Plasmonic enhancement by of light-emitting materials by metal nanostructures have attracted wide attentions for decades in variety of fields of science including bio-sensors, imaging applications, photonic circuits, light-emitting devices (LEDs) and so on. In the case of LEDs, which are becoming an alternative general light source with huge potential energy savings, plasmonic enhancement of the active layer in epitaxial LEDs and organic LEDs have been studied extensively over the years. On the other hand, the interaction between metal nanostructures and optical down-conversion form of LEDs such as quantum dot LEDs (QD LEDs) have yet to be studied in detail. Analysis of the mechanisms of excitation enhancement, spontaneous emission enhancement and quantum efficiency enhancement process between QDs and localized surface plasmons (LSPs)is carried out by series of in-depth simulations and calculations to predict how much enhancement factor can be obtained. The predicted values are confirmed by experiment by using a blue LED as the excitation source, green QDs and red QDs coupled with hexagonally arranged array of aluminum nanodisks and silver nanodisks, respectively. Calculations for achievement of white light emission was also carried out. We believe that this research is viable for applications in the efficient color-conversion applications such as QD televisions and micro-displays for virtual and augmented reality applications while reducing the production cost significantly.
지난 수 십여 년간 금속 나노구조의 국소 표면 플라즈몬을 이용한 발광체의 효율 증가 현상은 바이오 센서, 이미징, 광자 회로 및 발광다이오드와 같이 다양한 분야에서 연구되었고 지금까지도 활발한 연구가 진행되고 있다. 발광다이오드의 경우 효율이 좋아지면서 디스플레이용 광원 및 조명까지 대체하고 있다. 플라즈몬이 적용된 발광다이오드에는 에피택시얼 발광다이오드, 유기 발광다이오드로 현재까지 많은 연구가 진행되어왔다. 하지만, 색변환 발광다이오드의 경우에서 금속 나노구조와 양자점과 같은 발광체의 상호작용에 대한 연구는 상대적으로 부족한 상황이다. 본 연구에서는 여러가지 구체적인 시뮬레이션과 계산 과정을 통해 플라즈몬 - 양자점 상호작용을 이해함에 있어 필요한 메커니즘을 분석하여 발광 효율 증가량을 계산하였고, 녹색 양자점은 알루미늄 나노디스크와, 그리고 적색 양자점은 은 나노디스크와 결합시켜 실험적으로 계산 결과를 밝힘에 이어 백색 광을 위한 계산도 진행하였다. 본 연구의 결과는 앞으로 고효율 색 변환을 이용한 양자점 텔레비전 또는 가상/증강 현실에 사용될 수 있는 마이크로 디스플레이에 유용할 것이라 기대한다.
