Study of electrogenerated chemiluminescence of ZnGa2O4:Mn2+ phosphor film

Abstract

Electrochemiluminescence (ECL) is the process of light emission generated by an oxidation / reduction reaction in an electrochemical cell. ECL devices are distinguished by three types (solution-state devices, gel-state devices, and solid-state devices). It is also being studied as a next-generation display because it is capable of low-cost fabrication and low power consumption. Generally, a constant voltage is applied for driving the ECL element. However, the constant voltage-applied devices suffer from a poor device performance and a rapid deterioration. In order to improve the performance and stability of the device, it is necessary to apply a pulse-like current which can selectively induce oxidation / reduction reactions in the active material, which performs a fast electron exchange at the interfaces. The ECL devices consist of ZnGa2O4:Mn2+ thin films, which is deposited on the N-type silicon wafer (working electrode), electrolyte solution, and ITO glass (counter electrode). The cathodic polarization of working electrode in the electrolyte solution results in a stronger ECL intensity at the wavelength of 504 nm (green for Mn2+-doped). As the applied voltage increases, the luminance increases and then decrease, but the main emission wavelength and the half width do not change. And then a maximum luminance of 0.07 cd/m2 at 80 V / 3.5 Hz is achieved. When the applied voltage is fixed at 80 V and the frequency is changed, the luminance increases from 0.1 Hz to 3.5 Hz and decreases from 3.5 Hz to 100 Hz. The change of the main emission wavelength and the half band width is not shown when the applied voltage is changed by the applied frequency. This suggests that the device is driven by an oxide phosphor, unlike the sulfide phosphor-based device, in which the device performance is less affected by the environment.

ECL (electrochemiluminescence)은 전기화학 셀에서 산화 / 환원 반응에 의해 발생하는 발광을 의미한다. ECL시스템으로 이루어진 ECL소자는 3가지 종류 (용액-상태 소자, 겔-상태 소자, 고체-상태 소자)로 나뉜다. 또한 저비용 제작과 저전력 소비가 가능해 차세대 디스플레이로 연구되고 있다. 일반적으로 ECL소자의 구동을 위해 정전압을 인가한다. 하지만 저조한 성능과 소자의 빠른 열화가 필연적으로 동반된다. 소자의 성능과 안정성을 향상시키기 위해서는 계면에서의 빠른 전자교환을 하는 활성물질만의 산화 / 환원을 유도할 수 있도록 펄스형태의 전류를 인가해야 한다. 본 연구에서는 Mn2+ 이 도핑된 ZnGa2O4 형광체 박막의 전기화학적 발광 특성을 연구하였다. ECL 소자는 N type Si 웨이퍼 상에 제작된 ZnGa2O4:Mn2+ 박막 (working electrode)과 전해질 용액, ITO glss (counter electrode)로 구성되어 진다. 전해질 용액에서 working electrode의 음극 분극 하에서, 전기화학적 반응에 의해 Mn2+이 도핑된 녹색 (504nm)이 발광하였다. 인가 전압이 증가함에 따라 휘도는 증가하고 주 발광 파장 및 반치폭은 변하지 않았다. 그리고 80 V / 3.5 Hz에서 0.07 cd / m2의 최대 휘도값을 얻었다. 인가 전압을 80 V로 고정하고 주파수를 변화 시키면 휘도는 0.1 Hz부터 3.5 Hz까지 증가하였다가 3.5 Hz부터 100 Hz까지 감소한다. 또한 주파수를 변화시켜도 주 발광 파장 및 반치폭의 변화는 나타나지 않았다. 이것은 디바이스가 환경에 덜 영향을 받는 황화물 형광체 기반 디바이스와 달리 산화물 인광 물질에 의해 구동된다는 것을 의미한다.