초주기 원자층 증착법을 통한 Al 도핑 ZnMgO 합금의 양자점 발광 다이오드 응용 = Supercycle Al-doped ZnMgO Alloys via Atomic Layer Deposition for Quantum Dot Light-Emitting Diodes

국문 초록 (Abstract)

현재의 양자점 발광 다이오드(QD-LED)는 전자 수송층(ETL)으로 산화아연(ZnO)을 활용하여 성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있었다. 원자층 증착법(ALD)을 통해 균일하고 고품질의 결함이 거의 없는 ZnO 박막을 제조할 수 있지만, ZnO의 높은 전기 전도성은 QD-LED의 ETL로 적용하는 데 한계를 가져왔다. 본 연구에서는 초주기 원자층 증착법(supercycle) ALD를 이용하여 Al이 도핑된 ZnMgO(Al:ZnMgO) ETL을 제작하는 방법을 제안한다. Supercycle ALD는 다양한 금속 산화물을 교차 증착함으로써 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 공정 방식이다. 이를 통해 기존 용액 기반 가수분해 합성 공정의 한계인 반응성 차이로 인한 불균일성을 극복할 수 있으며, 전구체 반응성의 차이에 영향을 받지 않고 손쉽게 다성분계 박막을 제조할 수 있다.

ALD로 제조된 ZnMgO 합금은 양자점(QD)과의 밴드갭 매칭을 통해 전자 주입을 억제하는 한편, Mg 조성이 10%를 초과할 경우 전도도가 과도하게 감소하여 QD 내부의 전하 균형이 제한되는 문제를 가진다. 이를 해결하기 위해 Al 사이클을 추가 도입하여 도펀트로써 Al3+ 이온, 산소 공공(Ov), 그리고 아연 간극(Zni)을 제공하고, ZnMgO의 전도도 감소를 보상하였다. 결과적으로 supercycle ALD 기반 조성 제어를 통해 전기적 전도성을 유지하면서 최적의 전자 주입 특성을 갖춘 ETL을 구현하였다. Al:ZnMgO ETL을 적용한 QD-LED는 15.7%의 최고 외부 양자 효율과 167,000 cd/m²의 최대 휘도를 달성하였으며, 이는 기존 ZnMgO 나노결정 기반 ETL을 사용하는 기기와 동등한 수준의 성능을 나타내어 반도체 공정을 활용한 다양한 QD-LED 분야로의 응용 가능성을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Current QD-LEDs have achieved significant improvements in performance and lifetime through the use of zinc oxide (ZnO) as an electron transport layer (ETL). While uniform and high-quality defect-free ZnO thin films can be fabricated via atomic layer deposition (ALD), the high electrical conductivity of ZnO imposes limitations on its application as an ETL in QD-LEDs. In this study, a method for fabricating Al-doped ZnMgO (Al:ZnMgO) ETLs using supercycle ALD is proposed. Supercycle ALD enables precise composition control by alternating the deposition of various metal oxides, overcoming the uniformity issues caused by reactivity differences in conventional solution-based hydrolysis synthesis processes. Additionally, multi-component thin films can be easily fabricated without being affected by precursor reactivity differences.

The ZnMgO alloys fabricated via ALD were matched with the bandgap of quantum dots (QDs) to suppress electron injection; however, excessive Mg content (>10%) led to a drastic reduction in conductivity, limiting the charge balance within the QDs. To address this issue, Al cycles were introduced as dopants to supply Al3+ ions, oxygen vacancies (Ov), and zinc interstitials (Zni), compensating for the decreased conductivity of ZnMgO. As a result, ETLs with optimal electron injection characteristics were achieved while maintaining electrical conductivity through supercycle ALD-based composition control. QD-LEDs employing Al:ZnMgO ETLs achieved a maximum external quantum efficiency of 15.7% and a peak luminance of 167,000 cd/m², demonstrating comparable performance to devices using ZnMgO nanocrystal-based ETLs. These findings highlight the potential for semiconductor processes to expand the applicability of QD-LEDs across various fields.

목차 (Table of Contents)

• 차례 ⅰ
• 그림 목차 ⅱ,ⅲ
• 표 목차 ⅳ
• 국문 요지 ⅴ
• 제 1장 서론 1
• 제 1.1절 연구의 필요성 1
• 제 2.장 이론적 배경 3
• 제 2.1절 양자점(Quantum dots, QDs) 3
• 제 2.2절 양자점 발광다이오드(Quantum dot light-emitting diode, QD-LED) 7
• 제 2.3절 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD) 9
• 제 2.4절 초주기 원자층 증착법(Supercycle ALD) 11
• 제 3.장 실험 방법 13
• 제 3.1절 양자점 합성법 13
• 제 3.2절 ALD 금속 산화물 및 다성분계 전자 수송층 제작 15
• 제 3.3절 양자점 디스플레이 소자 제작 18
• 제 3.4절 실험 및 분석법 개요 20
• 제 4.장 실험 결과 23
• 제 4.1절 ALD ETL 특성 평가 23
• 제 4.1.1항 조성 제어 및 구조적 변화 특성 23
• 제 4.1.2항 조성에 따른 에너지 밴드 변화 34
• 제 4.1.3항 조성에 따른 전기적 특성 변화 및 전자 주입 특성 분석 38
• 제4.2절 ALD ETL에 따른 양자점 디스플레이 소자 특성 45
• 제4.3절 ALD ETLs/QD의 전자 전달 및 점유 분석 50
• 제 5.장 결론 58
• 참고 문헌 59
• 부록(List of publication) 64
• 영문 요지 ⅵ,ⅶ