고효율 양자점 발광 다이오드를 위한 TFB 기반 정공 전달층의 설계 및 최적화 연구

Abstract

양자점 발광 다이오드 (QD-LED)는 입자 크기 및 조성 변화를 통해 밴드 갭 (band gap) 조절을 통하여 발광하는 빛의 파장대를 조절할 수 있고 좁은 반 치 폭 (FWHM, full width at half maximum)으로 인해 높은 색 순도를 가지고 가시광선 영역뿐만 아니라 자외선, 적외선 영역까지 방출할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그 때문에 차세대 디스플레이 소재로서 다양한 연구 및 개발이 진행 중이다. 하지만 일반적으로 QD-LED는 발광 층 (EML)에서의 전자 이동과 정공 이동의 불균형이 QD-LED 장치의 효율을 떨어뜨리는 중요한 원인으로 작용한다. 본 연구에서는 전하 주입 문제를 해결하기 위해 기존 연구에서 정공 전달 층 (HTL)으로서 사용되는 poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl))diphenylamine)] (TFB) 고분자의 triphenylamine (TPA) 단위에 electron-withdrawing groups인 fluorine (F)와 cyano groups (CN)를 선택적으로 도입하여 hole transport layer (HTL)과 EML 간 energy offset을 최소화하였다. 이를 통해 fluorine (F)를 적용한 TFB는 최고 highest occupied molecular orbital (HOMO) 에너지 수준을 효과적으로 저하해 CdSe/ZnS 기반 적색 QD-LED의 외부 양자효율 (EQE)을 대폭 향상했다. 구체적으로는 QD-LED 장치에서 2개의 F원자 (2F-TFB)를 갖는 TFB 유도체를 HTL로 이용하면 EQE는 13.3%의 EQE를 나타내는 기존 TFB HTL 제어장치에 비해 17.4%로 향상된다. 그러나 CN (CN-TFB)을 포함하는 TFB 유도체를 갖는 디바이스는 CN-TFB 폴리머의 홀 이동성 저하로 EQE가 8.1%로 낮게 나타났다. HTL을 위한 우리의 접근법은 universal QD-LEDs의 EML 내 전하 밸런스를 최적화하는 데에 큰 가능성을 보여주며, 이는 디바이스 성능이 향상된 QD electroluminescence 기반 디스플레이 개발에 도움을 줄 것으로 예상한다.|The state-of-the-art quantum dot light-emitting diodes (QD-LEDs) adopt poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)) diphenylamine)] (TFB) as the hole transport layer (HTL). However, the TFB polymer-based HTLs cause charge imbalance in emitting layer (EML) of the QD-LEDs. In this study, to address the charge injection issue, we selectively introduce electron-withdrawing fluorine (F) and cyano groups (CN) into triphenylamine units of the TFB polymers to minimize the energy offset between HTLs and EMLs. Fluorination of the TFB derivatives effectively downshifts their highest occupied molecular orbital (HOMO) energy levels, leading to a significant enhancement of the external quantum efficiency (EQE) in the CdSe/ZnS-based red-emissive QD-LEDs. Specifically, when the TFB derivative with two F atoms (2F-TFB) is utilized as HTLs in the QD-LED devices, the resulting EQE improves to 17.4% in comparison with the conventional TFB HTL control devices that exhibit an EQE of 13.3%. However, the devices with the TFB derivative incorporating CN (CN-TFB) exhibit a lower EQE of 8.1% due to the decreased hole mobility of the CN-TFB polymers. Our design approach for HTLs has significant potential to optimize charge balance within EMLs of universal QD-LEDs, thus facilitating the development of QD-based electroluminescence displays with enhanced device performance.