비카드뮴 ZnSe 계 퀀텀닷 발광 파장 제어 및 고양자효율화 연구

국문 초록 (Abstract)

퀀텀닷 발광 소자는 용액 공정의 용이함과 높은 색순도로 유기 발광 소자를 대체할 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있다. 이는 주로 CdSe를 대표로 하는 II-VI계열 화합물 퀀텀닷을 중심으로 연구되었으나, 카드뮴이 가지고 있는 독성으로 인해 전자제품에 대한 카드뮴의 사용이 규제되고 있어 비카드뮴 물질에 대한 연구가 진행되고 있다. III-V계열 화합물인 InP 퀀텀닷은 카드뮴계 퀀텀닷과 비슷한 물성을 가져 비카드뮴 퀀텀닷의 대표주자로 각광받고 있지만, 1.35 eV의 작은 밴드갭을 가진 InP는 합성하기 힘들 정도로 작은 입자를 필요로 하여 blue 발광 파장을 갖는 퀀텀닷 제작하기에 어려움이 있어 2.7 eV의 큰 밴드갭을 갖는 ZnSe 퀀텀닷의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 비카드뮴 II-VI계열 화합물 ZnSe로 blue 발광 파장을 가지는 퀀텀닷을 합성하고, 높은 양자 효율을 가지게 하는 것을 목적으로 하였다.
4∼5 nm정도의 작은 크기를 가지는 ZnSe 퀀텀닷은 410-420 nm대의 violet-blue 계열 발광 파장을 가지고 있어, blue 계열 발광 파장을 갖기 위해서 밴드갭의 크기를 줄여야 하며, 이를 위해 두 가지 방법을 사용하였다. 첫 번째 방법은 ZnSe 코어를 형성한 뒤 Zn와 Se precursor를 추가로 주입하여 코어의 크기를 성장 시키는 방법으로, 양자제한효과로 인한 밴드갭 증가를 완화시켜 blue 파장을 갖도록 밴드갭을 감소시켰으며, 이를 통해 퀀텀닷의 발광 파장을 422 nm에서 443 nm까지 변화시켰다. 두 번째 방법으로 ZnSe 코어에 소량의 Te을 주입하였으며, 코어에 ZnSe보다 작은 밴드갭을 가진 ZnTe을 alloy하여 blue 파장을 갖도록 밴드갭을 감소시켰고, 이를 통해 491 nm까지 발광하는 퀀텀닷을 제작하였다. 이후 공정의 최적화를 거쳐 높은 수준의 양자 효율을 가진 퀀텀닷을 제작하였으며, 이를 이용해 퀀텀닷 발광 소자를 제작하여 그 특성을 측정하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A quantum dot light-emitting diode (QLED) with high color purity has been attracting attention as next-generation displays to replace the organic light-emitting diode (OLED). Most researches on QLEDs have been accomplished by using Cd-based quantum dots (QDs), which have narrow emission bandwidth, high quantum yield (QY), and tunable emission wavelength in the visible range. However, many countries have the regulation to restrict the heavy-metals (e.g. Cd, Pb) in the electronic devices. Therefore, the need for non-Cd QDs such as InP, CuInS2, and ZnSe has been growing, and their studies have been progressed.
In this study, we aim to realize blue color, one of three primary colors in a display, through a synthesis of highly efficient Cd-free QDs, and select the ZnSe compounds, which have a bulk bandgap of 2.7 eV, as the composition of the QDs. A ZnSe core synthesized by heating-up method emits light with a wavelength of 422 nm, but this wavelength is too short to satisfy the target one of ~450 nm. So our researches on controlling an emission wavelength of ZnSe QDs are carried out in two tracks of particle size-up and alloying processes. The former process is that additional Zn and Se sources are injected into the reactors with ZnSe core for the particle growth. As the amount of the additional sources increases, the size of ZnSe QDs becomes larger from 5.3 nm to 12.2 nm and the emission wavelength changes from 422 nm to 443 nm. In the latter, ZnSeTe QDs are synthesized, by alloying ZnSe QDs with ZnTe having a smaller bandgap of 2.26 eV. Their emission wavelength can be tuned from 422 nm to 491 nm by raising the ratio of Te in their composition. In addition, a ZnS shell, available to effectively confine electrons and holes in the ZnSe and ZnSeTe cores, is adopted on them for improving their QYs. Through the optimized core synthesis and ZnS shelling process, highly efficient ZnSe/ZnS and ZnSeTe/ZnS QDs exhibit high quantum efficiencies of up to 78% and 70%, respectively. Using them as an emitting layer, we also fabricate solution-processed QLEDs consisting of ITO/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)/poly(9-vinylcarbazole)/QDs/ZnO nanoparticles/Al. The devices show electroluminescent performances with 140 and 99 cd/m2 in luminance, 0.2 and 0.11 cd/A in current efficiency, and 0.14 and 0.15% in external quantum efficiency for ZnSe/ZnS and ZnSeTe/ZnS QDs, respectively.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 2.1 퀀텀닷 (Quantum dot) 4
• 2.1.1 양자 제한 효과 4
• 2.1.2 퀀텀닷의 에너지 준위 6
• 2.1.3 퀀텀닷의 구조 9
• 2.1.4 II-VI 족 계열 퀀텀닷의 특징 12
• 2.2 퀀텀닷 발광 소자 (Quantum dot-light-emitting-diode) 13
• 2.2.1 퀀텀닷 발광 소자의 작동원리 및 구조 13
• 2.2.2 퀀텀닷 발광 소자의 효율 16
• 2.2.3 퀀텀닷 발광 소자의 연구동향 17
• 제 3 장 실험 방법 20
• 3.1 ZnSe/ZnS 퀀텀닷의 합성 20
• 3.2 ZnSeTe/ZnS 퀀텀닷의 합성 23
• 3.3 ZnSe/ZnS 퀀텀닷과 ZnSeTe/ZnS 퀀텀닷 발광 소자 제작 25
• 제 4 장 실험 결과 및 분석 27
• 4.1 특성 평가 27
• 4.2 ZnSe/ZnS 퀀텀닷 분석 28
• 4.2.1 쉘 반응 변수 제어를 통한 ZnSe/ZnS 퀀텀닷의 발광 특성 변화 28
• 4.1.2 코어 반응 변수 제어를 통한 ZnSe/ZnS 퀀텀닷의 발광 특성 변화 34
• 4.2.3 Aging을 통한 ZnSe/ZnS 퀀텀닷의 발광 특성 변화 44
• 4.3 ZnSeTe/ZnS 퀀텀닷 분석 46
• 4.3.1 코어 반응 변수 제어를 통한 ZnSeTe/ZnS 퀀텀닷의 발광 특성 변화 46
• 4.3.2 Aging을 통한 ZnSeTe/ZnS 퀀텀닷의 발광 특성 변화 49
• 4.4 퀀텀닷 발광 소자 분석 51
• 4.4.1 ZnSe/ZnS 퀀텀닷 발광 소자 분석 51
• 4.4.2 ZnSeTe/ZnS 퀀텀닷 발광 소자 분석 53
• 제 5 장 결론 55
• 참 고 문 헌 57
• 영 문 요 약 62