한센 용해도 매개 변수를 이용한 정공수송층의 지속가능한 용매로의 대체

국문 초록 (Abstract)

양자점 발광 다이오드(Quantum Dot-Light Emitting Diode, QD-LED)는 여러가지 전기 광학적인 장점들과 더불어 용액 공정 방법으로 간단하게 제작이 가능하다는 가격 경쟁력의 장점이 있어 미래 디스플레이 발광원으로써 각광받고 있다.[1-3]
원활한 용액 공정을 위해서는 적절한 용매를 선택하는 것이 중요하다. 특히, 최근에는 환경 문제에 대한 관심이 급격이 증가함에 따라 녹색 화학(green chemistry)의 개념이 도입되어, 보다 친환경적이고 지속가능한 녹색 용매(green solvent)를 사용하는 것이 중요한 연구 영역이 되고 있다.[14] 이렇게 변화하는 국제적인 추세에 따라 제약[14], 분석[17], 인쇄 전자 공학[18] 및 태양전지[6] 등 용액 공정을 사용하는 산업 분야에서는 현재 사용되는 용매와 동일한 성능을 가지면서도 보다 지속가능하고, 친환경적인 용매를 찾아 대체하고자 하는 연구가 다방면에서 지속되고 있으나, QD-LED 분야에서는 조금 더 활발할 필요가 있는 것으로 보인다.
본 연구에서는 QD-LED에서 일반적인 정공수송층(Hole Transport Layer, HTL)의 재료로 사용되는 Poly(9-vinly carbazole)(PVK)의[4] 용매로 주로 사용되는 유독성 할로겐화 방향족인 클로로벤젠의 대체 용매를 제안한다.
합리적이고 보다 지속가능한 대체 용매의 선별을 위해, 한센 용해도 매개 변수(Hansen Solubility Parameter)와 GSK 가이드의 두 가지 개념을 참고하여 아니솔을 대체 용매로 제안, 실험을 통해 기존 용매인 클로로벤젠과의 전기 광학적 특성을 비교 분석하여 용매 대체의 타당성을 검증했다.
본 연구에서는, 아니솔이 용해도 수준, 하부층(PEDOT:PSS)에 대한 영향성, PVK의 정공이동도 및 소자 특성에서 모두 클로로벤젠과 동일한 수준을 보임을 확인했다. 또한, 용매의 재료적 특성 차이로 인해 스핀 코팅 시 PVK층 두께가 상대적으로 얇게 제작됨을 확인했으며, 용액의 PVK 농도를 높임에 따라 박막의 두께가 두꺼워지는 것을 확인했다.
결론적으로, 제조 조건을 최적화한다면 아니솔은 용액 공정을 통한 QD-LED의 제작에 있어 제조 과정에서 노출되는 독성을 효과적으로 제거할 수 있는 클로로벤젠의 대체 용매로써 적절하다고 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Quantum Dot-Light Emitting Diode (QD-LED) is spotlighted as a future display light source due to its various electro-optical advantages and price competitiveness that it can be simply manufactured by a solution process method. [1-3]
It is important to select an appropriate solvent for a solution process. In particular, in recent years, as interest in environmental issues has rapidly increased, the concept of green chemistry is introduced, and using a more eco-friendly and sustainable green has become an important research area. [14] As the international trend changes, industries that use solution processes such as pharmaceutical [14], analysis [17], printed electronics [18], and solar cells [6], are looking for more sustainable and eco-friendly alternative solvents. Although these studies are continuing in various fields, it seems that there is a need for more active research in the QD-LED field.
In this study, we propose an alternative solvent for poly(9-vinly carbazole) (PVK) [4], which is used as a material for the general hole transport layer (HTL) in QD-LEDs. PVK typically uses chlorobenzene, a toxic halogenated aromatic group, as a solvent.
We referred to two concepts, the Hansen Solubility Parameter and GSK's guide, for the selection of rational and sustainable alternative solvents. As a result, anisole was proposed as an alternative solvent, and the possibility of substitution was verified by comparative analysis of the electro-optical properties with chlorobenzene through experiments.
In this study, it was confirmed that anisole showed the same level as chlorobenzene in solubility level, influence on the lower layer (PEDOT:PSS), hole mobility of PVK, and device characteristics of QD-LED. In addition, it was confirmed that the PVK layer thickness was thinner with the same conditions due to differences in the material properties of the solvents, and the thickness increased as the concentration of PVK was increased.
In conclusion, if the manufacturing conditions of the device are optimized, anisole can be a suitable alternative solvent for PVK that can effectively remove the toxicity in the manufacturing process of QD-LED through the solution process.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1 전계구동 양자점 발광 다이오드의 발광 원리 및 구조 3
• 2.1.1 발광원리 3
• 2.1.2 일반적인 양자점 발광 다이오드의 구조 4
• 2.2 용액 공정에서의 친환경 용매 선택 7
• 2.3 GSK 점수로 보는 기존 PVK 용매의 문제점 9
• 3. 제안 12
• 3.1 한센 용해도 매개 변수를 활용한 PVK의 친환경 대체 용매로서의 아니솔 제안 12
• 3.1.1 한센 용해도 매개 변수의 정의 12
• 3.1.2 PVK의 친환경 용매로서의 아니솔 적용 제안 15
• 4. 실험 및 결과 19
• 4.1 소자 제작 19
• 4.1.1 징크옥사이드(Zinc oxide, ZnO) 합성 19
• 4.1.2 소자 제작 20
• 4.2 PVK 용해도 평가 21
• 4.3 PEDOT:PSS HOD를 통한 하부층 영향성 평가 23
• 4.4 QD-LED 소자 특성 평가 25
• 5. 결론 34
• 6. 참고문헌 36
• 7. Abstract 40