KR20180030343A - 양자막대, 그 합성 방법 및 양자막대 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 코어와, 코어를 감싸는 제 1 쉘과, 상기 제 1 쉘의 측면을 감싸고, 상기 제 1 쉘의 제 1 두께보다 작은 제 2 두께와 상기 제 1 쉘의 제 1 길이보다 큰 제 2 길이를 갖는 제 2 쉘을 포함하는 양자막대, 그 합성 방법 및 양자막대를 포함하는 양자막대 표시장치를 제공한다.
본 발명에서는, 양자막대의 종횡비 감소 없이 코어가 충분히 보호되어, 양자막대의 발광 특성 및 구동 특성이 향상되고 양자막대 표시장치의 표시 품질이 향상되며 구동 전압이 감소한다.

Description

양자막대, 그 합성 방법 및 양자막대 표시장치{Quantum rod, Synthesis method of the same and Quantum rod display device}
본 발명은 표시장치에 관한 것으로, 손상이 방지되는 양자막대, 그 합성 방법 및 이를 포함하는 양자막대 표시장치에 관한 것이다.
사회가 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 대량의 정보를 처리 및 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 액정표시장치(Liquid Crystal Display device : LCD), 플라즈마표시장치(Plasma Display Panel device : PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display device : FED), 유기발광다이오드표시장치(organic light emitting diode display device : OELD) 등과 같은 다양한 평판표시장치가 개발되어 각광받고 있다.
한편, 최근에는 양자막대(quantum rod)를 표시장치에 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
양자막대는 높은 발광효율과 우수한 재현률로 많은 응용 가능성을 갖고 있다. 예를 들어, 조명용 발광소자, 액정표시장치 소자 및 광원에 대한 양자막대의 응용이 연구되고 있다.
양자막대는 일반적 염료에 비해 흡광계수(extinction coefficient)가 매우 크고 양자효율(quantum yield)도 우수하므로 강한 형광을 발생하며, 양자막대의 직경(두께)을 조절하면 발하는 가시광선의 파장을 조절할 수 있다.
또한 양자막대는 선편광을 내는 특성을 가지며 stark effect에 의해 외부 전기장이 인가되면 전자와 정공이 분리되어 발광을 조절할 수 있는 광학적 특성을 지니고 있다. 따라서, 이러한 특성을 이용하면 표시장치의 광효율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
종래 양자막대를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 1에서 보여지는 바와 같이, 양자막대(10)는 코어(20, core)와 코어를 감싸는 쉘(shell, 30)을 포함한다.
코어(20)는 나노크기를 갖고 반도체 물질로 이루어진다. 또한, 쉘(30)은 코어(20)를 감싸 이를 보호한다. 예를 들어, 코어(20)는 CdSe로 이루어지고 쉘(30)은 CdS로 이루어지는 적색 양자막대(10)가 제안되었다.
그런데, 이와 같은 양자막대(10)는, 초기에는 발광 효율과 발광 파장이 유지되지만, 시간 경과에 따라 발광 효율이 저하되고 발광 파장이 변화(shift)하는 문제가 발생하고 있다. 즉, 종래 양자막대는 내구성(신뢰성) 저하의 문제를 갖는다.
본 발명은, 양자막대의 내구성 저하 문제를 해결하고자 한다.
위와 같은 과제의 해결을 위해, 본 발명은, 코어와, 코어를 감싸는 제 1 쉘과, 상기 제 1 쉘의 측면을 감싸고, 상기 제 1 쉘의 제 1 두께보다 작은 제 2 두께와 상기 제 1 쉘의 제 1 길이보다 큰 제 2 길이를 갖는 제 2 쉘을 포함하는 양자막대, 그 합성 방법 및 양자막대를 포함하는 양자막대 표시장치를 제공한다.
또한, 전술한 양자막대를 포함하는 양자막대층이 두 기판 사이에 개재된 양자막대 표시장치를 제공한다.
또한, 전술한 양자막대의 합성 방법을 제공한다.
본 발명의 양자막대는, 큰 두께를 갖는 제 1 쉘이 제 1 코어를 감싸고 제 2 쉘이 제 1 쉘의 측면으로 성장하는 이중쉘 구조를 가지며, 제 1 쉘에 의해 코어의 손상이 방지된다.
따라서, 외부 수분 등에 의해 코어가 손상됨으로써 발생되는 양자막대의 발광효율 저하 및 컬러 쉬프트 문제를 방지할 수 있다.
또한, 코어 손상 방지에 의해 양자막대의 구동 특성이 향상된다.
또한, 제 1 쉘이 큰 두께를 갖더라도 제 2 쉘에 의해 양자막대의 종횡비가 증가하기 때문에, 양자막대의 구동 특성은 저하되지 않는다.
또한, 양자막대의 종횡비를 결정하는 제 2 쉘이 코어보다 작은 두께를 가질 수 있기 때문에, 양자막대의 종횡비가 증가하여 양자막대의 구동 특성이 향상된다.
따라서, 본 발명의 양자막대를 포함하는 양자막대 표시장치는 구동전압, 휘도 및 표시품질 측면에서 장점을 갖는다.
도 1은 종래 양자막대를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양자막대를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 양자막대의 합성 과정에서 생성물을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 양자막대에서 제 1 쉘의 존재를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 양자막대의 광학특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 양자막대 표시장치의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양자막대 표시장치에서의 양자막대 배열을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 종래 양자막대와 본 발명의 양자막대의 광학특성을 보여주는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 종래 양자막대와 본 발명의 양자막대의 구동특성을 보여주는 그래프이다.
도 1을 다시 참조하면, 종래 양자막대(10)의 쉘(30)은 그 길이(L)가두께(D, 직경)보다 크게 구성된다. 이에 따라, 양자막대(10)의 구동 특성을 향상시킬 수 있다.
즉, 양자막대(10)는, 전압이 인가되지 않은 상태에서 정공과 전자가 코어(20)에서 결합하여 발광 상태를 갖고, 전압이 인가된 상태에서 정공과 전자가 분리되어 비발광 상태를 갖는데, 비발광 상태, 즉 오프(off) 특성을 향상시키기 위해서 양자막대(10)의 종횡비(aspect ratio, L/D)이 증가하여야 한다.
따라서, 양자막대(30)의 쉘(30)은 그 길이(L)가 두께(D)보다 크게 구성된다.
그런데, 쉘(30)의 두께(D) 감소에 따라, 쉘(30)을 통해 외부 수분이나산소가 코어(20)로 침투하여 코어(20)를 손상시킴으로써, 양자막대(10)의 발광효율이 저하되고 발광파장이 쉬프트되는 문제가 발생한다. 또한, 코어(20)의 손상에 의해 양자막대(10)의 구동 특성(off 특성)이 저하된다.
예를 들어, 쉘(30)의 표면에 결합되어 있는 리간드(ligand)가 수분 및/또는 산소에 의해 쉘(30)로부터 분리되어 쉘(30) 표면에 결함(defect)이 발생하고 이를 통해 수분 및/또는 산소가 코어(20)로 침투할 수 있다.
양자막대(10)를 합성하는 경우, 쉘(30)의 두께(D)와 길이(L)의 성장은 반비례하기 때문에, 길이(L)를 증가시켜 양자막대(10)의 구동 특성을 향상시키면서 두께(D)를 증가시켜 코어(20)의 손상을 차단하는 것에는 한계가 있다.
본 발명에서는, 양자막대의 쉘의 길이 감소 없이 두께를 증가시켜, 양자막대 구동 특성의 저하 없이 코어의 손상을 방지하고자 한다.
본 발명은, 코어와, 코어를 감싸는 제 1 쉘과, 상기 제 1 쉘의 측면을 감싸고, 상기 제 1 쉘의 제 1 두께보다 작은 제 2 두께와 상기 제 1 쉘의 제 1 길이보다 큰 제 2 길이를 갖는 제 2 쉘을 포함하는 양자막대를 제공한다.
본 발명의 양자막대에 있어서, 상기 제 1 두께는 상기 코어의 제 3 두께보다 크고, 상기 제 2 두께는 상기 제 3 두께와 같거나 이보다 작다.
본 발명의 양자막대에 있어서, 상기 제 1 두께는 상기 코어 두께의 2.5~4배이고, 상기 제 1 길이는 상기 코어 길이의 3~6배이다.
본 발명의 양자막대에 있어서, 상기 제 2 길이는 상기 제 1 길이의 2~3배이다.
본 발명의 양자막대에 있어서, 상기 코어는 제 1 에너지 밴드갭을 갖는 제 1 반도체 화합물로 이루어지고, 상기 제 1 및 제 2 코어 각각은 상기 제 1 에너지 밴드갭보다 큰 제 2 에너지 밴드갭을 갖는 제 2 및 제 3 반도체 화합물로 이루어진다.
본 발명의 양자막대에 있어서, 상기 제 1 반도체 화합물은 CdSe, CdSeS, ZnSe, ZnSeS, CdZnSe, CdZnSeS, HgSe, HgSeS 중 어느 하나이고, 상기 제 2 및 제 2 반도체 화합물 각각은 CdSeS, CdS, ZnSeS, ZnS, HgSeS, HgS 중 어느 하나이다.
다른 관점에서, 본 발명은, 서로 마주하는 제 1 기판 및 제 2 기판과, 상기 제 1 기판에 형성되며 서로 교대로 배열되는 화소 전극 및 공통 전극과, 상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 위치하며, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 양자막대를 포함하는 양자막대층과, 상기 제 1 기판 하부에 위치하는 백라이트 유닛을 포함하는 양자막대 표시장치를 제공한다.
본 발명의 양자막대 표시장치에 있어서, 상기 화소 전극과 상기 공통 전극은 제 1 방향을 따라 연장되고, 상기 양자막대의 장축은 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향으로 배열된다.
본 발명의 양자막대 표시장치는, 상기 제 2 기판의 외측에 위치하며 상기 제 2 방향과 평행한 투과축을 갖는 편광판을 더 포함한다.
또 다른 관점에서, 본 발명은, 코어를 합성하는 단계와, 반도체 산화물과, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산을 교반한 후, 혼합 용액에 상기 코어를 주입하여 반응시킴으로써 상기 코어를 덮는 제 1 쉘을 형성하는 단계와, 반도체 산화물과, C1~C3의 유기산, C4~C8의 유기산과 C14~C20을 교반한 후, 혼합 용액에 상기 제 1 나노결정을 주입하여 반응시킴으로써 상기 제 1 쉘에 연결된 제 2 쉘을 형성하는 단계를 포함하는 양자막대의 합성 방법을 제공한다.
상기 제 1 쉘을 형성하는 단계에서, 상기 C4~C8의 유기산과 상기 C14~C20의 유기산의 질량비는 1:10~30이다.
상기 제 2 쉘을 형성하는 단계에서, C1~C3의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 1:10~20이고, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 1:2~3이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양자막대를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양자막대(100)는 코어(110)와 코어를 감싸는 제 1 쉘(120)과, 제 1 쉘(120)의 측면에 연결된 제 2 쉘(130)을 포함한다. 도시하지 않았으나, 제 1 및 제 2 쉘(120, 130)의 표면에는 리간드가 결합될 수 있다.
코어(110)는 제 1 두께(D1, 또는 직경)의 구 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 두께(D1)는 약 4~5nm일 수 있다. 그러나, 코어(110)는 타원 형상 또는 사각형 형상을 가질 수도 있다. 이때, 제 1 두께(D1)는 양자막대(100)의 단축 방향에 따른 코어(110)의 길이일 수 있다.
코어(110)는 반도체 물질로 이루어진다. 예를 들어, 코어(110)는 II-VI족 반도체 원소의 화합물일 수 있다. 코어(110)는 CdSe, CdSeS, ZnSe, ZnSeS, CdZnSe, CdZnSeS, HgSe, HgSeS로부터 선택될 수 있다.
제 1 쉘(120)은 코어(110)를 완전히 감싸고 제 2 두께(D2, 또는 직경)와 제 1 길이(L1)를 갖는다. 이때, 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)은 양자막대(100)의 장축 방향에 따른 제 1 쉘(120)의 길이이다.
제 1 쉘(120)이 코어(110)를 충분히 보호할 수 있도록, 제 1 쉘(120)의 제 2 두께(D2)는 코어(110)의 제 1 두께(D1)보다 크다. 제 2 두께(D2)는 제 1 두께(D1)의 약 2.5~4배일 수 있다. 예를 들어, 제 2 두께(D2)는 약 10~20nm일 수 있다.
제 1 쉘(120)의 제 2 두께(D2)가 너무 작아지면(예를 들어, 제 1 두께(D1)의 2.5배 미만) 코어(110)가 충분히 보호되지 못한다. 한편, 제 1 쉘(120)의 제 2 두께(D2)가 너무 커지면(예를 들어, 제 1 두께(D1)의 4배 초과) 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)가 감소하여 양자막대(100)의 종횡비가 감소하게 된다.
제 1 쉘(120)이 코어(110)를 충분히 보호할 수 있도록, 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1) 역시 코어(110)의 제 1 두께(D1, 수평 방향 길이)보다 크다. 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)는 제 1 두께(D1)의 약 3~6배일 수 있다.
또한, 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)는 제 2 두께(D2)보다 크게 구성된다. 제 1 길이(L1)는 제 2 두께(D2)의 약 1.5~2.5배일 수 있다.
제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)가 너무 작아지면(예를 들어, 제 1 두께(D1)의 3배 미만 또는 제 2 두께(D2)의 1.5배 미만) 제 1 쉘(120)의 모서리 방향에서 코어(110)의 보호가 불충분하게 된다. 한편, 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)가 너무 커지면(예를 들어, 제 1 두께(D1)의 6배 초과 또는 제 2 두께(D2)의 2.5배 초과) 제 1 쉘(120)의 제 2 두께(D2)이 감소하기 때문에 두께 방향에서 제 1 쉘(120)에 위한 코어(110) 보호가 불충분하게 된다.
제 2 쉘(130)은 제 1 쉘(120)의 측면에 연결되어 양자막대(100)의 장축 방향으로 연장된다. 제 2 쉘(130)은 제 3 두께(D3, 또는 직경)과 제 2 길이(L2)를 갖는다. 이때, 제 2 쉘(130)의 제 2 길이(L2)은 양자막대(100)의 장축 방향에 따른 길이이다. 즉, 제 2 쉘(130)은 중간 부분 없이 제 1 쉘(120)의 양 측면에 연결되며, 제 2 쉘(130)의 길이는 양자막대(100)의 길이로 정의한다.
제 2 쉘(130)의 제 3 두께(D3)는 코어(110)의 제 1 두께(D1)와 같거나 이보다 작을 수 있다.
종래 양자막대(도 1의 10)에서는 코어(20)를 덮은 쉘(30)의 두께(D)가 코어(20)의 직경(두께)보다 커야만 한다. 그러나, 본 발명의 양자막대(100)에서는, 제 1 쉘(120)에 의해 코어(110)가 보호되기 때문에, 제 2 쉘(130)의 두께(D3)는 코어(110)의 두께(D1)과 같거나 이보다 작을 수 있다.
제 2 쉘(130)의 제 2 길이(L2)는 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)의 약 2~3배일 수 있다. 예를 들어, 제 2 길이(L2)는 60~90nm일 수 있다.
제 2 쉘(130)의 제 3 두께(D3)와 제 2 길이(L2)에 의해 양자막대(100)의 종횡비가 결정된다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 양자막대(100)에서는, 제 2 쉘(130)의 제 3 두께(D3)가 코어(110)의 제 1 두께(D1)과 같거나 이보다 작을 수 있기 때문에, 제 2 쉘(130)이 일정한 길이(L2)를 갖더라도 양자막대(100)의 종횡비가 증가한다.
제 1 및 제 2 쉘(120, 130) 각각은 코어(110)보다 에너지 밴드갭(energy band gap)이 큰 물질의 반도체 물질로 이루어진다. 코어(110)의 에너지 밴드 갭이 제 1 및 제 2 쉘(120, 130)보다 작은 경우, 생성된 엑시톤(exciton)이 코어(110) 내에서 발광하게 되어 양자막대(100)의 양자효율이 증가한다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 쉘(120, 130) 각각은 CdSeS, CdS, ZnSeS, ZnS, HgSeS, HgS 중에서 선택될 수 있다. 제 1 및 제 2 쉘(120, 130)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
전술한 구조의 양자막대(100)는 제 2 쉘(130)의 제 3 두께(D3)보다 큰 제 2 두께(D2)를 갖는 제 1 쉘(120)에 의해 코어(110)가 충분히 보호된다. 따라서, 양자막대(100)의 코어(110) 손상에 따른 발광효율 저하 및 발광파장의 쉬프트 문제가 방지된다.
또한, 제 1 쉘(120)의 제 1 길이(L1)보다 큰 제 2 길이(L2)를 갖는 제 2 쉘(130)에 의해 양자막대(100)의 종횡비가 감소하지 않는다. 따라서, 양자막대(100)의 구동 특성이 저하되지 않는다.
즉, 본 발명의 양자막대(100)는 발광 특성과 구동 특성 모두에서 장점을 갖는다.
양자막대의 합성
본 발명의 실시예에 따른 양자막대의 합성 과정에서 생성물을 설명하기 위한 도면인 도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 본 발명에 따른 양자막대의 합성예를 설명한다.
1. CdSe 코어 (도 3a의 110)
(1) CdO(60mg), octadecylphosphonic acid(290mg ~ 360mg), trioctylphosphine oxide(3g)을 삼각 플라스크에 주입한 후, 진공 조건에서 교반하였다. (120℃, 1시간)
(2) 삼각 플라스크를 질소 기류에서 300℃까지 가열한 후, selenium solution(1.5mL, 1mM trioctylphosphine)을 주입하였다.
(3) 30초 반응 후 상온으로 냉각하여 성장을 멈추게 하고, toluene과 ethanol을 이용하여 정제함으로써, CdSe 코어를 얻었다. (도 3a)
2. CdS 제 1 쉘 (도 3a의 120)
(1) CdO(60mg), octadecylphosphonic acid(290mg), hexylphosphonic acid(10~30mg), trioctylphosphine oxide(3g)을 삼각 플라스크에 주입한 후, 진공 조건에서 교반하였다. (120℃, 1시간)
(2) 삼각 플라스크를 질소 기류하에서 250℃까지 가열한 후, sulfur solution(3mL, 1mM octadecene), CdSe 코어(30mg)를 주입하였다.
(3) 200℃에서 10분간 반응시킨 후, 반응물을 상온으로 냉각하였다. 이후, toluene과 ethanol을 이용하여 정제함으로써, CdSe/CdS의 제 1 양자막대를 얻었다. (도 3b)
3. 양자막대 합성 (CdSs/CdS/CdS)
(1) CdO(120mg), octadecylphosphonic acid(180mg), methylphosphonic acid(10mg~20mg), hexylphosphonic acid(60~90mg), trioctylphosphine oxide(3g)를 삼각 플라스크에 주입한 후, 진공 조건에서 교반하였다. (120℃, 1시간)
(2) 삼각 플라스크를 질소 기류하에서 380℃까지 가열한 후, sulfur solution (6mL, 1mM octadecene), CdSe/CdS(8mg)를 주입하였다.
(3) 380℃에서 30분간 반응시킨 후, 반응물을 상온으로 냉각하였다. 이후, toluene과 ethanol을 이용하여 정제함으로써, 코어(110), 제 1 쉘(120), 제 2 쉘(130)을 포함하는 양자막대(100)를 얻었다.
본 발명의 양자막대(100)는 제 1 및 제 2 쉘(120, 130)의 합성이 별도의 단계로 진행되어야 한다. 즉, 코어(110)에 제 1 쉘(120)을 합성한 후, 제 2 쉘(130)의 합성 단계가 진행되어야 한다.
제 1 쉘(120)의 합성 단계에서, 반도체 산화물(CdO)과 함께 C14~C20의 유기산(organic acid, 예를 들어 octadecylphosphonic acid) 및 C4~C8의 유기산(예를 들어 hexylphosphonic acid)이 혼합되어 교반되어야 한다. 이때 C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 약 1:10~30일 수 있다. 이와 같은, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비에 의해 제 1 쉘(120)의 원하는 두께(직경)와 길이를 얻을 수 있다.
한편, 제 2 쉘(130)의 합성 단계에서, 반도체 산화물(CdO)과 함께 C14~C20의 유기산(예를 들어 octadecylphosphonic acid), C1~C3의 유기산(예를 들어 methylphosphonic acid) 및 C4~C8의 유기산(예를 들어 hexylphosphonic acid)이 혼합되어 교반되어야 한다. 이때, C1~C3의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 약 1:10~20일 수 있고, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 약 1:2~3일 수 있다.
이와 같은, C1~C3 유기산, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비에 의해 제 2 쉘(130)의 원하는 두께(직경)와 길이를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같은 질량비에 의해 제 2 쉘(130)이 수평 방향으로만 성장하게 된다. 즉, 제 2 쉘(130)의 합성 단계에서, C1~C3 유기산, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비가 위 조건을 만족하지 못하는 경우, 제 2 쉘(130)은 제 1 쉘(120)의 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 성장하여, 양자막대(100)의 원하는 종횡비를 얻을 수 없다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 양자막대에서 제 1 쉘의 존재를 보여주는 그래프이다. 도 4a 및 도 4b는 양자막대의 길이 방향을 따라 측정된 energy dispersive spectroscopy(EDS) 스펙트럼이다. (y축: counts per second)
도 4a 및 도 4b에서 보여지는 바와 같이, 카드뮴(Cd) 원소와 황(S) 원소가 양자막대의 중간 부분에서 많이 검출된다.
즉, 큰 두께를 갖는 제 1 쉘(도 2의 120)에 의해 양자막대(도 2의 100) 중간 부분에서, 제 1 쉘(120)을 이루는 카드뮴(Cd) 원소와 황(S) 원소의 검출량이 증가한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 양자막대의 광학특성을 보여주는 그래프이다.
도 5에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 양자막대(도 2의 100)는 약 635nm의 PL 값(PL intensity)과, 약 29nm의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 갖는다. 또한, 본 발명의 양자막대(100)는 약 54%의 양자효율(quantum efficiency)을 갖는다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 양자막대 표시장치의 개략적인 단면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양자막대 표시장치에서의 양자막대 배열을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양자막대 표시장치(200)는 양자막대 표시패널(210)과, 양자막대 표시패널(210) 하부에 위치하며 빛을 공급하는 백라이트 유닛(220)을 포함한다.
양자막대 표시패널(210)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(230, 270)과, 제 1 및 제 2 기판(230, 270) 사이에 위치하는 양자막대층(260)을 포함한다.
제 1 기판(230)에는, 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr)를 덮는 보호층(244)과, 보호층(244) 상에 위치하는 화소 전극(250) 및 공통 전극(252)이 형성될 수 있다.
또한, 도시하지 않았으나, 서로 교차하여 화소영역을 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선이 제 1 기판(230) 상에 형성된다. 이때, 박막트랜지스터(Tr)는 게이트 배선 및 데이터 배선과 전기적으로 연결된다.
박막트랜지스터(Tr)는 게이트 배선에 연결되는 게이트 전극(232)과, 게이트 절연막(234)과, 반도체층(236)과, 데이터 배선에 연결되는 소스 전극(240) 및 드레인 전극(242)으로 구성된다.
이때, 반도체층(236)은 순수 비정질 실리콘으로 이루어지는 액티브층(236a)과 불순물 비정질 실리콘으로 이루어지는 오믹콘택층(236b)을 포함할 수 있다. 한편, 반도체층(236)은 산화물 반도체 물질의 단일층 구조를 가질 수도 있다.
보호층(244)에는 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(242)을 노출하는 드레인 콘택홀(246)이 형성되고, 화소 전극(250)은 드레인 콘택홀(246)을 통해 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(242)에 연결된다. 또한, 공통 전극(252)은 화소 전극(250)과 이격되며 교대로 배열됨으로써, 전압이 인가되었을 때 공통 전극(252)과 화소전극(250) 사이에는 제 1 기판(230)에 실질적으로 평행한 전계가 형성된다.
양자막대층(260)은 제 1 및 제 2 기판(230, 270) 사이에 위치하며 다수의 양자막대(100)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 양자막대(100) 각각은 코어(110)와, 코어(110)를 감싸는 제 1 쉘(120)과, 제 1 쉘(120)의 측면에 연결된 제 2 쉘(130)을 포함한다.
제 1 쉘(120)의 두께(D2)는 제 2 쉘(130)의 두께(D3)보다 크고 제 1 쉘(120)의 길이(L1)는 제 2 쉘(130)의 길이(L2)보다 작다.
이와 같은 양자막대(100)에서는, 제 1 쉘(120)에 의해 코어(110)가 충분히 보호되어 수분 및/또는 산소에 의한 코어(110)의 손상이 방지된다. 또한, 제 2 쉘(130)에 의해 양자막대(100)가 충분한 종횡비를 갖기 때문에, 양자막대(100)의 구동 특성이 향상된다.
양자막대(100)는 화소 전극(250)과 공통 전극(252) 사이에 형성되는 전계를 따라 배열된다.
즉, 도 7을 참조하면, 양자막대(100)는 장축과 단축을 갖는 로드 형태를 갖는데, 양자막대(100)의 장축이 화소 전극(250)과 공통 전극(252) 사이에 형성되는 전계(E)의 방향과 평행하도록 배열된다. 다시 말해, 양자막대(100)는 그 장축이 화소 전극(250)과 공통 전극(252)의 연장 방향인 제 1 방향과 수직한 제 2 방향을 따라 배열된다.
예를 들어, 양자막대(100)가 무질서하게 분산되어 있는 상태에서 화소 전극(250)과 공통 전극(252)에 전압을 인가하여 전계(E)가 발생되면, 양자막대(100)는 장축이 전계 방향과 평행하게 배열된다. 이러한 상태에서, 양자막대층(260)을 경화시킴으로써 양자막대(100)의 장축이 화소 전극(250)과 공통 전극(252) 사이에 형성되는 전계(E)의 방향과 평행하도록 배열시킬 수 있다. 즉, 종래 액정표시장치에서 요구되는 배향막(alignment layer)과 배향 공정(aligning process)을 생략할 수 있다.
제 2 기판(270)은 양자막대층(260)을 개재하여 상기 제 1 기판(230)과 합착되는데, 제 2 기판(270)에는 컬러필터가 형성되지 않는다. 즉, 종래 액정표시장치는 컬러 영상 구현을 위해 컬러필터를 필요로 하였지만, 본 발명의 양자막대 표시장치(200)에서는 서로 다른 크기의 코어를 갖는 양자막대(100)가 빛을 흡수하여 서로 다른 파장의 가시광선을 방출하기 때문에 컬러필터를 생략할 수 있다.
백라이트 유닛(220)은 UV 광원(미도시)을 포함하며 광원의 위치에 따라 직하형 또는 에지형일 수 있다. 예를 들어, 백라이트 유닛(220)은, UV 광원과, 상기 광원 일측에 위치하는 도광판과, 상기 도광판 하부에 위치하는 반사판과, 상기 도광판 상부에 위치하는 광학시트를 포함할 수 있다.
양자막대(100)는 UV를 흡수하여 특정 파장의 가시광선을 방출하기 때문에, 백라이트 유닛(220)의 광원은 UV를 방출하여야 한다.
한편, 제 2 기판(270) 외측에는 양자막대(100)의 장축 방향에 평행한 투과축을 갖는 편광판(280)이 부착되며, 제 1 기판(210) 하부에는 편광판을 필요로 하지 않는다.
양자막대(100)는 장축 방향에 평행하게 선편광된 빛을 방출하기 때문에, 종래 액정표시장치에서 요구되는 하부 편광판을 생략할 수 있다.
또한, 양자막대(100)가 편광된 빛을 방출하기 때문에 제 2 기판(270) 상부의 편광판(280) 역시 생략 가능하다. 그러나, 양자막대(100)의 경우 주 편광 성분이 장축 방향이며 단축 방향으로 선 편광된 빛 역시 방출되기 때문에 제 2 기판(270) 상부의 편광판(280)을 부착하는 것이 표시 품질의 측면에서 유리하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 양자막대 표시장치(200)는, 종래 액정표시장치와 비교할 때, 컬러필터와 적어도 하나의 편광판 생략이 가능하기 때문에 제조 원가 및 장치 두께 측면에서 장점을 갖는다.
도 8a 및 도 8b는 종래 양자막대와 본 발명의 양자막대의 광학특성을 보여주는 그래프이다.
도 8a에서 보여지는 바와 같이, 종래 양자막대(Ref)는 발광량(PL intensity)이 변화하는 반면, 본 발명의 양자막대(Ex)는 균일한 발광량을 갖는다.
도 8b에서 보여지는 바와 같이, 종래 양자막대(Ref, 도 1의 10)는 발광파장(PL intensity)이 변화하는 반면, 본 발명의 양자막대(Ex, 도 2의 100)는 균일한 발광파장을 갖는다.
즉, 종래 양자막대와 비교하여, 본 발명의 양자막대에서는 코어의 손상이 방지되어 그 발광 특성이 향상된다.
따라서, 양자막대 표시장치(도 6의 200)의 표시 품질이 향상된다.
도 9a 및 도 9b는 종래 양자막대와 본 발명의 양자막대의 구동특성을 보여주는 그래프이다. 도 9a는 종래 양자막대와 본 발명의 양자막대의 초기 구동특성을 보여주는 그래프이며, 도 9b는 60℃씨 온도 조건과 90% 습도 조건에서 24일 경과 후 양자막대의 구동 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9a에서 보여지는 바와 같이, 초기에는 종래 양자막대와 본 발명의 양자막대는 실질적으로 동일한 구동 특성을 갖는다. 양자막대의 오프율(off ratio, 전압 무인가 상태에서의 PL intensity와 전압 인가에 의한 PL intensity 변화량의 비)을 표1에 기재하였다.
Figure pat00001
그러나, 도 9b에서 보여지는 바와 같이, 종래 양자막대(Ref)의 경우 오프시키기 위한 전압이 증가하는 반면, 본 발명의 양자막대(Ex)는 그 오프 특성이 유지된다.
양자막대의 오프율을 표2에 기재하였다.
Figure pat00002
도 9a, 도 9b, 표1 및 표2에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 양자막대는 코어의 손상이 방지되어 그 구동 특성 또한 향상된다.
따라서, 양자막대 표시장치(도 6의 200)의 구동 전압이 감소한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 양자막대 110: 코어
120: 제 1 쉘 130: 제 2 쉘
200: 양자막대 표시장치 250: 화소 전극
252: 공통 전극 260: 양자막대층

Claims (12)

  1. 코어와;
    코어를 감싸는 제 1 쉘과;
    상기 제 1 쉘의 측면을 감싸고, 상기 제 1 쉘의 제 1 두께보다 작은 제 2 두께와 상기 제 1 쉘의 제 1 길이보다 큰 제 2 길이를 갖는 제 2 쉘
    을 포함하는 양자막대.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 두께는 상기 코어의 제 3 두께보다 크고, 상기 제 2 두께는 상기 제 3 두께와 같거나 이보다 작은 양자막대.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 두께는 상기 코어 두께의 2.5~4배이고, 상기 제 1 길이는 상기 코어 길이의 3~6배인 양자막대.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 길이는 상기 제 1 길이의 2~3배인 양자막대.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 제 1 에너지 밴드갭을 갖는 제 1 반도체 화합물로 이루어지고, 상기 제 1 및 제 2 코어 각각은 상기 제 1 에너지 밴드갭보다 큰 제 2 에너지 밴드갭을 갖는 제 2 및 제 3 반도체 화합물로 이루어지는 양자막대.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 화합물은 CdSe, CdSeS, ZnSe, ZnSeS, CdZnSe, CdZnSeS, HgSe, HgSeS 중 어느 하나이고,
    상기 제 2 및 제 2 반도체 화합물 각각은 CdSeS, CdS, ZnSeS, ZnS, HgSeS, HgS 중 어느 하나인 양자막대.
  7. 서로 마주하는 제 1 기판 및 제 2 기판과;
    상기 제 1 기판에 형성되며 서로 교대로 배열되는 화소 전극 및 공통 전극과;
    상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 위치하며, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 양자막대를 포함하는 양자막대층과;
    상기 제 1 기판 하부에 위치하는 백라이트 유닛
    을 포함하는 양자막대 표시장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 화소 전극과 상기 공통 전극은 제 1 방향을 따라 연장되고, 상기 양자막대의 장축은 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향으로 배열된 양자막대 표시장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 외측에 위치하며 상기 제 2 방향과 평행한 투과축을 갖는 편광판을 더 포함하는 양자막대 표시장치.
  10. 코어를 합성하는 단계와;
    반도체 산화물과, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산을 교반한 후, 혼합 용액에 상기 코어를 주입하여 반응시킴으로써 상기 코어를 덮는 제 1 쉘을 형성하는 단계와;
    반도체 산화물과, C1~C3의 유기산, C4~C8의 유기산과 C14~C20을 교반한 후, 혼합 용액에 상기 제 1 나노결정을 주입하여 반응시킴으로써 상기 제 1 쉘에 연결된 제 2 쉘을 형성하는 단계
    를 포함하는 양자막대의 합성 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 쉘을 형성하는 단계에서,
    상기 C4~C8의 유기산과 상기 C14~C20의 유기산의 질량비는 1:10~30인 양자막대의 합성 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2 쉘을 형성하는 단계에서,
    C1~C3의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 1:10~20이고, C4~C8의 유기산과 C14~C20의 유기산의 질량비는 1:2~3인 양자막대의 합성 방법.
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