고효율 발광다이오드를 위한 표면 플라즈몬과 형광체의 공명 현상 연구

Abstract

The efficacy of solid-state lighting (SSL) based upon InGaN LEDs has improved by >10x over the past decade: the efficacy of cool white LEDs surpasses linear fluorescent lamp (LFLs) efficacies (>100 lm/W) and warm white 1W LEDs surpasses compact fluorescent lamps (CFLs) efficacies (>60-70 lm/W) Commercial white LEDs (WLEDs) is generally fabricated by using a blue InGaN LED chip and the yellow-emittingY3Al5O12:Ce3+ (YAG:Ce) phosphor. However, such WLEDs have been suffered from a poor color rendering index (CRI) and a high correlated color temperature (CCT) because of lacking a red emission. To solve these problems, WLEDs can be also fabricated by pumping blue, green and red phosphors coated on a near-UV LED. However, efficiency of these WLEDs is lower than that of WLED with blue InGaN LED:YAG:Ce due to stoke-shift with increasing the use of phosphor. To fabricate high CRI and low CCT LED without decrease in efficiency, it is necessary to improve the converting efficiency of phosphors. Recently, surface plasmons (SPs) excited on rough metallic structure is suggested to significantly enhance the light emission by improving the internal quantum efficiency of blue MQW because nonradiative transition is strongly suppressed and radiative recombination is strongly enhanced by the interaction between exciton and SP. In these work, I demonstrate highly efficient luminescence of phosphors by appling SP resonance driven by gold and silver nanoparticles. The effect of matching resonance peak with emission wavelength of phosphor, thickness of spacer layer, density of nanoparticles was investigated. With optimun condition, the efficiency of blue and green phosphor was incrsased to 42.3 and 59.2%, respectively. This schme can potential to improve the efficiency of phosphor, resulting in fabrication of high CRI and low CCT WELs.|최근 Light emitting diodes(LED)는 효율 증가와 성능 향상으로 인해 mobile display, display panel, back light unit(BLU)를 넘어 조명용 광원으로써 많은 주목을 받고 있고 시장 규모도 1천억불 규모로 성장되고 있다. [그림 1.1] LED가 궁극적으로 모든 조명 광원을 대체하기 위해서는 광효율이 130 lm/W 정도는 되어야 할 뿐 아니라 연색지수가 최소 90 이상이어야 한다. white LED를 제작하는 가장 일반적으로 이용되는 Blue LED에 Y3Al5O12:Ce3+ 형광체를 조합하는 구조는 광효율은 높지만 연색지수가 80 이하로 낮다. 연색지수를 높이는 가장 효율적인 방법은 Red, Green, Blue LED를 조합하는 것이다. 일반적으로 blue 및 red LED에 비해 고휘도 green의 효율과 성능이 현저히 낮은 수준이다. 이러한 이유는 blue와 green LED는 모두 활성층으로 InGaN 기반의 다중양자우물구조가 활용되는데 활성층 내부에서 인듐(indium)의 양을 증가시키면 출력이 장파장으로 이동(shift)하여 green이 방출된다. 그러나 In 의 양이 증가 될수록 상분리 현상에 의해 박막의 결정질이 저하되며 또한 InGaN 과 GaN 의 격자상수 불일치에 의한 압전효과가 커짐으로 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 또한 red, green, blue LED 들의 전기적 특성 및 열적 안정성이 달라 시간이 지남에 따라 연색지수와 색온도가 변화는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하는 방법으로 UV LED를 광원으로 청색, 녹색, 적색 형광체를 조합하여 white LED를 제작하는 방법이 활발히 연구되고 있다. [1] 그러나 형광체의 양이 늘어나게 되면 형광체의 에너지 변환인 Stoke-shift 현상에 의해 white LED의 광효율이 저하되게 된다.

본 연구에서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 형광체의 효율을 향상 시킬 수 있는 기술을 제안하였다. 특히 gold nanoparticles와 silver nanoparticles 을 이용하여 surface에 풍부한 전자를 가지고 있는 금속 재질의 nanoparticles에서 관찰되는 현상으로 외부에서 입사되는 광원에 반응하여 집단적으로 진동하는 현상인 localized surface plasmon resonance (LSPR)를 적용함으로 녹색형광체(green phosphor)와 청색형광체(blue phosphor) 광효율을 향상하고자 하였다. 특히 본 연구는 nanoparticles의 크기와 밀도, ITO(spacer) 두께, 에폭시 두께에 따른 LSPR과 형광체간의 상호 공명 현상을 분석함으로 최적 효율 향상 조건을 확보하였다.