Surface Engineering of Electron Transporting Nanoparticles for High-Performance InP-Based Quantum Dot Light-Emitting Diodes = 고성능 인화 인듐 기반 양자점 발광 다이오드를 위한 전자 수송 나노입자의 표면 개질

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Quantum dot (QD) light-emitting diodes (QLEDs) have emerged as a promising candidate for next-generation displays due to their high color purity, tunable emission wavelengths, and compatibility with solution-based fabrication processes. Among these, indium phosphide (InP)-based QLEDs have gained attention as environmentally friendly alternatives to heavy-metal-containing counterparts. Most reported InP-based QLEDs are based on a hybrid device structure that consisting of inorganic electron transport layers (ETLs), such as ZnO or ZnMgO, with organic hole transport layers (HTLs). However, this device structure inherently causes imbalances in carrier mobility and injection characteristics, resulting in excess charge accumulation and Auger recombination in QDs, which significantly limit QLED device performance.
In this thesis, we present comprehensive approaches to identifying charge imbalance and improving device performances in InP-based hybrid QLEDs. First, self-assembled monolayers (SAMs) having opposite direction of dipole moments were introduced at the ZnO/QD interface to modulate interfacial energy levels and regulate electron injection. In particular, SAMs intended to suppress electron injection improved charge balance by reducing electron transport from the ETL to the QD layer. In addition to tuning electron injection, the SAM treatment also reduced surface defect states, which contributed to the suppression of exciton quenching and enhanced photoluminescence. This bifunctionality provides an effective methodology to identify the excess charge carriers in InP-based QLEDs and presented the development of strategies for optimizing charge balance.
Next, the ETL was engineered to improve device performance for practical display applications. From this perspective, ZnMgO nanoparticles were functionalized with ligands to modulate energy level alignment and reduce electron conductivity. These effects contributed to improved charge balance, and the resulting reduction in operating voltage enhanced power efficiency. Also, the ligand-modified ZnMgO demonstrated the ability to alleviate positive aging behavior by passivate surface defect states, thereby enhancing shelf stability.
We believe that our strategies outlined in this thesis contribute to the development of methods for identifying charge imbalance and optimizing device performance in InP-based hybrid QLEDs. In addition, the improvements in power efficiency and shelf stability suggest that the proposed approaches have strong potential for practical application in commercially feasible, heavy-metal-free QLED technologies.

국문 초록 (Abstract)

양자점 발광 다이오드는 뛰어난 색 재현율, 발광 파장 조절의 용이함, 그리고 용액 공정과의 높은 호환성의 장점을 바탕으로 차세대 디스플레이 기술의 유망한 후보로 주목받고 있다. 그 중, 인화 인듐 기반의 양자점 발광 다이오드는 환경 규제를 받는 중금속을 포함하지 않아 상용화에 적합한 대안으로 연구되고 있다. 그러나 많은 인화 인듐 기반의 양자점 발광 다이오드는 무기계 전자 수송층과 유기계 정공 수송층을 결합한 하이브리드 구조를 사용하고 있으며, 이는 전하 이동도 및 주입 특성의 비대칭성을 유발하고 그 결과 과잉 전하 축적과 그로인한 여기자 소멸을 통해 소자 성능이 제한된다.
본 논문에서는 인화 인듐 기반의 하이브리드 양자점 발광 다이오드의 전하 불균형 문제를 규명하고 이를 해결하고 소자 특성을 최적화하기 위한 접근법을 제시한다. 먼저 산화 아연과 양자점 계면에 쌍극자 모멘트가 조절된 자기조립 단분자층을 각각 도입하여 계면의 에너지 준위를 제어하였다. 특히 전자 주입을 억제하는 방향의 쌍극자 모멘트를 가진 자기조립 단분자층의 도입은 전자 수송층으로부터의 전자 주입을 감소시킴으로써 전하 균형을 개선하였다. 또한, 자기조립 단분자층 처리를 통해 표면에 노출된 산화 아연의 결함을 감소시킬 수 있었고, 그 결과 여기자 소멸이 억제되고 방사성 재결합이 증가하였다. 이러한 이중 효과를 통해 인화 인듐 기반 양자점 다이오드의 과잉 전하를 간단하지만 효과적으로 규명할 수 있었으며, 나아가 전하 균형을 최적화하는 전략을 제시하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 전자 수송층을 개질하여 전하 불균형을 완화하고 소자 특성을 개선하고자 하였다. 이를 위해 마그네슘이 도핑된 산화 아연 나노입자 표면에 리간드를 도입함으로써 전자 전도도를 낮추고 에너지 준위를 정렬하여 전자 주입 장벽을 감소시킴과 동시에 표면의 결함 상태를 감소시켰다. 그 결과, 발광층 내 전하 균형이 개선되고 구동 전압이 감소함에 따라 전력 효율이 향상되는 효과를 확인할 수 있었다. 더불어, 리간드가 도입된 전자 수송층은 긍정적 에이징 현상을 효과적으로 억제하여 소자의 보관 안정성 향상에도 기여하였다.
본 논문에서 제시한 접근법은 인화 인듐 기반의 하이브리드 양자점 발광 다이오드의 전하 불균형을 확인하고 이를 개선할 수 있는 방법론을 수립하였다. 나아가 전력효율 및 보관 안정성의 향상은 본 전략이 상업적으로 실현 가능한 친환경 양자점 발광 다이오드 개발로 이어질 수 있는 잠재력을 지님을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vii
• List of Tables xii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Quantum Dot Light-Emitting Diodes 1
• 1.2 Development of QLEDs 4
• 1.3 Issues in Hybrid Structure QLEDs 7
• 1.4 Outline of Thesis 9
• Chapter 2. Experimental Methods 10
• 2.1 Materials 10
• 2.1.1 Synthesis of ZnO Nanoparticles 11
• 2.1.2 Synthesis of ZnMgO Nanoparticles 11
• 2.1.3 Surface Ligand Modification of ZnMgO 12
• 2.1.4 Synthesis of Red-color InP/ZnSe/ZnS Quantum Dots 12
• 2.2 Device Fabrication 14
• 2.3 Device Characterization 15
• 2.3.1 Current density–Voltage–Luminance Measurement 15
• 2.3.2 Efficiency Calculation Methods 15
• 2.4 Other Characterization Methods 16
• 2.4.1 UV-visible Absorption 16
• 2.4.2 Photoluminescence and Time-Resolved Photoluminescence 16
• 2.4.3 Transmission Electron Microscopy 17
• 2.4.4 Scanning Electron Microscopy 17
• 2.4.5 Fourier Transform Infrared Spectroscopy 17
• 2.4.6 Atomic Force Microscopy 18
• 2.4.7 Contact Angle 18
• 2.4.8 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 18
• 2.4.9 X-ray Photoelectron Spectroscopy 18
• 2.4.10 Capacitance–Voltage 19
• 2.4.11 Impedance spectroscopy 19
• 2.4.12 Dynamic Light Scattering 19
• Chapter 3. Identification of Excess Carriers in QLEDs using Self-Assembled Monolayer 20
• 3.1 Characteristics of SAM-Modified ZnO Films 22
• 3.2 Performance of SAM-Treated QLED Devices 36
• 3.3 Summary 42
• Chapter 4. Ligand-Driven Surface Engineering of ZnMgO for Device Optimization 43
• 4.1 Reference Device Configuration and Performance 46
• 4.2 Ligand Modification of ZnMgO Nanoparticle 54
• 4.3 Effect of Ligand Modification on Device Characteristics 72
• 4.4 Summary 81
• Chapter 5. Conclusion 82
• Bibliography 84
• Publication List 94
• 국 문 초 록 95