KR20200088695A - 양자점 소자와 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

서로 마주하는 애노드와 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 양자점 층, 상기 애노드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 애노드로부터 상기 양자점 층으로의 정공의 수송성을 높이는 정공 수송층, 상기 캐소드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 캐소드로부터 상기 양자점 층으로의 전자의 수송성을 높이는 무기 전자 수송층, 그리고 상기 캐소드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 캐소드로부터 상기 양자점 층으로의 전자의 수송성을 낮추는 무기 전자 제어층을 포함하는 양자점 소자 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.

Description

양자점 소자와 표시 장치{QUANTUM DOT DEVICE AND DISPLAY DEVICE}
양자점 소자와 표시 장치에 관한 것이다.
나노 입자는 벌크 물질과 달리 물질의 고유 특성이라 알려진 물리적 특성(에너지 밴드갭, 녹는점 등)을 입자 크기에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 양자점(quantum dot)이라고도 불리는 반도체 나노 결정은 광 에너지 또는 전기 에너지를 공급받아 양자점 크기에 대응하는 파장의 빛을 낼 수 있다. 이에 따라 양자점은 소정 파장의 빛을 내는 발광체로 사용될 수 있다.
근래, 양자점을 발광체로 사용하는 양자점 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 양자점은 기존 발광체와 다르므로 양자점 소자의 성능을 개선할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
일 구현예는 개선된 성능을 구현할 수 있는 양자점 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 양자점 소자를 포함하는 표시 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 서로 마주하는 애노드와 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 양자점 층, 상기 애노드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 애노드로부터 상기 양자점 층으로의 정공의 수송성을 높이는 정공 수송층, 상기 캐소드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 캐소드로부터 상기 양자점 층으로의 전자의 수송성을 높이는 무기 전자 수송층, 그리고 상기 캐소드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 캐소드로부터 상기 양자점 층으로의 전자의 수송성을 낮추는 무기 전자 제어층을 포함하는 양자점 소자를 제공한다.
상기 무기 전자 제어층은 상기 캐소드와 상기 무기 전자 수송층 사이 및 상기 양자점 층과 상기 무기 전자 수송층 사이 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
상기 무기 전자 수송층은 제1 무기물을 포함할 수 있고, 상기 무기 전자 제어층은 상기 제1 무기물과 다른 제2 무기물을 포함할 수 있다.
상기 제1 무기물은 아연 함유 산화물을 포함할 수 있다.
상기 아연 함유 산화물은 Zn1 - xMxO (여기서 M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이고, 0≤x<0.5이다)로 표현될 수 있다.
상기 제2 무기물은 갈륨, 니켈, 구리, 텅스텐, 망간, 크롬, 탄탈륨, 비스무스, 인듐, 알루미늄, 납 및 지르코늄 중 적어도 하나를 포함하는 산화물, 질화물, 황화물, 인화물 또는 할로겐화물을 포함할 수 있다.
상기 제2 무기 산화물은 γ-Ga2O3를 포함할 수 있다.
상기 제1 무기물은 Zn1 - xMxO (여기서 M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이고, 0≤x<0.5이다)로 표현되는 아연 함유 산화물을 포함할 수 있고 상기 제2 무기물은 갈륨 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 무기물과 상기 제2 무기물은 각각 약 10nm 이하의 평균 입경을 가진 나노 입자일 수 있다.
상기 무기 전자 제어층의 LUMO 에너지 준위는 상기 양자점 층의 LUMO 에너지 준위 및 상기 무기 전자 수송층의 LUMO 에너지 준위보다 각각 낮을 수 있다.
상기 무기 전자 제어층의 에너지 밴드갭은 상기 양자점 층의 에너지 밴드갭 및 상기 무기 전자 수송층의 밴드갭보다 각각 클 수 있다.
상기 무기 전자 제어층의 두께는 상기 무기 전자 수송층의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 무기 전자 제어층의 두께는 약 1nm 내지 10nm일 수 있다.
상기 양자점 층은 비카드뮴계 양자점을 포함할 수 있다.
상기 비카드뮴계 양자점은 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 적어도 하나, 또는 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점은 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 적어도 하나 또는 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함하는 코어와 상기 코어의 적어도 일부 위에 위치하고 상기 코어와 다른 조성을 가지는 쉘을 포함할 수 있다.
상기 쉘은 ZnSeS, ZnS 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 애노드를 형성하는 단계, 상기 애노드 위에 정공 수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 위에 양자점 층을 형성하는 단계, 상기 양자점 층 위에 무기 전자 수송층을 형성하는 단계, 상기 양자점 층 위에 무기 전자 제어층을 형성하는 단계, 그리고 상기 무기 전자 제어층 위에 캐소드를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 무기 전자 제어층을 형성하는 단계는 상기 무기 전자 수송층을 형성하는 단계 전 및 후 중 적어도 하나에 수행하고, 상기 양자점 층을 형성하는 단계, 상기 무기 전자 수송층을 형성하는 단계 및 상기 무기 전자 제어층을 형성하는 단계는 각각 용액 공정으로 수행하는 양자점 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 무기 전자 수송층을 형성하는 단계는 Zn 전구체 및 선택적으로 M 전구체(M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이다)를 포함하는 용액을 졸겔 반응에 의해 Zn1 - xMxO (0≤x<0.5)로 표현되는 무기 나노 입자를 포함하는 무기 전자 수송층용 분산액을 준비하는 단계, 그리고 상기 무기 전자 수송층용 분산액을 코팅하는 단계를 포함하고, 상기 무기 전자 제어층을 형성하는 단계는 Ga 전구체를 포함하는 용액을 열처리하여 γ-Ga2O3 로 표현되는 무기 나노 입자를 포함하는 무기 전자 제어층용 분산액을 준비하는 단계, 그리고 상기 무기 전자 제어층용 분산액을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점 소자를 포함하는 표시 장치를 제공한다.
양자점 소자의 성능을 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 일 구현예에 따른 양자점 소자를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막의 X선 분광(X-ray diffraction, XRD) 그래프이고,
도 5 및 6은 각각 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막의 X선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 그래프이고,
도 7은 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막의 모폴로지를 보여주는 원자현미경(atomic force microscope, AFM) 사진이다.
이하, 구현예들에 대하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 권리 범위는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하, 일 함수(workfunction), HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위의 값은 진공 준위(vacuum level)로부터의 절대값으로 표시된다. 또한, 일 함수, HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위가 깊다, 높다 또는 크다는 것은 진공 준위를 '0eV'로 하여 절대값이 큰 것을 의미하고, 일 함수, HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위가 얕다, 낮다 또는 작다는 것은 진공 준위를 '0eV'로 하여 절대값이 작은 것을 의미한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 양자점 소자를 설명한다.
도 1 내지 도 3은 각각 일 구현예에 따른 양자점 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 일 구현예에 따른 양자점 소자(10)는 서로 마주하는 애노드(11)와 캐소드(16); 애노드(11)와 캐소드(16) 사이에 위치하는 양자점 층(13); 애노드(11)와 양자점 층(13) 사이에 위치하는 정공 수송층(12); 그리고 캐소드(16)와 양자점 층(13) 사이에 위치하는 전자 수송층(14)과 전자 제어층(15)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 애노드(11) 측에 배치될 수도 있고 캐소드(16) 측에 배치될 수 있다. 기판은 예컨대 유리와 같은 무기 물질; 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질; 또는 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수 있다. 기판은 생략될 수 있다.
애노드(11)는 높은 일 함수를 가지는 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 금속 산화물 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다. 애노드(11)는 예컨대 니켈, 백금, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물; 또는 ZnO와 Al 또는 SnO2와 Sb와 같은 금속과 산화물의 조합 등으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
캐소드(16)는 애노드(11)보다 낮은 일 함수를 가진 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 금속 산화물 및/또는 도전성 고분자로 만들어질 수 있다. 캐소드(16)는 예컨대 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 타이타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 은, 주석, 납, 세슘, 바륨 등과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al, LiO2/Al, Liq/Al, LiF/Ca 및 BaF2/Ca과 같은 다층 구조 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
애노드(11)의 일 함수는 캐소드(16)의 일 함수보다 높을 수 있으며, 예컨대 애노드(11)의 일 함수는 예컨대 약 4.5eV 내지 5.0eV 일 수 있고 캐소드(16)의 일 함수는 예컨대 약 4.0eV 이상 4.5eV 미만일 수 있다. 상기 범위 내에서 애노드(11)의 일 함수는 예컨대 약 4.6eV 내지 4.9eV 일 수 있고 캐소드(16)의 일 함수는 예컨대 약 4.0eV 내지 4.3eV 일 수 있다.
애노드(11)와 캐소드(16) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있으며, 투광 전극은 예컨대 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다. 애노드(11)와 캐소드(16) 중 어느 하나가 불투광 전극인 경우 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
양자점 층(13)은 양자점을 포함한다. 양자점은 넓은 의미의 반도체 나노결정을 의미하며, 예컨대 등방성 반도체 나노결정, 퀀텀 로드 및 퀀텀 플레이트 등 다양할 수 있다. 여기서 퀀텀 로드는 종횡비가 1보다 큰, 예컨대 종횡비가 약 2 이상, 약 3 이상 또는 약 5 이상인 양자점을 의미할 수 있다. 일 예로, 퀀텀 로드의 종횡비는 약 50 이하, 약 30 이하 또는 약 20 이하일 수 있다.
양자점은 예컨대 약 1nm 내지 약 100nm의 입경(구형이 아닌 경우 가장 긴 부분의 길이)을 가질 수 있고, 예컨대 약 1nm 내지 80nm의 입경을 가질 수 있고, 예컨대 약 1nm 내지 50nm의 입경을 가질 수 있고, 예컨대 약 1nm 내지 20nm의 입경을 가질 수 있다.
양자점은 크기 및/또는 조성에 따라 에너지 밴드갭을 조절할 수 있으며, 이에 따라 발광 파장 또한 조절할 수 있다. 예컨대 양자점의 크기가 클수록 좁은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며 이에 따라 비교적 장파장 영역의 빛을 낼 수 있고, 양자점의 크기가 작을수록 넓은 에너지 밴드갭을 가지며 이에 따라 비교적 단파장 영역의 빛을 낼 수 있다.
일 예로, 양자점은 크기 및/또는 조성에 따라 예컨대 가시광선 영역 중 소정 파장 영역의 빛을 낼 수 있다. 예컨대 양자점은 청색 광, 적색 광 또는 녹색 광을 낼 수 있으며, 청색 광은 예컨대 약 430nm 내지 470nm에서 피크 발광 파장을 가질 수 있고 적색 광은 약 600nm 내지 650nm에서 피크 발광 파장을 가질 수 있고 녹색 광은 예컨대 약 520nm 내지 550nm에서 피크 발광 파장을 가질 수 있다. 일 예로, 양자점은 약 430nm 내지 470nm에서 피크 발광 파장을 가지는 청색 광을 낼 수 있다.
일 예로, 청색 광을 내는 양자점의 평균 크기는 예컨대 약 4.5nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 4.3nm 이하, 약 4.2nm 이하, 약 4.1nm 이하 또는 약 4.0nm 이하일 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.0nm 내지 4.5nm일 수 있으며, 예컨대 약 2.0nm 내지 4.3nm, 약 2.0nm 내지 4.2nm, 약 2.0nm 내지 4.1nm, 약 2.0nm 내지 4.0nm 일 수 있다.
양자점은 예컨대 약 10% 이상의 양자 수율(quantum yield)을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 30% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상 또는 약 90% 이상의 양자 수율을 가질 수 있다.
양자점은 비교적 좁은 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 가질 수 있다. 여기서 반치폭은 피크 발광 지점의 반(half)에 대응하는 파장의 폭(width)으로, 반치폭이 작으면 좁은 파장 영역의 빛을 내어 높은 색 순도를 나타낼 수 있는 것을 의미한다. 양자점은 예컨대 약 50nm 이하의 반치폭을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 49nm 이하, 약 48nm 이하, 약 47nm 이하, 약 46nm 이하, 약 45nm 이하, 약 44nm 이하, 약 43nm 이하, 약 42nm 이하, 약 41nm 이하, 약 40nm 이하, 약 39nm 이하, 약 38nm 이하, 약 37nm 이하, 약 36nm 이하, 약 35nm 이하, 약 34nm 이하, 약 33nm 이하, 약 32nm 이하, 약 31nm 이하, 약 30nm 이하, 약 29nm 이하 또는 약 28nm 이하의 반치폭을 가질 수 있다.
일 예로, 양자점은 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. II-VI족 반도체 화합물은 예컨대 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물에서 선택되는 삼원소 반도체 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 사원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. III-V족 반도체 화합물은 예컨대 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 및 이들의 혼합물에서 선택되는 삼원소 반도체 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물에서 선택되는 사원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. IV-VI족 반도체 화합물은 예컨대 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 삼원소 반도체 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 사원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. IV족 반도체 화합물은 예컨대 Si, Ge 및 이들의 혼합물에서 선택되는 단원소 반도체 화합물; 및 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. I-III-VI족 반도체 화합물은 예컨대 CuInSe2, CuInS2, CuInGaSe, CuInGaS 및 이들의 혼합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. I-II-IV-VI족 반도체 화합물은 예컨대 CuZnSnSe 및 CuZnSnS에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. II-III-V족 반도체 화합물은 예컨대 InZnP를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
양자점은 이원소 반도체 화합물, 삼원소 반도체 화합물 또는 사원소 반도체 화합물을 실질적으로 균일한 농도로 포함하거나, 농도 분포가 부분적으로 다른 상태로 나누어 포함할 수 있다.
일 예로, 양자점은 비카드뮴계 양자점을 포함할 수 있다. 카드뮴(Cd)은 심각한 환경/보건 문제를 야기할 수 있으며 다수의 국가들에서 유해물질 제한 지침(RoHS) 상 규제 대상 원소이므로, 비카드뮴계 양자점이 효과적으로 사용될 수 있다.
일 예로, 양자점은 예컨대 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 어느 하나를 포함하는 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 양자점은 Zn-Te 반도체 화합물, Zn-Se 반도체 화합물 및/또는 Zn-Te-Se 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 Zn-Te-Se 반도체 화합물에서 텔루리움(Te)의 함량은 셀레늄(Se)의 함량보다 작을 수 있다. 반도체 화합물은 약 470nm 이하의 파장 영역, 예컨대 약 430nm 내지 470nm 파장 영역에서 피크 발광 파장(peak emission wavelength)을 가질 수 있으며 청색 광을 낼 수 있다.
일 예로, 양자점은 예컨대 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 양자점은 In-Zn 반도체 화합물, In-P 반도체 화합물 및/또는 In-Zn-P 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 In-Zn 반도체 화합물 또는 In-Zn-P 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비(mole ratio)는 약 25 이상일 수 있다. 상기 반도체 화합물은 약 470nm 이하의 파장 영역, 예컨대 약 430nm 내지 470nm의 파장 영역에서 피크 발광 파장을 가질 수 있으며 청색 광을 낼 수 있다.
양자점은 하나의 양자점을 다른 양자점이 둘러싸는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수도 있다. 예컨대 양자점의 코어와 쉘의 계면은 쉘에 존재하는 원소의 농도가 중심으로 갈수록 낮아지는 농도 구배(gradient)를 가질 수 있다. 예컨대 양자점의 쉘을 구성하는 물질 조성이 양자점의 코어를 이루는 물질 조성보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 이에 따라 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 가질 수 있다.
양자점은 하나의 양자점 코어와 이를 둘러싸는 다층의 양자점 쉘을 포함할 수 있다. 이때 다층의 쉘은 2층 이상의 쉘을 가지는 것으로 각각의 층은 독립적으로 단일 조성, 합금 및/또는 농도 구배를 가질 수 있다. 예컨대 다층의 쉘 중, 코어에서 먼 쪽에 위치하는 쉘이 코어에서 가깝게 위치하는 쉘보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 이에 따라 양자 구속 효과를 가질 수 있다.
일 예로, 코어-쉘 구조를 가지는 양자점은 예컨대 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 적어도 하나를 포함하는 제1 반도체 화합물을 포함하는 코어와 상기 코어의 적어도 일부 위에 위치하고 상기 코어와 다른 조성을 가지는 제2 반도체 화합물을 포함하는 쉘(shell)을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 반도체 화합물은 아연(Zn), 텔루리움(Te) 및 셀렌늄(Se)을 포함하는 Zn-Te-Se계 반도체 화합물일 수 있으며, 예컨대 소량의 텔루리움(Te)을 포함하는 Zn-Se 기반의 반도체 화합물일 수 있으며, 예컨대 ZnTexSe1 - x (여기서, x는 0 보다 크고 0.05 이하임)로 표현되는 반도체 화합물일 수 있다.
예컨대 Zn-Te-Se계의 제1 반도체 화합물에서, 아연(Zn)의 몰 함량은 셀레늄(Se)의 몰 함량보다 많을 수 있고, 셀레늄(Se)의 몰 함량은 텔루리움(Te)의 몰 함량보다 많을 수 있다. 예컨대 제1 반도체 화합물에서, 셀레늄(Se)에 대한 텔루리움(Te)의 몰비는 약 0.05 이하, 약 0.049 이하, 약 0.048 이하, 약 0.047 이하, 약 0.045 이하, 약 0.044 이하, 약 0.043 이하, 약 0.042 이하, 약 0.041 이하, 약 0.04 이하, 약 0.039 이하, 약 0.035 이하, 약 0.03 이하, 약 0.029 이하, 약 0.025 이하, 약 0.024 이하, 약 0.023 이하, 약 0.022 이하, 약 0.021 이하, 약 0.02 이하, 약 0.019 이하, 약 0.018 이하, 약 0.017 이하, 약 0.016 이하, 약 0.015 이하, 약 0.014 이하, 약 0.013 이하, 약 0.012 이하, 약 0.011 이하 또는 약 0.01 이하일 수 있다. 예컨대 제1 반도체 화합물에서, 아연(Zn)에 대한 텔루리움(Te)의 몰비는 약 0.02 이하, 약 0.019 이하, 약 0.018 이하, 약 0.017 이하, 약 0.016 이하, 약 0.015 이하, 약 0.014 이하, 약 0.013 이하, 약 0.012 이하, 약 0.011 이하 또는 약 0.011 이하일 수 있다.
제2 반도체 화합물은 예컨대 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI 족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물 및 II-III-V족 반도체 화합물의 예는 전술한 바와 같다.
예컨대, 제2 반도체 화합물은 아연(Zn), 셀레늄(Se) 및/또는 황(S)을 포함할 수 있다. 예컨대 쉘은 ZnSeS, ZnS 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 쉘은 코어에 가깝게 위치하는 하나 이상의 내부 쉘과 양자점의 최외각에 위치하는 최외각 쉘을 포함할 수 있으며, 내부 쉘은 ZnSeS를 포함할 수 있고 최외각 쉘은 SnS를 포함할 수 있다. 예컨대 쉘은 일 성분에 대하여 농도 구배를 가질 수 있으며 예컨대 코어에서 멀어질수록 황(S)의 함량이 많아지는 농도 구배를 가질 수 있다.
일 예로, 코어-쉘 구조를 가지는 양자점은 예컨대 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함하는 제3 반도체 화합물을 포함하는 코어와 상기 코어의 적어도 일부 위에 위치하고 상기 코어와 다른 조성을 가지는 제4 반도체 화합물을 포함하는 쉘을 포함할 수 있다.
In-Zn-P계의 제3 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비는 약 25 이상일 수 있다. 예컨대 In-Zn-P계의 제1 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비는 약 28 이상, 29 이상 또는 30 이상일 수 있다. 예컨대 In-Zn-P계의 제1 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비는 약 55 이하일 수 있으며, 예컨대 50 이하, 45 이하, 40 이하, 35 이하, 34 이하, 33 이하 또는 32 이하일 수 있다.
제4 반도체 화합물은 예컨대 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI 족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물 및 II-III-V족 반도체 화합물의 예는 전술한 바와 같다.
예컨대 제4 반도체 화합물은 아연(Zn) 및 황(S)과 선택적으로 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 예컨대 쉘은 ZnSeS, ZnS 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 쉘은 코어에 가깝게 위치하는 하나 이상의 내부 쉘과 양자점의 최외각에 위치하는 최외각 쉘을 포함할 수 있으며, 내부 쉘 및 최외각 쉘 중 적어도 하나는 ZnS 또는 ZnSeS의 제4 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
양자점 층(13)은 예컨대 약 5nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 10nm 내지 150nm, 예컨대 약 10nm 내지 100nm, 예컨대 약 10nm 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
양자점 층(13)은 비교적 높은 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있으며, 예컨대 약 5.4eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 예컨대 약 5.6eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.7eV 이상, 예컨대 약 5.8eV 이상, 예컨대 약 5.9eV 이상, 예컨대 약 6.0eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 양자점 층(13)의 HOMO 에너지 준위는 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.6eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.7eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.8eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 6.0eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.2eV일 수 있다.
양자점 층(13)은 비교적 낮은 LUMO 에너지 준위를 가질 수 있으며, 예컨대 약 3.6eV 이하의 LUMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.5eV 이하, 예컨대 약 3.4eV 이하, 예컨대 약 3.3eV 이하, 예컨대 약 3.2eV 이하, 예컨대 약 3.0eV 이하의 LUMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 양자점 층(13)의 LUMO 에너지 준위는 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.5eV 내지 3.6eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.5eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.4eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.3eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.2eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.1eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.0eV 일 수 있다.
양자점 층(13)은 약 2.4eV 내지 2.9eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.4eV 내지 2.8eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.4eV 내지 2.78eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
정공 수송층(12)은 애노드(11)와 양자점 층(13) 사이에 위치한다. 정공 수송층(12)은 1층 또는 2층 이상일 수 있으며, 애노드(11)로부터 양자점 층(13)으로 이동하는 정공의 수송성을 높일 수 있다.
정공 수송층(12)의 HOMO 에너지 준위는 양자점 층(13)의 HOMO 에너지 준위와 매칭될 수 있도록 비교적 높은 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 이에 따라 정공 수송층(12)에서부터 양자점 층(13)으로 전달되는 정공의 수송성을 높일 수 있다.
정공 수송층(12)의 HOMO 에너지 준위는 양자점 층(13)의 HOMO 에너지 준위와 같거나 그보다 약 1.0eV 이하 범위 내에서 작을 수 있다. 예컨대 정공 수송층(12)과 양자점 층(13)의 HOMO 에너지 준위의 차이는 약 0eV 내지 1.0eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.8eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.7eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.5eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.4eV, 예컨대 약 0.01eV 내지 0.3eV, 예컨대 약 0.01eV 내지 0.2eV, 예컨대 약 0.01eV 내지 0.1eV 일 수 있다.
정공 수송층(12)의 HOMO 에너지 준위는 예컨대 약 5.0eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.2eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.6eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.8eV 이상일 수 있다.
예컨대 정공 수송층(12)의 HOMO 에너지 준위는 약 5.0eV 내지 7.0eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.2eV 내지 6.8eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.1eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.1eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.1eV 일 수 있다.
정공 주입층(12)은 상기 에너지 준위를 만족하는 재료이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 폴리(9,9-디옥틸-플루오렌-코-N-(4-부틸페닐)-디페닐아민) (Poly(9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), TFB), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA (4,4',4"-Tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine), 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA), 1,1-비스[(디-4-토일아미노)페닐시클로헥산 (TAPC), p형 금속 산화물 (예를 들어, NiO, WO3, MoO3 등), 그래핀옥사이드 등 탄소 기반의 재료 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
선택적으로, 애노드(11)와 정공 수송층(12) 사이에 위치하는 정공 주입층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 정공 주입층은 애노드(11)로부터 정공의 주입을 용이하게 할 수 있다. 정공 주입층의 HOMO 에너지 준위는 약 5.0eV 내지 6.0eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.0eV 내지 5.5eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.0eV 내지 5.4eV 일 수 있고, 정공 수송층의 HOMO 에너지 준위는 약 5.2eV 내지 7.0eV 일 수 있고 상기 범위 내에서 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.1eV일 수 있다. 정공 주입층은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 설포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자 수송층(14)은 캐소드(16)와 양자점 층(13) 사이에 위치한다. 전자 수송층(14)은 캐소드(16)로부터 양자점 층(13)으로의 전자의 수송성을 높일 수 있다. 전자 수송층(14)은 무기물로 이루어지거나 무기물을 주성분으로 포함하는 무기 전자 수송층일 수 있다. 여기서 주성분은 전자 수송층(14)에 대하여 약 50부피% 이상, 약 60부피% 이상, 약 70부피% 이상, 약 80부피% 이상, 약 90부피% 이상, 약 95부피% 이상, 약 98부피% 이상, 약 99부피% 이상 또는 약 100부피%로 포함되는 성분일 수 있다.
전자 수송층(14)은 예컨대 제1 무기물을 포함할 수 있다. 제1 무기물은 무기 나노입자일 수 있다. 무기 나노입자의 평균 입경은 예컨대 약 10nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 1nm 내지 10nm 일 수 있고, 예컨대 약 2nm 내지 10nm일 수 있고, 예컨대 약 3nm 내지 8nm 일 수 있다.
일 예로, 제1 무기물은 아연 함유 산화물을 포함할 수 있다. 아연 함유 산화물은 아연을 주성분으로 포함하고 선택적으로 다른 금속 또는 반금속이 도핑되어 있는 산화물일 수 있으며, 예컨대 Zn1 - xMxO (여기서 M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이고, 0≤x<0.5 이다)로 표현될 수 있다.
일 예로, M은 예컨대 Mg, Co, Ni 또는 이들의 조합일 수 있고, x는 예컨대 0.01≤x≤0.4, 0.02≤x≤0.4, 0.03≤x≤0.3 또는 0.05≤x≤0.3일 수 있다.
일 예로, 제1 무기물은 ZnO 나노입자 및/또는 Zn1 - xMgxO 나노입자일 수 있다.
전자 수송층(14)의 LUMO 에너지 준위는 양자점 층(13)의 LUMO 에너지 준위보다 높을 수 있으며, 예컨대 약 3.0eV 내지 5.3eV일 수 있고 상기 범위 내에서 약 3.2eV 내지 5.3eV, 약 3.3eV 내지 5.3eV, 약 3.5eV 내지 5.3eV 또는 약 3.7eV 내지 5.3eV일 수 있다.
전자 수송층(15)의 두께는 약 5nm 내지 50nm일 수 있다.
전자 제어층(15)은 전자 수송층(14)과 반대로, 캐소드(16)로부터 양자점 층(13)으로의 전자의 수송성을 낮출 수 있다. 일반적으로 전자의 이동 속도가 정공의 이동 속도보다 빠른 양자점 소자(10)에서, 전자 제어층(15)은 캐소드(16)로부터 양자점 층(13)까지 이동하는 전자의 이동 속도를 감소시켜 양자점 층(13)에 다다르는 전자의 개수와 정공의 개수의 불균형을 줄일 수 있다. 이에 따라 양자점 층(13)에서 만나는 전자와 정공의 균형을 높이고 잉여 전자를 줄여 양자점 소자(10)의 효율 및 수명을 개선할 수 있다.
일 예로, 전자 제어층(15)은 전자가 이동하는 LUMO 에너지 준위를 따라 에너지 장벽(energy barrier)을 형성할 수 있으며, 예컨대 전자 제어층(15)의 LUMO 에너지 준위는 양자점 층(13)의 LUMO 에너지 준위 및 전자 수송층(14)의 LUMO 에너지 준위보다 각각 낮을 수 있다. 일 예로, 전자 제어층(15)의 LUMO 에너지 준위는 약 2.0eV 내지 3.0eV일 수 있다.
일 예로, 전자 제어층(15)의 에너지 밴드갭(energy bandgap, Eg)은 양자점 층(13)의 에너지 밴드갭 및 전자 수송층(14)의 에너지 밴드갭보다 각각 클 수 있다. 예컨대 전자 제어층(15)의 에너지 밴드갭은 약 2.9eV 내지 5.5eV일 수 있다.
일 예로, 전자 제어층(15)에서의 전자 이동도는 전자 수송층(14)에서의 전자 이동도보다 낮을 수 있으며, 예컨대 전자 제어층(15)에서의 전자 이동도는 전자 수송층(14)에서의 전자 이동도보다 약 0.2배 내지 0.9배일 수 있고 상기 범위 내에서 약 0.3배 내지 0.8배 또는 약 0.4배 내지 0.7배일 수 있다.
전자 제어층(15)은 캐소드(16)와 양자점 층(13) 사이에서 전자 수송층(14)의 일측 또는 양측에 위치할 수 있다. 즉, 전자 제어층(15)은 캐소드(16)와 전자 수송층(14) 사이 및 양자점 층(13)과 전자 수송층(14) 사이 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
일 예로, 도 1에 도시한 바와 같이, 전자 제어층(15)은 캐소드(16)와 전자 수송층(14) 사이에 위치할 수 있다.
일 예로, 도 2에 도시한 바와 같이, 전자 제어층(15)은 양자점 층(13)과 전자 수송층(14) 사이에 위치할 수 있다.
일 예로, 도 3에 도시한 바와 같이, 전자 제어층(15)은 캐소드(16)와 전자 수송층(14) 사이 및 양자점 층(13)과 전자 수송층(14) 사이에 각각 위치할 수 있다.
전자 제어층(15)은 무기물로 이루어지거나 무기물을 주성분으로 포함하는 무기 전자 제어층일 수 있다. 여기서 주성분은 전자 제어층(15)에 대하여 약 50부피% 이상, 약 60부피% 이상, 약 70부피% 이상, 약 80부피% 이상, 약 90부피% 이상, 약 95부피% 이상, 약 98부피% 이상, 약 99부피% 이상 또는 약 100부피%로 포함되는 성분을 의미할 수 있다.
전자 제어층(15)은 예컨대 전술한 제1 무기물과 다른 제2 무기물을 포함할 수 있다. 제2 무기물은 무기 나노입자일 수 있다. 무기 나노입자의 평균 입경은 예컨대 약 10nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 1nm 내지 10nm 일 수 있고, 예컨대 약 2nm 내지 10nm일 수 있고, 예컨대 약 3nm 내지 8nm 일 수 있다.
일 예로, 제2 무기물은 금속 및/또는 준금속을 포함하는 산화물, 질화물, 황화물, 인화물 또는 할로겐화물일 수 있으며, 예컨대 갈륨(Ga), 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W), 망간(Mn), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 비스무스(Bi), 인듐(In), 알루미늄(Al), 납(Pb) 및 지르코늄(Zr) 중 적어도 하나를 포함하는 산화물, 질화물, 황화물, 인화물 또는 할로겐화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 무기물은 결정 구조를 가진 산화물, 질화물, 황화물, 인화물 또는 할로겐화물일 수 있으며, 예컨대 페로브스카이트 산화물일 수 있다. 일 예로, 제2 무기물은 갈륨 산화물, 지르코늄 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 칼륨탄탈산화물, 비스무스 산화물, 인듐 산화물, 알루미늄 산화물 등의 산화물; 알루미늄 질화물과 같은 질화물; 망간 설파이드와 같은 황화물; 갈륨 인화물과 같은 인화물; 납 브로마이드 또는 납 아이오다이드와 같은 할로겐화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 무기물은 Ga2O3, ZrO2, MnO, Cr2O3, KTaO3, Bi2O3, In2O3, Al2O3, AlN, MnS, GaP, MAPbBr3 (methylammonium lead (II) bromide) 및/또는 EAPbI3 (ethylammonium lead (II) iodide)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 무기물은 갈륨 산화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 감마-갈륨 산화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 γ-Ga2O3를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 무기물은 일 예로, γ-Ga2O3 나노입자일 수 있고, γ-Ga2O3 나노 입자는 등축정계(cubic crystal structure)를 가질 수 있다.
전자 제어층(15)의 두께는 전자 수송층(14)의 두께보다 얇을 수 있으며, 예컨대 전자 제어층(15)의 두께는 전자 수송층(14)의 두께의 약 0.2 내지 0.8배일 수 있으며 예컨대 약 0.3 내지 0.7배일 수 있다. 일 예로, 전자 제어층(15)의 두께는 약 1nm 내지 10nm일 수 있다.
선택적으로, 캐소드(16)와 양자점 층(13) 사이에 추가적인 층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있고, 예컨대 전자 주입층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 전자 주입층은 캐소드(16)로부터 전자의 주입을 용이하게 할 수 있다.
일 예로, 전술한 양자점 소자(10)의 제조 방법은 기판(도시하지 않음) 위에 애노드(11)를 형성하는 단계, 애노드(11) 위에 정공 수송층(12)을 형성하는 단계, 정공수송층(12) 위에 양자점 층(13)을 형성하는 단계, 양자점 층(13) 위에 전자 수송층(14) 및 전자 제어층(15)을 형성하는 단계, 그리고 전자 수송층(14) 및 전자 제어층(15) 위에 캐소드(16)를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 이때 전자 제어층(15)을 형성하는 단계는 전자 수송층(14)을 형성하는 단계 전 및 후 중 적어도 하나에 수행할 수 있다. 여기서 정공 수송층(12), 양자점 층(13), 전자 수송층(14) 및 전자 제어층(15)은 예컨대 각각 용액 공정으로 형성될 수 있으며, 예컨대 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 분사 및/또는 닥터 블레이드 코팅에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 전자 수송층(14)을 형성하는 단계는 Zn 전구체 및 선택적으로 M 전구체(M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이다)를 포함하는 용액으로부터 졸겔 반응에 의해 Zn1 - xMxO (0≤x<0.5)로 표현되는 무기 나노 입자를 포함하는 전자 수송층용 분산액을 준비하는 단계, 그리고 무기 전자 수송층용 분산액을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 용액은 예컨대 알코올 용매를 포함할 수 있으며, 예컨대 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 또는 이들의 혼합 용매를 포함할 수 있다.
일 예로, 전자 제어층(15)을 형성하는 단계는 Ga 전구체를 포함하는 용액을 열처리하여 γ-Ga2O3 나노 입자를 포함하는 전자 제어층용 분산액을 준비하는 단계, 그리고 전자 제어층용 분산액을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 용액은 예컨대 아민 용매를 포함할 수 있으며, 예컨대 알킬아민 용매를 포함할 수 있으며 예컨대 올레일아민(oleylamine)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 열처리는 예컨대 약 70℃ 내지 500℃에서 수행할 수 있으며, 예컨대 약 80℃ 내지 450℃, 예컨대 약 100℃ 내지 400℃에서 수행할 수 있다.
양자점 소자는 예컨대 표시 장치 또는 조명 장치 등의 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
합성예 : 양자점의 합성
(1) ZnTeSe 코어의 합성
셀레늄(Se) 및 텔루리움(Te)을 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine, TOP)에 분산시켜 2M의 Se/TOP stock solution 및 0.1 M 의 Te/TOP stock solution을 얻는다.
아연 아세테이트(zinc acetate) 0.125 mmol을 올레익산 (Oleic acid) 0.25 mmol 및 헥사데실아민 0.25 mmol 과 함께 트리옥틸아민 10mL를 반응기에 넣고 진공 하에 120도로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 질소로 전환한다.
240도로 가열한 후 위에서 준비한 Se/TOP stock solution 및 Te/TOP stock solution을 Te/Se 비율을 1/25으로 신속히 주입한다. 300도로 온도 상승 후 30분 동안 유지하고 상온으로 신속하게 식힌 반응 용액에 아세톤을 넣고 원심 분리하여 얻은 침전을 톨루엔에 분산시켜 ZnTeSe 양자점을 얻는다.
(2) ZnTeSe 코어/ ZnSeS 쉘의 양자점 합성
10mL의 플라스크에 트리옥틸아민(trioctylamine)을 넣는다. 여기에 아연아세테이트 0.6 mmol과 올레산 1.2mmol을 넣고 120℃에서 10분간 진공 처리한다. 이어서 질소(N2)로 상기 플라스크 내를 치환한 후 여기에 합성예 1에서 얻은 ZnTeSe 코어를 신속히 주입하고 Se/TOP 및 S/TOP를 부가하면서 340℃로 승온하여 반응을 수행한다. 상기 반응이 모두 끝난 후 반응기를 냉각하고, 제조된 나노결정을 에탄올로 원심 분리하여 톨루엔에 분산시켜 ZnTeSe/ZnSeS 코어쉘 양자점을 얻는다.
제조예 1: 전자수송층용 분산액의 제조
아연 아세테이트 다이하이드레이트(zinc acetate dihydrate) 8.07 mmol, 마그네슘 아세테이트 테트라하이드레이트 (magnesium acetate tetrahydrate) 0.93 mmol 및 다이메틸설폭사이드 90mL를 반응기에 넣고 공기 중에서 60도로 가열한다. 이어서 테트라메틸암모늄 하이드록시드 펜타하이드레이트 (tetramethylammonium hydroxide pentahydrate) 15 mmol을 30mL 에탄올에 녹인 후 분당 3 mL씩 상기 반응기에 dropwise 한다. 1시간 교반 후 제조된 Zn0 . 85Mg0 .15O 나노입자와 에틸 아세테이트 (ethyl acetate)를 1:9 (부피비)의 비율로 원심 분리하고 에탄올에 분산시켜 Zn0.85Mg0.15O 나노입자들이 분산된 분산액을 제조한다.
제조예 2: 전자제어층용 분산액의 제조
100ml 플라스크에 갈륨 아세틸아세토네이트(gallium acetonate, Ga(acac)3) 0.5g 및 용매로서 올레일아민(oleylamine) 7g을 넣어 혼합하고, 혼합물의 온도를 80도까지 승온한다. 갈륨 아세틸아세토네이트가 완전히 용해된 후, 용액을 탈기시키고 아르곤 분위기에서 연속적으로 교반하면서 3℃/분의 평균속도로 310℃까지 승온한다. 이어서 온도를 150℃로 낮춘 후 트리-n-옥틸포스핀옥사이드(tri-n-octylphosphine oxide, TOPO)를 주입하고 30분 동안 교반한다. 반응이 완료된 후 반응기를 냉각하고 제조된 나노결정을 에탄올로 원심분리하고 헥산 또는 톨루엔에 분산시켜 약 4nm 내지 7nm의 입경분포를 가진 γ-Ga2O3 나노입자들이 분산된 분산액을 얻는다.
평가 I
유리판 위에 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액을 10nm 두께로 스핀 코팅하고 80도에서 30분간 열처리하여 박막을 형성한다.
도 4는 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막의 X선 분광(X-ray diffraction, XRD) 그래프이고, 도 5 및 6은 각각 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막의 X선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 그래프이고, 도 7은 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막의 모폴로지를 보여주는 원자현미경(atomic force microscope, AFM) 사진이다.
도 4 내지 도 7을 참고하면, 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액으로부터 얻은 박막은 등축정계 결정 구조의 γ-Ga2O3 나노 입자들이 비교적 균일하게 분포하고 있음을 확인할 수 있다. γ-Ga2O3 나노 입자의 입경은 약 4nm 내지 7nm에 분포되어 있으며, 302nm의 여기자 피크(exciton peak), 3.08eV의 에너지 밴드갭, 425nm의 피크 발광 파장 및 2.52nm의 평균조도(Rq)를 가지는 것을 확인한다.
양자점 소자의 제조
실시예 1
애노드인 ITO (WF: 4.8eV)가 증착된 유리기판에 UV-오존으로 표면 처리를 15분간 수행한 후, PEDOT:PSS 용액(H.C. Starks)을 스핀 코팅하고 Air 분위기에서 150도에서 10분간 열처리하고, 다시 N2 분위기에서 150도에서 10분간 열처리하여 30nm 두께의 정공 주입층(HOMO: 5.3eV, LUMO: 2.7eV)을 형성한다. 이어서 정공 주입층 위에 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일-코(4,4'-(N-4-부틸페닐)디페닐아민] 용액 (TFB)(Sumitomo)을 스핀 코팅하고 150도에서 30분간 열처리하여 25nm 두께의 정공 수송층(HOMO: 5.6eV, LUMO: 2.69eV)을 형성한다. 이어서 정공 수송층 위에 합성예에서 얻은 ZnTeSe/ZnS 코어쉘 양자점을 스핀 코팅하고 80도에서 30분간 열처리하여 20nm 두께의 양자점 층(HOMO: 5.7eV, LUMO: 2.97eV)을 형성한다. 이어서 양자점 층 위에 제조예 2에서 얻은 전자제어층용 분산액을 스핀 코팅하고 80도에서 30분간 열처리하여 10nm 두께의 전자 제어층을 형성한다. 이어서 전자 제어층 위에 제조예 1에서 얻은 전자수송층용 분산액을 스핀 코팅하고 80도에서 30분간 열처리하여 20nm 두께의 전자 수송층을 형성한다. 이어서 전자 수송층 위에 알루미늄(Al) 100nm를 진공 증착하여 캐소드를 형성하여 양자점 소자를 제조한다.
비교예 1
전자 제어층을 형성하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 양자점 소자를 제조한다.
평가 II
실시예 1과 비교예 1에 따른 양자점 소자의 전류-전압-휘도 특성을 평가한다.
전류-전압-휘도 특성은 Keithley 220 current source 및 Minolta CS200 spectroradiometer를 사용하여 평가한다.
그 결과는 표 1과 같다.
실시예 1 비교예 1
EQEmax 15.5 11.7
EQE @500nit 15.1 8.3
최대전류효율(cd/A) 7.8 5.4
휘도(cd/m2) @5mA 387 159
T60 @325nit (%) 5.7 3.6
λmax 452 452
반치폭(nm) 19 21
* EQEmax: 최대 외부양자효율
* EQE@500nit: 500nit에서의 외부양자효율
* 휘도(Cd/m2) @5mA: 5mA에서의 휘도
* T60 @325nit: 초기 3250nit 기준의 정전류에서 휘도가 60% 수준으로 감소할 때의 시간
* λmax: 피크 발광 파장
표 1을 참고하면, 실시예 1에 따른 양자점 소자는 비교예 1에 따른 양자점 소자와 비교하여 효율 및 수명이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 양자점 소자
11: 애노드
12: 정공 수송층
13: 양자점 층
14: 전자 수송층
15: 전자 제어층
16: 캐소드

Claims (20)

  1. 서로 마주하는 애노드와 캐소드,
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 양자점 층,
    상기 애노드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 애노드로부터 상기 양자점 층으로의 정공의 수송성을 높이는 정공 수송층,
    상기 캐소드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 캐소드로부터 상기 양자점 층으로의 전자의 수송성을 높이는 무기 전자 수송층, 그리고
    상기 캐소드와 상기 양자점 층 사이에 위치하고 상기 캐소드로부터 상기 양자점 층으로의 전자의 수송성을 낮추는 무기 전자 제어층
    을 포함하는 양자점 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 무기 전자 제어층은 상기 캐소드와 상기 무기 전자 수송층 사이 및 상기 양자점 층과 상기 무기 전자 수송층 사이 중 적어도 하나에 위치하는 양자점 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 무기 전자 수송층은 제1 무기물을 포함하고,
    상기 무기 전자 제어층은 상기 제1 무기물과 다른 제2 무기물을 포함하는 양자점 소자.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 무기물은 아연 함유 산화물을 포함하는 양자점 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 아연 함유 산화물은 Zn1 - xMxO (여기서 M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이고, 0≤x<0.5이다)로 표현되는 양자점 소자.
  6. 제3항에서,
    상기 제2 무기물은 갈륨, 니켈, 구리, 텅스텐, 망간, 크롬, 탄탈륨, 비스무스, 인듐, 알루미늄, 납 및 지르코늄 중 적어도 하나를 포함하는 산화물, 질화물, 황화물, 인화물 또는 할로겐화물을 포함하는 양자점 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 무기 산화물은 γ-Ga2O3를 포함하는 양자점 소자.
  8. 제3항에서,
    상기 제1 무기물은 Zn1 - xMxO (여기서 M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이고, 0≤x<0.5 이다)로 표현되는 아연 함유 산화물을 포함하고,
    상기 제2 무기물은 갈륨 산화물을 포함하는
    양자점 소자.
  9. 제3항에서,
    상기 제1 무기물과 상기 제2 무기물은 각각 10nm 이하의 평균입경을 가진 나노입자인 양자점 소자.
  10. 제1항에서,
    상기 무기 전자 제어층의 LUMO 에너지 준위는 상기 양자점 층의 LUMO 에너지 준위 및 상기 무기 전자 수송층의 LUMO 에너지 준위보다 각각 낮은 양자점 소자.
  11. 제1항에서,
    상기 무기 전자 제어층의 에너지 밴드갭은 상기 양자점 층의 에너지 밴드갭 및 상기 무기 전자 수송층의 에너지 밴드갭보다 각각 큰 양자점 소자.
  12. 제1항에서,
    상기 무기 전자 제어층의 두께는 상기 무기 전자 수송층의 두께보다 얇은 양자점 소자.
  13. 제1항에서,
    상기 무기 전자 제어층의 두께는 1nm 내지 10nm인 양자점 소자.
  14. 제1항에서,
    상기 양자점 층은 비카드뮴계 양자점을 포함하는 양자점 소자.
  15. 제14항에서,
    상기 비카드뮴계 양자점은
    아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 적어도 하나, 또는
    인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나
    를 포함하는 양자점 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 양자점은 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 적어도 하나 또는 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함하는 코어와 상기 코어의 적어도 일부 위에 위치하고 상기 코어와 다른 조성을 가지는 쉘을 포함하는 양자점 소자.
  17. 제16항에서,
    상기 쉘은 ZnSeS, ZnS 또는 이들의 조합을 포함하는 양자점 소자.
  18. 애노드를 형성하는 단계,
    상기 애노드 위에 정공 수송층을 형성하는 단계,
    상기 정공수송층 위에 양자점 층을 형성하는 단계,
    상기 양자점 층 위에 무기 전자 수송층을 형성하는 단계,
    상기 양자점 층 위에 무기 전자 제어층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 무기 전자 제어층 위에 캐소드를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 무기 전자 제어층을 형성하는 단계는 상기 무기 전자 수송층을 형성하는 단계 전 및 후 중 적어도 하나에 수행하고,
    상기 양자점 층을 형성하는 단계, 상기 무기 전자 수송층을 형성하는 단계 및 상기 무기 전자 제어층을 형성하는 단계는 각각 용액 공정으로 수행하는 양자점 소자의 제조 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 무기 전자 수송층을 형성하는 단계는
    Zn 전구체 및 선택적으로 M 전구체(M은 Mg, Co, Ni, Zr, Mn, Sn, Y, Al 또는 이들의 조합이다)를 포함하는 용액으로부터 졸겔 반응에 의해 Zn1 - xMxO (0≤x<0.5)로 표현되는 무기 나노 입자를 포함하는 무기 전자 수송층용 분산액을 준비하는 단계, 그리고
    상기 무기 전자 수송층용 분산액을 코팅하는 단계
    를 포함하고,
    상기 무기 전자 제어층을 형성하는 단계는
    Ga 전구체를 포함하는 용액을 열처리하여 γ-Ga2O3 로 표현되는 무기 나노 입자를 포함하는 무기 전자 제어층용 분산액을 준비하는 단계, 그리고
    상기 무기 전자 제어층용 분산액을 코팅하는 단계
    를 포함하는 양자점 소자의 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 양자점 소자를 포함하는 표시 장치.


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