KR101743152B1 - 에너지 변환 소자 및 이를 적용한 장치 - Google Patents

에너지 변환 소자 및 이를 적용한 장치 Download PDF

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Abstract

에너지 변환 소자 및 이를 적용한 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 에너지 변환 소자는, 베이스 물질로 이루어진 기판과, 기판에 내재된 표면 플라즈몬 필드를 발생시키는 금속 나노 입자와, 기판에 내재되며 적어도 일부가 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 필드 내에 위치하는 무기 발광 입자를 포함하여, 플라즈몬 효과에 의해 에너지 변환을 일으켜 발광을 하도록 되어 있다. 개시된 디스플레이 장치는, 자외선 광을 출사하는 자외선 광원 유니트와, 자외선 광원 유니트로부터 조사되는 자외선광을 서로 다른 칼라광으로 변환하는 복수의 에너지 변환요소를 포함하는 색 표현 유니트를 포함하며, 복수의 에너지 변환 요소 각각은 베이스 물질에 금속 나노 입자와 무기 발광 입자가 내재되어 있으며, 복수의 에너지 변환 요소 각각의 무기 발광 입자는 조사되는 자외선 광을 금속 나노 입자가 흡수하여 전달하는 에너지에 의해 칼라광으로 발광하도록 마련된다.

Description

에너지 변환 소자 및 이를 적용한 장치{Energy conversion device and application employing the same}
에너지 변환 소자 및 이를 적용한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈몬 효과에 의해 에너지 변환을 일으킬 수 있는 에너지 변환 소자 및 이를 적용한 장치에 관한 것이다.
최근 금속 표면에 나타나는 광 전자 상호 작용인 표면 플라즈몬(surface plasmon) 현상을 디바이스에 응용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 이 표면 플라즈몬은 유전체(dielectric) 물질과 금속성(metallic) 물질 사이의 계면에서 나타나는 전하 밀도 변동 밀도 파동(charge density fluctuation density wave)를 의미하며 계면을 따라 전파되는 특성을 가지고 있다. 표면 플라즈몬은 필드 집중(field enhancement) 특성을 가지고 있어 고효율의 에너지 전달에 유리하며, 입사광의 파장을 표면 플라즈몬 파장과 일치시키면, 입사광의 대부분이 흡수가 되는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance:SPR) 현상이 발생하게 된다.
금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 현상을 이용하여, 무기 발광 입자들을 여기시켜 에너지 변환이 이루어지는 에너지 변환 소자 및 이를 적용한 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자는, 베이스 물질로 이루어진 기판과; 상기 기판에 내재된 표면 플라즈몬 필드를 발생시키는 금속 나노 입자와; 상기 기판에 내재되며, 적어도 일부가 상기 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 필드 내에 위치하는 무기 발광 입자를 포함하여 플라즈몬 효과에 의해 에너지 변환을 일으켜 발광을 하도록 마련된다.
상기 베이스 물질은 유리 재질일 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 Au, Ag를 포함하는 그룹 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있다.
상기 무기 발광 입자는 Eu, Er, Th를 포함하는 그룹 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 자외선 광을 출사하는 자외선 광원 유니트와; 상기 자외선 광원 유니트로부터 조사되는 자외선광을 서로 다른 칼라광으로 변환하는 복수의 에너지 변환요소를 포함하는 색 표현 유니트;를 포함하며, 상기 복수의 에너지 변환 요소 각각은 상기의 에너지 변환 소자를 적용하여 베이스 물질에 금속 나노 입자와 무기 발광 입자가 내재되어 있으며, 상기 복수의 에너지 변환 요소 각각의 무기 발광 입자는 조사되는 자외선 광을 금속 나노 입자가 흡수하여 전달하는 에너지에 의해 칼라광으로 발광하도록 마련될 수 있다.
상기 자외선 광원 유니트는 픽셀 및 서브 픽셀 배열에 대응되게 2차원 배열된 자외선 점광원 어레이를 구비하며, 상기 자외선 점광원 어레이의 각 자외선 점광원을 영상 신호에 맞게 온,오프하여 칼라 화상을 디스플레이할 수 있다.
상기 자외선 광원 유니트는, 자외선 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원으로부터 출사된 자외선 레이저 광을 스캔하면서 색 표현 유니트에 서브 픽셀 단위로 조사하도록 된 스캐너;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자에 따르면, 금속 나노 입자들에 의해 흡수된 에너지를 무기 발광 입자에 전달해 줌으로써 가시광 발광을 하도록 할 수 있다. 또한, 이를 디스플레이장치에 적용하면, 자외선 광원으로부터의 자외선 광을 칼라광으로 변환할 수 있어, 영상 신호에 맞게 자외선 광을 스위칭 해 줌에 의해 칼라 화상을 디스플레이하는 디스플레이장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자를 개략적으로 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자에서의 입사광과 출력광의 변환 과정을 개략적으로 보여준다.
도 3은 에너지 변환 소자의 기판 예컨대, 유리 내에 삽입된 은(Ag) 나노 입자들에 의한 광 흡수도를 측정한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자를 적용한 디스플레이 장치를 개략적으로 보여준다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 변환 소자를 적용한 디스플레이 장치를 개략적으로 보여준다.
금속 나노 입자 예컨대, 구형의 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 필드 내에 발광체가 존재하는 경우, 이 플라즈몬 필드의 에너지는 발광체에 흡수되어 발광체가 여기되고 이후 발광을 할 수 있다. 이때, 플라즈몬 필드의 에너지(또는 주파수)가 발광체의 흡수 스펙트럼 대비 낮다고 하여도 플라즈몬 필드의 강도가 매우 강하므로, 비선형(nonlinear) 현상에 의해 발광체를 여기시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자는 이러한 특성들을 활용하여 금속 나노 입자들에 의해 흡수된 에너지를 무기 발광 입자에 전달하여 예를 들어, 가시광 발광을 하도록 마련된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(10)를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 에너지 변환 소자(10)는 베이스 물질로 이루어진 기판(11)과, 상기 기판(11)에 내재된 표면 플라즈몬 필드를 발생시키는 금속 나노 입자(20)와 적어도 일부가 상기 금속 나노 입자(20)의 표면 플라즈몬 필드 내에 위치하는 무기 발광 입자(30)를 포함한다. 상기 기판(11)의 베이스 물질은 예를 들어, 유리일 수 있다.
금속 나노 입자(20)는 표면 플라즈몬 특성을 일으킬 수 있도록 된 것으로 예를 들어, Au, Ag 등의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 무기 발광 입자(30)는 예를 들어, Eu, Er, Th 등의 물질로 이루어질 수 있다.
에너지 변환 소자(10)를 유리 기판(11) 형태로 형성하는 경우를 예를 들면, 에너지 변환 소자(10)는, 유리 호스트(glass host) 물질에 나노 입자 즉, 금속 나노 입자(20)와 무기 발광 입자(30)를 섞은 상태에서 500∼600℃에서 열처리하여 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(10)에서의 입사광과 출력광의 변환 과정을 개략적으로 보여준다.
예를 들어, 파장이 λ1인 광 예컨대, 자외선(UV) 광이 에너지 변환 소자(10)에 입사되면, 이 자외선 광은 기판(11) 내에 삽입된 금속 나노 입자(20)에 의해 흡수되고, 이 흡수된 광은 플라즈몬의 필드 강화(field enhancement)에 의해 광의 에너지가 주변에 존재하는 무기 발광 입자(30)들을 여기시킨다. 여기된 무기 발광 입자(30)들은 발광하게 되므로, 에너지 변환 소자(10)는 발광체로서 역할을 하게 된다.
도 3은 에너지 변환 소자(10)의 기판(11) 예컨대, 유리 내에 삽입된 은(Ag) 나노 입자들에 의한 광 흡수도를 측정한 것이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 에너지 변환 소자(10)에서는 입사광의 에너지에 비례하여 흡수가 일어남을 알 수 있다. 입사광의 에너지가 없는 초기 상태(virgin)에서는 은(Ag) 플라즈몬의 흡수도가 존재하지 않으며, 입사광의 에너지가 102J, 103J, 104J로 증가함에 따라, 은(Ag) 플라즈몬의 흡수도도 증가함을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(10)에 따르면, 금속 나노 입자(20)들에 의해 흡수된 에너지를 무기 발광 입자(30)에 전달할 수 있으므로, 예를 들어, 자외선 광을 흡수하여 무기 발광 입자(30)의 종류에 따라 예를 들어, 적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B)의 가시광이 발광될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(10)는, 예를 들어, 태양전지에 적용될 수 있다. 즉, 자외선(UV) 광을 가시광 영역으로 변환할 수 있으므로, 태양전지에서 흡수 영역 밖의 태양 에너지를 흡수할 수 있는 영역으로 바꿔서 태양전지에서 흡수되도록 할 수 있으므로, 효율을 향상시킬 수 있다. 태양전지의 흡수층의 스펙트럼보다 낮은 에너지의 광이 입사될 경우에도, 플라즈몬 필드의 집중된 비선형성(enhanced nonlinearity) 현상에 의해 흡수층의 스펙트럼 내에 들어오는 광으로 변환할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(10)는, 예를 들어, 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 즉, R,G,B가 각각 발광될 수 있도록 형성된 에너지 변환 소자(10)의 2차원 배열을 가지는 유니트에 자외선(UV) 광원 예컨대, 자외선 레이저 또는 자외선 발광 다이오드(LED) 등을 백라이트로 활용하여, 영상 신호에 맞게 자외선 광을 스위칭 해줌에 의해 새로운 디스플레이 장치를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자를 적용한 디스플레이 장치(50)를 개략적으로 보여준다.
도 4를 참조하면, 디스플레이 장치(50)는, 자외선광을 출사하는 자외선 광원 유니트(70)와, 상기 자외선 광원 유니트(70)로부터 조사되는 자외선광을 서로 다른 칼라광으로 변환하는 복수의 에너지 변환 요소(91)(94)(97)를 포함하는 색 표현 유니트(90)를 포함한다. 도 4에서는, 색 표현 유니트(90)가 적색광, 녹색광 및 청색광을 표현하도록, 조사되는 자외선광을 각각 적색광, 녹색광 및 청색광으로 변환하도록 마련된 제1 내지 제3에너지 변환 요소(91)(94)(97)를 구비하는 예를 보여준다. 도 4에서는 일 픽셀에 해당하는 부분을 보여준다. 도 4 및 이하의 설명에서는 한 픽셀이, 적색, 녹색 및 청색 서브 픽셀로 이루어진 경우를 예시하는데, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형될 수 있다.
상기 자외선 광원 유니트(70)는 예를 들어, 자외선 광을 출사하는 자외선 점광원 어레이(71)(73)(75) 예컨대, 자외선 광을 출사하는 발광 다이오드(LED) 어레이를 포함할 수 있다. 자외선 점광원(71)(73)(75) 각각은 R,G,B 화상을 구현할 수 있도록 서로 독립적으로 구동될 수 있다. 자외선 점광원(71)(73)(75)들은 2차원의 픽셀 배열 및 서브 픽셀 배열에 대응되게 2차원으로 배열될 수 있다. 즉, 한 픽셀을 이루는 세 서브 픽셀에 대응되게 배치된 자외선 점광원(71)(73)(75)들 단위가 픽셀 배열에 대응되게 2차원으로 배열될 수 있다.
상기 에너지 변환 소자(10)는 픽셀 단위로 제1 내지 제3에너지 변환 요소(91)(94)(97)를 구비한다. 제1 내지 제3에너지 변환 요소(91)(94)(97)는 한 픽셀의 적색, 녹색, 청색 서브 픽셀에 대응할 수 있다. 제1 내지 제3에너지 변환 요소(91)(94)(97) 각각은 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 변환 소자(10)와 마찬가지로, 베이스 물질(99)에 표면 플라즈몬 필드를 발생시키는 금속 나노 입자(20)와 적어도 일부가 상기 금속 나노 입자(20)의 표면 플라즈몬 필드 내에 위치하는 무기 발광 입자(92)(95)(98)가 내재된 것으로, 제1 내지 제3에너지 변환 요소(91)(94)(97)의 무기 발광 입자(92)(95)(98)는 각각 조사되는 자외선 광을 금속 나노 입자(20)들이 흡수하여 전달하는 에너지에 의해 적색광, 녹색광 및 청색광을 발광할 수 있도록 마련된다. 여기서, 적색광을 발광할 수 있는 무기 발광 입자는 예를 들어 Eu가 있다. 녹색광을 발광할 수 있는 무기 발광 입자는 예를 들어, Tb가 있다. 청색광을 발광할 수 있는 무기 발광 입자는 예를 들어, Er가 있다.
도 4에서와 같이, 픽셀 당 세 개의 자외선 점광원(71)(73)(75)이 대응하도록 자외선 광원 유니트(70)가 마련되고, 각 자외선 점광원(71)(73)(75)에 대응되게 제1 내지 제3에너지 변환 요소(91)(94)(97)가 위치하도록 색 표현 유니트(90)가 마련된 경우, 영상 신호에 맞게 자외선광을 스위칭 즉, 서브 픽셀별로 자외선 점광원(71)(73)(75)을 온,오프 함으로써 원하는 칼라 화상을 디스플레이할 수 있다. 이러한 디스플레이 장치(50)에 있어서, 색 표현 유니트(90)는 칼라 필터와 유사한 기능을 하며, 동시에 자외선광을 흡수하여 칼라광을 생성하는 발광체로서 역할을 한다.
한편, 도 4에서는 자외선 광원 유니트(70)로 자외선 점광원(71)(73)(75) 어레이를 구비하는 경우를 예를 들었는데, 자외선 광원 유니트(70)는 다른 형태의 자외선 광원을 구비하고, 이를 서브 픽셀별로 스캔하면서 자외선광을 온,오프 하도록 마련될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 변환 소자를 적용한 디스플레이 장치(100)를 개략적으로 보여준다.
도 5를 참조하면, 디스플레이 장치(100)는, 자외선광을 출사하는 자외선 광원 유니트(110)와, 상기 자외선 광원 유니트(110)로부터 조사되는 자외선광을 서로 다른 칼라광으로 변환하는 복수의 에너지 변환 요소(91)(94)(97)를 포함하는 색 표현 유니트(90)를 포함한다. 여기서, 도 5의 디스플레이 장치(100)는 자외선 광원 유니트(110)가 자외선 광을 스캔하면서 색 표현 유니트(90)로 조사하도록 된 점에 있어서 도 4의 디스플레이 장치(50)와 차이가 있으며, 색 표현 유니트(90)는 실질적으로 도 4에서와 동일 또는 유사하다.
도 5를 참조하면, 자외선 광원 유니트(110)는 예를 들어, 자외선 광을 출사하는 레이저 광원(130)과, 이 레이저 광원(130)으로부터 출사된 자외선 레이저를 스캔하면서 색 표현 유니트(90)에 서브 픽셀별로 조사하도록 된 스캐너(150)를 포함한다.
레이저 광원(130)은 화상 신호에 따라 레이저 빔 출력을 변조시켜 출력하도록 마련된다.
상기 스캐너(150)로는, 입사 빔을 양방향으로 스캐닝 가능한 스캐너를 구비할 수 있다. 상기 양방향으로 스캐닝 가능한 스캐너에는 MEMS 스캐너 또는 갈바노미터 미러 스캐너가 있다. 상기 스캐너(150)는 레이저 광원(130)으로부터 출사된 광을 2차원으로 즉, 수평 및 수직 방향으로 스캔할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 레이저 광원(130)으로부터 입사된 자외선 파장의 레이저광을 MEMS 스캐너에 의해 수평 및 수직 방향으로 스캔하여 색 표현 유니트(90)에 서브 픽셀 단위로 조사할 수 있다. 이 경우, 스캐너(150)를 서브 픽셀 단위로 레이저광을 조사할 수 있도록 구동하면서, 영상 신호에 따라 레이저 광원(130)을 온,오프 시키면, 서브 픽셀 단위로 자외선 레이저광이 조사되고, 이에 의해 자외선광이 칼라광으로 변환되어, 칼라 화상을 디스플레이할 수 있다.

Claims (9)

  1. 베이스 물질로 이루어진 기판과;
    상기 기판에 내재된 표면 플라즈몬 필드를 발생시키는 금속 나노 입자와;
    상기 기판에 내재되며, 적어도 일부가 상기 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 필드 내에 위치하는 무기 발광 입자를 포함하여 플라즈몬 효과에 의해 에너지 변환을 일으켜 발광을 하며,
    상기 베이스 물질은 유리 재질이고,
    상기 유리 재질을 이루는 유리 호스트 물질에 상기 금속 나노 입자와 상기 무기 발광 입자를 섞은 상태에서 열처리하여 얻어지는 에너지 변환 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 Au, Ag를 포함하는 그룹 중에서 선택된 물질을 포함하는 에너지 변환 소자.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 무기 발광 입자는 Eu, Er, Th를 포함하는 그룹 중에서 선택된 물질을 포함하는 에너지 변환 소자.
  6. 자외선 광을 출사하는 자외선 광원 유니트와;
    상기 자외선 광원 유니트로부터 조사되는 자외선광을 서로 다른 칼라광으로 변환하는 복수의 에너지 변환요소를 포함하는 색 표현 유니트;를 포함하며,
    상기 복수의 에너지 변환 요소 각각은 청구항 1항 또는 3항의 에너지 변환 소자를 적용하여 베이스 물질에 금속 나노 입자와 무기 발광 입자가 내재되어 있으며, 상기 복수의 에너지 변환 요소 각각의 무기 발광 입자는 조사되는 자외선 광을 금속 나노 입자가 흡수하여 전달하는 에너지에 의해 칼라광으로 발광하도록 마련된 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 무기 발광 입자는 Eu, Er, Th를 포함하는 그룹 중에서 선택된 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 자외선 광원 유니트는 픽셀 및 서브 픽셀 배열에 대응되게 2차원 배열된 자외선 점광원 어레이를 구비하며,
    상기 자외선 점광원 어레이의 각 자외선 점광원을 영상 신호에 맞게 온,오프하여 칼라 화상을 디스플레이하는 디스플레이 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 자외선 광원 유니트는,
    자외선 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원으로부터 출사된 자외선 레이저 광을 스캔하면서 색 표현 유니트에 서브 픽셀 단위로 조사하도록 된 스캐너;를 포함하는 디스플레이 장치.
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JP2004031350A (ja) 2002-06-27 2004-01-29 Eastman Kodak Co アクティブマトリクス式有機発光ダイオード表示装置
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