KR102515817B1 - 발광체, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치 - Google Patents

발광체, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치 Download PDF

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    • H10K2102/331—Nanoparticles used in non-emissive layers, e.g. in packaging layer

Abstract

본 발명은 무기 발광 입자 표면을 에워싸는 코팅으로 이루어지는 발광 모이어티와, 다수의 발광 모이어티를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티와, 필요에 따라 코팅에 결합하는 경화성 모이어티로 이루어지는 발광체를 제안한다. 본 발명에 따른 발광체는 무기 발광 입자의 분산 밀도가 증가하기 때문에, 이를 적용한 필름이나 층의 휘도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 발광체는 FRET 현상을 방지하여 발광 특성이 개선되며, 내열 특성을 개선할 수 있다. 본 발명에 따른 발광체는 발광 필름 또는 엘이디 패키지의 봉지부의 발광 재료, 발광다이오드의 발광물질층, 발광다이오드에서 방출되는 광의 효율을 향상시킬 수 있는 광 변환층 등으로 활용되어, 발광장치나 표시장치 등에 적용될 수 있다.

Description

발광체, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 발광장치{LUMINOUS BODY, LIGHT EMITTING FILM, LIGHT EMITTING DIODE AND LIGHT EMITTING DEVICE HAVING THE LUMINOUS BODY}
본 발명은 발광체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 용매에 대한 분산 특성과 발광 특성이 향상된 발광체, 이를 포함하는 발광 필름, 발광다이오드 및 표시장치와 같은 발광장치에 관한 것이다.
정보 통신 기술 및 전자공학 기술이 발전하면서 종래의 음극선관 표시장치(CRT)를 대신하는 다양한 평판표시장치가 연구되고 있다. 특히 CRT에 비하여 박형, 경량화를 구현할 수 있는 액정표시장치(liquid crystal display(LCD) device), 또는 유기발광다이오드(organic light emitting diode, OLED) 표시장치가 관심을 받고 있다.
평판표시장치 중에서도, 유기발광다이오드 표시장치는 자-발광 소자인 유기발광다이오드를 필수적 구성요소로 포함하며, 비-발광 소자인 액정표시장치에 사용되는 백라이트 유닛이 필요하지 않기 때문에 경량, 박형이 가능하다. 또한 유기발광다이오드는 액정표시장비에 비해 소비전력 측면에서도 유리하여, 저-전압 구동이 가능하고, 응답 속도가 빠른 장점을 가지고 있다. 특히, 유기발광다이오드는 제조 공정이 단순하기 때문에 생산원가를 기존의 액정표시장치 보다 많이 절감할 수 있는 장점이 있다.
유기발광다이오드 표시장치는, 적색(Red, R), 녹색(Green, G) 및 청색(Blue, B) 화소영역 별로 적색 발광층, 녹색 발광층, 청색 발광층을 형성하여 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 빛을 발광함으로써, 풀 컬러 영상을 구현한다. 종래, 적색 발광층, 녹색 발광층, 청색 발광층을 각 화소영역 별로 형성하기 위해서는 파인 메탈 마스크(fine metal mask)를 이용한 증착 공정을 이용하였다. 그런데, 이와 같은 구조로는 대면적 유기발광다이오드 표시장치를 제조하는데 한계가 있다. 따라서 화소영역 전체에 대하여 백색을 발광하는 발광다이오드를 형성하고 컬러필터를 이용하는 적색/녹색/청색/백색 구조의 유기발광다이오드(W-OLED) 표시장치가 제안되었다.
도 1은 종래 W-OLED 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, W-OLED 표시장치(1)는, 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)이 정의된 제 1 기판(10)과, 제 1 기판(10)과 마주하는 제 2 기판(20)과, 제 1 기판(10) 상에 위치하는 유기발광다이오드(30)와, 제 2 기판(20) 상에 위치하며 각각 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에 대응되는 컬러필터층(40)을 포함한다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 제 1 기판(10) 상에는 각각의 화소영역 별로 박막트랜지스터(thin film transistor, TFT)와 같은 구동 소자가 위치하고, 유기발광다이오드(30)는 제 1 전극과, 유기발광층과 제 2 전극을 포함한다. 제 1 전극은 각 화소영역 별로 패터닝(patterning)되고, 구동 소자에 연결될 수 있다.
컬러필터층(40)은 상기 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp) 각각에 대응되는 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(42, 44, 46)을 포함한다. 유기발광다이오드(30)로부터 발광된 백색 빛은 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(42, 44, 46)을 통과함으로써, W-OLED 표시장치(1)는 풀 컬러 영상을 구현한다.
그런데, 종래의 W-OLED 표시장치(1)에서, 유기발광다이오드(30)로부터 발광된 백색 빛 중에서 상당량이 컬러필터층(40)에서 흡수되기 때문에 광 효율이 떨어진다. 즉, 적색 화소영역(Rp)에서는 유기발광다이오드(30)로부터 발광된 백색 빛이 적색 컬러필터 패턴(42)을 통과하면서 다른 파장의 빛은 흡수하고 적색 파장의 빛만을 투과하여 적색 빛을 방출하고, 녹색 화소영역(Gp)에서는 유기발광다이오드(30)로부터 발광된 백색 빛이 녹색 컬러필터 패턴(44)을 통과하면서 다른 파장의 빛은 흡수하고 녹색 파장의 빛만을 투과하여 녹색 빛을 방출하고, 청색 화소영역(Bp)에서는 유기발광다이오드(30)로부터 발광된 백색 빛이 청색 컬러필터 패턴(46)을 통과하면서 다른 파장의 빛은 흡수하고 청색 파장의 빛만을 투과하여 청색 빛을 방출한다. 이와 같이 적색/녹색/청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에 대응되는 컬러필터 패턴(42, 44, 46)에서 특정 파장의 빛만이 투과하고 나머지 파장의 광은 흡수되기 때문에, 광 효율이 크게 떨어지는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 주어진 공간 내에 다수의 무기 발광 입자를 응집시켜 발광 입자의 분산 밀도가 향상된 발광체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 발광체를 적용하여 발광 특성이 우수한 발광 필름, 엘이디 패키지, 발광다이오드 및 발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 무기 발광 입자의 표면을 에워싸는 실리카 코팅으로 이루어지는 발광 모이어티와, 다수의 상기 발광 모이어티와 실리카 결합을 통하여 연결되며, 상기 다수의 발광 모이어티를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티를 포함하는 발광체를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판과 발광다이오드 사이에 위치하며 발광다이오드에서 발광된 빛을 다른 파장의 빛으로 변환할 수 있도록 상기 발광체를 가지는 광 변환층을 포함하는 발광 표시장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 발광체 및 상기 발광체가 분산된 매트릭스 수지를 포함하는 발광 필름 및 이러한 발광 필름을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 엘이디 칩 및 엘이디 칩을 덮고 전술한 발광체를 포함하는 봉지부를 포함하는 엘이디 패키지 및 이러한 엘이디 패키지가 백라이트 유닛을 구성하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 2개의 전극 사이에 위치하며 전술한 발광체를 포함하는 발광층을 포함하는 무기 발광다이오드 및 이러한 무기발광다이오드가 적용된 무기발광장치를 제공한다.
본 발명에 따른 발광체는 무기 발광 입자의 표면을 에워싸는 실리카 코팅으로 이루어지는 발광 모이어티와, 다수의 발광 모이어티와 실리카 결합을 통하여 연결되며, 다수의 발광 모이어티를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티를 포함한다. 무기 발광 입자 표면에 실리카 코팅을 포함하고 있으므로, 무기 발광 입자가 소정 거리 이하로 가깝게 배치되지 않는다. 무기 발광 입자가 지나치게 근접하게 배치하면서 야기되는 FRET 현상이 방지되면서, 본 발명에 따른 발광체를 적용할 경우에 발광 특성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 발광체는 실리카 코팅과 실리카 결합을 통하여 연결된 인캡슐레이션 모이어티에 의하여 다수의 발광 모이어티가 응집된 구조를 갖는다. 주어진 공간 내에서 다수의 발광 입자가 응집되어, 발광 입자의 밀도가 크게 향상된다. 이에 따라 무기 발광 입자를 포함하는 층이나 필름을 박형으로 형성하더라도 많은 무기 발광 입자가 응집될 수 있기 때문에 발광 효율이 향상될 수 있다.
또한, 발광 모이어티의 외측으로 내열성이 우수한 실록산계(siloxane-based) 고분자일 수 있는 인캡슐레이션 모이어티가 에워싸고 있기 때문에, 본 발명에 따른 발광체의 내열 특성이 향상된다. 본 발명에 따른 발광체는 고온의 열처리 등에 의해서도 내부에 위치하는 무기 발광 입자가 변형 또는 열화되지 않기 때문에, 의도하였던 발광 특성을 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 발광체는 우수한 발광 특성이 요구되는 표시장치와 같은 발광장치의 발광 필름, 엘이디 패키지, 광 변환층 및 발광다이오드 등에 적용될 수 있다.
도 1은 종래 백색유기발광다이오드(W-OLED) 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광 특성이 향상된 발광체의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광 특성이 향상된 발광체를 합성하는 과정을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 포함된 발광 필름을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 포함된 발광 필름을 가지는 액정표시장치를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 액정 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 적용될 수 있는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 엘이디 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 광 변환층에 포함된 상부발광 방식의 발광다이오드 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 백색 발광다이오드(W-LED) 표시장치를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9e는 각각 본 발명에 따른 발광체가 광 변환층에 포함된 상부발광 방식의 백색 발광다이오드(W-OLED) 표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10a 내지 도 10e는 각각 본 발명에 따른 발광체가 광 변환층에 포함된 상부발광 방식의 청색 발광다이오드(B-OLED) 표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 광 변환층에 포함된 하부발광 방식의 발광다이오드 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도로서, 백색 발광다이오드(W-LED) 표시장치를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 발광층에 포함된 무기 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 발광층에 포함된 무기 발광다이오드를 가지는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성된 발광체에 대하여 scale을 달리한 TEM 사진이다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성된 발광체와 종래의 무기 발광 입자를 적용한 박막의 단면을 보여주는 TEM 사진이다. 좌측이 종래의 무기 발광 입자를 적용한 박막의 단면 사진이고, 우측이 본 발명에 따라 합성된 발광체를 적용한 박막의 단면 사진이다.
도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 합성된 발광체를 광 변환층에 적용한 경우의 PL(photoluminescence) 강도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[발광체]
도 2a는 본 발명에 따라 분산 특성 및 발광 특성이 향상된 발광체를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 합성될 수 있는 발광체(100)는 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸는 코팅(130)을 포함하는 발광 모이어티(emission moiety, 110)와, 다수의 발광 모이어티(110)와 각각 공유결합(conjugation bond)을 통하여 연결되며, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(encapsulation moiety, 140)를 포함하고, 필요에 따라 코팅(130) 표면으로 공유결합을 통하여 연결되는 경화성 모이어티(curable moiety, 150)을 포함할 수 있다.
발광체(100)를 구성하는 발광 모이어티(110)는 실질적으로 발광을 구현하는 무기 발광 입자(120)와, 무기 발광 입자(120)를 에워싸는 코팅(130)을 포함한다. 무기 발광 입자(120)는 양자점(quantum dot)이나 양자 막대(quantum rod, QR)일 수 있다. 일례로, 무기 발광 입자(120)는 광원으로부터 방출된 1차광을 받으면, 전자가 기저 상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)가 되고, 들뜬 상태에서 기저 상태로 떨어질 때 광자를 내놓으면서 다른 파장 대역의 빛, 즉 2차광을 방출한다. 또는 무기 발광 입자(120)는 발광다이오드(800, 도 12 참조)에서 2개의 마주하는 전극으로부터 각각 생성된 정공과 전자와 같은 전하 캐리어에 의해 여기된(excited) 엑시톤(Exciton)을 형성하면서 일정 파장 대역의 빛을 방출할 수 있다.
양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자(120)는 불안정한 상태의 전자가 전도대 에너지 준위에서 가전자대 에너지 준위로 내려오면서 발광하는 무기 입자이다. 이들 무기 발광 입자(120)는 흡광 계수(extinction coefficient)가 매우 크고 무기 입자 중에서는 양자 효율(quantum yield)도 우수하므로 강한 형광을 발생시킨다. 또한, 무기 발광 입자(120)의 크기에 따라 발광 파장이 변경되므로, 무기 발광 입자(120)의 크기를 조절하면 가시광선 전 영역대의 빛을 얻을 수 있으므로 다양한 컬러를 구현할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(120)는 단일 구조를 가질 수도 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 무기 발광 입자(120)는 중심에 빛을 방출하는 코어(core, 122)와, 코어(122)의 표면에서 코어(122)를 보호하기 위하여 쉘(shell, 124)이 둘러싸고 있는 이종 구조(heterologous structure)를 가질 수 있다. 이때, 쉘(124)은 하나의 쉘로 이루어질 수도 있고, 다수의 쉘(multi shells)로 이루어질 수도 있다. 코어(122) 및/또는 쉘(124)을 구성하는 반응 전구체의 반응성과 주입 속도, 리간드의 종류 및 반응 온도 등에 따라 이들 나노 무기 발광 입자의 성장 정도, 결정 구조 등을 조절할 수 있으며, 이에 따라 에너지 밴드갭의 조절에 따른 다양한 파장대의 광 방출을 유도할 수 있다.
예를 들어, 무기 발광 입자(120)는 코어(124)를 구성하는 성분의 에너지 밴드갭(energy bandgap)이 쉘(124)의 에너지 밴드갭에 의해 둘러싸인 구조로서, 전자와 정공이 코어를 향해 이동하여 코어(122) 내에서 전자와 정공의 재결합이 이루어지면서 에너지를 빛으로 발산하는 발광체인 타입- 코어/쉘 구조를 가질 수 있다.
무기 발광 입자(120)가 타입-Ⅰ 코어(122)/쉘(124)의 이종구조를 이루는 경우, 코어(122)는 실질적으로 발광이 일어나는 부분으로, 코어(122)의 크기에 따라 무기 발광 입자(120)의 발광 파장이 결정된다. 양자구속효과(quantum confine effect)를 받기 위해서 코어(122)는 각각의 소재에 따라 엑시톤 보어 반경(exciton Bohr radius)보다 작은 크기를 가져야 하며, 해당 크기에서 광학적 밴드갭(optical band gap)을 가져야 한다.
한편, 무기 발광 입자(120)를 구성할 수 있는 쉘(124)은 코어(122)의 양자구속효과를 촉진하고 무기 발광 입자(120)의 안정성을 결정한다. 단일 구조의 콜로이드 양자점 또는 양자 막대의 표면에 드러난 원자들은 내부 원자들과 달리 화학 결합에 참여하지 못한 전자상태(lone pair electron)를 가지고 있다. 이들 표면 원자들의 에너지 준위는 무기 발광 입자(120)의 전도대(conduction band edge)와 가전자대(valence band edge) 사이에 위치하여 전하들을 트랩(trap)할 수 있어 표면 결함(surface defect)이 형성된다. 표면 결함에 기인하는 엑시톤의 비-발광 결합 과정(non-radiative recombination process)으로 인하여 무기 발광 입자(120)의 발광 효율이 감소할 수 있으며, 트랩된(trapped) 전하들이 외부 산소 및 화합물과 반응하여 무기 발광 입자(120)의 화학적 조성의 변형을 야기하거나, 무기 발광 입자(120)의 전기적/광학적 특성이 영구적으로 상실될 수 있다.
코어(122) 표면에 쉘(124)이 효율적으로 형성될 수 있기 위해서는, 쉘(124)을 구성하는 재료의 격자 상수(lattice constant)는 코어(122)를 구성하는 재료의 격자 상수와 비슷하여야 한다. 코어(122)의 표면을 쉘(124)로 에워쌈으로써, 코어(122)의 산화를 방지하여 무기 발광 입자(120)의 화학적 안정성을 향상시키고, 물이나 산소와 같은 외부 인자에 의한 코어(122)의 광퇴화 현상을 방지할 수 있다. 또한, 코어(122) 표면에서의 표면 트랩에 기인하는 엑시톤의 손실을 최소화하고, 분자 진동에 의한 에너지 손실을 방지하여, 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
무기 발광 입자(120)는 양자구속효과를 가지는 반도체 나노 결정 또는 금속산화물 입자일 수 있다. 예를 들어, 양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자(120)는 Ⅱ-Ⅵ족, Ⅲ-V족, Ⅳ-Ⅵ족 또는 I-Ⅲ-Ⅵ족의 나노 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 무기 발광 입자(120)를 구성하는 코어(122) 및/또는 쉘(124)은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgTe 또는 이들의 조합과 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정; GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb 또는 이들의 조합과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 나노 결정; PbS, PbSe, PbTe 또는 이들의 임의의 조합과 같은 Ⅳ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정; AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2, CuInS2, CuInSe2, CuGaS2, CuGaSe2 또는 이들의 조합과 같은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정; ZnO, TiO2 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물 나노 입자; CdSe/ZnSe, CdSe/ZnS, CdS/ZnSe, CdS/ZnS, ZnSe/ZnS, InP/ZnS ZnO/MgO 또는 이들의 임의의 조합과 같은 코어(122)/쉘(124b) 구조의 나노 결정일 수 있다. 반도체 나노 입자는 Eu, Er, Tb, Tm, Dy과 같은 희토류 원소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑(doping)되거나 도핑되지 않거나, 또는 Mn, Cu, Ag, Al과 같은 전이 금속 원소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑될 수 있다.
예를 들어, 무기 발광 입자(120)를 구성하는 코어(122)는 InP, InZnP, InGaP, CdSe, CdSeS, CdTe, CdS, PbS, PbSe, ZnSe, ZnTe, CdSe, ZnCdS, CuxIn1-xS, CuxIn1-xSe, AgxIn1-xS 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 또한, 무기 발광 입자(120)를 구성하는 쉘(124)은 ZnSe, CdS, CdSeS, ZnSeS, ZnS, PbS, GaP, ZnTe, CdS/ZnS, ZnSe/ZnS, ZnS/ZnSe/CdSe, GaP/ZnS, CdS/CdZnS/ZnS, ZnS/CdSZnS, CdXZn1-xS 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
한편, 무기 발광 입자(120)의 하나인 양자점은 균질 합금(homogeneous alloy) 양자점 또는 경도 합금(gradient alloy) 양자점과 같은 합금 양자점(alloy QD; 일례로, CdSxSe1-x, CdSexTe1-x, ZnxCd1-xSe)일 수도 있다.
또한, 발광 모이어티(110)는 전술한 무기 발광 입자(120)의 표면, 일례로 쉘(124)의 표면을 에워싸는 코팅(130)을 포함한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 코팅(130)은 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 니오븀(Niobium), 지크코늄(zirconium), 세륨(cerium), 실리케이트(silicate)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 코팅(130) 소재는 표면에 실란올기와 같은 하이드록시기(-OH)로 표면 개질된 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 코팅(130) 표면에 형성된 하이드록시기를 통하여 후술하는 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150)와 용이하게 공유결합을 형성할 수 있는 이점을 가질 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 코팅(130)은 다공성 코팅(porous coating)일 수 있다. 이때, 다공성 코팅은 마이크로포러스(microporous) 코팅, 메조포러스(mesoporous) 코팅, 및/또는 매크로포러스(macroporous) 코팅일 수 있다. 본 명세서에서 마이크로포러스 코팅이란, 기공의 평균 직경이 2 ㎚ 미만인 다공성 코팅을 의미하고, 메조포러스 코팅이란, 기공의 평균 직경이 2 ㎚ 이상 50 ㎚ 미만인 다공성 코팅을 의미하며, 매크로포러스 코팅은 기공의 평균 직경이 50 ㎚ 이상의 다공성 코팅을 의미한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 다공성 코팅은 메조포러스 기공을 가질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 다공성 코팅은 공침법, 수열합성법, 자기조립법, 주형법, 양극산화법, 전기화학적 에칭, 졸-겔법, 배위화학 등의 공정을 적용하고, 다공성 코팅(120)의 전구체와 기공 형성제를 첨가하는 방법을 사용하여, 무기 발광 입자(110)의 표면을 에워싸도록 구성될 수 있다.
일례로, 다공성 실리카를 얻기 위하여 실리카 전구체(예를 들어, 테트라에톡시 오르쏘실리케이트, TEOS)를 무기 발광체와 기공 형성제가 분산된 용액에 첨가하면, 알콕시실란이 가수분해되어 실리카 올리고머를 형성하고, 실리카/기공형성제의 1차 입자(primary particle)이 형성된 뒤에, 1차 입자가 응집하면서 적절한 크기의 기공, 예를 들어 메조포어(mesopore)가 성장하는 3단계 반응을 통하여, 다공성 실리카 코팅이 형광체 표면을 에워싸는 무기 발광체를 제조할 수 있다.
한편, 발광체(100)는 다수의 발광 모이어티(110)와 공유결합을 통하여 연결되면서, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 인캡슐레이션 모이어티(140)는 실리콘계(silicone-based) 소재로 이루어질 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 인캡슐레이션 모이어티(140)를 구성하는 실리콘계 소재는 적어도 하나의 알콕시기를 가지는 실란계 또는 실록산계 소재일 수 있다. 적어도 하나의 알콕시기를 가지는 실란계 또는 실록산계 소재는 알콕시기의 조성 및 구조에 따라 선형 실란기/실록산기, 사이클로 실란기/실록산기 또는 사면체 구조의 실란기/실록산기를 가질 수 있다. 이들 실란계 및/또는 실록산계 소재는 내열 특성이 우수하지만, 예를 들어, 사이클로 실록산기 또는 사면체 구조의 실록산기를 가지는 실록산계 소재를 사용하면, 보다 향상된 내열성을 확보할 수 있다.
예를 들어, 선형 실록산기를 가지는 실란계 또는 실록산계 소재는 적어도 하나의 C1~C20 알콕시기를 가지며, 필요에 따라 C1~C20 알킬기로 치환되어 있는 알콕시실란/알콕시실록산, 알콕시알킬실란/알콕시알킬실록산을 들 수 있다. 일례로, 인캡슐레이션 모이어티(140)를 형성할 수 있는 선형 실란계 또는 실록산계 소재로서 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 트리메틸프로폭시실란, 트리에틸프로폭시실란, 트리메틸부톡시실란, 트리에틸부톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 디메틸디프로폭시실란, 디에틸디프로폭시실란, 디메틸디부톡시실란, 디에틸디부톡시실란, 트리메톡시메틸실란, 트리에톡시에틸실란, 트리에톡시에틸실란, 트리메톡시프로필실란, 트리에톡시프로필실란, 트리메톡시부틸실란, 트리에톡시부틸실란 및 이들의 조합을 들 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
한편, 사이클로 실록산기를 갖는 소재는 필요에 따라 C1~C20 알킬기, 바람직하게는 메틸기 또는 에틸기와 같은 C1~C10의 알킬기로 치환될 수 있다. 일례로, 사이클로 실록산기를 가지는 소재는 메틸하이드로사이클로실록산, 헥사-메틸사이클로트리실록산, 헥사-에틸사이클로트리실록산; 테트라-, 펜타-, 헥사-, 옥타-메틸사이클로테트라실록산, 테트라-에틸사이클로테트라실록산, 테트라-옥틸사이클로테트라실록산, 테트라-, 펜타-, 헥사-, 옥사- 및 데카-메틸사이클로펜타실록산, 테트라-, 펜타-, 헥사-, 옥사- 및 도데카-메틸사이클로헥사실록산, 테트라데카-메틸사이클로헵타실록산, 헥사데카-메틸사이클로옥타실록산, 테트라페닐 사이클로테트라실록산, 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
또한, 사면체 실록산기를 갖는 소재의 비제한적인 예로는 테트라키스디메틸실록시실란, 테트라키스디페닐실록시실란 및 테트라키스디에틸실록시실란 및 이들의 조합을 들 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 인캡슐레이션 모이어티(140)를 구성하는 소재는 발광 모이어티(110)를 구성하는 코팅(130) 표면과 공유결합을 형성하면서, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싼다. 일례로, 인캡슐레이션 모이어티(140)를 구성하는 전술한 실란계/실록산계 소재는 각각의 발광 모이어티(110)를 구성하는 코팅(130) 표면에 존재할 수 있는 하이드록시기와 축합 반응을 통한 실록산 결합과 같은 공유결합을 통하여 연결되면서, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸도록 구성될 수 있다.
인캡슐레이션 모이어티(140)가 다수의 발광 모이어티(110)에 각각 형성된 코팅(130)과 공유결합을 통하여 연결되면서 다수의 발광 모이어티(110)가 하나의 인캡슐레이션 모이어티(140) 내에 응집 구조를 가지게 된다. 주어진 공간 내에서 다수의 발광 모이어티(110)가 응집되는 구조를 가지게 되어, 발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)의 밀도가 향상될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 발광체(100)를 적용하면 발광 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 인캡슐레이션 모이어티(140)가 실란계/실록산계 소재로 이루어지는 경우, 본 발명에 따른 발광체(100)는 내열성이 우수한 실란계/실록산계 소재로 이루어지는 인캡슐레이션 모이어티(140)가 다수의 발광 모이어티(110)의 외곽을 에워싸고 있기 때문에, 내열 특성이 요구되는 무기 발광 재료로서 사용하기에 적합할 수 있다.
필요한 경우, 발광체(100)는 각각의 발광 모이어티(110)의 외곽, 즉 코팅(130) 표면과 공유결합을 통하여 결합될 수 있는 경화성 모이어티(150)를 더욱 포함할 수 있다. 경화성 모이어티(150)를 도입하는 경우, 필름 형태의 막이나 층을 형성할 때, 가교결합을 형성하면서 안정적인 구조를 가질 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 발광체(100)의 외측을 구성하는 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150)는 임의 타입의 실란계/실록산계 소재로서, 자발적인 가교결합(cross-linking)을 형성할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 경화성 모이어티(150)는 경화되어 가교결합에 의한 실록산계 수지 등을 형성할 수 있는 모노머 또는 올리고머로 이루어질 수 있으며, 실록산계 수지로 경화되기 위한 경화성 관능기를 갖는다. 경화성 관능기는 에틸렌성 이중 결합을 갖는 관능기(예를 들어, 아크릴레이트기, 메트아크릴레이트기, 비닐기), 에폭시 고리를 갖는 관능기(예를 들어, 에폭시기, 글리시독시기), 하이드록시기, 할로겐기, 아민기, 아미노기, 니트로기, 아미드기, 머캅토기 또는 시아노기이다. 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머에 이러한 경합성 관능기가 1개 이상 치환될 수 있다. 실록산 올리고머를 사용하는 경우에 이러한 경화성 관능기는 실록산 올리고머의 말단에 치환될 수 있다.
필요한 경우, 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머에 치환된 경화성 관능기는 가교제에 포함된 특정 작용기와 가교 반응을 하여 실록산계 수지를 형성할 수 있다. 예를 들어 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머에 치환된 비닐계 작용기는 가교제에 포함된 실란기(Si-H) 또는 실란올기(Si-OH)기와 같은 반응성 작용기와 가교 반응할 수 있다.
가교제에 치환될 수 있는 반응성 작용기는 특별히 제한되지는 않지만, 하이드록시기(가교제 중에 실란올기 형성), C2~C10 알케닐기, C1~C10 알콕시기, C1~C20 알킬 아미도기, C6~C20 벤즈 아미도기, C2~C20 알케닐 옥시기, C6~C20 아릴옥시기, 할로겐기 또는 H(가교제 중에 실란기 형성)이다. 이들 반응성 작용기는 가교제를 구성하는 폴리실록산계 화합물 또는 유기 실란 화합물에 1개 이상 치환될 수 있다. 일례로, 가교제는 실세스퀴옥산 구조를 가지는 실록산계 중합체일 수 있다. 가교제가 실세스퀴옥산 구조를 갖는 경우에 실세스퀴옥산은 사다리형 또는 케이지형 일 수 있다.
경화성 관능기가 도입된 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머와 가교제가 반응하여 실록산계 수지를 형성하는 경우, 경합성 관능기가 도입된 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머와 가교제는 2:1 내지 20:1, 바람직하게는 3:1 내지 10:1의 비율로 혼합될 수 있다. 이때, 경합성 관능기가 도입된 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머와 가교제의 반응을 위하여 소정의 촉매가 사용될 수 있다. 구체적으로 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 주석(Sn) 등의 금속 또는 이들의 유기 화합물을 들 수 있다. 이 촉매는 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머 100 중량부에 대하여 대략 0.01 내지 10 중량부로 사용할 수 있다.
경화성 관능기를 가지는 실록산 모노머 및/또는 실록산 올리고머의 일례로서, 경화성 관능기로 치환되어 있으며 실란올기 및/또는 실록산기를 적어도 1개 갖는 실란올일 모노머/올리고머 또는 실록산 모노머/올리고머를 들 수 있다.
경화성 관능기를 가지는 실란올 모노머/올리고머는 에틸렌성 불포화 알콕시 실란이나 에틸렌성 불포화 아실옥시 실란을 들 수 있다. 에틸렌성 불포화 알콕시 실란 화합물은 아크릴레이트계 알콕시 실란(예: γ-아크릴옥시프로필-트리메톡시실란, γ-아크릴옥시프로필-트리에톡시실란), 메타크릴레이트계 알콕시 실란(예: γ-메타크릴옥시프로필-트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필-트리에톡시실란)을 포함한다. 에틸렌성 불포화 아릴옥시 실란 화합물의 예는 아크릴레이트계 아세톡시실란, 메타크릴레이트계 아세톡시실란 및 에틸렌계 불포화 아세톡시실란(예를 들면, 아크릴레이토프로필트리아세톡시실란, 메타크릴레이토프로필트리아세톡시실란) 등이 있다.
한편, 실록산계 수지를 얻기 위한 경화성 관능기를 갖는 소재로서 실록산기를 갖는 모노머/올리고머를 또한 사용할 수 있다. 이러한 실록산기를 갖는 모노머/올리고머로는 선형 실록산기를 갖는 실록산 모노머/올리고머, 사이클로 실록산계 모노머/올리고머, 사면체 실록산계 모노머/올리고머 등을 들 수 있다.
선형 실록산기를 갖는 모노머/올리고머 화합물로는 C1-C10의 알킬기 및/또는 C1-C10의 알콕시기가 치환되어 있는 알킬실록산, 알콕시실록산, 알콕시알킬실록산, 비닐알콕시실록산, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-클로로프로필 메틸디메톡시실란, 3-클로로프로필 트리메톡시실란, 3-메타아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리메톡시실란 등을 포함할 수 있으며, 이들 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
한편, 사이클로 실록산기를 갖는 실록산 모노머/올리고머는 그 반복단위를 구성하는 실록산기가 C1~C20 알킬기, 바람직하게는 메틸기 또는 에틸기와 같은 C1~C10의 알킬기로 치환될 수 있다. 이 경우, 사이클로 실록산기가 반복단위를 구성하는 폴리알킬 사이클로 실록산 수지는 규소 원자 각각에 2개의 알킬기가 치환되어 있는 폴리디알킬실록산, 예를 들어 폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane; PDMS) 계열의 사이클로 실록산계 수지를 포함할 수 있다. 비제한적인 실시형태에서, 사이클로 실록산계 소재로는, 전술한 인캡슐레이션 모이어티(140)를 구성하는 사이클로 실록산계 소재가 사용될 수 있다. 또한, 사면체 실록산기를 갖는 모노머의 비제한적인 예로는 테트라키스디메틸실록시실란, 테트라키스디페닐실록시실란 및 테트라키스디에틸실록시실란 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.
종래, 양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자를 적용하여 발광장치 등에 응용하는 경우, 이들 무기 발광 입자는 화학적 특성 상 비극성 용매에 분산시켜 사용하였다. 하지만, 양자점 또는 양자 막대와 같은 무기 발광 입자는 비극성 용매에 분산시키는 경우, 분산 특성의 한계로 인하여 단위 영역 당 무기 발광 입자의 밀도가 제한되어 원하는 발광 특성을 구현할 수 없었다.
또한, 무기 발광 입자(donor 무기 발광 입자)가 인접한 무기 발광 입자(acceptor 무기 발광 입자)와 일정 거리 이내로 근접하게 배치되면서, donor 무기 발광 입자에서 방출된 빛이 acceptor 무기 발광 입자로 흡수된다. 이에 따라 donor 무기 발광 입자에서 방출된 에너지가 donor 무기 발광 입자의 발광으로 방출되지 않고 인접한 acceptor 무기 발광 입자를 여기시켜, acceptor 무기 발광 입자의 형광을 유도하는 형광공명에너지전이(Fluorescence Resonance Energy Transfer; Forster Resonance Energy Transfer; FRET) 현상이 초래된다. 이에 따라 종래 무기 발광 입자의 양자 효율이나 발광 효율이 저하되는 문제가 발생하였다.
반면, 실질적으로 발광에 관여하는 발광 모이어티(110)는 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸는 코팅(130)을 포함하고 있다. 인캡슐레이션 모이어티(140)에 의하여 다수의 발광 모이어티(110)가 응집된 구조를 가지는 경우에도, 무기 발광 입자(120)는 그 외곽을 에워싸고 있는 코팅(130)으로 인하여 소정 거리 이하로 근접할 수 없게 된다. 즉, 코팅(130)이 무기 발광 입자(120)를 에워싸고 있기 때문에, 무기 발광 입자(120)와 인접한 무기 발광 입자(1200)는 FRET 현상을 야기할 수 있을 정도고 가깝게 배치되지 않는다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 발광체(100)를 구성하는 발광 모이어티(110)는 소정 두께(예를 들어 50 내지 300 nm)를 가지는 코팅(130)을 형성하여, 인접한 무기 발광 입자(120)가 근접하는 것을 방지할 수 있다. 무기 발광 입자(120)가 근접 거리로 접근하는 것을 방지하여, FRET 현상을 방지할 수 있으므로 의도하였던 양자 효율 또는 발광 효율을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 발광체(100)는 발광 모이어티(110)의 외곽을 구성하는 다수의 코팅(130)과 공유결합, 예를 들어 실리카 결합을 통하여 연결되는, 자발성 실란계/실록산계 소재로 이루어지는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 포함하고 있으며, 경화성 관능기를 가지는 경화성 모이어티(150)가 각각의 발광 모이어티(110)의 표면과 공유결합을 통하여 연결된다. 인캡슐레이션 모이어티(140)에 의하여 다수의 발광 모이어티(110)가 연결되면서, 단위 영역에 대하여 다수의 발광 모이어티(110)가 응집(aggregation) 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라 단위 영역에 대하여 무기 발광 입자(120)가 다수 응집되면, 무기 발광 입자(120)의 밀도가 향상된다. 단위 영역에 대하여 무기 발광 입자(120)의 밀도가 향상되면서(즉, 단위 영역 당 실질적으로 발광을 구현하는 무기 발광 입자(120)의 개수가 증가하면서), 발광 특성 및 발광 효율이 향상된 발광체(100)를 구현할 수 있다. 또한, 경화성 모이어티(150)를 적용하여, 본 발명에 따른 발광체(100)가 필름 형태로 제작될 때, 발광체(100)가 가교결합을 형성하면서 견고하고 안정적인 구조를 가지게 된다. 뿐만 아니라, 내열 특성이 우수한 실록산계 고분자로 이루어지는 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150)가 발광 모이어티(110)를 에워싸고 있는 구조를 형성함으로써, 발광체(100)의 내열 특성이 향상된다.
본 발명에 따른 발광체(100)를 합성하는 과정을 도 2b를 참조하면서 설명한다. 도 2b는 예시적으로 코팅(130)이 실리카로 이루어지며, 인캡슐레이션 모이어티(140)와 경화성 모이어티(150)가 실란계/실록산계 소재로 이루어진 경우를 예시한다. 먼저, 도 2b의 (a)에 나타낸 바와 같이 표면에 적절한 리간드가 결합될 수 있는 무기 발광 입자(120)를 준비한다. 이어서, CTAB 등의 소재를 반응시킴으로써, 도 2b의 (b)에 나타낸 바와 같이 무기 발광 입자(100)의 표면에 반응성 리간드를 결합시킬 수 있다.
이때, 무기 발광 입자(120)의 표면에 반응성 리간드를 도입하기 위하여 양이온성 계면활성제, 예를 들어 알킬 암모늄염, 알킬피리디늄염, 알킬이마다졸리늄염, 제4급 암모늄염 및/또는 제1급~제3급 지방족 아민염을 사용할 수 있다. 구체적으로, 반응성 리간드를 도입하기 위한 소재로서 도 2b에 예시되어 있는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium brominde; CTAB) 이외에도, 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드(tetradecylmethylammonium bromide; TTAB), 세틸메틸암모늄 클로라이드(cetylmethylammonium chloride; CTAC), 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(hexadecyltrimethylammonium bromide; HTAB), N-도데실피리디늄 클로라이드(N-dodecyl pyridinium chloride), 및/또는 벤잘코늄 클로라이드(benzalkonium chloride, alkyldimethyl benzylammonium chloride)을 사용할 수 있다.
이어서, 무기 발광 입자의 표면을 에워싸는 실리카 코팅을 형성하기 위한 전구체로서 TEOS(tetraethyl orthosilicate)와 같은 전구체와, 필요에 따라 코팅 표면에 하이드록시기로 개질할 수 있는 염기(예를 들어, NaOH)를 반응성 리간드가 도입된 무기 발광 입자와 반응시킨다. 이에 따라, 도 2b의 (c)에 도시한 것과 같이 실리카 코팅(120)의 표면에 다수의 하이드록시기가 도입된 발광 모이어티(110)를 형성한다.
계속해서, 실리카 코팅이 충분히 도입될 수 있도록 TEOS와, 각각의 실리카 코팅 표면에 공유결합이 가능한 GPTS(3-glycidyloxyproptyl)trimethyoxysilane)과 같은 경화성 관능기를 가지는 소재를 첨가한다. 이에 따라, 도 2b의 (d)에 도시한 것과 같이, 각각의 발광 모이어티(110)의 표면을 형성하는 실리카 코팅(130)의 외측으로 경화성 모이어티(150)가 결합된 중간 물질을 합성할 수 있다. 도 2b에서는 경화성 모이어티(150)를 형성하기 위하여 GPTS를 예시하고 있다. 하지만, 전술한 바와 같이, 경화성 모이어티(150)와 관련해서 경화성 관능기를 가지는 다른 실록산계 소재가 사용될 수 있다.
계속해서, TMMS(trimethoxymethylsilane)을 첨가하면, 실리카 코팅(130)의 표면에 잔류하는 하이드록시기와, TMMS를 구성하는 실리콘이 축합 반응을 통하여 결합될 수 있다. 이때, 각각의 발광 모이어티(110)를 구성하는 실리카 코팅(130)의 표면에 존재하는 하이드록시기가 TMMS와 자발적인 축합 반응을 형성하게 된다. 이에 따라, 도 2b의 (e)에 도시한 바와 같이, TMMS에서 유래한 인캡슐레이션 모이어티(140)가 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸면서, 다수의 발광 모이어티(110)가 하나의 인캡슐레이션 모이어티(140)에 의해 응집된 발광체(100)를 형성한다. 이때, 각각의 발광 모이어티(110)의 표면에 결합된 경화성 모이어티(150)는 본 발명에 따른 발광체(100)가 필름과 같은 층(layer)나 박막 구조를 형성할 때, 경화되어 안정적이고 견고한 가교결합을 형성할 수 있다. 도면에서는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 구성하는 성분으로서 TMMS를 예시하고 있지만, 그 외에도 인캡슐레이션 모이어티(140)와 관련해서 전술한 다른 실란계 및/또는 실록산계 소재가 사용될 수 있다.
[발광 필름, 엘이디 패키지 및 액정표시장치]
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 발광체(100)를 사용하면, 주어진 영역에 대하여 무기 발광 입자(120)의 분포 밀도를 향상시킬 수 있으며, FRET 현상을 방지하고, 내열 특성이 개선된다. 본 발명에 따른 발광체(100)는 발광이 요구되는 표시장치에 적용될 수 있는데, 본 실시형태에서는 발광체가 발광 필름, 엘이디 패키지 및 이들을 포함하는 표시장치에 적용되는 경우를 설명한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광 필름을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 발광 필름(200)은 발광 모이어티(110)와, 다수의 발광 모이어티(110)와 공유결합으로 연결되며 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 포함하는 발광체(100)를 포함한다. 도 3에서는 표시하지 않았으나, 발광체(100)는 각각의 발광 모이어티(110)에 연결되는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 더욱 가질 수 있다. 발광 모이어티(110)는 코어(122)/쉘(124)의 이형 구조를 가질 수 있는 무기 발광 입자(120)와, 무기 발광 입자(120)를 에워싸는 코팅(130)을 포함할 수 있다. 인캡슐레이션 모이어티(140)는 실란계 및/또는 실록산계 소재로 이루어질 수 있다.
발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)는 코어(122)/쉘(124)의 이종구조로 이루어질 수 있다. 무기 발광 입자(120)를 구성하는 코어(122) 성분과 그 크기 등을 조절함으로써, 다양한 색상을 용이하게 구현할 수 있으며, 쉘(124)을 사용하여 코어(122)를 보호하여 트랩 에너지 준위를 줄일 수 있다.
발광 모이어티(110)를 구성하는 코팅(130)이 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸고 있기 때문에, 무기 발광 입자(120) 간 거리가 감소하게 되어, 인접한 무기 발광 입자 사이에서 야기될 수 있는 FRET 현상을 최소화할 수 있다. 또한, 일례로 실란계 및/또는 실록산계 소재로 이루어지는 인캡슐레이션 모이어티(140)가 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸고 있으며, 필요에 따라 실록산계 소재로 이루어지는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)가 각각의 발광 모이어티(110)와 연결되어 있다. 이로 인하여 발광체(100)의 내열 특성이 향상될 수 있으며, 필름 형태를 형성할 때 견고한 가교결합을 형성하면서 안정적인 형태로 발광 필름(200) 내에 형성될 수 있다.
계속해서, 본 발명에 따른 발광 필름이 적용된 표시장치에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광 필름이 포함된 액정표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 액정패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치(300)는, 액정패널(302)과, 액정패널(302) 하부에 위치하는 백라이트 유닛(380)과, 액정패널(302)과 백라이트 유닛(380) 사이에 위치하는 발광 필름(200)을 포함한다.
도 5를 참조하면, 액정패널(302)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(310, 360)과, 제 1 및 제 2 기판(310, 360) 사이에 개재되며 액정분자(372)를 포함하는 액정층(370)을 포함한다.
제 1 기판(310) 상에는 게이트 전극(312)이 형성되고, 게이트 전극(312)을 덮으며 게이트 절연막(314)이 형성된다. 또한, 제 1 기판(310) 상에는 게이트 전극(312)과 연결되는 게이트 배선(미도시)이 형성된다. 게이트 절연막(314)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(314) 상에는 반도체층(316)이 게이트 전극(312)에 대응하여 형성된다. 반도체층(316)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 한편, 반도체층(316)은 비정질 실리콘으로 이루어지는 액티브층과 불순물 비정질 실리콘으로 이루어지는 오믹 콘택층을 포함할 수 있다.
반도체층(316) 상에는 서로 이격하는 소스 전극(330)과 드레인 전극(332)이 형성된다. 또한, 소스 전극(330)과 연결되는 데이터 배선(미도시)이 게이트 배선과 교차하여 화소영역을 정의하며 형성된다. 게이트 전극(312), 반도체층(316), 소스 전극(330) 및 드레인 전극(332)은 박막트랜지스터(Tr)를 구성한다.
박막트랜지스터(Tr) 상에는, 드레인 전극(332)을 노출하는 드레인 콘택홀(336)을 갖는 보호층(334)이 형성된다. 보호층(334)은 산화실리콘(SiO2)이나 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연물질로 형성될 수 있다.
보호층(334) 상에는, 드레인 콘택홀(336)을 통해 드레인 전극(332)에 연결되는 제 1 전극인 화소 전극(340)과, 화소 전극(340)과 교대로 배열되는 제 2 전극인 공통 전극(342)이 형성된다.
한편, 제 2 기판(360) 상에는 박막트랜지스터(Tr), 게이트 배선, 데이터 배선 등 비-표시영역을 가리는 블랙매트릭스(364)가 형성된다. 또한, 화소영역에 대응하여 컬러필터층(362)이 형성된다.
제 1 및 제 2 기판(310, 360)은 액정층(370)을 사이에 두고 합착되며, 화소 전극(340)과 공통 전극(342) 사이에서 발생되는 전계에 의해 액정층(370)의 액정분자(372)가 구동된다. 도시하지 않았으나, 액정층(370)과 접하여 제 1 및 제 2 기판(310, 360) 각각의 상부에는 배향막이 형성될 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 기판(310, 360) 각각의 외측에는 서로 수직한 투과축을 갖는 편광판이 부착될 수 있다.
다시 도 4로 돌아가면, 백라이트 유닛(380)은 광원(미도시)을 포함하며 액정패널(302)로 빛을 공급한다. 백라이트 유닛(380)은 광원의 위치에 따라 직하형(direct type)과 측면형(side type)으로 분류될 수 있다.
백라이트 유닛(380)이 직하형인 경우, 백라이트 유닛은 상기 액정패널(302)의 하부를 감싸는 바텀 프레임(미도시)을 포함하고, 광원은 바텀 프레임의 수평면에 다수개가 배열될 수 있다. 한편, 백라이트 유닛(380)이 측면형인 경우, 백라이트 유닛(380)은 액정패널(302)의 하부를 감싸는 바텀 프레임(미도시)을 포함하고, 바텀 프레임의 수평면에 도광판(light guide plate, 미도시)이 배치되며, 광원은 도광판의 적어도 일측에 배치될 수 있다. 이때, 광원은 청색 파장, 일례로 약 430 내지 470 nm 파장대역의 빛을 발광할 수 있다.
발광 필름(200)은, 액정패널(302)과 백라이트 유닛(380) 사이에 위치하며 백라이트 유닛(380)으로부터의 제공되는 빛의 색순도를 향상시킨다. 예를 들어, 발광 필름(200)을 구성하는 발광체(100)는 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸는 코팅(130)으로 이루어지는 발광 모이어티(110)와, 다수의 발광 모이어티(110)와 각각 공유결합을 통하여 연결되며, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 포함한다. 발광체(100)는 각각의 발광 모이어티(110)와 공유결합을 통하여 연결되는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 더욱 포함할 수 있다.
계속해서, 본 발명에 따른 발광체가 적용될 수 있는 엘이디 패키지(light emitting diode package; LED package)에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 적용될 수 있는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치를 구성하는 엘이디 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 액정표시장치(400)는 표시 패널인 액정 패널(402)과, 액정 패널(402)에 빛을 공급하는 백라이트 유닛(420)을 포함하고, 액정 패널(402)과 백라이트 유닛(420)을 모듈화하기 위한 서포트메인(430), 탑커버(440) 및 커버버툼(450)을 포함한다. 액정 패널(402)은 액정층(370, 도 5 참조)을 사이에 두고 서로 대면 합착된 제 1 기판(410) 및 제 2 기판(460)을 포함한다. 액정 패널(402)의 구조는 도 5에 도시한 것과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 제 1, 2 기판(410, 460)의 외면으로는 특정 빛만을 선택적으로 투과하는 제 1, 2 편광판(412, 414)이 각각 부착된다. 제 1 편광판(412)과 제 2 편광판(414)은 각각의 광투과축에 평행한 선평광만을 투과시키며, 제 1 편광판(412)의 광투과축과 제 2 편광판(414)의 광투과축은 서로 수직하게 배치된다.
도면으로 도시하지는 않았으나, 액정 패널(402)의 적어도 일 가장자리를 따라서는 연성회로기판이나 테이프 캐리어 패키지(TPC)와 같은 연결부재(미도시)를 매개로 인쇄회로기판(미도시)이 연결되어 모듈화 과정에서 서포트메인(530)의 측면 내지는 커버버툼(450) 배면으로 적절하게 젖혀 밀착된다.
아울러, 본 실시형태에 따른 표시장치(400)는 액정 패널(402)의 배면에 빛을 공급하는 백라이트 유닛(420)이 구비되어, 액정 패널(402)이 나타내는 투과율의 차이가 외부로 발현되도록 한다. 백라이트 유닛(420)은 엘이디 어셈블리(LED assembly, 500)와, 백색 또는 은색의 반사판(425)과, 반사판(425) 상에 안착되는 도광판(423) 및 그 상부로 개재되는 광학시트(421)를 포함한다.
예시적인 실시형태에서, 엘이디 어셈블리(500)는 도광판(423)의 입광면과 대면하도록 도광판(423)의 일측에 위치하는데, 다수의 엘이디 패키지(LED package, 510)와, 다수의 엘이디 패키지(510)가 일정 간격 이격하여 장착되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB; 560)을 포함한다. 이때, 다수의 엘이디 패키지(510)는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 빛을 방출하거나 백색을 방출하는 엘이디 칩(512, 도 7 참조)을 포함하고 있어, 도광판(423)의 입광면을 향하는 전방으로 백색광을 방출할 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 다수의 엘이디 패키지(510)는 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(G)의 빛을 방출하며, 다수의 엘이디 패키지(510)를 동시에 점등하여 색-섞임에 의한 백색광을 구현할 수도 있다. 다른 선택적인 실시형태에서, 각각의 엘이디 패키지(510)는 백색광을 방출할 수도 있다.
인쇄회로기판(560)은 수지 또는 세라믹과 같은 절연층 상에 배선 패턴(미도시)을 인쇄하여 각종 전자 소자를 탑재하고 엘이디 패키지(510)와의 전기적 연결을 가능하게 하는 전자회로기판이다. 일례로, 인쇄회로기판(560)은 유리강화 에폭시계 적층 시트로 이루어지는 FR-4 인쇄회로기판이나, 연성인쇄회로기판(flexible printed circuit board; FPCB), 메탈 코어 인쇄회로기판(metal core printed circuit board; MCPCB)로 이루어질 수 있다.
엘이디 어셈블리(500)를 구성하는 엘이디 패키지(510)로부터 출사되는 빛은 도광판(423)으로 입사된다. 엘이디 패키지(510)로부터 입사된 빛이 여러 번의 전반사에 의하여 도광판(423) 내를 진행하면서 도광판(423)의 넓은 영역으로 빛이 균일하게 퍼지면서 액정 패널(402)에 면광원을 제공한다.
도광판(423)은 균일한 면광원을 공급하기 위해 배면에 특정 모양의 패턴을 포함할 수 있다. 일례로, 패턴은 도광판(423) 내부로 입사된 빛을 안내하기 위하여, 타원형 패턴(elliptical pattern), 다각형 패턴(polygonal pattern), 홀로그램 패턴(hologram pattern) 등 다양하게 구성할 수 있으며, 이와 같은 패턴은 도광판(423)의 하부면에 인쇄방식 또는 사출방식으로 형성한다.
반사판(425)은 도광판(423)의 배면에 위치하여, 도광판(423)의 배면을 통과한 빛을 액정 패널(402) 쪽으로 반사시킴으로써 빛의 휘도를 향상시킨다. 또한, 도광판(423) 상부의 광학시트(421)는 확산시트와 적어도 하나의 집광시트 등을 포함하며, 도광판(423)을 통과한 빛을 확산 또는 집광하여 액정 패널(402)로 보다 균일한 면광원이 입사되도록 한다.
전술한 구조의 백라이트 유닛(420)은 측면형 방식으로서, 목적에 따라 인쇄회로기판(560) 상에 엘이디 패키지(510)를 다수 개 복층으로 배열할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 액정 패널(402)과 백라이트 유닛(420)은 서포트메인(430), 탑커버(440) 및 커버버툼(450)을 통해 모듈화된다. 케이스탑 또는 탑케이스라 일컬어지기도 하는 탑커버(440)는 액정 패널(402)의 상면 및 측면 가장자리를 덮도록 단면이“ㄱ”자 형태로 절곡된 사각테 형상으로, 탑커버(440)의 전면을 개구하여 액정 패널(402)에서 구현되는 화상을 표시하도록 구성한다.
또한, 액정 패널(402) 및 백라이트 유닛(420)이 안착하여 액정표시장치(400) 전체 기구물 조립에 기초가 되는 커버버툼(450)은 백라이트 유닛(420)의 배면에 밀착되는 수평면 및 이의 가장자리가 수직하게 상향 절곡된 측면으로 이루어진다. 커버버툼(450)은 버텀커버 또는 하부커버라고 일컬어지기도 한다. 가이드패널 또는 메인서포트, 몰드프레임이라 일컬어지기도 하는 서포트메인(430)은 일 가장자리가 개구된 사각테 형상을 가지면서, 액정 패널(402) 및 백라이트 유닛(420)의 가장자리를 에워싼다. 커버버툼(450) 상에 서포트메인(430)이 안착되면서 서포트메인(430)이 탑커버(440) 및 커버버툼(450)과 결합된다.
본 발명에 따른 발광체를 가지는 엘이디 패키지에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 엘이디 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 엘이디 패키지(510)는 엘이디 칩(512)과, 엘이디 칩(512)을 덮는 봉지부(encapsulation part, 520)를 포함한다. 봉지부(520)에 본 발명에 따른 발광체(100)가 발광 소재로서 분포한다. 발광체(100)는 발광 모이어티(110)와 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 선택적으로 각각의 발광 모이어티(110)에 연결되며, 경화성 관능기를 가지는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 더욱 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 엘이디 패키지(510)는 백색 발광을 구현할 수 있는 백색 엘이디 패키지일 수 있다. 백색광을 구현하기 위한 하나의 방법은 자외선 발광이 가능한 엘이디 칩(512)을 광원으로 이용하고, 봉지부(520) 내에 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 발광할 수 있는 본 발명에 따른 발광체(100)를 조합할 수 있다. 백색광을 구현하기 위한 다른 방법은 예를 들어, 청색을 발광하는 엘이디 칩(512)을 사용하고, 청색 빛을 흡수할 수 있는 황색, 녹색 및/또는 적색으로 발광할 수 있는 발광체(100)를 조합하는 방법이 이용될 수 있다.
예를 들어, 엘이디 칩(512)은 약 430 내지 470 nm 파장의 빛을 발광하는 청색 엘이디 칩일 수 있으며, 발광체(100)를 구성하는 무기 발광 입자(120)는 녹색 파장대 및/또는 적색 파장대의 빛을 발광하는 양자점 또는 양자 막대일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 청색 엘이디 칩(512)은 사파이어(Sapphire)를 기재(substrate)로 사용하며 청색 피크 파장을 가지는 소재를 여기용 광원으로 적용할 수 있다. 일례로, 청색 발광다이오드 칩을 구성하는 소재는 GaN, InGaN, InGaN/GaN, BaMgAl10O7:Eu2+, CaMgSi2O6:Eu2+ 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 결코 아니다.
이 경우, 청색을 발광하는 광원의 발광에 의해 조사되는 청색 광을 강하게 흡수하여 소정 범위의 발광 파장을 가지는 무기 발광 입자(120)를 사용할 수 있다. 이들 무기 발광 입자(120)는 예를 들어 청색 발광다이오드 칩(512) 상에 도포되어 전체적으로 백색 발광다이오드를 구현할 수 있다.
또한, 엘이디 패키지(510)는, 케이스(530)와, 엘이디 칩(512)에 제 1 및 제 2 와이어(552, 554)를 통해 각각 연결되며 케이스(530) 외부로 노출되는 제 1 및 제 2 전극리드(542, 544)를 더욱 포함할 수 있다. 케이스(530)는, 바디(532)와 바디(532)의 상부면으로부터 돌출되어 반사면의 역할을 하는 측벽(534)을 포함하며, 엘이디 칩(512)은 바디(532) 상에 배치되어 측벽(534)에 의해 둘러싸인다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 발광체(100)의 발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)의 조성 및 성분을 달리하여 다양한 파장대의 발광을 구현할 수 있다. 일례로, 코어(122, 도 2a 참조)/쉘(124, 도 2a 참조)의 이종구조를 가지는 무기 발광 입자(120)를 채택하여 무기 발광 입자(120)의 양자 효율을 향상시키고, 광퇴화 현상을 억제할 수 있다. 발광 모이어티(110)는 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸는 코팅(130)을 포함하고 있기 때문에, 무기 발광 입자(120)의 근접 배치에 따른 FRET 현상을 방지할 수 있다. 인캡슐레이션 모이어티(140)가 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸면서, 발광 모이어티(110)가 응집 형태로 배열되고, 무기 발광 입자(120)의 분산 밀도가 향상된다. 따라서 본 발명에 따른 발광체(100)를 봉지부(520)에 적용할 때, 종래의 봉지부에 비하여 얇은 두께로 형성하더라도 양호한 발광 효율을 구현할 수 있다. 또한, 발광 모이어티(110)의 표면에 형성되는 인캡슐레이션 모이어티(140)와, 경화성 모이어티(150)는 내열 특성이 우수한 소재로 이루어질 수 있으므로, 발광체(100)의 내열 특성이 향상된다. 엘이디 칩(512) 등에서 방출되는 고온의 열이 봉지부(520)로 전달되더라도 발광체(100)는 열화되지 않아 의도하였던 발광 특성을 유지할 수 있는 이점을 갖는다. 이에 따라, 발광체(100)를 포함하는 엘이디 패키지(510)의 휘도가 증가할 수 있으며, 엘이디 패키지(510)를 포함하는 액정표시장치(400, 도 6 참조)의 휘도가 크게 향상된다.
[광 변환층이 형성된 발광장치]
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 발광체(100)는 우수한 발광 특성을 구현할 수 있으며, 내열 특성이 우수하기 때문에, 발광장치 중의 광 변환층에 적용될 수 있는데, 이에 대해서 설명한다. 도 8은 발광장치의 일례로서, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 광 변환층에 포함된 상부발광 방식의 발광다이오드(LED) 표시장치로서, 백색 발광다이오드(W-LED) 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 9a 내지 도 9e는 각각 본 발명에 따른 발광체가 광 변환층에 포함된 상부발광 방식의 백색 발광다이오드(W-OLED) 표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광다이오드 표시장치(600)는 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)이 정의된 제 1 기판(610), 제 1 기판(610)과 마주하는 제 2 기판(660)과, 제 1 기판(610)과 제 2 기판(660) 사이에 위치하는 발광다이오드(640)와, 제 2 기판(660)과 발광다이오드(640) 사이에 위치하며, 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에 대응되는 컬러필터층(620)과, 컬러필터층(620)과 발광다이오드(640) 사이에 위치하며, 적어도 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp)에 대응되는 광 변환층(630)을 포함한다.
제 1 기판(610)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(610)은 폴리이미드(PI)와 같은 플라스틱 소재 또는 유리로 이루어질 수 있다. 제 2 기판(660)은 투명 또는 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 기판(660)은 유리, 폴리이미드와 같은 플라스틱, 금속 포일 등으로 이루어질 수 있다.
발광다이오드 표시장치(600)의 표시면, 즉 제 1 기판(610)의 외측면에 편광판(미도시)이 부착되어, 외부광이 발광다이오드(640)에 반사되는 것을 방지할 수 있다. 편광판(미도시)은 우원 편광판(right-handed circular polarization plate) 또는 좌원 편광판(left-handed circular polarization plate)일 수 있다.
또한, 제 2 기판(660)과 발광다이오드(640) 사이, 예를 들어, 컬러필터층(720) 또는 광 변환층(730)과, 발광다이오드(740) 사이에는 접착층(750)이 위치하고, 발광다이오드(640)와 접착층(650) 상에는 외부 수분의 침투를 방지하기 위한 배리어층(미도시)이 형성될 수 있다. 이때, 배리어층은 발광다이오드(640) 상에 순차 적층되는 무기층, 유기층, 무기층의 삼중층 구조를 가질 수 있다. 도시하지는 않았으나, 제 1 기판(610) 상에는, 서로 교차하여 상기 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)을 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선이 형성되고, 상기 게이트 배선 또는 상기 데이터 배선과 평행하게 연장되며 이격하는 파워 배선이 형성된다.
한편, 각각의 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)에는 구동 소자인 박막트랜지스터(thin film transistor, Tr)가 위치한다. 발광다이오드(640)는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 전기적으로 연결된다. 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층과, 상기 반도체층 상부에 위치하는 게이트 전극과, 게이트 전극 상부에서 서로 이격하며 상기 반도체층에 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다.
또한, 각 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)에는 박막트랜지스터(Tr), 게이트 배선, 상기 데이터 배선에 전기적으로 연결되는 스위칭 소자와, 스위칭 소자와 파워배선에 연결되는 스토리지 캐패시터가 상기 제 1 기판(610) 상에 형성될 수 있다. 게이트 배선에 인가된 게이트 신호에 따라 스위칭 소자가 턴-온(turn-on) 되면, 데이터 배선에 인가된 데이터 신호가 스위칭 소자를 통해 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극과 스토리지 커패시터의 일 전극에 인가된다.
박막트랜지스터(Tr)는 게이트 전극에 인가된 데이터 신호에 따라 턴-온 되며, 그 결과 데이터 신호에 비례하는 전류가 파워배선으로부터 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)를 통하여 발광다이오드(640)로 흐르게 되고, 발광다이오드(640)는 박막트랜지스터(Tr)를 통하여 흐르는 전류에 비례하는 휘도로 발광한다.
박막트랜지스터(Tr) 상에는 평탄화층(도면부호 미부여)가 형성된다. 평탄화층은 산화실리콘, 질화실리콘과 같은 무기 절연물질이나, 포토아크릴과 같은 유기 절연물질로 이루어질 수 있다.
컬러필터층(620)은 제 2 기판(660) 상에 또는 제 2 기판(660) 상부에 위치하며, 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp) 각각에 대응되는 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(622, 624, 626)을 포함한다. 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색 빛은 상기 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(622, 624, 626)을 통과함으로써 각각 적색, 녹색 및 청색 광이 제 2 기판(660)을 통과하여 표시되고, 상기 백색 화소영역(Wp)에서는 제 2 기판(660)을 통해 백색 광이 표시된다.
적색 컬러필터 패턴(622, R-CF)은 적색 안료(pigment) 또는 적색 염료(dye)를 포함하며 백색 광이 입사되면 청색 파장부터 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하고 적색 파장의 빛을 투과시킨다. 또한, 녹색 컬러필터 패턴(624, G-CF)은 녹색 안료 또는 녹색 염료를 포함하며 백색 광이 입사되면 적색 파장 영역의 빛과 청색 파장 영역의 빛을 흡수하고 녹색 파장의 빛을 투과시킨다. 청색 컬러필터 패턴(626, B-CF)은 청색 안료 또는 청색 염료를 포함하며 백색 광이 입사되면 녹색 파장부터 적색 파장 영역의 빛을 흡수하고 청색 파장의 빛을 투과시킨다.
그런데, 제 2 기판(660)과 발광다이오드(640) 사이에 컬러필터층(620)만을 형성하는 경우, 발광다이오드(640)에서 발광된 백색 광 중에서 특정 파장의 영역에 해당하는 빛만이 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)을 통과하게 된다. 즉, 적색 화소영역(Rp)에서는 적색 파장 대역의 빛만이 통과하고, 녹색 화소영역(Gp)에서는 녹색 파장 대역의 빛만이 통과하고, 청색 화소영역(Bp)에서는 청색 파장 대역의 빛만이 통과하기 때문에, 광 효율이 저하될 수 있다.
이에 컬러필터층(620) 상에 본 발명에 따른 발광체(100a, 100b)로 이루어질 수 있는 광 변환층(630)이 형성된다. 구체적으로, 광 변환층(630)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(622) 상에 형성되는 적색 광 변환층(632)과, 녹색 화소영역(Gp)에 대응되는 녹색 컬러필터 패턴(624) 상에 형성되는 녹색 광 변환층(634)을 포함한다. 즉, 발광다이오드(640)로부터 백색(W) 광이 발광되는 경우, 광 변환층(630)은 적색 화소영역(Rp)와 녹색 화소영역(Gp)에는 형성되지만, 청색 및 백색 화소영역(Bp, Wp)에는 형성되지 않는다.
적색 광 변환층(632)을 구성하는 적색 발광체(100a)는 적색 발광 모이어티(110a)와, 다수의 적색 발광 모이어티(110a)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 필요한 경우에 각각의 적색 발광 모이어티(110a)의 표면과 결합하는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 적색 발광 모이어티(110a)는 적색 무기 발광 입자(120a)와 적색 무기 발광 입자(120a)를 에워싸는 코팅(130)으로 이루어진다. 적색 무기 발광 입자(120a)는 적색 코어(122a)와 적색 코어(122a)를 에워싸는 쉘(124a)로 이루어질 수 있다. 따라서, 적색 광 변환층(632)는 발광다이오드(640)에서 발광한 빛을 적색 파장 범위, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 600 nm 내지 640 nm 범위의 적색 파장 범위로 변환시킨다.
녹색 광 변환층(634)을 구성하는 녹색 발광체(100b)는 녹색 발광 모이어티(110b)와, 다수의 녹색 발광 모이어티(110b)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 필요한 경우에 각각의 녹색 발광 모이어티(110b)의 표면과 결합하는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 녹색 발광 모이어티(110b)는 녹색 무기 발광 입자(120b)와 녹색 무기 발광 입자(120b)를 에워싸는 코팅(130)으로 이루어진다. 녹색 무기 발광 입자(120b)는 녹색 코어(122b)와 녹색 코어(122b)를 에워싸는 쉘(124b)로 이루어질 수 있다. 따라서, 녹색 광 변환층(634)는 발광다이오드(640)에서 발광한 빛을 녹색 파장 범위, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 500 nm 내지 570 nm 범위의 적색 파장 범위로 변환시킨다.
발광다이오드(640)에서 발광된 백색(W) 광은 적색 화소영역(Rp)에 대응되게 위치하는 적색 광 변환층(632)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 적색(R) 광보다 단파장 대역의 빛인 청색(B) 파장 및 녹색(G) 파장의 광이 적색(R) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광의 대부분이 적색(R) 파장의 광으로 변환된 상태에서 적색 컬러필터 패턴(622)을 통과하게 되므로, 적색 컬러필터 패턴(622)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
또한, 발광다이오드(640)에서 발광된 백색(W) 광은 녹색 화소영역(Gp)에 대응되게 위치하는 녹색 광 변환층(634)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 녹색(G) 광보다 단파장 대역의 빛인 청색(B) 파장의 광이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 녹색 화소영역(Gp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광의 상당 부분이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된 상태에서 녹색 컬러필터 패턴(624)을 통과하게 되므로, 녹색 컬러필터 패턴(624)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
한편, 청색 화소영역(Bp)에서 광 변환층(630)이 형성되지 않는다. 일반적으로 광의 파장을 변환할 때 상대적으로 낮은 에너지의 광(장파장의 광)을 상대적으로 높은 에너지의 광(단파장의 광)으로 변환시키는 것은 어렵다. 청색 화소영역(Bp)에서 높은 에너지의 광이 방출되는 화소영역이기 때문에, 광 변환층(630)을 통해서 백색(W) 광을 청색(B) 광으로 변환시키는 것은 어렵기 때문에, 청색 화소영역(Bp)에는 광 변환층(630)이 형성되지 않는다. 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광은 청색 컬러필터 패턴(626)를 통과하면서 청색 파장 이외의 파장 대역의 광은 흡수하고 청색 광만을 투과한다.
또한, 백색 화소영역(Wp)에는 컬러필터층(620) 및 광 변환층(630)이 형성되지 않는다. 따라서, 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W)광이 그대로 방출된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에 특정 파장 대역의 광으로 변환하는 적색, 녹색 광 변환층(632, 634)으로 이루어지는 광 변환층(630)을 형성한다. 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광이 특정 화소영역의 광 변환층(632, 634)을 통과하면서 각각의 컬러필터 패턴(622, 624)을 투과할 수 있는 특정 파장 대역의 광으로 변환한다. 이에 따라, 적색 및 녹색 컬러필터 패턴(622, 624)에서 흡수되는 광량이 최소화되어 광 효율이 향상될 수 있다.
단순히 무기 발광 입자만으로 광 변환층을 형성할 때, 바인더에 분산된 무기 발광 입자의 분산 밀도가 제한된다. 이에 따라 무기 발광 입자만으로 구성된 광 변환층에서 백색 광의 빛샘 현상이 야기되고, 컬러필터층이 빛샘을 차단하게 되면서 휘도가 저하된다.
반면, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 적색 광 변환층(632) 및 녹색 광 변환층(634)에 각각 포함되는 적색 발광체(100a) 및 녹색 발광체(100b)에서, 인캡슐레이션 모이어티(140)가 다수의 발광 모이어티(110a, 110b)를 에워싸고 있어서, 발광 모이어티(110a, 110b)를 구성하는 무기 발광 입자(120a, 120b)가 응집된 형태로 배열된다. 단순히 무기 발광 입자만으로 이루어지는 광 변환층과 비교할 때, 동일한 영역에서 무기 발광 입자(120a, 120b)의 분산 밀도가 향상된다. 따라서 광 변환층(630)의 두께를 얇게 형성하더라도 많은 무기 발광 입자(120a, 120b)가 분포하게 되면서, 광 변환층(630)에서의 광 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 광 변환층(630)에서의 빛샘이 억제되어, 발광다이오드(640)로부터 발광된 광의 휘도가 저하되지 않는다.
무기 발광 입자(120a, 120b)의 외측은 코팅(130) 소재로 에워싸여져 있기 때문에, 무기 발광 입자(120a, 120b)가 지나치게 근접하게 배치되면서 야기될 수 있는 FRET 현상을 미연에 방지하여 우수한 발광 특성을 유지할 수 있다. 또한, 발광체(100a, 100b)는 내열 특성이 우수한 소재로 이루어질 수 있는 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150)를 포함하고 있기 때문에, 발광체(100a, 100b)의 내열 특성이 향상되어, 발광다이오드(640)로부터 전달되는 열에 의하여 발광체(100a, 100b)가 열화되지 않아 우수한 광 변환 효율을 유지할 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9a에 예시한 것과 상이한 광 변환층을 가지는 발광다이오드 표시장치를 제작할 수 있다. 도 9b에 도시한 것과 같이, 유기발광다이오드 표시장치(600B)는 제 1 기판(610)과, 제 1 기판 상에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)과, 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 백색 발광다이오드(W-OLED)를 가지며, 백색 발광다이오드(W-OLED)의 상부에 위치하는 컬러필터층(620)과, 백색 발광다이오드(W-OLED)와 컬러필터층(620) 사이에 위치하는 광 변환층(630b)을 가질 수 있다. 이때, 광 변환층(630b)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(R-CF) 및 녹색 화소영역(Gp)에 대응되는 녹색 컬러필터 패턴(G-CF)와 백색 발광다이오드(W-OLED) 사이에만 형성되고, 청색 화소영역(Bp)와 백색 화소영역(Wp)에는 형성되지 않는다.
도 9b에 도시된 실시형태에서, 광 변환층(630b)은 적록색(Red Green)으로 발광할 수 있는 발광체(100c)로 이루어지며, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp) 전체에 하나의 광 변환층(630b)을 형성한다. 발광다이오드(640)에서 발광된 백색(W) 광은 적록색 광 변환층(630b)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 적록색(RG) 광보다 단파장 대역의 광이 적록색(RG) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광의 상당 부분이 적록색(RG) 파장의 광으로 변환된 상태에서 적색 컬러필터 패턴(R-CF)와 녹색 컬러필터 패턴(G-CF)을 통과한다. 적색 컬러필터 패턴(R-CF) 및 녹색 컬러필터 패턴(G-CF)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
다른 예시적인 실시형태에 따르면, 도 9c에 도시한 것과 같이, 발광다이오드 표시장치(600C)는 백색 발광다이오드(W-OLED)와 컬러필터층(620) 사이에 적색 발광체(100a)로 이루어지는 적색 광 변환층(630c)을 가질 수 있다. 적색 광 변환층(630c)은 백색 화소영역(Wp)을 제외한 적색 화소영역(Rp), 녹색 화소영역(Gp) 및 청색 화소영역(100c)에 각각 대응되는 적색 컬러필터 패턴(R-CF), 녹색 컬러필터 패턴(G-CF) 및 청색 컬러필터 패턴(B-CF)의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 발광다이오드(640)에서 발광된 백색(W) 광은 적색 광 변환층(630c)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 적색(R) 광보다 단파장 대역의 광이 적색(R) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp), 녹색 화소영역(Gp) 및 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광의 대부분 또는 상당 부분이 적색 파장의 광으로 변환된 상태에서 컬러필터층(620)을 통과한다. 컬러필터층(620)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상될 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에 따르면, 도 9d에 도시한 것과 같이, 발광다이오드 표시장치(600D)는 백색 발광다이오드(W-OLED)와 컬러필터층(620) 사이에 적색 발광체(100b)로 이루어지는 녹색 광 변환층(630d)을 가질 수 있다. 발광다이오드(640)에서 발광된 백색(W) 광은 녹색 광 변환층(630d)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 녹색(G) 광보다 단파장 대역의 광이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp), 녹색 화소영역(Gp) 및 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 백색(W) 광의 상당 부분이 녹색 파장의 광으로 변환된 상태에서 컬러필터층(620)을 통과한다. 컬러필터층(620)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상될 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 도 9e에 도시한 것과 같이, 발광다이오드 표시장치(600E)는 컬러필터층을 포함하지 않는다. 이때, 광 변환층(630e)는 적색 화소영역(Rp)에 대응되게 위치하는 적색 광 변환층(632a)과, 녹색 화소영역(Gp)에 대응되게 위치하는 녹색 광 변환층(632b)과, 청색 화소영역(Bp)에 대응되게 위치하는 청색 컬러필터 패턴(626)을 포함하며, 백색 화소영역(Wp)에는 형성되지 않는다. 적색 광 변환층(632a)과 녹색 광 변환층(632b)은 각각 적색 발광체(100a)와 녹색 발광체(100b)로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 발광체(100a, 100b)는 발광 특성이 우수하고, FRET 현상을 방지할 수 있으며, 내열 특성이 우수하다. 특히, 인캡슐레이션 모이어티(140, 도 8 참조)를 채택하여 다수의 발광 모이어티(110a, 110b, 도 8 참조)가 응집된 구조를 형성하면서, 단위 영역에 대한 무기 발광 입자(120a, 120b, 도 8 참조)의 분산 밀도가 개선된다. 따라서, 도 9e에 도시한 실시형태에서, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에 각각 형성되는 적색 광 변환층(632a)과 녹색 광 변환층(632b)는 광 변환층으로서의 역할과 함께 종래의 컬러필터 패턴을 대신할 수 있다. 컬러필터 패턴을 채택하지 않더라도 우수한 광 변환을 통하여 우수한 색감을 구현할 수 있기 때문에, 보다 박형의 표시장치를 구현할 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 8과, 도 9a 내지 도 9e에서는 백색 발광다이오드에서 발광된 빛을 다른 파장의 빛으로 전환하는 광 변환층을 중심으로 설명하였으나, 발광다이오드에서 발광된 빛이 백색 광으로 한정되는 것은 아니다. 일례로, 발광다이오드로부터 청색 광이 발광되는 경우에도, 본 발명에 따른 발광체가 적용된 광 변환층을 채택함으로써, 발광 특성을 개선할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 도 10a에 도시한 것과 같이, 유기발광다이오드 표시장치(600F)는 제 1 기판(610)과, 제 1 기판 상에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)과, 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 청색 발광다이오드(B-OLED)를 가지며, 청색 발광다이오드(B-OLED)의 상부에 컬러필터층(620a)이 위치하고, 청색 발광다이오드(B-OLED)와 컬러필터층(620a) 사이에 광 변환층(630)이 위치한다. 컬러필터층(620a)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되게 위치하는 적색 컬러필터 패턴(R-CF, 622)과 녹색 화소영역(Gp)에 대응되게 위치하는 녹색 컬러필터 패턴(G-CF, 624)로 이루어질 수 있으며, 청색 화소영역(Bp)에는 형성되지 않는다.
한편, 광 변환층(630)은 적색 화소영역(Rp) 및 적색 컬러필터 패턴(R-CF)에 대응되게 위치하는 적색 광 변환층(632)과, 녹색 화소영역(Gp) 및 녹색 컬러필터 패턴(G-CF)에 대응되게 위치하는 녹색 광 변환층(634)을 포함하고, 청색 화소영역(Bp)에는 형성되지 않는다. 적색 광 변환층(632)은 적색 발광체(100a)로 이루어지고, 녹색 광 변환층(634)은 녹색 발광체(100b)로 이루어진다. 도시하지는 않았으나, 광 변환층(630)은 백색 화소영역에 대응되게 형성되는 백색 광 변환층을 포함할 수 있다.
이때, 적색 화소영역(Rp)에서, 청색 발광다이오드(B-OLED)로부터 발광된 청색(B) 광은 적색 광 변환층(632)을 통과하면서 적색(R) 파장의 광으로 변환되고, 변환된 적색(R) 파장의 광이 적색 컬러필터 패턴(622)을 통과하여 원하는 적색(R) 광을 방출하는데, 적색 광 변환층(632)을 통과하면서 일부 변환되지 않은 청색(B) 광은 적색 컬러필터 패턴(622)에서 흡수될 수 있다.
녹색 화소영역(Gp)에서, 청색 발광다이오드(B-OLED)로부터 발광된 청색(B) 광은 녹색 광 변환층(634)을 통과하면서 녹색(G) 파장의 광으로 변환되고, 변환된 녹색(G) 파장의 광이 녹색 컬러필터 패턴(624)을 통과하여 원하는 녹색(G) 광을 방출하는데, 녹색 광 변환층(634)을 통과하면서 일부 변환되지 않은 청색(B) 광은 녹색 컬러필터 패턴(624)에서 흡수될 수 있다.
청색 화소영역(Bp)에서, 청색 발광다이오드(B-OLED)에서 발광된 청색(B)은 그대로 방출되므로, 청색 화소영역(Bp)에는 컬러필터층(620)과 광 변환층(630)이 형성되지 않는다.
백색 화소영역에서, 청색 발광다이오드(B-OLED)로부터 발광된 청색(B) 광은 적색 및 녹색 발광체를 가지는 백색 광 변환층(미도시)을 통과하면서 적색 및 녹색 파장 범위가 혼합된 파장 범위의 광으로 변환된다. 백색 화소영역에서는 컬러필터층이 형성되어 있지 않기 때문에, 백색 광 변환층을 통과한 적색 및 녹색 파장 범위가 혼합되도록 변환된 광과, 백색 광 변환층(미도시)을 통과할 때 일부 변환되지 않은 청색(B) 광이 혼합되면서 백색(W) 광을 방출한다.
광 변환층(630)을 청색 발광다이오드(B-OLED)와 컬러필터층(620) 사이의 적어도 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에 대응하여, 본 발명에 따른 발광체(100a, 100b)로 이루어지는 광 변환층(630)을 형성하여, 컬러필터층(620)에서 흡수되는 광량을 감소시킴으로써, 발광다이오드 표시장치(600F)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 10b에 도시한 것과 같이, 유기발광다이오드 표시장치(600G)는 청색 발광다이오드(B-OLED)의 상부에 위치하는 컬러필터층(620a)과, 청색 발광다이오드(B-OLED)와 컬러필터층(620a) 사이에 위치하는 광 변환층(630b)을 가질 수 있다. 이때, 광 변환층(630b)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(R-CF, 622) 및 녹색 화소영역(Gp)에 대응되는 녹색 컬러필터 패턴(G-CF, 624)와 백색 발광다이오드(W-OLED) 사이에만 형성되고, 청색 화소영역(Bp)에는 형성되지 않는다. 도 10b에 도시된 실시형태에서, 광 변환층(630b)은 적록색(Red Green)으로 발광할 수 있는 발광체(100c)로 이루어지며, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp) 전체에 하나의 광 변환층(630b)을 형성한다.
발광다이오드(640)에서 발광된 청색(B) 광은 적록색 광 변환층(630b)을 통과하면서, 청색(B) 광을 구성하는 빛 중에서 적록색(RG) 광보다 단파장 대역의 광이 적록색(RG) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 청색(B) 광의 일부분이 적록색(RG) 파장의 광으로 변환된 상태에서 적색 컬러필터 패턴(R-CF)과 녹색 컬러필터 패턴(G-CF)을 통과한다. 적색 컬러필터 패턴(R-CF) 및 녹색 컬러필터 패턴(G-CF)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
다른 예시적인 실시형태에 따르면, 도 10c에 도시한 것과 같이, 발광다이오드 표시장치(600H)는 청색 발광다이오드(B-OLED)와 컬러필터층(620) 사이에 적색 발광체(100a)로 이루어지는 적색 광 변환층(630c)을 가질 수 있다. 적색 광 변환층(630c)은 적색 화소영역(Rp), 녹색 화소영역(Gp) 및 청색 화소영역(100c)에 각각 대응되는 적색 컬러필터 패턴(R-CF), 녹색 컬러필터 패턴(G-CF) 및 청색 컬러필터 패턴(B-CF)의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 발광다이오드(640)에서 발광된 청색(B) 광은 적색 광 변환층(630c)을 통과하면서, 청색(B) 광을 구성하는 빛 중에서 적색(R) 광보다 단파장 대역의 광이 적색(R) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp), 녹색 화소영역(Gp) 및 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 청색(W) 광의 일부분이 적색 파장의 광으로 변환된 상태에서 컬러필터층(620)을 통과한다. 컬러필터층(620)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상될 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에 따르면, 도 10d에 도시한 것과 같이, 발광다이오드 표시장치(600I)는 청색 발광다이오드(B-OLED)와 컬러필터층(620) 사이에 적색 발광체(100b)로 이루어지는 녹색 광 변환층(630d)을 가질 수 있다. 발광다이오드(640)에서 발광된 청색(B) 광은 녹색 광 변환층(630d)을 통과하면서, 청색(B) 광을 구성하는 빛 중에서 녹색(G) 광보다 단파장 대역의 광이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp), 녹색 화소영역(Gp) 및 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(640)로부터 발광된 청색(B) 광의 일부분이 녹색 파장의 광으로 변환된 상태에서 컬러필터층(620)을 통과한다. 컬러필터층(620)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상될 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에서, 도 10e에 도시한 것과 같이, 발광다이오드 표시장치(600J)는 컬러필터층을 포함하지 않는다. 이때, 광 변환층(630e)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되게 위치하는 적색 광 변환층(632a)과, 녹색 화소영역(Gp)에 대응되게 위치하는 녹색 광 변환층(632b)을 포함한다. 적색 광 변환층(632a)과 녹색 광 변환층(632b)은 각각 적색 발광체(100a)와 녹색 발광체(100b)로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 발광체(100a, 100b)는 인캡슐레이션 모이어티(140, 도 8 참조)를 채택하여 다수의 발광 모이어티(110a, 110b, 도 8 참조)가 응집된 구조를 형성하면서, 단위 영역에 대한 무기 발광 입자(120a, 120b, 도 8 참조)의 분산 밀도가 개선된다. 따라서, 도 10e에 도시한 실시형태에서, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에 각각 형성되는 적색 광 변환층(632a)과 녹색 광 변환층(632b)는 광 변환층으로서의 역할과 함께 종래의 컬러필터 패턴을 대신할 수 있다. 컬러필터 패턴을 채택하지 않더라도 우수한 광 변환을 통하여 우수한 색감을 구현할 수 있기 때문에, 보다 박형의 표시장치를 구현할 수 있는 이점이 있다.
다시 도 8로 돌아가서 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광다이오드 표시장치에 대해서 설명한다. 발광다이오드(640)는 평탄화층(도면부호 미부여) 상에 위치하며, 제 1 전극(642), 제 2 전극(646), 상기 제 1 및 제 2 전극(642, 646) 사이에 위치하는 발광층(644)을 포함한다. 예를 들어, 발광다이오드(640)는 유기발광다이오드 또는 양자점 발광다이오드와 같은 무기 발광다이오드일 수 있다.
제 1 전극(642)은 평탄화층(미도시) 상부에 위치하며 각 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp) 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(642)은 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 일례로, 제 1 전극(642)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(642)은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO), 주석산화물(SnO2), 인듐산화물(In2O3), 카드뮴:산화아연(Cd:ZnO), 불소:산화주석(F:SnO2), 인듐:산화주석(In:SnO2), 갈륨:산화주석(Ga:SnO2) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)을 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
발광층(644)은 제 1 전극(642) 상에 위치하며, 백색(W) 광 또는 청색(B) 광 등 다른 컬러의 빛을 발광한다. 도 8에서 발광다이오드(640)는 제 1 전극(642)와 제 2 전극(646) 사이의 단층 구조의 발광층(644)만으로 도시하였다. 하지만, 발광다이오드(640)는 제 1 전극(642)과 제 2 전극(646) 사이에 다수의 발광 유닛으로 이루어질 수 있다.
일례로, 발광층(646)은 제 1 전극(642)에서부터 순차적으로 적층되는 제 1 발광 유닛, 전하생성층(Charge Generation Layer, CGL), 제 2 발광 유닛을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 발광 유닛은 정공주입층(Hole Injection Layer, HIL), 제 1 정공수송층(Hole Transport Layer 1, HIL1), 제 1 발광물질층(Emitting Material Layer 1, EML1), 제 1 전자수송층(Electron Transport Layer 1, ETL1)을 포함하고, 제 2 발광 유닛은 제 2 정공수송층(HTL2), 제 2 발광물질층(EML2), 제 2 전자수송층(ETL2), 전자주입층(Electron Injection Layer, EIL)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 발광물질층 중 어느 하나는 청색을 발광하고, 다른 하나는 녹색, 황록색(yellow-green) 또는 오렌지색을 발광하여, 발광다이오드(640)는 백색 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, 발광층(644)은 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)을 포함하는 표시영역 전체에 대하여 일체로 형성되는 것이 보여지고 있다. 이와 달리, 발광층(644)은 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp) 별로 분리되어 형성될 수 있다.
제 2 전극(646)은 발광층(644) 상에 위치하며 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)을 포함하는 표시영역 전체에 대하여 일체로 형성된다. 제 2 전극(646)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(646)은 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 칼슘/알루미늄(Ca/Al), 불화리튬/칼슘(LiF/Ca), 불화리튬/알루미늄(LiF/Al), 불화바륨/알루미늄(BaF2/Al), 불화세슘/알루미늄(CsF/Al), 탄산칼슘/알루미늄(CaCO3/Al), 불화바륨/칼슘/알루미늄(BaF2/Ca/Al), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 알루미늄/마그네슘(Al/Mg), 금:마그네슘(Au:Mg) 또는 은:마그네슘(Ag:Mg) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
발광층(644) 하부에는 제 1 전극(642)의 가장자리를 덮는 뱅크층(648)이 형성된다. 뱅크층(648)은 생략 가능하다.
발광다이오드(640)에 전압이 인가되면, 발광다이오드(640)으로부터 백색 빛이 발광되고 발광된 빛은 광 변환층(630)과 컬러필터층(620)을 통하여 제 2 기판(660)으로 영상이 표시된다. 즉, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광다이오드 표시장치(600)는 상부 발광(top-emission) 방식이다.
컬러필터층(620)과 발광다이오드(640) 사이에 발광다이오드(640)로부터 발광된 광을 특정 파장 대역의 광으로 변환하는 광 변환층(630)을 형성하여, 컬러필터층(620)에서 흡수되는 광량을 최소화하여 광 효율이 향상된다. 광 변환층(630)을 구성하는 발광체(100a, 100b, 100c)에서, 인캡슐레이션 모이어티(140)는 다수의 발광 모이어티(110a, 110b)를 에워싸고 있다. 다수의 발광 모이어티(110a, 110b)가 응집된 형태로 배열되어, 단위 영역에 대하여 무기 발광 입자(120a, 120b)의 분산 밀도가 증가한다. 따라서, 광 변환층(630)을 얇게 형성하더라도 다수의 무기 발광 입자(120a, 120b)를 포함할 수 있으므로, 광 변환 효율이 향상될 수 있다.
또한, 무기 발광 입자(120a, 120b)의 표면은 코팅(130)되어 있기 때문에, 무기 발광 입자(120a, 120b)의 근접 배치에 따른 FRET 현상을 방지하여 양호한 발광 특성, 예를 들어 양호한 발광 휘도를 유지할 수 있다. 발광 모이어티(110a, 110b)의 외측으로 내열 특성이 우수한 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)가 위치하기 때문에, 발광체(100a, 100b)의 내열 특성이 향상된다.
도 8에서는 상부 발광 방식의 발광다이오드 표시장치를 예시하였으나, 본 발명의 다른 실시형태에서 하부 발광 방식의 발광다이오드 표시장치에 본 발명에 따른 발광체가 광 변환층에 적용될 수 있다. 도 11은 발광장치의 일례로서, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 발광체가 광 변환층에 포함된 하부발광 방식의 발광다이오드(LED) 표시장치로서, 백색 발광다이오드(W-LED) 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광다이오드 표시장치(700)는 적색, 녹색, 청색 및 백색 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)이 정의된 제 1 기판(710), 제 1 기판(710)과 마주하는 제 2 기판(760)과, 제 1 기판(710)과 제 2 기판(760) 사이에 위치하는 발광다이오드(740)와, 발광다이오드(740)와 제 2 기판(760) 사이에 위치하며, 적색, 녹색 및 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp)에 대응되는 컬러필터층(720)과, 컬러필터층(720)과 발광다이오드(740) 사이에 위치하며, 적어도 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp)에 대응되는 광 변환층(730)을 포함한다.
제 1 기판(710)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(710)은 폴리이미드(PI)와 같은 플라스틱 소재 또는 유리로 이루어질 수 있다. 제 2 기판(760)은 투명 또는 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 기판(760)은 유리, 폴리이미드와 같은 플라스틱, 금속 포일 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 제 2 기판(760)과 발광다이오드(740) 사이에는 접착층(750)이 위치하고, 발광다이오드(740)와 접착층(750) 상에는 외부 수분의 침투를 방지하기 위한 배리어층(미도시)이 형성될 수 있다.
한편, 각각의 화소영역(Rp, Gp, Bp, Wp)에는 구동 소자인 박막트랜지스터(thin film transistor, Tr)가 위치한다. 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층과, 상기 반도체층 상부에 위치하는 게이트 전극과, 게이트 전극 상부에서 서로 이격하며 상기 반도체층에 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다.
또한 적색 및 녹색 화소영역(Rp, Gp)에서의 광 변환층(732, 734)의 상부와, 청색 화소영역(Bp)에서의 청색 컬러필터 패턴(626) 상부 및 백색 화소영역(Wp)에서의 박막트랜지스터(Tr) 상부에 평탄화층(736)이 형성된다. 평탄화층(736)은 제 1 기판(710)의 전면에 형성되어 제 1 기판(610)의 표면을 평탄화한다. 평탄화층(736)은 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연물질이나, 포토아크릴과 같은 유기 절연물질로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
발광다이오드(740)는 평탄화층(736) 상에 위치하며, 제 1 전극(742), 제 2 전극(746), 상기 제 1 및 제 2 전극(742, 746) 사이에 위치하는 발광층(744)을 포함한다. 예를 들어, 발광다이오드(740)는 유기발광다이오드 또는 양자점 발광다이오드와 같은 무기 발광다이오드일 수 있다. 발광층(744) 하부에는 제 1 전극(742)의 가장자리를 덮는 뱅크층(748)이 형성된다. 뱅크층(748)은 생략 가능하다.
발광다이오드(740)에 전압이 인가되면, 발광다이오드(740)으로부터 백색 빛이 발광되고 발광된 빛은 광 변환층(730)과 컬러필터층(720)을 통하여 제 1 기판(710)으로 영상이 표시된다. 즉, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광다이오드 표시장치(700)는 하부 발광(bottom-emission) 방식이다.
컬러필터층(720)은 1 기판(710) 상에 또는 제 1 기판(710) 상부에 위치하며, 적색, 녹색, 청색 화소영역(Rp, Gp, Bp) 각각에 대응되는 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(722, 724, 726)을 포함한다. 발광다이오드(740)로부터 발광된 백색 빛은 상기 적색, 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(722, 624, 626)을 통과함으로써 각각 적색, 녹색 및 청색 광이 제 1 기판(710)을 통과하여 표시되고, 상기 백색 화소영역(Wp)에서는 제 1 기판(710)을 통해 백색 광이 표시된다.
적색 컬러필터 패턴(722)은 적색 안료(pigment) 또는 적색 염료(dye)를 포함하며 백색 광이 입사되면 청색 파장부터 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하고 적색 파장의 빛을 투과시킨다. 또한, 녹색 컬러필터 패턴(724)은 녹색 안료 또는 녹색 염료를 포함하며 백색 광이 입사되면 적색 파장 영역의 빛과 청색 파장 영역의 빛을 흡수하고 녹색 파장의 빛을 투과시킨다. 청색 컬러필터 패턴(726)은 청색 안료 또는 청색 염료를 포함하며 백색 광이 입사되면 녹색 파장부터 적색 파장 영역의 빛을 흡수하고 청색 파장의 빛을 투과시킨다.
각각의 컬러필터 패턴(722, 722, 724)에서 특정 파장 대역의 광만이 통과하여 광 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 컬러필터층(720) 상에 발광체(100a, 100b)로 이루어질 수 있는 광 변환층(730)이 형성된다. 광 변환층(730)은 적색 화소영역(Rp)에 대응되는 적색 컬러필터 패턴(722) 상에 형성되는 적색 광 변환층(732)과, 녹색 화소영역(Gp)에 대응되는 녹색 컬러필터 패턴(724) 상에 형성되는 녹색 광 변환층(734)을 포함한다. 즉, 발광다이오드(740)로부터 백색(W) 광이 방출되는 경우, 광 변환층(730)은 적색 화소영역(Rp)와 녹색 화소영역(Gp)에는 형성되지만, 청색 및 백색 화소영역(Bp, Wp)에는 형성되지 않는다.
적색 광 변환층(732)을 구성하는 적색 발광체(100a)는 적색 발광 모이어티(110a)와, 다수의 적색 발광 모이어티(110a)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 필요한 경우에 각각의 적색 발광 모이어티(110a)의 표면과 결합하는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 적색 발광 모이어티(110a)는 적색 무기 발광 입자(120a)와 적색 무기 발광 입자(120a)를 에워싸는 코팅(130)으로 이루어진다. 적색 무기 발광 입자(120a)는 적색 코어(122a)와 적색 코어(122a)를 에워싸는 쉘(124a)로 이루어질 수 있다. 따라서, 적색 광 변환층(632)는 발광다이오드(640)에서 발광한 빛을 적색 파장 범위, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 600 nm 내지 640 nm 범위의 적색 파장 범위로 변환시킨다.
녹색 광 변환층(734)을 구성하는 녹색 발광체(100b)는 녹색 발광 모이어티(110b)와, 다수의 녹색 발광 모이어티(110b)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 필요한 경우에 각각의 녹색 발광 모이어티(110b)의 표면과 결합하는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 녹색 발광 모이어티(110b)는 녹색 무기 발광 입자(120b)와 녹색 무기 발광 입자(120b)를 에워싸는 코팅(130)으로 이루어진다. 녹색 무기 발광 입자(120b)는 녹색 코어(122b)와 녹색 코어(122b)를 에워싸는 쉘(124b)로 이루어질 수 있다. 따라서, 녹색 광 변환층(634)는 발광다이오드(640)에서 발광한 빛을 녹색 파장 범위, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 500 nm 내지 570 nm 범위의 적색 파장 범위로 변환시킨다.
발광다이오드(740)에서 발광된 백색(W) 광은 적색 화소영역(Rp)에 대응되게 위치하는 적색 광 변환층(732)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 적색(R) 광보다 단파장 대역의 빛인 청색(B) 파장 및 녹색(G) 파장의 광이 적색(R) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 적색 화소영역(Rp)에서 발광다이오드(740)로부터 발광된 백색(W) 광의 대부분이 적색(R) 파장의 광으로 변환된 상태에서 적색 컬러필터 패턴(722)을 통과하게 되므로, 적색 컬러필터 패턴(722)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
또한, 발광다이오드(740)에서 발광된 백색(W) 광은 녹색 화소영역(Gp)에 대응되게 위치하는 녹색 광 변환층(734)을 통과하면서, 백색(W) 광을 구성하는 빛 중에서 녹색(G) 광보다 단파장 대역의 빛인 청색(B) 파장의 광이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된다. 이에 따라, 녹색 화소영역(Gp)에서 발광다이오드(740)로부터 발광된 백색(W) 광의 상당 부분이 녹색(G) 파장의 광으로 변환된 상태에서 녹색 컬러필터 패턴(724)을 통과하게 되므로, 녹색 컬러필터 패턴(724)에서 흡수되는 광량이 줄어들어 광 효율이 향상된다.
한편, 청색 화소영역(Bp)에서 광 변환층(730)이 형성되지 않는다. 청색 화소영역(Bp)에서 높은 에너지의 광이 방출되는 화소영역이기 때문에, 광 변환층(630)을 통해서 백색(W) 광을 청색(B) 광으로 변환시키는 것은 어렵기 때문에, 청색 화소영역(Bp)에는 광 변환층(730)이 형성되지 않는다. 청색 화소영역(Bp)에서 발광다이오드(740)로부터 발광된 백색(W) 광은 청색 컬러필터 패턴(726)를 통과하면서 청색 파장 이외의 파장 대역의 광은 흡수하고 청색 광만을 투과한다.
또한, 백색 화소영역(Wp)에는 컬러필터층(720) 및 광 변환층(730)이 형성되지 않는다. 따라서, 발광다이오드(740)로부터 발광된 백색(W)광이 그대로 방출된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 적색 화소영역(Rp) 및 녹색 화소영역(Gp)에 특정 파장 대역의 광으로 변환하는 광 변환층(732, 734)을 형성한다. 발광다이오드(740)로부터 발광된 백색(W) 광이 광 변환층(732, 734)을 통과하면서 각각의 컬러필터 패턴(722, 724)을 투과할 수 있는 특정 파장 대역의 광으로 변환한다. 이에 따라, 적색 및 녹색 컬러필터 패턴(722, 724)에서 흡수되는 광량이 최소화되어 광 효율이 향상될 수 있다.
컬러필터층(720)과 발광다이오드(740) 사이에 발광다이오드(740)로부터 발광된 광을 특정 파장 대역의 광으로 변환하는 광 변환층(730)을 형성하여, 컬러필터층(720)에서 흡수되는 광량을 최소화하여 광 효율이 향상된다. 광 변환층(730)을 구성하는 발광체(100a, 100b, 100c)에서, 인캡슐레이션 모이어티(140)는 다수의 발광 모이어티(110a, 110b)를 에워싸고 있다. 다수의 발광 모이어티(110a, 110b)가 응집된 형태로 배열되어, 단위 영역에 대하여 무기 발광 입자(120a, 120b)의 분산 밀도가 증가한다. 따라서, 광 변환층(730)을 얇게 형성하더라도 다수의 무기 발광 입자(120a, 120b)를 포함할 수 있으므로, 광 변환 효율이 향상될 수 있다. 또한, 무기 발광 입자(120a, 120b)의 표면은 코팅(130)되어 있기 때문에, 무기 발광 입자(120a, 120b)의 근접 배치에 따른 FRET 현상을 방지하여 양호한 발광 특성, 예를 들어 양호한 발광 휘도를 유지할 수 있다. 또한, 발광 모이어티(110a, 110b)의 외측으로 내열 특성이 우수한 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)가 위치하기 때문에, 발광체(100a, 100b)의 내열 특성이 향상된다.
별도로 도시하지는 않았으나, 하부 발광 타입의 발광다이오드 표시장치에서도, 도 9a 내지 도 10e에서 예시한 것과 같은 다양한 광 변환층 및/또는 컬러필터층을 형성하는 것이 가능하다. 이 경우에도, 단순히 컬러필터층(730)만을 형성하는 경우와 비교해서, 각각의 화소영역(Rp)에서 방출되는 특정 파장 대역의 광 효율이 향상되면서, 발광 특성이 향상될 수 있다.
[무기 발광다이오드 및 발광장치]
본 발명에 따라 제조되는 발광체는 발광 특성이 우수하고, 다양한 파장대의 발광이 가능한 이점을 가지기 있으며, 내열 특성이 양호하다. 따라서 예를 들어 양자점 발광다이오드(quantum-dot light emitting diode; QD-LED 또는 QLED)와 같은 무기 발광다이오드의 발광물질층의 소재로 사용될 수 있다. 도 12는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 발광체가 발광물질층에 적용된 정상(normal) 구조를 가지는 무기 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무기 발광다이오드(800)는 제 1 전극(810)과, 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극(820)과, 제 1 전극(810)과 제 2 전극(820) 사이에 위치하며, 발광물질층(Emitting material layer; EML, 850)을 포함하는 발광층(830)을 포함한다. 일례로, 발광층(830)은 제 1 전극(810)과 발광물질층(850) 사이에 위치하는 제 1 전하이동층(840)과, 발광물질층(850)과 제 2 전극(820) 사이에 위치하는 제 2 전하이동층(860)을 더욱 포함할 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 제 1 전극(810)은 정공 주입 전극과 같은 양극(anode)일 수 있다. 제 1 전극(810)은 유리 또는 고분자일 수 있는 기판(도 12에 미도시) 상에 형성될 수 있다. 일례로, 제 1 전극(810)은 ITO, IZO, ITZO, ICO, SnO2, In2O3, Cd:ZnO, F:SnO2, In:SnO2, Ga:SnO2 및 Al:ZnO(AZO)을 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물일 수 있다. 선택적으로, 제 1 전극(610)은 전술한 금속 산화물 이외에도 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 포함하는 금속 소재 또는 비금속 소재로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 제 2 전극(820)은 전자 주입 전극과 같은 음극(cathode)일 수 있다. 일례로 제 2 전극(820)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 또는 Ag:Mg로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(810)과 제 2 전극(820)은 30 내지 300 nm의 두께로 적층될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 하부 발광 방식의 발광다이오드인 경우에, 제 1 전극(810)은 ITO, IZO, ITZO, AZO와 같은 투명 도전성 금속으로 이루어질 수 있으며, 제 2 전극(820)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, Al, Mg, Ag:Mg 합금 등을 사용할 수 있다.
발광층(830)을 구성할 수 있는 제 1 전하이동층(840)은 제 1 전극(810)과 발광물질층(850) 사이에 위치한다. 예시적으로, 제 1 전하이동층(840)은 발광물질층(850)으로 정공을 공급하는 정공이동층일 수 있다. 일례로, 제 1 전하이동층(840)은 제 1 전극(810)과 발광물질층(850) 사이에서 제 1 전극(810)에 인접하게 위치하는 정공주입층(HIL, 842)과, 제 1 전극(810)과 발광물질층(850) 사이에서 발광물질층(850)에 인접하게 위치하는 정공수송층(HTL, 844)을 포함한다.
정공주입층(842)은 제 1 전극(810)에서 발광물질층(850)으로 정공의 주입을 용이하게 한다. 일례로, 정공주입층(842)은 폴리(에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌술포네이트(poly(ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate; PEDOT:PSS), 테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄(tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane; F4-TCNQ)이 도핑된 4,4',4"-트리스(디페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-tris(diphenylamino)triphenylamine; TDATA); 예를 들어 F4-TCNQ가 도핑된 아연 프탈로시아닌(zinc phthalocyanine; ZnPc)과 같은 p-도핑된 프탈로시아닌, F4-TCNQ가 도핑된 N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-1,1'-바이페닐-4,4"-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphtyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine; α-NPD), 헥사아자트리페닐렌-헥사니트릴(hexaazatriphenylene-hexanitrile; HAT-CN) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 일례로 F4-TCNQ와 같은 도펀트는 호스트에 대하여 1 내지 30 중량%의 비율로 도핑될 수 있다. 정공주입층(842)은 발광다이오드(800)의 구조 및 형태에 따라 생략될 수 있다.
정공수송층(844)은 제 1 전극(810)에서 발광물질층(850)으로 정공을 전달한다. 정공수송층(844)은 무기물 또는 유기물로 이루어질 수 있다. 일례로, 정공수송층(844)이 유기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(844)은 4,4'-N,N'-디카바졸릴-바이페닐(4,4'-N,N'-dicarbazolyl-biphenyl; CBP), N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-1,1'-바이페닐-4,4"-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphtyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine; α-NPD), N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine; TPD), N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-스파이로(N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-spiro; spiro-TPD), N,N'-디(4-(N,N'-디페닐-아미노)페닐-N,N'-디페닐벤지딘(N,N'-di(4-(N,N'-diphenyl-amino)phenyl)-N,N'-diphenylbenzidine; DNTPD), 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine; TCTA)와 같은 아릴 아민류, 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(페닐렌비닐렌)(poly(phenylenevinylene)), 구리프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 방향족 3차아민(aromatictertiary amine) 또는다핵방향족 3차아민(polynuclear aromatic tertiary amine), 4,4'-비스(p-카바졸릴)-1,1'-바이페닐화합물(4,4'-bis(p-carbazolyl)-1,1'-biphenyl compound), N,N,N',N'-테트라아릴벤지딘(N,N,N',N'-tetraarylbenzidine), PEDOT:PSS 및 그 유도체, 폴리-N-비닐카바졸(Poly(N-vinylcarbazole); PVK) 및 그 유도체, 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실록시)-1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]; MEH-PPV)이나 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸록시)1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]; MOMO-PPV)와 같은 폴리(파라)페닐렌비닐렌(poly(p)phenylenevinylene) 및 그 유도체, 폴리메타크릴레이트및 그 유도체, 폴리(9,9-옥틸플루오렌) (poly(9,9-octylfluorene)) 및 그 유도체, 폴리(스파이로-플루오렌)(poly(spiro-fluorene)) 및 그 유도체, N,N'-디(나프탈렌-l-yl)-N,N'-디페닐-벤지딘(N,N'-di(naphthalene-l-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine; NPB), 트리스(3-메틸페닐페닐아미노)-트리페닐아민 (tris(3-methylphenylphenylamino)-triphenylamine; m-MTDATA), 폴리(9,9'-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-코-(4,4'-(N-(4-섹-부틸페닐)디페닐아민(poly(9,9'-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine; TFB), 폴리(4-부틸페닐-디페닐아민)(Poly(4-butylphenyl-dipnehyl amine); poly-TPD), 스파이로-NPB(spiro-NPB)및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
정공수송층(844)이 무기물로 이루어지는 경우, 정공수송층(844)은 NiO, MoO3, Cr2O3, Bi2O3 또는 p-형 ZnO와 같은 금속 산화물이나 티오시안구리(CuSCN), Mo2S, p-형 GaN과 같은 비-산화 등가물 또는 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기물로 이루어질 수 있다.
도면에서는 제 1 전하이동층(840)을 정공주입층(842)과 정공수송층(844)으로 구분하였으나, 제 1 전하이동층(840)은 단일층으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 정공주입층(842)이 생략되고 제 1 전하이동층(840)은 정공수송층(844)만으로 이루어질 수도 있다.
정공주입층(842) 및 정공수송층(844)을 포함하는 제 1 전하이동층(840)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법을 포함하는 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅(spin coating), 드롭 코팅(drop coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 롤 코팅(roll coating), 플로 코팅(flow coating)은 물론이고, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 정공주입층(842)과 정공수송층(844)의 두께는 10 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm일 수 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 발광물질층(850)은 본 발명에 따른 발광체(100)로 이루어질 수 있다. 발광체(100)는 발광 모이어티(110)와, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 필요에 따라 각각의 발광 모이어티(110)의 표면으로 결합하는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 발광 모이어티(110)는 무기 발광 입자(120)와, 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸는 코팅(130)으로 이루어질 수 있다. 무기 발광 입자(120)는 코어(122)/쉘(124)의 이종구조를 가질 수 있다. 일례로, 발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)가 발광물질층(850)의 발광 재료로 사용되기 때문에, 개별 화소영역의 색순도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 높은 순도의 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 발광으로 구성된 백색광을 구현할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(850)은 용매에 발광체(100)가 포함된 분산 용액을 코팅하는 용액 공정을 통하여 제 1 전하이동층(840) 상에 코팅하고, 용매를 휘발시켜 형성할 수 있다. 발광물질층(850)을 형성하는 방법으로서 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅은 물론이고, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 적층될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 발광물질층(850)은 440 nm, 530 nm, 620 nm의 PL 발광 특성을 가지는 무기 발광 입자(120)를 사용하여 백색 발광다이오드를 제작할 수 있다. 선택적으로, 발광물질층(850)은 적색, 녹색, 청색 중 어느 하나의 색을 가지는 무기 발광 입자인 양자점 또는 양자 막대를 포함하며, 그 중 어느 하나의 색으로 개별적으로 발광하도록 구현될 수 있다.
한편, 제 2 전하이동층(860)은 발광물질층(850)과 제 2 전극(820) 사이에 위치한다. 본 실시형태에서, 제 2 전하이동층(860)은 발광물질층(850)으로 전자를 공급하는 전자이동층일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 2 전하이동층(860)은 제 2 전극(820)과 발광물질층(850) 사이에서 제 2 전극(820)에 인접하게 위치하는 전자주입층(electron injection layer; EIL, 862)과, 제 2 전극(820)과 발광물질층(850) 사이에서 발광물질층(850)에 인접하게 위치하는 전자수송층(electron transport layer; ETL, 864)을 포함한다.
전자주입층(862)은 제 2 전극(820)에서 발광물질층(850)으로의 전자 주입을 용이하게 한다. 예를 들어 전자주입층(862)은 Al, Cd, Cs, Cu, Ga, Ge, In, Li과 같은 금속에 불소가 도핑되거나 결합된 소재로 이루어지거나, Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 도핑되거나 도핑되지 않은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화탄탈륨(Ta2O3)와 같은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
전자수송층(864)은 발광물질층(850)으로 전자를 전달한다. 전자수송층(864)은 무기물 및/또는 유기물로 이루어질 수 있다. 전자수송층(864)이 무기물로 이루어지는 경우, 전자수송층(864)은 Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 도핑되거나 도핑되지 않은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화아연마그네슘(ZnMgO), 산화지르코늄(ZrO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화탄탈륨(Ta2O3), 산화하프늄(HfO3), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄실리콘(ZrSiO4), 산화바륨티타늄(BaTiO3), 산화바륨지르코늄(BaZrO3)와 같은 금속/비금속 산화물 및/또는 Al, Mg, In, Li, Ga, Cd, Cs, Cu 등으로 도핑되거나 도핑되지 않은 CdS, ZnSe, ZnS와 같은 반도체 입자, Si3N4와 같은 질화물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기물로 이루어질 수 있다.
전자수송층(864)이 유기물로 이루어지는 경우, 전자수송층(864)은 옥사졸계 화합물, 이소옥사졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 이소티아졸계 화합물, 옥사디아졸계 화합물, 티아디자올계 화합물, 페난트롤린(phenanthroline)계 화합물, 페릴렌(perylene)계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 파이렌(pyrene)계 화합물, 트리아진계 화합물이나 알루미늄 착물과 같은 유기물을 사용할 수 있다. 구체적으로, 전자수송층(964)을 구성할 수 있는 유기 물질은 3-(바이페닐-4-일)-5-(4-테트라부틸페닐)-4-페닐-4H-1,2,4-트리아졸(3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole, TAZ), 바소큐프로인(bathocuproine, 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), 2,2',2"-(1,3,5-벤자인트리일)-트리스(1-페닐-1-H-벤즈이미아졸)(2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole); TPBi), 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸(2-[4-(9,10-Di-2-naphthalenyl-2-anthracenyl)phenyl]-1-phenyl-1H-benzimidazole), 트리스(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum; Alq3), 비스(2-메틸-8-퀴놀리나토)-4-페닐페놀레이트 알루미늄(Ⅲ) (bis(2-methyl-8-quninolinato)-4-phenylphenolatealuminum (Ⅲ); Balq), 비스(2-메틸-퀴놀리나토)(트리페닐실록시), 8-하이드록시-퀴놀리나토 리튬(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 알루미늄(Ⅲ)(bis(2-methyl-quinolinato)(tripnehylsiloxy) aluminum (Ⅲ); Salq) 및 이들의 조합으로 구성되는 소재에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제 1 전하이동층(840)과 유사하게, 도 12에서 제 2 전하이동층(860)을 전자주입층(862)과 전자수송층(864)의 2층으로 도시하였으나, 제 2 전하이동층(860)은 전자수송층(864)의 1층으로만 이루어질 수도 있다. 또한, 전술한 무기물로 이루어지는 전자 수송 재료에 세슘카보네이트를 블렌딩한 전자수송층(864)의 1층으로 제 2 전하이동층(860)을 형성할 수도 있다.
전자주입층(862) 및/또는 전자수송층(864)을 포함하는 제 2 전하이동층(860)은 진공 기상 증착법, 스퍼터링법을 포함하는 진공 증착 공정이나, 스핀 코팅, 드롭 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 플로 코팅은 물론이고, 캐스팅 공정, 스크린 인쇄 또는 잉크젯 프린팅 방식과 같은 용액 공정을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 일례로, 전자주입층(862) 및 전자수송층(864)은 10 내지 200 nm, 바람직하게는 10 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.
예를 들어, 제 1 전하이동층(840)을 구성하는 정공수송층(844)이 유기물로 이루어지고, 제 2 전하이동층(860)이 무기물로 이루어지는 혼성 전하이동층(charge transport layer; CTL)을 도입하는 경우, 발광다이오드(800)의 발광 특성이 향상될 수 있다.
한편, 정공이 발광물질층(850)을 지나 제 2 전극(820)으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(850)을 지나 제 1 전극(810)으로 가는 경우, 소자의 수명과 효율에 감소를 가져올 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(800)는 발광물질층(850)에 인접하여 적어도 1개의 엑시톤 차단층이 위치할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(800)는 정공수송층(844)과 발광물질층(850) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(electron blocking layer, EBL)이 위치할 수 있다.
일례로, 전자차단층은 TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine),N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민(tri-p-tolylamine), 1,1-비스(4-(N,N-디(p-톨릴)아미노)페닐)사이클로헥산(1,1-bis(4-(N,N'-di(ptolyl)amino)phenyl)cyclohexane; TAPC), m-MTDATA, 1,3-비스(N-카바졸릴)벤젠(1,3-bis(N-carbazolyl)benzene; mCP),3,3'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-바이페닐(3,3'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; mCBP), Poly-TPD,프탈로시아닌구리(copper phthalocyanine; CuPc), DNTPD 및/또는1,3,5-트리스[4-(디페닐아미노)페닐]벤젠(1,3,5-tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene; TDAPB) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 발광물질층(850)과 전자수송층(864) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(hole blocking layer, HBL)이 위치하여 발광물질층(850)과 전자수송층(864) 사이에 정공의 이동을 방지할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층의 소재로서 전자수송층(864)에 사용될 수 있는 옥사디아졸계, 트리아졸계, 페난트롤린계, 벤족사졸계, 벤조티아졸계, 벤즈이미다졸계, 트리아진계, 파이렌계 등의 유도체가 사용될 수 있다.
예를 들어 정공차단층은 발광물질층(850)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO(highest occupied molecular orbital; 최고점유분자궤도) 에너지 준위가 낮은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP), BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD 및/또는 Liq 등으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 발광체(100)의 발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)의 조성 및 성분에 따라 다양한 컬러의 광을 방출할 수 있으며, 이종 구조의 무기 발광 입자(120)를 사용하여 양자 효율을 향상시킬 수 있다. 발광체(100)는 인캡슐레이션 모이어티(140)에 의하여 다수의 발광 모이어티(110)가 응집된 구조를 형성하기 때문에, 단위 영역에 대하여 발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)의 분산 밀도가 향상된다. 무기 발광 입자(120)의 표면에 형성되는 코팅(130) 구조로 인하여, 무기 발광 입자(120)가 지나치게 근접하게 배치될 수는 없기 때문에, FRET 현상을 방지하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함하고 있어서, 발광체(100)의 내열 특성이 향상되므로, 내열 특성이 개선된 발광다이오드(800)를 제작할 수 있다.
한편, 도 12에서는 일함수 값이 상대적으로 낮은 제 1 전극과 발광물질층 사이에 정공이동층이 위치하고, 일함수가 상대적으로 높은 제 2 전극과 발광물질층 사이에 전자이동층이 위치하는 정상 구조(normal structure)를 가지는 발광다이오드에 대해서 설명하였다. 발광다이오드는 정상 구조가 아닌 반전 구조(inverted structure)를 가질 수 있다.
이러한 반전 구조의 무기 발광다이오드에서, 제 1 전극은 전자 주입 전극과 같은 음극이며, 제 2 전극은 정공 주입 전극과 같은 양극일 수 있다. 또한, 제 1 전하이동층은 전자이동층이며, 제 2 전하이동층은 정공이동층일 수 있다. 이 경우, 정공차단층은 발광물질층과 제 1 전하이동층 사이에 위치하고, 전자차단층은 발광물질층과 제 2 전하이동층 사이에 위치할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 발광체가 발광물질층에 적용된 무기 발광다이오드는 조명 장치나 표시장치와 같은 발광장치에 적용될 수 있다. 일례로, 본 발명에 따른 발광체가 발광물질층에 적용된 발광다이오드를 가지는 발광장치에 대해서 설명한다. 도 13은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무기 발광 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 무기 발광 표시장치(900)는, 기판(910)과, 기판(910) 상에 위치하는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 무기 발광다이오드(940)를 포함한다.
기판(910) 상에는 산화물 반도체 물질 또는 다결정 실리콘으로 이루어지는 반도체층(912)이 형성된다. 반도체층(912)이 산화물 반도체 물질로 이루어질 경우, 반도체층(912) 하부에는 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있으며, 차광패턴은 반도체층(912)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(912)이 빛에 의해 열화되는 것을 방지한다. 이와 달리, 반도체층(912)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(912)의 양 가장자리에 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
반도체층(912) 상부에는 절연물질로 이루어진 게이트 절연막(914)이 형성된다. 게이트 절연막(914)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다. 게이트 절연막(914) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(920)이 반도체층(912)의 중앙에 대응하여 형성된다.
게이트 전극(920) 상부에는 절연물질로 이루어진 층간 절연막(922)이 형성된다. 층간 절연막(922)은 산화실리콘(SiO2)이나 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기 절연물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연물질로 형성될 수 있다.
층간 절연막(922)은 반도체층(912)의 양측을 노출하는 제 1 및 제 2 콘택홀(924, 926)을 갖는다. 제 1 및 제 2 콘택홀(924, 926)은 게이트 전극(920)의 양측에서 게이트 전극(920)과 이격되어 위치한다. 층간 절연막(9222) 상에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어지는 소스 전극(930)과 드레인 전극(932)이 형성된다.
소스 전극(930)과 드레인 전극(932)은 게이트 전극(920)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 상기 제 1 및 제 2 콘택홀(924, 926)을 통해 상기 반도체층(912)의 양측과 접촉한다. 반도체층(912), 게이트 전극(920), 소스 전극(930), 드레인 전극(932)은 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)를 이룬다.
도 13에서, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층(912)의 상부에 게이트 전극(920), 소스 전극(930) 및 드레인 전극(932)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도시하지 않았으나, 게이트 배선과 데이터 배선이 서로 교차하여 화소영역을 정의하며, 게이트 배선과 데이터 배선에 연결되는 스위칭 소자가 더 형성된다. 스위칭 소자는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 또한, 파워 배선이 게이트 배선 또는 데이터 배선과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 캐패시터가 더 구성될 수 있다.
한편, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(932)을 노출하는 드레인 콘택홀(936)을 가지는 보호층(934)이 박막트랜지스터(Tr)를 덮으며 형성된다.
보호층(934) 상에는 드레인 콘택홀(936)을 통해 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(932)에 연결되는 제 1 전극(942)이 각 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(942)은 양극(anode) 또는 음극(cathode)일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(942)은 ITO, IZO, ITZO, ICO, SnO2, In2O3, Cd:ZnO, F:SnO2, In:SnO2, Ga:SnO2 및 AZO와 같은 도핑되거나 도핑되지 않은 금속 산화물이거나, 전술한 금속 산화물 이외에도 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 이리듐(Ir) 또는 탄소나노튜브를 포함하는 금속 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 발광 표시장치(900)가 상부 발광(top-emission) 방식인 경우, 제 1 전극(942) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사전극 또는 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-paladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 보호층(936) 상에는 제 1 전극(942)의 가장자리를 덮는 뱅크층(948)이 형성된다. 뱅크층(948)은 화소영역에 대응하여 제 1 전극(942)의 중앙을 노출한다.
제 1 전극(942) 상에는 본 발명에 따른 발광체(100)를 포함하는 발광층(944)이 형성된다. 발광층(944)은 발광물질층으로만 이루어질 수도 있으나, 발광 효율을 높이기 위하여 다수의 전하 이동층을 가질 수 있다. 일례로, 제 1 전극(942)과 발광층(944) 사이에 제 1 전하 이동층(840, 도 12 참조)가 형성되고, 발광층(944)과 제 2 전극(946) 사이에 제 2 전하 이동층(860, 도 12 참조)가 더욱 형성될 수 있다.
발광층(944)이 형성된 기판(910) 상부로 제 2 전극(946)이 형성된다. 제 2 전극(946)은 표시영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 음극 또는 양극일 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(946)은 Ca, Ba, Ca/Al, LiF/Ca, LiF/Al, BaF2/Al, CsF/Al, CaCO3/Al, BaF2/Ca/Al, Al, Mg, Au:Mg 또는 Ag:Mg일 수 있다.
발광층(944)에 포함되는 발광체(100)는 발광 모이어티(110)와, 다수의 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140)를 가지며, 필요에 따라 각각의 발광 모이어티(110)의 표면으로 결합하는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함할 수 있다. 발광 모이어티(110)는 무기 발광 입자(120)와, 무기 발광 입자(120)의 표면을 에워싸는 코팅(130)으로 이루어질 수 있다. 무기 발광 입자(120)는 코어(122)/쉘(124)의 이종구조를 가질 수 있다. 무기 발광 입자(120)를 구성하는 코어(122)를 구성하는 성분들의 조성비를 달리하거나, 쉘(124의 두께를 조절하여 다양한 파장대의 발광을 구현할 수 있다.
발광체(100)는 인캡슐레이션 모이어티(140)에 의하여 다수의 발광 모이어티(110)가 응집된 구조를 형성하기 때문에, 단위 영역에 대하여 발광 모이어티(110)를 구성하는 무기 발광 입자(120)의 분산 밀도가 향상된다. 무기 발광 입자(120)의 표면에 형성되는 코팅(130) 구조로 인하여, 무기 발광 입자(120)가 지나치게 근접하게 배치될 수는 없기 때문에, FRET 현상을 방지하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 발광 모이어티(110)를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티(140) 및/또는 경화성 모이어티(150, 도 2a 참조)를 포함하고 있어서, 발광체(100)의 내열 특성이 향상되므로, 내열 특성이 개선된 발광다이오드(940) 및 발광다이오드 표시장치(900)를 구현할 수 있다.
이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
실시예 1: 적색 발광체 합성
도 2b에 예시적으로 기재한 합성 공정에 준하여 적색 발광체를 합성하였다. 무기 발광 입자로서 InP/ZnSe/ZnS로 이루어진 적색 양자점을 사용하였다. 준비된 양자점에 CTAB를 첨가하여 양자점 표면에 반응성 리간드를 도입하고, TEOS와 NaOH를 첨가하고 60℃에서 약 3시간 반응시켜, 하이드록시기 표면을 가지는 실리카가 양자점 표면에 코팅되도록 하였다. 양자점 표면에 실리카 코팅이 안정적으로 형성될 수 있도록 다시 TEOS를 첨가하고, GPTS를 첨가하고 밤새 보관하여, 실리카 코팅 표면에 경화성 모이어티인 GPTS가 결합되도록 하였다. 이어서, 인캡슐레이션 모이어티로서 TMMS를 첨가하고, 150℃에서 밤새 보관하여, 양자점 표면에 결합된 실리카 코팅으로 이루어진 발광 모이어티의 외측에 경화성 모이어티인 에폭시기를 가지는 실록산이 연결되고, 다수의 발광 모이어티의 각각 결합하여 다수의 발광 모이어티를 에워싸는 TMMS로 이루어진 인캡슐레이션 모이어티를 포함하는 발광체를 합성하였다.
본 실시예에 따라 제조된 발광체에 대한 TEM 사진을 도 14에 나타낸다. 실리카 코팅된 다수의 양자점이 TMMS와 결합하면서 대략 원 형상의 응집 구조를 이루고 있는 것을 확인하였다.
실시예 2: 적색 발광체를 적용한 박막 제조
실시예 1에서 합성된 적색 발광체를 적용하고, 포토레지스트 공정을 진행하여 박막을 제조하였다. ITO glass 기판 상에 실시예 1에서 합성한 적색 발광체를 스핀 코팅하고, 100℃에서 3분간 soft baking하고, 50 mJ/㎠의 광량에서 노광 처리를 진행한 뒤, 다시 150℃에서 30분 동안 hard baking을 수행하여, ITO 상에 실시예 1에서 합성된 적색 발광체의 경화물로 이루어진 박막을 제조하였다. 이하, 본 실시예에 따라 합성된 박막을 "QD SiOC"라고 명명한다.
비교예: 박막 제조
실시예 1에서 합성한 적색 발광체를 대신하여, 적색 양자점인 InP/ZnSe/ZnS를 사용하고, 바인더로서 아크릴레이트를 적용한 것을 제외하고 실시예 2의 절차를 반복하여 박막을 제조하였다. 이하, 본 비교예에 따라 합성된 박막을 "QD PR"이라고 명명한다.
실시예 3: 박막의 물성 평가
실시예 2와 비교예에서 각각 제조된 박막의 물성을 평가하였다. 실시예 2와 비교예에서 각각 제조된 박막의 단면을 TEM으로 평가하였다. 평가 결과를 도 15에 나타낸다. 비교예에서 사용한 종래의 양자점을 적용한 박막의 단면 두께는 1.379 ㎛인 반면, 실시예 2에 따라 적색 발광체를 적용한 박막의 단면 두께는 0.423 ㎛에 불과하여, 박막 두께가 대략 1/3 수준 이하, 70% 감소한 것을 확인하였다.
계속해서, 실시예 2와 비교예에서 각각 제조된 박막의 광발광(photoluminescence; PL) 강도를 측정하였다. 측정 결과를 도 16에 나타낸다. 비교예와 실시예 2에서 각각 제조된 박막은 모두 635 nm에서 최대 PL 강도를 나타냈다. 비교예 2에서 제조된 박막의 PL 강도는 1.02에 불과하였으나, 실시예 2에서 제조된 박막의 PL 강도는 7.44로서 대략 7배 증가하였다.
따라서, 단순히 양자점만으로 이루어진 박막의 경우에 원하는 휘도를 확보하기 위해서는 박막은 최소한 6 ㎛의 두께를 가져야 하지만, 실시예 1에서 합성된 적색 발광체를 적용하는 경우, 박막 두께가 1.8 ㎛ 이하인 경우에도 충분한 휘도를 확보할 수 있다는 것을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.
100, 100a, 100b, 100c: 발광체
110, 110a, 110b: 발광 모이어티
120, 120a, 120b: 무기 발광 입자
122, 122a, 122b: 코어(core)
124, 124a, 124b: 쉘(shell)
130: 코팅 140: 인캡슐레이션 모이어티
150: 경화성 모이어티 200: 발광 필름
300, 400: 액정표시장치 302, 402: 액정 패널
380, 520: 백라이트 유닛 510: 엘이디 패키지
512: 엘이디 칩 520: 봉지부
600, 600A, 600B, 600C, 600D, 600E, 600F, 600G, 600H, 600I, 600J, 700, 900: 발광다이오드 표시장치
610, 710, 제 1 기판 620, 720: 컬러필터층
622, 722: 적색 컬러 패턴 624, 724: 녹색 컬러 패턴
626, 726: 청색 컬러 패턴
630, 630a, 630b, 630c, 630d, 630e, 730: 광 변환층
632, 732: 적색 광 변환층
634, 734: 녹색 광 변환층
640, 740, 800, 940: 발광다이오드
642, 742, 810, 942: 제 1 전극
644, 744, 830, 944: 발광층
646, 746, 820, 946: 제 2 전극
660, 760: 제 2 기판

Claims (19)

  1. 무기 발광 입자의 표면을 에워싸는 코팅으로 이루어지는 발광 모이어티; 및
    다수의 상기 발광 모이어티를 구성하는 상기 코팅 각각의 표면으로 공유결합으로 연결되며, 상기 다수의 발광 모이어티를 에워싸는 인캡슐레이션 모이어티를 포함하고,
    상기 무기 발광 입자는 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 쉘을 포함하고,
    상기 코팅은 상기 각각의 무기 발광 입자의 표면을 에워싸고,
    상기 코팅은 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화아연(ZnO), 니오븀(Niobium), 지크코늄(zirconium), 세륨(cerium), 실리케이트(silicate)로 구성되는 군에서 선택되고,
    상기 코팅은 다공성 코팅인 발광체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅은 표면에 하이드록시기를 가지도록 개질되며, 상기 인캡슐레이션 모이어티는 실리콘계(silicone-based) 소재로 이루어지는 발광체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 발광 입자는 양자점(quantum dot) 또는 양자 막대(quantum rod)를 포함하는 발광체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발광체는 상기 코팅의 표면과 공유결합을 통하여 연결되는 경화성 모이어티를 더욱 포함하는 발광체.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재된 발광체를 포함하는 발광 필름.
  6. 액정 패널;
    상기 액정 패널의 하부에 위치하며 광원을 포함하는 백라이트 유닛; 및
    상기 액정 패널과 상기 백라이트 유닛 사이에 위치하는 제 5항에 기재된 발광 필름
    을 포함하는 액정표시장치.
  7. 엘이디 칩; 및
    상기 엘이디 칩을 덮고 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재된 발광체를 포함하는 봉지부
    를 포함하는 엘이디 패키지.
  8. 제 7항에 기재된 엘이디 패키지를 포함하는 백라이트 유닛; 및
    상기 백라이트 유닛 상부에 위치하는 액정 패널
    을 포함하는 액정표시장치.
  9. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상부에 위치하는 발광다이오드;
    상기 제 1 기판과 상기 발광다이오드 사이 또는 상기 발광다이오드 상부에 위치하며, 상기 발광다이오드에서 발광된 빛을 다른 파장의 빛으로 변환하는 광 변환층을 포함하고,
    상기 광 변환층은 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재된 발광체를 포함하는 발광 표시장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 발광 표시장치는 적색 화소영역을 포함하고,
    상기 광 변환층은 상기 적색 화소영역에 위치하는 적색 광 변환층을 포함하고, 상기 적색 광 변환층을 구성하는 상기 발광체는 발광다이오드에서 방출된 빛을 적색 파장의 광으로 변환하는 적색 발광체를 포함하는 발광 표시장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 발광 표시장치는 녹색 화소영역을 더욱 포함하고,
    상기 광 변환층은 상기 녹색 화소영역에 위치하는 녹색 광 변환층을 더욱 포함하고, 상기 녹색 광 변환층을 구성하는 상기 발광체는 발광다이오드에서 방출된 빛을 녹색 파장의 광으로 변환하는 녹색 발광체를 포함하는 발광 표시장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 발광 표시장치는 적색 화소영역 및 녹색 화소영역을 포함하고,
    상기 발광체는 적어도 상기 적색 화소영역 및 상기 녹색 화소영역에 형성되며, 상기 무기 발광 입자는 적색(Red), 녹색(Green) 또는 적록색(Red Green) 파장 대역의 빛을 방출하는 발광 표시장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 광 변환층의 상부 또는 상기 제 1 기판과 상기 광 변환층 사이에 위치하는 컬러필터층을 더욱 포함하는 발광 표시장치.
  14. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며, 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재된 발광체를 포함하는 발광층
    을 포함하는 무기 발광다이오드.
  15. 기판;
    상기 기판 상부에 위치하고, 제 14항에 기재된 무기 발광다이오드; 및
    상기 기판과 상기 무기 발광다이오드 사이에 위치하며 상기 무기 발광다이오드에 연결되는 구동 소자
    를 포함하는 무기 발광장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 발광체는 상기 각각의 코팅의 표면과 공유결합을 통하여 연결되며, 경화되어 가교결합에 의한 실록산계 수지를 형성할 수 있는 모노머 또는 올리고머로 이루어지고, 실록산계 수지로 경화되기 위한 경화성 관능기를 갖는 경화성 모이어티를 더욱 포함하는 발광체.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 경화성 관능기는 에틸렌성 이중 결합을 갖는 관능기, 에폭시 고리를 갖는 관능기, 하이드록시기, 할로겐기, 아미노기, 니트로기, 아미드기, 머캅토기 또는 시아노기인 발광체.
  18. 삭제
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅의 두께는 50 nm 내지 300 nm인 발광체.
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