ZnO 나노입자를 이용한 용액공정 OLED에 관한 연구 = A study on solution process OLED using ZnO nanoparticles

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 제1절 OLED의 기본 원리 3
• 1. OLED의 정의 3
• 2. OLED의 구조 4
• 제2절 OLED의 발광 7
• 1. OLED의 발광 원리 7
• 2. 형광과 인광 8
• 3. Charge Injection & Transport 11
• 3.1 Schottky Effect 11
• 3.2 Tunneling Effect 11
• 3.3 Charge Transport 12
• 4. Energy Transfer 14
• 제3절 OLED 재료 17
• 1. 형광 및 인광 발광 재료 17
• 2. 저분자 및 고분자 유기재료 19
• 제4절 금속 산화물 나노입자 23
• 1. 금속 산화물 나노입자의 특징 23
• 2. ZnO 나노입자의 특성 24
• 제3장 실험 방법 29
• 제1절 Zinc Oxide NPs 합성 29
• 제2절 OLED 제작 31
• 1. OLED 제작에 사용된 재료 31
• 2. ITO Pattering 32
• 3. O2 plasma treatment 34
• 4. Spin-Coating 35
• 5. Thermal Evaporation 36
• 6. Encapsulation 37
• 7. OLED Device Measurement 38
• 제4장 실험 결과 39
• 제1절 Zinc Oxide NPs 합성 결과 39
• 제2절 Zinc Oxide NPs 분석 42
• 1. 광학적 특성 분석 42
• 1.1 Band gap energy 측정 42
• 1.2 Photoluminescence 측정 45
• 2. 전기적 특성 분석 48
• 2.1 UPS 측정 48
• 2.2 Electron Only Devices 제작 50
• 제3절 ZnO NPs 유무에 따른 OLED 소자의 전기적 및 광학적 특성 52
• 제4절 ZnO NPs를 적용한 ETL 두께에 따른 OLED 소자의 최적화 57
• 제5장 결론 62
• 참고문헌 63
• Abstract 66