KR20210039178A - 분산제, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치 - Google Patents

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KR20210039178A
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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 분산제, 무기 발광 입자의 표면에 상기 분산제가 흡착된 발광 필름, 상기 발광 필름이 발광물질층 및/또는 색 변환층에 적용된 발광다이오드 및 발광장치에 관한 것이다. 상기 분산제를 도입하여 무기 발광 입자의 분산 특성을 향상시킬 수 있고, 무기 발광 입자의 광학적 특성을 개선하여 발광다이오드 및 발광 장치의 발광 효율과 발광 수명을 증가시킬 수 있다.
화학식 1
Figure pat00004

Description

분산제, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치{DISPERSANT, LIGHT EMITTING FLIM, LIGHT EMITTING DIODE AND LITHG EMTTIGN DEVICE INCLUDING THE DISPERSANT}
본 발명은 분산제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무기 발광 입자의 분산 특성 및 내열성을 향상시킬 수 있는 분산제, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치에 관한 것이다.
정보 통신 기술 및 전자공학 기술이 발전하면서 종래의 음극선관 표시장치(CRT)를 대신하는 다양한 평판표시장치가 연구되고 있다. 평판표시장치 중에서도 CRT에 비하여 박형 및 경량화를 구현할 수 있는 액정표시장치(liquid crystal display(LCD) device), 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED)를 도입한 유기발광장치 및 양자점 발광다이오드(Quantum Dot Light Emitting Diode; QLED 또는 QD-LED)를 도입한 양자점 발광표시장치가 주목을 받고 있다.
유기발광표시장치와 양자점 발광표시장치는 각각 자-발광 소자인 유기발광다이오드 또는 양자점 발광다이오드를 필수적 구성요소로 포함한다. 백라이트 유닛을 필요로 하는 비-발광 소자인 액정표시장치에 비하여, 유기발광표시장치와 양자점 발광표시장치는 박형 및 경량화를 더욱 구현할 수 있다. 또한 유기발광다이오드와 양자점 발광다이오드는 액정표시패널에 비하여 소비전력 측면에서도 유리하여, 저-전압 구동이 가능하고, 응답 속도가 빠른 장점을 가지고 있다. 아울러, 유기발광다이오드와 양자점 발광다이오드는 제조 공정이 단순하기 때문에 생산원가를 기존의 액정표시장치 보다 많이 절감할 수 있는 장점이 있다.
유기발광표시장치 또는 양자점 표시장치는 적색(Red, R), 녹색(Green, G) 및 청색(Blue, B) 화소영역 별로 적색 발광층, 녹색 발광층, 청색 발광층을 형성하여 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 빛을 발광함으로써, 풀 컬러 영상을 구현한다. 최근에는 화소영역 전체에 대하여 백색을 발광하는 발광다이오드를 형성하고 컬러필터를 이용하는 적색/녹색/청색/백색 구조의 유기발광표시장치 또는 양자점 표시장치가 주로 사용된다.
그런데, 종래의 유기발광표시장치 또는 양자점 발광표시장치를 각각 구성하는 유기발광다이오드 또는 양자점 발광다이오드로부터 방출된 백색 광 중에서 상당량이 컬러필터층에서 흡수되기 때문에 광 효율이 떨어진다. 즉, 컬러필터 패턴을 가지는 유기발광표시장치 또는 양자점 발광표시장치에서 적색, 녹색 및 청색 화소 영역에 대응되게 형성되는 컬러필터 패턴이 특정 파장 대역의 빛만을 투과하고, 나머지 파장의 빛은 흡수되기 때문에, 광 효율이 크게 떨어지는 문제가 발생한다.
또한, 무기 발광 입자인 양자점은 산소나 습기에 취약하고, 내열성이 좋지 않다. 따라서 양자점을 포함하는 발광표시장치를 제조하는 공정이나 발광표시장치를 사용할 때, 외부의 공기나 습기에 노출된 양자점이 열화되면서, 발광표시장치의 발광 효율과 발광 수명이 저하된다. 아울러, 양자점은 용매에 대한 분산 특성이 좋지 않기 때문에, 용액 공정을 통하여 양자점 필름을 형성할 때, 특정 용매만을 사용하여야 하는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 분산 특성이 우수할 뿐만 아니라, 발광 입자의 내열 특성을 향상시킬 수 있는 분산제와, 상기 분산제를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발광 입자의 발광 효율 및 발광 수명을 개선할 수 있는 분산제와, 상기 분산제를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 분산제를 제공한다.
화학식 1
Figure pat00001
화학식 1에서, R1은 치환되지 않거나 C1-C20 알킬 아미노기, 에테르기(-O-), 에스테르기(-COO-), 카보네이트기(-OCOO-), C3-C20 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C2-C20 알킬렌기, C2-C20 알킬 비닐렌기 또는 치환되지 않거나 C1-C20 알킬 아미노기, 에테르기(-O-), 에스테르기(-COO-), 카보네이트기(-OCOO-), C3-C20 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C6~C30 아릴렌기임; R2는 C1-C20 알킬렌기, 치환되지 않거나 C1-C10 알킬기로 치환된 C5-C20 사이클로 알킬렌기, 치환되지 않거나 C1-C10 알킬기로 치환된 C6-C20 아릴렌기, C1-C5 알킬렌기로 연결된 C10-C30 바이사이클로 알킬렌기 또는 C1-C5 알킬렌기로 연결된 C12-C30 바이아릴렌기임; R3는 C5-C20 지방족 탄화수소기임; R4는 수소, 중수소 또는 C1-C10 알킬기임; m과 n은 각각 독립적으로 1-100의 정수임.
다른 측면에 따르면, 본 발명은 무기 발광 입자, 및 상기 무기 발광 입자의 표면에 흡착(adsorption)하는 전술한 분산제를 포함하는 발광 필름을 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 액정 패널, 상기 액정 패널의 하부에 위치하면 광원을 포함하는 백라이트 유닛, 및 상기 액정 패널과 상기 백라이트 유닛 사이에 위치하는 상기 발광 필름을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 엘이디 칩, 상기 엘이디 칩을 덮는 봉지부를 포함하고, 상기 봉지부는 무기 발광 입자와, 상기 무기 발광 입자의 표면에 흡착하는 전술한 분산제를 포함하는 엘이디 패키지를 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 엘이디 패키지를 포함하는 백라이트 유닛, 및 상기 백라이트 유닛 상부에 위치하는 액정 패널을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 제 1 전극, 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고, 상기 발광물질층은 무기 발광 입자와, 상기 무기 발광 입자 표면에 흡착하는 전술한 분산제를 포함하는 무기 발광다이오드를 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판, 및 상기 기판 상부에 위치하고, 전술한 무기발광다이오드를 포함하는 무기발광장치를 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판, 상기 기판 상부에 위치하는 발광다이오드, 및 상기 기판과 상기 발광다이오드 사이 또는 상기 발광다이오드 상부에 위치하며, 상기 발광다이오드에서 발광된 빛을 다른 파장의 빛으로 변환하는 색 변환층을 포함하고, 상기 색 변환층은 무기 발광 입자와, 상기 무기 발광 입자 표면에 흡착하는 전술한 분산제를 포함하는 발광장치를 제공한다.
이때, 상기 발광다이오드는 양자점 또는 양자막대와 같은 무기 발광 입자를 포함하는 양자 발광다이오드, 유기 발광 물질을 포함하는 유기발광다이오드 및/또는 마이크로 발광다이오드(micro LED)일 수 있다.
본 발명에 따른 분산제는, 1,1-디올로부터 유래하는 지방족 곁사슬(side chain)이 우레탄 주쇄를 연장시키지 않으면서 길게 연장되어 필라(pillar) 구조를 갖는다. 길게 연장된 지방족 곁사슬은 우레탄 주쇄 중에서 무기 발광 입자의 표면에 흡착하는 부위를 가리지 않기 때문에, 본 발명의 분산제는 무기 발광 입자의 표면에 안정적으로 흡착, 앵커링(anchoring)할 수 있다.
길게 연장된 지방족 곁사슬로 인하여 무기 발광 입자 사이의 거리가 지나치게 가까워질 수 없기 때문에, 근접한 무기 발광 입자 사이로 에너지가 전이되는 FRET을 최소화할 수 있다. FRET 현상으로 인하여 무기 발광 입자의 발광 효율이 저하되지 않는다. 또한, 무기 발광 입자의 표면으로 분산제가 밀착, 결합하면서, 외부의 산소가 습기와 접촉하는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 고온 환경에서도 무기 발광 입자를 보호하여, 무기 발광 입자의 내열 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 분산제에 무기 발광 입자를 분산시킴으로써, 무기 발광 입자가 외부의 공기나 습기에 노출되거나, 고온 환경에 직면하여도 무기 발광 입자의 발광 효율 및 발광 수명을 유지할 수 있다. 또한, 무기 발광 입자의 표면에 다수 결합하는 분산제로 인하여, 무기 발광 입자는 소수성 용매는 물론이고 친수성 용매 등 다양한 용매에 분산될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 분산제를 사용하여, 우수한 발광 특성이 요구되는 표시장치와 같은 발광장치의 발광 필름, 엘이디 패키지, 색 변환층 및 발광다이오드 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 분산제의 합성 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 폴리우레탄 주쇄를 구성하는 알코올 전구체로서 폴리에틸렌글리콜(PEG) 모노메틸에테르를, 이소시아네이트 전구체로서 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI)를 사용한 것을 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 분산제에 의하여 무기 발광 입자가 분산되는 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 무기 발광 입자와 분산제를 포함하는 발광 필름을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 무기 발광 입자와 분산제를 포함하는 발광 필름을 가지는 액정표시장치를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 액정 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 무기 발광 입자와 분산제가 적용될 수 있는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 엘이디 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 발광층에 도입된 무기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 발광층에 도입된 무기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 색 변환층에 도입된 상부발광 방식의 발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 백색 발광다이오드(W-LED) 표시장치를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 색 변환층에 도입된 발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 청색 마이크로 엘이디(micro LED)를 발광 소자로 도입한 발광표시장치를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 마이크로 엘이디를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성한 분산제의 분산 특성을 보여주는 사진이다.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성한 분산제에 분산된 양자점의 양자 효율(Quantum Yield; QY)의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성한 분산제에 분산된 양자점의 내열 특성을 평가하기 위하여 외부양자효율(External Quantum Efficiency; EQE) 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[분산제 및 무기 발광 입자]
양자점(Quantum dot, QD) 및 양자막대(Quantum Rod, QR)과 같은 무기 발광 입자는 포토레지스트(photo resist, PR) 공정뿐만 아니라, 잉크젯 인쇄 공정과 같은 용액 공정에 적용되고 있다. 이를 위하여 잉크젯 인쇄 공정에 적합한 재료의 선정이나 무기 발광 입자 층에 TiO2와 같은 고굴절률을 가지는 소재를 적용하여 투과율을 향상시키고 무기 발광 입자로부터 발광하는 여기 광에 대한 recycle 효과가 중요하다. 특히, 잉크 타입 조성물에 무기 발광 입자를 분산시키는 경우, 열 경화성 타입과 UV와 같은 광 경화성 소재에 대한 관심이 높은데, 무기 발광 입자 층의 성능을 최적화하기 위하여 잉크 타입 조성물에 적절한 소재가 개발될 필요가 있다.
일반적으로 열 경화성 타입의 잉크는 무기 발광 입자, 고분자, 고굴절률 소재 및 용매가 포함되며, 통상적으로 무기 발광 입자는 대략 30 중량%의 비율로 포함된다. 무기 발광 입자를 포함하는 열 경화성 필름의 두께는 통상적으로 6 ㎛ 이상이며, 열을 가하는 소성 공정에 의하여 무기 발광 입자의 발광 효율이 저하되는 문제가 있다. 한편, 자외선과 같은 빛에 의해 경화되는 광 경화성 타입의 잉크는 무기 발광 입자, 고분자 및 고굴절률 소재가 포함된다. 광 경화성 타입의 잉크를 이용하여 제조되는 필름의 두께는 10 ㎛이어야 하는데, 용매가 없기 때문에 무기 발광 입자의 함량이 낮아서 발광 효율에 한계가 있다.
또한, 잉크 타입으로 적용된 종래의 폴리우레탄계 분산제는 친-용매 부위가 부족하다. 따라서 종래의 폴리우레탄계 분산제는 톨루엔(굴절률(n)은 1.4969, 유전상수(ε)는 2.38), 헥산(굴절률(n)은 1.375, 유전상수(ε)는 1.89)와 같은 비극성 용매에만 분산될 수 있고, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르(PGMEA; 굴절률(n)은 1.40, 유전상수(ε)는 8.3)와 같은 극성 용매에는 분산되지 못하는 문제가 발생하였다. 따라서 잉크젯 프린팅 공정과 같은 용액 공정을 적용하여 무기 발광 입자 박막을 형성할 때, 사용될 수 있는 용매의 종류가 한정되었다.
또한, 종래의 폴리우레탄계 분산제는 선형(linear)의 주쇄로 이루어져 있어서, 무기 발광 입자에 종래의 분산제가 흡착하더라도 인접한 무기 발광 입자가 서로 응집되는 것을 방지하기 곤란하다. 이때, donor 무기 발광 입자가 인접한 acceptor 무기 발광 입자와 일정 거리 이내로 근접하게 배치되면서, donor 무기 발광 입자에서 방출된 빛이 acceptor 무기 발광 입자로 흡수된다.
이에 따라 donor 무기 발광 입자에서 방출된 에너지가 donor 무기 발광 입자의 발광으로 방출되지 않고 인접한 acceptor 무기 발광 입자를 여기시켜, acceptor 무기 발광 입자의 형광을 유도하는 형광공명에너지전이(Fluorescence Resonance Energy Transfer; Forster Resonance Energy Transfer; FRET) 현상이 초래되면서, 에너지가 소실된다. 이와 같은 자기-소광(self-quenching)에 의하여 무기 발광 입자의 양자 효율(Quantum Yield, QY)가 저하되는 문제가 발생하였다.
뿐만 아니라, 양자점과 같은 무기 발광 입자는 고온에 지속적으로 노출되었을 때, 무기 발광 입자의 표면에 결합된 리간드가 이탈, 분리되거나, 코어/쉘이 산화되면서 발광 특성이 급속하게 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 열 경화성 잉크와 같이 무기 발광 입자를 포함하는 분산 조성물에 활용될 수 있는 호스트-게스트(Host-Guest) 분자 타입을 가지는 폴리우레탄계 분산제에 관한 것이다. 게스트로 도입된 필라 구조로 인하여 비극성 용매는 물론이고 극성 용매에도 무기 발광 입자를 분산시킬 수 있다. 또한, 소정 길이를 가지는 필라 구조를 도입하여 인접한 무기 발광 입자가 지나치게 근접하여 응집되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 인접한 무기 발광 입자 사이에서 FRET으로 인한 양자 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 필라 구조를 가지는 분산제가 무기 발광 입자를 에워싸면서(encapsulation), 고온에 노출된 무기 발광 입자의 내열성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 분산제에 무기 발광 입자를 분산시켜, 극성 용매에도 분산이 가능하며, 양자 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 잉크 타입을 이용한 무기 발광 입자를 포함하는 필름 형성 공정 전후에 요구되는 내열 특성을 확보할 수 있다. 본 발명에 따른 분산제는 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.
화학식 1
Figure pat00002
화학식 1에서, R1은 치환되지 않거나 C1-C20 알킬 아미노기, 에테르기(-O-), 에스테르기(-COO-), 카보네이트기(-OCOO-), C3-C20 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C2-C20 알킬렌기, C2-C20 알킬 비닐렌기 또는 치환되지 않거나 C1-C20 알킬 아미노기, 에테르기(-O-), 에스테르기(-COO-), 카보네이트기(-OCOO-), C3-C20 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C6~C30 아릴렌기임; R2는 C1-C20 알킬렌기, 치환되지 않거나 C1-C10 알킬기로 치환된 C5-C20 사이클로 알킬렌기, 치환되지 않거나 C1-C10 알킬기로 치환된 C6-C20 아릴렌기, C1-C5 알킬렌기로 연결된 C10-C30 바이사이클로 알킬렌기 또는 C1-C5 알킬렌기로 연결된 C12-C30 바이아릴렌기임; R3는 C3-C20 지방족 탄화수소임; R4는 수소, 중수소 또는 C1-C10 알킬기임; m과 n은 각각 독립적으로 1-100의 정수임.
본 명세서에 달리 언급하지 않는 한 용어 (메트)아크릴레이트는 아크릴레이트와 메타크릴레이트를 통칭한다. 용어 (메트)아크릴옥시기는 아크릴옥시기와 메타크릴옥시기를 통칭하며, (메트)아크릴산은 아크릴산 및 메타크릴산을 통칭한다.
화학식 1로 정의된 바와 같이, 본 발명에 따른 분산제는 폴리우레탄계 분산제로서, 아크릴계 또는 폴리에스테르계 분산제와 비교해서 무기 발광 입자를 잘 분산시킬 수 있다. 특히, 무기 발광 입자를 포함하는 잉크 타입 조성물을 이용하여 필름을 형성하는 공정 전후에 진행되는 고온의 열처리 과정에서 수반되는 무기 발광 입자의 양자 효율(Quantum Yield, QY) 및 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)이 감소하는 문제를 해결할 수 있는데, 이에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 분산제의 합성 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 분산제에 의하여 무기 발광 입자가 분산되는 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리우레탄계 분산제를 합성할 때, 폴리우레탄 주쇄를 구성하는 알코올 전구체 및 이소시아네이트 전구체인 호스트에 게스트인 알칸 디올을 첨가한다. 이에 따라, 폴리우레탄 주쇄의 곁사슬로서 게스트인 알칸 디올 유래의 연장된 필라(pillar) 구조를 가지는 호스트-게스트 타입의 폴리우레탄계 분산제를 합성한다. 폴리우레탄 주쇄의 곁사슬을 구성하는 게스트인 필라 구조를 가지고 있다.
폴리우레탄 주쇄의 곁사슬을 구성하는 필라 구조는 주쇄를 연장시키기 위한 분지화 또는 브리지(bridge)가 아니라, 무기 발광 입자의 분산 특성을 개선, 향상시키고, 무기 발광 입자가 응집되는 것을 방지하는 문턱 또는 장벽 등으로 기능한다. 이러한 목적과 관련해서, 필라 구조를 형성하기 위하여 첨가되는 알칸 디올은 1,1-알칸 디올일 수 있고, 호스트-게스트 반응을 이용하여 폴리우레탄 주쇄 내에 곁사슬인 필라 구조가 도입될 수 있다.
분산제를 합성할 때, 1,1-알칸 디올을 첨가하면, 1,1-알칸 디올의 1번 위치에 연결된 하이드록시기를 구성하는 수소 원자가, 우레탄 결합을 형성하는 이소시아네이트기를 구성하는 질소 원자와 반응하면서, 카보닐기에 1,1-알칸 디올의 산소 원자가 결합하여 폴리우레탄 주쇄의 곁사슬로서 연장된 필라 구조를 형성한다. 이때, 선형 폴리우레탄 주쇄에 삽입된 필라 구조인 지방족 사슬은 anti-conformation 구조를 갖는다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 분산제(150) 중에서 연장된 필라(154) 구조는 폴리우레탄 주쇄(152) 중에서 무기 발광 입자의 표면에 흡착, 앵커링(anchoring)될 수 있는 인접 아미노기(156)를 가리지 않는다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 화학식 1에서 필라 구조(154)에 대응하는 R3는 C5-C20 지방족 탄화수소기, 예를 들어 C5-C18 알킬기, 바람직하게는 C7-C18 직쇄 알킬기(도 1에서 알킬렌기인 k의 개수는 4-17개, 바람직하게는 6-17개)일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
R3을 구성하는 탄소 개수가 5개 미만인 경우, 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착하는 필라 구조의 길이가 짧아져서 무기 발광 입자(100)가 응집되는 것을 방지하기 곤란하다. 또한, 열, 산소나 수분과 같은 외부의 영향력으로부터 무기 발광 입자(100)를 보호하기 충분하지 않기 때문에, 내열성 및 분산 특성이 저하될 수 있다.
한편, R3을 구성하는 탄소 개수가 20개를 초과하면, 지방족 탄화수소에 결함이 발생할 수 있고, 외부로부터의 영향, 즉 외력에 의하여 필라 구조(154)가 anti-conformation이 아닌 gauche conformation 또는 꼬인 배향 구조인 kink conformation을 형성하면서, 안정된 필라 구조(154)를 형성하지 못할 수 있다. 필라 구조(156)를 형성하는 지방족 탄화수소 사슬이 Gauche conformation이나 kink conformation을 형성하는 경우, 필라 구조(156)와 폴리우레탄 주쇄(152) 사이의 결합 각도가 작아지면서, 인접한 아미노기(156)를 덮을 수 있고, 이에 따라 분산제(150)가 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착할 수 있는 공간을 가리면서, 분산 특성 및 내열성이 저하될 수 있다.
반면, 게스트로서 1,2-알칸 디올, 1,3-알칸 디올 및 1,ω-알칸 디올을 첨가하는 경우, 폴리우레탄의 배향과 관련하여 선형 구조를 선호하는 폴리우레탄 주쇄(152) 및 필라 구조(154)를 형성하는 지방족 탄화수소 사슬에서 기하학적 저항이 발생한다. 따라서 이들 사슬 사이에 strain이 발생하고, 발생한 strain은 전체 분산제 분자 구조에서 응력을 야기한다. 분자(150) 내부에 발생한 응력은 폴리우레탄 주쇄(152)로부터 필라 구조(154)로 이동하면서, 필라 구조(154)를 구성하는 지방족 탄화수소 사슬은 Anti-gauche conformation이나 kink conformation을 형성한다.
이에 따라, 폴리우레탄 주쇄(152)와 필라 구조(154) 사이의 경사각이 현저하게 줄어들고, 경우에 따라서는 폴리우레탄 주쇄(152)와 필라 구조(154)가 엉키면서 흡착 부위인 아미노기의 일부를 가리기 때문에, 필라(154)로서 기능하지 못하며 분산 특성이 저하된다. 특히, 양 끝단에 하이드록시가 위치하는 1,ω-알칸 디올을 첨가하는 경우, 첨가된 알칸 디올은 선형 폴리우레탄 주쇄(152)를 연장시키기 때문에, 필라 구조(154)를 형성하지 못한다.
즉, 본 발명에 따른 분산제(150)는 폴리우레탄 주쇄(152)의 곁사슬로서 소정 길이를 가지는 지방족 탄화수소 사슬이 안정적인 필라 구조(154)를 형성하고 있다. 안정적인 필라 구조(154)는 친-용매 부위로 기능하기 때문에, 본 발명에 따른 분산제(150)에 분산된 무기 발광 입자(100)는 비극성 용매는 물론이고, 극성 용매에 대해서도 안정적으로 분산될 수 있다.
소정 길이를 가지는 필라 구조(154)를 가지는 분산제(150)가 무기 발광 입자(100)의 표면에 결합하면, 필라 구조(154)로 인하여 입체장해 효과가 유발되어, 무기 발광 입자(100) 사이에서 최소한의 거리를 확보할 수 있다. 이에 따라, 무기 발광 입자(100)의 응집을 방지할 수 있고, 근접한 무기 발광 입자(100) 사이에서 FRET 현상이 야기되어 무기 발광 입자(100)의 양자 효율이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 필라 구조(154)가 폴리우레탄 주쇄(152)의 응집 부위(156)를 가리지 않기 때문에, 분산제(150)가 무기 발광 입자(100)의 표면을 에워싸면서, 일종의 보호층으로 기능한다. 이에 따라, 외부에서 발생한 열 에너지가 필라 구조(154)로 분산되면서, 무기 발광 입자(100)의 내열성을 향상시킬 수 있다.
폴리우레탄 주쇄(152)는 알코올 전구체와 이소시아네이트 전구체로부터 유래할 수 있다. 예를 들어, 화학식 1에서 R1 및 R4는 1개 이상의 하이드록시기를 가지는 알코올류 전구체에서 유래할 수 있다. 일례로, 알코올류 전구체는 프로필렌옥사이드 또는 에틸렌옥사이드에 기초한 폴리에테르계 알코올류, 지방족 폴리에스테르계 알코올류, 방향족 폴리에스테르계 알코올류, 테트라하이드로퓨란에 기초한 폴리에테르계 알코올류, 폴리카보네이트계 알코올류, 아크릴계 알코올류, 폴리부타디엔과 같은 알케닐계 알코올류를 포함할 수 있다.
예를 들어, 폴리에테르계 알코올류는 산 또는 염기 촉매의 존재 하에서, 에틸렌옥사이드 또는 프로필렌옥사이드와, 알코올 또는 아민 개시제의 첨가 반응을 통해서 합성될 수 있다. 한편, 폴리에스테르계 알코올류는 글리콜류(예: 에틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올)과, 지방족 또는 방향족 디카르복시산/무수물의 축합 반응에 의해 제조될 수 있다. 또한 아크릴계 알코올류는 하이드록시에틸(메트)아크릴레이트를 다른 아크릴류와 반응시키는 자유 래디컬 중합 반응에 의해 제조될 수 있다.
일례로, 화학식 1에서 R1은 치환되지 않거나 아미노메틸기, 아미노에틸기, 아미노프로필기 또는 아미노부틸기와 같은 C1-C10 알킬 아미노기, 에테르기, 에스테르기, 카보네이트기, 메틸(메트)아크릴레이트기 또는 에틸(메트)아크릴레이트기와 같은 C3-C10 알킬 (메트)아크릴레이트기, 또는 C3-C10 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C3-C10 알킬렌기; C2-C10 알킬 비닐렌기; 치환되지 않거나 아미노메틸기, 아미노에틸기, 아미노프로필기 또는 아미노부틸기와 같은 C1-C10 알킬 아미노기, 에테르기, 에스테르기, 카보네이트기, 메틸(메트)아크릴레이트기 또는 에틸(메트)아크릴레이트기와 같은 C3-C10 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C6-C10 아릴렌기일 수 있다. 예를 들어, 화학식 1에서 R1은 C2-C5 알킬렌기일 수 있고, n은 10-100의 범위를 가질 수 있지만, 본 발명에 따른 분산제가 이에 한정되지 않는다.
화학식 1에서 R2는 이소시아네이트 전구체에서 유래한 것일 수 있다. 적용될 수 있는 이소시아네이트 전구체는 1,6-헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI), 2,2,4-트리메틸헥사메틸렌디이소시아네이트(TMDI), 이소포론디이소시아네이트(IPDI), 4,4'-디사이클로헥실메탄디이소시아네이트(H12MDI), 노르보네인디이소시아네이트(NDI), 4,4'-디벤질디이소시아네이트(DBDI), 톨루엔디이소시아네이트(TDI; 예를 들어 2,4-TDI 또는 2,6-TDI), 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트(MDI), 2,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 폴리메틸렌디페닐디이소시아네이트(PMDI), 자일렌디이소시아네이트(XDI), 메타-테트라메틸자일렌디이소시아네이트(TMXDI), 수소화(hydrogenated) 자일렌디이소시아네이트(HXDI), 나프탈렌-1,5-디이소시아네이트(NDI), p-페닐렌디이소시아네이트(PPDI), 3,3'-디메틸디페닐-4,4'-디이소시아네이트(DDDI) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일례로, 화학식 1에서 R2는 C1-C10 알킬렌기; 치환되지 않거나 C1-C5 알킬기로 치환된 C5-C20 사이클로 알킬렌기; 치환되지 않거나 C1-C5 알킬기로 치환된 C6-C10 아릴렌기, C1-C3 알킬렌기, 예를 들어, C2-C3 알킬렌기로 연결된 C10-C20 바이사이클로 알킬렌기 또는 C1-C3 알킬렌기, 예를 들어, C2-C3 알킬렌기로 연결된 C12-C20 바이아릴렌기일 수 있다. 예시적으로, 화학식 1에서 R2는 C2-C10 알킬렌기, 예를 들어 C5-C10 알킬렌기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 화학식 1로 표시되는 폴리우레탄계 분산제의 중량평균분자량(Mw)은 2,000 내지 50,000, 예를 들면 2,000 내지 10,000일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 폴리우레탄계 분산제의 중량평균분자량이 전술한 범위를 충족할 때, 무기 발광 입자(100)의 표면에 물리적, 화학적으로 안정적으로 흡착하면서, 의도하였던 기능을 효율적으로 발휘할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 분산제(150)에 의해 분산될 수 있는 무기 발광 입자(100)는 양자점(quantum dot)이나 양자 막대(quantum rod, QR)일 수 있다. 일례로, 무기 발광 입자(100)는 광원으로부터 방출된 1차광을 받으면, 전자가 기저 상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)가 되고, 들뜬 상태에서 기저 상태로 떨어질 때 광자를 내놓으면서 다른 파장 대역의 빛, 즉 2차광을 방출한다. 또는 무기 발광 입자(100)는 발광다이오드(D, D1, 도 8 및 9 참조)에서 2개의 마주하는 전극으로부터 각각 생성된 정공과 전자와 같은 전하 캐리어에 의해 여기된(excited) 엑시톤(Exciton)을 형성하면서 일정 파장 대역의 빛을 방출할 수 있다.
양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자(100)는 불안정한 상태의 전자가 전도대 에너지 준위에서 가전자대 에너지 준위로 내려오면서 발광하는 무기 입자이다. 이들 무기 발광 입자(100)는 흡광 계수(extinction coefficient)가 매우 크고 무기 입자 중에서는 양자 효율(quantum yield)도 우수하므로 강한 형광을 발생시킨다. 또한, 무기 발광 입자(100)의 크기에 따라 발광 파장이 변경되므로, 무기 발광 입자(100)의 크기를 조절하면 가시광선 전 영역대의 빛을 얻을 수 있으므로 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(100)는 단일 구조를 가질 수도 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(100)는 중심에 빛을 방출하는 코어(core, 110)와, 코어(110)의 표면에서 코어(110)를 보호하기 위하여 쉘(shell, 120)이 둘러싸고 있는 이종 구조(heterologous structure)를 가질 수 있다. 아울러, 무기 발광 입자(100)는 쉘(120)의 표면에 결합되는 다수의 리간드(130)를 포함할 수 있다.
이때, 쉘(130)은 하나의 쉘로 이루어질 수도 있고, 다수의 쉘(multi shells)로 이루어질 수도 있다. 코어(120) 및/또는 쉘(130)을 구성하는 반응 전구체의 반응성과 주입 속도, 리간드(130)의 종류 및 반응 온도 등에 따라 이들 나노 무기 발광 입자(100)의 성장 정도, 결정 구조 등을 조절할 수 있으며, 이에 따라 에너지 밴드갭의 조절에 따른 다양한 파장대의 광 방출을 유도할 수 있다.
예를 들어, 무기 발광 입자(100)는 코어(110)를 구성하는 성분의 에너지 밴드갭(energy bandgap)이 쉘(120)의 에너지 밴드갭에 의해 둘러싸인 구조로서, 전자와 정공이 코어를 향해 이동하여 코어(110) 내에서 전자와 정공의 재결합이 이루어지면서 에너지를 빛으로 발산하는 발광체인 타입-° 코어/쉘 구조를 가질 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(100)는 코어(110)의 밴드갭 에너지와 쉘(120)의 밴드갭 에너지가 어긋나게(staggered) 존재하여, 전자와 정공이 코어(120)와 쉘(120) 중에서 서로 반대 방향으로 이동하는 발광 입자인 타입 Ⅱ 코어/쉘 구조를 가질 수도 있다. 타입 Ⅱ 코어/쉘 구조의 경우, 쉘(120)의 두께와 밴드갭의 위치에 따라 발광 파장을 조절할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(100)는 코어(110)의 에너지 밴드갭이 쉘(120)의 에너지 밴드갭보다 큰 구조의 발광 입자인 리버스 타입-Ⅰ(reverse type-Ⅰ) 코어/쉘 구조를 가질 수 있다. 리버스 타입-Ⅰ 코어/쉘 구조의 경우, 쉘(120)의 두께에 따라 발광 파장을 조절할 수 있다.
일례로, 무기 발광 입자(100)가 타입-Ⅰ 코어(110)/쉘(120)의 이종구조를 이루는 경우, 코어(110)는 실질적으로 발광이 일어나는 부분으로, 코어(110)의 크기에 따라 무기 발광 입자(100)의 발광 파장이 결정된다. 양자구속효과(quantum confine effect)를 받기 위해서 코어(110)는 각각의 소재에 따라 엑시톤 보어 반경(exciton Bohr radius)보다 작은 크기를 가져야 하며, 해당 크기에서 광학적 밴드갭(optical band gap)을 가져야 한다.
한편, 무기 발광 입자(100)를 구성할 수 있는 쉘(120)은 코어(112)의 양자구속효과를 촉진하고 무기 발광 입자(100)의 안정성을 결정한다. 단일 구조의 콜로이드 양자점 또는 양자 막대의 표면에 드러난 원자들은 내부 원자들과 달리 화학 결합에 참여하지 못한 전자상태(lone pair electron)를 가지고 있다. 이들 표면 원자들의 에너지 준위는 무기 발광 입자(100)의 전도대(conduction band edge)와 가전자대(valence band edge) 사이에 위치하여 전하들을 트랩(trap)할 수 있어 표면 결함(surface defect)이 형성된다. 표면 결함에 기인하는 엑시톤의 비-발광 결합 과정(non-radiative recombination process)으로 인하여 무기 발광 입자(100)의 발광 효율이 감소할 수 있으며, 트랩된(trapped) 전하들이 외부 산소 및 화합물과 반응하여 무기 발광 입자(100)의 화학적 조성의 변형을 야기하거나, 무기 발광 입자(100)의 전기적/광학적 특성이 영구적으로 상실될 수 있다.
코어(110) 표면에 쉘(120)이 효율적으로 형성될 수 있기 위해서는, 쉘(120)을 구성하는 재료의 격자 상수(lattice constant)는 코어(110)를 구성하는 재료의 격자 상수와 비슷하여야 한다. 코어(110)의 표면을 쉘(120)로 에워쌈으로써, 코어(110)의 산화를 방지하여 무기 발광 입자(100)의 화학적 안정성을 향상시키고, 물이나 산소와 같은 외부 인자에 의한 코어(110)의 광퇴화 현상을 방지할 수 있다. 또한, 코어(110) 표면에서의 표면 트랩에 기인하는 엑시톤의 손실을 최소화하고, 분자 진동에 의한 에너지 손실을 방지하여, 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
무기 발광 입자(100)는 양자구속효과를 가지는 반도체 나노 결정 또는 금속산화물 입자일 수 있다. 일례로, 코어(110) 및/또는 쉘(120)을 형성할 수 있는 반도체 나노 결정은, 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 Ⅲ-V족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
구체적으로, 코어(110) 및/또는 쉘(120)을 형성할 수 있는 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정은 MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnSeS, ZnTeSe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, CdSeS, CdZnS, CdSeTe, CdO, HgS, HgSe, HgTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnSe, HgZnTe, CdS/ZnS, CdS/ZnSe, CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe, ZnSe/ZnS, ZnS/CdSZnS, CdS/CdZnS/ZnS, ZnS/ZnSe/CdSe 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 코어(110) 및/또는 쉘(120)을 형성할 수 있는 주기율표 Ⅲ-V족 화합물 반도체 나노 결정은 AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, Ga2O3, GaAs, GaSb, InN, In2O3, InP, InAs, InSb, AlGaAs, InGaAs, InGaP, AlInAs, AlInSb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, InGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAlAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
코어(110) 및/또는 쉘(120)을 형성할 수 있는 주기율표 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정은 TiO2, SnO2, SnS, SnS2, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, PbSnTe 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 또한, 코어(110) 및/또는 쉘(120)을 형성할 수 있는 주기율표 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정은 AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2, CuInS2, CuInSe2, Cu2SnS3, CuGaS2, CuGaSe2 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
필요에 따라, 코어(110) 및/또는 쉘(120)은 InP/ZnS, InP/ZnSe, GaP/ZnS와 같이 주기율표 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 나노 결정 및 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정과 같이 상이한 족의 화합물 반도체 나노 결정이 다수의 층을 형성할 수도 있다.
또한, 코어(110) 및/또는 쉘(120)을 형성할 수 있는 금속 산화물 나노 결정은 주기율표 Ⅱ족 또는 Ⅲ족 금속 산화물 결정일 수 있다. 일례로, 코어(110) 및/또는 쉘(120)에 적용될 수 있는 금속 산화물 나노 결정은 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
필요한 경우, 코어(110) 및/또는 쉘(120)을 구성하는 반도체 나노 결정은 Eu, Er, Tb, Tm, Dy과 같은 희토류 원소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑(doping)되거나 도핑되지 않거나, 또는 Mn, Cu, Ag, Al, Mg과 같은 전이 금속 원소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑될 수 있다.
예를 들어, 무기 발광 입자(100)를 구성하는 코어(110)는 ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, InP, ZnCdS, CuxIn1-xS, CuxIn1-xSe, AgxIn1-xS 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 또한, 무기 발광 입자(100)를 구성하는 쉘(120)은 ZnS, GaP, CdS, ZnSe, CdS/ZnS, ZnSe/ZnS, ZnS/ZnSe/CdSe, GaP/ZnS, CdS/CdZnS/ZnS, ZnS/CdSZnS, CdXZn1-xS 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
한편, 무기 발광 입자(100)일 수 있는 양자점 또는 양자막대는 균질 합금(homogeneous alloy) 양자점/양자막대 또는 경도 합금(gradient alloy) 양자점/양자막대와 같은 합금 양자점/양자막대(alloy QDs/alloy QRs; 일례로, CdSxSe1-x, CdSexTe1-x, ZnxCd1-xSe)일 수도 있다.
쉘(120)의 표면에 결합하는 리간드(130)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 일례로, 리간드(130)는 음전하(-)를 띠는 유기 리간드, 즉 X-타입 리간드일 수 있다. 일례로, 음전하(-)를 띠는 X-타입 리간드는 카르복실레이트기(carbozylate, -COO-), 포스포네이트기(phosphonate) 및 티올레이트기(thiolate)로 구성되는 군에서 선택되는 음전하 작용기를 통하여 금속 물질(M)의 표면에 결합할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 음전하(-)를 띠는 X-타입 리간드(130)는 말단 카르복실레이트기를 통하여 쉘(120)의 표면에 결합할 수 있다. 이때, X-타입 리간드(130)를 구성하는 음전하 작용기, 예를 들어 카르복실레이트기(-COO-)는 쉘(120)을 구성하는 금속 물질과 전기적 상호작용을 통하여 결합될 수 있다. 일례로, 말단 카르복실레이트기를 가지는 리간드(130)는 C5-C30 포화 또는 불포화 지방산, 바람직하게는 C8-C20 포화 또는 불포화 지방산에서 유래할 수 있다. 보다 구체적으로, 말단 카르복실레이트기를 가지는 리간드(130)는 옥탄산(ocatnoic acid, 카프릴산, CH3(CH2)6COOH), 데칸산(decanoic acid, CH3(CH2)8COOH), 도데칸산(dodecanoic acid), 라우르산(CH3(CH2)10COOH), 미리스트산(mydristic acid, 1-테트라디카노산, CH3(CH2)12COOH), 팔미트산(palmitic acid, n-헥사데칸산, CH3(CH2)14COOH), 스테아르산(stearic acid, n-옥타데칸산, CH3(CH2)16COOH), 올레산(oleic acid, 시스-9-옥타데케논산, CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH) 등과 같은 포화 또는 불포화 지방산에서 유래할 수 있다.
다른 선택적인 실시형태에서, 리간드(130)는 비공유 전자쌍을 통하여 쉘(120)을 구성하는 금속 물질 표면에 결합하는 유기 리간드, 즉, L-타입 리간드일 수 있다. 일례로, 비공유 전자쌍을 가지는 유기 리간드(130)는 아민기, 티올기, 포스핀기 및 포스핀 옥사이드기로 구성되는 군에서 선택되는 작용기의 비공유 전자쌍을 통하여 쉘(120)을 구성하는 금속 물질의 표면에 배위결합을 통해 상호작용할 수 있다. 일례로, 비공유 전자쌍을 가지는 유리 리간드(130)의 말단이 아민기(아미노기)를 가지는 경우, 아민기를 구성하는 질소 원자의 비공유 전자쌍을 통하여 쉘(120)을 구성하는 금속 양이온과 배위결합을 통하여 강하게 결합한다.
예를 들어, 비공유 전자쌍을 가지는 유기 리간드(130)는 C1-C10 알킬 아민(예를 들어 1가, 2가 또는 3가의 알킬 아민), 바람직하게는 C1-C5 직쇄 또는 측쇄의 알킬 아민, C4-C8 지환족(alicyclic) 아민, 바람직하게는 C5-C8 지환족 아민, C5-C20 방향족 아민, 바람직하게는 C5-C10 방향족 아민, C1-C10 직쇄 또는 측쇄의 알킬 포스핀(예를 들어 1가, 2가 또는 3가의 알킬 포스핀), 바람직하게는 C1-C5 직쇄 또는 측쇄의 알킬 포스핀, C1-C10 직쇄 또는 측쇄의 알킬 포스핀 옥사이드(예를 들어 1가, 2가 또는 3가의 알킬 포스핀 옥사이드), 바람직하게는 C1-C5 직쇄 또는 측쇄의 알킬 포스핀 옥사이드, 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 비공유 전자쌍을 가지는 유리 리간드(130)는 트리스(2-아미노에틸)아민(Tris(2-aminoethy)amine, TAEA), 트리스(2-(아미노메틸)아민과 같은 3가 아민은 물론이고, N-부틸-N-에틸에탄-1,2-디아민(N-butyl-N-ethylethane-1,2-diamine), 에틸렌디아민(ethylene diamine), 펜타에틸렌헥사민(pentaethylenehexamine), 올레일아민과 같은 알킬 아민, 사이클로헥산-1,2-디아민(cyclohexane-1,2-diamine)이나 사이클로헥센-1,2-디아민(cyclohexene-1,2-diamine)과 같은 지환족폴리아민, 2,3-디아미노피리딘(2,3-diaminopyridine)과 같은 방향족 아민 및 이들의 조합을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
[발광 필름, 엘이디 패키지 및 액정표시장치]
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분산제(150)를 도입하여, 무기 발광 입자(100)의 분산 특성, 내열성 및 발광 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 분산제(150)에 분산된 무기 발광 입자(100)는 발광이 요구되는 발광장치에 적용될 수 있다. 본 실시형태에서는 분산제(150)에 분산된 무기 발광 입자(100)를 포함하는 조성물로부터 적용될 수 있는 발광 필름, 엘이디 패키지 및 이들을 포함하는 표시장치에 적용되는 경우를 설명한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 무기 발광 입자와 분산제를 포함하는 발광 필름을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 발광 필름(200)은 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 분산제(150)를 포함하고 있다. 무기 발광 입자(100)는 코어(110)/쉘(120)의 이종구조로 이루어지는 양자점 또는 양자 막대일 수 있다. 무기 발광 입자(100)를 구성하는 코어(110) 성분과 그 크기 등을 조절함으로써, 다양한 색상을 용이하게 구현할 수 있으며, 쉘(120)을 사용하여 코어(110)를 보호하여 트랩 에너지 준위를 줄일 수 있다. 도 3에 도시하지 않았으나, 분산제(150)는 폴리우레탄 주쇄(152, 도 2 참조)의 곁사슬로 연장된 필라 구조(154, 도 2 참조)를 가지고 있고, 필라 구조(152)에 인접하여 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착될 수 있는 흡착 부위(156, 도 2 참조)가 폴리우레탄 주쇄(152)에 위치한다.
필라 구조(152)가 도입된 폴리우레탄 분산제(150)가 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착하여, 무기 발광 입자(100)의 분산 특성을 향상시킬 수 있으며, 무기 발광 입자(100)의 내열성 및 발광 효율이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 발광 필름(200) 중에 무기 발광 입자(100)는 20 내지 30 중량부, 분산제(150)는 30 내지 50 중량부의 비율로 첨가될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 용어 중량부는 달리 언급하지 않는 한, 배합되는 성분 사이의 상대적인 중량 비율을 의미한다.
발광 필름(200)은 또한 바인더(220)를 더욱 포함할 수 있다. 일례로, 바인더(220)는 내열 특성이 우수한 에폭시 수지 및/또는 실리콘 수지로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 바인더(220)는 발광 필름(200) 중에 대략 20 내지 50 중량부의 비율로 첨가될 수 있다.
계속해서, 본 발명에 따른 발광 필름이 적용된 발광장치에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 무기 발광 입자와 분산제를 포함하는 발광 필름을 가지는 액정표시장치를 개략적으로 도시한 모식도이고, 도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 액정 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치(300)는, 액정패널(302)과, 액정패널(302) 하부에 위치하는 백라이트 유닛(390)과, 액정패널(302)과 백라이트 유닛(380) 사이에 위치하는 발광 필름(200)을 포함한다. 발광 필름(2000은 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 분산제(150)와, 바인더(220)를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 액정패널(302)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(310, 370)과, 제 1 및 제 2 기판(310, 370) 사이에 개재되며 액정분자(372)를 포함하는 액정층(360)을 포함한다. 제 1 기판(310)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(310)은 유리 기판, 얇은 플렉서블 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 제 2 기판(370)은 투명 또는 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 기판(370)은 유리, 폴리이미드와 같은 플라스틱, 금속 포일 등으로 이루어질 수 있다.
제 1 기판(310) 상에는 게이트 전극(320)이 형성되고, 게이트 전극(320)을 덮는 게이트 절연막(322)이 형성된다. 또한, 제 1 기판(310) 상에는 게이트 전극(320)과 연결되는 게이트 배선(도시하지 않음)이 형성된다. 게이트 절연막(322)은 산화실리콘(SiOx) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(322) 상에는 반도체층(330)이 게이트 전극(320)에 대응하여 형성된다. 반도체층(330)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 한편, 반도체층(330)은 비정질 실리콘으로 이루어지는 액티브 영역과 불순물 비정질 실리콘으로 이루어지는 오믹 컨택 영역을 포함할 수 있다.
반도체층(330) 상에는 서로 이격하는 소스 전극(344)과 드레인 전극(346)이 형성된다. 또한, 소스 전극(340)과 연결되는 데이터 배선(도시하지 않음)이 게이트 배선(도시하지 않음)과 교차하여 화소영역을 정의하며 형성된다. 게이트 전극(320), 반도체층(330), 소스 전극(344) 및 드레인 전극(346)은 박막트랜지스터(Tr)를 구성한다.
박막트랜지스터(Tr) 상에는, 드레인 전극(346)을 노출하는 드레인 컨택홀(352)을 갖는 보호층(350)이 형성된다. 보호층(350)은 산화실리콘(SiOx)이나 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연 물질로 형성될 수 있다.
보호층(350) 상에는, 드레인 컨택홀(352)을 통해 드레인 전극(346)에 연결되는 제 1 전극인 화소 전극(340)과, 화소 전극(340)과 교대로 배열되는 제 2 전극인 공통 전극(342)이 형성된다.
한편, 제 2 기판(370) 상에는 박막트랜지스터(Tr), 게이트 배선, 데이터 배선 등 비-표시영역을 가리는 블랙매트릭스(382)가 형성된다. 또한, 화소영역에 대응하여 컬러필터층(380)이 형성된다.
제 1 및 제 2 기판(310, 370)은 액정층(360)을 사이에 두고 합착되며, 화소 전극(340)과 공통 전극(342) 사이에서 발생되는 전계에 의해 액정층(360)의 액정분자(362)가 구동된다. 도시하지 않았으나, 액정층(360)과 접하여 제 1 및 제 2 기판(310, 370) 각각의 상부에는 배향막이 형성될 수 있으며, 제 1 및 제 2 기판(310, 370) 각각의 외측에는 서로 수직한 투과축을 갖는 편광판이 부착될 수 있다.
다시 도 4로 돌아가면, 백라이트 유닛(390)은 광원(도시하지 않음)을 포함하며 액정패널(302)로 빛을 공급한다. 백라이트 유닛(390)은 광원의 위치에 따라 직하형(direct type)과 측면형(side type)으로 분류될 수 있다. 백라이트 유닛(380)이 직하형인 경우, 백라이트 유닛(390)은 액정패널(302)의 하부를 감싸는 바텀 프레임(도시하지 않음)을 포함하고, 광원은 바텀 프레임(도시하지 않음)의 수평면에 다수개가 배열될 수 있다. 한편, 백라이트 유닛(390)이 측면형인 경우, 백라이트 유닛(390)은 액정패널(302)의 하부를 감싸는 바텀 프레임(도시하지 않음)을 포함하고, 바텀 프레임의 수평면에 도광판(light guide plate, 도시하지 않음)이 배치되며, 광원은 도광판의 적어도 일측에 배치될 수 있다. 이때, 광원은 청색 파장, 일례로 약 430 내지 470 nm 파장대역의 빛을 발광할 수 있다.
발광 필름(200)은, 액정패널(302)과 백라이트 유닛(390) 사이에 위치하며 백라이트 유닛(390)으로부터 제공되는 빛의 색 순도를 향상시킨다. 예를 들어, 발광 필름(200)은 양자점 또는 양자 막대일 수 있는 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 폴리우레탄계 분산제(150)와, 무기 발광 입자(100) 및 분산제(150)를 에워싸는 바인더(220)를 포함할 수 있다.
계속해서, 본 발명에 따른 발광체가 적용될 수 있는 엘이디 패키지(light emitting diode package; LED package)에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 무기 발광 입자와 분산제가 적용될 수 있는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치(400)는 표시 패널인 액정 패널(402)과, 액정 패널(402)에 빛을 공급하는 백라이트 유닛(420)을 포함하고, 액정 패널(402)과 백라이트 유닛(420)을 모듈화하기 위한 서포트메인(430), 탑커버(440) 및 커버버툼(450)을 포함한다. 액정 패널(402)은 액정층(360, 도 5 참조)을 사이에 두고 서로 대면 합착된 제 1 기판(410) 및 제 2 기판(470)을 포함한다. 액정 패널(402)의 구조는 도 5에 도시한 것과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 제 1, 2 기판(410, 470)의 외면으로는 특정 빛만을 선택적으로 투과하는 제 1, 2 편광판(412, 414)이 각각 부착된다. 제 1 편광판(412)과 제 2 편광판(414)은 각각의 광 투과축에 평행한 선편광만을 투과시키며, 제 1 편광판(412)의 광 투과축과 제 2 편광판(414)의 광 투과축은 서로 수직하게 배치된다.
도면으로 도시하지는 않았으나, 액정 패널(402)의 적어도 일 가장자리를 따라서는 연성회로기판이나 테이프 캐리어 패키지(TPC)와 같은 연결부재(도시하지 않음)를 매개로 인쇄회로기판(도시하지 않음)이 연결되어 모듈화 과정에서 서포트메인(530)의 측면 내지는 커버버툼(450) 배면으로 적절하게 젖혀 밀착된다.
아울러, 본 실시형태에 따른 표시장치(400)는 액정 패널(402)의 배면에 빛을 공급하는 백라이트 유닛(420)이 구비되어, 액정 패널(402)이 나타내는 투과율의 차이가 외부로 발현되도록 한다. 백라이트 유닛(420)은 엘이디 어셈블리(LED assembly, 500)와, 백색 또는 은색의 반사판(425)과, 반사판(425) 상에 안착되는 도광판(423) 및 그 상부로 개재되는 광학시트(421)를 포함한다.
예시적인 실시형태에서, 엘이디 어셈블리(500)는 도광판(423)의 입광면과 대면하도록 도광판(423)의 일측에 위치하는데, 다수의 엘이디 패키지(LED package, 510)와, 다수의 엘이디 패키지(510)가 일정 간격 이격하여 장착되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB; 560)을 포함한다. 이때, 다수의 엘이디 패키지(510)는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 빛을 방출하거나 백색을 방출하는 엘이디 칩(512, 도 7 참조)을 포함하고 있어, 도광판(423)의 입광면을 향하는 전방으로 백색광을 방출할 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 다수의 엘이디 패키지(510)는 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(G)의 빛을 방출하며, 다수의 엘이디 패키지(510)를 동시에 점등하여 색-섞임에 의한 백색광을 구현할 수도 있다. 다른 선택적인 실시형태에서, 각각의 엘이디 패키지(510)는 백색광을 방출할 수도 있다.
인쇄회로기판(560)은 수지 또는 세라믹과 같은 절연층 상에 배선 패턴(도시하지 않음)을 인쇄하여 각종 전자 소자를 탑재하고 엘이디 패키지(510)와의 전기적 연결을 가능하게 하는 전자회로기판이다. 일례로, 인쇄회로기판(560)은 유리강화 에폭시계 적층 시트로 이루어지는 FR-4 인쇄회로기판이나, 연성인쇄회로기판(flexible printed circuit board; FPCB), 메탈 코어 인쇄회로기판(metal core printed circuit board; MCPCB)로 이루어질 수 있다.
엘이디 어셈블리(500)를 구성하는 엘이디 패키지(510)로부터 출사되는 빛은 도광판(423)으로 입사된다. 엘이디 패키지(510)로부터 입사된 빛이 여러 번의 전반사에 의하여 도광판(423) 내를 진행하면서 도광판(423)의 넓은 영역으로 빛이 균일하게 퍼지면서 액정 패널(402)에 면 광원을 제공한다.
도광판(423)은 균일한 면 광원을 공급하기 위해 배면에 특정 모양의 패턴을 포함할 수 있다. 일례로, 패턴은 도광판(423) 내부로 입사된 빛을 안내하기 위하여, 타원형 패턴(elliptical pattern), 다각형 패턴(polygonal pattern), 홀로그램 패턴(hologram pattern) 등 다양하게 구성할 수 있으며, 이와 같은 패턴은 도광판(423)의 하부 면에 인쇄방식 또는 사출방식으로 형성한다.
반사판(425)은 도광판(423)의 배면에 위치하여, 도광판(423)의 배면을 통과한 빛을 액정 패널(402) 쪽으로 반사시킴으로써 빛의 휘도를 향상시킨다. 또한, 도광판(423) 상부의 광학시트(421)는 확산시트와 적어도 하나의 집광시트 등을 포함하며, 도광판(423)을 통과한 빛을 확산 또는 집광하여 액정 패널(402)로 보다 균일한 면 광원이 입사되도록 한다. 전술한 구조의 백라이트 유닛(420)은 측면형 방식으로서, 목적에 따라 인쇄회로기판(560) 상에 엘이디 패키지(510)를 다수 개 복층으로 배열할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 액정 패널(402)과 백라이트 유닛(420)은 서포트메인(430), 탑커버(440) 및 커버버툼(450)을 통해 모듈화된다. 케이스탑 또는 탑케이스라 일컬어지기도 하는 탑커버(440)는 액정 패널(402)의 상면 및 측면 가장자리를 덮도록 단면이 "ㄱ”자 형태로 절곡된 사각 테두리 형상으로, 탑커버(440)의 전면을 개구하여 액정 패널(402)에서 구현되는 화상을 표시하도록 구성한다.
또한, 액정 패널(402) 및 백라이트 유닛(420)이 안착하여 액정표시장치(400) 전체 기구물 조립에 기초가 되는 커버버툼(450)은 백라이트 유닛(420)의 배면에 밀착되는 수평면 및 이의 가장자리가 수직하게 상향 절곡된 측면으로 이루어진다. 커버버툼(450)은 버텀커버 또는 하부커버라고 일컬어지기도 한다. 가이드패널 또는 메인서포트, 몰드프레임이라 일컬어지기도 하는 서포트메인(430)은 일 가장자리가 개구된 사각 테두리 형상을 가지면서, 액정 패널(402) 및 백라이트 유닛(420)의 가장자리를 에워싼다. 커버버툼(450) 상에 서포트메인(430)이 안착되면서 서포트메인(430)이 탑커버(440) 및 커버버툼(450)과 결합된다.
본 발명에 따른 발광체를 가지는 엘이디 패키지에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 엘이디 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 엘이디 패키지(510)는 엘이디 칩(512)과, 엘이디 칩(512)을 덮는 봉지부(encapsulation part, 520)를 포함한다. 봉지부(520) 내에 양자점 또는 양자 막대일 수 있는 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 분산제(150)가 발광 소재로서 주입된다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 엘이디 패키지(510)는 백색 발광을 구현할 수 있는 백색 엘이디 패키지일 수 있다. 백색광을 구현하기 위한 하나의 방법은 자외선 발광이 가능한 엘이디 칩(512)을 광원으로 이용하고, 봉지부(520) 내에 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 발광할 수 있는 무기 발광 입자(100)와, 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 폴리우레탄계 분산제(150)를 포함할 수 있다. 백색광을 구현하기 위한 다른 방법은 예를 들어, 청색을 발광하는 엘이디 칩(512)을 사용하고, 청색 빛을 흡수할 수 있는 황색, 녹색 및/또는 적색으로 발광할 수 있는 발광체(100)를 조합하는 방법이 이용될 수 있다.
예를 들어, 엘이디 칩(512)은 약 430 내지 470 nm 파장의 빛을 발광하는 청색 엘이디 칩일 수 있으며, 발광체(100)를 구성하는 무기 발광 입자(120)는 녹색 파장대 및/또는 적색 파장대의 빛을 발광하는 양자점 또는 양자 막대일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 청색 엘이디 칩(512)은 사파이어(Sapphire)를 기재(substrate)로 사용하며 청색 피크 파장을 가지는 소재를 여기용 광원으로 적용할 수 있다. 일례로, 청색 발광다이오드 칩을 구성하는 소재는 GaN, InGaN, InGaN/GaN, BaMgAl10O7:Eu2+, CaMgSi2O6:Eu2+ 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 결코 아니다.
이 경우, 청색을 발광하는 광원의 발광에 의해 조사되는 청색 광을 강하게 흡수하여 소정 범위의 발광 파장을 가지는 무기 발광 입자(100)를 사용할 수 있다. 이들 무기 발광 입자(100)는 예를 들어 청색 발광다이오드 칩(512) 상에 도포되어 전체적으로 백색 발광다이오드를 구현할 수 있다.
또한, 엘이디 패키지(510)는, 케이스(530)와, 엘이디 칩(512)에 제 1 및 제 2 와이어(552, 554)를 통해 각각 연결되며 케이스(530) 외부로 노출되는 제 1 및 제 2 전극리드(542, 544)를 더욱 포함할 수 있다. 케이스(530)는, 베이스 바디(532)와 케이스 바디(532)의 상부 면으로부터 돌출되어 반사 면의 역할을 하는 측벽(534)을 포함하며, 엘이디 칩(512)은 케이스 바디(532) 상에 배치되어 측벽(534)에 의해 둘러싸인다.
무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 폴리우레탄계 분산제(150)에 소정 길이 및 구조를 가지는 필라 구조(154, 도 2 참조)가 도입되어, 무기 발광 입자(100)의 분산 특성을 향상시킬 수 있고, 내열성 및 발광 효율이 저하되지 않는다. 엘이디 칩(512) 등에서 방출되는 고온의 열이 봉지부(520)로 전달되더라도, 분산제(150)에 의해 흡착된 무기 발광 입자(100)는 그 특성이 저하되지 않기 때문에, 의도하였던 발광 특성을 유지할 수 있는 이점을 갖는다. 이에 따라, 무기 발광 입자(100) 및 분산제(150)를 포함하는 엘이디 패키지(510)의 휘도가 증가할 수 있으며, 엘이디 패키지(510)를 포함하는 액정표시장치(400, 도 6 참조)의 휘도가 크게 향상된다.
[무기발광다이오드 및 무기발광장치]
전술한 바와 같이, 무기 발광 입자(100)의 표면에 필라 구조가 도입된 분산제(150)가 안정적으로 흡착하여, 무기 발광 입자(100)의 내열성, 분산 특성 발광 효율이 저하되지 않는다. 따라서, 분산제(150)가 표면에 흡착된 무기 발광 입자(100)는 무기발광다이오드의 발광층에 도입되어, 무기발광장치로 활용될 수 있는데, 이에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 발광층에 도입된 무기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무기발광표시장치(600)는 기판(610)과, 기판(610) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 평탄화층(650) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 무기발광다이오드(D)를 포함한다.
기판(610)은 유리 기판, 얇은 플렉서블(flexible) 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 polyimide(PI), polyethersulfone(PES), polyethylenenaphthalate(PEN), polyethylene Terephthalate(PET) 및 polycarbonate(PC) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 그 상부에 박막트랜지스터(Tr)와, 발광다이오드(D)가 위치하는 기판(610)은 어레이 기판을 이룬다.
기판(610) 상에 버퍼층(622)이 형성되고, 버퍼층(622) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(622)은 생략될 수 있다.
버퍼층(622) 상부에 반도체층(620)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(620)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 반도체층(620)이 산화물 반도체 물질로 이루어지는 경우, 반도체층(620) 하부에 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 차광패턴(도시하지 않음)은 반도체층(620)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(620)이 빛에 의하여 열화되는 것을 방지한다. 선택적으로, 반도체층(620)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(620)의 양 가장자리에 불순물이 도핑될 수 있다.
반도체층(620)의 상부에는 절연 물질로 이루어진 게이트 절연막(624)이 기판(610) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(624)은 산화실리콘(SiOx) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(624) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(630)이 반도체층(620)의 중앙에 대응하여 형성된다. 도 8에서 게이트 절연막(622)은 기판(610) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(622)은 게이트 전극(630)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.
게이트 전극(630) 상부에는 절연 물질로 이루어진 층간 절연막(632)이 기판(610) 전면에 형성된다. 층간 절연막(632)은 산화실리콘(SiOx) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연 물질로 형성될 수 있다.
층간 절연막(632)은 반도체층(620)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(634, 636)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(634, 636)은 게이트 전극(630)의 양측에서 게이트 전극(630)과 이격되어 위치한다. 여기서, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(634, 636)은 게이트 절연막(622) 내에도 형성될 수 있다. 선택적으로, 게이트 절연막(622)이 게이트 전극(630)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(634, 636)은 층간 절연막(632) 내에만 형성된다.
층간 절연막(632) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(644)과 드레인 전극(646)이 형성된다. 소스 전극(644)과 드레인 전극(646)은 게이트 전극(630)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(634, 636)을 통해 반도체층(620)의 양측과 접촉한다.
반도체층(620), 게이트 전극(630), 소스 전극(644) 및 드레인 전극(646)은 박막트랜지스터(Tr)를 이루며, 박막트랜지스터(Tr)는 구동 소자(driving element)로 기능한다. 도 8에 예시된 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층(620)의 상부에 게이트 전극(630), 소스 전극(644) 및 드레인 전극(646)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고, 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다(도 5 참조). 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도 8에 도시하지 않았으나, 게이트 배선과 데이터 배선이 서로 교차하여 화소 영역을 정의하며, 게이트 배선과 데이터 배선에 연결되는 스위칭 소자가 더 형성된다. 상기 스위칭 소자는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 또한, 파워 배선이 데이터 배선 또는 데이터 배선과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 캐패시터가 더 구성될 수 있다.
한편, 무기발광표시장치(600)는 발광다이오드(D)에서 생성된 빛 중에서 특정 파장 대역의 빛만을 투과시키는 안료 또는 염료를 포함하는 컬러 필터(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(도시하지 않음)는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 및/또는 백색(W) 광을 투과시킬 수 있다. 이 경우, 광을 흡수하는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터 패턴이 각각의 화소 영역에 형성될 수 있다. 컬러 필터(도시하지 않음)를 채택함으로써, 발광표시장치(100)는 풀-컬러를 구현할 수 있다.
소스 전극(644)과 드레인 전극(646) 상부에는 평탄화층(650)이 기판(610) 전면에 형성된다. 평탄화층(650)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(646)을 노출하는 드레인 컨택홀(652)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(652)은 제 2 반도체층 컨택홀(636) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(636)과 이격되어 형성될 수도 있다.
무기발광다이오드(D)는 평탄화층(650) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(646)에 연결되는 제 1 전극(710)과, 제 1 전극(710) 상에 순차 적층되는 발광층(720) 및 제 2 전극(730)을 포함한다.
1 전극(710)은 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(710)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극(210)은 indium-tin-oxide(ITO), indium-zinc-oxide(IZO), indium-tin-zinc oxide(ITZO), indium-copper-oxide(ICO), SnO2, In2O3, Cd:ZnO), F:SnO2, In:SnO2), Ga:SnO2 및 Al:ZnO(AZO)을 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 전극(710)은 전술한 금속 산화물 이외에도 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 더욱 포함할 수 있다.
한편, 본 실시형태에 따른 무기발광표시장치(600)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 제 1 전극(710) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 평탄화층(650) 상에는 제 1 전극(710)의 가장자리를 덮는 뱅크층(660)이 형성된다. 뱅크층(660)은 화소 영역에 대응하여 제 1 전극(710)의 중앙을 노출한다.
제 1 전극(710) 상에 발광층(720)이 형성된다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 발광층(720)은 발광물질층(emitting material layer; EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광층(720)은 발광물질층 이외에도, 다수의 전하이동층을 가질 수 있다. 일례로, 발광층(720)은 발광물질층(740, 도 9 참조)과, 제 1 전하이동층(750, 도 9 참조)과, 제 2 전하이동층(770, 도 9 참조)를 포함하고, 필요에 따라 엑시톤 차단층을 더욱 포함할 수 있다. 제 1 전극(710)과 제 2 전극(730) 사이에 배치되는 발광층(720)은 1개일 수도 있고, 2개 이상의 발광층이 탠덤 구조를 형성할 수도 있다.
제 2 전극(230) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 770)이 형성된다. 인캡슐레이션 필름(770)은 제 1 무기 절연층(772)과, 유기 절연층(774)과, 제 2 무기 절연층(776)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
인캡슐레이션 필름(770) 상에는 외부광의 반사를 줄이기 위한 편광판(도시하지 않음)이 부착될 수 있다. 예를 들어, 편광판(도시하지 않음)은 원형 편광판일 수 있다. 또한, 인캡슐레이션 필름(770) 또는 편광판(도시하지 않음) 상에 커버 윈도우(도시하지 않음)가 부착될 수 있다. 이때, 기판(710)과 커버 윈도우(도시하지 않음)가 플렉서블 소재로 이루어진 경우, 플렉서블 표시장치를 구성할 수 있다.
후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 무기발광다이오드(D)를 구성하는 발광물질층은 무기 발광 입자(100, 도 9 참조)의 표면에 흡착된 분산제(150)를 포함하고 있다. 이에 따라 무기 발광 입자(100)의 분산 특성이 향상되고, 무기발광다이오드(D)를 제조하는 공정 및 후속 공정에서 외부의 산소, 습기 또는 고온에 노출되더라도 무기 발광 입자(100)의 내열성 및 발광 효율이 저하되지 않는다.
본 발명에 따른 분산제 및 무기 발광 입자를 발광층에 도입한 무기발광다이오드에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 발광층에 도입된 무기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무기발광다이오드(D)는 제 1 전극(710)과, 제 1 전극(710)과 마주하는 제 2 전극(730)과, 제 1 전극(710)과 제 2 전극(730) 사이에 위치하는 발광층(720)을 포함한다. 발광층(220)은 발광물질층(Emitting material layer, EML, 740)을 포함한다. 발광 유닛인 발광층(720)은 제 1 전극(710)과 발광물질층(740) 사이에 위치하는 제 1 전하이동층(charge transfer layer 1; CTL1, 750)과, 발광물질층(740)과 제 2 전극(730) 사이에 위치하는 제 2 전하이동층(charge transfer layer 2; CTL2, 770)을 포함한다.
선택적으로, 발광층(720)은 발광물질층(740)과 제 1 전하이동층(750) 사이에 위치하는 제 1 엑시톤 차단층인 전자차단층(electron blocking layer; EBL, 도시하지 않음)) 및/또는 발광물질층(740)과 제 2 전하이동층(770) 사이에 위치하는 제 2 엑시톤 차단층인 정공차단층(hole blocking layer; HBL, 도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다.
제 1 전극(710)은 정공 주입 전극과 같은 양극(anode)일 수 있다. 제 1 전극(710)은 유리 또는 고분자 소재를 포함할 수 있는 기판(610, 도 8 참조) 상에 형성될 수 있다. 일례로, 제 1 전극(710)은 ITO, IZO, ITZO, ICO, SnO2, In2O3, Cd:ZnO), F:SnO2, In:SnO2, Ga:SnO2 및 AZO를 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 전극(710)은 전술한 금속 산화물 이외에도 Ni, Pt, Au, Ag, Ir 또는 CNT를 더욱 포함할 수 있다.
제 2 전극(730)은 전자 주입 전극과 같은 음극(cathode)일 수 있다. 일례로 제 2 전극(730)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 또는 Ag:Mg로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(710)과 제 2 전극(730)은 각각 5 내지 300 nm, 바람직하게는 10 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광다이오드(D1)가 하부 발광 타입인 경우, 제 1 전극(710)은 ITO, IZO, ITZO, AZO와 같은 투명 도전성 금속으로 이루어질 수 있으며, 제 2 전극(730)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, Al, Mg, Ag:Mg 합금 등을 사용할 수 있다.
발광물질층(740)은 양자점 또는 양자 막대일 수 있는 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 분산제(150)를 포함한다. 분산제(150)에 도입된 소정 길이 및 소정 구조를 가지는 필라 구조(154, 도 2 참조)로 인하여, 무기 발광 입자(100)는 비극성 용매는 물론이고 극성 용매에 대해서도 분산 특성이 향상된다. 필라 구조(154)로 인한 입체장해 효과에 기인하여, 무기 발광 입자(100)의 응집이나 인접한 무기 발광 입자로의 FRET 현상이 최소화된다. 분산제(150)가 무기 발광 입자(100)에 안정적으로 흡착하면서, 무기 발광 입자(100)가 외부의 산소, 수분 및 고온에 노출되더라도 발광 특성이 저하되지 않는다.
발광물질층(740)이 양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자(100) 및 무기 발광 입자(100)의 표면에 흡착된 분산제(150)를 포함하는 경우, 분산제(150)에 분산된 무기 발광 입자(100)를 비극성 용매 및/또는 극성 용매에 분산시킨 용액을 이용하여 발광물질층(740)을 형성한다. 무기 발광 입자(100)가 분산제(150)에 의해 분산된 용액을 제 1 전하이동층(750) 상에 도포한 뒤에, 용매를 휘발시킴으로써 발광물질층(740)을 형성한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(100)를 포함하는 발광물질층(740)을 형성하기 위하여, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합할 수 있다.
제 1 전하이동층(750)은 발광물질층(740)으로 정공을 공급하는 정공이동층(hole transfer layer)일 수 있다. 일례로, 제 1 전하이동층(750)은 제 1 전극(710)과 발광물질층(740) 사이에서 제 1 전극(710)에 인접하게 위치하는 정공주입층(hole injection layer; HIL, 752)과, 제 1 전극(710)과 발광물질층(740) 사이에서 발광물질층(740)에 인접하게 위치하는 정공수송층(hole transport layer; HTL, 754)을 포함할 수 있다.
정공주입층(752)은 제 1 전극(710)에서 발광물질층(740)으로 정공의 주입을 용이하게 한다. 일례로, 정공주입층(752)은 poly(ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate(PEDOT:PSS); tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane(F4-TCNQ)이 도핑된 4,4',4"-tris(diphenylamino)triphenylamine(TDATA); 예를 들어 F4-TCNQ가 도핑된 zinc phthalocyanine(ZnPc)과 같은 p-도핑된 프탈로시아닌; F4-TCNQ가 도핑된 N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphtyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine(α-NPD); hexaazatriphenylene-hexanitrile(HAT-CN) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 일례로 F4-TCNQ와 같은 도펀트는 호스트에 대하여 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있다. 정공주입층(752)은 발광다이오드(D)의 구조 및 형태에 따라 생략될 수 있다.
정공수송층(754)은 제 1 전극(710)에서 발광물질층(740)으로 정공을 전달한다. 정공수송층(254)은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다. 정공수송층(754)이 유기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(754)은 4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(CBP, CBDP)와 같은 4,4'-bis(p-carbazolyl)-1,1'-biphenyl compounds; N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine(NPB, NPD), N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine(TPD), N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-spiro(spiro-TPD), N,N'-di(4-(N,N'-diphenyl-amino)phenyl)-N,N'-diphenylbenzidine(DNTPD), 4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine(TCTA), tetra-N-phenylbenzidine(TPB), tris(3-methylphenylphenylamino)-triphenylamine(m-MTDATA), poly(9,9'-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine(TFB), poly(4-butylphenyl-dipnehyl amine)(poly-TPD), spiro-NPB 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 방향족 아민(aromatic amine) 또는 다핵방향족 3차 아민(polynuclear aromatic amine)인 아릴 아민류; polyaniline, polypyrrole, PEDOT:PSS와 같은 도전성 폴리머; poly(N-vinylcarbazole)(PVK) 및 그 유도체, poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene](MEH-PPV)이나 poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene](MOMO-PPV)와 같은 폴리(파라)페닐렌비닐렌(poly(para)phenylenevinylene) 및 그 유도체, 폴리메타크릴레이트 및 그 유도체, 폴리(9,9-옥틸플루오렌) 및 그 유도체, 폴리(스파이로-플루오렌)) 및 그 유도체와 같은 폴리머; copper phthalocyanine(CuPc)과 같은 금속 착화합물; 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(754)이 무기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(754)은 금속 산화물 나노 결정, 비-산화 등가물 나노 결정 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 정공수송층(254)에 사용될 수 있는 금속 산화물 나노 결정은 ZnO, TiO2, CoO, CuO, Cu2O, FeO, In2O3, MnO, NiO, PbO, SnOx, Cr2O3, V2O5, Ce2O3, MoO3, Bi2O3, ReO3 및 이들의 조합에서 선택될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 한편 비-산화 등가물 나노 결정은 티오시안구리(CuSCN), Mo2S, p-형 GAN 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 선택적으로, 정공수송층(754)은 전술한 금속 산화물 나노 결정 및 비-산화 등가물 나노 결정은 p-형 도펀트로 도핑될 수 있다. 일례로, p-형 도펀트는 Li+, Na+, K+, Sr+, Ni2+, Mn2+, Pb2+, Cu+, Cu2+, Co2+, Al3+, Eu3+, In3+, Ce3+, Er3+, Tb3+, Nd3+, Y3+, Cd2+, Sm3+, N, P, As 및 이들의 조합에서 선택될 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 9에서 정공이동층일 수 있는 제 1 전하이동층(750)은 정공주입층(752)과 정공수송층(754)으로 구분되어 있다. 이와 달리, 제 1 전하이동층(750)은 하나의 층으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제 1 전하이동층(750)은 정공주입층(752)이 생략되고 정공수송층(754)만으로 이루어질 수도 있고, 전술한 정공 수송 유기물에 정공 주입 물질(일례로 PEDOT:PSS)이 도핑되어 이루어질 수도 있다.
정공주입층(752) 및 정공수송층(754)을 포함하는 제 1 전하이동층(750)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법과 같은 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅(spin coating), 드롭 코팅(drop coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 롤 코팅(roll coating), 플로 코팅(flow coating), 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 정공주입층(752)과 정공수송층(754)의 두께는 각각 10 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm일 수 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제 2 전하이동층(770)은 발광물질층(740)과 제 2 전극(730) 사이에 위치한다. 제 2 전하이동층(770)은 발광물질층(740)으로 전자를 공급하는 전자이동층(electron transfer layer)일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 2 전하이동층(770)은 제 2 전극(730)과 발광물질층(740) 사이에서 제 2 전극(730)에 인접하게 위치하는 전자주입층(electron injection layer; EIL, 772)과, 제 2 전극(730)과 발광물질층(740) 사이에서 발광물질층(740)에 인접하게 위치하는 전자수송층(electron transport layer; ETL, 774)을 포함할 수 있다.
전자주입층(772)은 제 2 전극(730)으로부터 발광물질층(740)으로의 전자 주입을 용이하게 한다. 예를 들어, 전자주입층(772)은 Al, Cd, Cs, Cu, Ga, Ge, In, Li과 같은 금속에 불소가 도핑되거나 결합된 소재로 이루어지거나, Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 도핑되거나 도핑되지 않은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화탄탈륨(Ta2O3)와 같은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
전자수송층(774)은 발광물질층(740)으로 전자를 전달한다. 전자수송층(774)은 무기물 및/또는 유기물로 이루어질 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(740)이 무기 발광 입자(100)를 포함하는 경우, 발광물질층(740)과의 계면 결함을 방지하여 소자를 구동할 때 안정성을 확보할 수 있도록 전자수송층(774)은 무기물로 이루어질 수 있다. 전자수송층(774)이 전하 이동도(mobility)가 우수한 무기물로 이루어지는 경우, 제 2 전극(730)에서 제공되는 전자의 전달 속도가 향상될 수 있고, 전자 농도가 크기 때문에, 발광물질층(740)으로 전자가 효율적으로 수송될 수 있다
또한, 발광물질층(740)이 무기 발광 입자(100)를 포함하는 경우, 무기 발광 입자(100)의 가전자대(valence band; VB) 에너지 준위는 매우 깊다(deep). 통상적으로 전자 전달 특성을 가지는 유기 화합물의 HOMO 에너지 준위는 무기 발광 입자의 가전자대(VB) 에너지 준위보다 얕다(shallow). 이 경우, 제 1 전극(710)으로부터 무기 발광 입자(100)를 포함하는 발광물질층(740)으로 주입된 정공이 유기 화합물로 이루어지는 전자수송층(774)을 지나 제 2 전극(730)으로 누설(leakage)되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(774)은 가전자대(VB) 에너지 준위가 상대적으로 깊은(deep) 무기물로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 가전자대(VB) 에너지 준위와, 전도대(conduction band) 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(Eg)이 넓은 무기물을 전자수송층(774)의 소재로 사용할 수 있다. 이 경우, 무기 발광 재료(100)를 포함하는 발광물질층(740)으로 주입된 정공이 전자수송층(774)으로 누설되지 않으며, 제 2 전극(730)으로부터 제공되는 전자가 효율적으로 발광물질층(740)에 주입될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(774)은 금속 산화물 나노 결정, 반도체 나노 결정, 질화물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기물로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 전자수송층(774)은 금속 산화물 나노 결정으로 이루어질 수 있다.
전자수송층(774)에 적용될 수 있는 금속 산화물 나노 결정은 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전자수송층(774)을 형성하는 금속 산화물은 티타늄산화물(TiO2), 아연산화물(ZnO), 아연마그네슘산화물(ZnMgO), 아연칼슘산화물(ZnCaO), 지르코늄산화물(ZrO2), 주석산화물(SnO2), 주석마그네슘산화물(SnMgO), 텅스텐산화물(WO3), 탄탈륨산화물(Ta2O3), 하프늄산화물(HfO3), 알루미늄산화물(Al2O3), 바륨티타늄산화물(BaTiO3), 바륨지르코늄산화물(BaZrO3) 및 이들의 조합을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 전자수송층(774)에 적용될 수 있는 반도체 나노 결정은 CdS, ZnSe, ZnS 등을 포함하고, 질화물은 Si3N4를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(ETL, 774)의 LUMO(또는 전도대) 에너지 준위는 발광물질층(EML, 740)의 LUMO 에너지 준위와 유사하도록 설계되는 반면, 전자수송층(ETL, 774)의 HOMO(또는 가전자대) 에너지 준위는 발광물질층(EML, 740)의 HOMO 에너지 준위보다 깊게 설계될 수 있다. 필요한 경우, 전자수송층(774)은 무기 나노 입자에 n-도핑된(n-도펀트) 성분을 포함할 수 있다. 전자수송층(774)에 포함될 수 있는 n-도핑된 성분은 Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 구성되는 금속의 양이온, 특히 3가 양이온을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
전자수송층(774)이 유기물로 이루어지는 경우, 전자수송층(774)은 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디아졸계 화합물, 페난트롤린(phenanthroline)계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물이나 알루미늄 착물과 같은 유기물을 사용할 수 있다.
구체적으로, 전자수송층(774)을 구성할 수 있는 유기 물질은 3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole(TAZ), bathocuproine(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), 2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)(TPBi), tris(8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq3),bis(2-methyl-8-quninolinato)-4-phenylphenolatealuminum (Ⅲ)(BAlq), bis(2-methyl-quinolinato)(tripnehylsiloxy) aluminum (Ⅲ)(Salq) 및 이들의 조합으로 구성되는 소재에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
도 9에서 제 2 전하이동층(770)은 전자주입층(772)과 전자수송층(774)의 2층으로 도시하였다. 선택적으로, 제 2 전하이동층(770)은 전자수송층(774)의 1층으로만 이루어질 수도 있다. 또한, 전술한 무기물로 이루어지는 전자 수송 재료에 세슘카보네이트를 블렌딩한 전자수송층(774)의 1층으로 제 2 전하이동층(770)을 형성할 수도 있다.
전자주입층(772) 및/또는 전자수송층(774)을 포함하는 제 2 전하이동층(770)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법과 같은 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 형성될 수 있다. 일례로, 전자주입층(772) 및 전자수송층(774)은 각각 10 내지 200 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 제 1 전하이동층(750)을 구성하는 정공수송층(754)이 유기물로 이루어지고, 제 2 전하이동층(770)이 무기물로 이루어지는 혼성 전하이동층을 도입하는 경우, 발광다이오드(D)의 발광 특성이 향상될 수 있다.
선택적인 실시형태에서, 정공이 발광물질층(740)을 지나 제 2 전극(730)으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(740)을 지나 제 1 전극(710)으로 이동하는 경우, 소자의 수명과 효율에 감소를 가져올 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 무기발광다이오드(D)는 발광물질층(740)에 인접하여 적어도 1개의 엑시톤 차단층이 위치할 수 있다. 예를 들어, 무기발광다이오드(D)는 정공수송층(754)과 발광물질층(740) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(electron blocking layer, EBL, 도시하지 않음)이 위치할 수 있다.
일례로, 전자차단층(도시하지 않음)은 TCTA, tris[4-(diethylamino)phenyl]amine),N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, tri-p-tolylamine, 1,1-bis(4-(N,N'-di(ptolyl)amino)phenyl)cyclohexane(TAPC), m-MTDATA, 1,3-bis(N-carbazolyl)benzene(mCP), 3,3'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(mCBP), Poly-TPD, CuPc, DNTPD 및/또는1,3,5-tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene(TDAPB) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 발광물질층(740)과 전자수송층(774) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(hole blocking layer, HBL, 도시하지 않음)이 위치하여 발광물질층(740)과 전자수송층(774) 사이에서의 정공의 이동을 방지할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(도시하지 않음)의 소재로서 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디자올계 화합물, 페난트롤린(phenanthroline)계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물이나 알루미늄 착물과 같은 유기물을 사용할 수 있다. 예를 들어 정공차단층(도시하지 않음)은 발광물질층(740)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 깊은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), BAlq, Alq3, 2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole(PBD), 스파이로-PBD 및/또는 lithium quinolate(Liq) 등으로 이루어질 수 있다.
[색 변환층을 가지는 발광장치]
본 발명에 따라 안정적인 필라 구조(154, 도 2 참조)가 도입된 분산제(150)는 무기 발광 입자(100, 도 2 참조)의 표면에 흡착하여, 무기 발광 입자(100)의 분산 특성, 내열성 및 발광 효율을 향상시키기 때문에, 발광장치 중의 색 변환층에 적용될 수 있다. 도 10은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 색 변환층에 도입된 상부발광 방식의 발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 백색 발광다이오드(W-LED) 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광표시장치(800)는 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)이 정의된 제 1 기판(810), 제 1 기판(810)과 마주하는 제 2 기판(860)과, 제 1 기판(810)과 제 2 기판(870) 사이에 위치하는 발광다이오드(D)와, 제 2 기판(870)과 발광다이오드(D) 사이에 위치하며, 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에 대응되는 컬러필터층(820)과, 컬러필터층(820)과 발광다이오드(D) 사이에 위치하며, 적어도 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp)에 대응되는 색 변환층(830)을 포함한다.
제 1 기판(810)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(810)은 유리 기판, 얇은 플렉서블 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 제 2 기판(870)은 투명 또는 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 기판(870)은 유리, 폴리이미드와 같은 플라스틱, 금속 포일 등으로 이루어질 수 있다.
발광표시장치(800)의 표시면, 즉 제 1 기판(810)의 외측면에 편광판(도시하지 않음)이 부착되어, 외부 광이 발광다이오드(D)에 반사되는 것을 방지할 수 있다. 편광판(도시하지 않음)은 우원 편광판(right-handed circular polarization plate) 또는 좌원 편광판(left-handed circular polarization plate)일 수 있다.
또한, 제 2 기판(870)과 발광다이오드(D) 사이, 예를 들어, 컬러필터층(820) 또는 색 변환층(830)과, 발광다이오드(D) 사이에는 접착층(850)이 위치하고, 발광다이오드(D)와 접착층(850) 상에는 외부 수분의 침투를 방지하기 위한 인캡슐레이션 필름(770, 도 8 참조)이 형성될 수 있다. 이때, 도시하지는 않았으나, 제 1 기판(810) 상에는, 서로 교차하여 상기 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)을 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선이 형성되고, 상기 게이트 배선 또는 상기 데이터 배선과 평행하게 연장되며 이격하는 파워 배선이 형성된다.
한편, 각각의 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)에는 구동 소자인 박막트랜지스터(thin film transistor, Tr)가 위치한다. 발광다이오드(D)는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 전기적으로 연결된다. 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층과, 상기 반도체층 상부에 위치하는 게이트 전극과, 게이트 전극 상부에서 서로 이격하며 상기 반도체층에 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다(도 8 참조).
또한, 각 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)에는 박막트랜지스터(Tr), 게이트 배선, 상기 데이터 배선에 전기적으로 연결되는 스위칭 소자와, 스위칭 소자와 파워배선에 연결되는 스토리지 캐패시터가 상기 제 1 기판(810) 상에 형성될 수 있다. 게이트 배선에 인가된 게이트 신호에 따라 스위칭 소자가 턴-온(turn-on) 되면, 데이터 배선에 인가된 데이터 신호가 스위칭 소자를 통해 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극과 스토리지 커패시터의 일 전극에 인가된다.
박막트랜지스터(Tr)는 게이트 전극에 인가된 데이터 신호에 따라 턴-온 되며, 그 결과 데이터 신호에 비례하는 전류가 파워배선으로부터 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)를 통하여 발광다이오드(D)로 흐르게 되고, 발광다이오드(D)는 박막트랜지스터(Tr)를 통하여 흐르는 전류에 비례하는 휘도로 발광한다.
박막트랜지스터(Tr) 상에는 평탄화층(도면부호 미부여)가 형성된다. 평탄화층은 산화실리콘, 질화실리콘과 같은 무기 절연물질이나, 포토아크릴과 같은 유기 절연물질로 이루어질 수 있다.
컬러필터층(820)은 제 2 기판(870) 상에 또는 제 2 기판(870) 상부에 위치하며, 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp) 각각에 대응되는 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(822, 824, 826)을 포함한다. 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에서 발광다이오드(D)로부터 발광된 백색 빛은 각각 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(822, 824, 826)을 통과하여, 각각 적색, 녹색 및 청색 광이 제 2 기판(870)을 통과하여 표시되고, 백색 화소영역(Wp)에서는 제 2 기판(870)을 통해 백색 광이 표시된다.
적색 컬러필터 패턴(822, R-CF)은 적색 안료(pigment) 또는 적색 염료(dye)를 포함하며 백색 광이 입사되면 청색 파장부터 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하고 적색 파장의 빛을 투과시킨다. 또한, 녹색 컬러필터 패턴(824, G-CF)은 녹색 안료 또는 녹색 염료를 포함하며 백색 광이 입사되면 적색 파장 영역의 빛과 청색 파장 영역의 빛을 흡수하고 녹색 파장의 빛을 투과시킨다. 청색 컬러필터 패턴(826, B-CF)은 청색 안료 또는 청색 염료를 포함하며 백색 광이 입사되면 녹색 파장부터 적색 파장 영역의 빛을 흡수하고 청색 파장의 빛을 투과시킨다.
이때, 제 2 기판(870)과 발광다이오드(D) 사이에 컬러필터층(820)만을 형성하는 경우, 발광다이오드(D)에서 발광된 백색 광 중에서 특정 파장의 영역에 해당하는 빛만이 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)을 통과하게 된다. 즉, 적색 화소영역(Rp)에서는 적색 파장 대역의 빛만이 통과하고, 녹색 화소영역(Gp)에서는 녹색 파장 대역의 빛만이 통과하고, 청색 화소영역(Bp)에서는 청색 파장 대역의 빛만이 통과하기 때문에, 광 효율이 저하될 수 있다.
이에 컬러필터층(820) 상에, 무기 발광 입자(100a, 100b)의 표면에 흡착된 분산제(150)를 포함하는 색 변환층(830)이 형성된다. 구체적으로, 색 변환층(830)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(822) 상에 형성되는 적색 색 변환층(832)과, 녹색 화소영역(Gp)에 대응되는 녹색 컬러필터 패턴(824) 상에 형성되는 녹색 색 변환층(834)을 포함한다. 즉, 발광다이오드(D)로부터 백색(W) 광이 발광되는 경우, 색 변환층(830)은 적색 화소영역(Rp)와 녹색 화소영역(Gp)에는 형성되지만, 청색 및 백색 화소영역(Bp, Wp)에는 형성되지 않는다.
적색 색 변환층(832)은 적색 무기 발광 입자(100a)와, 적색 무기 발광 입자(100a)의 표면에 흡착되는 분산제(150)를 포함한다. 적색 무기 발광 입자(100a)는 적색 양자점 또는 적색 양자 막대일 수 있다. 따라서, 적색 색 변환층(832)는 발광다이오드(D)에서 발광한 빛을 적색 파장 범위, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 600 nm 내지 640 nm 범위의 적색 파장 범위로 변환시킨다.
녹색 색 변환층(834)은 녹색 무기 발광 입자(100b)와, 녹색 무기 발광 입자(100b)의 표면에 흡착되는 분산제(150)를 포함한다. 녹색 무기 발광 입자(100a)는 녹색 양자점 또는 녹색 양자 막대일 수 있다. 따라서, 녹색 색 변환층(834)은 발광다이오드(D)에서 발광한 빛을 녹색 파장 범위, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 500 nm 내지 570 nm 범위의 적색 파장 범위로 변환시킨다.
발광다이오드(D)에서 발광된 백색(W) 광은 적색 화소영역(Rp)에 대응되게 위치하는 적색 색 변환층(832)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 적색(R) 광보다 단파장 대역의 빛인 청색(B) 파장 및 녹색(G) 파장의 광이 적색(R) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp)에서 발광다이오드(D)로부터 발광된 백색(W) 광의 대부분이 적색(R) 파장의 광으로 변환된 상태에서 적색 컬러필터 패턴(822)을 통과하게 되므로, 적색 컬러필터 패턴(822)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
또한, 발광다이오드(D)에서 발광된 백색(W) 광은 녹색 화소영역(Gp)에 대응되게 위치하는 녹색 색 변환층(834)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 녹색(G) 광보다 단파장 대역의 빛인 청색(B) 파장의 광이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 녹색 화소영역(Gp)에서 발광다이오드(D)로부터 발광된 백색(W) 광의 상당 부분이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된 상태에서 녹색 컬러필터 패턴(824)을 통과하게 되므로, 녹색 컬러필터 패턴(824)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
한편, 청색 화소영역(Bp)에서 색 변환층(830)이 형성되지 않는다. 일반적으로 광의 파장을 변환할 때 상대적으로 낮은 에너지의 광(장파장의 광)을 상대적으로 높은 에너지의 광(단파장의 광)으로 변환시키는 것은 어렵다. 청색 화소영역(Bp)에서 높은 에너지의 광이 방출되기 때문에, 색 변환층(830)을 통해서 백색(W) 광을 청색(B) 광으로 변환시키는 것은 쉽지 않다. 이러한 이유로 청색 화소영역(Bp)에는 색 변환층(830)이 형성되지 않는다. 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(D)로부터 발광된 백색(W) 광은 청색 컬러필터 패턴(826)를 통과하면서 청색 파장 이외의 파장 대역의 광은 흡수하고 청색 광만을 투과한다.
또한, 백색 화소영역(Wp)에는 컬러필터층(820) 및 색 변환층(830)이 형성되지 않는다. 따라서, 발광다이오드(D)로부터 발광된 백색(W)광이 그대로 방출된다. 선택적인 실시형태에서, 색 변환층(830)이 형성되는 경우, 컬러필터층(820)은 생략될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에 특정 파장 대역의 광으로 변환하는 적색, 녹색 색 변환층(832, 834)으로 이루어지는 색 변환층(830)을 형성한다. 발광다이오드(D)로부터 발광된 백색(W) 광이 특정 화소영역의 색 변환층(832, 834)을 통과하면서 각각의 컬러필터 패턴(822, 824)을 투과할 수 있는 특정 파장 대역의 광으로 변환한다. 이에 따라, 적색 및 녹색 컬러필터 패턴(822, 824)에서 흡수되는 광량이 최소화되어 광 효율이 향상될 수 있다.
단순히 무기 발광 입자만으로 색 변환층을 형성할 때, 바인더에 분산된 무기 발광 입자의 분산 밀도가 제한된다. 이에 따라 무기 발광 입자만으로 구성된 색 변환층에서 백색 광의 빛샘 현상이 야기되고, 컬러필터층이 빛샘을 차단하게 되면서 휘도가 저하된다. 반면, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따르면, 각각의 색 변환층(832, 834)은 무기 발광 입자(100a, 100b)의 표면에 안정적으로 흡착하는 분산제(150)을 포함하고 있기 때문에, 무기 발광 입자(100a, 100b)의 발광 특성이 저하되지 않는다. 이에 따라, 색 변환층(830)에서의 광 변환 효율이 향상되고, 색 변환층(830)에서의 빛샘이 억제되어, 발광다이오드(D)로부터 발광된 광의 휘도가 저하되지 않는다.
전술한 실시형태에서, 색 변환층(830)은 적색 화소영역(Rp)에 형성되며 적색 무기 발광 입자(100a)를 포함하는 적색 색 변환층(832)과 녹색 화소영역(Gp)에 형성되며 녹색 무기 발광 입자(100b)를 포함하는 녹색 색 변환층(834)으로 구분된다. 이와 달리, 색 변환층(830)은 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp) 전체에 걸쳐 형성되며, 적록색 무기 발광 입자와 적록색 무기 발광 입자의 표면에 흡착되는 분산제로 이루어지는 단일 색 변환층으로 이루어질 수도 있다. 또한, 색 변환층은 백색 화소영역(Wp)을 제외한 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)의 전 영역에 형성되며, 적색 무기 발광 입자와 적색 무기 발광 입자의 표면에 흡착되는 분산제로 이루어지는 단일 색 변환층으로 이루어질 수도 있다. 또한, 발광다이오드(D)에서 발광된 빛은 백색 광에 한정되지 않으며, 청색 광일 수도 있다.
한편, 발광다이오드(D)는 제 1 전극(842), 제 1 전극(842) 상에 위치하는 발광층(844) 및 발광층(844)에 위치하는 제 2 전극(846)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광다이오드(D)는 도 9에 예시한 것과 동일한 구조를 가질 수 있다. 발광층(844)은 제 1 전극(842) 상에 위치하며, 백색(W) 광 또는 청색(B) 광 등 다른 컬러의 빛을 발광한다. 도 10에서 발광다이오드(D)는 제 1 전극(842)과 제 2 전극(846) 사이의 단층 구조를 가지는 발광층(844)으로 도시하였다. 하지만, 발광다이오드(D)를 구성하는 발광층(844)은 발광물질층, 전하이동층 및/또는 엑시톤 제어층을 포함할 수 있고, 다수의 발광층이 탠덤 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 발광층(844)은 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)을 포함하는 표시영역 전체에 대하여 일체로 형성되는 것이 보여지고 있다. 이와 달리, 발광층(844)은 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp) 별로 분리되어 형성될 수 있다.
이때, 발광다이오드(D)는 양자점 및/또는 양자막대와 같은 무기 발광 입자가 발광물질층에 도입된 무기발광다이오드 또는 유기 발광 물질이 발광물질층에 도입된 유기발광다이오드일 수 있다. 예를 들어, 발광다이오드(D)가 유기발광다이오드인 경우, 발광물질층은 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다. 발광물질층이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 통상적으로 사용되는 유기 발광 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 발광물질층은 적색, 녹색 및/또는 청색을 발광하는 유기 발광 재료로 이루어질 수 있으며, 형광 재료 또는 인광 재료를 포함할 수 있다.
또한, 발광물질층을 구성하는 유기 발광 재료는 호스트(host) 및 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다. 유기 발광 재료가 호스트-도펀트 시스템으로 이루어지는 경우, 도펀트는 발광물질층) 중에 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
발광물질층에 사용되는 유기 호스트는 유기발광다이오드(OLED)에서 통상적으로 사용하는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 일례로, 발광물질층에 사용되는 유기 호스트는 Alq3, TCTA, PVK, 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(CBP), 4,4'-Bis(9-carbazolyl)-2,2'-dimethylbiphenyl(CDBP), 9,10-di(naphthalene-2-yl)anthracene(ADN), 3-tert-butyl-9,10-di(naphtha-2-yl)anthracene(TBADN), 2-methyl-9,10-bis(naphthalene-2-yl)anthracene(MADN), TPB), distyrylarylene(DSA), mCP, 1,3,5-tris(carbazol-9-yl)benzene(TCP) 등으로 이루어질 수 있다.
발광물질층이 적색을 발광할 때, 발광물질층에 포함되는 적색 도펀트는 5,6,11,12-tetraphenylnaphthalene(Rubrene), Bis(2-benzo[b]-thiophene-2-yl-pyridine)(acetylacetonate)iridium(Ⅲ)(Ir(btp)2(acac)), Bis[1-(9,9-diemthyl-9H-fluorn-2-yl)-isoquinoline](acetylacetonate)iridium(Ⅲ)(Ir(fliq)2(acac)), Bis[2-(9,9-diemthyl-9H-fluorn-2-yl)-quinoline](acetylacetonate)iridium(Ⅲ)( Ir(flq)2(acac)), Bis-(2-phenylquinoline)(2-(3-methylphenyl)pyridinate)irideium(Ⅲ)(Ir(phq)2typ), Iridium(Ⅲ)bis(2-(2,4-difluorophenyl)quinoline)picolinate(FPQIrpic) 등과 같은 유기 화합물 또는 유기 금속 착체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
발광물질층이 녹색을 발광할 때, 발광물질층에 포함되는 녹색 도펀트는 N,N'-dimethyl-quinacridone(DMQA), 쿠마린 6, 9,10-bis[N,N-di-(p-tolyl)amino]anthracene(TTPA), 9,10-bis[phenyl(m-tolyl)-amino]anthracene(TPA), Bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonate)iridium(Ⅲ)(Ir(ppy)2(acac)), fac-tris(phenylpyridine)iridium(Ⅲ)(fac-Ir(ppy)3), tris[2-(p-tolyl)pyridine]iridium(Ⅲ)(Ir(mppy)3) 등과 같은 유기 화합물 또는 유기 금속 착체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
발광물질층이 청색을 발광할 때, 발광물질층에 포함되는 청색 도펀트는 4,4'-bis[4-(di-p-tolylamino)styryl]biphenyl(DPAVBi), perylene, 2,5,8,11-tetra-tert-butylpherylene(TBPe), Bis(3,5-difluoro-2-(2-pyridyl)phenyl-(2-carbozylpyridyl)iridium(Ⅲ)(FirPic), mer-tris(1-phenyl-3-methylimidazolin-2ylidene-C,C2')iridium(Ⅲ)(mer-Ir(pmi)3), tris(2-(4,6-difluorophenyl)pyridine)iridium(Ⅲ)(Ir(Fppy)3) 등과 같은 유기 화합물 또는 유기 금속 착체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
선택적인 실시형태에서, 발광물질층이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 발광물질층은 지연형광물질을 도펀트로 포함할 수도 있다. 발광물질층이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 발광물질층은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법을 포함하는 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 일례로, 발광물질층은 5 내지 300 nm, 바람직하게는 10 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
제 2 전극(846)은 발광층(844) 상에 위치하며 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)을 포함하는 표시영역 전체에 대하여 일체로 형성된다. 제 2 전극(846)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다.
발광층(844) 하부에는 제 1 전극(842)의 가장자리를 덮는 뱅크층(848)이 형성된다. 뱅크층(848)은 생략 가능하다. 일례로, 발광다이오드(D)에 전압이 인가되면, 발광다이오드(D)으로부터 백색 빛이 발광되고 발광된 빛은 색 변환층(830)과 컬러필터층(820)을 통하여 제 2 기판(870)으로 영상이 표시된다. 즉, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광표시장치(800)는 상부 발광(top-emission) 방식일 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 발광표시장치(800)는 하부 발광(bottom-emission) 방식일 수 있다. 이때, 컬러필터층은 제 1 기판(810) 상에 또는 제 1 기판(810) 상부에 위치할 수 있고, 컬러필터층과 발광다이오드 사이에 색 변환층이 배치될 수 있다.
도 10은 발광다이오드(D)가 양자점 또는 양자막대와 같은 무기발광입자를 포함하는 양자점 발광다이오드 또는 유기 발광 재료를 포함하는 유기발광다이오드인 경우를 예시하였다. 발광다이오드는 이에 한정되지 않으며, 마이크로 발광다이오드(micro light emitting diode, 마이크로 LED)일 수 있는데, 이에 대하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 분산제와 무기 발광 입자가 색 변환층에 도입된 발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 청색 마이크로 엘이디(micro LED)를 발광 소자로 도입한 발광표시장치를 나타낸다. 도 12는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 마이크로 엘이디를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광표시장치(900)는 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)이 정의된 제 1 기판(910)과, 제 1 기판(910)과 마주하는 제 2 기판(970)과, 제 1 기판(910)과 제 2 기판(970) 사이에 위치하는 마이크로 엘이디(980)와, 마이크로 엘이디(980)와 제 2 기판(970) 사이에 위치하며, 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에 대응되는 컬러필터층(920)과, 마이크로 엘이디(980)과 컬러필터층(920) 사이에 위치하며, 적어도 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp)에 대응되는 색 변환층(930)을 포함한다.
제 1 기판(910)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(910)은 유리 기판, 얇은 플렉서블 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 제 2 기판(970)은 투명 또는 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 기판(970)은 유리, 폴리이미드와 같은 플라스틱, 금속 포일 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 제 2 기판(970)과 마이크로 엘이디(980) 사이에는 외부 수분의 침투를 방지하기 위한 인캡슐레이션 필름(950)이 형성되고, 인캡슐레이션 필름(960)과 제 2 기판(970) 사이에는 접착층(972)이 배치될 수 있다.
한편, 각각의 화소영역(Rp, Gp, Bp)에는 구동 소자인 박막트랜지스터(thin film transistor, Tr)가 위치한다. 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층과, 상기 반도체층 상부에 위치하는 게이트 전극과, 게이트 전극 상부에서 서로 이격하며 상기 반도체층에 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다. 이때, 드레인 전극(도시하지 않음)은 마이크로 엘이디(980)에 신호를 인가하는 제1전극으로 기능할 수 있다.
각각의 화소영역(Rp, Gp, Bp)의 게이트 절연층(도시하지 않음) 상부에는 도전성 소재로 이루어지는 제 2 전극(911)이 위치한다. 박막트랜지스터(Tr)가 형성된 제 1 기판(910) 상에 제 1 절연층(912)이 형성되고, 제 1 절연층(913) 상에 마이크로 엘이디(980)가 배치된다. 예를 마이크로 엘이디(980)는 제 1 절연층(912)의 일부를 제거하여 형성되는 오목부(913) 내에 배치될 수 있다. 제 1 절연층(912)은 산화실리콘(SiOx)이나 질화실리콘(SiNx)와 같은 무기 절연 물질 및/또는 포토아크릴과 같은 유기 절연 물질로 이루어질 수 있다.
마이크로 엘이디(980)는 주기율표 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 일례로, 도 12에 나타낸 바와 같이, 마이크로 엘이디(980)는 도핑하지 않은 GaN층(984), GaN층(984) 상에 배치되는 n-형 GaN층(985), n-형 GaN층(985) 상에 배치되는 다중양자우물(Multi-Quantum-Well; MQW) 구조를 가지는 활성층(986), 활성층(986) 상에 배치되는 p-형 GaN층(987), 투명 도전성 물질로 형성되어 p-형 GaN층(987) 위에 배치되는 오믹 컨택층(988), 오믹 컨택층(988)의 일부와 접촉하는 p-형 전극(981), 활성층(946), p-형 GaN층(987) 및 오믹 컨택층(988)의 일부를 식각하여 노출되는 n-형 GaN층(985)의 일부와 접촉하는 n-형 전극(983)으로 구성될 수 있다.
n-형 GaN층(985)은 활성층(986)에 전자를 공급하기 위한 층으로, GaN 반도체층에 실리콘과 같은 n-형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 활성층(986)은 주입되는 전자와 정공이 결합하여 광을 발산한다. 도면에 구체적으로 나타내지는 않았으나, 활성층(986)을 구성하는 다중양자우물 구조는 복수의 장벽층과 우물층이 교대로 배치되며, 우물층은 InGaN층으로 구성되고 장벽층은 GaN으로 구성되지만, 이에 한정되지 않는다. p-형 GaN층(987)은 활성층(986)에 정공을 주입하기 위한 층으로, GaN 반도체층에 Mg, Zn 및 Be와 같은 p-형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 오믹 컨택층(986)은 p-형 GaN층(987)과 p-형 전극(981) 사이에 배치되는데, ITO, IGZO, IZO와 같은 투명 금속산화물로 이루어질 수 있다. 한편, p-형 전극(981)과 n-형 전극(983)은 Ni, Au, Pt, Ti, Al, Cr, 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 구성되는 금속 소재로 이루어지는 단층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
이와 같은 구조의 마이크로 엘이디(980)에서 p-형 전극(981) 및 n-형 전극(983)에 전압이 인가되면, n-형 GaN층(945) 및 p-형 GaN층(987)으로부터 활성층(946)으로 각각 전자와 정공이 주입되고, 활성층(986) 내에 여기자가 생성, 소멸되면서, 광이 발광하여 외부로 발산한다. 마이크로 엘이디(980)에서 발광하는 광의 파장은 활성층(986)의 다중양자우물 구조의 장벽층의 두께를 조절하여 조절할 수 있다. 일례로, 마이크로 엘이디(980)는 청색으로 발광할 수 있고, 마이크로 엘이디(980)는 약 10 내지 100 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
도시하지는 않았으나, 마이크로 엘이디(980)는 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 버퍼층 상에 GaN 박막을 성장시켜 제작될 수 있다. 이때, GaN 박막을 성장시키기 위한 기판은 사파이어, 실리콘, GaN, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 산화아연(ZnO) 등이 사용될 수 있다. 또한, 도면에서는 마이크로 엘이디(980)가 제 1 절연층(912) 상에 배치된 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이러한 특정 구조의 마이크로 엘이디(980)로 한정되는 것은 아니며, 수직구조 마이크로 엘이디 및 수평구조 마이크로 엘이디와 같이 다양한 구조의 마이크로 엘이디가 적용될 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 마이크로 엘이디(980)가 전사된 제 1 절연층(912) 상에 제 2 절연층(914)이 형성된다. 제 2 절연층(914)은 산화실리콘(SiOx), 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연 물질 및/또는 포토아크릴과 같은 유기 절연 물질로 형성될 수 있다.
박막트랜지스터(Tr) 및 제 2 전극(911) 상부에 형성되는 제 1 및 제 2 절연층(912, 914) 상부에는 각각 제 1 컨택홀(912a) 및 제 2 컨택홀(912b)이 형성되어, 박막트랜지스터(Tr)를 구성하는 드레인 전극(도시하지 않음) 및 제 2 전극(911)이 노출된다. 또한, 마이크로 엘이디(980)를 구성하는 p-형 전극(981)과 n-형 전극(983) 상부의 제 2 절연층(914) 상부에는 각각 제 3 컨택홀(916a) 및 제 4 컨택홀(916b)이 형성되어, p-형 전극(981) 및 n-형 전극(983)이 외부로 노출된다.
제 2 절연층(914) 상부에는 ITO, IGZO 또는 IZO와 같은 투명한 금속산화물로 이루어지는 제 1 연결 전극(918a) 및 제 2 연결 전극(918b)이 형성된다. 제 1 컨택홀(912a) 및 제 3 컨택홀(916a)을 통해 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(도시하지 않음)과 마이크로 엘이디(980)의 p-형 전극(981)이 전기적으로 접속되고, 제 2 컨택홀(912b) 및 제 4 컨택홀(916b)을 통해 제 2 전극(911)과 마이크로 엘이디(980)의 n-형 전극(983)이 전기적으로 접속한다.
한편, 연결 전극(918a, 918b)를 포함하는 제 1 기판(910)의 상부에 반사절연막(919)이 배치된다. 반사절연막(919)은 각각의 마이크로 엘이디(980)의 외측을 감싸도록 배치된다. 이에 따라, 반사절연막(919)은 각각의 마이크로 엘이디(980)로부터 발광된 광 중에서 마이크로 엘이디(980)의 측면으로 방출되는 광을 제 1 기판(919)의 상부로 반사시켜, 마이크로 엘이디(980)의 광 효율을 향상시킬 수 있다. 반사절연막(919)은 광 반사를 위한 미세 입자를 포함하는 절연 물질로 이루어질 수 있는데, 산화 티타늄(TiO2) 입자가 분산된 산화실리콘(SiOx) 또는 질화실리콘(SiNx)의 절연 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
컬러필터층(920)은 제 2 기판(970) 상에 배치되며, 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp) 각각에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(R-CF, 922) 및 녹색 컬러필터 패턴(G-CF, 924)을 포함한다. 청색 화소영역(Bp)에는 컬러필터 패턴이 형성되지 않는다. 적색, 녹색 화소영역(Rp, Gp)에서 마이크로 엘이디(980)에서 발광된 청색 빛은 각각 적색 및 녹색 컬러필터 패턴(922, 924)을 통과하여, 각각 적색 및 녹색 광이 제 2 기판(970)을 통과하여 표시되고, 청색 화소영역(Bp)에는 제 2 기판(970)을 통해 청색 광이 표시된다.
이때, 제 2 기판(970)과 마이크로 엘이디(980) 사이에 컬러필터층(920)만을 형성하는 경우, 마이크로 엘이디(980)에서 발광된 청색 광 중에서 특정 파장의 영역에 해당하는 빛만이 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)을 통과하게 된다. 즉, 적색 화소영역(Rp)에서는 적색 파장 대역의 빛만이 통과하고, 녹색 화소영역(Gp)에서는 녹색 파장 대역의 빛만이 통과하고, 청색 화소영역(Bp)에서는 청색 파장 대역의 빛만이 통과하기 때문에, 광 효율이 저하될 수 있다.
이에 컬러필터층(920) 상에, 무기 발광 입자(100a, 100b)의 표면에 흡착된 분산제(150)를 포함하는 색 변환층(930)이 형성된다. 구체적으로, 색 변환층(930)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(922) 상에 형성되는 적색 색 변환층(932)과, 녹색 화소영역(Gp)에 대응되는 녹색 컬러필터 패턴(924) 상에 형성되는 녹색 색 변환층(934)을 포함하고, 청색 화소영역(Bp)에는 형성되지 않는다.
적색 색 변환층(932)은 적색 무기 발광 입자(100a)와, 적색 무기 발광 입자(100a)의 표면에 흡착되는 분산제(150)를 포함한다. 따라서, 적색 화소영역(Rp)에서 마이크로 엘이디(980)로부터 발광된 청색(B) 광은 적색 색 변환층(932)을 통과하면서 적색(R) 파장의 광으로 변환되고, 변환된 적색(R) 파장의 광이 적색 컬러필터 패턴(932)을 통과하여 원하는 적색(R) 광을 방출한다. 적색 색 변환층(932)을 통과하면서 일부 변환되지 않은 청색(B) 광은 적색 컬러필터 패턴(922)에서 흡수될 수 있다. 적색 화소영역(Rp)에서 마이크로 엘이디(980)로부터 발광된 청색(B) 광의 대부분이 적색(R) 파장의 광으로 변환된 상태에서 적색 컬러필터 패턴(922)을 통과하게 되므로, 적색 컬러필터 패턴(922)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
녹색 화소영역(Gp)에서, 마이크로 엘이디(980)에서 발광된 청색(B) 광은 녹색 색 변환층(934)을 통과하면서 녹색(G) 파장의 광으로 변환되고, 변환된 녹색(G) 파장의 광이 녹색 컬러필터 패턴(924)을 통과하여 원하는 녹색(G) 광을 방출한다. 녹색 색 변환층(934)을 통과하면서 일부 변환되지 않은 청색(B) 광은 녹색 컬러필터 패턴(924)에서 흡수될 수 있다. 녹색 화소영역(Gp)에서 마이크로 엘이디(980)로부터 발광된 청색(B) 광의 상당 부분이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된 상태에서 녹색 컬러필터 패턴(924)을 통과하게 되므로, 녹색 컬러필터 패턴(924)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
청색 화소영역(Bp)에서, 마이크로 엘이디(980)에서 청색(B)은 그대로 방출되므로, 청색 화소영역(Bp)에는 컬러필터층(920)과 색 변환층(930)이 형성되지 않는다.
도 10에 예시한 실시형태에서와 유사하게, 각각의 색 변환층(932, 934)은 무기 발광 입자(100a, 100b)의 표면에 안정적으로 흡착하는 분산제(150)을 포함하고 있기 때문에, 무기 발광 입자(100a, 100b)의 발광 특성이 저하되지 않는다. 이에 따라, 색 변환층(930)에서의 광 변환 효율이 향상되고, 색 변환층(930)에서의 빛샘이 억제되어, 마이크로 엘이디(980)로부터 발광된 광의 휘도가 저하되지 않는다. 색 변환층(930)이 형성되는 경우, 컬러필터층(920)은 생략될 수 있다.
선택적인 실시형태에서, 색 변환층(930)은 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp) 전체에 걸쳐 형성되며, 적록색 무기 발광 입자와 적록색 무기 발광 입자의 표면에 흡착되는 분산제로 이루어지는 단일 색 변환층으로 이루어질 수도 있다. 또한, 색 변환층은 청색 화소영역(Bp)을 제외한 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp)의 전 영역에 형성되며, 적색 무기 발광 입자와 적색 무기 발광 입자의 표면에 흡착되는 분산제로 이루어지는 단일 색 변환층으로 이루어질 수도 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 발광표시장치(900)는 하부 발광(bottom-emission) 방식일 수 있다. 이때, 컬러필터층은 제 1 기판(910) 상에 또는 제 1 기판(910) 상부에 위치할 수 있고, 컬러필터층과 발광다이오드 사이에 색 변환층이 배치될 수 있다.
이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
합성예 1: 필라 구조가 도입된 폴리우레탄 분산제 합성
곁 사슬에 필라(pillar) 구조를 폴리우레탄을 다음과 같이 합성하였다. 알코올 전구체인 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르(Mw = 200 g/mol, 400 mg, 2.00 mmol)과 지방족 디올인 1,1-헥사데칸디올(2.65 mmol)을 무수 테트라하이드로퓨란(THF, 10 mL)에 녹였다. 반응 혼합물에 이소시아네이트 전구체인 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트 (HDI, 614 mg, 3.65 mmol) 및 1,4-디아자 바이시클로옥탄(트리에틸렌디아민, DABCO, 12.1 mg, 0.061 mmol)을 첨가하고, 75℃에서 7시간 동안 질소 분위기에서 맑은 점성 용액이 되어 우레탄 중합 반응이 일어날 때까지 교반하면서 반응시켰다. 혼합물을 실온으로 냉각한 후, 과량의 디에틸 에테르를 첨가하여 필라 구조를 가지는 폴리우레탄을 침전시켰다.
합성예 2-4: 필라 구조가 도입된 폴리우레탄 분산제 합성
필라 구조를 형성하는 지방족 디올로서 1,1-헥사데칸디올을 대신하여 1,1-헵탄디올(합성예 2), 1,1-데칸디올(합성예 3), 1,1-옥타데칸디올(합성예 4)을 각각 사용한 것을 제외하고 합성예 1의 절차를 반복하여 필라 구조를 가지는 폴리우레탄 분산제를 합성하였다.
비교합성예 1-4: 1,2-알칸 디올을 이용한 폴리우레탄 분산제 합성
지방족 디올로서 1,1-디올 구조가 아닌 1,2-헥사데칸디올(비교합성예 1), 1,2-헵탄디올(비교합성예 2), 1,2-데칸디올(비교합성예 3), 1,2-옥타데칸디올(비교합성예 4)을 각각 사용한 것을 제외하고 합성예 1의 절차를 반복하여 폴리우레탄 분산제를 합성하였다.
비교합성예 5-8: 1,3-알칸 디올을 이용한 폴리우레탄 분산제 합성
지방족 디올로서 1,1-디올 구조가 아닌 1,3-헥사데칸디올(비교합성예 5), 1,3-헵탄디올(비교합성예 6), 1,3-데칸디올(비교합성예 7), 1,3-옥타데칸디올(비교합성예 8)을 각각 사용한 것을 제외하고 합성예 1의 절차를 반복하여 폴리우레탄 분산제를 합성하였다.
비교합성예 9-12: 1,ω-알칸 디올을 이용한 폴리우레탄 분산제 합성
지방족 디올로서 1,1-디올 구조가 아닌 1, ω-헥사데칸디올(비교합성예 9), 1, ω-헵탄디올(비교합성예 10), 1, ω-데칸디올(비교합성예 11), 1, ω-옥타데칸디올(비교합성예 12)을 각각 사용한 것을 제외하고 합성예 1의 절차를 반복하여 폴리우레탄 분산제를 합성하였다.
실시예 1: 분산제의 극성 용매 분산 특성 평가
합성예 1-4에서 제조된 1,1-알칸 디올을 첨가하여 합성한 폴리우레탄 분산제, 비교합성예 1-12에서 제조된 디올을 첨가하여 합성한 폴리우레탄 분산제 및 디올을 첨가하지 않고 반응시킨 폴리우레탄 분산제를 각각 극성 용매인 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트(PGMEA)에 첨가하고 분산 특성을 평가하였다. 분산 특성 평가 결과를 하기 표 1에 나타내고, 합성예에서 합성한 분산제의 PGMEA에서의 분산 정도를 보여주는 결과를 도 13에 나타낸다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교합성예에서 합성한 분산제 및 종래의 분산제와 비교하여, 합성예에 따라 1,1-알칸 디올을 첨가한 폴리우레탄 분산제가 극성 용매인 PGMEA에서의 분산 특성이 향상된 것을 확인하였다.
분산제의 분산 특성 평가
샘플 헵탄디올 데칸디올 헥사데칸디올 옥타데칸디올
1,1-디올 △ ○ ○○ △
1,2-디올 X △ △ X
1,3-디올 △ X X X
1,ω-디올 △ △ △ C
필라 없음 △
Turbidity 평가 결과를 토대로 필라 구조가 도입되지 않은 기존 분산제를 적용한 것과 대비한 분산 특성을 평가함.
실시예 2: 분산제에 분산된 양자점의 양자 효율 변화 측정
분산제에 분산시키기 전인 녹색 양자점(InP/ZnSe; 지방산 지방족 아민의 유기 리간드 결합, 발광 피크 530-535 nm) 원재료의 양자 효율을 측정하고, 합성예 1-4에서 합성한 분산제, 비교합성예 1-12에서 합성한 분산제 및 기존 분산제에 각각 양자점을 분산시킨 뒤, 양자점의 양자 효율을 측정하여, 양자점 원재료의 양자 효율과 대비하여 양자 효율이 어느 정도 유지되는지를 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 2 및 도 14에 나타낸다. 합성예 1-4에 따라 1,1-알칸 디올을 첨가하여 필라 구조로 도입한 폴리우레탄 분산제에 분산시킨 양자점에서 양자 효율이 상대적으로 높게 유지되었다. 특히, 1,1-헥사데칸디올 유래의 필라 구조를 도입한 분산제에 분산시킨 양자점의 양자 효율은 분산 전 양자점의 양자 효율이 거의 그대로 유지된 것을 확인하였다.
양자점의 양자 효율
샘플 양자 효율 (초기 효율 대비)
헵탄디올 데칸디올 헥사데칸디올 옥타데칸디올
1,1-디올 57(81%) 62(89%) 68(97%) 59(84%)
1,2-디올 56(80%) 52(74%) 54(77%) 49(70%)
1,3-디올 51(73%) 50(71%) 52(74%) 51(73%)
1,ω-디올 55(79%) 54(77%) 49(70%) 58(69%)
필라 없음 55 (78%)
초기 양자점 70
실시예 3: 양자점 필름의 내열 특성 평가
합성예 1-4에서 합성한 분산제, 비교합성예 1-12에서 합성한 분산제 및 기존 분산제, 양자점(InP/ZnSe; 지방산 지방족 아민의 유기 리간드 결합, 발광 피크 530-535 nm) 및 유기 용매의 혼합물을 bare glass 위에 스핀 코팅을 이용하여 도포하고, soft baking(80℃에서 5분)을 진행하고, 초기 외부양자효율(EQE)을 측정하였다. 내열성을 평가하기 위하여 oven 내에서 다시 hard baking(180℃에서 6시간/air)을 수행하고, EQE를 다시 측정하고, 초기 EQE와 비교하였다. 측정 결과를 하기 표 3 및 도 15에 나타낸다. 합성예 1-4에 따라 1,1-알칸 디올을 첨가하여 필라 구조로 도입한 폴리우레탄 분산제에 분산시킨 양자점에서 외부양자효율이 상대적으로 높게 유지되었다. 특히, 1,1-헥사데칸디올 유래의 필라 구조를 도입한 분산제에 분산시킨 양자점의 외부양자효율이 초기 외부양자효율을 거의 유지하여, 내열 특성이 향상된 것을 확인하였다.
양자점의 EQE 변화 측정
샘플 외부양자효율(%) (초기 효율 대비)
헵탄디올 데칸디올 헥사데칸디올 옥타데칸디올
1,1-디올 21→13(62%) 24→17(71%) 25→23(94%) 22→14(64%)
1,2-디올 20→9(45%) 19→10(53%) 20→10(50%) 19→10(53%)
1,3-디올 18→6(33%) 20→9(45%) 21→9(43%) 19→8(42%)
1,ω-디올 21→11(52%) 21→11(52%) 19→10(53%) 18→8(44%)
필라 없음 18→10 (55%)
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.
100, 100a, 100b, 100c: 무기 발광 입자
110: 코어
120: 쉘
130: 리간드
150: 분산제
152: (폴리우레탄) 주쇄
154: 곁사슬/필라(pillar)
156: 흡착 부위
200: 발광 필름
300, 400: 액정표시장치
302, 402: 액정 패널
390, 420: 백라이트 유닛
500: 엘이디 어셈블리
510: 엘이디 패키지
512: 엘이디 칩
520: 봉지부
600, 800, 900: 발광표시장치
610, 810, 910: 기판
820, 920: 컬러필터층
830, 930: 색 변환층
D: 무기발광다이오드
Tr: 박막트랜지스터

Claims (20)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 가지는 분산제.
    화학식 1
    Figure pat00003

    화학식 1에서, R1은 치환되지 않거나 C1-C20 알킬 아미노기, 에테르기(-O-), 에스테르기(-COO-), 카보네이트기(-OCOO-), C3-C20 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C2-C20 알킬렌기, C2-C20 알킬 비닐렌기 또는 치환되지 않거나 C1-C20 알킬 아미노기, 에테르기(-O-), 에스테르기(-COO-), 카보네이트기(-OCOO-), C3-C20 알킬 (메트)아크릴레이트기 또는 C3-C20 알킬 (메트)아크릴산기로 치환된 C6~C30 아릴렌기임; R2는 C1-C20 알킬렌기, 치환되지 않거나 C1-C10 알킬기로 치환된 C5-C20 사이클로 알킬렌기, 치환되지 않거나 C1-C10 알킬기로 치환된 C6-C20 아릴렌기, C1-C5 알킬렌기로 연결된 C10-C30 바이사이클로 알킬렌기 또는 C1-C5 알킬렌기로 연결된 C12-C30 바이아릴렌기임; R3는 C5-C20 지방족 탄화수소기임; R4는 수소, 중수소 또는 C1-C10 알킬기임; m과 n은 각각 독립적으로 1-100의 정수임.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 R1은 C2-C5 알킬렌기이고, R2는 C2-C10 알킬렌기이며, R3는 C7-C18 직쇄 알킬기인 분산제.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분산제의 중량평균분자량(Mw)은 2,000-50,000인 것을 특징으로 하는 분산제.
  4. 무기 발광 입자; 및
    상기 무기 발광 입자의 표면에 흡착(adsorption)하는 청구항 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 기재된 분산제를 포함하는 발광 필름.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 무기 발광 입자는 양자점 또는 양자막대를 포함하는 발광 필름.
  6. 액정 패널;
    상기 액정 패널의 하부에 위치하며 광원을 포함하는 백라이트 유닛; 및
    상기 액정 패널과 상기 백라이트 유닛 사이에 위치하는 제 4항에 기재된 발광 필름
    을 포함하는 액정표시장치.
  7. 엘이디 칩; 및
    상기 엘이디 칩을 덮는 봉지부를 포함하고,
    상기 봉지부는 무기 발광 입자와, 상기 무기 발광 입자의 표면에 흡착(adsorption)하는 청구항 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 기재된 분산제를 포함하는 엘이디 패키지.
  8. 제 7항에 기재된 엘이디 패키지를 포함하는 백라이트 유닛; 및
    상기 백라이트 유닛 상부에 위치하는 액정 패널
    을 포함하는 액정표시장치.
  9. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고,
    상기 발광물질층은 무기 발광 입자와, 상기 무기 발광 입자의 표면에 흡착(adsorption)하는 청구항 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 기재된 분산제를 포함하는 무기발광다이오드.
  10. 기판; 및
    상기 기판 상부에 위치하고, 제 9항에 기재된 무기발광다이오드
    를 포함하는 무기발광장치.
  11. 기판;
    상기 기판 상부에 위치하는 발광다이오드; 및
    상기 기판과 상기 발광다이오드 사이 또는 상기 발광다이오드 상부에 위치하며, 상기 발광다이오드에서 발광된 빛을 다른 파장의 빛으로 변환하는 색 변환층을 포함하고,
    상기 색 변환층은 무기 발광 입자와, 상기 무기 발광 입자 표면에 흡착(adsorption)하는 청구항 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 기재된 분산제를 포함하는 발광장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 발광장치는 적색 화소영역을 포함하고,
    상기 색 변환층은 상기 적색 화소영역에 위치하는 적색 색 변환층을 포함하고, 상기 적색 색 변환층을 구성하는 상기 무기 발광입자는 상기 발광다이오드에서 방출된 빛을 적색 파장의 광으로 변환하는 적색 양자점 또는 적색 양자 막대를 포함하는 발광장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 발광장치는 녹색 화소영역을 더욱 포함하고,
    상기 색 변환층은 상기 녹색 화소영역에 위치하는 녹색 색 변환층을 더욱 포함하고, 상기 녹색 색 변환층을 구성하는 상기 무기 발광 입자는 상기 발광다이오드에서 방출된 빛을 녹색 파장의 광으로 변환하는 녹색 발광체를 포함하는 발광장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 발광장치는 적색 화소영역 및 녹색 화소영역을 포함하고,
    상기 무기 발광 입자는 적어도 상기 적색 화소영역 및 상기 녹색 화소영역에 형성되며, 상기 무기 발광 입자는 적색(Red), 녹색(Green) 또는 적록색(Red Green) 파장 대역의 빛을 방출하는 발광장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 색 변환층의 상부 또는 상기 기판과 상기 색 변환층 사이에 위치하는 컬러필터층을 더욱 포함하는 발광장치.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 발광다이오드는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극과, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하는 발광장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 발광물질층은 무기 발광 입자 또는 유기 발광 물질을 포함하는 발광장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 발광물질층에 포함되는 상기 무기 발광 입자는 양자점 또는 양자막대를 포함하는 발광장치.
  19. 제 11항에 있어서, 상기 발광다이오드는 마이크로 발광다이오드(micro light emitting diode)를 포함하는 발광장치.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 마이크로 발광다이오드는 청색 파장 대역의 빛을 발광하는 발광장치.
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