KR20180113606A - 낮은 카드뮴 함량 나노구조 조성물들 및 그의 사용들 - Google Patents

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Abstract

낮은 농도 카드뮴-함유 양자점 조성물들이 개시되며, 이는 디스플레이 내의 필름에 함유될 때, 개개의 파장 방출들에서 높은 컬러 가무트, 높은 에너지 효율, 및 좁은 반치전폭을 보인다.

Description

낮은 카드뮴 함량 나노구조 조성물들 및 그의 사용들
본 발명은 나노기술의 분야에 속한다. 낮은 농도 카드뮴-함유 양자점 (quantum dot) 조성물들이 개시되며, 이는 디스플레이 내의 필름에 있을 때, 개개의 파장 방출들에서 높은 컬러 가무트 (gamut), 높은 에너지 효율, 및 좁은 반치전폭 (full width at half maximum) 을 보인다.
반도체 나노구조들은 다양한 전자 및 광학 디바이스들에 통합될 수 있다. 이러한 나노구조들의 전기 및 광학 특성들은, 예를 들어, 그들의 조성, 형상, 및 크기에 의존하여 가변한다. 예를 들어, 반도체 나노입자들의 크기 조정가능한 (size-tunable) 특성들은 발광 다이오드들 (LED들), 레이저들, 및 생물의학적 라벨링과 같은 응용들에 큰 관심을 끌고 있다. 고도 발광성 나노구조들이 이러한 응용들에 특히 바람직하다.
LED들 및 디스플레이들과 같은 응용들에서 나노구조들의 모든 가능성을 활용하려면, 나노구조들은 다음 5 가지의 기준들을 동시에 충족할 필요가 있다: 좁고 대칭적인 방출 스펙트럼, 높은 광발광 (photoluminescence; PL) 양자 수율 (QY) 들, 높은 광학 안정성, 친환경 재료들, 및 대량 생산을 위한 저비용 방법들. 고도 방출 및 컬러 조정가능한 양자점들에 대한 대부분의 선행 연구들은 카드뮴, 수은, 또는 납을 함유하는 재료들에 집중해 왔다. Wang, A., 등의, Nanoscale 7:2951-2959 (2015). 카드뮴, 수은, 및 납과 같은 독성 재료들은 인간 건강 및 환경에 심각한 위협이 된다는 우려가 증가하고 있다. 유럽 연합의 유해 물질 제한 규칙들은 이들 재료들을 미량보다 많이 함유하는 어떤 가전 제품도 금지한다. 따라서, LED들 및 디스플레이들의 제조를 위한 카드뮴, 수은, 및 납을 미량 이내로 함유하는 재료들을 제조할 필요가 있다.
인듐 포스파이드에 기초한 카드뮴 프리 (cadmium-free) 양자점들은 프로토타입의 (prototypic) 카드뮴 셀레나이드 양자점들보다 내재적으로 덜 안정된다. 더 높은 원자가 및 전도 밴드 에너지 레벨들은 InP 양자점들을, 여기된 양자점으로부터 산소로의 전자 전달에 의한 광산화에 더 민감하게 만들 뿐만 아니라, 여기된 양자점들의 정공 상태들을 다시 채우고 따라서 엑시톤 (exciton) 들의 방사 재결합을 억제 수 있는 아민들 또는 티올들과 같은 전자-공여제 (electron-donating agent) 들에 의한 광발광 퀀칭 (quenching) 에 더 민감하게 만든다. 예를 들어, Chibli, H., 등의, "Cytotoxicity of InP/ZnS quantum dots related to reactive oxygen species generation", Nanoscale 3:2552-2559 (2011); Blackburn, J.L., 등의, "Electron and Hole Transfer from Indium Phosphide Quantum Dots", J. Phys. Chem. B 109:2625-2631 (2005); 및 Selmarten, D., 등의, "Quenching of Semiconductor Quantum Dot Photoluminescence by a π-Conjugated Polymer", J. Phys. Chem. B 109:15927-15933 (2005) 을 참조한다.
양자점들 상의 무기 쉘 코팅들은 그들의 전자 구조를 맞추는 것에 대한 보편적인 접근법이다. 추가적으로, 무기 쉘의 디포지션은 표면 결함들의 패시베이션에 의해 보다 견고한 입자들을 생성할 수 있다. Ziegler, J., 등의, Adv. Mater. 20:4068-4073 (2008). 예를 들어, ZnS 와 같은 더 넓은 밴드 갭 반도체 재료들의 쉘들은 - CdSe 또는 InP 와 같은 - 보다 좁은 밴드 갭을 가진 코어 상에 디포짓되어, 그 코어 내에 엑시톤들이 구속되는 구조들을 제공할 수 있다. 이 접근법은 방사 재결합의 확률을 증가시키고 얇은 쉘 코팅들 및 유니티 (unity) 에 가까운 양자 수율들을 가진 매우 효율적인 양자점들을 합성하는 것을 가능하게 한다.
보다 좁은 밴드 갭을 가진 코어 위에 디포짓된 보다 넓은 밴드 갭 반도체 재료의 쉘을 갖는 코어/쉘 양자점들은 - 나노미터 미만의 얇은 쉘은 환경 물질들로의 전하 전달을 충분히 억제하지 않기 때문에 - 여전히 열화 메커니즘들을 겪고 있다. 수 나노미터의 두꺼운 쉘 코팅은 터널링 또는 엑시톤 전달의 확률을 감소시킬 것이고 따라서 두꺼운 쉘 코팅은 안정성 - CdSe/CdS 시스템에 대해 입증된 결과 - 을 향상시킬 것으로 알려져 있다.
양자점들의 조성에 상관없이, 대부분의 양자점들은 여기 광자들에의 연속적인 노출 후에 그들의 원래 높은 양자 수율을 유지하지 못한다. 다중 쉘들 및 두꺼운 쉘들의 형성과 같은 정교한 쉘링 엔지니어링 - 여기서 코어에서의 캐리어 파동 함수들은 양자점의 표면으로부터 떨어져 있게 된다 - 은 광유도된 양자점 하락 (deterioration) 을 완화시키는데 효과적이었다. 더욱이, 양자점들의 광분해는 그들을 옥사이드로 감싸주는 것에 의해 - 양자점 표면을 그들의 환경으로부터 물리적으로 격리시킴 - 지연될 수 있음이 확인되었다. Jo, J. -H., 등의, J. Alloys Compd. 647:6-13 (2015).
CdSe/CdS 거대 (giant) 쉘 양자점들 상의 두꺼운 코팅들은 수 나노미터에 걸쳐 표면으로부터 발광 코어를 디커플링하는 것에 의해 환경 물질들 및 표면 전하들에 대한 그들의 안정성을 향상시키는 것으로 확인되었다. 그러나, 다음: (1) 증가된 질량, 감소된 표면-대-체적비, 및 증가된 총 표면적으로 인한 점 침전 (dot precipitation); (2) 쉘 재료 브릿징 점들과의 불가역적 어그리게이션; (3) 쉘 재료의 부차적 핵형성; (4) 계면 결함들을 초래하는 격자 변형 (strain) 의 완화; (5) 바람직한 패싯 (facet) 들 상의 이방성 쉘 성장; (6) 비정질 쉘 또는 비-에피택셜 계면; 및 (7) 넓은 방출 피크를 초래하는 크기 분포의 확장과 같은, 실패 및 열화를 위한 매니폴드 기회들로 인해 두꺼운 쉘들을 제조할 때 얇은 쉘 양자점들의 유익한 특성들을 유지하기가 어렵다.
이들 이종 나노구조들에서의 계면들은 결함들이 전하 캐리어들에 대한 트랩 사이트들로서 작용하고 발광 효율과 안정성 양자 모두의 하락을 초래하기 때문에 결함들이 없어야 한다. 이들 반도체 재료들의 자연적으로 상이한 격자 간격들로 인해, 계면에서의 결정 격자들이 변형될 것이다. 이 변형의 에너지 부담은 얇은 층들의 유리한 에피택셜 정렬에 의해 보상되지만, 더 두꺼운 층들에 대해서는 쉘 재료가 그의 자연적 격자로 완화된다 - 계면에서 오정렬 및 결함들을 생성함. 더 많은 쉘 재료를 첨가하는 것과 재료의 품질을 유지하는 것 간에는 내재적 트레이드오프가 존재한다.
최근의 진보들은 고도 발광성 플레인 코어 나노결정들을 획득하는 것을 가능하게 하였다. 그러나, 이들 플레인 코어 나노결정들의 합성은 안정성 및 가공성 문제들을 보여왔고 이들 문제들은 플레인 코어 나노결정들에 내재할 수도 있을 가능성이 있다. 따라서, 코어/쉘 나노결정들은, - 생물의학적 응용들을 위해서와 같이 - 나노결정들이 복잡한 화학 처리들을 거쳐야 할 때 - 또는 LED들 및 레이저들과 마찬가지로 나노결정들이 일정한 여기를 요구할 때 - 바람직하다. Li, J.J., 등의, J. Am. Chem. Soc. 125:12567-12575 (2003) 를 참조한다.
쉘 재료들의 성장 동안 크기 분포를 제어하기 위해 고려되어야 하는 2 개의 결정적 이슈들이 존재한다: (1) 쉘 재료들의 균질 (homogenous) 핵형성의 제거; 및 (2) 각각의 코어 나노결정 주위에 동일한 두께를 가진 쉘들을 산출하기 위해 용액 내 모든 코어 나노결정들로의 셀 전구체들의 균질 단층 성장. 연속적인 이온 층 흡착 및 반응 (successive ion layer adsorption and reaction; SILAR) 은 원래는 용액 욕 (solution bath) 들로부터 솔리드 기판들 상에의 얇은 필름들의 디포지션을 위해 개발되었고 화합물 반도체들의 고품질 코어/쉘 나노결정들의 성장을 위한 기법으로서 도입되었다.
CdSe/CdS 코어/쉘 나노결정들은 SILAR 방법을 사용하여 20 내지 40% 의 광발광 양자 수율들로 준비되었다. Li, J.J., 등의, J. Am. Chem. Soc. 125:12567-12575 (2003). SILAR 프로세스에서, 각각의 반-반응 (half-reaction) 을 위해 사용되는 전구체들의 양은 모든 코어들에 대해 하나의 단층 커버리지를 매칭시키기 위해 계산된다 - 반응 혼합물에 존재하는 모든 코어들에 대해 표면적에 관한 정확한 지식을 요구하는 기법. 그리고, SILAR 프로세스는 양자의 반-반응들에 대한 양적 반응 수율들을 가정하고 따라서 측정들의 부정확성들이 각각의 사이클 후에 누적되며 제어의 결여를 야기한다.
콜로이드 원자 층 증착 (colloidal atomic layer deposition; c-ALD) 프로세스는 콜로이드 나노구조들의 합성을 위해 Ithurria, S., 등의, J. Am. Chem. Soc. 134:18585-18590 (2012) 에서 제안되었다. c-ALD 프로세스에서, 나노입자들 또는 분자 전구체들 중 어느 하나가 미반응 전구체들 및 부산물들이 반응 혼합물에 누적되는 것을 방지하기 위해 극성과 무극성 페이즈들 간에 순차적으로 전달된다. c-ALD 프로세스는 콜로이드 CdSe 나노결정들, CdSe 나노플레이트렛들, 및 CdS 나노로드들 상에 CdS 층들을 성장시키는데 사용되어 왔다. 그러나, c-ALD 프로세스는 포름아미드 및 N-메틸-포름아미드 하이드라진과 같은 잠재적으로 해로운 고도 극성 용매들에 노출을 도입하는 페이즈 전달 프로토콜들을 사용할 필요성으로 고생한다.
낮은 레벨들의 Cd 및 높은 컬러 가무트를 가진 양자점 조성물들에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명은 필름들에서, 예를 들어, 디스플레이 디바이스들에 대해 유용한 이러한 조성물들을 제공한다.
본 발명은 공통 매트릭스 재료에 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 1 팝퓰레이션 및 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들이 아닌 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션을 포함하는 디스플레이 디바이스에서 유용한 광학 필름을 제공한다. 하나의 실시형태에서, 광학 필름은 실질적으로 카드뮴이 없다. 다른 실시형태에서, 광학 필름은 10 내지 99 ppm 의 카드뮴을 함유한다. 다른 실시형태에서, 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, HgO, HgSe, HgS, HgTe, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, 페로브스카이트 (perovskite), 및 CuInxGa1-xSySe2-y 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 코어를 갖는다. 다른 실시형태에서, 각각의 팝퓰레이션에 대한 쉘은 III-V 족 원소들 및 그 옥사이드들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시형태에서, 각각의 팝퓰레이션에 대한 쉘은 독립적으로 ZnS, ZnSe, ZnSSe, ZnTe, ZnTeS, 및 ZnTeSe 로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시형태에서, 코어-쉘 나노구조들의 제 1 팝퓰레이션은 CdSe/ZnSe/ZnS 이고 쉘/코어-나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 InP/ZnSe/ZnS 이다. 하나의 실시형태에서, 각각의 코어-쉘 나노구조의 방출 스펙트럼은 10 내지 50 nm 의 FWHM 을 갖는다. 다른 실시형태에서, 디스플레이 디바이스에 있을 때, 광학 필름은, 약 72% 내지 약 98% 의 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능하다. 다른 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는 약 90% 보다 큰 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능하다. 다른 실시형태에서, 광학 필름은 40 nm 미만의 FWHM, 약 520 내지 530 nm 에서의 방출 최대를 가진 녹색-방출 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들의 제 1 팝퓰레이션을 포함한다. 하나의 실시형태에서, FWHM 은 20 내지 40 nm 이다. 다른 실시형태에서, FWHM 은 30 nm 이하이다. 다른 실시형태에서, 양자 수율은 약 85% 내지 약 98% 이다. 다른 실시형태에서, 양자 수율은 약 85% 보다 크고, 약 90% 보다 크고, 약 95% 보다 크거나 또는 약 98% 이다. 다른 실시형태에서, 광학 필름은 약 630 nm 에서의 방출 최대, 약 20 내지 45 nm 의 FWHM, 및 약 70% 보다 큰, 예를 들어, 약 75% 보다 큰, 예를 들어, 약 78% 인 양자 수율을 가진 적색 방출 인듐 코어-쉘 나노구조들의 제 2 팝퓰레이션을 포함한다.
본 발명은 또한 본 명세서에서 설명된 광학 필름을 포함하는 디스플레이 디바이스를 제공한다. 하나의 실시형태에서, 디스플레이는 약 80% 내지 약 98% 의 Rec.2020 커버리지를 갖는다. 하나의 실시형태에서, Rec.2020 커버리지는 약 90% 내지 약 98% 이다.
다른 실시형태에서, 디스플레이 디바이스는:
방사선을 방출하는 층;
방사선 방출 층 상에 배치되는 광학 필름 층;
필름 층 상의 광 투과성 배리어 층; 및
배리어 층 상에 배치된 광학 엘리먼트를 포함한다.
하나의 실시형태에서, 방사선 방출 층, 필름 층, 및 광학 엘리먼트는 디스플레이 디바이스의 픽셀 유닛의 일부이다. 다른 실시형태에서, 광학 엘리먼트는 컬러 필터이다. 다른 실시형태에서, 배리어 층은 옥사이드를 포함한다. 다른 실시형태에서, 필름 층은 광 투과성 배리어 층에 결합된 계면활성제들 또는 리간드들을 더 포함한다. 다른 실시형태에서, 광 투과성 배리어 층은 광 플럭스, 열, 산소, 수분, 또는 그 조합에 의한 열화로부터 나노구조들을 보호하도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 본 발명은, 10 ppm 미만의 카드뮴을 갖고 약 40 nm 미만의 FWHM 및 90% 보다 큰 양자 효율을 갖는 매트릭스 재료에 카드뮴-함유 코어-쉘 양자점들의 적어도 하나의 팝퓰레이션을 포함하고, 그리고 적어도 85% 의 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능한 광학 필름을 포함하는 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 광학 필름을 제공한다. 다른 실시형태에서, 필름은 매트릭스 재료에 비-카드뮴 함유 코어-쉘 양자점들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션을 더 포함한다. 다른 실시형태에서, 코어-쉘 양자점들의 적어도 제 2 팝퓰레이션은 InP 코어를 포함한다. 다른 실시형태에서, 광학 필름을 포함하는 디스플레이 디바이스는 약 90% 보다 큰 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능하다. 다른 실시형태에서, 코어-쉘 양자점들의 제 1 팝퓰레이션은 약 30 nm 미만의 FWHM 을 갖는다. 다른 실시형태에서, 코어-쉘 양자점들의 제 2 팝퓰레이션은 약 45 nm 미만의 FWHM 을 갖는다. 다른 실시형태에서, 코어-쉘 양자점들의 제 2 팝퓰레이션은 약 75% 보다 큰 양자 효율을 갖는다. 다른 실시형태에서, 코어-쉘 양자점들의 제 1 팝퓰레이션은 CdSe/ZnSe/ZnS 이고 코어-쉘 양자점들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 InP/ZnSe/ZnS 이다.
도 1 은 CdSe 나노구조들 상에 두꺼운 쉘 코팅을 준비하는 프로세스에 대한 스킴을 나타낸다.
도 2 는 1976 CIE(u',v') 컬러 공간에서 Rec.2020 컬러 가무트를 사용하는 "가무트 커버리지" 의 컨셉을 예시한다.
정의들
다르게 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 당업자에 의해 통상 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 다음의 정의들은 당업계에서의 그 정의들을 보충하고 본 출원과 관련되고 임의의 관련 또는 미관련 케이스에, 예를 들어, 임의의 공통 소유된 특허 또는 출원에 귀속되어서는 안된다. 본 명세서에서 설명된 것들과 유사 또는 등가인 임의의 방법들 및 재료들은 본 발명의 테스팅을 위한 실시에서 사용될 수 있지만, 바람직한 재료들 및 방법들이 본 명세서에서 설명된다. 이에 따라, 본 명세서에서 사용된 전문용어는 단지 특정한 실시형태들을 설명하는 목적을 위한 것이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용한 바와 같이, 단수 형태들 "a", "an" 및 "the" 는 문맥이 분명히 다르게 기재하고 있지 않는 한 복수 지시물들을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "나노구조" 에 대한 언급은 복수의 이러한 나노구조들 등을 포함한다.
본 명세서에서 사용한 바와 같은 용어 "약 (about)" 은 주어진 양의 값이 그 값의 ±10% 만큼 가변하는 것을 나타낸다. 예를 들어, "약 100 nm" 는 90 nm 에서 110 nm 까지의 크기들의 범위를 포괄한다.
"나노구조" 는 약 500 nm 미만의 치수를 가진 적어도 하나의 영역 또는 특징적 치수 (characteristic dimension) 를 갖는 구조이다. 일부 실시형태들에서, 나노구조는 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만, 약 20 nm 미만, 또는 약 10 nm 미만의 치수를 갖는다. 통상적으로, 영역 또는 특징적 치수는 구조의 가장 작은 축에 따라 있을 것이다. 이러한 구조들의 예들은 나노와이어들, 나노로드들, 나노튜브들, 분지형 나노구조들, 나노테트라포드들, 트리포드들, 바이포드들, 나노결정들, 나노점들, 양자점들, 나노입자들, 등을 포함한다. 나노구조들은, 예를 들어, 실질적으로 결정질, 실질적으로 단결정질, 다결정질, 비정질, 또는 그 조합일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 나노구조의 3 개의 치수들의 각각은 약 500 nm 미만, 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만, 약 20 nm 미만, 또는 약 10 nm 미만의 치수를 갖는다.
용어 "헤테로구조" 는 나노구조들과 관련하여 사용될 때, 적어도 2 개의 상이한 및/또는 구별가능한 재료 타입들을 특징으로 하는 나노구조들을 지칭한다. 통상적으로, 나노구조의 하나의 영역은 제 1 재료 타입을 포함하는 한편, 나노구조의 제 2 영역은 제 2 재료 타입을 포함한다. 소정의 실시형태들에서, 나노구조는 제 1 재료의 코어 및 제 2 (또는 제 3 등) 재료의 적어도 하나의 쉘을 포함하고, 여기서 상이한 재료 타입들은 예를 들어, 나노와이어의 긴 축, 분지형 나노와이어의 아암 (arm) 의 긴 축, 또는 나노결정의 중심 주위에 방사상으로 분포된다. 쉘은 헤테로구조로 고려되는 나노구조에 대해 또는 쉘로 고려되는 인접한 재료들을 완전히 커버할 수 있지만 그럴 필요는 없다; 예를 들어, 제 2 재료의 작은 아일랜드 (island) 들로 커버된 하나의 재료의 코어를 특징으로 하는 나노결정은 헤테로구조이다. 다른 실시형태들에서, 상이한 재료 타입들은 나노구조 내의 상이한 로케이션들에; 예를 들어, 나노와이어의 장 (긴) 축을 따라 또는 분지형 나노와이어의 아암의 긴 축을 따라 분포된다. 헤테로구조 내의 상이한 영역들은 완전히 상이한 재료들을 포함할 수 있거나, 또는 상이한 영역들은 상이한 도펀트들 또는 상이한 농도들의 동일한 도펀트를 갖는 베이스 재료 (예를 들어, 실리콘) 를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 나노구조의 "직경" 은 나노구조의 제 1 축에 직각을 이루는 단면의 직경을 지칭하고, 여기서 제 1 축은 제 2 및 제 3 축들에 대하여 길이에 있어서 가장 큰 차이를 갖는다 (제 2 및 제 3 축들은 길이들이 가장 가깝게 서로 동일한 2 개의 축들이다). 제 1 축은 반드시 나노구조의 가장 긴 축일 필요는 없다; 예를 들어, 디스크-형상의 나노구조의 경우, 단면은 디스크의 짧은 세로 축에 직각을 이루는 실질적으로 원형의 단면일 것이다. 단면이 원형이 아닌 경우, 직경은 그 단면의 장축과 단축의 평균이다. 가늘고 긴 또는 높은 애스펙트비의 나노구조, 이를 테면 나노와이어의 경우, 직경은 나노와이어의 가장 긴 축에 수직인 단면에 걸쳐서 측정된다. 구 모양의 나노구조의 경우, 직경은 구의 중심을 통하여 일측에서 타측까지 측정된다.
용어들 "결정질 (crystalline)" 또는 "실질적으로 결정질 (substantially crystalline)" 은 나노구조들에 대하여 사용될 때, 나노구조들이 통상적으로 구조의 하나 이상의 치수들에 걸쳐서 장거리 오더링을 보인다는 사실을 지칭한다. 용어 "장거리 오더링 (long rage ordering)" 은 단결정에 대한 오더링이 그 결정의 경계들을 넘어서 연장할 수 없기 때문에, 특정 나노구조들의 절대 크기에 의존할 것이라는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 이 경우에, "장거리 오더링" 은 나노구조의 치수의 적어도 대부분에 걸친 실질적 오더를 의미할 것이다. 일부 인스턴스들에서, 나노구조는 옥사이드 또는 다른 코팅을 지닐 수 있거나, 또는 코어 및 적어도 하나의 쉘로 구성될 수 있다. 이러한 인스턴스들에서, 옥사이드, 쉘(들), 또는 다른 코팅은 이러한 오더링을 보일 수 있지만 그럴 필요는 없다 (예를 들어, 그것은 비정질, 다결정질, 또는 다른 것일 수 있다) 는 것이 인식될 것이다. 이러한 인스턴스들에서, 어구 "결정질". "실질적으로 결정질", "실질적으로 단결정질 (substantially monocrystalline)", 또는 "단결정질" 은 (코팅 층들 또는 쉘들을 제외한) 나노구조의 중심 코어를 지칭한다. 용어들 "결정질" 또는 "실질적으로 결정질" 은 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 구조가 실질적인 장거리 오더링 (예를 들어, 나노구조 또는 그 코어의 적어도 하나의 축의 길이의 적어도 약 80% 를 넘는 오더) 을 보이는 한은, 다양한 결함들, 적층 흠들, 원자 치환들 등을 포함하는 구조들을 또한 포괄하도록 의도된다. 추가로, 코어와 나노구조의 외측 사이 또는 코어와 인접한 쉘 사이 또는 쉘과 제 2 인접한 쉘 사이의 계면은 비결정질 영역들을 포함할 수도 있고 심지어 비정질일 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 이것은 본 명세서에서 정의한 바와 같이 나노구조가 결정질 또는 실질적으로 결정질인 것을 막지 않는다.
용어 "단결정질" 은 나노구조에 대하여 사용할 때, 그 나노구조가 실질적으로 결정질이고 실질적으로 단결정을 포함한다는 것을 나타낸다. 코어 및 하나 이상의 쉘들을 포함하는 나노구조 헤테로구조에 대하여 사용될 때, "단결정질" 은 코어가 실질적으로 결정질이고 실질적으로 단결정을 포함한다는 것을 나타낸다.
"나노결정" 은 실질적으로 단결정질인 나노구조이다. 나노결정은 따라서 약 500 nm 미만의 치수를 가진 적어도 하나의 영역 또는 특징적 치수를 갖는다. 일부 실시형태들에서, 나노결정은 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만, 약 20 nm 미만, 또는 약 10 nm 미만의 치수를 갖는다. 용어 "나노결정" 은 다양한 결함들, 적층 흠들, 원자 치환들 등을 포함하는 실질적으로 단결정질 나노구조들, 뿐만 아니라 이러한 결함들, 흠들, 또는 치환들 없는 실질적으로 단결정질 나노구조들도 포괄하도록 의도된다. 코어 및 하나 이상의 쉘들을 포함하는 나노결정 헤테로구조들의 경우에, 나노결정의 코어는 통상적으로 실질적으로 단결정질이지만, 쉘(들)은 그럴 필요 없다. 일부 실시형태들에서, 나노결정의 3 개의 치수들의 각각은 약 500 nm 미만의 치수를 갖는다. 다른 실시형태들에서, 나노결정의 치수들의 각각은 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만, 약 20 nm 미만, 또는 약 10 nm 미만의 치수를 갖는다.
용어 "양자점 (quantum dot)" (또는 "점 (dot)") 은 양자 구속 (quantum confinement) 또는 엑시톤 구속을 보이는 나노결정을 지칭한다. 양자점들은 재료 특성들에 있어서 실질적으로 균질일 수 있거나, 또는 소정의 실시형태들에서, 예를 들어, 코어 및 적어도 하나의 쉘을 포함하는, 이종일 수 있다. 양자점들의 광학 특성들은 그들의 입자 크기, 화학적 조성, 및/또는 표면 조성에 의해 영향을 받을 수 있고, 당업계에서 이용가능한 적합한 광학 테스팅에 의해 결정될 수 있다. 나노결정 크기를, 예를 들어, 약 1 nm 와 약 15 nm 사이의 범위로 맞추는 능력은, 전체 광학 스펙트럼에서 광방출 커버리지를 가능하게 하여 컬러 렌더링에 있어서 큰 다용성 (versatility) 을 제공한다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, "RoHS 순응 (compliant)" 광학 필름들은 1000 ppm 미만의 납 (Pb), 100 ppm 미만의 카드뮴 (Cd), 100 ppm 미만의 수은 (Hg), 1000 ppm 미만의 육가 크로뮴 (Hex-Cr), 1000 ppm 미만의 폴리브로미네이티드 비페닐들 (PBB), 및 1000 ppm 미만의 폴리브로미네이티드 디페닐 에테르들 (PBDE) 을 가진 광학 필름들을 지칭한다. RoHS (Restriction of Hazardous substances) 지침은 전기 및 전자 장비에서 통상 사용되는 소정의 위험 물질들을 제한하는 것을 목표로 한다. RoHS 순응 컴포넌트들은 카드뮴 및 육가 크로뮴의 존재에 대해 테스팅되며, 원시 동종 재료들 레벨에서 중량당 0.01% 미만의 물질이 존재해야 한다. 납, PBB, 및 PBDE 에 대해서는, 원시 동종 재료들에서 중량당 계산할 때, 0.1% 이내의 재료가 존재해야 한다. 임의의 RoHS 순응 컴포넌트는 100 ppm 이하의 수은을 가져야 하고, 수은은 그 컴포넌트에 의도적으로 첨가되지 않아야 한다. EU 에서, 일부 군용 및 의료용 장비는 RoHS 순응을 면제받는다.
"리간드 (ligand)" 는 나노구조의 표면과의 코발런트 (covalent), 이온 (ionic), 반 데르 발스, 또는 다른 분자 상호작용들을 통하여, 나노구조의 하나 이상의 면들과 (약하든 강하든 간에) 상호작용하는 것이 가능한 분자이다.
"광발광 양자 수율" 은 예를 들어, 나노구조 또는 나노구조들의 팝퓰레이션에 의해, 방출된 광자들 대 흡수된 광자들의 비율이다. 당업계에 알려진 바와 같이, 양자 수율은 알려진 양자 수율 값들을 가진 잘 특징화된 표준 샘플들을 사용하는 비교 방법에 의해 통상 결정된다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "쉘 (shell)" 은 쉘 재료의 디포지션의 단일 작용으로부터 발생하는, 동일 또는 상이한 조성의 이전에 디포짓된 쉘들 상에 또는 코어 상에 디포짓된 재료를 지칭한다. 정확한 쉘 두께는 재료 뿐만 아니라 전구체 입력 및 컨버전에 의존하고 나노미터들 또는 단층들에서 레포트될 수 있다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, "타겟 쉘 두께" 는 요구된 전구체 양의 계산을 위해 사용되는 의도된 쉘 두께를 지칭한다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, "실제 쉘 두께" 는 합성 후 쉘 재료의 실제로 디포짓된 양을 지칭하고 당업계에 알려진 방법들에 의해 측정될 수 있다. 일 예로, 실제 쉘 두께는 쉘 합성 전과 후에 나노결정들의 TEM 이미지들로부터 결정된 입자 직경들을 비교하는 것에 의해 측정될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "반치전폭 (full width at half-maximum)" (FWHM) 은 양자점들의 크기 분포의 척도이다. 양자점들의 방출 스펙트럼은 일반적으로 가우스 곡선의 형상을 갖는다. 가우스 곡선의 폭은 FWHM 으로서 정의되고 입자들의 크기 분포를 알게 해준다. 더 작은 FWHM 은 더 좁은 양자점 나노결정 크기 분포에 대응한다. FWHM 은 또한 방출 파장 최대에 의존한다.
"알킬 (alkyl)" 은 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 표시된 탄소 원자들의 수를 갖는 직선 또는 분지형, 포화, 지방족 라디칼을 지칭한다. 일부 실시형태들에서, 알킬은 C1-2 알킬, C1-3 알킬, C1-4 알킬, C1-5 알킬, C1-6 알킬, C1-7 알킬, C1-8 알킬, C1-9 알킬, C1-10 알킬, C1-12 알킬, C1-14 알킬, C1-16 알킬, C1-18 알킬, C1-20 알킬, C8-20 알킬, C12-20 알킬, C14-20 알킬, C16-20 알킬, 또는 C18-20 알킬이다. 예를 들어, C1-6 알킬은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 펜틸, 이소펜틸, 및 헥실을 포함하지만, 이들에 제한되지는 않는다. 일부 실시형태들에서, 알킬은 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실, 또는 이코사닐 (icosanyl) 이다.
분명히 다르게 나타내지 않는 한, 본 명세서에서 열거된 범위들이 포함된다.
다양한 추가적인 용어들이 본 명세서에서 정의되거나 또는 다르게는 특징화된다.
코어의 제조
다양한 나노구조들의 콜로이드 합성을 위한 방법들이 당업계에 알려져 있다. 이러한 방법들은 나노구조 성장을 제어하기 위한, 예를 들어, 결과의 나노구조들의 크기 및/또는 형상 분포를 제어하기 위한 기법들을 포함한다.
통상의 콜로이드 합성에서, 반도체 나노구조들은 뜨거운 용액 (예를 들어, 뜨거운 용매 및/또는 계면활성제) 로 열분해되는 전구체들을 고속 주입하는 것에 의해 제조된다. 전구체들은 동시에 또는 순차적으로 주입될 수 있다. 전구체들은 핵들을 형성하기 위해 고속 반응한다. 나노구조 성장은, 통상적으로 주입/핵형성 온도보다 낮은 성장 온도에서, 핵들에 모노머 첨가를 통해 일어난다.
리간드들은 나노구조의 표면과 상호작용한다. 성장 온도에서, 리간드들은 나노구조 표면으로부터 고속으로 흡착하고 (absorb) 탈리하여 (desorb), 성장 나노구조들의 어그리게이션을 억제하면서 나노구조로부터 원자들의 추가 및/또는 제거를 허락한다. 일반적으로, 나노구조 표면에 약하게 코오디네이트하는 리간드는 나노구조의 고속 성장을 허락하는 한편, 나노구조 표면에 보다 강하게 결합하는 리간드는 보다 느린 나노구조 성장을 초래한다. 리간드는 또한, 나노구조 성장을 느리게 하기 위해 전구체들 중 하나 (또는 그 이상) 와 상호작용할 수 있다.
단일 리간드의 존재에서의 나노구조 성장은 통상적으로 구 모양의 나노구조들을 초래한다. 그러나, 2 개 이상의 리간드들의 혼합물을 사용하는 것은, 예를 들어, 2 개 (또는 그 이상) 의 리간드들이 성장 나노구조의 상이한 결정학상 면들에 상이하게 흡착하면, 비-구 모양의 나노구조들이 생성될 수 있도록 성장이 제어되는 것을 허락한다.
다수의 파라미터들이 따라서 나노구조 성장에 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 결과의 나노구조들의 크기 및/또는 형상 분포를 제어하기 위해 독립적으로 또는 조합하여 조작될 수 있다. 이들은, 예를 들어, 온도 (핵형성 및/또는 성장), 전구체 조성, 시간-의존적 전구체 농도, 전구체들의 서로에 대한 비율, 계면활성제 조성, 계면활성제들의 수, 및 계면활성제(들)의 서로에 대한 및/또는 전구체들에 대한 비율을 포함한다.
III-VI 족 나노구조들의 합성은 미국 특허 번호들 제6,225,198호, 제6,322,901호, 제6,207,229호, 제6,607,829호, 제7,060,243호, 제7,374,824호, 제6,861,155호, 제7,125,605호, 제7,566,476호, 제8,158,193호, 및 제8,101,234호에서 그리고 미국 특허 출원 공보 번호들 제2011/0262752호 및 제2011/0263062호에서 설명되었다. II-V 족 나노구조들의 합성은 미국 특허 번호들 제5,505,928호, 제6,306,736호, 제6,576,291호, 제6,788,453호, 제6,821,337호, 및 제7,138,098호, 제7,557,028호, 제8,062,967호, 제7,645,397호, 및 제8,282,412호에서 그리고 미국 특허 출원 공보 제2015/236195호에서 설명되었다.
II-V 족 나노구조들의 합성은 또한, Wells, R.L., 등의, "The use of tris(trimethylsilyl)arsine to prepare gallium arsenide and indium arsenide", Chem. Mater. 1:4-6 (1989) 에서 그리고 Guzelian, A.A., 등의, "Colloidal chemical synthesis and characterization of InAs nanocrystal quantum dots", Appl. Phys. Lett. 69: 1432-1434 (1996) 에서 설명되었다.
InP-기반 나노구조들의 합성은 예를 들어, Xie, R., 등의, "Colloidal InP nanocrystals as efficient emitters covering blue to near-infrared", J. Am. Chem. Soc. 129:15432-15433 (2007); Micic, O.I., 등의, "Core-shell quantum dots of lattice-matched ZnCdSe2 shells on InP cores: Experiment and theory", J. Phys. Chem. B 104:12149-12156 (2000); Liu, Z., 등의, "Coreduction colloidal synthesis of II-V nanocrystals: The case of InP", Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 47:3540-3542 (2008); Li, L., 등의, "Economic synthesis of high quality InP nanocrystals using calcium phosphide as the phosphorus precursor", Chem. Mater. 20:2621-2623 (2008); D. Battaglia 및 X. Peng, "Formation of high quality InP and InAs nanocrystals in a noncoordinating solvent", Nano Letters 2:1027-1030 (2002); Kim, S., 등의, "Highly luminescent InP/GaP/ZnS nanocrystals and their application to white light-emitting diodes", J. Am. Chem. Soc. 134:3804-3809 (2012); Nann, T., 등의, "Water splitting by visible light: A nanophotocathode for hydrogen production", Angew. Chem. Int. Ed. 49:1574-1577 (2010); Borchert, H., 등의, "Investigation of ZnS passivated InP nanocrystals by XPS", Nano Letters 2:151-154 (2002); L. Li 및 P. Reiss, "One-pot synthesis of highly luminescent InP/ZnS nanocrystals without precursor injection", J. Am. Chem. Soc. 130:11588-11589 (2008); Hussain, S., 등의, "One-pot fabrication of high-quality InP/ZnS (core/shell) quantum dots and their application to cellular imaging", Chemphyschem. 10:1466-1470 (2009); Xu, S., 등의, "Rapid synthesis of high-quality InP nanocrystals", J. Am. Chem. Soc. 128:1054-1055 (2006); Micic, O.I., 등의, "Size-dependent spectroscopy of InP quantum dots", J. Phys. Chem. B 101:4904-4912 (1997); Haubold, S., 등의, "Strongly luminescent InP/ZnS core-shell nanoparticles", Chemphyschem. 5:331-334 (2001); CrosGagneux, A., 등의, "Surface chemistry of InP quantum dots: A comprehensive study", J. Am. Chem. Soc. 132:18147-18157 (2010); Micic, O.I., 등의, "Synthesis and characterization of InP, GaP, and GalnP2 quantum dots", J. Phys. Chem. 99:7754-7759 (1995); Guzelian, A.A., 등의, "Synthesis of size-selected, surface-passivated InP nanocrystals", J. Phys. Chem. 100:7212-7219 (1996); Lucey, D.W., 등의, "Monodispersed InP quantum dots prepared by colloidal chemistry in a non-coordinating solvent", Chem. Mater. 17:3754-3762 (2005); Lim, J., 등의, "InP@ZnSeS, core@composition gradient shell quantum dots with enhanced stability", Chem. Mater. 23:4459-4463 (2011); 및 Zan, F., 등의, "Experimental studies on blinking behavior of single InP/ZnS quantum dots: Effects of synthetic conditions and UV irradiation", J. Phys. Chem. C 116:394-3950 (2012) 에서 설명되었다.
일부 실시형태들에서, 코어는 ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdO, CdSe, CdS, CdTe, HgO, HgSe, HgS, HgTe, 페로브스카이트, 및 CuInxGa1-xSySe2-y 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 II-VI 족 나노결정이다. 일부 실시형태들에서, 코어는 ZnSe, ZnS, CdSe, 및 CdS 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 나노결정이다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 제 1 코어는 카드뮴-함유 나노구조이고 적어도 하나의 제 2 코어는 II-VI 족 나노구조이다. 일부 실시형태들에서, 제 2 코어는 BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, 페로브스카이트, 및 CuInxGa1-xSySe2-y 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 II-VI 족 나노결정이다. 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 제 2 코어는 InP 나노결정이다.
일부 실시형태들에서, 코어는 도핑된다. 일부 실시형태들에서, 나노결정 코어의 도펀트는 하나 이상의 전이 금속들을 포함하는, 금속을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 도펀트는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, 및 그 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전이 금속이다. 일부 실시형태들에서, 도펀트는 비-금속을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 도펀트는 ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdS, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, CuInS2, CuInSe2, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, 또는 GaAs 이다.
일부 실시형태들에서, 코어는 쉘의 디포지션 전에 정제된다. 일부 실시형태들에서, 코어는 코어 용액으로부터 침전물을 제거하도록 필터링된다.
일부 실시형태들에서, 코어에는 쉘의 디포지션 전에 산 에칭 단계가 실시된다.
일부 실시형태들에서, 코어의 직경은 양자 구속을 사용하여 결정된다. 양자점들과 같은 제로-차원 나노결정자들에서의 양자 구속은 결정자 경계 내의 전자들의 공간 구속으로부터 발생한다. 양자 구속은 일단 재료의 직경이 파동 함수의 Broglie 파장과 동일한 진폭이면 관측될 수 있다. 나노입자들의 전자 및 광학 특성들은 실질적으로 벌크 재료들의 것들에서 벗어난다. 입자는, 구속 치수가 입자의 파장과 비교하여 클 때 마치 없는 것처럼 거동한다. 이 상태 동안, 밴드갭은 연속적인 에너지 상태로 인해 그 원래의 에너지에 유지된다. 그러나, 구속 치수가 감소하고 통상적으로 나노스케일에서, 소정의 한계에 도달함에 따라, 에너지 스펙트럼은 불연속이 된다. 그 결과, 밴드갭은 크기-의존적이 된다.
쉘의 제조
일부 실시형태들에서, 나노구조들은 코어 및 적어도 하나의 쉘을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 나노구조들은 코어 및 적어도 2 개의 쉘들을 포함한다. 쉘은, 예를 들어, 나노구조들의 양자 수율 및/또는 안정성을 증가시킬 수 있다. 일부 실시형태들에서, 코어 및 쉘은 상이한 재료들을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 나노구조는 상이한 쉘 재료의 쉘들을 포함한다.
일부 실시형태들에서, 쉘 재료는 II 및 VI 족 재료들의 혼합물을 포함하는 코어 또는 코어/쉘(들)에 디포짓된다. 일부 실시형태들에서, 쉘 재료는 아연 소스, 셀레늄 소스, 황 소스, 텔루륨 소스, 및 카드뮴 소스 중 적어도 2 개를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 쉘 재료는 아연 소스, 셀레늄 소스, 황 소스, 텔루륨 소스, 및 카드뮴 소스 중 2 개를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 쉘 재료는 아연 소스, 셀레늄 소스, 황 소스, 텔루륨 소스, 및 카드뮴 소스 중 3 개를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 디포짓된 쉘 재료는 ZnS, ZnSe, ZnSSe, ZnTe, ZnTeS, 또는 ZnTeSe 이다. 다른 실시형태들에서, 낮은 레벨들의 카드뮴을 함유하는 합금 쉘들이 또한 사용될 수 있다.
쉘의 두께는 제공된 전구체의 양을 가변시키는 것에 의해 제어될 수 있다. 주어진 쉘 두께에 대해, 전구체들 중 적어도 하나는 옵션으로는 소정 양으로 제공되며, 그것에 의하여, 성장 반응이 실질적으로 완료될 때, 미리결정된 두께의 쉘이 획득된다. 1 초과의 상이한 전구체가 제공되면, 각각의 전구체의 양이 제어될 수 있거나 또는 전구체들 중 하나는, 다른 것들이 초과로 제공되는 동안 제한된 양으로 제공될 수 있다.
각각의 쉘의 두께는 당업자들에게 알려진 기법들을 사용하여 결정될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 각각의 쉘의 두께는 각각의 쉘의 첨가 전과 후에 나노구조의 평균 직경을 비교하는 것에 의해 결정된다. 일부 실시형태들에서, 각각의 쉘의 첨가 전과 후의 나노구조의 평균 직경은 투과 전자 현미경에 의해 결정된다. 일부 실시형태들에서, 각각의 쉘은 0.05 nm 와 3.5 nm 사이, 0.05 nm 와 2 nm 사이, 0.05 nm 와 1 nm 사이, 0.05 nm 와 0.5 nm 사이, 0.05 nm 와 0.3 nm 사이, 0.05 nm 와 0.1 nm 사이, 0.1 nm 와 3.5 nm 사이, 0.1 nm 와 2 nm 사이, 0.1 nm 와 1 nm 사이, 0.1 nm 와 0.5 nm 사이, 0.1 nm 와 0.3 nm 사이, 0.3 nm 와 3.5 nm 사이, 0.3 nm 와 2 nm 사이, 0.3 nm 와 1 nm 사이, 0.3 nm 와 0.5 nm 사이, 0.5 nm 와 3.5 nm 사이, 0.5 nm 와 2 nm 사이, 0.5 nm 와 1 nm 사이, 1 nm 와 3.5 nm 사이, 1 nm 와 2 nm 사이, 또는 2 nm 와 3.5 nm 사이의 두께를 갖는다.
일부 실시형태들에서, 각각의 쉘은 적어도 하나의 나노구조 리간드의 존재에서 합성된다. 리간드들은, 예를 들어, 용매들 또는 폴리머들 내의 나노구조들의 혼화성 (miscibility) 을 개선시키고 (나노구조들이 함께 어그리게이팅하지 않도록 나노구조들이 조성물 전체에 걸쳐 분포되는 것을 허용함), 나노구조들의 양자 수율을 증가시키고, 및/또는 (예를 들어, 나노구조들이 매트릭스에 통합될 때) 나노구조 발광을 보존할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 코어 합성을 위한 그리고 쉘 합성을 위한 리간드(들)는 동일하다. 일부 실시형태들에서, 코어 합성을 위한 그리고 쉘 합성을 위한 리간드(들)는 상이하다. 합성에 이어, 나노구조들의 표면 상의 임의의 리간드는 다른 원하는 특성들을 가진 상이한 리간드와 교환될 수 있다. 리간드들의 예들은 미국 특허 번호들 제7,572,395호, 제8,143,703호, 제8,425,803호, 제8,563,133호, 제8,916,064호, 제9,005,480호, 제9,139,770호, 및 제9,169,435호에서, 그리고 미국 특허 출원 공보 제2008/0118755호에서 개시된다.
쉘의 합성에 적합한 리간드들은 당업자들이 알 수 있다. 일부 실시형태들에서, 리간드는 라우르산, 카프로산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 및 올레산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 지방산이다. 일부 실시형태들에서, 리간드는 트리옥틸포스핀 옥사이드 (TOPO), 트리옥틸포스핀 (TOP), 디페닐포스핀 (DPP), 트리페닐포스핀 옥사이드, 및 트리부틸포스핀 옥사이드로부터 선택된 유기 포스핀 또는 유기 포스핀 옥사이드이다. 일부 실시형태들에서, 리간드는 도데실아민, 올레일아민, 헥사데실아민, 디옥틸아민, 및 옥타데실아민으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 아민이다. 일부 실시형태들에서, 리간드는 트리부틸포스핀, 올레산, 또는 아연 올리에이트이다.
일부 실시형태들에서, 각각의 쉘은 리간드들의 혼합물의 존재에서 제조된다. 일부 실시형태들에서, 쉘의 각각의 층은 2, 3, 4, 5, 또는 6 개의 상이한 리간드들을 포함하는 혼합물의 존재에서 제조된다. 일부 실시형태들에서, 각각의 쉘은 3 개의 상이한 리간드들을 포함하는 혼합물의 존재에서 제조된다. 일부 실시형태들에서, 리간드들의 혼합물은 트리부틸포스핀, 올레산, 및 아연 올리에이트를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 각각의 쉘은 용매의 존재에서 제조된다. 일부 실시형태들에서, 용매는 1-옥타데신, 1-헥사데신, 1-에이코신 (eicosene), 에이코산, 옥타데칸, 헥사데칸, 테트라데칸, 스쿠알렌, 스쿠알란, 트리옥틸포스핀 옥사이드, 및 디옥틸 에테르로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시형태들에서, 용매는 1-옥타데신이다.
일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 및 쉘 재료들은 20 ℃ 와 310 ℃ 사이, 20 ℃ 와 280 ℃ 사이, 20 ℃ 와 250 ℃ 사이, 20 ℃ 와 200 ℃ 사이, 20 ℃ 와 150 ℃ 사이, 20 ℃ 와 100 ℃ 사이, 20 ℃ 와 50 ℃ 사이, 50 ℃ 와 310 ℃ 사이, 50 ℃ 와 280 ℃ 사이, 50 ℃ 와 250 ℃ 사이, 50 ℃ 와 200 ℃ 사이, 50 ℃ 와 150 ℃ 사이, 50 ℃ 와 100 ℃ 사이, 100 ℃ 와 310 ℃ 사이, 100 ℃ 와 280 ℃ 사이, 100 ℃ 와 250 ℃ 사이, 100 ℃ 와 200 ℃ 사이, 100 ℃ 와 150 ℃ 사이, 150 ℃ 와 310 ℃ 사이, 150 ℃ 와 280 ℃ 사이, 150 ℃ 와 250 ℃ 사이, 150 ℃ 와 200 ℃ 사이, 200 ℃ 와 310 ℃ 사이, 200 ℃ 와 280 ℃ 사이, 200 ℃ 와 250 ℃ 사이, 250 ℃ 와 310 ℃ 사이, 250 ℃ 와 280 ℃ 사이, 또는 280 ℃ 와 310 ℃ 사이의 추가 온도에서 콘택된다. 일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 및 쉘 재료들은 20 ℃ 와 100 ℃ 사이의 추가 온도에서 콘택된다.
일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 및 쉘 재료들을 콘택한 후, 반응 혼합물의 온도는 200 ℃ 와 310 ℃ 사이, 200 ℃ 와 280 ℃ 사이, 200 ℃ 와 250 ℃ 사이, 200 ℃ 와 220 ℃ 사이, 220 ℃ 와 310 ℃ 사이, 220 ℃ 와 280 ℃ 사이, 220 ℃ 와 250 ℃ 사이, 250 ℃ 와 310 ℃ 사이, 250 ℃ 와 280 ℃ 사이, 또는 280 ℃ 와 310 ℃ 사이의 상승된 온도로 증가된다. 일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 및 쉘 재료들을 콘택한 후, 반응 혼합물의 온도는 250 ℃ 와 310 ℃ 사이로 증가된다.
일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어 쉘(들) 및 쉘 재료들을 콘택한 후, 온도가 상승된 온도에 도달하기 위한 시간은 2 분과 240 분 사이, 2 분과 200 분 사이, 2 분과 100 분 사이, 2 분과 60 분 사이, 2 분과 40 분 사이, 5 분과 240 분 사이, 5 분과 200 분 사이, 5 분과 100 분 사이, 5 분과 60 분 사이, 5 분과 40 분 사이, 10 분과 240 분 사이, 10 분과 200 분 사이, 10 분과 100 분 사이, 10 분과 60 분 사이, 10 분과 40 분 사이, 40 분과 240 분 사이, 40 분과 200 분 사이, 40 분과 100 분 사이, 40 분과 60 분 사이, 60 분과 240 분 사이, 60 분과 200 분 사이, 60 분과 100 분 사이, 100 분과 240 분 사이, 100 분과 200 분 사이, 또는 200 분과 240 분 사이이다.
일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어 쉘(들) 및 쉘 재료들을 콘택한 후, 반응 혼합물의 온도는 2 분과 240 분 사이, 2 분과 200 분 사이, 2 분과 100 분 사이, 2 분과 60 분 사이, 2 분과 40 분 사이, 5 분과 240 분 사이, 5 분과 200 분 사이, 5 분과 100 분 사이, 5 분과 60 분 사이, 5 분과 40 분 사이, 10 분과 240 분 사이, 10 분과 200 분 사이, 10 분과 100 분 사이, 10 분과 60 분 사이, 10 분과 40 분 사이, 40 분과 240 분 사이, 40 분과 200 분 사이, 40 분과 100 분 사이, 40 분과 60 분 사이, 60 분과 240 분 사이, 60 분과 200 분 사이, 60 분과 100 분 사이, 100 분과 240 분 사이, 100 분과 200 분 사이, 또는 200 분과 240 분 사이 동안 상승된 온도로 유지된다. 일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 및 쉘 재료들을 콘택한 후, 반응 혼합물의 온도는 30 분과 120 분 사이 동안 상승된 온도로 유지된다.
일부 실시형태들에서, 추가적인 쉘들은 반응 혼합물에 첨가되는 쉘 재료 전구체들의 추가의 첨가에 이어 상승된 온도로 유지하는 것에 의해 제조된다. 통상적으로, 추가적인 전구체는 이전의 쉘의 반응이 실질적으로 완료된 후 (예를 들어, 이전의 전구체들 중 적어도 하나가 반응으로부터 고갈 또는 제거될 때 또는 어떤 추가적인 성장도 검출가능하지 않을 때) 제공된다. 전구체의 추가의 첨가들이 추가적인 쉘들을 생성한다.
일부 실시형태들에서, 나노구조는 추가의 쉘들을 제공하기 위해 추가적인 쉘 재료 전구체의 첨가 전에 냉각된다. 일부 실시형태들에서, 나노구조는 추가의 쉘들을 제공하기 위해 쉘 재료 전구체의 첨가 전에 상승된 온도로 유지된다.
쉘의 충분한 층들이 나노구조가 원하는 두께 및 직경에 이르도록 하기 위해 첨가된 후에, 나노구조는 냉각될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 실온으로 냉각된다. 일부 실시형태들에서, 유기 용매는 코어/쉘(들) 나노구조들을 포함하는 반응 혼합물을 희석시키기 위해 첨가된다.
일부 실시형태들에서, 반응 혼합물을 희석시키는데 사용되는 유기 용매는 에탄올, 헥산, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 아세톤, 에틸 아세테이트, 디클로로메탄 (메틸렌 클로라이드), 클로로포름, 디메틸포름아미드, 또는 N-메틸피롤리디논이다. 일부 실시형태들에서, 유기 용매는 톨루엔이다.
일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 유기 용매를 사용하여 침전물에 의해 격리된다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 에탄올에 의한 응집에 의해 격리된다.
ZnSe 쉘의 제조
일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 나노구조 상에 디포짓된 쉘은 ZnSe 쉘이다.
일부 실시형태들에서, ZnSe 쉘을 준비하기 위해 코어 또는 코어/쉘(들) 나노구조와 콘택된 쉘 재료들은 아연 소스 및 셀레늄 소스를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 아연 소스는 디알킬 아연 화합물이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 아연 카르복실레이트이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 디에틸아연, 디메틸아연, 아연 아세테이트, 아연 아세틸아세토네이트, 아연 아이오다이드, 아연 브로마이드, 아연 클로라이드, 아연 플루오라이드, 아연 카보네이트, 아연 시아나이드, 아연 나이트레이트, 아연 올리에이트, 아연 옥사이드, 아연 페록사이드, 아연 퍼클로레이트, 아연 설페이트, 아연 헥사노에이트, 아연 옥타노에이트, 아연 라우레이트, 아연 미리스테이트, 아연 팔미테이트, 아연 스테아레이트, 아연 디티오카바메이트, 또는 그 혼합물들이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 아연 올리에이트, 아연 헥사노에이트, 아연 옥타노에이트, 아연 라우레이트, 아연 미리스테이트, 아연 팔미테이트, 아연 스테아레이트, 아연 디티오카바메이트, 또는 그 혼합물들이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 아연 올리에이트이다.
일부 실시형태들에서, 셀레늄 소스는 알킬-치환 셀레노우레아 (selenourea) 이다. 일부 실시형태들에서, 셀레늄 소스는 포스핀 셀레나이드이다. 일부 실시형태들에서, 셀레늄 소스는 트리옥틸포스핀 셀레나이드, 트리(n-부틸)포스핀 셀레나이드, 트리(sec-부틸)포스핀 셀레나이드, 트리(tert-부틸)포스핀 셀레나이드, 트리메틸포스핀 셀레나이드, 트리페닐포스핀 셀레나이드, 디페닐포스핀 셀레나이드, 페닐포스핀 셀레나이드, 트리시클로헥실포스핀 셀레나이드, 시클로헥실포스핀 셀레나이드, 1-옥탄셀레놀 (octaneselenol), 1-도데칸셀레놀, 셀레노페놀, 원소 셀레늄, 하이드로겐 셀레나이드, 비스(트리메틸실릴) 셀레나이드, 셀레노우레아, 및 그 혼합물들로부터 선택된다. 일부 실시형태들에서, 셀레늄 소스는 트리(n-부틸)포스핀 셀레나이드, 트리(sec-부틸)포스핀 셀레나이드, 또는 트리(tert-부틸)포스핀 셀레나이드이다. 일부 실시형태들에서, 셀레늄 소스는 트리옥틸포스핀 셀레나이드이다.
일부 실시형태들에서, 각각의 ZnSe 쉘은 0.2 nm 와 3.5 nm 사이, 0.2 nm 와 2 nm 사이, 0.2 nm 와 1 nm 사이, 0.2 nm 와 0.5 nm 사이, 0.4 nm 와 3.5 nm 사이, 0.4 nm 와 2 nm 사이, 0.4 nm 와 1 nm 사이, 0.6 nm 와 3.5 nm 사이, 0.6 nm 와 2 nm 사이, 0.6 nm 와 1 nm 사이, 0.8 nm 와 3.5 nm 사이, 0.8 nm 와 2 nm 사이, 0.8 nm 와 1 nm 사이, 1 nm 와 3.5 nm 사이, 1 nm 와 2 nm 사이, 또는 2 nm 와 3.5 nm 사이의 두께를 갖는다.
ZnS 쉘의 제조
일부 실시형태들에서, 코어 또는 코어/쉘(들) 나노구조 상에 디포짓된 쉘은 ZnS 쉘이다.
일부 실시형태들에서, ZnS 쉘을 준비하기 위해 코어 또는 코어/쉘(들) 나노구조와 콘택된 쉘 재료들은 아연 소스 및 황 소스를 포함한다.
일부 실시형태들에서, ZnS 쉘은 입자 표면에서의 결함들을 패시베이트화하고, 이는 LED들 및 레이저들과 같은 디바이스들에서 사용될 때 더 높은 효율들 및 양자 수율의 향상을 초래한다. 더욱이, 결함 상태들에 의해 야기되는 스펙트럼 불순물들은 패시베이션에 의해 제거될 수도 있고, 이는 컬러 포화를 증가시킨다.
일부 실시형태들에서, 아연 소스는 디알킬 아연 화합물이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 아연 카르복실레이트이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 디에틸아연, 디메틸아연, 아연 아세테이트, 아연 아세틸아세토네이트, 아연 아이오다이드, 아연 브로마이드, 아연 클로라이드, 아연 플루오라이드, 아연 카보네이트, 아연 시아나이드, 아연 나이트레이트, 아연 올리에이트, 아연 옥사이드, 아연 페록사이드, 아연 퍼클로레이트, 아연 설페이트, 아연 헥사노에이트, 아연 옥타노에이트, 아연 라우레이트, 아연 미리스테이트, 아연 팔미테이트, 아연 스테아레이트, 아연 디티오카바메이트, 또는 그 혼합물들이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 아연 올리에이트, 아연 헥사노에이트, 아연 옥타노에이트, 아연 라우레이트, 아연 미리스테이트, 아연 팔미테이트, 아연 스테아레이트, 아연 디티오카바메이트, 또는 그 혼합물들이다. 일부 실시형태들에서, 아연 소스는 아연 올리에이트이다.
일부 실시형태들에서, 아연 소스는 카르복시산과 아연염을 반응시키는 것에 의해 제조된다. 일부 실시형태들에서, 카르복시산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 카프로산, 헵탄산, 카프릴산, 카프릭산, 운데카논산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 비헨산, 아크릴산, 메타크릴산, but-2-에논산 (enoic acid), but-3-에논산, pent-2-에논산, pent-4-에논산, hex-2-에논산, hex-3-에논산, hex-4-에논산, hex-5-에논산, hept-6-에논산, oct-2-에논산, dec-2-에논산, undec-10-에논산, dodec-5-에논산, 올레산, 가돌레산, 에루신산, 리놀레산,
Figure pct00001
-리놀렌산, 칼렌드산 (calendic acid), 에이코사디엔산, 에이코사트리엔산, 아라키돈산, 스테아리돈산, 벤조산, para-톨루엔산, ortho-톨루엔산, meta-톨루엔산, 하이드로신남산, 나프텐산, 신남산, para-톨루엔술폰산, 및 그 혼합물들로부터 선택된다.
일부 실시형태들에서, 황 소스는 원소 황, 옥탄티올, 도데칸티올, 옥타데칸티올, 트리부틸포스핀 설파이드, 시클로헥실 이소티오시아네이트,
Figure pct00002
-톨루엔티올, 에틸렌 트리티오카보네이트, 알릴 메르캅탄, bis(트리메틸실릴) 설파이드, 트리옥틸포스핀 설파이드, 및 그 혼합물들로부터 선택된다. 일부 실시형태들에서, 황 소스는 알킬-치환 아연 디티오카바메이트이다. 일부 실시형태들에서, 황 소스는 옥탄티올이다.
일부 실시형태들에서, 각각의 ZnS 쉘은 0.2 nm 와 3.5 nm 사이, 0.2 nm 와 2 nm 사이, 0.2 nm 와 1 nm 사이, 0.2 nm 와 0.5 nm 사이, 0.4 nm 와 3.5 nm 사이, 0.4 nm 와 2 nm 사이, 0.4 nm 와 1 nm 사이, 0.6 nm 와 3.5 nm 사이, 0.6 nm 와 2 nm 사이, 0.6 nm 와 1 nm 사이, 0.8 nm 와 3.5 nm 사이, 0.8 nm 와 2 nm 사이, 0.8 nm 와 1 nm 사이, 1 nm 와 3.5 nm 사이, 1 nm 와 2 nm 사이, 또는 2 nm 와 3.5 nm 사이의 두께를 갖는다.
코어/쉘(들) 나노구조들
일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조는 코어/ZnSe/ZnS 나노구조이다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조는 CdSe/ZnSe/ZnS 나노구조 또는 InP/ZnSe/ZnS 나노구조이다.
일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 높은 광발광 양자 수율을 디스플레이한다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 60% 와 99% 사이, 60% 와 95% 사이, 60% 와 90% 사이, 60% 와 85% 사이, 60% 와 80% 사이, 60% 와 70% 사이, 70% 와 99% 사이, 70% 와 95% 사이, 70% 와 90% 사이, 70% 와 85% 사이, 70% 와 80% 사이, 80% 와 99% 사이, 80% 와 95% 사이, 80% 내지 90%, 80% 와 85% 사이, 85% 와 99% 사이, 85% 와 95% 사이, 80% 와 85% 사이, 85% 와 99% 사이, 85% 와 90% 사이, 90% 와 99% 사이, 90% 와 95% 사이, 또는 95% 와 99% 사이의 광발광 양자 수율을 디스플레이한다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 85% 와 96% 사이의 광발광 양자 수율을 디스플레이한다.
코어/쉘(들) 나노구조들의 광발광 스펙트럼은 본질적으로 임의의 원하는 부분의 스펙트럼을 커버할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들에 대한 광발광 스펙트럼은 300 nm 와 750 nm 사이, 300 nm 와 650 nm 사이, 300 nm 와 550 nm 사이, 300 nm 와 450 nm 사이, 450 nm 와 750 nm 사이, 450 nm 와 650 nm 사이, 450 nm 와 550 nm 사이, 450 nm 와 750 nm 사이, 450 nm 와 650 nm 사이, 450 nm 와 550 nm 사이, 550 nm 와 750 nm 사이, 550 nm 와 650 nm 사이, 또는 650 nm 와 750 nm 사이의 방출 최대를 갖는다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들에 대한 광발광 스펙트럼은 500 nm 와 550 nm 사이의 방출 최대를 갖는다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들에 대한 광발광 스펙트럼은 600 nm 와 650 nm 사이의 방출 최대를 갖는다.
코어/쉘(들) 나노구조들의 크기 분포는 상대적으로 좁을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 팝퓰레이션 또는 코어/쉘(들) 나노구조들의 광발광 스펙트럼은 10 nm 와 60 nm 사이, 10 nm 와 40 nm 사이, 10 nm 와 30 nm 사이, 10 nm 와 20 nm 사이, 20 nm 와 60 nm 사이, 20 nm 와 40 nm 사이, 20 nm 와 30 nm 사이, 30 nm 와 60 nm 사이, 30 nm 와 40 nm 사이, 또는 40 nm 와 60 nm 사이의 반치전폭을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 팝퓰레이션 또는 코어/쉘(들) 나노구조들의 광발광 스펙트럼은 35 nm 와 45 nm 사이의 반치전폭을 가질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 연속적인 청색 광 노출 하에서 긴 시간 주기들 동안 높은 레벨들의 광발광 세기를 유지하는 것이 가능하다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 적어도 2,000 시간, 적어도 4,000 시간, 적어도 6,000 시간, 적어도 8,000 시간, 또는 적어도 10,000 시간의 (시작 세기 레벨과 비교하여) 90% 세기를 유지하는 것이 가능하다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 적어도 2,000 시간, 적어도 4,000 시간, 적어도 6,000 시간, 적어도 8,000 시간, 또는 적어도 10,000 시간의 (시작 세기 레벨과 비교하여) 80% 세기를 유지하는 것이 가능하다. 일부 실시형태들에서, 코어/쉘(들) 나노구조들은 적어도 2,000 시간, 적어도 4,000 시간, 적어도 6,000 시간, 적어도 8,000 시간, 또는 적어도 10,000 시간의 (시작 세기 레벨과 비교하여) 70% 세기를 유지하는 것이 가능하다.
코어, ZnSe, 및 ZnS 의 상대적 몰비 (molar ratio) 들은 원하는 구 모양의 쉘들의 체적들, 질량들, 및 그에 따른 몰량 (molar amount) 들을 측정하는 것에 의해 주어진 직경의 구 모양의 코어에 기초하여 계산된다. 예를 들어, ZnS 및 ZnSe 로 코팅된 1.8 nm 직경의 녹색 InP 코어는 코어들에서 바운딩된 InP 의 몰량에 대한 ZnS 의 42.8 몰 당량 (equivalents) 및 ZnSe 의 9.2 몰 당량을 요구한다. 이 쉘 구조는 6.23 nm 의 총 입자 직경을 초래한다. ZnSe 및 ZnS 로 코팅된 1.8 nm 직경의 녹색 InP 코어는 5.9 nm 의 측정된 평균 입자 직경을 가진 입자 크기를 제공한다.
옥사이드 재료로 나노구조들을 코팅
그들의 조성에 상관없이, 대부분의 양자점들은 여기 광자들에의 연속적인 노출 후에 그들의 원래 높은 양자 수율을 유지하지 못한다. 두꺼운 쉘들의 사용은 광유도된 양자 수율 하락의 영향들을 완화시키는데 효과적인 것으로 보일 수도 있지만, 양자점들의 광분해는 그들을 옥사이드로 감싸는 것에 의해 더욱 지연될 수도 있다. 옥사이드로 양자점들을 코팅하는 것은 그들의 표면이 그들의 환경들로부터 물리적으로 격리되게 한다.
옥사이드 재료로 양자점들을 코팅하는 것은 그들의 광안정성을 증가시키는 것으로 나타났다. Jo, J.-H., 등의, J. Alloys & Compounds 647:6-13 (2015) 에서, InP/ZnS 적색 방출 양자점들은 비교에 의한 광안정성 결과들에 의해 나타난 바와 같이 양자점 광분해를 실질적으로 완화하는 것으로 확인된 In2O3 의 옥사이드 페이즈로 오버코팅되었다.
일부 실시형태들에서, 나노구조들은 증가된 안정성을 위해 옥사이드 재료로 코팅된다. 일부 실시형태들에서, 옥사이드 재료는 In2O3, SiO2, Al2O3, 또는 TiO2 이다.
필름들, 디바이스들 및 사용들
나노구조들의 적어도 하나의 제 1 및 제 2 팝퓰레이션들은 필름을 형성하는 매트릭스 (예를 들어, 유기 폴리머, 실리콘-함유 폴리머, 무기, 유리 같은 (glassy), 및/또는 다른 매트릭스) 에 임베딩된다. 이 필름은 나노구조 포스퍼의 제조에 있어서 사용되고, 및/또는 디바이스, 예를 들어, LED, 백라이트, 다운라이트, 또는 다른 디스플레이 또는 라이팅 유닛 또는 광학 필터에 통합될 수도 있다. 예시적인 포스퍼들 및 라이팅 유닛들은, 예를 들어, 원하는 파장에서 또는 그 근방에서 방출 최대를 가진 나노구조들의 팝퓰레이션을 통합하는 것에 의해 특정 컬러 광 또는 상이한 방출 최대들을 갖는 나노구조들의 2 개 이상의 상이한 팝퓰레이션들을 통합하는 것에 의해 넓은 컬러 가무트를 생성할 수 있다. 다양한 적합한 매트릭스들이 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 번호 제7,068,898호 및 미국 특허 출원 공보 번호들 제2010/0276638호, 제2007/0034833호, 및 제2012/0113672호를 참조한다. 예시적인 나노구조 포스퍼 필름들, LED들, 백라이팅 유닛들 등은, 예를 들어, 미국 특허 출원 공보들 번호들 제2010/0276638호, 제2012/0113672호, 제2008/0237540호, 제2010/0110728호, 및 제2010/0155749호 및 미국 특허 번호들 제7,374,807호, 제7,645,397호, 제6,501,091호, 및 제6,803,719호에서 설명된다.
일부 실시형태들에서, 나노구조 조성물들을 함유하는 광학 필름들은 실질적으로 카드뮴이 없다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "실질적으로 카드뮴이 없는 (substantially free of cadmium)" 은 나노구조 조성물들이 중량당 100 ppm 미만의 카드뮴을 함유하는 것으로 의도된다. RoHS 순응 정의는 원시 동종 전구체 재료들에 중량당 0.01% (100 ppm) 이내의 카드뮴이 존재해야 하는 것을 요구한다. 카드뮴 농도는 ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectroscopy) 분석에 의해 측정될 수 있고, ppb (parts per billion) 레벨에 있다. 일부 실시형태들에서, "실질적으로 카드뮴이 없는" 광학 필름들은 10 내지 90 ppm 카드뮴을 함유한다. 다른 실시형태에서, 실질적으로 카드뮴이 없는 광학 필름들은 약 50 ppm 미만, 약 20 ppm 미만, 약 10 ppm 미만, 또는 약 1 ppm 미만의 카드뮴을 함유한다.
하나의 실시형태에서, 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 1 팝퓰레이션 및 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 매트릭스와 결합되고 광학 필름으로 제작된다. 광학 필름은 시판용 디스플레이에서 RoHS 순응 및 적어도 80% 의 Rec.2020 컬러 가무트를 제공하는데 사용될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 광학 필름의 Rec.2020 컬러 가무트는 약 85 내지 98% 이다.
필름 또는 디스플레이의 "가무트 커버리지 (gamut coverage)" 는, 1976 CIE(u',v') 컬러 공간에서의 일 영역으로서 측정된, 필름 또는 디스플레이가 렌더링이 가능한 컬러 가무트의 퍼센티지이다. 도 2 는 Rec.2020 컬러 가무트를 1976 CIE(u',v') 컬러 공간에서 솔리드 삼각형 (20) 으로서 도시한다.
디스플레이는 컬러 공간에서 그 픽셀들의 CIE 좌표들에 의해 정의된 다각형 내부에 임의의 컬러를 렌더링할 수 있다. 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B) 픽셀들을 가진 디스플레이에 대해, 각각 도 2 의 포인트들 (21, 22 및 23) 로 표현된, 그 픽셀들의 CIE 좌표들 (u'R, v'R), (u'G, v'G), 및 (u'B, v'B) 은 삼각형 (25) 을 정의한다. 디스플레이는 에지들을 따라 또는 삼각형 (25) 의 내부 내에 임의의 컬러를 렌더링할 수 있다. 음영된 영역 (26) 은 디스플레이가 렌더링하는 것이 가능한 컬러들과 Rec.2020 컬러 가무트 사이의 오버랩이다. 디스플레이의 가무트 커버리지는 이 음영된 영역 (26) 을 솔리드 삼각형 (20) 의 영역으로 나눈 것이다.
가무트 커버리지는 때때로 다른 컬러 공간들, 가장 빈번하게는 1931 CIE 컬러 공간을 사용하여 계산된다. 본 출원에서 사용한 바와 같이, "가무트 커버리지" 는 인간의 눈이 컬러를 구별하는 능력과 컬러 공간에서의 영역 사이에 상이한 컬러들에 걸쳐서 보다 일관된 상관을 제공하는, 1976 CIE(u',v') 컬러 공간을 사용하여 수행된 계산을 지칭한다. 가무트 커버리지의 정의는 www.eizo.com/library/basics/lcd_monitor_color_gamut/ 에서 확인될 수도 있다. 또한, "Information Display Measurements Standard version 1.03" published by the International Committee for Display Metrology (ICDM), in section 5.18 and appendix B29 를 참조한다. 또한, www.icdm-sid.org 를 참조한다. 본 발명의 광학 필름의 가무트 커버리지는 Vizio P652U1-B2 의 컬러 필터를 사용하여 결정된다.
본 발명은 또한,
(a) 방사선을 방출하는 층;
(b) 방사선 방출 층 상에 배치된, 나노구조들의 적어도 하나의 제 1 및 제 2 팝퓰레이션들을 포함하는 광학 필름 층;
(c) 광학 필름 층 상의 광 투과성 배리어 층; 및
(d) 배리어 층 상에 배치된, 광학 엘리먼트
를 포함하는 디스플레이 디바이스를 제공한다.
하나의 실시형태에서, 방사선 방출 층, 광학 필름 층, 및 광학 엘리먼트는 디스플레이 디바이스의 픽셀 유닛의 일부이다. 다른 실시형태에서, 광학 엘리먼트는 컬러 필터이다. 다른 실시형태에서, 배리어 층은 옥사이드를 포함한다. 다른 실시형태에서, 필름 층은 광 투과성 배리어 층에 결합된 계면활성제들 또는 리간드들을 더 포함한다. 다른 실시형태에서, 광 투과성 배리어 층은 광 플럭스, 열, 산소, 수분, 또는 그 조합에 의한 열화로부터 나노구조를 보호하도록 구성된다.
실시예들
다음의 실시예들은 예시적이고 비제한적인, 본 명세서에서 설명된 생성물들 및 방법들이다. 해당 분야에서 보통 직면하게 되고 본 개시를 고려하여 당업자들에게 명백한 다양한 조건들, 제제 (formulation) 들, 및 다른 파라미터들의 적합한 수정들 및 적응들은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.
다음은 낮은 레벨들의 카드뮴 및 높은 컬러 가무트를 갖는 광학 필름들 및 디스플레이 디바이스들의 준비를 입증하는 일련의 실시예들을 기재한다.
실시예 1
고온 두꺼운 쉘 코팅 방법이 여기서 설명되며, 이는 CdSe 나노입자들 상에 수 나노미터 두께의 ZnSe/ZnS 쉘들을 제조한다. 광발광 양자 수율들은 90% 를 초과하고 매우 좁은 입자간 크기 분포가 유지된다. 방법은 녹색 및 적색 방출 코어 쉘 양자점 나노입자들을 제조한다.
도 1 의 합성 스킴은 방법을 예시한다. 코어들로서 작용하는 CdSe 나노입자들은 먼저 ODE 및 아연 올리에이트 중에 희석되고, Se 전구체 (TOPSe 또는 TBPSe) 가 110 내지 300℃ 의 온도에서 첨가되었다. 냉각 후, 반응 혼합물은 높은 끓는점 용매에 추가적인 아연 전구체를 함유하는 두번째 플라스크로 전달되었고, 그 후 황 전구체 (도데칸티올, 옥탄티올, TOPS, 또는 TBPS) 가 최종 ZnS 쉘을 구성하기 위해 천천히 첨가되었다. 전구체의 양은 CdSe 나노입자 크기 및 농도에 기초하여 정확히 계산된다.
결과의 나노입자들은 톨루엔과 에탄올의 혼합물을 사용하여 두번 씻겼다. 표 1 은 녹색 방출 나노입자들의 광학 성능을 예시한다.
Figure pct00003
상기 언급된 나노입자들에서의 Cd 함량은, 표 2 에 나타낸 바와 같이, 시판용 샘플 GTS070815-51 (Nanosys, Inc., Milpitas, CA) 과 비교하여, 실질적으로 ICP 분석에 기초하여 감소되었다.
Figure pct00004
상기 설명한 바와 유사한 방법을 사용하여, InP 나노입자들이 다음의 광학 특성들 (표 3) 을 가진 대응하는 적색 방출 나노입자들을 제조하기 위해 CdSe 대신에 사용되었다.
Figure pct00005
실시예 2
훨씬 향상된 컬러 가무트 커버리지 및 ROHS 순응을 가진 TV 디스플레이용 광학 필름이 준비되었다.
녹색 방출 CdSe/ZnSe/ZnS 나노입자들 및 적색 방출 InP/ZnSe/ZnS 나노입자들은 광학 필름을 제조하기 위해 매트릭스 (예를 들어, 유기 폴리머, 실리콘-함유 폴리머, 무기, 유리 같은, 및/또는 다른 매트릭스) 에 임베딩된다. 다양한 적합한 매트릭스들이 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 번호 제7,068,898호 및 미국 특허 공보 번호들 제2010/0276638호, 제2007/0034833호, 및 제2012/0113672호를 참조한다.
광학 필름 (디바이스 1) 은 시판용 디스플레이 (Vizio P652U1-B2) 에서 사용되고 80.5% 의 Rec.2020 커버리지를 달성한 반면, CdSe 양자점들에 기초한 시판용으로 입수가능한 QDEF (quantum dot enhancement film) (3M 에 의해 제조된 시판용 디바이스 1) 가 85.4% Rec.2020 가무트 커버리지를 달성하였고 모든 카드뮴 프리 InP 양자점들로 만들어진 QDEF (Samsung SUHD 모델 UN65JS8500F 에 포함된 시판용 디바이스 2) 는 단지 73.7% 를 달성하였다.
Figure pct00006
보다 중요하게는, 본 명세서에서 설명된 양자점들로 만들어진 QDEF 는 ROHS 를 완전히 순응하는 100 ppm 미만의 카드뮴 함량을 갖는다 (표 4). (www.rohsguide.com/rohs-substances.htm 을 참조)
본 발명을 충분히 설명하였으므로, 당업자는 본 발명의 범위 또는 그 임의의 실시형태에 영향을 미치지 않고 조건들, 제제들 및 다른 파라미터들의 넓고 등가의 범위 내에서 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 인용된 모든 특허들, 특허 출원들 및 공보들은 전부 본 명세서에 참조로 완전히 통합된다.

Claims (30)

  1. 공통 매트릭스 재료에 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 1 팝퓰레이션 및 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들이 아닌 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션을 포함하는 디스플레이 디바이스에서 유용한 광학 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실질적으로는 카드뮴이 없는, 광학 필름.
  3. 제 1 항에 있어서,
    10 내지 99 ppm 의 카드뮴을 함유하는, 광학 필름.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 ZnO, ZnSe, ZnS, ZnTe, HgO, HgSe, HgS, HgTe, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, 페로브스카이트 (perovskite), 및 CuInxGa1-xSySe2-y 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 코어를 갖는, 광학 필름.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 InP 코어를 갖는, 광학 필름.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 팝퓰레이션에 대한 쉘은 독립적으로 III-V 족 원소들 및 그 옥사이드들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 광학 필름.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어-쉘 나노구조들의 제 1 팝퓰레이션은 CdSe/ZnSe/ZnS 이고 상기 코어-쉘 나노구조들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 InP/ZnSe/ZnS 인, 광학 필름.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 코어-쉘 나노구조의 방출 스펙트럼은 10 내지 50 nm 의 FWHM 을 갖는, 광학 필름.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스플레이 디바이스에 있을 때, 72 내지 98% 의 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능한, 광학 필름.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스플레이 디바이스에 있을 때, 90% 보다 큰 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능한, 광학 필름.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 520 nm 에서의 방출 최대, 약 20 내지 40 nm 의 FWHM, 및 약 90% 보다 큰 양자 수율을 가진 녹색 방출 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들의 제 1 팝퓰레이션을 포함하는, 광학 필름.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 630 nm 에서의 방출 최대, 약 20 내지 45 nm 의 FWHM, 및 약 75% 보다 큰 양자 수율을 가진 적색 방출 인듐-함유 코어-쉘 나노구조들의 제 2 팝퓰레이션을 포함하는, 광학 필름.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 필름을 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    약 80 내지 98% 의 Rec.2020 커버리지를 갖는, 디스플레이 디바이스.
  15. 제 13 항에 있어서,
    약 90% 내지 98% 의 Rec.2020 커버리지를 갖는, 디스플레이 디바이스.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    방사선을 방출하는 층;
    방사선 방출 층 상에 배치된 광학 필름 층;
    상기 필름 층 상의 광 투과성 배리어 층; 및
    상기 배리어 층 상에 배치된, 광학 엘리먼트를 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 방사선 방출 층, 상기 필름 층, 및 상기 광학 엘리먼트는 상기 디스플레이 디바이스의 픽셀 유닛의 일부인, 디스플레이 디바이스.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 광학 엘리먼트는 컬러 필터인, 디스플레이 디바이스.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배리어 층은 옥사이드를 포함하는, 디스플레이 디바이스.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 투과성 배리어 층은 광 플럭스, 열, 산소, 수분, 또는 그 조합에 의한 열화로부터 상기 나노구조들을 보호하도록 구성되는, 디스플레이 디바이스.
  21. 100 ppm 미만의 카드뮴을 갖고 약 40 nm 미만의 FWHM 을 갖는 매트릭스 재료에 카드뮴-함유 코어-쉘 양자점들의 적어도 하나의 팝퓰레이션을 포함하고, 그리고 적어도 85% 의 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능한 광학 필름을 포함하는 디스플레이 디바이스에서의 사용을 위한 광학 필름.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 필름은 상기 매트릭스 재료에 비-카드뮴 함유 코어-쉘 양자점들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션을 더 포함하는, 광학 필름.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    코어-쉘 양자점들의 적어도 제 2 팝퓰레이션은 InP 코어를 포함하는, 광학 필름.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 필름을 포함하는 상기 디스플레이 디바이스는 약 90% 보다 큰 Rec.2020 커버리지를 달성하는 것이 가능한, 광학 필름.
  25. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    코어-쉘 양자점들의 제 1 팝퓰레이션은 약 30 nm 미만의 FWHM 을 갖는, 광학 필름.
  26. 제 21 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    코어-쉘 양자점들의 제 2 팝퓰레이션은 약 45 nm 미만의 FWHM 을 갖는, 광학 필름.
  27. 제 22 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어-쉘 양자점들의 제 2 팝퓰레이션은 약 75% 보다 큰 양자 효율을 갖는, 광학 필름.
  28. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    코어-쉘 양자점들의 제 1 팝퓰레이션은 CdSe/ZnSe/ZnS 이고 상기 코어-쉘 양자점들의 적어도 하나의 제 2 팝퓰레이션은 InP/ZnSe/ZnS 인, 광학 필름.
  29. 20 내지 30 nm 의 FWHM 을 가진 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들 및 카드뮴을 함유하지 않는 포스퍼 (phosphor) 재료를 포함하는 디스플레이 디바이스에서 유용한 광학 필름으로서,
    상기 코어-쉘 나노구조들 및 포스퍼 재료는 공통 매트릭스 재료에 있고, 상기 필름은 10 내지 99 ppm 의 카드뮴을 함유하는, 광학 필름.
  30. 23 내지 30 nm 의 FWHM 을 갖고 10 내지 99 ppm 의 카드뮴을 함유하는 녹색 방출 카드뮴-함유 코어-쉘 나노구조들을 포함하는 디스플레이 디바이스에서 유용한 광학 필름.
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