ZnMgO NPs 전자수송층으로 이용한 섬유형 QLED 소자 특성에 관한 연구 = A study on characteristics of fiber-quantum dot light-emitting diodes with ZnMgO NPs used as an electron transport layer

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 표 목차 ⅳ
• 그림 목차 ⅴ
• 국문요약 ⅶ
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 양자점 (Quantum dot) 3
• 2.1.1 양자점의 특성 3
• 2.1.2 양자 제한 효과 5
• 2.2 산화물 나노 입자 9
• 2.2.1 산화물 나노 입자의 특징 9
• 2.2.2 ZnO NPs의 특성 10
• 2.3 QLED (Quantum dot Light Emitting Diode) 14
• 2.3.1 QLED의 구조 및 동작원리 14
• 2.3.2 공간 전하 제한 전류 (Space Charge Limited Current) 16
• 제 3 장 ZnMgO NPs 합성 및 특성 연구 18
• 3.1 ZnMgO NPs 합성 방법 18
• 3.2 ZnMgO NPs 합성 결과 18
• 3.2.1 XRD (X-ray diffraction) 21
• 3.2.2 TEM (Transmission electron microscopy) 23
• 3.2.3 AFM (Atomic force microscopy) 25
• 3.3 ZnMgO NPs 특성 분석 30
• 3.3.1 UPS (Ultraviolet photoelectron spectroscopy) 30
• 3.3.2 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 34
• 제 4 장 QLED 소자 특성 연구 39
• 4.1 진공 열 증착 (Vacuum thermal evaporation) 39
• 4.2 용액공정 (Solution process) 40
• 4.3 QLED 소자 제작 및 측정 41
• 4.3.1 소자 제작 방법 41
• 4.3.2 소자 측정 방법 43
• 4.4 QLED 소자 특성 평가 44
• 4.4.1 ZnO NPs 농도에 따른 특성 평가 44
• 4.4.2 ZnO NPs 열처리 온도에 따른 특성 평가 49
• 4.4.3 Zn1-xMgxO NPs 마그네슘 조성비에 따른 특성 평가 53
• 제 5 장 섬유형 QLED 소자 특성 연구 59
• 5.1 섬유형 QLED 소자 제작 59
• 5.1.1 진공 열 증착 (Vacuum thermal evaporation) 59
• 5.1.2 용액공정 (Solution process) 59 5.1.3 소자 제작 방법 61
• 5.2 섬유형 QLED 소자 특성 평가 62
• 제 6 장 결 론 64
• 참고문헌 67
• ABSTRACT 74