Surface plasmons (SPs) are the wave that propagates along the surface of conductor and interacts with the plasma of electron near the surface of metal. Surface plasmon excitation occurs when two momentum of the horizontal component of incident light (which is called evanescent wave $k_{ev}$) and surface plasmon wave ($k_{sp}$) are the same. At that point, they couple the most and surface plasmon resonance occurs. Many previous researches adopted this theory and applied display devices such as organic light emitting diode (OLED) and polymer light emitting diode (PLED) and solar cells and etc...In the previous researches, those studies conducted an experiment about SP resonance dependencies on the deposited condition of Ag particles. Condition which could make SP resonance peak move closer to emitting material peak enhanced device`s luminous efficacy through making shorter exciton life time. Main mechanism those studies used was making SP resonance peak moving closer to emitting material`s emission peak. So overlap between SP resonance peak and emission peak increased. And this coupling enhancement through overlap increases caused internal quantum efficacy increases. Finally enhancement of internal quantum efficacy could increase device`s luminous efficacy. We also chose this mechanism to enhance display device`s luminous efficacy.
The SP enhancement`s theoretical proof and optimization of Ag nano structure based on an OLED and a PLED is reported in this thesis using finite difference time domain (FDTD) simulation.
For 1st experiment, the effect of designed SP enhanced OLED structure was proved theoretically through FDTD calculation. And more improved OLED structure can be realized by suggested structure condition which is following. First, Ag nano particle radius should be larger than 2.5 nm. Second, distance between bottom of cathode and dipole source should not be over 18 nm. Third, surface coverage of Ag particle should increase.
For 2nd experiment, SP enhanced Ag dot array structure which could apply to the PLED was proved theoretically through FDTD calculation. And more improved luminous efficacy of conjugating polymer structure can be realized by suggested optimizing structure condition which is following. Ag particle’s lattice constant is 250 nm and radius is 70 nm and height is 25 nm.
표면 플라즈몬 이란 금속의 경계 면에서 전자의 집단적 운동으로 도체의 표면을 따라 진행하는 표면 전자기파 이다. 표면 플라즈몬의 공명 현상은 흡수된 빛의 수평 방향 성분과 표면 플라즈몬 파 의 모멘텀이 일치할 때 발생하게 된다. 그 때에 두 파는 커플이 가장 많이 되고 따라서 표면 플라즈몬 공명현상이 발생한다. 많은 이전 연구들은 이러한 이론을 도입하여 디스플레이 소자에 도입해 왔는데 그 예로 유기 발광 다이오드, 폴리머 발광 다이오드, 태양 전지 등이 있다. 이전 연구에서는 은 나노 입자를 삽입하는 조건에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상의 영향에 대해 연구를 해 왔다. 소자의 발광 효율을 증가시키는 조건은 표면 플라즈몬 파의 피크가 발광 물질의 발광 피크에 가까워 질 때 일어 나게 되는데 이는 곧 발광물질의 엑시톤의 수명을 짧게 만들어서 더 많은 엑시톤 발광이 빠른 시간 내에 가능하게 하여 소자 효율을 증가시킨다. 이러한 선행 연구에서 사용한 주요 메커니즘은 먼저 언급한 것처럼 표면 플라즈몬 피크가 발광물질의 발광 피크에 가까워 지는 것이다. 따라서 표면 플라즈몬 피크와 발광 물질 피크간의 오버랩이 증가할 수록 이 값이 증가하게 된다. 오버랩이 증가하게 되면 소자의 내부 광자 효율이 증가하게 되고 이는 좀 더 나아가 소자의 발광 효율을 증가 시키게 된다. 따라서 본 연구에서도 다음과 같은 메커니즘을 채택하였다. 먼저 본 연구에서는 Finite difference time domain (FDTD)을 이용하여 은 나노 입자가 삽입된 유기 발광 다이오드 에서의 이론적 증명과 최적화된 구조를 제안하였다. 첫 번째 실험에서는 은 나노 입자가 삽입된 유기 발광 다이오드의 효율 향상에 대한 이론적 해석뿐만 아니라 소자의 효율을 최대화 시킬 구조를 제안하였다. 그 조건은 은 나노 구조에서 은 나노 입자는 적어도 2.5 nm 이상의 반지름을 가져야 하며, 다이폴 소스와 은 나노 입자가 삽입된 음극까지의 거리는 18 nm이상을 초과 해서는 안된다. 은 나노 입자의 surface coverage는 높을 수록 좋다. 두 번째 실험에서는 은 나노 입자가 증착된 폴리머 발광 다이오드 소자의 결과에 대한 이론적 해석과 역시 최적화된 구조를 디자인 하였다. 최적화된 구조는 은 나노 입자간의 간격이 250 nm 이고 반지름이 70 nm이고 높이가 25 nm이며 은 나노 입자의 배열 구조가 육각형 구조일 때 이다.