[이한솔, 이태윤 학생/전헌수 교수] 구조적 설계를 이용한 TiO2 광자결정 기반의 콜로이드 양자점 형광체 연구 (Light: Science & Applications 게재)
“Structurally engineered colloidal quantum dot phosphor using TiO2 photonic crystal backbone“
형광체는 현대 디스플레이의 한 축을 담당하고 있다. 본 연구진은 광자결정(photonic crystal) 기반의 구조적 엔지니어링 방법을 이용한 형광체(이하 광자결정 형광체) 개발을 제안하고 시연한 바 있다. 이 광자결정 형광체의 주된 개념은 평면 박막의 광자결정 구조에 형광체 물질을 이식하는 것이다. 광자결정에 의해 발현되는 Γ-point 밴드엣지(band-edge) 모드가 여기광(excitation photons)의 에너지와 일치하도록 조절하면, 광자결정 형광체는 수직 입사된 여기광과 공진하게 된다. 2차원 정사각 격자 광자결정 구조의 평면 도파관은 현재까지 가장 진보된 광자결정 형광체 플랫폼으로 평가받고 있으며, 이는 큰 폭으로 향상된 색변환 효율뿐만 아니라 여기광 편광의 무의존성이라는 장점까지 지니고 있다. 본 연구에서는 이 플랫폼의 성능을 추가적으로 개선하기 위해 2가지 측면에서 변화를 주었다. 우선 기존 Si3N4(n~2.0) 광자결정 뼈대층의 물질을 TiO2(n~2.6)로 바꾸어 굴절률 차이를 증가시켰다. 그리고 소자의 평탄화를 위해 소위 ‘스퀴지(squeegee)’ 방법으로 표면의 잔여 콜로이드 양자점(colloidal quantum dots)을 제거함으로써 광자결정 뼈대층의 구멍 안에만 선택적으로 양자점이 채워지게 하였다. 이렇게 개선된 광자결정 형광체는 동일한 양의 형광체를 사용한 기준 형광체 대비 큰 폭의 효율 향상을 보여주었다. 시뮬레이션을 통해 약 59배의 여기광 흡수가 가능함을 확인하였고, 실험적으로는 약 7배의 양자점 형광을 확인하였다. 특히 실험적으로 확인한 7배의 형광 증가는 현재까지 구조적 엔지니어링 방법을 통해 이룩한 최대의 성과이며, 아울러 이론과 실험 사이의 큰 차이는 아직도 추가 개선의 여지가 많음을 의미한다.
형광체는 현대 디스플레이의 한 축을 담당하고 있다. 본 연구진은 광자결정(photonic crystal) 기반의 구조적 엔지니어링 방법을 이용한 형광체(이하 광자결정 형광체) 개발을 제안하고 시연한 바 있다. 이 광자결정 형광체의 주된 개념은 평면 박막의 광자결정 구조에 형광체 물질을 이식하는 것이다. 광자결정에 의해 발현되는 Γ-point 밴드엣지(band-edge) 모드가 여기광(excitation photons)의 에너지와 일치하도록 조절하면, 광자결정 형광체는 수직 입사된 여기광과 공진하게 된다. 2차원 정사각 격자 광자결정 구조의 평면 도파관은 현재까지 가장 진보된 광자결정 형광체 플랫폼으로 평가받고 있으며, 이는 큰 폭으로 향상된 색변환 효율뿐만 아니라 여기광 편광의 무의존성이라는 장점까지 지니고 있다. 본 연구에서는 이 플랫폼의 성능을 추가적으로 개선하기 위해 2가지 측면에서 변화를 주었다. 우선 기존 Si3N4(n~2.0) 광자결정 뼈대층의 물질을 TiO2(n~2.6)로 바꾸어 굴절률 차이를 증가시켰다. 그리고 소자의 평탄화를 위해 소위 ‘스퀴지(squeegee)’ 방법으로 표면의 잔여 콜로이드 양자점(colloidal quantum dots)을 제거함으로써 광자결정 뼈대층의 구멍 안에만 선택적으로 양자점이 채워지게 하였다. 이렇게 개선된 광자결정 형광체는 동일한 양의 형광체를 사용한 기준 형광체 대비 큰 폭의 효율 향상을 보여주었다. 시뮬레이션을 통해 약 59배의 여기광 흡수가 가능함을 확인하였고, 실험적으로는 약 7배의 양자점 형광을 확인하였다. 특히 실험적으로 확인한 7배의 형광 증가는 현재까지 구조적 엔지니어링 방법을 통해 이룩한 최대의 성과이며, 아울러 이론과 실험 사이의 큰 차이는 아직도 추가 개선의 여지가 많음을 의미한다.
Photonic crystal (PhC) phosphor, in which the phosphor material is periodically modulated for an enhancement in color-conversion efficiency via resonant absorption of excitation photons, is a paradigm-shifting structural phosphor platform. Two-dimensional (2D) square-lattice PhC phosphor is currently considered the most advanced platform because of not only its high efficiency, but also its immunity to excitation polarization. In the present study, two major modifications are made to further improve the performance of the 2D PhC phosphor: increasing the refractive index contrast and planarizing the surface. The index contrast is improved by replacing the PhC backbone material with TiO2 whereas the surface planarization is achieved by removing excessive colloidal quantum dots from the surface. In comparison with the reference phosphor, the upgraded PhC phosphor exhibits ~59 times enhanced absorption (in simulations) and ~7 times enhanced emission (in experiments), both of which are unprecedentedly high. Our results not only brighten the viability and applicability of the PhC phosphor but also spur the phosphor development through structural engineering of phosphor materials.
Authors: Hansol Lee†, Tae-Yun Lee†, Yeonsang Park, Kyung-Sang Cho, Young-Geun Rho*, Hyuck Choo* & Heonsu Jeon* (†Equally first authors, *co-corresponding authors)
Light: Science & Applications 11(1), 318 (2022)
DOI: 10.1038/s41377-022-01020-2
Published online: 01 November 2022
Link: https://www.nature.com/articles/s41377-022-01020-2