압전소자 구동장치의 모델링 및 제어기 설계

유관우 건국대학교 대학원 2009 국내석사

현재 일반적으로 항공우주 비행체 및 일반적인 운행체의 작동을 위하여 개발 된 대표적 작동기인 유/공압식 작동기나 모터 및 엔진들은 그 중량이 무겁거나 힘의 전달을 위해 추가적인 구조물을 요구하게 된다. 이러한 특징들은 그 구조물의 소형화 및 경량화를 막는 하나의 요인으로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결 할 수 있는 경향화 및 소형화에 적합한 작동기들이 연구되고 있다. 이러한 목적의 작동기들중 하나로 지능소자의 일종인 압전소자가 주목을 받고 있다. 앞선 작동기 들에 비해 압전소자는 단순한 기계장치로 구성되어 있으며 높은 힘밀도와 에너지 효율을 가지고 있다. 그러므로 압전 소자는 기존의 작동기 들에 비해 작고 넓은 작동변위를 가지며 더 큰 작동력을 낼 수 있다. 또한 서보 모터 등을 사용하기 위해선 동력을 전달 또는 변형 할 수 있는 추가적인 구조물들을 필요로 하게된다. 하지만 압전소자는 소자 그 자체가 작동기의 역할을 하며 동시에 그러한 구조물의 역할을 겸할 수 있기에 여러 가지 면에서 유리하다. 특히 압전소자는 생체모사 인공근육과 같은 다양한 분야에 응용하는데 용이하다. 하지만 압전소자는 소자 자체가 가지고 있는 커패시턴스 특성으로 인해 발생하는 히스테리시스 오차와 느린 반응속도의 극복이 그 문제이다. 이러한 압전소자의 특징은 서보 모터와 같은 작동기를 그대로 대체하기 어렵게 한다. 본 논문에서는 이러한 압전소자를 서보 모터와 같은 작동기로 사용하기 위한 제어시스템 구축에 대해 다루고 있다. 압전 소자를 목표로 하는 움직임을 내게 함과 동시에 여러 가지 외란들을 극복할 수 있도록 하기 위해서는 제어시스템을 필요로 한다. 이러한 작동기의 개선과 이를 이용한 압전소자의 모델링 그리고 피드백 제어기 설계에 대하여 다루고 있다. 압전소자의 동적인 모델링을 하고 이를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행한다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 실제 시스템에 제어기를 적용하고 그 결과를 비교 분석 하였다. A piezo device has higher power density and energy efficiency with simple mechanism. Hence, a piezo device can generate more large force than the existing actuators in broad bandwidth in a compact size. Thus a piezo device is suitable for applications to the biomimetic artificial muscle. In this paper described are the model identification and control of a piezo electric actuator and experimental results of feedback controller. The ARX model was used to characterize the dynamics of the piezo device. We tried modeling of the dynamics of the piezo device. We also designed a controller based on the obtained model to improve the characteristics of the piezo actuator using H-infinity method. The controller was implemented using a microprocessor and analog filters and power driving devices, which demonstrated the feasibility of the piezo device to be sued as a servo.

열가교성 정공 전달 고분자의 합성 및 유기발광소자 특성 연구

박상미 가톨릭대학교 대학원 2012 국내석사

본 연구에서는 용액공정용 고효율, 장수명의 고분자 유기 발광 소자를 얻기 위하여 다층구조형성이 가능한 열가교성 고분자 X-PTPA와 X-PCZ을 Yamamoto coupling 반응으로 합성하였다. X-PTPA와 X-PCZ은 각각 65,000과 84,000의 높은 중량 평균 분자량을 얻을 수 있었고 PDI는 1.8, 1.7로 나타냈다. 합성된 고분자 X-PTPA와 X-PCZ는 DSC 측정결과를 기반으로 하여 온도에 따른 가교특성을 UV-visible과 두께변화를 통해 고분자들의 박막가교조건을 230℃에서 30분으로 최적화하였다. 가교전·후의 전기 광학적 특성변화를 위하여 UV-visible, PL(photoluminescnece), HOMO 에너지 준위를 측정하였다. 가교된 X-PTPA의 경우 최대 흡수 파장이 385 nm, 최대 발광 파장은 449 nm, HOMO값은 –5.27 eV이며, 가교된 X-PCZ의 경우 각각 323 nm, 426 nm, -5.39 eV로 가교전·후 변화가 거의 없어 가교에 의한 주사슬의 결함은 없는 것으로 예상되었다. EL 특성을 평가하기 위하여 제작된 소자구조는 ITO/PEDOT(60 nm)/X-PTPA 또는 X-PCZ(20 nm)/SY-PPV (37 nm)/LiF/Al로 제작하였다. 가교 가능한 interlayer의 유무에 따른 비교 실험 결과, 최대 효율은 interlayer가 없는 기준 소자인 경우 1.55 cd/A였고, X-PTPA가 interlayer로 사용된 소자의 경우 4.22 cd/A였으며, X-PCZ가 interlayer로 사용된 소자의 경우는 3.78 cd/A로 X-PTPA 소자가 가장 높은 효율을 보였다. 또한 수명도 interlayer가 없을 때 보다 X-PTPA 소자가 약 5배정도 수명이 향상됨을 보였다. 이로부터 다층구조구현이 가능한 열가교성 interlayer물질이 합성되었음을 확인하였다. A series of new thermally crosslinkable interlayer polymers, X-PTPA and X-PCZ, are synthesized via Yamamoto coupling reaction. The polymers are well soluble in common organic solvents such as chloroform, THF, and toluene. The weight-average molecular weights (Mw) of X-PTPA and X-PCZ are found to be 65,000, 84,000 with PDI of 1.8 and 1.7. Crosslinked X-PTPA and X-PCZ demonstrate excellent solvent resistance and stable optoelectronic properties. UV-visible maximum absorption peaks of X-PTPA and X-PCZ in thin film state are exhibited at 389 nm and 322 nm. HOMO levels of X-PTPA and X-PCZ are estimated to be -5.27 eV, -5.39eV, respectively. Multilayered devices (ITO/crosslinked X-PTPA or X-PCZ/SY-PPV/LiF/Al) are fabricated using SY-PPV as an emitting layer which have HOMO and LUMO energy levels of -5.30 eV and -3.11 eV. The maximum efficiency of the multilayered device with crosslinked X-PTPA interalyer is about 3 times higher than that of without interlayer device and still higher than crosslinked X-PCZ device. This can be explained by that crosslinked X-PTPA increased not only electron accumulate within emitter, SY-PPV, but also exciton formation due to charge balance.

소형 지능 소자 구동 시스템 개발과 제어기 설계

송무준 건국대학교 대학원 2008 국내석사

기술이 발전해 가면서 인간의 근육을 모방한 인공근육의 연구가 활발히 진행되고 있다. Piezo소자를 이용하여 개발된 지능소자도 인공근육으로써 개발된 것이다. Piezo소자는 그 특성상 작동하기 위하여 높은 전압을 필요로 하고 히스테리시스 오차를 가지고 있다. 따라서 지능소자를 정밀하게 움직이기 위해서는 제어가 필요하다[1, 2]. 본 연구에서는 지능소자 작동기를 이용하여 Piezo 소자를 구동하며 그 반응을 통하여 결과를 분석한다. 지능소자의 역학적 모델을 구하기 위하여 ARX 모델링 기법을 사용한다. 데이터 수집과 제어를 위하여 지능소자에 스트레인 게이지를 부착하여 사용하고, 신호처리 회로를 통하여 데이터를 획득한다. 또한 지능소자의 성능을 개선하기 위하여 PID[3] 제어기를 추가한다. 마이크로프로세서와 지능소자 작동기를 이용하여 설계된 제어기를 실제 시스템에 적용하고, 제어기와 각각의 이득이 시스템에 미치는 영향을 분석한다. A smart material is known to be able to generate large force in broad bandwidth in a compact size. In this paper, first, we tried modeling of the dynamics of the smart material. ARX model was used to model the dynamics of the smart material. We applied rectangular waves to the smart material and measured its responses with a strain gauge and a signal processing circuit. A 3rd order model was obtained applying identification algorithm to the input/output data. Secondly, we designed a PID controller based on the obtained model to improve the characteristics of the smart material. Finally, we tested a performance of PID controller.

원자층 제어를 통한 산화물 박막 및 계면 특성 응용 투명 태양전지, 3진법 소자 및 시냅스 소 자 연구

김지은 과학기술연합대학원대학교 한국전자통신연구원(ETRI) 2024 국내박사

4차 산업혁명 이후, 반도체 시장의 규모는 매년 확장되고 있으며, 인공지능, 전기차 등의 발전으로 그 수요가 증가될 것으로 예상된다. 한편, 시스템 반도체 업계에서는 소자의 성능과 효율을 개선하기 위해 반도체 미세화 공정을 개발을 하고 있으며, 이러한 기술들은 최첨단 칩을 요구하는 인공지능(AI), 자율주행차용 칩 등에 활용하기 위한 방향으로 주력하고 있다. 원자층 증착법(ALD)은 이러한 나노 공정의 필수적인 박막 증착 기술이다. 본 논문에서는 ALD 공정 엔지니어링을 통해 다양한 분야에 접목시켜 연구를 수행하였다. 먼저 ALD의 super-cycle 공정을 이용하여 새로운 물질인 AlxTiyO 박막을 제조하였으며, 박막을 구성하는 Al과 Ti의 조성비를 조절함으로써 반도체 물성인 유전율을 제어하는 연구를 수행하였다. 이렇게 제조한 산화물 박막을 창호형 투명 태양전지에 적용하여 시야성 확보, 다양한 색상 구현, 외부 환경으로부터 태양전지를 보호할 수 있는 봉지막으로 활용하였다. 투명 태양전지의 투과도 저하 없이 태양전지 효율을 기존 태양전지 대비 12% 증가했으며, 수증기 투과도는 1.96 ×10-3 g/m2 ‐day로 우수한 봉지막 성능을 확보하였다. 또한, ALD 공정 엔지니어링을 통해 AlxTiyO의 굴절률과 Al2O3의 두께를 조절함으로써 광학적 물성을 조절하여 8가지의 다양한 색상을 구현하는 결과를 보였다. 이러한 결과들은 창호형 투명 태양전지로써 요구사항들을 충족할 수 있는 결과이다. 다음으로는 3진법 반도체 소자를 개발하기 위해 ALD로 제조한 산화물 박막을 이용하였다. 3진법 소자는 차세대 대체 고효율 소자로 주목받는 연구 분야이며, 3개의 상태를 갖는 반도체 소자로 동일한 면적에서 고집적도, 고효율 동작이 가능한 소자이다. 본 연구에서 고안한 3진법 소자는 기존 트랜지스터 구조에 게이트 절연막으로 ALD로 제조한 5 nm의 초박막 Al2O3를 사용하여 고전압에서 발생하는 Fowler-Nordheim 터널링을 활용하여 3가지 상태를 구현한 소자이다. 본 소자의 소스 전극에 저항을 연결하여 VIN 대비 VOUT을 측정하였을 때 3가지 상태가 나타났으며, 특히 안정적인 중간 상태의 구현이 가능하다. 3진법 소자의 특성이 동확률 동작(equiprobable behavior)을 잘 나타냈으며, 200번의 동작에서도 내구성이 우수한 소자를 제작했다. 마지막으로 새로운 미래형 반도체인 시냅스 소자를 개발하여 현재 봉착한 컴퓨터 구조의 한계를 타계할 방안을 고안하였다. 오늘날 사용하는 기존의 폰노이만 컴퓨터 구조는 인공지능 활용에 있어 방대한 양의 데이터 처리할 때 생기는 속도 및 소비 전력 측면에서의 한계를 극복하기 위한 대체가능한 차세대 반도체 소자 개발이 필요하다. 뉴로모픽 컴퓨팅은 뉴런과 시냅스의 연결로 이루어진 인간의 뇌의 병렬적인 정보 처리를 모사하여 저전력, 고효율 컴퓨팅이 가능하다. 시냅스 소자는 뇌를 구성하는 시냅스 동작을 모방한 반도체 소자로 뉴런으로부터 전달된 신호를 통해 학습하고 저장하는 소자이다. 선행 연구된 채널의 계면 전하 트랩을 활용하는 TiO2 기반의 메모리 소자에 ALD 공정을 통한 계면 처리와 박막 조성제어를 통해 전하 트랩을 컨트롤하여 광시냅스 소자를 구현하는 방법을 고안하였다. 이때, 소자의 전력 효율을 높이기 위하여 기존의 메모리 소자 구조에 고유전 절연체 박막인 HfO2 박막을 적용하기 위한 최적화된 ALD 공정을 수립하였으며, 듀얼 게이트 절연막 구조의 광시냅스 소자를 제작했다. 본 연구에서 제작한 HfO2 박막은 HAC3라는 새로운 전구체를 활용하여 별도의 어닐링 공정 없이도 14.3의 고유전 박막을 제조할 수 있었다. 결과적으로, HfO2를 적용하였을 때 게이트 동작 전압을 1/4로 획기적으로 줄일 수 있었다. 광반응성을 가지는 TiO2 박막에 365 nm 파장에 대한 광자극을 인가하여 시냅스의 대표적인 특성인 STP, PPF, LTP 동작을 모방할 수 있었다. 추가적으로, 다양한 파장의 광자극에 대하여 광시냅스 소자의 트랩된 전하의 lifetime이 달라지는 것을 확인함으로써, 다양한 파장을 활용한 고성능 광시냅스 소자의 개발 가능성을 제시하였다. 또한, 인간의 두뇌 활동을 모사하는 하드웨어의 필요성으로 시각 정보 인식과 기억의 장기화에 대한 뇌 활동 매커니즘을 모사하는 시냅스 소자를 개발하기 위한 연구를 진행했다. ALD 공정을 통해 산화물 박막을 제조할 때 조성을 제어하여 산소 과잉의 SiOx 박막을 활용했다. SiOx는 채널과의 계면 트랩 자리에 전하를 제공하는 역할로 채널층인 TiO2와 접하는 구조를 가지며 전기 자극에 대한 시냅스 동작이 가능해진다. 광자극에 의해 트랩되는 전하는 shallow trap으로 트랩된 전하의 lifetime이 짧아 시각의 정보 인지 기능을 모사한다. 반면, 전기자극에 의해 트랩된 전하는 deep trap으로 lifetime이 길어 정보 기억 기능을 모사할 수 있다. 특히, 정보 기억 동작에서 게이트에 전압에 인가되는 읽기 전압에 따라 기억의 장기화 정도가 달라지는데 이는 인간의 주의력에 따른 기억의 유지정도를 조절할 수 있음을 모사할 수 있다. 본 연구에서는 ALD 공정을 통해 조성을 정밀하게 제어한 박막들을 활용하여 태양전지, 3진법 소자, 시냅스 소자 분야에 성공적으로 응용할 수 있었다. 향후, 차세대 메모리 소자 및 인공지능 하드웨어 구현에 있어 중요한 자료로 활용되길 기대한다. 주요단어(Key words): 원자층 증착, 산화물 반도체, 박막 엔지니어링, 시냅스 소자, 3진법 소자 Since the 4th industrial revolution, the semiconductor market has been expanding annually, and the demand is expected to increase with advancements in artificial intelligence (AI) and electric vehicles. In the system semiconductor industry, miniaturization processes are being developed to enhance the performance and efficiency of devices. These technologies focus on applications in advanced chips for AI and autonomous driving vehicles. Atomic layer deposition (ALD) is an essential thin-film deposition technique for such nano- processes. This thesis explores the application of ALD process engineering in various fields. Firstly, a novel material, AlxTiyO thin film, was fabricated using the super- cycle process of ALD. By controlling the composition ratio of Al and Ti in the thin film, research was conducted to adjust the dielectric constant, a semiconductor property. The fabricated oxide thin film was applied to window-type transparent solar cells, serving as a passivation layer that enhances visibility, implements various colors, and protects the solar cell from external environments. This application increased the efficiency of transparent solar cells by 12% compared to conventional solar cells without reducing transparency, and the moisture barrier performance was excellent with a water vapor transmission rate of 1.96 ×10-3 g/m2- day. Additionally, by adjusting the refractive index of AlxTiyO and the thickness of Al2O3 through ALD process engineering, optical properties were controlled to achieve eight different colors. These results meet the requirements for window- type transparent solar cells. Secondly, oxide thin films fabricated using ALD were utilized to develop ternary semiconductor devices. Ternary devices are a research area gaining attention as a next-generation high-efficiency alternative, allowing high-density and high-efficiency operation within the same area due to their three-state configuration. The ternary device designed in this study uses a 5 nm ultra-thin and uniform Al2O3 gate insulator manufactured via ALD, employing Fowler- Nordheim tunneling at high voltages to implement three states. When measuring VOUT versus VIN with a resistor connected to the source electrode, three distinct states were observed, demonstrating the ability to implement a stable intermediate state. The ternary device's characteristics showed equiprobable behavior, and it remained durable after 200 cycles. Lastly, the study aimed to overcome the current limitations of computer architecture by developing synaptic devices, a new type of future semiconductor. The von Neumann architecture currently in use faces challenges in speed and power consumption when processing vast amounts of data for AI applications. Neuromorphic computing, which mimics the parallel information processing of the human brain through neurons and synapses, offers low-power, high-efficiency computing. Synaptic devices simulate the functions of biological synapses by learning and storing information from signals transmitted by neurons. This study devised a method to implement optical synaptic devices by controlling charge traps through ALD process interface treatment and thin-film composition in TiO2-based memory devices utilizing interfacial charge traps. To enhance the device's power efficiency, an optimized ALD process was established for applying a high-k dielectric HfO2 thin film to the existing memory device structure, resulting in a dual-gate insulator optical synaptic device. The HfO2 thin film, using the new precursor HAC3, achieved a high-k value of 14.3 without additional annealing processes. Consequently, the application of HfO2 significantly reduced the gate operating voltage to one-fourth of its original value. The TiO2 thin film, which is photo responsive, mimicked the synaptic functions of STP, PPF, and LTP under 365 nm light stimulation. Additionally, by confirming that the trapped charge lifetime of the optical synaptic device varies with different wavelengths of light stimulation, the potential for developing high-performance optical synaptic devices utilizing various wavelengths was demonstrated. Furthermore, research was conducted to develop synaptic devices that simulate brain activity mechanisms for visual information recognition and memory retention, emphasizing the need for hardware that mimics human brain functions. Oxygen-excess SiOx thin films, with precisely controlled composition through ALD, were used. SiOx interfaces with the channel, providing charge traps and enabling synaptic operations with the TiO2 channel layer. Charges trapped by light stimulation are shallow traps, modeling visual information recognition with a short lifetime. In contrast, charges trapped by electrical stimulation are deep traps, modeling memory retention with a longer lifetime. The degree of memory retention varied with the read voltage applied to the gate during memory operation, simulating the modulation of memory retention based on human attention. This study successfully applied thin films with precisely controlled composition through ALD processes to fields such as solar cells, ternary devices, and synaptic devices. It is anticipated that the results will serve as important data for the implementation of next-generation memory devices and AI hardware. Key words: Atomic layer deposition, Oxide semiconductor, Materials engineering, Synaptic devices, Ternary value logic devices

혼합 호스트를 이용한 녹색 인광 유기발광다이오드의 전기광학적 특성 및 수명 연구

오누리 성균관대학교 일반대학원 2022 국내석사

유기발광소자(Organic Light-Emitting Diode, OLED)의 고효율과 긴 수명을 위하여 발광층(Emission Layer)에 호스트-도펀트 시스템이 이용되어왔다. 특히, 혼합 호스트를 이용하여 인광 유기발광소자(PhOLED)의 수명을 향상시키는 연구가 활발히 이뤄져 왔다. 혼합 호스트는 정공 수송 형(P-type) 호스트와 전자 수송 형(N–type)호스트를 발광층의 호스트로 사용한다. 정공 수송 형 호스트와 전자 수송 형 호스트가 정공과 전자를 각각 운반함으로써 유기발광소자의 열화를 방지하여 수명을 향상시킨다. Exciplex를 형성하는 강한 정공 수송 형 호스트인 Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine(TCTA), 3,3'-bis(1-phenylpyrrolo[3,2-b]carbazol-5(1H)-yl)-1,1'-biphenyl(DPhPCz) 등을 사용하여 인광 유기발광소자의 수명과 효율을 향상 시키기는 연구가 이루어져왔다. [13, 20] 본 논문에서는 강한 정공 수송 형 호스트인 9-[1,1'-Biphenyl]-4-yl-9'-phenyl-3,3'-bicarbazole(BPBCz)를 사용하여 exciplex free 타입 녹색 유기발광소자를 만들어 전기 광학적 특성 및 수명을 확인하고, 녹색 유기발광소자의 수명 향상 원인을 분석하였다. 소자 구조는 ITO (50nm)/DNTPD (60nm)/BCFN (20nm)/PCZAC (10nm)/발광층 (30nm)/DBFTrz (5nm)/ZADN (30nm)/LiF (1nm)/Al (200nm)이다. 발광층이 다른 세가지 소자를 제작하여 BPBCz를 사용한 유기발광소자의 수명을 분석하였다. 첫 번째 소자는 정공 수송 형 호스트인 BPBCz와 전자 수송 형 호스트인 PBICT이 50:50 혼합비로 증착했으며 Ir(ppy)₃를 5% 농도로 도핑하였다. 두 번째 소자는 발광층에 정공 수송 형 호스트로 BPBCz 대신 mCBP를 사용하였으며, 마지막 세 번째 소자는 전자 수송 형 호스트인 PBICT만을 사용 하였다. 각 소자들의 구조가 동일하기 때문에 정공 수송형 호스트만이 소자 간의 유일한 차이점이다. 각 소자의 특성 변화를 확인하고 수명에 영향을 주는 인자를 확인하였다. BPBCz:PBICT 소자는 mCBP:PBICT 소자 대비 1.7배의 수명 향상을 보였다. 이는 BPBCz:PBICT가 mCBP:PBICT 대비 여기자의 수명이 짧고, positive polaron 안정성이 뛰어나기 때문이다. 이 논문에서 더 강한 정공 수송 성질을 가지며 positive polaron에서 상대적으로 안정성이 높은 BPBCz를 사용할 경우 소자의 수명이 향상되었음을 확인하였다. 이를 통해 혼합 호스트 유기발광소자의 수명에서 정공 수송 형 호스트의 특성이 중요하며, 수명을 향상시키기 위해서 정공 수송 형 호스트의 positive polaron에서의 안정성, HOMO, LUMO의 에너지 레벨, 전자 수송 형 호스트와의 exciplex 형성 여부 등이 종합적으로 검토되어야 함을 확인 할 수 있었다. For the high efficiency and long lifetime of phosphorescent organic light-emitting diodes (PhOLEDs), the host-dopant systems have been used in the Emissions Layer. In particular, studies have been actively conducted to improve the lifetime of the PhOLEDs by using a mixed host. Mixed host uses a hole transport type (p-type) host and an electron transport type (n-type) host as a host of the emission layer. The p-type host and n-type host carry holes and electrons, respectively, to prevent degradations of organic light-emitting devices, improving their lifetime. Research has been conducted to improve the lifetime and efficiency of the PhOLEDs using tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine(TCTA) and 3,3'-bis(1-phenylpyrrolo[3,2-b]carbazol-5(1H)-yl)-1,1'-biphenyl(DPhPCz), which are strong hole transport hosts that form exciplex. In this paper, an exciplex free type green OLED was made using a strong hole transport type host 9-[1,1'-Biphenyl]-4-yl-9'-phenyl-3,3'-bicarbazole(BPBCz), the electro-optical properties and lifetime were confirmed, and the cause of the improvement in the lifetime of the green OLED was analyzed. The device structure was ITO (50nm)/DNTPD (60nm)/BCFN (20nm)/PCZAC (10nm)/emitting layer (30nm)/DBFTrz (5nm)/ZADN (30nm)/LiF (1nm)/Al (200nm). Three devices with different emission layers were manufactured to analyze the lifetime of organic light emitting devices using BPBCz. In the first device, the p-type host (BPBCz) and the n-type host (PBICT) were deposited at a 50:50 mixing ratio, and Ir(ppy)₃ was doped with 5% concentration. The second device used mCBP as a p-type host instead of BPBCz for the emission layer, and the third device used only the n-type host (PBICT). P-type hosts are the only differences between devices because each device has the same structure. The characteristic changes of each device were analyzed and the factors affecting its lifetime were identified. The BPBCz:PBICT devices showed lifetime 1.7 times longer than that of the mCBP:PBICT device. This is because BPBCz:PBICT has a shorter exciton lifetime and more positive polaron stability than mCBP:PBICT. In this paper, it was confirmed that the lifetime of the device was improved when using BPBCz, which has a stronger P-host property and relatively high stability in positive polarons. This confirms that the characteristics of the P-type host are important in the lifetime of the mixed host organic light emitting device, and that stability at the positive polaron state of the P-type host, the energy level of HOMO, LUMO, and the formation of an exciplex with the N-type host should be considered comprehensively.

綠色有機發光素子의 高效率 및 壽命向上에 관한 硏究

기현철 전남대학교 대학원 2009 국내박사

Organic Light Emitting Device (OLED) has a characteristics to change the electric energy into the light when the electric field is applied to the organic material. OLED is currently employed as a light source for the lighting tools because research has progressed extensively the improvement of luminance and efficiency. OLED is widely used in the plate display device because of a simple manufacture process and high emitting efficiency. In this dissertation, Alq3 was used as a material to emit the green light in the green OLED and TPD in the HTL(Hole Transportation Layer) was used for the harmonious transportation of Hole. Also, LiF metal was utilized for ETL(Electron Transportation Layer) For the improvement of the emitting efficiency of green OLED, ITO surface was treated by using the RF plasma. Here, RF plasma power was changed to 25, 50, 100, and 200 W. Sheet resistance and surface roughness of ITO were measured after surface treatment. Sheet resistance of device treated with RF power of 25 W was 7.042 Ω/sq and surface roughness of device with RF power of 200 W was 2.438 nm. Green OLED was fabricated by using the substrate, which is ITO with surface treatment. Then, the electric and optical characteristics of green OLED were analyzed. The operating voltage was 5.5 V and luminance was 7,371 cd/m2 in case of RF power of 25 W. The measurement results were shown that the operating voltage was low because the work-function of ITO was increased when the sheet resistance of ITO was high. Here, the luminance and efficiency were enhanced by small surface roughness Also, we have proposed an Index matching film to improve the emitting efficiency of green OLED. Here, SiO2 and TiO2 were selected Index matching film coating material. The structures of Index matching film were designed in Glass/TiO2/SiO2/ITO and SiO2/TiO2/Glass/ITO. Then, these materials were deposited by ion-assisted deposition system. Transmittances of deposited devices were 86.14 and 85.07 %, respectively. These results show that the proposed structure has higher transmittance than the conventional ITO device. Luminances of green OLED with Glass/TiO2/SiO2/ITO and SiO2/TiO2/Glass/ITO structure were 15,400 and 13,000 cd/m2, respectively, at the applied voltage of 13.5 V. The measured luminances were increased by 1.5 and 2 times, respectively, in comparison with green OLED with surface treatment(7,370 cd/m2). In addition, these results were enhanced by 4.7 and 6 times, respectively, in comparison with green OLED without surface treatment(2,570 cd/m2). These results show that Index matching films have an effect on the improvement of efficiency and luminance of green OLED. In the research, we have proposed a novel encapsulation with simple process and steady film for external environment in comparison with conventional encapsulation method. This was designed to cover the emitting organic material from air. Silicon dioxide was used for thin film of encapsulation and the deposition thickness of the organic film was 220 nm. Operating voltage of green OLED with encapsulation was 5.5 V and luminance was 7.370 cd/m2 at the applied voltage of 14.5 V. Luminance was measured in 40 hour intervals at the air-exposed condition. After 400 hours, 1,000 hours, 1,600 hours and 2,000 hours, luminances of green OLED were 7,366, 7,200, 6,210 and 5,100 cd/m2, respectively. Luminance of green OLED doesn't decrease until 2,000 hours. As a results, proposed encapsulation can increase the life time of green OLED. 유기발광소자는 유기재료에 전계를 가하여 전기에너지를 빛으로 바꾸어주는 소자로서, 휘도 및 효율의 향상에 관련된 연구가 진행됨에 따라 조명기기용 광원으로 대체되고 있는 소자로 주목되고 있다. 또한 유기발광소자는 제작 공정이 간단하고 높은 발광효율을 나타내기 때문에 평판형 디스플레이 소자로 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 녹색유기발광소자의 발광층 물질로는 Alq3를 사용하였으며, 정공의 수송을 원활하기 위하여 정공수송층으로는 TPD를, 전자의 수송을 위하여 LiF를 사용하였다. 녹색유기발광소자의 효율을 향상시키기 위하여 양극으로 사용하는 ITO 표면을 RF plasma로 표면처리를 하였다. 이때, RF 플라즈마 출력은 25, 50, 100 및 200 W로 변화 시켰다. 표면 처리된 ITO 기판의 표면저항과 표면거칠기, 투과율을 측정했을 때, RF plasma power를 25 W로 처리한 소자의 표면 저항값이 7.042 Ω/sq으로 가장 높았으며, 표면거칠기는 200 W로 처리한 소자의 값이 2.438 nm로 우수한 특성을 나타냈다. 표면처리한 ITO 기판을 이용하여 녹색유기발광소자를 제작하였고, 전기 및 광학적 특성을 분석하였다. 플라즈마 출력이 25 W인 경우 동작전압은 5.5 V, 인가전압 14 V일 때 휘도는 7,371 cd/m2으로 우수하였다. 플라즈마 처리에 따른 ITO의 표면저항이 높은 값을 갖는 소자일수록 일함수 값이 증가하기 때문에 동작전압은 낮아지며, 표면거칠기 특성이 향상됨에 따라 휘도와 효율이 향상 될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 발광효율을 향상하기 위하여 Index matching film을 적용하였으며, 증착 물질로는 SiO2, TiO2를 선정하였다. Index matching film의 구조는 Glass/TiO2/SiO2/ITO 와 SiO2/TiO2/Glass/ITO 구조로 설계하여 증착하였다. 증착된 소자의 투과율을 측정하였으며, 각소자의 투과율은 각각 86.14 % 와 85.07 %로 일반적인 ITO(투과율 80%)보다 높은 투과율을 나타냈다. Glass/TiO2/SiO2/ITO 구조와 SiO2/TiO2/Glass/ITO 구조의 기판을 사용하여 제작된 녹색유기발광소자의 소자 휘도는 인가전압 13.5 V일 때 각각 15,400 cd/m2 와 13,000 cd/m2를 나타냈다. 표면처리하지 않는 소자의 휘도(2,570cd/m2)보다 Index matching film을 적용한 유기발광소자의 효율이 각각 약 6배와 약 2배 향상되었다. 또한, 표면 처리한 소자의 휘도는 7,370 cd/m2이므로 Index matching film을 적용한 유기발광소자의 효율이 각각 약 2배와 약 1.7배 향상되었다. 이상의 결과로부터 Index matching film이 유기발광소자의 휘도 향상과 효율 향상에 유효함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 봉지방법과 비교하여 공정이 간단하고 실리콘 다이옥사이드 박막을 사용함으로써 외부 영향에 강한 녹색유기발광소자의 유기물층을 공기로부터 완전 보호 할 수 있도록 설계하였다. 봉지방식의 박막으로는 실리콘 다이옥사이드 박막을 이용하였으며, 증착두께는 녹색유기발광소자의 유기박막의 증착 두께인 220 nm을 증착하였다. 봉지방법을 적용하여 제작한 녹색유기발광소자의 동작전압은 5.5 V, 휘도는 인가전압이 14.5 V일 때 7,370 cd/m2를 나타냈다. 인가시간이 400, 1,000, 1,600 및 2,000시간 경과 후 각각의 휘도는 7,366, 7,200 6,210 및 5,100 cd/m2 나타낸 결과로 부터 시간이 경과함에 따라 밝기는 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나 단일박막을 적용하여 제작한 유기발광소자의 수명은 2,000시이간 지나도 초기의 휘도의 50 % 이상 유지함으로 소자의 수명은 약 2,000시간이 넘는 것으로 판단된다. 본 연구에서 제안된 단일 박막을 이용한 Encapsulation 방식은 유기발광소자의 수명향상을 할 수 있다고 판단된다.

Modeling of Three-Dimensional Nanoscale MOSFETs : 3차원 구조의 나노스케일 MOSFETs의 모델링

Choi Byung kil 경북대학교 일반대학원 2009 국내박사

전자소자의 높은 집적도와 성능을 얻기 위해서 소자축소화는 반드시 필요하다. 그러나 채널길이 100nm이하에서 전통적인 평판형 채널을 가진 MOSFETs은 소자축소화시 문턱전압 저하, subthreshold swing (SS) 저하, drain-induced barrier lowering (DIBL), dielectric tunneling에 의한 누설전류 증가, junction에서의 band-to-band tunneling과 같은 심각한 문제점들을 야기 시키고 있다. 이러한 문제점들을 해결 하기 위해서 다양한 3차원 구조의 전자소자들이 제안 되었다. 특히 3차원 구조의 전자소자들중 전통적인 실리콘 (silicon) 기판위에서 제작된 기판 연결형bulk FinFETs은 낮은 웨이퍼 (wafer) 단가, 기존 평판형 소자제작 공정과의 호환성, 탁월하게 개선된 소자 특성으로 인해 유력한 차세대 미래 전자소자로 고려되고 있다. 본 논문에서는 다양한 구조의 3차원 전자소자들중 double-gate (DG) MOSFETs, surrounding-gate (SG) MOSFETs, 그리고 bulk FinFETs의 DC 특성들에 대해 모델링을 수행하였다. DG MOSFETs, SG MOSFETs, bulk FinFETs 소자들을 집적회로에 적용하기 위해선 문턱전압, SS, DIBL, I-V 특성과 같은 DC 특성들의 모델링 작업이 반드시 수행 되어야 한다. 3차원 소자들의 DC 모델링은 3장에서 문턱전압을, 4장에선 oxide capacitance에 관해 수행 되었으며, 마지막으로 5장에서 SS 와 I-V 특성들을 모델링 하였다. 문턱전압 모델은 charge-sharing을 바탕으로 단채널효과, 좁은폭효과, surface potential lowering, 코너효과 등을 고려하여 gate bias (VGS), drain bias (VDS), back bias (VBS)의 함수로 모델링 되었다. 전자소자의 동작영역중 inversion 영역에선 inversion-layer에 의한 inversion-layer capacitace (Ci) 가 존재하게 되고, Ci 는 oxide capacitance을 줄여 주는 역할을 하게 되는데, 이러한 Ci 효과를 고려하여 undoped 또는 doped 채널을 가지는 DG와 SG MOSFETs의 effective oxide capacitance 모델링을 수행 하였다. 전자소자들의 전 동작영역은 크게 다음과 같이 세영역으로 구분할 수 있다: subthreshold, inversion, transition region. DG MOSFETs, SG MOSFETs, bulk FinFETs의 전 동작영역에 걸쳐 surface potential, effective oxide capacitance, charge-sheet approximation을 기반으로 I-V 특성을 모델링 하였다. 본 논문에서 제안된 모델들은 주어진 VGS 와 VDS 에서 gate length (Lg), gate height (Hg), silicon body width (Wfin), silicon body doping (Nb) 등 다양한 소자 파라미터 함수로 시뮬레이션 결과와 비교 검증 되었으며, 시뮬레이션 결과들과 매우 잘 일치함을 볼 수 있었다. 수행된 다양한 compact 모델들중 bulk FinFETs의 문턱전압과 전류모델은 세계최초로 제안된 모델이다. 본 논문에서 제안된 다양한 DC compact 모델들은 closded-form형태로 모델의 이해도가 높으며 정확도가 높은 장점들을 가지고 있다. 제안된 모델들을 이용하여 차세대 나노 CMOS 소자로 각광 받고 있는 DG MOSFETs, SG MOSFETs, bulk FinFETs의 특성들을 보다 쉽게 이해 할 수 있으며, 이러한 모델들은 상용 소자시뮬레이터의 모델로 이용 되어질 수 있으며, 특히 3차원 소자들이 산업계에서 상용화 될시 소자의 설계 및 제작에 큰 도움을 줄 것으로 예상된다.

Core/Shell 구조의 전자수송층을 이용한 QLED의 전기 및 광학적 특성 연구

은예빈 순천향대학교 대학원 2022 국내석사

양자점 발광 다이오드(Quantum Dot Light Emitting Diode)는 수 나노미터 크기의 0차원 반도체 결정인 양자점을 발광층으로 사용하는 소자로, 유기물을 사용하는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode)에 비해 색순도가 우수하고 용액 공정 등의 다양한 공정 활용이 가능하여 차세대 디스플레이로서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 양자점 발광 다이오드는 여전히 발광층에서 발생하는 전하 불균형의 개선이 필요하다. 전하 불균형 현상은 양자점 발광 다이오드의 특성을 저하시키기 때문에 양극과 음극을 통해 주입되는 정공과 전자의 균형을 맞춰주는 것이 중요하다. 본 연구에서는 전자와 정공의 주입 균형을 향상시키기 위해 졸-겔법을 통해 ZnO 나노입자에 마그네슘을 도핑하여 도핑농도 0∼30%의 Mg가 도핑된 MgZnO 나노입자를 합성하였으며, 이를 전자수송층에 적용하여 양자점 발광 소자를 제작하고 전기 및 광학적 특성을 확인하였다. 소자의 구조는 ITO / PVK / QD / ZnO 또는 MgZnO / Al이며 최대 전류효율은 MgZnO 20% 조건에서 53 cd/A로 가장 우수한 특성을 보였다. Mg 도핑농도가 증가할수록 전류밀도가 감소하는 경향을 보였으나 전류효율이 증가하는 것을 확인하였다. 하지만 Mg 도핑농도가 25% 이상이 되었을 때 입자의 응집 현상이 나타나 효율이 감소하였다. 따라서 입자 응집 현상을 감소시키기 위해 MgZnO 나노입자를 Core/Shell 구조로 합성하였으며, 이를 통해 입자의 응집이 감소하였음을 확인하였다. Core/Shell 구조를 가진 MgZnO 나노입자를 도핑농도 별로 합성하였으며, 소자의 전자수송층에 적용하여 전류효율 특성 향상을 위한 연구를 진행하였다. 소자의 구조는 ITO / PVK / QD / Core/Shell MgZnO / Al 이며 Core에 도핑되는 마그네슘의 양이 증가할수록 전류밀도가 증가하는 경향을 보이고 전류효율도 증가하는 것을 확인하였다. 기본구조를 갖는 MgZnO 소자와 비교하여, 최대 전류효율은 Core(Zn(80%) +Mg(10%))/Shell(Mg(10%)) 구조의 전자수송층으로 제작한 QLED의 전류효율은 58 cd/A이며, Core((Zn(75%)+Mg(20%))/Shell(Mg(5%)) 구조의 전자수송층으로 제작한 QLED의 전류효율은 58 cd/A의 우수한 특성을 갖는 양자점 발광 소자를 개발하였다. Quantum dot (QD) light-emitting diodes (QLEDs) have been widely studied for displays due to their size-tunable emission wavelength, narrow emission spectra, and solution processability. The QD emissive layer (EML) is generally positioned between an organic hole transport layer (HTL) and an electron transport layer (ETL). In a typical QLEDs, electrons can be injected easily through a ZnO nanoparticles or an MgZnO used as an electron transport layer (ETL) from the cathode into a QD EML, due to a small energy barrier between the conduction band minimum (CBM) of the QD EML and the work function of the cathode. However, it is hard for hole to inject through the organic HTL, from the anode into the QD EML, because of a large energy barrier between the valence band maximum (VBM) of the QD EML and the work function of the anode, and due to the low hole mobility of the organic HTL compared with the large electron of the ZnO nanoparticle or MgZnO nanoparticles used as an ETL (which results in excessive electron injection). The imbalance of electron and hole injections gives rise to charging in the QD EML and non-radiative Auger recombination, leading to a reduction of luminous efficiency. In this thesis, MgZnO nanoparticles with a doping concentration of 0 to 30% were synthesized by doping Mg into ZnO nanoparticles through a sol-gel method to improve the electron and hole injection balance in the EML. QLEDs were fabricated using the MgZnO nanoparticles, and their electrical and optical properties were investigated. The device structure was ITO / PVK / QD / ZnO or MgZnO / Al, and the maximum current efficiency was 53 cd/A under the condition of MgZnO 20%, showing the best characteristics. As the doping concentration of Mg increased, the current density showed a tendency to decrease, but it was confirmed that the current efficiency increased. However, when the doping concentration of Mg was 25% or more, particle agglomeration was occurred and the current efficiencies decreased. Therefore, MgZnO nanoparticles with a core/shell structure were proposed to reduce particle agglomeration. It was investigated that particle aggregation was reduced for MgZnO with core/shell structure. MgZnO nanoparticles with the core/shell structure were synthesized by synthesizing an MgO shell on MgZnO core to improve current efficiency characteristics. The device structure was ITO / PVK / QD / Core/Shell MgZnO / Al. The amount of Mg doped to the core increased, the current density and current efficiency exhibited to increase. The current efficient of the QLED with core/shell structure was 58 cd/A, which is enhanced by about 10% compared to the QLEDs without shell structure. In this thesis, high efficiency and bright QLED with core/shell structure was successfully explored.

赤色有機發光素子의 外光效率 向上에 관한 硏究

김상기 전남대학교 대학원 2010 국내박사

유기발광소자를 위한 포스페이트를 포함하는 유기분자의 효율적인 전자주입 기작에 대한 연구

이선애 건국대학교 교육대학원 2010 국내석사

높은 휘도와 낮은 전압을 갖는 소자를 제작한 Tang과 Vanslyke 이후로 유기발광소자에 대한 연구가 활발해졌다. 유기발광소자의 급속한 발달로 지난 10년간 유기발광소자의 성능은 향상되었다. 유기발광소자에 사용되는 기본적인 구조로는 양극/발광층/음극으로 이루어진 단층 구조이고 효율을 향상시키기 위해서는 다층구조가 적합하다. 다층구조의 소자는 양극/정공주입층/정공수송층/발광층/전자수송층/전자주입층/음극이다. 주입된 전자의 수를 증가시키는 방법 중 하나는 음극과 전자수송층 사이에 전자주입층을 삽입하는 것이다. 이는 전하의 균형과 재결합을 향상시킬 수 있다. 최근에 많은 그룹에서 유기물질과 금속의 경계에 밴드갭이 큰 무기염이나 유기염, 금속 유기 물질을 도입함으로써 전자주입을 향상시키는 연구를 발표하고 있다. 게다가 발광층 물질과 음극 사이의 강한 화학적 상호작용은 전자주입층에 의해 감소될 수 있다. 전자주입층은 적은 빛 흡수뿐만 아니라 효율적인 전자주입을 위해 적절한 두께를 가져야 한다. 지금까지는 LiF, NaCl, NaF, CsF, MgF2와 같은 무기금속화합물들이 효율적인 전자주입 물질로 사용되었다. 또한, Liq와 LiMeq와 같은 유기계면층도 연구되었다. 본 연구에서는 금속물질을 바탕으로 하는 전자주입층 대신에 1-(Diphenyl-phosphinoyl)-4-(2,2-Diphenyl-vinyl)-Benzene(DpDvB)과 4-(Diphenyl-phosphinoyl)-4'-(2,2-Diphenyl-vinyl)-Biphenyl(DpDvBp)을 사용하였다. 우선, DpDvB(3 nm)와 DpDvBp(5 nm)의 적절한 두께를 찾아냈고, 기준소자를 비롯한 각각의 소자를 비교하였다. 제작한 소자의 구조는 ITO/NPB/Alq3/Al, ITO/NPB/Alq3/LiF/Al, ITO/NPB/Alq3/DpDvB/Al, ITO/ NPB/Alq3/DpDvBp/Al 이다. 전자주입층을 사용하지 않은 소자보다 DpDvB와 DpDvBp를 사용한 소자에서 전자주입이 증가했고 또한 효율이 증가하는 것을 볼 수 있었다. Organic Light-Emitting Devices(OLEDs) have been widely investigated since the report of Tang and Vanslyke with high brightness and low voltage heterojunction device. With the rapid development of OLED technology, the significant improvement of OLED performance levels has been made over the last decade. The general multilayer device structure is the configuration of anode/hole injection layer(HIL)/hole transport layer(HTL)/emission layer(EL)/electron transport layer(ETL)/electron injection layer(EIL)/cathode. The role of each layer in the device is well known and many studies have been conducted to improve the device properties. The reduction of driven voltage in OLEDs is crucial to improve their power efficiencies and electroluminescence(EL). One of the most important issues in OLEDs may be the electron injection efficiencies which are very important to realize high luminance and low operating voltages. There are several ways to increase the number of injected electrons including modification of cathode, electron injecting layer and electron transport layer for carrier balance and recombination. Recently a number of groups have reported that electron injection can be significantly improved by inserting a thin layer of large band gap inorganic and organic salts or metal organic materials at the organic/metal interface. Moreover strong chemical interaction between emission material and deposited cathode is reduced by inserting a thin electron injection layer. The electron injection layers should have the proper thickness for efficient electrons injection as well as lowest light absorption. So far inorganic metal complexes, such as LiF, NaCl, NaF, CsF, MgF2 etc., have been used as effective electron injecting material for OLEDs fabrication. The use of organic interfacial layers such as lithium 8-hydroxyquinoline(Liq) and lithium 2-methyl-8-hydroxyquinoline(LiMeq) have also been investigated. Instead of using metal based injection layer, we synthesised organic materials 1-(Diphenyl-phosphinoyl)-4-(2,2-Diphenyl -vinyl)-Benzene(DpDvB) and 4-(Diphenyl-phosphinoyl)-4'-(2,2- Diphenyl-vinyl)-Biphenyl(DpDvBp) and used as efficient electron injection layer for high performance OLEDs. In this paper, I report on the preparation and use of DpDvB and DpDvBp as efficient electron injecting layer for simple ITO/a-NPB/Alq3/Al devices. The presence of DpDvB and DpDvBp thin layers between cathode and organic emission layer is found to be significantly enhancing the electron injection and improve the efficiency of the device comparable to that of ITO/a-NPB/Alq3/Al device. The thickness optimization and the dependence of efficiency on the thickness of the DpDvB and DpDvBp layer will be described in detail.