양자점 발광 다이오드(QLED) 분야에서 CdSe 기반 양자점은 광범위하게 연구되어 왔으며 적색 및 녹색 발광 QLED에서 우수한 성능을 보여주었습니다. 그러나 청색 발광을 구현하려면 CdSe 핵의 크기가 극히 작아야(직경 < 2nm) 표면 특성이 불안정해져 청색 QLED의 외부 양자 효율(EQE)이 적색 및 녹색 QLED에 비해 낮아질 수 있습니다.

학술지 Angew에 발표된 연구에 따르면, 연구진은 독특한 구조를 가진 g-CdZnSeS/ZnS 양자점을 설계 및 합성하여 고성능 청색 QLED 소자를 성공적으로 제작하고, 최대 24%의 획기적인 외부 양자 효율(EQE)을 달성했습니다. 최적화된 그라디언트 구조는 코어/쉘 격자 응력을 완화시켰고, 엑시톤 전달 및 오제 재결합을 억제함으로써 CdZnSeS 합금 핵이 큰 청색 QLED의 외부 양자 효율(EQE)이 24%라는 획기적인 수준에 도달했습니다.

본 연구에서는 아연 원자를 CdSeS 코어 내부로 확산시켜 거대 CdZnSeS 합금 코어를 합성함으로써, 최적화된 조성 구배를 구현하고 코어/쉘 격자 응력을 완화했습니다. 외부 쉘은 1~2개의 단일층 ZnS로 구성되어 전체 양자점의 조성에 구배 변화를 유도합니다. 이러한 구조적 설계는 엑시톤 전달 및 오제 재결합을 효과적으로 억제할 뿐만 아니라 페르미 준위를 낮추어 엑시톤의 내부 구속을 향상시킵니다. 합성된 g-CdZnSeS/ZnS 양자점은 단분산성을 나타내며, 최대 95%의 광발광 양자 효율(PLQY)을 보입니다.

양자점의 우수한 성능을 바탕으로 연구진은 폴리비닐카르바졸(PVK)을 정공 전달층으로, ZnMgO 나노입자를 전자 전달층으로 사용하여 QLED 소자를 제작했습니다. 그 결과, g-CdZnSeS/ZnS QLED 소자의 최대 밝기는 약 57,000 cd/m2, 구동 전압은 약 3.8V, 최대 외부 양자 효율(EQE)은 약 24%에 달하는 것으로 나타났습니다. 반면, 다른 두 가지 코어/쉘 구조를 기반으로 한 QLED 소자의 최대 EQE는 8%에 불과했습니다.

또한, 여러 차례에 걸쳐 제작된 48개 소자의 EQE는 주로 21%~24% 범위에 집중되어 우수한 재현성을 보였다. 3~9V의 다양한 전압에서, 전기발광(EL) 스펙트럼의 피크 값은 479nm에서 안정화되었다. 8000cd/m2의 일정한 전류 밀도에서 소자의 작동 수명(T50)은 10시간이며, 초기 밝기 100cd/m2에서의 T50은 약 27000시간으로 추정할 수 있다.

본 연구에서 제안한 방법은 고성능 청색 QLED 개발에 귀중한 통찰력과 지침을 제공합니다. 향후 연구에서는 양자점 합성 방법과 QLED 소자 구조를 더욱 최적화하여 효율과 안정성을 향상시킬 수 있을 것입니다.
문헌명: 효율적인 CdZnSeS 기반 청색 양자점 발광 다이오드를 위한 내부 엑시톤 가둠 개선