순환 온도에 대한 조사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12713(2023) 이 기사 인용

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양자점 발광 다이오드(QLED)의 호기성 및 열 안정성은 열악한 환경 조건에서 이러한 장치를 실제로 적용하는 데 중요한 요소입니다. 우리는 외부 양자 효율(EQE)이 14%를 초과하고 효율성 롤오프(드루프)가 거의 무시할 수 있으며 최대 밝기가 600,000cd/m2를 초과하는 전체 솔루션 처리된 호박색 QLED를 시연합니다. 이는 주변 공기 조건에서 제작된 QLED에 대해 전례가 없는 일입니다. . 우리는 5단계 냉각/가열 사이클에서 -10~85°C의 온도 범위에서 장치 효율과 밝기 수준을 조사합니다. 실외 조명 응용 분야에 필요한 10,000cd/m2 이상의 밝기 수준에서 실험을 수행했습니다. 우리의 장치 성능은 성능 매개변수의 표준 편차를 최소화하면서 열 안정성을 입증합니다. 흥미롭게도 장치 효율 매개변수는 실온으로 돌아오면 초기 값으로 회복됩니다. 성능의 변화는 전하 수송 특성의 수정 및 다양한 온도에서 유도된 방사성/비방사성 엑시톤 이완 역학과 상관관계가 있습니다. 이 주제에 대한 이전 연구를 보완하는 본 연구는 호기성 안정 초고휘도 처짐 없는 QLED 실현의 잠재적 타당성을 밝히고 고체 조명 응용 분야에 대한 추가 연구를 장려할 것으로 예상됩니다.

양자점 발광 다이오드(QLED)는 뛰어난 광전자 특성으로 인해 학계와 산업계 모두에서 상당한 관심을 불러일으켰으며 다양한 전자 장치에 적합합니다1,2,3,4,5,6,7. 예를 들어, QLED의 외부 양자 효율(EQE)8,9,10,11, 밝기 수준12,13 및 작동 수명14,15,16,17은 이제 상업용 디스플레이의 표준에 도달했습니다18. 반면, 잘 설계된 등급 다중 쉘 구성의 발광 콜로이드 양자점(QD)을 활용하면 높은 밝기 수준19에서 QLED의 무시할 수 있는 EQE 롤오프(드루프)가 야외 조명, 프로젝션에 응용될 수 있습니다. 디스플레이 및 광선요법19,20,21. 그러나 동작 안정성, 선반 안정성, 효율성 롤오프, 신뢰성 있는 고휘도 등의 문제로 인해 고체 조명 시스템에 적합한 QLED는 아직 상용화 단계에 이르지 못하고 있습니다21.

그러한 맥락에서 열악한 환경 조건(예: 극한의 온도 및 높은 습도 수준)에서 효율성을 유지하면서 높은 밝기 수준의 열 안정성은 실외 LED 조명 시스템의 핵심 요소입니다. 높은 습도 수준(예: 85RH)에서 산소 및 습기에 대한 장치 보호는 고급 박막 캡슐화 방법을 사용하여 보장할 수 있지만 LED 시스템의 열 안정성은 기능적 전하 수송의 고유 및 수정된 전하 수송 특성에 따라 달라집니다. 발광층(EML)의 엑시톤 완화 역학. 유기 LED(OLED)24,25,26, 페로브스카이트 LED27,28 및 QLED29,30,31의 온도에 따른 전기발광(EL) 성능에 대한 여러 연구가 이전에 발표되었습니다. 예를 들어, 현재 연구의 초점은 M. Zhang et al. 120~300K 온도 범위 내에서 빨간색 QLED의 광발광(PL) 및 EL 성능을 모두 조사했지만 실온(RT)보다 높은 온도에서는 실험을 수행하지 않았습니다. 저자는 온도가 영하의 온도에서 RT로 증가함에 따라 전류 밀도가 향상되고 턴온 전압이 감소한다고 보고했습니다. J. Yun 외 연구진의 연구에서 저자는 100~400K에서 반전된 콜로이드 Cd 기반 QLED의 전류 밀도 대 전압(JV) 동작을 조사했지만 효율 매개변수는 보고하지 않았습니다. Biswaset al. 콜로이드 CuInS 기반 황색 QLED의 EQE 및 전류 효율(LE)을 개선하기 위한 열 보조 방법을 구현했습니다. 저자들은 ZnO 전자 수송층(ETL)의 스퍼터링 동안 기판 온도를 증가시킴으로써 장치의 전하 주입이 개선되어 효율성이 향상된다는 것을 관찰했습니다. 최근에는 Sue et al. QLED에서 일반적으로 관찰되는 상향 변환 EL(즉, 하위 밴드갭 턴온 EL)의 근본 원인은 장치를 넓은 온도 범위에 노출함으로써 열에 의한 전하 주입에 기인한다고 제안했습니다. 그러나 이 저자들은 작은 전압 범위(켜짐 전압 근처) 내에서 실험을 수행했으며 분명히 높은 밝기 수준에서 온도 의존성을 조사하지 않았습니다. 또한 외부 극한 온도에 노출되지 않더라도 장치를 통과하는 높은 전류로 인해 높은 밝기 수준에서 QLED의 작동 온도가 일반적으로 RT를 초과하여 줄 발열을 유발한다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 적절한 열 관리는 초고휘도 QLED의 장기적인 작동 안정성에 매우 중요합니다. 또한 온도, 전기장 및 포지티브 노화가 장치 성능에 미치는 영향은 이전에 연구되었습니다. QLED 장치의 경우 현장에서 계면 반응이 전하 누출을 줄여 장치 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한, QLED에서 산화물 ETL을 사용한 전기장 인가를 통해 달성된 저항성 스위칭은 산소 결손의 이동과 전도성 필라멘트의 형성으로 이어지며, 이는 QLED의 포지티브 노화를 유도합니다. 그러나 높은 전기장은 QLED 소재의 마모 및 열화를 가속화하여 잠재적으로 장치 성능과 수명에 영향을 미칠 수 있습니다. 마찬가지로, 온도가 상승하면 QLED 효율성, 안정성 및 수명에 영향을 미쳐 전력 소비 증가, 재료 품질 저하, 광도 감소 및 잠재적인 장치 오류로 이어질 수 있습니다. 더 높은 온도와 전기장은 캐리어 전송과 밝기를 향상시킬 수 있지만 장치의 작동 수명을 단축시킬 수 있습니다. C. Lee 등의 연구에서는 어닐링 온도를 최대 200°C까지 높이는 것이 정공 주입 강화로 인해 QLED 성능을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 그러나 온도가 더 상승하면 정공 주입 저하와 전자 주입 속도 증가로 인해 효율이 감소하여 전하 축적이 발생합니다. Z. Chen 등은 HTL과 포지티브 에이징이 QLED 장치의 성능과 수명에 미치는 영향을 조사했습니다36. 건조제를 사용하면 QLED의 정공수송층(HTL) 안정성이 향상되어 포지티브 노화가 억제됩니다. 반대로, 건조제가 없는 장치는 더 빨리 성능이 저하되었지만 긍정적인 노화를 보였습니다. 이는 긍정적인 노화와 HTL 안정성 사이의 균형을 나타냅니다. 전반적으로 QLED의 포지티브 노화는 계면 반응, 저항 스위칭 및 제어된 작동 조건을 통해 달성될 수 있으며, 고온 및 전기장은 잠재적으로 장치 성능 및 작동 수명에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.

20,000 cd/cm2 at 5 V. Temperature-dependent EL studies have not been reported at such a high brightness level in literature. Figure 4a shows the J-V plots of the QLED at various temperatures. When the device is first cooled down to − 10°C from RT1, the current density declines, but when it equilibrates back to RT2, the current density retrieves almost to its initial value at RT1. In contrast, the current density values of the device shows that the charge transport properties are reinforced at the elevated temperature of 85°C. Owing to thermally-assisted charge injection at elevated temperatures28, the turn-on voltage (Von) reduces from 2.1 V at RT to 1.8 V at 85 °C. The Von was also higher (2.3 V) at − 10°C, due to a reverse effect. In addition to thermally-assisted charge injection, given that the efficiency parameters drop slightly and considering that the brightness increases substantially at 85°C (Fig. 4b), the dramatically increased current density may also be correlated with increased leakage current within the voltage range in our experiments. Specifically, even though the current density at RT3 is lower than that at 85°C, it is still higher compared to its initial value at RT1. Given that the efficiency parameters do not completely return to the values at RT2, this may be due to any plausible minimal physical damage (due to the leakage current) occurring to the polymer HTL in the device structure. Such a physical damage at the HTL/QDs interface has been reported to be one of the main reasons for QLED degradations at high brightness/current density levels49. Another reason could be the thermal fluctuations in the thermal pad and the slight deviation of the temperature from RT2. Nevertheless, in our case, the likely damage to the HTL does not seem to be severe because the efficiency parameters return almost to their initial values at RT after the cooling/heating cycles, indicating thermal stability of the devices within the temperature range. Table 1 summarizes the QLED performance parameters operated in a thermal cycle./p> 98.5%), trimethylammonium chloride (TMACl, > 98%), potassium hydroxide (KOH, 99.99%), dimethyl sulfoxide (DMSO, > 99.9%) magnesium acetate tetrahydrate (99%), zinc acetate dihydrate (> 98%), lithium acetate (99.95%) and 1-butanol (anhydrous, 99.8%) were purchased from Sigma-Aldrich. Zinc acetate anhydrous (+ 99.9%) and ethyl acetate (> 99.5%, ACS certified) were purchased from Thermoscientific. Selenium (Se, 99.999%, metals basis) and oleic acid (90%, technical grade) were purchased from Alfa-Aesar. Octane (+ 99%, extra pure) was purchased from Acros Organics. All the reagents were used as received. Poly(ethylene dioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) was purchased from Ossila. Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4’-(N-(p-butylphenyl)) diphenylamine)] (TFB) was purchased from American Dye Source. Polyvinylpyrrolidone (PVP10) with an average molecular weight of 10,000 was purchased from Sigma-Aldrich. Patterned ITO-glass substrates with 15 Ω resistance and 25.4 mm × 25.4 mm × 0.7 mm were purchased from Luminescence Technology Corp./p>

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