[논문]양자점 발광다이오드

김태호

양자점 발광다이오드
Colloidal Quantum Dot Light-Emitting Diodes 원문보기

김태호 (삼성종합기술원)

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문제 정의

게다가 용액공정상의 이점도 가지고 있어 저비용, 대면적으로 정보표시소자의 제작을 가능하게 한다. 본 고에서는 콜로이드 양자점을 이용한 전기발광 다이오드에 관한 최근 연구 사례들과, 이를 풀컬러 디스플레이에 응용하기 위해 개발되고 있는 process들에 대해서 고찰하고, backlight unit으로 사용되는 양자점을 이용한 white LED 연구 동향들에 대해 기술하고자 한다. CdSe 기반의 양자점은 합성 시 사이즈를 제어함에 따라 다양한 visible 영역의 발광스펙트럼을 얻을 수 있는 장점이 있어서 LED의 발광재료로 많이 쓰이고 있으며, PbS, PbSe, CdTe 와 같은 작은 bandgap의 양자점들은 근적외선 영역까지도 발광스펙트럼을 가지므로 IR-emitter 로 사용되기도 한다.

제안 방법

20 대면적의 실리콘 웨이퍼 위에 자기조립모노층을 형성시켜 표면에너지를 크게 낮추고, 그 위에 코팅된 건조된 양자점 막을 마이크로구조의 PDMS 스탬프를 사용하여 픽업한 뒤 정확한 얼라인먼트로 픽셀 위에 transfer하였다. 양자점 막이 스탬프에 붙거나 떨어지는 메카니즘은 kinetic control에 의해 정해지는데, 스탬프의 점탄성 성질에 의해 양자점과 탄성체의 접착강도는 기판에서 뗄 때의 속도에 비례한다.
따라서 자기조립층에 의한 표면개질 외에도, 픽업 시에는 빠른 속도로, 기판 위에 프린팅 시에는 느린 속도로 스탬프를 들어올림으로써 모든 스텝에서의 transfer yield를 100%에 도달하게 하였다. Transfer printing 후에는 정공수송층과의 계면의 전기 저항을 낮추기 위해 열처리를 하였다. Transfer printing 방식의 장점은 다른 물질이 첨가되지 않은 순수 양자점 박막을 어떠한 패턴 형태로도 여러 기판 위에 전사할 수 있으며, 나노패터닝까지도 가능하고, 반복적인 스탬핑 작업으로 저비용, 대면적 패터닝이 가능하다는 데 있다.
양자점은 organic light-emitting 물질에 비해 photo oxdiation에 강한 장점이 있기 때문에 dot 표면의 defect을 없애도록 합성이 이루어진다면 LED의 높은 안전성도 기대할 수 있다. 따라서 그림 2에서와 같이 정공수송층으로 쓰이는 고분자층과 전자수송층을 각각 NIO와 ZnO: SnO₂와 같은 무기산화막으로 대체하여 encap-free한 양자점 LED를 제작하여 1,950 cd/m², 0.09%에 해당하는 휘도와 효율을 얻었다.¹³ 최근에는 양자점의 표면을 둘러싸고 있는 유기 리간드까지 무기물질이나 atomic layer로 대체하여 all 무기 구조의 LED를 개발하려는 연구가 진행되고 있다.
서로 다른 밴드갭의 양자점들을 multilayer로 적층하는 방법으로는 양자점의 표면이 NH₃⁺와 COO^-와 같은 전하를 띄도록 표면개질한 뒤 layer-by-layer assembly방법에 의해 적층하는 방식이 있다. 이 방법으로 양자점 모노층을 원하는 위치에 적층하여 recombination zone을 센싱하거나 적층구조의 조합에 따라 multi-color LED 를 구현하였다.²² 서로 다른 양자점 모노층을 transfer printing에 의해 적층하게 되면 액티브 층 중에서도 주로 발광이 일어나는 recombination zone에 원하는 파장대의 양자점을 위치 시킬 수가 있고, 적층 순서 및 적층된 조합에 의해 각 양자점들 간에 일어나는 에너지 전달도 계면에서만 일어나도록 제어하거나 에너지전달의 정도를 변화시키는 등 화이트 밸런스를 맞추는 작업이 더 용이해지게 된다.
지금까지 양자점을 이용한 발광다이오드를 LED의 구조와 종류, 그리고 막을 프로세싱하는 방식 등에 의해 최근까지의 관련 연구 동향을 살펴보았다. 양자점은 높은 색순도와 색재현 범위가 넓은 장점 등으로 발광소자에의 응용에 활발히 연구가 진행되어 오고 있으며, 최근에는 카드뮴이 없는 환경친화적 양자점의 합성과 발광특성에 관한 연구가 진행되고 있으므로, 양자점 발광 다이오드는 향후 차세대 디스플레이와 조명시장을 선점할 가능성이 높다.

성능/효과

일반적으로 양자점은 상대적으로 사이즈가 큰 red- emissive QD(quantum dot) 보다는 사이즈가 작은 blue-emissive QD가 합성 시 표면에 defect들이 생기기 쉽고, 정확한 blue에 해당하는 단파장 영역의 스펙트럼을 얻기가 어렵고, blue QD의 발광특성이 red나 green QD에 비해 좋지 않기 때문에 blue QD-LED의 특성이 red, green monochromatic device에 비해 좋지 않다. 그러나 그림 4에서 보는 바와 같이 CdS/ZnS나 ZnCdS/ZnS와 같은 물질을 사용하여 red green과 비슷한 사이즈로도 blue emission을 낼 수 있는 양자점을 합성한 결과 발광파장이 460 nm에 해당하는 발광특성이 우수한 blue 양자점을 얻을 수 있었다.^14,15 Blue 양자점의 발광특성이 좋아짐에 따라 red, green과 함께 pixel을 구성하여 full-color display로 적용할 수 있는 가능성이 열리게 되었다.
Transfer printing 방식의 장점은 다른 물질이 첨가되지 않은 순수 양자점 박막을 어떠한 패턴 형태로도 여러 기판 위에 전사할 수 있으며, 나노패터닝까지도 가능하고, 반복적인 스탬핑 작업으로 저비용, 대면적 패터닝이 가능하다는 데 있다. 그리고 transfer시 가해주는 압력에 따라 모폴로지를 변화시켜 고밀도 네트웍구조의 양자점 막을 제조하는 것이 가능해, 디바이스 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그림 7은 transfer printing 에 의해 RGB 양자점을 패터닝하는 방법과 이를 이용해 제작한 풀컬러 디스플레이와 플렉서블 LED의 이미지를 보여준다.
양자점을 이용한 백색광 LED에의 응용에 관한 연구는 색선명도와 양자점 BLU 특유의 워머화이트 발광 특성을 디스플레이산업 및 조명산업에 이용하고자 하는 노력과 결부되어 2000년대 중반부터 활발히 진행되어 오고 있다. 그림 8에서 보여주듯이 RGB 양자점을 단순히 블렌드한 모노층을 전자수송층과 정공수송층 사이에 위치시키는 방법으로 백색전기발광소자를 제작하였고, 0.36%의 외부양자효율에 87의 CRI를 달성하였다.²¹ 또 다른 연구에서는 RGB 양자점 블렌드 다층막을 유기 정공수송층 위에 컨택 프린팅 방식으로 전사하여 0.
양자점 막이 스탬프에 붙거나 떨어지는 메카니즘은 kinetic control에 의해 정해지는데, 스탬프의 점탄성 성질에 의해 양자점과 탄성체의 접착강도는 기판에서 뗄 때의 속도에 비례한다. 따라서 자기조립층에 의한 표면개질 외에도, 픽업 시에는 빠른 속도로, 기판 위에 프린팅 시에는 느린 속도로 스탬프를 들어올림으로써 모든 스텝에서의 transfer yield를 100%에 도달하게 하였다. Transfer printing 후에는 정공수송층과의 계면의 전기 저항을 낮추기 위해 열처리를 하였다.

후속연구

양자점은 높은 색순도와 색재현 범위가 넓은 장점 등으로 발광소자에의 응용에 활발히 연구가 진행되어 오고 있으며, 최근에는 카드뮴이 없는 환경친화적 양자점의 합성과 발광특성에 관한 연구가 진행되고 있으므로, 양자점 발광 다이오드는 향후 차세대 디스플레이와 조명시장을 선점할 가능성이 높다. 여기에 서로 다른 양자점이나 다른 기능성 나노재료들을 선택적으로 프로세싱하는 기술이나 모노레이어 수준의 박막으로 적층시킬 수 있는 기술이 개발된다면 각종 발광 다이오드나 다양한 형태의 새로운 종류의 디바이스 구현에도 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

양자점은 어떤 장점이 있는가?

양자점은 organic light-emitting 물질에 비해 photo oxdiation에 강한 장점이 있기 때문에 dot 표면의 defect 을 없애도록 합성이 이루어진다면 LED의 높은 안전성도 기대할 수 있다. 따라서 그림 2에서와 같이 정공수송층으로 쓰이는 고분자층과 전자수송층을 각각 NIO와 ZnO: SnO2와 같은 무기산화막으로 대체하여 encap-free한 양자점 LED를 제작하여 1,950 cd/m2 , 0.

organic LED의 발생과정은?

양자점은 CdSe와 같은 core 표면에 CdS나 ZnS와 같은 shell을 단일막 혹은 이중막으로 씌워 응용 목적에 맞게 core/shell 혹은 core/double shell 등의 형태로 합성하여 사용한다. LED에서는 organic LED와 마찬가지로 음극, 양극으로부터 주입된 전자와 정공이 각각 전자수송층과 정공수송층을 거쳐 발광 층인 양자점 내에서 만나 exciton을 형성하고, radiative decay를 통해 exciton들이 energy와 photon을 방출하게 된다. 전기발광 다이오드에서는 전하를 주입시켜 exciton을 생성해야 하므로, 주로 양자구속 효과(quantum confinement effect)를 일으켜 양자점 내에 전자와 정공의 recombination 확률을 높여주기 위하여 core/shell 또는 double shell 구조의 양자점을 액티브 층에 이용한다.

양자점 LED의 높은 안전성으로 어떤 휘도와 효율을 얻었는가?

양자점은 organic light-emitting 물질에 비해 photo oxdiation에 강한 장점이 있기 때문에 dot 표면의 defect 을 없애도록 합성이 이루어진다면 LED의 높은 안전성도 기대할 수 있다. 따라서 그림 2에서와 같이 정공수송층으로 쓰이는 고분자층과 전자수송층을 각각 NIO와 ZnO: SnO2와 같은 무기산화막으로 대체하여 encap-free한 양자점 LED를 제작하여 1,950 cd/m2 , 0.09%에 해당하는 휘도와 효율을 얻었다. 13 최근에는 양자점의 표면을 둘러싸고 있는 유기 리간드까지 무기물질이나 atomic layer로 대체하여 all 무기 구조의 LED를 개발하려는 연구가 진행되고 있다.

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