KR20220095394A - 양자점 및 이의 제조 방법, 양자점을 포함한 광학 부재 및 전자 장치 - Google Patents

양자점 및 이의 제조 방법, 양자점을 포함한 광학 부재 및 전자 장치 Download PDF

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Abstract

갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어; 상기 코어를 둘러싼 제1쉘; 및 상기 제1쉘을 둘러싼 제2쉘을 포함하고, 상기 제1쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고, 상기 제2쉘은 상기 제1쉘과 상이한, II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고, 코어 물질, 제1쉘 물질 및 제2쉘 물질의 특정 원소의 원자 퍼센트가 소정의 범위를 만족하는 양자점 및 이의 제조 방법, 상기 양자점을 포함한 광학 부재 및 전자 장치가 개시된다.

Description

양자점 및 이의 제조 방법, 양자점을 포함한 광학 부재 및 전자 장치{Quantum dot and manufacturing method thereof, optical member and electronic device including quantum dot}
양자점 및 이의 제조 방법, 양자점을 포함한 광학 부재 및 전자 장치에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 반도체 물질의 나노 결정으로서, 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 나타내는 물질이다. 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 빛을 받아 에너지 여기 상태에 이르면, 자체적으로 해당하는 에너지 밴드 갭(band gap)에 따른 에너지를 방출하게 된다. 이 때, 같은 물질의 경우라도 입자 크기에 따라 파장이 달라지는 특성을 나타내므로, 양자점의 크기를 조절하여 원하는 파장 영역의 빛을 얻을 수 있고, 우수한 색 순도 및 높은 발광 효율 등의 특성을 나타낼 수 있기 때문에 다양한 소자 또는 장치에 응용할 수 있다.
광학 부재 중 다양한 광학 기능(예를 들면, 광변환 기능)을 수행하는 물질로서 양자점을 활용할 수 있다. 이와 같은 양자점을 포함한 광학 부재는 박막 형태, 예를 들면, 부화소별로 패터닝된 박막 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 광학 부재는 다양한 광원을 포함한 장치의 색변환 부재로도 활용될 수 있다.
종래의 색변환 부재에 포함되는 양자점으로서 InP 계열 양자점이 주로 이용된다. 그러나 InP 계열 양자점의 낮은 청색광 흡수율로 인해 양자점을 높은 함량으로 포함한 색변환 부재를 사용하거나, 색변환 부재 상에 청색광 차단 필름을 추가적으로 배치해야하는 문제점이 있다.
중량 흡광 계수가 향상된 양자점 및 이의 제조 방법, 양자점을 포함한 광학 부재 및 이를 포함한 장치를 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면,
갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어;
상기 코어를 둘러싼 제1쉘; 및
상기 제1쉘을 둘러싼 제2쉘을 포함하고,
상기 제1쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고,
상기 제2쉘은 상기 제1쉘과 상이한, II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고,
상기 코어 중 Ga 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트(atomic percent, %)는 25 원자% 내지 30 원자%이고,
상기 제1쉘 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 5 원자% 내지 50 원자%이고,
상기 제2쉘 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 5 원자% 내지 50 원자%인, 양자점이 제공된다.
다른 측면에 따르면,
Ga이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어를 유기 용매에 0.1mM내지 100mM 농도로 분산시킨 제1혼합물을 준비하는 단계;
상기 제1혼합물에 V족 원소 또는 VI족 원소를 포함한 제1전구체와 II족 원소 또는 III족 원소를 포함한 제2전구체를 첨가한 제2혼합물을 반응하여 제1쉘을 형성하는 단계; 및
상기 제2혼합물에 V족 원소 또는 VI족 원소를 포함한 제3전구체 및 II족 원소 또는 III족 원소를 포함한 제4전구체를 첨가한 제3혼합물을 반응하여 제2쉘을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 코어 중 Ga 대 III족 원소의 원자 퍼센트(atomic percent, %)는 25 원자% 내지 30 원자%이고,
상기 제1전구체 및 상기 제3전구체는 서로 상이하고,
상기 제1쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고, 상기 제2쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하는, 양자점 제조 방법이 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 양자점을 포함한 광학 부재가 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 양자점을 포함한 전자 장치가 제공된다.
일 구현예에 따른 양자점은 높은 구형도 및 중량 흡광 계수를 가지므로, 광학 부재에 낮은 함량으로 사용해도 높은 발광 효율을 얻을 수 있어 경제적이며, 상기 양자점을 포함한 전자 장치는 우수한 색재현성을 달성할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 양자점의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 구현예에 따른 양자점의 TEM 이미지다.
도 3a는 일 구현예에 따른 제조 방법으로 제조된 양자점의 TEM 이미지다.
도 3b는 일 구현예에 따른 제조 방법으로 제조된 양자점의 TEM 이미지다.
도 4는 Ga 대 In의 원자 퍼센트가 각각 26원자%, 45원자% 또는 55원자%인 InGaP 코어의 흡수 스펙트럼의 피크-밸리 비(P to V)와 발광 스펙트럼의 반치폭(FWHM)를 나타내는 선 그래프이다.
도 5는 제조예 4 및 8에서 제조된 양자점 조성물의 흡광도 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
본 명세서 중 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
본 명세서 중 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서 중 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 예를 들어, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 달리 한정되지 않는 한 명세서상에 기재된 특징 또는 구성요소만으로 이루어지는(consist of) 경우 및 다른 구성요소를 더 포함하는 경우를 모두 의미할 수 있다.
본 명세서에서, "II족"은 IUPAC 주기율표상 IIA족 원소 및 IIB족 원소를 포함할 수 있으며, II족 원소의 예들은 Mg 및 Zn을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서, "III족"은 IUPAC 주기율표상 IIIA족 원소 및 IIIB족 원소를 포함할 수 있으며, III족 원소의 예들은 Al, In, Ga 및 Tl을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서, "V족"은 IUPAC 주기율표상 VA족 원소를 포함할 수 있으며, V족 원소의 예들은 P, As 및 Sb을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서, "VI족"은 IUPAC 주기율표상 VIA족 원소를 포함할 수 있으며, VI족 원소의 예들은 O, S, Se 및 Te을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서, "원자 퍼센트(atomic percent)"는 제1원자의 원자수 대 제2원자의 원자수의 비율을 백분율로 표기한 것이다.
본 명세서에서, "구형도(sphericity)"는 물체가 얼마나 구형인지(둥근지)를 나타내는 척도이며 형상의 컴팩트니스 (compactness) 측정의 척도이다. Wadell, H., "Volume, Shape, and Roundness of Quartz Particles," J. of Geology 43:250-280(1935)에 따르면 입자의 구형도 Ψ를 하기 식 1과 같이 정의한다:
<식 1>
Ψ = (π1/3(6Vp)2/3)/Ap
식 중, Vp는 입자의 체적이고, Ap는 입자의 표면적이다. 구의 구형도는 1이고 구가 아닌 임의의 입자는 1 보다 작은 구형도를 가진다.
본 명세서에서, "중량 흡광 계수(mass extinction coefficient)"는 특정 파장의 광에 대한 양자점의 광 흡수도를 무게비로 정량화한 것으로서, 하기 식과 같이 Lambert-Beer 법칙에 기반하여 계산된다. 본 명세서에서 "중량 흡광 계수"의 중량(mass)은 그램 중량을 의미하는 것일 수 있다. 중량 흡광 계수는 하기 식 2과 같이 정의된다.
<식 2>
중량 흡광 계수(a) = A / c·L
상기 식 2 중, A는 흡광도(Absorbance), c는 시료 용액의 농도(g/mL), L는 시료 용액의 길이(cm)이다.
본 명세서에서, "양자 효율(Quantum yield)"과 "발광 효율"은 실질적으로 동일한 의미로 사용될 수 있다.
이하 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예를 따르는 양자점(10) 및 이의 제조 방법을 설명한다.
[양자점(10)]
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어(10a);
상기 코어(10a)를 둘러싼 제1쉘(10b); 및
상기 제1쉘(10b)을 둘러싼 제2쉘(10c)을 포함하고,
상기 제1쉘(10b)은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고,
상기 제2쉘(10c)은 상기 제1쉘(10b)과 상이한, II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
상기 코어(10a) 중 Ga 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트(atomic percent, %)는 약 25 원자% 내지 약 30 원자%일 수 있다. 즉, 상기 코어(10a) 중 Ga의 원자수는 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자수를 기준으로 약 25원자% 내지 약 30원자%일 수 있다.
상기 코어(10a) 중 Ga의 함량은 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 사용하여 측정된 결합 에너지를 분석하여, 시료를 구성하고 있는 구성원소를 판별하여 정성 분석 및 정량 분석을 수행함으로써 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 InGaP를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 InGaP 코어(10a)의 In 대비 Ga (Ga/In)의 원자 퍼센트는 약 25 원자% 내지 30 원자%일 수 있다.
코어/쉘 구조를 갖는 양자점에서 코어와 쉘의 밴드 갭 차이가 너무 클 경우 양자점의 양자 효율 및/또는 안정성이 감소할 수 있다. 예를 들어, InP/ZnSe와 같은 양자점 구조에서는 코어 물질인 InP와 쉘 물질인 ZnSe의 넓은 밴드 갭 차이에 의해 격자 결함이 유발되어 양자점의 품질이 저하될 수 있다. 한편, III-V족 반도체 화합물 격자 내에 Ga이 존재할 경우 순수한 III-V족 반도체 화합물에 비하여 밴드 갭이 커지게 된다. 따라서, 일 구현예에 따른 양자점(10)은 상기 코어(10a)를 둘러싼 제1쉘(10b) 물질과의 밴드 갭 차이를 줄여 양자 효율, 안정성 및/또는 색 재현성이 개선될 수 있다.
반면, 코어(10a) 물질의 밴드 갭과 제1쉘(10b) 물질의 밴드 갭의 차이가 너무 작을 경우에도 양자점(10)의 발광 효율, 중량 흡광 계수 등이 저하될 수 있다. 일 구현예에 따른 양자점(10)은 III-V족 반도체 화합물에 Ga을 합금화한 코어(10a)를 포함함으로써 쉘 물질과의 밴드 갭 편차를 최적화함과 동시에, 상기 코어(10a)의 Ga 함량을 상술한 범위로 조절함으로써 높은 양자 효율, 광화학적 안정성 및/또는 색 재현성을 가질 수 있다.
일 구현예에 따른 양자점(10)은 코어(10a) 중 Ga의 함량이 전술한 범위를 만족함으로써 높은 중량 흡광 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)은 Ga을 함유하지 않는 III-V계 코어를 포함하는 양자점에 비하여 중량 흡광 계수가 크다. 이에 따라, 상기 양자점(10)은 높은 양자 효율 및 색 재현성을 나타낼 수 있고, 광학 부재, 예를 들어 색변환 부재에 적용될 경우 높은 색변환 효율을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 코어(10a) 중 Ga 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트가 25 원자% 이상일 경우 높은 중량 흡광 계수(@ 450nm)를 가질 수 있으므로, 광원으로부터의 청색광을 효과적으로 흡수할 수 있다. 더불어, 상기 코어(10a) 중 Ga 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트가 30 원자% 이하일 경우, 합금 코어의 표면 결함 밀도(surface defect density)가 낮아 코어로부터 방출되는 광의 방출 피크 오차를 최소화함으로써 높은 색순도를 나타낼 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 흡수 파장이 약 420 nm 내지 약 435 nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 흡수 스펙트럼 중 첫번째 엑시톤 피크(first exciton peak)의 파장이 약 420 nm 내지 약 435 nm일 수 있다. 이에 따라, 상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 전술한 파장 범위의 청색광을 흡수하여 녹색광 또는 적색광을 방출할 수 있다. 상기 양자점(10)에서 방출되는 광의 방출 파장은 쉘(10b, 10c)의 두께, 양자점(10)의 크기 등을 조절함으로써 조절될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 흡수 스펙트럼 중 첫번째 엑시톤 영역(first exciton region)에서 0.6 내지 0.8의 피크-밸리 비(P to V, Peak to Valley)를 가질 수 있다. 상기 반도체 화합물의 흡수 스펙트럼의 첫번째 엑시톤 영역에서 밸리부(valley)의 최소 흡광도를 A로 정의하고 피크부(peak)의 최대 흡광도를 B로 정의할 경우, A를 B로 나눈 값을 피크-밸리 비로 정의한다. 상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물의 피크-밸리 비가 전술한 범위를 만족함으로써 상기 양자점(10)은 높은 양자 효율 및 좁은 반치폭을 가질 수 있다. 더불어, 피크-밸리 비가 전술한 범위를 만족할 경우, 복수의 양자점(10)은 조밀한 입도 분포와 균일한 에너지 밴드 분포를 가질 수 있다.
상기 제1쉘(10b) 및 상기 제2쉘(10c)이 서로 독립적으로 III-V족 반도체 화합물을 포함할 경우, 상기 코어(10a)의 III-V족 반도체 화합물과 상기 제1쉘(10b) 및 상기 제2쉘(10c)의 III-V족 반도체 화합물은 서로 상이할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b) 및 제2쉘(10c) 물질로서, II-VI족 반도체 화합물은 ZnSe, ZnS, ZnTe, ZnO, ZnMgSe, ZnMgS 또는 이의 임의의 조합을 포함하고, 상기 III-V족 반도체 화합물은 GaP, GaAs, GaSb, InAs, InSb, AlP, AlAs, AlSb 또는 이의 임의의 조합을 포함하고, 상기 III-VI족 반도체 화합물은 GaSe, GaTe 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b)은 ZnSe를 포함하고, 상기 제2쉘(10c)은 ZnS를 포함할 수 있다.
상기 제1쉘(10b) 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 약 5 원자% 내지 약 50 원자%일 수 있다. 즉, 상기 제1쉘(10b) 중 V족 또는 VI족 원소의 원자수는 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자수를 기준으로 약 5 원자% 내지 약 50 원자%일 수 있다.
상기 제2쉘(10c) 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 5 원자% 내지 50 원자%일 수 있다. 즉, 상기 제2쉘(10c) 중 V족 또는 VI족 원소의 원자수는 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자수를 기준으로 약 5 원자% 내지 약 50 원자%일 수 있다.
상기 양자점(10)의 쉘의 두께는 쉘을 구성하는 물질 대 코어(10a) 물질 중 III족 원소의 원자 비에 따라 달라질 수 있다. 상기 코어(10a)의 III족 원소의 함량 대비 각 쉘 중의 V족 또는 VI족 원소의 함량이 상술한 범위를 만족하는 경우, 각 쉘의 두께가 목적하는 범위로 조절되어 상기 양자점(10)은 높은 구형도 및 중량 흡광 계수를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1쉘(10b) 및 상기 제2쉘(10c) 중 V족 또는 VI족 원소의 함량은 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 사용하여 측정된 결합 에너지를 분석하여 시료를 구성하고 있는 구성하고 있는 원소를 판별하여 정성 분석 및 정량 분석을 수행함으로써 측정할 수 있다.
예를 들어, 상기 코어(10a)는 InGaP를 포함하고, 상기 제1쉘(10b)은 ZnSe를 포함하고, 상기 제2쉘(10c)은 ZnS를 포함하고, 상기 코어(10a) 중 In 대 상기 제1쉘(10b) 중 Se의 원자 퍼센트는 약 5 원자% 내지 약 50 원자%이고, 상기 코어(10a) 중 In 대 상기 제2쉘(10c) 중 S의 원자 퍼센트는 약 5 원자% 내지 약 50 원자%일 수 있다.
예를 들어, 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자수를 기준으로 상기 쉘(10b, 10c) 중 V족 또는 VI족 원소의 함량(원자수)이 감소할수록, 양자점(10)의 구형도가 높아지는 경향이 나타날 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 InGaP 코어에 ZnSe와 ZnS가 차례로 쉘 구조를 이루는 InGaP/ZnSe/ZnS 구조의 양자점으로서, Se(또는 S) 대 In의 원자 퍼센트가 5 원자%인 양자점과 Se(또는 S) 대 In의 원자 퍼센트가 30 원자%인 양자점의 전사전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 이미지다. 도 2로부터, Se 대 In의 원자 퍼센트가 5 원자%인 양자점은 Se 대 In의 원자 퍼센트가 30 원자%인 양자점에 비하여 높은 구형도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b) 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%이고, 상기 제2쉘(10c) 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%일 수 있다. 상기 양자점(10)의 각 쉘 중의 V족 또는 VI족 원소의 함량이 상술한 범위를 만족하는 경우, 상기 양자점(10)은 높은 구형도 및 높은 중량 흡광 계수를 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b) 및 상기 제2쉘(10c)은 각각 서로 다른 II-VI족 반도체 화합물을 포함하고, 상기 제1쉘(10b) 중 VI족 원소 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%이고, 상기 제2쉘(10c) 중 VI족 원소 대 상기 코어(10a) 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%일 수 있다. 상기 양자점(10)의 각 쉘 중의 VI족 원소의 함량이 상술한 범위를 만족하는 경우, 상기 양자점(10)은 높은 중량 흡광 계수를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 코어(10a)는 InGaP를 포함하고, 상기 제1쉘(10b)은 ZnSe를 포함하고, 상기 제2쉘(10c)은 ZnS를 포함하고, 상기 코어(10a) 중 In 대 상기 제1쉘(10b) 중 Se의 원자 퍼센트는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%이고, 상기 코어(10a) 중 In 대 상기 제2쉘(10c) 중 S의 원자 퍼센트는 약 10 원자% 내지 약 15 원자%일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 그 표면에 화학적으로 결합되어 있는 리간드를 더 포함할 수 있다. 상기 리간드는 상기 양자점(10)의 표면에 화학적으로 결합되어 상기 양자점(10)을 패시베이션할 수 있다. 예를 들어, 상기 상기 양자점(10)은 상기 제2쉘(10c)에 화학적으로 결합되어 있는 리간드를 더 포함할 수 있다.
상기 리간드는 유기 리간드 또는 할로겐화 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 리간드는 올레산(oleic acid), 올레일아민(oleylamine), 옥틸아민(octylamine), 데실아민(decylamine), 트리옥틸아민(trioctylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 머캅토프로피온산(mercapto-propionic acid), 도데칸티올(dodecanethiol), 1-옥탄티올(1-octanethiol), 티오닐 클로아이드(thionyl chloride), 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine), 트리옥틸포스핀 옥사이드(trioctylphosphine oxide), 헥실포스폰산(hexylphosphonic acid), 테트라데실포스폰산(tetradecylphosphonic acid), 옥틸포스폰산(octylphosphonic acid), 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 450nm 파장에 대한 중량 흡광 계수(specific absorption coefficient, mL·g-1·cm-1)가 약 350 내지 약 1000 mL·g-1·cm-1일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)은 450 nm 파장에 대한 중량 흡광 계수가 약 500 내지 약 1000 mL·g-1·cm-1일 수 있다. 상기 양자점(10)의 중량 흡광 계수가 전술한 범위를 만족할 경우, 청색광에 대한 높은 흡수율을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)이 광학 부재, 예를 들어 색변환 부재에 적용될 경우 높은 색변환 효율을 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 구형도가 약 0.7 내지 약 1.0일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)은 구형도가 약 0.7 내지 약 0.9일 수 있다.
상기 양자점(10)의 구형도를 측정하는 방법은 당업자에게 공지된 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)의 구형도는 전사전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 이미지를 사용하여 측정할 수 있다. TEM은, 전자 빔이 시료를 통해 투과되고, 이미지가 형성되고 확대되며, 형광 스크린이나 사진 필름 층에 나타나도록 지향되거나, 또는 전하 결합 디바이스 (CCD) 카메라와 같은 센서에 의해 검출되는 이미징 기술이다. TEM을 이용하여 나노입자의 입경, 입도 분포, 입자 형태와 같은 정보를 산출할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)의 구형도는 전사전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 분석을 통하여, 이미지 분석툴을 이용하여 이미지를 관찰함으로써 측정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 양자 효율(Quantum yield)이 약 90% 이상, 예를 들어 약 92% 이상일 수 있다.
상기 양자점(10)은 청색 이외의 가시광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)은 최대 발광 파장이 약 495 nm 내지 약 750 nm인 광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)을 광학 부재, 예를 들어 색변환 부재에 적용할 경우에 청색광을 흡수하여 녹색광 또는 적색광을 방출하도록 설계할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 최대 발광 파장이 약 495 nm 내지 약 570 nm, 예를 들어 약 500 nm 내지 약 550 nm, 또는 약 520 nm 내지 약 530 nm인 녹색광을 방출할 수 있다. 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 최대 발광 파장이 약 630 nm 내지 약 750 nm, 예를 들어 약 630 nm 내지 약 700 nm, 또는 약 630 nm 내지 약 680 nm인 적색광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)이 예를 들어 색변환 부재에 적용될 경우 고휘도 및 고색순도의 녹색 또는 적색을 구현할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)의 광발광(Photoluminescence, PL) 스펙트럼의 최대 발광 파장은 약 495 nm 내지 약 750 nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)의 광발광 스펙트럼의 최대 발광 파장은 약 495 nm 내지 약 570 nm, 예를 들어 약 500 nm 내지 약 550 nm, 또는 약 520 nm 내지 약 530 nm일 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)이 예를 들어 색변환 부재에 적용될 경우 고색순도의 녹색을 구현할 수 있다. 다른 예로서, 상기 양자점(10)의 광발광 스펙트럼의 최대 발광 파장은 약 630 nm 내지 약 750 nm, 예를 들어 약 630 nm 내지 약 700 nm, 또는 약 630 nm 내지 약 680 nm일 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)이 예를 들어 색변환 부재에 적용될 경우 고색순도의 적색을 구현할 수 있다.
예를 들면, 상기 양자점(10)은 코어 중 Ga/III족 원소의 원자 퍼센트가 전술한 범위를 만족함으로써, PL 스펙트럼의 최대 발광 파장이 약 525 nm 내지 약 530 nm인 광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)은 고색순도의 녹색광을 방출할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)의 광발광(PL) 스펙트럼은 반치폭(full width of half maximum, FWHM)이 40nm 이하일 수 있다. 상기 양자점(10)의 반치폭이 전술한 범위를 만족할 경우, 색순도와 색재현성이 우수하고 광 시야각이 향상될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b)의 두께는 약 0.5 nm 내지 약 3 nm, 예를 들어 약 0.5 nm 내지 약 2 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 쉘(10b)의 두께가 전술한 범위를 만족할 경우, 상기 양자점(10)은 높은 구형도 및 높은 중량 흡광 계수를 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제2쉘(10c)의 두께는 약 0.5 nm 내지 약 4 nm, 예를 들어, 약 0.5 nm 내지 약 1 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2쉘(10c)의 두께가 전술한 범위를 만족할 경우, 상기 양자점(10)은 높은 구형도 및 높은 중량 흡광 계수를 가질 수 있다.
상기 제1쉘(10b) 및 상기 제2쉘(10c) 각각의 두께는 코어의 III족 원소 대비 각 쉘의 V족 또는 VI족 원소의 함량에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 코어의 III족 원소 대비 각 쉘의 V족 또는 VI족 원소의 함량이 높아질수록 각 쉘의 두께가 증가하는 경향을 나타낼 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b) 및 상기 제2쉘(10c)의 계면에 상기 제1쉘(10b) 물질과 상기 제2쉘(10c) 물질이 혼합된 혼합층을 더 포함할 수 있다. 상기 혼합층은 상기 제1쉘(10b) 물질과 상기 제2쉘(10c) 물질의 농도가 중심 방향으로 갈수록 높아지거나 낮아지는 농도 구배(gradient)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합층 중 상기 제1쉘(10b) 물질의 농도는 중심 방향으로 갈수록 높아질 수 있다. 다른 예로서, 상기 혼합층 중 상기 제2쉘(10c) 물질의 농도는 중심 방향으로 갈수록 낮아질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)의 직경은 1nm 내지 20nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)의 직경은 3nm 내지 13nm, 4nm 내지 12nm, 4nm 내지 8nm, 5nm 내지 11nm, 6nm 내지 10nm, 또는 7 nm 내지 9nm일 수 있다. 양자점이 상술한 바와 같은 평균 입경 범위를 만족할 경우, 양자점으로서의 특징적인 거동을 할 수 있을 뿐 아니라, 패턴 형성용 조성물 중 우수한 분산성을 가질 수 있다. 더불어, 상술한 바와 같은 범위 내에서 양자점의 평균 입경을 다양하게 선택함으로써, 양자점의 발광 파장 및/또는 양자점의 반도체성 특성 등을 다양하게 변화시킬 수 있다.
상기 양자점(10)의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에서 일반적으로 사용하는 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)은 구형, 피라미드형, 다중 가지형(multi-arm), 또는 입방체(cubic)의 나노 입자, 나노 튜브, 나노와이어, 나노 섬유, 나노 판상 입자 등의 형태를 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10)은 구형의 형태를 가질 수 있다.
상기 양자점(10)은 습식 화학 공정(wet chemical process), 유기금속 화학증착 공정(MOCVD, metal organic chemical vapor deposition) 또는 분자선 에피텍시 공정(MBE, molecular beam epitaxy) 등과 같은 다양한 방법에 의하여 합성될 수 있다.
상기 양자점(10)의 제1쉘(10b) 및 제2쉘(10c)은 각각 상기 코어(10a)의 화학적 변성을 방지하고 반도체 특성을 유지하기 위한 보호층 역할을 및/또는 상기 양자점(10)에 전기 영동 특성을 부여하기 위한 차징층(charging layer)의 역할을 수행할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b) 및/또는 상기 제2쉘(10c)은 금속 또는 비금속의 산화물, 반도체 화합물 또는 이들의 조합 등을 더 포함할 수 있다.
[양자점(10) 제조 방법]
이어서, 상술한 일 구현예에 따른 양자점(10)의 제조 방법을 구체적으로 설명한다.
일 구현예에 따른 양자점(10)의 제조 방법은, Ga이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어를 유기 용매에 0.1mM 내지 100mM 농도로 분산시킨 제1혼합물을 준비하는 단계;
상기 제1혼합물에 V족 원소 또는 VI족 원소를 포함한 제1전구체와 II족 원소 또는 III족 원소를 포함한 제2전구체를 첨가한 제2혼합물을 반응하여 제1쉘(10b)을 형성하는 단계; 및
상기 제2혼합물에 V족 원소 또는 VI족 원소를 포함한 제3전구체 및 II족 원소 또는 III족 원소를 포함한 제4전구체를 첨가한 제3혼합물을 반응하여 제2쉘(10c)을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 코어 중 Ga 대 III족 원소의 원자 퍼센트(atomic percent, %)는 25 원자% 내지 30 원자%이고,
상기 제1전구체 및 상기 제3전구체는 서로 상이하고,
상기 제1쉘(10b)은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고, 상기 제2쉘(10c)은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
상기 코어(10a)의 합성 방법은 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 유기 용매는 트리옥틸아민, 1-노나데센, 1-옥타데센, 1-헵타데센, 1-헥사데센, 1-펜타데센, 1-테트라데센, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매는 트리옥틸아민 또는 1-옥타데센을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1혼합물은 분산제를 더 포함할 수 있다. 상기 분산제는 상기 코어(10a)가 유기 용매 내에 균일하게 분산되도록 한다. 상기 분산제는 음이온계, 양이온계 및 비이온계 고분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 분산제의 함량은, 상기 양자점(10) 100중량부 당 약 10 내지 50중량부, 예를 들어 약 15중량부 내지 30중량부일 수 있다 상기 분산제의 함량이 전술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 상기 제1혼합물에 상기 양자점(10)이 균일하게 분산될 수 있다.
일 구현예에 따른 양자점(10) 제조 방법은 상기 제1혼합물 중에 포함되는 코어(10a)의 농도를 0.1mM 내지 100mM 농도로 조절함으로써, 양자점(10)의 구형도와 중량 흡광 계수를 목적하는 범위로 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 혼합물 중의 코어(10a)의 농도가 약 0.1mM 내지 약 1mM일 경우, 제조된 양자점(10)의 구형도는 약 0.9 이상일 수 있다. 다른 예로서, 상기 혼합물 중의 코어(10a)의 농도가 약 1mM 내지 약 100mM일 경우, 제조된 양자점의 구형도는 약 0.7 내지 약 0.9일 수 있다.
상기 혼합물 중에 포함되는 코어(10a)의 농도가 전술한 범위를 만족할 경우, 제조된 양자점(10)은 450nm 파장에 대하여 약 350 내지 약 1000 mL·g-1·cm-1의 중량 흡광 계수를 가질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 Ga이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 InGaP를 포함할 수 있다.
도 3a 및 3b는 InGaP 코어에 ZnSe와 ZnS가 차례로 쉘 구조를 이루는 InGaP/ZnSe/ZnS 구조의 양자점으로서, 제1혼합물 중 InGaP 코어를 각각 0.1mM 농도 (도 3a), 100mM 농도 (도 3b)로 첨가하여 제조된 양자점의 전사전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 이미지다.
도 3a 및 3b의 TEM 분석 및 계산으로부터, InGaP 코어를 0.1mM로 첨가하여 제조된 양자점의 평균 구형도는 0.9이고, InGaP 코어를 100mM로 첨가하여 제조된 양자점의 평균 구형도는 0.7임을 구하였다. 따라서, 일 구현예에 따른 제조 방법에 따라 제조된 양자점은 0.7 이상의 높은 구형도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1전구체는 트리옥틸포스핀-셀레나이드(Trioctylphosphine-Selenide, TOP-Se), 트리부틸포스핀-셀레나이드, 트리페닐포스핀-셀레나이드, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1전구체는 트리옥틸포스핀-셀레나이드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 제3전구체는 트리옥틸포스핀-설파이드(Trioctylphosphine-Sulfide, TOP-S), 트리부틸포스핀-설파이드, 트리페닐포스핀-설파이드, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3전구체는 트리옥틸포스핀-설파이드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 제2전구체 및 상기 제4전구체는 서로 독립적으로, II족 원소를 포함한 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2전구체 및 상기 제4전구체는 서로 독립적으로, 징크 올레이트, 징크 아세테이트, 징크 아세틸아세토네이트, 징크 스테아레이트, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 양자점(10) 제조 방법은 상기 제1혼합물에 아연 전구체를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 아연 전구체는 코어(10a)의 구성 물질은 아니지만 상기 코어(10a)의 표면에 달라붙어 상기 코어의 표면 결함(surface defect)을 제거할 수 있고, 이에 따라, 이후 형성될 제1쉘(10b)과의 격자 결함을 최소화시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1혼합물을 진공 상태로 유지시키기 위하여 상기 제1혼합물에 아연 전구체를 첨가하고 110℃ 이상의 온도에서 탈기(degassing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1쉘(10b)의 합성 방법은 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1쉘(10b)을 형성하는 단계는 약 240℃ 내지 약 340℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1쉘(10b)을 형성하는 단계는 약 260℃ 내지 약 320℃ 온도 범위에서 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 제2쉘(10c)의 합성 방법은 당업계에 공지된 방법을 사용할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제2쉘(10c)을 형성하는 단계는 약 240℃ 내지 약 340℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2쉘(10c)을 형성하는 단계는 약 260℃ 내지 약 320℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다.
이와 같이 상기 제2쉘(10c)을 형성함으로써, 상기 코어(10a) 표면에 제1쉘(10b) 및 제2쉘(10c)이 차례로 형성된 코어-쉘 구조의 양자점(10)을 제조할 수 있다.
상기 양자점(10) 제조 방법은 상기 제2쉘(10c) 형성 단계 후에 합성된 양자점(10)을 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 정제 단계는 클로로포름, 에탄올, 아세톤, 또는 이의 임의의 조합을 이용하여 수행될 수 있다.
[광학 부재]
다른 측면에 따르면, 상기 양자점(10)을 포함한 광학 부재가 제공된다.
상기 광학 부재는 예를 들어, 색변환 부재일 수 있다. 상기 색변환 부재는, 상술한 바와 같이 우수한 광변환 효율을 갖는 양자점(10)을 포함하므로, 우수한 광변환 효율을 가질 수 있다.
상기 색변환 부재는 기판 및 상기 기판 상에 형성된 패턴층을 포함할 수 있다.
상기 기판은 상기 색변환 부재 자체 기판일 수 있으며, 또는 각종 장치(예를 들면, 디스플레이 장치) 중 색변환 부재가 배치되는 영역일 수도 있다. 상기 기판은 유리, 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiOx) 또는 고분자 기판일 수 있으며, 상기 고분자 기판은 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등일 수 있다.
상기 패턴층은 박막 형태의 양자점(10)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴층은 박막 형태의 양자점(10)일 수 있다.
상기 기판 및 패턴층을 포함한 색변환 부재는 각 패턴층 사이에 형성된 격벽 또는 블랙 매트릭스를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 색변환 부재는 광변환효율을 추가로 향상시키기 위하여 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 색변환 부재는 적색광을 방출할 수 있는 적색 패턴층, 녹색광을 방출할 수 있는 녹색 패턴층, 청색광을 방출할 수 있는 청색 패턴층, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 적색 패턴층, 녹색 패턴층 및/또는 청색 패턴층은 상기 양자점(10)의 성분, 조성 및/또는 구조를 제어함으로써, 구현할 수 있다.
예를 들어, 상기 색변환 부재 중 양자점(10)은 제1광을 흡수하여 상기 제1광과 상이한 제2광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)은 청색광을 흡수하여 청색 이외의 가시광, 예를 들어 최대 발광 파장이 495 nm 내지 750 nm인 가시광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)을 포함한 색변환 부재가 청색광을 흡수하여 다양한 색상 범위의 파장을 방출하도록 설계할 수 있다.
다른 예로서, 상기 색변환 부재 중 양자점(10)은 청색광을 흡수하여 최대 발광 파장이 495 nm 내지 570 nm인 녹색광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10)을 포함한 색변환 부재는 고휘도 및 고색순도의 녹색을 구현할 수 있다.
[전자 장치]
상기 양자점(10)은 각종 전자 장치에 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)을 포함한 전자 장치는, 발광 장치, 인증 장치 등일 수 있다.
상기 전자 장치는 광원을 더 포함할 수 있다. 상기 양자점(10)은 상기 광원으로부터 방출되는 광의 경로에 배치될 수 있다.
또는, 상기 전자 장치는 광원 및 색변환 부재를 포함하고, 상기 색변환 부재가 상기 양자점(10)을 포함할 수 있다. 상기 색변환 부재는 상기 광원으로부터 방출되는 광의 경로에 배치될 수 있다.
이때, 상기 양자점(10) 또는 상기 색변환 부재가 상기 광원으로부터 방출되는 광의 적어도 하나의 진행 방향 상에 위치한다는 것은, 상기 양자점(10) 또는 상기 색변환 부재와 상기 광원 사이에 다른 요소들이 더 포함될 수 있음을 배제하는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 광원 및 상기 양자점(10) 또는 상기 색변환 부재 사이에 편광판, 액정층, 도광판, 확산판, 프리즘 시트, 마이크로렌즈 시트, 휘도 향상 시트, 반사 필름, 컬러 필터 또는 이의 임의의 조합이 개재될 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 상기 양자점(10) 또는 상기 색변환 부재 상에 편광판, 액정층, 도광판, 확산판, 프리즘 시트, 마이크로렌즈 시트, 휘도 향상 시트, 반사 필름, 컬러 필터 또는 이의 임의의 조합이 개재될 수 있다.
상기 광원은 액정 디스플레이(LCD)에 사용되는 백라이트 유닛(back light unit: BLU), 형광 램프, 발광 다이오드(LED), 유기 발광 소자(OLED) 또는 양자점 발광 소자(QLED)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같은 광원으로부터 방출된 광은, 상기 양자점(10)을 통과하면서 광변환될 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)이 상기 광원으로부터 방출된 제1광을 흡수하고 제1광과 상이한 가시광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(10)이 상기 광원으로부터 방출된 청색광을 흡수하고 최대 발광 파장이 495 nm 내지 750 nm인 가시광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10) 또는 상기 양자점(10)을 포함한 색변환 부재가 광원으로부터 방출된 청색광을 흡수하여 다양한 색상 범위의 파장을 방출하도록 설계할 수 있다.
예를 들어, 상기 양자점(10)은 상기 광원으로부터 방출된 청색광을 흡수하고 최대 발광 파장이 495 nm 내지 570 nm인 녹색광을 방출할 수 있다. 다른 예로서, 상기 양자점(10)은 상기 광원으로부터 방출된 청색광을 흡수하고 최대 발광 파장이 630 nm 내지 750 nm인 적색광을 방출할 수 있다. 이에 따라, 상기 양자점(10) 또는 상기 양자점(10)을 포함한 색변환 부재가 광원으로부터 방출된 청색광을 흡수하여 고휘도 및 고색순도의 녹색 또는 적색을 구현할 수 있다.
이하, 실시예 및/또는 비교예를 통해, 상기 양자점(10) 및 이의 제조 방법을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
[실시예]
제조예 1
InGaP 코어의 제조
Indium 전구체의 80wt%~200wt% 비율로 Gallium 전구체를 마이크로웨이브 반응 튜브에 혼합한 후, 20wt%로 희석한 Tris(trimethylsilyl)phosphine을 일정 비율로 주입하고 마이크로웨이브를 7분간 조사하였다. 반응 온도는 280℃였다. 반응물을 상온으로 냉각 후 Toluene 5mL와 acetone 30mL를 사용하여 원심분리기로 2회 정제를 진행하여 Ga 대 In의 원자 퍼센트가 26원자%인 InGaP 코어를 얻었다.
ZnSe 쉘(제1쉘)/ ZnS(제2쉘)의 성장
트리옥틸아민 80mL가 담긴 반응 플라스크에, 톨루엔에 분산된 InGaP 결정을 0.5mM의 농도가 되도록 첨가하고, 징크 올레이트를 4.8mmol 첨가한 다음 초음파 처리하여 분산시켜 제1혼합물을 제조하였다. 이어서 상기 제1혼합물을 110℃에서 탈기시켜 진공 상태로 유지하였다.
상기 반응 플라스크에 TOP-Se 4.5mmol 및 zinc oleate 18.0mmol을 질소 분위기에서 첨가하여 제2혼합물을 제조하였다. 이어서, 반응 플라스크를 320℃로 승온하여 60분 동안 반응하였다. 이어서 반응 플라스크에 TOP-S 22.4mmol 및 zinc oleate 9.6mmol을 첨가하여 제3혼합물을 제조하였다. 이어서, 반응 플라스크를 320℃로 승온하여 90분 동안 반응하였다.
반응 종료 후 반응 플라스크를 실온에서 냉각시켰다. 이어서, 조생성물을 Toluene 5mL와 Ethanol 30mL를 사용하여 원심분리기로 1회 정제하여 녹색 양자점 조성물을 얻었다. 상기 제조된 양자점은 InGaP/ZnSe/ZnS 구조를 갖는다.
제조예 2 및 3
InGaP 코어 중의 Ga 대 In의 원자 퍼센트가 각각 45원자%, 55원자%가 되도록 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 양자점 조성물을 제조하였다.
제조예 4
InGaP 코어의 제조
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 Ga 대 In의 원자 퍼센트가 26원자%인 InGaP 코어를 성장시킨 후, 상온으로 신속하게 식힌 반응 용액에 아세톤을 넣고 원심 분리하여 얻은 침전을 톨루엔에 분산시킨다.
ZnSe 쉘(제1쉘)/ ZnS(제2쉘)의 성장
트리옥틸아민 80mL가 담긴 반응 플라스크에, 톨루엔에 분산된 InGaP 결정을 0.1mM의 농도가 되도록 첨가하고, 징크 올레이트를 4.8mmol 첨가한 다음 초음파 처리하여 분산시켜 제1혼합물을 제조하였다. 이어서 상기 제1혼합물을 110℃에서 탈기시켜 진공 상태로 유지하였다.
상기 반응 플라스크에 TOP-Se 4.5mmol 및 zinc oleate 18.0mmol을 질소 분위기에서 첨가하여 제2혼합물을 제조하였다. 이어서, 반응 플라스크를 320℃로 승온하여 60분 동안 반응하였다. 이어서 반응 플라스크에 TOP-S 22.4mmol 및 zinc oleate 9.6mmol을 첨가하여 제3혼합물을 제조하였다. 이어서, 반응 플라스크를 320℃로 승온하여 90분 동안 반응하였다.
반응 종료 후 반응 플라스크를 실온에서 냉각시켰다. 이어서, 조생성물을 Toluene 5mL와 Ethanol 30mL를 사용하여 원심분리기로 1회 정제하여 녹색 양자점 조성물을 얻었다. 상기 제조된 양자점은 InGaP/ZnSe/ZnS 구조를 갖는다.
제조예 5 내지 8
톨루엔에 분산된 InGaP 결정을 각각 1mM, 10mM, 50mM 및 100mM 첨가하여 제1혼합물을 제조한 것을 제외하고는 제조예 4과 동일한 방법으로 양자점 조성물을 제조하였다.
제조예 9 내지 13
톨루엔에 분산된 InGaP 결정 (Ga/In =26원자%) 첨가량을 하기 표 1에 기재된 바와 같이 사용하여 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 Se 대 In의 원자 퍼센트 및 S 대 In의 원자 퍼센트가 하기 표 1에 기재된 바와 같은 양자점 조성물을 제조하였다. 표 1에서 Se 대 In 원자 퍼센트와 S 대 In 원자 퍼센트는 각각 Se/In 50 원자%와 S/In 50 원자%를 기준으로 한 백분율로 표시하였다.
InGaP 첨가량
(mmol)		 Se/In 원자 퍼센트
(%)		 S/In 원자 퍼센트
(%)
제조예 9 0.5mmol 100% 100%
제조예 10 0.5mmol 75% 70%
제조예 11 0.5mmol 50% 40%
제조예 12 0.5mmol 30% 25%
제조예 13 0.5mmol 15% 10%
평가예 1: InGaP 코어 중 Ga 원소 함량에 따른 쉘 특성 변화 실험
Ga 대 In의 원자 퍼센트가 26원자%, 45원자% 또는 55원자%인 InGaP 코어(코어 직경 2.5nm)에 대하여 각각 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 측정하여, 첫번째 엑시톤 흡수 피크(first exciton absorption peak) 파장을 구하여 하기 표 2에 나타내었다.
Ga/In 원자 퍼센트
(%)		 26% 45% 55%
첫번째 엑시톤 흡수 피크 파장
(nm)		 430 405 390
상기 Ga 대 In의 원자 퍼센트가 26원자%, 45원자% 또는 55원자%인 InGaP 코어(코어 직경 2.5nm)의 흡수 스펙트럼으로부터 피크-밸리 비(P to V)을 각각 구하고, 상기 InGaP 코어들의 발광 스펙트럼으로부터 반치폭(FWHM)을 각각 구하였다. 상기 InGaP 코어의 피크-밸리 비(P to V)와 반치폭을 Ga/In 원자 퍼센트에 대하여 나타낸 선 그래프를 도 4에 도시하였다.
도 4에서, 본 발명의 Ga/In 원자비를 만족하는 InGaP 코어는 피크-밸리 비가 약 0.75이고, FWHM가 약 25nm으로 매우 좁다. 따라서, 제조예 1의 InGaP 코어는 조밀한 입도 분포와 에너지 밴드 분포를 갖고, 색순도가 향상되는 것을 알 수 있다.
상기 제조예 1 내지 3에서 제조된 양자점 조성물에 대하여 각각 광발광 스펙트럼을 측정하여, 양자 효율(Quantum yield), PL 발광 파장 및 반치폭을 구하여 하기 표 3에 나타내었다.
Ga/In 원자 퍼센트
(%)		 양자 효율
(%)		 최대 발광 파장
(nm)		 FWHM
(nm)
제조예 1 26% 91.9% 530 38.1
제조예 2 45% 80.1% 524 38.9
제조예 3 55% 67.1% 521 41.1
상기 표 3으로부터, 제조예 1의 양자점 조성물은 제조예 2 및 3의 양자점 조성물에 비하여 높은 발광 효율을 나타내고, 530nm의 PL 발광 파장 및 좁은 반치폭을 갖는 것을 확인할 수 있다.
평가예 2: InGaP 코어 농도에 따른 중량 흡광 계수의 측정
상기 제조예 4 내지 8에서 제조된 양자점 조성물에 대하여, Agilent社의 Cary 300 Bio UV-Vis Spectrophotometer 장비를 이용하여 10 ppm의 용액을 광로 길이 10 mm의 큐벳으로 흡광도 (Absorbance units)를 측정하여 Lambert-Beer의 법칙에 따라 450 nm 파장에 대한 중량 흡광 계수(mL·g-1·cm-1)를 계산하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
InGaP 농도(mM) 중량 흡광 계수(@450 nm)
(mL·g-1·cm-1)
제조예 4 0.1 mM 361
제조예 5 1 mM 442
제조예 6 10 mM 562
제조예 7 50 mM 734
제조예 8 100 mM 880
표 4를 참조하면, 제조예 4 내지 8에서 제조된 양자점 조성물은 450 nm 파장에 대하여 350 mL·g-1·cm-1 이상의 높은 중량 흡광 계수를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
상기 제조예 4 및 8에서 제조된 양자점 조성물에 대하여 측정한 흡광도 그래프를 도 5에 도시하였다. 양자점 제조시 투입되는 InGaP 결정의 농도가 증가할수록 중량 흡광 계수가 증가하여 흡광도가 커지는 것을 도 5로부터 확인할 수 있다.
평가예 3: Se/In 및 S/In 원소비에 따른 중량 흡광 계수의 측정
상기 제조예 9 내지 13에서 제조된 양자점 조성물에 대하여 상기 평가예 2와 동일한 방법으로 중량 흡광 계수를 계산하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
하기 표 5에서 Se/In 원자 퍼센트와 S/In 원자 퍼센트는 각각 Se/In 50 원자%와 S/In 50 원자%를 기준으로 한 백분율로 표시하였다.
Se/In 원자 퍼센트
(%)		 S/In 원자 퍼센트
(%) 		중량 흡광 계수(@450 nm)
(mL·g-1·cm-1)
제조예 9 100% 100% 354
제조예 10 75% 70% 424
제조예 11 50% 40% 529
제조예 12 30% 25% 683
제조예 13 15% 10% 985
표 5을 참조하면, 제조예 9 내지 13에서 제조된 양자점 조성물은 450 nm 파장에 대하여 350 mL·g-1·cm-1 이상의 높은 중량 흡광 계수를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
10: 양자점
10a: 코어
10b: 제1쉘
10c: 제2쉘

Claims (20)

  1. 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어;
    상기 코어를 둘러싼 제1쉘; 및
    상기 제1쉘을 둘러싼 제2쉘을 포함하고,
    상기 제1쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고,
    상기 제2쉘은 상기 제1쉘과 상이한, II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고,
    상기 코어 중 Ga 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트(atomic percent, %)는 25 원자% 내지 30 원자%이고,
    상기 제1쉘 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 5 원자% 내지 50 원자%이고,
    상기 제2쉘 중 V족 또는 VI족 원소 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 5 원자% 내지 50 원자%인, 양자점.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 갈륨(Ga)이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 InGaP를 포함하는, 양자점.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 II-VI족 반도체 화합물은 ZnSe, ZnS, ZnTe, ZnO, ZnMgSe, ZnMgS 또는 이의 임의의 조합을 포함하고, 상기 III-V족 반도체 화합물은 GaP, GaAs, GaSb, InAs, InSb, AlP, AlAs, AlSb 또는 이의 임의의 조합을 포함하고, 상기 III-VI족 반도체 화합물은 GaSe, GaTe 또는 이의 임의의 조합을 포함하는, 양자점.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1쉘은 ZnSe를 포함하고,
    상기 제2쉘은 ZnS를 포함하는, 양자점.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1쉘 및 상기 제2쉘은 각각 서로 다른 II-VI족 반도체 화합물을 포함하고,
    상기 제1쉘 중 VI족 원소 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 10 원자% 내지 15 원자%이고,
    상기 제2쉘 중 VI족 원소 대 상기 코어 중 III족 원소의 원자 퍼센트는 10 원자% 내지 15 원자%인, 양자점.
  6. 제1항에 있어서,
    450nm의 파장에 대한 중량 흡광 계수(weight absorption coefficient, mL·g-1·cm-1)가 350 내지 1000 mL·g-1·cm-1인, 양자점.
  7. 제1항에 있어서,
    양자 효율(Quantum Yield)이 90% 이상인, 양자점.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양자점의 PL 스펙트럼의 최대 발광 파장은 520 nm 내지 530 nm인, 양자점.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양자점의 PL 스펙트럼은 반치폭(FWHM)이 40 nm 이하인, 양자점.
  10. 제1항에 있어서,
    0.7 내지 0.9의 구형도를 갖는, 양자점.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1쉘의 두께는 0.5 nm 내지 3 nm이고,
    상기 제2쉘의 두께는 0.5 nm 내지 4 nm인, 양자점.
  12. Ga이 합금화된 III-V족 반도체 화합물을 포함한 코어를 유기 용매에 0.1mM 내지 100mM 농도로 분산시킨 제1혼합물을 준비하는 단계;
    상기 제1혼합물에 V족 원소 또는 VI족 원소를 포함한 제1전구체와 II족 원소 또는 III족 원소를 포함한 제2전구체를 첨가한 제2혼합물을 반응하여 제1쉘을 형성하는 단계; 및
    상기 제2혼합물에 V족 원소 또는 VI족 원소를 포함한 제3전구체 및 II족 원소 또는 III족 원소를 포함한 제4전구체를 첨가한 제3혼합물을 반응하여 제2쉘을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 코어 중 Ga 대 III족 원소의 원자 퍼센트(atomic percent, %)는 25 원자% 내지 30 원자%이고,
    상기 제1전구체 및 상기 제3전구체는 서로 상이하고,
    상기 제1쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하고, 상기 제2쉘은 II-VI족 반도체 화합물, III-V족 반도체 화합물 또는 III-VI족 반도체 화합물을 포함하는, 양자점 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    Ga이 합금화된 III-V족 반도체 화합물은 InGaP를 포함한, 양자점 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1전구체는 트리옥틸포스핀-셀레나이드 (TOP-Se)를 포함하는, 양자점 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제3전구체는 트리옥틸포스핀-설파이드(TOP-S)를 포함하는, 양자점 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제2전구체 및 상기 제4전구체는 서로 독립적으로, 징크 올레이트, 징크 아세테이트, 징크 아세틸아세토네이트, 징크 스테아레이트, 또는 이의 임의의 조합을 포함하는, 양자점 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1쉘을 형성하는 단계는 240℃ 내지 340℃ 온도 범위에서 수행되는, 양자점 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제2쉘을 형성하는 단계는 240℃ 내지 340℃ 온도 범위에서 수행되는, 양자점 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 양자점을 포함한 광학 부재.
  20. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 양자점을 포함한 전자 장치.
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