기계발광 소재 및 소자 개발

Abstract

기계발광 (Mechanoluminescence, ML) 재료는 압전-효과 방식으로 마찰 전기 자극에 반응하는 고유한 광자 방출 특성을 제공하며 기계적 자극에 의해 유도될 수 있다. 이 외에도 무기질 콜로이드 양자점 (CQD)은 양자 구속 효과에 의한 고유의 광학적 특성과 크기 조절에 따른 색상 가변성으로 연구자들의 주목을 받고 있다. 두 재료 간의 보상은 높은 ML 강도와 색 순도 및 발광 구현을 위한 손쉬운 프로세스가 필요한 자체 구동 전자 장치 및 무전력 디스플레이를 포함하여 지속 가능한 에너지 절약 기술에 대한 잠재력을 제공한다. 하지만, CQD와 같은 발광재료는 색상 구현에 있어 뛰어난 광학적 특성을 가지고 있음에도 불구하고 ML 연구 분야에서 보고된 적이 없다. 본 논문에서는 CQD의 ML에 대한 새롭고 쉬우며, 효과적인 전략을 제안하여 기계적 자극에 의한 다색 구현 방법 및 메커니즘을 설명합니다. 1장에서는 다양한 응용을 위한 ML 재료 및 소자의 원리와 최근 연구 방향, ML 연구 분야에서 CQD의 근본적인 특성과 역할, 그리고 본 논문의 연구 목표를 소개한다. 2장에서는 CQD를 통합하는 새로운 방법을 사용하여 ML 시스템의 풀 컬러 발광을 구현하는 방법론을 제안한다. 실제로, 고전적인 ML 재료에서 방출되는 빛은 지금까지 광범위한 방출 스펙트럼과 색상 선택의 제한을 보여 ML의 풀 컬러 구현을 제한했다. 이 장에서는 양자점 (QD)-in-mechanoluminescent 매트릭스(QMM) 아키텍처가 QD의 날카로운 방출 스펙트럼을 활용하도록 설계된 기존 ML 활성 매트릭스와 QD를 간단히 통합한다. QMM은 기계적 자극을 통해 QD의 방출과 동일한 독특한 녹색 및 적색 발광을 보여 현재까지 보고된 가장 순수한 ML을 달성했다. 또한 QD를 통해 넓은 색 영역을 포괄하는 ML의 풀 컬러 구현과 지금까지 보고된 가장 순수한 백색 구현이 가능하다. 체계적인 분석에 따르면 QMM의 ML 작동은 ML-자극-광 발광 (PL) 메커니즘에 따라 통제되어 에너지 또는 전하 이동 프로세스를 방지할 수 있다. 또한 QMM은 다양한 환경에서 매우 훌륭한 안정성을 나타내며 패턴화된 시스템은 매우 쉽게 구현될 수 있고, 시스템의 견고성과 쉬운 처리성을 모두 보장한다. 이 간단한 QMM 전략은 전원이 없는 ML 디스플레이 및 조명 시스템 개발을 위한 실용적인 통찰력을 제공할 수 있다. 3장에서는 폴리머 매트릭스와 금속 산화물 마이크로입자의 마찰 대전을 통해 고전적인 ML 시스템 없이 CQD의 자체 ML에 대한 새로운 도전을 소개한다. 위 장에서 언급한 바와 같이 고전적인 ML 재료의 발색은 비중심 구조를 갖는 압전 재료의 압전-광 효과로 잘 알려져 있지만, 이 모델은 이론적 문제에 대한 오해로 인해 ML. 발광 재료의 다양성과 색상 표현의 한계에 직면했다. 여기에서는 기계적 에너지를 마찰 전기장으로 변환하여 CQD의 직접적인 여기를 유도하는 외부 자극에 의해 흥미로운 빛을 방출하는 새롭고 도전적인 CQD의 ML (QML) 시스템을 처음으로 소개한다. 산화 마그네슘(MgO) 미립자(MPs)는 체계적인 선택 과정을 통해 QML 시스템의 마찰 대전을 위한 활성화제로 채택되었으며, 이는 기계적 자극 하에서 PDMS 매트릭스에서 마찰 전기장을 생성할 수 있다. 또한 전체 시스템에서 마찰 대전 능력을 향상시키기 위해 CQD 표면 개질을 통해 PDMS 고분자 매트릭스의 에너지 레벨을 제어하여 PDMS에서 CQD의 음의 마찰 전기를 향상시켰으며 ML 강도 또한 증가시킬 수 있었다. QML 시스템은 지금까지 보고된 마찰 전기장 생성 시스템을 통해 CQD와 동일한 순수한 빨간색(R), 녹색(G) 및 파란색(B) 색상 방출을 방출하며 ML의 색상 조작이 가능하여 시스템의 용이성을 보장한다. 또한 QML 시스템의 풀 컬러 방출은 NTSC 또는 rec.2020과 같은 색 재현 기준 대비 넓은 색 영역을 커버하는 ML을 나타낸다. 이는 ML 연구 분야에서 재료의 한계를 극복하기 위한 혁신적 발견이며, 신개념 QML 시스템의 이러한 자체발광 현상은 기존의 한계를 뛰어넘어 우수한 광학적 특성을 지닌 다양한 ML 재료의 보급에 첫걸음이 될 수 있다. 4장에서는 본 논문에서 입증된 새로운 QML 구조와 광학적 특성, 메커니즘 및 발색 방법이 다양한 차세대 응용을 위한 ML 재료 및 장치 개발의 효과적인 전략이 될 수 있음을 설명한다. |Mechanoluminescence (ML) materials provide unique photon emission characterization responded to triboelectric stimuli in the manner of the piezoelectric effect, and they can be induced by mechanical stimulus. Aside from them, inorganic colloidal quantum dot (CQD) rapidly attracting the attention of researchers as inherent optical properties by quantum confinement effect, and color tunability from size controlling. Compensation between two materials promise the potential towards sustainable energy-saving technologies including self-driven electronics and power-less displays, which required high ML intensity and color purity and easy process for implementation of light emission. However, although CQDs have an excellent optical property for color-implementation, the ML of CQDs have never been reported in the ML research area. In this thesis, novel, easy and effective strategies for the CQD’s ML are suggested, which elucidate the method and mechanism for implementation of full-color by the mechanical stimulus. Chapter 1 introduces the principle and recent research direction of the ML materials and devices for various application and the fundamental properties and role of CQD in the ML research area as well as the research objective in this thesis. Chapter 2 suggests a methodology for realizing full color emission of the ML system using the novel method of incorporating the CQD. The lights emitted from classical ML materials have shown broad emission spectra and a limitation in the choice of colors so far, constraining the full-color implementation of ML. in this chapter, a quantum dot (QD)-in-mechanoluminescent matrix (QMM) architecture is introduced by simply incorporating QDs with the classical ML-active matrices, designed to utilize the sharp emission spectra of the QDs. The QMMs demonstrate distinctive green and red lights identical to the emissions from the QDs through mechanical stimuli, achieving the purest ML reported to date. Furthermore, the deployments of the QDs allow the full-color implementation of ML covering a wide color gamut, as well as the demonstration of the purest white reported to date. Systematic investigations reveal that the ML operation in the QMM is governed according to the ML-stimulated photoluminescence (PL) mechanism, preventing energy or charge transfer processes. Moreover, the QMMs exhibit excellent stabilities upon environmental stresses and the patterned system is readily prepared, guaranteeing both robustness and easy processability of the system. This simple QMM strategy suggests practical insights for the development of powerless ML display and lighting systems. Chapter 3 introduces the new challenging for the self-ML of CQD without classical ML system via triboelectrification of the polymer matrix and metal oxide microparticles. As mentioned in above chapter, color-emitting of classical ML materials is well known for the piezo-photonic effect of piezoelectric materials with non-centrosymmetric structures, but this model faced on the difficulties in variety of light-emitting materials and limited color expression of the ML due to their misunderstanding of theoretical problem. Here, for the first time, novel and challenging CQD’s ML (QML) system that emits the interesting light by external stimuli is introduced, which induces direct excitation of CQDs by converting mechanical energy in to the triboelectric filed. Magnesium oxide (MgO) microparticles (MPs) were adopted as an activator for triboelectrification of QML system throughout systematic selection process, which can generate triboelectric field in the PDMS matrix under the mechanical stimulus. Also, to encourage the triboelectrification ability in the whole system, the negative triboelectricity of CQD in PDMS was enhanced by controlling the energy level of PDMS polymer matrix via CQD surface modification, and as well as ML intensity was also increased. The QML system emit the pure red (R), green (G) and blue (B) color emission identical of CQDs via triboelectric field generation system reported so far, and color manipulation of ML is possible warranting the easy possibility of the system. Moreover, the full-color emission of QML system exhibit ML covering a wide color gamut compared with reference to NTSC or rec.2020. Indeed, this is innovated discovery for overcoming the limitations of materials in the ML research area and this self-luminescence phenomenon of the new-concept QML system can be the first step in expending various ML materials with excellent optical properties beyond the limitations of existing limited materials. Chapter 4 describes that novel QML architecture as well as their optical properties, mechanism and color emission methods demonstrated in this thesis can be an effective strategy toward the development of ML materials and devices for the various next-generation application.