KR20230044654A - 양자점을 포함하는 나노구조체, 나노구조체를 포함하는 복합체, 표시 패널, 및 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

금속 코어, 상기 금속 코어를 둘러싸는 금속 쉘, 및 상기 금속 코어와 상기 금속 쉘 사이에 위치하며 양자점을 포함하는 유전체 층을 포함하는 나노구조체, 상기 나노구조체를 포함하는 복합체, 상기 복합체를 포함하는 표시 패널, 및 상기 표시 패널을 포함하는 전자 장치를 제공한다.

Description

양자점을 포함하는 나노구조체, 나노구조체를 포함하는 복합체, 표시 패널, 및 전자 장치 {NANOSTRUTURE INCLUDING QUANTUM DOT, COMPOSITIE INCLUDINGG NANOSTRUTURE, DISPLAY PANEL AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE COMPOSITE}
양자점을 포함하는 나노구조체, 상기 나노구조체를 포함하는 복합체, 표시 패널, 및 전자 장치에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 나노크기의 반도체 나노결정 재료이며, 예를 들어, 크기 및/또는 조성을 변화시켜 그의 광학적 물성, 예컨대, 발광 물성을 제어할 수 있다. 양자점의 발광 물성은 다양한 전자 장치, 예컨대, 표시 장치에서 응용될 수 있다. 환경 친화적이면서, 예컨대, 전자 장치 등에 적용시 향상된 물성을 나타낼 수 있는 양자점이 개발되고 있으나, 광흡수 특성 및 발광 특성 등을 더욱 개선할 필요가 있다.
일 구현예는 양자점의 여기 속도(excitation rate) 및 발광 속도(radiative decay rate)를 증가시켜 양자점의 흡수율과 광변환 효율을 동시에 증가시킬 수 있는 양자점을 포함하는 나노 구조체에 관한 것이다.
다른 일 구현예는 폴리머 매트릭스와, 상기 폴리머 매트릭스에 분산된 복수개의 상기 나노 구조체를 포함하는 복합체에 관한 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 양자점 복합체를 포함하는 표시 패널에 관한 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 표시 패널을 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
일 구현예 따른 나노구조체는 금속 코어, 상기 금속 코어를 둘러싸는 금속 쉘, 및 상기 금속 코어와 상기 금속 쉘 사이에 위치하며 양자점을 포함하는 유전체 층을 포함한다.
상기 금속 코어의 크기는 약 5 nm 내지 약 100 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm이다.
상기 금속 코어의 크기는 약 15 nm 내지 약 50 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 50 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 15 nm 내지 약 50 nm이다.
상기 금속 코어 및 상기 금속 쉘은 각각 독립적으로 금, 은, 백금, 구리, 팔라듐, 알루미늄, 또는 이들의 2 이상의 합금인 금속을 포함한다.
상기 유전체 층은 금속 산화물 또는 유기 고분자를 더 포함한다.
상기 금속 산화물은 SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, CuxO (0<x<2), 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 양자점은 510 nm 내지 550 nm, 또는 600 nm 내지 650 nm의 발광 피크 파장을 가진다.
상기 나노구조체는 400 nm 내지 550 nm 파장 범위에서 흡수 피크 또는 흡수단을 가진다.
상기 양자점은 원소 주기율표의 3족 원소와 5족 원소를 포함하고 카드뮴을 포함하지 않는다.
상기 양자점은 상기 3족 원소와 5족 원소를 포함하는 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 원소 주기율표의 2족 원소와 6족 원소를 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다.
상기 양자점은 인듐과 인을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 아연과 셀레늄을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다.
상기 쉘을 형성하는 반도체 나노결정은 황을 더 포함한다.
상기 양자점은 표면에 유기 리간드를 포함하며, 상기 유기 리간드는 말단에 카르복실기를 가지는 화합물, 말단에 하이드록시기를 가지는 화합물, 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 양자점의 입자 크기의 평균은 5.5 nm 이상이다.
다른 일 구현예에 따른 복합체는 폴리머 매트릭스, 및 상기 폴리머 매트릭스에 분산되어 있는 복수개의 나노구조체를 포함하고, 상기 복수개의 나노구조체는 일 구현예에 따른 나노구조체를 포함한다.
또 다른 일 구현예에 따른 표시 패널은 색변환 구역을 포함하는 복수의 구역들을 포함한 색변환 층을 포함하고, 상기 색변환 구역에 상기 나노구조체의 복합체가 배치된다.
상기 표시 패널은 발광원을 포함하는 발광 패널을 더 포함하고, 상기 색변환 구역은 상기 발광 패널로부터 방출된 광을 제1 발광 스펙트럼의 광으로 변환시키는 제1 색변환 구역을 포함한다.
상기 색변환 구역은 상기 발광 패널로부터 방출된 광을 상기 제1 발광 스펙트럼과 다른 제2 발광 스펙트럼의 광으로 변환시키는 제2 색변환 구역을 더 포함한다.
상기 제1 발광 스펙트럼은 500 nm 내지 550 nm 사이에서 발광 피크 파장을 가지는 녹색 발광 스펙트럼이고, 상기 제2 발광 스펙트럼은 600 nm 내지 650 nm 사이에서 발광 피크 파장을 가지는 적색 발광 스펙트럼이다.
또 다른 일 구현예에 따른 전자 장치는 상기 표시 패널을 포함한다.
일 구현예에 따른 나노구조체는 나노 크기의 금속 코어와 이를 둘러싸는 금속 쉘, 및 상기 금속 코어와 금속 쉘 사이의 갭에 형성된 유전체 층 내에 양자점을 포함함으로써, 상기 양자점을 포함하는 유전체 층 주변의 금속 코어 및 금속 쉘의 플라즈몬 효과가 상기 양자점이 위치하는 유전체 층 주변에서 극대화한다. 이로 인해 상기 나노구조체 내에 포함된 양자점의 여기 에너지가 증가하여 양자점의 광흡수율이 증가하고, 그 결과 상기 양자점의 발광 특성이 개선될 수 있다. 이와 같이 광흡수율 및 발광 특성이 개선된 양자점을 포함하는 나노구조체는 폴리머 매트릭스 등에 분산되어 복합체 형태로 다양한 표시 장치, 및, 예컨대, 바이오 센서 또는 바이오 이미징 등과 같은 생물학적 레이블링, 포토디텍터, 태양 전지, 하이브리드 콤포짓 등에 유리하게 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 나노구조체의 개략적인 모식도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 나노구조체의 전기장의 분포를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 나노구조체(a)와, 동일한 금속 코어 및 동일한 두께의 유전체 층을 가지되 금속 쉘을 포함하지 않는 비교예 1에 따른 나노 구조체(b)에, 각각 약 450 nm 파장의 발광 피크를 가지는 청색광을 조사할 경우, 양 나노구조체의 광발광 증강 효과(Photoluminescence enhancement effect)를 시뮬레이션한 결과를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 나노구조체를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 구현예에 따른 나노구조체의 복합체를 제조하기 위한 패턴 형성 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 구현예에 따른 나노구조체의 복합체의 한 형태로서 잉크 조성물을 이용한 패턴 형성 공정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 일 구현예에 따른 표시 패널의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 7의 표시 패널의 단면도이다.
도 9는 도 7의 표시 패널의 화소 배열의 일 예를 보여주는 평면도이다.
도 10은 도 9의 표시 패널을 IV-IV 선을 따라 자른 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 각각 발광 소자의 예를 보여주는 단면도이다.
도 14는 일 구현예에 따른 표시 패널의 모식적 단면도를 나타낸 것이다.
도 15는 실시예 1에 따른 나노구조체를 형성하기 위한 중간체로서 생성된, 은 나노입자 위에 다수의 양자점을 포함하는 유전체 층(실리카 층)이 형성된 입자의 투과전자현미경 (TEM: transmission electron microscope) 사진이다.
도 16은 실시예 1에서 제조된 나노구조체의 투과전자현미경 (TEM) 사진이다.
도 17은 일 구현예에 따른 나노구조체의 유전체 층의 두께 (갭 두께) 및 금속 쉘의 두께를 변화시키면서 전기장 증강 효과를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 도면이다.
도 18은 일 구현예에 따른 나노구조체의 유전체 층의 두께 (갭 두께) 및 금속 쉘의 두께 변화에 따른 나노구조체 내 양자점의 발광 증강 요소를 시뮬레이션으로 예측한 결과를 보여주는 도면이다.
도 19는 일 구현예에 따른 나노구조체의 파장에 따른 단면적당 발광 곡선, 흡수 곡선, 및 산란 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 20은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 나노구조체 각각에 대해 은 나노입자 표면으로부터 실리카 층 내 양자점이 존재하는 위치까지의 거리가 각각 2 nm, 4 nm, 6 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm, 및 14 nm인 경우, 각 위치에서의 양자점의 발광 증강 요소를 x 방향 및 y 방향에서 각각 광을 조사하면서 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것은 아니다. 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 아니며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
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.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, "치환" 이란, 화합물 중의 수소가 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.
본 명세서에서, "1가의 유기 작용기" 라 함은, 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, 또는 C2 내지 C30의 헤테로사이클로알킬기를 의미한다.
또한, 이하에서 별도의 정의가 없는 한, "헤테로" 란, N, O, S, Si 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1 내지 3개 포함한 것을 의미한다.
본 명세서에서, "알킬렌기"는 하나 이상의 치환체를 선택적으로 포함하는 2 이상의 가수(valence)를 가지는 직쇄 또는 분지쇄의 포화 지방족 탄화수소기이다. 본 명세서에서, "아릴렌기"는 하나 이상의 치환체를 선택적으로 포함하고, 하나 이상의 방향족 링에서 적어도 2개의 수소의 제거에 의해서 형성된 2 이상의 가수를 가지는 작용기를 의미한다.
또한, "지방족기"는 탄소와 수소로 이루어진 포화 또는 불포화의 직쇄 또는 분지쇄의 C1 내지 C30 기를 의미하며, "방향족 유기기"는 C6 내지 C30의 아릴기 또는 C2 내지 C30의 헤테로아릴기를 포함하며, "지환족기"는 탄소와 수소로 이루어진 포화 또는 불포화의 C3 내지 C30의 고리기를 의미한다.
본 명세서에서, "(메타)아크릴레이트"라 함은, 아크릴레이트 및/또는 메타크릴레이트를 포함하여 지칭하는 것이다.
본 명세서에서, "광전환율"은 양자점 복합체(단막)가 여기광(예를 들어, 청색광)(B)으로부터 흡수한 광량, 즉, 상기 여기광(B)에서 상기 단막을 통과하여 외부로 방출된 광량(B')을 뺀 광량(B-B')에 대한 양자점 복합체의 발광량(G 또는 R)의 비율이다. 또한, "광변환 효율"은 여기광의 발광량(B)에 대한 양자점 복합체의 발광량(G 또는 R)의 비율이다. 여기광의 광발광(PL: Photoluminescent) 스펙트럼의 적분에 의해 여기광의 총 광량(B)을 구하고, 양자점 복합체 필름의 PL 스펙트럼을 측정하여 양자점 복합체 필름로부터 방출된 녹색 또는 적색 파장 광의 광량(G 또는 R)과 단막을 통과한 여기광의 광량(B')을 구한 다음, 하기 식에 의해 광전환율, 광변환 효율, 및 청색광 흡수율을 구한다:
A/(B-B') x 100 = 광전환율 (%)
A/B x 100 = 광변환 효율 (%)
(B-B')/B x 100 = 단막의 청색광 흡수율 (%)
본원 명세서에서, "분산액 (dispersion)" 이란, 분산상 (dispersed phase)이 고체(solid)이고 연속 매질(continuous medium)이 액체를 포함하는 분산을 말한다. 상기 "분산액" 은 분산상이 1 nm 이상, 예컨대, 2 nm 이상, 3 nm 이상, 또는 4 nm 이상, 및, 수 마이크로미터(㎛) 이하, (예컨대 2 ㎛ 이하, 또는 1 ㎛ 이하)의 치수(dimension)를 가지는 콜로이드형 분산을 포함할 수 있다.
여기서, "양자점"이라 함은, 양자 구속 (quantum confinement) 또는 엑시톤 구속 (exciton confinement)을 나타내는 나노구조체, 예컨대, 반도체 기반의 나노결정(입자)을 말하며, 예를 들어, 발광성 (예컨대, 에너지 여기에 의해 광을 방출할 수 있는) 나노구조체이다. 본 명세서에서, 양자점이라는 용어는, 특별히 정의되어 있지 않는 한, 그 형상이 제한되지 않는다.
여기서, "치수 (예컨대, 크기, 직경, 두께 등)"는 평균 치수 (예컨대, 크기, 직경, 두께 등)일 수 있다. 여기서, 평균은 mean 또는 median 일 수 있다. 상기 치수는 전자 현미경 분석에 의해 얻어지는 값일 수 있다. 상기 치수는 양자점의 조성 및 광학적 물성 (예컨대, UV 흡수 파장) 등을 고려하여 계산되는 값일 수 있다.
여기서, "양자 효율 (또는 양자수율)"은 용액 상태 또는 (복합체 내에서) 고체 상태로 측정될 수 있다. 일 구현예에서, 양자효율 (또는 양자수율)은, 나노구조물 또는 이들의 집단에 의해 흡수된 광자(photon) 대비 방출된 광자의 비율이다. 일 구현예에서, 양자 효율은 임의의 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 형광 양자 수율 또는 효율을 얻는 방법으로는 절대법과 상대법 2 가지의 방법이 있을 수 있다. 절대법에서는 적분구를 통해 모든 샘플의 형광을 검출하여 양자효율을 얻는다. 상대법에서는 표준 염료 (표준 시료)의 형광 강도를 미지 샘플의 형광 강도와 비교하여 미지 샘플의 양자 효율을 계산한다. Coumarin 153, Coumarin 545, Rhodamine 101 inner salt, Anthracene and Rhodamine 6G 등이 이들의 PL 파장에 따라 표준 염료로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
양자 효율 (또는 양자수율)은 Hitachi Co. Ltd 또는 Hamamatsu Co. Ltd 사 등으로부터 상업적으로 입수 가능한 장비를 사용하고, 장비 제조사들로부터 제공된 매뉴얼을 참고하여 쉽게 그리고 재현성있게 결정될 수 있다.
반치폭 및 광발광(Photoluminescence: PL) 피크 파장은, 예컨대, 형광 스펙트로포토미터 등과 같은 스펙트로포토미터에 의해 얻어지는 발광 스펙트럼에 의해 측정될 수 있다.
여기서, "카드뮴 (또는 그 외 독성 중금속 또는 주어진 원소)을 포함하지 않는다"는 기재는, 카드뮴 (또는 해당 중금속 또는 주어진 원소)의 농도가 100 ppm 이하, 50 ppm 이하, 10 ppm 이하, 또는 거의 0 인 것를 지칭할 수 있다. 일 구현예에서, 실질적으로 카드뮴 (또는 해당 중금속)이 존재하지 않거나, 혹시 존재하는 경우에도, 주어진 검출 수단의 검출 한계 이하의 양으로 또는 불순물 수준으로 있을 수 있다.
양자점은 단위 부피당 표면적이 넓고, 양자 구속 효과를 나타내며, 동일 조성의 벌크 물질의 특성과 다른 물성을 나타낼 수 있다. 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 광을 흡수하여 에너지 여기 상태로 되고, 그의 밴드갭 에너지에 상응하는 에너지를 방출할 수 있다.
양자점은 표시 장치에서 발광 소재로 적용될 수 있으며, 예를 들어, 폴리머 매트릭스 등에 분산된 복수개의 양자점을 포함하는 양자점 복합체는 표시 장치에서 광원(예컨대, 백라이트유닛(BLU), 유기발광다이오드(OLED), 마이크로 발광다이오드(μLED), 미니발광다이오드(미니LED) 등)으로부터의 여기광 (예컨대, 청색광)을 소망하는 파장의 광, 예컨대, 녹색광, 또는 적색광으로 변환하는 광변환층(예컨대, 색변환층)으로 사용될 수 있다. 즉, 기존의 흡수형 컬러필터와 달리, 양자점 복합체를 포함하는 패턴화된 막은 발광형 컬러필터로 사용될 수 있다. 발광형 컬러필터는 표시 장치의 전방에 배치되므로, 예를 들어, 액정층을 통과하면서 직진성을 갖게 된 여기광이 발광형 컬러필터에 도달하면 전방향으로 산란되어 더 넓어진 광시야각을 구현할 수 있고, 흡수형 컬러필터에 의한 광손실을 피할 수 있다. 양자점 기반의 발광형 컬러필터를 포함하는 표시 장치, 예를 들어, 액정 표시 장치는, 예컨대, 패널 안쪽, 예를 들어, 컬러필터 아래 쪽에 편광자를 더 포함할 수 있다. 이러한 표시 장치는, 선택에 따라, 광의 재활용을 위한 yellow-recycling film (YRF) 및 여기광 차단자 (예컨대, blue-cut filter 또는 green light cut filter)를 더 포함할 수 있다.
현재 전자 장치 등에서 응용 가능한 정도의 물성을 가지는 양자점의 대부분은 카드뮴 기반의 양자점이다. 그러나, 카드뮴은 심각한 환경/건강상 문제를 제기하며 규제 대상 원소 중 하나이다. 카드뮴이 없는 (cadmium-free) 양자점으로서 III-V족 기반의 나노결정이 있다. 그러나, 비카드뮴계 양자점은 개별 양자점의 여기광 흡수율이 낮아 양자점 컬러필터가 청색광을 충분히 흡수하지 못하고, 그에 따라 상대적으로 낮은 광변환 효율, 및 발광 스펙트럼의 반치폭이 넓은 문제가 있다. 카드뮴(Cd)이나 납(Pb)과 같은 중금속을 함유하지 않으면서 90% 이상의 높은 양자효율을 나타내며 산업적 양산이 가능한 거의 유일한 물질이 InP 계열의 양자점이다. 현재 InP 계열 양자점은 낮은 광 흡수 특성을 제외하고는 발광 효율이나 발광 반치폭, 안정성 측면에서 제품화에 문제 없는 수준으로까지 개발되어 있는 상황이다. 따라서, InP 계열 양자점의 낮은 광흡수 특성을 개선할 필요가 있다.
본원 발명자들은 플라즈모닉 나노 구조를 양자점에 적용함으로써 양자점의 여기 속도(excitation rate)와 발광 속도(radiative decay rate)를 증가시켜 양자점의 흡수율과 광변환 효율을 동시에 증가시키는 방법에 착안하였다. 플라즈모닉 나노 구조를 양자점에 적용한 예로서 유전체 층을 개재하여 양자점을 금속 나노입자의 표면에 위치시킨 구조체 (US10,181,565B2 등 참조), 또는 양자점을 유전체 층으로 코팅한 후, 그 표면에 금속 쉘을 형성한 구조체(US2019/0128894A1 등 참조) 등이 알려져 있다. 본원 발명은 이들 공지의 나노구조체와 상이한 구조를 가지며 플라즈몬 효과를 극대화할 수 있는 새로운 나노구조체를 개발하여 본원 발명을 완성하였다. 도 1은 일 구현예에 따른 나노구조체의 개략적인 모식도이다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 나노구조체(10)는 금속 코어(1), 상기 금속 코어(1)를 둘러싸는 금속 쉘(2), 및 상기 금속 코어(1)와 상기 금속 쉘(2) 사이에 위치하며 양자점(4)을 포함하는 유전체 층(3)을 포함한다. 즉, 일 구현예에 따른 나노구조체(10)는 금속 코어(1)와 금속 쉘(2) 사이의 갭에 유전체 층(3)을 배치하고, 그 유전체 층(3) 내에 양자점(4)이 존재하는 구조이다.
일 구현예에 따른 나노구조체는 금속 코어(1)와 금속 쉘(2) 내부에서의 강한 전기장 증강 (filed enhancement) 특성으로 인해 양자점의 여기 에너지가 증가하고, 그로 인해 양자점이 보다 높은 광흡수율을 가진다. 또한, 양자점이 보다 높은 광흡수율을 가짐으로써, 더 우수한 발광 특성을 가지게 된다. 이와 같이 개선된 광흡수 특성 및 발광 특성은 기존의 금속 표면 플라즈몬 효과를 적용한 양자점에 비해 훨씬 우수하다. 도 2는 일 구현예에 따른 나노구조체의 전기장의 분포를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 전기장이 금속 코어(1)의 표면 및 금속 쉘(2)의 내부인 유전체 층(3)에 강하게 집중됨을 알 수 있다.
후술하는 실시예와 비교예로부터 알 수 있는 바와 같이, 일 구현예에 따른 나노구조체(도 3의 (a))와, 일 구현예에 따른 나노 구조체와 달리 외각의 금속 쉘을 포함하지 않고 금속 코어 및 이를 둘러싸는 유전체 층만 포함하는 비교예 1에 따른 나노구조체(도 3의 (b))의 전기장의 분포 정도를 비교하면, 일 구현예에 따른 나노구조체의 전기장의 분포 정도가 최소 2배 이상, 예를 들어, 3 배 이상, 또는 4 배 이상 더 강하게 나타남을 알 수 있다. 그에 따라, 일 구현예에 따른 나노구조체 내 유전체 층에 포함된 양자점의 여기 에너지가 비교예에 따른 나노구조체에 비해 현저히 높을 수 있다. 이 경우, 각 나노구조체에 여기광을 조사하면, 일 구현예에 따른 나노구조체에 포함된 양자점의 광흡수율이 훨씬 높을 수 있다. 이와 같이 양자점의 광흡수율이 개선될 경우, 해당 양자점을 포함하는 나노구조체의 발광 특성 또한 크게 개선될 수 있다.
한편, 도 3으로부터, 나노구조체의 금속 코어의 표면로부터 유전체 층 내 양자점이 위치하는 거리에 따라 전기장의 강도가 상이하고, 그에 따라 유전체 층 내 양자점이 위치하는 위치에 따라 양자점의 광흡수율 및 발광 증강 효과가 상이해질 수 있음을 알 수 있다. 이에, 후술하는 실시예에서는 나노구조체의 금속 코어(1)의 크기를 일정하게 유지하고, 유전체 층(3)의 두께 및 금속 쉘(2)의 두께를 변경하면서 나노구조체의 전기장 증강 (field enhancement) 정도, 즉, |E|/|E0| (여기서, |E0|는 입사광의 전기장 세기이고, |E|는 나노구조체에 의해 증강된 전기장의 세기이다)를 시뮬레이션하였다. 그 결과, 나노 구조체의 금속 쉘의 두께 및 유전체 층의 두께에 따라 전기장 증강 정도가 달라짐을 확인하였다. 이에 따라, 상이한 유전체 층 및 금속 쉘의 두께를 가지는 나노구조체에 포함된 양자점의 발광 증강 요소 (Photoluminescence enhancement factor = (|E|2/|E0|2)×QE, 여기서, |E| 및 |E0|는 전술한 바와 같고, QE는 양자점의 양자효율(Quantum Efficiency)이다.)를 시뮬레이션하였다. 그 결과, 나노구조체의 금속 쉘과 유전체 층의 두께를 조정함으로써 나노구조체의 전기장 증강 효과를 조절할 수 있고, 또한 그에 따라 해당 나노구조체에 포함되는 양자점의 광흡수율을 증가시켜 발광 특성 또한 개선할 수 있음을 확인하였다.
한편, 상기 나노구조체의 금속 쉘(2)의 두께와 유전체 층(3)의 두께를 변경함에 따라 발광 증강 효과의 수준이 변할 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에 따른 나노구조체는 상기와 같은 특정 구조로 인해 금속 쉘(2) 및 유전체 층(3)의 두께를 특정 범위로 조정함에 따라, 약 400 nm 내지 약 550 nm 파장 범위의 광에 대한 높은 수준의 산란 단면을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체는 약 400 nm 내지 약 550 nm 파장 범위의 광에 대한 흡수 피크 또는 흡수단을 가질 수 있고, 상기 나노구조체에 포함된 양자점들의 청색광 흡수율이 현저히 개선되는 효과를 가질 수 있다. 따라서, 일 구현예에 따른 나노구조체에 포함된 양자점은 해당 나노구조체에 포함되지 않은 상태에서 보다 더 높은 청색광 흡수율을 가질 수 있고, 그로 인해 보다 높은 광전환 효율 등의 우수한 발광 특성을 나타낼 수 있다.
이와 같이, 일 구현예에 따른 나노구조체는 비카드뮴계 양자점과 같은 광흡수율이 낮은 양자점의 광흡수율을 개선하고, 그로 인해 보다 우수한 발광 특성을 구현할 수 있게 한다. 또한, 나노구조체 내 유전체 층과 금속 쉘의 두께를 조절하여 광흡수율 및 발광 특성을 용이하게 조절 및/또는 개선할 수 있다.
일 구현예에 따른 나노구조체에서 상기 금속 코어의 크기는 약 5 nm 내지 약 100 nm 일 수 있고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm 일 수 있고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm일 수 있고, 이들 범위의 조합으로 한정되지 않는다.
일 구현예에 따른 나노 구조체에서 상기 금속 코어의 크기는 상기 나노 구조체가 나노미터 수준의 크기를 가지면서 적절한 플라즈몬 현상을 일으킬 수 있고, 그 위에 상기 유전체 층과 금속 쉘을 차례로 형성할 수 있도록 안정적인 상태로 존재할 수 있는 범위라면 임의의 크기일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 코어의 크기는 약 5 nm 내지 약 100 nm 일 수 있고, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 90 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 65 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 55 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 80 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 55 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 45 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 55 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 45 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 55 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 45 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 30 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 30 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 30 nm 내지 약 55 nm, 예를 들어, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 30 nm 내지 약 45 nm, 예를 들어, 약 35 nm 내지 약 45 nm 일 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
일 구현예에 따른 나노 구조체에서 상기 금속 쉘의 두께는 상기 나노 구조체가 나노미터 수준의 크기를 가지면서 적절한 플라즈몬 현상을 일으킬 수 있고, 상기 유전체 층을 전체적으로 감싸면서 안정적인 상태로 존재할 수 있는 범위라면 임의의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 쉘의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm 일 수 있고, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 90 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 25 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 30 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 25 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 35 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 30 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 45 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 25 nm 내지 약 35 nm 일 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
일 구현예에 따른 나노 구조체에서 상기 금속 코어와 상기 금속 쉘 사이에 존재하는 상기 유전체 층의 두께는 상기 나노 구조체가 나노미터 수준의 크기를 가지면서 적절한 플라즈몬 현상을 일으킬 수 있고, 또한 상기 유전체 층 내에 양자점을 안정적으로 포함할 수 있는 범위의 임의의 두께를 가질 수 있다. 예를 들에, 상기 유전체 층은 그 안에 존재하는 양자점이 상기 유전체 층의 외부로 그 일부가 돌출되지 않고 전체가 상기 유전체 층 내에 안정적으로 존재하는 형태로 내포될 수 있게 하는 두께 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm 일 수 있고, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 90 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 80 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 70 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 25 nm, 예를 들어, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 55 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 45 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 35 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 30 nm, 예를 들어, 약 15 nm 내지 약 25 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 60 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 50 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 40 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 35 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 30 nm, 예를 들어, 약 20 nm 내지 약 25 nm일 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 상기 금속 코어의 크기는 약 15 nm 내지 약 50 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 50 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 15 nm 내지 약 50 nm일 수 있으며, 이들 범위의 조합으로 제한되지 않으며, 상기 금속 코어, 금속 쉘, 및 유전체 층을 구성하는 물질의 종류에 따라 우수한 플라즈몬 현상을 나타낼 수 있는 적절한 범위로 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 코어의 크기는 약 25 nm 내지 약 50 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 30 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 15 nm 내지 약 35 nm일 수 있으며, 예를 들어, 상기 금속 코어의 크기는 약 30 nm 내지 약 45 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 15 nm 내지 약 25 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 15 nm 내지 약 30 nm일 수 있으며, 이들 범위의 조합으로 제한되지 않는다.
상기 금속 코어 및 상기 금속 쉘은 각각 독립적으로 플라즈몬 현상을 나타내는 임의의 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어, 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 알루미늄, 또는 이들의 2 이상의 합금인 금속을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 코어 및 상기 금속 쉘은 각각 은을 포함할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
상기 유전체 층은 SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, CuxO(0<x<2), 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 산화물, 또는 유기 고분자를 더 포함할 수 있고, 일 실시예에서, 상기 유전체 층은 SiO2, Al2O3, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
상기 유전체 층에 포함될 수 있는 유기 고분자로는 폴리도파민(PDA: polydopamine), 폴리메틸메타아크릴레이트 (PMMA: poly methyl methacrylate), 폴리디메틸실록세인(PDMS: poly dimethylsiloxane) 등을 들 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
상기 유전체 층은 상기 금속 코어를 완전히 감싸거나, 즉, 상기 금속 코어를 밀봉하는 형태로 존재하거나, 또는 상기 금속 코어의 일부에만 존재하여 상기 금속 코어를 일부만 덮는 형태로 존재할 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 유전체 층은 상기 금속 코어를 완전히 감싸는 형태로 존재할 수 있다.
일 구현예에 따른 나노 구조체는 상기 유전체 층 내에 상기 양자점을 포함한다. 즉, 상기 양자점은 상기 유전체 층으로부터 그의 일부 또는 전부가 돌출한 형태로 존재하지 않고, 양자점 전체가 상기 유전체 층 내에 내포된 형태로 존재한다.
일 실시예에서, 상기 나노 구조체는 상기 유전체 층 내에 하나 이상의 양자점, 예를 들어, 복수 개의 양자점을 포함할 수 있고, 이들 복수 개의 양자점은 모두 상기 유전체 층 내에 전체가 내포된 상태로 존재할 수 있다. 상기 유전체 층 내에 존재할 수 있는 양자점의 최대 수, 또는 양자점의 최대 함량은 특별히 제한되지 않으며, 양자점의 크기, 유전체 층의 두께, 나노 구조체의 크기 등을 고려하여 적절한 범위로 조절할 수 있다.
상기 양자점은 카드뮴이나 납을 포함하지 않으며, 예를 들어, 소정 스펙트럼의 광을 흡수하여 이보다 장파장 스펙트럼의 광을 방출하는 광발광(photoluminescence) 특성을 가지는 양자점일 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점은 크기 및/또는 조성에 따라, 가시광선 파장 스펙트럼 중 소정 파장 스펙트럼의 광, 예컨대, 약 510 nm 내지 약 550 nm 영역에서 최대 발광 파장을 가지는 녹색 발광 양자점이거나, 또는 약 600 nm 내지 650 nm 영역에서 최대 발광 파장을 가지는 적색 발광 양자점일 수 있다. 양자점의 최대 발광 파장이 510 nm 내지 550 nm 사이에 존재하는 경우, 상기 양자점의 최대 발광 파장은 510 nm 이상, 520 nm 이상, 530 nm 이상, 또는 535 nm 이상이고, 545 nm 이하, 540 nm 이하, 또는 535 nm 이하에 존재할 수 있다. 또한, 상기 양자점의 최대 발광 파장이 600 nm 내지 650 nm 사이에 존재하는 경우, 상기 양자점의 발광 최대 발광 파장은 610 nm 이상, 620 nm 이상, 630 nm 이상, 또는 635 nm 이상이고, 645 nm 이하, 640 nm 이하, 또는 635 nm 이하에 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점은 원소 주기율표의 3족 원소와 5족 원소를 포함하고 카드뮴을 포함하지 않는 양자점일 수 있고, 예를 들어, 3족 원소와 5족 원소를 포함하는 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 원소 주기율표의 2족 원소와 6족 원소를 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 양자점일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점은 인듐과 인을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 아연과 셀레늄을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 양자점일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 코어를 형성하는 반도체 나노결정은 아연 및/또는 갈륨을 더 포함할 수 있고, 상기 쉘을 형성하는 반도체 나노결정은 황을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 쉘은 다층 구조의 쉘일 수 있고, 상기 쉘은, 아연 및 셀레늄을 포함하는 제1 반도체 나노결정 쉘(first semiconductor nanocrystal shell)을 포함할 수 있다. 상기 쉘은, 상기 제1 반도체 나노결정 쉘 상에 배치되고 아연 및 황을 포함하는 제2 반도체 나노결정 쉘(second semiconductor nanocrystal shell)을 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체 나노결정 쉘은, ZnSe 를 포함할 수 (또는 ZnSe 로 이루어질 수) 있다. 일 실시예에서, 상기 제1 반도체 나노결정 쉘은, 황(S)을 포함하지 않을 수 있다. 예컨대, 상기 제1 반도체 나노결정 쉘은 ZnSeS 를 포함하지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제1 반도체 나노결정 쉘은 ZnSe, ZnSeS, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. (예컨대, ZnSe 로 이루어진) 상기 제1 반도체 나노결정 쉘은, 상기 반도체 나노결정 코어 바로 위에 배치될 수 있다. 상기 제1 반도체 나노결정 쉘은, 두께가 3ML 이상, 또는 4 ML 이상일수 있다. 상기 제1 반도체 나노결정 쉘은 두께가 10 ML 이하, 예컨대, 9 ML 이하, 8 ML 이하, 7 ML 이하, 6 ML 이하, 5 ML 이하, 또는 4 ML 이하일 수 있다.
상기 제2 반도체 나노결정 쉘은, 아연 및 황을 포함한다. 상기 제2 반도체 나노결정 쉘은, 상기 제1 반도체 나노결정 쉘 바로 위에 배치될 수 있다. 상기 제2 반도체 나노결정 쉘은 반경 방향으로 변화하는 조성을 가질 수 있다. 상기 제2 반도체 나노결정 쉘은 ZnSeS, ZnS, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제2 반도체 나노결정 쉘은 2층 이상을 포함하며, 인접하는 층은 서로 다른 조성을 가질 수 있다. 상기 제2 반도체 나노결정 쉘은 ZnS 로 이루어진 최외곽층을 포함할 수 있다.
상기 양자점의 크기의 평균값은 약 5.5 nm 이상, 예를 들어, 5.6 nm 이상, 5.7 nm 이상, 5.8 nm 이상, 5.9 nm 이상, 6.0 nm 이상, 6.1 nm 이상, 6.2 nm 이상, 6.3 nm 이상, 6.4 nm 이상, 6.5 nm 이상, 7.0 nm 이상, 7.5 nm 이상, 7.6 nm 이상, 7.7 nm 이상, 7.8 nm 이상, 7.9 nm 이상, 또는 8.0 nm 이상일 수 있다. 상기 비카드뮴계 양자점은 크기가 20 nm 이하, 예컨대, 19 nm 이하, 18 nm 이하, 17 nm 이하, 16 nm 이하, 15 nm 이하, 14 nm 이하, 13 nm 이하, 12 nm 이하, 11 nm 이하, 10 nm 이하, 또는 9 nm 이하일 수 있다. 상기 양자점의 크기는 입경일 수 있다. 구형이 아닌 경우, 양자점의 크기는 투과 전자 현미경 분석에 의해 확인되는 2차원의 면적을 원으로 전환하여 계산되는 직경일 수 있다.
상기 양자점의 크기 또는 평균 크기는 전자 현미경 분석 이미지로부터 계산될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 크기 (또는 평균 크기)는 전자 현미경 이미지 분석으로부터 확인되는 직경 또는 등가직경 (또는 이들의 평균값)일 수 있다.
상기 양자점의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 구형, 다면체, 피라미드형, 멀티포드, 또는 입방체(cubic)형, 나노튜브, 나노와이어, 나노섬유, 나노시트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 양자점은, 그 표면에 후술하는 유기 리간드 및/또는 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 유기 리간드 및/또는 유기 용매는 양자점 표면에 결합(bound)할 수 있다.
상기 양자점은 용액 상태 또는 고체 상태에서 양자 효율이 85% 이상, 88% 이상, 90% 이상, 91% 이상, 또는 92% 이상일 수 있다. 또한, 상기 양자점은 용액상태 또는 고체 상태에서 반치폭이 약 50 nm 이하, 예를 들어, 약 45 nm 이하, 예를 들어, 약 40 nm 이하, 예를 들어, 약 38 nm 이하일 수 있다.
상기 양자점은 시판되는 양자점을 사용하거나, 또는 알려진 양자점 제조 방법을 통해 제조된 양자점을 사용할 수 있다. 상기 양자점의 제조 방법으로서 잘 알려진 습식 방법은 적절한 용매 내에서 양자점을 형성하는 전구체 물질들을 반응시켜 콜로이드 형태의 양자점 입자를 얻는 방법으로 제조할 수 있다. 상기 양자점이 코어-쉘 구조를 가질 경우, 적절한 용매 내에서, 준비된 양자점의 코어 위로 양자점의 쉘을 형성하는 전구체 화합물들을 상기 코어와 함께 반응시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 반도체 나노결정 쉘의 형성시, 필요에 따라 적절한 유기 리간드 및/또는 계면 활성제들을 함께 포함하여 반응시킬 수 있다.
상기 양자점의 코어를 준비하는 단계는, 상기 반도체 나노결정 코어를 제조하기 위한 전구체 화합물, 예를 들어, 인듐과 인 화합물, 그리고 선택적으로 아연 및/또는 갈륨의 전구체를 준비하여 이들을 반응시킴으로써 즉석에서 (in-situ) 반도체 나노결정 코어를 제조하거나, 또는, 시판되고 있는 반도체 나노결정 코어를 구입하여 사용할 수도 있다. 일 실시예의 코어는 인듐 전구체 및 선택에 따라 아연 및/또는 갈륨 전구체를 더 포함하는 금속 전구체와, 선택에 따라 리간드롤 포함한 용액을 고온, 예컨대, 200도씨 이상의 온도로 가열한 상태에서, 인 전구체를 주입하는 hot injection 방법으로 형성할 수 있다. 이와 같은 일 실시예에 따른 양자점의 제조 방법은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자들에게 알려진 다양한 양자점 제조 방법을 통해 용이하게 수행할 수 있다.
상기 양자점을 제조하기 위한 각 반응 단계에서, 반도체 나노결정 코어에 포함되는 전구체 물질과, 반도체 나노결정 쉘에 포함되는 전구체 물질간 함량 및 각 전구체들의 총 사용량은, 전술한 양자점의 코어와 쉘의 크기 범위를 충족하도록 조절할 수 있다. 각 단계에서, 소정의 반응 시간은 최종 양자점에서 소망하는 조성 및/또는 구조를 얻기 위해서 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 양자점이 인듐과 인을 포함하는 반도체 나노결정 코어를 포함할 경우, 상기 인듐 전구체로는 인듐 할라이드, 인듐 나이트레이트, 인듐 하이드록사이드, 인듐 플루오라이드, 인듐 클로라이드, 인듐 브로마이드, 인듐 아이오다이드, 인듐 옥사이드, 인듐 설페이트, 인듐 카르복실레이트, 인듐 아세테이트, 인듐 아세틸아세토네이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
상기 인 전구체로는 트리스 트리메틸실릴 포스핀 (tris(trimethylsilyl)phosphine), tris(dimethylamino) phosphine, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
일 실시예에 따른 양자점이 아연과 셀레늄, 및 선택적으로 황을 포함하는 반도체 나노결정 쉘을 포함하는 경우, 상기 아연 전구체로는 Zn 금속 분말, 알킬화 Zn 화합물, Zn 알콕시드, C2 내지 C10의 Zn 카르복실레이트, Zn 니트레이트, Zn 퍼콜레이트, Zn 설페이트, Zn 아세틸아세토네이트, Zn 할로겐화물, Zn 시안화물, Zn 히드록시드, Zn 옥사이드, Zn 퍼옥사이드, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 아연 전구체로는 디메틸아연, 디에틸아연, 아연아세테이트, 아연아세틸아세토네이트, 아연아이오다이드, 아연브로마이드, 아연클로라이드, 아연플루오라이드, 아연카보네이트, 아연시아나이드, 아연나이트레이트, 아연옥사이드, 아연퍼옥사이드, 아연퍼클로레이트, 아연설페이트 등을 들 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
상기 셀레늄의 전구체로는 셀렌-트리옥틸포스핀(Se-TOP), 셀렌-트리부틸포스핀(Se-TBP), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP), 텔루르-트리부틸포스핀(Te-TBP), 또는 이들의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
상기 황 함유 전구체로는 황 분말, 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), 트리메틸실릴 설퍼, 황화 암모늄, 황화 나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하나, 이들에 제한되지 않는다.
상기 유기 리간드는 RCOOH, RNH2, R2NH, R3N, RSH, RH2PO, R2HPO, R3PO, RH2P, R2HP, R3P, ROH, RCOOR', RPO(OH)2, R2POOH (여기서, R, R'는 각각 독립적으로 (e.g., C1 내지 C40 또는 C3 내지 C35 또는 C8 내지 C24) 치환 또는 미치환 지방족 탄화수소 (예컨대, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기), 또는 (e.g., C6 내지 C40 또는 C6 내지 C24) 치환 또는 미치환 방향족 탄화수소 (e.g., 아릴기), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
유기 리간드는 제조된 나노 결정의 표면을 배위하며, 나노 결정이 용액 상에 잘 분산되도록 할 수 있다. 유기 리간드의 구체적인 예로서 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, 부틸 아민, 펜틸 아민, 헥실 아민, 옥틸 아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 디메틸 아민, 디에틸 아민, 디프로필 아민; 메탄산, 에탄산, 프로판산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 도데칸산, 헥사데칸산, 옥타데칸산, 올레인산, 벤조산; 치환 또는 미치환 메틸 포스핀 (e.g., 트리메틸 포스핀, 메틸디페닐 포스핀 등), 치환 또는 미치환 에틸 포스핀(e.g., 트리에틸 포스핀, 에틸디페닐 포스핀 등), 치환 또는 미치환 프로필 포스핀, 치환 또는 미치환 부틸 포스핀, 치환 또는 미치환 펜틸 포스핀, 치환 또는 미치환 옥틸포스핀 (e.g., 트리옥틸포스핀(TOP)) 등의 포스핀; 치환 또는 미치환 메틸 포스핀 옥사이드(e.g., 트리메틸 포스핀 옥사이드, 메틸디페닐 포스핀옥사이드 등), 치환 또는 미치환 에틸 포스핀 옥사이드(e.g., 트리에틸 포스핀 옥사이드, 에틸디페닐 포스핀옥사이드 등), 치환 또는 미치환 프로필 포스핀 옥사이드, 치환 또는 미치환 부틸 포스핀 옥사이드, 치환 또는 미치환 옥틸포스핀옥사이드 (e.g., 트리옥틸포스핀옥사이드(TOPO) 등의 포스핀 옥사이드; 다이 페닐 포스핀, 트리 페닐 포스핀 화합물, 또는 그의 옥사이드 화합물; 포스폰산(phosphonic acid) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유기 리간드는, 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물로 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점은 표면에 유기 리간드를 포함하며, 상기 유기 리간드는 말단에 카르복실기를 가지는 화합물, 말단에 하이드록시기를 가지는 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 말단에 카르복실기를 가지는 화합물의 예로는 1가의 유기산을 들 수 있고, 예를 들어, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 노난산, 데칸산, 운데칸산, 도데칸산, 트라이데칸산, 테트라데칸산, 펜타데칸산, 헥사데칸산, 헵타데칸산, 옥타데칸산, 노나데칸산, 에이코산산, 헤네이코사노산, 도코산산, 트라이코산산, 테트라코산산, 펜타코산산, 헥사코산산, 헵타코산산, 헵타코산산, 옥타코산산, 노나코산산, 트라이아콘탄산, 테트라트라이아콘탄산, 펜타트라이아콘탄산, 헥사트라이아콘탄산, 알파리놀렌산, 에이코사펜타엔산, 도코사헥사엔산, 리놀레산, 감마리놀렌산, 디호모감마리놀렌산, 아라키돈산, 파울린산, 올레산, 엘라이드산, 에이코산, 에루스산, 네르본산, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
상기 말단에 하이드록시기를 가지는 화합물의 예로는, 한 말단에는 하이드록시기를 가지고 다른 쪽 말단에는 양자점의 표면에 결합할 수 있는 다양한 작용기를 가지는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다양한 작용기는 전술한 유기 리간드에 포함되는 다양한 작용기들일 수 있고, 예를 들어, 티올기일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점의 표면에 결합된 유기 리간드는 올레산과 6-머캡토-1-헥사놀의 조합일 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
상기 (유기) 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 상기 전구체들과 유기 리간드의 종류를 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
제조된 최종 반응액에 비용매(nonsolvent)를 부가하면 상기 유기 리간드가 배위된 나노 결정이 분리 (e.g. 침전)될 수 있다. 상기 비용매는, 상기 반응에 사용된 용매와 섞이지만 나노 결정을 분산시킬 수 없는 극성 용매일 수 있다. 상기 비용매는, 상기 반응에 사용한 용매에 따라 결정할 수 있으며, 예컨대, 아세톤, 에탄올, 부탄올, 이소프로판올, 에탄다이올, 물, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸술폭시드(DMSO), 디에틸에테르(diethylether), 포름 알데하이드, 아세트 알데하이드, 상기 나열된 용매들과 유사한 용해도 파라미터(solubility parameter)를 갖는 용매, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 분리는, 원심 분리, 침전, 크로마토 그래피, 또는 증류를 이용할 수 있다. 분리된 나노 결정은 필요에 따라 세정 용매에 부가되어 세정될 수 있다. 세정 용매는 특별히 제한되지 않으며, 상기 리간드와 유사한 용해도 파라미터를 갖는 용매를 사용할 수 있으며, 그 예로는 헥산, 헵탄, 옥탄, 클로로포름, 톨루엔, 벤젠 등을 들 수 있다.
상기와 같이 제조된 양자점은 일 구현예에 따른 나노구조체 내의 유전체 층에 포함된다. 이하, 일 구현예에 따른 나노구조체의 제조 방법을 간단히 설명한다.
먼저, 나노 크기의 금속 코어를 준비하고, 상기 금속 코어 위에 유전체 물질을 특정 두께 범위로 형성한다. 상기 금속 코어 위에 유전체 물질을 형성하는 방법은 당해 기술 분야에서 공지된 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 예를 들어, 금속 코어를 포함하는 용액에 유전체 물질의 전구체 물질을 첨가하여 추가 반응시킴으로써 금속 코어 상에 유전체의 층이 형성되도록 하는 용액 공정을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 코어는 시판되는 나노 입자를 구입하여 사용하거나, 또는 상기 금속의 전구체를 사용하여 당해 기술 분야에서 공지된 방법으로 즉석에서 합성하여 사용할 수도 있다. 예를 들어, 은 나노입자의 경우, 은을 함유하는 전구체 화합물로부터 은 나노입자를 즉석에서 제조하여 사용할 수 있고, 이러한 방법 중, 예를 들어, Nano Letter 18, 6475 (2018) 등에 기재된 방법을 사용할 수 있다. 상기 문헌은 본 명세서의 참조로서 전체적으로 포함된다. 은 전구체로부터 은 나노입자를 제조하는 경우, 상기 은 나노입자의 제조를 위한 반응 용액에 상기 유전체 물질의 전구체를 첨가하여 반응시킴으로써, 생성된 은 나노입자 위에 유전체 물질의 층을 형성할 수 있다. 상기 유전체 물질의 전구체로는 실리카의 전구체, 알루미나의 전구체, 티타니아의 전구체 등을 사용할 수 있고, 예를 들어, TEOS(Tetraethyl orthosilicate)와 같은 실리카의 전구체를 사용할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 금속 코어 위에 유전체 층을 일정 두께로 형성한 후, 미리 제조되거나 구입한 양자점을 상기 반응 용액에 첨가하여 흡착시키고, 그 위에 다시 상기 유전체 물질의 전구체를 추가로 첨가하여 더 반응시킴으로써, 첨가한 양자점 모두를 상기 유전체 물질로 도포한 입자들을 얻는다. 그 후, 상기 입자들의 유전체 층 위에 금속 쉘을 형성함으로써 일 구현예에 따른 나노 구조체를 형성할 수 있다. 상기 금속 쉘은 상기 금속 코어를 형성하기 위한 전구체와 동일하거나 또는 상이한 금속의 전구체 물질을 상기 유전체 층이 형성된 입자들을 포함하는 용액에 추가로 첨가하여 반응시킴으로써 형성할 수 있다. 여기서, 상기 금속 코어와 상기 유전체 층, 및 상기 금속 쉘은 일정한 크기 및 두께를 가지도록, 첨가하는 금속의 전구체와 유전체 물질의 전구체, 그리고 양자점의 함량을 적절히 조절하여 첨가할 수 있다.
전술한 일 구현예에 따른 나노 구조체를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이 도 4이다.
전술한 바와 같이, 일 구현예에 따른 나노구조체는 비카드뮴계 양자점의 낮은 광흡수율을 개선하고, 그에 따라 우수한 발광 특성을 구현할 수 있게 하므로, 상기 나노구조체는 발광 소자 등의 발광 소재로서 유용하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노구조체는 기존의 양자점을 폴리머 매트릭스 등에 분산시켜 제조하는 양자점-폴리머 복합체와 유사하게, 폴리머 매트릭스에 분산되어 나노구조체-폴리머 복합체를 형성할 수 있다. 이러한 나노구조체-폴리머 복합체는, 양자점 대신 나노구조체를 포함하는 점을 제외하고, 나머지는 양자점-폴리머 복합체를 제조하는 것과 동일한 방법으로 당해 기술 분야에서 공지된 방법을 사용하여 용이하게 제조할 수 있다.
예를 들어, 상기 나노구조체-폴리머 복합체는 복수 개의 일 구현예에 따른 나노구조체를 분산제나 분산 용매에 분산시킨 조성물로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물은 복수 개의 나노구조체와 분산 용매를 포함할 수 있고, 상기 분산 용매는 물 및/또는 물과 혼화 가능하지 않은 유기 용매일 수 있다. 상기 유기 용매, 또는 분산 용매는 양자점을 제조하기 위해 사용 가능한 전술한 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 분산 용매는, 치환 또는 미치환의 C1 내지 C40 지방족 탄화수소, 치환 또는 미치환의 C6 내지 C40 방향족 탄화수소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서는, 상기 나노구조체-폴리머 복합체는 복수 개의 일 구현예에 따른 나노구조체를 바인더 고분자, 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 (광)중합성 단량체, 또는 이들의 조합을 포함하는 분산제와 혼합한 조성물로부터 제조될 수 있고, 상기 조성물은 선택에 따라 광 개시제를 더 포함할 수 있다. 상기 조성물은 유기 용매 및/또는 액체 비히클을 더 포함할 수 있다. 상기 조성물은 감광성 조성물일 수 있다.
상기 조성물 내 나노구조체 및 양자점에 대한 내용은 위에서 설명한 것과 동일하므로, 이들에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 조성물 내 상기 나노구조체의 함량은, (예컨대, 발광형 컬러필터 혹은 색변환 패널의 색변환 층과 같이) 최종 용도 등을 감안하여 적절히 조절할 수 있다. 상기 조성물 (또는 복합체)에서, 상기 나노 구조체의 함량은, 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분 중량을 기준으로 1 중량% 이상, 예컨대, 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. 상기 나노 구조체의 함량은, 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분을 기준으로 70 중량% 이하, 65 중량% 이하, 60 중량% 이하, 55 중량% 이하, 50 중량% 이하, 45 중량% 이하, 40 중량% 이하, 또는 30 중량% 이하일 수 있다.
상기 바인더 고분자는 카르복시산기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 바인더 고분자는 카르복실기 및 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 제1 모노머, 탄소-탄소 이중결합 및 소수성 잔기를 가지며 카르복실기를 포함하지 않는 제2 모노머, 및 선택에 따라 탄소-탄소 이중결합을 가지고 친수성 잔기를 가지며 카르복실기를 포함하지 않는 제3 모노머를 포함하는 모노머의 조합 또는 이들의 공중합체; 주쇄 내에 2 개의 방향족 고리가 다른 고리형 잔기의 구성 원자인 4 급 탄소원자와 결합한 골격 구조를 가지고 카르복실기를 포함하는 다중 방향족 고리(multiple aromatic ring) 함유 폴리머 (이하, 카도 바인더); 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 바인더 고분자는 상기 제1 모노머, 제2 모노머, 및 선택에 따라 상기 제3 모노머를 포함할 수 있다.
상기 조성물 내 상기 바인더 고분자의 함량은, 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분 함량을 기준으로, 0.5 중량% 이상, 예컨대, 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 30 중량% 이상, 40 중량% 이상, 또는 50 중량% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 분산제 (또는 바인더 고분자)의 함량은, 상기 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분을 기준으로 60 중량% 이하, 50 중량% 이하, 40중량% 이하, 35 중량% 이하, 33 중량% 이하, 30 중량% 이하, 20 중량% 이하, 또는 10 중량% 이하일 수 있다. 상기 분산제 (또는 바인더 고분자)의 함량은, 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분을 기준으로 0.5 중량% 내지 55 중량%일 수 있다.
상기 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 중합성(예컨대, 광중합성) 모노머는, (예컨대, 광중합성) (메타)아크릴계 모노머를 포함할 수 있다. 상기 모노머는, 절연성 폴리머를 위한 전구체일 수 있다.
상기 모노머의 함량은, 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분을 기준으로 0.5 중량% 이상, 예를 들어, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 30 중량% 이상일 수 있다. 상기 광중합성 단량체의 함량은, 조성물 또는 복합체의 총 중량 또는 총 고형분을 기준으로, 60 중량% 이하, 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 28 중량% 이하, 25 중량% 이하, 23 중량% 이하, 20 중량% 이하, 18 중량% 이하, 17 중량% 이하, 16 중량% 이하, 또는 15 중량% 이하일 수 있다.
상기 조성물에 포함되는 (광)개시제는, 전술한 모노머의 (광)중합을 위한 것이다. 상기 개시제는, 온화한 조건 하에 (예컨대, 열 또는 광에 의해) 라디칼 화학종을 생성하여 라디칼 반응 (예컨대, 모노머의 라디칼 중합)을 촉진할 수 있는 화합물이다. 상기 개시제는, 열 개시제 또는 광개시제일 수 있다. 개시제는 특별히 제한되지 않으며 적절히 선택할 수 있다.
상기 조성물에서 개시제의 함량은 사용된 중합성 모노머의 종류 및 함량을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 개시제의 함량은, 조성물의 총 중량 (또는 고형분의 총 중량)을 기준으로 0.01 중량%이상, 예컨대, 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 및/또는 10 중량% 이하, 예컨대, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 조성물은 말단에 적어도 1 개의 티올기를 가지는 (다중 또는 단관능성) 티올 화합물, 금속 산화물 미립자, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 미립자는 TiO2, SiO2, BaTiO3, Ba2TiO4, ZnO, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 산화물 미립자는 TiO2 수 있다.
상기 조성물 내에서 상기 금속 산화물 미립자의 함량은 조성물의 총 중량 (또는 그의 고형분 중량)을 기준으로, 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 30 중량% 이상, 또는 35 중량% 이상 및/또는 60 중량% 이하, 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하일 수 있다. 상기 금속 산화물 미립자는 비발광성일 수 있다. 여기서, 금속 산화물이라는 용어는 금속 또는 준금속의 산화물을 포함할 수 있다.
금속 산화물 미립자의 직경은 특별히 제한되지 않으며, 적절히 선택할 수 있다. 금속 산화물 미립자의 직경은 100 nm 이상, 예컨대 150 nm 이상 또는 200 nm 이상 및 1000 nm 이하, 또는 800 nm 이하, 500 nm 이하, 400 nm 이하, 300 nm 이하일 수 있다.
상기 조성물에 포함되는 티올 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
R1은 수소; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기; 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30의 헤테로아릴기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30의 사이클로알킬기; 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30의 헤테로사이클로알킬기; C1 내지 C10의 알콕시기; 히드록시기; -NH2; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 아민기 (-NRR', 여기에서 R과 R'은 서로 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C30의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고 동시에 수소는 아님); 이소시아네이트기; 할로겐; -ROR' (여기에서 R은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬렌기이고 R'은 수소 또는 C1 내지 C20의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기임); 아실 할라이드(-RC(=O)X, 여기에서 R은 치환 또는 비치환된 알킬렌기이고 X는 할로겐임); -C(=O)OR' (여기에서 R'은 수소 또는 C1 내지 C20의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기임); -CN; -C(=O)ORR' 또는 -C(=O)ONRR' (여기에서 R과 R'은 서로 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기임)에서 선택되고,
L1은 탄소 원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 알킬렌기, 하나 이상의 메틸렌(-CH2-)이 설포닐(-SO2-), 카르보닐(CO), 에테르(-O-), 설파이드(-S-), 설폭사이드(-SO-), 에스테르(-C(=O)O-), 아마이드(-C(=O)NR-)(여기서 R은 수소 또는 C1 내지 C10의 알킬기임), 또는 이들의 조합으로 대체된 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30의 시클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30의 헤테로아릴렌기, 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30의 헤테로시클로알킬렌 잔기이고,
Y1는 단일결합; 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30의 알킬렌기; 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30의 알케닐렌기; 적어도 하나의 메틸렌(-CH2-)이 설포닐(-S(=O)2-), 카르보닐(-C(=O)-), 에테르(-O-), 설파이드(-S-), 설폭사이드(-S(=O)-), 에스테르(-C(=O)O-), 아마이드(-C(=O)NR-)(여기서 R은 수소 또는 C1 내지 C10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기임), 이민(-NR-)(여기서 R은 수소 또는 C1 내지 C10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기임) 또는 이들의 조합으로 치환된 C1 내지 C30의 알킬렌기 또는 C2 내지 C30의 알케닐렌기이고,
m은 1 이상의 정수이고,
k1은 0 또는 1 이상의 정수이고 k2는 1 이상의 정수이고,
m과 k2의 합은 3이상의 정수이되,
m 은 Y1 의 원자가를 넘지 않고, k1 와 k2 의 합은 L1 의 원자가를 넘지 않는다.
상기 (다중) 티올 화합물은, 디티올 화합물, 트리티올 화합물, 테트라티올 화합물, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 티올 화합물은, 글리콜디-3-머켑토프로피오네이트, 글리콜디머캅토 아세테이트, 트리메틸올프로판트리스(3-머캅토프로피오네이트), 펜타에리트리톨 테트라키스(3-머캅토프로피오네이트), 펜타에리트리톨 테트라키스(2-머캅토아세테이트), 1,6-헥산디티올, 1,3-프로판디티올, 1,2-에탄디티올, 에틸렌글라이콜 반복 단위를 1 내지 10개 포함하는 폴리에틸렌글라이콜 디티올, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 (다중) 티올 화합물의 함량은, 조성물의 총 중량 (또는 고형분의 총 중량)을 기준으로, 60 중량% 이하, 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 20 중량% 이하, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하일 수 있다. 상기 티올 화합물의 함량은, 조성물의 총 중량 (또는 고형분의 총 중량)을 기준으로, 0.1 중량% 이상, 예컨대, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상일 수 있다.
상기 조성물은 유기 용매 (또는 액체 비히클, 이하 용매라 함)를 더 포함할 수 있다. 사용 가능한 용매의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 상기 용매 또는 액체 비히클의 비제한적인 예는, 에틸 3-에톡시 프로피오네이트; 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 등의 에틸렌글리콜류; 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜디에틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르 등의 글리콜에테르류; 에틸렌글리콜아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트 등의 글리콜에테르아세테이트류; 프로필렌글리콜 등의 프로필렌글리콜류; 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노프로필에테르, 프로필렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜디메틸에테르, 디프로필렌글리콜디메틸에테르, 프로필렌글리콜디에틸에테르, 디프로필렌글리콜디에틸에테르 등의 프로필렌글리콜에테르류; 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 디프로필렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 등의 프로필렌글리콜에테르아세테이트류; Ｎ－메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 디메틸설폭시드; 메틸에틸케톤(MEK), 메틸이소부틸케톤(MIBK), 시클로헥사논 등의 케톤류; 솔벤트 나프타(solvent naphtha) 등의 석유류; 아세트산에틸, 아세트산부틸, 유산에틸 등의 에스테르류; 테트라히드로퓨란, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 디부틸 에테르 등의 에테류, 클로로포름, C1 내지 C40의 지방족 탄화수소 (예컨대, 알칸, 알켄, 또는 알킨), 할로겐 (예컨대, 염소)치환된 C1 내지 C40의 지방족 탄화수소 (예컨대, 디클로로에탄, 트리클로로메탄 등), C6 내지 C40의 방향족 탄화수소 (예컨대, 톨루엔, 크실렌 등), 할로겐 (예컨대, 염소)치환된 C6 내지 C40의 방향족 탄화수소 또는 이들의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
상기 유기 용매의 종류와 양은, 전술한 주요 성분 (즉, 나노 구조체, 분산제, 중합성 단량체, 개시제, 존재하는 경우 티올 화합물) 및 그 외 후술하는 첨가제의 종류 및 양을 고려하여 적절히 정한다. 상기 조성물은 소망하는 고형분 (비휘발성분) 함량을 제외한 나머지의 양으로 용매를 포함한다.
상기 조성물은 (예컨대, 잉크젯용 조성물은) 점도가 25℃에서 4 cPs 이상, 5 cPs 이상, 5.5 cPs 이상, 6.0 cPs 이상, 또는 7.0 cPs 이상일 수 있다. 상기 조성물은 점도가 25℃에서 12 cPs 이하, 10 cPs 이하, 또는 9 cPs 이하일 수 있다.
잉크젯에 사용되는 경우, 상기 조성물은, 실온에서 기판에 토출되고, 예컨대, 가열에 의해 나노 구조체-폴리머 복합체 필름 또는 그 패턴을 형성할 수 있다. 상기 잉크 조성물은, 전술한 점도를 가지면서, 표면 장력이 23℃에서 21 mN/m 이상, 22 mN/m 이상, 23 mN/m 이상, 24 mN/m 이상, 25 mN/m 이상, 26 mN/m 이상, 27 mN/m 이상, 28 mN/m 이상, 29 mN/m 이상, 30 mN/m 이상, 또는 31 mN/m 이상 및 40 mN/m 이하, 39 mN/m 이하, 38 mN/m 이하, 36 mN/m 이하, 35 mN/m 이하, 34 mN/m 이하, 33 mN/m 이하, 또는 32 mN/m 이하일 수 있다. 상기 잉크 조성물은, 표면 장력이 31 mN/m 이하, 30 mN/m 이하, 29 mN/m 이하, 또는 28 mN/m 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 조성물은, 예컨대, 포토레지스트용 조성물 또는 잉크 조성물에 포함되는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는, 광확산제, 레벨링제, 커플링제 등을 포함할 수 있다. 구체적인 내용에 대하여는 예를 들어, US-2017-0052444-A1 에 기재된 내용을 참고할 수 있다.
상기 조성물은 전술한 나노구조체, 전술한 분산제, 및/또는 용매를 포함한 나노구조체의 분산액을 준비하는 단계; 및 상기 나노구조체의 분산액에 개시제, 중합성 단량체 (e.g., 아크릴계 모노머), 선택에 따라 티올 화합물, 금속 산화물 미립자, 및 선택에 따라 전술한 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 전술한 각각의 성분들을 순차적으로 혹은 동시에 혼합할 수 있으며, 그 순서가 특별히 제한되지 않는다.
상기 조성물은 일 구현예에 따른 나노구조체의 복합체, 예컨대, 나노구조체의 폴리머 복합체를 제공하기 위해 사용 가능하다. 상기 조성물은, 예컨대, 라디칼 중합에 의해 나노구조체-폴리머 복합체를 제공할 수 있다. 일 구현예에 따른 나노구조체의 복합체를 제조하기 위한 조성물은 포토리소그라피법에 적용 가능한 나노구조체 함유 포토레지스트 조성물일 수 있다. 일 구현예에 따른 조성물은 인쇄법 (예컨대, 잉크젯 인쇄 등 액적 토출법)에 의해 패턴을 제공할 수 있는 잉크 조성물일 수 있다.
따라서, 일 구현예에 따른 나노구조체-폴리머 복합체는 폴리머인 매트릭스와, 상기 매트릭스에 분산되어 있는 전술한 나노 구조체를 포함하며, 상기 나노구조체에 포함된 양자점의 발광 파장에 해당하는 광을 방출하도록 구성된다.
상기 나노구조체-폴리머 복합체의 전체 중량을 기준으로, 상기 복수개의 나노 구조체의 함량은 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 또는 60% 이상일 수 있고, 예를 들어, 10% 이상 60% 이하, 15% 이상 60% 이하, 20% 이상 60% 이하, 25% 이상 60% 이하, 30% 이상 60% 이하, 30% 이상 55% 이하, 35% 이상 55% 이하, 40% 이상 55% 이하, 45% 이상 60% 이하, 45% 이상 55% 이하, 또는 약 50%일 수 있 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상기 나노구조체-폴리머 복합체의 전체 중량을 기준으로, 상기 매트릭스의 함량은 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60%, 또는 70% 이상일 수 있고, 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하, 60% 이하, 50% 이하, 또는 40% 이하일 수 있고, 예를 들어, 10% 이상 90% 이하, 20% 이상 85% 이하, 25% 이상 80% 이하, 30% 이상 75% 이하, 30% 이상 70% 이하, 30% 이상 65% 이하, 30% 이상 60% 이하, 30% 이상 55% 이하, 35% 이상 55% 이하, 35% 이상 50% 이하, 30% 이상 45%, 또는 30% 이상 40% 이하, 또는 35% 이상 45% 일 수 있 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상기 폴리머 매트릭스는, 가교된 폴리머 및/또는 선형 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 가교된 폴리머는 티올렌 수지, 가교된 폴리(메타)아크릴레이트, 가교된 폴리우레탄, 가교된 에폭시 수지, 가교된 비닐 폴리머, 가교된 실리콘 수지, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 선형 폴리머는 카르복시산 함유 반복단위를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 전술한 바인더 고분자, 탄소-탄소 이중 결합을 1개 이상, 예컨대, 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 또는 5개 이상 포함하는 중합성 모노머의 중합 생성물, 예컨대, 절연성 폴리머, 선택에 따라 상기 중합성 모노머와 말단에 적어도 1개, 예컨대 2개 이상의 티올기를 가지는 티올 화합물 간의 중합 생성물을 포함할 수 있다.
상기 나노구조체-폴리머 복합체는 막 형태, 예를 들어, 패턴화된 막 형태일 수 있다. 상기 패턴화는 상기 나노구조체-폴리머 복합체를 제조하기 위한 조성물이 상기 바인더 고분자 또는 광중합성 단량체로서 광경화 가능한 물질을 포함함으로써 포토리소그래픽 방법 등을 이용하여 이루어질 수 있다. 또는 잉크젯 프린팅 공정 등을 통해 패턴화된 형태로 인쇄될 수도 있다. 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 기술한다.
다른 일 구현예에 따른 표시 패널은 상기 나노구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있다. 상기 표시 패널은 색변환 구역을 포함한 복수의 구역들을 포함하는 색변환 층을 포함하고, 상기 색변환 층 내 색변환 구역에 전술한 일 구현예에 따른 나노구조체-폴리머 복합체가 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 색변환 층은 상기 복수의 구역들을 정의하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 표시 패널은 발광원을 포함하는 발광 패널을 더 포함할 수 있고, 상기 색변환 층은 상기 발광 패널로부터 방출된 광의 발광 스펙트럼을 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 색변환 층은 상기 발광원으로부터 방출되는 청색광을 흡수하여 이를 녹색광 또는 적색광으로 변환시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 색변환 층은 패턴화된 필름 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 색변환 층의 상기 색변환 구역은 상기 여기광이 조사하는 광을 제1 발광 스펙트럼의 광으로 변환하여 방출하도록 구성되는 1개 이상의 제1 구역 (이하, 제1 구획이라고도 함)을 포함하고, 상기 제1 구역은 일 구현예에 따른 나노 구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있다. 상기 색변환 층은 나노 구조체-폴리머 복합체가 패턴화된 막 형태일 수 있다.
상기 색 변환 구역은, (예컨대, 여기광의 조사에 의해) 상기 제1 광과 다른 제2 광을 방출하도록 구성된 (예컨대, 1개 이상의) 제2 구역(이하, 제2 구획이라고도 함)을 포함하고, 상기 제2 구역은 일 구현예에 따른 나노구조체와 다른 발광 피크 파장을 가지는 양자점을 포함하는 나노구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있다.
상기 제1 광의 발광 스펙트럼은 발광 피크 파장이 500 nm 내지 550 nm (예컨대, 510 nm 내지 540 nm)에 존재하는 녹색광 발광 스펙트럼이고, 상기 제2 광의 발광 스펙트럼은 발광 피크 파장이 610 nm 내지 660 nm (예컨대, 620 nm 내지 650 nm)에 존재하는 적색광 발광 스펙트럼일 수 있다.
상기 색변환 층은, 상기 제1 광 및 상기 제2 광과 다른 제3 광 (예컨대, 청색광)을 방출하거나 통과시키는 (1개 이상의) 제3 구역 (이하, 제3 구획이라고도 함)을 더 포함할 수 있다. 제3 광은 여기광을 포함할 수 있다. 상기 제3 광은 발광 피크 파장이 430 nm 내지 470 nm 범위에 있는 청색광을 포함할 수 있다.
상기 색변환 층(또는 양자점 복합체의 패턴화된 막)은 포토레지스트 조성물을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 방법은, 기판 상에 일 구현예에 따른 나노구조체-폴리머 복합체 제조용 조성물의 막(film)을 형성하는 단계 (S1); 선택에 따라 상기 막을 prebake 하는 단계 (S2); 상기 막의 선택된 영역을 (예컨대, 파장 400 nm 이하의) 광에 노출시키는 단계 (S3); 상기 노출된 필름을 알칼리 현상액으로 현상하여 나노구조체-폴리머 복합체의 패턴을 얻는 단계(S4)를 포함한다.
도 5를 참조하여 설명하면, 전술한 조성물을 기판 위에 스핀 코팅, 슬릿 코팅 등의 적당한 방법을 사용하여, 소정의 두께로 도포하여 막을 형성한다. 형성된 막은 선택에 따라 프리베이크(PRB)를 거칠 수 있다. 프리베이크의 온도와 시간, 분위기 등 조건은 알려져 있으며, 적절히 선택할 수 있다.
형성된 (또는 선택에 따라 프리베이크된) 막을 소정의 패턴을 가진 마스크 하에서 소정의 파장을 가진 광에 노출시킨다. 광의 파장 및 세기는 광 개시제의 종류와 함량, 나노구조체에 포함된 양자점의 종류와 함량 등을 고려하여 선택할 수 있다.
노광된 필름을 알칼리 현상액으로 처리 (예컨대, 침지 또는 스프레이)하면 필름 중 미조사 부분이 용해되고 원하는 패턴을 얻는다. 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)할 수 있다.
색변환 층 또는 나노구조체-폴리머 복합체의 패턴화된 막이 복수개의 반복 구획들 (다시말해, 색변환 구역들)을 가지는 경우, 각 반복 구획의 형성을 위해 소망하는 발광 물성 (발광 피크 파장 등)을 가지는 양자점 (예컨대, 적색 발광 양자점, 녹색 양자점 또는 선택에 따라 청색 양자점)을 포함하는 일 구현예에 따른 나노구조체를 포함하는 복수개의 조성물을 제조하고, 각각의 조성물에 대하여 전술한 패턴 형성 과정을 필요한 횟수 (예컨대, 2회 이상, 또는 3회 이상)로 반복하여 원하는 패턴의 나노구조체-폴리머 복합체를 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 나노구조체-폴리머 복합체는, 2개 이상의 상이한 색 구획들 (예컨대, RGB 색 구획들)이 반복하는 패턴일 수 있다. 이러한 나노구조체-폴리머 복합체 패턴은 표시 소자에서 광발광형 컬러필터로 유리하게 사용될 수 있다.
색변환 층 또는 나노구조체-폴리머 복합체의 패턴화된 막은 잉크젯 방식으로 패턴을 형성하도록 구성된 잉크 조성물을 사용하여 제조될 수도 있다. 도 6을 참조하면, 이러한 방법은, 일 구현예에 따른 잉크 조성물을 제조하는 단계, (예를 들어, 전극, 및 선택에 따라 뱅크 등에 의해 화소 영역이 패턴화되어 있는) 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 (또는 상기 화소 영역) 상에 잉크 조성물을 퇴적하여, 예컨대, 제1 색변환 구역을 형성하는 단계; 및 상기 기판 (또는 상기 화소 영역) 상에 잉크 조성물을 퇴적하여, 예컨대, 제2 색변환 구역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 색변환 구역의 형성과 제2 색변환 구역의 형성은 동시에 또는 순차로 이루어질 수 있다.
잉크 조성물의 퇴적은, 예컨대, 잉크 저장소 및 1개 이상의 프린트 헤드를 가지는 잉크젯 또는 노즐 프린팅 시스템 등 적절한 액정 토출 장치를 사용하여 이루어질 수 있다. 퇴적된 잉크 조성물은 가열에 의해 용매의 제거 및 중합을 거쳐 제1 또는 제2 양자점 층을 제공할 수 있다. 이러한 방법은 간단한 방식으로 짧은 시간에 고도로 정밀한 나노구조체-폴리머 복합체 필름 또는 패턴화된 막을 형성할 수 있다.
전술한 나노구조체 또는 나노구조체-폴리머 복합체(패턴)는 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, 바이오 센서, 포토디텍터, 또는 액정 표시 소자를 포함할 수 있으며, 이들에 제한되지 않는다. 전술한 나노구조체 또는 나노구조체-폴리머 복합체(패턴)는 전자 장치(electronic apparatus)에 포함될 수 있다. 이러한 전자 장치는 휴대용 단말 장치, 모니터, 노트북 컴퓨터, 텔레비전, 전광판, 카메라, VR (가상현실) 또는 AR (증강현실) 장치, 자동차 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 표시 패널 및 색변환 패널에 대하여 더 상세히 설명한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 일 구현예에 따른 표시 패널(1000)은 발광 패널(100), 색 변환 패널(200), 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200) 사이에 위치하는 투광층(300), 그리고 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200)를 결합하는 결합재(400)를 포함한다.
발광 패널(100)과 색 변환 패널(200)은 투광층(300)을 사이에 두고 서로 마주하고 있으며, 색 변환 패널(200)은 발광 패널(100)로부터 광이 방출되는 방향에 배치되어 있다. 결합재(400)는 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200)의 테두리를 따라 배치되어 있으며, 예컨대 실링재일 수 있다.
상기 도 7과 도 8에서는 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200) 사이에 투광층(300)이 존재하고, 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200)의 테두리를 따라 결합재(400)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이들 투광층(300)과 결합재(400)는 생략될 수 있으며, 필수적으로 포함되어야 하는 것은 아니다. 즉, 상기 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200)은 투광층(300)을 개재하지 않고 직접 결합되어 있어도 좋다.
도 9를 참조하면, 일 구현예에 따른 표시 패널(1000)은 화상을 표시하기 위한 표시 영역(1000D)과 표시 영역(1000D) 주변에 위치하며 결합재(400)가 배치되어 있는 비표시 영역(1000P)을 포함한다.
표시 영역(1000D)은 행(예컨대 x 방향) 및/또는 열(예컨대 y방향)을 따라 배열된 복수의 화소(PX)를 포함하고, 각 화소(PX)는 서로 다른 색을 표시하는 복수의 서브화소(PX1, PX2, PX3)를 포함한다. 여기서는 일 예로 3 개의 서브화소(PX1, PX2, PX3)가 하나의 화소를 이루는 구성을 도시하였지만, 이에 한정되지 않고, 백색 서브화소와 같은 추가적인 서브화소를 더 포함할 수도 있고 동일한 색을 표시하는 서브화소가 1개 이상 더 포함될 수도 있다. 복수의 화소(PX)는, 예컨대 바이어 매트릭스(Bayer matrix), 펜타일 매트릭스(PenTile matrix) 및/또는 다이아몬드 매트릭스(diamond matrix) 등으로 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
각 서브화소(PX1, PX2, PX3)는 삼원색(three primary color) 또는 삼원색의 조합의 색을 표시할 수 있으며, 예컨대 적색, 녹색, 청색 또는 이들의 조합의 색을 표시할 수 있다. 일 예로, 제1 서브화소(PX1)는 적색을 표시할 수 있고 제2 서브화소(PX2)는 녹색을 표시할 수 있고 제3 서브화소(PX3)는 청색을 표시할 수 있다.
도면에서는 모든 서브화소가 동일한 크기를 가지는 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고, 서브화소 중 적어도 하나는 다른 서브화소보다 크거나 작을 수 있다. 도면에서는 모든 서브화소가 동일한 모양을 가지는 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고, 서브화소 중 적어도 하나는 다른 서브화소와 다른 모양을 가질 수 있다.
도 10을 참조하여, 발광 패널(100)과 색 변환 패널(200)을 차례로 설명한다.
발광 패널(100)은 소정 파장 영역의 광을 방출하는 발광 소자와 발광 소자를 스위칭 및/또는 구동하기 위한 회로 소자를 포함할 수 있으며, 구체적으로 하부 기판(110), 버퍼층(111), 박막 트랜지스터(TFT), 발광 소자(180) 및 봉지층(190)을 포함한다.
하부 기판(110)은 유리 기판 또는 고분자 기판일 수 있으며, 고분자 기판은 예컨대 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
버퍼층(111)은 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 버퍼층(111)은 1층 또는 2층 이상일 수 있고, 하부 기판(110)의 전면을 덮을 수 있다. 버퍼층(111)은 생략될 수 있다.
박막 트랜지스터(TFT)는 후술하는 발광 소자(180)를 스위칭 및/또는 구동하기 위한 삼단자 소자일 수 있으며, 각 서브화소마다 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 박막 트랜지스터(TFT)는 게이트 전극(124), 게이트 전극(124)과 중첩하는 반도체 층(154), 게이트 전극(124)과 반도체 층(154) 사이에 위치하는 게이트 절연막(140), 반도체 층(154)과 전기적으로 연결되어 있는 소스 전극(173)과 드레인 전극(175)을 포함한다. 도면에서는 일 예로서 코플라나 탑 게이트 구조를 도시하였으나 이에 한정되지 않고 다양한 구조를 가질 수 있다.
게이트 전극(124)은 게이트선(도시하지 않음)에 전기적으로 연결되어 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au), 이들의 합금 또는 이들의 조합과 같은 저저항 금속을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
반도체 층(154)은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 산화물 반도체와 같은 무기 반도체; 유기 반도체; 유무기 반도체; 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 예로, 반도체 층(154)은 인듐(In), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 반도체를 포함할 수 있고, 산화물 반도체는 예컨대 인듐-갈륨-아연 산화물, 아연-주석 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 반도체 층(154)은 채널 영역과 채널 영역의 양 측에 배치되어 소스 전극(173)과 드레인 전극(175)과 각각 전기적으로 연결되는 도핑 영역을 포함할 수 있다.
게이트 절연막(140)은 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도면에서는 게이트 절연막(140)이 하부 기판(110)의 전면에 형성된 일 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 게이트 전극(124)과 반도체(154) 사이에 선택적으로 형성될 수도 있다. 게이트 절연막(140)은 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
소스 전극(173)과 드레인 전극(175)은 예컨대 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 은(Ag), 금(Au), 이들의 합금 또는 이들의 조합과 같은 저저항 금속을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 소스 전극(173)과 드레인 전극(175)은 각각 반도체 층(154)의 도핑 영역에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 소스 전극(173)은 데이터선(도시하지 않음)에 전기적으로 연결되어 있으며, 드레인 전극(175)은 후술하는 발광 소자(180)에 전기적으로 연결되어 있다.
게이트 전극(124)과 소스/드레인 전극(173, 175) 사이에는 층간 절연막(145)이 추가로 형성되어 있다. 층간 절연막(145)은 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 층간 절연막(145)은 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
박막 트랜지스터(TFT) 위에는 보호막(160)이 형성되어 있다. 보호막(160)은 예컨대 패시베이션 막일 수 있다. 보호막(160)은 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있으며, 예컨대 폴리아크릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 보호막(160)은 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
발광 소자(180)는 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)마다 배치되어 있을 수 있으며, 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)에 배치된 발광 소자(180)는 독립적으로 구동될 수 있다. 발광 소자(180)는 예컨대 발광 다이오드(light emitting diode)일 수 있으며, 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 발광층을 포함할 수 있다. 발광층은 소정 파장 영역의 광을 방출할 수 있는 발광체를 포함할 수 있으며, 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼에 속한 제1 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 발광체를 포함할 수 있다. 발광체는 유기 발광체, 무기 발광체, 유무기 발광체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
발광 소자(180)는 예컨대 유기 발광 다이오드, 무기 발광 다이오드 또는 이들의 조합일 수 있으며, 무기 발광 다이오드는 예컨대 양자점 발광 다이오드(quantum dot light emitting diode), 페로브스카이트 발광 다이오드(perovskite light emitting diode), 마이크로 발광 다이오드(micro light emitting diode), 무기 나노 발광 다이오드(inorganic nano light emitting diode) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11 내지 도 13은 각각 발광 소자의 예들을 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 발광 소자(180)는 서로 마주하는 제1 전극(181)과 제2 전극(182); 제1 전극(181)과 제2 전극(182) 사이에 위치하는 발광층(183); 그리고 선택적으로 제1 전극(181)과 발광층(183) 사이와 제2 전극(182)과 발광층(183) 사이에 위치하는 보조층(184, 185)을 포함한다.
제1 전극(181)과 제2 전극(182)은 두께 방향(예컨대 z방향)을 따라 서로 마주하게 배치될 수 있으며, 제1 전극(181)과 제2 전극(182) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다. 제1 전극(181)은 투광 전극, 반투과 전극 또는 반사 전극일 수 있고 제2 전극(182)은 투광 전극 또는 반투과 전극일 수 있다. 투광 전극 또는 반투과 전극은 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 같은 도전성 산화물 또는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 마그네슘-은(Mg-Ag), 마그네슘-알루미늄(Mg-Al) 또는 이들의 조합을 포함한 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다. 반사 전극은 금속, 금속질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 예컨대 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 이들의 합금, 이들의 질화물(예컨대 TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발광층(183)은 특정 파장의 광을 방출할 수 있는 발광체를 포함할 수 있다. 상기 특정 파장은 가시광선 파장 스펙트럼 중 비교적 단파장 영역에 속할 수 있으며, 예컨대 청색 발광 파장(및 선택에 따라 녹색 발광 파장)일 수 있다. 청색 발광 의 최대발광파장은 약 400nm 이상 500nm 미만의 파장 영역에 속할 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 410nm 내지 490nm 또는 약 420nm 내지 480nm의 파장 영역에 속할 수 있다. 발광체는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
일 예로, 발광층(183)은 호스트 물질과 도펀트 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 발광층(183)은 인광 물질, 형광 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로, 발광체는 유기 발광체를 포함할 수 있으며, 유기 발광체는 저분자 화합물, 고분자 또는 이들의 조합일 수 있다. 발광체가 유기 발광체를 포함할 때, 발광 소자(180)는 유기 발광 다이오드일 수 있다.
일 예로, 발광체는 무기 발광체를 포함할 수 있고, 무기 발광체는 무기 반도체, 양자점, 페로브스카이트 또는 이들의 조합일 수 있다. 발광체가 무기 발광체를 포함할 때, 발광 소자(180)는 양자점 발광 다이오드, 페로브스카이트 발광 다이오드, 마이크로 발광 다이오드, 나노 발광 다이오드 등일 수 있고, 이들에 제한되지 않는다.
보조층(184, 185)은 각각 제1 전극(181)과 발광층(183) 사이 및 제2 전극(182)과 발광층(183) 사이에 위치할 수 있으며, 각각 전하의 주입 및/또는 이동성을 조절하기 위한 전하 보조층일 수 있다. 보조층(184, 185)은 각각 1층 또는 2층 이상일 수 있으며, 예컨대 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 차단층, 전자 주입층, 전자 수송층, 정공 차단층 또는 이들의 조합일 수 있다. 보조층(184, 185) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
각 서브화소(PX1, PX2, PX3)에 배치된 발광 소자(180)는 서로 같거나 다를 수 있다. 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)에 배치된 발광 소자(180)는 서로 같은 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 각각 청색 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만, 약 410nm 내지 490nm 또는 약 420nm 내지 480nm 파장 영역에 최대발광파장을 가진 청색 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있다. 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)에 배치된 발광 소자(180)는 화소 정의 막(도시하지 않음)에 의해 분리되어 있거나, 분리되지 않을 수도 있다.
도 12를 참조하면, 발광 소자(180)는 텐덤(tandem) 구조의 발광 소자일 수 있으며, 서로 마주하는 제1 전극(181)과 제2 전극(182); 제1 전극(181)과 제2 전극(182) 사이에 위치하는 제1 발광층(183a)과 제2 발광층(183b); 제1 발광층(183a)과 제2 발광층(183b) 사이에 위치하는 전하 생성층(charge generation layer)(186), 그리고 선택적으로 제1 전극(181)과 제1 발광층(183a) 사이와 제2 전극(182)과 제2 발광층(183b) 사이에 위치하는 보조층(184, 185)을 포함한다.
제1 전극(181), 제2 전극(182) 및 보조층(184, 185)은 전술한 바와 같다.
제1 발광층(183a)과 제2 발광층(183b)은 서로 같거나 다른 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 각각 청색 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 발광층(183)과 같다.
전하 생성층(186)은 제1 발광층(183a) 및/또는 제2 발광층(183b)에 전하를 주입할 수 있으며, 제1 발광층(183a)과 제2 발광층(183b) 사이에서 전하 균형을 조절할 수 있다. 전하 생성층(186)은 예컨대 n형 층 및 p형 층을 포함할 수 있으며, 예컨대 n형 도펀트 및/또는 p형 도펀트가 포함된 전자 수송 물질 및/또는 정공 수송 물질을 포함할 수 있다. 전하 생성층(186)은 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
도 13을 참조하면, 발광 소자(180)는 텐덤 구조의 발광 소자일 수 있으며, 서로 마주하는 제1 전극(181)과 제2 전극(182); 제1 전극(181)과 제2 전극(182) 사이에 위치하는 제1 발광층(183a), 제2 발광층(183b)과 제3 발광층(183c); 제1 발광층(183a)과 제2 발광층(183b) 사이에 위치하는 제1 전하 생성층(186a); 제2 발광층(183b)과 제3 발광층(183c) 사이에 위치하는 제2 전하 생성층(186b); 그리고 선택적으로 제1 전극(181)과 제1 발광층(183a) 사이와 제2 전극(182)과 제3 발광층(183c) 사이에 위치하는 보조층(184, 185)을 포함한다.
제1 전극(181), 제2 전극(182), 및 보조층(184, 185)은 전술한 바와 같다.
제1 발광층(183a), 제2 발광층(183b) 및 제3 발광층(183c)은 서로 같거나 다른 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 각각 청색 발광 스펙트럼의 광을 방출할 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 발광층(183)과 같다.
제1 전하 생성층(186a)은 제1 발광층(183a) 및/또는 제2 발광층(183b)에 전하를 주입할 수 있으며, 제1 발광층(183a)과 제2 발광층(183b) 사이에서 전하 균형을 조절할 수 있다. 제2 전하 생성층(186a)은 제2 발광층(183b) 및/또는 제3 발광층(183c)에 전하를 주입할 수 있으며, 제2 발광층(183b)과 제3 발광층(183c) 사이에서 전하 균형을 조절할 수 있다. 제1 및 제2 전하 생성층(186a, 186b)은 각각 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
다시 도 7 내지 도 10을 참조하면, 봉지층(190)은 발광 소자(180)를 덮고 있으며, 유리판, 금속 박막, 유기막, 무기막, 유무기막 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기막은 예컨대 아크릴 수지, (메타)아크릴 수지, 폴리이소프렌, 비닐 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 셀룰로오스 수지, 페릴렌 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기막은 예컨대 산화물, 질화물 및/또는 산질화물을 포함할 수 있으며 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 지르코늄 산질화물, 티타늄 산화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산질화물, 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 산질화물, 탄탈륨 산화물, 탄탈륨 질화물, 탄탈륨 산질화물, 리튬 플루오라이드 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유무기막은 예컨대 폴리오가노실록산을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 봉지층(190)은 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
색 변환 패널(200)은 발광 패널(100)로부터 공급된 특정 파장의 광을 상기 특정 파장과 다른 제1 또는 제2 발광 스펙트럼의 광으로 변환하여 관찰자(도시하지 않음) 측으로 방출할 수 있으며, 구체적으로 상부 기판(210), 차광 패턴(220), 색 필터 층(230), 평탄화 층(240), 격벽(250), 색 변환 층(270) 및 봉지층(290)을 포함할 수 있다.
상부 기판(210)은 유리 기판 또는 고분자 기판일 수 있으며, 고분자 기판은 예컨대 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 이들의 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
색 변환 층(270)은 발광 패널(100)의 발광 소자(180)와 마주하고 있다. 색 변환 층(270)은 발광 패널(100)에서 공급받은 광의 발광 스펙트럼을 다른 발광 스펙트럼으로 변환시키는 적어도 하나의 색 변환 구역을 포함할 수 있으며, 색 변환 구역은 예컨대 발광 패널(100)에서 공급받은 발광 스펙트럼의 광을 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)에서 표시하는 색의 발광 스펙트럼의 광으로 변환시킬 수 있다.
색 변환 구역은 발광 패널(100)에서 공급받은 광의 발광 스펙트럼을 다른 발광 스펙트럼으로 변환시키는 색 변환체를 포함할 수 있으며, 일 구현예에 따른 표시 패널은 상기 색 변환 구역에 일 구현예에 따른 나노구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있다.
색 변환 구역은 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)에서 표시하는 색의 파장 스펙트럼의 광으로 변환하여 방출할 수 있으며, 이에 따라 각 색 변환 구역에 포함된 나노구조체-폴리머 복합체 내의 양자점은 서로 다를 수 있다.
도 10을 참조하면, 색 변환 층(270)의 적어도 일부는 양자점을 포함하는 나노구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있으며, 일 예로 색 변환 층(270)은 제1 서브화소(PX1)에 포함되고 제1 나노구조체(271a)를 포함하는 제1 색 변환 구역(270a), 제2 서브화소(PX2)에 포함되고 제2 나노구조체(271b)를 포함하는 제2 색 변환 구역(270b), 그리고 투광 구역(270c)을 포함할 수 있다.
제1 색 변환 구역(270a)에 포함된 제1 나노구조체(271a)는 발광 패널(100)에서 방출된 광을 제1 서브화소(PX1)에서 표시하는 색의 파장 스펙트럼과 동일한 제1 발광 스펙트럼의 광으로 변환시킬 수 있다. 제1 발광 스펙트럼은 상기 발광 패널(100)에서 방출된 광의 발광 스펙트럼과 다를 수 있으며 상기 발광 스펙트럼보다 장파장 스펙트럼일 수 있다.
제2 색 변환 구역(270b)에 포함된 제2 나노구조체(271b)는 발광 패널(100)에서 방출된 광을 제2 서브화소(PX2)에서 표시하는 색의 파장 스펙트럼과 동일한 제2 발광 스펙트럼의 광으로 변환시킬 수 있다. 제2 발광 스펙트럼은 제1 발광 스펙트럼과 다를 수 있으며 제1 발광 스펙트럼보다 장파장 스펙트럼일 수 있다.
일 예로, 발광 패널(100)의 발광 소자(180)는 청색 발광 스펙트럼의 광을 방출하고 제1 서브화소(PX1), 제2 서브화소(PX2) 및 제3 서브화소(PX3)는 각각 적색, 녹색, 및 청색을 표시할 때, 제1 색 변환 구역(270a)에 포함된 제1 나노구조체(271a)는 청색 발광 스펙트럼의 광을 적색 발광 스펙트럼의 광으로 변환시킬 수 있고, 제2 색 변환 구역(270b)에 포함된 제2 나노구조체(271b)는 청색 발광 스펙트럼의 광을 녹색 발광 스펙트럼의 광으로 변환시킬 수 있다.
제3 서브화소(PX3)에서 표시하는 청색은 발광 패널(100)의 발광 소자(180)에서 방출된 청색 발광 스펙트럼의 광에 의해 표시될 수 있으므로 제3 서브화소(PX3)에는 별도의 색 변환체(양자점 또는 나노구조체) 없이 투광 구역(270c)을 통해 표시될 수 있다. 그러나 제3 서브화소(PX3)에도 청색 발광 스펙트럼의 광을 방출하는 양자점 또는 이를 포함하는 나노구조체와 같은 색 변환체를 더 포함할 수 있다.
격벽(250)은 색 변환 층(270)의 각 구역을 정의할 수 있으며 인접한 구역들 사이에 위치할 수 있다. 예컨대, 격벽(250)은 전술한 제1 색 변환 구역(270a), 제2 색 변환 구역(270b), 및 투광 구역(270c)을 각각 정의할 수 있으며, 인접한 제1 색 변환 구역(270a)과 제2 색 변환 구역(270b) 사이, 인접한 제2 색 변환 구역(270b)과 투광 구역(270c) 사이, 및/또는 인접한 제1 색 변환 구역(270a)과 투광 영역(270c) 사이에 각각 위치할 수 있다. 격벽(250)은 색 변환 층(270)을 형성하기 위한 조성물이 공급될 공간을 제공하는 동시에, 제1 색 변환 구역(270a), 제2 색 변환 구역(270b), 및 투광 구역(270c)을 형성하는 공정에서 제1 색 변환 구역(270a), 제2 색 변환 구역(270b), 및 투광 구역(270c)의 각 조성물이 인접한 제1 색 변환 구역(270a), 제2 색 변환 구역(270b), 및 투광 구역(270c)으로 흘러 넘쳐 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
격벽(250)은 제1 색 변환 구역(270a), 제2 색 변환 구역(270b), 및 투광 구역(270c)과 직접 맞닿아 있을 수 있으며, 격벽(250)과 제1 색 변환 구역(270a) 사이, 격벽(250)과 제2 색 변환 구역(270b) 사이, 그리고 격벽(250)과 투광 구역(270c) 사이에 별도의 층이 개재되지 않을 수 있다.
색 필터 층(230)은 색 변환 층(270)으로부터 방출된 광을 보다 정교하게 여과하여 상부 기판(210) 측으로 방출되는 광의 색 순도를 높일 수 있다. 예컨대, 제1 색 변환 구역(270a)과 중첩하게 위치하는 제1 색 필터(230a)는 제1 색 변환 구역(270a)의 제1 나노구조체(271a)에 의해 변환되지 못하고 그대로 통과하는 광을 차단함으로써, 예컨대, 적색 발광 스펙트럼의 광의 색 순도를 높일 수 있다. 예컨대, 제2 색 변환 구역(270b)과 중첩하게 위치하는 제2 색 필터(230b)는 제2 색 변환 구역(270b)의 제2 나노구조체(271b)에 의해 변환되지 못하고 그대로 통과하는 광을 차단함으로써, 예컨대, 녹색 발광 스펙트럼의 광의 색 순도를 높일 수 있다. 예컨대, 투광 구역(270c)과 중첩하게 위치하는 제3 색 필터(230c)는, 예컨대 청색 발광 스펙트럼의 광 이외의 광을 차단함으로써 청색 발광 스펙트럼의 광의 색 순도를 높일 수 있다. 일 예로, 제1, 제2, 및 제3 색 필터(230a, 230b, 230c) 중 적어도 일부는 생략될 수 있으며, 예컨대 투광 구역(270c)과 중첩하게 위치하는 제3 색 필터(230c)는 생략될 수 있다.
차광 패턴(220)은 각 서브화소(PX1, PX2, PX3)를 구획할 수 있으며 인접한 서브화소(PX1, PX2, PX3) 사이에 위치할 수 있다. 차광 패턴(220)은, 예컨대 블랙매트릭스(black matrix)일 수 있다. 차광 패턴(220)은 인접한 색 필터(230a, 230b, 230c)의 에지(edge)와 중첩되어 있을 수 있다.
평탄화 층(240)은 색 필터 층(230)과 색 변환 층(270) 사이에 위치할 수 있으며, 색 필터 층(230)에 의한 단차를 줄이거나 없앨 수 있다. 평탄화 층(240)은 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 평탄화 층(240)은 1층 또는 2층 이상일 수 있고, 상부 기판(210)의 전면을 덮을 수 있다.
봉지층(290)은 색 변환 층(270) 및 격벽(250)을 덮고 있으며, 유리판, 금속 박막, 유기막, 무기막, 유무기막 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기막은 예컨대 아크릴 수지, (메타)아크릴 수지, 폴리이소프렌, 비닐 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 셀룰로오스 수지, 페릴렌 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기막은 예컨대 산화물, 질화물 및/또는 산질화물을 포함할 수 있으며 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산질화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 지르코늄 산질화물, 티타늄 산화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산질화물, 하프늄 산화물, 하프늄 질화물, 하프늄 산질화물, 탄탈륨 산화물, 탄탈륨 질화물, 탄탈륨 산질화물, 리튬 플루오라이드 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유무기막은 예컨대 폴리오가노실록산을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 봉지층(290)은 1층 또는 2층 이상일 수 있다.
발광 패널(100)과 색 변환 패널(200) 사이에는 투광층(300)이 개재되어 있을 수 있다. 투광층(300)은 예컨대 충진재일 수 있으며, 예컨대 유기물, 무기물, 유무기물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 에폭시 수지, 실리콘 화합물, 폴리오가노실록산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14는 비제한적 일 구현예에 따른 액정 표시 소자의 모식적 단면도를 나타낸 것이다.
도 14를 참조하면, 일 구현예의 표시 소자는, 액정 패널 (200), 상기 액정 패널(200) 아래에 배치되는 편광판 (300), 및 상기 편광판 (300) 아래에 배치된 백라이트 유닛을 포함한다. 백라이트 유닛은 광원(110)과 도광판(120)을 포함한다. 백라이트 유닛은 도광판이 없는 직사광 형태일 수 있다.
상기 액정 패널 (200)은, 하부 기판 (210), 상부 기판(240), 및 상기 하부 기판 (210)과 상부 기판(240) 사이에 있는 개재된 액정층(220)을 포함하고, 상기 상부 기판(240)의 상부 또는 하부 면 상에 배치된 색 변환층(230)을 포함할 수 있다. 색 변환층(230)은 일 구현예에 따른 나노구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있다.
어레이 기판이라고도 불리우는 하부 기판(210)은 투명한 절연 재료 기판일 수 있다. 기판에 대한 내용은 전술한 바와 같다. 하부 기판 (210) 상면에는 배선판(211)이 제공된다. 상기 배선판(211)은, 화소 영역을 정의하는 다수개의 게이트 배선 (미도시)과 데이터 배선 (미도시), 게이터 배선과 데이터 배선의 교차부에 인접하여 제공되는 박막 트랜지스터, 각 화소 영역을 위한 화소 전극을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 배선판의 구체적 내용은 알려져 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
상기 배선판 (211) 위에는 액정층(220)이 제공된다. 상기 액정층(220)은 그 내부에 포함된 액정 물질의 초기 배향을 위해, 상기 층의 위와 아래에, 배향막(221)을 포함할 수 있다. 액정 물질 및 배향막에 대한 구체적 내용 (예컨대, 액정 물질, 배향막 재료, 액정층 형성방법, 액정층의 두께 등)은 알려져 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
상기 하부 기판 아래에는 하부 편광판(300)이 제공된다. 편광판(300)의 재질 및 구조는 알려져 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 상기 편광판 (300) 아래에는 (예컨대, 청색광을 발하는) 백라이트 유닛이 제공된다. 액정층 (220) 과 투명 기판(240) 사이에 상부 광학소자 또는 편광판 (300)이 제공될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상부 편광판은 액정층(220)과 색 변환층 (230) 사이에 배치될 수 있다. 편광판은 액정 디스플레이 소자에서 사용될 수 있는 임의의 편광자일 수 있다. 편광판은, 200 μm 이하의 얇은 두께를 가진 TAC (triacetyl cellulose)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 구현예에서, 상부 광학소자는, 편광 기능 없는 굴절률 조절 코팅일 수 있다.
상기 백라이트 유닛에 포함되는 광원 (110)은 청색광 또는 백색광을 방출할 수 있다. 상기 광원은 청색 LED, 백색 LED, 청색 OLED, 백색 OLED, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 상기 백라이트 유닛은 에지형일 수 있다. 예를 들어, 상기 백라이트 유닛은, 반사판(미도시), 상기 반사판 상에 제공되며 액정패널(200)에 면광원을 공급하기 위한 도광판(미도시), 및/또는 상기 도광판 상부에 위치하는 하나 이상의 광학 시트(미도시), 예컨대, 확산판, 프리즘 시트 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 백라이트 유닛은, 반사판 (미도시)을 가지며 상기 반사판의 상부에 일정한 간격으로 배치된 다수의 형광 램프를 가지거나, 혹은 다수의 발광 다이오드가 배치된 LED 용 구동 기판을 구비하고, 그 위에 확산판 및 선택에 따라 하나 이상의 광학 시트를 가질 수 있다. 이러한 백라이트 유닛에 대한 상세 내용 (예컨대, 발광 다이오드, 형광 램프, 도광판과 각종 광학 시트, 반사판 등 각 부품들에 대한 상세 내용 등)은 알려져 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
상기 투명 기판(240)의 저면에는, 개구부를 포함하고 상기 하부 기판 상에 제공된 배선판의 게이트선, 데이터선, 및 박막 트랜지스터 등을 가리는 블랙 매트릭스(241)가 제공된다. 예를 들어, 블랙 매트릭스(241)는 격자 형상을 가질 수 있다. 상기 블랙 매트릭스 (241) 의 개구부에, 제1광 (예컨대 적색광)을 방출하는 제1 구역(R), 제2광 (예컨대 녹색광)을 방출하는 제2 구역(G), 및 예컨대 청색광을 방출/투과시키는 제3 구역(B)을 포함하는 일 구현예에 따른 나노구조체-폴리머 복합체 패턴을 가지는 색 변환층(230)이 제공된다. 원하는 경우, 상기 색 변환층 (230)은, 하나 이상의 제4 구획을 더 포함할 수 있다. 제4 구획은, 제1 내지 제3 구획으로부터 방출되는 광과 다른 색 (예컨대, 청록색 (cyan), 자주색(magenta), 및 황색 (yellow))의 광을 방출하는 양자점 또는 이를 포함하는 나노구조체-폴리머 복합체를 포함할 수 있다.
상기 색 변환층(230)에서 패턴을 형성하는 구획들은 하부 기판에 형성된 화소 영역에 대응하여 반복될 수 있다. 상기 자발광 색 변환층(230) 위에는 투명 공통 전극(231)이 제공될 수 있다.
청색광을 투과/방출하는 제3 구획(B)은 광원의 발광스펙트럼을 변경하지 않는 투명 컬러 필터일 수 있다. 이 경우, 백라이트 유닛으로부터 방출된 청색 광이 편광판 및 액정층을 거쳐 편광된 상태로 입사되어 그대로 방출될 수 있다. 필요한 경우, 상기 제3 구획은, 청색광을 방출하는 양자점 또는 이를 포함하는 나노구조체를 포함할 수 있다.
원하는 경우, 일 실시예의 표시 장치 또는 발광 소자는 여기광 차단층 또는 제1 광학 필터층 (이하, 제1 광학 필터층이라 함)을 더 가질 수 있다. 상기 제1 광학필터층은 상기 제1 구역(R) 및 상기 제2 구역(G)의 저면과 기판 (예컨대, 상부기판 240) 사이, 또는 상기 기판의 상면에 배치될 수 있다. 상기 제1 광학 필터층은, 청색을 표시하는 화소 영역(제3 구획)에 대응하는 부분에는 개구부를 가지는 시트일 수 있어서, 제1 및 제2 구역에 대응하는 부분에 형성되어 있을 수 있다. 제1 구역 및 제2 구역, 그리고 선택에 따라 제3 구역과 각각 중첩되는 위치에 2 이상의 제1 광학 필터층이 각각 이격 배치되어 있을 수도 있다. 광원이 녹색광 방출 요소를 포함하는 경우, 제3 구획 상에는 녹색광 차단층이 배치될 수 있다.
제1 광학 필터층은, 예컨대 가시광 영역 중 일부 파장 영역의 광을 차단시키고 나머지 파장 영역의 광을 투과시킬 수 있으며, 예컨대 청색광 (또는 녹색광)을 차단시키고 청색광 (또는 녹색광)을 제외한 광은 투과시킬 수 있다. 제1 광학 필터층은, 예컨대 녹색광, 적색광 및/또는 이들의 혼색광인 황색광은 투과시킬 수 있다. 제1 광학 필터층은 청색광을 투과시키고 녹색광을 차단할 수 있으며, 청색광 방출 픽셀 상에 배치될 수 있다.
상기 표시 장치는 광발광층과 액정층 사이에 (예컨대, 광발광층과 상기 상부 편광자 사이에) 배치되고, 제3광(여기광)의 적어도 일부를 투과하고, 상기 제1 광 및/또는 제2 광의 적어도 일부를 반사시키는 제2 광학 필터층 (예컨대, 적색/녹색광 또는 황색광 리사이클층)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1광은 적색광이고 상기 제2광은 녹색광이며, 상기 제3광은 청색광일 수 있다. 제2 광학 필터층은 500 nm 이하의 파장 영역을 갖는 청색광 파장 영역의 제3광(B)만 투과시키고, 500 nm을 초과하는 파장 영역의 광, 즉, 녹색광(G), 황색광, 적색광(R) 등은 제2 광학 필터층(140)을 통과하지 못하고 반사되도록 할 수 있다. 반사된 녹색광, 적색광은 제1 및 제2 구획을 통과하여 표시 장치(10) 외부로 방출될 수 있다.
제2 광학 필터층 또는 제1 광학필터층은 비교적 평탄한 면을 갖는 일체의 층으로 형성될 수 있다.
제1 광학 필터층은 차단하고자 하는 파장의 광을 흡수하는 염료 및/또는 안료를 포함한 고분자 박막을 포함할 수 있다. 제2 광학 필터층 및 제1 광학필터층은 낮은 굴절률을 갖는 단일층을 포함할 수 있으며, 예컨대 굴절률이 1.4 이하, 1.3 이하, 1.2 이하인 투명 박막일 수 있다. 저굴절률을 갖는 제2 광학 필터층 또는 제1 광학필터층은 예를 들어 다공성 실리콘 산화물, 다공성 유기물, 다공성 유기/무기 복합체, 또는 이들의 조합일 수 있다.
제1 광학 필터층 또는 제2 광학 필터층은 굴절률이 상이한 복수개의 층을 포함할 수 있다. 굴절률이 상이한 2층들은 교번적으로 적층하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 고굴절률을 갖는 소재와 저굴절률을 갖는 소재를 교번적으로 적층하여 제1/2 광학필터층을 형성할 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 발명의 범위가 제한되어서는 아니된다.
실시예
분석 방법
[1] UV-Vis 분광분석
Agilent Cary5000 스펙트로포토미터를 사용하여 UV 분광 분석을 수행하고 UV-Visible 흡수 스펙트럼을 얻는다.
[2] 투과전자현미경 분석
UT F30 Tecnai electron microscope 를 사용하여 TEM 분석을 수행한다.
합성예 1: InP/ZnSe/ZnS 양자점의 제조
미국 등록특허 제10,619,096호에 기재된 방법에 따라, 인듐과 인을 포함하는 반도체 나노결정 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 아연과 셀레늄을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 제1 쉘, 및 상기 제1 쉘 위에 배치되고 아연과 황을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 제2 쉘을 포함하는 다층 쉘을 포함하며, 표면에 올레이트(oleate) 리간드를 가지며 평균 크기 약 6.5 nm인 InP/ZnSe/ZnS로 표현되는 양자점을 얻는다.
상기 양자점 표면의 올레이트 리간드를 6-머캡토-1-헥사놀(6-mercapto-1-hexanol: MHOH) 리간드로 치환하기 위하여, 상기 양자점이 분산된 용액에 6-머캡토-1-헥사놀이 용해된 에탄올 용액을 투입하여 교반함으로써, 상기 양자점 표면의 올레이트 리간드의 전체 또는 일부가 6-머캡토-1-헥사놀로 치환되도록 한다. 리간드 치환이 완료된 양자점을 원심분리하고, 에탄올로 여러 번 세정한 후, 다시 에탄올에 분산시켜 InP/ZnSe/ZnS 양자점의 분산액을 얻는다.
실시예 1: InP/ZnSe/ZnS 양자점을 포함하는 나노구조체의 제조
Nano Letter 18, 6475 (2018)에 기재된 바에 따라, 세트리모늄 클로라이드, 즉, 세틸트리메틸암모늄 클로라이드 (C19H42ClN: CTAC)와 벤질디메틸헥사데실암모늄 클로라이드 (Benzyldimethylhexadecylammonium chloride: BDAC)의 마이셀에서 질산은(AgNO3)를 환원시켜 약 45 nm 크기의 은(Ag) 나노입자를 형성한다. 형성된 은 나노입자를 원심 분리하여 정제수와 에탄올로 세척한 후, 다시 에탄올에 분산시킨다. 상기 은 나노입자가 분산된 용액에 실리카의 전구체인 TEOS(테트라에틸 오르쏘실리케이트)를 첨가하여 가수분해 축중합 반응에 의해 은 나노입자 위로 약 4 nm 두께로 실리카 쉘이 형성되게 한다. 그 후, 상기 용액에 합성예 1에서 제조한 6-머캡토-1-헥사놀로 표면 개질된 InP/ZnSe/ZnS 양자점 분산액을 투입하여 교반함으로써, 상기 실리카 쉘 위에 상기 양자점이 흡착되게 한다. 그 후, 상기 용액에 상기 TEOS 용액을 추가로 투입하여 반응시킴으로써, 상기 실리카 쉘에 흡착된 양자점들이 모두 추가 형성된 실리카에 의해 도포된 유전체 층을 형성한다. 이와 같이 유전체 층이 형성된 나노입자를 원심분리하여 에탄올로 여러 번 세정한 후, 이를 다시 에탄올에 분산시킨다. 상기 에탄올에 분산시킨 나노입자를 TEM으로 촬영한 사진을 도 15에 나타낸다.
그 후, 상기 용액에 추가의 AgNO3를 첨가하여 은이 환원되도록 함으로써, 상기 실리카 유전체 층이 형성된 나노입자 위에 약 20 nm 두께로 은(Ag) 쉘이 코팅된 나노구조체를 얻는다. 나노구조체를 원심분리하고, 에탄올과 물로 여러 번 세정한 후, 다시 에탄올에 분산시켜 은 나노코어, 그 위에 배치된 양자점을 포함하는 실리카 층, 및 상기 실리카 층을 둘러싸는 은 쉘을 포함하는 나노구조체를 얻는다. 이 나노구조체를 TEM으로 촬영한 사진을 도 16에 나타낸다.
비교예 1: 금속 쉘을 포함하지 않는 나노구조체의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 나노구조체를 제조하되, 은 나노입자 위에 합성예 1에서 제조된 InP/ZnSe/ZnS 양자점을 포함하는 실리카 쉘을 형성하는 과정까지만 수행하고, 그 위에 추가의 은 나노 쉘을 형성하는 과정을 포함하지 않음으로써, 은 나노코어와 양자점을 포함하는 실리카 유전체 층만 포함하고, 그 위에 금속 쉘을 포함하지 않는 나노구조체를 제조한다.
평가 1: 유전체 층 및 금속 쉘의 두께가 발광 증강에 미치는 효과 확인
실시예 1에서 제조된 나노구조체에 대해, 실리카 층의 두께와 은 쉘의 두께 변화에 따른 전기장 증강 효과, 및 그에 따른 상기 나노구조체에 포함된 양자점의 발광 증강 효과를 시뮬레이션하고, 그 결과를 도 17과 도 18에 각각 나타낸다.
구체적으로, 실리카 층의 두께를 5 nm 부터 25 nm까지 5 nm씩 증가시키고, 은 쉘의 두께도 5 nm 에서 25 nm까지 5 nm씩 증가시킬 경우, 각 나노구조체의 전기장 증강 정도(|E|/|E0|)를 FEM(Finite Element Method) 또는 BEM (Boundary Element Method) 법으로 시뮬레이션하여 그 결과를 도 17에 나타낸다. 도 17로부터, 나노구조체의 쉘 두께가 25 nm이고, 유전체 층의 두께가 20 nm 인 경우 전기장 증강 정도가 가장 높게 나타남을 알 수 있다.
또한, 도 17의 결과를 바탕으로, 실리카 층의 두께를 5 nm 에서 15 nm까지는 5 nm씩 증가시키고 15 nm 에서 25 nm 까지는 1 nm씩 증가시키고, 은 쉘의 두께는 5 nm 에서 20 nm까지는 5 nm씩 증가시키고 20 nm 에서 30 nm 까지는 1 nm씩 증가시키는 것으로 하여, 각 나노구조체의 유전체 층에 존재하는 양자점이 450 nm의 광을 흡수하여 522 nm 광을 발광하는 경우의 발광 증강 요소 (PL enhancement factor = (|E|2/|E0|2) Х QE))를 FDTD (Finite Difference Time Domain) 시뮬레이션으로 예측하여 그 결과를 도 18에 나타낸다. 도 18로부터, 실리카 층의 두께가 약 17 nm이고, 은 쉘의 두께가 약 29 nm인 조건에서, 상기 실리카 층 내에 존재하는 양자점이 가장 높은 (약 80 %) 발광 증강 요소를 나타냄을 확인하였다.
위와 같은 결과는, 도 19의 파장에 따른 나노구조체의 단면적당 발광 곡선, 흡수 곡선, 및 산란 곡선을 나타내는 그래프로부터도 뒷받침된다. 즉, 실시예 1에 따른 나노구조체는 은 나노코어의 크기, 유전체 층의 두께, 및 은 나노쉘의 두께에 따른 단면의 형태 및 단면 구조의 특징이 있고, 도 19의 그래프들로부터, 해당 나노구조체가 400 nm 내지 500 nm 영역에서 높은 수준의 산란 단면부를 형성함을 알 수 있게 한다. 이러한 결과는, 해당 나노구조체의 구조적 특징으로 인해 나노구조체의 유전체 층 내에 존재하는 양자점의 발광에 기여할 수 있는 상기 파장 범위의 광의 흡수율이 현저히 높음을 나타내며, 이는 상기 양자점의 발광에 기여할 수 있는 광흡수율이 증가됨을 의미한다.
평가 2: 유전체 층 내 코어로부터의 거리가 발광 증강에 미치는 효과 확인
실시예 1에서 제조된 나노구조체 및 비교예 1에서 제조된 금속 쉘이 없는 나노구조체에 대해, 각각 은 나노입자 표면으로부터 실리카 층 내 양자점이 존재하는 위치까지의 거리가 각각 2 nm, 4 nm, 6 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm, 및 14 nm인 경우, 각 위치에서의 양자점의 발광 증강 요소를 x 방향 및 y 방향에서 광을 조사한 경우에 대해 FDTD 시뮬레이션으로 계산하고, 그 결과를 도 20의 그래프에 나타내었다.
도 20으로부터, x 방향 및 y 방향에서 광을 조사한 경우 모두 동일하게, 실시예 1의 나노구조체와 비교예 1의 나노구조체 모두 은 나노코어 표면으로부터 4 nm 위치에 양자점이 존재할 경우 가장 높은 발광 증강 요소를 나타냄을 알 수 있다. 그러나, 금속 쉘을 갖지 않는 비교예 1의 나노구조체에 비해 실시예 1의 나노구조체에서의 양자점의 발광 증강 요소가 적어도 2배 높고 (y 방향으로 광을 조사한 경우), 최대 7배까지 높게 나타남 (x 방향으로 광을 조사한 경우)을 알 수 있다. 이러한 결과에 따라, 실시예 1에서는 실리카 층을 약 4 nm 두께로 쌓은 후 양자점을 흡착시켜 나노구조체를 제조하였다.
한편, 발광 증강 요소가 가장 높은 경우의 실시예 1에 따른 나노구조체와 비교예 1에 따른 나노구조체의 전기장의 분포를 FEM/BEM 시뮬레이션하여 결과를 도 3의 사진에 함께 나타낸다. 도 3로부터도 실시예 1의 나노구조체에서의 전기장의 분포 (도 3의 (a))가, 금속 쉘이 없는 비교예 1의 나노구조체(도 3의 (b))에 비해 훨씬 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 일 구현예에 따른 나노구조체는 그 구조적 특징으로 인해 금속 코어와 금속 쉘 사이에 위치하는 유전체 층에서 플라즈몬 효과가 집중되어 전기장 증강 효과가 현저히 높게 나타나고, 이로 인해 해당 유전체 층에 존재하는 양자점의 여기 에너지를 높여 더욱 높은 발광 효과, 즉, 발광 증강 효과가 나타남을 알 수 있다.
제조예 1: 나노구조체-폴리머 복합체 및 그 패턴의 제조
(1) 나노구조체-바인더 분산액의 제조
실시예 1에서 제조된 양자점을 클로로포름에 분산시켜 클로로포름 분산액을 제조하고, 이를 바인더 (메타크릴산, 벤질 메타크릴레이트, 히드록시에틸메타크릴레이트, 및 스티렌의 4원 공중합체, 산가: 130 mg KOH/g, 분자량: 8000) 용액(농도 30 wt%의 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트)과 혼합하여 나노구조체-바인더 분산액을 제조한다.
(2) 감광성 조성물의 제조
상기 나노구조체-바인더 분산액에, 광중합성 단량체로서 하기 구조를 가지는 헥사아크릴레이트, 글리콜디-3-머캅토프로피오네이트 (이하, 2T), 개시제로서 옥심에스터 화합물, 광확산제로서 TiO2 및 PGMEA 을 혼합하여 조성물을 제조한다.
Figure pat00002
Figure pat00003
제조된 조성물은, 조성물의 고형분 중량을 기준으로, 42 중량%의 나노구조체, 3 중량%의 TiO2, 25 중량%의 2T, 12 중량%의 광중합성 단량체, 및 0.5 중량%의 개시제를 포함하고, 총 고형분 함량(TSC: Total Solid Content)는 25 % 이다.
(3) 나노구조체-폴리머 복합체의 패턴 제조 및 특성 분석
상기 (2)에서 얻어진 감광성 조성물을 유리 기판에 150 rpm 에서 5초간 스핀 코팅하여 필름을 얻는다. 얻어진 필름을 100도씨에서 2 분간 프리베이크(PRB)한다. 프리베이크된 필름에 소정의 패턴 (예컨대, square dot 또는 스트라이프 패턴)을 가지는 마스크 하에서 광 (파장: 365nm 세기: 100 mJ)을 1 초간 조사하고, 180도에서 30분간 post baking (POB)한다. 이후, 상기 막을 수산화칼륨 수용액(농도: 0.043 %)으로 50 초간 현상함으로써, 두께 약 10 μm의 패턴화된 나노구조체-폴리머 복합체의 막(예컨대, QD C/F 막)을 얻는다.
상기 막에 대해 Hitachi F-7000 스펙트로미터를 이용하여 450 nm 여기 파장에 대한 광발광 스펙트럼(photoluminescence: PL)을 측정하고, 그로부터 발광 피크 파장과 반치폭을 측정한다. 또한, Otsuka QE-2100 양자효율 측정시스템 (제조사: 오츠카전자)을 사용하여 상기 막의 청색광 흡수율 및 광변환 효율을 측정한다.
또한, 제조된 나노구조체-폴리머 복합체 막 내 각 원소의 함량을 측정하기 위해 상기 막을 질산, 브롬산, 또는 불산에 녹여 용액화한 후, ICP 분석을 진행할 수 있다.
제조예 2: 표시 패널의 제조
제조예 1에서 제조된 나노구조체-폴리머 복합체를 색 변환 패널 내 녹색 화소 또는 적색 화소에 적용하고, 여기광인 청색광을 투과시키는 투광층에는 양자점을 제외한 나머지 성분들을 포함한 막을 적용하여 표시 패널을 제조할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 금속 코어, 상기 금속 코어를 둘러싸는 금속 쉘, 및 상기 금속 코어와 상기 금속 쉘 사이에 위치하며 양자점을 포함하는 유전체 층을 포함하는 나 구조체.
  2. 제1항에서, 상기 금속 코어의 크기는 약 5 nm 내지 약 100 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm인 나노구조체.
  3. 제1항에서, 상기 금속 코어의 크기는 약 15 nm 내지 약 50 nm이고, 상기 유전체 층의 두께는 약 10 nm 내지 약 50 nm 이고, 상기 금속 쉘의 두께는 약 15 nm 내지 약 50 nm인 나노구조체.
  4. 제1항에서, 상기 금속 코어 및 상기 금속 쉘은 각각 독립적으로 금, 은, 백금, 구리, 팔라듐, 알루미늄 또는 이들의 2 이상의 합금인 금속을 포함하는 나노구조체.
  5. 제1항에서, 상기 유전체 층은 금속 산화물 또는 유기 고분자를 더 포함하는 나노구조체.
  6. 제8항에서, 상기 금속 산화물은 SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, CuxO (0<x<2), 또는 이들의 조합을 포함하는 나노구조체.
  7. 제1항에서, 상기 양자점은 510 nm 내지 550 nm, 또는 600 nm 내지 650 nm의 발광 피크 파장을 가지는 나노구조체.
  8. 제1항에서, 나노 구조체는 400 nm 내지 550 nm 파장 범위에서 흡수 피크 또는 흡수단을 가지는 나노구조체.
  9. 제1항에서, 상기 양자점은 원소 주기율표의 3족 원소와 5족 원소를 포함하고 카드뮴을 포함하지 않는 것인 나노구조체.
  10. 제9항에서, 상기 양자점은 상기 3족 원소와 5족 원소를 포함하는 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 원소 주기율표의 2족 원소와 6족 원소를 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 나노구조체.
  11. 제1항에서, 상기 양자점은 인듐과 인을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 코어, 및 상기 코어 위에 배치되고 아연과 셀레늄을 포함하는 반도체 나노결정을 포함하는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지는 나노구조체.
  12. 제11항에서, 상기 쉘을 형성하는 반도체 나노결정은 황을 더 포함하는 것인 나노구조체.
  13. 제1항에서, 상기 양자점은 표면에 유기 리간드를 포함하며, 상기 유기 리간드는 말단에 카르복실기를 가지는 화합물, 말단에 하이드록시기를 가지는 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 나노구조체.
  14. 제1항에서, 상기 양자점의 입자 크기의 평균은 5.5 nm 이상인 나노구조체.
  15. 폴리머 매트릭스, 및 상기 폴리머 매트릭스에 분산되어 있는 복수개의 나노구조체들을 포함하고, 상기 복수개의 나노구조체들을 제1항의 나노구조체를 포함하는 복합체.
  16. 색변환 구역을 포함하는 복수의 구역들을 포함하는 색변환 층을 포함하고, 상기 색변환 구역에 제18항에 따른 복합체가 배치된 표시 패널.
  17. 제16항에서, 상기 표시 패널은 발광원을 포함하는 발광 패널을 더 포함하고, 상기 색변환 구역은 상기 발광 패널로부터 방출된 광을 제1 발광 스펙트럼의 광으로 변환시키는 제1 색변환 구역을 포함하는 표시 패널.
  18. 제17항에서, 상기 색변환 구역은 상기 발광 패널로부터 방출된 광을 상기 제1 발광 스펙트럼과 다른 제2 발광 스펙트럼의 광으로 변환시키는 제2 색변환 구역을 더 포함하는 표시 패널.
  19. 제18항에서, 상기 제1 발광 스펙트럼은 500 nm 내지 550 nm 사이에서 발광 피크 파장을 가지는 녹색 발광 스펙트럼이고, 상기 제2 발광 스펙트럼은 600 nm 내지 650 nm 사이에서 발광 피크 파장을 가지는 적색 발광 스펙트럼인 표시 패널.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 표시 패널을 포함하는 전자 장치.
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