고효율 안정성의 양자점 전계발광 소자를 위한 스퍼터링 기반 SnO₂전자수송층의 적용 및 특성 분석

국문 초록 (Abstract)

콜로이달 양자점은 크기 조절만으로 발광 파장을 정밀하게 조정할 수 있고, 우수한 색 순도와 공정 유연성까지 갖춰 차세대 디스플레이 기술의 핵심 소재로 주목받고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 양자점 전계발광 소자(QLEDs)의 성능과 안정성은 전하 주입 및 수송 특성에 크게 좌우되며, 특히 전자수송층(ETL)의 재료와 제조 방식은 소자의 효율과 수명을 결정하는 핵심 요소로 평가된다. 기존 연구에서는 ZnO 또는 ZnMgO 기반의 무기 나노입자를 용액 공정으로 도포한 ETL이 널리 사용되어 왔으나, 잔존 리간드, 계면 결함, 박막 균일도 저하 등으로 인해 대면적 공정 및 상업화에는 한계가 존재하였다.
본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위해 스퍼터링(Sputtering) 기반 SnO2 박막을 ETL로 적용하고, 공정 변수가 박막의 구조·화학적 특성 및 QLED 구동에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다. 특히 Ar/O2 가스비와 기판 온도라는 두 가지 핵심 변수를 조절하여 SnO2 박막의 결정성, 산소 공공 농도, 표면 거칠기, 밴드 구조 변화를 분석함으로써 QLED의 효율과 안정성을 좌우하는 주요 인자를 파악하였다. 이를 위해 XRD, XPS, UPS, PL, UV-vis, AFM 등의 분석 기법을 활용하였으며, 제작된 inverted 구조 QLED의 전기·광학 특성은 J–V–L 측정과 수명 분석을 통해 종합적으로 평가하였다.
연구 결과, 산소 분압이 포함된 조건에서 증착된 SnO2 박막은 산소 공공이 감소하고 결정성이 향상되어 안정적인 전하 수송 경로를 형성하였으며, 특히 Ar/O2 = 35:5 조건에서 증착 후 200 °C 기판 가열을 수행한 박막이 가장 우수한 균일도와 에너지 밴드 정렬을 보였다. 이 조건에서 제작한 QLED는 최대 휘도 99,212 cd/m2와 21.17 cd/A의 전류 효율을 달성하였으며, 이는 기존 용액 공정 기반 ZnMgO ETL을 사용한 소자와 비교해도 경쟁력 있는 성능이다. 또한 산소 공공의 감소는 계면에서의 엑시톤 소멸을 효과적으로 억제하여 장기 안정성 향상에도 기여했으며, O2 분압이 높은 조건에서 제작된 SnO2 박막 기반 소자는 4,498 h 이상의 가속 수명을 나타내며 우수한 내구성을 확인하였다.
본 연구는 스퍼터링 SnO2 박막이 QLED의 전자수송층으로서 충분한 잠재력을 갖고 있으며, 공정 변수를 통해 박막 품질을 정밀하게 제어함으로써 고효율·고안정성 소자 구현이 가능함을 실험적으로 입증하였다. 이는 향후 양자점 디스플레이의 대면적 제조 및 산업적 적용에 있어 스퍼터링 기반 무기 ETL의 활용성을 확대하는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We demonstrate a highly efficient and stable quantum dot light-emitting diode (QLED) architecture enabled by employing radio-frequency sputtered SnO₂ thin films as the electron transport layer (ETL). Unlike conventional solution-processed ZnMgO nanoparticle ETLs, which face limitations in large-area uniformity and mass-production compatibility, the sputtering technique provides precise control over thin-film composition and thickness, offering excellent reproducibility for industrial-scale fabrication. In this study, the structural, optical, and electronic properties of SnO2 films were systematically engineered by tuning the Ar/O2 gas ratio and substrate heating temperature during sputtering. SnO₂ films deposited with O2 gas exhibited a favorable downshift in the conduction band minimum, facilitating balanced charge transport within the emitting layer. Furthermore, reducing oxygen vacancies—identified as major exciton quenching centers—was found to be critical for enhancing device stability. As a result, QLEDs incorporating optimized SnO2 ETLs (Ar/O2 = 35:5, substrate heating at 200 °C) achieved a peak luminance of 99,212 cd/m-2 and a current efficiency of 21.17 cd A-1, along with significantly improved operational lifetime. These results highlight sputtered SnO2 as a promising inorganic ETL candidate for high-performance, commercially viable QLED technologies.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 필요성 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 제 1 절 콜로이달 양자점 3
• 제 1 항 양자점의 광학적·전기적 특성 3
• 제 2 항 양자점의 구조 5
• 제 2 절 양자점 전계 발광 소자 6
• 제 1 항 양자점 전계 발광 소자의 구동 원리 및 구조 6
• 제 2 항 양자점 전계 발광 소자의 전하 수송층 9
• 제 3 절 RF Magnetron Sputtering 10
• 제 1 항 Sputtering 메커니즘 10
• 제 2 항 Sputtering 공정의 특징 11
• 제 3 장 실험 방법 14
• 제 1 절 양자점 합성 14
• 제 2 절 SnO2 박막의 형성 15
• 제 3 절 양자점 전계발광 소자 제작 17
• 제 1 항 ITO 표면 처리 18
• 제 2 항 전자수송층 증착 18
• 제 3 항 용액 공정 19
• 제 4 항 열 증착 공정 21
• 제 5 항 봉지 공정 23
• 제 4 절 소자 광·전기적 특성 분석 24
• 제 4 장 결과 및 고찰 27
• 제 1 절 공정 변수 조절에 따른 SnO2 박막 특성 분석 27
• 제 2 절 양자점 전계발광 소자 특성 분석 36
• 제 1 항 SnO2 박막 기반 소자의 발광 특성 분석 36
• 제 2 항 SnO2 박막 기반 소자의 안정성 분석 45
• 제 5 장 결론 및 제언 47
• 참고문헌 49
• Abstract 52