KR20170103421A - 양자점을 포함하는 도광판 - Google Patents

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KR20170103421A
KR20170103421A KR1020160026318A KR20160026318A KR20170103421A KR 20170103421 A KR20170103421 A KR 20170103421A KR 1020160026318 A KR1020160026318 A KR 1020160026318A KR 20160026318 A KR20160026318 A KR 20160026318A KR 20170103421 A KR20170103421 A KR 20170103421A
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light guide
guide plate
quantum dot
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송영석
강철
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 양자점을 포함하는 도광판에 관한 것으로, 나노홀 어레이를 포함하는 도광판의 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된 것을 특징으로 하는 도광판이며, 광결정 효과 및 플라즈모닉 효과가 매우 우수한 특징을 지니고 있다.

Description

양자점을 포함하는 도광판{A light guide panel comprising quantum dot}
본 발명은 양자점을 포함하는 도광판으로, 상기 도광판은 나노홀 어레이를 포함하며, 상기 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된 도광판에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기를 자외선, 가시광선, 적외선 등으로 전환시키는 반도체 소자로서 주로 가전제품, 리모컨, 대형 전광판 등에 사용되고 있다.
고휘도의 LED 광원은 조명등으로 사용되고 있으며, 에너지 효율이 매우 높고 수명이 길어 교체 비용이 적으며, 진동이나 충격에도 강하고 수은 등 유독물질의 사용이 불필요하기 때문에 에너지 절약, 환경보호, 비용절감 차원에서 기존의 백열전구나 형광등을 대체하고 있다.
또한, LED는 중대형 LCD TV, 모니터 등의 광원으로서도 매우 유리하다. 현재 LCD(Liquid Crystal Display)에 주로 사용되고 있는 냉음극 형광등(CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp)에 비하여 색순수도가 우수하고 소비 전력이 적으며 소형화가 용이하여 이를 적용한 시제품이 양산되고 있으며, 더욱 활발한 연구가 진행되고 있는 상태이다.
최근, 청색 LED를 사용하고 형광체로서 적색광 및 녹색광을 방출하는 양자점(QD)을 이용하여 백색광을 구현하는 기술이 다수 선보이고 있다. 이는 양자점을 이용하여 구현되는 백색광이 고휘도와 우수한 색채 재현성을 갖기 때문이다.
양자점의 고유 광학적 특성에 하나인 좁은 반치폭(full width half maximum: FWHM)은 백라이트용 형광체로 아주 유용하다. 양자점은 NTSC 표준보다 높은 색재현성을 구현할 수 있어 기존의 LED 형광체 색재현성 70~85%, CCFL의 색재현성 75~90% 보다 훨씬 우수한 110%을 만족할 수 있다. 그러나 양자점을 형광체로 사용할 경우 기존 LED의 형광체 공정을 그대로 적용하기 어려운 점들이 있어 상용화의 발목을 잡고 있다. 따라서, 기존 BLU(back light unit: 백라이트 유닛) 구조를 그대로 이용하면서 양자점의 장점을 활용할 수 있는 방법 및 구조가 필요하다.
이와 관련하여 미국특허 공개번호 제2010/0155749호　및 미국특허 공개번호 제 2010/0110728호에 퀀텀레일(quantum rail) 구조를 사용하는 발광 장치를 개시하고 있다. 이는 가는 유리관에 액상의 적색과 녹색 양자점을 주입하여 밀봉한 후에 청색 발광다이오드 위에 위치시켜 백색으로 색변환하는 방식이다. 하지만, 이 경우 유리관의 굴절률과 액상의 굴절률이 달라서 발광 다이오드에서 조사된 빛이 내부 전반사와 많은 경계면으로 인한 반사 손실이 큰 단점이 있고, 유리관 파손 시 액체 누출로 오염 문제도 존재한다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0069887호에는 퀀텀레일의 약점을 보완한 양자점 바가 개시되었다. 여기서는 양자점을 투명 기판에 스핀 코팅하거나 프린팅하여 양자점 바를 형성하였다. 투명기판을 지지대로 양자점 층(layer)을 얇게 형성하기 때문에 퀀텀 레일보다는 빛 손실이 적지만 구조적으로 빛 손실을 안고 있다.
한편, 대한민국 공개특허 제10-2010-0029519호에 기재된 색변환 시트는 양자점을 수지에 분산시킨 시트(sheet)를 도광판 위에 위치시켜 색변환을 시키는 구조이다. 이 경우 양자점의 분산 면적이 매우 커져서 다량의 양자점 사용에 따른 비용 상승의 문제가 있고, 발광 다이오드 빛이 박막을 통과해야 하기 때문에 색좌표를 맞추기가 용이하지 않을 뿐만 아니라 시트 추가사용으로 백라이트 유닛이 두꺼워지는 단점이 있다.
미국특허 공개번호 제2010/0155749호 미국특허 공개번호 제2010/0110728호 대한민국 공개특허 제10-2009-0069887호 대한민국 공개특허 제10-2010-0029519호
본 발명은 높은 광효율을 나타내는 도광판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 도광판을 포함하는 전극, 백라이트 유닛, 발광장치 및 액정표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 양자점을 포함하는 도광판으로,
상기 도광판은 나노홀 어레이를 포함하며,
상기 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된 도광판을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 도광판을 포함하는 백라이트 유닛을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 백라이트 유닛을 포함하는 발광장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 발광장치를 포함하는 액정 표시장치를 제공한다.
본 발명의 양자점을 포함하는 도광판은 광결정 효과 및 플라즈모닉(plasmonic) 효과가 우수하여 광효율이 높은 효과를 지니고 있다.
또한, 본 발명의 양자점을 포함하는 도광판은 상부에 고분자 필름을 적층하지 않아도 되어 두께가 얇으며, 공정을 단순화할 수 있어 경제적 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 양자점을 포함하는 도광판을 포함하는 전극, 백라이트 유닛, 발광장치 및 액정 표시장치는 우수한 광 결정 효과 및 색 재현율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 양자점을 포함하는 도광판 구조이다.
도 2는 종래의 양자점을 포함하는 고분자 필름이 적층된 도광판 구조이다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
본 발명은 양자점을 포함하는 도광판으로,
상기 도광판은 나노홀 어레이를 포함하며,
상기 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된 도광판에 관한 것이다.
종래의 도광판은 광 효율을 증대시키기 위하여 도광판 상부에 양자점이 분산된 고분자 필름을 적층하여 사용해왔다.
그러나, 고분자 필름을 적층하면 두께가 두꺼워지고, 공정이 복잡해져 경제적 비용이 상승하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 양자점을 도광판에 삽입시켜 공정을 단순화시키면서도 광 효율은 보다 증대된 도광판을 제공하고자 하였다.
본 발명에서 도광판은 사출 성형물로 제조된 것일 수 있으며, 상기 도광판은 투명한 고분자이면 그 종류를 특별히 한정하지는 않으나, 바람직하게는 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 고리형 올레핀 고분자(Cyclid Olefin Copolymer, COC), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 발포폴리스티렌(Expandable Polystyrene, EPS), 폴리염화비닐(Polyvinyl Chloride, PVC), 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체(Styrene Acrylonitrile Copolymer, SAN), 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 폴리아마이드(Polyamide, PA), 변성 폴리카보네이트(Modified Polycarbonate), 폴리비닐부티랄(Poly(vinyl butyral), 폴리비닐아세테이트(Poly(vinyl acetate), 아크릴 수지(Acrylic Resin), 에폭시 수지(Epoxy Resin, EP), 실리콘 수지(Silicone Resin) 및 불포화폴리에스테르(Unsaturated Polyester, UP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.
상기 도광판은 나노홀 어레이(nanohole array) 구조가 있는 사출 성형물로, 상기 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된다.
상기 나노홀 어레이의 깊이는 50 내지 100nm이며, 너비는 200 내지 500nm이다. 또한, 상기 나노홀 간의 간격은 200 내지 500nm이다.
상기와 같이 일정한 간격으로 규칙적으로 배열된 나노홀에 양자점이 삽입됨으로써 광결정 효과 및 플라즈모닉(plasmonic) 효과를 증대시킬 수 있다.
상기 양자점은 나노 크기의 반도체 물질을 말한다. 원자가 분자를 이루고, 분자는 클러스터라고 하는 작은 분자들의 집합체를 구성하여 나노 입자를 이루는데, 이러한 나노 입자들이 특히 반도체 특성을 띠고 있을 때 이를 양자점이라고 한다.
양자점은 외부에서 에너지를 받아 들뜬 상태에 이르면, 자체적으로 해당하는 에너지 밴드갭에 따른 에너지를 방출하며, 이를 자발광이라고 말한다.
또한, 상기 양자점은 좁은 파장대에서 강한 형광을 발생하며, 발생하는 형광은 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 광이 발생하고, 양자점의 입자가 클수록 긴 파장의 광을 발생하는 특수한 성질을 지니고 있다.
따라서, 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선 영역의 광을 모두 방출할 수 있다. 즉, 크기에 따라 적색, 녹색 및 청색을 포함한 무지개 색을 용이하게 얻을 수 있다.
상기 양자점은 뛰어난 색 순도를 가지고 있으므로, 광 특성이 우수한 백색광을 얻을 수 있다. 또한, 양자점의 크기를 조절하여 다양한 색의 광 구현이 가능하므로 사용하는 양자점에 따라 단일 광원을 이용하여 다양한 빛을 쉽게 얻을 수 있다.
본 발명에서 상기 양자점의 직경은 8 내지 10nm이며, 바람직하게는 9 내지 10nm이다.
본 발명의 양자점은 광에 의한 자극으로 발광할 수 있는 양자점이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, IV-VI족 반도체 화합물, 및 IV족 원소 또는 이를 포함하는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 Ⅱ-VI족 반도체 화합물은 구체적으로 예를 들어, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe 및 이들의 혼합물인 이원소 화합물;
CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe 및 이들의 혼합물인 삼원소 화합물; 및
CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe, 및 이들의 혼합물인 사원소 화합물 등이 있다.
상기 Ⅲ-V족 반도체 화합물은 구체적으로 예를 들어, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 및 이들의 혼합물인 이원소 화합물;
GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 및 이들의 혼합물인 삼원소 화합물; 및
GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 및 이들의 혼합물인 사원소 화합물 화합물 등이 있다.
상기 IV-VI족 반도체 화합물은 구체적으로 예를 들어, 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 혼합물인 이원소 화합물;
SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 및 이들의 혼합물인 삼원소 화합물; 및
SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 및 이들의 혼합물인 사원소 화합물 등을 들 수 있다.
상기 IV족 원소 또는 이를 포함하는 화합물은 구체적으로 예를 들어, Si, Ge 및 이들의 혼합물인 원소 화합물; 및
SiC, SiGe 및 이들의 혼합물인 이원소 화합물 등을 들 수 있다.
또한, 상기 양자점은 균질한(homogeneous) 단일 구조; 코어-쉘(core-shell) 구조 및 그래디언트(gradient) 구조 등과 같은 이중 구조; 또는 이들의 혼합 구조일 수 있다.
상기 코어-쉘 이중 구조에서 각각의 코어와 쉘을 이루는 물질은 서로 다른 상기 반도체 화합물일 수 있다.
예를 들어, 상기 코어는 CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 쉘은 CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe 및 HgSe으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 양자점은 도광판의 나노홀 어레이에 삽입되는 것으로, 양자점이 단독으로 삽입되거나, 금속 입자와 함께 삽입될 수 있다.
보다 구체적으로 금속 입자 표면에 양자점이 코팅된 형태로 삽입되며, 상기 코팅은 금속 입자와 양자점 간의 정전기적 인력에 의해 이루어진다.
상기 금속 입자의 금속은 은, 금, 백금, 철 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 바람직하게는 은을 포함한다.
또한, 상기 금속 입자의 직경은 50 내지 150nm이며, 바람직하게는 50 내지 100nm이다.
상기 도광판의 나노홀 어레이에 표면이 양자점으로 코팅된 금속 입자를 삽입하면, 양자점만을 삽입하였을 때 보다 높은 광효율을 얻을 수 있다. 이는 나노홀 어레이에 상대적으로 크기가 작은 양자점만을 삽입하면 양자점이 나노홀 뿐만 아니라, 도광판 표면에 존재할 수 있으나, 양자점으로 코팅된 금속 입자를 나노홀 어레이에 삽입하면 상기와 같은 문제를 해결할 수 있기 때문이다.
도광판의 나노홀 어레이에 양자점을 삽입시키는 방법은 양자점이 포함된 수용액을 제조하고, 상기 수용액을 도광판의 나노홀 어레이에 적가한 후, 도광판 표면을 칼날 등으로 밀어주어 나노홀 어레이에 양자점을 삽입시킬 수 있다.
본 발명의 양자점을 포함하는 도광판은 도광판의 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된 것으로, 도광판 상부에 양자점이 분산된 고분자 필름을 추가로 적층시키지 않아도 되어 두께가 얇으며, 제조 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 광결정 효과 및 플라즈모닉 효과가 우수한 효과를 지니고 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 도광판을 포함하는 백라이트 유닛(Backlight Unit, BLU)에 관한 것이다.
백라이트 유닛은 도광판의 일측에 설치되어 색을 발광하는 다수개의 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 및 상기 도광판의 배면에 설치된 반사판 등을 포함한다.
상기 백라이트 유닛은 상기 본 발명의 도광판을 포함함으로써, 보다 높은 광 효율을 나타낼 수 있어 색 재현율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명의 백라이트 유닛을 포함하는 발광장치 및 상기 발광장치를 포함하는 액정표시 장치에 관한 것으로, 양자점을 포함하는 도광판이 포함되어 있어 높은 색 재현율을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
합성예 1. 표면이 양자점으로 코팅된 금속 입자 제조
물 9.5mL에 50nm 크기의 은 입자와 10nm 크기의 CdSe을 1:9의 중량비로 혼합한 혼합물 0.5g을 첨가하고, 20 내지 30회 흔들어 준 뒤, 1시간 동안 냉장보관하여 표면이 양자점으로 코팅된 금속 입자 수용액을 제조하였다.
< 양자점을 포함하는 도광판 제조>
실시예 1.
몰드에 나노홀 어레이를 만들기 위한 스탬퍼를 넣고, COC(cyclic olefin copolymer)를 사출하여 나노홀 어레이를 포함하는 도광판을 제조하였다.
상기 도광판의 나노홀 어레이의 깊이는 50nm, 간격은 200nm 및 너비는 200nm 이었다.
CZM-530W(Green)(제우스 사) 0.5mg을 물 9.5mL에 첨가하여 양자점 수용액을 제조하였다.
상기 양자점 수용액을 도광판의 나노홀 어레이에 적가하였고, 도광판의 표면을 칼날로 밀어주어 나노홀 어레이에 양자점을 삽입시켜, 양자점을 포함하는 도광판을 제조하였다.
실시예 2.
상기 실시예 1과 동일하게 나노홀 어레이를 포함하는 도광판을 제조하되, 양자점 수용액으로 상기 합성예 1에서 제조한 표면이 양자점으로 코팅된 금속 입자 수용액을 사용하여 양자점을 포함하는 도광판을 제조하였다.

Claims (14)

  1. 양자점을 포함하는 도광판으로,
    상기 도광판은 나노홀 어레이를 포함하며,
    상기 나노홀 어레이에 양자점이 삽입된 도광판.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도광판은 사출 성형물인 것을 특징으로 하는 도광판.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 도광판은 폴리카보네이트, 고리형 올레핀 고분자, 폴리스티렌, 발포폴리스티렌, 폴리염화비닐, 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리우레탄, 폴리아마이드, 변성 폴리카보네이트, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 및 불포화폴리에스테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 나노홀 어레이의 깊이는 50 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 나노홀 어레이의 너비는 200 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 나노홀 어레이의 간격은 200 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 양자점의 직경은 8 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 나노홀 어레이에 추가로 금속 입자가 삽입되는 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 금속 입자의 금속은 은, 금, 백금, 철 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 금속 입자의 직경은 50 내지 150nm인 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 금속 입자 표면에 양자점이 코팅된 것을 특징으로 하는 양자점을 포함하는 도광판.
  12. 청구항 1의 도광판을 포함하는 백라이트 유닛.
  13. 청구항 12의 백라이트 유닛을 포함하는 발광장치.
  14. 청구항 13의 발광장치를 포함하는 액정 표시장치.
KR1020160026318A 2016-03-04 2016-03-04 양자점을 포함하는 도광판 KR20170103421A (ko)

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