KR20090050048A - 멀티 모드 에너지 레벨 분포들을 나타내는 나노 결정들을 갖는 발광 재료들 - Google Patents
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Abstract
발광 재료들(12, 12', 12")은 복수의 나노 결정 (20, 20', 20", 22, 22', 22")을 포함한다. 나노 결정들(20, 20', 20", 22, 22', 22") 중 적어도 일부는 자극시에 전자기 방사선을 방출하도록 구성되고, 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타낼 수 있다. 나노 결정들(20, 20', 20", 22, 22', 22")의 분포는 상기 다중 모드 에너지 레벨 분포 중 하나의 에너지 레벨 모드(26, 27)를 나타내는 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22") 중 일부의 발광 효율을 향상시키도록 선택적으로 설정될 수 있다. 발광 다이오드들(10) 및 전자 장치들(56)은 그러한 발광 재료들(12, 12', 12")을 포함한다.
전자 장치, 발광 재료, 발광 다이오드, 나노 결정, 전자기 방사선
Description
본 발명은 발광 재료(전기발광 재료 및 광발광 재료를 포함함), 예를 들어 발광 다이오드와 같은 발광 장치, 및 발광 재료 또는 발광 장치를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 재료 전체에 분산된 발광 나노 결정들을 포함하는 발광 재료, 그러한 재료를 포함하는 유기 발광 다이오드(OLED), 및 그러한 발광 재료 또는 OLED를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 나노 결정들을 포함하는 발광 재료의 발광 효율을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다.
디스플레이 장치들은 예를 들어 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 랩톱 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨터, 휴대형 DVD 플레이어, 디지털 뮤직 플레이어 및 다른 휴대형 전자 장치들을 포함하는 전자 장치들에서 그래픽 이미지를 표시하는 데 사용된다. 또한, 평판 디스플레이 장치를 포함하는 텔레비전 및 모니터는 적어도 부분적으로는 이들의 감소된 치수 및 중량으로 인해 근년에 종래의 음극선관(CRT)을 대체하였다.
다양한 유형의 평판 디스플레이 장치가 이 분야에 공지되어 있다. 그러한 평판 디스플레이 장치들은 예를 들어 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 액정 디스플레이(LCD), 전기발광 디스플레이, 진공 형광 디스플레이, 전계 발광 디스플레이(FED), 전기변색 디스플레이, 발광 다이오드(LED) 디스플레이 및 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이를 포함한다.
OLED 디스플레이 장치는 예를 들어 비교적 낮은 전력 소비, 낮은 동작 온도, 제조의 용이성, 낮은 생산 비용, 빠른 응답 및 총천연색을 포함하는 여러 바람직한 특성을 나타낸다. 이러한 특성들은 OLED 디스플레이 장치에 대한 관심 및 연구의 증가로 이어졌다.
OLED 디스플레이 장치들은 통상적으로 적어도 하나의 OLED를 각기 포함하는 픽셀들의 정렬된 어레이 또는 매트릭스(예를 들어, 행들 및 열들)를 포함한다. 각각의 OLED는 통상적으로 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 하나 이상의 유기 발광 재료를 포함한다. 유기 발광 재료는 애노드와 캐소드 사이에 전기장이 인가될 때 전자기 스펙트럼(즉, 광)의 가시 영역의 파장들을 갖는 전자기 방사선을 방출하도록 구성되어 있다. 예를 들어, OLED 디스플레이 장치는 OLED들의 매트릭스를 포함할 수 있는데, 이들 중 1/3은 적색 광을 방출하도록 구성되고, 1/3은 녹색 광을 방출하도록 구성되며, 1/3은 청색 광을 방출하도록 구성된다. 매트릭스 내의 상이한 적색, 녹색 및 청색 OLED들을 선택적으로 조명함으로써, OLED 디스플레이 장치에 의해 사람의 눈으로 볼 수 있는 컬러 이미지가 표시될 수 있다. OLED에 사용하기 위한 다양한 유기 발광 재료가 적색, 녹색 및 청색 OLED에 사용하기 위해 이 분야에 제공되어 왔다.
OLED 디스플레이 장치들은 종종 디스플레이 장치의 발광 다이오드에 사용되는 유기 발광 재료의 성질에 따라 소분자 OLED(SM-OLED) 또는 폴리머 발광 다이오드 디스플레이(PLED)로서 분류된다.
최근에, 반도체 재료를 포함하는 나노 결정들을 OLED의 유기 발광 재료에 도입하는 것이 제안되어 왔다. 이러한 OLED는 "NC-OLED"로서 참조될 수 있다. 그러나, 이러한 노력은 제한된 성공에 직면하였다.
<발명의 요약>
일 양태에서, 본 발명은 재료 전반에 분산된 약 20 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 복수의 나노 결정을 포함하는 발광 재료를 포함한다. 나노 결정들의 적어도 일부는 자극시 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 복수의 나노 결정은 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타낼 수 있다. 더욱이, 재료 내의 나노 결정들의 분포는 다중 모드 에너지 레벨 분포 중 하나의 에너지 레벨 모드를 나타내는 복수의 나노 결정의 일부(fraction)의 발광 효율을 향상시키도록 선택적으로 구성될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 발광 다이오드를 갖는 전자 장치를 포함한다. 발광 다이오드는 애노드, 캐소드, 및 애노드의 적어도 일부와 캐소드의 적어도 일부 사이에 배치된 발광 재료를 포함한다. 발광 재료는 애노드와 캐소드 사이에 생성되는 전기장에 응답하여 그로부터 전자기 방사선을 방출하도록 구성된다. 발광 재료는 폴리머 재료 전반에 분산된 약 20 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 가질 수 있는 복수의 나노 결정을 포함한다. 나노 결정들의 적어도 일부는 자극시에 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 복수의 나노 결정은 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타낼 수 있다. 또한, 폴리머 재료 내의 나노 결정들의 분포는 다중 모드 에너지 레벨 분포 중 하나의 에너지 레벨 모드를 나타내는 복수의 나노 결정의 일부의 발광 효율을 향상시키도록 선택적으로 구성될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시키는 방법을 포함한다. 이 방법은 복수의 고에너지 나노 결정 및 복수의 저에너지 나노 결정을 제공하는 단계; 발광 다이오드에 사용하기 위한 폴리머 재료 전반에 상기 복수의 고에너지 나노 결정 및 상기 복수의 저에너지 나노 결정을 분산시키는 단계; 및 상기 폴리머 재료 내의 고에너지 나노 결정들 및 저에너지 나노 결정들의 상대 농도들을 선택적으로 조절하여 상기 저에너지 나노 결정들의 발광 효율을 향상시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징들, 이점들 및 대안 양태들은 첨부 도면들과 함께 이루어지는 아래의 상세한 설명의 고려로부터 이 분야의 전문가들에게 명백할 것이다.
본 명세서는 본 발명으로서 간주되는 것을 구체적으로 지시하고 명료하게 청구하는 청구범위로 마무리되지만, 본 발명의 이점들은 첨부 도면들과 관련하여 읽을 때 본 발명에 대한 아래의 설명으로부터 더욱 쉽게 확인될 수 있다.
도 1은 발광 재료를 포함하고, 본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 다이오드의 일 실시예의 개략도이다.
도 2A 및 도 2B는 도 1에 도시된 발광 재료 내의 예시적인 나노 결정들에 의 해 나타날 수 있는 상대 에너지 레벨 구조들을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 발광 재료에 포함된 나노 결정들에 의해 나타날 수 있는 다중 모드 에너지 레벨 분포의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 것과 같은 발광 다이오드에 사용될 수 있는 발광 재료의 다른 실시예의 부분도이다.
도 5는 도 1에 도시된 것과 같은 발광 다이오드에 사용될 수 있는 발광 재료의 또 다른 실시예의 부분도이다.
도 6은 도 1에 도시된 발광 재료 내의 나노 결정들에 의해 나타날 수 있는 이중 모드 방출 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 발광 재료 내의 제1 복수의 나노 결정에 의해 나타날 수 있는 방출 스펙트럼과 도 1에 도시된 발광 재료 내의 추가 복수의 발광 나노 결정에 의해 나타날 수 있는 흡수 스펙트럼 사이의 중복을 나타내는 그래프이다.
도 8은 발광 재료 내의 저에너지 나노 결정들의 수에 대한 고에너지 나노 결정들의 수의 비율과 저에너지 나노 결정들의 발광 효율 간의 잠재적인 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료 내의 나노 결정들에 의해 나타날 수 있는 삼중 모드 방출 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10A-10B는 도 1에 도시된 것과 같은 복수의 발광 다이오드를 포함하고, 본 발명의 교시 내용을 구현하는 전자 장치들에 사용될 수 있는 디스플레이 장치의 개략도이다.
본 명세서에서 사용될 때, "나노 입자"라는 용어는 약 100 나노미터 미만의 단면 치수를 갖는 물질의 입자를 의미한다. "나노 결정"이라는 용어는 대체로 결정인 원자 구조를 갖는 나노 입자를 의미한다. "발광 나노 결정"이라는 용어는 자극시에 전자기 방사선을 방출할 수 있는 나노 결정을 의미한다. "발광 효율"이라는 용어는 발광을 자극하기 위해 발광 재료에 인가되는 전력에 대한, 원하는 파장 범위의 전자기 방사선으로서 발광 재료로부터 방출되는 전력의 비율을 의미한다. 발광 재료에 인가되는 전력은 예를 들어 전기적 자극 또는 광학적 펌핑(optical pumping)에 의해 인가될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "고에너지 나노 결정"이라는 용어는 "저에너지 나노 결정"에 비해 더 높은 밴드갭 에너지를 나타내는 나노 결정을 의미하는 상대적 용어이다. "저에너지 나노 결정"이라는 용어는 "고에너지 나노 결정"에 비해 더 낮은 밴드갭 에너지를 나타내는 나노 결정을 의미하는 상대적 용어이다.
본 명세서에서 사용될 때, "III-V 타입 반도체 재료"라는 용어는 주기율표의 IIIB족(B, Al, Ga, In, Ti) 중 하나의 원소 또는 원소들 및 주기율표의 VB족(N, P, As, Sb, Bi) 중 하나의 원소 또는 원소들을 주로 포함하는 임의의 재료를 의미한다. "II-VI 타입 반도체 재료"라는 용어는 주기율표의 IIB족(Zn, Cd, Hg) 중 하나의 원소 또는 원소들 및 주기율표의 VIB족(O, S, Se, Te, Po) 중 하나의 원소 또는 원소들을 주로 포함하는 임의의 재료를 의미한다.
여기서 전술한 바와 같이, 예를 들어 OLED 장치들과 같은 전자 장치들에 사용하기 위한 유기 발광 재료에 나노 결정들을 포함시키는 것이 이 기술분야에서 제안되어 왔다. 이러한 OLED 장치들에서, 나노 결정들은 OLED 장치의 원하는 주요 발광 성분일 수 있다.
OLED의 유기 발광 재료 내의, 여기자(exciton)로서 참조되는, 전자-정공 쌍들이 재결합 프로세스에서 재결합하여 전자기 방사선의 광량자를 방출할 때(즉, 방사적으로 재결합할 때), OLED 장치로부터 광이 방출된다. 여기자들은 애노드와 캐소드 사이의 유기 발광 재료 양단에 전기장을 인가함으로써 OLED 장치의 유기 발광 재료 내에 생성될 수 있다.
재결합 전에, 전자들은 유기 발광 재료의 상대적으로 높은 에너지의 전도대에 배치될 수 있으며, 정공들은 유기 발광 재료의 상대적으로 낮은 에너지 가전자대에 배치될 수 있다. 반도체 재료(유기 또는 무기) 내의 전자 및 정공이 여기자를 형성하도록 결합할 때, 전자와 정공 간의 쿨롬 상호작용(Coulombic interaction)으로 인해 (종종 "결합 에너지"라고 하는) 여기자의 에너지의 작은 감소가 존재할 수 있다. 전자들이 전도대의 높은 에너지 상태에서 가전자대의 낮은 에너지 상태로 떨어짐에 따라, 전자기 방사선의 광량자(예를 들어, 광) 형태로 에너지가 방출될 수 있다. 전도대 내의 전자의 에너지 레벨과 가전자대 내의 정공의 에너지 레벨 간의, 결합 에너지만큼의 차이는 OLED에 의해 방출되는 전자기 방사선의 광량자의 파장을 적어도 부분적으로 결정한다.
발광 나노 결정들이 OLED의 유기 재료 내에 도입될 때, 유기 재료 내에 생성되는 여기자들은 나노 결정들로 전달될 수 있다. 여기자들의 전자-정공 쌍들이 나노 결정들 내에서 재결합하는 경우, 나노 결정들로부터 광이 방출될 수 있다. 나노 결정들의 에너지 레벨 구조는 주변 유기 재료의 에너지 레벨 구조와 다를 수 있으므로, 나노 결정들은 주변 유기 재료에 의해 방출되는 전자기 방사선의 임의의 파장들과 다른 파장들을 갖는 전자기 방사선을 방출하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 합성 발광 재료들에서, 나노 결정들은 발광 재료의 주요 발광 성분일 수 있다.
그러한 OLED 장치의 충분한 발광 효율을 제공하기 위하여, 주변 유기 재료 내의 나노 결정들을 가까이 이격시키는 것이 필요할 수 있다. 그러나, OLED 장치의 유기 재료 내의 나노 결정들의 농도가 증가함에 따라, 유기 재료 내의 나노 결정들의 농도가 임계 레벨에 도달할 때까지 OLED 장치의 발광 효율이 증가할 수 있다는 것이 관찰되었다. 유기 재료 내의 나노 결정들의 농도가 임계 레벨을 넘어서 증가할 때, 발광 효율은 감소할 수 있다.
이러한 발광 효율의 감소의 원인은 완전히 이해되지 않지만, 적어도 부분적으로는 유기 재료 내의 인접 나노 결정들 간의 여기자들의 비 방사적 공진 에너지 교환(non-radiative resonant energy exchange)에 기인하는 것으로 생각된다. 다양한 형태의 비 방사적 공진 에너지 전달이 예를 들어 Forster energy transfer (T. Forster, Ann. Phys. 6, 55 (1948); T. Forster, Transfer Mechanisms of Electronic Excitation, Discussion of the Faraday Society, Vol. 27, Pages 7-17 (1959) 및 Dexter energy transfer (D.L. Dexter, J. Chem. Phys., Vol. 21, Pages 836-50 (1953)을 포함하는 학술 논문에 설명되어 있다. 공진 에너지 전달을 일반적으로 설명하는 다른 참조 문헌은 G.D. Scholes, Long-Range Resonance Energy Transfer in Molecular Systems, Annu. Rev. Phys. Chem., Vol. 54, Pages 57-87 (2003)이다.
OLED 장치의 유기 발광 재료 내의 제한된 수의 "나쁜" 나노 결정들은 여기자들의 전자-정공 쌍들의 비 방사적 재결합을 촉진할 수 있는 결함들, 포획 전하들 또는 다른 특징들 또는 특성들을 가질 수 있다. 유기 재료 내의 나노 결정들의 농도가 전술한 임계 레벨을 넘어 증가함에 따라, 나노 결정들 사이의 여기자들의 Foster 교환(및 아마도 다른 형태의 비 방사적 공진 에너지 교환)의 레이트도 증가하는 것으로 생각된다. 따라서, 임의의 주어진 여기자가 방사적으로 재결합하기 전에 나쁜 나노 결정을 만날 확률이 증가할 수 있으며, 바람직하지 않은 비 방사적 재결합의 전체 레이트가 증가하고, 바람직한 방사적 재결합의 레이트가 감소할 수 있다.
본 발명의 교시 내용을 구현하는 예시적인 발광 다이오드(10)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(10)는 전반적인 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 발광 다이오드(10)는 애노드(14)와 캐소드(16) 사이에 배치된 발광 재료(12)를 포함할 수 있다. 발광 재료(12)는 자극시에 전자기 스펙트럼의 가시 영역(예를 들어, 약 400 나노미터와 약 750 나노미터 사이) 내의 하나 이상의 파장을 갖는 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 발광 재료(12)는 애노드(14)와 캐소드(16) 사이에 전압을 인가하여, 이들 사이의 발광 재료(12)를 가로질러 연장하는 전기장을 생성함으로써 자극될 수 있다.
애노드(14)와 캐소드(16) 간의 전기장은 발광 재료(12) 내에 여기자들(즉, 전자-정공 쌍들)을 생성할 수 있다. 여기자들의 전자-정공 쌍들이 재결합할 때, 재결합 바로 전의 전자의 상대적으로 높은 에너지 레벨과 정공의 상대적으로 낮은 에너지 레벨 간의, 여기자의 결합 에너지만큼의 차이에 의해 실질적으로 정의되는 에너지(즉, 파장 또는 주파수)를 갖는 전자기 방사선의 광량자가 방출될 수 있다.
제한이 아닌 예로서, 애노드(14)는 투명한 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 주석 산화물(ZTO), 금, 백금, 폴리머를 함유하는 탄소 나노 튜브, 및 다른 높은 일함수 재료들의 층을 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 캐소드(16)는 알루미늄, 바륨, 칼슘, 리튬 불화물, 및 다른 낮은 일함수 재료들의 층을 포함할 수 있다. 애노드(14) 및 캐소드(16)를 형성하는 데 사용될 수 있는 다양한 다른 재료들이 이 분야에 공지되어 있으며, 임의의 그러한 재료들이 발광 다이오드(10)의 애노드(14) 및 캐소드(16)를 제공하는 데 사용될 수 있다.
선택적으로, 발광 다이오드(10)는 애노드(14)에서 발광 재료(12)로의 정공들의 전달(transfer)을 돕도록 구성되는 정공 수송층(15)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 다이오드(10)는 캐소드(16)에서 발광 재료(12)로의 전자들의 전달을 돕도록 구성되는 전자 수송층(17)을 포함할 수 있다. 이러한 정공 수송층(15) 및 전자 수송층(17)은 이 분야에 공지되어 있다. 제한이 아닌 예로서, 정공 수송층(15)은 폴리(페닐렌 비닐렌)(PPV) 유도체(예를 들어, 시아노-치환 PPV 또는 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸-헥실록시)-1,4-페닐렌 비닐렌](MEH-PPV))의 층을 포함할 수 있으며, 전자 수송층(17)은 예를 들어 트리스(8-하이드록시퀴놀리나토)알루미늄(Alq3)의 층, 구리 프탈로시아닌(CuPc)의 층 또는 3-페닐-4-~18-나프틸!-5-페닐-1,2,4-트리아졸(TAZ)의 층을 포함할 수 있다.
더욱이, 발광 다이오드들의 효율을 향상시키기 위한 많은 다른 재료 층들이 선택적으로 발광 다이오드(10) 내에 제공될 수 있다. 이러한 재료층들은 예를 들어 애노드(14)와 정공 수송층(15) 사이에 배치되는 정공 주입 층들(예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시시오펜) 폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT-PSS)의 층들) 및 캐소드(16)와 전자 수송층(17) 사이에 배치되는 전자 주입 층들을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발광 재료(12)는 재료(24) 전반에 분산된 복수의 나노 결정(20, 22)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 재료(24)는 유기 재료일 수 있다. 또한, 재료(24)는 폴리머 재료일 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 재료(24)는 폴리(9.9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일), 또는 예를 들어 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸헥실록시)-1,4-페닐렌 비닐렌](MEH-PPV)와 같은 폴리(페닐렌 비닐렌) 유도체 등의 도전성 폴리머를 포함할 수 있다.
추가 실시예들에서, 정공 수송층(15) 및 전자 수송층(17) 중 적어도 하나는 또한 복수의 나노 결정(20, 22)을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 실시예들에서, 정공 수송층(15) 및 전자 수송층(17) 중 적어도 하나는 또한 발광 재료를 포함할 수 있으며, 발광 다이오드(10)는 정공 수송층(15)과 전자 수송층(17) 사이에 발광 재료(12)의 개별 추가 층을 포함하지 않을 수도 있다.
도 1을 계속 참조하면, 복수의 나노 결정(20, 22)은 더 후술하는 바와 같이 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타낼 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 복수의 나노 결정(20, 22)은 제1 복수의 나노 결정(20) 및 제2 복수의 나노 결정(22)을 포함할 수 있다. 제1 복수의 나노 결정(20)의 각각의 나노 결정(20)은 (다른 나노 결정들(20)에 대해) 실질적으로 유사한 에너지 레벨 구조를 나타낼 수 있으며, 제2 복수의 나노 결정(22)의 각각의 나노 결정(22)은 나노 결정들(20)의 에너지 레벨 구조와 상이한 (다른 나노 결정들(22)에 대해) 실질적으로 유사한 에너지 레벨 구조를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 나노 결정들(20)은 도 2A에 대체로 표시된 바와 같은 에너지 레벨 구조를 나타낼 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 나노 결정들(20)은 한 세트의 가전자 에너지 레벨들, 한 세트의 전도 에너지 레벨들을 포함하고 유효 밴드갭 에너지(Eg20)를 나타내는 에너지 레벨 구조를 가질 수 있다. 마찬가지로, 나노 결정들(22)은 도 2B에 대체로 표시된 바와 같은 에너지 레벨 구조를 나타낼 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 나노 결정들(22)은 한 세트의 가전자 에너지 레벨들, 한 세트의 전도 에너지 레벨들을 포함하고 유효 밴드갭 에너지(Eg22)를 나타내는 에너지 레벨 구조를 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "밴드갭 에너지"라는 용어는 전도 에너지 레벨들 중 최저 에너지 레벨과 가전자 에너지 레벨들 중 최고 에너지 레벨 간의 에너지 차이를 의미한다. 도 2A 및 도 2B 간의 비교를 통해 알 수 있듯이, 나노 결정들(22)에 의해 나타나는 밴드갭 에너지(Eg22)는 나노 결정들(20)에 의해 나타나는 밴드갭 에너지(Eg20)보다 클 수 있다. 즉, 나노 결정들(20)은 나노 결정들(22)에 비해 더 낮은 밴드갭 에너지를 나타낼 수 있다.
나노 결정들(20, 22)의 가전자 에너지 레벨들은 나노 결정들(20, 22)의 벌크 재료의 가전자대의 에너지 레벨들에 대응한다. 가전자 에너지 레벨들은 통상적으로 바닥 상태의 전자들에 의해 채워지는 레벨들이다. 전도 에너지 레벨들은 통상적으로 바닥 상태의 전자들에 의해 채워지지 않는 레벨들이다. 여기 상태에서, 여기된 전자들은 전도 에너지 레벨들에 배치될 수 있고, 정공들은 가전자 에너지 레벨들에 배치될 수 있다.
나노 결정들(20)이 나노 결정들(22)보다 낮은 밴드갭 에너지를 나타내도록, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22) 중 적어도 하나의 밴드갭 에너지가 설정될 수 있는 많은 방법이 존재한다. 나노 입자의 크기가 나노 입자 내의 여기자들의 보어 반경(Bohr radius) 아래로 감소할 때, 입자 크기의 변화는 나노 입자의 에너지 레벨 구조(밴드갭 에너지를 포함함)를 바꿀 수 있다. 여기자들의 보어 반경은 재료에 의존하며, 일반적으로 약 30 나노미터 미만, 보다 일반적으로는 약 20 나노미터 미만이다. 따라서, 예를 들어, 나노 결정들(22)은 도 1에 도시된 바와 같이 나노 결정들(20)의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22)은 일반적으로 구 형상일 수 있으며, 약 30 나노미터 미만의 평균 직경을 가질 수 있다. 더욱 구체적으로, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22)은 약 20 나노미터 미만의 평균 직경을 가질 수 있다. 또한, 나노 결정들(22)은 나노 결정들(20)의 평균 직경보다 약 0.5 나노미터 내지 약 5 나노미터 작은 평균 직경을 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22)은 실질적으로 유사한 입자 크기들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 복수의 나노 결정들(20) 및 복수의 나노 결정들(22) 중 적어도 하나의 밴드갭 에너지는, 복수의 나노 결정(20) 및 복수의 나노 결정(22) 중 적어도 하나의 화학 조성을 변경함으로써 나노 결정들(20)이 나노 결정들(22)보다 낮은 밴드갭 에너지를 나타내도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 나노 결정들(20) 또는 나노 결정들(22)은 그의 에너지 레벨 구조가 변경되도록 불순물 원자들로 도핑될 수 있다. 또한, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22) 중 적어도 하나가 합금(둘 이상의 원소)을 포함하는 경우, 합금의 조성은 에너지 레벨 구조 및 밴드갭 에너지가 변경되도록 변할 수 있다.
다른 실시예들에서, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22)은 실질적으로 유사한 입자 크기들 및 실질적으로 유사한 화학적 조성들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 복수의 나노 결정(20) 및 복수의 나노 결정(22) 중 적어도 하나의 밴드갭 에너지는, 복수의 나노 결정(20) 및 복수의 나노 결정(22) 중 적어도 하나의 물리적 형상을 변경함으로써 나노 결정들(20)이 나노 결정들(22)보다 낮은 밴드갭 에너지를 나타내도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 나노 결정들(20)은 대체로 구 형상일 수 있으며, 나노 결정들(22)은 그의 에너지 레벨 구조가 변경되도록 구 형상이 아닐 수 있다.
상기 사항을 고려하면, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22) 중 적어도 하나의 에너지 레벨 구조는, 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22) 중 적어도 하나의 평균 크기, 화학 조성 및 형상 중 하나 이상을 변경함으로써 나노 결정들(20)이 나노 결정들(22)보다 낮은 밴드갭 에너지를 나타내도록 설정될 수 있다. 나노 입자의 에너지 레벨 구조를 변경하기 위한 임의의 다른 방법을 이용하여, 나노 결정들(20)이 나노 결정들(22)보다 낮은 밴드갭 에너지를 나타내도록 나노 결정들(20) 및 나노 결정들(22) 중 적어도 하나를 구성할 수 있다.
이러한 구성에서, 복수의 나노 결정들(20, 22)은 도 3에 도시된 그래프에 의해 대체로 표시되는 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타낼 수 있다. 도 3에 표시된 구성에서, 복수의 나노 결정들(20, 22)은 이중 모드 에너지 레벨 분포를 나타낸다. 도면에서 알 수 있듯이, 제1 복수의 나노 입자(20)는 제1 에너지 레벨 모드(26)를 나타낼 수 있고, 제2 복수의 나노 입자(22)는 제2 에너지 레벨 모드(27)를 나타낼 수 있다. 제1 에너지 레벨 모드(26)의 피크는 제1 복수의 나노 입자(20)의 바닥 상태 여기 에너지에 대응하거나 그 근처에 배치될 수 있으며, 제2 에너지 레벨 모드(27)의 피크는 제2 복수의 나노 입자(22)의 바닥 상태 여기 에너지에 대응하거나 그 근처에 배치될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "바닥 상태 여기 에너지"라는 용어는 특정 나노 결정 내의 여기자들(즉, 결합된 전자-정공 쌍들)이 이용할 수 있는 최저 에너지 상태의 에너지를 의미한다. 바닥 상태 여기 에너지는 특정 나노 결정에 대한 밴드갭 에너지와 거의 동일하지만, (적어도 부분적으로 소위 여기자의 "결합 에너지"로 인해) 그보다 약간 작을 수 있다.
제한이 아닌 예로서, 제1 복수의 나노 입자(20)가 나타내는 제1 에너지 레벨 모드(26)는 일반적으로 약 2.00 eV에 배치될 수 있으며, 제2 복수의 나노 입자가 나타내는 제2 에너지 레벨 모드(27)는 일반적으로 약 2.53 eV에 배치될 수 있다. 본 발명의 추가 실시예들에서, 제1 에너지 레벨 모드(26) 및 제2 에너지 레벨 모드(27)는 임의의 에너지 레벨에 배치될 수 있으며, 복수의 나노 결정들(20, 22)은 더 후술하는 바와 같이 임의의 수의 에너지 레벨 모드를 나타낼 수 있다.
소정 실시예들에서, 발광 재료(12)는 약 50 부피 % 내지 약 99 부피 %의 고에너지 나노 결정들 및 약 1 부피 % 내지 약 50 부피 %의 저에너지 나노 결정들을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 3을 함께 참조하여 알 수 있듯이, 본 발명의 소정 실시예들에서는, 더 후술하는 바와 같이, 나노 결정들(22)의 수가 발광 재료(12)에서 나노 결정들(20)의 수보다 클 수 있다.
나노 결정들(20)은 나노 결정들(22)에 비해 더 낮은 밴드갭 에너지(및 낮은 바닥 상태 여기 에너지)를 가지므로, 이후 제1 복수의 나노 결정(20)은 "저에너지 나노 결정들"로서 참조되고, 제2 복수의 나노 결정(22)은 "고에너지 나노 결정들"로 참조될 것이다. 이러한 용어들은 단지 나노 결정들(20)이 나노 결정들(22)에 의해 나타나는 밴드갭 에너지(및 바닥 상태 여기 에너지)보다 낮은 밴드갭 에너지(및 바닥 상태 여기 에너지)를 나타냄을 지시한다는 것을 이해한다.
제한이 아닌 예로서, 저에너지 나노 결정들(20) 및 고에너지 나노 결정 들(22)은 각각 임의의 III-V 타입 반도체 재료 또는 임의의 II-VI 타입 반도체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저에너지 나노 결정들(20) 및 고에너지 나노 결정들(22)은 각각 GaAs, InP, GaP, GaN, AlN, AlxGa1 - xAs(여기서, x는 약 O 내지 약 0.4의 범위에 있다), In1 - xGaxAs1 - yPy(여기서, x는 약 O 내지 약 0.47의 범위에 있고, y는 x의 약 2.2배와 동일하다), InGaN 합금, In0 .49AlxGa0 .51-xP, GaAs1 - yPy(여기서, y는 약 0.45 미만이다), N, Zn 또는 O로 도핑된 GaAs1 - yPy(여기서, y는 약 0.45보다 크다), Zn 또는 O로 도핑된 GaP, N, ZnO, ZnS, CdS, CdSe로 도핑된 GaP, 및 Cd, Zn, Se 및 S의 삼원 또는 사원 합금들 또는 화합물들을 포함할 수 있다. 또한, 여기서 전술한 바와 같이, 저에너지 나노 결정들(20)의 화학적 조성은 고에너지 나노 결정들(22)의 화학적 조성과 실질적으로 동일하거나 또는 그와 다를 수 있다.
도 1에 도시된 발광 다이오드(10)에 사용될 수 있는 다른 발광 재료(12')의 일부가 도 4에 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 발광 재료(12')는 도 1과 관련하여 전술한 것들과 유사한 복수의 저에너지 나노 결정(20') 및 복수의 고에너지 나노 결정(22')을 포함할 수 있다. 더욱이, 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 적어도 일부는 도 4에 도시된 바와 같은 코어-쉘(core-shell) 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')은 각각 코어 영역(28) 및 쉘 영역(30)을 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 각각의 저에너지 나노 결정(20') 및 각각의 고에너지 나노 결정(22')의 코어 영역(28)은 CdSe를 포함할 수 있고, 각각의 저에너지 나노 결정(20') 및 각각의 고에너지 나노 결정(22')의 쉘 영역(30)은 ZnS를 포함할 수 있다. 이러한 나노 결정들은 이 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 뉴욕 트로이의 Evident 테크놀로지스로부터 상업적으로 입수할 수 있다. CdSe 외에도 다양한 다른 재료들이 코어 영역(28)에 사용될 수 있으며, ZnS 외에도 다양한 다른 재료들이 쉘 영역(30)에 사용될 수 있다.
저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')과 같은 나노 결정들의 결정 구조 내의 표면 결함들 및 포획된(trapped) 전하들은 나노 결정들 내의 여기자 전자-정공 쌍들의 비 방사성 재결합(즉, 재결합시 광량자를 방출하지 않는 재결합)에 기여할 수 있다. 쉘 영역(30)은 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 표면을 패시베이트(passivate)할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 코어-쉘 구성은 비 방사 방식으로 재결합하는 여기자 전자-정공 쌍들의 수를 줄일 수 있으며, 이는 발광 재료(12')의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1에 도시된 발광 다이오드(10)에 사용될 수 있는 또 다른 발광 재료(12")의 일부가 도 5에 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 발광 재료(12")는 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이 복수의 저에너지 나노 결정(20') 및 복수의 고에너지 나노 결정(22')을 포함할 수 있다. 그러나, 발광 재료(12")는 또한 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 적어도 일부의 외부 표면들 상에 배치되는 복수의 유기 리간드(ligand)(34)를 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 유기 리간드들(34)은 TOP(tri-octyl phosphine), TOPO(tri-octyl phosphine oxide), 아민 또는 다른 기능 그룹들로 마감되는 알킬 체인들, 및 카보디시오익 액시드들(carbodithioic acids)의 알킬 또는 아릴 유도체들 중 하나를 포함할 수 있다.
유기 리간드들(34)은 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정 들(22')의 표면을 더 패시베이트하여, 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 쉘 영역(30)과 관련하여 전술한 바와 같이 비 방사 방식으로 재결합하는 여기자 전자-정공 쌍들의 수를 줄이도록 구성될 수 있다. 또한, 유기 리간드들(34)은 폴리머 재료(24) 내의 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 응집을 방지하도록 구성될 수 있으며, 이는 발광 재료(12")의 제조를 용이하게 하고, 발광 재료(12")의 발광 효율의 향상에 기여할 수 있다. 더욱이, 유기 리간드들(34)은 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 표면을 패시베이트하는 동시에, 저에너지 나노 결정들(20') 및 고에너지 나노 결정들(22')의 응집을 방지하도록 구성될 수도 있다.
다른 실시예들에서, 발광 재료(12")는 도 1과 관련하여 전술한 저에너지 나노 결정들(20) 및 고에너지 나노 결정들(22)과 같이 코어-쉘 구조를 갖지 않는 저에너지 나노 결정들 및 고에너지 나노 결정들을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료들은 임의의 유형의 나노 결정의 외부 표면들 상에 배치되는 유기 리간드들을 포함할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 저에너지 나노 결정들(20)은 전술한 바와 같이 고에너지 나노 결정들(22)에 비해 더 낮은 밴드갭 에너지를 나타낼 수 있다. 소정 실시예들에서, 복수의 저에너지 나노 결정(20) 및 복수의 고에너지 나노 결정(22)은 각각 발광 재료를 포함할 수 있다.
적어도 부분적으로는 저에너지 나노 결정들(20)의 밴드갭 에너지가 고에너지 나노 결정들(22)의 밴드갭 에너지보다 낮은 것으로 인해, 저에너지 나노 결정들(20)에 의해 방출될 수 있는 전자기 방사선의 파장들은 고에너지 나노 결정들(22)에 의해 방출될 수 있는 전자기 방사선의 파장들에 대해 시프트(shift)될 수 있다. 도 6은 발광 재료(12)에 의해 나타날 수 있는 방출 스펙트럼의 일례를 나타내는 간단한 그래프이다. 방출 스펙트럼은 발광의 강도를 파장의 함수로서 나타낸 그래프이다. 도 6에서 알 수 있듯이, 저에너지 나노 결정들(20)의 방출 스펙트럼(38)은 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)에 대해 시프트될 수 있다.
제한이 아닌 예로서, 저에너지 나노 결정들(20)은 (자극시에) 약 580 나노미터 내지 약 660 나노미터의 파장 범위에 걸치는 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있으며, 약 620 나노미터의 피크 파장(39)을 방출하도록 구성될 수 있다. 이러한 파장 범위는 전자기 스펙트럼의 가시 적색광 영역의 파장들을 포함할 수 있다. 또한, 고에너지 나노 결정들(22)은 (자극시에) 약 450 나노미터 내지 약 530 나노미터의 파장 범위에 걸치는 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있으며, 약 490 나노미터의 피크 파장(41)을 방출하도록 구성될 수 있다. 이러한 파장 범위는 전자기 스펙트럼의 가시 청색광 영역의 파장들을 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 저에너지 나노 결정들(20)의 방출 스펙트럼(38)은 대략 130 나노미터만큼 더 긴 파장들로 시프트될 수 있다.
더욱이, 저에너지 나노 결정들(20)의 방출 스펙트럼(38)의 피크 및 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)의 피크는 거의 동일한 강도를 갖는 것으로 도 6에 도시되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 추가적인 실시예들에서, 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)은 관심 있는 특정 파장 범위에 대해 저에너지 나노 결정들(20)의 방출 스펙트럼(38)의 강도보다 훨씬 낮은 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)은 관심 있는 특정 파장 범위(예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 약 450 나노미터 내지 약 700 나노미터)에 대해 방출 스펙트럼(38)의 총 강도의 약 0 % 내지 약 100 % 이상의 범위의 총 강도(즉, 방출 스펙트럼 곡선(40) 아래의 총 면적)를 가질 수 있다.
도 7은 고에너지 나노 결정들(22)에 의해 나타날 수 있는 방출 스펙트럼(40)과 저에너지 나노 결정들(20)의 흡수 스펙트럼(44)을 중첩시킨 그래프를 도시한다. 흡수 스펙트럼은 전자기 방사선을 흡수하는 재료의 능력을 파장의 함수로서 나타낸 그래프이다. 도 7에서 알 수 있듯이, 저에너지 나노 결정들(20)은 약 600 나노미터보다 짧은 파장들을 갖는 전자기 방사선의 다양한 양을 흡수하도록 구성될 수 있지만, 약 600 나노미터보다 긴 파장들의 전자기 방사선의 상당한 양들을 흡수하지 못할 수 있다.
도 7에서 알 수 있듯이, 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)은 저에너지 나노 결정들(20)의 흡수 스펙트럼(44)의 적어도 일부와 중복될 수 있다. 즉, 고에너지 나노 결정들(22)은 저에너지 나노 결정들(20)에 의해 적어도 일부 파장들이 흡수될 수 있는 파장 범위에 걸치는 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 이 분야에 공지되어 있듯이, "중복 적분(overlap integral)"은 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)과 저에너지 나노 결정들(20)의 흡수 스펙트럼(44)의 곱의 적분(또는 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)과 저에너지 나노 결정들(20)의 흡수 스펙트럼(44)의 곱에 비례하는 함수의 적분)으로서 정의될 수 있다. 즉, 중복 적분은 그래프에서 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)과 저에너지 나노 결정들(20)의 흡수 스펙트럼(44)을 곱함으로써 생성되는 곡선(또는 방출 스펙트럼(40)과 흡수 스펙트럼(44)의 곱에 비례하는 곡선) 아래의 면적으로서 정의될 수 있다. 본 발명의 소정 실시예들에서, 발광 재료(12)는 중복 적분을 최대화 또는 최적화하도록 구성될 수 있다.
그러한 구성에서, 발광 재료(12)는 폴리머 재료 내에서 발생하는 여기자들의 저에너지 나노 결정들(20)로의 전달을 돕거나 촉진시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 고에너지 나노 결정들(22)은 저에너지 나노 결정들(20)에 대한 에너지 "컬렉터(collectors)" 또는 에너지 "안테나(antennae)"로서 거동(behave)할 수 있으며, 발광 재료(12) 자체는 일종의 발광 시스템으로서 기능할 수 있다.
이러한 방식으로, 발광 재료(12)는 고에너지 나노 결정들(22)에서 저에너지 나노 결정들(20)로의 비 방사 공진 에너지 전달이 최대화 또는 최적화되도록 구성될 수 있다. 이것은 전술한 바와 같이 중복 적분을 최적화함으로써 달성될 수 있다. 발광 재료(12)는 고에너지 나노 결정들(22)에서 저에너지 나노 결정들(20)로의 방사 에너지 전달이 최대화 또는 최적화되도록 구성될 수도 있음을 고려한다. 즉, 발광 재료(12)는 (자극시에) 고에너지 나노 결정들(22)에 의해 방출되는 전자기 방사선의 소정 광량자들이 저에너지 나노 결정들(20)에 의해 흡수될 수 있도록 구성될 수 있다. 소정 실시예들에서, 발광 재료(12)는 발광 재료(12)에 의해 방출되는 전자기 방사선의 대부분 내지 거의 전부가 저에너지 나노 결정들(20)로부터 방출되도록 구성될 수 있다.
더 후술하는 바와 같이, 발광 재료(12)는 저에너지 나노 결정들(20) 간의 비 방사 공진 에너지 전달이 줄거나 최소화되도록, 고에너지 나노 결정들(22) 간의 비 방사 공진 에너지 전달이 줄거나 최소화되도록, 또는 저에너지 나노 결정들(20) 간 및 고에너지 나노 결정들(22) 간의 비 방사 공진 에너지 전달이 줄거나 최소화되도록 구성될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 나노 결정들(20, 22)의 일부는 여기자들의 비 방사 재결합을 촉진하는 표면 결함, 포획 전하 또는 다른 특징들이나 특성들을 포함할 수 있다. 이러한 "나쁜" 나노 결정들(20, 22)은 발광 재료(12)의 발광 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 발광 재료(12)의 발광 효율을 최대화 또는 최적화하기 위해서는, 저에너지 나노 결정들(20) 간의 여기자들의 전달을 방지하거나 최소화하여, 여기자들의 "나쁜" 저에너지 나노 결정들(20)로의 전달을 방지하거나 최소화하면서, 여기자들의 저에너지 나노 결정(20)으로의 빠른 전달을 촉진하거나 용이하게 하는 것이 바람직할 수 있다.
저에너지 나노 결정들(20)에서 고에너지 나노 결정들(22)로의 여기자의 비 방사 공진 에너지 전달은 일반적으로 발생하지 않는데, 이는 통상적으로 그러한 전달은 여기자의 에너지의 증가를 필요로 하기 때문이다. 따라서, 비 방사 공진 에너지 전달 메커니즘들에 의한 저에너지 나노 결정들(20)로부터의 여기자들의 전달을 방지하기 위해, 저에너지 나노 결정들(20) 사이에서 직접 발생하는 전달을 방지하는 것으로 충분할 수 있다.
발광 재료(12) 내의 고에너지 나노 결정들(22)의 밀도가 발광 재료(12) 내의 저에너지 나노 결정들(20)의 밀도에 비해 상대적으로 높은 경우, 저에너지 나노 결정들(20) 간의 평균 간격(spacing)은 저에너지 나노 결정들(20) 간의 비 방사 공진 에너지 전달의 발생을 크게 줄이기에 충분할 만큼 클 수 있다. 이러한 구성에서, 저에너지 나노 결정들(20)은 여기자들을 수집하고 포획하는 잠재적 에너지 웰(well)로서 유효하게 거동할 수 있으며, 여기서 여기자들이 재결합하여 전자기 방사선을 방출할 수 있다. 이러한 구성은 나노 결정들이 (예를 들어, 유기 호스트 재료 내의 비 혼합성으로 인해) 함께 밀집화되는 경향이 있는 응용들에서 특히 이로울 수 있다. 고에너지 나노 결정들(22)의 부재시, 저에너지 나노 결정들(20)은 함께 밀집될 수 있는데, 이는 나노 결정들 간의 빠른 에너지 전달, 따라서 여기자들의 소위 나쁜 나노 결정들로의 확산으로 이어질 수 있다. 이러한 구성에서, 발광 재료(12)는 저에너지 나노 결정들(20)로부터의 여기자들의 전달을 방지하도록 구성될 수 있으며, 이는 저에너지 나노 결정들(20)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 발광 재료(12)에 의해 나타날 수 있는, 저에너지 나노 결정들(20)의 수에 대한 고에너지 나노 결정들(22)의 수의 비율과 저에너지 나노 결정들(20)의 발광 효율 간의 관계를 대략적으로 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 도 8에서는, 고에너지 나노 결정들(22) 및 저에너지 나노 결정들(20) 각각이 약 20 나노미터 미만의 평균 입자 크기(예를 들어, 대략 구형 입자의 평균 직경)를 갖는 것으로 가정한다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 비율이 1에서 약 25로 증가할 때 저에너지 나노 결정들(20)의 발광 효율은 비교적 빠르게 증가할 수 있다. 비율이 약 25보다 위로 증가할 때, 저에너지 나노 결정들(20)의 발광 효율은 비율이 150까지 증가할 때 유지되는 최대에 이를 수 있다. 따라서, 본 발명의 소정 실시예들에서, 복수의 저에너지 나노 결정들(20) 및 복수의 고에너지 나노 결정들(22) 각각은 약 20 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 가지며, 저에너지 나노 결정들(20)의 수에 대한 고에너지 나노 결정들(22)의 수의 비율은 1보다 클 수 있다. 추가 실시예들에서, 저에너지 나노 결정들(20)의 수에 대한 고에너지 나노 결정들(22)의 수의 비율은 약 10보다 클 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 저에너지 나노 결정들(20)의 수에 대한 고에너지 나노 결정들(22)의 수의 비율은 약 25보다 클 수 있다.
재료(24) 내의 나노 결정들(20, 22)의 분포를 선택적으로 조절함으로써, 발광 재료(12)는 저에너지 나노 결정들(20) 간의 비 방사 공진 에너지 전달이 줄거나 최소화되도록, 고에너지 나노 결정들(22) 간의 비 방사 공진 에너지 전달이 줄거나 최소화되도록, 또는 저에너지 나노 결정들(20) 간 그리고 고에너지 나노 결정 들(22) 간의 비 방사 공진 에너지 전달이 감소하거나 최소화되도록 구성될 수 있다. 이러한 비 방사 공진 에너지 전달을 줄이거나 최소화함으로써, 나노 결정들(20, 22)의 다중 모드 에너지 레벨 분포 중 하나의 에너지 레벨 모드를 나타내는 저에너지 나노 결정들(20)의 발광 효율이 최대화 또는 최적화될 수 있다.
본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료들(예를 들어, 도 1에 도시된 발광 재료(12), 도 4에 도시된 발광 재료(12') 및 도 5에 도시된 발광 재료(12") 등)은 이중 모드 에너지 레벨 분포를 나타내도록 단지 두 복수의 나노 결정들만을 포함하는 것으로 제한되지 않으며, 임의의 수의 모드를 갖는 에너지 레벨 분포를 나타내도록 임의의 수의 복수의 나노 결정들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광 재료(12)는 저에너지 나노 결정들(20)의 방출 스펙트럼(38)(도 6) 및 고에너지 나노 결정들(22)의 방출 스펙트럼(40)(도 6) 양자에 대해 파장이 시프트된 방출 스펙트럼을 나타내는 적어도 하나의 추가 복수의 나노 결정들을 선택적으로 포함할 수 있다.
도 1 및 도 9를 함께 참조하면, 제한이 아닌 예로서, 발광 재료(12)는 약 530 나노미터 내지 약 590 나노미터의 파장 범위에 걸치는 전자기 방사선을 (자극시에) 방출하도록 구성될 수 있고 약 560 나노미터의 피크 파장(51)을 방출하도록 구성될 수 있는 제3 복수의 나노 결정(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이러한 파장 범위는 전자기 스펙트럼의 가시 황색 광 영역의 파장들을 포함할 수 있다. 임의의 원하는 수의 상이한 "세트들" 또는 복수의 나노 결정들을 제공하고, 발광 재료(12) 내에서의 이들 각각의 밴드갭 에너지들(및 바닥 상태 여기자 에너지들) 및 상대적 농도들을 선택적으로 조절함으로써, 재료(24) 내에서 생성되는 여기자들의 수집 및 비교적 낮은 에너지의 나노 결정들(예를 들어, 저에너지 나노 결정들(20))로의 이들의 전달을 선택적으로 최적화하면서, 주어진 여기자가 "나쁜" 나노 결정을 만나서 비 방사적으로 재결합할 확률을 최소화하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 방식으로, 발광 재료(12)의 발광 효율은 최대화 또는 최적화될 수 있다.
또한, 발광 재료(12)가 광발광 재료(photoluminescent material)이고, (도 1에 도시된 바와 같은) 발광 다이오드(10)와 대조적인 광발광 장치에 사용되는 경우, 임의의 원하는 수의 상이한 "세트들" 또는 복수의 나노 결정들을 제공하고, 발광 재료(12)에서의 이들 각각의 밴드갭 에너지들 및 상대적 농도들을 선택적으로 조절함으로써, 선택된 파장에서 또는 최적 또는 최대 효율을 갖는 선택된 파장 범위에 걸쳐 여기자들을 생성하기 위해 광학적으로 자극되도록 광발광 재료(12)를 선택적으로 조절하고, 상이한 선택된 파장 또는 최적 또는 최대 효율을 갖는 파장 범위에서 그러한 광학 자극시에 전자기 방사선을 방출하도록 발광 재료(12)를 선택적으로 더 조절하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 발광 재료(12)는 예를 들어 컬러 변환 인광체(color-converting phosphor material)로서 사용될 수 있다.
본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료들(예를 들어, 도 1에 도시된 발광 재료(12), 도 4에 도시된 발광 재료(12') 및 도 5에 도시된 발광 재료(12") 등)은 입자간 여기자 전달을 허가하기 위해 서로 충분히 가깝게 이격된 발광 나노 결정들을 이용하는 임의의 장치(발광 다이오드들에 더하여)의 유효 광발광 또는 전기 발광 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 전자기 방사선을 검출하도록 구성된 센서들은 본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료들을 포함할 수 있다.
더욱이, 다수의 전자 장치는 발광 다이오드를 포함하며, 본 발명의 교시 내용을 구현할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 랩톱 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨터, 휴대형 DVD 플레이어, 디지털 뮤직 플레이어 및 다른 휴대형 전자 장치들 모두는 본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료 또는 발광 다이오드를 포함하는 디스플레이 장치들을 포함할 수 있다.
도 10A 및 도 10B는 본 발명의 교시 내용을 구현하는 디스플레이 장치(56)의 예를 나타낸다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(56)는 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 복수의 개별 발광 다이오드(10)를 포함할 수 있다. 발광 다이오드들(10)은 기판(58) 상에 정렬된 어레이 또는 매트릭스로 배치될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 발광 다이오드들(10)은 도 10A에 도시된 바와 같이 복수의 행들 및 열들로 배치될 수 있다. 또한, 발광 다이오드들(10)의 일부는 전자기 스펙트럼의 가시 적색 광 영역의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있고(이러한 발광 다이오드들은 도 10A에 "R"로 표시되어 있다), 발광 다이오드들(10)의 일부는 전자기 스펙트럼의 가시 녹색 광 영역의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있으며(이러한 발광 다이오드들은 도 10A에 "G"로 표시되어 있다), 발광 다이오드들(10)의 일부는 전자기 스펙트럼의 가시 청색 광 영역의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다(이러한 발광 다이오드들은 도 10A에 "B"로 표시되어 있다).
예를 들어, 적색 광을 방출하도록 구성된 발광 다이오드들(10)은 약 620 나노미터 내지 약 680 나노미터 범위의 파장에서 전자기 방사선의 피크 파장을 방출하도록 구성되는 저에너지 나노 결정들(20)을 포함할 수 있고, 녹색 광을 방출하도록 구성된 발광 다이오드들(10)은 약 500 나노미터 내지 약 550 나노미터 범위의 파장에서 전자기 방사선의 피크 파장을 방출하도록 구성되는 저에너지 나노 결정들(20)을 포함할 수 있으며, 청색 광을 방출하도록 구성된 발광 다이오드들(10)은 약 450 나노미터 내지 약 500 나노미터 범위의 파장에서 전자기 방사선의 피크 파장을 방출하도록 구성되는 저에너지 나노 결정들(20)을 포함할 수 있다.
발광 다이오드들(10)의 각각, 또는 발광 다이오드들(10)의 개별 그룹들 또는 클러스터들은 개별 전기 구동 회로에 의해 개별적으로 어드레스 가능할 수 있다. 발광 다이오드들(10)은 함께 디스플레이 장치의 "스크린"을 정의할 수 있다. 이러한 구성에서, 전자 신호 프로세서는 디스플레이 장치(56) 및 전기 구동 회로를 이용하여 사람에게 보이는 이미지들을 표시하도록 구성될 수 있다.
도 10B를 참조하면, 디스플레이 장치(56)의 각각의 발광 다이오드(10)는 애노드(14), 캐소드(16), 및 애노드(14)와 캐소드(16) 사이에 배치된, 본 발명의 교시 내용을 구현하는 발광 재료(12)를 포함할 수 있다.
소정 실시예들에서, 각각의 애노드(14)는 충분히 연장되어, 발광 다이오드들(10)의 하나의 행 또는 열에 공통일 수 있다. 마찬가지로, 각각의 캐소드(16)는 충분히 연장되어, 발광 다이오드들의 하나의 행 또는 열에 공통일 수 있다. 애노드들(14)은 캐소드들(16)에 대해 대체로 수직 방향으로 연장할 수 있다. 이러한 구성에서, 각각의 개별 발광 다이오드(10)는 선택된 애노드(14) 및 선택된 캐소드(16)(즉, 선택된 행 및 열)를 이용하여 선택적으로 어드레스 가능할 수 있다. 이러한 구성에서, 디스플레이 장치(56)는 "수동형 매트릭스" 디스플레이 장치로서 구성될 수 있다.
추가 실시예들에서, 디스플레이 장치(56)는 "능동형 매트릭스" 디스플레이 장치로서 구성될 수 있다. 능동형 매트릭스 및 수동형 매트릭스 디스플레이 장치들의 다양한 구성은 이 분야에 공지되어 있으며, 본 발명의 교시 내용을 구현할 수 있다.
도 10B에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(56)는 기판(58)과 함께 디스플레이 장치의 개별 발광 다이오드들(10)을 캡슐화하여(encapsulate) 보호하도록 구성될 수 있는 코팅(60) 또는 다른 보호층을 더 포함할 수 있다. 기판(58) 및 코팅(60) 중 적어도 하나는 발광 다이오드들(10)에 의해 방출되는 가시광이 디스플레이 장치(56)를 보는 사람에게 보일 수 있도록 광학적으로 투명(transparent)할 수 있다.
본 발명은 실질적으로 도 10A 및 도 10B에 도시된 바와 같은 구성들을 갖는 디스플레이 장치들로 제한되지 않는다. 다양한 구성의 발광 다이오드 디스플레이 장치들이 이 분야에 공지되어 있다. 그러한 임의의 디스플레이 장치의 발광 다이오드들의 발광 효율은 전술한 바와 같은 발광 재료들을 이용함으로써 향상될 수 있으며, 따라서 본 발명의 교시 내용을 구현할 수 있다.
발광 재료들이 발광 나노 결정들을 포함하는 것으로서 전술하였지만, 발광 재료들은 또한 비결정 발광 재료를 포함하는 발광 나노 입자들을 포함할 수 있다. 그러한 비결정 발광 재료들은 예를 들어 비정질 발광 폴리머 재료들, 발광 단백질들(예를 들어, 일반적으로 녹색 형광 단백질(Green Fluorescent Protein; GFP)로서 지칭되는 단백질 등), 또는 비정질 무기 합금들(예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 하나 이상의 희토류 원소(예를 들어, 에르븀, 유로퓸 및/또는 테르븀)로 도핑된 원소 주기율표의 III 족의 질화물들(예를 들어, AlN, BN 등), 수소 첨가 비정질 Si 또는 Ge, 하나 이상의 희토류 원소로 도핑된 Si 또는 Ge, 및 희토류 원소들의 산화물들(예를 들어, 에르븀 산화물) 등)을 포함할 수 있다.
여기에 설명된 발광 재료들은 광발광, 전기 발광, 또는 광발광 및 전기 발광 양쪽성일 수 있다. 따라서, 임의의 광발광 또는 전기 발광 장치는 여기에 설명되는 바와 같은 발광 재료를 포함할 수 있으며, 본 발명의 교시 내용을 구현할 수 있다. 또한, 전기 발광 장치들은 본 발명의 교시 내용을 구현하기 위해 다이오드를 포함할 필요가 없으며, 다른 유형의 전기 발광 장치들도 본 발명의 교시 내용을 구현할 수 있다. 그러한 전기 발광 장치들은 예를 들어 발광 트랜지스터들 및 박막 전기 발광 장치들을 포함할 수 있다.
위의 설명은 많은 상세를 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라, 단지 소정의 대표적인 실시예들을 제공하는 것으로서 간주해야 한다. 마찬가지로, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않는 본 발명의 다른 실시예들이 고안될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 설명이 아니라, 첨부된 청구범위 및 이들의 적법한 균등물들에 의해서만 지시되고 제한된다. 청구범위의 의미 및 범위 내에 있는 여기에 개시되는 바와 같은 본 발명에 대한 모든 추가, 삭제 및 변경은 본 발명에 포함된다.
Claims (10)
- 발광 재료(12, 12', 12")로서,재료(24);상기 재료(24)의 전체에 분산된 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")을 포함하고,상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22") 중 적어도 하나의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 자극시에 전자기 방사선을 방출하도록 구성되고, 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타내며,상기 재료(24) 내의 상기 나노 결정들(20, 20', 20", 22, 22', 22")의 분포는 상기 다중 모드 에너지 레벨 분포 중 하나의 에너지 레벨 모드(26, 27)를 나타내는 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22") 중 일부의 발광 효율을 향상시키도록 선택적으로 구성되는 발광 재료(12, 12', 12").
- 제1항에 있어서,상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은복수의 고에너지 나노 결정(22, 22', 22"); 및복수의 저에너지 나노 결정(20, 20', 20")을 포함하고,상기 발광 재료(12, 12', 12") 내의 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 수에 대한 상기 발광 재료(12, 12', 12") 내의 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")의 수의 비율이 약 10보다 큰 발광 재료(12, 12', 12").
- 제2항에 있어서, 상기 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")은 상기 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 화학적 조성과 상이한 화학적 조성을 갖는 발광 재료(12, 12', 12").
- 제2항에 있어서, 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")의 나노 결정들(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 약 20 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 가지며, 상기 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")은 상기 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 평균 입자 크기와 상이한 평균 입자 크기를 갖는 발광 재료(12, 12', 12").
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22") 중 적어도 하나의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 III-V 타입의 반도체 재료 또는 II-VI 타입의 반도체 재료를 포함하는 발광 재료(12, 12', 12").
- 적어도 하나의 발광 다이오드(10)를 포함하는 전자 장치(56)로서,상기 적어도 하나의 발광 다이오드(10)는애노드(14);캐소드(16); 및제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 발광 재료(12, 12', 12")를 포함하는 전자 장치(56).
- 제6항에 있어서, 상기 전자 장치(56)는 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 휴대형 컴퓨터 장치, 핸드헬드 컴퓨터 장치 및 휴대형 미디어 플레이어 중 하나를 포함하는 전자 장치(56).
- 발광 다이오드(10)의 발광 효율을 향상시키기 위한 방법으로서,약 20 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")을 제공하는 단계 - 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 복수의 고에너지 나노 결정(22, 22', 22") 및 복수의 저에너지 나노 결정(20, 20', 20")을 포함하고, 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22") 중 적어도 하나의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 자극시에 전자기 방사선을 방출하도록 구성되고, 상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")은 다중 모드 에너지 레벨 분포를 나타냄 - ;상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")을 발광 다이오드(10)에 사용하기 위한 폴리머 재료(24)의 전체에 분산시키는 단계; 및상기 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 발광 효율을 향상시키기 위해, 상기 폴리머 재료(24) 내의 상기 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")과 상기 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 상대 농도들을 선택적으로 조절하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드(10)의 발광 효율을 향상시키기 위한 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 폴리머 재료(24) 내의 상기 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")과 상기 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 상대 농도들을 선택적으로 조절하는 단계는, 상기 폴리머 재료(24) 내의 상기 저에너지 나노 결정들(20, 20', 20")의 수에 대한 상기 폴리머 재료(24) 내의 상기 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")의 수의, 약 10보다 큰 비율을 제공하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드(10)의 발광 효율을 향상시키기 위한 방법.
- 제8항에 있어서,상기 복수의 나노 결정(20, 20', 20", 22, 22', 22")을 제공하는 단계는,평균 입자 크기를 갖는 복수의 고에너지 나노 결정(22, 22', 22")을 제공하는 단계; 및상기 고에너지 나노 결정들(22, 22', 22")의 평균 입자 크기와 상이한 평균 입자 크기를 갖는 복수의 저에너지 나노 결정(20, 20', 20")을 제공하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드(10)의 발광 효율을 향상시키기 위한 방법.
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