KR20140029397A - 업컨버젼 소자를 위한 적외선 통과 가시광 블로커 - Google Patents
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Abstract
적층된(stacked) 층 구조를 갖는 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자(up-conversion device)는 IR 통과 가시광 차단 층을 포함하여, 적층된 소자의 IR 진입 면은 IR 방사선, 특히 MR 방사선을 소자에 진입하게 하지만, 발광 다이오드 (LED)에 의해서 발생된 가시광을 소자의 IR 진입 면에서 이탈하지 못하게 한다. 소자는 IR 진입 면에는 IR 투명 전극을 갖고, 가시광이 소자를 이탈할 수 있도록, IR 진입 면에 대향하는 가시광 검출 면에는 가시광 투명 전극을 갖는다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2011년 2월 28일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 61/447,415의 이익을 청구하며, 임의의 도면, 표 또는 도를 비롯한 이의 전문은 참고로 본 명세서에 포함된다.
적외선 (IR)-대-가시광 업-컨버젼 소자(up-conversion device)는 나이트 비젼(night vision), 거리 측정 및 보안, 뿐만 아니라 반도체 웨이퍼 조사에서의 잠재적인 응용으로 인해서 많은 연구 관심을 받아왔다. IR-대-가시광 업-컨버젼 소자는 광검출기를 발광 다이오드 (LED) 또는 유기 발광 다이오드 (OLED)와 통합시킴으로써 구성되었다. 그러나, 나이트 비젼 소자와 같은 일부 응용의 경우, 가시광이 IR 방사선이 진입하는 IR 투명 전극을 통과할 수 있으면, 업-컨버젼 소자는 부적합할 수 있다. 따라서, 나이트 비젼 응용과 같은 다수의 응용을 위해서, 소자의 적층된(stacked) 활성층이 IR 광 투입에 수직이고, 가시광 산출(output)을 목적하는 관찰 위치에만 한정하기 위한 수단을 갖는 층을 포함하는 업-컨버젼 소자가 필요하다.
발명의 개요
본 발명의 실시양태는 적층된 층 구조를 갖는 업-컨버젼 소자에 관한 것이다. 소자는 IR 통과 가시광 차단 층, IR 진입 투명 전극(IR entry transparent electrode), IR 감응 층, 발광 다이오드 (LED) 층 및 가시광 이탈 투명 전극(visible exit transparent electrode)을 포함한다. IR 통과 가시광 차단 층은 IR 방사선 공급원과 LED 층 사이, 예를 들어 IR 방사선 공급원과 IR 진입 투명 전극 사이에 배치된다. IR 통과 가시광 차단 층은 LED 층에 의해 방출된 파장 또는 파장들에서의 가시광을 통과시키지 않지만 NIR 방사선을 IR 감응 층으로 통과시킨다. IR 통과 가시광 차단 층은 상이한 굴절률을 갖는 물질의 2종 교호 필름, 예컨대 교호 Ta2O5 및 SiO2 필름 또는 LiF 및 TeO2 필름의 스택(stack)을 다수 갖는 복합 구조일 수 있다. 대안적으로, IR 통과 가시광 차단 층은 Si, CdS, InP 및/또는 CdTe의 하나 이상의 필름을 포함할 수 있다. IR 진입 투명 전극은 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), 산화알루미늄주석 (ATO), 산화알루미늄아연 (AZO), 탄소 나노튜브 또는 은 나노와이어일 수 있고, 가시광 이탈 투명 전극은 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), 산화알루미늄주석 (ATO), 산화알루미늄아연 (AZO), 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, Mg:Ag, 또는 Mg:Ag 및 Alq3 스택 층일 수 있다.
LED 층은 전자 수송 층 (ETL), 발광 층 및 정공 수송 층 (HTL)을 포함한다. ETL은 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보란 (3TPYMB), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BCP), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BPhen) 및 트리스-(8-히드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3)을 포함할 수 있다. 발광 층은 트리스-(2-페닐피리딘) 이리듐, Ir(ppy)3, 폴리-[2-메톡시, 5-(2'-에틸-헥실옥시) 페닐렌 비닐렌] (MEH-PPV), 트리스-(8-히드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3) 또는 이리듐 (III) 비스-[(4,6-디-플루오로페닐)-피리디네이트-N,C2']피콜리네이트 (FIrpic)를 포함할 수 있다. HTL은 1,1-비스[(디-4-톨릴아미노)페닐]시클로헥산 (TAPC), N,N'-디페닐-N,N'(2-나프틸)-(1,1'-페닐)-4,4'-디아민 (NPB) 및 N,N'-디페닐-N,N'-디(m-톨릴) 벤지딘 (TPD)을 포함할 수 있다.
도 1은 투명 전극이 가시광을 적층된 층을 포함하는 업-컨버젼 소자의 두 단부에서 탈출하도록 하는 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자의 개략도이다.
도 2는 IR 통과 가시광 차단 층이 삽입되어 가시광이 소자의 IR 진입 면으로부터 누출될 수 없는 본 발명의 실시양태에 따른 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자의 개략도이다.
도 3은 굴절률 (RI)이 상이한 2종의 물질의 교호 필름의 복합체로서 구성된 IR 통과 가시광 차단 층의 개략도이다.
도 4는 실시예 1의 IR 통과 가시광 차단 층에 대한 파장의 함수로서의 % 투과율(transmittance)의 그래프이며, 이것은 근적외선 (NIR)에서 높은 투과율을 나타내고, 가시광 범위의 일부에서 투과율이 거의 없어서, IR 통과 가시광 차단 층이 본 발명의 실시양태에 따른 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자의 IR 진입 면으로부터 녹색광이 손실되는 것을 제한할 수 있다.
도 2는 IR 통과 가시광 차단 층이 삽입되어 가시광이 소자의 IR 진입 면으로부터 누출될 수 없는 본 발명의 실시양태에 따른 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자의 개략도이다.
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도 4는 실시예 1의 IR 통과 가시광 차단 층에 대한 파장의 함수로서의 % 투과율(transmittance)의 그래프이며, 이것은 근적외선 (NIR)에서 높은 투과율을 나타내고, 가시광 범위의 일부에서 투과율이 거의 없어서, IR 통과 가시광 차단 층이 본 발명의 실시양태에 따른 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자의 IR 진입 면으로부터 녹색광이 손실되는 것을 제한할 수 있다.
본 발명의 실시양태는 생성된 가시광의 산출이 IR 광이 진입하는 표면으로부터 방사되지 않는 IR-대-가시광 업-컨버젼 소자에 관한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전형적인 업-컨버젼 소자에서, IR 감응 층은 도 1에 애노드로서 도시된 전극의 한 측면 상에 배치되며, 여기서 IR 감응 층은 전하 캐리어, 전자 또는 정공 중 하나를 생성한다. 소자의 바이어스 하에서, 전하 캐리어는 도 1에 유기 LED (OLED) 층으로서 도시된 발광 소자 (LED) 층으로 향하고, 여기서, 이것은 이의 보충 전하 캐리어와 조합되어 가시광을 생성한다. LED에 의해서 생성된 광은 LED로부터 모든 방향으로 방사된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 업-컨버젼 소자는 2개의 투명 전극과 함께 구성되는데, 여기서, 생성된 가시광이 소자의 두 면을 통해서 전파된다. 군용 나이트 비젼과 같은 업-컨버젼 소자의 일부 잠재적인 응용의 경우, 소자는 소자와 함께 사용되는 의도된 가시광 검출기 이외에 적군(unwelcomed eye)을 비롯한 가시광 검출기에 의해서 관찰되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 가시광이 검출될 의도인 면 이외의 임의의 방향으로 향하는 가시광을 차단하고, 특히 광이 IR 진입 면을 통해서 방사되는 것을 차단하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시양태에서, IR 통과 가시광 차단 층은 높은 비율의 근 IR이 소자에 진입하는 것을 허용하며, 예를 들어 IR 통과 가시광 차단 층은 1.8 μm 미만의 NIR의 적어도 일부를 적어도 50% 투과시키고, IR 진입 면을 통과하는 가시광의 투과를 광이 배경 조명을 통해서 쉽게 검출가능하지 않을 정도로 차단한다.
본 발명의 실시양태에 따른 업-컨버젼 소자가 도 2에 도시되어 있으며, 여기서, IR 진입 면과 IR 감응 층 사이에 IR 통과 가시광 차단 층을 포함함으로써, 소자는 IR 진입 면에서 가시광 불투명해지는데, 이는 IR 통과 가시광 차단 층이 IR 진입 면을 통한 가시광 손실을 허용하지 않고 가시광을 내부로 흡수하고/하거나 반사하기 때문이다. 본 발명을 목적을 위해서, IR 진입 면에 가장 가까운 전극은 적어도 약 50% 투과율의 높은 정도로 IR 투명해야 하며, 가시광 검출 면에 가장 가까운 전극은 가시광이 LED로부터 방출되는 파장 범위에 걸쳐서 적어도 약 50% 투과율의 높은 정도로 가시광 투명해야 한다. IR 통과 가시광 차단 층이 반사성 표면을 갖는 경우, 소자의 광 검출 면으로 향하는 가시광의 비율은 층이 없거나 또는 비-반사성 IR 통과 가시광 차단 층에 비해서 증가될 수 있다. 적층된 층에 수직인 업-컨버젼 소자의 표면은 가시광이 소자의 측면으로 손실되지 않도록 불투명한 코팅으로 피복되거나 또는 달리는 흡수성 표면 및/또는 반사성 표면인 불투명한 표면에 인접될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, IR 통과 가시광 차단 층의 위치는 기판과 애노드 사이일 수 있다. 층은 또한 애노드에 대향하는 기판의 표면 상에 배치될 수 있거나, 또는 두 층이 적절한 전자 특성을 가져서 소자에서 상호연결 층 또는 활성층으로서 작용하는 경우에는, IR 통과 가시광 차단 층은 소자에 사용되는 LED의 IR 진입 측면 상의 소자의 임의의 층들 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따른 업-컨버젼 소자에서 사용되는 IR 통과 가시광 차단 층은 도 3에 도시된 바와 같은 다중 유전체 스택 층을 사용할 수 있다. IR 통과 가시광 차단 층은 굴절률이 상이한 교호 필름을 갖는 유전체 필름의 스택을 사용하며, 여기서, 굴절률이 높은 필름이 유의하게 더 낮은 굴절률의 필름과 교호된다. 본 발명의 실시양태에서, 필름은 물질의 연속적인 층이며, 임의의 특정 순서 또는 방식으로 형성될 필요는 없다. 스택은 굴절률이 높은 하나 이상의 물질의 필름 및 굴절률이 낮은 하나 이상의 물질의 필름을 포함할 수 있다. 예시적인 IR 통과 가시광 차단 층에서, 층은 교호 Ta2O5 필름 (RI = 2.1) 및 SiO2 필름 (RI = 1.45)의 복합체로 구성된다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 교호 TiO2 필름 및 SiO2 필름의 복합체, 및 교호 LiF 필름 TeO2 필름의 복합체를 비롯한 다른 물질을 사용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에서, IR 통과 가시광 차단 층은, IR 투명도는 본질적으로 높지만 가시광에는 불투명한 하나 이상의 필름, 예를 들어 Si, CdS, InP 또는 CdTe를 포함할 수 있다. 당업자에게 인지될 수 있는 바와 같이, 물질 또는 복합 물질은 가시광에서 투명도를 일부 가질 수 있지만, 물질은 사용되는 LED에 의해서 방출되는 가시광 방사선의 파장을 반사하거나 또는 흡수하여 업-컨버젼 소자가 사용되는 주변 광 조건 하에서 외부 가시광 검출기에 효과적으로 불투명해야 한다. 업-컨버젼 소자의 일부 용도의 경우, 흡수 또는 반사가 절대적일 필요는 없다.
본 발명의 실시양태에서, IR 감응 층은 혼합 PbSe QD 또는 혼합 PbS QD를 포함하는 넓은 흡수 IR 감응 층일 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에서, IR 감응 층은 PbSe, PbS, InAs, InGaAs, Si, Ge, 또는 GaAs의 연속적인 박막을 포함한다. 본 발명의 실시양태에서, IR 감응 층은 페릴렌-3,4,9,10-테트라카르복실-3,4,9,10-이무수물 (PTCDA), 주석 (II) 프탈로시아닌 (SnPc), SnPc:C60, 알루미늄 프탈로시아닌 클로라이드 (AlPcCl), AlPcCl:C60, 티타닐 프탈로시아닌 (TiOPc), 및 TiOPc:C60이 포함되지만, 이에 제한되지 않는 물질을 포함하는 유기물질 또는 유기금속이다.
본 발명의 실시양태에서, LED 층은 515 nm에서 녹색광을 방출하는 fac-트리스(2-페닐피리딘)이리듐 (Ir(ppy)3)을 포함하는 OLED일 수 있다. 본 발명의 실시양태에서 사용될 수 있는 다른 LED 물질에는 폴리-[2-메톡시, 5-(2'-에틸-헥실옥시) 페닐렌 비닐렌] (MEH-PPV), 트리스-(8-히드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3), 및 이리듐 (III) 비스-[(4,6-디-플루오로페닐)-피리디네이트-N,C2']피콜리네이트 (FIrpic)가 포함된다. LED 층은 광의 임의의 개별 파장, 파장들의 혼합, 또는 좁은 광 스펙트럼 또는 넓은 광 스펙트럼을 방출할 수 있다. 다양한 LED 물질이 LED 층에 포함될 수 있으며, LED 층은 복수의 상이한 LED 층일 수 있다.
도 2에 애노드로서 도시된 IR 진입 투명 전극에서 사용될 수 있는 투명 전극에는 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), 산화알루미늄주석 (ATO), 산화알루미늄아연 (AZO), 탄소 나노튜브 필름 또는 은 나노와이어가 포함된다. 도 2에 캐소드로서 도시된 가시광 이탈 투명 전극은 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), 산화알루미늄주석 (ATO), 산화알루미늄아연 (AZO), 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, Mg:Al 층, 또는 Mg:Ag 및 Alq3 스택 층일 수 있다. 예를 들어, 두께가 30 nm 미만인 10:1 Mg:Ag 층을 두께가 최대 200 nm인 Alq3 층과 함께 적층할 수 있다. IR 진입 투명 전극 및/또는 가시광 이탈 투명 전극은 각각 IR 스펙트럼 및 가시광 스펙트럼에 투명한 기판 상에 형성될 수 있고, 이것은 임의의 적절한 유리 또는 중합체 물질일 수 있다.
방법 및 물질
IR 통과 가시광 차단 층을 하기 표 1에 기재된 바와 같이 Ta2O5 (RI = 2.1) 및 SiO2 (RI = 1.45)의 다수의 교호 필름으로 구성하였다. IR 통과 가시광 차단 층은 두께가 약 1 μm였고, 이것은 575 nm보다 작고 450 nm보다 큰 파장에서 투과율이 거의 없는 뾰족한 컷오프(sharp cutoff)를 나타내기 때문에, 515 nm 광을 방출하는 OLED를 사용하는 업-컨버젼 소자에서 사용하기에 적합하였다. 도 4는 IR 통과 가시광 차단 층의 투과율 스펙트럼을 나타낸다.
본 명세서에서 참고되거나 또는 언급된 모든 특허, 특허 출원, 가출원 및 공고는 이들이 본 명세서의 명백한 교시 내용과 불일치하지 않은 정도로 모든 도면 및 표를 비롯한 이들의 전문이 참고로 포함된다.
본 발명에 기재된 예 및 실시양태는 단지 설명의 목적을 위해서이며, 이들에 비추어 다양한 개질 또는 변경이 당업자에게 제안될 것이며 본 출원의 취지 및 이해의 범위에 포함될 것이다.
Claims (13)
- IR 통과 가시광 차단 층, IR 진입 투명 전극(IR entry transparent electrode), IR 감응 층, 발광 다이오드 (LED) 층 및 가시광 이탈 투명 전극(visible exit transparent electrode)을 포함하는 적층된 층 구조를 가지며, 여기서 IR 통과 가시광 차단 층은 IR 방사선 공급원과 LED 층 사이에 배치되고, IR 통과 가시광 차단 층은 LED 층에 의해 방출된 파장에서의 가시광을 통과시키지 않지만 NIR 방사선을 IR 감응 층으로 통과시키는 것인 업-컨버젼 소자(up-conversion device).
- 제1항에 있어서, IR 통과 가시광 차단 층이 상이한 굴절률을 갖는 물질의 2종 교호 필름을 다수 포함하는 복합 구조인 업-컨버젼 소자.
- 제2항에 있어서, 2종 교호 필름이 Ta2O5 및 SiO2의 복합체 또는 LiF 및 TeO2의 복합체를 포함하는 것인 업-컨버젼 소자
- 제1항에 있어서, IR 통과 가시광 차단 층이 Si, CdS, InP 및/또는 CdTe의 하나 이상의 필름을 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제1항에 있어서, IR 진입 투명 전극이 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), 산화알루미늄주석 (ATO), 산화알루미늄아연 (AZO), 탄소 나노튜브 또는 은 나노와이어를 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제1항에 있어서, 가시광 이탈 투명 전극이 산화인듐주석 (ITO), 산화인듐아연 (IZO), 산화알루미늄주석 (ATO), 산화알루미늄아연 (AZO), 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, Mg:Ag, 또는 Mg:Ag 및 Alq3 스택(stack)을 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제6항에 있어서, Mg:Ag 층이 10:1 비율이고 30 nm 미만의 두께를 갖는 것인 가시광 이탈 투명 전극.
- 제6항에 있어서, Alq3 층이 200 nm 미만의 두께를 갖는 것인 가시광 이탈 투명 전극.
- 제1항에 있어서, LED 층이 전자 수송 층 (ETL), 발광 층 및 정공 수송 층 (HTL)을 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제9항에 있어서, ETL이 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보란 (3TPYMB), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BCP), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BPhen) 및 트리스-(8-히드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3)을 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제9항에 있어서, 발광 층이 트리스-(2-페닐피리딘) 이리듐, Ir(ppy)3, 폴리-[2-메톡시, 5-(2'-에틸-헥실옥시) 페닐렌 비닐렌] (MEH-PPV), 트리스-(8-히드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3) 또는 이리듐 (III) 비스-[(4,6-디-플루오로페닐)-피리디네이트-N,C2']피콜리네이트 (FIrpic)를 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제9항에 있어서, HTL이 1,1-비스[(디-4-톨릴아미노)페닐]시클로헥산 (TAPC), N,N'-디페닐-N,N'(2-나프틸)-(1,1'-페닐)-4,4'-디아민 (NPB) 및 N,N'-디페닐-N,N'-디(m-톨릴) 벤지딘 (TPD)을 포함하는 것인 업-컨버젼 소자.
- 제1항에 있어서, IR 통과 가시광 차단 층이 IR 방사선 공급원과 IR 진입 투명 전극 사이에 배치된 것인 업-컨버젼 소자.
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