KR20120028671A - Surface light emitter based on quantum dot and surface plasmon coupling - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A surface light emitting device based on a quantum dot and surface plasmon coupling is provided to emit a quantum dot located on where direct excitation is impossible by transferring energy between quantum dots existing in a separated region by using a surface plasmon. CONSTITUTION: A metal layer(20) is formed on a substrate(10). A first quantum dot region(30) contains first quantum dots. A second quantum dot region(40) contains second quantum dots. The first and the second quantum dot region are prepared in a groove formed on the metal layer. Optical energy excited in the second quantum dot of the second quantum dot region is transmitted along a surface(20a) of the metal layer by the surface plasmon.

Description

양자점과 표면 플라즈몬 커플링에 바탕을 둔 면발광소자{Surface light emitter based on quantum dot and surface plasmon coupling}Surface light emitter based on quantum dot and surface plasmon coupling

발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 플라즈몬 전파를 통해 양자점을 발광시키도록 된 양자점과 표면 플라즈몬 커플링에 바탕을 둔 면발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to a surface light emitting device based on a quantum dot and a surface plasmon coupling configured to emit quantum dots through surface plasmon propagation.

최근 금속 표면에 나타나는 광 전자 상호 작용인 표면 플라즈몬(surface plasmon) 현상을 디바이스에 응용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 이 표면 플라즈몬은 유전체(dielectric) 물질과 금속성(metallic) 물질 사이의 계면에서 나타나는 표면 전자기파로서, 금속 박막에 특정 파장의 광이 입사할 때 금속 박막의 표면에서 일어나는 전하 밀도 진동(charge density fluctuation)에 의해 발생하며, 계면을 따라 전파되는 특성을 가지고 있다. Recently, many researches have been conducted to apply a surface plasmon phenomenon, a photoelectron interaction on a metal surface, to a device. These surface plasmons are surface electromagnetic waves that appear at the interface between a dielectric material and a metallic material. They react to charge density fluctuations that occur at the surface of a metal film when light of a certain wavelength enters the metal film. And propagates along the interface.

한편, 최근에는, 양자점(quantum dot; QD)의 발광 특성을 이용한 발광 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 양자점은 보어(Bohr) 엑시톤 반경보다 더 작은 크기인 수 나노미터의 크기의 결정 구조를 가진 반도체 재료이다. 양자점 내에는 많은 수의 전자들이 존재하지만, 그 중에서 자유 전자의 수는 1 내지 100개 정도로 제한된다. 그 결과, 양자점 내의 전자들이 가지는 에너지 준위가 불연속적으로 된다. 이로 인해, 양자점은 연속적인 밴드를 형성하는 벌크(bulk) 상태의 반도체와는 다른 전기적 및 광학적 특성을 갖는다. 예를 들어, 양자점은 그 크기에 따라 에너지 준위가 달라지기 때문에 단순히 크기를 바꾸어 줌으로써 밴드갭을 조절할 수 있다. 즉, 양자점은 크기의 조절만으로도 발광 파장을 조절할 수 있다. 이는 양자점의 크기를 조절함으로써 발광색을 용이하게 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 양자점은 자체 발광 특성, 색조절의 용이함 및 높은 색순도와 더불어 액상 프로세스(solution process)가 가능하다는 장점을 갖는다. 따라서, 양자점 발광 소자는 대면적의 고화질 차세대 디스플레이에 응용이 가능하다. On the other hand, in recent years, researches on light emitting devices using light emission characteristics of quantum dots (QDs) have been actively conducted. Quantum dots are semiconductor materials with a crystalline structure of several nanometers, which is smaller than the Bohr exciton radius. There are a large number of electrons in the quantum dot, but the number of free electrons is limited to about 1 to 100. As a result, the energy levels of the electrons in the quantum dots become discontinuous. Because of this, quantum dots have different electrical and optical properties than bulk semiconductors that form continuous bands. For example, the quantum dot has a different energy level depending on its size, so the band gap can be adjusted by simply changing the size. That is, the quantum dot can adjust the emission wavelength only by adjusting the size. This means that the emission color can be easily adjusted by adjusting the size of the quantum dots. These quantum dots have the advantage that the liquid phase process (solution process) in addition to the self-luminescence characteristics, ease of color control and high color purity. Therefore, the quantum dot light emitting device can be applied to a large-scale high-definition next-generation display.

표면 플라즈몬 전파를 통해 양자점을 발광시키도록 마련되며, 어레이 형태로의 제작도 가능하여 디스플레이의 단위 소자로도 이용 가능한 양자점과 표면 플라즈몬 커플링에 바탕을 둔 면발광소자를 제공한다.It is provided to emit quantum dots through surface plasmon propagation, and can be manufactured in an array form to provide a surface light emitting device based on quantum dots and surface plasmon coupling that can be used as a unit device of a display.

본 발명의 실시예에 따른 면발광소자는, 기판과; 제1양자점들이 내포된 제1양자점 영역과; 제1양자점보다 발광 파장이 짧도록 마련된 제2양자점들이 내포되어 있으며 상기 제1양자점 영역으로부터 이격된 제2양자점 영역과; 상기 기판 상에 위치하며, 상기 제1 및 제2양자점 영역이 마련되며, 상기 제2양자점에서 여기된 광 에너지가 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점으로 전달되어 제1양자점에서 발광이 일어나도록 하는 금속층;을 포함한다.A surface light emitting device according to an embodiment of the present invention, the substrate; A first quantum dot region containing the first quantum dots; A second quantum dot region including second quantum dots provided to have a light emission wavelength shorter than a first quantum dot and spaced apart from the first quantum dot region; A metal layer positioned on the substrate, wherein the first and second quantum dot regions are provided, and the light energy excited at the second quantum dot is propagated to the surface plasmon and transferred to the first quantum dot to emit light at the first quantum dot It includes;

상기 제1 및 제2양자점 영역의 이격 거리는 표면 플라즈몬 전파 거리 이내일 수 있다.The separation distance between the first and second quantum dot regions may be within a surface plasmon propagation distance.

상기 제2양자점 영역은, 상기 제1양자점 영역을 적어도 일부 둘러싸도록 형성될 수 있다.The second quantum dot region may be formed to at least partially surround the first quantum dot region.

상기 제2양자점 영역은, 상기 제1양자점 영역을 둘러싸는 고리 형상으로 형성될 수 있다.The second quantum dot region may be formed in a ring shape surrounding the first quantum dot region.

상기 제2양자점 영역은 상기 제1양자점 영역을 중심으로 적어도 두 영역에 형성될 수 있다.The second quantum dot region may be formed in at least two regions around the first quantum dot region.

상기 제1 및 제2양자점 영역은 상기 금속층에 형성된 홈에 마련되어, 상기 제2양자점에서 여기된 광 에너지는 상기 금속층의 계면을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점으로 전달될 수 있다.The first and second quantum dot regions may be provided in the grooves formed in the metal layer, and the light energy excited at the second quantum dot may be surface plasmon propagated along the interface of the metal layer to be transferred to the first quantum dot.

상기 제1양자점 영역은 실린더 형태를 가져, 실린더의 측면이 캐버티로서 작용하며, 주 발광이 실린더의 전면을 통해 이루어지도록 마련될 수 있다.The first quantum dot region may have a cylinder shape, and the side surface of the cylinder may serve as a cavity, and main light emission may be provided through the front surface of the cylinder.

상기 금속층은, 상기 제1양자점 영역과 제2양자점 영역이 마련되는 바닥부와 그 양측의 돌출 측부를 가지는 구조로 형성되는 제1금속층과; 상기 제1금속층의 바닥부상에 마련된 유전체 가이드층과; 상기 유전체 가이드층 상에 상기 제1금속층의 돌출 측부와 이격되며, 상기 제1양자점 영역에서 발광된 광이 출사되는 출사공을 가지는 제2금속층;을 구비하며, 상기 제2양자점에서 여기된 광 에너지가 상기 유전체 가이드층을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점으로 전달되도록 마련될 수 있다.The metal layer may include a first metal layer formed of a structure having a bottom portion at which the first quantum dot region and a second quantum dot region are provided and protruding sides of both sides thereof; A dielectric guide layer provided on a bottom portion of the first metal layer; And a second metal layer spaced apart from the protruding side of the first metal layer on the dielectric guide layer, the second metal layer having an exit hole through which light emitted from the first quantum dot region is emitted. Surface plasmon propagates along the dielectric guide layer and may be provided to the first quantum dot.

양자점과 표면 플라즈몬의 커플링을 이용하여, 서로 이격된 영역에 존재하는 양자점간에 표면 플라즈몬을 매개로 에너지를 전달하여 발광이 이루어지므로, 직접적인 여기가 불가능한 위치에 놓인 양자점도 발광시킬 수 있는 구조의 면발광소자를 실현할 수 있다. 또한, 이러한 면발광소자는 어레이 형태로의 제작도 가능하므로 디스플레이의 단위 소자로도 이용할 수 있다. Using coupling of quantum dots and surface plasmons, light is transmitted through the energy of surface plasmons between quantum dots existing in spaced areas, so that light can be emitted even when the quantum dots are placed in a position where direct excitation is impossible. A light emitting element can be realized. In addition, since the surface light emitting device may be manufactured in an array form, the surface light emitting device may be used as a unit device of a display.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 면발광소자의 사시도를 개략적으로 보여준다.
도 3은 도 1 및 도 2의 면발광소자의 평면도를 개략적으로 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 면발광소자의 평면도를 개략적으로 보여준다.
도 5는 도 1 내지 도 4b의 면발광소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 6은 단층 구조의 금속층을 구비하는 면발광소자를 포토리소그래피 공정을 통해 제조하는데 적용 가능한 마스크의 예로서, 도 1 내지 도 3의 면발광소자를 제조하기에 적합한 마스크를 개략적으로 보여준다.
도 7은 도 6의 마스크를 이용하여 면발광소자를 제작했을 때의 SEM 이미지를 보여준다.
도 8은 단층 구조의 금속층을 가지며 그 표면(공기와의 계면)을 통해 표면 플라즈몬 전파가 이루어지도록 된 면발광소자의 제2양자점 영역에 여기광을 입력했을 때, 전파된 표면 플라즈몬이 제1양자점에 커플링되어, 제1양자점에서 발광이 이루어질 수 있음을 전산 모사하여 보여준다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 면발광소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면발광소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 12는 도 11의 면발광소자 구조에서, 제2양자점에서 발생하는 광이 표면 플라즈몬으로 변환되는 과정을 전산 모사하여 보여준다.
도 13은 도 11의 면발광소자 구조에서, 유전체 가이드층을 따라 표면 플라즈몬 전파가 이루어지는 과정을 전산 모사하여 보여준다.
도 14는 도 11의 면발광소자 구조에서, 표면 플라즈몬이 제1양자점에 에너지를 전달하여 면발광소자 바깥으로 나오는 과정을 전산 모사하여 보여준다. 1 and 2 schematically show a perspective view of a surface light emitting device according to embodiments of the present invention.
3 is a schematic plan view of the surface light emitting device of FIGS. 1 and 2.
4a and 4b schematically show a plan view of a surface light emitting device according to another embodiment of the present invention.
5 is a schematic cross-sectional view of the surface light emitting device of FIGS. 1 to 4B.
FIG. 6 schematically shows a mask suitable for manufacturing the surface light emitting device of FIGS. 1 to 3 as an example of a mask applicable to manufacturing a surface light emitting device having a single layer metal layer through a photolithography process.
FIG. 7 shows an SEM image when a surface light emitting device is manufactured using the mask of FIG. 6.
8 shows a surface plasmon propagated when a excitation light is input to a second quantum dot region of a surface light emitting device having a single layer metal layer and having surface plasmon propagation through its surface (interface with air). It is coupled to and shows that it can simulate light emission at the first quantum point.
9 and 10 schematically show a cross-sectional view of a surface light emitting device according to still another embodiment of the present invention.
11 is a schematic cross-sectional view of a surface light emitting device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 12 illustrates a computer simulation of a process of converting light generated at a second quantum point into surface plasmon in the surface light emitting device structure of FIG. 11.
FIG. 13 illustrates a computer simulation of surface plasmon propagation along the dielectric guide layer in the surface light emitting device structure of FIG. 11.
FIG. 14 illustrates a computer simulation of a surface plasmon coming out of the surface light emitting device by transferring energy to the first quantum dot in the surface light emitting device structure of FIG. 11.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 면발광소자의 사시도를 개략적으로 보여준다. 도 3은 도 1 및 도 2의 면발광소자의 평면도를 개략적으로 보여준다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 면발광소자의 평면도를 개략적으로 보여준다. 도 5는 도 1 내지 도 4b의 면발광소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.1 and 2 schematically show a perspective view of a surface light emitting device according to embodiments of the present invention. 3 is a schematic plan view of the surface light emitting device of FIGS. 1 and 2. 4a and 4b schematically show a plan view of a surface light emitting device according to another embodiment of the present invention. 5 is a schematic cross-sectional view of the surface light emitting device of FIGS. 1 to 4B.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 면발광소자는 기판(10)과, 제1양자점(41)들이 내포된 제1양자점 영역(40)과, 제1양자점(41)보다 발광 파장이 짧도록 마련된 제2양자점(31)들이 내포되어 있으며 상기 제1양자점 영역으(40)로부터 이격된 제2양자점 영역(30)과, 기판(10)상에 위치하며 상기 제1 및 제2양자점 영역(40)(30)이 마련되는 금속층(20)을 포함한다.1 to 5, the surface light emitting device is provided such that the emission wavelength is shorter than that of the substrate 10, the first quantum dot region 40 including the first quantum dots 41, and the first quantum dots 41. The second quantum dot 31 is enclosed and spaced apart from the first quantum dot region 40, and the second quantum dot region 30 is positioned on the substrate 10 and the first and second quantum dot regions 40. The metal layer 20 is provided.

상기 기판(10)은 예를 들어, 사파이어 재질로 이루어질 수 있으며, 이외에도 금속층(20)의 적층이 가능한 다양한 재질로 이루어질 수 있다.The substrate 10 may be made of, for example, a sapphire material. In addition, the substrate 10 may be made of various materials capable of stacking the metal layer 20.

상기 기판(10)상에는 금속층(20)이 형성된다. 상기 금속층(20)에는 제1양자점 영역(40)과 제2양자점 영역(30)을 위한 홈이 형성되고, 이 홈에 제1 및 제2양자점 영역(40)(30)이 마련될 수 있다.The metal layer 20 is formed on the substrate 10. Grooves for the first quantum dot region 40 and the second quantum dot region 30 may be formed in the metal layer 20, and the first and second quantum dot regions 40 and 30 may be provided in the groove.

즉, 도 1 내지 도 5에서와 같이 금속층(20)이 단층 구조로 이루어진 경우, 상기 제1 및 제2양자점 영역(40)(30)은 금속층(20)에 형성된 홈에 마련되고, 제2양자점(31)영역의 제2양자점(31)에서 여기된 광 에너지는 상기 금속층(20)의 표면(계면:20a)을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점 영역(40)의 제1양자점(41)으로 전달될 수 있다. 이때, 금속층(20)의 표면(계면:20a)은 표면 플라즈몬 도파로로서 역할을 하게 된다. That is, when the metal layer 20 has a single layer structure as shown in FIGS. 1 to 5, the first and second quantum dot regions 40 and 30 are provided in grooves formed in the metal layer 20, and the second quantum dots The light energy excited at the second quantum point 31 of the area 31 is propagated by the surface plasmon along the surface (interface: 20a) of the metal layer 20, so that the first quantum point 41 of the first quantum point area 40 is formed. Can be delivered. At this time, the surface (interface: 20a) of the metal layer 20 serves as a surface plasmon waveguide.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 면발광소자에 따르면, 표면 플라즈몬과 양자점을 커플링하여, 표면 플라즈몬을 매개로 양자점 간의 에너지 전달이 이루어져 발광이 일어나게 된다.According to the surface light emitting device according to the embodiment of the present invention, by coupling the surface plasmon and the quantum dots, the energy is transferred between the quantum dots through the surface plasmon is generated light emission.

표면 플라즈몬은 전파되면서 손실이 일어나, 그 전파 길이가 대략 수 μm 오더(order)이므로, 제1양자점 영역(40)과 제2양자점 영역(30)간의 이격 거리는 표면 플라즈몬 전파 거리 이내가 되도록 한다. 즉, 제1양자점 영역(40)과 제2양자점 영역(30)간의 이격 거리는 수 μm 이내 예컨대, 대략 5μm 정도가 되도록 마련될 수 있다.Since the surface plasmon is lost while propagating, and its propagation length is approximately several μm order, the distance between the first quantum dot region 40 and the second quantum dot region 30 is within the surface plasmon propagation distance. That is, the separation distance between the first quantum dot region 40 and the second quantum dot region 30 may be provided to be within a few μm, for example, approximately 5 μm.

한편, 제1양자점 영역(40)의 제1양자점(41)은 제2양자점 영역(30)의 제2양자점(31)으로부터 에너지를 전달받아 발광이 이루어지므로, 가능한 많은 에너지를 제1양자점(41)으로 전달할 수 있도록, 제2양자점 영역(30)은 제1양자점 영역(40)을 중심에 두고 제1양자점 영역(40)을 적어도 일부 둘러싸도록 형성될 수 있다.Meanwhile, since the first quantum dot 41 of the first quantum dot region 40 receives energy from the second quantum dot 31 of the second quantum dot region 30 and emits light, the first quantum dot 41 generates as much energy as possible. The second quantum dot region 30 may be formed to surround at least a portion of the first quantum dot region 40 with the center of the first quantum dot region 40 so as to be transmitted.

도 1 내지 도 3에서는 제2양자점 영역(30)이 제1양자점 영역(40)을 둘러싸는 고리 형상으로 형성된 예를 보여준다.1 to 3 show an example in which the second quantum dot region 30 is formed in a ring shape surrounding the first quantum dot region 40.

다른 예로서, 도 4a 및 도 4b에 예시적으로 보인 바와 같이, 제2양자점 영역(30)은 제1양자점 영역(40)을 중심으로 적어도 두 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 도 4a는 제2양자점 영역(30)이 제1양자점 영역(40)을 중심으로 양쪽에 대칭되게 형성된 예를 보여준다. 도 4b는 제2양자점 영역(30)이 제1양자점 영역(40)을 중심으로 네 방향에 대칭되게 형성되어 전체적으로 사각형 구조를 이루도록 된 예를 보여준다. 제2양자점 영역(30)은 도 4a 및 도 4b에서와 같은 배치를 가지면서, 그 적어도 일부 영역이 불연속 구조를 가질 수도 있다. 이외에도 제2양자점 영역(30)은 그 배치가 전체적으로는 삼각형 또는 그와 유사한 구조, 오각형 또는 그와 유사한 구조 등, 다각형 또는 그와 유사한 구조를 이루도록 다양하게 형성될 수 있다. 또한, 제2양자점 영역(30)은 제1양자점 영역(40)을 중심에 두고 복수의 곡선형 띠를 배치한 구조로 형성될 수도 있다. 이와 같이 제2양자점 영역(30)은 제2양자점(31)에서 발생된 광 에너지를 표면 플라즈몬 전파를 통해 제1양자점(41)으로 모아 전달할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.As another example, as exemplarily shown in FIGS. 4A and 4B, the second quantum dot region 30 may be formed over at least two regions around the first quantum dot region 40. 4A illustrates an example in which the second quantum dot region 30 is symmetrically formed at both sides about the first quantum dot region 40. 4B illustrates an example in which the second quantum dot region 30 is symmetrically formed in four directions about the first quantum dot region 40 to form a quadrangular structure as a whole. The second quantum dot region 30 may have the same arrangement as in FIGS. 4A and 4B, and at least some of the regions may have a discontinuous structure. In addition, the second quantum dot region 30 may be variously formed such that the arrangement of the second quantum dot region 30 may be a polygon or the like, such as a triangle or the like, a pentagon or the like. In addition, the second quantum dot region 30 may be formed in a structure in which a plurality of curved bands are arranged around the first quantum dot region 40. As described above, the second quantum dot region 30 may be formed in various structures capable of collecting and transferring the light energy generated from the second quantum dot 31 to the first quantum dot 41 through surface plasmon propagation.

한편, 상기 제1양자점 영역(40)의 제1양자점(41)은 제2양자점 영역(30)의 제2양자점(31)으로부터 플라즈몬 전파를 통해 에너지를 전달받아 발광을 하게 되므로, 제1양자점 영역(40)은 예를 들어, 실린더 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 제1양자점 영역(40)을 실린더 형태로 형성하면, 이 실린더의 측면이 미러면 역할을 하여 캐버티(cavity)로서 작용을 하며, 이에 따라 제1양자점 영역(40)의 측방향으로 진행하는 광을 가두게 되므로, 발광이 주로 실린더의 전면을 통해 이루어질 수 있다. 따라서, 발광이 주로 발광소자의 전면(도 1 내지 도 5에서는 상면 즉, 금속층(20)의 표면(계면:20a)을 통해 일어나게 되므로, 면발광소자를 실현할 수 있으며, 특히 방향성이 우수한 양자점 면발광소자를 실현할 수 있다.On the other hand, since the first quantum dot 41 of the first quantum dot area 40 receives energy through plasmon propagation from the second quantum dot 31 of the second quantum dot area 30 to emit light, the first quantum dot area 40 40 may be formed, for example, in the form of a cylinder. As such, when the first quantum dot region 40 is formed in the shape of a cylinder, the side surface of the cylinder acts as a mirror surface and acts as a cavity, thereby advancing in the lateral direction of the first quantum dot region 40. Since light is confined, light emission may be mainly performed through the front surface of the cylinder. Therefore, since light emission is mainly generated through the front surface of the light emitting device (in FIGS. 1 to 5, that is, the surface of the metal layer 20 (interface: 20a), the surface light emitting device can be realized, and in particular, the directional quantum dot light emitting is excellent). The element can be realized.

한편, 제1양자점 영역(40)에서 발광이 이루어지려면, 여기에 에너지를 전달하는 제2양자점 영역(30)의 제2양자점(31)이 여기되어야 하는데, 제2양자점(31)의 여기는 광 또는 전기를 통해 이루어질 수 있다.Meanwhile, in order to emit light in the first quantum dot region 40, the second quantum dot 31 of the second quantum dot region 30, which transfers energy thereto, must be excited, and the excitation of the second quantum dot 31 is light or It can be done via electricity.

예를 들어, 도 1에서와 같이 제2양자점 영역(30)에 외부로부터 여기광이 입사되면, 제2양자점(31)은 여기광을 흡수하여 발광을 하게 된다. 또한, 도 2에서와 같이 제2양자점 영역(30)에 전기적인 필드가 가해지도록, 금속층(20)의 제2양자점 영역(30) 바깥쪽 부분과 제1 및 제2양자점 영역(40)(30) 사이의 부분에 전기적인 파워를 가해주면, 제2양자점(31)에서 발광이 일어나게 된다.For example, as shown in FIG. 1, when excitation light enters the second quantum dot region 30 from the outside, the second quantum dot 31 absorbs the excitation light and emits light. In addition, as shown in FIG. 2, the outer portion of the second quantum dot region 30 and the first and second quantum dot regions 40 and 30 so that an electric field is applied to the second quantum dot region 30. When electrical power is applied to the portion between the λ), light emission occurs at the second quantum dot 31.

제2양자점(31)에서 발광된 광의 에너지는 표면 플라즈몬 전파를 통해 제1양자점 영역(40)으로 전달되고, 제1양자점(41)은 이 에너지를 전달받아 원하는 특정 파장의 광을 출사하게 된다. 이때, 제1양자점(41)에서 발광된 광의 파장은 제2양자점(31)에서 발광된 광의 파장보다 길게 된다. 따라서, 양자점은 그 크기에 따라 발광 파장이 달라지므로, 제1양자점(41)과 제2양자점(31)은 실질적으로 그 크기가 서로 다르며, 제1양자점(41)에서 발광된 광이 제2양자점(31)에서 발광된 광의 파장보다 긴 파장을 가지면서 원하는 특정 파장이 되도록 제1양자점(41) 및 제2양자점(31)의 크기가 정해질 수 있다. The energy of the light emitted from the second quantum dot 31 is transmitted to the first quantum dot region 40 through surface plasmon propagation, and the first quantum dot 41 receives the energy to emit light having a specific wavelength. In this case, the wavelength of the light emitted from the first quantum dot 41 is longer than the wavelength of the light emitted from the second quantum dot 31. Therefore, since the emission wavelength is different depending on the size, the first quantum dot 41 and the second quantum dot 31 are substantially different in size, and the light emitted from the first quantum dot 41 is the second quantum dot. The size of the first quantum dot 41 and the second quantum dot 31 may be determined to have a specific wavelength desired while having a wavelength longer than the wavelength of the light emitted from 31.

따라서, 제1양자점 영역(40)에서 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 발광이 이루어지도록 각각 구성한 면발광소자를 어레이로 배치한 구조로 형성하면, 칼라 디스플레이를 실현할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 면발광소자는 어레이 형태로 제작 가능하며, 디스플레이의 단위 소자로 이용될 수 있다.Therefore, the color display can be realized by forming the surface light emitting elements arranged in an array in the first quantum dot region 40 so as to emit red, green, and blue light, respectively. As such, the surface light emitting device according to the embodiment of the present invention may be manufactured in an array form and may be used as a unit device of a display.

이상의 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 면발광소자는 금속층(20)이 단층 구조이면서, 이 금속층(20)의 표면(즉, 공기와의 계면:20a)이 표면 플라즈몬 전파를 위한 도파로로 작용하는 경우를 보여준다.In the surface light emitting device described with reference to FIGS. 1 to 5, the metal layer 20 has a single layer structure, and the surface of the metal layer 20 (that is, an interface with air: 20a) acts as a waveguide for surface plasmon propagation. Shows the case.

도 6은 단층 구조의 금속층을 구비하는 면발광소자를 포토리소그래피 공정을 통해 제조하는데 적용 가능한 마스크의 예로서, 도 1 내지 도 3의 면발광소자를 제조하기에 적합한 마스크(70)를 개략적으로 보여준다. 도 7은 도 6의 마스크를 이용하여 면발광소자를 제작했을 때의 SEM 이미지를 보여준다. 도 6의 마스크(70)에서 가운데의 원(71)은 제1양자점 영역(40)이 형성되는 부분, 바깥쪽의 고리(73)는 제2양자점 영역(30)이 형성되는 부분을 나타낸다. 상하좌우의 사각형은 마스크(70)를 정렬하는데 사용할 수 있는 마크(mark:75)를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b에서와 같이, 제2양자점 영역(30)의 구조가 달라지는 경우, 이에 맞추어 마스크(70)의 패턴을 다양하게 변경할 수 있다.6 schematically shows a mask 70 suitable for manufacturing the surface light emitting device of FIGS. 1 to 3 as an example of a mask applicable to manufacturing a surface light emitting device having a single layer metal layer through a photolithography process. . FIG. 7 shows an SEM image when a surface light emitting device is manufactured using the mask of FIG. 6. In the mask 70 of FIG. 6, the circle 71 in the center shows a portion where the first quantum dot region 40 is formed, and the outer ring 73 shows a portion where the second quantum dot region 30 is formed. Squares on the top, bottom, left and right represent marks 75 that can be used to align the mask 70. As shown in FIGS. 4A and 4B, when the structure of the second quantum dot region 30 is changed, the pattern of the mask 70 may be variously changed accordingly.

도 8은 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 단층 구조의 금속층을 가지며 그 표면(공기와의 계면)을 통해 표면 플라즈몬 전파가 이루어지도록 된 면발광소자의 제2양자점 영역(30)에 여기광을 입력했을 때, 전파된 표면 플라즈몬이 제1양자점(41)에 커플링되어, 제1양자점(41)에서 발광이 이루어질 수 있음을 전산 모사하여 보여준다.FIG. 8 illustrates excitation light in the second quantum dot region 30 of the surface light emitting device having the metal layer having the single-layer structure described with reference to FIGS. 1 to 5 and allowing surface plasmon propagation through its surface (interface with air). When input, the propagated surface plasmon is coupled to the first quantum dot 41, and simulated to show that light emission can be made at the first quantum dot 41.

한편, 이상에서는 금속층(20)이 단층 구조이면서, 이 금속층(20)의 표면(즉, 공기와의 계면)이 표면 플라즈몬 전파를 위한 도파로로 작용하는 경우를 설명 및 도시하였는데, 도 9 및 도 10에서와 같이 단층 구조의 금속층(20) 상에 유전체층(60)을 더 형성하거나, 기판(10)과 금속층(20) 사이의 계면(20b)을 따라 표면 플라즈몬 도파가 이루어지도록 제1 및 제2양자점 영역(40)(30) 및 금속층(20)을 형성하는 것도 가능하다. 도 9에서는 제1양자점 영역(40) 및 제2양자점 영역(30) 부분까지도 유전체층(60)이 형성된 경우를 보여주는데, 유전체층(60)은 금속층(20)의 최상측 표면에만 형성될 수도 있다. 도 10을 참조하면, 제1양자점 영역(40)과 기판(10) 사이에 금속층(20) 영역이 존재하지 않도록, 제1양자점 영역(40) 및 금속층(20)을 형성하면, 제2양자점 영역(30)의 제2양자점(31)에서 발광된 광 에너지는 김속층(20)과 기판(10) 사이의 계면을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 제1양자점 영역(40)의 제1양자점(41)에 전달되고, 제1양자점(41)에서 발광이 이루어지게 된다. 도 10에서 제1양자점 영역(40) 상측의 금속층(20) 영역은 제1양자점(41)에서 발광된 광이 상측 면방향으로 출사될 수 있도록 개구가 형성될 수 있다.On the other hand, while the metal layer 20 has a single layer structure, the surface (that is, the interface with the air) of the metal layer 20 has been described and illustrated to act as a waveguide for surface plasmon propagation, Figures 9 and 10 As described above, the first and second quantum dots may be further formed on the metal layer 20 having a single layer structure, or the surface plasmon waveguide may be performed along the interface 20b between the substrate 10 and the metal layer 20. It is also possible to form regions 40 and 30 and metal layer 20. 9 illustrates a case where the dielectric layer 60 is also formed in the first quantum dot region 40 and the second quantum dot region 30. The dielectric layer 60 may be formed only on the uppermost surface of the metal layer 20. Referring to FIG. 10, when the first quantum dot region 40 and the metal layer 20 are formed so that the metal layer 20 region does not exist between the first quantum dot region 40 and the substrate 10, the second quantum dot region The light energy emitted from the second quantum dot 31 of 30 is plasmon propagated along the interface between the lattice layer 20 and the substrate 10 to the first quantum dot 41 of the first quantum dot region 40. The light is emitted from the first quantum dot 41. In FIG. 10, an opening may be formed in the region of the metal layer 20 above the first quantum dot region 40 so that the light emitted from the first quantum dot 41 may exit in the upper surface direction.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면발광소자를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 11에 도시된 면발광소자에서, 제2양자점 영역(30)은 전술한 다양한 실시예들에서와 마찬가지로 고리형을 비롯한 다양한 형태로 형성될 수 있다. 도 11의 면발광소자는 도 5의 경우와 비교할 때, 금속층이 제1금속층(120)과 유전체 가이드층(170)과 제2금속층(150)으로 이루어져, 금속층이 복수층 구조로 이루어진 점에 차이가 있다.11 is a cross-sectional view schematically showing a surface light emitting device according to another embodiment of the present invention. In the surface light emitting device illustrated in FIG. 11, the second quantum dot region 30 may be formed in various shapes including an annular shape as in the aforementioned various embodiments. Compared to the case of FIG. 5, the surface light emitting device of FIG. 11 includes a first metal layer 120, a dielectric guide layer 170, and a second metal layer 150. There is.

제1금속층(120)은 제1양자점 영역(40)과 제2양자점 영역(30)이 마련되는 바닥부(121)와 그 양측의 돌출 측부(123)를 가지는 구조로 형성될 수 있다. 유전체 가이드층(170)은 제1금속층(120)의 바닥부(121) 상의 제1양자점 영역(40)과 제2양자점 영역(30) 이외 부분에 마련될 수 있다. 제2금속층(150)은 유전체 가이드층(170) 상에 제1금속층(120)의 돌출 측부(123)와 이격되며 제1양자점 영역(40)에서 발광된 광이 출사되는 출사공을 가지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 금속층이 복수층 구조로 이루어지는 경우, 제2양자점 영역(30)의 제2양자점(31)에서 발광된 광 에너지는 유전체 가이드층(170)을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 제1양자점 영역(40)으로 전달되어 제1양자점(41)에서 발광이 일어나게 된다.The first metal layer 120 may have a structure having a bottom portion 121 on which the first quantum dot region 40 and the second quantum dot region 30 are provided and the protruding side portions 123 of both sides thereof. The dielectric guide layer 170 may be provided at portions other than the first quantum dot region 40 and the second quantum dot region 30 on the bottom portion 121 of the first metal layer 120. The second metal layer 150 is formed on the dielectric guide layer 170 so as to have an exit hole spaced apart from the protruding side 123 of the first metal layer 120 and emitting light emitted from the first quantum dot region 40. Can be. As described above, when the metal layer has a multilayer structure, the light energy emitted from the second quantum dot 31 of the second quantum dot region 30 is surface plasmon propagated along the dielectric guide layer 170 and thus the first quantum dot region 40. The light is emitted from the first quantum dot 41 to be generated.

도 12 내지 도 14는 도 11의 면발광소자 구조에서, 제2양자점(31)에서 발생하는 광이 표면 플라즈몬으로 변환되는 과정, 유전체 가이드층(170)을 따라 표면 플라즈몬 전파가 이루어지는 과정, 표면 플라즈몬이 제1양자점(41)에 에너지를 전달하여 면발광소자 바깥으로 나오는 과정을 전산 모사하여 보여준다. 12 to 14 illustrate a process of converting light generated from the second quantum dot 31 into surface plasmons, surface plasmon propagation along the dielectric guide layer 170, and surface plasmon in the surface light emitting device structure of FIG. 11. The transfer of energy to the first quantum dot (41) shows the computer simulation process coming out of the surface light emitting device.

도 11 내지 도 14에서는 여기광이 제2양자점 영역(30)으로 들어가도록 제1금속층(120)의 돌출 측부(123)와 제2금속층(150)이 이격되어 구멍이 존재하는 경우를 예시적으로 보여준다. 전기적인 파워를 가해 제2양자점(31)에서 발광이 일어나고 이 발광된 광 에너지를 표면 플라즈몬 전파를 통해 제1양자점(41)으로 전달하도록 된 경우에는, 제1금속층(120)의 돌출 측부(123)와 제2금속층(150)이 이격되지 않은 구조로 형성할 수도 있다.11 to 14 exemplarily illustrate a case in which the protrusion side 123 of the first metal layer 120 is spaced apart from the second metal layer 150 so that the excitation light enters the second quantum dot region 30. Shows. When electric power is applied to emit light at the second quantum point 31 and the emitted light energy is transmitted to the first quantum point 41 through surface plasmon propagation, the protruding side 123 of the first metal layer 120 is provided. ) And the second metal layer 150 may be formed in a structure not spaced apart from each other.

Claims (10)

기판과;
제1양자점들이 내포된 제1양자점 영역과;
제1양자점보다 발광 파장이 짧도록 마련된 제2양자점들이 내포되어 있으며 상기 제1양자점 영역으로부터 이격된 제2양자점 영역과;
상기 기판 상에 위치하며, 상기 제1 및 제2양자점 영역이 마련되며, 상기 제2양자점에서 여기된 광 에너지가 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점으로 전달되어 제1양자점에서 발광이 일어나도록 하는 금속층;을 포함하는 면발광소자.A substrate;
A first quantum dot region containing the first quantum dots;
A second quantum dot region including second quantum dots provided to have a light emission wavelength shorter than a first quantum dot and spaced apart from the first quantum dot region;
A metal layer positioned on the substrate, wherein the first and second quantum dot regions are provided, and the light energy excited at the second quantum dot is propagated to the surface plasmon and transferred to the first quantum dot to emit light at the first quantum dot Surface light emitting device comprising; 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2양자점 영역의 이격 거리는 표면 플라즈몬 전파 거리 이내인 면발광소자.The surface light emitting device of claim 1, wherein a separation distance between the first and second quantum dot regions is within a surface plasmon propagation distance. 제1항에 있어서, 상기 제2양자점 영역은, 상기 제1양자점 영역을 적어도 일부 둘러싸도록 면발광소자.The surface light emitting device of claim 1, wherein the second quantum dot region surrounds at least a portion of the first quantum dot region. 제3항에 있어서, 상기 제2양자점 영역은, 상기 제1양자점 영역을 둘러싸는 고리 형상으로 형성되는 면발광소자.The surface light emitting device of claim 3, wherein the second quantum dot region is formed in a ring shape surrounding the first quantum dot region. 제3항에 있어서, 상기 제2양자점 영역은 상기 제1양자점 영역을 중심으로 적어도 두 영역에 형성되는 면발광소자.The surface light emitting device of claim 3, wherein the second quantum dot region is formed in at least two regions around the first quantum dot region. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2양자점 영역은 상기 금속층에 형성된 홈에 마련되어, 상기 제2양자점에서 여기된 광 에너지는 상기 금속층의 계면을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점으로 전달되는 면발광소자.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the first and second quantum dot regions are provided in the grooves formed in the metal layer, and the light energy excited at the second quantum point propagates surface plasmon along the interface of the metal layer. The surface light emitting device is delivered to the first quantum dot. 제6항에 있어서, 상기 제1양자점 영역은 실린더 형태를 가져, 실린더의 측면이 캐버티로서 작용하며, 주 발광이 실린더의 전면을 통해 이루어지도록 된 면발광소자.7. The surface light emitting device of claim 6, wherein the first quantum dot region has a cylinder shape, and the side surface of the cylinder acts as a cavity, and main light is emitted through the front surface of the cylinder. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은,
상기 제1양자점 영역과 제2양자점 영역이 마련되는 바닥부와 그 양측의 돌출 측부를 가지는 구조로 형성되는 제1금속층과;
상기 제1금속층의 바닥부상에 마련된 유전체 가이드층과;
상기 유전체 가이드층 상에 상기 제1금속층의 돌출 측부와 이격되며, 상기 제1양자점 영역에서 발광된 광이 출사되는 출사공을 가지는 제2금속층;을 구비하며,
상기 제2양자점에서 여기된 광 에너지가 상기 유전체 가이드층을 따라 표면 플라즈몬 전파되어 상기 제1양자점으로 전달되는 면발광소자.The metal layer of any one of claims 1 to 5, wherein the metal layer is
A first metal layer having a bottom portion at which the first quantum dot region and the second quantum dot region are provided and a protruding side portion at both sides thereof;
A dielectric guide layer provided on a bottom portion of the first metal layer;
And a second metal layer spaced apart from the protruding side of the first metal layer on the dielectric guide layer, the second metal layer having an exit hole through which light emitted from the first quantum dot region is emitted.
The surface light emitting device of the optical energy excited at the second quantum point is a surface plasmon propagated along the dielectric guide layer and transmitted to the first quantum point. 제8항에 있어서, 상기 제1양자점 영역은 실린더 형태를 가져, 실린더의 측면이 캐버티로서 작용하며, 주 발광이 실린더의 전면을 통해 이루어지도록 된 면발광소자.The surface light emitting device of claim 8, wherein the first quantum dot region has a cylinder shape, and the side surface of the cylinder acts as a cavity, and main light is emitted through the front surface of the cylinder. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1양자점 영역은 실린더 형태를 가져, 실린더의 측면이 캐버티로서 작용하며, 주 발광이 실린더의 전면을 통해 이루어지도록 된 면발광소자.The surface light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the first quantum dot region has a cylinder shape, and the side surface of the cylinder acts as a cavity, and main light emission is made through the front surface of the cylinder.
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