페로브스카이트 양자점 초격자 구조는 높은 색 순도, 높은 방사 재결합 효율, 그리고 용액 공정 용이성이라는 장점을 지니고 있어 고급 디스플레이 및 마이크로 디스플레이 장치에 적합합니다. 그러나 "초격자 구조의 규칙성"을 "소자 성능 향상"으로 실질적으로 전환하는 데에는 항상 난관이 존재합니다. 장거리 평면 규칙성, 초박형 수직 밀폐, 그리고 픽셀 수준의 정밀 패터닝을 동시에 구현하는 방법은 오랫동안 해결해야 할 과제였습니다.

최근 학술지 네이처(Nature)에 발표된 연구에 따르면, 연구진은 3차 암모늄 리간드인 BHOA와 테트라부틸암모늄 플루오라이드(TBAF)를 이용하여 CsPbBr3 양자점 표면을 시너지 효과적으로 조절하는 리간드-플루오라이드 공동 안정화 전략을 제안했습니다. 높은 기하학적 대칭성, 좁은 크기 분포, 그리고 강력한 표면 결합 능력을 지닌 CsPbBr3 페로브스카이트 양자점은 마름모십이면체 형태로 합성되었습니다. 모세관 액체 브리지 밀폐 조립 기술을 이용하여 픽셀화된 페로브스카이트 양자점 초격자 박막 어레이를 성공적으로 제작했습니다.

표면 결합력이 강화됨에 따라 BHOA+F 양자점 용액의 광발광 양자 효율은 94.6%에 달했으며, 60℃에서 72시간 동안 공기 중에서 노화시킨 후에도 완전한 발광 강도를 유지할 수 있었습니다. 해당 박막의 공기 및 자외선 조사 조건에서의 T90은 700시간을 초과하여 OLA 시스템의 4시간보다 훨씬 높았습니다. 이어서, 저자들은 모세관 액체 브리지 제한 조립법을 사용하여 마이크로 컬럼 템플레이트 내에서 양자점의 국소 결정화를 유도함으로써 두께가 약 25nm이고 양자점 단층이 약 두 겹으로 이루어진 픽셀화된 초격자 박막을 얻었습니다.

스핀 코팅 대조군과 비교했을 때, 초격자 필름은 더 우수한 구조적 및 광전자적 특성을 나타낸다. 즉, 과도 흡수 표백 피크 선폭은 93.6meV에서 70.1meV로 감소하고, 표백 피크 위치 드리프트 ΔE는 17.4meV에서 8.9meV로 감소하며, 정상 상태 발광 반폭은 19.4nm에서 17.1nm로 좁아지고, 필름의 절대 PLQY는 68.8%에서 82.3%로 증가하며, 전도도는 2.01 × 10⁻⁴Sm⁻¹에서 4.52 × 10⁻⁴Sm⁻¹로 증가하고, 188K 이하에서 dμ/dT<0의 밴드 전송 특성이 나타난다.

연구팀은 실용적인 디스플레이 응용 가능성을 검증하기 위해 초격자 어레이를 상용 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 백플레이트와 직접 통합하여 300 PPI 해상도와 1.85인치 크기의 능동형 매트릭스 디스플레이 화면을 제작했습니다. 픽셀화된 초격자 LED의 턴온 전압은 2.4V에서 2.2V로 감소했고, 최대 외부 양자 효율(EQE)은 30.9%에 도달했으며, 최대 밝기는 117,144 cd m⁻², 최고 해상도는 5080 PPI에 이르렀습니다. 40개 소자의 통계 분석 결과, 평균 EQE는 27.4%로 스핀 코팅 대조군의 21.7%보다 훨씬 높았습니다. 더욱 중요한 것은, 이 장치가 100cd m⁻²에서 T50을 12411시간으로 외삽했는데, 이는 기존에 보고된 픽셀화된 PeQD LED 수명보다 1000배 이상 긴 수치이며, 또한 1.85인치, 352 × 430픽셀, 300PPI의 액티브 매트릭스 디스플레이를 구현했음을 보여준다는 점이다.

본 연구에서 제작한 픽셀화된 초격자 발광 다이오드는 효율, 밝기, 수명 면에서 유사 소자의 기록을 경신했을 뿐만 아니라, 더욱 중요한 것은 이 공정이 포토리소그래피 패터닝 및 상용 박막 트랜지스터 백플레이트와 완벽하게 호환된다는 점입니다. 이는 차세대 고해상도 및 고안정성 페로브스카이트 디스플레이 기술을 위한 실현 가능한 소재 시스템 및 제조 솔루션을 제공합니다.