탄소 양자점(CQD) 친환경 발광 소재인 탄소 양자점(CQD)은 일반적으로 광발광 조건에서 높은 양자 효율을 나타냅니다. 기존의 CQD는 용액 상태에서 80% 이상의 광발광 양자 효율(PLQY)을 달성할 수 있지만, 고체 박막에서는 PLQY가 크게 감소하여 CQD 기반 LED 소자의 밝기와 효율이 중금속을 함유한 양자점 소자보다 훨씬 낮아집니다. 따라서 매트릭스 내에서 발광을 향상시킬 수 있는 새로운 CQD를 개발하는 것은 차세대 지속 가능한 발광 기술 개발을 촉진하는 데 중요한 과제가 되었습니다.

학술지 Advanced Functional Materials에 발표된 연구에 따르면, 연구진은 합리적인 분자 설계 기법을 통해 전례 없는 매트릭스 유도 발광 증강(MIE) 효과를 나타내는 새로운 종류의 탄소 양자점(MIE-CQD)을 개발했습니다. 이 MIE-CQD는 2,5-디메톡시페닐-1,4-디포름알데히드(DMDD)와 2-나프틸아세토니트릴을 전구체로 사용하여 강알칼리성 에탄올 조건에서 용매열 합성법으로 제조되었습니다.

기존의 CQD와는 달리, MIE CQD는 희석 용액에서 15%의 PLQY(광발광 양자 효율)만을 나타내지만, 고체 분말에서는 31%까지 증가합니다. 그러나 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 고분자 매트릭스에 분산시키면 PLQY가 70% 이상으로 크게 향상됩니다. 연구진은 종합적인 구조적, 광학적, 광물리적 분석을 통해 이러한 향상 효과가 비평면 구조에서 분자 내 운동이 제한되어 비방사성 재결합이 효과적으로 억제되는 데서 비롯됨을 확인했습니다.

MIE CQD의 우수한 고체 발광 성능을 바탕으로 연구팀은 용액 공정을 이용한 전계발광 소자를 제작했습니다. 열활성화 지연 형광(TADF) 물질인 CzAcSF를 호스트 매트릭스로 사용하고 PO-T2T를 전자 전달층으로 결합하여 MIE CQ를 도핑함으로써 효율적인 엑시톤 수집 및 에너지 전달을 달성했습니다.

최적화된 LED는 510nm 파장에서 발광하며, 최대 밝기는 10,000cd/m² 이상, 전류 효율은 20cd/A, 외부 양자 효율(EQE)은 7%를 초과하여 기존 형광 CQD LED의 성능 한계를 획기적으로 극복했습니다. 또한, MIE CQD를 발광층으로 직접 사용한 소자는 603nm 파장에서 발광하여 8,366cd/m²의 높은 밝기를 달성하며 장파장 CQD LED 밝기 부문에서 새로운 기록을 세웠습니다.

본 연구는 고성능 매트릭스 유도 발광 증강 탄소 양자점 설계를 위한 효과적인 전략을 제시하며, 이는 발광 다이오드 기술 발전을 촉진할 것으로 기대된다.
논문 제목: 전례 없는 매트릭스 유도 발광 증강을 통해 밝고 효율적인 탄소 양자점 기반 전계발광 발광 다이오드 구현