KR20150120026A

KR20150120026A - 발광 소자 및 발광 소자용 전자수송층 제조 방법

Info

Publication number: KR20150120026A
Application number: KR1020140045510A
Authority: KR
Inventors: 강신원; 강병호; 이상원; 임성우
Original assignee: 희성전자 주식회사
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-10-27
Also published as: KR101656927B1

Abstract

본 발명은 발광 소자를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 베이스 기판 상에 제 1 전압을 수신하는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 위치하는 발광층, 상기 발광층 상에 위치하고, 상기 제 1 전극과 다른 제 2 전압을 수신하는 제 2 전극, 상기 발광층과 상기 제 2 전극과 사이에 위치하는 전자주입/수송층을 포함하되, 상기 전자주입/수송층은 아연화합물과 염기성 물질을 알코올 용매에 용해시켜 합성된 ZnO 나노입자를 포함할 수 있다.

Description

발광 소자 및 발광 소자용 전자수송층 제조 방법{Light Emitting Device and Method Of Manufacturing Electron Transport layer}

본 발명은 발광 소자 및 발광 소자용 전자수송층을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Quantum dots based light-emitting diode (이하 QLED)는 전통적인 organic light-emitting diode (이하 OLED) 공정을 그대로 사용할 수 있고, 양자효율이 높으며 색순도가 뛰어나 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 도 1은 종래의 일반적인 양자점 발광 소자를 보여주는 도면이다. 종래의 일반적인 양자점 발광 소자는, 전자전달층으로 Alq3, 전자주입층으로 LiF 등의 물질을 사용한다. 이러한 구조체는 우수한 전자친화도를 가지나, 진공 증착 공정이 필수적이고, 대기 중에 노출될 경우 산화가 급속하게 진행되어 수명(life time)에 치명적인 문제점이 발생한다.

또한, 본 발명은 전자와 정공의 재결합률을 높이고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대면적/저온 공정이 가능한 발광 소자를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 그리고 첨부된 도면으로부터 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 발광 소자를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 베이스 기판 상에 제 1 전압을 수신하는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 위치하는 발광층, 상기 발광층 상에 위치하고, 상기 제 1 전극과 다른 제 2 전압을 수신하는 제 2 전극, 상기 발광층과 상기 제 2 전극과 사이에 위치하는 전자주입/수송층을 포함하되, 상기 전자주입/수송층은 아연화합물과 염기성 물질을 알코올 용매에 용해시켜 합성된 ZnO 나노입자를 포함할 수 있다.

상기 발광 소자는, 상기 ZnO 나노입자의 합성 시 상기 알코올 용매와 상기 염기성 물질의 농도에 따라 HOMO 준위 또는/및 LUMO 준위가 변화하여, 상기 발광층과의 밴드갭 레벨링 조절이 가능할 수 있다.

상기 발광 소자는, 상기 ZnO 나노입자를 합성할 때 극성 또는 비극성 계면활성제로 계면 처리될 수 있다.

상기 발광 소자는, 상기 ZnO 나노입자를 합성할 때 금속 물질로 도핑 처리될 수 있다.

상기 알코올 용매는 아연화합물은 (Zn(CH3COO)2)이고, 상기 염기성 물질은 KOH, NaOH 및 LiOH 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 본 발명은 발광 소자용 전자수송층을 제조하는 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자용 전자수송층을 제조하는 제조 방법은, 아연화합물과 염기성 물질을 알코올 용매에 용해시켜 ZnO 나노입자를 합성하되, 상기 알코올 용매와 상기 염기성 물질의 농도를 변화시키면 상기 ZnO 나노입자의 HOMO 준위 및/또는 LUMO 준위가 변화되어 발광층과의 밴드갭 레벨링이 가능할 수 있다.

상기 ZnO 나노입자를 극성 또는 비극성 계면활성제로 계면 처리하여 합성할 수 있다.

상기 ZnO 나노입자를 금속 물질로 도핑 처리하여 합성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자와 정공의 재결합률을 높이고 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 대면적/저온 공정이 가능한 발광 소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 그리고 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 양자점 발광 소자를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 종래의 발광 소자에 따른 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2의 발광 소자의 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2의 ZnO를 합성하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 합성 방법에 따른 플로우차트이다.
도 7은 도 5에 따라 합성된 ZnO 나노입자의 UV-visible 흡수 스펙트럼을 보여준다.
도 8은 도 5에 따라 합성된 ZnO의 PL 특성을 보여준다.
도 9는 도 5에 따라 합성된 ZnO의 결정방향을 보여주는 XRD 결과이다.
도 10은 도 5에 따라 합성된 ZnO 나노 입자의 TEM 사진이다.
도 11은 전자수송층의 종류에 따른 발광 소자의 휘도 및 전류 밀도 특성을 보여주는 그래프이다.
도 12는 전자수송층의 종류에 따른 발광 소자의 효율 특성을 보여주는 그래프이다.
도 13은 합성 조건에 따른 ZnO 나노입자의 크기제어 및 형광특성을 보여주는 도면이다.
도 14는 녹색 양자점에 적용된 ZnO 나노입자의 사이즈에 따른 특성을 보여주는 도면이다.
도 15는 적색, 녹색, 청색의 혼합 비율에 따른 휘도 및 전류밀도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 적색, 녹색, 청색의 혼합 비율에 따른 백색 발광 소자의 효율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17 내지 도 19는 백색 발광 소자의 각 혼합 비율의 인가전압에 따른 EL 스펙트럼 변화를 나타내는 그래프이다.
도 20은 양자점 기반의 단색 발광 소자 및 백색 발광소자의 색좌표 분석 특성을 나타내는 그래프이다.
도 21은 정공주입층 및 정공수송층의 변화에 따라 발광층의 재결합 영역이 바뀌는 것을 보여주는 도면이다.

본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 명세서에서 `제1`, `제2` 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 `위에` 또는 `상에` 있다고 할 때, 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.

이하, 발광 소자는 양자점 발광 소자(Quantum dot Light Emitting Device)를 예로 들어 설명한다. 그러나, 이에 국한되지 않고 발광 소자는 유기 발광 소자 등 다양한 종류의 발광 소자에 적용될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 발광 소자(10)를 보여주는 도면이다. 발광 소자(10)는 제 1 전극(110), 정공주입층(hole injection layer; HIL, 120), 정공수송층(hole transport layer; HTL, 130), 발광층(emissive layer, 140), 전자주입/수송층(electron injection/transport layer; ETL, 150) 그리고 제 2 전극(160)을 포함한다.

제 1 전극(110)은 기판(100) 상에 위치한다. 제 1 전극(110)은 양극으로 제공될 수 있다. 일 예로, 양극은 발광층(140)의 HOMO 준위로 정공의 주입이 용이하도록 일함수가 크면서 투명한 전극인 ITO(indium tin oxide)로 제공될 수 있다. 이 때, ITO 전극은 사진식각공정(photo-lithography)을 통하여 패턴을 형성할 수 있다.

정공주입층(120)은 제 1 전극(110) 상에 위치한다. 정공주입층(120)은 노광 및 식각을 통해 발생된 ITO의 거칠기를 평탄화시키고, ITO로부터 정공수송층(130)으로 정공을 주입한다. 일 예로, 정공주입층(120)은 PEDOT:PSS(poly(ethylenedioxythiophene):poly

-styrenesulphonate)로 제공될 수 있다.

정공수송층(130)은 정공주입층(120) 상에 위치한다. 정공수송층(130)은 정공주입층(120)을 통해 주입받은 정공을 발광층(140)으로 전달한다. 이 때, 정공수송층(130)은 poly-TPD(poly(N,N'-bis (4-butylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine)로 제공될 수 있다.

발광층(140)은 정공주입층(120) 상에 위치한다. 발광층(140)은 양자점이 발광층(140)으로 제공된다. 양자점은 TOPO(trioctyl phosphine oxide) 리간드를 가지는 core와 shell의 이종접합 형태로 구성된 CdSe/ZnS의 II-VI족 화합물로, 입자 크기에 따라 여러 가지 발광 파장을 가지는 물질이다. 본 실시예에서는 백색 발광 소자로 제작하기 위해, 530 nm, 620 nm, 그리고 440 nm의 PL 발광 특성을 갖는 양자점을 포함한다. 양자점은 20 mg/mL로 분산시키고, 계면의 평탄도와 불산물의 최소화를 위해 0.45 ㎛의 PVDF 재질의 필터를 이용하여 충분히 정제한다. 그 후, poly-TPD 박막 상에 스핀코팅을 이용하여 3,000 rpm으로 60초 동안 성막 공정을 진행하고, 진공오븐의 80 ? 분위기로 30분간 열처리 과정을 진행한다. 이때, 소자의 최적화를 위해서는 양자점 농도에 따른 발광층의 성막두께를 선택할 수 있다. 일 예로, 양자점 두께 30 nm 내외의 박막으로 형성할 수 있다.

전자주입/수송층(150)은 발광층(140) 상에 위치한다. 전자주입/수송층은 음극에서 주입된 전자를 발광층(140)으로 전달한다. 또한, 정공주입층(120), 정공수송층(130)을 거쳐 발광층으로 주입된 정공이 발광층(140) 내에서 잘 구속될 수 있도록 하기 위한 정공차단층(hole blocking layer)의 역할을 한다. 전자주입/수송층(150)은 산화물 반도체인 ZnO 나노입자를 포함할 수 있다.

제 2 전극(160)은 전자주입/수송층(150) 상에 위치한다. 제 2 전극(160)은 제 1 전극(110)과 다른 전압을 수신한다. 제 2 전극(160)은 음극일 수 있다. 음극으로는 발광층(140)의 LUMO 준위로 전자의 주입이 용이하도록 낮은 일함수를 가지며 내부 반사율이 뛰어난 금속류의 전극이 사용된다.

도 3은 도 1의 종래의 발광 소자에 따른 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다. 반면, 도 4는 도 2의 발광 소자(10)의 에너지 밴드갭을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, Alq3는 LUMO 준위가 3.1 eV, HOMO 준위로 5.8 eV를 가진다. 음극으로 사용된 Al 전극의 일함수는 Alq3와의 계면에서 높은 에너지 장벽을 형성하기 때문에, 비교적 낮은 일함수를 가지는 Calcium(Ca), Lithium fluoride(LiF) 등과 같은 완충층을 성막하여 음극과 전자수송층 사이 전자의 주입 장벽을 낮춘다. 일 예로, 도 3과 같이, LiF를 1 nm 이하의 초박막을 진공 열증착을 통해 형성하여 전자주입층으로 사용할 수 있다. 구조적인 측면에서, Alq3의 HOMO 준위(5.5 eV)는 CdSe의 HOMO 준위에 비해 낮기 때문에 발광층으로 전달되는 정공이 Alq3의 HOMO 준위로 이동할 확률은 상대적으로 크다. 또한, Alq3가 가지는 높은 LUMO 준위는 CdSe와 인접한 poly-TPD의 LUMO 준위와의 차이가 크게 나지 않아 Alq3로부터 전달된 전자는 poly-TPD의 계면으로 이동할 확률이 높다. 반면, 도 4를 참조하면, ZnO 나노입자는 LUMO 준위는 4.2 eV 이며, HOMO 준위는 7.6 eV 로써, 4.3 eV의 일함수를 가지는 Al과 ZnO의 LUMO 준위 사이 전위장벽(potential barrier)이 존재하지 않고, 4.4 eV에 해당하는 CdSe의 LUMO 준위로 효과적인 전자 전달이 가능하다. 또한, ZnO의 높은 HOMO 준위(7.7 eV)는 CdSe의 HOMO 준위(6.7 eV)에 비해 크기 때문에, 발광층(140) 내에서 결합하지 못한 잉여 정공이 ZnO의 HOMO 준위로의 이동할 확률이 낮아진다. 따라서, CdSe 내 효율적인 전하 구속을 유도해 전자-정공의 재결합률을 높일 수 있기 때문에 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 극성 용매에서의 분산 특성이 우수하여 비극성 용매에 분산된 양자점과 계면 상의 용해도 문제를 해결할 수 있어, 용액 공정에 의한 스핀 코팅이 가능하다. 따라서, 합성된 ZnO 나노입자를 에탄올에 일정 농도로 분산 시켜 0.45 um PVDF 재질의 필터를 이용하여 정제 과정을 거친 후 1,500 rpm으로 30초 동안 스핀코팅 방법을 통해 약 30 nm의 박막을 형성하고 90 ? 진공오븐에서 30분 동안 열처리 진행하였다.

도 5는 도 2의 ZnO를 합성하는 과정을 보여주는 도면이다. 도 6은 도 5의 합성 방법에 따른 플로우차트이다. 이하, 도 5 내지 도 6을 참조하여, ZnO를 제조하는 과정을 설명한다.

ZnO 나노입자는 아연화합물과 염기성 물질을 알코올 용매에 용해시켜 합성될 수 있다. 이 때, 아연화합물은 Zn(ClO4)2 Zn(CH3COO)2 및 Zn(NO3)2 등과 같은 물질일 수 있다. 염기성 물질은 KOH, NaOH 및 LiOH 등으로 제공될 수 있다. 알코올 용매는 에탄올 또는 메탄올로 제공될 수 있다. 본 실시예에서는 ZnO 나노입자를 sol-gel 법을 이용하여 합성한다. 구체적으로, (Zn(CH3COO)2)를 전구체(precursor)로 사용하고, KOH를 산화제로 사용할 수 있다.

먼저, Zn(CH3COO)2를 메탄올에 용해시킨다(S110). 그 후, 메탄올을 끓는점 이하의 온도인 제 1 온도로 가열시킨다(S120). 일 예로, 제 1 온도는 60 ?일 수 있다. 그 후, 메탄올에 용해된 KOH를, Zn(CH3COO)2가 용해된 용액에 적하시킨다(S130). 이 때, 1 ml/sec의 속도로 적하시킬 수 있다. 주입 후 약 5분이 지나면 ZnO 핵결정이 서서히 이루어지며, 60분 경과 후 약 3 ∼ 5 nm 급 균일한 ZnO 나노입자가 대량 합성된다(S140). 반응 후 합성된 ZnO 나노입자 외 K+ 등의 여분의 이온들을 제거해 주기 위해 IPA와 헥산을 1:1:5 비율로 첨가한 후 24시간 유지(aging)한다(S150,S160). 이 후 원심분리기를 이용하며 용매 속 ZnO 나노입자 이외의 이온 및 혼합 용매들을 제거하면, 정제된 콜로이드 ZnO 나노입자를 얻을 수 있다(S170). 이후, 에탄올(ethanol)에 일정 농도비율로 분산시키면, 정제된 ZnO 나노입자를 얻을 수 있다(S180).

도 7 내지 도 10은 도 5의 방법으로 합성된 ZnO 나노입자의 특성을 보여주는 도면이다. 도 7은 합성된 ZnO 나노입자의 UV-visible 흡수 스펙트럼을 보여준다. 도 8은 ZnO의 PL 특성을 보여준다. 도 9는 합성된 ZnO의 결정방향을 보여주는 XRD 결과이다. 도 10은 ZnO 나노 입자가 비교적 균일하게 대량 합성된 모습을 보여주는 TEM 사진이다. 도 7을 참조하면, ZnO의 최대 흡수 파장은 320.5 nm 로, 자외선 영역에서 넓은 흡수대역을 가진다. 또한, 일반적으로 ZnO의 PL은 350 nm 의 블루 자외선 영역에서 강한 피크 파장과 500 nm 의 가시광 영역에서 넓은 파장을 보인다. 도 8을 참조하면, 특히 500 nm 대역의 넓은 파장은 ZnO 나노입자의 결함으로 인한 산소공공(vacancy)에 의한 것으로 이를 통해 n-type특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 도 9를 참조하면, 벌크형태의 ZnO 결정 방향과 동일한 2 theta 값의 피크 파장을 보이는 것으로 보아 동일한 구성성분을 가진 ZnO로 합성된 것을 확인할 수 있다. 본 결과에서 31.7 (100), 34.4 (002) 그리고 36.25 (101) 각도에서 도 9와 같은 피크 파장의 크기를 가진 것으로 보아, hexagonal wurtzite 구조의 ZnO 나노 입자이다. 이를 통해, scherre? equation으로 XRD 결과에 따라 나노 결정 크기를 계산하면, 4.47 nm 임을 확인할 수 있다. 또한, 도 10을 참조하면, 3 ～ 5 nm 크기의 매우 작은 나노 입자의 형태로 비교적 균일하게 대량 합성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 전자주입/수송층(150)으로 사용하는 ZnO 나노입자는, ZnO 나노입자의 용매 내 분산 농도에 따라 달라질 수 있다. 분산되는 ZnO 나노입자의 농도가 증가할수록 소자의 특성이 점차 향상되고, 3.0 wt% 농도 조건에서 그 특성이 가장 우수하다. 이 때, 최대 휘도는 28,760 cd/m2, 효율 특성은 4.89 cd/A이다.

도 11은 전자수송층의 종류에 따른 발광 소자의 휘도 및 전류 밀도 특성을 보여주는 그래프이다. 도 12는 전자수송층의 종류에 따른 발광 소자의 효율 특성을 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, Alq3로 제작된 소자는 임계전압 4.5 V, 최대발광 5,840 cd/m2, 효율의 값은 1.39 cd/A 이다. 반면, ZnO 나노입자로 제작된 소자는 임계전압 2.5 V, 최대발광 28,760 cd/m2, 효율 값은 4.89 cd/A이다. 따라서, 따라서, ZnO 전자수송층으로 한 발광 소자는 Alq3 전자수송층을 기반으로 한 발광 소자에 비해 임계전압은 2 V 낮아지고, 동일 전류 주입 대비 최대 휘도는 약 5배, 효율은 3.5배 개선된다. 따라서, 전자-정공의 재결합률을 높이고 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, ZnO 나노입자 기반 전자 전달층은 용액공정이 가능하여, 진공 증착을 배제할 수 있어 대면적/저온 공정에 유리하다.

도 13은 합성 조건에 따른 ZnO 나노입자의 크기제어 및 형광특성을 보여주는 도면이다. 또한, 도 14는 녹색 양자점에 적용된 ZnO 나노입자의 사이즈에 따른 특성을 보여주는 도면이다. ZnO 나노입자는 합성 시간, 온도, 전구체(precursor) 농도 등 관련 인자들의 조건에 의해 입자의 사이즈 및 형태가 변화될 수 있다. ZnO 나노입자의 합성시 알코올 용매와 염기성 물질의 농도를 변화시키면, HOMO 및 LUMO 준위가 조정된 Zno 나노입자를 얻을 수 있다. 따라서, ZnO 나노입자를 전자주입/수송층으로 사용할 경우, 파장에 따라 다양한 밴드갭을 갖는 발광층(140)과 효과적인 밴드갭 레벨링이 가능하다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 알코올 용매와 염기성 물질의 사이즈에 따라 HOMO와 LUMO 준위가 변하면, ZnO 나노입자의 가시광 특성이 변한다. 따라서, 다른 가시광 특성을 나타내는 각각의 R-G-B CdSe/ZnS 양자점과 조합하면 전자와 정공의 주입이 원할한 레벨링을 할 수 있다.

또한, 발광 소자(10)는 ZnO 나노입자를 극성 또는 비극성 계면활성제로 계면 처리하여 합성할 수 있다. ZnO 나노입자를 합성할 때 PVP와 같은 계면활성제를 사용하면, 물 혹은 알콜과 같은 극성용매 계열에서 나노입자간 응집현상과 같은 분산도 저하를 완화할 수 있다. 반면, ZnO 나노입자를 합성할 때 propylamine (PA)와 같은 계면활성제를 사용하면, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 클로로포름 등에 분산할 수 있다. 추가적으로, 발광 소자(10)는 ZnO 나노입자를 금속 물질로 도핑 처리하여 합성할 수 있다. 일 예로, Al으로 도핑할 수 있다. Al으로 ZnO를 도핑할 경우, 전도도가 높아지면서 Al 음극층과의 격자상수 결함도 최소화할 수 있어 주입되는 전자가 발광층(140)으로 전달될 수 있는 확률 또한 커질 수 있다.

상술한 바와 같이, 발광 소자(10)는 백색 발광 소자일 수 있다. 일반적으로, 유기물을 이용한 백색 구현은 유기물 자체가 넓은 발광 스펙트럼을 가지는 특징으로 연색지수가 저하된다. 하지만 양자점의 경우, 유기물에 비해 발광 스펙트럼이 좁아, 각 파장에 해당하는 양자점의 조합을 통해 연색성이 우수한 백색광 구현이 가능하다.

도 15는 적색, 녹색, 청색의 혼합 비율에 따른 휘도 및 전류밀도 특성을 나타내는 그래프이다. 도 16은 적색, 녹색, 청색의 혼합 비율에 따른 백색 발광 소자의 효율 특성을 나타내는 그래프이다. 도 15 및 도 16의 백색 발광 소자의 적색, 녹색, 청색의 혼합비율은 각각 1:1:14, 2:1:14 및 2:1:10이다. 청색 양자점은 낮은 양자 효율(quantum yield)로 소자의 특성이 떨어져서, 적색과 녹색의 양자점에 비해 상대적으로 청색 양자점이 많게 제공된다. 2:1:14 의 혼합비인 경우, 최대 휘도 5,206 cd/m2, 효율은 0.67 cd/A 의 결과값을 나타내고, 2:1:10 일 때는 4,360 cd/m2, 0.62 cd/A 의 결과값을, 1:1:14 일 때는 3,985 cd/m2 와 0.49 cd/A 의 결과값을 나타낸다.

도 17 내지 도 19는 백색 발광 소자의 각 혼합 비율의 인가전압에 따른 EL 스펙트럼 변화를 나타내는 그래프이다. 단색발광 소자로 사용된 양자점의 전계 발광 (electroluminescence; EL) 스펙트럼 특성은 630 nm, 540 nm, 450 nm의 파장특성을 가진다. 도 17은 2:1:14 의 혼합 비율의 백색발광 소자로, 초기 전압에서는 적색 발광 특성이 좀 더 강하게 나타나나 인가전압이 증가할수록 균일한 백색 발광 특성이 나타난다. 반면, 도 18 및 도 19를 참조하면, 1:1:14 비율의 소자로 적색의 조성비가 감소되었을 때는 청색이 강하게 발광되고, 2:1:10 비율의 소자로 청색의 조성비가 감소되었을 때는 적색 발광 특성이 강하게 나타난다.

도 20은 양자점 기반의 단색 발광 소자 및 백색 발광소자의 색좌표 분석 특성을 나타내는 그래프이다. 백색 발광 소자의 발광층 내 혼합 비율에 따라서 색온도 및 색좌표 값은 다르다. 높은 순도의 백색 발광은 2:1:14의 혼합비율로 제작된 소자로, (0.34, 0.35)의 색좌표 값을 가진다. 이는 순수 백색 발광의 색좌표 (0.33, 0.33)에 근접한 값이다. 상대적으로 청색의 비율이 적은 2:1:10의 백색 소자는 적색 편이한 색 좌표 (0.39, 0.37)를 갖고, 색온도가 낮다. 또한, 적색의 혼합 비율이 적은 1:1:14의 백색 소자는 청색 편이된 (0.30, 0.32)를 가지며 비교적 색온도가 높다.

도 21은 정공주입층(120) 및 정공수송층(130)의 변화에 따라 발광층(140)의 재결합 영역이 바뀌는 것을 보여주는 도면이다. 도 21을 참조하면, 2:1:14의 혼합비율로 제작된 백색 발광 소자(10)에서, PEDOT:PSS에 불순물을 첨가하였을 때와 Poly-TPD의 분산농도를 조절하였을 때, 소자 구동전압 및 구동전류, 그리고 색좌표의 특성이 변화한다. 이에 따라, PEDOT:PSS 및 Poly-TPD의 농도조절에 의해서도 구동전압 및 구동전류, 그리고 electron-hole recombination 영역조절이 가능함을 알 수 있다.

한편, 상술한 적색, 녹색, 그리고 청색 양자점(QD :Quantam Dot)은 반도체 나노입자이다. 직경이 1~100 나누미터 크기의 양자점은 발안정한 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 수 있다.

이상에서 본 실시예에 따른 발광 소자는 양자점 발광 소자인 것으로 설명하였다. 그러나, 상술한 바와 달리, 발광 소자는 다양한 종류의 발광 소자일 수 있다. 일 예로, 발광 소자는 유기 발광 소자일 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 전자주입/수송층이 단일 물질로 이루어진 것으로 설명하였으나, 이와 달리, 전자주입층과 전자수송층은 각각 제공될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 수정, 치환 그리고 변형이 가능하므로 상술한 실시예 그리고 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 설명된 실시예들은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

110: 제 1 전극
120: 정공주입층
130: 정공수송층
140: 발광층
150: 전자주입/수송층
160: 제 2 전극

Claims

베이스 기판 상에 위치하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 위치하는 발광층;
상기 발광층 상에 위치하는 제 2 전극;
상기 발광층과 상기 제 2 전극과 사이에 위치하는 전자주입/수송층을 포함하되,
상기 전자주입/수송층은 아연화합물과 염기성 물질을 알코올 용매에 용해시켜 합성된 ZnO 나노입자를 포함하는 발광 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 발광 소자는, 상기 ZnO 나노입자의 합성 시 상기 알코올 용매와 상기 염기성 물질의 농도에 따라 HOMO 준위 또는/및 LUMO 준위가 변화하여, 상기 발광층과의 밴드갭 레벨링 조절이 가능한 발광 소자.
제 2 항에 있어서,
상기 발광 소자는, 상기 ZnO 나노입자를 합성할 때 극성 또는 비극성 계면활성제로 계면 처리된 발광 소자.
제 3 항에 있어서,
상기 발광 소자는, 상기 ZnO 나노입자를 합성할 때 금속 물질로 도핑 처리된 발광 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알코올 용매는 아연화합물은 (Zn(CH3COO)2)이고,
상기 염기성 물질은 KOH, NaOH 및 LiOH 중 어느 하나인 발광 소자.
발광 소자용 전자수송층을 제조하는 제조 방법에 있어서, 아연화합물과 염기성 물질을 알코올 용매에 용해시켜 ZnO 나노입자를 합성하되, 상기 알코올 용매와 상기 염기성 물질의 농도를 변화시키면 상기 ZnO 나노입자의 HOMO 준위 및/또는 LUMO 준위가 변화되어 발광층과의 밴드갭 레벨링이 가능한 발광 소자용 전자수송층 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 ZnO 나노입자를 극성 또는 비극성 계면활성제로 계면 처리하여 합성하는 발광 소자용 전자수송층 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 ZnO 나노입자를 금속 물질로 도핑 처리하여 합성하는 발광 소자용 전자수송층 제조 방법.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알코올 용매는 아연화합물은 (Zn(CH3COO)2)이고,
상기 염기성 물질은 KOH, NaOH 및 LiOH 중 어느 하나인 발광 소자용 전자수송층 제조 방법.