KR20210103630A

KR20210103630A - 양자점 및 이를 포함하는 발광 소자

Info

Publication number: KR20210103630A
Application number: KR1020200017912A
Authority: KR
Inventors: 남민기; 고윤혁; 김성운; 배완기; 이수호; 정병국; 정연구
Original assignee: 삼성디스플레이 주식회사; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-08-24
Also published as: CN113249111A; US20210257573A1; KR102696701B1; US11882712B2

Abstract

일 실시예의 양자점은 코어 및 코어를 감싸는 복수의 쉘층을 포함하고, 코어의 밴드갭은 최외곽 쉘층의 밴드갭보다 작고, 최외곽 쉘층의 밴드갭은 제2 쉘층의 밴드갭보다 작은 것으로, 일 실시예의 양자점을 포함하는 발광 소자는 개선된 소자 수명 및 우수한 발광 효율 특성을 나타낼 수 있다.

Description

양자점 및 이를 포함하는 발광 소자 {QUANTUM DOT AND LIGHTING EMITTING DEVICE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 양자점 및 이를 포함하는 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코어 및 복수의 쉘층을 포함하는 양자점 및 이를 포함하는 발광 소자에 관한 것이다.

텔레비전, 휴대 전화, 태블릿 컴퓨터, 내비게이션, 게임기 등과 같은 멀티 미디어 장치에 사용되는 다양한 표시 장치들이 개발되고 있다. 이러한 표시 장치에서는 유기 화합물을 포함하는 발광 재료를 발광시켜서 표시를 실현하는 소위 자발광형의 표시 소자를 사용하고 있다.

또한, 표시 장치의 색재현성을 개선하기 위하여 양자점을 발광 재료로 사용한 발광 소자에 대한 개발이 진행되고 있으며, 양자점을 이용한 발광 소자의 수명 및 발광 효율을 개선하는 것이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 코어 및 복수의 쉘층을 포함하여 전하 주입이 용이한 양자점을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 복수의 쉘층을 포함하는 양자점을 포함하여 개선된 소자 수명 및 발광 효율을 나타내는 발광 소자를 제공하는 것이다.

일 실시예는 코어 및 상기 코어를 순차적으로 감싸는 N개의 쉘층을 포함하고, 상기 코어 및 상기 쉘층의 밴드갭은 하기 식 1의 관계를 만족하는 양자점을 제공한다.

[식 1]

BG₀ < BG_N < BG₂

상기 식 1에서, BG₀는 상기 코어의 밴드갭, BG₂는 2번째 상기 쉘층의 밴드갭, BG_N은 N번째 상기 쉘층의 밴드갭이며, N은 3 이상의 정수이다.

상기 N번째 쉘층의 밴드갭은 N-1번째 쉘층의 밴드갭보다 작은 것일 수 있다.

상기 2번째 쉘층의 두께는 상기 N개의 쉘층의 두께 중 가장 얇은 것일 수 있다.

상기 제1 쉘층은 ZnSe, ZnS, ZnTe, GaP, GaSe, InSe, InS, AlP, AlSe, AlS 및 GaN 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층은 동일한 재료를 포함하는 것일 수 있다.

상기 코어는 InP, ZnP, GaP, ZnSe, ZnTe, 및 AlP 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

다른 일 실시예는 코어; 상기 코어를 감싸는 제1 쉘층; 상기 제1 쉘층을 감싸는 제2 쉘층; 및 상기 제2 쉘층을 감싸는 제3 쉘층; 을 포함하고, 상기 제2 쉘층의 밴드갭은 상기 제1 쉘층의 밴드갭 및 상기 제3 쉘층의 밴드갭보다 크고, 상기 제2 쉘층의 두께는 각각 상기 제1 쉘층의 두께 및 상기 제3 쉘층의 두께 보다 얇은 것인 양자점을 제공한다.

상기 제2 쉘층의 두께는 0.3 nm 이상 2 nm 이하일 수 있다.

상기 제3 쉘층을 감싸는 복수 개의 쉘들을 더 포함하고, 상기 복수 개의 쉘들은 각각 상기 제3 쉘층의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 갖는 것일 수 있다.

일 실시예는 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 복수 개의 양자점들을 포함하는 발광층; 을 포함하고, 상기 복수 개의 양자점들은 코어; 및 상기 코어를 감싸는 제 1 쉘층; 상기 제1 쉘층을 감싸는 상기 제2 쉘층; 및 상기 제2 쉘층을 감싸는 제3 쉘층; 을 각각 포함하는 제1 양자점 및 제2 양자점을 포함하고, 이웃하는 상기 양자점들의 상기 코어 사이의 거리는 5 nm 이상 15 nm 이하인 발광 소자를 제공한다.

상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층의 두께는 각각 상기 제2 쉘층보다 두꺼운 것일 수 있다.

상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층은 각각 ZnSe를 포함하는 것일 수 있다.

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전자 수송 영역 및 정공 수송 영역을 더 포함하고, 상기 전자 수송 영역의 전자 및 상기 정공 수송 영역의 정공 중 적어도 하나가 상기 제3 쉘층으로 이동하는 것일 수 있다.

일 실시예의 양자점은 코어 및 N개 이상의 쉘층을 포함하고, N번째 쉘층의 밴드갭은 코어의 밴드갭보다 크고 제2 쉘층의 밴드갭보다 작은 것으로, 전하 주입이 용이한 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 일 실시예는 코어와 코어 사이의 거리가 증가된 복수 개의 양자점들을 포함하여 개선된 발광 효율 및 소자 수명을 나타내는 발광 소자를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예의 표시 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I'선에 대응하는 부분을 나타낸 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 4는 일 실시예의 양자점을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3의 AA영역에 대응하는 부분을 나타낸 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 양자점의 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 양자점의 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소(또는 영역, 층, 부분 등)가 다른 구성요소 "상에 있다", "연결 된다", 또는 "결합된다"고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 배치/연결/결합될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 배치될 수도 있다는 것을 의미한다.

한편, 본 출원에서 "직접 배치"된다는 것은 층, 막, 영역, 판 등의 부분과 다른 부분 사이에 추가되는 층, 막, 영역, 판 등이 없는 것을 의미하는 것일 수 있다. 예를 들어, "직접 배치"된다는 것은 두 개의 층 또는 두 개의 부재들 사이에 접착 부재 등의 추가 부재를 사용하지 않고 배치하는 것을 의미하는 것일 수 있다.

동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

"및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, "아래에", "하측에", "위에", "상측에" 등의 용어는 도면에 도시된 구성들의 연관관계를 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 상대적인 개념으로, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명된다. 본 명세서에서 "상에 배치되는" 것은 어느 하나의 부재의 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 나타내는 것일 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어 (기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 이상적인 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않는 한, 명시적으로 여기에서 정의된 것으로 해석된다.

"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 및 이를 포함하는 발광 소자에 대하여 설명한다.

도 1은 일 실시예에 따른 표시 장치(DD)를 나타낸 것이다. 도 2는 도 1의 I-I'선에 대응하는 부분을 나타낸 것으로, 일 실시예에 따른 표시 장치(DD)의 단면도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 발광 소자(ED)의 단면도이다. 도 4는 일 실시예에 따른 양자점(QD)을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1에서는 표시 장치(DD)로 휴대용 전자 기기를 예시적으로 도시하였다. 하지만, 표시 장치(DD)는 텔레비전, 모니터, 또는 외부 광고판과 같은 대형 전자장치를 비롯하여, 퍼스널 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 개인 디지털 단말기, 자동차 내비게이션 유닛, 게임기, 스마트폰, 태블릿, 및 카메라와 같은 중소형 전자 장치 등에 사용될 수도 있다. 또한, 이것들은 단지 실시예로서 제시된 것들로서, 본 발명의 개념에서 벗어나지 않은 이상 다른 전자 기기에도 채용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 표시 장치(DD)는 표시면(IS)을 통해 영상(IM)을 표시할 수 있다. 표시면(IS)은 영상(IM)이 표시되는 표시 영역(DA) 및 표시 영역(DA)에 인접한 비표시 영역(NDA)을 포함한다. 비표시 영역(NDA)은 영상이 표시되지 않는 영역이다.

표시 영역(DA)은 사각 형상일 수 있다. 비표시 영역(NDA)은 표시 영역(DA)을 에워쌀 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 표시 영역(DA)의 형상과 비표시 영역(NDA)의 형상은 상대적으로 디자인될 수 있다. 또한, 표시 장치(DD)의 전면에 비표시 영역(NDA)이 존재하지 않을 수도 있다.

일 실시예에 따른 표시 장치(DD)는 표시 패널(DP) 및 표시 패널(DP) 상에 배치된 광제어층(PP)을 포함할 수 있다. 표시 패널(DP)은 표시 소자층(DP-EL)을 포함할 수 있다. 표시 소자층(DP-EL)은 발광 소자(ED)를 포함한다.

표시 장치(DD)는 복수 개의 발광 소자들(ED)을 포함할 수 있다. 광제어층(PP)은 표시 패널(DP) 상에 배치되어 외부광에 의한 표시 패널(DP)에서의 반사광을 제어할 수 있다. 광제어층(PP)은 예를 들어, 편광층을 포함하는 것이거나 또는 컬러필터층을 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예의 표시 장치(DD)에서 표시 패널(DP)은 발광형 표시 패널일 수 있다. 예를 들어, 표시 패널(DP)은 양자점 발광 소자를 포함하는 양자점 발광 표시 패널일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.

표시 패널(DP)은 베이스 기판(BS), 베이스 기판(BS) 상에 배치된 회로층(DP-CL), 및 회로층(DP-CL) 상에 배치된 표시 소자층(DP-EL)을 포함하는 것일 수 있다.

베이스 기판(BS)은 표시 소자층(DP-EL)이 배치되는 베이스 면을 제공하는 부재일 수 있다. 베이스 기판(BS)은 유리기판, 금속기판, 플라스틱기판 등일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 베이스 기판(BS)은 무기층, 유기층 또는 복합재료층일 수 있다. 베이스 기판(BS)은 용이하게 벤딩되거나 폴딩될 수 있는 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다.

일 실시예에서 회로층(DP-CL)은 베이스 기판(BS) 상에 배치되고, 회로층(DP-CL)은 복수의 트랜지스터들(미도시)을 포함하는 것일 수 있다. 트랜지스터들(미도시)은 각각 제어 전극, 입력 전극, 및 출력 전극을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 회로층(DP-CL)은 표시 소자층(DP-EL)의 발광 소자(ED)를 구동하기 위한 스위칭 트랜지스터 및 구동 트랜지스터를 포함하는 것일 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 발광 소자(ED)를 나타낸 도면으로, 도 3을 참조하면 일 실시예에 따른 발광 소자(ED)는 제1 전극(EL1), 제1 전극(EL1)과 마주하는 제2 전극(EL2), 및 제1 전극(EL1)과 제2 전극(EL2) 사이에 배치되고 발광층(EL)을 포함하는 복수 개의 기능층들을 포함한다.

복수 개의 기능층들은 제1 전극(EL1)과 발광층(EL) 사이에 배치된 정공 수송 영역(HTR) 및 발광층(EL)과 제2 전극(EL2) 사이에 배치된 전자 수송 영역(ETR)을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나 일 실시예에서 제2 전극(EL2) 상에는 캡핑층(미도시)이 더 배치될 수 있다.

정공 수송 영역(HTR)과 전자 수송 영역(ETR)은 각각 적어도 하나의 서브 기능층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 정공 수송 영역(HTR)은 서브 기능층으로 정공 주입층(HIL) 및 정공 수송층(HTL) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 전자 수송 영역(ETR)은 서브 기능층으로 전자 주입층(EIL) 및 전자 수송층(ETL) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

정공 수송 영역(HTR)은 하나의 기능층으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 정공 수송 영역(HTR)은 정공 주입층(HIL) 또는 정공 수송층(HTL)만을 포함할 수 있다. 또한, 전자 수송 영역(ETR)은 하나의 기능층으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 전자 수송 영역(ETR)은 전자 주입층(EIL) 또는 전자 수송층(ETL)만을 포함할 수 있다. 한편, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 정공 수송 영역(HTR)은 전자 저지층(미도시) 등을 서브 기능층으로 더 포함할 수 있고, 전자 수송 영역(ETR)은 정공 저지층(미도시) 등을 서브 기능층으로 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 발광 소자(ED)에서 제1 전극(EL1)은 도전성을 갖는다. 제1 전극(EL1)은 금속 합금 또는 도전성 화합물로 형성될 수 있다. 제1 전극(EL1)은 애노드(anode)일 수 있다. 제1 전극(EL1)은 화소 전극일 수 있다.

일 실시예에 따른 발광 소자(ED)에서 제1 전극(EL1)은 반사형 전극일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 전극(EL1)은 투과형 전극 또는 반투과형 전극 등일 수 있다. 제1 전극(EL1)이 반투과형 전극 또는 반사형 전극인 경우, 제1 전극(EL1)은 Ag, Mg, Cu, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr, Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Mo, Ti 또는 이들의 화합물이나 혼합물(예를 들어, Ag와 Mg의 혼합물)을 포함할 수 있다. 또는 상기의 예시된 물질로 형성된 반사막이나 반투과막 및 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 등으로 형성된 투명 도전막을 포함하는 복수의 층 구조일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(EL1)은 다층 금속막일 수 있으며 ITO/Ag/ITO의 금속막이 적층된 구조일 수 있다.

정공 수송 영역(HTR)은 제1 전극(EL1) 상에 제공된다. 정공 수송 영역(HTR)은 정공 주입층(HIL) 및 정공 수송층(HTL) 등을 포함할 수 있다. 또한, 정공 수송 영역(HTR)은 정공 주입층(HIL) 및 정공 수송층(HTL) 외에, 정공 버퍼층(미도시) 및 전자 저지층(미도시) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 정공 버퍼층(미도시)은 발광층(EL)에서 방출되는 광의 파장에 따른 공진 거리를 보상하여 광 방출 효율을 증가시킬 수 있다. 정공 버퍼층(미도시)에 포함되는 물질로는 정공 수송 영역(HTR)에 포함될 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 전자 저지층(미도시)은 전자 수송 영역(ETR)으로부터 정공 수송 영역(HTR)으로의 전자 주입을 방지하는 역할을 하는 층이다.

정공 수송 영역(HTR)은 단일 물질로 이루어진 단일층, 복수의 서로 다른 물질로 이루어진 단일층 또는 복수의 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 층을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 정공 수송 영역(HTR)은, 복수의 서로 다른 물질로 이루어진 단일층들의 구조를 갖거나, 제1 전극(EL1)으로부터 차례로 적층된 정공 주입층(HIL)/정공 수송층(HTL), 정공 주입층(HIL)/정공 수송층(HTL)/정공 버퍼층(미도시), 정공 주입층(HIL)/정공 버퍼층(미도시), 정공 수송층(HTL)/정공 버퍼층(미도시), 정공 버퍼층(미도시)/정공 수송층(HTL), 정공 주입층(HIL)/정공 수송층(HTL)/전자 저지층(미도시), 또는 정공 버퍼층(미도시)/정공 주입층(HIL)/정공 수송층(HTL) 등의 구조를 가질 수 있으나, 실시예가 한정되는 것은 아니다.

정공 수송 영역(HTR)은, 진공 증착법, 스핀 코팅법, 캐스트법, LB법(Langmuir-Blodgett), 잉크젯 프린팅법, 레이저 프린팅법, 레이저 열전사법(Laser Induced Thermal Imaging, LITI) 등과 같은 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.

정공 주입층(HIL)은 예를 들어, 구리프탈로시아닌(copper phthalocyanine) 등의 프탈로시아닌(phthalocyanine) 화합물, DNTPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]-biphenyl-4,4'-diamine), m-MTDATA(4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino) triphenylamine), TDATA(4,4'4"-Tris(N,N-diphenylamino)triphenylamine), 2-TNATA(4,4',4"-tris{N,-(2-naphthyl)-N-phenylamino}-triphenylamine), PEDOT/PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate)), PANI/DBSA(Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid), PANI/CSA(Polyaniline/Camphor sulfonicacid), PANI/PSS((Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate)), NPB(N,N'-di(naphthalene-l-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine), 트리페닐아민을 포함하는 폴리에테르케톤(TPAPEK), 4-Isopropyl-4'-methyldiphenyliodonium Tetrakis(pentafluorophenyl)borate], HAT-CN(dipyrazino[2,3-f: 2',3'-h] quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile) 등을 포함할 수 있다.

정공 수송층(HTL)은 예를 들어, N-페닐카바졸, 폴리비닐카바졸 등의 카바졸계 유도체, 플루오렌(fluorene)계 유도체, TPD(N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenyl-[1,1-biphenyl]-4,4'-diamine), TCTA(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)triphenylamine) 등과 같은 트리페닐아민계 유도체, NPB(N,N'-di(naphthalene-l-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine), TAPC(4,4′-Cyclohexylidene bis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine]), HMTPD(4,4'-Bis[N,N'-(3-tolyl)amino]-3,3'-dimethylbiphenyl), mCP(1,3-Bis(N-carbazolyl)benzene) 등을 포함할 수 있다.

발광층(EL)은 정공 수송 영역(HTR) 상에 제공된다. 일 실시예에 따른 발광 소자(ED)에서 발광층(EL)은 복수 개의 양자점(QD)들을 포함하는 것일 수 있다.

양자점(QD)은 코어(CO) 및 코어(CO)를 감싸는 N개의 쉘층을 포함하는 것일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 코어(CO)의 밴드갭(BG₀) 및 쉘층의 밴드갭(BG₂, BG_N)은 하기 식 1의 관계를 만족하는 것일 수 있다.

[식 1]

BG₀< BG_N < BG₂

코어(CO)의 밴드갭(BG₀)은 N번째 쉘층의 밴드갭(BG_N)보다 작고, N번째 쉘층의 밴드갭(BG_N)은 제2 쉘층(SH2)의 밴드갭(BG₂)보다 작은 것일 수 있다. 제2 쉘층(SH2)은 제1 쉘층(SH1)을 감싸는 것일 수 있고, 제1 쉘층(SH1)은 코어(CO)를 감싸는 것일 수 있다.

식 1과 각각의 밴드갭(BG₀, BG₂, BG_N)에 대해서는 이후 도 6 및 도 7에서 보다 자세히 설명한다.

도 3에서는 예시적으로 단면이 원형을 이루는 양자점들(QD)이 서로 이웃하면서 2개의 층을 이루는 것으로 도시되었으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 발광층(EL)의 두께, 발광층(EL)에 포함된 양자점(QD)의 형상, 양자점들(QD)의 평균 직경 등에 따라 양자점들(QD)의 배열이 달라질 수 있다. 구체적으로 양자점들(QD)은 도 3에 도시된 것과 달리 불규칙하게 배열될 수 있다. 또는, 양자점들(QD)이 서로 이웃하지 않도록 일정한 간격을 두고 배열될 수 있다.

발광층(EL)은 예를 들어 약 10nm 내지 약 50nm의 두께를 갖는 것일 수 있다. 상술한 바와 같이 발광층(EL)은 일 실시예의 양자점들(QD)을 포함하는 것일 수 있다.

도 3에서는 양자점(QD)을 개략적으로 도시하였고, 일 실시예에 따른 양자점(QD)의 구조를 도 4에 도시하였다.

도 4를 참조하면, 일 실시예의 양자점(QD)은 코어(CO), 제1 쉘층(SH1), 제2 쉘층(SH2), 및 제3 쉘층(SH3)을 포함하는 것일 수 있다. 제1 쉘층(SH1)은 코어(CO)를 감싸는 것일 수 있고, 제2 쉘층(SH2)은 제1 쉘층(SH1)을 감싸는 것일 수 있다. 또한, 제3 쉘층(SH3)은 제2 쉘층(SH2)을 감싸는 것일 수 있다. 도 4에서는 3개의 쉘층이 코어(CO)를 감싸는 것으로 도시하였으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 양자점(QD)은 코어 및 코어를 감싸는 4개의 쉘층을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 양자점(QD)은 제3 쉘층(SH3)을 감싸는 제4 쉘층을 더 포함하는 것일 수 있다. 또한, 별도로 도시하지 않았으나, 양자점(QD)은 양자점 표면에 결합되는 리간드를 더 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예의 코어(CO)는 II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 원소, IV족 화합물 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다.

II-VI족 화합물은 CdSe, CdTe, CdS, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

I-III-VI족 화합물은 AgInS2, CuInS2, AgGaS2, CuGaS2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물, 또는 AgInGaS2, CuInGaS2 등의 사원소 화합물로부터 선택될 수 있다.

III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InGaP, InAlP, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNP, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 한편, III-V족 화합물은 II족 금속을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, III- II-V족 화합물로 InZnP 등이 선택될 수 있다.

IV-VI족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. IV족 원소로는 Si, Ge 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. IV족 화합물로는 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물일 수 있다.

일 실시예의 따른 제1 쉘층(SH1)은 ZnSe, ZnS, ZnTe, GaP, GaSe, InSe, InS, AlP, AlSe, AlS 및 GaN 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 쉘층(SH1)은 ZnSe를 포함하는 것일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

일 실시예의 코어(CO)는 InP를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 코어(CO)는 InP, InZnP, InGaP, 및 InAlP 중 적어도 하나를 포함하고, 제1 쉘층(SH1)은 ZnSe 및 GaP 중 적어도 하나를 포함하고, 제2 쉘층(SH2)은 ZnS 및 GaN 중 적어도 하나를 포함하고, 제3 쉘층(SH3)은 ZnSe 및 GaP 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 이와 달리, 일 실시예의 코어(CO)는 ZnSe를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 코어(CO)는 ZnTeSe를 포함하고, 제1 쉘층(SH1) 및 제3 쉘층(SH3)은 ZnSe를 포함하고, 제2 쉘층(SH2)은 ZnS를 포함하는 것일 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것이며, 실시예가 이에 한정되지 않는다.

한편, 코어(CO)에 포함된 재료와 쉘층(SH1, SH2, SH3)에 포함된 재료는 상이한 것일 수 있다. 쉘층(SH1, SH2, SH3)의 재료는 서로 동일하거나 상이한 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 쉘층(SH1) 및 제3 쉘층(SH3)의 재료는 동일한 것일 수 있다.

도 4를 참조하면, 코어(CO)는 중심부(CRP)를 포함하는 것일 수 있고, 중심부(CRP)로부터 코어(CO) 표면까지의 거리(R₀)를 도시하였다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 양자점(QD)의 형태가 구형인 경우에는 중심부(CRP)로부터 코어(CO) 표면까지의 거리(R₀)가 구의 반지름일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

일 실시예에 따르면, 제2 쉘층(SH2)의 두께(TH₂)는 제1 쉘층(SH1)의 두께(TH₁) 및 제3 쉘층(SH3)의 두께(TH₃)보다 얇은 것일 수 있다. 제2 쉘층(SH2)의 두께(TH₂)는 0.3 nm 이상 2 nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 제2 쉘층(SH2)의 두께(TH₂)는 1.5 nm 이고, 제1 쉘층(SH1)의 두께(TH₁) 및 제3 쉘층(SH3)의 두께(TH₃)는 4 nm 로 동일한 것일 수 있다. 또는 제2 쉘층(SH2)의 두께(TH₂)는 1.5 nm이고, 제1 쉘층(SH1)의 두께(TH₁)는 4 nm 이고, 제3 쉘층(SH3)의 두께(TH₃)는 6 nm일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 코어(CO)와 제2 쉘층(SH2) 사이에 존재하는 제1 쉘층(SH1)은 코어(CO)와 제2 쉘층(SH2) 사이의 격자상수 차이에 의해 발생하는 스트레스를 완화할 수 있다. 제3 쉘층(SH3)은 양자점(QD)의 크기를 증가시켜서, 이웃하는 양자점들(QD) 간의 에너지 전달에 의한 양자점 효율저하 현상을 완화할 수 있다. 일 실시예의 따른 양자점들(QD)은 복수 개의 쉘층을 포함하여 발광 소자의 수명 및 발광 효율 저하를 개선할 수 있다.

도 5는 도 3의 AA영역에 대응하는 부분을 확대하여 나타낸 것으로, 서로 이웃하는 제1 양자점(QD-1) 및 제2 양자점(QD-2)을 도시하였다. 제1 양자점(QD-1) 및 제2 양자점(QD-2)은 상술한 바와 같이 각각 코어(CO-1, CO-2), 제1 쉘층(SH1-1, SH1-2), 제2 쉘층(SH2-1, SH2-2), 및 제3 쉘층(SH3-1, SH3-2)을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 제1 양자점(QD-1)의 코어(CO-1)는 제1 중심부(CRP-1)를 포함하고, 제2 양자점(QD-2)의 코어(CO-2)는 제2 중심부(CRP-2)를 포함하는 것일 수 있다.

제1 중심부(CRP-1)와 제2 중심부(CRP-2) 사이의 거리(DI)는 5 nm 이상 15 nm 이하일 수 있다. 즉, 제1 중심부(CRP-1)로부터 제2 중심부(CRP-2)까지의 최소 거리(DI)는 5 nm 일 수 있다.

제1 중심부(CRP-1)와 제2 중심부(CRP-2) 사이의 거리(DI)는 코어(CO)를 감싸는 쉘층(SH1, SH2, SH3)의 두께에 따라 달라지는 것일 수 있다. 도 4 및 도 5에서는 3개의 쉘층을 도시하였으나, 복수의 쉘층을 더 포함하는 경우에 제1 중심부(CRP-1)와 제2 중심부(CRP-2) 사이의 거리(DI)는 증가될 수 있다.

한편, 도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 양자점(QD)의 에너지(Energy) 준위를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 양자점(QD)의 반지름(radius)에 따른 코어(CO)의 에너지 준위 및 쉘층(SH1, SH2, SH3)의 에너지 준위를 나타낸 것이다. 즉, 양자점(QD)의 중심부(CRP)로부터의 거리에 따른 에너지 준위를 나타낸 것으로, 밴드갭(BG₀, BG₁, BG₂, BG₃, … BG_N-1, BG_N)을 도시하였다.

밴드갭(BG₀, BG₁, BG₂, BG₃, … BG_N-1, BG_N)은 각각의 전도대(Conduction band) 에너지 준위와 가전자대(Valence band) 에너지 준위의 차이를 나타낸 것이다. 도 6에서는 코어(CO)의 밴드갭(BG₀), 제1 쉘층(SH1)의 밴드갭(BG₁), 제2 쉘층(SH2)의 밴드갭(BG₂), 및 제3 쉘층(SH3)의 밴드갭(BG₃)을 도시하였다. 도 7에서는 코어(CO)의 밴드갭(BG₀), 제1 쉘층(SH1)의 밴드갭(BG₁), 제2 쉘층(SH2)의 밴드갭(BG₂), N-1번째 쉘층의 밴드갭(BG_N-1), 및 N번째 쉘층의 밴드갭(BG_N)을 도시하였다. 이는 예시적으로 도시한 것으로, 코어(CO) 및 쉘층(SH1, SH2, SH3)에 포함된 재료에 따라 상이한 에너지 준위 값을 나타낼 수 있으나, 그 경향성은 동일하게 적용될 수 있다.

도 6을 참조하면, 코어(CO)의 밴드갭(BG₀)은 제1 쉘층(SH1)의 밴드갭(BG₁), 제2 쉘층(SH2)의 밴드갭(BG₂), 및 제3 쉘층(SH3)의 밴드갭(BG₃)보다 작은 것일 수 있다. 즉, 코어(CO) 및 쉘층(SH1, SH2, SH3)의 밴드갭(BG₀, BG₁, BG₂, BG₃) 중 코어(CO)의 밴드갭(BG₀)이 가장 작은 값을 나타낼 수 있다. 제2 쉘층의 밴드갭(BG₂)은 코어(CO)의 밴드갭(BG₀) 및 제3 쉘층(SH3)의 밴드갭(BG₃)보다 큰 것일 수 있다.

또한, 일 실시예의 코어(CO) 및 코어(CO)를 감싸는 N개의 쉘층을 포함하는 양자점(QD)은 전술한 식 1의 관계를 만족하는 것일 수 있다.

[식 1]

BG₀ < BG_N < BG₂

코어(CO)의 밴드갭(BG₀)은 N번째 쉘층의 밴드갭(BG_N) 보다 작고, N번째 쉘층의 밴드갭(BG_N)은 제2 쉘층(SH2)의 밴드갭(BG₂)보다 작은 것일 수 있다. 또한, N번째 쉘층의 밴드갭(BG_N)은 N-1번째 쉘층의 밴드갭(BG_N-1)보다 작은 것일 수 있다.

복수의 쉘층을 포함하는 경우에 복수의 쉘층의 밴드갭은 각각 제2 쉘층(SH2)의 밴드갭(BG₂)보다 작은 것일 수 있고, 복수의 쉘층의 밴드갭은 각각 이전 쉘층의 밴드갭보다 작은 것일 수 있다. 복수의 쉘층의 밴드갭은 코어(CO)의 밴드갭(BG₀)보다 큰 것일 수 있다. 예를 들어, N이 5인 양자점의 경우, 제3 쉘층을 감싸는 제4 쉘층 및 제4 쉘층을 감싸는 제5 쉘층을 포함할 수 있다. 제4 쉘층의 밴드갭은 제3 쉘층의 밴드갭보다 작고, 제5 쉘층의 밴드갭은 제4 쉘층의 밴드갭보다 작은 것일 수 있다. N이 5인 경우를 예시적으로 설명하였으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. N은 3 이상의 정수로, 일 실시예의 양자점은 복수 개의 쉘층을 포함하며, 코어 및 복수 개의 쉘층은 식 1의 관계를 만족하는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 정공 수송 영역(HTR)의 정공(hole) 및 후술하는 전자 수송 영역(ETR)의 전자(electron) 중 적어도 하나는 제3 쉘층(SH3)으로 이동하는 것일 수 있다. 정공 수송 영역(HTR) 정공 및 후술하는 전자 수송 영역(ETR)의 전자 중 적어도 하나는 N번째 쉘층으로 이동하는 것일 수 있다. 즉, 정공 수송 영역(HTR)의 정공 및 후술하는 전자 수송 영역(ETR)의 전자 중 적어도 하나는 밴드갭이 가장 작은 쉘층으로 이동하는 것일 수 있다. 예를 들어, 5개의 쉘층을 포함하는 양자점의 경우, 정공 수송 영역(HTR)의 정공 및 후술하는 전자 수송 영역(ETR)의 전자 중 적어도 하나는 5번째 쉘층으로 이동하는 것일 수 있다.

한편, 양자점(QD)은 입자 크기에 따라 방출하는 광의 색상을 조절 할 수 있으며, 이에 따라 양자점(QD)은 청색, 적색, 녹색 등 다양한 발광 색상을 가질 수 있다. 양자점(QD)의 입자 크기가 작을수록 단파장 영역의 광을 발광하는 것일 수 있다. 예를 들어, 동일한 코어(CO)를 갖는 양자점(QD)에서 녹색광을 방출하는 양자점의 입자 크기는 적색광을 방출하는 양자점의 입자 크기 보다 작은 것일 수 있다. 또한, 동일한 코어(CO)를 갖는 양자점(QD)에서 청색광을 방출하는 양자점의 입자 크기는 녹색광을 방출하는 양자점의 입자 크기 보다 작은 것일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 코어(CO)를 갖는 양자점(QD)에서도 쉘층(SH1, SH2, SH3)의 형성 재료 및 쉘층(SH1, SH2, SH3) 두께 등에 따라 입자 크기가 조절될 수 있다.

양자점(QD)이 청색, 적색, 녹색 등 다양한 발광 색상을 가질 경우 상이한 발광 색을 갖는 양자점(QD)은 코어의 재료가 서로 상이한 것일 수 있다.

한편, 일 실시예의 발광 소자(ED)에서 발광층(EL)은 호스트 및 도펀트를 포함하는 것일 수 있다. 일 실시예에서 발광층(EL)은 양자점(QD)을 도펀트 재료로 포함하는 것일 수 있다. 또한, 일 실시예에서 발광층(EL)은 호스트 재료를 더 포함할 수 있다.

일 실시예의 발광 소자(ED)에서 발광층(EL)은 형광 발광하는 것일 수 있다. 예를 들어, 양자점(QD)은 형광 도펀트 재료로 사용될 수 있다.

발광층(EL)은 진공 증착법, 스핀 코팅법, 캐스트법, LB법(Langmuir-Blodgett), 잉크젯 프린팅법, 레이저 프린팅법, 레이저 열전사법(Laser Induced Thermal Imaging, LITI) 등과 같은 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.

일 실시예의 발광 소자(ED)에서, 전자 수송 영역(ETR)은 발광층(EL) 상에 제공된다. 전자 수송 영역(ETR)은 정공 저지층(미도시), 전자 수송층(ETL) 및 전자 주입층(EIL) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

전자 수송 영역(ETR)은 단일 물질로 이루어진 단일층, 복수의 서로 다른 물질로 이루어진 단일층 또는 복수의 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 층을 갖는 다층 구조를 가질 수 있다.

예를 들어, 전자 수송 영역(ETR)은 전자 주입층(EIL) 또는 전자 수송층(ETL)의 단일층의 구조를 가질 수도 있고, 전자 주입 물질과 전자 수송 물질로 이루어진 단일층 구조를 가질 수도 있다. 또한, 전자 수송 영역(ETR)은, 복수의 서로 다른 물질로 이루어진 단일층의 구조를 갖거나, 발광층(EL)으로부터 차례로 적층된 전자 수송층(ETL)/전자 주입층(EIL), 정공 저지층(미도시)/전자 수송층(ETL)/전자 주입층(EIL) 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전자 수송 영역(ETR)의 두께는 예를 들어, 약 200Å 내지 약 1500Å인 것일 수 있다.

전자 수송 영역(ETR)은, 진공 증착법, 스핀 코팅법, 캐스트법, LB법(Langmuir-Blodgett), 잉크젯 프린팅법, 레이저 프린팅법, 레이저 열전사법(Laser Induced Thermal Imaging, LITI) 등과 같은 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.

전자 수송 영역(ETR)이 전자 수송층(ETL)을 포함할 경우, 전자 수송 영역(ETR)은 안트라센계 화합물을 포함하는 것일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전자 수송 영역은 예를 들어, Alq₃(Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum), 1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene, 2,4,6-tris(3'-(pyridin-3-yl)biphenyl-3-yl)-1,3,5-triazine, 2-(4-(N-phenylbenzoimidazolyl-1-ylphenyl)-9,10-dinaphthylanthracene, TPBi(1,3,5-Tri(1-phenyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)phenyl), BCP(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), Bphen(4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline), TAZ(3-(4-Biphenylyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole), NTAZ(4-(Naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole), tBu-PBD(2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole), BAlq(Bis(2-methyl-8-quinolinolato-N1,O8)-(1,1'-Biphenyl-4-olato)aluminum), Bebq₂(berylliumbis(benzoquinolin-10-olate), ADN(9,10-di(naphthalene-2-yl)anthracene) 및 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다. 전자 수송층(ETL)들의 두께는 약 100Å 내지 약 1000Å, 예를 들어 약 150Å 내지 약 500Å일 수 있다. 전자 수송층(ETL)들의 두께가 전술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압 상승 없이 만족스러운 정도의 전자 수송 특성을 얻을 수 있다.

전자 수송 영역(ETR)이 전자 주입층(EIL)을 포함할 경우, 전자 수송 영역(ETR)은 할로겐화 금속, 란타넘족 금속, 또는 할로겐화 금속 및 란타넘족 금속의 공증착 물질 등을 포함할 수 있다. 한편, 할로겐화 금속은 할로겐화 알칼리금속일 수 있다. 예를 들어, 전자 수송 영역(ETR)은 LiF, Liq(Lithium quinolate), Li₂O, BaO, NaCl, CsF, Yb, RbCl, RbI, KI, 또는 KI:Yb 등을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 전자 주입층(EIL)은 또한 전자 수송 물질과 절연성의 유기 금속염(organo metal salt)이 혼합된 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 유기 금속염은 금속 아세테이트(metal acetate), 금속 벤조에이트(metal benzoate), 금속 아세토아세테이트(metal acetoacetate), 금속 아세틸아세토네이트(metal acetylacetonate) 또는 금속 스테아레이트(stearate)를 포함할 수 있다. 전자 주입층(EIL)들의 두께는 약 1Å 내지 약 100Å, 약 3Å 내지 약 90Å일 수 있다. 전자 주입층(EIL)들의 두께가 전술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압 상승 없이 만족스러운 정도의 전자 주입 특성을 얻을 수 있다.

전자 수송 영역(ETR)은 앞서 언급한 바와 같이, 정공 저지층(미도시)을 포함할 수 있다. 정공 저지층(미도시)은 예를 들어, BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) 및 Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 전극(EL2)은 전자 수송 영역(ETR) 상에 제공된다. 제2 전극(EL2)은 공통 전극 또는 음극일 수 있다. 제2 전극(EL2)은 투과형 전극, 반투과형 전극 또는 반사형 전극일 수 있다. 제2 전극(EL2)가 투과형 전극인 경우, 제2 전극(EL2)은 투명 금속 산화물, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 등으로 이루어질 수 있다.

제2 전극(EL2)이 반투과형 전극 또는 반사형 전극인 경우, 제2 전극(EL2)은 Ag, Mg, Cu, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr, Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Mo, Ti 또는 이들을 포함하는 화합물이나 혼합물(예를 들어, Ag와 Mg의 혼합물)을 포함할 수 있다. 또는 상기 물질로 형성된 반사막이나 반투과막 및 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 등으로 형성된 투명 도전막을 포함하는 복수의 층 구조일 수 있다.

도시하지는 않았으나, 제2 전극(EL2)은 보조 전극과 연결될 수 있다. 제2 전극(EL2)이 보조 전극과 연결되면, 제2 전극(EL2)의 저항이 감소될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 양자점 및 이를 포함하는 발광 소자에 대해서 구체적으로 설명한다. 이하에 나타내는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예시이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 양자점은 예를 들어, 하기와 같이 합성할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 합성 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.

1. InP core 합성

250mL 3구 플라스크에 4 mmol indium acetate와 12 mmol of palmitic acid를 100mL octadecene과 함께 주입한다. 이를 자력 교반바(stirring bar)를 이용해 진공 분위기에서 저어주며 120 °C로 1시간 동안 가열 후 아르곤 분위기로 바꿔 In(PA)₃ 용액을 제조한다. In(PA)₃ 용액의 온도를 280 °C로 높인 후 1시간 동안 유지하고, 10mL 0.2M tris(trimethylsilyl)phospine/trioctylphosphine을 주사기를 이용하여 신속히 주입 후 260 °C 온도에서 30분 동안 결정을 성장시킨다. 이후, 52mL 0.2M In(PA)₃용액과 26mL 0.2M tris(trimethylsilyl)phospine/trioctylphosphine을 각각 1.5 ml/min 과 0.75 ml/min의 속도로 35분 동안 주입한다. 10분 동안 안정화 시간을 거친 후 열원 제거를 통해 반응기의 온도를 상온으로 식혀 InP 코어를 합성한다.

합성된 InP 코어는 정제 과정을 거치며 InP 코어 용액 10mL당 acetone 40mL와 ethanol 10mL를 섞은 후 9000rpm에서 원심 분리하여 상층액을 제거하고 침전물을 톨루엔(toluene)에 분산한다. 톨루엔 990 μl 에 분산된 10 μl InP 코어의 광학 밀도(optical density)는 첫번째 엑시톤 피크(excition peak position)를 기준으로 0.26임을 확인하였다.

2. InP 코어 표면처리

250mL 3구 플라스크안에 1.6mmol zinc acetate, 3.2mmol oleic acid, 80mL trioctylamine을 혼합 후 이를 진공 분위기, 및 120 °C 온도에서 1시간 동안 자력 교반바(stirring bar)를 이용하여 혼합한다. 아르곤 분위기로 전환 후 280 °C 온도에서 1시간 유지하여 180°C로 온도를 낮추고 톨루엔에 분산된 InP 코어 용액 12mL를 주사기를 이용하여 신속히 주입한다. 5분 후 HF용액 (10wt% in acetone) 0.2mL를 주입하고 10분 동안 유지하여 표면 처리된 InP 코어 용액을 제조한다.

3-1. 비교예 1의 InP, ZnS, 및 ZnSe를 포함하는 양자점 합성

표면 처리된 InP 코어 용액의 반응기 온도를 320°C로 상승시킨다. 11.2 mmol의 0.4M Zn(OA)₂ 주입하고 1.2mmol S/trioctylphosphine을 주입한 후 1시간 동안 ZnS을 포함하는 제1 쉘층을 성장시킨다. 이후 6.0mmol Se/trioctylphosphine을 주입하고 1시간 동안 ZnSe을 포함하는 제2 쉘층을 성장시킨다.

3-2. 비교예 2의 InP, ZnS, 및 ZnSe를 포함하는 양자점 합성

표면 처리된 InP 코어 용액의 반응기 온도를 320°C로 상승시킨다. 22 mmol의 0.4M Zn(OA)₂ 주입하고 1.2mmol S/trioctylphosphine을 주입한 후 1시간 동안 ZnS을 포함하는 제1 쉘층을 성장시킨다. 이후 20mmol Se/trioctylphosphine을 주입하고 1시간 동안 ZnSe을 포함하는 제2 쉘층을 성장시킨다.

3-3. 실시예 1의 InP, ZnSe, ZnS, 및 ZnSe를 포함하는 양자점 합성

표면 처리된 InP 코어 용액의 반응기 온도를 320°C로 상승시킨다. 15 mmol의 0.4M Zn(OA)₂ 주입 후 4.0mmol Se/trioctylphosphine을 주입하고 1시간 동안 ZnSe를 포함하는 제1 쉘층을 성장시킨다. 이후 3.0mmol의 S/trioctylphosphine을 주입하고 1시간 동안 ZnS를 포함하는 제2 쉘층을 성장시킨다. 이후 6.0mmol Se/trioctylphosphine을 주입하고 1시간 동안 ZnSe를 포함하는 제3 쉘층을 성장시킨다.

3-4. 실시예 2의 InP, ZnSe, ZnS, 및 ZnSe를 포함하는 양자점 합성

표면 처리된 InP 코어 용액의 반응기 온도를 320°C로 상승시킨다. 25 mmol의 0.4M Zn(OA)2 주입 후 4.0mmol Se/trioctylphosphine을 주입하고 1시간 동안 ZnSe를 포함하는 제1 쉘층을 성장시킨다. 이후 3.0mmol의 S/trioctylphosphine을 주입 후 1시간 동안 ZnS를 포함하는 제2 쉘층을 성장시킨다. 이후 15.2mmol Se/trioctylphosphine을 주입 후 1시간 동안 ZnSe를 포함하는 제3 쉘층을 성장시킨다.

4. 양자점 정제

비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 및 실시예 2 각각의 용액 10mL에 octane 5mL와 acetone 25mL와 ethanol 10mL를 혼합 후 10000rpm의 속도로 10분 동안 원심분리 한다. 상층액을 제거하고 침전물을 octane에 분산 후 비교예들 및 실시예들 각각의 용액 10mL당 acetone 40mL를 넣고 10000rpm의 속도로 10분 동안 원심분리를 3회 반복한다. 이후 각각의 용액을 10mg/mL의 농도로 octane에 분산하여 양자점 용액을 정제한다.

5. EL-QD 소자 제작

Glass에 패턴된 ITO (120nm) 기판을 UV-ozone cleaner로 10분간 처리 후 250°C에서 10분간 가열하여 세정한다. 상온까지 식은 ITO 기판 위에 PEDOT:PSS 수용액을 스핀 코팅 공정을 통해 3000rpm (ramp up time 3sec, coating time 30sec)으로 코팅 후 150°C에서 10분 동안 가열 교반기(hotplate)에서 굽는 과정(bake)을 통해 50nm 두께로 형성한다. 이후 chlorobenzene에 분산된 TFB 용액을 3000rpm (ramp up time 3sec, coating time 30sec)으로 코팅 후 150°C에서 10분 동안 가열 교반기(hotplate)에서 굽는 과정(bake)을 통해 30nm 두께로 형성한다. 10mg/mL 농도의 양자점은 3,000rpm (ramp up time 3sec, coating time 30sec)에서 코팅 후 100°C에서 10분 동안 가열 교반기(hotplate)에서 굽는 과정(bake)을 통해 20nm 두께로 형성한다. 이후 5nm 크기의 ZnMgO 에탄올 분산용액을 3,000rpm (ramp up time 3sec, coating time 30sec)에서 코팅 후 100°C에서 10분 동안 가열 교반기(hotplate)에서 굽는 과정(bake)을 통해 70nm 두께로 형성한다. 이후 Al을 100nm 두께로 증착기를 이용하여 형성한다. 이후 커버글라스와 UV 경화형 에폭시 실런트를 이용하여 수분과 산소 침투 방지를 위한 봉지 공정(encapsulation)을 진행한다.

아래 표 1은 비교예 및 실시예의 양자점 특성을 평가하여 나타낸 것이다. 표 2는 비교예 및 실시예의 양자점을 포함하는 발광 소자의 특성을 평가하여 나타낸 것이다. 비교예 1 및 비교예 2는 2개의 쉘층을 포함하는 것이고, 실시예 1 및 실시예 2는 3개의 쉘층을 포함하는 것이다. 실시예 1 및 실시예 2의 양자점 및 발광 소자는 본 발명의 일 실시예에 따른 것이다.

표 1에서 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 및 실시예 2의 양자점 코어의 지름은 3.2 nm이다. "입도"는 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 및 실시예 2 각각의 쉘층 두께 및 코어의 지름을 합산하여 나타낸 값이다. 비교예 1 및 실시예 1의 양자점은 8nm의 입도를 갖는 것이고, 비교예 2 및 실시예 2의 양자점은 12nm의 입도를 갖는 것이다. 비교예 및 실시예에서 측정된 발광 스펙트럼에서의 최대 발광 파장(λ_max) 및 발광 스펙트럼에서의 반치폭(FWHM, Full width at half maximum)을 나타내었다.

표 2의 "LT50"은 발광 소자의 밝기가 절반씩 감소하는데 걸리는 시간을 나타낸 것으로, 570 cd/m²를 기준 휘도로 하여 발광 소자의 밝기가 감소하는데 걸리는 시간을 측정하였다.

구 분	입도 (nm)	쉘층 두께(nm)	PLλ_max (nm)	Solution PLQY (%)	FWHM (nm)
비교예 1	8.0	제1 쉘층: 0.3 제2 쉘층: 2.1	623	75	42
비교예 2	12.0	제1 쉘층: 0.3 제2 쉘층: 4.1	625	55	42
실시예 1	8.0	제1 쉘층: 0.6 제2 쉘층: 0.3 제3 쉘층: 1.5	625	85	40
실시예 2	12.0	제1 쉘층: 0.6 제2 쉘층: 0.3 제3 쉘층: 3.5	627	57	41

구 분	Film PLQY (%)	EQE (%)	LT50 (hr)
비교예 1	30	1.8	80
비교예 2	23	0.7	70
실시예 1	40	4.3	100
실시예 2	45	8.1	120

표 1을 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2의 양자점에 비하여 실시예 1 및 실시예 2의 양자점은 반치폭(FWHM)이 좁게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 동일한 8nm의 입도를 갖는 비교예 1 및 실시예 1의 양자점의 PLQY를 비교하면, 실시예 1의 PLQY가 큰 값을 나타내며, 이를 통해 실시예 1의 양자점의 발광 효율이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 12nm의 입도를 갖는 비교예 2와 실시예 2의 양자점의 PLQY를 비교하면, 실시예 2의 PLQY가 큰 값을 나타내며, 이를 통해 실시예 2의 양자점의 발광 효율이 우수한 것을 알 수 있다.

표 2를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2의 발광 소자의 PLQY에 비하여 실시예 1 및 실시예 2의 PLQY가 높은 값을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 1 및 비교예 2의 발광 소자에 비해 실시예 1 및 실시예 2의 발광 소자의 외부 양자 효율(EQE, External Quantum Efficiency)이 높은 값을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 일 실시예의 양자점을 포함하는 실시예 1 및 실시예 2의 발광 소자는 비교예 1 및 비교예 2의 발광 소자에 비해 우수한 효율 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

또한, "LT50"의 값을 비교하면, 비교예 1 및 비교예 2의 발광 소자보다 실시예 1 및 실시예 2의 발광 소자가 더 큰 값을 나타내고 있다. 이에 따라, 비교예 1 및 비교예 2의 발광 소자와 비교하여, 실시예 1 및 실시예 2의 발광 소자가 개선된 소자 수명 특성을 갖는 것을 알 수 있다.

일 실시예는 코어 및 코어를 감싸는 복수의 쉘층들을 포함하고, 코어의 밴드갭은 복수 개의 쉘층들 중 최외곽 쉘층의 밴드갭보다 작고, 최외곽 쉘층의 밴드갭은 2번째 쉘층의 밴드갭보다 작은 양자점을 제공할 수 있다. 또한, 일 실시예의 양자점은 최외곽 쉘층의 밴드갭이 이전 쉘층의 밴드갭보다 작은 것으로 전하 주입이 용이한 특성을 나타낼 수 있다.

또한, 일 실시예의 발광 소자는 3개 이상의 쉘층을 포함하는 복수 개의 양자점들을 포함하여, 이웃하는 양자점들의 코어와 코어 사이의 거리가 증대되고, 이로 인해 개선된 소자 수명 및 우수한 발광 효율을 나타낼 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

QD: 양자점 CO: 코어
SH1: 제1 쉘층 SH2: 제2 쉘층
SH3: 제3 쉘층 BG₀, BG₁, BG₂, BG₃: 밴드갭
ED: 발광 소자 EL1: 제1 전극
EL: 발광층 EL2: 제2 전극
TH₁, TH₂, TH₃: 두께

Claims

코어 및 상기 코어를 순차적으로 감싸는 N개의 쉘층을 포함하고,
상기 코어 및 상기 쉘층의 밴드갭은 하기 식 1의 관계를 만족하는 양자점:
[식 1]
BG₀ < BG_N < BG₂
상기 식 1에서, BG₀는 상기 코어의 밴드갭, BG₂는 2번째 상기 쉘층의 밴드갭, BG_N은 N번째 상기 쉘층의 밴드갭이며, N은 3 이상의 정수이다.
제 1항에 있어서,
상기 N번째 쉘층의 밴드갭은 N-1번째 쉘층의 밴드갭보다 작은 것인 양자점.
제 1항에 있어서,
상기 2번째 쉘층의 두께는 상기 N개의 쉘층의 두께 중 가장 얇은 것인 양자점.
제 1항에 있어서,
상기 코어를 감싸는 제1 쉘층;
상기 제1 쉘층을 감싸는 제2 쉘층; 및
상기 제2 쉘층을 감싸는 제3 쉘층; 을 포함하는 양자점.
제 4항에 있어서,
상기 제1 쉘층은 ZnSe, ZnS, ZnTe, GaP, GaSe, InSe, InS, AlP, AlSe, AlS 및 GaN 중 적어도 하나를 포함하는 양자점.
제 4항에 있어서,
상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층은 동일한 재료를 포함하는 양자점.
제 1항에 있어서,
상기 코어는 InP, ZnP, GaP, ZnSe, ZnTe, 및 AlP 중 적어도 하나를 포함하는 양자점.
코어;
상기 코어를 감싸는 제1 쉘층;
상기 제1 쉘층을 감싸는 제2 쉘층; 및
상기 제2 쉘층을 감싸는 제3 쉘층; 을 포함하고,
상기 제2 쉘층의 밴드갭은 상기 제1 쉘층의 밴드갭 및 상기 제3 쉘층의 밴드갭보다 크고,
상기 제2 쉘층의 두께는 각각 상기 제1 쉘층의 두께 및 상기 제3 쉘층의 두께 보다 얇은 것인 양자점.
제 8항에 있어서,
상기 제2 쉘층의 두께는 0.3 nm 이상 2 nm 이하인 양자점.
제 8항에 있어서,
상기 제1 쉘층은 ZnSe, ZnS, ZnTe, GaP, GaSe, InSe, InS, AlP, AlSe, AlS 및 GaN 중 적어도 하나를 포함하는 양자점.
제 8항에 있어서,
상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층은 동일한 재료를 포함하는 양자점.
제 8항에 있어서,
상기 코어는 InP, ZnP, GaP, ZnSe, ZnTe, 및 AlP 중 적어도 하나를 포함하는 양자점.
제 8항에 있어서,
상기 제3 쉘층을 감싸는 복수 개의 쉘들을 더 포함하고, 상기 복수 개의 쉘들은 각각 상기 제3 쉘층의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 갖는 양자점.
서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 복수 개의 양자점들을 포함하는 발광층; 을 포함하고,
상기 복수 개의 양자점들은
코어; 및
상기 코어를 감싸는 제 1 쉘층;
상기 제1 쉘층을 감싸는 상기 제2 쉘층; 및
상기 제2 쉘층을 감싸는 제3 쉘층; 을 각각 포함하는 제1 양자점 및 제2 양자점을 포함하고,
이웃하는 상기 양자점들의 상기 코어 사이의 거리는 5 nm 이상 15 nm 이하인 발광 소자.
제 14항에 있어서,
상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층의 두께는 각각 상기 제2 쉘층보다 두꺼운 것인 발광 소자.
제 14항에 있어서,
상기 제1 쉘층은 ZnSe, ZnS, ZnTe, GaP, GaSe, InSe, InS, AlP, AlSe, AlS 및 GaN 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
제 14항에 있어서,
상기 제1 쉘층 및 상기 제3 쉘층은 각각 ZnSe를 포함하는 발광 소자.
제 14항에 있어서,
상기 코어는 InP, ZnP, GaP, ZnSe, ZnTe, 및 AlP 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
제 14항에 있어서,
상기 제3 쉘층을 감싸는 복수 개의 쉘들을 더 포함하고, 상기 복수 개의 쉘들은 각각 상기 제3 쉘층의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 갖는 발광 소자.
제 14항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전자 수송 영역 및 정공 수송 영역을 더 포함하고,
상기 전자 수송 영역의 전자 및 상기 정공 수송 영역의 정공 중 적어도 하나가 상기 제3 쉘층으로 이동하는 발광 소자.