Thin film phosphors have a lot of advantages such as good thermal stability and uniformity compared with powder phosphors. Due to these properties thin film phosphors are often used for display device. However, thin film phosphors have a critical problem i. e. low brightness which is originated from low extraction efficiency due to total internal reflection (TIR) and wave guiding effects. Because of the TIR and wave guiding effect, only a small fraction of the total number of photons was extracted from thin film phosphors.
In recent years, many groups are trying to solve this problem by using the structures such as patterned micron-lenses, photonic crystal, and micron-spheres. Of these schemes, we have focused on the insertion of micron-sized circle array patterns in this study.
To make a patterned $SiO_2$ layer, Photolithography and wet etching process were used and thin film was deposited by RF magnetron sputtering system. To investigate the effect of micron structure, the micron-size circle patterns were induced the $ZnS:Mn^{2+}$ phosphor which is used for thin film EL device generally. And in order to characterize the optical properties of $ZnS:Mn^{2+}$ thin film phosphor deposited on patterned $SiO_2$ layer, Photoluminescence (PL), Cathodoluminescence (CL) spectroscopes were measured and compared the optical properties with that of thin film deposited on the $SiO_2$ layer without patterns.
At first, the optimizations of deposition condition were attempted and then rapid thermal annealing was trying to optimize the conditions. The optical properties of thin film annealed at 700℃ for 1min. was shown good optical properties. As a result of this experiment we checked that the crystallinity of $ZnS:Mn^{2+}$ thin film deposited on patterned $SiO_2$ layer, is better than that of flat thin film through the FHWM value of two thin films. But we couldn’t characterize the optical properties of $ZnS:Mn^{2+}$ thin film phosphor due to the its low PL properties. So we used another phosphor; $YVO_4:Eu^{3+}$ phosphor.
$YVO_4:Eu^{3+}$ thin film phosphor has good PL properties and good color purities. We were trying to introduce the micron-sized circle pattern into phosphor layer. $YVO_4:Eu^{3+}$ thin film phosphor was also deposited by RF magnetron sputtering system under optimized deposition condition. The PL intensities of $YVO_4:Eu^{3+}$ thin film phosphor show higher than that of flat thin film. And PL intensities were measured with changing the measured angles. To investigate the reason of increased PL intensity of patterned thin film, simple calculation was attempted. In calculation, Snell’s law was used to calculate the extraction angles of emission form patterned thin film and flat thin film. Calculation results were indicated that the patterned thin film have wider extraction angles and higher critical angle. Due to these reasons the optical properties of patterned thin film could be improved.
The CIE color coordinate of patterned thin film shifted to deeper red compared with that of flat thin film. To find the reason of shifted CIE color coordinates deeper red, two main peak intensities were compared. Generally to understand the color purity of phosphor doped europium ion two main peak intensities originated from two transitions, $^5D_0-^7F_1$ transition and $^5D_0-^7F_2$ transition respectively was compared. The $^5D_0-^7F_2$ transition of $YVO_4:Eu^{3+}$ phosphor could be more dominated by micron-size circle patterned $SiO_2$ layer introduced into phosphor layer. Due to dominance of $^5D_0-^7F_2$ transition of patterned thin film CIE color coordinates were shifted to deeper red compared to that of flat thin film.
To know optical properties of $YVO_4:Eu^{3+}$ thin film phosphor with increasing the $SiO_2$ layer thickness under phosphor layer PL was measured with different $SiO_2$ layer thickness. It is understood from the results that PL intensities of patterned thin film did not change with increasing the $SiO_2$ layer thickness while that of flat thin film was increased with increasing $SiO_2$ layer thickness. And difference of CIE color coordinates between patterned thin film and flat thin film was decreased with increasing $SiO_2$ layer thickness. To understand the reason of shift of CIE color coordinate with different $SiO_2$ layer thickness, change of emission spectra intensities attributed to $^5D_0-^7F_2$ transition was considered.
To investigate the optical properties with changing $YVO_4:Eu^{3+}$ thin film phosphor thickness, calculation results based on Bragg’s law were applied to this study. There are n values which were satisfied with constants. This means that if we can control the $YVO_4:Eu^{3+}$ thickness, optical properties also can be controlled. Finally two patterned $SiO_2$ substrates with different pattern shape were prepared to know the pattern shape effect.
In conclusion, The optical properties of $YVO_4:Eu^{3+}$ thin film phosphor could be improved about twice compared to flat thin film via introduction of micron-sized pattern.
박막 형광체는 분말형광체와 비교하여 좋은 열적 안정성, 균일도와 같은 측면에서 많은 이점을 가지고 있다. 이러한 이점으로 박막형광체는 많은 디스플레이 소자에 이용된다. 그러나 박막형광체의 소자적용에 있어서 전반사와 wave guiding effect에 기인하는 낮은 발광효율에 의한 low brightness라는 단점이 있다. 최근 이런 문제를 해결하기 위해 micron-lenses, photonic crystal, and micron-spheres 와 같은 구조물을 이용한 발광효율 개선을 위한 많은 노력들이 진행되고 있다. 이러한 초점에 맞춰 본 연구에서는 micron-size circle array 패턴을 이용하여 발광 효율 개선시키는 것에 그 목적이 있다. $SiO_2$ 층의 패턴을 형성시키기 위해서 포토리소그래피와 습식 에칭공정이 사용되었으며, RF magnetron sputtering system을 이용하여 박막을 증착하였다. Micron 구조물의 영향을 확인하기 위해서 우선 $ZnS:Mn^{2+}$ 박막 형광체를 증착하였다. 그 후, 발광 특성을 알아보기 위해서 Photoluminescence (PL), Cathodoluminescence (CL) 분석을 실시하였다. 우선, 스퍼터를 이용한 증착공정의 최적화와 RTA (Rapid Thermal Annealing) 공정의 조건 최적화를 진행하였다. 패턴이 형성된 SiO_2층에 증착된 $ZnS:Mn^{2+}$ 박막형광체의 결정성을 확인하기 위해서 XRD (X-ray diffraction)을 분석한 결과, 결정성의 차이에는 별다른 특징을 발견하지 못하였다. 뿐만 아니라, 발광특성을 확인한 결과, $ZnS:Mn^{2+}4 박막형광체의 낮은 PL특성 때문에 발광특성을 관찰하는데 많은 어려움이 있었다. 그래서 PL 발광 특성이 우수한 $YVO_4:Eu^{3+}$ 박막 형광체를 이용하여 특성 평가를 실시하였다. PL 특성을 확인한 결과, 패턴이 형성된 박막의 PL 발광강도가 그렇지 않은 경우에 비해서 2배정도의 강도 개선이 됨을 확인 하였다. 뿐만 아니라, PL이 측정되는 각도를 변화시키면서 PL특성을 비교한 결과, 모든 측정 각도에서 발광강도가 증가하였다. 이런 패턴된 박막의 발광강도 증가의 원인을 분석하기 위해서 스넬 법칙을 이용한 계산을 하였으며, 그 계산 결과, 패턴된 박막의 임계각의 증가와 방출되는 포톤의 양의 증가로 인하여 발광 강도가 증가되었음을 확인할 수 있었다.
두 샘플의 색순도를 확인하기 위한 연구 진행 후, 패턴된 박막의 색좌표가 그렇지 않는 박막의 색좌표에 비해서 좀 더 deeper red쪽에서 보였으며, 이는 $^5D_0-^7F_2$ transition에 기인하는 발광 스펙트럼의 증가로 인한 것으로 예상된다. 일반적으로 $Eu^{3+}$ 이온이 도핑된 형광체의 경우 그 색순도를 이해하기 위해서 $^5D_0-^7F_1$ transition 과 $^5D_0-^7F_2$ transition에 기인하는 주요 두 발광 peak의 강도가 비교된다. 두 transition에 기인하는 발광강도를 R로 표현하고, 각각의 샘플에 대해서 R 값을 비교한 결과, 패턴된 박막의 경우 R 값이 그렇지 않은 flat 한 경우의 박막에 비해서 증가했음을 확인하였다. 이러한 $^5D_0-^7F_2$ transition의 증가의 원인으로는 Micron-size 패턴 도입으로 인한 박막형광체의 표면적의 증가에 따른 defect의 증가에 그 원인을 찾고 있다. 이런 defect의 증가로 non inversion symmetric site의 증가하게 되고 이로 인해 과 $^5D_0-^7F_2$ transition이 증가하게 되는 것으로 예상된다. SiO_2 층의 두께에 따른 발광 특성을 알아보기 위해서 SiO_2 층의 두께에 따른 PL 특성을 확인한 결과 패턴된 박막의 경우 $SiO_2$ 층의 두께에 따라 발광강도의 변화가 거의 없었다. 그러나 flat한 박막의 경우 $SiO_2$ 층의 두께에 따라 발광 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이런 $SiO_2$ 층의 두 박막의 의존성은 $SiO_2$ 층의 양에 따른 형광체층의 결정성에 영향을 미치는 것으로 예상된다.
그리고 증착되는 형광체층의 두께에 대한 특성을 확인하기 위해서 증착시간을 달리하여 박막을 형성시켰다. 발광 특성에서 나타나는 특성에 대한 원인을 분석하기 위해서 브래그 법칙을 이용하여 n 값을 계산하였고, n 값에 따른 박막 의존도를 확인할 수 있었다. 마지막으로 패턴의 모양에 따른 발광특성을 확인하기 위해 두 종류의 패턴을 준비하였고, 그 결과, Circle 패턴을 이용한 경우 가장 좋은 광특성을 얻을 수 있었다.
결론적으로 micron-size 패턴의 도입으로 인하여 박막형광체의 발광특성을 개선시킬 수 있었다.
