KR20160072177A - 발광 다이오드 (led) 디바이스들 - Google Patents

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KR20160072177A
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Abstract

발광 다이오드들 (LED들), 적합하게 청색광 LED들을 포함하는 디스플레이 시스템들이 본원에 개시되며, 이는 증가된 광학 전력 출력을 나타낸다. 실시형태들에서, 디스플레이 시스템들은 발광성 나노결정들을 포함한 포스포들을 포함하는 컴포지션들을 포함한다.

Description

발광 다이오드 (LED) 디바이스들{LIGHT EMITTING DIODE (LED) DEVICES}
본 발명은 발광 다이오드들 (LED들), 적합하게 청색광 LED들을 포함하는 디스플레이 시스템에 관한 것이며, 이는 증가된 광학 전력 출력을 나타낸다. 실시형태들에서, 디스플레이 시스템들은 발광성 나노결정들을 포함한 포스포들을 포함하는 컴포지션들을 포함한다.
액정 디스플레이 (LCD) 백라이트들에서는, 광원으로서 백색 LED들이 통상 이용된다. 하나의 구성에서, LED들은 디스플레이의 에지 또는 둘레 주변에 배열된다. 이러한 에지-방식 (edge-lit) 의 백라이트들의 경우, LED들에서 나오는 빛은, 디스플레이에 걸쳐서 백색광을 균일하게 분배하는 도광판 안으로 들어간다. 백색 LED 패키지 설계는 도광판 안으로 높은 추출 효율 및 커플링 효율을 제공하도록 최적화되었다.
LCD 백라이트들은 종종 YAG 포스포들과 같은 포스포들을 이용한다. 통상적으로, 이들 포스포들은 LED 패키지 자체 내에 위치되어 있다. 발광성 나노결정들 (luminescent nanocrystals) 은, 포스포가 더이상 LED 패키지 내부에 있지 않는 원격 포스포 구성들에서 종종 사용되는 새로운, 대안의 포스포 부류를 나타낸다. 예를 들어, 발광성 나노결정들은 도광판 상부에 배치되는 가요성 필름/시트 안에 임베드될 수 있다 (예를 들어, 공개된 미국 특허 출원 Nos. 2010/0110728 및 2012/0113672를 참조하며, 그 각각은 그 전체가 참조로써 본원에 통합된다). 다른 예들에서, 발광성 나노결정들은, LED들과 도광판 사이에 배치되는 컨테이너 (container), 예를 들어 모세관 (capillary) 안에 밀봉된다 (예를 들어, 공개된 미국 특허 출원 No 2010/0110728 참조).
도광판 안으로의 청색 LED 광 추출 효율 및 커플링 효율은 전체 디스플레이 효율에서 중요한 역할을 한다. 현재 청색 LED 설계에서는 청색광 추출 효율이 나쁘다. 이것은 밀봉-폴리머/공기 계면으로부터의 반사의 결과일 가능성이 있다. 상당량의 청색광이 이 계면으로부터 LED의 청색 다이를 향해 되반사되며, 궁극적으로 청색광을 흡수한다.
본원에는 청색 LED 기반의 디스플레이 디바이스들에 의해 이 결점을 극복하여 이러한 디바이스들의 광학 전력 출력을 증가시키는 실시형태들이 개시되어 있다.
실시형태들에서, 본 출원은 적합하게 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED), 청색 LED에 광학 커플링된 도광판, 디스플레이 및 복수의 포스포들을 포함하고 도광판과 디스플레이 사이에 배열되는 컴포지션을 포함하는 디스플레이 시스템들을 제공한다. 적합하게, 디스플레이 시스템은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 증가된 광학 전력 출력을 나타낸다.
실시형태들에서, 도광판은 테이프 또는 접착제를 이용하여 청색 LED에 광학 커플링된다. 실시형태들에서, 도광판은 LED로부터 돌출된 밀봉재 (encapsulant) 를 통해 청색 LED에 광학 커플링된다.
적합하게, 포스포들은 YAG 포스포들, 실리케이트 포스포들, 가넷 포스포들, 알루미네이트 포스포들, 질화물 포스포들, NYAG 포스포들, SiAlON 포스포들 및 CASN 포스포들이다. 추가 실시형태에서, 포스포들은 발광성 나노결정들, 예를 들어, CdSe 또는 ZnS를 포함하는 발광성 나노결정들, 예를 들어, CdSe/ZnS, InP/ZnS, InP/ZnSe, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS를 포함하는 발광성 나노결정들이다.
예시적인 실시형태들에서, 컴포지션은 필름이다.
적합하게, 디스플레이는 액정 모듈이다.
부가적인 실시형태들에서, 시스템들은 확산판, 하나 이상의 휘도 향상 필름들 (BEF들) 및 반사판 중 하나 이상을 더 포함한다.
실시형태들에서, 디스플레이 시스템은 적합하게, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 광학 전력 출력의 적어도 10% 증가를 나타낸다.
또한, 적합하게 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED), 청색 LED에 광학 커플링된 도광판, 디스플레이, 및 복수의 포스포들을 포함하고 그 컴포지션이 도광판과 디스플레이 사이에 배열되는 필름을 포함하는 디스플레이 시스템들이 제공된다. 적합하게, 디스플레이 시스템은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 광학 전력 출력의 적어도 10% 증가를 나타낸다.
광학 커플링하기 위한 예시적인 방법들은, 발광성 나노결정들을 포함한 적합한 포스포들과 같이, 본원에 기재되어 있다.
또한, 적합하게 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED), 청색 LED에 광학 커플링된 도광판, 복수의 포스포들을 포함하고 도광판 상부에 배열되는 고분자 필름, 고분자 필름 상부에 배열되는 하나 이상의 휘도 향상 필름들 (BEF들), BEF들 상부에 배열되는 상부 확산판 및 상부 확산판 상부에 배열되는 액정 모듈을 포함하는 디스플레이 시스템들이 제공된다. 적합하게, 디스플레이 시스템은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 광학 전력 출력의 적어도 10% 증가를 나타낸다.
광학 커플링하기 위한 예시적인 방법들은, 발광성 나노결정들을 포함한 적합한 포스포들과 같이, 본원에 기재되어 있다.
또한, 청색 LED를 디스플레이 시스템의 도광판에 광학 커플링하는 것을 포함하는, 디스플레이 시스템에서의 청색 LED의 광학 전력 출력을 증가시키는 방법이 제공된다.
방법들의 실시형태들에서, 광학 커플링은 테이프 또는 접착제를 이용하여 청색 LED를 도광판에 커플링하는 것을 포함한다. 방법들의 실시형태들에서, 도광판은 LED로부터 돌출된 밀봉재를 통해 청색 LED에 광학 커플링된다.
적합하게, 방법들은, 도광판에 광학 커플링된 청색 LED를 포함하지 않는 디스플레이 시스템과 비교하여 청색 LED의 광학 전력 출력을 적어도 10%만큼 증가시킨다.
실시형태들의 추가 실시형태들, 특징들 및 이점들, 그리고 다양한 실시형태들의 구조 및 동작은 첨부된 도면들을 참조하여 아래에 상세히 기재된다.
도 1a는 본원에 기재된 예시적인 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 1b는 본원에 기재된 예시적인 추가 디스플레이 시스템을 도시한다.
도 2(a)-2(c)는 청색 LED들에서의 광학 전력 출력의 손실 소스 및 LED와 도광판 사이의 광학 커플링 효과를 나타낸 개략도를 도시한다.
도 3a-3b는 청색 및 백색 LED들에 대한 스펙트럼 전력 밀도 및 적분된 스펙트럼 전력 밀도의 이론적인 계산을 도시한다.
도 4a-4c는 3가지 상이한 LED/광학 커플링 구성들에서 백라이트들의 이미지들을 도시한다.
본원에서 나타내고 설명한 특정의 구현예들은 예들이고 본 출원의 범위를 어떠한 방법으로도 달리 제한하려고 의도된 것이 아님을 이해해야 한다
본원에서 지칭되는 공개 특허들, 특허 출원들, 웹사이트들, 회사명들, 및 과학 문헌은, 각각이 참조로써 통합되는 것으로 구체적으로 개별적으로 나타내지는 것과 동일한 정도로 그 전체가 참조로써 본원에 통합된다. 본원에 인용된 임의의 참조문헌과 본 명세서의 특정 교시들 사이의 임의의 분쟁은 후자에 우호적이도록 해결될 것이다. 마찬가지로, 업계에서 이해되는 단어 또는 문구의 정의와 본 명세서에 구체적으로 교시된 단어 또는 문구의 정의 간의 어떠한 분쟁도 후자에 우호적이도록 해결될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a", "an", 및 "the"는 구체적으로, 문맥에서 명확하게 다르게 나타내지 않는 한 지칭되는 용어의 복수 형태들도 또한 포함한다. 용어 "약"은 본원에서 근사적으로, 대략 그 영역 또는 그 부근을 의미하기 위해 사용된다. 임의의 수치 값을 지칭할 때, "약" 은 언급된 값의 +/-10 % 의 값을 의미한다 (예컨대, "약 100 nm"는 90 nm와 110 nm를 포함한 90 nm에서 110 nm까지의 범위를 포괄한다).
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 출원이 속하는 분야의 당업자에 의해 통상 이해되는 의미를 갖는다. 본원에서는 당업자에게 알려져 있는 다양한 방법론들 및 재료들을 참조한다.
발광성 나노결정 포스포들
발광성 나노결정들을 포함하여, 나노결정들을 포함하는 다양한 컴포지션들이 본원에 기재된다. 흡수 성질들, 방출 성질들 및 굴절률들을 포함한, 발광성 나노결정들의 다양한 성질들은 여러 애플리케이션들에 맞추어지고 조절될 수 있다. 본원에서 사용되는 바처럼, 용어 "나노결정" 은 실질적으로 단결정질인 나노구조들을 지칭한다. 나노결정은 약 500 nm 미만, 그리고 아래로 약 1 nm 미만 정도에 이르기까지의 치수들을 가진 적어도 하나의 영역 또는 특징적 치수들을 갖는다. 용어들 “나노결정", "나노도트", "도트", "양자 도트" 및 "QD" 는, 당업자에 의해 유사한 구조들을 표현하는 것으로 용이하게 이해되며, 본원에서 상호교환가능하게 사용된다. 본 발명은 또한 다결정질 또는 비정질 나노결정들의 사용을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "나노결정"은 또한 "발광성 나노결정들"을 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "발광성 나노결정들"은 외부 에너지원 (적합하게는 광) 에 의해 여기되는 경우 발광하는 나노결정들을 의미한다.
나노결정들의 재료 성질들은 실질적으로 동종일 수 있거나, 또는 특정 실시형태들에서, 이종일 수 있다. 나노결정들의 광학적 성질들은 그들의 입자 사이즈, 화학적 또는 표면 컴포지션에 의해 결정될 수 있다. 발광성 나노결정 사이즈를 약 1 nm 와 약 15 nm 사이의 범위에서 맞추는 능력은 전체 광학 스펙트럼에서 광전자 방출 커버리지가 칼라 렌더링에서 큰 다용성을 제공할 수 있도록 한다. 입자 밀봉 (encapsulation) 은 화학물질 및 UV 열화제들에 대항한 강건성을 제공한다.
본원에 기재된 실시형태에서 사용하기 위한 발광성 나노결정들을 포함한 나노결정들은 당업자에게 공지된 임의의 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 적합한 방법들 및 예시적인 나노결정들은 미국 특허 No. 7,374,807; 2004년 3월 10일에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 10/796,832; 미국 특허 No. 6,949,206; 및 2004년 6월 8일에 출원된 미국 특허 가출원 No. 60/578,236에 개시되어 있으며, 그 각각의 개시물들은 그 전체가 본원에 참조로써 통합된다.
본원에 기재된 실시형태들에서 사용하기 위한 발광성 나노결정들은 임의의 적합한 재료, 예를 들어 무기 재료, 및 더 적합하게는 무기 전도성 또는 반도체성 재료로부터 제조될 수 있다. 적합한 반도체 재료들은 미국 특허 출원 일련 No. 10/796,832에 기재된 것들을 포함하며, 그리고 II-VI 족, III-V 족, IV-VI 족 및 IV 족 반도체들을 포함한, 임의의 종류의 반도체를 포함한다. 적합한 반도체 재료들은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C (다이아몬드 포함), P, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, BeS, BeSe, BeTe, MgS, MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2 (S, Se, Te)3, Al2CO, 및 2개 이상의 이런 반도체들의 적합한 조합들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
특정 실시형태들에서, 나노결정들은 p-형 도펀트 또는 n-형 도펀트로 이루어지는 그룹으로부터의 도펀트를 포함할 수도 있다. 본원에 유용한 나노결정들은 또한 II-VI 또는 III-V 반도체들을 포함할 수 있다. II-VI 또는 III-V 반도체 나노결정들의 예들은 Zn, Cd 및 Hg 과 같은 II 족으로부터의 원소와 S, Se, Te, 및 Po 와 같은 주기율표의 VI 족으로부터의 임의의 원소와의 임의의 조합; 및 B, Al, Ga, In, 및 Tl 과 같은 III 족으로부터의 원소와 N, P, As, Sb 및 Bi 와 같은 주기율표의 V 족으로부터의 임의의 원소와의 임의의 조합을 포함한다.
본원에 기재된 실시형태들에 유용한 발광성 나노결정들을 포함한 나노결정들은 또한 그들의 표면과 공액되거나, 협업되거나, 연관되거나 또는 부착된 리간드들을 더 포함한다. 적합한 리간드들은, 2000년 2월 4일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 12/79,813; 2008년 3월 19일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 12/076,530; 2009년 10월 30일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 12/609,736; 2005년 12월 9일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 11/299,299; 미국 특허 No. 7,645,397; 미국 특허 No. 7,374,807; 미국 특허 No. 6,949,206; 미국 특허 No.7,572,393; 및 미국 특허 No. 7,267,875에 개시된 것들을 포함한, 당업자들에게 알려져 있는 임의의 그룹을 포함하며, 이들 각각의 개시물은 본원에 참조로써 그 전체가 통합된다. 이러한 리간드들의 사용은 고분자를 포함하는 다양한 용매 및 매트릭스에 나노결정들이 혼합되는 능력을 향상시킬 수 있다. 다양한 용매와 매트릭스에서의 나노결정들의 혼화성 (miscibility) (즉, 분리되지 않고 혼합될 수 있는 능력) 을 증가시키는 것은, 나노결정들이 함께 응집되지 않고 따라서 광을 산란시키지 않도록 나노결정들이 고분자 컴포지션 전체에 걸쳐 분포될 수 있도록 한다. 이러한 리간드들을 본원에서는 "혼화성 강화 (miscibility-enhancing)" 리간드라 한다.
소정의 실시형태들에서, 매트릭스 재료에 분포 또는 임베드되는 나노결정들을 포함하는 컴포지션들이 제공된다. 적합한 매트릭스 재료들은 고분자 재료, 유기 또는 무기 산화물을 포함하여, 당업자에 공지된 임의의 재료일 수 있다. 본원에 기재된 컴포지션들은 층, 밀봉재 (encapsulant), 코팅, 시트 또는 필름일 수 있다. 층, 고분자 층, 매트릭스, 시트 또는 필름이 지칭되는 본원에 기재된 실시형태에 있어서, 이들 용어들은 상호교환가능하게 사용되며, 이렇게 기재되는 실시형태는 어느 한 종류의 컴포지션에 한정되는 것이 아니라, 본 명세서에 기재되거나 당업계에 공지된 임의의 매트릭스 재료 또는 층을 포괄한다는 것에 유의해야 한다.
(예를 들어, 미국 특허 No. 7,374,807에 개시된 바와 같은) 하향 변환 (down-converting) 나노결정들은, 특정 파장의 광을 흡수한 후 제 2 파장에서 방출함으로써 능동 광원 (예컨대, LED) 의 향상된 성능과 효율을 제공하도록 맞추어지는, 발광성 나노결정들의 방출 특성을 활용한다.
당업자에게 알려진 임의의 방법이 나노결정들 (발광성 나노결정들) 을 형성하는데 사용될 수 있지만, 적합하게는, 무기 나노재료 포스포들의 제어 성장을 위한 용액상 콜로이드법이 사용된다. Alivisatos, A.P., "Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots", Science 271:933 (1996); X. Peng, M. Schlamp, A. Kadavanich, A.P. Alivisatos, "Epitaxial growth of highly luminescent CdSe/CdS Core/Shell nanocrystals with photostability and electronic accessibility", J. Am. Chem. Soc. 30:7019-7029 (1997); 및 C. B. Murray, D.J. Norris, M.G. Bawendi, "Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites", J. Am. Chem. Soc. 115:8706 (1993) 을 참조하며, 그 개시물들은 본원에 그 전체가 참조로써 통합된다. 이 제조 프로세스 기술은 클린 룸들 및 비싼 제조 장비에 대한 요구 없이, 저비용 가공성을 레버리지한다. 이들 방법들에서, 높은 온도에서 열분해를 겪는 금속 전구체들이 유기 계면활성제 분자들의 뜨거운 용액 (hot solution) 에 고속으로 도입된다. 이들 전구체들은 상승된 온도들에서 분해하고 반응하여, 나노결정들을 핵생성한다. 이 초기 핵생성 페이즈 (nucleation phase) 이후, 성장하는 결정에의 모노머들의 첨가에 의해 성장 페이즈가 시작된다. 이 결과는 유기 계면활성제 분자 코팅을 그들의 표면에 갖는 용액에서 자립 (freestanding) 결정질 나노입자들이다.
이 접근법을 이용하여, 합성이 수 초 동안 일어나는 초기 핵생성 이벤트로서 일어난 후, 상승된 온도에서 수 분 동안 결정 성장된다. 반응의 성질과 진행을 변화시키기 위해, 온도, 존재하는 계면활성제들의 유형들, 전구체 재료들, 및 모노머들에 대한 계면활성제들의 비들과 같은 파라미터들은 변경될 수 있다. 온도는 핵생성 이벤트의 구조적 페이즈 (structural phase), 전구체들의 분해의 레이트, 및 성장율을 제어한다. 유기 계면활성제 분자들은 나노결정 형상의 제어 및 용해도 양쪽 모두를 조정 (mediate) 한다. 계면활성제 대 모노머, 계면활성제 대 계면활성제, 모노머 대 모노머의 비율, 및 모노머들 개개의 농도들는 성장의 반응속도 (kinetics) 에 강하게 영향을 미친다.
적합한 실시형태들에서, 재료의 합성의 상대적 성숙도로 인해 가시광 하향 변환을 위한 나노결정 재료로서 일례로 CdSe가 사용된다. 일반적인 표면 화학물질의 사용으로 인해, 비카드뮴 함유 나노결정들을 치환하는 것이 또한 가능하다.
코어/쉘 발광성 나노결정들
반도체 나노결정들에서, 광-유도 방출은 나노결정의 밴드 에지 상태들로부터 발생한다. 발광성 나노결정들로부터의 밴드-에지 방출은 표면 전자 상태들에서 비롯되는 방사 및 비방사 감쇠 채널들과 경합한다. X. Peng 등, J. Am. Chem. Soc. 30:7019-7029 (1997). 결과적으로, 댕글링 결합들과 같은 표면 결함들의 존재는 비방사 재결합 중심들을 제공하며 감소된 방출 효율에 기여한다. 표면 트랩 상태들을 패시베이트하고 제거하는 효율적이고 영구적인 방법은 나노결정의 표면 상에 무기 쉘 재료를 에피택셜 성장하는 것이다. X. Peng 등, J. Am. Chem. Soc. 30:7019-7029 (1997). 쉘 재료는, 전자 준위들이 코어 재료에 대해 유형 I 가 되도록 (예컨대, 전자 및 홀을 코어에 국부화시키는 퍼텐셜 스텝을 제공하기 위해 더 큰 밴드갭을 갖도록), 선택될 수 있다. 결과적으로, 비방사 재결합의 확률이 감소될 수 있다.
코어-쉘 구조들은, 쉘 재료들을 포함하는 유기금속의 전구체들을, 코어 나노결정을 포함하는 반응 혼합물에 첨가함으로써 획득된다. 이 경우, 핵생성 이벤트이후 성장한다기 보다는, 코어들이 핵들로서 작용하고, 그들의 표면으로부터 쉘들이 성장한다. 반응의 온도는 쉘 재료들의 나노결정들의 독립적인 핵생성을 방지하면서, 코어 표면에의 쉘 재료 모노머들의 첨가를 유리하게 하기 위해 낮게 유지된다. 반응 혼합물에서 계면활성제들은 쉘 재료의 제어 성장을 유도하고 용해도를 보장하기 위해 존재한다. 균일한 에피택셜 성장된 쉘이 2개의 재료들 사이에 낮은 격자 부정합이 존재할 때에 획득된다.
코어-쉘 발광 나노결정들을 준비하기 위한 예시적인 재료들은 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C (다이아몬드 포함), P, Co, Au, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, BeS, BeSe, BeTe, MgS, MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2 (S, Se, Te)3, AlCO, 및 2개 이상의 이런 재료들의 적합한 조합들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시에 사용하기 위한 예시적인 코어-쉘 발광성 나노결정들은 (코어/쉘로서 나타내어) CdSe/ZnS, InP/ZnS, InP/ZnSe, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS, CdTe/ZnS 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
전체를 통해 사용되는 바와 같이, 복수의 포스포들 또는 복수의 발광성 나노결정들은 하나 초과의 포스포 또는 발광성 나노결정 (즉, 2, 3, 4, 5, 10, 100, 1,000, 1,000,000개 등의 나노결정들) 을 의미한다. 컴포지션은 동일한 컴포지션을 갖는 포스포 또는 발광성 나노결정들을 적합하게 포함하지만, 또 다른 실시형태에서, 복수의 포스포 또는 발광성 나노결정들은 다양하고 상이한 컴포지션일 수 있다. 예를 들어, 발광성 나노결정들은 모두 동일한 파장에서 방출할 수 있거나, 또는 또 다른 실시형태에서 컴포지션은 상이한 파장에서 방출하는 발광성 나노결정들을 포함할 수 있다.
본원에 기재된 실시형태에서 사용하기 위한 발광성 나노결정들은 적합하게는 크기가 약 100 nm 미만일 것이며, 크기가 약 2 nm 미만까지 내려갈 것이다. 적합한 실시형태에서, 본 발명의 발광성 나노결정들은 가시광을 흡수한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 가시광은 인간의 눈에 가시적인 약 380과 약 780 나노미터 사이의 파장을 갖는 전자기 방사선이다. 가시광은 적색, 주황색, 황색, 녹색, 청색, 남색, 및 보라색 등의 다양한 컬러들의 스펙트럼으로 분리될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 청색광은 파장이 약 435 nm와 약 500 nm 사이의 광을 포함하며, 녹색광은 약 520 nm와 565 nm 사이의 광을 포함하며, 적색광은 약 625 nm와 약 740 nm 사이의 광을 포함한다.
실시형태들에서, 발광성 나노결정들은 자외선, 근적외선, 및/또는 적외선 스펙트럼에 있는 광자들을 흡수하도록 하는 크기 및 컴포지션을 갖는다. 본 발명에서 사용되는 바와 같이, 자외선 스펙트럼은 파장이 약 100 nm와 약 400 nm 사이의 광을 포함하며, 근적외선 스펙트럼은 약 750 nm와 약 100㎛ 사이의 광을 포함하며, 적외선 스펙트럼은 파장이 약 750 nm와 약 300㎛ 사이의 광을 포함한다.
임의의 적합한 재료의 발광성 나노결정들이 본원에 기재된 여러 실시형태에서, 소정의 실시형태에서 사용될 수 있지만, 나노결정들은 ZnS, InAs 또는 CdSe 나노결정들일 수 있으며, 또는 나노결정들은 본 발명의 실시에서 사용하기 위한 나노결정들의 집단 (population) 을 형성하기 위하여 다양한 조합을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 추가 실시형태에서, 발광성 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnSe, CdSe/CdS 또는 InP/ZnS 등의 코어/쉘 나노결정들이다.
실시형태들에서, 발광성 나노결정들은 적색 광을 방출할 수 있는 발광성 나노결정들의 적어도 하나의 집단, 및 청색 광원의 여기시에 녹색 광을 방출할 수 있는 발광성 나노결정들의 적어도 하나의 집단을 포함할 것이다. 발광성 나노결정 파장들 및 농도들은 요구되는 광학적 성능을 만족하도록 조절될 수 있다. 여전히 다른 실시형태들에서, 발광성 나노결정들 포스포 재료는 바람직하지 않은 방출 파장들을 갖는 광의 파장들을 흡수하여 바람직한 방출 파장을 갖는 2차 광을 재방출하는 발광성 나노결정들의 집단을 포함할 수 있다. 이 방식에서, 본원에 기재된 발광성 나노결정 필름은 조명 디바이스 방출을 추가로 조정하여 칼라 필터링에 대한 요구를 감소시키거나 또는 제거하기 위해 칼라-필터링 발광성 나노결정들의 적어도 하나의 집단을 포함한다.
적합한 발광성 나노결정들, 다양한 용해도 강화 리간드들의 첨가를 포함한 발광성 나노결정들의 제조 방법은 미국 특허 출원 No. 2012/0113672에서 찾을 수 있으며, 그 개시물은 그 전체가 참조로써 본원에 통합된다.
디스플레이 시스템들
실시형태들에서, 임의의 수의 애플리케이션들에서 적합하게 사용되는, 다양한 디스플레이 시스템들이 본원에 제공된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "디스플레이 시스템"은 데이터의 가시적인 표현을 디스플레이 상에 허용하는 엘리먼트들의 배열을 지칭한다. 적합한 디스플레이들은 사용자에게 정보를 시각적으로 표시하기 위한 다양한 플랫, 커브형 또는 달리 형상화된 스크린들, 필름들, 시트들 또는 다른 구조체들을 포함한다. 본원에 기재된 디스플레이 시스템은, 예를 들어, 액정 디스플레이 (LCD), 텔레비젼, 컴퓨터, 모바일 폰, 스마트 폰, 개인 휴대 정보 단말기 (PDA들), 게임 디바이스, 전자 리딩 디바이스, 디지털 카메라 등에 포함될 수 있다.
예시적이 디스플레이 시스템 (100) 이 도 1a에 도시된다. 실시형태들에서, 디스플레이 시스템 (100) 은 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED) (102) 를 포함한다. LED들의 다양한 배열 및 컴포넌트들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 본원에 기재된 청색 LED는 적합하게 440-470 nm의 범위에서 방출한다. 예를 들어, 청색 LED들은, 파장 450nm에서 청색광을 방출하는 GaN LED와 같은 GaN LED들일 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 디스플레이 시스템 (100) 은 또한 도광판 (104) 을 포함한다. 적합하게, 도광판 (104) 은 전체에 걸쳐 기재되는 디스플레이 시스템에서 하나 이상의 청색 LED들에 광학적으로 커플링된다.
본원에서 사용되는 다음의 용어들, "도광판", "광 가이드 (light guide)" 또는 "도광 패널"은 상호교환적으로 사용되며, 전자기 방사선 (광) 을 한 위치에서 다른 위치로 디렉팅하기에 적합한 광학 컴포넌트를 지칭한다. 예시적인 도광판은 광섬유 케이블, 고분자 또는 유리 고체, 예컨대 판, 필름, 컨테이너, 또는 다른 구조를 포함한다. 도광판의 크기는 LED의 최적의 응용 및 특성에 따라 달라질 것이다. 일반적으로, 도광판의 두께는 LED의 두께와 호환성이 있을 것이다. 도광판의 다른 치수는 일반적으로 LED의 치수를 넘어 연장되도록 설계되며, 적합하게 밀리미터의 10s, 내지 센티미터의 10s 내지 100s 정도이다. 도면에 도시된 도광판은 디스플레이 시스템 등에서 사용하기에 적합한 실시형태들을 나타내었지만, 광섬유 케이블 등을 포함한 다른 광 가이드도 또한 이용될 수 있다.
적합한 도광판 재료는 폴리 카보네이트 (PC), 폴리 메틸 메타크릴레이트 (PMMA), 메틸 메타크릴레이트, 스티렌, 아크릴 폴리머 수지, 유리, 또는 업계에 알려져 있는 임의의 적합한 도광판 재료들을 포함한다. 적합한 도광판의 제조 방법은 사출 성형, 압출, 또는 업계에 알려져 있는 다른 적합한 실시형태들을 포함한다. 예시적인 실시형태들에서, 도광판은 도광판의 상부면으로부터의 균일한 주광 (primary light) 방출을 제공하여, 발광성 나노결정 필름으로 들어가는 주광이 균일한 색상 및 휘도가 되도록 한다. 도광판은 업계에 알려져 있는 임의의 두께 또는 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도광판 두께는 도광판 전면에 걸쳐 균일할 수 있다. 대안으로, 도광판은 웨지 모양의 형상을 가질 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "광학 커플링"은, 광이 상당한 간섭없이 하나의 컴포넌트에서 다른 컴포넌트로 지나갈 수 있도록 컴포넌트들 (예를 들어, 도광판 및 LED) 이 배치되는 것을 의미한다. 광학 커플링은, 도광판과 LED 등의 컴포넌트들이 직접 물리적으로 컨택되거나, 또는 도 1a에 도시된 바와 같이, 도광판 (104) 과 LED (102) 가 각각 광학 투명 엘리먼트 (118) 와 컨택되는 실시형태를 포함한다. 광학 투명 엘리먼트는, 엘리먼트들을 광학적으로 커플링하기 위해 도광판 (104) 과 LED (102) 사이에 배치되는, 다양한 아교, 실리콘과 같은 고분자 컴포지션들을 포함하는, 접착제 또는 테이프를 포함할 수도 있다. 본원에 기재된 실시형태들에 사용될 수 있는 추가 광학 투명 접착제들은, 폴리(비닐 부티랄):폴리(비닐 아세테이트)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 폴리머들; 에폭시류; 우레탄류; 폴리페닐메틸실록산, 폴리페닐알킬실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리디알킬실록산, 불소화 실리콘 및 비닐 및 수소화물 치환된 실리콘을 포함하지만 이에 제한되지 않는 실리콘 및 실리콘의 유도체들; 메틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트 및 라우릴메타크릴레이트를 포함하지만 이에 제한되지 않는 모노머들로부터 형성된 아크릴 폴리머들 및 코폴리머들; 스티렌계 폴리머들; 및 디비닐벤젠과 같은 이관능 모노머들과 가교되는 폴리머들을 포함한다.
추가 실시형태에서, 예를 들어, 가열시 LED가 도광판과 컨택될 수 있도록 용융 또는 변형되고, 이후 도광판이 냉각되게 함으로써, 2개의 엘리먼트들 사이의 물리적 접착 또는 컨택의 형성을 용이하게 하는, 고분자 도광판을 이용함으로써, 광학 커플링이 달성될 수 있다. 추가 실시형태들에서, LED로부터 돌출되는 밀봉재를 갖는, 예를 들어, 도광판의 굴절율과 유사한 굴절율을 갖는 유연한 밀봉 고분자로 충전된 돌출 고분자 표면을 갖는, 청색 LED들에 의해 광학 커플링이 달성될 수 있다. 이러한 실시형태들에서, 도광판이 청색 LED에 대해 가압되는 경우, 돌출 밀봉재를 통해, 즉 밀봉 고분자를 통해 도광판과 LED 사이에 직접 광학 커플링이 형성된다.
광학 커플링은 컴포넌트들 사이의 물리적 상호작용을 요구하지 않지만, 물리적 상호작용이 발생하는 것이 적합하고, 컨택을 수반하며 그리고 2개의 컴포넌트들을 접속하는 부착 복합재 (예를 들어, 테이프 또는 고분자) 에 의해 용이하게 되는 것이 적합하다는 점에 유의해야 한다. 컴포넌트들 사이를 광이 지나갈 수 있는 한, 광학 커플링되는 것으로 간주된다.
도 1a에 도시된 디스플레이 시스템 (100) 은 또한 디스플레이, 예를 들어, 액정 모듈 (114) 를 더 포함하는 것이 적합하다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 디스플레이 시스템들의 "디스플레이" 또는 "디스플레이 패널"은 디스플레이 시스템들의 사용자 또는 관찰자에 의해 보여지는 디스플레이 출력의 부분이다.
디스플레이 시스템 (100) 은 또한 도광판과 디스플레이 사이에 배열되는 복수의 포스포들 (122) 을 포함하는 컴포지션 (106) 을 더 포함하는 것이 적합하다. 본원에 기재되는 바와 같이, 실시형태들에서, 디스플레이 시스템 (100) 은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 증가된 광학 전력 출력을 나타낸다.
실시형태들에서, 본원에 기재된 디스플레이 시스템은 LED 기반의 디스플레이 시스템들에서 통상 발견되는 하나 이상의 추가 엘리먼트들을 포함하는 것이 적합하다. 이러한 엘리먼트들은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 확산판(들) (112) (상부 또는 하부), 수평 휘도 향상 필름(들) (BEF) (110), 수직 BEF(들) (108), 및 반사판(들) (116) 중 하나 이상을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 적합하게 이들 엘리먼트들의 배열들, 그 제조 및 디스플레이 시스템들에서의 통합은 업계에 잘 알려져 있다.
확산판들, 또는 확산 필름들은 본원에 기재된 산란 피쳐들과 구분되며 보충적이다. 확산판들 (112) 은 이득 확산 필름들을 포함하여 업계에 알려져 있는 임의의 확산을 포함할 수 있고, 디스플레이 시스템들의 하나 이상의 BEF들 (108, 110) 또는 다른 광학 필름들 상부 또는 하부에 배치될 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, 포스포들을 포함하는 컴포지션 (적합하게 발광성 나노결정들을 포함하는 필름) 은 디스플레이 시스템들에서의 종래 저부 확산 필름들에 대한 요구를 없애서, 조명 디바이스의 두께를 최소화한다. 포스포들을 포함하는 컴포지션들은 또한 이와 연관된 하나 이상의 산란 또는 확산 기능들을 포함할 수 있고, 이것은 컴포지션들에서의 포스포의 증가하는 보조 방출에 부가하여 전통적인 확산의 목적을 수행할 수 있다.
BEF들 및 휘도 향상 피쳐들은 반사 및/또는 굴절 필름, 반사 편광자 필름, 프리즘 필름, 홈 필름, 홈형상 프리즘 필름, 프리즘, 피치, 그루브 또는 임의의 적합한 BEF들 또는 업계에 알려져 있는 휘도 향상 기능을 포함할 수 있다. 예를 들어, BEF들은 종래의 BEF들, 예컨대 3MTM로부터 입수가능한 VikuitiTM BEF들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시형태들에서, 디스플레이 시스템들은 적어도 하나의 BEF, 더 적합하게는 적어도 2개의 BEF들을 포함한다. 적합하게, 디스플레이 시스템들은 적어도 3개의 BEF들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, 적어도 하나의 BEF는, 예를 들어 광을 리사이클링하기 위해 반사형 편광자 BEF를 포함하며, 이 광은 리사이클링되지 않으면 저부 편광자 필름에 의해 흡수될 것이다. 휘도 향상 피쳐들 및 BEF들은 반사판 및/또는 굴절판, 편광자, 반사형 편광자, 광 추출 피쳐, 광 리사이클링 피쳐, 또는 업계에 알려져 있는 임의의 휘도 향상 피쳐들을 포함할 수 있다. BEF들 및 휘도 향상 피쳐들은 종래의 BEF들을 포함할 수 있다. 예를 들어, BEF들은 제 1 피치 각도를 갖는 피치들 또는 프리즘들을 갖는 제 1 층, 및 제 2 피치 각도를 갖는 피치들 또는 프리즘들을 갖는 제 2 층을 포함할 수 있다.
반사판들 (116) 은 도광판으로부터 방출되는 광량을 증가시키도록 적합하게 배치된다. 반사판들은 임의의 적합한 재료, 예컨대 반사형 미러, 반사판 입자들의 필름, 반사형 금속 필름, 또는 임의의 적합한 종래의 반사판들을 포함할 수 있다. 실시형태들에서, 반사판들은 적합하게 백색 필름이다. 소정의 실시형태들에서, 반사판들은 부가적인 기능성 또는 피쳐들, 예컨대, 산란, 확산 또는 휘도 향상 피쳐들을 포함할 수 있다.
추가 실시형태에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 디스플레이 시스템들은 하나 이상의 청색 LED (102), 청색 LED에 광학 커플링된 도광판 (104), 디스플레이 (예를 들어, 액정 모듈 (114)), 및 복수의 포스포들 (122) 을 포함하고 컴포지션이 도광판과 액정 모듈 사이에 배열되는 필름 (예를 들어, 106) 을 포함한다. 적합하게, 본원에 기재된 디스플레이 시스템은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 증가된 광학 전력 출력 및 루미너스 출력을 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 제공된 다양한 디스플레이 시스템들의 엘리먼트들을 설명하는 경우, "사이에 배열"이 의미하는 바는, 엘리먼트들이 스택 또는 적층 배열에 있는 구성에서, 하나의 엘리먼트, 예를 들어, 포스포들을 포함하는 컴포지션이 하나의 엘리먼트 위에 있지만, 다른 엘리먼트 아래에 있도록 다양한 엘리먼트들을 서로에 대해 배치한다는 것을 나타내는 것이다. 다른 배열들이 본원에 기재된 실시형태들에서 이용될 수 있고, 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있음을 이해해야 한다.
광 가이드 (104) 를 청색 LED (102) 에 광학적으로 커플링하기 위한 예시적인 테이프 및 접착제가 본원에 기재된다. 추가 실시형태들에 있어서, 청색 LED는 LED로부터 돌출되는 밀봉재를 통해 광 가이드에 커플링된다. 부가하여, 다양한 발광성 나노결정들을 포함하는 예시적인 포스포들이 전반에 걸쳐 기재된다.
본원에 기재된 바와 같이, 적합한 실시형태들에서, 필름 (106) 은 발광성 나노결정들을 포함하는 고분자 필름이다. 필름 (106) 제조시 사용하기 위한 예시적인 고분자들, 및 발광성 나노결정들을 포함하는 고분자 필름들을 제조하기 위한 방법들이 본원에 기재된다.
본원에 기재된 디스플레이 시스템들에서 포함될 수 있는 추가 엘리먼트들이 전반에 걸쳐 기재된다.
도 1a에 도시된 디스플레이 시스템 (100) 의 추가 실시형태에서, 하나 이상의 청색 LED (102), 청색 LED에 광학 커플링된 도광판 (104), 복수의 포스포들 (122) 을 포함하고 도광판 (104) 상부에 배열되는 고분자 필름 (예를 들어, 106), 고분자 필름 상부에 배열되는 수직 BEF (108), 수직 BEF (108) 상부에 배열되는 수평 BEF (110), 수평 BEF (110) 상부에 배열되는 상부 확산판 (112), 및 상부 확산판 (112) 상부에 배열되는 액정 모듈 (114) 을 포함하는 디스플레이 시스템들이 본원에 기재되어 있다.
적합하게, 본원에 기재된 디스플레이 시스템은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 증가된 광학 전력 출력을 나타낸다. 실시형태들에서, 본원에 기재된 디스플레이 시스템들은, 20 mA의 구동 전류에서 적어도 26 mW/LED, 보다 적합하게 적어도 28 mW/LED, 또는 적어도 29 mW/LED의 광학 전력 출력을 나타낸다.
광학 커플링을 제조하기 위한 예시적인 방법들 및 컴포지션들은, 발광성 나노결정들을 포함한 예시적인 포스포들과 같이, 본원에 기재되어 있다.
본원에 기재된 디스플레이 시스템들은 시스템들의 인접하는 엘리먼트들 사이에 하나 이상의 매개체 재료들을 포함할 수 있다. 시스템은, LED와 도광판을 포함하는 시스템들에서의 임의의 인접 엘리먼트들 사이; 도광판과 포스포들을 포함하는 컴포지션 사이; 포스포들을 포함하는 컴포지션 내의 영역들 또는 임의의 상이한 층들 사이; 포스포들을 포함하는 컴포지션과 하나 이상의 배리어층들 사이; 포스포들을 포함하는 컴포지션과 도광판 사이; 포스포들을 포함하는 컴포지션과 하나 이상의 BEF, 확산판, 반사판 또는 다른 피쳐들 사이; 및 다수의 배리어층들 사이, 또는 디스플레이 시스템들의 임의의 다른 엘리먼트들 사이에 배치된 하나 이상의 매개체 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 매개체들은, 진공, 공기, 가스, 광학 재료, 접착제, 광학 접착제, 유리, 고분자, 고체, 액체, 겔, 경화된 재료, 광학 커플링 재료, 인덱스 매칭 또는 인덱스 미스매칭 재료, 인덱스 구배 재료, 피복 또는 피복 방지 (anti-cladding) 재료, 스페이서, 에폭시, 실리카 겔, 실리콘, 본원에 기재된 임의의 매트릭스 재료, 휘도 향상 재료, 산란 또는 확산 재료, 반사 또는 무반사 재료, 파장 선택성 재료, 파장 선택성 반사 방지 재료, 컬러 필터, 또는 업계에 알려져 있는 다른 적합한 매개체를 포함한 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 적합한 매개체 재료들은 광학적으로 투명하고, 황색화되지 않으며, 감압성인 광학 접착제를 포함한다. 적합한 재료들은 실리콘, 실리콘 겔, 실리카 겔, 에폭시 (예를 들어, Loctite™ 에폭시 E-30CL), 아크릴레이트 (예를 들어, 3 M™ 접착제 2175), 및 본원에 언급된 매트릭스 재료들을 포함한다. 하나 이상의 매개체 재료들은 경화성 겔 또는 액체로서 도포되거나 또는 데포지션 동안 또는 그 이후 경화될 수 있거나, 또는 데포지션 이전에 예비 형성 또는 예비 경화될 수 있다. 적합한 경화 방법은 UV 경화, 열 경화, 화학적 경화, 또는 업계에 알려져 있는 다른 적합한 경화 방법들을 포함한다. 적합하게, 인덱스-매칭 매개체 재료들은 조명 디바이스의 엘리먼트들 사이의 광학 손실들을 최소화하도록 선택될 수 있다.
추가 실시형태들에서, 복수의 포스포를 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학적으로 커플링되는 디스플레이 시스템들이 제공된다. 예를 들어, 도 1b의 디스플레이 시스템 (160) 에 도시된 바와 같이, 청색 LED (162) 는 복수의 포스포들 (184), 예를 들어, 본원에 개시된 복수의 발광성 나노결정들를 포함하는 컨테이너 (178) 에 182에서 광학적으로 커플링된다. 예시적인 실시형태들에서, 컨테이너 (178) 는 전반에 걸쳐 기재된 바와 같이 모세관이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 도광판 (164) 은 아교, 기계적 얼라인먼트 단독, 전반에 걸쳐 기재된 다양한 접착제 등, 그리고 이들의 임의의 조합들을 통해 182에서 컨테이너 (178) 에 광학적으로 커플링된다. 이것은 또한, 예를 들어, 가열시 기밀하게 시일링된 컨테이너가 도광판과 컨택될 수 있도록 용융 또는 변형되고, 이후 도광판이 냉각되게 함으로써, 2개의 엘리먼트들 사이의 물리적 접착 또는 컨택의 형성을 용이하게 하는, 고분자 도광판을 이용함으로써, 달성될 수 있다. 추가 실시형태들에 있어서, 청색 LED는 LED로부터 돌출되는 밀봉재를 통해 광 가이드에 커플링된다.
예시적인 실시형태들에서, 도 1b에 도시된 디스플레이 시스템들 (160) 은, 도광판 (164) 상부에 배열되는 저부 확산판 (166), 저부 확산판 (166) 상에 배열되는 수직 BEF (168), 수직 BEF (168) 상부에 배열되는 수평 BEF (170), 수평 BEF (170) 상부에 배열되는 상부 확산판 (172), 및 상부 확산판 (172) 상부에 배열되는 액정 모듈 (174) (즉, 디스플레이) 을 더 포함할 수 있다. 디스플레이 시스템들은 본원에 기재된 바와 같이 반사판 (176) 을 더 포함할 수 있다.
포스포들의 컴포지션들
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "포스포"는 합성 형광성 또는 인광성 물질을 지칭한다. 예시적인 포스포들은 통상의 재료들, 예컨대 세륨(II)-도핑된 YAG 포스포들 (YAG:Ce3+, 또는 Y3Al5O12:Ce3+), 그리고 본원에 기재된 바와 같은 발광성 나노결정들을 포함한다. 본원에 기재된 디바이스들에서 사용될 수 있는 추가적인 포스포들은 실리케이트 포스포들, 가넷 포스포들, 알루미네이트 포스포들, 질화물 포스포들, NYAG 포스포들, SiAlON 포스포들 및 CaAlSiN3 계 (CASN) 포스포들, 그리고 업계에 알려져 있는 다른 포스포들을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
전반에 기재된 바와 같이, 제공된 실시형태들에서 사용하기 위한 포스포들을 포함하는 컴포지션들은 예를 들어 필름들 또는 시트들을 포함하는 다수의 형상들을 취할 수 있다 (예를 들어, 도 1a의 컴포지션 106). 추가 실시형태들에서, 컴포지션들은 포스포들, 적합하게는 발광성 나노결정들을 수용하기 위한 다양한 컨테이너들 또는 리셉터클들일 수 있다.
적합하게, 포스포들, 및 구체적으로, 발광성 나노결정들은, 양자 도트 향상 필름들 (QDEF들) 로도 또한 불리는 필름들 또는 시트들을 형성하기 위해 적합한 고분자 재료들에 분산 또는 임베드된다. 이러한 필름들은 예를 들어 공개된 미국 특허 출원 Nos. 2010/0110728 및 2012/0113672에 기재되며, 그 각각의 개시물들은 그 전체가 본원에 참조로써 통합된다.
발광성 나노결정들은 적합하게 하나 이상의 리간드 코팅들로 코팅되거나, 하나 이상의 필름들 또는 시트들에 임베딩되거나, 및/또는 하나 이상의 배리어 층들에 의해 시일링된다. 이런 리간드들, 필름들, 및 배리어들은 발광성 나노결정들에 광안정성을 제공하고 상승된 온도들, 높은 강도 광, 외부 가스들, 수분, 및 다른 유해한 환경 조건들을 포함한 환경 조건들로부터 발광성 나노결정들을 보호할 수 있다. 호스트 필름 재료에서 원하는 굴절률, 호스트 매트릭스 재료에서 원하는 점도 또는 발광성 나노결정 분산/혼화성, 및 다른 원하는 효과들을 포함한, 추가적인 효과들이 이들 재료들로 획득될 수 있다. 적합한 실시형태들에서, 리간드 및 필름 재료들은 열 경화가 발광성 나노결정 포스포 재료에 실질적으로 영향을 미치지 않을 정도로, 충분히 낮은 열 팽창 계수를 갖도록 선택될 것이다.
본 발명에 유용한 발광성 나노결정들은 그들의 표면과 공액되거나, 협업되거나, 연관되거나 또는 부착된 리간드들을 적합하게 포함한다. 바람직한 실시형태들에서, 발광성 나노결정들은 외부 수분 및 산화로부터 발광성 나노결정들을 보호하고 응집을 제어하고 매트릭스 재료에서 발광성 나노결정들의 분산을 가능하게 하기 위해, 리간드들을 포함하는 코팅층을 포함한다. 적합한 리간드들 및 매트릭스 재료들, 그리고 이런 재료들을 제공하는 방법들이 본원에서 설명된다. 추가적인 적합한 리간드들 및 필름 재료들, 그리고 이런 재료들을 제공하는 방법들은, 미국 출원 No. 2012/0113672; 2000년 2월 4일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 12/79,813; 2008년 3월 19일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 12/076,530; 2009년 10월 30일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 12/609,736; 2005년 12월 9일자에 출원된 미국 특허 출원 일련 No. 11/299,299; 미국 특허 No. 7,645,397; 미국 특허 No. 7,374,807; 미국 특허 No. 6,949,206; 미국 특허 No.7,572,393; 및 미국 특허 No. 7,267,875에 개시된 것들을 포함한, 당업자들에게 알려져 있는 임의의 그룹을 포함하며, 이들 각각의 개시물은 본원에 참조로써 그 전체가 통합된다. 게다가, 적합한 리간드 및 매트릭스 재료들은 당업계에서의 임의의 적합한 재료들을 포함한다.
고분자 재료에 발광성 나노결정들을 분산시킴으로써, 나노결정들을 시일링하는 방법을 제공하고, 다양한 컴포지션 및 크기의 발광성 나노결정들을 혼합하기 위한 메카니즘을 제공한다. 전체를 통해 사용되는 바와 같이, "분산된다 (dispersed)"는 것은 균일한 (즉, 실질적으로 균질적인 (homogeneous)) 것 뿐만 아니라 불균일한 (즉, 실질적으로 이질적인 (heterogeneous)) 발광성 나노결정들의 분포 또는 배치도 포함한다.
발광성 나노결정들을 포함하는 컴포지션들에서 사용하는데 적합한 재료들은 폴리머들 및 유기 및 무기 산화물들을 포함한다. 적합한 폴리머들은 이런 목적에 사용될 수 있는 당업자에 알려져 있는 임의의 폴리머를 포함한다. 적합한 실시형태들에서, 폴리머는 실질적으로 반투명하거나 또는 실질적으로 투명할 것이다. 적합한 매트릭스 재료들은 에폭시들; 아크릴레이트들; 노르보렌; 폴리에틸렌; 폴리(비닐 부티랄):폴리(비닐 아세테이트); 폴리우레아; 폴리우레탄; 아미노 실리콘 (AMS), 폴리페닐메틸실록산, 폴리페닐알킬실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리디알킬실록산, 실세스퀴옥산들, 플루오르화 실리콘들, 및 비닐 및 수소화물 치환 실리콘들을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 실리콘들 및 실리콘 유도체들; 메틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트 및 라우릴메타크릴레이트를 포함하지만 이에 한정되지 않는 모노머들로부터 형성된, 아크릴 폴리머들 및 코폴리머들; 폴리스티렌, 아미노 폴리스티렌 (APS) 및 폴리(아크릴로니트릴 에틸렌 스티렌) (AES) 과 같은 스티렌계 폴리머들; 디비닐벤젠과 같은 2관능성 모노머들로 가교된 폴리머들; 리간드 재료들을 가교하는데 적합한 가교제들; 에폭시 등을 형성하기 위해 리간드 아민들 (예컨대, APS 또는 PEI 리간드 아민들) 과 결합하는 에폭사이드들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 기재된 발광성 나노결정들은 임의의 적합한 방법을 이용하여, 예를 들어, 폴리머에 발광성 나노결정들을 혼합하여 필름을 주조하거나; 발광성 나노결정들을 모노머들과 혼합하여 그들을 함께 중합하거나; 발광성 나노결정들을 졸-겔로 혼합하거나, 또는 당업자들에게 알려져 있는 임의의 다른 방법을 이용하여, 폴리머 (또는 다른 적합한 재료, 예를 들어, 왁스, 오일) 매트릭스에 임베딩될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 “임베딩되는"은 발광성 나노결정들이 폴리머 내에 둘러싸여지거나 또는 감싸지는 것을 나타내기 위해 사용된다. 추가적인 실시형태들에서 애플리케이션 특정의 균일 분포 함수 (application-specific uniformity distribution function) 에 따라서 분포될 수도 있지만, 발광 나노결정들이 적절하게 매트릭스 전체에 걸쳐서 균일하게 분포된다는 점에 유의해야 한다.
본원에 기재된 발광성 나노결정들을 포함하는 컴포지션들의 두께는 스핀 코팅 및 스크린 인쇄와 같은 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해 제어될 수 있다. 본원에 기재된 발광성 나노결정 컴포지션은 임의의 소망하는 크기, 형상, 구성, 및 두께일 수 있다. 예를 들어, 컴포지션은 층의 형태일 수 있으며, 그 외에도 디스크, 구체, 정육면체 또는 블록, 관형 구성 등의 다른 형상일 수 있다. 다양한 컴포지션들이 임의의 필요하거나 또는 소망되는 두께일 수 있지만, 적합하게 컴포지션은 두께가 (즉, 한 치수에서) 약 100 ㎜ 정도이고, 두께가 약 1 ㎜ 보다 작은 정도까지 내려갈 수 있다. 다른 실시형태에서, 고분자 필름들은 두께가 수십 내지 수백 미크론 정도의 크기일 수 있다. 발광성 나노결정들은, 소망하는 기능에 적절한, 임의의 로딩 비율로 다양한 컴포지션에 임베드될 수 있다. 적합하게, 발광성 나노결정들은 사용된 나노결정들의 종류, 폴리머 및 애플리케이션에 따라서, 약 0.001 체적% 와 약 75 체적% 사이의 비율로 로딩될 것이다. 적절한 로딩 비들은 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있고 특정의 애플리케이션들에 대해 본원에서 추가로 설명된다. 예시적인 실시형태들에서, 발광성 나노결정 컴포지션에 로딩되는 나노결정들의 양은 약 10 체적% 내지 ppm (parts-per-million) 수준의 정도이다.
포스포들을 포함하는 컨테이너들
추가 실시형태들에서, 포스포들을 컴포지션들은 복수의 발광성 나노결정들을 포함하는 컨테이너들이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "컨테이너"는 발광 나노결정들이 도입되는 캐리어, 리셉터클, 또는 미리 형성된 물품을 일컫는다 (때로는, 발광 나노결정들의 컴포지션, 예컨대, 발광 나노결정들을 포함하는 고분자 매트릭스). 컨테이너의 예로서는, 이에 한정되지 않지만, 관 (tube), 몰딩되거나 또는 형성된 그릇 (vessel), 또는 리셉터클 등의 고분자 또는 유리 구조물을 포함한다. 예시적 실시형태에 있어서, 튜브 (원형, 직사각형, 삼각형, 타원형, 또는 기타의 소망하는 단면) 등의 소망하는 형태 또는 유사한 구조가 되도록 고분자 또는 유리 물질을 압출함으로써 컨테이너가 형성될 수 있다. 본원에 기재된 실시형태들에서 사용하기 위한 컨테이너를 형성하기 위하여 임의의 고분자가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서 사용하기 위한 컨테이너의 준비를 위한 예시적 고분자로서는, 비한정적으로, 아크릴, 폴리 (메틸메타크릴레이트) (PMMA), 및 다양한 실리콘 유도체를 포함한다. 본 발명의 실시에 사용하기 위한 컨테이너를 형성하기 위하여 추가의 재료가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 금속, 다양한 유리, 세라믹 등으로부터 컨테이너가 준비될 수 있다.
실시형태들에서, 고분자 또는 유리 관이 컨테이너로서 사용될 수 있다. 그 후, 컨테이너의 단부에 감소된 압력을 단순히 적용하는 것에 의해 발광성 나노결정들의 용액이 컨테이너 안으로 드로잉될 수 있다. 그 후, 컨테이너는 컨테이너의 길이 전체에 걸쳐서 여러 시일링 위치 또는 시일들에서 컨테이너를 가열하고 "핀칭"함으로써 또는 전체를 통해 기재된 바와 같이 다른 시일링 메커니즘을 이용함으로써 시일링될 수 있다. 이런 식으로, 컨테이너는 여러 개별 섹션으로 분리될 수 있다. 이러한 섹션들은 단일의 시일링된 컨테이너로서 함께 유지될 수 있거나, 또는 섹션들이 개별 부분들로 분리될 수 있다. 컨테이너의 기밀한 시일링은 각각의 개별 시일링이 동일한 나노결정들의 용액들을 분리하도록 수행될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 시일링은 컨테이너의 분리된 섹션들의 각각이 상이한 나노결정 용액 (즉, 상이한 나노결정 컴포지션, 크기, 또는 밀도) 을 포함하도록 생성될 수 있다.
실시형태들에서, 컨테이너는 적합하게 플라스틱 또는 유리 컨테이너이다. 적합한 실시형태에서, 시일링된 컨테이너는 플라스틱 또는 유리 (예를 들면, 보로실리케이트) 모세관이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "모세관 (capillary)" 은 폭 및 높이 양쪽 모두의 치수보다 더 긴 길이 치수를 갖는 길쭉한 컨테이너 (elongated container) 를 지칭한다. 적합하게, 모세관은 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 불규칙한, 또는 다른 단면을 갖는 관 또는 유사한 구조이다. 적합하게, 본원에 기재된 디스플레이 디바이스들에서의 이용을 위한 모세관은 그것이 광학적으로 커플링되는 LED의 형상 및 배향에 매칭되도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시형태들에서, 모세관은 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜의 적어도 한 치수를 갖는다. 플라스틱 모세관이 이용되는 실시형태들에서, SiO2, AlO2 또는 TiO2 등의 코팅 및 여기에 설명된 다른 것들이 모세관에 추가적인 기밀한 시일링을 제공하기 위하여 추가될 수 있다.
적합하게, 본원에 기재된 모세관은 약 50 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 두께를 갖는다. 두께는 도광판의 면 (plane) 안으로의 모세관의 치수를 지칭한다. 적합하게, 모세관은 (도광판의 면에서) 약 50 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 의 높이를 갖는다. 적합하게는, 모세관은 (도광판의 면에서) 약 1 ㎜ 내지 약 50 ㎜, 약 1 ㎜ 내지 약 40 ㎜, 약 1 ㎜ 내지 약 30 ㎜, 약 1 ㎜ 내지 약 20 ㎜, 또는 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜의 길이를 갖는다.
본원에 기재된 컨테이너들에서의 발광성 나노결정들의 농도는 애플리케이션, 발광성 나노결정들의 크기, 발광성 나노결정들의 컴포지션, 발광성 나노결정들이 분산되는 고분자 매트릭스의 컴포지션 및 다른 팩터들에 좌우되며, 업계에서의 루틴 방법들을 사용하여 최적화될 수 있다. 적합하게, 발광성 나노결정들은, 약 0.01중량% 내지 약 50중량%, 약 0.1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 40중량%, 약 1중량% 내지 약 30중량%, 약 1중량% 내지 약 20중량%, 약 1중량% 내지 약 10중량%, 약 1중량% 내지 약 5중량%, 또는 약 1중량% 내지 약 3중량%의 농도로 존재한다.
디스플레이 시스템은 증가된 광학 전력 출력 및 증가된 루미너스 출력을 나타냄
본원에 기재된 바와 같이 특히 실시예들에서, 본원에 기재된 디스플레이 시스템들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 증가된 광학 전력 출력 및 증가된 루미너스 출력을 나타낸다. 본원에서 사용되는 바와 같이 "광학 전력 출력"은, 일정한 전류에서 구동되는 경우, LED마다 단위 시간당 LED에 의해 방출되는 총 전력인 것으로 정의된다. 광학 전력 출력은 Watts/LED (적합하게는 mW/LED) 로 적합하게 표현된다. 당업자는, 동일한 구동 전류에서 비교 측정들이 적절히 이루어지는 한, 광학 전력 출력이 또한 다양한 구동 전류들에서 계산될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "루미너스 출력"은 디스플레이 시스템에 의해 방출되는 가시광의 총량인 것으로 정의된다. 본원에 기재된 바와 같이, 루미너스 출력은 루멘 단위로 측정된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 본원에 기재된 디스플레이 시스템을 언급하는 경우의 "증가된 광학 전력 출력"은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 디스플레이 시스템들이 적어도 3% 초과하여 더 많은 광전력을 보여준다는 것을 나타내기 위해 사용된다. 보다 적합하게, 개시된 디스플레이 시스템들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 또는 적어도 20% 더 많은 광전력을 제공한다. 다른 실시형태들에서, 개시된 디스플레이 시스템들은 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 약 3% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 12%, 약 5% 내지 약 11%, 약 6% 내지 약 14%, 약 7% 내지 약 13%, 약 8% 내지 약 12%, 약 9% 내지 약 11%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14% 또는 약 15%의 증가된 광학 전력 출력을 보여주며, 언급된 값들 내의 임의의 값들 및 범위들을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 본원에 기재된 디스플레이 시스템을 언급하는 경우의 "증가된 광학 전력 출력"은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 디스플레이 시스템들이 적어도 3% 초과하여 더 많은 루미너스 출력을 보여준다는 것을 나타내기 위해 사용된다. 보다 적합하게, 개시된 디스플레이 시스템들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 또는 적어도 20% 더 많은 루미너스 출력을 제공한다. 다른 실시형태들에서, 개시된 디스플레이 시스템들은 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 3% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 12%, 약 5% 내지 약 11%, 약 6% 내지 약 14%, 약 7% 내지 약 13%, 약 8% 내지 약 12%, 약 9% 내지 약 11%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14% 또는 약 15%의 증가된 루미너스 출력을 보여주며, 언급된 값들 내의 임의의 값들 및 범위들을 포함한다.
추가 실시형태에서, 복수의 포스포들을 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학 커플링되고 도광판에 광학 커플링되는 개시된 디스플레이 시스템들은, 복수의 포스포들을 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않고 도광판에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 또는 적어도 20% 더 많은 광전력을 제공한다. 다른 실시형태들에서, 개시된 디스플레이 시스템들은, 복수의 포스포들을 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않고 도광판에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 약 3% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 12%, 약 5% 내지 약 11%, 약 6% 내지 약 14%, 약 7% 내지 약 13%, 약 8% 내지 약 12%, 약 9% 내지 약 11%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14% 또는 약 15%의 증가된 광학 전력 출력을 보여주며, 언급된 값들 내의 임의의 값들 및 범위들을 포함한다.
추가 실시형태에서, 복수의 포스포들을 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학 커플링되고 도광판에 광학 커플링되는 개시된 디스플레이 시스템들은, 복수의 포스포들을 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않고 도광판에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 또는 적어도 20% 더 많은 루미너스 출력을 제공한다. 다른 실시형태들에서, 개시된 디스플레이 시스템들은, 복수의 포스포들을 포함하는 컨테이너가 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않고 도광판에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 약 3% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 12%, 약 5% 내지 약 11%, 약 6% 내지 약 14%, 약 7% 내지 약 13%, 약 8% 내지 약 12%, 약 9% 내지 약 11%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14% 또는 약 15%의 증가된 루미너스 출력을 보여주며, 언급된 값들 내의 임의의 값들 및 범위들을 포함한다.
광학 전력 출력 및 루미너스 출력을 증가시키는 방법
본원에 기재된 바와 같이, 청색 LED들로부터 청색 광 추출 효율을 증가시키는 디스플레이 시스템들이 제공된다. 실시형태들에서, 청색 LED들은 도광판에 광학 커플링된다. 이러한 광학 커플링은 고분자/공기 계면들을 제거하여, 적합하게는 청색광이 후방 반사를 하지 않게 하고 청색 청색 다이 (도 1a의 120) 에 의해 후속 흡수를 하지 않게 한다. 광학 전력 출력 및 루미너스 출력의 개선이 전반에 걸쳐 기재되어 있다.
청색광 반사의 감소 또는 제거는 LED 패키지 측벽들 상의 청색 플럭스를 저감시키는 추가 혜택을 제공하며, 이것은 LED 패키지의 수명을 연장한다. 또한, LED 다이에 의한 청색광 흡수의 감소가 다이 온도를 감소시킬 수 있고, 이것은 그 효율을 더욱 증가시키고 LED 수명을 더욱 연장시킨다.
추가 실시형태에서, 디스플레이 시스템에서의 청색 LED의 광학 전력 출력 및 루미너스 출력을 증가시키는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 적합하게 디스플레이 시스템의 도광판에 청색 LED를 광학 커플링하는 것을 포함한다. 테이프 및 다양한 접착제들을 포함하여, 광학 커플링에서 사용하기 위한 예시적인 방법들 및 컴포지션들이 본원에 제공된다. 추가 실시형태들에 있어서, 청색 LED는 LED로부터 돌출되는 밀봉재를 통해 광 가이드에 커플링된다.
본원에 기재된 바와 같이, 방법들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 적어도 3% 초과만큼 디스플레이 시스템에서의 청색 LED의 광학 전력 출력을 증가시켜 적합하다. 보다 적합하게, 방법들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 또는 적어도 20% 만큼 광전력을 증가시킨다. 다른 실시형태들에서, 본원에 기재된 방법들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 약 3% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 12%, 약 5% 내지 약 11%, 약 6% 내지 약 14%, 약 7% 내지 약 13%, 약 8% 내지 약 12%, 약 9% 내지 약 11%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14% 또는 약 15%의 증가된 광학 전력 출력을 제공하며, 언급된 값들 내의 임의의 값들 및 범위들을 포함한다.
본원에 기재된 바와 같이, 방법들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 적어도 3% 초과만큼 디스플레이 시스템에서의 청색 LED의 루미너스 출력을 증가시켜 적합하다. 보다 적합하게, 방법들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여, 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 또는 적어도 20% 만큼 루미너스 출력을 증가시킨다. 다른 실시형태들에서, 본원에 기재된 방법들은, 도광판이 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 약 3% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 약 5% 내지 약 12%, 약 5% 내지 약 11%, 약 6% 내지 약 14%, 약 7% 내지 약 13%, 약 8% 내지 약 12%, 약 9% 내지 약 11%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14% 또는 약 15%의 증가된 루미너스 출력을 제공하며, 언급된 값들 내의 임의의 값들 및 범위들을 포함한다.
본원에 기재된 방법들 및 애플리케이션들에 대한 다른 적합한 변경 및 조정들이 임의의 실시형태들의 범위를 벗어나지 않고도 이루어질 수 있다는 것이 관련 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다. 하기 실시예들은 단지 예시를 위해 포함된 것이며 제한하려는 의도는 아니다.
실시예들
실시예 1: 도광판에 대한 광학 커플링에 의한 청색 LED들로부터의 증가된 전력 출력
일반적으로, 액정 디스플레이들은 백라이트에서의 광원으로서 백색 LED들을 이용한다. 대부분의 백라이트들은, 백색 LED들이 백라이트의 에지(들) 상에 배치되는 에지-방식 (edge-lit) 이다. 백색 LED들은 플렉스 스트립 상에 탑재되어 도광판에 가까이 근접하여 배치된다. LED들로부터 나오는 백색광은 에지로부터 도광판으로 들어가고, 전체 내부 반사들을 통해 도광판을 가로질러 안내된다. 추출 피쳐들이 도광판으로부터의 광을 추출하도록 도광판들의 표면 상에 성형되어, 디스플레이를 가로질러 균일한 광 분포를 가능하게 한다. 보다 양호한 시스템 효율 및/또는 보다 높은 색역을 제공하는 포스포들이 도입되는 경우가 종종 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 발광성 나노결정들 (양자 도트들) 은 고분자 필름 또는 시트에 분산/임베드되고 (양자 도트 향상 필름 (QDEF)) 도광판 상부에 배치된다. 백색 LED들은 청색 LED들로 대체된다 (도 1a). (공개된 미국 특허 출원 No. 2012/0113672를 참조하며, 그 개시는 본원에 참조로써 그 전체가 통합된다.) 색역이 72% NTSC (National Television System Committee) 에서 매칭되는 경우, 컬러 필터들에 매칭되는 QDEF의 백라이트의 보다 양호한 분광 분배의 결과로서, 예를 들어, 발광성 나노결정들 플러스 청색 LED들은 백색 LED들과 비교하여 15-20% 더 높은 전력 효율을 제공한다.
백색 LED들로부터 청색 LED들로 변환하기 위해서, YAG-함침된 밀봉 고분자를 이용하는 대신 깨끗한 밀봉 고분자가 LED 패키지 내측에 이용된다. 하지만, 그렇게 함으로써 LED의 아웃 커플링 효율을 저하시키는 의도치 않은 결과를 갖는다. 도 2(a)-2(c)에 도시된 바와 같이, 백색 LED들의 경우 (도 2(a)), 청색광의 많은 부분이 밀봉 고분자에서의 YAG 인광체에 의해 황색으로 변환된다. 황색 광자들이 LED 다이를 향해 후방 반사되는 경우, 황색 광자들은 다이 재료의 밴드 갭 아래이기 때문에 흡수되지 않는다.
반대로, 청색 LED의 경우 (도 2(b)), 밀봉 고분자 및 공기 계면으로부터 반사되는 광자들은 다이 (120) 으로 다시 들어가서 흡수될 수 있다. 그 결과, 청색 아웃 커플링 효율은 백색 LED보다 더 낮다.
아웃 커플링 효율 손실을 추정하기 위해서, 명목상 동일한 효율 청색 다이를 이용하여 백색 LED 및 청색 LED의 총 광학 출력이 결정되었다. 이론적인 계산들로부터 (도 3a-3b), YAG 양자 효율이 100%의 이론적 한계에 있다면, 아웃 커플링 효율이 양 경우 모두 동일한 경우 백색 LED의 총 광전력은 청색 LED의 85%에 근접해야 한다. 이것은, 에너지에 있어서 황색 광자들 (550nm는 2.25eV에 대응) 이 청색 광자 (450nm는 2.76eV에 대응) 보다 더 낮기 때문이다. 청색으로부터 백색으로 변환하기 위해서, 대부분의 청색 광자들 (보다 높은 에너지) 은 황색 광자들 (보다 낮은 에너지) 로 다운 쉬프트될 필요가 있고, 여기서 에너지 차이는 열로서 소산된다. 실제로, 현재 YAG 포스포 재료는 90%에 근접하는 양자 효율을 갖는다. 백색 LED로부터의 예상 전력 출력은 청색의 50%에 근접해야 한다.
동일한 판매사로부터 나오고, 동일한 랭크의 다이들을 사용하고, 동일한 패키지들을 이용하는 백색 LED들 및 청색 LED들에서 수행되는 측정들에서, 백색 LED 전력 출력이 실제로 청색의 것과 거의 동일하다는 놀라운 결과가 관찰되었다 (표 1).
적분된 광학 전력 출력 (mW)
20mA에서 구동된 백색 LED 24.5
20mA에서 구동된 청색 LED 25.3
표 1: 동일한 판매사로부터 나오고, 동일한 랭크의 다이들을 사용하고, 동일한 패키지들을 이용하며, 그리고 동일한 전류에서 구동되는 백색 LED들 및 청색 LED들로부터의 총 광학 전류의 실험 측정들. 적분구에서 측정들이 이루어졌다.
상이한 판매자들로부터의 LED들에 대해 유사한 결과들이 얻어졌다. 이것은, 청색 LED 패키지로부터의 광 추출 효율이 백색 LED 패키지의 광 추출 효율보다 상당히 더 나쁘다는 것을 나타낸다. 이러한 보다 낮은 추출 효율은 (도 2(b)에 도시된 바와 같이) 밀봉/공기 계면으로부터의 청색광의 반사 및 다이로부터의 청색광의 흡수의 결과일 가능성이 있다. 이 결과들은, 청색 LED들의 아웃 커플링의 개선으로 (20 mA의 구동 전류에서) 20% 가까이, 예를 들어, 29-30 mW/LED 이상까지 전력 출력을 증가시킬 수 있다는 것을 시사한다.
청색 LED들로부터의 광 추출 효율 및 도광판에 대한 커플링 효율을 증가시키기 위해서 청색 LED들은 광학적으로 투명한 접착제 (예를 들어, 실리콘) 를 이용하여 도광판에 광학 커플링된다.
도 2(c)에 예시된 바와 같이, LED 밀봉 고분자 및 도광판에 인덱스 매칭되는 경우, 이러한 광학적으로 투명한 접착제는 2개의 계면들로부터의 반사들을 제거한다: LED 밀봉/공기 계면 및 공기/도광판 계면. 그 결과, 청색 다이로부터 방출된 청색광은 (즉, 청색 다이로부터) 반사 손실 및 흡수 손실을 겪지 않고도 도광판에 바로 들어간다.
백색 LED 및 도광판의 광학 커플링은 휘도를 감소시키는 것으로 밝혀졌으며, 그 이유로 백색 LED의 보다 높은 광 추출 효율로 인한 것일 가능성이 있다. 도 2(a)를 참조한다. 이것은 표 2에 나타낸 바와 같이 커플링 및 비커플링된 휘도에 대한 결과로 나타내진다.
비커플링 커플링
백색 포인트 (0.2891, 0.2769) (0.2681, 0.2463)
휘도 5690 nits 4790 nits
커플링된 경우, 휘도는 실제로 보다 낮으며 백색 포인트가 더 차갑다. 그 이유는, 도광판에 커플링된 때 청색광이 제 1 패쓰로부터 패키지를 벗어날 수 있게 할 수 있기 때문이다. 의도된 사용 구성예인 비커플링된 경우, 청색광의 일부는 밀봉/공기 계면으로부터 반사되어 패키지 안으로 다시 진행한다. 이 반사는 보다 많은 청색광이 LED 컵에 있는 황색 포스포들에 의해 흡수될 수 있게 하며, 이것은 백색 포인트를 더 따듯하게 만든다.
하지만, 청색 LED들에 의해, 광학 커플링에 의한 총 14% 효율 증가가 하기 실험 세트에 의해 입증된다 (표 3 참조). 발광성 나노결정들을 포함하는 필름들을 이용하지 않았던 디스플레이 시스템들에 대해 백색 LED들 사용하는 경우 지금까지 필요하거나 또는 이롭지 않았던, 실시형태들의 놀랍고도 예기치 않은 결과가 본원에 기재된다.
케이스 1에서, 25개의 청색 LED들을 갖는 플렉스 스트립이 적분구에 배치된다. LED마다 20 mA로 구동되는 경우, 총 광전력 673 mW가 측정된다. 케이스 2에서, 광학 커플링을 제공하기 위한 접착제를 사용하지 않고 도광판 (LGP) 이 (백라이트에서와 같이) LED 스트립에 인접한다. 케이스 2에서의 적분 광전력은 645 mW로, 베어 플렉스를 갖는 케이스 1과 비교하여 4% 감소한다. 이러한 감소는, 손실로 이어지는 플렉스 스트립 및 LED를 향해 청색광의 일부를 다시 전송하는 공기/LGP 계면으로부터의 반사의 결과일 가능성이 있다. 케이스 3에서, LED들은 광학적으로 투명한 접착제를 이용하여 도광판에 광학 커플링된다. 총 적분 청색광은 737 mW이고, 이것은 베어 플렉스를 갖는 케이스 1보다 9% 더 높고, LED들에 커플링되지 않은 LGP를 갖는 케이스 2보다 14% 더 높다. 케이스 3에서, 29.5 mW/LED의 광학 전력 출력이 달성된다.
전력 플렉스/LED
(mW)		 플렉스에 대한 비율 커플링이 없는 LGP에 대한 비율
LGP가 없는 플렉스 673/26.9 100%
접착제 기반의 광학 커플링이 없는 LGP 645/25.8 96% 100%
커플링이 있는 LGP 737/29.5 109% 114%
표 3: 20mA에서 구동되는 25개의 청색 LED들을 갖는 플렉스 스트립의 적분구에서의 측정된 광학 전력 출력
청색 LED들 및 도광판이 접착제층에 의해 조인된 경우 양호한 광학 커플링을 달성하기 위해서, 그 표면들을 다음과 같이 제조하였다. 먼저, 각각의 청색 LED 패키지의 밀봉 고분자에 소량의 실리콘을 첨가하였다. 이러한 처리는 접착제/LED 계면에서 에어 갭들의 확률을 감소시켰다. 현재 측정된 LED들에서의 에어 갭들의 확률은, 이들이 오목면들을 갖는다는 사실로 인해 증가된다. 에어갭들의 확률은, 볼록 LED 밀봉 표면이 사용되는 경우 감소될 것이고, 이러한 볼록면이 바람직하다. 둘째, 도광판의 에지를 그 원래 렌즈형 표면으로부터 편평한 표면으로 연마하여 최소의 에어갭을 갖는 양호한 광학 커플링을 가능하게 하였다. 광학적으로 투명한 접착제의 얇은 스트립을 변형된 청색 LED 스트립과 연마된 도광판 사이에 도포하여 접착제 기반의 광학 커플링을 제공하였다. 이 실험에서 사용된 특정 접착제는 50㎛ 두께의 3M 광학적으로 투명한 접착제 8146-x 였다.
광학적으로 커플링 및 비커플링된 (즉 접착제 커플링 없는) 구성들의 비교는, 도광판 에지로부터 원래의 렌즈형 표면을 제거하는 것으로 광 혼합 거리를 상당히 변화시키지 않는다는 것을 입증하였다. (도 4a 및 도 4b를 참조한다). 더욱이, 도광판의 상부에 배치된 수평 및 수직 BEF들 및 QDEF를 포함한 완전히 조립된 백라이트 어셈블리에서는, LED들에 가까운 어떤 주목할만한 줄무늬도 없이 배라이트가 균질하게 보였다 (도 4c).
고효율 QDEF 및 보다 양호한 아웃 커플링된 청색 LED들의 혜택을 조합함으로써, 동일한 색역에서, 예를 들어, sRGB에서, 현세대 LCD들과 비교하여 차세대 LCD 백라이트들이 >30% 에너지 절감을 할 수 있다. 높은 색역 디스플레이들의 경우라도, 예를 들어, Adobe-RGB 및 DCI-P3 경우라도, 오늘날의 sRGB LCD들과 비교하여 보다 고효율의 LCD들이 달성될 수 있다. 다른 이점들에 부가하여, 이러한 증가는 다양한 모바일 디바이스들에서 보다 작은 배터리들의 사용을 가능하게 할 수 있다.
소정의 실시형태들이 본원에 설명 및 예시되었지만, 청구범위는 설명 및 도시된 부분들의 특정 형태 또는 배열에 한정되지 않는다. 명세서에는, 예시적인 실시형태들이 개시되어 있으며, 특정 용어들이 채용되더라도 이들은 오로지 일반적이고 기술적인 의미로 사용되며 제한하려는 것이 아니다. 상기 교시들에 비추어 실시형태들의 변경 및 변형들이 가능하다. 따라서, 실시형태들은 구체적으로 기재된 것과 달리 실행될 수도 있음을 이해해야 한다.

Claims (33)

  1. 디스플레이 시스템으로서,
    a) 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED);
    b) 상기 청색 LED에 광학 커플링되는 도광판;
    c) 디스플레이; 및
    d) 복수의 포스포들 (phosphors) 을 포함하고, 상기 도광판과 상기 디스플레이 사이에 배열되는 컴포지션을 포함하고,
    상기 디스플레이 시스템은, 상기 도광판이 상기 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 증가된 광학 전력 출력을 나타내는, 디스플레이 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도광판은 테이프 또는 접착제를 이용하여 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도광판은 상기 LED로부터 돌출된 밀봉재를 통해 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스포들은 YAG 포스포들, 실리케이트 포스포들, 가넷 포스포들, 알루미네이트 포스포들, 질화물 포스포들, NYAG 포스포들, SiAlON 포스포들 및 CASN 포스포들인, 디스플레이 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스포들은 발광성 나노결정들인, 디스플레이 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광성 나노결정들은 CdSe 또는 ZnS를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광성 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnS, InP/ZnSe, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴포지션은 필름인, 디스플레이들 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이는 액정 모듈인, 디스플레이 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 확산판, 하나 이상의 휘도 향상 필름들 (BEF들) 및 반사판 중 하나 이상을 더 포함하는, 디스플레이 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 시스템은, 상기 도광판이 상기 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 광학 전력 출력의 적어도 10% 증가를 나타내는, 디스플레이 시스템.
  12. 디스플레이 시스템으로서,
    a) 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED);
    b) 상기 청색 LED에 광학 커플링되는 도광판;
    c) 디스플레이; 및
    d) 복수의 포스포들을 포함하고, 그 컴포지션이 상기 도광판과 상기 디스플레이 사이에 배열되는 필름을 포함하고,
    상기 디스플레이 시스템은, 상기 도광판이 상기 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 광학 전력 출력의 적어도 10% 증가를 나타내는, 디스플레이 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 도광판은 테이프 또는 접착제를 이용하여 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 도광판은 상기 LED로부터 돌출된 밀봉재를 통해 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 포스포들은 YAG 포스포들, 실리케이트 포스포들, 가넷 포스포들, 알루미네이트 포스포들, 질화물 포스포들, NYAG 포스포들, SiAlON 포스포들 및 CASN 포스포들인, 디스플레이 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 포스포들은 발광성 나노결정들인, 디스플레이 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광성 나노결정들은 CdSe 또는 ZnS를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광성 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnS, InP/ZnSe, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 필름은 고분자 필름인, 디스플레이들 시스템.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 디스플레이는 액정 모듈인, 디스플레이 시스템.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 시스템은 확산판, 하나 이상의 휘도 향상 필름들 (BEF들) 및 반사판 중 하나 이상을 더 포함하는, 디스플레이 시스템.
  22. 디스플레이 시스템으로서,
    a) 하나 이상의 청색 발광 다이오드(들) (LED);
    b) 상기 청색 LED에 광학 커플링되는 도광판;
    c) 복수의 포스포들을 포함하고, 상기 도광판 상부에 배열되는 고분자 필름;
    d) 상기 고분자 필름 상부에 배열되는 하나 이상의 휘도 향상 필름들 (BEF들);
    e) 상기 BEF들 상부에 배열된 상부 확산판; 및
    f) 상기 상부 확산판 상부에 배열된 액정 모듈을 포함하고,
    상기 디스플레이 시스템은, 상기 도광판이 상기 청색 LED에 광학 커플링되어 있지 않은 디스플레이 시스템과 비교하여 광학 전력 출력의 적어도 10% 증가를 나타내는, 디스플레이 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 도광판은 테이프 또는 접착제를 이용하여 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 도광판은 상기 LED로부터 돌출된 밀봉재를 통해 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 포스포들은 YAG 포스포들, 실리케이트 포스포들, 가넷 포스포들, 알루미네이트 포스포들, 질화물 포스포들, NYAG 포스포들, SiAlON 포스포들 및 CASN 포스포들인, 디스플레이 시스템.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 포스포들은 발광성 나노결정들인, 디스플레이 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 발광성 나노결정들은 CdSe 또는 ZnS를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 발광성 나노결정들은 CdSe/ZnS, InP/ZnS, InP/ZnSe, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdTe/CdS 또는 CdTe/ZnS를 포함하는, 디스플레이 시스템.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 도광판 아래에 배열된 반사판을 더 포함하는, 디스플레이 시스템.
  30. 디스플레이 시스템에서 청색 LED의 상기 광학 전력 출력을 증가시키는 방법으로서,
    상기 디스플레이 시스템의 도광판에 상기 청색 LED를 광학 커플링하는 단계를 포함하는, 디스플레이 시스템에서 청색 LED의 광학 전력 출력을 증가시키는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 광학 커플링은 테이프 또는 접착제를 이용하여 상기 청색 LED를 상기 도광판에 커플링하는 것을 포함하는, 디스플레이 시스템에서 청색 LED의 광학 전력 출력을 증가시키는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 도광판은 상기 LED로부터 돌출된 밀봉재를 통해 상기 청색 LED에 광학 커플링되는, 디스플레이 시스템에서 청색 LED의 광학 전력 출력을 증가시키는 방법.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 광 가이드에 광학 커플링된 상기 청색 LED를 포함하지 않는 디스플레이 시스템과 비교하여 상기 청색 LED의 광학 전력 출력을 적어도 10%만큼 증가시키는, 디스플레이 시스템에서 청색 LED의 광학 전력 출력을 증가시키는 방법.
KR1020167012707A 2013-10-17 2014-10-16 발광 다이오드 (led) 디바이스들 KR102294252B1 (ko)

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