양자점 발광다이오드(QLEDs)는 탁월한 색순도, 좁은 발광 스펙트럼 선폭, 조절 가능한 스펙트럴 특성을 결합함으로써 차세대 디스플레이 및 조명 기술 분야의 선두 주자로 자리매김해 왔다. 재료 및 소자 공학에서의 상당한 발전에도 불구하고, QLED의 외부 양자효율은 비효율적인 광추출(LOC)로 인해 본질적으로 제한을 받으며, 방출된 광자의 상당 부분이 내부 전반사, 도파관 구속, 금속 흡수에 의해 포획된다. 이러한 광학적 손실은 현대 QLED의 비최적 성능에서의 획기적 향상을 구상하기 위해 정면으로 대처되어야 한다. 본 연구에서는 QLED에서 광추출(LOC) 불일치를 비판적으로 분석하고 개선하기 위한 완화 접근법을 논의하기 위해 다양한 고도화된 전략을 제시한다. 본 연구에서 엄밀히 평가한 LOC 전략에는 마이크로캐비티 공학, 굴절률 변조, 쌍극자 방향 제어, 표면/계면 공학이 포함된다. 각 전략은 그 물리적 기반, 설계 원리, 제작의 복잡성, 그리고 소자 성능에서의 상충관계를 관점으로 하여 검토된다. 특히 각도에 따른 발광의 균일성을 유지하면서도 광 추출을 향상시키고, 구조적 안정성 및 대규모 제조를 위한 확장성을 확보하는 데 중점을 둔다. 종합하면, 본 연구의 LOC 전략은 고효율이며 상업적으로 실용 가능한 QLED의 개발을 위한 명확한 로드맵을 제시하여, 고도화된 광전자 응용을 위한 기반을 마련한다.

혼성 양자점(QD) 발광 다이오드(QLED)는 일반적으로 유기 정공 수송층에 의존하지만, 산소와 수분에 대한 취약성으로 인해 장기 안정성이 크게 제한된다. 이러한 유기층을 NiO와 같은 p형 투명 산화물 반도체로 대체하는 것은 화학적·전자적으로 견고한 대안이지만, 무결정 상태의 NiO와 QD의 1Sh 상태 사이의 큰 원자가 밴드 오프셋(∼0.6 eV)은 효율적인 정공 주입을 제한한다. 본 연구에서는 솔–겔 공정을 통해 Mg를 도핑한 NiO 박막을 설계하여, p형 전도도를 동시에 향상시키고 QD 층과의 원자가 밴드 정렬을 조율하고자 하였다. 또한 소수 주기(∼few-cycle) 원자층 증착(ALD)을 사용하여 인듐 주석 산화물(ITO)을 초박막(∼1 nm) MgO 층으로 균일하게 코팅함으로써 확산 장벽을 구현하였으며, 430 °C에서 어닐링하는 동안 인듐 이온의 이동을 억제하여 계면 무결성을 보존하고 소자 안정성을 향상시켰다. 도판트 조절 NiO와 ALD 기반 확산 차단의 결합은 현저하게 향상된 발광 휘도와 외부 양자 효율을 보이는 QLED를 제공하였다. 이러한 결과는 안정적이고 최적의 성능을 갖추며 전부 무기(올-인오르가닉)인 QLED 구조를 개발하기 위한 실행 가능한 계면 엔지니어링 전략을 제시한다.

가시광 스펙트럼에서 강한 흡광 특성을 나타내는 양자점(Quantum dots, QDs)은 포토트랜지스터의 가시광 검출을 향상시키는 광활성 물질로 활용될 수 있다. 본 연구에서는 CdSe/ZnS QD를 인듐–주석–아연 산화물(indium–tin–zinc oxide, ITZO) 박막 트랜지스터 위에 스핀 코팅하여, 광응답성이 향상된 QD 코팅 포토트랜지스터를 제작하였다. QD 필름에 대한 포토리소그래피 공정의 호환성을 확보하기 위해, 용매 상용성의 비직교성(solvent orthogonality)을 제공하는 패시베이션 층으로 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 방식의 ZnO 층을 적용하였다. 특히 이 보호 기능을 넘어, ALD ZnO 처리는 계면에서의 전하 수송을 향상시켰다. 이는 증기상 리간드 교환 및 환원 과정을 통해 QD 표면의 절연성 올레산(oleic acid) 리간드가 부분적으로 치환되며, 그 결과 QD 쉘과 ITZO 채널 사이의 전도대(conduction band) 장벽이 감소하기 때문으로 설명된다. 저조도 조건(0.02 mW/cm2)에서, 소자는 VG = 10 V일 때 266.7 A/W의 감도를 달성하였고, VG = 10 V에서 9.3 × 1010 jones의 검출도를 나타내어, 처리하지 않은 소자(200 A/W, 5.6 × 1010 jones)보다 모두 더 높은 값을 보였다. 또한 주사 광전류 현미경(scanning photocurrent microscopy) 매핑 분석 결과, ALD ZnO 처리 소자는 286 μA의 최대 광전류를 보인 반면, 처리하지 않은 소자는 1.58 mW/cm2 및 532 nm 조명 조건에서 192 nA에 그쳤다. 이는 광전류가 약 1000배 증가한 것으로, 광전도(photoconductive) 효과와 광게이팅(photogating) 효과의 상승적(synergistic) 기여를 시사한다.

고체상 발광체는 외부 양자 효율(EQY)이 65% 미만인 경우가 관찰되었으며, 통일된(유니티) 광발광 양자 효율(PLQY)과 상업적으로 실행 가능한 수준의 안정성을 동시에 달성하는 시스템은 존재하지 않았다. 이러한 한계는 연성 이온 격자와 불안정한 표면을 지닌 콜로이드 페로브스카이트 나노결정(PeNCs)에서 특히 두드러진다. 본 연구에서는 연성 격자와 불안정한 계면을 동시에 고정(lock)하고 안정화(stabilize)하는 interbonded PbSO4-SiO2-polymer 다층 구조로 이루어진 계층적 쉘(HS) 구조를 도입한다. HS-CsPbBr3 PeNC 필름은 가속 조건 60°C, 90% 상대습도(RH)에서 PLQY 10% 손실까지의 시간 T90 = 3211시간, 청색광 노출에서 T90 = 12,000시간을 보인다. HS 전략은 혼합 할라이드, 혼합 양이온, 아이오다이드 및 하이브리드 PeNC를 포함한 PeNC 조성 전반에 걸쳐 일반화되며, MAPbBr3에 대해서는 연장된 T90 = 3900시간(60°C, 90% RH)과 T90 = 27,234시간(청색광)도 가능하게 한다. 또한 HS-MAPbBr3 필름에서 100.0% PLQY는 자체 흡수로 인한 손실을 제거하고 EQY 91.4%를 달성하여 이론적 최대치에 근접한다. HS 장벽은 더 나아가 대면적 고해상도 디스플레이와 바이오-광전자공학의 안전을 위한 납 용출(leakage)도 방지한다.

100.0%의 PLQY를 갖는 필름은 자체 흡수 손실을 제거하며 이론적 최대치에 근접한 91.4%의 EQY를 달성한다. 또한 HS 장벽은 대면적·고해상도 디스플레이와 바이오 광전자공학의 안전을 위해 납 누출을 방지한다.

캡핑 층은 탄소 또는 질소 불순물이 거의 없는 매끄러운 무정질 SrO 박막을 유도하였으며, 이는 새롭게 제안된 SrO ALD 공정에 의해 성장된 SrO 박막의 고순도를 시사하는 것으로, 탄산염 상의 형성이 없음을 나타낸다.

양자점 발광다이오드(QLEDs)는 탁월한 색순도, 좁은 발광 스펙트럼 선폭, 조절 가능한 스펙트럴 특성을 결합함으로써 차세대 디스플레이 및 조명 기술 분야의 선두 주자로 자리매김해 왔다. 재료 및 소자 공학에서의 상당한 발전에도 불구하고, QLED의 외부 양자효율은 비효율적인 광추출(LOC)로 인해 본질적으로 제한을 받으며, 방출된 광자의 상당 부분이 내부 전반사, 도파관 구속, 금속 흡수에 의해 포획된다. 이러한 광학적 손실은 현대 QLED의 비최적 성능에서의 획기적 향상을 구상하기 위해 정면으로 대처되어야 한다. 본 연구에서는 QLED에서 광추출(LOC) 불일치를 비판적으로 분석하고 개선하기 위한 완화 접근법을 논의하기 위해 다양한 고도화된 전략을 제시한다. 본 연구에서 엄밀히 평가한 LOC 전략에는 마이크로캐비티 공학, 굴절률 변조, 쌍극자 방향 제어, 표면/계면 공학이 포함된다. 각 전략은 그 물리적 기반, 설계 원리, 제작의 복잡성, 그리고 소자 성능에서의 상충관계를 관점으로 하여 검토된다. 특히 각도에 따른 발광의 균일성을 유지하면서도 광 추출을 향상시키고, 구조적 안정성 및 대규모 제조를 위한 확장성을 확보하는 데 중점을 둔다. 종합하면, 본 연구의 LOC 전략은 고효율이며 상업적으로 실용 가능한 QLED의 개발을 위한 명확한 로드맵을 제시하여, 고도화된 광전자 응용을 위한 기반을 마련한다.

혼성 양자점(QD) 발광 다이오드(QLED)는 일반적으로 유기 정공 수송층에 의존하지만, 산소와 수분에 대한 취약성으로 인해 장기 안정성이 크게 제한된다. 이러한 유기층을 NiO와 같은 p형 투명 산화물 반도체로 대체하는 것은 화학적·전자적으로 견고한 대안이지만, 무결정 상태의 NiO와 QD의 1Sh 상태 사이의 큰 원자가 밴드 오프셋(∼0.6 eV)은 효율적인 정공 주입을 제한한다. 본 연구에서는 솔–겔 공정을 통해 Mg를 도핑한 NiO 박막을 설계하여, p형 전도도를 동시에 향상시키고 QD 층과의 원자가 밴드 정렬을 조율하고자 하였다. 또한 소수 주기(∼few-cycle) 원자층 증착(ALD)을 사용하여 인듐 주석 산화물(ITO)을 초박막(∼1 nm) MgO 층으로 균일하게 코팅함으로써 확산 장벽을 구현하였으며, 430 °C에서 어닐링하는 동안 인듐 이온의 이동을 억제하여 계면 무결성을 보존하고 소자 안정성을 향상시켰다. 도판트 조절 NiO와 ALD 기반 확산 차단의 결합은 현저하게 향상된 발광 휘도와 외부 양자 효율을 보이는 QLED를 제공하였다. 이러한 결과는 안정적이고 최적의 성능을 갖추며 전부 무기(올-인오르가닉)인 QLED 구조를 개발하기 위한 실행 가능한 계면 엔지니어링 전략을 제시한다.