KR100971197B1 - 전자 전달 기능을 갖는 양자점 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점을 구성하는 부유성 유기물을 도전성 분자로 치환함으로써, 전자 전달 능력을 향상시켜 발광 또는 광전 효율을 높일 수 있는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 전자 전달 기능을 갖는 양자점은 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점에 있어서, 상기 양자점이 반도체 물질로 구성되는 코어와, 상기 코어의 둘레에 흡착되며 부도성 유기물에서 치환된 도전성 분자로 이루어진 것이다.
또한 본 발명의 개선된 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법은, 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점 제조 방법에 있어서, 상기 양자점을 구성하는 코어 둘레에 흡착된 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환시키는 것이다.
양자점, 코어, 부도성 유기물, 도전성 분자, 치환
Description
본 발명은 양자점 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점을 구성하는 부유성 유기물을 도전성 분자로 치환함으로써, 전자 전달 능력을 향상시켜 발광 또는 광전 효율을 높일 수 있는 개선된 전자 전달 기능을 갖는 양자점 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 나노 크기의 반도체 물질로서 양자 제한(quantum confinement) 효과를 나타내는데, 이러한 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 빛을 받아 에너지 여기 상태에 이르면, 자체적으로 해당하는 에너지 밴드갭(bandgap)에 따른 에너지를 방출하게 된다.
따라서 양자점의 크기를 조절하게 되면 해당 밴드 갭을 조절할 수 있게 되는바, 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있으므로 양자점을 발광소자 또는 광전변화소자 등 다양한 소자에 응용할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 양자점을 이용한 발광소자의 일예를 개략적으로 나 타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제 1 전극층(10)과, 정공수송층(20), 양자점 활성층(30), 및 제 2 전극층(40)을 포함하는 것으로서, 후면 발광형의 구조를 갖는다.
제 1 전극층(10)은 정공 주입을 위한 양극으로서, ITO 전극과 같이 투명한 금속 산화물로 이루어진다.
정공수송층(20)은 제 1 전극층(10)으로부터의 정공을 전달하는 것으로서, 다이아민(diamine) 유도체인 TPD 등이 이용된다.
양자점 활성층(30)은 정공수송층(20)과 제 2 전극층(40)으로부터 각각 전달된 정공과 전자의 재결합에 의해 발광한다.
그리고, 제 2 전극층(40)은 전자 주입을 위한 음극이다.
이러한 발광 소자의 원리를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 제 1 전극층(10)에 + 전압을, 제 2 전극층(20)에 - 전압을 인가한다.
그러면, 제 1 전극층(10)으로부터 주입된 정공과, 제 2 전극층(20)으로부터 주입된 전자는 양자점 활성층(10)의 양자점에 포획된다.
이렇게 양자점에 각각 포획된 전자와 정공은 재결합을 하게 되고 재결합시 발생하는 에너지는 빛의 형태로 외부로 발광된다.
한편, 도 4는 종래 기술에 따른 양자점을 이용한 태양전지의 일예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 대향전극층(100)과, 전해질층(200), 광흡수층(300), 도전성 투명기판(400)을 포함한다.
대향전극층(100)은 도전성 물질로 이루어지며, 전해질층(200)은 전해액으로 이루어진다.
그리고, 광흡수층(300)은 양자점(미도시함)으로 이루어지는 금속산화물층(300a) 및 염료층(300b)으로 이루어진다.
이러한 구조에 따른 태양전지의 원리를 살펴보면 광흡수층(300)으로 입사되는 태양광에 의해 생성되는 전자는 양자점들의 커플링(coupling) 효과에 의해 양자점들을 통해 대향전극층(100)을 거쳐 외부의 부하로 전기 에너지를 전달하게 된다.
이와 같이, 발광소자나 태양전지와 같은 광소자에 이용되는 양자점(500)은 반도체 물질로서, 도 5에 도시된 바와 같이 코어(500a)와, 코어(500a)의 둘레를 감싸는 쉘(500b)로 이루어지며, 이 쉘(500b)의 주변에는 양자점(500) 형성시 결합되지 않은 부도성의 유기물(500c)이 흡착되어 있다.
그런데, 부도성 유기물(500c)은 코어(500a) 및 쉘(500b) 보다 높은 에너지 밴드갭을 갖기 때문에 이웃하는 양자점(500)들 사이의 커플링(coupling) 효율을 저하시키거나 양자점에서 전극으로 혹은 전극으로부터 양자점으로의 전자전달을 저하시키는 문제가 있다.
즉, 각 양자점(500)들 사이에는 코어(500a) 및 쉘(500b) 보다 에너지 밴드갭이 상대적으로 큰 부도성 유기물(500c)이 흡착되어 있기 때문에, 이웃하는 양자점(500) 사이의 전자나 에너지 교환을 위해 밴드갭이 큰 부도성 유기물(500c)을 통과해야 하므로, 각 양자점들(500) 사이의 커플링 효율이 낮아진다.
결과적으로, 부도성의 유기물로 인하여 발광소자의 경우 발광 효율이 저하되 고, 태양전지와 같은 광전 소자의 경우 에너지 전달 효율성이 저하되는 단점이 있다.
상기 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 부도성 유기물이 흡착된 코어를 갖는 양자점의 부도성 유기물을 전자가 잘 전달되는 도전성 분자 로 치환하여 이웃하는 양자점들간의 커플링 효과를 향상시켜 전자의 교환이 잘 이루어지도록 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 및 그 제조 방법 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자 전달 기능을 갖는 양자점 및 그 제조 방법은 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점에 있어서, 상기 양자점이 반도체 물질로 구성되는 코어와, 상기 코어의 둘레에 흡착되며 부도성 유기물에서 치환된 도전성 분자로 이루어진 것이다.
또한 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자 전달 기능을 갖는 양자점 및 그 제조 방법 제조 방법은, 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점 제조 방법에 있어서, 상기 양자점을 구성하는 상기 코어 둘레에 흡착된 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환시키는 것이다.
본 발명은 양자점을 구성하는 코어 둘레의 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환하여 이웃하는 양자점들 사이의 커플링 효과를 향상시켜 전자 전달 능력을 개선함으로써, 발광소자의 경우 발광 효율을 높이고 광전 소자의 경우 광전 변환 효율을 높여 에너지 생산성을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 6은 본 발명에 따른 개선된 전자 전달 기능을 갖는 양자점을 도시한 개념도로서, 본 발명은 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점에 관한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 양자점(1)은 반도체 물질로 구성되는 코어(1a)와, 코어(1a)의 둘레에 흡착되며 부도성 유기물에서 치환된 도전성 분자(1c')로 이루어진다.
여기서, 도전성 분자는 도전성 유기물 또는 이를 포함하는 전이금속화합물로 이루어진다.
이때, 도 6에는 코어(1a)의 둘레에 직접 도전성 분자가 흡착된 것으로 도시하였으나, 경우에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 코어(1a)의 둘레에 코어(1a)를 보호하는 쉘(1b)이 더 형성되고, 이 쉘(1b)의 둘레에 도전성 분자(1c')가 흡착된 구조를 가질 수 있다.
이때, 코어(1a) 또는 쉘(1b)은 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 반도체 화 합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 구체적으로는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, InSb 또는 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
한편, 도전성 분자(1c')는 도전성 아민이나 포스핀을 포함하는 분자로 이루어지되, 도전성 아민이나 포스핀을 포함한 분자는 카본(carbon)이 1-3 인 알킬 아민이나 포스핀계, 알릴아민이나 포스핀계, biphenyl, pyridine 혹은 이를 포함하는 전이금속화합물 중 선택된 것으로 이루어질 수 있다. 포스핀이나 아민 기능기는 도전성 분자의 흡착을 증대시키고 S등 칼코제나이드와 달리 빛에 안정하다.
이러한 본 발명의 양자점을 발광소자 또는 광전소자와 같은 광소자의 에너지변환층으로 이용하는 경우, 코어의 주변에 도전성의 분자가 흡착되어 있기 때문에 이웃하는 양자점들 사이의 전자 교환이 잘 이루어진다.
결과적으로, 이웃하는 양자점들 사이의 커플링 효과가 향상되어 전자 교환이 잘 이루어짐에 따라 발광소자의 경우 발광 효율이 개선되고, 광전소자의 경우 전기 에너지 생성 효율이 개선된다.
이하, 본 발명의 양자점을 제조하기 위한 방법을 설명하도록 한다.
우선, 본 발명은 양자점을 구성하는 코어 둘레에 흡착된 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환시키는 것을 요지로 한다.
우선, 습식 합성법을 이용하여 고온의 유기용매 내에서 반도체 화합물로 이루어지는 코어(1a)와 코어 둘레에 흡착된 부도성 유기물(1c)로 이루어지는 양자점 을 형성한다.
이때, 코어(1a)와 부도성 유기물(1c) 사이에는 코어(1a)를 보호하는 쉘이 더 형성되도록 할 수 있다.
그리고, 코어 또는 쉘은 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 반도체 화합물 및 이들의 혼합물로 형성할 수 있으며, 구체적으로는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, InSb 또는 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하여 형성할 수 있다.
양자점을 형성하기 위한 구체적인 방법으로는 우선, 화학적 습식 방법을 통해 반도체 화합물 코어를 갖는 양자점을 형성하기 위해서 고온의 분산 용매를 이용한다.
여기서, 분산 용매는 반도체 화합물 코어 표면에 배위할 수 있는 기능이 있어야 하고, 어느 정도 의 벌키니스(bulkiness)를 가지고 있어 결정의 크기 성장 속도를 조절할 수 있도록 해야 하며, 결정 성장 온도에서 안정하게 존재하고, 반도체 화합물 코어와 배위된 상태로 나노결정을 분산시킬 수 있어야 한다.
이러한 분산 용매는 알킬 포스핀(alkyl phosphine), 알킬 포스핀 옥사이드(alkyl phosphine oxide), 알킬 아민 (alkyl amine) 등을 예로 들 수 있으며, 끓는 점이 높고, 거대한 (bulky) 알킬아민이 사용된다. 또한, 분산 용매는 동시에 한 가지 종류 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이러한 분산 용매는 공기 중에 비교적 안정하게 존재하지만, 온도가 높은 경우 산화되는 특성을 보일 수 있으므로 비 교적 반응활성이 없는 분위기를 유지하기 위해 합성과정에서 질소나 아르곤 분위기를 유지할 필요가 있으며, 필요시 가압을 할 수도 있다.
그리고, 분산 용매 내에서 반응은 적절한 용매와 분위기를 유지하고 반응계의 온도를 원하는 온도에 맞추어서 진행한다.
이어서, 반응계의 온도가 일정 수준에서 유지되면, 반도체 화합물 전구체 물질을 주입하게 되는데, 이때 모든 전구체가 동시에 반응계로 주입될 수 있도록 속도를 조절하는 것이 중요한 인자가 된다.
그리고, 전구체의 주입 후 전구체가 빠르게 반응계에 분산될 수 있도록 교반을 적절히 해주고, 반응 중 생기는 기체 등을 적절히 분출시키며, 결정 형태의 양자점이 성장할 수 있도록 일정 시간을 유지하고 반응을 종료하거나, 코어-쉘(core shell) 형태의 양자점을 합성할 경우는 코어의 표면에 코팅하고자 하는 무기(inorganic) 물질의 전구체를 더 주입한다. 쉘에 해당하는 전구체를 주입할 경우는 모든 물질이 따로 핵을 생성하지 않고 이미 생성된 코어(core)의 표면 위에 도포(deposition)가 되도록 반응계 내에서 일정 농도를 넘지 않도록 천천히 주입하는 것이 중요하다.
이어서, 코어-부도성 유기물 형태 또는 코어-웰-부도성 유기물 형태의 양자점이 형성된 용매에 도전성 분자를 첨가한 후 교반 공정을 통해 도 8에 도시된 바와 같이 부도성 유기물(1c)을 도전성 분자(1c')로 치환한다.
여기서, 교반 공정은 양자점이 용해된 혼합 용매에 도전성 분자를 첨가한 후 10~150℃ 온도로 가열한 상태에서 2~24 시간 실시할 수 있다.
상기 도전성 분자는 도전성 아민이나 포스핀을 포함하는 분자로서, 도전성 아민이나 포스핀을 포함한 분자는 카본(carbon)이 1-3 인 알킬 아민이나 포스핀계, 알릴아민이나 포스핀계, biphenyl, pyridine 혹은 이를 포함하는 전이금속화합물 중 선택된 것을 이용할 수 있다.
그리고, 이렇게 합성된 양자점은 콜로이드 상태로 용매 내에 분산되어 있으므로, 침전 후 원심분리를 통하여 용매로부터 양자점을 분리해 낼 수 있다.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 양자점과 종래 기술에 따른 양자점의 발광 효율을 비교한 그래프도로서, 기존의 CdSe/Zns 구조의 양자점과 본 발명에 따른 CdSe/Zns/Prydine 구조의 양자점의 발광 효율이 저전압에서는 유사하게 나타나지만, 고전압에서의 발광 효율은 본 발명에 따른 양자점이 훨씬 높게 나타남을 알 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 양자점을 이용한 발광소자의 일예를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2 및 도 3은 도 1의 발광소자의 작용을 설명한 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 양자점을 이용한 태양전지의 일예를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5는 종래 기술에 따른 양자점 구성 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 개선된 전자 전달 기능을 갖는 양자점을 도시한 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개선된 전자 전달 기능을 갖는 양자점을 도시한 개념도.
도 8은 본 발명의 개선된 전자 전달 기능을 갖는 양자점 형성 방법을 도시한 개념도.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 양자점과 종래 기술에 따른 양자점의 발광 효율을 비교한 그래프도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 양자점
1a : 코어
1b : 쉘
1c : 부도성 유기물
1c': 도전성 분자
Claims (14)
- 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점에 있어서,상기 양자점은;반도체 물질로 구성되는 코어와,상기 코어의 둘레에 흡착되며 부도성 유기물에서 치환된 도전성 분자로 이루어짐을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점.
- 제 1항에 있어서,상기 코어의 둘레의 도전성 분자 내측에는 상기 코어를 보호하는 쉘이 더 형성됨을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점.
- 제 1항에 있어서,상기 코어는 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 반도체 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점.
- 제 1항에 있어서,상기 코어는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs,InSb, 또는 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점.
- 제 1항에 있어서,상기 도전성 분자는 도전성 아민이나 포스핀을 포함하는 분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점.
- 제 5항에 있어서,상기 도전성 아민이나 포스핀을 포함하는 분자는 카본(carbon)이 1-3 인 알킬 아민이나 포스핀계, 알릴아민이나 포스핀계, biphenyl, pyridine 혹은 이를 포함하는 전이금속화합물 중 선택된 것을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점.
- 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발산하거나 외부로부터 입사되는 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전달하는 발광소자 및 광전소자를 포함하는 광소자의 에너지 변환층으로 이용되는 양자점 제조 방법에 있어서,상기 양자점을 구성하는 코어 둘레에 흡착된 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환시키는 것을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환 방법은,습식 합성법을 이용하여 고온의 유기용매에서 반도체 화합물로 이루어지는 코어와 코어 둘레에 흡착된 부도성 유기물로 이루어진 양자점을 형성하고,상기 양자점이 형성된 용매에 도전성 분자를 첨가한 후 교반 공정을 통해 상기 부도성 유기물을 도전성 분자로 치환하는 것을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 교반 공정은 양자점이 용해된 혼합 용매에 도전성 분자를 첨가한 후 10~150℃ 온도로 가열한 상태에서 2~24 시간 실시함을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 코어의 둘레에의 도전성 분자 내측에는 상기 코어를 보호하는 쉘이 더 형성되도록 함을 특징으로 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 코어는 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 반도체 화합물 및 이들의 혼합물로 형성함을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 코어는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs,InSb, 또는 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것으로 형성함을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 도전성 분자는 도전성 아민이나 포스핀을 포함하는 분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 도전성 아민이나 포스핀을 포함하는 분자는 카본(carbon)이 1-3 인 알킬 아민이나 포스핀계, 알릴아민이나 포스핀계, biphenyl, pyridine 혹은 이를 포함하는 전이금속화합물 중 선택된 것을 특징으로 하는 전자 전달 기능을 갖는 양자점 제조 방법.
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