간단한 NH₄Cl 표면 처리를 통한 안정적이고 대면적 제작이 가능한 InP 양자점 전계 발광 소자에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

InP quantum dot light-emitting diodes (QLEDs) require defect-controlled electron transport layer (ETL) to ensure efficiency and operational stability. However, intrinsic oxygen vacancies in ZnMgO ETL act as trap states, causing exciton quenching and compromising operational stability through unpredictable positive aging effects. Here, a simple post-deposition ammonium chloride treatment (NH₄Cl) is introduced to passivate ZnMgO nanoparticles via formation of Zn-Cl and Mg-Cl bonds, thereby suppressing oxygen vacancies and significantly reducing in large surface defects (Rpv decreased from 37.88 nm to 18.44 nm). InP QLEDs employing Cl-passivated ZnMgO (Cl@ZnMgO) achieved comparable peak luminance of 5,350 cd/m² at reduced operating voltage (8 V vs 11.5 V) and have operating lifetimes exceeding 2,500 h. Critically, after 48 h of aging, devices with Cl@ZnMgO NPs maintained stable luminance within 15% variation, whereas pristine ZnMgO devices exhibited rapid luminance increase followed by sudden failure. Additionally, large-area fabrication (2.5 cm × 2.5 cm) demonstrated bright, uniform emission. This convenient post-deposition treatment effectively suppresses positive aging and enables reliable, scalable InP-based QLEDs for next-generation display technologies.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 InP 기반 양자점 전계발광소자(quantum dot light-emitting diodes, QLEDs)의 효율 및 안정성 향상을 목적으로, 전자수송층으로 사용되는 ZnMgO 박막에 암모늄 클로라이드(NH₄Cl)를 이용한 표면 패시베이션 공정을 적용하였다. ZnMgO는 높은 전자 이동도와 적절한 밴드 구조로 인해 널리 활용되지만, 산소 공공(oxygen vacancy) 같은 결함이 전자 트랩 및 계면 비방사성 재결합을 유발하여 소자의 초기 성능과 장기 안정성을 저해한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 용액 기반의 NH₄Cl 표면 처리를 통해 ZnMgO 표면 결함을 저감하고, 전하 수송 특성을 개선하는 전략을 제안하였다.
NH₄Cl 처리된 ZnMgO(Cl@ZnMgO) 박막은 X-선 광전자분광법(XPS) 분석에서 산소 공공 비율이 감소하고, 금속–할라이드 결합(Zn–Cl, Mg–Cl)의 형성이 확인되었다. 또한 AFM 분석을 통해 표면 거칠기 변화 및 박막 균질성을 검토하였으며, UPS 및 UV–vis를 통해 밴드 구조 변화를 확인하였다. 이러한 결과는 NH₄Cl 기반 표면 처리가 ZnMgO 표면의 화학적 구조를 안정화하여 전자 주입 경로와 계면 상태를 개선함을 시사한다.
Cl@ZnMgO를 적용한 역구조 QLED는 초기 구동 전류에서 과도한 전자 주입이 억제되며, 동일 전류 밀도에서 더 높은 휘도와 전류 효율을 나타냈다. 또한 전자 전용 소자(EOD)를 통한 전류–전압 분석에서는 구동 전후 누설 전류 증가가 크게 억제되는 모습을 보였다. 특히 ZnMgO 기반 QLED에서 관찰되는 positive aging 현상이 Cl@ZnMgO에서는 현저히 감소하여, 표면 결함 감소에 따른 전하 균형 안정화 효과를 확인하였다.
가속 수명 측정 결과, Cl@ZnMgO 기반 QLED는 더 긴 T₅₀ 수명을 기록하였으며, 소자 제작 48시간 후에도 휘도가 거의 유지되었다. 이는 NH₄Cl 표면 처리에 의해 전자수송층/발광층(ETL/EML) 계면의 비방사성 재결합 중심이 감소하고, ZnMgO의 결함 생성 및 전하 축적이 억제된 결과로 해석된다.
따라서 NH₄Cl 기반의 간단한 용액 처리 공정은 ZnMgO ETL의 계면 결함을 효과적으로 제어하며, Cd-free InP 기반 QLED의 효율 및 안정성을 동시에 향상시키는 유효한 전략임을 확인하였다. 본 연구는 ZnMgO 합성법의 변화 또는 복잡한 공정 없이 공정 호환성이 높은 후처리만으로 소자 신뢰성을 개선할 수 있는 가능성을 제시하며, 향후 고효율·장수명 QLED 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 문제와 목적 1
• 제 1 항 연구 배경 2
• 제 2 항 연구 필요성 2
• 제 3 항 연구 목적 2
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 제 1 절 콜로이달 양자점 4
• 제 1 항 양자점의 특성 4
• 제 2 항 양자점의 구조 6
• 제 2 절 양자점 전계 발광 소자 7
• 제 1 항 QLEDs 소자의 구동 원리 및 구조 7
• 제 2 항 QLEDs 소자의 전하 수송층 및 동향 8
• 제 3 절 Positive aging 현상 10
• 제 1 항 Positive aging 메커니즘 10
• 제 2 항 Positive aging 특징 12
• 제 3 장 실험 방법 15
• 제 1 절 NH₄Cl 표면처리 15
• 제 1 항 ZnMgO 박막의 NH₄Cl 표면처리 15
• 제 2 절 ZnMgO 박막 기반의 QLEDs 소자 제작 17
• 제 1 항 ITO 표면 처리 17
• 제 2 항 용액 공정 17
• 제 3 항 열 증착 공정 18
• 제 3 절 소자 특성 분석 19
• 제 4 장 결과 및 고찰 23
• 제 1 절 Cl@ZnMgO 박막의 특성 분석 23
• 제 1 항 박막 표면 및 화학적 특성 23
• 제 2 항 밴드 구조 및 전하 수송 특성 26
• 제 2 절 Cl@ZnMgO 기반 QLEDs의 소자 특성 29
• 제 1 항 Cl@ZnMgO 기반 QLEDs의 광 전기적 특성 29
• 제 2 항 Cl@ZnMgO 기반 QLEDs의 안정성 및 positive aging 억제 효과 29
• 제 5 장 결론 35
• 참고문헌 36
• Abstract 38