양자점(QD) 기반 색 변환 층은 QD-OLED 디스플레이에서 핵심 구성요소로, OLED의 청색 발광을 적색 또는 녹색 광으로 변환하여 높은 색 순도와 간소화된 픽셀 아키텍처를 제공할 수 있다. 색 변환 층의 성능은 디스플레이의 청색 광 흡수, 청색 누설(blue leakage), 그리고 전체 발광 효율에 크게 좌우된다. 본 연구에서는 열경화성 폴리디메틸실록산(PDMS) 매트릭스를 이용하여 색 변환 층을 제작하였고, 이를 QD 단독 층과 체계적으로 비교하였다. QD 단독 층에서는 OLED에서 방출된 청색 광의 흡수가 향상됨에 따라 QD 농도가 증가할수록 변환된 녹색 발광의 세기가 증가하였다. 그러나 QDs에 의해 흡수되지 않은 채 층을 그대로 통과하는 청색 광의 비율이 커서, 상당한 청색 누설이 발생하였고 출력/입력 효율은 10% 미만으로 비교적 낮았다. 반면, PDMS 기반 QD 색 변환 층은 현저히 향상된 색 변환 특성을 보였다. QD 농도를 변화시키고 층 두께를 제어함으로써 청색 누설이 유의하게 억제되었으며, 녹색 발광 세기가 증가하였다. 층 두께 35.9 µm에서 QD 농도 8.3 wt%일 때 최대 색 변환 효율 30.0%를 얻었다.

역구조 유기발광다이오드(inverted organic light-emitting devices, OLEDs)는 높은 안정성, 낮은 구동 전압, 디스플레이 응용에서의 낮은 휘도 저하와 같은 우수성 때문에 공격적으로 개발되어 왔다. 역구조 OLED에서 전자 주입은 ITO 음극의 일함수가 음극으로부터 발광층으로 전자를 주입하기에 과도하게 높기 때문에 핵심적인 문제이다. 우리는 역구조 OLED에서 효율적인 전자 주입을 위해 서로 다른 산화제를 사용하여 육방정(헥사고날) 저르츠(워르츠사이트, wurtzite) ZnO 나노입자를 합성하였다. 수산화칼륨(KOH)과 테트라메틸암모늄 수산화물 펜타하이드레이트(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate, TMAH)를 ZnO 나노입자 합성을 위한 산화제로 사용하였다. 나노입자의 밴드갭, 표면 결함, 표면 형태, 표면 거칠기, 전기 비저항을 조사하였다. 합성된 나노입자를 사용하여 인광(phosphorescent) 분자 기반의 역구조 소자를 제조하였다. TMAH를 사용한 ZnO 나노입자 기반 역구조 소자는 더 낮은 구동 전압, 더 낮은 누설 전류, 그리고 더 높은 최대 외부양자효율(maximum external quantum efficiency)을 나타냈다. TMAH 기반 ZnO 나노입자를 사용한 소자에서는 최대 외부양자효율이 19.1%로 확인되었다.

양자점(QD) 기반 색 변환 층은 QD-OLED 디스플레이에서 핵심 구성요소로, OLED의 청색 발광을 적색 또는 녹색 광으로 변환하여 높은 색 순도와 간소화된 픽셀 아키텍처를 제공할 수 있다. 색 변환 층의 성능은 디스플레이의 청색 광 흡수, 청색 누설(blue leakage), 그리고 전체 발광 효율에 크게 좌우된다. 본 연구에서는 열경화성 폴리디메틸실록산(PDMS) 매트릭스를 이용하여 색 변환 층을 제작하였고, 이를 QD 단독 층과 체계적으로 비교하였다. QD 단독 층에서는 OLED에서 방출된 청색 광의 흡수가 향상됨에 따라 QD 농도가 증가할수록 변환된 녹색 발광의 세기가 증가하였다. 그러나 QDs에 의해 흡수되지 않은 채 층을 그대로 통과하는 청색 광의 비율이 커서, 상당한 청색 누설이 발생하였고 출력/입력 효율은 10% 미만으로 비교적 낮았다. 반면, PDMS 기반 QD 색 변환 층은 현저히 향상된 색 변환 특성을 보였다. QD 농도를 변화시키고 층 두께를 제어함으로써 청색 누설이 유의하게 억제되었으며, 녹색 발광 세기가 증가하였다. 층 두께 35.9 µm에서 QD 농도 8.3 wt%일 때 최대 색 변환 효율 30.0%를 얻었다.

역구조 유기발광다이오드(inverted organic light-emitting devices, OLEDs)는 높은 안정성, 낮은 구동 전압, 디스플레이 응용에서의 낮은 휘도 저하와 같은 우수성 때문에 공격적으로 개발되어 왔다. 역구조 OLED에서 전자 주입은 ITO 음극의 일함수가 음극으로부터 발광층으로 전자를 주입하기에 과도하게 높기 때문에 핵심적인 문제이다. 우리는 역구조 OLED에서 효율적인 전자 주입을 위해 서로 다른 산화제를 사용하여 육방정(헥사고날) 저르츠(워르츠사이트, wurtzite) ZnO 나노입자를 합성하였다. 수산화칼륨(KOH)과 테트라메틸암모늄 수산화물 펜타하이드레이트(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate, TMAH)를 ZnO 나노입자 합성을 위한 산화제로 사용하였다. 나노입자의 밴드갭, 표면 결함, 표면 형태, 표면 거칠기, 전기 비저항을 조사하였다. 합성된 나노입자를 사용하여 인광(phosphorescent) 분자 기반의 역구조 소자를 제조하였다. TMAH를 사용한 ZnO 나노입자 기반 역구조 소자는 더 낮은 구동 전압, 더 낮은 누설 전류, 그리고 더 높은 최대 외부양자효율(maximum external quantum efficiency)을 나타냈다. TMAH 기반 ZnO 나노입자를 사용한 소자에서는 최대 외부양자효율이 19.1%로 확인되었다.

반전형 유기발광다이오드(inverted organic light-emitting devices, OLEDs)는 디스플레이 응용에서 높은 안정성, 낮은 이미지 잔상(image sticking), 낮은 동작 응력 등의 장점으로 인해 상당한 주목을 받고 있다. 반전형 OLED의 치명적 문제로 알려진 전하 불균형을 해결하기 위해, 반전형 OLED의 전자 주입층(electron-injection layer)으로 Li-도핑 MgZnO 나노입자를 합성하였다. 육방정(hexagonal) 와르츠라이트(wurtzite) 구조의 Li-도핑 MgZnO 나노입자는 LiCl, 마그네슘 아세테이트 테트라하이드레이트(magnesium acetate tetrahydrate), 아연 아세테이트 이수화물(zinc acetate dihydrate), 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate)를 사용한 용액 침전(solution precipitation) 방법으로 실온에서 합성하였다. Mg 농도는 10%로 고정하였고, Li 농도는 최대 15%까지 변화시켰다. Li 도핑에 따라 평균 입자 크기가 감소하여, MgZnO, 10% 및 15% Li-도핑 MgZnO 나노입자에서 각각 3.6, 3.0, 2.7 nm의 입자 크기를 나타냈다. Li-도핑 MgZnO 나노입자의 밴드갭(band gap), 전도대 최소(conduction band minimum) 및 가전자대 최대(valence band maximum) 에너지 준위, 그리고 가시광 발광 스펙트럼을 조사하였다. 또한 Li-도핑 MgZnO 나노입자 박막의 표면 거칠기(surface roughness)와 전기적 전도 특성도 분석하였다. Li-도핑 MgZnO 나노입자를 사용한 반전형 인광(phosphorescent) OLED는, 미도핑 MgZnO 나노입자 소자에 비해 억제된 전자 전도로 인해 전하 균형이 더 잘 이루어져 외부 양자효율(external quantum efficiency, EQE)이 더 높았다. 최대 EQE 21.7%는 15% Li-도핑 MgZnO 나노입자 소자에서 달성되었다.

다수의 양자점 발광다이오드(QLED)는 전자 주입층(EIL)으로 ZnO 나노입자(NPs)를 사용한다. 그러나 ZnO NP EIL 재료를 사용하는 경우 종종 양자점(QD) 발광층(EML) 내에서 전하 불균형이 발생하며, 또한 QD EML과 ZnO NP EIL의 계면에서 엑시톤이 소광되어 문제가 된다. 이러한 과제를 극복하기 위해, ZnO NP EIL 위에 아르기닌(Arg) 박막간층(IL)을 도입하였다. Arg IL은 ZnO 나노입자의 일함수를 상승시켜 QD로의 전자 주입을 억제함으로써 QD 내 전하 균형을 개선하였다. 아울러 Arg IL의 고유한 절연성은 QD와 ZnO NP 사이의 직접 접촉을 방지하여 엑시톤 소광을 감소시켰고, 그 결과 소자의 효율이 향상되었다. ZnO NP EIL 위에 두께 20 nm의 Arg IL을 적용한 역구조 QLED(IQLED)는 IL이 없는 IQLED에 비해 전류 효율이 2.22배, 외부 양자 효율(EQE)이 2.28배 증가하였다. 또한 ZnO NP EIL 위에 두께 20 nm의 Arg IL을 적용한 IQLED는, ZnO NP에 두께 5 nm의 폴리에틸렌이미닌(polyethylenimine, PEI) IL을 적용한 IQLED에 비해 전류 효율이 1.34배, EQE가 1.36배 향상되었다.

개방 및 폐쇄 시스템에서 합성한 ZnO 나노입자를 이용하여 역구조 적색 양자점 발광다이오드(inverted red quantum dot light-emitting diodes, QLEDs)를 개발하였다. 개방 및 폐쇄 시스템에서, 티오디(아연) 아세트산 수화물(zinc acetate dihydrate)과 수산화칼륨(potassium hydroxide)을 사용하여 다양한 온도에서 Wurtzite 구조의 ZnO 나노입자를 합성하였다. 입자 크기는 합성 온도가 증가할수록 증가한다. 폐쇄 시스템에서 50, 60, 70 °C로 합성한 ZnO 나노입자의 평균 입자 크기는 각각 3.2, 4.0, 5.4 nm이다. 합성 과정 중 메탄올 용매가 증발하므로, 입자 크기는 폐쇄 시스템에 비해 개방 시스템에서 더 크게 나타났다. ZnO 나노입자에서 표면 결함 유도 발광은 합성 온도가 증가함에 따라 더 긴 파장으로 이동하며, 발광 강도는 감소하였다. 역구조 적색 QLED는 합성한 ZnO 나노입자를 전자 수송층으로 하여 제작하였다. 역구조 QLED의 구동 전압은 합성 온도가 증가할수록 감소하였다. 전류 효율은 개방 시스템에서 합성한 나노입자를 사용한 소자에 비해, 폐쇄 시스템에서 합성한 ZnO 나노입자를 사용한 역구조 적색 QLED에서 더 높았다. 폐쇄 시스템에서 60 °C에서 합성한 ZnO 나노입자를 사용한 소자는 전류 효율 5.8 cd/A로 최대값을 보였다.

Zn_0.9Mg_0.1O 나노입자(NPs)는 다양한 두께의 전자수송층(ETL)로 사용되었으며, 은행 내부에서 제작된 상부 방출 양자점 발광다이오드(TE-QLEDs)의 효율에 미치는 영향을 조사하였다. Zn_0.9Mg_0.1O NP ETL의 두께를 증가시키면 산소 공공(vacancies)이 감소하여, 그 결과 TE-QLED의 전도도와 전류밀도가 감소하였다. 이러한 전도도의 감소는 전자만으로 구성된 소자(electron-only device, EOD) 특성화를 통해 확인되었다. Zn_0.9Mg_0.1O NP ETL 두께 30 nm에서 수산화물 산소 농도는 최소에 도달하여, 양자점(QD)과 Zn_0.9Mg_0.1O NP ETL 계면에서의 여기자 소광을 최소화하고 QD의 전하 균형을 향상시켜 TEQLED 효율을 유의하게 개선하였다. 두께 30 nm의 Zn_0.9Mg_0.1O NP ETL을 갖는 TE-QLED는 최대 전류 효율 90.92 cd/A와 상부 외부 양자 효율 21.66%로 우수한 성능을 보였다. 이러한 결과는 여기자 소광을 억제하고 전하 균형을 최적화하여 향상된 TE-QLED 성능을 달성하는 데 있어 Zn_0.9Mg_0.1O NP ETL 두께의 결정적 역할을 강조한다.