양자점을 포함하는 광전자소자(Optoelectronic device including quantum dot)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2017-0048965
(43) 공개일자 2017년05월10일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01L 51/50 (2006.01)
(52) CPC특허분류
H01L 51/502 (2013.01)
H01L 51/5056 (2013.01)
(21) 출원번호 10-2015-0149720
(22) 출원일자 2015년10월27일
심사청구일자 없음
(71) 출원인
삼성전자주식회사
경기도 수원시 영통구 삼성로 129 (매탄동)
(72) 발명자
고원규
경기도 수원시 영통구 봉영로1770번길 21, 203동
401호 (영통동, 신명.한국아파트)
신태호
충청남도 천안시 서북구 성거읍 성거신용길 7-10
조경상
경기도 과천시 양지마을3로 24 (과천동)
(74) 대리인
리앤목특허법인
전체 청구항 수 : 총 25 항
(54) 발명의 명칭 양자점을 포함하는 광전자소자
(57) 요 약
양자점을 포함하는 광전자소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 광전자소자는 양자점을 포함하는 활성층 및 이와
인접한 적어도 하나의 분자계면층을 포함할 수 있다. 두 전극 사이에 상기 활성층이 구비될 수 있고, 상기 활성
층에 인접한 전하수송층이 구비될 수 있다. 상기 활성층과 상기 전하수송층 사이에 분자계면층이 구비될 수
있다. 상기 분자계면층은 상기 전하수송층보다 적은 표면 전하(surface charge)를 가질 수 있다. 상기 분자계면
층은 비이온성(nonionic) 물질 또는 소수성(hydrophobic) 물질을 포함할 수 있다. 상기 전하수송층은 전자수송층
을 포함할 수 있고, 상기 전자수송층은 무기반도체를 포함할 수 있다.
대 표 도 - 도1
공개특허 10-2017-0048965
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(52) CPC특허분류
H01L 51/5072 (2013.01)
H01L 51/5088 (2013.01)
H01L 2924/12044 (2013.01)
공개특허 10-2017-0048965
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명 세 서
청구범위
청구항 1
제1 전극;
상기 제1 전극과 이격된 제2 전극;
상기 제1 및 제2 전극 사이에 구비된 것으로, 양자점을 포함하는 활성층;
상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 구비된 전자수송층; 및
상기 전자수송층과 상기 활성층 사이에 구비된 것으로, 유기분자를 포함하고 상기 전자수송층보다 표면 전하
(surface charge)가 적은 분자계면층;을 구비하는 광전자소자(optoelectronic device).
청구항 2
제 1 항에 있어서,
상기 분자계면층은 소수성(hydrophobic) 또는 비이온성(nonionic) 물질을 포함하는 광전자소자.
청구항 3
제 1 항에 있어서,
상기 분자계면층은 저분자 또는 고분자 물질을 포함하는 광전자소자.
청구항 4
제 1 항에 있어서,
상기 분자계면층은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane)를 포함하는 광전자소자.
청구항 5
제 1 항에 있어서,
상기 분자계면층의 전도대 최저 에너지레벨(conduction band minimum energy level)(Ec)은 상기 활성층의 Ec
보다 크거나 같고 상기 전자수송층의 Ec 보다 작거나 같은 광전자소자.
청구항 6
제 1 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자수송층은 무기반도체를 포함하는 광전자소자.
청구항 7
제 6 항에 있어서,
상기 무기반도체는 산화물(oxide) 또는 비산화물(non-oxide)을 포함하고,
상기 산화물은 Zn 산화물, Ti 산화물, Sn 산화물 및 Zr 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광전자소자.
청구항 8
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 구비된 정공수송층을 더 포함하는 광전자소자.
청구항 9
공개특허 10-2017-0048965
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제 8 항에 있어서,
상기 정공수송층은 유기반도체를 포함하는 광전자소자.
청구항 10
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 정공수송층은 상기 활성층과 직접 접촉된 광전자소자.
청구항 11
제 8 항에 있어서,
상기 정공수송층과 상기 활성층 사이에 구비된 제2 분자계면층을 더 포함하는 광전자소자.
청구항 12
제 8 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 정공수송층 사이에 구비된 정공주입층을 더 포함하는 광전자소자.
청구항 13
제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 전자수송층 사이에 구비된 전자주입층을 더 포함하는 광전자소자.
청구항 14
제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅳ족 계열 반도체 및 그래핀
양자점 중 적어도 하나를 포함하는 광전자소자.
청구항 15
제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 발광층(light emitting layer)이고,
상기 광전자소자는 발광소자(light emitting device)인 광전자소자.
청구항 16
제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 광활성층(photoactive layer)이고,
상기 광전자소자는 수광소자(light receiving device)인 광전자소자.
청구항 17
제1 전극;
상기 제1 전극과 이격된 제2 전극;
상기 제1 및 제2 전극 사이에 구비된 것으로, 양자점을 포함하는 활성층;
상기 활성층과 상기 제1 전극 사이에 구비된 것으로, 유기반도체를 포함하는 정공수송층;
상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 구비된 것으로, 무기반도체를 포함하는 전자수송층; 및
상기 전자수송층과 상기 활성층 사이에 구비된 것으로, 유기분자를 포함하고 상기 전자수송층보다 표면 전하
(surface charge)가 적은 분자계면층;을 구비하는 광전자소자(optoelectronic device).
공개특허 10-2017-0048965
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청구항 18
제 17 항에 있어서,
상기 분자계면층은 소수성(hydrophobic) 또는 비이온성(nonionic) 물질을 포함하는 광전자소자.
청구항 19
제 17 항에 있어서,
상기 분자계면층은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane)를 포함하는 광전자소자.
청구항 20
제 17 항에 있어서,
상기 분자계면층의 전도대 최저 에너지레벨(conduction band minimum energy level)(Ec)은 상기 활성층의 Ec
보다 크거나 같고 상기 전자수송층의 Ec 보다 작거나 같은 광전자소자.
청구항 21
제 17 내지 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 무기반도체는 Zn 산화물, Ti 산화물, Sn 산화물 및 Zr 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는
광전자소자.
청구항 22
제 17 내지 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유기반도체는 TFB, CBP, TPD, PVK, TCTA, NPD, PFB 및 F8T2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광전자소자.
청구항 23
제 17 항에 있어서,
상기 전자수송층은 ZnO를 포함하고,
상기 분자계면층은 TCNQ를 포함하는 광전자소자.
청구항 24
제 17 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 정공수송층 사이에 구비된 정공주입층을 더 포함하는 광전자소자.
청구항 25
제 17 항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 전자수송층 사이에 구비된 전자주입층을 더 포함하는 광전자소자.
발명의 설명
기 술 분 야
개시된 실시예들은 광학소자, 보다 상세하게는 양자점을 포함하는 광전자소자에 관한 것이다. [0001]
배 경 기 술
광전자소자(optoelectronic device)는 반도체의 광전기적 특성을 이용하는 것으로, 전기적 에너지를 광학적 에[0002]
너지로 변환하는 소자 및 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자를 포함한다. 전기적 에너지를 광학적
에너지로 변환하는 소자로는 LED(light emitting diode), LD(laser diode)와 같은 발광소자(luminous device
or light emitting device)가 있다. 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자로는 태양전지(solar
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cell), 포토다이오드(photodiode) 등이 있다.
광전자소자에 적용되는 반도체 물질에 따라, 그 특성 및 성능이 좌우될 수 있다. 최근에는, 양자점(quantum[0003]
dot)을 적용한 광전자소자에 대한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 양자점의 전기발광(electroluminescence) 현
상을 이용하는 양자점 발광소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 양자점 발광소자는 유기발광다이오드와 더불어
플렉서블(flexible)/웨어러블(wearable) 소자의 고효율/저전력 발광소자로 사용될 수 있고, 특히, 좁은 발광 스
펙트럼과 용이한 파장 조절 특성 등으로 인하여 차세대 발광소자의 하나로 주목받고 있다. 그러나 양자점층을
적용한 광전자소자를 구현함에 있어서, 물질층들 사이에 원치 않는 에너지 이동(손실)이 발생할 수 있고, 소자
의 내구성 및 안정성을 확보하기가 용이하지 않을 수 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
우수한 성능을 갖는 광전자소자(양자점 적용 광전자소자)를 제공한다. [0004]
에너지 변환 효율을 높일 수 있는 광전자소자를 제공한다. [0005]
내구성 및 안정성이 개선된 광전자소자를 제공한다. [0006]
물질층들 사이의 계면 특성이 제어된 광전자소자를 제공한다. [0007]
과제의 해결 수단
일 측면(aspect)에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에 구비된[0008]
것으로, 양자점을 포함하는 활성층; 상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 구비된 전자수송층; 및 상기 전자수송
층과 상기 활성층 사이에 구비된 것으로, 유기분자를 포함하고 상기 전자수송층보다 표면 전하(surface charg
e)가 적은 분자계면층;을 구비하는 광전자소자(optoelectronic device)가 제공된다.
상기 분자계면층은 소수성(hydrophobic) 물질을 포함할 수 있다. [0009]
상기 분자계면층은 비이온성(nonionic) 물질을 포함할 수 있다. [0010]
상기 분자계면층은 저분자 또는 고분자 물질을 포함할 수 있다. [0011]
상기 분자계면층은, 예컨대, TCNQ(tetracyanoquinodimethane)를 포함할 수 있다. [0012]
상기 분자계면층의 전도대 최저 에너지레벨(conduction band minimum energy level)(Ec)은 상기 활성층의 Ec[0013]
보다 크거나 같을 수 있고 상기 전자수송층의 Ec 보다 작거나 같을 수 있다.
상기 전자수송층은 무기반도체를 포함할 수 있다. [0014]
상기 무기반도체는 산화물(oxide) 또는 비산화물(non-oxide)을 포함할 수 있다. 상기 산화물은, 예컨대, Zn 산[0015]
화물, Ti 산화물, Sn 산화물 및 Zr 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 정공수송층이 더 구비될 수 있다. [0016]
상기 정공수송층은 유기반도체를 포함할 수 있다. [0017]
상기 정공수송층은 상기 활성층과 직접 접촉될 수 있다. [0018]
상기 정공수송층과 상기 활성층 사이에 제2 분자계면층이 더 구비될 수 있다.[0019]
상기 제1 전극과 상기 정공수송층 사이에 정공주입층이 더 구비될 수 있다. [0020]
상기 제2 전극과 상기 전자수송층 사이에 전자주입층이 더 구비될 수 있다. [0021]
상기 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅳ족 계열 반도체 및 그래핀[0022]
양자점 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층은 발광층(light emitting layer)일 수 있고, 상기 광전자소자는 발광소자(light emitting devic[0023]
e)일 수 있다.
상기 활성층은 광활성층(photoactive layer)일 수 있고, 상기 광전자소자는 수광소자(light receiving devic[0024]
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e)일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에 구비된[0025]
것으로, 양자점을 포함하는 활성층; 상기 활성층과 상기 제1 전극 사이에 구비된 것으로, 유기반도체를 포함하
는 정공수송층; 상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 구비된 것으로, 무기반도체를 포함하는 전자수송층; 및 상
기 전자수송층과 상기 활성층 사이에 구비된 것으로, 유기분자를 포함하고 상기 전자수송층보다 표면 전하
(surface charge)가 적은 분자계면층;을 구비하는 광전자소자(optoelectronic device)가 제공된다.
상기 분자계면층은 소수성(hydrophobic) 물질을 포함할 수 있다. [0026]
상기 분자계면층은 비이온성(nonionic) 물질을 포함할 수 있다. [0027]
상기 분자계면층은, 예컨대, TCNQ(tetracyanoquinodimethane)를 포함할 수 있다. [0028]
상기 분자계면층의 전도대 최저 에너지레벨(conduction band minimum energy level)(Ec)은 상기 활성층의 Ec[0029]
보다 크거나 같을 수 있고 상기 전자수송층의 Ec 보다 작거나 같을 수 있다.
상기 무기반도체는, 예컨대, Zn 산화물, Ti 산화물, Sn 산화물 및 Zr 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수[0030]
있다.
상기 유기반도체는, 예컨대, TFB, CBP, TPD, PVK, TCTA, NPD, PFB 및 F8T2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수[0031]
있다. 상기 TFB, CBP, TPD, PVK, TCTA, NPD, PFB, F8T2의 화학명은 다음과 같다.
TFB: poly(9,9-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine)[0032]
CBP: 4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl[0033]
TPD: N,N'-bis(3-methyphenyl)-N,N'-diphenylbenzidine[0034]
PVK: poly(N-vinylcarbazole)[0035]
TCTA: tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine[0036]
NPD: N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'biphenyl-4,4diamine[0037]
PFB: poly(9,9-dioctylfluorene-co-bis-N,N-phenyl-1,4-phenylenediamine[0038]
F8T2: poly(9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene) [0039]
일 실시예에 따르면, 상기 전자수송층은 ZnO를 포함할 수 있고, 상기 분자계면층은 TCNQ를 포함할 수 있다. [0040]
상기 제1 전극과 상기 정공수송층 사이에 정공주입층이 더 구비될 수 있다. [0041]
상기 제2 전극과 상기 전자수송층 사이에 전자주입층이 더 구비될 수 있다. [0042]
발명의 효과
우수한 성능을 갖는 광전자소자(양자점 적용 광전자소자)를 구현할 수 있다. 에너지 변환 효율을 높일 수 있는[0043]
광전자소자를 구현할 수 있다. 내구성 및 안정성이 개선된 광전자소자를 구현할 수 있다. 물질층들 사이의 계면
특성이 제어된 광전자소자를 구현할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 일 실시예에 따른 광전자소자(optoelectronic device)를 보여주는 단면도이다. [0044]
도 2는 일 실시예에 따른 광전자소자에 사용될 수 있는 양자점 함유층의 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이
다.
도 3은 비교예에 따른 광전자소자에 적용되는 적층 구조 및 그 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 광전자소자에 적용될 수 있는 적층 구조 및 관련 특성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 ZnO층 및 ZnO/TCNQ 적층 구조의 파장에 따른 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)을 보여주는 그래프이
다.
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도 6은 일 실시예에 따른 광전자소자의 에너지밴드 다이어그램을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광전자소자의 에너지밴드 다이어그램을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자의 전압(voltage)-전류밀도(current density) 특성을 보여주는 그래
프이다.
도 9는 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자의 전압(voltage)-광도(luminance) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자에 적용될 수 있는 적층 구조에 대한 시간 경과에 따른 PL 세기
(photoluminescence intensity) 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 사시도이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 실시예들에 따른 광전자소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나[0045]
영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전
체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전자소자(optoelectronic device)를 보여주는 단면도이다. [0046]
도 1을 참조하면, 양극(anode)(100) 및 이와 이격된 음극(cathode)(200)이 구비될 수 있다. 양극(100) 및 음극[0047]
(200)은 각각 제1 전극 및 제2 전극이라 할 수 있다. 양극(100)은, 예컨대, ITO(indium tin oxide)와 같은 투
명 전극 물질로 형성되거나, 그 밖에 다른 물질, 예컨대, Al, Ag, Au, CNT(carbon nanotube), 그래핀
(graphene) 등으로 형성될 수도 있다. 음극(200)은, 예컨대, Al, Mo, Ag, Au, Ca, Ba, ITO, CNT, 그래핀 등으
로 형성될 수 있다. 그러나 여기서 언급한 양극(100)과 음극(200)의 물질은 예시적인 것이고, 이 밖에도 다양한
금속, 도전성 화합물(산화물) 등을 사용할 수 있다.
양극(100)과 음극(200) 사이에 활성층(150)이 구비될 수 있다. 활성층(150)은 양자점(quantum dot)을 포함할 수[0048]
있다. 활성층(150)의 양자점은, 예컨대, 콜로이달(colloidal) 용액을 사용해서 형성할 수 있다. 이런 점에서,
상기 양자점은 콜로이달 양자점(colloidal quantum dot)일 수 있다. 상기 양자점은 반도체(무기반도체)로 형성
된 나노사이즈(nano-size)의 구조체일 수 있다. 양자점은 수십 nm 이하의 지름, 예컨대, 약 10 nm 이하의 지름
을 가질 수 있다. 양자점은, 예컨대, Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅳ족
계열 반도체 및 그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 양자점은 ZnS, ZnSe,
ZnTe, CdS, CdSe, CdTe 등의 Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체, InP, GaAs, GaP 등의 Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체, PbSe, PbTe,
PbS 등의 Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체, Si, Ge 등의 Ⅳ족 계열 반도체 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양자점은 코어
부와 껍질부를 갖는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖거나, 쉘(shell)이 없는 입자 구조(즉, core only 구조)를
가질 수 있다. 상기 코어-쉘(core-shell) 구조는 싱글-쉘(single-shell) 또는 멀티-쉘(multi-shell)을 가질 수
있다. 상기 멀티-쉘(multi-shell)은, 예컨대, 더블-쉘(double-shell)일 수 있다. 또한, 상기 양자점은 합금
(alloy)을 포함할 수 있고, 경우에 따라, 소정의 도펀트(dopant)로 도핑될 수 있다. 양자점의 표면에는 유기 리
간드(organic ligand)나 무기 리간드(inorganic ligand)가 존재할 수 있다. 상기 양자점 및 이를 포함하는 활
성층(150)에 대해서는 추후에 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
활성층(150)과 음극(200) 사이에 전자수송층(electron transport layer:ETL)(170)이 구비될 수 있다. 전자수송[0049]
층(170)은 무기반도체를 포함할 수 있다. 상기 무기반도체는 n형 반도체일 수 있다. 상기 무기반도체는 산화물
(oxide) 또는 비산화물(non-oxide)로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 산화물은, 예컨대, Zn 산화물(ZnOX), Ti 산
화물(TiOX), Sn 산화물(SnOX) 및 Zr 산화물(ZrOX) 중 하나 또는 적어도 두 개의 조합을 포함할 수 있다. 상기 Zn
산화물은 ZnO 일 수 있고, Ti 산화물은 TiO2 일 수 있고, Sn 산화물은 SnO2 일 수 있으며, Zr 산화물은 ZrO2 일
수 있다. 상기 비산화물은, 예컨대, n-GaN을 포함할 수 있다. 여기서 제시한 무기반도체의 구체적인 물질은 예
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시적인 것이고, 그 밖에 다양한 무기반도체 물질이 적용될 수 있다. 이와 같이, 전자수송층(170)을 무기반도체
로 형성하는 경우, 전자수송층(170)을 유기반도체로 형성하는 경우보다, 고효율의 광전자소자를 구현하는데 유
리할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서 전자수송층(170)의 물질은 무기반도체로 한정되지 않는다. 경우에 따라,
전자수송층(170)은 n형 유기반도체로 형성될 수도 있다.
전자수송층(170)은 일반적인 박막 형태를 갖거나, 복수의 나노구조체로 구성된 층 구조를 가질 수 있다. 상기[0050]
복수의 나노구조체는, 예컨대, 나노파티클(nanoparticle)일 수 있다. 전자수송층(170)은 비정질(amorphous)이거
나 다결정질(polycrystalline)일 수 있고, 경우에 따라서는, 비정질과 다결정질이 혼합된 상(phase)을 가질 수
도 있다. 전자수송층(170)이 무기반도체로 형성된 경우, 그 표면에 비교적 많은 양의 댕글링 본드(dangling
bond)를 가질 수 있다. 이와 관련해서, 전자수송층(170)은 비교적 높은 표면 전하 밀도(surface charge
density)를 가질 수 있다.
전자수송층(170)과 활성층(150) 사이에 분자계면층(molecular interlayer or molecular interface layer)(16[0051]
0)이 구비될 수 있다. 분자계면층(160)은 유기분자를 포함하는 유기물층일 수 있다. 또한, 분자계면층(160)은
전자수송층(170)의 표면 전하(surface charge)보다 적은 양의 표면 전하를 가질 수 있다. 분자계면층(160)은 전
자수송층(170) 대비 매우 적은 양의 표면 전하를 가질 수 있다. 예컨대, 분자계면층(160)의 표면 전하량은 전자
수송층(170)의 표면 전하량의 약 1/5 이하, 또는, 약 1/10 이하일 수 있다. 분자계면층(160)은 비이온성
(nonionic) 물질층일 수 있다. 여기서, '비이온성'이라는 표현은 표면 전하나 이온이 없거나 매우 적은 상태를
의미할 수 있다. 또한, 분자계면층(160)은 소수성(hydrophobic) 물질층일 수 있다. 전자수송층(170)과
비교하여, 분자계면층(160)은 소수성을 가질 수 있다. 전자수송층(170)은 친수성(hydrophilic)이거나 친수성에
가까운 특성을 가질 수 있고, 분자계면층(160)은 소수성이거나 소수성에 가까운 특성을 가질 수 있다. 이와 관
련해서, 분자계면층(160)은 전자수송층(170)과 다른 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 분자계면층(160)은 저분자
물질을 포함하거나 고분자 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 분자계면층(160)은
TCNQ(tetracyanoquinodimethane)를 포함할 수 있다. 분자계면층(160)은 TCNQ층일 수 있다. TCNQ의 화학식은
C12H4N4 일 수 있다. 그러나, 분자계면층(160)의 물질은 TCNQ로 한정되지 않고, 그 밖에 다양한 저분자 또는 고
분자 물질이 사용될 수 있다.
분자계면층(160)은 전자수송층(170)과 활성층(150) 사이의 바람직하지 않은 전하 이동이나 전하 재결합을 방지[0052]
또는 억제하는 역할을 할 수 있다. 전자수송층(170)은 비교적 많은 표면 전하를 가질 수 있고, 그 표면 특성을
제어하기가 쉽지 않을 수 있다. 따라서, 전자수송층(170)이 활성층(150)과 직접 접촉할 경우, 전자수송층(170)
과 활성층(150) 사이에 원치 않는 전하 이동이나 전하 재결합이 발생할 수 있고, 결과적으로, 광전자소자의 광
전 변환 효율이 떨어질 수 있다. 또한, 전자수송층(170)에서 발생한 라디칼(radical)이 활성층(150)의 양자점을
열화(degradation/deterioration)시킬 수 있다. 그 결과, 광전자소자의 내구성 및 안정성이 저하될 수 있다. 그
러나, 본 실시예에서와 같이, 분자계면층(160)이 활성층(150)과 전자수송층(170) 사이에 구비된 경우, 분자계면
층(160)에 의해 활성층(150)과 전자수송층(170) 사이의 계면 특성이 개선될 수 있다. 분자계면층(160)은 활성층
(150)에 대하여 전자수송층(170)을 스크리닝(screening)하는 역할을 할 수 있다. 분자계면층(160)은 표면 전하
가 거의 없거나, 전자수송층(170) 대비 매우 적을 수 있기 때문에, 활성층(150)과 분자계면층(160) 사이에 원치
않는 전하 재결합 등의 문제가 방지 또는 억제될 수 있다. 또한, 분자계면층(160)은 우수한 표면 상태를 가질
수 있으므로, 활성층(150)과 분자계면층(160) 사이의 계면 특성은 우수할 수 있다. 또한, 분자계면층(160)은 전
자수송층(170)에서 발생된 라디칼(radical)이 활성층(150)을 열화시키는 문제를 방지 또는 억제하는 역할을 할
수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 우수한 성능 및 높은 광전 변환 효율을 갖고, 내구성 및 안정성이 개선
된 광전자소자(양자점 적용 광전자소자)를 구현할 수 있다.
활성층(150)과 양극(100) 사이에 정공수송층(hole transport layer:HTL)(120)이 더 구비될 수 있다. 정공수송[0053]
층(120)은 유기반도체를 포함할 수 있다. 상기 유기반도체는 p형 반도체일 수 있다. 상기 유기반도체는 저분자
또는 고분자 기반의 유기물을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 유기반도체는 TFB, CBP, TPD(또는, poly-
TPD), PVK, TCTA, NPD, PFB 및 F8T2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 TFB, CBP, TPD, PVK, TCTA,
NPD, PFB, F8T2의 화학명은 다음과 같다.
TFB: poly(9,9-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenylamine)[0054]
CBP: 4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl[0055]
TPD: N,N'-bis(3-methyphenyl)-N,N'-diphenylbenzidine[0056]
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PVK: poly(N-vinylcarbazole)[0057]
TCTA: tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine[0058]
NPD: N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'biphenyl-4,4diamine[0059]
PFB: poly(9,9-dioctylfluorene-co-bis-N,N-phenyl-1,4-phenylenediamine[0060]
F8T2: poly(9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene) [0061]
그러나, 위에서 제시한 정공수송층(120)의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 물질이 정공수송[0062]
층(120) 물질로 사용될 수 있다. 경우에 따라서는, 정공수송층(120)을 무기반도체(p형 무기반도체)로 형성할 수
도 있다.
정공수송층(120)이 유기반도체를 포함하는 경우, 정공수송층(120)은 활성층(150)에 직접 접촉될 수 있다. 정공[0063]
수송층(120)이 활성층(150)에 직접 접촉하더라도, 이들 사이에 비교적 우수한 계면 특성을 확보할 수 있고, 고
효율 광전자소자를 구현할 수 있다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 정공수송층(120)은 무기반도체를 포함할
수도 있다. 이 경우, 정공수송층(120)과 활성층(150) 사이에 소정의 분자층(제2 분자계면층)(미도시)을 더 구비
시킬 수 있다. 정공수송층(120)이 유기반도체를 포함하는 경우라도, 필요에 따라, 정공수송층(120)과 활성층
(150) 사이에 분자층(제2 분자계면층)(미도시)을 더 구비시킬 수 있다.
정공수송층(120)과 양극(100) 사이에 정공주입층(hole injection layer:HIL)(110)이 더 구비될 수 있다. 정공[0064]
주입층(110)은 유기반도체 또는 무기반도체를 포함할 수 있다. 예컨대, 정공주입층(110)은 PEDOT 또는
PEDOT:PSS와 같은 유기반도체를 포함할 수 있다. PEDOT의 화학명은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)이고,
PEDOT:PSS의 화학명은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate이다. 또한, 정공주입층(110)
은 MoO3, NiO, WO3 등과 같은 무기반도체를 포함할 수도 있다. 그러나 여기서 제시한 정공주입층(110)의 구체적
인 물질들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 물질이 정공주입층(110) 물질로 사용될 수 있다. 광전자소자 분
야에서 사용되는 일반적인 정공주입 물질이면 어느 것이든 정공주입층(110) 물질로 적용될 수 있다. 정공주입층
(110)의 전기전도도가 높은 경우, 정공주입층(100)을 양극(100)의 일부로 여길 수도 있다. 경우에 따라서는, 정
공주입층(110)은 구비시키지 않을 수도 있다. 이 경우, 정공수송층(120)이 정공주입층(110)의 역할을 겸할 수
있다.
도 1을 참조하여 설명한 광전자소자에 사용될 수 있는 양자점 함유층(즉, 활성층(150))은, 예컨대, 도 2에 도시[0065]
된 바와 같은 구조를 가질 수 있다. 즉, 도 2는 도 1의 소자에 사용될 수 있는 양자점 함유층(즉, 활성층(15
0))의 구성을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 양자점 함유층(QDL1)은 복수의 양자점(QD)을 포함할 수 있다. 복수의 양자점(QD)이 단층 또는[0066]
다층 구조를 이룰 수 있다. 각각의 양자점(QD)은 코어부(c1)와 껍질부(s1)를 가질 수 있고, 껍질부(s1)는 싱글-
쉘(single-shell) 또는 멀티-쉘(multi-shell) 구조를 가질 수 있다. 양자점(QD)의 지름은 약 1 nm 내지 수십
nm 정도일 수 있다. 양자점(QD)의 표면에는 소정의 리간드(ligand)(d1)가 존재할 수 있다. 리간드(d1)는 유기
리간드(organic ligand) 또는 무기 리간드(inorganic ligand)일 수 있다. 양자점(QD)은 콜로이달 양자점
(colloidal quantum dot)일 수 있다.
양자점(QD)은, 예컨대, Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체, Ⅳ족 계열 반도체 및[0067]
그래핀 양자점 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 Ⅱ-Ⅵ족 계열 반도체는, 예를 들어, ZnS, ZnSe, ZnTe,
CdS, CdSe, CdTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe와 같은 2원계(binary) 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS,
ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe와 같
은 3원계(ternary) 화합물; CdHgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS,
HgZnSeTe, HgZnSTe와 같은 4원계(quaternary) 화합물 중 적어도 하나를 포함하거나 이들의 조합을 포함할 수 있
다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 계열 반도체는, 예를 들어, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs,
InSb와 같은 2원계 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP,
InNAs, InNSb, InPAs, InPSb와 같은 3원계 화합물; GaAlNP, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP,
GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb와 같은 4원계 화합물 중
적어도 하나를 포함하거나 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 Ⅳ-Ⅵ족 계열 반도체는, 예를 들어, SnS, SnSe,
SnTe, PbS, PbSe, PbTe와 같은 2원계 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe,
SnPbTe와 같은 3원계 화합물; SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe와 같은 4원계 화합물을 포함하거나 이들의 조합을
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포함할 수 있다. 상기 Ⅳ족 계열 반도체는, 예를 들어, Si, Ge, SiGe, SiC 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
한편, 상기 그래핀 양자점은 그래핀으로 구성된 양자점일 수 있다.
도 2에서는 양자점(QD)이 싱글-쉘(single-shell)의 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 경우에 대해서 도시하고[0068]
설명하였지만, 양자점(QD)은 쉘(shell)이 없는 입자 구조(즉, core only 구조)를 갖거나, 복수의 쉘(shell)을
갖는 멀티-쉘(multi-shell) 구조를 가질 수 있다. 구체적인 예로, 양자점(QD)이 쉘(shell)이 없는 입자 구조를
갖는 경우, CdSe 또는 InP 등으로 구성될 수 있다. 양자점(QD)이 싱글-쉘(single-shell)을 갖는 코어-쉘(core-
shell) 구조를 갖는 경우, CdSe/CdS (코어/쉘), InP/ZnS (코어/쉘) 구조 등을 가질 수 있다. 양자점(QD)이 더
블-쉘(double-shell)을 갖는 코어-쉘-쉘(core-shell-shell) 구조를 갖는 경우, 예컨대, CdSe/CdS/ZnS (코어/쉘
/쉘) 구조 등을 가질 수 있다. 그러나, 전술한 구체적인 물질 및 조합은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 물질
조합이 사용될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 코어부와 껍질부 사이에 합금부를 형성할 수 있고, 소정의 도
펀트(dopant)로 양자점(QD)을 도핑하여 사용할 수도 있다.
도 3은 비교예에 따른 광전자소자에 적용되는 적층 구조 및 그 문제점을 설명하기 위한 단면도이다. [0069]
도 3을 참조하면, 비교예에 따른 광전자소자에서는 양자점(QD)을 포함하는 활성층(15)과 전자수송층(ETL)(17)이[0070]
접촉될 수 있다. 전자수송층(17)은 비교적 많은 양의 표면 전하(surface charge)를 가질 수 있다. 전자수송층
(17)의 표면부에 표시된 선들은 표면 결함에 의한 표면 트랩(surface trap)을 나타낸 것이다. 특히, 전자수송층
(17)이 무기반도체로 형성된 경우, 무기반도체는 비정질상(amorphous phase)을 포함할 수 있고, 표면부에 비교
적 많은 댕글링 본드(dangling bond)를 가질 수 있다. 이와 관련해서, 전자수송층(17)은 비교적 높은 표면 전하
밀도를 가질 수 있다. 또한, 전자수송층(17)의 표면에 비교적 많은 결함(defect)이 존재할 수 있다. 따라서, 전
자수송층(17)의 표면에 활성층(15)이 접촉된 경우, 이들의 계면에서 원치 않는 전하 이동 및 전하 재결합이 발
생할 수 있다. 예를 들어, 활성층(15)의 정공이 전자수송층(17)의 표면 전하(전자)와 결합하여, 활성층(15)의
광전 변환 효율이 저하될 수 있다. 또한, 전자수송층(17)이 활성층(15)에 접촉된 경우, 전자수송층(17)에서 발
생된 라디칼(radical)에 의해 활성층(15)의 양자점 특성이 열화될 수 있다. 이로 인해, 소자의 내구성 및 안정
성이 나빠질 수 있고, 수명이 짧아질 수 있다. 다시 말해, 활성층(15)과 전자수송층(17) 사이의 계면에서 일어
나는 표면 변질로 인해 소자의 효율이 급격히 저하될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 광전자소자에 적용될 수 있는 적층 구조 및 관련 특성을 설명하기 위한 단면도이다. [0071]
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 광전자소자는 활성층(150)과 전자수송층(ETL)(170) 사이에 분자계면층(160)을[0072]
포함할 수 있다. 분자계면층(160)은 유기분자를 포함한 유기물층일 수 있다. 또한, 분자계면층(160)은 전자수송
층(170) 보다 적은 양의 표면 전하를 가질 수 있다. 분자계면층(160)은 비이온성(nonionic) 물질층일 수 있다.
또한, 분자계면층(160)은 소수성(hydrophobic) 물질층일 수 있다. 이러한 분자계면층(160)은 활성층(150)과 전
자수송층(170) 사이에 원치 않는 전하 이동이나 전하 재결합을 방지 또는 억제하는 역할을 할 수 있다. 다시 말
해, 분자계면층(160)에 의한 스크리닝 효과(screening effect)가 나타날 수 있다.
분자계면층(160)이 활성층(150)과 전자수송층(170) 사이에 존재하는 경우, 전자수송층(170)의 표면 전하 일부가[0073]
분자계면층(160)으로 이동할 수 있고, 그로 인해, 분자계면층(160)의 상태가 변화 또는 안정화될 수 있다. 이
경우, 분자계면층(160)은 활성층(150)으로부터는 전하를 거의 빼앗아오지 않을 수 있다. 다시 말해, 분자계면층
(160)과 활성층(150) 사이에는 원치 않는 전하 이동이나 전하 재결합이 잘 발생하지 않을 수 있다. 또한, 분자
계면층(160)은 전자수송층(170)에서 발생된 라디칼(radical)이 활성층(150)을 열화시키는 문제를 방지 또는 억
제하는 역할을 할 수 있다.
단, 분자계면층(160)은, 광전자소자의 동작시, 전자수송층(170)을 통한 전자의 수송은 저해하지 않을 수 있다.[0074]
상기 광전자소자가 발광소자인 경우, 두 전극(도 1의 100, 200) 사이에 전압이 인가되었을 때, 전자수송층(17
0)을 통해 활성층(150)으로 전자가 공급되는데, 분자계면층(160)은 이러한 전자의 공급(수송)을 저해하지 않도
록 구성될 수 있다. 이를 위해, 분자계면층(160)의 에너지밴드 레벨, 예컨대, 전도대 최저 에너지레벨
(conduction band minimum energy level)(EC)을 제어하거나, 분자계면층(160)의 두께를 제어할 수 있다. 이에
대해서는, 추후에 도 6 및 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 5는 ZnO층 및 ZnO/TCNQ 적층 구조의 파장에 따른 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)을 보여주는 그래프이[0075]
다. 본 실험 결과를 통해, TCNQ층이 ZnO층에 접촉되었을 때, ZnO층에 미치는 TCNQ층의 영향을 확인할 수 있다.
ZnO층은 전자수송층의 일례일 수 있고, TCNQ층은 분자계면층의 일례일 수 있다. 도 5에서 오른쪽 상측의 작은
그래프는 400∼1000 nm 범위의 결과를 다른 스케일로 도시한 것이다.
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도 5에서 ZnO층에 대응하는 그래프(이하, 제1 그래프)와 ZnO/TCNQ 적층 구조에 대응하는 그래프(이하, 제2 그래[0076]
프)를 비교하면, 두 그래프의 형태가 다른 것을 알 수 있다. 특히, 약 600∼700 nm 사이 및 850∼900 nm 사이의
파장 범위에서 제2 그래프(ZnO/TCNQ)는 제1 그래프(ZnO)에는 없는 피크(peak)(P1, P2)들을 갖는 것을 알 수 있
다. 이는 TCNQ층이 ZnO층에 접촉되어 있을 때, ZnO층으로부터 TCNQ층으로 전하 트랜스퍼(charge transfer)가 발
생한 결과라고 추정된다. 즉, 약 600∼700 nm 사이 및 850∼900 nm 사이의 파장 범위에서 발생한 피크
(peak)(P1, P2)들은 "charge transfer states"에 의한 것으로 추정된다. 이는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같
이, 전자수송층(170)에서 분자계면층(160)으로 일부 전하(표면 전하)가 이동한 결과일 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 광전자소자의 에너지밴드 다이어그램을 예시적으로 보여준다. 도 6에서 참조부호 EV 및[0077]
EC는 각각 가전대 최고 에너지레벨(valence band maximum energy level) 및 전도대 최저 에너지레벨(conduction
band minimum energy level)을 나타내고, EF 는 페르미 에너지레벨(Fermi energy level)을 나타낸다. 이러한 표
시는 도 7에서도 동일하다. 그리고 도 6 및 도 7에 대한 아래의 설명은 광전자소자가 발광소자인 경우에 대한
것이다.
도 6을 참조하면, 분자계면층(160)의 EC는 활성층(150)의 EC 보다 크거나 같고 전자수송층(170)의 EC 보다 작거[0078]
나 같을 수 있다. 분자계면층(160)의 EC는 활성층(150)의 EC 보다 크고 전자수송층(170)의 EC 보다는 작을 수 있
다. 이 경우, 분자계면층(160)의 두께가 약 10 nm 이상으로 두껍더라도, 분자계면층(160)을 통한 전하(전자)의
이동이 용이하게 이루어질 수 있다. 이때, 분자계면층(160)은 약 10∼100 nm 정도의 두께를 가질 수 있다. 그러
나, 분자계면층(160)의 두께는 이에 한정되지 않는다. 경우에 따라, 분자계면층(160)의 두께는 약 10 nm 이하이
거나, 약 100 nm 이상일 수도 있다.
분자계면층(160)의 EV는 활성층(150)의 EV 보다 작을 수 있다. 또한, 분자계면층(160)의 EV는 전자수송층(170)의[0079]
EV 보다 작을 수 있다. 이 경우, 분자계면층(160)에 의해 홀-블로킹(hole-blocking) 특성이 개선될 수 있다.
광전자소자가 발광소자인 경우, 양극(100)에 양( )의 전압( V)이 인가될 수 있고, 음극(200)에 음(-)의 전압(-[0080]
V)이 인가될 수 있고, 이러한 전압 인가에 의해, 전자(e-) 및 정공(h)이 활성층(150)으로 주입되고, 이들이 결
합하면서 특정 파장 대역의 광이 방출될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광전자소자의 에너지밴드 다이어그램을 예시적으로 보여준다. [0081]
도 7을 참조하면, 분자계면층(160)의 EC는 전자수송층(170)의 EC 보다 클 수 있다. 이 경우, 분자계면층(160)의[0082]
두께는 전자의 터널링(tunneling)이 가능한 수준으로 얇을 수 있다. 예컨대, 분자계면층(160)의 두께는 약 10
nm 이하일 수 있다. 이 경우, 분자계면층(160)의 EC가 전자수송층(170)의 EC 보다 크더라도, 분자계면층(160)을
통한 전자의 이동(터널링)이 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 분자계면층(160)의 EV는 전자수송층(170)의 EV
보다 작을 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 에너지밴드 다이어그램은 예시적인 것에 불과하고, 이들은 다양하게 변화될 수 있다. 또[0083]
한, 도 6 및 도 7에서 물질층들(100, 110, 120, 150, 160, 170, 200)의 상대적인 두께는 예시적인 것이고, 다
양하게 변화될 수 있다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자(양자점 발광소자)의 전압(voltage)-전류밀도(current density) 특[0084]
성을 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 광전자소자(양자점 발광소자)는 양자점(QD)을 포함하는 활성층
과 TCNQ를 포함하는 분자계면층을 구비한다. 즉, 상기 실시예에 따른 광전자소자는 도 1의 구조를 갖되, 분자계
면층(160)으로 TCNQ를 적용한 경우이다. 상기 비교예에 따른 광전자소자(양자점 발광소자)는 도 1의 구조에서
분자계면층(160)이 제외된 구조를 갖는다. 즉, 상기 비교예는 분자계면층(160) 없이 양자점(QD)을 포함하는 활
성층(150)을 사용하는 경우이다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 광전자소자, 즉, 분자계면층을 적용한 광전자소자가 비교예에 따른[0085]
광전자소자, 즉, 분자계면층을 사용하지 않은 광전자소자보다 전체적으로 높은 전류밀도 특성을 나타내는 것을
확인할 수 있다. 이를 통해, 분자계면층을 적용할 때, 높은 전류밀도를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자(양자점 발광소자)의 전압(voltage)-광도(luminance) 특성을 보여주[0086]
는 그래프이다. 상기 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자(양자점 발광소자)의 구성은 도 8에서 설명한 바와 동
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일하였다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따른 광전자소자, 즉, 분자계면층을 적용한 광전자소자가 비교예에 따른[0087]
광전자소자, 즉, 분자계면층을 사용하지 않은 광전자소자보다 전체적으로 높은 광도 특성을 나타낸 것을 확인할
수 있다. 이를 통해, 분자계면층을 적용할 때, 높은 광도를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 실시예 및 비교예에 따른 광전자소자에 적용될 수 있는 적층 구조에 대한 시간 경과에 따른 PL 세기[0088]
(photoluminescence intensity) 변화를 보여주는 그래프이다. 상기 비교예는 양자점층(QD층)과 이에 접촉된
ZnO층(전자수송층)을 사용한 경우이고(QD/ZnO), 상기 실시예는 양자점층(QD층)과 ZnO층(전자수송층) 사이에
TCNQ층(분자계면층)을 적용한 경우이다(QD/TCNQ/ZnO). 즉, QD/ZnO 구조(비교예) 및 QD/TCNQ/ZnO 구조(실시예)
에 대해서 시간에 따른 PL 세기 변화를 측정하였다.
도 10을 참조하면, QD/TCNQ/ZnO 구조(실시예)에 대한 결과 그래프의 초기 PL 세기가 QD/ZnO 구조(비교예)에 대[0089]
한 결과 그래프의 초기 PL 세기보다 높은 것을 알 수 있다. 또한, QD/TCNQ/ZnO 구조(실시예)에 대한 그래프가
QD/ZnO 구조(비교예)에 대한 그래프보다 전체적으로 위쪽에 위치하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 실시예에
따른 QD/TCNQ/ZnO 구조가 비교예에 따른 QD/ZnO 구조보다 높은 PL 세기를 나타내고, 또한, 상대적으로 긴 PL 수
명(lifetime)을 갖는다는 것을 보여준다. 따라서, 양자점층과 전자수송층 사이에 분자계면층을 적용할 경우, 광
전기적 특성이 개선될 수 있다.
도 8 내지 도 10의 결과로부터, 실시예에 따른 광전자소자는 비교예에 따른 광전자소자보다 우수한 성능을 갖는[0090]
것을 알 수 있다. 또한, 실시예에 따른 광전자소자의 내구성 및 안정성이 개선될 수 있음을 알 수 있다. 도 8
내지 도 10에서는 주로 ZnO 및 TCNQ를 사용하는 경우에 대해서 결과를 설명하였지만, 그 밖에 다른 물질을 적용
하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예의 구조는 도 1에서 변형된 것이다. [0091]
도 11을 참조하면, 정공수송층(HTL)(120)과 활성층(150) 사이에 제2 분자계면층(130)이 더 구비될 수 있다. 제2[0092]
분자계면층(130)은 정공수송층(120)과 활성층(150) 사이의 계면 특성을 개선하는 역할을 할 수 있다. 제2 분자
계면층(130)은 활성층(150)과 전자수송층(ETL)(170) 사이에 배치된 분자계면층(160)(제1 분자계면층)과는 다른
물질을 포함할 수 있고, 다른 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 제2 분자계면층(130)의 EV는 정공수송층(120)의 EV
보다 작거나 같고, 활성층(150)의 EV 보다 크거나 같을 수 있다. 이때, 정공수송층(120)은 무기반도체를 포함하
거나, 유기반도체를 포함할 수 있다. 정공수송층(120)이 무기반도체를 포함하는 경우, 제2 분자계면층(130)에
의한 효과가 더 클 수 있다. 제2 분자계면층(130)이 부가된 것을 제외한 나머지 구성은 도 1과 유사할 수 있으
므로, 이들에 대한 반복 설명은 배제한다.
다른 실시예에 따르면, 도 1의 구조에 전자주입층(electron injection layer)(EIL)을 부가할 수 있다. 그 예가[0093]
도 12에 도시되어 있다. 도 12를 참조하면, 전자수송층(ETL)(170)과 음극(200) 사이에 전자주입층(EIL)(180)이
더 구비될 수 있다. 전자주입층(180)은, 예컨대, LiF, CsF, NaF, CaF2, Li2O, Cs2O, Na2O, Li2CO3, Cs2CO3,
Na2CO3 등으로 형성될 수 있다. 전자주입층(180)의 물질은 무기물이거나 유기물일 수도 있다. 일반적인 광전자소
자에서 전자주입 물질로 사용될 수 있는 물질이면 어느 것이든 전자주입층(180) 물질로 적용될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 1의 구조에서 정공주입층(HIL)(110)을 배제할 수 있다. 그 예가 도 13에 도시되어 있[0094]
다. 도 13을 참조하면, 정공주입층(HIL) 없이, 양극(100)과 정공수송층(HTL)(120)이 상호 접촉될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 1의 구조에서 정공주입층(HIL)(110) 및 정공수송층(HTL)(120)을 배제할 수 있다. 그[0095]
예가 도 14에 도시되어 있다. 도 14를 참조하면, 정공주입층(HIL) 및 정공수송층(HTL)이 구비되지 않을 수
있고, 이 경우, 양극(100)이 활성층(150)에 접촉될 수 있다.
부가해서, 도 11 내지 도 14의 구조 중 적어도 두 개의 특징이 복합된 구조도 가능하다. 예컨대, 도 11의 구조[0096]
에 도 12의 전자주입층(EIL)(180)이 적용될 수 있고, 도 13의 구조에 도 11의 제2 분자계면층(130)이 적용될 수
있다. 그 밖에도 다양한 변형 구조가 가능할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 사시도이다. 도 15의 적층 구조는 도 1의 적층 구조에 대응될[0097]
수 있다.
도 15를 참조하면, 기판(1000) 상에 양극(anode)(100a)이 구비될 수 있다. 기판(1000)은 투명 기판, 예컨대, 유[0098]
리 기판일 수 있다. 또한, 기판(1000)은 플렉서블(flexible) 기판이거나 단단한(rigid) 기판일 수 있다. 기판
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(1000)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다. 양극(100a)은, 예컨대, ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 전극
물질로 형성되거나, 그 밖에 다른 물질, 예컨대, Al, Ag, Au, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등으로
형성될 수도 있다. 양극(100a)은, 예를 들어, 스퍼터링(sputtering) 법과 같은 PVD(physical vapor
deposition) 법으로 형성될 수 있다. 필요에 따라, 양극(100a)은 소정 형태로 패터닝된 구조를 가질 수 있다.
양극(100a) 상에 정공주입층(HIL)(110a)이 구비될 수 있다. 정공주입층(110a)은, 예컨대, PEDOT 또는
PEDOT:PSS와 같은 유기반도체를 포함할 수 있다. 또는, 정공주입층(110a)은 MoO3, NiO, WO3 등과 같은 무기반도
체를 포함할 수 있다. 정공주입층(110a)은 스핀 코팅(spin coating) 법으로 형성되거나, 그 밖에 다른 방법, 예
컨대, 졸-겔(sol-gel), 스프레이 코팅(spray coating), 블레이드 코팅(blade coating), 프린팅(printing), 증
착(deposition) 법 등으로 형성될 수도 있다. 정공주입층(110a) 상에 정공수송층(120a)이 구비될 수 있다. 정공
수송층(120a)은, 예컨대, 유기반도체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 유기반도체는 TFB, CBP, TPD,
PVK, TCTA, NPD, PFB 및 F8T2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 정공수송층(120a)은 무기반
도체를 포함할 수도 있다. 정공수송층(120a)은 스핀 코팅(spin coating) 법으로 형성되거나, 그 밖에 다른
방법, 예컨대, 졸-겔(sol-gel), 스프레이 코팅(spray coating), 블레이드 코팅(blade coating), 프린팅
(printing), 증착(deposition) 법 등으로 형성될 수도 있다.
정공수송층(120a) 상에 양자점(QD)을 포함하는 활성층(150a)이 구비될 수 있다. 활성층(150a)은 복수의 양자점[0099]
을 포함하는 양자점층일 수 있다. 상기 양자점의 물질, 구조, 사이즈 등은 원하는 파장 대역 및 특성에 따라 적
절히 선택될 수 있다. 이러한 활성층(150a)은 스핀 코팅(spin coating) 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 활
성층(150a) 상에 분자계면층(160a)이 구비될 수 있다. 분자계면층(160a)은 유기분자를 포함하는 유기물층일 수
있다. 또한, 분자계면층(160a)은 비이온성(nonionic) 물질층일 수 있고, 소수성(hydrophobic) 물질층일 수
있다. 분자계면층(160a)은 저분자 또는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 분자계면층(160a)은
TCNQ(tetracyanoquinodimethane)를 포함할 수 있다. 그러나, 분자계면층(160a)의 물질은 TCNQ로 한정되지
않고, 그 밖에 다양한 물질이 사용될 수 있다. 분자계면층(160a)은 스핀 코팅(spin coating) 법으로
형성되거나, 그 밖에 다른 방법, 예컨대, 열증발(thermal evaporation) 법 등으로 형성될 수 있다.
분자계면층(160a) 상에 전자수송층(170a)이 구비될 수 있다. 전자수송층(170a)은 무기반도체를 포함할 수 있다.[0100]
상기 무기반도체는 산화물(oxide) 또는 비산화물(non-oxide)일 수 있다. 상기 산화물은, 예컨대, Zn 산화물
(ZnOX), Ti 산화물(TiOX), Sn 산화물(SnOX) 및 Zr 산화물(ZrOX) 중 하나 또는 적어도 두 개의 조합을 포함할 수
있다. 상기 비산화물은, 예컨대, n-GaN을 포함할 수 있다. 여기서 제시한 무기반도체의 구체적인 물질은 예시적
인 것이고, 그 밖에 다양한 무기반도체 물질이 적용될 수 있다. 전자수송층(170a)을 무기반도체로 형성하는 경
우, 고효율의 광전자소자를 구현하는데 유리할 수 있다. 그러나, 경우에 따라, 전자수송층(170a)은 유기반도체
로 형성될 수도 있다. 전자수송층(170a)은 일반적인 박막 형태를 갖거나, 복수의 나노구조체로 구성된 층 구조
를 가질 수 있다. 상기 복수의 나노구조체는, 예컨대, 나노파티클(nanoparticle)일 수 있다. 여기서는, 전자수
송층(170a)이 복수의 나노구조체(나노파티클)로 구성된 경우를 도시하였다. 전자수송층(170a)은 분자계면층
(160a)과 비교하여 상대적으로 높은 표면 전하 밀도(surface charge density)를 가질 수 있다. 이러한 전자수송
층(170a)은 스핀 코팅(spin coating) 법으로 형성되거나, 그 밖에 다른 방법, 예컨대, 졸-겔(sol-gel), 스프레
이 코팅(spray coating), 블레이드 코팅(blade coating), 프린팅(printing), 증착(deposition) 법 등으로 형성
될 수도 있다.
전자수송층(170a) 상에 음극(cathode)(200a)이 구비될 수 있다. 음극(200a)은, 예컨대, Al, Mo, Ag, Au, Ca,[0101]
Ba, ITO, CNT, 그래핀 등으로 형성될 수 있다. 음극(200a)은 증착(deposition) 법 등 다양한 방법으로 형성될
수 있다. 음극(200a)은, 필요에 따라, 소정 형태로 패터닝된 구조를 가질 수 있다. 양극(100a)이 제1 방향으로
연장된 구조를 갖는 경우, 음극(200a)은 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장된 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양극(100a)의 두께는 약 200 nm, 정공주입층(110a)의 두께는 약 20 nm, 정공수송층(120a)[0102]
의 두께는 약 40 nm, 활성층(150a)의 두께는 약 20 nm, 전자수송층(170a)의 두께는 약 40 nm, 음극(200a)의 두
께는 약 150 nm 정도일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것에 불과하고, 각 층들의 두께는 다양하게 변화될 수
있다. 부가적으로, 필요한 경우, 활성층(150a)의 양자점(QD)에 대한 표면 개질 공정을 수행할 수도 있다. 일례
로, 활성층(150a)의 양자점(QD)을 1,7-heptadiamine 등으로 처리하여 그 표면 특성을 변화시킬 수 있다.
그러나, 이러한 표면 개질 공정은 선택적인(optional) 것일 수 있다.
도 15의 광전자소자의 구조는 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 도 11 내지 도 14의[0103]
다양한 변형 구조를 반영하도록 도 15의 구조를 변화시킬 수 있다. 또한, 실시예에 따른 광전자소자는 메사
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(mesa) 구조를 가질 수도 있다.
다양한 실시예들에 따른 광전자소자는 발광소자(light emitting device)로 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 광전[0104]
자소자는 '양자점 발광소자'라 할 수 있고, 활성층(150)은 발광층(light emitting layer)으로 사용될 수 있다.
이때, 상기 양자점 발광소자는 가시광선 영역의 발광 파장을 갖거나, 적외선 영역의 발광 파장을 가질 수 있고,
그 밖에 다른 영역의 발광 파장을 가질 수도 있다. 다른 경우, 실시예들에 따른 광전자소자는 수광소자(light
receiving device)로 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 광전자소자는 포토다이오드(photodiode)나 광검출기
(photodetector)이거나 태양전지(solar cell)와 같은 광발전소자(photovoltaic device)일 수 있다. 이때, 활성
층(150)은 광활성층(photoactive layer)으로 사용될 수 있다. 또한, 다양한 실시예들에 따른 광전자소자는 플렉
서블(flexible) 소자나 웨어러블(wearable) 소자로 구현되거나, 그렇지 않을 수도 있다. 또한, 경우에 따라, 상
기 광전자소자는 스트레처블(stretchable) 소자로 구현될 수도 있다.
부가해서, 다양한 실시예들에 따른 광전자소자에 사용되는 양자점(QD)은 도트(dot) 형상, 즉, 구형을 가질 수[0105]
있지만, 경우에 따라서는, 1차원의 로드(rod) 또는 와이어(wire) 형상을 갖거나, 2차원의 평면적 형태를 가질
수도 있다. 로드(rod) 형상을 갖는 양자 구조체를 양자-로드(quantum-rod)라 할 수 있고, 평면적 형상을 갖는
양자 구조체를 양자-플레이트(quantum-plate)라 할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 '양자점'이라는 표현은 도
트(dot) 형상은 물론이고, 로드(rod)나 와이어(wire) 또는 평면적 형상까지 모든 형상을 포괄하는 용어일 수 있
다.
아울러, 이상의 실시예에서는 분자계면층(130, 160)을 활성층(150)과 전자수송층(170) 사이 또는 활성층(150)과[0106]
정공수송층(120) 사이에 적용한 경우에 대해서 주로 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 소자 내 다양한 계면
중 적어도 어느 하나에 표면 특성 제어 및 에너지레벨 제어를 위하여 다양한 분자계면층을 적용할 수 있고, 이
를 통해, 소자의 특성을 최적화하거나 다양하게 제어할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체[0107]
적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 및
도 11 내지 도 15의 소자 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 6 및 도 7의 에너지
밴드 다이어그램도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가해서, 본 실시예에 적용된 다양한 사상
(idea)은 광전자소자(optoelectronic device)뿐 아니라 그 밖에 다른 반도체소자에도 적용될 수 있음을 알 수
있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기
술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
부호의 설명
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *[0108]
100 : 양극 110 : 정공주입층
120 : 정공수송층 130 : 분자계면층
150 : 활성층 160 : 분자계면층
170 : 전자수송층 180 : 전자주입층
200 : 음극 1000 : 기판
QD : 양자점 QDL1 : 양자점 함유층
c1 : 코어부 s1 : 껍질부
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도면
도면1
도면2
도면3
도면4
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도면5
도면6
도면7
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도면8
도면9
도면10
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도면11
도면12
도면13
도면14
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