1 내지 PL59에서 *는 연결부분이며, 여기서 연결부분은 괄호안의 치환위치 중 하나 이상에 연결될 수 있으며, R1 내지 R16은 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐; 아미노기; 니트릴기; 니트로기; 중수소, 할로겐, 아미노기, 니트릴기, 니트로기로 치환되거나 치환되지 않은 C1~C40의 알킬기; C2~C40의 알케닐기; C1~C40의 알콕시기; C3~C40의 시클로알킬기; C3~C40의 헤테로시클로알킬기; C6~C40의 아릴기; C3~C40의 헤테로아릴기 ; C3~C40의 아르알킬기 ; C3~C40의 아릴옥시기 ; C3~C40의 아릴싸이오기 또는 Si이다. 임의적으로 R1 내지 R16에서 선택된 2개 이상은 서로 결합하여 고리를 형성할 수 있으며 S, N, O, Si가 포함될 수 있다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광그룹은 400 이상 800 이하 nm 영역대의 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 연결그룹은 씨올(thiol)기, 카르복시기, 아민기, 포스핀(phospine)기, 및 포스파이드(phosphide)기로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서는 치환되거나 치환되지 않은 포화 또는 불포화 C1~C30의 알킬기, C3~C40의 시클로알킬기, Si1~Si30의 실란인 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 리간드는 하기 구조들로 표현되는 것들 중 하나인 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점:
    Figure pat00293
    ,
    Figure pat00294
    ,
    Figure pat00295
    ,
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    ,
    Figure pat00297
    ,,
    Figure pat00299
    ,
    Figure pat00300
    ,
    Figure pat00301
    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
    Figure pat00320
    ,
    Figure pat00321
    ,
    Figure pat00322
    ,
    Figure pat00323
    ,
    Figure pat00324
    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
    Figure pat00329
    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
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    ,
    Figure pat00371
    ,
    Figure pat00372
    .
    Figure pat00373


    상기 구조들에서 -SH의 H 부분이 코어/쉘 구조체와 결합하는 부분이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양자점의 입경은 5 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점.
  10. 코어/쉘의 구조체가 분산된 용액에 코어/쉘 구조체와 최대발광피크가 0 내지 50 nm인 색을 발광하는 발광그룹을 함유한 리간드를 가한 후, 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항 기재의 발광 강화 양자점의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 교반은 상온 내지 100 ℃의 온도에서 0.1 내지 100시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 강화 양자점의 제조방법.
  12. 발광소자에 있어서,
    발광물질로 제1항 기재의 발광 강화 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  13. 발광소자의 제조방법에 있어서,
    제1항 기재의 발광 강화 양자점으로 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
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