KR101820777B1 - 고체 조명에 유용한 양자점-기반 광 시트 - Google Patents
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Abstract
양자점-기반 광 시트 또는 막이 개시되어 있다. 일부 실시예들에서, 양자점-기반 광 시트(quantum dot-based light sheet)는 도파로의 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 양자점(QD)을 포함하는 하나 이상의 막 또는 층 및 도파로에 광학적으로 결합된 하나 이상의 LED를 포함한다. 막 또는 층은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 막 또는 층은 선택적으로 양자점들이 분산되어 있는 호스트 물질을 더 포함할 수 있다. 양자점-기반 시트 또는 막 또는 본 명세서에 개시된 광학 요소를 포함하는 고체 조명 장치도 역시 제공된다.
Description
<우선권 주장>
본 출원은 2007년 7월 18일자로 출원된 미국 출원 제60/950,598호, 2007년 9월 12일자로 출원된 미국 출원 제60/971,885호, 2007년 9월 19일자로 출원된 미국 출원 제60/973,644호, 및 2007년 12월 21일자로 출원된 미국 출원 제61/016,227호를 우선권 주장하며, 이들 출원 각각은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명은 조명 응용에 유용한 양자점-함유 막, 양자점-함유 성분, 및 이를 포함한 장치의 기술 분야에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학적으로 투명한 기판을 포함하는 광학 요소(optical component)가 제공되며, 이 기판은 기판의 표면 상에 미리 정해진 구성의 특징부들을 포함하는 층을 포함하고, 상기 특징부들 중 적어도 일부분이 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질(down-conversion material)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 특징부들은 디더링된 구성(dithered arrangement)으로 포함되어 있다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들은 디더링된 구성로 배열되어 있고, 각각의 특징부들에 포함된 하향-변환 물질은, 광학 요소가 광원에 광학적으로 결합될 때 광학 요소가 미리 선택된 컬러의 광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 광학 요소는 백색광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 광은 확산 백색광(diffuse white light)이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광학적으로 투명한 기판 도파로(substrate waveguide)를 포함하는 광학 요소(optical component)가 제공되며, 이 기판 도파로는 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질 및 고체 호스트 물질(solid host material)을 포함하고, 하향-변환 물질은 기판 표면의 미리 정해진 영역 상에 미리 정해진 구성으로 배치되며, 도파로는 광원에 광학적으로 결합되도록 구성되어 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광학적으로 투명한 기판을 포함하는 광학 요소가 제공되며, 이 기판은 기판 표면 상에 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하고, 하향-변환 물질은 2개 이상의 막을 포함하는 계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치되어 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 막은 다른 막들 중 임의의 막의 파장과 다른 파장에서 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 막들이 도파로 표면으로부터 파장이 감소하는 순서로 배열되어 있으며, 최대 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 도파로 표면에 가장 가까이 있고, 최소 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 도파로 표면으로부터 가장 멀리 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하향-변환 물질을 미리 정해진 구성으로 포함하는 복수의 특징부를 포함하는 광학 막이 제공되며, 각각의 특징부들에 포함된 하향-변환 물질은, 광학 막이 광원에 광학적으로 결합될 때 광학 막이 미리 선택된 컬러의 광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 상기 미리 정해진 구성은 디더링된 구성을 포함한다. 일부 실시예들에서, 미리 선택된 컬러는 백색이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 계층화된 구성의 2개 이상의 막을 포함하는 광학 막이 제공되며, 각각의 막에 포함된 하향-변환 물질은, 광학 막이 광원에 광학적으로 결합될 때 광학 막이 미리 선택된 컬러의 광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 막들이 파장이 감소하는 또는 증가하는 순서로 배열되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광학적으로 투명한 기판을 포함하는 고체 조명 장치(solid state lighting device)가 제공되며, 이 기판은 기판 표면 상에 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하고, 기판은 광원에 광학적으로 결합되어 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질은 기판 표면의 미리 정해진 영역 상에 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들을 포함하는 디더링된 구성로 배치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도파로 또는 기타 광학적으로 투명한 기판을 포함하는 고체 조명 장치가 제공되며, 이 도파로 또는 기판은 그의 표면 상에 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하고, 이 도파로 또는 요소는 광원에 광학적으로 결합되어 있으며, 하향-변환 물질은 2개 이상의 막을 포함하는 계층화된 구성으로 도파로 또는 요소 표면 상에 배치되어 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 막은 다른 막들 중 임의의 막의 파장과 다른 파장에서 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 막들이 도파로 표면으로부터 파장이 감소하는 순서로 배열되어 있으며, 최대 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 도파로 표면에 가장 가까이 있고, 최소 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 도파로 표면으로부터 가장 멀리 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 본 명세서에 기술된 광학 막들 중 임의의 하나 이상을 포함하는 광학 요소가 제공된다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 본 명세서에 기술된 광학 막들 및/또는 광학 요소들 중 임의의 하나 이상을 포함하는 고체 조명 장치가 제공된다.
본 개시 내용에서 고려되는 본 발명의 일부 양태들 및 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판은 도파로(waveguide)를 포함할 수 있다.
본 개시 내용에서 고려되는 본 발명의 일부 양태들 및 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판은 확산기(diffuser)를 포함할 수 있다.
본 개시 내용에서 고려되는 본 발명의 일부 양태들 및 실시예들에서, 기판은 아웃커플링 특징부(outcoupling feature)를 포함할 수 있다.
본 개시 내용에서 고려되는 본 발명의 일부 양태들 및 실시예들에서, 광원은 LED를 포함한다.
본 명세서에 기술되고 본 개시 내용에서 고려되는 이상의 양태들 및 실시예들과 기타 양태들 및 실시예들 모두가 본 발명의 실시예들을 구성한다.
이상의 개괄적인 설명 및 이하의 상세한 설명 둘다가 단지 예시적이고 설명적인 것에 불과하며 청구된 발명을 제한하는 것이 아니라는 것을 잘 알 것이다. 본 명세서에 개시된 발명의 상세 및 실시를 살펴봄으로써 다른 실시예들이 당업자에게는 명백할 것이다.
도 1은 에지형 LED(edge-lit LED), 도파로 확산기, 및 양자점 광 향상 막을 포함하는 양자점 광 시트의 일 실시예의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 청색 450 nm Phlatlight LED 및 4개의 서로 다른 QD 물질을 함유하는 QD-LEF를 갖는 CRI=96 QD-기반 광 시트의 시뮬레이션된 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 (a) 다층 막 구성, 및 (b) 공간적으로 디더링된 구성으로 된 LED-조명기구 및 광학적으로 결합된 QD-LEF의 일 실시예의 일례들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 백-커플링 어플리케이션에서 QD-LEF의 일 실시예의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
첨부된 도면들은 단지 설명을 위해 제공된 간단화된 표현이며, 실제 구조는, 특히 도시된 물품들 및 그의 양태들의 상대 척도를 비롯하여, 여러가지 점에서 서로 다를 수 있다.
본 발명의 다른 이점들 및 기능들과 함께 본 발명의 더 나은 이해를 위해, 이하의 개시 내용 및 첨부된 청구항들이 상기한 도면들과 관련하여 기술되어 있다.
도 2는 청색 450 nm Phlatlight LED 및 4개의 서로 다른 QD 물질을 함유하는 QD-LEF를 갖는 CRI=96 QD-기반 광 시트의 시뮬레이션된 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 (a) 다층 막 구성, 및 (b) 공간적으로 디더링된 구성으로 된 LED-조명기구 및 광학적으로 결합된 QD-LEF의 일 실시예의 일례들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 백-커플링 어플리케이션에서 QD-LEF의 일 실시예의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
첨부된 도면들은 단지 설명을 위해 제공된 간단화된 표현이며, 실제 구조는, 특히 도시된 물품들 및 그의 양태들의 상대 척도를 비롯하여, 여러가지 점에서 서로 다를 수 있다.
본 발명의 다른 이점들 및 기능들과 함께 본 발명의 더 나은 이해를 위해, 이하의 개시 내용 및 첨부된 청구항들이 상기한 도면들과 관련하여 기술되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하향-변환 물질을 미리 정해진 구성으로 포함하는 복수의 특징부를 포함하는 광학 막이 제공되며, 각각의 특징부들에 포함된 하향-변환 물질은, 광학 막이 광원에 광학적으로 결합될 때 광학 막이 미리 선택된 컬러의 광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 상기 미리 정해진 구성은 디더링된 구성을 포함한다. 일부 실시예들에서, 미리 선택된 컬러는 백색이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 계층화된 구성의 2개 이상의 막을 포함하는 광학 막이 제공되며, 각각의 막에 포함된 하향-변환 물질은, 광학 막이 광원에 광학적으로 결합될 때 광학 막이 미리 선택된 컬러의 광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 막들이 도파로 표면으로부터 파장이 감소하는 순서로 배열되어 있으며, 최대 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 광원에 가장 가까이 있고, 최소 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 광원으로부터 가장 멀리 있다.
이들 막은 본 명세서에 기술되는 광학 요소들 및 고체 조명 장치들 중 하나 이상에 포함되어 있을 수 있다. 양호하게는, 양자점은 반도체 나노결정을 포함한다. 일부 양호한 실시예들에서, 이러한 나노결정은 코어-쉘 구조(core-shell structure)를 포함하고, 나노결정의 적어도 일부분의 표면에 부착된 하나 이상의 리간드를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광학적으로 투명한 기판을 포함하는 광학 요소가 제공되며, 이 기판은 기판의 표면 상에 미리 정해진 구성의 특징부들을 포함하는 층을 포함하고, 상기 특징부들 중 적어도 일부분이 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판은 도파로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판은 확산기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상부 표면은 광학 요소의 상부 표면으로부터 방출되는 광을 아웃커플링하도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 기판의 가장자리에 광학적으로 결합된 광원을 갖도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 기판에 매립될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 미리 정해진 구성의 반대쪽에 있는 기판의 표면에 광학적으로 결합된 광원을 갖도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 미리 정해진 구성을 포함하는 기판의 표면에 광학적으로 결합된 광원을 갖도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 프리즘을 통해 기판의 표면에 광학적으로 결합된 광원을 갖도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, LED를 포함하는 광원이 선호된다.
일부 양호한 실시예들에서, 상기 미리 정해진 구성은 디더링된 구성을 포함한다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질은 산란체(scatterer)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 산란체가 하향-변환 물질의 중량에 기초하여 약 0.001 내지 약 15 중량 퍼센트 범위의 양만큼 포함되어 있다. 일부 실시예들에서, 산란체가 하향-변환 물질의 중량에 기초하여 약 0.1 내지 2 중량 퍼센트 범위의 양만큼 포함되어 있다.
일부 실시예들에서, 미리 정해진 구성은 하향-변환 물질을 포함하는 특징부 및 산란체 및/또는 비산란 물질(nonscattering material)을 포함하는 특징부를 포함한다.
일부 실시예들에서, 미리 정해진 구성은 하향-변환 물질을 포함하는 특징부 및 아웃커플링 및/또는 비산란 기능을 갖는 물질을 포함하는 특징부를 포함한다. 비산란 물질의 예로는 투명 아크릴(clear acrylic), UV 경화성 접착제, 또는 폴리카보네이트가 있다.
다른 적합한 비산란 물질이 상업적으로 이용가능하다. 일부 실시예들에서, 광학적으로 투명한 비산란 물질이 선호된다.
일부 실시예들에서, 미리 정해진 구성은 하향-변환 물질을 포함하는 특징부 및 반사 물질을 포함하는 특징부를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 요소는 반사 물질을 포함하는 층을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사 물질은 은 입자(silver particle)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 비경면 반사 물질(non-specular reflective material)이 선호될 수 있다.
일부 실시예들에서, 미리 정해진 구성은 하향-변환 물질을 포함하는 특징부, 반사 물질을 포함하는 특징부, 및 산란체를 포함하는 특징부를 포함한다.
일부 실시예들에서, 산란체는 이산화티탄, 황산바륨, 산화 아연, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 다른 산란체의 예들이 본 명세서에 제공된다.
일부 실시예들에서, 기판은 도파로를 포함하고, 하향-변환 물질을 포함하는 특징부는 LED로부터의 도파로 광 방출(waveguided light emission)의 제1 부분의 적어도 일부분의 파장을 변환시킬 수 있고, 산란체를 포함하는 특징부는 LED로부터의 도파로 광 방출의 제2 부분을 아웃커플링할 수 있으며, 반사 물질을 포함하는 특징부는 도파로(waveguide)로부터 방출된 광 또는 QD로부터의 하향 변환된 광의 적어도 일부분을 재순환시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 상부 표면은 광을 아웃커플링하기 위한 마이크로렌즈(microlens)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 상부 표면은 광을 아웃커플링하기 위한 미세-릴리프 구조(micro-relief structure)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 미리 정해진 구성의 특징부들이 기판 표면의 미리 정해진 영역 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들은 디더링된 구성로 배열되어 있고, 각각의 특징부들에 포함된 하향-변환 물질은, 광학 요소가 광원에 광학적으로 결합될 때 광학 요소가 백색광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택된다.
일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 다른 특징부들과 광학적으로 분리(optically isolated)되어 있다.
일부 실시예들에서, 특징부들 중 거의 전부가 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있다.
일부 실시예들에서, 특징부들이 공기에 의해 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 특징부들이 저굴절률 또는 고굴절률 물질에 의해 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질은 양자점들이 분산되어 있는 호스트 물질을 더 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질이 호스트 물질의 중량에 기초하여 약 0.001 내지 약 15 중량 퍼센트의 양자점들을 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질이 호스트 물질의 중량에 기초하여 약 0.1 내지 약 5 중량 퍼센트의 양자점들을 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질이 호스트 물질의 중량에 기초하여 약 1 내지 약 3 중량 퍼센트의 양자점들을 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질이 호스트 물질의 중량에 기초하여 약 2 내지 약 2.5 중량 퍼센트의 양자점들을 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 산란체가 또한 호스트 물질의 중량에 기초하여 약 0.001 내지 약 15 중량 퍼센트 범위의 양만큼 하향-변환 물질에 포함되어 있다. 일부 실시예들에서, 산란체가 호스트 물질의 중량에 기초하여 약 0.1 내지 2 중량 퍼센트 범위의 양만큼 포함되어 있다. 일부 실시예들에서, 호스트 물질은 바인더(binder)를 포함한다. 호스트 물질의 예들이 이하에서 제공된다.
일부 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판 도파로를 포함하는 광학 요소가 제공되며, 이 기판 도파로는 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질 및 고체 호스트 물질을 포함하고, 하향-변환 물질은 기판 표면의 미리 정해진 영역 상에 미리 정해진 구성으로 배치되며, 도파로는 광원에 광학적으로 결합되도록 구성되어 있다.
일부 양호한 실시예들에서, 미리 정해진 구성은 디더링된 구성을 포함한다.
일부 실시예들에서, 미리 정해진 구성은 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들을 포함하고 있다.
일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 미리 정해진 아웃커플링 각도(outcoupling angle)를 갖도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 실질적으로 반구형인 표면(substantially hemispherical surface)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 곡면(curved surface)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 프리즘 형상(prism geometry)을 포함할 수 있다.
특징부들은 몰딩(molding)되거나, 레이저 패터닝되거나, 화학적 에칭되거나, 프린팅(예를 들어, 스크린-프린팅, 컨택트 프린팅, 또는 잉크젯 프린팅(이들로 제한되지 않음))되거나, 다른 기법에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 요소가 기판의 가장자리에 광학적으로 결합된 광원을 갖는 것으로 생각할 때, 특징부들의 수 및 특징부들의 서로에 대한 근접성이 광원으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 환언하면, 광학 요소의 표면 상에서의 특징부들의 밀도가 특징부들과 조명된 가장자리 간의 거리가 증가함에 따라 커진다. 이러한 실시예들에서, 광학 요소로부터 방출된 광이 기판 표면의 미리 정해진 영역에 걸쳐 (예를 들어, 컬러 및/또는 휘도와 관련하여) 실질적으로 균일할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 요소의 발광 표면 쪽으로 광을 반사시키기 위해, 반사 물질을 포함하는 층이 포함되고 LED 및 도파로 또는 다른 기판에 대해 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 물질을 포함하는 층이 하향-변환 물질을 포함하는 표면의 반대쪽에 있는 기판의 표면 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 요소는 LED가 결합되어 있는 가장자리의 반대쪽에 있는 기판의 가장자리에 반사 물질을 더 포함하고 있다.
일부 실시예들에서, 기판의 가장자리의 적어도 일부분 주변에 반사 물질이 포함되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광학적으로 투명한 기판을 포함하는 광학 요소가 제공되며, 이 기판은 기판 표면 상에 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하고, 하향-변환 물질은 2개 이상의 막을 포함하는 계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치되어 있다.
일부 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판은 도파로를 포함한다.
일부 실시예들에서, 광학적으로 투명한 기판은 확산기를 포함한다.
일부 실시예들에서, 기판의 상부 표면은 광학 요소의 발광 표면으로부터 방출되는 광을 아웃커플링하도록 구성되어 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 막은 다른 막들 중 임의의 막의 파장과 다른 파장에서 광을 방출할 수 있다.
일부 실시예들에서, 막들이 도파로 표면으로부터 파장이 감소하는 순서로 배열되어 있으며, 최대 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 도파로 표면에 가장 가까이 있고, 최소 파장으로 광을 방출할 수 있는 막이 도파로 표면으로부터 가장 멀리 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막, 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 막, 및 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제4 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합될 수 있는 UV 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다.
본 명세서에 기술된 일부 실시예들에서, UV 광원은 405 nm 광을 방출할 수 있는 LED를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 일부 실시예들에서, UV 광원은 405 nm 광을 방출할 수 있는 레이저를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 일부 실시예들에서, UV 광원은 UV 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp)를 포함할 수 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 광학적으로 투명한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하는 제1 막, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막, 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 막, 및 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제4 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다.
일부 실시예들에서, 청색 광원은 450 nm 또는 470 nm 광을 방출할 수 있는 LED를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 청색 광원은 450 nm 또는 470 nm 광을 방출할 수 있는 레이저를 포함할 수 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막, 및 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막, 및 광을 아웃커플링시키기 위한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하는 제3 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막 및 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막 및 광을 아웃커플링시키기 위한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하는 제2 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막, 오렌지색 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막, 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 막, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제4 막, 및 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제5 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
계층화된 구성으로 기판 표면 상에 배치된 하향-변환 물질을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 계층화된 구성은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 막, 오렌지색 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 막, 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 막, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제4 막, 및 광을 아웃커플링시키기 위한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하는 제5 막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제2 부분은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제3 부분은 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제4 부분은 적색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 광학적으로 투명한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하고, 상기 특징부들의 제2 부분은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제3 부분은 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제4 부분은 적색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제2 부분은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제3 부분은 청색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 광학적으로 투명한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하고, 상기 특징부들의 제2 부분은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제3 부분은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제2 부분은 황색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 광학적으로 투명한 산란체 또는 비산란 물질을 포함하며, 상기 특징부들의 제2 부분은 황색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제2 부분은 오렌지색 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제3 부분은 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제4 부분은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제5 부분은 청색광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. UV 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
기판 상에 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성(양호하게는 디더링된 구성)의 특징부들을 포함하는 광학 요소의 일부 실시예들에서, 상기 특징부들의 제1 부분은 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제2 부분은 오렌지색 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제3 부분은 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하고, 상기 특징부들의 제4 부분은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하며, 상기 특징부들의 제5 부분은 광학적으로 투명한 산란체 또는 비산란 물질을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 광학 요소는 기판에 광학적으로 결합된 청색광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치에 포함되어 있다. 청색 광원의 일례로는 이상에서 기술된 것들이 있다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 광학 요소들 및/또는 광학 막들 중 임의의 것을 포함하는 고체 조명 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도파로의 표면 상에 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 도파로 및 이 도파로에 광학적으로 결합될 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치가 제공된다. 일부 실시예들에서, 도파로의 상측 또는 상부 표면은 광을 아웃커플링시키도록 구성되어 있다. 일부 실시예들에서, 상측 또는 상부 표면은 광을 아웃커플링시키기 위한 마이크로렌즈(microlens)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상측 또는 상부 표면은 광을 아웃커플링시키기 위한 미세-릴리프 구조(micro-relief structure)를 포함한다. (광을 아웃커플링시키도록 구성된 표면을 포함하는 도파로를 본 명세서의 다른 곳에서 도파로 확산기(waveguide-diffuser)이라고도 한다
일부 실시예들에서, 아웃커플링 층 또는 요소는 하향-변환 물질을 포함하는 도파로의 표면 상부에 포함되어 있다. 일부 실시예들에서, 상측 또는 상부 표면은 광을 아웃커플링시키기 위한 마이크로렌즈를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상측 또는 상부 표면은 광을 아웃커플링시키기 위한 미세-릴리프 구조를 포함한다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질은 호스트 물질을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 양자점이 호스트 물질 내에 균일하게 분산되어 있다. 일부 실시예들에서, 호스트 물질은 바인더를 포함한다.
일부 실시예들에서, 광원은 LED를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 레이저를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 냉음극 컴팩트 형광 램프를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 UV 방출기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 청색광을 방출한다.
일부 실시예들에서, 광원은 도파로의 가장자리에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 도파로에 매립되어 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 하향-변환 물질의 반대쪽에 있는 도파로의 표면에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 하향-변환 물질을 포함하는 도파로의 표면에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 프리즘을 통해 도파로에 광학적으로 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 산란체들이 장치에 더 포함되어 있다. 산란체들이 장치 내의 층에 포함되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들을 포함하는 층은 하향-변환 물질이 포함되어 있는 도파로의 표면 상부에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들이 하향-변환 물질에 더 포함되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들이 도파로 표면 상부에 배치된 특징부들에 포함되어 있다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질이 도파로의 표면 상에 배치된 막에 포함되어 있다.
일부 실시예들에서, 막은 하향-변환 물질을 포함하는 미리 정해진 구성의 특징부들을 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 막은 양자점 및 산란체를 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 특징부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 막은 하향-변환 물질 없이 산란체를 포함하는 특징부들을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 막은 반사 물질을 포함하는 특징부들을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 막은 반사 비산란 물질을 포함하는 특징부들을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 막은 미리 정해진 구성의 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들 및 반사 물질을 포함하는 특징부들을 포함하고 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들이 하향-변환 물질에도 포함되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 장치는 반사 물질을 포함하는 막을 포함하고 있다. 양호한 반사 물질의 예로는 은 입자(silver particle)가 있다. 대안으로서, 기타 반사 물질이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사 물질을 포함하는 막이 하향-변환 물질이 배치된 표면의 반대쪽에 있는 도파로의 표면에 코팅될 수 있다.
일부 실시예들에서, 장치의 발광 표면 쪽으로 광을 반사시키기 위해, 반사 물질을 포함하는 막이 장치 내에서 광원 및 도파로에 대해 배치된다.
일부 실시예들에서, 반사 물질은 LED가 결합되어 있는 가장자리의 반대쪽에 있는 도파로의 가장자리에 포함되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 물질은 LED가 결합되어 있는 표면의 반대쪽에 있는 도파로의 표면에 포함되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로의 가장자리의 적어도 일부분 주변에 반사 물질이 배치되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 고체 조명 장치는 도파로의 표면 상의 미리 정해진 구성의 특징부들 및 도파로에 광학적으로 결합된 광원을 포함하며, 특징부들의 제1 부분은 하향-변환 물질을 포함하고, 특징부들의 제2 부분은 산란체를 포함하며, 특징부들의 제3 부분은 반사 (양호하게는 비산란) 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 특징부는 광원으로부터의 도파로 광 방출의 제1 부분의 적어도 일부분의 파장을 변환시킬 수 있고, 산란체들을 포함하는 특징부는 광원으로부터의 도파로 광 방출의 제1 부분을 아웃커플링시킬 수 있으며, 반사 물질은 광의 적어도 일부분을 다시 도파로 내로 재순환시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들은 디더링된 구성로 배열되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들은 서로 광학적으로 분리되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들은 공기에 의해 서로 광학적으로 분리되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들은 저굴절률 물질에 의해 서로 광학적으로 분리되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들은 고굴절률 물질에 의해 서로 광학적으로 분리되어 있다.
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질은 도파로 표면의 미리 정해진 영역 상에 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들을 포함하는 디더링된 구성로 배치된다. 일부 실시예들에서, 이러한 특징부들은 디더링된 구성로 배열되어 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들 중 적어도 일부분이 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 공기에 의해 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들 중 적어도 일부분이 저굴절률 물질에 의해 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질 없이 산란체들을 포함하는 특징부들은 디더링된 구성로 포함되어 있다.
디더링된 구성의 특징부들을 포함하는 일부 실시예들에서, 광원은 도파로의 가장자리에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들의 밀도(예를 들어, 특징부들의 수 및 특징부들의 상호 근접성)는 특징부들과 광원 간의 거리가 멀어짐에 따라 더 크다.
일부 실시예들에서, 특징부들은 도파로 표면의 미리 정해진 영역에 걸쳐 실질적으로 균일한 광 방출을 달성하도록 구성 및 배열되어 있다.
일부 실시예들에서, 특징부는 미리 정해진 아웃커플링 각도를 갖도록 구성되어 있다.
일부 실시예들에서, 특징부는 실질적으로 반구형인 표면을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 특징부는 곡면을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 특징부들이 몰딩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들이 레이저 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징부들이 화학적으로 에칭될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도파로의 표면 상에 양자점들을 포함하는 하나 이상의 하향-변환 물질을 포함하는 도파로 및 이 도파로에 광학적으로 결합될 수 있는 광원을 포함하는 고체 조명 장치가 제공되고, 하나 이상의 하향-변환 물질은 도파로 표면 상에 개별적인 층들로서 배치된다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 각각의 층은 하향-변환 물질을 포함하는 다른 층들의 파장과 다른 파장에서 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 층들이 도파로 표면으로부터 파장이 감소하는 순서로 배열되어 있다. 예를 들어, 최대 파장으로 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 층이 도파로 표면에 가장 가깝게 배치되고, 계층화된 구성의 최소 파장으로 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질을 포함하는 층이 도파로 표면으로부터 가장 멀리 배치된다.
UV 방출 광원을 포함하는 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 계층화된 구성은 청색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제1 층, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 층, 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 층, 및 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제4 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 450 nm 파장을 갖는 UV 광을 방출할 수 있는 LED를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 450 nm 파장을 갖는 UV 광을 방출할 수 있는 레이저를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 UV 냉음극 형광 램프를 포함한다.
UV 광을 방출할 수 있는 광원을 포함하는 일부 실시예들에서, 장치로부터 방출된 광으로부터 UV 광을 제거하기 위해 UV 필터가 더 포함될 수 있다.
청색 방출 광원을 포함하는 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 계층화된 구성은 산란체들을 포함하는 제1 층, 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제2 층, 및 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 제3 층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광원은 450 nm 파장을 갖는 청색광을 방출할 수 있는 LED를 포함한다.
일부 실시예들에서, 미리 선택된 발광 능력을 갖는 다른 미리 정해진 계층화된 또는 디더링된 구성의 하향-변환 물질이 미리 정해진 광 출력을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
UV 광원을 이용하는 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들에서, 장치로부터 방출된 광으로부터 UV 광을 제거하기 위해 UV 필터가 더 포함될 수 있다.
하향-변환 물질의 층들 또는 막들을 포함하는 본 명세서에 기술된 본 발명의 일부 실시예들에서, 두께는 약 0.1 내지 약 200 미크론일 수 있다. 일부 실시예들에서, 두께는 100 미크론 미만, 50 미크론 미만, 20 미크론 미만 등이다. 양호한 막 두께는 약 10 내지 약 20 미크론이다.
일부 실시예들에서, 광학 막은 광학 기판 상에 라미네이트된다.
일부 실시예들에서, 가요성(flexible) 또는 순응성(conformable) 광원이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 막이 박리 기판(release substrate) 상에 준비되고 광학 기판으로 전사될 수 있다.
일부 실시예들에서, QD 막을 환경으로부터 보호하기 위해 보호 환경 코팅(protective environmental coating)이 또한 발광면(emitting face)에 도포될 수 있다. 양호하게는, 이 층이 낮은 굴절률을 가지며, 마이크로렌즈 등의 아웃커플링 구조를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 도파로의 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 양자점(QD)을 포함하는 하향 변환 물질을 포함하는 하나 이상의 막 또는 층 및 도파로에 광학적으로 결합된 하나 이상의 LED를 포함하는 양자점-기반 광 시트(quantum dot-based light sheet)에 관한 것이다. 막 또는 층은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 막 또는 층에 포함된 하향-변환 물질은 선택적으로 양자점들이 분산되어 있는 호스트 물질을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 양자점-기반 광 시트는 산란체들을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들이 하향-변환 물질에 포함되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들이 개별적인 층에 포함되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 막 또는 층이 특징부들을 포함하는 미리 정해진 구성으로 배치될 수 있으며, 특징부들의 일부분이 산란체들은 포함하지만 하향-변환 물질은 포함하지 않는다. 이러한 실시예들에서, 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들은 선택적으로 산란체들도 포함할 수 있다.
본 개시 내용에서 고려되는 본 발명의 실시예들 및 양태들에서 사용될 수 있는 산란체(광 산란 입자(light scattering particle)라고도 함)의 일례로는 금속 또는 금속 산화물 입자, 기포(air bubble), 그리고 유리 및 폴리머 비드(속이 차 있거나 속이 비어 있음)가 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 당업자라면 다른 산란체들도 용이하게 알아낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들은 구 형상(spherical shape)을 갖는다. 산란 입자의 양호한 일례로는 TiO2, SiO2, BaTiO3, BaSO4, 및 ZnO가 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 호스트 물질과 반응하지 않고 호스트 물질에서 여기광(excitation light)의 흡수 경로 길이(absorption path length)를 증가시킬 수 있는 기타 물질들의 입자들이 사용될 수 있다. 또한, 하향-변환된 광(down-converted light)을 아웃커플링시키는 데 도움이 되는 산란체들이 사용될 수 있다. 이들은 흡수 파장 길이를 증가시키는 데 사용되는 동일 산란체이거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란체들은 높은 굴절률(예를 들어, TiO2, BaSO4, 기타) 또는 낮은 굴절률(기포)을 가질 수 있다. 양호하게는, 산란체들이 발광성이 없다.
산란체들의 크기 및 크기 분포의 선택이 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 크기 및 크기 분포는 양호하게는 산란 입자와 산란체가 분산되어야 할 호스트 물질의 굴절률 불일치, 및 Rayleigh 산란 이론(Rayleigh scattering theory)에 따라 산란되어야 할 미리 선택된 파장(들)에 기초하고 있다. 호스트 물질에서의 분산성(dispersability) 및 안정성(stability)을 향상시키기 위해 산란 입자의 표면이 추가로 처리될 수 있다. 일 실시예에서, 산란 입자는 약 0.001 내지 약 20 중량 퍼센트 범위의 농도로 0.2 ㎛ 입자 크기의 TiO2(DuPont의 R902+)를 포함한다. 일부 양호한 실시예들에서, 산란체의 농도 범위는 0.1 중량 퍼센트 내지 10 중량 퍼센트이다. 일부 보다 양호한 실시예들에서, 조성물은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 5 중량 퍼센트, 가장 양호하게는 약 0.3 중량 퍼센트 내지 약 3 중량 퍼센트 범위의 농도로 산란체(양호하게는 TiO2를 포함함)를 포함한다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 다양한 실시예들 및 양태들에서 유용한 호스트 물질의 예로는 폴리머(polymer), 모노머(monomer), 수지, 바인더, 유리, 금속 산화물, 및 기타 비폴리머 물질이 있다. 일부 실시예들에서, 전하를 소산(dissipate)시킬 수 있는 첨가제가 호스트 물질에 더 포함되어 있다. 일부 실시예들에서, 전하 소산 첨가제는 포획된 전하를 소산시키는 데 효과적인 양만큼 포함되어 있다. 일부 실시예들에서, 호스트 물질은 광도전성이 없고(non-photoconductive), 또한 전하를 소산시킬 수 있는 첨가제를 포함하고 있으며, 이 첨가제는 포획된 전하를 소산시키는 데 효과적인 양만큼 포함되어 있다. 양호한 호스트 물질은 가시광 및 비가시광의 선택된 파장들에 대해 적어도 부분적으로 투명한, 양호하게는 완전히 투명한 폴리머 및 비폴리머 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 사전 선택된 파장들은 전자기 스펙트럼의 가시 영역(예를 들어, 400 - 700 nm), 자외선 영역(예를 들어, 10 - 400 nm), 및/또는 적외선 영역(예를 들어, 700 nm - 12 ㎛)에서의 광의 파장들을 포함할 수 있다. 양호한 호스트 물질은 가교된 폴리머(cross-linked polymer) 및 용매-캐스팅된 폴리머(solvent-cast polymer)를 포함한다. 양호한 호스트 물질의 일례로는 유리 또는 투명 수지가 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 상세하게는, 가공성(processability)의 관점에서 비경화성 수지, 열 경화성 수지, 또는 광 경화성 수지 등의 수지가 적절히 사용된다. 이러한 수지의 구체적인 예로서, 올리고머(oligomer) 또는 폴리머의 형태로, 멜라민 수지, 페놀 수지, 알킬 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 마레인산 수지, 폴리아미드 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐피롤리돈, 하이드록시에틸셀룰로스, 카르복시메틸셀룰로스, 이들 수지를 형성하는 모노머를 함유하는 코폴리머(copolymer) 등이 있다. 당업자라면 다른 적당한 호스트 물질을 용이하게 알아낼 수 있다. 양호하게는 호스트 물질이 금속이 아니다.
일부 실시예들에서, 호스트 물질은 광 경화성 수지를 포함한다. 광 경화성 수지는 조성물이 패터닝되어야 하는 일부 실시예들에서 양호한 호스트 물질일 수 있다. 광 경화성 수지로서, 반응성 비닐기(reactive vinyl group)를 함유하는 아크릴산 또는 메타크릴산 계열 수지 등의 광중합성(photo-polymerizable) 수지, 일반적으로 폴리비닐 신나메이트, 벤조페논 등의 감광제(photo-sensitizer)를 함유하는 광가교성 수지(photo-crosslinkable resin)가 사용될 수 있다. 감광제가 사용되지 않을 때 열 경화성 수지가 사용될 수 있다. 이들 수지는 개별적으로 또는 2개 이상이 함께 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 호스트 물질은 용매-캐스팅된 수지(solvent-cast resin)를 포함한다. 폴리우레탄 수지, 마레인산 수지, 폴리아미드 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐피롤리돈, 하이드록시에틸셀룰로스, 카르복시메틸셀룰로스, 이들 수지를 형성하는 모노머를 함유하는 코폴리머 등의 폴리머가 공지된 용매에 용해될 수 있다. 용매의 증발 시에, 수지는 반도체 나노입자에 대한 고체 호스트 물질을 형성한다. 일부 실시예들에서, 양자 구속(quantum confined) 반도체 나노입자 및 호스트 물질을 포함하는 조성물이 양자 구속 반도체 나노입자 및 액체 용매(liquid vehicle)를 포함하는 잉크 조성물로부터 형성될 수 있고, 액체 용매는 가교될 수 있는 하나 이상의 작용기(functional group)를 포함하는 조성물을 구성한다. 기능 단위(functional unit)가, 예를 들어, UV 처리, 열 처리, 또는 당업자라면 용이하게 확인할 수 있는 다른 가교 기법에 의해 가교될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가교될 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함하는 조성물이 액체 용매 자체일 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성물이 공용매(co-solvent)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 조성물이 액체 용매와의 혼합물인 조성물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 잉크가 산란체를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 양자점(예를 들어, 반도체 나노결정)이 호스트 물질 내에 개별적인 입자로서 분포되어 있다. 양호하게는, 양자점이 호스트 물질 내에 잘 분산되어 있다.
일부 실시예들에서, 아웃커플링 부재 또는 구조도 포함되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 부재 또는 구조가 도파로 또는 하향-변환 물질의 표면에 걸쳐 분포되어 있을 수 있다. 일부 양호한 실시예들에서, 이러한 분포가 균일하거나 거의 균일하다. 일부 실시예들에서, 보다 균일한 광 분포를 달성하기 위해 커플링 부재 또는 구조의 형상, 크기 및/또는 빈도가 다를 수 있다. 일부 실시예들에서, 커플링 부재 또는 구조가 플러스일 수 있거나(즉, 도파로의 표면 상부에 있음), 마이너스일 수 있거나(즉, 도파로의 표면 내로 함몰되어 있음), 이 둘의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 호스트 물질 및 양자 구속 반도체 나노입자를 포함하는 조성물을 포함하는 하나 이상의 특징부들이 플러스 커플링 부재 또는 구조의 표면에 및/또는 마이너스 커플링 부재 또는 구조 내에 도포될 수 있다.
일부 실시예들에서, 커플링 부재 또는 구조가 몰딩, 엠보싱, 라미네이션, 경화성 배합(curable formulation)(예를 들어, 스프레이, 리쏘그라피, 프린팅(스크린, 잉크젯, 플렉소 프린팅(flexography), 기타), 기타(이들로 제한되지 않음)를 비롯한 기법에 의해 형성됨)을 도포하는 것에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, LED는 개선된 컬러 렌더링 및 개선된 조명기구 효율(luminaire efficiency) 둘다를 갖는 광 출력을 생성하는 청색 발광 PhlatLight LED를 포함한다. 양호하게는, 광은 적어도 약 90인 연색 지수(Color Rendering Index)를 갖는다. 양호하게는, 조명기구 효율은 적어도 약 50 lm/W이다. (양자점-기반 광 시트를 본 명세서에서 양자점 광 시트(quantum dot light sheet)(QDLS)라고도 한다.)
일부 실시예들에서, 광을 확산시키기 위해, 하나 이상의 효율적으로 에지-결합되고 콜리메이트된 고효율 청색 Phlatlight LED가 도파로에 결합되어 있다.
일부 실시예들에서, 도파로는 평탄하다. 일부 실시예들에서, 상업적으로 이용가능한 도파로가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상업적으로 이용가능한 확산기가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상업적으로 이용가능한 도파로-확산기가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로 및/또는 확산기가 광원으로부터 도파로 요소에 결합된 광에 대해 그리고 양자점에 의해 방출된 광에 대해 투명하다.
일부 실시예들에서, 도파로 및/또는 확산기는 도파로 요소 특성을 갖는 강성 물질, 예를 들어, 유리, 폴리카보네이트, 아크릴, 수정, 사파이어, 또는 기타 공지된 강성 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로 및/또는 확산기는 대안으로서 가요성 물질, 예를 들어, 플라스틱 또는 실리콘 등의 폴리머 물질(예를 들어, 얇은 아크릴, 에폭시, 폴리카보네이트, PEN, PET, PE로 제한되지 않음)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파로 및/또는 확산기는 평면이다.
일부 실시예들에서, 광이 방출되는 도파로 및/또는 확산기의 표면은 투과되는 광의 패턴, 각도 또는 기타 특징을 향상 또는 다른 방식으로 변경하도록 선택된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이 표면이 평탄할 수 있고, 일부 실시예들에서, 이 표면이 평탄하지 않을 수 있으며(예를 들어, 이 표면이 거칠거나 이 표면이 하나 이상의 융기된 및/또는 함몰된 특징부들을 포함함), 일부 실시예들에서, 이 표면이 평탄한 영역과 평탄하지 않은 영역 둘다를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, QDLS는 LED-확산기 패키징을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, QDLS는 장치의 열 출력을 방향 전환 또는 소산시키는 특징부들을 더 포함한다.
일부 양호한 실시예들에서, 양자점은 미리 정해진 파장의 광을 방출할 수 있는 양자점을 포함한다. 일부 실시예들에서, 양자점은 2개 이상의 서로 다른 양자점들을 포함하며, 각각의 양자점은 나머지 다른 양자점들에 의해 방출되는 컬러과 다른 미리 정해진 컬러의 광을 방출할 수 있다. 양호하게는, 양자점은 높은 양자 수율(quantum yield)(예를 들어, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 적어도 90%)을 갖는다.
일부 실시예들에서, QDLS는 아웃커플링 막을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, QDLS는 다층 하향 변환 아웃커플링 막(multi-layer down conversion outcoupling film)을 포함한다.
일부 실시예들에서, QDLS는 RoHS 규제를 만족시킨다(RoHS compliant).
일부 실시예들에서, QDLS는 양자점들을 포함하는 광 향상 막(QD-LEF)을 포함하는 복합 하향-변환 확산기 도파로(composite down-conversion diffuser waveguide)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 QDLS는 백색광을 방출할 수 있고 적어도 50 lm/W의 조명기구 효율, 적어도 90의 CRI를 갖는다. 일부 실시예들에서, 양자점들을 포함하는 시트에 의해 방출되는 광의 색안정성(color stability)이 LED 입력 광속에 의존하지 않는다.
일부 실시예들에서, 아주 효율적이고 안정된 연색 지수(CRI)를 갖는, 발광 면적이 큰 양자점(QD) 광 시트(QDLS)를 포함하는 QDLS는 작업 조명 응용에 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, QDLS 설계는 가장자리-결합용 Luminus Devices의 고효율 청색 Phlatlight LED를, 효율적이고 안정적인 색변환을 위한 양자점 광 향상 막(QD-LEF)으로 코팅되어 있는 상업적으로 이용가능한 도파로 확산기에 포함하고 있다. 이 설계는 넓은 범위의 휘도(intensity)에 걸쳐 전례없는 색안정성 성능을 갖는 고효율 CRI=90 백색광을 발생할 것으로 예상된다.
양호하게는, 양자점이 콜로이드 합성(colloidal synthesis)에 의해 준비된다. 가장 양호하게는, 양자점의 표면이 하향-변환 막을 형성하기 위해 시트 내에 포함된 물질과 친화성 있는(compatible) 표면 캐핑 리간드(surface capping ligand)를 포함한다. 이러한 물질 친화성(material compatibility)은 안정되고 효율적인 QD 하향-변환 막을 제공하게 된다. 일부 실시예들에서, 시트에 포함된 물질은 유기 폴리머 호스트 물질을 포함한다.
일부 실시예들에서, 양자점은 코어-쉘(core-shell) 구조를 포함한다. 양호하게는, 쉘은 코어의 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 두껍고(예를 들어, 2개 이상의 단분자막(monolayer), 5개 이상의 단분자막, 7개 이상의 단분자막, 10개 이상의 단분자막) 단계적인 균일한 합금층을 포함한다. 이러한 코어-쉘 구조는 방출의 안정성 및 효율성을 향상시킨다. 가장 양호하게는, 양자점 하향 변환 막에 포함된 양자점은 좁은 크기 분포 및 높은 양자 수율(quantum yield)(QY)을 위해 선택된 파장에서 광을 방출할 수 있는 코어-쉘 QD 물질을 포함한다.
일부 실시예들에서, 양자점 하향 변환 막은 용액-기반 피착(solution-based deposition) 기법에 의해 QDLS에 포함된다.
일부 실시예들에서, 양자점 하향 변환 막은 고체 상태에 있는 양자점의 양자 수율(QY)을 유지하고, 높은 CRI 및 광 추출 효율을 달성함은 물론 SSL 응용에서 양자점에 안정되고 수명이 긴 환경을 제공하도록 선택된 호스트 매트릭스(host matrix)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각의 QD 하향-변환 층은 동일하거나 서로 다를 수 있다.
일부 양호한 실시예에서, QDLS는 LED, 하나 이상의 서로 다른 양자점들을 포함하는 시트 또는 막, 그리고 높은 CRI를 달성하기 위해 QD 광 향상에 적합한 도파로 및/또는 확산기를 포함한다. 일부 실시예들에서, LED는 Luminus Devices로부터 입수가능한 Phlatlight를 포함한다. 확산기는 그의 컬러, 전력 효율, 휘도, 비용, 및 폼팩터(form factor)에 기초하여 선택된다. 특히 바람직한 LED-확산기 결합 어셈블리(LED-diffuser coupled assembly)는 LED 조명기구와 확산기는 물론 확산기과 QD-LEF 간의 삽입 손실(insertion loss)을 최소화시키며, 특히 강조할 점은 재흡수를 완화시킨다는 것이다.
양호하게는, QDLS 요소는 재흡수를 최소화시키는 것과 함께 LED-확산기 및 DCM-확산기 결합 광학계를 향상시키는 것을 비롯한 요소 상호작용이 최대 모듈 효율 및 CRI 대 전류 및 수명은 물론 모듈 단가의 절감을 실현하도록 선택되고 구성된다.
일부 실시예들에서, LED 및 구동기 어셈블리는 적어도 20%, 보다 양호하게는 적어도 30%의 LED 벽 플러그 효율(wall plug efficiency)을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED는 450 nm의 피크 파장을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED는 20 nm 이하의 FWHM을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED 구동기 어셈블리는 적어도 85%, 보다 양호하게는 적어도 90%의 구동기 효율을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED는 Luminus Devices로부터 입수가능한 Phlatlight를 포함한다.
확산기를 포함하는 일부 실시예들에서, LED 결합 효율은 적어도 60%, 보다 양호하게는 적어도 75%이다.
일부 실시예들에서, 광원으로부터 방출된 광의 적어도 일부분이 광원으로부터 확산기 및/또는 도파로 내로 광학적으로 결합될 수 있게 하는 하나 이상의 결합 부재 또는 구조가 포함될 수 있다. 이러한 부재 또는 구조는, 예를 들어, 확산기 및/또는 도파로의 표면에 부착되어 있거나, 확산기 및/또는 도파로의 표면으로부터 돌출해 있거나(예를 들어, 프리즘, 격자, 기타), 적어도 부분적으로 도파로 및/또는 확산기에 매립되어 있거나, 적어도 부분적으로 도파로 및/또는 확산기에 있는 캐비티 내에 배치되어 있는 부재 또는 구조를 포함하지만, 그것으로 제한되지 않는다.
확산기를 포함하는 일부 실시예들에서, 확산기는 적어도 70%, 양호하게는 적어도 80%의 확산기 투과 효율(diffuser transmission efficiency)을 갖는다.
일부 실시예들에서, QD 광 향상 막은 적어도 60%, 양호하게는 적어도 70%의 하향 변환 효율을 갖는다.
QDLS의 일부 실시예들에서, 방사의 발광 효율(luminous efficacy)(lumens/watt)은 적어도 약 330, 양호하게는 적어도 약 400이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, QDLS는 적어도 85%, 보다 양호하게는 적어도 90%의 CRI를 갖는 광을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, QDLS는 5500K의 색온도(CCT)를 갖는 광을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, 총 광속(total lumen output)이 적어도 294, 양호하게는 적어도 504이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, 조명기구 효율이 적어도 42%, 양호하게는 적어도 60%이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, 전체 시스템 효율(total system efficacy)(lm/W)이 적어도 17, 양호하게는 적어도 50이다.
QDLS의 일 실시예의 치수의 일례는 10 cm X 30 cm의 면적 및 10 mm의 두께를 포함하지만, 그것으로 제한되지 않는다.
본 발명의 QDLS의 실시예의 일례의 개략도가 도 1에 제공되어 있다. 도 1은 에지형 LED(edge-lit LED), 도파로 확산기(waveguiding diffuser), 및 양자점 광 향상 막(quantum dot light enhancement film)(QD-LEF)을 포함하는 양자점 광 시트(quantum dot light sheet)(QDLS)를 나타낸 것이다. 도파로 요소는 또한, 광을 아웃커플링시키는 QD 향상 막에 따라서만, 기본적인 도파 기능(waveguiding) 이외에 부가적인 확산 특성을 최소한으로 갖거나 전혀 갖지 않을 수 있다. 아웃커플링을 향상시키기 위해 도파로의 비발광면(non-emitting face)이 부가의 반사 표면으로 코팅될 수 있다.
본 발명의 QDLS는 고체 조명 응용에 유용하다. 일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 QDLS는 대면적, 고효율 조명 응용에서 사용하기에 적합하다. 일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 QDLS는, 예를 들어, 작업 조명 응용(이에 한정되지 않음)에 바람직할 수 있는 안정적인 연색 지수(CRI)를 제공할 수 있다.
일부 실시예들에서, QDLS는, 효율적이고 안정적인 색변환을 위해, LED를 양자점들을 포함하는 하나 이상의 층 또는 막으로 코팅되어 있는 상업적으로 이용가능한 도파로 확산기에 에지-결합시키는 것을 포함한다(예를 들어, 도 1 참조). (양자점들을 포함하는 층 또는 막을 본 명세서에서 양자점 광 향상 막(quantum dot light enhancement film)(QD-LEF)라고도 한다.) 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 넓은 범위의 휘도에 걸쳐 전례없는 색안정성 성능을 갖는 CRI>95 백색광을 발생할 수 있다.
도 2는 청색 450 nm Phlatlight LED 및 4개의 서로 다른 QD 물질을 함유하는 QD-LEF를 갖는 CRI=96 QD-기반 광 시트의 시뮬레이션된 스펙트럼을 나타낸 것이다. 5500K 흑체 방사 곡선도 역시 참조를 위해 나타나 있다.
본 발명의 고유의 양태는 (a) 고출력 광원으로서의 효율적인 LED 기술과 (b) QD-LEF를 생성하는 간단하고 비용-효과적인 용액 가공가능 기법의 조합(이는 궁극적으로 (c) 효율적이고 안정적이며 높은 CRI의 백색광을 달성할 수 있는 완전한 LED 조명기구를 제조함)을 포함한다.
첫번째 형광체 변환(phosphor-converted)(pc) 백색 LED가 1990년대 중반에 소개된 이래로 (S. Nakamura, T. Mukai, 및 M. Senoh의 Appl . Phys. Lett . 1994, 64, 1687), pc-LED는 보편화된 LED-기반 백색 광원이 되었다. 이 기법이 본질적으로 LED 어레이로부터의 적색, 녹색 및 청색(RGB) 광을 혼합하는 것보다 덜 효율적이지만, 컬러 렌더링 및 안정성의 영역에서 뚜렷한 이점을 제공할 수 있다. 하향-변환 물질의 사용은 흑체 방사 프로파일(radiation profile)에 더 가깝게 일치하는 광을 방출함으로써 더 높은 품질의 "백색"을 가능하게 한다. 게다가, pc-LED는 더욱 간단한 장치 플랫폼을 제공하는데, 그 이유는 하나 또는 다수의 컬러 변환 물질을 갖는 하나의 고효율 광원 LED가 사용될 수 있기 때문이다. RGB 컬러 혼합의 경우에, LED 어레이는 개개의 LED가 통상적으로 온도, 구동 전류 및 장치 수명과 관련하여 엄청나게 다른 의존성을 나타낸다는 사실로 인해 컬러 프로파일을 안정화시키기 위해 능동 피드백 제어를 필요로 한다.
이들 이점에도 불구하고, 일반 조명 응용에서 유용하게 되려면 pc-LED의 발광 효율이 상당히 개선되어야만 한다. 효율 향상이 여러 영역에서 달성되었으며, 이들 영역으로는 광원 LED의 내부 양자 효율(internal quantum efficiency) (M. R. Krames 등의 Phys. Stat. Sol. A 2002, 192, 237와, T. Onuma 등의 J. Appl . Phys. 2004, 95, 2495와, C. Wetzel, T. Salagaj, T. Detchprohm, P. Li, 및 J. S. Nelson의 Appl . Phys. Lett. 2004, 85, 866.)과, 형광체-변환 효율(phosphor-conversion efficiency) (J. K. Park, C. H. Kim, S. H. Park, H. D. Park, 및 S. Y. Choi의 Appl . Phys. Lett. 2004, 84, 1647와, R. Mueller-Mach, G. O. Mueller, 및 M. R. Krames의 Proc. SPIE 2004, 5187, 115와, C. J. Summers, B. Wagner, 및 H. Menkara의 Proc . SPIE 2004, 5187, 123와, N. Taskar, R. Bhargava, J. Barone, V. Chhabra, V. Chabra, D. Dorman, A. Ekimov, S. Herko, 및 B. Kulkarni의 Proc . SPIE 2004, 5187, 133와, A. A. Setlur, A. M. Srivastava, H. A. Comanzo, G. Chandran, H. Aiyer, M. V. Shankar, 및 S. E. Weaver의 Proc . SPIE 2004, 5187, 142와, S. G. Thoma, B. L. Abrams, L. S. Rohwer, A. Sanchez, J. P. Wilcoxon, 및 S. M. Woessner의 Proc . SPIE 2004, 5276, 202), 그리고 LED 조명기구와 연관된 추출 효율(extraction efficiency)(N. Narendran, Y. Gu, J. P. Freyssinier- Nova, 및 Y. Zhu의 Phys. Stat. Sol. A 2005, 202, R60와, T. N. Oder, K. H. Kim, J. Y. Lin, 및 H. X. Jiang의 Appl . Phys. Lett. 2004, 84, 466와, H. W. Choi, M. D. Dawson, P. R. Edwards, 및 R. W. Martin의 Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 4483와, J. J. Wierer, M. R. Krames, J. E. Epler, N. F. Gardner, M. G. Craford, J. R. Wendt, J. A. Simmons, 및 M. M. Sigalas의 Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 3885와, M. R. Krames 등의 Appl . Phys. Lett. 1999, 75, 2365와, T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, E. L. Hu, S. P. DenBaars, 및 S. Nakamura의 Appl . Phys. Lett. 2004, 84, 855와, T. Gessmann, E. F. Schubert, J. W. Graff, K. Streubel, 및 C. Karnutsch의 IEEE Electron. Device Lett. 2003, 24, 683)이 있다. LED 조명기구의 영역에서의 연구는 LED 모듈에 국한되어 있는 광 추출을 개선시키는 방법에 집중되어왔다. 예를 들어, LED 다이에서 표면을 거칠게 하는 것(T. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, E. L. Hu, S. P. DenBaars, 및 S. Nakamura의 Appl . Phys. Lett . 2004, 84, 855), 또는 광결정(photonic crystal)을 유입시키는 것(T. N. Oder, K. H. Kim, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl . Phys. Lett. 2004, 84, 466와, H. W. Choi, M. D. Dawson, P. R. Edwards, 및 R. W. Martin의 Appl . Phys. Lett. 2003, 83, 4483와 J. J. Wierer, M. R. Krames, J. E. Epler, N. F. Gardner, M. G. Craford, J. R. Wendt, J. A. Simmons, 및 M. M. Sigalas의 Appl . Phys. Lett. 2004, 84, 3885)은 추출 효율을 100% 이상 향상시킬 수 있다. 이들 방법이 LED로부터 곧바로 광 아웃커플링을 향상시키기는 하지만, 형광체 변환 물질로부터 방출되는 광을 향상시키지는 못한다. 변환된 광의 절반 이상이 형광체에 의해 LED 패키지 내로 후방-산란(back-scatter)될 수 있다(K. Yamada, Y. Imai, 및 K. Ishii의 J. Light Vis . Environ. 2003, 27, 70). 형광체층(phosphor layer)을 다이로부터 제거하여 발광 효율의 60% 향상을 실현함으로써 산란된 광을 추출하기 위해 연구가 행해져왔다(N. Narendran, Y. Gu, J. P. Freyssinier-Nova, 및 Y. Zhu의 Phys. Stat. Sol A 2005, 202, R60). 이 특정의 방법은 공간적 색 변화(spatial color variation)가 있었지만, 형광체가 다이로부터 제거되기 때문에 열 관리의 개선 및 잠재적인 광원 수명의 향상의 부가 이점이 있었다.
본 발명에 따른 QDLS는 상기한 pc-LED보다 진보한 것이다. 일부 실시예들에서, QD의 조정가능한 방출 및 우수한 연색성(color rendering)을 이용하기 위해 양자점이 에지-결합된 도파로 LED에 분포되어 있다. 이 혁신적인 해결책은 LED 광원으로부터 변환 물질을 제거하고 그 결과 광원 출력과 무관한 안정된 연색성을 달성함으로써 시스템의 열 관리를 향상시킨다. 도파로 내에서의 QD 변환 물질의 미리 정해진 형태 및 배향은 물론 조명기구 내에서의 산란광의 효율적인 추출을 보장하는 방법도 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 50 lm/W를 초과하는 시스템 출력 효율에서 우수한 색연성 및 안정성이 예상된다.
상기한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 본 발명에서 사용되는 LED는 Luminus Devices로부터 입수가능한 광격자-기반(photonic lattice-based) PhlatLight™ LED 등의 에지 결합에 적합한 고휘도를 포함한다. 광격자는 LED 칩으로부터의 확장가능 광 추출(scaleable light extraction)을 가능하게 하며, 이는 성능의 희생 없이 대규모 PhlatLight LED가 제조될 수 있다는 것을 의미한다. 광격자는 또한 광을 곧바로 공기 내로 추출하도록 설계되어 있으며, 이는 특히 고출력 동작 동안에 LED 신뢰성의 저하의 주요 원인들 중 하나인 캡슐화를 필요없게 한다.
일부 실시예들에서, 장치는 양자점들을 포함하는 하나 이상의 하향-변환 막과, 하향-변환 막에 포함된 양자점에 의해 방출되는 광의 자기-흡수(self-absorption)를 최소화하도록 구성된, 에지 결합에 적합한 하나 이상의 고출력 LED를 포함한다. 일부 양호한 실시예들에서, 본 발명의 QDLS는 RoHS 규제를 만족시킨다(RoHS compliant).
일부 실시예들에서, 하향-변환 물질은 호스트 물질에 분산되어 있는 양자점들을 포함하며, 이 양자점은, 호스트 물질에 포함되기 전에, 최대 85%의 양자 효율(quantum efficiency)을 갖는다. 일부 실시예들에서, QD가 분산되어 들어 있는 호스트 물질을 포함하는 하향-변환 물질은 고체 상태에서 50%를 넘는 양자 효율을 갖는다. 일부 실시예들에서, 양자점의 적어도 일부분이 그의 표면에 부착된 하나 이상의 리간드를 포함하며, 이 리간드는 호스트 물질과 화학적 친화성이 있다. QD의 높은 양자 효율을 유지하기 위해, 캐핑 리간드를 호스트 물질(유기 물질이든 무기 물질이든 상관없음)의 화학적 성질과 부합되는 양자점에 부착시키는 것이 선호된다. 액체에서 고체 분산체(solid dispersion)로의 전환은 QD 효율에 영향을 줄 수 있다. 응집(aggregation) 또는 기타 화학적 효과가 일어날 수 있기 전에 속도 경쟁(rate competition)이 QD를 제자리에 "고정"시키기 때문에, 이러한 전환의 속도가 높은 양자 효율을 유지하는 데 중요한 것으로 생각된다. QD를 유기 호스트 물질과 화학적으로 정합시키고 "경화"의 속도를 제어하는 것이 양자 효율에 영향을 주는 것으로 생각된다. 일부 실시예들에서, QD가 PMMA(polymethylmethacrylate) 및 폴리실록산 등의 유기 호스트 물질에 분산된다. 본 발명에 유용할 수 있는 기타 양자점 물질 및 호스트에 대해서는, Lee 등의 "Full Color Emission From II-VI Semiconductor Quantum-Dot Polymer Composites". Adv. Mater. 2000, 12, No. 15 August 2, pp. 1102-1105를 참조하기 바라며, 이 문헌의 개시 내용은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 QDLS는 PMMA 도파로에 화학 결합되어 있는, 호스트 내에 매립되어 있는 QD의 2개 이상의 막을 포함한다. 일부 실시예들에서, 2개 이상의 막은 기계적 수단에 의해 분리될 수 없다. 일부 실시예들에서, 도파로에서 약 80-90% 흡수를 달성하기에 효과적인 단위 면적당 QD(카드뮴 함유 반도체를 포함하는 코어를 포함함)을 포함하는 도파로가 100 ppm 미만의 Cd를 포함한다. 일부 실시예들에서, 양자점은 Cd-기반 QD 물질을 포함한다. 일부 실시예들에서, 양자점은 Cd 없는 QD 물질을 포함한다.
일부 실시예들에서, QD-LEF는 다중-파장 QD-LEF의 다층 스택을 포함한다. 일부 실시예들에서, QD-LEF는 다중화된 다중-파장 QD-LEF(multiplexed multi-wavelength QD-LEF) 또는 공간적으로 디더링된 QD-LEF(spatially dithered QD-LEF)를 포함한다. 첫번째 방법은 2개 이상의 QD 막을 포함하며, 도파로 바로 위에 있는 최저 에너지 QD 막부터 최고 에너지 QD 막까지의 순서로 되어 있고 그 다음에 공기 계면에 있는 확산기 막이 있다. 이 구조는 도파로에 더 가깝게 하향 변환되는 광이 방해를 받지 않고 이후의 층들을 통과할 수 있게 하며, 궁극적으로 아웃커플링될 수 있게 한다. 더 높은 에너지의 외부 막들에서, 도파로로 다시 들어가는 방출된 광자가 보다 낮은 에너지의 QD에 의해 재순환될 수 있다. 종합하면, 하향 변환 효율이 사소한 재흡수 손실을 겪지만, 이 손실은 80% QY에서 제한되는 막의 QY에 가장 의존한다. 공간적으로 디더링된 다색 QD 링크를 포함하는 두번째 방법도 역시 재흡수 문제를 크게 완화시킨다. 이 설계는 각각의 QD 잉크를 도파로 상의 개별적인 패턴들로 분리시켜, 청색 여기광에 대해서는 아주 높은 흡수 경로를 유지하면서 내부로 향하는 하향-변환된 광자에 대해서는 아주 작은 흡수 경로를 제공한다. QD로부터의 도파로 광도 역시 이러한 큰 흡수 경로를 보게 되지만, 조명기구의 설계는 도파로 모드에 들어갈 수 있는 QD 하향-변환된 광자의 비율을 크게 제한한다. 이들 막 설계 둘다는 혼합된 QD 막 및 봉지재(encapsulant)보다 더 높은 하향-변환 효율을 나타낼 것으로 예상된다. 또한, 휘도 또는 컬러의 점에서 LEF로부터의 공간 광 출력을 변화시키기 위해 또는 대안으로서 이들 특성을 LEF에 걸쳐 균일하게 유지시키기 위해, 디더링된 패턴 특징부들에서의 밀도, 크기 또는 농도가 QD-LEF에서의 거리의 함수로서 변할 수 있다.
일부 실시예들에서, LED가 도파로 또는 확산기의 가장자리에 광학적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, LED는 평탄한 확산기에 에지 결합하도록 최적화되어 있는 Luminus Devices의 고출력 청색 Phlatlight LED 중 하나를 포함한다. PhlatLight LED 기술의 좁은 방출 원추는 60 내지 75% 범위에 있는 높은 LED-확산기 결합 효율의 달성을 가능하게 한다. 청색 PhlatLight LED는 또한 아주 높은 출력 밀도(200-300 mW/mm2)를 나타내어, 아주 적은 수의 LED를 사용하여 높은 휘도의 광 시트를 제조할 수 있게 해줌으로써 램프 모듈 단가를 절감할 수 있다.
일부 실시예들에서, LED 및 구동기 어셈블리는 적어도 20%, 보다 양호하게는 적어도 30%의 LED 벽 플러그 효율(wall plug efficiency)을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED 및 구동기 어셈블리는 적어도 0.21 W/mm2, 양호하게는 0.31 W/mm2보다 큰 LED 출력 밀도를 갖는다.
일부 실시예들에서, LED는 약 3의 LED 출력[W]을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED는 450 nm의 피크 파장을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED는 20 nm 이하의 FWHM을 갖는다.
일부 실시예들에서, LED 구동기 어셈블리는 적어도 85%, 보다 양호하게는 적어도 90%의 구동기 효율을 갖는다.
가장 양호하게는, LED는 Luminus Devices로부터 입수가능한 Phlatlight를 포함한다.
확산기를 포함하는 일부 실시예들에서, LED 결합 효율은 적어도 60%, 보다 양호하게는 적어도 75%이다.
확산기를 포함하는 일부 실시예들에서, 확산기는 적어도 70%, 양호하게는 적어도 80%의 확산기 투과 효율(diffuser transmission efficiency)을 갖는다.
일부 실시예들에서, QD 광 향상 막은 적어도 60%, 양호하게는 적어도 70%의 하향 변환 효율을 갖는다.
QDLS의 일부 실시예들에서, 방사의 발광 효율(luminous efficacy)(lumens/watt)은 적어도 약 330, 양호하게는 적어도 약 400이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, 총 광속(total lumen output)이 적어도 294, 양호하게는 적어도 504이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, 조명기구 효율이 적어도 42%, 양호하게는 적어도 60%이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, 전체 시스템 효율(total system efficacy)(lm/W)이 적어도 17, 양호하게는 적어도 50이다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, QDLS는 적어도 85%, 보다 양호하게는 적어도 90%의 CRI를 갖는 광을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 QDLS의 일부 실시예들에서, QDLS는 5500K의 색온도(CCT)를 갖는 광을 생성할 수 있다.
QDLS의 일 실시예의 치수의 일례는 10 cm x 30 cm의 면적 및 10 mm의 두께를 포함하지만, 그것으로 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 백색 광 방출기의 조명기기 효율 및 CRI를 시뮬레이션하는 것은 복수의 분명히 서로 다른 피크 방출 파장을 제공하기 위해 서로 다른 QD를 포함할 수 있다. 스펙트럼을 시뮬레이션하기 위해 LED 청색 스펙트럼과 함께 QD 방출 스펙트럼에 대한 35 nm의 FWHM(full-width-at-half-maximum)이 CRI를 최대로 한다. 가장 높은 CRI는 495, 540, 585, 및 630 nm 범위의 파장에 대응하는 청녹색, 녹색, 황색 및 적색의 범위에서의 4개 이상의 특별히 조절된 QD 방출 스펙트럼으로 달성될 것으로 예상된다. 일부 실시예들에서, 코어 QD 물질은 CdSe, CdZnSe, 및 CdZnS를 포함하는 Cd-기반 QD 물질 시스템을 사용하여 합성된다. 이들 코어 반도체 물질은 최적화된 크기 분포, 표면 품질, 및 가시 스펙트럼에서의 색 조절(color tuning)을 가능하게 한다. 예를 들어, CdZnS이 가시 스펙트럼의 전체 청색 영역에 걸쳐, 통상적으로 400 내지 500 nm의 파장에 걸쳐 미세 조절될 수 있다. CdZnSe 코어는 500 내지 550 nm에 걸쳐 좁은 대역 방출 파장을 제공할 수 있고, CdSe는 가시 스펙트럼의 황색 내지 진한 적색 일부(550-650)에서 가장 효율적이고 좁은 대역 방출이 있도록 하는 데 사용된다. QD 물질의 물리적 크기를 최적화하기 위해 관심의 파장 영역을 처리하도록 각각의 반도체 물질이 선택되며, 이는 양호한 크기 분포, 높은 안정성 및 효율, 그리고 문제가 발생하지 않는 가공성을 달성하는 데 중요하다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 3원 반도체 합금(ternary semiconductor alloy)의 사용도 역시 방출 컬러를 조절하기 위해 코어 QD의 물리적 크기에 부가하여 아연에 대한 카드뮴의 비율을 사용하는 것을 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, 반도체 쉘 물질은 그의 큰 대역 갭이 Cd-기반 코어 물질에 최대 여기자 속박(maximum exciton confinement)을 야기하기 때문에 ZnS를 포함한다. CdSe와 ZnS 간의 격자 부정합은 대체로 12%이다. CdZnS와 ZnS 간의 격자 부정합이 최소인 동안, CdSe 내에 도핑된 Zn의 존재는 이 부정합을 어느 정도 감소시킨다. 최대 입자 안정성 및 효율을 위해 CdSe 코어 상에 아주 균일하고 두꺼운 쉘(예를 들어, 2개 이상의 단분자막)을 성장시키기 위해, 어느 정도 단계적인 CdZnS 쉘을 생성하는 데 소량의 Cd가 ZnS 성장에 도핑된다. 일부 실시예들에서, 정말로 단계적인 쉘을 제공하기 위해 초기 쉘 성장 동안에 양을 감소시키면서 Cd가 Zn 및 S 전구체 내에 도핑되며, 처음에 Cd가 많다가 점점 줄어들어 성장 단계의 끝에서 100% ZnS로 된다. 이와 같이 단계적으로 CdSe 코어로부터 CdS, CdZnS, ZnS로 되는 것은 응력을 훨씬 더 완화시키며, 어쩌면 고체 조명 장치 응용의 훨씬 더 높은 안정성 및 효율을 가능하게 한다.
일부 실시예들에서, 양자점 광 시트는 광원 LED로부터의 청색광을 높은 CRI의 백색으로 하향-변환시킨다. 일부 실시예들에서, 양자점 막의 프린팅된 층이 상업적으로 이용가능한 몰딩된 도광판의 상부에 피착된다.
적절히 몰딩된 광 추출 특징부를 갖는 도광판은 통상적으로 디스플레이 백라이팅 응용에서 사용되며, 상업적으로 이용가능한 예로는 Global Lighting Technologies, Inc. (http://www.glthome.com/)에 의해 제조된 몰딩된 도광판(molded light guiding plate)이 있다. 이들 도광판에 숨어 있는 핵심 기술은 도파로의 배면 상에 "마이크로렌즈"를 생성하는 것이며, 이 마이크로렌즈는 도파된 광(waveguided light)의 일부분을 관찰자에게 아웃커플링시킨다. 이들 특징부는 2D 광 추출 균일성을 달성하기 위해 공간 밀도가 변화될 수 있다. 일 실시예에서, 이들 도광판의 상부 측면 상에, 높은 CRI를 갖는 청색광의 하향 변환을 수행하기 위해 폴리머 호스트 매트릭스 내에 포함된 양자점이 코팅된다. 폴리머 호스트는 그의 광학적 특성, 가공성, 및 양자점과의 친화성에 기초하여 선택된다. 양호하게는, 화학적 친화성이 있는 양자점은 그의 분산을 증대시키고 다양한 호스트 매트릭스에서 그의 양자 효율을 유지시킨다.
일부 실시예들에서, QD 막은 막에서 청색 여기광의 경로 길이를 증가시켜 광 방출을 증대시키고 양자점의 농도를 최소화시키기 위해 0.2 ㎛ TiO2 등의 산란 입자들을 더 포함할 수 있다. 추가 정보에 대해서는, 2007년 7월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/9493,06호를 참조하기 바라며, 이 미국 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
일부 실시예들에서, QD 광 향상 막은 서로 상에 균일하게 층을 이루고 있는 2개 이상의 개별 QD 층을 포함하며, 재흡수를 최소화하기 위해 낮은 에너지 변환층이 높은 에너지 층 아래에 있다.
일부 실시예들에서, QD 광 향상 막은 픽셀 방식으로 나란히 피착된 개별 QD/호스트 조성물을 포함하며, 그 결과 합성 백색(composite white)이 얻어진다. 이 방법에서는 더 높은 아웃커플링 효율 및 훨씬 더 낮은 재흡수가 가능할 수 있다.
이들 방법 둘다가 본질적으로 비용이 저렴한데, 그 이유는 양쪽다 대용량 용액-기반 피착 기법(high-volume, solution-based deposition technique)을 사용할 수 있기 때문이다. 도파로 또는 웹(web) 상에 직접 슬롯(slot) 또는 그라비어(gravure)를 코팅하고 이어서 이를 도파로에 라미네이트하는 것(이에 한정되지 않음)을 비롯한 피착 방법들이 계층적 방식(layered approach)에 사용하기에 적합하다. 픽셀 방식(pixellated approach)의 경우, 스크린 프린팅이 가장 간단한 해결책이고, 50 ㎛ 특징부가 쉽게 달성될 수 있다.
LED 기술은 고체 조명(solid state lighting)(SSL)에서 가능성이 많은 것으로 생각된다. 그러나, 그 자체로 LED 광원은 LED 접합 물질(junction material)의 대역갭에 대응하는 특정의 파장의 순수 광(pure light)을 제공하고(그 결과 CRI가 좋지 않은 광이 얻어짐) 따라서 SSL에 적합하지 않다. 높은 CRI의 확산광 조명 해결책을 달성하기 위해, 다수의 컬러 LED가 결합되거나, LED 광원 광을 백색광으로 변환하기 위해 형광체 물질이 사용된다. 불행히도, 서로 다른 LED는 서로 다른 온도 의존성 및 수명 특성을 가지며, 형광체가 LED 광원을 우수한 품질의 연색 지수로 변환하기에 충분히 다양하게 이용가능하지 않고 서로 다른 형광체들의 조합이 수명 문제는 물론 온도 안정성을 비롯한 동일한 안정성을 공유하지도 않는다. 형광체들은 또한 산란제(scattering agent)이기도 하고, 따라서 미세 색 조절이 아주 복잡하며, 도파로와 나란히 이를 도포하는 것이 엄격히 제한된다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, QD-LEF가 LED 광을 CRI>85를 갖는 확산광(예를 들어, 광점(point of light)이 아님)으로 변환하는 간단하고 보다 효율적인 수단을 제공하기 위해 조명기구 장치에 포함되어 있다. QE-LEF 결합된 조명기구는 균일한 도파로 확산기과 관련하여 하향-변환 방법에 의해, 예를 들어, CRI>85의 광을 방출할 수 있거나(이것의 실시예의 일례가 도 3에 개략적으로 도시되어 있음), 광학 도파관 플레이트와의 균일한 확산광 아웃커플링을 제공한다(이것의 실시예의 일례가 도 4에 도시되어 있음). 도 3에 도시된 예에서, QD-LEF 도파된 광은 아웃커플링되기 전에 확률적 방식으로 QD에 의해 부분적으로 하향-변환된다. 도 3에 예시된 일례에 도시된 바와 같이, 원하는 경우 QD-LEF에서의 도파로 모드(waveguided mode)를 추가적으로 아웃커플링하기 위해 부가의 산란층 또는 확산기가 추가될 수 있다. 조명기구의 QD 막 측면을 통한 아웃커플링을 향상시키기 위해 부가의 반사체(도시 생략)가 도파로의 먼쪽 가장자리 및 기타 측면들에 추가될 수 있다. (도 3(a)에 도시된 예에서, 기판에 가장 가까운 하향-변환 층은 적색-방출 물질을 포함하고, 녹색-방출 물질은 적색-방출 물질 상에 배치되며, 녹색-방출 물질은 황색-방출 물질 상에 배치되고, 아웃커플링 또는 보호층이 녹색-방출 물질 상에 배치된다.)
도 3에 도시된 구성의 예들 둘다에서, 광이 LED 다이에 의해 방출되어 도파로 및/또는 확산기에 결합된다. 이 광이 전파함에 따라, 광은 QD-LEF에 의해 선택적으로 하향-변환되고, 이어서 일부가 확산하여 조명기구 밖으로 산란된다. 도시된 구성 (a)의 예는 재흡수 효과를 최소화시키기 위해 낮은 에너지 막이 높은 에너지 막보다 도파로에 더 가깝게 결합되는 계층적 방식을 나타낸 것이며, 이는 하향-변환 효율을 감소시키는 경향이 있다. 도시된 구성 (b)의 예는 재흡수가 표면에 걸쳐 QD-LEF를 패터닝함으로써 추가적으로 제한되는, 공간적으로 디더링된 방식(spatially-dithered approach)이다. 이들 방식 둘다는 도파로에 걸친 막 변동에 의해 해소되는 현상인 공간적 하향-변환 의존성을 나타낼 수 있는 횡방향 도파 효과(lateral wave-guiding effect)를 고려할 수 있다. 디더링 방식은 이 효과를 해소하는 데 특히 적합하다. (도 3(b)에 도시된 디더링된 예에서, 배열은 녹색, 적색 및 황색의 패턴을 포함한다. 도 4에 도시된 디더링된 예에서, 배열은 녹색, 적색, 황색 및 산란체 또는 비산란 물질의 패턴을 포함한다.)
도 3에 도시된 QD-LEF 응용의 실시예들의 예는 그 자체가 굴절률-정합(index-matching) QD-LEF의 응용에 의해 영향을 받지 않는 공간 균일성(spatial uniformity)을 제공하는 설계의 상용 도파로를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 대안의 구성의 실시예들의 일례에서, QD-LEF가 실질적으로 무손실인 도파로의 배면에 부착되어, 그들 각자의 디더링된 패턴으로부터 적색, 황색 및 녹색 광을 제공하고 디더링된 산란 패턴으로부터 청색 광을 제공한다. 이 응용에서, QD는 그 자체가 광을 산란시키지 않고 비흡수된 광이 계속하여 방해를 받지 않고 양자점을 지나가는 반면 하향-변환된 광자가 균일하게 방출되어 공간 의존성 및 CRI가 용이하게 제어된다는 점에서 비할 데 없이 아주 적합하다.
디더링 또는 공간 디더링은, 예를 들어, 디지털 이미징에서 미리 정해진 컬러 팔레트의 작은 영역을 사용하여 색 심도(color depth)의 착각을 일으키는 것을 말하는 데 사용되는 용어이다. 예를 들어, 백색은 종종 작은 적색, 녹색 및 청색 영역의 혼합으로부터 생성된다. 일부 실시예들에서, 도파로 요소의 표면에 배치된 및/또는 그 안에 매립된 서로 다른 유형의 양자점(각각의 유형이 서로 다른 컬러의 광을 방출할 수 있음)을 포함하는 조성물의 디더링을 사용하면 서로 다른 컬러의 착각을 일으킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 백색광을 방출하는 것처럼 보이는 도파로 및/또는 확산기가, 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색-방출 양자점들을 포함하는 디더링된 패턴의 특징부들로부터 생성될 수 있다. 디더링된 컬러 패턴이 공지되어 있다. 일부 실시예들에서, 백색광의 청색광 성분은 아웃커플링된 변경되지 않은 청색 여기광 및/또는 도파로 요소에 포함된 양자점에 의해 하향-변환된 여기광을 포함할 수 있고, 여기서 양자점은 여기광을 청색으로 하향-변환시키도록 사전 선택된 조성 및 크기를 포함한다.
일부 실시예들에서, 백색광은 (조성 및 크기에 기초하여) 서로 다른 유형의 양자점(각각의 유형이 미리 정해진 컬러를 갖는 광을 획득하도록 선택됨)을 포함하는 막들을 계층화함으로써 획득될 수 있다.
일부 실시예들에서, 백색광은 (조성 및 크기에 기초하여) 서로 다른 유형의 양자점(각각의 유형이 미리 정해진 컬러를 갖는 광을 획득하도록 선택됨)을 호스트 물질에 포함시킴으로써 획득될 수 있다.
도 4는 후방 결합(back-coupling) 응용에서 QD-LEF의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다. 발광명을 통한 아웃커플링을 향상시키기 위해 부가의 반사체(도시 생략)가 도파로의 먼쪽 가장자리 및 기타 측면들에 추가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 4에 도시된 예에서의 QD-LEF는 또한 반사체로부터 멀리 떨어진 도파로의 반대쪽에 배치될 수 있다. 기타 QD-기반 아웃커플링 방식들이 이용될 수 있다.
QD-LEF를 이용하는 LED 조명기구는 LED의 수명에 걸쳐 안정적인 조절가능한 색온도를 갖는 높은 CRI의 광을 나타낼 수 있다. 이것은 결과 광이 휘도, 따라서 수명 문제에 유례없이 무관하도록 형상이 결합된 그지없이 안정적인 QD(10,000 시간 후에 계속 테스트할 때 초기 휘도의 100±5%임)의 결과이다. 광이 QD-LEF에 결합될 때, 광자가 흡수 및 재방출될 가능성이 있으며, 이에 따라 정의에 따르면 광 출력이 광자속(photon flux)에 무관하게 되며 그 결과 광원 조광(source dimming)에 더욱 무관하게 된다.
일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 QDLS는 4개 이상의 미리 정해진 또는 지정된 파장에서 방출하는 QD 물질을 포함한다. 이하의 표 1은 도 2에 도시된 QDLS 스펙트럼이 CRI=96을 제공하는 것을 달성하는 QD 물질 성능 규격 및 코어/쉘 물질의 일례를 요약한 것이다. 양호하게는, 코어-쉘 QD 물질이 4개 이상의 미리 정해진 파장으로 방출하는 데 이용된다. 보다 양호하게는, 코어-쉘 반도체 나노결정이 4개 이상의 미리 정해진 파장으로 방출하는 데 이용된다.
일부 실시예들에서, 코어 QD(예를 들어, CdSe, CdZnSe, 또는 CdZnS를 포함하지만, 이들로 제한되지 않음)이 좁은 크기 분포 및 높은 표면 품질을 갖는 원하는 방출 파장들에서 합성된다. 그 다음에, 높은 QY 및 안정성을 위한 최대의 코어 표면 패시베이션(core surface passivation)을 제공하기 위해 쉘 물질, 양호하게는 합금 쉘 물질(예를 들어, CdZnS)이 코어 QD의 표면의 적어도 일부분(양호하게는 거의 전부) 상에 성장된다. 양호하게는, 양자점의 적어도 일부분이 그의 표면 상에 하나 이상의 표면 캐핑 리간드(surface capping ligand)를 포함하며, 이것이 QD 방출기와 QD가 사용되거나 포함되는 임의의 물질 간의 화학적 친화성을 설명한다.
| 컬러 | 가장 선호되는 피크 파장(nm) | 양호한 FWHM(nm) | 양호한 QY | 가장 양호한 QY | 코어/쉘 |
| 청색-녹색 | 495 | 35보다 크지 않음 | 적어도 60% | 적어도 80% | CdZnS/ZnS |
| 녹색 | 540 | 35보다 크지 않음 | 적어도 65% | 적어도 80% | CdZnSe/CdZnS |
| 오렌지색 | 585 | 35보다 크지 않음 | 적어도 65% | 적어도 80% | CdSe/CdZnS |
| 적색 | 630 | 35보다 크지 않음 | 적어도 75% | 적어도 80% | CdSe/CdZnS |
일부 실시예들에서, 양자점들을 포함하는 층 또는 막은 시판 중인 확산기과의 통합에 적합한 유기 또는 무기 호스트 물질을 더 포함할 수 있다. 막 또는 층 코팅 성분에 포함될 수 있는 성분의 예로는 양자점, 모노머, 프리폴리머(prepolymer), 개시제(initiator), 산란 입자, 및 스크린 프린팅에 필요한 기타 첨가제가 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 양호하게는, 양자점에 대한 열 노출을 최소화시키는 젤링 프로토콜(gelling protocol)은 물론 다중층 및 패터닝된 QD-LEF를 가능하게 하는 피착 방법을 사용하여 층 또는 막이 피착된다.
일부 양호한 실시예에서, QDLS는 LED 조명기구와 확산기는 물론 확산기과 QD-LEF 간의 삽입 손실(insertion loss)을 최소화시키는 LED-확산기 결합 기법을 포함하며, 특히 강조할 점은 재흡수를 완화시킨다는 것이다.
일부 실시예들에서, 재흡수 최소화와 관련하여 LED-확산기 및 QD-LEF-확산기 결합 광학계를 향상시키는 것을 비롯한 QDLS 요소 상호작용이 최대 모듈 효율 및 CRI 대 전류 및 수명은 물론 모듈 단가의 절감을 실현시키도록 최적화된다.
일부 실시예들에서, 양자점 광 시트 조명기구 제품은 적어도 50 lm/W의 총 시스템 효율을 가질 것으로 예상된다.
고효율 광원의 이용가능성이 항상 이러한 광원을 상용, 특히 주거용 환경에 대규모로 채택하게 하는 것은 아니다. 이러한 이유는 부분적으로 형광 조명 등의 광원이 많은 인간 및 형태-기반 요구조건에서 열등하기 때문이다. 기술들이 최고가 아닌 경우, 낮은 CRI, 플리커, 및 쉐도잉 모두가 효율적인 기술들의 채택을 제한하며, 따라서 일부 기술들의 환경적 영향을 제한한다.
또한, 환경 친화적 기술 및 물질 효율적인 가공 방법의 진보가 전력 소모의 감소, 기후에 긍정적 영향을 가져오는 온실 가스의 감축, 및 유해 폐기물의 감축 등의 경제적 이익에 기여한다.
양자점(QD), 양호하게는 반도체 나노결정은 폴리머의 용해가능 성질 및 가공성과 무기 반도체의 고효율 및 안정성을 겸비할 수 있게 한다. QD는 그의 유기 반도체 대응물보다 수증기 및 산소의 존재시에 더 안정적이다. 그의 양자 구속 방출 특성으로 인해, 그의 휘도가 극히 좁은 대역이고, 하나의 가우시안 스펙트럼으로 특징지워지는 고도로 포화된 색 방출을 가져온다. 마지막으로, 나노결정 직경이 QD 광학 대역갭을 제어하기 때문에, 흡수 및 방출 파장의 미세한 조절이 합성 및 구조 변경을 통해 달성될 수 있으며, 이는 발광 특성을 식별 및 최적화하는 프로세스를 용이하게 한다. QD의 콜로이드 서스펜션(colloidal suspension)(용액이라고도 함)이 준비될 수 있으며, 이 콜로이드 서스펜션은 (a) 가시 및 적외선 스펙트럼에 걸쳐 아무데서나 방출하고, (b) 수성 환경(aqueous environment)에서 유기 형광체(organic lumophore)보다 몇 자리수만큼 더 안정적이며, (c) 좁은 FWHM(full-width half-maximum) 방출 스펙트럼을 가지고(예를 들어, 50 nm 미만, 40 nm 미만, 30 nm 미만, 20 nm 미만), (d) 85% 보다 큰 양자 수율을 갖는다.
양자점은 나노미터 크기의 입자로서, 예를 들어, 크기가 최대 약 1000 nm의 범위에 있다. 일부 실시예들에서, 양자점은 최대 약 100 nm의 범위에 있는 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 양자점은 크기가 최대 약 20 nm(약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 또는 20 nm 등)의 범위에 있을 수 있다. 일부 양호한 실시예들에서, 양자점은 100 Å보다 작은 크기를 가질 수 있다. 일부 양호한 실시예들에서, 나노결정은 크기가 약 1 내지 약 6 나노미터의 범위에 있고, 보다 상세하게는 약 1 내지 약 5 나노미터의 범위에 있다. 양자점의 크기는, 예를 들어, 직접 투과 전자 현미경 측정에 의해 구해질 수 있다. 기타 공지된 기법들도 역시 나노결정 크기를 측정하는 데 사용될 수 있다.
양자점은 다양한 형상을 가질 수 있다. 양자점의 형상의 예로는 구, 막대, 디스크, 테트라포드(tetrapod), 기타 형상, 그리고 이들의 혼합이 있지만, 이들로 제한되지 않는다.
일부 양호한 실시예들에서, QD는 폴리머의 용해가능 성질 및 가공성과 무기 반도체의 고효율 및 안정성을 겸비할 수 있게 하는 무기 반도체 물질을 포함한다. 무기 반도체 QD는 통상적으로 그의 유기 반도체 대응물보다 수증기 및 산소의 존재시에 더 안정적이다. 그의 양자 구속 방출 특성으로 인해, 그의 휘도가 극히 좁은 대역일 수 있고, 하나의 가우시안 스펙트럼으로 특징지워지는 고도로 포화된 색 방출을 가져올 수 있다. 마지막으로, 나노결정 직경이 QD 광학 대역갭을 제어하기 때문에, 흡수 및 방출 파장의 미세한 조절이 합성 및 구조 변경을 통해 달성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 무기 반도체 나노결정 양자점은 IV족 원소, II-VI족 화합물, II-V족 화합물, III-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI 화합물, II-IV-VI 화합물, 또는 II-IV-V족 화합물, 이들의 합금 및/또는 이들의 혼합물(3가 및 4가 합금 및/또는 혼합물을 포함함)을 포함한다. 일례로는 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, InN, InP, InAs, InSb, TIN, TIP, TlAs, TlSb, PbO, PbS, PbSe, PbTe, 이들의 합금, 및/또는 이들의 혼합물(3가 및 4가 합금 및/또는 혼합물을 포함함)이 있지만, 이들로 제한되지 않는다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 양자점은 양자점의 표면의 적어도 일부분 상에 쉘을 포함할 수 있다. 이 구조를 코어-쉘 구조라고 한다. 양호하게는, 쉘은 무기 물질, 보다 양호하게는 무기 반도체 물질을 포함한다. 무기 쉘은 유기 캐핑기(organic capping group)보다 훨씬 더 많이 표면 전자 상태를 패시베이션시킬 수 있다. 쉘에 사용되는 무기 반도체 물질의 예로는 무기 반도체 나노결정 양자점은 IV족 원소, II-VI족 화합물, II-V족 화합물, III-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI 화합물, II-IV-VI 화합물, 또는 II-IV-V족 화합물, 이들의 합금 및/또는 이들의 혼합물(3가 및 4가 합금 및/또는 혼합물을 포함함)이 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 일례로는 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, GaSe, InN, InP, InAs, InSb, TIN, TIP, TlAs, TlSb, PbO, PbS, PbSe, PbTe, 이들의 합금, 및/또는 이들의 혼합물(3가 및 4가 합금 및/또는 혼합물을 포함함)이 있지만, 이들로 제한되지 않는다.
현재 가장 개발되고 특성 파악된 QD 물질은 CdSe, CdS 및 CdTe를 비롯한 II-VI 반도체이다. 1.73 eV (716 nm)의 벌크 대역갭을 갖는 CdSe(C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi, J. Am. Chem . Soc. 1993, 115, 8706.)은 좁은 크기 분포 및 높은 방출 양자 효율을 갖는 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 방출하도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 대략 2 nm 직경의 CdSe QD는 청색에서 방출하는 반면, 8 nm 직경의 입자는 적색에서 방출한다. 기타 반도체 물질들을 다른 대역갭으로 대체하여 합성함으로써 QD 조성을 변경하면 QD 방출이 조절될 수 있는 전자기 스펙트럼의 영역이 변경된다. 예를들어, 보다 작은 대역갭 반도체 CdTe (1.5 eV, 827 nm) (C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi, J. Am. Chem . Soc. 1993, 115, 8706), 가 CdSe보다 더 진한 적색에 도달할 수 있다. 다른 QD 물질 시스템은 납 함유 반도체(예를 들어, PbSe 및 PbS)를 포함한다. 예를 들어, 0.41 eV (3027 nm)의 대역갭을 갖는 PbS는 800 내지 1800 nm를 방출하도록 조절될 수 있다(M. A. Hines, G. D. Scholes, Adv . Mater. 2003, 75, 1844.). UV부터 NIR까지의 임의의 원하는 파장으로 방출하도록 합성될 수 있는 효율적이고 안정적인 무기 QD 방출기를 설계하는 것이 이론적으로 가능하다.
콜로이드 QD라고 하는 끓는점이 높은 유기 분자(high-boiling organic molecule)의 존재 시에 성장하는 반도체 QD는 광-방출 응용에 아주 적합한 고품질 나노입자를 생성한다. 예를 들어, 이 합성은 분자 전구체의 고온 용매(300-360℃) 내로의 고속 주입을 포함하며, 그 결과 버스트 균일 핵생성(homogeneous nucleation)이 일어난다. 핵형성을 통한 반응물의 고갈 및 상온 반응물 용액의 주입으로 인한 갑작스런 온도 저하는 추가의 핵형성을 최소화시킨다. 이 기법은 Murray 및 동료-연구자들에 의해 처음으로 시연되어(C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi, J. Am. Chem . Soc. 1993, 115, 8706) 배위하는 용매(TOP(tri-n-octylphosphine) 및 TOPO(tri-n-octylphosphine oxide))에서 유기금속 전구체의 고온 열분해(pyrolysis)에 의해 II-VI 반도체 QD를 합성하였다. 이 연구는 LaMer 및 Dinegar의 독창적인 콜로이드 연구에 기초하였으며(V. K. LaMer, R. H. Dinegar, J. Am. Chem . Soc. 1950, 72, 4847.), 이들은 소액성 콜로이드(lyophobic colloid)가 시간상 서로 다른 핵형성에 뒤이은 기존의 핵 상에서의 제어된 성장을 통해 용액 중에서 성장한다는 생각을 소개하였다.
핵형성 및 성장 환경을 제어 및 분리시킬 수 있는 것은 대부분 QD 합성 동안에 반응 혼합물에 사용되는 적절한 끓는점이 높은 유기 분자를 선택함으로써 제공된다. 끓는점이 높은 용매는 통상적으로, 예를 들어, 질소, 인, 또는 산소 원자를 비롯한 기능 머리(functional head) 및 긴 탄화 수소 사슬(hydrocarbon chain)로 이루어진 유기 분자이다. 분자의 기능 머리는 공유 결합, 배위 결합 또는 이온 결합을 통해 단분자막 또는 다층으로서 QD 표면에 부착하고, 캐핑기라고 한다. 캐핑 분자는 성장하는 미결정(growing crystallite)의 표면에 물질을 추가하는 것에 대한 입체 장벽(steric barrier)을 제공하여, 성장 속도(growth kinetics)를 상당히 저하시킨다. 제어되지 않는 핵형성 및 성장을 방지하기 위해 충분한 캐핑 분자가 존재하는 것이 바람직하지만, 그 성장이 그다지 완전히 억압되지 않는다.
반도체 QD를 준비하기 위한 이러한 콜로이드 합성 절차는 상당한 제어를 제공하고, 그 결과 합성이 원하는 피크 방출 파장은 물론 좁은 크기 분포를 제공하도록 최적화될 수 있다. 이러한 제어의 정도는 주입 온도, 성장 시간은 물론 성장 용액의 조성을 변경시킬 수 있는 것에 기초하고 있다. 이들 파라미터 중 하나 이상을 변경함으로써, 양호한 크기 분포를 유지하면서 QD의 크기가 큰 스펙트럼 범위에 걸쳐 조정될 수 있다.
CdSe 등의 반도체 QD는 원자마다 4개의 결합을 갖는 공유 결합된 고체로서, 벌크 결정 구조(bulk crystal structure) 및 격자 파라미터를 유지하는 것으로 밝혀졌다(M. G. Bawendi, A. R. Kortan, M. L. Steigerwald, L. E. Brus, J. Chem . Phys. 1989, 91, 7282). 결정의 표면에서, 최외각 원자는 결합할 수 있는 이웃을 갖지 않으며, 이는 반도체의 대역갭 내에 있는 서로 다른 에너지 준위의 표면 상태를 발생한다. 이들 표면 원자의 에너지를 최소화하기 위해 결정 형성 동안에 표면 재배열이 일어나지만, 이러한 QD를 이루고 있는 원자들의 대부분이 표면 상에 있고(>75% 및 <0.5%의 QD가 직경이 각각 <1 nm 및 >20 nm 임) (C. B. Murray, C. R. Kagan, M. G. Bawendi, Annu . Rev. Mater. Sci. 2000, 30, 545), 반도체 QD의 방출 특성에 대한 영향이 아주 크다. 표면 상태는 비방사 완화 통로(non-radiative relaxation pathway)로 되고, 따라서 방출 효율(emission efficiency) 또는 양자 수율의 감소를 야기한다.
분자가 QD의 표면에 화학적으로 결합될 때, 분자는 표면 원자의 결합 요건을 만족시키는 데 도움이 되고, 표면 상태 및 대응하는 비방사 완화 통로 중 다수를 제거한다. 이 결과 양호한 표면 패시베이션 및 높은 QY는 물론 좋지 않은 표면 패시베이션을 갖는 QD보다 높은 안정성을 갖는 QD가 얻어진다. 따라서, 성장 용액 및 가공의 설계 및 제어가 표면 상태의 양호한 패시베이션을 달성할 수 있고, 그 결과 높은 QY가 얻어진다. 게다가, 이들 캐핑기는 입자 성장을 조정하고 용액에서 QD를 입체적으로 안정화시킴으로써 합성 공정에서도 역할을 할 수 있다.
높은 방출 효율 및 안정성을 갖는 QD를 생성하는 가장 효과적인 방법은 무기 반도체 쉘을 QD 코어 상에 성장시키는 것이다. 유기적으로 패시베이션된 QD보다는 코어-쉘 유형이 향상된 광발광(photoluminescence)(PL) 및 전계발광(electroluminescence)(EL) 양자 효율 및 장치 제조에 필요한 가공 조건에 대한 보다 큰 허용 오차로 인해 고체 구조(고체 QD-LED 장치 등)에 포함시키기에 바람직하다. (B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463와, B. O. Dabbousi, O. Onitsuka, M. G. Bawendi, M. F. Rubner, Appl . Phys. Lett. 1995, 66, 1316와, M. A. Hines, P. Guyot- Sionnest, J. Phys. Chem. 1996, 100, 468; S. Coe-Sullivan, W. K. Woo, J. S. Steckel, M. G. Bawendi, V. Bulovic, Org . Electron. 2003, 4, 123.) 보다 큰 대역갭 물질의 쉘이 코어 QD로 성장될 때, 예를 들어, ZnS(3.7 eV의 대역갭)가 CdSe 상에 성장될 때, 표면 전자 상태의 대부분이 패시베이션되고 QY의 2 내지 4배 향상이 관찰된다(B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463). 코어 상에 다른 반도체(상세하게는 보다 내산화성이 있는 것)의 쉘이 존재하는 것은 또한 코어가 열화되지 않도록 보호한다.
이상에서 열거한 코어-쉘 물질의 우수한 특성으로 인해, 새로운 QD 물질 시스템을 설계할 때 이러한 시스템에 집중하는 것이 바람직하다. 결과적으로, QD 코어-쉘 개발에서의 한가지 인자는 코어 및 쉘 물질의 결정 구조는 물론 이 둘 간의 격자 파라미터 불일치이다. CdSe와 ZnS 간의 격자 부정합이 12%이고(B. O. Dabbousi, J. Rodriguez- Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463), 이는 상당한 것이지만, ZnS의 단지 몇개의 원자층(예를 들어, 1 내지 6개의 단분자막)만이 CdSe 상에 성장되기 때문에, 격자 변형(lattice strain)이 허용된다. 코어와 쉘 물질 간의 격자 변형이 쉘의 두께에 비례한다. 그 결과, 너무 두꺼운 쉘은 물질 계면에 전위(dislocation)를 야기할 수 있고 궁극적으로 코어를 파손시킨다. 쉘을(예를 들어, ZnS 쉘을 Cd로) 도핑하면 이 변형 중일부를 완화시킬 수 있으며, 그 결과 더 두꺼운 쉘(이 예에서, CdZnS)이 성장될 수 있다. 효과는 보다 점진적으로 CdSe에서 CdS로 그리고 ZnS로 전이하는 것과 유사하고(CdSe와 CdS 간의 격자 부정합은 약 4%이고, CdS와 ZnS 간의 격자 부정합은 약 8%임), 이는 보다 균일하고 보다 두꺼운 쉘을 제공하고 따라서 보다 양호한 QD 코어 표면 패시베이션 및 보다 높은 양자 효율을 제공한다.
코어-쉘 입자가 코어만 있는 시스템과 비교하여 향상된 특성을 나타내지만, 유기 리간드를 갖는 양호한 표면 패시베이션이 여전히 코어-쉘 QD의 양자 효율을 유지하는 데 바람직하다. 이것은 입자들이 엑시톤 보어 반경(exciton Bohr radius)보다 작다는 사실로 인한 것이며, 그 결과 구속된 여기-상태 파동함수(confined excited-state wavefunction)가 코어-쉘 유형 화합물에서조차 입자의 표면에 존재할 확률이 얼마간 있다. 표면을 페시베이션하는 강한 결합 리간드(binding ligand)는 코어-쉘 QD 물질의 안정성 및 효율을 향상시킨다.
양자점을 합성시키는 방법의 일례는 상기한 바와 같은 콜로이드 합성 기법을 포함하며, 통상적으로 좁은 FWHM(full-width-at-half-maximum)(양호하게는 30 nm 미만)을 갖는 고도로 포화된 색 방출을 나타낸다. QD 피크 방출이 나노입자의 적절한 물질 시스템 및 크기를 선택함으로써 조정될 수 있기 때문에 도달가능한 방출 컬러의 수는 거의 무제한이다. 콜로이드 합성된 적색, 녹색 및 청색 Cd-기반 QD는 일상적으로, 피크 방출 파장 재현성이 +/- 2%이고 FWHM이 30 nm보다 작은 경우, 70-80% 정도의 용액 양자 수율을 달성할 수 있다.
일부 실시예들에서, QD는 InP를 포함하는 코어를 포함한다. 양호하게는, 이러한 QD는 50% 용액 양자 수율 또는 그 이상을 갖는다. 일부 실시예들에서, 이러한 QD는 콜로이드 합성 공정에 의해 준비된다. InP 또는 기타 III-V 반도체 물질을 포함하는 코어를 포함하는 QD를 준비하는 공정의 일례가 2006년 11월 21일자로 출원된 Clough 등의 미국 특허 출원 제60/866,822호에 기술되어 있으며, 이 미국 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명의 다양한 양태들 및 실시예들에 포함되고 본 개시 내용에서 고려되는 양자점은 양호하게는 좁은 크기 분포를 갖는 양자점의 집단의 구성원이다. 보다 양호하게는, 양자점은 양자 구속 반도체 나노입자의 단분산(monodisperse) 집단 또는 실질적으로 단분산인 집단을 포함한다.
본 발명에 유용할 수 있는 기타 양자점 물질 및 방법의 일례가 이하의 출원들에 기술된 것들을 포함한다. 2007년 6월 4일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Light-Emitting Devices And Displays With Improved Performance(개선된 성능을 갖는 발광 장치 및 디스플레이)"인 Seth Coe-Sullivan 등의 국제 출원 제PCT/US2007/13152호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Blue Light Emitting Semiconductor Nanocrystal Materials And Compositions And Devices Including Same(청색 발광 반도체 나노결정 물질 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Craig Breen 등의 미국 가특허 출원 제60/866826호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Semiconductor Nanocrystal Materials And Compositions And Devices Including Same(반도체 나노결정 물질 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Craig Breen 등의 미국 가특허 출원 제60/866828호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Semiconductor Nanocrystal Materials And Compositions And Devices Including Same(반도체 나노결정 물질 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Craig Breen 등의 미국 가특허 출원 제60/866832호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Semiconductor Nanocrystal And Compositions And Devices Including Same(반도체 나노결정 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Dorai Ramprasad의 미국 가특허 출원 제60/866833호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Semiconductor Nanocrystal And Compositions And Devices Including Same(반도체 나노결정 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Dorai Ramprasad의 미국 가특허 출원 제60/866834호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Semiconductor Nanocrystal And Compositions And Devices Including Same(반도체 나노결정 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Dorai Ramprasad의 미국 가특허 출원 제60/866839호, 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Blue Light Emitting Semiconductor Nanocrystal And Compositions And Devices Including Same(청색 발광 반도체 나노결정 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Dorai Ramprasad의 미국 가특허 출원 제60/866840호, 및 2006년 11월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Semiconductor Nanocrystal And Compositions And Devices Including Same(반도체 나노결정 및 조성물과 이를 포함한 장치)"인 Dorai Ramprasad의 미국 가특허 출원 제60/866843호. 이상 열거한 특허 출원들 각각은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명에서 유용할 수 있는, 양자점 물질 및 양자점 물질을 포함하는 막 또는 층을 표면에 도포하는 데 유용할 수 있는 피착 기술의 일례로는 미세 컨택트 프린팅(microcontact printing)이 있다.
QD 물질 및 QD 물질을 포함하는 막 또는 층이 미세 컨택트 프린팅, 잉크젯 프린팅 등에 의해 가요성 또는 강성 기판에 도포될 수 있다. 대면적에 걸쳐 QD의 콜로이드 서스펜션을 프린팅하고 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 그의 컬러를 조절하는 기능을 겸비하면 얇은 경량 패키지에 조정된 컬러를 요구하는 고체 조명 응용에 이상적인 형광체가 된다. QD 및 QD를 포함하는 막 또는 층은 다양한 피착 기법들에 의해 표면에 도포될 수 있다. 일례로는 2007년 4월 9일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Composition Including Material, Methods Of Depositing Material, Articles Including Same And Systems For Depositing Material(물질을 포함하는 조성물, 물질을 피착하는 방법, 이를 포함한 물품 및 물질을 피착하는 시스템)"인 Seth A. Coe-Sullivan 등의 국제 특허 출원 제PCT/US2007/08873호, 2007년 4월 13일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods Of Depositing Material, Methods Of Making A Device, And Systems And Articles For Use In Depositing Material(물질을 피착하는 방법, 장치를 제조하는 방법 및 물질을 피착하는 데 사용하는 시스템 및 물품)"인 Maria J, Anc 등의 국제 특허 출원 제PCT/US2007/09255호, 2007년 4월 9일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods And Articles Including Nanomaterial(나노물질을 포함하는 방법 및 물품)"인 Seth Coe-Sullivan 등의 국제 특허 출원 제PCT/US2007/08705호, 2007년 4월 9일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods Of Depositing Nanomaterial & Methods Of Making A Device(나노물질을 피착하는 방법 및 장치를 제조하는 방법)"인 Marshall Cox 등의 국제 특허 출원 제PCT/US2007/08721호, 2005년 10월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Method And System For Transferring A Patterned Material(패터닝된 물질을 전사하는 방법 및 시스템)"인 Seth Coe-Sullivan 등의 미국 특허 출원 제11/253,612호, 2005년 10월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Light Emitting Device Including Semiconductor Nanocrystals(반도체 나노결정을 포함하는 발광 장치)"인 Seth Coe-Sullivan 등의 미국 특허 출원 제11/253,595호, 2007년 6월 25일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods for Depositing Nanomaterial, Methods For Fabricating A Device, And Methods For Fabricating An Array Of Devices(나노물질을 피착하는 방법, 장치를 제조하는 방법, 및 장치 어레이를 제조하는 방법)"인 Seth Coe-Sullivan의 국제 특허 출원 제PCT/US2007/14711호, 2007년 6월 25일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods for Depositing Nanomaterial, Methods For Fabricating A Device, And Methods For Fabricating An Array Of Devices And Compositions(나노물질을 피착하는 방법, 장치를 제조하는 방법, 그리고 장치 및 조성물 어레이를 제조하는 방법)"인 Seth Coe-Sullivan 등의 국제 특허 출원 제PCT/US2007/14705호, 2007년 6월 25일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Methods And Articles Including Nanomaterial(나노물질을 포함하는 방법 및 물품)"인 Seth Coe-Sullivan 등의 국제 출원 제PCT/US2007/14706호에 기술된 것들을 포함한다. 이상의 특허 출원들 각각은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
양자점 물질에 관한 부가 정보, 양자점들을 포함하는 다양한 방법, 및 양자점 물질을 포함하는 장치가 이하의 공개 문헌에 포함되어 있으며, 이들 문헌은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다. P. Kazlas, J. Steckel, M. Cox, C. Roush, D. Ramprasad, C. Breen, M. Misic, V. DiFilippo, M. Anc, J. Ritter 및 S. Coe-Sullivan의 "Progress in Developing High Efficiency Quantum Dot Displays(고효율 양자점 디스플레이 개발 과정)" SID'07 Digest, P 176 (2007)와, G. Moeller 및 S. Coe-Sullivan의 "Quantum-Dot Light -Emitting Devices for Displays(디스플레이의 양자점 발광 장치)" SID'06 Digest (2006)와, J. S. Steckel, B. K. H. Yen, D. C. Oertel, M. G. Bawendi의 "On the Mechanism of Lead Chalcogenide Nanocrystal Formation(캘코겐화납 나노결정 형성 메커니즘에 관해)", Journal of the American Chemical Society, 128, 13032 (2006)와, J. S. Steckel, P. Snee, S. Coe-Sullivan, J. P. Zimmer, J. E. Halpert, P. Anikeeva, L. Kim, M. G. Bawendi, 및 V. Bulovic의 "Color Saturated Green-Emitting QD-LEDs(색포화 녹색-방출 QD-LED)", Angewandte Chemie International Edition, 45, 5796 (2006)와, P.O. Anineeva, CF. Madigan, S.A. Coe-Sullivan, J.S. Steckel, M.G. Bawendi, 및 V. Bulovic의 "Photoluminescence of CdSe/ZnS Core/Shell Quantum Dots Enhanced by Energy Transfer from a Phosphorescent Donor(인광성 도너로부터의 에너지 전달에 의해 향상된 CdSe/ZnS 코어/쉘 양자점의 광발광)" Chemical Physics Letters, 424, 120 (2006)와, Y. Chan, J. S. Steckel, P. T. Snee, J.-Michel Caruge, J. M. Hodgkiss, D. G. Nocera, 및 M. G. Bawendi의 "Blue semiconductor nanocrystal laser(청색 반도체 나노결정 레이저)", Applied Physics Letters, 86, 073102 (2005)와, S. Coe Sullivan, W.woo, M.G. Bawendi, V. Bulovic의 "Electroluminescence of Single Monolayer of Nanocrystals in Molecular Organic Devices(분자 유기 장치에서의 나노결정의 하나의 단분자막의 전계발광)", Nature (London) 420, 800 (2002)와, S. Coe-Sullivan, J. S. Steckel, L. Kim, M. G. Bawendi, 및 V. Bulovic의 "Method for fabrication of saturated RGB quantum dot light-emitting devices(포화된 RGB 양자점 발광 장치의 제조 방법)", Proc. of SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 108, 5739 (2005)와, J. S. Steckel, J. P. Zimmer, S. Coe-Sullivan, N. Stott, V. Bulovic, M. G. Bawendi의 "Blue Luminescence from (CdS)ZnS Core-Shell Nanocrystals((CdS)ZnS 코어-쉘 나노결정으로부터의 청색 발광)", Angewandte Chemie International Edition, 43, 2154 (2004)와, Y. Chan, J. P. Zimmer, M. Stroh, J. S. Steckel, R. K. Jain, M. G. Bawendi의 "Incorporation of Luminescent Nanocrystals into Monodisperse Core-Shell Silica Microspheres(발광 나노결정을 단분산 코어-쉘 실리카 미세구에 포함시킴)", Advanced Materials, 16, 2092 (2004)와, J. S. Steckel, N. S. Persky, C. R. Martinez, C. L. Barnes, E. A. Fry, J. Kulkarni, J. D. Burgess, R. B. Pacheco, 및 S. L. Stoll의 "Monolayers and Multilayers of [Mnl2O12(O2CMe)16]([Mnl2O12(O2CMe)16]의 단분자막 및 다층)", Nano Letters, 4, 399 (2004)와, Y. K. Olsson, G. Chen, R. Rapaport, D. T. Fuchs, 및 V. C. Sundar, J. S. Steckel, M. G. Bawendi, A. Aharoni, U. Banin의 "Fabrication and optical properties of polymeric waveguides containing nanocrystalline quantum dots(나노결정 양자점을 함유하는 폴리머 도파로의 제조 및 광학적 특성)", Applied Physics Letters, 18 4469 (2004)와, D. T. Fuchs, R. Rapaport, G. Chen, Y. K. Olsson, V. C. Sundar, L. Lucas, 및 S. Vilan, A. Aharoni 및 U. Banin, J. S. Steckel 및 M. G. Bawendi의 "Making waveguides containing nanocrystalline quantum dots(나노결정 양자점을 함유하는 도파로 제조)", Proc.of SPIE, 5592, 265 (2004)와, J. S. Steckel, S. Coe-Sullivan, V. Bulovic, M. G. Bawendi의 "1.3 ㎛ to 1.55 ㎛ Tunable Electroluminescence from PbSe Quantum Dots Embedded within an Organic Device(유기 장치 내에 매립된 PbSe 양자점으로부터의 1.3 ㎛ to 1.55 ㎛ 조절가능 전계발광)", Adv. Mater., 15, 1862 (2003)와, S. Coe-Sullivan, W. Woo, J. S. Steckel, M. G. Bawendi, V. Bulovic의 "Tuning the Performance of Hybrid Organic/Inorganic Quantum Dot Light-Emitting Devices(하이브리드 유기/무기 양자점 발광 장치의 성능 조절)", Organic Electronics, 4, 123 (2003), 그리고 이하의 특허들, 즉 Robert F. Karlicek, Jr.의 미국 특허 제6,746,889호 "Optoelectronic Device with Improved Light Extraction(개선된 광 추출을 갖는 광전자 장치)", 제6,777,719호 "LED Reflector for Improved Light Extraction(개선된 광 추출을 갖는 LED 반사체)", 제6,787,435호 "GaN LED with Solderable Backside Metal(솔더링가능 후방 금속을 갖는 GaN LED)", 제6,799,864호 "High Power LED Power Pack for Spot Module Illumination(스폿 모듈 조명용 고출력 LED 출력 팩)", 제6,851,831호 "Close Packing LED Assembly with Versatile Interconnect Architecture(다양한 상호접속 구조를 갖는 밀집 패킹 LED 어셈블리)", 제6,902,990호 "Semiconductor Device Separation Using Patterned Laser Projection(패터닝된 레이저 투영을 사용한 반도체 장치 분리)", 제7,015,516호 "LED Packages Having Improved Light Extraction(향상된 광 추출을 갖는 LED 패키지)", 제7,023,022호 "Microelectronic Package Having Improved Light Extraction(향상된 광 추출을 갖는 마이크로전자 패키지)", 제7,170,100호 "Packaging Designs for LEDs(LED 패키징 설계)", 및제7,196,354호 "Wavelength Converting Light Emitting Devices(파장 변환 발광 장치)".
반도체 나노결정 및 그의 용도에 관한 추가의 정보도 역시 2004년 10월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제60/620,967호, 2005년 1월 11일자로 출원된 제11/032,163호, 및 2005년 3월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/071,244호에서 찾아볼 수 있다. 이상의 특허 출원들 각각은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "상부", "하부", "위" 및 "아래"는 기준점으로부터의 위치에 기초한 상대적 위치 용어이다. 보다 상세하게는, "상부"는 기준점으로부터 가장 멀리 있는 것을 의미하는 반면, "하부"는 기준점에 가장 가까운 것을 의미한다. 여기서, 예를 들어, 층이 요소 또는 기판 "위에" 배치 또는 피착되는 것으로 기술되어 있는 경우, 그 층은 요소 또는 기판으로부터 더 멀리 떨어져 배치된다. 그 층과 요소 또는 기판 사이에 다른 층들이 있을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "덮는다"는 기준점으로부터의 위치에 기초한 상대적 위치 용어이다. 예를 들어, 제1 물질이 제2 물질을 덮고 있는 것으로 기술되어 있는 경우, 제1 물질이 제2 물질 위에 배치되지만, 제2 물질과 꼭 접촉할 필요는 없다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 표현 "한", "하나" 및 "그"는 문맥이 명백히 다른 것을 말하는 것이 아닌 한 복수를 포함한다. 따라서, 예를 들어, 한 나노물질이라고 말하는 것은 하나 이상의 이러한 물질을 말하는 것을 포함한다.
이상에서 전반에 걸쳐 언급한 모든 특허 및 공개 문헌은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다. 게다가, 양, 농도, 또는 기타 값이나 파라미터가 범위, 양호한 범위, 또는 위쪽 양호한 값들 및 아래쪽 양호한 값들의 목록으로서 주어질 때, 이것은, 범위들이 개별적으로 개시되어 있는지 여부에 상관없이, 위쪽 범위 한계 또는 양호한 값과 아래쪽 범위 한계 또는 양호한 값의 임의의 쌍으로 이루어진 모든 범위를 특정하여 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 일정 범위의 숫자값들이 인용되는 경우, 달리 언급하지 않는 한, 그 범위는 범위의 종단점을 포함하고, 그 범위 내의 모든 정수 및 소수를 포함하는 것으로 보아야 한다. 본 발명의 범위가 범위를 정의할 때 인용된 특정의 값으로 제한되는 것으로 보아서는 안 된다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 상세 및 실시를 살펴봄으로써 본 발명의 다른 실시예들이 당업자에게는 명백할 것이다. 본 명세서 및 일례들이 단지 예시적인 것으로 간주되고 본 발명의 진정한 범위 및 사상이 이하의 청구항들 및 그의 등가물에 의해 나타내어지는 것으로 보아야 한다.
Claims (149)
- 기판; 및
상기 기판의 제1 표면 상에 배치되고, 고체 호스트 물질 내에 복수개의 산란 입자들과 하향 변환 물질을 포함하는 층을 포함하는 광학 요소(optical component)로서,
상기 하향 변환 물질은 복수개의 양자점들(quantum dots)을 포함하고,
상기 산란입자들은 발광성이 없으며,
상기 복수개의 산란입자들은 상기 고체 호스트 물질 내에 분산되어 있고,
상기 복수개의 양자점들은 상기 고체 호스트 물질 내에 개별적인 입자로서 분포되어 있고,
상기 양자점들은 크기가 1 nm 내지 20 nm 이고,
상기 양자점들은 35 nm 이하의 FWHM(full-width half-maximum) 방출 스펙트럼을 가지고,
상기 양자점들은 제1 무기 반도체 물질을 포함하는 코어, 및 상기 코어의 적어도 일부분 상의 쉘을 포함하고, 상기 코어는 미리 결정된 파장의 광을 방출하도록 광학 밴드 갭을 제공하기 위하여 선택된 지름을 가지고, 상기 쉘은 제2 무기 반도체를 포함하고,
상기 산란입자들은 이산화티탄(TiO2) 입자, 티탄산바륨(BaTiO3) 입자, 황산 바륨(BaSO4) 입자, 및 산화 아연(ZnO) 입자 중 적어도 하나의 산란 입자들을 포함하고, 상기 산란입자들은, 레일리 산란 이론에 따라 미리 선택된 파장 또는 파장들의 광을 산란시키는 것이고,
상기 미리 선택된 파장 또는 파장들은 400 nm 내지 700 nm 내에 존재하는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 기판은, 광학적으로 투명하고, 도파로 또는 확산기를 포함하는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 층은, 패터닝된(patterned) 구성의 특징부들을 포함하고,
상기 특징부들 중 적어도 일부분은, 상기 복수개의 산란 입자들과 상기 복수개의 양자점들을 포함하는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 광학 요소의 상부 표면으로부터 방출되는 광을 아웃커플링(outcoupling)하도록 구성된 상부 표면을 더 포함하는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 기판의 가장자리에 광학적으로 결합된 LED를 갖도록 구성되어 있는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 기판에는 LED가 매립되어 있는 광학 요소. - 제3항에 있어서,
상기 기판은 상기 패터닝된 구성에 대향하는 상기 기판의 표면에 광학적으로 결합된 LED를 갖도록 구성되어 있는 광학 요소. - 제3항에 있어서,
상기 기판은 상기 패터닝된 구성을 포함하는 상기 기판의 표면에 광학적으로 결합된 LED를 갖도록 구성되어 있는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 프리즘을 통해 상기 기판의 표면에 광학적으로 결합된 LED를 갖도록 구성되어 있는 광학 요소. - 제3항에 있어서,
상기 패터닝된 구성의 상기 특징부들은 디더링된 구성(dithered arrangement)으로 포함되어 있는 광학 요소. - 제10항에 있어서,
상기 패터닝된 구성의 상기 특징부들은 녹색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 상기 특징부들의 제1 부분, 황색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 상기 특징부들의 제2 부분, 및 적색광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하는 상기 특징부들의 제3 부분을 포함하는 광학 요소. - 제10항에 있어서,
상기 패터닝된 구성은 하향-변환 물질 없이 발광성이 없는 산란체를 포함하는 특징부들을 더 포함하는 광학 요소. - 제10항에 있어서,
상기 패터닝된 구성은 반사 물질을 포함하는 특징부들을 더 포함하는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 광학 요소는 반사 물질을 포함하는 층을 더 포함하는 광학 요소. - 제14항에 있어서,
상기 반사 물질은 은 입자들을 포함하는 광학 요소. - 제4항에 있어서,
상기 상부 표면은 광을 아웃커플링하기 위한 마이크로렌즈(microlens)들 또는 미세-릴리프 구조(micro-relief structure)들을 포함하는 광학 요소. - 제3항에 있어서,
상기 패터닝된 구성의 특징부들은 상기 기판 표면의 미리 정해진 영역 상에 배치되는 광학 요소. - 제10항에 있어서,
상기 패터닝된 구성의 상기 특징부들은 디더링된 구성으로 구성되어 있고, 하향-변환 물질을 포함하는 상기 특징부들 각각에 포함된 하향-변환 물질은, 상기 광학 요소가 광원에 광학적으로 결합될 때 백색광을 방출할 수 있도록, 미리 정해진 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 양자점들을 포함하도록 선택되는 광학 요소. - 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 특징부들 중 적어도 일부분은 다른 특징부들과 광학적으로 분리(optically isolated)되어 있는 광학 요소. - 제19항에 있어서,
상기 특징부들 중 적어도 일부분은 공기 또는 저굴절률 물질 또는 고굴절률 물질에 의해 다른 특징부들과 광학적으로 분리되어 있는 광학 요소. - 기판을 포함하는 광학 요소로서,
상기 기판은 복수개의 양자점들을 포함하는 하향-변환 물질, 고체 호스트 물질, 및 상기 고체 호스트 물질에 포함되는 복수개의 산란입자들을 포함하고,
상기 산란입자들은 발광성이 없고,
상기 복수개의 산란 입자들은 고체 호스트 물질 내에 분산되어 있고,
상기 하향 변환 물질은, 상기 기판의 표면에 배치되고,
상기 복수개의 양자점들은 개별적인 입자로서 분포되어 있고,
상기 양자점들은 크기가 1 nm 내지 20 nm 이고,
상기 양자점들은 35 nm 이하의 FWHM 방출 스펙트럼을 가지고,
상기 양자점들은 제1 무기 반도체 물질을 포함하는 코어, 및 상기 코어의 적어도 일부분 상의 쉘을 포함하고, 상기 코어는 미리 결정된 파장의 광을 방출하도록 광학 밴드 갭을 제공하기 위하여 선택된 지름을 가지고, 상기 쉘은 제2 무기 반도체를 포함하고,
상기 산란 입자들은 이산화티탄(TiO2) 입자, 티탄산바륨(BaTiO3) 입자, 황산 바륨(BaSO4)입자 및 산화 아연(ZnO) 입자 중 적어도 하나의 산란 입자들을 포함하고, 상기 산란입자들은, 레일리 산란 이론에 따라 미리 선택된 파장 또는 파장들의 광을 산란시키는 것이고,
상기 미리 선택된 파장 또는 파장들은 400 nm 내지 700 nm 내에 존재하는 광학 요소. - 제21항에 있어서,
상기 하향-변환 물질은 상기 기판의 상기 표면의 미리 정해진 영역 상에 상기 하향-변환 물질을 포함하는 특징부들의 패터닝된 구성으로 배치되며,
상기 기판은 광원에 광학적으로 결합되도록 구성되어 있는 광학 요소. - 제3항, 제10항 또는 제22항에 있어서,
상기 특징부들 중 적어도 일부분은 미리 정해진 아웃커플링 각도를 갖도록 구성되어 있는 광학 요소. - 제23항에 있어서,
상기 특징부들은 실질적으로 반구형(hemispherical)인 표면, 또는 곡면, 또는 프리즘 형상(prism geometry)을 포함하는 광학 요소. - 제18항에 있어서,
상기 광원은 상기 기판의 가장자리에 광학적으로 결합될 수 있는 광학 요소. - 제25항에 있어서,
특징부들의 수 및 특징부들의 상호 근접성은 상기 광원으로부터의 거리의 증가 함수로서 증가하는 광학 요소. - 제26항에 있어서,
상기 광학 요소의 표면으로부터 방출된 광은 상기 기판 표면의 미리 정해진 영역에 걸쳐 실질적으로 균일한 광학 요소. - 제14항에 있어서,
반사 물질을 포함하는 상기 층은 상기 광학 요소의 발광면 쪽으로 광을 반사시키도록 광원 및 상기 기판에 대해 배치되는 광학 요소. - 제28항에 있어서,
반사 물질을 포함하는 상기 층은 상기 하향-변환 물질을 포함하는 표면으로부터 대향하는 상기 기판의 표면 상에 배치되는 광학 요소. - 제5항에 있어서,
상기 LED가 결합되어 있는 가장자리로부터 대향하는 상기 기판의 가장자리에 반사 물질이 포함되어 있는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 가장자리들의 적어도 일부분 주변에 반사 물질이 포함되어 있는 광학 요소. - 제1항 또는 제21항에 따른 광학 요소 및 이 광학 요소에 광학적으로 결합될 수 있는 광원을 포함하는 고체 상태 조명 장치.
- 제22항에 있어서,
상기 특징부들은 디더링된 구성으로 포함되어 있는 광학 요소. - 제21항에 있어서,
상기 기판은, 광학적으로 투명하고, 도파로 또는 확산기를 포함하는 광학 요소. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 산란입자들의 농도는 0.001 내지 20 중량%인 광학 요소. - 제21항에 있어서,
상기 복수개의 산란입자들의 농도는 0.001 내지 20 중량%인 광학 요소. - 삭제
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