Improvement of quantum dot dispersion in polymer nanocomposites and applications to light emitting devices

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Quantum dots are semiconductor nanocrystals which have unique optical properties such as high quantum yield, broad absorption and narrow emission. For quantum dot application, quantum dots must be embedded polymer matrix, which is referred as quantum dot/polymer nanocomposite. By hybridization of quantum dots and polymer, luminescent polymer materials can be obtained. However, when quantum dots are incorporated within polymer matrix, poor compatibility between quantum dots and polymer matrix and high surface energy of quantum dots can induce aggregation of quantum dots, degrading efficiency and stability of photoluminescence properties of quantum/polymer nanocomposites. To solve these drawbacks, This thesis mainly focuses on the strategies for enhancement of luminescence efficiencies of quantum dot based light emitting devices by improving dispersion state quantum dots within polymer composites.
This thesis suggests several noble dispersion systems to enhance fluorescence properties and stability of quantum/polymer nanocomposites. First, by surface modification of quantum dots with strong conjugated thiol functional group, dispersion state of quantum dots can be enhanced within poly(dimethylsiloxane) matrix. enduring hydrophobicity and thermal stability against high temperature annealing. Second, highly luminescent and stable Cd-free quantum dot/silicone polymer are fabricated by direct incorporation of quantum dots within silicone resin using 3-mercapropropyl trimethoxysilane. Strong interaction between quantum dots and the polymer network enhance not only luminescence efficiency but also stability against UV irradiation and high temperature. Finally, highly concentrated quantum dots/poly(methyl methacrylate) nanocomposites is prepared by matrix-free method, even in high concentration about ~50 wt%, decrease of quantum yield is minimized and red shift of nanocomposite is negligible compared to quantum dot/ poly(methyl methacrylate) composite by using simple blending methods, exhibiting excellent transparency. And by applying to light emitting diode, it has been shown that the nanocomposite based on these researches exhibited superior efficiency and stability.

국문 초록 (Abstract)

양자점은 높은 양자효율, 넓은 흡광 및 좁은 발광과 같은 고유한 광학 특성을 가지는 반도체 나노입자이다. 양자점 응용을 위해서는 양자점이 고분자 내 결합된 형태로 이용되는데, 이를 양자점/고분자 나노복합체라고 한다. 그러나 양자점이 고분자 매트릭스 내 결합될 때는 양자점과 폴리머 사이의 낮은 상호작용과 양자점의 높은 표면 에너지에 의해 양자점의 응집이 유도되어 양자점/고분자 나노복합체의 발광 특성 및 안정성이 저하되게 된다. 이 단점을 해결하기 위해 이 논문은 고분자 복합체 내 양자점의 분산도를 개선하여 양자점 기반 발광 소자의 효율을 향상시키는 전략에 중점을 두고 있다.
이 논문은 양자점/고분자 복합체의 형광 특성과 안정성을 향상시키기는 여러가지 새로운 분산 시스템을 제안한다. 먼저, 양자점 표면과 강한 상호작용을 가지는 thiol을 이용하여 양자점 표면을 개질하고, 강한 소수성 작용기와 열 안정성을 부여함으로써 poly(dimehtylsiloxane) 매트릭스 내 양자점 분산도를 향상시켰다. 두번째로, (3-mercaptopropyl) trimethoxysilane을 이용하여 실리콘 수지와 양자점의 결합력을 향상시킴으로써 높은 발광 효율 및 안정성이 높은 Cd-free 양자점/실리콘 복합체가 제조하였다. 양자점과 고분자 네트워크 간의 강한 상호작용은 발광 효율 뿐만 아니라 자외선 조사 및 고온에 대한 안정성의 향상으로 이어졌다. 마지막으로 고농도의 양자점/poly(methyl methacrylate) 나노복합체를 위해 matrix-free 방식을 이용하여 고농도 나노복합체를 제조하였다. 고농도임에도 불구하고 양자효율의 감소 및 red shift 현상이 최소화 되었으며, 탁월한 투과도 개선을 보여주었다. 본 양자점/고분자 복합체 연구를 기반으로 한 발광다이오드는 기존 방식에 비해 우수하고 안정적인 효율을 나타냈다.