KR101869230B1 - 파장선택성 나노다공 구조체 - Google Patents

파장선택성 나노다공 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세공이 다수로 형성되는 나노 다공체; 상기 세공 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체; 및 상기 세공의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부;를 포함하도록 한 파장선택성 나노다공 구조체에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 파장 선택성 나노다공 구조체를 손쉽게 제조하여 광 소자의 응용범위를 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 광 소자의 광 효율을 증대시킬 수 있고, 산소, 수분, 열의 차단으로 인해 이들의 영향을 최소화하여 양자점의 수명 및 내구성을 증대시킬 수 있으며, 에너지의 손실을 최소화할 수 있고, 동작의 신뢰성을 높일 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있고, 방열효과가 우수하여 열손상으로 인한 내구성 저하를 방지할 수 있다.

Description

파장선택성 나노다공 구조체{Wavelength-selective nanoporous structure}
본 발명은 파장선택성 나노다공 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이의 구조에 기인하는 다양한 광 특성으로 인하여 광 소자의 광 효율을 증대시키도록 하고, 나노다공성 구조체의 높은 방열성과 우수한 산소 및 수분의 차단성으로 인하여, 광 소자의 수명 및 내구성을 크게 증대시킬 수 있도록 하며, 나아가서 방열 효과가 우수한 파장선택성 나노다공 구조체에 관한 것이다.
일반적으로, 광원으로부터 발생한 백색광이 적색, 녹색, 청색의 컬러필터를 투과해 나오는 3원색이 조합되어 다양한 컬러를 구현하게 된다. 이를 위한 백색광원으로 양자점과 같은 나노형광체를 사용한 색변환 부재들이 흔히 사용된다.
종래에서, 양자점을 이용한 발광기술로는, 한국공개특허 제10-2015-0133790호의 "캡슐화된 다공성 입자 내 양자점"이 개시된 바 있으며, 이는 발광성 양자점들이 무기 다공성 입자 내부에 매립된 중합체 재료로 적어도 부분적으로 충전된 세공들을 갖는 다공성 무기 재료 코어를 갖는 입자들을 포함하는 발광 재료에 관한 것이다.
그러나, 이러한 종래 기술은 전방으로 반사되는 광 이용 효율을 증대시키는데 한계를 가진다. 또한 종래 기술 뿐만 아니라, 기존의 양자점을 이용한 발광장치에서, 양자점은 기존 형광체의 광 변환 효율 및 색 순도에 비하여 우수한 특성을 보이나, 몇 가지 취약점을 내포하고 있다. 즉, 양자점은 열, 수분, 산소 및 강한 빛에 대한 변성으로 시간이 경과함에 따라 광 특성이 크게 저하된다. 또한, 현재 알려진 고효율 양자점은 카드뮴 반도체 계열로 유해물제한지침(RoHS)에 포함된 대표적인 유해물질로서 높은 환경 규제를 받고 있어, 최소한의 사용량이 요구된다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 특허청에 출원한 특허(한국특허출원 제10-2015-0121727호 및 한국특허출원 제10-2015-0172864호)에서, 양극산화 알루미나와 같은 나노다공 구조체를 사용하여 광 효율을 향상시키고, 이로 인한 양자점 사용량을 감소시킴과 아울러, 우수한 방열과 수분 및 산소 차단으로 양자점의 내구성을 증가시키는 기술을 제시한 바 있다. 또한 상기의 선출원된 특허에서 제안한 나노다공 구조체는 나노채널이 직선형인바, 이의 유효굴절률( effective refractive index)은 나노채널의 시작점에서부터 끝까지 동일하다. 따라서, 이에 함침 내지 밀봉된 양자점의 내구성은 매우 우수하나, 이의 광학적 특성은 개선될 필요가 있다.
특히, 광 소자의 응용에 있어 방출되는 광의 파장 및 진행방향의 제어가 매우 중요하며, 광 효율 및 성능을 크게 높이기 위하여, DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)나 다이크로익 필터/반사체(dichroic filter/reflector) 등 다양한 광학부품들이 사용되고 있다. 그러나 이들은 굴절률이 다른 물질들을 매우 정밀한 두께로 다층 코팅하거나, 라미네이션시킨 것으로 매우 고가이며, 이들 부품을 광 소자에 적용하기 위해서는 복잡한 개별 공정이 필요한 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 나노다공 구조의 변조에 따른 유효굴절률 변조로 광의 진행 방향을 제어하며, 나노다공 구조체의 광 효율을 증대시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나노다공 구조의 변조에 따른 유효굴절률 변조로 파장의 선택성을 높여 투과형 또는 반사형 파장선택성 나노다공 구조체의 광 효율을 증대시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 저가의 투과형 또는 반사형 파장선택성 나노다공 구조체를 제작할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 산소, 수분의 차단 및 효율적인 방열로 이들의 영향을 최소화하여, 양자점의 수명 및 내구성을 증대시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 에너지의 손실을 최소화하고, 동작의 신뢰성을 높이는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나노다공 구조체를 이용하여 자외선 또는 청색광 여기 발광 백라이트유닛 등과 같은 광 소자를 구현할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 방열효과가 우수하여 열손상으로 인한 내구성 저하를 방지하도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 세공이 다수로 형성되는 나노 다공체; 상기 세공 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체; 및 상기 세공의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부;를 포함하는, 파장선택성 나노다공 구조체가 제공된다.
상기 나노 다공체는, 상기 세공이 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 형성되고, 상기 반사부는, 상기 방법에서 전압이나 전류 파형의 크기 및 주기의 조절에 의해 형성될 수 있다.
상기 나노 다공체는, 기판을 패터닝하기 위해 마스킹한 후 국소적으로 에칭이나 양극산화하여 얻어질 수 있다.
상기 전압이나 전류 파형은, 삼각파, 사각파, 사다리꼴파 및 정현파 중에서 어느 하나이거나, 이의 합성파일 수 있다.
상기 나노 형광체는, 고분자로 캡슐화된 양자점(polymer-encapsulated QD)ㅇ일 수 있다.
상기 세공 각각에는, 상기 나노 형광체로서, 적색 발광 양자점, 녹색 발광 양자점 및 청색 발광 양자점 중 어느 하나의 종류만이 주입되거나, 이들의 조합이 주입될 수 있다.
상기 반사부는, 상기 세공의 내측면에서 일부에 걸쳐서 형성되거나, 상기 세공의 내측면에서 전부에 걸쳐서 형성될 수 있다.
상기 반사부는, 상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대 각각을 반사하는 다수의 영역으로 형성될 수 있다.
상기 반사부는, 상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대를 반사하는 단일의 영역으로 형성될 수 있다.
상기 파장선택성 나노다공 구조체는, 광의 투과용일 수 있다.
상기 나노 다공체는, 기판에 대하여 양극산화 공정을 끝까지 진행하여 상기 기판의 금속을 모두 투명한 금속산화물로 변환시키거나 배면에 남아 있는 밸브금속을 에칭하여 투명한 구조체로 제조될 수 있다.
상기 파장선택성 나노다공 구조체는, 광의 반사용일 수 있다.
상기 나노 다공체는, 기판에 대하여 에칭 또는 양극산화 공정을 일부만 진행하여 배면에 밸브금속을 남겨두어 반사체를 이루도록 할 수 있다.
상기 세공에 상기 나노 형광체와 함께 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 방열입자를 더 포함할 수 있다. 상기 방열입자는, AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 나노 다공체의 어느 일면 또는 양면에 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 제 1 방열체를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 방열체는, AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 나노 다공체에서 광이 반사되는 측면에 마련되고, 배면에 방열을 위한 재질로 이루어지는 제 2 방열체를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 방열체는, 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), SiC, AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
상기 파장선택성 나노다공 구조체는, 조명이나 백라이트유닛의 광원의 광에 의해 색 변환을 수행하는 색변환부재로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 파장선택성 나노다공 구조체에 의하면, 파장 선택성 나노다공 구조체를 손쉽게 제조하여 광 소자의 응용범위를 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 광 소자의 광 효율을 증대시킬 수 있고, 산소, 수분, 열의 차단으로 인해 이들의 영향을 최소화하여 양자점의 수명 및 내구성을 증대시킬 수 있으며, 에너지의 손실을 최소화할 수 있고, 동작의 신뢰성을 높일 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있으며, 방열효과가 우수하여 열손상으로 인한 내구성 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체의 동작을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 6 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제 7 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 8 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 광원(10)에 의해 광이 여기(excitation)되어 발광성을 가지게 되고, 광원(10)의 광이 투과되는 투과형을 나타낸다. 본 발명의 일 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 세공(120)이 다수로 형성되는 나노 다공체(110)와, 상기 세공(120) 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체(141,142,143)와, 세공(120)의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체(141,142,143)의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부(130)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시례에서, 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 광의 투과용으로서, 예컨대 나노 다공체(110)는 기판에 대하여 양극산화 공정을 끝까지 진행하여 상기 기판의 금속을 모두 투명한 금속산화물로 변환시키거나, 배면에 남아 있는 밸브금속을 에칭하여 투명한 구조체로 제조될 수 있다. 또한 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 별도의 광원(10)에 의해 여기되어 투과형으로서, 조명이나 백라이트유닛의 광원의 광에 의해 색 변환을 수행하는 색변환부재를 이룰 수 있다. 본 실시례에서, 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 도광판에의 엣지형 및 직하형 광원으로 응용될 수 있다. 나노 세공(120) 구조에 나노 형광체(141,142,143)가 함침된 투과형의 도광판용 광원으로 응용시, 별도의 광원(10), 예컨대 자외선은 녹색, 적색, 청색의 나노 형광체(141,142,143)를 각각 여기하여 녹색, 적색 및 청색의 형광을 유도하며, 이 형광빛은 혼합되어 백색광을 나타내며, 이 백색광은 도광판 방향으로 진행된다. 이의 제조를 위해 전압이나 전류의 파형만 변형을 준 것 외에는, 기존의 양극산화 공정에 따른 나노 세공 구조 형성과 동일한 방법으로 연속적인 공정을 실시하여, 나노 다공체(110)를 형성함으로써 조명이나 백라이트유닛의 기능 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100A)는 광원(10)에 의해 광이 여기되어 발광성을 가지되, 이렇게 여기된 광을 반사시키는 반사형을 나타낸다. 본 발명의 다른 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100A)는 본 발명의 일 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100)와 마찬가지로, 세공(120)이 다수로 형성되는 나노 다공체(110)와, 세공(120) 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체와, 상기 세공(120)의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부(130)를 포함하되, 반사를 위하여, 본 발명의 일 예에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100)의 나노 다공체(110) 일면, 예컨대 배면에 반사체(160)가 마련될 수 있다는 점에서 본 발명의 일 실시례와 차이를 가진다.
본 발명의 다른 실시례에서, 파장선택성 나노다공 구조체(100A)는 광의 반사용으로서, 예컨대 나노 다공체(110)는 기판에 대하여 에칭 또는 양극산화 공정을 일부만 진행하여 배면에 밸브금속을 남겨두어 반사체(160)를 이루도록 할 수 있다. 또한 파장선택성 나노다공 구조체(100A)는 별도의 광원(10)에 의해 여기되어 반사형으로서, 조명이나 백라이트유닛의 광원의 광에 의해 색 변환을 수행하는 색변환부재를 이룰 수 있다. 본 실시례에서 나노 다공체(110)는 실리콘 이외에도 금속들, 특히 Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, W, Ta 등의 밸브금속들은 가시광선의 반사율이 매우 높고, 열 전도율도 매우 높아 우수한 방열구조의 반사형 백라이트유닛의 제작에 매우 적합한 물질이다. 따라서 금속표면의 일부분만을 양극산화시켜서, 배면 금속을 남겨둔 채로 양극산화 나노 다공체에 나노 형광체를 담지한 후 반사형 광원으로 사용하면, 배면 금속에 해당하는 반사체(160)의 반사효과로 거의 모든 빛을 도광판 방향으로 진행시켜서, 조명이나 백라이트유닛의 광 효율을 크게 높일 수 있으며, 배면 금속부분에 해당하는 반사체(160)의 높은 열전도에 의한 방열효과를 크게 향상시킬 수 있다. 또한 금속 자체의 가시광선 영역 흡수도가 상당하여 백라이트유닛의 반사체(160) 내에서 전반사를 비롯한 광의 다중반사가 일어날 경우, 가시광선 영역에서의 금속, 일례로 알루미늄(Al)의 흡수에 의한 광의 감쇠 정도는 커지게 된다. 이를 해결하기 위하여 흡수도가 가장 높은 청색 및 적색 영역의 파장 선택적 스톱 밴드(stop band)를 가지는 반사구조를 형성하여 주거나, 청색, 녹색, 적색 영역을 포함하는 광대역 스톱 밴드를 갖는 나노다공 구조체를 형성함으로써, 알루미늄의 광흡수에 의한 광의 감쇠가 없는 높은 효율의 반사 구조체 구현이 가능하다.
본 발명의 다른 실시례에 따른 반사형의 파장선택성 나노다공 구조체(100A)는, 본 발명의 일 실시례에 따른 투과형의 파장선택성 나노다공 구조체(100)에서 일면, 예컨대 배면에 앞서 설명한 반사체(160)를 형성하는 것 외에는 동일하므로, 각 구성들, 예컨대 나노 다공체(110), 세공(120), 반사부(130) 및 나노 형광체 등에 대한 설명과 이들의 변형 실시례들에 대해서는, 이후 자세하게 설명하는 본 발명의 일 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(100)에서 각각 대응되는 구성들에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체의 동작을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 파장선택성 나노다공 구조체(100)는 앞서 설명한 바와 같이, 나노 다공체(110), 나노 형광체(141,142,143) 및 반사부(130)를 포함할 수 있다.
나노 다공체(110)는 세공(120)이 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 형성될 수 있으며, 기판을 패터닝을 위해 마스킹한 후 국소적으로 에칭이나 양극산화하여 얻어질 수 있다. 이때, 반사부(130)는 상기의 방법에서 전압이나 전류 파형의 크기 및 주기의 조절에 의해 형성될 수 있다. 여기서 전압이나 전류 파형은 삼각파, 사각파, 사다리꼴파 및 정현파 중에서 어느 하나이거나, 이의 합성파일 수 있다. 또한 반사부(130)는 세공(120)의 내측면에서 일부, 예컨대 세공(120)의 입구와 반대되는 측에 형성될 수 있으며, 세공(120)의 직경이나 폭의 증감에 의해 돌기 또는 홈 형태로 형성될 수 있다..
반사부(130)의 형성에 의한 파장 선택성 반사체를 구현하기 위하여, 예를 들면 DBR(Distributed Bragg Reflectors)이 사용될 수 있다. 이는 서로 다른 굴절률(nH,nL)과 두께(dH,dL)를 갖는 유전체들을 교대로 적층하여, 특정 파장에서의 밴드갭을 형성하여 준 것으로, 밴드갭에 해당하는 광을 완벽히 반사시킨다. 이때 광 파장은 λ0 = 2(nHdH + nLdL)로 주어진다. 이의 제작에 있어 일반적으로 사용되는 증착법과 달리, 매우 단순한 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 세공(120)이 형성되도록 할 수 있다. 전기화학적 나노 다공체(110)는 펄스 에칭 내지 펄스 양극산화 방법이 사용될 수 있다. 고전압이나 고전류의 조건에서 에칭이나 양극산화를 실시하면, 나노 다공체(110) 내에서의 세공 크기와 성장속도가 증가하게 된다. 따라서 주기적으로 다른 크기와 시간의 전압이나 전류 펄스를 가하면, 나노 크기의 세공(120) 크기와 주기가 달라져 유효굴절률의 변조가 일어나, 손쉬운 DBR이 만들어지게 된다. 더욱 정교한 광학 상수들, 예컨대 스톱 밴드(stop band)의 위치, 반치폭 및 반사도 등은 제작된 나노 다공체(110)의 세공 확장(pore widening) 방법을 통해 얻을 수 있다. 다만, DBR 구조는 λ 0/m (m > 1)의 파장 위치에 고조파(harmonics) 밴드가 생성되어, 주 스톱 밴드(main stop band) 이외의 원치 않는 높은 파장대의 제 2, 제 3 의 스톱 밴드들이 생성될 수 있으며, 이에 더하여 각 스톱 밴드들 양편에 원치 않는 사이드로브(sidelobe)가 생성될 수 있다.
DBR의 단점을 해결하기 위하여, 예를 들면 루게이트 필터(Rugate filter)가 나노 다공체(110)에 적용될 수 있다. 이를 위해 나노 다공체(110)의 제작시, 에칭이나 양극산화 과정에 펄스형 대신 정현파(sine wave)의 전압이나 전류를 인가해주며, 또한 전압이나 전류의 세기 역시 점진적으로 증가나 감소시켜서 나노 크기의 세공(120) 프로파일(즉 굴절률)을 부드럽게 규칙적으로 변조시켜서 반사부(130)를 형성할 수 있다. 루게이트 필터는 고조파에 의한 제 2, 제 3 의 스톱 밴드가 없는 단일 스톱 밴드가 형성되며, 밴드 폭도 더 좁게(π/4) 나타난다. 이의 위치에 따른 굴절률은 n(x) = na + 1/2 np sin(2πx/T + φ0)로 나타낼 수 있으며, 여기서 na, np, T, 및 φ0는 각각 평균 굴절률, 굴절율 차이, 정현파(sine wave)의 주기 및 기판의 phase(radian)이다. 스톱 밴드의 파장은 λ0 = 2T의 식으로 나타낸다.
나노 다공체(110), 세공(120) 및 반사부(130)의 형성을 위하여, 예컨대 픽셀의 패턴을 마스킹제로 패턴한 후 양극산화하여 픽셀을 형성할 수 있다. 양극산화 공정 초기에는 정전압이나 정전류로 직선형 채널을 형성한 후, 바닥부에 이르러 상기의 방법에 따라 펄스형 혹은 정현파(sine wave)의 전압이나 전류를 인가해 주어, 나노 크기의 세공(120) 프로파일(즉 굴절률)을 규칙적으로 변조시키며, 이를 통해 반사부(130)를 형성한다. 이로써 각각의 픽셀은 예컨대 청색광을 투과하는 반면에 녹색 및 적색광을 반사하는 특성을 갖는다. 이때 세공(120) 및 반사부(130)의 프로파일은 양극산화 알루미나의 굴절률(n=1.78)과 세공(120)에 채워질 나노 형광체(141,142,143) 및 폴리머(150)의 굴절률, 그리고 원하는 스톱 밴드의 파장, 반치폭 및 반사율을 고려하여 결정할 수 있다. 이후, 각각의 픽셀들은 양자점과 같은 나노 형광체(141,142,143) 혹은 나노 형광체(141,142,143)와 폴리머(150)의 컴포지트로 충진과 보호 내지 실링 처리된다.
예를 들면, 단일 반사파장 뿐만 아니라 2개의 반사파장을 갖는 루게이트 필터(rugate filter)를 RGB 삼원색으로 구성된 광 소자의 응용에 적용될 수 있다. 청색광은 통과시키며, 녹색광 및 적색광에 대한 동시 선택적 반사는 광 소자의 구조를 단순화하는 한편, 광 소자의 성능 및 효율을 크게 높일 수 있다. 이를 구현하는 방법으로는 단순히 두 구조를 연속적으로 형성하는 방법과, 원하는 두 파장의 주파수 합성으로 전류나 전압의 프로파일(profile)을 만들어 에칭이나 양극산화시키는 방법이 가능하다. 이때 아포다이제이션(apodization)을 하면, 스톱 밴드의 사이드로브도 제거된다.
본 발명에서 일례로서 제시하는 광대역 파장의 스톱 밴드를 갖는 루게이트 필터의 제작은 루게이트의 주기를 연속적으로 변화시켜 얻을 수 있다. 루게이트의 주기는 최대값(Tmax)과 최소값(Tmin)에 따라 Ti = Tmax - (Tmax - Tmin)(i - 1/N - 1)α에 따라 변형을 주어 얻어질 수 있다. 이 식에서 N과 α는 각각 루게이트 사이클의 총 수와 주기의 분배를 제어하는 매개 변수이다.
나노 형광체(141,142,143)는 고분자로 캡슐화된 양자점(polymer-encapsulated QD)일 수 있다. 세공(120) 각각에는 나노 형광체(141,142,143)로서, 본 실시례에서처럼 R, G, B 각각에 대응하도록 적색 발광 양자점(141), 녹색 발광 양자점(142) 및 청색 발광 양자점(143) 중 어느 하나의 종류만이 주입되거나, 다른 예로서, 적색 발광 양자점(141), 녹색 발광 양자점(142) 및 청색 발광 양자점(143)의 조합이 주입될 수 있다. 또한 세공(120)에는 나노 형광체(141,142,143)만이 주입되어 밀봉 처리되거나, 본 실시례에서처럼 세공(120)에 나노 형광체(141,142,143)와 함께 폴리머(150)가 혼합 상태로 주입되어 밀봉 처리될 수 있다. 본 실시례에서처럼 자외선을 제공하는 광원(10; 도 1에 도시)의 경우로서, 각 화소영역(R,G,B)의 세공(120)에는 해당하는 색상의 적색 발광 양자점(141), 녹색 발광 양자점(142) 및 청색 발광 양자점(143) 각각이 단일 종류로서 주입될 수 있다.
나노 형광체(141,142,143)로서, 양자점은 예컨대 화학적 습식방법에 의해 합성될 수 있다. 화학적 습식방법은 유기용매에 전구체 물질을 넣어 입자를 성장시키는 방법으로, 화학적 습식방법에 의한 양자점의 합성방법은 이미 공지된 기술이다. 양자점은 예컨대, CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 또는 HgS 등의 II-VI 화합물일 수 있다. 양자점은 코어-쉘 구조(core-shell)를 가질 수 있다. 여기에서 코어는 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 및 HgS 으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 포함할 수 있고, 쉘은 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnTe, ZnS, HgTe 및 HgS으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 한 물질을 포함할 수 있다. 아울러 InP 등의 III-V 화합물도 가능하다. 이와 같은 나노 형광체(141,142,143)는 상기한 예들에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조 내지 성분의 나노 크기의 형광체가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 5를 참조하면, 반사부(230)는 나노 다공체(210)의 세공(220) 내측면에서 일부, 예컨대 세공(220)의 입구측에 형성됨을 나타낸다. 이러한 반사부(230)의 세공(220) 내 위치는 세공(220)의 깊이, 직경이나 폭, 나노 다공체(210)의 재질, 광원(10; 도 1에 도시) 위치나 광원 종류 등에 따라 다양하게 정해질 수 있으며, 자외선이나 청색광 등과 같은 여기광을 반사에 의하여 세공(220) 내에서 순환시킴으로써, 나노 형광체에 대한 여기 빈도수를 증가시켜서 발광 효율을 높이도록 한다. 이러한 여기광의 순환 활용에 대해서는 본 발명의 모든 실시례에서도 마찬가지로 적용되는 작용에 해당된다. 이와 달리 도 6을 참조하면, 반사부(330)는 나노 다공체(310)의 세공(320) 내측면에서 전부에 걸쳐서 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 반사부(431,432)는 나노 다공체(410)의 세공(420) 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대 각각을 반사하도록 다수로 형성될 수 있다. 이때 세공(420)에는 적색 발광 양자점(441), 녹색 발광 양자점(442) 및 청색 발광 양자점 중에서 선택되는 다수 종류의 양자점이 혼합되어 주입될 수 있다. 이와 달리 도 8을 참조하면, 반사부(530)는 나노 다공체(510)의 세공(520) 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대를 반사하는 단일의 영역으로 형성될 수 있다. 이때 세공(520)에는 적색 발광 양자점(541), 녹색 발광 양자점(542) 및 청색 발광 양자점 중에서 선택되는 다수 종류의 양자점이 혼합되어 주입될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(600)에 따르면, 나노 다공체(610)에서 적색 화소영역(R)과 녹색 화소영역(G)에 해당하는 세공(620)에는 적색 발광 양자점(641)과 녹색 발광 양자점(642) 각각이 주입될 수 있고, 세공(620) 내측면에 반사부(630)가 형성될 수 있으나, 청색 화소영역(B)에 해당하는 세공(620)은 광원(10; 도 1에 도시)로부터의 청색광을 이용하도록, 반사부나 나노 형광체가 없는 블랭크 상태로 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제 7 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(1100)는 투과형으로서, 예컨대 세공(1120)이 다수로 형성되는 나노 다공체(1110)와, 세공(1120) 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체(1141,1142,1143)와, 세공(1120)의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 나노 형광체(1141,1142,1143)의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부(1130)을 포함할 수 있고, 이러한 예는 도 9에 도시된 실시례로 대체될 수 있음은 물론이며, 나아가서, 세공(1120)에 나노 형광체(1141,1142,1143)와 함께 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 방열입자(1150)를 더 포함할 수 있다. 또한 방열입자(1150)는 세공(1120)의 내경, 예컨대 300nm 보다 작은 직경을 가질 수 있고, 판상이나 구상은 물론 그 형태에 제한이 없으며, 폴리머와 함께 세공(1120) 내에 밀봉될 수 있다. 또한 방열입자(1150)는 예컨대 AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있으며, 이는 예시로서 반드시 이에 한하는 것은 아니다.
본 발명의 제 7 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(1100)는 나노 다공체(1110)의 어느 일면 또는 양면에 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 제 1 방열체(1170,1180)를 더 포함할 수 있다. 여기서 제 1 방열체(1170,1180)는 AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있으며, 이는 예시로서 반드시 이에 한하는 것은 아니다. 본 실시례에서는 제 1 방열체(1170,1180)가 나노 다공체(1110)의 양면에 형성됨을 나타내나, 이에 한하지 않고 나노 다공체(1110)의 광 입사 측면에만 형성되거나, 광 출력 측면에만 형성될 수 있다. 또한 제 1 방열체(1170,1180)는 그 형태에 제한이 없으나, 판상형으로 이루어지는 경우 기체 장벽(gas barrier) 효과에 유리할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제 8 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(1200)는 반사형으로서, 예컨대 세공(1220)이 다수로 형성되는 나노 다공체(1210)와, 세공(1220) 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체(1241,1242,1243)와, 세공(1220)의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 나노 형광체(1241,1242,1243)의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부(1230)를 포함할 수 있고, 이러한 예는 도 9에 도시된 실시례로 대체될 수 있음은 물론이며, 나아가서, 세공(1220)에 나노 형광체(1241,1242,1243)와 함께 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 방열입자(1250)를 더 포함할 수 있다. 또한 방열입자(1250)는 세공(1220)의 내경, 예컨대 300nm 보다 작은 직경을 가질 수 있고, 판상이나 구상은 물론 그 형태에 제한이 없으며, 폴리머와 함께 세공(1220) 내에 밀봉될 수 있다. 또한 방열입자(1250)는 예컨대 AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있으며, 이는 예시로서 반드시 이에 한하는 것은 아니다.
본 발명의 제 8 실시례에 따른 파장선택성 나노다공 구조체(1200)는 나노 다공체(1210)에서 광이 반사되는 측면, 예컨대 반사체(1260)의 노출면에 마련되고, 배면에 방열을 위한 재질로 이루어지는 제 2 방열체(1270)를 더 포함할 수 있다. 여기서 제 2 방열체(1270)는 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), SiC, AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함할 수 있으며, 이는 예시로서 반드시 이에 한하는 것은 아니고, 나아가서 일체로 형성될 수 있으며, 이와 달리 코팅에 의해 형성될 경우 입자로 이루어져서 다양한 재질의 코팅제와 함께 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 파장선택성 나노다공 구조체의 작용을 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 나노 형광체가 나노다공 구조체의 세공에 함침되어 방열 특성을 가지며, 수분 및 산소를 포함하는 외부환경과 차단된 나노다공 구조체에 파장 선택적 반사 기능까지 구비된 발광층을 얻을 수 있어 광 소자의 광 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한 에칭이나 양극산화 과정에서 전압이나 전류를 주기적으로 조절하여 나노다공 구조체의 유효굴절률을 변조시키면 다양한 광특성을 갖는 나노다공 구조체를 손쉽게 제작할 수 있으며, 특히 특정 파장을 반사하는 파장 선택적 반사기능이 구비되므로, 이의 효용성 및 응용분야를 크게 넓어질 수 있다.
나노다공성 알루미나나 나노다공성 실리콘과 같은 나노다공 구조체는 다양한 광학적 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 나노 크기의 저장용기로 사용 가능하여 산소 및 수분을 갖는 주변 환경에 민감한 다양한 광 활성 분자나 나노 형광체를 가두어서 주변 환경과 격리시킬 수 있고, 이로 인해 광특성 및 내구성이 우수한 광 소자의 제작에 매우 적합하다. 또한 실리콘이나 혹은 알루미늄과 같은 밸브금속들을 전기화학적으로 에칭이나 양극산화시켜 다양한 나노다공 구조를 획득할 수 있는바, 이를 통해 나노다공 구조체의 유효 굴절율을 변형시켜, 광을 가두거나 경로를 유도하며, 혹은 선택적으로 투과나 반사시킬 수 있다. 이로 인해 반사방지층, omnidirectional mirror, microcavity, distributed Bragg reflector, wave guide, rugate filter 등과 같은 다양한 광 소자를 제작할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110,210,310,410,510,610,1110,1210 : 나노 다공체
120,220,320,420,520,620,1120,1220 : 세공
130,230,330,431,432,530,630,1130,1230 : 반사부
141,142,143,441,442,443,641,642,1141,1142,1143,1241,1242,1243 : 나노 형광체
150 : 폴리머
160,1260 : 반사체
1150,1250 : 방열입자
1160,1170 : 제 1 방열체
1270 : 제 2 방열체
R : 적색 화소영역
G : 녹색 화소영역
B : 청색 화소영역

Claims (21)

  1. 세공이 다수로 형성되는 나노 다공체;
    상기 세공 내에 마련되어 밀봉되는 나노 형광체;
    상기 세공의 내측면에 유효굴절률을 변조시키도록 형성되어, 상기 나노 형광체의 광 파장에 대한 선택적인 반사가 이루어지도록 하는 반사부;
    상기 세공에 상기 나노 형광체와 함께 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 방열입자;
    를 포함하고,
    상기 나노 다공체는,
    상기 세공이 전기화학적 에칭이나 양극산화 방법에 의해 형성되고,
    상기 나노 다공체는,
    기판을 패터닝하기 위해 마스킹한 후 국소적으로 에칭이나 양극산화하여 얻어지며,
    상기 세공 각각에는,
    상기 나노 형광체로서, 적색 발광 양자점, 녹색 발광 양자점 및 청색 발광 양자점 중 어느 하나의 종류만이 주입되거나, 이들의 조합이 주입되고,
    파장선택성 나노다공 구조체는,
    조명이나 백라이트유닛의 광원의 광에 의해 색 변환을 수행하는 색변환부재를 이루고,
    상기 반사부는,
    상기 방법에서 전압이나 전류 파형의 크기 및 주기의 조절에 의해 형성되고,
    상기 전압이나 전류 파형은,
    삼각파, 사각파, 사다리꼴파 및 정현파 중에서 어느 하나이거나, 이의 합성파이고,
    상기 방열입자는,
    AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함하고,
    상기 나노 형광체는,
    고분자로 캡슐화된 양자점(polymer-encapsulated QD)인, 파장선택성 나노다공 구조체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에서 일부에 걸쳐서 형성되는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에서 전부에 걸쳐서 형성되는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대 각각을 반사하는 다수의 영역으로 형성되는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 세공의 내측면에 적색광, 녹색광 및 청색광 중에서 다수의 광 파장대를 반사하는 단일의 영역으로 형성되는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장선택성 나노다공 구조체는,
    광의 투과용인, 파장선택성 나노다공 구조체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 나노 다공체는,
    기판에 대하여 양극산화 공정을 끝까지 진행하여 상기 기판의 금속을 모두 투명한 금속산화물로 변환시키거나 배면에 남아 있는 밸브금속을 에칭하여 투명한 구조체로 제조되는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장선택성 나노다공 구조체는,
    광의 반사용인, 파장선택성 나노다공 구조체.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 나노 다공체는,
    기판에 대하여 에칭 또는 양극산화 공정을 일부만 진행하여 배면에 밸브금속을 남겨두어 반사체를 이루도록 하는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 나노 다공체의 어느 일면 또는 양면에 마련되고, 방열을 위한 광투과성 재질로 이루어지는 제 1 방열체를 더 포함하는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 방열체는,
    AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함하는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 나노 다공체에서 광이 반사되는 측면에 마련되고, 배면에 방열을 위한 재질로 이루어지는 제 2 방열체를 더 포함하는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 2 방열체는,
    그래핀(graphene), 그라파이트(graphite), SiC, AlN, c-BN, h-BN, MgO 및 Si3N4 중에서 선택되는 일부 또는 전부를 포함하는, 파장선택성 나노다공 구조체.
  21. 삭제
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