Charged Aerosol Generation via Spark Discharge and Its Applications

Abstract

나노입자는 그 고유한 특성으로 나노공학분야에서 널리 연구되고 있다. 신뢰성있는 나노입자 패터닝 기술은 나노입자의 실질적 이용 에 있어 선행조건이 되며 이는 기존 포토리소그래피기술의 대안으로 될 수 있다. 이온기반 에어로졸 리소그래피를 이용한 고정밀, 병렬식의 하전입자 패터닝기술은 전도성 기판에 2차원 패터닝뿐만 아니라 독창적인 3차원 나노입자구조의 패터닝이 가능하다. 이러한 이온기반 에어로졸 패터닝을 위한 안정적인 하전입자의 발생과 기판 종류에 관계없이 하전입자를 패터닝하는 기술은 본 에어로졸 패터닝 기술의 활용을 더욱 확대할 수 있다. 이 연구의 목적은 이온기반 패터닝을 위해 일반적인 구조와 다른 독창적인 스파크방전 장치로 하전입자를 발생시키고 기존 이온기반 패터닝 기술의 비전도성 기판에 대한 한계를 극복하는데 있다. 신규 개발한 스파크 방전장치로 만든 하전입자를 유기 발광 다이오드 내부에 내장시켜 발광효율을 증가시키기 위해 이용하였다. 일반적인 대칭 전극 구조를 갖는 스파크 방전장치와 달리 핀(pin)과 판(plate)형상의 전극구조를 갖는 스파크 방전장치로 더 크기가 작고 응집이 적은 하전에어로졸을 크기 산포도 더 작게 발생시킬 수 있다. 인듐-주석합금, 은, 구리에 대한 크기와 하전 분포를 스파크 방전장치 구조에 따라 측정하고 비교하였다. 측정된 하전입자의 발생특성을 설명하기 위해 방전장치 구조별 스파크 방전 인자와 유동 특성에 대해 연구하였다. 핀-판 구조의 스파크 방전장치 내에서 발생된 입자의 빠른 배출특성이 더 작고 응집이 적은 나노입자를 발생하는데 중요한 역할을 한다. 또한 새로 개발한 스파크 방전장치와 달리 일반적인 스파크 방전장치는 스파크 발생주파수에 따라 하전입자가 스파크 전극으로의 전착이 달라지기 때문에 하전입자의 분포 상태가 변함을 알 수 있었다. 나노입자 집속마스크를 이용하여 비전도성 기판위에 하전입자를 패터닝하는 기술을 개발하였다. 계면활성제와 정전분무로 공급되는 전도성 액적을 이용하여 비전성기판상에 임시적인 전도성 액체막을 형성하고 기판위에 부착되는 하전입자를 전기적으로 중화시켜 하전입자 패터닝을 구현하였다. PSL 나노입자를 이용하여 유연기판과 유리기판에 나노와 마이크로 스케일의 패턴을 구현했으며 은 나노잉크로 기존 잉크젯 기술 보다 고정밀의 전도성 와이어도 구현하였다. 본 기술로 스파크 장전장치로 발생시킨 금속 하전입자를 가지고 나노 스케일의 패터닝까지 최종적으로 구현하였다. 핀-판 전극 구조를 갖는 스파크 방전 장치로 발생된 응집이 적은 금 나노입자를 유기발광 다이오드에 적용하여 외부 양자 효율을 증가시키는데 응용하였다. 발광 다이오드 내에 유기물의 손상없이 금 입자를 위치시키는 것이 가능하며 이미 알려진 최적의 위치에서 최적의 크기를 찾아 외부 양자 효율을 44%까지 향상시켰다. 이러한 발광 다이오드의 효율 향상은 금 나노입자가 내장된 유기발광 다이오드 안으로 주입되는 정공과 전자 개수의 균형과 전자와 정공이 재결합하는 장소의 면적 변화에 대한 최적화에 기인한 것으로 판단된다.

Nanoparticles have been widely studied in nanotechnology due to their unique characteristics. Establishment of reliable and robust nanoparticle patterning methodology is a prerequisite for practical use of the nanoparticles, which could be a promising alternative to conventional photolithography. High resolution and parallel patterning of charged aerosols via Ion-Assisted Aerosol Lithography (IAAL) was previously reported and has been utilized for unique three-dimensional patterning of nanoparticles as well as conventional two-dimensional patterning on conducting substrates. Stable preparation of charged aerosols and their patterning regardless of the kind of substrates could expand the application of the IAAL in nanotechnology. This study is aimed to develop an unconventional type spark discharge generator as a facile charged aerosol provider for the IAAL and extend the limitation of the IAAL for charged particle patterning even on a non-conducting substrate. The new type spark discharge generator was applied to fabricate nanoparticle embedded organic light emitting diode (OLED) for enhancement of light emission efficiency. Much smaller unagglomerated charged metal aerosols with a narrower size distribution at higher concentration were obtained via a pin-to-plate type spark discharge generator in comparison to the conventional rod-to-rod type generators. The sizes and charge distributions of particles were measured and compared for In-Sn alloy, silver and copper. Spark parameters and flow pattern for each configuration were investigated to explain the observed phenomena. Much faster transport of as-generated particles in the pin-to-plate type electrode configuration played a critical role in producing smaller and unagglomerated charged aerosols in comparison to the rod-to-rod type generator. It was also found that charge distribution of generated particles via the rod-to-rod type generator was changed with respect to spark frequency in contrast with our spark discharge generator because the characteristic of electro-deposition of charged particles to the electrode was changed depending on the spark frequency. A method of patterning of charged aerosols on a non-conducting substrate using a focusing mask was developed. The temporary path to neutralize the charge of particles was devised to eliminate the charges from incoming charged particles by forming the conductive liquid film on the substrate. This was done by using a surfactant and droplets via electrospraying liquid. Nano and micro scaled patterns were demonstrated with PolyStyrene Latex (PSL) particles via this method. Conducting micro wires with silver nanoinks were easily produced with a higher resolution in compared to normal inkjet technology. Sub-micro scaled patterns were also realized with charged metal particles generated by spark discharge generator. Unagglomerated gold aerosols via the pin-to-plate type spark discharge generator were utilized to increase the external quantum efficiency (EQE) for an OLED. The gold aerosols were easily embedded in the middle of organic materials of the OLED at a desired position without damage to the organic material with our newly developed spark generator. The optimum size of the particles at a known optimum position was engineered to maximize the EQE of the OLED and the corresponding enhancement of EQE was about 44 %. Maximum of EQE could be attributed to optimized equilibrium between the balance of charge carriers and the reduction of the area for recombination site of holes and electrons in the OLED.