KR20200137977A - 양자점/고분자 복합재료의 미세 프린팅을 이용한 색 전환 마이크로 렌즈 및 그 제조방법 - Google Patents

양자점/고분자 복합재료의 미세 프린팅을 이용한 색 전환 마이크로 렌즈 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 은 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법은 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계; 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 용액 공정을 통해 기판 상에 프린팅하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 프린팅된 마이크로 렌즈를 경화하여 상기 마이크로 렌즈의 형상을 고정하는 단계를 포함한다.

Description

양자점/고분자 복합재료의 미세 프린팅을 이용한 색 전환 마이크로 렌즈 및 그 제조방법{COLOR-CONVERTIBLE MICROLENS ARRAY WITH FINE PRINTING OF QUANTUM DOT/POLYMER COMPOSITE AND MANUFATURING METHOD THEREOF}
본 발명은 양자점/고분자 복합재료의 미세 프린팅을 이용한 색 전환 마이크로 렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 마이크로 렌즈와 컬러 필터를 이용한 색 전환의 도입이 동시에 요구되는 분야에서 공정 간편화를 달성할 수 있으며, 그 적용 범위는 마이크로 LED (Light Emitting Diode) 디스플레이, CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등으로 다양하다.
색 전환 기술은 Full-color 디스플레이, 이미지 센서 등을 구현하기 위한 핵심 기술 중 하나이다.
색 전환 재료로는 일반적으로 유기 염료나 형광체 등이 사용되어 왔으나, 유기 염료의 경우는 열 안정성이 낮고 표백 현상이 나타나며, 형광체의 경우는 입자의 크기가 커서 빛의 산란 효과가 크고 미세한 패터닝이 어렵다는 단점이 있었다.
최근에는 색 순도가 높은 양자점(Quantum dot)이 색 전환 재료로 각광받고 있으나, 아직까지는 재료 자체의 외부 양자 효율이 낮고 양자점 용액만으로 소자에 바로 미세 패터닝을 하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
또한, 표시 장치의 해상도가 높아짐에 따라 표시 장치를 구성하는 복수의 화소들은 점점 미세화되고 있으며, 이에 따라 각 픽셀 간의 혼색이 문제되고 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 양자점 용액과 고분자를 혼합한 양자점/고분자 복합재료를 제조하여 미세 프린팅을 용이하게 하여 색 전환 재료의 미세 패터닝을 가능하게 하고, 제작된 결과는 렌즈 형태이기 때문에 색 전환과 동시에 광 경로 조절을 달성할 수 있고, 이에 따라 광 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법은 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계; 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 용액 공정을 통해 기판 상에 프린팅하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 프린팅된 마이크로 렌즈를 경화하여 상기 마이크로 렌즈의 형상을 고정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈는 복수의 광원을 포함하는 발광 기판 상에 형성된 색 전환 마이크로 렌즈로서, 상기 색 전환 마이크로 렌즈는 상기 광원에 대응하여 상기 발광 기판 상에 형성되며, 상기 색 전환 마이크로 렌즈는 반구형으로 고정된 경화성 폴리머 내에 양자점이 분산된 상태이며, 상기 양자점은 상기 광원에서 방출되는 광을 흡수하고, 흡수된 광을 상이한 파장의 빛으로 방출하고, 상기 양자점에서 방출된 광은 상기 색 전환 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절된다.
본 발명의 실시예에 따른 표시 장치는 복수의 광원을 포함하는 발광 기판; 상기 복수의 광원 중 일부 광원에 대응하여 형성된 색 전환 마이크로 렌즈; 및 상기 복수의 광원 중 나머지 광원에 대응하여 형성된 광 경로 설정용 마이크로 렌즈를 포함하되, 상기 색 전환 마이크로 렌즈는 반구형으로 고정된 경화성 폴리머 내에 양자점이 분산된 상태이고, 상기 광 경로 설정용 마이크로 렌즈는 반구형 고정된 투명한 경화성 폴리머를 포함하며, 상기 양자점은 상기 광원에서 방출되는 광을 흡수하고, 흡수된 광을 상이한 파장의 빛으로 방출하고, 상기 양자점에서 방출된 광은 상기 색 전환 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절되며, 상기 복수의 광원 중 나머지 광원에서 방출된 광은 상기 광 경로 설정용 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 제조 방법은 양자점 용액과 고분자를 혼합한 양자점/고분자 복합재료를 제조하여 미세 프린팅을 용이하게 하여 색 전환 재료의 미세 패터닝을 가능하게 한다. 또한, 마이크로 렌즈는 반구형, 돔 형태이기 때문에 색 전환과 동시에 광 경로 조절을 달성할 수 있고, 이에 따라 광 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 세부적인 단계를 개략적으로 도시한다.
도 3은 전기수력학적(Electrohydrodynamic, EHD) 프린팅을 통해 형성된 마이크로 렌즈의 구조를 도시한 예시도이다.
도 4는 전기수력학적(EHD) 프린팅을 통해 다양한 직경의 마이크로 렌즈를 구현한 예시도이다.
도 5는 마이크로 LED 상에 형성된 색 전환 마이크로 렌즈를 촬영한 실제 이미지이다.
도 6는 도 5의 마이크로 LED 상에 형성된 색 전환 마이크로 렌즈가 외부에서 조사된 광을 색 전환하는 것을 촬영한 실제 이미지이다.
도 7a는 색 전환 마이크로 렌즈가 하부에 위치한 마이크로 LED에서 방출되는 청색광을 적색광으로 전환하는 것을 촬영한 실제 이미지이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 광 경로 설정 기능을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈를 포함하는 표시 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면들을 참조한다. 상세한 설명의 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시하기 위한 상세 설명을 개시하는 목적으로 제공된다.
본 발명의 각 실시 예들은 서로 상이한 경우를 설명할 수 있으나, 그것이 각 실시 예들이 상호 배타적임을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 상세한 설명의 일 실시 예와 관련하여 설명된 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예에서도 동일하게 구현될 수 있다. 또한, 여기서 개시되는 실시 예들의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 첨부된 도면들에서 각 구성 요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 적용되는 크기와 같거나 유사할 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법은 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계(S100); 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 용액 공정을 통해 프린팅하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계(S110); 및 상기 프린팅된 마이크로 렌즈를 경화하여 상기 마이크로 렌즈의 형상을 고정하는 단계(S120)를 포함한다.
먼저, 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성한다(S100).
도 2는 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계의 세부적인 과정을 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계(S100)는, 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하는 단계; 혼합된 양자점 용액과 경화성 폴리머를 교반하는 단계; 및 상기 교반된 양자점-경화성 폴리머 혼합 용액에서 용매를 증발시켜 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계를 포함한다. 즉, 본 단계(S100)는 용액 공정을 위한 혼합 용액을 준비하는 과정에 해당한다. 여기서, 혼합 용액은 양자점 용액(QD)과 경화성 폴리머(Polymer)가 혼합하여 형성된 양자점-경화성 폴리머 레진일 수 있다.
양자점 용액(QD)은 양자점이 용매에 분산된 상태일 수 있다. 양자점은 상기 양자점은 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 반도체 및 이들의 혼합물의 반도체를 포함할 수 있으며, 일정 파장 대로 빛을 흡수하고, 흡수된 빛의 파장과 상이한 파장대의 빛을 발광하여 흡수된 빛을 색을 전환할 수 있다. 예시적으로, 양자점을 구성하는 반도체 재료로는, InP, Si, Ge, Sn, Se, Te, B, C, P, BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdxSeySz, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, BeS, BeSe, BeTe, MgS, MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuInS2, Cu2SnS3, CuBr, CuI, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, CIGS, CGS, (ZnS)y(CuxSn1-xS2)1-y(x 및 y는 각각 1이하의 실수) 및 이들 반도체들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 양자점은 코어/쉘 구조 또는 합금 구조일 수 있다. 코어/쉘 구조 또는 합금 구조를 갖는 양자점은 InP/ZnSeS/ZnS, CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdSe/CdSx(Zn1-yCdy)S/ZnS, CdSe/CdS/ZnCdS/ZnS, InP/ZnS, InP/Ga/ZnS, InP/ZnSe/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdSe/CdS/ZnS, CdTe/CdS, CdTe/ZnS, CuInS2/ZnS 또는 Cu2SnS3/ZnS 일 수 있으며, 다만, 이에 한정되지 않는다. 상기 용매는 톨루엔 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
양자점 용액(QD)에 포함된 용매는 낮은 끓는 점을 가진, 휘발성 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 상온에서 일정 시간 이후에 증발되는 화학적 특성을 가진 용액일 수 있다.
경화성 폴리머(Polymer)는 일정 파장의 빛에 의해 경화되어, 형상이 고정되는 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어, 경화성 폴리머는 자외선에 의해 경화되는 자외선 경화성 폴리머일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 경화성 폴리머(Polymer)는 양자점 용액(QD)과 함께 마이크로 렌즈를 구성하므로, 특별한 색상을 가지지 않는 것이 바람직하며, 작동 환경에 따라 고온이 발생할 수 있으므로, 열적 안정성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 경화성 폴리머는 투명하고 열적 안정성을 가지는 고분자 물질일 수 있다. 또한, 경화성 폴리머는 경화되기 전 상온에서 액체 상태일 수 있으며, 양자점과 좋은 혼화성을 가질 수 있다. 또한, 경화성 폴리머는 점착성을 가진 고분자 물질일 수 있다. 경화성 폴리머가 점착성을 가지므로 후술한 용액 공정에서 도포된 양자점-경화성 폴리머 레진은 반구 형상을 일시적으로 유지하게 된다. 여기서, 경화성 폴리머(Polymer)는 Norland Products사에 의해 시판되고 있는 Norland Optical Adhesive 61 ("NOA 61") 또는 Norland Optical Adhesive 63 ("NOA 63")일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
양자점 용액(QD)과 경화성 폴리머(Polymer)는 일정 비율로 혼합될 수 있다. 양자점 용액(QD)의 비중이 높으면 높은 광 변환 효율을 가지지만, 양자점 사이의 응집이 발생하여 용액 공정의 적용이 진행이 어려워지는 문제점이 발생한다. 또한, 양자점 용액(QD)의 비중이 낮으면 용액 공정이 원활하게 진행될 수 있으나, 광 변환 효율이 낮아져 색 전환 렌즈의 고유 특징이 희석되는 문제점이 발생한다. 따라서, 양자점 용액(QD)과 경화성 폴리머(Polymer)는 하기와 같은 적정 비율로 혼합되게 된다.
양자점 용액(QD)은 변환하는 색 파장에 따라 경화성 폴리머와 혼합되는 비중이 상이할 수 있다. 경화성 폴리머(Polymer)를 100중량부로 할 때, 녹색광을 방출하는 양자점 용액(QD)은 0.1 중량부 이상, 0.150 중량부 이상, 0.200 중량부 이상, 0.250 중량부 이상, 0.275 중량부 이상, 0.300 중량부 이상이거나, 0.1 중량부 이하, 0.150 중량부 이하, 0.200 중량부 이하, 0.250 중량부 이하, 0.275 중량부 이하, 0.300 중량부 이하일 수 있다. 예시적으로, 경화성 폴리머(Polymer)를 100중량부로 할 때, 녹색광을 방출하는 양자점 용액(QD)은 0.268중량부, 0.179중량부, 또는 0.134중량부일 수 있다. 또한, 경화성 폴리머(Polymer)를 100중량부로 할 때, 적색광을 방출하는 양자점 용액(QD)은 0.150 중량부 이상, 0.180 중량부 이상, 0.300 중량부 이상, 0.350 중량부 이상, 0.500 중량부 이상, 0.750 중량부 이상, 0.900 중량부 이상, 0.950 중량부 이상이거나, 0.150 중량부 이하, 0.180 중량부 이하, 0.300 중량부 이하, 0.350 중량부 이하, 0.500 중량부 이하, 0.750 중량부 이하, 0.900 중량부 이하, 0.950 중량부 이하일 수 있다. 예시적으로, 경화성 폴리머(Polymer)를 100중량부로 할 때, 적색광을 방출하는 양자점 용액(QD)은 0.187 중량부, 0.374 중량부, 또는 0.934중량부일 수 있다.
혼합된 양자점 용액과 경화성 폴리머를 상온에서 교반(Stirring)한다. 상온에서 일정 시간이상 혼합된 양자점 용액과 경화성 폴리머를 교반하여 양자점이 경화성 폴리머 내에 분산되게 한다. 예를 들어, 혼합된 양자점 용액과 경화성 폴리머는 상온에서 24시간 동안 교반될 수 있으며, 이러한 교반 과정을 통해 양자점은 경화성 폴리머로 분산될 수 있다.
교반된 양자점-경화성 폴리머 혼합 용액에서 용매를 증발시켜 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성한다. 교반된 양자점-경화성 폴리머 혼합 용액을 진공 챔버, 데시케이터(Desiccator)로 이동시켜, 양자점 용액에 포함된 용매를 증발시킨다. 용매가 증발됨에 따라 교반된 양자점-경화성 폴리머 혼합 용액은 양자점-경화성 폴리머 레진으로 변형될 수 있다. 양자점-경화성 폴리머 레진은 용액 공정에 활용 가능할 정도로 양자점이 경화성 폴리머에 충분히 분산된 상태일 수 있다.
다음으로, 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 용액 공정을 통해 기판 상에 프린팅하여 마이크로 렌즈를 형성한다(S110).
도 3은 전기수력학적(EHD) 프린팅을 통해 형성된 마이크로 렌즈의 구조를 도시한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 양자점-경화성 폴리머 레진을 용액 공정을 통해 기판(110) 상에 프린팅하여 마이크로 렌즈(100)를 형성한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈(100)는 발광 기판 상에 형성되어 발광 기판에서 방출되는 광의 파장을 변환하는 색 전환 마이크로 렌즈(Color-convertible micro-lens)에 해당한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(110)은 광을 방출하는 광원(111)을 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 광원은 마이크로 LED일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈(100)는 표시 장치의 하나의 구성에 해당하며, 표시 장치가 천연색을 표시할 수 있도록 발광 기판에서 방출되는 광의 파장을 변환할 수 있다. 매트릭스 배열된 복수의 발광 픽셀(LED, 광원)을 포함하는 발광 기판 상에 마이크로 렌즈(100)는 변환하는 색상에 따라 어레이 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 3개의 발광 픽셀에서 각각 적색, 녹색, 청색을 표시되도록 마이크로 렌즈가 발광 기판 상에 형성될 수 있다.
이전 단계(S100)에서 준비된 양자점-경화성 폴리머 레진은 용액 공정이 가능할 정도로 양자점이 경화성 폴리머에 분산된 상태이며, 양자점-경화성 폴리머 레진은 기판(110) 상에 분사, 도포, 프린팅, 인쇄, 코팅 또는 적층될 수 있다.
본 실시예에 따른 용액 공정은 전기수력학적 인쇄(EHD printing) 방식이 적용될 수 있다.
전기수력학적 인쇄(EHD printing) 방식은 용액의 토출(jetting)을 위한 노즐 속의 용액에 압력을 가하며, 노즐과 기판 사이에 높은 전압을 인가 하여 인쇄를 하는 최신 기술로서, 필요한 곳에만 선택적으로 박막을 코팅(drop-on-demand,DOD)할 수 있다. 일반적인 다른 용액공정이나 인쇄 공정에 비교하여 전기수력학적 인쇄(EHD printing) 방식은 단순하고, jetting 조절이 용이하며, 저가격의 공정으로 마크로(Macro)에서 나노 수준까지의 다양한 형태의 패턴과 연속적인 박막형성, 그리고 고해상도의 패턴을 제작할 수 있는 장점을 제공한다. 즉, 전기수력학적 인쇄 방식에서 전압 및/또는 압력을 조절함에 따라 토출되는 용액의 양의 조절이 용이할 수 있다. 즉, 전기수력학적 인쇄(EHD printing) 공정을 통해 다양한 크기, 직경을 가진 마이크로 렌즈의 제작이 보다 용이해질 수 있다. 다만, 본 실시예에 따른 용액 공정이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 용액 공정은 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 롤코팅(roll coating), 스크린 코팅(screen coating), 분무 코팅(spray coating), 스핀 캐스팅(spin casting), 흐름 코팅(flow coating), 스크린 인쇄(screen printing), 잉크젯(ink jet) 및 드롭 캐스팅(drop casting)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 방식이 적용될 수도 있다.
도 4a는 녹색광을 방출하는 양자점을 포함하는 마이크로 렌즈를 전기수력학적 인쇄(EHD printing) 방식을 통해 다양한 직경으로 구현한 예시도를 나타내며, 도 4b는 적색광을 방출하는 양자점을 포함하는 마이크로 렌즈를 전기수력학적 인쇄(EHD printing) 방식을 통해 다양한 직경으로 구현한 예시도를 나타낸다. 일 제조예로서, 녹색광을 방출하는 양자점을 포함하는 마이크로 렌즈는 경화성 폴리머(Polymer)로서 NOA 61를 100중량부로 할 때, 녹색광을 방출하는 InP/ZnSeS/ZnS 양자점 용액(QD) 0.268중량부를 혼합하여 생성된 레진을 전기수력학적 인쇄 공정을 수행하여 생성될 수 있다. 또한, 적색광을 방출하는 양자점을 포함하는 마이크로 렌즈는 경화성 폴리머(Polymer)로서 NOA 61를 100중량부로 할 때, 적색광을 방출하는 InP/ZnSeS/ZnS 양자점 용액(QD) 0.934중량부를 혼합하여 생성된 레진을 전기수력학적 인쇄 공정을 수행하여 생성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서 도시된 바와 같이, 전기수력학적 인쇄(EHD printing) 방식의 전압 및/또는 압력의 조건을 조절함에 따라, 다양한 직경을 가진 마이크로 렌즈의 용이한 구현이 가능할 수 있다.
마이크로 렌즈(100)는 용액 공정을 통해 기판(110) 상에 반구형으로 프린팅될 수 있다. 즉, 돔(dome) 형상으로 마이크로 렌즈(100)는 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 또한, 양자점-경화성 폴리머 레진에 포함된 경화성 폴리머는 점성을 가지므로 양자점-경화성 폴리머 레진이 기판 상에 프린팅된 이후에도 기판 상으로 퍼지는 것이 방지될 수 있다. 즉, 양자점-경화성 폴리머 레진은 폴리머 레진의 점성에 의해 반구형, 돔형상으로 초기 프린팅된 상태가 일정 시간 유지될 수 있다.
상기 프린팅된 마이크로 렌즈를 경화하여 상기 마이크로 렌즈의 형상을 고정한다(S120).
본 단계(S120)를 통해, 이전 단계(S110)에서 일시적으로 형성한 마이크로 렌즈(100)의 형상이 고정될 수 있다. 즉, 반구형으로 프린팅된 마이크로 렌즈(100)는 경화성 폴리머를 경화함에 따라 형상이 고정되게 된다. 여기서, 경화성 폴리머는 자외선 경화성 폴리머일 수 있으며, 자외선 조사에 따라 마이크로 렌즈(100)의 형상이 고정될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 경화성 폴리머는 열 경화성 폴리머일 수 있으며, 일정 온도가 인가됨에 따라 마이크로 렌즈(100)의 형상이 고정될 수도 있다.
도 5는 마이크로 LED 상에 형성된 색 전환 마이크로 렌즈를 촬영한 실제 이미지이다. 도 6는 도 5의 마이크로 LED 상에 형성된 색 전환 마이크로 렌즈가 외부 광을 색 전환하는 것을 촬영한 실제 이미지이다. 구체적으로, 도 5a는 마이크로 렌즈 어레이의 평면 사진이며, 도 5b는 도 5a의 렌즈 어레이를 확대하여 촬영한 평면 사진이고, 도 5c는 마이크로 렌즈를 측면에서 촬영한 측면 사진이다. 도 6a는 외부 광의 색을 변환하는 색 전환 마이크로 렌즈 어레이의 평면 사진이며, 도 6b는 도 6a의 렌즈 어레이를 확대하여 촬영한 평면 사진이고, 도 6c는 마이크로 렌즈를 측면에서 촬영한 측면 사진이다. 도 7a는 색 전환 마이크로 렌즈가 하부에 위치한 마이크로 LED에서 방출되는 청색광을 적색광으로 전환하는 것을 촬영한 실제 이미지이다. 도 6은 색 전환 마이크로 렌즈의 형태 및 색 전환 효과를 확인하기 위해 외부 광을 조사한 경우를 촬영한 것이며, 도 7a는 색 전환 마이크로 렌즈 하부에 위치한 마이크로 LED를 발광하였을 때 나타나는 광 전환 효과를 확인하기 위한 촬영한 이미지이다. 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 SEM 이미지이다.
도 5 및 도 6를 비교하면, 마이크로 렌즈는 적색광을 방출하는 양자점을 포함할 수 있으며, 빛을 흡수하여 적색광을 표시하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5c, 도 6c 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 렌즈는 반구형, 돔 형상으로 형성된 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 6c에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈는 반구형 형상으로 고정된 상태에서 외부 광을 전환하여 적색광을 방출하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7a에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈는 하부에 배치된 마이크로 LED에서 방출되는 청색광을 적색광으로 변환하는 것을 확인할 수 있다.
이러한, 반구형 형상의 마이크로 렌즈는 하부에서 제공되는 광의 경로를 조절할 수 있다. 즉, 반구형 형상의 마이크로 렌즈를 통해 외부로 방출되는 광은 색이 전환될 뿐만 아니라, 다른 픽셀의 발광 영역을 침범하는 것이 방지될 수 있다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈의 광 경로 설정 기능을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8을 참조하면, 발광 기판(110)은 청색광을 방출할 수 있으며, 마이크로 렌즈(100G)는 청색광을 흡수하여 녹색광을 방출하고, 마이크로 렌즈(100R)은 청색광을 흡수하여 적색광을 방출할 수 있다.
여기서, 발광 기판(110)에서 방출된 청색광은 상부에 반구형 형상의 마이크로 렌즈가 없는 경우, 상부에서 광 경로가 조절되지 않고 외부로 확산되게 된다. 여기서, 외부는 인접한 이웃 픽셀이 형성된 영역을 의미하며, 빛의 확산에 따라 이웃하는 픽셀 사이의 혼색이 발생하게 된다. 이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈(100R, 100G)는 반구형으로 형성됨에 따라 마이크로 렌즈 표면에서 굴절되어 광 경로가 변경되게 된다. 각 마이크로 렌즈(100R, 100G)와 수직 방향으로 오버랩되는 상부 영역을 각 마이크로 렌즈의 발광 영역이라 정의할 때, 마이크로 렌즈(100R, 100G)에서 방출되는 빛은 발광 영역으로 집중되도록 렌즈 표면에서 굴절될 수 있다. 즉, 반구형의 마이크로 렌즈(100R, 100G)는 발광 영역을 벗어난 외부로 광이 확산되지 않고 발광 영역으로 집중되도록 광 경로를 가이드할 수 있다. 반구형의 마이크로 렌즈(100R, 100G)는 이에 따라 이웃하는 픽셀 사이의 혼색을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 제조 방법은 청색광이 방출되는 픽셀, 기판 상의 영역에 대응하여 광 경로 설정용 마이크로 렌즈를 발광 기판(110) 상에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 광 경로 설정용 마이크로 렌즈는 양자점을 포함하지 않는 투명한 경화성 폴리머를 용액 공정을 통해 반구형으로 프린팅하고, 반구형으로 프린팅된 광 경로 설정용 마이크로 렌즈를 경화하여 생성될 수 있다. 광 경로 설정용 렌즈는 양자점을 포함하지 않기에 청색광은 색 변환은 발생하지 않는다. 대신, 광 경로 설정용 렌즈와 수직 방향으로 오버랩되는 상부 영역에 해당하는 발광 영역으로 청색광이 집중될 수 있으며, 청색광이 다른 렌즈의 발광 영역을 침범하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 제조 방법은 양자점 용액과 고분자를 혼합한 양자점/고분자 복합재료를 제조하여 미세 프린팅을 용이하게 하여 색 전환 재료의 미세 패터닝을 가능하게 한다. 또한, 마이크로 렌즈는 반구형, 돔 형태이기 때문에 색 전환과 동시에 광 경로 조절을 달성할 수 있고, 이에 따라 광 효율을 개선할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 색 전환 마이크로 렌즈를 포함하는 표시 장치(10)의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 9의 표시 장치(10)에 포함된 색 전환 마이크로 렌즈는 상술한 도 1 내지 도 8의 제조 방법으로 제조된 마이크로 렌즈에 해당하며, 도 1 내지 도 8 및 상술한 내용이 설명을 위해 참조될 수 있다.
도 9을 참조하면, 표시 장치(10)는 복수의 광원(111)을 포함하는 발광 기판(110); 상기 복수의 광원(111) 중 일부 광원에 대응하여 형성된 색 전환 마이크로 렌즈(100); 및 상기 복수의 광원 중 나머지 광원에 대응하여 형성된 광 경로 설정용 마이크로 렌즈(120)를 포함할 수 있다.
여기서, 색 전환 마이크로 렌즈(100)는 반구형으로 고정된 경화성 폴리머 내에 양자점이 분산된 상태이다. 즉, 양자점/고분자 복합재료로 제조된 상태이다. 상기 양자점은 상기 광원에서 방출되는 광을 흡수하고, 흡수된 광을 상이한 파장의 빛으로 방출하고, 양자점에서 방출된 광은 상기 색 전환 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절될 수 있다. 각 마이크로 렌즈(100R, 100G)와 수직 방향으로 오버랩되는 상부 영역을 각 마이크로 렌즈의 발광 영역이라 정의할 때, 마이크로 렌즈(100R, 100G)에서 방출되는 빛은 발광 영역으로 집중되도록 렌즈 표면에서 굴절될 수 있다. 즉, 반구형의 마이크로 렌즈(100R, 100G)는 발광 영역을 벗어난 외부로 광이 확산되지 않고 발광 영역으로 집중되도록 광 경로를 가이드할 수 있다.
또한, 광 경로 설정용 마이크로 렌즈(120)는 반구형으로 고정된 투명한 경화성 폴리머를 포함하며, 복수의 광원 중 나머지 광원에서 방출된 광은 광 경로 설정용 마이크로 렌즈(120)의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절될 수 있다. 광 경로 설정용 렌즈와 수직 방향으로 오버랩되는 상부 영역에 해당하는 발광 영역으로 광 경로가 설정되어, 다른 렌즈의 발광 영역을 침범하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표시 장치(10)는 반구형, 돔 형태의 색 전환 마이크로 렌즈(100)를 포함하여 색 전환과 동시에 광 경로 조절 기능을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 표시 장치(10)는 반구형, 돔 형태의 광 경로 설정용 마이크로 렌즈(120)를 포함하여 광 경로 조절 기능을 제공할 수 있다. 이에 따라, 광 효율이 개선되며 이웃하는 픽셀간의 혼색이 방지될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 표시 장치
100: 마이크로 렌즈
110: 기판
111: 광원

Claims (10)

  1. 양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하여 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계;
    상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 용액 공정을 통해 기판 상에 프린팅하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 프린팅된 마이크로 렌즈를 경화하여 상기 마이크로 렌즈의 형상을 고정하는 단계를 포함하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계는,
    양자점 용액과 경화성 폴리머를 혼합하는 단계;
    혼합된 양자점 용액과 경화성 폴리머를 교반하는 단계; 및
    상기 교반된 양자점-경화성 폴리머 혼합 용액에서 용매를 증발시켜 상기 양자점-경화성 폴리머 레진을 형성하는 단계를 포함하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서
    상기 마이크로 렌즈는 상기 기판 상에 반구형으로 프린팅되며,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 경화에 따라 반구형으로 고정되는 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서
    상기 경화성 폴리머는 자외선 경화성 폴리머이며,
    상기 프린팅된 마이크로 렌즈는 자외선에 의해 경화되어 형상이 고정되는 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 경화성 폴리머는 투명한 점착성 폴리머인 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 기판은 광원을 포함하는 발광 기판이며,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 광원에 대응하여 상기 기판 상에 형성되고,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 광원에서 방출되는 빛을 흡수하고, 상기 흡수된 빛과 상이한 파장의 빛을 방출하며,
    상기 마이크로 렌즈에서 방출되는 빛은 상기 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 외부로의 확산이 방지되는 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광원은 청색광을 방출하며, 상기 마이크로 렌즈는 상기 청색광을 녹색광 또는 적색광으로 전환하기 위해 어레이 형태로 상기 기판 상에 형성되되,
    상기 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법은,
    상기 마이크로 렌즈가 형성되지 않고 상기 청색광이 색 전환없이 방출되는 상기 기판 상에 상기 청색광의 광 경로를 설정하기 위한 광 경로 설정용 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서
    상기 용액 공정은 전기수력학적 인쇄(EHD printing)인 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈의 제조 방법.
  9. 복수의 광원을 포함하는 발광 기판 상에 형성된 색 전환 마이크로 렌즈로서,
    상기 색 전환 마이크로 렌즈는 상기 광원에 대응하여 상기 발광 기판 상에 형성되며,
    상기 색 전환 마이크로 렌즈는 반구형으로 고정된 경화성 폴리머 내에 양자점이 분산된 상태이며,
    상기 양자점은 상기 광원에서 방출되는 광을 흡수하고, 흡수된 광을 상이한 파장의 빛으로 방출하고,
    상기 양자점에서 방출된 광은 상기 색 전환 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절되는 것을 특징으로 하는 색 전환 마이크로 렌즈.
  10. 복수의 광원을 포함하는 발광 기판;
    상기 복수의 광원 중 일부 광원에 대응하여 형성된 색 전환 마이크로 렌즈; 및
    상기 복수의 광원 중 나머지 광원에 대응하여 형성된 광 경로 설정용 마이크로 렌즈를 포함하되,
    상기 색 전환 마이크로 렌즈는 반구형으로 고정된 경화성 폴리머 내에 양자점이 분산된 상태이고, 상기 광 경로 설정용 마이크로 렌즈는 반구형 고정된 투명한 경화성 폴리머를 포함하며,
    상기 양자점은 상기 광원에서 방출되는 광을 흡수하고, 흡수된 광을 상이한 파장의 빛으로 방출하고, 상기 양자점에서 방출된 광은 상기 색 전환 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절되며,
    상기 복수의 광원 중 나머지 광원에서 방출된 광은 상기 광 경로 설정용 마이크로 렌즈의 표면에서 굴절되어 광 경로가 조절되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
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