JP2023503448A - 超高密度量子ドットカラーコンバータ - Google Patents

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Abstract

高密度のサブピクセルを有する量子ドットベースのカラーコンバータが開示される。サブピクセルは、小さなサブピクセルアスペクト比および小さな体積内で高い変換効率を提供する高密度の量子ドットを有する。カラーコンバータは、光学ディスプレイにおいて使用することができる。【選択図】図１

Description

本開示は、高密度のピクセルを有する量子ドットカラーコンバータに関する。ピクセルは、高密度の量子ドットを有する。カラーコンバータは、光学ディスプレイにおいて使用することができる。
ＬＥＤによって照射される量子ドット含有ピクセルのアレイが、ディスプレイにおいて広く使用されている。統合コンタクトレンズディスプレイなどの用途で使用するための量子ドット含有ピクセルアレイのサイズを縮小することは、独自の課題を提示する。
本明細書に記載される図面は、例示のみを目的としている。図面は、本開示の範囲を限定することを意図しない。
本開示によって提供される緑色、赤色、および青色のサブピクセルの例を示す。 本開示によって提供される、下層および上層のブラッグ反射器を組み込んだ緑色、赤色、および青色のサブピクセルの例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 異なる直径および異なるピッチを有するサブピクセルのアレイを通して透過した青色光の一例を示す。 ２．８μｍのピッチを有する１．４μｍ径のサブピクセルのアレイを通して透過した青色光を示す。 １２．５μｍのピッチの９．６μｍ径のサブピクセルのアレイを通して透過した青色光を示す。 ２μｍの厚さ（深さ）を有する１２．５μｍのピッチの９．６μｍ径の量子ドット含有サブピクセルのアレイの緑色発光を示す。緑色の量子ドットアレイは、下にある青色のサブピクセルアレイによってポンプすることができる。 ２μｍの厚さ（深さ）を有する１２．５μｍのピッチの９．６μｍ径の量子ドット含有サブピクセルのアレイの赤色発光を示す。赤色量子ドットアレイは、下にある青色サブピクセルアレイによってポンプされる。 ２．８μｍのピッチの、２μｍの厚さ（深さ）を有する１．４μｍ径の青色サブピクセルのアレイを通して透過した青色光を示す。 ２．８μｍのピッチの、２μｍの厚さ（深さ）を有する１．４μｍ径の緑色量子ドット含有サブピクセルのアレイを通る緑色発光を示す。 ２．８μｍのピッチの、２μｍの厚さ（深さ）を有する１．４μｍ径の赤色量子ドット含有サブピクセルのアレイを通る緑色発光を示す。 本開示によって提供される色変換層の一例を示す。 本開示によって提供される量子ドットカラーコンバータを製造するために使用されるステップの一例を示す。 本開示によって提供される量子ドットカラーコンバータを製造するために使用されるステップの一例を示す。 本開示によって提供される量子ドットカラーコンバータを製造するために使用されるステップの一例を示す。 本開示によって提供される量子ドットカラーコンバータを製造するために使用されるステップの一例を示す。 本開示によって提供される量子ドットカラーコンバータを製造するために使用されるステップの一例を示す。 本開示によって提供される量子ドットカラーコンバータを製造するために使用されるステップの一例を示す。 サブピクセルのアレイと、異なる色のサブピクセルを含むピクセルとを示す。
本発明の広い範囲を記載する数値範囲およびパラメータは、近似値であるにもかかわらず、特定の例において記載される数値は、できる限り正確に報告される。しかしながら、任意の数値は、それらのそれぞれの試験測定に見られる標準変動、人ごとの変動、および／または日ごとの変動に必然的に生じる特定の誤差を固有に含む。
また、本明細書に列挙される任意の数値範囲は、その中に包含されるすべての部分範囲を含むことを意図していることを理解されたい。例えば、「１～１０」の範囲は、列挙されている最小値１～列挙されている最大値１０（列挙されている値を含む）、すなわち、１に等しいまたは１を超える最小値および１０に等しいまたは１０未満の最大値を有する、すべての部分範囲を含むことが意図される。
「カラーコンバータ」とは、例えば、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイからの光などの入射放射線の波長を、例えば、緑色および赤色の波長範囲内の光などの１つ以上の異なる波長範囲内の発光に変換するように構成された構造を指す。カラーコンバータは、複数のピクセルを含み、複数のサブピクセルを含む色変換層と、パッシベーション層、反射層、クロストーク最小化層、および／または集束層などの１つ以上の他の層とを含む複数の層を含むことができる。
色変換素子とは、複数の量子ドットを含む体積を指す。例えば、色変換素子は、青色光を赤色光および／または緑色光に変換することができる複数の量子ドットを含むことができる。
「赤色波長範囲」は、５６５ｎｍ～６５０ｎｍの波長範囲を指す。
「遠赤色波長範囲」は、６５０ｎｍ～７５０ｎｍの波長範囲を指す。
「緑色波長範囲」は、５１５ｎｍ～５６５ｎｍの波長範囲を指す。
「青色波長範囲」は、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲を指す。
「サブピクセル」は、ディスプレイデバイスの個々にアドレス指定可能な要素を指す。サブピクセルは、色変換素子、および任意選択的に、色変換素子の下にある１つ以上の材料層、および／または色変換素子の上にある１つ以上の材料層を含むことができる。１つ以上の下にある材料層および／または上にある材料層は、１つ以上の機能を果たすことができる。例えば、下にある層は、基板、波長選択フィルタ、またはピクセルとサブピクセルとの間のクロストークを最小限に抑えるように設計された層として機能することができる。上にある材料層は、例えば、パッシベーション層、波長選択フィルタ、またはレンズとして機能することができる。
「ピクセル」は、ディスプレイにわたって繰り返されるサブピクセルのグループを指す。例えば、ピクセルは、２～６個、例えば、２、３、４、５または６個のサブピクセルを含むことができる。ピクセルは、例えば、赤色サブピクセル、緑色サブピクセル、および青色サブピクセルを含むことができる。他の色の組み合わせも可能である。
量子ドット含有サブピクセルは、ディスプレイにおいて広く使用されている。
特定の用途の場合、超高密度量子ドットフルカラーコンバータは、２μｍ未満のピッチでサブピクセルを有する２μｍ未満の厚さであることが望ましい可能性がある。これらの寸法で高い全体的な変換効率を有する量子ドットサブピクセルを製造し、超高密度量子ドットカラーコンバータを堅牢な小型化された光学ディスプレイに統合することは、専門的な材料および処理の使用を必要とする。
光学ディスプレイは、ＬＥＤアレイの上にある量子ドットカラーコンバータを含むことができる。カラーコンバータは、サブピクセルのアレイを含むことができる。特定のサブピクセルは、第１の波長範囲内の入射光を第２の波長範囲内の放出光に変換することができる量子ドットを含むことができる。例えば、ディスプレイの文脈において、入射青色光は、赤色波長範囲の放出光に変換され得、他のサブピクセルは、青色波長範囲の光とともに照射されたときに緑色波長範囲の発光が可能な量子ドットを含むことができ、他のサブピクセルは、青色波長範囲の光に対して透明である。サブピクセルの各々は、ＬＥＤアレイの対応する青色発光ＬＥＤと位置合わせすることができる。
５μｍ未満のサブピクセルピッチを有する光学ディスプレイなどの超高密度光学ディスプレイは、携帯型電子デバイスおよびコンタクトレンズアレイにおいて有用であり得る。光学ディスプレイを組み込んだコンタクトレンズは、例えば、米国出願公開第２０１８／０１４９８８４号に記載されている。超高密度光学ディスプレイ、特にコンタクトレンズ用の光学ディスプレイは、独自の設計要件を提示する。ディスプレイが１秒当たり１ピクセルを超えるピクセル密度において「シャープに見える」ことが周知である（スネレン２０／２０）。スネレン２０／２０は「完璧」な人間の視力ではないが、６０代の大人の平均に近い。視力障害のない若年成人は、２０／１６～２０／１２の視力を有する。スネレン２０／１２は、１００ピクセル／度に対応し、ピクセルサイズにさらなる制約を加える。角度分解能はピクセル／度で定義されるため、ディスプレイが目に近ければ近いほど、所望のスネレン角分解能を達成するためには、ディスプレイのピクセルＰＰＩ（線形インチ当たりのピクセル）が高くなければならない。ＱＬＥＤテレビは、約２メートルの視聴距離に対応するために約１５０μｍのピクセルピッチを有し、量子ドット含有色変換フィルムの厚さは約１５μｍである。携帯電話は、約０．３メートルの視聴距離に対応するために、約５５μｍのピクセルピッチを有する。約０．０４メートルの距離から見たヘッドセット上のディスプレイは、約９μｍのピクセルピッチを有することができる。網膜から約２５ｍｍのコンタクトレンズ上のディスプレイは、コンタクトレンズディスプレイから網膜画像までの３倍の倍率で、約５度の視野にわたる２０／２０の視力のための６０ピクセル／度の測定基準を満たすために、約１．８μｍのピクセルピッチを有するべきである。４つのサブピクセルを含むピクセルの例を図９に示す。
増加したＰＰＩおよびピクセルピッチは、色変換層の要件に影響を与える可能性がある。色変換効率は、特定の色変換されたサブピクセルから放出される赤、緑、または他の波長範囲内の色変換された光子の数を、色変換層に衝突する青色光子または紫外線光子などのポンプ光子の数で割ったものとして定義され、量子ドットと、量子ドットを分離する材料との間の距離に依存する。少数のポンプ光子は、ディスプレイを出て、色純度を彩度減少させ得る。色変換純度は、特定の色変換されたサブピクセルから出る光の純度の尺度であり、色変換された光子の数を、特定の色変換されたサブピクセルから出る色変換された光子およびポンプ光子の両方を含む光子の合計数で割ったものとして定義される。例えば、赤色変換されたサブピクセルの場合、色変換の純度は、赤色サブピクセルから出る赤色光子の数を、同じ赤色サブピクセルに存在する赤色光子の数に青色光子などのポンプ光子の数を足した合計で割ったものとして定義される。色変換効率および色変換純度の両方について、１００％への増加が望ましく、ピクセルサイズおよび厚さが減少するにつれて、両方の測定基準がより困難になる。色変換純度は、特定の量子ドットの光学特性と、色変換フィルム内の量子ドットの密度との強い関数である。ピクセルの幅が、約７５μｍのサブピクセルサイズを有するＱＬＥＤテレビディスプレイのものから、超高密度コンタクトレンズディスプレイのための約２μｍ未満にまで減少すると、１５μｍ厚の量子ドット含有サブピクセルを維持することは非現実的になり、これは高いアスペクト比を有する量子ドット含有サブピクセルを製造することは課題を提示するからである。さらに、コンタクトレンズディスプレイなどの特定の用途では、ディスプレイを可能な限り薄くすることが望ましい。実用的な製造および薄型ディスプレイの目的を満たすために、サブピクセル高さが２μｍ以下であることが望ましい可能性がある。次いで、約５０％を超える許容可能な色変換効率および約８０％を超える許容可能な色変換純度を維持するために、高アスペクト比サブピクセル内の量子ドットの密度を増加させなければならない。しかしながら、量子ドットの実用的な密度は、隣接する量子ドット間のフォースター共鳴エネルギー移動によって制限される可能性があり、これは、フォースター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）の影響を軽減するために、隣接する量子ドットが約５ｎｍ～約１０ｎｍの均一な間隔であることを必要とする。金属側壁などの他のサブピクセル要素へのエネルギー移動もまた、効率を低下させる可能性がある。約１０μｍ未満の総厚さを有するカラーコンバータ、ならびに約２μｍ未満のピッチおよび約２μｍ未満のサブピクセル幅を有する複数のサブピクセルを含む色変換層が、本開示によって提供される。
超高密度カラーコンバータを作成する課題は、高密度量子ドットパッキングを可能にしかつＦＲＥＴを最小限に抑える量子ドット上にコーティングを提供することと、ＲＧＢ（赤／緑／青）サブピクセルに５μｍ未満のピッチで１０，０００よりも大きいＰＰＩを提供することができる構造およびプロセスを開発することと（６．４μｍのピッチは約３，９００ＰＰＩであり、１．３μｍのピッチは約１９，５００ＰＰＩである）、許容可能な暗レベルおよび低サブピクセル間クロストークを有する正確なカラー色域を提供することとを含む。
本開示により提供されるカラーコンバータは、色変換層を含む複数の層を含むことができる。例えば、カラーコンバータは、基板層、基板層の上にある色変換層、色変換層の上にあるパッシベーション層、および任意選択的に反射層およびレンズ層などの追加の層を含むことができる。
色変換層は、複数のサブピクセルを含むことができ、サブピクセルの少なくとも一部は、複数の量子ドットを含む。
ピクセル内の量子ドットの体積分数は、１０％～７０％、１０％～５０％、１０％～４０％など、１０％～３０％、または１０％～２０％であることができる。
色変換層は、例えば、２０μｍ未満、１５μｍ未満、１０μｍ未満、または５μｍ未満の厚さを有することができる。
複数のサブピクセルを含む色変換層は、例えば、０．２ｍｍ２～１０ｍｍ２の面積を有することができる。
色変換層は、例えば、０．２ｍｍ～１．５ｍｍの線形寸法を有することができる。
色変換層の例を図１に示す。図１は、上にあるＬＥＤアレイ１０２に相互接続されたシリコンＣＭＯＳ回路１０１を示す。色変換層１０３は、複数のサブピクセル１０４を含む層と、下にあるパッシベーション層１０５と、上にあるパッシベーション層１０６とからなる。個々のＬＥＤは、個々のサブピクセルに位置合わせされている。ピクセル層１０４は、それぞれ複数の緑色および赤色の量子ドットを含む緑色サブピクセル１０４ａおよび赤色サブピクセル１０４ｂを含み、ＬＥＤアレイ１０２によって放出される青色波長範囲の光を透過するように構成された青色サブピクセル１０４ｃをさらに含む。色変換層１０３は、例えば、２μｍの厚さであることができる。
色変換層は、入射波長範囲内の入射光を１つ以上の放出波長範囲内の放出光に変換するように構成することができる。光学ディスプレイの場合、入射光は、青い波長範囲内にあることができ、複数のサブピクセルは、視覚的表示のための許容可能な色域を提供するように選択することができる。ＲＥＣ２０２０の１００％を生成するように設計された４色ディスプレイは、例えば、赤色、緑色、青色、およびシアンのサブピクセルを含むことができる。ナイトビジョンを保存するように設計された４色ディスプレイは、約７２０ｎｍを超えるピーク放出波長を有する深赤色（ＤＲ）サブピクセルを追加し得る。
特定の用途の場合、本開示によって提供されるカラーコンバータが４５５ｎｍの青色光から８０％を超える緑色光または赤色光への量子変換効率を示すこと、緑色サブピクセルおよび赤色サブピクセルが緑色サブピクセルおよび赤色サブピクセルを通して２％未満の青色漏れを有すること、層厚が２μｍ未満であること、サブピクセルが３．３μｍ以下のピッチで配置されること、隣接するサブピクセル間のクロストークまたは消滅比は１０００：１未満になり得ること、ならびに色変換層が、有用な時間枠にわたって密封を提供するように構成されたＳｉＯ２シーラント技術および他の誘電体フィルムと適合性があること、が望ましい可能性がある。
特定の色変換層では、ＬＥＤアレイからの青色光は、青色透過性サブピクセルを通して透過され得る。特定のカラーコンバータでは、ＬＥＤは、４００ｎｍ～４３０ｎｍの波長範囲で発光することができ、青色のサブピクセルは、４００ｎｍ～４３０ｎｍの波長範囲で吸収し、かつ例えば、４５０ｎｍ～４９０ｎｍの青色の波長範囲で発光することができる複数の量子ドットを含むことができる。
特定のカラーコンバータでは、ＬＥＤアレイは、近紫外線波長範囲、例えば、３００ｎｍ～４００ｎｍ、または他の好適な波長範囲で発光することができる。
特定のカラーコンバータでは、ＬＥＤアレイは、例えば、７８０ｎｍ～１７００ｎｍの近赤外波長範囲、または他の好適な波長範囲で発光することができ、量子ドットは、複数の低エネルギー光子を吸収し、所望の可視波長にアップコンバートすることができる。
特定の色変換層では、複数のサブピクセルのすべてまたは一部は、６５０ｎｍ～７５０ｎｍなどの赤色から近赤外線波長範囲で発光することができる量子ドットを含むことができる。近赤外線ディスプレイは、夜間視覚用途に有用である可能性がある。
色変換層は、複数のピクセルを含むことができる。例えば、色変換層は、１，０００～１，０００，０００ピクセル、５，０００～５００，００ピクセル、または１０，０００～１００，０００ピクセルを含むことができる。色変換層は、例えば、１，０００を超えるピクセル、５，０００を超えるピクセル、１０，０００を超えるピクセル、１００，０００を超えるピクセル、または１，０００，０００を超えるピクセルを含むことができる。
色変換層は、単一の色で発光するピクセルを含むことができるか、またはサブピクセルのグループを含むことができ、サブピクセルの各グループが異なる波長範囲内で発光する。異なる波長範囲内で発光するサブピクセルのグループの任意の好適な数を使用することができる。４つのサブピクセルを含むピクセルの例が、図９に示されており、サブピクセルは赤色、緑色、青色、およびシアンの波長範囲で発光する。図９は、六角形のサブピクセル９０１のアレイを示す。ピクセル９０２は、赤いサブピクセル９０１ａ、シアンのサブピクセル９０１ｂ、緑のサブピクセル９０１ｃ、および青のサブピクセル９０－１ｄを含む。
複数のサブピクセルは、第１の波長範囲内の入射光を、１つ以上の波長範囲内の放出光に変換するように構成することができる。例えば、入射光は、青色の波長範囲にあることができ、放出光は、赤色、緑色、深赤色、および青色の波長範囲にあることができる。
複数のサブピクセルはまた、入射ポンプ波長がサブピクセルから直接放出されるように、任意の色変換層なしで構成することができる。例えば、図９を参照すると、青色のサブピクセルは、青色のポンプＬＥＤによって放出される青色の光を含むことができるか、または青色の発光量子ドットを含むサブピクセルの青色の発光であることができる。
サブピクセルは、例えば、１μｍ～４μｍ、１μｍ～３μｍ、または１μｍ～２μｍの最大面内寸法を有することができる。
サブピクセルは、例えば、５μｍ未満、４μｍ未満、３μｍ未満、２μｍ未満、または１μｍ未満の最大面内寸法を有することができる。
サブピクセルは、例えば、０．５μｍ～４μｍ、０．５μｍ～４μｍ、０．５μｍ～３μｍ、または０．５μｍ～２μｍの深さを有することができる。
サブピクセルは、例えば、０．５μｍ～３μｍの高さおよび０．５μｍ～３μｍの幅、１μｍ～３μｍの高さおよび１μｍ～３μｍの幅、または１μｍ～２μｍの高さおよび１μｍ～２μｍの幅を有することができる。
サブピクセルは、最大面内寸法と同じまたはそれより大きい深さを有することができる。
サブピクセルは、例えば、１２：１～１：１２、１０：１～１：１０、８：１～１：８、６：１～１：６、４：１～１：４、３：１～１：３、２：１～１：２、または１．５：１～１：１．５のアスペクト比を有することができる。
サブピクセルは、例えば、１：１を超える、２：１を超える、４：１を超える、６：１を超える、８：１を超える、１０：１を超える、または１２：１を超えるアスペクト比（高さ：幅）、を有することができる。サブピクセルは、例えば、１２：１未満、１０：１未満、８：１未満、５：１未満、４：１未満、３：１未満、２：１未満、１：１未満、０．５：１未満、または０．２：１未満のアスペクト比（高さ：幅）を有することができる。
サブピクセルは、例えば、０．１μｍ３～７０μｍ３、１μｍ３～６４μｍ３、３μｍ３～４０μｍ３、６μｍ３～５０μｍ３、または１０μｍ３～４０μｍ３の体積を有することができる。サブピクセルは、例えば、７０μｍ３未満、６０μｍ３未満、５０μｍ３未満、４０μｍ３未満、３０μｍ３未満、２０μｍ３未満、１０μｍ３未満、または１μｍ３未満の体積を有することができる。
サブピクセルは、１０：１～２：１、８：１～２：１、６：１～２：１、または４：１～２：１のアスペクト比（高さ：幅）と、０．５μｍ～３μｍ、または１μｍ～３μｍの高さとを有することができる。
サブピクセルは、１０：１～２：１、８：１～２：１、６：１～２：１、または４：１～２：１のアスペクト比（高さ／幅）と、１μｍ～３μｍ、または１μｍ～２μｍの幅とを有することができる。
サブピクセルは、１６：１～４：１、１２：１～４：１、１０：１～４：１、８：１～４：１または６：１～４：１のアスペクト比（高さ／幅）と、０．５μｍ～３μｍ、または１μｍ～３μｍの高さとを有することができる。
サブピクセルは、１６：１～４：１、１２：１～４：１、１０：１～４：１、８：１～４：１、または６：１～４：１のアスペクト比（高さ／幅）と、１μｍ～３μｍ、または１μｍ～２μｍの幅とを有することができる。
これは、テレビディスプレイで使用される２０μｍピッチ量子ドットＬＥＤの場合の約１：２のアスペクト比（高さ／幅）と比較される。
サブピクセルは、任意の好適な断面プロファイルを有することができる。例えば、サブピクセルは、正方形断面プロファイル、六角形断面プロファイル、または円形断面プロファイルを有することができる。
サブピクセルは、例えば、０．５μｍ～１０μｍの幅を有することができ、サブピクセル面積は、例えば、０．２μｍ２～３０μｍ２であることができる。
サブピクセルは、無機材料または有機材料などの材料によって境界付けられることができる。
サブピクセルを境界付ける材料は、赤、緑、青の波長範囲の放射線などの可視放射線に対して非吸収性であり、その後の処理温度に耐え、および／または赤、緑、青の波長範囲の放射線を反射するように、選択することができる。
好適な無機材料の例は、半導体、金属および金属合金を含む。例えば、サブピクセルを境界付ける材料は、アルミニウムを含むことができる。
好適な有機材料の例は、ポリマー、ポリマー複合体、熱伝導性ポリマー複合体、または導電性ポリマー複合体を含む。
サブピクセルは、アルミニウム薄膜内の空洞などの、薄膜内の空洞または十分に画定された空洞を含むことができる。
サブピクセルは、隣接するサブピクセル間の空間が材料で充填される、基板上に堆積または構築された特徴を含むことができる。サブピクセルは、例えば、化学エッチングなどの化学ベースのプロセス、イオンミリングなどの物理ベースのプロセス、またはプラズマエッチングなどのそれらの組み合わせを含む除去プロセスによって作成される空洞によって画定することができる。サブピクセルは、例えば、電気化学的メッキなどの化学ベースのプロセス、物理的蒸着、蒸発、またはスパッタリングなどの物理ベースのプロセス、または原子層堆積、化学的蒸着、もしくレーザー誘導メッキなどのそれらの組み合わせを含む、積層プロセスによって作成された空洞によって画定することができる。
複数のサブピクセルは、共通の基板上に配設された複数の色変換素子を含むことができる。例えば、共通の基板は、アルミニウム層であることができる。色変換素子は、アルミニウム基板内の空洞またはウェルとして画定することができ、その結果、側壁はアルミニウムを含む。サブピクセルの底部は、青色発光ＬＥＤによるサブピクセルの照射を可能にするための青色透過性材料などの透過性材料を含むことができる。色変換素子は、基板と色変換素子間の材料とによって画定することができる。基板および分離材料は、同一または異なることができる。
サブピクセルは、垂直側壁または非垂直側壁を有することができる。側壁は、前方光散乱を容易にするように構成することができる。側壁は、ＬＥＤからの光に対して反射的である、および／またはサブピクセル内の量子ドットによって放出される光に対して反射的であるように構成することができる。
サブピクセルの側壁は、サブピクセルによって放出／透過された光の、遠くにファイルされた放出パターを制御するために、光を反射、散乱、および／またはガイドするように構成され得る。例えば、サブピクセル側壁は、量子ドットの励起波長での光および／または量子ドットによって放出される光を反射またはガイドすることができるように構造化することができる。これは、励起波長および発光波長において異なる屈折率を有する材料でサブピクセルの側壁をコーティングすることによって達成することができる。
サブピクセルは、第１の波長範囲内の入射光を第２の波長範囲内の光に変換するように構成することができる。他のサブピクセルは、サブピクセルを通して光を透過するように構成することができる。これは、図１に示され、サブピクセル１０４ａおよび１０４ｂは、青色光を緑色光および赤色光にそれぞれ変換し、ピクセル１０４ｃは、青色光を透過する。
色変換サブピクセルは、複数の量子ドットを含むことができる。透過サブピクセルは、入射放射線を吸収しない材料を含むことができる。
透過サブピクセルは、色変換サブピクセルの発光パターンに類似するように透過パターンを修正するように構成された材料を含むことができる。
量子ドットは、量子拘束効果により電気的特性および光学的特性がバルク特性と異なるサイズ、組成、および構造を有する半導体材料である。量子ドットの蛍光は、光吸収による価電子の励起、続いて励起された電子が接地状態に戻るときに、より低いエネルギー波長での発光から生じる。量子拘束は、量子ドットのサイズ、組成、および構造に応じて、価電子帯と伝導帯との間のエネルギー差を生じさせる。例えば、量子ドットが大きいほど、その蛍光スペクトルのエネルギーは低くなる。量子ドットのフォトルミネッセンス発光波長は、鋭い発光スペクトルを有することができ、高い量子効率を示す。
量子ドットは、例えば、好適な波長または波長の範囲における光を変換し、選択された波長の光を吸収し、および／または１つの形態のエネルギーを別の形態に変換することができる、ロッド、ディスク、プロレートスフェロイド、および結晶性、多結晶性、または非晶質ナノ粒子などの任意の好適な幾何学形状を有することができる。
量子ドット半導体材料の例は、例えば、ＩＩ－ＶＩ族、ＩＩＩ－Ｖ属、ＩＶ－ＶＩ属半導体材料を含む。好適な量子ドット材料は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、およびＡｌＳｂを含む。好適な量子ドット材料の他の例は、ＩｎＧａＰ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳｅ、およびＣｄＳｅＳを含む。マルチコア構造も可能である。マルチコア量子ドット構成の例は、半導体コア材料を有する量子ドット、コアを酸化から保護し、格子マッチングを容易にする薄い金属層、および発光特性を強化するシェルを含む。コアおよびシェル層は、同じ材料から形成することができ、例えば、列挙された半導体材料のいずれかから形成され得る。金属層は、ＺｎまたはＣｄを含むことができる。量子ドットのコアは、量子ドットの性能および／または信頼性を向上させるために、コア－シェル境界面において通常発生する格子ミスマッチをより長い距離にわたって分布させるように構成されたグレード化された組成物を含むことができる。例えば、量子ドットは、コア－シェル格子ミスマッチを分布させる、および／またはエキシトン閉じ込めおよび／または電子ホール分布を制御する、および／または環境を改善するための層を追加する目的で、複数のシェルを含むことができる。
量子ドットは、例えば、１ｎｍ～１０ｎｍ、例えば、１ｎｍ～８ｎｍ、１ｎｍ～６ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、または２ｎｍ～４ｎｍの直径を有することができる。
複数の量子ドットは、０．８ ＰＤＩ未満、例えば０．７ ＰＤＩ未満、０．６ ＰＤＩ未満、０．５ ＰＤＩ未満、０．４ ＰＤＩ未満、または０．３ ＰＤＩ未満の多分散度（ＰＤＩ）を有することができる。複数の量子ドットは、例えば、０．１～０．８、０．２～０．７、または０．３～０．６のＰＤＩを有することができる。ＰＤＩは、光散乱を使用して決定することができる。例えば、動的光散乱ＤＬＳは、一般的に使用される方法である。使用環境における量子ドットの見かけのサイズに関してより正確な結果を与えることができる別の方法は、サイズ排除クロマトグラフィーである。
ＦＲＥＴを最小限に抑える量子ドット間の分離を維持するために、量子ドットは、連続または不連続であることができる外層を含むことができる。量子ドットの外層は、所望の電子特性を提供すること、および／または所望の化学特性を提供することなどの１つ以上の追加の機能を果たすことができる。量子ドットは、概して、さらなるシェルを堆積させることができる初期外側シェルを有し、量子ドットの表面は、量子ドットが環境と相互作用する方法をさらに修正する有機分子などのリガンドを含むことができる。望ましくない非放射性エネルギー移動の低減は、高バンドギャップの外側コーティングを使用して、および／または量子ドット間の最小間隔を確立するようにリガンドを設計することによって実現され得る。
量子ドットコーティングは、例えば、１ｎｍ～６ｎｍの平均厚さを有することができる。
外部量子ドット層は、コーティングを含むことができ、コーティングは、単一の層または複数の層を含むことができる。
量子ドットコーティングは、波長選択性コーティングを含むことができる。例えば、波長選択性コーティングは、青色波長範囲の光を透過し、赤色または緑色の波長範囲の光を透過するように構成することができる。
量子ドットは、反応性コーティングを含むことができる。反応性コーティングは、相補的な反応性官能基と共反応することができる未反応の反応性官能基を含むことができる。
例えば、半導体シェルは、量子ドットの半導体コアを保護および不動態化するために半導体コア上に成長させることができる。半導体シェルは、コア放出効率および安定性を向上させる。多層構造も可能である。多層構造の例は、コア上に成長した第１のシェル材料、続いて発光特性を向上させるための第２のシェル材料などを含む。シェルは、量子ドットからの発光スペクトルとは異なる特定のスペクトルで光を吸収するように機能し得る。
量子ドットは、コア－シェル格子ミスマッチの分配、エキシトン閉じ込めの制御、電子ホール分布の制御、および／または環境堅牢性の改善の目的で、複数のコーティングを含むことができる。
外層は、例えば、金属酸化物コーティングを含むことができる。実施形態による好適な金属酸化物コーティングは、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＮｉＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＷＯ３、ＳｎＯｘ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ５、ＭｏＯ３、ＲｅＯ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＢｉＶＯ４、およびＳｒＴｉＯ３を含む。
量子ドットはまた、有機リガンド、および／または量子ドット半導体コアの表面もしくは量子ドット半導体コアを囲むコーティングに結合された有機リガンドを含むことができる。リガンドは、量子ドットに、または量子ドットの外面のコーティングに直接結合することができる。
量子ドットは、リガンドまたはリガンドの組み合わせを含むことができる。リガンドまたはリガンドの組み合わせは、１つ以上の目的を果たすことができる。例えば、リガンドは、量子ドットの凝集を最小限に抑え、隣接する量子ドット間の間隔を提供し、保護外面を提供し、および／またはピクセルの他の成分と反応可能な反応性官能基を提供することができる。
リガンドは、一方の末端が量子ドットの表面に共有結合されている直鎖または分枝鎖分子を含むことができる。
量子ドットは、シェルが金属酸化物、金属硫化物、または金属リン化物であり得るコア／シェル構成を有することができ、量子ドットシェルの表面と非共有結合的に配位する有機リガンドまたはハイブリッド有機リガンドの１つ以上の層を有することができる。
量子ドットは、間隔リガンドを含む外面を含むことができる。サブピクセル内に組み立てられたとき、隣接する量子ドットが、ＦＲＥＴを最小限に抑える間隔を維持するように、間隔リガンドを選択することができる。例えば、間隔リガンドは、隣接する量子ドット間の１ｎｍ～１０ｎｍの間隔、隣接する量子ドット間の２ｎｍ～８ｎｍ、３ｎｍ～７ｎｍ、または４ｎｍ～６ｎｍの間隔を維持することができる。間隔リガンドは、２ｎｍを超える、３ｎｍを超える、４ｎｍを超える、５ｎｍを超える、６ｎｍを超える、７ｎｍを超える、または８ｎｍを超える、隣接する量子ドット間の平均分離を維持するように選択することができる。
リガンドは、反応性リガンドを含むことができる。反応性リガンドは、１つ以上の化学反応性官能基を含むことができる。反応性リガンドは、量子ドット、量子ドットに結合した別のリガンド、または量子ドット上の外部コーティングに結合、例えば、共有結合することができる。
反応性リガンドは、例えば、別の量子ドットの相補的官能基と反応するように、結合剤の相補的官能基と反応するように、および／または有機もしくは無機粒子に結合したリガンドの相補的官能基と反応するように構成することができる。
反応性官能基は、紫外線（ＵＶ）放射線などの化学線、または青色波長範囲の放射線への曝露時に反応するように選択することができる。
化学線への曝露時に反応する化学物質の例は、チオール／チオレン、チオール／チオリン、および（メタ）アクリロイル／（メタ）アクリロイルなどの特定のマイケル受容体を含む。したがって、反応性官能基は、チオール、アルケニル、アルキニル、および（メタ）アクリロイル基から選択することができる。
反応性リガンドは、熱放射に曝露されると、相補的官能基と反応することができる。熱活性化硬化化学は、チオール／エポキシおよびチオール／マイケル受容体化学を含む。
反応性リガンドの例は、アミノ末端化アクリレート、カルボキシ末端化アクリレート、スルフヒドリル末端化アクリレート、アルケニル末端化アクリレート、およびチオール末端化アクリレートを含む。
リガンドは、量子ドットと反応可能な１つ以上の官能基を含むことができる。
非反応性リガンドは、量子ドットに共有結合することができる１つ以上の官能基を含むことができ、非反応性リガンドの他端は、サブピクセルの他の構成要素と反応することができない１つ以上の化学部分を含むことができる。
反応性リガンドは、量子ドットに共有結合可能な１つ以上の官能基を含むことができ、反応性リガンドの他端は、サブピクセルの１つ以上の他の構成要素と反応可能な１つ以上の化学部分を含むことができる。
リガンドは、例えば、隣接する量子ドット間、量子ドットとサブピクセルの側壁との間、ならびに／またはサブピクセル内の量子ドットと有機および／もしくは無機粒子との間の接着を促進するように構成することができる。
好適な接着促進剤の例は、有機官能性アルコキシシランを含む。
リガンドは、サブピクセル側壁と量子ドットとの間の最小距離を制御するように構成することができる。
本開示により提供されるサブピクセルは、高密度の量子ドットを含むことができる。例えば、サブピクセルは、１０体積％～５０体積％の量子ドット、１５体積％～４５体積％、２０体積％～４０体積％、または２５体積％～３５体積％の量子ドットを含むことができ、ここで、体積％は、サブピクセルの総体積に基づく。サブピクセルは、例えば、１０体積％を超える量子ドット、１５体積％を超える、２０体積％を超える、２５体積％を超える、３０体積％を超える、３５体積％を超える、４０体積％を超える、または４５体積％を超える量子ドットを含むことができ、ここで、体積％は、サブピクセルの総体積に基づく。
サブピクセルは、例えば、５０体積％未満の量子ドット、４５体積％未満、４０体積％未満、３５体積％未満、３０体積％未満、２５体積％未満、２０体積％未満、または１５体積％未満の量子ドットを含むことができ、ここで、体積％は、サブピクセルの総体積に基づく。
サブピクセル内の複数の量子ドットは、ランダムにパックまたは立方体格子などの規則的な格子にパックすることができ、立方体格子は、単純な立方体に加えて、ｂｃｃおよびｆｃｃパッキング幾何学形状、四面体格子、またはｈｃｐを含む六角形システムを含む。ｂｃｃおよびｆｃｃ構造は、単純な立方体の相互貫通ケースと見なすことができるが、これらは、ＱＤがすべて同じではない場合、特にコア－シェル構造が同じであるが、リガンド構造が異なる場合を含むように本明細書で言及される。例えば、サブピクセルは、２つ以上の異なるリガンド構造を有する量子ドットを含むことができ、１つのリガンド構造は、例えば、サブピクセルの壁と相互作用するように構成することができ、別のリガンド構造は、例えば、量子ドット機能を最適化するように構成することができる。
サブピクセルは、複数の量子ドットの各々が同じである複数の量子ドットを含むことができる。例えば、類似の量子ドットは、同じ半導体材料を含むことができ、同じ外部組成を有することができる。
サブピクセルは、量子ドットのうちの少なくともいくつかが複数の量子ドットのうちの他のものと異なる複数の量子ドットを含むことができる。そのような実施形態では、複数の量子ドットは、同じ半導体材料を有し、同じ平均直径を有し、異なる外側コーティングを有することができる。例えば、第１の複数の量子ドットは、第１の反応性官能基を含むリガンドまたはコーティングを含むことができ、第２の複数の量子ドットは、第２の反応性官能基を含むリガンドまたはコーティングを含むことができる。第１の反応性官能基は、第２の官能基と反応性であることができる。
サブピクセルは、例えば、結合剤、有機粒子、および／または有機粒子を含むことができる。
結合剤は、量子ドットを保持するためのマトリックスを提供するように選択することができる。
結合剤は、複数の量子ドット間にインターカレート可能な材料として提供することができる。
結合剤は、量子ドットよりも平均直径が小さい粒子などの粒子として提供することができる。
結合剤は、熱硬化性組成物または熱可塑性組成物を含むことができる。熱硬化性結合剤は、サブピクセル空洞に量子ドット含有組成物を充填することを容易にするために、低い初期粘度を有することができる。硬化後、結合剤は、カラーコンバータをディスプレイの他の構成要素と統合するために半導体処理方法を使用することを容易にするために、高い劣化温度を有することができる。
量子ドット含有組成物を堆積させ、大気酸素への曝露によって引き起こされる量子ドットの劣化を最小限に抑えるために、真空または不活性雰囲気下で硬化させることができる。
サブピクセルは、有機粒子および／または無機粒子を含むことができる。
有機粒子は、例えば、スペーサーおよび／または結合剤として機能することができる。有機結合剤粒子は、例えば、サブピクセル内の量子ドットまたは他の粒子上の官能基と反応可能な反応性官能基を含むことができる。
有機粒子は、任意の好適な有機材料から形成することができる。
高温に耐えるように有機粒子を選択することができる。好適な高温ポリマーの例は、テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレンＥＣＴＦＥ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、フタロニトリル、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフタラミド（ＰＰＡ）、ＰＴＦＥ高温ナイロン、および上記のいずれかの組み合わせを含む。
有機粒子は、例えば、桂皮酸系ポリアクリレート、ｐ－ヒドロキシ桂皮酸（４ＨＣＡ）、フェルラ酸（ＭＨＣＡ）、カフェイン酸（ＤＨＣＡ）、４－アミノ桂皮酸（４ＡＣＡ）などの桂皮酸誘導体に由来するポリエステル系、またはシクロブタンテトラカボキシル酸二無水物およびアミノ桂皮酸誘導体に由来するポリイミド系を含むことができる。
熱応力に耐えるサブピクセルの能力を容易にするために、有機粒子を選択することができる。好適なエラストマーポリマーの例は、ポリエーテル、ポリブタジエン、フルオロエラストマー、ペルフルオロエラストマー、エチレン／アクリルコポリマー、エチレンプロピレンジエンターポリマー、ニトリル、およびポリチオラミン、ならびに前述のいずれかの組み合わせを含む。
無機粒子は、量子ドットの吸収断面を増強し、それによって量子ドットの波長変換効率を改善するように構成することができる。例えば、効率を高める無機粒子は、銀または金を含むことができる。波長変換効率向上粒子は、固体銀もしくは金粒子を含むことができるか、または銀もしくは金コーティングを有する固体有機もしくは無機粒子を含むことができる。
青色光などの入射放射線を反射する粒子は、サブピクセル内の入射放射線の内部反射を増加させることにより、サブピクセルを通る入射光の透過を減少させることもできる。
サブピクセルは、複数の量子ドットが埋め込まれた有機マトリックス材料を含むことができる。マトリックス材料は、熱硬化物などの架橋性材料を含むことができる。マトリックス材料は、最初に低粘度を有することができ、例えば、熱エネルギーまたは紫外線などの化学線に曝露されると硬化可能であることができる。マトリックス材料は、量子ドット、スペーサー粒子、サブピクセルの他の成分、および／またはサブピクセル側壁上の反応性リガンドと化学反応することができる化合物を含むことができる。
半導体の処理条件を含む後続の処理に対して、マトリックス材料が安定であることが望ましい可能性がある。
サブピクセルは、放射線を透過するように構成することができる。例えば、色変換サブピクセルは、青い波長範囲で放射することができる。非色変換サブピクセルは、青色光を透過するように構成することができ、例えば、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの青色波長範囲の放射線に対して透過性の材料を含むことができる。青色透過性サブピクセルは、例えば、二酸化ケイ素粒子または二酸化ケイ素薄膜などの二酸化ケイ素を含むことができる。粒子は、色変換サブピクセルのものと同様の発光パターンと同様の透過パターンを生成するように構成することができる。
サブピクセルの変換効率は、量子ドットの変換効率および幾何学的要因に依存することができる。
例えば、変換効率は、（１）入射励起放射線の幾何学的パターン、（２）吸収、反射、および入口の幾何学的形状を含むサブピクセルへの入口界面での損失、（３）サブピクセル側壁およびバルクマトリックス材料による励起放射線の吸収および散乱、（４）励起波長での量子ドットの吸収断面、（５）非放射性プロセスに対する量子ドットの効率、（６）例えば、量子ドットの形状および組成に依存することができる量子ドットの発光パターン、（７）励起波長と発光波長との間のエネルギー差、（８）サブピクセル内の光の再循環であって、サブピクセルのいずれかの端部へのコーティングの効果と、量子ドットによる再吸収とを含む再循環、および（９）偶然にも最も重要な要因の１つである、サブピクセルの出口からの発光分布、によって決定することができる。
量子ドットの変換効率は、例えば、局所加熱、熱伝導、熱放散、材料吸収、量子ドットの漂白、ならびに／または量子ドット内の欠陥の作成および／もしくは活性化などの要因に依存することができる。
複数のサブピクセルは、任意の好適な構成を有することができる。例えば、複数のサブピクセルは、正方行列、三角行列、六角行列、または他の規則的な行列パターンとして構成することができる。
複数のサブピクセルの特定のサブピクセルは、複数のサブピクセルの他のサブピクセルに対して異なる高さおよび／または幅を含む異なる寸法を有することができる。異なる強度または飽和を有するサブピクセルを提供するために、異なるサブピクセル寸法を使用することができる。
複数のサブピクセルは、例えば、規則的なアレイ、規則的なパターン、または不規則なパターンの形態で構成することができる。
複数のサブピクセルは、サブピクセルの１つ以上のグループを含むことができ、サブピクセルの１つ以上のグループの各々が、異なる波長で放射線を放出または透過する。
複数のサブピクセルは、例えば、青い波長範囲の放射線を提供することができるサブピクセルのグループ、緑の波長範囲の放射線を提供することができるサブピクセルのグループ、および赤の波長範囲の放射線を提供することができるサブピクセルのグループを含むことができる。
赤色および緑色の波長範囲で放射線を提供することができるサブピクセルのグループは、青色の波長範囲で入射放射線を変換することができる複数の量子ドットを含むことができる。青色波長範囲の放射線を提供することができるサブピクセルは、青色放射線に対して透過性であることができる。
複数のサブピクセルは、例えば、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲の青色光を照射したときに、５１５ｎｍ～５６５ｎｍの波長範囲の放射線を放出することができる複数の量子ドットを含むサブピクセルのグループを含むことができる。
複数のサブピクセルは、例えば、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲の青色光を照射したときに５９５ｎｍ～６３５ｎｍの波長範囲の放射線を放出することができる複数の量子ドットを含むサブピクセルのグループを含むことができる。
複数のサブピクセルは、例えば、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲の青色光を照射したときに、４５０ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲の放射線を放出することができる複数の量子ドットを含むサブピクセルのグループを含むことができ、励起波長の長い波長尾部の２σ点は、発光波長未満である。
複数のサブピクセルは、例えば、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲の青色光を照射したときに、６５０ｎｍ～７５０ｎｍの波長範囲の放射線を放出することができる複数の量子ドットを含むサブピクセルのグループを含むことができる。
複数のサブピクセルは、例えば、４７０ｎｍ～６２０ｎｍの波長範囲の青色光を照射したときに６５０ｎｍ～７５０ｎｍの波長範囲の放射線を放出することができる複数の量子ドットを含むサブピクセルのグループを含むことができる。
複数のサブピクセルは、例えば、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの青色波長範囲の光を透過可能な複数の量子ドットを含むサブピクセルのグループを含むことができる。
例えば、複数のサブピクセルは、サブピクセルの第１のグループを含むことができ、サブピクセルの第１のグループの各サブピクセルは、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲内の青色光で照射されたときに５１５ｎｍ～５６５ｎｍの緑色波長範囲内の波長で発光することができる第１の複数の量子ドットを含み、サブピクセルの第２のグループを含むことができ、サブピクセルの第２のグループの各サブピクセルは、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲内の青色光で照射されたときに５９５ｎｍ～６３５ｎｍの赤色波長範囲の波長で発光することができる第２の複数の量子ドットを含み、サブピクセルの第３のグループを含み、サブピクセルの第３のグループの各サブピクセルは、４００ｎｍ～４２５ｎｍの波長範囲の紫外線を４５０ｎｍ～４７５ｎｍの青色波長範囲に変換することができる第３の複数の量子ドットを含む。
サブピクセルの各グループは、サブピクセルの別のアレイと同じまたは異なることができるアレイで独立して構成することができる。
複数のサブピクセルのサブピクセルの各グループは、ディスプレイを提供するのに適した任意の好適なタイル配置で構成することができる。フルカラーディスプレイを提供するために、サブピクセルのアレイを交互配置することができる。
カラーコンバータを形成する複数のサブピクセルの特定のサブピクセルは、量子ドットを含まない場合がある。量子ドットのないサブピクセルは、入射放射線を別の波長に変換せず、青い波長範囲の光などの光をサブピクセルを通して透過させることを意図している。そのようなサブピクセルは、例えば、９０％を超える透過性、９５％を超える透過性、または９９％を超える透過性などの、青い波長範囲の光に対して透過性である有機材料を充填することができる。
カラーコンバータは、例えば、１０サブピクセル～１，０００，０００サブピクセル、例えば１００サブピクセル～７５０，０００サブピクセル、１，０００サブピクセル～５００，０００サブピクセル、または１０，０００サブピクセル～１００，０００サブピクセルなどを含むことができる。カラーコンバータは、例えば、１０個を超えるサブピクセル、１，０００個を超えるサブピクセル、１０，０００個を超えるサブピクセル、１００，０００個を超えるサブピクセル、５００，０００個を超えるサブピクセル、または１，０００，０００個を超えるサブピクセルを含むことができる。カラーコンバータは、例えば、２，０００，０００未満のサブピクセル、１，０００，０００未満のサブピクセル、５００，０００未満のサブピクセル、１００，０００未満のサブピクセル、１０，０００未満のサブピクセル、１，０００未満のサブピクセル、または１００未満のサブピクセルを含むことができる。
カラーコンバータは、ＰＰＩ（ピクセル毎リニアインチ）、例えば１００ＰＰＩ～５０，０００ＰＰＩ、１，０００ＰＰＩ～５０，０００ＰＰＩ、５，０００ＰＰＩ～５０，０００ＰＰＩ、または１０，０００ＰＰＩ～５０，０００ＰＰＩを有することができる。
カラーコンバータは、ＰＰＩ、例えば、１００ＰＰＩ～５，０００ＰＰＩ、２００ＰＰＩ～５，０００ＰＰＩ、または５００ＰＰＩ～５，０００ＰＰＩを有することができる。
１０μｍ未満の厚さおよび１０，０００を超えるＰＰＩを有するカラーコンバータが、本開示により提供される。
これを達成するために、カラーコンバータは、有色サブピクセルの青色光の透過を最小限に抑えたシングルパスデバイスであることが望ましい。例えば、青色光で照射される赤および緑色のサブピクセルについては、サブピクセルが波長選択フィルタを含まず、各サブピクセルを透過する青色光が９５％の色変換純度（９５の赤色光子を９５の赤色光子＋５の青色光子で割ったもの）に相当する５％未満であり、かつ発光分布が比較的狭いことが望ましい。全体効率の大幅な向上は、発光角度を狭めることによって達成することができる。例えば、半球状のエミッタは、６ｓｒをわずかに超えて放射される。６６°の含まれる角度を有する発光円錐は、１ｓｒに対する。
本開示によって提供されるカラーコンバータの統合を容易にするために、使用される材料は、２００℃を超える温度などの半導体処理温度に耐えることが望ましい。
しかしながら、サブピクセルが、量子ドットおよび有機マトリックス材料上のコーティングおよび／またはリガンドなどの有機材料を含む限り、サブピクセルは、半導体処理温度に耐えることができない場合がある。それにもかかわらず、より高い温度に耐えることができる有機材料が所望される。
カラーコンバータは、複数のサブピクセルおよび１つ以上の追加の層を含む色変換層を含むことができる。
カラーコンバータは、色変換層の下に基板を含むことができる。基板は、色変換層を製造するために使用される犠牲層であることができる。基板は、半導体基板または金属基板などの無機基板を含むことができる。
カラーコンバータは、色変換層の上にパッシベーション層を含むことができる。パッシベーション層は、後続の処理ステップの間、色変換層を平面化する、および／または色変換層を保護する役割を果たすことができる。
カラーコンバータは、色変換層の上および／または色変換層の下にある波長選択領域を含むことができる。波長選択領域は、例えば、ブラッグ反射器を含むことができる。下にある波長選択領域は、青色光を透過し、緑色または赤色光を反射するように構成することができる。上にある波長選択領域は、赤色または緑色の光を透過し、青色の光を反射するように構成することができる。
波長選択層を含むカラーコンバータの例を図２に示す。図２に示されるカラーコンバータは、透明層２０１、剥離層２０２、緑色サブピクセル２０４ａ、赤色サブピクセル２０４ｂ、および青色サブピクセル２０４ｃを含む色変換層２０４の下にある第１の波長選択領域２０３、パッシベーション層またはシール層２０５、およびパッシベーション層２０５の上にある第２の波長選択領域２０６を含む。透明層２０１は、例えば、サファイアを含むことができ、剥離層２０２は、例えば、ＧａＮまたはＳＯＩを含むことができる。
第１の波長選択領域２０３は、例えば、第１の波長範囲内の青色光を透過させ、緑色光および赤色光を反射させるように構成することができる。第２の波長選択領域２０５は、第１の波長範囲内の青色光を反射し、第２の波長範囲内の緑色光、赤色光、および青色光を透過するように構成することができる。色変換層およびピクセルは、例えば０．５μｍ～２μｍの厚さを有することができる。
色変換層は、個々のサブピクセル間にアルミニウムまたは他の金属を含むことができる。
第２の波長選択領域は、異なるサブピクセルにわたって異なる特性を有することができる。例えば、緑色および赤色のサブピクセルの上にある第２の波長選択領域の横方向部分は、入射した青色放射線を反射し、量子ドット含有サブピクセルによって放射された緑色および赤色の放射線を透過するように構成することができる。青色サブピクセルの上にある第２の波長選択領域の横方向部分は、入射した青色放射線を透過するように構成することができるか、または存在しない場合があり、青色サブピクセルの上にある領域は、ＳｉＯ２などの光透過性材料で充填される場合がある。
色変換層の上にある波長選択領域は、例えば、４６０ｎｍ未満の波長で光を反射するように構成することができる。
波長選択領域は、ブラッグ反射器を含むことができ、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物、およびアルミニウム酸化物などの材料の任意の好適な組み合わせを使用して製造される。
波長選択領域は、色変換層によって放出および／または透過される光の分散を低減するように構成された表面を含むことができる。
カラーコンバータは、複数のレンズを含む、上にあるレンズアレイを含むことができる。複数のレンズは、それぞれのサブピクセルと位置合わせすることができ、ピクセルから放射される放射線の分散を狭めるように構成することができる。好適なナノ構造化表面の例は、表面プラズモン強化放出を強化するように構成されたナノメートル厚の金属層を含む。
カラーコンバータは、色変換層の下にある解離層を含むことができる。解離層は、１つのサブピクセルから別のサブピクセルに伝送される光の結合を最小限に抑えることができる。解離層は、例えば、二酸化ケイ素、無機酸化物、セラミック、金属酸化物、非化学量論的亜酸化物、シリコーン、スルホン、または他の好適な有機材料を含むことができる。
超高密度カラーコンバータ内の量子ドット含有サブピクセルは、高密度の量子ドットを含むことが望ましい。
従来のインクジェット法を使用して、量子ドット含有材料を空洞に堆積させることは、量子ドットの高濃度に起因する高い材料粘度、および空洞内に閉じ込めることができる可能性により、困難である。真空下でのインクジェット堆積は、少なくともある程度、空気の閉じ込めを最小限に抑えることができる。
高密度の量子ドットは、量子ドットを含むインクを調製し、インクをサブピクセル空洞内に堆積させ、量子ドットを除去することなく、マトリックス材料の少なくとも一部を空洞から除去することによって得ることができる。マトリックス材料の除去は、例えば、２０１８年１０月２６日に出願され、その全体が参照により組み込まれる、題名が「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｌａｙｅｒｓ」の米国出願第１６／１７２，５６２号に記載されているように、浸透方法によるゲル堆積を使用して達成することができる。
高密度の量子ドットは、サブピクセル空洞を量子ドットで充填し、続いて結合剤を空洞内にインターカレーションすることによって得ることができる。結合剤は、量子ドット間のサブピクセル自由体積全体にインターカレートし得るか、またはキャッピング層として機能し、サブピクセルの上部セクションにインターカレートし得る。
高密度の量子ドットは、サブピクセル空洞に結合剤粒子と組み合わせて量子ドットを充填することによって得ることができる。結合剤粒子は、量子ドットと共にサブピクセル空洞内に分散する。
高密度の量子ドットは、サブピクセル空洞に反応性リガンドを含む量子ドットを充填することによって得ることができる。
結合剤は、インク、インターカレートされた結合剤、結合剤粒子、または反応性リガンドのいずれの形態であっても、サブピクセルと架橋して、量子ドットを固定することができる。結合剤反応は、例えば、使用される硬化化学に応じて、紫外線などの化学線を使用して、または熱的に開始することができる。
量子ドットを含むインクは、例えば、ローラーコーティングを使用して、色変換層の表面をエラストマーブレードでこすることによってインクを空洞内に押し込むことによって、またはスクイージーコーティングによって、サブピクセル空洞内に堆積させることができる。高粘度量子ドット含有インクが高アスペクト比空洞を充填する能力を促進するために真空を使用することができる。
自由流動粒子として、量子ドットは、サブピクセル空洞が流動チャネルを通して充填され、次にバインダーでキャップされて粒子を固定するマイクロ流体堆積方法を使用して、サブピクセル内に堆積させることができる。ピクセルに自由に流れる量子ドットを充填することは、サブピクセルにおける結合剤のＶｏｌ％を最小化し、それによってサブピクセル内の量子ドットの密度を増加させることができる。
カラーコンバータは、例えば、アルミニウム層を基板上に堆積させて、複数のサブピクセルを画定することと、複数の第１の量子ドットを第１の複数のサブピクセルに堆積させることと、第２の複数の量子ドットを第２の複数のサブピクセルに堆積させることと、光透過性材料を第３の複数のサブピクセルに堆積させて、カラーコンバータを形成する色域の３つのカラー頂点を提供することとによって製造することができる。
基板は、Ａｌ２Ｏ３層、Ａｌ２Ｏ３層の上にあるＳｉ３Ｎ４リフトオフ層、およびＳｉ３Ｎ４リフトオフ層の上にあるＳｉＯ２層を含むことができる。
アルミニウム層は、１μｍ～３μｍの厚さを有することができる。
複数の空洞は、例えば、１μｍ～３μｍの深さ、１μｍ～３μｍの幅、および３μｍ～５μｍのピッチを有することができる。
適宜、カラーコンバータは、反射層、パッシベーション層、およびサブピクセルクロストーク減少層などの追加の層を含むことができる。
カラーコンバータをＬＥＤアレイ上に組み立てるために、カラーコンバータは、リフトオフ層を活性化し、分離されたカラーコンバータをＬＥＤアレイ上に整列させ、次いで結合することによって、基板から分離することができる。
本開示によって提供される実施形態は、本開示によって提供される方法、組成物、およびデバイスを説明する以下の実施例を参照することによってさらに示される。本開示の範囲から逸脱することなく、材料および方法の両方に対する多くの変更が実施され得ることは、当業者には明らかであろう。
実施例１
図３Ａ～図３Ｊは、異なる寸法を有し、異なるピッチにあるサブピクセルのアレイを透過した青色光を示す。図３Ａ～図３Ｅに示されたサブピクセルは、１２．５μｍのピッチで９．６μｍの直径を有する（図３Ａ）、６μｍのピッチで３．６μｍの直径を有する（図３Ｂ）、３．３μｍのピッチで１．４μｍの直径を有する（図３Ｃ）、２．８μｍのピッチで１．４μｍの直径を有する（図３Ｄ）、および２．３μｍのピッチで１．４μｍの直径を有する（図３Ｅ）。
図３Ｆ～図３Ｊは、２００倍の倍率で、対応するサブピクセルアレイを示す。
実施例２
図４は、５００倍の倍率で、２．８μｍのピッチで１．４μｍの直径を有するサブピクセルウィンドウを示す。
実施例３
図５Ａ～図５Ｃは、それぞれ、青色、緑色、および赤色のサブピクセルを示す。サブピクセルは、９．６μｍの直径および２μｍの厚さを有する。図５Ａは、下にあるＬＥＤアレイからのサブピクセルアレイを通る青色光の透過を示す。図５Ｂは、青色ＬＥＤ光を照射した量子ドットからの緑色発光を示す。青色光から緑色光への量子変換効率は７４％、青色光の漏れは１２％であった。図５Ｃは、青色ＬＥＤ光を照射した量子ドットからの赤色発光を示す。青色光から赤色光への量子変換効率は５７％、青色光の漏れは２１％であった。
緑色および赤色の量子ドット含有サブピクセルは、量子ドット含有インクをウェルに押し込むことによって調製された。
実施例４
図６Ａ～図６Ｃは、２．８μｍの直径のサブピクセル（図６Ａ～図６Ｂ）および２μｍの深さを有する３．３μｍの直径のサブピクセル（図６Ｃ）のアレイを示す。倍率は２００倍と５００倍である（インセット）。
実施例５
図７は、サブピクセル空洞を有する色変換層の例を示す。構造は、Ａｌ２Ｏ３基板７０１、０．１μｍ厚のＳｉ３Ｎ４リフトオフ層７０２、５００ｎｍ厚のＳｉＯ２層７０３、アルミニウム７０６によって分離されたサブピクセル７０５を含む２μｍ厚の層７０４、およびＳｉＯ２の０．２μｍ厚の層を含む。サブピクセル７９５は、量子ドット含有組成物が充填され、１．３μｍのピッチで０．７μｍ幅である。
実施例６
図８Ａ～図８Ｆは、カラーコンバータを製造するために使用されるステップの実施例を示す。図８Ａは、Ａｌ２Ｏ３ウエハ８０２、Ｓｉ３Ｎ４の０．１μｍ厚の層８０３、およびＳｉＯ２の０．５μｍ厚の層８０４を含む、基板８０１の詳細を示す。図８Ｂでは、アルミニウム層８０５が基板８０１上に堆積されている。レジスト８０６は、アルミニウム層８０５、およびクロムエッチマスク８０７に選択的に堆積されている。図８Ｃは、サブピクセル８０８を画定するためのエッチング後の構造を示す。図８Ｄに示されるように、特定のサブピクセルは、赤色発光量子ドット組成物８０９が充填される。次いで、赤色サブピクセルは、図８Ｅに示されるように、ＳｉＯ２などの保護層８１０でコーティングされ、緑色発光量子ドット組成物８１１は、図８Ｆに示されるように、選択されたサブピクセルに堆積される。青色透過サブピクセル８１２には、透過性材料を充填することができ、色変換層は、パッシベーション層（図示せず）でコーティングされる。
最後に、本明細書に開示される実施形態を実施する代替的な方法が存在することに留意されたい。したがって、本実施形態は、例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。さらに、特許請求の範囲は、本明細書に与えられる詳細に限定されるべきではなく、これら全範囲およびその等価物に権利がある。

Claims (30)

  1. 超高密度発光ダイオードアレイ用のカラーコンバータであって、
    基板と、
    色変換層と、を含み、前記色変換層が、
    前記基板の上にあるサブピクセルの第１のグループを含み、
    前記サブピクセルの第１のグループが、第１の複数の量子ドットを含み、
    第１の複数のサブピクセルが、第１の波長範囲内で光を放出し、
    各サブピクセルが独立して、
    ３０μｍ３未満の体積と、
    １μｍ～３μｍの厚さと、
    ５μｍ未満のピッチと、
    １０体積％～５０体積％の、前記体積内の前記量子ドットの密度と、を含み、体積％は、量子ドットの総体積から任意のリガンドまたは他の介在材料を引いたものを前記サブピクセルの総体積で割ったものに基づく、カラーコンバータ。
  2. 各サブピクセルが、２：１～１０：１のアスペクト比（高さ：幅）を特徴とする、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  3. 追加の複数のサブピクセルをさらに含み、各サブピクセルにつき１つが、着色されたピクセルを構成し、前記追加の複数のサブピクセルが、追加の波長範囲内の光を透過するように構成されている、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  4. 前記追加の複数のサブピクセルのうちの１つが、量子ドット色変換材料を含まず、追加の複数のサブピクセルを提供するためにポンプ波長を通過させるように構成されている、請求項３に記載のカラーコンバータ。
  5. 前記第１の波長範囲内の光、第２の波長範囲内の光、および第３の波長範囲内の光が、前記カラーコンバータを特徴付ける色域の３つの色頂点を画定する、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  6. 前記色変換層が複数のピクセルを含み、前記複数のピクセルの各々が１～５個のサブピクセルを含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  7. 前記色変換層が、１００～５０，０００のＰＰＩを特徴とする、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  8. 前記ピクセルの第１のグループの各サブピクセル、および前記ピクセルの第２のグループの各ピクセルが、６６°未満の発光円錐を特徴とする、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  9. 各サブピクセルが複数の変換強化粒子を含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  10. 各サブピクセルが、結合剤を含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  11. 前記複数の量子ドットが間隔リガンドを含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  12. 前記複数の量子ドットが反応性リガンドを含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  13. 前記反応性リガンドが、結合剤、粒子、側壁、相補的反応性リガンド、ならびに／または量子ドットのリガンドおよび／もしくはコーティングと化学的に反応するように構成されている、請求項１２に記載のカラーコンバータ。
  14. 前記サブピクセルの第１のグループおよび前記サブピクセルの第２のグループの各々が、４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲内の光で照射されたときに７０％超の色変換効率を示し、色純度は、前記サブピクセルを通る前記ポンプ光の透過が１０％未満であることに対応して、９０％超である、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  15. ４０５ｎｍ～４７５ｎｍの波長範囲の青色光で照射されると、前記サブピクセルの第１のグループが、５１５ｎｍ～５６５ｎｍの緑色波長範囲で発光することができ、前記サブピクセルの第２のグループが、５６５ｎｍ～６５０ｎｍの赤色波長範囲内で発光することができる、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  16. 前記サブピクセルの第１のグループと、前記サブピクセルの第２のグループとが交互配置されている、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  17. 前記色変換層の下、および／または前記色変換層の上に、パッシベーション層をさらに含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  18. 前記色変換層の下、および／または前記色変換層の上に選択的波長反射層をさらに含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  19. 前記色変換層の下に光学的解離層をさらに含む、請求項１に記載のカラーコンバータ。
  20. 前記色変換層の上に構造化層をさらに含み、前記構造化層が前記サブピクセルの第１のグループおよび前記第２によって放出される光を集束させるように構成されている、請求項１５に記載のカラーコンバータ。
  21. 光学ディスプレイであって、
    発光ダイオードアレイと、
    前記発光ダイオードアレイの上にありかつ前記発光ダイオードアレイに光学的に結合されている請求項１に記載のカラーコンバータと、を含む、光学ディスプレイ。
  22. 前記発光ダイオードアレイの下にありかつ前記発光ダイオードアレイに電気的に相互接続された回路層を含む、請求項２１に記載の光学ディスプレイ。
  23. 請求項２１に記載の光学ディスプレイを含む電子デバイス。
  24. 色変換層の作製方法であって、
    複数の空洞を画定するために基板上にアルミニウム層を堆積させることと、
    前記複数の空洞の第１の部分内に第１の色変換材料を堆積させることであって、前記第１の色変換材料が第１の複数の量子ドットを含む、堆積させることと、
    前記複数の空洞の第２の部分内に第２の色変換材料を堆積させることであって、前記第２の色変換材料が第２の複数の量子ドットを含む、堆積させることと、を含み、
    前記複数の空洞の各々が、
    ３０μｍ３未満の体積と、
    １μｍ～３μｍの厚さと、
    ５μｍ未満のピッチと、
    １０体積％～５０体積％の、前記体積内の量子ドットの密度と、を含み、体積％はサブピクセルの総体積に基づく、方法。
  25. 前記複数の空洞の第３の部分内に色透過性材料を堆積させて、
    カラーコンバータを特徴付ける色域の３つの色頂点を提供することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
  26. 第２の色変換材料のアレイを堆積した後、重合反応を開始することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
  27. 前記第１の色変換のアレイを堆積させることが、ゲル透過によって堆積させることを含む、請求項２４に記載の方法。
  28. 堆積が、複数の量子ドットを含むインクを前記空洞内に塗布することを含む、請求項２４に記載の方法。
  29. 堆積させることが、量子ドットを含む自由流動組成物を前記空洞内に堆積させることを含む、請求項２４に記載の方法。
  30. 請求項２４に記載の方法により作製された、カラーコンバータ。
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