ZnO 나노입자를 전자 주입층으로 이용한 고효율 녹색 인광 역구조 OLED에 관한 연구

임세진 순천향대학교 2023 국내석사

OLED (Organic Light Emitting Diode)는 양극과 음극을 통해 주입된 전자와 정공이 유기박막 내에서 재결합이 이루어져 빛 에너지를 방출하는 원리를 가진 EL 소자이며 빠른 응답속도, 높은 밝기, 넓은 시야각 및 색 범위, 유연성 및 투명성 기판에도 적용이 가능하다는 장점이 존재하여 상당히 넓은 분야에 사용이 가능하다. 현재 사용되고 있는 AM (active matrix)-OLED의 경우 LTPS TFT 혹은 Oxide TFT가 주로 사용되고 있으며 LTPS TFT의 경우 대면적 디스플레이 제작에 있어 수율이나 생산비용 면에서 상당히 불리한 점을 가지고 있기 때문에 소형 디스플레이에 사용되고 있다. 대면적 디스플레이를 양산하기 위해서는 Oxide TFT를 사용하는 것이 유리하며 이에 사용하는 재료로는 IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)를 주로 사용하는데, 이는 n-type 성질을 띄고있어 기판에 음극을 쌓는 역구조 OLED를 이에 적용할 시 TFT와 OLED 구조 간 정합성이 높다. 그러나 보편적으로 양극 재료로써 사용하는 ITO (Indium Tin Oxide)를 음극으로 사용할 경우 낮은 일함수를 가지기 때문에 전자 주입 특성이 낮은 편이다. 이를 해결하기 위해서 전자 주입 및 수송이 원활한 재료를 전자 주입층으로써 사용하는 것이 중요하다. 산화물 반도체는 높은 이동도 및 n-type의 특성을 가지고 있으며, 입자 크기를 나노미터 단위로 줄일 경우 bulk 상태와는 다른 전기적, 광학적 특성들이 나타난다. 나노입자의 크기에 따라 특성이 변하기 때문에 넓은 분야에서 사용이 가능한 재료이다. 본 연구에서는 산화물 반도체 재료 중 넓은 밴드 갭과 열적, 화학적 안정성을 가지는 ZnO (Zinc Oxide) 나노입자를 졸-겔 (sol-gel)법을 이용하여 합성 후 전자 주입층으로써 사용하여 ZnO 나노입자의 산화제에 따른 합성 방법 및 나노입자 크기에 따라 역구조의 인광 OLED를 제작하여 그에 따른 전기적, 광학적 특성을 비교하였다. ZnO 나노입자 합성에 사용한 산화제로는 각각 TMAH (tetramethylammonium hydroxide)와 KOH (potassium hydroxide)를 이용하여 약 3 nm 크기의 ZnO 나노입자를 합성하였다. TMAH를 이용하여 합성한 ZnO 나노입자의 경우 균일한 박막이 형성 되었으며 3.37 eV의 밴드 갭을 가지고 전하 주입 및 수송 특성이 우수한 것을 확인하였다. 반면에 KOH를 이용하여 제작한 ZnO 나노입자는 입자의 뭉침 현상에 의해 코팅성이 저하되었으며 3.24 eV의 밴드 갭을 가지고 상대적으로 전하 주입 및 수송 특성이 낮다는 것을 확인하였다. 앞서 두 가지 방법으로 합성한 ZnO 나노입자를 전자 주입층으로써 이용하여 OLED를 제작하였으며 소자의 구조는 ITO / ZnO [TMAH, KOH] / TPBi / CBP: Ir(ppy) / CBP / MoO / Al 의 구조로 제작하였다. TPBi의 경우 전자 수송층으로 사용하였으며 발광층 재료로는 녹색 인광 dopant 물질인 Ir(ppy)를 이용하였으며 발광층 Host 재료와 정공 수송층의 재료로 CBP를 사용하였다. 정공 주입층 재료로는 MoO를 사용하였으며 양극은 Al을 사용하였다. 합성 방법에 따른 ZnO 나노입자를 OLED에 적용시켰을 때 앞서 연구한 전하 주입 및 수송 특성 비교와 동일한 결과를 나타내었으며 TMAH를 이용하여 합성한 ZnO 나노입자를 적용한 OLED의 전류효율이 더 우수하다는 결과를 확인하였다. 또한 TMAH를 이용하여 합성한 ZnO 나노입자의 입자 크기를 3,5,7 nm로 조절하여 합성하였을 때 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자 모두 균일한 박막이 형성되었음을 확인하였으며 입자 크기가 커질수록 전하 주입 및 수송 특성이 우수하다는 것을 확인하였다. 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자를 이용하여 앞서 제작한 OLED 구조와 동일하게 제작하여 소자의 특성을 비교하였을 때 입자 크기가 증가할수록 소자의 전류효율은 우수하였다. 7 nm 입자 크기를 가진 ZnO 나노입자를 적용한 OLED의 경우 최대 90 cd/A의 전류효율을 달성하였으며 이는 최대 26.19%의 외부양자효율을 달성하였다.

ZnO 나노입자를 이용한 용액공정 OLED에 관한 연구

김성근 순천향대학교 대학원 2021 국내석사

OLED는 전극 사이에 위치한 유기박막에 전계를 가하면 빛을 발생하는 자발광 소자이며 빠른 응답속도, 우수한 명암비와 시야각, 플렉시블(flexible) 및 투명 기판에도 적용할 수 있어 다양한 디스플레이 장치에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 OLED는 진공증착 공정으로 제작이 되고 있다. 진공증착 공정은 10-7 Torr이상의 고진공에서 진행하기 때문에 불순물의 유입이 적고 특성이 우수한 박막을 형성할 수 있다. 하지만 진공설비 비용이 높고 재료의 사용 효율이 낮아 제품의 가격이 상승한다. 저분자 재료는 진공증착 공정을 이용하여 박막을 형성하고 고분자 재료는 유기용매에 대한 용해성이 좋아 용액공정을 이용하지만 저분자 재료에 비해 특성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 상압에서 진행되고 재료사용 효율이 높아 가격 경쟁력을 갖출 수 있는 용액공정을 OLED 제작에 적용하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 이에 본 연구에서는 수분과 산소에 취약한 유기재료의 특성을 극복하고 용액공정을 적용할 수 있는 산화물 반도체 나노입자를 이용하여 OLED 제작에 적용하였다. 다양한 산화물 반도체 중에서 높은 전자 이동도 특성을 가지고 입자크기별로 밴드갭을 조절할 수 있으며 가시광선 영역에서의 높은 굴절성, 광학적 투명성을 가진 ZnO NPs를 사용하였다. 또한 소자의 구동을 제어하는 n-type Oxide TFT에 대해 보다 적합한 Inverted structure를 적용한 OLED를 제작하였다. 본 연구에서는 유기 및 무기재료를 공통층으로 적용하여 OLED 소자를 제작하였으며, 산화물 반도체 나노입자의 적용에 따른 특성을 분석하였다. 정공주입층으로 MoO3를 사용하였고, 정공 이동도 특성이 좋은 CBP를 정공수송층으로 사용하였다. 발광층으로는 host로 CBP, dopant로 인광재료인 Ir(ppy)3를 5% 도핑하였고, 전자수송층으로 TPBi를 사용하였으며, 졸-겔법(Sol-gel method)을 이용하여 합성된 ZnO NPs를, 전자주입층으로 적용하였다. OLED 소자의 전자주입층으로 적용하기에 앞서 합성된 ZnO NPs의 전기 및 광학적 특성을 분석하였다. EOD 제작을 통해 ZnO NPs를 적용함에 따라 전기 전도 및 전하의 이동특성이 우수함을 확인하였고, ZnO NPs의 크기는 약 5 nm이며, 약 3.37 eV의 밴드갭 에너지를 확인하였다. OLED의 구조는 ITO / ZnO NPs / TPBi / CBP:Ir(ppy)3 / CBP / MoO3 / Al이며 합성된 ZnO NPs를 전자주입층으로 적용하고 전자수송층의 두께에 대한 소자의 최적화를 위해 TPBi의 두께를 10, 20, 30, 50 nm로 조절하며 소자의 특성을 분석하였다. TPBi 두께가 10 nm 일 때 구동전압이 4.2 V로 가장 낮았지만 TPBi 두께가 20 nm 일 때, 최고 휘도인 113,500 cd/m2, 최고 전류효율인 55.1 cd/A를 보였다.

전하 캐리어 거동 분석 및 균형 최적화를 통한 양자점 발광 다이오드의 고성능화

김동진 순천향대학교 대학원 2022 국내박사

A quantum-dot light-emitting diode (QLED) is an electroluminescence (EL) device using colloidal quantum dots (QDs). QLEDs have the advantages of high color purity, wide viewing angle, and no need for a separate light source (BLU: Back-Light Unit). For the past several years, research has been conducted to improve the efficiency and lifetime of QLEDs. However, there still remain unsolved issues. Among them, imbalanced injection of holes and electrons is one of the major issues. The degradation due to the imbalanced injection results in the decreased efficiency and lifetime of QLED. QLEDs have a structure in which the light-emitting layer (EML) is sandwiched between an electron-transporting layer (ETL) and a hole-transporting layer (HTL). This stacking structure is similar to that of organic light-emitting diodes (OLEDs), and the light emission mechanisms of QLEDs and QLEDs are similar to each other. The charge injection balance of QLEDs depends on the material properties of the electron and hole transport layers such as the interface properties and carrier mobilities. Analysis and understanding of the charge carrier behaviors is important to improve the injection balance. Conventional analysis methods of the charge carrier behaviors mainly on the examination of the relations between the driving characteristics of the light-emitting devices and the material properties. However, the selection of the charge transporting layer material is limited by the fabrication technologies and material properties. Furthermore, it is difficult to improve performance due to insufficient technologies to understand and analyze the charge carrier behaviors of light-emitting devices and the difficulties in the fine control of the properties of charge transporting materials. In this study, an impedance spectroscopy method is used to understand the QLED charge carrier behaviors more directly than before. To change the charge injection characteristics, devices with various QD EML thicknesses and with various organic and inorganic HTL materials were designed and fabricated. In addition, the device current efficiency improved from 0.9 cd/A to 7.0 cd/A as a 10-nm organic inter layer was inserted between the inorganic HTL and QD EML. The QLED structure is ITO/ZnO NPs/QD/HTL/WOx/Ag. In addition, the changes in charge behaviors were analyzed by comparing the capacitance-voltage (C-V) results obtained from impedance spectroscopy measurements and the driving characteristics of the QLED. In order to overcome the limit of the charge balance improvement, a hybrid quantum dot EMLs fabricated by mixing a HTL material and QDs were applied to the QLED. In this, the charge balance was optimized by adjusting the organic material ratio in the hybrid quantum dot EML; in addition, the charge balance could be improved further by applying an organic HTL or an organic/inorganic double HTL. To understand the charge carrier behavior, and driving characteristics of the QLED were analyzed and compared with the conventional charge injection balance analysis methods such as energy band diagram and single charge only devices analysises. To optimize the charge balance, both HTL and ETL were used in combination with hybrid QDs, then the charge transport layer thicknesses were adjusted. The combination of a hybrid QD EML and a TAPC HTL resulted in the best performance; the QLED maximum current efficiency was 44 cd/A and maximum luminance 80,000 cd/m2. Also, a QLED equivalent circuit was designed to interpret the IS results. This gave the capacitance and resistance values of the EML and the charge-transporting layer at the same time, and revealed the relationships between these values and charge carrier behaviors in the QLEDs. Through my works, QLED performance can be improved greatly and the methods for analyzing and understanding charge carrier behaviors in QLEDs are provided. 양자점 발광 다이오드 (QLED: Quantum Dot Light-Emitting Diode)는 스스로 빛을 내는 콜로이드 양자점 (QD: Quantum Dot)을 이용한 전계 발광 소자로, 별도의 광원 (백라이트)이 필요 없고, 높은 색 순도, 넓은 시야각 등의 장점을 가진다. 지난 수년 동안 QLED의 효율과 수명 향상을 위한 연구가 진행되었다. 하지만 여전히 극복해야 할 문제들이 존재하며, 그중 정공과 전자의 불균형 주입은 소자의 효율 저하와 열화에 의한 수명 저하를 유발한다. QLED는 유기 발광 다이오드 (OLED: Organic Light-Emitting Diode)와 유사한 적층 구조 및 발광 원리로, 발광층 (EML: Emission Layer)이 전자수송층 (ETL: Electron Transporting Layer)과 정공수송층 (HTL: Hole Transporting Layer) 사이에 끼워진 샌드위치 구조이다. 따라서 양자점 발광 다이오드의 전하 주입 균형은 전자 및 정공수송층의 계면 특성 및 이동도와 같은 재료 자체가 갖는 특성에 의해 결정된다. 이를 개선하기 위한 기존의 전하 캐리어 거동에 대한 이해와 연구 방법은 재료의 전기적 광학적 특성의 이해와 함께 발광 소자에 재료를 적용하고 구동 특성을 비교하여 전하의 거동을 추론하는 방법으로 연구되어왔다. 하지만, 공정 기술 및 재료 특성에 따라 전하수송층 재료의 선택이 제한적이고, 주입 균형 개선을 위해 전하 수송 재료의 특성을 세밀하게 제어해야 하는 기술적 난이도와 함께 발광 소자의 전하 거동을 이해하고 분석하는 기술의 부족으로 성능 향상 연구에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 기존에 비해 보다 정확한 양자점 발광 다이오드의 전하 캐리어의 거동을 이해하기 위해서 임피던스 분광법을 이용하였다. 전하 주입 특성의 변화를 위해 양자점 발광층 두께에 따른 소자, 유기 및 무기 정공수송층 재료에 따른 소자를 설계하였다. 또한 무기 정공수송층과 양자점 사이에 유기 중간층을 적용하여 소자의 전류 효율 성능을 0.9cd/A에서 7.0cd/A까지 향상시켰다. 설계된 구조는 ITO / ZnO NPs / QD / HTL / WOx / Ag이다. 이에 따른 전하 거동의 변화는 임피던스 분광법을 이용하여 얻은 정전용량-전압과 발광 소자의 구동 특성을 대조하여 분석하였다. 전하 수송층의 재료 변화에 의한 전하 주입 균형 개선의 한계를 극복하기 위해서 전하 수송 재료와 양자점을 섞은 하이브리드 양자점을 QLED에 적용하였다. 또한, 하이브리드 양자점의 전하 수송 재료 비율을 조절하고 유기 정공수송층 및 유/무기 혼합 정공수송층을 각각 적용하여 전하 균형을 최적화하였다. 전하 거동의 이해를 위해 정전용량-전압과 발광 소자의 구동 특성을 분석하였고, 에너지 밴드 다이어그램 분석 및 전하-전용 소자와 같은 기존의 전하 주입 균형 분석방법과 비교하였다. 가장 최적화된 전하 주입 균형을 갖는 재료 및 구조로, 하이브리드 양자점과 함께 가장 우수한 ETL과 HTL을 적용하고, 최종적으로 전하 주입 균형을 미세하게 조절하기 위해 전하 수송층 두께를 조절하였다. QLED의 최대 전류 효율은 ETL 80nm, HTL 50nm의 소자에서 44cd/A, 최대 휘도는 ETL 80nm, HTL 40nm의 소자에서 80,000cd/m2의 휘도를 얻었다. 또한, 저항, 정전용량 요소를 이용하여 QLED에 대응되는 등가회로를 제안하고, 등가회로를 이용하여 전하 거동을 보다 직접적으로 분석하고 동작 메커니즘을 이해하였다.

마그네슘 도핑 된 산화 아연 나노입자 전자수송층을 사용한 역구조 양자점 발광 다이오드

김한솔 순천향대학교 대학원 2019 국내석사

본 논문에서는 Mg이 도핑 된 ZnO NPs (nanoparticles)을 전자 수송층으로 사용한 역구조 (inverted structure) QLEDs (quantum dot light-emitting diodes) 특성에 관하여 연구하였다. 기존 ZnO NPs을 사용한 디바이스 보다 고효율 QLEDs를 구현하였다. QLEDs는 음극으로 사용되는 ITO (indium tin oxide) 박막에 패턴 제작, 전자주입층, 전자수송층, 발광층, 정공수송층, 정공주입층, 양극 순으로 적층하였고 양극과 음극외의 모든 공정은 용액공정으로 제작하였다. 음극으로 ITO, 전자주입층/전자수송층으로 ZnO NPs, MgZnO, MgZn, MgZn와 MgZnO를 사용하였고 ZnO 일함수 변경을 통한 전자 주입을 용이하게 하는 PEIE (polyethylenimine ethoxylated), 발광층으로 Green QD (quantum dot), 정공수송층으로 PVK, 정공주입층으로 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly(4-styrenesulfonic acid)), 양극으로 Al을 사용하여 QLED를 제작하였다. QLEDs의 발광층과 정공수송층을 용액공정을 통해 적층하였을 때 동일 성질을 갖는 용매 사용에 의한 하부 층이 녹는 현상을 보완하였고 전자주입층의 높은 전자이동도를 제한하기 위해 Mg을 도핑하여 기존 QLEDs 보다 높은 발광 효율과 휘도를 가지는 QLEDs를 개발하였다. 순수 ZnO보다 Mg을 도핑한 ZnO를 사용한 소자를 사용하였을 때 전자 이동을 제한하여 발광층에 주입되는 전자와 정공의 균형도가 증가하여 우수한 휘도와 전류효율을 가짐을 확인하였다.

LiZnO 나노입자를 전자주입층으로 이용한 적색 역구조 QLED에 관한 연구

유환진 순천향대학교 일반대학원 2024 국내석사

QLED(Quantum dot Light Emitting Diode)는 나노미터 사이즈 반도체 입 자인 양자점을 발광층으로 사용하여 빛을 방출하는 전계구동 방식 소자이 다. 양자점은 2~10 nm 크기의 반도체 나노 결정으로 크기에 따라 방출 색 및 파장이 결정되고 방출하는 발광 파장의 반치폭(FWHM)이 좁아 색순도 가 뛰어난 장점이 있다. 현재 고성능 디스플레이에서 가장 많은 점유를 차 지하고 있는 OLED(Organic light-emitting diode)는 유기재료를 발광재료로 사용하는 디스플레이로 유기재료의 단점인 수명 및 번인등 유기재료의 문 제를 가지고 있다. QLED는 이러한 유기재료의 문제를 해결하고 앞서 언급 한 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 활발한 연구가 진행중이다. 본 연구 에서는 Sol-gel 법을 통해 농도에 따른 LiZnO를 합성하여 전자주입층으로 사용하여 고해상도 대면적 디스플레이에 사용되는 n-type oxide 트랜지스 터에 적합한 역구조 QLED를 제작하였다. 구조는 ITO/LixZn1-XO/QD/CBP/ MoO3/Al으로 ITO를 음극, CBP를 정공 수송층, MoO3를 정공 주입층, AL 을 양극으로 사용하였다. Li의 농도를 0 %, 5 %, 10 %, 15 %로 ZnO에 도핑하여 합성한 결과 0 %=3.39 eV, 5 %=3.41 eV, 10 % 3.42 eV, 15 %=3.47 eV의 밴드갭 에너지 를 가졌고 Li의 농도가 증가할수록 소량 에너지 크기의 상승을 확인하였다. 평균 입자크기는 0 %=3.77 nm, 5 %=3.6 nm 10 %=3.46 nm 15 %=3.4 nm 로 확인됨으로 리튬의 도핑량이 증가할수록 입자 사이즈는 줄어드는 것을 확인하였다. 전자 주입층으로 주입되는 전류의 변화를 확인하기 위해 EOD,I-V ITO 패턴을 제작하였으며 리튬의 농도가 증가할수록 전류가 감소하는 것을 확 인하였다. 농도에 따른 효율 변화 확인을 위해 40 nm 단일층과 이중충으로 리튬농도에 따른 전자 주입층을 제작하여 소자에 적용하여 확인 결과 리튬 도핑 양이 증가할수록 전류효율이 감소함을 확인하였다. 이는 주입되는 전 자 주입의 감소로 전자 정공의 재결합율이 감소함이 사료된다. 최대 전류 효율은 Li의 농도가 0 %일 때 11.5 cd./A, Li의 농도가 15 % 일 때 6.2 Cd/A의 최소 전류효율 값을 확인하였다.

Ag, Al 음극과 ZnO 기반 전자수송층을 이용한 QLED의 효율 향상에 관한 연구

황보람 순천향대학교 대학원 2021 국내석사

양자점 발광 다이오드 (QLED, quantum dot light-emitting diode)의 효율 향상을 위해 발광층에서 전하 평형을 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 발광층에서의 전하 불평형 현상은 양자점 발광 다이오드의 발광 효율을 감소시키는 원인으로 작용한다. 따라서, 양극과 정공주입층 사이와 정공주입층과 정공수송층 사이와 정공수송층과 양자점 사이의 에너지 장벽과 정공수송층에서의 정공이동도와 음극과 전자수송층사이와 전자수송층과 양자점 사이의 에너지 장벽과 전자수송층의 전자이동도 등을 고려하여 양자점 발광층에 주입되는 정공과 전자의 평형을 맞추어 소자의 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 본 연구에서는 양자점 발광 다이오드의 양자점 발광층에서의 전하 평형을 향상시키기 위해 음극으로 Al과 Ag를 사용하였고 전자수송층으로 ZnO 나노입자 (nanoparticles)와 MgZnO 나노입자를 사용하여 발광효율 향상을 위한 연구를 수행하였다. Al와 Ag 음극과 ZnO 나노입자와 MgZnO 나노입자 전자수송층의 전자주입 특성을 확인하기 위해 ITO/ZnO(x nm)/(Al 또는 Ag) 구조와 ITO/MgZnO(x nm)/(Al 또는 Ag) 구조의 EOD (electron only device)를 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. Al을 사용한 EOD의 전류밀도가 Ag를 사용한 EOD 보다 더 큰 것을 확인하였다. ZnO 나노입자와 MgZnO 나노입자 전자수송층의 두께가 두꺼워질수록 EOD의 전류밀도가 감소하였다. 이러한 EOD의 전기적 특성을 고려하여 양자점 발광 다이오드를 제작하여 발광효율을 향상시키는 연구를 진행하였다. 소자 구조는 ITO/ PEDOT:PSS/ PVK/ ZnO(x nm)/ (Ag 또는 Al) 와 ITO/ PEDOT:PSS/PVK/MgZnO(x nm)/(Ag 또는 Al)로 제작하여 전류밀도(J)-전압(V)-발광휘도(L)를 비교분석 하였다. 두 소자의 구조 모두 앞서 실험한 EOD 전류밀도 특성과 동일한 경향을 보였으며 음극으로 Al을 사용하고 전자수송층으로 40nm 두께의 ZnO와 MgZnO를 전자수송층으로 사용하였을 때 각각의 최대 전류효율 51 cd/A, 75 cd/A로 MgZnO가 더 우수한 특성을 나타내었다. 이런 결과를 바탕으로 음극으로 Al을 사용하고 전자수송층으로 사용한 MgZnO 두께를 최적화하여 MgZnO의 두께가 35nm일 때 최대전류효율 90 cd/A의 우수한 특성을 갖는 양자점 발광 다이오드를 개발하였다.

Arginine층을 사용한 역구조 양자점 발광 다이오드의 성능 향상

채영빈 순천향대학교 일반대학원 2023 국내석사

Arginine층을 사용한 역구조 양자점 발광 다이오드의 성능 향상 양자점 발광 다이오드 (QLED: Quantum Dot Light Emitting Diode)는 높은 효율과 색 재현율, 좁은 반치폭 (FWHM: Full-width at Half Maximum), 넓은 시야각 등의 장점이 있다. IQLED (Inverted Quantum Dot Light Emitting Diode)는 n형 TFT (Thin Film Transistor) 백플레인에 하부 음극을 갖는 소자를 연결하여 구동 전압을 낮출 수 있다 [1]. 이러 한 IQLED는 ITO (Indium Tin Oxide)를 음극으로 사용한다. IQLED의 문제 점은 발광층과 전자수송층 사이의 에너지 장벽 차이와 전자와 정공의 이 동도 차이로 인해 발생하는 전하 불균형이 있다. 전자수송층 물질로 ZnO NPs를 사용한 소자의 전자 이동도와 정공 이동도를 비교하였을 때 전자 이동도가 정공 이동도 보다 매우 높으므로 전자의 주입을 줄여 전 하 균형 개선을 통한 소자의 효율 향상이 중요하다 [2]. 본 연구에서는 음극으로 ITO를 사용하고, 양극으로는 Ag를 사용한 IQLED를 제작하였으며, 전자 이동도를 낮춰 전자와 정공 주입 균형을 개선하기 위해 전자수송층으로 ZnO 나노입자 (NPs: Nano Particles) 위에 표면개질층을 추가하여 양자점 발광 다이오드를 제작하였다. ZnO NPs 위에 표면개질층으로 Polyethylenemine (PEI) 을 사용한 연구는 현재까지 많이 진행되었다. 폴리머 계열의 PEI의 두께를 3nm, 5nm, 7nm, 10nm로 변화하고, 아미노산의 일종인 L-Arginine (Arg)의 두께를 5nm, 10nm, 20nm, 30nm로 변화하여 두께가 변화함에 따라 소자에 미치는 영향을 분 석하고, 표면개질층 재료에 따라 발광 효율을 비교하였다. 제작된 소자 의 구조는 ITO (150nm) / ZnO (50nm) / Arg (x nm) / TCTA (40nm) / WOX (10nm) / Ag (100nm)와 ITO (150nm) / ZnO (50nm) / PEI (x nm) / TCTA (40nm) / WOX (10nm) / Ag (100nm)이다. PEI와 Arg를 각 두께에 따라 전기적, 광학적 분석을 진행하여 PEI의 절연 특성과 Arg의 높은 에 너지 장벽과 저항의 영향으로 인해 두께가 증가함에 따라 전류밀도를 낮 추는 역할을 할 수 있음을 분석하였다. 또한, 두께별 실험에서 5nm의 PEI와 20nm의 Arg에서 가장 우수한 특성을 나타냈으며, 재료에 따라 비 교 분석을 진행하여 PEI보다 Arg가 더 높은 전류 효율을 나타냄을 확인 하였다.

MgLiZnO 나노입자를 전자주입층으로 이용한 녹색 인광 역구조 OLED에 관한 연구

김고은 순천향대학교 일반대학원 2023 국내석사

MgLiZnO 나노입자를 전자주입층으로 이용한 녹색 인광 역구조 OLED에 관한 연구 OLED(Organic Light Emitting Diode)는 전극에서 정공과 전자가 주입되고 전하가 이동하여 유기 박막 내에서 재결합이 이루어지면서 빛에너지를 방출하는 전계 발광 소자이며 우수한 명암비와 시야각, 빠른 응답속도, 높 은 해상도, 투명하고 유연성 기판에도 적용이 가능하다는 장점이 있어서 다 양한 분야에서 사용되고 있다. 현재 TV, 스마트폰과 같은 분야에서 사용하고 있는 AM(active matrix)-OLED는 LTPS TFT 또는 Oxide TFT가 사용되고 있다. LTPS TFT는 면적이 커질수록 수율이나 제조 비용 면에서 좋지 않아 대면적 디 스플레이에 사용하는 것보다 소형 디스플레이에 사용되고 있다. 대면적 디 스플레이에는 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 Oxide TFT로 사용하는 것이 유리하다. IGZO는 n-type의 특성을 나타내므로 정구조 OLED보다는 역구조 OLED를 적용하는 것이 OLED 구조와 TFT 간의 정합성이 높다. 일반적으로 ITO(Indium Tin Oxide)는 낮은 일함수로 인해 음극으로 사용 할 경우, ITO와 유기물층의 높은 에너지 장벽으로 인해 전자주입 특성이 낮다. 이를 해결하기 위해선 전자 이동 및 수송 특성이 우수한 재료를 전자 주입층으로 사용하여 에너지 장벽을 낮춰야 한다. 산화물 반도체 나노입자는 표면적 증가로 인해 bulk 상태일 때 나타나지 않는 광학적, 전기적, 기계적 특성이 나타난다. 본 연구에서는 산화물 반도체 중 높은 전자 이동도와 넓은 band gap을 가 져 높은 투과도를 나타내는 ZnO 나노입자를 선택하였고, 전자주입 특성을 향상시키기 위해 sol-gel 법을 통해 Li와 Mg를 도핑하여 ZnO를 합성한 후 전자주입층으로 적용하여 역구조 인광 OLED를 제작하였다. 역구조 인광 OLED는 ITO / LixZn1-XO or MgxLiyZn1-x-yO/ TPBi / CBP:Ir(ppy)3 5% / CBP / MoO3 / Al의 구조로 제작하였다. 전자수송층으로 TPBi를 사용하였 으며 발광층의 dopant로는 녹색 인광 재료인 Ir(ppy)3를 사용하였고 host로 는 CBP를 사용하였다. 정공 이동도 특성이 우수한 CBP를 정공수송층으로 사용하였으며 정공주입층으로 MoO3, 음극과 양극으로는 각각 ITO, Al을 사용하였다. Li의 농도를 0%∼15%에 범위로 조절한 LiZnO 나노입자는 0%일 때 3.38 eV, 10%일 때 3.40 eV, 15%일 때 3.44 eV에 band gap energy를 가졌으며 Li의 농도가 증가할수록 전하 주입 및 수송 특성이 낮아지는 것을 확인하 였다. LiZnO 나노입자를 앞서 언급한 OLED 구조에 적용할 경우, Li의 농 도가 증가할수록 전류밀도가 감소하지만, 전류효율은 더 우수해진다는 결과 를 확인하였다. Mg의 농도를 5%, 10%로 고정한 후 Li의 농도를 조절하여 MgLiZnO 나노입자를 합성하였을 때 모두 균일한 박막이 형성되었음을 확 인하였으며 Mg와 Li의 농도가 증가할수록 band gap energy는 증가함을 확인하였다. 이를 동일한 구조의 OLED에 적용할 경우, Mg0.05LixZn0.95-xO 나노입자 기준으로 전류효율은 Li의 농도가 0%일 때 43.66 cd/A, 5%일 때 45.58 cd/A, 10%일 때 50.12 cd/A, 15%일 때 66.25 cd/A로 증가하였고 Mg0.1LixZn0.9-xO 나노입자의 경우에도 Li의 농도가 15%일 때 최고 전류효율인 77.26 cd/A를 보였다. 따라서 Li의 농도가 증가할수록 전하의 균형이 우수해진다는 것을 확인하였다. 주제어(키워드, 색인어) co-doped ZnO, sol-gel, metal oxide, 역구조, phosphorescence, OLED

ZnMgO NPs 전자수송층으로 이용한 섬유형 QLED 소자 특성에 관한 연구

김바다 순천향대학교 2020 국내석사

Recently, flexible displays have received considerable attention because they can be applied to mobile and wearable electronic products such as smart phones, automotive displays, and wearable smart devices. With the next generation display, smart glasses and smart lenses enable augmented reality to show natural scene information behind glasses or lenses, and smart watches can check vital signs or other health information measured by wearable sensors in real time. Light-emitting diodes (LEDs) made in fiber form can be applied to wearable displays in fabrics and cloths, and very thin displays can be attached to human skin in the form of electronic tattoos. Transparent flexible displays can be applied to smart windows or digital signage, and bendable displays can be used as foldable phones or foldable tablets with adjustable screen size. Flexible displays with form factors will be developed, and the main technical goal of this next-generation display research field is to develop LEDs with excellent performance.   QLED (quantum dot light emitting diode) has excellent color purity, adjustable emission wavelength, and narrow emission bandwidth. And because of the simple solution process, it has attracted great attention, and by optimizing the material synthesis and structural design of the light emitting layer, QLED devices have achieved impressive development over the past 20 years, but there is still room for improvement of electron transport and electron-hole balance. In QLEDs, electron transport is also an important process for determining brightness and efficiency. ZnO NPs are generally used as electron transport layers due to their relatively high carrier mobility advantages over amorphous materials or organic electron transport layers. However, the higher electron mobility of ZnO NPs promotes electron transfer, charge recombination, and lower driving voltage of QLED, and the high work function decreases overall efficiency due to charge imbalance in QD / ZnO NPs structure, and the hole in the light emitting layer More electrons accumulate than holes, causing fluorescence quenching of quantum dots. In order to compensate for this, a structure having excellent electron-holes is required.   Therefore, in this research, Zn1-xMgxO NPs are used as the electron transport layer to increase the efficiency of QLEDs to develop LEDs with high performance, which is the technical goal of next-generation display research. QLED device characteristics evaluation was conducted. It was. The structure of the device is Ag / PEDOT:PSS / PVK / QDs / Zn1-xMgxO NPs / Ag, turn-on voltage is 6.5 V, maximum brightness is 220087.8 cd/m2, maximum luminous efficiency is 56.0 cd/A, maximum external quantum The efficiency was 14.43 % and the maximum power efficiency was 21.6 lm/W. The Zn1-xMgxO NPs magnesium content showed lower current density, but the brightness, luminous efficiency, external quantum efficiency and power efficiency increased. do. Through this, the electron mobility of Zn1-xMgxO NPs was lower than that of ZnO NPs due to oxygen vacancies, and it was confirmed that the electron-hole balance was achieved by solving the charge imbalance. 최근 플렉시블 디스플레이 (flexible display)는 스마트폰, 자동차용 디스플레이, 웨어러블 스마트 기기 등 모바일 및 웨어러블 전자제품에 적용할 수 있어 상당한 주목을 받았다. 차세대 디스플레이로 스마트 안경 및 스마트 렌즈는 증강현실을 가능하게 하여 안경이나 렌즈 뒤에 자연스러운 장면의 정보를 보여주며, 스마트 워치는 웨어러블 센서가 측정한 활력징후 또는 기타 건강정보를 실시간으로 확인할 수 있다. 섬유 형태로 제작된 LED (light-emitting diodes)는 천과 옷감으로 웨어러블 디스플레이에 적용 할 수 있으며, 아주 얇은 디스플레이는 사람의 피부에 전자 문신 형태로 부착될 수 있다. 또한 투명한 플렉시블 디스플레이는 스마트 윈도우나 디지털 사이니지에 적용할 수 있으며, 벤더블 디스플레이 (bendable display)는 화면 크기를 조절할 수 있는 폴더블 폰 (foldable phone) 또는 폴더블 태블릿 (foldable tablet)으로 활용 가능한 다양한 폼팩터 (form factor)를 가지는 플렉시블 디스플레이들이 개발 될 것이며, 이러한 차세대 디스플레이 연구 분야의 주요 기술 목표는 우수한 성능을 갖춘 LED를 개발하는 것이 중요하다. QLED (quantum dot light emitting diode)는 색 순도가 뛰어나고, 방출 파장을 조절 가능하며, 방출 대역폭이 좁다. 그리고 간단한 용액공정으로 인해 큰 관심을 끌고 있으며, 발광층의 재료 합성 및 구조 설계를 최적화함으로써 QLED 소자는 지난 20년 동안 인상적인 개발을 달성했지만, 여전히 전자수송 및 전자-정공 균형의 개선의 여지가 남아있다. 또한, QLED에서 전자수송은 밝기와 효율을 결정하는 중요한 과정이다. ZnO NPs는 비정질 물질 또는 유기 전자수송층에 비해 상대적으로 높은 캐리어 이동도의 장점으로 인해 일반적으로 전자수송층으로 사용된다. 그러나 ZnO NPs의 전자 이동도가 높을수록 QLED의 전자 전달, 전하 재결합 및 낮은 구동 전압을 촉진시키고, 높은 일함수는 QD / ZnO NPs 구조에서 전하 불균형으로 인해 전체적인 효율이 감소하며, 발광층에서의 정공 (hole) 보다 더 많은 전자 (electron)가 축적되어 양자점의 형광소광을 일으킨다. 이를 보완하기 위해서는 전자-정공이 우수한 구조가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 차세대 디스플레이 연구 분야의 기술 목표인 우수한 성능을 갖춘 LED를 개발하기 위해서 QLED의 효율을 높이기 위해 전자수송층으로 Zn1-xMgxO NPs를 사용하여 전자-정공 균형을 향상시킨 섬유형 QLED를 제작하였고, QLED 소자 특성 평가를 진행하였다. 소자의 구조는 Ag / PEDOT:PSS / PVK / QDs / Zn1-xMgxO NPs / Ag이며, turn-on 전압은 6.5 V, 최대 휘도는 220087.8 cd/m2, 최대 발광 효율은 56.0 cd/A, 최대 외부 양자 효율은 14.43 % 그리고 최대 전력 효율은 21.6 lm/W의 결과를 보였으며, Zn1-xMgxO NPs 마그네슘 함량이 증가할수록 전류 밀도가 낮아지는 특성을 보이지만, 휘도, 발광 효율, 외부 양자 효율 그리고 전력 효율이 증가한다. 이를 통해, Zn1-xMgxO NPs의 전자 이동도는 산소공공으로 인해 ZnO NPs보다 낮아졌으며, 전하 불균형을 해결하여 전자-정공 균형을 이루어졌다는 것을 확인 할 수 있었다.

유연 전자 소자를 위한 기능성 고분자 박막 : 유연 전자 소자를 위한 기능성 고분자 박막

김명현 광운대학교 일반대학원 2024 국내석사

유연 전자 소자를 위한 기능성 고분자 박막 최근 유연 전자 소자에 대한 관심이 늘어남에 따라, 다양한 재료들이 유연 전자 소자의 구현을 위해 사용되고 있다. 이러한 유연 전자 소자에 있어서 소자의 기본적인 성능 또한 중요하지만, 전자 장치의 신뢰성을 위하여 기계적 유연성 또한 중요하다. 그러나 금속 및 반도체와 같은 전통적인 무기 재료는 기계적 유연성이 떨어진다는 문제점이 있다. 이에 반해, 고분자의 경우 뛰어난 확장성, 기계적 강도, 유연성, 가공의 용이성 등의 장점을 지니고 있어 유연 전자 소자를 위한 재료로써 사용하기에 우수한 특성을 가지고 있다. 또한 특정 기능기를 가지는 기능성 고분자를 도입하여 특정한 화학적 및 물리적 특성을 가지는 소재를 제작할 수 있고, 이를 기반으로 중금속 센서와 같은 유해 물질 감지를 위한 센서를 구현할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 고분자 박막을 기반으로 습도 센서, 마찰 전기 나노 발전기의 다양한 고성능 전자 소자를 제작하기 위한 연구를 진행하였다. 먼저, 고분자 박막 기반 습도 센서에 관한 연구는 Polyvinylpyrrolidone(PVP) 박막을 활성 감지 유전체로, carbon nanotube (CNT) random networks 를 전극으로 사용하여 정전용량형 웨어러블 습도 센서를 구현하였고, 해당 PVP 기반 습도 센서는 3.0±0.15 nF/RH·%cm2라는 높은 감지 응답과 RH 범위 40~90%에서 6.4±0.1pF/%RH 의 민감도를 달성했다. 또한 매우 작은 히스테리시스 창, 빠른 응답 및 회복 시간(~30 ms), 높은 신뢰성의 특성을 보였다. 이러한 정전용량형 습도 센서의 감지 메커니즘에 관한 연구를 진행하였고, 물 분자 층을 통한 지속적인 프로톤 호핑에 기인한다는 것을 확인하였다. 마지막으로, 웨어러블 습도 센서가 장착된 팔밴드형 무선 통신 모니터링 시스템을 개발하여 호흡의 강도와 빈도의 변화를 모니터링하여 실시간 생체 정보를 분석할 수 있으며, 이 정보는 사용자의 모바일 인터페이스로 무선 전송되었다. 이를 통해 모바일 호흡 모니터링 장치의 실현 가능성을 입증했다. 두번째로 고분자 박막 기반 마찰 전기 나노 발전기에 관한 연구는, Cobalt-based metal-organic framework(Co-MOF)가 포함된 Polyvinylidene fluoride(PVDF) 박막을 제작하고 이를 기반으로 하여 194V 의 VOC 와 18.8μA 의 ISC 라는 우수한 성능을 가지는 마찰 전기 나노 발전기를 구현하였다. 마찰 전기 나노 발전기의 향상된 출력 성능은 MOF 를 적용함으로써 PVDF 가 α-결정에서 β-결정으로 상 전이되었음에 기인한다. 금속 이온의 종류 농도 및 MOF 의 입자 크기를 포함한 합성 조건을 최적화하여 PVDF 기반 마찰 전기 나노 발전기의 VOC 와 ISC 를 증가시켰고, 높은 작동 안정성, 기계적 강도 및 장기 신뢰성을 가지는 Co-MOF@PVDF 기반 마찰 전기 나노 발전기를 구현하였다. 최종적으로 개발된 웨어러블 마찰 전기 나노 발전기를 정류기 및 제어 장치와 통합하여 글로벌 위치 시스템(GPS) 장치를 구동함으로써 자가 구동 모바일 전자 기기의 실현 가능성을 입증했다. Functional Polymer Films for Flexible Electronic Devices Myeong-Hyeon, Kim (Supervised by Professor Tae-Jun, Ha) Dept. of Electronic Materials Eng. Graduate School of Kwangwoon University Recently, as interest in flexible electronic devices has increased, various materials are being used to implement these devices. While the basic performance of such flexible electronic devices is important, mechanical flexibility is also crucial for the reliability of electronic devices. However, traditional inorganic materials such as metals and semiconductors have the drawback of poor mechanical flexibility. In contrast, polymers possess excellent extensibility, mechanical strength, flexibility, and ease of processing, making them suitable materials for use in flexible electronic devices. Additionally, by introducing functional polymers with specific functional group, it is possible to create materials with particular chemical and physical properties. Based on this, sensors for detecting hazardous substances, such as heavy metal sensors, can be implemented. In this paper, research has been conducted to develop various high-performance electronic devices, including humidity sensors and triboelectric nanogenerators, based on these polymer films. First, research on polymer film-based humidity sensors was conducted by implementing a capacitive-type wearable humidity sensor based on PVP film as the active sensing dielectric and carbon nanotube (CNT) random networks as electrodes. The humidity sensor achieved a high sensing response of 3.0±0.15 nF/RH·%cm2 and a sensitivity of 6.4±0.1pF/%RH in the RH range of 40~90%. Additionally, it exhibited characteristics of a significantly small hysteresis window, fast response, and recovery time (~30ms), and high reliability. Research was conducted on the sensing mechanism of this capacitive humidity sensor, confirming its reliance on continuous proton hopping through water molecule layers. Finally, a armband-type wireless-communication monitoring system equipped with the wearable humidity sensor was developed, enabling real-time analysis of changes in respiratory intensity and frequency for monitoring biophysical information. This information was wirelessly transmitted to the user's mobile interface, thus demonstrating the feasibility of a mobile respiration monitoring device. The second study on polymer-based triboelectric nanogenerators (TENGs) using Cobalt-based metal-organic framework (Co-MOF) incorporated Polyvinylidene fluoride (PVDF) films has been conducted, leading to the realization of TENGs exhibiting superior performance with an open-circuit voltage (VOC) of 194V and short-circuit current (ISC)of 18.8μA. The enhanced output performance of the TENGs was attributed to the phase transition of PVDF from α-crystals to β-crystals, as facilitated by the incorporation of the MOF. By optimizing synthesis condition, including metal ion, concentration, and particle size of the MOF, we implemented TENGs based on Co-MOF@PVDF films with high output performance, operational stability, mechanical robustness, and long-term reliability.