청색 발광 다이오드(LED)는 삼원색 중 하나이자 여기 광원으로서 풀컬러 디스플레이, 일반 조명 및 신호 전송 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 최근 몇 년 동안 금속 할라이드 페로브스카이트는 높은 광발광 양자 효율, 높은 색 순도 및 용이한 용액 공정성으로 인해 차세대 저비용 청색 LED의 유력한 후보로 떠올랐습니다. 고성능 청색 페로브스카이트 LED를 구현하기 위해 연구자들은 재료 최적화, 계면 엔지니어링 및 소자 구조 설계 등 다양한 전략을 제시해 왔습니다. 현재까지 청색 페로브스카이트 LED의 외부 양자 효율(PE)은 26.4%에 달했지만, LED 전력 소비를 평가하는 핵심 지표인 전력 효율은 여전히 만족스럽지 못합니다.
LED 기술의 막대한 전 세계적 에너지 소비량과 적색 및 녹색 페로브스카이트에 비해 밴드갭이 더 넓은 청색 페로브스카이트의 본질적인 에너지 소비량을 고려할 때, 청색 페로브스카이트 LED의 광효율(PE)을 향상시키는 것은 에너지 효율적인 광전자 소자 설계에 매우 중요합니다. 광효율은 PE = (π × L)/(J × V) 공식으로 계산되며, 여기서 L, J, V는 각각 휘도, 전류 밀도, 구동 전압을 나타냅니다. 따라서 높은 광효율(발광 거리)을 달성하기 위해서는 특정 전류 밀도에서 구동 전압을 낮추면서 밝기를 최대화해야 합니다. 페로브스카이트 다결정 박막 기반 LED와 비교했을 때, 양자점(QD) LED는 QD 발광체 자체가 강력한 전하 캐리어 가둠 특성을 지니고 있어 이론적인 발광 효율에 근접하기 때문에 더 높은 광효율을 달성할 가능성이 있습니다. 그러나 QD 내 유기 리간드의 전기 절연 특성은 전하 캐리어의 이동과 재결합을 심각하게 저해하여 구동 전압을 증가시키고 결과적으로 이러한 소자의 광효율을 상대적으로 낮추는 요인이 됩니다.
정저우대학교의 송지중, 야오지송 연구팀은 폴리(1,1-디플루오로에틸렌)(PVDF)의 규칙적인 쌍극자 구조를 양자점(QD) 발광층에 삽입함으로써 청색 페로브스카이트 QLED의 구동 전압을 낮추고 복사 재결합을 향상시키는 데 성공했습니다. PVDF로 형성된 고분자 쌍극자는 전자와 정공을 발광층 중앙 영역으로 유도하여 복사 재결합을 촉진함으로써 소자의 구동 전압을 낮추는 데 도움을 줍니다. 동시에, PVDF의 불소(F) 원자의 전자 끌어당김 효과는 비배위된 납(Pb²⁺) 이온을 효과적으로 비활성화시키고, 수소(H) 원자는 페로브스카이트 QD 내의 할로겐화 이온과 상호작용하여 비복사 재결합을 효과적으로 억제합니다. 그 결과, 청색 페로브스카이트 QLED에서 43.9 lm W⁻¹의 기록적인 전력 효율과 5474 cd m⁻²의 인상적인 밝기를 달성했습니다. 또한, 최적화된 소자는 안정적인 발광 스펙트럼과 크게 향상된 작동 안정성을 보여주었으며, 이는 제안된 청색 페로브스카이트 QLED 전략이 실제 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있음을 입증합니다.
