WO2024181858A1 - 2d 발광 박막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널 - Google Patents

2d 발광 박막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널 Download PDF

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WO2024181858A1
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thin film
light
emitting
layer
quantum well
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PCT/KR2024/095462
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이연진
박지홍
김기태
박준우
김준호
정광현
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연세대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic light-emitting element covered by group H10K50/00
    • H10K59/10—OLED displays
    • H10K59/12—Active-matrix OLED [AMOLED] displays
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a 2D luminescent thin film, a method for manufacturing the same, a luminescent element and a display panel including the same, and more specifically, to a 2D luminescent thin film having excellent luminescent properties and being easy to manufacture, a method for manufacturing the same, and a luminescent element and a display panel including the same.
  • the light-emitting element is a key element that constitutes the pixels of the display and is made of a photodiode with a PIN (P type-Intrinsic-N type) structure.
  • Representative light-emitting elements include LEDs (Light Emitting Diodes) and OLEDs (Organic Light Emitting Diodes).
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • OLEDs Organic Light Emitting Diodes
  • the performance of the blue light-emitting element is lower than that of the red and green light-emitting elements, and its stability is low, making it difficult to implement full-color displays.
  • LEDs require that light-emitting elements be manufactured in micro units to implement high-resolution displays. In the case of displays using micro LEDs, pixels must be implemented by transferring separately manufactured micro LEDs, which limits productivity.
  • the background technology described above is technical information that the inventor possessed for deriving the present invention or acquired during the process of deriving the present invention, and cannot necessarily be considered as publicly known technology disclosed to the general public prior to the application of the present invention.
  • One embodiment of the present invention aims to provide a 2D luminescent thin film having excellent luminescent properties, a luminescent element including the same, and a display panel.
  • Another embodiment of the present invention aims to provide a method for manufacturing a 2D light-emitting thin film with excellent productivity, a light-emitting element, and a display panel.
  • a 2D light-emitting thin film includes a quantum well layer, which is a 2D thin film including a semiconductor material and having an atomic layer unit, and an organic barrier layer on the quantum well layer.
  • the quantum well layer may include a metal and a bonding element covalently bonded to the metal.
  • the metal may include at least one of silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), ytterbium (Yb), nickel (Ni), vanadium (V), molybdenum (Mo), bismuth (Bi), titanium (Ti), tungsten (W), zirconium (Zr), indium (In), tin (Sn), hafnium (Hf), tantalum (Ta), gallium (Ga), europium (Eu), gadolinium (Gd), yttrium (Y), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), iridium (Ir), palladium (Pd), and rhodium (Rh).
  • the binding element may include at least one of Group 15 (nickel), Group 16 (chalcogen), and Group 17 (halogen) elements.
  • the organic barrier layer may include an organic functional group that is bonded to another adjacent organic barrier layer through van der Waals interaction.
  • the 2D luminescent thin film may include at least one grain having a size of 0.1 ⁇ m or more on a plane.
  • the full width at half maximum (FWHM) for the emission wavelength may be 20 nm or less.
  • a method for manufacturing a 2D light-emitting thin film includes the steps of forming a metal layer, and the steps of providing a precursor including a binding element and an organic functional group to the metal layer to induce self-conversion, thereby forming a 2D light-emitting thin film including a quantum well layer, which is a 2D thin film in atomic layer units, and an organic barrier layer on the quantum well layer.
  • the step of forming the 2D luminescent thin film may include the step of vaporizing the precursor together with an auxiliary solvent and providing it to the metal layer.
  • the auxiliary solvent may be a polar solvent or a nonpolar solvent capable of acting as a catalyst for the reaction of the metal and the organic reactor.
  • the binding element may include at least one of Group 15 (nickel), Group 16 (chalcogen), and Group 17 (halogen) elements.
  • a step of oxidizing the metal layer may be further included.
  • the step of forming the 2D luminescent thin film may include a step of discharging by-products generated in the self-conversion process.
  • the step of forming the metal layer may include the step of forming the patterned metal layer
  • the step of forming the 2D light-emitting thin film may include the step of forming the patterned 2D light-emitting thin film by providing the precursor to the patterned metal layer to induce self-conversion.
  • a light-emitting element includes an anode, a cathode corresponding to the anode, and a quantum well layer inserted between the anode and the cathode, which is a 2D light-emitting thin film having an atomic layer unit and includes a semiconductor material, and an organic barrier layer on the quantum well layer.
  • the 2D light-emitting thin film includes a plurality of quantum well layers having different band gaps, and the plurality of quantum well layers can be stacked with the organic barrier layer interposed therebetween.
  • a display panel includes an electrode array including an anode and a cathode, and a quantum well layer disposed between the anode and the cathode of the electrode array, the quantum well layer being a 2D thin film having an atomic layer unit and including a semiconductor material, and a 2D light-emitting thin film including an organic barrier layer on the quantum well layer.
  • the 2D light-emitting thin film includes a plurality of 2D light-emitting thin film elements that emit light of different wavelengths, and the plurality of 2D light-emitting thin film elements can be grouped to form a pixel.
  • the quantum well layers of the plurality of 2D light-emitting thin film elements may be different from each other.
  • the organic barrier layers of the plurality of 2D light-emitting thin film elements may be different from each other.
  • the 2D light-emitting thin film is a light-emitting thin film having a multi-quantum well structure in which a quantum well layer and an organic barrier layer are laminated and has a direct band gap, so that sufficiently excellent light-emitting characteristics can be provided despite its thin thickness.
  • the method for manufacturing a 2D light-emitting thin film can provide a 2D light-emitting thin film by forming a metal layer and then providing a precursor to induce self-conversion, so that it is compatible with the existing display process and can manufacture a light-emitting element economically.
  • the 2D light-emitting thin film can control the band gap by appropriately selecting the types of metal elements and precursors, thereby controlling the light emission wavelength, so that a light-emitting element that emits light of a desired wavelength can be easily manufactured, and a full-color display panel can be easily manufactured.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are conceptual diagrams for explaining a 2D luminescent thin film according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a process flow diagram for explaining a method for manufacturing a 2D luminescent thin film according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a conceptual diagram explaining a method for manufacturing the 2D luminescent thin film of Figure 3.
  • Figure 5 is a conceptual diagram explaining a light-emitting element according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a conceptual diagram explaining a light-emitting element according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a light-emitting element according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a photograph and SEM image of the self-conversion step of a 2D luminescent thin film according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 is SEM images of 2D luminescent thin films according to embodiments of the present invention formed on various substrates.
  • Figure 10 shows SEM images of 2D luminescent thin films according to embodiments of the present invention.
  • Figure 11 shows the results of measuring the emission spectrum and brightness of 2D light-emitting thin films and light-emitting elements according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are conceptual diagrams for explaining a 2D luminescent thin film according to one embodiment of the present invention.
  • the 2D light-emitting thin film of the present invention may be a laminate composed of a two-dimensional thin film in atomic layer units similar to graphene.
  • the 2D light-emitting thin film of the present invention includes a quantum well layer (110) and an organic barrier layer (120).
  • the quantum well layer (110) includes a metal (111) and a bonding element (113).
  • the metal (111) and the bonding element (113) form a covalent bond and have semiconductor properties.
  • the metal (111) includes at least one of silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), ytterbium (Yb), nickel (Ni), vanadium (V), molybdenum (Mo), bismuth (Bi), titanium (Ti), tungsten (W), zirconium (Zr), indium (In), tin (Sn), hafnium (Hf), tantalum (Ta), gallium (Ga), europium (Eu), gadolinium (Gd), yttrium (Y), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), iridium (Ir), palladium (Pd), and rhodium (Rh).
  • the metal (111) may include the above-described elements alone, include two or more compounds or mixtures thereof, or include oxides thereof.
  • the bonding element (113) is an element capable of covalent bonding with the metal (111), and includes at least one of elements of Group 15 (nickel), Group 16 (chalcogen), and Group 17 (halogen) in the periodic table.
  • the bonding element (113) may include at least one of nickel, such as nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), chalcogens, such as oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), or halogens, such as fluorine (F), chlorine (Cl), beryllium (Be), and iodine (I).
  • the metal (111) and the bonding element (113) are mutually bonded to have relatively large grains, for example, the quantum well layer (110) may have grains of 0.1 ⁇ m or more on a plane.
  • the organic barrier layer (120) is bonded to the quantum well layer (110).
  • the organic material of the organic barrier layer (120) can be covalently bonded to the bonding element (113) of the quantum well layer (110). Since the quantum well layer (110) is a thin film with a 2D structure, the organic material of the organic barrier layer (110) that is covalently bonded to the element of the quantum well layer (110) is also formed with a 2D structure.
  • the organic barrier layer (120) is bonded to the quantum well layer (110) on the upper or lower surface of the quantum well layer (110).
  • a first organic barrier layer (120) is bonded to the upper surface of the quantum well layer (110)
  • a second organic barrier layer is bonded to the lower surface of the quantum well layer (110).
  • An organic functional group may exist at the organic outer terminal of the organic barrier layer (120).
  • the organic functional group of the organic barrier layer (120) is bonded to other adjacent organic functional groups through van der Waals interactions.
  • the organic functional group of the organic barrier layer (120) may be selected without limitation as long as it is a functional group capable of van der Waals interactions with the organic functional group of the adjacent organic barrier layer (120).
  • the 2D light-emitting thin film of the present invention forms a multi-quantum well structure as quantum well layers (110) and organic barrier layers (120) are alternately laminated as 2D thin films in atomic layer units.
  • the quantum well layer (110) has a direct band gap consisting of a maximum valence band and a minimum conduction band.
  • the quantum well layer (110) provides a large exciton binding energy, and the quantum well layer (110) and the organic barrier layer (120) stably maintain a 2D structure through covalent bonding, thereby forming a stable multi-quantum well structure to provide excellent luminescence efficiency.
  • the full width at half maximum (FWHM) for the emission wavelength may be 20 nm or less.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention has an advantage in that the band gap can be controlled according to the combination of the metal (111) and the bonding element (113), and the charge-donation characteristics can be controlled by diversifying the organic functional group of the organic barrier layer (120), thereby allowing precise control of the band gap.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention can control the band gap through a combination of a metal (111) and a bonding element (113), the wavelength of the light-emitting element can be easily controlled, and since the band gap can be precisely controlled by controlling the organic functional group of the organic barrier layer (120), the color reproducibility can be precisely controlled with greater excellence, so that it can provide a strong advantage in the display industry.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention forms a multi-quantum well structure with a quantum well layer (110) having direct band gap characteristics interposed between an organic barrier layer (120), it can have superior light-emitting characteristics compared to other 2D light-emitting thin films having indirect band gap characteristics.
  • the quantum well layer (110) and the organic barrier layer (120) are bonded by covalent bonds, and the organic barrier layers (120) are bonded by van der Waals interactions, so that a stable 2D structure can be formed, and the structure can be stably maintained even when exposed to heat, moisture, light, etc., and the light-emitting characteristics of the 2D light-emitting thin film can be stably maintained.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention has a multi-quantum well structure, so that lights of various wavelengths are driven by the same light-emitting mechanism, and thus light is emitted with substantially similar quantum efficiency, and the lifespan of each light-emitting element can be made uniform.
  • the blue light-emitting layer has a fluorescence emission mechanism, the external quantum efficiency decreases with the usage time, so there is a disadvantage that the blue light-emitting element has a shorter lifespan than other light-emitting elements.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention all emits light by the same mechanism, the blue, green, and red light-emitting thin films can have substantially the same light-emitting characteristics and lifespan characteristics.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention can be manufactured through self-conversion, and the method for manufacturing the 2D light-emitting thin film of the present invention can be easily manufactured regardless of the lower template including the substrate, and has the advantage of being easily applicable to the existing display light-emitting element manufacturing process.
  • FIG. 3 is a process flow diagram for explaining a method for manufacturing a 2D luminescent thin film according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a conceptual diagram explaining a method for manufacturing the 2D luminescent thin film of Figure 2.
  • the method for manufacturing a 2D light-emitting thin film of the present invention first forms a metal layer (S210).
  • the metal layer (30) can be formed by depositing the above-described metal elements on the substrate (10).
  • the metal layer (30) can be formed by applying various deposition methods such as sputtering, chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD), and any known thin film deposition technique can be used.
  • the substrate (10) is a layer that functions as a base on which a metal layer (30) is deposited, and if it is a layer that functions as an electrode, it can be composed of various materials.
  • the substrate (10) can be composed of a transparent conductive substrate with excellent transmittance so that light generated from the 2D light-emitting thin film can be transmitted.
  • an additional thin film may be formed prior to forming the metal layer (30) to maximize luminous efficiency.
  • a charge injection layer or a charge transport layer may be formed under the metal layer (30). The following description will be based on an example in which the metal layer (30) is formed directly on the substrate (10).
  • the method for manufacturing a 2D light-emitting thin film of the present invention then provides a precursor to a metal layer to induce self-conversion to form a 2D light-emitting thin film (S220).
  • a precursor (PC) is provided on a metal layer (30).
  • the precursor (PC) includes an organic substance having a binding element and an organic functional group.
  • the precursor (PC) may be composed of a precursor in the form of an organic substance including a binding element and an organic functional group combined, such as an organic nictogenide precursor, an organic chalcogenide precursor, an organic halogenide precursor, etc.
  • the precursor (PC) may be provided together with a co-solvent.
  • the co-solvent is a composition that interacts with the metal atoms in the metal layer (30) to form a metal-solvent complex and increases the distance between the metal atoms, and a solvent that can act as a catalyst for the reaction of the organic reactor of the metal and the precursor (PC) may be used.
  • a polar solvent or a non-polar solvent may be used as the co-solvent.
  • Polar solvents may include, for example, amine solvents such as methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, coordination solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO), diethylformamide (DEF), dimethylformamide (DMF), and the like, and one or more of water ( H2O ), diethyl ether, dichloromethane, methyl acetate, methanol, ethanol, butanol, pentanol, and hexanol.
  • Nonpolar solvents may include, for example, hexane, heptane, octane, and decane.
  • the precursor (PC) and co-solvent can be provided in a vaporized form.
  • a carrier gas may be additionally injected to induce efficient self-conversion.
  • the carrier gas may be composed of an inert gas with low reactivity, as a gas to provide a stream for colliding the precursor (PC) with the surface of the metal layer (30).
  • a 2D light-emitting thin film (100) is formed as the precursor (PC) reacts with the metal layer (30) and self-converts. Specifically, a bonding element of the precursor (PC) is covalently bonded with a metal element of the metal layer (30) to form a quantum well layer of a 2D thin film structure, and an organic material of the precursor (PC) is exposed toward one side of the quantum well layer of the 2D thin film structure, thereby forming an organic barrier layer of the same 2D thin film structure. Thereafter, another organic barrier layer is bonded by van der Waals interaction between organic functional groups of the organic barrier layer, thereby forming a 2D light-emitting thin film (100) having a structure in which quantum well layers and organic barrier layers are alternately laminated.
  • the self-conversion process can be performed in an environment capable of inducing a reaction between the precursor (PC) and the metal element of the metal layer (30), and for example, the precursor (PC) can be provided to the metal layer (30) in a gaseous state and can be performed at a temperature of 100° C. to 350° C. at which the self-conversion reaction can be induced.
  • the metal layer (30) is all self-converted into a 2D light-emitting thin film (100).
  • the self-conversion reaction is completed, and a 2D light-emitting thin film (100) in which 2D thin films made of a quantum well layer and an organic barrier layer are laminated on the substrate (10) is manufactured. Therefore, by controlling the thickness of the initial metal layer (30), the thickness of the 2D light-emitting thin film (100) that is finally formed can be controlled.
  • a step of oxidizing the metal layer (30) may be further included.
  • the step of oxidizing the metal layer (30) may be performed before self-conversion is induced.
  • At least a portion of the metal layer (30) may be oxidized and converted into a metal oxide.
  • the precursor (PC) is provided to the oxidized metal layer (30) and combines with the metal element of the metal oxide to induce self-conversion.
  • by-products such as oxygen (O 2 ) and water (H 2 O) may be generated, and an additional process for removing the by-products may be required to minimize delay in the self-conversion process due to the by-products.
  • the step of forming the metal layer (30) may include the step of forming a patterned metal layer.
  • a patterned metal layer (30) can be provided through a patterning process after a metal layer (30) is fully deposited on a substrate (10).
  • a patterned metal layer (30) can also be provided through a mask deposition method using a shadow mask.
  • the patterned metal layer (30) can be formed of different metal elements, and when the patterned metal layer is self-converted into a 2D light-emitting thin film by the precursor (PC), each pattern can be self-converted into a 2D light-emitting thin film having a different band gap.
  • the 2D light-emitting thin films having different band gaps have different light-emitting characteristics, and when each pattern is self-converted into a red, green, and blue 2D light-emitting thin film, a display pixel composed of RGB sub-pixels can be implemented.
  • the types of precursors (PC) provided to the patterned metal layer (30) may be different from each other.
  • other metal patterns may be masked during the self-conversion process, or the formation of the patterned metal layer and self-conversion may be performed separately. For example, after depositing one metal pattern, a red 2D luminescent thin film may be formed through self-conversion, and then after depositing another metal pattern, a green 2D luminescent thin film may be formed through self-conversion, and then after depositing another metal pattern, a blue 2D luminescent thin film may be formed through self-conversion.
  • the method for manufacturing a 2D light-emitting thin film of the present invention manufactures a 2D light-emitting thin film by inducing self-conversion after forming a metal layer (30), and therefore has the advantage of being able to easily manufacture a 2D light-emitting thin film with a multi-quantum well structure.
  • the 2D light-emitting thin film of the present invention forms a 2D structure including a quantum well layer (110) and an organic barrier layer (120), which are 2D thin films in atomic layer units, by combining (i.e., ‘self-conversion’) a precursor (PC) with a metal element of a metal layer (30), and since the 2D structure is formed by a laminated structure of the quantum well layer (110) and the organic barrier layer (120), a stable laminated structure of the 2D thin film can be maintained, so that a multi-quantum well structure can be stably maintained.
  • a precursor PC
  • the conventional method for manufacturing a 2D thin film has a disadvantage in that it cannot be applied to the current display manufacturing process because it involves manufacturing a bulk layer and then peeling it off at an atomic layer level or an atomic layer deposition process performed at a high temperature.
  • the method for manufacturing a 2D light-emitting thin film of the present invention has the advantage of excellent compatibility with the conventional display process because it is a method for inducing self-conversion of a precursor (PC) and a metal element at a relatively low temperature.
  • the present invention can easily control the band gap by controlling the type of metal element and precursor (PC) constituting the metal layer (30), thereby enabling the production of a 2D light-emitting thin film that emits light of a desired wavelength.
  • PC metal element and precursor
  • Figure 5 is a conceptual diagram explaining a light-emitting element according to one embodiment of the present invention.
  • the light-emitting device of the present invention includes a first electrode (10), a 2D light-emitting thin film (100), a second electrode (50), and a charge transport layer (20, 40) disposed between the electrodes (10, 50) and the 2D light-emitting thin film (100).
  • the first electrode (10) and the second electrode (50) may be different electrodes for providing electrons or holes to the 2D light-emitting thin film (100). If the first electrode (10) is configured as an anode, the second electrode (50) may be configured as a cathode, and if the first electrode (10) is a cathode, the second electrode (50) may be configured as an anode. As an example, FIG. 4 illustrates a case where the first electrode (10) is configured as an anode and the second electrode (50) is configured as a cathode.
  • At least one of the first electrode (10) and the second electrode (50) may be a transparent electrode having transparency. In this case, light emitted from the 2D light-emitting thin film (100) is transmitted and emitted through the transparent electrode.
  • FIG. 5 illustrates an example in which the first electrode (10) is implemented as a transparent electrode.
  • the second electrode (50) may be implemented as a reflective electrode having excellent light reflectivity. In this case, a portion of the light emitted from the 2D light-emitting thin film (100) may be reflected by the second electrode (50) and emitted through the first electrode (10).
  • the second electrode (50) may be implemented as a transparent electrode, similar to the first electrode (10). In this case, the light-emitting element may be entirely transparent and may be applied to a transparent display panel.
  • the charge transport layer (20, 40) is arranged on the electrode (10, 50) and transports charges so that electrons or holes can be easily injected into the 2D light-emitting thin film (100).
  • the hole transport layer (20) may be arranged on the first electrode (10), which is the anode, and the electron transport layer (40) may be arranged under the second electrode (50), which is the cathode.
  • the charge transport layer (20, 40) may be composed of a known material having excellent charge transport properties.
  • the charge transport layer (20, 40) may be composed of a 2D thin film similar to the 2D light-emitting thin film (100).
  • a metal layer is formed and then a precursor is injected to induce self-conversion, so that the film can be formed into a structure similar to the 2D light-emitting thin film (100) and may have excellent stability.
  • the 2D light-emitting thin film (100) can be formed by a laminated structure of a 2D quantum well layer (110) and an organic barrier layer (120). Due to the laminated structure of the quantum well layer (110) and the organic barrier layer (120), the 2D light-emitting thin film (100) forms a multi-quantum well structure and has a large exciton binding energy, so it can provide excellent light-emitting characteristics.
  • the 2D luminescent thin film (100) is manufactured through the self-conversion process described above, and since the laminated structure of the 2D thin film is formed through the reaction of the metal element and the precursor, the thickness of the 2D luminescent thin film (100) can be selected in a variety of ranges from several nm to several hundred ⁇ m, and can be manufactured easily.
  • the 2D light-emitting thin film (100) of the present invention can undergo self-conversion in the gas phase by reaction of a metal element and a precursor, it can be continuously manufactured through a process identical to or similar to the formation process of the charge transport layer (20, 40), and a light-emitting element can be easily manufactured.
  • Figure 6 is a conceptual diagram explaining a light-emitting element according to another embodiment of the present invention.
  • the light-emitting element of Fig. 6 is substantially the same as the light-emitting element of Fig. 4, except that the 2D light-emitting thin film (100, 200, 300) is composed of multiple layers with charge generation layers (60, 70) interposed between them, compared to the light-emitting element of Fig. 5. Accordingly, a description of the overlapping configuration is omitted.
  • the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) may be thin films that emit light of different wavelengths.
  • the first 2D light-emitting thin film (100) may be configured to emit blue light
  • the second 2D light-emitting thin film (200) may be configured to emit green light
  • the third 2D light-emitting thin film (300) may be configured to emit red light.
  • each of the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) can be formed of a laminated structure of a quantum well layer and an organic barrier layer, and each of the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) has a multi-quantum well structure.
  • the charge generation layer (60, 70) is arranged between the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) and is configured to facilitate the supply of charges to the adjacent 2D light-emitting thin films (100, 200, 300).
  • the first charge generation layer (60) is configured to facilitate the supply of electrons to the adjacent first 2D light-emitting thin film (100) and to facilitate the supply of holes to the second 2D light-emitting thin film (200).
  • the second charge generation layer (70) is configured to facilitate the supply of electrons to the adjacent second 2D light-emitting thin film (200) and to facilitate the supply of holes to the third 2D light-emitting thin film (300).
  • the light-emitting element of Fig. 6 since 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) that emit light of different wavelengths are laminated, light in which a plurality of lights are blended can be emitted.
  • the light-emitting element can emit white light in which blue light, green light, and red light are blended.
  • a first metal layer is formed on a hole transport layer (20), a first precursor is injected to induce self-conversion, thereby forming a first 2D light-emitting thin film (100). Thereafter, a first charge generation layer (60) is formed, a second metal layer is formed, and then a second precursor is injected to induce self-conversion, thereby forming a second 2D light-emitting thin film (200). Thereafter, a second charge generation layer (70) and a third 2D light-emitting thin film (300) can be formed using the same method.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a light-emitting element according to another embodiment of the present invention.
  • the light-emitting element of Fig. 7 is substantially the same as the light-emitting element of Fig. 6, except that the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) are arranged horizontally and spaced apart from each other compared to the light-emitting element of Fig. 6. Therefore, a description of the overlapping configuration is omitted.
  • the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300) can be arranged separately from each other.
  • a first 2D light-emitting thin film (100) emitting blue light is arranged
  • a second 2D light-emitting thin film (200) emitting green light is arranged adjacent to the first 2D light-emitting thin film (100)
  • a third 2D light-emitting thin film (300) emitting red light is arranged adjacent to the second 2D light-emitting thin film (200).
  • the first 2D light-emitting thin film (100) functions as a blue sub-pixel
  • the second 2D light-emitting thin film (200) functions as a green sub-pixel
  • the third 2D light-emitting thin film (300) functions as a red sub-pixel.
  • At least one of the first electrode (10) and the second electrode (50) is patterned so that the first 2D light-emitting thin film (100), the second 2D light-emitting thin film (200), and the third 2D light-emitting thin film (300) can individually emit light, and various colors can be implemented through a combination of blue light, green light, and red light.
  • the 2D light-emitting thin film (100, 200, 300) can maintain a stable 2D structure by the covalent bond between the quantum well layer and the organic barrier layer and the van der Waals interaction of the organic barrier layer, and has stable light-emitting characteristics by the multiple quantum well structure, so that the stability and lifespan can be maintained similarly for all the 2D light-emitting thin films (100, 200, 300). Accordingly, the reliability and lifespan of the display panel can be improved.
  • the display panel including the 2D light-emitting thin film of the present invention includes an electrode array including an anode and a cathode, and the 2D light-emitting thin film is disposed between the anode and the cathode of the electrode array.
  • Each electrode array can correspond to a sub-pixel, and the 2D light-emitting thin films of each sub-pixel have different band gaps, and the quantum well layers or organic barrier layers are different from each other. Accordingly, light of different wavelengths is emitted.
  • the 2D light-emitting thin films of each sub-pixel are arranged in the form of electrically isolated elements, and the 2D light-emitting thin films in the form of elements are clustered to form pixels of the display panel.
  • the 2D light-emitting thin film elements constituting each sub-pixel can be manufactured through a mask deposition and self-conversion process using a mask, and since this can be performed using the same mask as that used in the existing OLED process, there is an advantage that it can be easily utilized in the existing OLED process.
  • the excellent luminescent properties of the 2D luminescent thin film of the present invention will be described in more detail through examples of the 2D luminescent thin film of the present invention, a method for manufacturing the same, and a luminescent element and display panel including the same.
  • a 2D luminescent thin film was manufactured by forming a metal layer using silver (Ag) on a glass substrate and inducing self-conversion using diphenyl diselenide (Ph 2 Se 2 ) as a precursor.
  • silver was formed to a thickness of 15 nm through thermal evaporation. Thereafter, the diphenyl diselenide precursor was provided to the silver layer by mixing it with dimethyl sulfoxide as a co-solvent, and the reaction was performed at 100°C until the 15 nm silver layer was completely self-converted.
  • FIG. 8 is a photograph and SEM image of the self-conversion step of a 2D luminescent thin film according to embodiments of the present invention.
  • the silver layer on the glass substrate is a metal layer before self-conversion and has a blue color.
  • the silver layer self-converted as the precursor was supplied, AgSePh crystal grains were observed on the surface, and the blue color of the silver layer became lighter.
  • the size of the crystal grain is defined based on the long axis.
  • the 2D luminescent thin film can be confirmed to change to the unique gold color of AgSePh, which indicates that the entire silver layer has been converted to AgSePh.
  • 2D luminescent thin film of the present invention can be formed on other substrates, 2D luminescent thin films were formed on various substrates.
  • a silver layer was formed with a thickness of 15 nm on a glass substrate, an indium tin oxide (ITO) substrate, and a laminated substrate of poly(ethylene-dioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) and ITO, and then the silver layer was self-converted by providing a diphenyl diselenide precursor together with dimethyl sulfoxide or ultrapure water as a co-solvent at 100°C.
  • ITO indium tin oxide
  • PEDOT:PSS poly(ethylene-dioxythiophene):poly(styrenesulfonate)
  • FIG. 9 is SEM images of 2D luminescent thin films according to embodiments of the present invention formed on various substrates.
  • 2D luminescent thin films were manufactured using different metals.
  • molybdenum (Mo), bismuth (Bi), vanadium (V), ytterbium (Yb), and nickel (Ni) layers were formed with a thickness of 15 nm each on an ITO substrate, and then a diphenyl diselenide precursor was provided in the gas phase at 100°C together with dimethyl sulfoxide as a co-solvent, thereby allowing a reaction to occur until the 15 nm metal layer was completely self-converted.
  • Figure 10 shows SEM images of 2D luminescent thin films according to embodiments of the present invention.
  • a hole transport layer composed of TAPC (1,1-Bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane) was formed with a thickness of 30 nm on an ITO substrate, and after depositing a silver layer, a diphenyl diselenide precursor was provided together with dimethyl sulfoxide as a co-solvent to self-convert the silver layer, thereby forming a 2D light-emitting thin film composed of AgSePh with a thickness of 150 nm, and an electron transport layer composed of TPBi was formed with a thickness of 30 nm, and then a 1.5 nm Yb thin film and a 100 nm Al thin film were deposited to manufacture a light-emitting device, the size of the light-emitting device being 1 mm ⁇ 1 mm.
  • TAPC 1,1-Bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane
  • the emission spectrum and luminance of each of the 2D light-emitting thin film on the ITO substrate manufactured according to Manufacturing Example 2 and the light-emitting element manufactured according to Manufacturing Example 4 were measured.
  • the emission spectrum and luminance were measured using a PR-670 spectrophotometer from PHOTO RESEARCH Co., Ltd.
  • the emission spectrum and luminance were each measured at room temperature, and a voltage of 9 V was applied to each of the 2D light-emitting thin film of Manufacturing Example 2 and the light-emitting element of Manufacturing Example 4.
  • the results are shown in Fig. 11.
  • Figure 11 shows the results of measuring the emission spectrum and brightness of 2D light-emitting thin films and light-emitting elements according to embodiments of the present invention.
  • the emission spectrum measurement results show that both the 2D light-emitting thin film (AgSePh) of Manufacturing Example 2 and the light-emitting element (OMC LED) of Manufacturing Example 4 have blue emission characteristics (approximately 460 nm).
  • the full width at half maximum (FWHM) for the emission wavelength of the 2D light-emitting thin film of Manufacturing Example 2 was measured to be 20 nm or less. This is evaluated to be an excellent level compared to currently commercialized blue OLED materials.
  • the luminance measurement results show that the light-emitting element of Manufacturing Example 4 emitted light with a luminance of 3.10 Cd/ m2 at an operating voltage of 9 V, which is at a level that can be used as a light-emitting element for displays.
  • the 2D light-emitting thin film of the present invention is composed of a laminated structure of 2D thin films, and thus can provide excellent light-emitting characteristics even with a thin film thickness compared to existing bulk-structured light-emitting thin films, and in the case of blue light-emitting elements, can have excellent stability and lifespan compared to existing blue OLED light-emitting elements.
  • the 2D light-emitting thin film of the present invention is formed with a laminated structure of a 2D quantum well layer and an organic barrier layer, it has excellent flexibility and can be widely applied as a flexible display element.
  • the method for manufacturing a 2D light-emitting thin film of the present invention can manufacture a stable 2D thin film structure by forming a metal layer and then injecting a precursor to induce self-conversion, and since the self-conversion process can be performed in a low-temperature environment, it can be performed in a manner compatible with the existing OLED manufacturing process and can be economically efficient.
  • the present invention can be applied to light-emitting devices and various industries utilizing the same.
  • it can be commercialized as displays, lighting, etc., and can be applied to various industrial fields to which the products are applied.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 2D 발광 박막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면 2D 발광 박막은, 반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층, 및 상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함한다.

Description

2D 발광 박막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널
본 발명은 2D 발광 박막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 특성이 우수하고, 제조가 용이한 2D 발광 박막, 이의 제조방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널에 관한 것이다.
발광 소자는 디스플레이의 픽셀을 구성하는 핵심 소자로서, PIN(P type-Intrinsic-N type) 구조의 광 다이오드로 이루어진다.
대표적인 발광 소자로는 LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode) 등이 존재한다. OLED의 경우, 청색 발광 소자가 적색 및 녹색 발광 소자 대비 성능이 낮고, 안정성이 낮아 풀 컬러(full color) 디스플레이 구현에 어려움이 있는 단점이 있으며, LED는 고해상도 디스플레이 구현을 위해 발광 소자를 마이크로 단위로 제작하여야 하는데, 마이크로 LED를 이용한 디스플레이의 경우, 별도로 제작된 마이크로 LED를 전사하여 픽셀들을 구현해야 하므로, 생산성에 한계가 있다.
이에, 기존 발광 소자 대비 우수한 발광 특성을 가지며, 안정성이 우수하면서 동시에 생산 공정이 용이하여 생산성이 향상된 신개념 발광 소자에 대한 기술개발이 요구된다.
한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 일 실시예는 우수한 발광 특성을 갖는 2D 발광 박막, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 다른 실시예는 생산성이 우수한 2D 발광 박막의 제조방법, 발광 소자 및 디스플레이 패널을 제공하는 것에 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면 2D 발광 박막은, 반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층, 및 상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 양자우물층은 금속 및 상기 금속과 공유 결합되는 결합 원소를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 금속은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 이터븀(Yb), 니켈(Ni), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 비스무트(Bi), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 인듐(In), 주석(Sn), 하프늄(Hf), 탄탈럼(Ta), 갈륨(Ga), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y), 코발트(Co), 철(Fe), 망가니즈(Mn), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 결합 원소는 15족(닉토겐), 16족(칼코겐) 및 17족(할로겐) 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 유기 배리어층은 인접하는 다른 유기 배리어층과 반데르발스 상호작용으로 결합되는 유기 작용기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 2D 발광 박막은 평면상에서 0.1μm 이상의 크기를 갖는 결정립(grain)을 적어도 하나 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 2D 발광 박막은 상온에서 발광 스펙트럼을 분석할 경우, 발광 파장에 대한 반치전폭(FWHM)이 20nm 이하일 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 2D 발광 박막의 제조방법은, 금속층을 형성하는 단계, 및 상기 금속층에 결합 원소 및 유기 작용기를 포함하는 전구체를 제공하여 자가변환을 유도함으로써 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층 및 상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는 2D 발광 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계는, 상기 전구체를 보조용매와 함께 기화하여 상기 금속층에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 보조용매는 상기 금속과 상기 유기 반응기의 반응에 대한 촉매 역할이 가능한 극성 용매 또는 비극성 용매일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 결합 원소는 15족(닉토겐), 16족(칼코겐) 및 17족(할로겐) 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 금속층을 형성하는 단계 이후에, 상기 금속층을 산화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계는, 상기 자가변환 과정에서 발생되는 부산물을 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 금속층을 형성하는 단계는, 패터닝된 상기 금속층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계는, 상기 패터닝된 금속층에 상기 전구체를 제공하여 자가변환을 유도함으로써, 패터닝된 상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 발광 소자는 양극, 상기 양극에 대응하는 음극, 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 삽입되고, 반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층, 및 상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는 2D 발광 박막을 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 2D 발광 박막은 서로 상이한 밴드갭을 갖는 복수의 양자우물층을 포함하고, 상기 복수의 양자우물층은 상기 유기 배리어층을 사이에 두고 적층될 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 디스플레이 패널은 양극 및 음극을 포함하는 전극 어레이, 및 상기 전극 어레이의 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되고, 반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층, 및 상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는 2D 발광 박막을 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 2D 발광 박막은 서로 상이한 파장의 빛을 방출하는 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들을 포함하고, 상기 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들은 군집하여 픽셀을 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들의 상기 양자우물층은 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들의 상기 유기 배리어층은 서로 상이할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 2D 발광 박막은 양자우물층 및 유기 베리어층이 적층되고, 직접 밴드갭을 갖는 다중 양자 우물 구조의 발광 박막이므로, 얇은 두께에도 불구하고 충분히 우수한 발광 특성이 제공될 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 2D 발광 박막의 제조방법은 금속층을 형성한 후 전구체를 제공하여 자가변환을 유도함으로써, 2D 발광 박막을 제공할 수 있으므로, 기존 디스플레이 공정과 호환이 가능하며, 경제적으로 발광 소자를 제조할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 2D 발광 박막은 금속 원소 및 전구체의 종류를 적절하게 선택함으로써, 밴드갭을 제어할 수 있으며, 이를 통해 발광 파장을 제어할 수 있으므로, 원하고자 하는 파장의 빛을 방출하는 발광 소자를 용이하게 제조할 수 있으며, 풀 컬러의 디스플레이 패널을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 발광 박막을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 발광 박막의 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 4는 도 3의 2D 발광 박막의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막의 자가변환 단계별 사진 및 SEM 이미지들이다.
도 9는 다양한 기판 상에 형성된 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막의 SEM 이미지들이다.
도 10는 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막들의 SEM 이미지들이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막 및 발광 소자의 발광 스펙트럼 및 휘도 측정 결과이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재 또는 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 발광 박막을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 2D 발광 박막은 그래핀과 유사하게 원자층 단위의 2차원 박막으로 이루어진 적층체일 수 있다.
본 발명의 2D 발광 박막은 양자우물층(110) 및 유기 배리어층(120)을 포함한다.
양자우물층(110)은 금속(111) 및 결합 원소(113)를 포함한다. 금속(111) 및 결합 원소(113)는 공유 결합을 형성하며, 반도체 특성을 갖는다.
금속(111)은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 이터븀(Yb), 니켈(Ni), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 비스무트(Bi), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 인듐(In), 주석(Sn), 하프늄(Hf), 탄탈럼(Ta), 갈륨(Ga), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y), 코발트(Co), 철(Fe), 망가니즈(Mn), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 금속(111)은 상술한 원소들을 단독으로 포함하거나, 이들의 2종 이상의 화합물 또는 혼합물을 포함하거나, 이들의 산화물을 포함할 수 있다.
결합 원소(113)는 금속(111)과 공유 결합 가능한 원소로서, 주기율표 상의 15족(닉토겐), 16족(칼코겐) 및 17족(할로겐) 원소 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 결합 원소(113)는 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무스(Bi) 등과 같은 닉토겐, 산소(O), 황(S), 셀렌늄(Se), 텔루륨(Te) 등과 같은 칼코겐 또는 플루오르(F), 염소(Cl), 베릴륨(Be), 요오드(I) 등과 같은 할로겐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속(111) 및 결합 원소(113)는 비교적 큰 결정립(grain)을 갖도록 상호 결합되며, 예를 들어, 양자우물층(110)은 평면상에서 0.1μm 이상의 결정립을 가질 수 있다.
유기 배리어층(120)은 양자우물층(110)과 결합된다. 예를 들어, 유기 배리어층(120)의 유기물은 양자우물층(110)의 결합원소(113)와 공유결합으로 결합될 수 있다. 양자우물층(110)은 2D 구조의 박막이므로, 양자우물층(110)의 원소와 공유결합되는 유기 배리어층(110)의 유기물들도 2D 구조로 형성된다.
유기 배리어층(120)은 양자우물층(110)의 상면 또는 하면에서 양자우물층(110)과 결합된다. 예를 들어, 양자우물층(110)의 상면에 제1 유기 배리어층(120)이 결합되고, 양자우물층(110) 하면에 제2 유기 배리어층이 결합된다.
유기 배리어층(120)의 유기물 외부 말단에는 유기 작용기가 존재할 수 있다. 유기 배리어층(120)의 유기 작용기는 서로 인접하는 다른 유기 작용기와는 반데르발스 상호작용으로 결합된다. 유기 배리어층(120)의 유기 작용기는 인접 유기 배리어층(120)의 유기 작용기와 반데르발스 상호작용이 가능한 작용기라면 제한없이 선택될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 2D 발광 박막은 양자우물층(110)과 유기 배리어층(120)이 원자층 단위의 2D 박막으로 교번하여 적층됨에 따라 다중 양자 우물 구조를 형성한다.
양자우물층(110)은 최대 원자가 밴드와 최소 전도 밴드로 구성된 직접 밴드갭을 갖는다. 양자우물층(110)은 큰 엑시톤 결합 에너지를 제공하며, 양자우물층(110)과 유기 배리어층(120)은 공유결합을 통해 안정적으로 2D 구조를 유지하고 있으므로, 안정적인 다중 양자 우물 구조를 형성하여 우수한 발광 효율을 제공할 수 있다.
본 발명의 2D 발광 박막(100)은 상온에서 발광 스펙트럼을 분석할 경우, 발광 파장에 대한 반치전폭(FWHM)이 20nm이하일 수 있다.
본 발명의 2D 발광 박막(100)은 금속(111) 및 결합 원소(113)의 조합에 따라 밴드갭을 제어할 수 있으며, 유기 배리어층(120)의 유기 작용기를 다양화하여 전하-공여 특성을 제어함으로써, 밴드갭을 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.
종래 OLED, LED 등에 적용되는 발광층의 경우 벌크 구조의 발광층으로서, 밴드갭을 제어하는데 어려움이 있으며, 다양한 색을 구현하는데 한계가 있다. 이러한 한계는 청색, 녹색, 적색으로 구성된 적어도 3개의 광을 방출하는 발광 소자를 요구하는 디스플레이 산업에서 장애물로 작용할 수 있다.
반면, 본 발명의 2D 발광 박막(100)은 금속(111) 및 결합 원소(113)의 조합을 통해 밴드갭을 제어할 수 있으므로, 발광 소자의 파장을 용이하게 제어할 수 있으며, 유기 배리어층(120)의 유기 작용기를 제어함으로써, 밴드갭을 정밀하게 제어할 수 있으므로, 색 재현성을 더욱 우수하게 정밀 제어할 수 있으므로, 디스플레이 산업에서 강력한 장점을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 2D 발광 박막(100)은 직접 밴드갭 특성을 갖는 양자우물층(110)이 유기 배리어층(120)을 사이에 두고 다중 양자 우물 구조를 형성하므로, 간접 밴드갭 특성을 갖는 다른 2D 발광 박막에 비해 우수한 발광 특성을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 2D 발광 박막(100)에서 양자우물층(110)과 유기 배리어층(120)은 공유 결합으로 결합되고, 유기 배리어층(120) 간에는 반데르발스 상호 작용에 의해 결합되므로, 안정적인 2D 구조를 형성할 수 있으며, 열, 습기, 빛 등에 노출되더라도 구조를 안정적으로 유지할 수 있으며, 2D 발광 박막의 발광 특성을 안정적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 2D 발광 박막(100)은 다중 양자 우물 구조로서, 다양한 파장의 광들이 동일한 발광 메커니즘으로 구동되므로, 실질적으로 유사한 양자 효율로 광을 방출하며, 발광 소자 별 수명이 균일해질 수 있다.
OLED의 경우, 청색 발광층이 형광 방출 메커니즘을 가지므로, 사용시간에 따라 외부 양자 효율이 감소하여 청색 발광 소자가 다른 발광 소자에 비해 수명이 낮은 단점이 있다. 그러나, 본 발명의 2D 발광 박막(100)은 모두 동일한 메커니즘에 의해 광을 방출하므로, 청색, 녹색, 적색 발광 박막에 대하여 실질적으로 동일한 발광 특성과 수명 특성을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 2D 발광 박막(100)은 자가변환(Self-conversion)을 통해 제조될 수 있으며, 본 발명의 2D 발광 박막 제조방법은 기판을 포함하는 하부 템플릿(template)에 상관없이 용이하게 제조될 수 있으며, 기존 디스플레이 발광 소자 제조공정에 용이하게 적용이 가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 2D 발광 박막의 제조방법을 도 3및 도 4를 참조하여 세부적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 발광 박막의 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 4는 도 2의 2D 발광 박막의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 2D 발광 박막의 제조방법은 먼저, 금속층을 형성(S210)한다.
도 4를 참조하면, 금속층(30)은 기판(10) 상에 상술한 금속 원소들을 증착하는 방식으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속층(30)은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 등 다양한 증착 방법이 적용될 수 있으며, 공지의 박막 증착 기술은 어떠한 방법이든 사용될 수 있다.
한편, 기판(10)은 금속층(30)이 증착될 베이스로 기능하는 층으로서, 전극으로 기능하는 층이라면, 다양한 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 2D 발광 박막에서 발생한 광이 투과될 수 있도록 투과율이 우수한 투명 도전성 기판으로 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 금속층(30)을 형성하기 이전에 발광 효율을 극대화하기 위한 추가적인 박막이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전하 주입층(charge injection layer) 또는 전하 수송층(charge transport layer)이 금속층(30) 하부에 형성될 수 있다. 이하에서는 기판(10) 상에 직접 금속층(30)이 형성된 예를 기준으로 설명하기로 한다.
다시 도 3을 참조하면, 이후, 본 발명의 2D 발광 박막 제조방법은 금속층에 전구체를 제공하여 자가변환을 유도하여 2D 발광 박막을 형성(S220)한다.
도 4의 (a)를 참조하면, 금속층(30) 상에 전구체(PC)가 제공된다. 전구체(PC)는 결합 원소 및 유기 작용기를 갖는 유기물을 포함한다. 예를 들어, 전구체(PC)는 유기 닉토게나이드 전구체, 유기 칼코게나이드 전구체, 유기 할로게나이드 전구체 등과 같이, 결합 원소와 유기 작용기를 포함하는 유기물이 결합된 형태의 전구체로 구성될 수 있다.
전구체(PC)는 보조 용매와 함께 제공될 수 있다. 보조 용매는 금속층(30)에서 금속 원자와 상호 작용하여 금속-용매 복합체를 형성하여 금속 원자 사이의 거리를 늘리는 구성으로서, 금속과 전구체(PC)의 유기 반응기의 반응에 대한 촉매 역할이 가능한 용매가 사용될 수 있다. 구체적으로, 보조 용매는 극성 용매 또는 비극성 용매가 사용될 수 있다. 극성 용매로는 예를 들어, 메틸아민(methylamine), 에틸아민(ethylamine), 프로필아민(propylamine), 부틸아민(butylamine) 등과 같은 아민계 용매, 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 디에틸 포름아마이드(diethylformamide, DEF), 디메틸 포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 등과 같은 배위 용매, 물(H2O),다이에틸 에터(diethyle ether), 다이클로로메테인(dichloromethane), 메틸 아세테이트(methyl acetate), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 비극성 용매로는 예를 들어, 헥세인(hexane), 헵테인(heptane), 옥테인(octane), 데케인(decane) 등이 사용될 수 있다.
전구체(PC) 및 보조 용매는 기화되어 제공될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 효율적인 자가변환을 유도하기 위한 캐리어 가스가 추가로 주입될 수 있다. 캐리어 가스는 전구체(PC)를 금속층(30) 표면에 충돌시키기 위한 스트림을 제공하기 위한 가스로서, 반응성이 낮은 비활성 가스로 구성될 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 전구체(PC)가 금속층(30)과 반응하여 자가변환됨에 따라 2D 발광 박막(100)이 형성된다. 구체적으로, 전구체(PC)의 결합 원소가 금속층(30)의 금속 원소와 공유 결합되어 2D 박막 구조의 양자우물층이 형성되며, 전구체(PC)의 유기물은 2D 박막 구조의 양자우물층의 일면을 향해 노출됨으로써, 동일한 2D 박막 구조의 유기 배리어층이 형성된다. 이후, 유기 배리어층의 유기 작용기 간의 반데르발스 상호작용에 의해 다른 유기 배리어층이 결합됨으로써, 양자우물층과 유기 배리어층이 교번 적층된 구조의 2D 발광 박막(100)이 형성된다.
이 경우, 자가변환 과정은 전구체(PC)와 금속층(30)의 금속 원소 간의 반응을 유도할 수 있는 환경에서 수행될 수 있으며, 예를 들어, 전구체(PC)가 기체상태로 금속층(30)에 제공되어 자가변환 반응이 유도될 수 있는 100℃ 내지 350℃의 온도에서 수행될 수 있다.
도 4의 (c)를 참조하면, 금속층(30)의 금속 원소들과 전구체(PC)의 반응이 지속적으로 이루어짐에 따라 금속층(30)은 모두 2D 발광 박막(100)으로 자가변환된다. 금속층(30)의 모든 금속 원소들이 전구체(PC)와 반응하여 모두 자가변환되는 경우, 자가변환 반응은 종료되며, 기판(10) 상에는 양자우물층 및 유기 배리어층으로 이루어진 2D 박막들이 적층된 2D 발광 박막(100)이 제조된다. 따라서, 초기 금속층(30)의 두께를 제어하여, 최종적으로 형성되는 2D 발광 박막(100)의 두께를 제어할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 금속층(30)을 형성하는 단계 이후에, 금속층(30)을 산화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다시 말해, 자가변환이 유도되기 이전에 금속층(30)을 산화하는 단계가 수행될 수 있다.
이 경우, 금속층(30)의 적어도 일부는 산화되어 금속 산화물로 변환될 수 있다.
이후, 전구체(PC)가 산화된 금속층(30)에 제공되고, 금속 산화물의 금속 원소와 결합하여 자가변환이 유도된다. 다만, 이 과정에서는 산소(O2)및 물(H2O)등과 같은 부산물이 발생될 수 있으며, 부산물로 인해 자가변환 과정이 지연되는 것을 최소화하기 위해 부산물을 제거하는 공정이 추가로 요구될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 금속층(30)을 형성하는 단계는, 패터닝된 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 금속층(30)을 기판(10) 상에 전면 증착 후 패터닝 공정을 통해, 패터닝된 금속층(30)을 제공할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 쉐도우 마스크(shadow mask)를 사용한 마스크 증착법을 통해 패터팅된 금속층(30)이 제공될 수도 있다.
이 경우, 패터닝된 금속층(30)은 서로 상이한 금속 원소들로 형성될 수 있으며, 패터닝된 금속층이 전구체(PC)에 의해 2D 발광 박막으로 자가변환되는 경우, 각 패턴들은 서로 상이한 밴드갭을 갖는 2D 발광 박막으로 자가변환될 수 있다. 서로 상이한 밴드갭을 갖는 2D 발광 박막은 서로 상이한 발광 특성을 가지며, 각 패턴들이 적색, 녹색, 청색 2D 발광 박막으로 자가변환되는 경우, RGB 서브 픽셀로 구성된 디스플레이 픽셀이 구현될 수 있다.
한편, 패터닝된 금속층(30)에 제공되는 전구체(PC)의 종류가 서로 상이할 수도 있다. 이 경우, 목표로 하는 금속 패턴의 자가변환 이외에 불필요한 자가변환을 억제할 수 있도록, 자가변환 과정 동안 다른 금속 패턴은 마스킹되거나, 패터닝된 금속층의 형성과 자가변환이 분리되어 수행될 수 있다. 예를 들어, 일 금속 패턴을 증착한 후 자가변환을 통해 적색 2D 발광 박막이 형성되고, 이후, 다른 금속 패턴을 증착한 후, 자가변환을 통해 녹색 2D 발광 박막이 형성되고, 이후, 또 다른 금속 패턴을 증착한 후 자가변환을 통해 청색 2D 발광 박막이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 2D 발광 박막의 제조방법은 금속층(30)을 형성한 후 자가변환을 유도하여 2D 발광 박막을 제조하므로, 다중 양자 우물 구조의 2D 발광 박막을 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 2D 발광 박막은 전구체(PC)가 금속층(30)의 금속 원소와 결합(즉, ‘자가변환’)함으로써, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층(110)과 유기 배리어층(120)을 포함하는 2D 구조물을 형성하며, 2D 구조물은 양자우물층(110)과 유기 배리어층(120)의 적층 구조로 형성되므로, 2D 박막의 안정적인 적층 구조를 유지할 수 있어, 다중 양자 우물 구조가 안정적으로 유지될 수 있다.
또한, 종래 2D 박막의 제조방법은 벌크층을 제조한 후 원자층 단위로 박리하거나, 높은 온도에서 수행되는 원자층 증착 공정을 수반할 수밖에 없어, 현재 사용중인 디스플레이 제조 공정에 적용이 불가능한 단점이 있으나, 본 발명의 2D 발광 박막의 제조방법은 비교적 낮은 온도에서 전구체(PC)와 금속 원소의 자가변환을 유도하는 방식이므로, 종래 디스플레이 공정과 호환성이 우수한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 금속층(30)을 구성하는 금속 원소와 전구체(PC)의 종류를 제어함으로써, 밴드갭을 용이하게 제어할 수 있으며, 이를 통해 원하고자 하는 파장의 빛을 방출하는 2D 발광 박막의 제조가 가능해진다. 이러한, 본 발명의 이점은 디스플레이 산업에 유리하게 적용될 수 있는 이점을 제공한다. 이에 보다 상세한 설명을 위해 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 2D 발광 박막을 포함한 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 패널에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 발광 소자는 제1 전극(10), 2D 발광 박막(100), 제2 전극(50), 전극(10, 50)과 2D 발광 박막(100) 사이에 배치된 전하 수송층(20, 40)을 포함한다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(50)은 2D 발광 박막(100)에 전자 또는 정공을 제공하기 위한 전극으로 서로 상이한 전극일 수 있다. 만약, 제1 전극(10)이 양극으로 구성되는 경우, 제2 전극(50)은 음극으로 구성되며, 제1 전극(10)이 음극인 경우, 제2 전극(50)은 양극으로 구성될 수 있다. 도 4에서는 하나의 예로서, 제1 전극(10)이 양극으로 구성되고, 제2 전극(50)이 음극으로 구성된 경우를 도시한다.
제1 전극(10) 및 제2 전극(50) 중 적어도 하나는 투과성을 갖는 투명전극일 수 있다. 이 경우, 2D 발광 박막(100)으로부터 방출된 광은 투명전극을 통해 투과되어 방출된다. 도 5에서는 하나의 예로서 제1 전극(10)이 투명전극으로 구현된 예를 도시한다. 몇몇 실시예에서, 제2 전극(50)은 광 반사성이 우수한 반사전극으로 구현될 수 있다. 이 경우, 2D 발광 박막(100)에서 방출된 광의 일부는 제2 전극(50)에서 반사되어 제1 전극(10)을 통해 방출될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제2 전극(50)은 제1 전극(10)과 동일하게 투명전극으로 구현될 수 있다. 이 경우, 발광 소자는 전체적으로 투명할 수 있으며, 투명 디스플레이 패널에 적용될 수 있다.
전하 수송층(20, 40)은 전극(10, 50) 상에 배치되며, 2D 발광 박막(100)으로 전자 또는 정공이 용이하게 주입될 수 있도록 전하를 수송한다. 예를 들어, 양극인 제1 전극(10) 상에 정공 수송층(20)이 배치될 수 있고, 음극인 제2 전극(50) 하부에 전자 수송층(40)이 배치될 수 있다. 전하 수송층(20, 40)은 전하 수송 특성이 우수한 공지된 물질로 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전하 수송층(20, 40)은 2D 발광 박막(100)과 유사한 2D 박막으로 구성될 수 있다. 이 경우, 2D 발광 박막(100)을 형성하는 방법과 동일하게 금속 층을 형성 후 전구체를 주입하여 자가변환을 유도하여, 2D 발광 박막(100)과 유사한 구조체로 형성될 수 있으며, 우수한 안정성을 가질 수 있다.
2D 발광 박막(100)은 상술한 바와 같이, 2D 구조의 양자우물층(110) 및 유기 배리어층(120)의 적층구조로 형성될 수 있다. 양자우물층(110)과 유기 배리어층(120)의 적층 구조로 인해 2D 발광 박막(100)은 다중 양자 우물 구조를 형성하며, 큰 엑시톤 결합 에너지를 가지므로, 우수한 발광 특성을 제공할 수 있다.
2D 발광 박막(100)은 상술한 자가변환 과정을 통해 제조되며, 금속 원소와 전구체의 반응을 통해 2D 박막의 적층 구조가 형성되므로, 2D 발광 박막(100)의 두께는 수 nm에서 수백 μm의 범위에서 다양하게 선택될 수 있으며, 용이하게 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 2D 발광 박막(100)은 금속 원소와 전구체의 반응에 의한 자가변환이 기상에서 이루어질 수 있으므로, 전하 수송층(20, 40)의 형성 공정과 동일 또는 유사한 공정을 통해 연속적으로 제조될 수 있으며, 발광 소자가 용이하게 제조될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6의 발광 소자는 도 5의 발광 소자와 비교하여 2D 발광 박막(100, 200, 300)이 전하 발생층(60, 70)을 사이에 두고 복수의 층으로 구성된 것을 제외하고는 도 4의 발광 소자와 실질적으로 동일하다. 이에, 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 서로 상이한 파장의 빛을 방출하는 박막일 수 있다. 예를 들어, 제1 2D 발광 박막(100)은 청색광을 방출하고, 제2 2D 발광 박막(200)은 녹색광을 방출하고, 제3 2D 발광 박막(300)은 적색광을 방출하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 각각의 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 양자우물층과 유기 배리어층의 적층 구조로 이루어질 수 있으며, 각각의 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 다중 양자 우물 구조를 갖는다.
전하 발생층(60, 70)은 2D 발광 박막(100, 200, 300) 사이에 배치되며, 인접하는 2D 발광 박막(100, 200, 300)으로 전하의 공급을 원할하게 하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 전하 발생층(60)은 인접한 제1 2D 발광 박막(100)으로 전자의 공급을 원할하게 하도록 구성되고, 제2 2D 발광 박막(200)으로 정공의 공급을 원할하게 하도록 구성된다. 마찬가지로 제2 전하 발생층(70)은 인접하는 제2 2D 발광 박막(200)으로 전자의 공급을 원할하게 하도록 구성되고, 제3 2D 발광 박막(300)으로 정공의 공급을 원할하게 하도록 구성된다.
도 6의 발광 소자의 경우, 서로 상이한 파장의 빛을 방출하는 2D 발광 박막(100, 200, 300)이 적층됨에 따라, 복수의 광이 블랜딩된 광을 방출할 수 있다. 도 5에서, 발광 소자는 청색광, 녹색광 및 적색광이 블랜딩된 백색광을 방출할 수 있다.
본 발명의 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 금속층을 형성 후 전구체를 주입하여 자가변환을 유도하는 방식으로 제조될 수 있으므로, 도 5에 도시된 구조의 발광 소자를 용이하게 제공할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 정공 수송층(20) 상에 제1 금속층이 형성되고, 제1 전구체가 주입되어 자가변환이 유도됨으로써, 제1 2D 발광 박막(100)이 형성된다. 이후, 제1 전하 발생층(60)이 형성되고, 제2 금속층이 형성된 후 제2 전구체가 주입되어 자가변환이 유도됨으로써, 제2 2D 발광 박막(200)이 형성된다. 이후, 동일한 방법에 따라 제2 전하 발생층(70) 및 제3 2D 발광 박막(300)이 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7의 발광 소자는 도 6의 발광 소자와 비교하여 2D 발광 박막(100, 200, 300)이 서로 이격되어 횡으로 배열되어 있는 것을 제외하고는 도 6의 발광 소자와 실질적으로 동일하다. 이에 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 서로 분리되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 청색 광을 방출하는 제1 2D 발광 박막(100)이 배치되고, 녹색 광을 방출하는 제2 2D 발광 박막(200)이 제1 2D 발광 박막(100)에 인접하여 배치되고, 적색 광을 방출하는 제3 2D 발광 박막(300)이 제2 2D 발광 박막(200)에 인접하여 배치된다.
도 7의 발광 소자가 디스플레이에 적용되는 경우, 제1 2D 발광 박막(100)은 청색 서브 픽셀로 기능하고, 제2 2D 발광 박막(200)은 녹색 서브 픽셀로 기능하며, 제3 2D 발광 박막(300)은 적색 서브 픽셀로 기능한다.
이 경우, 제1 전극(10) 및 제2 전극(50) 중 적어도 어느 하나의 전극은 패터닝되어 제1 2D 발광 박막(100), 제2 2D 발광 박막(200) 및 제3 2D 발광 박막(300)을 개별적으로 발광시킬 수 있으며, 청색 광, 녹색 광 및 적색 광의 조합을 통해 다양한 컬러의 색을 구현할 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 서로 상이한 파장의 빛을 방출하는 복수의 2D 발광 박막(100, 200, 300)이 서로 분리되어 배열되므로, 디스플레이 패널에 적용될 경우, 하나의 픽셀로 기능할 수 있다. 특히, 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 모두 직접 밴드갭을 갖는 다중 양자 우물 구조를 가지므로, 우수한 발광 특성을 갖는다.
또한, 2D 발광 박막(100, 200, 300)은 양자우물층 및 유기 배리어층 간의 공유 결합과 유기 배리어층의 반데르발스 상호 작용에 의해 안정적인 2D 구조를 유지할 수 있으며, 다중 양자 우물 구조에 의한 안정적인 발광 특성을 가지므로, 안정성 및 수명이 모든 2D 발광 박막(100, 200, 300)에 대하여 유사하게 유지될 수 있다. 이에, 디스플레이 패널의 신뢰성과 수명이 우수해질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 2D 발광 박막은 디스플레이 패널에 적용될 수 있다.
이 경우, 본 발명의 2D 발광 박막을 포함하는 디스플레이 패널은 양극 및 음극을 포함하는 전극 어레이를 포함하고, 2D 발광 박막은 전극 어레이의 양극과 음극 사이에 배치된다.
각 전극 어레이는 서브 픽셀에 대응될 수 있으며, 각 서브 픽셀의 2D 발광 박막은 서로 상이한 밴드갭을 가지며, 양자우물층 또는 유기 베리어층은 서로 상이하다. 이에, 서로 상이한 파장의 빛을 방출한다.
각 서브 픽셀의 2D 발광 박막은 전기적으로 분리된 엘리먼트 형태로 배치되며, 엘리먼트 형태의 2D 발광 박막들이 군집되어 디스플레이 패널의 픽셀을 구성한다.
이 경우, 각 서브 픽셀을 구성하는 2D 발광 박막 엘리먼트는 마스크를 이용한 마스크 증착 및 자가변환 공정을 통해 제조될 수 있으며, 이는 기존 OLED공정에 사용되는 마스크와 동일한 마스크를 사용하여 수행될 수 있으므로, 기존 OLED 공정에 용이하게 활용될 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 2D 발광 박막, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 발광 소자 및 디스플레이 패널의 실시예들을 통해 본 발명의 2D 발광 박막이 갖는 우수한 발광 특성에 대해 보다 세부적으로 설명하기로 한다.
(제조예 1. 2D 발광 박막 제조)
먼저, 유리 기판 상에 은(Ag)을 사용하여 금속층을 형성하고, 디페닐 디셀레나이드(Ph2Se2)를 전구체로 사용하여 자가변환을 유도함으로써, 2D 발광 박막을 제조하였다.
구체적으로, 은을 열증착을 통해 15nm의 두께로 형성하였다. 이후, 디페닐 디셀레나이드 전구체를 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide)를 보조용매와 함께 가화하여 은층에 제공하여, 100℃ 조건에서, 15nm의 은층이 모두 자가변환될 때까지 반응시켰다.
(실험예 1. 자가변환 관찰)
상술한 방법으로 제조된 2D 발광 박막의 표면을 촬영하고, SEM(Scanning Electron Microscopy)을 사용하여 표면 결정구조를 관찰하였다. SEM 촬영은 JEOL 사(社)의 JSM-7001F를 사용하여 수행되었다. 그 결과는 도 8과 같다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막의 자가변환 단계별 사진 및 SEM 이미지들이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 유리 기판 상의 은층은 자가변환되기 전의 금속층이며, 푸른색을 띈다. 도 8의 (b)를 참조하면, 전구체가 공급되면서 은층의 일부가 자가변환되었으며, 표면에 AgSePh 결정립이 관찰되고, 은층의 푸른색이 옅어진 것을 확인할 수 있다. 도 8의 (c)및 (d)를 참조하면, 자가변환이 지속됨에 따라 표면에 AgSePh 결정립이 성장됨을 확인할 수 있으며, AgSePh의 결정립은 대부분 0.1μm 이상의 크기를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 여기서 결정립의 크기는 장축을 기준으로 정의한다.
은층이 AgSePh로 변환됨에 따라 2D 발광 박막은 AgSePh고유의 금색으로 전환됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 은층이 모두 AgSePh로 변환되었음을 알 수 있다.
(제조예 2. 2D 발광 박막 제조)
본 발명의 2D 발광 박막이 다른 기판 상에서도 형성이 가능한지 확인하기 위해, 다양한 기판 상에 2D 발광 박막을 형성하였다.
구체적으로, 유리 기판, 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide; ITO) 기판 및 폴리(에틸렌-디옥시티오펜): 폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)와 ITO의 적층기판 상에 은층을 15nm두께로 형성한 후, 디페닐 디셀레나이드 전구체를 디메틸 설폭사이드 또는 초순수(水)를 보조용매와 함께 100℃ 조건으로 제공하여 은층을 자가변환시켰다.
(실험예 2. 표면구조 관찰)
상술한 방법으로 제조된 2D 발광 박막들의 표면 구조를 SEM을 사용하여 관찰하였으며, 그 결과는 도 9와 같다.
도 9는 다양한 기판 상에 형성된 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막의 SEM 이미지들이다.
도 9를 참조하면, 유리 기판, ITO 기판 및 PEDOT:PSS/ITO 기판에서 AgSePh가 안정적으로 성장하였음을 확인할 수 있다. 평면상 결정은 대부분 0.1μm 이상의 크기를 가짐을 확인할 수 있다.
(제조예 3. 2D발광 박막 제조)
본 발명의 자가변환을 통한 2D 발광 박막의 제조방법이 다양한 금속에 대하여 적용가능한지 알아보기 위해, 금속을 달리하여 2D 발광 박막을 제조하였다.
구체적으로 ITO 기판 상에, 몰리브데넘(Mo), 비스무트(Bi), 바나듐(V), 이터븀(Yb), 및 니켈(Ni) 층을 각각 15nm의 두께로 형성한 후, 디페닐 디셀레나이드 전구체를 디메틸 설폭사이드를 보조용매와 함께 100℃ 조건에서 기상으로 제공함으로써, 15nm의 금속층이 모두 자가변환될 때까지 반응시켰다.
(실험예 3. 표면구조 관찰)
상술한 방법으로 제조된 2D 발광 박막들의 표면 구조를 SEM을 사용하여 관찰하였으며, 그 결과는 도 10과 같다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막들의 SEM 이미지들이다.
도 10의 (a) 내지 (e)를 참조하면, Mo, Bi, V, Yb 및 Ni에 대하여 모두 자가변환이 잘 일어난 것을 확인할 수 있으며, 자가변환 후 0.1μm 이상의 크기를 갖는 결정립이 성장된 것을 확인할 수 있다.
(제조예 4. 발광 소자 제조)
본 발명의2D 발광 박막의 우수한 발광 특성을 확인하기 위해, 2D 발광 박막을 사용한 발광 소자를 제조하였다.
구체적으로 ITO 기판 상에, TAPC (1,1-Bis[(di-4-tolylamino)phenyl]cyclohexane) 로 이루어진 정공 수송층을 30nm 두께로 형성하고, 은층을 증착 후 디페닐 디셀레나이드 전구체를 디메틸 설폭사이드를 보조용매와 함께 제공하여 은층을 자가변환함으로써, AgSePh로 이루어진 2D 발광 박막을 150nm 두께로 형성하고, TPBi로 이루어진 전자 수송층 30nm 두께로 형성한 후, Yb 박막 1.5nm 및 Al 박막 100nm를 증착하여 발광 소자를 제조하였으며, 발광 소자의 크기는 1mm × 1mm였다.
(실험예 4- 발광 스펙트럼 및 휘도 측정)
제조예 2에 따라 제조된 ITO 기판 상의 2D 발광 박막 및 제조예 4에 따라 제조된 발광 소자 각각의 발광 스펙트럼 및 휘도를 측정하였다. 발광 스펙트럼 및 휘도는 PHOTO RESEARCH 사(社)의 PR-670 분광 광도계를 사용하여 측정하였다. 발광 스펙트럼과 휘도는 각각 상온에서 측정되었고, 제조예 2의 2D 발광 박막 및 제조예 4의 발광 소자 각각에 9V의 전압을 인가하여 측정하였다. 그 결과는 도 11과 같다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 2D 발광 박막 및 발광 소자의 발광 스펙트럼 및 휘도 측정 결과이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 발광 스펙트럼 측정 결과 제조예 2의 2D 발광 박막(AgSePh) 및 제조예 4의 발광 소자(OMC LED)는 모두 청색 발광 특성(약, 460nm)이 있는 것을 알 수 있다. 특히, 제조예 2의 2D 발광 박막의 발광 파장에 대한 반치전폭(FWHM)은 20nm 이하로 측정되었다. 이는, 현재 상용화된 청색 OLED 소재 대비 우수한 수준으로 평가된다.
도 11의 (b)를 참조하면, 휘도 측정 결과 제조예 4의 발광 소자는 9V의 동작 전압이서 3.10 Cd/m2의 휘도로 발광하였으며, 디스플레이용 발광 소자로 사용가능한 수준임을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 2D 발광 박막은 2D박막의 적층 구조로 이루어져 있어, 기존 벌크 구조의 발광 박막 대비 얇은 박막 두께에서도 우수한 발광 특성을 제공할 수 있으며, 청색 발광 소자의 경우, 기존 청색 OLED 발광소자 대비 우수한 안정성과 수명을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 2D 발광 박막은 2D 구조의 양자우물층 및 유기 배리어층의 적층 구조로 형성되어 있으므로, 우수한 플렉서빌리티를 가지며, 플레서블 디스플레이 소자로 널리 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 2D 발광 박막의 제조방법은 금속층을 형성한 후 전구체를 주입하여 자가변환을 유도하는 방식으로 안정적인 2D 박막 구조를 제조할 수 있으며, 자가변환 공정은 저온환경에서 수행될 수 있으므로, 기존 OLED 제조 공정에 호환되어 이루어질 수 있으며, 경제성이 우수할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 발광소자 및 이를 활용한 다양한 산업에 적용될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이, 조명 등으로 제품화될 수 있으며, 상기 제품이 적용되는 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층; 및
    상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는, 2D 발광 박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자우물층은 금속 및 상기 금속과 공유 결합되는 결합 원소를 포함하는, 2D 발광 박막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 이터븀(Yb), 니켈(Ni), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 비스무트(Bi), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 인듐(In), 주석(Sn), 하프늄(Hf), 탄탈럼(Ta), 갈륨(Ga), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y), 코발트(Co), 철(Fe), 망가니즈(Mn), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함하는, 2D 발광 박막.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합 원소는 15족(닉토겐), 16족(칼코겐) 및 17족(할로겐) 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 2D 발광 박막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기 배리어층은 인접하는 다른 유기 배리어층과 반데르발스 상호작용으로 결합되는 유기 작용기를 포함하는, 2D 발광 박막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2D 발광 박막은 평면상에서 0.1μm 이상의 크기를 갖는 결정립(grain)을 적어도 하나 포함하는, 2D 발광 박막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2D 발광 박막은 상온에서 발광 스펙트럼을 분석할 경우, 발광 파장에 대한 반치전폭(FWHM)이 20nm 이하인, 2D 발광 박막.
  8. 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층에 결합 원소 및 유기 작용기를 포함하는 전구체를 제공하여 자가변환을 유도함으로써 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층 및 상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는 2D 발광 박막을 형성하는 단계를 포함하는, 2D 발광 박막의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계는,
    상기 전구체를 보조용매와 함께 기화하여 상기 금속층에 제공하는 단계를 포함하는, 2D 발광 박막의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보조용매는 상기 금속과 상기 유기 반응기의 반응에 대한 촉매 역할이 가능한 극성 또는 비극성 용매인, 2D 발광 박막의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 결합 원소는 15족(닉토겐), 16족(칼코겐) 및 17족(할로겐) 원소 중 적어도 하나를 포함하는, 2D 발광 박막의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 금속층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 금속층을 산화하는 단계를 더 포함하는, 2D 발광 박막의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계는,
    상기 자가변환 과정에서 발생되는 부산물을 배출하는 단계를 포함하는, 2D 발광 박막의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 금속층을 형성하는 단계는,
    패터닝된 상기 금속층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계는,
    상기 패터닝된 금속층에 상기 전구체를 제공하여 자가변환을 유도함으로써, 패터닝된 상기 2D 발광 박막을 형성하는 단계를 포함하는, 2D 발광 박막의 제조방법.
  15. 양극;
    상기 양극에 대응하는 음극; 및
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 삽입되고,
    반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층; 및
    상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는, 2D 발광 박막을 포함하는, 발광 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 2D 발광 박막은 서로 상이한 밴드갭을 갖는 복수의 양자우물층을 포함하고,
    상기 복수의 양자우물층은 상기 유기 배리어층을 사이에 두고 적층된, 발광 소자.
  17. 양극 및 음극을 포함하는 전극 어레이; 및
    상기 전극 어레이의 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되고,
    반도체 물질을 포함하고, 원자층 단위의 2D 박막인 양자우물층; 및
    상기 양자우물층 상의 유기 배리어층을 포함하는, 2D 발광 박막을 포함하는, 디스플레이 패널.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 2D 발광 박막은 서로 상이한 파장의 빛을 방출하는 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들을 포함하고,
    상기 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들은 군집하여 픽셀을 구성하는, 디스플레이 패널.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들의 상기 양자우물층은 서로 상이한, 디스플레이 패널.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 2D 발광 박막 엘리먼트들의 상기 유기 배리어층은 서로 상이한, 디스플레이 패널.
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