양자점은 그 크기에 따라 발광 파장이 바뀌어 전 가시광선 영역대의 빛을 낼 수 있고, 넓은 영역대의 빛을 흡수하여 좁은 선폭의 빛을 내며, 발광 효율이 높다는 독특한 광학적인 특성을 지니고 있다. 이러한 특성에 기반하여 양자점 발광소자는 차세대 디스플레이의 후보 중 하나로 예상된다. 양자점 발광소자가 처음 발명된 이후 근 20년간 양자점 발광소자의 효율과 밝기는 발전을 거듭하였다. 그 결과 최근에는 이론적 한계점에 달하는 외부양자효율(~20 %)과 최대 밝기 100,000 cd/m2 이상의 양자점 발광소자가 보고된 바 있다.
양자점 발광소자의 구동안정성은 양자점 발광소자의 실질적인 응용에 있어 필수적인 요소이다. 양자점 발광소자의 성능이 급격하게 발전하였으나, 최신의 양자점 발광소자도 아직 구동안정성이 좋지 못하다. 더욱이 양자점 발광소자의 구동 불안정성의 원인에 대한 이해도 아직 부족한 실정이다. 본 논문에서는 양자점 발광소자의 구동 불안정성의 원인을 밝히고 그에 대한 이해를 바탕으로 양자점 발광소자의 구동 안정성을 향상시킬 방안을 제시한다.
제1장에서는 양자점의 기본적인 특성과 양자점 발광소자의 간략한 역사를 소개하였다. 양자점의 구조와 광학적인 특성을 간단한 코어/쉘 구조에서부터 복잡한 코어/합금쉘까지 소개하였다. 그리고 양자점 발광소자에 대하여 첫 양자점 발광소자부터 최신의 양자점 발광소자에 이르기까지의 역사를 간략히 설명하였다.
제 2장에서는 양자점 발광소자의 구동 불안정성의 원인에 대하여 연구하였다. 양자점 발광층에 대한 분광학적인 분석과 양자점 발광소자의 광전기적인 특성을 분석하고 비교하여 양자점 발광소자의 구동시 시간에 따라 효율이 감소되는 두 가지 원인을 밝혀내었다. 첫 번째는 양자점 발광소자의 구동시 여분의 전자가 양자점 발광층에 누적되어 오제 재결합을 일으킬 확률을 높이고 그 결과 양자점 발광층의 효율이 감소하는 것이다. 다른 하나는 정공수송층으로의 전하가 누설되어 정공수송층에 비가역적인 물리적 변화를 일으키고 비발광 재결합 중심이 생성되는 것이다. 이러한 과정들은 그 속도나 가역성에 차이가 있지만, 궁극적으로는 한가지 원인에 기인한다. 바로 양자점으로의 전자와 정공의 주입 속도 차이이다. 본 연구에서는 실험과 계산적인 결과에 기반하여, 단일 양자점 수준에서의 양자점 발광소자의 구동 원리에 대하여 제시하고, 구동시 열화되는 원인을 설명하였으며, 더욱 안정적인 소자를 제작할 수 있는 방안을 내세웠다.
제 3 장에서는 제 2장에서 제시된 소자 제작 방안을 기반으로 하여, 양자점 발광소자의 효율과 구동안정성을 향상시켰다. 균형있는 전하주입은 고효율 양자점 발광소자를 제작할 수 있게 한다. 보편적으로 사용하는 전하주입균형을 향상시키는 방안은 에너지 장벽을 도입하여 과량으로 주입되는 전하의 주입속도를 느리게 하는 것이다. 그러나 이러한 방법들은 구동 전압을 상승시키거나 하는 원하지 않는 결과를 불러 일으켜 소자의 구동안정성을 저하시킨다. 따라서 본 연구에서는 이러한 방법과는 반대로 부족하게 주입되고 있던 전하의 주입을 향상시키는 방법을 도입하여 양자점 발광소자의 효율과 안정성을 모두 향상시켰다. 구체적으로는, 정공 주입층 (MoOX)과 정공 수송층(4,4′-bis(9-carbazolyl)-1,1′-biphenyl) 사이에 얇은 플러렌(C60) 층을 삽입하여 전자에 비해 적게 주입되고 있던 정공의 주입을 향상시켰다. 이러한 플러렌 층은 정공 주입층과 정공 수송층 사이에 에너지 장벽을 제거하여 정공의 주입을 향상시키고, 양자점 발광소자의 구동전압을 낮추고 양자점 발광층의 전하주입균형을 향상시킨다. 그 결과 플러렌 층이 도입된 양자점 발광소자의 효율과 구동안정성이 현저히 향상되는 것을 확인할 수 있다. 양자점 발광층에서의 전하주입균형을 정량화하여 양자점 발광소자의 특성과 구동안정성을 평가하였다. 이러한 방법은 추후에도 적용될 수 있을 것으로 보이며 향상된 구동안정성은 양자점 전계발광소자의 실용화에 기여할 것으로 예상된다.

Nanocrystal quantum dots (QDs) exhibit unique optical properties such as broad absorption but narrow emission spectrum, size- dependent emission tunability over the entire visible region, and near-unity luminescence quantum yield. Based on these advantages of QDs, quantum dot based light-emitting diodes (QD-LEDs) is considered as one of the most promising next generation displays due to their excellence in color gamut, brightness, and efficiency. Since the first demonstration of QD-LEDs,1 QD-LEDs have evolved in terms of external quantum efficiency (EQE) and brightness in last two decades. Recently, QD-LEDs with a peak efficiency close to theoretical maximum EQE (~20 %) and maximum brightness over 100,000 cd/m2 have been realized.
Operational stability of quantum dot based light-emitting diode is essential for their practicable use in display and lightings. Despite substantial progress made in the device performance, state-of-the-art QD-LEDs still suffer from poor operational stability. Even, understanding on the origin of the operational instability of QD-LEDs is lagging behind, which in turn limits advancement of QD-LEDs toward commercialization. In the dissertation, the origin of operational instability of state-of-the-art QD-LEDs is investigated. And based on the understanding of the origin of operational instability, the way to enhance operational stability of QD-LEDs is suggested.
In Chapter 1, fundamental properties of QDs and brief history of QD-LEDs are introduced. The evolution of QD structure and optical property is introduced from simple core shell heterostructure to alloy core shell structure. And QD-LEDs from the first demonstration to the state-of-the-art structure is introduced.
In Chapter 2, the origin of operational instability of state-of-the-art QD-LEDs is investigated. Spectroscopic analysis on the QD emissive layer within devices in chorus with the optoelectronic and electrical characteristics of devices discloses that the device efficiency of QD-LEDs under operation is indeed deteriorated by two main mechanisms. The first is the luminance efficiency drop of the QD emissive layer in the running devices owing to the accumulation of excess electrons in the QDs, which escalates the possibility of non-radiative Auger recombination processes in the QDs. The other is the electron leakage toward hole transport layers (HTLs) that accompanies irreversible physical damage to the HTL by creating non-radiative recombination centers. These processes are distinguishable in terms of the time scale and the reversibility, but both stem from a single origin, the discrepancy between electron versus hole injection rates into QDs. Based on experimental and calculation results, we propose mechanistic models for the operation of QD-LEDs in individual quantum dot levels and their degradation during operation and offer rational guidelines that promise the realization of high-performance QD-LEDs with proven operational stability.
In Chapter 3, operational stability and efficiency of QD-LEDs enhanced based on the rational guidelines from Chapter 2. Balanced charge injection promises high efficiency of QD-LEDs. The most widely used approach to realize charge injection balance impedes the injection rate of the dominant charge carrier with energetic barriers. However, these approaches often accompany unwanted outcomes (e.g., the increase in operation voltage) that sacrifice the operational stability of devices. Herein, a “positive incentive” approach is proposed to enhance the efficiency and the operational stability of QD-LEDs. Specifically, the supply of hole, an inferior carrier than its counterpart, is facilitated by adopting a thin fullerene (C60) interlayer at the interface between the hole injection layer (MoOX) and hole transport layer (4,4′-bis(9-carbazolyl)-1,1′-biphenyl). The C60 interlayer boosts the hole current by eliminating the universal energy barrier, lowers the operation voltage of QD-LEDs, and enhances the charge balance in the QD emissive layer within the working device. Consequently, QD-LEDs benefitting from the adoption of the C60 interlayer exhibit significantly enhanced device efficiency and operation stability. Grounded on the quantitative assessment of the charge injection imbalance within the QD emissive layer, the impact of electrical parameters of QD-LEDs on their optoelectronic performance and operational stability is also discussed.