Hybrid dimensional nanostructures composed of nitride and oxide materials for flexible electronics/optoelectronic

Abstract

물리적으로 강하고 유연한 그래핀과 같은 2차원 소재위에 성장된 무기물 나노소재로 구성된 복합차원 나노소재는 유연한 대면적 전자 및 광전소자로의 응용에 적합한 형태의 소재 구조이며, 실제로 이를 기반으로 한 유연한 수직형 전계효과 트랜지스터 및 발광다이오드 등을 포함한 많은 소자들이 개발되고 있다. 하지만, 처리된 정보를 저장하고 이를 사용자에게 전달하는 기능을 수행하기 위해선 보다 다양한 소자들이 개발되어야 할 필요가 있다. 본 학위논문은 이러한 수요를 충족시키기 위해, 복합차원 나노소재 기반 유연한 대면적 차세대 비휘발성 메모리 및 유연한 대면적 다파장 발광 다이오드의 개발에 대하여 다루고 있다. 복합차원 나노소재를 기반으로 차세대 비휘발성 메모리를 구현하기 위해 니켈 산화물 및 질화갈륨 이종구조로 구성된 마이크로디스크 형태의 소재를 그래핀 위에 성장하고, 본 소재의 상부 및 하부에 전극을 증착하여 전극/산화물/전극으로 구성된 형태의 산화물 기반 저항변화 메모리를 제조할 수 있었다. 마이크로디스크 형태의 소재의 사이가 떨어져있기 때문에 본 소자를 유연한 형태에서 구현하거나 1,000 회 이상의 구부림 뒤 소자의 특성을 파악할 때 소자 특성의 큰 변화 없이 정보가 안정적으로 저장되는 특성을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 니켈 산화물 기반 저항변화메모리를 동작할 때, 산화물 내부에 전도성이 높은 니켈 산화물이 필라멘트 형태로 구성되는데, 이를 발광다이오드의 나노전극으로 사용하여 저항변화메모리 내부의 필라멘트 역학에 대해서도 연구할 수 있었다. 한편, 저장된 정보를 사용자에게 정확하게 전달하기 위해선 발광다이오드의 한 픽셀 (pixel) 의 크기가 수 마이크로미터 이하로 작아야하고, 빨강, 초록, 파랑색의 빛을 발광할 수 있어야 하는데 이는 현재 이용되고 있는 픽 앤 플레이스 (pick and place) 기술을 이용하여 제조할 때 소자 제조의 효율성 및 재현성에 한계를 보이고 있다. 본 학위논문에서는 이를 극복하기 위한 방법의 하나로, 다양한 색을 발광할 수 있는 발광다이오드를 하나의 그래핀 기판위에 동시에 성장하는 방법을 제시하고 이를 유연한 다파장 발광다이오드로 구현하는 방법에 대해 기술하고 있다. 본 소자를 구현하기 위해 다양한 모양의 질화갈륨 및 산화아연 이종구조를 그래핀 위에 성장하는 방법을 개발하였는데, 산화아연 나노튜브의 간격을 다르게 설정하여 성장하고 이 위에 질화갈륨을 성장하면 질화갈륨의 성장률이 나노튜브의 간격에 따라 다르게 형성되어 다른 모양의 마이크로 발광다이오드가 성장되는 것을 이용하였다. 각기 다른 발광다이오드에 같은 전압을 가해줬을 때 성장률의 차이로 인한 다중 양자 우물 조성의 변화 및 소재 내부의 결함으로 인해 각기 다른 파장의 색이 발광되는 특성을 확인하였고, 유연한 형태에서도 안정적으로 발광특성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.

The hybrid dimensional nanostructrures composed of high-quality inorganic nanostructures grown directly on two-dimensional (2D) materials such as graphene offers a novel material system for flexible electronics and optoelectronics. Indeed, the hybrid dimensional nanostructures have been fabricated to flexible electronics/optoelectronics and attracted many attentions with their excellent performances. Despite of the demonstration of flexible devices using the hybrid dimensional nanostructures, there remains a lot of devices that need to be further investigated in order to realize future electronics/optoelectronics such as wearable devices. This thesis presents the hybrid material system composed of oxide/nitrid heterostructures grown on graphene films and their applications on flexible non-volatile memory and flexible multi-color LEDs.