KR20120029332A - 그래핀 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자는 제1그래핀, 제1그래핀 상에 마련되고, 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층 및 그래핀 양자점층 상에 마련된 제2그래핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법은 제1도펀트로 도핑된 제1그래핀을 형성하는 단계, 제1그래핀 상에 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 형성하는 단계 및 그래핀 양자점층 상에 제2도펀트로 도핑된 제2그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법은 제1도펀트로 도핑된 제1그래핀을 형성하는 단계, 제1그래핀 상에 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 형성하는 단계 및 그래핀 양자점층 상에 제2도펀트로 도핑된 제2그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
그래핀 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
양자점 발광 소자(quantum dot electroluminescence device, QD-EL)는 양자점 발광층을 사이에 두고 양단에 정공 수송층(hole transport layer, HTL)과 전자 수송층(electron transport layer, ETL)을 포함하는 3층 구조의 소자가 기본 소자로 알려져 있다.
양자점(quantum dot)은 수 나노 크기의 결정 구조를 가진 반도체 물질로서, 수백에서 수천 개 정도의 원자로 구성되어 있다. 양자점은 크기가 매우 작기 때문에 단위 부피당 표면적이 넓고, 대부분의 원자들이 나노 결정의 표면에 존재하며, 양자 구속(quantum confinement) 효과 등을 나타낸다. 이러한 양자 구속 효과에 의하여 양자점의 크기 조절만으로 발광 파장을 조절할 수 있고, 우수한 색순도 및 높은 PL(photoluminescence) 발광 효율 등의 특성으로 관심을 받고 있다.
하지만, 전공 및 전자 수송층으로 사용하는 유기물과의 적합성, 고효율 반도체 나노입자의 부재 등으로 양자점 발광 소자의 효율이 낮은 문제점이 있다. 따라서, 최근 양자점 발광 소자의 효율을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그래핀 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자는
제1그래핀;
상기 제1그래핀 상에 마련되고, 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층; 및
상기 그래핀 양자점층 상에 마련된 제2그래핀;을 할 수 있다.
상기 제1그래핀은 n형 그래핀이고, 상기 제2그래핀은 p형 그래핀일 수 있다.
상기 n형 그래핀과 상기 그래핀 양자점층 사이에 마련된 전자 수송층을 더 포함할 수 있다.
상기 전자 수송층은 TPBi, PBD, BCP, BAlq 또는 OXD7를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 양자점층과 상기 p형 그래핀 사이에 마련된 정공 수송층을 더 포함할 수 있다.
상기 정공 수송층은 poly-TPD, PEDOT, PSS, PPV, PVK, TFB, PFB, TBADN, NPB, Spiro-NPB, DMFL-NPB, DPFL-NPB 또는 mHOST5를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 양자점층은 유기 용매를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 그래핀 양자점의 크기는 1 내지 30 nm일 수 있다.
상기 n형 그래핀은 질소(N), 플루오르(F) 및 망간(Mn) 중에서 선택된 하나로 도핑된 그래핀일 수 있다.
상기 p형 그래핀은 산소(O), 금(Au) 및 비스무트(Bi) 중에서 선택된 하나로 도핑된 그래핀일 수 있다.
상기 제1그래핀 상에 상기 그래핀 양자점층 및 상기 제2그래핀과 이격되어 마련되거나, 또는 상기 제1그래핀의 하면에 마련되는 제1콘택트 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 제2그래핀 상에 마련된 제2콘택트 패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법은
제1도펀트로 도핑된 제1그래핀을 형성하는 단계;
상기 제1그래핀 상에 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀 양자점층 상에 제2도펀트로 도핑된 제2그래핀을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1도펀트는 n형 도펀트이고, 상기 제2도펀트는 p형 도펀트일 수 있다.
상기 n형 도펀트는 질소(N), 플루오르(F) 및 망간(Mn) 중에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 p형 도펀트는 산소(O), 금(Au) 및 비스무트(Bi) 중에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 제1그래핀과 상기 그래핀 양자점 발광층 사이에 전자 수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전자 수송층은 TPBi, PBD, BCP, BAlq 또는 OXD7를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 양자점 발광층과 상기 제2그래핀 사이에 정공 수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 정공 수송층은 poly-TPD, PEDOT, PSS, PPV, PVK, TFB, PFB, TBADN, NPB, Spiro-NPB, DMFL-NPB, DPFL-NPB 또는 mHOST5를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 그래핀 양자점은 흑연(graphite)이 포함된 용액에 초음파를 인가하여, 상기 흑연을 분쇄하여 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 그래핀 양자점은 산화 흑연을 가열하여 일부를 환원시키고, 상기 산화 흑연의 상기 환원된 일부를 절단하여 형성될 수 있다.
상기 그래핀 양자점층은 상기 제1그래핀 상에 상기 복수 개의 그래핀 양자점을 스핀 코팅하여 형성될 수 있다.
본 발명은 그래핀 양자점 발광 소자로서, 종래의 양자점 발광 소자보다 발광 효율이 향상될 수 있다. 또한, 그래핀으로 발광 소자를 구현하여 플렉서블하고, 다양한 디자인의 발광 소자를 구현할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점이 종래의 반도체 기반의 양자점보다 내구성이 좋아서, 본 발명의 그래핀 양자점 발광 소자의 수명이 길어질 수 있다.
또한, 본 발명의 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법은 고가의 유기금속화학증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition: MOCVD) 장비를 필요로 하는 화합물 반도체를 대신하여, 통상적인 화학증착(Chemical Vapour Deposition: CVD) 장비로 제조가 가능하여, 종래의 화합물 반도체 발광소자에 비하여 제조비용을 낮추고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 제1그래핀 상에 마련된 복수 개의 그래핀 양자점을 도시한 것이다.
도 3은 제1그래핀 상에 규칙적으로 마련된 복수 개의 그래핀 양자점을 도시한 것이다.
도 4는 제1그래핀 상에 규칙적으로 마련된 복수 개의 그래핀 양자점을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 그래핀 양자점의 모양을 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 그래핀 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 구조의 개략적인 예이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 6에 도시된 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a 내지 도 11d는 여러 실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 12a 내지 도 12d는 여러 실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 제1그래핀 상에 마련된 복수 개의 그래핀 양자점을 도시한 것이다.
도 3은 제1그래핀 상에 규칙적으로 마련된 복수 개의 그래핀 양자점을 도시한 것이다.
도 4는 제1그래핀 상에 규칙적으로 마련된 복수 개의 그래핀 양자점을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 그래핀 양자점의 모양을 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 그래핀 양자점 발광 소자의 에너지 밴드 구조의 개략적인 예이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 6에 도시된 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a 내지 도 11d는 여러 실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 12a 내지 도 12d는 여러 실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 그래핀 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)는 기판(10), 기판(10) 상에 마련된 제1그래핀(20), 제1그래핀(20) 상에 마련된 그래핀 양자점층(30), 그래핀 양자점층(30) 상에 마련된 제2그래핀(40)을 포함할 수 있다. 그리고, 본 실시예의 그래핀 양자점 발광 소자(100)는 제1그래핀(20) 상의 노출된 영역에 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(40)과 이격되어 마련된 제1콘택트 패드(50)를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예의 그래핀 양자점 발광 소자(100)는 제2그래핀(40) 상에 마련된 제2콘택트 패드(55)를 더 포함할 수 있다.
기판(10)은 예를 들어, 유리, 사파이어, PET(polyethylene terephthalate), Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 , GaN 등의 재료로 이루어질 수 있다. 기판(10)은 그 위에 제1그래핀(20), 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(30)을 형성한 뒤에 제거될 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)는 별도의 기판(10) 없이 제1그래핀(20)이 기판의 역할을 할 수 있다.
제1그래핀(20)은 기판(20) 상에 마련될 수 있다. 그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한, 그래핀은 투명도가 우수한데, 종래에 투명 전극으로 사용되던 ITO(indium tin oxide)보다 높은 투명도를 가질 수 있다. 도핑되지 않은 그래핀은 전도대와 가전자대가 서로 만나 에너지 밴드 갭을 가지고 있지 아니하나, n형 도펀트 또는 p형 도펀트가 그래핀에 도핑됨에 따라 에너지 밴드 갭이 발생하게 된다. 이러한 에너지 밴드 갭은 n형 도펀트나 p형 도펀트의 종류, 도핑 농도 등에 따라 조절될 수 있다.
여기에서, 제1그래핀(20)은 n형 그래핀(20)일 수 있다. 즉, 제1그래핀(20)은 n형 전극 내지 전자 수송층으로 사용될 수 있다. n형 그래핀(20)은 적어도 하나의 그래핀 시트(graphene sheet)를 n형 도펀트로 도핑한 것이다. 상기 그래핀 시트는 기판(10) 상에 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 그래핀 시트는 PDMS 등으로 이루어진 보조 기판 상에 형성된 후, 기판(10) 상에 전사(transfer)될 수도 있다. 그리고, 상기 그래핀 시트에 n형 도펀트를 주입하고 흡착시켜서, n형 그래핀(20)이 형성될 수 있다. 상기 n형 도펀트는 예를 들어, 질소(N), 플루오르(F), 망간(Mn) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제1그래핀(20)의 두께는 약 0.34nm일 수 있으며, 제1그래핀(20)이 복수 개의 그래핀 시트가 적층된 구조인 경우, 제1그래핀(20)의 두께는 약 0.34nm의 정수배일 수 있다. 제1그래핀(20)의 두께는 그래핀 양자점층(30)에서 발생하는 빛의 파장의 크기보다 얇기 때문에, 상기 두 층의 계면에서 전반사가 일어나지 않을 수 있다.
제1그래핀(20)은 전기 전도성이 우수하기 때문에, 별도의 제1전극이 마련되지 않을 수 있다. 다만, 제1콘택트 패드(contact pad)(50)가 제1그래핀(20) 상에 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(40)과 이격되어 마련될 수 있다. 즉, 제1콘택트 패드(contact pad)(50)는 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(40)이 메사 에칭되어 제1그래핀(20)의 일부 영역이 노출된 메사 구조에서, 제1그래핀(20)의 상기 노출된 일부 영역 상에 마련될 수 있다. 한편, 도 9e에 도시된 바와 같이, 제1콘택트 패드(50)는 기판(10)으로 전도성 기판을 사용하는 경우, 기판(10)의 하면 즉, 기판(10)의 제1그래핀(20)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성될 수 있다. 또는, 도 9f에 도시된 바와 같이, 제1콘택트 패드(50)는 기판(10)을 제거하고, 제1그래핀(20)의 하면, 즉, 제1그래핀(20)의 그래핀 양자점층(30)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성될 수 있다. 그리고, 제1콘택트 패드(50)는 제1그래핀(20)에 전자를 주입할 수 있다.
그래핀 양자점층(30)은 제1그래핀(20) 상에 마련될 수 있으며, 전자와 정공이 재결합에 의해서 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다. 그래핀 양자점층(30)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 그래핀 양자점은 제1그래핀(20) 상에 다양한 형태로 배열될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 2 내지 도 4에 대한 설명을 참고하기로 한다.
상기 그래핀 양자점은 약 1㎚ 내지 30㎚, 또는 약 1㎚ 내지 20㎚, 더 구체적으로 1㎚ 내지 10㎚ 크기의 그래핀 나노 조각일 수 있다. 또한, 그래핀 양자점은 그 표면이나 가장자리(edge)에 작용기가 더 결합될 수도 있다. 그래핀 양자점에는 아민 계열의 작용기가 부착될 수 있으며, 예를 들어, 알킬아민, 아닐린 또는 PEG 등이 부착될 수 있다. 상기 그래핀 양자점은 그 안에 많은 수의 전자를 가지지만, 자유 전자의 수는 1 내지 100개 정도로 제한될 수 있다. 이 경우, 전자들이 가지는 에너지 준위가 불연속적으로 제한되어 연속적인 밴드를 형성하는 시트(sheet) 형태의 그래핀과는 다른 전기적, 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 상기 그래핀 양자점은 그 크기와 모양에 따라서 에너지 준위가 달라지기 때문에, 그 크기와 모양을 달리하여 밴드갭을 조절할 수 있다. 즉, 상기 그래핀 양자점의 크기와 모양의 조절만으로 발광 파장을 조절할 수 있다. 그리고, 상기 그래핀 양자점에서의 밴드 갭 엣지(bandgap edge)에 전자와 정공의 상태 밀도는 그래핀 시트보다 매우 높기 때문에, 여기된 전자와 정공이 결합하는 수가 많아 발광 효율이 개선될 수 있다.
제2그래핀(40)은 그래핀 양자점층(30) 상에 마련될 수 있다. 여기에서, 제2그래핀(40)은 p형 그래핀(40)일 수 있다. 즉, 제2그래핀(40)은 정공 수송층일 수 있다. p형 그래핀(40)은 적어도 하나의 그래핀 시트를 p형 도펀트로 도핑한 것이다. 상기 그래핀 시트는 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 그래핀 시트에 p형 도펀트를 주입하고 흡착시켜서, p형 그래핀(40)이 형성될 수 있다. 상기 p형 도펀트는 예를 들어, 산소(O), 금(Au), 비스무트(Bi) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제2그래핀(40)의 두께는 약 0.34nm일 수 있으며, 복수 개의 그래핀 시트가 적층된 구조인 경우, 제2그래핀(40)의 두께는 약 0.34nm의 정수배일 수 있다. 제2그래핀(40)의 두께는 그래핀 양자점층(30)에서 발생하는 빛의 파장의 크기보다 얇기 때문에, 상기 두 층의 계면에서 전반사가 일어나지 않을 수 있다.
제2그래핀(40)은 전기 전도성이 우수하기 때문에, 별도의 제2전극이 마련되지 않을 수 있다. 다만, 제2콘택트 패드(contact pad)(55)가 제2그래핀(40) 상에 마련될 수 있다. 제2콘택트 패드(55)는 제2그래핀(40)에 정공을 주입할 수 있다. 상기에서는 제1 및 제2그래핀(20, 40)이 각각 n형 및 p형 그래핀일 수 있다고 설명하였으나, 제1 및 제2그래핀(20, 40)은 각각 p형 및 n형 그래핀일 수 있다. 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)는 종래의 양자점 발광 소자보다 발광 효율이 향상될 수 있으며, 그래핀으로 발광 소자를 구현하여 플렉서블하고, 다양한 디자인의 발광 소자를 구현할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점이 종래의 반도체 기반의 양자점보다 내구성이 좋아서, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)의 수명이 길어질 수 있다.
도 2는 제1그래핀(20) 상에 마련된 복수 개의 그래핀 양자점(35)을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 제1그래핀(20) 상에 랜덤(random)하게 마련되어 있다. 도 2에서 그래핀 양자점(35)들 사이의 거리는 과장되게 도시된 것이며, 그래핀 양자점(35)들 사이의 거리는 수 nm 이하일 수 있다.
도 3은 제1그래핀(20) 상에 규칙적으로 마련된 복수 개의 그래핀 양자점(35)을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 제1그래핀(20) 상에 일정한 주기를 갖고 배열되어 있다. 즉, 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 제1그래핀(20) 상에 서로 일정한 간격만큼 이격되어, 규칙적으로 배열되어 있다.
도 4는 제1그래핀(20) 상에 규칙적으로 마련된 복수 개의 그래핀 양자점(35)을 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 제1그래핀(20) 상에 서로 이격되지 않고, 빼곡하게 접촉하여 배열되어 있다. 즉, 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 제1그래핀(20) 상에 서로 행과 열을 맞추어 붙어서 배열되어 있다. 도 2 내지 도 4에는 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 제1그래핀(20) 상에 배열된 형태를 예를 들어 도시하였으나, 그래핀 양자점(35)들의 배열 형태는 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 배열 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 그래핀 양자점층(30)은 복수 개의 그래핀 양자점(35)이 적층된 구조일 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 그래핀 양자점(35, 36, 37)의 모양을 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 5a를 참조하면, 그래핀 양자점(35)은 예를 들어, 원형에 가까운 형태일 수 있다. 그래핀 양자점(36)은 도 5b에 도시된 바와 같이, 타원형 또는 사각형과 원형이 결합된 형태일 수도 있다. 또한, 그래핀 양자점(37)은 도 5c에 도시된 바와 같이, 육각형 형태일 수 있다. 하지만, 그래핀 양자점(35, 36, 37)의 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 사각형, 오각형 등 다각형 형태일 수 있다. 또한, 그래핀 양자점(35, 36, 37)은 그래핀의 나노 조각으로서 그 형태를 정의하기 어려울 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 개략적인 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 마련된 제1그래핀(220), 제1그래핀(220) 상에 마련된 그래핀 양자점층(230), 그래핀 양자점층(230) 상에 마련된 제2그래핀(240)을 포함할 수 있다. 그리고, 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 제1그래핀(220)과 그래핀 양자점층(230) 사이에 마련된 제1전하 수송층(225), 및 그래핀 양자점층(230)과 제2그래핀(240) 사이에 마련된 제2전하 수송층(235)를 더 포함할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 제1그래핀(220)의 노출된 영역 상에 그래핀 양자점층(230) 및 제2그래핀(240)과 이격되어 마련된 제1콘택트 패드(250), 및 제2그래핀(240) 상에 마련된 제2콘택트 패드(255)를 더 포함할 수 있다.
기판(210)은 예를 들어, 유리, 사파이어 또는 PET(polyethylene terephthalate)와 같은 폴리머 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(210)은 Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, 또는 GaN 등의 재료로 이루어질 수도 있다. 기판(210)은 그 위에 제1그래핀(220), 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)을 형성한 뒤에 제거될 수도 있다. 한편, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 별도의 기판(210) 없이 제1그래핀(220)이 기판의 역할을 할 수도 있다.
제1그래핀(220)은 기판(210) 상에 마련될 수 있다. 그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한, 그래핀은 투명도가 우수한데, 종래에 투명 전극으로 사용되던 ITO(indium tin oxide)보다 높은 투명도를 가질 수 있다. 도핑되지 않은 그래핀은 전도대와 가전자대가 서로 만나 에너지 밴드 갭을 가지고 있지 아니하나, n형 도펀트 또는 p형 도펀트가 그래핀에 도핑됨에 따라 에너지 밴드 갭이 발생하게 된다. 이러한 에너지 밴드 갭은 n형 도펀트나 p형 도펀트의 종류, 도핑 농도 등에 따라 제어될 수 있다.
여기에서, 제1그래핀(220)은 n형 그래핀(220)일 수 있다. 제1그래핀(220)은 양자점 발광 소자(200)의 n형 전극으로 사용될 수 있다. n형 그래핀(220)은 적어도 하나의 그래핀 시트를 n형 도펀트로 도핑한 것이다. 즉, 그래핀 시트에 n형 도펀트를 주입하고 흡착시켜서, n형 그래핀(220)이 형성될 수 있다. 상기 n형 도펀트는 예를 들어, 질소(N), 플루오르(F), 망간(Mn) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제1그래핀(220)의 두께는 약 0.34nm일 수 있으며, 제1그래핀(220)이 복수 개의 그래핀 시트가 적층되어 형성된 경우, 약 0.34nm의 정수배일 수 있다. 제1그래핀(220)의 두께는 그래핀 양자점층(230)에서 발생하는 빛의 파장보다 작기 때문에, 상기 두 층의 계면에서는 전반사가 일어나지 않을 수 있다.
제1콘택트 패드(contact pad)(250)가 제1그래핀(220) 상에 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)과 이격되어 마련될 수 있다. 즉, 제1콘택트 패드(contact pad)(250)는 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)이 메사 에칭되어 제1그래핀(220)의 일부 영역이 노출된 메사 구조에서, 제1그래핀(220)의 상기 노출된 일부 영역 상에 마련될 수 있다. 한편, 도 10c에 도시된 바와 같이, 제1콘택트 패드(250)는 기판(210)으로 전도성 기판이 사용되는 경우, 기판(210)의 하면 즉, 기판(210)의 제1그래핀(220)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성될 수 있다. 또는, 도 10d에 도시된 바와 같이, 제1콘택트 패드(250)는 기판(210)을 제거하고, 제1그래핀(220)의 하면, 즉, 제1그래핀(220)의 그래핀 양자점층(230)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성될 수 있다. 그리고, 제1콘택트 패드(250)는 외부 전원으로부터 제1그래핀(220)에 전자를 주입할 수 있다.
제1전하 수송층(225)은 제1그래핀(220) 상에 마련될 수 있다. 제1그래핀(220)이 n형 그래핀인 경우에, 제1전하 수송층(225)은 전자 수송층(electron transport layer, ETL)일 수 있다. 제1전하 수송층(225)은 예를 들어, TPBi(1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazol-2,yl)benzene), PBD(2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole), BCP(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanhro-line), BAlq(Bis-(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphe nolato)aluminium) 또는 OXD7(1,3-bis(N,N-t-butyl-phenyl)-1,3,4-oxadiazole) 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1전하 수송층(225)은 TPBi를 제1그래핀(220) 상에 스핀 코팅하거나 증착 하여 형성될 수 있다. 또한, TPBi로 이루어진 제1전하 수송층(225)은 UV 처리되어, 친수성이 될 수 있다. 상기와 같이, 제1전하 수송층(225)이 폴리머 재료로 이루어지는 경우, 산화 또는 부식으로 인한 양자점 발광 소자(200)의 열화를 구조적으로 방지할 수 있으며, 턴-온 전압을 낮출 수 있다. 한편, 제1그래핀(220)과 제1전하 수송층(225) 사이에는 전자 주입층(electron injection layer, EIL, 미도시)이 더 마련될 수 있다.
그래핀 양자점층(230)은 제1전하 수송층(225) 상에 마련될 수 있으며, 전자와 정공이 재결합에 의해서 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다. 그래핀 양자점층(230)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 그래핀 양자점은 제1전하 수송층(225) 상에 다양한 형태로 배열될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 2 내지 도 4에 대한 설명을 참고한다. 그래핀 양자점층(230)은 복수 개의 그래핀 양자점을 포함하는 용액을 제1전하 수송층(225) 상에 스핀 코팅하고, 열처리를 통해서 용액을 건조하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 용액에는 유기 용매 예를 들어, PEO(polyethylene oxide), PES 등이 더 포함될 수 있다.
상기 그래핀 양자점은 약 1㎚ 내지 약 30㎚, 또는 약 1㎚ 내지 약 20㎚, 더 구체적으로 약 1㎚ 내지 약 10㎚ 크기의 그래핀 나노 조각일 수 있다. 또한, 그래핀 양자점은 그 표면이나 가장자리(edge)에 작용기가 더 결합될 수도 있다. 그래핀 양자점에는 아민 계열의 작용기가 부착될 수 있으며, 예를 들어, 알킬아민, 아닐린 또는 PEG 등이 부착될 수 있다. 상기 그래핀 양자점의 특성은 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
제2전하 수송층(235)가 그래핀 양자점층(230) 상에 마련될 수 있다. 제2전하 수송층(235)은 제2그래핀(240)이 p형 그래핀인 경우에, 정공 수송층(hole transport layer, HTL)일 수 있다. 제2전하 수송층(235)은 예를 들어, poly-TPD(N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine), PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PSS(poly(styrenesulfonate)), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), PVK(poly(N-vinylcarbazole)), TFB(poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2, 7-diyl)-co-(4,4'(N-(4-sec-butylphenyl))) diphenylamine]), PFB, TBADN(3-Tert-butyl-9,10-di(naphth-2-yl)anthracene), NPB(N,N`-bis(1-naphtalenyl)-N-N`-bis(phenyl-benzidine)), Spiro-NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-spiro), DMFL-NPB(N,N'-di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-9,9'-dimethyl-fluorene), DPFL-NPB(N,N'-di(naphthalen -1-yl)-N,N'-diphenyl-9,9'-diphenyl-fluorene), mHOST5(2,7-Di(N,N'-carbarzolyl)-9,9-bis[4-(2-ethylhexyloxy)-phenyl]fluorine) 등으로 이루어질 수 있다. 제2전하 수송층(235)은 스핀 코팅 등의 습식 코팅법에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2전하 수송층(235)은 poly-TPD를 그래핀 양자점층(230) 상에 스핀 코팅하거나 증착하고, 100℃ 내지 200℃ 예를 들어, 120℃에서 열처리 하여 형성될 수 있다. 또한, poly-TPD로 이루어진 제2전하 수송층(235)은 UV 처리되어, 친수성이 될 수 있다. 상기와 같이, 제2전하 수송층(235)이 폴리머 재료로 이루어지는 경우, 상기 폴리머 재료는 산소나 수분 등의 유해 물질에 대해서 내성이 강하여, 양자점 발광 소자(200)의 수명이 증대될 수 있다. 또한, 양자점 발광 소자(200)의 작동 개시 전압인 턴-온 전압을 낮출 수 있다. 한편, 제2그래핀(240)과 제2전하 수송층(235) 사이에는 정공 주입층(hole injection layer, HIL, 미도시)이 더 마련될 수 있다.
제2그래핀(240)은 제2전하 수송층(235) 상에 마련될 수 있다. 여기에서, 제2그래핀(240)은 p형 그래핀(240)일 수 있다. 제2그래핀(240)은 양자점 발광 소자(200)의 p형 전극으로 사용될 수 있다. p형 그래핀(240)은 적어도 하나의 그래핀 시트를 p형 도펀트로 도핑한 것이다. 즉, 그래핀 시트에 p형 도펀트를 주입하고 흡착시켜서, p형 그래핀(240)이 형성될 수 있다. 상기 p형 도펀트는 예를 들어, 산소(O), 금(Au), 비스무트(Bi) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제2그래핀(240)의 두께는 약 0.34nm일 수 있으며, 복수 개의 그래핀이 적층된 구조일 수 있다. 제2그래핀(240)의 두께는 그래핀 양자점층(230)에서 발생하는 빛의 파장 크기보다 얇기 때문에, 상기 두 층의 계면에서 전반사가 일어나지 않을 수 있다.
제2콘택트 패드(contact pad)(255)가 제2그래핀(240) 상에 마련될 수 있다. 제2콘택트 패드(255)는 제2그래핀(240)에 정공을 주입할 수 있다. 상기에서는 제1 및 제2그래핀(220, 240)이 각각 n형 및 p형 그래핀일 수 있다고 설명하였으나, 제1 및 제2그래핀(220, 240)은 각각 p형 및 n형 그래핀일 수 있다. 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 종래의 양자점 발광 소자보다 발광 효율이 향상될 수 있으며, 그래핀으로 발광 소자를 구현하여 플렉서블하고, 다양한 디자인의 발광 소자를 구현할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점이 종래의 반도체 기반의 양자점보다 내구성이 좋아서, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)의 수명이 길어질 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 에너지 밴드 구조의 개략적인 예이다. 도 7의 에너지 밴드 구조는 n형 그래핀(220) 상에 차례로 적층된 TPBi로 이루어진 전자 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), poly-TPD로 이루어진 정공 수송층(235) 및 p형 그래핀(240)을 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 에너지 밴드 구조이다.
도 7을 참조하면, 정공 수송층(235)의 HOMO(highest occupied molecular level) 에너지 밴드 레벨은 약 5.4eV 정도 인데, 그래핀 양자점층(240)의 밸런스 밴드 레벨(valence band level)은 약 6.2eV 정도이다. 이렇게, 정공 수송층(235)과 그래핀 양자점층(230) 사이의 에너지 밴드 레벨 차이 즉, 밴드 오프셋(band offset)이 큰 경우, 발광 소자의 효율이 저하될 수 있다. 이러한 밴드 오프셋은 발광 효율의 저하 뿐만 아니라 턴-온 전압의 증가, 작동 전압의 증가에 따른 전력 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 성능을 개선하기 위해서는 그래핀 양자점층(230)과 정공 수송층(235) 사이의 밴드 오프셋을 줄일 필요가 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 그래핀 양자점층(230)의 에너지 밴드 레벨을 낮출 필요가 있다. 본 실시예의 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 그래핀 양자점의 크기와 모양을 조절하여, 그래핀 양자점층(230)의 밴드 갭을 작게 만들 수 있다. 따라서, 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 도 6에 도시된 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8a를 참조하면, 그래핀 양자점 발광 소자(200)에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬 수록, 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 전류 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점 발광 소자(200)에 약 10 V의 전압이 인가되는 순간부터 전류 밀도가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 턴-온 전압이 약 10 V라는 것을 의미한다.
도 8b를 참조하면, 그래핀 양자점 발광 소자(200)에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬 수록, 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 발광 휘도(luminance)가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점 발광 소자(200)에 약 10 V의 전압이 인가되는 순간부터 발광 휘도가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 턴-온 전압이 약 10 V라는 것을 의미한다.
도 8c는 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율(external quantum efficiency, E.Q.E)를 도시한 것이다. 도 8c를 참조하면, 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 E.Q.E.는 약 0.3% 정도라는 것을 알 수 있다.
도 8d는 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 발광 파장에 대한 EL(electroluminescence) 세기를 도시한 것이다. 도 8d를 참조하면, 그래핀 양자점 발광 소자(200)는 스카이 블루 계열의 발광 특성을 보이며, 상대적으로 넓은 반치폭을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 제1 내지 제3실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다. 여기에서, 제1 내지 제3실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자는 poly-TPD로 이루어진 정공 수송층을 구비한다. 그리고, 제1실험예의 그래핀 양자점층은 복수의 그래핀 양자점을 포함하며, 제2실험예의 그래핀 양자점층은 복수의 그래핀 양자점과 분자량이 약 40,000 정도의 PEO를 포함한다. 또한, 제3실험예의 그래핀 양자점층은 복수의 그래핀 양자점과 분자량이 약 500,000 정도의 PEO를 포함하고 있다.
도 11a를 참조하면, 제1 내지 제3실험예의 그래핀 양자점 발광 소자에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬수록, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 전류 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 각 실험예의 전류 밀도의 증가율이 서로 다른데, 이는 각 실험예의 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양이 서로 다르기 때문이다.
도 11b를 참조하면, 제1 내지 제3실험예의 그래핀 양자점 발광 소자에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬수록, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 휘도(luminance)가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 각 실험예의 발광 휘도의 증가율이 서로 다른데, 이는 각 실험예의 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양이 서로 다르기 때문이다.
도 11c는 제1 내지 제3실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율(external quantum efficiency, E.Q.E)를 각각 도시한 것이다. 도 11c를 참조하면, 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양에 따라서, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 외부 양자 효율이 달라짐을 확인할 수 있다.
도 11d는 제1 내지 제3실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 파장에 대한 EL 세기를 도시한 것이다. 도 11d를 참조하면, 제1 내지 제3실험예의 그래핀 양자점 발광 소자는 스카이 블루 계열의 발광 특성을 보이며, 상대적으로 넓은 반치폭을 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 다만, 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양에 따라서, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 EL 세기가 달라짐을 확인할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 제4 내지 제6실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성들을 개략적으로 도시한 것이다. 여기에서, 제4 내지 제6실험예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자는 TFB로 이루어진 정공 수송층을 구비한다. 그리고, 제4실험예의 그래핀 양자점층은 복수의 그래핀 양자점을 포함하며, 제5실험예의 그래핀 양자점층은 복수의 그래핀 양자점과 분자량이 약 40,000 정도의 PEO를 포함한다. 또한, 제6실험예의 그래핀 양자점층은 복수의 그래핀 양자점과 분자량이 약 500,000 정도의 PEO를 포함하고 있다.
도 12a를 참조하면, 제4 내지 제6실험예의 그래핀 양자점 발광 소자에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬수록, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 전류 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 각 실험예의 전류 밀도의 증가율이 서로 다른데, 이는 각 실험예의 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양이 서로 다르기 때문이다.
도 12b를 참조하면, 제4 내지 제6실험예의 그래핀 양자점 발광 소자에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬수록, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 휘도(luminance)가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 각 실험예의 발광 휘도의 증가율이 서로 다른데, 이는 각 실험예의 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양이 서로 다르기 때문이다.
도 12c는 제4 내지 제6실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 전류 밀도에 대한 외부 양자 효율(external quantum efficiency, E.Q.E)를 각각 도시한 것이다. 도 12c를 참조하면, 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양에 따라서, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 외부 양자 효율이 달라짐을 확인할 수 있다.
도 12d는 제4 내지 제6실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 파장에 대한 EL 세기를 도시한 것이다. 도 12d를 참조하면, 제4 내지 제6실험예의 그래핀 양자점 발광 소자는 스카이 블루 계열의 발광 특성을 보이며, 상대적으로 넓은 반치폭을 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 다만, 그래핀 양자점층에 포함된 PEO의 양에 따라서, 각 실험예의 그래핀 양자점 발광 소자의 EL 세기가 달라짐을 확인할 수 있다. 따라서, 그래핀 양자점층에 포함되는 PEO의 양을 조절하여, 그래핀 양자점 발광 소자의 발광 특성을 조절할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100, 200)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9a를 참조하면, 기판(10) 상에 제1그래핀(20)을 형성할 수 있다. 먼저, 기판(10) 상에 적어도 하나의 그래핀 시트를 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 그리고, 상기 그래핀 시트를 제1도펀트로 도핑할 수 있다. 여기에서, 상기 제1도펀트는 n형 도펀트일 수 있으며, 예를 들어, 질소(N), 플루오르(F), 망간(Mn) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 그래핀 시트에 n형 도펀트를 주입하고 흡착시켜서, n형 그래핀(20)을 형성할 수 있다. 한편, 기판(10)은 그 위에 제1그래핀(20), 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(30)을 형성한 뒤에 제거할 수 있다. 또는, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)의 제조 방법은 별도의 기판(10) 없이 제1그래핀(20)을 기판으로 사용할 수 있다.
다음으로, 도 9b를 참조하면, 제1그래핀(20) 상에 그래핀 양자점층(30)을 형성할 수 있다. 그래핀 양자점층(30)은 제1그래핀(20) 상에 복수 개의 그래핀 양자점을 스핀 코팅(spin coating)하여 형성할 수 있다. 상기 그래핀 양자점은 그래핀 또는 흑연(graphite)이 포함된 용액에 초음파를 인가하여, 상기 그래핀 또는 흑연을 분쇄하여 형성될 수 있다.
한편, 그래핀 양자점층(30)은 제1그래핀(20) 상에 그래핀을 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등을 사용하여 형성하고, 상기 그래핀에 플라즈마 충격을 가하여, 상기 그래핀이 나노 조각으로 분쇄하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 양자점은 산화 그래핀 또는 산화 흑연을 가열하여 환원시키고, 상기 산화 그래핀 또는 산화 흑연의 환원된 부분을 절단하여 형성될 수 있다. 여기에서, 그래핀 또는 흑연의 산화 및 환원 과정은 2회 이상, 여러 번 반복하여 실시될 수 있으며, 따라서 그래핀 양자점의 크기와 모양을 조절할 수 있다. 또한, 그래핀 또는 흑연의 산화 및 환원 과정을 통해서 그래핀 또는 흑연에서의 반데르 발스 인력을 감소시킬 수 있다. 상기 그래핀 양자점의 크기는 예를 들어, 약 1㎚ 내지 약 30㎚, 또는 약 1㎚ 내지 약 20㎚, 더 구체적으로 1㎚ 내지 10㎚일 수 있다. 원하는 크기의 그래핀 양자점은 투석(dialysis)을 통해서 필터링할 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이 형성된 그래핀 양자점은 그 표면이나 가장자리(edge)에 작용기가 더 결합될 수도 있다. 그래핀 양자점에는 아민 계열의 작용기가 부착될 수 있으며, 예를 들어, 알킬아민, 아닐린 또는 PEG 등이 그래핀 양자점에 부착될 수 있다.
도 9c를 참조하면, 그래핀 양자점층(30) 상에 제2그래핀(40)을 형성할 수 있다.그래핀 양자점층(30) 상에 적어도 하나의 그래핀 시트를 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 기계적 또는 화학적 박리법, 에피택시(epitaxy) 성장법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 그리고, 상기 그래핀 시트를 제2도펀트로 도핑할 수 있다. 여기에서, 상기 제2도펀트는 p형 도펀트일 수 있으며, 예를 들어, 산소(O), 금(Au), 비스무트(Bi) 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 그래핀 시트에 p형 도펀트를 주입하고 흡착시켜서, p형 그래핀(20)을 형성할 수 있다. 상기에서는 제1 및 제2그래핀(20, 40)이 각각 n형 및 p형 그래핀일 수 있다고 설명하였으나, 제1 및 제2그래핀(20, 40)은 각각 p형 및 n형 그래핀일 수 있다.
도 9d를 참조하면, 제1 및 제2콘택트 패드(contact pad)(50, 55)를 형성할 수 있다. 제1콘택트 패드(50)는 제1그래핀(20) 상에 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(40)과 이격되게 형성할 수 있다. 즉, 제1콘택트 패드(50)는 그래핀 양자점층(30) 및 제2그래핀(40)을 메사 에칭(mesa etching)하고, 상기 메사 에칭에 의해서 노출된 제1그래핀(20) 상에 형성할 수 있다. 그리고, 제2콘택트 패드(55)는 제2그래핀(40) 상에 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(100)의 제조 방법은 고가의 유기금속화학증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition: MOCVD) 장비를 필요로 하는 화합물 반도체를 대신하여, 통상적인 화학증착(Chemical Vapour Deposition: CVD) 장비로 제조가 가능하여, 종래의 화합물 반도체 발광소자에 비하여 제조비용을 낮추고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 도 9d에 도시된 제1 및 제2콘택트 패드(contact pad)(50, 55)는 다음과 같이 형성될 수도 있다. 도 9e를 참조하면, 제1콘택트 패드(50)는 기판(10)으로 전도성 기판을 사용하는 경우, 기판(10)의 하면 즉, 기판(10)의 제1그래핀(20)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성할 수 있다. 그리고, 제2콘택트 패드(55)는 제2그래핀(40) 상에 형성할 수 있다.
또한, 도 9f를 참조하면, 제1콘택트 패드(50)는 기판(10)을 제거하고, 제1그래핀(20)의 하면, 즉, 제1그래핀(20)의 그래핀 양자점층(30)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성할 수 있다. 그리고, 제2콘택트 패드(55)는 제2그래핀(40) 상에 형성할 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10a를 참조하면, 기판(210) 상에 순차적으로, 제1그래핀(220), 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)을 형성할 수 있다.
제1그래핀(220)은 기판(210) 상에 적어도 하나의 그래핀 시트를 형성하고, 제1도펀트로 도핑하여 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 제1도펀트는 n형 도펀트일 수 있으며, 예를 들어, 질소(N), 플루오르(F), 망간(Mn) 등을 포함할 수 있다. 따라서, 제1그래핀(220)은 n형 그래핀(220)일 수 있다. 한편, 기판(210)은 그 위에 제1그래핀(220), 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)을 형성한 뒤에 제거될 수도 있다. 또는, 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 제조 방법은 별도의 기판(210) 없이 제1그래핀(220)을 기판으로 사용할 수 있다. 제1그래핀(220)을 형성한 뒤에, 질소 오븐에서 가열하여 건조시킬 수 있다.
다음으로, 제1그래핀(220) 상에 제1전하 수송층(225)을 형성할 수 있다. 제1전하 수송층(225)은 전자 수송층(ETL)일 수 있다. 제1전하 수송층(225)은 예를 들어, TPBi, PBD, BCP, BAlq 또는 OXD7 등을 제1그래핀(220) 상에 스핀 코팅하거나 증착하여 형성할 수 있다. 제1전하 수송층(225)은 건조 또는 경화를 위해서 열처리될 수도 있다. 또한, 제1전하 수송층(225)은 UV 처리되어, 그 표면의 친수성이 증가될 수 있는데, 따라서 그래핀 양자점이 포함된 용액이 제1전하 수송층(225)의 표면에 용이하게 증착될 수 있다.
그리고, 제1전하 수송층(225) 상에 그래핀 양자점층(230)을 형성할 수 있다. 그래핀 양자점층(230)은 제1전하 수송층(225) 상에 복수 개의 그래핀 양자점을 포함하는 용액을 스핀 코팅(spin coating)하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 용액에는 유기 용매 예를 들어, PEO(polyethylene oxide), PES 등을 더 포함시킬 수 있다.
상기 그래핀 양자점은 그래핀 또는 흑연(graphite)이 포함된 용액에 초음파를 인가하여, 상기 그래핀 또는 흑연을 분쇄하여 형성될 수 있다. 한편, 그래핀 양자점층(230)은 제1그래핀(220) 상에 그래핀 시트를 형성하고, 상기 그래핀 시트에 플라즈마 충격을 가하여, 상기 그래핀 시트가 나노 조각으로 분쇄하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 양자점은 산화 그래핀 또는 산화 흑연을 가열하여 환원시키고, 상기 산화 그래핀 또는 산화 흑연의 환원된 부분을 절단하여 형성될 수 있다. 여기에서, 그래핀 또는 흑연의 산화 및 환원 과정은 2회 이상, 여러 번 반복하여 실시될 수 있으며, 따라서 그래핀 양자점의 크기와 모양을 조절할 수 있다. 또한, 그래핀 또는 흑연의 산화 및 환원 과정을 통해서 그래핀 또는 흑연에서의 반데르 발스 인력을 감소시킬 수 있다. 상기 그래핀 양자점의 크기는 예를 들어, 약 1㎚ 내지 20㎚, 더 구체적으로 1㎚ 내지 10㎚일 수 있다. 원하는 크기의 그래핀 양자점은 투석(dialysis)을 통해서 필터링할 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이 형성된 그래핀 양자점은 그 표면이나 가장자리(edge)에 작용기가 더 결합될 수 있다. 그래핀 양자점에는 아민 계열의 작용기가 부착될 수 있으며, 예를 들어, 알킬아민, 아닐린 또는 PEG 등이 그래핀 양자점에 부착될 수 있다.
그래핀 양자점층(230) 상에는 제2전하 수송층(235)을 형성할 수 있다. 제2전하 수송층(235)은 정공 수송층(HTL)일 수 있다. 제2전하 수송층(235)은 예를 들어, poly-TPD, PEDOT, PSS, PPV, PVK, TFB, PFB, TBADN, NPB, Spiro-NPB, DMFL-NPB, DPFL-NPB, mHOST5 등을 그래핀 양자점층(230) 상에 스핀 코팅하거나 증착하여 형성할 수 있다. 제2전하 수송층(235)은 건조 또는 경화를 위해서 열처리될 수도 있다. 또한, 제2전하 수송층(235)은 UV 처리되어, 그 표면의 친수성이 증가될 수 있는데, 따라서 그래핀 양자점이 포함된 용액이 제2전하 수송층(235)의 표면에 용이하게 증착될 수 있다.
마지막으로, 제2전하 수송층(235) 상에 제2그래핀(240)을 형성할 수 있다. 제2그래핀(240)은 제2전하 수송층(235) 상에 적어도 하나의 그래핀 시트를 형성하고, 이를 제2도펀트로 도핑하여 형성할 수 있다. 제2그래핀(240)을 형성한 뒤에, 질소 오븐에서 가열하여 건조시킬 수 있다. 여기에서, 상기 제2도펀트는 p형 도펀트일 수 있으며, 예를 들어, 산소(O), 금(Au), 비스무트(Bi) 등을 포함할 수 있다. 상기에서는 제1 및 제2그래핀(220, 240)이 각각 n형 및 p형 그래핀일 수 있다고 설명하였으나, 제1 및 제2그래핀(220, 240)은 각각 p형 및 n형 그래핀일 수도 있다.
도 10b를 참조하면, 제1 및 제2콘택트 패드(250, 255)를 형성할 수 있다. 제1콘택트 패드(250)는 제1그래핀(220) 상에 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)과 이격되게 형성할 수 있다. 즉, 제1콘택트 패드(250)는 제1전하 수송층(225), 그래핀 양자점층(230), 제2전하 수송층(235) 및 제2그래핀(240)을 메사 에칭(mesa etching)하고, 상기 메사 에칭에 의해서 노출된 제1그래핀(220) 상에 형성할 수 있다. 그리고, 제2콘택트 패드(255)는 제2그래핀(240) 상에 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 그래핀 양자점 발광 소자(200)의 제조 방법은 고가의 유기금속화학증착(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition: MOCVD) 장비를 필요로 하는 화합물 반도체를 대신하여, 통상적인 화학증착(Chemical Vapour Deposition: CVD) 장비로 제조가 가능하여, 종래의 화합물 반도체 발광소자에 비하여 제조비용을 낮추고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 도 10b에 도시된 제1콘택트 패드(250)는 다음과 같이 형성될 수도 있다. 도 10c를 참조하면, 제1콘택트 패드(250)는 기판(210)으로 전도성 기판을 사용하는 경우, 기판(210)의 하면 즉, 기판(210)의 제1그래핀(220)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성할 수 있다. 또한, 도 10d를 참조하면, 제1콘택트 패드(250)는 기판(210)을 제거하고, 제1그래핀(220)의 하면, 즉, 제1그래핀(220)의 제1전하 수송층(225)이 형성된 면과 마주하는 면에 형성할 수 있다.
이러한 본 발명인 그래핀 양자점 발광 소자 및 그 제조 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 210: 기판 20, 220: 제1그래핀
30, 230: 그래핀 양자점층 35, 36, 37: 그래핀 양자점
40, 240: 제2그래핀
50, 55, 250, 255: 제1 및 제2콘택트 패드
225: 제1전하 수송층 235: 제2전하 수송층
100, 200: 그래핀 양자점 발광 소자
30, 230: 그래핀 양자점층 35, 36, 37: 그래핀 양자점
40, 240: 제2그래핀
50, 55, 250, 255: 제1 및 제2콘택트 패드
225: 제1전하 수송층 235: 제2전하 수송층
100, 200: 그래핀 양자점 발광 소자
Claims (23)
- 제1그래핀;
상기 제1그래핀 상에 마련되고, 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층; 및
상기 그래핀 양자점층 상에 마련된 제2그래핀;을 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1그래핀은 n형 그래핀이고, 상기 제2그래핀은 p형 그래핀인 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 n형 그래핀과 상기 그래핀 양자점층 사이에 마련된 전자 수송층(electron transport layer, ETL)을 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 전자 수송층은 TPBi, PBD, BCP, BAlq 또는 OXD7를 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층과 상기 p형 그래핀 사이에 마련된 정공 수송층(hole transport layer, HTL)을 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 정공 수송층은 poly-TPD, PEDOT, PSS, PPV, PVK, TFB, PFB, TBADN, NPB, Spiro-NPB, DMFL-NPB, DPFL-NPB 또는 mHOST5를 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층은 유기 용매를 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 그래핀 양자점의 크기는 1 내지 30 nm인 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 n형 그래핀은 질소(N), 플루오르(F) 및 망간(Mn) 중에서 선택된 하나로 도핑된 그래핀인 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 p형 그래핀은 산소(O), 금(Au) 및 비스무트(Bi) 중에서 선택된 하나로 도핑된 그래핀인 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1그래핀 상에 상기 그래핀 양자점층 및 상기 제2그래핀과 이격되어 마련되거나, 또는 상기 제1그래핀의 하면에 마련되는 제1콘택트 패드를 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2그래핀 상에 마련된 제2콘택트 패드를 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자. - 제1도펀트로 도핑된 제1그래핀을 형성하는 단계;
상기 제1그래핀 상에 복수 개의 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀 양자점층 상에 제2도펀트로 도핑된 제2그래핀을 형성하는 단계;를 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 제1도펀트는 n형 도펀트이고, 상기 제2도펀트는 p형 도펀트인 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 n형 도펀트는 질소(N), 플루오르(F) 및 망간(Mn) 중에서 선택된 하나인 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 p형 도펀트는 산소(O), 금(Au) 및 비스무트(Bi) 중에서 선택된 하나인 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 제1그래핀과 상기 그래핀 양자점 발광층 사이에 전자 수송층(electron transport layer, ETL)을 형성하는 단계를 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 전자 수송층은 TPBi, PBD, BCP, BAlq 또는 OXD7를 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점 발광층과 상기 제2그래핀 사이에 정공 수송층(hole transport layer, HTL)을 형성하는 단계를 더 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 정공 수송층은 poly-TPD, PEDOT, PSS, PPV, PVK, TFB, PFB, TBADN, NPB, Spiro-NPB, DMFL-NPB, DPFL-NPB 또는 mHOST5를 포함하는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 복수 개의 그래핀 양자점은 흑연(graphite)이 포함된 용액에 초음파를 인가하여, 상기 흑연을 분쇄하여 형성되는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 복수 개의 그래핀 양자점은 산화 흑연을 가열하여 일부를 환원시키고, 상기 산화 흑연의 상기 환원된 일부를 절단하여 형성되는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층은 상기 제1그래핀 상에 상기 복수 개의 그래핀 양자점을 스핀 코팅하여 형성되는 그래핀 양자점 발광 소자의 제조 방법.
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-
2011
- 2011-09-09 KR KR1020110092235A patent/KR20120029332A/ko not_active Application Discontinuation
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