I demonstrate highly efficient luminescence by applying localized surface plasmon resonance driven by gold nanoparticles to the luminescence mechanism of divalent europium for use in white Light Emitting Diodes (LEDs). I matched localized surface plasmon band of gold nanoparticles to the emission wavelength of yellow emitting phosphor. Spectral overlap between yellow emission and plasmon band helped to modify electric dipole transition of europium ion, generating enhanced photoluminescence. This plasmonic enhancement was dependent on spectral relation. From this, the plasmon-mediated phosphor can have a potential to develop both cheap and highly efficient white LEDs. The present work shows that an Eu-doped yellow emitting phosphor used for white LEDs can yield high luminescence intensity due to plasmon resonance by incorporated Au nanoparticles. It is posited that the enhanced electric field by the localized surface plasmon effect contributes to the increased yellow emission. The optimal concentration of Au nanoparticles for plasmonic enhancement was also investigated. The plasmonic hybrid phosphor scheme described here can potentially be applied to white LEDs to enhance their luminous efficacy. However, further study is required to verify the enhancement of the display characteristics of fully-packaged white LEDs incorporating metal nanoparticles.
표면에 풍부한 전자를 갖고 있는 금속은 나노 구조일 때 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하여 외부에서 입사되는 광원에 반응하여 표면 전자가 집단적으로 진동하는 현상을 띄게 된다. 이러한 플라즈몬 특성을 이용하여 최근 나노기술, 생물학, 광학, 광센서 제어, 바이오 센서, 디스플레이 등 다양한 분야에서 연구가 되고 있다. 플라즈몬 특성은 발광물질의 광특성을 고 효율로 개선할 수 있는 것으로 알려지면서 디스플레이 소자에 이를 적용하려는 연구가 최근 많이 보고되고 있다. 현재까지 디스플레이 소자에서는 대부분 반도체 LED와 유기물을 이용한 OLED를 중심으로 그 연구들이 진행 되어왔다. 이러한 소자들을 제작할 때, 금속 나노 입자 혹은 금속 나노 구조를 디스플레이 소자 안에 삽입하는 방법으로 양자우물 및 발광층의 발광 특성을 향상시켰다. 특히 LED에서는 소자 chip에서 효율 증가가 집중 적으로 이루어 졌으나 균일한 구조 형성이 어려워 아직까지도 연구 단계에 머물고 있는 실정이다.
본 연구에서는 이러한 연구배경으로 발광체로서 희토류 금속 이온을 사용하는 LED용 형광체에 표면 플라즈몬 공명 기술을 접목하여 효율 증가를 보여주고자 한다. 이를 통해 상업적으로 대중화 되어있는 백색 LED 조명시장이나 BLU 시장에서 바로 사용될 수 있는 기술을 목표로 상용화가 가능한 결과를 보여주고자 한다. 희토류 금속 이온 중에서 대표적으로 유로피엄 이온은 하나의 금속 이온에서 최외각 전자가에 따라Blue 및 Red 발광 특성을 모두 보여줄 수 있어, 널리 사용되는 범용 발광 이온이다. 따라서 본 연구에서는 유로피엄을 발광체로 채택하여 표면 플라즈몬 특성을 연구하였다. 사용된 형광체는 green 발광과 yellow 발광을 하는 2종류의 실리케이트 형광체를 사용하였고, red 발광하는 quantum dot을 사용하여 이후에 Hybrid한 형태의 백색 LED 제작에 기여하고자 하였다. 실험 결과 표면 플라즈몬 공명을 보이는 금속으로 금 나노 입자를 사용하여 yellow 형광체에서는 20%, red quantum dot에서는 50%의 증가를 얻을 수가 있었다. 하지만 실제 소자에서 그 PL 증가가 보이지 않아 보다 높은 효율 증가가 나타나기 위해서 scattering이 금 나노 입자보다 큰 실리카 코팅된 금 나노 입자를 사용하였다. 이를 통해 금 나노 입자를 사용하여 yellow 형광체의 효율을 증가시켰을 때 보다 2배의 증가가 보였지만 역시 소자에서는 증가가 보이지 않았다. 본 연구에서는 그 이유로 사용된 실리케이트 형광체의 입자 무게가 무거워 쉽게 침강하는 현상에 의한 것이 원인으로 보고 보다 입자가 작은 YAG yellow 발광 형광체를 사용하여 실험하였다. YAG yellow 형광체를 사용한 결과 실리케이트 yellow 형광체와 다르게 소자에서의 증가를 볼 수 있었고, 이를 통해서 소자에서의 형광체 침강이 발광 효율 증가 프로세스에 영향을 미친다고 판단하게 되었다. 효율의 증가가 surface plasmon에 의한 효과임을 TRPL을 통한 decay time 감소를 보았다. 이러한 연구결과를 종합하여 볼 때, 표면 플라즈몬 공명 특성에 의한 유로피엄 이온의 발광 메커니즘 중에서 전기적 다이폴 전이를 활성화하여 그 발광세기를 향상되는 것으로 보았다. 이러한 플라즈몬을 이용하는 희토류 금속 이온의 고휘도 기술을 바탕으로 본 연구에서는 소자에서의 효율 증가 가능성을 보였고, 이후에도 소자 제작의 공정을 변화시켜 지속적인 연구를 할 계획이다.
결론적으로 본 연구는 희토류 금속 이온을 사용하는 LED용 형광체의 발광 특성에 관하여 표면 플라즈몬이 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 다각적으로 분석하였다. 또한 PL에서 증가한 결과를 토대로 다양한 분석방법에 기초하여 문제점을 파악하였고, 이후에 소자에서도 높은 광효율을 갖는 LED 소자 구현을 목표로 하고 있다.
