KR101334136B1 - 나노 입자를 포함하는 비등방성 광전달 소재 - Google Patents

나노 입자를 포함하는 비등방성 광전달 소재 Download PDF

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Abstract

나노 입자를 포함하는 비등방성 광전달 소재가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비등방성 광전달 소재는 광의 파장을 변환시키는 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 몸체 내부에 혼합 분산되어 있는 것으로, 상기 몸체가 섬유상 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

나노 입자를 포함하는 비등방성 광전달 소재{ANISOTROPY LIGHT TRANSMISSION MATERIAL COMPRISING NANO-PARTICLE}
본 발명은 광전달 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 입자를 포함하는 비등방성 광전달 소재에 관한 것이다.
일반적으로, 광을 이용하는 각종 전자소자에서는 광 변환 효율을 증대시키는 것과, 광 손실을 줄이는 것이 가장 중요한 연구과제로 취급되고 있다. 이를 위한 다양한 방법들 중, 분광감도가 낮은 파장 성분의 광(예를 들면, 단파장)을 분광 감도가 높은 파장의 광(예를 들면, 장파장)으로 변환하여 광 변환 효율을 높이는 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이러한 광 파장 변환에 주로 이용되는 것이 형광체(phosphor)이다.
상기 형광체는 특정 파장의 여기광을 흡수하여 다른 파장의 광으로 변환시키는 역할을 수행하므로, 이러한 형광체를 투명 고분자 또는 투명 무기물과 복합화 하는 광 전달 소재에 대한 개발 역시 많이 이루어지고 있는 실정이다.
그런데, 종래 광 전달 소재에서는 형광체가 발생시킨 빛이 상기 광 전달 소재에 입사된 광의 방향과 무관하게 모든 방향으로 방사되므로, 원하는 방향으로 빛을 집중시킬 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 상기 광 전달 소재는 투명성을 가지는 것이 일반적이므로, 상기 빛이 광 전달 소재의 내부에서 외부로 빠져나가는 양이 많아 광 손실이 높다는 문제점이 추가적으로 발생하였다.
그러므로, 광 전달 소재에 있어 원하는 방향으로 빛을 집중시킬 수 있고(비등방성), 광 손실을 감소시킬 수 있는 방안이 모색되고 있다.
본 발명의 실시예들은 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 몸체 내부에 혼합 분산되고, 상기 몸체가 섬유상 형태를 가지도록 형성함으로써 비등방성을 가지는 광전달 소재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광의 파장을 변환시키는 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 몸체 내부에 혼합 분산되어 있는 것으로, 상기 몸체가 섬유상 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 몸체는 투명성을 갖는 고분자 수지에 상기 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 내부에 혼합 분산되고, 상기 나노 형광체 및 나노 양자점의 크기는 100nm 보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 몸체를 둘러싸도록 코팅되는 클래드층을 더 포함하고, 상기 클래드층은 상기 몸체보다 굴절률이 작은 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이 때, 상기 클래드층은 SnO2, Y2O3, MgO, SiO2 및 ZnO에서 선택되는 물질을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 몸체를 둘러싸도록 코팅되는 클래드층을 더 포함하고, 상기 클래드층은 알루미늄 또는 은을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 몸체의 일단에 결합되는 광로 변경 부재를 더 포함하고, 상기 광로 변경 부재는 오목렌즈, 볼록렌즈 및 프리즘 중에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상하부가 개방된 하우징; 및 상기 하우징 내에 복수 개가 배치되는 광전달 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 비등방성 광전달 소재의 두께가 0.1㎛ 내지 1000mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 몸체 내부에 혼합 분산되고, 상기 몸체가 섬유상 형태를 가지도록 형성함으로써 광 전달에 있어 비등방성을 가질 수 있다.
또한, 저굴절률 또는 고반사율을 가지는 클래드층을 몸체에 둘러싸도록 형성함으로써, 광 전달 소재의 내부에서 외부로 빛이 빠져나가는 광 손실을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비등방성 광전달 소재를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 클래드층 및 광로 변경 부재를 추가하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비등방성 광전달 소재를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비등방성 광전달 소재(10, 이하 광전달 소재)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광전달 소재(10)는 몸체(12)와 몸체(12) 내부에 혼합 분산되는 나노입자(11)를 포함하여 형성된다. 이 때, 몸체(12)는 섬유상 형태를 가지도록 형성되고, 몸체(12) 내부에 혼합 분산되는 나노입자(11)는 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 나노 형광체는 특정 파장의 여기광을 흡수하여 다른 파장의 광으로 변환시키는 기능을 하는 것으로, 통상의 화학적 방법 또는 물리적 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 형광체는 수열합성법과 같은 화학적 방법이나 분쇄법과 같은 물리적 방법에 의해 제조 가능하다. 한편, 상기 나노 형광체는 상업적으로 판매되는 것을 사용 가능하다.
상기 나노 형광체는 예를 들면, Y2O2S:Eu, Y2O3:Eu, Gd2O3:Eu, SrTiO3:Pr, SrTiO3:Mg, SrTiO3:Al, CaTiO3:Pr, CaTiO3:Mg, CaTiO3:Al, (Y,Gd)BO3:Eu 등과 같은 적색 형광체; ZnS:Au, ZnS:Cu, ZnS:Al, ZnGa2O4:Mn, SrGa2S4:Eu, Gd2O2S:Tb, Y3Al5O12:Tb, Y2SiO5:Tb, Zn2SiO4:Mn, BaAl12O19:Mn, SrAl2O4:Eu 등과 같은 녹색 형광체; ZnS:Ag, ZnGa2O4, SrGa2S4:Ce, Y2SiO5:Ce, Sr5(PO4)Cl:Eu, BaMgAl10O17:Eu, BaMgAl14O23:Eu 등과 같은 청색 형광체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 나노 형광체는 황화물계 형광체를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 황화물계 형광체는 2A족 및 2B족 원소와 6B족 원소의 화합물에 Mn 또는 Tb, Sm 등의 희토류 원소가 도핑된 형광체일 수 있다. 예를 들면, 상기 나노형광체는 ZnS:Mn과 ZnS:Sm, ZnS:Tb, BaAl2S3,:Eu, SrS:Ce, CaS:Eu, CaS:Ce, ZnS:Sm,F, ZnS:Sm,Cl, ZnS:Tm,F, SrS:Ce,Eu, ZnS/SrS:Ce, 및 CaGa2S4:Ce로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 형광체의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 나노 양자점은 나노 크기의 반도체 물질로서 양자제한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이다. 상기 나노 양자점은 통상의 형광체보다 강한 빛을 좁은 파장대에서 발생시키므로, 상기 나노 양자점의 발광은 전도대에서 가전자대로 들뜬 상태의 전자가 전이하면서 발생되는데, 같은 물질의 경우에도 입자 크기에 따라 파장이 달라지는 특성을 나타낸다. 또한, 상기 나노 양자점의 크기가 작아질수록 짧은 파장의 빛을 발광하기 때문에 크기를 조절하여 원하는 파장 영역의 빛을 얻을 수 있다. 이러한 상기 나노 양자점을 사용하는 경우에는 통상의 형광체를 사용하는 경우에 비하여 농도 또는 크기를 조절하여 원하는 색을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.
상기 나노 양자점은 예를 들면, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HggZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 등과 같은 Ⅱ-Ⅳ족계 화합물 반도체 나노 양자점; GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs, GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs, InAlPAs등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족계 화합물 반도체 나노 양자점; SbTe 등과 같은 Ⅳ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노 양자점일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 나노 형광체 및 나노 양자점의 크기는 100nm 보다 작은 것을 선택하여 사용할 수 있다. 상기 나노 형광체 및 나노 양자점의 크기가 100nm 이하인 경우에는 가시광선에 의한 산란이 없어져 투명한 특성을 보여주기 때문에 투과율이 높아지기 때문이다. 또한, 상기 나노 형광체 및 나노 양자점의 농도는 제한되지 않는다. 상기 나노 형광체 및 나노 양자점의 농도를 조절하여, 광전달 소재(10)의 광 변환 정도를 조정하는 것이 가능하다.
한편, 이러한 비등방성 광전달 소재(10)를 제조하는 방법은 다음과 같다. 우선, 고분자를 용매에 용해시켜 고분자 용액을 만들고, 상기 고분자 용액에 상기 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나를 분산시킨다. 이 때, 상기 나노 형광체 및 나노 양자점을 상기 고분자 용액에 균일하게 분산시키기 위하여, 통상의 분산제를 사용하는 것이 가능하다. 다음으로, 상기 나노 형광체 및 나노 양자점이 혼합 분산된 상기 고분자 용액을 길이 방향으로 방사하여 섬유상 형태를 갖는 몸체(12)를 성형함으로써, 비등방성 광전달 소재(10)를 제조 가능하다.
광전달 소재(10)의 길이는 제한되지 않는다. 즉, 광전달 소재(10)의 길이를 임의로 조절하여, 광전달 소재(10)의 광변환 정도를 조정하는 것이 가능하다.
한편, 상기 고분자는 투명성을 가지는 고분자일 수 있으며, 예를 들면, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly(ethylenenaphthalate), PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate), PET), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer) 등의 열가소성 고분자나, 아크릴 수지 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 등의 경화성 수지를 경화시킨 고분자일 수 있다.
또한, 상기 나노 형광체 및 나노 양자점이 혼합 분산된 상기 고분자 용액을 방사하는 방법은 예를 들면, 전기방사법(electrospining)과 같은 통상의 방법을 사용 가능하다.
상술한 것과 같이 제조되는 광전달 소재(10)는 기둥 형상(섬유상 형태)을 가지고 있으며, 일단에서 입사된 빛(1)이 타단으로 투과되어 나아가는 동안에 내부에 분산된 상기 나노 형광체 및 나노 양자점에 재입사되기 때문에 광 변환 효율이 향상된다. 또한, 광전달 소재(10)는 비등방성을 가지므로 광 손실을 감소시킬 수 있다. 여기에서 비등방성(anisotropy)이란 빛을 모든 방향으로 균일하게 전달하는 등방성 과는 달리, 한 방향으로만 전달하는 특징을 의미한다.
도 2는 도 1에서 클래드층(13) 및 광로 변경 부재(14)를 추가하여 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광전달 소재(10)는 몸체(12)를 둘러싸도록 코팅되는 클래드층(13)을 더 포함할 수 있다. 클래드층(13)은 몸체(12)보다 굴절률이 작은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 클래드층(13)은 저굴절율을 갖는 SnO2, Y2O3, MgO, SiO2 및 ZnO에서 선택되는 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
상기와 같이, 클래드층(13)이 몸체(12)보다 굴절률이 작은 경우에는, 광전달 소재(10)에 입사된 빛과 광전달 소재(10) 내부에서 상기 나노 형광체 및 나노 양자점에 재입사되는 빛이 광전달 소재(10) 내부에서 전반사를 일으키므로, 광전달 소재(10)의 외부로 빛이 이탈하지 않아 광 손실을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 클래드층(13)은 알루미늄 또는 은을 포함하여 형성되는 것도 가능하다. 상기 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)은 반사율이 높은 금속에 해당한다.
따라서, 클래드층(13)을 알루미늄 또는 은을 포함하여 형성하는 경우에는, 광전달 소재(10)에 입사된 빛과 광전달 소재(10) 내부에서 상기 나노 형광체 및 나노 양자점에 재입사되는 빛이 클래드층(13)에 의해 광전달 소재(10) 내부로 반사되므로, 광전달 소재(10)의 외부로 빛이 이탈하지 않아 광 손실을 크게 감소시킬 수 있다.
한편, 몸체(12)에 클래드층(13)을 형성시키기 위하여, 통상의 방법을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅 등의 코팅 방법 내지는 도포 방법을 사용하여 클래드층(13)을 형성할 수 있다.
광전달 소재(10)는 몸체(12)의 일단에 결합되는 광로 변경 부재(14)를 더 포함할 수 있다. 광로 변경 부재(14)는 광전달 소재(10) 내부에서 진행하는 빛의 경로를 변경시키는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들면, 광로 변경 부재(14)는 빛을 퍼지게 하는 오목렌즈, 빛을 집중시키는 볼록렌즈 및 빛의 분산이나 굴절 등을 일으키는 프리즘 중에서 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비등방성 광전달 소재(100)에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비등방성 광전달 소재(100, 이하 광전달 소재)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광전달 소재(100)는 하우징(20)과, 하우징(20) 내에 배치되는 복수 개의 광전달 소재(10) 및 충진제(30)를 포함한다.
하우징(20)은 상하부가 개방된 형태를 가질 수 있으며, 내부에는 복수 개의 광전달 소재(10)가 수직 방향으로 배치된다. 하우징(20)의 형상은 제한되지 않으며, 원통형, 직육면체형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 도 3에서는 하우징(20)이 직육면체 형상으로 형성된 경우를 도시하였음을 밝혀둔다.
하우징(20)은 폴리머 수지를 경화시켜 제조할 수 있으며, 광 투과성 무기 물질로 제조하는 것도 가능하다. 예를 들면, 하우징(20)은 폴리카보네이트 또는 아크릴과 같은 폴리머 물질을 포함하여 제조될 수 있으며, 실리카 글래스(silica glass), 석영 유리(quartz glass), 투명 알루미나(Al2O3)와 같은 광 투과성 무기 물질을 포함할 수 있다.
하우징(20)은 내부에 배치된 광전달 소재(10)의 고정을 위하여, 광전달 소재(10)들 사이에 존재하는 틈을 유/무기 충진제(30)로 충진할 수 있으며, 또한, 유/무기 충진제(30)가 경화된 상태 자체가 하우징(20)을 이루도록 할 수 있다. 이 때, 유/무기 충진제(30)는 상기 폴리머 수지 또는 광 투과성 무기 물질일 수 있다.
광전달 소재(10)는 상술한 것과 동일한 바, 상세한 설명은 생략하기로 한다. 광전달 소재(10)는 하우징(20) 내에 수직으로 배치되되, 복수 개가 가로방향 및 세로방향으로 배열되어 배치될 수 있다. 또한, 광전달 소재(10) 복수 개가 다발로 밀집한 상태로 하우징(20) 내에 배치되는 것도 가능하다. 도 3에서는 광전달 소재(10)가 열을 맞추어 배치되는 경우를 도시하였음을 밝혀둔다.
상기 비등방성 광전달 소재(100)를 제조하는 방법은 다음과 같다. 우선, 전술한 방법에 의하여 복수개의 광전달 소재(10)를 제조한다. 다음으로 광전달 소재(10)들을 성형틀에 원하는 형태로 배치시킨다. 다음으로, 유/무기 충진제(30)를 광전달 소재(10)들 사이에 존재하는 틈을 메우도록 충진시킨 후에 경화시켜 하우징(20)을 제조할 수 있다.
상기와 같이 제조되는 비등방성 광전달 소재(100)는 상부 및 하부를 편절하여 원하는 두께로 성형할 수 있다. 비등방성 광전달 소재(100)의 두께는 한정되지 않으며, 예를 들면, 0.1㎛ 내지 1000mm일 수 있다. 비등방성 광전달 소재(100)의 두께를 임의로 조절하여, 광전달 소재(100)의 광 변환 정도를 조정하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 몸체 내부에 혼합 분산되고, 상기 몸체가 섬유상 형태를 가지도록 형성함으로써 광 전달에 있어 비등방성을 가질 수 있다. 또한, 저굴절률 또는 고반사율을 가지는 클래드층을 몸체에 둘러싸도록 형성함으로써, 광 전달 소재의 내부에서 외부로 빛이 빠져나가는 광 손실을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 비등방성 광전달 소재는 다양한 분야의 전자 소자 및/또는 광학 소자에 사용될 수 있다. 예를 들면, 간접형 X-ray 디텍터의 수광부로 이용될 수 있으며, 입사된 광의 2차원 픽셀 정보를 대향하는 방향으로 보낼 수 있으므로 다운컨버젼(down conversion) 디텍터에 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10, 100: 비등방성 광전달 소재
1: 광
11: 나노 입자
12: 몸체
13: 클래드층
14: 광로 변경 부재
20: 하우징
30: 유/무기 충진제

Claims (8)

  1. 광의 파장을 변환시키는 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 내부에 혼합 분산되는 섬유상 형태의 몸체; 및
    상기 몸체를 둘러싸도록 코팅되는 클래드층을 포함하고,
    상기 클래드층은 SnO2, Y2O3, MgO, SiO2 및 ZnO에서 선택되는 물질을 포함하는 비등방성 광전달 소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체는 투명성을 갖는 고분자 수지에 상기 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 내부에 혼합 분산되고,
    상기 나노 형광체 및 나노 양자점의 크기는 100nm 보다 작은 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 광의 파장을 변환시키는 나노 형광체 및 나노 양자점 중 적어도 하나가 내부에 혼합 분산되는 섬유상 형태의 몸체; 및
    상기 몸체를 둘러싸도록 코팅되는 클래드층을 포함하고,
    상기 클래드층은 알루미늄 또는 은을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 몸체의 일단에 결합되는 광로 변경 부재를 더 포함하고,
    상기 광로 변경 부재는 오목렌즈, 볼록렌즈 및 프리즘 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재.
  7. 상하부가 개방된 하우징; 및
    상기 하우징 내에 복수 개가 배치되는 제 1항, 제 2항 및 제 5항 중 어느 한 항의 광전달 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재.
  8. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 비등방성 광전달 소재의 두께가 0.1㎛ 내지 1000mm인 것을 특징으로 하는 비등방성 광전달 소재.
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JP2008240172A (ja) * 2007-03-26 2008-10-09 Hiroshima Univ 繊維状体及びこれを利用した蛍光体
KR20100066402A (ko) * 2008-12-08 2010-06-17 드라카 콤텍 비.브이. 이온화 방사선-저항 광 파이버 증폭기

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