FDTD를 이용한 표면 플라즈몬 강화 디스플레이 소자 구조의 최적화와 해석

Abstract

표면 플라즈몬 이란 금속의 경계 면에서 전자의 집단적 운동으로 도체의 표면을 따라 진행하는 표면 전자기파 이다. 표면 플라즈몬의 공명 현상은 흡수된 빛의 수평 방향 성분과 표면 플라즈몬 파 의 모멘텀이 일치할 때 발생하게 된다. 그 때에 두 파는 커플이 가장 많이 되고 따라서 표면 플라즈몬 공명현상이 발생한다. 많은 이전 연구들은 이러한 이론을 도입하여 디스플레이 소자에 도입해 왔는데 그 예로 유기 발광 다이오드, 폴리머 발광 다이오드, 태양 전지 등이 있다. 이전 연구에서는 은 나노 입자를 삽입하는 조건에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상의 영향에 대해 연구를 해 왔다. 소자의 발광 효율을 증가시키는 조건은 표면 플라즈몬 파의 피크가 발광 물질의 발광 피크에 가까워 질 때 일어 나게 되는데 이는 곧 발광물질의 엑시톤의 수명을 짧게 만들어서 더 많은 엑시톤 발광이 빠른 시간 내에 가능하게 하여 소자 효율을 증가시킨다. 이러한 선행 연구에서 사용한 주요 메커니즘은 먼저 언급한 것처럼 표면 플라즈몬 피크가 발광물질의 발광 피크에 가까워 지는 것이다. 따라서 표면 플라즈몬 피크와 발광 물질 피크간의 오버랩이 증가할 수록 이 값이 증가하게 된다. 오버랩이 증가하게 되면 소자의 내부 광자 효율이 증가하게 되고 이는 좀 더 나아가 소자의 발광 효율을 증가 시키게 된다. 따라서 본 연구에서도 다음과 같은 메커니즘을 채택하였다. 먼저 본 연구에서는 Finite difference time domain (FDTD)을 이용하여 은 나노 입자가 삽입된 유기 발광 다이오드 에서의 이론적 증명과 최적화된 구조를 제안하였다. 첫 번째 실험에서는 은 나노 입자가 삽입된 유기 발광 다이오드의 효율 향상에 대한 이론적 해석뿐만 아니라 소자의 효율을 최대화 시킬 구조를 제안하였다. 그 조건은 은 나노 구조에서 은 나노 입자는 적어도 2.5 nm 이상의 반지름을 가져야 하며, 다이폴 소스와 은 나노 입자가 삽입된 음극까지의 거리는 18 nm이상을 초과 해서는 안된다. 은 나노 입자의 surface coverage는 높을 수록 좋다. 두 번째 실험에서는 은 나노 입자가 증착된 폴리머 발광 다이오드 소자의 결과에 대한 이론적 해석과 역시 최적화된 구조를 디자인 하였다. 최적화된 구조는 은 나노 입자간의 간격이 250 nm 이고 반지름이 70 nm이고 높이가 25 nm이며 은 나노 입자의 배열 구조가 육각형 구조일 때 이다.