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KR20210028410A - 발광다이오드 및 발광장치 - Google Patents

발광다이오드 및 발광장치 Download PDF

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KR20210028410A
KR20210028410A KR1020190109453A KR20190109453A KR20210028410A KR 20210028410 A KR20210028410 A KR 20210028410A KR 1020190109453 A KR1020190109453 A KR 1020190109453A KR 20190109453 A KR20190109453 A KR 20190109453A KR 20210028410 A KR20210028410 A KR 20210028410A
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light emitting
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electrode
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 전하이동층이 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성 리간드가 결합된 무기 물질을 포함하는 발광다이오드와, 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다. 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성 리간드가 결합하면서, 무기 나노 입자의 표면에서의 결함(defect)을 최소화하여 전하 이동 물질이 안정적으로 형성될 수 있다. 직교 용매를 사용하여 전하이동층 및 발광물질층을 형성할 수 있기 때문에, 발광층 사이의 계면 모폴로지를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 발광 효율 및 발광 수명이 크게 향상된 발광다이오드와 발광장치를 구현할 수 있다.

Description

발광다이오드 및 발광장치{LIGHT EMITTING DIODE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광층을 안정적으로 형성하여 발광 효율 및 발광 수명이 향상된 발광다이오드와, 이를 포함하는 발광장치에 관한 것이다.
정보화 시대가 진행되면서 대량의 정보를 처리하여 이를 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전하고 있다. 평판표시장치 중에서도 유기발광다이오드(organic light emitting diode; OLED) 표시장치는 박형 구조가 가능하고 소비 전력이 적어 액정표시장치(LCD)를 대체하는 차세대 표시장치로서 사용되고 있다. 하지만, 유기발광다이오드 표시장치에서 발광 휘도를 높이기 위하여 발광다이오드의 전류 밀도를 증가시키거나 구동 전압을 높이는 경우, 유기 발광다이오드에 사용된 유기 발광 재료가 분해되는 등의 열화로 인하여 발광다이오드의 수명이 짧아지는 문제가 있다.
최근, 양자점(quantum dot; QD)이나 양자막대(quantum rod; QR)와 같은 무기 발광 입자를 표시장치에 적용하고 있다. 양자점이나 양자막대는 불안정한 상태의 전자가 전도대(conduction band)에서 가전자대(valence band)로 내려오면서 발광한다. 양자점이나 양자막대는 흡광 계수(extinction coefficient)가 매우 크고 양자 효율(quantum yield)도 우수하므로 강한 형광을 발생시킨다. 또한, 양자점이나 양자막대의 크기에 따라 발광 파장이 변경되므로, 양자점이나 양자막대의 크기를 조절하여 가시광선 전 영역대의 발광 파장을 얻을 수 있고, 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
하지만, 양자점 등의 무기 발광 입자를 발광물질층에 도입한 이른바 양자점 발광다이오드(Quantum-dot Light Emitting Diode, QLED)의 발광 효율은 유기발광다이오드의 발광 효율에 비하여 낮다. 또한, 유기발광다이오드 또는 양자점 발광다이오드를 구성하는 전자수송층에 무기 나노 입자를 사용하는 경우, 무기 나노 입자끼리의 응집이 일어나거나 무기 나노 입자의 표면에 결함이 생겨서 전하 수송 속도가 지연되는 문제가 발생한다.
최근에는 용액 공정을 이용하여 발광다이오드를 구성하는 다수의 적층 박막을 형성하는 방법이 주목을 받고 있다. 발광다이오드의 발광층 중에서 상부 층을 형성하기 위해 사용된 용매에 하부 층이 녹는 경우, 상부 층과 하부 층간의 계면에서 재료의 혼합이 일어나면서 계면 특성이 저하될 수 있다. 따라서 용액 공정을 통하여 제조되는 발광다이오드에서, 인접한 발광층을 구성하는 각각의 발광 재료 및/또는 전하 수송 재료를 모두 분산, 용해시킬 수 있는 상용(compatible) 용매를 사용할 수는 없다. 즉, 용액 공정을 이용하여 발광다이오드를 제조할 때, 인접한 발광층을 구성하는 물질 사이에 영향을 거의 주지 않거나 최소화할 수 있는 직교 용매(orthogonal solvent)를 사용하여야 한다. 하지만, 발광층 각각에 대하여 사용할 수 있는 용매의 종류는 제한되어 있기 때문에, 제한적으로 사용되는 용매에 분산, 용해될 수 있으며, 적절한 에너지 준위를 가지는 재료를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 전하 수송 재료의 결함을 최소화하여 전하이동층이 안정적으로 형성될 수 있으며, 발광층 사이의 계면 모폴로지가 양호한 발광다이오드와, 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 직교 용매를 적용한 용액 공정을 효율적으로 구현할 수 있는 발광다이오드와, 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발광 효율 및 발광 수명이 향상된 발광다이오드와, 이를 포함하는 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층; 및 상기 발광물질층과, 상기 제 1 및 제 2 전극 중에서 캐소드로 기능하는 전극 사이에 위치하는 전자이동층을 포함하고, 상기 전자이동층은 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성(amphiphilic) 리간드가 결합된 무기 물질을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.
다른 측면에 따르면, 본 발명은 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층; 상기 제 1 전극과 상기 발광물질층 사이에 위치하는 제 1 전하이동층; 및 상기 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 전하이동층을 포함하고, 상기 제 1 전하이동층 및 상기 제 2 전하이동층 중에서 적어도 하나는 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성(amphiphilic) 리간드가 결합된 무기 물질을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판; 및 기판 상부에 위치하며 전술한 발광다이오드를 포함하는 발광장치를 제공한다.
본 발명은 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성 리간드가 결합된 무기 물질을 전하이동층에 도입한 발광다이오드와 이를 포함하는 발광장치를 제안한다. 리간드가 표면에 결합하여 무기 나노 입자의 표면에 야기될 수 있는 결함(defect)이 최소화되어 전하 이동 특성이 향상된다.
또한, 본 발명의 무기 물질은 친수성 용매에 분산될 수 있기 때문에, 소수성 용매에 분산시켜 적층되는 발광물질층의 발광 물질이 본 발명의 무기 물질과 혼합되지 않는다. 인접한 발광층 사이에 직교 용매를 사용하여 안정적으로 발광층을 형성할 수 있으며, 본 발명의 무기 물질이 적용된 전하이동층과 인접한 발광물질층 사이의 계면 모폴로지가 양호해진다.
표면 결함이 최소화되고, 발광층 사이의 계면 모폴로지가 개선되면서, 발광 효율 및 발광 수명이 향상된 발광다이오드와 발광장치를 구현, 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발광장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 전하이동층에 도입될 수 있는 무기 물질의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드를 구성하는 전극 및 발광층의 최고준위점유분자궤도(HOMO) 에너지 준위와 최저준위비점유분자궤도(LUMO) 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드를 구성하는 전극 및 발광층의 최고준위점유분자궤도(HOMO) 에너지 준위와 최저준위비점유분자궤도(LUMO) 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 리간드가 표면에 결합되지 않은 금속산화물 나노 입자로 이루어진 박막을 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 8은 리간드가 표면에 결합되지 않은 금속 산화물 나노 입자로 이루어진 박막의 흡광 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 각각 리간드가 결합되지 않은 금속 산화물 나노 입자(도 9a), 소수성 리간드가 표면에 결합된 금속 산화물 나노 입자(도 9b), 본 발명에 따라 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 금속 산화물 나노 입자(도 9c)로 이루어진 박막을 원자력현미경(AFM)으로 촬영한 이미지이다.
도 10a 및 도 10b는 리간드가 표면에 결합되지 않은 금속 산화물 나노 입자를 ETL에 도입한 발광다이오드(도 10a)와, 본 발명에 따라 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 금속 산화물 나노 입자를 ETL에 도입한 발광다이오드(도 10b)를 TEM으로 촬영한 이미지이다.
도 11 내지 도 14는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광다이오드의 전압(V)-전류밀도(J)를 측정한 결과를 나타내는 그래프(도 11), 전압(V)-휘도를 측정한 결과를 나타낸 그래프(도 12), 전류밀도(J)-외부양자효율(EQE)를 측정한 결과를 나타낸 그래프(도 13), 수명-휘도를 측정한 결과를 나타낸 그래프(도 14)이다.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 설명한다.
[발광장치]
본 발명은 무기 입자의 표면에 양쪽성 리간드가 결합한 무기 물질을 전하이동층에 도입한 발광다이오드 및 발광장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광다이오드는 발광표시장치 또는 발광조명장치와 같은 발광장치에 적용될 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 발광장치의 일례로서 발광다이오드가 적용된 발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 발광표시장치(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 평탄화층(150) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 발광다이오드(D)를 포함한다.
기판(110)은 유리 기판, 얇은 플렉서블(flexible) 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone; PES), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate; PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene Terephthalate; PET) 및 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 그 상부에 박막트랜지스터(Tr)와, 발광다이오드(D)가 위치하는 기판(110)은 어레이 기판을 이룬다.
기판(110) 상에 버퍼층(122)이 형성되고, 버퍼층(122) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(122)은 생략될 수 있다.
버퍼층(122) 상부에 반도체층(120)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(120)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 반도체층(120)이 산화물 반도체 물질로 이루어지는 경우, 반도체층(120) 하부에 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 차광패턴(도시하지 않음)은 반도체층(120)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(120)이 빛에 의하여 열화되는 것을 방지한다. 선택적으로, 반도체층(120)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(120)의 양 가장자리에 불순물이 도핑될 수 있다.
반도체층(120)의 상부에는 절연 물질로 이루어진 게이트 절연막(124)이 기판(110) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(124)은 실리콘산화물(SiOx) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(124) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(130)이 반도체층(120)의 중앙에 대응하여 형성된다. 도 1에서 게이트 절연막(122)은 기판(110) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(120)은 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.
게이트 전극(130) 상부에는 절연 물질로 이루어진 층간 절연막(132)이 기판(110) 전면에 형성된다. 층간 절연막(132)은 실리콘산화물(SiOx) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연 물질로 형성될 수 있다.
층간 절연막(132)은 반도체층(120)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 게이트 전극(130)의 양측에서 게이트 전극(130)과 이격되어 위치한다. 여기서, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 게이트 절연막(122) 내에도 형성될 수 있다. 선택적으로, 게이트 절연막(122)이 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 층간 절연막(132) 내에만 형성된다.
층간 절연막(132) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(144)과 드레인 전극(146)이 형성된다. 소스 전극(144)과 드레인 전극(146)은 게이트 전극(130)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)을 통해 반도체층(120)의 양측과 접촉한다.
반도체층(120), 게이트 전극(130), 소스 전극(154) 및 드레인 전극(156)은 박막트랜지스터(Tr)를 이루며, 박막트랜지스터(Tr)는 구동 소자(driving element)로 기능한다. 도 1에 예시된 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층(120)의 상부에 게이트 전극(130), 소스 전극(154) 및 드레인 전극(156)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고, 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도 1에 도시하지 않았으나, 게이트 배선과 데이터 배선이 서로 교차하여 화소 영역을 정의하며, 게이트 배선과 데이터 배선에 연결되는 스위칭 소자가 더 형성된다. 상기 스위칭 소자는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 또한, 파워 배선이 데이터 배선 또는 데이터 배선과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 캐패시터가 더 구성될 수 있다.
한편, 발광표시장치(100)는 발광다이오드(D)에서 생성된 빛 중에서 특정 파장 대역의 빛만을 투과시키는 안료 또는 염료를 포함하는 컬러 필터(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(도시하지 않음)는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 및/또는 백색(W) 광을 투과시킬 수 있다. 이 경우, 광을 흡수하는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터 패턴이 각각의 화소 영역에 형성될 수 있다. 컬러 필터(도시하지 않음)를 채택함으로써, 발광표시장치(100)는 풀-컬러를 구현할 수 있다.
예를 들어, 발광표시장치(100)가 하부 발광 타입인 경우, 발광다이오드(D)에 대응하는 층간 절연막(132) 상부에 광을 흡수하는 컬러 필터(도시하지 않음)가 위치할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 발광표시장치(100)가 상부 발광 타입인 경우, 컬러 필터(도시하지 않음)는 발광다이오드(D)의 상부, 즉 제 2 전극(230) 상부에 위치할 수도 있다.
소스 전극(144)과 드레인 전극(146) 상부에는 평탄화층(150)이 기판(110) 전면에 형성된다. 평탄화층(150)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(146)을 노출하는 드레인 컨택홀(152)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(152)은 제 2 반도체층 컨택홀(136) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(136)과 이격되어 형성될 수도 있다.
발광다이오드(D)는 평탄화층(150) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(146)에 연결되는 제 1 전극(210)과, 제 1 전극(210) 상에 순차 적층되는 발광 유닛(220) 및 제 2 전극(230)을 포함한다.
1 전극(210)은 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(210)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극(210)은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO), 주석산화물(SnO2), 인듐산화물(In2O3), 카드뮴:산화아연(Cd:ZnO), 불소:산화주석(F:SnO2), 인듐:산화주석(In:SnO2), 갈륨:산화주석(Ga:SnO2) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)을 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 전극(710)은 전술한 금속 산화물 이외에도 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 더욱 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 발광표시장치(100)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 제 1 전극(210) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 평탄화층(150) 상에는 제 1 전극(210)의 가장자리를 덮는 뱅크층(160)이 형성된다. 뱅크층(160)은 화소 영역에 대응하여 제 1 전극(210)의 중앙을 노출한다.
제 1 전극(210) 상에는 발광층을 가지는 발광 유닛(발광층, 220)이 형성된다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 발광 유닛(220)은 발광물질층(emitting material layer; EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광 유닛(220)은 발광물질층 이외에도, 다수의 전하이동층을 가질 수 있다. 일례로, 발광 유닛(220)은 발광물질층(240, 440, 도 2 및 도 5 참조)과, 제 1 전하이동층(250, 460, 도 2 및 도 5 참조)과, 제 2 전하이동층(270, 470, 도 2 및 도 5 참조)를 포함하고, 필요에 따라 엑시톤 차단층(260, 280, 460, 480, 도 2 및 도 4 참조)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(210)과 제 2 전극(230) 사이에 배치되는 발광 유닛(220)은 1개일 수도 있고, 2개 이상의 발광 유닛이 탠덤 구조를 형성할 수도 있다.
후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드(D)를 구성하는 1개 이상의 전하이동층은 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성 리간드가 결합된 무기 물질을 포함한다. 양쪽성 리간드를 도입하여, 무기 나노 입자의 표면 결함과 무기 입자의 응집을 최소화하고, 직교 용매를 적용한 용액 공정을 통하여 발광 효율 및 발광 수명이 향상된 발광다이오드(D) 및 발광표시장치(100)를 구현할 수 있다.
[발광다이오드]
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도로서, 정상(normal) 구조를 가지는 발광다이오드를 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(D1)는 제 1 전극(210)과, 제 1 전극(210)과 마주하는 제 2 전극(230)과, 제 1 전극(210)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 발광층(220)을 포함한다. 발광층(220)은 발광물질층(Emitting material layer, EML, 240)을 포함한다. 발광 유닛인 발광층(220)은 제 1 전극(210)과 발광물질층(240) 사이에 위치하는 제 1 전하이동층(charge transfer layer 1; CTL1, 250)과, 발광물질층(240)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 제 2 전하이동층(charge transfer layer 2; CTL2, 270)을 포함한다. 이때, 제 1 전하이동층(250) 및 제 2 전하이동층(270) 중에서 적어도 하나는 본 발명에 따른 무기 물질을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 전하이동층(250, 270)에 포함될 수 있는 무기 물질의 구조 및 종류에 대해서는 후술한다.
선택적으로, 발광층(220)은 발광물질층(240)과 제 1 전하이동층(250) 사이에 위치하는 제 1 엑시톤 차단층인 전자차단층(electron blocking layer; EBL, 260) 및/또는 발광물질층(240)과 제 2 전하이동층(270) 사이에 위치하는 제 2 엑시톤 차단층인 정공차단층(hole blocking layer; HBL, 280)을 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에서, 제 1 전극(210)은 정공 주입 전극과 같은 양극(anode)일 수 있다. 제 1 전극(210)은 유리 또는 고분자 소재를 포함할 수 있는 기판(110, 도 1 참조) 상에 형성될 수 있다. 일례로, 제 1 전극(210)은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO), 주석산화물(SnO2), 인듐산화물(In2O3), 카드뮴:산화아연(Cd:ZnO), 불소:산화주석(F:SnO2), 인듐:산화주석(In:SnO2), 갈륨:산화주석(Ga:SnO2) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)을 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 전극(210)은 전술한 금속 산화물 이외에도 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 더욱 포함할 수 있다.
제 2 전극(230)은 전자 주입 전극과 같은 음극(cathode)일 수 있다. 일례로 제 2 전극(230)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 또는 Ag:Mg로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(210)과 제 2 전극(230)은 각각 5 내지 300 nm, 바람직하게는 10 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광다이오드(D1)가 하부 발광 타입인 경우, 제 1 전극(210)은 ITO, IZO, ITZO, AZO와 같은 투명 도전성 금속으로 이루어질 수 있으며, 제 2 전극(230)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, Al, Mg, Ag:Mg 합금 등을 사용할 수 있다.
발광물질층(240)은 무기 발광 입자 또는 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다. 발광물질층(240)이 무기 발광 입자로 이루어지는 경우, 무기 발광 입자는 양자점(quantum dots, QDs) 또는 양자막대(quantum rods, QRs)와 같은 나노 무기 발광 입자로 이루어질 수 있다. 양자점 또는 양자막대는 불안정한 상태의 전자가 전도대 에너지 준위에서 가전자대 에너지 준위로 내려오면서 발광하는 무기 입자이다.
이들 나노 무기 발광 입자는 흡광 계수(extinction coefficient)가 매우 크고 무기 입자 중에서는 양자 효율(quantum yield)도 우수하므로 강한 형광을 발생시킨다. 또한, 나노 무기 발광 입자의 크기에 따라 발광 파장이 변경되므로, 나노 무기 발광 입자의 크기를 조절하면 가시광선 전 영역대의 빛을 얻을 수 있으므로 다양한 컬러를 구현할 수 있다. 즉, 양자점 또는 양자 막대와 같은 나노 무기 발광 입자를 발광물질층(350)의 발광 재료로 사용하면, 개별 화소의 색 순도를 높일 수 있어서, 높은 순도의 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 발광으로 구성된 백색광을 구현할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 양자점 또는 양자막대는 단일 구조를 가질 수도 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 양자점 또는 양자막대는 코어(core)/쉘(shell)의 이종 구조를 가질 수 있다. 이때, 쉘은 하나의 쉘로 이루어질 수도 있고, 다수의 쉘(multi shells)로 이루어질 수도 있다.
코어 및/또는 쉘로 합성될 수 있는 반응 전구체 종류, 코어 및/또는 쉘을 합성하기 위한 반응 전구체의 주입 속도, 반응 온도, 양자점 또는 양자막대의 외측에 연결되는 리간드의 종류 등에 따라, 나노 무기 발광 입자의 성장 정도 및 결정 구조 등을 조절할 수 있다. 나노 무기 발광 입자의 에너지 밴드갭이 조절되면서 다양한 파장대의 광 방출을 유도할 수 있다.
예를 들어, 양자점 또는 양자막대는 코어의 에너지 밴드갭(energy bandgap)이 쉘의 에너지 밴드갭에 의해 둘러싸인 구조의 발광 입자인 타입-° 코어/쉘 구조를 가질 수 있다. 타입-Ⅰ 코어/쉘 구조의 경우, 전자와 정공이 코어를 향해 이동하여 코어 내에서 전자와 정공의 재결합이 이루어지면서 에너지를 빛으로 발산하기 때문에, 코어의 두께에 따라 발광 파장을 조절할 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 양자점 또는 양자막대는 코어의 밴드갭 에너지와 쉘의 밴드갭 에너지가 어긋나게(staggered) 존재하여, 전자와 정공이 코어와 쉘 중에서 서로 반대 방향으로 이동하는 발광 입자인 타입 Ⅱ 코어/쉘 구조를 가질 수도 있다. 타입 Ⅱ 코어/쉘 구조의 경우, 쉘의 두께와 밴드갭의 위치에 따라 발광 파장을 조절할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에서, 양자점 또는 양자막대는 코어의 에너지 밴드갭이 쉘)의 에너지 밴드갭보다 큰 구조의 발광 입자인 리버스 타입-Ⅰ(reverse type-Ⅰ) 코어/쉘 구조를 가질 수 있다. 리버스 타입-Ⅰ 코어/쉘 구조의 경우, 쉘의 두께에 따라 발광 파장을 조절할 수 있다.
일례로, 양자점 또는 양자 막대가 타입-Ⅰ 코어/쉘 구조를 이루는 경우, 코어는 실질적으로 발광이 일어나는 부분으로, 코어의 크기에 따라 양자점 또는 양자막대의 발광 파장이 결정된다. 양자구속효과(quantum confine effect)를 받기 위해서 코어는 각각의 소재에 따라 엑시톤 보어 반경(exciton Bohr radius)보다 작은 크기를 가져야 하며, 해당 크기에서 광학적 밴드갭(optical band gap)을 가져야 한다.
양자점 또는 양자막대를 구성하는 쉘은 코어의 양자구속효과를 촉진하고 양자점 또는 양자막대의 안정성을 결정한다. 단일 구조의 콜로이드 양자점 또는 양자막대의 표면에 드러난 원자들은 내부 원자들과 달리 화학 결합에 참여하지 못한 전자상태(lone pair electron)를 가지고 있다. 이들 표면 원자들의 에너지 준위는 양자점 또는 양자막대의 전도대(conduction band edge)와 가전자대(valence band edge) 사이에 위치하여 전하들을 트랩(trap)할 수 있어 표면 결함(surface defect)이 형성된다. 표면 결함에 기인하는 엑시톤의 비-발광 결합 과정(non-radiative recombination process)으로 인하여 양자점 또는 양자막대의 발광 효율이 감소할 수 있으며, 트랩된 전하들이 외부 산소 및 화합물과 반응하여 양자점 또는 양자 막대의 화학적 조성의 변형을 야기하거나, 양자점 또는 양자막대의 전기적/광학적 특성이 영구적으로 상실될 수 있다.
코어의 표면에 쉘이 효율적으로 형성될 수 있기 위해서는, 쉘을 구성하는 재료의 격자 상수(lattice constant)는 코어를 구성하는 재료의 격자 상수와 비슷하여야 한다. 코어의 표면을 쉘로 에워쌈으로써, 코어의 산화를 방지하여 양자점 또는 양자막대의 화학적 안정성을 향상시키고, 물이나 산소와 같은 외부 인자에 의한 코어의 광퇴화 현상을 방지할 수 있다. 또한, 코어 표면에서의 표면 트랩에 기인하는 엑시톤의 손실을 최소화하고, 분자 진동에 의한 에너지 손실을 방지하여, 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 코어 및 쉘은 양자 구속 효과를 가지는 반도체 나노 결정, 금속 산화물 나노 결정일 수 있다. 일례로, 코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 반도체 나노 결정은, 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 Ⅲ-V족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
구체적으로, 코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정은 MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnSeS, ZnTeSe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, CdSeS, CdZnS, CdSeTe, CdO, HgS, HgSe, HgTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnSe, HgZnTe, CdS/ZnS, CdS/ZnSe, CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe, ZnSe/ZnS, ZnS/CdSZnS, CdS/CdZnS/ZnS, ZnS/ZnSe/CdSe 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 주기율표 Ⅲ-V족 화합물 반도체 나노 결정은 AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, Ga2O3, GaAs, GaSb, InN, In2O3, InP, InAs, InSb, AlGaAs, InGaAs, InGaP, AlInAs, AlInSb, GaAsN, GaAsP, GaAsSb, AlGaN, AlGaP, InGaN, InAsSb, InGaSb, AlGaInP, AlGaAsP, InGaAsP, InGaAsSb, InAsSbP, AlInAsP, AlGaAsN, InGaAsN, InAlAsN, GaAsSbN, GaInNAsSb 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 주기율표 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정은 TiO2, SnO2, SnS, SnS2, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, PbSnTe 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 또한, 코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 주기율표 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정은 AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2, CuInS2, CuInSe2, Cu2SnS3, CuGaS2, CuGaSe2 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
필요에 따라, 코어 및/또는 쉘은 InP/ZnS, InP/ZnSe, GaP/ZnS와 같이 주기율표 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 나노 결정 및 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정과 같이 상이한 족의 화합물 반도체 나노 결정이 다수의 층을 형성할 수도 있다.
또한, 코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 금속 산화물 나노 결정은 주기율표 Ⅱ족 또는 Ⅲ족 금속 산화물 결정일 수 있다. 일례로, 코어 및/또는 쉘에 적용될 수 있는 금속 산화물 나노 결정은 MgO, CaO, SrO, BaO, Al2O3 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
필요한 경우, 코어 및/또는 쉘을 구성하는 반도체 나노 결정은 Eu, Er, Tb, Tm, Dy과 같은 희토류 원소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑(doping)되거나 도핑되지 않거나, 또는 Mn, Cu, Ag, Al, Mg과 같은 전이 금속 원소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑될 수 있다.
예를 들어, 양자점 또는 양자막대를 구성하는 코어는 ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, InP, ZnCdS, CuxIn1-xS, CuxIn1-xSe, AgxIn1-xS 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 또한, 양자점 또는 양자막대를 구성하는 쉘은 ZnS, GaP, CdS, ZnSe, CdS/ZnS, ZnSe/ZnS, ZnS/ZnSe/CdSe, GaP/ZnS, CdS/CdZnS/ZnS, ZnS/CdSZnS, CdXZn1-xS 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
한편, 양자점 또는 양자막대는 균질 합금(homogeneous alloy) 양자점/양자막대 또는 경도 합금(gradient alloy) 양자점/양자막대와 같은 합금 양자점/양자막대(alloy QDs/alloy QRs; 일례로, CdSxSe1-x, CdSexTe1-x, ZnxCd1-xSe)일 수도 있다.
다른 하나의 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자는 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지는 양자점 또는 양자 막대일 수 있다. 페로브스카이트 구조의 양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자는 발광 성분인 코어를 가지며, 필요에 따라 쉘을 가질 수 있다. 일례로, 페로브스카이트 구조의 무기 발광 입자의 코어는 하기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
[화학식 1]
[ABX3]
화학식 1에서, A는 유기암모늄 또는 알칼리 금속임; B는 2가의 전이금속, 희토류 금속, 알칼리토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속임; X는 Cl, Br, I 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 할로겐 원자임.
예를 들어, 화학식 1에서 A가 유기암모늄인 경우, 무기 발광 입자는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 구조를 형성한다. 화학식 1의 A를 구성하는 유기암모늄은 아미디늄계 유기이온, (CH3NH3)n, ((CxH2x+1)nNH3)2(CH3NH3)n, (CnH2n+1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)(n은 1 이상인 정수, x는 1이상인 정수)일 수 있다. 일례로, 유기암모늄은 치환되지 않거나 치환된 C1~C10 알킬암모늄일 수 있다. 구체적으로, 화학식 1에서 A를 구성하는 유기암모늄은 메틸암모늄(methyl ammonium) 또는 에틸암모늄(ethyl ammonium)일 수 있다.
또한, 화학식 1에서 A를 구성하는 알칼리 금속은 Na, K, Rb, Cs 및/또는 Fr일 수 있다. 이 경우, 무기 발광 입자는 무기금속 페로브스카이트 구조를 형성할 수 있다.
예를 들어, 페로브스카이트 구조를 가지는 무기 발광 입자의 코어가 유무기 하이브리드 페로브스카이트 구조를 가지는 경우, 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 유기 양이온이 위치하는 유기평면 사이에 금속양이온이 위치하는 무기평면이 끼어 있는 층상 구조를 갖는다. 이때, 유기물과 무기물의 유전율 차이가 크기 때문에, 엑시톤은 유무기 하이브리드 페로브스카이트 격자 구조를 구성하는 무기평면 내에 속박되어, 높은 색 순도를 가지는 빛을 발광할 수 있는 이점을 갖는다. 또한, 페로브스카이트 구조를 가지는 무기 발광 입자의 코어가 무기 하이브리드 페로브스카이트 구조를 가지는 경우, 재료의 안정성 면에서 유리할 수 있다.
페로브스카이트 구조를 가지는 무기 발광 입자의 코어에서 각 성분의 조성 비율, 할로겐(X) 원자의 구성 성분의 종류 및 조성 비율을 조정하여, 다양한 파장대로 발광하는 코어를 합성할 수 있다. 또한, 다른 양자점 또는 양자 막대를 구성하는 코어와 달리, 페로브스카이트 구조는 안정적인 격자 구조를 이루고 있기 때문에, 페로브스카이트 구조를 가지는 코어는 매우 안정적인 결정 구조를 갖게 되고, 발광 효율이 향상될 수 있다.
발광물질층(240)이 양자점 또는 양자막대와 같은 무기 발광 입자로 이루어지는 경우, 용매, 통상적으로 소수성 용매에 양자점 또는 양자막대가 분산된 용액을 이용하여 발광물질층(240)을 형성한다. 무기 발광 입자가 분산된 용액을 제 1 전하이동층(250) 상에 도포한 뒤에, 용매를 휘발시킴으로써 발광물질층(240)을 형성한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자를 포함하는 발광물질층(240)을 형성하기 위하여, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(240)은 청색, 녹색 및 적색 파장 대역의 광 발광(photoluminescence, PL) 특성을 가지는 나노 무기 발광 입자인 양자점 또는 양자막대를 포함하여 백색 발광다이오드를 제작할 수 있다. 선택적으로, 발광물질층(240)은 적색, 녹색, 청색 중 어느 하나의 색을 가지는 발광 나노 입자인 양자점 또는 양자막대를 포함하며, 그 중 어느 하나의 색으로 개별적으로 발광하도록 구현될 수 있다.
다른 선택적인 실시형태에서, 발광물질층(240)은 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다. 발광물질층(240)이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 통상적으로 사용되는 유기 발광 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 발광물질층(240)은 적색, 녹색 및/또는 청색을 발광하는 유기 발광 재료로 이루어질 수 있으며, 형광 재료 또는 인광 재료를 포함할 수 있다.
또한, 발광물질층(240)을 구성하는 유기 발광 재료는 호스트(host) 및 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다. 유기 발광 재료가 호스트-도펀트 시스템으로 이루어지는 경우, 도펀트는 발광물질층(240) 중에 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(240)에 사용되는 유기 호스트는 통상적으로 사용하는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 일례로, 발광물질층(240)에 사용되는 유기 호스트는 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum; Alq3), TCTA, PVK, 4,4'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-바이페닐(4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; CBP), 4,4'-비스(9-카바졸릴)-2,2'-디메틸바이페닐(4,4'-Bis(9-carbazolyl)-2,2'-dimethylbiphenyl; CDBP), 9,10-디(나프탈렌-2-일)안트라센(9,10-di(naphthalene-2-yl)anthracene; ADN), 3-터르-부틸-9,10-디(나프트-2-일)안트라센(3-tert-butyl-9,10-di(naphtha-2-yl)anthracene; TBADN), 2-메틸-9,10-비스(나프탈렌-2-일)안트라센(2-methyl-9,10-bis(naphthalene-2-yl)anthracene; MADN), 1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠(1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazole-2-yl)benzene, TPBi), 디스티릴아릴렌(distyrylarylene; DSA), mCP, 1,3,5-트리스(카바졸-9-일)벤젠(1,3,5-tris(carbazol-9-yl)benzene; TCP) 등으로 이루어질 수 있다.
발광물질층(240)이 적색을 발광할 때, 발광물질층(350)에 포함되는 적색 도펀트는 5,6,11,12-테트라페닐나프탈렌(5,6,11,12-tetraphenylnaphthalene; Rubrene), 비스(2-벤조[b]티오펜-2-일-피리딘)(아세틸아세토네이트)이리듐(Ⅲ)(Bis(2-benzo[b]-thiophene-2-yl-pyridine)(acetylacetonate)iridium(Ⅲ); Ir(btp)2(acac)), 비스[1-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-이소퀴놀린](아세틸아세토네이트)iridium(Ⅲ)(Bis[1-(9,9-diemthyl-9H-fluorn-2-yl)-isoquinoline](acetylacetonate)iridium(Ⅲ); Ir(fliq)2(acac)), 비스[2-(9,9-디메틸-9H-플루오렌-2-일)-퀴놀린](acetylacetonate)iridium(Ⅲ)(Bis[2-(9,9-diemthyl-9H-fluorn-2-yl)-quinoline](acetylacetonate)iridium(Ⅲ); Ir(flq)2(acac)), 비스(2-페닐퀴놀린)(2-(3-메틸페닐)피리디네이트)이리듐(Ⅲ)(Bis-(2-phenylquinoline)(2-(3-methylphenyl)pyridinate)irideium(Ⅲ); Ir(phq)2typ), 이리듐(Ⅲ)비스(2-(2,4-디플루오로페닐)퀴놀린)피코리네이트(Iridium(Ⅲ)bis(2-(2,4-difluorophenyl)quinoline)picolinate; FPQIrpic) 등과 같은 유기 화합물 또는 유기 금속 착체를 포함할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(240)이 녹색을 발광할 때, 발광물질층(240)에 포함되는 녹색 도펀트는 N,N'-디메틸-퀴나크리돈(N,N'-dimethyl-quinacridone; DMQA), 쿠마린 6, 9,10-비스[N,N-디-(p-톨릴)-아미노]안트라센(9,10-bis[N,N-di-(p-tolyl)amino]anthracene; TTPA), 9,10-비스[페닐(m-톨릴)아미노]안트라센(9,10-bis[phenyl(m-tolyl)-amino]anthracene; TPA), 비스(2-페닐피리딘)(아세틸아세토네이트)이리듐(Ⅲ)(bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonate)iridium(Ⅲ); Ir(ppy)2(acac)), 팩-트리스(2-페닐피리딘)이리듐(Ⅲ)(fac-tris(phenylpyridine)iridium(Ⅲ); fac-Ir(ppy)3), 트리스[2-(p-톨린)피리딘]이리듐(Ⅲ)(tris[2-(p-tolyl)pyridine]iridium(Ⅲ); Ir(mppy)3) 등과 같은 유기 화합물 또는 유기 금속 착체를 포함할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(240)이 청색을 발광할 때, 발광물질층(240)에 포함되는 청색 도펀트는 4,4'-비스[4-(디-p-톨릴아미노)스트릴]바이페닐(4,4'-bis[4-(di-p-tolylamino)styryl]biphenyl; DPAVBi), 페릴렌(perylene), 2,5,8,11-테트라-터르-부틸페릴렌(2,5,8,11-tetra-tert-butylpherylene; TBPe), 비스(3,5-디플루오로-2-(2-피리딜)페닐-(2-카르복시피리딜)이리듐(Ⅲ)(bis(3,5-difluoro-2-(2-pyridyl)phenyl-(2-carbozylpyridyl)iridium(Ⅲ); FirPic), mer-트리스(1-페닐-3-메틸이미다졸린-2-일리덴-C,C2')이리듐(Ⅲ)(mer-tris(1-phenyl-3-methylimidazolin-2ylidene-C,C2')iridium(Ⅲ); mer-Ir(pmi)3), 트리스(2-(4,6-디플루오로페닐)피리딘)이리듐(Ⅲ)(tris(2-(4,6-difluorophenyl)pyridine)iridium(Ⅲ); Ir(Fppy)3) 등과 같은 유기 화합물 또는 유기 금속 착체를 포함할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
선택적인 실시형태에서, 발광물질층(240)이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 발광물질층(240)은 지연형광물질을 도펀트로 포함할 수도 있다. 발광물질층(240)이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 발광물질층(240)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법을 포함하는 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 일례로, 발광물질층(240)은 5 내지 300 nm, 바람직하게는 10 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 제 1 실시형태에서, 제 1 전하이동층(250)은 발광물질층(240)으로 정공을 공급하는 정공이동층(hole transfer layer)일 수 있다. 일례로, 제 1 전하이동층(240)은 제 1 전극(210)과 발광물질층(240) 사이에서 제 1 전극(210)에 인접하게 위치하는 정공주입층(hole injection layer; HIL, 252)과, 제 1 전극(210)과 발광물질층(240) 사이에서 발광물질층(240)에 인접하게 위치하는 정공수송층(hole transport layer; HTL, 254)을 포함할 수 있다.
정공주입층(252)은 제 1 전극(210)에서 발광물질층(240)으로 정공의 주입을 용이하게 한다. 일례로, 정공주입층(252)은 폴리(에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌설포네이트(poly(ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate; PEDOT:PSS); 테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄(tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane; F4-TCNQ)이 도핑된 4,4',4"-트리스(디페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-tris(diphenylamino)triphenylamine; TDATA); 예를 들어 F4-TCNQ가 도핑된 아연 프탈로시아닌(zinc phthalocyanine; ZnPc)과 같은 p-도핑된 프탈로시아닌; F4-TCNQ가 도핑된 N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-1,1'-바이페닐-4,4"-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphtyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine; α-NPD); 헥사아자트리페닐렌-헥사니트릴(hexaazatriphenylene-hexanitrile; HAT-CN) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 일례로 F4-TCNQ와 같은 도펀트는 호스트에 대하여 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있다. 정공주입층(252)은 발광다이오드(D1)의 구조 및 형태에 따라 생략될 수 있다.
정공수송층(254)은 제 1 전극(210)에서 발광물질층(240)으로 정공을 전달한다. 정공수송층(254)은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(254)이 유기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(254)은 4,4'-비스(N-카바졸일)-1,1'-바이페닐(4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; CBP, CBDP)와 같은 4,4'-비스(p-카바졸일)-1,1'-바이페닐 화합물류(4,4'-bis(p-carbazolyl)-1,1'-biphenyl compounds); N,N'-디(1-나프틸)-N,N'-디페닐-(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민(N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine; NPB, NPD), N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine; TPD), N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-스파이로(N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-spiro; spiro-TPD), N,N'-디(4-(N,N'-디페닐-아미노)페닐-N,N'-디페닐벤지딘(N,N'-di(4-(N,N'-diphenyl-amino)phenyl)-N,N'-diphenylbenzidine; DNTPD), 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine; TCTA), 테트라-N-페닐벤지딘(Tetra-N-phenylbenzidine; TPB), 트리스(3-메틸페닐페닐아미노)-트리페닐아민 (tris(3-methylphenylphenylamino)-triphenylamine; m-MTDATA), 폴리(9,9'-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-코-(4,4'-(N-(4-섹-부틸페닐)디페닐아민(poly(9,9'-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine; TFB), 폴리(4-부틸페닐-디페닐아민)(Poly(4-butylphenyl-dipnehyl amine); poly-TPD), 스파이로-NPB(spiro-NPB) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 방향족 아민(aromatic amine) 또는 다핵방향족 3차 아민(polynuclear aromatic amine)인 아릴 아민류; 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌설포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate; PEDOT:PSS)와 같은 도전성 폴리머; 폴리-N-비닐카바졸(Poly(N-vinylcarbazole); PVK) 및 그 유도체, 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실록시)-1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]; MEH-PPV)이나 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸록시)1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]; MOMO-PPV)와 같은 폴리(파라)페닐렌비닐렌(poly(para)phenylenevinylene) 및 그 유도체, 폴리메타크릴레이트 및 그 유도체, 폴리(9,9-옥틸플루오렌) (poly(9,9-octylfluorene)) 및 그 유도체, 폴리(스파이로-플루오렌)(poly(spiro-fluorene)) 및 그 유도체와 같은 폴리머; 구리프탈로시아닌(copper phthalocyanine; CuPc)과 같은 금속 착화합물; 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(254)이 무기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(254)은 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성 리간드가 결합된 무기 물질로 이루어질 수 있다. 도 3은 본 발명에 따라 전하이동층에 도입될 수 있는 무기 물질의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제 1 및 제 2 정공이동층(250, 270) 중에서 적어도 하나의 정공이동층에 포함될 수 있는 무기 물질(300)은 무기 나노 입자(310)의 표면에 결합된 양쪽성(amphiphilic) 리간드(320)로 이루어진다.
예시적인 실시형태에서, 무기 나노 입자(310)는 금속산화물 나노 입자를 포함할 수 있다. 정공수송층(254)에 사용될 수 있는 금속산화물 나노 입자는 아연(Zn), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 텅스텐(W), 주석(Sn), 크롬(Cr), 바나듐(V), 몰리브데늄(Mo), 망간(Mn), 납(Pb), 세륨(Ce), 레늄(Re) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물 나노 입자일 수 있다. 예를 들어, 정공수송층(254)에 사용될 수 있는 금속산화물 나노 입자는 ZnO, TiO2, CoO, CuO, Cu2O, FeO, In2O3, MnO, NiO, PbO, SnOx, Cr2O3, V2O5, Ce2O3, MoO3, Bi2O3, ReO3 및 이들의 조합에서 선택될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이때, 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 정공을 발광물질층(EML, 240)으로 주입하기 위해서, 정공수송층(HTL, 254)의 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO) 에너지 준위(무기물인 경우, 가전자대 에너지 준위)는 발광물질층(EML, 240)의 HOMO 에너지 준위보다 얕아야 한다.
선택적인 실시형태에서, 금속산화물 나노 입자일 수 있는 무기 나노 입자(310)를 포함하는 정공수송층(HTL, 254)의 가전자대 에너지 준위를 조절하여, 발광물질층(EML, 240)으로 정공이 효율적으로 주입될 수 있도록, 정공수송층(HTL, 254)은 무기 물질(300)을 구성하는 무기 나노 입자(310)에 p-도핑된 성분(p-도펀트)을 포함할 수 있다. 일례로, 무기 나노 입자(310)에 p-도핑된 성분은 Li+, Na+, K+, Sr+, Ni2+, Mn2+, Pb2+, Cu+, Cu2+, Co2+, Al3+, Eu3+, In3+, Ce3+, Er3+, Tb3+, Nd3+, Y3+, Cd2+, Sm3+, N, P, As 및 이들의 조합에서 선택될 있으나, 이에 한정되지 않는다.
양쪽성 리간드(320)는, 리간드의 일단을 형성하며 무기 나노 입자(310)의 표면에 직접 결합하는 앵커부(anchor portion, 322)와, 앵커부(322)에 연결되는 제 1 모이어티(324)와, 제 1모이어티(324)에 연결되며 외측에 노출되는 제 2 모이어티(326)로 이루어질 수 있다. 이때, 제 1 모이어티(324)와 제 2 모이어티(326) 중에서 어느 하나는 친수성기이고, 제 1 모이어티(324)와 제 2 모이어티(326) 중에서 다른 하나는 소수성기일 수 있다. 예를 들어, 제 1 모이어티(324)는 소수성기이고, 제 2 모이어티(326)는 친수성기일 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 앵커부(322)는 티올기(-SH), 설파이드기(-S-) 또는 아미노기(-NH2-)를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 소수성기일 수 있는 제 1 모이어티(324)는 포화되거나 포화되지 않은 지방족 사슬, 지환족(alicyclic) 고리, 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 친수성기일 수 있는 제 2 모이어티(326)는 하이드록시기(-OH) 및 카르복시기(-COOH)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
무기 나노 입자(310)가 인접한 무기 나노 입자에 가깝게 배치되어 응집되는 것을 방지할 수 있다면, 앵커부(322)와 제 2 모이어티(324) 사이에 위치하는 제 1 모이어티(324)는 특별히 제한되지 않는다. 예시적인 실시형태에서, 제 1 모이어티(324)는 C2-C15 지방족 사슬, C3-C20 지환족 고리, C6-C24 방향족 고리 또는 C3-C24 헤테로 방향족 고리(예를 들어, 피리딘, 피리미딘, 퀴놀린, 아자 고리)를 포함할 수 있다. 일례로, C2-C15 지방족 사슬은 C2-C15 알킬렌과 같은 포화 지방족 연결기는 물론이고, C2-C15 불포화 지방족 연결기를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. C6-C24 방향족 고리 또는 C3-C24 헤테로 방향족 고리는 페닐렌, 바이페닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 터페닐렌 등의 방향족 연결기나, 피리딜렌, 피리미딜렌, 퀴놀릴렌과 같은 아자 헤테로 방향족 고리와 같은 헤테로 방향족 연결기를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
무기 물질(300)은 무기 나노 입자(310)를 합성하기 위한 전구체와, 양쪽성 리간드(320)를 출발 물질로 사용하고, 졸-겔 법 등을 적용하여 합성될 수 있다. 예를 들어, 금속산화물 나노 입자를 무기 나노 입자로 사용할 때, 금속산화물 나노 입자(310)의 전구체를 적절한 용매에 넣어 반응시켜 금속산화물 나노 입자(310)를 합성하고, 이어서 양쪽성 리간드(320)를 추가하여 금속산화물 나노 입자의 표면에 결합시키는 방법을 이용할 수 있다.
예를 들어, 금속산화물 나노 입자 전구체의 함량을 증가시키면, 금속산화물 나노 입자(310)의 표면에 존재하는 금속 성분과, 양쪽성 리간드(320)의 양 끝단에 존재하는 앵커부(322) 및 제 2 모이어티(326) 사이의 상대적인 결합에너지 차이에 의하여 앵커부(322) 및 제 2 모이어티(326) 중에서 어느 하나의 모이어티가 금속산화물 나노 입자(310)의 표면에 결합하고, 다른 모이어티는 외측으로 노출된다. 예를 들어, 양 끝단에 각각 티올기(-SH)와 친수성기인 하이드록시기(-OH)를 가지며, 티올기(-SH)와 하이드록시기(-OH) 사이에 소수성기인 알킬렌기가 연결된 양쪽성 리간드를 사용하는 경우, 금속산화물 나노 입자(310)의 표면에 존재하는 양이온성 금속 성분에 대한 결합에너지는 티올기(-SH)가 상대적으로 낮다. 이에 따라, 금속산화물 나노 입자(310)의 표면에 앵커부(322)인 티올기가 직접 결합하고, 친수성기(326)인 하이드록시기는 외측으로 노출된다. 금속산화물 나노 입자를 합성하기 위한 금속 성분의 상대적인 함량이 많은 경우, 티올기는 설파이드기 형태로 금속산화물 나노 입자(310)의 표면에 결합할 수도 있다.
도 2에서 정공이동층일 수 있는 제 1 전하이동층(250)은 정공주입층(252)과 정공수송층(254)으로 구분되어 있다. 이와 달리, 제 1 전하이동층(250)은 하나의 층으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제 1 전하이동층(250)은 정공주입층(252)이 생략되고 정공수송층(254)만으로 이루어질 수도 있고, 전술한 정공 수송 유기물에 정공 주입 물질(일례로 PEDOT:PSS)이 도핑되어 이루어질 수도 있다.
정공주입층(252) 및 정공수송층(254)을 포함하는 제 1 전하이동층(250)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법과 같은 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅(spin coating), 드롭 코팅(drop coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 롤 코팅(roll coating), 플로 코팅(flow coating), 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 정공주입층(252)과 정공수송층(254)의 두께는 각각 10 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm일 수 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 제 2 전하이동층(270)은 발광물질층(240)과 제 2 전극(230) 사이에 위치한다. 본 발명의 제 1 실시형태에서, 제 2 전하이동층(270)은 발광물질층(240)으로 전자를 공급하는 전자이동층(electron transfer layer)일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 2 전하이동층(270)은 제 2 전극(230)과 발광물질층(240) 사이에서 제 2 전극(230)에 인접하게 위치하는 전자주입층(electron injection layer; EIL, 272)과, 제 2 전극(230)과 발광물질층(240) 사이에서 발광물질층(240)에 인접하게 위치하는 전자수송층(electron transport layer; ETL, 274)을 포함할 수 있다.
전자주입층(272)은 제 2 전극(230)으로부터 발광물질층(240)으로의 전자 주입을 용이하게 한다. 예를 들어, 전자주입층(272)은 Al, Cd, Cs, Cu, Ga, Ge, In, Li과 같은 금속에 불소가 도핑되거나 결합된 소재로 이루어지거나, Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 도핑되거나 도핑되지 않은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화탄탈륨(Ta2O3)와 같은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
전자수송층(274)은 발광물질층(240)으로 전자를 전달한다. 전자수송층(274)은 무기물 및/또는 유기물로 이루어질 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(240)이 무기 발광 입자로 이루어지는 경우, 발광물질층(240)과의 계면 결함을 방지하여 소자를 구동할 때 안정성을 확보할 수 있도록 전자수송층(274)은 무기물로 이루어질 수 있다. 전자수송층(274)이 전하 이동도(mobility)가 우수한 무기물로 이루어지는 경우, 제 2 전극(230)에서 제공되는 전자의 전달 속도가 향상될 수 있고, 전자 농도가 크기 때문에, 발광물질층(240)으로 전자가 효율적으로 수송될 수 있다
또한, 발광물질층(240)이 무기 발광 입자로 이루어지는 경우, 무기 발광 입자의 가전자대(valence band; VB) 에너지 준위는 매우 깊다(deep). 통상적으로 전자 전달 특성을 가지는 유기 화합물의 HOMO 에너지 준위는 무기 발광 입자의 가전자대(VB) 에너지 준위보다 얕다(shallow). 이 경우, 제 1 전극(210)으로부터 무기 발광 입자로 이루어지는 발광물질층(240)으로 주입된 정공이 유기 화합물로 이루어지는 전자수송층(274)을 지나 제 2 전극(230)으로 누설(leakage)되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(274)은 가전자대(VB) 에너지 준위가 상대적으로 깊은(deep) 무기물로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 가전자대(VB) 에너지 준위와, 전도대(conduction band) 에너지 준위 사이의 에너지 밴드갭(Eg)이 넓은 무기물을 전자수송층(274)의 소재로 사용할 수 있다. 이 경우, 무기 발광 재료로 이루어질 수 있는 발광물질층(240)으로 주입된 정공이 전자수송층(274)으로 누설되지 않으며, 제 2 전극(230)으로부터 제공되는 전자가 효율적으로 발광물질층(240)에 주입될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(274)은, 도 3에 나타낸 것과 같이, 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합한 무기물(300)을 포함할 수 있다. 정공수송층(254)에서 설명한 것과 유사하게, 전자수송층(274)을 구성하는 무기 나노 입자(310)는 금속산화물 나노 입자일 수 있다.
일례로, 전자수송층(274)을 구성하는 금속산화물 나노 입자(310)는 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전자수송층(364)을 형성하는 금속산화물은 티타늄산화물(TiO2), 아연산화물(ZnO), 아연마그네슘산화물(ZnMgO), 아연칼슘산화물(ZnCaO), 지르코늄산화물(ZrO2), 주석산화물(SnO2), 주석마그네슘산화물(SnMgO), 텅스텐산화물(WO3), 탄탈륨산화물(Ta2O3), 하프늄산화물(HfO3), 알루미늄산화물(Al2O3), 바륨티타늄산화물(BaTiO3), 바륨지르코늄산화물(BaZrO3) 및 이들의 조합을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 전자수송층(274)을 구성하는 무기 나노 입자(310)의 표면에 결합하는 양쪽성 리간드(320)는 정공수송층(254)에서 설명한 것과 중복되므로 상세한 설명은 생략한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전자수송층(ETL, 274)의 LUMO(또는 전도대) 에너지 준위는 발광물질층(EML, 240)의 LUMO 에너지 준위와 유사하도록 설계되는 반면, 전자수송층(ETL, 274)의 HOMO(또는 가전자대) 에너지 준위는 발광물질층(EML, 240)의 HOMO 에너지 준위보다 깊게 설계될 수 있다. 이와 같은 에너지 준위를 충족할 수 있도록, 전자수송층(274)은 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합한 무기물(300)에 n-도핑된(n-도펀트) 성분을 포함할 수 있다. 전자수송층(274)에 포함될 수 있는 n-도핑된 성분은 Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 구성되는 금속의 양이온, 특히 3가 양이온을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
전자수송층(274)이 유기물로 이루어지는 경우, 전자수송층(274)은 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디아졸계 화합물, 페난트롤린(phenanthroline)계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물이나 알루미늄 착물과 같은 유기물을 사용할 수 있다.
구체적으로, 전자수송층(274)을 구성할 수 있는 유기 물질은 3-(바이페닐-4-일)-5-(4-테트라부틸페닐)-4-페닐-4H-1,2,4-트리아졸(3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole, TAZ), 바소큐프로인(bathocuproine, 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), 2,2',2"-(1,3,5-벤자인트리일)-트리스(1-페닐-1-H-벤즈이미아졸)(2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole); TPBi), 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum; Alq3), 비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)-4-페닐페놀레이트 알루미늄(Ⅲ) (bis(2-methyl-8-quninolinato)-4-phenylphenolatealuminum (Ⅲ); BAlq), 비스(2-메틸-퀴놀리나토)(트리페닐실록시) 알루미늄(Ⅲ)(bis(2-methyl-quinolinato)(tripnehylsiloxy) aluminum (Ⅲ); Salq) 및 이들의 조합으로 구성되는 소재에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
도 2에서 제 2 전하이동층(270)은 전자주입층(272)과 전자수송층(274)의 2층으로 도시하였다. 선택적으로, 제 2 전하이동층(270)은 전자수송층(274)의 1층으로만 이루어질 수도 있다. 또한, 전술한 무기물로 이루어지는 전자 수송 재료에 세슘카보네이트를 블렌딩한 전자수송층(274)의 1층으로 제 2 전하이동층(270)을 형성할 수도 있다.
전자주입층(272) 및/또는 전자수송층(274)을 포함하는 제 2 전하이동층(270)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법과 같은 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 형성될 수 있다. 일례로, 전자주입층(272) 및 전자수송층(274)은 각각 10 내지 200 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 제 1 전하이동층(250)을 구성하는 정공수송층(254)이 유기물로 이루어지고, 제 2 전하이동층(270)이 무기물로 이루어지는 혼성 전하이동층을 도입하는 경우, 발광다이오드(D1)의 발광 특성이 향상될 수 있다.
선택적인 실시형태에서, 정공이 발광물질층(240)을 지나 제 2 전극(230)으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(240)을 지나 제 1 전극(210)으로 이동하는 경우, 소자의 수명과 효율에 감소를 가져올 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(D1)는 발광물질층(240)에 인접하여 적어도 1개의 엑시톤 차단층이 위치할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(D1)는 정공수송층(254)과 발광물질층(240) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(electron blocking layer, EBL, 260)이 위치할 수 있다. 일례로, 전자차단층(260)은 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine),N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민(tri-p-tolylamine), 1,1-비스(4-(N,N-디(p-톨릴)아미노)페닐)사이클로헥산(1,1-bis(4-(N,N'-di(ptolyl)amino)phenyl)cyclohexane; TAPC), m-MTDATA, 1,3-비스(N-카바졸릴)벤젠(1,3-bis(N-carbazolyl)benzene; mCP),3,3'-비스(N-카바졸일)-1,1'-바이페닐(3,3'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; mCBP), Poly-TPD, 프탈로시아닌구리(copper phthalocyanine; CuPc), DNTPD 및/또는1,3,5-트리스[4-(디페닐아미노)페닐]벤젠(1,3,5-tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene; TDAPB) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 발광물질층(240)과 전자수송층(274) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(hole blocking layer, HBL, 280)이 위치하여 발광물질층(240)과 전자수송층(274) 사이에서의 정공의 이동을 방지할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(280)의 소재로서 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디자올계 화합물, 페난트롤린(phenanthroline)계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물이나 알루미늄 착물과 같은 유기물을 사용할 수 있다. 예를 들어 정공차단층(280)은 발광물질층(240)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 깊은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), BAlq, Alq3, 2-바이페닐-4-일-5-(4-터셔리-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole; PBD), 스파이로-PBD 및/또는 리튬 퀴놀레이트(lithium quinolate; Liq) 등으로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 제 1 전하이동층(250)을 구성하는 정공수송층(254) 및 제 2 전하이동층(270)을 구성하는 전자수송층(274) 중에서 적어도 하나의 전하수송층은 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합된 무기물(300)을 포함하고 있다.
이온성 고체(ionic solid)인 금속산화물 나노 입자로 이루어진 전하수송층(254, 274)의 표면은 옥사이드 이온(O2-) 또는 옥소 음이온(Ox y-) 상태로 존재한다. 이들 음이온들은 친수성 조건에서 물과 반응하여, 하이드록시기(-OH)로 변환되거나 하이드록시 이온을 형성한다. 즉, 금속산화물 나노 입자로만 이루어진 전하수송층(254, 274)의 노출된 표면은 금속 하이드록사이드(M-OH) 상태이다.
금속산화물 나노 입자로만 이루어지는 전하수송층(254, 274)의 표면에 형성되는 옥사이드 이온, 옥소 음이온이나 이로부터 생성되는 하이드록시기는 전하수송층(254, 274)의 표면 결함(surface defect)이 될 수 있다. 예를 들어, 금속산화물 나노 입자로만 이루어지는 전하수송층(254, 274)의 표면에 존재하는 옥사이드 이온이나 옥소 음이온이 산화되면서, 전하수송층(254, 274)의 표면에 산화막이 형성된다. 이에 따라, 금속산화물 나노 입자로만 이루어지는 전하수송층(254, 274)의 안정성이 저하되어, 시간 경과에 따라 전하수송층(254, 274)에서의 전하 이동도(mobility)와 같은 전기적 특성이 저하된다.
또한, 용액 공정을 이용하여, 양쪽성 리간드가 없는 금속산화물 나노 입자로 전하수송층(254, 274)을 형성할 때, 금속 산화물 나노 입자는 인접한 금속 산화물 나노 입자와 응집하면서 분산 특성이 저하되는 문제가 발생한다. 이로 인하여, 박막 형태의 전하수송층(254, 274)을 형성할 때, 공극이나 뭉침 현상과 같은 균일하지 않은 막 특성이 관찰된다.
아울러, 금속 산화물 나노 입자의 표면에 소수성 리간드를 결합시킨 무기물을 이용하여 전하수송층(254, 274)을 형성하고자 하는 경우, 소수성 유기용매를 사용하여 소수성 리간드가 결합된 금속 산화물 나노 입자를 분산시킨 상태에서 용액 공정을 수행하여야 한다. 전하수송층(254, 274)에 인접한 발광물질층(240)이 무기 발광 입자로 이루어진 경우, 발광물질층(240)은 소수성 유기용매를 이용한 용액 공정에 의해 형성된다. 동일한 종류의 소수성 유기용매를 사용하여 전하수송층(254, 274)과 발광물질층(240)을 형성하는 경우, 전하수송층(254, 274)과 발광물질층(240)을 구성하는 소재가 혼합되면서, 이들 발광층 사이의 계면이 선명하게 분리되지 못하게 되어, 계면 모폴로지 특성이 저하된다. 이로 인하여 발광다이오드의 발광 효율이나 발광 수명이 저하된다.
반면, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 전하이동층(254, 274)이 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합된 무기물(300)을 포함하고 있다. 표면에 결합된 양쪽성 리간드(320)는 무기 나노 입자(310) 표면에 형성되는 결함(defect)을 제거할 수 있다. 아울러, 무기 나노 입자(310)의 표면에 결합된 양쪽성 리간드(320)로 인하여 무기 나노 입자(310) 사이에 일정한 거리를 확보할 수 있다. 이로 인하여 무기 나노 입자(310)가 인접한 무기 나노 입자(310)와 응집되는 것을 최소화하여, 무기물(300)의 분산 특성을 향상시킬 수 있고, 박막을 형성할 때에도 공극이나 뭉침 현상을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라, 무기물(300)의 최 외측에 형성되는 제 2 모이어티(326)를 친수성 작용기로 설계할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 무기물(300)은 친수성 용매에 효율적으로 분산될 수 있다. 이에 따라, 소수성 용매를 이용한 용액 공정에 의해 형성되는 발광물질층(240)과 달리, 무기물(300)을 포함하는 전하수송층(254, 274)은 용매인 친수성 용매를 이용한 용액 공정을 통하여 형성될 수 있다. 전하수송층(254, 274)과 인접한 발광물질층(240)을 직교 용매를 이용하여 각각 형성할 수 있기 때문에, 이들 발광층을 구성하는 소재가 혼합되지 않는다. 이에 따라, 전하수송층(254, 274)과 발광물질층(240)의 계면 모폴로지가 저하되지 않는다. 결과적으로, 본 발명에 따라, 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합된 무기물(300)을 적어도 하나의 전하수송층(254, 274)에 도입하여, 발광 특성 및 발광 수명이 크게 향상된 발광다이오드(D1)를 구현할 수 있다.
전술한 제 1 실시형태에서는 일함수(work function)이 상대적으로 낮은 제 1 전극과 발광물질층 사이에 정공이동층이 위치하고, 일함수가 상대적으로 높은 제 2 전극과 발광물질층 사이에 전자이동층이 위치하는 정상 구조(normal structure)를 가지는 양자점 발광다이오드에 대해서 설명하였다. 발광다이오드는 정상 구조가 아닌 반전 구조(inverted structure)를 가질 수 있는데, 이에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드를 구성하는 전극 및 발광층의 최고준위점유분자궤도(HOMO) 에너지 준위와 최저준위비점유분자궤도(LUMO) 에너지 준위를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(D2)는 제 1 전극(410)과, 제 1 전극(410)과 마주하는 제 2 전극(430)과, 제 1 전극(410)과 제 2 전극(430) 사이에 위치하는 발광층(420)을 포함한다. 발광층(420)은 발광물질층(EML, 440)을 포함한다. 발광층(420)은 제 1 전극(410)과 발광물질층(440) 사이에 위치하는 제 1 전하이동층(CTL1, 450)과, 발광물질층(440)과 제 2 전극(430) 사이에 위치하는 제 2 전하이동층(CTL2, 470)을 포함한다. 이때, 제 1 전하이동층(450) 및 제 2 전하이동층(470) 중에서 적어도 하나는 본 발명에 따른 무기 물질을 포함할 수 있다. 선택적으로, 발광층(220)은 발광물질층(440)과 제 1 전하이동층(450) 사이에 위치하는 정공차단층(HBL, 480) 및/또는 발광물질층(440)과 제 2 전하이동층(470) 사이에 위치하는 전자차단층(EBL, 460)을 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 제 1 전극(410)은 전자 주입 전극과 같은 음극(cathode)일 수 있다. 일례로, 제 1 전극(410)은 ITO, IZO, ITZO, ICO, SnO2, In2O3, Cd:ZnO, F:SnO2, In:SnO2, Ga:SnO2 및 AZO와 같은 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물이거나, 전술한 금속 산화물 이외에도 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브를 포함하는 소재로 이루어질 수 있다.
제 2 전극(430)은 정공 주입 전극과 같은 양극(anode)일 수 있다. 일례로 제 2 전극(430)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 또는 Ag:Mg일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(410)과 제 2 전극(430)은 각각 5 내지 300 nm, 바람직하게는 10 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있다.
발광물질층(440)은 무기 발광 입자 또는 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다. 무기 발광 입자는 양자점 또는 양자막대와 같은 나노 무기 발광 입자일 수 있다. 양자점 또는 양자막대는 단일 구조를 가지거나, 코어/쉘의 이종 구조를 가질 수 있다. 이때, 쉘은 하나의 쉘로 이루어질 수도 있고, 다수의 쉘(multi shells)로 이루어질 수도 있다. 양자점 또는 양자막대는 타입-° 코어/쉘 구조, 타입 Ⅱ 코어/쉘 구조, 리버스 타입-Ⅰ(reverse type-Ⅰ) 코어/쉘 구조를 가질 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 코어 및 쉘은 양자 구속 효과를 가지는 반도체 나노 결정, 금속 산화물 나노 결정일 수 있다. 일례로, 코어 및/또는 쉘을 형성할 수 있는 반도체 나노 결정은, 주기율표 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 Ⅲ-V족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, 주기율표 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 선택적으로, 무기 발광 입자는 페로브스카이트 구조를 가지는 양자점 또는 양자 막대일 수 있다.
발광물질층(440)이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 발광물질층(40)은 적색, 녹색 및/또는 청색을 발광하는 유기 발광 재료로 이루어질 수 있으며, 형광 재료 또는 인광 재료를 포함할 수 있다. 또한, 발광물질층(440)을 구성하는 유기 발광 재료는 호스트(host) 및 도펀트(dopant)를 포함할 수 있다. 유기 발광 재료가 호스트-도펀트 시스템으로 이루어지는 경우, 도펀트는 호스트 중량에 대하여 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 필요에 따라, 발광물질층(440)이 유기 발광 재료로 이루어지는 경우, 발광물질층(440)은 지연형광 물질을 포함할 수 있다.
발광물질층(440)은 진공 증착 공정이나, 용액 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 발광물질층(440)은 5 내지 300 nm, 바람직하게는 10 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 제 2 실시형태에서, 제 1 전하이동층(450)은 발광물질층(450)으로 전자를 공급하는 전자이동층일 수 있다. 일례로, 제 1 전하이동층(450)은 제 1 전극(410)과 발광물질층(440) 사이에서 제 1 전극(410)에 인접하게 위치하는 전자주입층(EIL, 452)과, 제 1 전극(410)과 발광물질층(440) 사이에서 발광물질층(440)에 인접하게 위치하는 전자수송층(ETL, 454)을 포함한다.
전자주입층(452)은 Al, Cd, Cs, Cu, Ga, Ge, In, Li과 같은 금속에 불소가 도핑되거나 결합된 소재로 이루어지거나, Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 도핑되거나 도핑되지 않은 TiO2, ZnO, ZrO, SnO2, WO3, Ta2O3와 같은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
전자수송층(454)은 무기물 및/또는 유기물로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 전하 이동도가 우수하며, 발광물질층(440)의 HOMO 에너지 준위보다 깊은 HOMO 에너지 준위(가전자대 에너지 준위)를 가지는 무기물을 전자수송층(454)에 적용하는 것이 바람직할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(474)은, 도 3에 나타낸 것과 같이, 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합한 무기물(300)을 포함할 수 있다. 전자수송층(454)을 구성하는 무기 나노 입자(310)는 금속산화물 나노 입자일 수 있다.
일례로, 전자수송층(454)을 구성하는 금속산화물 나노 입자(310)는 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전자수송층(454)을 형성하는 금속산화물은 티타늄산화물(TiO2), 아연산화물(ZnO), 아연마그네슘산화물(ZnMgO), 아연칼슘산화물(ZnCaO), 지르코늄산화물(ZrO2), 주석산화물(SnO2), 주석마그네슘산화물(SnMgO), 텅스텐산화물(WO3), 탄탈륨산화물(Ta2O3), 하프늄산화물(HfO3), 알루미늄산화물(Al2O3), 바륨티타늄산화물(BaTiO3), 바륨지르코늄산화물(BaZrO3) 및 이들의 조합을 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전자수송층(ETL, 454)의 HOMO(또는 가전자대) 에너지 준위는 발광물질층(EML, 440)의 HOMO 에너지 준위보다 깊게 설계될 수 있다. 이와 같은 에너지 준위를 충족할 수 있도록, 전자수송층(454)은 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합한 무기물(300)에 n-도핑된(n-도펀트) 성분을 포함할 수 있다. 전자수송층(454)에 포함될 수 있는 n-도핑된 성분은 Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 구성되는 금속의 양이온, 특히 3가 양이온을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
전자수송층(454)이 유기물로 이루어지는 경우, 전자수송층(454)은 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디아졸계 화합물, 페난트롤린(phenanthroline)계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물이나 알루미늄 착물과 같은 유기물을 사용할 수 있다. 구체적으로, 전자수송층(454)을 구성할 수 있는 유기 물질은 TAZ, BCP, TPBi, Alq3, BAlq, Salq 및 이들의 조합으로 구성되는 소재에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
제 1 전하이동층(450)은 전자수송층(454)의 1층으로만 이루어질 수도 있다. 또한, 전술한 무기물로 이루어지는 전자 수송 재료에 세슘카보네이트를 블렌딩한 전자수송층(454)의 1층으로 제 1 전하이동층(450)을 형성할 수도 있다. 전자주입층(452) 및/또는 전자수송층(454)을 포함하는 제 1 전하이동층(540)은 진공 증착 공정이나 용액 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일례로, 전자주입층(452) 및 전자수송층(454)은 각각 10 내지 200 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에서, 제 2 전하이동층(470)은 발광물질층(440)으로 정공을 공급하는 정공이동층일 수 있다. 제 2 전하이동층(470)은 제 2 전극(430)과 발광물질층(440) 사이에서 제 2 전극(430)에 인접하게 위치하는 정공주입층(472)과, 제 2 전극(430)과 발광물질층(440) 사이에서 발광물질층(440)에 인접하게 위치하는 정공수송층(474)을 포함한다.
정공주입층(472)은 PEDOT:PSS, F4-TCNQ이 도핑된 TDATA, 예를 들어 F4-TCNQ가 도핑된 ZnPc와 같은 p-도핑된 프탈로시아닌, F4-TCNQ가 도핑된α-NPD, HAT-CN 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 일례로 F4-TCNQ와 같은 도펀트는 호스트에 대하여 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있다. 정공주입층(442)은 발광다이오드(D2)의 구조 및 형태에 따라 생략될 수 있다.
정공수송층(474)은 제 2 전극(430)에서 발광물질층(440)으로 정공을 전달한다. 정공수송층(474)은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(474)이 유기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(474)은 CBP(CBDP)와 같은 4,4'-비스(p-카바졸일)-1,1'-바이페닐 화합물류(4,4'-bis(p-carbazolyl)-1,1'-biphenyl compounds); NPB(NPD), TPD, spiro-TPD, DNTPD, TCTA, TPB, m-MTDATA, TFB, poly-TP), spiro-NP) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 방향족 아민(aromatic amine) 또는 다핵방향족 3차 아민(polynuclear aromatic amine)인 아릴 아민류; 폴리아닐린, 폴리피롤, PEDOT:PSS와 같은 도전성 폴리머; PVK 및 그 유도체, MEH-PPV나 MOMO-PPV와 같은 폴리(파라)페닐렌비닐렌 및 그 유도체, 폴리메타크릴레이트 및 그 유도체, 폴리(9,9-옥틸플루오렌) 및 그 유도체, 폴리(스파이로-플루오렌) 및 그 유도체와 같은 폴리머; CuPc과 같은 금속 착화합물; 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(474)이 무기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(474)은 무기 나노 입자(310, 도 3 참조)의 표면에 양쪽성 리간드(320, 도 3 참조)가 결합된 무기 물질(300, 도 3 참조)로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 무기 나노 입자(310)는 금속산화물 나노 입자를 포함할 수 있다.
정공수송층(474)에 사용될 수 있는 금속산화물 나노 입자는 아연(Zn), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 텅스텐(W), 주석(Sn), 크롬(Cr), 바나듐(V), 몰리브데늄(Mo), 망간(Mn), 납(Pb), 세륨(Ce), 레늄(Re) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물 나노 입자일 수 있다. 예를 들어, 정공수송층(254)에 사용될 수 있는 금속산화물 나노 입자는 ZnO, TiO2, CoO, CuO, Cu2O, FeO, In2O3, MnO, NiO, PbO, SnOx, Cr2O3, V2O5, Ce2O3, MoO3, Bi2O3, ReO3 및 이들의 조합에서 선택될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이때, 도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 정공을 발광물질층(EML, 440)으로 주입하기 위해서, 정공수송층(HTL, 474)의 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO) 에너지 준위(가전자대 에너지 준위)는 발광물질층(EML, 440)의 HOMO 에너지 준위보다 얕아야 한다. 선택적인 실시형태에서, 금속산화물 나노 입자일 수 있는 무기 나노 입자(310)를 포함하는 정공수송층(HTL, 474)은 무기 물질(300)을 구성하는 무기 나노 입자(310)에 p-도핑된 성분(p-도펀트)을 포함할 수 있다. 일례로, 무기 나노 입자(310)에 p-도핑된 성분은 Li+, Na+, K+, Sr+, Ni2+, Mn2+, Pb2+, Cu+, Cu2+, Co2+, Al3+, Eu3+, In3+, Ce3+, Er3+, Tb3+, Nd3+, Y3+, Cd2+, Sm3+, N, P, As 및 이들의 조합에서 선택될 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 5에서, 정공이동층인 제 2 전하이동층(470)은 정공주입층(472)과 정공수송층(474)으로 구분되어 있다. 이와 달리, 제 2 전하이동층(470)은 하나의 층으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제 2 전하이동층(470)은 정공주입층(472)이 생략되고 정공수송층(474)만으로 이루어질 수도 있고, 전술한 정공 수송 물질에 정공 주입 물질(일례로 PEDOT:PSS)이 도핑되어 이루어질 수도 있다.
정공주입층(472) 및 정공수송층(474)을 포함하는 제 2 전하이동층(470)은 진공 증착 공정이나 용액 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 정공주입층(472)과 정공수송층(474)의 두께는 각각 10 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
선택적인 실시형태에서, 발광다이오드(D2)는 정공수송층(474)과 발광물질층(440) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(EBL, 460) 및/또는 발광물질층(440)과 전자수송층(454) 사이에 정공의 이동을 제어, 방지할 수 있는 정공차단층(HBL, 480)과 같은 적어도 1개의 엑시톤 차단층을 더욱 포함할 수 있다.
전술한 제 1 실시형태와 유사하게, 제 1 전하이동층(450)을 구성하는 전자수송층(454) 및 제 2 전하이동층(470)을 구성하는 정공수송층(474) 중에서 적어도 하나의 전하수송층은 무기 나노 입자(310)의 표면에 양쪽성 리간드(320)가 결합된 무기물(300)을 포함하고 있다. 양쪽성 리간드(320)가 무기 나노 입자(310)의 표면에 존재할 수 있는 결함(defect)을 최소화하여 무기 나노 입자(310)의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지한다. 아울러, 양쪽성 리간드(320)로 인하여 인접한 무기 나노 입자(310)가 응집되는 것을 방지하여, 최종적으로 박막 형태의 전하수송층(454, 474)에서 전하 수송 물질이 뭉쳐지거나 또는 공극이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 친수성 유기용매를 이용한 용액 공정을 통하여 전하수송층(454, 474)을 형성할 수 있다. 따라서, 소수성 유기용매를 이용하여 형성되는 발광물질층(440)의 소재와, 친수성 용매를 이용하여 형성되는 인접한 전하수송층(454, 474)의 물질이 혼합되지 않으면서, 이들 발광층 사이의 계면 모폴로지가 붕괴되지 않는다. 이에 따라, 발광 특성 및 발광 수명에 개선된 발광다이오드(D2)를 제조할 수 있다.
이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
합성예 1: 6-mercaptohexanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자 합성
다음과 같은 물질을 사용하여 리간드가 결합되지 않은 ZnMgO 나노 입자를 합성하였다. Tetramethylammoniun hydroxide (TMAH, 98%), dimethyl sulfoxide (DMSO, 99.9%), zinc acetate dihydrate ((CH3COO)2·Zn2H2O, 98.5%), magnesium acetate tetrahydrate((CH3COO)2Mg·4H2O, 99.9%), Ethanol (EtOH) (Anhydrous, ≥99.5%), Toluene (Anhydrous, 99.8%).
반응용 2-neck 플라스크에 zinc acetate dihydrate (0.93 g), magnesium acetate tetrahydrate 0.16 g, DMSO 50 mL을 넣고, 투명해질 때까지 교반하였다. 투명해진 상태에서 EtOH에 녹인 TMAH를 천천히 적가하고, 충분히 교반하면서 4시간 동안 반응시켰다. 양쪽성 리간드인 6-mercaptohexanoic acid (≥98%) 1.126 g (7.6 mmol)을 반응 플라스크에 주입하고, 교반하면서 밤새 반응시켰다. 반응액을 EtOH에 침전시킨 후, 원심분리기를 이용해서 용매를 제거하였다. 얻어진 입자를 소량의 톨루엔에 재-분산하고, EtOH에 재-침전시켰다. EtOH 침전, 용매 제거, 재-분산 및 재-침전 과정을 2~3회 반복하고, 무수 EtOH에 최종적으로 재-분산시켜, 6-mercaptohexanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 얻었다.
합성예 2 내지 합성예 7: 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자 합성
양쪽성 리간드로서 6-mercaptohexanoic acid를 대신하여 각각 2-mercaptopropionic acid 7.6 mmol (합성예 2), 11-mercaptoundecanic acid 7.6 mmol (합성예 3), 2-mercaptoethanol 7.6 mmol (합성예 4), 2-aminoethenol 7.6 mmol (합성예 5), 2-mecraptophenol 7.6 mmol (합성예 6), 2-mercaptobenzoic acid 7.6 mmol (합성예 7)을 사용한 것을 제외하고, 합성예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 이들 양쪽성 리간드가 표면에 각각 결합된 ZnMgO 나노 입자를 합성하였다.
합성예 8: 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자 합성
아연 전구체인 zinc acetate dihydrate의 농도를 과량(1.31 g)으로 사용한 것을 제외하고 합성예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 합성하였다.
비교합성예 1: 표면에 리간드가 결합되지 않은 ZnMgO 나노 입자 합성
반응용 2-neck 플라스크에 zinc acetate dihydrate (0.93 g), magnesium acetate tetrahydrate 0.16 g, DMSO 50 mL을 넣고, 투명해질 때까지 교반하였다. 투명해진 상태에서 EtOH에 녹인 TMAH를 천천히 적가하고, 충분히 교반하면서 4시간 동안 반응시켰다. 반응액을 톨루엔으로 침전시킨 후, 원심분리기를 이용해서 용매를 제거하였다. 얻어진 입자를 소량의 EtOH에 재-분산하고, 톨루엔에 재-침전시켰다. 톨루엔 침전, 용매 제거, 재-분산 및 재-침전 과정을 2~3회 반복하고, 무수 EtOH에 최종적으로 재-분산시켜, ZnMgO 나노 입자를 얻었다.
비교합성예 2: 소수성 리간드가 결합된 ZnMgO 나노 입자 합성
반응용 2-neck 플라스크에 zinc acetate dihydrate (0.93 g), magnesium acetate tetrahydrate 0.16 g, DMSO 50 mL을 넣고, 투명해질 때까지 교반하였다. 투명해진 상태에서 EtOH에 녹인 TMAH를 천천히 적가하고, 충분히 교반하면서 4시간 동안 반응시켰다. 소수성 리간드인 1-dodencanthiol (≥98%) 7.6 mol을 반응 플라스크에 주입하고, 교반하면서 밤새 반응시켰다. 반응액을 EtOH에 침전시킨 후, 원심분리기를 이용해서 용매를 제거하였다. 얻어진 입자를 소량의 톨루엔에 재-분산하고, EtOH에 재-침전시켰다. EtOH 침전, 용매 제거, 재-분산 및 재-침전 과정을 2~3회 반복하고, 무수 EtOH에 최종적으로 재-분산시켜, 1-dodecanthiol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 얻었다.
실험예 1: 리간드가 결합되지 않은 ZnMgO 물성 측정
실리콘 웨이퍼 기판(4 ㎝ X 4 ㎝) 상에 비교합성예 1에서 합성한 ZnMgO가 에탄올에 분산된 ZnMgO 용액을 0.3 mL 떨어뜨리고, 3000 rpm에서 45초 스핀 코팅하여 ZnMgO 박막을 형성하였다. 먼저, ZnMgO 필름의 표면을 TEM을 이용하여 표면 상태를 측정하였다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 리간드가 표면에 결합하지 않은 ZnMgO 필름 표면의 일부에 금속산화물 나노 입자가 형성되지 않으면서 공극이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, ZnMgO 필름에 대하여 흡수 발광 스펙트럼을 측정하였다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 리간드가 표면에 결합하지 않은 ZnMgO는 약 310 nm에서 최대 흡수 파장을 보여주었다.
실험예 2: ZnMgO 필름의 모폴로지 측정
비교합성예 1에서 합성된 리간드가 표면에 결합되지 않은 ZnMgO 박막을 제조한 것과 동일한 절차를 반복하여, 합성예 3에서 합성된 11-mercaptoundecanic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 박막과, 비교합성예 2에서 합성된 1-dodecanethiol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 박막을 각각 형성하였다. 3개의 박막을 TEM을 이용하여 박막의 두께를 측정하고, 원자력현미경(AFM)을 이용하여 박막의 표면 모폴로지를 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 1과, 도 9a (리간드가 없는 ZnMgO 박막), 도 9b (1-dodecanthiol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 박막), 도 9c (11-mercaptoundecanic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 박막)에 나타낸다. 합성예에 따라 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 표면의 모폴로지가 크게 향상된 것을 확인하였다.
금속산화물 나노 입자 박막의 표면 모폴로지 측정
샘플 표면 거칠기(Surface Roughness, Rq, nm)
리간드 없는 ZnMgO 박막 2.6
소수성 리간드가 결합된 ZnMgO 박막 1.4
양쪽성 리간드가 결합된 ZnMgO 박막 0.9
실시예 1: 발광다이오드 제조
합성예 1에서 합성한 6-mercaptohexanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 전자수송층에 도입한 발광다이오드를 제조하였다. ITO glass(50 nm)의 발광 면적이 3 mm X 3 mm 크기가 되도록 patterning한 후 세정하였다. 이어서 다음과 같은 순서에 따라 발광층 및 음극을 적층하였다. 정공주입층(PEDOT:PSS, 수계(water base)에서 0.3 mL 드롭, 스핀 코팅(15000 rpm, 60초), 200℃에서 15분 가열; 두께 40 nm); 정공수송층(TFB(in toluene) 0.3 mL 드롭, 스핀 코팅(6000 rpm, 45초), 200℃에서 30분 가열; 두께 20 nm), 발광물질층(녹색양자점 InP/ZnSeS/ZnS (in octane) 0.3 mL 드롭, 스핀 코팅(4000 rpm, 45초); 두께 25 nm); 전자수송층(6-mercaptohexanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO (in ethanol) 0.3 mL 드롭, 스핀 코팅(3000 rpm, 45초); 두께 20 nm), 음극(Al, 2.0 X 10-6 Torr에서 1.5 Å/s의 속도로 증착; 두께 80 nm). 증착 후 피막 형성을 위해 증착 챔버에서 건조 박스 내로 옮기고 후속적으로 UV 경화 에폭시 및 수분 게터를 사용하여 인캡슐레이션을 하였다.
실시예 2 내지 7: 발광다이오드 제조
전자수송층의 재료로서, 6-mercapothexanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 적용한 것을 대신하여, 2-mercaptopropoinic 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(실시예 2), 11-mercaptoundecanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(실시예 3), 2-mercaptoethanol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(실시예 4), 2-aminoethnol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(실시예 5), 2-mercaptophenol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(실시예 6), 2-mercaptobenzoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(실시예 7)을 각각 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 발광다이오드를 제조하였다.
비교예 1 및 비교예 2: 발광다이오드 제조
전자수송층의 재료로서, 6-mercapothexanoic acid 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 적용한 것을 대신하여, 리간드가 표면에 결합되지 않은 ZnMgO 나노 입자(비교예 1), 1-dodencatethiol 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자(톨루엔에 분산, 비교예 2)를 각각 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 발광다이오드를 제조하였다.
실험예 3: 발광다이오드의 구조 평가
비교예 1과, 실시예 3에서 각각 제조된 발광다이오드의 적층 형태를 TEM을 이용하여 평가하였다. 리간드가 표면에 결합되지 않은 ZnMgO 나노 입자를 ETL에 도입한 유기발광다이오드(도 10a 참조)와 비교해서, 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 ZnMgO 나노 입자를 ETL에 도입한 유기발광다이오드(도 10b 참조)에서, ETL과 EML 사이의 계면이 보다 선명하게 구분되며, 평탄한 계면을 형성하는 것을 확인하였다.
실험예 4: 발광다이오드의 광학적 특성 평가
실시예 1 내지 7과, 비교예 1 내지 2에서 각각 제조된 발광다이오드를 외부 전력 공급원에 연결하고, EL 특성을 일정한 전류 공급원 (KEITHLEY) 및 광도계 PR 650를 사용하여 실온에서 평가하였다. 구체적으로, 전압-전류밀도, 전압-휘도, 전류밀도-외부양자효율(EQE), 시간-휘도를 측정하였고, 10 J (mA/㎠)에서 구동 전압(V), 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE), 휘도(cd/㎡)와, 발광 수명(T50, 시간)을 각각 측정하였다. 측정 결과를 표 2와 도 11 내지 도 14에 나타낸다.
발광다이오드의 광학적 특성
샘플 리간드 전압(V) EQE (%) cd/㎡ T50(시간)
비교예 1 없음 4.69 2.76 1896 0.9
비교예 2 1-dodecanethiol 4.35 4.99 2035 1.0
실시예 1 6-mercaptohexaonic acid 4.42 6.88 2837 3.3
실시예 2 2-mercapopropionic acid 4.19 5.36 2271 1.8
실시예 3 11-mercaptoundecanoic acid 4.38 5.99 2679 2.5
실시예 4 2-mercaptoethanol 4.07 5.19 2067 1.9
실시예 5 2-aminoethaol 4.20 5.27 2158 1.5
실시예 6 2-mercaptophenol 5.40 5.26 2103 1.3
실시예 7 2-mercaptobenzoic acid 5.60 5.45 2190 1.4
표 2 및 도 11 내지 도 14에 나타낸 바와 같이, 표면에 리간드가 결합되지 않은 금속산화물 나노 입자를 전자수송층에 도입한 비교예 1의 발광다이오드와 비교해서, 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 금속산화물 나노 입자를 전자수송층에 도입한 실시예의 발광다이오드는 구동 전압이 최대 13.2% 낮아졌고, 외부양자효율, 휘도 및 발광 수명은 각각 최대 149.3%, 41.3%, 266.7% 향상되었다.
또한, 표면에 소수성 리간드가 결합된 금속산화물 나노 입자를 전자수송층에 도입한 비교예 2의 발광다이오드와 비교해서, 양쪽성 리간드가 표면에 결합된 금속산화물 나노 입자를 전자수송층에 도입한 실시예의 발광다이오드는 구동 전압이 최대 6.4% 낮아졌고, 외부양자효율, 휘도 및 발광 수명은 각각 최대 37.9%, 39.4%, 2.3배 향상되었다.
실시예 1 내지 실시예 3을 비교하면, 소수성 그룹과 친수성 그룹 사이의 연결기는 5개 이상인 경우, 금속산화물 입자 사이의 응집을 보다 효율적으로 감소시켜, 발광 효율 및 발광 수명이 보다 우수하였다. 또한, 실시예 4와 실시예 5를 비교하면, 소수성 그룹으로서 티올기는 아미노기에 비하여 금속산화물 입자 표면에 보다 강하게 결합하면서 발광 수명을 보다 향상시켰다. 또한, 양쪽성 리간드의 친수성 그룹으로서 하이드록시기와 카르복시기는 발광 효율이나 발광 수명에서 큰 차이를 보이지 않았다.
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.
100: 발광표시장치
120: 기판
210, 410: 제 1 전극
220, 420: 발광 유닛(발광층)
230, 430: 제 2 전극
240, 440: 발광물질층
250, 450: 제 1 전하이동층
252, 472: 정공주입층
254, 474: 정공수송층
260, 480: 전자차단층
270, 470: 제 2 전하이동층
272, 452: 전자주입층
274, 475: 전자수송층
280, 460: 정공차단층
300: 무기 물질
310: 무기 나노 입자
320: 양쪽성 리간드
322: 앵커부
324: 제 1 모이어티(소수성기)
326: 제 2 모이어티(친수성기)
D, D1, D2: 발광다이오드
Tr: 박막트랜지스터

Claims (20)

  1. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층; 및
    상기 발광물질층과, 상기 제 1 및 제 2 전극 중에서 캐소드로 기능하는 전극 사이에 위치하는 전자이동층을 포함하고,
    상기 전자이동층은 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성(amphiphilic) 리간드가 결합된 무기 물질을 포함하는 발광다이오드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 양쪽성 리간드는 상기 무기 나노 입자의 표면에 연결되는 앵커부(anchor portion)와, 상기 앵커부에 연결되는 제 1 모이어티와, 상기 제 1 모이어티에 연결되는 제 2 모이어티를 포함하고, 상기 제 1 모이어티 및 상기 제 2 모이어티 중에서 어느 하나는 소수성기이고, 나머지 하나는 친수성기인 발광다이오드.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 모이어티는 소수성기이고, 상기 제 2 모이어티는 친수성기인 발광다이오드.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 모이어티는 C2-C15 지방족 사슬, C3-C20 지환족 고리, C6-C24 방향족 고리 및 C3-C24 헤테로 방향족 고리를 포함하고, 상기 제 2 모이어티는 하이드록시기 또는 카르복시기를 포함하는 발광다이오드.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 앵커부는 티올기, 설파이드기 및 아미노기를 포함하는 발광다이오드.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 무기 나노 입자는 금속산화물 나노 입자를 포함하는 발광다이오드.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노 입자는 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물 나노 입자인 발광다이오드.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 전자이동층은 상기 무기 물질에 n-도핑된 금속 성분을 더욱 포함하는 발광다이오드.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 발광물질층은 양자점(QD) 또는 양자막대(QR)를 포함하는 발광다이오드.
  10. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층;
    상기 제 1 전극과 상기 발광물질층 사이에 위치하는 제 1 전하이동층; 및
    상기 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 전하이동층을 포함하고,
    상기 제 1 전하이동층 및 상기 제 2 전하이동층 중에서 적어도 하나는 무기 나노 입자의 표면에 양쪽성(amphiphilic) 리간드가 결합된 무기 물질을 포함하는 발광다이오드.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 양쪽성 리간드는 상기 무기 나노 입자의 표면에 연결되는 앵커부(anchor portion)와, 상기 앵커부에 연결되는 제 1 모이어티와, 상기 제 1 모이어티에 연결되는 제 2 모이어티를 포함하고, 상기 제 1 모이어티 및 상기 제 2 모이어티 중에서 어느 하나는 소수성기이고, 나머지 하나는 친수성기인 발광다이오드.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제 1 모이어티는 소수성기이고, 상기 제 2 모이어티는 친수성기인 발광다이오드.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제 1 모이어티는 C2-C15 지방족 사슬, C3-C20 지환족 고리, C6-C24 방향족 고리 및 C3-C24 헤테로 방향족 고리를 포함하고, 상기 제 2 모이어티는 하이드록시기 또는 카르복시기를 포함하는 발광다이오드.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 앵커부는 티올기, 설파이드기 및 아미노기를 포함하는 발광다이오드.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 무기 나노 입자는 금속산화물 나노 입자를 포함하는 발광다이오드.
  16. 제 10항에 있어서, 상기 제 2 전하이동층은 상기 무기 물질을 포함하고, 상기 무기 나노 입자는, 아연(Zn), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 바륨(Ba) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물 나노 입자인 발광다이오드.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제 2 전하이동층은 상기 금속의 산화물 나노 입자에 n-도핑된 성분을 더욱 포함하는 발광다이오드.
  18. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 전하이동층은 상기 무기 물질을 포함하고, 상기 무기 나노 입자는, 아연(Zn), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 텅스텐(W), 주석(Sn), 크롬(Cr), 바나듐(V), 몰리브데늄(Mo), 망간(Mn), 납(Pb), 세륨(Ce), 레늄(Re) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속의 산화물 나노 입자인 발광다이오드.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 제 1 전하이동층은 상기 금속의 산화물 나노 입자에 p-도핑된 성분을 더욱 포함하는 발광다이오드.
  20. 기판; 및
    상기 기판 상에 위치하며, 제 1항 내지 제 19항 중에서 어느 하나의 청구항에 기재된 발광다이오드
    를 포함하는 발광장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022254601A1 (ja) * 2021-06-02 2022-12-08 シャープ株式会社 ナノ粒子含有膜、発光素子、ナノ粒子含有膜の製造方法
WO2023281639A1 (ja) * 2021-07-07 2023-01-12 シャープ株式会社 発光素子および発光装置

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021029005A1 (ja) * 2019-08-13 2021-02-18 シャープ株式会社 発光素子及び発光装置
KR102646793B1 (ko) * 2021-07-23 2024-03-13 삼성전자주식회사 커패시터, 이를 포함하는 전자 소자, 및 이의 제조방법
US20240389450A1 (en) * 2021-11-04 2024-11-21 Sharp Display Technology Corporation Light emitting element, production method for light emitting element, display device, and production method for display device
WO2023195101A1 (ja) * 2022-04-06 2023-10-12 シャープディスプレイテクノロジー株式会社 発光素子、表示装置、ナノ粒子分散液の製造方法、およびナノ粒子分散液
EP4462977A1 (en) * 2023-05-12 2024-11-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Electroluminescent device, production method thereof, and display device including the same

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120038472A (ko) * 2009-07-07 2012-04-23 유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크. 안정적이고 모든 용액에 처리 가능한 양자점 발광 다이오드
KR20140071256A (ko) * 2012-12-03 2014-06-11 주식회사 동진쎄미켐 발광 양자점
JP2014203983A (ja) * 2013-04-05 2014-10-27 コニカミノルタ株式会社 有機エレクトロルミネッセンス素子、それを具備した照明装置及び表示装置
WO2015190335A1 (ja) * 2014-06-11 2015-12-17 コニカミノルタ株式会社 光治療装置
KR20180069687A (ko) * 2016-12-15 2018-06-25 엘지디스플레이 주식회사 발광체, 발광 필름, 이를 포함하는 엘이디 패키지, 발광다이오드 및 발광 장치
KR20190029193A (ko) * 2017-09-12 2019-03-20 엘지디스플레이 주식회사 양자점 발광다이오드 및 이를 포함하는 양자점 발광장치
KR20190035399A (ko) * 2017-09-26 2019-04-03 엘지디스플레이 주식회사 발광다이오드 및 이를 포함하는 발광장치
KR20190043085A (ko) * 2017-10-17 2019-04-25 엘지디스플레이 주식회사 발광체, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11515446B2 (en) * 2018-03-08 2022-11-29 Sharp Kabushiki Kaisha Element, electronic device, and method for producing element

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120038472A (ko) * 2009-07-07 2012-04-23 유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크. 안정적이고 모든 용액에 처리 가능한 양자점 발광 다이오드
KR20140071256A (ko) * 2012-12-03 2014-06-11 주식회사 동진쎄미켐 발광 양자점
JP2014203983A (ja) * 2013-04-05 2014-10-27 コニカミノルタ株式会社 有機エレクトロルミネッセンス素子、それを具備した照明装置及び表示装置
WO2015190335A1 (ja) * 2014-06-11 2015-12-17 コニカミノルタ株式会社 光治療装置
KR20180069687A (ko) * 2016-12-15 2018-06-25 엘지디스플레이 주식회사 발광체, 발광 필름, 이를 포함하는 엘이디 패키지, 발광다이오드 및 발광 장치
KR20190029193A (ko) * 2017-09-12 2019-03-20 엘지디스플레이 주식회사 양자점 발광다이오드 및 이를 포함하는 양자점 발광장치
KR20190035399A (ko) * 2017-09-26 2019-04-03 엘지디스플레이 주식회사 발광다이오드 및 이를 포함하는 발광장치
KR20190043085A (ko) * 2017-10-17 2019-04-25 엘지디스플레이 주식회사 발광체, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022254601A1 (ja) * 2021-06-02 2022-12-08 シャープ株式会社 ナノ粒子含有膜、発光素子、ナノ粒子含有膜の製造方法
WO2023281639A1 (ja) * 2021-07-07 2023-01-12 シャープ株式会社 発光素子および発光装置

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