이현호 교수(전자공학과)연구팀,

과잉 전하 주입으로 인한 InP 기반 양자점 발광다이오드(QLED) 열화 원인 규명

- 국제　저명　학술지　ACS 출판 ACS Applied Materials & Interfaces에 논문 (IF:8.3) 게재 -

모교 이현호 교수(전자공학과) 연구팀이 환경 친화적인 차세대 디스플레이 소자로 주목받는 카드뮴(Cd)-프리 인듐 포스파이드(InP) 기반 양자점 발광다이오드(QLED)의 동작 열화(degradation) 메커니즘을 규명했다. 연구팀은 전하 운반자(특히 전자)의 과도한 축적으로 인해 InP 양자점(QD) 표면에서 리간드(계면 안정화 물질)가 탈착되며, 동시에 홀 수송층(HTL)의 열화가 진행되는 과정을 직접적인 실험 증거(FTIR, XPS 분석)를 통해 입증했다.

 

(좌) 유형석 석박통합과정 연구원 (우) 이현호 교수

기존 Cd 기반 QLED는 높은 효율과 긴 수명을 자랑하지만, 환경 유해 물질(Cd) 사용 규제로 인해 Cd-Free InP QLED 개발이 필수적이다. 그러나 InP QLED는 Cd 기반 QLED에 비해 열화 안정성이 낮아, 장시간 구동 시 효율이 급격히 감소하는 문제가 있다. 특히, 과도한 전자 주입이 QD 표면과 계면에 미치는 영향이 주요 원인으로 지목되었으나, 이를 실험적으로 명확히 입증한 사례는 제한적이었다. 연구팀은 이중 발광층 구조를 활용하여 과도 전기발광(Transient Electroluminescence, TREL) 및 시간분해 광발광(Time-Resolved Photoluminescence, TRPL) 분석을 통해 전자 과축적 현상을 실시간으로 추적했다. 이를 통해 전자 누적으로 인해 QD 표면 리간드가 탈착되며(FTIR, XPS 분석 결과), 이에 따라 소자 내부 누설 전류 증가 및 광발광 효율 저하가 동시에 발생함을 확인했다.

또한, 연구팀은 QD/HTL 계면에서 과도한 전자 축적이 HTL 소재의 물성을 손상시키고, QD와의 계면에서 비방사(Non-radiative) 재결합이 활발해지는 현상을 관찰했다. 추가 실험을 통해 HTL 재료 특성에 따라 열화 양상이 다르게 나타남을 규명하며, 이를 통해 소자 설계 시 전하 균형 제어의 중요성을 강조했다.  

<양자점 리간드 탈착 기반 발광다이오드 열화메커니즘>

연구팀은 전하 주입 균형을 개선하여 과잉 전자 축적을 억제하는 것이 QLED의 수명을 늘리는 핵심 전략임을 제시했다.

또한, QD 표면 리간드와 HTL의 화학적 결합력을 강화하고, 고에너지원(핫 캐리어)에 대한 내구성을 향상시키는 것이 필요하다고 제안했다. 이를 바탕으로 장수명·고효율 Cd-Free QLED 상용화의 핵심 가이드라인을 마련했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 InP QLED의 신뢰성과 수명을 향상시키는 데 중요한 기초 자료를 제공하며, 차세대 고효율·친환경 QLED 디스플레이 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다.

이번 연구는 대학중점연구소（2018R1A6A1A03025242, 2022R1F1A1066526）및 광운대학교의 지원을 받아 수행되었고，연구 결과는 ACS에서 발간하는 국제 저명 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces (IF: 8.3)에 되었다.

https://doi.org/10.1021/acsami.4c12250

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)