KR20070020258A - 수직 공동 레이저 어레이를 사용하는 디스플레이 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 유색의 픽셀화된 광을 생성하는 디스플레이 장치는 펌프-빔(pump-beam) 광을 생성하는 백라이트 유닛; 이격된 위치에서 디바이스의 특성을 조절하여 픽셀간 영역(interpixel region)들보다 더 높은 네트 게인(net gain)을 갖는 이격된 레이저 픽셀들의 어레이를 제공하는 구조체, 및 펌프-빔 광에 응답하여 상이한 유색 광을 생성하는 부분을 포함하는 활성 영역을 포함하는, 수직 공동 레이저 어레이 디바이스를 포함한다. 또한, 상기 장치는 광 셔터(light shutter) 및 선택된 유색 광의 시야 각 콘(angular cone of view)을 증가시키는, 광 셔터 상에 배치된 빔 확장기(beam expander)를 포함한다.
Description
본 발명은 수직 공동 레이저 어레이(vertical cavity laser array)를 사용하는, 유색 광을 생성시키기 위한 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
명세서의 이해를 돕기 위해, 다음의 용어들을 정의한다. 광축(optic axis)은 복굴절이 나타나지 않는 광이 전파되는 방향을 지칭한다. 본 발명에서 편광판(polarizer) 및 검광판(analyzer)은 전자기파를 편광시키는 소자를 의미한다. 그러나, 광원에 가까운 것을 편광판이라 하며, 관찰자에 가까운 것을 검광판이라 한다. 편광 소자는 편광판 및 검광판 둘 다를 의미한다. 방위각(azimuthal angle) ψ 및 경사각(tilt angle) θ는 광축의 방향을 특정하기 위해 사용된다. 편광판 및 검광판의 투과축의 경우에는, 그 경사각(θ)이 0이기 때문에 방위각 ψ만 사용된다.
도 1은 x-y-z 좌표계(3)에 대해 광축(1)의 방향을 지정하기 위한 방위각 ψ 및 경사각 θ의 정의를 도시하고 있다. x-y 평면은 디스플레이 표면(5)에 평행하 고, z-축은 디스플레이 법선 방향(7)에 평행하다. 방위각 ψ는 y-축 및 x-y 평면상으로의 광축(9)의 투영 사이의 각이다. 경사각 θ는 광축(1)과 x-y 평면 사이의 각이다.
디스플레이 적용을 위해 픽셀화된 유색 광을 생성하는 방법에는 통상적인 수동 또는 활성 매트릭스 유기 발광 다이오드(OLED) 디바이스를 사용하는 등의 여러 가지가 있다. 또다른 방법으로는 액정 디스플레이(LCD)를 사용하는 것이다. 전형적인 LCD 시스템에서는 액정 셀이 한쌍의 편광판 사이에 위치하게 된다. 디스플레이에 입사한 광은 제 1 편광판에 의해 편광된다. 광이 액정 셀을 통과함에 따라, 액정 물질의 분자 배향은 편광된 광에 영향을 미쳐 검광판을 통과하거나 또는 검광판에 의해 차단된다. 셀 전체에 전압을 인가하여 액정 분자들의 배향을 변경시킴으로써 LCD 픽셀들을 통과하는 광의 광량을 다양화시킬 수 있다. 이러한 원리를 사용함으로써, LCD를 스위칭(switching)하는 데 최소의 에너지가 요구된다. 이러한 스위칭 에너지는 전형적으로 캐소드 발광 물질(cathodoluminescent material)을 사용하는 캐소드 레이 튜브(CRT)에서 요구되는 것보다 훨씬 작아서, 이로 인해 액정 물질을 사용하는 디스플레이에 대한 이목이 집중되었다.
전형적인 액정 셀은 적색, 녹색 및 청색 투과 픽셀들로 이루어진 컬러 필터 어레이(CFA)를 함유한다. 백라이트 유닛(BLU)으로부터 많은 양의 광을 투과시키기 위해서는, 각 CFA 픽셀의 투과 분광이 큰 반치폭(full-width at half maximum, FWHM)을 가져야만 한다. 이러한 큰 FWHM의 결과, LCD의 색 범위(color gamut)는 최상의 상태에서도 NTSC 색상 범위 기준의 약 0.7 정도이다. 또한, 광이 CFA 상에 충돌하기 때문에, 광의 3분의 2 이상은 CFA에 흡수됨으로써 3분의 1 미만이 투과될 수 있다. 따라서, 이러한 각 픽셀의 투과 분광 외의 광의 흡수로 인해 전체 디스플레이 효율이 떨어지게 된다.
투과형 LCD는 광원, 도광판(LGP), 반사판, 확산판, 시준막(collimating film) 및 반사형 편광판을 포함하는 백라이트 유닛에 의해 조명된다. 반사형 편광판은 원치않는 편광의 광을 리사이클 및 반사시키는데 사용된다. 그러나, 원치않는 편광의 광이 모두 리사이클되는 것은 아니며, 리사이클된 광이 모두 보정된 편광 상태로 BLU로부터 나오는 것은 아니다. 따라서, 반사형 편광판으로부터 반사된 광의 단지 일부만이 보정된 편광 상태로 리사이클된다. 그 결과, 편광되지 않은 BLU 광원이 하부 편광판을 통과할 때 거의 두 효율 인자가 손실된다.
LCD는 빠른 속도로 CRT, 및 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 및 기타 사무 및 가전 디스플레이를 위한 여러 형태의 전자 디스플레이들을 대체하고 있다. 그러나, LCD는 넓은 시야각에서의 열등한 콘스라스트(contrast) 비율로 인해 고전하고 있다. 콘트라스트 비율이 이러한 넓은 시야각에서 개선되지 않으면, LCD의 특정 시장으로의 침투는 제한될 것이다. 열등한 콘트라스트 비율은 전형적으로 디스플레이의 어두운 상태(dark state)에서의 증가된 휘도에 기인한다. LCD는 디스플레이가 축(시야각 0도)에 집중된 좁은 시각도(viewing cone)내에서 최상의 콘트라스트 비율을 갖도록 최적화된다. 디스플레이가 보다 넓은 시야각에서 오프-축(off-axis)으로 보여지기 때문에, 어두운 상태에서 휘도가 증가함으로써 콘트라스트 비율이 감소하게 된다. 풀컬러 디스플레이(full color display) 오프-축을 보는 경우는, 어두운 상태의 휘도만 증가하는 것이 아니라 어두운 상태 및 밝은 상태(bright state) 둘 다에서 색 이동이 일어난다. 과거에는 이러한 색조 이동(hue shift) 및 콘트라스트 비율의 손실을 개선하기 위해 보상 필름을 디스플레이로 도입하거나 다중-도메인(multi-domain)을 사용하여 픽셀을 한층 더 세밀화시키는 등의 다양한 방법들이 시도되었다. 그러나, 이러한 방법들은 제한된 시각도에 대해 색조 이동 및 콘트라스트 비율을 단지 소폭으로 개선시킬 뿐이었다. 또한, 보상 필름 및 다중-도메인 액정 셀의 제조는 전형적으로 고비용의 공정이므로, 디스플레이 전체 가격이 높아지게 된다.
다른 평판 디스플레이들은, 문헌[W. Crossland, SID Digest, 837, 1997]에 기재된 바와 같이, LCD 앞에 광발광(PL) 스크린을 합체하여(이를 PL-LCD라 칭함) 시야각 문제를 해결하려 했다. 이 디스플레이는 협대역 주파수(narrow band frequency)의 백라이트 유닛, 액정 변조기(liquid crystal modulator), 및 색 생성용 광발광 출력 스크린을 사용한다. PL-LCD 광원은 액정 물질의 파괴를 가속화하는 UV내 파장을 사용한다. 또한, PL-LCD의 광원은 전형적인 LCD 디스플레이에 사용되는 표준 냉 캐소드 형광 램프(CCFL)보다 효율이 훨씬 떨어진다.
일반적으로, 전형적인 LCD 디스플레이와 관련된 문제들이 해소된 디스플레이를 제조하는 것이 유리할 것이다. 상기에서 논의된 바와 같이, 이러한 문제점들로는 효율의 손실(편광되지 않은 백라이트 및 CFA의 사용으로 인한), 열등한 색 범위, 및 넓은 시야각에서의 콘트라스트 및 색 손실이 있다. OLED 디스플레이는 이들 문제점 중 일부를 극복하였으나, 짧은 수명 및 높은 제조비용으로 인해 여전히 고전하고 있다. 상기 높은 제조 비용의 일부는 OLED 이미터(emitter) 영역을 픽셀화 할 필요성 및 전류 구동 디바이스용 박막 트랜지스터(TFT)의 큰 복잡성과 같이 OLED 설계에 수반된다.
발명의 개요
따라서, 본 발명의 목적은 효율 손실, 보다 열등한 색 범위, 및 보다 넓은 시야각에서의 보다 저하된 콘트라스트 및 색과 같이 전형적인 LCD 디스플레이에 수반되어온 결점들을 극복한 디스플레이를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은,
a) 펌프-빔(pump-beam) 광을 생성하는 백라이트 유닛;
b) i) 이격된 위치에서 디바이스의 특성을 조절하여 픽셀간 영역(interpixel region)들보다 더 높은 네트 게인(net gain)을 갖는 이격된 레이저 픽셀들의 어레이를 제공하는 구조체; 및 ii) 상기 펌프-빔 광에 응답하여 상이한 유색 광을 생성하는 부분을 포함하는 활성 영역을 포함하는, 수직 공동 레이저 어레이 디바이스;
c) 광 셔터(light shutter); 및
d) 상기 광 셔터 상에 배치되며, 선택된 유색 광의 시야 각 콘(angular cone of view)을 증가시키는 빔 확장기(beam expander)를 포함하는, 픽셀화된 유색 광을 생성하기 위한 디스플레이 장치에 의해 달성된다.
장점
본 발명의 장점은 액정 디스플레이의 광원으로서 픽셀화된 이차원 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이를 사용하는 것이다. 각각의 색 소자는 서로 합치되지 않는 수천개의 마이크론-크기의 레이저 픽셀들을 함유한다. 이는 각각의 색 소자가 다중 모드 레이저 광을 생성하도록 유발한다. 픽셀 크기가 3 내지 5 마이크론 직경인 경우, 다중 모드 레이저 광의 발산각은 대략 3-5°이다. 이러한 작은 발산각은 레이저의 색 소자들과 액정 디스플레이의 색 소자들간의 1:1 대응을 가능하게 한다. 따라서, 더 이상 LCD 필름 구성요소의 하나로서 컬러 필터 어레이를 포함할 필요가 없다.
레이저 광이 축 상의 LC 스위치를 통과한 이후로, 넓은 시야각에 대한 콘트라스트 및 색 이동과 관련된 문제점들은 제한된다. 광원의 근 시준(near collimation)의 추가 특징은 액정 시야각 보상 필름이 디스플레이 구조로부터 제거될 수 있다는 것이다. VCSEL 구성요소의 하나로서 복굴절 층을 포함함으로써, 이차원 수직 공동 레이저 어레이로부터의 다중 모드 레이저 광 출력은 하나의 방향을 따라 우선적으로 편광될 수 있다. 광원이 편광된 광을 생성함에 따라, 하부 편광판 소자 및 그와 관련된 반사형 편광판 소자는 LCD 디스플레이의 소자로서 배제될 수 있다. LCD 구성요소의 일부로서 시준 필름(collimating film)을 포함하는 것이 일반적이나, 이차원 수직 공동 레이저 어레이로부터의 레이저 출력이 저절로 시준되기 때문에(3-5°의 발산각) 이러한 필름들은 제거될 수 있다.
본 발명의 추가 장점은 각각의 색 소자로부터의 광 출력이 거의 단일 파장인 점에 있다. 이러한 특성은 액정 디스플레이의 색 범위를 더욱 향상시킨다. 제한 된 시야각을 선호하는 용도(예, 사생활 관찰용)에서, 광원의 근 시준은 전형적인 디스플레이와 비교하여 훨씬 향상된 온-축(on-axis) 시야 휘도를 야기한다. 이러한 향상은 디스플레이 휘도를 매우 증가시킬 수 있거나, 또는 매우 증가된 디스플레이 전력 효율에 대해 응수될 수 있다(배터리 수명을 증진시킴는 것을 허용함).
도 1은 광축의 방향을 특정하기 위한 경사각 및 방위각의 정의를 이해하는데 유용한 투시도를 도시한다.
도 2는 광학적으로 펌프된 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 측단면도를 도시한다.
도 3은 각각의 소자들이 수천개의 마이크론-크기 레이저 픽셀들로 구성되는 적색, 녹색 및 청색 방출 소자를 함유하는 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 평면도를 도시한다.
도 4는 흡수 소자(absorbing element)들을 포함하는, 광학적으로 펌프된 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 다른 실시양태에 대한 측면도를 도시한다.
도 5는 염색된 포토레지스트(dyed photoresist) 흡수 소자들을 포함하는, 광학적으로 펌프된 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 또 다른 실시양태에 대한 측단면도를 도시한다.
도 6은 편광된 흡수 소자들을 포함하는, 광학적으로 펌프된 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 또 다른 실시양태에 대한 측단면도를 도시한다.
도 7은 에칭된 유전체 스택(etched dielectric stack)을 포함하는, 광학적으로 펌프된 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 또 다른 실시양태에 대한 측단면도를 도시한다.
도 8은 편광된 에칭된 유전체 스택을 포함하는, 광학적으로 펌프된 이차원 VCSEL 어레이 디바이스의 또 다른 실시양태에 대한 측단면도를 도시한다.
도 9는 VCSEL 어레이 디바이스를 포함하는 디스플레이 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 10은 VCSEL 어레이 디바이스를 펌핑하는 선형 LED-어레이 구동 백라이트 유닛의 개략도를 도시한다.
도 11은 VCSEL 어레이 디바이스를 펌핑하는 평면 LED-어레이 구동 백라이트 유닛의 개략도를 도시한다.
도 12는 VCSEL 어레이 디바이스를 펌핑하는 냉 캐소드 형광 램프 구동 백라이트 유닛의 개략도를 도시한다.
도 13은 VCSEL 어레이 디바이스를 펌핑하는 냉 캐소드 형광 램프 구동 백라이트 유닛의 또 다른 실시양태에 대한 개략도를 도시한다.
도 14는 액정 셀, 및 검광판을 비롯한 그의 구성요소에 대한 개략도를 도시한다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 광축
3: x-y-z 좌표계
5: 디스플레이 표면
7: 디스플레이 법선 방향
9: 광축
100: VCSEL 어레이 디바이스
102: 레이저 어레이 디바이스
103: 레이저 어레이 디바이스
104: 레이저 어레이 디바이스
106: 레이저 어레이 디바이스
108: 레이저 어레이 디바이스
110: 기판
120: 하부 유전체 스택
121: 하부 유전체 스택의 제 1 부위
125: 하부 유전체 스택의 제 2 부위
126: 복굴절 층
128: 정렬 층
129: 복굴절 물질
130: 활성 영역
140: 상부 유전체 스택
150: 보다 낮은 네트 게인 영역
151: 에칭 영역
155: 흡수 소자
157: 염료 층
158: 평탄화 층
160: 주기적 게인 영역
170: 스페이서 층
180: 펌프-빔 광
190: 레이저 광
200: 레이저 픽셀
205: 방출 소자
210: 픽셀간 영역
220: 백라이트 유닛
230: 발광 다이오드
240: 확산판
250: 선형 어레이
260: 도파관
270: 평면 어레이
280: 냉 캐소드 형광 램프
300: 열(row)
305: 편광 층
310: 광 셔터 층
320: 빔 확장기
330: 액정 셀
340: 검광판
350: 액정 기판
360: 투명한 전도체
370: 액정 분자용 정렬 층
380: 액정 물질
ψ: 방위각
θ: 경사각
본 발명은 근 시준되고 단일 파장인 광 출력을 생성하는 광원에 의해 가능해진다. 또한, 광원은 통상적인 기판(이의 크기는 80×240㎛의 규모이다)으로부터 적색, 녹색 및 청색 방출 소자를 함유해야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 광원은, 도 2에 도식화된 바와 같이, 이차원 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이 디바이스(100)이다. 도 3은 픽셀간 영역(210)으로 구분된 수천개의 마이크론-크기 레이저 픽셀(200)들로 이루어진 적색, 녹색 및 청색(RGB) 방출 소자(205)들을 표면상에 갖춘 이차원 VCSEL 어레이 디바이스(100)의 평면도를 나타낸다. 통상적인 기판으로부터 적색, 녹색 및 청색 레이저 광을 생성하기 위해서는, 활성 영역(130)이 유기-계 게인 매질(gain media)로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러나, 문헌[R.N.Bhargava, Phys. Stat. Sol., 229, 897, 2002]의 최근 연구는 무기-계 나노입자로부터 가시광선 파장 방출을 얻을 수 있음을 지적하고 있다. 이러한 예로는 Mn2+ 또는 Eu2+ 같은 불순물로 도핑되거나 도핑되지 않은 ZnO 나노입자(바람직하게는 10nm 미만의 직경을 갖는)가 있다.
만약 각 RGB 방출 소자(205)로부터 단일 모드 레이징(lasing) 작용을 원한다면, 다양한 레이저 픽셀들(200)로부터의 방출은 위상-고정(phase-locked)되어야 한다. 즉, 강도 및 위상 정보가 픽셀들 사이에서 교환되어야 한다(카폰(E.Kapon) 및 오렌스테인(M. Orenstein), 미국 특허 제5,086,430호). 또한, 레이저 픽셀(200)은 동일 크기이면서 주기적 배열로 놓일 필요가 있다. 그러나, 각 방출 소자(205)로부터 단일 모드 레이저를 출력함으로써 디스플레이 용도에 바람직하지 않은 스페클(speckle)이 초래될 것이다. 따라서, 개별 레이저 픽셀(200)은 각각의 방출 소자(205)로부터의 다중 모드 레이저 출력을 일으키도록 서로 합치되지 않는 것이 바람직하다. 레이저 픽셀들(200)이 그들 사이의 강도 및 위상 정보를 교환하지 않을지라도, 각각의 방출 소자(205)로부터 근 시준된 단일 파장 출력을 얻기 위해서는, 각각의 레이저 픽셀이 단일 모드 출력을 생성하는 것이 요구된다. 따라서, 레이저 픽셀(200)의 바람직한 직경은 2.5 내지 4.5㎛ 범위이며, 이때 더 작은 직경은 산란 손실을 증가시키고, 더 큰 직경은 원치않는 고차 횡단 모드(higher-order tranverse mode)를 일으킨다.
레이저 픽셀들의 이차원 어레이를 생성하기 위한 일반화된 방법론은 VCSEL 디바이스의 네트 게인을 변조하는 것이다. 이러한 네트 게인의 변조는 활성 영역(130)에서 게인 매질의 방출 특성을 선택적으로 감쇠하기, 활성 영역(130)에서의 게인 매질을 선택적으로 펌핑하기, 및 유전체 거울들(스택)중 하나를 선택적으로 에칭시키기 등의 여러 방법에 의해 달성될 수 있다. 유기-계 게인 매질의 방출 특성을 감쇠시키는 직접적인 방법은 이를 고준위 UV 방사선에 노출시키는 것이다. 활성 영역(130)에서의 게인 매질을 선택적으로 펌핑하기 위해서, 펌프-빔 광(180)이 활성 영역(130)으로 입사하기 전에 흡수 층이 이를 흡수하도록 활성 영역(130) 아래(픽셀간 영역(210) 아래 영역)에 선택적으로 증착될 수 있다. 두 경우 모두에서, 픽셀간 영역(210)은 (방출 특성을 감쇠시키거나 펌프-빔 광(180)을 흡수하여) 네트 게인이 저하됨으로서 한정되는 반면, 레이저 픽셀(200)의 이차원 어레이는 네트 게인이 변경되지 않는 영역에 부합된다. 유전체 스택들 중 하나를 선택적으로 에칭시키는 경우, 픽셀간 영역들(210)은 유전체 스택의 에칭된 영역들(레이징 파장에서 낮은 총 반사율)에 부합되고 비에칭된 영역들(레이징 파장에서 더 높은 총 반사율)은 레이저 픽셀들(200)에 부합되도록, 유전체 스택들 중 하나의 이차원 에칭을 수행함으로써 변조될 수 있다. 적절한 디바이스 작동을 위해서는, 유전체 스택의 한 주기 또는 두 주기를 에칭시키는 것으로 충분하다. 활성 영역(130)에서의 유기-계 게인 매질의 경우, 일단 유기층이 증착되면 레이저 구조상에 마이크론-규모의 패턴화을 수행하는 것이 매우 어렵기 때문에, 모든 디바이스 공정은 유기 구성요소를 증착시키기 전에 수행되어야 한다. 따라서, 에칭은 하부 유전체 스택(120)상에서 수행된다. 네트 게인 변조를 통해 레이저 방출을 레이저 픽셀(200)에 약하게 구속(confinement)하는 것은 최상의 경우에서 위상-고정된 단일 모드 레이징 작용을 유도할 수 있지만, 위상-고정이 단지 지엽적이거나 고준위 어레이 모드가 우세하다면, 다중 모드 레이징 작용이 일어날 것이다 본 발명에서는, 레이저 스펙클을 방지하기 위해 다중 모드 레이징 작용이 바람직하다. 이러한 경우, 지엽적 위상-고정조차도 감쇠시키기 위해서, 레이저 픽셀(200)의 크기는 사이트(site)들간 무작위로 다양화될 수 있을 뿐 아니라 픽셀들을 무작위-정렬된 이차원 어레이상에 놓을 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 기판(110)은 광투과성이어야 한다. 따라서, 기판(110)은 투명한 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 기판(110) 위에는 고 및 저 굴절율의 유전체 물질들이 교차하여 이루어진 하부 유전체 스택(120)이 증착된다. 일반적으로, 하부 유전체 스택(120)은 소정의 파장 범위에 걸쳐 레이저 광에 대해 반사성이 되도록 고안된다. 전형적인 고 및 저 굴절율의 물질들로는 각각 TiO2 및 SiO2가 있다. 하부 유전체 스택(120)은 플라즈마-향상된 화학 기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition), 전자-빔(e-빔) 증착법, 또는 스퍼터링법(sputtering) 등에 의해 증착될 수 있다. 또 다른 방법으로는, 당 분야에서 통상적으로 실시되는 바와 같이, 중합체 압출법(polymer extrusion), 졸-겔 법(sol-gel) 및 콜로이드 증착법(colloidal deposition) 등이 있다.
당 분야에 공지된 바와 같이, VCSEL 디바이스로부터의 광 출력은 전형적으로 바람직한 배향을 갖지 못하며 광 강도의 함수에 따라 다양할 수 있다. 편광을 고정시키는 방법은 1) 횡단 전기장(TE) 및 횡단 자기장(TM) 편광들에 있어서 레이징 전이의 진동자 세기(oscillator stength)를 상이하게 하는 것; 및 2) 상기 두 편광들에 있어서 유전체 스택 반사율을 상이하게 하는 것의 두 군으로 나눌 수 있다. 상기 첫 번째 시도는 비정질 유기 화합물로 구성된 게인 매질에 적용하기 곤란하다. 따라서, 바람직한 실시양태 중 하나에서는 상부 또는 하부 유전체 스택이 복굴절되도록 그 반사율을 변경시켰다. 무기 VCSEL 디바이스의 경우, TE 및 TM 편광들간의 임계 모드 게인(threshold modal gain)에서의 4% 차이가 100:1 초과의 편광 모드 억제율(PMSR)을 생성시키는 것으로 보였다(문헌[Y. Ju et al, Appl. Phys. Lett., 71, 741, 1997]). 비정질 유기 레이저 시스템에서 이러한 모드 차이를 가능하게 하는 가장 간단한 방법은 유전체 스택의 층들 중 하나(바람직하게는 낮은 피크 반사율을 갖는 스택)를 복굴절 층(126)으로 교체하는 것이다. 당 분야에 널리 공지된 바와 같이, 이러한 복굴절 층은 두 편광 방향에서의 굴절율을 일반적으로 0.16, 많게는 0.25 정도까지 다르게 할 수 있다. 굴절율의 차이가 0.16인 경우, 스택 층 중 하나(피크 반사율이 약 99%인 것)를 복굴절 층(126)으로 교체하면, 두 편광들간의 모드 차이가 대략 22%라는 것을 표준 전달 매트릭스 기법(standard transfer matrix technique)을 이용하게 용이하게 계산해 낼 수 있다. 이러한 모드 차이는 문헌[Y. Ju 등, Appl. Phys. Lett., 71, 741, 1997]에서 무기 VCSEL에 대해 측정된 것보다 훨씬 크기 때문에, 그 결과 PMSR도 100:1보다 훨씬 커야한다. 당 분야에 공지된 바와 같이(문헌[Y. Ju 등, Appl. Phys. Lett., 71, 741, 1997]), 상기 VCSEL 어레이 디바이스(100)는 레이저 광(190)을 편광시키는데 비록 복굴절 층(126)을 포함하는 것과 관련하여 기술되었지만, VCSEL 어레이 디바이스(100)로부터의 레이저 광(190)을 편광시키는데 기타 다른 방법들도 사용될 수 있다.
도 2에 나타낸 복굴절 층(126)은 정렬 층(128) 및 복굴절 물질(129)을 포함하며, 하부 유전체 스택(120) 상에 증착된다. 복굴절 층(126)은 또한 활성 영역(130) 및 상부 유전체 스택(140) 사이에 위치될 수도 있다. 복굴절 층(126)은 또한 유전체 스택들 중 하나 안에 위치될 수도 있다. 정렬 층(128)은 다음 기법에 의해 배향될 수 있다. 정렬 층은 광-배향성(photo-orientable) 또는 광-정렬성(photo-alignable) 물질을 함유하며, 광-정렬 기법에 의해 배향될 수 있다. 광-배향성 물질에는, 예를 들면, 광-이성체화 중합체, 광-이량체화 중합체, 및 광-분해형 중합체 등이 포함된다. 바람직한 실시양태에서, 광-배향성 물질은, 미국 특허 제6,160,597호에 개시된 바와 같이, 신남산 유도체일 수 있다. 이러한 물질들은 선형의 편광된 UV 광으로 조사(irradiation)함으로써 배향되는 동시에 교차결합(crosslink)될 수 있다. 또한, 정렬 층은 당 분야에 공지된 바와 같이, 기계적 러빙(rubbing)에 의해서도 배향될 수 있다. 광-정렬 공정은, 미국 특허 공개 제2004/0008310 A1호(이의 개시물은 본원에서 참고로 인용됨)에 기술된 기기를 사용하여 수행될 수 있다.
복굴절 물질(129)이 정렬 층(128) 위에 처음 증착되는 경우, 이 복굴절 물질(129)은 전형적으로 액정 단량체이며, UV 조사에 의해 교차결합되거나, 열과 같은 다른 방법에 의해 중합된다. 복굴절 물질(129)은 광축(1)이 0° 내지 20° 사이의 평균 경사각을 갖는 포지티브 유전체 물질일 수 있다. 복굴절 물질(129)은 또한 광축(1)이 0° 내지 20° 사이의 평균 경사각을 갖는 네가티브 유전체 물질일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 복굴절 물질(129)은, 미국 특허 제6,160,597호(챠드트(Schadt) 등) 및 제5,602,661호(챠드트 등)에 개시된 바와 같이, 포지티브 복굴절을 갖는 다이아크릴레이트 또는 다이에폭사이드로 구성된다. 복굴절 물질(129)에서 광축(1)은 일반적으로 층평면에 대해 경사지지 않으며, 두께 방향으로 균일하다.
활성 영역(130)은 하부 유전체 스택(120) 또는 복굴절 층(126)(디바이스에 포함되는 경우) 상에 증착된다. 도 2는 활성 영역(130)이 벌크 층(bulk layer) 뿐만 아니라 다층 복합체(multilayer composite)임을 나타낸다. 활성 영역(130)은 스페이서 층(spacer layer)(170)으로 분리되는 하나 이상의 주기적 게인 영역들(160)을 함유한다. 주기적 게인 영역들(160)의 두께는 전형적으로 50nm 미만이며, 바람직하게는 5 내지 30nm이다. 스페이서 층(170)의 두께는 주기적 게인 영역(들)이 레이저 공동의 정상파 전자기장(e-field)의 파복(antinode)에 따라 정렬되도록 선택된다. 활성 영역(130)에서 주기적 게인 영역(160)을 사용하면 전압 전환 효율이 보다 증대되고 원치않는 자발적 방출이 보다 감소된다. 즉, 활성 영역(130)이 하나 이상의 주기적 게인 영역(160), 및 이 주기적 게인 영역(들)의 어느 한 면에 배치되고 디바이스의 정상파 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 스페이서 층(170)을 포함한다.
주기적 게인 영역(들)(160)은 높은 양자 효율(quantum efficiency)로 형광 발광하는 작은 분자량의 유기 물질, 중합체성 유기 물질, 또는 무기-계 나노입자로 구성된다. 작은 분자량의 유기 물질은 전형적으로 고-진공(10-6 Torr) 열 증발법에 의해 증착되며, 공액된 중합체 및 무기 나노입자들은 전형적으로 스핀 캐스팅법(spin casting)에 의해 형성된다.
달리 구체적으로 나타내지 않는 한, "치환된" 또는 "치환기"란 용어의 사용은 수소 이외의 다른 임의의 기 또는 원자를 의미한다. 또한, "기"란 용어가 사용되는 경우, 이는 치환기가 치환 가능한 수소를 함유하는 경우, 상기 치환기의 비치환 형태뿐만 아니라, 치환기가 디바이스 효용에 필요한 성질들을 파괴하지 않는 한, 본 발명에서 언급한 바와 같은 임의의 치환기(들)에 의해 추가로 치환된 형태를 포함함을 의미한다. 적절하게는, 치환기는 할로겐이거나, 탄소, 규소, 산소, 질소, 인, 황, 셀레늄 또는 붕소 등의 원자에 의해 분자의 나머지에 결합될 수 있다. 치환기는, 할로겐, 예를 들면 클로로, 브로모, 또는 플루오로; 니트로; 하이드록실; 시아노; 카복실; 또는 추가로 치환될 수 있는 기, 예를 들면 직쇄, 분지쇄 또는 환형의 알킬을 비롯한 알킬, 예컨대 메틸, 트라이플루오로메틸, 에틸, t-뷰틸, 3-(2,4-다이-t-펜틸페녹시)프로필 및 테트라데실; 에틸렌, 2-뷰텐과 같은 알케닐; 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 뷰톡시, 2-메톡시에톡시, sec-뷰톡시, 헥실옥시, 2-에틸헥실옥시, 테트라데실옥시, 2-(2,4-다이-t-펜틸페녹시)에톡시, 및 2-도데실옥시에톡시와 같은 알콕시; 페닐, 4-t-뷰틸페닐, 2,4,6-트라이메틸페닐, 나프틸과 같은 아릴; 페녹시, 2-메틸페녹시, 알파- 또는 베타-나프틸옥시 및 4-톨릴옥시와 같은 아릴옥시; 아세트아미도, 벤즈아미도, 뷰티르아미도, 테트라데칸아미도, 알파-(2,4-다이-t-펜틸-페녹시)아세트아미도, 알파-(2,4-다이-t-펜틸페녹시)뷰티르아미도, 알파-(3-펜타데실페녹시)-헥산아미도, 알파-(4-하이드록시-3-t-뷰틸페녹시)-테트라데칸아미도, 2-옥소-피롤리딘-l-일, 2-옥소-5-테트라데실피롤린-l-일, N-메틸테트라데칸아미도, N-석신이미도, N-프탈이미도, 2,5-다이옥소-l-옥사졸리디닐, 3-도데실-2,5-다이옥소-l-이미다졸일, N-아세틸-N-도데실아미노, 에톡시카보닐아미노, 페녹시카보닐아미노, 벤질옥시카보닐아미노, 헥사데실옥시카보닐아미노, 2,4-다이-t-뷰틸페녹시카보닐아미노, 페닐카보닐아미노, 2,5-(다이-t-펜틸페닐)카보닐아미노, p-도데실-페닐카보닐아미노, p-톨릴카보닐아미노, N-메틸유레이도, N,N-다이메틸유레이도, N-메틸-N-도데실유레이도, N-헥사데실유레이도, N,N-다이옥타데실유레이도, N,N-다이옥틸-N'-에틸유레이도, N-페닐유레이도, N,N-다이페닐유레이도, N-페닐-N-p-톨릴유레이도, N-(m-헥사데실페닐)유레이도, N,N-(2,5-다이-t-펜틸페닐)-N'-에틸유레이도 및 t-뷰틸카본아미도와 같은 카본아미도; 메틸설폰아미도, 벤젠설폰아미도, p-톨릴설폰아미도, p-도데실벤젠설폰아미도, N-메틸테트라데실설폰아미도, N,N-다이프로필-설파모일아미도 및 헥사데실설폰아미도와 같은 설폰아미도; N-메틸설파모일, N-에틸설파모일, N,N-다이프로필설파모일, N-헥사데실설파모일, N,N-다이메틸설파모일, N-[3-(도데실옥시)프로필]-설파모일, N-[4-(2,4-다이-t-펜틸페녹시)뷰틸]설파모일, N-메틸-N-테트라데실설파모일 및 N-도데실설파모일과 같은 설파모일; N-메틸카바모일, N,N-다이뷰틸카바모일, N-옥타데실카바모일, N-[4-(2,4-다이-t-펜틸페녹시)뷰틸]카바모일, N-메틸-N-테트라데실카바모일 및 N,N-다이옥틸카바모일과 같은 카바모일; 아세틸, (2,4-다이-t-아밀페녹시)아세틸, 페녹시카보닐, p-도데실옥시페녹시카보닐 메톡시카보닐, 뷰톡시카보닐, 테트라데실옥시카보닐, 에톡시카보닐, 벤질옥시카보닐, 3-펜타데실옥시카보닐 및 도데실옥시카보닐과 같은 아실; 메톡시설포닐, 옥틸옥시설포닐, 테트라데실옥시설포닐, 2-에틸헥실옥시-설포닐, 페녹시설포닐, 2,4-다이-t-펜틸페녹시설포닐, 메틸설포닐, 옥틸설포닐, 2-에틸헥실설포닐, 도데실설포닐, 헥사데실설포닐, 페닐설포닐, 4-노닐페닐설포닐 및 p-톨릴설포닐과 같은 설포닐; 도데실설포닐옥시 및 헥사데실설포닐옥시와 같은 설포닐옥시; 메틸설피닐, 옥틸설피닐, 2-에틸헥실설피닐, 도데실설피닐, 헥사데실설피닐, 페닐설피닐, 4-노닐페닐설피닐 및 p-톨릴설피닐과 같은 설피닐; 에틸티오, 옥틸티오, 벤질티오, 테트라데실티오, 2-(2,4-다이-t-펜틸페녹시)에틸티오, 페닐티오, 2-뷰톡시-5-t-옥틸페닐티오 및 p-톨릴티오와 같은 티오; 아세틸옥시, 벤조일옥시, 옥타데카노일옥시, p-도데실아미도벤조일옥시, N-페닐카바모일옥시, N-에틸카바모일옥시 및 사이클로헥실카보닐옥시와 같은 아실옥시; 페닐아닐리노, 2-클로로아닐리노, 다이에틸아민 및 도데실아민과 같은 아민; (N-페닐이미도)에틸, N-석신이미도 또는 3-벤질하이드란토이닐과 같은 이미노; 다이메틸포스페이트 및 에틸뷰틸포스페이트와 같은 포스페이트; 다이에틸 및 다이헥실포스파이트와 같은 포스파이트; 2-퓨릴, 2-티에닐, 2-벤즈이미다졸일옥시 또는 2-벤조티아졸일 등의 각각 치환될 수 있고, 탄소 원자, 및 산소, 질소, 황, 인, 및 붕소를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 헤테로 원자로 이루어진 3 내지 7 원 헤테로사이클릭 고리를 포함하는, 헤테로사이클릭 기, 헤테로사이클릭 옥시 기 또는 헤테로사이클릭 티오 기; 트라이에틸암모늄과 같은 4급 암모늄; 트라이페닐포스포늄과 같은 4급 포스포늄; 및 트라이메틸실릴옥시와 같은 실릴옥시일 수 있다.
원한다면, 치환기들 자체를 상기 치환기들로 한번 이상 추가로 치환할 수 있다. 사용되는 특정 치환기들은 특정 적용을 위해 목적하는 성질들을 얻도록 당 분야의 숙련자들에 의해 선택될 수 있으며, 예를 들면, 전자-끌기 기(electron-withdrawing groups), 전자-공여 기(electron-donating groups), 및 입체 기(steric groups)를 포함할 수 있다. 분자가 둘 이상의 치환기를 가질 수 있을 때, 달리 제공되지 않는다면, 상기 치환기들은 서로 융합되어 융합된 고리와 같은 고리를 형성할 수 있다. 일반적으로, 상기 기들 및 그들의 치환기들은 48개 이하의 탄소 원자들, 전형적으로 1 내지 36개의 탄소 원자들, 일반적으로 24개 미만의 탄소 원자들을 가진 것들을 포함할 수 있으나, 선택된 특정 치환기들에 따라 더 큰 수의 탄소 원자들을 가진 것들도 가능하다. 치환은 벤조-, 다이벤조-, 나프타-, 또는 다이나프토-융합된 유도체들(이에 제한되지 않음)과 같은 융합된 고리 유도체를 포함할 수 있다. 상기의 융합된 고리 유도체들 또한 추가로 치환될 수 있다.
유기-계 주기적 게인 영역(160)(또는 방출 물질)은 단일 호스트 물질로 구성될 수 있으나, 보다 통상적으로는 발광이 주로 도판트로부터 나오고, 임의의 색일 수 있는 게스트 화합물들(도판트)로 도핑된 호스트 물질을 포함한다. 이러한 호스트-도판트 조합은 유기-계 게인 매질에 대한 매우 소량의 펌핑되지 않은 산란/흡수 손실을 낳기 때문에(1 cm-1보다 작을 수 있다) 유리하다. 도판트는 일반적으로 고 형광성 염료들로부터 선택되나, WO 제98/55561호, WO 제00/18851호, WO 제00/57676호, 및 WO 제00/70655호의 OLED 관련 출원에 기술된 바와 같이, 전이 금속 착체 등의 인광성 화합물도 유용하다. 도판트는 전형적으로 호스트 물질에 0.01 내지 10중량%로 코팅되며, 적색, 녹색 또는 청색 발광을 제공하는 것으로 선택될 수 있다. 적색 발광 층에 유용한 호스트-도판트 조합의 예로는, 호스트 물질로서 Alq을, 그리고 도판트로서 1% L39 [4-(다이시아노메틸렌)-2-t-뷰틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸쥬롤리딜-9-에닐)-4H-피란]이다.
도판트로서 염료를 선택하기 위한 중요한 조건은 도판트 물질의 흡수 및 호스트 물질의 방출을 비교하는 것이다. 호스트로부터 도판트 분자로의(포스터(Foster) 에너지 전이를 통한) 효과적인 에너지 전이를 위한 필요 조건은 도판트의 흡수가 호스트 물질의 방출과 겹쳐지는 것이다. 당 분야의 숙련자들은 호스트 및 도판트 분자간 에너지의 비복사 전이에 관련된 포스터 에너지 전이 개념에 대해 숙지하고 있다. 호스트 물질을 선택하기 위한 중요한 조건은 호스트 물질의 흡수가 펌프-빔 광(180)의 방출 분광과 상당히 겹쳐지는 것이다. 또한, 호스트 물질, 또는 호스트 물질＋도판트의 흡수는 VCSEL 어레이 디바이스(100)의 레이저 방출 파장에서 작은 것이 바람직하다. 허용가능한 흡수 수준은 호스트와 도판트 조합의 흡수 계수가 레이저 방출 파장에서 10 cm-1 미만인 것이다.
유용한 형광 방출 물질은, 문헌[I.B. Berlman, "Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules," Academic Press, New York, 1971] 및 EP 제1 009 041호에 기술된 다환 방향족 화합물을 포함한다. 올리고머 물질들을 비롯하여 2개 이상의 아민기를 갖는 3급 방향족 아민이 사용될 수 있다.
(호스트 또는 도판트에 대해) 유용한 방출 물질의 다른 부류로는, 방향족 3급 아민을 함유하며, 이때 상기 아민은 오직 탄소 원자들(이중 하나 이상은 방향족 고리의 구성원이다)에만 결합된 하나 이상의 3가 질소 원자를 함유하는 화합물인 것으로 이해된다. 하나의 형태에서, 방향족 3급 아민은 모노아릴아민, 다이아릴아민, 트라이아릴아민 또는 올리고머성 아릴아민과 같은 아릴아민일 수 있다. 대표적인 단량체 트라이아릴아민은 클럽펠(Klupfel) 등의 미국 특허 제3,180,730호에 의해 제시되어 있다. 하나 이상의 비닐 라디칼로 치환된 및/또는 하나 이상의 활성 수소-함유기를 포함하는, 기타 적절한 트라이아릴아민은 브랜틀리(Brantley) 등의 미국 특허 제3,567,450호 및 제3,658,520호에 의해 개시되어 있다.
방향족 3급 아민의 보다 바람직한 부류는, 미국 특허 제4,720,432호 및 제5,061,569호에 기술된 2개 이상의 방향족 3급 아민 잔기를 포함하는 것이다. 이러한 화합물들은 하기 화학식 A로 표시되는 것들을 포함한다:
상기 식에서,
Q1 및 Q2는 독립적으로 선택된 방향족 3급 아민 잔기이고;
G는 아릴렌, 사이클로알킬렌 또는 탄소-탄소 결합의 알킬렌기와 같은 연결기이다.
한 실시양태에서는, Q1 또는 Q2 중 적어도 하나가 나프탈렌 등의 다환 융합된 고리 구조를 함유한다. G가 아릴 기인 경우에는, 편의상 페닐렌, 바이페닐렌 또는 나프탈렌 잔기이다.
상기 화학식 A을 만족시키고 2개의 트라이아릴아민 잔기를 포함하는 트라이아릴아민의 유용한 부류는 하기 화학식 B로 표시된다:
상기 식에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 원자, 아릴 기, 또는 알킬 기를 나타내거나, R1 및 R2는 함께 사이클로알킬 기를 형성하는 원자들을 나타내며;
R3 및 R4는 각각 독립적으로 아릴 기를 나타내고, 이는 차례로 하기 화학식 C에서 표시된 바와 같은, 다이아릴 치환된 아미노 기로 치환된다:
상기 식에서,
R5 및 R6은 독립적으로 선택된 아릴 기이다. 한 실시양태에서, R5 또는 R6중 적어도 하나는 나프탈렌과 같은 다환 융합된 고리 구조를 포함한다.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 트라이아릴아민 화합물을 포함할 수 있다. 방향족 3급 아민의 또다른 부류는 테트라아릴다이아민이다. 바람직한 테트라아릴다이아민은 아릴렌기를 통해 연결된, 상기 화학식 C에서 나타낸 바와 같은, 2개의 다이아릴아미노 기를 포함한다. 유용한 테트라아릴다이아민은 하기 화학식 D로 나타낸 것을 포함한다.
상기 식에서,
각 Are은 페닐렌 또는 안트라센 잔기와 같이 독립적으로 선택된 아릴렌 기이고;
n은 1 내지 4의 정수이고;
Ar, R7, R8, 및 R9는 독립적으로 선택된 아릴 기이다.
전형적인 한 실시양태에서, Ar, R7, R8, 및 R9 중 적어도 하나는 나프탈렌 등의 다환 융합된 고리 구조이다.
상기 화학식 A, B, C 및 D의 다양한 알킬, 알킬렌, 아릴, 및 아릴렌 잔기는 각각 차례로 치환될 수 있다. 전형적인 치환기는 알킬 기, 알콕시 기, 아릴 기, 아릴옥시 기, 및 플루오라이드, 클로라이드 및 브로마이드와 같은 할로겐을 포함한다. 다양한 알킬 및 알킬렌 잔기는 전형적으로 1 내지 약 6개의 탄소 원자를 함유 한다. 사이클로알킬 잔기는 3 내지 약 10개의 탄소 원자를 함유할 수 있으나, 사이클로펜틸, 사이클로헥실 및 사이클로헵틸 고리 구조와 같이, 전형적으로 5, 6, 또는 7개의 탄소 원자를 함유한다. 아릴 및 아릴렌 잔기는 일반적으로 페닐 및 페닐렌 잔기이다.
방출 물질은 방향족 3급 아민 화합물의 단일물 또는 혼합물로부터 형성될 수 있다. 특히, 상기 화학식 B를 만족시키는 트라이아릴아민 등의 트라이아릴아민은 상기 화학식 D에 나타낸 테트라아릴다이아민과 조합하여 이용될 수 있다. 호스트 물질은 치환되거나 비치환된 다이카바졸-바이페닐 화합물을 포함할 수 있다. 유용한 방향족 3급 아민의 예는 다음과 같다:
4,4'-N,N'-다이카바졸-1,1'-바이페닐(CBP)(D1);
4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐(D2);
4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-(2-나프틸)아미노]바이페닐(D3);
4,4'-비스[N-(2-나프틸)-N-p-톨릴아미노]바이페닐(D4);
1,1-비스(4-다이-p-톨릴아미노페닐)사이클로헥세인;
1,1-비스(4-다이-p-톨릴아미노페닐)-4-페닐사이클로헥세인;
4,4'-비스(다이페닐아미노)쿠아드릴페닐;
비스(4-다이메틸아미노-2-메틸페닐)페닐메테인;
N,N,N-트라이(p-톨릴)아민;
4-(다이-p-톨릴아미노)-4'-[4(다이-p-톨릴아미노)-스티릴]스틸벤;
N,N,N',N'-테트라-p-톨릴-4,4'-다이아미노바이페닐;
N,N,N',N'-테트라페닐-4,4'-다이아미노바이페닐;
N,N,N',N'-테트라-1-나프틸-4,4'-다이아미노바이페닐;
N,N,N',N'-테트라-2-나프틸-4,4'-다이아미노바이페닐;
N-페닐카바졸;
4,4"-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]p-터페닐;
4,4'-비스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4'-비스[N-(3-아세나프테닐)-N-페닐아미노]바이페닐;
1,5-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]나프탈렌;
4,4'-비스[N-(9-안트릴)-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4"-비스[N-(l-안트릴)-N-페닐아미노]-p-터페닐;
4,4'-비스[N-(2-페난트릴)-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4'-비스[N-(8-플루오르안테닐)-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4'-비스[N-(2-피레닐)-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4'-비스[N-(2-나트타세닐-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4'-비스[N-(2-페릴렌일)-N-페닐아미노]바이페닐;
4,4'-비스[N-(l-코로넨닐)-N-페닐아미노]바이페닐;
2,6-비스(다이-p-톨릴아미노)나프탈렌;
2,6-비스[다이-(l-나프틸)아미노]나프탈렌;
2,6-비스[N-(l-나프틸)-N-(2-나프틸)아미노]나프탈렌;
N,N,N',N'-테트라(2-나프틸)-4,4"-다이아미노-p-터페닐;
4,4'-비스{N-페닐-N-[4-(l-나프틸)-페닐]아미노}바이페닐;
4,4'-비스[N-페닐-N-(2-피레닐)아미노]바이페닐;
2,6-비스[N,N-다이(2-나프틸)아민]플루오렌;
1,5-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]나프탈렌; 및
4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 아자-방향족 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 호스트 물질은 치환되거나 비치환된 아크리딘, 퀴놀린, 푸린, 페나진, 페녹사진, 또는 페난트롤린(phenanthroline) 화합물을 포함할 수 있다. 카바졸 유도체가 유용한 호스트이다. 페난트롤린 물질의 유용한 예로는 2,9-다이메틸-4,7-다이페닐-l,10-페난트롤린 및 4,7-다이페닐-l,10-페난트롤린이 포함된다.
호스트 및 도판트 분자는 미국 특허 제4,768,292호, 제5,141,671호, 제5,150,006호, 제5,151,629호, 제5,405,709호, 제5,484,922호, 제5,593,788호, 제5,645,948호, 제5,683,823호, 제5,755,999호, 제5,928,802호, 제5,935,720호, 제5,935,721호, 및 제6,020,078호에 개시된 것들을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
8-하이드록시퀴놀린 및 유사 유도체의 금속 착체(화학식 E)가 전기 발광을 지지할 수 있는 유용한 호스트 물질의 한 부류를 구성하고, 특히 녹색, 황색, 오렌지색 및 적색 등의 500nm보다 긴 파장에서의 발광에 적합하다.
상기 식에서,
M은 금속을 나타내고;
n은 1 내지 3의 정수이고;
Z는 각각 독립적으로 2개 이상의 융합된 방향족 고리을 갖는 핵을 완성시키는 원자를 나타낸다.
상기에서, 금속은 1가, 2가, 3가 또는 4가 금속일 수 있음이 자명하다. 금속은, 예를 들면, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨과 같은 알칼리 금속; 마그네슘 또는 칼슘과 같은 알칼리 토금속; 알루미늄 또는 갈륨과 같은 토금속; 또는 아연 또는 지르코늄과 같은 전이 금속일 수 있다. 일반적으로, 유용한 킬레이트 금속으로 공지된 임의의 1가, 2가, 3가 또는 4가 금속을 사용할 수 있다.
Z는 2개 이상의 융합된 방향족 고리(이들 중 하나 이상은 아졸 또는 아진 고리임)를 포함하는 헤테로사이클릭 핵을 완성시킨다. 지방족 및 방향족 고리 둘다를 비롯한 추가의 고리는, 필요한 경우 상기 2개의 요구되는 고리들과 융합될 수 있다. 기능상의 개선없이 분자 크기가 증가되는 것을 피하기 위해, 고리 원자들의 수를 일반적으로 18개 이하로 유지시킨다.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된, 킬레이트화 옥시노이드 화합물을 포함할 수 있다.
유용한 킬레이트화 옥시노이드 화합물의 대표적인 예는 다음과 같다:
CO-1: 알루미늄 트리스옥신 [일명, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)];
CO-2: 마그네슘 비스옥신 [일명, 비스(8-퀴놀리놀라토)마그네슘(II)];
CO-3: 비스[벤조{f}-8-퀴놀리놀라토]아연(II);
CO-4: 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)-μ-옥소-비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토) 알루미늄(III);
CO-5: 인듐 트리스옥신 [일명, 트리스(8-퀴놀리놀라토)인듐];
CO-6: 알루미늄 트리스(5-메틸옥신) [일명, 트리스(5-메틸-8-퀴놀리놀라토) 알루미늄(III)] ;
CO-7: 리튬 옥신 [일명,(8-퀴놀리놀라토)리튬(I)];
CO-8: 갈륨 옥신 [일명, 트리스(8-퀴놀리놀라토)갈륨(III)]; 및
CO-9: 지르코늄 옥신 [일명, 테트라(8-퀴놀리놀라토)지르코늄(IV)].
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 안트라센 화합물을 포함할 수 있다.
9,10-다이-(2-나프틸)안트라센의 유도체(화학식 F)가 광발광을 지지할 수 있는 유용한 호스트의 한 부류를 구성하고, 특히 청색, 녹색, 황색, 오렌지색 또는 적색 등의 400nm보다 긴 파장에서의 발광에 적합하다.
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6은 각 고리 상의 하나 이상의 치환기를 나타내고, 이때 각 치환기는 각각 다음 군으로부터 선택된다:
군 1 : 수소, 또는 탄소 원자 수 1 내지 24의 알킬;
군 2: 탄소수 5 내지 20의 아릴 또는 치환된 아릴;
군 3: 안트라세닐, 피레닐, 또는 페릴렌일의 융합된 방향족 고리를 완성하는 데 필요한 4 내지 24의 탄소 원자;
군 4: 퓨릴, 티에닐, 피리딜, 퀴놀린일 또는 기타 헤테로사이클릭 계의 융합된 헤테로 방향족 고리를 완성하는 데 필요한 탄소 원자수 5 내지 24의 헤테로아릴 또는치환된 헤테로아릴;
군 5: 탄소수 1 내지 24의 알콕시아미노, 알킬아미노, 또는 아릴아미노; 및
군 6: 플루오르, 염소, 브롬 또는 시아노.
대표적인 예로는 9,10-다이-(2-나프틸)안트라센(F1) 및 2-t-뷰틸-9,10-다이-(2-나프틸)안트라센(F2)이 있다. 9,10-비스-(4-(2,2'-다이페닐에텐일)페닐)안트라 센의 유도체를 포함하는 기타 안트라센 유도체가 호스트로서 사용될 수도 있다.
광발광을 지지할 수 있는 유용한 호스트의 또 다른 부류로는 벤즈아졸 유도체(화학식 G)가 있으며, 특히 청색, 녹색, 황색, 오렌지색 및 적색 등의 400nm보다 긴 파장에서의 발광에 적합하다:
상기 식에서,
n은 3 내지 8의 정수이고;
Z 는 O, NR 또는 S이고;
R 및 R'는 독립적으로 수소; 프로필, t-뷰틸, 헵틸 등의 1 내지 24개의 탄소 원자를 갖는 알킬; 페닐 및 나프틸, 퓨릴, 티에닐, 피리딜, 퀴놀린일 및 기타 헤테로사이클릭계 등의 5 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 아릴 또는 헤테로원자 치환된 아릴; 또는 클로로, 플루오로와 같은 할로; 또는 융합된 방향족 고리를 완성시키는 데 필수적인 원자들이며;
L은 다수의 벤즈아졸을 서로 공액 또는 비공액 결합시키는, 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 또는 치환된 아릴을 포함하는 연결 단위이다. 유용한 벤즈아졸의 예는 2,2',2"-(l,3,5-페닐렌)트리스[1-페닐-1H-벤즈이미다졸]이다.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 벤즈옥사졸 화합물, 치환되거나 비치환 된 벤조티아졸 화합물, 또는 치환되거나 비치환된 벤즈이미다졸 화합물을 포함할 수 있다. 호스트 물질은 치환되거나 비치환된 옥사졸 화합물, 치환되거나 비치환된 트라이아졸 화합물, 또는 치환되거나 비치환된 옥사다이아졸 화합물을 포함할 수 있다. 옥사졸 화합물의 유용한 예시는 l,4-비스(5-페닐옥사졸-2-일)벤젠, l,4-비스(4-메틸-5-페닐옥사졸-2-일)벤젠 및 l,4-비스(5-(p-바이페닐)옥사졸-2-일)벤젠을 포함한다. 옥사다이아졸 화합물의 유용한 예시로는 2-(4-바이페닐일)-5-페닐-l,3,4-옥사다이아졸 및 2-(4-바이페닐일)-5-(4-t-뷰틸페닐)-l,3,4-옥사다이아졸 등이 있다. 트라이아졸 화합물의 유용한 예로는 3-(4-바이페닐일)-4-페닐-5-t-뷰틸페닐-l,2,4-트라이아졸 등이 있다.
다이스티릴아릴렌 유도체는 또한 호스트 물질 또는 도판트 물질로서 유용하다. 많은 예들이 미국 특허 제5,121,029호에 기술되어 있다. 유용한 방출 물질(호스트 및 도판트)은 하기의 화학식을 가질 수 있다:
상기 식에서,
X 및 Z는 독립적으로 치환되거나 비치환된 방향족 기, 또는 하나의 질소 원자를 갖는 치환되거나 비치환된 방향족 착체 고리 기이고;
n은 1, 2, 또는 3이며;
Y는 2가 방향족 기이거나 하나의 질소 원자를 갖는 2가 방향족 착체 고리 기이다. 유용한 예로는 l,4-비스(2-메틸스티릴)-벤젠, 4,4'-(9,10-안트라센다이일다이-2,1- 에텐다이일)비스(N,N-비스(4-메틸페닐)-벤젠아민, 4,4'-(l,4-나프탈렌다이일다이-2,1-에텐다이일)비스(N,N-비스(4-메틸페닐)벤젠아민 및 4,4'-(l,4-페닐렌다이-2,1-에텐다이일)비스(N,N-(4-톨릴))벤젠아민 등이 포함된다.
유기-계 도판트는 300 내지 1700nm 사이의 방출을 제공하도록 선택된다. 도판트는 형광 또는 인광 염료로부터 선택될 수 있다. 유용한 형광 도판트로는 상기 호스트 물질로서 기술된 물질들이 포함된다. 기타 유용한 형광 도판트로는 치환되거나 비치환된 안트라센, 테트라센, 잔텐, 페릴렌, 루브렌, 쿠마린, 로다민 및 퀴나크리돈의 유도체, 다이시아노메틸렌피란 화합물, 티오피란 화합물, 폴리메틴 화합물, 피릴륨 및 티아피릴륨 화합물, 풀루오렌 유도체, 페리플란텐 유도체, 인데노페릴렌 유도체, 비스(아지닐)아민 붕소 화합물, 비스(아지닐)메테인 화합물, 나프티리딘, 플루오란텐, 퓨란, 인돌, 티아펜, 벤조잔텐, 피렌, 페로피렌, 터페닐, 쿼터페닐, 퀸퀘페닐, 섹시페닐, 안탄트렌, 비스안트렌 화합물, N,N,N',N'-테트라치환된 벤즈이덴 유도체, N,N,N',N'-테트라아릴벤즈이덴 유도체 및 카보스티릴 화합물 또는 이의 조합이 포함되지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 물질 부류의 유도체들은 또한 유용한 호스트 물질 또는 이의 조합으로서 작용할 수 있다. 호스트 물질은 종종 세 개 이상의 페닐렌 잔기를 포함하는 화합물일 것이다.
유용한 도판트의 대표적인 예는 다음과 같으나, 이들로 제한되는 것은 아니다:
다른 방출 물질은 다양한 헤테로사이클릭 광증백제(optical brightener)를 포함하며, 이는 미국 특허 제4,539,507호에 기술되어 있다.
방출 물질은 또한 중합체 물질, 둘 이상의 중합체 물질의 블렌드, 또는 도핑 된 중합체 또는 중합체 블렌드일 수 있다. 방출 물질은 또한 도핑되거나 도핑되지 않은 하나 이상의 비중합체 물질과 중합체 물질을 포함할 수 있다. 전형적인 도판트로는 비중합체성 분자가 상술되어 있다. 비중합체성 도판트는 중합체 호스트 내에 분자적으로 분산될 수 있거나, 일부 구성성분을 호스트 중합체 내에 공중합시킴으로써 상기 도판트를 첨가할 수 있다. 전형적인 중합체 물질로는 치환되거나 비치환된 폴리(p-페닐렌비닐렌)(PPV) 유도체, 치환되거나 비치환된 폴리(p-페닐렌)(PPP) 유도체, 치환되거나 비치환된 폴리플루오렌(PF) 유도체, 치환되거나 비치환된 폴리(p-피리딘), 치환되거나 비치환된 폴리(p-피리달비닐렌) 유도체, 치환되거나 비치환된 폴리(p-페닐렌) 가교물(ladder) 및 스텝-가교물(step-ladder) 중합체, 및 이들의 공중합체를 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니며, 이는 디아즈-가르시아(Diaz-Garcia) 등의 미국 특허 제5,881,083호 및 그 참조문헌에 개시되어 있다. 치환기로는 알킬, 사이클로알킬, 알케닐, 아릴, 헤테로아릴, 알콕시, 아릴옥시, 아미노, 니트로, 티오, 할로, 하이드록시 및 시아노를 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다. 전형적인 중합체로는 폴리(p-페닐렌비닐렌), 다이알킬-, 다이아릴-, 다이아미노- 또는 다이알콕시-치환된 PPV, 모노 알킬-모노 알콕시-치환된 PPV, 모노 아릴-치환된 PPV, 9,9'-다이알킬 또는 다이아릴-치환된 PF, 9,9'-모노 알킬-모노 아릴-치환된 PF, 9-모노 알킬 또는 아릴-치환된 PF, PPP, 다이알킬-, 다이아미노-, 다이아릴- 또는 다이알콕시-치환된 PPP, 모노 알킬-, 아릴-, 알콕시- 또는 아미노-치환된 PPP를 들 수 있다. 또한, 폴리(N-비닐카바졸)(PVK), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린과 같은 중합체 물질, 및 폴리(3,4-에틸 렌다이옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT/PSS)와 같은 공중합체가 사용될 수 있다.
상기 유기 물질은 승화를 통해 적절히 증착되나, 필름 형성을 향상시키기 위해서는 임의의 결합제를 갖는 용매로부터 증착될 수 있다. 상기 유기 물질이 중합체인 경우에는 용매 증착이 일반적으로 바람직하다. 승화에 의해 증착되는 물질은 흔히 탄탈륨 물질로 이루어진 승화기 "보트(boat)"로부터 기화될 수 있거나(이는 미국 특허 제6,237,529호에 설명되어 있음), 또는 공여 시트(donor sheet) 상으로 먼저 코팅한 후 기판에 대해 보다 근거리에서 승화시킬 수 있다. 물질들의 혼합물로 이루어진 층은 별개의 승화기 보트들을 사용할 수 있고, 또는 상기 물질들을 예비혼합한 후 단일의 보트 또는 공여 시트를 사용하여 코팅시킬 수도 있다.
도 3에 도시되고 상술된 바와 같이, VCSEL 어레이는 대략 80×240㎛의 치수를 갖는 적색, 녹색 및 청색 방출 픽셀들을 함유한다. 방출 색은 레이징 통로의 길이 및 주기적 게인 영역(160)에 함유된 게인 매질의 형광 분광을 조합함으로써 측정된다. 주기적 게인 영역(160)에 함유된 게인 매질의 패턴화된 증착은 쉐도우 마스크(shadow mask), 통합 쉐도우 마스크(미국 특허 제5,294,870호), 공여 시트로부터의 공간-한정된 열 염료 전달(미국 특허 제5,688,551호, 제5,851,709호,제6,066,357호) 및 잉크젯 방법(미국 특허 제6,066,357호)을 사용하여 달성될 수 있다. 주기적 게인 영역(160)이 하나보다 많은 층이라면, 패턴화된 증착은 그에 따라 반복될 필요가 있다.
대부분의 유기-계 레이저 디바이스는 수분 또는 산소, 또는 이들 둘 다에 민 감하므로, 통상적으로 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 밀봉된다. 알루미나, 보오크사이트, 황산칼슘, 점토, 실리카겔, 제올라이트, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 설페이트, 금속 할라이드 및 퍼클로레이트와 같은 건조제가 밀봉된 디바이스 내에 함입될 수 있다. 캡슐화 및 건조를 위한 방법으로는 미국 특허 제6,226,890호에 기술된 방법들을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 캡슐화를 위해, SiOx, 테플론과 같은 장벽층 및 무기/중합체 층을 교대로 배치하는 것 등이 당 분야에 공지되어 있다.
스페이서 층(170)에 있어서, 레이저 광(190) 및 펌프-빔 광(180) 둘 다에 대해 고투과성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 실시양태에서, 스페이서 물질로서 1,1-비스(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥세인(TAPC)이 선택되는데, 이는 TAPC가 가시광선 및 근 자외선 분광에 걸쳐 매우 낮은 흡광도를 가지며 그의 굴절율이 대부분의 유기 호스트 물질의 굴절율 보다 약간 더 낮기 때문이다. 이러한 굴절율의 차이는 정상 e-장 파복 및 주기적 게인 영역(160) 간의 겹침을 최대화시키도록 돕는다. 유기 스페이서 물질 외에도, 스페이서 층(170)은 또한 SiO2와 같은 무기 물질로 이루어질 수 있는데, 이는 낮은 흡광도를 가지며 굴절율이 유기 호스트 물질의 굴절율보다 작기 때문이다. 무기-계 스페이서 층 사용시, 무기 물질은 열 증발, 저 증착 온도(약 70℃)에서의 e-빔 증착 또는 콜로이드법에 의해 증착될 수 있다.
활성 영역(130)의 증착에 이어, 보다 낮은 네트 게인 영역(150)을 형성하기 위해 주기적 게인 영역(160)의 네트 게인을 공간적으로 패턴화하는 것이 필요하다. 도 2에 나타낸 실시양태의 경우, 주기적 게인 영역(160)의 방출 특성을 국부적으로 감쇠함으로써 보다 낮은 네트 게인 영역(150)을 생성한다. 보다 낮은 네트 게인 영역(150)을 형성하는 효율적인 방법(유기계 게인 매질의 경우)은 표준 포토리소그래피 마스크와 UV 노출 장치를 사용하여 주기적 게인 영역(160)의 패턴화된 UV 노출 부위를 생성하는 것이다. 유기 매질은 고 강도 UV 광(예를 들면 365nm에서의 수은 아크 램프의 i-선)에 민감하기 때문에, 이러한 기법은 주기적 게인 영역(160)의 UV 노출 부위의 방출 강도를 낮추는 데에 매우 효율적이다. 상술한 바와 같이, UV 노출 부위(보다 낮은 네트 게인 영역(150))는 픽셀간 영역들(210)에 부합되며, 비노출 부위는 레이저 픽셀들(200)에 부합된다. 바람직한 실시양태에서, 레이저 픽셀(200)의 형태는 원형이나, 직사각형과 같은 다른 픽셀 형태 또한 가능하다. 레이저 픽셀(200)의 크기는 2.5 내지 20 마이크론 범위이다. 단일 횡단 모드 레이저 작동의 경우, 바람직한 레이저 픽셀(200) 직경은 2.5 내지 4.5㎛ 이다. 픽셀간 이격은 0.25 내지 4㎛ 범위이다. 일반적으로, 이격된 레이저 픽셀들(200)은 동일하거나 상이한 크기를 가질 수 있으며, 픽셀들 간의 이격은 동일하거나 상이한 길이를 가질 수 있어, VCSEL 어레이 디바이스(100)의 출력은 국부적으로 단일 모드 또는 다중 모드 레이저 출력을 생성할 수 있다. 고강도 UV 방사선 이외에 당 분야에 통상적으로 실시되는 다른 방법들에 의해서도 주기적 게인 영역(160)의 방출 강도를 국부적으로 조절할 수 있음은 주지해야 한다.
활성 영역(130)의 성장 및 보다 낮은 네트 게인 영역(150)의 형성 후, 상부 유전체 스택(140)이 증착된다. 상부 유전체 스택(140)은 하부 유전체 스택(120)으로부터 이격되며 소정의 파장 범위에 걸쳐 광에 대해 반사성이다. 상부 유전체 스택(140)의 조성은 하부 유전체 스택의 조성과 유사하다. 상부 유전체 스택(140)이 유기물을 함유하는(유기-계 게인 매질의 경우) 활성 영역(130) 상에 증착되므로, 유기물의 용융을 피하기 위해서는 상부 유전체 스택(140)의 증착 온도를 낮게 유지하여야 한다. 그 결과, 상부 유전체 스택(140)의 전형적인 증착 온도는 100℃ 이하이다. 상부 유전체 스택은 e-빔, 저에너지 스퍼터링, 콜로이드 증착법과 같은 통상적인 기법에 의해 증착될 수 있다. 효과적인 레이징 성능을 얻기 위해, 상부 및 하부 유전체 스택의 피크 반사율은 99%보다 큰 것이 바람직하며, 이때 반사율이 작을수록 더 큰 레이저 선폭이 초래된다.
VCSEL 어레이 디바이스(100)는 펌프-빔 입사광(180)에 의해 광학적으로 구동되어 레이저 광(190)을 방출한다. 유기-계 VCSEL 레이저 공동들의 작은 레이징 동력 밀도 임계치의 결과, 펌프-빔은 합치되지 않는 LED 광일 수 있다. 도 2는 상부 유전체 스택(140)을 통과한 레이저 광(190)을 나타낸다. 다르게는, 유전체 스택 반사 특성의 적합한 고안에 의해서, 레이저 구조체는 기판(110)을 통과한 레이저 광(190)을 사용하여 상부 유전체 스택(140)을 통해 광학적으로 펌핑될 수 있다. VCSEL 어레이 디바이스(100)의 작동은 다음과 같다. 펌프-빔 광(180)은 기판(110) 및 하부 유전체 스택(120)을 투과하여 주기적 게인 영역(160)에 의해 흡수되는데, 이때 펌프-빔 에너지의 일부는 레이저 픽셀(200)의 위치에서 더 긴 파장의 레이저 광으로서 재방출된다. 펌프-빔 광(180)이 기판(110)을 통해 입사시, 레이저 광(190) 대부분이 상부 유전체 스택(140)을 통해 나오게 하기 위해서는, 하부 유전체 스택(120) 피크 반사율보다 작은 상부 유전체 스택 피크 반사율을 선택하는 것이 필요하다. 디바이스의 동력 전환 효율을 개선시키기 위해, 상부 유전체 스택(140)이 펌프-빔 광(180)에 대해 고반사성이고 하부 유전체 스택(120)이 펌프-빔 광(180)에 대해 고 투과성이 되도록 유전체 스택 둘 다에 추가의 유전체 층들을 첨가하는 것이 통상적이다.
상술한 바와 같이, 주기적 게인 영역(160)의 네트 게인을 공간적으로 변조하는 또 다른 방법으로서 펌프-빔 광(180)에 의해서 주기적 게인 영역(160)의 여기를 변조하는 것이다. 본 발명의 또 다른 실시양태는 도 4에 주어진 흡수 소자(155)를 함유하는 레이저 어레이 디바이스(102)이다. 마이크론-크기의 레이저 픽셀 형태를 형성하고 회절 효과를 감소시키기 위해, 흡수 소자(155)를 활성 영역(130)에 인접하게 위치시키는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 일단 유기물들이 증착되면 레이저 디바이스 상에 포토리소그래피-계 공정을 수행하는 것이 곤란하므로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 복굴절 층(126)과 활성 영역(130) 사이에 흡수 소자를 위치시키는 것이 바람직하다. 흡수 소자(155)의 조성물은 펌프-빔 광(180)은 흡수하고 레이저 광(190)은 최소한으로 흡수하면서 산란시키는 임의의 물질이다. 펌프-빔 광(180)의 방출 파장에서 흡수 소자(155)의 흡수 계수는 104 cm-1보다 큰 것이 바람직하다. 흡수 소자(155)의 두께는, 펌프-빔 광(180)의 상당 부분이 흡수 소자에 의해 흡수되도록 선택된다. 바람직한 흡광율은 25%보다 크다. 패턴화된 흡수 층 의 제조와 관련하여, 다양한 방법들이 수행될 수 있다. 첫 번째 방법은 균일한 염료 층(157)을 증착시킨 후 패턴화된 UV 광을 사용하여 상기 염료 층(157)의 흡수 계수를 선택적으로 변환시키는 것이다. 도 2를 참고하여 상술한 바와 같이, UV 광은 통상적인 포토리소그래피 마스크를 사용하여 패턴화될 수 있다. 염료 층(157)의 흡수 계수를 변환시키는 것에 관해서, 이는 염료 분자들을 표백하거나(흡광도를 선택적으로 낮춤), 또는 염료 분자들을 분리시켜 펌프-빔 광(180)을 더욱 강하게 흡수하는 종을 만듦으로써(흡광도를 선택적으로 높임) 달성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 염료 층(157)과 흡수 소자(155) 둘 다 레이저 광(190)을 단지 약하게 흡수/산란시키는 것이 바람직하다. 흡수 소자(155)는 레이저 어레이 디바이스(102)를 편평하게 만드는 특징이 있다.
흡수 소자(155)를 증착시키기 위한 또 다른 방법은 염색된 포토레지스트를 사용하는 것이다. 이러한 방법으로 생성된 레이저 어레이 디바이스(103)를 도 5에 나타내었다. 이러한 형태의 염색된 포토레지스트들은 당 분야에 공지된 것들이며, 표준 포토리소그래피 기법에 의해 스핀 캐스팅되고 패턴화된다. 레이저 어레이 디바이스(102 또는 103)의 경우, 이격된 흡수 소자들(155)이 제조된 후, 활성 영역(130) 및 상부 유전체 스택(140)이 순차적으로 증착된다. 흡수 소자(155)가 복굴절 층(126) 및 활성 영역(130) 사이에 위치하여 펌프-빔 광(180)의 일부를 흡수해야 하므로, 펌프-빔 광(180)은 필수적으로 기판(110)을 통해 입사해야 한다. 당 분야에서 통상적으로 수행되는 다른 방법에 의해 흡수 소자(155)를 제조할 수 있 다. 예를 들면, 에칭된 피트(pit)들은 투명 층(예, SiO2) 내에 형성될 수 있고, 그 투명층 위에 흡수 소자(155) 물질이 증착될 수 있다. 그 후, 흡수 소자(155)가 에칭된 피트 영역에서만 잔존하도록 표준 화학 기계적 연마(CMP) 기법을 사용하여 흡수 소자(155) 물질을 연마할 수 있다. 상술한 바와 같이, 흡수 소자(155)의 위치는 픽셀간 영역(210)에 부합되며, 그 외 영역들은 레이저 픽셀(200)에 부합된다. 바람직한 실시양태에서, 레이저 픽셀(200)의 형태는 원형이나, 직사각형과 같은 다른 픽셀 형태 또한 가능하다. 레이저 픽셀(200)의 크기는 2.5 내지 20 마이크론 범위이다. 단일 횡단 모드 레이저 작동을 위한 바람직한 레이저 픽셀(200)의 직경은 2.5 내지 4.5㎛ 이다. 픽셀간 이격은 0.25 내지 4㎛ 범위이다. 일반적으로, 이격된 레이저 픽셀들(200)은 동일하거나 상이한 크기를 가질 수 있고, 픽셀들간의 이격은 동일하거나 상이한 길이를 가질 수 있어, 레이저 어레이 디바이스(102 또는 103)의 출력은 국부적인 단일 또는 다중 모드 레이저 출력을 생성시킨다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시양태를 나타낸다. 이 레이저 어레이 디바이스(104)는 도 5에 나타낸 것의 변형이다. 도 5에서, 활성 영역(130)은 흡수 소자(155) 상에 직접 성장된다. 그 결과, 염색된 포토레지스트에 의해 형성된 흡수 소자의 경우에는, 활성 영역(130) 및 상부 유전체 스택(140)이 비-평면(주름진) 표면 상에 증착된다(CMP가 수행된 후 에칭 피트에서 성장시키는 경우에는 평면 표면에서 야기된다). TiO2-SiO2와 같은 특정 다층 스택 조합의 경우에는, 주름진 표면 상에서의 증착으로 인해 스택들의 원주형 성장을 초래할 수 있다. 그 결과, 상부 유전체 스택(140)에서의 산란 손실이 향상된다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 활성 영역(130)을 증착하기 전에, 당 분야에 공지된 기법을 사용하여 흡수 소자(155)를 평탄화 층(158)에 의해 평탄화시킨다. 한 실시양태에서는, 이격된 흡수 소자들(155)을 제조한 후, 평탄화 층(158) 물질을 적절한 공정들에 의해 증착시킨다. 그 후, 당 분야에 공지된 CMP 기법을 이용하여, 평탄화 층(158) 물질이 흡수 소자(155)의 상부 표면과 동일 평면이 될 때까지(또는 이십 ㎚ 이내로) 평탄화 층(158) 물질을 연마한다. 평탄화 층(158)의 두 번째 실시양태는 폴리메틸-메타크릴레이트(PMMA)를 사용하는 것이다. 이 경우에는, 이격된 흡수 소자들(155) 상에 PMMA를 0.5 내지 3.0㎛의 두께로 스핀 캐스팅한 후, 통상적으로 150 내지 220℃에서 소성시킨다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지에 의하면, 전형적으로 PMMA 두께에 대한 흡수 소자 두께의 비가 3:1 또는 4:1인 경우, PMMA 표면의 평탄화를 가져온다. 평탄화를 위한 이들 세 가지 실시양태 이외에도, 당 분야의 숙련자에 의해 수행되는 기타 여러 방법들이 가능하다. 요약하면, 이격된 흡수 소자들(155)의 제조 후, 그리고 활성 영역(130)의 증착 전에 평탄화 층(158)을 첨가함으로써, 활성 영역(130) 및 상부 유전체 스택(140)에서의 산란 손실을 줄이고, 염색된 포토레지스트에 의해 형성된 흡수 소자(155)의 경우 더 높은 동력 전환 효율을 얻는다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시양태인 레이저 어레이 디바이스(106)를 도시한다. 이 경우, VCSEL 디바이스의 네트 게인을 공간적으로 변조하는 방법은 하부 유전체 스택(120)을 선택적으로 에칭(반사율 변조)하는 것이다. 산란 손실을 감소시키고 동력 전환 효율을 상응하게 증가시키기 위해서는, 정상 전자기장(e-장)의 강 도가 가장 높은 활성 영역(130) 부위로부터 하부 유전체 스택의 에칭된 표면을 제거하는 것이 바람직하다. 그 결과, 하부 유전체 스택(120)을 두 부분으로, 즉 제 1 부위(121) 및 제 2 부위(125)로 증착시킴으로 인해, 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 표면 내 에칭 영역(151)을 형성함으로써, 반사율 변조를 달성한다. 에칭된 영역(151)을 활성 영역(130)으로부터 멀리 위치시키기 위해서는, 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)가 레이저 광을 반사하는 유전체 층들을 최대 3 내지 5개 함유하는 것이 바람직하다. 펌프-빔 광(180)을 활성 영역(130)으로 재반사하기 위해 추가의 유전체 층들을 하부 스택에 첨가하는 경우, 이러한 유전체 층들을 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)에 우선 증착시켜야 한다.
패턴화된 에칭 영역(151)은 표준 포토리소그래피 및 에칭 기법을 사용하여 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)에 형성되므로, 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 표면 상에 이차원 어레이의 원주들을 형성시킨다. 바람직한 실시양태에서, 레이저 픽셀의 형태는 원형이나, 직사각형과 같은 다른 픽셀 형태 또한 가능하다. 픽셀간 이격은 0.25 내지 4㎛ 범위이다. 에칭 영역(151)을 제조하기 위해, 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 하나 또는 두 주기(period)가 제거되어야 한다는 것이 실험을 통해 확인되었다. 이보다 더 에칭이 깊을수록 전형적으로 보다 열등한 성능을 갖는 레이저 어레이가 야기된다. 에칭 영역(151)의 형성 후, 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)를 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121) 상에 증착한다. 도 7에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)는 에칭 영역(151)에 채워진다. 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)는 고 굴절률 유 전체 물질 및 저굴절률 유전체 물질(예, TiO2 및 SiO2)이 교대로된 층들로 이루어진다. 제 1 부위에서와 같이, 제 2 부위도 e-빔, PECVD, 스퍼터링, 졸-겔법 또는 콜로이드 증착법에 의해 증착될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시양태인 레이저 어레이 디바이스(108)를 도시한다. 이러한 디바이스(108)는 도 7에 나타낸 것의 변형이다. 도 7에서, 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)는 에칭 영역(151) 상에 직접 성장된다. 그 결과, 스택은 비-평면(주름진) 표면 위에 증착된다. TiO2-SiO2와 같은 특정 다층 스택 조합에 있어서, 주름진 표면 상의 증착은 스택들의 원주형 성장을 초래한다. 그 결과, 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)에서 산란 손실이 향상된다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)를 증착하기에 앞서, 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 에칭 표면을 평탄화 층(158)에 의해 평탄화시킨다. 평탄화 층(158)의 한 실시양태는 Ta2O5-SiO2 또는 TiO2-SiO2 다층 스택 시스템용 폴리이미드이다. 에칭 영역(151)을 형성한 후, 2 내지 3 마이크론의 폴리이미드를 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121) 표면 상에 스핀 캐스팅법으로 증착하고, 180 내지 250℃에서 소성함으로써 경화시킨다. 이어, 당 분야에 공지된 CMP 기법을 이용하여, 폴리이미드가 레이저 픽셀(200)의 위치에서 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 상부 표면과 동일평면이 될 때까지(또는 이십 ㎚ 이내로) 폴리이미드를 연마한다. 표준 CMP 슬러리에서 폴리이미드 및 산화물의 연마 비율 간의 큰 차이로 인해, 레이저 픽셀(200)의 위치에서 산화물 층이 연마되기 직전에 연마를 멈추 어야 한다.
Ta2O5-SiO2 다층 유전체 스택 시스템에 있어서, 평탄화 층(158)의 제 2 실시양태는 SiO2이다. 이 경우, 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 상부층은 Si3N4 박층이다. 질화규소는 플라즈마-향상된 화학 기상 증착법(CVD)에 의해 300 내지 400℃의 온도 범위에서 10 내지 200nm의 두께 범위로 증착될 수 있다. (에칭이 질화물 층 및 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 1 또는 2 주기에서 수행된) 에칭 영역(151)이 형성된 후, SiO2의 평탄화 층(158)을 CVD 또는 열 증발법에 의해 0.75 내지 2.0㎛ 두께로 증착한다. 폴리이미드 실시양태에서, SiO2가 질화규소 층의 상부와 동일평면이 될 때까지(또는 이십 ㎚ 이내로) 통상적인 또다른 슬러리로 CMP를 사용하여 SiO2를 연마한다. 3.5:1 보다 큰 연마 선택비의 결과, 질화규소 층의 상부가 연마되기 직전에 연마를 바로 멈추어야 한다. 임의의 다층 유전체 스택 시스템에 있어서, 평탄화 층(158)의 제 3 실시양태는 PMMA이다. 이 경우, PMMA는 하부 유전체 스택의 제 1 부위(121)의 에칭 표면 상에 0.5 내지 3.0㎛의 두께로 스핀 캐스팅된 후, 통상적으로 150 내지 220℃에서 소성된다. 평탄화를 위한 이들 세 가지 실시양태 이외에도, 당 분야의 숙련자에 의해 실시되는 다양한 방법들이 가능하다. 요약하면, 에칭 영역(151)의 형성 후, 그리고 하부 유전체 스택의 제 2 부위(125)의 증착 전에 평탄화 층(158)을 첨가함으로써, 활성 영역(130), 및 하부 및 상부 유전체 스택에서의 산란 손실을 줄이고, 더 높은 동력 전환 효율을 얻을 수 있다.
VCSEL 어레이 디바이스(100)를 함유하는 본 발명의 디스플레이를 사용하여, 간소화된 액정 디스플레이를 제조할 수 있다. 도 9에 도시된 더 간소화된 LCD는 전형적으로 백라이트 유닛(220), VCSEL 어레이 디바이스(100), 편광 층(305), 광 셔터 층(310), 빔 확장기(320)를 함유한다. 백라이트 유닛(220)은 VCSEL 어레이 디바이스(100)용 펌프-빔 광(180)을 제공한다. VCSEL 어레이 디바이스(100)는 광 셔트 층(310)에 대해 유색의 픽셀화된 광원을 제공한다. VCSEL 어레이 디바이스(100)가 복굴절 층(126)을 함유하는 경우, 그의 출력이 또한 편광되므로 편광 층(305)이 제한될 수 있다. 그렇지 않으면, 편광 층(305)은 레이저 광(190)의 한 편광을 광 셔트 층(310)으로 통과시킨다. 광 셔터 층(310)은 픽셀화된 구조체에서 편광된 광을 통과시키거나 차단한다. 빔 확장기(320)는 광 셔터 층(310)을 빠져나간 광을 취하여 그의 시야도를 확장시킨다.
도 10 내지 13에 나타낸 바와 같이, 펌프-빔 광(180)을 생성하는 백라이트 유닛(220)은 확산판(diffuser)(240), 및 발광 다이오드(LED)(230) 또는 냉 캐소드 형광 램프(CCFL)(280)로 구성된다. 확산판(240)은 VCSEL 어레이 디바이스(100) 상에 입사되는 광을 균질화한다. LED(230)는 전형적으로 도파관(260)의 가장자리를 조명한 후 VCSEL 어레이 디바이스(100)를 조명하도록 광의 방향을 바꾸는 선형 어레이(250)에, 또는 VCSEL 어레이 디바이스(100)를 직접적으로 조명하는 평면 어레이(270)에 존재한다. CCFL(280)은 전형적으로 도파관(260)의 가장자리를 조명하여 광이 VCSEL 어레이 디바이스(100)를 조명하도록 광의 방향을 바꾸거나, 또는 확산 판 아래에서 열(row)(300)로 배향되어 VCSEL 어레이 디바이스(100)를 직접 조명한다.
VCSEL 어레이 디바이스(100)의 작은 발산각은 레이저 어레이의 방출 소자(205) 및 광 셔터 층(310)의 색 소자 간의 1:1 대응을 가능하게 한다. 이에 따라, 더 이상 광 셔터 층(310)의 구성요소 중 하나로서 컬러 필터 어레이를 포함할 필요가 없다. 광 셔터 층(310)은 단지 VCSEL 어레이 디바이스(100)로부터 입사한 유색 광을 변조하기 위해 필요할 뿐이어서, 컬러 필터 어레이와 관련된 효율 손실이 제한된다. VCSEL 어레이 디바이스(100)로부터의 광 출력의 근 시준의 추가의 특징은 시야각 보상 필름이 디스플레이 구조로부터 제거될 수 있다는 점이다. 또한, VCSEL 어레이 디바이스(100) 광 출력의 자연적인 시준(3 내지 5°의 발산각)으로 인해, 백라이트 유닛(220)에 전형적으로 포함되는 시준 필름이 제거될 수 있다. 디스플레이 구조체로부터 시야각 보상 필름 및 시준 필름을 제한함으로써, 액정 디스플레이 디바이스의 비용은 감소될 수 있다. 그러나, 이웃한 픽셀들로부터의 광 누출을 방지하기 위해서는, VCSEL 어레이 디바이스(100) 광 출력의 매우 작은 발산이 원인이 되어야 한다. 올바르지 않은 색의 광이 이웃한 픽셀을 통해 탈출하는 것을 방지하기 위해서, 레이저 어레이의 방출 소자(205)의 크기는 레이저 광이 광 셔터 층(310)으로 횡단할 때 약 80×240㎛의 적절한 픽셀 치수로 범위를 정하도록 약간 감소되어야 한다. 방출 소자의 크기는 하부 유전체 스택(120) 및 기판(110) 사이의 물질을 선택적으로 증착시킴으로써 조정될 수 있다. 바람직한 금속은 널리 알려진 증발 기법에 의해 선택적으로 증착될 수 있는 Al 또는 Ag이다. 이러한 금 속은 펌프-빔 광(180)에 대해 높은 반사성이며, 펌프-빔 광이 금속 증착들 사이를 통과할 때까지 펌프-빔 광(180)의 재순환을 야기시킬 것이다.
VCSEL 어레이 디다이스(100) 내에 구성요소로서 복굴절 층(126)(또는 VCSEL 어레이 광 출력의 바람직한 편광에 영향을 주는 다른 통상적인 수단)을 도입하면, 이차원 수직 공동 레이저 어레이로부터의 다중 모드 레이저 광 출력이 한 방향을 따라서 우선적으로 편광될 것이다. 그 결과, 하부 편광판 소자 및 그와 관련된 반사형 편광판 소자는 백라이트 유닛(220)에서 요구되지 않는다. 디스플레이 구조체로부터 이러한 소자들을 제거하는 것은 비용 절감을 가져온다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서는 VCSEL 출력을 우선적으로 편광시키기 위해 아무런 노력도 할 필요가 없다. 그 경우에는, VCSEL 어레이 디바이스(100)의 상부와 광 셔터 층(310)의 하부 사이에 편광 층(305)을 첨가할 필요가 있을 것이다. 상술한 바와 같은 VCSEL 광 출력의 발산으로 인해, 첨가된 편광 층(305)은 실질적으로 얇은 것이 바람직하다. 예를 들면, 최근의 편광판들은 약 10 ㎛의 두께를 갖는다.
도 14에 도시된 광 셔터 층(310)은 전형적으로 VCSEL 어레이 디바이스(100)로부터 가장 먼 쪽에 검광판(340)을 갖는 액정 셀(330)이다. 이 액정 셀(330)은 CFA를 함유하지 않는다는 것을 제외하고는 통상적인 액정 셀과 유사하다. VCSEL 어레이 디바이스(100)로부터의 광 출력이 적색, 녹색 및 청색 레이저 광 방출로 픽셀화되기 때문에 액정 셀(330)은 CFA를 필요로 하지 않는다. 액정 셀(330)은 상부 및 하부에 액정 기판(350)을 포함한다. 액정 셀(330) 중의 액정 기판(350)은 유리판 또는 플라스틱 기판을 포함할 수 있다. 액정 기판(350)의 두께는, 인접한 픽셀 을 통한 광 누출을 초래할 수 있는 시차(parallax)를 방지할 만큼 충분히 얇아야 한다. 액정 기판(350)의 두께는 바람직하게는 0.5mm 미만이어야 한다. 액정 기판(350) 둘 다는 패턴화된 투명 전도 층(360)으로 코팅된다. 전형적인 투명 전도체는 인듐 주석 산화물이다. 투명 전도 층들(360) 각각의 상부 위에는 정렬 층(370)이 코팅된다. 마지막으로, 두 정렬 층들(370) 사이에 액정 물질(380)이 코팅된다. 액정 셀(330)은 전압을 선택적으로 인가하여 액정 분자들을 배향시킴으로써 VCSEL 어레이 디바이스(100)로부터의 광 강도 출력을 변조시킨다. 액정 셀(330)은 또한 각각의 픽셀 위치에서 박막 트랜지스터를 함유하여 디스플레이가 활발하게 구동되게 한다. 그러나, 본 발명은 특정한 구동 기작을 필요로 하지 않는다. 광 셔터 층(310)은 또한 액정 셀(330)로부터의 편광된 광 출력을 해소하는 검광판(340)을 포함한다.
당 분야의 숙련자는 다른 광 셔터가 본 발명에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 전기 습윤(electrowetting)에 의해 제공되는 광 셔터가 그 일례이다. 이러한 광 스위치에서, 헤이즈(Hayes) 등(Nature, 425, 383, 2003)에 의해 입증된 바와 같이, 전기장의 인가는 염료-함유 오일 액적이 픽셀 각각의 표면을 덮는 정도를 변화시킨다. 결과적으로, 전기장은 픽셀 표면의 소수성을 개질시킨다. 헤이즈 등은 문헌에서 반사성 디스플레이용으로 사용된 스위치를 구상하였으며, 이때 반사는 오일 액적의 뒤에 있는 백색 반사판에 의해 이루어진다. 배면판이 반사성이 아니라 투명한 경우에는 전기 습윤 스위치가 투과에 사용될 수도 있다.
VCSEL 어레이 디바이스(100)의 광 출력이 근 시준되기 때문에, 유색의 광 출 력의 각 콘을 증가시키기 위해 도 9의 LCD 디바이스의 최종 소자로서 빔 확장기(320)를 포함할 필요가 있다. 빔 확장기(320)를 포함하는 가능한 구성요소는 확산판 소자 또는 마이크로렌즈 어레이일 수 있다. 상기 구성요소는 디스플레이 이미지의 선명도를 유지하면서 시야도를 증가시켜야 한다. 보다 구체적으로, 빔 확장기(320)를 빠져나올 때, 각각의 픽셀은 빔 확장기(320)를 도입하기 전만큼 명백하게 구별될 수 있어야 한다. 사용하고자 하는 용도에 따라, 빔 확장기(320)에 의한 시야도의 확장은 그에 따라 조정될 수 있다.
본 발명은 그의 특정 바람직한 실시양태를 참고로하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명의 진의 및 범위내에서 변경 및 변화가 생길 수 있다.
Claims (74)
- 유색의 픽셀화된 광을 생성하는 디스플레이 장치로서,a) 펌프-빔(pump-beam) 광을 생성하는 백라이트 유닛;b) i) 이격된 위치에서 디바이스의 특성을 조절하여 픽셀간 영역(interpixel region)들보다 더 높은 네트 게인(net gain)을 갖는 이격된 레이저 픽셀들의 어레이를 제공하는 구조체; 및 ii) 상기 펌프-빔 광에 응답하여 상이한 유색 광을 생성하는 부분들을 포함하는 활성 영역을 포함하는, 수직 공동 레이저 어레이 디바이스;c) 광 셔터(light shutter); 및d) 상기 광 셔터 상에 배치되며, 선택된 유색 광의 시야 각 콘(angular cone of view)을 증가시키는 빔 확장기(beam expander)를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스와 상기 광 셔터 사이에 편광 층이 제공되는 디스플레이 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스가 소정의 편광 방향을 갖는 편광된 광을 생성하도록 상기 레이저 어레이 디바이스 내에 배치된 복굴절 층을 추가로 포함하 는 디스플레이 장치.
- 유색의 픽셀화된 광을 생성하는 디스플레이 장치로서,a) 펌프-빔 광을 생성하는 백라이트 유닛;b) i) 투명 기판; ii) 상기 기판 위에 배치되고, 소정의 파장 범위에 걸쳐 광에 반사성인 하부 유전체 스택; iii) 이격된 위치에서 상기 디바이스의 특성을 조절하여 픽셀간 영역보다 높은 네트 게인을 갖는 이격된 레이저 픽셀의 어레이를 제공하는 수단; iv) 상기 펌프-빔 광에 응답하여 상이한 유색 광을 생성하는 부분들을 포함하는 활성 영역; 및 v) 상기 하부 유전체 스택으로부터 이격되고, 소정의 파장 범위에 걸쳐 광에 반사성인 상부 유전체 스택을 갖는, 수직 공동 레이저 어레이 디바이스;c) 상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스로부터 선택된 유색 광을 통과시키는 광 셔터; 및d) 상기 광 셔터 상에 배치되며, 선택된 유색 광의 시야 각 콘을 증가시키는 빔 확장기를 포함하는, 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스와 상기 광 셔터 사이에 편광 층이 제공되는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스가 소정의 편광 방향을 갖는 편광된 광을 생성하도록 상기 레이저 어레이 디바이스 내에 배치된 복굴절 층을 추가로 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 광 셔터가, 선택된 광을 통과시키도록 인가된 장에 응답하는 액정을 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 광 셔터가 하나 이상의 편광 필름 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 광 셔터가 전기 습윤 스위치(electrowetting switch)를 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 백라이트 유닛이 발광 다이오드 또는 냉 캐소드 형광 램프를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 활성 영역이 하나 이상의 주기적 게인 영역(들), 및 상기 주기적 게인 영역(들)중 어느 한 면에 배치되고 상기 주기적 게인 영역(들)이 디바이스의 정상파 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 스페이서 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 적색, 녹색 또는 청색 광을 생성하는 디스플레이 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)이 유기 호스트 물질 및 도판트를 포함하고, 상기 스페이서 층이 펌프-빔 광 및 레이저 광에 대해 실질적으로 투명한, 디스플레이 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 스페이서 층이 1,1-비스-(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥세인 또는 규소 다이옥사이드를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 12 항에 있어서,녹색 광을 생성하는 상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)의 호스트 물질 및 [10-(2-벤조티아졸일)-2,3,6,7-테트라하이드로- 1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H,11H-[1]벤조피라노[6,7,8-ij]퀴놀리진-11-온]의 도판트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 12 항에 있어서,적색 광을 생성하는 상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)의 호스트 물질 및 [4-(다이시아노메틸렌)-2-t-뷰틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸쥬롤리딜-9-에닐)-4H-피란]의 도판트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 12 항에 있어서,청색 광을 생성하는 상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 2-t-뷰틸-9,10-다이-나프탈렌-2-일-안트라센의 호스트 물질 및 2,5,8,11-테트라키스(1,1-다이메틸에틸)-페릴렌의 도판트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)이 중합체 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)이 무기 나노입자를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 이격된 레이저 픽셀들이 동일 또는 상이한 크기를 가지고, 상기 픽셀들간의 이격이 동일 또는 상이한 길이를 가져서, 상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스의 출력이 단일 또는 다중 모드 레이저 출력을 생성하게 하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 픽셀들간의 이격이 0.25 내지 4 마이크론 범위인 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 픽셀들의 크기가 2.5 내지 20 마이크론 범위인 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 픽셀들이 주기적 이차원 어레이로 배열된 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 픽셀들이 이차원 어레이로 무작위로 배열된 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 이격된 레이저 픽셀들의 어레이가 펌프-빔 광을 흡수도록 선택된 복수개의 이격된 흡수 소자를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 이격된 레이저 픽셀들의 어레이가 이격된 위치에서 상기 활성 영역의 방출 특성을 변화시키는 것을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 26 항에 있어서,상기 방출 특성이 고강도 UV 방사선에 의해 변화되는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 이격된 레이저 픽셀들의 어레이가 선택적으로 상기 하부 유전체 스택의 상부 표면에서 에칭 영역을 형성하는 것을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 28 항에 있어서,상기 선택적으로 에칭된 하부 유전체 스택 상에 평탄화 층이 형성된 디스플레이 장치.
- 제 29 항에 있어서,상기 평탄화 층이 폴리이미드 또는 SiO2를 포함하며, 화학 기계적 연마 시스템에 의해 박막화되는 디스플레이 장치.
- 제 29 항에 있어서,상기 평탄화 층이 폴리메틸-메타크릴레이트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 복굴절 층이 상기 활성 영역과 상기 하부 또는 상부 유전체 층들 사이에 배치된 디스플레이 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 복굴절 층이 상기 유전체 스택들중 하나 내에 배치된 디스플레이 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 복굴절 층이 복굴절 층의 양 면중 하나 이상의 면에 배치된 정렬 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 34 항에 있어서,상기 정렬 층이 광-정렬 방법에 의한 배향을 허용하는 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 34 항에 있어서,상기 정렬 층이 기계적 러빙(rubbing)에 의해 배향을 허용하는 물질을 포함하는 디 스플레이 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 복굴절 층이 포지티브 또는 네가티브 복굴절 물질을 포함하고, 이의 광축이 0° 내지 20°의 평균 경사각을 갖는 디스플레이 장치.
- 제 37 항에 있어서,상기 복굴절 물질이 중합체성 액정을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 펌프-빔 광이 투과되어 상기 유전체 스택들중 하나 이상을 통해 활성 영역으로 도입되는 디스플레이 장치.
- 유색의 픽셀화된 광을 생성하는 디스플레이 장치로서,a) 펌프-빔 광을 생성하는 백라이트 유닛;b) i) 하부 유전체 스택의 제 1 부위의 상부 표면에 선택적으로 형성되어, 픽셀간 영역보다 높은 네트 게인을 갖는 이격된 레이저 픽셀의 어레이를 제공하는 에칭 영역; 및 ii) 상기 펌프-빔 광에 응답하여 상이한 유색 광을 생성하는 부분들을 포함하는 활성 영역을 포함하는, 수직 공동 레이저 어레이 디바이스;c) 광 셔터; 및d) 상기 광 셔터 상에 배치되며, 선택된 유색 광의 시야 각 콘을 증가시키는 빔 확장기를 포함하는, 디스플레이 장치.
- 제 40 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스와 상기 광 셔터 사이에 편광 층이 제공되는 디스플레이 장치.
- 제 40 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스가 소정의 편광 방향을 갖는 편광된 광을 생성하도록 상기 레이저 어레이 디바이스 내에 배치된 복굴절 층을 추가로 포함하는 디스플레이 장치.
- 유색의 픽셀화된 광을 생성하는 디스플레이 장치로서,a) 펌프-빔 광을 생성하는 백라이트 유닛;b) i) 투명 기판; ii) 상기 기판 위에 배치되고, 소정의 파장 범위에 걸쳐 광에 반사성인 하부 유전체 스택의 제 1 부위; iii) 상기 하부 유전체 스택의 제 1 부위의 상부 표면에 선택적으로 형성되어, 픽셀간 영역보다 높은 네트 게인을 갖는 이격된 레이저 픽셀의 어레이를 제공하는 에칭 영역; iv) 상기 에칭된 제 1 부위 상에 형성된 하부 유전체 스택의 제 2 부위; v) 상기 펌프-빔 광에 응답하여 상이한 유색 광을 생성하는 부분들을 포함하는 활성 영역; 및 vi) 상기 하부 유전체 스택으로부 터 이격되고, 소정의 파장 범위에 걸쳐 광에 반사성인 상부 유전체 스택을 갖는, 수직 공동 레이저 어레이 디바이스;c) 상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스로부터 선택된 유색 광을 통과시키는 광 셔터; 및d) 상기 광 셔터 상에 배치되며, 선택된 유색 광의 시야 각 콘을 증가시키는 빔 확장기를 포함하는, 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스와 상기 광 셔터 사이에 편광 층이 제공되는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스가 소정의 편광 방향을 갖는 편광된 광을 생성하도록 상기 레이저 어레이 디바이스 내에 배치된 복굴절 층을 추가로 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 광 셔터가, 선택된 광을 통과시키도록 인가된 장에 응답하는 액정을 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 광 셔터가 하나 이상의 편광 필름 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 광 셔터가 전기 습윤 스위치를 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 백라이트 유닛이 발광 다이오드 또는 냉 캐소드 형광 램프를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 활성 영역이 하나 이상의 주기적 게인 영역(들), 및 상기 주기적 게인 영역(들)중 어느 한 면에 배치되고 상기 주기적 게인 영역(들)이 디바이스의 정상파 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 스페이서 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 50 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 적색, 녹색 또는 청색 광을 생성하는 디스플레이 장치.
- 제 50 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)이 유기 호스트 물질 및 도판트를 포함하고, 상기 스페이서 층이 펌프-빔 광 및 레이저 광에 대해 실질적으로 투명한, 디스플레이 장치.
- 제 50 항에 있어서,상기 스페이서 층이 1,1-비스-(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥세인 또는 규소 다이옥사이드를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 51 항에 있어서,녹색 광을 생성하는 상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)의 호스트 물질 및 [10-(2-벤조티아졸일)-2,3,6,7-테트라하이드로-1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H,11H-[1]벤조피라노[6,7,8-ij]퀴놀리진-11-온]의 도판트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 51 항에 있어서,적색 광을 생성하는 상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)의 호스트 물질 및 [4-(다이시아노메틸렌)-2-t-뷰틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸쥬롤리딜-9-에닐)-4H-피란]의 도판트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 51 항에 있어서,청색 광을 생성하는 상기 주기적 게인 영역(들)의 부분들이 2-t-뷰틸-9,10-다이-나프탈렌-2-일-안트라센의 호스트 물질 및 2,5,8,11-테트라키스(1,1-다이메틸에틸)-페릴렌의 도판트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 50 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)이 중합체 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 50 항에 있어서,상기 주기적 게인 영역(들)이 무기 나노입자를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 이격된 레이저 픽셀들이 동일 또는 상이한 크기를 가지고, 상기 픽셀들간의 이격이 동일 또는 상이한 길이를 가져서, 상기 수직 공동 레이저 어레이 디바이스의 출력이 단일 또는 다중 모드 레이저 출력을 생성하게 하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 픽셀들간의 이격이 0.25 내지 4 마이크론 범위인 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 픽셀들의 크기가 2.5 내지 20 마이크론 범위인 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 픽셀들이 주기적 이차원 어레이로 배열된 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 픽셀들이 이차원 어레이로 무작위로 배열된 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 하부 유전체 스택의 제 1 부위와 제 2 부위 사이에 평탄화 층이 형성된 디스플레이 장치.
- 제 64 항에 있어서,상기 평탄화 층이 폴리이미드 또는 SiO2를 포함하며, 화학 기계적 연마 시스템에 의해 박막화되는 디스플레이 장치.
- 제 64 항에 있어서,상기 평탄화 층이 폴리메틸-메타크릴레이트를 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 45 항에 있어서,상기 복굴절 층이 상기 활성 영역과 하부 또는 상부 유전체 층들 사이에 배치된 디스플레이 장치.
- 제 45 항에 있어서,상기 복굴절 층이 상기 유전체 스택들중 하나 내에 배치된 디스플레이 장치.
- 제 45 항에 있어서,상기 복굴절 층이 이의 양 면중 하나 이상에 배치된 정렬 층을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 69 항에 있어서,상기 정렬 층이 광-정렬 방법에 의한 배향을 허용하기에 적합한 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 69 항에 있어서,상기 정렬 층이 기계적 러빙에 의해 배향을 허용하기에 적합한 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 45 항에 있어서,상기 복굴절 층이 포지티브 또는 네가티브 복굴절 물질을 포함하고, 이의 광축이 0 ° 내지 20°의 평균 경사각을 갖는 디스플레이 장치.
- 제 72 항에 있어서,상기 복굴절 물질이 중합체성 액정을 포함하는 디스플레이 장치.
- 제 43 항에 있어서,상기 펌프-빔 광이 투과되어 상기 유전체 스택들중 하나 이상을 통해 활성 영역으로 도입되는 디스플레이 장치.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
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