KR20210043213A - 양자점 발광 소자 및 양자점 발광 표시 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자점 발광 소자 및 양자점 발광 표시 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고, 양자점 발광층의 발광 파장이 보조 발광층의 발광 파장보다 큰 것을 특징으로 한다. 따라서, 전하 불균형으로 인해 여기자를 형성하지 못하고 소멸되는 정공이나 전자를 최소화할 수 있고, 보조 발광층에서 양자점 발광층으로의 에너지 전달에 의해 구동 전압을 감소시키고 발광 효율 및 신뢰성이 크게 향상되는 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 양자점 발광 소자 및 양자점 발광 표시 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동 전압이 낮으면서 소자의 효율 및 신뢰성이 우수한 양자점 발광 소자 및 양자점 발광 표시 장치에 관한 것이다.
유기발광 소자는 별도의 광원이 필요하지 않아 경량 박형으로 제조가 가능하고, 저전압 구동에 의해 소비전력 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 색상구현, 응답속도, 시야각, 명암 대비비(contrast ratio; CR)도 우수하다. 유기발광 소자는 다양한 유기 발광 물질을 사용하여 백색, 청색, 적색, 녹색 등의 색을 구현하는데, 보다 다양한 색상으로 화려하게 구현하기에는 한계가 있으며, 이에 유기 발광 물질 대신 양자점을 사용한 양자점 발광 소자가 제안되었다.
양자점은 반도체 나노 입자로, 불안정한 상태의 전자가 전도대에서 가전자대로 내려오면서 발광하는데, 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 발생하는 독특한 광학적 특성을 나타낸다. 즉, 양자점의 크기를 조절하면 목적하는 파장의 가시광선을 표현할 수 있고, 성분을 달리하여 다양한 색상을 용이하게 구현할 수 있다. 따라서, 유기 발광 물질을 대신하여 양자점을 사용함으로써 다양한 천연색을 구현할 수 있고, 색재현율 및 색순도가 뛰어나며, 휘도 등의 특성이 유기발광 소자와 동등 수준으로 유기발광 표시장치의 단점을 보완할 수 있는 차세대 디스플레이로써 주목 받고 있다.
일반적으로 양자점 발광 소자는 애노드(anode), 정공 주입층(Hole Injection Layer; HIL), 정공 수송층(Hole Transport Layer; HTL), 양자점 발광층(Emitting Layer; EML), 전자 수송층(Electron Transport Layer; ETL), 전자 주입층(Electron Injection Layer; EIL) 및 캐소드(cathode)를 포함한다. 정공(Hole)이 애노드에서 발광층으로 주입되고, 전자(Electron)가 캐소드에서 발광층으로 주입되면, 주입된 전자와 정공이 서로 재결합하면서 여기자(Exciton)가 형성되어 광이 발생된다.
위와 같은 양자점 발광 소자의 정공 주입층, 정공 수송층, 양자점 발광층은 공정 비용 및 생산성 측면에서 유리한 용액 코팅법으로 형성되고, 전자 수송층 이후의 레이어는 주로 증착 방식으로 형성된다. 전자 수송층의 경우 금속 산화물과 같은 무기 전자 수송 물질을 코팅하는 방식으로도 형성될 수 있으나, 안정성 측면에서 유기 전자 수송 물질이 무기 전자 수송 물질 보다 유리함에 따라 유기 전자 수송 물질을 증착하는 방식이 주로 사용되고 있다.
그러나, 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위는 유기 발광 재료 대비 상당히 낮은 편이며, 특히, 양자점 발광 소자에서 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위는 유기 전자 수송 물질의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위 대비 상당히 낮다(deep). 따라서, 양자점 발광층에 유입된 정공이 블로킹(blocking)되지 않고, 전자 수송층으로 쉽게 유입되며, 이와 같이 전자 수송층으로 유입된 전자는 여기자를 형성하지 못하고 소멸됨에 따라 소자의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다. 또한, 정공 수송층의 정공 이동도(hole mobility)가 전자 수송층의 전자 이동도(electron mobility) 보다 크기 때문에 정공과 전자가 양자점 발광층으로 균형 있게 주입되지 못하며, 이로 인하여 전자와 정공이 양자점 발광층과 전자 수송층의 계면 부분에서 결합됨에 따라 발광존(emission zone)이 치우쳐 형성되고, 구동 전압이 증가하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양자점 발광층으로 주입되는 정공과 전자의 전하 불균형 현상을 개선하고, 발광존이 치우쳐 형성되는 문제점이 해소된 신규한 양자점 발광 소자 및 이를 포함하는 양자점 발광 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 본 발명은 구동 전압을 감소시키고, 소자의 효율 및 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층, 및 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고, 양자점 발광층의 발광 파장이 보조 발광층의 발광 파장보다 큰 것을 특징으로 한다. 이로 인하여 전하 불균형으로 인해 여기자를 형성하지 못하고 소멸되는 전하를 최소화할 수 있으며, 낮은 구동 전압에서도 높은 효율을 달성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층 및 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고, 보조 발광층은 전자 수송층을 구성하는 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이로 인하여 정공과 전자의 불균형 주입으로 인한 효율 전하 문제가 해소될 수 있고, 소자의 구동 전압이 감소되며 신뢰성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치는 복수의 서브 화소를 포함하며 복수의 서브 화소 중 적어도 하나의 서브 화소는, 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층 및 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하는 양자점 발광 소자를 포함하고, 양자점 발광층의 발광 파장은 보조 발광층의 발광 파장보다 큰 것을 특징으로 한다. 이로 인해 표시 장치의 구동 전압이 감소되고 신뢰성 및 표시 품질이 향상될 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 양자점 발광층과 전자 수송층의 사이에 보조 발광층을 구비하여 양자점 발광층에 주입된 정공이 전자 수송층으로 쉽게 유입되는 문제점과 정공 및 전자의 이동도 차이로 인한 전하 불균형 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 인가되는 전압을 조절하여 보조 발광층에서 양자점 발광층으로의 에너지 전이를 유도하여 양자점 발광층에 보다 많은 양의 여기자가 형성될 수 있도록 함으로써, 낮은 구동 전압 하에서 높은 효율 및 신뢰성을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 발명 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 발광존이 쉬프트되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 6a는 실시예 1에 따른 양자점 발광 소자의 전압별 발광 스펙트럼이다.
도 6b는 도 6a의 일부 영역(EL intensity 0.0010 이하)을 보여주는 발광 스펙트럼이다.
도 7은 비교예 1에 따른 양자점 발광 소자의 전압별 방광 스펙트럼이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 양자점 발광 소자 각각의 휘도 수명 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 발광존이 쉬프트되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 6a는 실시예 1에 따른 양자점 발광 소자의 전압별 발광 스펙트럼이다.
도 6b는 도 6a의 일부 영역(EL intensity 0.0010 이하)을 보여주는 발광 스펙트럼이다.
도 7은 비교예 1에 따른 양자점 발광 소자의 전압별 방광 스펙트럼이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 양자점 발광 소자 각각의 휘도 수명 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형상으로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 면적, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 제한되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
또한 제 1, 제 2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 구성 요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 면적 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 면적 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자(100)는 애노드(110), 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 양자점 발광층(140), 보조 발광층(150), 전자 수송층(160) 및 캐소드(170)를 포함한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자를 구성요소별로 구체적으로 설명하기로 한다.
애노드(110)는 양자점 발광층(140)으로 정공을 공급하기 위한 전극이다. 애노드(110)는 일함수가 높은 투명 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 투명 전도성 물질은 ITO, IZO, ITZO, ICO, SnO2, In2O3, Cd:ZnO, F:SnO2, In:SnO2, Ga:SnO2 또는 AZO와 같은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
애노드(110) 상에 정공 주입층(120)이 배치된다. 정공 주입층(120)은 애노드(110)로부터 공급된 정공을 양자점 발광층(140)으로 원활하게 주입하는 유기층이다.
정공 주입층(120)은 HAT-CN(dipyrazino[2,3-f:2’,3’-h]quinoxaline-2,3,6,7,10.11-hexacarbonitrile), CuPc(phthalocyanine), PEDOT:PSS 및 NPD(N,N’-bis(naphthalene-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)-2,2’-dimethylbenzidine)으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
정공 주입층(120) 상에 정공 수송층(130)이 배치된다. 정공 수송층(130)은 정공 주입층(120)으로부터 양자점 발광층(140)으로 원활하게 정공을 전달하는 유기층이다.
정공 수송층(130)은 NPD(N,N’-bis(naphthalene-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)-2,2’-dimethylbenzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD(2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-dimethylamino)-9,9-spirofluorene), PVK(poly(9-vinylcarbazole)), PPV(Poly(p-phenylenevinylene), CBP(4,4'-N,N'-dicarbazole-biphenyl), mCP(1,3-Bis(N-carbazolyl)benzene) 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine)로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
정공 수송층(130) 상에는 양자점을 포함하는 양자점 발광층(140)이 배치된다.
양자점은 불안정한 상태의 전자가 전도대(Conduction Band, CB)에서 가전자대(Valance Band, VB)로 내려오면서 발광하는 입자이다. 양자점은 입자 크기나 구성 원소의 성분을 조절하여 다양한 색상을 구현할 수 있고, 색순도가 높은 이점이 있다.
양자점은 II-VI족, III-V족, IV-VI족 또는 I-III-VI족으로 구성되는 나노 반도체 화합물일 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면, 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS 또는 HgTe와 같은 II-VI족 반도체 화합물, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, CdSSe, CdSeTe 또는 ZnCdSe와 같은 III-V족 반도체 화합물, PbS, PbSe 또는 PbTe와 같은 IV-VI족 반도체 화합물, 및 AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2, CuInS2, CuInSe2, CuGaS2 또는 CuGaSe2와 같은 I-III-VI족 반도체 화합물 중에서 선택될 수 있다.
양자점은 상기 나열된 반도체 화합물의 단일층 구조일 수 있고, 코어-쉘 구조를 가질 수도 있다. 코어는 실질적인 발광이 일어나는 부분으로, 이의 크기 및/또는 성분에 따라 양자점의 발광 파장이 조절된다. 쉘은 코어의 양자구속효과를 촉진하고, 열이나 수분 또는 산소로부터 양자점을 보호한다. 또한, 쉘은 단일층 일 수 있고, 필요에 따라 다층 구조로 형성될 수도 있다.
양자점의 코어는 예를 들어, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, InP, ZnCdS, CuInS2, CuInSe2 및 AgInS2 중에서 선택된 화합물로 구성되고, 쉘은 예를 들어, ZnS, GaP, CdS, ZnSe, CdS/ZnS, ZnSe/ZnS, ZnS/ZnSe/CdSe, GaP/ZnS, CdS/CdZnS/ZnS, ZnS/CdS/ZnS 및 CdZnS 중에서 선택된 화합물로 구성될 수 있다.
양자점은 Mn, Cu, Ag, Al 등의 금속 원소로 도핑 될 수 있으며, 도핑을 통해 양자점의 발광 파장 영역이 조절될 수 있다.
양자점은 표면에 리간드가 결합된 것일 수 있다. 이 경우, 양자점 입자 간의 응집을 방지하고, 양자점이 용액 상에 균일하게 분산된 상태를 유지할 수 있어, 양자점 발광층(140)을 형성할 시 양자점이 균일하게 분포될 수 있다.
양자점은 평균 직경이 1nm 내지 100nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 발광 파장을 고려하여 조절될 수 있다. 이때, 양자점 발광층(140)의 발광 파장이 보조 발광층(150)의 발광 파장보다 큰 값을 갖도록 형성되며, 이에 관하여는 후술하기로 한다.
양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위는 -6.2eV 내지 -5.7eV일 수 있고, 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위는 -4.2eV 내지 -3.7eV일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
양자점 발광층(140)의 두께는 5nm 내지 50nm일 수 있고, 바람직하게는 5nm 내지 20nm일 수 있으며, 이 범위 내에서 발광 효율이 우수하다.
양자점 발광층(140) 상에는 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층(150)이 배치된다.
양자점 발광층(140)의 발광 파장은 보조 발광층(150)의 발광 파장보다 큰 값을 갖도록 형성된다. 상대적으로 단파장의 광을 발광하는 보조 발광층(150)은 장파장의 광을 발광하는 양자점 대비 에너지 밴드갭이 큰 고에너지 물질로 이루어진다. 이로 인하여 인가되는 전압에 따라 일부 정공과 전자가 보조 발광층(150)에서 여기자를 형성하고 발광하면서 발생된 에너지가 양자점 발광층(140)으로 전이되며, 이와 같이 전이된 에너지는 양자점 발광층(140)에서 여기자의 생성을 촉진할 수 있다. 나아가 발광 소자의 구동 전압을 낮출 수 있고, 발광 효율이 개선되는 효과를 제공한다.
예를 들어, 양자점 발광층(140)의 발광 파장은 500nm 내지 750nm이고, 보조 발광층(150)의 발광 파장은 450nm 내지 590nm일 수 있다.
예를 들면, 양자점 발광층(140)의 발광 파장과 보조 발광층(150)의 발광 파장의 차이는 50nm 이상 또는 50nm 내지 150nm일 수 있다. 이 경우 발광층으로 정공과 전하가 균형 있게 주입될 수 있고, 초기 구동 전압에서는 보조 발광층(150)에 발광존이 형성되고, 구동 전압이 증가함에 따라 양자점 발광층(140)으로 발광존이 쉬프트되어 소자의 발광 효율이 개선된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 발광존이 보조 발광층에서 양자점 발광층으로 쉬프트되는 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 인가되는 전압이 낮을 때에는 전자 대비 상대적으로 이동도가 큰 정공이 빠르게 보조 발광층(150)으로 주입되어 보조 발광층(150)에 제1 발광존(A1)이 형성된다. 이때 보조 발광층(150)에서 광의 발광으로 인해 발생한 에너지가 양자점 발광층(140)으로 전달됨에 따라 양자점 발광층(140)에 더 많은 여기자가 형성될 수 있도록 한다. 인가되는 전압이 증가하면, 발광존이 보조 발광층(150)으로부터 양자점 발광층(140)으로 쉬프트(shift)되어 제2 발광존(A2)이 형성된다. 이와 같이 보조 발광층(150)의 에너지가 양자점 발광층(140)으로 전이되어 더 많은 여기자를 형성시킴으로써 양자점 발광 소자의 발광 효율 및 신뢰성이 향상되는 효과를 제공한다.
보조 발광층(150)에 포함되는 유기 발광 도펀트로는 예를 들어 양자점 발광층(140)을 구성하는 양자점의 발광 파장 보다 발광 파장이 작은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 발광 파장이 450nm 내지 590nm인 재료를 사용할 수 있다.
예를 들어, 유기 발광 도펀트는 N,N'-디메틸-퀴나크리돈(N,N'-dimethyl-quinacridone; DMQA), 쿠마린 545T, 쿠마린 545, 쿠마린 6, 9,10-비스[N,N-디-(p-톨릴)-아미노]안트라센(9,10-bis[N,N-di-(ptolyl)amino]anthracene; TTPA), 9,10-비스[페닐(m-톨릴)아미노]안트라센(9,10-bis[phenyl(m-tolyl)-amino]anthracene; TPA), 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(III)(tris(2-phenylpyridine)iridium(III); Ir(ppy)3) 비스(2-페닐피리딘)(아세틸아세토네이트)이리듐(ⅢⅢIr(ppy)2(acac)) 및 2,4,5,6-테트라(9H-카바졸-9-일)이소프탈로니트릴(2,4,5,6-Tetra(9H-carbazol-9-yl)isophthalonitrile; 4CzIPN) 중에 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
유기 발광 도펀트는 전자 수송층(160)의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질일 수 있다. 이 경우 양자점으로 주입되는 정공과 전자의 밸런스가 우수하여 발광 소자의 효율이 우수한 효과가 있다.
예를 들어, 전자 수송 물질로 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸을 사용하는 경우, HOMO 에너지 준위가 -5.8eV 이상이고, LUMO 에너지 준위가 -2.8eV 보다 낮은 물질을 유기 발광 도펀트로 사용할 수 있다.
유기 발광 도펀트는 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위 보다 높은 HOMO 에너지 준위를 갖고, 양자점의 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위 보다 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 물질일 수 있다.
예를 들어, 양자점으로 적색 발광하는 InP(코어)-ZnSe(쉘) 반도체 화합물을 사용하는 경우, HOMO 에너지 준위가 -6.0eV 이상이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0eV 이상인 물질을 유기 발광 도펀트로 사용할 수 있다.
유기 발광 도펀트가 양자점 및 전자 수송 물질과 위와 같은 관계를 가짐으로써 발광층으로 주입되는 정공과 전자의 전하 밸런스가 우수하여 소자의 효율이 개선될 수 있고, 낮은 구동 전압에서도 높은 효율 및 신뢰성을 제공할 수 있다.
보조 발광층(150)은 두께가 15nm 이하, 또는 10nm 이하일 수 있다. 보조 발광층(150) 두께가 15nm를 초과하는 경우에는 보조 발광층(150)의 발광 영역이 넓어 보조 발광층(150)에서 발광되는 광과 양자점 발광층(140)에서 발광된 광의 간섭으로 혼색이 발생할 수 있고, 양자점 발광층(140)으로의 에너지 전달이 효율적으로 이루어지지 않는 문제점이 있을 수 있다. 예를 들면, 보조 발광층(150)의 두께는 5nm 내지 10nm일 수 있으며, 이 범위 내에서 보조 발광층(150)으로부터 양자점 발광층(140)으로 에너지 전달이 효과적으로 이루어질 수 있고, 발광 소자의 색재현율이 우수하다. 보조 발광층(150)의 두께의 하한값은 특별히 제한되는 것은 아니나, 박막 형성의 용이성 측면에서 5nm 이상인 것이 바람직하다.
보조 발광층(150)은 전자 전달을 용이하게 하기 위하여 1종 이상의 호스트를 더 포함한다.
구체적으로 예를 들면 호스트는, 1,3,5-트리(m-피리딘-3-일-페닐)벤젠(1,3,5-Tri(m-pyridin-3-yl-phenyl)benzene; TmPyPB), 바쏘큐프로인(Bathocuproine, 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), 바쏘페난트롤린(Bathophenathroline, 4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline; Bphen), 1,3-비스(3,5-디피리드-3-일-페닐)벤젠(1,3-Bis(3,5-dipyrid-3-yl-phenyl)benzene; B3yPyPB), 디페닐비스(4-(피리딘-3-일)페닐)실란(Diphenylbis(4-(pyridine-3-yl)phenyl)silane; DPPS), 2,2',2"-(1,3,5-벤진트리일)-트리스(1-페닐-1-H-벤즈이미다졸(2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole; TPBi), 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum; Alq3), 비스(8-하이드록시-2-메틸퀴놀린)-(4-페닐페녹시)알루미늄(Bis(8-hydroxy-2-methylquinoline)-(4-henylphenoxy)aluminum; BAlq), 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸(2-[4-(9,10-Di-2-naphthalenyl-2-anthracenyl)phenyl]-1-phenyl -1H-benzimidazole), 2-(4-터르-부틸페닐)-5-(4-바이페닐일)-1,3,4-옥사디아졸(2-(4-tert-Butylphenyl)-5-(4-biphenyl)-1,3,4-oxadiazole; PBD), 1,3-비스[(4-터르-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아조일]페닐렌(1,3-Bis[(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazoyl]phenylene; OXD-7), 1,3,5-트리스[(4'-터르-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아조일]벤젠(1,3,5-Tris[(4'-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazoyl]benzene, OXD), 폴리[(9,9-비스(3'-((N,N-디메틸)-N-에틸암모늄)-프로필)-2,7-플루오렌)-알트-2,7-(9,9-디옥틸플루오렌)]디브로마이드(poly[(9,9-bis(3'-((N,N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]dibromide; PFNBr), 폴리(9,9-비스(6-트리메틸-암모늄요오다이드)-헥실플루오렌-2,7-디일-알트(벤조[2,1,3]티아디아졸-4,7-디일))(Poly(9,9-bis(6-trimethyl-ammoniumiodide)-hexylfluorene-2,7-diylalt(benzo[2,1,3]thiadiazol-4,7-diyl)), PFNIBT), 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)플루오렌(Poly[9,9-bis(6'-(diethanolamino)hexyl)fluorene], PFN-OH), 폴리[9,9-비스(4'-(6"-(디에탄올아미노)헥실록시)페닐)플루오렌](Poly[9,9-(bis(4'-(6"-diethanolamino)hexyloxy)phenyl)fluorene], PPFN-OH), 폴리[(9,9-비스(6'-(N,N-디메틸아미노)헥실)페닐)플루오렌](poly[(9,9-bis(6'-(N,Ndimethylamino)hexyl)phenyl)fluorene], FPO), 폴리[(9,9-비스(6'-(N,N-트리메틸아미노브로마이드)헥실)페닐) 플루오렌](poly[(9,9-bit(6'-(N,N-trimethylaminobromide)hexyl)phenyl)fluorene], FPO-Br), 폴리[(9,9-비스(6'-(N,N-트리메틸아미노클로라이드)헥실)페닐)플루오렌](poly[(9,9-bit(6'-(N,Ntrimethylaminochloride)hexyl)phenyl)fluorene], FPO-Cl) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
호스트는 전자 수송층(160)을 구성하는 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 보조 발광층(150)을 형성하는 공정과 전자 수송층을 형성하는 공정을 연속적으로 수행하여 공정이 단순화되는 이점이 있고, 전자 수송층(160)으로부터 보조 발광층(150) 및 양자점 발광층(140)으로의 전자 전달이 용이한 이점이 있다.
예를 들어, 호스트와 유기 발광 도펀트를 준비한 뒤, 이들을 동시에 증착하여 보조 발광층(150)을 형성하고, 목적하는 두께의 보조 발광층(150)이 형성되면 증착 소스로 호스트 물질만을 사용하여 보조 발광층(150) 상에 전자 수송층(160)을 연속적으로 증착시킬 수 있다. 이와 같이 형성된 보조 발광층(150)은 도 3에 도시된 바와 같이, 양자점 발광층(140)과 인접하는 전자 수송층(160)의 계면부에 형성된다. 여기서 계면부는 도 3에 도시된 바와 같이 양자점 발광층(140)과 전자 수송층(160)의 사이에서, 양자점 발광층(140)과 직접 접하는 전자 수송층(160)의 일부 영역을 의미할 수 있다.
보조 발광층(150) 상에는 전자 수송층(160)이 배치된다.
전자 수송층(160)은 상술한 보조 발광층(150)의 호스트 물질들 중 1종 이상을 포함하는 유기 전자 수송 물질을 포함할 수 있고, 산화아연(ZnO), 산화아연마그네슘(ZnMgO), 이산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO), 이산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화탄탈륨(Ta2O3), 산화하프늄(HfO3), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄실리콘(ZrSiO4), 산화바륨티타늄(BaTiO3) 및 산화바륨지르코늄(BaZrO3) 중에서 선택된 1종 이상의 무기 전자 수송 물질을 포함할 수 있으나, 소자의 안정성을 확보하기 위한 측면에서 유기 전자 수송 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
전자 수송층(160)은 두께가 10nm 내지 200nm일 수 있고, 바람직하게는 10nm 내지 100nm 일 수 있다. 이 범위 내에서 전자의 전달이 용이하게 이루어질 수 있다.
전자 수송층(160) 상에는 캐소드(170)가 배치된다.
캐소드(170)는 발광층에 전자를 원활하게 공급하기 위해 일함수가 낮은 금속으로 형성된다. 예를 들어, 캐소드는 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 또는 Ag:Mg 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도면에 도시하지 않았으나, 전자 수송층(160) 상에 캐소드(170)로부터 공급된 전자를 발광층으로 원활하게 주입하기 위해 전자 주입층이 배치될 수 있다. 전자 주입층은 BaF2, LiF, NaCl, CsF, Li2O 및 BaO 중에서 선택된 1종 이상의 금속 무기 물질로 이루어질 수 있고, HAT-CN(dipyrazino[2,3-f:2’,3’-h]quinoxaline-2,3,6,7,10.11-hexacarbonitrile), CuPc(phthalocyanine), 및 NPD(N,N’-bis(naphthalene-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)-2,2’-dimethylbenzidine)로부터 선택된 유기 물질로 이루어질 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 소자(200)는 애노드(210), 정공 주입층(220), 정공 수송층(230), 양자점 발광층(240), 보조 발광층(250), 전자 수송층(260) 및 캐소드(270)를 포함한다. 이때, 보조 발광층(250)이 양자점 발광층(240)과 전자 수송층(260)의 사이에 별도의 층으로 형성되는 점을 제외하고는, 도 1 및 2에 도시한 양자점 발광 소자와 구성요소가 동일하므로 중첩되는 설명은 생략하기로 한다.
보조 발광층(250)은 전자의 수송을 용이하게 하기 위해 호스트 더 포함할 수 있다. 이때, 호스트는 전자 수송층(260)의 전자 수송 물질과 동일하거나 상이할 수 있다.
예를 들어, 보조 발광층(250)은 유기 발광 도펀트 및 제1 호스트를 포함하고, 전자 수송층(260)은 제1 호스트와는 상이한 제2 호스트를 포함할 수 있다. 이와 같이 보조 발광층(250)의 호스트와 전자 수송 물질이 상이한 경우에는 유기 발광 도펀트와 제1 호스트를 증착 소스로 사용하여 보조 발광층(250)을 형성하고, 제1 호스트와는 상이한 제2 호스트로 증착 소스를 변경한 뒤, 이를 증착하여 전자 수송층(260)을 형성할 수 있다.
상기 본 발명의 양자점 발광 소자는 양자점 발광 표시 장치의 구성요소로써 포함될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치(300)는 기판(310), 박막 트랜지스터(320), 발광 소자(340)를 포함한다. 발광 소자(340)는 적색 서브 화소(R)에 형성된 적색 발광 소자(340R), 녹색 서브 화소(G)에 형성된 녹색 발광 소자(340G) 및 청색 서브 화소(B)에 형성된 청색 발광 소자(340B)를 포함한다. 도 5에서는 설명의 편의를 위해 양자점 발광 표시 장치(300)의 복수의 서브 화소 중 하나의 적색 서브 화소(R), 하나의 녹색 서브 화소(G) 및 하나의 청색 서브 화소(B)만을 도시하였다. 또한 도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치(300)가 탑 에미션(top emission) 방식의 양자점 발광 표시 장치(300)인 것으로 도시하였으나, 구동 방식이 탑 에미션 방식에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치(300)에서, 적색 발광 소자(340R), 녹색 발광 소자(340G), 청색 발광 소자(340B) 중 어느 하나는 도 1 또는 도 4에 도시된 양자점 발광 소자이며, 바람직하게 적색 발광 소자(340R) 또는 녹색 발광 소자(340G) 중 적어도 하나는 도 1에 도시된 양자점 발광 소자이다.
도 5에서는 설명의 편의를 위해 적색 발광 소자(340R)가 도 1에 도시된 양자점 발광 소자인 것으로 도시하였으며, 녹색 발광 소자(340G) 및 청색 발광 소자(340B)에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치(300)를 구성요소별로 설명하기로 한다.
기판(310)은 양자점 발광 표시 장치(300)의 다양한 엘리먼트들을 지지하기 위한 기재로 절연 물질로 형성된다. 기판(310) 상에는 외부의 산소나 수분 등의 침투로부터 양자점 발광 표시 장치(300)의 다양한 엘리먼트들을 보호하기 위한 버퍼층(331)이 배치된다.
버퍼층(331) 상에는 게이트 전극(321), 액티브층(322), 소스 전극(323) 및 드레인 전극(324)을 포함하는 박막 트랜지스터(320)가 배치된다. 구체적으로, 기판(310) 상에 액티브층(322)이 배치되고, 액티브층(322) 상에 액티브층(322)과 게이트 전극(321)을 절연시키기 위한 게이트 절연층(332)이 배치되고, 게이트 전극(321)과 소스 전극(323) 및 드레인 전극(324)을 절연시키기 위한 층간 절연층(333)이 배치되고, 층간 절연층(333) 상에 액티브층(322)과 각각 접하는 소스 전극(323) 및 드레인 전극(324)이 형성된다. 박막 트랜지스터(320)는 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G) 및 청색 서브 화소(B) 각각에 배치된다.
박막 트랜지스터(320) 상에는 오버 코팅층(334)이 배치될 수 있다. 오버 코팅층(334)은 기판(310) 상부를 평탄화하는 평탄화층으로서 기능한다.
오버 코팅층(334) 상에는 애노드(341)가 형성된다. 애노드(341)는 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G) 및 청색 서브 화소(B) 각각에 형성되고, 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G) 및 청색 서브 화소(B) 각각에 형성된 애노드(341)는 뱅크(335)에 의하여 서로 전기적으로 분리된다.
오버 코팅층(334)과 애노드(341)의 사이에는, 양자점 발광 표시 장치(300)에서 발광되는 광을 상부로 반사하기 위해 반사층(미도시)이 배치될 수 있다. 반사층은 오버 코팅층(334)의 컨택홀을 통해 박막 트랜지스터(320), 구체적으로는 박막 트랜지스터(320)의 소스 전극(323)과 전기적으로 연결될 수 있다.
애노드(341) 상에는 캐소드(347)가 배치된다. 캐소드(347)는 패터닝되지 않고, 하나의 층으로 형성된다. 즉, 캐소드(347)의 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G) 및 청색 서브 화소(B)에 단일층으로 형성된다. 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치(300)가 탑 에미션 방식의 양자점 발광 표시 장치(300)이므로, 캐소드(347)는 발광층에서 발광된 광이 투과될 수 있도록 매우 얇은 두께로 형성된다.
적색 발광 소자(340R)는 애노드(341)와 캐소드(347)의 사이에 정공 주입층(342), 정공 수송층(343), 적색 광을 발광하는 양자점을 포함하는 양자점 발광층(344), 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층(345) 및 전자 수송층(346)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치(300)에서, 적색 발광 소자(340R)는 양자점 발광층(344)에 적색 광을 발광하는 양자점을 포함하는 점을 제외하고는 도 1에 도시한 양자점 발광 소자(100) 또는 도 4에 도시한 양자점 발광 소자(200)와 구성요소가 동일하므로 위와 중첩되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치는, 적색 발광 소자로 애노드, 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 전자 수송층 및 캐소드를 포함하는 양자점 발광 소자를 포함한다. 이에 따라 발광층에 주입되는 전하의 밸런스가 우수하여 발광 효율이 개선되는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치는 소자에 전압을 인가할 시, 보조 발광층에서 양자점 발광층으로의 에너지 전이로 인해 양자점 발광층에서 보다 많은 양의 여기자가 형성됨에 따라 낮은 구동 전압 하에서도 높은 효율 및 신뢰성을 제공할 수 있다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 통하여 상술한 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 양자점 발광 소자의 제작
유리 기판에 두께 45nm의 ITO를 코팅하여 애노드를 형성하였다. 다음으로 PEDOT:PSS 용액을 스핀 코팅한 뒤, 200℃에서 15분 동안 건조시켜 정공 주입층을 형성하였다. 다음으로, 화학식 1로 표시되는 화합물과 PVK를 혼합한 용액을 스핀 코팅한 뒤, 120℃에서 30분 동안 건조시켜 정공 수송층(20~25nm)을 형성하였다. 다음으로, 코어-쉘 구조의 양자점 InP/ZnSe(최대 발광 파장: 623nm, 반치폭 45nm, VB: -6.0eV, CB: -4.0eV)을 스핀 코팅하여 양자점 발광층(10~12nm)을 형성하였다. 다음으로, 기판을 진공 챔버로 이송한 뒤, 하기 화학식 2로 표시되는 유기 발광 도펀트(N,N'-디메틸퀴나크리돈)(발광 파장: 523nm, HOMO: -5.3eV, LUMO: -3.2eV)을 증착하여 보조 발광층(5~10nm)을 적층하였다. 이후 보조 발광층 상에 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물(HOMO: -5.8eV, LUMO: -2.9eV)을 증착하고, LiF를 순차적으로 증착하여 전자 수송층 및 전자 주입층(총 두께 50nm)을 적층하였다. Al을 증착하여 음극(70nm)을 형성하였다.
[화학식 1] [화학식 2]
[화학식 3]
실시예 2: 양자점 발광 소자의 제작
상기 실시예 1의 양자점 발광층 형성 단계에서, 코어-쉘 구조의 양자점 InP/ZnSe(최대 발광 파장: 623nm, 반치폭 45nm, VB: -6.0eV, CB: -4.0eV)을 대신하여, 코어-쉘 구조의 양자점 InP/ZnSe(최대 발광 파장: 630nm, 반치폭 45nm, VB: -6.0eV, CB: -4.0eV)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양자점 발광 소자를 제작하였다.
비교예 1: 양자점 발광 소자의 제작
보조 발광층을 형성하는 단계를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 양자점 발광 소자를 제작하였다.
비교예 2: 양자점 발광 소자의 제작
상기 실시예 2에서 보조 발광층을 형성하는 단계를 생략한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 양자점 발광 소자를 제작하였다.
실험예 1: 양자점 발광 소자의 발광 특성 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 양자점 발광 소자의 발광 특성을 알아보기 위해 발광 스펙트럼 분석을 실시하였으며, 이 결과를 도 6a, 도 6b 및 도 7에 나타내었다. 도 6a는 실시예 1에 따른 양자점 발광 소자의 전압별 발광 스펙트럼이며, 도 6b는 도 6a의 일부 영역(EL intensity 0.0010 이하)을 보여주는 발광 스펙트럼이고, 도 7은 비교예 1에 따른 양자점 발광 소자의 전압별 발광 스펙트럼이다.
먼저, 도 6a 및 6b를 참조하면, 실시예 1의 양자점 발광 소자는 저전압에서 고전압에 이르는 범위에 걸쳐 defect emission peak가 거의 관찰되지 않으며, 전압에 따라 발광 파장이 거의 쉬프트되지 않는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 비교예 1의 양자점 발광 소자는 저전압에서 고전압에 이르는 범위에 걸쳐 다수의 defect emission peak이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이는 발광층으로 주입되는 전하의 불균형으로 인해 전자와 정공의 재결합 영역과 발광층이 일치하지 않고, 인가되는 전압에 따라 양자점의 degradation이 발생하는 것으로 추측할 수 있다.
실험예 2: 양자점 발광 소자의 성능 평가
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 제조된 양자점 발광 소자의 외부양자효율(external quantum efficiency; EQE), 휘도, 구동 전압, 발광 피크 파장 및 반치폭을 측정하였다. 피크 파장 및 반치폭은 가우시안 분포를 나타내는 PL 스펙트럼에서 피크 지점의 파장 및 이의 반치폭을 의미한다. 물성 측정은 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 사용하여 실온에서 실시하였다. 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었으며, 표 1에 기재된 결과값은 전류밀도가 10mA/cm2인 조건에서 측정된 값이다.
| 구분 | EQE(%) | 휘도(Cd/m2) | 전압(V) | 발광 피크 파장(nm) | 반치폭(nm) |
| 실시예 1 | 6.38 | 595 | 3.6 | 635 | 51 |
| 실시예 2 | 4.76 | 476 | 4.51 | 631 | 46 |
| 비교예 1 | 4.46 | 389 | 5.4 | 638 | 52 |
| 비교예 2 | 3.47 | 318 | 5.48 | 631 | 48 |
표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 보조 발광층을 포함하는 실시예 1 및 실시예 2의 양자점 발광소자는, 비교예 1 및 비교예 2와 비교하였을 때, 외부 양자 효율 및 휘도가 상승하고, 구동 전압은 감소되었으며, 좁은 반치폭을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 상기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 보조 발광층의 포함 유무를 제외한 조건이 동일한 실시예 1 및 비교예 1의 결과를 비교하면, 보조 발광층을 포함하는 실시예 1은 비교예 1의 양자점 발광 소자와 비교하여, 구동 전압이 5.4V에서 3.6V로 약 34% 정도 감소된 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1의 발광 소자는 비교예 1의 발광 소자 대비 휘도가 약 35% 정도 높고, 외부양자효율은 약 30% 정도 높은 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 발광 소자로부터 각각 발광된 광의 피크 파장 및 이의 반치폭을 측정한 결과, 실시예 1 및 비교예 1의 발광 소자로부터 각각 발광된 광의 피크 파장 및 반치폭은 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명에 따른 보조 발광층을 더 포함하더라도 발광 소자의 발광 피크 파장이 유지되며, 색순도가 높게 유지될 수 있음을 알 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 보조 발광층의 포함 유무를 제외한 조건이 동일한 실시예 2 및 비교예 2의 결과를 비교하면, 마찬가지로, 외부 양자 효율, 휘도, 구동 전압에 있어서, 실시예 2가 비교예 2 대비 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 추가적으로 실시예 2 및 비교예 2의 발광 소자로부터 각각 발광된 광의 피크 파장은 동일하나, 실시예 2로부터 발광된 광의 반치폭이 비교예 2 대비 좁은 것을 확인할 수 있다. 즉, 보조 발광층을 포함하는 경우, 높은 색순도를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 3: 양자점 발광 소자의 안정성 평가
실시예 1 및 비교예 1의 양자점 발광 소자의 안정성을 평가하기 위해 소자의 휘도 수명을 측정하였다. 휘도는 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 사용하여 실온에서 측정하였으며, 이의 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 양자점 발광 소자 각각의 휘도 수명 그래프이다. 도 8을 참조하면, 실시예 1의 양자점 발광 소자는 비교예 1의 양자점 발광 소자 대비 휘도 수명이 대폭 향상된 것을 확인할 수 있다.
상기 실험 결과를 정리하면, 본 발명에 따른 양자점 발광 소자는 양자점 발광층과 전자 수송층의 사이에, 양자점 대비 단파장의 광을 발광하는 물질 및/또는 전자 수송 물질 대비 HOMO 에너지 준위는 높고, LUMO 에너지 준위는 낮은 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층을 형성하여 발광층으로 정공과 전자가 균형있게 주입될 수 있도록 하고, 인가되는 전압을 조절하여 보조 발광층으로부터 양자점 발광층으로 에너지 전이를 유도함으로써 더 많은 양자점이 여기자를 형성할 수 있도록 하여 소자의 발광 특성이 크게 향상되는 효과를 제공한다. 궁극적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 낮은 구동 전압하에서도 발광 효율이 우수하여 소비전력을 저감하면서도 고품질의 표시 장치를 제공하는데 기여할 수 있다.
또한, 종래 양자점 발광 소자는 양자점 표면에 형성된 리간드의 탈착이나 열화(degradation)로 인한 수명 저하 및 소광(PL quenching) 현상으로 인한 문제점이 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 위와 같은 문제점을 해소하여 소자의 색순도를 높게 유지하면서 발광 효율이 개선되는 효과를 제공하고, 이에 더하여 휘도 수명을 크게 향상시킨다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 양자점 발광 소자는 다음과 같이 설명될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층 및 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고, 양자점 발광층의 발광 파장은 보조 발광층의 발광 파장보다 크다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 양자점 발광층의 발광 파장과 보조 발광층의 발광 파장의 차이는 50nm 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 보조 발광층은 두께가 15nm 이하이고, 양자점 발광층은 두께가 5nm 내지 50nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전자 수송층은 두께가 10nm 내지 200nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 양자점 발광층의 발광 파장은 500nm 내지 750nm이고, 보조 발광층의 발광 파장은 450nm 내지 590nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 도펀트는 N,N'-디메틸-퀴나크리돈(N,N'-dimethyl-quinacridone; DMQA), 쿠마린 545T, 쿠마린 545, 쿠마린 6, 9,10-비스[N,N-디-(p-톨릴)-아미노]안트라센(9,10-bis[N,N-di-(ptolyl)amino]anthracene; TTPA), 9,10-비스[페닐(m-톨릴)아미노]안트라센(9,10-bis[phenyl(m-tolyl)-amino]anthracene; TPA), 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(III)(tris(2-phenylpyridine)iridium(III); Ir(ppy)3) 비스(2-페닐피리딘)(아세틸아세토네이트)이리듐(ⅢⅢIr(ppy)2(acac)) 및 2,4,5,6-테트라(9H-카바졸-9-일)이소프탈로니트릴(2,4,5,6-Tetra(9H-carbazol-9-yl)isophthalonitrile; 4CzIPN) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 보조 발광층은 1종 이상의 호스트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 호스트는 전자 수송층을 구성하는 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 양자점 발광 소자는 인가되는 전압이 증가할 시, 발광존이 보조 발광층에서 양자점 발광층으로 쉬프트(shift)될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 보조 발광층은 양자점 발광층과 인접하는 전자 수송층의 계면부에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 도펀트는 전자 수송층의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 도펀트는 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위 보다 높은 HOMO 에너지 준위를 갖고, 양자점의 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위 보다 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 양자점 발광 소자는 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층 및 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고, 유기발광 도펀트는 전자 수송층의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 도펀트는 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위 보다 높은 HOMO 에너지 준위를 갖고, 양자점의 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위 보다 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위는 -6.2eV 내지 -5.7eV이고, 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위는 -4.2eV 내지 -3.7eV일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 발광 표시 장치는 복수의 서브 화소를 포함하고, 복수의 서브 화소 중 적어도 하나의 서브 화소는, 애노드, 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층, 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층, 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층 및 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하는 양자점 발광 소자를 포함하고, 양자점 발광층의 발광 파장은 보조 발광층의 발광 파장보다 크다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수의 서브 화소는 적색 서브 화소, 녹색 서브 화소 및 청색 서브 화소를 포함하고, 적색 서브 화소 및 녹색 서브 화소 중 적어도 하나의 서브 화소는 양자점 발광 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 유기 발광 도펀트는 전자 수송층의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질을 포함할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 제한되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 양자점 발광 소자 110, 210: 애노드
120, 220: 정공 주입층 130, 230: 정공 수송층
140, 240: 양자점 발광층 150, 250: 보조 발광층
160, 260: 전자 수송층 170, 270: 캐소드
A1: 제1 발광존 A2: 제2 발광존
300: 양자점 발광 표시 장치 310: 기판
320: 박막 트랜지스터 321: 게이트 전극
322: 액티브층 323: 소스 전극
324: 드레인 전극 331: 버퍼층
332: 게이트 절연층 333: 층간 절연층
334: 오버 코팅층 335: 뱅크
340: 발광 소자 341: 애노드
342: 정공 주입층 343: 정공 수송층
344: 양자점 발광층 345: 보조 발광층
346: 전자 수송층 347: 캐소드
340R: 적색 발광 소자 340G: 녹색 발광 소자
340B: 청색 발광 소자 R: 적색 서브 화소
G: 녹색 서브 화소 B: 청색 서브 화소
120, 220: 정공 주입층 130, 230: 정공 수송층
140, 240: 양자점 발광층 150, 250: 보조 발광층
160, 260: 전자 수송층 170, 270: 캐소드
A1: 제1 발광존 A2: 제2 발광존
300: 양자점 발광 표시 장치 310: 기판
320: 박막 트랜지스터 321: 게이트 전극
322: 액티브층 323: 소스 전극
324: 드레인 전극 331: 버퍼층
332: 게이트 절연층 333: 층간 절연층
334: 오버 코팅층 335: 뱅크
340: 발광 소자 341: 애노드
342: 정공 주입층 343: 정공 수송층
344: 양자점 발광층 345: 보조 발광층
346: 전자 수송층 347: 캐소드
340R: 적색 발광 소자 340G: 녹색 발광 소자
340B: 청색 발광 소자 R: 적색 서브 화소
G: 녹색 서브 화소 B: 청색 서브 화소
Claims (18)
- 애노드;
상기 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층;
상기 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층;
상기 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고,
상기 양자점 발광층의 발광 파장은 상기 보조 발광층의 발광 파장보다 큰 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 양자점 발광층의 발광 파장과 상기 보조 발광층의 발광 파장의 차이는 50nm 이상인 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 보조 발광층은 두께가 15nm 이하이고,
상기 양자점 발광층은 두께가 5nm 내지 50nm인 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 전자 수송층은 두께가 10nm 내지 200nm인 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 양자점 발광층의 발광 파장은 500nm 내지 750nm이고, 상기 보조 발광층의 발광 파장은 450nm 내지 590nm인 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 유기 발광 도펀트는 N,N'-디메틸-퀴나크리돈(N,N'-dimethyl-quinacridone; DMQA), 쿠마린 545T, 쿠마린 545, 쿠마린 6, 9,10-비스[N,N-디-(p-톨릴)-아미노]안트라센(9,10-bis[N,N-di-(ptolyl)amino]anthracene; TTPA), 9,10-비스[페닐(m-톨릴)아미노]안트라센(9,10-bis[phenyl(m-tolyl)-amino]anthracene; TPA), 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(III)(tris(2-phenylpyridine)iridium(III); Ir(ppy)3) 비스(2-페닐피리딘)(아세틸아세토네이트)이리듐(ⅢⅢIr(ppy)2(acac)) 및 2,4,5,6-테트라(9H-카바졸-9-일)이소프탈로니트릴(2,4,5,6-Tetra(9H-carbazol-9-yl)isophthalonitrile; 4CzIPN) 중에서 선택된 1종 이상인 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 보조 발광층은 1종 이상의 호스트를 더 포함하는 양자점 발광 소자. - 제7 항에 있어서,
상기 호스트는 전자 수송층을 구성하는 물질과 동일한 물질을 포함하는 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 양자점 발광 소자는 인가되는 전압이 증가할 시, 발광존이 상기 보조 발광층에서 상기 양자점 발광층으로 쉬프트(shift)되는 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 보조 발광층은 상기 양자점 발광층과 인접하는 상기 전자 수송층의 계면부에 형성되는 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 유기 발광 도펀트는 상기 전자 수송층의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질을 포함하는 양자점 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 유기 발광 도펀트는 상기 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위 보다 높은 HOMO 에너지 준위를 갖고, 상기 양자점의 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위 보다 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 양자점 발광 소자. - 애노드;
상기 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층;
상기 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층;
상기 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하고,
상기 유기 발광 도펀트는 상기 전자 수송층의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질을 포함하는 양자점 발광 소자. - 제13 항에 있어서,
상기 유기 발광 도펀트는 상기 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위 보다 높은 HOMO 에너지 준위를 갖고, 상기 양자점의 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위 보다 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 양자점 발광 소자. - 제14 항에 있어서,
상기 양자점의 가전자대(Valance Band, VB) 에너지 준위는 -6.2eV 내지 -5.7eV이고, 전도대(Conduction Band, CB) 에너지 준위는 -4.2eV 내지 -3.7eV인 양자점 발광 소자. - 복수의 서브 화소를 포함하는 양자점 발광 표시 장치로서,
상기 복수의 서브 화소 중 적어도 하나의 서브 화소는,
애노드;
상기 애노드 상에 배치되고 양자점을 포함하는 양자점 발광층;
상기 양자점 발광층 상에 배치되고 유기 발광 도펀트를 포함하는 보조 발광층;
상기 보조 발광층 상에 배치되는 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 배치되는 캐소드를 포함하는 양자점 발광 소자를 포함하고,
상기 양자점 발광층의 발광 파장은 상기 보조 발광층의 발광 파장보다 큰 양자점 발광 표시 장치. - 제16 항에 있어서,
상기 복수의 서브 화소는 적색 서브 화소, 녹색 서브 화소 및 청색 서브 화소를 포함하고,
상기 적색 서브 화소 및 상기 녹색 서브 화소 중 적어도 하나의 서브 화소가 상기 양자점 발광 소자를 포함하는 양자점 발광 표시 장치. - 제16 항에 있어서,
상기 유기 발광 도펀트는 상기 전자 수송층의 전자 수송 물질 보다 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높고, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular orbital) 에너지 준위는 낮은 물질을 포함하는 양자점 발광 소자.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022255606A1 (ko) * | 2021-06-01 | 2022-12-08 | 덕산네오룩스 주식회사 | 양자점 발광소자용 화합물, 이를 이용한 양자점 발광소자 및 그 전자장치 |
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2019
- 2019-10-11 KR KR1020190126112A patent/KR20210043213A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022255606A1 (ko) * | 2021-06-01 | 2022-12-08 | 덕산네오룩스 주식회사 | 양자점 발광소자용 화합물, 이를 이용한 양자점 발광소자 및 그 전자장치 |
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