ZnO 나노입자를 전자 주입층으로 이용한 고효율 녹색 인광 역구조 OLED에 관한 연구

임세진 순천향대학교 2023 국내석사

OLED (Organic Light Emitting Diode)는 양극과 음극을 통해 주입된 전자와 정공이 유기박막 내에서 재결합이 이루어져 빛 에너지를 방출하는 원리를 가진 EL 소자이며 빠른 응답속도, 높은 밝기, 넓은 시야각 및 색 범위, 유연성 및 투명성 기판에도 적용이 가능하다는 장점이 존재하여 상당히 넓은 분야에 사용이 가능하다. 현재 사용되고 있는 AM (active matrix)-OLED의 경우 LTPS TFT 혹은 Oxide TFT가 주로 사용되고 있으며 LTPS TFT의 경우 대면적 디스플레이 제작에 있어 수율이나 생산비용 면에서 상당히 불리한 점을 가지고 있기 때문에 소형 디스플레이에 사용되고 있다. 대면적 디스플레이를 양산하기 위해서는 Oxide TFT를 사용하는 것이 유리하며 이에 사용하는 재료로는 IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)를 주로 사용하는데, 이는 n-type 성질을 띄고있어 기판에 음극을 쌓는 역구조 OLED를 이에 적용할 시 TFT와 OLED 구조 간 정합성이 높다. 그러나 보편적으로 양극 재료로써 사용하는 ITO (Indium Tin Oxide)를 음극으로 사용할 경우 낮은 일함수를 가지기 때문에 전자 주입 특성이 낮은 편이다. 이를 해결하기 위해서 전자 주입 및 수송이 원활한 재료를 전자 주입층으로써 사용하는 것이 중요하다. 산화물 반도체는 높은 이동도 및 n-type의 특성을 가지고 있으며, 입자 크기를 나노미터 단위로 줄일 경우 bulk 상태와는 다른 전기적, 광학적 특성들이 나타난다. 나노입자의 크기에 따라 특성이 변하기 때문에 넓은 분야에서 사용이 가능한 재료이다. 본 연구에서는 산화물 반도체 재료 중 넓은 밴드 갭과 열적, 화학적 안정성을 가지는 ZnO (Zinc Oxide) 나노입자를 졸-겔 (sol-gel)법을 이용하여 합성 후 전자 주입층으로써 사용하여 ZnO 나노입자의 산화제에 따른 합성 방법 및 나노입자 크기에 따라 역구조의 인광 OLED를 제작하여 그에 따른 전기적, 광학적 특성을 비교하였다. ZnO 나노입자 합성에 사용한 산화제로는 각각 TMAH (tetramethylammonium hydroxide)와 KOH (potassium hydroxide)를 이용하여 약 3 nm 크기의 ZnO 나노입자를 합성하였다. TMAH를 이용하여 합성한 ZnO 나노입자의 경우 균일한 박막이 형성 되었으며 3.37 eV의 밴드 갭을 가지고 전하 주입 및 수송 특성이 우수한 것을 확인하였다. 반면에 KOH를 이용하여 제작한 ZnO 나노입자는 입자의 뭉침 현상에 의해 코팅성이 저하되었으며 3.24 eV의 밴드 갭을 가지고 상대적으로 전하 주입 및 수송 특성이 낮다는 것을 확인하였다. 앞서 두 가지 방법으로 합성한 ZnO 나노입자를 전자 주입층으로써 이용하여 OLED를 제작하였으며 소자의 구조는 ITO / ZnO [TMAH, KOH] / TPBi / CBP: Ir(ppy) / CBP / MoO / Al 의 구조로 제작하였다. TPBi의 경우 전자 수송층으로 사용하였으며 발광층 재료로는 녹색 인광 dopant 물질인 Ir(ppy)를 이용하였으며 발광층 Host 재료와 정공 수송층의 재료로 CBP를 사용하였다. 정공 주입층 재료로는 MoO를 사용하였으며 양극은 Al을 사용하였다. 합성 방법에 따른 ZnO 나노입자를 OLED에 적용시켰을 때 앞서 연구한 전하 주입 및 수송 특성 비교와 동일한 결과를 나타내었으며 TMAH를 이용하여 합성한 ZnO 나노입자를 적용한 OLED의 전류효율이 더 우수하다는 결과를 확인하였다. 또한 TMAH를 이용하여 합성한 ZnO 나노입자의 입자 크기를 3,5,7 nm로 조절하여 합성하였을 때 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자 모두 균일한 박막이 형성되었음을 확인하였으며 입자 크기가 커질수록 전하 주입 및 수송 특성이 우수하다는 것을 확인하였다. 입자 크기에 따른 ZnO 나노입자를 이용하여 앞서 제작한 OLED 구조와 동일하게 제작하여 소자의 특성을 비교하였을 때 입자 크기가 증가할수록 소자의 전류효율은 우수하였다. 7 nm 입자 크기를 가진 ZnO 나노입자를 적용한 OLED의 경우 최대 90 cd/A의 전류효율을 달성하였으며 이는 최대 26.19%의 외부양자효율을 달성하였다.

ZnO 나노입자를 이용한 용액공정 OLED에 관한 연구

김성근 순천향대학교 대학원 2021 국내석사

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.

전하 캐리어 거동 분석 및 균형 최적화를 통한 양자점 발광 다이오드의 고성능화

김동진 순천향대학교 대학원 2022 국내박사

A quantum-dot light-emitting diode (QLED) is an electroluminescence (EL) device using colloidal quantum dots (QDs). QLEDs have the advantages of high color purity, wide viewing angle, and no need for a separate light source (BLU: Back-Light Unit). For the past several years, research has been conducted to improve the efficiency and lifetime of QLEDs. However, there still remain unsolved issues. Among them, imbalanced injection of holes and electrons is one of the major issues. The degradation due to the imbalanced injection results in the decreased efficiency and lifetime of QLED. QLEDs have a structure in which the light-emitting layer (EML) is sandwiched between an electron-transporting layer (ETL) and a hole-transporting layer (HTL). This stacking structure is similar to that of organic light-emitting diodes (OLEDs), and the light emission mechanisms of QLEDs and QLEDs are similar to each other. The charge injection balance of QLEDs depends on the material properties of the electron and hole transport layers such as the interface properties and carrier mobilities. Analysis and understanding of the charge carrier behaviors is important to improve the injection balance. Conventional analysis methods of the charge carrier behaviors mainly on the examination of the relations between the driving characteristics of the light-emitting devices and the material properties. However, the selection of the charge transporting layer material is limited by the fabrication technologies and material properties. Furthermore, it is difficult to improve performance due to insufficient technologies to understand and analyze the charge carrier behaviors of light-emitting devices and the difficulties in the fine control of the properties of charge transporting materials. In this study, an impedance spectroscopy method is used to understand the QLED charge carrier behaviors more directly than before. To change the charge injection characteristics, devices with various QD EML thicknesses and with various organic and inorganic HTL materials were designed and fabricated. In addition, the device current efficiency improved from 0.9 cd/A to 7.0 cd/A as a 10-nm organic inter layer was inserted between the inorganic HTL and QD EML. The QLED structure is ITO/ZnO NPs/QD/HTL/WOx/Ag. In addition, the changes in charge behaviors were analyzed by comparing the capacitance-voltage (C-V) results obtained from impedance spectroscopy measurements and the driving characteristics of the QLED. In order to overcome the limit of the charge balance improvement, a hybrid quantum dot EMLs fabricated by mixing a HTL material and QDs were applied to the QLED. In this, the charge balance was optimized by adjusting the organic material ratio in the hybrid quantum dot EML; in addition, the charge balance could be improved further by applying an organic HTL or an organic/inorganic double HTL. To understand the charge carrier behavior, and driving characteristics of the QLED were analyzed and compared with the conventional charge injection balance analysis methods such as energy band diagram and single charge only devices analysises. To optimize the charge balance, both HTL and ETL were used in combination with hybrid QDs, then the charge transport layer thicknesses were adjusted. The combination of a hybrid QD EML and a TAPC HTL resulted in the best performance; the QLED maximum current efficiency was 44 cd/A and maximum luminance 80,000 cd/m2. Also, a QLED equivalent circuit was designed to interpret the IS results. This gave the capacitance and resistance values of the EML and the charge-transporting layer at the same time, and revealed the relationships between these values and charge carrier behaviors in the QLEDs. Through my works, QLED performance can be improved greatly and the methods for analyzing and understanding charge carrier behaviors in QLEDs are provided. 양자점 발광 다이오드 (QLED: Quantum Dot Light-Emitting Diode)는 스스로 빛을 내는 콜로이드 양자점 (QD: Quantum Dot)을 이용한 전계 발광 소자로, 별도의 광원 (백라이트)이 필요 없고, 높은 색 순도, 넓은 시야각 등의 장점을 가진다. 지난 수년 동안 QLED의 효율과 수명 향상을 위한 연구가 진행되었다. 하지만 여전히 극복해야 할 문제들이 존재하며, 그중 정공과 전자의 불균형 주입은 소자의 효율 저하와 열화에 의한 수명 저하를 유발한다. QLED는 유기 발광 다이오드 (OLED: Organic Light-Emitting Diode)와 유사한 적층 구조 및 발광 원리로, 발광층 (EML: Emission Layer)이 전자수송층 (ETL: Electron Transporting Layer)과 정공수송층 (HTL: Hole Transporting Layer) 사이에 끼워진 샌드위치 구조이다. 따라서 양자점 발광 다이오드의 전하 주입 균형은 전자 및 정공수송층의 계면 특성 및 이동도와 같은 재료 자체가 갖는 특성에 의해 결정된다. 이를 개선하기 위한 기존의 전하 캐리어 거동에 대한 이해와 연구 방법은 재료의 전기적 광학적 특성의 이해와 함께 발광 소자에 재료를 적용하고 구동 특성을 비교하여 전하의 거동을 추론하는 방법으로 연구되어왔다. 하지만, 공정 기술 및 재료 특성에 따라 전하수송층 재료의 선택이 제한적이고, 주입 균형 개선을 위해 전하 수송 재료의 특성을 세밀하게 제어해야 하는 기술적 난이도와 함께 발광 소자의 전하 거동을 이해하고 분석하는 기술의 부족으로 성능 향상 연구에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 기존에 비해 보다 정확한 양자점 발광 다이오드의 전하 캐리어의 거동을 이해하기 위해서 임피던스 분광법을 이용하였다. 전하 주입 특성의 변화를 위해 양자점 발광층 두께에 따른 소자, 유기 및 무기 정공수송층 재료에 따른 소자를 설계하였다. 또한 무기 정공수송층과 양자점 사이에 유기 중간층을 적용하여 소자의 전류 효율 성능을 0.9cd/A에서 7.0cd/A까지 향상시켰다. 설계된 구조는 ITO / ZnO NPs / QD / HTL / WOx / Ag이다. 이에 따른 전하 거동의 변화는 임피던스 분광법을 이용하여 얻은 정전용량-전압과 발광 소자의 구동 특성을 대조하여 분석하였다. 전하 수송층의 재료 변화에 의한 전하 주입 균형 개선의 한계를 극복하기 위해서 전하 수송 재료와 양자점을 섞은 하이브리드 양자점을 QLED에 적용하였다. 또한, 하이브리드 양자점의 전하 수송 재료 비율을 조절하고 유기 정공수송층 및 유/무기 혼합 정공수송층을 각각 적용하여 전하 균형을 최적화하였다. 전하 거동의 이해를 위해 정전용량-전압과 발광 소자의 구동 특성을 분석하였고, 에너지 밴드 다이어그램 분석 및 전하-전용 소자와 같은 기존의 전하 주입 균형 분석방법과 비교하였다. 가장 최적화된 전하 주입 균형을 갖는 재료 및 구조로, 하이브리드 양자점과 함께 가장 우수한 ETL과 HTL을 적용하고, 최종적으로 전하 주입 균형을 미세하게 조절하기 위해 전하 수송층 두께를 조절하였다. QLED의 최대 전류 효율은 ETL 80nm, HTL 50nm의 소자에서 44cd/A, 최대 휘도는 ETL 80nm, HTL 40nm의 소자에서 80,000cd/m2의 휘도를 얻었다. 또한, 저항, 정전용량 요소를 이용하여 QLED에 대응되는 등가회로를 제안하고, 등가회로를 이용하여 전하 거동을 보다 직접적으로 분석하고 동작 메커니즘을 이해하였다.

생체 적합성 재료를 기반으로 한 첨단 표피 전자 소자

최형준 광운대학교 대학원 2022 국내석사

최근 기존의 웨어러블 전자 소자는 뛰어난 성능을 보이지만, 접착제 없이 피부에 직접 부착하는 방법은 어렵다. 본 논문에서는 피부와의 컨포멀한 (conformal) 접촉으로 우수한 기능과 부착을 나타내는 표피 전자 소자에 대해 설명한다. 효과적인 생체 적합성 수분의 흡수 및 증발 기술을 사용하여, 자가 구조 변형이 가능한 부피당 고중량의 젤라틴 (high-weight-per- volume-gelatin, HWVG) 필름을 기반으로 하는 용액 공정기반의 표피 전자 소자가 시연된다. 자가 구조 변형이 가능한 HWVG 필름의 완전히 컨포멀한 접촉은 수직 방향으로 이방성 팽윤을 빠르게 유도하고 수축하는 과정에서 공간전인 빈틈 및 공극 없이 인체 피부의 모든 곡률을 덮음으로써 실현된다. 반 데르 발스 힘 (Van der Waals force)과 인간 피부와의 분자간 결합을 통한 젤라틴의 카르복실산 및 아민 그룹의 상호 작용은 제안된 표피 전자 소자의 효과적인 접착력을 향상시킨다. 생체 적합성이 높으며 자가 구조 변형이 가능한 HWVG 필름은 20% (w/v) 농도에서 87% 의 우수한 효율과 36.5 oC 에서 1822 MPa 의 저장 탄성률을 갖도록 최적화되었다. 또한 민감한 모션 및 전기 생리학적 신호를 감지할 수 있는 자가 구조 변형이 가능한 AgNWs/HWVG 필름으로 구성된 표피 전자 소자가 시연된다. 본 연구를 통해 제안된 표피 전자 소자의 안정성, 신뢰성, 유연성, 재사용성 생체 적합성 및 투과성을 포함한 뛰어난 성능은 생체 적합성 소재 및 프로세스를 기반으로 하는 인간-기계 인터페이스를 실현하는 경로를 열 수 있다고 믿는다. Although conventional wearable electronics exhibit outstanding performance, the methods of directly attachment without any adhesive are challenging. In this paper, epidermal electronics which exhibit good functionalities and attachment with sufficient conformal contact are described. All-solution-processed epidermal electronics based on self-reconfigurable high-weight-per- volume-gelatin (HWVG) film constructed using an effective, biocompatible water absorption-evaporation technique are demonstrated. Completely conformal contact of self-reconfigurable HWVG films is realized by rapidly inducing anisotropic swelling in the vperpendicular direction and covering any curvature on the skin without spatial gap or void after shrinking. The force of van der waals and the interaction of the carboxylic acid and amine groups in gelatin through intermolecular bonds with human skin, are improving the effective adhesion of epidermal electronics. Self-reconfigurable HWVG films with high biocompatibility are optimized to afford a superior efficiency of 87 % at a concentration of 20 % (w/v) and a storage modulus of 1822 MPa at 36.5 oC. Furthermore, functional epidermal electronics consisting of self-reconfigurable AgNWs/HWVG films allowing the detection of sensitive motion and electrophysiological signals are demonstrated. Outstanding performances, including stability, reliability, flexibility, re-usability, biocompatibility, and permeability of epidermal electronics proposed herein can open-up a prospective route to realizing breathable human-machine interfaces based on biocompatible materials and processes.

마그네슘 도핑 된 산화 아연 나노입자 전자수송층을 사용한 역구조 양자점 발광 다이오드

김한솔 순천향대학교 대학원 2019 국내석사

본 논문에서는 Mg이 도핑 된 ZnO NPs (nanoparticles)을 전자 수송층으로 사용한 역구조 (inverted structure) QLEDs (quantum dot light-emitting diodes) 특성에 관하여 연구하였다. 기존 ZnO NPs을 사용한 디바이스 보다 고효율 QLEDs를 구현하였다. QLEDs는 음극으로 사용되는 ITO (indium tin oxide) 박막에 패턴 제작, 전자주입층, 전자수송층, 발광층, 정공수송층, 정공주입층, 양극 순으로 적층하였고 양극과 음극외의 모든 공정은 용액공정으로 제작하였다. 음극으로 ITO, 전자주입층/전자수송층으로 ZnO NPs, MgZnO, MgZn, MgZn와 MgZnO를 사용하였고 ZnO 일함수 변경을 통한 전자 주입을 용이하게 하는 PEIE (polyethylenimine ethoxylated), 발광층으로 Green QD (quantum dot), 정공수송층으로 PVK, 정공주입층으로 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly(4-styrenesulfonic acid)), 양극으로 Al을 사용하여 QLED를 제작하였다. QLEDs의 발광층과 정공수송층을 용액공정을 통해 적층하였을 때 동일 성질을 갖는 용매 사용에 의한 하부 층이 녹는 현상을 보완하였고 전자주입층의 높은 전자이동도를 제한하기 위해 Mg을 도핑하여 기존 QLEDs 보다 높은 발광 효율과 휘도를 가지는 QLEDs를 개발하였다. 순수 ZnO보다 Mg을 도핑한 ZnO를 사용한 소자를 사용하였을 때 전자 이동을 제한하여 발광층에 주입되는 전자와 정공의 균형도가 증가하여 우수한 휘도와 전류효율을 가짐을 확인하였다.

Ag, Al 음극과 ZnO 기반 전자수송층을 이용한 QLED의 효율 향상에 관한 연구

황보람 순천향대학교 대학원 2021 국내석사

양자점 발광 다이오드 (QLED, quantum dot light-emitting diode)의 효율 향상을 위해 발광층에서 전하 평형을 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 발광층에서의 전하 불평형 현상은 양자점 발광 다이오드의 발광 효율을 감소시키는 원인으로 작용한다. 따라서, 양극과 정공주입층 사이와 정공주입층과 정공수송층 사이와 정공수송층과 양자점 사이의 에너지 장벽과 정공수송층에서의 정공이동도와 음극과 전자수송층사이와 전자수송층과 양자점 사이의 에너지 장벽과 전자수송층의 전자이동도 등을 고려하여 양자점 발광층에 주입되는 정공과 전자의 평형을 맞추어 소자의 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 본 연구에서는 양자점 발광 다이오드의 양자점 발광층에서의 전하 평형을 향상시키기 위해 음극으로 Al과 Ag를 사용하였고 전자수송층으로 ZnO 나노입자 (nanoparticles)와 MgZnO 나노입자를 사용하여 발광효율 향상을 위한 연구를 수행하였다. Al와 Ag 음극과 ZnO 나노입자와 MgZnO 나노입자 전자수송층의 전자주입 특성을 확인하기 위해 ITO/ZnO(x nm)/(Al 또는 Ag) 구조와 ITO/MgZnO(x nm)/(Al 또는 Ag) 구조의 EOD (electron only device)를 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. Al을 사용한 EOD의 전류밀도가 Ag를 사용한 EOD 보다 더 큰 것을 확인하였다. ZnO 나노입자와 MgZnO 나노입자 전자수송층의 두께가 두꺼워질수록 EOD의 전류밀도가 감소하였다. 이러한 EOD의 전기적 특성을 고려하여 양자점 발광 다이오드를 제작하여 발광효율을 향상시키는 연구를 진행하였다. 소자 구조는 ITO/ PEDOT:PSS/ PVK/ ZnO(x nm)/ (Ag 또는 Al) 와 ITO/ PEDOT:PSS/PVK/MgZnO(x nm)/(Ag 또는 Al)로 제작하여 전류밀도(J)-전압(V)-발광휘도(L)를 비교분석 하였다. 두 소자의 구조 모두 앞서 실험한 EOD 전류밀도 특성과 동일한 경향을 보였으며 음극으로 Al을 사용하고 전자수송층으로 40nm 두께의 ZnO와 MgZnO를 전자수송층으로 사용하였을 때 각각의 최대 전류효율 51 cd/A, 75 cd/A로 MgZnO가 더 우수한 특성을 나타내었다. 이런 결과를 바탕으로 음극으로 Al을 사용하고 전자수송층으로 사용한 MgZnO 두께를 최적화하여 MgZnO의 두께가 35nm일 때 최대전류효율 90 cd/A의 우수한 특성을 갖는 양자점 발광 다이오드를 개발하였다.

ZnMgO NPs 전자수송층으로 이용한 섬유형 QLED 소자 특성에 관한 연구

김바다 순천향대학교 2020 국내석사

Recently, flexible displays have received considerable attention because they can be applied to mobile and wearable electronic products such as smart phones, automotive displays, and wearable smart devices. With the next generation display, smart glasses and smart lenses enable augmented reality to show natural scene information behind glasses or lenses, and smart watches can check vital signs or other health information measured by wearable sensors in real time. Light-emitting diodes (LEDs) made in fiber form can be applied to wearable displays in fabrics and cloths, and very thin displays can be attached to human skin in the form of electronic tattoos. Transparent flexible displays can be applied to smart windows or digital signage, and bendable displays can be used as foldable phones or foldable tablets with adjustable screen size. Flexible displays with form factors will be developed, and the main technical goal of this next-generation display research field is to develop LEDs with excellent performance.   QLED (quantum dot light emitting diode) has excellent color purity, adjustable emission wavelength, and narrow emission bandwidth. And because of the simple solution process, it has attracted great attention, and by optimizing the material synthesis and structural design of the light emitting layer, QLED devices have achieved impressive development over the past 20 years, but there is still room for improvement of electron transport and electron-hole balance. In QLEDs, electron transport is also an important process for determining brightness and efficiency. ZnO NPs are generally used as electron transport layers due to their relatively high carrier mobility advantages over amorphous materials or organic electron transport layers. However, the higher electron mobility of ZnO NPs promotes electron transfer, charge recombination, and lower driving voltage of QLED, and the high work function decreases overall efficiency due to charge imbalance in QD / ZnO NPs structure, and the hole in the light emitting layer More electrons accumulate than holes, causing fluorescence quenching of quantum dots. In order to compensate for this, a structure having excellent electron-holes is required.   Therefore, in this research, Zn1-xMgxO NPs are used as the electron transport layer to increase the efficiency of QLEDs to develop LEDs with high performance, which is the technical goal of next-generation display research. QLED device characteristics evaluation was conducted. It was. The structure of the device is Ag / PEDOT:PSS / PVK / QDs / Zn1-xMgxO NPs / Ag, turn-on voltage is 6.5 V, maximum brightness is 220087.8 cd/m2, maximum luminous efficiency is 56.0 cd/A, maximum external quantum The efficiency was 14.43 % and the maximum power efficiency was 21.6 lm/W. The Zn1-xMgxO NPs magnesium content showed lower current density, but the brightness, luminous efficiency, external quantum efficiency and power efficiency increased. do. Through this, the electron mobility of Zn1-xMgxO NPs was lower than that of ZnO NPs due to oxygen vacancies, and it was confirmed that the electron-hole balance was achieved by solving the charge imbalance. 최근 플렉시블 디스플레이 (flexible display)는 스마트폰, 자동차용 디스플레이, 웨어러블 스마트 기기 등 모바일 및 웨어러블 전자제품에 적용할 수 있어 상당한 주목을 받았다. 차세대 디스플레이로 스마트 안경 및 스마트 렌즈는 증강현실을 가능하게 하여 안경이나 렌즈 뒤에 자연스러운 장면의 정보를 보여주며, 스마트 워치는 웨어러블 센서가 측정한 활력징후 또는 기타 건강정보를 실시간으로 확인할 수 있다. 섬유 형태로 제작된 LED (light-emitting diodes)는 천과 옷감으로 웨어러블 디스플레이에 적용 할 수 있으며, 아주 얇은 디스플레이는 사람의 피부에 전자 문신 형태로 부착될 수 있다. 또한 투명한 플렉시블 디스플레이는 스마트 윈도우나 디지털 사이니지에 적용할 수 있으며, 벤더블 디스플레이 (bendable display)는 화면 크기를 조절할 수 있는 폴더블 폰 (foldable phone) 또는 폴더블 태블릿 (foldable tablet)으로 활용 가능한 다양한 폼팩터 (form factor)를 가지는 플렉시블 디스플레이들이 개발 될 것이며, 이러한 차세대 디스플레이 연구 분야의 주요 기술 목표는 우수한 성능을 갖춘 LED를 개발하는 것이 중요하다. QLED (quantum dot light emitting diode)는 색 순도가 뛰어나고, 방출 파장을 조절 가능하며, 방출 대역폭이 좁다. 그리고 간단한 용액공정으로 인해 큰 관심을 끌고 있으며, 발광층의 재료 합성 및 구조 설계를 최적화함으로써 QLED 소자는 지난 20년 동안 인상적인 개발을 달성했지만, 여전히 전자수송 및 전자-정공 균형의 개선의 여지가 남아있다. 또한, QLED에서 전자수송은 밝기와 효율을 결정하는 중요한 과정이다. ZnO NPs는 비정질 물질 또는 유기 전자수송층에 비해 상대적으로 높은 캐리어 이동도의 장점으로 인해 일반적으로 전자수송층으로 사용된다. 그러나 ZnO NPs의 전자 이동도가 높을수록 QLED의 전자 전달, 전하 재결합 및 낮은 구동 전압을 촉진시키고, 높은 일함수는 QD / ZnO NPs 구조에서 전하 불균형으로 인해 전체적인 효율이 감소하며, 발광층에서의 정공 (hole) 보다 더 많은 전자 (electron)가 축적되어 양자점의 형광소광을 일으킨다. 이를 보완하기 위해서는 전자-정공이 우수한 구조가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 차세대 디스플레이 연구 분야의 기술 목표인 우수한 성능을 갖춘 LED를 개발하기 위해서 QLED의 효율을 높이기 위해 전자수송층으로 Zn1-xMgxO NPs를 사용하여 전자-정공 균형을 향상시킨 섬유형 QLED를 제작하였고, QLED 소자 특성 평가를 진행하였다. 소자의 구조는 Ag / PEDOT:PSS / PVK / QDs / Zn1-xMgxO NPs / Ag이며, turn-on 전압은 6.5 V, 최대 휘도는 220087.8 cd/m2, 최대 발광 효율은 56.0 cd/A, 최대 외부 양자 효율은 14.43 % 그리고 최대 전력 효율은 21.6 lm/W의 결과를 보였으며, Zn1-xMgxO NPs 마그네슘 함량이 증가할수록 전류 밀도가 낮아지는 특성을 보이지만, 휘도, 발광 효율, 외부 양자 효율 그리고 전력 효율이 증가한다. 이를 통해, Zn1-xMgxO NPs의 전자 이동도는 산소공공으로 인해 ZnO NPs보다 낮아졌으며, 전하 불균형을 해결하여 전자-정공 균형을 이루어졌다는 것을 확인 할 수 있었다.

용액 공정 기반 유-무기 혼합 박막을 이용한 저항 변화 메모리에 관한 연구

이재원 광운대학교 대학원 2017 국내석사

비휘발성 메모리 소자인 resistive switching random access memory (ReRAM)는 간단한 metal-insulator-metal (MIM) 구조, 빠른 동작특성을 가지기 때문에 차세대 메모리소자로써 각광 받고 있다. 특히, ReRAM의 활성 층의 물질로서 산화물, 고체전해질, 유기 재료 등을 적용하여 다양하게 연구가 진행되고 있다. 또한 용액공정을 이용한 저항변화 메모리제작기술은 진공 장비기반 방법에 비해 낮은 공정온도, 공정비용, 간소함, 높은 균질성, 대면적화 소자적용에 있어 플라즈마 데미지의 최소화 등의 장점을 바탕으로 다양한 연구가 진행되고 있다. 기존의 저항변화 메모리의 저항변화 층으로 많이 연구되던 무기재료들은 유연기판에 적용하게 되면 기계적 ∙ 물리적 결함이 발생하여 플렉시블 전자장치에 응용하기 어렵다는 문제를 갖고 있다. 따라서 유연기판에 메모리를 적용하기 위해 메모리소자에 유기재료를 적용하는 연구가 증가하고 있다. 유기재료는 박막의 유연성, 낮은 가격, 대면적화 및 경량이라는 장점으로 유기발광 다이오드, 광전소자, 센서, 박막 트랜지스터 및 메모리 등의 다양한 전자소자에 응용되어 왔다. 그러나 온도 및 습도 등의 주변환경에 대해서 취약한 안정성은 유기재료를 저항변화 메모리에 적용하는데 제약이 되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 무기재료와 유기재료가 가지는 각각의 단점을 극복하기 위하여 유-무기재료가 혼합(blended) 형의 저항변화 메모리를 구현하였다. 유기재료로는 높은 기계적 강도 및 빛에 대한 내구성을 갖는 장점을 가지고 저항변화 메모리에 많이 연구되고 있는 polymethyl methacrylate (PMMA)를 사용하였으며, 무기재료로는 높은 유전율을 가지고 전기적 특성이 우수하여 초미세 트랜지스터의 게이트 절연막이나 고집적 DRAM의 캐패시터와 같이 첨단 반도체 소자에 많이 활용되고 있는 HfOx를 사용하였다. 용액공정으로 제작된 PMMA, PMMA- HfOx, HfOx 의 전기적 특성을 비교하였다. PMMA와 HfOx 를 혼합함으로써 PMMA의 전기적 신뢰성과 HfOx 의 유연성이 향상되었다. PMMA- HfOx 혼합 박막 기반의 ReRAM은 큰 메모리윈도우와 안정적인 set/reset voltage 분포를 가진다는 것을 확인하였다. 또한 작은 동작전압과 뛰어난 endurance, retention 특성을 가지는 것을 확인하였다. 게다가, PMMA- HfOx 혼합 ReRAM은 reset bias를 변화시켜 줌으로써 비휘발성 multilevel 메모리 응용을 위한 multilevel conduction states 특성을 가지는 것을 확인하였다. 유연성 테스트 결과, PMMA- HfOx thin film 은 결함 없이 훌륭한 유연성을 보여주었다. 따라서, 유기재료인 PMMA와 무기재료인 HfOx를 혼합함으로써 유기재료의 전기적 신뢰성 및 안정성, 무기재료의 유연성을 효과적으로 개선시킬 수 있고, 향후 플렉시블 및 웨어러블 전자기기용 비휘발성 메모리 제작에 유용한 기술로 기대된다. Resistive random access memory (ReRAM) systems are crucial for next-generation non-volatile memory (NVM) devices because of their high operating speed, simple metal-insulator-metal (MIM) structure, high-density integration, and low power consumption. In previous reports, resistive switching (RS) phenomena have been observed in various materials such as metal oxides, solid electrolytes, and organic materials. More recently, solution processed ReRAMs have attracted considerable interest owing to their low processing temperature, simple design, roll-to-roll processability, minimal plasma-damage over a large area, and cost effectiveness. However, solid inorganic ceramic materials with brittle rigid structures, which are extensively used in the resistive switching layer of ReRAMs, have some drawbacks in flexible electronics applications owing to a lack of flexibility. Organic-based ReRAM, on the other hand, is considered a promising candidate for next-generation non-volatile memory devices. The use of organic materials provides many advantages including low fabrication costs, printability, simple device structures, and process feasibility on flexible substrates. In organic resistive memory, resistance states can be read non-destructively, and no electrical power is required to maintain a given state of resistance, indicating a non-volatile memory effect. Nevertheless, the instability of organic materials at high temperatures and high ambient humidity hinders their ReRAM applications. To solve these problems, several studies have been carried out using hybrid organic-inorganic nanomaterials as the insulator layer for such ReRAM device. In this study, we developed solution-processed poly methylmethacrylate (PMMA)-HfOx blended ReRAM devices to overcome the respective drawbacks of organic and inorganic materials in such systems. PMMA, being a low-cost and easily-processed organic dielectric material, has seen increased interest in flexible memory devices because of its reasonably good switching and for its role as a standard resist material for submicron ReRAM lithography. Among various inorganic switching materials, HfOx exhibits reliable memory performance including fast switching speed, superior scalability, and low power consumption. Resistive switching behaviour of solution-processed PMMA, PMMA-HfOx and HfOx film-based ReRAMs were investigated. The poor electrical characteristic of PMMA and brittle mechanical properties of HfOx can be improved by blending PMMA and HfOx together. The PMMA-HfOx blended ReRAM device exhibited a larger memory window, stable endurance and retention, a lower operation power, and better set/reset voltage distributions. Furthermore, these new systems featured multilevel conduction states at different reset bias for non-volatile multilevel memory applications. Therefore, solution-processed PMMA-HfOx blended films are a promising material for non-volatile memory devices on flexible or wearable electronic systems

고분자 유기EL소자용 PPV-Copolymer의 제조 및 특성

임석범 水原大學校 2001 국내석사

본 연구에서는 고분자 유기EL소자 제작을 위해, PPV-copolymer를 합성하고, UV, FT-IR, PL, Abs, TGA 등 물성을 측정하였다. 또한 ITO/PPV-copolymer/metal의 단층 구조를 가진 고분자 유기EL소자를 제작 하여 기본 특성을 파악하고, 발광물질로의 응용 가능성을 알아보았다. PPV-copolymer는 writting 반응에 의해 가용성으로 제조되었으며, 유기용매인 toluene에 용해되어 스핀 코팅법을 이용하여 소자를 제작하였고, 전극은 진공 증착법을 사용하였다. UV-Vis 스펙트럼 측정 결과 PPV-copolymer의 π - π˙ 전이가 확인되었고, 단량체와 비교하여 최대 흡수 파장이 red-shift 하였다. PL이 430 nm의 청색발광을 보였으며, Eg가 약 3.0 eV임을 알 수 있었다. TGA 측정 결과 100 ℃이내에선 안정하였으나, 분자량을 증가시켜 열안정도를 높일 필요성을 보였다. I-V 특성 평가에서는 LiF가 가장 좋은 결과를 보였고, Ca이나 Mg의 경우는 산화로 인해 구동전압이 증가하였다. LiF는 일함수가 2.95 eV로 전자의 주입이 보다 원활히 이루어진 것으로 보이며, PPV-copolymer 소자의 전극물질로 사용하기에 적합함을 보였다. PPV에서 내기 힘든 청색발광을 하고, 가용성이라는 이점을 가진 PPV-copolymer는 기존의 PPV보다 제작이 용이하고, 고분자 유기EL소자의 발광물질로 사용가능성을 확인하였다. In this Study to make polymer organic electroluminescent device and incorporate PPV-copolymer, measured characteristic of UV, FT-IR, PL, Abs, TGA. Also, PPV-copolymer has been realized in base characteristic by making polymer organic electroluminescent device in single layer of ITO/PPV-copolymer/metal and recognized application possibility as a irradiation material. PPV-copolymer was made as soluble by witting reaction. It has been fabricated device by using spin coating method in solution to toluene of organic solvent and electode utilized the vacuum evaporation method. π - π˙ transfer of PPV-copolymer was identified by resuting from UV-Vis spectrum measure and maximum absorption wavelength was red-shift as compared with monomer. PL has been showed blue-radiation of 430 nm and it was acquired that band energy gap is about 3.0 eV. From resulting TGA measure, showed necessity of raising thermal stability by making an increase of molecular weight. In I-V characteristic evaluation, LiF was showed the best resulting and Ca or Mg increased driving voltage which is due to oxidation. LiF may be accomplished more smoothly injection electrode as work-function 2.95 eV that showed adequate usable for electrode material of PPV-copolymer device. PPV-copolymer which has an advantage of soluble and makes blue-radiation at PPV. PPV-copolymer is more easily make it than before PPV and confirmed possibility of utilization as radiation material of polymer organic EL device.

IGZO 채널과 전기 이중 층의 시너지 효과 기반 신경 가소성 조절 가능한 광전자 시냅스 트랜지스터에 관한 연구

김휘수 광운대학교 대학원 2024 국내석사

본 연구에서는 카제인 전해질 기반 전기 이중 층(electric double layer, EDL)과 IGZO 채널 기반으로 신경 가소성 조절이 가능한 광전자 시냅스 트랜지스터를 제안한다. 카제인 전해질은 내부 양성자에 의한 EDL 효과를 통해 시냅스 가소성을 조절하는 데 중요한 역할은 한다. 빛 자극에 의해 발생하는 IGZO 채널의 지속적인 광전도(persistent photoconductivity, PPC) 효과를 활용하여 excitatory post-synaptic current (EPSC), paired-pulse facilitation (PPF), and spike rate-dependent (SRDP) and spike number-dependent plasticity (SNDP)의 중요한 시냅스 동작을 성공적으로 구현하였다. 카제인 전해질의 EDL 효과와 IGZO의 PPC 효과의 시너지는 시냅스 가소성을 효과적으로 조절 가능하게 하여 단기에서 장기 기억으로 전환하는 기억 수준의 제어를 가능하게 한다. 또한 potentiation 및 depression 특성을 측정하여 인공신경망(artificial neural network, ANN)의 시냅스 가중치로 적용하였으며, MNIST 인식 시뮬레이션 결과로 88.15%의 높은 인식률을 나타냈다. 결과적으로, 제안한 광전자 시냅스 트랜지스터는 효과적인 시냅스 가소성의 조절을 통해 차세대 뉴로모픽 시각 시스템에 적용될 것으로 기대된다. In this study, we propose photoelectric synaptic transistors capable of modulating synaptic plasticity based on casein electrolyte electric double layer (EDL) and IGZO channel. The casein electrolyte played a crucial role in modulating synaptic plasticity through an internal proton-induced EDL effect. The important synaptic behaviors, such as excitatory post-synaptic current (EPSC), paired-pulse facilitation (PPF), and spike rate-dependent (SRDP) and spike number-dependent plasticity (SNDP), were successfully implemented by utilizing the persistent photoconductivity (PPC) effect of the IGZO channel stimulated by light. The synergy between the EDL effect of casein electrolyte and the PPC effect of IGZO allowed the effective modulation of synaptic plasticity, enabling the control of memory levels, including the conversion of short-term memory to long-term memory. In addition, potentiation and depression characteristics were measured and applied as synaptic weights of an artificial neural network (ANN), and the MNIST recognition simulation results showed a high recognition rate of 88.15%. As a result, the proposed photoelectronic synaptic transistor is expected to be applied to next-generation neuromorphic visual systems through effective modulation of synaptic plasticity.