광원과 센서 이중 기능 양자점 발광 다이오드 구현에 관한 연구 = Fabrication of Dual-Functional Quantum Dot Light-Emitting Diodes for Light Emission and Sensing

국문 초록 (Abstract)

양자점(Quantum Dot : QD)은 나노미터 크기의 반도체 결정으로, 양자 구속 효과에 의해 크기·조성에 따라 흡수 및 발광 특성이 조절된다. 이러한 특성은 높은 색순도와 우수한 발광 효율 구현에 유리하여 디스플레이 조명용 발광 소재로 주목받고 있으며, 동시에 광 조사 조건에서 전하 생성·수집이 가능해 광센서/광전 소자 응용으로도 확장되고 있다.
양자점 발광 다이오드는 양자점을 발광 매질로 사용하는 전계 발광 소자로, 적층 구조와 전하 수송층의 설계에 따라 전하 주입/수송 균형 및 재결합 손실이 달라져 성능이 크게 좌우된다.
본 연구는 하나의 단일 양자점 발광 다이오드(Quantum Dot Light Emitting Diode : QLED) 소자에서 발광과 광 감지 기능을 함께 구현하기 위한 구조적·전기적 설계 전략을 제안하는 데 목적이 있다. 이를 위해 공정 안정성이 높은 역구조 QLED를 기반으로 하여, 전자수송층과 정공수송층의 두께 변화가 소자의 발광 특성과 광 조사 시 전기적 응답에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다. 음극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하였고 전자 수송층으로 ZnO NPs(Nano Particles), 표면개질층으로 PEI(Poly ethyleneimine), 정공수송층으로 TCTA(4-Tris (carbazol-9-yl) triphenylamine)를 사용하였고 정공주입층으로 WOx, 양극으로 Ag를 사용하였다. 소자 구조는 ITO / ZnO NPs / PEI / QD / TCTA / WOx / Ag로 구성하였다. ZnO NPs와 TCTA의 두께를 조절하며 J-V-L 특성을 측정하여 발광 성능을 평가하고, AM1.5 조건에서 I-V 특성을 분석하여 광센서로서의 동작을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구는 전하수송층 두께 조절만으로도 QLED의 발광 성능과 광센서 성능을 최적화하여 구현할 수 있다는 것을 입증하였다. 이러한 결과는 단일 QLED 소자를 광원과 센서로 동시에 동작시키는 이중 기능 소자 개발 가능성을 제시하며, 향후 인터랙티브 디스플레이 및 광전자 융합 소자 설계에 유용한 방향성을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 i
• 그림 목차 ii
• 국문 요약 iv
• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 양자점 개요 3
• 2.1.1 양자점의 특성 3
• 2.1.2 양자점의 구조 4
• 2.1.3 양자 구속 효과 5
• 2.2 양자점 발광다이오드 7
• 2.2.1 양자점 발광 다이오드의 정의 및 구조 7
• 2.2.2 양자점 발광 다이오드의 발광 원리 8
• 2.2.3 양자점 발광 다이오드의 전하 메커니즘 9
• 2.3 광센서 12
• 2.3.1 광센서의 기본 원리 12
• 2.3.2 바이어스 조건에 따른 동작 메커니즘 12
• 2.3.3 Air Mass의 정의 13
• 2.3.4 광 조사 조건 I-V 특성 및 성능 지표 14
• 제 3 장 실험 방법 16
• 3.1 양자점 발광 다이오드 제작 16
• 3.2 포토리소그래피를 이용한 박막 제작 17
• 3.2.1 ITO 제작 17
• 3.3 용액 공정 19
• 3.3.1 전자수송층 19
• 3.3.2 표면개질층 21
• 3.3.3 발광층 21
• 3.4 진공 열 증착 공정 22
• 3.4.1 정공수송층 23
• 3.4.2 정공주입층 24
• 3.4.3 양극 25
• 3.5 봉지 공정 27
• 3.6 실험 측정 28
• 3.6.1 J-V-L 측정법 28
• 3.6.2 광 조사 조건 전기적 특성 측정 29
• 제 4 장 실험 결과 31
• 4.1 양자점 발광다이오드의 발광 특성 31
• 4.1.1 전자수송층 두께별 QLED 소자 특성 31
• 4.1.2 정공수송층 두께별 QLED 소자 특성 36
• 4.2 광 조사 조건 전기적 특성 42
• 4.2.1 전자수송층 두께별 광 응답 특성 42
• 4.2.2 정공수송층 두께별 광 응답 특성 44
• 제 5 장 결론 47
• 참고문헌 51
• ABSTRACT 54