KR101312238B1 - 나노결정들을 포함하는 발광 다이오드 (ｌｅｄ) 디바이스 - Google Patents

나노결정들을 포함하는 발광 다이오드 (ｌｅｄ) 디바이스 Download PDF

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나노시스, 인크.
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Abstract

본 발명은 기밀하게 밀봉된 발광 나노결정들의 용기 및 조성물들을 포함하는 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. 본 발명은 또한, LED 디바이스들을 포함하는 디스플레이를 제공한다. 적합하게는, LED 디바이스들은 백색광 LED 디바이스들이다.

Description

나노결정들을 포함하는 발광 다이오드 (ＬＥＤ) 디바이스 {LIGHT-EMITTING DIODE (LED) DEVICES COMPRISING NANOCRYSTALS}
본 발명은 발광 나노결정들을 포함하는 발광 다이오드 (light-emitting diode; LED), 적합하게는 백색광 LED 디바이스 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, LED 디바이스들을 포함하는 디스플레이 시스템들에 관한 것이다.
발광 나노결정들 (luminescent nanocrystals) 은 공기와 습기에 노출시 산화적 손상을 입게 되어, 종종 발광성 (luminescence) 의 손실을 가져온다. 하향 변환 (down-conversion) 및 필터링 층들과 같은 응용에 있어서 발광 나노결정들을 사용하는 것은 종종 발광 나노결정들을 상승된 온도, 높은 광 세기, 주위 환경의 기체 및 습기에 노출시킨다. 상기 응용들에 있어서 긴 발광 수명에 대한 요구사항과 함께 이러한 요소들은 종종 발광 나노결정들의 사용을 제한하거나 빈번한 교체를 필요하게 만들기도 한다. 따라서, 발광 나노결정들을 기밀하게 밀봉 (hermetically seal) 하여, 사용 수명과 발광 세기를 증가시키도록 하는 방법과 조성물에 대한 필요성이 존재한다.
백색광 LED 디바이스들을 비롯한, 기밀하게 밀봉된 나노결정들을 이용하는 발광 다이오드 (LED) 디바이스에 대한 필요가 또한 존재한다.
본 발명의 간단한 요약
일 실시형태에서, 본 발명은 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. LED 디바이스들은 적합하게 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기와 청색 발광 LED를 포함한다. 용기는 상기 발광 나노결정들의 하향 변환을 용이하게 하도록 LED에 관하여 배치된다.
적합한 기밀하게 밀봉된 용기들은 플라스틱 또는 유리 관, 이를테면 유리 모세관을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 기밀하게 밀봉된 용기는 LED로부터 이격된다. 적합하게는, 발광 나노결정들은 녹색광 및 적색광을 방출한다. LED 디바이스들에서 사용하기 위한 예시적인 발광 나노결정들은, CdSe 또는 ZnS을 포함하며, CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 발광 나노결정들인 발광 나노결정들을 포함한다. 예시적인 실시형태들에서, 발광 나노결정들은 중합체성 매트릭스에 분산된다. 본 발명은 또한, LED 디바이스들을 포함하는 디스플레이 시스템들을 제공한다.
추가의 실시형태들에서, 본 발명은 LED, 그 LED에 광학적으로 연결된 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기 및 그 기밀하게 밀봉된 용기에 광학적으로 연결된 광 가이드를 포함하는 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. 적합하게는, LED로부터 방출된 광의 제 1 부분이 발광 나노결정들에 의해 하향 변환되고, LED로부터 방출된 광의 제 2 부분, 및 발광 나노결정들로부터의 하향 변환된 광이 광 가이드로부터 방출된다.
예시적인 실시형태들에서, LED는 청색광을 방출한다. 적합하게는, LED로부터 방출된 청색광의 제 1 부분이 발광 나노결정들에 의해 녹색광 및 적색광으로 하향 변환된다. 청색광의 제 2 부분, 녹색광 및 적색광은 적합하게는 결합되어 백색광을 생성한다.
예시적인 기밀하게 밀봉된 용기는, 플라스틱 또는 유리 용기, 이를테면 약 100　㎛ 내지 약 1 ㎜의 적어도 한 치수를 갖는 유리 모세관을 포함한다. 적합하게는, 발광 나노결정들은, CdSe 또는 ZnS을 포함하고, CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 발광 나노결정들일 수 있다. 발광 나노결정들은 중합체성 매트릭스에 분산될 수 있다. 적합한 실시형태에서, 기밀하게 밀봉된 용기는 LED로부터 이격된다. 실시형태들에서, 본 발명의 LED 디바이스들은 백색광 LED 디바이스들이다.
본 발명은 또한, 여기에 설명된 복수의 LED 디바이스들 및 디스플레이를 포함하는 디스플레이 시스템들을 제공한다. 적합하게는, 디스플레이는 적어도 부분적으로 광 가이드를 둘러싼다. LED로부터 방출된 광의 제 1 부분이 발광 나노결정들에 의해 하향 변환되고, LED로부터 방출된 광의 제 2 부분, 및 발광 나노결정들로부터의 하향 변환된 광이 광 가이드로부터 방출되고 디스플레이 상에 디스플레이된다. 예시적인 실시형태에서, 기밀하게 밀봉된 용기는 적어도 2개의 LED들에 광학적으로 연결된다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 복합 재료를 제공한다. 복합 재료는 제 1 조성을 갖는 제 1 중합체성 재료를 포함한다. 복합 재료는 또한 제 2 조성을 갖는 제 2 중합체성 재료, 및 제 2 중합체성 재료에 분산된 복수의 발광 나노결정들을 포함한다. 제 2 중합체성 재료는 제 1 중합체성 재료에 분산된다.
적합하게는, 제 1 중합체성 재료는 에폭시 또는 폴리카보네이트를 포함하고, 제 2 중합체성 재료는 아미노실리콘을 포함한다. 실시형태들에서, 발광 나노결정들은 녹색광 및/또는 적색광을 방출한다. 적합하게는, 발광 나노결정들은, CdSe 또는 ZnS을 포함하거나, 또는 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 발광 나노결정들일 수 있다. 추가 실시형태들에서, 복합 재료는 복합 재료를 기밀하게 밀봉하는 SiO2, TiO2 또는 AlO2의 무기층을 포함한다. 적합하게는, 복합 재료는 청색 LED 파장에서 약 0.5 내지 약 0.9 (예를 들면, 약 0.8) 의 광학 밀도와 약 50 ㎛ 내지 약 200 ㎛ (예를 들면, 약 100 ㎛) 의 경로 길이를 갖는다.
본 발명은 또한, 발광 나노결정 복합 재료를 제조하는 방법들을 제공한다. 본 방법들은 적합하게는 발광 나노결정들 및 제 1 중합체성 재료의 혼합물을 형성하기 위하여 제 1 중합체성 재료에 복수의 발광 나노결정들을 분산시키는 것을 포함한다. 혼합물은 경화되고, 입자 (particulate) 가 경화된 혼합물로부터 생성된다. 입자는 제 2 중합체성 재료에 분산되어 복합 재료를 생성한다. 적합하게는, 경화 전에 가교제가 혼합물에 첨가된다. 예시적인 실시형태들에서, 입자는 경화된 혼합물을 볼밀링하는 것에 의해 생성된다. 복합 재료는 필름으로 형성될 수 있다.
추가 실시형태들에서, 본 발명은 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. LED 디바이스들은 LED, 그 LED에 광학적으로 연결된 광 가이드, 및 그 광 가이드 내부의 영역에 분산된 복수의 발광 나노결정들을 포함하고, 그 영역은 광 가이드의 길이를 따라 연장된다. LED 로부터 방출된 광은 나노결정들에 의해 하향 변환되고, 광 가이드의 표면을 빠져 나간다. 적합하게는, 발광 나노결정들은 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출하고, LED는 자외선 광을 방출한다. 청색광, 적색광 및 녹색광은 결합되어 백색광을 생성한다.
또 다른 실시형태들에서, LED로부터 방출된 광의 제 1 부분이 발광 나노결정들에 의해 하향 변환되고, LED로부터 방출된 광의 제 2 부분 및 하향 변환된 광이 광 가이드의 표면을 빠져나간다. 적합하게는, LED는 청색광을 방출한다. LED로부터 방출된 청색광의 제 1 부분이 발광 나노결정들에 의해 녹색광 및 적색광으로 하향 변환되고, 청색광의 제 2 부분, 녹색광 및 적색광이, 적합하게는, 결합되어 백색광을 생성한다.
LED 디바이스들에서의 사용을 위한 예시적인 나노결정들은, CdSe 또는 ZnS을 포함하고, CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 발광 나노결정들일 수 있다.
적합하게는, 광 가이드는 하나 이상의 반사체들을 포함한다. 광 가이드에서의 영역은 적합하게는 발광 나노결정들의 층이다. 예시적인 실시형태들에서, 영역은, 적합하게는 LED로부터 광 가이드의 길이를 따라 (예를 들면, 선형적으로) 증가하는, 광 가이드의 길이를 따라 변하는 두께를 갖는다. 예시적인 실시형태들에서, LED 디바이스들은 백색광 LED 디바이스들이다. 본 발명은 또한, LED 디바이스들을 포함하는 디스플레이들을 제공한다.
본 발명의 추가의 특징 및 장점들은 이하의 설명에 제시될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터 명백해지거나, 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 장점은 기재된 설명과 그 청구항들 및 첨부 도면들에서 구체적으로 명시되는 구조에 의해 실현되고 성취될 것이다.
전술한 일반적인 설명과 이하의 상세한 설명은 예시 및 설명을 위한 것으로서, 청구된 본 발명을 더 자세히 설명하기 위해 의도된 것이다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면들은 본 발명을 예시하고 있으며, 또한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하며, 당업자가 본 발명을 만들고 사용하는 것을 가능하게 하는데 도움이 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기밀하게 밀봉된 발광 나노결정 조성물을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 나노결정들을 포함하는 용기를 기밀하게 밀봉하는 방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 개개의 기밀하게 밀봉된 조성물들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 발광 나노결정 조성물들을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로렌즈들을 더 포함하는 기밀하게 밀봉된 조성물을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광-포커싱 장치를 더 포함하는 기밀하게 밀봉된 조성물을 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED 디바이스를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 LED 디바이스로부터의 광의 하향 변환을 도시한다.
도 8a - 도 8c는 본 발명의 LED 디바이스의 변형들을 도시한다.
도 9는 반사체를 포함하는 본 발명의 LED 디바이스를 도시한다.
도 10a - 도10b는 본 발명의 실시형태들에 따른 기밀하게 밀봉된 모세관들을 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 디스플레이 디바이스를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 나노결정 복합 재료를 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 나노결정 복합 재료를 제조하는 방법의 플로우차트를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 나노결정들의 영역을 갖는 광 가이드를 포함하는 LED 디바이스를 도시한다.
도 15 (a) - 도 15 (c) 는 나노결정들의 영역을 갖는 광 가이드를 포함하는 LED 디바이스를 위한 광 세기 출력을 도시한다.
도 16 (a) - 도 16 (c) 는 증가하는 두께의 나노결정들의 영역을 갖는 광 가이드를 포함하는 LED 디바이스를 위한 광 세기 출력을 도시한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도면들에 있어서, 동일한 참조 번호는 동일 또는 기능적으로 유사한 구성요소들을 지칭한다.
본 명세서에 도시되고 설명되는 특정 구현예들은 본 발명의 예들일 뿐이며 어떠한 식으로든 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니라는 것을 이해하기 바란다. 실제로 명료함을 위하여, 종래의 전자부품, 제조방법, 반도체 장치, 및 나노결정, 나노와이어 (NW: nanowire), 나노로드 (nanorod), 나노튜브 (nanotube), 및 나노리본 기술 및 시스템의 기타의 기능적 양태들 (및 시스템의 개별 작동 성분들의 부품들) 은 본 명세서에서 상세하게 설명하지 않을 수도 있다.
본 발명은 발광 나노결정들을 비롯하여, 나노결정들을 포함하는 다양한 조성물들 (compositions) 을 제공한다. 그 흡수 특성, 방출 (emission) 특성, 및 굴절율 특성을 포함하는 발광 나노결정들의 다양한 성질들은 다양한 응용들에 있어서 맞추어지고 조절될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "나노결정 (nanocrystal)"이라는 용어는 실질적으로 단결정 (monocrystalline) 인 나노구조를 말한다. 나노결정들은 약 500 nm 미만이며, 약 1 nm보다 작은 정도 (order) 까지 내려가는 치수를 갖는 적어도 하나의 영역 또는 특성 치수를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 어떠한 수치값을 말하는 경우, "약 (about)"은 언급한 수치의 ±10%의 값을 말한다 (예컨대, "약 100 nm"는 양 경계를 포함하면서 90 nm 내지 110 nm의 크기 범위를 포괄하는 것이다). "나노결정", "나노도트 (nanodot)", "도트 (dot)", 및 "양자 도트 (quantum dot)"라는 용어는 동일한 구조들을 나타내는 것으로 당업자에 의해 쉽게 이해되며, 본 명세서에서 호환가능하게 사용된다. 본 발명은 또한 다결정질 또는 비정질 나노결정들의 사용을 포괄한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "나노결정"이라는 용어는 또한 "발광 나노결정(luminescent nanocrystal)"을 포괄한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "발광 나노결정"이라는 용어는 외부 에너지원 (적합하게는 광) 에 의해 여기되는 때에 광을 방출하는 나노결정을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 나노결정들의 기밀한 밀봉 (hermetic sealing) 을 설명하는 경우, 적합한 실시형태에 있어서, 나노결정들은 발광 나노결정들이라는 것을 이해하기 바란다.
통상, 특성 치수의 영역은 구조의 가장 작은 축을 따르게 된다. 나노결정들은 재료 속성에 있어서 실질적으로 균질적 (homogeneous) 일 수 있거나, 또는 특정 실시형태에 있어서, 이질적 (heterogeneous) 일 수 있다. 나노결정들의 광학 성질은 그 입자 크기, 화학적 조성 또는 표면 조성에 의해 결정될 수 있다. 약 1 nm와 약 15 nm 사이의 범위에 발광 나노결정 크기를 맞추는 능력은 전체 광 스펙트럼에서의 광전자방출 커버리지가 컬러 렌더링에 있어서 큰 융통성 (versatility) 을 제공하도록 하여 준다. 입자 캡슐화 (particle encapsulation) 는 화학적 및 UV 열화 요소에 대항하는 견고성을 제공한다.
본 발명에서 사용하기 위한 발광 나노결정들을 포함하는 나노결정들은 당업자에 공지된 임의의 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 적합한 방법과 예시적 나노결정들이 미국 특허출원 제11/034,216호 (2005년 1월 13일자 출원); 미국 특허출원 제10/796,832호 (2004년 3월 10일자 출원); 미국 특허 제6,949,206호; 및 미국 특허 가출원 제60/578,236호 (2004년 6월 8일자 출원) 에 개시되어 있으며, 그 각각의 개시물은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 나노결정들은 무기 재료를 포함하여 임의의 적합한 재료, 그리고 더욱 적합하게는, 무기 도전체 또는 반도체 재료로부터 제조될 수 있다. 적합한 반도체 재료는 미국 특허출원 제10/796,832호에 개시된 것을 포함하며, II-VI족, III-V족, IV-VI족, 및 IV족 반도체를 포함하는 임의의 종류의 반도체를 포함한다. 적합한 반도체 재료로는, 비한정적으로, Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C (다이아몬드를 포함함), P, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, BeS, BeSe, BeTe, MgS, MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2 (S, Se, Te)3, Al2CO, 및 2개 또는 그 이상의 이러한 반도체들의 적절한 조합을 포함한다.
어떤 양태들에 있어서, 반도체 나노결정들은 p-형 도펀트 또는 n-형 도펀트로 이루어지는 군으로부터의 도펀트를 포함할 수 있다. 본 발명에서 유용한 나노결정들로서는 또한 II-VI족 또는 III-V족 반도체를 포함할 수 있다. II-VI족 또는 III-V족 반도체 나노결정들의 예로서는 주기율표의 Zn, Cd, 및 Hg 등의 II족 중의 원소와 S, Se, Te, Po 등의 VI족 중의 원소와의 임의의 결합; 주기율표의 B, Al, Ga, In, 및 Tl 등의 III족 중의 원소와 N, P, As, Sb 및 Bi 등의 V족 중의 원소와의 임의의 결합을 포함한다.
본 발명에서 유용한 발광 나노결정들을 포함하는 나노결정들은 명세서를 통해 설명되는 바와 같이 자신들의 표면에 공액 (conjugate) 되거나, 코오퍼레이트 (cooperate) 되거나, 회합 (associate) 되거나, 또는 부착 (attach) 될 수 있는 리간드 (ligand) 들을 더 포함할 수 있다. 적합한 리간드들로서는 미국 특허출원 제11/034,216호, 미국 특허출원 제10/656,910호, 및 미국 특허 가출원 제60/578,236호에 개시된 바를 포함하여, 당업자에 공지된 임의의 기 (group) 를 포함하는데, 상기 각각의 개시물은 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다. 이러한 리간드들의 사용은 중합체를 포함하는 다양한 용매 (solvent) 및 매트릭스 (matrix) 에 나노결정들이 혼합 (incorporate) 되는 능력을 향상시킬 수 있다. 다양한 용매와 매트릭스에서의 나노결정들의 혼화성 (miscibility) (즉, 분리되지 않고 혼합될 수 있는 성질) 을 증가시키는 것은, 나노결정들이 함께 응집되지 않고 따라서 광을 산란시키지 않도록 나노결정들이 중합체성 조성물 전체에 걸쳐 분포될 수 있도록 한다. 이러한 리간드들을 본 명세서에서는 "혼화성 강화 (miscibility-enhancing)" 리간드라 한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 나노복합재 (nanocomposite) 라는 용어는 분포 (distributed) 또는 매입된 나노결정들을 포함하는 매트릭스 재료를 일컫는다. 적합한 매트릭스 재료로서는 중합체성 재료, 유기 또는 무기 산화물을 포함하여, 당업자에 공지된 임의의 재료일 수 있다. 본 발명의 나노복합재는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 층 (layer), 인캡슐런트 (encapsulant), 코팅, 또는 필름일 수 있다. 본 발명의 실시형태에 있어서, 층, 중합체성 층, 매트릭스, 또는 나노복합재라고 하면, 이러한 용어들은 상호교환가능하게 사용되며, 이렇게 설명되는 실시형태는 어느 한 종류의 나노복합재에 한정되는 것이 아니라, 본 명세서에 기재되거나 당업계에 공지된 임의의 매트릭스 재료 또는 층을 포괄한다.
하향 변환 (down-converting) (예를 들어, 미국 특허출원 제11/034,216호에 개시된 바와 같은) 나노복합재는 특정 파장의 광을 흡수한 후 제2의 파장에서 방출함으로써 능동 광원 (예컨대, LED) 의 향상된 성능과 효율을 제공하도록 맞추어진 발광 나노결정들의 방출 특성을 활용한다. 전술한 바와 같이, 기타의 필터링 또는 코팅 응용에서 뿐만 아니라 이러한 하향 변환 응용에서 발광 나노결정들을 사용하는 것은, 나노결정들을 상승된 온도, 높은 세기의 광 (예컨대, LED 소스), 외부 기체 및 습기에 노출시키기도 한다. 이러한 환경에 노출시키는 것은 나노결정들의 효율을 감소시켜, 유효 제품 수명을 감소시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 발명에서는 발광 나노결정들을 기밀하게 밀봉하는 방법과 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기와 조성물을 제공한다.
발광 나노결정 형광체
나노결정 형광체를 생성하기 위하여 당업자에 공지된 임의의 방법이 사용될 수 있지만, 무기 나노재료 형광체의 제어 성장을 위하여 용액상태 콜로이드 (solution-phase colloidal) 방식이 사용된다. Alivisatos, A.P., "Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots," Science 271:933 (1996) ; X. Peng, M. Schlamp, A. Kadavanich, A.P. Alivisatos, "Epitaxial growth of highly luminescent CdSe/CdS Core/Shell nanocrystals with photostability and electronic accessibility," J. Am. Chem. Soc. 30:7019-7029 (1997) ; 및 C. B. Murray, D.J. Norris, M.G. Bawendi, "Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites," J. Am. Chem. Soc. 115:8706 (1993) 를 참조하기 바라며, 그러한 개시물은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다. 이러한 제조 공정 기술은 클린룸과 고비용의 제조 장비에 대한 필요성 없이 저 비용의 가공성 (processability) 을 활용한다. 이러한 방법에 있어서, 고온에서의 열분해 (pyrolysis) 를 거친 금속 전구체 (metal precursor) 들은 유기 계면활성제 분자들의 고온 용액 내로 빠르게 주입된다. 이러한 전구체들은 상승된 온도에서 부분들로 부서져서 나노결정들의 핵을 형성하도록 반응한다. 이러한 초기 핵형성 페이즈 (phase) 이후에, 성장 결정에 단량체 (monomer) 를 추가함으로써 성장 단계가 시작된다. 결과적으로 그 표면에 유기 계면활성제 분자 코팅을 갖는, 용액속의 독립적 결정질 나노입자가 생긴다.
본 접근법을 활용하면, 수초에 걸쳐서 일어나는 초기 핵형성 이벤트에 이어서 수분 동안 상승된 온도에서 결정 성장에 의해 합성이 일어난다. 온도, 존재하는 계면활성제의 종류, 전구체 재료, 계면활성제의 단량체에 대한 비율 등의 파라미터들은 반응의 성질과 진행을 변화시키도록 변경될 수 있다. 온도는 핵 형성 이벤트의 구조적 페이즈, 전구체 분해율, 및 성장률을 조절한다. 유기 계면활성제 분자들은 나노결정 형상의 제어와 용해도 양자 모두를 조정한다. 계면활성제의 단량체에 대한 비율, 계면활성제들의 서로에 대한 비율, 단량체들의 서로에 대한 비율, 및 단량체들의 개별 농도는 성장의 속도론 (kinetics) 에 큰 영향을 미친다.
적합한 실시형태들에서, 한 예로서 이러한 재료 합성의 상대적인 완숙성으로 인하여, 가시광 하향 변환을 위한 나노결정들 재료로서 CdSe가 사용된다. 일반적인 표면 화학 (chemistry) 의 사용으로 인하여, 카드뮴을 포함하지 않는 나노결정들로 대체하는 것 또한 가능하다.
코어/쉘 발광 나노결정들
반도체 나노결정들에 있어서, 나노결정들의 대역 에지 상태 (band edge states) 로부터 광 유도 방출이 발생한다. 발광 나노결정들로부터의 대역 에지 방출은 표면 전자 상태로부터 비롯하는 방사형 및 비방사형 쇠퇴 채널 (radiative and non-radiative decay channel) 들과 경합한다. X. Peng, 등의, J. Am. Chem. Soc. 30:7019-7029 (1997). 그 결과, 댕글링 결합 (dangling bonds) 와 같은 표면 결함의 존재는 비방사형 재결합 중심을 제공하여, 방출 효율을 낮추는데 기여한다. 표면 트랩 (trap) 상태를 패시베이트 (passivate) 하고 제거하는 효율적이고 영구적인 방법은 무기 쉘 재료를 나노결정의 표면 상에서 에피텍시얼 성장시키는 것이다. X. Peng, 등의, J. Am. Chem. Soc. 30:7019-7029 (1997). 쉘 재료는 전자 레벨들이 코어 재료에 대하여 타입 I가 되도록 (예컨대, 코어로 전자와 정공을 로컬화하는 포텐셜 스텝을 제공하기 위해 더 큰 밴드갭을 지니도록) 선택될 수 있다. 그 결과, 비방사형 재결합 (non-radiative recombination) 의 가능성은 감소될 수 있다.
코어 나노결정들을 함유하는 반응 혼합물에 쉘 재료를 포함하는 유기금속 전구체를 첨가함으로써 코어-쉘 구조가 얻어진다. 이러한 경우, 핵형성 이벤트 이후에 성장이 뒤따라 오는 것이 아니라, 코어가 핵 (nuclei) 으로서 작용하고, 쉘들은 그 표면으로부터 성장한다. 반응 온도는 쉘 재료의 나노결정들의 독립적인 핵형성을 방지하면서 코어 표면에 쉘 재료 단량체의 첨가를 유리하게 하기 위하여 낮게 유지된다. 쉘 재료의 제어 성장을 이끌고 용해도를 보장하기 위하여 반응 혼합물 내에 계면활성제가 존재한다. 2개의 재료 간에 낮은 격자 불일치가 존재할 때, 균일하고 에피텍시얼 성장된 쉘이 얻어진다.
코어-쉘 발광 나노결정들을 제조하기 위한 예시적 재료로서는, 비한정적으로, Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C (다이아몬드를 포함함), P, Co, Au, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, BeS, BeSe, BeTe, MgS, MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2 (S, Se, Te)3, Al2CO, 및 2개 또는 그 이상의 이러한 재료의 적절한 조합을 포함한다. 본 발명의 실시에 사용하기 위한 예시적 코어-쉘 발광 나노결정들로서는, 비한정적으로, CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS, CdTe/ZnS 등을 포함한다 (코어/쉘로 표현됨).
기밀하게 밀봉된 발광 나노결정 조성물 및 발광 나노결정들을 포함하는 용기
일 실시형태에 있어서, 본 발명은 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 조성물을 기밀하게 밀봉하는 방법을 제공한다. 본 방법은 적합하게는 발광 나노결정들을 밀봉하기 위하여 조성물 상에 배리어층을 배치하는 단계를 포함한다. 명세서 전체를 통해 설명하는 바와 같이, "기밀 (hermetic)", "기밀한 밀봉 (hermetic sealing)", 및 "기밀하게 밀봉된 (hermetically sealed)" 이라는 용어는 용기 또는 조성물을 통과 또는 침투하는 및/또는 발광 나노결정들과 접촉하는 기체 (예컨태, 공기) 또는 습기의 양이 나노결정들의 성능 (예컨대, 그 발광성) 에 실질적으로 영향을 주지 않는 레벨로 감소되는 식으로 조성물, 용기, 및/또는 발광 나노결정들이 준비되는 것을 표현하도록 사용된다. 따라서, 예를 들어, 발광 나노결정들을 포함하는 "기밀하게 밀봉된 조성물 ("hermetically sealed composition)"이라는 것은 나노결정들의 성능 (예컨대, 발광성) 이 실질적으로 달성되거나 영향을 받도록 (예컨대, 감소되도록) 공기 (또는 기타의 기체, 액체, 또는 습기) 의 양이 조성물에 침투하고 발광 나노결정들에 접촉하지 않도록 하는 조성물이다.
명세서 전체를 통해 사용되는 바와 같이, 복수의 발광 나노결정들은 하나 보다 많은 나노결정들 (즉, 2, 3, 4, 5, 10, 100, 1,000, 1,000,000개 등의 나노결정들) 을 의미한다. 조성물은 동일한 조성을 갖는 발광 나노결정들을 적합하게 포함하지만, 또 다른 실시형태에 있어서는, 복수의 발광 나노결정들은 다양하고 상이한 조성물일 수 있다. 예를 들어, 발광 나노결정들은 모두 동일한 파장에서 방출할 수 있거나, 또는 또 다른 실시형태에 있어서는 조성물이, 상이한 파장에서 방출하는 발광 나노결정들을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 본 발명은 복수의 발광 나노결정들 (104) 을 포함하는 조성물 (100) 을 제공한다. 본 발명의 조성물에 있어서 명세서 전체를 통하여 기재된 것 및, 예를 들어, 미국 특허출원 제11/034,216호에 개시된 바와 같이 당해 기술 분야에서 공지된 것을 포함하여 임의의 나노결정이 준비될 수 있다.
적합한 실시형태에 있어서, 조성물 (100) 은 매트릭스 (102) 전체를 통해 분산된 복수의 발광 나노결정들 (104) 을 포함한다. 전체를 통해 사용되는 바와 같이, 분산된다 (dispersed) 는 것은 균일한 (즉, 실질적으로 균질적인 (homogeneous)) 것 뿐만 아니라 불균일한 (즉, 실질적으로 이질적인 (heterogeneous)) 나노결정들의 분포/배치를 포함한다. 본 발명의 조성물에 사용하기 위한 적합한 매트릭스로서는 중합체 및 유기 산화물 및 무기 산화물을 포함한다. 본 발명의 매트릭스에서 사용하기 위한 적합한 중합체로서는 이러한 목적으로 사용될 수 있는 당업자에 공지된 임의의 중합체를 포함한다. 적합한 실시형태에 있어서, 중합체는 실질적으로 반투명 또는 실질적으로 투명일 것이다. 이러한 중합체로서는, 비한정적으로, 폴리 (비닐 부티랄):폴리 (비닐 아세테이트) ; 에폭시; 우레탄; 비한정적으로, 폴리페닐메틸실록산, 폴리페닐알킬실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리디알킬실록산, 플루오르화 실리콘, 및 비닐 및 하이드라이드 치환된 실리콘을 포함하는, 실리콘 및 실리콘 유도체; 비한정적으로, 메틸메트아크릴레이트, 부틸메트아크릴레이트, 및 라우릴메트아크릴레이트를 포함하여 단량체들로 형성되는 아크릴 중합체 및 공중합체; 스티렌계 중합체; 및 디비닐벤젠과 같은 이관능성 (difunctional) 단량체와 가교된 중합체를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 발광 나노결정들은, 예를 들어, 중합체에 나노결정들을 혼합하고 필름을 캐스팅 (casting) 하는 것, 단량체와 나노결정들을 혼합하고 이들을 함께 중합화 (polymerizing) 하는 것, 졸겔 (sol-gel) 에 나노결정들을 혼합하여 산화물을 형성하는 것, 또는 당업자에 공지된 임의의 다른 방식 등의 임의의 적합한 방식을 사용하여 중합체성 (또는 다른 적합한 재료, 예컨대, 왁스, 오일) 매트릭스에 매입될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "매입된 (embedded)" 이라는 용어는 발광 나노결정들이 매트릭스의 대부분의 성분을 구성하는 중합체 내에 둘러싸이는 (enclosed) 또는 감싸여지는 (encased) 것을 나타내기 위해 사용된다. 이 때, 적합하게는 발광 나노결정들은 매트릭스 전체에 걸쳐 균일하게 분포되지만, 또 다른 실시형태에 있어서는, 응용에 특정적인 균일성 분포 함수에 따라서 분포될 수 있다는 것에 유의한다.
본 발명의 조성물의 두께는 스핀 코팅 및 스크린 인쇄와 같은 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해 제어될 수 있다. 본 발명의 발광 나노결정 조성물은 임의의 소망하는 크기, 형태, 구성 (configuration), 및 두께일 수 있다. 예를 들어, 조성물은 층 (layer) 의 형태일 수 있으며, 예를 들어, 디스크, 구체 (sphere), 정육면체 (cube) 또는 블록, 튜브 형태의 구성 등의 다른 형태일 수 있다. 본 발명의 다양한 조성물들은 임의의 필요 또는 소망하는 두께일 수 있는 한편, 적합하게는, 조성물은 두께가 약 100 ㎜ 정도이고 (즉, 한 치수에서), 두께가 약 1 ㎜보다 작은 정도까지 내려갈 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 본 발명의 중합체성 층은 그 두께가 수십 내지 수백 미크론 정도의 크기일 수 있다. 발광 나노결정들은, 소망하는 기능을 위해 적절한 임의의 로딩 비율로 다양한 조성물/매트릭스에 매입될 수 있다. 적합하게는, 발광 나노결정들은 응용, 매트릭스, 및 사용되는 나노결정들의 종류에 따라서 약 0.001부피%와 약 75부피% 사이의 비율로 로딩된다. 적절한 로딩 비율은 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있으며, 본 명세서는 특정 응용에 대하여 더 자세하게 설명한다. 예시적 실시형태에 있어서, 발광 나노결정 조성물에 로딩되는 나노결정들의 양은 약 10부피% 내지 ppm (parts-per-million) 수준의 정도이다.
본 발명에서 사용하기 위한 발광 나노결정들은 적합하게는 크기가 약 100 nm보다 작게 되며, 크기가 약 2 nm보다 작은 수준까지 내려간다. 적합한 실시형태에 있어서, 본 발명의 발광 나노결정들은 가시광을 흡수한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 가시광은 인간의 눈에 가시적인 약 380과 약 780 나노미터 사이의 파장을 갖는 전자기 방사이다. 가시광은 적색, 오렌지색, 노란색, 녹색, 청색, 인디고색, 및 바이올렛색 등의 스펙트럼 상의 다양한 컬러들로 분리될 수 있다. 본 발명의 광자-필터링 나노복합재는 이러한 컬러들 중 임의의 하나 또는 그 이상을 구성하는 광을 흡수하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 나노복합재는 청색광, 적색광, 또는 녹색광, 이러한 컬러들의 조합, 또는 그 사이의 임의의 컬러들을 흡수하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 청색광은 파장이 약 435 nm와 약 500 nm 사이의 광을 포함하며, 녹색광은 약 520 nm와 565 nm 사이의 광을 포함하며, 적색광은 약 625 nm와 약 740 nm 사이의 광을 포함한다. 당업자라면, 이러한 파장들의 임의의 조합, 또는 이러한 컬러들 사이의 파장을 필터링할 수 있는 나노복합재를 구성할 수 있을 것이고, 이러한 나노복합재는 본 발명에 의해 구현된다.
다른 실시형태에 있어서, 발광 나노결정들은 자외선, 근적외선, 및/또는 적외선 스펙트럼 영역의 광자들을 흡수하도록 하는 크기 및 조성을 갖는다. 본 발명에서 사용되는 바와 같이, 자외선 스펙트럼은 파장이 약 100 nm와 약 400 nm 사이의 광을 포함하며, 근적외선 스펙트럼은 약 750 nm와 약 100㎛ 사이의 광을 포함하며, 적외선 스펙트럼은 파장이 약 750 nm와 약 300㎛ 사이의 광을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 있어서는 임의의 적합한 재료의 발광 나노결정들이 사용될 수 있는 한편, 특정 실시형태에 있어서, 나노결정들은 ZnS, InAs 또는 CdSe 나노결정들일 수 있으며, 또는 나노결정들은 본 발명의 실시에서 사용하기 위한 나노결정들의 집단 (population) 을 형성하기 위하여 다양한 조합을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 또 다른 실시형태에 있어서, 발광 나노결정들은 CdSe/ZnS, CdSe/CdS 또는 InP/ZnS 등의 코어/쉘 나노결정들이다.
본 발명의 조성물을 기밀하게 밀봉하기 위하여, 배리어 층이 조성물 상에 배치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 배리어 층 (106) 은 발광 나노결정들 (104) 을 포함하는 매트릭스 (102) 상에 배치되므로써, 기밀하게 밀봉된 조성물을 생성한다. "배리어 층"이라는 용어는 명세서 전체에 걸쳐서 조성물을 기밀하게 밀봉하도록 매트릭스 (102) 상에 배치되는 층, 코팅, 실런트 (sealant), 또는 기타의 재료를 지칭하기 위해 사용된다. 배리어 층의 예로서는 조성물 상에서 공기가 통하지 않는 밀봉 (airtight seal) 을 생성할 수 있는 임의의 재료의 층, 코팅, 또는 재료를 포함한다. 적합한 배리어 층으로서는 무기 층을 포함하며, 적합하게는, Al, Ba, Ca, Mg, Ni, Si, Ti 또는 Zr의 산화물과 같은 무기 산화물을 포함한다. 예시적 무기 산화물 층으로서는, SiO2, TiO2, AlO2 등을 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 사용되는 바와 같이, "배치하다 (dispose)", 및 "배치 (disposing)" 라는 용어는 배리어 층을 적용 (apply) 하는 임의의 적합한 방법을 포함한다. 예를 들어, 배치는 층화 (layering), 코팅, 스프레잉, 스퍼터링, 플라즈마 강화 화학기상증착, 원자층 증착, 또는 조성물에 배리어 층을 적용하는 다른 적합한 방법을 포함한다. 적합한 실시형태에 있어서, 조성물 상에 배리어 층을 배치하기 위해 스퍼터링이 사용된다. 스퍼터링은 고 에너지 이온들을 사용하여 재료의 원소 소스를 충격하고, 이에 의해 원자들의 증기를 튀어나오게 하고, 그 후 증기들이 기판 상의 박층들에 증착되는 물리적 기상증착 공정을 포함한다. 예를 들어, 미국 특허 제6,541,790호, 제6,107,105호, 및 제5,667,650호를 참조하기 바라며, 그 각각의 개시물은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다.
또 다른 실시형태에 있어서, 배리어 층을 배치하는 것은 원자층 증착을 사용하여 실행될 수 있다. LED의 코팅 등의 응용에 있어서, 나노결정들 함유 중합체성 층과 같은 발광 나노결정 조성물은 때로는 복잡한 지오메트리 (geometry) 와 피처 (feature) 를 가질 수 있다. 예를 들어, 본딩 와이어와 솔더 조인트 등의 LED의 성분들이 때로는 중합체성 층에 직접 접촉하거나 심지어는 그 내부에 포함된다. 적합하게는 나노결정 조성물을 기밀하게 밀봉하기 위하여, 실제적으로 무결점의 (즉, 핀 홀이 없는) 배리어 층이 종종 필요하다. 또한, 배리어 층을 적용하는 것은 중합체 또는 나노결정들을 열화시키지 않아야 한다. 따라서, 적합한 실시형태에 있어서, 원자층 증착이 배리어 층을 배치하기 위하여 사용된다.
원자층 증착 (ALD: Atomic Layer Deposition) 은 발광 나노결정 조성물 상의 산화물 층 (예컨대, TiO2, SiO2, AlO2, 등) 의 증착을 포함할 수 있으며, 또는 또 다른 실시형태에 있어서, 질화물 (예컨대, 실리콘 질화물) 등의 비도전성 층의 증착이 사용될 수 있다. ALD는 반응 기체와 퍼징 (purging) 기체를 교번하여 공급함으로써 원자층을 (즉, 몇개의 분자 두께만으로) 증착한다. 높은 종횡비 (aspect ratio), 함몰의 균일성, 및 양호한 전기 및 물리적 성질을 갖는 얇은 코팅이 형성될 수 있다. ALD 방법으로 증착된 배리어 층은 적합하게는 낮은 불순물 밀도와 1000 nm보다 작은 두께, 적합하게는 약 500 nm 보다 작은 두께, 약 200 nm 보다 작은 두께, 약 50 nm 보다 작은 두께, 약 20 nm 보다 작은 두께, 또는 약 5 nm 보다 작은 두께를 갖는다.
예를 들어, 적합한 실시형태에 있어서, 2개의 반응 기체 A 및 B가 사용된다. 반응 기체 A만이 반응 챔버에 흐르는 경우, 반응 기체 A의 원자들이 발광 나노결정 조성물에 화학적으로 흡착된다. 그 후, 어떠한 잔여 반응 기체 A도 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 기체로 퍼징된다. 그 후, 반응 기체 B가 유입되고, 반응 기체 A 및 B 사이의 화학 반응이 반응 기체 A가 흡착된 발광 나노결정 조성물의 표면 상에서만 발생하여, 조성물 상에 원자 배리어 층을 생성한다.
질화물 층과 같은 비도전성 층이 배치되는 실시형태에 있어서, 적합하게는, 실리콘 질화물 층을 배치하기 위하여 SiH2Cl2 및 원격 플라즈마 강화된 NH3 가 사용된다. 이는 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 반응성 산소 종의 사용을 필요로 하지 않는다.
발광 나노결정 조성물에 배리어 층을 증착하기 위해 ALD를 사용하는 것은 기판의 모르폴로지 (morphology) 에 무관하게 실제적으로 핀 홀이 없는 배리어 층을 생성한다. 증착 단계를 반복함으로써 배리어 층의 두께가 증가되어, 반복 횟수에 따라서 원자층 단위로 층의 두께를 증가시킬 수 있다. 또한, 배리어를 보호하거나 더 강화하기 위하여 배리어 층은 추가층으로 (예컨대, 스퍼터링, CVD, 또는 ALD를 통해) 더 코팅될 수 있다.
적합하게는, 본 발명의 실시에 활용되는 ALD 방법은 약 500℃ 미만, 적합하게는, 약 400℃ 미만, 약 300℃ 미만, 또는 약 200℃ 미만의 온도에서 수행된다.
예시적 배리어 재료로서는 특히 산소 및 습기 투과도를 감소시키도록 설계되는 유기 재료를 포함한다. 예로서는 (알루미나 충전된 에폭시와 같은) 충전된 에폭시 및 액정 중합체를 포함한다.
명세서 전체에 걸쳐 설명하는 바와 같이, 적합하게는, 매트릭스 (102) 는 중합체성 기판을 포함한다. 따라서, 본 발명은, 본 명세서 또는 당업계에 공지된 다양한 방법 중 임의의 것을 사용하여 조성물 상에 배리어 층을 배치함으로써, 발광 나노결정들을 포함하는 조성물, 적합하게는, 발광 나노결정들을 포함하는 중합체성 기판을 기밀하게 밀봉하는 방법을 포함한다.
매트릭스 (102) 로서 중합체성 기판을 사용하는 능력은 간단히 소망하는 형상/배향으로 조성물을 몰딩하거나 그렇지 않으면 조작함으로써 조성물의 다양한 형상과 구성의 형성을 가능하게 한다. 예를 들어, 발광 나노결정들의 용액/현탁액 (solution/suspension) 이 (예컨대, 중합체성 매트릭스 내의 발광 나노결정들이) 준비될 수 있다 . 이 용액은 그 후 요구되는 형태를 형성하도록 임의의 소망하는 몰드에 위치된 후, 경화되어 (예컨대, 중합체의 종류에 따라서 냉각 또는 가열되어) 고체 또는 반고체 (semi-solid) 의 구조를 형성할 수 있다 . 예를 들어, LED 상에 또는 그 위에 위치시키도록 캡 (cap) 또는 디스크 형상으로 몰드가 준비될 수 있다. 그러면, 이는, 예를 들어, 하향 변환층으로서 사용될 수 있는 조성물의 준비를 가능하게 한다. 소망하는 형태를 준비하는 것에 이어서, 그 후, 조성물을 기밀하게 밀봉하기 위해 조성물 상에 배리어 층이 배치되어, 발광 나노결정들을 산화로부터 보호한다.
부가 실시형태에 있어서, 소망하는 기판 또는 물품 (예를 들어, LED) 상에 직접 발광 나노결정들을 포함하는 조성물 (예컨대, 중합체성 조성물) 이 바로 배치될 수 있다. 그 후, 발광 나노결정 조성물 (예컨대, 용액 또는 현탁액) 이 경화된 후 조성물 상에 배리어 층이 배치되어, 소망하는 기판 또는 물품 상에서 직접 조성물을 기밀하게 밀봉할 수 있다. 따라서, 이러한 실시형태는 별도의 조성물의 준비를 필요로 하지 않으며, 그 대신, 소망하는 물품/기판 (예컨대, 광원 또는 기타의 최종 제품) 상에 직접 조성물을 준비하는 것을 가능하게 한다.
또 다른 실시형태에 있어서, 본 발명은 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 용기를 기밀하게 밀봉하는 방법을 제공한다. 적합하게는, 본 방법은 용기를 제공하는 것, 발광 나노결정들을 용기 안에 도입하는 것, 및 그 후, 용기를 밀봉하는 것을 포함한다. 예를 들어, 발광 나노결정들의 용기를 기밀하게 밀봉하는 예시적 방법이 도 3 및 도 4를 참조하여 도 2의 흐름도 (200) 에 도시되어 있다. 도 2의 단계 202에서, 예를 들어, 도 3 및 도 4의 용기 (302 또는 402) 등의 용기가 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "용기 (container)"는 나노결정들을 유지하기 위한 임의의 적합한 물품 또는 리셉터클 (receptacle) 을 일컫는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 발광 나노결정들을 포함하는 "용기" 및 발광 나노결정들을 포함하는 "조성물"은 본 발명의 상이한 실시형태들을 표현한다는 것을 이해하기 바란다. 발광 나노결정들을 포함하는 "조성물"은 전체에 걸쳐 분산된 나노결정들을 함유하는 매트릭스, 예컨대, 중합체성 기판, 용액, 또는 현탁액을 일컫는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "용기"는 발광 나노결정들이 도입되는 캐리어, 리셉터클, 또는 미리 형성된 물품을 일컫는다 (때로는, 발광 나노결정들의 조성물, 예컨대, 발광 나노결정들을 포함하는 중합체성 매트릭스). 용기의 예로서는, 이에 한하지 않지만, 관 (tube), 몰딩되거나 또는 형성된 그릇 (vessel), 또는 리셉터클 등의 중합체성 (polymeric) 또는 유리 구조물을 포함한다. 예시적 실시형태에 있어서, 튜브 (원형, 직사각형, 삼각형, 타원형, 또는 기타의 소망하는 단면) 등의 소망하는 형태 또는 유사한 구조가 되도록 중합체성 또는 유리 물질을 압출함으로써 용기가 형성될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 설명하는 것을 포함하여 본 발명의 실시에 사용하기 위한 용기를 형성하기 위하여 임의의 중합체가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서 사용하기 위한 용기의 준비를 위한 예시적 중합체로서는, 비한정적으로, 아크릴, 폴리 (메틸메타크릴레이트) (PMMA), 및 다양한 실리콘 유도체를 포함한다. 본 발명의 실시에 사용하기 위한 용기를 형성하기 위하여 추가의 재료가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속, 다양한 유리, 세라믹 등으로부터 용기가 준비될 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 단계 202에서 일단 용기가 제공되면, 단계 204에서 용기 내에 복수의 발광 나노결정들 (104) 이 도입된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "도입된다 (introduced)"는 것은 용기 내에 발광 나노결정들을 제공하는 임의의 적합한 방법을 포함한다. 예를 들어, 발광 나노결정들이 용기 내에 주입되거나, 용기 내에 위치되거나, 용기내에 인출되거나 (예컨대, 석션 (suction) 또는 진공 메커니즘을 이용함으로써), 예를 들어, 전자기장을 이용함으로써 용기 내로 향하게 하거나, 또는 용기내에 발광 나노결정들을 도입하기 위한 다른 적합한 방법을 이용할 수 있다. 적합하게는, 용액 또는 현탁액, 예를 들어, 중합체성 용액에 발광 나노결정들이 존재하여, 용기 내로의 나노결정들의 도입을 돕는다. 예시적 실시형태에 있어서, 발광 나노결정들 (104) 은 도 3에 도시된 바와 같이 용기, 예를 들어, 튜브 형태의 용기 (302) 에 유입될 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 용기 (402) 는 발광 나노결정들 (104) 이 도입될 수 있는 캐비티 또는 공동 (404) 을 갖도록 준비될 수 있다. 예를 들어, 발광 나노결정들 (104) 의 용액이 용기 (402) 의 캐비티 (404) 내에 도입될 수 있다.
용기 내에 발광 나노결정들을 도입하는 것에 이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 단계 206에서 용기가 기밀하게 밀봉된다. 용기를 기밀하게 밀봉하는 방법의 예로서는, 비한정적으로, 용기를 가열 밀봉하는 것, 용기를 초음파 용접하는 것, 용기를 납땜하거나, 또는 용기에 접착 본딩하는 것을 포함한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 용기 (302) 는 임의의 수의 위치에서 밀봉되어, 용기 전체에 걸쳐서 다양한 수의 밀봉 (304) 을 생성할 수 있다. 예시적 실시형태에 있어서, 용기 (302) 는, 예를 들어, 여러 밀봉 포인트 (304) 에서 용기를 가열한 후 "핀칭 (pinching)"함으로써 용기 전체에 걸쳐 여러 위치에 가열 밀봉될 수 있다.
적합한 실시형태에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 중합체성 또는 유리 관이 용기 (302) 로서 사용될 수 있다. 그 후, 용기의 단부에 감소된 압력을 적용하는 것에 의해 발광 나노결정들 (104) 의 용액이 용기에 인출될 수 있다. 그 후, 용기 (302) 는 용기의 길이 전체에 걸쳐서 여러 밀봉 위치 또는 밀봉 (304) 에서 용기를 가열하고 "핀칭"함으로써 또는 명세서 전체를 통해 설명하는 바와 같이 다른 밀봉 메커니즘을 이용함으로써 밀봉될 수 있다. 이런 식으로, 용기 (302) 는 여러 개별 섹션 (306) 으로 분리될 수 있다. 이러한 섹션들은 도 3에 도시된 바와 같이, 단일의 밀봉된 용기 (308) 로서 함께 유지될 수 있거나, 또는 개별 부분들로 섹션들이 분리될 수 있는 것 중 어느 한쪽이다. 용기 (302) 의 기밀한 밀봉은 각각의 개별 밀봉 (304) 이 동일한 나노결정들의 용액들을 분리하도록 수행될 수 있다. 기타의 실시형태에 있어서, 밀봉 (304) 은 용기 (302) 의 분리된 섹션들의 각각이 상이한 나노결정 용액 (즉, 상이한 나노결정 조성, 크기, 또는 밀도) 을 포함하도록 생성될 수 있다.
또 다른 실시형태에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 용기 (402) 에 형성된 캐비티/공동 (404) 내로 발광 나노결정들이 위치될 수 있다. 용기 (402) 는 임의의 적합한 공정을 이용하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 용기 (402) 는 임의의 소망하는 형태 또는 형상으로 인젝션 몰딩될 수 있다. 캐비티/공동 (404) 은 초기 준비 공정 (즉, 몰딩 중에) 준비될 수 있거나, 또는 형성 후에 후속하여 추가될 수 있다. 그 후, 발광 나노결정 (104) 들이 캐비티/공동 (404) 에 도입된다. 예를 들어, 용기 (402) 의 캐비티/공동 (404) 으로 발광 나노결정들이 주입되거나 위치될 수 있다. 적합하게는, 발광 나노결정들의 용액이 전체 용기를 충전하지만, 용기를 나노결정들로 완전히 충전할 필요는 없다. 그렇지만, 전체 용기가 충전되지 않는 경우에, 발광 나노결정들이 기밀하게 밀봉되는 것을 보장하도록 밀봉에 앞서서 용기 내의 실질적으로 모든 공기를 실질적으로 제거할 필요가 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예시적 실시형태에 있어서, 용기 (402) 는 커버 또는 리드 (406) 와 용기를 본딩, 용접, 또는 그렇지 않으면 밀봉함으로써 기밀하게 밀봉될 수 있다. 적합하게는, 용기 (402) 와 동일한 재료로 커버 (406) 가 생성될 수 있는 (그리고, 밀봉에 앞서서 적합하게는 부분적으로 부착될 수 있는) 반면, 또한 상이한 재료를 포함할 수도 있다. 부가 실시형태에 있어서, 특히 산소 및 습기 투과도를 감소시키도록 설계된 유기 재료 등의 재료가 용기 (402) 를 커버하거나 밀봉하기 위해 사용될 수 있다. 예로서는 (알루미나 충전된 에폭시 등의) 충전 에폭시 및 액정 중합체를 포함한다.
예를 들어, 용기를 몰딩 (molding) 하거나, 압출하거나, 성형하는 것을 통해, 맞춤 설계된 (custom designed) 용기를 제조하는 능력은 발광 나노결정들이 도입되어 기밀하게 밀봉될 수 있는 매우 특수화된 부품의 준비를 가능하게 한다. 예를 들어, (예컨대, 다른 광학 컴포넌트로 하향 변환 (down-conversion) 을 파이핑 (piping) 하기 위한 용도로) LED 또는 기타의 광원 주위에 일치되는 형상들이 생성될 수 있다. 또한, 다양한 필름, 디스크, 층, 및 기타의 형태가 준비될 수 있다. 예시적 실시형태에 있어서, 수개의 상이한 용기가 준비될 수 있으며, 그 각각은 상이한 조성의 발광 나노결정들을 함유할 수 있으며 (즉, 각각의 조성은 상이한 색을 방출), 그 다음 소망하는 성능 특성을 생성하기 위하여 별도의 용기들이 함께 사용될 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 용기는 발광 나노결정들이 그 내에 도입될 수 있는 다수의 캐비티 또는 저장소 (reservoir) 를 갖도록 준비될 수 있다.
발광 나노결정들 (104) 이 용액 상태에 있으면서 용기 (302, 402) 에 기밀하게 밀봉될 수 있는 한편, 적합하게는 (예컨대, 도 2의 단계 210에서) 기밀한 밀봉에 앞서 발광 나노결정 용액이 경화된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "경화된 (cured)" 다는 것은 발광 나노결정들의 용액 (예컨대, 중합체성 용액) 을 굳히는 (hardening) 공정을 일컫는다. 경화는 간단히 용액이 건조되게 하고, 임의의 용매 (solvent) 가 기화하도록 함으로써 성취되거나, 또는 용액을 광 또는 기타의 외부 에너지에 가열 또는 노출시킴으로써 경화가 성취될 수 있다. 경화에 이어서, 용기는 명세서 전체를 통해 설명하는 다양한 방법들을 이용하여 기밀하게 밀봉될 수 있다.
예시적 실시형태에 있어서, 산화성 열화 (oxidative degradation) 로부터 발광 나노결정들을 보호하기 위하여 부가 기밀한 밀봉은 필요치 않다. 예를 들어, 글래스 혹은 중합체성 용기에 발광 나노결정들을 밀봉하는 것은 또 다른 변경은 필요치 않도록 산소 및 습기로부터 충분한 보호를 제공한다. 그러나, 또 다른 실시형태에 있어서, 용기 상에 배리어 층을 배치함으로써 기밀하게 밀봉된 용기에 산화에 대한 추가의 보호 레벨이 더해질 수 있다. 예를 들어, 도 2의 단계 208에 도시된 바와 같다. 명세서 전체를 통해 설명하는 바와 같이, 예시적 배리어 층은 유기 재료 뿐만 아니라 SiO2, TiO2 및 AlO2 등의 무기 산화물 등의 무기 층을 포함한다. 용기 상에 배리어 층을 배치하는 임의의 방법이 사용될 수 있는 한편, 적합하게는, 용기 상에 배리어 층이 스퍼터링되거나, ALD를 통해 용기 상에 배치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배리어 층 (106) 은 밀봉된 섹션들을 갖는 용기 상에 배치되거나, 밀봉하고 서로 분리한 후 개별 섹션들 상에 배치되어, 기밀하게 밀봉된 용기 (310, 312) 를 제조할 수 있다.
본 발명의 적합한 실시형태에 있어서, 발광 나노결정들의 기밀하게 밀봉된 용기를 생성하기 위한 다양한 단계들은 불활성 분위기 속에서 수행된다. 예를 들어, 단계 204, 206, 및 208 (필요시, 단계 210) 은 모두 적합하게는 불활성 분위기에서 즉, 진공 속에서 및/또는 오직 N2 또는 기타의 불활성 기체 (들) 가 존재하는 가운데 수행된다.
또 다른 실시형태에 있어서, 본 발명은 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 용기 및 기밀하게 밀봉된 조성물을 제공한다. 예시적 실시형태에 있어서, 발광 나노결정들은 (명세서 전체에 걸쳐 설명하는 바와 같이) 하나 또는 그 이상의 반도체 재료를 포함하며, 적합하게는, CdSe/ZnS, CdSe/CdS 또는 InP/ZnS 등의 코어/쉘 발광 나노결정들이다. 일반적으로, 발광 나노결정들은 약 1 nm 내지 50 nm, 적합하게는, 약 1 nm 내지 30 nm, 더 적합하게는, 약 1 nm 내지 10 nm, 예컨대, 약 3 nm 내지 9 nm의 크기이다. 예시적 실시형태에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 설명하는 바와 같이, 본 발명의 기밀하게 밀봉된 조성물과 용기는 조성물을 코팅하는 배리어 층 (예컨대, 도 1의 조성물 (100) 을 코팅하는 배리어 층 (106)) 을 포함하며, 선택적으로 용기를 코팅하는 배리어 층 (예컨대, 도 3에서 용기 (302) 를 코팅하는 배리어 층 (106)) 을 포함한다. 예시적 배리어 층의 종류로서는 명세서 전체에 걸쳐 설명하는 바를 포함하여, SiO2, TiO2, 및 AlO2 등의 무기 층을 포함한다.
발광 나노결정들을 기밀하게 밀봉하기 위한 용기의 다양한 형상, 배향, 및 크기를 생성하는 것에 더하여, 용기/조성물에 대하여 추가의 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 용기/조성물은 여과 (filtration) 를 위한 렌즈의 형상으로 준비되거나 또는 그 외의 광원의 변경을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 예를 들어, 용기/조성물에 대하여 반사체 또는 유사한 장치를 준비 또는 부착함으로써 용기/조성물이 변경될 수 있다.
또한, 평탄한 (또는 굴곡된) 마이크로렌즈를 형성하기 위하여 조성물 또는 용기 내로 직접 마이크로패턴이 몰딩될 수 있다. 이는 주조 공정 동안에 또는 후속하는 엠보싱 단계에서 행해질 수 있다. 디스플레이에서와 같이 공간이 제한적으로 활용가능한 경우, 평탄한 마이크로렌즈를 이루기 위하여 마이크로패턴이 활용되기도 한다. 이러한 기술의 예로서는, 그 표면에 몰딩된 20 내지 50 미크론의 프리즘을 갖는 3M 사의 휘도 향상 필름을 포함한다. 적합한 실시형태에 있어서, 본 발명은 캡슐화 중합체 내에 (또는 용기 내에) 기밀하게 밀봉된 후 마이크로렌즈가 형성되도록 마이크로패터닝되는 발광 나노결정들을 포함하는 마이크로렌즈들을 제공한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈 어셈블리 (500) 는 적합하게는 기판 (508) 에 의해 지지되는 LED (506) 의 상부에 또는 다르게는 LED (506) 에 접촉하게 위치되는 발광 나노결정들 (104) 의 층 (504) 을 포함하는 기밀하게 밀봉된 조성물 (502) 을 포함한다. 조성물 (502) 의 표면은, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 일련의 마이크로프리즘 (510) 을 포함하도록 다양한 형태로 몰딩되어 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.
예시적 실시형태에 있어서, 본 발명의 기밀하게 밀봉된 조성물과 조합하여 마이크로렌즈를 사용하는 것은 LED/발광 나노결정들로부터 포획되는 (따라서, 조성물로부터 방출되는) 방출광의 양을 증가시키도록 한다. 예를 들어, 본 발명의 기밀하게 밀봉된 조성물과 용기에 대하여 마이크로프리즘 또는 기타의 마이크로렌즈를 추가하는 것은 적합하게는 포획된 광량이 마이크로프리즘 또는 기타의 마이크로렌즈 어셈블리를 포함하지 않는 조성물에 비하여 약 10% 보다 크게 (예컨대, 약 10% 내지 60%, 약 10% 내지 50%, 약 10% 내지 40%, 약 20% 내지 40%, 또는 약 30% 내지 40%) 증가하는 결과를 가져온다. 이러한 포획되는 광량의 증가는 조성물 또는 용기로부터 방출되는 총 광량의 증가와 바로 상관된다.
적합한 실시형태에 있어서, 광원에 대한 적용을 위해 렌즈를 형성하는 이색성 미러 (dichroic mirror) 가 용기/조성물에 부착되거나 결합될 수 있다. 이색성 미러는 특정 파장의 광이 미러를 통과하도록 하는 한편 다른 것들은 반사한다. 광원으로부터의 광이 렌즈 형태의 용기/조성물에 진입함에 따라, 광자가 용기/조성물에 진입하고 내부에 기밀하게 밀봉되었던 다양한 발광 나노결정들을 여기시킬 수 있다. 발광 나노결정들이 광을 방출함에 따라서, 광자들은 용기/조성물을 빠져나갈 수 있지만, (이들이 이색성 미러에 의해 반사되므로) 초기 광원을 향하여 다시 반사될 수는 없다. 실시형태에 있어서, 그렇다면, 적합한 용기/조성물이 광원 (예컨대, LED) 에 대해 피트 (fit) 되도록 생성될 수 있다. 이는 광원으로부터 광이 진입하고 내부의 발광 나노결정들을 여기시키는 것을 허용하지만, 방출된 광은 광원으로부터 먼 쪽으로 용기/조성물을 빠져나가는 것이 허용될 뿐이고, 이색성 미러에 의해 광원으로 다시 반사되지 않도록 차단된다. 예를 들어, LED 광원으로부터의 청색광은 이색성 미러를 통과하여 캡슐화된 발광 나노결정들을 여기시키도록 되며, 그 후 녹색광을 방출한다. 녹색광은 미러에 의해 반사되며, 광원으로 다시 반사되도록 허용되지는 않는다.
본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 적합한 실시형태에 있어서, 본 발명의 기밀하게 밀봉된 발광 나노결정 조성물은 LED 또는 기타의 광원과 조합하여 사용된다. 이러한 밀봉된 나노결정들/LED의 적용은 당업자에게 공지되어 있으며, 이하를 포함한다. 예를 들어, 이러한 밀봉된 나노결정들/LED는 마이크로프로젝터에서 (예컨대, 미국 특허 제7,180,566호 및 제6,755,563호를 참조, 그 개시물은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다) ; 셀룰러 전화기, PDA, PMP (Personal Media Player), 게임 장치, 랩톱, DVD (digital versatile disk) 플레이어, 및 기타의 비디오 출력 장치, 퍼스널 컬러 아이웨어 (eyewear), 및 자동차 및 항공기 용의 헤드업 또는 헤드다운 (및 기타의) 디스플레이와 같은 응용에서 사용될 수 있다. 부가의 실시형태에 있어서, 기밀하게 밀봉된 나노결정들은 DLP (Digital Light Processor) 프로젝터 등의 응용에서 사용될 수 있다.
부가의 실시형태에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 개시되는 기밀하게 밀봉된 조성물 및 용기는 에텐듀 (etendue) 로 알려진 광학 시스템의 성질 (또는 광이 영역 또는 각도에서 얼마나 확산되는지) 을 최소화하기 위하여 사용될 수 있다. 청구된 본 발명의 조성물 또는 용기와 함께 LED 또는 기타의 광원을 배치하거나, 층화하거나, 또는 그렇지 않으면 커버링함으로써 (심지어는 부분적으로 커버함으로써), 또한 LED의 면적 (또는, 두께) 에 대한 발광 나노결정 조성물 또는 용기의 전체 면적 (또는, 두께) 의 비율을 제어함으로써, 에텐듀의 양 또는 범위가 최소화되어, 포획되고 방출되는 광량을 증가시킬 수 있다. 적합하게는, 발광 나노결정 조성물 또는 용기의 두께는 LED 층의 두께의 약 1/5보다 작게 된다. 예를 들어, 발광 나노결정 조성물 또는 용기는 LED 층 두께의 약 1/6보다 작거나, 약 1/7보다 작거나, 약 1/8보다 작거나, 약 1/9보다 작거나, 약 1/10보다 작거나, 약 1/15보다 작거나, 또는 약 1/20보다 작게 된다.
또 다른 실시형태에 있어서, 청구된 본 발명의 기밀하게 밀봉된 발광 나노결정들은, 예를 들어, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 광-포커싱 장치 (또는 포커싱 장치) 를 포함하는 시스템 (602) 에서 사용될 수 있다. 예시적 실시형태에 있어서, 광-포커싱 장치 (604) 는 LED (506) 와 함께 준비되고 부착되거나 그렇지 않으면 다른 식으로 결합될 수 있다. 적합하게는, 광-포커싱 장치 (604) 는 정육면체 또는 직사각형 박스의 형태이며, 여기서, 박스의 바닥은 LED (506) 위에 또는 상부에 위치되고 장치의 측부는 LED 위로 연장된다. 도 6a는 도 6b의 면 1-1을 통해서 취해진 장치 (604) 의 단면도를 나타내며, 도 6b는 장치 (604), LED (506), 및 기판 (508) 의 평면도를 나타낸다. 예시적 실시형태에 있어서, 장치 (604) 는 LED (506) 를 둘러싸는 4개의 측부를 포함하지만, 다른 실시형태에 있어서는, 재료의 단일 단편만이 (또는 연속적인 단편을 형성하기 위한 방식의 다중 단편들 (pieces) 이) LED (506) 를 둘러싸게 되도록, 임의의 수 (예컨대, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 등) 의 측부가 사용될 수 있거나 원형의 장치가 사용될 수 있다. 일반적으로, 광-포커싱 장치 (604) 의 상부 및 하부는 개방되는 반면 (즉, 장치는 LED (506) 위에 바로 위치되어 LED (506) 를 둘러쌈), 다른 실시형태에 있어서, 장치 (604) 의 상부 또는 하부, 또는 양쪽 모두는 재료의 추가 단편에 의해 폐쇄될 수 있다.
포커싱 장치 (604) 는 적합하게는 LED에 의해 생성되는 광을 반사시킬 수 있는 재료로 이루어지거나, 또는 광을 반사하는 재료로 코팅된다. 예를 들어, 포커싱 장치는 중합체, 금속, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 내부 표면 (즉, LED를 향하는 표면) 은 금속 (예컨대, Al) 또는 기타의 반사성 코팅 등의 반사성 재료로 코팅될 수 있다. 이러한 반사성 코팅은 스프레이 코팅, ALD, 페인팅, 디핑 (dipping), 스핀 코팅 등의 임의의 적합한 방법을 이용하여 포커싱 장치의 표면 상에 성막될 수 있다.
포커싱 장치 (604) 는 적합하게는 본 발명의 기밀하게 밀봉된 나노결정 조성물 (504) (또는 기밀하게 밀봉된 나노결정 용기) 를 둘러싸거나 또는 캡슐화하고, 따라서 장치는 조성물 또는 용기와 결합된다. 적합한 실시형태에 있어서, 포커싱 장치 (604) 는 LED (506) 와는 별도로 준비될 수 있으며, 그 후, 예를 들어, 에폭시 등의 접착제에 의해 LED에 부착된 후, 장치 (604) 의 중심부가 기밀하게 밀봉된 나노결정 조성물 (504) 로 충전될 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 포커싱 장치 (604) 는 LED (506) 상에 바로 조립될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 기밀하게 밀봉된 조성물이 LED 상에 배치될 수 있으며, 그 후, 포커싱 장치가 미리 만들어진 장치로서 또는 LED 상에 바로 구축되는 식으로 추가될 수 있다. 적합한 실시형태에 있어서, 장치 (604) 는 또한 나노결정 조성물 (504) 을 밀봉하기 위하여 커버 (예컨대, 유리 또는 중합체 커버) 를 또한 포함한다. 이러한 커버는 나노결정 조성물에 걸친 기밀한 밀봉으로서 역할을 하거나, 또는 간단히 나노결정 조성물과 포커싱 장치를 지지하기 위한 부가의 구조적 요소로서 역할한다. 이러한 커버는 나노결정 조성물 (504) 의 바로 위에 위치될 수 있거나, 또는 장치 (604) 의 상부에 또는 그 사이의 임의의 위치에 위치될 수 있다.
도 6a 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 적합한 실시형태에 있어서, 포커싱 장치 (604) 는 장치의 측부들이 바닥에서는 안쪽으로 (예컨대, LED 근처로), 그러나 상부에서는 바깥쪽으로 (LED로부터 먼쪽으로) 테이퍼지도록 준비된다. 이는 장치 외부로 광을 향하게 하기 위해 광 (606) 을 빔으로 집광하고 포커싱하는데에 도움이 된다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 적합하게는, 포커싱 장치 (604) 는 광 (606) 을 LED로부터 외부로 향하게 한다. 테이퍼지거나 각이 진 측부를 사용함으로써, LED/나노결정들로부터 방출되는 광 (606) 은 장치의 내부에서 전후로 바운싱되는 것에 의해 소실되거나 단순히 탈출하지 못해 소실되는 것이 아니라, 장치 (604) 외부로 향해진다. 본 발명의 발광 나노결정 조성물 및 용기와 조합하여 광-포커싱 장치를 사용하는 것은 광의 포커스 빔이 요구되거나 소망하는 경우에 마이크로프로젝터 및 기타의 응용에서 적합하게 채용될 수 있다.
기밀하게 밀봉된 나노결정들을 갖는 발광 다이오드 (LED) 디바이스
추가 실시형태에서, 본 발명은 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 포함한다. 예시적인 LED 디바이스 (700) 는 도 7a에 도시되어 있다. LED 디바이스 (700) 은 적합하게는 LED (702) 를 포함한다. 오직 예시를 위하여 LED (702) 가 기판 (706) 상에 나타나 있다. 임의의 적합한 구성의 LED가 본 발명의 실시에서 이용될 수 있다는 것이 이해되야 한다. 또한, 다중 (즉, 하나 보다 많은) LED 가 LED 디바이스 (700) 에서 이용될 수 있다. LED 디바이스 (700) 는 또한 복수의 발광 나노결정들 (710) 을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 를 포함한다. 용기 (708) 는 LED (702) 에 광학적으로 연결된다. LED 디바이스 (700) 는 또한 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 에 광학적으로 연결된 광 가이드 (712) 를 포함한다.
본 발명의 실시형태들에서, LED로부터 방출된 광의 제 1 부분은 발광 나노결정들 (710) 에 의해 하향 변환된다. LED로부터 방출된 광의 제 2 부분 및 발광 나노결정들로부터의 하향 변환된 광은 광 가이드 (712) 로부터 방출된다.
다양한 구성 (configuration) 의 LED들, 및 전체 가시 시펙트럼에 걸쳐 광을 방출하는 LED들, 및 자외선 광 (10nm 내지 약 380nm의 파장을 갖는 광) 을 방출하는 LED들을 비롯하여, 임의의 적합한 LED 가 본 발명의 LED 디바이스들에서 이용될 수 있다. 적합하게는, LED (702) 는 청색광을 방출한다. 여기에 설명된 바처럼, 가시 스펙트럼은, 인간의 눈에 가시적인 약 380nm 와 약 780nm 사이의 파장을 갖는 광을 포함한다. 가시광은 적색, 오렌지색, 황색, 녹색, 청색, 남색 및 보라색과 같은 스펙트럼의 다양한 색상들로 분리될 수 있다. 여기서 사용된 바처럼, 청색광은 약 435 nm 과 약 500 nm 사이의 광을 포함하고, 녹색광은 약 520 nm과 565 nm 사이, 더 적합하게는 약 525 nm 내지 약 530 nm 의 광을 포함하고, 적색광은 파장이 약 625 nm 과 약 740 nm 사이, 더 적합하게는 약 625 nm 내지 약 640 nm의 광을 포함한다.
적합하게는, 도 7b에 도시된 바처럼, LED (702) 는 청색광 (716) 을 방출한다. LED로부터 방출된 청색 광의 제 1 부분 (718) 은 발광 나노결정들 (710) 에 의해 하향 변환된다. 나노결정들이 청색광의 이 부분을 흡수함에 따라, 제 2 파장의 광 (722, 724) 을 방출한다 (도 7b 참조). 적합하게는, 나노결정들 (710) 들로부터 방출된 광은 파장이 주로 녹색 (예를 들면 약 520 nm 와 약 565 nm 사이, 보다 적합하게는 약 525 nm 내지 약 530 nm) 및 적색 (예를 들면 파장이 약 625 nm과 약 740 nm 사이, 더 적합하게는 약 625 nm 내지 약 640 nm) 범위의 광을 포함한다. 따라서, 적합하게는 나노결정들 (710) 들은 2개 집단의 나노결정들을 포함한다. 한 집단의 나노결정들은 청색광을 흡수하고 적색광을 방출하도록 설계되고, 다른 집단의 나노결정들은 청색광을 흡수하고 녹색광을 방출하도록 설계된다. 나노결정들의 집단들은 적합하게는 복수 (즉, 2 이상, 10 이상, 100 이상, 1000 이상 등) 의 나노결정들을 포함한다. 여기에 설명된 바처럼, 나노결정들의 조성 및 크기를 조정하는 능력은 특정 흡수 및 방출 특성을 갖는 나노결정들의 설계를 허용한다.
청색광의 "제 1 부분" (718) 은 청색으로부터 다른 파장(들)의 광으로 하향 변환되는, LED로부터 방출된 청색광 (716) 의 퍼센티지 (percentage) 를 지칭한다. 제 1 부분은 LED에 의해 발산된 청색광의 전체량 보다 작은 LED (702) 로부터 방출된 원래 청색 광의 임의의 양 (예를 들면, LED (702) 로부터 방출된 청색광의 약 99% 내지 약 1%, 적합하게는 약 80% 내지 약 30%, 약 70% 내지 약 40%, 약 70% 내지 약 50% 또는 약 60%) 일 수 있다.
LED (702) 로부터 방출된 청색광의 제 2 부분 (720) 은 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 를 통과하며, (적합하게는 약 20% 내지 약 50%, 또는 약 20% 내지 약 40%) 청색광으로 나타난다. 다음으로, 청색광의 제 2 부분 (720) 및 나노결정들로부터 방출된 하향 변환된 광 (722 및 724) (예를 들면, 적색광 및 녹색광) 은 광 가이드 (712) 로부터 방출된다 (726). 궁극적으로 광 가이드로부터 방출될 때, LED로부터 방출된 청색광 (720), 및 하향 변환된 녹색광 및 적색광 (722 및 724) 은 적합하게 결합되어 백색광 (726) 을 생성한다.
추가의 실시형태들에서, 2개 (또는 그 보다 많은) 청색 발광 LED들이 이용되어, 한 (또는 그 보다 많은) LED 로부터의 모든 광이 나노결정들에 의해 하향 변환될 수 있는 한편, 제 2 (제 3 등) LED 로부터의 모든 광은 기밀하게 밀봉된 용기를 통과하여, 적색, 녹색 및 청색 파장들을 초래하고 이들이 결합되어 백색광을 생성한다.
기밀하게 밀봉된 용기 (708) 는 적합하게는 플라스틱 또는 유리 용기이다. 예시적인 기밀하게 밀봉된 용기들을 전체에 걸쳐 설명한다. 적합한 실시형태에서, 기밀하게 밀봉된 용기는 플라스틱 또는 유리 (예를 들면, 보로실리케이트) 모세관이다. 여기에 설명된 바처럼, "모세관 (capillary)" 은 폭 및 높이 양쪽 모두의 치수 보다 더 긴 길이 치수를 갖는 길쭉한 용기 (elongated container) 를 지칭한다. 적합하게는, 모세관은 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 불규칙한, 또는 다른 단면을 갖는 관 또는 유사한 구조이다. 적합하게는, 본 발명의 LED 디바이스들에서의 이용을 위한 모세관은 그것이 광학적으로 연결되는 LED의 형상 및 배향에 매칭되도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, 모세관은 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜의 적어도 한 치수를 갖는다. 플라스틱 모세관이 이용되는 실시형태들에서, SiO2, AlO2 또는 TiO2 등의 코팅 및 여기에 설명된 다른 것들이 모세관에 추가적인 기밀한 밀봉을 제공하기 위하여 추가될 수 있다.
적합하게는, 본 발명의 모세관은 약 50 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 두께를 갖는다. 두께는 광 가이드의 면 (plane) 속으로의 모세관의 치수를 지칭한다. 적합하게는, 본 발명의 모세관은 (광 가이드의 면에서) 약 50 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 높이를 갖는다. 적합하게는, 본 발명의 모세관은 (광 가이드의 면에서) 1 ㎜ 내지 약 50 ㎜, 약 1 ㎜ 내지 약 40 ㎜, 약 1 ㎜ 내지 약 30 ㎜, 약 1 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜의 길이를 갖는다.
또한 추가의 실시형태들에서 여기서 설명된 바처럼 발광 나노결정들의 기밀하게 밀봉된 조성물이 LED 디바이스들에서 이용될 수 있다. 그러한 실시형태들에서, 기밀하게 밀봉된 조성물이 LED 및 광 가이드에 광학적으로 연결되고, 따라서 나노결정들로부터의 하향 변환된 광을 제공한다.
여기서 사용된 바처럼, "광 가이드" 는 하나의 위치로부터 다른 위치로 전자기 방사 (광) 를 향하게 하는데 적합한 광 컴포넌트를 지칭한다. 예시적인 광 가이드들은 광섬유 케이블, 중합체성 또는 유리 고체 이를테면 플레이트, 필름, 용기 또는 다른 구조들을 포함한다. 광 가이드의 크기는 LED 디바이스의 궁극적인 응용 (application) 및 특성들에 의존할 것이다. 일반적으로, 광 가이드의 두께는 LED 의 두께와 잘 맞을 (compatible) 것이다. 광 가이드의 다른 치수들은 일반적으로 LED 의 치수들을 넘어 확장되게 설계되고, 적합하게는 수십 밀리미터 내지 수십에서 수백 센티미터 정도이다. 도면들에 예시된 광 가이드들은 디스플레이 시스템 및 그 밖에 이와 유사한 것에서의 사용에 적합한 실시형태들을 표시하지만, 광 섬유 케이블 등을 비롯하여 다른 광 가이드들이 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 실시에서의 이용을 위한 예시적인 나노결정들이 여기에 설명된다. 몇몇 실시형태들에서, 나노결정들은 코어/쉘 나노결정들이다. 적합하게는, 나노결정들은, 중합체성 재료에서 나노결정들의 용해도를 증가시키는, 나노결정들의 표면에 부착된 하나 이상의 리간드들을 함유한다. 예시적인 리간드들은 여기에 그리고 U.S. 특허 출원 번호 11/034,216, U.S. 특허 출원 번호 10/656,910 및 U.S. 가 특허 출원 번호 60/578,236 에 기재되어 있다. 나노결정들의 예시적인 크기들이 또한 여기에서 설명된다.
적합한 실시형태들에서, 발광 나노결정들은 CdSe 또는 ZnS을 포함한다. 이용될 수 있는 예시적인 코어/쉘 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 및 CdTe/ZnS, 나노결정들을 포함한다. 예시적인 실시형태들에서, 여기에서 설명된 바처럼, 나노결정들은 중합체성 매트릭스에 분산되거나 또는 임베딩 (embedding) 된다. 그 다음 이 매트릭스는 모세관을 밀봉하기 전에, 모세관속으로 인출되거나 또는 그렇지 않으면 모세관에 배치된다.
추가 실시형태들에서, 산란 재료 (예를 들면, 기밀하게 밀봉된 용기에 진입하는 광을 산란시키는 재료의 입자들) 이 매트릭스에 첨가될 수 있다. 적합하게는, 산란 매체 (scattering media) 는 크기가 500nm 내지 미크론들에서 심지어 밀리미터들 정도의 금속성, 중합체성, 반도체 또는 다른 재료 입자들이다. 다른 실시형태들에서, 산란 재료가 LED와 기밀하게 밀봉된 용기 사이에 또는 용기와 광 가이드 사이에 위치될 수 있다.
기밀하게 밀봉된 용기에 있는 나노결정들의 농도는 나노결정들의 응용, 크기, 나노결정들의 조성, 중합체성 매트릭의 조성 및 다른 요인들에 의존할 것이고, 당해 기술 분야의 일상적인 방법들을 이용하여 최적화될 수 있다. 적합하게는, 발광 나노결정들은, 약 0.01중량% 내지 약 50중량%, 약 0.1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 40중량%, 약 1중량% 내지 약 30중량%, 약 1중량% 내지 약 20중량%, 약 1중량% 내지 약 10중량%, 약 1중량% 내지 약 5중량%, 또는 약 1중량% 내지 약 3중량%의 농도로 존재한다. 적합하게는, LED들로부터의 광의 약 40% 내지 약 80%, 보다 적합하게는 약 50% 내지 약 70%, 또는 약 60%가 나노결정들에 의해 흡수되며, 나머지 광은 적합하게는 기밀하게 밀봉된 용기를 통과한다. 적합하게는, 용기에 충돌하는 광의 약 10% 내지 약 40%, 또는 약 20% 내지 약 30% 가 하향 변환되지 않고서 용기를 통과한다.
여기에서 설명된 바처럼, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 은 LED (702) 및 광 가이드 (712) 양쪽 모두에 광학적으로 연결된다. 여기서 사용된 바처럼, "광학적으로 연결된 (optically coupled)" 은, 하나의 컴포넌트로부터 다른 하나의 컴포넌트로 실질적인 간섭 (interference) 없이 광이 통과할 수 있도록 컴포넌트 (예를 들면, 기밀하게 밀봉된 용기 및 LED) 가 배치되는 것을 의미한다. 광학적인 연결은, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 및 LED (702) 가 직접 물리적으로 접촉하거나, 또는 도 7a에 도시된 바처럼, 적합하게 기밀하게 밀봉된 용기 (708) (및 따라서 나노결정들 (710)) 및 LED (702) 가 거리 (704) 를 두고 이격되는 실시형태들을 포함한다. 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 가 도 7a에 기판 (706) 의 상부와 접촉하는 것으로 도시되어 있지만, LED 로부터의 광이 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 를 통과할 수 있는 한, 임의의 적합한 구성이 이용될 수 있다. 예를 들면, 기밀하게 밀봉된 용기는 기판 (706) 의 상부와 LED (702) 사이의 공간에 배치될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 광학적으로 투명한 엘리먼트 (예를 들면, 렌즈를 비롯하여, 유리 또는 플라스틱 시트 또는 스트립) 이 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 와 LED (704) 사이에 배치될 수 있다. 광학적 연결은 컴포넌트들 사이의 물리적인 상호작용을 요하지 않는다는 것에 유의해야 한다. 오히려, 광이 컴포넌트들 사이를 지날 수 있는 한, 이들은 광학적으로 연결된 것으로 고려된다. 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 과 LED (702) 사이에 간격을 두는 것은 나노결정들이 LED로부터 원격으로 배치되는 것을 초래한다. 이 원격 로케이션은 LED 및 나노결정들로부터 생성된 광의 특성 (세기, 순도, 컬러 렌더링 등) 을 향상시킨다.
실시형태들에서, 광 가이드 (712) 는 접착제, 테이프 기계적 얼라인먼트 (mechanical alignment) 단독으로 또는 그 밖에 유사한 것 및 이들의 조합을 통해 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 에 광학적으로 연결된다. 도 7a에 도시된 바처럼, 적합하게는 광 가이드 (712) 는 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 와 직접 접촉한다. 테이프, 접착제 또는 다른 패스닝 (fastening) 디바이스가 2개 엘리먼트들 사이의 물리적 접촉을 유지하기 위하여 이용될 수 있다. 적합하게는 패스닝 디바이스는 광학적으로 투명하거나 또는 실질적으로 광학적으로 투명하여, 기밀하게 밀봉된 용기로부터 광 가이드로 광이 지나가도록 한다. 이것은 또한 예를 들면, 기밀하게 밀봉된 용기가 광 가이드와 접촉할 수 있도록, 가열될 때, 용융 또는 변형되는 중합체성 광 가이드를 이용하는 것에 의해 달성될 수 있고, 그 다음 광 가이드가 냉각되어, 2개 엘리먼트들 사이의 물리적 접착 또는 접촉의 형성을 용이하게 한다.
도 8a - 도 8c는 도 7a에 설명된 LED 디바이스의 추가 구성을 도시한다. 도 8a에서, 광 가이드 (712) 는 테이퍼형 에지 (tapered edge; 802) 를 지니는 것으로 도시되어 있다. 테이퍼형 에지 (802) 는 LED 및 나노결정들로부터 방출된 광을 광 가이드 (712) 로 향하게 하는 것을 용이하게 하는데 도움이 될 수 있다. 도 8b에서, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 는, 804로 도시된 바처럼, 광 가이드속으로 매입될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 기밀하게 밀봉된 용기가 광 가이드 (712) 속으로 직접 삽입될 수 있도록 광 가이드 (712) 의 한 섹션 (section) 을 제거하는 것에 의해 달성될 수 있다. 위에서 언급된 바처럼, 다른 실시형태들에서, 광 가이드 (712) 는 용융 또는 변형하도록 가열되어, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 가 광 가이드 (712) 속으로 삽입 또는 매입되는 것을 허용한다. 도 8c에 예시된 바처럼, 추가의 실시형태들에서, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 는 806에 도시된 바처럼 성형될 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 은 LED로부터 광 가이드로의 광 전달을 향상시키기 위하여 렌즈 또는 다른 광학 디바이스로서 작용하도록 성형될 수 있다.
도 9는 본 발명의 LED 디바이스의 실시형태를 도시하는데, 여기서 디바이스는, 광 가이드로부터 방출된 광량을 증가시키기 위해서 LED, 광 가이드 및 기밀하게 밀봉된 용기에 대해 배치된 하나 이상의 반사체들 (902) 을 더 포함한다. 도 9에 도시된 바처럼, 예시적인 실시형태들에서, 반사체는, 기밀하게 밀봉된 용기에 있는 나노결정들로부터 방출된, 광 가이드로 향하지 않는 임의의 광, 또는 LED로부터 뒤로 바운스되는 광을 반사시키도록, LED 뒤에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 기밀하게 밀봉된 용기의 측면들은 또한 광 가이드를 향해 광을 반사시키도록 반사체 (902) 를 포함할 수 있다. 추가의 실시형태들에서, LED가 배치된 기판은 또한, 광을 LED로부터 기밀하게 밀봉된 용기로 향하게 하는데 도움이 되는 반사성, 각이 진 측면 (angled side) 들을 포함할 수 있다.
도 10a - 도 10b는, 예시적인 기밀하게 밀봉된 용기 (708), 예를 들면 모세관의 예시를 제공한다. 도 10b에 도시된 바처럼, 실시형태들에서, 기밀하게 밀봉된 용기 (708) (모세관) 의 단부는 캡 (1002) 으로 덮일 수 있다. 캡 (1002) 은 적합하게는, 적용하기 전에 가열될 수 있고, 그 다음 냉각되어 기밀하게 밀봉된 용기를 밀봉하도록 하는 중합체성 재료로부터 만들어진다. 다른 실시형태들에서, 액체 중합체성 용액은 기밀하게 밀봉된 용기의 단부를 충전하여, 용기를 밀봉하기 위하여 사용될 수 있다. 기밀하게 밀봉된 용기를 밀봉하는 추가적인 방법들, 여기에 설명된 또는 그렇지 않으면 당해 기술분야에서 알려져 있는 바처럼, 예를 들면, 용기의 단부를, 크림핑 (crimping), 핀칭 (pinching), 레이저 밀봉 (laser sealing), 열 수축 (heat shrinking) 또는 그렇지 않으면 클로징 (closing) 하는 것이 또한 이용될 수 있다.
적합하게는, 중합체성 매트릭스에 분산된 발광 나노결정들의 용액이 모세관으로, 예를 들면, 진공을 사용하여 감소된 압력을 생성하는 것에 의해 인출된다. 그 다음 중합체는 적합하게는 냉각되고 경화된다. 경화 프로세스는 종종 중합체성 매트릭스에서 형성되는 작은 버블 (bubble) 들을 초래할 수 있다. 이들 제조들에서 작은 크기의 버블들은 나노결정들 또는 조성물의 광학 특성을 간섭하지 않고, 실제로는 이들 작은 기포들의 존재는, 매트릭스가 LED에 대해 사용 또는 제조되는 동안 열적으로 순환 (thermally cycled) 될 때 고조되는 압력을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다는 것을 발견하였다.
적합한 실시형태들에서, 본 발명은 백색광 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. 그러한 디바이스들은 적합하게는 청색광 발광 LED 및 LED에 광학적으로 연결된 복수의 발광 나노결정들 (적합하게는, CdSe/ZnS 발광 나노결정들) 을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기를 포함한다. 그 디바이스는 또한 기밀하게 밀봉된 용기에 광학적으로 연결된 광 가이드를 포함한다.
도 7b에 예시된 바처럼, LED로부터 방출된 청색광의 제 1 부분 (718) 이 기밀하게 밀봉된 용기에 진입함에 따라, 광은 발광 나노결정들 (예를 들면, CdSe/ZnS 발광 나노결정들) 에 의해 녹색광 및 적색광 (722 및 724) 으로 하향 변환된다. LED로부터 방출된 청색광의 제 2 부분 (720), 녹색광 및 적색광이 광 가이드로부터 방출되고 결합되어 백색광 (726) 을 생성한다.
여기에 설명된 바처럼, 본 발명의 백색광 LED 디바이스들은 적합하게는 LED로부터 이격 (원격) 된 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기를 포함한다. LED 에 의해 방출된 청색광의 일 부분이 나노결정들에 의해 흡수되지 않고서 용기를 통과할 수 있도록, 기밀하게 밀봉된 용기 내의 나노결정들의 농도가 제공된다. 청색광의 다른 부분이 흡수되고, 그 다음 나노결정들에 의해 하향 변환되고 녹색광 및 적색광으로서 방출된다. 그 다음, 적색광, 청색광 및 녹색광은 결합되어, 광 가이드로부터 방출될 때, 백색광을 생성한다. 본 발명의 접근은, 3개의 분리된 광원들 (예를 들면, 3개의 LED들) 이 이용되거나, 또는 LED로부터의 모든 청색광이 발광 나노결정들에 의해 흡수되는 백색광 LED들과는 상이하다. 나노결정들의 농도/밀도 및 특성을 최적화하는 것에 의해, 높은 세기, 높은 순도, 정밀하게 컬러 조정된, 백색광이 생성될 수 있다.
추가의 실시형태들에서, 본 발명은 LED, 그 LED에 광학적으로 연결된 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기 및 그 기밀하게 밀봉된 용기에 광학적으로 연결된 광 가이드를 포함하는 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. LED 로부터 방출된 광은 나노결정들에 의해 하향 변환되고, 광 가이드의 표면을 빠져 나간다. 적합하게는, 발광 나노결정들은 청색광, 녹색광 및 적색광을 방출하고, 그 광이 결합되어 백색광을 생성한다. 그러한 실시형태들에서, LED는 적합하게는 자외선 광을 방출한다.
추가의 실시형태들에서, 본 발명은 여기에 설명된 LED 디바이스들을 포함하는 디스플레이 시스템들을 제공한다. 적합하게는, 도 11에 도시된 바처럼, 디스플레이 시스템 (1100) 은 디스플레이 (1102), 및 복수의 LED 디바이스들 (700) 을 포함한다. 여기에 설명된 바처럼, 적합하게는 LED 디바이스들 (700) 은 LED (702), 및 LED 에 광학적으로 연결된 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 를 포함한다. 그 디바이스들은 또한 기밀하게 밀봉된 용기에 광학적으로 연결된 광 가이드 (712) 를 포함한다. 도 11에 도시된 바처럼, 적합하게는, 디스플레이 (1102) 는 적어도 부분적으로 광 가이드 (712) 를 둘러싼다.
실시형태들에서, 발광 나노결정들로부터 방출된 하향 변환된 광은 광 가이드로부터 방출되고 디스플레이 상에 디스플레이된다. 본 발명의 디스플레이 시스템들은 백색광을 비롯하여, 가시 스펙트럼의 전 범위에 걸쳐 광을 방출할 수 있다.
추가의 실시형태들에서, LED 로부터 방출된 광의 제 1 부분은 발광 나노결정들에 의해 하향 변환된다. LED로부터 방출된 광의 제 2 부분 및 발광 나노결정들로부터의 하향 변환된 광은 광 가이드로부터 방출되고 디스플레이 상에 디스플레이된다. 본 발명의 디스플레이 시스템들은 백색광을 비롯하여, 가시 스펙트럼의 전 범위에 걸쳐 광을 방출할 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, LED들은 청색광을 방출한다.
(모세관을 비롯하여) 예시적인 기밀하게 밀봉된 용기들 및 발광 나노결정들이 여기에 설명된다. 도 11에 도시된 바처럼, 적합하게는 단일 기밀하게 밀봉된 용기 (708') 가 적어도 2개의 LED들에 광학적으로 연결된다. 단일 기밀하게 밀봉된 용기는 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 5개 이상, 10개 이상 등의 LED들에 광학적으로 연결될 수 있다. 기밀하게 밀봉된 용기 (708) 는 각 개별 LED에 연결될 수 있지만, 본 발명의 디스플레이 시스템 실시형태들에서, 다중 LED들에 연결되는 단일 기밀하게 밀봉된 용기의 사용은 디스플레이 시스템들의 더 용이한 조립 및 제조를 허용한다. 단일 기밀하게 밀봉된 용기가 다중 LED들에 연결되는 실시형태들에서, 각 LED는 적합하게는 청색광을 방출하고, 그의 일부는 용기에서 나노결정들에 의해 하향 변현되고, 그의 일부는 광 가이드로부터 방출된다. 도 11은 단일 광 가이드 및 단일 디스플레이가 이용되는 실시형태를 설명하지만, 본 발명의 디스플레이 시스템들은 다중 광 가이드들 및 서로 광학적으로 연결된 다중 디스플레이들을 포함하여 결과적으로 디스플레이 시스템이 될 수 있다.
여기에 설명된 바처럼 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기들은 기존 LED 디스플레이 시스템들을 새로 장착하는데 이용될 수 있다. 디스플레이의 LED와 광 가이드 사이에 기밀하게 밀봉된 용기 (예를 들면, 모세관) 을 포함하는 것에 의해, LED로부터의 일부 광 (적합하게는 청색광) 이, LED 광과 결합되어 백색광을 생성하는 것을 포함하여, 어느 원하는 컬러로 변환될 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명의 발광 나노결정들로부터 출력된 광과, 나노결정들을 여기시키기 위하여 사용된 청색 LED로부터의 광을 나타낸다. 나노결정들은 여기에 설명된 바처럼 LED로부터 이격 (LED로부터 원격) 된다. 또한 전통적인 YAG (Yttrium Aluminum Garnet) 형광체 (phosphor) 를 위한 데이터가 나타나 있다. FWHM=반치 전폭 (full width at half maximum)
스펙트럼 특성 YAG 발광 나노결정들
청색 피크 (㎚) 451.8 463.5
청색 FWHM (㎚) 21.6 21.6
녹색 피크 (㎚) N/A 535.3
녹색 FWHM (㎚) N/A 32.8
오렌지색 피크 (㎚) 559 N/A
오렌지색 FWHM (㎚) 105 N/A
적색 피크 (㎚) N/A 614.5
적색 FWHM (㎚) N/A 44.5
발광 나노결정 복합재
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 발광 나노결정 복합 재료 (1200) 를 제공한다. 도 12에 도시된 바처럼, 실시형태들에서, 복합 재료는 제 1 조성을 포함하는 제 1 중합체성 재료 (1204), 제 2 조성을 포함하는 제 2 중합체성 재료 (1202), 및 제 2 중합체성 재료 (1202) 에 분산된 복수의 발광 나노결정들 (710) 들을 포함한다. 제 2 중합체성 재료 (1202) 는 제 1 중합체성 재료 (1204) 에 분산된다.
제 2 중합체성 재료 (1202) 에서 발광 나노결정들을 분산시키는 것은 나노결정들을 밀봉하는 방법을 제공하고 나노결정들의 다양한 조성들 및 크기들을 혼합시키기 위한 메카니즘을 제공한다. 적합한 제 2 중합체성 재료 (1202) 는 아미노실리콘, 및 여기에 설명된 다른 중합체를 포함하는데, 이는 비한정적으로, 폴리 (비닐 부티랄):폴리 (비닐 아세테이트) ; 에폭시; 우레탄; 폴리페닐메틸실록산, 폴리페닐알킬실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리디알킬실록산, 플루오르화 실리콘 및 비닐 및 하이드라이드 치환 실리콘을 비한정적으로 포함하는, 실리콘 및 실리콘의 유도체; 메틸메트아크릴레이트, 부틸메트아크릴레이트 및 라우릴 메트아크릴레이트를 비한정적으로 포함하는 모노머들로부터 형성된, 아크릴 중합체 및 공중합체; 스티렌계 중합체; 및 디비닐벤젠과 같은 2관능성 모노머들과 가교된 중합체를 포함한다.
제 2 중합체성 재료 (1202) 는 나노결정들을 분산시키기 위한 적합한 환경을 제공하지만, 나노결정들의 효과적인 혼합을 제공하는 중합체들은 종종 취성이 있거나 또는 성형 또는 몰딩하기 곤란할 수 있다. 나노결정들/중합체 혼합물 (1202) 을 추가 중합체성 재료 (1204) 에 분산시키는 것은 발광 나노결정들의 원하는 광학/하향 변환 특성을 유지하는 한편, 또한 원하는 대로 기계적으로 가공될 수 있는 기밀하게 밀봉된 조성을 유지하는 복합재의 제조를 허용한다. 제 1 중합체성 재료 (1204) 로서 사용을 위한 예시적인 중합체성 재료는 에폭시 및 폴리카보네이트를 포함한다. 예시적인 에폭시 및 폴리카보네이트는 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.
적합하게는, 복합 재료에 분산된 발광 나노결정들은 광 (예를 들면, 청색광) 을 흡수하고 녹색광 및/또는 적색광을 방출하지만, 다른 컬러들 또한 나노결정들로부터 방출될 수 있다. 복합 재료에서의 사용을 위한 예시적인 나노결정들은 여기에 설명되어 있고, CdSe 또는 ZnS을 포함하는 나노결정들 및, CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 발광 나노결정들을 포함한다.
추가의 실시형태들에서, 복합재는 복합재를 기밀하게 밀봉하는 무기층 (1206) 을 포함할 수 있다. 무기층들의 예들은 여기에서 설명되어 있고, SiO2, TiO2 또는 AlO2를 포함한다.
적합하게는, 본 발명의 복합 재료는 청색 LED 파장에서 약 0.5 내지 약 0.9의 광학 밀도 및 약 50 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 경로 길이를 갖는다. 적합하게는, 복합재는 청색 LED 파장에서 약 0.5 내지 약 0.8, 약 0.7 내지 약 0.8, 또는 약 0.8의 광학 밀도를 갖는다. 적합하게는, 복합 재료의 경로 길이는 약 75 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 또는 약 100 ㎛이다. 본 발명의 복합 재료에서 이용되는 발광 나노결정들의 농도는 적합하게는 여기에 설명된 기밀하게 밀봉된 조성물들에서 이용된 농도와 대략 같다. 따라서, 발광 나노결정들은 적합하게는, 약 0.01중량% 내지 약 50중량%, 약 0.1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 40중량%, 약 1중량% 내지 약 30중량%, 약 1중량% 내지 약 20중량%, 약 1중량% 내지 약 10중량%, 약 1중량% 내지 약 5중량%, 또는 약 1중량% 내지 약 3중량%의 농도로 존재하여, 복합재에 충돌하는 광의 약 40% 내지 약 80%, 더 적합하게는 약 50% 내지 약 70%, 또는 약 60% 가 나노결정들에 의해 흡수된다.
본 발명은 또한, 발광 나노결정 복합 재료를 제조하는 방법들을 제공한다. 도 13의 플로우차트 (1300) 에 도시된 바처럼, 도 12를 참조하여, 적합하게는 그러한 방법들은, 발광 나노결정들 및 제 1 중합체성 재료의 혼합물을 형성하기 위하여 복수의 발광 나노결정들 (710) 들을 제 1 중합체성 재료 (1202) 에 분산시키는 것을 포함하는 단계 (1302) 를 포함한다. 그 다음 혼합물은 1304에서 경화된다. 1308에서, 입자 (particulate) 가 경화된 혼합물로부터 생성된다. 단계 (1310) 에서, 입자는 제 2 중합체성 재료 (1204) 에 분산되어 복합 재료를 생성한다. 입자는, 제 2 중합체성 재료가 액체 상태이거나, 또는 주로 액체 상태일 때, 기계적인 혼합의 다양한 형태들을 사용하여 제 2 중합체성 재료에 분산될 수 있다.
그 방법들에서의 사용을 위한 예시적인 중합체성 재료들이 여기에 설명되는데, 이들은 적합한 발광 나노결정들이다. 적합하게는, 발광 나노결정들은, CdSe 또는 ZnS을 포함하거나, 또는 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 나노결정들이고, 적합하게는 아미노실리콘에 분산된다.
적합하게는 발광 나노결정들 및 제 1 중합체성 재료의 혼합물이 기계적으로 프로세싱되어 입자를 형성한다. 기계적인 프로세싱의 예들은, 볼 밀링, 그라인딩, 분쇄 (pulverizing), 파쇄 (crushing) 또는 그 밖의 방법으로 혼합물로부터 입자를 형성하는 것을 포함한다. 화학적 또는 다른 처리들이 또한 입자를 생성하기 위하여 이용될 수 있다. 적합하게는, 입자는 분말 (powder) 이다. 적합하게는, 나노결정들 및 제 1 중합체성 재료의 혼합물의 입자는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 또는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 70 ㎛, 또는 약 50 ㎛ 정도의 크기를 갖는다.
입자 이외에 발광 나노결정들 및 제 1 중합체성 재료의 혼합물의 다른 구조들, 예를 들면, 필름, 로드, 리본, 구 등이 또한 생성될 수 있다. 그 다음 이들 구조들은 제 2 중합체성 재료에 분산될 수 있다.
추가의 실시형태들에서, 제 2 중합체성 재료는 이를테면, 최종 원하는 제품의 원하는 광학 및 물리 특성을 갖는, 세라믹, 유리, 또는 다른 무기 재료와 같은 다른 재료들로 대체될 수 있다.
예시적인 실시형태들에서, 가교제가 1304에서 경화하기 전에 혼합물에 단계 1306에서 첨가된다. 예시적인 가교제들은 여기에서 설명되거나 또는 그렇지 않으면 당해 기술분야에서 알려져 있다.
추가의 실시형태들에서, 도 13에 도시된 바처럼, 그 방법들은 복합 재료를 필름으로 형성하는 단계 1312를 더 포함할 수 있다. 적합하게는, 복합 재료는 예를 들면, TEFLON® 의 시트와 같은 비부착성 기판 (non-stick substrate) 과 같은 기판 상에서 캐스팅 (casting) 된다. 혼합물이 경화된 후에, 경화된 필름은 비부착성 기판으로부터 제거될 수 있다. 다음으로, 필름은 임의의 원하는 크기 또는 형상으로 절단 또는 다이싱 (dicing) 될 수 있다.
추가 실시형태들에서, 플로우차트 (1300) 의 단계 (1314) 에 도시된 바처럼, 복합재에 추가의 기밀한 밀봉을 제공하기 위하여 무기층이 복합재 상에 배치될 수 있다. 복합 재료가 형성된 후에 그러나 복합재를 필름으로 형성하기 전에 무기층이 배치될 수 있거나, (이어지는 원하는 형상으로의 다이싱/절단을 비롯하여) 필름 형성 다음에 무기층이 배치될 수 있다. 복합재에 무기층을 배치하는 방법들은 여기에 설명되고, 코팅, 스프레잉, ALD, 딥핑 등의 다양한 방법들을 포함한다.
복합 재료는 또한 압출 (extruding), 몰딩, 솔벤트 캐스팅 (solvent casting), 콤프레션 몰딩 (compression molding) 등에 의해 원하는 형상 및 구성의 복합재를 형성할 수 있다. 이들 기법들을 수행하기 위한 방법들 및 파라미터들은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다.
본 발명의 복합 재료는 여기에 설명된 하향 변환 응용들에서 또는 하향 변환 층/필름/구조가 요망되는 다른 응용들에서 이용될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시형태들에서, 층, 필름, 관, 스트립 또는 다른 적합한 구조가 복합 재료로부터 준비되고 LED (및/또는 광 가이드) 에 광학적으로 연결되어 여기에 설명된 바처럼 LED로부터의 광의 하향 변환을 제공하도록 할 수 있다.
나노결정들을 포함하는 광 가이드 나노결정들
또한 다른 실시형태에서, 본 발명은 도 14a - 도 14b에 도시된 바처럼 발광 다이오드 (LED) 디바이스들을 제공한다. 적합하게는, LED 디바이스들 (1400 및 1401) 은 LED (702), 및 LED 에 광학적으로 연결된 광 가이드 (712) 를 포함한다. 복수의 발광 나노결정들 (710) 은 광 가이드 내의 영역 (1404, 1404') 에 분산된다. 적합하게는, 영역은 광 가이드의 길이 (1410) 를 따라 연장된다. 적합하게는, 나노결정들은 청색광, 적색광 및 녹색광을 방출한다. 실시형태들에서, LED는 자외선 (UV) 발광 LED이다.
추가의 실시형태들에서, LED 로부터 방출된 광의 제 1 부분은 나노결정들에 의해 하향 변환된다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 바처럼, LED로부터 방출된 광의 제 2 부분 (1412) 및 하향 변환된 광 (1414 및 1416) 이 광 가이드의 표면을 빠져나간다.
계속 설명되는 바처럼, 본 발명의 발광 나노결정들은 적합하게는 특정 파장의 광을 흡수하고 그 다음 흡수된 광을 하향 변환하며, 상이한 파장의 광을 방출한다. 도 14a-도 14b에 예시된 본 발명의 실시형태들에서, 발광 나노결정들 (710) 들은 광 가이드의 영역 (1404 및 1404') 에 분산되어 있다. LED로부터 방출된 광은 광 가이드 (1410) 의 길이를 통해 이동하며, 적합하게는 광 가이드의 표면을 따라 반사체들에 반사 (reflecting off) 된다. 실시형태들에서, LED로부터 방출된 광의 일 부분은 1412에서 도시된 바처럼 광 가이드의 표면으로부터 방출된다. 광 가이드로부터 방출된 광의 다른 부분은 발광 나노결정들에 의해 흡수되고 하향 변환된다. 다음으로 이 하향 변환된 광 (1414 및 1416) 은 광 가이드로부터 방출된다. 추가의 실시형태들에서, LED 로부터 방출된 모든 광은 나노결정들에 의해 하향 변환된다.
예시적인 실시형태들에서, LED는 청색 발광 LED이다. 여기에서 상세히 설명된 바처럼, 예시적인 실시형태들에서, LED로부터 방출된 청색광의 일 부분은 발광 나노결정들에 의해 적색광 및 녹색광으로 하향 변환된다. 방출된 녹색광 (1414) 및 적색광 (1416) 은 (하향 변환되지 않은) LED로부터 방출된 청색광의 부분 (1412) 과 결합될 때, 백색광이 광 가이드의 표면으로부터 방출된다. 적합한 실시형태들에서, 광 가이드 (712) 는 광 가이드의 방출 표면 (들) 상에 하나 이상의 피처들 (1406) 을 포함한다. 피처들 (1406) 은 적합하게는 광 가이드로부터 광의 투과 (transmission) 을 돕는, 광 가이드 (712) 의 표면으로 에칭되거나 그로부터 형성된 패턴들이다. 실시형태들에서, 피처들 (1406) 은 (청색광을 비롯하여) LED로부터 직접 방출된 광의 방출을 향상시키도록 설계된다.
추가의 실시형태들에서, LED는 UV 발광 LED이고, LED로부터 방출된 실질적으로 모든 광은 나노결정들에 의해 적색광, 녹색광 및 청색광으로 하향 변환된다. 다음으로 광은 광 가이드로부터 방출되고 결합되어 백색광을 생성한다.
광 가이드들 내의 영역들에서 사용을 위한 예시적인 나노결정들이 여기에 설명된다. 적합하게는, 나노결정들은, CdSe 또는 ZnS을 포함하거나, 또는 적합하게는 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 나노결정들이다.
여기서 사용된 바처럼, "영역"은 발광 나노결정들이 배치되는 광 가이드의 한 섹션 또는 부분을 지칭한다. 적합하게는, 도 14a-도 14b에 도시된 바처럼, 영역 (1404 및 1404') 은 광 가이드 (712) 의 길이 (1410) 를 따라 연장된다. 광 가이드의 길이 (1410) 는 LED에 수직하게 (또는 실질적으로 수직하게) 연장되는 가로 치수이다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 바처럼 LED (702) 에 대하여 광 가이드 (712) 를 배향시키는 것에 의해, LED (702) 로부터의 광은 광 가이드를 빠져나가기 전에 영역들 (1404 및 1404') 내의 더 많은 부분의 나노결정들과 충돌한다. 적합하게는, 영역 (1404/1404') 은 발광 나노결정들의 층이다. 영역 (1404/1404') 의 치수는 광 가이드의 전체적인 치수들에 의해 지배되지만, 일반적으로 영역의 두께는 LED의 크기에 비례 (즉, 수십 미크론 내지 수십 밀리미터 정도 가량) 하는 한편, 광 가이드의 평면 치수들 (즉, 길이 및 폭) 은 적합하게는 전체 광 가이드에 미친다. 다른 실시형태들에서, 나노결정들을 포함하는 영역은 모든 치수들에서 전체 광 가이드 전체에 걸쳐 있을 수 있다 (즉, 광 가이드 전체에 걸쳐 분산될 수 있다).
영역 (1404/1404') 은 나노결정들을 중합체성 매트릭스에 분산시키고 다음으로 중합체를 경화시키기 전 또는 후 중 어느 일방에서 중합체 주변에 광 가이드를 형성시키는 것에 의해 생성될 수 있다. 다르게는, 광 가이드가 준비되고 다음으로 나노결정들이 주입, 페인팅, 스프레잉 또는 그밖의 방법으로 성막되어 영역을 형성하도록 할 수 있다. 중합체성 복합재의 형성에 관하여 여기에 설명된 방법들을 비롯하여, 중합체성 재료를 생성하기 위한 다른 방법들이 또한 영역들을 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, 여기에 설명된 발광 나노결정 복합 재료 (1200) 가 광 가이드에서 영역들을 준비하기 위하여 이용될 수 있다.
광 가이드 내의 영역에 발광 나노결정들을 분산시키는 것은 전체적인 시스템에 많은 혜택 및 장점들을 제공한다. 예를 들면, 나노결정들의 더 균일한 조명이 달성되어, 국소적인 핫 스팟 (hot spot) 들의 존재를 감소시킬 수 있다. 영역 전체에 걸쳐 나노결정들을 분산시키는 것은 나노결정들로부터 방열을 향상시키는 것을 허용하여, 나노결정들의 전반적인 온도를 저하시킨다. 나노결정들로부터 광 가이드의 상부 면까지의 광 경로 길이를 감소시키는 것에 의해, 녹색 광자 및 적색 광자의 재흡수에 기인한 효율의 손실이 감소된다. 또한, 저농도의 나노결정들이 영역에서 이용되며, 따라서 나노결정들이 분산된 재료 (예를 들면, 중합체) 와 나노결정들 사이의 가능한 광자- 및 열-유도 상호작용들을 저하시켜, 시스템 수명을 증가시킬 수 있다.
광 가이드의 영역에 있는 발광 나노결정들의 농도는 나노결정들의 응용, 크기, 나노결정들의 조성, 중합체성 매트릭의 조성 및 다른 요인들에 의존할 것이고, 당해 기술 분야의 일상적인 방법들을 이용하여 최적화될 수 있다. 적합하게는, 발광 나노결정들은, 적합하게는 약 0.01중량% 내지 약 50중량%, 약 0.1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 50중량%, 보다 적합하게는 약 1중량% 내지 약 40중량%, 약 1중량% 내지 약 30중량%, 약 1중량% 내지 약 20중량%, 약 1중량% 내지 약 10중량%, 약 1중량% 내지 약 5중량%, 또는 약 1중량% 내지 약 3중량%의 농도로, 기밀하게 밀봉된 용기를 이용하는 여기서 설명된 LED 디바이스 실시형태들에서 이용된 농도보다 더 작은 농도로 존재한다. 일반적으로, 발광 나노결정들의 농도는 광 가이드의 크기에 기초하여 비례적으로 조정 (scale) 된다. 따라서, 대략 100 ㎜의 두께를 갖는 기밀하게 밀봉된 용기에 이용된 발광 나노결정들의 농도는 예를 들면, 약 10 cm 길이인 광 가이드에 비해 2 자릿수 (order of magnitude) 만큼 감소될 것이다.
예시적인 실시형태들에서, 영역 (1404') 은 광 가이드의 길이 (1410) 를 따라 변하는 두께를 갖는다. 도 14b에 도시된 바처럼, 적합하게는 영역 (1404') 의 두께는 광 가이드의 길이 (1410) 를 따라, LED에서 최소값 (1406) 으로부터, LED로부터 멀리 떨어진, 광 가이드 (1408) 의 먼쪽 단부에서의 최대값까지 증가한다. 예시적인 실시형태들에서, 두께는 광 가이드의 길이를 따라 대략 선형적으로 증가한다. 추가 실시형태들에서, 두께는 비선형적인 방식으로 증가 및/또는 광 가이드 (1408) 의 원 단부에 도달하기 전에 최대 두께를 달성할 수 있다. 영역의 상부 및 최하부 양쪽 모두를 따라 선형적으로 증가하는 영역 (1404') 의 두께를 보여주는 도 14b에 도시된 개략도는 단지 예시적인 목적을 위한 것일 뿐이고 임의의 적절한 형상/배향의 영역 (1404') 이 이용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 영역의 두께를 변화시키는 것은 광 가이드로부터 더 균일한 광 조명을 제공한다.
도 15 (a) - 도 15 (c) 는 도 14a에 도시된 광 가이드로부터 방출된 광의 세기를 보여준다. 세기는, 광 가이드를 따라, LED (1406) 에 인접한, 영 (0) 에서 시작하여, LED로부터 멀리 떨어진, 광 가이드의 먼쪽 단부 (1408), 일 (1) 까지, 상대 거리의 함수로서 보여진다. 도 15 (a) 는 LED로부터 방출될 (앞으로 나아갈) 뿐만 아니라 방출되기 전에 광 가이드 내에서 반사된 청색광의 세기를 보여준다. 도 15 (b)는 LED로부터 직접 흡수된 청색광뿐만 아니라 반사된 청색광 양쪽 모두로부터 얻어지는, 나노결정들로부터 방출된 녹색광 및 적색광의 세기를 보여준다. 마지막으로, 도 15 (c)는 광 가이드로부터 방출된 모든 청색광의 결합된 합계 (청색의 합계), 및 모든 녹색광 및 적색광의 결합된 합계 (녹색/적색의 합계) 를 보여주는 세기의 플롯을 예시한다. 도 15 (c)에 보여진 바처럼, 청색광 및 녹색/적색 광의 세기는 광 가이드의 길이를 따라 약해진다. 청색광은 광 가이드의 길이 전체에 걸친 흡수의 결과로서 약해진다. 광 가이드의 영역에서의 나노 결정들의 양이 (영역의 균일한 두께에 기인하여) 일정하므로, 적색광 및 녹색광의 세기는 또한 광 가이드의 길이를 따라 감소된다.
도 16 (a) - 도 16 (c)는 도 14b에 예시된 광 가이드 구성 (변화하는 두께를 가진 나노결정들을 지닌 영역 (1404')) 을 제외하고, 도 15 (a) - 도 15 (c) 에 있는 것들과 유사한 세기 플롯을 보여준다. 앞으로 나아갈 뿐만 아니라 반사되는 방출된 청색광의 양은 일정한 두께 영역과 유사하다. 하지만, 도 16 (b) - 도 16 (c)에서의 녹색광/적색광의 세기와 도 15 (b) - 도 15 (c) 를 비교할 때, 더 양호한 균일성의 녹색광/적색광이 변화하는 두께 (1404') 를 지닌 영역을 갖는 광 가이드로부터 방출된다는 것을 알 수 있다. 이것은 LED로부터 멀리 떨어진 광 가이드의 단부에서의 영역 (1404') 의 증가된 두께의 결과일 가능성이 크다. 광 가이드의 먼쪽 단부에 더 많은 나노결정들이 존재하므로 (비록 광가이드 전체에 걸쳐 농도는 일관될 수 있을 지라도), 더 많은 청색광이 흡수되고 녹색 및 적색광으로 하향 변환될 수 있다.
본 발명은 또한 디스플레이, 복수의 LED들 및 LED들에 광학적으로 연결된 광 가이드를 포함하는 디스플레이 시스템들을 제공하고, 그 디스플레이는 광 가이드를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 여기에 설명된 바처럼, 복수의 나노결정들이 광 가이드 내부의 영역에 분산되며, 그 영역은 광 가이드의 길이를 따라 연장된다. LED로부터의 광은 나노결정들에 의해 하향 변환되고, 광 가이드를 빠져나가고, 디스플레이 상에 디스플레이된다. 실시형태들에서, LED는 UV 발광 LED이고, 나노결정들은 적색광, 녹색광 및 청색광을 방출한다.
다른 실시형태들에서, LED로부터 방출된 광의 제 1 부분이 발광 나노결정들에 의해 하향 변환되고, LED로부터 방출된 광의 제 2 부분, 및 발광 나노결정들로부터의 하향 변환된 광이 광 가이드로부터 방출되고 디스플레이 상에 디스플레이된다. 여기에 설명된 바처럼, 예시적인 실시형태들에서 LED는 청색광을 방출하고, LED로부터 방출된 청색광의 제 1 부분은 발광 나노결정들에 의해 녹색광 및 적색광으로 하향 변환된다. 적합하게는, 청색광의 제 2 부분, 녹색광 및 적색광은 결합되어 백색광을 생성한다.
코어 쉘 나노결정들을 포함하는, 예시적인 나노결정들이 여기에 설명된다. 예시적인 실시형태들에서, 광 가이드는 하나 이상의 반사체들을 포함한다.
적합하게는, 발광 나노결정들을 포함하는 영역은 나노결정들의 층이다. 예시적인 실시형태들에서, 영역의 두께는 광 가이드의 길이를 따라 변화하며, 여기에 설명된 바처럼, 적합하게는 LED로부터 광 가이드의 길이를 따라, 예를 들면, 선형적으로, 증가한다.
예
이하의 예는 본 발명의 방법 및 조성물의 예시로서, 이에 한하지 않는다. 다양한 조건과 파라미터의 다른 적합한 변경들 및 적응들은 나노결정 합성에서 보통 마주치게 되며, 이는 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명의 사상과 범위 내에 속한다.
예 1
기밀하게 밀봉된 용기의 준비
2 ㎜ x 0.5 ㎜ 캐비티를 갖는 3 ㎜ x 0.5 ㎜의 대략적인 치수의 직사각형 튜브가 PMMA의 압출에 의해 준비된다. 튜빙 (tubing) 의 길이는 그 후 형광 발광 나노결정들을 포함하는 용액으로 충전된다. 발광 나노결정 용액은 그 후 경화된다. 튜빙의 세그먼트 (segment) 들은 그 후 튜빙의 나노결정들을 가두도록 가열 밀봉된다. 적합하게는, 불활성 분위기에서 충전과 밀봉이 수행된다. 배리어 층 (예컨대, SiO2, TiO2 또는 AlO2) 이 그 후 튜빙의 외부 표면에 배치될 수 있다.
나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기를 준비하기 위하여 인출된 유리 모세관 (drawn glass capillary) 이 또한 사용될 수 있다. 모세관의 단부는 용융 밀봉을 통하거나 또는 납땜 또는 접착제 또는 유사한 구조로 플러깅 (plugging) 을 통하는 것 중 어느 일방에 의해 밀봉된다. 모세관은 모세관의 전체 부피가 동일한 나노결정 용액으로 충전되도록 발광 나노결정들의 용액으로 충전될 수 있으며, 또는 모세관은 모세관의 길이를 따라서 상이한 나노결정들이 분리되도록 스테이지 (stage) 들에서 충전될 수 있다. 예를 들어, 제1 발광 나노결정 용액이 모세관에 도입된 후에, 용액에 인접하게 밀봉이 위치될 수 있다 (예를 들어, 모세관을 용융 밀봉 또는 플러깅함). 그 후, 제2 발광 나노결정 용액이 모세관에 추가될 수 있으며, 다시 용액 근처에 밀봉이 위치된다. 이러한 공정은 소망하는 수의 개개의 기밀하게 밀봉된 나노결정 세그먼트들이 생성될 때까지 원하는 만큼 반복될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 상이한 조성의 발광 나노결정들이 동일한 용기 내에서 서로 분리되어, 다수의 조성들 (예컨대, 컬러들) 의 발광 나노결정들을 포함하는 용기의 제조를 가능하게 할 수 있다. 유사한 실시형태에 있어서, 상이한 조성의 발광 나노결정들 (예컨대, 상이한 컬러들을 방출하는 것들) 이 도입되어, 서로 분리되어, 외부 공기와 습기로부터 여전히 기밀하게 밀봉될 수 있는 다중 루멘 (multi-lumen) 모세관이 사용될 수 있다.
예 2
나노결정 복합 재료의 제조
적색광 (630 nm) 및 녹색광 (530 nm) 을 방출하는 발광 나노결정들 (예를 들면, CdSe/ZnS) 은 아미노실리콘 중합체속에 3중량% 농도로 혼합된다. 아미노실리콘 중합체는 350센티푸아즈의 점도를 갖고, 5% 아미노기 및 95%의 디메틸실록산을 포함한다. 얻어지는 조성물은 약 0.8의 광학 밀도 및 100 ㎛의 경로 길이를 갖는다.
에폭시드 가교제가 첨가되고 그 재료는 경화되어 고무를 형성한다. 다음으로 경화된 양자 점 조성물은 볼 밀내에 위치되고 50 ㎛ 분말로 그라인딩된다.
다음으로 분말은 약 30% 로딩 (loading) 에서 2 액형 에폭시 (two part epoxy) 속으로 혼합되고, 그 중합체는 탈가스된다. 나노결정들 및 에폭시의 굴절률은 적합하게는 나노결정들에 의한 광 산란 및 결과적인 흡수를 최소화하도록 매칭된다.
에폭시/나노결정 혼합물은 약 300 ㎛의 두께의 TEFLON® 시트 상에 캐스팅된다. 경화후에, 필름이 제거된다. 최종 복합 재료의 광학 밀도는 약 0.8OD이다.
본 발명의 예시적 실시형태들이 제공되었다. 본 발명은 이러한 예들에 한정되지 않는다. 이러한 예들은 본 명세서에서 예시를 위하여 제공되지만, 이에 한정되지는 않는다. (본 명세서에 기재된 것들의 균등, 확장, 변형, 편차 (deviation) 등을 포함하는) 대안들이 본 명세서에 포함된 교시에 기초하여 당업자에 대하여 명백하게 될 것이다. 이러한 대체예들은 본 발명의 범위와 사상 내에 속한다.
본 명세서에 언급된 모든 공개물, 특허, 및 특허 출원들은, 각각의 개별 공개물, 특허, 또는 특허 출원들이 참조로서 통합되는 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 표시된 경우, 동일한 정도로 참조에 의해 본원에 원용된다.

Claims (114)

  1. 발광 다이오드 (LED) 디바이스로서,
    (a) LED;
    (b) 상기 LED에 광학적으로 연결된 복수의 발광 나노결정들을 포함하는 기밀하게 밀봉된 용기; 및
    (c) 상기 기밀하게 밀봉된 용기에 광학적으로 연결된 광 가이드를 포함하고,
    상기 LED로부터 방출된 광의 제 1 부분이 상기 발광 나노결정들에 의해 하향 변환되고, 상기 LED로부터 방출된 광의 제 2 부분 및 상기 발광 나노결정들로부터 하향 변환된 광이 상기 광 가이드로부터 방출되는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED는 청색광을 방출하는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 LED로부터 방출된 청색광의 제 1 부분이 상기 발광 나노결정들에 의해 녹색광 및 적색광으로 하향 변환되는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 청색광의 제 2 부분, 상기 녹색광 및 상기 적색광은 결합되어 백색광을 생성하는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기밀하게 밀봉된 용기는 플라스틱 용기 또는 유리 용기인, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기밀하게 밀봉된 용기는 유리 모세관인, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유리 모세관은 100 ㎛ 내지 1 ㎜의 적어도 한 치수를 갖는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 나노결정들은 CdSe 또는 ZnS을 포함하는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 나노결정들인, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 가이드는 접착제 또는 테이프를 통해 상기 기밀하게 밀봉된 용기에 광학적으로 연결되는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기밀하게 밀봉된 용기는 상기 LED로부터 이격되는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 나노결정들은 중합체성 매트릭스에 분산되는, 발광 다이오드 (LED) 디바이스.
  13. 복합 재료로서:
    (a) 제 1 조성을 갖는 제 1 중합체성 재료;
    (b) 제 2 조성을 갖는 제 2 중합체성 재료; 및
    (c) 상기 제 2 중합체성 재료에 분산된 복수의 발광 나노결정들을 포함하고,
    상기 제 2 중합체성 재료는 상기 제 1 중합체성 재료에 분산되는, 복합 재료.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 중합체성 재료는 에폭시 또는 폴리카보네이트를 포함하는, 복합 재료.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 중합체성 재료는 아미노실리콘을 포함하는, 복합 재료.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 나노결정들은 녹색광 및 적색광 중 적어도 하나를 방출하는, 복합 재료.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 나노결정들은 CdSe 또는 ZnS을 포함하는, 복합 재료.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 코어/쉘 발광 나노결정들인, 복합 재료.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 복합 재료를 기밀하게 밀봉하는 SiO2, TiO2 또는 AlO2의 무기층을 더 포함하는, 복합 재료.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 복합 재료는 0.5 내지 0.9의 광학 밀도 및 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 경로 길이를 갖는, 복합 재료.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 복합 재료는 0.8의 광학 밀도 및 100 ㎛의 경로 길이를 갖는, 복합 재료.
  22. 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법으로서,
    (a) 발광 나노결정들 및 제 1 중합체성 재료의 혼합물을 형성하기 위하여 상기 제 1 중합체성 재료에 복수의 상기 발광 나노결정들을 분산시키는 단계;
    (b) 상기 혼합물을 경화시키는 단계;
    (c) 상기 경화된 혼합물로부터 입자를 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 복합 재료를 생성하기 위하여 제 2 중합체성 재료에 상기 입자를 분산시키는 단계를 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 (a) 에서 상기 분산시키는 단계는 상기 발광 나노결정들을 아미노실리콘에 분산시키는 단계를 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 (a) 에서 상기 분산시키는 단계는 CdSe 또는 ZnS을 포함하는 발광 나노결정들을 분산시키는 단계를 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 (a) 에서 상기 분산시키는 단계는 CdSe/ZnS, InP/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS을 포함하는 발광 나노결정들을 분산시키는 단계를 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 (b) 에서 상기 경화시키는 단계 전에 상기 혼합물에 가교제를 첨가하는 단계를 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 입자를 생성하는 단계는 상기 경화된 혼합물을 볼 밀링하는 단계를 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 복합 재료를 필름으로 형성하는 단계를 더 포함하는, 발광 나노결정 복합 재료의 제조 방법.
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