Enhancement of Light Extraction Efficiency of Photoluminescence Quantum-Dot Display by Helical Photonic Crystal

Abstract

Photoluminescence quantum-dot (PL-QD) displays have attracted great interest in next-generation emissive-type displays owing to their high color purity, narrow bandwidth, and color tunable emission. Recently, QD color filters with blue organic light-emitting diode (OLED) backlights have been studied, improving color gamut and contrast ratio. However, these structures have low light extraction efficiency due to total internal reflection by the characteristics of QDs emitting light in all directions. Surface engineering and internal grating patterns, which are commonly used techniques to reduce total internal reflection, lack device uniformity and patterning accuracy required to be applied to large-area processes. In addition, light-recycling method using multilayer optical filters has also been introduced, but the cost of the fabrication process is expected to be high. Thus, it is desirable to search for a new concept of the PL-QD display for the improvement of the light extraction efficiency with better device uniformity in large-area processing. This thesis presents a helical photonic crystal based PL-QD display for enhancing the light extraction efficiency. The helical photonic crystal array which selectively reflects circularly polarized light within the specific wavelength range is located between the emissive QD array and the backlight, resulting in the enhancement of the light extraction efficiency by reflecting half of the downward emitted light in the QD array. From the spectroscopic analysis, it was shown that the light extraction efficiency of our device was greatly improved compared with the conventional PL-QD display. Also, it was confirmed that the color purity of the QD array was stably maintained even with the multiple photo-polymerization patterning processes. Our helical photonic crystal based PL-QD display will provide a firm basis for the next generation PL-QD displays with high light extraction efficiency and low process cost.

광발광 양자점 디스플레이는 높은 색순도, 좁은 선폭, 색상 가변성으로 인해 차세대 발광형 디스플레이로 주목을 받고 있다. 최근 청색 발광 다이오드를 백라이트로 하고 양자점 컬러필터 어레이를 사용하여 색순도뿐 아니라 명암비도 개선시키는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 양자점의 사방으로 발광하는 특성에 의한 내부 전반사 효과 때문에 광 추출 효율이 낮은 문제가 있었다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 기판 표면을 거칠게 하거나 기판 내부에 격자 패턴을 만들어 내부전반사 효과를 줄이는 연구가 진행되어왔으나, 소자 균일성 및 패턴 정확성이 낮아 대면적 공정에 적용하기 어려운 문제를 지닌다. 또한 다층 광학 필터를 추가한 광 재사용 방식이 제안되었으나 공정 단가가 높은 단점이 있다. 따라서 소자 균일성을 유지하면서 광 추출 효율이 뛰어난 새로운 방식의 광발광 양자점 디스플레이 구조가 필수적이다. 본 연구에서는 나선 광결정을 이용하여 향상된 광 추출 효율을 갖는 광발광 양자점 디스플레이를 제안한다. 구체적으로, 특정 파장대의 원형 편광 빛을 선택적으로 반사하는 나선 광결정 패턴을 양자점 발광층 하부에 생성하여, 그 효과로 양자점으로부터 발광 된 하부로 향하는 빛 중 약 절반을 상부로 향하도록 반사하여 광 추출 효율을 향상시켰다. 발광 스펙트럼 분석 결과로부터 기존 광발광 양자점 디스플레이에 비해 광 효율이 크게 향상된 것을 보였다. 또한 다중 광경화 패터닝 공정을 수행하여도 양자점의 색 순도가 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 우리의 나선 광결정 기반 광발광 양자점 디스플레이는 저비용의 용액공정 및 높은 광 추출 효율을 갖는 장점을 통해 차세대 발광형 디스플레이의 실용적인 해법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.