Enhanced performance of inkjet-printed quantum dot light-emitting diodes by atomic layer deposited ZnO

Abstract

Colloidal quantum dot light-emitting diodes (QLED) are attractive as a next-generation display due to the excellent optoelectronic properties com- pared to the commercial OLEDs. Among various QD patterning methods, inkjet printing is considered the most suitable technique for commercialized QD displays due to accuracy, high speed and simple fabrication process. To achieve an inkjet-printed high-performance full-color display, it is necessary to form a uniform QD layer by tailoring the ink conditions and designing the pixel-defining layer (i.e., a bank structure). In this work, we modified the surface energy of the pixel banks by depositing a thin ZnO layer via atomic layer deposition (ALD) to form a uniform QD layer by inkjet printing. Due to the conformal deposition of ZnO onto the bank structure, the morphology of the inkjet-printed QDs film becomes more smooth and induce the im- proved charge balance as well. A pixelated, inkjet-printed QLEDs with 20 cycles of ALD-ZnO exhibited the maximum luminance of 48691 cd/m2, the external quantum efficiency (EQE) of 2.15%, respectively, and half-lifetime (LT 50 at 1000 cd/m2) were improved by 342%, compared to those of the device without ALD-ZnO. We investigated the effect of the thickness of the ALD layer on the performance of inkjet-printed QLEDs and analyzed the morphology using microscopic techniques.

콜로이드성 양자점 발광소자는 유기 발광소자와 비교하여 우수한 광전자 특성으로 차세대 디스플레이로 주목받고 있다. 양자점 발광소자를 풀 컬러 디스플레이로 양산하기 위해서 R, G, B 각 색깔 별 패터닝하는 기술이 중요하다. 다양한 패터닝 방법 중에서 잉크젯 프린팅 기술은 신속하고 정확한 위치에 패턴 형성이 가능하고 적은 재료 소모로 인하여 양산에 채택될 수 있는 가장 용이한 기술로 고려되고 있다. 잉크젯 프린팅 기술로 구현한 양자점 발광소자의 높은 성능을 구현하기 위하여 가장 중요한 부분은 발광 영역, 즉 픽셀 뱅크 내에서 양자점 잉크가 떨어진 뒤 균일한 발광층을 형성하는 것이다. 최근 잉크젯 프린팅 기술로 구현한 양자점 발광 소자의 연구를 보면 잉크 용액의 끓는점, 점도, 증발율을 개선한 혼합용매를 사용하거나 잉크 내 양자점의 균일한 필름 형성을 위한 첨가제를 넣음으로써 성능 개선이 보고되고 있으나, 잉크가 떨어져 마르는 뱅크 표면에너지에 대한 연구는 거의 진행되고 있지 않다. 본 연구에서는 원자층 증착법을 통한 산화아연을 소자 내 도입하여 뱅크 구조 내 잉크가 닿는 부분의 표면에너지를 변화시켰고, 그로 인한 양자점 발광층과 그 하부 층인 전자 수송층의 표면 프로파일이 균일하게 형성되고 전하 균형이 개선되는 것을 확인하였다. 3 nm의 산화아연 삽입층을 도입한 소자에서 최대 밝기 48,691 cd m-2 및 최대 양자 효율 2.15%를 달성하였고, 이는 기존 비교군 대비 각 30%, 20%의 성능 향상을 확인하였다. 또한 소자 수명은 산화아연 삽입층을 도입하지 않은 소자보다 3.4배의 개선을 확인함으로써 모든 특성이 눈에 띄게 향상되는 것을 보여주었다. 우리의 픽셀 뱅크 엔지니어링을 통한 소자 성능 향상에 대한 연구 결과는 향후 양자점 발광 소자의 양산을 위한 초석이 될 것이라 믿는다.