KR100624422B1 - 나노크기의 침을 이용한 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노크기의 침을 이용하여 전자 또는 정공을 발광층에 공급함으로써 전자 또는 정공의 주입효율을 향상시킨 발광소자를 개시한다. 본 발명에 따르면, 제 1 극성을 가지는 제 1 전극, 상기 제 1 극성과 상반되는 제 2 극성을 가지는 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하여 광을 발생하는 발광층을 구비하는 발광소자에 있어서, 상기 발광층 방향을 향해 상기 제 1 전극 상에 꽂혀 있는 다수의 전도성 침을 포함하는 것을 특징으로 한다.
무기 EL, 유기 EL, 나노침, 탄소나노튜브, 발광층, 나노와이어, 전자수송층, 정공수송층,
Description
도 1은 유기 EL의 일반적인 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 3 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 4 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 5 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 6 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 7 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 제 8 실시예를 개략적으로 도시한다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
11.......음극 12.......나노침
13.......발광층 14.......양극
23.......전공저지층 25.......전자저지층
33.......전자수송층 43.......발광전극
63.......절연층
본 발명은 나노크기의 침을 이용한 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 나노크기의 침을 이용하여 전자 또는 정공을 발광층에 공급함으로써 전자 또는 정공의 주입효율을 향상시킨 발광소자에 관한 것이다.
CRT나 LCD와 같은 기존의 디스플레이 소자를 대체할 수 있는 새로운 소자로서 무기 EL과 유기 EL 등이 있다. 무기 EL은 교류형과 직류형이 있다. 교류형은 반도체 등의 유기결합제(binder) 중에 분산된 형광체 속의 천이금속이온을 고전압에 의해 가속되어진 내부의 전자로 충돌 여기시킴으로써 발광하는 발광소자이다. 반면, 직류형은 무기 반도체의 p-n 구조내에서 전자와 정공을 재결합(recombination)시켜 발광하는 발광소자이다. 한편, 유기 EL은 전극으로부터 전자(electron)와 정 공(hole)을 유기물 내에 주입하고, 이들을 재결합시켜 발광하는 발광소자이다. 특히, 유기 EL은 LED에 비해 응답속도가 CRT의 수준으로 빠르며, 고휘도, 저전력, 초박막화, 넓은 시야각 등을 구현할 수 있다는 장점으로 인해 폭넓은 활용성을 지니고 있다.
도 1은 이러한 유기 EL의 일반적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유기 EL(100)은 기본적으로 양극(anode)(150)과 음극(cathode)(110) 사이에 발광층(130)을 두고 있으며, 정공의 주입효율을 향상시키기 위해 양극(150)과 발광층(130) 사이에 정공수송층(hole transporting layer; HTL)(140)을, 그리고 전자의 주입효율을 향상시키기 위해 음극(110)과 발광층(130) 사이에 전자수송층(electron transporting layer; ETL)(120)을 추가적으로 삽입하고 있다. 이러한 구조에서, 유기 EL의 동작 메커니즘은 크게, (1) 전자와 정공을 발광층에 주입하는 단계, (2)전자와 정공의 발광 결합(radiative recombination) 단계, (3) 발생된 빛을 외부로 추출하는 단계로 나눌 수 있다.
여기서, 유기 EL의 발광효율을 높이기 위해서는 특히 전자와 정공의 주입효율을 개선시킬 필요가 있다. 지금까지는 전자와 정공의 주입효율을 개선하기 위해서 전극을 표면처리하거나, 전극과 발광층 사이에 전자주입층, 전자수송층, 저지층과 같은 중간층을 삽입하였다. 예컨대, 양극으로부터 발광층으로 정공을 원활히 공급할 수 있기 위해서는 양극의 일함수가 충분히 높아야 하며, 음극으로부터 발광층으로 전자를 원활히 공급할 수 있기 위해서는 음극의 일함수가 충분히 낮아야 한다. 그런데, 자연계에서 이러한 요구를 충족하면서 안정적인 전극 재료를 구하기가 어렵기 때문에, 적절한 표면처리를 통해 전극의 일함수를 높이거나 낮추고 있다. 그러나, 표면처리를 통해 일함수를 높이거나 낮추는데는 한계가 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 제조 공정이 복잡해 진다는 문제가 있다. 따라서, 전극으로부터 발광층으로의 전자 및 정공의 주입 효율을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하여, 전극으로부터 발광층으로의 전하의 주입효율을 크게 향상시킨 발광소자를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명은 나노크기의 침을 이용하여 전하의 주입효율을 향상시킨 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자는, 제 1 극성을 가지는 제 1 전극, 상기 제 1 극성과 상반되는 제 2 극성을 가지는 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하여 광을 발생하는 발광층을 구비하는 발광소자에 있어서, 상기 발광층 방향을 향해 상기 제 1 전극 상에 꽂혀 있는 다수의 전도성 침을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 전도성 침의 직경은 100nm 이하이며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명전극인 것을 특징으로 한다.
만약, 상기 제 1 전극은 음극이고, 상기 제 2 전극은 양극이면, 상기 발광층의 열화를 방지하고 발광층으로부터 제 1 전극으로 정공이 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광층에 비해 이온화 에너지가 큰 비전도성 재료를 포함하는 정공저지층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재될 수 있다. 이때, 상기 정공저지층은 상기 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸며, 상기 발광층과 정공저지층의 계면과 상기 전도성 침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하이다.
또한, 상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 전자저지층을 더 포함할 수 있는데, 상기 전자저지층의 전자친화도는 상기 발광층의 전자친화도 보다 작다.
상기 정공저지층 대신에, 상기 발광층의 열화를 방지하고, 발광층으로부터 제 1 전극으로 정공이 이동하는 것을 방지하며, 제 1 전극으로부터 발광층으로의 전자주입 효율을 높이기 위하여, 상기 발광층에 비해 이온화 에너지가 큰 전도성 재료를 포함하는 전자수송층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재될 수도 있다.
이 경우, 상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하고, 제 2 전극으로부터 발광층으로의 정공주입 효율을 높이기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 정공수송층을 더 포함할 수 있는데, 상기 정공수송층의 전자친화도는 상기 발광층의 전자친화도 보다 작다.
한편, 상기 발광층과 제 2 전극은 하나의 p-도핑된 무기물 반도체층으로 이루어질 수도 있다. 이때, 상기 p-도핑된 무기물 반도체층의 표면에서 가장 높은 농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 한다.
반대로, 상기 제 1 전극이 양극이고, 상기 제 2 전극이 음극이면, 상기 발광층의 열화를 방지하고 발광층으로부터 제 1 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하 기 위하여, 상기 발광층에 비해 전자친화도가 작은 비전도성 재료를 포함하는 전자저지층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재될 수 있다. 이때, 상기 전자저지층은 상기 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸며, 상기 발광층과 전자저지층의 계면과 상기 전도성 침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하이다.
또한, 상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 전공이 이동하는 것을 방지하기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 정공저지층을 더 포함할 수도 있는데, 상기 정공저지층의 이온화 에너지는 상기 발광층의 이온화 에너지 보다 크다.
한편, 상기 전자저지층 대신에, 상기 발광층의 열화를 방지하고, 발광층으로부터 제 1 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하며, 제 1 전극으로부터 발광층으로의 정공주입 효율을 높이기 위하여, 상기 발광층에 비해 전자친화도가 작은 전도성 재료를 포함하는 정공수송층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재될 수도 있다.
이 경우, 상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 정공이 이동하는 것을 방지하고, 제 2 전극으로부터 발광층으로의 전자주입 효율을 높이기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 전자수송층을 더 포함할 수 있는데, 상기 전자수송층의 이온화 에너지는 상기 발광층의 이온화 에너지 보다 크다.
한편, 상기 발광층과 제 2 전극은 하나의 n-도핑된 무기물 반도체층으로 이루어질 수도 있다. 이때, 상기 n-도핑된 무기물 반도체층의 표면에서 가장 높은 농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자는, 전자를 제공하는 음극, 정 공을 제공하는 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 위치하여 광을 발생하는 발광층을 구비하는 발광소자에 있어서, 상기 발광층 방향을 향해 상기 음극 상에 꽂혀 있는 다수의 제 1 전도성 침; 및 상기 발광층 방향을 향해 상기 양극 상에 꽂혀 있는 다수의 제 2 전도성 침;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발광소자는, 제 1 극성을 갖는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 꽂혀 있는 있는 다수의 반도체 성분의 나노침; 상기 제 1 전극 상에 적층되고, 전자와 정공을 상기 나노침 내에 가두기 위한 중간층; 및 상기 제 1 극성과 상반되는 극성을 갖는 제 2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 전극을 양극으로 하고 제 2 전극을 음극을 하면 상기 중간층은 전자친화도와 이온화 에너지가 높은 재료이고, 반면 상기 제 1 전극을 음극으로 하고 제 2 전극을 양극으로 하는 경우, 상기 중간층은 전자친화도와 이온화 에너지가 낮은 재료이다. 이때, 상기 중간층은 나노침의 말단부를 완전히 둘러싼다. 한편, 중간층으로서 절연성 층을 이용할 수 있으며, 이 경우 상기 나노침의 말단은 상기 중간층을 관통하여 제 2 전극과 접촉한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예에 따른 나노크기의 침을 이용한 발광소자의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.
직경이 매우 작은 나노크기의 가는 전도성 침은 전압을 걸었을 때 침 끝에 강력한 전기장이 걸리게 되므로 작은 인가전압에 대해서도 낮은 온도에서 전자를 잘 방출하는 특성이 있다. 이는, 가는 전도성 침 끝에서는 전자나 정공이 뚫고 나 가야 할 "양자역학적 에너지 장벽"이 매우 얇아진다는 것으로 설명할 수 있다. 본 발명에서는, 상술한 특징을 이용하여 전자(electron)나 정공(hole), 혹은 그 두 가지 모두를 직경이 매우 가는 나노크기의 금속성(metallic) 또는 고전도성(highly conductive)의 침(이하, "나노침"이라 함)을 통해서 발광층에 주입하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 나노침을 이용한 발광소자의 구조를 간략하게 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광소자(10)는 발광층(13)의 양면에 음극(cathode)(11)와 양극(anode)(14)이 부착되어 있으며, 다수의 전도성 나노침(12)의 일단은 음극(11)에 타단은 발광층(13) 내에 매립되어 있는 구조이다. 즉, 음극(11), 발광층(13), 양극(14)으로 구성되는 종래의 발광소자에서, 음극(11)의 상면에 금속성 또는 고전도성의 나노침(12)이 다수 꽂혀 있는 구조이다.
여기서, 발광층(13)은 유기 EL 소자 또는 무기 EL 소자용으로 사용하는 일반적인 발광재료를 그대로 사용할 수 있다. 예컨대, 유기 EL 소자의 경우, 발광색에 따라 Alq3(알루니 키노륨 복합체), 안트라센(Anthracene) 등의 단분자 유기 EL, 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene); PPV), PT(polythiophene) 등과 그들의 유도체들인 고분자 유기 EL 물질들을 사용할 수 있다. 또한, 교류형 무기 EL 소자의 경우, ZnS와 같은 형광체의 분말을 시아노에틸셀룰로오스(cyan oethylcellulose) 등과 같은 결합제(binder)에 분산시킨 후, 발광색에 따라 Cu, Cl, I 또는 Mn 원자를 활성제로서 첨가하여 발광재료로서 사용할 수 있다. 무기물로서는, 예컨데, Si이나 GaN 또는 그 양자구조를 이용할 수 있다.
또한, 발광층(13)에서 발생된 빛을 추출할 수 있도록, 상기 두 개의 전극들(11,14) 중 적어도 하나는 ITO와 같은 투명전극일 것이 요구된다. 다른 하나의 전극은 백금(Pt)이나 알루미늄(Al)과 같은 금속을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 나노침(12)들은 반드시 음극(11)에 수직으로 꽂혀 있을 필요는 없으며, 또한 반드시 균일한 밀도로 정렬되어 있을 필요도 없다. 다만, 나노침(12)들의 말단부에 강한 전기장이 인가되어 전자가 방출될 수 있도록, 나노침(12)의 말단부가 서로 떨어져 있기만 하면 된다. 왜냐하면, 나노침(12)들의 직경이 최대 100nm 정도(바람직하게는 10nm 이하)로 매우 작기 때문에 국소적으로는 균일하지 않더라도, 육안으로 관찰할 때 전체적으로는 균일하게 보이기 때문이다. 따라서, 음극(11) 위에 이러한 나노침(12)을 형성하는 것은 비교적 간단한 공정으로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 이와 같은 나노침(12)으로 사용할 수 있는 재료로는, 예컨대, 탄소나노튜브(carbon nano tube; CNT), 금속성 또는 반도체성 나노 와이어(nanowire) 등을 폭넓게 이용할 수 있다.
이러한 구조에서, 앞서 설명한 바와 같이, 작은 전압이 나노침(12)에 인가되더라도 상기 나노침(12)의 말단부로부터 쉽게 전자가 방출되어, 발광층(13)으로 전자가 직접 주입된다. 따라서, 발광층(13)으로의 전자주입 효율이 종래에 비해 매우 높아지게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 나노침을 이용한 발광소자의 구 조를 간략하게 도시하고 있다. 도 3에 도시된 발광소자(20)는, 도 2에 도시된 가장 간단한 구조의 발광소자(10)와 비교할 때, 음극(21)과 발광층(24) 사이에 정공저지층(hole blocking layer)(23)이 더 추가된 구조이다. 제 1 실시예와 같이, 발광층(13) 내에 나노침(12)이 직접 매립된 경우, 나노침(12) 근처의 강한 전기장과 전류로 인해 발광층(12)이 열화되기 쉽다. 더욱이, 양극(14)으로부터 발광층(12)으로 주입된 정공이 나노침(12)으로부터 주입된 전자와 재결합하지 못하고 그대로 나노침(12)을 통해 음극(11)으로 흐르게 될 가능성이 높다. 따라서, 상기 정공저지층(23)은 발광층(24)의 열화를 방지하고, 발광층(24)으로부터 음극(21)으로 정공이 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다.
이를 위하여, 상기 정공저지층(23)은 발광층(24)에 비해 이온화 에너지(ionization potential)가 큰 내열성 절연 재료를 사용하는 것이 좋다. 또한, 음극(21)으로부터 전자를 받아서 발광층(24)에 전달해야 하므로 전자친화도(electron affinity) 역시 발광층(24)과 음극(21)의 중간 값 정도를 가지는 것이 좋다. 이러한 재료로는 LiF나 CsF 등의 불소화합물(fluorides)이나 각종 산화물, 황화물 등을 사용할 수 있다.
이때, 상기 정공저지층(23)은 상기 나노침(22)의 말단부를 완전히 둘러싸도록 하여, 나노침(22)이 발광층(24)과 접촉하지 않도록 한다. 그러나, 상기 정공저지층(23)이 너무 두꺼울 경우, 나노침(22) 말단에서 방출된 전자가 발광층(24)으로 주입되지 못할 수 있다. 따라서, 발광층(24)과 정공저지층(23)의 계면과 상기 나노침(22)의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 구조의 본 실시예에 따르면, 양극(26)으로부터 발광층(24)으로 공급된 정공이 정공저지층(23)으로 이동하지 못하고, 발광층(24)과 정공저지층(23) 사이의 계면에 집중하여 분포하게 된다. 따라서, 나노침(22)의 말단에서 방출된 전자가 발광층(24) 내에서 정공과 재결합하게 될 확률이 보다 커지게 되므로, 발광효율이 보다 높아질 수 있다. 또한, 나노침(22)이 발광층(24)과 직접 접촉하지 않기 때문에, 발광층(24)의 열화를 막아 발광소자(20)의 수명을 증대시킬 수 있다.
그러나, 이러한 구조에도 불구하고, 나노침(22)으로부터 발광층(24)으로 주입된 전자가 정공과 재결합하지 못하고 양극(26)으로 흘러 나갈 가능성은 여전히 존재한다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 제 2 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 양극(26)과 발광층(24) 사이에 전자저지층(electron blocking layer)(25)을 더 추가할 수 있다. 상기 전저저지층(25)은 발광층(24) 내의 전자가 양극(26)으로 넘어가는 것을 막는다. 이를 위하여, 상기 전자저지층(25)의 전자친화도(electron affinity)는 발광층(24)의 전자친화도 보다 작은 것이 좋다. 이러한 전자저지층(25)의 재료로는, 예컨대, MEH-PPV, PEDOT:PSS 등을 사용할 수 있으며, 또는 산소 분위기에서 양극(26)의 표면을 플라즈마 처리할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 나노침을 이용한 발광소자의 구조를 간략하게 도시하고 있다. 도 4에 도시된 발광소자(30)는, 도 3에 도시된 발광소자(20)와 비교할 때, 음극(21)과 발광층(24) 사이에 정공저지층(23) 대신 전자수송층(electron tansporting Layer; ETL)(33)을 삽입한 구조이다. 상기 전자수송층(33)은 앞서 설명한 정공저지층(23)의 기능을 모두 수행하면서, 음극(31)으로 부터 발광층(34)으로 전자의 주입을 용이하게 하는 기능을 더 수행한다. 즉, 상기 전자수송층(33)은 발광층(34)의 열화를 방지하고, 발광층(34)으로부터 음극(31)으로 정공이 이동하는 것을 방지하는 역할하는 동시에, 발광층(34)으로의 전자의 주입을 용이하게 한다. 또한, 상기 전자수송층(33)은 음극(31)과 발광층(34) 사이의 거리를 떨어뜨림으로써 발생한 빛이 소멸되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위하여, 상기 전자수송층(33)은 발광층(34)에 비해 이온화 에너지가 큰 내열성 전도성 재료를 사용하는 것이 좋다. 또한, 음극(31)으로부터 전자를 받아서 발광층(34)에 전달해야 하므로 전자친화도 역시 발광층(34)과 음극(31)의 중간 값 정도를 가지는 것이 좋다. 그리고, 정공저지층(23)과 마찬가지로, 상기 전자수송층(33)은 상기 나노침(32)의 말단부를 완전히 둘러싸도록 한다. 그러나, 상기 정공저지층(23)과는 달리, 발광층(34)과 전자수송층(33)의 계면과 상기 나노침(32)의 말단부 사이의 거리를 10nm 이하로 할 필요는 없다. 정공저지층(23)과는 달리, 나노침(32)의 말단에서 발생한 전자는 전자수송층(33)으로부터 발광층(34)으로 비교적 용이하게 전달되기 때문이다. 이러한 전자수송층(33)을 위한 재료로는, 예컨대, 옥사다이아졸(oxadiazole) 유도체나 페릴렌(perylene) 유도체 등과 같은 물질을 사용할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 양극(36)과 발광체(34) 사이에는 상기 전자수송층(33)에 대응하는 정공수송층(hole transporting layer; HTL)(35)을 더 포함할 수 있다. 정공수송층 역시 도 3의 전자저지층(25)과 유사한 역할을 수행하는 동시에, 양극(36)으로부터 공급된 정공을 발광체(34)에 용이하게 주입할 수 있도록 하는 역할을 한다. 따라서, 상기 정공수송층(35)은 발광층(34) 보다 전자 친화도가 작은 전도성 재료를 사용하는 것이 좋다. 이러한 재료로는, 예컨대, 디아민(diamine) 유도체인 TPD(triphenyl-diamine)와 광전도성 고분자인 폴리비닐카바졸(poly(9-vinylcarbazole)), PEDOT-PSS 등이 있다. 또한, p-도핑된 반도체, 예를 들면 p-GaN 등도 사용할 수 있다.
이렇게, 전자수송층(33)과 정공수송층(35)을 나노침(32)과 함께 사용하면, 양자효율을 높일 수 있으며, 전하(즉, 전자와 정공)들이 직접 주입되지 않고 수송층(33,35)을 통과하는 2 단계의 주입과정을 통해 구동전압을 더욱 낮출 수 있다. 또한, 발광층(34)에 주입된 전자와 정공이 발광층(34)을 거쳐 반대편 전극으로 이동할 때, 반대편의 수송층에 막힘으로써 재결합 조절이 가능하다. 이를 통해 발광 효율을 더 향상시킬 수 있다. 더욱이, 전자와 정공의 재결합에 의해 생성되는 싱글릿 액시톤(singlet exciton)이 전극(31,36)과 발광층(34) 사이의 경계면에서 형성되어 발광이 감속되는 현상을 막을 수 있다.
지금까지는 음극 위에 나노침을 형성하여 나노침으로부터 전자를 방출하는 구조에 대해 설명하였지만, 양극 위에 나노침을 형성하여 나노침으로부터 정공을 방출하도록 구성할 수도 있다. 도 5a는 양극 위에 나노침이 형성된 제 4 실시예를 도시하는 도면이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 음극(41)과 양극(44) 사이에 발광층(43)이 삽입된 발광소자(40)에서, 나노침(42)이 발광층(43)을 방향을 향해 양극(44) 위에 꽂혀 있다. 나노침으로부터 전자가 방출되는 원리와 동일하게, 직경이 매우 가는 나노침에 양극 전압을 인가하면, 나노침 끝에 강력한 전기장이 걸리 게 되므로 작은 인가전압에 대해서도 낮은 온도에서 정공이 잘 방출된다.
이때, 도 3의 제 2 실시예와 유사하게, 양극(44)과 발광층(43) 사이에 전자저지층(46)을 더 추가할 수도 있다. 도 5b는 이러한 발광소자의 구조를 도시한다. 즉, 나노침(42) 근처의 강한 전기장과 전류로 인해 발광층(43)이 열화되는 것을 방지하고, 발광층(43)으로부터 양극(44)으로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위하여, 양극(44)과 발광층(43) 사이에 전자저지층(46)을 더 둔다. 상기 전자저지층(46)은 발광층(43)에 비해 전자친화도가 더 작은 내열성 절연 재료를 사용하는 것이 좋다. 그리고, 상기 전자저지층(46)은 상기 나노침(42)의 말단부를 완전히 둘러싸도록 하여, 나노침(42)이 발광층(43)과 접촉하지 않도록 한다. 이때, 나노침(42) 말단에서 방출된 정공이 발광층(43)으로 주입되지 못할 수도 있으므로, 발광층(43)과 전자저지층(46)의 계면과 상기 나노침(42)의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 나노침(42)에서 방출된 정공이 음극(41)으로 흘러나가는 것을 방지하기 위해, 음극(41)과 발광층(43) 사이에 정공저지층(47)을 더 추가할 수도 있다. 정공저지층(47)의 이온화 에너지는 발광층(43)의 이온화 에너지 보다 큰 것이 좋다. 또한, 음극(41)으로부터 전자를 받아서 발광층(43)에 전달해야 하므로 전자친화도 역시 발광층(43)과 음극(41)의 중간 값 정도를 가지는 것이 좋다.
도 5c는 도 4의 제 3 실시예와 유사하게, 전자와 정공의 주입을 보다 용이하게 하기 위하여, 전공수송층(48)과 전자수송층(49)를 더 추가한 구조이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 전공수송층(48)은 양극(44)과 발광층(43) 사이에서 나노침(42) 을 완전히 덮도록 삽입되며, 전자수송층(49)은 음극(41)과 발광층(43) 사이에 위치한다. 여기서, 전자수송층(49)은 발광층(43)에 비해 이온화 에너지가 큰 내열성 전도성 재료를 사용하며, 정공수송층(48)은 발광층(43)에 비해 전자친화도가 작은 내열성 전도성 재료를 사용한다. 따라서, 도 4의 전자수송층(33)과 정공수송층(35)에서 사용하는 재료와 같은 재료를 사용할 수 있다.
한편, 도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에 따르면, 음극(51)과 양극(54) 모두에 각각 나노침(52a,52b)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 음극(51) 위에 형성된 나노침(52a)은 전자를 방출하는 역할을 하며, 양극(54) 위에 형성된 나노침(52b)은 정공을 방출하는 역할을 한다. 본 실시예에서는, 전자와 정공이 모두 나노침(52a,52b)을 통해 발광층(53)으로 주입되므로, 보다 우수한 전하 주입 효율을 얻을 수 있다.
또한, 앞서 설명한 다른 실시예들과 마찬가지로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 발광층(53)과 음극(51) 사이에서 나노침(52a)을 덮도록 정공저지층(55)을 형성하고, 발광층(53)과 양극(54) 사이에서 나노침(52b)을 덮도록 전자저지층(56)을 형성할 수도 있다. 또한, 정공저지층(55)과 전자저지층(56) 대신에, 각각 전자수송층과 정공수송층을 형성할 수도 있다. 이때, 상기 각각의 층들의 재료로서 사용하는 물질은 앞서 설명한 각 층들의 재료와 동일한 것을 사용할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 원리는, 전계를 가하면 빛을 내는 무기 반도체 물질을 이용하는 발광소자에도 그대로 적용될 수 있다. 도 7은 무기물 반도체를 이용하는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광소자를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광소자(60)는, 음극(61) 위에 p-도핑된 무기물 반도체층(63)이 적층된 종래의 구조에서, 상기 p-도핑된 무기물 반도체층(63)과 음극(61) 사이에 나노침(62)이 매립된 구조를 갖는다. 여기서, 일반적으로 사용할 수 있는 무기물 반도체로는 GaN, ZnS 및 SiC 등이 알려져 있다. 이때, 상기 무기물 반도체층(63)의 표면에서의 도핑 농도를 매우 높게 하면, 무기물 반도체층(63)의 표면이 양극으로서의 역할을 할 수 있게 된다.
이러한 구조에서, 무기물 반도체층(63)의 표면에 양극 전압을 인가하고, 음극(61)에 음극 전압을 인가하면, 무기물 반도체층(63)의 내부로 전자와 정공이 공급된다. 그러면, 이들 전자와 정공이 무기물 반도체층(63) 내부의 발광영역(64)에서 만나 재결합하면서 빛이 발생하게 된다. 이때, 상기 나노침(62)의 존재로 인해, 전자는 작은 인가전압으로도 상기 p-도핑된 무기물 반도체층(63)으로 보다 효율적으로 주입될 수 있다.
또한, 비록 도 7에 도시하지는 않았지만, 앞서 설명한 제 2 실시예 및 제 3 실시예의 경우와 유사하게, 상기 무기물 반도체층(63)과 음극(61) 사이에는 무기물 반도체층(63)에 비해 큰 이온화 에너지를 갖는 정공저지층이나 전자수송층을 더 형성할 수도 있다. 상기 정공저지층이나 전자수송층을 통해 정공이 음극(61)으로 이동하는 것을 막고, 나노침(62)의 말단에서 발생하는 강한 전기장과 전류로부터 무기물 반도체층(63)을 보호할 수 있다. 결과적으로, 본 제 6 실시예는, 앞선 실시예의 발광층과 양극을 하나의 p-도핑된 무기물 반도체를 이용하여 일체로 형성하는 것과 같다.
같은 원리로, 앞선 실시예의 발광층과 음극을 하나의 n-도핑된 무기물 반도체를 이용하여 일체로 형성할 수도 있다. 이 경우, 상기 n-도핑된 무기물 반도체층의 표면을 가장 높은 농도로 도핑함으로써 음극의 역할을 하게 할 수 있다. 그리고, 상기 n-도핑된 무기물 반도체층 위에 양극이 형성되고, 상기 양극과 n-도핑된 무기물 반도체층 사이에 나노침이 매립된다. 또한, 상기 무기물 반도체층과 양극 사이에 무기물 반도체층에 비해 작은 전자친화도를 갖는 전자저지층이나 정공수송층을 더 형성할 수도 있다.
다음으로, 나노침 자체를 발광재료로서 사용하는 것도 역시 가능하다. 예컨대, 반도체성 나노막대는 낮은 전압에서도 빛을 발광할 수 있다. 도 8은 이러한 나노침 자체를 발광재료로서 사용하기 위한 제 7 실시예를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 7 실시예에 따른 발광소자(70)는, 음극(71) 위에 꽂혀 있는 반도체성 나노침(72), 전자와 정공을 상기 반도체성 나노침(72) 내에 가두기 위하여 상기 반도체성 나노침(72)을 둘러싸도록 음극(71) 위에 형성된 중간층(73), 및 상기 중간층(73) 위에 형성된 양극(74)을 포함한다. 이때, 상기 나노침(72)에서 전자가 방출되는 것은 어렵게 하고, 양극(74)으로부터 나노침(72)으로 정공이 유입되는 것은 쉽게 하도록 하기 위해, 상기 중간층(73)은 나노침(72)에 비해 전자친화도와 이온화 에너지가 모두 작은 절연성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 양극(74)에서 주입된 정공이 상기 중간층(73)을 통과하여 나노침(72)에 이를 수 있도록, 상기 양극(74)과 중간층(73)의 계면과 상기 나노침(72)의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 구조에서, 양극(74)과 음극(71)에 전압을 인가하면, 음극(71)으로부터 반도체성 나노침(72)으로 전달된 전자가 상기 나노침(72)의 말단에서 갇히게 되며, 양극(74)으로부터 중간층(73)으로 전달된 정공이 상기 나노침(72)의 말단으로 주입된다. 그 결과, 상기 나노침(72)의 말단에서 전자와 정공이 재결합하면서 빛이 발생한다. 따라서, 나노침(72)의 말단 부분이 발광영역(75)이 된다.
한편, 도 8에서는, 음극(71) 위에 나노침(72)이 꽂혀 있는 것으로 도시하였으나, 반대로 양극(74)에 나노침(72)이 꽂혀 있을 수도 있다. 이 경우, 중간층(73)은, 나노침(72)으로부터 정공이 방출되는 것을 어렵게 하고, 음극(71)으로부터 나노침(72)으로 전자가 유입되는 것은 쉽게 하도록 하기 위해, 전자친화도와 이온화 에너지가 모두 큰 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도 9는 나노침 자체를 발광재료로서 사용하는 제 8 실시예를 도시한다. 제 7 실시예와는 달리, 제 8 실시예에서는 나노침(82)의 양단부가 각각 음극(81)과 양극(84)에 맞닿아 있다. 이 경우, 상기 음극(81)과 양극(84) 사이에는 절연층(83)이 삽입되어, 음극(81)과 양극(84)의 직접적인 접촉을 막는다. 상기 절연층(83)은, 예컨대, SiO2와 같이 나노침(82)과 비교할 때 이온화 에너지는 크고 전자친화도는 작은 일반적인 절연 물질을 사용할 수 있다. 이러한 구조에서는, 전자와 정공이 각각 음극(81)과 양극(84)을 통해 직접 나노침(82)에 공급된다. 따라서, 발광영역(85)은 나노침(82)의 말단부가 아니라 절연층(83)에 매립된 나노침(82)의 대략 중간부분이 된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 여러 가지 구조에 대해서 설명하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 발광소자에서는 직경이 매우 작은 나노침의 한쪽 끝 부분이 음극 또는 양극과 같은 전극에 꽂혀 있으며, 상기 나노침의 나머지 부분은 발광층, 정공저지층, 전자저지층, 전자수송층, 정공수송층 또는 절연층 등과 같은 중간층 내에 매립되어 있다. 이러한 구조에서, 나노침은 낮은 인가전압으로도 전자 또는 정공을 발광층에 쉽게 공급할 수 있으며, 또는 제 7 및 제 8 실시예에서와 같이 스스로 발광할 수도 있다.
전극 위에 나노침을 형성하는 방법으로는 여러 가지 방법이 있을 수 있다. 예컨대, 전극 위에서 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD) 방식을 이용하여 탄소나노튜브나 나노와이어(예컨대, ZnO)를 수직으로 성장시킬 수 있다. 그리고, 그 위에 스핀코팅(spin coating) 방법을 이용하거나 액상의 재료를 경화시키는 방법 등을 이용하여 중간층을 형성함으로써, 나노침이 중간층 내에 매립되도록 할 수 있다. 또한, 단순히 나노침을 파우더 형태로 제조하여 뿌리거나, 페이스트(paste) 형태로 제조하여 전극 위에 페인팅(painting)하여도 된다. 이 경우, 나노침의 방향은 불규칙하고 밀도도 균일하지 않지만, 전극에 대해 비교적 수직하게 되는 일부의 나노침들만으로도 전하를 충분히 공급하는 것이 가능하다. 도 5a와 도 6b 등에 도시된 실시예를 실시할 때, 적층된 발광재료 위에 나노침구조를 형성할 경우, CVD나 painting의 후처리 과정에서 요구되는 대략 500~600℃에 이르는 온도 때문에 발광재료가 손상될 위험이 있으므로, 항상 나노침구조를 먼저 적층하고 발광재료를 상기의 방법으로 형성한다.
지금까지 본 발명의 여러 실시예에 따른 발광소자의 구조 및 동작에 대해 상세히 설명하였다. 상술한 발명의 상세한 설명을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면, 직경이 매우 작은 나노침을 이용함으로써 발광소자에서의 전하주입 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, 구동전압이 낮고 전력소비가 적으며 높은 휘도를 갖는 발광소자를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 발광소자에서 발생하는 열을 최소화할 수도 있다.
더욱이, 상술한 본 발명의 원리는 기존의 유기 EL, 무기 EL 소자에 그대로 적용할 수 있기 때문에, 본 발명을 구현하기 위한 제조 공정이 복잡하지 않다.
Claims (30)
- 제 1 극성을 가지는 제 1 전극, 상기 제 1 극성과 상반되는 제 2 극성을 가지는 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 채워져 있으며 광을 발생하는 발광층을 구비하는 발광소자에 있어서,일단이 상기 발광층에 둘러싸여 있으며 타단이 상기 제 1 전극 상에 꽂혀 있는 다수의 전도성 침을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 전도성 침의 직경은 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 전극은 음극이고, 상기 제 2 전극은 양극이며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명전극인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고 발광층으로부터 제 1 전극으로 정공이 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광층에 비해 이온화 에너지가 큰 비전도성 재료를 포함하는 정공저지층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 정공저지층은 상기 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 발광층과 정공저지층의 계면과 상기 전도성 침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 전자저지층을 더 포함하며, 상기 전자저지층의 전자친화도는 상기 발광층의 전자친화도 보다 작은 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고, 발광층으로부터 제 1 전극으로 정공이 이동하는 것을 방지하며, 제 1 전극으로부터 발광층으로의 전자주입 효율을 높이기 위하여, 상기 발광층에 비해 이온화 에너지가 큰 전도성 재료를 포함하는 전자수송층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 전자수송층은 상기 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 7 항에 있어서,상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하고, 제 2 전극으로부터 발광층으로의 정공주입 효율을 높이기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 정공수송층을 더 포함하며, 상기 정공수송층의 전자친화도는 상기 발광층의 전자친화도 보다 작은 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 3 항 내지 제 5 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 발광층과 제 2 전극은 하나의 p-도핑된 무기물 반도체층으로 이루어지며, 상기 p-도핑된 무기물 반도체층의 표면에서 높은 농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 전극은 양극이고, 상기 제 2 전극은 음극이며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명전극인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고 발광층으로부터 제 1 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광층에 비해 전자친화도가 작은 비전도성 재료를 포함하는 전자저지층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 전자저지층은 상기 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 발광층과 전자저지층의 계면과 상기 전도성 침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 전공이 이동하는 것을 방지하기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 정공저지층을 더 포함하며, 상기 정공저지층의 이온화 에너지는 상기 발광층의 이온화 에너지 보다 큰 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고, 발광층으로부터 제 1 전극으로 전자가 이동하는 것을 방지하며, 제 1 전극으로부터 발광층으로의 정공주입 효율을 높이기 위하여, 상기 발광층에 비해 전자친화도가 작은 전도성 재료를 포함하는 정공수송층이 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 정공수송층은 상기 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 14 항에 있어서,상기 발광층으로부터 제 2 전극으로 정공이 이동하는 것을 방지하고, 제 2 전극으로부터 발광층으로의 전자주입 효율을 높이기 위하여 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 개재된 전자수송층을 더 포함하며, 상기 전자수송층의 이온화 에너지는 상기 발광층의 이온화 에너지 보다 큰 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 10 항 내지 제 12 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 발광층과 제 2 전극은 하나의 n-도핑된 무기물 반도체층으로 이루어지며, 상기 n-도핑된 무기물 반도체층의 표면에서 가장 높은 농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 전자를 제공하는 음극, 정공을 제공하는 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 채워져 있으며 광을 발생하는 발광층을 구비하는 발광소자에 있어서,일단이 상기 발광층에 둘러싸여 있으며 타단이 상기 음극 상에 꽂혀 있는 다수의 제 1 전도성 침; 및일단이 상기 발광층에 둘러싸여 있으며 타단이 상기 양극 상에 꽂혀 있는 다수의 제 2 전도성 침;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 17 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 전도성 침의 직경은 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 18 항에 있어서,상기 음극과 양극 중 적어도 하나는 투명전극인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 19 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고 발광층으로부터 음극으로 정공이 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광층에 비해 이온화 에너지가 큰 비전도성 재료를 포함하는 정공저지층이 상기 음극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 정공저지층은 상기 제 1 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 20 항에 있어서,상기 발광층과 정공저지층의 계면과 상기 제 1 전도성 침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 20 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고 발광층으로부터 양극으로 전자가 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 발광층에 비해 전자친화도가 작은 비전도성 재료를 포함하는 전자저지층이 상기 양극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 전자저지층은 상기 제 2 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 22 항에 있어서,상기 발광층과 전자저지층의 계면과 상기 제 2 전도성 침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 19 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고, 발광층으로부터 음극으로 정공이 이동하는 것을 방지하며, 음극으로부터 발광층으로의 전자주입 효율을 높이기 위하여, 상기 발광층에 비해 이온화 에너지가 큰 전도성 재료를 포함하는 전자수송층이 상기 음극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 전자수송층은 상기 제 1 전도성 침의 말 단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 24 항에 있어서,상기 발광층의 열화를 방지하고, 발광층으로부터 양극으로 전자가 이동하는 것을 방지하며, 양극으로부터 발광층으로의 정공주입 효율을 높이기 위하여, 상기 발광층에 비해 전자친화도가 작은 전도성 재료를 포함하는 정공수송층이 상기 양극과 발광층 사이에 개재되며, 이때 상기 정공수송층은 상기 제 2 전도성 침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 1 극성을 갖는 제 1 전극;상기 제 1 전극 상에 꽂혀 있는 있는 다수의 반도체 성분의 나노침;상기 제 1 전극 상에 적층되고, 전자와 정공을 상기 나노침 내에 가두기 위한 중간층; 및상기 제 1 극성과 상반되는 극성을 갖는 제 2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 26 항에 있어서,상기 반도체 성분의 나노침의 직경은 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 27 항에 있어서,상기 제 1 전극이 양극이고 제 2 전극이 음극인 경우, 상기 중간층은 나노침에 비해 전자친화도와 이온화 에너지가 높은 재료를 포함하며,상기 제 1 전극이 음극이고 제 2 전극이 양극인 경우, 상기 중간층은 나노침에 비해 전자친화도와 이온화 에너지가 낮은 재료를 포함하고,상기 중간층은 상기 나노침의 말단부를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 28 항에 있어서,상기 제 2 전극과 중간층의 계면과 상기 나노침의 말단부 사이의 거리는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
- 제 27 항에 있어서,상기 중간층은 나노침에 비해 이온화 에너지가 크고 전자친화도가 작은 절연성 층이며, 상기 나노침의 말단은 상기 중간층을 관통하여 제 2 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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