양자점 이종접합 구조의 정교한 제어를 통한 전계 발광 소자 특성 분석

Abstract

양자점은 양자 구속 효과로 인해 양자점의 밴드 갭을 조절하여 발광하는 빛의 파장을 달리할 수 있으며 좁은 반치폭으로 인해 높은 색 순도를 가지고 가시광선 영역만이 아니라 자외선, 적외선 영역까지 방출할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 양자점은 디스플레이 산업을 포함하여 포토 디텍터, 레이저, 그리고 태양 전지와 같은 소자에 응용이 되었다. 양자점은 코어와 쉘, 리간드로 구성되어 있는데 특히 코어에 epitaxially 성장시킨 쉘은 코어의 트랩 사이트를 줄이고 코어와 쉘의 lattice mismatch를 줄여 광 발광 (Photoluminescence, PL)과 양자 효율 (Quantum Yield, QY)을 증가시킬 수 있다. 그 중에서도 이종 접합 구조를 갖는 양자점은 높은 광 발광 특성과 안정성을 가지고 있어 많은 분야에서 연구되어 왔다. 이종 접합 구조의 양자점은 코어와 쉘의 에너지 오프셋에 의해 Type I 구조와 Type II 구조로 나뉜다. Type I 구조는 코어의 에너지 밴드 갭이 쉘의 에너지 밴드 갭에 오버랩 되어 양자 우물 형태의 에너지 밴드를 가지는 구조로 코어 쪽에 전자와 정공의 파동 함수가 제한되어 전자와 정공이 코어 안에 편재화 된다. Type II 구조는 코어와 쉘의 에너지 밴드가 계단 모양으로 정렬되어 있어 전자와 정공의 파동함수가 코어와 쉘 각각에 분리되어 전자와 정공이 분리되어 코어와 쉘에 따로 편재되어 있다는 특징이 있다. 특히 quasi type II 양자점은 코어와 쉘의 CBM 또는 VBM의 에너지가 한 쪽만 정렬되어 있어 전자 또는 정공의 파동 함수가 코어 안에 제한되어 전하 운반자가 갇히게 되면 나머지 다른 하나의 파동 함수는 코어와 쉘에 모두 존재 할 수 있어 전하 운반자의 비편재화가 일어나는 구조이다. 본 연구에서는 전자와 홀의 분리가 쉬운 quasi type II 구조의 CdSe/ZnSe 양자점과 CdSe/CdS 양자점을 합성하여 전자와 홀의 독립적인 제어가 가능한 양자점을 합성하고 이를 이용한 전계 발광 소자를 제작하여 양자점 기반 소자의 효율 저하를 야기하는 원인 중 하나인 전하 불균형 현상에 대해 알아보고자 하였다. CdSe/ZnSe 양자점의 경우 코어와 쉘의 VBM 에너지 오프셋은 적어 홀의 이동이 쉬운 반면 코어와 쉘의 CBM 에너지 오프셋의 큰 차이로 인해 상대적으로 전자는 코어 쪽에 갇히게 된다. CdSe/CdS 양자점의 경우 이와는 반대로 코어와 쉘의 CBM 에너지 오프셋 차이가 적고 VBM 에너지 오프셋 차이가 홀의 이동을 제한하여 상대적으로 홀은 코어 쪽에 갇히게 되고 전자는 코어는 자유롭게 이동이 가능하다. CdSe/ZnSe와 CdSe/CdS 양자점의 광 발광 특성 및 구조적 특성에 대하여 분석하였다. 먼저 양자점 합성법을 최적화하여 두 양자점 모두 높은 양자 효율을 확보하였다. 또 CdSe/ZnSe와 CdSe/CdS 양자점을 독립적인 발광층으로 갖는 소자와 두 양자점을 부피 비율로 혼합하여 발광층으로 사용한 소자, 그리고 HTL-CdSe/ZnSe-CdSe/CdS-ETL, HTL-CdSe/CdS-CdSe/ZnSe-ETL 순서를 갖는 소자 이렇게 3 종류의 LED를 제작하여 각각의 전류-전압-밝기 특성 및 전류 효율 특성을 확인하였다. 그 결과 최대 밝기 78,690 cd/m2, 최대 효율 15.3 cd/A를 갖는 CdSe/ZnSe 양자점 기반 소자와 최대 밝기 4,808 cd/m2, 최대 효율 1.22 cd/A를 갖는 CdSe/CdS 양자점 기반 소자를 제작하였다. 이를 통해 CdSe/ZnSe 기반 소자의 경우 ZnSe 쉘이 전자의 주입을 제한하는 에너지 장벽으로 작용하여 발광층으로 주입된 전자와 정공의 전하 균형이 맞아 더 높은 밝기와 전류 효율을 갖는 것을 확인하였다. 반면 CdSe/CdS 기반 소자의 경우 CdS 쉘과 ZnO 사이의 에너지 오프셋 차이가 작아 훨씬 더 많은 전자가 발광층으로 주입되어 전자와 정공의 전하 불균형으로 인해 낮은 밝기와 효율을 갖는 것을 확인하였다. 이는 전계 발광 소자의 성능과 효율을 높이기 위해서는 양자점 발광층으로 주입되는 전자와 정공의 전하량이 균형을 이루는 것이 중요하다는 것을 시사하는 실험으로 앞으로의 양자점 기반 소자의 산업화 및 높은 수명을 얻는데 중요한 학문적 사료라 여겨진다.