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Synthesis of phosphor photonic crystal by self-assembly of spherical phosphor and control of its photoluminescence properties = 구형 형광체의 자기 조립에 의한 형광체 광자결정의 합성 및 발광특성 제어
서명 / 저자 Synthesis of phosphor photonic crystal by self-assembly of spherical phosphor and control of its photoluminescence properties = 구형 형광체의 자기 조립에 의한 형광체 광자결정의 합성 및 발광특성 제어 / Hyoung-Sun Yoo.
저자명 Yoo, Hyoung-Su ; 유형선
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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With continuous growth of display industry, researchers have made great efforts to improve the efficiency of display devices. Because the improved efficiency of display devices results in reduction of energy consumption, it is very important and means a lot. The efficiency of display devices is strongly depended on the properties of luminescence materials used, because luminescence materials play an important role of emitting visible lights in each device. As luminescence materials with the higher luminescence efficiency were used, the more efficient display devices can be expected. Therefore, many researchers have studied to improve the efficiency of luminescence materials and to search for new luminescence materials with high efficiency. In this study, 3 dimensional (3D) colloidal photonic crystals (PCs) were used and studied to improve the efficiency. At first, the effects of the 3D colloidal PCs and their stopbands on the light extraction efficiency of luminescent films were investigated. In addition, the phosphor PCs were fabricated by self-assembly of the monodisperse phosphor spheres, and their advantages and utilization ways were investigated. Finally, the effects of the crystallite/particle sizes on the luminescence properties of inorganic phosphors were investigated by using the monodisperse phosphor spheres. In chapter 3, in order to verify the distinct advantages of the colloidal 3D PCs on the extraction efficiency, an organic-inorganic hybrid transparent luminescence material, the $Ormosil:Eu(dbm)_{3}phen phosphor$, was experimented. The luminescence properties of the plane film prepared by spin-coating of the phosphor on a slide glass were compared with those of the infiltrated film prepared by infiltration of the phosphor into the 3D colloidal PC. The photoluminescence (PL) intensity of the infiltrated film was about 13 times higher than that of the plane film. Three major terms, which are the mass term, the scattering term, and the crystallinity term, were considered as factors responsible for the improvement of the PL intensity. The ratio of the effects of the mass term : the scattering term : the crystallinity term was 2.1 : 2.8 : 2.2. in the infiltrated film, the PC template acted as both a reservoir of the phosphor and an ordered scattering center of the light to be trapped within the film. However, the PL intensity of the infiltrated film was suppressed, when the PL emission peaks of the phosphor were overlapped with the stopband of the infiltrated film. In order to utilize the stopbands of 3D PCs in an affirmative way, the opposite-added film was prepared by spin-coating of the phosphor on the opposite side of the 3D colloidal PC. In the opposite-added film, the PC was acted as only the ordered scattering center. Therefore, the PL intensities of the opposite-added films were higher by just 4.2 times than that of the plane film. However, the stopband of the opposite-added film was acted as a reflector. When the stopband of the PC in the opposite-added film was overlapped with the PL emission peaks, the emitted light was reflected by the PC and the PL intensity was increased up to 7.3 times. Therefore, in order to maximize the extraction efficiency of a luminescence film by using the 3D colloidal PCs, the position of the stopband should be tuned depending upon the film type. In this study, monodisperse spherical phosphors were synthesized for fabrication of the phosphor PCs. Before fabrication of the phosphor PCs, the effects of the crystallite/particle sizes on the luminescence properties of inorganic phosphors were investigated and described in chapter 4. At first, monodisperse spherical $Y_2O_3:Eu^{3+}$ phosphor particles were prepared by a homogeneous precipitation method. The mean size of phosphor particles (MSPP) was successfully controlled by changing the ratio of alcohol (RA) in the solvents with maintaining a high yield more than 95 %. Although all of the prepared phosphor samples were fired at the same temperature of $750\deg C$, thermal energy was delivered more efficiently into the inner side of the phosphor particles with decrease of the MSPP. Therefore, the crystallinity and also the PL intensity of the phosphor increased with decrease of the MSPP. In addition, the PL intensity ratio between two types of transitions $(I_{613}/I_{594})$, the asymmetric ratio, increased from 10.8 to 12.7 with decrease of the MSPP from 276 nm to 103 nm. It was due to the increase of the number of $Eu^{3+}$ ions located near the particle surfaces, which provided non-inversion symmetry sites. In order to investigate the effects of the crystallite size on the PL properties of a phosphor in detail, the $SiO_2/Y_2O_3:Eu^[3+}$ phosphor core/shell particles were prepared. Because the growth of the crystallite was restricted by the shell thickness, the crystallite size was controlled independently from the particle size. The PL intensities due to both the magnetic dipole transition and the forced electric dipole transition were decreased with decrease of the crystallite size. However, the PL intensity due to the forced electric dipole transition, which is hypersensitive to the environment, was more severely decreased. Therefore, the asymmetric ratio was decreased with decrease of the crystallite size and the color purity was also deteriorated. The CT band was clearly red-shifted from 246 nm to 249 nm with decrease of the crystallite size from 17.2 nm to 6.9 nm. The decreased crystallinity, and thus the increased degree of disorder, could be the reason for the red-shift. From the results, it can be concluded that the PL intensity of a phosphor is more strongly depended on the crystallite size, rather than on the particle size. Therefore, techniques to obtain small phosphor particles with maintaining a high crystallite size should be preferred. In chapter 5, the fabrications of the phosphor photonic crystals by using the monodisperse spherical phosphor particles were attempted. The phosphor PCs were successfully fabricated by self-assembly of the monodisperse spherical $SiO_2/Y_2O_3:Tb^{3+}$ core/shell particles. The PL intensity of the phosphor PC was higher by around 2.0 times than that of the randomly stacked reference sample due to the high packing density and quality. The PL intensities of the PL emission peaks were selectively suppressed, when the emission peaks were overlapped with the stopband. However, the PL intensity was enhanced at the blue edge of the stopband due to the escape of the diffuse light. Therefore, when the stopband of the phosphor PC was overlapped with the undesired emission peaks but the blue edge was overlapped with the main emission peak, the color purity was improved without color filters. In addition, the phosphor photonic balls (PPBs) were successfully fabricated by using the monodisperse spherical $SiO_2/Y_2O_3:Tb^{3+}$ core/shell particles. In addition to the opalescence generally observed in conventional photonic balls, the PPBs showed angle-independent luminescence properties. The PL properties of the PPBs were also affected by the stopband of the PPBs. Although either the selective suppression or the enhancement was not clearly observed due to the wide FWHM of the stopbands, the PL intensities of the PPB samples were suppressed by the overlap between the PL emission peaks and the stopband. It is believed that the PPBs have a higher possibility to be practically used as light scatterers, light diffusers, pigments, bio-molecular detectors as well as anti-counterfeiting materials than conventional photonic balls.

장소에 구애받지 않고 어디서나 필요한 정보를 얻을 수 있는 ubiquitous 시대가 다가옴에 따라 정보를 표시하는 디스플레이의 중요성도 점차 커지고 있다. 1929년 CRT (Cathode Ray Tube)를 이용한 TV가 처음 출연한 이래, 디스플레이는 컬러화와 대형화를 추구하며 지속적인 발전을 거듭하여 왔다. 그 후 디지털 방송의 시작으로 디스플레이 산업은 슬림화와 고정세화를 추구하며 LCD (Liquid Crystal Display), PDP (Plasma Display Panel), OLED (Organic Light Emitting Display), IELD (Inorganic Electroluminescence Device) 등의 FPD (Flat Panel Display)를 배출하였으며, 현재는 유연성과 투명성을 갖는 디스플레이 소자를 개발하기 위해 변화하고 있다. 이렇듯 시대에 따라 추구되었던 목표는 달라져 왔지만 고효율화라는 목표는 언제나 있어왔으며, 디스플레이 소자의 효율을 증대시키기 위해 많은 부분에 대해 연구가 진행되어 왔다. 그 중 외부로부터 여러 가지 형태의 에너지를 흡수하여, 정보를 표시하는데 필요한 가시광선 영역의 빛을 방출하는 발광 물질에 관한 연구는 디스플레이 소자의 효율을 증대시키기 위해 매우 중요한 연구 중 하나로 여겨져 왔다. 구체적으로 디스플레이 소자의 효율을 증대시키기 위해, 발광 물질의 발광 효율을 증대시키는 연구와 발광 효율이 우수한 신조성 발광 물질을 탐색하는 연구가 활발히 수행되어왔다. 한편 LED (Light Emitting Diode), OLED, IELD와 같은 박막형 디스플레이 소자 혹은 박막형 발광물질의 extraction efficiency를 향상시키기 위하여 2D (2-Dimensional) 광자결정과 같은 구조물을 디스플레이 소자 내에 혹은 발광막의 상하부에 도입한 연구가 수행되었다. 일반적으로 박막형 발광물질에서 방출된 빛 중 대부분은 전반사에 의해 측면부로 이동하여 결국 손실된다. 광자결정은 굴절률이 다른 매체가 공간 내에 규칙적으로 반복되는 구조를 갖는데, 디스플레이 소자 내에 혹은 발광막의 상하부에 위치한 광자결정은 전반사에 의해 이동하는 빛을 산란시키고 진행방향을 바꾸어 주어 extraction efficiency를 향상시킨다. 그러나 이와 같은 구조에서 광자결정의 역할은 단순히 extraction efficiency를 향상시키는 것에 국한되지 않는다. 1990년대 말부터 광자결정의 photonic band gap (PBG)이 발광 물질의 발광 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구되어 왔다. 발광 물질의 발광 파장이 PBG 내에 존재하게 되면 photon mode가 감소하게 되어 발광 강도가 저하되며, PBG의 edge 영역에서는 발광 강도가 증가되는 현상이 보고 되었다. 그리고 PBG과 edge 영역에서 발광의 lifetime 변화도 관찰되었다. 또한 광자결정 내에 인공적인 defects를 형성하고 그 형태를 제어함으로써 발광하는 빛의 흐름을 제어할 수 있음이 보고 되었다. 그러나 발광막의 extraction efficiency를 향상시키기 위한 기존의 연구에서는 주로 2D 광자결정을 박막 발광막의 상하부에 위치시켜 연구가 진행되었고, 3D 광자결정 내에 위치한 발광 물질의 특성에 대해서는 깊이 있게 연구되지 않았다. 이는 전반사가 주로 일어나는 박막 형광막을 제조하기 위해 주로 진공 증착법이 사용되어 왔는데, 이러한 진공 증착법에 의해 3D 광자결정 내에 발광 물질을 위치시키는 것이 어렵기 때문이다. 한편 광자결정의 PBG이 발광 특성에 미치는 영향을 고찰한 기존의 연구에서는 주로 3D 광자결정에 quantum dot과 organic dye 등의 발광 물질을 침투시켜 만든 시료 혹은 그것으로부터 얻은 inverse opal 형태의 시료에 대해 연구가 진행되었다. 반면 무기물 형광체를 단분산 구형의 형태로 합성한 후 자기조립 방법에 의해 ‘형광체 광자결정’을 형성하고 그 특성을 고찰한 연구는 아직 진행된 바가 없다. 그 이유는 형광체 광자결정의 building blocks으로 사용할 단분산 구형의 colloidal 발광 물질을 제작하기 어렵고 또한 이들을 자기조립에 의해 정렬시키기 어렵기 때문이다. 일부 선행 연구자들은 organic dye가 doping된 고분자 구형 입자를 이용하여 발광 광자결정을 제작하였다. 그러나 organic dye는 건조된 상태에서 서로 뭉쳐지는 특성을 가져 고르게 분산되지 않아 특성 분석에 한계가 있고, 유기물 자체가 갖는 낮은 화학적/열적 안정성은 제작된 광자결정의 실질적 효용성을 심각하게 낮추게 된다. 게다가 이들 선행 연구에서는 PBG이 발광 특성에 미치는 영향에 대해 초점을 맞추어졌을 뿐, 실제로 디스플레이 소자에 광자결정을 도입하였을 때 나타날 수 있는 장점과 이것을 어떻게 활용해야 하는지에 대한 연구는 진행되지 않았다. $\Bf{\underbar{이에 본 연구에서는 광자결정이 발광 물질의 발광 특성에 미치는 영향을 심도 있게 고찰하고, 디스플레이 소자의 효율을 향상시키기 위한 광자결정의 활용 방안을 제시하고자 하였다}}$. 특히 본 연구에서는 3D 광자결정이 기존의 2D 광자결정에 비해 extraction efficiency를 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하고자 하였다. 또한 기존의 연구들과 다르게 단분산 구형 무기물 형광체를 합성하고 자기 조립 방법에 의해 형광체 광자결정을 형성하여, 형광체 광자결정이 갖는 광학적 특성을 고찰하고자 하였다. 이러한 목표를 달성하기 위하여, 먼저 chapter 3에서는 3D 광자결정의 extraction efficiency의 향상 효과를 고찰하여 보았다. 기존의 연구와 달리 발광 물질을 3D 광자결정의 상하부뿐만 아니라 내부에도 존재시키기 위해서는, 우수한 유동성과 박막 형성 능력을 모두 갖춘 발광물질이 사용되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 발광 물질로 유무기 복합 투명 소재인 Ormosil (organically modified silicate)을 기반으로 한 유무기 복합 발광 물질을 이용하였다. Ormosil에 유기물 발광 물질인 $Eu(DBM)_3phen$ 을 분산시켜 만든 유무기 복합 발광 물질 $(Ormosil:Eu(DBM)_3phen)$ 은 spin-coating과 같은 용액 공정을 통해 막을 쉽게 형성할 수 있으며, UV 영역의 빛을 조사함으로써 경화시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 즉 간단한 공정을 통해 발광 물질을 3D 광자결정 내부에 침투 시킬 수도 있으며, 치밀한 고체 발광막을 제작할 수도 있다. $Ormosil:Eu(DBM)_3phen$ 막을 유리 기판 위에 spin-coating 공정을 통해 형성하여 ‘plane film’을 제작하였다. 또한 유리 기판에 단분산 구형 $SiO_2$ 입자를 자기 조립하여 제작한 3차원 광자결정 내부에 $Ormosil:Eu(DBM)_3phen$ 을 spin-coating 공정으로 침투시켜 ‘infiltrated film’을 제작하였다. Plane film과 infiltrated film의 발광 특성을 비교한 결과, infiltrated film의 PL 발광 강도가 plane film에 비해 약 13 배 가량 높다는 것을 관찰할 수 있었다. 이로써 기존의 연구에서와 같이 2D 광자결정을 이용하였을 때에 비해 3D 광자결정을 이용한 경우 더 큰 extraction efficiency 증대 효과를 낼 수 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 발광 강도 증대 원인을 mass term, scattering term, crystallinity term 등으로 나누어 고찰하였고, 각각의 원인들이 2.1:2.8:2.2의 비율로 작용했음을 확인할 수 있었다. 한편 infiltrated film을 제작하는데 사용된 3D 광자결정의 stopband가 extraction efficiency에 미치는 영향을 고찰하기 위하여, 3D 광자결정의 제작에 사용된 $SiO_2$ 입자의 크기를 조절함으로써 광자결정의 stopband의 위치를 제어하였다. 그 결과 stopband의 위치가 발광 band와 겹치지 않는 경우에는 앞의 결과와 같이 약 13배의 발광 강도 증대가 관찰되었으나, 두 bands의 위치가 서로 겹치는 경우에는 발광 강도의 증가 비율이 약 9.5배에 그치는 것이 관찰되었다. 이는 광자결정의 stopband가 발광 물질에서 발생한 빛이 진행할 수 있는 photon mode의 density를 낮추었기 때문이다. 따라서 발광 강도의 증가 비율이 상대적으로 낮아지는 것이 관찰되었다. 이와 같은 현상을 유용하게 이용하기 위하여 ‘opposite-added film’을 제작하였다. Opposite-added film은 3D 광자결정이 형성된 유리 기판의 반대 면에 $Ormosil:Eu(DBM)_3phen$ 을 spin-coating하여 제작되었다. Opposite-added film은 infiltrated film과 달리 mass term이 작용하지 않고, scattering term의 역할도 줄어들어, 발광 강도가 plane film에 비해 약 4배 가량 향상되었다. 그러나 opposite-added film에 사용된 광자결정의 stopband가 발광 band와 서로 겹치는 경우, infiltrated film에서와 달리, 발광 강도가 약 7 배 이상으로 향상되었다. 이는 opposite-added film의 발광 물질 층에서 발생한 빛 중 반대 방향으로 향하는 빛이 광자결정에 의해 반사되어 다시 정면 방향으로 되돌아 왔기 때문으로 생각된다. Chapter 3의 주요 내용을 요약하면 다음과 같다. 기존의 연구들에서 사용되었던 2D 광자결정을 대신하여, 3D 광자결정을 이용함으로써 발광막의 extraction efficiency를 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있었다. 이때 Ormosil을 기반으로 하는 유무기 복합 발광 물질을 이용하는 것은 여러 가지 장점을 지니고 있다. 발광 물질을 3D 광자결정에 침투시켜 사용하는 경우에는 광자결정의 stopband와 발광 band가 서로 겹치지 않도록 위치시키는 것이 바람직하다. 그러나 발광 물질을 광자결정과 떨어뜨려 위치시키는 경우, stopband와 발광 band를 서로 겹치도록 위치시키면 광자결정에 의해 반사된 빛을 추가적으로 이용할 수 있으므로 extraction efficiency를 더욱 향상시킬 수 있다. 기존의 선행연구들과 chapter 3에서 수행한 내용에서는 $SiO_2$ 와 같은 단분산 구형 입자를 이용하여 광자결정을 형성한 후, 발광 물질을 침투시키고 그 특성을 관찰하였다. 본 연구에서는 그와 더불어 단분산 구형의 무기물 형광체를 합성하고 이를 이용하여 자기 조립 방법에 의해 형광체 광자결정을 형성하는 완벽히 차별화된 연구를 수행하고자 하였다. 이에 chapter 4에서는 단분산 구형 형광체를 제조하고 그 특성을 관찰하는 실험을 진행하였고, chapter 5에서는 제작된 단분산 구형 형광체를 이용하여 광자결정을 형성하고자 노력하였다. 단분산 구형 형광체로서 (1) 균일침전법에 의해 합성된 단분산 구형 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체와 (2) 단분산 구형 $SiO_2$ core에 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체를 불균일 침전법을 통해 코팅하여 만든 단분산 구형 $SiO_2/Y_2O_3:Eu^{3+}$ core/shell 입자를 제조하여 사용하였다. 형광체 광자결정을 제작하기에 앞서, 단분산 구형 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체와 단분산 구형 $SiO_2/Y_2O_3:Eu^{3+}$ core/shell 입자의 크기와 합성 조건을 제어하면서, 형광체의 입자와 입자를 구성하는 결정의 크기가 발광 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 1990년대부터 NT (nanotechnology)와 관련 연구가 활발히 진행되었고 고해상도 디스플레이를 추구하며 디스플레이 소자의 pixel 크기는 점차 감소하게 되면서, 많은 연구자들이 공정상의 편의와 높은 효율을 얻기 위해 나노 형광체에 관하여 연구를 수행하였다. 본 연구는 이와 맥락을 같이하며, 연구자들마다 서로 의견이 다른 부분에 대하여 좀 더 명백한 결론을 얻기 위해 노력하였다. 형광체 입자 및 결정의 크기가 감소함에 따라 비표면적이 증가하게 되는데, 표면은 내부에 비하여 결정성 및 구조의 대칭성이 떨어진다. 따라서 형광체의 발광 강도는 형광체의 입자와 입자를 구성하는 결정의 크기가 감소함에 따라 점차 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이때 형광체의 발광 강도는 형광체 입자의 크기보다는 입자를 구성하고 있는 결정의 크기에 매우 크게 영향을 받는다는 것도 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 특별히 형광체 입자의 크기가 증가하여도 결정의 크기가 감소하는 경우 발광 강도는 감소할 수 있음을 실험을 통해 증명하였다. 이로부터 형광체 입자 및 결정의 크기와 발광 강도와의 상관 관계와 관련된 chapter 4의 가장 중요한 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다. 형광체 입자의 크기를 줄이는 것은 미래 고해상도 디스플레이 소자의 제작 공정에 매우 큰 장점을 부여할 수 있다. 그러나 단순히 형광체 입자의 크기를 줄여 나노 형광체를 합성한다면 높은 발광 효율을 기대하기는 어렵다. 형광체 입자의 크기 감소시킴과 동시에 결정의 크기를 그대로 유지하거나 증대시키기 위한 노력을 병행해야 한다. 그밖에 형광체 입자의 비표면적 및 활성이온의 환경에 따른 특성도 관찰되었다. 형광체 입자 및 결정의 크기가 감소하는 경우 비표면적이 증가하며 표면부에 존재하는 활성이온의 비율도 증가하게 된다. 본 연구에서 사용한 $Eu^{3+}$ 와 같은 희토류 금속 이온 계통의 활성 이온은 주변 ligands의 대칭성에 따라 발광 peak들 간에 상대적인 발광 강도의 비율이 달라지게 된다. 이러한 현상을 이용하여 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체 입자의 크기를 감소시킴으로써 형광체의 색순도를 향상시킬 수 있음을 관찰하였다. 또한 $O^{2-}$ 이온과 $Eu^{3+}$ 이온 사이의 charge transfer (CT)에 의해 나타나는 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체의 주요 흡수 band (CT band)의 위치가 결정의 크기가 증가함에 따라 장파장 영역으로 이동하는 것을 관찰할 수 있었다. Chapter 5에서는 앞서 합성한 단분산 구형 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체와 단분산 구형 $SiO_2/Y_2O_3:Eu^{3+}$ core/shell 입자를 이용하여 형광체 광자결정을 형성하는 실험을 진행하였다. 균일침전법으로 제조된 단분산 구형 $Y_2O_3:Eu^{3+}$ 형광체는 입자 크기의 표준 편차가 커서, 이를 이용하여 광자결정을 형성하는데 어려움이 있었다. 반면 단분산 구형 $SiO_2/Y_2O_3:Tb^{3+}$ core/shell 입자를 이용하는 경우 입자 크기의 표준 편차가 평균 크기의 5 % 이하로 작은 편이며, $SiO_2$ core 크기를 조절함으로써 쉽게 입자의 크기를 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있어 형광체 광자결정이 상대적으로 수월하게 형성되었다. 다른 선행 연구들과 달리 단분산 구형 무기물 형광체 입자 자체를 이용해 자기 조립 방법에 의해 광자결정을 형성하고 특성을 관찰한 것이 본 연구의 가장 큰 독창적인 부분 중 하나라고 볼 수 있다. 광자결정이 갖는 구조적인 특징이 발광막의 발광 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 core/shell 입자를 자기 조립하여 형광체 광자결정을 제작함과 동시에 동일한 입자들을 이용하여 비정렬된 발광막을 제작하여 보았다. 형광체 광자결정은 비정렬된 발광막에 비해 충진 밀도가 매우 높고 표면에서의 균일성이 높다. 또한 형광체 광자결정의 내부에 생기는 공극에 비하여 비정렬된 발광막에 생기는 공극은 더욱 크고 불균일한 형태를 취한다. 따라서 비정렬된 발광막에서 발생한 빛이 막의 표면에서 빠져나올 때 더욱 확산된 형태를 취하게 되므로 방향성이 낮아지게 된다. 또한 비정렬된 발광막을 구성하는 형광체에서 발생하는 빛이 viewing angle 방향으로 빠져 나오기 위해 더 많은 횟수의 scattering을 겪게 된다. 형광체 입자의 표면에는 여러 가지 defects가 많이 존재하므로 scattering의 횟수가 증가할수록 빛의 손실될 확률이 높아진다. 이러한 이유로 형광체 광자결정의 발광 강도가 비정렬된 발광막에 비해 약 2배 가량 우수함을 확인할 수 있었다. 한편 형광체 광자결정의 PBG이 발광 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 입자의 크기가 다른 core/shell 입자들을 제작하여 사용하였다. 형광체 광자결정의 stopband를 발광 band와 서로 겹치도록 위치시킨 경우, 그렇지 않은 경우에 비해 발광 강도가 크게 감소하는 것을 관찰하였다. 이는 형광체 광자결정의 stopband가 발광된 빛이 진행할 수 있는 photon mode의 density를 감소시켰기 때문이다. 따라서 기존의 형광막을 대신하여 형광체 광자결정을 이용하는 경우 형광체 광자결정의 stopband의 위치가 발광 band와 서로 겹치지 않도록 제어해야 한다. 반면 형광체 광자결정의 stopband의 blue-edge영역에서는 발광 강도가 더욱 증가되는 것이 관찰되었다. 이러한 현상을 이용하여, 형광체의 activator인 Tb3+ 이온에서 발생하는 발광 peaks중 디스플레이 소자에 불필요한 발광 peaks에는 stopband가 겹치도록 위치시키고 543 nm에 존재하는 중심 발광 peak에는 blue-edge가 겹치도록 위치시켜 보았다. 그 결과 색순도를 저하시키는 발광 peaks의 발광 강도는 감소되고 중심 발광 peak의 발광 강도는 증가되어 color filter를 사용하지 않고도 색순도를 어느 정도 개선시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 제작한 형광체 광자결정은 기존의 발광막에 비해 높은 발광 강도와 우수한 색순도 특성을 지녀 새로운 개념의 발광막으로써 효용가치가 있음을 확인할 수 있었다. 한편 core/shell 입자를 이용하여 ‘구형 형광체 광자결정’인 phosphor photonic balls을 제작하였다. 본 연구에서 제작한 phosphor photonic balls은 기존의 photonic balls이 갖는 opalescence 특성뿐만 아니라, 측정 각도와 무관한 발광 특성을 갖는 것이 가장 큰 장점이자 독창적인 점이다. Phosphor photonic balls의 발광 강도 역시 광자결정의 stopband의 위치에 영향을 받는 것이 관찰 되었다. 본 연구에서 제작된 phosphor photonic balls은 향후 light scatterers, light diffusers, 염료, bio-molecular detectors, 그리고 위조 방지 물질 등으로 활용가치가 매우 높을 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAME 10010
형태사항 xiii, 181 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 유형선
지도교수의 영문표기 : Duk-Young Jeon
지도교수의 한글표기 : 전덕영
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 Includes references.
주제 형광체
광자결정
발광
디스플레이
코어쉘
phosphor
photonic crystal
luminescence
display
core shell
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