서지주요정보
금속 나노구조 중재한 고분자 발광소자 = Metal nanostructure mediated polymer light emitting devices
서명 / 저자 금속 나노구조 중재한 고분자 발광소자 = Metal nanostructure mediated polymer light emitting devices / 조관현.
저자명 조관현 ; Cho, Kawn-Hyun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
Online Access 원문보기 원문인쇄

소장정보

등록번호

8024234

소장위치/청구기호

학술문화관(문화관) 보존서고

DEE 11067

휴대폰 전송

도서상태

이용가능

대출가능

반납예정일

초록정보

Plasmonics is a rapidly growing and evolving field on the most advanced of optical sciences, photonic, thin film and nanotechnology. Light enhancement of an emitter by excitation of the surface plasmon resonance is one of the most attractive approaches for realizing plasmonic devices. In this studies, we investigated metal nanostructure mediated PLED devices to improve power efficiency. Ag nanostructures were fabricated by the thermal evaporation technique and nanoimprint lithography. We attempt to improve both internal and external quantum efficiency of PLED devices using silver (Ag) nanostructure. First, we investigated light enhancement of polymer light emitting devices through Ag nanostructures fabri-cated via a simple and effective method involving thermal evaporation. We controlled localized surface plasmon (LSP) by Ag nanoparticles and propagating surface plasmon (PSP) by Ag nanofilms. Upon the connection of Ag nano-islands, charge density oscillations confined to metallic nanoparticles disappeared, and a propagation surface plasmon mode began. Dispersion relations of the Ag/PEDOT:PSS interface can lower the asymptotic limit due to the higher refractive index of PEDOT:PSS relative to that of the air. PL intensity at the emitting layer side was increased as the thickness of Ag nanostructures increased due to the strong excitation of surface plasmons. PL intensity at the ITO substrate side was closely related to the transmittance of the Ag nanostructures. The PL intensity of the ITO substrate side showed a peak value for a sample of thickness of 12 nm having connected islandized Ag nanostructures. We measured TR-PL of Ag nanostructure mediated conjugated polymers at room temperature and low temperature of 15 K, respectively. Relative strong emission from the interchain excitons of the film-like Ag nanostructure was proved by time-resolved photoluminescence (TR-PL) measurement. Decay time and relative weight coefficient fitted by the overall PL decay curves from the bi-exponential. Decay time related to the interchain exctions decreased and relative weight coefficient related to the interchain exctions increased, as the thickness of Ag nanostructures increased. Enhanced light emission from the intrachain excitons was observed by coupling the localized surface plasmon resonance with the intrachain band of the conjugated polymer using Ag nanoparticles. Light emission from the interchain exctions was enhanced by exploiting both the increased strength of the interchain dipole due to the image dipole and the coupling between excitons and surface plasmon polaritons (SPPs). Luminance in the Ag nanostructure incorporated PLEDs was decreased with respect to the Ref. sample, thus the current efficiency and power efficiency were decreased. We investigated the SPP induced by cathode electrode: SPP2 between the cathode electrode and MEH-PPV, and SPP3 between the cathode electrode and air. The effect of SPP3 is negligible if the thickness of the cathode electrode is more than 120 nm. However, the effect of SPP2 is large than that of SPP1 (originally expected) due to the short distance from cathode electrode to emitter of MEH-PPV. As a result, we concluded that the influence of SPP2 is more significant to the electroluminescence of Ag nanostructure-incorporated PLED devices. Next, we fabricated the hexagonal Ag dot array with the lattice constant of 500 nm and 400 nm, respectively. We investigated absorbance spectra with the unpolarized incident light for the hexagonal Ag dot array of lattice constant of 500 nm. We observed strong LSP resonance near the wavelength of 800 nm originated from the hexagonal array. The three peaks near the wavelength of 400 nm were waveguide mode originated from the 2nd order bragg scattering vector. The two peaks near the wavelength of 650 nm were waveguide mode originated from the $1^{st}$ order bragg scattering vector. Dispersion relation by the calculation of TE0 mode agrees with the dispersion relation by the measurement from the tilted absorbance spectra. The peaks in PL enhancement ratio closely related to the coupling condition to the waveguide mode by the bragg vector. Therefore, the light trapped by the waveguide mode in the organic and ITO layer can be extracted effectively. Variation of current density in the PLED with Ag dot array was similar to the PLED without Ag dot array. However, luminance in the PLED with Ag dot array increased with the respect to the PLED without Ag dot ar-ray. As a results, current efficiency and power efficiency increased in the PLED with Ag dot array. Approximately 50 % increase in current efficiency and power efficiency was observed at the current density of 20 mA/$cm^2$. Some part of light will be extracted from the waveguide mode in the organic and ITO layer in the PLED with Ag dot array due to the Bragg scattering. Therefore, the luminance in the PLED with Ag dot array increased with respect to the PLED without Ag dot array.

최근 나노 기술의 발달로 파장보다 작은 금속 나노 구조를 이용하여 표면 플라즈몬을 유도하여 발광층의 발광특성을 향상시키는 연구 분야에 많은 관심을 가지고 있다. 본 논문은 은(Ag) 나노 구조를 고분자 발광 소자에 적용하여 전기광학적 특성을 분석하였다. 은(Ag) 나노 구조는 진공 열증착법 및 나노임프린트 방법을 이용하여 제작하였다. 먼저, 진공 열증착으로 제작된 은(Ag) 나노 구조를 고분자 발광소자의 애노드 전극 (ITO 전극)에 적용하여 발광 향상에 대한 연구를 진행하였다. 은(Ag) 나노입자 (클러스터) 형태를 이용하여 국소 표면 플라즈몬 (LSP)을 발생시켰고, 은(Ag) 나노필름 형태를 이용하여 표면 플라즈몬 폴라리톤 (SPP)을 발생시켰다. 진공 열증착법으로 제작한 은(Ag) 나노 구조의 두께가 증가 할수록 고분자 발광층 측면에서 측정한 광루미네선스(PL)가 증가를 하였다. 이것은 은(Ag) 나노 구조에서 발생된 표면 플라즈몬과 고분자 발광층에 엑시톤(Exciton) 간의 강한 커플링 때문이다. 또한, ITO 기판 측면에서 측정한 광루미네선스는 12nm 두께의 은(Ag) 나노 구조를 가지는 샘플에서 투과율 증가 때문에 최고 값을 가졌다. 상온과 저온 (15K)에서 은(Ag) 나노 구조가 적용된 고분자 발광 소자의 TR-PL 측정을 통해서 발광 역학을 분석하였다. 상온에서는 은(Ag) 나노 구조의 두께가 증가함에 따라서, PL 소멸 시간 기간과 Huang-Rhys factor가 증가하는 결과를 보였다. 그러나, 저온에서는 은(Ag) 나노 구조의 두께가 증가함에 따라 PL 소멸 시간 기간과 Huang-Rhys factor가 변하지 않았다. 상온에서 TR-PL 결과를 ‘Intrachain’ 부분과 ‘Interchain’ 부분으로 구분한 결과, 은(Ag) 나노 구조의 두께가 증가함에 따라 ‘Interchain’ 부분의 PL 소멸 시간이 감소하고 상대적인 비중 계수 (weight coefficient)가 증가함을 확이 하였다. 은(Ag) 나노 구조의 두께가 증가함에 따라 ‘Interchain’ 부분의 발광이 증가하는데, 그 이유는 이미지 다이폴에 (Image dipole)에 의한 영향이 증가하여 기판에 수직 방향을 띠는 ‘Interchain’ 다이폴의 세기 (Strength)가 증가하기 때문이다. 진공 열증착법을 제작한 은(Ag) 나노 구조를 적용한 소자의 휘도, 효율 등의 전기루미네선스(EL) 측정 실험을 한 결과, 휘도 효율이 레퍼런스 구조에 비해서 감소하였다. 전기루리네선스 측정을 위해서는 캐소드 전극이 제작되는데, 캐소드 전극으로 발생하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 (SPP)을 분석하였다. 그 결과, 캐소드 전극과 고분자 발광층 사이에서 발생하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 (SPP)이 고분자 발광층의 발광 매커니즘에 가장 큰 영향을 주게 되는 것을 확인하였다. 다음으로, 500nm와 400nm의 격자 주기를 갖는 육방정계의 은(Ag) 나노 점(dot) 어레이(Array)를 이용하여 고분자 발광 소자의 발광 향상에 대한 연구를 진행하였다. 육방정계의 은(Ag) 나노 점(dot) 어레이(Array)는 나노임프린터 방법을 이용하여 제작하였다. 직경200nm와 격자 주기 500nm를 갖는 육방정계의 은(Ag) 나노 점 어레이의 흡광도(Absorbance) 측정을 하였다. 800nm의 파장대에서 국소 표면플라즈몬에 의한 강한 흡광도 피크가 발생하였고, 400nm와 650nm 근방의 파장대에서 도파관(Waveguide) 모드에 의한 흡광도 피크가 발생하였다. 육방정계의 은(Ag) 나노 점 어레이가 적용된ITO 도파관 모드의 분산 관계(Dispersion relation)를 계산한 결과, 측정한 650nm 파장대의 도파관 모드가 계산한 ITO 도파관 모드의 $1^{st}$ order 격자 상수로 기인한 TE0 모드와 일치함을 확인하였다. 육방정계의 은(Ag) 나노 점 어레이가 적용된 고분자 소자의 광루미네선스가 증가함을 확인 하였고, 광루미네선스 증가율이 도파관 모드의 bragg scattering과 관계 있음을 확인하였다. 육방정계의 은(Ag) 나노 점 어레이를 적용한 고분자 발광 소자의 전기루미네선스(EL) 측정 실험을 하였다. 은(Ag) 나노 점 어레이가 적용된 구조가 적용되지 않는 구조에 비해서 휘도 및 효율이 증가를 하였다. 전류 밀도가 20mA/$cm^2$에서, 효율이 약 50% 정도 증가를 하였다. 발광층에서 발생된 빛이 ITO 및 고분자 발광층의 도파관 모드로 소비되는 일정 부분의 빛을 육방정계의 은(Ag) 나노 점 어레이로 인해 외부로 커플링 시키게 된다. 따라서, 육방정계의 은(Ag) 나노 점 어레이를 적용한 고분자 발광 소자의 휘도 및 효율이 증가하게 되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 11067
형태사항 ix, 86 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Kawn-Hyun Cho
지도교수의 한글표기 : 최경철
지도교수의 영문표기 : Kyung-Cheol Choi
수록잡지명 : "Surface plasmonic controllable enhanced emission from the intrachain and interchain excitons of a conjugated polymer". APPLIED PHYSICS LETTERS, v.97(19), 193306(2010)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 71-78
주제 고분자 발광 소자
은 나노 구조
표면 플라즈몬
도파관 모드
PLEDs
Conjugated polymer
Silver nanostructure
Surface plasmon
Bragg scattering
QR CODE qr code