Direct Photolithographic Patterning of Colloidal Quantum Dots Enabled by UV-Crosslinkable & Hole-Transporting Polymer Ligand
초록
양자점(QD) 기반 디스플레이는 마이크로미터 정밀도를 갖는 비파괴적·고처리량·고해상도 패터닝 기술을 필요로 한다. 특히 자발광 QD 기반 디스플레이는 나노미터 수준의 두께 균일성을 갖는 전도성 QD 박막의 미세 패턴을 요구한다. 이러한 요건을 충족하기 위해 우리는 정공 수송성 트라이페닐아민과 자외선 가교성 아자이드(-N3) 기가 통합된 광패턴화 가능 반도체성 폴리(바이닐트라이페닐아민-random-아자이도스타이렌)(PTPA-N3-SH) 리간드로 QD를 기능화하였다. 이렇게 혼성화된 QD 박막은 발광 효율 손실 없이 자외선 조사 시 화학적으로 가교되어, 직접 광리소그래피를 통해 마이크로미터 수준(피치 크기 약 10 μm까지)의 QD 패턴을 구현할 수 있다. 또한 리간드의 공액 부위 덕분에 가교된 QD 박막을 전기 구동 발광 다이오드(LED)에 적용할 수 있다. 최종 성과로, 최대 휘도 11,720 cd/m2와 최대 외부 양자 효율(EQE) 6.25%를 갖는 패턴화된 QD-LED를 구현하였다. 이 연구는 마이크로미터 수준의 패턴을 갖는 전도성 나노입자 박막을 제작하는 간단한 플랫폼을 제공하며, 따라서 이 시스템이 QD 기반 디스플레이의 실현을 앞당기고 다른 전자 소자용 나노입자 제조에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
Original abstract (English)
Quantum dot (QD)-based displays call for non-destructive, high-throughput, and high-resolution patterning techniques with micrometer precision. In particular, self-emissive QD-based displays demand fine patterns of conductive QD films with thickness exhibiting uniformity at the nanometer scale. To meet these requirements, we functionalized QDs with photo-patternable and semiconducting poly(vinyltriphenylamine-random-azidostyrene) (PTPA-N3-SH) ligands in which hole-transporting triphenylamine and UV-crosslinkable azide (-N3) groups are integrated. The hybridized QD films undergo chemical crosslinking upon UV irradiation without a loss in luminescence efficiency, enabling micrometer-scale QD patterns (pitch size down to ~10 μm) via direct photolithography. In addition, the conjugated moieties in the ligands render the crosslinked QD films to be implemented in electrically driven light-emitting diodes (LEDs). As the ultimate achievement, a patterned QD-LED was demonstrated with a maximum luminance of 11,720 cd/m2 and a maximum external quantum efficiency (EQE) of 6.25%. The present study offers a simple platform to fabricate conductive nanoparticle films with micrometer-scale patterns, and thus we anticipate that this system will expedite the realization of QD-based displays and will also be applicable to the manufacture of nanoparticles for other electronic devices.