RF Sputtering 방식으로 증착된 ZnO 박막을 전자 수송층으로 사용한 양자점 전계 발광 다이오드에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Colloidal quantum dots (QDs) are semiconductor nanocrystals that have unique electrical and optical properties. The QDs have been applied to various fields, especially quantum dots light-emitting diodes (QLEDs) for the next generation display. ZnO nanoparticles (ZnO NPs) are the most widely used materials for the electron transport layer (ETL) because they are transparent in the visible region, fast electron transition by proper band gap and it also are capable of solution processing. However, the charge imbalance in the emission layer (EML) is occurred by ZnO NPs due to their too high electron mobility. In addition, oxygen vacancies in ETL cause non-radioactive recombination at the ETL-EML interface. We fabricated a QLED using ETL by depositing a ZnO single layer by rf sputtering. As a result, as the oxygen partial pressure increased during ZnO single layer deposition, the formation of oxygen vacancies was suppressed, and the current density of QLEDs was decreased, and the performance of QLEDs was greatly improved.
Also, we fabricated the QLEDs with double ZnO layers deposited by rf sputtering. The devices have the inverted structure of ITO/ZnO1/ZnO2/QDs/CBP/MoO3/Al. After deposition the first ZnO layer (ZnO1) to perform the role of general ETL by rf sputtering process, the second ZnO layer (ZnO2) was deposited to limit electron transport under various condition using the same ZnO target. The deposition condition of ZnO2 was controlled by different partial pressure of O2 for the optimized EL performance. The optical/electrical characteristics of two devices (ZnO NPs versus double ZnO layers) were also compared with each other.
As a result, the ZnO double layers improve charge balance of electrons and holes in the EML and suppresses the non-radioactive recombination at the ETL-EML interface by controlling the partial pressure of O2. By the ZnO double layers, the performance of QLEDs with the inverted structure can be improved dramatically without additional materials.

국문 초록 (Abstract)

콜로이드 양자점(QDs, Colloidal quantum dots)은 반도체 나노 결정의 물질로 입자 크기에 따라 물질의 밴드갭이 변화하는 양자 제한 효과로 인해 고유한 전기적 및 광학적 특성을 갖는 무기물 발광체이다. 이러한 특성으로 인해 양자점은 색의 조절이 용이하며 좁은 반치폭 (FWHM, Full width half maximun)을 갖는 특성으로 인해 색의 순도가 높은 물질이다. 또한 기존의 유기물 발광체와 달리 용액 공정을 통해 증착하기 쉽다는 장점을 가진 물질이다. 현재 양자점은 현재 태양광 전지, 디스플레이용 컬러 필터 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며 특히 차세대 디스플레이용 양자점 전게 발광 다이오드는 (QLEDs, Quantum dots light-emitting diodes)에 적용되고 있으며 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.
QLEDs가 최초로 학계에 보고된 이후로 QLEDs를 구성하는 정공 수송층 (HTL, Hole transport layer), 전자 수송층 (ETL, Electron transport layer)으로 사용하는 물질에 대해 연구가 진행되고 있다. 그중 ZnO 나노입자(ZnO NPs)는 가시광선 영역에서 투명하고 적절한 밴드갭에 의한 전자 전이가 빠르며 용액 처리가 가능하기 때문에 전자 수송층에 가장 널리 사용되는 재료이다. 그러나 ZnO NPs의 높은 전자 이동도는 발광층 (EML, Emitting layer)에서의 전자와 정공의 불균형을 발생시킨다. 또한 ZnO NPs 용액은 상온에서 용액이 쉽게 변하는 낮은 안정성을 가지고 있으며, ZnO NPs에 존재하는 산소의 공공은 ETL과 EML에서의 비방사성 재결합을 유발하는 문제점이 있다.
본 논문에서는 대표적인 물리적 기상 증착법 (PVD, Physical vapor deposition)인 RF Sputtering 증착법을 사용하여 ZnO NPs의 낮은 안정성 문제를 극복하고, ZnO 층을 단일층과 이중층 박막으로 증착하여 이를 ETL로 사용한 QLEDs를 제작하여 EML에서의 전하 불균형을 해결하고자 하였다. RF Sputtering 증착법은 공정 변수의 조절을 통해 박막의 특성을 향상시킬 수 있으며 박막의 재생산성이 뛰어나다. 또한 증착 속도가 안정적이고 반응성 가스의 주입을 통해 박막의 화학적 조성을 변화시킬 수 있으며 기판의 선택이 자유롭다는 장점이 있다. 이러한 RF Sputtering의 대표적인 공정 변수로는 공정 압력 (W.P, Working pressure), 주입된 아르곤 가스 (Ar)와 산소 가스 (O2)의 비율, 인가 전력, 온도 등이 알려져 있다.
본 연구에서는 RF Sputtering 공정으로 ZnO 단일층을 다양한 조건에서 증착하여 안정적인 ZnO 박막을 형성하고 이를 ETL로 사용하여 QLEDs를 제작한 후 QLEDs의 광특성을 평가하였다. 또한 Ar과 O2의 비율을 조절하여 Sputtering 공정 중에서 발생하는 산소 공공의 형성을 억제하여 전하의 불균형을 완화하고자 하였다.
또한 ZnO 단일층 실험 결과를 바탕으로 ZnO 이중층을 증착하여 QLEDs를 제작한 후 QLEDs의 광특성을 평가하였다. ZnO 이중층은 일반적인 ETL 역할을 수행하는 첫 번째 ZnO 층 (ZnO1)을 증착한 후 동일한 ZnO 타겟을 사용하여 Ar과 O2의 비율을 조절하여 전자의 수송을 제한하기 위해 두 번째 ZnO 층 (ZnO2)을 증착하였다.
그 결과, RF Sputtering시 O2의 비율이 증가할수록 ZnO 단일층의 광학적, 전기적 특성이 향상되었으며, ZnO 이중층 기반 QLEDs 역시 두번째 ZnO 층의 O2비율이 증가함에 따라 광학적, 전기적 특성이 향상되었다. 연구 결과 RF Sputtering을 통해 안정한 ZnO 박막을 형성하고, O2의 분압을 제어하여 ETL과 EML 계면에서의 비방사성 재결합을 억제하였으며 EML에서 전자와 정공의 전하 균형을 개선하여 QLEDs의 특성을 향상시켰다. 이러한 결과를 통해 RF Sputtering 증착법으로 증착한 ZnO 박막 기반 QLEDs는 ZnO NPs의 문제를 해결하고 양자점 기반 디스플레이의 성능을 개선할 수 있을 것으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 7
• 제 1 절 콜로이달 양자점의 특성 7
• 제 1 항 양자 제한 효과에 따른 특성 8
• 제 2 항 나노 사이즈 양자점의 특성 9
• 제 3 항 양자점의 조성 12
• 제 2 절 양자점을 이용한 전계발광 소자 13
• 제 1 항 QLEDs의 구동원리 및 구조 13
• 제 3 절 Sputtering 기법 18
• 제 1 항 물리적 기상 증착법의 특징 18
• 제 2 항 물리적 기상 증착 메커니즘 18
• 제 3 항 플라즈마의 특징 19
• 제 4 항 Sputtering 증착법의 특징 19
• 제 5 항 Sputtering 증착법의 공정 변수 20
• 제 6 항 Sputtering 증착법의 종류 22
• 제 3 장 QLEDs 제작 24
• 제 1 절 ZnO 박막의 형성 24
• 제 2 절 ZnO 단일층 기반의 양자점 전계발광 소자 제작 25
• 제 1 항 ITO 기판 세척 및 ZnO 박막의 형성 26
• 제 2 항 ITO 기판의 표면 처리 27
• 제 3 절 용액공정 27
• 제 1 항 스핀코터를 이용한 박막 코팅 27
• 제 4 절 증착공정 29
• 제 1 항 열 증착 (Thermal evaporation) 29
• 제 5 절 ZnO 이중층 기반의 양자점 전계발광 소자 제작 31
• 제 6 절 소자 특성 평가 34
• 제 4 장 결과 및 고찰 36
• 제 1 절 ZnO 박막의 분석 36
• 제 2 절 양자점 전계발광 소자의 특성 43
• 제 1 항 ZnO 단일층 기반의 양자점 전계발광 소자 특성 43
• 제 2 항 ZnO 이중층 기반의 양자점 전계발광 소자 특성 53
• 제 3 항 ZnO 이중층 기반 양자점 전계발광 소자의 수명 특성 58
• 제 5 장 결 론 60
• 참고문헌 62
• Abstract 65