KR20230099278A - 양자점 소자와 전자 장치 - Google Patents

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김광희
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장은주
장효숙
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차순민
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Abstract

제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 양자점을 포함하는 발광층, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 발광층에 가깝게 위치하고 제1 전자 보조 물질을 포함하는 제1 전자 보조층, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 제2 전극에 가깝게 위치하고 제2 전자 보조 물질을 포함하는 제2 전자 보조층, 그리고 상기 제1 전자 보조층과 상기 제2 전자 보조층 사이에 위치하고 무기물을 포함하는 삽입층을 포함하고, 상기 무기물의 HOMO 에너지 준위는 상기 제1 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위와 상기 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위보다 각각 깊은 양자점 소자 및 전자 장치에 관한 것이다.

Description

양자점 소자와 전자 장치{QUANTUM DOT DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE}
양자점 소자와 전자 장치에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)이라고도 불리는 반도체 나노 결정은 광 에너지 또는 전기 에너지를 공급받아 양자점 크기에 대응하는 파장의 빛을 낼 수 있다. 이에 따라 양자점은 소정 파장의 빛을 내는 발광체로 사용될 수 있다.
근래, 양자점을 발광체로 사용하는 양자점 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 양자점은 기존 발광체와 다르므로 양자점 소자의 성능을 개선할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
일 구현예는 개선된 성능을 구현할 수 있는 양자점 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 양자점 소자를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 양자점을 포함하는 발광층, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 발광층에 가깝게 위치하고 제1 전자 보조 물질을 포함하는 제1 전자 보조층, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 제2 전극에 가깝게 위치하고 제2 전자 보조 물질을 포함하는 제2 전자 보조층, 그리고 상기 제1 전자 보조층과 상기 제2 전자 보조층 사이에 위치하고 무기물을 포함하는 삽입층을 포함하고, 상기 무기물의 HOMO 에너지 준위는 상기 제1 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위와 상기 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위보다 각각 깊은 양자점 소자를 제공한다.
상기 무기물의 에너지 밴드갭은 상기 제1 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭 및 상기 제2 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭보다 각각 클 수 있다.
상기 무기물은 약 4.5eV 이상의 에너지 밴드갭을 가진 무기 나노입자일 수 있다.
상기 무기 나노입자는 Si, Al, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, La 또는 이들의 조합을 포함하는 (준)금속 산화물 나노입자일 수 있다.
상기 무기물은 실리카일 수 있다.
상기 제1 전자 보조 물질과 상기 제2 전자 보조 물질은 각각 n형 무기 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 제1 전자 보조 물질과 상기 제2 전자 보조 물질은 각각 Zn1-xQxO (여기서, Q는 Zn을 제외한 1종 이상의 금속이고, 0≤x<0.5이다)로 표현되는 n형 무기 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 제1 전자 보조 물질과 상기 제2 전자 보조 물질은 서로 동일할 수 있다.
상기 삽입층의 두께는 약 1nm 이상 10nm 미만일 수 있다.
상기 제1 전자 보조층의 두께는 상기 삽입층의 두께와 같거나 두꺼울 수 있고, 상기 제2 전자 보조층의 두께는 상기 제1 전자 보조층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 제2 전자 보조층은 상기 제1 전자 보조층보다 약 2배 내지 10배 두꺼울 수 있다.
상기 제1 전자 보조층과 상기 삽입층은 각각 약 1nm 이상 10nm 미만의 두께를 가질 수 있고, 상기 제2 전자 보조층은 상기 제1 전자 보조층보다 두꺼울 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 양자점을 포함하는 발광층, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 발광층에 가깝게 위치하고 제1 무기 나노입자를 포함하는 제1 전자 보조층, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 제2 전극에 가깝게 위치하고 상기 제1 무기 나노입자를 포함하는 제2 전자 보조층, 그리고 상기 제1 전자 보조층과 상기 제2 전자 보조층 사이에 위치하고 제1 무기 나노입자의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진 제2 무기 나노입자를 포함하는 삽입층을 포함하는 양자점 소자를 제공한다.
상기 제1 무기 나노입자의 에너지 밴드갭은 약 2.0eV 이상 4.0eV 미만일 수 있고, 상기 제2 무기 나노입자의 에너지 밴드갭은 약 4.5eV 내지 10.0eV일 수 있다.
상기 제2 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위는 상기 제1 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위보다 깊을 수 있다.
상기 제2 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위와 상기 제1 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위의 차이는 약 0.1eV 내지 5.0eV일 수 있다.
상기 제1 무기 나노입자는 Zn1-xQxO (여기서, Q는 Zn을 제외한 1종 이상의 금속이고, 0≤x<0.5이다)로 표현되는 산화물 나노입자일 수 있고, 상기 제2 무기 나노입자는 Si, Al, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, La 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물 나노입자일 수 있다.
상기 삽입층의 두께는 약 1nm 내지 8nm일 수 있다.
상기 제1 전자 보조층의 두께는 약 1nm 이상 10nm 미만일 수 있고, 상기 제2 전자 보조층은 상기 삽입층보다 두꺼울 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 양자점 소자를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
양자점 소자의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 양자점 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 구현예들에 대하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 권리 범위는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 ‘조합’이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하에서, 별도의 정의가 없는 한, 에너지 준위(energy level)는 최고점유분자궤도(highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지 준위 또는 최저비점유분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 에너지 준위이다.
이하, 일 함수, HOMO 에너지 준위 또는 LUMO 에너지 준위의 값은 진공 레벨(vacuum level)로부터의 절대값으로 표시된다. 또한 일 함수, HOMO 에너지 준위 또는 LUMO 에너지 준위가 깊다, 높다 또는 크다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 큰 것을 의미하고 일 함수, HOMO 에너지 준위 또는 LUMO 에너지 준위가 얕다, 낮다 또는 작다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 작은 것을 의미한다.
HOMO 에너지 준위와 일 함수는 자외선 광전자 분광법(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS)으로 측정할 수 있고, LUMO 에너지 준위는 흡수 피크(absorption peak)에서 구한 에너지밴드갭과 HOMO 에너지 준위를 통하여 계산할 수 있다.
이하에서, '금속'은 금속과 준금속을 포함한다.
이하에서, 카드뮴 (또는 그 외 독성 중금속)을 포함하지 않는다는 기재는, 카드뮴 (또는 해당 중금속)의 농도가 100 ppm 이하, 50 ppm 이하, 10 ppm 이하, 또는 거의 0 인 것을 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 있는 것을 배제하지 않는다.
본 명세서에서, II족, III 족 등의 용어에서 "족(Group) "이라 함은 원소 주기율표의 족을 말한다.
여기서, "II족"은 IIA족 및 IIB 족을 포함할 수 있으며, II족 금속의 예는 Cd, Zn, Hg 및 Mg을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"III 족"은 IIIA족 및 IIIB 족을 포함할 수 있으며, III족 금속의 예들은 Al, In, Ga, 및 Tl을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"IV 족"은 IVA족 및 IVB 족을 포함할 수 있으며, IV 족 금속의 예들은 Si, Ge, Sn을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 명세서에서, "금속"이라는 용어는 Si 와 같은 준금속도 포함한다.
"I족"은 IA족 및 IB 족을 포함할 수 있으며, Li, Na, K, Rb, Cs을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"V족"은 VA 족을 포함하며 질소, 인, 비소, 안티몬, 및 비스무스를 포함하나 이에 제한되지 않는다.
"VI족"은 VIA 족을 포함하며 황, 셀레늄, 텔루리움을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 양자점 소자를 설명한다.
일 구현예에 따른 양자점 소자는 전극에 전계를 인가하여 양자점에서 스스로 발광하는 양자점 전계 발광 소자일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 양자점 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 양자점 소자(10)는 서로 마주하는 제1 전극(11)과 제2 전극(12); 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 위치하는 발광층(13); 제1 전극(11)과 발광층(13) 사이에 위치하는 제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15); 제2 전극(12)과 발광층(13) 사이에 위치하는 제1 전자 보조층(16a), 제2 전자 보조층(16b) 및 삽입층(16c)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 제1 전극(11) 측에 배치될 수 있고 제2 전극(12) 측에 배치될 수 있다. 기판은 예컨대 유리와 같은 무기 물질; 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질; 또는 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수 있다. 기판은 생략될 수 있다.
제1 전극(11)과 제2 전극(12) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 일 예로, 제1 전극(11)은 애노드일 수 있고 제2 전극(12)은 캐소드일 수 있다. 일 예로, 제1 전극(11)은 캐소드일 수 있고 제2 전극(12)은 애노드일 수 있다.
제1 전극(11)은 비교적 높은 일 함수를 가지는 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 금속 산화물 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다. 제1 전극(11)은 예컨대 니켈, 백금, 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물; 또는 ZnO와 Al 또는 SnO2와 Sb와 같은 금속과 산화물의 조합 등으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 전극(12)은 제1 전극(11)보다 낮은 일 함수를 가진 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 금속 산화물 및/또는 도전성 고분자로 만들어질 수 있다. 제2 전극(12)은 예컨대 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 타이타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 은, 주석, 납, 세슘, 바륨 등과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al, Li2O/Al, Liq/Al, LiF/Ca 및 BaF2/Ca과 같은 다층 구조 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(11)의 일 함수는 제2 전극(12)의 일 함수보다 높을 수 있으며, 예컨대 제1 전극(11)의 일 함수는 예컨대 약 4.5eV 내지 5.0eV일 수 있고 제2 전극(12)의 일 함수는 예컨대 약 4.0eV 내지 4.7eV 일 수 있다. 상기 범위 내에서 제1 전극(11)의 일 함수는 예컨대 약 4.6eV 내지 4.9eV일 수 있고 제2 전극(12)의 일 함수는 예컨대 약 4.0eV 내지 4.5eV일 수 있다.
제1 전극(11)과 제2 전극(12) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있으며, 투광 전극은 예컨대 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물과 같은 도전성 금속 산화물, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다. 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 중 어느 하나가 불투광 전극일 수 있으며, 불투광 전극은 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
발광층(13)은 전계에 의해 빛을 내는 발광체로서 양자점(양자점들, 이하 양자점이라 함)을 포함한다. 양자점은 넓은 의미의 반도체 나노결정을 의미하며, 양자제한 효과를 나타낼 수 있다. 여기서, 양자점은 임의의 형상을 가질 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 비제한적인 일 예에서, 양자점은 예컨대 등방성 반도체 나노결정, 퀀텀 로드 및/또는 퀀텀 플레이트 등 다양한 모양을 가질 수 있다. 여기서 퀀텀 로드는 종횡비가 1보다 큰, 예컨대 종횡비가 약 2 이상, 약 3 이상 또는 약 5 이상인 양자점을 의미할 수 있다. 일 예로, 퀀텀 로드의 종횡비는 약 50 이하, 약 30 이하 또는 약 20 이하일 수 있다.
양자점은 예컨대 약 1nm 내지 약 100nm의 입경(구형이 아닌 경우 가장 긴 부분의 크기)을 가질 수 있고, 예컨대 약 1nm 내지 80nm의 입경을 가질 수 있고, 예컨대 약 1nm 내지 50nm의 입경을 가질 수 있고, 예컨대 약 1nm 내지 20nm의 입경을 가질 수 있다. 일 예에서, 양자점(들)의 (평균)크기는 약 1 nm 이상, 약 2 nm 이상, 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상, 약 6 nm 이상, 약 7 nm 이상, 8 nm 이상, 9 nm 이상, 10 nm 이상, 11 nm 이상 또는 12 nm 이상일 수 있다. 일 예에서, 양자점의 (평균) 크기는 약 50 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 25 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 19 nm 이하, 약 18 nm 이하, 약 17 nm 이하, 약 16 nm 이하 또는 약 15 nm 이하일 수 있다. 일 예로, (예컨대, 청색 광을 내는) 양자점의 평균 크기는 예컨대 약 4.5nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 4.3nm 이하, 약 4.2nm 이하, 약 4.1nm 이하 또는 약 4.0nm 이하일 수 있다. 일 예에서, 양자점의 (평균)크기는, 약 2.0nm 내지 4.5nm, 약 2.0nm 내지 4.3nm, 약 2.0nm 내지 4.2nm, 약 2.0nm 내지 4.1nm 또는 약 2.0nm 내지 4.0nm 일 수 있다.
양자점은 크기 및/또는 조성에 따라 에너지 밴드갭을 조절할 수 있으며, 이에 따라 발광 파장 또한 조절할 수 있다. 예컨대 양자점의 크기가 클수록 좁은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며 이에 따라 비교적 장파장 영역의 빛을 낼 수 있고, 양자점의 크기가 작을수록 넓은 에너지 밴드갭을 가지며 이에 따라 비교적 단파장 영역의 빛을 낼 수 있다.
일 예로, 양자점은 크기 및/또는 조성에 따라 예컨대 가시광선 영역 중 소정 파장 영역의 빛을 낼 수 있다. 예컨대 양자점은 청색 광, 적색 광 또는 녹색 광을 낼 수 있으며, 청색 광은 예컨대 약 430nm 내지 480nm에서 피크 발광 파장을 가질 수 있고 적색 광은 약 600nm 내지 670nm에서 피크 발광 파장을 가질 수 있고 녹색 광은 예컨대 약 520nm 내지 560nm에서 피크 발광 파장을 가질 수 있다.
일 예의 양자점 소자(10)에서, 발광층(13)의 최대 발광 파장은 약 300nm 이상, 약 400nm 이상, 약 430nm 이상, 약 450nm 이상, 예컨대, 약 500nm 이상, 약 510nm 이상, 약 520nm 이상, 약 530nm 이상, 약 540nm 이상, 약 550nm 이상, 약 560nm 이상, 약 570nm 이상, 약 580nm 이상, 약 590nm 이상, 약 600nm 이상 또는 약 610nm 이상일 수 있다. 양자점의 최대 발광 파장은 약 800nm 이하, 약 780nm 이하, 약 750nm 이하, 예컨대 약 700nm 이하, 약 670nm 이하, 약 650nm 이하, 약 640nm 이하, 약 630nm 이하, 약 620nm 이하, 약 610nm 이하, 약 600nm 이하, 약 590nm 이하, 약 580nm 이하, 약 570nm 이하, 약 560nm 이하, 약 550nm 이하 또는 약 540nm 이하의 범위에 있을 수 있다. 양자점의 최대 발광 파장은 약 430nm 내지 670nm의 범위에 있을 수 있다.
일 예의 양자점 소자(10)에서, 발광층(13) 또는 양자점(들)은 녹색 광을 방출하고, 최대 발광 파장은 약 500nm 이상 (예컨대, 약 510nm 이상 또는 약 520nm 이상) 및 약 560nm 이하 (예컨대, 약 550nm 이하 또는 약 540nm 이하)의 범위에 있을 수 있다. 일 예의 양자점 소자(10)에서, 발광층(13) 또는 양자점(들)은 적색 광을 방출하고, 최대 발광 파장은 약 600nm 이상 (예컨대, 약 610nm 이상) 및 약 670nm 이하 (예컨대, 약 650nm 이하 또는 약 640nm 이하)의 범위에 있을 수 있다. 일 예의 양자점 소자(10)에서, 발광층(13) 또는 양자점(들)은 청색 광을 방출하고, 최대 발광 파장은 약 430nm 이상 (예컨대, 약 약 440nm 이상 또는 약 450nm 이상) 및 약 480nm 이하 (예컨대, 약 470nm 이하 또는 약 465nm 이하)일 수 있다.
양자점은 예컨대 약 10% 이상의 양자 수율(quantum yield)을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상 또는 약 90% 이상의 양자 수율을 가질 수 있다.
양자점의 발광 스펙트럼은 비교적 좁은 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 가질 수 있다. 여기서 반치폭은 발광 스펙트럼에서 최대 발광 지점의 반(half)에 대응하는 파장의 폭(width)이다. 이와 같이 비교적 좁은 반치폭의 발광 스펙트럼을 가진 양자점 및 이를 포함한 발광층(13)을 양자점 소자(10)에 적용함으로써 높은 색 순도(또는 색 재현율)를 구현할 수 있다.
양자점 (또는 발광층(13))의 반치폭은 예컨대 약 60nm 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 55nm 이하, 약 52nm 이하, 약 50nm 이하, 약 49nm 이하, 약 48nm 이하, 약 47nm 이하, 약 46nm 이하, 약 45nm 이하, 약 44nm 이하, 약 43nm 이하, 약 42nm 이하, 약 41nm 이하, 약 40nm 이하, 약 39nm 이하, 약 38nm 이하, 약 37nm 이하, 약 36nm 이하, 약 35nm 이하, 약 34nm 이하, 약 33nm 이하, 약 32nm 이하, 약 31nm 이하, 약 30nm 이하, 약 29nm 이하 또는 약 28nm 이하일 수 있고, 예컨대 약 2nm 내지 60nm, 약 2nm 내지 55nm, 약 2nm 내지 50nm, 약 2nm 내지 49nm, 약 2nm 내지 48nm, 약 2nm 내지 47nm, 약 2nm 내지 46nm, 약 2nm 내지 45nm, 약 2nm 내지 44nm, 약 2nm 내지 43nm, 약 2nm 내지 42nm, 약 2nm 내지 41nm, 약 2nm 내지 40nm, 약 2nm 내지 39nm, 약 2nm 내지 38nm, 약 2nm 내지 37nm, 약 2nm 내지 36nm, 약 2nm 내지 35nm, 약 2nm 내지 34nm, 약 2nm 내지 33nm, 약 2nm 내지 32nm, 약 2nm 내지 31nm, 약 2nm 내지 30nm, 약 2nm 내지 29nm 또는 약 2nm 내지 28nm 이하일 수 있다.
일 예로, 양자점은 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
II-VI족 반도체 화합물은 예컨대 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물에서 선택되는 삼원소 반도체 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 사원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. III-V족 반도체 화합물은 예컨대 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb 및 이들의 혼합물에서 선택되는 삼원소 반도체 화합물; 및 GaAlNP, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물에서 선택되는 사원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. IV-VI족 반도체 화합물은 예컨대 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 삼원소 반도체 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 사원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. IV족 반도체 화합물은 예컨대 Si, Ge 및 이들의 혼합물에서 선택되는 단원소 반도체 화합물; 및 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물에서 선택되는 이원소 반도체 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. I-III-VI족 반도체 화합물은 예컨대 CuInSe2, CuInS2, CuInGaSe, CuInGaS 및 이들의 혼합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. I-II-IV-VI족 반도체 화합물은 예컨대 CuZnSnSe 및 CuZnSnS에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. II-III-V족 반도체 화합물은 예컨대 InZnP를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
양자점은 단원소 반도체 화합물, 이원소 반도체 화합물, 삼원소 반도체 화합물 또는 사원소 반도체 화합물을 실질적으로 균일한 농도로 포함하거나, 농도 분포가 부분적으로 다른 상태로 나누어 포함할 수 있다.
일 예로, 양자점은 비카드뮴계 양자점(Cd-free quantum dot)일 수 있다. 카드뮴(Cd)은 심각한 환경/보건 문제를 야기할 수 있으며 다수의 국가들에서 유해물질 제한 지침(RoHS) 상 규제 대상 원소이므로, 비카드뮴계 양자점이 효과적으로 사용될 수 있다. 일 예의 발광층(13)은 카드뮴을 포함하지 않을 수 있다. 일 예의 발광층(13)은 카드뮴, 납, 수은, 또는 이들의 조합을 포함하지 않을 수 있다.
일 예로, 양자점은 예컨대 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 어느 하나를 포함하는 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 양자점은 Zn-Te 반도체 화합물, Zn-Se 반도체 화합물 및/또는 Zn-Te-Se 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 Zn-Te-Se 반도체 화합물에서 텔루리움(Te)의 몰 분율은 셀레늄(Se)의 몰 분율보다 적을 수 있다. 반도체 화합물은 약 480nm 이하의 파장 영역, 예컨대 약 430nm 내지 480nm 파장 영역에서 최대 발광 파장(maximum emission wavelength)을 가질 수 있으며 청색 광을 낼 수 있다.
일 예로, 양자점은 예컨대 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 양자점은 In-P 반도체 화합물 및/또는 In-Zn-P 반도체 화합물일 수 있다. 예컨대 In-Zn-P 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비(mole ratio)는 약 25 이상일 수 있다.
양자점은 하나의 양자점을 다른 양자점이 둘러싸는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수도 있다. 예컨대 양자점의 코어와 쉘의 계면은 쉘에 존재하는 원소의 농도가 중심으로 갈수록 낮아지는 농도 구배(gradient)를 가질 수 있다. 예컨대 양자점의 쉘을 구성하는 물질 조성이 양자점의 코어를 이루는 물질 조성보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 이에 따라 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 가질 수 있다.
양자점은 하나의 양자점 코어와 이를 둘러싸는 다층의 양자점 쉘을 포함할 수 있다. 이때 다층의 쉘은 2층 이상의 쉘을 가지는 것으로, 각각의 층은 독립적으로 단일 조성, 합금 및/또는 농도 구배를 가질 수 있다. 예컨대 다층의 쉘 중, 코어에서 먼 쪽에 위치하는 쉘이 코어에서 가깝게 위치하는 쉘보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 이에 따라 양자 구속 효과를 가질 수 있다.
일 예로, 코어-쉘 구조를 가지는 양자점은 예컨대 아연(Zn)과 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se) 중 적어도 하나를 포함하는 제1 반도체 화합물을 포함하는 코어와 상기 코어의 적어도 일부 위에 위치하고 상기 코어와 다른 조성을 가지는 제2 반도체 화합물을 포함하는 쉘(shell)을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 반도체 화합물은 아연(Zn), 텔루리움(Te) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 Zn-Te-Se계 반도체 화합물일 수 있으며, 예컨대 소량의 텔루리움(Te)을 포함하는 Zn-Se 기반의 반도체 화합물일 수 있으며, 예컨대 ZnTexSe1-x (여기서, x는 0 보다 크고 0.05 이하임)로 표현되는 반도체 화합물일 수 있다.
예컨대 Zn-Te-Se계의 제1 반도체 화합물에서, 아연(Zn)의 몰 분율은 셀레늄(Se)의 몰 분율보다 많을 수 있고, 셀레늄(Se)의 몰 분율은 텔루리움(Te)의 몰 분율보다 많을 수 있다. 예컨대 제1 반도체 화합물에서, 셀레늄(Se)에 대한 텔루리움(Te)의 몰비는 약 0.05 이하, 약 0.049 이하, 약 0.048 이하, 약 0.047 이하, 약 0.045 이하, 약 0.044 이하, 약 0.043 이하, 약 0.042 이하, 약 0.041 이하, 약 0.04 이하, 약 0.039 이하, 약 0.035 이하, 약 0.03 이하, 약 0.029 이하, 약 0.025 이하, 약 0.024 이하, 약 0.023 이하, 약 0.022 이하, 약 0.021 이하, 약 0.02 이하, 약 0.019 이하, 약 0.018 이하, 약 0.017 이하, 약 0.016 이하, 약 0.015 이하, 약 0.014 이하, 약 0.013 이하, 약 0.012 이하, 약 0.011 이하 또는 약 0.01 이하일 수 있다. 예컨대 제1 반도체 화합물에서, 아연(Zn)에 대한 텔루리움(Te)의 몰비는 약 0.02 이하, 약 0.019 이하, 약 0.018 이하, 약 0.017 이하, 약 0.016 이하, 약 0.015 이하, 약 0.014 이하, 약 0.013 이하, 약 0.012 이하, 약 0.011 이하 또는 약 0.011 이하일 수 있다.
제2 반도체 화합물은 예컨대 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI 족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물 및 II-III-V족 반도체 화합물의 예는 전술한 바와 같다.
예컨대, 제2 반도체 화합물은 아연(Zn), 셀레늄(Se) 및/또는 황(S)을 포함할 수 있다. 예컨대 쉘은 ZnSeS, ZnS 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 쉘은 코어에 가깝게 위치하는 하나 이상의 내부 쉘과 양자점의 최외각에 위치하는 최외각 쉘을 포함할 수 있으며, 내부 쉘은 ZnSeS를 포함할 수 있고 최외각 쉘은 SnS를 포함할 수 있다. 예컨대 쉘은 일 성분에 대하여 농도 구배를 가질 수 있으며 예컨대 코어에서 멀어질수록 황(S)의 함량이 많아지는 농도 구배를 가질 수 있다.
일 예로, 코어-쉘 구조를 가지는 양자점은 예컨대 인듐(In)과 아연(Zn) 및 인(P) 중 적어도 하나를 포함하는 제3 반도체 화합물을 포함하는 코어와 상기 코어의 적어도 일부 위에 위치하고 상기 코어와 다른 조성을 가지는 제4 반도체 화합물을 포함하는 쉘을 포함할 수 있다.
In-Zn-P계의 제3 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비는 약 25 이상일 수 있다. 예컨대 In-Zn-P계의 제3 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비는 약 28 이상, 29 이상 또는 30 이상일 수 있다. 예컨대 In-Zn-P계의 제3 반도체 화합물에서 인듐(In)에 대한 아연(Zn)의 몰 비는 약 55 이하일 수 있으며, 예컨대 50 이하, 45 이하, 40 이하, 35 이하, 34 이하, 33 이하 또는 32 이하일 수 있다.
제4 반도체 화합물은 예컨대 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI 족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I족-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물 및 II-III-V족 반도체 화합물의 예는 전술한 바와 같다.
예컨대 제4 반도체 화합물은 아연(Zn) 및 황(S)과 선택적으로 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 예컨대 쉘은 ZnSeS, ZnS 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 쉘은 코어에 가깝게 위치하는 하나 이상의 내부 쉘과 양자점의 최외각에 위치하는 최외각 쉘을 포함할 수 있으며, 내부 쉘 및 최외각 쉘 중 적어도 하나는 ZnS 또는 ZnSeS의 제4 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
전술한 양자점들은 상업적으로 입수 가능하거나 적절히 합성될 수 있다.
일 예의 양자점 소자(10)에서, 양자점(들)은 표면에 제1 유기 리간드를 포함할 수 있다. 제1 유기 리간드는 소수성 잔기를 가질 수 있다. 제1 유기 리간드는 양자점의 표면에 결합될 수 있다. 제1 유기 리간드는 RCOOH, RNH2, R2NH, R3N, RSH, R3PO, R3P, ROH, RCOOR, RPO(OH)2, RHPOOH, R2POOH 또는 이들의 조합을 포함하며, 여기서, R은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C3 내지 C40의 알킬, 알케닐 등 치환 또는 비치환된 C3 (C5) 내지 C40 지방족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C40 아릴기 등 치환 또는 비치환된 C6 내지 C40 방향족 탄화수소기 또는 이들의 조합일 수 있다.
유기 리간드의 예는 메탄 티올, 에탄 티올, 프로판 티올, 부탄 티올, 펜탄 티올, 헥산 티올, 옥탄 티올, 도데칸 티올, 헥사데칸 티올, 옥타데칸 티올, 벤질 티올 등의 티올 화합물; 메탄 아민, 에탄 아민, 프로판 아민, 부탄 아민, 펜틸 아민, 헥실 아민, 옥틸 아민, 노닐아민, 데실아민, 도데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 디메틸 아민, 디에틸 아민, 디프로필 아민, 트리부틸아민, 트리옥틸아민, 등의 아민류; 메탄산, 에탄산, 프로판산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 도데칸산, 헥사데칸산, 옥타데칸산, 올레인산 (oleic acid), 벤조산 등의 카르복시산 화합물; 메틸 포스핀, 에틸 포스핀, 프로필 포스핀, 부틸 포스핀, 펜틸 포스핀, 옥틸포스핀, 디옥틸 포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 등의 포스핀 화합물; 메틸 포스핀 옥사이드, 에틸 포스핀 옥사이드, 프로필 포스핀 옥사이드, 부틸 포스핀 옥사이드 펜틸 포스핀옥사이드, 트리부틸포스핀옥사이드, 옥틸포스핀 옥사이드, 디옥틸 포스핀옥사이드, 트리옥틸포스핀옥사이드등의 포스핀 화합물 또는 그의 옥사이드 화합물; 다이 페닐 포스핀, 트리 페닐 포스핀 화합물 또는 그의 옥사이드 화합물; 헥실포스핀산, 옥틸포스핀산, 도데칸포스핀산, 테트라데칸포스핀산, 헥사데칸포스핀산, 옥타데칸포스핀산 등 C5 내지 C20 알킬포스핀산, C5 내지 C20 알킬 포스폰산, 예를 들어, 헥실포스폰산, 옥틸포스폰산, 도데칸포스폰산, 테트라데칸포스폰산, 헥사데칸포스폰산, 옥타데칸포스폰산; 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 양자점은 소수성 유기 리간드를 단독으로 또는 1종 이상의 혼합물로 포함할 수 있다.
양자점들은 표면에 유기 리간드 (예컨대, C5 이상 또는 C10 이상 지방산 화합물, e.g., 올레산)와 함께 할로겐을 포함할 수 있다 (이하 '할로겐처리 양자점들'이라 함). 할로겐처리 양자점들에서 할로겐의 함량은 예컨대 이온 크로마토그래피에 의해 확인할 때, 양자점 1밀리그램(mg) 당 1마이크로그램(ug) 이상, 1.5 ug 이상, 3 ug 이상, 4 ug 이상, 5 ug 이상, 6 ug 이상, 7ug 이상, 8ug 이상, 9 ug 이상, 10 ug 이상, 11 ug 이상, 12 ug 이상, 12.5 ug 이상, 13 ug 이상, 14 ug 이상, 15 ug 이상, 16 ug 이상, 17 ug 이상, 18 ug 이상, 또는 19 ug 이상 및 30 ug 미만. 25 ug 이하, 20 ug 이하, 19. 5 ug 이하, 19 ug 이하, 18 ug 이하, 17 ug 이하, 15 ug 이하, 12.5 ug 이하, 또는 12 ug 이하일 수 있다. 할로겐은 염소일 수 있다.
할로겐 처리 양자점들의 제조 방법의 일 예는 표면에 제1 유기 리간드를 포함하는 복수개의 양자점들 및 제1 유기용매를 포함하는 유기 분산액을 얻는 단계; 제1 유기용매와 혼화 가능한 극성 유기 용매 및 금속 할로겐화물을 포함하는 염화물 용액을 얻는 단계; 및 양자점의 총 중량을 기준으로 금속 할로겐화물의 함량은 0.1 중량% 이상 및 10 중량% 이하가 되도록 염화물 용액을 유기 분산액에 부가하고, 약 45℃ 이상, 예컨대, 약 50℃ 이상, 약 55℃ 이상, 또는 약 60℃ 이상 및 약 150℃ 이하, 약 140℃ 이하, 약 100℃ 이하, 약 90℃ 이하, 약 80℃ 이하 또는 약 70℃ 이하의 온도에서 교반하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 유기 용매에 대한 극성 유기 용매의 부피 비율은 약 0.1 이하일 수 있다.
금속 할로겐화물(예컨대 금속 클로라이드)은 아연 할로겐화물, 인듐 할로겐화물, 갈륨 할로겐화물, 마그네슘 할로겐화물, 리튬 할로겐화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 유기용매는 치환 또는 비치환된 C5 내지 C40 지방족 탄화수소, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C40 방향족 탄화수소, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C40 지환족 탄화수소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 극성 유기 용매는 C1 내지 C10 알코올 (예를 들어, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올 등) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
발광층(13)은 단일층 또는 2층 이상이 적층된 다층 구조를 가질 수 있다. 다층 구조에서 인접하는 층들 (예컨대, 제1 발광층 및 제2 발광층)은 서로 상이한 물성/조성을 가질 수 있다. 일 예의 발광층(13) 중 적어도 한 층은 할로겐(예컨대 염소)을 더 포함할 수 있다. 일 예의 발광층(13)은 두께 방향으로 변화하는 할로겐 함량을 나타낼 수 있다.
일 예의 발광층(13)은 두께 방향을 따라 변하는 탄소 함량을 나타낼 수 있다. 일 예의 발광층(13)에서, 탄소 함량은 버퍼층(15)에 가까워질수록 증가할 수 있다. 일 예의 발광층(13)에서, 탄소 함량은 버퍼층(15)에 가까워질수록 감소할 수 있다.
일 예의 발광층(13)은 양자점을 포함하고 그 표면이 할로겐 (예컨대, 염소)으로 처리된 층 (이하, 표면처리된 제1 발광층 또는 제1층이라 함)을 포함할 수 있다. 제1층 위에는 할로겐 처리 양자점들을 포함하는 제2층 및/또는 유기 리간드를 가지는 양자점을 포함하는 제3층이 배치될 수 있다. 제2층은 제1층과 제3층 사이에 배치될 수 있다. 제1층의 유기물 (예컨대 탄소) 함량(예컨대 농도)은 제2층의 유기물 함량보다 낮을 수 있다. 제1층의 할로겐 (예컨대, 염소) 함량 (예컨대 농도)은 제2층의 할로겐 함량보다 높을 수 있다. 제1층의 유기물 함량은 제2층의 유기물 함량보다 높을 수 있다. 제1층의 할로겐 함량은 제2층의 유기물 함량보다 낮을 수 있다. 발광층(13)의 유기물 함량은 적절한 수단 (형성된 층에 대한 후처리)에 의해 조절할 수 있다.
발광층(13)은 비교적 깊은 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있으며, 예컨대 약 5.4eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 예컨대 약 5.6eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.7eV 이상, 예컨대 약 5.8eV 이상, 예컨대 약 5.9eV 이상, 예컨대 약 6.0eV 이상의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 발광층(13)의 HOMO 에너지 준위는 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.6eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.7eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.7eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.8eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.1eV의 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 6.0eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 6.0eV 내지 6.2eV일 수 있다.
발광층(13)은 비교적 얕은 LUMO 에너지 준위를 가질 수 있으며, 예컨대 약 3.6eV 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3.5eV 이하, 예컨대 약 3.4eV 이하, 예컨대 약 3.3eV 이하, 예컨대 약 3.2eV 이하 또는 예컨대 약 3.0eV 이하일 수 있다. 상기 범위 내에서 발광층(13)의 LUMO 에너지 준위는 약 2.5eV 내지 3.6eV, 약 2.5eV 내지 3.5eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.4eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.3eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.2eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.1eV, 예컨대 약 2.5eV 내지 3.0eV, 예컨대 약 2.8eV 내지 3.6eV, 약 2.8eV 내지 3.5eV, 예컨대 약 2.8eV 내지 3.4eV, 예컨대 약 2.8eV 내지 3.3eV, 예컨대 약 2.8eV 내지 3.2eV, 약 3.0eV 내지 3.6eV, 약 3.0eV 내지 3.5eV 또는 예컨대 약 3.0eV 내지 3.4eV 일 수 있다.
발광층(13)은 약 2.4eV 내지 2.9eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.4eV 내지 2.8eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.4eV 내지 2.78eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
발광층(13)의 두께는 약 200nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 5nm 내지 200nm, 약 10nm 내지 200nm, 약 20nm 내지 150nm, 약 20nm 내지 100nm, 약 30nm 내지 100nm, 약 20nm 내지 80nm 또는 약 30nm 내지 80nm 일 수 있다.
제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)은 제1 전극(11)과 발광층(13) 사이에 배치되어 제1 전극(11)과 발광층(13) 사이의 전기적 성능을 개선시키는 기능층일 수 있다. 예컨대 제1 정공 보조층(14)은 제1 전극(11)과 발광층(13) 사이에서 제1 전극(11)에 더 가깝게 위치할 수 있고 제2 정공 보조층(15)은 제1 전극(11)과 발광층(13) 사이에서 발광층(13)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 예컨대 제1 정공 보조층(140)은 제1 전극(11)과 맞닿아 있을 수 있고 제2 정공 보조층(150)은 발광층(13)과 맞닿아 있을 수 있다.
제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)은 제1 전극(11)으로부터 발광층(13)으로의 정공의 주입 및 수송을 높일 수 있으며, 예컨대 제1 정공 보조층(14)은 제1 전극(11)으로부터 정공의 주입을 높이는 정공 주입층일 수 있고 제2 정공 보조층(15)은 발광층(13)으로의 정공의 수송성을 높이는 정공 수송층일 수 있다. 제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15) 중 적어도 하나는 전자 차단 특성을 가질 수 있다.
제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)은 발광층(13)의 HOMO 에너지 준위와 매칭될 수 있도록 비교적 높은 HOMO 에너지 준위를 가질 수 있다. 이에 따라 제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)을 통과하여 발광층(13)으로 전달되는 정공의 이동성을 높일 수 있다.
제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)의 HOMO 에너지 준위는 발광층(13)의 HOMO 에너지 준위와 같거나 그보다 약 1.0eV 이하 범위 내에서 작을 수 있다. 예컨대 제2 정공 보조층(15)과 발광층(13)의 HOMO 에너지 준위의 차이는 약 0eV 내지 1.0eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.8eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.7eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.5eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 0.01eV 내지 0.4eV, 예컨대 약 0.01eV 내지 0.3eV, 예컨대 약 0.01eV 내지 0.2eV, 예컨대 약 0.01eV 내지 0.1eV 일 수 있다.
제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)의 HOMO 에너지 준위는 예컨대 약 5.0eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.2eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.6eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.8eV 이상일 수 있다.
예컨대 제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)의 HOMO 에너지 준위는 약 5.0eV 내지 7.0eV일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.2eV 내지 6.8eV, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5.4eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.4eV 내지 6.1eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.6eV 내지 6.1eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 7.0eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.8eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.7eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.5eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.3eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.2eV, 예컨대 약 5.8eV 내지 6.1eV일 수 있다.
제1 정공 보조층(14)과 제2 정공 보조층(15)은 1종 이상의 정공 수송 물질을 포함할 수 있으며, 정공 수송 물질은 예컨대 N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), N,N’-bis(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine (NPD), 4,4',4"-Tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine)(m-MTDATA), 4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA), 1,1-Bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane (TAPC), N2,N7-di(naphthalen-1-yl)-9,9-dioctyl-N2,N7-diphenyl-9H-fluorene-2,7-diamine (NPB), 2,7-bis(carbazol-9-yl)-9,9-spirobifluorene (Spiro-2CBP), 2,2',7,7'-Tetra(N,N-di-p-tolyl)amino-9,9-spirobifluorene (Spiro-TTB), 2,2',7,7'-Tetrakis(N,N-diphenylamino)-9,9-spirobifluorene (Spiro-TAD), 1,1-Bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane (TAPC), 4,4′-Bis(N-carbazolyl)-1,1′-biphenyl (CBP), 4,4’,4”-Tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine (2-TNATA), 1,3,5-tris(4-diphenylaminophenyl)benzene (TDAPB), 폴리(9,9-디옥틸-플루오렌-코-N-(4-부틸페닐)-디페닐아민) (Poly(9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), TFB), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 설포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), Spiro-PMATD, triphenylbismuth dichloride(TPBC), poly(triaryl amine)(PTAA), poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), poly[3-(5-carboxypentyl)thiophene-2,5-diyl](P3CPenT), poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)](PCPDT-t), poly(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxane-5,7-diyl)(PEDOT-S), poly ferric sulfate(PFS), CuI, Cu2O, CuO, CuS, NiOx, CuGaO2, CuPc, CuSCN, MoOx, MoS2, VOx, CoOx,그래핀옥사이드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전자 보조층(16a), 제2 전자 보조층(16b) 및 삽입층(16c)은 제2 전극(12)과 발광층(13) 사이에서 전기적 성능을 개선시키는 기능층일 수 있으며, 제2 전극(12)으로부터 발광층(13)으로의 전자의 수송을 높이고 발광층(13)으로부터 제2 전극(12)으로의 정공의 역주입을 차단할 수 있다.
제1 전자 보조층(16a)은 제2 전극(12)과 발광층(13) 사이에서 발광층(13)에 가깝게 위치할 수 있고 제2 전자 보조층(16b)은 제2 전극(12)과 발광층(13) 사이에서 제2 전극(12)에 가깝게 위치할 수 있다. 예컨대 제1 전자 보조층(16a)은 발광층(13)에 맞닿아 있을 수 있고 제2 전자 보조층(16b)은 제2 전극(12)에 맞닿아 있을 수 있다.
제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b)은 서로 같거나 다른 전자 보조 물질을 포함할 수 있고, 전자 보조 물질은 전자 수송 물질 및/또는 전자 주입 물질일 수 있다. 예컨대 제1 전자 보조층(16a)은 제1 전자 보조 물질을 포함할 수 있고 제2 전자 보조층(16b)은 제2 전자 보조 물질을 포함할 수 있으며, 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질은 같거나 다를 수 있다.
제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 LUMO 에너지 준위는 발광층(13)(발광층에 포함된 양자점)의 LUMO 에너지 준위보다 깊거나 얕을 수 있으며, 예컨대 깊을 수 있다. 제1 전자 보조 물질/제2 전자 보조 물질의 LUMO 에너지 준위와 발광층(13)(발광층에 포함된 양자점)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 2.5eV 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 2.3eV 이하, 약 2.0eV 이하 또는 약 1.8eV 이하일 수 있다. 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 LUMO 에너지 준위는 각각 예컨대 약 2.5 내지 4.8eV일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2.6 내지 4.6eV 또는 약 2.7 내지 4.5eV일 수 있다.
제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위는 발광층(13)(발광층에 포함된 양자점)의 HOMO 에너지 준위보다 깊을 수 있다. 예컨대 제1 전자 보조 물질/제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위는 발광층(13)(발광층에 포함된 양자점)의 HOMO 에너지 준위보다 약 0.2eV 이상, 약 0.5eV 이상, 약 0.8eV 이상, 약 1.0eV 이상, 약 1.2eV 이상 또는 약 1.5eV 이상 더 깊을 수 있으며, 예컨대 약 0.2eV 내지 3.0eV, 약 0.5eV 내지 3.0eV, 약 0.8eV 내지 3.0eV, 약 1.0eV 내지 3.0eV, 약 1.2eV 내지 3.0eV 또는 약 1.5eV 내지 3.0eV 더 깊을 수 있다.
예컨대 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위는 예컨대 약 5.6eV 내지 8.5eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 5.8eV 내지 8.2eV, 약 6.0eV 내지 8.0eV, 약 6.2eV 내지 8.0eV, 약 6.5eV 내지 8.0eV, 약 6.8eV 내지 8.0eV, 약 7.0eV 내지 8.0eV, 약 7.2eV 내지 7.9eV 또는 약 7.3eV 내지 7.8eV일 수 있다.
예컨대 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭은 약 2.0eV 이상 4.0eV 미만일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 2.1eV 내지 3.9eV, 약 2.3eV 내지 3.8eV 또는 약 2.5eV 내지 3.8eV 일 수 있다.
일 예로, 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질 중 적어도 하나는 무기 나노입자(이하 '제1 무기 나노입자'라 한다)를 포함할 수 있고, 제1 무기 나노입자는 예컨대 산화물 나노입자일 수 있고 예컨대 금속 산화물 나노입자일 수 있다. 예컨대 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질 각각은 제1 무기 나노입자를 포함할 수 있고, 제1 무기 나노입자는 예컨대 산화물 나노입자일 수 있고 예컨대 금속 산화물 나노입자일 수 있다. 일 예로, 제1 무기 나노입자는 2종류 이상의 금속을 포함한 금속 산화물 나노입자일 수 있다. 예컨대 제1 무기 나노입자는 무기 반도체일 수 있고, 예컨대 n형 무기 나노입자일 수 있다.
제1 무기 나노입자는 약 10nm 미만의 평균입경을 가진 2차원 또는 3차원 나노입자일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 6nm 이하, 약 5nm 이하, 약 4nm 이하 또는 약 3.5nm 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 약 1nm 이상 10nm 미만, 약 1nm 내지 9nm, 약 1nm 내지 8nm, 약 1nm 내지 7nm, 약 1nm 내지 6nm, 약 1nm 내지 5nm, 약 1nm 내지 4nm, 약 1nm 내지 3.5nm의 평균입경을 가질 수 있다.
제1 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위는 전술한 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위와 같을 수 있고, 예컨대 약 5.6eV 내지 8.5eV, 약 5.8eV 내지 8.2eV, 약 6.0eV 내지 8.0eV, 약 6.2eV 내지 8.0eV, 약 6.5eV 내지 8.0eV, 약 6.8eV 내지 8.0eV, 약 7.0eV 내지 8.0eV, 약 7.2eV 내지 7.9eV 또는 약 7.3eV 내지 7.8eV일 수 있다
제1 무기 나노입자의 LUMO 에너지 준위는 전술한 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 LUMO 에너지 준위와 같을 수 있고, 예컨대 약 2.5eV 내지 4.8eV, 약 2.6eV 내지 4.6eV 또는 약 2.7eV 내지 4.5eV일 수 있다.
제1 무기 나노입자의 에너지 밴드갭은 전술한 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭과 같을 수 있고, 예컨대 약 2.0eV 이상 4.0eV 미만, 약 2.1eV 내지 3.9eV, 약 2.3eV 내지 3.8eV 또는 약 2.5eV 내지 3.8eV 일 수 있다.
제1 무기 나노입자는 전술한 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택될 수 있으며, 예컨대 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 니켈(Ni), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 리튬(Li), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 주석(Sn) 및 바륨(Ba)에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속 산화물 나노입자일 수 있다.
일 예로, 제1 무기 나노입자는 아연(Zn)을 포함하는 금속 산화물 나노 입자를 포함할 수 있으며, 예컨대 Zn1-xQxO (0≤x<0.5)로 표현되는 금속 산화물 나노 입자를 포함할 수 있다. 여기서 Q는 Zn을 제외한 1종 이상의 금속으로, 예컨대 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 니켈(Ni), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 리튬(Li), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 주석(Sn), 하프늄(Hf), 규소(Si), 바륨(Ba) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로, Q는 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
일 예로, 0.01≤x≤0.4, 0.01≤x≤0.3 또는 0.01≤x≤0.2 일 수 있다.
제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질은 전술한 제1 무기 나노입자 외에 알칼리금속, 알칼리금속 화합물 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 알칼리금속, 알칼리금속 화합물 또는 이들의 조합은 전술한 제1 무기 나노입자와 혼합물 형태로 포함될 수 있으며, 제1 전자 보조층(16a) 및 제2 전자 보조층(16b) 내에서 제한된 함량으로 포함되어 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b)의 전기적 특성을 효과적으로 개선시킬 수 있다.
알칼리금속, 알칼리금속 화합물 또는 이들의 조합은 예컨대 알칼리금속의 양이온, 알칼리금속 화합물로부터 유래된 알칼리금속의 양이온 또는 이들의 조합의 형태로 포함될 수 있다. 알칼리금속 화합물은 알칼리금속을 포함하는 화합물일 수 있으며, 예컨대 알칼리 카보네이트, 알칼리 포스페이트, 알칼리 바나데이트, 알칼리 아자이드, 알칼리 나이트라이드 또는 이들의 조합일 수 있다.
알칼리금속 또는 알칼리금속 화합물에 포함된 알칼리금속은 예컨대 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 프랑슘(Fr) 또는 이들의 조합일 수 있고, 이러한 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 또는 프랑슘(Fr)은 각각 리튬 양이온, 나트륨 양이온, 칼륨 양이온, 세슘 양이온, 루비듐 양이온 또는 프랑슘 양이온 형태로 포함될 수 있다.
알칼리금속 화합물(예컨대, 알칼리금속 염)은 알칼리금속 양이온과 함께, 카보네이트(CO3 2-), 포스페이트(PO4 3-), 바나데이트(VO4 3-), 아자이드(N3 -) 또는 나이트라이드(N3-)과 같은 음이온을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 알칼리금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 프랑슘(Fr) 또는 이들의 조합일 수 있고, 알칼리금속 화합물은 세슘카보네이트(Cs2CO3), 세슘포스페이트(Cs3PO4), 세슘 바나데이트(Cs3VO4), 세슘 아자이드(CsN3), 리튬 카보네이트(LiCO3), 리튬 나이트라이드(Li3N), 소듐 카보네이트(Na2CO3), 포타슘 카보네이트(K2CO3), 루비듐 카보네이트(Rb2CO3) 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전자 보조층(16a) 및 제2 전자 보조층(16b) 내에서, 알칼리금속, 알칼리금속 화합물 또는 이들의 조합으로부터 유래되는 총 알칼리금속은 제1 무기 나노입자보다 적게 포함될 수 있으며, 예컨대 제1 전자 보조층(16a) 및 제2 전자 보조층(16b)의 각 층에 대하여 약 0.1 내지 30부피%로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 약 0.1 내지 25부피%, 약 0.1 내지 20부피%, 약 0.5 내지 18부피%, 약 1 내지 15부피% 또는 약 3 내지 15부피%로 포함될 수 있으며, 예컨대 알칼리금속, 알칼리금속 화합물 또는 이들의 조합으로부터 유래되는 총 알칼리금속은 제1 전자 보조층(16a) 및 제2 전자 보조층(16b)의 각 층에 포함된 총 원자 수에 대하여 약 0.5at% 미만일 수 있다.
일 예로, 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질은 동일한 물질일 수 있으며, 예컨대 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질은 전술한 제1 무기 나노입자를 공통적으로 포함할 수 있고, 예컨대 Zn1-xQxO (0≤x<0.5)로 표현되는 금속 산화물 나노 입자를 공통적으로 포함할 수 있고, 예컨대 Zn1-xQxO (0≤x<0.5)로 표현되는 금속 산화물 나노 입자와 알칼리금속, 알칼리금속 화합물 또는 이들의 조합을 공통적으로 포함할 수 있다.
제1 전자 보조층(16a) 및 제2 전자 보조층(16b)의 두께의 합은 약 80nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 5nm 내지 80nm, 약 10nm 내지 80nm, 약 15nm 내지 60nm 또는 약 20nm 내지 50nm 일 수 있다. 예컨대 제2 전자 보조층(16b)은 제1 전자 보조층(16a)보다 두꺼울 수 있고, 예컨대 제2 전자 보조층(16b)은 제1 전자 보조층(16a)보다 약 2배 이상 두꺼울 수 있고 상기 범위 내에서 약 2배 내지 10배 두꺼울 수 있다.
삽입층(16c)은 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b) 사이에 위치한다. 삽입층(16c)은 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b) 사이에 삽입되어 있을 수 있으며 삽입층(16c)의 일면은 제1 전자 보조층(16a)에 맞닿아 있고 삽입층(16c)의 다른 일면은 제2 전자 보조층(16b)에 맞닿아 있을 수 있다.
삽입층(16c)은 무기물을 포함할 수 있으며, 삽입층(16c)에 포함된 무기물은 전술한 제1 전자 보조층(16a)에 포함된 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조층(16b)에 포함된 제2 전자 보조 물질보다 전기적으로 절연 특성이 강한 무기물일 수 있다. 예컨대 삽입층(16c)에 포함된 무기물의 에너지 밴드갭은 제1 전자 보조층(16a)에 포함된 제1 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭 및 제2 전자 보조층(16b)에 포함된 제2 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭보다 각각 클 수 있다. 예컨대 무기물의 에너지 밴드갭은 약 4.5eV 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 4.5eV 내지 10.0eV, 약 5.0eV 내지 10.0eV, 약 5.5eV 내지 10.0eV, 약 6.0eV 내지 10.0eV, 약 6.5eV 내지 10eV 또는 약 7.0eV 내지 10.0eV 일 수 있다.
삽입층(16c)에 포함된 무기물은 제1 전자 보조층(16a)에 포함된 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조층(16b)에 포함된 제2 전자 보조 물질보다 정공 차단 특성이 강한 무기물일 수 있다. 예컨대 삽입층(16c)에 포함된 무기물의 HOMO 에너지 준위는 제1 전자 보조층(16a)에 포함된 제1 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위 및 제2 전자 보조층(16b)에 포함된 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위보다 각각 깊을 수 있으며, 예컨대 약 0.1eV 이상, 약 0.2eV 이상, 약 0.3eV 이상 또는 약 0.5eV 이상 더 깊을 수 있고 상기 범위 내에서 약 0.1eV 내지 5.0eV, 약 0.2eV 내지 5.0eV, 약 0.3eV 내지 5.0eV 또는 약 0.5eV 내지 5.0eV 더 깊을 수 있다.
예컨대 삽입층(16c)에 포함된 무기물의 HOMO 에너지 준위는 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위보다 깊다는 전제 하에, 약 6.0eV 내지 12eV, 약 6.5eV 내지 12eV, 약 7.0eV 내지 12eV, 약 7.5eV 내지 12eV, 약 8.0eV 내지 12eV 또는 약 8.5eV 내지 12eV 일 수 있다.
삽입층(16c)에 포함된 무기물의 LUMO 에너지 준위는 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질의 LUMO 에너지 준위와 같거나 그보다 얕을 수 있고, 예컨대 약 1.5eV 내지 4.5eV일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 2.0eV 내지 4.3eV, 약 2.0eV 내지 4.0eV, 약 2.0eV 내지 3.5eV 또는 약 2.0eV 내지 3.0eV 일 수 있다.
삽입층(16c)에 포함된 무기물은 상술한 에너지 밴드갭 및/또는 에너지 준위를 만족하는 무기 나노입자(이하 '제2 무기 나노입자'라 한다)일 수 있고, 제2 무기 나노입자는 예컨대 산화물 나노입자일 수 있고 예컨대 (준)금속 산화물 나노입자일 수 있다. 예컨대 제2 무기 나노입자는 비도전성 나노입자 및 비반도체성 나노입자일 수 있고, 예컨대 절연성 나노입자일 수 있다.
제2 무기 나노입자는 약 10nm 미만의 평균입경을 가진 2차원 또는 3차원 나노입자일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 6nm 이하, 약 5nm 이하, 약 4nm 이하 또는 약 3.5nm 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 약 1nm 이상 10nm 미만, 약 1nm 내지 9nm, 약 1nm 내지 8nm, 약 1nm 내지 7nm, 약 1nm 내지 6nm, 약 1nm 내지 5nm, 약 1nm 내지 4nm, 약 3nm 이상 10nm 미만, 약 3nm 내지 9nm, 약 3nm 내지 8nm, 약 3nm 내지 7nm, 약 3nm 내지 6nm, 약 3nm 내지 5nm, 약 4nm 이상 10nm 미만, 약 4nm 내지 9nm, 약 4nm 내지 8nm, 약 4nm 내지 7nm 또는 약 4nm 내지 6nm의 평균입경을 가질 수 있다.
제2 무기 나노입자의 에너지 밴드갭은 전술한 무기물의 에너지 밴드갭과 같을 수 있고, 예컨대 약 4.5eV 이상일 수 있고 상기 범위 내에서 약 4.5eV 내지 10.0eV, 약 5.0eV 내지 10.0eV, 약 5.5eV 내지 10.0eV, 약 6.0eV 내지 10.0eV, 약 6.5eV 내지 10.0eV 또는 약 7.0eV 내지 10.0eV일 수 있다.
제2 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위는 전술한 무기물의 HOMO 에너지 준위와 같을 수 있고, 예컨대 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질(제1 무기 나노입자)의 HOMO 에너지 준위보다 약 0.1eV 이상, 약 0.2eV 이상, 약 0.3eV 이상 또는 약 0.5eV 이상 더 깊을 수 있고 상기 범위 내에서 약 0.1eV 내지 5.0eV, 약 0.2eV 내지 5.0eV, 약 0.3eV 내지 5.0eV 또는 약 0.5eV 내지 5.0eV 더 깊을 수 있다. 제2 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위는 약 6.0eV 내지 12.0eV, 약 6.5eV 내지 12.0eV, 약 7.0eV 내지 12.0eV, 약 7.5eV 내지 12.0eV, 약 8.0eV 내지 12.0eV 또는 약 8.5eV 내지 12.0eV 일 수 있다.
제2 무기 나노입자의 LUMO 에너지 준위는 전술한 무기물의 LUMO 에너지 준위와 같을 수 있고, 예컨대 제1 전자 보조 물질과 제2 전자 보조 물질(예컨대 제1 무기 나노입자)의 LUMO 에너지 준위와 같거나 그보다 얕을 수 있고, 예컨대 약 1.5eV 내지 4.5eV, 약 2.0eV 내지 4.3eV, 약 2.0eV 내지 4.0eV, 약 2.0eV 내지 3.5eV 또는 약 2.0eV 내지 3.0eV 일 수 있다.
제2 무기 나노입자는 전술한 에너지 밴드갭 및 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택될 수 있으며, 예컨대 Si, Al, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, La 또는 이들의 조합을 포함하는 (준)금속 산화물 나노입자일 수 있다. 예컨대 제2 무기 나노입자는 실리카, 알루미나, 지르코니아 또는 이들의 조합일 수 있고, 예컨대 실리카일 수 있다.
삽입층(16c)은 전술한 물성을 가진 무기물(제2 무기 나노입자)을 포함함으로써 발광층(13)에서 재결합(recombination)되지 못한 잉여의 정공이 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b)을 그대로 통과하는 것을 차단하여 양자점 소자(10)의 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
구체적으로, 발광층(13)에서 재결합되지 못한 잉여의 정공은 발광층(13)을 통과하여 제1 전자 보조층(16a)의 트랩 사이트(trap sites)(예컨대 발광층(13)의 HOMO 에너지 준위와 유사한 에너지 준위에 위치)를 통하여 제1 전자 보조층(16a)으로 유입될 수 있다. 이러한 제1 전자 보조층(16a)의 트랩 사이트는 다양한 원인에 의해 형성될 수 있으며, 예컨대 제1 전자 보조층(16a)의 제1 무기 나노입자의 합성 과정에서 불가피하게 형성된 결함(defect)이나 제1 무기 나노입자의 표면에 위치한 댕글링 결합(dangling bond)에 의해 형성될 수 있으며, 이러한 결함 및/또는 댕글링 결합에 다수의 잉여 정공이 트랩될 수 있다.
만일 삽입층(16c)이 없다면, 제1 전자 보조층(16a)으로 유입된 잉여의 정공은 트랩 사이트에 축적되어 다량의 누설 전류(leakage current)를 유발하는 챠징(charging)이 발생하거나 제1 전자 보조층(16a) 및 제2 전자 보조층(16b)을 그대로 통과하여 전하의 누설을 발생시킴으로써 높은 누설 전류 및 수명 열화가 일어날 수 있다.
삽입층(16c)은 이러한 잉여 정공의 이동을 효과적으로 차단함으로써 누설 전류를 효과적으로 차단하고 수명 열화를 방지할 수 있다.
삽입층(16c)은 약 10nm 미만의 매우 얇은 두께를 가진 나노층일 수 있으며, 예컨대 약 1nm 내지 9nm, 약 1nm 내지 8nm, 약 1nm 내지 6nm, 약 1nm 내지 5nm, 약 2nm 내지 9nm, 약 2nm 내지 8nm, 약 2nm 내지 6nm, 약 2nm 내지 5nm, 약 3nm 내지 9nm, 약 3nm 내지 8nm, 약 3nm 내지 6nm 또는 약 3nm 내지 5nm의 두께를 가질 수 있다. 삽입층(16c)이 상기와 같이 매우 얇은 두께를 가짐으로써 제2 전극(12)으로부터 발광층(13)으로 이동하는 전자는 터널링 효과(tunneling effect)에 의해 쉽게 이동할 수 있어서 전자 수송성에 영향을 미치지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 구현예에 따른 양자점 소자(10)는 발광층(13)과 제2 전극(12) 사이에 제1 전자 보조층(16a), 삽입층(16c) 및 제2 전자 보조층(16b)이 차례로 개재된 구조를 가짐으로써 발광층(13)에서 재결합되지 못한 잉여 정공이 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b)을 그대로 통과하는 것을 차단하여 누설 전류를 차단하거나 줄여 양자점 소자(10)의 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
만일 삽입층(16c)이 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b) 사이가 아닌 발광층(13)과 제1 전자 보조층(16a) 사이에 위치하는 경우, 발광층(13)에서 재결합되지 못한 잉여 정공이 (삽입층(16c)의 높은 에너지 장벽으로 인하여) 발광층(13)과 삽입층(16c)의 계면에 축적될 수 있고 이와 같이 발광층(13)과 삽입층(16c)의 계면에 축적된 잉여 정공은 제2 전극(12)으로부터 발광층(13)으로 이동하는 전자와 계면에서 비정상적으로 결합하여 비발광 엑시톤을 생성할 수 있다. 이러한 잉여 정공 및/또는 비발광 엑시톤은 발광층(13)의 계면을 직접적으로 열화시킬 수 있어서 양자점 소자(10)의 누설 통로(leakage path)가 되어 결국 양자점 소자(10)의 수명 특성 및 전기적 특성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 구현예에 따른 양자점 소자(10)에서는 삽입층(12c)이 발광층(13)과 직접 접하고 있지 않고 제1 전자 보조층(16a)과 제2 전자 보조층(16b) 사이에 개재(삽입)됨으로써 전술한 양자점 소자(10)의 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
일 예로, 삽입층(16c)은 발광층(13)과 제2 전극(12) 사이 중 발광층(13) 측에 더 가깝게 위치할 수 있으며, 예컨대 제2 전자 보조층(16b)의 두께는 제1 전자 보조층(16a)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
일 예로, 제1 전자 보조층(16a)의 두께는 삽입층(16c)의 두께와 같거나 그보다 두꺼울 수 있고, 제2 전자 보조층(16b)의 두께는 제1 전자 보조층(16a)과 삽입층(16c)보다 각각 두꺼울 수 있다. 예컨대 제2 전자 보조층(16b)은 제1 전자 보조층(16a)보다 약 2배 이상 두꺼울 수 있으며, 예컨대 약 2배 내지 10배 두꺼울 수 있다. 예컨대 제1 전자 보조층(16a)과 삽입층(16c)의 두께는 각각 약 1nm 이상 10nm 미만일 수 있고, 제2 전자 보조층(16b)은 약 5nm 내지 78nm 일 수 있다.
전술한 양자점 소자(10)의 제조 방법은 기판(도시하지 않음) 위에 제1 전극(11)을 형성하는 단계, 제1 정공 보조층(14) 및 제2 정공 보조층(15)을 형성하는 단계, 발광층(13)을 형성하는 단계, 제1 전자 보조층(16a), 삽입층(16c) 및 제2 전자 보조층(16b)을 차례로 형성하는 단계, 그리고 제2 전극(12)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
발광층(13), 제1 정공 보조층(14), 제2 정공 보조층(15), 제1 전자 보조층(16a), 삽입층(16c) 및 제2 전자 보조층(16b)은 용액 공정으로 형성될 수 있으며, 예컨대 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 분사 및/또는 닥터 블레이드 코팅에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때 인접한 층을 용액 공정으로 형성시 용매 선택성을 고려하여 인접한 층들은 서로 다른 용매를 포함한 용액으로 형성될 수 있다.
발광층(13), 제1 정공 보조층(14), 제2 정공 보조층(15), 제1 전자 보조층(16a), 삽입층(16c) 및 제2 전자 보조층(16b)을 형성하는 각 단계 중 적어도 일부는 용액 공정 후 선택적으로 건조하는 단계 및/또는 열처리하는 단계를 더 수행할 수 있으며, 열처리하는 단계는 예컨대 약 50 내지 300℃에서 약 1분 내지 10시간 범위 내에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 양자점 소자(10)는 예컨대 표시 장치 또는 조명 장치 등의 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전술한 양자점 소자(10)는 발광이 요구되는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 TV, 모니터, 컴퓨터, 모바일 등의 표시 장치 또는 광원과 같은 조명 장치 등 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
양자점 분산액의 합성
합성예 1: 청색 발광 양자점의 합성 1
(1) ZnTeSe 양자점 분산액의 합성
셀레늄(Se) 및 텔루리움(Te)을 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine, TOP)에 분산시켜 2M의 Se/TOP stock solution 및 0.1M의 Te/TOP stock solution을 얻는다.
아연 아세테이트(zinc acetate) 0.125mmol을 올레익산 (Oleic acid) 0.25 mmol 및 헥사데실아민 0.25mmol과 함께 트리옥틸아민 10mL를 반응기에 넣고 진공 하에 120℃로 가열한다. 1시간 후 반응기 내 분위기를 질소로 전환한다.
240℃로 가열한 후 위에서 준비한 Se/TOP stock solution과 Te/TOP stock solution을 Te/Se 몰 비율을 1/20으로 신속히 주입한다. 300℃로 온도 상승 후 30분 동안 유지하고 상온으로 신속하게 식힌 반응 용액에 아세톤을 넣고 원심 분리하여 얻은 침전물을 톨루엔에 분산시켜 ZnTeSe 양자점 분산액을 얻는다.
(2) 코어-쉘 양자점 분산액의 합성
10mL 플라스크에 트리옥틸아민(trioctylamine)을 넣는다. 여기에 아연아세테이트 0.6mmol과 올레산 1.2mmol을 넣고 120℃에서 10분간 진공 처리한다. 이어서 질소(N2)로 상기 플라스크 내를 치환한 후 여기에 상기에서 얻은 ZnTeSe 양자점 분산액을 신속히 주입하고 2M의 Se/TOP 및 1M의 S/TOP를 Se:S 몰 비율을 1.2:2.8로 주입하고 340℃로 승온하여 반응을 수행한다. 상기 반응이 모두 끝난 후 반응기를 냉각하고, 제조된 나노결정을 에탄올로 원심 분리하고 톨루엔에 분산시켜 코어-쉘 양자점 분산액을 얻는다.
합성예 2: 청색 발광 양자점의 합성 2
ZnTeSe 양자점 분산액 제조시 Te/Se 몰 비율을 1/20 대신 1/15로 사용한 것을 제외하고 합성예 1과 동일한 방법으로 합성하여 코어-쉘 양자점 분산액을 얻는다.
전자 보조층용 분산액의 준비
제조예 1
마그네슘 아세테이트 테트라하이드레이트 (magnesium acetate tetrahydrate) 0.93mmol, 아연 아세테이트 다이하이드레이트(zinc acetate dihydrate) 8.07mmol 및 다이메틸설폭사이드 90mL를 반응기에 넣고 공기 중에서 60℃로 가열한다. 이어서 테트라메틸암모늄 하이드록시드 펜타하이드레이트 (tetramethylammonium hydroxide pentahydrate) 15mmol을 30mL 에탄올에 녹인 후 분당 3mL씩 상기 반응기에 dropwise 한다. 1시간 교반 후 제조된 Zn0.85Mg0.15O 나노입자와 에틸 아세테이트(ethyl acetate)를 1:9(부피비)의 비율로 원심 분리하고 에탄올에 1중량% 농도로 분산시켜 Zn0.85Mg0.15O 나노입자 분산액을 얻는다. UT F30 Tecnai electron microscope으로 측정된 Zn0.85Mg0.15O 나노입자의 평균입경크기는 약 3.0nm이다.
이와 별개로, 에탄올 6ml에 Rb2CO3 0.06mg을 넣고 마그네틱 바로 밤새(6시간 이상) 교반하여 Rb2CO3 용액(농도 0.01 mg/mL)을 준비한다.
이어서 상기에서 얻은 Zn0.85Mg0.15O 나노입자 분산액과 Rb2CO3 용액을 5:1(부피비)로 혼합하여 전자 보조층용 분산액을 준비한다.
삽입층용 분산액의 준비
제조예 2
시판용 실리카(NexSilTM 5 Colloidal Silica)를 0.5wt% 비율로 물에 희석하여 실리카 분산액을 준비한다.
양자점 소자의 제조
실시예 1
ITO (WF: 4.8eV, 제1 전극)가 증착된 유리기판에 UV-오존으로 표면 처리를 15분간 수행한 후, PEDOT:PSS 용액(H.C. Starks)을 스핀 코팅하고 Air 분위기에서 150℃에서 10분간 열처리하고, 다시 N2 분위기에서 150℃에서 30분간 열처리하여 30nm 두께의 하부 정공 보조층(HOMO: 5.3eV, LUMO: 2.7eV)을 형성한다. 이어서 하부 정공 보조층 위에 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일-코-(4,4’-(N-4-부틸페닐)디페닐아민] 용액(TFB)(Sumitomo)을 스핀 코팅하고 150℃에서 30분간 열처리하여 25nm 두께의 상부 정공 보조층(HOMO: 5.6eV, LUMO: 2.69eV)을 형성한다. 이어서 상부 정공 보조층 위에 합성예 1에 따른 코어-쉘 양자점 분산액 (피크 발광 파장: 461nm)을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 28nm 두께의 발광층(HOMO: 5.8eV, LUMO: 3.1eV, Eg: 2.7eV)을 형성한다. 이어서 발광층 위에 제조예 1에 따른 전자 보조층용 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 5nm 두께의 하부 전자 보조층(HOMO: 7.8eV, LUMO: 4.3eV, Eg: 3.5eV)을 형성한다. 이어서 하부 전자 보조층 위에 제조예 2에 따른 실리카 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 10분간 열처리하여 5nm 두께의 삽입층(HOMO: 9.0 eV, LUMO: 3.0 eV, Eg: 6.0 eV)을 형성한다. 이어서 삽입층 위에 제조예 1에 따른 전자 보조층용 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 15nm 두께의 상부 전자 보조층(HOMO: 7.8eV, LUMO: 4.3eV, Eg: 3.5eV)을 형성한다. 이어서 상부 전자 보조층 위에 알루미늄(Al) 100nm를 진공 증착하여 제2 전극(WF: 4.2eV)을 형성하여, 양자점 소자를 제조한다.
비교예 1-1
삽입층을 포함하지 않고 발광층 위에 제조예 1에 따른 전자 보조층용 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 25nm 두께의 전자 보조층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 양자점 소자를 제조한다.
비교예 1-2
ITO (WF: 4.8eV, 제1 전극)가 증착된 유리기판에 UV-오존으로 표면 처리를 15분간 수행한 후, PEDOT:PSS 용액(H.C. Starks)을 스핀 코팅하고 Air 분위기에서 150℃에서 10분간 열처리하고, 다시 N2 분위기에서 150℃에서 30분간 열처리하여 30nm 두께의 하부 정공 보조층(HOMO: 5.3eV, LUMO: 2.7eV)을 형성한다. 이어서 하부 정공 보조층 위에 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일-코-(4,4’-(N-4-부틸페닐)디페닐아민] 용액(TFB)(Sumitomo)을 스핀 코팅하고 150℃에서 30분간 열처리하여 25nm 두께의 상부 정공 보조층(HOMO: 5.6eV, LUMO: 2.69eV)을 형성한다. 이어서 상부 정공 보조층 위에 합성예 1에 따른 코어-쉘 양자점 분산액 (피크 발광 파장: 461nm)을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 28nm 두께의 발광층(HOMO: 5.8eV, LUMO: 3.1eV, Eg: 2.7eV)을 형성한다. 이어서 발광층 위에 제조예 2에 따른 실리카 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 10분간 열처리하여 5nm 두께의 삽입층(HOMO: 9.0 eV, LUMO: 3.0 eV, Eg: 6.0 eV)을 형성한다. 이어서 삽입층 위에 제조예 1에 따른 전자 보조층용 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 20nm 두께의 전자 보조층(HOMO: 7.8eV, LUMO: 4.3eV, Eg: 3.5eV)을 형성한다. 이어서 전자 보조층 위에 알루미늄(Al) 100nm를 진공 증착하여 제2 전극(WF: 4.2eV)을 형성하여, 양자점 소자를 제조한다.
실시예 2
합성예 1에 따른 코어-쉘 양자점 분산액 (피크 발광 파장: 461nm) 대신 합성예 2에 따른 코어-쉘 양자점 분산액 (피크 발광 파장: 476nm)을 사용하여 발광층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 양자점 소자를 제조한다.
비교예 2-1
삽입층을 포함하지 않고 발광층 위에 제조예 1에 따른 전자 보조층용 분산액을 스핀 코팅하고 80℃에서 30분간 열처리하여 25nm 두께의 전자 보조층을 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 양자점 소자를 제조한다.
비교예 2-2
발광층 위에 하부 전자 보조층(5nm)/삽입층(5nm)/상부 전자 보조층(15nm)을 차례로 형성하는 대신 비교예 1-2에 기재된 바와 같이 발광층 위에 삽입층(5nm)/전자 보조층(20nm)을 차례로 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 양자점 소자를 제조한다.
평가
실시예와 비교예에 따른 양자점 소자의 전기적 특성, 발광 특성 및 수명 특성을 평가한다.
양자점 소자의 특성은 전류-전압-휘도 측정 장비(Keithley 2200, Minolta CS200)를 사용하여 측정한다.
수명 특성은 양자점 소자의 휘도가 650nit를 보이는 조건에 맞는 전류를 주입하면서 초기 휘도에 대한 휘도 감소량으로부터 평가하며, T90은 초기 휘도에 대하여 90%의 휘도를 나타내는 시간으로 평가한다.
그 결과는 표 1, 2와 같다.
실시예 1 비교예 1-1 비교예 1-2
EQEmax 7.4 5.4 7.5
Lummax 49931 46825 52861
EQE@10000nit 6.2 4.8 6.4
Cd/Amax 7.1 5.4 7.1
T90 (@650nit) 82 45 26
실시예 2 비교예 2-1 비교예 2-2
EQEmax 5.5 4.9 5.2
Lummax 69079 56416 41041
EQE@10000nit 4.9 3.6 3.3
Cd/Amax 7.9 7.3 7.4
T90 (@650nit) 135 109 55
표 1, 2를 참고하면, 실시예에 따른 양자점 소자는 비교예에 따른 양자점 소자와 비교하여 개선된 전기적 특성, 발광 특성 및 수명 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 양자점 소자
11: 제1 전극
12: 제2 전극
13: 발광층
14, 15: 제1, 제2 정공 보조층
16a: 제1 전자 보조층
16b: 제2 전자 보조층
16c: 삽입층

Claims (20)

  1. 제1 전극과 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 양자점을 포함하는 발광층,
    상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 발광층에 가깝게 위치하고 제1 전자 보조 물질을 포함하는 제1 전자 보조층,
    상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 제2 전극에 가깝게 위치하고 제2 전자 보조 물질을 포함하는 제2 전자 보조층, 그리고
    상기 제1 전자 보조층과 상기 제2 전자 보조층 사이에 위치하고 무기물을 포함하는 삽입층
    을 포함하고,
    상기 무기물의 HOMO 에너지 준위는 상기 제1 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위와 상기 제2 전자 보조 물질의 HOMO 에너지 준위보다 각각 깊은 양자점 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 무기물의 에너지 밴드갭은 상기 제1 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭 및 상기 제2 전자 보조 물질의 에너지 밴드갭보다 각각 큰 양자점 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 무기물은 4.5eV 이상의 에너지 밴드갭을 가진 무기 나노입자인 양자점 소자.
  4. 제3항에서,
    상기 무기 나노입자는 Si, Al, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, La 또는 이들의 조합을 포함하는 (준)금속 산화물 나노입자인 양자점 소자.
  5. 제1항에서,
    상기 무기물은 실리카인 양자점 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 전자 보조 물질과 상기 제2 전자 보조 물질은 각각 n형 무기 나노입자를 포함하는 양자점 소자.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 전자 보조 물질과 상기 제2 전자 보조 물질은 각각 Zn1-xQxO (여기서, Q는 Zn을 제외한 1종 이상의 금속이고, 0≤x<0.5이다)로 표현되는 n형 무기 나노입자를 포함하는 양자점 소자.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 전자 보조 물질과 상기 제2 전자 보조 물질은 서로 동일한 양자점 소자.
  9. 제1항에서,
    상기 삽입층의 두께는 1nm 이상 10nm 미만인 양자점 소자.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 전자 보조층의 두께는 상기 삽입층의 두께와 같거나 두껍고,
    상기 제2 전자 보조층의 두께는 상기 제1 전자 보조층의 두께보다 두꺼운 양자점 소자.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 전자 보조층은 상기 제1 전자 보조층보다 2배 내지 10배 두꺼운 양자점 소자.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 전자 보조층과 상기 삽입층은 각각 1nm 이상 10nm 미만의 두께를 가지고,
    상기 제2 전자 보조층은 상기 제1 전자 보조층보다 두꺼운 양자점 소자.
  13. 제1 전극과 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 양자점을 포함하는 발광층,
    상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 발광층에 가깝게 위치하고 제1 무기 나노입자를 포함하는 제1 전자 보조층,
    상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에서 상기 제2 전극에 가깝게 위치하고 상기 제1 무기 나노입자를 포함하는 제2 전자 보조층, 그리고
    상기 제1 전자 보조층과 상기 제2 전자 보조층 사이에 위치하고 제1 무기 나노입자의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가진 제2 무기 나노입자를 포함하는 삽입층
    을 포함하는 양자점 소자.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 무기 나노입자의 에너지 밴드갭은 2.0eV 이상 4.0eV 미만이고,
    상기 제2 무기 나노입자의 에너지 밴드갭은 4.5eV 내지 10.0eV인
    양자점 소자.
  15. 제13항에서,
    상기 제2 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위는 상기 제1 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위보다 깊은 양자점 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 제2 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위와 상기 제1 무기 나노입자의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.1eV 내지 5.0eV인 양자점 소자.
  17. 제13항에서,
    상기 제1 무기 나노입자는 Zn1-xQxO (여기서, Q는 Zn을 제외한 1종 이상의 금속이고, 0≤x<0.5이다)로 표현되는 산화물 나노입자이고,
    상기 제2 무기 나노입자는 Si, Al, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, La 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물 나노입자인
    양자점 소자.
  18. 제13항에서,
    상기 삽입층의 두께는 1nm 내지 8nm인 양자점 소자.
  19. 제18항에서,
    상기 제1 전자 보조층의 두께는 1nm 이상 10nm 미만이고,
    상기 제2 전자 보조층은 상기 삽입층보다 두꺼운
    양자점 소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 양자점 소자를 포함하는 전자 장치.
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