Photonic Crystal Phosphors Integrated on a Blue LED Chip for Efficient White Light Generation

본 연구에서는 높은 양자 효율을 가진 카드뮴 계열의 콜로이드 양자점 물질을 주기적으로 재구성함으로써 색변환 효율이 크게 향상된 광자결정 형광체를 보고하였다. 투명한 유리 기판 위에 생성된 질화규소 격자 구조 위에 적색, 또는 녹색의 양자점 용액을 스핀코팅하여 광자결정 형광체를 제작하였다. 이때 제작된 광자결정 구조는 광밴드엣지 파장이 청색의 여기광 파장과 일치하도록 설계되었다. 적색과 녹색의 광자결정 형광체를 단일 파장의 직진광으로 여기시키는 경우, 구조가 없는 비교 형광체 대비 각각 5배, 3배 이상의 색변환 효율 증가가 관측되었다. 또한 3색성의 백색광을 구현하기 위하여 적색과 녹색의 광자결정 형광체를 청색 LED 위에 집적하는 경우, 동일한 색좌표(0.332, 0.341)의 비교 백색광 구조 대비 형광체의 양이 33% 절감되었으며, 그럼에도 불구하고 백색광의 세기는 8% 이상 증가하였다. 본 연구의 결과는 앞으로 형광체 및 조명/디스플레이 산업에 큰 임팩트를 줄 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 아주대 및 삼성종합기술원과의 공동연구로 수행되었다.

Following the proof-of-concept experiment in the unit structure level, photonic crystal (PhC) phosphors—structurally engineered phosphor materials based on the nanophotonics principles—are integrated with a blue light-emitting diode (LED) chip to demonstrate a compact and efficient white light source. Red- or green-emitting CdSe-based colloidal quantum dots (CQDs) are coated on a Si3N4 thin-film grating to fabricate PhC phosphors. The underlying PhC structure is designed such that the photonic band-edge modes at the zone center (k∣∣ = 0) are tuned to the energy of the blue excitation photons. By progressively stacking the PhC phosphor plates on a blue LED chip, the blue, green, and red emission intensities can be tightly controlled to obtain white light with the desired properties. The chromaticity coordinates, (0.332, 0.341), and correlated color temperature, 5500 K, are obtained from a stack of 3 red and 11 green PhC phosphor plates; in contrast, a stack of 5 red and 16 green reference phosphor plates are required to generate a similar white light. Overall, the PhC phosphors produce 8% higher total emission intensity out of 33% less amount of CQDs than the reference phosphors.


Journal: Advanced Materials (2016 Impact Factor = 19.791)
Published online: 30 November 2017
DOI: 10.1002/adma.201703506
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703506/full

Authors: Jongho Lee (서울대학교 물리천문학부), Kyungtaek Min (아주대학교 에너지시스템학과), Yeonsang Park (삼성전자 종합기술원), Kyung-Sang Cho (삼성전자 종합기술원), Heonsu Jeon (서울대학교 물리천문학부)