양자점의 좁은 발광 반치폭, 밴드갭 조절 용이성 및 용액 공정이 가능한 특성들은 저비용으로 넓은 색역의 디스플레이 소자 구현이 가능하기 때문에 차세대 발광 소재로 주목받기에 충분하다. 양자점은 액정 디스플레이 소자에 색 변환 소재로 활용되어 이미 상용화되었지만, 최종적인 양자점 기반 디스플레이의 플랫폼은 이러한 광 변환 방식이 아닌 전계구동 방식으로 예상되고 있다. 양자점 전계발광 소자(quantum dot-lighting-emitting diode, QLED)는 양자점의 코어/쉘 이중구조 및 표면 리간드 제어와 소자 구조 다변화 및 최적화와 같은 부단한 연구를 통해 유기 발광 다이오드(organic-light-emitting diode, OLED)에 견줄만한 소자 성능을 달성하였다. 하지만, 이는 강한 독성으로 인체에 유해한 카드뮴 기반의 양자점을 발광층으로 사용한 결과로 가까운 장래에 산업계에서 제외될 가능성이 높다. 또한, 현재까지 보고된 양자점 전계발광 소자는 고효율 및 고색역이 요구되는 디스플레이용 소자 개발에 중점을 두고 있어 일반적인 조명 분야에 대한 연구는 미비한 상황이다.
본 연구에서는 고품위 비카드뮴계 양자점 기반 단색 및 백색 전계발광 소자의 성능 향상을 위한 연구를 수행하였다. 양자점 발광층과 무기 나노입자 전자수송층 계면에서의 과도한 전자 주입 및 엑시톤 quenching의 고질적인 문제를 해결하기 위해 ZnMgO(ZMO) 나노입자의 표면을 acrylate 또는 bicarbonate와 같은 기능성 리간드로 개질하였다. 표면 개질을 통해 ZMO 나노입자 표면의 quenching site인 수산기 및 산소 공공을 제거하여 발광층/전자 수송층 계면에서 발생하는 엑시톤 quenching을 효과적으로 억제하였다. 또한, ZMO 나노입자의 표면 기능화는 쌍극자 효과를 통해 에너지 준위를 점진적으로 상향 이동시켜 음극/전자 수송층 계면에서의 전자 주입을 억제하였다. 기능성 리간드가 부착된 ZMO 나노입자의 변화된 특성들은 적색, 녹색 InP 및 청색 ZnSeTe 양자점 기반 전계발광 소자에 전자 수송층으로 적용되어 성능(i.e., 외부 양자 효율 및 구동 안정성) 향상에 기여하였다. 추가적으로 다양한 색상의 양자점이 혼합된 발광층 형성 및 소자 구조 다변화를 통해 고효율 및 고연색지수 특성을 갖는 백색 전계발광 소자를 제작하였다. 우선, I-III-VI 계 청색 Zn-Cu-Ga-S 및 황색 Cu-In-S 양자점을 혼합하여 전계발광 소자의 발광층을 형성하였으며, 간단한 중량비 조절을 통해 백색을 구현하였다. 마지막으로 백색 소자의 성능을 향상시키기 위해 ZnSeTe 및 InP 기반 양자점로 구성된 각각의 전계발광 소자를 상호 연결층으로 통합함으로써 최초로 tandem 구조의 비카드뮴계 양자점 기반 백색 소자를 제작하였다.