KR20130058698A

KR20130058698A - 발광-기반 반사형 화소

Info

Publication number: KR20130058698A
Application number: KR1020127030507A
Authority: KR
Inventors: 개리 깁슨; 시아 쉥; 패트리시아 에이 벡
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2013-06-04
Also published as: EP2561403A4; CN102947756A; WO2011133152A1; US9081140B2; US20130038919A1; CN102947756B; EP2561403A1

Abstract

본 명세서에는 발광-기반 반사 디스플레이 화소에 관련된 다양한 실시예가 개시된다. 일 실시예에서, 무엇보다도, 발광-기반 화소는 매트릭스 내에 분포된 발광단을 포함하는 발광층을 포함한다. 발광층은 주위 환경으로부터 발광층의 제 1 측면을 통해 광을 수용하도록 구성되고, 주위 환경의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는다. 발광-기반 화소는 발광층의 제 1 측면에 대향하는 발광층의 제 2 측면 상에 배치된 미러를 포함한다. 발광-기반 화소는 입사광의 방향을 랜덤화하기 위한 확산 표면을 또한 포함한다.

Description

발광-기반 반사형 화소{LUMINESCENCE-BASED REFLECTIVE PIXEL}

반사형 디스플레이는 주위광이 표시된 정보를 관찰하기 위해 사용되는 비발광형 디바이스이다. 내부 소스로부터 광을 변조하기보다는, 입사 주위광 스펙트럼의 원하는 부분이 디스플레이로부터 관찰자로 재차 반사된다. 전자 페이퍼(이-페이퍼) 기술이 주위광의 반사를 제어하는 단층 단색 디스플레이를 제공하기 위해 진화되어 왔다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)의 도식도.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 입사광의 파장 및 최종적인 방출과 관련하여 도 2의 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)의 확산 미러의 예시적인 반사율을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 도 2의 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)의 유효성을 도시하는 도면.

본 발명의 다수의 양태가 이하의 도면을 참조하여 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면의 구성 요소는 반드시 실제 크기로 도시되어 있지는 않고, 대신에 본 발명의 원리를 명료하게 도시하기 위해 강조가 부여되어 있다. 더욱이, 도면에서, 유사한 도면 부호는 다수의 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 나타낸다.

본 명세서에는 발광-기반 반사형 디스플레이 화소에 관련된 다양한 실시예가 개시된다. 이제 유사한 도면 부호가 다수의 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지시하는 도면에 도시된 바와 같은 실시예의 설명을 상세히 참조할 것이다.

페이퍼형 디스플레이가 밝은 전체 색상 범위를 제공하는 것이 바람직하다. 현존하는 반사 화소 기술은 제한된 밝기를 제공하는데, 이는 부분적으로 이들이 가시광 스펙트럼의 다른 부분 내의 광을 흡수하면서 원하는 광학 대역 내의 광을 간단히 복귀시키기 때문이다. 발광 재료의 사용은 임계 파장보다 짧은 광범위한 파장에 걸쳐 광을 강하게 흡수하고 원하는 파장 대역 내의 대부분의 흡수된 에너지를 재방출함으로써 '페이퍼형' 디스플레이의 성능을 증가시킬 수 있다. 그렇지 않으면 폐기되는 광의 이 '재순환(recycling)'은 더 높은 밝기를 가능하게 하고, 방출 대역이 좁으면 더 양호한 색 포화를 가능하게 한다.

화소는 그 각각이 주어진 스펙트럼 대역에서 복귀된 광을 변조하는 복수의 서브화소 또는 단일의 화소 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 화소는 삼원색(예를 들어, 적-녹-청 또는 시안-옐로우-마젠타)을 변조하기 위한 병렬 배열의 3개의 서브화소 및 백색광의 변조를 위한 선택적인 서브화소를 포함할 수 있다. 다른 색상 선택 및 상이한 수의 화소가 이용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)(100)의 도식도이다. 도 1의 실시예에서, 발광층(110)은 선택된 색상을 위한 발광단(luminophore)(120)을 포함한다. 일반적으로, 발광단(120)은 발광성을 명시하는 화학 화합물 내의 원자 또는 원자 그룹이다. 발광단(120)은 매트릭스(130)에 분포되고, 이 매트릭스는 발광층(110) 내의 고체 필름 또는 액체 분산액일 수 있다. 발광단(120)은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 유기 및 무기 염료 및 인광체, 반도체성 나노입자 및 발광성 염료 분자, 올리고머 또는 폴리머를 포함하는 안료 입자를 포함한다. 발광단(120)이 고체 또는 액체 매트릭스(130) 내에 매립되면, 매트릭스 재료는 발광단(120)에 의해 흡수되거나 방출될 파장에서 실질적으로 투명할 수 있다.

대안적으로, 매트릭스 재료는 입사광의 원하는 파장을 흡수하고 이어서 원하는 더 긴 파장에서 이 에너지를 이후에 재방출하는 발광단에 흡수단 에너지를 전달하는 흡수제 또는 감광제로서 기능할 수 있다. 이 에너지 전달은 포스터 교환(Forster exchange)과 같은 비방사성 에너지 전달을 통해 또는 방사 및 재흡수를 통해 성취될 수 있다. 또 다른 대안은 그 각각이 상이한 그러나 잠재적으로 중첩하는 파장 대역에서 흡수하는 투명한 매트릭스 내에 다수의 발광단을 사용하는 것이다. 이 경우에, 일 발광단은 특정 파장 대역 내의 에너지를 흡수하고 이어서 이를 다른 발광단에 전달하는 흡수제 또는 감광제로서 작용할 수 있다. 발광층(110) 아래(또는 후방)에는 미러(140)가 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 미러(140)는 광학 스펙트럼의 단지 선택된 부분만을 반사함으로써 파장 선택적일 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터와 조합된 브래그 스택 또는 광대역 미러가 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반사 대역폭은 다른 원색을 반사하지 않고 화소(또는 서브화소)의 원색을 반사하도록 선택될 수 있다.

화소(100) 상에 입사되는 주위광(150)은 낮은 굴절률(n_low)을 갖는 영역(예를 들어 공기)으로부터 발광단(120)을 포함하는 높은 굴절률(n_high)을 갖는 영역으로 통과함에 따라 다소 시준될 수 있을 것이다. 그러나, 발광단(120)에 의해 흡수된 주위광(150)은 원하는 광학 대역 주위의 파장 대역 내의 광범위한 각도에 걸쳐 재방사될 수도 있다. 낮은 굴절률(n_low)을 갖는 영역으로의 계면에 접근하는 방출된 광(160)은 그 입사각이 임계각[θ_c=arcsin(n_high/n_low)]을 초과하면 내부 전반사될 것이고, 반면에 임계각(θ_c) 미만에서 방출된 광(170)은 낮은 굴절률을 갖는 영역 내로 통과될 것이다. 결과는 방출된 파장을 위한 흡수 계수가 디바이스의 높은 굴절률 영역(들) 내에서 매우 낮은 경우에도, 대부분의 방출된 광(160)이 디바이스의 높은 굴절률 영역(들), 예를 들어 발광층(110) 내의 도파관 모드로 커플링되어 결국에는 흡수되게 되는 것이다. 방출된 광의 아웃커플링(out-coupling)을 최대화하기 위해, 방출이 발생하는 영역에서 굴절률을 가능한 한 낮게 하는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 약 1.2 내지 약 1.5의 범위의 굴절률이 이 영역 외부로 커플링된 광을 최대화하기 위해 방출 영역에 이용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 발광층(110)의 상부면(115)은 내부 반사된 광의 방향을 랜덤화하는 것을 돕고 이용 가능한 탈출각의 범위를 확장시키기 위해 질감 생성(textured)(또는 확산형)일 수 있다. 대안적으로, 확산 미러는 미러에 의해 반사될 때마다 방출된 광의 전파의 방향을 랜덤화하는데 사용될 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 확산 미러(240)를 포함하는 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)(200)의 도식도이다. 원하는 특성 각도 범위 내에 반사된 광을 산란시키는 확산 미러(240)가 제조될 수 있다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 이 각도 산란 범위는 절반각(θ_d)에 의해 지시된다. 일반적으로, 확산 산란된 광은 정반사의 방향 둘레에 중심 설정되지 않는다는 것을 유의하라. 예를 들어, 확산이 램버시안(Lambertian)인 한계에서, 반사된 광선은 입사각에 무관하게 미러의 법선 둘레에 중심 설정된다. 따라서, θ_d는 단지 확산 반사의 각도 폭의 대략적인 척도이다.

확산 미러(240)의 표면에서 반사시에, 정반사되면 발광층(110) 내에 남아 있을 수 있는 방출된 광(260)의 일부는 대신에 임계각(θ_c) 미만의 각도에서 반사될 수 있어, 이것이 낮은 굴절률을 갖는 영역 내로 통과될 수 있게 한다. n_high와 n_low 사이의 더 작은 차이는 더 큰 임계각을 생성하고, 이에 의해 낮은 굴절률 영역으로 탈출하는 계면 상에 입사되는 광의 분율을 증가시킨다는 것을 유의하라. 동시에, 정반사시에 탈출할 수 있는 방출된 광(270)의 일부는 대신에 도파관 모드로 지향될 수 있다. 그러나, 방출된 광의 자기 흡수가 낮고 확산 미러(240)의 반사율이 높으면, 굴절률 n_high와 n_low 사이에 큰 불연속성이 존재하는 경우에도, 대부분의 방출된 광은 결국에는 확산 반사기(240)로부터 다중 반사 후에 화소(200) 외부로 커플링될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 발광단(120)에 의해 방출된 파장을 반사하는 것에 추가하여, 확산 미러(240)는 발광단에 의해 흡수되지 않지만 화소(200)(또는 서브화소)의 원하는 색상에 기여하는 주위광의 몇몇 파장을 반사하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 화소(200)의 국제 조명 위원회(CIE)의 1976 색공간에 정의된 바와 같은 밝기인 L^*은 발광단(120)의 흡수 차단보다 다소 긴 범위에서 광의 파장이 반사되면 향상될 수 있다. 도 6은 파장의 함수로서 발광단의 흡수 대역(610)과 방출 대역(620) 사이의 예시적인 관계를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 발광단은 최대 흡수 에지까지의 파장(λ_abs)을 갖는 광을 흡수한다. 상당한 부분의 흡수된 에너지는 흡수 에지보다 긴 발광 파장(λ_emis) 주위의 대역 내의 발광단에 의해 재방사될 수 있다. 확산 미러(240)는 또한 원하는 색상 대역(630) 내의 주위광의 파장을 반사한다. 부가적으로, 각도에 대한 산란 분포의 기능적 형태는 확산 미러(240) 상의 특징 형상 및 크기의 분포를 엔지니어링함으로써 맞춤화될 수 있다.

더 큰 특성 산란각(θ_d)을 갖는 확산 미러(240)를 사용하는 것은 직접 반사되는 것보다 도파관 모드 내로 산란되는 주위광의 분율을 증가시킬 것이다. 그러나, 그 지점까지, 더 큰 특성 θ_d는 또한 광이 높은 굴절률 영역(들), 예를 들어 발광층(110)을 탈출할 수 있게 하는 각도 범위로 편향되기 전에 도파관 모드에서 광이 산란되어야 하는 횟수를 평균적으로 또한 감소시킬 수 있다. 원하는 색상에 기여하는 파장의 광이 높은 굴절률 영역(들) 내에서 이동하는 거리를 감소시키는 것은 이 광의 흡수를 최소화한다. 따라서, 원하는 각도 산란 범위(θ_d)를 선택하는데 있어서, 도파관 모드로 산란되는 관찰자로 복귀되어야 하는 파장에서 주위광의 양을 최소화하는 것과 도파관 모드에서 포획된 주위광 및 발광광의 모두가 높은 굴절률 영역(들)으로부터 산란되기 전에 이동하는 거리를 최소화하는 것 사이에 절충이 존재한다.

산란각(θ_d)에 의해 특징화되는 확산기 미러(240)의 특성 각도 산란 범위는, 관찰자로 복귀되는 파장에서 광의 흡수를 위한 평균 자유 경로, 확산 미러(240)의 반사율, 디바이스 층의 굴절률 및 원하는 색상의 인식된 밝기에 대한 발광 방출광 및 직접 반사 주위 파장의 상대 기여도에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 화소(200)의 밝기가 직접 반사된 주위광에 의해 지배되는 디자인에서, 산란각(θ_d)은 도파관 모드로 산란되는 주위광의 분율을 최소화하기 위해 반사가 정반사에 더 근접하도록 작은 것이 바람직할 수 있다. 다른 한편으로는, 램버시안을 향한 경향이 있는 넓은 산란이 화소(200)의 겉보기 밝기가 발광 방출에 의해 지배되는 한계에서 바람직하다. 이는 예를 들어 발광단이 광범위한 가시 스펙트럼에 걸쳐 흡수되고 스펙트럼의 적색부 내에 효율적으로 방출될 때 해당될 수 있어, 대부분의 입사 광학 스펙트럼이 발광으로 변환되게 된다. 반사된 주위광 및 발광광의 모두가 중요한 중간 상황에서, 화소(200)의 겉보기 밝기를 최적화하는 특성 산란각은 부분적으로, 높은 굴절률 영역의 계면에서의 내부 전반사를 위한 임계각(θ_c), 확산 미러(240)의 반사율 및 도파관 재료의 광학 흡수율에 의해 결정된다.

게다가, 방출된 광을 아웃커플링하는 것과 주위광의 일부 파장을 반사하는 것 사이의 절충이 그 특성 산란각이 파장 의존성이 있는 확산 미러(240)를 생성함으로써 완화될 수 있다. 일 실시예에서, 무엇보다도, 적어도 확산 미러(240)에 의해 반사되지 않는 파장을 반사하는 정반사 미러 상에 단지 선택된 광의 파장만을 반사하는 확산 미러를 적층하는 것이 이용될 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 정반사 또는 거의 정반사되는 미러(350) 또는 확산 미러(340)를 포함하는 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)(300)의 도식도이다. 파장 선택적 확산 미러(340)는 예를 들어 질감 생성된 표면 상에 브래그 스택을 적층함으로써 생성될 수 있다. 확산 미러(340)는 예를 들어 발광층(110)과 같은 높은 굴절률 영역(들)으로부터 이들을 산란하는 것을 보조하기 위해, 발광단(120)에 의해 방출된 파장을 갖는 광(360)을 확산 반사시키도록 구성될 수 있고, 다른 파장에서 본질적으로 투명하고 비교적 비산란성일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 발광단(120)에 의해 또는 주위 스펙트럼의 일부 부분을 수집하는데 사용된 임의의 감광제에 의해 흡수될 파장을 갖는 입사광(370)을 또한 확산 반사하기 위해 이 확산 미러(340)를 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 층(130) 내의 이들의 유효 경로 길이를 증가시킴으로써 이들 파장의 흡수를 보조할 수 있다. 정반사 또는 거의 정반사 미러(350)가 확산 미러(340)에 의해 반사되지 않는 파장을 갖는 광(380)을 반사하는데 사용된다. 따라서, 예를 들어 발광단(120)에 의해 흡수되지 않고 또한 발광단(120)에 의해 방출되지도 않고 그리고 화소가 생성되기를 원하는 색상에 기여하는 파장에서의 주위광은 그 내에 일시적으로 포획되어 부가의 흡수를 받게되지 않고, 높은 굴절률 영역, 예를 들어 발광층(110)으로부터 즉시 반사될 수 있다. 원한다면, 미러(350)는 예를 들어 광대역 정반사 또는 거의 정반사 미러 상에 컬러 필터 재료(들)를 포함함으로써 파장 선택도를 성취할 수 있다.

대안적으로, 파장 의존성 확산성을 갖는 미러는 더 확산성 미러 상에 파장 선택적 정반사 또는 덜 확산성 미러를 적층함으로써 생성될 수 있다. 이 경우에, 덜 확산성 미러는 덜 확산성 미러에 의해 반사되지 않은 파장에 적당하게 투명할 것이다.

몇몇 실시예에서, 2색성 게스트-호스트 시스템과 같은 광학 셔터 또는 불투명-대-투명 전기영동 셀이 입사 주위광 또는 발광단(120)에 의해 방출된 광을 게이트하기 위해 발광층(110) 위에(또는 그 전방에) 위치될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학 셔터(480)를 포함하는 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)(400)의 도식도이다. 셔터(480)는 화소(400)의 상부층을 형성하고, 조명을 위한 주위광(150)은 셔터(48)를 통해 화소(400)에 진입한다. 셔터(480)는 조정 가능한 광 투과도를 갖는다. 셔터(480)는 발광층(110)에 진입하는 주위광(150) 및 또한 화소(400)를 떠나는 광의 강도를 변조한다. 이 방식으로, 셔터(480)는 원하는 밝기를 성취하기 위해 화소(400)에 의해 생성된 광의 양을 제어한다. 2색성 시스템이 사용되면, 몇몇 실시예에서, 1/4파 플레이트가 2색성 셔터와 발광층(110) 사이에 배치되어 주위광의 양 편광의 변조를 허용할 수 있다. 다른 실시예에서, 1/4파 플레이트는 2색성 셔터와 미러(240) 사이의 다른 위치에 위치될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 측면 반사기(440)가 또한 화소(400) 내에 포함될 수 있다. 경사진 측면 반사기(440)의 사용은 화소(400)의 에지에 도달하는 광을 아웃커플링하는 것을 도울 수 있다. 이들 측면 반사기(440)의 이점은 도파관 모드에서 광이 전파하고 주위 파장의 부가의 인커플링(in-coupling)이 문제가 되지 않는 측방향 거리에 대해 화소(400)의 평면내 치수가 크지 않을 때 가장 이해 가능하다. 측면 반사기의 경사각은 화소(300)로부터 이 광의 가장 큰 분율을 재지향하는 미러각인 임계각(θ_c)에 대한 범위에 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 경사각은 약 θ_c±45도, 약 θ_c±30도 또는 약 θ_c±10도의 범위에 있다.

몇몇 실시예에서, 낮은 굴절률층이 광학 셔터와 높은 굴절률층[예를 들어, 발광층(110)] 사이에 포함될 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 광학 셔터(480)와 발광층(110) 사이에 낮은 굴절률층(510)을 포함하는 발광-기반 반사 화소(또는 서브화소)(500)의 도식도이다. 낮은 굴절률층(510)은 낮은 굴절률 폴리머, 졸겔 또는 적절한 간격을 유지하기 위해 셔터(480)와 발광층(110) 사이에 위치된 스페이서를 포함하는 공기 간극을 포함할 수 있다. 이는 낮은 굴절률층으로 탈출하는 광이 셔터(480) 내로 통과할 때, 셔터(480)의 굴절률이 낮은 굴절률 영역(410)의 것보다 크면 셔터(480) 내에 부분적으로 시준될 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 낮은 굴절률층(510)과 셔터(480)의 굴절률의 차이가 클수록, 시준이 클 수 있을 것이다. 2색성 게스트-호스트 시스템과 같은 몇몇 광학 셔터(480)의 개폐 투명도 비는 이들이 변조하는 광이 이들을 통과함에 따라 부분적으로 시준되면 상당히 향상될 수 있다. 게다가, 낮은 굴절률층은 셔터 내의 도파관 모드 내의 외향으로 지향하는 광의 포획을 방지하는 것을 돕는다. 낮은 굴절률 영역이 공기 간극인 한계에서, 공기 간극 내로 발광층을 탈출하고 이어서 셔터를 통해 통과하는 대부분의 광은 셔터 내에 최소 광 산란이 존재하는 것으로 가정하면, 이후에 내부 전반사를 위한 각도 미만의 각도로 셔터의 상부면에 접근할 수 있을 것이다. 따라서, 공기 간극을 도입하는 것은 그 대부분이 흡수될 수 있는 셔터 내의 도파관 모드 내에 포획된 광의 양을 상당히 감소시킬 것이다. 유사하게, 낮은 굴절률층(510)을 도입하는 것은 낮은 굴절률층(510)의 굴절률이 셔터(통상적으로 공기)의 상부면 위의 영역의 것에 근접하면 셔터 내에서 도파관 모드 내에서 광 손실을 최소화할 것이다.

아웃커플링 효율을 더 향상시키기 위해, 중간 굴절률, 등급화된 굴절률 또는 나방눈(moth-eye) 구조체를 갖는 층(490)이 셔터(480)의 상부에(도 4에 도시된 바와 같이) 또는 발광층(110)의 상부에(도 5에 도시된 바와 같이) 포함될 수 있다. 반사 미광(stray reflection)을 감소시키고 광 아웃커플링을 더 향상시키기 위해, 부가의 등급화된 굴절률, 나방눈 또는 중간 굴절률층이 셔터(480)와 낮은 굴절률층(510) 사이에 포함될 수 있다.

도 1 내지 도 5의 예시적인 실시예는 단일 발광층(110)을 도시하고 있지만, 다른 실시예에서 상이한 굴절률을 갖는 다수의 층이 이용될 수 있다. 예를 들어, 투명한 스페이서층(도시 생략)이 발광층(110)과 확산 미러(240) 사이에 사용될 수 있다. 이는 미러(240)의 재료가 발광층(110) 내의 발광을 제지하는 경향이 있으면 바람직할 수 있다. 이는 또한 높은 내부 방출 효율을 유지하면서 투명한 매트릭스(130)에서 용이하게 분산 가능하지 않은 발광단(120)을 사용하기를 원할 때 바람직할 수도 있다. 몇몇 경우에, 발광층(110)은 상이한 발광단(120)을 각각 포함하는 다수의 투명한 매트릭스층을 포함할 수 있다. 이는 모든 원하는 발광단(120)이 집성 없이 분산될 수 있는 단일 투명 매트릭스 재료(130)가 존재하지 않을 때 바람직할 수 있다. 발광단의 집성은 종종 농도 제지 효과를 통해 감소된 발광 방출 효율을 야기하는 것으로 알려져 있다. 다른 경우에, 광이 일시적으로 도파관 모드에서 안내되는 높은 굴절률 영역의 부분(예를 들어, 높은 굴절률 영역을 형성하는 층의 스택의 부분으로서)을 형성하는 투명 매트릭스층을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 예를 들어 발광단(120)을 포함하는 투명 매트릭스층이 안내된 광의 파장에 대해 얇은 경우에 높은 굴절률 영역의 두께를 증가시키는데 있어서 유리할 수 있다. 부가의 투명 매트릭스층을 추가하는 것은 광이 도파관 모드에서 측방향으로 이동할 수 있게 하여 그 전파 방향이 확산 반사기(240)의 상이한 부분에 의해 랜덤화될 수 있게 된다.

도 7은 발광층(110) 후방(또는 아래)에 확산 미러(240)를 포함하는 효용성을 도시한다. 도 7의 실시예에서, 광발광 폴리머 F8BT의 300 nm 필름이 다양한 정반사면 및 확산 반사면 상에 침착되었다. F8BT는 50 내지 58%의 얇은 필름 내에 내부 발광 방출 효율을 갖는 스펙트럼의 적색부 내에 방출한다. 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는 약 10도 및 약 30도의 각각의 산란 절반각(θ_d)을 갖는 확산면의 효과를 도시한다. 산란 절반각은 0 내지 90도의 범위일 수 있지만, 몇몇 실시예에서 산란 절반각은 약 10도 내지 약 50도, 약 10도 내지 약 30도 또는 약 20도 내지 약 30도의 범위에 있다. 각각의 샘플에 의해 복귀된 총 광은 적분구를 사용하여 여기 파장의 함수로서 측정되었다. 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 플롯팅된 "총 광" 신호는 모든 가시광을 포함하는 검출기의 파장 검출 범위에 걸쳐 캘리브레이션되지 않은 가중 평균이다.

도 7의 (a)와 관련하여, 그래픽 플롯(700)은 약 10도의 산란 절반각을 갖는 확산 미러 상에 침착된 F8BT 필름으로부터 복귀된 총 광을 요약하고 있다. 루미니트(Luminit)로부터의 100 ㎛ 두께 폴리카보네이트 필름 기판(n = 1.58)이 약 10도의 θ_d를 갖는 거친 확산면을 제공하는데 사용되었다. 기판의 거친 측면은 51 nm 알루미늄(Al) 필름으로 코팅되었다. 일 실시예에서, 측정은 거친 알루미늄 처리된 표면 상에 스핀 주조된 F8BT 필름으로 취해졌다(플롯 710). 다른 실시예에서, 측정은 폴리카보네이트 기판의 (평활한) 이면 상에 스핀 주조된 F8BT 필름으로 취해졌다(플롯 720). 비교를 위해, 측정은 평활한 글래스 기판 상에 배치된 51 nm 두께 Al 필름 상에 스핀 주조된 F8BT 필름으로 정반사면으로 취해졌다(플롯 730). F8BT 필름이 없는 거친 알루미늄 처리된 기판의 참조 샘플이 또한 측정되었다(플롯 740).

도 7의 (b)와 관련하여, 그래픽 플롯(750)은 약 30도의 산란 절반각을 갖는 확산 미러 상에 침착된 F8BT 필름으로부터 복귀된 총 광을 요약하고 있다. 루미니트로부터의 100 ㎛ 두께 폴리카보네이트 필름 기판(n = 1.58)이 약 30도의 θ_d를 갖는 거친 확산면을 제공하는데 사용되었다. 기판의 거친 측면은 51 nm 알루미늄(Al) 필름으로 코팅되었다. 일 실시예에서, 측정은 거친 알루미늄 처리된 표면 상에 스핀 주조된 F8BT 필름으로 취해졌다(플롯 760). 다른 실시예에서, 측정은 폴리카보네이트 기판의 (평활한) 이면 상에 스핀 주조된 F8BT 필름으로 취해졌다(플롯 770). 비교를 위해, 측정은 평활한 글래스 기판 상에 배치된 51 nm 두께 Al 필름 상에 스핀 주조된 F8BT 필름으로 정반사면으로 취해졌다(플롯 780). F8BT 필름이 없는 거친 알루미늄 처리된 기판의 참조 샘플이 또한 측정되었다(플롯 790).

스펙트럼 플롯(710 내지 730, 760 내지 780)에 의해 도시된 일 특징은 약 400 내지 500 nm의 범위에서 광에 의해 자극될 때 실시예로부터 복귀된 총 광이다. 이는 F8BT 필름에 의한 강한 흡수의 영역이다. 측정에 사용된 300 nm F8BT 필름은 이 범위의 것보다 상당히 더 큰 광학 밀도를 가져, 거의 모든 입사광이 F8BT 필름에 의해 흡수되게 된다. 따라서, 이 주파수 범위에서 검출된 광은 발광광으로부터 거의 완전히 오게 된다.

정반사면 상의 F8BT 필름에 의해 복귀된 총 광(730)에 비교할 때, 측정(710)은 약 400 내지 500 nm의 범위의 디바이스 외부에 커플링된 광이 약 10도의 산란 절반각을 갖는 거친 알루미늄 처리된 표면 상에 배치된 F8BT 필름으로 약간 향상된다. F8BT 필름이 약 10도의 산란 절반각을 갖고 폴리카보네이트 기판의 평활한 이면 상에 배치될 때, 검출된 향상(720)은 상당히 더 크다. 이는 가능하게는 F8BT 필름과 확산 반사 질감 생성된 Al 층 사이에 위치되는 폴리카보네이트 기판층에 의해 제공된 더 두꺼운 유효 도파관의 이점에 기인한다. 도파관이 300 nm F8BT에 제한될 때, 광은 도파관 모드의 외부로 커플링되도록 측방향으로 충분히 멀리 전파하기 전에 다수회 경면 반사면과 상호 작용해야 한다. 이들 미러의 특성 거칠기의 평면내 길이 스케일은 수 미크론이라는 것을 유의하라. 50 nm Al 필름의 반사율은 400 내지 500 nm 대역에서 단지 대략 80 내지 85%이고(740 및 790), 따라서, 도파관 모드에서 측방향으로 전파하는 동안 다중 반사가 신속하게 광의 강도를 감소시킨다. 이들에 한정되는 것은 아니지만, 은(Ag) 및 금(Au)과 같은 다른 반사 필름이 반사율을 향상시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, Ag의 200 nm의 필름이 폴리카보네이트 기판의 일 측면 상에 배치될 수 있다.

약 30도의 θ_d를 갖는 양 확산 실시예(760, 770)의 경우에, 약 400 내지 500 nm의 범위 내에서 검출된 아웃커플링된 발광은 정반사 미러를 이용하는 실시예(780)에 대해 검출된 것보다 상당히 더 크다. 더 넓은 확산 절반각은 발광광이 경면 반사면과의 더 적은 상호 작용을 갖고 아웃커플링될 수 있게 할 수 있다. 이들 측정된 결과는 아웃커플링이 확산 미러를 합체함으로써 향상될 수 있다는 것(예를 들어, 적어도 2의 팩터만큼)을 제안하고 있다.

도 7은 확산 미러의 사용이 발광단에 의해 흡수되지 않은 파장(F8BT 필름의 경우에 약 560 nm 이상의 파장)에서 반사되는 입사광의 분율을 감소시키는 경향이 있을 수 있다는 것을 또한 도시한다. 이 효과는 정반사면의 측정(730, 780)과 확산면의 측정(710 내지 720, 760 내지 770 각각) 사이의 차이에 의해 도시된다. 그렇지 않으면 정반사될 수 있는 광의 일부는 도파관 모드로 커플링되고, 이 광의 일부는 흡수된다. 몇몇 파장에서, 이는 유리할 수 있다. 예를 들어, 주로 550 nm에서 방출하는 발광단을 사용하여 녹색 서브화소를 생성하기를 원하면, 약 590 nm보다 긴 파장은 복귀시키지 않는 것을 선호할 수 있다(원하는 색 포화에 따라). 다른 한편으로는, 발광단에 의해 흡수되지 않는 방출된 파장(이 예에서 550 nm)에 근접한 광을 복귀시키는 것이 바람직하다. 확산 미러의 반사율이 이들 파장에서 높으면, 이들 파장에서 도파관에 커플링되는 대부분의 입사광이 복귀될 수 있고 확산 미러를 사용하는데 있어 순이익이 있을 수 있다.

유사한 측정이 약 10 미크론의 두께를 갖고 다수의 발광 염료를 포함하는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 층을 포함하는 디바이스 상에서 행해져왔다. PMMA 층은 30도 루미니트 확산기의 확산면 상에 침착되었던 300 mm 두께 은층 상에 침착되었다. 염료는 고에너지 염료에 의해 흡수된 광에너지가 저에너지 염료에 전달되도록 선택되었다. 이 에너지 전달은 고에너지 염료의 광발광 방출 파장 대역이 저에너지 염료의 광흡수 파장 대역과 중첩되는 염료를 선택함으로써 성취될 수 있다. 이 에너지 전달을 용이하게 하는데 사용될 수 있는 물리적 메커니즘은 포스터 교환으로서 알려져 있다. 이 메커니즘을 사용하여, 주위광이 넓은 파장 범위에 걸쳐 흡수되고 최종 최저 에너지 염료에 전달될 수 있고, 거기로부터 광발광을 경유하여 방출된다. 디바이스 상의 측정은, 높은 반사율을 갖는 적절한 확산 미러 상에 발광 필름을 사용함으로써, 최저 에너지 광발광 이미터의 방출 파장 대역 내의 200% 초과의 겉보기 반사율을 얻을 수 있는 것을 지시하고 있다. 가장 중요하게는, 이 시스템은 동일한 CIE a^* 및 b^* 색 좌표를 갖는 이상적인 컬러 필터와 조합된 이론적으로 완벽한 반사면에서 가능한 것들을 초과하는 측정된 밝기값(L^*)을 제공한다. 따라서, 충분한 반사 및 적절한 확산 미러를 갖고 구성된 발광 필름은 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 원하는 색상을 제공하기 위해 관찰자에게 복귀되어야 하는 파장 대역 내에 있는 주위 파장의 증가된 인커플링과 발광광의 향상된 아웃커플링 사이의 유리한 절충을 제공할 수 있다.

반사형 디스플레이(예를 들어, 이-페이퍼 기술)는 관찰자로의 광의 재복귀를 제어하는 발광-기반 반사 화소(810)의 어레이를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 화소는 넓은 색상 범위를 제공하기 위해 3원색을 변조하기 위한 병렬 배열의 3개의 서브화소를 포함할 수 있다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 발광-기반 반사 서브화소(820, 830, 840)를 갖는 화소(810)의 도식도이다. 도 8의 예시적인 실시예에서, 각각의 서브화소(820, 830, 840)는 광학 셔터(480), 발광층(110R, 110G, 110B)을 각각 및 확산 미러(240R, 240G, 240B) 각각을 포함한다. 확산 미러(240R, 240G, 240B)는 상이한 파장 대역 상에 반사될 수 있다. 예를 들어, 이는 광대역 확산 미러 상에 컬러 필터를 사용함으로써 또는 파장 선택 미러를 제공하는 질감 생성(확산) 표면 상에 브래그 스택을 적층함으로써 성취될 수 있다. 대안적으로, 제 4 백색 서브화소가 또한 포함될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 서브화소(820, 830, 840)는 측면 반사기(440)를 또한 포함할 수 있다.

100: 발광-기반 반사 화소 110: 발광층
120: 발광단 130: 매트릭스
140: 미러 150: 주위광
200: 발광-기반 반사 화소 240: 확산 미러
300: 발광-기반 반사 화소 340: 확산 미러
350: 정반사 미러 370:입사광
610: 흡수 대역 620: 방출 대역

Claims

발광-기반 화소에 있어서,
매트릭스 내에 분포된 발광단을 포함하는 발광층 - 상기 발광층은 주위 환경으로부터 발광층의 제 1 측면을 통해 광을 수용하도록 구성되고, 상기 발광층은 주위 환경의 굴절률보다 높은 굴절률을 가짐 - 과,
상기 발광층의 제 2 측면 상에 배치된 확산 미러 - 상기 제 2 측면은 발광층의 제 1 측면에 대향하고, 상기 확산 미러는 사전 정의된 산란 절반각 내의 입사광을 반사하도록 구성됨 - 를 포함하는
발광-기반 화소.
제 1 항에 있어서,
상기 사전 정의된 산란 절반각은 약 10도 내지 약 30도의 범위에 있는
발광-기반 화소.
제 1 항에 있어서,
상기 확산 미러는 파장 선택적인
발광-기반 화소.
발광-기반 화소에 있어서,
매트릭스 내에 분포된 발광단을 포함하는 발광층 - 상기 발광층은 주위 환경으로부터 발광층의 제 1 측면을 통해 광을 수용하도록 구성되고, 상기 발광층은 주위 환경의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖고, 상기 발광층의 제 1 측면은 내부 반사된 광을 확산하도록 구성됨 - 과,
상기 발광층의 제 2 측면 상에 배치된 미러 - 상기 제 2 측면은 상기 발광층의 제 1 측면에 대향함 - 를 포함하는
발광-기반 화소.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 발광층 내에 적어도 하나의 측면 반사기를 더 포함하는
발광-기반 화소.
제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 측면 반사기의 경사각은 상기 발광층의 임계각의 약 ±30도의 범위에 있는
발광-기반 화소.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 발광층의 제 1 측면 상에 배치된 광학 셔터를 더 포함하는
발광-기반 화소.
제 7 항에 있어서,
상기 광학 셔터는 2색성 게스트-호스트 시스템인
발광-기반 화소.
제 7 항에 있어서,
상기 발광층과 광학 셔터 사이에 낮은 굴절률층을 더 포함하는
발광-기반 화소.
제 9 항에 있어서,
상기 낮은 굴절률층은 공기 간극인
발광-기반 화소.
제 7 항에 있어서,
상기 발광층과 광학 셔터 사이의 등급화된 굴절률 구조체를 더 포함하는
발광-기반 화소.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 발광층은 복수의 물리층을 포함하고, 각각의 물리층은 인접한 물리층과는 상이한 굴절률을 갖는
발광-기반 화소.
제 1 항 또는 제 3 항에 따른 복수의 발광-기반 화소를 포함하는
반사형 디스플레이 디바이스.
반사형 디스플레이 화소에 있어서,
복수의 발광-기반 서브화소 - 상기 각각의 서브화소는 원색의 복귀를 변조하도록 구성됨 - 를 포함하고, 각각의 서브화소는
매트릭스 내에 분포된 발광단을 포함하는 발광층 - 상기 발광층은 주위 환경으로부터 발광층의 제 1 측면을 통해 광을 수용하도록 구성됨 -,
상기 발광층의 제 2 측면 상에 배치된 미러 - 상기 제 2 측면은 발광층의 제 1 측면에 대향하고, 상기 확산 미러는 사전 정의된 산란 절반각 내의 입사광을 반사하도록 구성됨 -, 및
상기 발광층의 제 1 측면 상에 배치된 광학 셔터 - 상기 광학 셔터는 서브화소의 외부로 커플링된 광의 강도를 변조하도록 구성됨 - 를 포함하는
반사형 디스플레이 화소.
제 14 항에 있어서,
각각의 서브화소는 발광층 내에 적어도 하나의 측면 반사기를 더 포함하는
반사형 디스플레이 화소.
제 14 항에 있어서,
각각의 서브화소는 발광층과 광학 셔터 사이에 낮은 굴절률층을 더 포함하는
반사형 디스플레이 화소.