KR101774204B1 - 파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널 - Google Patents

파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스플레이 패널에 사용되는 나노다공 구조체에 있어서, 세공이 다수로 형성되는 나노 다공체; 상기 세공 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체; 및 상기 세공의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부;를 포함하도록 한 파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 컬러필터를 사용하지 않도록 하여 컬러필터로 인한 손실을 줄일 수 있으며, 파장 선택성 나노다공 구조체를 손쉽게 제조하여 디스플레이의 응용범위를 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 디스플레이 소자의 광 효율을 증대시킬 수 있고, 산소, 수분, 열의 차단으로 인해 이들의 영향을 최소화하여 양자점의 수명 및 내구성을 증대시킬 수 있으며, 에너지의 손실을 최소화할 수 있고, 동작의 신뢰성을 높일 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널{Wavelength-selective nanoporous structure and display panel with the same}
본 발명은 파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컬러필터로 인한 광의 손실을 크게 줄이고, 나노다공 구조체의 구조에 기인되는 다양한 광 특성으로 인하여 선택한 특정 파장대의 선택성과 광효율을 증대시키며, 나노다공성 구조체의 높은 방열성과 우수한 산소 및 수분의 차단성으로 인하여, 디스플레이 소자의 수명 및 내구성을 크게 증대시킬 수 있도록 하는 파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널에 관한 것이다.
일반적으로, LCD(Liquid Crystal Display)는 인가전압에 따른 액정 투과도의 변화를 이용하여 각종 장치에서 발생하는 여러 가지 전기적인 정보를 시각정보로 변화시켜 전달하는 전기소자로서, 비능동발광 디스플레이에 해당한다. 이러한 LCD는 화면 표시를 위하여 별도의 백라이트유닛(back light unit; BLU)가 필요하고, 이러한 백라이트유닛의 백색광으로부터 컬러 화상 표시를 위하여 R(Red), G(Green), B(Blue) 컬러필터가 자체의 화소마다 각각 마련되어야 한다. R, G, B 컬러필터는 백라이트유닛으로부터 입사되는 백색광 중 R, G, B를 발생시키며, 이를 위해 R, G, B 등의 필터가 이용된다.
컬러필터는 특정 파장의 광만을 통과시키므로, 백색광의 1/3만 사용하여 광손실이 크며, 이로 인해 충분한 밝기의 이미지를 구현하기 위하여 더욱 더 강한 휘도를 가지는 백라이트유닛이 요구된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래 기술로서 미국공개특허 US 제04822144호의 "Electro-optic color display including luminescent layer and interference filter" 및 한국공개특허 제10-2006-0125347호의 "자발광 ＬＣＤ"가 제시된 바 있는데, 이는 자외선 및 청색광에 의하여 여기된 형광체로 구성된 R,G,B 화소 발광층에서 발생된 가시광의 대부분이 LCD의 전방으로 방사되어 컬러필터가 불필요하여 광 이용 효율이 증대되도록 하며, 또한 전면에 외부 UV 차단용 필터가 마련되어 외광에 의한 콘트라스트 저하를 억제한다. 이러한 자발광 LCD는 좁은 시야각 및 방향성을 개선하는 이점이 있다.
한편 R, G, B가 구비된 OLED는 양산제작의 어려움으로 인해 백색 OLED를 사용하여 컬러필터를 이용하여 화소를 구현하는바, 이 역시 LCD와 같이 큰 광 손실로 이어지고 있다.
그러나, 이러한 종래 기술은 전방으로 방사되는 광 이용 효율을 증대시키는데 한계를 가지고, UV 차단용 필터 및 다이크로익 필터 등을 별도로 요구하게 되는 문제점을 가지고 있었다. 또한 종래 기술 뿐만 아니라, 기존의 나노 형광체나 양자점을 이용한 발광장치에서, 양자점은 기존 형광체의 광 변환 효율 및 색 순도에 비하여 우수한 특성을 보이나, 몇 가지 취약점을 내포하고 있다. 즉, 양자점은 열, 수분, 산소 및 강한 빛에 대한 변성으로 시간이 경과함에 따라 광 특성이 크게 저하된다. 또한, 현재 알려진 고효율 양자점은 카드뮴 반도체 계열로 유해물제한지침(RoHS)에 포함된 대표적인 유해물질로서 높은 환경 규제를 받고 있어, 최소한의 사용량이 요구된다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 특허청에 출원한 특허(한국특허출원 제10-2015-0121727호 및 한국특허출원 제10-2015-0172864호)에서, 양극산화 알루미나와 같은 나노다공 구조체를 사용하여 광 효율을 향상시키고, 이로 인한 양자점 사용량을 감소시킴과 아울러, 우수한 방열과 수분 및 산소 차단으로 양자점의 내구성을 증가시키는 기술을 제시한 바 있다. 그러나 상기의 선출원된 특허에서 제안한 나노다공 구조체는 나노채널이 직선형인바, 이의 유효굴절률( effective refractive index)은 나노채널의 시작점에서부터 끝까지 동일하다. 따라서, 이에 함침 내지 밀봉된 양자점의 내구성은 매우 우수하나, 이의 광학적 특성은 개선될 필요가 있다.
특히, 디스플레이의 응용에 있어 방출되는 광의 파장 및 진행방향의 제어가 매우 중요하며, 디스플레이 소자의 광 효율 및 성능을 크게 높이기 위해 DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)나 다이크로익 필터/반사체(dichroic filter/reflector) 등 다양한 광학부품들이 사용되고 있다. 그러나 이들은 굴절률이 다른 물질들을 매우 정밀한 두께로 다층 코팅하거나, 라미네이션시킨 것으로 매우 고가이며, 이들 부품을 디스플레이 소자에 적용하기 위해서는 복잡한 개별 공정이 필요한 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 컬러필터에 의한 광 손실이 없는 디스플레이 패널을 구현하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나노다공 구조의 변조에 따른 유효굴절률 변조로 광의 진행 방향을 제어하여, 디스플레이 소자의 광 효율을 증대시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나노다공 구조의 변조에 따른 유효굴절률 변조로 파장의 선택성을 높여 디스플레이 소자의 광 효율을 증대시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 저가의 나노 다공구조체를 제작할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 산소, 수분의 차단 및 효율적인 방열로 이들의 영향을 최소화하여, 양자점의 수명 및 내구성을 증대시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 에너지의 손실을 최소화하고, 동작의 신뢰성을 높이는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나노다공 구조체를 이용하여 자외선 또는 청색광에 의해 여기되는 발광 LCD 패널 및 OLED 패널 등과 같은 디스플레이 소자를 구현할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 디스플레이 패널에 사용되는 나노다공 구조체에 있어서, 세공이 다수로 형성되는 나노 다공체; 상기 세공 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체; 및 상기 세공의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부;를 포함하는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체가 제공된다.
상기 나노 다공체는, 상기 세공이 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 형성되고, 상기 반사부는, 상기 방법에서 전압이나 전류 파형의 크기 및 주기의 조절에 의해 형성될 수 있다.
상기 나노 다공체는, 기판의 패터닝을 위해 마스킹한 후 국소적으로 에칭이나 양극산화하여 패턴이 형성되도록 한다.
상기 전압이나 전류 파형은, 삼각파, 사각파, 사다리꼴파 및 정현파 중에서 어느 하나이거나, 이의 합성파로 형성될 수 있다.
상기 나노 형광체는, 고분자로 캡슐화된 양자점(polymer-encapsulated QD)일 수 있다.
상기 세공 각각에는, 상기 나노 형광체로서, 적색 발광 양자점, 녹색 발광 양자점 및 청색 발광 양자점 중 어느 하나의 종류만이 주입되거나, 이들의 조합이 주입될 수 있다.
상기 반사부는, 상기 세공의 내측면에서 일부 또는 전부에 걸쳐서 형성될 수 있다.
상기 반사부는, 상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대 각각을 반사하는 다수 또는 단일의 영역으로 형성될 수 있다.
상기 나노다공 구조체는, 자외선 여기 발광 또는 청색광 여기 발광 LCD 패널에 발광층으로서 마련되거나, 자외선 여기 발광 또는 청색광 여기 발광 OLED 패널에 발광층으로서 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자외선 또는 청색광을 발하는 백라이트; 다수의 적색, 녹색 및 청색 화소를 정의하며, 상기 백라이트로부터의 광을 스위칭하여 색상별로 정의된 상기 화소들을 통한 광의 통과를 제어하는 액정 및 액정층; 상기 액정층을 상기 화소별로 구동하는 화소스위칭부; 및 상기 화소의 각각에 대응하고, 본 발명의 일측면에 따른 나노 형광체가 주입된 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체;를 포함하는, 발광 LCD 패널이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 청색 OLED에 정의된 화소; 및 상기 화소의 각각에 대응하고, 본 발명의 일측면에 따른 나노 형광체가 주입된 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체;를 포함하는, 발광 OLED 패널이 제공된다.
본 발명의 다른 측면이나 또 다른 측면에서, 상기 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체에 의해 광이 출력되는 측에 마련되고, 외부 광에 의한 발광을 억제하는 컬러필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널에 의하면, 컬러필터를 사용하지 않도록 하여 컬러필터로 인한 광 손실을 줄일 수 있으며, 파장 선택성 나노다공 구조체를 손쉽게 제조하여 디스플레이의 응용범위를 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 디스플레이 소자의 광 효율을 증대시킬 수 있고, 산소, 수분, 열의 차단으로 인해 이들의 영향을 최소화하여 양자점의 수명 및 내구성을 증대시킬 수 있으며, 에너지의 손실을 최소화할 수 있고, 동작의 신뢰성을 높일 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 발광 LCD 패널을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 발광 LCD 패널의 구체적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체의 동작을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 6 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 발광 LCD 패널을 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 발광 LCD 패널의 구체적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 발광 LCD 패널(800)은 자외선 또는 청색광을 발하는 백라이트(810)와, 다수의 적색, 녹색 및 청색 화소를 정의하며, 백라이트(810)로부터의 광을 스위칭하여 색상별로 정의된 화소들을 통한 광의 통과를 제어하여 변조(modulate)시키는 액정층(840)과, 액정층(840)을 화소별로 구동하는 화소스위칭부(830)와, 상기의 화소의 각각에 대응하고, 본 발명의 일 실시례에 따른 나노 형광체를 포함하는 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100)를 포함하고, 나아가서, 화소스위칭부(830)와 백라이트(810) 사이에 마련되는 제 1 편광소자(820), 그리고 액정층(840)과 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100) 사이에 마련되는 제 2 편광소자(850)를 더 포함하고, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100)에 의해 광이 출력되는 측에 마련되어 외부 광에 의한 발광을 억제하는 컬러필터(860)를 더 포함할 수 있다.
백라이트(810)는 일례로 본 실시례에서처럼 자외선을 발생하는 발광소자를 사용할 수 있고, 다른 예로서, 450~460nm의 파장을 가지는 청색 가시광선을 발생하는 청색 LED를 사용할 수도 있다. 화소스위칭부(830), 액정층(840), 편광소자(820,850) 등에 의한 액정 광 변조부는 전극이 단순히 X-Y 매트릭스 상으로 배치되는 패시브 STN LCD 구조를 가질 수 있고, 다른 예로서 액티브 매트릭스(active matrix) 구조를 가질 수 있다. 액티브 매트릭스는 잘 알려진 바와 같이 다수의 화소 전극 어레이와 각 화소전극에 연결되는 TFT를 구비한다.
액정층(840)은 소정간격으로 이격된 전면판(910)과 배면판(900) 사이의 공간에 마련된다. 전면판(910)의 외면에는 제 2 편광판(850), 적색 화소영역(R), 녹색 화소영역(G), 청색 화소영역(B)을 포함하는 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100)가 마련될 수 있고, 그 위에 보호기판(920)이 마련될 수 있다. 그리고 보호기판(920)의 표면에 컬러필터(860)가 마련될 수 있다. 전면판(910)의 내면에는 화소스위칭부(830)의 한 요소인 공통전극(832)과 상부 배향막(833)이 순차적으로 형성될 수 있다. 그리고 배면판(900)의 내면에는 화소스위칭부(830)의 나머지 요소로서, TFT 스위칭 소자(834) 및 화소전극(831), 이들 위의 하부 배향막(835)이 형성될 수 있다. 여기에서 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100)의 각 화소영역(R,G,B)은 백라이트(810)로부터의 자외선 또는 청색광의 여기(excitation)에 의해 발광할 수 있다.
배면판(900)의 외면에는 제 1 편광판(820)이 마련되고, 이에 인접하여 백라이트(810)가 마련될 수 있다. 백라이트(810)는 도광확산부재 및 발광소자를 가질 수 있다. 도광확산부재는 발광소자로부터의 광, 예컨대 자외선을 배면판(900) 측으로 도파시킴과 아울러, 이를 고른 분포로 확산시킨다. 여기에서 도광확산부재는 선택적이며, 이 경우 램프는 배면판(900)의 전면에 대응하는 크기를 가질 수 있으며, LED에 의한 램프의 경우, 소위 에지라이팅(edge lighting) 방식으로서 도광확산부재의 일측 가장자리에 일렬로 다수개가 나란하게 배치될 수 있다. 또한 배면판(900)의 전체면에 걸친 도광확산부재의 평면 전체에 LED가 배치될 수도 있다. 한편 TFT는 바텀 게이트 방식으로서, 게이트가 실리콘 채널의 하부에 마련되는 구조를 가진다. 구체적으로는 기판의 일측에 게이트가 형성되고, 그 위의 기판 전체에 게이트 절연층이 형성된다. 게이트 절연층 위에는 게이트 직상방의 실리콘 채널과 실리콘 채널 옆의 ITO 등 투명성 화소전극이 형성된다. 그리고 실리콘 채널의 상부 양측에는 소스와 드레인이 위치하며, 이들 위에는 패시베이션층이 형성된다. 드레인은 화소전극(831)에까지 연장되어 드레인과 화소전극(831)을 전기적으로 연결시킨다. TFT 스위칭 소자(834)와 화소전극(831)의 전체 위에는 액정층(840)에 접촉되어 액정층(840)을 배향하는 하부 배향막(835)이 덮히게 된다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체의 동작을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 디스플레이 패널에 사용되는 나노다공 구조체로서, 세공(120)이 다수로 형성되는 나노 다공체(110)와, 세공(120) 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체(141,142,143)와, 세공(120)의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 나노 형광체(141,142,143)의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부(130)를 포함할 수 있다.
나노 다공체(110)는 세공(120)이 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 형성될 수 있으며, 기판을 패터닝을 위해 마스킹한 후 국소적으로 에칭이나 양극산화하여 얻어질 수 있다. 이때, 반사부(130)는 상기의 방법에서 전압이나 전류 파형의 크기 및 주기의 조절에 의해 형성될 수 있다. 여기서 전압이나 전류 파형은 삼각파, 사각파, 사다리꼴파 및 정현파 중에서 어느 하나이거나, 이의 합성파일 수 있다. 또한 반사부(130)는 세공(120)의 내측면에서 일부, 예컨대 세공(120)의 입구와 반대되는 측에 형성될 수 있으며, 세공(120)의 직경이나 폭의 증감에 의해 돌기 또는 홈 형태로 형성될 수 있다..
반사부(130)의 형성에 의한 파장 선택성 반사체를 구현하기 위하여, 예를 들면 DBR(Distributed Bragg Reflectors)이 사용될 수 있다. 이는 서로 다른 굴절률(nH,nL)과 두께(dH,dL)를 갖는 유전체들을 교대로 적층하여, 특정 파장에서의 밴드갭을 형성하여 준 것으로, 밴드갭에 해당하는 광을 완벽히 반사시킨다. 이때 광 파장은 λ0 = 2(nHdH + nLdL)로 주어진다. 이의 제작에 있어 일반적으로 사용되는 증착법과 달리, 매우 단순한 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 세공(120)이 형성되도록 할 수 있다. 전기화학적 나노 다공체(110)는 펄스 에칭 내지 펄스 양극산화 방법이 사용될 수 있다. 고전압이나 고전류의 조건에서 에칭이나 양극산화를 실시하면, 나노 다공체(110) 내에서의 세공 크기와 성장속도가 증가하게 된다. 따라서 주기적으로 다른 크기와 시간의 전압이나 전류 펄스를 가하면, 나노 크기의 세공(120) 크기와 주기가 달라져 유효굴절률의 변조가 일어나, 손쉬운 DBR이 만들어지게 된다. 더욱 정교한 광학 상수들, 예컨대 스톱 밴드(stop band)의 위치, 반치폭 및 반사도 등은 제작된 나노 다공체(110)의 세공 확장(pore widening) 방법을 통해 얻을 수 있다. 다만, DBR 구조는 λ 0/m (m > 1)의 파장 위치에 고조파(harmonics) 밴드가 생성되어, 주 스톱 밴드(main stop band) 이외의 원치 않는 높은 파장대의 제 2, 제 3 의 스톱 밴드들이 생성될 수 있으며, 이에 더하여 각 스톱 밴드들 양편에 원치 않는 사이드로브(sidelobe)가 생성될 수 있다.
DBR의 단점을 해결하기 위하여, 예를 들면 루게이트 필터(Rugate filter)가 나노 다공체(110)에 적용될 수 있다. 이를 위해 나노 다공체(110)의 제작시, 에칭이나 양극산화 과정에 펄스형 대신 정현파(sine wave)의 전압이나 전류를 인가해주며, 또한 전압이나 전류의 세기 역시 점진적으로 증가나 감소시켜서 나노 크기의 세공(120) 프로파일(즉 굴절률)을 부드럽게 규칙적으로 변조시켜서 반사부(130)를 형성할 수 있다. 루게이트 필터는 고조파에 의한 제 2, 제 3 의 스톱 밴드가 없는 단일 스톱 밴드가 형성되며, 밴드 폭도 더 좁게(π/4) 나타난다. 이의 위치에 따른 굴절률은 n(x) = na + 1/2 np sin(2πx/T + φ0)로 나타낼 수 있으며, 여기서 na, np, T, 및 φ0는 각각 평균 굴절률, 굴절율 차이, 정현파(sine wave)의 주기 및 기판의 phase(radian)이다. 스톱 밴드의 파장은 λ0 = 2T의 식으로 나타내어진다.
나노 다공체(110), 세공(120) 및 반사부(130)의 형성을 위하여, 유리, 플라스틱, ITO 등과 같은 투명기판 상에 3~10μm 두께의 알루미늄을 고진공 조건하에 증착한다. 이때 기판과 알루미늄 사이에 수 nm 두께의 티타니움(Ti) 등 밸브금속 층을 삽입해주면, 양극산화 이후 부도체 기판상에 알루미늄(Al) 나노 알갱이들의 생성이 없어 투명도가 크게 증가한다. 이후 픽셀의 패턴을 마스킹제로 패턴한 후 양극산화하여 픽셀을 형성한다. 양극산화 공정 초기에는 정전압이나 정전류로 직선형 채널을 형성한 후, 바닥부에 이르러 상기의 방법에 따라 펄스형 혹은 정현파(sine wave)의 전압이나 전류를 인가해 주어, 나노 크기의 세공(120) 프로파일(즉 굴절률)을 규칙적으로 변조시키며, 이를 통해 반사부(130)를 형성한다. 이로써 각각의 픽셀은 예컨대 청색광을 투과하는 반면에 녹색 및 적색광을 반사하는 특성을 갖는다. 이때 세공(120) 및 반사부(130)의 프로파일은 양극산화 알루미나의 굴절률(n=1.78)과 세공(120)에 채워질 나노 형광체(141,142,143) 및 폴리머(150)의 굴절률, 그리고 원하는 스톱 밴드의 파장, 반치폭 및 반사율을 고려하여 결정할 수 있다. 이후, 각각의 픽셀들은 양자점과 같은 나노 형광체(141,142,143) 혹은 나노 형광체(141,142,143)와 폴리머(150)의 컴포지트로 충진과 보호 내지 실링 처리된다. 또한 각 픽셀의 최상부에는 컬러필터(860; 도 1 및 도 2에 도시)를 형성해 주는바, 컬러필터(860)에 의해 외부광, 예컨대 외부의 자외선이나 청색광 등의 여기에 의한 나노 형광체(141,142,143)의 발광을 억제하여 명암비의 감소를 방지하도록 하고, 각 픽셀의 색 오염을 억제하며, 색순도를 높이도록 한다.
예를 들면, 단일 반사파장 뿐만 아니라 2개의 반사파장을 갖는 루게이트 필터(rugate filter)를 일례 삼원색으로 구성된 디스플레이의 응용에 적용될 수 있다. 청색광은 통과시키며, 녹색광 및 적색광에 대한 동시 선택적 반사는 디스플레이의 구조를 단순화하는 한편, 디스플레이의 성능 및 효율을 크게 높일 수 있다. 이를 구현하는 방법으로는 단순히 두 구조를 연속적으로 형성하는 방법과, 원하는 두 파장의 주파수 합성으로 전류나 전압의 프로파일(profile)을 만들어 에칭이나 양극산화시키는 방법이 가능하다. 이때 아포다이제이션(apodization)을 하면, 스톱 밴드의 사이드로브도 제거된다.
본 발명에서 일례로서 제시하는 광대역 파장의 스톱 밴드를 갖는 루게이트 필터의 제작은 루게이트의 주기를 연속적으로 변화시켜 얻을 수 있다. 루게이트의 주기는 최대값(Tmax)과 최소값(Tmin)에 따라 Ti = Tmax - (Tmax - Tmin)(i - 1/N - 1)α에 따라 변형을 주어 얻어질 수 있다. 이 식에서 N과 α는 각각 루게이트 사이클의 총 수와 주기의 분배를 제어하는 매개 변수이다.
나노 형광체(141,142,143)는 고분자로 캡슐화된 양자점(polymer-encapsulated QD)일 수 있다. 세공(120) 각각에는 나노 형광체(141,142,143)로서, 본 실시례에서처럼 R, G, B 각각에 대응하도록 적색 발광 양자점(141), 녹색 발광 양자점(142) 및 청색 발광 양자점(143) 중 어느 하나의 종류만이 주입되거나, 다른 예로서, 적색 발광 양자점(141), 녹색 발광 양자점(142) 및 청색 발광 양자점(143)의 조합이 주입될 수 있다. 또한 세공(120)에는 나노 형광체(141,142,143)만이 주입되어 밀봉 처리되거나, 본 실시례에서처럼 세공(120)에 나노 형광체(141,142,143)와 함께 폴리머(150)가 혼합 상태로 주입되어 밀봉 처리될 수 있다. 본 실시례에서처럼 자외선을 제공하는 백라이트(810; 도 1 및 도 2에 도시)의 경우로서, 각 화소영역(R,G,B)의 세공(120)에는 해당하는 색상의 적색 발광 양자점(141), 녹색 발광 양자점(142) 및 청색 발광 양자점(143) 각각이 단일 종류로서 주입될 수 있다.
나노 형광체(141,142,143)로서, 양자점은 예컨대 화학적 습식방법에 의해 합성될 수 있다. 화학적 습식방법은 유기용매에 전구체 물질을 넣어 입자를 성장시키는 방법으로, 화학적 습식방법에 의한 양자점의 합성방법은 이미 공지된 기술이다. 양자점은 예컨대, CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 또는 HgS 등의 II-VI 화합물일 수 있다. 양자점은 코어-쉘 구조(core-shell)를 가질 수 있다. 여기에서 코어는 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 및 HgS 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 포함할 수 있고, 쉘은 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 및 HgS으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 포함할 수 있다. 아울러 InP 등의 III-V 화합물도 가능하다. 이와 같은 나노 형광체(141,142,143)는 상기한 예들에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조 내지 성분의 나노 크기의 형광체가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 5를 참조하면, 반사부(230)는 나노 다공체(210)의 세공(220) 내측면에서 일부, 예컨대 세공(220)의 입구측에 형성됨을 나타낸다. 이러한 반사부(230)의 세공(220) 내 위치는 세공(220)의 깊이, 직경이나 폭, 나노 다공체(210)의 재질, 백라이트(810; 도 1 및 도 2에 도시) 위치나 광원 종류 등에 따라 다양하게 정해질 수 있으며, 자외선이나 청색광 등과 같은 여기광을 반사에 의하여 세공(220) 내에서 순환시킴으로써 나노 형광체에 대한 여기 빈도수를 증가시켜서 발광 효율을 높이도록 한다. 이러한 여기광의 순환 활용에 대해서는 본 발명의 모든 실시례에서도 마찬가지로 적용되는 작용에 해당된다. 이와 달리 도 6을 참조하면, 반사부(330)는 나노 다공체(310)의 세공(320) 내측면에서 전부에 걸쳐서 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 반사부(431,432)는 나노 다공체(410)의 세공(420) 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대 각각을 반사하도록 다수로 형성될 수 있다. 이때 세공(420)에는 적색 발광 양자점(441), 녹색 발광 양자점(442) 및 청색 발광 양자점 중에서 선택되는 다수 종류의 양자점이 혼합되어 주입될 수 있다. 이와 달리 도 8을 참조하면, 반사부(530)는 나노 다공체(510)의 세공(520) 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대를 반사하는 단일의 영역으로 형성될 수 있다. 이때 세공(520)에는 적색 발광 양자점(541), 녹색 발광 양자점(542) 및 청색 발광 양자점 중에서 선택되는 다수 종류의 양자점이 혼합되어 주입될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시례에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(600)에 따르면, 나노 다공체(610)에서 적색 화소영역(R)과 녹색 화소영역(G)에 해당하는 세공(620)에는 적색 발광 양자점(641)과 녹색 발광 양자점(642) 각각이 주입될 수 있고, 세공(620) 내측면에 반사부(630)가 형성될 수 있으나, 청색 화소영역(B)에 해당하는 세공(620)은 백라이트(810; 도 1 및 도 2에 도시)로부터의 청색광을 이용하도록, 반사부나 나노 형광체가 없는 블랭크 상태로 형성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다양한 실시례들에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 자외선 여기 발광 또는 청색광 여기 발광 LCD 패널에 발광층으로서 마련될 수 있을 뿐만 아니라, 자외선 여기 발광 또는 청색광 여기 발광 OLED 패널에 발광층으로서 마련될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 발광 OLED 패널은, 청색 OLED에 정의된 화소와, 이러한 화소의 각각에 대응하는 디스플레이용 파장선택성 나노 다공 구조체를 포함할 수 있다. 여기서 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체는 본 발명에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체로서, 앞서 설명한 바와 같다. 또한 본 발명에서 발광 OLED 패널은 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체에 의해 광이 출력되는 측에 외부 광에 의한 발광을 억제하는 컬러필터가 마련될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 파장선택성 나노다공 구조체 및 이를 가지는 디스플레이 패널의 작용을 설명하기로 한다.
백색광 백라이트유닛(BLU)을 사용하는 LCD나 백색광 OLED(WOLED) 디스플레이의 구동에 있어 컬러필터는 유효광의 2/3를 흡수하여 에너지를 가장 많이 소모한다. 이를 해결하기 위하여 양자점을 비롯한 유,무기 형광체를 자외선이나 청색광으로 여기하는 발광 LCD가 제안되고 있고, 같은 방법으로 백색 OLED 대신 단색의 청색 OLED로 형광체를 여기하는 발광 LCD와 같은 구조의 발광 OLED 소자로 응용될 수 있다. 그러나 이의 구현에 있어 양자점의 낮은 안정성에 기인된 제작 공정의 제약 및 짧은 디스플레이의 수명과 아울러, 이의 제작에는 UV 필터와 다이크로익 필터(dichroic filter) 등 많은 광학부품들이 소요되어 경제성이 크게 떨어진다. 또한 청색광을 적색 및 녹색 형광체의 여기원(excitation source)으로 사용할 뿐만 아니라, 디스플레이의 청색 부분광으로 동시에 사용할 경우, 편광자를 통과한 청색광은 편광특성을 나타내어, 좁은 시야각 및 방향성을 나타내고, 이로 인해 시인성 및 화질의 품위를 떨어뜨린다.
본 발명에 따른 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체를 사용하면, 상기한 문제점들을 해결 내지 개선할 수가 있다. 이로서 나노 형광체가 나노다공 구조체의 세공에 함침되어 방열 특성을 가지며, 수분 및 산소를 포함하는 외부환경과 차단된 나노다공 구조체에 파장 선택적 반사 기능까지 구비된 발광층을 얻을 수 있어 디스플레이의 광 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한 에칭이나 양극산화 과정에서 전압이나 전류를 주기적으로 조절하여 나노다공 구조체의 유효굴절률을 변조시키면 다양한 광특성을 갖는 나노다공 구조체를 손쉽게 제작할 수 있으며, 특히 특정 파장을 반사하는 파장 선택적 반사기능이 구비되므로, 이의 효용성 및 응용분야를 크게 넓어질 수 있다.
나노다공성 알루미나나 나노다공성 실리콘과 같은 나노다공 구조체는 다양한 광학적 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 나노 크기의 저장용기로 사용 가능하여 산소 및 수분을 갖는 주변 환경에 민감한 다양한 광 활성 분자나 나노 형광체를 가두어서 주변 환경과 격리시킬 수 있고, 이로 인해 광특성 및 내구성이 우수한 광 소자의 제작에 매우 적합하다. 또한 실리콘이나 혹은 알루미늄과 같은 밸브금속들을 전기화학적으로 에칭이나 양극산화시켜 다양한 나노다공 구조를 획득할 수 있는바, 이를 통해 나노다공 구조체의 유효 굴절율을 변형시켜, 광을 가두거나 경로를 유도하며, 혹은 선택적으로 투과나 반사시킬 수 있다. 이로 인해 반사방지층, omnidirectional mirror, microcavity, distributed Bragg reflector, wave guide, rugate filter 등과 같은 다양한 광 소자를 제작할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 파장선택성 나노다공 구조체
110,210,310,410,510,610 : 나노 다공체
120,220,320,420,520,620 : 세공
130,230,330,431,432,530,630 : 반사부
141,142,143,441,442,443,641,642 : 나노 형광체
150 : 폴리머
810 : 백라이트
820 : 제 1 편광소자
830 : 화소스위칭부
831 : 화소전극
832 : 공통전극
833 : 상부 배향막
834 : TFT 스위칭 소자
835 : 하부 배향막
840 : 액정층
850 : 제 2 편광소자
860 : 컬러필터
900 : 배면판
910 : 전면판
920 : 보호기판
R : 적색 화소영역
G : 녹색 화소영역
B : 청색 화소영역

Claims (16)

  1. 디스플레이 패널에 사용되는 나노다공 구조체에 있어서,
    세공이 다수로 형성되는 나노 다공체;
    상기 세공 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체; 및
    상기 세공의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부;를 포함하고,
    상기 나노 다공체는,
    상기 세공이 양극산화 방법에 의해 형성되고,
    상기 반사부는,
    상기 방법에서 전압이나 전류 파형의 크기 및 주기의 조절에 의해 형성되며,
    상기 세공 각각에는,
    상기 나노 형광체로서, 적색 발광 양자점, 녹색 발광 양자점 및 청색 발광 양자점 중 어느 하나의 종류만이 주입되거나, 이들의 조합이 주입되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 다공체는,
    기판의 패터닝을 위해 마스킹한 후 국소적으로 양극산화하여 얻어지는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압이나 전류 파형은,
    삼각파, 사각파, 사다리꼴파 및 정현파 중에서 어느 하나이거나, 이의 합성파로 형성되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 형광체는,
    고분자로 캡슐화된 양자점(polymer-encapsulated QD)인, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에서 일부에 걸쳐서 형성되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에서 전부에 걸쳐서 형성되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대 각각을 반사하는 다수의 영역으로 형성되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대를 반사하는 단일의 영역으로 형성되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노다공 구조체는,
    자외선 여기 발광 또는 청색광 여기 발광 LCD 패널에 발광층으로서 마련되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노다공 구조체는,
    자외선 여기 발광 또는 청색광 여기 발광 OLED 패널에 발광층으로서 마련되는, 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체.
  13. 자외선 또는 청색광을 발하는 백라이트;
    다수의 적색, 녹색 및 청색 화소를 정의하며, 상기 백라이트로부터의 광을 스위칭하여 색상별로 정의된 상기 화소들을 통한 광의 통과를 제어하는 액정 및 액정층;
    상기 액정층을 상기 화소별로 구동하는 화소스위칭부; 및
    상기 화소의 각각에 대응하고, 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5, 청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 하나의 항에 해당하는 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체;
    를 포함하는, 발광 LCD 패널.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체에 의해 광이 출력되는 측에 마련되고, 외부 광에 의한 발광을 억제하는 컬러필터를 더 포함하는, 발광 LCD 패널.
  15. 청색 OLED에 정의된 화소; 및
    상기 화소의 각각에 대응하고, 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5, 청구항 7 내지 청구항 10, 청구항 12 중 어느 하나의 항에 해당하는 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체;
    를 포함하는, 발광 OLED 패널.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 디스플레이용 파장선택성 나노다공 구조체에 의해 광이 출력되는 측에 마련되고, 외부 광에 의한 발광을 억제하는 컬러필터를 더 포함하는, 발광 OLED 패널.
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