[이태윤 박사/전헌수 교수] 공진 공동 구조를 이용한 고효율 양자점 형광체 개발 (Nature Communications 논문 게재)
“Resonant cavity phosphor“
형광체는 현대의 다양한 광학적 장치에서 필수적으로 요구되는 색변환 물질이다. 비교적 최근에 본 연구진은 형광 물질에 나노광자학적 구조를 접목함으로써 형광체의 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있음을 새롭게 제안하고 또 시연한 바 있다. 하지만 그동안 형광체에 사용된 나노광자학적 구조, 즉 광자결정(photonic crystal; PhC)은 나노 패터닝이 필요한 탓에 제작 공정이 까다로울 뿐만 아니라 확보 가능한 궁극적 효율의 수치에 있어서도 분명한 한계가 존재했다. 이번 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 더 간단한 구조, 더 용이한 제작 공정, 더 우수한 성능을 갖는 공진 공동(resonant cavity; RC) 구조를 이용한 형광체를 개발하였다. 두 개의 분배되먹임반사체 (distributed feedback reflector; DBR) 사이에 형광 물질인 콜로이드 양자점 (colloidal quantum dot; CQD) 박막을 매우 얇게(~40 nm) 삽입함으로써 공진 공동 형광체를 구성하였다. CQD 형광막이 매우 얇음에도 불구하고 공진 공동 효과로 인해 펌핑된 광의 대부분(~87%)을 흡수할 수 있음이 확인되었고, 그 결과 공진 공동 구조가 없는 단순한 CQD 형광막으로 이루어진 표준 형광체에 비해 색변환 효율이 29배로 향상되었다. 본 연구를 통해 개발된 공진 공동 형광체는 전체 구조의 두께 또한 획기적으로 얇아짐으로써 기존의 디스플레이 장치뿐만 아니라 헤드업 디스플레이, 스마트 안경, AR/VR 등 미래형/휴대용 디스플레이 장치에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 충남대와의 공동연구로 수행되었다.
Abstract
While phosphors play an immensely important role in solid-state lighting and full-colour displays, it has been noted lately that their performance can be largely improved via structural engineering. Here, phosphor material is synergistically merged with yet another structurally engineered platform, resonant cavity (RC). When a 40-nm-thick colloidal quantum dot (CQD) film is embedded in a tailored RC with a moderate cavity quality factor (Q ≈ 90), it gains the ability to absorb the majority (~87%) of excitation photons, resulting in significantly enhanced CQD fluorescence (~29×) across a reasonably broad linewidth (~13 nm). The colour gamut covered by red and green pixels implemented using the RC phosphor—along with a broad bandwidth (~20 nm) blue excitation source—exceeds that of the sRGB standard (~121%). The simple planar geometry facilitates design and implementation of the RC phosphor, making it promising for use in real applications.
Authors: Tae-Yun Lee, Yeonsang Park* & Heonsu Jeon* (*co-corresponding authors)
Nat. Commun. 14, 6661 (2023)
Publication date: 20 October 2023