One of the important factors in improving the performance of the solution-processed quantum dots light-emitting diodes (QLEDs) is to maintain an excellent charge balance. But generally, electrons are easily injected compared to holes. In this work, to improve the charge injection characteristics of QLEDs, we approached them in three ways.First, we inserted the 2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H- benzimidazole) (TPBi) thin film as an electron blocking layer (EBL) between the QDs thin film and the ZnO thin film. Spin-coated TPBi demonstrated a lower value of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) than the conduction band maximum (CBM) of ZnO, resulting in effective prevention of excessive injection of electrons into the QDs. As result, QLEDs with TPBi EBL not only could minimize charge imbalanced problems under high current density operation but also could increase the maximum luminance of QLEDs by up to 156% (i.e., from 10,320 to 16,081 cd/m2). In addition, resulting in the low roll-off phenomenon in external quantum efficiency (EQE)-current density (J) characteristics.Second, We propose a novel device structure with a WO3/NiOx bilayer to improve the hole injection ability in QLEDs fabricated mainly by a solution-based process. First, we employed a spin-coated NiOx thin film as a hole injection layer (HIL) to replace Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)- poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), which corrodes indium tin oxide (ITO) used as an anode in QLEDs. We show that instead of a rather complicated process like doping, a simply optimized annealing process can improve the electrical conductivity of the NiOx thin film. Second, we inserted the WO3 thin film in between ITO electrode and NiOx HIL to form ITO/WO3/NiOx structure, which reduces the hole injection barrier to 0.35 eV, resulting in excellent characteristics in terms of charge balance. Finally, we confirmed the QLEDs with the WO3/NiOx bilayer showed substantial improvement in the electrical conductivity of NiOx, luminance, and current efficiency of the QLEDs.Third, We applied the graphene varistor that can control the schottky barrier by an electric field, to QLEDs. Realized the QLEDs that can reduce the hole injection barrier without limitation of materials. Graphene acts as a hole injection layer (HIL) in QLEDs, and a three-terminal QLEDs with 3 electrodes, gate, drain, and the source was fabricated to adjust the schottky barrier by gate electrode voltage. The current density-voltage-luminance (J-V-L) characteristics of QLEDs were measured by applying the gate voltage (VGS) in the range of (from -4 V to +4 V). As a result, it was observed that the current density and performance of the QLEDs were changed, so we confirmed that the hole injection barrier could be adjusted.
용액공정 양자점 발광 다이오드의 성능향상에 있어서 중요한 요소 중 하나가 발광층인 양자점의 전하 균형을 유지하는 것이다. 현재 용액공정 양자점 발광 다이오드는 정공에 비하여 전자가 쉽게 주입되는 구조이다. 본 연구에서는 전하 주입 특성 개선을 위해 크게 3가지의 연구 방법으로 접근하였다. 첫째, 음전극인 ITO로부터 양자점으로 과량 주입되는 전자의 양을 감소시키기 위해 ZnO 박막의 CBM보다 낮은 LUMO 값을 갖는 유기물질인 TPBi 박막을 양자점 박막과 ZnO 박막 사이에 형성하여 전자 방해 층으로 사용하였다. 따라서 ITO로부터 양자점으로 주입되는 전자의 양을 줄임으로써 양자점으로 주입되는 정공의 양과 전하 균형을 이룰 수 있었다. 결과적으로 TPBi 박막이 있는 QLEDs의 최대 휘도는 16,081 cd/m2로 TPBi 박막이 없는 경우인 10,320 cd/m2에 비해 156 % 정도 향상되었다. 또한 전류 밀도가 50 mA/cm2에 도달했을 때, TPBi 박막이 없는 경우 외부 양자 효율이 59 %나 감소했지만, TPBi 박막이 있는 경우 9 %밖에 감소하지 않아서 우수한 전하 균형을 유지하고 roll-off 현상도 완화되었음을 확인했다.둘째, 전자의 주입량을 감소시키기보다 정공의 주입 능력을 개선하는 더욱 이상적인 방법을 모색하였다. 이 과정에서 ITO를 부식시키는 PEDOT:PSS를 금속산화물인 NiOx로 교체하였고, NiOx 박막의 형성에 있어서 열처리 온도에 따른 화학적, 전기적 분석을 통하여 최적의 열처리 온도를 확인하였다. 또한 정공주입 능력을 개선하기 위해 ITO와 NiOx 박막 사이에 WO3 박막을 형성하여 정공주입 장벽을 낮추었다. 본 실험에서 NiOx 박막의 최적의 열처리 온도인 275 ℃를 적용하고, WO3를 최적 두께로 형성한 WO3/NiOx bilayer로 QLEDs을 제작하여 정공주입 능력을 향상시켰다. 결과적으로 최고 휘도와 전류 효율이 13,992 cd/m2와 22.06 cd/A로 측정되었고, 이는 WO3가 없는 경우인 8,594.8 cd/m2와 10.75 cd/A에 비하여 각각 163 %, 205 %가량 향상된 것으로 정공주입 장벽감소로 인하여 양자점의 전하 균형이 이루어졌음을 확인했다.셋째, 정공주입 장벽을 줄이기 위한 재료의 부재 문제를 해결하기 위해 본연구에서 최초로 그래핀 배리스터가 적용된 양자점 발광 다이오드를 개발했다. 쇼트키 베리어를 조절할 수 있는 게이트 전극을 만들기 위해 3단자의 구조를 갖는 QLEDs를 제작했다. 쇼트키 베리어 변화로 인한 정공주입 장벽 조절 효과를 쉽게 확인할 수 있도록 그래핀을 ITO와 PEDOT:PSS 박막 사이에 적용하였다. 결과적으로 게이트에 -4 V를 인가할 때(VGS = -4 V) 그래핀의 일함수가 증가하여 정공주입 장벽이 감소하여 최대 휘도가 2816.1 cd/m2로 1424.1 cd/m2 (VGS = 0 V)와 비교하여 두 배가량 증가하고 구동 전압도 감소하였다. 반대로 게이트에 +4 V를 인가할 때(VGS = +4 V) 그래핀의 일함수가 감소하여 정공주입 장벽이 증가하였으며 최대 휘도가 1197.2 cd/m2에서 764.3 cd/m2로 감소하였다.