KR102650010B1 - 이방성 반도체 나노 결정 입자를 포함하는 백라이트 유닛, 그 제조 방법, 및 이를 포함한 전자 소자 - Google Patents

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패트릭 디. 커닝햄
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Abstract

광원; 및 상기 광원에 이격되게 설치되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 파장을 변화시켜 출사시키는 광전환층을 포함하는 백라이트 유닛과 이를 포함한 표시 장치에 대한 것으로, 상기 광전환층은 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정을 포함하고,
상기 폴리머 매트릭스는, 하기 화학식 1의 반복단위를 포함하는 폴리머를 포함하며:
[화학식 1]

여기서, R1, R2, R3는 위에서 정의된 바와 같음;
상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내고, 상기 복수개의 이방성 반도체 나노 결정들은 상기 광전환층이 편광된 광을 방출하도록 그의 장축 (major axis) 방향으로 정렬(align)되어 있는 백라이트 유닛과 이를 포함하는 전자 소자에 대한 것이다.

Description

이방성 반도체 나노 결정 입자를 포함하는 백라이트 유닛, 그 제조 방법, 및 이를 포함한 전자 소자 {BACKLIGHT UNIT INCLUDING ANISOTROPIC SEMICONDUCTOR NANOCRYSTAL PARTICLES, PRODUCTION METHOD THEREOF, AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
이방성 반도체 나노 결정 입자를 포함하는 백라이트 유닛, 그 제조 방법, 및 이를 포함한 전자 소자에 관한 것이다.
액정 디스플레이 장치(LCD, Liquid Cystal Display)는 외부로부터 빛이 입사되어 화상을 형성하는 수광형 디스플레이 장치이다. 액정 디스플레이 장치는 그 배면에 위치한 광방출 백라이트 유닛(emissive backlight unit)을 가진다.
LCD 기술은, 백라이트 유닛을 이용하여, 광을 편광판, 액정, 및 컬러필터(color filter) 포함 소자 스택을 통해 광을 통과시킨다. 각각의 화소의 투명도는 액정셀에 전압을 인가하여 조절할 수 있다. 전통적인 LCD 기술은 컬러필터를 이용하여 백색 광원으로부터 컬러픽셀을 생성하는데, 이는 큰 에너지 손실로 이어지며 LCD 스택 내에서 효율적 방열(heat disspation)을 필요로 한다.
양자점은, 향상된 휘도와 색순도를 가지는 새로운 부류의 발광 물질로서 디스플레이 기술에 응용되고 있다. 예를 들어, 백색광을 방출하는 백라이트층에 양자점을 사용한 액정 디스플레이가 있다. 이와 관련한 양자점의 바람직한 물성 (휘도, 색순도 등)은 예를 들어, 양자점 크기 및 조성을 조정함에 의한 direct gap semiconductor 의 나노크기 결정을 콜로이드 합성을 통해 극대화될 수 있다. 이러한 양자점은 LCD 의 표시 품질 향상에 기여할 수 있다.
그러나, 종래 기술의 LCD는 비편광된 광을 방출하는 재료를 사용하며, 편광판 및 컬러필터에 의한 광 흡수로 인해 백라이트층으로부터 방출되는 광의 (예컨대, 15% 정도의 또는 심지어 5 내지 6% 정도의) 작은 부분만이 디스플레이를 통과한다. 따라서, 양자점을 이용한 액정 디스플레이에서 광학적 효율(optical efficiency)을 향상시키기 위한 기술은 여전히 필요하다.
일 구현예는 액정 표시 장치의 광학적 효율을 향상시킬 수 있는 백라이트 유닛에 대한 것이다.
다른 구현예는, 이러한 백라이트 유닛의 제조 방법에 대한 것이다.
또 다른 구현예는, 상기 백라이트 유닛을 포함하는 디스플레이 장치에 대한 것이다.
또 다른 구현예는, 편광된 광을 방출할 수 있는 이방성 반도체 나노결정입자-폴리머 복합체 필름에 대한 것이다.
일 구현예에서, 백라이트 유닛은,
광원; 및
상기 광원에 이격되게 설치되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 파장을 전환시켜 전환된 광을 제공하는 광전환층을 포함하며,
상기 광전환층은 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정 입자를 포함하고,
상기 폴리머 매트릭스는, 하기 화학식 1로 나타내어지는 반복단위를 가지는 폴리머를 포함하며:
[화학식 1]
여기서, R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 각각 수소 또는 C1 내지 C3 알킬기이고, R3는 C2 내지 C5의 알킬기임;
상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내고,
상기 복수개의 이방성 반도체 나노 결정들은 상기 광전환층이 편광된 광을 방출하도록 그의 장축 (long axis) 방향으로 정렬(align)되어 있다.
상기 폴리머는 유리 전이 온도가 10도씨 내지 70도씨의 범위일 수 있다.
상기 폴리머는 유리 전이 온도가 20도씨 이상 및 60도씨 이하일 수 있다.
상기 폴리머는 상기 반도체 나노결정을 분산시킬 수 있는 용매에 용해될 수 있다.
상기 용매는, 클로로포름, 톨루엔, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 1축 연신 (uniaxially stretched) 되어 있을 수 있다.
상기 폴리머는 폴리프로필(메타)아크릴레이트, 폴리(프로필-코-이소프로필)(메타)아크릴레이트, 폴리부틸(메타)아크릴레이트, 폴리(부틸-코-이소부틸)(메타)아크릴레이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노결정 입자는 나노로드, 나노 플레이트렛, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 나노로드는, 도트-인-로드(dot-in-rod) 또는 로드-인-로드 (rod-in-rod) 타입을 포함할 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노 결정 입자는, II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노 결정 입자는 양자 효율(quanum yield: QY)이 70% 이상일 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노 결정 입자는, 반치폭 (full width at half maximum: FWHM) 이 30 nm 이하일 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노 결정은, 종횡비가 1.5 이상 내지 8.0 이하일 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노결정 입자의 함량은, 상기 폴리머 100 중량부 당 0.1 내지 30 중량부일 수 있다.
상기 광전환층에서 방출되는 편광된 광은, 하기 수학식 1에 의해 정의되는 편광도가 0.5 내지 0.85 의 범위일 수 있다:
[수학식 1]
(I∥-I⊥)/ (I∥+I⊥)
여기서, I∥ 는 편광 필터의 주축 (major axis)과 상기 이방성 반도체 나노결정의 정렬된 방향에 평행일 때 상기 편광필터를 통과한 상기 전환된 광의 발광 피크의 적분 면적값이고, I⊥는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 정렬된 방향이 수직일 때 상기 편광필터를 통과한 상기 발광된 광의 발광 피크의 적분 면적값임.
상기 백라이트 유닛은, 상기 광전환층 상에 배치된 배리어층을 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 백라이트 유닛을 제조하는 방법은,
상기 광원을 얻는 단계;
상기 광전환층을 준비하는 단계; 및
상기 광전환층을 상기 광원 상에 배치하는 단계를 포함하고,
상기 광전환층을 준비하는 단계는,
상기 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 상기 복수개의 이방성 반도체 나노 결정을 포함하는 프리 스탠딩 필름을 얻는 단계를 포함하되 여기서 상기 폴리머 매트릭스는, 하기 화학식 1의 반복단위를 가지는 폴리머를 포함하며:
[화학식 1]
여기서, R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C3 알킬기이고, R3는 C2 내지 C5의 알킬기임;
상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내고; 및
상기 프리 스탠딩 필름을, 상기 폴리머 매트릭스의 유리 전이 온도보다 높은 연신 온도 하에서 연신하는 단계를 포함한다.
상기 상기 프리 스탠딩 필름의 연신 온도는 100도씨 이하일 수 있다.
상기 연신 온도는 70도씨 이하일 수 있다.
상기 연신은, 상기 연신된 프리 스탠딩 필름이 그의 원래 길이 대비 6 배 이하로 이루어질 수 있다.
다른 구현예에서, 액정 표시 장치는
하부 기판,
상부 기판,
상기 상부 및 하부 기판 사이에 개재된 액정층,
상기 상부 기판의 (예컨대, 상기 액정층 반대 쪽의) 표면에 배치된 컬러필터층을 포함하는 액정 패널(liquid crystal panel); 및
상기 액정 패널의 상기 하부 기판 아래에 배치되는 전술한 백라이트 유닛을 포함한다.
또 다른 구현예에서, 반도체 나노결정-폴리머 복합체는,
폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정을 포함하고,
상기 폴리머 매트릭스는, 하기 화학식 1의 반복단위를 가지는 폴리머를 포함하며:
[화학식 1]
여기서, R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C3 알킬기이고, R3는 C2 내지 C5의 알킬기임;
상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내고,
상기 복수개의 이방성 반도체 나노 결정들은 상기 광전환층이 편광된 광을 방출하도록 그의 장축 방향으로 정렬되어 있다.
일구현예에 따른 백라이트유닛은 비교적 높은 효율에서 선평광된 광을 방출할 수 있는 이방성 반도체 나노결정을 포함한다. 이들 시스템에서 편광은, 싱글-로드 분광분석에 의해 확인되며, 트랜지션 다이폴모멘트(transition dipole moment)와 다이일렉트릭 컨파인먼트 이펙트(dielectric confinement effect)의 이방성에 기초하여 설명될 수 있다. 일부 구현예에서, CdSe/CdS 나노로드(nanorods) 및 콜로이드형 CdSe 나노플레이트렛(colloidal CdSe nanoplatelets) 등과 같은 이방성 반도체 나노결정을 포함하는 거시적인 반도체-폴리머 복합체 필름 내에서 편광 발광(emission polarization)이 달성될 수 있다. 화학식 1의 반복단위를 가지는 특정 폴리머 내에 배치 또는 분산된 이방성 나노 결정들은 일방향 정렬된 어레이를 얻기 위해 기계적으로 연신될 수 있다.
일부 구현예에는, 이방성 반도체 나노결정 입자 (e.g., 나노로드(nano-rod) 또는 양자 우물(quantum wells) 전자 구조를 가진 2차원 CdSe 나노플레이트렛 (2D CdSe nanoplatelets))에 대한 현저한 광학적 이방성과 편광 발광이 얻어질 수 있다. 상기 정렬된 나노결정 어레이는 광학적 깔대기 (optical funnel)와 같은 역할을 하여 비편광된 광을 흡수하여 진한 녹색에서 적색에 이르는 광을 예컨대 90% 이상의 높은 양자 수율로 높은 정도의 선평광을 가지고 방출할 수 있다. 전술한 구현예들의 백라이트유닛은 LCD backlighting 을 위해 이방성 나노구조물들의 장점을 구현할 수 있다. CdSe/CdS 도트-인-로드 (dot-in-rod) 및 로드-인-로드 나노구조 (rod-in-rod nanostructures) 등 이방성 반도체 나노결정(예컨대, 나노로드 및 나노플레이트렛) 을 가진 폴리머 필름은 랜덤 배향된 나노 구조물의 발광층과 비교할 때 2배 이상 더 높은 편광 발광세기를 나타낼 수 있다. 이러한 효과는, 예컨대, 개개 나노 구조물들로부터의 선편광 발광 및 방향성 발광의 조합으로부터 온 것일 수 있다.
도 1은, 비제한적인 일구현예에 따른 액정 표시 장치의 분해도를 나타낸 것이다.
도 2A, 도 2B, 도 2C, 도 2D, 도 2E, 및 도 2F는 각각 이방성 나노구조물 (anisotropic nanostructures) 의 TEM 이미지들과 PL(photoluminescence) 스펙트럼 (파장 Vs 광발광 강도) 을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에서 제조한 폴리(부틸-코-이소부틸메타크릴레이트) (poly(butyl-co-isobutyl methacrylate)) 내에 분산된 발광성 나노결정들로 이루어진 광발광 나노입자 폴리머 복합체 (nanomaterial-polymer composites) 의 사진을 나타낸 것이다.
도 4A는 degree 쎄타에 대한 편광의 다이어그램으로서, 연신 전(사각형) 및 연신 후(원) CdSe/CdS 도트인로드 샘플에 대하여 방출된 광의 편광 의존도를 나타내는 도이다.
도 4B 와 도 4C는 실시예 2에서 제조된 연신 필름의 편광 발광을 나타내는 것으로, 발광 강도 (a.u.) Vs 파장의 그래프이다.
도 4D는 연신 전과 후 로드인로드를 포함하는 폴리머 필름의 대략 103 micron 크기의 면적에 대한 형광 평광의 맵핑을 보여주는 도이다.
도 5A 는 실시예 3에서 나노로드 및 나노플레이트렛에 대한 이론적 발광 방향에 관련된 모식도이고, 도 5B는 이상적인 것으로서 싱글 로드에 의해 확인되는 연신 전과 후의 로드인로드의 필름의 강도 프로파일을 나타낸 것이다.
도 6A는 실시예 4에서 필름의 연신에 의한 CdSe/CdS 나노로드의 정렬 후 발광에 대한 방향성을 모식적으로 나타낸 것이고 (stretching axis: 연신축), 도 6B는 실시예 4에서 CdSe/CdS 로드-인-로드의 정렬 전과 후 필름의 비편광된 광원에 대한 광학적 밀도에 대하여 필름의 정규화된(normalized) 발광 스펙트럼이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도면을 참고하여 예시적 구현예들을 설명하며, 따라서, 도면의 형상에 대한 변형을 기대할 수 있다. 따라서, 여기에 기재된 구현예들은 영역들에 대한 특정 형상에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 예를 들어, 편평한 것으로 도시/기술된 영역들은 거칠고/거나 비선형의 특징을 가질 수도 있다. 나아가, 날카로운 각들은 둥글게 처리될 수도 있다. 이에, 도면에서 도시된 영역들은 이들의 형상으로 한정되는 것이 아니며 하기 청구범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도면에서 여러 층 및 영역 등을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타낸다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
본 명세서에서, "및/또는" 는 관련하여 나열된 항목들 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. "적어도 하나"와 같은 표현은, 요소들의 나열에 선행할 때, 요소들의 전체 리스트를 변경하고, 리스트의 개개 요소는 변경하지 않는다.
제1, 제2, 제3 등이라는 용어는 다양한 요소, 성분, 영역, 층 등을 기술하기 위해 사용될 수 있으나, 이들 요소, 성분, 영역, 층등은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안된다. 이들 용어는 하나의 요소, 성분, 영역 층들을 다른 요소, 성분, 영역, 층 등과 구분하기 위해 사용된 것이다. 따라서, 이하에서 기술하게 되는 제1 요소, 성분, 영역, 층 등은 본 구현예의 개시 내용으로부터 벗어나지 않으면서 제2 요소, 성분, 영역, 층 등으로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어들은 특정 구현예를 기술하기 위한 것이며 한정적인 것으로 의도된 것이 아니다. 특별히 구체화되지 않았다면, "또는" 은 "및/또는"을 의미할 수도 있다. 요소들의 리트스 앞에 선행하는 적어도 하나라는 표현은, 요소들의 전체 리스트를 변경하는 것이며, 리스트 내의 개별적인 요소들을 변경하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 층, 막, 영역, 판 등의 제1 요소가 제2 요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 명세서에서 "이들의 조합"이란 구성물의 혼합물, 적층물, 복합체, 합금, 블렌드, 반응 생성물 등을 의미한다.
본 명세서에서, 알킬이라 함은 직쇄형 또는 측쇄의, 특정 개수의 탄소원자를 가지고 가수가 1 이상인 포화된 지방족 탄화수소기를 말한다.
본 명세서에서, (메타)아크릴레이트라 함은 아크릴레이트 및 메타크릴레이트를 포함한다.
일 구현예에서 백라이트 유닛은, 광원 및 상기 광원에 이격되게 설치되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 파장을 변화시켜 전환된 광을 제공하는 광전환층을 포함한다.
상기 광전환층은 특정 타입의 폴리머를 포함하는 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정 입자를 포함한다. 상기 광전환층은 기계적 연신에 의해 형성될 수 있는, 상기 복수개의 반도체 나노결정 입자들의 일방향으로 정렬된 (예컨대, 복수개의) 어레이를 포함할 수 있다.
반도체 나노결정 입자는 이론상 양자효율이 100%일 수 있으며, 나노결정 입자 내에 포함된 화합물의 조성 및 양자점의 크기 등을 조절하여 향상된 색 순도로 광을 방출할 수 있어 이를 채용한 LCD는 색재현성이 향상될 수 있다. 그러나, 나노결정을 채용한 LCD 역시 (컬러필터 또는 편광자에 의한 광 손실 등) 이들의 구조적 문제로 인해 높은 광학적 효율을 나타내는데에 어려움을 겪고 있다.
종래 기술의 이러한 백라이팅을 편광발광하는 광전환층으로 교체할 경우, 디바이스는 제1 편광판를 통해 보다 효율적으로 광을 통과시킬 수 있다. 이방성 반도체 나노결정 입자 (예컨대, 나노로드 또는 나노플레이트렛)는 (예를 들어 80% 이상의) 비교적 높은 효율에서 선편광된 광을 방출할 수 있다. 또한, 높은 발광 특성 및 좁은 반치폭을 가진 나노-헤테로구조물(highly emissive nano-heterostructures)은 높은 색순도로 편광된 발광이 가능하다.
예를 들어, 청색 광(blue light)에 의해 여기된 경우, 녹색 및 적색 발광 나노로드는 제1 편광 필터에 평행한 방향성을 가진 발광 세기가 증가하도록 정렬하여 높은 효율로 액정 스택을 관통할 수 있다 (참조: 도 1). 또한, 고순도의 녹색, 적색 발광자들은 좁은 스펙트럼 폭(spectral width)을 가지므로 컬러필터에 의해 컷오프되는 광량을 줄일 수 있다. 따라서, 일구현예에 따른 백라이트의 광전환층은, 이방성 반도체 나노결정입자를 포함한다. 상기 이방성 반도체 나노결정 입자는 나노로드, 나노플레이트렛, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
나노로드의 (예컨대, 길이에 수직한) 단면의 형상은, 원, 타원, 다각형, 또는 이들의 조합 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 나노로드는 평균 종횡비가 1.25 이상, 예컨대, 1.5 이상, 2.0 이상, 또는 3 이상이고, 10.0 이하, 예를 들어, 8.0 이하일 수 있다. 여기서 종횡비라 함은, 길이에 대한 직경 (즉, 길이에 실질적으로 수직한 단면의 최장 길이)의 비를 말할 수 있다. 나노로드들이 이러한 범위의 평균 종횡비를 가지는 경우, 폴리머 매트릭스 내에서 향상된 배향성을 나타낼 수 있다. 상기 나노 로드의 평균 직경은 특별히 제한되지 않으며 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 로드의 평균 직경은, 2.5 nm 이상, 예를 들어, 3 nm 이상, 4 nm 이상, 5 nm 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 나노 로드의 평균 직경은, 7 nm 이하, 예를 들어, 6 nm 이하, 5 nm 이하, 또는 4 nm 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 일구현예에서, 편광은 코어 사이즈의 증가에 의해 최대화될 수 있으며, 더 길고 더 얇은 쉘에 의해 강화될 수 있다. 코어 사이즈는 2 nm 내지 5 nm 범위 일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 일구현예에서, 로드-인-로드는 도트-인-로드보다 더 큰 밴드에지 이방성을 가질 수 있다.
나노 플레이트렛의 평균 두께는 0.8 nm 이상, 1 nm 이상 및 4 nm 이하, 예컨대, 3 nm 이하, 또는 2 nm 이하일 수 있다. 상기 나노 플레이트렛의 측방향 크기 (lateral size)는 5 nm 이상, 예를 들어, 6 nm 이상, 7 nm 이상, 8 nm 이상, 9 nm 이상, 또는 10 nm 이상이고 50 nm 이하, 예를 들어, 40 nm 이하, 30 nm 이하, 20 nm 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 나노플레이트렛는 장방형(elongated shape)일 수 있다. 상기 장방형 나노플레이트렛은, 측방향 치수들의 종횡비가, 1.25 이상, 2 이상, 4 이상일 수 있고, 20 이하 또는 8 이하일 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노결정 입자는, II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 원소 또는 화합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서, 이들의 조합이라는 용어는, II-VI족 화합물이 III족 원소 및/또는 V족 원소를 포함하는 경우 또는 III-V족 화합물이 II족 원소 및/또는 VI족 원소를 포함하는 경우를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 II-VI족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, MgSe, MgS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, MgZnSe, MgZnS 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 HgZnTeS, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 GaAlNP, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 IV-VI족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물; SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 IV족 원소 또는 화합물은 Si, Ge 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 단원소 화합물; 및 SiC, SiGe 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 이원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 이원소 화합물, 삼원소 화합물 또는 사원소 화합물은 균일한 농도로 입자 내에 존재하거나, 농도 분포가 부분적으로 다른 상태로 나누어져 동일 입자 내에 존재하는 것일 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노결정입자는, 헤테로구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 이방성 반도체 나노결정입자는, 하나의 반도체 나노결정이 다른 반도체 나노결정을 둘러싸는 코어/쉘 구조를 가질 수도 있다.
일구현예에서, 나노 로드는, 코어-쉘 구조를 가질 수 있고, 코어의 형상은, 구형, 로드 형상, 다면체, 또는 타원체일 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 나노 로드는, 도트-인-로드(dot-in-rod) 또는 로드-인-로드 (rod-in-rod) 타입일 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노결정입자는 코어와 쉘의 계면에서 쉘에 존재하는 원소의 농도가 코어로 갈수록 낮아지는 농도 구배(gradient)를 가질 수 있다. 상기 이방성 반도체 나노결정입자는 하나의 반도체 나노결정 코어와 이를 둘러싸는 다층 (예컨대, 적어도 2층)의 쉘을 포함하는 구조를 가질 수도 있고, 여기서 쉘의 각각의 층은 단일 조성 또는 합금 또는 농도 구배를 가질 수 있다. 상기 코어보다 쉘을 구성하는 물질 조성이 더 큰 에너지 밴드갭을 가지는 경우, 향상된 양자 구속 효과를 나타낼 수 있다. 상기 코어보다 쉘을 구성하는 물질 조성이 더 작은 에너지 밴드갭을 가질 수도 있다. 다층의 쉘의 경우, 코어에 가까운 쉘 층보다 코어의 바깥 쪽에 있는 쉘 층이 더 큰 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
일구현예에서, 나노 플레이트렛은, 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 나노플레이트렛은, 코어용 나노플레이트렛 상에 반도체 나노결정 쉘이 패시베이션된 구조를 가질 수 있다.
상기 이방성 반도체 나노결정 입자는 약 50% 이상, 예컨대, 약 70% 이상, 또는 심지어 약 90% 이상의 양자 수율(quantum yield)을 가질 수 있다. 이방성 반도체 나노결정 입자의 발광 파장 스펙트럼의 반치폭은 약 45 nm 이하, 예를 들어 약 40 nm 이하, 또는 약 30 nm 이하의 발광파장 스펙트럼의 반치폭을 가질 수 있다. 상기 범위에서 소자의 색순도나 색재현성을 향상시킬 수 있다.
좁은 발광 스펙트럼은, 개개의 LCD 화소에서 고순도의 삼원색을 얻기 위해 중요할 수 있다. 고순도의 3원색은 더 좋은 컬러세츄레이션(color saturation)을 제공할 수 있으며, 높은 색재현율은 순수한 삼원색을 혼합함에 의해 실현될 수 있다. 이러한 관점에서 콜로이드형 양자점은, 이들이 가지는 가우스 유사 (near-Gaussian) 스펙트럼으로 인해 가장 좋은 선택일 수 있다. 일구현예에서, 이방성 반도체 나노결정들은 대략 20-35 nm 또는 25 내지 30nm의 반치폭을 나타낼 수 있다.
일구현예에서, 나노플레이트렛 (예컨대, CdSe 나노플레이트렛과 같은 II-VI족 나노플레이트렛)은 더 높은 색순도를 제공할 수 있다. 나노플레이트렛의 두께에 대하여 원자 수준의 제어가 가능하여 좁은 스펙트럼 라인폭을 가질수 있다. CdSe 나노플레이트렛은 이처럼 편광된 전이 (polarized transitions)를 가지며, 따라서, 정렬된 필름 내에서 편광 방출자(a polarized emitter)로서 사용될 수 있다. 직사각형 나노플레이트렛의 긴 치수가 일방향으로 정렬된 경우, 유례없는 색순도와 편광된 광이 달성될 수 있을 것으로 생각한다.
나노 로드와 같은 이방성 구조에서는, 구형 대칭(spherical symmetry)이 무너짐(breaking)에 의해 장축을 따라 편광된 발광이 유도(induce)될 수 있다. 예를 들어, CdSe/CdS 나노로드 헤테로 구조는 높게는 85% 및 후처리 등에 의해 100%에 가까운 높은 광발광 (PL) 양자 수율을 가지며 LCD를 위한 편광된 발광체로서 적절하다. CdS 쉘을 CdSe 원형 또는 장형(prolate) 코어 상에 형성하면, 높은 발광 특성과 거의 완벽하게 편광된 광원을 제공할 수 있으며 유전체 제한력 (dielectric confinement force)은 전이 쌍극자(transition dipole) 이 나노 로드의 장축을 따라 정렬되도록 한다. 또한, CdSe/CdS 나노 헤테로구조 내에서 여기형 전이 (excitonic transitions) 의 대칭성으로 인해 1차원 로드 또는 와이어에 기대되는 단순 유전 효과(simple dielectric effect) 를 초과하는 광학 전이(optical transitions)의 이방성이 크게 생성된다. 한 방향으로 정렬된 나노결정입자들의 어레이는, 액정 디스플레이에서 백라이트층으로서 상상할 수 있는 거시적인 편광 발광의 공급원을 제공할 수 있다. (참조: 도 1)
한편, 나노플레이트렛 (NPLs) 과 이들의 코어쉘 헤테로구조물은 이방성 광학 물성을 가지는 잠재적 나노 재료(potential nanomaterial)를 제공할 수 있다. 2차원 전자 구조를 가지는 나노플레이트렛은 그 두께에만 의존하는 발광 파장을 나타낼 수 있다. 나노플레이트는 원자 수준으로 감소된 두께 조절의 유례없는 수준으로 인해 매우 높은 색순도를 제공할 수 있다.
전술한 이방성 반도체 나노결정 입자는, 화학적 습식 방법(wet chemical process)을 통하여 합성될 수 있다.
화학적 습식 방법에서는, 유기 용매 중에서 전구체 물질들 (예컨대, 금속 전구체 및 비금속 전구체)을 반응시켜 결정 입자들이 성장시키며, 유기용매 또는 리간드 화합물이 반도체 나노 결정 입자의 표면에 배위됨으로써 결정의 성장을 조절할 수 있다. 상기 화학적 습식 방법에서는, 양자점 또는 나노로드를 씨드로 사용하고, 상기 씨드 상에 로드 형상의 쉘을 성장시켜 도트-인-로드 또는 로드-인-로드 형태의 헤테로 구조물 (예컨대, 나노 로드)를 제조할 수 있다.
도트-인-로드 구조의 나노로드는, 타입 I 또는 쿼지타입 II 시스템을 형성하고 예컨대 CdSe 코어를 가지는 CdS 로드를 포함할 수 있다. 도트-인-로드 구조의 나노로드는, 타입 II 시스템을 형성하고 예컨대 ZnSe 코어를 포함하는 CdS 로드를 포함할 수 있다.
상기 헤테로 구조물의 합성은, (예를 들어, 연속적인) 2단계로 수행될 수 있다. 예를 들어, 씨드용 반도체 나노결정이 합성되고, 쉘을 형성하기 위한 전구체 (예를 들어, 금속 전구체) 및 1종 이상 유기 리간드 (예컨대, 2종 이상의 유기 리간드)를 포함하는 (예컨대, 290도씨 이상, 예를 들어, 300도씨 이상 또는 310도씨 내지 390도씨) 고온 용액 내에, 상기 씨드용 반도체 나노결정 및 쉘 형성용 전구체 (예를 들어, 비금속 전구체)를 신속히 주입하고 쉘 형성 반응을 수행하여 상기 씨드 상에 로드 쉘을 형성한다.
반응 후, 제조된 이방성 반도체 나노결정 입자들을 포함한 분산액에 비용매를 부가하여 입자들을 침전 및 분리시킨다. 상기 비용매는, 반응에 사용된 용매와 섞이지만 나노 결정을 분산시킬 수 없는 극성 용매일 수 있다. 상기 비용매는, 상기 반응에 사용한 용매에 따라 결정할 수 있으며, 예컨대, 아세톤, 에탄올, 부탄올, 이소프로판올, 상기 나열된 용매들과 유사한 용해도 파라미터(solubility parameter)를 갖는 용매, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 분리는, 원심 분리, 침전 또는 증류를 이용할 수 있다. 분리된 나노 결정은 필요에 따라 세정 용매에 부가되어 세정될 수 있다. 세정 용매는 특별히 제한되지 않으며, 상기 리간드와 유사한 용해도 파라미터를 갖는 용매를 사용할 수 있으며, 그 예로는 헥산, 헵탄, 옥탄, 클로로포름, 톨루엔, 벤젠 등을 들 수 있다.
일구현예에 따른 백라이트 유닛은, 전술한 이방성 반도체 나노결정 입자들이 폴리머 매트릭스 내에서 일방향 어레이들로 배열 (arranged)된 광전환층을 포함한다. 일방향으로의 배열은, 기계적 연신 (mechanical stretching)에 의해 수행될 수 있다. 기계적 연신은 롤투롤 공정에 의해 제조된 필름 (roll-to-roll processed film) 제조를 위해 적합하다. 상기 광전환층에서, 상기 폴리머 매트릭스는, 하기 화학식 1의 반복단위를 가지는 폴리머를 포함하며:
[화학식 1]
여기서, R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C3 알킬기이고, R3는 C2 (예컨대, C3) 내지 C5의 알킬기임.
상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내므로, 기계적 연신에 의해, 향상된 품질의 거시적으로(macroscopically) 편광된 발광 영역을 제공할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정 입자들은 그의 장축 방향으로 정렬된 어레이를 형성하여 상기 광전환층은 편광된 광을 방출할 수 있다.
상기 폴리머는 유리 전이 온도가 10도씨 내지 70도씨의 범위, 예를 들어, 20도씨 이상 및 60도씨 이하일 수 있다. 상기 폴리머는 상기 양자점을 분산시킬 수 있는 용매, 예를 들어, 클로로포름, 톨루엔, 또는 이들의 조합에 가용성일 수 있다. 상기 폴리머 매트릭스는 1축 연신 (uniaxially stretched) 되어 있을 수 있다. 상기 폴리머는 폴리프로필(메타)아크릴레이트, 폴리(프로필-코-이소프로필)(메타)아크릴레이트, 폴리부틸(메타)아크릴레이트, 폴리(부틸-코-이소부틸)(메타)아크릴레이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 광전환층에서, 이방성 반도체 나노결정 입자의 함량은, 상기 폴리머 100 중량부 당 0.1 중량부 이상, 예를 들어, 1 중량부 이상, 5 중량부 이상일 수 있다. 상기 광전환층에서, 이방성 반도체 나노결정 입자의 함량은, 상기 폴리머 100 중량부 당 30 중량부 이하, 예를 들어, 25 중량부 이하일 수 있다.
종래의 LCD 기술에서 발광성 양자점이 유리 모세관 또는 폴리머 매질 내에 봉지된다. 편광된 발광 구조물을 포함시키는 것은, 기존의 QD-LCD 기술에 일체화되어야 할 뿐만 아니라 앙상블 편광형 발광 면적(ensemble polarized emitting areas)을 구현하기 위해 헤테로 구조물들을 효율적으로 배향시킬 수 있어야 한다.
전술한 이방성 반도체 나노결정 입자들은 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 기계적으로 신장되어 폴리머 사슬들의 전단력 하에서 이들 입자들이 정렬될 수 있으며, 연신된 필름은 이방성 입자들의 소집단들을 정렬시키기 위한 정렬 매질 (alignment media) 이 될 수 있다. 이를 위해 비교적 짧은 알킬사슬(alkyl chain)을 가지고 있는 (meth)acrylate계 폴리머가 효과적일 수 있다.
일구현예에서, 이러한 광전환층은 하기 과정을 통해 준비될 수 있다: 이방성 반도체 나노결정 입자들과 상기 폴리머를 포함한 폴리머-나노결정 용액을 준비하고 이를 적절한 방식(예컨대, 드롭 캐스팅)으로 기재 (예컨대, 무기물 기판 또는 유기물 기판)에 도포한 뒤 건조하여 균일하고, 광학적으로 투명한 필름 (예컨대, 프리스탠딩 필름)을 얻는다. 얻어진 필름은, UV 광 조사 시 높은 발광 특성을 가지며 소정의 온도 (예를 들어, 심지어 60도씨 내지 70도씨로 승온된 상태)에서 연신된 후에도 휘도(brightness)를 유지할 수 있다. 상기 폴리머 매트릭스에서는, 시각적으로 감지되는 응집 없이, 예컨대, 폴리머 100 중량부 당 10 중량부 이상 (예컨대, 심지어 20 중량부 이상)의 높은 부가량이 얻어질 수 있으며, 따라서, 필요한 광학적 밀도와 휘도를 얻는 데에 있어 더 많은 유연성(flexibility)이 허용될 수 있다.
얻어진 상기 필름은, 상기 폴리머 매트릭스의 상기 유리 전이 온도보다 높은 연신 온도 하에서 연신된다. 연신 온도는, 100도씨 이하, 예를 들어 70도씨 이하일 수 있다. 연신 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수동 연신 (manually stretching)도 가능하다. 연신은 수조(water bath)에서도 이루어질 수 있다.
필름은, 원래 프리스탠딩 길이의 1.5 배 이상, 예컨대, 2배 이상, 2.5배 이상 및 6배 이하, 예를 들어, 5배 이하, 4배 이하, 또는 3.5배 이하, 또는 3배 이하의 길이를 가지도록 연신될 수 있다. 연신은 필름에 손상이 가지 않는 범위 내에서 편광 발광이 최대가 되도록 이루어질 수 있다. 이러한 연신에 의해, 폴리머 매트릭스 내에서의 이방성 반도체 나노결정 입자들의 정렬이 이루어질 수 있다.
미연신된 필름에서는, 이방성 입자들이 무작위로 배향되어 있다. 낮은 농도 및 중간 농도에서, 나노로드의 분산은 균일한 반면, 나노로드의 농도가 증가함에 따라 초구조(superstructure) 가 형성될 수 있다. 이러한 초구조 (super-structure) 는 정렬된 이방성 입자들 (예컨대, 나노로드들)의 스택을 포함할 수 있다. 다양한 농도에서 필름을 연신하였을 때, 강한 일방향 정렬(strong unidirectional alignment)이 확인될 수 있으며, 이는 소각 X선 회절 스펙트럼에서, 폴리머 연신에 수직인 방향으로 회절 강도가 더 천천히 소멸(decay)하는 것으로부터 확인할 수 있다.
유사한 이방성을 가지는 입자에서도, 입자 크기 (예컨대, 로드 크기)가 더 클수록 더 큰 힘과 연신 방향에 따른 폴리머 사슬들의 더 광범위한 이동(displacement) 이 필요할 수 있다. 따라서, 규칙 배열된(ordered) 어레이의 효율적인 정렬을 위해서는 입자들이 상대적으로 작은 이방성을 가져서 폴리머 사슬의 기계적 힘에 효과적으로 응답하는 것이 요구될 수 있다. 전술한 이방성 나노 구조물들의 경우, 이러한 요구를 만족할 수 있으며 연신된 폴리머 필름 내의 상기 이방성 나노 구조물들은 편광 발광할 수 있다.
상기 광전환층으로부터 제공되는 편광된 광은, 하기 수학식 1에 의해 정의되는 정규화된 편광도 (Normalized degree of linear polarization; DOLP)가 0.5 내지 0.85 의 범위일 수 있다:
[수학식 1]
(I∥-I⊥)/ (I∥+I⊥)
여기서, 강도는 비편광된 광에 의해 여기되어 변화하는 편광판 각도에서 필터링된 각각의 샘플의 발광 피크의 적분된 면적을 나타낸다.
I∥ 는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 평행일 때 상기 편광필터를 통과한 강도 (즉, 연신 방향을 따른 편광에서 측정된 PL 피크의 면적) 이고, I⊥는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 수직일 때 상기 편광필터를 통과한 강도 (즉, 90도 멀어진 각도에서 측정된 PL 피크의 면적) 이다.
이들 2개의 파라미터는, 컨트라스트비 (contrast ratio (CR))와 연관될 수 있으며, 이는 I∥/ I⊥ 로 정의된다. 일구현예의 광전환층은, 컨트라스트비가 3이상, 예를 들어, 4 이상, 또는 5 이상일 수 있다.
이방성 나노입자의 전자 전이 (electronic transitions)는 강하게 편광되어 있을 수 있다. 예를 들어, 단일 입자 DOLP (e.g., 로드-인-로드)는 0.9 에 이를 수 있다. 이방성 나노입자들의 이러한 어레이는 단일 입자값에 근접할 수 있으나, 가장 큰 한계는 연신된 필름 내의 배향 분포 (distribution of orientation) 이다. 광학 데이터 역시 정렬 정도에 관련이 있는 것으로 생각되며, 나노로드의 경우, 동일한 나노로드를 사용하여 제조된 필름들은, 정렬된 나노로드의 각 분포 (angular distribution)가 작을수록 더 높은 컨트라스트비를 나타낼 수 있다.
코어 (e.g., CdSe 코어)의 직경 분획(diameter faction)이 더 큰 샘플들은 더 큰 광학적 이방성 및 발광 편광을 나타낼 수 있다. 상이한 조성의 충분히 정렬된 샘플들 사이에서, CdSe의 가장 큰 직경 분획을 가진 나노결정을 포함하는 필름이 가장 높은 편광을 나타낼 수 있다.
나노플레이트렛의 경우 효율적 배향에 덜 민감하기는 하지만 여전히 발광 편광을 나타낼 수 있다. 나노플레이트렛의 정렬된 어레이 (aligned arrays of NPL)는 좁은 스페트럼폭을 가진 편광 발광을 달성하기 위해 사용 가능하다.
일구현예에 따라 정렬된 이방성 나노구조물을 포함하는 연신된 폴리머 필름은 향상된 휘도를 나타낼 수 있다.
상기 연신된 폴리머 필름은, 비편광된 광을 효율적으로 흡수하여 편광된 광을 재방출하는 능력을 가지고 있으며, 이로 인해 LCD 응용 분야에서 유용성을 찾을 수 있다. 연신 전과 연신 후 필름의 발광세기를 비교하여 미연신 필름에 대한 연신 필름의 효율을 정량화할 수 있다. 방향성 실험에 기초하면, 이방성 나노구조물 (e.g., 나노로드)의 정렬된 필름으로부터 발광의 이방성 방향을 알게 될 것으로 예상할 수 있다. 예를 들어, 구형에 가까운 코어쉘 타입 양자점 샘플의 경우, 연신 전,후의 발광세기의 변화가 5% 미만이다. 그러나, 나노로드 필름의 경우 동일한 광학밀도에서 연신 후 필름의 편광 발광세기가 현저히 증가할 수 있다.
연신 후, 일구현예에 따른 이방성 반도체 나노결정-폴리머 필름은 동일 광학밀도에서 미연신된 것에 비해, 50% 이상, 예를 들어 100% 이상 더 큰 편광 발광을 가질 수 있다. 특정 이론에 의해 구속되려 함은 아니지만, 일구현예에 따른 광전환층에서 이러한 증가는 더 효과적인 흡수 및 발광 경로를 통해 달성되는 것으로, 이방성 반도체나노결정 입자들 (e.g., 도트-인-로드들)이 필름 표면을 따라 편평하게 놓이게 되어 필름 표면에 수직하게 더 많은 광자(photons)들을 방출하기 때문인 것으로 생각된다. 이들 photons 들은 내부 반사 없이 필름을 탈출할 가능성이 높다.
전술한 구현예의 상기 백라이트 유닛은, 상기 광전환층 상에 배치된 배리어층을 더 포함할 수 있다. 배리어층은, 광전환층을 수분 및 산소 등 외부 환경으로부터 보호하기 위한 층이며, 금속 무기 산화물을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 이러한 배리어층은 알려진 방법에 의해 제조될 수 있거나 상업적으로 입수 가능하다.
상기 백라이트 유닛은, 광원과 광전환층 사이에 위치하는 도광판을 더 포함할 수 있다. 백라이트 유닛용 도광판은 상업적으로 입수 가능하다.
상기 백라이트 유닛은 광학시트를 더 포함할 수 있다. 상기 광학시트는 상기 광전환층 상에 배치되어 편광된 광을 발광을 강화할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 백라이트 유닛 제조 방법은,
상기 광원을 얻는 단계;
상기 광전환층을 준비하는 단계; 및
상기 광전환층을 상기 광원 상에 배치하는 단계를 포함한다. 광전환층의 준비는 위에서 설명한 바와 같다.
다른 구현예에서, 액정 표시 장치는
하부 기판,
상부 기판,
상기 상부 및 하부 기판 사이에 개재된 액정층, 및
상기 상부 기판의 표면에 배치된 컬러필터층을 포함하는 액정 패널; 및
상기 액정 패널의 상기 하부 기판 아래에 배치되는 전술한 백라이트 유닛을 포함한다.
상기 액정 패널은 특별히 제한되지 않으며, 공지되었거나 상업적으로 입수 가능한 임의의 액정 패널을 포함할 수 있다. 상기 액정 패널은 하부 기판 저면 아래에 제1 편광판 및 상부 기판의 상면 또는 저면에 제2 편광판을 포함할 수 있다. 제 1 편광판 및 제 2 편광판의 편광방향은 서로 수직이다. 상부 기판의 상면 또는 저면에는 컬러필터가 배치될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 컬러필터는 상기 액정층에 대항하는, 상부 기판의 표면에 배치될 수 있다. 컬러필터는 제2 편광판의 상면(top surface) 위에 또는 저면(botton surface) 아래에 배치될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 백라이트 유닛을 포함하는 액정 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 분해도이다.
도 1을 참조하면, 액정 디스플레이 장치는 백라이트 유닛과 상기 백라이트 유닛으로부터 출사된 백색광을 이용하여 소정 색상의 화상을 형성하는 액정 패널을 포함한다.
비제한적인 예에서, 상기 백라이트 유닛은 (예컨대, LED) 광원 (미도시)과, 상기 LED 광원으로부터 출사된 광을 백색광으로 전환시키는 광전환층을 포함한다. 상기 광전환층은, 배향된 이방성 반도체 나노결정 입자를 포함할 수 있으며, 이에 대한 내용은 위에서 설명한 바와 같다. 상기 백라이트 유닛은, 상기 광원으로부터 출사된 광을 광전환층으로 가이드하기 위한 도광판(미도시) 및 선택에 따라 확산 패널(diffusion panel), 프리즘 시트, 마이크로렌즈 시트 및 휘도 향상 필름 등 광학 필름을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 LED 광원은 소정 파장의 광을 방출하는 복수개의 LED 칩들을 포함할 수 있다. 상기 LED 광원은 청색광을 방출하는 LED 광원 또는 자외선을 방출하는 LED 광원일 수 있다. 도광판의 저면에는 반사판 (도시되지 않음)이 더 배치될 수 있다.
LED 광원(LED illumination), 도광판, 확산판(diffuser pane), 액정 패널의 재질 및 구조는 알려져 있으며, 상업적으로 입수 가능하고, 특별히 제한되지 않는다.
상기 광원으로부터의 광은 광전환층을 통과하면서 2가지 이상의 색을 가진 광들의 혼합광 (예컨대, 적색, 녹색, 청색이 혼합된 백색광)으로 전환된다.
광전환층은 상이한 색의 광을 방출하는 복수의 층으로 구성될 수도 있다. 예를 들면, LED 광원이 청색 LED 광원인 경우, 상기 광전환층은 LED 광원으로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 적층되는 적색 광전환층 및 녹색 광전환층으로 구성될 수 있다.
광전환층 위에는 선택에 따라 확산판, 프리즘 시트, 마이크로렌즈 시트 및 휘도 향상 필름(e.g., 이중 휘도 향상 필름(Double brightness enhance film)) 에서 선택되는 하나 이상의 광학 필름이 배치될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 위에서 설명한 바와 같이 상기 광전환층은 현저히 향상된 휘도를 나타낼 수 있으므로, 이러한 필름의 사용이 생략될 수도 있다.
백라이트 유닛으로부터 제공된 편광된 광은 액정 패널 쪽으로 입사된다. 그리고, 상기 액정 패널은 백라이트 유닛으로부터 입사된 백색광을 이용하여 소정 색상의 화상을 형성하게 된다.
이하에서는 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 발명의 범위가 제한되어서는 아니된다.
[ 실시예 ]
측정
[1] 광학적 물성 분석 (optical characterization)
광학측정(Optical measurements) 은 UV-Vis (Cary-5000) 및 형광 분광분석기(fluorescence (FluoroMax-4 and Fluorolog-3) spectrometers) 를 사용하여 나노결정의 톨루엔 또는 헥산의 희석 용액 (dilute solutions of nanocrystals in toluene or hexane) 에 대하여 수행한다. 양자 효율(Quantum yield) 은 여기 파장에서 용액의 광학밀도를 0.03 내지 0.05 로 하여 Rhodamine 6G, OX170, 또는 Cou53 에 대하여 측정한다.
필름의 광학흡수(Optical absorption) 은 UV-Vis spectrometer (Cary-5000) 를 사용하여 측정한다.
[2] 편광 발광 (polarized emissions) 의 측정
개질된 현미경 (modified microscope (Olympus BX51)) 을 사용하여 편광 발광 (polarized emissions) 을 측정한다.
투과 발광 (transmitted emission)의 전형적 측정에서는, 백색광을 필터링하기 위해 쇼트패스필터 (a short-pass filter (cutoff at 492 nm))를 사용하여 청색 여기광 (blue excitation beam) 이 생성되고, 이어서 샘플에 초점을 맞춘다(focusing). 투과된 광(transmitted light) 은 편광자(a polarizer) 를 관통한 다음 대물렌즈 (an objective) 에 의해 수집(collect) 된다.
모아진 광 (collected light) 은 밴드패스 필터 (a bandpass filter (580-660 nm)) 에 의해 필터링된 다음 분광기 (spectrometer (QEPro, Ocean Optics))로 보내진다. 상이한 스펙트럼 영역에서 발광하는 나노로드에 대하여 적절한 밴드패스 필터 (bandpass filters) 를 선택한다. 분광된 발광 (Polarized emissions) 은 발광 경로에서 편광각 (polarizer angle) 을 조정함에 의해 얻어진다.
편광 발광 (emission polarization)의 맵핑 (mapping) 은 이방성 모듈 (anisotropy module (DV2 Lambda, Photometrics)) 을 가진 현미경 (microscope (Olympus IX83))를 사용하여 수행한다. 필름 샘플을 편광된 청색광 (polarized blue light (402/15 nm)) 으로 여기시키고, 표적 파장 (target wavelength) 에서 대물렌즈 (objective (60x, 0.65 NA)) 를 통해 발광 (emission) 을 모니터한다.
발광빔(emission beam) 은 평행 편광자 (parallel polarizer) 및 수직 편광자 (perpendicular polarizer)를 통해 분리 (split) 되고 유도 (direct) 되고 여기서 CCD 카메라 (Evolve 512 Delta, Photometrics)에 의해 검출된다.
[3] TEM 분석
FEI Technai G2 F30 및 Technai G2 Spirit 전자 현미경을 사용하여 TEM 분석을 수행한다.
참조예 1: CdSe / CdS 도트 -인-로드 나노헤테로구조물의 합성
[1] CdSe 양자점 합성
3구 둥근바닥 플라스크에, CdO (0.060 g), n-octadecylphosphonic acid (ODPA, 0.308 g) 및 트리옥틸포스핀옥사이드(TOPO, 3.0 g) 을 부가하고 실온에서 1시간 동안 및 150 °C 에서 1-2 시간 동안 탈기(degass) 한다. N2 스트림 하에서 상기 플라스크를 300도씨 이상으로 가열하고 트리옥틸포스핀 (TOP, 1.5 g) 을 주입하여 플라스크 내 용액이 광학적으로 투명하게 한다. 트리옥틸포스핀- 셀레나이드 (TOPSe) (0.44 mL of 1.7 M)를 고온에서 주입한다. 주입 온도 및 성장 시간을 조절함에 의해 부르트자이트(wurtzite) 코어의 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 녹색 발광 코어는 Se 전구체의 주입을 380도씨에서 수행하고, 즉시 톨루엔으로 퀀칭하여 제조한다. 적색 발광 코어는 Se 전구체의 주입을 370 °C에 수행하고, 5분간 성장을 수행하여 합성할 수 있다. 제조된 코어는 글로브박스로 옮기고 톨루엔 내에서 20 ml로 희석한다. 시드들을 메탄올로 침전시키고, 톨루엔 및 메탄올로 재현탁 및 침전을 적어도 2회 이상 세정한다. 이들 시드들을 TOP 내에 저장하고 이들의 농도는 제1 흡수의 피크 위치를 사용하여 결정한다.
[2] CdSe/CdS 나노로드의 합성.
CdS 쉘 성장 공정을 위해, CdO (0.060 g 내지 0.207 g), ODPA (0.290 내지 1.29 g), TOPO (2.0 내지 3.0 g) 및 추가의 단쇄 n-알킬포스폰산 (헥실 (0.080 g) 또는 프로필 (0.015 g))을 포함하는 3구 플라스크 둥근바닥 플라스크를 실온에서 1시간 및 150도씨에서 1 내지 2시간 동안 degass 시킨다.
상기 플라스크를 N2 스트림 하에서 300 °C 도씨 이상으로 가열하고 TOP로 주입한다. 상기 플라스크는, 이어서, 변하는 온도 (320 내지 380 °C)로 가열하고, 트리옥틸포스핀설파이드 (TOP, 0.5-1.6 g of 2.25 M) 및 TOP 내에 w-CdSe (50-500 nmol) 용액의 분산액을 주입한다.
쉘 성장 시간을 30초 내지 10분 사이에서 변한다. 최종 헤테로구조 나노로드를 톨루엔 내 20 mL 까지 희석하고 에탄올로 침전시킨다. 톨루엔 내에 재현탁시킨 후, 입자들을 1% v:v octylamine in ethanol 로 침전시킨다. 과량의 옥틸아민과 함께 톨루엔 내에 나노 구조물들을 저장한다.
참조예 2: CdSe / CdS 로드-인-로드 나노헤테로구조물의 합성
시드 합성에서 약간의 변경을 제외하고는 참조예 1과 동일한 방식으로 로드-인-로드 타입의 CdSe/CdS 반도체 나노결정을 제조한다.
헥실포스폰산 (Hexylphosphonic acid)을 ODPA와 대략 1:1 몰비로 부가하고, 트리부틸포스핀셀레나이드 (tributylphosphine selenide (TBPSe))는 셀레늄 전구체로서, TOPSe 를 대체한다. 쉘 성장 공정은 참조예 1에서와 동일하다.
참조예 3: CdSe 나노 플레이트의 합성
"512 nm" 의 나노플레이트렛의 합성을 위해서 170 mg Cd(myristate)2 를 15 ml ODE 내에서 실온에서 30분간 degass 하고나서, 12 mg 의 Se powder 을 부가하고 결과물을 30분간 90도씨에서 degass 한다. 이어서, 얻어진 혼합물을 질소 하에서 240 oC 까지 가열한다. 190 oC 에서, 상기 용액이 오렌지-적색으로 변하면, 40 mg 의 미세 분쇄된 Cd(OAc)2 분말을 도입한다. 반응을 240 도씨에서 5 min 동안 진행하고 나서 반응 혼합물을 150 oC 로 급속히 냉각하고, 이를 추가로 더 식힌다. 70 도씨에서, 10 ml ODE 내의 2 ml 의 올레산을 주입한다. 이어서, 반응 시스템을 실온으로 냉각하고, 원심 분리에 의해 나노플레이트렛들을 침전시킨 후 이들을 다시 헥산에 재분산시켜 CdSe 나노플레이트를 얻는다. 제조된 나노플레이트렛은 평균 두께가 2 unit cell (예컨대, 4MLs CdSe, 1.2 nm) 이다.
"550 nm" CdS 나노플레이트렛의 합성을 위해서는, 동일 비율의 Cd(OAc)2 및 셀레늄 분말을 사용하되 셀레늄 분산액을 240도씨에서 주입하고 60 mg의 곱게 분쇄한 Cd(OAc)2 를 그 직후 부가한다. 반응을 10분 동안 진행하고 추가의 올레산을 부가한 다음 동일한 절차를 진행한다.
제조된 나노플레이트렛은 평균 2.5 unit cell 두께 (5MLs CdSe, 1.5 nm) 이다.
참조예 4: CdSe / CdS 코어쉘 나노 플레이트의 합성
CdS 쉘의 모노레이어를 하기 방식에 따라 상기 CdSe NPL 상에 형성한다: 에탄올을 사용하여 NPLs 을 스톡 용액 (stock solution)으로부터 침전 분리하고, 9000 rpm 에서 2 분간 원심분리한다. 상기 용액을 버리고, NPL들을 4 mL 헥산에 재분산시킨다. 상기 용액에, 1 mL 의 NMF 를 부가하고, 50 uL 의 약 50% 수성 암모늄 설파이드를 상기 NMF 층에 부가한다. 샘플을 혼합하고 상들을 전이하고 헥산층은 버린다. 헥산으로 다시 세정한 다음, 입자들을 톨루엔으로 침전시키고, NMF 에 재분산시킨다. 톨루엔으로의 침전을 반복하고, 상기 용액을 0.25 mL 의 NMF 에 재분산시킨다. NMF 내에 1.75 mL 의 0.2 M cadmium acetate 를 부가하고, 용액을 교반한다. 이어서, 톨루엔으로 용액 내 입자들을 침전시키고, 원심분리 후, 1 mL NMF 내에 재분산시킨다. 상분리를 위해서, 4 mL 의 헥산과 200 uL 의 건조 70% 올레일아민을 부가한다. NMF를 제거한 다음 상기 용액은 후속하는 층의 성장을 위해 사용하거나, 혹은 완료시까지 저장한다.
참조예 5: 합성된 이방성 반도체 나노결정 입자들의 특성 분석
[1] 도 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F는 각각 CdSe-기반의 고발광 이방성 나노구조물들 의 TEM 이미지들과 PL 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2A 는 CdSe/CdS dot-in-rods의 TEM image 를; 도 2B는 CdSe/CdS rod-in-rods 의 TEM image 를, 도 2C 는 CdSe nanoplatelets 의 TEM image 를 나타낸다. 나노구조물의 광발광 양자 수율 (nanostructure photoluminescence quantum yields)은 유기 표준 염료(organic standard dyes) 와 비교함에 의해 측정한다. 도 2D는 CdSe/CdS dot-in-rods의 PL 스펙트럼, 도 2E는 CdSe/CdS rod-in-rods 의 PL 스펙트럼, 도 2F는 CdSe nanoplatelet 의 PL 스펙트럼이다.
[2] 참조예 1에서 합성된 CdSe/CdS dot-in-rods 는 CdS 로드 내에 에피텍시 방식으로 통합된 구형의 부르트자이트 코어(a spherical wurtzite CdSe core epitaxially integrated in a CdS rod) 를 포함한다 (참조: TEM 이미지). CdSe/CdS dot-in-rods 를 포함한 용액의 광학 특성 분석 결과로부터, dot-in-rod CdSe/CdS 는 PL quantum yields of 70-90% 를 가지며, 녹색(green), 주황색(orange), 및 적색(red) 에 대하여 최고 수율이 93%, 77%, 및 70% 임을 확인한다 (도 2d). 합성된 CdSe/CdS 나노로드 헤테로구조의 반치폭 (FWHM) 은 25-35 nm 이다. dot-in-rods 의 경우 가장 낮은 FWHM 는 28, 21, 및 26 nm (각각 green, orange, and red) 이며, rod-in-rods 의 경우 가장 낮은 FWHM 는 28 nm 이다.
상기 rod-in-rod CdSe/CdS 는 74% 에 이르는 PL 을 나타낸다 (도 2e).
[3] CdSe 나노플레이트는 50-70% 정도의 PL 을 가질 수 있다 (도 2f). 또, CdSe 콜로이드형 나노플레이트는 현저히 높은 색순도를 나타낼 수 있다. 실시예의 합성 절차에 의해 플레이트의 두께에 대한 원자 수준의 제어가 가능하여 좁은 스펙트럼 라인폭을 가지는 청색 내지 녹색 발광이 구현된다.
실시예 1: 이방성 반도체 나노결정 입자- 폴리머의 연신 복합체 제조
[1] 이방성 반도체 나노결정 입자들의 높은 분산성, 실온보다 약간 높은 유리 전이 온도, 및 승온된 상태에서 탄성 거동을 나타내는 시스템에 대하여 조사한다.
[2] 본 실시예에서는, 폴리(부틸메타크릴레이트)-co-(이소부틸메타크릴레이트) (poly(butyl methacrylate)-co-(isobutyl methacrylate)) (구입처: Sigma-ALdrich, Tg = 35도씨)을 사용한다. 필름 제조를 위해, 참조예들에서 제조한 이방성 반도체 나노결정 입자들 (즉, CdSe/CdS dot in rods, CdSe/CdZnS 코어쉘 나노플레이트렛, CdSe nanoplatelet)를 클로로포름 내 5 중량% poly(butyl methacrylate)-co-(isobutyl methacrylate) 용액 내에 부가한다. 유리 기판 (22 x 22 mm)에 대략 0.5 mL 의 용액을 부가하고 전체 면적을 커버한다. 클로로포름을 실온에서 증발시키고 진공에서 24시간 동안 방치하여 대부분의 용매가 증발되도록 한다. 최종 나노로드-폴리머 복합체를 상기 슬라이드로부터 박리하여 프리스탠딩 필름을 얻는다. 얻어진 프리스탠딩 필름을 2개의 테프론 클렘프 사이에 위치시키고, 50 내지 60도씨의 온수욕에 위치시키고 손으로 연신한다.
일방향 연신을 유지하면서, 필름을 냉수욕에 침지하여 이들의 conformation을 고정시켜, 복합체 필름을 얻는다. 최종 복합체 필름은 일방향 연신된 영역을 분리하기 위해 정리(trim)될 수 있으며, 이들의 열완화를 늦추기 위해 실온 미만에서 보관한다.
[3] 도 3은 poly (butyl-co-isobutyl methacrylate) 내에 분산된 luminescent nanocrystals 을 포함하는 Luminescent nanomaterial-polymer composites 의 사진이다. 도 3 은 dot-in-rods 또는 나노플레이트를 포함한 Films 들의 UV light 하에서의 연신 전과 후 사진으로, 필름은 각각 4.5 nm core의 CdSe/CdS dot-in-rods, 3.8 nm core의 CdSe/CdS dot-in-rods, 2.1 nm core 의 CdSe/CdS dot-in-rods, CdSe/CdZnS nanoplatelets, CdSe nanoplatelets를 포함한다.
실시예 2: 연신된 필름 내에 배향된 이방성 나노구조물의 편광 발광 (Emission polarization of anisotropic nanostructures aligned in stretched polymer films)
[1] CdSe/CdS dot-in-rods, 또는 rod-in-rods 를 포함한 필름에 대하여 연신 전과 후 Normalized degree of linear polarization (DOLP)를 측정한다.
도 4a 내지 4d는 연신된 필름 복합체 (stretched film composites)으로부터의 편광 광발광 (Polarized photoluminescence) 에 대한 것이다. 도 4a는 연신 전(사각형) 및 연신 후(원) CdSe/CdS dot-in-rods 샘플에 대한 방출된 광의 편광 특성에 대한 것이다. 도 4b 내지 4c는 dot-in-rods (35 x 5 nm; 3.5 nm core) 및 rod-in-rods (5.2 x 45 nm; 3.8 x 9.0 nm core)에 대하여 2종류 나노결정의 연신 방향에 대하여 수평 (얇은선 커브) 및 수직 (굵은선 커브)으로 광 선택된 편광을 가진 발광을 나타낸 것이다. 도 4d 는 연신 전과 후, 로드-인-로드를 포함한 폴리머 필름의 ~10 3 micron 크기 영역에 대한 형광 편광 맵핑을 나타낸 것이다. 편광 ()은 평행 (parallel) 및 수직 (perpendicular) 포토셀렉션 (photoselection) 하에서 얻어진 2개의 이미지를 사용하여 계산되었고 심플러 셋업에서 측정된 컨트라스트비(contrast ratios) 에 대하여 정규화되었다.
도 4a에 따르면, 연신필름의 경우, 측정된 DOLP 는 0.6인 반면, 미연신 필름의 경우 측정된 편광 의존도 (polarization dependence)가 +/- 0.05 이다. 따라서 연신에 의해 편광도 (DOLP)가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 4b 에 따르면, dot-in-rod samples에서 CR 은 4:1 이며, 도 4c 에 따르면 rod-in-rods 의 경우, CR 은 5.6이다.
이들 편광 발광 필름에 대한 분포를 좀 더 조사하기 위해, 나노로드 필름 미세구조를 폴리머 매트릭스 내 나노로도의 편광 발광을 맵핑함에 의해 특성 분석한다. (도 4d).
미연신된 필름의 편광맵은 불규칙 배열의 샘플을 시사하지만, 0이 아닌 값에 의해 시사되는 바와 같이 응집된 일부 영역의 존재 가능성이 있다.(도 4d).
연신된 필름의 경우, 샘플 전체에 걸쳐 편광이 강하였으며, 편광에 있어서 국부적인 최소치가 있었는데, 이는 일부 더 높은 농도의 영역이 존재하여 스트레칭 후 탈축 (off-axis) 된 것임을 시사할 수 있다.(도 4d).
실시예 3: 연신된 필름 내에서 정렬된 이방성 나노구조물로부터의 방향성 발광
이방성 나노 입자들은 상이한 방향으로 상이한 확률을 가지고 photons 을 방출할 수 있다. 이방성 나노입자에 의한 광 방출의 방향성을 이해하는 것은 효율적인 거시적 편광 발광 필름을 달성하기 위해 중요한 일이다. 그 실험 결과를 도 5에 모식적으로 나타낸다. 디텍터는, 여기점(excitation spot)에 대하여 초점을 맞추고, 몇몇 데이터점에 대하여 발광 스펙트럼은 수집한다. 이러한 광학적 셋업을 이용하여, 상이한 상하각 (elevational angle) 과 방위각 (azimuthal angle)들에서 방출 스펙트럼을 수집한다. 도 5a는 나노로드 및 나노플레이트렛 필름에 대한 이론적 발광 방향을 나타낸 것이고, 도 5b는 이상적인 경우에서 단일 로드에 의해 확인되는 연신 전과 후 rod-in-rods (5.2 x 45 nm; 3.8 x 9.0 nm core)의 필름의 강도 프로파일을 나타낸다. 이렇게 방출 강도의 방향성을 측정하여 발광의 각 분포와 방향성 강도에서의 모든 이방성을 정한다. 등방성인 미연신 필름과 비교할 때, 연신되 필름은 강도 면에서 덜 강한 drop off 를 나타낼 수 있다. CdSe/CdS 나노로드의 경우, 트랜지션 다이폴의 배향으로 인해 발광이 나노로드의 장축에 수직하게 전파하는 반면, 장축에 평행한 발광은 약할 수 있다. 이러한 원거리장 발광 (far-field emission) 물성은 nanorod transitions 에 존재하는 1D 편광에 기인한 것일 수 있다. 전자 상태(electronic states)는 이들의 각 운동량의 투영 (projection) 에 의해 기술될 수 있다. 각운동량의 보전 때문에, c 축을 따라 유도(directed) 된 모든 발광은 이들의 unique axis 에 수직한 전자-정공쌍의 재결합으로부터 유래된 것일 수 있다. 이에, ab-plane 내에서 2D transitions 에 대한 더 강한 1D transitions 때문에 c 축을 따른 발광의 더 약한 전파가 존재한다.
따라서, 광의 전파는 나노로드 앙상블의 정렬(장)축에 수직하고 이등분(bisect)하는 면을 따라 원추형(cone) 내에서 일어난다; 분포에 있어 이러한 이방성은 연신 정렬로 인한 증가된 휘도와 관련될 수 있다. 이러한 원추형 발광은 다수의 평판 디스플레이 응용에서 유용할 것으로 생각된다. 왜냐하면, 시야(viewing)의 대부분이 수직이 아니라 수평으로 넓은 각도에서 이루어지기 때문이다. 이러한 효과는, 발광이 웰(well) 면에 대하여 주로 수직인 퀀텀웰의 전자 구조를 가지는 나노플레이트렛에 대하여 더 강할 수 있다.
실시예 4: 정렬된 이방성 나노구조물을 포함하는 연신 폴리머 필름에서의 휘도 증가
방향성 실험으로부터, 나노로드의 정렬된 필름으로부터의 발광의 이방성 방향성을 예상할 수 있으며, 도 6a는 CdSe/CdS 나노로드의 연신 정렬 후 발광 방향성을 모식적으로 나타낸다.
CdSe/CdS rod-in-rods (5.2 x 45 nm; 3.8 x 9.0 nm core) 의 배향 전과 후, 필름의 비편광된 광에 대한 광학밀도에 대하여 정규화된 필름 발광 (Film emission) 를 측정하고 그 결과를 도 6b에 나타낸다. 필름을 미편광 (unpolarized blue light) 으로 여기시키고 필름 표면에 대하여 수직으로 emission을 측정한다. 굵은 실선 곡선 (Solid line curve) 는 나노로드의 랜덤 배향을 가진 미연신 필름(non-stretched film)에 대한 결과를 나타낸 것이고, 점선 곡선 (dashed curve) 및 얇은 실선 곡선 (solid curve) 는 각각, 배향된 필름에 대하여 수평(parallel) 및 수직(normal)인 광 선택의 발광에 대한 것이다. 정규화는 편광 필터의 광학 밀도도 고려하여 미연신된 성분의 휘도와 관련되도록 한다.
필름의 광학적 밀도의 함수로서 발광 강도에 의해 추정된, 필름의 정규화된 휘도는 나노로드 필름의 연신에 대하여 현저히 증가하는 것으로 확인된다 (도 6b) 연신 후, 도트-인-로드 샘플은 미연신된 대응물보다 100% 더 증가된 정규화된 발광을 가짐을 확인한다 (도 6b).
실시예 5: 폴리머 매트릭스 종류에 따른 배향성 검토
[1] poly(butyl methacrylate)-co-(isobutyl methacrylate) 대신, 폴리(벤질메타아크릴레이트) (Tg = 55도씨), 폴리(시클로헥실메타아크릴레이트) (Tg = 83도씨), 또는 폴리메틸메타아크릴레이트를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 폴리머-반도체 나노결정 복합체를 제조한다. 이방성 반도체 나노결정 입자로서는, 참조예에서 합성한 dot-in-rod 를 사용한다.
[2] 폴리(벤질메타아크릴레이트)를 사용한 복합체의 경우, brittle 하고, 심지어 상승된 온도에서도 유리 기판 상에서 박리가 어려워 연신이 불가능하다. 제조된 복합체의 CR을 얻을 수 없음을 확인한다.
폴리(시클로헥실메타아크릴레이트)를 사용한 복합체의 경우, 다소 취성이 있고 (brittle) 실온에서 그리고 가열총 (heat gun) 상에서 연신 시 쉽게 크랙이 발생한다. 제조된 복합체의 CR을 얻을 수 없음을 확인한다.
폴리메틸메타크릴레이트의 경우, 이방성 반도체 나노결정 부가 시 응집이 심각하게 발생하여 입자가 균일 분산된 복합체를 제공하지 못함을 확인한다. 따라서 비교적 짧은 알킬사슬 (alkyl chain)을 가지고 있는 (meth)acrylate계 폴리머가 효과적이다.
이상에서 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (21)

  1. 광원; 및
    상기 광원에 이격되게 설치되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 파장을 변화시켜 전환된 광을 제공하는 광전환층을 포함하는 백라이트 유닛으로서,
    상기 광전환층은 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정을 포함하고,
    상기 폴리머 매트릭스는, 각각, 하기 화학식 1로 나타내어지는, 복수개의 상이한 반복단위들을 포함하는 폴리머를 포함하며:
    [화학식 1]

    여기서, R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C3 알킬기이고, R3는 C2 내지 C5의 알킬기임;
    상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내고,
    상기 복수개의 이방성 반도체 나노 결정들은 상기 광전환층이 편광된 광을 방출하도록 그의 장축 (major axis) 방향으로 정렬(align)되어 있는 백라이트 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 유리 전이 온도가 10도씨 내지 70도씨의 범위인 백라이트 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리머는 유리 전이 온도가 20도씨 이상 및 60도씨 이하인 백라이트 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 1축 연신(uniaxially stretched) 되어 있는 백라이트 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 폴리(프로필-코-이소프로필)(메타)아크릴레이트, 폴리(부틸-코-이소부틸)(메타)아크릴레이트, 또는 이들의 조합을 포함하는 백라이트 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 반도체 나노결정은 나노로드, 나노플레이트렛, 또는 이들의 조합을 포함하는 백라이트 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노로드는, 도트-인-로드(dot-in-rod) 또는 로드-인-로드 (rod-in-rod) 타입인 백라이트 유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 반도체 나노 결정은, II-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, IV족 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 백라이트 유닛.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 반도체 나노 결정은 양자 효율이 70% 이상인 백라이트 유닛.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 반도체 나노 결정은, 반치폭이 30 nm 이하인 백라이트 유닛.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 반도체 나노 결정은, 종횡비가 2.0 이상 내지 8.0 이하인 백라이트 유닛.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이방성 반도체 나노결정의 함량은, 상기 폴리머 100 중량부 당 0.1 내지 30 중량부인 백라이트 유닛.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광전환층은, 하기 수학식 1에 의해 정의되는 편광도가 0.5 내지 0.85 의 범위인 백라이트 유닛:
    [수학식 1]
    (I∥-I⊥)/ (I∥+I⊥)
    여기서, I∥ 는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 평행일 때 상기 편광필터를 통과한 발광된 광의 발광 피크의 적분 면적값이고, I⊥는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 수직일 때 상기 편광필터를 통과한 발광된 광의 발광 피크의 적분 면적값임.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광전환층 상에 배치된 배리어층을 더 포함하는 백라이트 유닛.
  15. 제1항의 백라이트 유닛 제조 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 광원을 얻는 단계;
    상기 광전환층을 준비하는 단계; 및
    상기 광전환층을 상기 광원 상에 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 광전환층을 준비하는 단계는,
    상기 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 상기 반도체 나노 결정을 포함하는 프리 스탠딩 필름을 얻는 단계;
    상기 프리 스탠딩 필름을, 상기 폴리머 매트릭스의 상기 유리 전이 온도보다 높은 연신 온도 하에서 연신하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연신 온도는, 100 도씨 이하인 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 연신은, 상기 연신된 프리 스탠딩 필름이 그의 원래 길이 대비 6 배 이하까지 이루어지는 방법.
  18. 하부 기판, 상부 기판, 상기 상부 및 하부 기판 사이에 개재된 액정층, 상기 상부 기판에 배치된 컬러필터층을 포함하는 액정 패널; 및
    상기 액정 패널의 상기 하부 기판 아래에 배치되는 제1항의 백라이트 유닛을 포함하는 액정 표시장치.
  19. 폴리머 매트릭스 및, 상기 폴리머 매트릭스 내에 분산된 복수개의 이방성 반도체 나노 결정을 포함하는 반도체 나노결정-폴리머 복합체로서,
    상기 폴리머 매트릭스는, 각각, 하기 화학식 1로 나타내어지는, 복수개의 상이한 반복단위들을 가지는 폴리머를 포함하며:
    [화학식 1]

    여기서, R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 수소 또는 C1 내지 C3 알킬기이고, R3는 C2 내지 C5의 알킬기임;
    상기 폴리머는 유리 전이 온도 이상 및 100 도씨 이하의 온도에서 탄성 거동을 나타내고,
    상기 복수개의 이방성 반도체 나노 결정들은, 상기 반도체 나노결정-폴리머 복합체가 편광된 광을 방출하도록, 그의 장축 방향으로 정렬되어 있는 반도체 나노결정-폴리머 복합체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 광전환층은 하기 식에 의해 정의되는 컨트라스트비가 3 이상을 나타내도록 구성되는 백라이트 유닛:
    컨트라스트비 = I∥/ I⊥
    I∥ 는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 평행일 때 상기 편광필터를 통과한 강도이고, I⊥는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 수직일 때 상기 편광필터를 통과한 강도임.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 반도체 나노결정-폴리머 복합체는 하기 식에 의해 정의되는 컨트라스트비가 3 이상을 나타내도록 구성되는 반도체 나노결정-폴리머 복합체:
    컨트라스트비 = I∥/ I⊥
    I∥ 는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 평행일 때 상기 편광필터를 통과한 강도이고, I⊥는 편광 필터의 주축과 상기 반도체 나노결정의 주축이 수직일 때 상기 편광필터를 통과한 강도임.

KR1020170026672A 2016-05-05 2017-02-28 이방성 반도체 나노 결정 입자를 포함하는 백라이트 유닛, 그 제조 방법, 및 이를 포함한 전자 소자 KR102650010B1 (ko)

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