KR20210110232A - 양자점 및 이를 포함하는 전자 소자 및 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

코어 및 쉘을 포함하는 양자점이 개시된다. 코어는 II-VI족 화합물을 포함하는 제1 반도체 나노결정을 포함한다. 쉘은 코어의 외곽에 배치되고, Ⅲ-VI족 화합물을 포함하는 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 포함한다. 제2 반도체 나노결정은 유효 질량이 제1 반도체 나노결정의 유효 질량의 0.5 배 이상 2.0 배 이하일 수 있고, 양자점은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않는다.

Description

양자점 및 이를 포함하는 전자 소자 및 전자 장치{QUANTUM DOT, AND ELECTRONIC DEVICE AND ELECTRONIC EQUIPMENT INCLUDING SAME}
양자점 및 이를 포함하는 전자 소자 및 전자 장치에 관한 것이다.
나노 입자는 벌크물질과 달리 물질의 고유 특성이라 알려져 있는 물리적 특성(에너지 밴드갭, 녹는점 등)을 입자 크기에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 양자점(quantum dot)이라고도 불리는 반도체 나노결정 입자는 수 나노 크기의 결정성 재료이며, 크기가 매우 작아 단위 부피당 표면적이 넓고, 양자 구속(quantum confinement) 효과를 나타내므로 동일 조성의 벌크 물질과 다른 물성을 나타낼 수 있다. 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 에너지를 흡수하여 에너지 여기 상태로 되고, 그 에너지 밴드갭에 상응하는 에너지를 방출하게 된다.
일 구현예는 향상된 광학적 물성(예컨대, 발광 효율, 반치폭)을 구현할 수 있는 무중금속(heavy metal-free) 양자점을 제공한다.
다른 구현예는 전술한 무중금속(heavy metal-free) 양자점을 포함하는 양자점 폴리머 복합체를 제공한다.
또 다른 구현예는 전술한 무중금속(heavy metal-free) 양자점을 포함하는 전자 소자 및 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따른 코어쉘 양자점(들)(이하, 양자점이라고도 함)은 II-VI족 화합물을 포함하는 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어 및 코어의 외곽에 배치되고, Ⅲ-VI족 화합물을 포함하는 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 포함하고, 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않는 양자점이다. 제2 반도체 나노결정은 유효 질량이 제1 반도체 나노결정의 유효 질량의 0.5 배 이상 2.0 배 이하이다.
제2 반도체 나노결정은 유효 질량이 제1 반도체 나노결정의 유효 질량의 0.6 배 이상, 또는 0.8 배 이상이고, 1.5 배 이하, 또는 1.2 배 이하일 수 있다. 제2 반도체 나노결정은 전자 유효 질량이 0.39me 미만, 0.34me 이하, 0.30me 이하, 0.25me 이하 또는 0.20me 이하일 수 있다. 제2 반도체 나노결정과 제1 반도체 나노결정의 전자 유효 질량의 차이가 0.2me 이하, 0.15me 이하, 0.1me 이하 또는 0.05 me 이하일 수 있다. 제2 반도체 나노결정과 제1 반도체 나노결정의 정공 유효 질량의 차이가 1.5me 이하, 1.0 me 이하, 0.7me 이하, 0.5me 이하, 또는 0.3me 이하일 수 있다.
제2 반도체 나노결정은 에너지 밴드갭이 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭은 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭의 1.0 배보다 크고, 3.0 배 이하, 2.5 배 이하, 2.0 배 이하 또는 1.5 배 이하일 수 있다.
양자점에 포함된 II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비가 0 초과 10 이하일 수 있다. 양자점에 포함된 II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비가 0 초과 1 이하, 또는 0 초과 0.5 이하일 수 있다. 양자점에 포함된 III족 원소는 코어의 II족 원소에 대해 0 초과 10 이하의 몰비로 포함될 수 있다.
양자점에 포함된 VI족 원소에 대한 III족 원소의 몰비가 0 초과 10 이하일 수 있다. 양자점에 포함된 III족 원소는 코어의 VI족 원소에 대해 0 초과 10 이하의 몰비로 포함될 수 있다.
제2 반도체 나노결정은 갈륨(Ga)을 포함할 수 있다. 제2 반도체 나노결정은 갈륨(Ga) 칼코게나이드를 포함할 수 있다. 제2 반도체 나노결정은 M1X1(여기서 M1은 In, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X1는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨)로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다. 제2 반도체 나노결정은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
(M2 2- xM3 x)(X2 3- yX3 y)
화학식 1에서, M2과 M3는 각각 독립적으로 In, Ga, 및 이들의 조합에서 선택되고 X2과 X3는 각각 독립적으로 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택되고, x는 0 이상 2 이하의 범위에 있고, y는 0 이상 3 이하의 범위에 있다.
상기 양자점은 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 더 포함할 수 있다. 제3 반도체 나노결정은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 제3 반도체 나노결정은 ZnSe, ZnTeSe, ZnSeS, ZnTeS, ZnS, InP, InGaP, InAs, InGaAs, 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘은 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 외곽, 코어와 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이, 또는 이들 모두의 위치에 배치될 수 있다. 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘이 코어와 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이에 배치되는 경우, II-VI족 화합물을 포함하는 쉘(예를 들어, 아연 칼코게나이드 화합물을 포함하는 쉘)이 하나 또는 둘 이상 배치될 수 있다. 이들 쉘이 둘 이상인 경우 II-VI족 화합물의 조성은 각각 상이하거나 동일할 수 있다. II-VI족 화합물을 포함하는 둘 이상의 쉘 중 상대적으로 코어에 가까운 쉘은 Se을 포함하고 상대적으로 코어에 먼 쉘은 S를 포함할 수 있다.
제1 반도체 나노결정은 아연 칼코게나이드 화합물을 포함할 수 있다. 제1 반도체 나노결정은 아연을 포함하고, 셀레늄, 텔루리움 및 황 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체 나노결정은 아연, 셀레늄 및 텔루리움을 모두 포함할 수 있다.
제1 반도체 나노결정에서, 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)가 0 초과 10 이하일 수 있다.
양자점에 포함된 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)가 0 초과 5 이하일 수 있다.
양자점에 포함된 아연에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Zn)는 0 초과 10 이하일 수 있다.
양자점의 최대 발광 피크는 400nm 이상 1600nm 이하의 파장 범위에 존재할 수 있다. 양자점의 최대 발광 피크는 420nm 이상 500nm 미만, 또는 500nm 이상 580nm 이하, 또는 600nm 이상 700nm 이하일 수 있다.
양자점의 최대 발광 피크의 반치폭은 40nm 이하, 또는 35nm 이하일 수 있다.
양자점은 양자 효율이 40% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상일 수 있다.
양자점에서, 상기 제1 반도체 나노결정과 제2 반도체 나노결정의 격자 부정합 비율(lattice mismatch ratio)은 20% 이하, 또는 15% 이하일 수 있다.
다른 구현예에 따른 양자점은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않으며, 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 양자점 전체 대비 0.3 이상 1 이하의 몰비로 포함한다. 이 반도체 화합물은 양자점 전체 대비 0.35 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 또는 0.8 이상의 몰비로 포함할 수 있다. 이 반도체 화합물은 전자 유효 질량이 0.30me 이하, 0.25me 이하, 또는 0.2me 이하이고, 0.08me 이상, 0.08me 초과, 0.1me 이상, 0.15me 이상일 수 있다.
전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물, 및 Ⅲ-VI족 화합물로 이루어진 군에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 이 반도체 화합물은 II-VI족 화합물과 Ⅲ-VI족 화합물(예를 들어, ZnTeSe 및 Ga2S3)을 포함할 수도 있다.
전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 M4X4(여기서 M4은 Zn, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X4는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨)로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다. 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 아연 설파이드로 된 이원소 화합물은 아닐 수 있다.
양자점은 반도체 나노결정을 포함하는 코어와 코어의 외곽에 배치되는 n개의 쉘(n은 1이상의 정수)을 포함할 수 있다. n개의 쉘 중 하나 이상은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. n개의 쉘 중 2/n개 이상은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 코어는 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 코어는 아연 칼코게나이드 화합물을 포함할 수 있다. 양자점은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함하는 쉘 뿐만 아니라 아연 설파이드로 된 이원소 화합물을 포함하는 쉘을 더 포함할 수 있다.
양자점 폴리머 복합체는 폴리머 매트릭스 및 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 양자점을 포함하고, 양자점들은 전술한 양자점을 포함한다.
폴리머 매트릭스는 티올렌 중합체,(메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
양자점 폴리머 복합체는 금속 산화물 미립자를 더 포함할 수 있다.
전자 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주보는 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치한 활성층을 포함하고, 활성층은 전술한 양자점을 포함한다.
전자 소자는 광원 및 발광 요소를 포함하고, 발광 요소는 전술한 양자점을 포함하고, 광원은 발광 요소에 입사광을 제공하도록 구성된다. 입사광은 400nm 이상 500nm 이하의 범위에 있는 광발광 피크 파장을 가질 수 있다. 발광 요소는 양자점 폴리머 복합체를 포함할 수 있다.
향상된 양자 효율과 감소된 반치폭을 가지고 원하는 파장의(예컨대, 400nm 초과의) 광을 방출할 수 있는 무중금속(heavy metal-free) 양자점이 제공될 수 있다. 이러한 양자점은 다양한 디스플레이 소자 및 생물학적 레이블링(바이오센서, 바이오 이미징), 포토디텍터, 태양전지, 하이브리드 컴포지트 등에 응용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자 소자(예: 전계 발광 소자)의 모식적 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 전자 소자(예: 전계 발광 소자)의 모식적 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 전자 소자(예: 전계 발광 소자)의 모식적 단면도를 나타낸 것이다.
도 4은 일 실시예에 따른 전자 소자의 모식도를 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 전자 소자의 다른 실시예들의 모식도를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 양자점의 X선 광전자 분광분석(XPS) 분석 결과이다.
도 7은 실시예의 ZnTeSe/ZnSe/GaSx와 비교예의 ZnTeSe/ZnSe/ZnS에서 GaSx 쉘과 ZnS 쉘의 두께에 따른 발광 파장의 변화를 나타낸 것이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, "치환"이란, 화합물 또는 해당 잔기가, 수소 대신, C1 내지 C30의 알킬기, C2 내지 C30의 알케닐기, C2 내지 C30의 알키닐기, C6 내지 C30의 아릴기, C7 내지 C30의 알킬아릴기, C1 내지 C30의 알콕시기, C1 내지 C30의 헤테로알킬기, C3 내지 C30의 헤테로알킬아릴기, C3 내지 C30의 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C30의 사이클로알키닐기, C2 내지 C30의 헤테로사이클로알킬기, 할로겐(-F, -Cl, -Br 또는 -I), 히드록시기(-OH), 니트로기(-NO2), 시아노기(-CN), 아미노기(-NRR' 여기서 R과 R'은 서로 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C6 알킬기임), 아지도기(-N3), 아미디노기(-C(=NH)NH2)), 히드라지노기(-NHNH2), 히드라조노기(=N(NH2)), 알데히드기(-C(=O)H), 카르바모일기(carbamoyl group, -C(O)NH2), 티올기(-SH), 에스테르기(-C(=O)OR, 여기서 R은 C1 내지 C6 알킬기 또는 C6 내지 C12 아릴기임), 카르복실기(-COOH) 또는 그것의 염(-C(=O)OM, 여기서 M은 유기 또는 무기 양이온임), 술폰산기(-SO3H) 또는 그것의 염(-SO3M, 여기서 M은 유기 또는 무기 양이온임), 인산기(-PO3H2) 또는 그것의 염(-PO3MH 또는 -PO3M2, 여기서 M은 유기 또는 무기 양이온임) 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
여기서 탄화수소기라 함은 탄소와 수소를 포함하는 기(예컨대, 알킬, 알케닐, 알키닐, 또는 아릴기 등)을 말한다. 탄화수소기는 알칸, 알켄, 알킨, 또는 아렌으로부터 1 개 이상의 수소원자의 제거에 의해 형성되는 1가 이상의 기일 수 있다. 탄화 수소기에서 하나 이상의 메틸렌은 옥사이드 잔기, 카르보닐 잔기, 에스테르 잔기, -NH-, 또는 이들의 조합으로 대체될 수 있다.
여기서 알킬이라 함은 선형 또는 측쇄형의 포화 1가 탄화수소기(메틸, 에틸 헥실 등) 이다.
여기서 알케닐이라 함은 1 개 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 가지는 선형 또는 측쇄형의 1가의 탄화수소기를 말한다.
여기서 알키닐이라 함은 1 개 이상의 탄소-탄소 3중결합을 가지는 선형 또는 측쇄형의 1가의 탄화수소기를 말한다.
여기서, 아릴이라 함은 방향족기로부터 하나 이상의 수소가 제거됨에 의해 형성되는 기(예컨대, 페닐 또는 나프틸기)를 말한다.
여기서 헤테로라 함은 N, O, S, Si, P, 또는 이들의 조합일 수 있는 1 개 내지 3 개의 헤테로원자를 포함하는 것을 말한다.
본 명세서에서, "족(Group)"은 원소 주기율표의 족을 말한다.
"III족"은 IIIA족을 포함할 수 있으며, III족 금속의 예들은 In, Ga, 및 Tl을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
반도체 나노결정 입자(이하, 양자점이라고도 함)는 여기원으로부터 에너지를 흡수하여 그 에너지 밴드갭에 해당하는 광을 방출할 수 있다. 양자점의 에너지 밴드갭은 나노결정의 크기 및/또는 조성에 따라 변화할 수 있다. 예컨대, 양자점은 크기가 증가할수록 좁은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며 발광 파장이 증가할 수 있다. 반도체 나노결정은 디스플레이 소자, 에너지 소자 또는 생체 발광 소자 등 다양한 분야에서 발광 소재로 사용될 수 있다.
실제 응용 가능한 수준의 발광 물성을 가지는 양자점들 중 다수가 카드뮴(Cd), 납(Pb), 및/또는 수은(Hg) 등 유해 중금속에 기초한다. 카드뮴 등 유해 중금속은 심각한 환경/보건 문제를 제기하기에, 향상된 발광 특성을 가지면서 원하는 파장의 광을 방출할 수 있는 환경 친화적 양자점이 선호된다. 이러한 양자점들 중 실제 소자에 적용 가능한 것으로 알려진 것은 코어에 인듐(In) 및 인(P)을 포함하는 III-V족 화합물 기반의 양자점이다.
한편, 양자점을 이용하는 디스플레이가 높은 색재현율을 실현하기 위해서는 더 감소된 수준의 반치폭을 가지는 양자점이 필요할 수 있다. 그러나, 코어에 인듐(In) 및 인(P)을 포함하는 III-V족 화합물 기반의 양자점은 CdSe 코어 등 카드뮴계 코어에 비해 밴드갭이 작고 보어 반경이 커서 코어의 크기에 따른 반치폭의 변화가 크다. 또한, 인듐 및 인을 포함하는 코어는 표면 산화에 취약하여, 코어쉘 양자점의 반치폭이 코어에 비해 더 증가할 수 있다. III-V족 화합물(e.g. InP) 코어 기반의 양자점은 원하는 파장의(예컨대, 470nm 초과, 475nm 이상, 또는 480nm 이상이고 580nm 이하의) 광을 방출하면서 감소된 수준의 반치폭(예컨대, 40nm 이하, 또는 35nm 이하)을 구현하기 어렵다.
한편, 코어에 II-VI족 화합물을 포함하는 무중금속(heavy metal-free) 양자점(예컨대, 아연 칼코게나이드를 포함하는 양자점)은 이론상 넓은 띠간격과 좁은 보어 반지름을 가져 코어 크기에 따른 밴드갭의 변화가 작을 수 있다. 따라서, 코어에 II-VI족 화합물을 포함하는 무중금속(heavy metal-free) 양자점은 인듐 포스파이드 코어 기반의 공지된 양자점에 비해 소정의 파장 범위(예컨대, 녹색광 범위)를 발광하기 위한 양자점의 크기 범위는 더 넓고 반치폭은 더 작을 수 있다.
그러나, 실제로, 코어에 II-VI족 화합물을 포함하는 무중금속(heavy metal-free) 양자점(예컨대, 아연 칼코게나이드를 포함하는 양자점)의 경우, 원하는 파장의 광을 방출하면서 적어도 소정의 효율로 방출되는 발광 특성을 가지는 양자점이 보고된 바는 없다. 예를 들어, ZnTeSe의 코어를 갖는 양자점이 녹색 파장 범위의 광(예를 들어, 470nm 이상의 광)을 방출하는 경우, 발광효율이 통상 1% 미만이다.
본 발명자들은 무중금속(heavy metal-free) 코어쉘 양자점에서 코어와 쉘의 유효 질량(effective mass)(예컨대 전자 유효 질량 및/또는 정공 유효 질량)의 상대적 차이가 양자점의 양자효율에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
유효 질량(effective mass)은 결정 내 존재하는 전하운송자(전자 또는 정공)의 겉보기 질량이다. 결정 내의 전하운송자는 진공 중의 자유 전자와 비슷한 운동을 한다. 그러나, 전기장이나 자기장 등의 힘에 의해 가속될 때는 결정 내의 전하운송자는 보통 때와는 다른 질량을 가진 것처럼 운동한다. 이 때의 질량을 유효 질량(effective mass, m*)이라고 하며, 유효 질량은 자유전자의 E-k 에너지 대역과 전자의 질량과의 관계식을 통해 아래와 같이 계산될 수 있으며, 사이클로트론 공명(cyclotron resonance)등의 실험에 의해 측정할 수도 있다.
Figure pat00001
동일한 조성의 코어(예컨대, 아연 칼코게나이드)에 유효 질량이 상이한 두 조성의 쉘(예컨대, 아연 설파이드 및 갈륨 설파이드)을 적용한 결과, 쉘 조성의 유효 질량이 코어 조성과 유사한 범위(예컨대, 코어 조성의 유효 질량의 0.5배 이상 2.0배 이하)인 경우, 높은 양자 효율을 나타내었다.
경우에 따라, 코어와 쉘의 유효 질량의 절대값이 코어와 쉘의 에너지 밴드갭 차이보다 더 영향을 미칠 수 있다는 점도 확인되었다. 코어쉘 양자점은 쉘을 구성하는 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭이 코어의 반도체 나노결정의 밴드갭보다 클수록 코어에서의 전자-정공 겹침(electron-hole overlap) 정도가 높아져 양자점의 양자 효율이 높아질 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 동일한 조성의 코어(예컨대, 아연 칼코게나이드)에 유효 질량이 상이한 두 조성의 쉘(예컨대, 아연 설파이드 및 갈륨 설파이드)을 적용한 결과, 코어와 쉘의 에너지 밴드갭의 차이가 더 작더라도, 유효 질량값이 더 낮은 쉘이 더 높은 발광효율을 나타내었다.
또한, 무중금속(heavy metal-free) 양자점 조성에서 유효 질량(effective mass)이 작은 반도체 화합물(예컨대, 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물)이 차지하는 비율이 양자점의 양자효율에 영향을 미치는 것이 확인되었다. 동일한 조성의 코어(예컨대, 아연 칼코게나이드)에 유효 질량이 상이한 화합물의 쉘(예컨대, 아연 셀레나이드, 아연 설파이드, 갈륨 설파이드)을 적용하여 다양한 조성의 양자점을 확인한 결과, 양자점 전체 대비 유효 질량(effective mass)이 작은 화합물(예컨대, 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 화합물)의 몰비가 0.3 이상인 경우, 높은 양자 효율이 나타났다.
II-VI족 화합물을 포함하는 코어(예컨대, 아연 칼코게나이드를 포함하는 코어)에 ²족 화합물(예컨대, 갈륨 칼코게나이드)을 포함하는 쉘을 포함하는 무중금속(heavy metal-free) 양자점이 원하는 파장의 광을 방출할 뿐만 아니라 향상된 양자 효율을 나타내는 것이 확인되었다. 특정 이론에 의해 구속되려 함은 아니지만, 아연 칼코게나이드 화합물을 포함하는 코어는 쉘 형성 과정 중에 표면에 결함(defect)이 생기면서 균일한 쉘의 형성을 어렵게 한다. 그 결과, 제조된 양자점은 표면에 트랩이 증가되거나, 불균일한 형상 또는 크기 분포를 가질 수 있다. 그러나, Ⅲ-VI족 반도체 화합물(예컨대, 갈륨 칼코게나이드)을 포함하는 쉘은 코어를 비교적 균일하게 패시베이션하여, 양자점 내의 전자-정공 겹침(electron-hole overlap) 정도를 높일 수 있고, 표면 결함을 감소시키거나, 양자점이 균일한 형상 또는 크기 분포를 가지게 할 수 있다.
또한, 이러한 향상 효과는 코어가 텔루리움을 포함하는 경우 더욱 현저할 수 있다. 텔루리움은 쉘 형성 과정에서 다른 칼코겐 원소(셀레늄, 황)에 비해 더 산화되기 쉬워, 코어 내에 텔루리움 함량이 증가하면 제조된 코어쉘 양자점은 저하된 발광물성을 나타낼 수 있다. 하지만 높은 텔루리움 함량을 가지는 코어에 III-VI족 화합물을 포함하는 쉘을 포함하는 경우, 최종 코어쉘 양자점의 발광물성이 현저히 향상될 수 있고 이에 따라 제조된 양자점은 40% 이상의 양자 효율을 나타낼 수 있다. 예컨대, ZnTexSe1 -x(x = 0.3 이상) 조성의 코어에 갈륨 칼코게나이드를 포함하는 쉘을 적용한 경우, 양자 효율이 코어 대비 1.2 배 또는 1.5 배 이상 향상될 수 있다.
일 측면에 따르면, 코어쉘 양자점은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않으며, II-VI족 화합물을 포함하는 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어와 코어의 외곽에 배치되고, Ⅲ-VI족 화합물을 포함하는 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 포함할 수 있다.
제2 반도체 나노결정은 유효 질량(effective mass)이 제1 반도체 나노결정 유효 질량의 0.5 배 이상 2.0 배 이하이다.
제2 반도체 나노결정은 유효 질량이 제1 반도체 나노결정의 유효 질량의 0.6 배 이상, 또는 0.8 배 이상이고, 1.5 배 이하, 또는 1.2 배 이하일 수 있다. 제2 반도체 나노결정과 제1 반도체 나노결정의 전자 유효 질량의 차이는 0.2 me이하, 0.15 me이하, 0.1 me이하인 또는 0.05 me이하일 수 있다. 또한 제2 반도체 나노결정과 제1 반도체 나노결정의 정공 유효 질량의 차이는 1.5 me이하, 1.0 me이하, 0.7 me이하, 0.5 me이하, 또는 0.3 me이하일 수 있다. 제2 반도체 나노결정은 전자 유효 질량이 0.39 me 미만, 0.34 me 이하, 0.30 me 이하, 0.25 me 이하 또는 0.20 me 이하일 수 있다. 제2 반도체 나노결정은 정공 유효 질량이 1.76 me 미만, 1.5 me 이하, 1.2 me 이하 또는 0.9 me 이하일 수 있다.
이런 양자점에서, 제2 반도체 나노결정은 에너지 밴드갭이 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭은 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭의 1.0 배보다 크고, 3.0 배 이하, 2.5 배 이하, 2.0 배 이하 또는 1.5 배 이하일 수 있다.
제1 반도체 나노결정과 제2 반도체 나노결정의 격자 부정합 비율(lattice mismatch ratio)은 20% 이하, 또는 15% 이하일 수 있다.
본 명세서에 기재된 양자점 내 각 성분들의 함량은 적절한 분석 수단(예컨대, 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광분석(ICP-AES), X선 광전자 분광분석(XPS), 이온크로마토그래피, Transmission electron microscopy energy-dispersive X-ray spectroscopy(TEM-EDS), 등)을 통해 확인할 수 있다.
양자점에 포함된 II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 0 초과 10 이하일 수 있다. 구체적으로, II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하, 0.8 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 또는 0.3 이하일 수 있다. 또한, II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 0 초과, 0.001 이상, 0.01 이상, 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상, 또는 0.05 이상일 수 있다.
양자점에 포함된 III족 원소는 코어의 II족 원소에 대해 0 초과 10 이하의 몰비로 포함될 수 있다. 구체적으로, 코어의 II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비가 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하, 0.8 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 또는 0.3 이하일 수 있다. 또한, 코어의 II족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 0 초과, 0.001 이상, 0.01 이상, 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상, 또는 0.05 이상일 수 있다.
양자점에 포함된 VI족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 0 초과 10 이하일 수 있다. 구체적으로, VI족 원소에 대한 III족 원소의 몰비가 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하, 0.8 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 또는 0.3 이하일 수 있다. 또한, VI족 원소에 대한 III족 원소의 몰비가 0 초과, 0.001 이상, 0.01 이상, 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상, 또는 0.05 이상일 수 있다.
양자점에 포함된 III족 원소는 코어의 VI족 원소에 대해 0 초과 10 이하의 몰비로 포함될 수 있다. 구체적으로, 코어의 VI족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하, 0.8 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 또는 0.3이하일 수 있다. 또한, 코어의 VI족 원소에 대한 III족 원소의 몰비는 0 초과, 0.001 초과, 0.01 초과, 0.02 초과, 0.03 초과, 0.04초과, 또는 0.05초과일 수 있다.
제2 반도체 나노결정은 갈륨(Ga) 또는 갈륨(Ga) 칼코게나이드 화합물을 포함할 수 있다.
제2 반도체 나노결정은 M1X1(여기서 M1은 In, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X1는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨)로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다. M1과 X1의 원소비는 유도결합 플라즈마 원자 발광 분광분석(ICP-AES)시 1:1에 제한되지 않는다.
제2 반도체 나노결정은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
(M2 2- xM3 x)(X2 3- yX3 y)
화학식 1에서, M2과 M3는 각각 독립적으로 In, Ga, 및 이들의 조합에서 선택되고 X2과 X3는 각각 독립적으로 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택되고, x는 0 이상 2 이하의 범위에 있고, y는 0 이상 3 이하의 범위에 있다.
양자점은 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 더 포함할 수 있다. 제3 반도체 나노결정은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물, 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 제3 반도체 나노결정은 ZnSe, ZnTeSe, ZnSeS, ZnTeS, ZnS, InP, InGaP, InAs, InGaAs, 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 양자점이 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 둘 이상 포함하는 경우, 이들 쉘의 조성은 서로 같거나 각각 다를 수 있고, 연속적으로 또는 비연속적으로 배치될 수 있다.
제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘은 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘의 외곽, 코어와 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이, 또는 이들 모두의 위치에 배치될 수 있다. 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘이 코어와 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이에 배치되는 경우, II-VI족 화합물을 포함하는 쉘(예를 들어, 아연 칼코게나이드 화합물을 포함하는 쉘)이 하나 또는 둘 이상 배치될 수 있으며, 둘 이상의 경우 연속되거나 비연속적으로 배치될 수 있다. II-VI족 화합물을 포함하는 둘 이상의 쉘의 경우 II-VI족 화합물의 조성은 각각 상이하거나 동일할 수 있다. 예를 들어, II-VI족 화합물을 포함하는 둘 이상의 쉘에서 VI족 원소의 종류, 함량 또는 이들 모두가 각각 독립적으로 상이할 수 있다. 또한, II-VI족 화합물을 포함하는 둘 이상의 쉘에서 상대적으로 코어에 가까운 쉘은 Se을 포함하고 상대적으로 코어에 먼 쉘은 S를 포함할 수 있다.
제1 반도체 나노결정은 아연 칼코게나이드 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로는 아연을 포함하고, 셀레늄, 텔루리움, 황 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 제1 반도체 나노결정은 아연, 셀레늄, 및 텔루리움을 모두 포함할 수도 있으며 아연 텔루라이드 결정 내에 셀레늄이 합금화된(예컨대 도핑된) 형태일 수 있다. 제1 반도체 나노결정에서 텔루라이드의 함량은 셀레늄보다 과량일 수 있다.
양자점에 포함된 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)는 0 초과 5 이하일 수 있다. 구체적으로, 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)가 0.01이상, 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상 또는 0.6 이상일 수 있다. 또한, 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)가 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1.5 이하, 1 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.1 이하 또는 0.05 이하일 수 있다.
제1 반도체 나노결정에서 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)는 0 초과 10 이하일 수 있다. 구체적으로, 제1 반도체 나노결정에서 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)가 0.01 이상, 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상 또는 0.8 이상일 수 있다. 또한, 제1 반도체 나노결정에서 셀레늄에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Se)가 10 이하, 7 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1.5 이하, 또는 1이하일 수 있다. 제1 반도체 나노결정은 ZnTexSe1-x(여기서, x는 0.1 이상, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 또는 0.5 이상이고 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 또는 0.6 이하)로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
양자점에 포함된 아연에 대한 텔루리움의 몰 비(Te/Zn)는 0 초과 10 이하일수 있다. 구체적으로, 아연에 대한 텔루리움의 몰 비는 0.01 이상, 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상, 0.8 이상, 또는 0.9 이상일 수 있다. 또한, 아연에 대한 텔루리움의 몰비는 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 또는 3 이하일 수 있다.
양자점은 황을 더 포함할 수 있으며, 황이 존재하는 경우, 아연에 대한 황의 몰비는 0.05 이상, 0.1 이상, 0.15 이상, 0.2 이상, 0.25 이상, 0.3 이상, 또는 0.35 이상이고 0.95 이하, 0.9 이하, 0.85 이하, 0.8 이하, 0.75 이하, 0.7 이하, 0.65 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 또는 0.3 이하일 수 있다.
양자점에서, 각 쉘의 두께는 적절히 선택될 수 있다. 각 쉘의 두께는 각각 독립적으로 1 모노레이어(Mono Layer, ML) 이상(예컨대, 2 ML 이상, 3 ML 이상, 4 ML 이상, 5 ML 이상)이고 10 ML 이하(예컨대, 9 ML 이하, 8 ML 이하, 7 ML 이하, 6 ML 이하, 또는 5 ML 이하)일 수 있다. 쉘의 두께는 전체 양자점의 조성을 감안하여 정해질 수 있다.
다른 측면에 따른 양자점은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않으며, 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 전체 양자점 대비 0.3 이상 1 이하의 몰비로 포함한다. 구체적으로, 양자점은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 전체 대비 0.35 이상, 0.4 이상, 0.5이상, 0.6이상, 또는 0.8 이상의 몰비로 포함할 수 있다. 구체적으로, 이 반도체 화합물은 전자 유효 질량이 0.32me 이하, 0.30me 이하, 0.25me 이하, 또는 0.2me 이하이고 0.08me 이상, 0.08me 초과, 0.1me 이상, 또는 0.15me 이상일 수 있다. 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물의 함량(몰비)은 양자점의 크기 및/또는 조성에 따라 조절될 수 있다.
전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물, 및 Ⅲ-VI족 화합물로 이루어진 군에서 1 종 이상을 포함할 수 있다. II-VI족 화합물은 ZnSe, ZnTe, ZnTeSe 및 이들의 조합에서 1 종 이상이 선택될 수 있다. Ⅲ-V족 화합물은 InP, InAs, InSb 및 이들의 조합에서 1 종 이상이 선택될 수 있다. Ⅲ-VI족 화합물은 Ga2S3 또는 Ga2Se3일 수 있다. 또한, 양자점은 II-VI족 화합물과 Ⅲ-VI족 화합물(예를 들어, ZnTeSe 및 Ga2S3)을 모두 포함할 수도 있다.
전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 M4X4(여기서 M4은 Zn, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X4는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨) 화합물을 포함할 수 있다. M4과 X4의 원소비는 유도결합 플라즈마 원자 발광 분광분석(ICP-AES)시 1:1에 제한되지 않는다.
전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 ZnTe, ZnSe, InP, InAs, InSb, GaS, GaSe 및 이들의 조합에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이원소 화합물, 삼원소 화합물, 또는 사원소 화합물일 수 있다. 또한, 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 아연 셀레나이드, 아연 텔루라이드, 갈륨 설파이드 및 이들의 조합에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 아연 설파이드로 된 이원소 화합물은 아닐 수 있다.
양자점은 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어와 코어의 외곽에 배치되는 n개의 쉘(n은 1이상의 정수)을 포함할 수 있다. 이런 코어쉘 양자점에서는 코어 및 쉘의 조성, 코어의 크기, 쉘의 두께, 쉘의 개수 등에 따라 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물의 함량(몰비)가 조절될 수 있다. n개의 쉘 중 하나 이상은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있으며, 쉘이 하나인 경우는 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물로만 이루어질 수 있다. n이 2이상인 경우, 이 쉘들 중 하나 이상은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 여러 쉘들을 포함하는 경우, n개의 쉘 중 n/2개 이상의 쉘이 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물이 복수 개의 쉘에 포함되는 경우, 쉘들의 조성(원소의 종류, 함량 등)은 동일하거나 서로 상이할 수 있으며, 쉘들은 연속적이거나 비연속적으로 배치될 수 있다. 또한, 코어도 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있으며, 원소의 종류, 함량 또는 이들의 모두가 쉘에 포함되는 반도체 화합물과 상이하거나 동일할 수 있다. 또한, 코어쉘 양자점은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함하는 쉘 뿐만 아니라 아연 설파이드로 된 이원소 화합물을 포함하는 쉘을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따른 양자점은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않으며, 정공 유효 질량이 1.5me이하인 반도체 화합물을 전체 대비 0.3 이상 1이하의 몰비로 포함한다. 이런 양자점은 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물을 전체 대비 0.35 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 또는 0.8 이상의 몰비로 포함할 수 있다. 구체적으로, 이 반도체 화합물은 정공 유효 질량이 1.2me 이하, 1.0me 이하, 또는 0.9me 이하이고 0.3me 이상, 0.32me 이상, 또는 0.35 me 이상일 수 있다. 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물의 함량(몰비)는 양자점의 크기 및/또는 조성에 따라 조절될 수 있다.
정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물, 및 Ⅲ-VI족 화합물로 이루어진 군에서 1종 이상을 포함할 수 있다. II-VI족 화합물은 ZnSe, ZnTe, ZnTeSe 및 이들의 조합에서 1종 이상이 선택될 수 있다. Ⅲ-V족 화합물은 InP, InAs, InSb 및 이들의 조합에서 1종 이상이 선택될 수 있다. Ⅲ-VI족 화합물은 Ga2S3 또는 Ga2Se3 일 수 있다. 또한, 양자점은 II-VI족 화합물과 Ⅲ-VI족 화합물(예를 들어, ZnTeSe 및 Ga2S3)을 모두 포함할 수도 있다.
정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물은 M4X4(여기서 M4은 Zn, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X4는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨) 화합물을 포함할 수 있다. M4과 X4의 원소비는 유도결합 플라즈마 원자 발광 분광분석(ICP-AES)시 1:1에 제한되지 않는다.
정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물은 ZnTe, ZnSe, InP, InAs, InSb, GaS, GaSe 및 이들의 조합에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이원소 화합물, 삼원소 화합물, 또는 사원소 화합물일 수 있다. 또한, 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물은 아연 셀레나이드, 아연 텔루라이드, 갈륨 설파이드 및 이들의 조합에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물은 아연 설파이드로 된 이원소 화합물은 아닐 수 있다.
양자점은 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어와 코어의 외곽에 배치되는 n개의 쉘(n은 1이상의 정수)을 포함할 수 있다. 이런 코어쉘 양자점에서는 코어 및 쉘의 조성, 코어의 크기, 쉘의 두께, 쉘의 개수 등에 따라 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물의 함량(몰비)가 조절될 수 있다. n개의 쉘 중 하나 이상은 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있으며, 쉘이 하나인 경우는 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물로만 이루어질 수 있다. n이 2이상인 경우, 이 쉘들 중 하나 이상은 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 여러 쉘들을 포함하는 경우, n개의 쉘 중 n/2개 이상의 쉘이 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물이 복수 개의 쉘에 포함되는 경우, 쉘들의 조성(원소의 종류, 함량 등)은 동일하거나 서로 상이할 수 있으며, 쉘들은 연속적이거나 비연속적으로 배치될 수 있다. 또한, 코어도 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물을 포함할 수 있으며, 원소의 종류, 함량 또는 이들의 모두가 쉘에 포함되는 반도체 화합물과 상이하거나 동일할 수 있다. 또한, 코어쉘 양자점은 정공 유효 질량이 1.5me 이하인 반도체 화합물을 포함하는 쉘 뿐만 아니라 아연 설파이드로 된 이원소 화합물을 포함하는 쉘을 더 포함할 수 있다.
양자점의 최대 발광 피크는 400nm 이상 1600nm 이하의 파장 범위에 존재할 수 있다. 구체적으로, 양자점의 최대 발광 피크는 420nm 이상, 430nm 이상, 440nm 이상, 500nm 이상, 520nm 이상, 530nm 이상, 600nm 이상, 610nm 이상, 또는 620nm 이상의 파장 범위에 존재할 수 있다. 또한 양자점의 최대 발광 피크는 700nm 이하, 예컨대, 680nm 이하, 660nm 이하, 650nm 이하, 640nm 이하, 630nm 이하, 580nm 이하, 570nm 이하, 예컨대, 560nm 이하, 550nm 이하, 540nm 이하, 535nm 이하, 500nm 이하, 예컨대, 490nm 이하, 480nm 이하, 470nm 이하, 460nm 이하, 또는 450nm 이하의 범위에 존재할 수 있다.
양자점의 최대 발광 피크의 반치폭은 40nm 이하, 35nm 이하, 34nm 이하, 33nm 이하, 32nm 이하, 31nm 이하, 30nm 이하, 29nm 이하, 28nm 이하, 27nm 이하, 또는 26nm 이하일 수 있다. 양자점의 최대 발광 피크는 500nm 이상 및 550nm 이하 및 범위에 존재할 수 있으며 반치폭이 35nm 이하일 수 있다.
코어쉘 양자점들(또는 양자점 집단)의(평균) 입자 크기는 2nm 이상, 3nm 이상, 4nm 이상, 5nm 이상, 6nm 이상, 7nm 이상, 7.5nm 이상, 8nm 이상, 8.5nm 이상, 9nm 이상, 9.5nm 이상, 또는 10nm 이상일 수 있다. 또한 코어쉘 양자점들(또는 양자점 집단)의(평균) 입자크기는 50nm 이하, 예를 들어, 45nm 이하, 40nm 이하, 35nm 이하, 30nm 이하, 25nm 이하, 24nm 이하, 23nm 이하, 22nm 이하, 21nm 이하, 20nm 이하, 19nm 이하, 18nm 이하, 17nm 이하, 16nm 이하, 15nm 이하, 14nm 이하, 13nm 이하, 12nm 이하, 11nm 이하, 또는 10nm 이하일 수 있다. 여기서 양자점의 크기는 직경(또는 구형이 아닌 경우, 양자점의 전자 현미경 2차원 이미지로부터 구형을 가정하여 계산되는 직경)을 말할 수 있다. 여기서, 크기라 함은 단일 양자점의 크기 또는 양자점 집단의 평균 크기일 수 있다. 양자점의 크기는 예를 들어, 투과전자 현미경 이미지에 대하여 이미지 분석 프로그램(예컨대, imageJ)을 사용하여 얻을 수 있다.
코어쉘 양자점에서, 코어(들)의 크기(e.g., 평균 크기)는 1nm 이상, 예컨대, 2nm 이상, 2.5nm 이상, 3nm 이상, 3.5nm 이상, 4nm 이상, 또는 4.5nm 이상일 수 있다. 또한 코어의 크기(e.g., 평균 크기)는 7nm 이하, 6nm 이하, 5nm 이하, 4nm 이하, 3nm 이하, 또는 2nm 이하일 수 있다.
전술한 양자점 집단은 크기의 표준편차가, 평균 크기의 18% 미만, 예컨대, 17% 이하, 16% 이하, 15% 이하, 14% 이하, 13% 이하, 12% 이하, 또는 11% 이하일 수 있다. 또한 양자점 집단은 크기의 표준편차가, 평균 크기의 8% 이상, 9% 이상, 또는 10% 이상일 수 있다.
이런 양자점의 양자 효율은 40% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 또는 95% 이상일 수 있다.
양자점은 표면에 유기 리간드를 포함할 수 있다. 유기 리간드는 RCOOH, RNH2, R2NH, R3N, RSH, RH2PO, R2HPO, R3PO, RH2P, R2HP, R3P, ROH, RCOOR', RPO(OH)2, RHPOOH, R2POOH(여기서, R, R'는 각각 독립적으로 C1 내지 C40(예컨대, C3 내지 C30 또는 C6 내지 C24)의 치환 또는 비치환의 지방족 탄화수소, 또는 C6 내지 C40의 치환 또는 비치환의 방향족 탄화수소, 또는 이들의 조합을 포함), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 리간드는 단독으로 또는 2 이상의 화합물의 혼합물로 사용될 수 있다.
유기 리간드 화합물의 구체적인 예로서는 메탄 티올, 에탄 티올, 프로판 티올, 부탄 티올, 펜탄 티올, 헥산 티올, 옥탄 티올, 도데칸 티올, 헥사데칸 티올, 옥타데칸 티올, 벤질 티올, 메탄 아민, 에탄 아민, 프로판 아민, 부탄 아민, 펜탄 아민, 헥산 아민, 옥탄 아민, 도데칸 아민, 헥사데실 아민, 올레일 아민, 옥타데실 아민, 디메틸 아민, 디에틸 아민, 디프로필 아민, 메탄산, 에탄산, 프로판산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 도데칸산, 헥사데칸산, 옥타데칸산, 올레인산, 벤조산, 팔미트산(palmitic acid), 스테아르산(stearic acid), 메틸 포스핀, 에틸 포스핀, 프로필 포스핀, 부틸 포스핀, 펜틸 포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀 등의 포스핀, 메틸 포스핀 옥사이드, 에틸 포스핀 옥사이드, 프로필 포스핀 옥사이드, 부틸 포스핀 옥사이드, 트리옥틸포스핀 옥사이드 등의 포스핀 화합물 또는 그의 옥사이드 화합물, 다이 페닐 포스핀, 트리 페닐 포스핀 화합물 또는 그의 옥사이드 화합물, 포스폰산(phosphonic acid) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 유기 리간드 화합물은 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물로 사용할 수 있다. 유기 리간드 화합물은 RCOOH 와 아민(e.g., RNH2, R2NH, 및/또는 R3N)의 조합일 수 있다.
유기 리간드는 카르복시산기 및 티올기를 모두 가진 화합물(예를 들어, 글루타티온)을 포함하지 않을 수 있다. 이런 양자점은 수불용성(water insoluble)일 수 있다.
전술한 양자점은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자들에게 알려진 다양한 제조 방법, 특히, 코어와 쉘을 포함하는 양자점의 제조 방법을 사용하여 용이하게 합성될 수 있다. 예를 들어, 양자점 제조 방법은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않는 II-VI족 반도체 화합물을 포함하는 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어를 준비하고, 적절한 용매 내에서, 제2 반도체 나노결정을 형성하는 전구체들을 코어와 함께 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계에서 코어 외곽에 Ⅲ-VI족 반도체 화합물을 포함하는 제2 반도체 나노결정 쉘이 형성될 수 있다.
선택적으로, 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 형성하기 전, 후, 또는 이들 모두에 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 형성하기 전, 제3 반도체 나노결정을 형성하는 전구체들을 코어와 함께 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 형성한 후에, 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 코어와 함께 제3 반도체 나노결정을 형성하는 전구체들을 반응시켜 코어 외곽에 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 형성한 후, 그 외곽에 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 형성하는 단계 및 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 하나 이상 형성하는 단계를 순차적으로 포함할 수 있다.
여기서, II-VI족 반도체 화합물을 포함하는 제1 반도체 나노결정의 코어는 II족 화합물의 전구체, 및 VI족 화합물의 전구체를 반응시켜 II-VI족 반도체 나노결정을 합성하는 방법으로 제조하거나, 또는 시판하는 II-VI족 반도체 나노결정 코어를 사용할 수도 있다. II-VI족 반도체 나노결정 코어는 아연 칼코게나이드(예컨대, 아연, 셀레늄 및 텔루리움을 포함하는 화합물)를 포함하는 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어일 수 있다. 이런 코어는 유기 리간드 및/또는 계면 활성제의 존재 하에, 반응 온도로 가열된 유기 용매 내에 아연 전구체, 셀레늄 전구체 및 텔루리움 전구체를 주입하여 반응시킴으로써 제조할 수 있다. 이런 코어는 예를 들어, 아연 전구체와 선택에 따라 리간드를 포함한 용액이 고온(예컨대, 200도씨 이상의 온도)으로 가열된 상태에서, 셀레늄 전구체와 텔루리움 전구체를 함께, 주입하는 hot injection 방법으로 형성할 수 있다.
전술한 반응이 완료되면, 온도를 낮추어 반응을 종결하고, 과량의 비용매를 첨가하여 나노결정 코어를 침전시키고, 이를 세정하여 여과함으로써 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어를 얻을 수 있다.
이후, 얻어진 반도체 나노결정 코어의 표면에 쉘을 형성하는 방법은 얻어진 코어를 포함하는 용매를 가열하면서, 여기에 쉘을 형성하기 위한 반도체 나노결정의 전구체들을 주입하여 반응시킬 수 있다. 또는 별도의 반응기에 용매 및 쉘을 형성하는 금속 전구체(예컨대, III족 전구체)를 먼저 주입하여 가열하고, 여기에, 얻어진 반도체 나노결정의 코어와 쉘을 형성하는 비금속 전구체(VI족 전구체)를 추가하여 반응시킬 수 있다. 이후 추가의 쉘을 구성하는 층들을 형성하는 방법은 앞에서 설명한 바와 유사하다.
코어와 쉘의 조성에 따라 금속 및 비금속 전구체가 적절히 선택될 수 있다. 금속 전구체는 금속 분말, 알킬화 금속, 금속 카르복실레이트, 금속 히드록시드, 금속할라이드, 금속 산화물, 금속 무기염(예컨대, 나이트레이트 등), 금속 설페이트, 금속 아세틸아세토네이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 비금속 전구체는 양자점 합성에 사용되는 비금속 원소 함유 화합물로부터 선택할 수 있다.
금속 원소가 아연일 경우, 아연 전구체로는 Zn 금속 분말, 알킬화 Zn 화합물, Zn 알콕시드, Zn 카르복실레이트, Zn 니트레이트, Zn 퍼콜레이트, Zn 설페이트, Zn 아세틸아세토네이트, Zn 할로겐화물, Zn 시안화물, Zn 히드록시드, Zn 옥사이드, Zn 퍼옥사이드, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 아연 전구체의 예로는 디메틸아연, 디에틸아연, 아연아세테이트, 아연아세틸아세토네이트, 아연아이오다이드, 아연브로마이드, 아연클로라이드, 아연플루오라이드, 아연카보네이트, 아연시아나이드, 아연나이트레이트, 아연옥사이드, 아연퍼옥사이드, 아연퍼클로레이트, 아연설페이트 등이 사용될 수 있고, 이들은 단독으로 또는 2종 이상의 조합으로 사용될 수 있다.
금속 원소가 갈륨인 경우 갈륨 전구체의 예로는 트리메틸갈륨, 갈륨 아세테이트, 갈륨 팔미테이트, 갈륨 스테아레이트 등의 갈륨 카르복실레이트, 갈륨 하이드록사이드, 갈륨클로라이드(gallium chloride), 갈륨옥사이드(gallium oxide), 갈륨나이트레이트(gallium nitrate), 갈륨설페이트(gallium sulfate), 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.
금속 원소가 인듐인 경우 인듐 전구체의 예로는 트리메틸인듐, 인듐 아세테이트, 인듐 팔미테이트, 인듐 스테아레이트 등의 인듐 카르복실레이트, 인듐 하이드록사이드, 인듐클로라이드(indium chloride), 인듐옥사이드(indium oxide), 인듐나이트레이트(indium nitrate), 인듐설페이트(indium sulfate), 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.
비금속 원소가 VI족 원소인 경우, VI족 원소 전구체는 칼코겐 원소를 포함하는 알킬포스핀일 수 있다.
VI족 원소가 셀레늄인 경우, 셀레늄 전구체의 예로는 셀레늄, 셀렌-트리옥틸포스핀(Se-TOP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-다이페닐포스핀(Se-DPP), 또는 이들의 조합이 사용될 수 있으나, 이들에 제한되지 않는다.
VI족 원소가 황인 경우, 황 전구체의 예로는 헥산 싸이올, 옥탄 싸이올, 데칸 싸이올, 도데칸 싸이올, 헥사데칸 싸이올, 머캡토 프로필 실란, 설퍼-트리옥틸포스핀(S-TOP), 설퍼-트리부틸포스핀(S-TBP), 설퍼-트리페닐포스핀(S-TPP), 설퍼-트리옥틸아민(S-TOA), 비스트리메틸실릴 설퍼(bistrimethylsilyl sulfur), 황화 암모늄, 황화 나트륨, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
VI족 원소가 텔루리움인 경우, 텔루리움 전구체의 예로는 텔루르-트리부틸포스핀(Te-TBP), 텔루르-트리페닐포스핀(Te-TPP), 텔루르-다이페닐포스핀(Te-DPP), 또는 이들의 조합이 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
비금속 원소가 인(P)인 경우 인 전구체의 예로는 트리스 트리메틸실릴 포스핀(tris(trimethylsilyl)phosphine), tris(dimethylamino) phosphine, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
용매는 헥사데실아민 등의 C6 내지 C22의 1차 아민, 다이옥틸아민 등의 C6 내지 C22의 2차 아민, 트리옥틸아민 등의 C6 내지 C40의 3차 아민, 피리딘 등의 질소함유 헤테로고리 화합물, 헥사데칸, 옥타데칸, 옥타데센, 스쿠알렌(squalane) 등의 C6 내지 C40의 지방족 탄화수소(예컨대, 알칸, 알켄, 알킨 등), 페닐도데칸, 페닐테트라데칸, 페닐 헥사데칸 등 C6 내지 C30의 방향족 탄화수소, 트리옥틸포스핀 등의 C6 내지 C22의 알킬기로 치환된 포스핀, 트리옥틸포스핀옥사이드 등의 C6 내지 C22의 알킬기로 치환된 포스핀옥사이드, 페닐 에테르, 벤질 에테르 등 C12 내지 C22의 방향족 에테르, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 용매의 종류 및 사용량은 사용하는 전구체들과 유기 리간드의 종류를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
전술한 형성 반응은 반도체 나노결정의 코어 및 쉘을 형성하기 위한 반도체 나노결정의 전구체, 및/또는 유기 리간드 등을 용매에 각각의 단계에서 적절히 첨가 및/또는 주입하여 혼합물을 제조하고, 이러한 혼합물을, 선택에 따라, 진공, 및/또는 불활성 분위기 하에서, 소정의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
코어 형성을 위한 제1 반응 온도는 250 도씨 이상, 260 도씨 이상, 270 도씨 이상, 280 도씨 이상, 290 도씨 이상, 또는 300 도씨 이상일 수 있다. 또한 제1 반응온도는 350 도씨 이하, 340 도씨 이하, 330 도씨 이하, 320 도씨 이하, 또는 310 도씨 이하일 수 있다. 코어 형성을 위한 반응 시간은 특별히 제한되지 않으며 적절히 선택될 수 있다.
쉘 형성을 위한 반응 온도는 200 도씨 이상, 210 도씨 이상, 220 도씨 이상, 230 도씨 이상, 240 도씨 이상, 250 도씨 이상, 260 도씨 이상, 270 도씨 이상, 280 도씨 이상, 290 도씨 이상, 또는 300도씨 이상이고 340 도씨 이하, 325 도씨 이하, 310 도씨 이하의 범위에서 적절히 조절될 수 있다. 쉘 형성을 위한 반응 시간은 원하는 쉘 조성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
또는, 선택에 따라, 혼합물은 전술한 소정의 온도로 가열된 후, 추가의 반응물이 첨가되는 단계 전에, 다시 냉각될 수 있다. 예를 들어, 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘은 제조된 후, 여기에 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 제조하기 위한 전구체가 첨가되는 단계 전에, 다시 냉각될 수 있다. 냉각 온도는 150도씨 이하, 130 도씨 이하, 또는 100 도씨 이하일 수 있다. 냉각을 수행하는 이유는 상승된 온도에서 이들 추가 반응물이 급격하게 반응하는 것을 방지하기 위함이다. 예를 들어, 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 위에 제3 반도체 나노결정을 포함하는 쉘이 비균일하게 형성되는 것을 방지하기 위해 냉각이 수행될 수 있다.
코어 형성 반응계 및 쉘 형성을 위한 반응계 내에서 각 전구체의 함량 및 농도는 원하는 코어 및 쉘 조성과 전구체들간의 반응성을 고려하여 선택될 수 있다. 예컨대, 최종 양자점의 원하는 조성(Zn, Te, Se, Ga, 또는 S)을 고려하여, 각 전구체간의 비율이 조절될 수 있다. 최종 양자점의 조성은 유도결합플라즈마 원자발광 분석 등 적절한 분석 수단에 의해 확인될 수 있다.
코어 및/또는 쉘 형성 단계 후, 반응 생성물에 비용매(nonsolvent)를 부가하면 리간드 화합물이 배위된 나노결정 입자(e.g., 양자점 또는 코어)들이 분리될 수 있다. 비용매는 코어 형성 및/또는 쉘 형성 반응에 사용된 용매와 혼화되지만 제조된 나노결정을 분산시킬 수 없는 극성 용매일 수 있다. 비용매는 반응에 사용한 용매에 따라 결정될 수 있으며, 예컨대, 아세톤, 에탄올, 부탄올, 이소프로판올, 에탄다이올, 물, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸술폭시드(DMSO), 디에틸에테르(diethylether), 포름 알데하이드, 아세트 알데하이드, 에틸렌 글라이콜, 및 나열된 이 용매들과 유사한 용해도 파라미터(solubility parameter)를 갖는 용매, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 분리는 원심 분리, 침전, 크로마토 그래피, 또는 증류가 이용될 수 있다. 분리된 나노결정은 필요에 따라 세정 용매에 부가되어 세정될 수 있다. 세정 용매는 특별히 제한되지 않으며, 리간드와 유사한 용해도 파라미터를 갖는 용매가 사용될 수 있다. 그 예로는 헥산, 헵탄, 옥탄, 클로로포름, 톨루엔, 벤젠 등이 있다.
양자점은 물, 전술한 비용매, 또는 이들의 조합에 대하여 비분산성 또는 비수용성일 수 있다.
양자점은 전술한 유기 용매 내에 분산될 수 있다. 예를 들어, 양자점들은 C6 내지 C40의 지방족 탄화수소, C6 내지 C40의 치환 또는 미치환의 방향족 탄화수소, 또는 이들의 조합에 의해 분산될 수 있다.
전술한 양자점은 양자점 조성물에 포함될 수 있다. 양자점 조성물은 유기 용매 및/또는 액체 비히클을 포함할 수 있으며, 선택에 따라 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 중합성 단량체, 및(광) 개시제를 더 포함할 수 있다. 조성물 내에서 양자점의 함량은 최종 용도 및 조성물의 조성을 감안하여 적절히 조절될 수 있다. 양자점의 함량은 조성물의 고형분을 기준으로 0.1 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상, 9 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 30 중량% 이상, 35 중량% 이상, 또는 40 중량% 이상일 수 있다. 또한, 양자점의 함량은 고형분을 기준으로 70 중량% 이하, 65 중량% 이하, 60 중량% 이하, 55 중량% 이하, 또는 50 중량% 이하일 수 있다.
양자점 조성물은 포토리소그라피 공정을 사용하여 패턴을 형성할 수 있는 감광성 조성물 또는 잉크젯 공정을 사용하여 패턴을 형성할 수 있는 잉크젯 조성물일 수 있다.
양자점 조성물은 카르복시산기를 포함하는 화합물을 더 포함할 수 있다. 이런 화합물은 예를 들어, 카르복시산기 및 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 모노머 화합물, 카르복시산기(-COOH)를 포함하는 다중 방향족 고리(multiple aromatic ring) 함유 모노머 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
양자점 조성물(예컨대, 감광성 조성물)에 대한 구체적인 내용은 US-2017-0059988-A1 등을 참조할 수 있으며, 이에 대한 사항은 원용에 의해 본 명세서에 모두 포함된다.
전술한 양자점이 폴리머 매트릭스 내에 분산되는 형태로 양자점 폴리머 복합체가 구성될 수 있다.
폴리머 매트릭스 내에 양자점의 함량은 적절히 선택될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리머 매트릭스 내 양자점 함량은 복합체 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 및 70 중량% 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 폴리머 매트릭스 내 양자점 함량은 복합체 총 중량을 기준으로 0.3 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 또는 1.0 중량% 이상이고 65 중량% 이하, 60 중량% 이하, 55 중량% 이하, 또는 50 중량% 이하일 수 있다.
폴리머 매트릭스는 티올렌 중합체, (메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 티올렌 중합체에 대한 내용은 US-2015-0218444-A1에 상세히 개시되어 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 명세서에 통합된다. (메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지는 공지된 방법에 의해 합성되거나 상업적으로 입수될 수 있다.
양자점 폴리머 복합체는 금속 산화물 미립자를 더 포함할 수 있다. 금속 산화물 미립자는 예를 들어 SiO2, ZnO2, TiO2, ZrO2, 및 이들의 조합에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
양자점 폴리머 복합체는 시트(sheet) 형태일 수 있다.
양자점 폴리머 복합체는 기판 상에 배치되는 양자점 적층 구조물 형태일 수 있다. 양자점 적층 구조물은 미리 정해진 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 반복 구획(section)을 포함하는 양자점 폴리머 복합체 패턴을 가질 수 있다. 양자점 폴리머 복합체 패턴은 제1 광을 방출하는 제1 구획 및 제2광을 방출하는 제2 구획으로부터 선택된 적어도 하나의 반복 구획(section)을 포함할 수 있다. 제1 구획과 제2 구획은 다른 파장의 광을 방출하는 양자점을 각각 독립적으로 포함할 수 있다.
이런 양자점 적층 구조물의 제조 방법은 기판 상에 양자점 조성물의 막(film)을 형성하고, 막의 선택된 영역을 소정의 파장을 가진(예컨대, 파장 400nm 이하의) 광에 노출시키고, 노출된 필름을 알칼리 현상액으로 현상하여 양자점 폴리머 복합체의 패턴을 얻는 단계들을 포함할 수 있다.
양자점 조성물은 전술한 내용과 같다. 전술한 양자점 조성물은 기판 위에 스핀 코팅, 슬릿 코팅 등의 적당한 방법을 사용하여, 소정의 두께로 도포되어 막을 형성할 수 있으며, 형성된 막은 선택에 따라 프리베이크(PRB)를 거칠 수 있다. 프리베이크의 온도와 시간, 분위기 등 조건은 알려져 있으며 적절히 선택될 수 있다.
형성된(또는 선택에 따라 프리베이크된) 막은 소정의 패턴을 가진 마스크 하에서 소정의 파장을 가진(예컨대, 파장 400nm 이하의) 광에 노출될 수 있으며, 광의 파장 및 세기는 광 개시제의 종류와 함량, 양자점의 종류와 함량 등을 고려하여 선택될 수 있다.
노광된 필름을 알칼리 현상액으로 처리(예컨대, 침지 또는 스프레이)하면 필름 중 광이 조사되지 않은 부분이 용해되고 원하는 패턴이 얻어진다. 얻어진 패턴은 필요에 따라 패턴의 내크랙성 및 내용제성 향상을 위해, 예컨대, 150도씨 내지 230도씨의 온도에서 소정의 시간(예컨대 10분 이상, 또는 20분 이상) 포스트베이크(POB)될 수 있다.
양자점 폴리머 복합체의 패턴이 복수개의 반복 구획들을 가지는 경우, 제조자는 각 반복 구획의 형성을 위해 원하는 발광 물성(광발광 피크 파장 등)을 가지는 양자점(예컨대, 적색 발광 양자점, 녹색 양자점 또는 선택에 따라 청색 양자점)을 포함하는 복수개의 조성물을 마련하고, 각각의 조성물에 대하여 전술한 패턴 형성 과정을 필요한 횟수(예컨대, 2회 이상, 또는 3회 이상)로 반복하여 원하는 패턴의 양자점 폴리머 복합체를 얻을 수 있다.
전술한 양자점과 액체 비히클을 포함하는 잉크 조성물이 패턴 형성을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 제조자는 기판의 원하는 영역 상에 양자점과 액체 비히클, 모노머 등을 포함하는 잉크를 퇴적시키고 선택에 따라 액체 비히클을 제거하고 중합을 수행하거나, 액체 비히클을 제거하여 패턴을 형성할 수 있다. 양자점 폴리머 복합체 패턴은 2개 이상의 상이한 색을 방출하는 구획들(예컨대, RGB 색 구획들)이 반복되는 패턴일 수 있으며, 이러한 양자점 폴리머 복합체의 패턴은 표시 소자에서 광발광형 컬러필터로 사용될 수 있다.
전술한 양자점은 전자 소자(electronic device)에 포함될 수 있다. 이러한 전자 소자는 표시 소자, 발광 다이오드(LED), 유기발광 다이오드(OLED), 퀀텀닷 LED, 센서(sensor), 태양전지, 이미징 센서, 포토디텍터, 또는 액정 표시 소자를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
전술한 양자점은 전자 장치(electronic apparatus)에 포함될 수 있다. 이러한 전자 장치는 휴대 단말 장치, 모니터, 노트 PC, 텔레비전, 전광판, 카메라, 자동차 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 전자 장치는 양자점을 포함하는 표시 소자를 포함하는 휴대 단말 장치, 모니터, 노트 PC 또는 텔레비전일 수 있다. 전자 장치는 양자점을 포함하는 이미지 센서를 포함하는 카메라 또는 휴대 단말 장치일 수 있다. 전자 장치는 양자점을 포함하는 포토디텍터를 포함하는 카메라 또는 자동차일 수 있다.
도 1을 참고하면, 전자 소자(10)는 서로 마주하는 제1 전극(11)과 제2 전극(15), 제1 전극(11)과 제2 전극(15) 사이에 위치하고 전술한 양자점을 포함하는 활성층(13)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 양자점을 포함하는 전자 소자는 전계 발광 소자일 수 있다. 구체적으로, 활성층(13)의 양자점은 제1 전극(11)과 제2 전극(15)으로부터 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(exiton)을 형성하고, 상기 활성층(13)은 형성된 여기자의 에너지에 의해 일정한 파장의 빛을 발광할 수 있는 발광층일 수 있다. 또한, 양자점을 포함하는 전자 소자는 포토디텍터 또는 태양전지일 수 있다. 구체적으로, 양자점을 포함하는 활성층(13)은 외부 광자를 흡수한 후 전자와 정공으로 분리하여 제1 전극(11)과 제2 전극(15)에 전자와 정공을 제공하는 광흡수층일 수 있다.
제1 전극(11)과 활성층(13) 사이에는 정공 보조층(12)이 위치할 수 있고, 제2 전극(15)과 활성층(13) 사이에는 전자 보조층(14)이 위치할 수 있다.
전자 소자(10)는 기판(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 기판은 제1 전극(11) 측에 배치될 수도 있고 제2 전극(15) 측에 배치될 수도 있다. 기판은 절연 재료를 포함하는 기판(예컨대, 절연성 투명 기판)일 수 있다. 또한, 기판은 유리, 폴리에스테르(e.g., 폴리에티렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)), 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드이미드 등과 같은 다양한 폴리머, 폴리실록산(e.g. PDMS), Al2O3, ZnO 등의 무기 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있고, 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수도 있다. 투명이라 함은 일정 파장의 광(예컨대, 양자점으로부터 방출된 광)이 통과하는 투과율이 85% 이상, 88% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 97% 이상, 또는 99% 이상인 것을 의미할 수 있다. 기판의 두께는 기판 재료 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 투명 기판은 유연성일 수 있다.
제1 전극(11)과 제2 전극(15) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 일 예로, 제1 전극(11)은 애노드일 수 있고 제2 전극(15)은 캐소드일 수 있다.
제1 전극(11)은 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 금속 산화물 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다. 제1 전극(11)은 니켈, 백금, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금, 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물, 또는, ZnO와 Al 또는 SnO2와 Sb와 같은 금속과 산화물의 조합 등으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 전극(15)은 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 금속 산화물 및/또는 도전성 고분자로 만들어질 수 있다. 제2 전극(15)은 예컨대 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 타이타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 은, 금, 백금, 주석, 납, 세슘, 바륨 등과 같은 금속 또는 이들의 합금, LiF/Al, 리튬옥사이드(Li2O)/Al, Liq/Al, LiF/Ca 및 BaF2/Ca과 같은 다층 구조 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도전성 금속 산화물은 전술한 바와 같다.
제1 전극(11) 및 제2 전극(15)의 일함수는 특별히 제한되지 않으며, 적절히 선택할 수 있다. 제1 전극(11)의 일함수는 제2 전극(15)의 일함수보다 높거나 낮을 수 있다.
제1 전극(11)과 제2 전극(15) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있으며, 투광 전극은 예컨대 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다. 제1 전극(11)과 제2 전극(15) 중 어느 하나가 불투광 전극인 경우 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
제1 전극(11) 및/또는 제2 전극(15)의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 소자 효율을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이 전극의 두께는 5nm 이상, 예컨대, 50nm 이상이고 100㎛ 이하, 예컨대, 10 um 이하, 1 um 이하, 900nm 이하, 500nm 이하, 또는 100nm 이하일 수 있다.
활성층(13)은 앞서 설명한 양자점을 포함한다. 활성층(13)은 모노레이어 또는 복수 모노레이어의 양자점층을 포함할 수 있다. 복수의 모노레이어 층들은 2층 이상, 3층 이상, 또는 4층 이상이고 20층 이하, 10층 이하, 9층 이하, 8층 이하, 7층 이하, 또는 6층 이하일 수 있다. 활성층(13)은 5nm 이상, 예컨대, 10nm 이상, 20nm 이상, 또는 30nm 이상이고, 200nm 이하, 예컨대, 150nm 이하, 100nm 이하, 90nm 이하, 80nm 이하, 70nm 이하, 60nm 이하, 또는 50nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 활성층(13)은 약 10nm 내지 150nm 약 10nm 내지 100nm, 또는 약 10nm 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
전자 소자(10)는 정공 보조층(12)을 더 포함할 수 있다. 정공 보조층(12)은 제1 전극(11)과 활성층(13) 사이에 위치한다. 정공 보조층(12)은 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 차단층(EBL), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정공 보조층(12)은 단일 성분의 층이거나 혹은 인접하는 층들이 상이한 성분을 포함하는 다층 구조일 수 있다.
정공 보조층(12)의 HOMO 에너지 준위는 정공 보조층(12)으로부터 활성층(13)으로 전달되는 정공의 이동성을 강화하기 위해 활성층(13) 의 HOMO 에너지 준위와 매칭될 수 있는 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 일 예로, 정공 보조층(12)은 제1 전극(11)에 가깝게 위치하는 정공 주입층과 활성층(13) 에 가깝게 위치하는 정공 수송층을 포함할 수 있다.
정공 보조층(12)(예컨대, 정공 수송층 또는 정공 주입층)에 포함되는 재료는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 폴리(9,9-디옥틸-플루오렌-코-N-(4-부틸페닐)-디페닐아민)(Poly(9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), TFB), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 설포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA(4,4',4"-Tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine), 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA), 1,1-비스[(디-4-토일아미노)페닐시클로헥산(TAPC), p형 금속 산화물(예를 들어, NiO, WO3, MoO3 등), 그래핀옥사이드 등 탄소 기반의 재료 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자 차단층(EBL)이 사용되는 경우, 전자 차단층(EBL)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리(9,9-디옥틸-플루오렌-코-N-(4-부틸페닐)-디페닐아민)(Poly(9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), TFB) 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
정공 보조층(들)에서, 각 층의 두께는 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, 각 층의 두께는 5nm 이상, 10nm 이상, 15nm 이상, 또는 20nm 이상이고, 50nm 이하, 예컨대, 40nm 이하, 35nm 이하, 또는 30nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전자 보조층(14)은 활성층(13)과 제2 전극(15) 사이에 위치한다. 전자 보조층(14)은 예를 들어, 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(ETL), 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(HBL) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 수송층과 캐소드(15) 사이에 전자 주입층이 배치될 수 있다. 예컨대, 정공 차단층(HBL)은 활성층과 전자 수송(주입)층 사이에 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 각 층의 두께는 적절히 선택될 수 있으며, 예컨대, 각층의 두께는 1nm 이상 및 500nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 전자 주입층은 증착에 의해 형성되는 유기층일 수 있으며, 전자 수송층은 무기 산화물 나노입자를 포함할 수 있다.
전자 수송층(ETL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보레인(3TPYMB), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2, ET204(8-(4-(4,6-di(naphthalen-2-yl)-1,3,5-triazin-2-yl)phenyl)quinolone), 8-hydroxyquinolinato lithium(Liq), n형 금속 산화물(예를 들어, ZnO, HfO2 등) 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 전자 수송층(ETL)은 복수 개의 나노 입자들을 포함할 수 있다. 나노 입자는 아연을 포함하는 금속 산화물, 예를 들어, 아연 산화물, 아연 마그네슘 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 금속 산화물은 Zn1 -x MxO(여기서, M은 Mg, Ca, Zr, W, Li, Ti, Y, Al 또는 이들의 조합이고 0
Figure pat00002
x ≤ 0.5) 를 포함할 수 있다. 이 화학식에서 x는 0.01 이상이고 0.3 이하, 예컨대, 0.25 이하, 0.2 이하, 또는 0.15 이하일 수 있다. 활성층에 포함되어 있는 전술한 양자점들의 LUMO의 절대값은 이 금속 산화물의 LUMO의 절대값보다 작을 수 있다. -나노 입자의 평균 크기는 1nm 이상, 예컨대, 1.5nm 이상, 2nm 이상, 2.5nm 이상, 또는 3nm 이상이고 10nm 이하, 9nm 이하, 8nm 이하, 7nm 이하, 6nm 이하, 또는 5nm 이하일 수 있다.
정공 차단층(HBL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(BCP), 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보레인(3TPYMB), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자 보조층(14)(예컨대, 전자 주입층, 전자 수송층 또는 정공 차단층) 각각의 두께는 5nm 이상, 6nm 이상, 7nm 이상, 8nm 이상, 9nm 이상, 10nm 이상, 11nm 이상, 12nm 이상, 13nm 이상, 14nm 이상, 15nm 이상, 16nm 이상, 17nm 이상, 18nm 이상, 19nm 이상, 또는 20nm 이상이고, 120nm 이하, 110nm 이하, 100nm 이하, 90nm 이하, 80nm 이하, 70nm 이하, 60nm 이하, 50nm 이하, 40nm 이하, 30nm 이하, 또는 25nm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전계 발광 소자는 노멀 구조를 가질 수 있다. 전계 발광 소자(200)는 투명 기판(100) 위에 배치된 애노드(10) 및 애노드(10)과 마주보는 캐소드(50)을 포함할 수 있다. 애노드(10)은 금속 산화물 기반의 투명 전극을 포함할 수 있고, 애노드(10)와 마주보는 캐소드(50)는 낮은 일함수를 갖는 도전성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드(양극)은 인듐주석산화물(ITO, 일함수는 약 4.6 eV 내지 5.1 eV) 전극일 수 있고, 캐소드(음극)(50)은 마그네슘(Mg, 일함수는 약 3.66 eV), 알루미늄(Al, 일함수는 약 4.28 eV), 또는 이들의 조합을 포함하는 전극일 수 있다. 또한, 정공 보조층(20)이 애노드(10)과 양자점 활성층(30) 사이에 배치될 수 있다. 정공 보조층(20)은 정공 주입층 및/또는 정공 수송층를 포함할 수 있으며, 정공 주입층은 애노드(10)에 가깝게, 정공 수송층은 양자점 활성층에 가깝게 배치될 수 있다. 또한, 전자 보조층(40)이 양자점 활성층(30)과 캐소드(50) 사이에 배치될 수 있다. 전자 보조층(40)은 전자 주입층 및 /또는 전자 수송층을 포함할 수 있으며, 전자 주입층은 캐소드(50)에 가깝게, 전자 수송층은 양자점 활성층(30)에 가깝게 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예의 전계 발광 소자는 인버티드(Inverted) 구조를 가질 수 있다. 인버티드 구조의 전계 발광 소자(300)은 투명기판(100) 위에 배치된 캐소드(50) 및 캐소드(50)과 마주보는 애노드(10)을 포함할 수 있다. 캐소드(50)은 금속 산화물 기반의 투명 전극을 포함할 수 있고, 캐소드(50)와 마주보는 애노드(10)는 높은 일함수를 갖는 도전성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드(50)은 인듐주석산화물(ITO, 일함수 약 4.6 eV 내지 5.1 eV) 전극일 수 있고, 캐소드(10)은 금(Au, 일함수는 약 5.1 eV), 은(Ag, 일함수는 약 4.26 eV), 알루미늄(Al, 일함수는 4.28 eV), 또는 이들의 조합을 포함하는 전극일 수 있다. 또한, 전자 보조층(40)이 양자점 활성층(30)과 캐소드(50) 사이에 배치될 수 있다. 전자 보조층(40)은 전자 보조층(40)은 전자 주입층 및/또는 전자 수송층을 포함할 수 있으며, 전자 주입층은 캐소드(50)에 가깝게, 전자 수송층은 양자점 활성층(30)에 가깝게 배치될 수 있다. 전자 보조층(40)은 예를 들어 전자 수송층은 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 결정성 Zn 산화물 또는 n-type 도핑된 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 정공 보조층(20)이 애노드(10)과 양자점 활성층(30) 사이에 배치될 수 있다. 정공 보조층(20)은 정공 주입층 및/또는 정공 수송층를 포함할 수 있으며, 정공 주입층은 애노드(10)에 가깝게, 정공 수송층은 양자점 활성층(30)에 가깝게 배치될 수 있다. 정공 수송층은 TFB, PVK, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 정공 주입층은 MoO3 또는 다른 p 형 금속 산화물을 포함할 수 있다.
전계 발광 소자는 활성층(30)에서 발생된 일정 파장의 빛이 투광 전극 및 투명 기판을 통해 외부로 방출된다. 예를 들어, 도 2를 참고하면, 애노드(10)에 투광 전극인 금속 산화물 기반의 투명 전극(예컨대, 인듐주석산화물(ITO))이 적용된 경우, 활성층에서 형성된 광은 애노드(10) 및 투명 기판(100)을 통해 외부로 방출된다. 도 3을 참고하면, 캐소드(50)에 투광 전극인 금속 산화물 기반의 투명 전극(예컨대, 인듐주석산화물(ITO))이 적용된 경우, 활성층에서 형성된 광은 캐소드(50) 및 투명 기판(100)을 통해 외부로 방출된다.
전술한 전자 소자는 적절한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예컨대, 전계 발광 소자는 전극이 형성된 기판 상에 정공 보조층(또는 전자 보조층)을 형성하고, 양자점들을 포함하는 활성층(예컨대, 전술한 양자점들의 패턴)을 형성하고, 활성층 상에 전자 보조층(또는 정공 보조층) 및 전극을 형성하여 제조할 수 있다. 전극, 정공 보조층, 및 전자 보조층은 각각 독립적으로 적절한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 예를 들어, 증착 또는 코팅에 의해 형성될 수 있으나 특별히 제한되지 않는다.
전술한 양자점을 포함한 다른 전자 소자는 광원 및 발광 요소를 포함할 수 있다. 발광 요소는 전술한 양자점을 포함할 수 있으며, 광원은 발광 요소에 입사광을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 전자 소자는 광발광 표시 소자(photo-luminescence display device)일 수 있다.
광원에서 제공되는 입사광은 400nm 이상 500nm 이하, 예컨대, 430nm 이상 및 480nm 이하의 범위에 있는 광발광 피크 파장을 가질 수 있다. 발광 요소는 전술한 양자점이 폴리머 매트릭스에 분산된 형태를 가질 수 있다. 일 예로, 발광 요소는 양자점 폴리머 복합체가 시트(sheet) 형태로 구현된 모습일 수 있다.
일 실시예에 따른 광발광 표시 소자는 액정 패널을 더 포함하고, 광원과 액정 패널 사이에 양자점 폴리머 복합체의 시트가 위치할 수 있다. 도 4를 참조하면, 광발광 표시 소자는 백라이트 유닛과 액정 패널을 포함하고, 백라이트 유닛은 양자점 폴리머 복합체 시트(QD 시트)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 백라이트 유닛(410)은 반사판(reflector), 도광판(LGP), 광원(청색 LED 등), 양자점 폴리머 복합체 시트(QD 시트), 광학 필름(프리즘, 이중 휘도 향상 필름(Double brightness enhance film, DBEF) 등)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 액정 패널은 백라이트 유닛 위에 배치되며, 두 개의 편광자(Pol) 사이에 액정과 컬러 필터를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 양자점 폴리머 복합체 시트(QD 시트)는 광원으로부터 광을 흡수하여 적색광을 발광하는 양자점 및 녹색광을 발광하는 양자점을 포함할 수 있다. 광원으로부터 제공되는 청색광은 양자점 폴리머 복합체 시트를 거치면서, 양자점으로부터 방출되는 적색광 및 녹색광과 결합되어 백색광으로 변환될 수 있다. 이 백색광은 액정 패널 내의 컬러 필터에 의해 청색광, 녹색광, 및 적색광으로 분리되어, 화소별로 외부로 방출될 수 있다.
광발광 표시 소자의 다른 예는 발광 요소가 기판 상에 배치되는 양자점 적층 구조물 형태로 구현된 모습일 수 있다. 이 양자점 적층 구조물은 앞서 설명한 바와 같으며, 양자점 폴리머 복합체 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광발광 표시 소자(500a, 500b)는 양자점 폴리머 복합체 패턴(520a, 520b)이 광원(510a, 510b)을 마주보는 위치에 배치될 수 있다. 양자점 폴리머 복합체 패턴은 녹색 양자점을 포함하는 제1 구획(521a, 521b) 및 적색 양자점을 포함하는 제2 구획(522a, 522b)을 포함할 수 있고, 선택에 따라 양자점을 포함하지 않는 제3 구획(523a, 523b)을 더 포함할 수 있다. 양자점 폴리머 복합체 패턴은 광원과 접촉하거나(도 5b), 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다(도 5a). 광원은 복수의 발광 단위(5101a, 5102a, 5103a, 5101b, 5102b, 5103b)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 발광 단위(5101a, 5102a, 5101b, 5102b)가 제1 구획 및 제2 구획 각각에 대응되도록 배치될 수 있다. 선택에 따라, 하나 이상의 발광 단위(5103a, 5103b)가 제3 구획에 대응되도록 더 배치될 수 있다.
광원(510a, 510b)은 소정 파장의 광(예컨대, 청색광, 녹색광, 또는 이들의 조합)을 방출할 수 있다. 예를 들어, 광원은 400nm 이상, 420nm 이상, 또는 430nm 이상이고 500nm 이하, 490nm 이하 또는 480nm 이하 범위의 발광 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
광원(510a, 510b)은 전계 발광 소자일 수 있다. 구체적으로, 광원은 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 전계 발광층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(510a, 510b)은 전계 발광층에 유기 발광 물질을 포함하는 유기 발광 다이오드일 수 있다. 유기 발광 다이오드는 기판 위에 형성된 2 이상의 화소 전극(5121a, 5122a, 5123a, 5121b, 5122b, 5123b), 이웃하는 화소 전극들 사이에 형성된 화소 정의층(5131a, 5132a, 5131b, 5132b), 각각의 화소 전극 위에 형성된 유기 발광층(5141a, 5142a, 5143a, 5141b, 5142b, 5143b), 및 유기 발광층 위에 형성된 공통 전극층(515a, 515b)을 포함할 수 있다. 유기 발광 다이오드 아래에는 박막 트랜지스터(미도시) 및 기판(511a, 511b)이 배치될 수도 있다.
광원으로부터 방출된 광(예컨대, 청색광)은 양자점 폴리머 패턴의 제1 구획 및 제2 구획에 입사되어 각각 녹색광 및 적색광으로 변환될 수 있다. 또한, 광원으로부터 방출된 청색광은 양자점 폴리머 패턴을 포함하지 않는 제3 구획을 통과할 수 있다. 이러한 녹색광, 적색광, 및 청색광은 각각 화소별로 외부로 방출될 수 있다. 구체적으로, 녹색광을 방출하는 제1 구획은 녹색 화소 영역, 적색광을 방출하는 제2구획은 적색 화소 영역, 청색광을 방출하는 제3 구획은 청색 화소 영역일 수 있다.
광발광 표시 소자는 양자점 폴리머 패턴에 추가하여 광학 필터층(530a, 530b)을 포함할 수 있다. 광학 필터층은 가시광 영역 중 일부 파장 영역의 광을 차단시키고 나머지 파장 영역의 광을 투과시킬 수 있다. 예컨대 광학 필터층(530a, 530b)은 광원에서 나오는 파장 영역인 청색광을 차단시키고 청색광을 제외한 광(예컨대 녹색광, 적색광 및/또는 이들의 혼색광인 황색광)은 투과시킬 수 있다. 구체적으로, 광학 필터층(530a, 530b)은 400nm 이상 480nm 미만의 광을 80% 이상, 90% 이상, 심지어 95% 이상을 차단하는 반면, 약 500nm 초과 내지 700nm 이하의 나머지 광에 대해서는 약 70% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 심지어 100%의 광 투과도를 가질 수 있다. 이러한 광학 필터층은 표시 소자의 색 순도를 향상시키거나 양자점 복합체 패턴의 광변환 효율을 높일 수 있다.
광학 필터층(530a, 530b)은 녹색광을 방출하는 제1 구획(521a, 521b)과 적색광을 방출하는 제2 구획(522a, 522b) 위에 배치될 수 있다. 광학 필터층은 양자점 폴리머 패턴이 없는 제3 구획(청색 화소 영역, 523a, 513b)에 대응하는 부분에는 적용되지 않도록 배치될 수 있다. 일 예로, 광학 필터층(530a, 530b)은 양자점 폴리머 패턴의 제3 구획과 중첩되는 부분을 제외한 나머지 부분들 위에 일체 구조로 형성될 수도 있다. 이와 달리, 광학 필터층(530a, 530b)은 양자점 폴리머 패턴의 제1 구획 및 제2 구획과 각각 중첩되는 위치에 각각 이격 배치될 수도 있다. 구체적으로, 광학 필터층은 양자점 폴리머 패턴의 제1 구획 및 제2 구획에 각각 대응되는 제1 영역 및 제2 영역을 갖고, 이들 제1 영역과 제2 영역은 블랙 매트릭스 등에 의해 광학적으로 고립된 형태일 수 있다. 광학 필터층의 제1영역은 녹색광을 방출하는 제1 구획(녹색 화소 영역)에 대응되도록 배치되며, 청색광 및 적색광을 차단하고, 소정의 파장 범위(예컨대, 약 500nm 이상, 약 510nm 이상, 또는 약 515nm 이상이고 약 550nm 이하, 약 540nm 이하, 약 535nm 이하, 약 530nm 이하, 약 525nm 이하, 또는 약 520nm 이하)의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 또한, 광학 필터층의 제2 영역은 적색광을 방출하는 제2 구획(적색 화소 영역)에 대응되도록 배치되며, 청색광 및 녹색광을 차단하고, 소정의 범위(예컨대, 약 600nm 이상, 약 610nm 이상, 또는 약 615nm 이상이고 약 650nm 이하, 약 640nm 이하, 약 635nm 이하, 약 630nm 이하, 약 625nm 이하, 또는 약 620nm 이하)의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
광학 필터층(530a, 530b)은 원하는 파장을 흡수하여 해당 파장의 광을 차단할 수 있다. 이러한 광학 필터는 차단하고자 하는 파장의 광을 흡수하는 염료 및/또는 안료를 포함할 수 있으며, 이 염료 및/또는 안료가 폴리머 매트릭스에 분산된 형태를 가질 수 있다.
또한 광학 필터층(530a, 530b)은 원하는 파장을 반사하여 해당 파장의 광을 차단할 수 있다. 이러한 광학 필터층은 굴절률이 상이한 복수개의 층들(예컨대, 무기 재료층)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 광학 필터층은 굴절률이 상이한 2층(예컨대, 고굴절률을 갖는 층과 저굴절률을 갖는 층)이 교번적으로 적층된 형태일 수 있다.
광발광 표시 소자(500a, 500b)는 추가 광학 필터층(미도시)이 광원과 발광 요소 사이에 더 배치될 수 있다. 추가 광학 필터층은 양자점 폴리머 패턴으로부터 방출되는 광(예컨대, 녹색광 및/또는 적색광)은 반사시키고, 광원에서 나오는 광(예컨대, 청색광)은 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 추가 광학 필터층은 약 500nm 초과 내지 700nm 이하의 나머지 광에 대해서는 80% 이상, 90% 이상, 심지어 95% 이상을 반사하는 반면, 400nm 이상 480nm 미만의 광에 대해서는 약 70 % 이상, 80 % 이상, 90 % 이상, 심지어 100 %의 광 투과도를 가질 수 있다. 이러한 추가 광학 필터층은 적색광, 녹색광, 및/또는 황색광을 리사이클하고 양자점 복합체 패턴의 광변환 효율을 높일 수 있다.
광발광 표시 소자(500a, 500b)는 양자점 적층 구조물(양자점 폴리머 복합체의 패턴)과 광원를 별도로 제조한 후 결합하여 제조될 수도 있고, 광원 상에 양자점 폴리머 복합체의 패턴을 직접 형성함에 의해 제조할 수도 있다.
이하에서는 앞서 설명한 양자점들을 포함하는 구체적인 실시예들을 제시한다.
하기 실시예에서 제조되는 반도체 화합물들의 에너지 밴드갭(Eg), 격자 상수(lattice parameter), 전자/정공 유효 질량(effective mass)를 아래 표 1에 기재하였다.
밴드갭
(eV)		 격자상수
(nm)		 유효 질량
전자 유효 질량(me) 정공 유효 질량(me)
ZnSe 2.82 0.567 0.17 0.75
ZnTe 2.26 0.61 0.16 0.36
ZnS(cubic) 3.68 0.541 0.39 1.76
Ga2S3(cubic) 3.43 0.52 0.19 0.8
*me : 자유 전자의 질량(9.1*10-31kg)하기 실시예 및 비교예에서 제조되는 양자점들은 하기 방법에 따라 분석하였다.
[1] 광발광(Photoluminescence) 분석
Hitachi F-7000 스펙트로미터를 이용하여 조사 파장 372nm에서 제조된 나노결정의 광발광(photoluminescence: PL) 스펙트럼을 얻는다.
[2] ICP 분석
Shimadzu ICPS-8100를 사용하여 유도결합 플라즈마 원자 발광 분광분석(ICP-AES)을 수행한다.
[3] X선 광전자 분광분석(XPS)
X선 광전자 분광분석(제조사: Physical Electronics, 모델명: Quantum2000) 를 사용하여 XPS 분석을 수행한다.
합성은 특별히 언급하지 않는 한 불활성 기체 분위기(질소 flowing 조건 하) 에서 수행한다.
참고예 1: ZnTeSe 양자점(코어)의 합성
셀레늄 및 텔루리움을 트리옥틸포스핀(TOP)에 분산시켜 0.4 M 의 Se/TOP stock solution 및 0.5 M 의 Te/TOP stock solution 을 준비한다. Te/TOP stock solution과 올레일아민 유기 리간드를 포함하는 혼합액을 준비한다.
300 mL 의 반응 플라스크 내에, 아연 아세테이트 0.9 mmol를 올레익산과 함께 1-Octadecene 내에 용해시키고 진공 하에 120도씨로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 불활성 기체로 전환하고, 300 도씨로 가열한다.
가열된 반응계 내에 Se/TOP stock solution 및 혼합액을 주입하고, 반응을 종료한다.
반응계를 실온으로 냉각하고 아세톤을 넣고 침전을 형성하고, 이를 원심 분리하여 ZnTeSe 양자점을 얻는다. 얻어진 ZnTeSe 양자점을 톨루엔에 분산시킨다.
실시예 1: ZnTeSe / GaS x 코어쉘 양자점의 합성
[1] 위 참고예 1과 동일한 방식으로 ZnTeSe 코어를 제조한다.
[2] 황을 트리옥틸포스핀(TOP)에 분산시켜 1 M 의 S/TOP stock solution 을 준비한다. 300 mL 의 반응 플라스크 내에, 갈륨 스테아레이트을 올레익산과 함께 트리옥틸아민 내에 용해시키고 진공 하에 120도씨로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 불활성 기체로 전환하고, 200도 이상으로 가열한다. 가열된 반응계 내에, 위 [1] 단계에서 합성한 ZnTeSe 코어와 S/TOP stock solution을 주입하고 대략 5분 이상 반응을 진행한다. 여기에서 갈륨 스테아레이트와 S/TOP는 1:1의 몰비로 사용한다. 반응 완료 후, 반응계를 실온으로 냉각하고 아세톤을 넣고 침전을 형성하고, 이를 원심 분리하여 ZnTeSe/GaSx 코어쉘 양자점을 얻는다. 얻어진 코어쉘 양자점을 톨루엔에 분산시킨다.
실시예 1에서 합성된 코어쉘 양자점에 대하여 XPS 분석을 수행하고 얻은 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 따르면, 실시예 1의 양자점은 Ga2S3 에 해당하는 피크를 가짐을 확인할 수 있다.
참고예 1에서 합성된 양자점(코어)과, 실시예 1에서 합성된 코어쉘 양자점에 대하여 ICP 분석을 수행한 결과를 표 2에 나타내었다.
ICP(Te 대비 몰 비)
Te S Zn Se Ga
참고예 1 ZnTeSe 1 0 3.61 1.03 0
실시예 1 ZnTeSe/GaSx 1 1.17 3.68 0.94 0.9
비교예 1: ZnTeSe / ZnS 코어쉘 양자점의 합성
실시예 1의 [2]단계에서 갈륨 스테아레이트 대신, 아연 아세테이트 0.9 mmol 를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방식으로 ZnTeSe/ ZnS 코어쉘 양자점을 얻는다.
참고예 1, 비교예 1, 및 실시예 1에서 합성된 양자점에 대하여 광발광 분석을 수행하고, 얻은 결과(발광 피크 파장, 반치폭, 양자효율)를 표 3에 나타내었다.
실시예 1의 양자점은 참고예 1 및 비교예 1의 양자점에 비해 향상된 발광 물성(예: 양자 효율)을 나타냄을 확인하였다. 구체적으로, II-VI족 반도체 나노결정 코어와 III-VI족 반도체 나노결정 쉘을 포함하는 실시예 1의 양자점(쉘의 유효 질량이 코어의 2.0 배 이하인 코어쉘 양자점)은 II-VI족 반도체 나노결정을 갖는 참고예 1의 양자점(코어) 및 II-VI족 반도체 나노결정 코어와 II-VI족 반도체 나노결정 쉘을 포함하는 비교예 1의 양자점(쉘의 유효 질량이 코어의 2.0 배 초과인 코어쉘 양자점)에 비해 약 1.5 배 이상의 양자 효율을 갖는다.
발광피크 파장(nm) 반치폭(nm) 양자 효율(QY, %)
참고예 1 ZnTeSe 512 25 27.4
비교예 1 ZnTeSe/ZnS 516 27 25
실시예 1 ZnTeSe/GaSx 515 25.7 40.5
실시예 2 : ZnTeSe / ZnSe / GaS x 양자점의 합성[1]
실시예 1의 [1]단계와 동일한 방법으로 ZnTeSe 코어를 제조한다.
[2] 셀레늄(Se)을 트리옥틸포스핀(TOP)에 분산시켜 1 M 의 Se/TOP stock solution 을 준비한다. 300 mL 의 반응 플라스크 내에, 아연 아세테이트 0.9 mmol을 올레익산과 함께 트리옥틸아민 내에 용해시키고 진공 하에 120 도씨로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 불활성 기체로 전환하고, 200 도씨 이상으로 가열한다. 가열된 반응계 내에, 위 [1] 단계에서 합성한 ZnTeSe 코어와 S/TOP stock solution을 주입하고 대략 5분 이상 반응을 진행한다. 반응 완료 후, 반응계를 실온으로 냉각하고 아세톤을 넣고 침전을 형성하고, 이를 원심 분리하여 ZnTeSe/ZnSe 를 제조한다.
[3] ZnTeSe 코어 대신 위 [2] 단계에서 제조된 ZnTeSe/ZnSe를 사용하는 제외하고는, 실시예 1의 [2] 단계와 동일한 방식으로 ZnTeSe/ ZnSe/ GaSx 코어쉘 양자점을 얻는다.
비교예 2 : ZnTeSe / ZnSe / ZnS 양자점의 합성
[1] 실시예 2의 [1] 및 [2]와 동일한 ZnTeSe/ ZnSe 를 제조한다.
[2] 황을 트리옥틸포스핀(TOP)에 분산시켜 1 M 의 S/TOP stock solution 을 준비한다. 300 mL 의 반응 플라스크 내에, 아연 아세테이트 0.9 mmol을 올레익산과 함께 트리옥틸아민 내에 용해시키고 진공 하에 120도씨로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 불활성 기체로 전환하고, 200도 이상으로 가열한다. 가열된 반응계 내에, 위 [1] 단계에서 합성한 ZnTeSe/ ZnSe 과 S/TOP stock solution을 주입하고 대략 5분 이상 반응을 진행한다. 반응 완료 후, 반응계를 실온으로 냉각하고 아세톤을 넣고 침전을 형성하고, 이를 원심 분리하여 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS 코어쉘 양자점을 얻는다. 얻어진 코어쉘 양자점을 톨루엔에 분산시킨다.
실시예 3 : ZnTeSe / ZnSe / ZnS / GaS x 양자점의 합성
[1] 비교예 2와 동일한 방식으로 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS 를 제조한다.
[2] ZnTeSe 코어 대신 위 대신 위 [1] 단계에서 제조된 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1의 [2] 단계와 동일한 방식으로 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS/ GaSx 코어쉘 양자점을 얻는다.
실시예 4 : ZnTeSe / ZnSe / ZnS / GaS x / ZnS 양자점의 합성
[1] 실시예 3과 동일한 방식으로 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS/ GaSx 를 제조한다.
[2] ZnTeSe/ ZnSe 대신 위 [1] 단계에서 제조된 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS/ GaSx 를 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2의 [2] 단계와 동일한 방식으로 ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS/ GaSx 코어쉘 양자점을 얻는다.
비교예 2 및 실시예 2, 3, 4에서 제조된 코어쉘 양자점에 대해 광발광 분석을 수행하고 얻은 결과(발광 피크 파장, 반치폭, 양자효율)를 표 4 에 나타내었다. 비교예 2 및 실시예 2, 3, 4에서 사용된 전구체 함량을 통해 제조된 코어쉘 양자점에 포함된 반도체 화합물의 함량을 계산하여, 양자점 내 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물(ZnTeSe, ZnSe, 및 GaSx)의 몰비를 표 4에 나타내었다. 이 때, 양자점에 포함된 반도체 화합물의 전자 유효 질량(m* e)은 표 1을 참조한다.
m* e ≤0.34me 인 반도체 화합물의 몰비 발광피크파장(nm) 반치폭
(nm)		 양자 효율(QY, %)
비교예 2 ZnTeSe/ZnSe/ZnS 0.296 519 23.8 44.9
실시예 2 ZnTeSe/ZnSe/GaSx 1.0 520 25 72
실시예 3 ZnTeSe/ZnSe/ZnS/GaSx 0.56 519 23.8 53.4
실시예 4 ZnTeSe/ZnSe/ZnS/GaSx/ZnS 0.37 521 24.7 65.5
표 4의 결과로부터, 실시예들의 양자점은 비교예의 양자점에 비해 향상된 발광물성(예: 양자효율)을 나타냄을 확인하였다. 구체적으로, II-VI족 반도체 나노결정 코어(ZnTeSe 코어)와 III-VI족 반도체 나노결정 쉘(GaSx 쉘)을 포함하는 실시예 2, 3, 4의 양자점은 30nm 이하의 반치폭을 가지면서도, III-VI족 반도체 나노결정 쉘을 포함하지 않는 비교예 2의 양자점에 비해 약 1.2 배 이상의 양자 효율을 갖는다. 또한, 표 3과 표 4의 결과로부터, III-VI족 반도체 나노결정 쉘 뿐만 아니라 제3 나노결정 반도체 쉘(II-VI족 반도체 나노결정 쉘)을 더 포함하는 실시예 2, 3, 4의 경우, 실시예 1에 비해 약 1.2 배 이상의 양자 효율을 갖는다. 또한, 도 7을 참조하면, 양자점 내에 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물의 몰비가 높은 경우(예를 들어, 0.3 이상), 양자점이 원하는 파장의 광을 방출할 수 있음을 확인하였다. 구체적으로, ZnTeSe/ ZnSe/ ZnS 구조의 양자점에서, ZnS 쉘의 두께(ZnS의 함량)에 따른 양자점의 발광 피크 파장을 계산(시뮬레이션)한 결과, ZnS 쉘의 두께가 클수록(ZnS의 함량이 높을수록), 즉 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물의 몰비가 낮아질수록 양자점의 발광 피크 파장이 크게 변화한다. 그러나, ZnTeSe/ ZnSe/ GaSx 구조의 양자점에서는 GaSx 쉘의 두께(함량)에 따른 양자점의 발광 피크 파장을 계산(시뮬레이션)한 결과, GaSx 쉘의 두께가 커짐에도 불구하고(GaSx 의 함량이 증가됨에도 불구하고), 즉 전자 유효 질량이 0.34me이하인 반도체 화합물의 몰비가 높아짐에도 불구하고, 양자점의 발광 피크 파장은 실제적으로 변화하지 않는다. 특정 이론에 의해 구속되려 함은 아니지만, ZnTeSe/ ZnSe/ GaSx 구조의 양자점은 ZnTeSe/ZnSe/ZnS 구조의 양자점보다 양자점 내의 전자 밀도가 더 높아, 전자-정공 겹침(electron-hole overlap) 정도가 더 높을 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.
500a, 500b: 광발광 표시 소자
520a, 520b: 양자점 폴리머 복합체 패턴
510a, 510b: 광원
521a, 521b: 제1 구획
522a, 522b: 제2 구획
523a, 523b: 제3 구획

Claims (57)

  1. II-VI족 화합물을 포함하는 제1 반도체 나노결정을 포함하는 코어; 및
    상기 코어의 외곽에 배치되고, Ⅲ-VI족 화합물을 포함하는 제2 반도체 나노결정을 포함하는 하나 이상의 쉘;을 포함하고,
    카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않는 양자점으로서,
    제2 반도체 나노결정은 유효 질량이 제1 반도체 나노결정의 유효 질량의 0.5 배 이상 2.0 배 이하인 양자점.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 유효 질량이 제1 반도체 나노결정의 유효 질량의 1.5 배 이하인 양자점.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 에너지 밴드갭이 제1 반도체 나노결정의 에너지 밴드갭보다 큰 양자점.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 전자 유효 질량이 0.39me 미만인 양자점.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 양자점.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정과 제1 반도체 나노결정의 전자 유효 질량의 차이가 0.2me 이하인 양자점.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정과 제1 반도체 나노결정의 정공 유효 질량의 차이가 1.5me 이하인 양자점.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 II족 원소에 대한 상기 III족 원소의 몰비가 0 초과 10 이하인 양자점.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 II족 원소에 대한 상기 III족 원소의 몰비가 0 초과 1 이하인 양자점.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 II족 원소에 대한 상기 III족 원소의 몰비가 0 초과 0.5 이하인 양자점.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코어의 II족 원소에 대한 상기 Ⅲ족 원소의 몰비가 0 초과 10 이하인 양자점.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 VI족 원소에 대한 상기 Ⅲ족 원소의 몰비가 0 초과 10 이하인 양자점.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 코어의 VI족 원소에 대한 상기 III족 원소의 몰비가 0 초과 10 이하인 양자점.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 갈륨(Ga)을 포함하는 양자점.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 갈륨(Ga) 칼코게나이드를 포함하는 양자점.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정은 M1X1(여기서 M1은 In, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X1는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨)로 표현되는 화합물, 하기 화학식 1로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는 양자점:
    [화학식 1]
    (M2 2- xM3 x)(X2 3- yX3 y)
    상기 화학식 1에서, M2과 M3는 각각 독립적으로 In, Ga, 및 이들의 조합에서 선택되고 X2과 X3는 각각 독립적으로 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택되고, x는 0 이상 2 이하의 범위에 있고, y는 0 이상 3 이하의 범위에 있다.
  17. 제1항에 있어서,
    제3 반도체 나노결정은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물, 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 양자점.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 코어와 상기 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이에,
    II-VI족 화합물을 포함하는 쉘을 하나 이상 포함하는 양자점.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 코어와 상기 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이에,
    아연 칼코게나이드 화합물을 포함하는 쉘을 하나 이상 포함하는 양자점.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 코어와 상기 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 사이에,
    II-VI족 화합물을 포함하는 쉘을 둘 이상 포함하고,
    상기 II-VI족 화합물을 포함하는 쉘들은 VI족 원소의 종류, 함량 또는 이들의 모두가 상이한 것인 양자점.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 II-VI족 화합물을 포함하는 쉘들 중 상대적으로 코어에 가까운 쉘이 Se을 포함하는 양자점.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 II-VI족 화합물을 포함하는 쉘들 중 상대적으로 코어에 먼 쉘이 S을 포함하는 양자점.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 제3 반도체 나노결정은 ZnSe, ZnTeSe, ZnSeS, ZnTeS, ZnS 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 양자점.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 제3 반도체 나노결정은 InP, InGaP, InAs, InGaAs 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 양자점.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체 나노결정을 포함하는 쉘 외곽에,
    II-VI족 화합물을 포함하는 제3 반도체 나노결정을 포함하는 하나 이상의 쉘을 더 포함하는 양자점.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노결정은 아연 칼코게나이드 화합물을 포함하는 양자점.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노결정은 아연, 셀레늄 및 텔루륨을 포함하는 양자점.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노결정에서 셀레늄에 대한 텔루륨의 몰비가 0 초과 5 이하인 양자점.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 양자점에서 셀레늄에 대한 텔루륨의 몰비가 0 초과 5 이하인 양자점.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 양자점에서 아연에 대한 텔루륨의 몰비가 0 초과 5 이하인 양자점.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 양자점의 최대 발광 피크의 반치폭은 40nm 이하인 양자점.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 양자점은 40% 이상의 양자 효율을 가지는 양자점.
  33. 카드뮴, 납, 수은 또는 이들의 조합을 포함하지 않으며,
    전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 전체 대비 0.3 이상 1.0 이하의 몰비로 포함하는 양자점.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 전체 대비 0.35 이상의 몰비로 포함하는 양자점.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 전자 유효 질량이 0.30me 이하인 양자점.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 전자 유효 질량이 0.08me 초과인 양자점.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 II-VI족 화합물, Ⅲ-V족 화합물, 및 Ⅲ-VI족 화합물에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것인 양자점.
  38. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 II-VI족 화합물과 Ⅲ-VI족 화합물을 포함하는 양자점.
  39. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 M4X4(여기서 M4은 Zn, Ga 및 이들의 조합에서 선택되고, X4는 S, Se, Te 및 이들의 조합에서 선택됨)로 표현되는 화합물을 포함하는 양자점.
  40. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 아연 셀레나이드, 아연 텔루라이드, 갈륨 설파이드 및 이들의 조합에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 양자점.
  41. 제33항에 있어서,
    상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물은 아연 설파이드로 된 이원소 화합물이 아닌 양자점.
  42. 제33항에 있어서,
    상기 양자점은
    반도체 나노결정을 포함하는 코어;
    상기 코어의 외곽에 배치되는 n개의 쉘(n은 1 이상의 정수);을 포함하고,
    상기 n개의 쉘 중 하나 이상은 상기 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함하는 양자점.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정을 포함하는 코어는 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함하는 양자점.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정을 포함하는 코어는 아연 칼코게나이드 화합물을 포함하는 양자점.
  45. 제42항에 있어서,
    상기 n개의 쉘 중 2/n개 이상은 전자 유효 질량이 0.34me 이하인 반도체 화합물을 포함하는 양자점.
  46. 제42항에 있어서,
    아연 설파이드로 된 이원소 화합물을 포함하는 쉘을 더 포함하는 양자점.
  47. 폴리머 매트릭스; 및 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 양자점;을 포함하고,
    상기 양자점은 제1항에 따른 양자점을 포함하는 양자점 폴리머 복합체.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 티올렌 중합체,(메타)아크릴레이트계 폴리머, 우레탄계 수지, 에폭시계, 비닐계 폴리머, 실리콘 수지 및 이들의 조합에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 양자점 폴리머 복합체.
  49. 제47항에 있어서,
    상기 복합체는 금속 산화물 미립자를 더 포함하는 복합체.
  50. 제1전극;
    상기 제1 전극과 마주보는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치한 활성층;을 포함하고,
    상기 활성층은 제1항에 따른 양자점을 포함하는 전자 소자.
  51. 제50항에 있어서,
    정공 보조층을 더 포함하는 전자 소자.
  52. 제50항에 있어서,
    전자 보조층을 더 포함하는 전자 소자.
  53. 광원 및 발광 요소를 포함하고,
    상기 발광 요소는 제1항의 양자점을 포함하고,
    상기 광원은 상기 발광 요소에 입사광을 제공하도록 구성되는 전자 소자.
  54. 제53항에 있어서,
    상기 입사광은 400nm 이상 500nm 이하의 범위에 있는 발광 피크 파장을 가지는 전자 소자.
  55. 제53항에 있어서,
    상기 발광 요소는 양자점 폴리머 복합체를 포함하는 전자 소자.
  56. 제53항에 있어서,
    상기 발광 요소는 기판 및 상기 기판 상에 배치되는 양자점 적층 구조물을 포함하고,
    상기 양자점 적층 구조물은 양자점 폴리머 복합체의 패턴을 포함하고,
    상기 패턴은 미리 정해진 파장의 광을 방출하는 하나 이상의 반복 구획을 포함하는 전자 소자.
  57. 제1항에 따른 양자점을 포함하는 전자 장치.
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