KR101782143B1 - 광합성 유기체의 성장을 향상시키는 양자점 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
식물, 조류 및 광합성 세균 생장 적용에 적합한 양자점 LED. 양자점 LED는 고체 LED(전형적으로는 청색 또는 UV 광을 발광하는 LED)을 1차 광원으로 그리고 1차 광원을 하향 변환하는 하나 이상의 양자점 소자를 2차 광원으로 활용한다. 양자점 LED의 방출 프로파일은 유기체의 하나 이상의 광합성 색소의 흡수 스펙트럼에 대응하도록 조정될 수 있다.
Description
본 출원은 2012년 4월 5일자로 출원된 일련 번호 61/620,678인 임시 출원을 우선권 주장하며, 동 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명은 양자점 발광 다이오드에 관련된 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 식물, 조류 및 세균의 성장에 적용하는데 유용한 양자점 발광 다이오드에 관련된 것이다.
발광 다이오드
발광 다이오드(LED)가 일상 생활에 아주 흔하게 점점더 많이 사용되고 있다. 현재 응용 분야는 디스플레이 스크린뿐만 아니라 일반 조명, 액정디스플레이를 위한 백라이트를 포함한다. LED는 일반적으로 무기 반도체에서 만들어지는 데, 이는 특정 파장에서 발광하며, 예를 들어 AlGaInP(적), GaP(녹), ZnSe(청)가 있다. 다른 형태의 고체(solid state) LED 조명은 유기 발광 다이오드(OLED) 및 중합체 발광 다이오드(PLED)를 포함한다. OLED에서는 발광층이 공액 유기 분자여서 비편재화된 π 전자들이 물질을 통해 이동할 수 있고 PLED에서는 유기 분자가 중합체이다. 통상적인 백열 조명 대비 고체 조명(Solid State Lighting: SSL)의 이점은 수명이 길고, 열로 소실되는 에너지가 적어 에너지 소모가 적고, 강인성이 우수하고, 내구성이 우수하고, 신뢰성이 우수하며 스위칭 속도가 빠르다는 것이다. 하지만, SSL은 비싸고 고품질의 백색광을 생성하기가 어렵다. 고체 LED들로부터 백색광을 생성하는 몇몇 접근법이 개발되었다. 다른 파장 예를 들어 적, 녹 및 청 발광의 세 개 이상의 LED를 사용하여 고효율의 백색광을 생성할 수 있다. 하지만, 이 방법은 아주 비싸며 순수 백색광을 생성하기가 어렵다. 다른 접근법들은 전자기(EM) 스펙트럼의 UV 또는 청색 영역의 LED 발광과 인광체(phosphor)의 조합을 이용하는 것이다; 인광성 물질은 흡수한 파장보다 긴 파장에서 발광하는데 이는 흡수된 방사(radiation)의 스토크스 이동(Stokes shift)에 따른 것이다. 이 같은 접근법 중 하나는 여러 개의 인광체를 UV 또는 청색 LED와 결합하는 것으로서, 예를 들어 SrSi:Eu2 + 같은 적색 형광체 및 SrGaS4:Eu2 + 같은 녹색 형광체와 UV 또는 청색 LED를 결합하는 것이다. 또는 청색 LED와 황색 인광체가 결합될 수 있고, 이는 상대적으로 싼 백색광을 생성한다. 하지만, LED 및 인광체의 조정가능성(tuneability)이 없어, 색조 제어 및 연색성 지수가 일반적으로 불량하다.
양자점(QD) LED 기술이 종래의 고체 LED의 몇몇 제한을 해결하는 방책으로 제안되었다. 양자점, 대략 2-50nm 단위(order) 정도의 크기를 갖는 반도체 나노입자는, 입자 크기를 제어함으로써, 전자기 스펙트럼의 UV 영역에서 근적외선 영역의 임의의 파장에서 발광하도록 조정될 수 있다.
많이 연구된 반도체 물질은 II-VI족 칼코게나이드계 반도체 나노입자, 예를 들어, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe이며, 특히 CdSe는 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역에서의 조정이 가능하여 널리 연구되고 있다. 종래 기술에 재현가능하고 크기조작이 가능한 많은 합성법이 개시되었는데, 하향식(bottom up) 접근법에 의해 원자 단위로 입자들이 합성되고, 분자로부터 클러스터(cluster)로, 입자로 제조되는데, 이 같은 접근법은 "습식 화학"(wet chemistry) 기술을 사용한다.
Cd의 독성으로 인해, 상업적 적용이 불리하고, 따라서 대안으로서 적절한 양자점 반도체들을 찾기 위한 노력이 많이 행해졌다. 한 예로서 III-V 반도체 InP가 있다. 광 방광 피크(photoluminescence peak) 폭이 Cd계 양자점의 광 발광 피크 폭만큼 좁지 않지만, InP계 반도체 나노입자는 반치전폭(full-width half-maxima: FWHM)이 60nm 미만, 광 발광 양자 수율(photoluminescence quantum yield:PLQY) 90%이상으로 상업적 규모로 합성될 수 있다.
양자점의 독특한 특성은 그 크기에서 비롯된다. 입자의 치수가 작아질수록, 내부 원자에 대한 표면 원자의 비가 증가한다; 나노입자의 표면적 대 부피 비가 크면 물질의 특성에 강한 영향을 주는 표면 특성이 나타난다. 더욱이, 나노입자 크기가 감소함에 따라, 전자 파동 함수는 점점더 더 작은 치수로 구속되고(confined) 나노입자의 특성은 벌크 물질 및 개별 원자 사이의 중간 특성-"양자 구속"(quantum confinement)으로 알려진 현상-이 된다. 나노입자 크기가 감소함에 따라 밴드 갭(band gap)은 증가하고, 나노입자는 벌크(bulk) 반도체에서 관찰되는 것 같은 연속 에너지 밴드라기보다는 불연속 에너지 레벨(discrete energy level)을 나타낸다. 따라서, 나노입자는 벌크 물질의 에너지보다 높은 에너지에서 발광한다. 무시될 수 없는 쿨롱 상호작용(Coulombic interaction)으로 인해, 양자점은 그 벌크일 때보다 더 높은 운동 에너지를 가지며 따라서 더 좁은 밴드 폭을 가지며 에너지 측면에서 밴드 갭은 입자 크기가 감소할수록 증가한다.
단일의 반도체 물질로 만들어지고 표면이 유기층으로 보호된(passivation) 양자점은 "코어"(core)로 알려져 있다. 코어는, 나노입자 표면상의 결함 및 불완전 결합(dangling bond)에 의해 전자-정공 재결합이 촉진되어 비-방사(non-radiative) 방출을 야기하기 때문에, 상대적으로 양자 효율이 낮은 경향이 있다. 양자 효율을 향상시키는데 몇몇 접근법이 사용된다. 첫 번째 접근법은 "코어-쉘"(core-shell) 나노입자를 합성하는 것으로서, 넓은 밴드 갭을 갖는 물질에 의한 "쉘"층이 코어의 표면에 에피탁시 성장한다; 이는 표면 결합 및 불완전 결합을 제거하고, 따라서 비-방상 방출을 방지한다. 코어-쉘 물질의 예는 CdSe/ZnS 및 InP/ZnS를 포함한다. 두 번째 접근법은 코어-멀티쉘(core-multishell) 물질, "양자점-양자 우물"(quantum dot-quantum well) 물질을 성장시키는 것이다. 이 시스템의 경우, 좁은 밴드 갭의 제3의 층이 넓은 밴드 갭의 코어의 표면에 성장하고 이어서 최 외각 층으로 넓은 밴드 갭의 물질이 좁은 밴드 갭의 쉘의 표면 성장한다. 이 접근법은 모든 광여기된 반송자가 좁은 밴드 갭의 층에 구속되도록 하여 높은 PLQY 및 안정성 향상을 담보한다. 예로서 CdS/HgS/CdS, AlAs/GaAs/AlAs가 있다. 제3의 접근법은 "등급 쉘"(graded shell) 양자점을 성장시키는 것으로서, 조성학적으로 등급이 있는 합금 쉘이 코어 표면에 에피탁시 성장한다; 이것은 코어-쉘 나노입자에서 코어와 셀 사이의 격자 부정합에서 종종 발생하는 스트레인(strain)에 기인하는 결함을 제거하는 역할을 한다. 한 예는 CdSe/Cd1 - xZnxSe1 - ySy 이다. 등급 쉘 양자점은 전형적으로 70~80%의 영역에서 PLQY를 가진다.
양자점 발광은 입자 크기를 조작함으로써 벌크 물질의 밴드 갭보다 높은 에너지로 조정될 수 있다. 벌크 반도체의 에너지보다 낮은 에너지의 흡수 및 방출로 변경하는 방법은 넓은 밴드 갭 양자점을 전이금속으로 도핑(dopping) 하여 "디닷"(d dot)을 형성하는 것이다. 일 예로서, Pradhan과 Peng은 ZnSe를 Mn으로 도핑하여 광발광을 565nm에서 610nm로 조정한 것을 서술한다[N. Pradhan et al., J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 3339].
양자점 LED를 제조하기 위한 초기의 시도에서는 콜로이드 형태로 합성된 양자점을 광학적으로 투명한 LED 봉지 매질(encapsulation medium), 예를 들어 실리콘 또는 아크릴산(acrylate)에 내장하였다. 이 방법은 고체 인광체(solid-state phosphor) LED에 비해 여러 이점이 있다; 양자점이 그 방출이 쉽게 조정될 수 있고, 그 흡수 특성이 강하며 단분산 되었을 때 산란이 낮아, 이 특성들이 양자점 LED 장치에 전달될 수 있다. 하지만, 실제로는 단분산은 달성하기가 어려운데 현재 봉지 매질이 양자점을 응집시키는 경향이 있고 그로 인해 광학 성능을 악화시키기 때문이다. 양자 수율은 또한, 산소가 봉지 매질을 통과해 양자점 표면으로 이동할 때 광-산화로 인해 더 감소한다. 이 같은 요인들이 상업적 규모로 양자점 LED를 생산할 때 주요 도전과제를 제시한다.
양자점 LED를 제조함으로써, 방출이 전자기 스펙트럼의 가시광 영역 지나서까지 조정될 수 있어 양자점이 임의의 원하는 색상을 생성하도록 할 수 있다. 일단 봉지되면, 양자점 LED 칩의 광발광(PL)은 합성된 나노입자의 광발광에 대해 적색-이동(red-shift) 이다. 적색 이동의 정도는 수지에 있는 양자점 농도에 의존하며, 15~30nm 범위를 나타낼 수 있다; 이 이동은 LED 적용을 위한 양자점 합성에서 고려되어야 한다. CFQD는 양자점 LED에서 카드뮴 기반 나노입자에 대한 대안으로 사용될 수 있는데, 이는 카드뮴의 독성 때문에 상업적 적용에 더 적합하다. 적외선(IR) 발광 나노입자 예를 들어 CdTe, PbS 및 PbSe는 전자기 스펙트럼의 IR 영역에서 LED 방출이 일어나도록 하는데 사용될 수 있다.
미국 특허출원 공개 번호 2010/0123155호는 양자점-비드(QD-bead)의 제조를 개시하는데, 개시된 바에 따르면 양자점이 광학적으로 투명한 매질을 포함하는 비드 안으로 캡슐화된다; 양자점-비드는 이어서 호스트 LED 봉지 매질에 내장된다. 비드는 직경이 20nm 내지 0.5mm 범위일 수 있고 양자점-비드 잉크의 점도를 제어하고 잉크 흐름, 건조 및 기판에의 접착 같은 특성을 제어하는데 사용될 수 있다. 양자점-비드는 "맨"(bare) 양자점에 비해서 기계적 및 열적 공정에 보다 안정적이고 또한 습기, 공기 및 광-산화에 대해서 보다 안정적이어서, 공기 중에서 공정이 가능하여 제조 비용을 줄일 수 있다. 양자점을 비드안으로 캡슐화시키는 것에 의해서, 양자점은 또한 봉지 매질의 화학적 환경에 의한 잠재적인 손상으로부터 보호된다. 마이크로비드 캡슐은 또한 LED에서 맨 양자점의 광 성능에 해로운 응집을 제거하는 기능을 한다. 나노입자의 표면이 심하게 파열되거나 변형되지 않기 때문에, 양자점 마이크로비드 안으로 캡슐화되었을 때 그 전기적 특성을 유지하게 되고, 양자점-비드 잉크 사양에 대해 철저한 제어가 가능하다.
여기에 개시된 양자점 LED 구조는 전술한 종래 기술의 단점을 극복한다.
광합성(
Photosynthesis
)
식물, 조류 및 몇몇 세균이 태양 광을 흡수하여 자신의 에너지를 생성하는 광합성은 기본적으로 녹색 색소인 엽록소가 흡수하는 광에 의존한다. 식물에서, 흡수는 전자기 스펙트럼의 청색 끝단(blue end) 및 적색 끝단(red end)에서 우세하다; 청색 흡수(blue absorption)는 영양 생장을 촉진하고 적색 흡수(red absorption)는 개화 및 싹트기를 촉진한다. 엽록소는 다양한 형태로 존재하며 주로 엽록소 a가 지배적이다(도 1). 모든 식물은 광합성을 위해 엽록소 a를 포함한다. 또한, 부속 색소가 엽록소 a가 흡수하지 못한 에너지를 흡수한다; 이들은 엽록소 b(그리고 조류 및 세균에서 발견되는 엽록소 c, 엽록소 d 및 엽록소 f)와 카로티노이드(크산토필 및 카로틴)를 포함한다.
엽록소의 흡수 스펙트럼에 대한 연구에 따르면 엽록소의 분자 환경이 그 분광스펙트럼 특성에 중용한 영향을 끼친다. 용액 농도 및 온도, 미세결정화(microcrystallisation), 그리고 필름상으로의 엽록소 흡수를 포함하는 인자가 흡수 스펙트럼을 변경하는 것으로 밝혀졌다. 인시츄(in situ), 엽록소는 높은 농도로 그리고 부분적으로 규칙 상태(ordered state)로 존재한다[R. Livingston, Q. Rev. Chem . Soc., 1960, 14, 174]. 그렇기는 하지만, 엽록소 흡수에 대한 대부분의 연구는 희석된 용액에서 수행된다.
엽록소 a의 흡수 스펙트럼이 도 2a에 도시되어 있다. 엽록소 a는 두 개의 흡수 극대를 가지는데, 하나는 대략 420nm이고 다른 하나는 대략 660nm이다. 에테르에서 청색 흡수 대 적색 흡수 사이의 상대 강도 비율은 대략 3:1이다[D. Houssier and K. Sauer, J. Am . Chem . Soc. 1970. 92, 779].
엽록소 b는 디에틸 에테르에서 흡수 스펙트럼에서 두 개의 흡수 극대를 갖는다(도 2b); 엽록소 b는 435nm 부근에서 쇼울더(shoulder)를 가지며 대략 460nm의 청색에서 강하게 흡수하고 대략 645nm의 적색에서 흡수 극대를 갖는다. 청색 및 적색 사이의 상대적인 흡수 강도는 용매 의존적이며 디옥산(dioxane) 및 아세톤에서 대략 3:1이다[A. Pfarrherr et al., Photochem . Photobiol . B: Biol., 1991, 9, 35].
비-엽록소 부속 색소는 엽록소가 흡수하지 않은 광을 흡수하고 또한 항산화제 작용을 한다. 예를 들어 베타-카로틴은 넓은 청색 흡수를 나타낸다(도 2c). 크산토필 예를 들어 루테인 및 제아크산틴은 또한 청색 영역에서 흡수를 한다. 예를 들어 암적색-자색 잎을 갖는 적색 양배추 같은 유색 잎을 갖는 식물은 엽록소와는 다른 색소를 높은 농도로 가진다; 안토시아닌의 농도가 높으면 적색 또는 자색 잎을 띄고, 카로테노이드는 황색 잎을 띄게 한다. 안토시아닌은 광합성에 직접적으로 관여하지 않는다. 식물의 잎에서 엽록소에 비해 다른 색소의 비율이 높으면 광합성 속도가 감소하고 따라서 높은 광 강도가 그 생장에 유리할 것이다. 광합성 중에 사용되는 착물(complex)의 단백질, 색소 및 보조 인자(cofactor)의 배열은 "광합성 반응 중심"(photosynthetic reaction centre) 또는 광계(photosystem)로 알려져 있다. 이 같은 착물에서 엽록소는 다른 색소들에 결합할 수 있고 이는 흡수 스펙트럼에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 광계 I에서, 대략 705nm 부근에서 긴 파장 흡수 밴드가 있고 이는 엽록소-페오피틴(페오피틴은 Mg2 + 중심이 없는 엽록소 구조를 갖는다), 엽록소-루테인 및 엽록소-제아크산틴 뿐만아니라 엽록소 이합체에서도 또한 관찰된다[S.S. Brody et al., J. Chem . Soc ., Faraday Trans. 2, 1986, 82, 2245]. 따라서, 광합성 중의 식물의 흡수 스펙트럼은 그 잎에 있는 개별 색소의 흡수 스펙트럼뿐만 아니라 색소들의 착물에도 의존한다.
광합성에 관여하는 색소들뿐만 아니라, 다른 색소들도 식물에 존재하여 그 발달 및 생장을 유지시킨다. 굴광성 및 광주기성 같은 과정 역시 광-흡수 색소들에 의해 제어된다. 굴광성에 의해 식물은 광 자극에 반응하여 그 위치를 조정하고 광주기성은 식물에 계절 낮-밤 패턴을 식물에 알려준다. 광주기성은 피토크롬 및 크립토크롬에 의해 제어된다. 피토크롬 흡수는 전자기 스펙트럼의 적색 영역 및 원-적색(far-red) 영역에서 일어난다. 크립토크롬은 자외선 광을 흡수한다.
조류 또한 광합성을 위한 엽록소를 갖는다. 녹조류는 엽록소 a 및 엽록소 b를 포함하며, 홍조류는 추가로 적색, 오렌지색, 황색 및 녹색 광을 흡수하는 피코빌린 색소를 포함한다. 남조류는 청록 조류로 불리기도 하는데, 피코시아닌을 사용하여 광합성을 위해 오렌지-적색 광(전형적으로 대략 620nm)을 흡수한다. 몇몇 세균은 세균엽록소를 포함하는데 이는 IR 방사선을 흡수하여 광합성 중에 에너지를 생성한다. 식물에서의 광합성과는 반대로, 세균엽록소를 이용한 광합성은 산소를 생성하지 않는다.
식물 생장을 자극하기 위한 인공 조명(
Artificial
Lighting
to
Stimulate
Plant
Growth
)
최근, 인공 조명이 식물 생장에서 갈수록 특징을 나타내고 있다. 식물 공장 관련 발명이 작물 및 꽃이 자연적으로 기후 및 환경이 그 생장에 적절치 않는 지역에서도 생장이 가능토록 하였다. 식물 공장은 살충제 또는 살진균제 없이도 빛, 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 토양 같은 인자를 식물 생장의 요건에 적합하도록 조작할 수 있다. 식물 공장에서, 생장은 계절에 영향을 받지 않고 따라서 계절 작물이 일 년 내내 생장할 수 있다. 작물 수확이 기후 패턴 변화에 의해, 홍수, 가뭄 및 강한 바람과 같이 예기치 못한 극한의 온도 조건에 의해 영향을 받지 않는다. 또한, 공장은 식물이 다른 단계(tier)로 생장이 가능케 하여 공간 활용을 극대화할 있으며, 이것은 전통적인 농장에서는 가능하지 않은 것이었다. 자연적으로 생장할 수 없는 곳에서 작물을 생산함으로써 환경적인 측면에서 큰 이점이 있다; 계절성 또는 외래성 작물이 일 년 내내 국소적으로 생장할 수 있고, 연관된 공해 및 이산화탄소 방출과 함께 수출입 비용을 줄일 수 있다. 또 다른 이점으로서, 식물의 엽록소 흡수 스펙트럼 및 부속 색소 흡수 스펙트럼에 광원의 방출을 선택적으로 정합 시킴으로써 식물 생장에 최적으로 인공 조명이 조정될 수 있다. 전자기 스펙트럼의 필요치 않는 부분이 방출될 필요가 없고 따라서 과정의 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
인공 조명은 또한 겨울 동안 풀의 생장을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 스포츠 산업에서 골 마우스(goal mouth) 같은 잔디 지역은 미식축구 경기장의 경기 사이에서 다시 파종 될 필요가 있다. 북반구에서, 겨울 동안 일광 상태는 시합 사이의 짧은 시간프레임에서 풀의 생장을 촉진하기에는 불충분하며 따라서 풀 생장을 자극하는데 사용될 수 있는 휴대용 인공 조명 장치가 필요하다.
처음에는 광역 스펙트럼의 인광 광원이 식물 공장에 사용되었다. 광역 스펙트럼 인공 조명은 원예학적 생장을 촉진하는데에는 불충분하다. 광합성 동안 흡수가 전자기 스펙트럼의 전역에 걸쳐 일어나지 않기 때문에, 광역 스펙트럼을 생성하는데 많은 에너지가 소모된다. 더욱이, 상당한 량의 에너지가 열로 소실되어 에너지가 더 낭비되고 식물의 손상 가능성이 커진다. 적색 및 청색의 형광 램프 발광이 대안으로서 제안되었으나, 빈번한 사용이 필라멘트의 손상을 야기하여 수명을 단축할 수 있다. 또한, 전구가 깨질 경우 수은 여기자 소자가 독성인 수은을 누설할 수 있다. 고압 나트륨 램프가 연구되었다; 그것은 전자기 스펙트럼의 적색 영역에서 강한 방출을 나타내지만 청색 영역에서는 그렇지 않다. 특정 파장에서 좁은 방출을 갖는 LED가 대안으로서 제안되었다. LED는 엽록소 흡수 스펙트럼과 일치하는 피크 극대값을 갖는 파장에서 방출하도록 조정될 수 있고 청색 LED 대 적색 LED의 비가 엽록소에 의한 청색 광 및 적색 광의 흡수 강도에 부합하도록 균형을 이룰 수 있다. 낮은 에너지 소모에도 고체 LED 발광은 대규모 스케일에서 여전히 비싸고 식물 공장에서 SSL을 설치하는 초기의 투자 비용이 아주 높게 된다.
1980년대 후반 및 1990년대 초반에서 원예학적 생장 적용을 위한 LED 조명 사용의 초기 제안은 주로 적색 LED 조명에 의존하였다. 왜냐하면, 고-효율 청색 LED가 아직 개발되지 않았기 때문이다. 미국 특허 번호 5,012,609호는, 식물의 광형태형성(광에 반응한 형태의 변환) 필요성을 충족하기 위해서 700~760nm 사이에서 방출하는 LED들로부터 낮은 강도 출력으로, 엽록소의 흡수 스펙트럼에 부합하는 620~680nm에서 방출하는 LED 시스템을 개시한다. 400~500nm 범위에서 LED 또는 네온 조명이 또한 식물의 광형태형성 및 광영양 조건을 지원하도록 제안되었다. 다른 연구자들은 청색 형광 램프와 함께 사용된 대략 660nm 부근의 적색 조명이 냉-백색(cool-white) 형광 램프 및 백열 램프 하에서 생장하는 상추 식물과 동등한 특성을 갖는 상추를 생장시키는데 사용될 수 있다[R.J. Bula et al., HortScience, 1991, 26, 203]. 어떠한 청색 광도 없이 적색 LED 조명을 사용하면 상추의 생장에 이상이 발생한다[M.E. Hoenecke et al., HortScience, 1992, 27, 427].
고-효율 청색 고체 LED 조명 발명 이후로, 식물 생장을 최적화하기 위한 조명 시스템 및 LED 배열에 대한 구조적 디자인이 많이 개발되었다.
Fang 등에 의한 미국 특허 등록 번호 6,554,450호는 조직 배양 생장 및 어린 식물의 발달에 맞춰진 LED 조명 배열을 개시한다. LED들은 탈착이 가능하고 LED들의 상대적인 광 강도가 조정이 가능하다. 장치는 타이머로 동작하며 매일 식물은 16시간 동안은 조명이 되고 그 이후 8시간 동안은 조명이 되지 않는다.
미국 특허 출원 공개 번호 2006/0006820호는 광합성에 요구되는 파장에서 방출할 뿐만 아니라 식물 내의 다른 생장도 자극하는 파장에서 방출하도록 제어될 수 있는 고체 LED를 사용한 원예학적 조명 시스템을 개시한다. 예를 들어 290~320nm 에서 방출은 크립토크롬을 자극할 수 있고 이는 광에 반응한 방향성 성장과 함께 식물의 일주기 리듬을 조절한다. 705~745nm 방출은 피토크롬 자극에 사용되며 이는 식물의 생장 사이클을 조절한다. 하지만, 이 조명 시스템은 제3세대 고체 LED를 사용하는데 이는 상당한 량의 열을 소모한다.
미국 특허 출원 공개 번호 2010/0259190호는 여러 파장에서 방출하기 위해서 형광체로 조정된 하나의 청색 LED를 갖는 조명 기구를 개시한다. 이 장치는 300~500nm 범위에서 방출하는 고체 LED를 사용하며, 식물의 광합성에 요구되는 조건에 부합하도록 방출 피크 극대값을 조정하기 위해서 350~550nm에서 옵션으로 600~800nm 그리고/또는 350~800nm에서 방출하는 다수의 인광체를 가진다. 조명 기구는 피크 파장의 조정을 가능케 하기 위한 다이얼을 포함한다.
원예학적 조명에 대한 현재 고체 LED 연구는 엽록소의 흡수 극대값의 파장 즉 455nm 및 660nm에 비슷한 파장을 방출하는 고-품질 LED를 개발하는 것에 집중한다. 적색 LED 특히 대략 660nm에서 방출하는 적색 LED는 청색 LED에 비해서 효율이 낮은 경향이 있다. LED 조명 시장의 선두 주자 예를 들어 오스람 옵토 세미컨덕터스, 필립스, 에버라이트 및 쇼와 덴코는 모두 식물 공장의 표준을 충족하는 LED 조명을 연구하고 있다. LED 수명의 향상 그리고 공간 활용을 최대로 하면서 생장을 촉진하는 조명 배열의 최적화뿐만 아니라 660nm에서의 LED 방출의 효율을 향상하는 것에 관심이 집중되었다.
미국 특허 출원 공개 번호 2009/0288340호는, 식물 생장에서 광원으로부터의 열에 의한 나쁜 영향을 제거하기 위해서, LED로부터 열을 전도를 통해 제거하는 냉각 시스템을 갖는 청색 및 적색 LED를 포함하는 LED 조명 시스템을 개시하며, 그 LED 조명 시스템은 하우징 유닛 밖으로 열을 내보내기 위한 팬을 포함한다. 청색 및 적색 LED의 방출 강도는 생장하는 식물의 요구사항을 충족시키기 위해 독립적으로 조정 또는 백색 LED로 대체될 수 있다.
국제특허출원 공개 WO 2010/066042 A1은 적색-녹색-청색(RGB) LED 조명 시스템을 개시하는데, 기존의 RGB LED 패키지들로부터의 광이 기하학적으로 기원의 공통점으로부터 방출된다. 이것은 LED들이 흩어져서 위치하는 종래의 원예학적 LED 조명에 비해 이점이 있는 것으로 주장되고 있는데, 왜냐하면 이것은 색상 열점(hot spot) 및 색상 그림자를 제거하기 때문이다.
미국 특허 출원 공개 번호 2011/0115385호는 원예학적 생장의 최적화를 위해서 24개 적색(660nm), 12개 오렌지색(612nm) 및 2개 청색(470nm) 고체 LED를 원형 배열로 갖는 시스템을 개시한다. 이 시스템은 공장에서 식물이 생장 또는 재위치 함에 따라 LED들로부터의 광의 빔들의 방향이 재설정되도록 디자인되어, 종래의 발명에 비해서 식물 수명 동안 조명 시스템의 장기간 효율을 향상시킨다.
미국 특허 출원 공개 번호 2010/0031564호는 유기발광다이오드(OLED)를 이용한 식물 생장 장치를 개시한다. 이 장치는 "생장 광" 및 "조명 광"으로서의 OLED를 가지며 단계 생장을 위한 랙(rack)을 포함한다. 생장 광은 식물의 광합성 조건을 지원하기 위해서 각각 20~20% 및 80~90%의 상대 광 강도를 갖는 400~500nm 및 600~700nm 범위에서 방출하며, 제어 광은 생장을 조정하는데에 사용될 수 있다. 예를 들어 고 강도 청색 광은 큰 식물을 생성하고 저 강도 청색 광은 작은, 한층 소형의 식물을 생성한다. OLED는 쉽게 조정가능하기 때문에 종래 SSL을 대신해서 사용된다.
국제특허출원 공개 WO 2011/016521 A1은, AlGaInP의 정상 방출 범위를 넘어서는 660nm에서 발광하며 AlGaInP계 LED를 개시하며, 그것은 종래 적색 LED의 대략 3배의 외부 양자 효율을 가지는데 이는 청색 LED에 필적한다.
원예학적 생장을 향상시키는 상업적인 LED 시스템이 에버라이트, 오스람 및 필립스에 의해 개발되었다.
2010년 10월, 에버라이트는 "GL-Flora" 조명 기구를 출시하였는데, 이는 특히 식물 생장을 촉진하기 위해 디자인된 것이다. 방출 파장 및 LED 비율은 생장을 촉진하면서도 발아 및 개화를 제어할 수 있는 균질한 광 분산을 제공하도록 디자인된다.
2010년에, 오스람은 원예학적 적용을 위한 자신들의 LED들에 대한 두 개의 상업적 파트너십을 발표하였다. 덴마크 원예학적 LED 조명 회사 Fionica Lighting A/S(2010년 9월)와 함께한 첫 번째 프로젝트는 "Golden Dragon Plus"와 "Oslon SSL"을 사용했으며, 이 둘 모두는 대략 37~40% 효율로 660nm에서 방출하고 대략 100,000시간의 수명을 가진다. "Golden Dragon Plus" 시스템은 각각 660nm 및 449nm에서 적색 방출 및 청색 방출로 대면적을 조명하기 위한 반사체 시스템에 유용한 170° 빔 각도를 가지며 반면 "Oslon SSL" 시스템의 80°빔 각도는 전형적으로 샐러드 식물을 생장하는데 사용되는 적층형 다층 배열을 위해 LED들이 서로 밀접하게 패키지 되는 것을 가능케 한다. "Oslon SSL" LED는 660nm 및 452nm에서 방출한다. 2010년 11월, 오스람은 핀란드 온실 조명 회사 Netled Oy에 의한 원예학적 조명을 위한 "TopLED" 시스템 사용을 발표하였다. 이 시스템은 커튼 구조로서 고압 나트륨 조명 시스템에 비해 60% 에너지 소모를 줄일 것으로 예측되었다.
2009년에, 필립스는 "GreenPower" LED 조명 레인지(lighting range)를 출시하였다. 이 GreenPower LED 모듈은 방수 캐리어로 포장된 5개 LED로 구성된 시스템이다. 고객은 청색, 적색 및 원-적색 LED로부터 선택할 수 있고 강 강도 변화 및 색상 비율 조건을 충족하도록 식물의 생장 사이클 중에 변경될 수 있다. 조직 배양 및 식물 운송을 포함하여 다층 적용을 위해서, GreenPower 스트링(string)이 고안되었고 이로 인해 청색 또는 적색 LED가 유연한 체인에 배열된다. 조직 배양 적용을 위한 초기 테스트에서 50~80% 에너지 절약이 제안되었다.
종래 기술에서 개시된 많은 LED 조명 시스템은 다중 색상의 고체 LED를 사용한다. 다른 색상의 여러 개의 LED를 구입하는 것과 관련하여 비용이 높을 뿐만 아니라 각 색상의 LED에 요구되는 회로의 증가로 인해 추가 비용이 발생한다.
조류 및 세균의 생장을 촉진하는 인공 조명(
Artificial
Lighting
to
Promote
the
Growth
of
Algae
and
Bacteria
)
화석 연료를 대체하는 생물 연료 연구에서, 조류가 대안 연료 원으로서 중요한 후보가 되었다. 작물과 비교해서, 조류가 제공하는 기름 및 연료 생산은 10~100배 높으며, Botryoccus braunii 종의 경우 탄수화물에서 그 건조 질량의 최대 86%까지 생성한다. 미소 조류는 기름 함량이 높아 연료 전환에 대한 많은 양을 생성하지만, 비용 효과적인 배양이 어렵다. 미소 조류는 탄수화물 및 지질 농도가 낮지만, 덜 비싸게 배양될 수 있다. 조류 기름의 에스테르 교환 반응이 바이오디젤을 생성하기 위해 사용될 수 있고, 메탄올 및 에탄올은 각각 무산소 소화 및 발효로부터 생성될 수 있다. 바이오디젤의 방출이 일반적인 디젤보다 75~80% 낮은 것으로 보고되었다. 조류 바이오매스(biomass)의 직접 연소가 사용되어 열 및 전기를 생성할 수 있다.
조류는 하수 및 폐수에서 생장할 수 있기 때문에 폐수 관리에 사용될 수 있다; 조류는 물에서 독성 물질과 영양소를 모두 제거하는데 사용될 수 있고 이는 물 정화 공정에서 유익할 수 있다.
조류가 광합성을 위한 이산화탄소에서 1.8배 질량을 요구하기 때문에, 조류는 공장 및 파워 플랜트로부터의 이산화탄소 방출을 감소시키는데 사용될 수 있다. 광합성에서 이산화탄소를 취하여 산소로 전환하기 위한 조류 사용은 교토 의정서에 따르는 이산화탄소 방출을 감소하는 회사들을 위한 새로운 방법이다. 교토 의정서에서 37개 국가가 1990년대 수준에 대해 온실 가스 방출을 5.2% 감소하기로 서약 하였다[기후변화에 대한 연합 국가 프레임워크 컨벤션에 따른 교토 의정서, 1998].
조류는 B-비타민 및 요오드 같은 영양소 그리고 색소가 풍부하다. 따라서, 조류는 준의약식품 목적으로 예를 들어 천연 색소로 그리고 유기 비료로 제안되었다.
생분해성 플라스틱이 조류를 사용해서 제조될 수 있다. 생분해성 플라스틱은 완전히 분해될 뿐만 아니라, 전통적인 플라스틱에 비해서 낮은 공정온도가 낮을 수 있고, 그래서 제조 중에 에너지가 절감되고 온실가스 방출이 감소한다. 미국 회사 세레플라스트(Cereplast)는 "The Barrette Company"에 의한 머리카락 액세서리 같은 상업적 제품에 출시된 조류 바이오플라스틱을 개발하였다. 인도 회사 BNT Force Biodegradable Polymers는 청색-녹색 조류를 포함하는 생분해성 플라스틱 제조 방법에 대해 특허를 획득하였다[US 8,026,301 B2, 2011]. 플라스틱은 어떠한 독성 잔류물도 남기지 않고, 6~36개월 후 분해된다.
세균은 여러 산업에 사용된다. 예를 들어 발효에서부터 제약, 생물정화, 섬유 정련(fibre retting), 및 페스트 제어에 사용된다. 몇몇 적용에서, 세균은 화학적 처리에 대한 대안으로서 환경 친화적 처리를 제공한다. 이 같은 적용에서 광합성 세균이 사용될 때, 세균의 생장을 자극하는 인공 조명이 처리 공정을 촉진하는데 이롭다.
생물정화는 미생물 물질대사를 사용하여 오염물을 제거하는 것이다. 몇몇 세균은 탄화수소를 섭취하는데 이로써 석유 유출 혹은 중금속으로 오염된 지역을 깨끗이 할 수 있다. 예를 들어 Rhodobacter shpaeroides, 색소 세균엽록소 a 및 박테리오페오피틴 a를 함유하는 보라색 비-황 세균을 금속 오염원으로 오염된 지역에 생물정화 목적으로 사용하기 위한 연구가 진행되었다[L. Giotta et al., Chemosphere, 2006, 62, 1490].
세균은 MoO4 2 -, CO2 + 에 대해 높은 저항성을 보이고 CrO4 2 - 를 Cr3 + 로 전환하는 능력을 보이는데 이는 다른 세균에서는 불가능한 것이다. R. sphaeroides 는 대략 865nm에서 강한 흡수 밴드를 가진다. 본 발명은 빠른 세균이 오염제거 공정을 도울 때 예를 들어 오염물 유출 이후에 적용될 수 있다; 광합성 세균을 대상으로 한 인공 조명이 청소(clean-up) 공정을 가속화시키는데 도움을 줄 수 있다.
광생물반응기가 조류를 생장시키는데 특히 생물 연료 적용을 위해 통상적으로 사용된다. 광생물반응기는 개방 연못(open pond) 시스템에 비해서 유리하다. 왜냐하면 광생물반응기는 경쟁 종 또는 오염 종으로부터 보호를 제공할 뿐만 아니라 온도 및 조명 같은 인자들을 제어할 수 있기 때문이다. 연구에 의하면, 광 강도 증가가 조류로부터의 기름 생산을 증가시킬 수 있고 따라서 특히 조류에서 광합성을 향상시키도록 디자인된 조명 시스템이 광생물반응기에서 유리한 구성이 될 수 있다. 종래 기술에서, 조류 및 미생물 생장의 촉진과 관련하여 특허 출원 그리고/또는 특허 등록이 소수 있었다. 대부분은 광합성 생장을 향상시키는 구성, 예를 들어 물, 영양소, 이산화탄소, 광원을 포함하는 배양 시스템에 관련된 것이었으며 광원에 초점이 맞춰진 것은 거의 없었다.
미국 특허 등록 번호 7,824,904는 종래의 광생물반응기 및 개방 연못의 단점을 강조한다. 동 특허에서 광은 표면 근처에서 생장하는 조류에만 제공되는데, 왜냐하면 광이 챔버에서 아래로 내려가면서 통과하지 못하지 때문이다. 이 특허는 탱크에 골고루 광을 제공하기 위해서 회전 그리고/또는 진동 조명 및 혼합 시스템을 갖는 광생물반응기를 개시한다. 탱크 밖에 위치한 광원이 회전 혼합 시스템 또는 블레이드(blade)에 장착된 발광 소자에 결합하여 광을 탱크의 전역에 제공한다.
미국 특허 출원 공개 번호 2010/0297739호는 재생가능한 에너지 적용을 위해 광합성 미생물을 배양하기 위해서 디자인된 용기에 광원과 함께 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 같은 반사 물질로 구성된 장치를 개시한다. 이 출원은 천연 광을 활용하기 위해 렌즈 기반 시스템 예를 들어 광도파관 및 프레넬 렌즈를 제안한다.
미국 특허 등록 번호 8,017,377은 지질 생산을 위해 미소 조류 생장을 촉진하기 위해서 열 교환기, 이산화탄소 주입 설비 및 연속 광원을 갖는 용기를 개시한다. 이 특허는 450~475nm 및 530~675nm를 방출할 수 있는 임의의 광원이 활용될 수 있다는 언급을 하고 있다.
본 명세서에서 농업 및 원예 분야의 식물 생장을 촉진 및 최적화하고, 폐수 처리 및 생물 연료를 포함하는 적용에서 조류의 생장을 촉진하고, 생물정화 목적을 위해 광합성 세균 생장을 향상시키기 위한 양자점 발광 다이오드 기반 조명 시스템이 개시된다.
또한 본 명세서에서 식물, 조류 및 광합성 세균 생장 적용을 위해 양자점 발광 다이오드의 제조 방법이 개시된다. 본 명세서에서 양자점 물질로부터 발광 다이오드를 제조하는 여러 방법이 개시되며 각 방법은 하나 이상의 양자점 기반 아키텍처의 제2 광원과 함께 청색 또는 자외선 고체 발광 다이오드를 제1 광원으로 포함한다.
양자점 LED 조명은 고체 LED 조명에 대해서 덜 비싼 대안으로서, 더욱이 단지 한 색상의 LED 칩이 필요하여 단지 한 세트의 전자장치가 필요할 뿐이며, 다른 파장은 광의 하향-변환(down-conversion)을 통해 얻는다. 양자점을 사용하여, LED의 방출 파장이 쉽게 조정되어 광합성 세균에서 세균엽록소뿐만 아니라 식물 및 조류에서 엽록소 및 부속 색소의 흡수 스펙트럼에 부합시킬 수 있다. 660nm에서의 방출이 고체 LED보다 양자점 LED를 사용하여 더 쉽게 달성된다. 양자점의 광발광(PL) 반치전폭(FWHM; full-width half-maxima)이 조정되어 광합성 미생물에서 엽록소, 부속 색소 및 세균엽록소의 흡수 스펙트럼에 부합시킬 수 있다. 양자점은 전자기 스펙트럼의 적색 영역에서 높은 광발광 양자 수율로 합성될 수 있다; 이것은 전자기 스펙트럼의 적색 영역에서보다 청색 영역에서 훨씬 더 강한 방출을 나타내는 고체 LED와 관련된 이슈를 극복한다. 양자점 LED의 수명은 25,000~50,000 시간이며 이는 백열 전구(전형적으로 수명이 500시간) 및 콤팩트 형광램프(전형적으로 수명이 3000시간)에 비해 훨씬 뛰어나다. 양자점 LED는 높은 에너지 효율을, 전형적으로 30~70 루멘/와트를 나타내는데 반해 백열 전구는 10~18 루멘/와트를 형광 램프는 35~60 루멘/와트를 나타낸다. 양자점 LED는 다른 인광 광원에 비해서 식물 또는 다른 광합성 미생물을 손상시킬 수 있는 열을 적게 발한다. 몇몇 실시 예는 조류 및 광합성 세균의 생장을 촉진하는데 사용될 수 있다. 종래 기술에서 개시된 조명 시스템과 비교하여, 양자점 LED는 높은 광 강도를 제공하고 세균 또는 조류의 생장을 촉진하는데 더 목적이 맞춰진 파장에서 방출할 수 있어 에너지 소모를 최소화할 수 있다. 또한, 양자점 LED의 낮은 열 방산은 광생물반응기 내의 배양 온도에 영향을 주지 않을 수 있다. 양자점 LED를 사용하여, 적외선-방출 양자점은 적외선-방출 LED를 제조하는 데 사용될 수 있고 이는 세균 생장 적용에 적용될 수 있다. 생물정화 적용을 위해서, 중금속 독성에 저항성이 있는 세균이 선택되며, 적외선-방출 양자점에서 적은 양의 중금속을 사용하는 불리함은 오염 지역에서의 중금속 노출에 따른 큰 위험에 의해 해소될 것이다.
본 명세서에 개시된 시스템은 다른 색상의 LED를 사용하는 시스템에 비해 여러 이점을 가진다. 본 명세서에 개시된 시스템에서, 방출된 광의 모든 색상은 한 위치에서 유래하여 색 열점을 피할 수 있다. 방출을 조정하기 위해 양자점을 갖는 한 색상의 고체 LED 광원은 또한 여러 색상의 고체 LED 배열을 위해 필요한 회로 증가와 관련된 비용 상승을 줄일 수 있다.
도 1은 엽록소 a의 분자 구조를 도시한다.
도 2는 메탄올에서 엽록소 a의 UV 대 흡수 스펙트럼(A), 디에틸 에테르에서 엽록소 b의 흡수 스펙트럼(B), 그리고 헥산에서 베타-카로틴의 흡수 스펙트럼(C)이다. 모든 데이터는 포토켐CAD 데이터베이스에서 얻어진 것이다[H. Du et al., Photochem. & Photobiol., 1998, 68, 141]. N.B. 흡수 스펙트럼은 용매 의존적이다.
도 3은 양자점 LED의 개략적인 다이어그램으로서, 적색 양자점 및 청색 양자점이 비드에 내장되어 있고 UV LED 1차 광원으로 조사된다.
도 4는 양자점 LED의 개략적인 다이어그램으로서, 적색 양자점 및 청색 양자점이 별개의 비드에 내장되어 있고 UV LED 1차 광원으로 조사된다.
도 5는 양자점 LED 칩의 구조를 도시하는 다이어그램이다. 수지에 있는 양자점이 LED 케이스 안으로 적재되고 이는 UV 또는 청색 고체 LED에 의해 아래에 도시되어 있다.
도 6은 제거가능한 인광체 아키텍처를 보여주는 개략적인 다이어그램이다. 도시된 예에서, 청색 고체 LED는 아래에서 적색 양자점 인광체를 조사하며 이는 청색 광 및 적색 광 모두를 방출한다.
도 7은 양자점 인광체 시트의 제조를 도시한다: (A) 양자점 잉크가 PET 기판의 스페이서들 사이의 영역에 드롭 캐스트(drop cast) 된다(B). 양자점 잉크가 유리 슬라이드를 사용하여 스페이서들 사이에 균일하게 분배된다.
도 8은 인광체 시트의 측면에 위치한 고체 LED(도시된 예에서는 UV 광을 방출함)에 의한 양자점 인광체의 조사를 위한 배열을 보여주는 다이어그램이다. 도시된 예에서, LED가 방출하는 UV 광은 양자점 인광체를 통과하고 양자점 인광체로부터의 하향 변환된 청색 광 및 적색 광이 그 아래의 식물을 향해 방출된다.
도 9는 적외선 방출 양자점 비드가 내장된 한천(광합성 세균의 생장을 위한 배지)으로 채워진 페트리접시를 보여준다. 페트리접시는 UV 또는 청색 고체 LED에 의해 조사된다.
도 10은 1차 광원으로서 청색 고체 LED(22mW)와 2차 광원으로서 용액 10mmol당 20개 양자점을 갖는 농도에서 적색 양자점(InP/ZnS) 실리콘 수지(648nm에서 반치전폭 59nm로 방출)를 포함하는 원격 인광체 양자점 LED의 방출 스펙트럼(A)을 보여주는 플롯(plot)이며 또한 엽록소 a의 흡수 스펙트럼(B), 엽록소 b의 흡수 스펙트럼(C) 그리고 엽록소 a 및 엽록소 b 조합의 흡수 스펙트럼(D)의 플롯을 보여준다. 플롯은 양자점-인광체 LED의 방출 극대값 및 상대적인 피크 강도가 엽록소 a 및 엽록소 b의 흡수 스펙트럼과 잘 들어맞는 것을 보여준다.
도 11은 1차 광원으로서 청색 고체 LED와 2차 광원으로서 적색 양자점(CdSe/CdS/CdZnS/ZnS) 실리콘 수지(625nm에서 반치전폭 35nm로 방출)를 포함하는 원격 인광체 양자점 LED의 방출 스펙트럼(A)을 보여주는 플롯(plot)이며 또한 엽록소 b의 흡수 스펙트럼(B)의 플롯을 보여준다. 플롯은 양자점-인광체 LED의 방출 스펙트럼이 엽록소 b의 흡수 스펙트럼과 잘 들어맞는 것을 보여준다.
도 12는 균일한 식물 생장을 촉진하기 위해서, 청색 양자점 LED 및 적색 양자점 LED가 여러 방향에서 식물을 조사하도록 궁형(또는 감싸는) 조명 배열을 보여주는 다이어그램이다.
도 13은 조류를 생장시키기 위한 광생물반응기를 도시한다. 손가락 모양 돌출을 갖는 적색 양자점 인광체 시트가 광생물반응기에 침지되고 그것은 청색 고체 LED로 위쪽에서(그리고/또는 아래쪽에서) 조사되며, 반응기를 통과해 청색 광 및 적색 광이 방출된다.
도 2는 메탄올에서 엽록소 a의 UV 대 흡수 스펙트럼(A), 디에틸 에테르에서 엽록소 b의 흡수 스펙트럼(B), 그리고 헥산에서 베타-카로틴의 흡수 스펙트럼(C)이다. 모든 데이터는 포토켐CAD 데이터베이스에서 얻어진 것이다[H. Du et al., Photochem. & Photobiol., 1998, 68, 141]. N.B. 흡수 스펙트럼은 용매 의존적이다.
도 3은 양자점 LED의 개략적인 다이어그램으로서, 적색 양자점 및 청색 양자점이 비드에 내장되어 있고 UV LED 1차 광원으로 조사된다.
도 4는 양자점 LED의 개략적인 다이어그램으로서, 적색 양자점 및 청색 양자점이 별개의 비드에 내장되어 있고 UV LED 1차 광원으로 조사된다.
도 5는 양자점 LED 칩의 구조를 도시하는 다이어그램이다. 수지에 있는 양자점이 LED 케이스 안으로 적재되고 이는 UV 또는 청색 고체 LED에 의해 아래에 도시되어 있다.
도 6은 제거가능한 인광체 아키텍처를 보여주는 개략적인 다이어그램이다. 도시된 예에서, 청색 고체 LED는 아래에서 적색 양자점 인광체를 조사하며 이는 청색 광 및 적색 광 모두를 방출한다.
도 7은 양자점 인광체 시트의 제조를 도시한다: (A) 양자점 잉크가 PET 기판의 스페이서들 사이의 영역에 드롭 캐스트(drop cast) 된다(B). 양자점 잉크가 유리 슬라이드를 사용하여 스페이서들 사이에 균일하게 분배된다.
도 8은 인광체 시트의 측면에 위치한 고체 LED(도시된 예에서는 UV 광을 방출함)에 의한 양자점 인광체의 조사를 위한 배열을 보여주는 다이어그램이다. 도시된 예에서, LED가 방출하는 UV 광은 양자점 인광체를 통과하고 양자점 인광체로부터의 하향 변환된 청색 광 및 적색 광이 그 아래의 식물을 향해 방출된다.
도 9는 적외선 방출 양자점 비드가 내장된 한천(광합성 세균의 생장을 위한 배지)으로 채워진 페트리접시를 보여준다. 페트리접시는 UV 또는 청색 고체 LED에 의해 조사된다.
도 10은 1차 광원으로서 청색 고체 LED(22mW)와 2차 광원으로서 용액 10mmol당 20개 양자점을 갖는 농도에서 적색 양자점(InP/ZnS) 실리콘 수지(648nm에서 반치전폭 59nm로 방출)를 포함하는 원격 인광체 양자점 LED의 방출 스펙트럼(A)을 보여주는 플롯(plot)이며 또한 엽록소 a의 흡수 스펙트럼(B), 엽록소 b의 흡수 스펙트럼(C) 그리고 엽록소 a 및 엽록소 b 조합의 흡수 스펙트럼(D)의 플롯을 보여준다. 플롯은 양자점-인광체 LED의 방출 극대값 및 상대적인 피크 강도가 엽록소 a 및 엽록소 b의 흡수 스펙트럼과 잘 들어맞는 것을 보여준다.
도 11은 1차 광원으로서 청색 고체 LED와 2차 광원으로서 적색 양자점(CdSe/CdS/CdZnS/ZnS) 실리콘 수지(625nm에서 반치전폭 35nm로 방출)를 포함하는 원격 인광체 양자점 LED의 방출 스펙트럼(A)을 보여주는 플롯(plot)이며 또한 엽록소 b의 흡수 스펙트럼(B)의 플롯을 보여준다. 플롯은 양자점-인광체 LED의 방출 스펙트럼이 엽록소 b의 흡수 스펙트럼과 잘 들어맞는 것을 보여준다.
도 12는 균일한 식물 생장을 촉진하기 위해서, 청색 양자점 LED 및 적색 양자점 LED가 여러 방향에서 식물을 조사하도록 궁형(또는 감싸는) 조명 배열을 보여주는 다이어그램이다.
도 13은 조류를 생장시키기 위한 광생물반응기를 도시한다. 손가락 모양 돌출을 갖는 적색 양자점 인광체 시트가 광생물반응기에 침지되고 그것은 청색 고체 LED로 위쪽에서(그리고/또는 아래쪽에서) 조사되며, 반응기를 통과해 청색 광 및 적색 광이 방출된다.
광합성을 향상시키기 위한 바른 파장 및 상대 강도의 광을 방출하기 위해서, 청색 또는 UV 고체 LED를 사용하여 적색(그리고/또는 필요에 따라 다른 색상)의 양자점을 사용하여 조정된 방출로 광합성 미생물의 생장을 촉진하는데 최적화된 LED를 제조하는 방법이 개시된다. 양자점 LED는 광합성 미생물의 생장을 촉진 및 지원하기 위해서 광합성 미생물에 있는 엽록소 및 다른 색소의 흡수 특성에 들어맞는 전자기 스펙트럼의 청색 영역에서 UV 영역까지 방출하도록 제조될 수 있다.
종래 기술에서 설명된 식물 공장 조명은 백열등, 형광등 또는 고체 LED 조명을 사용하였고 특허가 된 광생물반응기는 광원에 대해서 거의 주목을 하지 않았다. 종래 기술에서 설명된 고체 LED는 상대적으로 제조하기가 비싸다. 양자점 LED는, 밝고 안정적인 방출을 생성하는데 필요한 반도체 물질의 양이 아주 적어, 덜 비싸다. 양자점 LED의 수명은 25,000~50,000 시간으로 백열 전구(전형적으로 수명이 500시간) 및 콤팩트 형광램프(전형적으로 수명이 3000시간)에 비해 훨씬 뛰어나다. 더욱이 양자점 LED는 아주 높은 에너지 효율을, 전형적으로 30~70 루멘/와트를 나타내는데 반해 백열 전구는 10~18 루멘/와트를 형광 램프는 35~60 루멘/와트를 나타낸다. 따라서, 식물 공장 또는 광생물반응기에 양자점 LED 조명을 설치하는 초기 비용이 백열 전구 또는 형광 전구를 사용하는 것에 비해 높을 수 있지만, 양자점 LED의 매우 긴 수명 및 효율이 장기간 투자가 우호적이게 한다.
660nm에서의 안정적인, 강한 방출은 엽록소 a의 적색 흡수 극대값에 대응하는데, 고체 LED로서는 달성하기 어렵다. 왜냐하면, 방출이 반도체 물질의 밴드갭에 의해 결정되기 때문이다. 660nm에서 방출하는 고체 물질은 전형적으로 AlGaInP 기반 반도체로 제한된다. 양자점 LED를 사용하여, 660nm에서 방출이 훨씬 쉽게 달성가능하며 그 이유는 방출 파장이 나노입자 크기를 변화시키는 것에 의해 조절될 수 있기 때문이다. 따라서, 적색 방출은, CdSe/ZnS 및 InP/ZnS 코어-쉘 나노입자를 포함하여 다양한 물질을 사용하여 얻을 수 있다.
양자점에 대한 손쉬운 파장 조정성 때문에, 양자점 LED는 식물 종, 조류 및 광합성 세균을 포함하여 여러 다양한 광합성 미생물에 적합하도록 쉽게 변형될 수 있다. 양자점 합성에 대한 단순한 변형이 채용되어 합성에 사용되는 반도체 물질 또는 다른 시약을 변경시킬 필요없이, 광발광 방출을 변경시킬 수 있다. 파장 조정성은 고체 LED보다 양자점 LED를 사용하여 아주 쉽게 달성할 수 있다. 따라서, 사용자 요구에 맞는 양자점 LED 시스템이, 양자점 LED 장치에 포함이 될 주어진 범위로부터 양자점 물질의 원하는 조합을 선택하는 것에 의해 더 쉽게 생산될 수 있다.
좁은 방출 반치전폭(40nm 이하)은 카드뮴-기반 양자점을 사용하여 아주 쉽게 달성할 수 있다. 하지만, 60nm 이하의 반치전폭을 갖는 코어-쉘 CFQD 물질이 생성될 수 있다. 더욱이, 양자점 물질의 반치전폭을 여러 광합성 색소의 흡수 스펙트럼에 부합하도록 조정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 엽록소 b의 흡수 스펙트럼은 엽록소 a의 흡수 스펙트럼에 비해 좁은 피크 폭을 보인다; 양자점을 사용하여, 엽록소 a 및 엽록소 b의 흡수 극대값에서 방출할 뿐만 아니라 비슷한 반치전폭 및 상대 강도로 방출하는 LED를 제조할 수 있다. 적외선-방출 양자점 예를 들어 CdTe, PbS 및 PbSe는 세균엽록소의 흡수 스펙트럼과 일치하는 방출 특성을 갖는 적외선에서 방출하는 양자점 LED를 생산하는데 사용될 수 있다.
종래 기술에서 설명된 조명 시스템의 단점들 중 하나는 열로 방출되는 에너지 양이다. 고전력 고체 LED는 또한 양자점 LED에 비해서 상대적으로 많은 양의 열을 방출한다. 따라서, 온도 제어가 식물 발달에 중요한 식물 공장 세팅을 위해서는, 적은 열 방출을 갖는 양자점 LED가 이상적이다. 양자점 LED 조명을 사용함으로써, 종래 기술에서 설명된 것 같은 조명 장치를 냉각시키는 시스템이 필요하지 않게 된다. 이것은 조명 장치의 복잡성을 줄이고 제조 비용을 낮춘다.
하나의 기하학적 위치로부터 여러 파장의 광 방출이 불연속 위치로부터 각 파장의 방출에 비해 바람직하며, 비-균일한 생장으로 이끌 수 있는 색 열점 및 색상 그림자(color specific shadow)을 제거하기 때문이다. 여기에 설명되는 시스템의 이점은 여러 파장의 광이 하나의 고체 LED 광원을 사용하여 하나의 방향으로부터 방출될 수 있다는 것이다. 양자점을 사용하여 방출을 조정함으로써 비용이 높은 여러 개의 고체 LED가 필요치 않다. 더욱이, 본 발명은 여러 개의 고체 LED를 사용하는 조명 배열에 비해서 더 적은 회로를 요구한다. 여러 개의 고체 LED를 사용하는 조명 배열은 각 색상의 LED에 대해 개별적인 회로를 필요로 한다. 본 발명은 회로 관련 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 예를 들어 재발아 스포츠 피치(sports pitch) 또는 가정용 식물 생장 조명에 사용될 수 있는 휴대 장치에 특히 좋다.
여기서 설명되는 양자점 LED 장치는 작은 LED에서부터 유연성 기판 위에 인쇄될 수 있는 임의의 형태 및 크기로 제조될 수 있는 양자점 인광체 시트까지 여러 형태 및 크기로 생산될 수 있다. 이로써 다양한 범위의 적용에 사용될 수 있다.
여기서 사용되는 양자점은 코어-쉘 반도체 나노입자로부터 최적으로 만들어진다. 예를 들어 코어 물질은:II-VI 화합물, II-V 화합물, III-V 화합물, III-VI 화합물, IV 화합물, IV-VI 화합물로부터 만들어질 수 있다.
II-VI 화합물은 원소 주기율표의 12(II)족에서 선택되는 제1 원소와 16(VI)에서 선택되는 제2 원소를 포함하고 또한 제3 원소 물질 및 제4원소 물질을 포함하고, 여기에 한정되는 것은 아니며: CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe를 포함한다.
II-V 화합물은 원소 주기율표의 12족에서 선택되는 제1 원소와 15족에서 선택되는 제2 원소를 포함하고 또한 3 원소 물질 및 4 원소 물질 그리고 도핑된 물질을 포함한다. 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며 Zn3P2, Zn3As2, Cd3P2, Cd3As2, Cd3N2, Zn3N2 를 포함한다.
III-V 화합물은 원소 주기율표의 13(III)족에서 선택되는 제1 원소와 15(V)족에서 선택되는 제2 원소를 포함하고, 또한 3 원소 물질 및 4 원소 물질을 포함한다. 나노입자 코어 물질의 예는 여기에 한정되는 것은 아니며: BP, AlP, AlAs, AlSb,GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AIN, BN, GaNP, GaNAs, InNP, InNAs, GaInPAs, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNSb, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb를 포함한다.
III-VI 화합물은 원소 주기율표 13족에서 선택되는 제1 원소와 16족에서 선택되는 제2 원소를 포함하고 또한 3 원소 물질 및 4 원소 물질을 포함한다. 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며: Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, In2S3, In2Se3, Ga2Te3, In2Te3를 포함한다.
IV 화합물은 원소 주기율표 14족에서 선택되는 원소를 포함한다: Si, Ge, SiC, SiGe.
IV-VI 화합물은 원소 주기율표 14(IV)족에서 선택되는 제1 원소와 제16(VI)족에서 선택되는 제2 원소를 포함하고, 3 원소 물질 및 4 원소 물질을 포함하고, 여기에 한정되는 것은 아니고:PbS, PbSe, PbTe, SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbSe, SnPbTe, SnPbSeTe, SnPbSTe를 포함한다.
나노입자에 성장하는 쉘 층(들)은 아래 물질들 중 임의의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다:
IIA-VIB (2-16) 물질 - 원소 주기율표의 2족에서 선택되는 제1 원소와 16족에서 선택되는 제2 원소를 포함하고, 3 원소 물질 및 4 원소 물질을 포함하고, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며 MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe를 포함함;
IIB-VIB (12-18) 물질 - 원소 주기율표 12족의 제1 원소와 16족의 제2 원소를 포함하고 3 원소 물질, 4 원소 물질 그리고 도핑된 물질을 포함할 수 있음, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe를 포함함;
II-V 물질 - 원소 주기율표 12족의 제1 원소와 15족의 제2 원소를 포함하고, 3 원소 물질, 4 원소 물질 그리고 도핑된 물질을 포함하고, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니고 Zn3P2, Zn3As2, Cd3P2, Cd3As2, Cd3N2, Zn3N2를 포함함;
III-V 물질 - 원소 주기율표 13족의 제1 원소와 15족의 제2 원소를 포함하고, 3 원소 물질, 4 원소 물질 그리고 도핑된 물질을 포함하고, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며 BP, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, BN를 포함함;
III-IV 물질 - 원소 주기율표 13족의 제1 원소와 14족의 제2 원소를 포함하고, 3 원소 물질, 4 원소 물질 그리고 도핑된 물질을 포함하고, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며 B4C, Al4C3, Ga4C 를 포함함;
III-VI 물질 - 원소 주기율표 13족의 제1 원소와 16족의 제2 원소를 포함하고, 3 원소 물질 및 4 원소 물질을 포함하고, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며 Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, ln2S3, ln2Se3, Ga2Te3, ln2Te3를 포함함;
IV-VI 물질 - 원소 주기율표 14족의 제1 원소와 16족의 제2 원소를 포함하고, 3원소 물질, 4 원소 물질, 도핑된 물질을 포함하고, 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며, PbS, PbSe, PbTe, Sb2Te3, SnS, SnSe, SnTe를 포함함.
나노입자 물질은 원소 주기율표의 d-블록의 제1 원소, 16족의 제2 원소를 포함하고 또한 3원소 물질, 4원소 물질 및 도핑된 물질을 포함한다. 나노입자 물질은 여기에 한정되는 것은 아니며, NiS, CrS, CulnS2, CulnSe2, CuGaS2, CuGaSe2를 포함한다.
코어, 코어-쉘 또는 코어-멀티쉘, 도핑된 또는 등급 나노입자의 표면 상의 원자 주위의 배위(coordination)는 불완전하고, 완전히 배위되지 않은 원자는 반응성을 아주 높게 하는 불완전 결합을 가지며, 입자 응집을 야기할 수 있다. 이 문제는 "베어"(bare) 표면 원자를 보호 유기기로 페시베이션(캐핑)(passivation(capping)) 함으로써 극복될 수 있다.
유기 물질 또는 쉬스(sheath) 물질의 최외각 층(캡핑제)(capping agent)은 입자-입자 응집을 방해하는데 일조하며, 더욱이 나노입자를 그 주위의 전기적 환경 및 화학 환경으로부터 보호한다. 많은 경우, 캡핑제는 나노입자 제조가 이루어지는 용매이고 루이스 염기 화합물로 구성되고 또는 탄화수소 같은 불활성 용매에 희석된 루이스 염기 화합물로 구성된다. 한 쌍의 고립 원자가 루이스 염기 캡핑제에 있는데 이는 나노입자 표면에 대해 도너-형(donor-type) 배위가 가능하게 하며, 루이스 염기 캡핑제는 여기에 한정되는 것은 아니며, 모노- 또는 멀티-덴테이트 리간드(mono- or multi-dentate iigand) 예를 들어 포스핀(phosphine)(트리옥틸포스핀(trioctylphosphine), 트리페닐포스핀(triphenylphosphine), 터트-부틸포스핀(t-butylphosphine) 등), 포스핀 옥사이드(phosphine oxides)(트리옥틸포스핀 옥사이드, 트리페닐포스핀 옥사이드 등), 알킬 포스폰산(aikyl phosphonic acid), 알킬-아민(alkyl-amine)(옥타데실아민(octadecylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 옥틸아민(octylamine) 등), 아릴-아민(aryl-amine), 피리딘(pyridine), 긴 사슬 지방산(미르스트산(myristic acid), 올레산(oleic acid), 운데실렌산(undecyienic acid) 등) 그리고 티오펜(thiophene)을 포함한다.
양자점의 최외각 층(캡핑제)는 또한 다른 무기, 유기 또는 생물학적 물질에 대한 화학적 연결(linkage)로 사용될 수 있는, 추가의 기능 기(functional group)를 갖는 배위된 리간드를 포함할 수 있고 이로써 기능 기는 양자점 표면으로부터 멀어지고 다른 가용한 분자 여기에 한정되는 것은 아니며 예를 들어 아민, 알코올, 카르복시산, 에스테르, 산 염화물(acid chloride), 무수물, 에테르, 알킬 할라이드(alkyl halide), 아미드, 알켄, 알칸, 알킨, 알렌, 아미노산, 아지드 기 등과 결합/반응/상호작용할 수 있다. 양자점의 최외각 층(캡핑제)은 또한 중합가능하고 입자 주위에 중합체 층을 형성하는데 사용될 수 있는 기능 기를 갖는 배위된 리간드를 포함할 수 있다.
최외각 층(캡핑제)은 또한 예를 들어 무기 표면(ZnS)과 티올 캡핑 분자(capping molecule) 사이의 S-S 결합을 통해 최외각 무기 층에 직접 결합하는 유기 유닛을 포함할 수 있다. 이들은 또한 입자의 표면에 결합되지 않은 추가의 기능 기(들)을 포함할 수 있고, 그것은 입자 주위에 중합체 층을 형성하는데 사용될 수 있고 또는 추가의 반응/상호작용/화학적 연결을 위해 사용될 수 있다.
여기에서 설명되는 LED는 LED 봉지재(encapsulant) 안에 직접적으로 내장된(embedded) "베어" 양자점을 사용하여 제조될 수 있고 더 바람직하게는 양자점은 LED 봉지재 안으로 내장되기 전에 마이크로비드(microbead) 안으로 포함될 수 있다; 양자점 마이크로비드는 베어 양자점에 비해서 뛰어난 강건성 및 긴 수명을 나타내고, LED 제조의 기계적 및 열적 공정 프로토콜에 더욱 안정적이다. 용어 "비드" 및 "마이크로비드"는 여기에서 서로 바꿔 쓸 수 있다. 중합체 비드가 여기에서 언급되지만, 비드는 또한 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 본 출원인에 의한 미국 특허 출원 번호 12/622,012(2009년 11월 19일 출원됨, 공개번호 2010/0123155)에 개시된 바와 같이 다른 물질 예를 들어 졸-겔, 실리카 또는 유리일 수 있다.
양자점 물질을 중합체 마이크로비드 안으로 포함시킴으로써, 나노입자는 공기, 습기 및 광-산화에 대해 더 저항성이 있게 되고, 제조 비용을 엄청나게 줄일 수 있는 공기 중에서의 공정을 위한 가능성이 열리게 된다. 비드 크기는 20nm 내지 50nm로 조정될 수 있고, 양자점의 고유 광학 특성을 변화시키지 않고서도 잉크 점도에 대한 제어가 가능하게 된다. 점도는 어떻게 양자점 비드 잉크가 메쉬를 통과하여 흐르고, 건조되고 기판에 부착하는지를 결정하며, 점도를 변경하기 위해서 희석제(thinner)가 필요치 않고, 잉크 제형의 비용을 줄일 수 있다. 양자점을 마이크로비드 안에 포함시킴으로써 캡슐화된 베어 양자점의 광학 성능에 입자 응집이 미치는 나쁜 영향을 제거할 수 있다. 양자점 비드는 색상 혼합의 효과적인 수단을 제공한다.
도 3은 동일한 비드(302) 내에 함께 섞인 적색 및 청색 양자점(301) 혼합물을 사용하여 만들어진 LED 장치(300)를 도시한다. 도 4는 적색 양자점(401)은 비드(402)에 포함되고 청색 양자점(403)은 비드(404)에 포함된 다른 실시 예에 따른 LED 장치(400)를 도시한다.
양자점을 마이크로비드 안으로 포함시키는 첫 번째 방법은 양자점 주위에 중합체 비드를 성장시키는 것이다. 두 번째 방법은 양자점을 사전에 준비된 마이크로비드 안으로 포함시키는 것이다.
첫 번째 방법의 경우, 예를 들어 설명을 하면, 헥사데실아민으로 캐핑된 CdSe 기반 반도체 나노입자가 적어도 하나, 더 바람직하게는 둘 또는 그 이상의 중합가능한 리간드(옵션으로 과량의 나의 리간드)로 처리될 수 있고, 그 결과 헥사데실아민 캡핑 층의 적어도 몇몇이 중합가능한 리간드(들)로 치환(displacement)된다. 캡핑 층을 중합가능한 리간드(들)로 치환함은 CdSe 기반 나노입자에 대해 아주 높은 친화력이 있는 알려진 리간드인 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO)의 구조와 비슷한 구조를 갖는 중합가능한 리간드 또는 리간드들을 선택하는 것에 의해 수행될 수 있다. 이 기본적인 방법은 비슷한 효과를 얻기 위해서 다른 나노입자/리간드 쌍에 적용될 수 있다. 즉, 특정 타입의 나노입자(물질 그리고/또는 크기)를 위해, 알려진 표면 결합 리간드의 구조와 유사한 구조 모티프(structural motif)를 포함하는 중합가능한 리간드를 선택함으로써 하나 이상의 적절한 중합가능한 표면 결합 리간드를 선택하는 것이 가능하다. 나노입자가 이 같은 방식으로 표면이 변형되면 나노입자는 이어서 다양한 양자점-함유 수지 및 비드를 형성하기 위해서 다수의 마이크로스케일 중합 반응의 단량체 성분에 첨가될 수 있다. 다른 옵션은 하나 이상의 중합가능한 단량체의 중합이며, 하나 이상의 중합가능한 단량체로부터 광학적으로 투명한 매질이 반도체 나노입자들의 적어도 일부분의 존재하에 만들어지며, 반도체 나노입자는 광학적으로 투명한 매질 안으로 포함된다. 결과물이 양자점을 공유결합방식으로 포함하고 심지어 늘어난 속슬렛 추출 기간 후에도 선명한 색상을 띤다.
양자점-함유 비드를 구성하는데 사용될 수 있는 중합 방법의 예는 여기에 한정되는 것은 아니며, 현탁(suspension) 중합, 분산 중합, 에멀션 중합, 리빙(living) 중합, 음이온성 중합, 양이온성 중합, RAFT 중합, ATRP 중합, 벌크(bulk) 중합, 폐환 상호교환반응 중합(ring-closing metathesis polymerization), 개환 상호교환반응 중합(ring-opening metathesis polymerization)을 포함한다. 중합 반응의 개시는 예를 들어 유리 라디칼, 광, 초음파, 양이온, 음이온, 또는 열에 의해 단량체들을 서로 결합하게 하는 임의의 적절한 방법에 의해 유도될 수 있다. 바람직한 방법은 광학적으로 투명한 매질이 되는 하나 이상의 중합가능한 단량체의 열 경화를 수반하는 현탁 중합이다. 중합가능한 단량체는 바람직하게는 메틸(메트)아크릴레이트(methyl (meth)acryiate), 에틸렌 글리콜 디메틸아크릴레이트(ethylene glycol dimethacrylate) 그리고 비닐을 포함한다. 단량체들의 이 같은 결합이 현존하는 상업적으로 입수가능한 LED 봉지재와 매우 양립가능한 것으로 밝혀졌고, 필수적으로 종래 방법을 사용하여 제조된 장치에 비해서 엄청나게 향상된 성능을 나타내는 발광 장치를 제조하는데 사용되었다. 다른 바람직한 중합가능한 단량체는 에폭시 또는 폴리에폭시드 단량체이며 이는 임의의 적절한 메커니즘 예를 들어 자외선 조사에 의한 경화를 사용하여 중합될 수 있다.
양자점-함유 마이크로비드는 양자점 집단을 중합체 매트릭스(matrix) 내에 분산하고, 상기 중합체를 경화하고, 이어서 경화된 물질을 분쇄(grinding)함으로써 제조될 수 있다. 이것은 특히 경화 후에 상대적으로 단단하고 깨지지 쉬운 중합체 예를 들어 에폭시 또는 폴리에폭시드 중합체(예를 들어 미국 회사 일렉트로닉 머티어리얼스 법인에서 입수가능한 OptocastTM 3553)에 사용하기에 적합니다.
양자점-함유 비드는 양자점을 비드 형성에 사용되는 시약들의 혼합물에 첨가함으로써 쉽게 생성될 수 있다. 몇몇 경우, 초기 양자점은 그 합성에 사용된 반응으로부터 분리된 상태로 사용될 것이고 따라서 일반적으로 불활성의 외부 유기 리간드 층으로 코팅된다. 대안 방법으로서, 리간드 교환 공정이 비드 형성 반응 전에수행될 수 있다. 여기서 하나 이상의 화학적 반응성 리간드(예를 들어 중합가능한 모이티(moiety)를 또한 함유하는 양자점을 위한 리간드)가 불활성의 외부 유기 층으로 코팅된 초기 양자점 용액에 과량으로 첨가된다. 적절한 배양 시간 이후에 양자점이 분리되고 예를 들어 침전 및 그 후의 원심분리에 의해 분리되고, 세정되고 이어서 비드 형성 반응/공정에 사용된 시약들의 혼합물 안으로 도입된다.
양자점을 비드 내에 포함시키는 두 방법 모두 비드 안에 양자점을 통계학적으로 무작위로 포함시킬 것이고 따라서 중합 반응으로 통계학적으로 비슷한 양의 양자점을 함유하는 비드가 형성될 것이다. 비드 크기가 비드를 형성하는데 사용되는 중합 반응의 선택에 의해 제어될 수 있고, 추가로 일단 중합 방법이 선택되면 비드 크기는 또한 적절한 반응 조건을 선택하는 것에 의해서도 제어될 수 있다. 예를 들어 현탁 중합 반응에서 반응 혼합물을 더 빨리 교반함으로써 더 작은 비드를 생성할 수 있다. 더욱이, 비드의 형태가 반응이 금형(mold)에서 수행될지와 함께 공정절차의 선택에 의해서 쉽게 제어될 수 있다. 비드의 조성은 단량체 혼합물(이것으로부터 비드가 구성됨)의 조성을 변경시키는 것에 의해서 변경될 수 있다. 비슷하게, 비드들은 또한 가변 량의 하나 이상의 교차-결합제(예를 들어 디비닐 벤젠(divinyl benzene))로 교차 결합될 수 있다. 비드들의 교차 결합 정도가 높다면, 예를 들어 5% 이상의 교차 결합(cross-linker)으로 구성된다면, 비드 형성 반응 중에 포로겐(porogen)(예를 들어 톨루엔 또는 시클로헥산)을 포함시키는 것이 바람직할 수 있다. 포로겐의 사용은 각 비드를 구성하는 매트릭스 내에 영구적인 구멍을 남긴다. 이 구멍은 충분히 커서 양자점이 비드 안으로 들어갈 수 있게 한다.
양자점은 역 에멀션 기반 기술을 사용하여 비드 안에 포함될 수 있다. 양자점은 광학적으로 투명한 코팅 물질의 전구체(들)와 혼합된 후 예를 들어 유기 용매 및 적절한 염을 함유하는 안정적인 역 에멀션 안으로 도입된다. 휘저은 뒤에 전구체들은 양자점을 함유하는(캡슐화하는) 마이크로비드들을 형성하며 적절한 방법 예를 들어 원심 분리 등을 사용하여 분리.수집될 수 있다. 필요에 따라, 동일한 또는 다른 광학적으로 투명한 물질에 의한 하나 이상의 추가 표면 층 또는 쉘이, 필요한 쉘 층 전구체 물질(들)의 추가 양을 첨가함으로써, 양자점 함유 비드의 분리 전에 추가될 수 있다.
양자점을 비드 안으로 도입하는 두 번째 방법에 있어서, 양자점은 물리적 포획(entrapment)을 통해 중합체 비드 안에 부동화(고정) 될 수 있다. 예를 들어 적절한 용매(예를 들어 유기 용매)에 녹은 양자점 용액이 중합체 비드 샘플과 함께 배양될 수 있다. 적절한 방법을 사용하여 용매를 제거하면 양자점이 중합체 비드 매트릭스 내에 부동화 된다. 양자점은, 샘플이 양자점이 자유롭게 용해되는 용매(예를 들어 유기 용매)에 다시 부유(re-suspend)되지 않는 한, 비드 안에 부동화 상태를 유지한다. 옵션으로, 이 단계에서 비드의 외부가 밀봉될 수 있다. 또는 양자점의 적어도 일 부분이 사전에 제조된 중합체 비드에 물리적으로 부착될 수 있다. 이 부착은 미리 제조된 중합체 비드의 중합체 매트릭스 내에 반도체 나노입자들의 적어도 일 부분을 부동화 함으로써 또는 반도체 나노입자들 및 미리 제조된 중합체 비드 사이에 화학적, 공유 결합성, 이온성 또는 물리적 연결을 형성함으로써 달성될 수 있다. 미리 제조된 중합체 비드의 예는 폴리스티렌, 폴리디비닐 벤젠 및 폴리티올을 포함한다.
양자점은, 다양한 방법으로 예를 들어 화학적, 공유결합적, 이온성, 물리적(예를 들어 포획에 의해) 또는 다른 형태의 상호작용에 의해, 미리 제조된 비드 안에 비가역적으로 포함될 수 있다. 미리 제조된 비드가 양자점을 비드 내에 포함시키는 데 사용될 경우, 비드의 용매-접근가능 표면은 화학적으로 불활성(예를 들어 폴리스티렌)이거나 화학적으로 반응성/기능화된 것일 수 있다(예를 들어 메리필드 수지(Merrifield's Resin)). 화학적 기능성(chemical functionality)은 예를 들어 화학적으로 기능화된 단량체의 포함(incorporation)에 의해 비드 형성 중에 도입될 수 있다. 또는 대안으로서 화학적 기능성은 예를 들어 클로로메틸화 반응을 수행하는 것에 의해서 비드 형성 처리 이후에 도입될 수 있다. 또한, 화학적 기능성은 화학적으로 반응성이 높은 중합체(들)가 비드의 외곽 층들/접근가능한 표면들에 부착하는 비드 형성 후 중합체 접목(graft) 또는 비슷한 공정에 의해 도입될 수 있다. 이 같은 형성 후 유도 공정 하나 이상이 수행되어 화학적 기능성을 비드 표면/안에 도입시킬 수 있다.
비드 형성 반응 중에 양자점을 비드 안에 포함시키는 방법 즉 앞서 설명한 첫 번째 방법과 마찬가지로, 사전에 제조된 비드는 임의의 형태, 크기 및 조성을 가질 수 있고, 임의의 교차 결합 정도를 가질 수 있고 포로겐의 존재하에서 형성될 경우 영구적인 구멍을 함유할 수 있다. 양자점은, 양자점 용액을 유기 용매에서 배양시킨 후에 이 용매를 비드에 첨가하는 것에 의해서, 비드 안에 내장될 수 있다. 용매는 비드를 적실 수 있어야 하고(wetting) 비드들의 교차 결합 정도가 낮을 경우, 바람직하게 0~10%의 교차 결합 더 바람직하게는 0~2% 교차 결합일 경우, 용매는 양자점을 녹이는 것뿐만 아니라 중합체 매트릭스가 팽창(swelling)하도록 해야 한다. 양자점 함유 용매가 일단 비드들과 함께 배양되었다면, 혼합물을 가열하고 용매가 증발되도록 하여 용매는 제거되고, 양자점은 비드를 구성하는 중합체 매트릭스 안에 내장된다. 또는 양자점이 쉽게 녹지 않지만 제1 용매와는 혼합되어 양자점이 중합체 매트릭스 내에 석출하도록 하는 제2 용매를 첨가할 수 있다. 부동화는, 만약 비드가 화학적으로 반응성이 없으면, 가역적일 수 있고 또는 다르게 비드가 화학적으로 반응성이 있으면 양자점은 중합체 매트릭스 내에 화학적, 공유결합적, 이온성, 또는 다른 형태의 상호작용에 의해서 영구히 유지될 수 있다.
양자점을 내장하게 될 졸-겔 및 유리인 광학적으로 투명한 매질은 앞서 설명한 바와 같은 비드-형성 공정 중에 양자점을 비드 안에 포함시키는데 사용된 방법과 유사한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어 단일 형태(예를 들어 한 색상)의 양자점은 졸-겔 또는 유리를 생산하는데 사용되는 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 또는, 둘 이상의 형태(예를 들어 둘 이상의 색상)의 양자점이 졸-겔 또는 유리를 생산하는데 사용된 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 이 같은 과정으로 생산된 졸-겔 및 유리는 임의의 형태, 형상 또는 3차원 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 입자는 구형, 판-모양, 막대 모양, 타원 모양, 큐빅 모양, 사각형 모양 또는 임의의 가능한 다른 모양일 수 있다.
안정성-향상 첨가제로 작용하는 물질의 존재하에서 양자점을 비드 안에 포함시킴으로써, 그리고 옵션으로 비드에 보호성 표면 코팅을 제공함으로써, 유해 종 예를 들어 습기, 산소 그리고/또는 유리 라디칼의 이동이 제거되거나 적어도 감소하고, 이로써 반도체 나노입자의 물리적, 화학적 그리고/또는 광-안정성을 향상시킬 수 있다.
비드 생산 공정의 초기 단계에서 첨가제가 "베어" 반도체 나노입자 및 전구체와 결합할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 첨가제는 반도체 나노입자가 비드 내에 포획된 후에 첨가될 수 있다.
비드 형성 공정 중에 단독으로 또는 임의의 적절한 조합으로 첨가될 수 있는 첨가제는 의도된 기능에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다:
기계적 밀봉(mechanical sealing): 훈증 실리카(fumed silica)(예: Cab-O-Sil™), ZnO, Ti02, ZrO, 스테아린산 마그네슘(Mg stearate), 스테아린산 아연(Zn stearate), 기계적 밀봉을 제공하고 그리고/또는 공극을 감소하는 충전제(filller)로 사용되는 모든 것.
캡핑제(Capping agent): 테트라데실 포스폰산(tetradecyl phosphonic acid (TDPA)), 올레산(oleic acid), 스테아르산(stearic acid), 폴리불포화 지방산(polyunsaturated fatty acids), 소르빈산(sorbic acid), 메타크릴산 아연(Zn methacrylate), 스테아린산 마그네슘, 스테아린산 아연, 미리스틴산 이소프로필(isopropyl myristate). 이들 중 몇몇은 여러 기능성을 나타내며 캡핑제, 유리 라디칼 스케빈저(scavenger) 그리고/또는 환원제로 작용할 수 있다.
환원제: 아스코르브산 팔미페이트(ascorbic acid palmitate), 알파 토코페롤(비타민 E), 옥탄 티올(octane thiol), 부틸 히드록시아니솔(butylated hydroxyanisole(BHA)), 부틸 히드록시톨루엔(butylated hydroxytoluene (BHT)), 몰식자산염 에스테르(gallate esters)(프로픽, 라우릴, 옥틸 등), 메타중아황산(metabisulfite)(예: 나트륨염, 칼륨염).
자유 라디칼 스케빈저: 벤조페논
수소화물 반응제(Hydride reactive agent): 1,4-부탄디올(1 ,4-butandiol), 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 알릴 메타크릴레이트(allyl methacrylate), 1,6-헵타디엔-4-올(1 ,6-heptadiene-4-ol), 1,7-옥타디엔(1 ,7-octadiene), 1,4-부타디엔(1 ,4-butadiene)
특정 적용을 위한 첨가제(들)의 선택은 반도체 나노입자 물질의 특성(예를 들어 나노입자가 물리적, 화학적 그리고/또는 광-산화 열화에 얼마나 민감한지), 주 매트릭스 물질의 특성(예를 들어 잠재적으로 유해한 종 예를 들어 자유-라디칼, 산소, 습기 등에 대해 얼마나 다공성인지), 주 입자를 포함하게 될 최종 물질 또는 장치의 의도된 목적(예를 들어 최종 물질 또는 장치의 동작 조건), 그리고 최종 물질 또는 장치를 제조하는데 필요한 공정 조건에 의존할 것이다. 이것을 명심하여, 임의의 반도체 나노입자 적용에 맞는 하나 이상의 적절한 첨가제가 상술한 다섯 개 리스트에서 선택될 수 있다.
양자점이 일단 비드 안으로 도입되면(비드 안에 포함되게 되면), 형성된 양자점-비드는 적절한 물질로 더욱 코팅되어 각 비드에 보호 장벽층을 제공하여 잠재적으로 유해한 종 예를 들어 산소, 습기 또는 자유 라디칼이 외부 환경으로부터 반도체 나노입자를 통과하여 이동 또는 확산하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 반도체 나노입자는 그 주위 환경에 그리고, LED 제조와 같은 적용에서 나노입자를 활용하는데 필요한 다양한 공정 조건에 덜 민감하게 된다.
코팅은 바람직하게는 산소 또는 임의의 형태의 산화제가 비드를 통과해 이동하는 것을 차단하는 장벽이다. 이 코팅은 자유 라디칼 종에 대한 장벽 그리고/또는 바람직하게는 습기 장벽으로서 비드 주위의 환경에 있는 습기가 비드 내에 포함된 반도체 나노입자와 접촉하지 못하도록 한다.
코팅은 필요한 수준의 보호를 제공할 수 있다면 임의의 바람직한 두께로 비드의 표면에 물질 층을 제공할 수 있다. 표면 층 코딩은 대략 1 내지 10nm 두께일 수 있고 400 내지 500nm 두께까지 또는 그 이상일 수 있다. 바람직한 층 두께는 1 내지 200nm이고 더 바람직하게는 5 내지 100nm이다.
코팅은 무기 물질 예를 들어 유전(절연) 물질, 금속 산화물, 금속 질화물 또는 실리카-기반 물질(예: 유리)을 포함할 수 있다.
금속 산화물은 단일 금속 산화물(즉, 산소가 하나의 금속 이온과 결합, 예를 들어 Al2O3)일 수 있고 또는 혼합 금속 산화물(즉, 산소가 둘 이상의 다른 금속 이온과 결합, 예를 들어 SrTiO3)일 수 있다. (혼합) 금속 산화물의 금속 이온(들)은 원소 주기율표의 임의의 적절한 족에서 예를 들어, 2족, 13족, 14족, 또는 15족 또는 전이 금속, d-블록 금속 또는 란탄족 금속에서 선택될 수 있다.
바람직한 금속 산화물은, Al2O3, B2O3, Co203, Cr203, CuO, Fe2O3, Ga203, Hf02, ln203, MgO, Nb205, NiO, Si02, Sn02, Ta205, Ti02, Zr02, SC2O3, Y2O3, Ge02, La203, Ce02, PrOx(x = 적절한 정수), Nd203, Sm203, EuOy (y = 적절한 정수), Gd203, Dy203, Ho203, Er203, Tm203, Yb203, Lu2O3, SrTiO3, BaTi03, PbTi03, PbZr03, BiMTiNO (m, n = 적절한 정수), BiaSibO (a, b = 적절한 정수), SrTa2O6, SrBi2Ta2O9, YScO3 , LaAl03, NdAl03, GdSc03, LaScO3, LaLuO3, Er3Ga5013 로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
바람직한 금속 질화물은, BN, AlN, GaN, InN, Zr3N4, Cu2N, Hf3N4, SiNc (c = 적절한 정수), TiN, Ta3N5, Ti-Si-N, Ti-Al-N, TaN, NbN, MoN, WNd (d = 적절한 정수), WNeCf (e, f = 적절한 정수)로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
무기 코팅은 적절한 결정 형태의 실리카를 포함할 수 있다.
코팅은 유기 또는 중합체 물질과 결합한 무기 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 코팅은 무기/중합게 하이브리드 예를 들어 실리카-아크릴레이트 하이브리드 물질을 포함할 수 있다.
코팅은 포화 또는 불포화 탄화수소 중합체일 수 있는 중합체 물질을 포함할 수 있고 또는 하나 이상의 이종 원소(예를 들어 O, S, N, 할로) 또는 이종 원소-함유 기능 기들(예를 들어 카르보닐, 시아노, 에테르, 에폭사이드, 아미드 등)을 포함할 수 있다.
바람직한 중합체 코팅 물질의 예는 아크릴레이트 폴리머(acrylate polymers)(예: 폴리메틸(메트)아크릴레이트(poiymethyl(meth)acrylate), 폴리부틸메트아크릴레이트(polybutylmethacrylate), 폴리옥틸메트아크릴레이트(polyoctylmethacrylate), 알킬시아노아크릴레이트(alkylcyanoacrylate), 폴리에틸렌글리콜 디메트아크릴레이트(polyethyleneglycol dimethacrylate), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate) 등), 에폭사이드(예: EPOTEK 301 A 및 B 열경화 에폭시, EPOTEK OG1 12-4 싱글-팟(single-pot) UV 경화 에폭시 또는 EX0135 A 및 B 열경화 에폭시), 폴라아미드(poiyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리티오에테르(polythioether), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitryl), 폴리디엔(polydiene), 폴리스티렌 폴리부타디엔 공중합체(크라톤)(polystyrene polybutadiene copolymers (Kraton)), 피렐렌(pyrelene), 폴리-파라-크실렌(파리엔)(poly-para-xylylene (paryiene)), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone (PEEK)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(poiyvinylidene fluoride (PVDF)), 폴리비닐 벤젠(polydivinyl benzene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate (PET)), 폴리이소부틸렌(부틸 러버)(polyisobutylene (butyl rubber)), 폴리이소프렌(polyisoprene), 셀룰로오스 유도체(메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스 프탈레이트, 니트로셀룰로오스), 그리고 이들의 조합을 포함한다.
장치 아키텍처(
Device
Architecture
)
여기에 설명된 양자점 LED 장치 아키텍처는 단지 예를 들어 설명한 것 뿐이며 본 발명이 여기에 설명된 것으로 제한되는 것은 아니다. 식물 생장 및 발달을 촉진하기 위한 파장에서 방출하는 양자점을 포함하는 임의의 적절한 장치 아키텍처가 사용될 수 있다.
양자점 LED 장치는 도 5에 도시된 양자점 LED 칩의 구조를 사용하여 제조될 수 있다. 장치(500)는 하우징(502)에 장착된 LED 어셈블리(501)를 포함한다. LED 어셈블리(501)는 일반적으로 UV 또는 청색-발광 LED 물질 예를 들어 YAG인 고체 LED 물질(503)을 포함한다. LED 물질(503)은 LED 패키지(504) 내에 포함되어 있고 LED 봉지재(505)에 의해 보호된다. LED 봉지재(505)의 예는 실리콘이며 다른 봉지재가 사용될 수 있다. 양자점-함유 수지(506)가 봉지재(505) 상면에 배치된다. 예시적인 수지는 상술한 바와 같이, 그 안에 분산된 양자점을 포함하는 중합체 수지를 포함한다. 양자점은 비드 안에 내장되거나 그렇지 않을 수("naked") 있다. 다른 실시 예들에서, 양자점-함유 수지(506)는 LED 물질(503) 상에 바로 배치될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 층이 아니라, 양자점 봉지재 및 양자점-수지가 하나의 층으로 형성될 수 있다. 양자점-함유 수지(506)가 유리와 같은 얇은 투명성 물질(507)에 의해 보호되며 이는 에폭시 같은 부착제(508)에 의해 제자리에 봉지될 수 있다.
도 5에 도시된 실시 예는 다음과 같이 제조될 수 있다: 질소로 충진된 글로브 박스(glove box)에서, LED 칩이, 양자점이 내장된 아크릴레이트 수지로부터의 손상으로부터 칩을 보호하기 위해서, 먼저 실리콘 수지로 덮인다. 실리콘 수지가 핫플레이트(hot plate) 상에서 경화된다. 그 후 LED 칩이 양자점이 내장된 아크릴레이트 수지로 채워지고, UV 광에서 경화된다. LED는 이어서 얇은 가스 장벽층을 사용하여 캡슐화되고, UV 경화 에폭시 수지(예를 들어 OptocastTM)를 사용하여 부착되고 UV 광으로 경화된다. UV 또는 청색 고체 LED가, 양자점을 조명하기 위해서, LED 칩의 바닥에 고정된다.
도 6은 원격 인광체 아키텍처를 갖는 양자점 LED 장치를, 즉 양자점 물질이 LED 패키지 외부에 존재하는 아키텍처를 갖는 양자점 LED 장치를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 적색 양자점(605)을 함유하는 중합체 필름이 기판상에 배치되어 양자점 인광체 시트(602)를 제공하며, 인광체 시트(602)는 LED 패키지(603)로부터 이격되어 위치한다. 전술한 바와 같이 양자점(601)은 비드 내에 포함되어 포화되거나 그렇지 않을 수 있다. 양자점(601)은 패키지(603)의 LED에 의해 생산된 청색광(604)(패키지(603)가 청색 LED를 포함할 경우)을 흡수한다. 인광체 시트(602)로부터 방출되는 광은 양자점(601)에 의해 방출되는 적색 광(605)과 인광체(602)를 통과해 전달되는 청색광(606)의 혼합이다.
도 7은 도 6에 도시된 아키텍처에 사용된 원격 양자점 인광체 시트의 일 실시 예에 따른 제조 방법을 설명하는 도면이다. 양자점 잉크가 알려진 양의 양자점 용액을 적절한 용매 및 중합가능한 물질과 혼합함으로써 제조된다. 미리 결정된 치수의 PET 시트(또는 다른 적절한 기판)(701)이, 먼지 입자를 제거하기 위해서, 공기 총으로 세정 되고 두 개의 테플론 스페이서(702)로 채워지며, 일정한 간극이 스페이서들 사이에 형성된다. 질소 분위기 하에서, 기판의 스페이서들 사이의 간극에 잉크가 드롭 캐스트 되고(703), 잉크가 스페이서들 사이에 균일하게 분배된다. 기판이 용매를 제거하기 위해서 미리 가열된 핫 플레이트상에 놓여 건조된다. 캡슐화된 양자점 인광체가 일련의 UV 또는 청색 고체 LED를 사용하여 뒤에서 조사된다. 이는 인광체 층의 양자점을 여기하게 되고 이로써 광합성 생장을 최적화하도록 선택된 특정 파장에서 방출이 야기되는 한편, 몇몇 UV 또는 고체 LED로부터의 청색 광은 여전히 유리를 통과해 전달된다. 양자점 인광체 그리고 UV 또는 청색 LED의 방출은 특정 미생물의 엽록소 및 부속 색소의 흡수 스펙트럼에 부합되도록 조정될 수 있으며, 이로써 광합성을 최적화할 수 있다.
도 8은 양자점 형광체 시트(802)의 측면에 고체 LED(801)가 위치하는 실시 예를 도시한다. 원격 양자점 인광체 시트(802)가 전술한 바와 같이(도 7 참조) 준비된다. 도 8에 도시된 실시 예에서, 양자점 인광체 시트(802)는 적색 발광(803) 및 청색 발광(804) 양자점을 포함한다. 캡슐화된 양자점 인광체 시트(802)가 고체 UV 또는 청색 발광 LED(801)에 의해 측면에서 조사된다. 양자점의 하향 변환된 적색(805) 및 청색(806) 발광이 입사 LED 방출에 수직하게 방출된다.
도 9는 광합성 세균(903)의 생장 배지로 사용되는 한천 제제(902) 내에 수용성 양자점 마이크로비드(901)가 혼합되는 실시 예를 도시한다. 양자점-한천 제제(preparation)가 투명한 용기에 놓이고 외부의 UV 또는 청색 LED(904)를 사용하여 조사된다. 한천 내의 양자점이 LED로부터의 방출을 하향 변환하고, 주 LED 광의 몇몇은 배양 매질을 통과해 전달된다.
도 10은 엽록소 a 및 엽록소 b의 흡수 스펙트럼을 갖는 양자점 LED 칩으로부터의 방출의 중첩을 보여준다. 청색 고체 LED를 1차 광원으로 가지며 적색 발광 양자점/실리콘 수지를 갖는 양자점 LED 칩이 다음의 과정으로 제조되었다: 실리콘 수지가 소량의 Pt 촉매와 혼합된 후, 적색 InP/ZnO 양자점 비드(톨루엔에서 10mmol 용액당 20 양자점)가 첨가되었고 그 혼합물이 LED 케이스로 전달되었다. LED가 질소 분위기 하에서 경화되었다. 양자점 LED가 22mW 청색 고체 LED로 조사되었다. 고체 LED로부터 대략 455nm에서 청색 방출이 나타났다. 적색 양자점 물질의 PLmax = 648nm 이고 반치전폭=59nm였다. 적색(양자점 인광체) 광에 대한 청색 (LED)의 상대 강도는 1:0.45였다.
1차 광원으로서 청색 고체 LED와 적색 양자점 실리콘 수지를 포함하는 양자점 LED 칩이 다음의 과정으로 제조되었다: 적색 InP/ZnS 양자점 비드가 톨루엔에서 10양자점/10mmol로 희석되었다. 실리콘 수지가 소량의 Pt 촉매와 혼합된 후, 양자점 비드가 첨가되었고 그 결과 혼합물이 LED 케이스로 이동되었다. LED가 질소 분위기 하에서 경화되었다. 양자점 LED가 20mW 청색 고체 LED로 조사되었다. 고체 LED로부터 대략 455nm에서 청색 발광이 나타났다. 적색 양자점 물질의 PLmax = 646nm 이고 반치전폭=60nm였다. 적색(양자점 인광체) 광에 대한 청색 (LED)의 상대 강도는 1:0.27이었다.
1차 광원으로 청색 고체 LED를 그리고 적색 양자점 실리콘 수지를 포함하며, 엽록소 b의 흡수 스펙트럼에 잘 부합된 방출 스펙트럼을 갖는 양자점 LED 칩이 446nm에서 방출하는 청색 고체 LED 백라이트에 의해 조사된 CdSe/CdS/CdZnS/ZnS 코어-멀티쉘 양자점을 사용하여 제조되었다. 625nm의 양자점 PLmax 는 도 11에 도시된 바와 같이 35nm 의 좁은 반치전폭을 가지며 엽록소 b의 적색 흡수 극대값에 잘 부합한다. 상대적인 청색 및 적색 피크 강도는 양자점 농도를 변경함으로써 엽록소 b의 흡수 스펙트럼의 피크 강도에 잘 부합될 수 있다.
발광장치 배열(
Lighting
Arrangements
)
양자점 LED 칩이 아주 작은 LED 칩에서부터 유리 내에 포장된 인쇄된 양자점 LED 인광체 시트까지 다양하게 변할 수 있기 때문에, 여러 다른 발광 장치 배열이 가능하다. 여기에 개시된 양자점 LED 칩은 작은, 광, 휴대용 장치 및 큰 영구적인 기구에 모두 적합하다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것 같이, 양자점 형광체 시트와 결합한 LED 백라이트는 뗏장(turf)의 재-발아를 위한 풀 생장을 촉진하는데 사용될 수 있는 휴대용 장치를 만드는데 사용될 수 있다. 휴대용의 접이식 조명 기구를 사용하여, 광이 풀 생장을 촉진하기 위해서 작은 영역에 집중될 수 있고 그리고 쉽고 빠르게 이동될 있다.
도 12는 도 3 또는 도 4에 도시된 것 같이, 양자점 LED(1201)가 들어맞는 궁형 또는 케이지형 프레임워크를 도시하며, 여기서 적색 및 청색 양자점이 UV 고체 LED에 의해 조사된다. 하나 이상의 식물(1202)이 프레임워크 안에 놓일 수 있고, 광합성을 촉진할 뿐만 아니라 균일한 생장을 촉진하기 위해서 모든 방향에서 조사가 가능하다. 프레임워크는 임의의 적절한 물질로 구성될 수 있으며, 반사 물질이 유리하게 사용될 수 있다.
도 13은 조명 배열을 도시하는데, 적색 양자점 인광체가 광생물반응기(1303) 내에 침지된 손가락 형상의 돌출부를 갖는 기판(1302) 상에 인쇄되어 있다. 양자점 인광체는 청색 고체 LED를 사용하여 위쪽 그리고/또는 아래쪽에서 조사된다. 양자점 인광체로부터의 2차 방출이 광생물반응기 안으로 투사된다. 대안으로(또는 추가로), 광생물반응기 그 자체가 적색 양자점 잉크로 인쇄된 투명한 물질을 사용하여 제조될 수 있다. 광생물반응기가 그 외부에서 청색(또는 UV) 고체 LED에 의해 조사될 때, (LED로부터) 청색 광이 그리고 (양자점 인광체로부터) 적색 광이 모두 광생물반응기 안으로 방출된다.
비록 본 발명의 특정 실시 예들이 도시되고 설명되었지만, 이들은 본 특허가 보호받으려고 하는 사항을 제한하기 위한 것은 아니다. 통상의 기술자는 다양한 변화 및 변형이, 다음의 특허청구범위에 의해 보호되는 문헌적 범위 및 균등 범위로부터 벗어남 없이, 가능함을 이해할 것이다.
Claims (18)
- 양자점 집단을 포함하는 광생물반응기로서, 상기 광생물반응기는:
투명 용기; 그리고,
상기 투명 용기 내의 한천 제제;
를 포함하며,
상기 양자점 집단은 1차 발광 소자에서 방출되는 광의 일부를 흡수하도록 위치되고 광합성 세균의 광합성 색소의 흡수 스펙트럼에서 피크 내의 파장에 대응하는 광을 방출하며,
상기 양자점 집단은 상기 한천 제제에 혼합된 수용성 비드들 내에 분산되고,
상기 한천 제제는 상기 광합성 세균의 성장 배지로 사용되는,
광생물반응기. - 청구항 1에 있어서,
상기 수용성 비드들 각각은 그 표면에 배치된 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 상기 수용성 비드를 구성하는 물질과는 다른 물질을 포함하는 광생물반응기. - 청구항 2에 있어서,
상기 코팅은 중합체 또는 금속 산화물에서 선택되는 물질을 포함하는 광생물반응기. - 삭제
- 삭제
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