Effects of Charge Balance on Device Performances of Solution Processed QLEDs

Abstract

디스플레이의 응용처가 더욱 다양화, 고도화 됨에 따라 다양한 수요를 만족시키기 위하여 관련 기술들이 계속하여 발전하고 있다. CRT, LCD와 같이 후면 발광체를 필수 요소로 하는 디스플레이의 시대를 지나 LED, OLED와 같은 자체발광 소자를 기반으로 하는 디스플레이가 시장을 석권하고 있다. 특히 최근 디스플레이 분야의 차세대 주자로 주목받고 있는 소재로는 양자점과 페로브스카이트 등을 꼽을 수 있다. 이 중 양자점은 전기적, 광학적으로 우수한 성질을 가지고 있어 발광 소자 및 센서 등과 같은 제품에 다양하게 활용이 가능한 반도체성 물질이다. 입자 크기 제어를 통해 발광/흡수 파장의 조절이 용이하고, 높은 색 순도와 고 휘도를 구현할 수 있으며 코어-쉘/리간드의 제어를 통해 특성을 다양하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한 용매에 분산된 형태로 공정에 활용할 수 있기 때문에 용액 공정을 통해 저비용/저온 공정이 가능하여 대면적의 유연/신축성 전자 소자로의 응용을 기대할 수 있어 더욱 주목받고 있다. 양자점 발광 다이오드를 가장 쉽고 효율적으로 제작하기 위한 방법으로 알려진 것은 회전판에 장착한 기판 위에 용액을 떨어뜨린 후, 회전을 통한 원심력을 활용하여 박막을 증착 하는 스핀 코팅(Spin-Coating)이다. 스핀 코팅은 공정이 간단하고, 코팅 속도가 빠르며 비교적 균일한 막 두께를 확보할 수 있다. 뿐만 아니라 회전판의 회전 속도, 회전 시간 및 용액의 농도 등으로 박막의 두께를 용이하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이렇게 제작된 양자점 발광 소자에는 본질적인 특성의 한계점이 존재하는데, 이는 양자점의 최대 가전자대 (VBM, valence band maximum)에 기인하는 전하 불균형 상태이다. 양자점은 깊은 최대 가전자대를 갖기 때문에 발광층으로의 정공 주입 장벽이 전자 주입 장벽 대비하여 크게 형성된다. 뿐만 아니라 용액 공정으로 활용 가능한 정공 수송층의 정공 이동도는 전자 수송층의 전자 이동도 대비 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 따라서 주입 장벽과 전하의 이동도라는 두 가지 측면 모두에서 정공의 주입이 전자 주입 대비 불리하고, 이에 따라 과잉 전자가 다수 존재하는 전하 불균형 상태가 된다. 이러한 전하 불균형은 비발광재결합을 야기하여 소자 특성을 저하시키는 주요한 원인이 된다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 다양한 소자 구조 개발 전략을 제시하고자 하였다. 우선 기능층의 추가 없이 단량체를 정공추입층에 혼합하여 사용하는 소자 구조를 제안하였다. 정공 주입을 개선하기 위하여 증착 공정을 통해 정공 주입층을 성막 하는 역구조의 양자점 발광 다이오드와 달리, 단량체의 혼합을 통해 정공 이동도와 주입 장벽을 제어하면서도 기존의 구조와 공정을 유지할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 소자 구조 개발을 위하여 적절한 물성을 갖는 단량체의 탐색과, 용해도 및 용매 직교성에 대한 사전 평가가 수반되었다. 이를 통해 간단한 공정을 유지하면서 정공 주입을 효과적으로 강화하여 소자의 광학적, 전기적 특성을 크게 개선할 수 있었다. 다음으로는 과잉 전자를 억제할 수 있는 소자 구조를 개발하고자 하였다. 이러한 소자 개발을 위하여 과잉 전자 억제를 위해서 전자 주입 장벽을 추가하는 방법과, 전자수송층의 전자이동도를 제어하는 두 가지 방법이 모두 평가되었다. 뿐만 아니라 과잉 전자를 제어함에 따라 소자의 거동이 변화하는 원리를 규명하고자 하였다. 이러한 연구를 통하여 전하 불균형 상태를 완화할 수 있었으며 이에 따라 높은 신뢰성을 갖는 소자 구조를 확보할 수 있었다. 본 학위논문은 다양한 단량체를 용액 공정에 적용할 수 있는 공정 기술을 개발하고, 양자점 발광 다이오드의 성능을 향상시킬 수 있는 기반 기술을 개발하는데 그 목적을 두었다. 특히 다양한 단량체의 물성을 적절하게 활용하여 양자점 발광 다이오드의 특성을 그 필요에 따라 최적화 하고자 하였다. 이에 따라 저전력, 고효율 또는 고안정성을 확보하기 위한 양자점 발광 다이오드의 개발 전략을 제시하였으며 결과적으로 디스플레이 산업에 QLED가 활용될 수 있는 기반 기술 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

As the application of display technology becomes increasingly diversified and advanced, related technologies continue to evolve to meet a wide range of demands. Following the decline of display technologies like cathode ray tube (CRT) and liquid crystal display (LCD), which relied on backlight units as a crucial component, the market has been dominated by displays based on active matrix light emitting diodes (LED and Organic LED). Recently, quantum dots (QDs) and perovskite have emerged as highly promising next-generation materials in the field of displays. Particularly, QDs are semiconductor materials renowned for their outstanding electrical and optical properties, enabling their utilization in various products such as light-emitting devices and sensors. Moreover, they offer the advantage of easily adjusting the emission/absorption wavelength through particle size control, resulting in remarkable color purity and brightness. Furthermore, characteristics of QDs can be tailored in multiple ways by manipulating the core-shell/ligand configuration. Additionally, QDs can be employed in solvent-dispersed form, allowing for cost-effective and low-temperature processing through solution-based methods. Consequently, QDs are receiving increasing attention for their potential application in large-area, flexible, and stretchable electronic devices. The most efficient and straightforward technique employed for the fabrication of quantum dot light emitting diodes (QLEDs) is widely known as spin coating. Spin coating involves depositing thin films onto a rotating substrate by dispensing a solution onto it, utilizing the centrifugal force generated by rotation. This method offers a simple process with rapid coating speed, facilitating the production of films with relatively uniform thickness. Furthermore, spin coating provides the advantage of easy control over the film thickness by adjusting parameters such as rotation speed, duration, and solution concentration. However, QLEDs produced through this method exhibit a limitation in their intrinsic characteristics, specifically in a charge imbalance state caused by the deep valence band maximum (VBM) of the QDs. Due to the deep VBM of QDs, the hole injection barrier is significantly larger compared to the electron injection barrier into the emitting layer (EML). Additionally, hole mobility in hole transport layers (HTL), which can be achieved using a solution process, is known to be significantly lower than the electron mobility in electron transport layers (ETL). Consequently, hole injection is disadvantaged in terms of both injection barrier and carrier mobility when compared to electron injection. As a result, an excess of electrons leads to a charge imbalance state. This charge imbalance induces non-radiative recombination, a significant factor that deteriorates device performance. To address these issues, this paper presents a range of strategies for developing alternative device structures. Initially, we introduced a novel device structure that involves the incorporation of monomers within the HTL without the addition of an active layer. Unlike QLEDs employing an inverted structure, where a deposition process is employed to enhance hole injection via a hole injection layer, our proposed structure offers the advantage of regulating hole mobility and injection barriers by incorporating monomers. This approach enables us to retain the existing structure and process while achieving control over hole injection. To realize this device structure, we conducted an extensive search for monomers possessing suitable properties and conducted a preliminary assessment of solubility and solvent compatibility. As a result, we achieved effective enhancement of hole injection while maintaining a simplified process, leading to significant improvements in the optical and electrical properties of the device. Subsequently, our objective was to devise a device structure capable of mitigating the abundance of excess electrons. To achieve this, we explored two approaches: incorporating an electron injection barrier to suppress excess electrons and controlling the electron mobility within the ETL. Additionally, we conducted an investigation into the underlying principles governing the behavior of the device as the excess electrons were regulated. Through this study, we successfully alleviated the charge imbalance state, leading to the development of a highly reliable device structure. The primary focus of this dissertation was to establish a process technology that enables the application of diverse monomers in a solution-based approach and establish a foundational technology for enhancing the performance of QLEDs. Particularly, our aim was to optimize the characteristics of QLEDs by leveraging the unique properties of the monomers, thus enabling tailored improvements in power consumption, efficiency, and stability. By presenting a comprehensive QLED development strategy, we anticipated that this work would contribute significantly to the advancement of foundational technologies facilitating the integration of QLEDs within the display industry.