JP2014523634A - 発光ダイオード、オプトエレクトロニクスディスプレイ等に使用される半導体ナノ粒子ベース材料 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ナノ粒子、特に量子ドット(QD)ナノ粒子を光学的に透明な媒体(樹脂)に組み入れている配合物に関しており、当該配合物は、照明及び表示用途において発光材料として、また、LED(発光ダイオード)においてダウンコンバータ発光材料として使用される。樹脂は、QDに適しており、照明及び表示用途において、QDベースのLEDの性能と安定性を高める。
【選択図】図1
Description
添加物含有QD−ビーズ−LEDから出力された光(「二次光」)の色は、分光計を用いて測定できる。その後、発光デバイスの特定の色が、例えば2°CIE1931色度図(図2参照)等の色度図上で色座標(colour coordinate)として表現されるように、スペクトル出力(mW/nm)が数学的に処理されてよい。
演色は、基準光源によって光が照射された場合の対象物の見え方と比較して、正しい色で見えるように対象物に光を照射できる光源の能力を表している。通常、基準光源は、100の演色指数(CRI)が割り当てられるタングステンフィラメント電球である。一般の照明として受け入れられるためには、白色発光デバイス源は、CRI>80であることが要求される。粗末な演色の例は、非常に粗末な演色能力を有するナトリウム街路灯である。即ち、ナトリウムランプにより光が照射された黄色の車から赤い車を区別することは、暗闇のナトリウムランプの下では双方ともがグレーに見えるので、困難である。
<方法1>
<CdSe/HDAキャップナノ粒子の調製>
HDA(500g)を3つ口丸底フラスコに入れ、動的真空下で1時間以上120℃に加熱することで、乾燥及び脱気した。その後、溶液を60℃に冷却した。これに0.718gの[HNEt3]4[Cd10Se4(SPh)16](0.20mmol)を加えた。総計で、42mmol、22.0mlのTOPSe、及び42mmol(19.5ml、2.15M)のMe2Cd・TOPを用いた。最初に、4mmolのTOPSe、及び4mmolのMe2Cd・TOPを室温で反応液に加え、温度を110℃に上げ、2時間撹拌した。反応液は濃い黄色であり、等モル量のTOPSe及びMe2Cd・TOPを滴下して加えながら、温度を〜1℃/5minの速度で徐々に上げた。光ルミネセンス(PL)放射最大値が約600nmに達すると、60℃に冷却した後に300mlの乾燥エタノール又はアセトンを加えて、反応を止めた。これによって、深い赤色の粒子の沈殿が生成され、これを濾過によって更に分離した。生じたCdSe粒子を、トルエンに再溶解させた後に、セライトを通して濾過し、続いて暖かいエタノールから再沈殿させることで再結晶させて、存在するあらゆる余分なHDA、セレン又はカドミウムを除去した。これにより、HDAでキャッピングされた10.10gのCdSeナノ粒子が生成された。元素分析では、C=20.88、H=3.58、N=1.29、Cd=46.43%であった。最大PL=585nm、FWHM=35nmであった。量子ドットを形成する際に、38.98mmol、93%のMe2Cdが消費された。
HDA(800g)を3つ口丸底フラスコ内に入れ、動的真空下で1時間以上120℃に加熱することで、乾燥及び脱気した。その後、溶液を60℃に冷却し、これに、PL最大放射値が585nmのCdSeナノ粒子を9.23g加えた。その後、HDAを220°Cに加熱した。これに、総計20mlの0.5M Me2Zn・TOP、及びオクチルアミンに溶解した0.5M、20mlの硫黄を、代替の滴下付加(alternate dropwise addition)によって加えた。夫々3.5、5.5及び11.0mlの3つの代替付加を行い、最初に3.5mlの硫黄を、PLの最大強度がゼロに近づくまで滴下して加えた。その後、3.5mlのMe2Zn・TOPを、PLの最大強度が最大値に達するまで滴下して加えた。このサイクルを、PLの最大値が各サイクルでより高い強度に達する度に、繰り返した。最後のサイクルで、一旦PLの最大強度に達したら、最大強度を5乃至10%下回るまで、更に前駆体を加え、反応液を1時間150℃でアニールした。その後、反応混合物を60℃に冷却し、直ぐに300mlの「暖かい」乾燥エタノールを加え、粒子の沈殿を生じさせた。生じたCdSe−ZnS粒子を乾燥させた後に、トルエンに再溶解させ、セライトを通して濾過した後に、温かいエタノールから再沈殿させて、あらゆる余分なHDAを除去した。これにより、HDAでキャッピングされた12.08gのCdSe−ZnSコア−シェルナノ粒子が生成された。元素分析では、C=20.27、H=3.37、N=1.25、Cd=40.11、Zn=4.43%であった。最大PLは590nm、FWHMは36nmであった。
<InPコア量子ドット(500乃至700nmの放射)の調製>
ジブチルエステル(100ml)及びミリスチン酸(10.0627g)を3つ口フラスコに入れ、真空下で1時間、70℃で脱気した。この期間の後、窒素を導入し、温度を90℃に上げた。ZnS分子クラスター[ET3NH4][Zn10S4(SPh)16](4.7076g)を加え、混合物を45分間撹拌した。それから、温度を100℃に上げた後に、In(MA)3(1M、15ml)に続いて(TMS)3P(1M、15ml)を滴下して加えた。反応混合物を撹拌しながら温度を140℃に上げた。140℃にて、In(MA)3(1M、35ml)(5分間攪拌したまま)及び(TMS)3P(1M、35ml)を更に滴下して加えた。その後、温度をゆっくりと180℃に上げ、In(MA)3(1M、55ml)に続いて(TMS)3P(1M、40ml)を更に滴下して加えた。上記のようにして前駆体を加えることによって、InPのナノ粒子が成長しながら、放射最大値が520nmから最大700nmにまで徐々に上がった。これによって、所望の放射最大値が得られたときに、反応を止めることができ、この温度で半時間攪拌したままにできる。この期間後、温度を160℃に下げ、反応混合物を(反応液の温度よりも20乃至40℃低い温度で)最大4日間アニールしたままにした。アニールを補助するために、この段階でUV灯も使用した。
上記のように調製したInPQDの量子収率は、希HF酸で洗浄することで増加した。ドットを、脱気した無水クロロホルム(〜270ml)に溶解させた。部分的に50mlを取り除き、プラスチック製のフラスコに入れ、窒素でフラッシュ(flush)した。プラスチックシリンジを用いて、3mlの60重量/重量%HFを水に加え、脱気したTHF(17ml)に加えて、HF溶液を作った。HFをInPドットに5時間かけて滴下して加えた。付加完了後、溶液を一晩撹拌したままにした。塩化カルシウム水溶液を通して抽出し、エッチングされたInPドットを乾燥することで、過剰なHFを除去した。乾燥したドットを、将来の使用のために50mlのクロロホルム中に再分散させた。最大PLが567nm、FWHMが60nmであった。この段階のコア材料の量子効率は25乃至90%に及ぶ。
HFエッチングされたInPコア粒子の20ml部を、3つ口フラスコにおいてドライダウン(dry down)させた。1.3gのミリスチン酸、及び20mlのジ−n−ブチルセバケートエステルを加え、30分間脱気した。溶液を200℃に加熱し、その後1.2gの無水酢酸亜鉛を加え、2mlの1M(TMS)2Sを滴下して加え(7.93ml/hrの速度)、付加完了後、溶液を撹拌したままにした。この溶液を1時間200℃に保ち、その後室温にまで冷却した。40mlの脱気した無水メタノールを加えて粒子を分離し、遠心分離した。上澄み液を廃棄し、残りの固形物に30mlの脱気した無水ヘキサンを加えた。溶液を5時間静置し、その後再び遠心分離した。上澄み液を回収し、残りの固形物を捨てた。PL放射ピーク最大値=535nm、FWHM=65nmであった。この段階のナノ粒子コア/シェル材料の量子効率は、35乃至90%に及んだ。
<QD含有LEDの作製>
カドニウムフリーの量子ドット(CFQD)のトルエン溶液(例えば、上述したように作られた20mgのInP/ZnSコア/シェル量子ドット)を真空下で乾燥し、QDの残渣を残した。その残渣に、アクリレートモノマー混合物を加えて、透明な溶液になるまで、ドットをインキュベートした。そのアクリレート混合物は、架橋剤(トリメチロールプロパントリメタクリレート(1.06ml、3.3mmol))に溶解したラウリルメタクリレート(1.85ml、6.6mmol)と、光開始剤(イルガキュア819(登録商標) (bis(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシド)、9mg)とからなる。
標準的な市販のシリコーン樹脂(SCR1011(登録商標)、ShinEtsu)又は本発明によるアクリル樹脂の何れかを用いて、LEDが製造された。LEDは、20mAmpで動作されて、22mwの強度の450nm青色を生成した。図3は、これらLEDの安定性と性能の違いを実証している。本発明によるアクリルベースの樹脂は、市販のシリコーン樹脂に分散されたCFQDを組み込んだLEDと比較して、LED上の封入されたCFQDの安定性を顕著に増加させた。
Claims (38)
- 発光デバイスの製造に使用される配合物において、
周期表の13族及び15族のイオンを含んでいる半導体ナノ粒子の群を含んでおり、
前記半導体ナノ粒子は、光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に組み込まれている配合物。 - 前記ポリ(メタ)クリレート封入媒体は、(メタ)クリレートモノマー及び多価性架橋化合物から得られる、請求項1に記載の配合物。
- 前記多価性架橋化合物は、トリメチロールプロパントリメタクリレートのような三価性架橋化合物である、請求項2に記載の配合物。
- 前記(メタ)クリレートモノマーは、ラウリルメタクリレートである、請求項2又は請求項3に記載の配合物。
- 前記モノマー及び前記架橋化合物は、光開始剤の存在下で反応する、請求項2乃至4の何れかに記載の配合物。
- 前記ポリ(メタ)クリレートは、ポリラウリル(メタ)クリレート、ポリステアリル(メタ)クリレート、ポリトリメチルシリル(メタ)クリレート、ポリトリメチルシリルオキシアルキル(メタ)クリレート、ポリグリシジル(メタ)クリレート、メチル(メタ)クリレート、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の配合物。
- 前記ポリ(メタ)クリレートは、ポリラウリルメタクリレートである、請求項1に記載の配合物。
- 前記半導体ナノ粒子は、InP、InAs、InSb、AlP、AlS、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、及びそれらの混合物からなる群から選択される1又複数の半導体材料を含む、請求項1乃至7の何れかに記載の配合物。
- 発光デバイスの製造に使用される配合物において、
(メタ)クリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に組み込まれる半導体ナノ粒子の群を含む配合物。 - 前記ポリ(メタ)クリレートは、ポリラウリル(メタ)クリレート、ポリステアリル(メタ)クリレート、ポリトリメチルシリル(メタ)クリレート、ポリトリメチルシリルオキシアルキル(メタ)クリレート、ポリグリシジル(メタ)クリレート、メチル(メタ)クリレート、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項9に記載の配合物。
- 前記(メタ)クリレートモノマーは、ラウリルメタクリレートである、請求項9に記載の配合物。
- 前記三価性架橋化合物は、トリメチロールプロパントリメタクリレートである、請求項9乃至11の何れかに記載の配合物。
- 前記(メタ)クリレートモノマーと前記三価性架橋化合物は、光開始剤の存在下で反応する、請求項9乃至12の何れかに記載の配合物。
- 前記半導体ナノ粒子は、周期表の11族、12族、13族、14族、15族、及び/又は16族から選択されたイオンを含む、或いは、1又は複数種類の遷移金属イオン又はd−ブロック金属イオンを含む、請求項9乃至12の何れかに記載の配合物。
- 前記半導体ナノ粒子は、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、InP、InAs、InSb、AlP、AlS、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、PbS、PbSe、Si、Ge、MgS、MgSe、MgTe、及びそれらの組合せからなる群から選択される1又は複数の半導体材料を含む、請求項9乃至13の何れかに記載の配合物。
- 発光デバイスの製造に使用される配合物において、
光開始剤の存在下で反応するラウリルメタクリレートモノマーと多価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリマー封入媒体に組み込まれた半導体ナノ粒子の群を含む配合物。 - 前記多価性架橋化合物は、トリメチロールプロパントリメタクリレートのような三価性架橋化合物である、請求項16に記載の配合物。
- 前記半導体ナノ粒子は、周期表の11族、12族、13族、14族、15族、及び/又は16族から選択されたイオンを含む、或いは、1又は複数種類の遷移金属イオン又はd−ブロック金属イオンを含む、請求項16又は請求項17に記載の配合物。
- 前記半導体ナノ粒子は、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、InP、InAs、InSb、AlP、AlS、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、PbS、PbSe、Si、Ge、MgS、MgSe、MgTe、及びそれらの組合せからなる群から選択される1又は複数の半導体材料を含む、請求項16又は請求項17に記載の配合物。
- 前記半導体ナノ粒子の群は、離散した複数のマイクロビーズに組み込まれており、前記ナノ粒子含有マイクロビーズは、前記封入媒体中に埋め込まれている、請求項1乃至19の何れかに記載の製剤。
- 発光デバイスの製造に使用される配合物を調製する方法であって、
周期表の13族及び15族のイオンを含んでいる半導体ナノ粒子の群を、光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に組み込む工程を含む方法。 - 前記ポリ(メタ)クリレート封入媒体は、(メタ)クリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる、請求項21に記載の方法。
- 発光デバイスの製造に使用される配合物を調製する方法であって、
(メタ)クリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に、半導体ナノ粒子の群を組み込む方法。 - 前記モノマーと前記架橋化合物は、光開始剤の存在下で反応する、請求項22又は請求項23に記載の方法。
- 発光デバイスの製造に使用される配合物を調製する方法であって、
光開始剤の存在下で反応するラウリルメタクリレートモノマー及び多価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリマー封入媒体に、半導体ナノ粒子の群を組み込む工程を含む方法。 - 前記モノマー、前記架橋化合物及び前記光開始剤は混合されて、封入前駆混合物をもたらし、前記モノマーが重合して前記光学的に透明な封入媒体がもたらされる前に、前記封入前駆混合物には、前記半導体ナノ粒子が加えられる。請求項22乃至25の何れかに記載の方法。
- 分子クラスター化合物の存在下で、前記分子クラスター化合物上で前記半導体ナノ粒子のシーディング及び成長が可能な条件下で、前記半導体ナノ粒子の材料に、ナノ粒子前駆体組成物を変換することで、前記半導体ナノ粒子が生じる、請求項22乃至26の何れかに記載の方法。
- 前記半導体ナノ粒子は、第1及び第2イオンを組み込んでおり、前記ナノ粒子前駆体組成物は、成長する前記半導体ナノ粒子に組み込まれる前記第1及び第2イオンを夫々含む第1及び第2ナノ粒子前駆体種を含む、請求項27に記載の方法。
- 前記半導体ナノ粒子は、第1及び第2イオンを組み込んでおり、前記ナノ粒子前駆体組成物は、成長する前記半導体ナノ粒子に組み込まれる前記第1及び第2イオンを含む単一のナノ粒子前駆体種を含む、請求項27に記載の方法。
- 周期表の13族及び15族のイオンを含む半導体ナノ粒子の群を含んでいる配合物と光学的に繋がっている一次光源を備えており、
前記半導体ナノ粒子は、光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に組み込まれている発光デバイス。 - (メタ)クリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に組み込まれた半導体ナノ粒子の群を含んでいる配合物と光学的に繋がっている一次光源を含む発光デバイス。
- 光開始剤の存在下で反応するラウリルメタクリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリマー封入媒体に組み込まれた半導体ナノ粒子の群を含んでいる配合物と光学的に繋がっている一次光源を含む発光デバイス。
- 前記一次光源は、発光ダイオード、レーザー、アークランプ、及び黒体光源からなる群から選択される、請求項30、請求項31、又は請求項32に記載のデバイス。
- 前記配合物は、請求項1乃至20の何れかに従っている、請求項30乃至33の何れかに記載のデバイス。
- 発光デバイスを製造する方法において、
光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に、周期表の13族及び15族のイオンを含んでいる半導体ナノ粒子の群を与えて、ナノ粒子含有配合物を得る工程と、
一次光源が前記半導体ナノ粒子の群と光学的に繋がるように、前記一次光源に前記配合物を堆積させる工程と、
を含む方法。 - 発光デバイスを製造する方法において、
(メタ)クリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリ(メタ)クリレート封入媒体に半導体ナノ粒子の群を与えて、ナノ粒子含有配合物を得る工程と、
一次光源が前記半導体ナノ粒子の群と光学的に繋がるように、前記一次光源に前記配合物を堆積させる工程と、
を含む方法。 - 発光デバイスを製造する方法において、
光開始剤の存在下で反応するラウリルメタクリレートモノマー及び三価性架橋化合物から得られる光学的に透明なポリマー封入媒体に半導体ナノ粒子の群を与えて、ナノ粒子含有配合物を得る工程と、
一次光源が前記半導体ナノ粒子の群と光学的に繋がるように、前記一次光源に前記配合物を堆積させる工程と、
を含む方法。 - 前記配合物は、請求項1乃至20の何れかに従っている、請求項35乃至37の何れかに記載の方法。
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