금속-절연체-금속 구조를 이용한 양자점 발광 다이오드의 빛 추출 효율 향상 및 색 변환 = Improved Light Extraction Efficiency and Color Control in Quantum Dot Light Emitting Diodes Using Metal-Insulator-Metal(MIM) Structure

국문 초록 (Abstract)

양자점은 우수한 색 재현율, 크기에 따른 발광 파장 조절, 무기물 사용으로 인한 안정성 등의 광학적 특성으로 차세대 디스플레이 발광체로 주목받고 있다. 이를 이용한 양자점 디스플레이(QLED)는 빛의 방출 방향에 따라 두 가지 구조로 나눌 수 있다. 빛이 하부 기판 방향으로 방출되는 배면 발광 (bottom-emitting) 구조는 현재까지 학계 활발히 연구되어 왔으나, 디스플레이 제작 시, 방출되는 빛이 TFT 구동 회로에 의해 가려지는 문제를 갖는다. 따라서, 낮은 개구율로 인해 Actvie Matrix(AM) 구동방식 QLED 제작에 적합하지 않다. 그러나, 빛이 상부전극으로 방출되는 전면 발광(top-emitting) 구조 QLED는 방출된 빛이 TFT 회로에 의해 가려지지 않아 개구율이 높고 소자 내 발생하는 미소공진효과를 통해 성능과 효율을 상승시킬 수 있다. 따라서, AM 구동방식을 사용하는 디스플레이 제작에 적합한 구조이다.

전면 발광 구조 QLED에서 발생하는 미소공진효과는 소자 내 추가적인 중간층(interlayer)을 삽입하거나 기능층의 두께를 변경하여 공진 파장을 조절할 수 있다. 그러나 기능층의 두께 조절 시, 주입되는 전자와 정공의 불균형을 초래할 수 있다. 이로 인해, 소자의 성능이 감소할 수 있다. 또한, 상부 전극으로 사용되는 금속 박막 전극에 의해 유도되는 surface plasmon polaritons(SPP) 손실과 낮은 투과율로 인한 광 추출 효율 감소의 문제를 가진다. 따라서, 전기적 특성에 영향을 미치지 않으며, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 구조가 필요하다.

본 논문에서는 전면발광 구조 QLED에서 광학적 특성과 전기적 특성이 상충하는 문제를 해결하기 위해 금속-절연체-금속 (MIM) 구조를 설계하였다. MIM 구조는 은(24nm)-절연체(PMMA)-은(24nm)로 설계되었다. MIM 구조를 통해 기존 상부 전극 대비 300%의 투과도 향상과 절연층의 두께에 따라 공진 파장을 조절이 가능하였다. 또한, 양자점(QD) 박막에 적용 시, 광발광 세기 증가 및 혼합된 색상에 적용 시, 색상 제어가 가능함을 확인하였다. 최종적으로, 기존 전면발광 구조 QLED 상부에 MIM 구조를 적용하여 휘도 및 효율을 개선하였으며, 전기적 특성과 광학적 특성 상충관계를 동시에 해결할 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 차 례 ⅰ
• 그림 목차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 국문 요지 ⅵ
• 제 1장 서론
• 제 1.1절 문제의 제기 1
• 제 1.2절 연구의 필요성 3
• 제 2장 이론적 배경
• 제 2.1절 양자점(Quantum dot) 5
• 제 2.2절 양자점 발광다이오드 9
• 제 2.3절 양자점 발광다이오드의 구조 12
• 제 2.4절 미소공진효과(Microcavity effect) 16
• 제 2.5절 퍼셀 효과(Purcell effect) 19
• 제 2.6절 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance, SPR) 22
• 제 2.7절 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 24
• 제 3장 실험 방법
• 제 3.1절 MIM 공진 구조 제작 27
• 제 3.2절 양자점 및 전자수송층을 고려한 MIM 공진 구조 제작 31
• 제 3.3절 전면발광 구조를 위한 하부 전극의 형성 34
• 제 3.4절 전면발광 구조의 양자점 디스플레이 소자 제작 37
• 제 3.5절 MIM 구조를 적용한 전면발광 구조의 양자점 디스플레이 소자 제작 40
• 제 4장 실험 결과
• 제 4.1절 MIM 공진 구조의 광학적 특성 분석 42
• 제 4.2절 양자점과 전자수송층을 고려한 MIM 공진 구조의 광학적 특성 분석 47
• 제 4.3절 하부전극에 따른 전면발광 양자점 디스플레이 소자의 평가 51
• 제 4.4절 전면발광 구조의 양자점 디스플레이 소자의 성능 평가 55
• 제 4.5절 MIM 구조를 적용한 전면발광 양자점 디스플레이 소자의 성능 비교 및 평가 60
• 제 5장 결론 65
• 참고 문헌 67
• 영문 요지 72