KR20190040357A - 색-변환 광 가이드 플레이트들 및 이를 포함하는 소자들 - Google Patents

색-변환 광 가이드 플레이트들 및 이를 포함하는 소자들 Download PDF

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데이비드 프랜시스 도슨-엘리
스티븐 에스 로젠블럼
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

여기에 개시되는 것은 회절 및 색 변환 피쳐들을 포함하는 광 가이드 플레이트들이다. 이러한 광 가이드 플레이트에 광학적으로 커플링된 적어도 하나의 광원을 포함하는 광학 어셈블리들이 또한 개시된다. 이러한 어셈블리들 및 소자들을 포함하는 디스플레이, 조명, 및 전자 소자들이 여기에 더욱 개시된다.

Description

색-변환 광 가이드 플레이트들 및 이를 포함하는 소자들
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 2016년 9월 7일 출원된 미국 임시 출원 번호 제62/384,417호의 35 U.S.C. § 119 하의 우선권의 이익을 청구하며, 이 문헌의 내용이 그 전체로서 인용되며 참조문헌으로 여기 병합된다.
본 개시는 일반적으로 광 가이드 플레이트들과 이러한 광 가이드 플레이트들을 포함하는 디스플레이 또는 조명 소자들에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 색 변환 및 광 회절 피쳐들을 포함하는 광 가이드 플레이트들에 관한 것이다.
액정 디스플레이들(LCD들)은 휴대폰들, 랩탑들, 전자 태블릿들, 및 컴퓨터 모니터들과 같은 다양한 전자소자들 내에서 공통적으로 사용된다. 통상의 LCD들은 일반적으로 발광 다이오드(LED)와 형광체들 또는 양자점들(QD들)과 같은 색 변환 성분들을 포함한다. LED들은 또한 조명 기구들과 같은 조명 어플리케이션들 내에서 색 변환 성분들과 결합하여 사용될 수 있다. 광 가이드 어셈블리들은 요구되는 방향으로 빛을 분산시키기 위한 하나 이상의 광 추출 피쳐들을 포함하는 광 가이드 플레이트(light guide plate, LGP)에 광학적으로 커플링된 하나 이상의 "백색" LED들을 포함할 수 있다.
백색 LED는 예를 들어 청색 광을 발산하는 LED를, 이들이 통과함에 따라 상기 광 중 일부분을 녹색 및/또는 적색 광으로 변환시킬 수 있는 실리콘/형광체 슬러리로 코팅함에 의해 제조될 수 있다. 청색, 녹색, 및 적색 광의 조합은 사람의 눈에 의해 백색광으로서 인식된다. 그러나 실리콘은 LED 광학 플럭스 및 열에 대한 지속적인 노출 이후에 시간이 갈수록 어두워질 수 있다. 더욱이, 형광체들은 이들의 상대적으로 넓은 발산 스펙트럼에 기인하여 다른 색 변환 성분들(예를 들어, QD들)과 비교할 때 열등한 색상 재현율(color gamut)을 갖는 경향이 있다.
따라서 종래의 형광체 물질들을 대신하여 또는 추가적으로 QD들을 사용할 수 있는 광 가이드 어셈블리와 같은 조명 및 디스플레이 성분들을 제공하는 것이 유용할 것이다. 그러나 형광체들 및 QD들과 같은 색 변환 성분들은 광을 변환하는 데 있어서 100%로 양자 효율성이 있지 않으며, 광 에너지의 일부는 열로서 색 변환 성분에 의해 흡수될 수 있다. 색 변환 공정 자체는 더욱 짧은 파장들이 더욱 긴 파장들로 변환될 때 예를 들어 스토크스 쉬프트(Stokes shift)에 기인하여 또한 열을 생성할 수 있다. 일부 예시들에서, 흡수된 광의 20-40%까지가 열로 변환될 수 있다. 여분의 열이 색 변환 성분을 열화시킬 수 있으므로, 생성된 열을 방출하기 위하여 적절한 냉각 또는 히트 싱크 경로들을 구축하고 요구되는 구동 온도 내에서 색 변환 성분을 유지하는 것이 중요할 수 있다.
형광체 물질들은 중간 온도들(예를 들어 약 300℃까지)에서 구동하는 것이 가능할 수 있는 한편, QD들은 고도로 온도 민감성일 수 있고, 약 100℃보다 높은 온도들에서 열화를 겪을 수 있다. QD들의 온도 민감성에 기인하여, 전통적인 디스플레이 및 조명 어셈블리들은 일반적으로 QD들과 LED들 사이의 근접함 및/또는 직접 접촉을 방지하도록 구성된다. 그럼으로써, 색 변환 성분으로서 QD들을 포함하는 LGP 어셈블리들의 설계가 불가능하지는 않더라도 현재까지는 어려웠다.
따라서, 적합한 열 방출 경로를 갖는 색 변환 피쳐들을 포함하는 LGP를 제공하는 것이 유리할 것이다. 또한 향상된 색상 재현성을 갖는 색-변환 LGP를 제공하는 것이 유리할 것이다. 더욱이, 청색 광을 백색 광으로 변환하는 것과 요구되는 방향으로 상기 광을 분산시키는 것이 모두 가능한 피쳐들을 포함하는 LGP를 제공하는 것이 유리할 것이다.
여기에 설명된 태양들은 앞서 설명된 문제점들의 일부를 해결하고자 한다.
본 개시는 다양한 실시예들에서 광 입사 표면 및 반대되는 광 발산 표면을 갖는 투명 기판을 포함하는 광 가이드 플레이트들에 관한 것이며, 광 입사 표면은 적어도 하나의 광 회절 피쳐를 포함하고, 광 입사 표면 및 광 발산 표면 중 적어도 하나는 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 색 변환 피쳐는 색 변환 매질을 함유하는 캐비티를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐비티는 광 발산 및/또는 광 입사 표면 내의 리세스를 포함할 수 있고, 캐비티는 씰링층과 광 발산 표면 사이, 및/또는 씰링층과 광 입사 표면 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 씰링층은 투명하거나, 반사성이거나, 부분적으로 반사성이거나, 및/또는 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 특정한 실시예들에서, 투명 기판은 복수의 광 추출 피쳐들로 패터닝될 수 있고, 이는 예를 들어 주기적인 패턴과 같은 구배 패턴을 포함할 수 있다. 광 추출 피쳐들은 표면 또는 서브-표면 피쳐들로부터 선택될 수 있다. 비한정적인 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 광 회절 피쳐는 주기적 또는 처프(chirped) 회절 그레이팅들의 어레이를 포함할 수 있다. 회절 그레이팅들은 예를 들어 투명 기판의 광 입사 표면 상에 패터닝된 폴리머 또는 금속성 층, 또는 투명 기판의 광 입사 표면 상의 하나 이상의 레이저-손상되거나, 이온-교환되거나, 재결정화된 영역들을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 광원에 광학적으로 커플링된 LGP를 포함하는 광학 어셈블리들이 여기에 개시된다. 특정한 실시예들에서, 광원은 LGP의 광 입사 표면에 광학적으로 커플링될 수 있다. 예시의 광원들은 예를 들어 자외선, 근-자외선, 또는 청색 광을 발산하는 발광 다이오드들(LED들)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 광 회절 피쳐 및 광원은 서로 상에 정합적으로 가로놓이도록 배치될 수 있고, 및/또는 광 회절 피쳐는 적어도 하나의 광원으로부터의 광의 전파를 미리 결정된 색 변환 피쳐까지 지향하도록 구성될 수 있다. 이러한 광학 어셈블리들을 포함하는 디스플레이, 조명, 및 전자 소자들이 여기에 더욱 개시된다.
본 개시는 추가적으로 광학 어셈블리의 형성 방법들에 관련되고, 상기 방법들은 투명 기판의 광 입사 표면 상에 적어도 하나의 광 회절 피쳐를 형성하는 단계; 투명 기판의 광 입사 표면 또는 반대되는 광 발산 표면 중 적어도 하나 상에 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 형성하는 단계; 및 적어도 하나의 광 회절 피쳐에 적어도 하나의 광원을 광학적으로 커플링시키는 단계를 포함한다.
본 개시의 추가적인 특징들 및 이점들이 뒤따르는 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 해당 기술의 당업자들에게 즉각적으로 명백해지거나 첨부한 도면들뿐만 아니라 뒤따르는 상세한 설명, 청구항들을 포함하여 여기에서 설명되는 방법들을 실행함에 의해 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 뒤따르는 상세한 설명은 모두 본 개시의 실시예들을 설명하며, 이들이 설명되고 청구화되는 바와 같이 실시예들의 속성 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 윤곽을 제공하기 위하여 의도되는 것임이 이해되어야 할 것이다. 첨부하는 도면들은 더 나아간 이해를 제공하기 위하여 포함되며, 본 명세서의 일부분 내에서 병합되고 일부분을 구성한다. 도면들은 하나 또는 그 이상의 실시예(들)을 도시하며, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예들의 원리들 및 동작을 설명하도록 역할을 한다.
뒤따르는 상세한 설명은 아래의 도면들과 결합되어 읽힐 때 더욱 이해될 수 있을 것이며, 가능하다면, 유사한 참조 부호들이 유사한 부분들을 인용하도록 사용된다.
도 1a 내지 도 1d는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 LGP들을 포함하는 광학 어셈블리들을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른 광 추출 피쳐들을 포함하는 LGP들을 포함하는 광학 어셈블리들을 나타낸다.
본 개시의 다양한 실시예들이 광학 어셈블리들 및 광 가이드 플레이트들(LGP들)의 예시적인 실시예들을 도시하는 도 1 및 도 2를 참조로 이제 논의될 것이다. 이러한 LGP들 및 어셈블리들을 포함하는 디스플레이, 조명, 및 전자 소자들이 여기에 또한 개시된다. 아래의 일반적인 설명은 청구되는 소자들의 개요를 제공하기 위한 것으로 의도되며, 비한정적으로 도시되는 실시예들을 참조로 본 개시를 통틀어 다양한 태양들이 더욱 상세하게 논의될 것이며, 이러한 실시예들은 본 개시의 문맥 내에서 서로와 상호 교환 가능하다.
여기에 개시되는 것은 광 입사 표면 및 반대되는 광 발산 표면을 갖는 투명 기판을 포함하는 LGP들이며, 광 입사 표면은 적어도 하나의 광 회절 피쳐를 포함하고, 광 입사 표면 또는 광 발산 표면 중 적어도 하나는 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 포함한다. LGP에 광학적으로 커플링되는 적어도 하나의 광원을 포함하는 광학 어셈블리들뿐만 아니라 이러한 어셈블리들을 포함하는 디스플레이, 조명, 및 전자 소자들이 또한 여기에 개시된다.
도 1a는 본 개시의 실시예들에 따른 광 가이드 플레이트(LGP)(100)를 포함하는 광학 어셈블리(200)를 도시한다. LGP(100)는 광 입사 표면(110) 및 반대되는 광 발산 표면(120)을 갖는 투명 기판(101)을 포함한다. 광 입사 및 광 발산 표면은 또한 각각 반대되는 "제1" 및 "제2" 주표면들로 상호 교환 가능하게 지칭될 수 있다. 광 입사 표면(110)은 적어도 하나의 광 회절 피쳐(105)를 포함하고, 광 발산 표면(120) 및/또는 광 입사 표면(110)은 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 포함할 수 있다. 도 1a에 도시되는 바와 같이, 색 변환 피쳐는 광 발산 표면(120)에, 색 변환 매질(125)을 함유하는 적어도 하나의 캐비티(115)를 포함할 수 있다. 캐비티들(115)은 적어도 하나의 씰링층(130)에 의해 씰링될 수 있고, 이는 불연속적일 수 있거나(도 1a에 도시된 것과 같이) 또는 연속적일 수 있다(도 1b에 도시된 것과 같이). 선택적으로, 금속 막 또는 반사성 페인트로 코팅된 기판과 같은 반사기(135)가 전방(광 발산) 방향으로 임의의 후방 산란된 광선들을 반사시키도록 광 입사 표면(110)에 근접하게 제공될 수 있다. 추가적인 반사기들(도시되지 않음)은 또한 LGP의 에지 표면들(140)을 따라 제공될 수 있다.
여기에 도시되는 광학 어셈블리(200)는 광원(100)의 광 입사 표면(110)에 광학적으로 커플링된 적어도 하나의 광원(150)을 포함할 수 있다. 여기에서 사용되는 것과 같이, 용어 "광학적으로 커플링된"은 LGP 내부로 광을 도입하거나 주입하기 위하여 LGP에 대하여 광원이 위치하는 것을 가리키도록 의도된다. 광원은, LGP와 직접적인 물리적 접촉에 있지 않더라도 LGP에 광학적으로 커플링될 수 있다. 광원은 예를 들어 LGP에 근접하게, 그러나 물리적으로 접촉하지는 않도록 배치될 수 있다.
도 1a가 균일하게 이격되고, 각각이 동일한 사이즈와 형상을 갖는 된 광 회절 피쳐들(105) 및 캐비티들(115)을 도시하는 한편, 임의의 구성이 사용될 수 있으며 본 개시의 범위 내에 속하도록 의도됨이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 광 회절 피쳐들(105) 및/또는 캐비티들(115)은 거리들을 달리함에 의해 이격될 수 있고, 및/또는 광 회절 피쳐들(105) 및/또는 캐비티들(115)의 사이즈 및/또는 형상은 요구되는 광 출력을 생성하기 위하여 적절한 바대로 달라질 수 있다.
더욱이, 도 1a가 투명 기판 내의 리세스들 또는 웰들로서 캐비티들(115)을 도시하는 한편, 캐비티들(115)은 또한 예를 들어 도 1b에 도시되는 바와 같이 광 발산 표면(120) 및 씰링층(130) 사이에 형성될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 씰링층(130)은 하나 이상의 리세스들을 갖는 기판을 포함할 수 있고, 캐비티들(115)은 광 발산 표면(120)과 씰링층(130)을 본딩할 때 형성될 수 있다. 대안적으로, 색 변환 매질(125)은 광 발산 표면(120) 상에 퇴적되거나 패터닝될 수 있고, 씰링층은 색 변환 매질(125) 상에 이를 캡슐화하고 광 발산 표면(120) 상에 캐비티들(115)을 형성하도록 코팅될 수 있다. 예를 들어, 씰링층은 스퍼터링, 기상 퇴적, 및 다른 유사한 공정들에 의해 색 변환 매질 상부에 퇴적될 수 있다.
더욱이, 도 1a 및 도 1b는 광 발산 표면(120) 상에만 존재하는 캐비티들(115)을 도시하는 한편, 캐비티들(115)은 도 1c에 도시된 것과 같이 광 입사 표면(110) 상에, 또는 도 1d에 도시된 것과 같이 광 입사 표면(110) 및 광 발산 표면(120) 모두 상에 또한 존재할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 광 입사 표면(110) 상에 하나 이상의 색 변환 피쳐들을 위치시키는 것은 광 추출 피쳐들의 사용 없이 전방으로 광을 산란시키는 추가적인 이점을 제공할 수 있다. 색 변환 피쳐들은 따라서 청색 광을 더욱 긴 파장들로 변환시키며, 변환된 광이 광 발산 표면으로부터 전송되도록 변환된 광을 전방으로 산란시키는 이중의 목적을 제공할 수 있다. 광 입사 표면(110) 상에 캐비티들(115)을 포함하는 실시예들에서, 요구되는 광 출력을 생성하기 위하여 적절한 바대로 캐비티들은 하나 이상의 광 회절 피쳐들(105) 사이에서 이격될 수 있다. 추가적으로, 광 입사 표면(110) 상에 존재하는 임의의 캐비티들(115)은 광 발산 표면(120)을 참조로 하여 위에서 개시된 임의의 방법을 사용하여 씰링될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, LGP(100)는 하나 이상의 광 추출 피쳐들(160, 160')로 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, LGP(100)는 LGP(100)의 광 발산 표면(120)을 가로질러 실질적으로 균일한 광 출력 강도를 생성하기 위하여 적합한 밀도로, 광 발산 표면(120) 상에 패터닝되는 복수의 표면 광 추출 피쳐들(160)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, LGP는 도 2b에 도시된 것과 같이 서브-표면 광 추출 피쳐들(160')로 패터닝될 수 있다.
광 추출 피쳐들은 LGP 표면에서의 피쳐들의 깊이에 따라 광의 표면 산란 및/또는 부피 산란을 생성할 수 있다. 광 추출 피쳐들의 사이즈들은 또한 LGP의 광 산란 특성들에 영향을 줄 수 있다. 이론에 구속되지 않음을 희망하며, 작은 피쳐들은 광을 후방으로뿐만 아니라 전방으로 산란시킬 수 있는 한편, 더욱 큰 피쳐들은 전방으로 우세하게 광을 산란시키는 경향이 있다고 믿어진다. 따라서, 예를 들어 다양한 실시예들에 따르면, 광 추출 피쳐들은 70 nm와 같이 약 100 nm보다 더 작거나, 또는 약 50 nm보다 더 작은 상관 길이(correlation length)를 가질 수 있다. 더욱이, 더욱 큰 추출 피쳐들은 일부 실시예들에서는 전방 광 산란을 작은 확산 각도(angular spread)로 제공할 수 있다. 따라서 다양한 실시예들에서, 광 추출 피쳐들은 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 150 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 250 nm 내지 약 350 nm와 같은, 이들 사이의 모든 범위들 및 하부 범위들을 포함하여, 약 20 nm 내지 약 500 nm의 상관 길이 범위를 가질 수 있다. 광 추출 피쳐들의 광학 특성들은 예를 들어 추출 피쳐들을 생성할 때 사용되는 공정 조건들에 의해 조절될 수 있다.
LGP는 업계에서 알려진 임의의 방법에 따라, 예를 들어 공동 계류중이고 공동 양수되며 이들 각각의 전문이 참조문헌으로 여기에 병합되는 국제 특허 출원 번호 제PCT/US2013/063622호 및 제PCT/US2014/070771호에 개시된 방법들에 따라, 광 추출 피쳐들을 생성하도록 처리될 수 있다. 예시적인 광 추출 피쳐들은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), SiO2, 또는 TiO2 입자들과 같은 산란 입자들을 포함할 수 있고, 이들은 LGP(100)의 광 발산 표면(120) 상에 프린트되거나, 페인트되거나 그렇지 않으면 코팅될 수 있다. 대안적으로, 광 산란 피쳐들이 LGP(100)의 광 발산 표면(120)을 식각하거나 레이저 손상시킴에 의해 제공될 수 있다. 서브-표면 광 추출 피쳐들은 또한 레이저 손상에 의해, 예를 들어 광 발산 표면(120) 바로 아래에 레이저를 포커싱함에 의해, 또한 생성될 수 있다. 더욱이, 특정한 실시예들에서 광 산란 입자들은 LGP의 매트릭스 내로 병합될 수 있다. 표면 및 서브-표면 광 추출 피쳐들(160, 160')은 예를 들어, 도 2a 및 도 2b 내에 도시된 것과 같이 광 발산 표면(120) 상에 또는 아래에 패터닝될 수 있으나, 이러한 피쳐들을 LGP 매트릭스 상에 또는 내부의 어디에든 패터닝하는 것이 또한 가능하다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "패터닝"은 광 추출 피쳐들이 임의의 주어진 패턴 또는 디자인으로 존재한다는 점을 가리키도록 의도되며, 이는 예를 들어 랜덤하거나 또는 배열될 수 있고, 반복적 또는 비-반복적일 수 있으며, 균일하거나 또는 불균일할 수 있다. LGP의 표면 상에 또는 가까이의 광 추출 피쳐들은 예를 들어 단위 길이당 추출 효율이
Figure pct00001
이도록, 그 길이를 따라 달라질 수 있고, 여기에서
Figure pct00002
, L은 광 가이드의 길이이고, x는 LGP를 따른 위치이다. 단위 길이당 추출 효율은 LGP를 가로지르는 광 추출 피쳐 밀도를 엔지니어링하도록 사용될 수 있고, 단위 길이 당 추출의 기능적 형태는 LGP를 통한 광의 다중 통과들을 수용하도록 개조될 수 있다. LGP를 따라 임의의 주어진 위치에서의 광 추출 피쳐들의 밀도는, 실질적으로 공간적으로, 스펙트럼적으로, 및/또는 각도적으로(angularly) 균일한 광 발산을 생성하기 위하여 조절될 수 있고, 여기에서 발산 휘도(emission brightness)는 광 발산 표면을 가로질러 실질적으로 상수일 수 있다. 일부 실시예들에서, LGP를 가로질러 더욱 균일한 광 분포를 생성하기 위하여, 광 추출 피쳐 밀도는 주입 지점으로부터의 거리에 반비례하여, 예를 들어 광원으로부터 더욱 멀어지는 위치들에서 더욱 높은 밀도로, 달라질 수 있다.
비한정적인 실시예들에 따르면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 광 추출 피쳐들(160, 160')은 구배(gradient)를 형성하도록 패터닝될 수 있다. 예를 들어, LGP를 가로질러 요구되는 광 출력 분포를 생성하기 위하여 적절한 바대로, 광원(150)에 근접한 광 추출 피쳐들(160, 160')은 광원(150)으로부터 더욱 떨어진 지점, 예를 들어 두 개의 광원들 사이의 중앙 지점에서의 밀도보다 더 낮을 수 있다. 도 2a 및 도 2b에서, 구배(G)는 더 낮은 밀도의 지역으로부터 더 높은 밀도의 지역까지 가리키는 화살표들에 의해 지시된다. 광원들의 어레이의 경우에, 구배 패턴은 광원에 대응되는 더 낮은 피쳐 밀도의 영역들 및 두 개의 광원들 사이에 떨어지는 더 높은 추출 피쳐 밀도의 영역들을 구비하는 주기적 패턴을 포함할 수 있다. 그러나, 요구되는 광 출력에 따라 다른 구배 패턴들 또한 가능하다는 점이 이해되어야 하며, 본 개시의 범위 내에 속함이 의도된다. 더욱이, 도 2a는 오직 표면 광 추출 피쳐(160)만을 포함하는 LGP를 도시하는 한편 도 2b는 오직 서브-표면 광 추출 피쳐(160')만을 포함하는 LGP를 도시하고, 이러한 피쳐들의 임의의 조합이 사용될 수 있고 본 개시의 범위 내에 속함이 이해되어야 할 것이다.
도 1a 내지 1d를 다시 참조하면, 적어도 하나의 광원(150)으로부터 발산된 광(LE)은 요구되는 방향으로 광을 다시 지향할 수 있는 광 추출 피쳐(105)를 통해 지향될 수 있다. 회절된 광(LD)은 이후 색 변환 매질(125)을 포함하는 영역과 부딪칠 때까지 LGP(100)를 통해 이동할 수 있고, 이 지점에서 변환된 광(LC)을 생성하기 위하여 다른 파장으로 변환될 수 있다. 변환된 광(LC)는 이후 투과된 광(LT)과 같이 광 발산 표면(120)을 통해 투과될 때까지 LGP(100)를 통해 전파할 수 있다. 예를 들어, 광은 광 추출 피쳐(도시되지 않음)과 부딪칠 수 있고, 이는 아래에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 요구되는 각도에서 전방으로 광을 산란시킬 수 있다.
특정한 실시예들에서 광 추출 피쳐들(105)은 요구되는 경로를 따라 발산된 광(LE)을 재지향하도록 구성될 수 있는 주기적, 또는 처프 회절 그레이팅들을 포함할 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이 광 "회절"은 요구되는 방향으로 광선들의 재지향 또는 가이드를 가리키도록 의도되며, 이는 예를 들어 간섭(interference)에 의해 광 파장들을 널리 퍼뜨림(spread out)에 의해 달성될 수 있다. 반대로, 광 "산란(scattering)"은 예를 들어 다른 굴절율들을 갖는 물질들 사이의 계면과의 상호작용을 통해 몇몇의 다른 방향들로 광선들을 분산시킨다. 회절 피쳐들(105)은 피쳐들 상으로 입사하는 광의 방향을 변화시키도록 간섭 효과들을 레버리지하는 구조물들을 포함할 수 있다. 광 회절은 미리 결정된 방향으로 또는 미리 결정된 경로를 따라 회절 피쳐들 상에 입사한 광의 모두 또는 실질적으로 모두를 재지향하기 위하여 사용될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 광 회절 피쳐들은 광원들에 광학적으로 커플링될 수 있고, 예를 들어 광 회절 피쳐들은 광원 위에 적어도 부분적으로 또는 완전히 정합적으로 가로놓이도록 위치할 수 있다.
광 추출 피쳐들(105)은 예를 들어 광 입사 표면(110) 상에 또는 내에 제공되는 복수의 슬릿들을 포함하는 회절 그레이팅들을 포함할 수 있다. 그레이팅들은 예를 들어 광 입사 표면(110) 상에 폴리머 또는 금속성 물질을 패터닝함에 의해 생성될 수 있다. 광 회절 피쳐들(105)은 업계에서 알려진 임의의 적합한 퇴적 기술에 의해 투명 기판(101)의 광 입사 표면(110) 상에 형성될 수 있다. 폴리머 또는 금속성 물질들은 예를 들어 마이크로복제, 3D 프린팅 또는 홀로그래픽 프린팅과 같은 프린팅 방법들에 의해 표면 상에 퇴적될 수 있다. 폴리머 또는 금속성 물질들은 슬릿들의 어레이와 같은 패턴으로 퇴적될 수 있거나, 다른 실시예들에서 폴리머 또는 금속성의 일부분들은 패턴을 생성하기 위하여 퇴적 이후에 제거될 수 있다. 제거 기술들은 리소그래피, 마스킹, 식각, UV 큐어링, 및 다른 유사 공정들을 포함할 수 있다. 적합한 폴리머 물질들은 예를 들어 UV 경화성 아크릴레이트들, 열 경화성 에폭시 레진들, 및 다른 유사 물질들을 포함할 수 있다. 예시의 금속성 물질들은 Al, Au, Ag, Pt, Pd, Cu, 다른 유사한 금속들, 및 이들의 합금들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
그레이팅들은 또한 하나 이상의 슬릿들을 생성하기 위하여 투명 기판 자체를 개질함에 의해, 예를 들어 광 입사 표면(110)을 레이저 손상시킴에 의해 생성될 수 있다. 레이저 처리는 예를 들어 광 입사 표면 내에 주기적 회절 그레이팅들의 어레이와 같은 회절 피쳐들을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 유리 기판들의 경우에, 그레이팅들은 또한 광 입사 표면(110)의 하나 이상의 영역들을 이온 교환함에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 유리 기판은 그 상부에 입사되는 광을 회절시키는 것이 가능한 영역들을 형성하기 위하여 국부화된 이온 교환 공정들에 의해 처리될 수 있다. 예시적인 이온 교환 공정들은 선택적인 마스킹제(masking agent)의 사용과 함께, 용융 염 배스 침지법(molten salt bath immersion) 뿐만 아니라, 열적 및 전기적 포올링(poling) 기술들을 포함할 수 있다. 회절 피쳐들은 또한 그 상부에 입사되는 광의 회절이 가능한 광 입사 표면 상의 영역들을 형성하기 위하여, 유리 기판의 국부화된 실투(devitrification), 및 뒤따르는 재결정화에 의해 기판의 광 입사 면 내에 제공될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 회절 그레이팅들은 회절될 광의 파장의 크기 오더 이내의 슬릿 폭 및/또는 그레이팅 주기를 갖는 슬릿들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 슬릿 폭 및/또는 그레이팅 주기는 예를 들어 약 100 nm 내지 약 1000 nm이며, 이들 사이의 모든 범위들 및 하부 범위들을 포함하여 약 1000 nm 미만, 약 700 nm 미만, 약 500 nm 미만, 약 400 nm 미만, 또는 약 300 nm 미만일 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 회절 그레이팅의 전체 폭은 광 입사 표면의 주어진 영역 상에 광이 투사되는 영역을 수용하기 위하여 선택될 수 있고, 약 2 mm 내지 약 9 mm, 약 3 mm 내지 약 8 mm, 약 4 mm 내지 약 7 mm, 또는 약 5 mm 내지 약 6 mm와 같이, 이들 사이의 모든 범위들 및 하부 범위들을 포함하여, 예를 들어 약 1 mm 내지 약 10 mm의 범위일 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "슬릿 폭"은 회절 그레이팅 내의 개별적인 슬릿의 폭을 가리키도록 의도된다. 용어 "그레이팅 주기"는 회절 그레이팅 내의 개별적인 슬릿들 사이의 거리를 가리키도록 의도된다. 그레이팅 주기는 예를 들어 수식 mλ= d*sinΘ (여기에서, Θ는 회절의 각도이고, λ는 광 파장이고, d는 그레이팅 주기이고, m은 간섭 차수를 나타내는 정수이다)을 사용하여 주어진 파장의 광이 회절되는 각도를 결정할 수 있다. 용어 "전체 폭"은 개별적인 회절 그레이팅을 구성하는 슬릿들의 집합의 전체 치수를 가리키도록 의도된다. 그레이팅 주기의 전체 폭은 예를 들어 그레이팅에 광학적으로 커플링되는 광원, 예를 들어 LED의 폭에 대응될 수 있다.
일부 실시예들에서, 발산된 광은 광 회절 피쳐에 의해 요구되는 색 변환 피쳐까지 재지향될 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 것과 같이, 발산된 광(LE)은 광 회절 피쳐(105)에 의해 색 변환 매질(125)을 함유하는 요구되는 캐비티(115)까지 재지향될 수 있다. 예를 들어 발산된 광(LE)이 색 변환 매질(125)을 통과하기 전에 미리 결정된 거리를 이동하도록 경로가 선택될 수 있다. 도 1c를 참조하면, 비한정적인 실시예들에서, 색 변환 피쳐에 대응되지 않는 영역 내에서 미리 결정된 각도로 광 발산 표면(120)과 부딪치도록(strike) 발사된 광(LE)을 재지향하는 것이 또한 가능할 수 있다. 회절된 광(LD)이 전반사(TIR)에 기인하여 광 발산 표면(120)으로부터(off) 반사되고 광 입사 표면(110) 상의 색 변환 매질(125)을 함유하는 캐비티(115)와 부딪치도록, 미리 결정된 각도는 임계 각도보다 더 작게 선택될 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 광 회절 피쳐(105)는 미리 결정된 캐비티(115)와 부딪칠 때까지 전반사에 기인하여 특정한 거리만큼 LGP를 따라 전파하도록 광을 재지향시킬 수 있다.
전반사(TIR)는 제1 굴절률을 포함하는 제1 물질(예를 들어, 유리, 플라스틱 등) 내에서 전파하는 광이 제1 굴절률보다 더 낮은 제2 굴절률을 포함하는 제2 물질(예를 들어, 공기 등)과의 계면에서 완전히 반사될 수 있는 현상이다. TIR은 스넬 법칙(Snell's law)을 사용하여 설명될 수 있다.
n1 sin(θi) = n2 sin(θr)
이는 굴절률들을 달리하는 두 물질들 사이의 계면에서 광의 굴절을 설명한다. 스넬 법칙에 따르면, n1은 제1 물질의 굴절률이고, n2는 제2 물질의 굴절률이며, θi는 계면에 대한 법선에 대한 계면에서 입사하는 광의 각도이고(입사각), θr은 상기 법선에 대한 굴절된 광의 굴절각이다. 굴절각(θi)이 90˚이고 예를 들어 n2 sin(θr)=1일 때, 스넬 법칙은 다음으로 표현될 수 있다:
Figure pct00003
이러한 조건들 하에서 입사각(θi)은 또한 임계각(θC)으로서 지칭될 수 있다. 임계각보다 더 큰 입사각을 갖는 광(θi > θC)은 제1 물질 내에서 전반사될 것인 반면, 임계각과 동일하거나 더 작은 입사각을 갖는 광(θi ≤ θC)은 제1 물질에 의해 투과될 것이다.
공기(n1=1)와 유리(n2=1.5) 사이의 예시적인 계면의 경우에, 임계각(θC)은 41˚로 계산될 수 있다. 따라서 만약 유리 내에서 전파하는 광이 41˚보다 더 큰 입사각으로 공기-유리 계면과 부딪친다면, 입사광 전체가 입사각과 동일한 각도로 계면으로부터 반사될 것이다. 만약 반사되는 광이 제1 계면과 동일한 굴절률 관계를 포함하는 제2 계면과 마주친다면, 제2 계면 상으로 입사하는 광은 입사각과 동일한 반사각으로 다시 반사될 것이다. 따라서, 만약 예를 들어 유리가 두 개의 반대되는 공기-유리 계면들을 정의하는 두 개의 반대되는 평행 표면들을 포함하는 유리 플레이트라면, 유리 플레이트 내로 주입되는 광은, 계면 조건들에 변화가 없는 한 또는 변화가 있을 때까지 제1 및 제2 평행 계면들 사이에서 교대로 반사하며 유리 플레이트를 통해 전파할 수 있다.
광 회절 및/또는 TIR을 사용하여, 적어도 하나의 광원에 의해 발산되는 광이 색 변환 매질과의 접촉에 도달하기 전에 미리 결정된 거리를 이동하도록 광학 어셈블리는 엔지니어링될 수 있다. 미리 결정된 경로 및/또는 이동된 거리는, 따라서 색 변환 매질이 감소된 광 플럭스 밀도에 노출되도록 요구되는 바와 같이 달라질 수 있다. 이론에 의해 구속되기를 바라지 않으며, 광선이 더욱 긴 거리를 이동하고 공간적으로 펼쳐짐에 따라 광선의 광학 플럭스 밀도는 감소될 수 있는 것으로 믿어진다. 일부 실시예들에서, LGP 내의 광학 플럭스는 1 내지 2 오더의 크기만큼 감소될 수 있다. 다시 말하면, 색 변환 매질 상에 영향을 주는 회절된 광은 광원으로부터 본래 발산되는 광의 강도의 1%만큼 낮은 강도를 가질 수 있다. 색 변환 매질이 노출될 수 있는 광 플럭스 밀도가 감소될 수 있기 때문에, 전체 어셈블리는 종래의 구성들과 비교할 때 더 높은 광 강도에서 구동될 수 있다. 더욱이, 광학 어셈블리의 수명은 위의 이점들 중 하나 이상에 기인하여 종래의 소자들에 비교할 때 연장될 수 있다.
특정한 실시예들에서, 전통적인 형광체-코팅된 "백색" LED는 QD들로 패터닝된 LGP에 커플링된 청색 LED에 의해 교체될 수 있다. QD들이 형광체들보다 더 좁은 발산 스펙트럼을 가지므로, 결과적인 어셈블리는 향상된 연색성을 가질 수 있다. 물론 다른 실시예들에서 LGP는 형광체들, 발광단들, 및 유사체들과 같은 QD들 이외의 색 변환 성분들로 패터닝될 수 있다. 추가적인 비한정적인 실시예들에서, 패터닝된 색 변환 매질은 예를 들어 코팅, 페인팅, 레이저 손상, 및 다른 유사 공정들에 의해 LGP 표면 상에 전통적으로 제공되는 광 추출 피쳐들을 완전히 또는 부분적으로 대체할 수 있다. 물론 여기에서 개시된 색-변환 LGP는 또한 예를 들어 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 추가적인 광 추출 피쳐들과 함께 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 색 변환 매질(125)은 적어도 하나의 색 변환 성분을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서 색 변환 성분은 실리콘(silicone) 또는 다른 적합한 물질과 같은 유리 또는 무기 매트릭스 내에 부유할(suspended) 수 있다. 특정한 실시예들에서, 색 변환 성분은 열 전도성 매트릭스 내에 부유할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 색 변환 매질은 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛과 같이, 이들 사이의 모든 범위들 및 하부 범위들을 포함하여 예를 들어 약 5 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 범위의 두께를 갖는 층으로서 퇴적될 수 있다.
색 변환 피쳐들은 업계에서 알려진 임의의 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 색 변환 매질은 프린팅, 예를 들어 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 마이크로프린팅, 및 유사 방법, 스핀 코팅, 슬롯 코팅, 딥 코팅, 및 유사 방법과 같은 코팅, 드롭-캐스팅, 피펫팅, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적합한 퇴적 방법을 사용하여 표면 상에 또는 리세스 내에 퇴적될 수 있다. 특정한 실시예들에서, 하나 이상의 용매들 내에 부유하는 색 변환 매질의 드롭렛들(droplets)은 임의의 요구되는 패턴으로 퇴적될 수 있다. 용매는 선택적으로 주위의 또는 상승된 온도들에서 건조됨에 의해 제거될 수 있다.
적어도 하나의 색 변환 성분은 예를 들어, 형광체들, 양자점들, 및/또는 발광단들, 예를 들어 형광단들(fluorophores) 및 발광 폴리머들, 및 동류물로부터 선택될 수 있다. 예시적인 형광체들은, 이에 한정되지는 않으나, 이트륨 및 아연 황화물-계 형광체들, 예를 들어 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet, YAG)과 같은 적색 및 녹색 발광 형광체들, Eu2 + 도핑된 적색 질화물, 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
QD들은 발산되는 광의 요구되는 파장에 의존하는 달라지는 형상들 및/또는 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 발산된 광의 주파수는 양자점의 크기가 감소함에 따라 증가될 수 있고, 예를 들어 양자점의 크기가 감소함에 따라 발산된 광의 색상이 적색으로부터 청색으로 쉬프트할 수 있다. 청색, 자외선, 또는 근자외선으로 조사될 때, 양자점은 광을 더욱 긴 적색, 황색, 녹색, 또는 청색 파장들로 변환시킬 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 색 변환 성분은 청색, 자외선, 또는 근자외선으로 조사될 때, 양자점은 적색 및 녹색 파장들에서 발산하는 QD들로부터 선택될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 적어도 하나의 캐비티(115)가 동일하거나 다른 유형들의 색 변환 성분, 예를 들어 동일하거나 다른 파장들의 광을 발산하는 성분들을 포함하는 것이 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 캐비티 내에서 적-녹-청(RGB) 스펙트럼을 생성하도록 캐비티는 녹색 및 적색 파장들 모두를 발산하는 색 변환 성분들을 포함할 수 있다. 그러나 다른 실시예들에 따르면, 오직 녹색 양자점들만 포함하는 캐비티 또는 오직 청색 형광체들만 포함하는 캐비티와 같이, 개별적인 캐비티가 동일한 파장을 발산하는 색 변환 성분들만을 포함하는 것이 가능하다. 추가적인 실시예들에서, 단일 캐비티는 세분화될 수 있고, 교대하는 서브-캐비티들이 녹색의 색 변환 성분들로 채워지고, 보완적 서브-캐비티들이 적색 색 변환 성분들로 채워질 수 있다.
요구되는 디스플레이 또는 조명 효과를 달성하기 위하여 캐비티 또는 캐비티들의 구성 및 각각의 캐비티 내에 놓여질 색 변환 매질의 종류 및 양들을 선택하는 것은 당업자의 능력 범위 내일 수 있다. 더욱이, 적색 및 녹색 발산 성분들이 위에서 논의되었지만, 이에 한정되지 않으나 적색, 주황색, 황색, 녹색, 청색 또는 가시광 스펙트럼(예를 들어 ~420 내지 750 nm) 내의 임의의 다른 색을 포함하는 임의의 파장의 광을 발산할 수 있는 임의의 유형의 색 변환 성분이 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 고상 조명 어플리케이션들에서, 다양한 크기들을 갖는 양자점들이 흑체의 출력을 모방하기 위하여 조합될 수 있고, 이는 우수한 연색성(color rendering)을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2를 계속 참조하면, 기판(101) 및/또는 씰링층(130)은 예를 들어 유리 또는 플라스틱과 같은 투명 또는 실질적으로 투명한 물질을 포함할 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "투명한"은 렌즈, 기판, 또는 물질이 가시 스펙트럼 영역(~420-750 nm) 내에서 약 80%보다 더 큰 광 투과성을 갖는 것을 가리키도록 의도된다. 예를 들어, 예시적인 투명 기판 또는 렌즈는 가시광 영역에서 약 90%보다 더 크거나 약 95%보다 더 큰 것과 같이, 이들 사이의 모든 범위들 및 하부범위들을 포함하여 약 85%보다 더 큰 광 투과성을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, LGP(100), 투명 기판(101), 및/또는 씰링층(130)은 약 0.005 내지 약 0.015 범위와 같은(예를 들어, 약 0.005, 0.006, 0.007, 0.008, 0.009, 0.010, 0.011, 0.012, 0.013, 0.014, 또는 0.015) 0.015보다 작은 컬러 쉬프트(color shift)(Δy)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 투명 기판은 0.008보다 더 작은 컬러 쉬프트를 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에 따르면, LGP(100), 투명 기판(101), 및/또는 씰링층(130)은 약 420 내지 750 nm 범위의 파장들에 대하여 약 3 dB/m 미만, 약 2 dB/m 미만, 약 1 dB/m 미만, 약 0.5 dB/m 미만, 약 0.2 dB/m 미만, 또는 그 미만과 같이, 예를 들어 약 0.5 dB/m 내지 약 4 dB/m 범위인, 약 4 dB/m 미만의 광 감쇠(light attenuation)(α1)를 가질 수 있다.
컬러 쉬프트는 색 측정을 위한 CIE 1931 표준을 사용하여 길이(L)을 따라 x 및 y 색도 좌표(chromaticity coordinates) 내의 변화를 측정함에 의해 특징지어질 수 있다. 유리 광 가이드 플레이트들에 대하여, 컬러 쉬프트(Δy)는 Δy=y(L2)-y(L1)로 보고될 수 있고, 여기에서 L2 및 L1는 소스의 발사로부터 멀어지는 패널 또는 기판 방향을 따른 Z 위치들이고, L2-L1=0.5 미터이다. 예시적인 광 가이드 플레이트들은 y < 0.01, Δ< 0.005, Δ< 또는 Δ< 0.001 을 가질 수 있다.
적합한 투명 물질들은 예를 들어 디스플레이 및 다른 전자 소자들에서 사용을 위하여 알려진 임의의 유리를 포함할 수 있다. 예시적인 유리들은 알루미노실리케이트, 알칼리-알루미노실리케이트, 보로실리케이트, 알칼리-보로실리케이트, 알루미노보로실리케이트, 알칼리-알루미노보로실리케이트, 및 다른 적합한 유리들을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다양한 실시예들에서 이러한 기판들은 화학적으로 강화되고, 및/또는 열적으로 단련될 수 있다. 적합한 상업적 입수 가능한 기판들의 비한정적인 예시들은, 몇몇을 거명하자면 Corning Incorporated로부터의 EAGLE XG®, LotusTM, IrisTM, Willow® 및 Gorilla® 유리들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 플라스틱(예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 메틸메타크릴레이트 스타이렌(MS), 또는 폴리디메틸실록산(PDMS))과 같은 폴리머 물질들이 적합한 투명 물질들로서 사용될 수 있다.
일부 비한정적인 실시예들에 따르면 이온 교환에 의해 화학적 강화된 유리들은 투명 기판들(101)로서 적합할 수 있다. 이온 교환 공정 동안에, 유리 시트의 표면에서 또는 근처에서 유리 시트 내의 이온들은 예를 들어 염 배스로부터의 더욱 큰 금속 이온들로 교환될 수 있다. 더욱 큰 이온들의 유리 내부로의 병합은 표면 근처 영역 내에 압축 스트레스를 생성함에 의해 시트를 강화시킬 수 있다. 압축 스트레스와 균형을 이루도록 대응되는 인장 스트레스가 유리 시트의 중앙 영역 내에 유도될 수 있다.
예를 들어 이온 교환은 미리 결정된 기간의 시간동안 용융 염 배스 내에 유리를 침지시킴에 의해 실행될 수 있다. 예시적인 염 배스들은 KNO3, LiNO3, NaNO3, RbNO3 및 이들의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 용융 염 배스의 온도 및 처리 시간 주기는 달라질 수 있다. 요구되는 어플리케이션에 따라 시간과 온도를 결정하는 것은 당업자의 능력 이내의 범위이다. 비한정적인 예시의 방법으로서, 용융 염 배스의 온도는 약 400℃ 내지 약 500℃와 같이, 약 400℃ 내지 약 800℃의 범위일 수 있고, 미리 결정된 시간 주기는 약 4 내지 약 10 시간과 같이, 약 4 내지 약 24 시간의 범위일 수 있으나, 다른 온도와 시간의 조합들 또한 구상될 수 있다. 비한정적인 예시의 방법으로서, 표면 압축 스트레스를 부여하는 K-리치 층을 얻도록 유리는 KNO3 배스 내에서, 예를 들어 약 6 시간동안 약 450℃에서 침지될 수 있다.
특정한 실시예들에서, 투명 기판(101)은 다음의 조성을 갖는 유리를 포함할 수 있다:
55-75 wt% SiO2;
5-25 wt% Al2O3;
1-15 wt% MgO;
0-1% wt% SnO2;
0-5 wt% Na2O;
0-5 wt% SrO; 및
0-10 wt% B2O3.
추가적인 실시예들에 따르면, 유리는 200 ppm 미만의 Fe2O3를 포함할 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 유리는 2 ppm 미만의 Cr2O3를 포함할 수 있다. 더욱 추가적인 실시예들에서, 유리는 2 ppm 미만의 NiO를 포함할 수 있다. 더욱 추가적인 실시예들에 따르면, 유리는 각각 1 ppm 미만의 NiO 및 Cr2O3, 및/또는 약 50 ppm 미만, 약 20 ppm 미만, 또는 약 10 ppm 미만의 Fe2O3와 같이, 약 100 ppm 미만의 Fe2O3을 포함할 수 있다. 추가적인 비한정적인 예시의 유리 조성들은 아래의 표 1에 나열되고, 이들의 함량은 중량 퍼센트로 표현된다.
표 1: 예시적인 유리 조성들
조성 A 조성 B 조성 C
SiO2 58.68 66.41 74.97
Al2O3 21.42 12.08 8.61
MgO 14.5 1.38 4.36
SnO2 0.18 0.19 0.24
Na2O 12.89 7.84 11.86
B2O3 5.38 8.27
SrO 3.34
Fe2O3 <0.001 <0.015
Cr2O3 <0.0002
NiO <0.0002
투명 기판(101)은 요구되는 광 분포를 생성하기에 적합한 대로 임의의 요구되는 사이즈 및/또는 형상을 가질 수 있다. 특정한 실시예들에서, 기판(110)의 반대되는 주 표면들, 예를 들어 광 발산 및 광 입사 표면들(110, 120)은 평평하거나 실질적으로 평평하거나, 및/또는 평행하거나 또는 실질적으로 평행할 수 있다. 투명 기판(101)은 네 개의 에지들, 예를 들어 정사각형 또는 직사각형 시트를 포함할 수 있거나, 또는 복수-측면의 다각형과 같은 네 개 이상의 에지들, 또는 삼각형과 같은 네 개 미만의 에지들을 포함할 수 있다. 비한정적인 예시의 방법으로서, 광 가이드는 네 개의 에지들을 갖는 직사각형, 정사각형 또는 마름모꼴 시트를 포함할 수 있으나, 하나 이상의 곡선 부분들 또는 에지들을 갖는 것을 포함하여 다른 형상들 및 구성들은 본 개시의 범위 내에 속하는 것이 의도된다. 특정한 실시예들에서, 투명 기판(101)은 예를 들어 약 0.1 mm 내지 약 2.5 mm, 약 0.3 mm 내지 약 2 mm, 약 0.5 mm 내지 약 1.5 mm, 또는 약 0.7 mm 내지 약 1 mm 범위의, 이들 사이의 모든 범위들 및 모든 하부 범위들을 포함하여, 약 3 mm 이하의 두께를 가질 수 있다.
비한정적인 실시예들에서, 씰링층(130)은 금속, 금속 산화물, 금속 합금, 또는 이들의 혼합물과 같은 반사성 층을 포함할 수 있다. 대안적으로, 씰링층(130)은 반사성 물질(금속 또는 이들의 산화물, 합금 또는 염 등과 같은)으로 완전히 또는 부분적으로 코팅된 투명 물질(예를 들어 유리, 플라스틱 등) 또는 불투명 물질(예를 들어 세라믹, 유리-세라믹 등)을 포함할 수 있다. 예시적인 반사성 금속들은 Al, Au, Ag, Pt, Pd, Cu, 다른 유사한 금속들, 및 이들의 합금들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 반사성 또는 부분적 반사성 씰링층(130)은 임의의 청색(변환되지 않은) 광이 색 변환 매질(125)을 통과하여 씰링층(130)으로부터 반사시키도록 기회를 제공하며, 또한 색 변환 매질(125)을 통해 다시 통과함에 따라 요구되는 파장으로 변환되는 다른 기회를 제공하는 측면에서 유리할 수 있다. 열 전도성 물질을 포함하는 씰링층(130)은 또한 색 변환 매질(125)에 의해 생성되는 열을 방출하기 위한 추가적인 경로를 제공할 수 있다. 씰링층(130)은 도 1b에 도시된 것과 같이 연속적이거나, 도 1a에 도시된 것과 같이 불연속적일 수 있다.
씰링층(130)으로서 사용될 수 있는 추가적인 물질들의 일부 비한정적인 예시들은 주석, 아연, 티타늄의 산화물들, 또는 구리, 인듄 주석 산화물(ITO), 저융점 유리(low melting glass, LMG), 또는 저액상선 온도(low liquidus temperature, LLT) 조성들을 포함한다. LMG 조성들은 예를 들어 약 350℃, 300℃, 250℃, 또는 200℃ 미만의, 약 150℃ 내지 약 400℃ 범위와 같이, 약 400℃ 이하의 유리 전이 온도를 가질 수 있다. 적합한 LLT 물질들은 예를 들어 약 800℃, 600℃, 또는 400℃ 미만의, 예를 들어 약 400℃ 내지 약 1000℃ 범위와 같이, 약 1000℃ 이하의 액상선 온도를 가질 수 있다. 예시적인 LLT 또는 LMG 물질들은 예를 들어 주석 플루오르포스페이트(tin fluorophosphate) 유리, 텅스텐-도핑된 주석 플루오르포스페이트 유리, 칼코게나이드 유리, 텔루라이트(tellurite) 유리, 보레이트(borate) 유리, 및 포스페이트 유리를 포함할 수 있다.
예시적인 주석 플루오르포스페이트 유리 조성들은 대응하는 삼원계 상태도 내의 SnO, SnF2, 및 P2O5의 개별적인 조성들의 관점에서 표현될 수 있다. 적합한 주석 플루오르포스페이트 유리들은 20-100 mol% SnO, 0-50 mol% SnF2 및 0-30 mol% P2O5을 포함한다. 이러한 주석 플루오르포스페이트 유리 조성들은 선택적으로 0-10 mol% WO3, 0-10 mol% CeO2 및/또는 0-5 mol% Nb2O5을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 씰링층을 형성하기 위하여 적합한 도핑된 주석 플루오르포스페이트 시작 물질은 35 내지 50 mol% SnO, 30 내지 40 mol% SnF2, 15 내지 25 mol% P2O5, 및 WO3, CeO2 및/또는 Nb2O5와 같은 도펀트 산화물 1.5 내지 3 mol%을 포함한다. 하나의 특정한 실시예에 따른 주석 플루오르포스페이트 유리 조성은 약 38.7 mol% SnO, 39.6 mol% SnF2, 19.9 mol% P2O5, 및 1.8 mol% Nb2O5을 포함하는 니오븀-도핑된 주석 산화물/주석 플루오르포스페이트/오산화인(phosphorus pentoxide) 유리일 수 있다. 다른 실시예들에 따른 주석 포스페이트 유리 조성은 27 mol% Sn, 13 mol% P 및 60 mol% O를 포함한다. 적합한 주석 플루오르보레이트 유리 조성들은 20-100 mol% SnO, 0-50 mol% SnF2 및 0-30 mol% B2O3을 포함한다. 이러한 주석 플루오르보레이트 유리 조성들은 선택적으로 0-10 mol% WO3, 0-10 mol% CeO2 및/또는 0-5 mol% Nb2O5을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 씰링층은 B2O3-ZnO-Bi2O3 삼원계 유리들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적합한 유리들은 약 10-80 mol% B2O3, 약 5-60 mol% Bi2O3, 및 약 0-70 mol% ZnO 을 포함할 수 있다. 비한정적인 실시예들에서, 유리 조성은 약 40-75 mol% B2O3, 약 20-45 mol% Bi2O3, 및 약 0-40 mol% ZnO을 포함할 수 있다. 이러한 유리들은 약 600℃ 미만, 약 500℃ 미만, 또는 약 400℃ 미만과 같이, 예를 들어 약 300℃ 내지 약 500℃ 범위인 상대적으로 낮은 Tg를 가질 수 있다.
인식될 수 있는 바와 같이, 여기에서 개시된 다양한 유리 조성들은 퇴적된 층의 조성 또는 소스 스퍼터링 타겟의 조성을 가리킬 수 있다. 적절한 낮은 Tg 유리 조성들 및 이러한 물질들로부터 유리 씰링층들을 형성하기 위하여 사용되는 방법들의 추가적인 태양들은 공동 양수된 미국 특허 번호 제5,089,446호 및 미국 특허출원번호 제11/207,691호, 제11/544,262호, 제11/820,855호, 제12/072,784호, 제12/362,063호, 제12/763,541호, 제12/879,578호, 및 제13/841,391호 내에 개시되며, 이들의 전문들이 여기에 참조문헌으로서 병합된다.
예를 들어 씰링 방법들은 광 입사 및/또는 광 발산 표면 내의 캐비티들의 어레이 상으로 씰링층을 놓는 단계와, 광 입사 또는 광 발산 표면에 씰링층을 본딩시키는 단계를 포함한다. 본딩 방법들은 예를 들어 레이저 씰링, 프릿 씰링, 유리-대-유리 웰딩, 또는 임의의 다른 적합한 기술을 포함할 수 있다. 예시적인 씰링 기술들은 공동 양수된 미국 특허 출원 번호 제14/271,797호 내에 개시되며, 이의 전문이 여기에 참조문헌으로서 병합된다.
추가적인 실시예들에서, 투명 기판 및/또는 씰링층은 그 내부에 색 변환 매질이 퇴적될 수 있는 하나 이상의 캐비티들을 포함할 수 있다. 캐비티들은 기판 내에, 예를 들어 프레싱, 몰딩, 컷팅, 또는 임의의 다른 적합한 방법에 의해 제공될 수 있고, 색 변환 매질은 캐비티들 내에 퇴적될 수 있다. 색 변환 매질은 투명 기판의 표면 상에 또는 그 리세스 내에 퇴적될 수 있고, 씰링층 또는 막이 이후 색 변환 매질을 적어도 부분적으로 캡슐화하기 위하여 퇴적될 수 있다. 씰링층들의 퇴적 방법들은 예를 들어 스퍼터링 또는 기상 퇴적 공정들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 투명 기판 및 씰링층은 내부에 색 변환 매질이 함유되는 밀봉 캡슐을 형성할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 캐비티들(115)은 예를 들어 레이저 씰링 또는 그렇지 않으면 씰링층(130)을 투명 기판(101)에 접착시킴에 의해, 또는 씰링층을 투명 기판 상에 스퍼터링 또는 기상 퇴적함에 의해 밀봉 씰링될 수 있다. 예를 들어, 캐비티들은 이들이 물, 수분, 공기, 및/또는 다른 오염물들에 대하여 불침투성(impervious)이거나 실질적으로 불침투성이도록 밀폐 씰링될 수 있다. 비한정적 예시의 방법으로서, 밀폐 씰은 산소의 증산(확산)을 약 10-2 cm3/m2/일보다 작게(예를 들어, 약 10-3 cm3/m2/일보다 작게) 제한하고, 물의 증산을 약 10-2 g/m2/일보다 작게(예를 들어, 약 10-3, 10-4, 10-5, 또는 10-6 g/m2/일보다 작게) 제한하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 밀폐 씰은 물, 수분, 및/또는 공기가 밀폐 씰에 의해 보호되는 성분들 색 변환 매질을 접촉하는 것을 실질적으로 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 LGP들 및 광학 어셈블리들은 디스플레이 및 조명 어플리케이션들을 포함하나, 이에 한정되지는 않는 다양한 어플리케이션들 내에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 조명기구 또는 고상 조명 소자와 같은 조명 소자는 여기에 개시된 광학 어셈블리를 포함할 수 있다. 특정한 실시예들에서, 광학 어셈블리들은 단독으로 또는 태양의 출력의 광대역을 모방하기 위하여 어레이 내에서 사용될 수 있다. 이러한 어셈블리들은 예를 들어 420 내지 750 nm 범위의 가시 파장들과 같이 다양한 파장들에서 발산하는 다양한 타입들 및/또는 사이즈들의 색 변환 성분들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 여기에 개시된 광학 어셈블리는 LCD와 같은 디스플레이 소자 내에서 백라이트 유닛(BLU) 내로 또한 통합될 수 있다.
다양한 개시된 실시예들은 특정한 실시예와 연결되어 설명된 특정한 피쳐들, 성분들, 또는 단계들과 연관될 수 있음이 이해될 것이다. 또한 하나의 특정한 실시예와 관련하여 설명되었더라도, 특정한 피쳐, 성분, 또는 단계가 다양한 도시되지 않은 조합들 또는 순열들 내에서 대안의 실시예들과 상호 변경되거나 조합될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
또한 여기에서 사용되는 바와 같이 용어들 "상기", "하나의", 또는 "일"은 "적어도 하나"를 의미하며, 이와 반대로 명백하게 지시되지 않는 한 "오직 하나"로 제한되지 않아야 함이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어 "캐비티"에 대한 참조는 문맥상 명확히 다르게 지시하지 않는 한 하나의 이러한 "캐비티" 또는 둘 이상의 이러한 "캐비티들"을 갖는 예시들을 포함한다. 유사하게, "복수의" 또는 "어레이"는 "캐비티들의 어레이" 또는 "복수의 캐비티들"이 둘 또는 이상의 이러한 캐비티들을 가리키도록 둘 이상을 가리키는 것으로 의도된다.
범위들은 여기에서 "약" 하나의 특정한 값으로부터, 및/또는 "약" 다른 특정한 값까지로서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 실시예들은 하나의 특정한 값으로부터, 및/또는 다른 특정한 값까지를 포함할 수 있다. 유사하게, 값들이 "약"의 선행어구 사용에 의해 근사치들로서 표현될 때, 특정한 값은 다른 측면을 형성한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 범위들의 각각의 종료점들이 다른 종료점과 연관되어, 그리고 다른 종료점과 독립적으로 모두 중요하다는 점이 더 이해될 것이다.
여기에 표현된 모든 수치 값들은 언급되든지 않든지 "약"을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 그러나 이들이 "약" 이러한 값으로 표현되는지 여부와 무관하게, 한정된 각각의 수치 값이 정밀하게 고려된다는 점이 더욱 이해된다. 따라서 "10 mm보다 작은 치수" 및 "약 10 mm보다 작은 치수" 모두는 "약 10 mm보다 작은 치수"뿐만 아니라 "10 mm보다 작은 치수"의 실시예들을 포함한다.
다르게 강조하여 설명되지 않는 한, 여기 제시된 임의의 방법들이 특정한 순서로 수행되는 것을 요구하는 것으로 해석될 것이 전혀 의도되지 않는다. 따라서, 방법 청구항이 실제로 그 단계들에 의해 뒤따르는 순서를 한정하지 않는 경우 또는 단계들이 특정한 순서에 제한된다는 점이 청구항들 또는 상세한 설명에서 구체적으로 언급되지 않는 경우에, 임의의 순서가 추론되는 것이 전혀 의도되지 않는다.
특정한 실시예들의 다양한 피쳐들, 성분들, 또는 단계들이 전이 어구 "포함하는"을 사용하여 개시될 수 있는 한편, 전이 어구들 "구성되는" 또는 "본질적으로 구성되는"을 사용하여 설명될 수 있는 것들을 포함하여 대안의 실시예들이 추론될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, A+B+C를 포함하는 방법에 대한 추론되는 대안의 실시예들은 방법이 A+B+C로 구성되는 실시예들과 방법이 A+B+C로 본질적으로 구성되는 실시예들을 포함한다.
여기에 설명된 원리들의 범위와 정신으로부터 벗어남이 없이 여기에 설명된 실시예들에 다양한 변형과 변용들이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시의 사상 및 본질을 통합하는 개시된 실시예들의 개조의 조합들, 하위 조합들 및 변형들이 당업자들에게 일어날 것이므로, 본 개시는 첨부된 청구항의 권리범위 및 그의 균등물의 범위 내에 속하는 실시예들의 변형들 및 변용들까지 커버하는 것이 의도된다.

Claims (35)

  1. 광 입사 표면과 반대되는 광 발산 표면을 포함하는 투명 기판을 포함하며,
    상기 광 입사 표면은 적어도 하나의 광 회절 피쳐(light diffraction feature)를 포함하고,
    상기 광 입사 표면 및 상기 광 발산 표면 중 적어도 하나는 적어도 하나의 색 변환 피쳐(color conversion feature)를 포함하는, 광 가이드 플레이트(light guide plate).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 색 변환 피쳐는 색 변환 매질을 함유하는 캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 색 변환 매질은 형광체들, 양자점들, 및 발광단들(lumiphores)로부터 선택되는 적어도 하나의 색 변환 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 캐비티는 밀봉 씰링되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 광 발산 표면과 상기 광 입사 표면 중 적어도 하나 내의 리세스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 투명 기판의 상기 광 발산 표면 및 상기 광 입사 표면 중 적어도 하나에 본딩되는 씰링층을 더 포함하고,
    상기 캐비티는 상기 광 발산 표면과 상기 씰링층 사이 또는 상기 광 입사 표면과 상기 씰링층 사이의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 씰링층은 투명한 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 씰링층은 반사성이거나 또는 부분적으로 반사성인 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 씰링층은 불연속적인 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 투명 기판은 복수의 광 추출 피쳐들(light extraction features)로 패터닝된 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 광 추출 피쳐들은 표면 또는 서브-표면 광 추출 피쳐들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 광 추출 피쳐들은 구배 패턴(gradient pattern)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 구배 패턴은 주기적인 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 투명 기판은 유리 및 플라스틱 기판들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    55 내지 75 중량 퍼센트(wt%)의 SiO2;
    5 내지 25 wt%의 Al2O3;
    1 내지 15 wt%의 MgO;
    0 내지 1 wt%의 SnO2;
    5 내지 15 wt%의 Na2O;
    0 내지 5 wt%의 SrO; 및
    0 내지 10 wt%의 B2O3;
    의 조성을 갖는 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유리는,
    200 ppm 미만의 Fe2O3;
    2 ppm 미만의 Cr2O3; 또는
    2 ppm 미만의 NiO;
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 회절 피쳐는 주기적 또는 처프 회절 그레이팅들(chirped diffraction gratings)의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 회절 그레이팅들은 상기 투명 기판의 상기 광 입사 표면 상에 패터닝된 폴리머 또는 금속성 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 회절 그레이팅들은 상기 투명 기판의 하나 이상의 레이저-손상되거나, 이온-교환되거나, 또는 결정화된 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 가이드 플레이트.
  20. 적어도 하나의 광원에 광학적으로 커플링된, 제1항의 광 가이드 플레이트를 포함하는 광학 어셈블리.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 상기 투명 기판의 상기 광 입사 표면에 광학적으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 자외선, 근-자외선, 또는 청색 광을 발산하는 다이오드인 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 투명 기판은, 상기 적어도 하나의 광원으로부터의 광의 실질적으로 공간적으로 균일한 투과(transmission)를 생성하기 위하여 패턴으로 배열된 복수의 광 추출 피쳐들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 회절 피쳐는 상기 적어도 하나의 광원 위에 정합적으로 가로놓이도록(in overlying registration with) 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 회절 피쳐는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 미리 결정된 색 변환 피쳐까지 광의 전파를 지향하도록(direct) 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리.
  26. 제20항의 광학 어셈블리를 포함하는 디스플레이, 조명, 또는 전자 소자.
  27. 광학 어셈블리의 제조 방법으로서,
    투명 기판의 광 입사 표면 상에 적어도 하나의 광 회절 피쳐를 형성하는 단계;
    상기 투명 기판의 상기 광 입사 표면과 반대되는 광 발산 표면 중 적어도 하나 상에 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 형성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 광 회절 피쳐에 적어도 하나의 광원을 광학적으로 커플링시키는 단계를 포함하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 투명 기판을 복수의 광 추출 피쳐들로 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 복수의 광 추출 피쳐들을 패터닝하는 단계는 프린팅 또는 레이저 손상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 회절 피쳐를 형성하는 단계는, 리소그래피, 마이크로복제, 3D 프린팅, 또는 홀로그래픽 프린팅 공정들에 의해 상기 광 입사 표면 상에 폴리머 또는 금속성 층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 회절 피쳐를 형성하는 단계는, 이온 교환, 레이저 노출, 또는 국부적 실투(devitrification) 및 재결정화 공정들에 의해 상기 광 입사 표면을 개조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 형성하는 단계는,
    상기 광 발산 표면 또는 상기 광 입사 표면 중 적어도 하나의 적어도 하나의 캐비티 내에 색 변환 매질을 놓는(placing) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐비티를 밀봉 씰링하는 단계를 더 포함하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  34. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 색 변환 피쳐를 형성하는 단계는:
    상기 광 발산 표면 및 상기 광 입사 표면 중 적어도 하나 상에 색 변환 매질을 패터닝하는 단계; 및
    상기 색 변환 매질을 캡슐화하도록(encapsulate) 씰링층을 퇴적하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 씰링층은 기상 퇴적(vapor deposition) 또는 스퍼터링에 의해 퇴적되는 것을 특징으로 하는 광학 어셈블리의 제조 방법.
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