KR20240016422A - 광학 디바이스들의 생산에서 양자점들의 선택적 패터닝을 위한 방법 - Google Patents
광학 디바이스들의 생산에서 양자점들의 선택적 패터닝을 위한 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 양자점들에 기초한 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들을 생산하기 위한 패터닝 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의해, 심각한 오염이 없는 양자점들을 함유하는 픽셀화된 다색 디스플레이가 생산될 수 있으며, 양자점들은 오염이 거의 없이, 광학 표면 상의 타겟팅된 현미경 필드들에서 선택적으로 패터닝될 수 있다.
Description
본 발명은 전계발광 및/또는 광발광 양자점들에 기초한 광학 디스플레이들 및 전자/전기광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법에 관한 것이다.
QDot(양자점; quantum dot) 디스플레이 기술은 텔레비전 및 다른 애플리케이션들에서 고성능 디스플레이들을 제공할 수 있는 상용화된 진보된 기술이다. 이 기술의 중심에는 나노 크기이며 반도체 결정들인 양자점들에 기초한 픽셀들이 있다. 이러한 픽셀들은 대안적인 기술들에 비해 높은 컬러 순도 및 장기적인 재료 안정성을 제공한다. 양자점들의 내부 구조는 일반적으로 다른 디바이스들보다 우수한 전자적 및 광학적 성질들을 결정한다. 양자점들에 기초한 평면 패널 디스플레이들은 양자점들의 원하는 광학적 및 재료적 성질들을 이용하여 활발히 개발되고 있다. 광을 방출하는 데 양자점들을 사용하는 2개의 일반적인 메커니즘들이 있고, 이들은 광발광(photoluminescence; PL) 및 전계발광(electroluminescence; EL)이다. 광발광 메커니즘에서; 다른 광원으로부터의 광은 개별 양자점 픽셀들을 활성화한 다음, 활성화된 양자점들은 자신의 특징적인 컬러의 광을 방출한다. 가요성 및 신축성 디스플레이들에 대해 광발광 메커니즘을 사용하는 것은 가능하지 않다. 가요성, 신축성, 및 착용성 디스플레이들을 위해 부가적인 강성 층이 요구된다. 특정 패터닝 기술들(점탄성 스탬프들을 사용한 전사 인쇄)을 사용함으로써 연구에서 이러한 가요성 디스플레이들의 소수의 예들이 생산되지만, 이러한 기술들은 대형 가요성 디스플레이를 생산하도록 스케일링될 수 없다. 전계발광 메커니즘에서; 전류가 양자점들에 인가되고 양자점들을 활성화하여 자신의 특징적인 컬러의 광을 방출한다. 더 저렴하고 간단한 디바이스들의 사용을 가능하게 하는 전계발광 메커니즘을 이용하는 양자점들의 개발은 일부 단점으로 인해 종래 기술에 포함되지 않는 반면, 모든 상업용 디스플레이들이 광발광 메커니즘으로 동작한다. 예컨대, 전계발광 메커니즘으로 작동하는 양자점 디스플레이들의 생산은 어렵다. 여기서 어려운 점은 양자점들이 액체 용액 기반 프로세스에 의해 생산된다는 것이다. 반면, 전자 디스플레이들은 유리 또는 실리콘과 같은 평면 바닥 층 상의 표준 그리드 구조(픽셀들)의 사용을 요구한다. 결과적으로, 양자점들은 기존의 마이크로제작 기술들에 쉽게 통합될 수 없다.
최첨단 기술에서, 양자점 디스플레이 기술에 관한 중요한 요인들 중 하나는 한편으로 오염을 방지하면서, 다른 한편으로 표면 상에 고품질 및 고밀도 양자점 패턴들의 생성을 가능하게 하는 적합한 기술은 없다는 점이다. 양자점들이 종종 액체에 부유되는 나노입자들로서 생산되기 때문에, 이들은 종래의 전자 디바이스들에 쉽게 통합될 수 없다. 최첨단 기술에서; 각각의 컬러 픽셀이 개별적으로 어드레싱되도록 요구하고 - 여기서 다른 불순물들의 양은 특히 전계발광 양자점들에 기초한 디스플레이들의 추가 개발에서 무시해도 될 정도임 - , 양자점들로부터 미세 패턴(microscopic pattern)(예컨대, 픽셀 내에서 상이한 컬러들의 광을 방출하는 것을 담당하는 픽셀 또는 서브픽셀들)을 생성하는 신뢰할 수 있고 신속한 기술이 필요하다.
전계발광 양자점들로 표면을 패터닝하기 위한 3개의 메인 접근법들이 있다. 이들은, a) 양자점들과 혼합된 포토레지스트를 사용함으로써 수행되는 포토리소그래피, b) 점탄성 스탬프들을 사용함으로써 수행되는 전사 인쇄, 및 c) 잉크젯 인쇄로서 분류될 수 있다. 3개의 접근법들은 일부 단점들을 갖는다. 포토리소그래피 및 잉크젯 메커니즘들은 픽셀들 상에 잔여 유기 오염을 야기하며, 이는 광학 성능을 감소시킨다. 반면, 점탄성 스탬프들을 사용함으로써 수행되는 전사 인쇄는 대면적을 갖는 디스플레이에 대해 스케일링하기가 어렵다. 이러한 단점들로 인해 오염을 거의 야기하지 않는 대면적 패터닝 기술이 필요하다. 또한, 종래 기술에서, 포토리소그래피를 이용한 패터닝 방법들에서 포토레지스트 내부의 표면에 양자점들이 적용된다. 포토리소그래피 후에, 양자점들 및 포토레지스트 층 둘 모두가 표면 상에 남아 있으며, 이는 양자점의 광학 성능을 감소시킨다.
종래 기술에서 사용되는 다른 패터닝 방법인 전기수력학적 제트 인쇄 방법은 표면적으로 전기분무 이온화 방법과 유사하지만, 전기수력학적 제트 인쇄 방법에서 고전압이 양자점들을 함유하는 캐리어 액체를 표면에 직접 공급한다. 따라서, 캐리어 액체 자체 및 캐리어 액체에 존재해야 하는 다른 화학적 도핑 재료들이 양자점들과 함께 표면에 놓이게 된다. 캐리어 액체가 시간이 지남에 따라 증발하더라도, 이 프로세스 동안 표면 상에 이전에 남아 있던 구조들을 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 액체 유동 및 표면으로부터의 증발 동안 표면 상에서 생산되기를 원하는 패턴을 방해할 수 있다.
상용 양자점 디스플레이들은 광발광 메커니즘이 사용되기 때문에 무겁고 비싸다는 점, 상기 광발광 메커니즘은 양자점 층 외에 또 다른 광원 및 다수의 광학 층들, 및 액정 디스플레이들을 요구한다는 점, 전계발광 양자점들에 기초한 디스플레이의 경우 상이한 컬러들의 픽셀들 사이에 교차 오염이 발생하도록 하는 기술의 한계 및 미비들로 인해, 표면 상의 타겟팅된 미세 영역들에 선택적으로 양자점들을 패터닝하기 위한 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 원하는 유형의 발광 양자점들만을 포함하도록 원하는 서브픽셀들이 렌더링되는 디스플레이를 생산하기 위한 방법을 설명한다.
본 발명은 디스플레이 상에서 각각의 픽셀을 생성하는 각각의 서브픽셀 유형(바람직하게는 상이한 컬러들)의 활성 광학 구역이 원하는 유형의 양자점들로 구성되도록 양자점들을 함유하는 픽셀들로 구성된 이러한 디스플레이를 생산하고 또한, 상이한 서브픽셀 유형들 간의 교차 오염 및 각각의 서브픽셀에 대해 생산에 사용되는 화학 물질들로부터의 다른 오염들 둘 모두 최소화하도록 광학 표면 상의 타겟팅된 미세 영역들에 양자점들을 선택적으로 패터닝하기 위한 방법을 개시한다. 이 선택적 방법의 경우, 양자점들은 적절한 메커니즘에 의해 이온화되고, 이러한 이온들은 이온 렌즈에 의해 원하는 표면 상으로 이송된다. 사용되는 이온 렌즈들은 전압이 인가되는 전도성 디바이스(전도성 렌즈)일 수 있고, 전하들의 축적에 의한 이온 렌즈의 효과를 갖고 그 위에 패터닝된 표면을 갖는 절연체 디바이스(절연체 렌즈)일 수 있다. 이러한 절연체 렌즈는 바람직하게는, 그 위에 홀들이 있는 폴리머 층으로 실현될 수 있다. 이러한 방식으로 폴리머 층으로부터 생산된 렌즈는 폴리머 렌즈라 불린다.
본 발명의 일 실시예에서 패터닝된 홀들을 갖는 폴리머 층으로 구성된 절연체 렌즈는 기판 최상부에 배치되거나 직접 깔릴 수 있으며, 양자점들을 함유하는 액체 용액에 전기분무 이온화 프로세스가 적용되고 그리하여 전기적으로 하전된 양자점들을 생산한다. 전기분무 이온화 프로세스의 알려진 동작을 통해, 양자점들은 액체 및 다른 오염물들로부터 별개이고 자유로운 이온들로 변환된다. 이 프로세스 동안, 폴리머 층 상에 증착된 일부 양자점들을 포함하여 하전된 입자들 및 분자들을 통해 폴리머 층 상에 전하가 발현되고, 이에 따라 이 층은 인입하는 전기적으로 하전된 양자점들 대부분을 층 상의 홀들 내로 포커싱하는 전기장을 생성한다. 이런 방식으로, 원하는 픽셀 구역을 향해 양자점들을 포커싱하는 효과가 트리거된다. 따라서 프로세스의 종료 시에, 양자점들 대부분은 원하는 패턴에 따라 포커싱되고 폴리머 층에 의해 정의된 각각의 구멍의 중앙 내부에 증착된다. 또한, 상이한 패턴들 및 양자점들로 동일한 절차를 반복하는 것은 상이한 양자점들로 상이한 미세 필드들을 패터닝하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 포커싱 이온 렌즈는 양자점들을 기판 상의 특정 영역들로 끌어당기거나 밀어내기 위해 기판에 증착되거나 배치되는 전기적으로 어드레싱 가능한 전도성 마스크로 대체된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 포커싱 유전체 렌즈 및 양자점들의 전기분무 이온화 외에, 기판 상에 패터닝된 금속 전극들이 사용되며; 따라서 금속 전극의 전압 및/또는 전기 접지와 같은 전기 중화 저장소에 대한 연결은 인입하는 양자점들을 끌어당기거나 밀어내는 데 사용되고; 그리하여 픽셀 내부의 양자점들에 직접적인 전기적 연결을 제공하고, 또한 상이한 영역들에 상이한 유형의 양자점들을 증착하는데 더 적은 수의 폴리머 층들의 사용을 초래하는 다른 층 선택성을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자점들의 전기분무 이온화 외에 기판 상의 금속 전극들이 사용되어서; 전극의 전압 및/또는 전기 접지와 같은 전기 중화 저장소에 대한 연결이 양자점들을 끌어당기거나 밀어내는 데 사용되고; 그 결과로서, 픽셀 내부의 양자점들에 대한 직접적인 전기적 연결이 제공되고, 또한 초기 포커싱 프로세스를 위한 폴리머 층에 대한 필요성 없이 상이한 영역들에서 상이한 유형들의 양자점들을 수집하는 것에 대한 선택성이 제공된다.
본 발명의 목적은 패터닝되기를 원하는 표면 상에 직접 또는 그에 가까이 위치되는 전기분무 이온화 및 이온 렌즈들을 사용함으로써 전극들을 포함하는 타겟 픽셀들 상에 전계발광 양자점들을 직접 증착하는 것이다. 본 발명에 의해, 전계발광 양자점들은 전극들을 포함하는 타겟 픽셀들 상에 직접 증착될 수 있으며, 이러한 방식으로, 디스플레이가 크게 단순화될 수 있고 따라서 다수의 내부 층들이 양자점 디스플레이에 더 이상 필요하지 않다. 본 발명은 전기분무 이온화로 인해 용액에서 이탈되어 개별 입자들의 형태로 공기 중으로 확산되고 전하를 또한 띄게 되는 양자점들이 이온 렌즈를 사용함으로써 생성된 전기장을 통해 원하는 패턴 픽셀에 도달하도록 보장함으로써 이러한 목적을 달성한다.
본 발명의 다른 목적은 더 적은 교차 오염으로 전계발광 양자점들을 증착하는 것이다. 알려진 바와 같이, 전기분무 이온화 프로세스 동안, 증착될 재료를 운반하는 작은 액적들 내 액체 용매 분자들은 공기 중으로 증발하고, 이에 따라 증착될 재료만이 표면에 도달한다. 일부 경우들에서, 전기분무 이온화 프로세스를 안정화하기 위해 용액에 염들이 첨가될 수 있다. 이러한 염들이 아세트산암모늄과 같은 휘발성 산물로 변환될 수 있는 염들로부터 선택되는 경우에, 이러한 첨가제들은 또한 전기분무 프로세스 동안 공기 중으로 증발하여서, 표면 상에서 염들로부터의 어떠한 오염도 발생하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 의해, 더 적은 교차 오염으로 전계발광 양자점들이 증착되고 그리하여 디스플레이 성능 및 각각의 픽셀의 성능 둘 모두를 개선하는데, 그 이유는 각각의 컬러의 양자점들이 상이한 이온 렌즈로 표면 상의 상이한 지점들로 송신될 수 있기 때문이다. 전기분무 이온화를 통해, 이온 렌즈에 의해 원하는 픽셀들로의 분자들 및 용매 액적들 내 정제된 양자점들의 선택적 전달은 본 발명이 이러한 목적을 달성하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 목적은 거리를 두고 필요한 경우, 여러 소스들로부터 병렬로, 전기분무 이온화 프로세스를 이온 렌즈를 포함하는 표면에 적용하고, 그리하여 생산 방법의 속도를 증가시키는 것이다. 본 발명은 여러 개의 전기분무 이온화 팁들에 의해 동일한 양자점 용액을 동시에 동작시킴으로써 이러한 목적을 달성한다.
본 발명의 다른 목적은, 양자점들에 기초한 대규모 디스플레이들을 생산하고 가용성, 신축성, 및 착용 가능한 디스플레이들의 사용을 가능하게 하기 위해, 패터닝된 표면의 강성 구조 대신 가요성 구조를 갖는다. 본 발명에서, 선택적으로 양자점들은 대면적 상에 증착될 수 있고 이에 따라 대형의 가요성 디스플레이들이 생산될 수 있다. 본 발명에서, 이 목적은 양자점들이 함유된 액체로부터 하전된 양자점들의 전기분무 이온화, 및 이온 렌즈에 의해 생성된 전기장에서 그의 전하들의 배향으로 인해 증착 동안 기판을 평면으로 유지하고 그 후 표면 재료 내 이온들을 끌어당겨 전하들을 중화시킬 수 있고 선택적으로 신축성일 수 있는 표면 재료를 사용하여 개별적으로 어드레싱되는 픽셀들에 원하는 양자점들을 전달함으로써 달성된다.
도 1은 전기분무 이온화의 일반적인 뷰 및 절연체 렌즈에 의해 어드레싱된 전극들 상에 양자점들을 증착하는 방법을 예시한다.
도 2는 절연체 렌즈의 포커싱 효과와 함께 전기분무 증착 활동에 의해 양자점들이 증착되는 생산 단계의 결과로서 양자점들의 단면도를 예시한다.
도 3은 양자점 디스플레이 디바이스의 어드레싱 가능한 증착을 완료하는 제작 단계의 결과로서 표면의 단면도를 예시하며, 여기서 패터닝된 홀들의 중심으로의 양자점들의 부가적인 포커싱이 보여질 수 있다.
도 4는 어드레싱 전극들이 사용되지 않을 때 제안된 제작 방법의 결과로서 양자점들의 증착의 단면도를 예시한다.
도 5는 본 발명의 생산 방법에 의해 생성될 디바이스들의 예로서 투명 기판 및 투명 어드레싱 전극들을 갖는 양자점 디스플레이의 단면도를 예시한다.
도 6은 본 발명의 생산 방법에서 명백한 변화들이 가해진 경우, 전자 또는 홀 수송(이송) 층들의 기존 패턴들을 갖는 표면들에도 절연체 렌즈를 사용하여 양자점들을 적절하게 패터닝하는 프로세스에 의해 형성될 수 있는 디스플레이 디바이스의 단면도를 예시한다.
도 7은 상이한 이온 렌즈들의 순차적 사용에 의해 개개의 절연체 마스크에 의해 결정되는 구역들에 상이한 유형들의 양자점들의 증착 프로세스를 예시한다(각각의 유형의 양자점이 원하는 위치에 증착된 후, 절연 마스크가 제거되고, 다음 유형의 양자점들에 대해 적합한 새로운 절연 마스크가 깔림).
도 8은 투명 전극들 및 투명 기판을 포함하는 디스플레이 디바이스를 생산하기 위해 기판 상의 상이한 위치들에 증착될 수 있는 상이한 유형들의 양자점들의 패터닝 프로세스를 예시한다.
도 9는 본 발명의 생산 방법에 의해 형성될 수 있는 디바이스들의 예로서 각각이 3개의 상이한 유형들의 양자점들의 증착에 의해 형성된 3개의 서브픽셀들로 구성된 5개의 픽셀들을 갖는 디스플레이 디바이스의 일부의 평면도 및 2개의 단면도들을 예시한다.
도 10은 본 발명의 생산 방법에 의해 형성될 수 있는, 양자점들의 선택적 패터닝을 위한 가요성 기판 및 최상부-코팅 절연체 렌즈의 등각도를 예시한다.
도 11은 패터닝 프로세스 후 가요성 기판 상에 배치된 증착된 양자점들을 예시한다.
도 12는 시간이 지남에 따라 재료가 손실되는 (희생) 기판으로부터 이송 기판으로 픽셀들을 이송하는 프로세스를 예시한다.
도 13은 전도성 렌즈를 이용함으로써 양자점들의 증착의 생산 방법을 예시하며, 여기서 정전 렌즈에 바이어싱 전압을 인가함으로써 양자점의 포커싱이 달성된다.
도 14는 패터닝된 독립형 전도성 렌즈를 사용함으로써 양자점들의 증착의 생산 방법을 예시한다.
도 15는 여전히 표면 상에 있는 절연체 렌즈와 함께, 제안된 방법에 의해 표면 상에 증착된 직경 100nm의 형광 폴리스티렌 나노입자들의 현미경 뷰를 예시한다.
본 발명의 요소들/부분들/ 구성요소들에 대한 설명
본 발명에 따라 개발된 방법을 더 잘 설명하기 위해 도면들에서의 부분들 및 구성요소들이 열거되어 있으며, 각각의 번호의 대응성은 아래와 주어진다:
1. 전기분무 이온화 팁
2. 절연체 렌즈
3. 절연체 렌즈 내 패턴화된 개구들
4. 전극
5. 기판
6. 양자점들을 함유한 액체 용액
7. 용액 내 양자점들
8. 기판 상에 증착된 양자점들
9. 기판을 포커싱함으로써 증착된 양자점들
10. 입자들의 포커싱에 대응하는 거리
11. 고전압 소스
12. 투명 전극
13. 투명 기판
14. 전자 또는 홀 운송 층
15. 본 발명에 의한 양자점들의 제1 컬러의 증착을 위한 폴리머 렌즈
16. 본 발명에 의한 양자점들의 제2 컬러의 증착을 위한 폴리머 렌즈
17. 본 발명에 의한 양자점들의 제3 컬러의 증착을 위한 폴리머 렌즈
18. 전극들의 어드레스 연결
19. 서브픽셀들을 갖는 디스플레이
20. 가요성 기판
21. 희생 기판
22. 이송 기판
23. 전도성 렌즈
24. 전도성 렌즈에 대한 바이어스 전압
25. 독립형 이온 렌즈
도 2는 절연체 렌즈의 포커싱 효과와 함께 전기분무 증착 활동에 의해 양자점들이 증착되는 생산 단계의 결과로서 양자점들의 단면도를 예시한다.
도 3은 양자점 디스플레이 디바이스의 어드레싱 가능한 증착을 완료하는 제작 단계의 결과로서 표면의 단면도를 예시하며, 여기서 패터닝된 홀들의 중심으로의 양자점들의 부가적인 포커싱이 보여질 수 있다.
도 4는 어드레싱 전극들이 사용되지 않을 때 제안된 제작 방법의 결과로서 양자점들의 증착의 단면도를 예시한다.
도 5는 본 발명의 생산 방법에 의해 생성될 디바이스들의 예로서 투명 기판 및 투명 어드레싱 전극들을 갖는 양자점 디스플레이의 단면도를 예시한다.
도 6은 본 발명의 생산 방법에서 명백한 변화들이 가해진 경우, 전자 또는 홀 수송(이송) 층들의 기존 패턴들을 갖는 표면들에도 절연체 렌즈를 사용하여 양자점들을 적절하게 패터닝하는 프로세스에 의해 형성될 수 있는 디스플레이 디바이스의 단면도를 예시한다.
도 7은 상이한 이온 렌즈들의 순차적 사용에 의해 개개의 절연체 마스크에 의해 결정되는 구역들에 상이한 유형들의 양자점들의 증착 프로세스를 예시한다(각각의 유형의 양자점이 원하는 위치에 증착된 후, 절연 마스크가 제거되고, 다음 유형의 양자점들에 대해 적합한 새로운 절연 마스크가 깔림).
도 8은 투명 전극들 및 투명 기판을 포함하는 디스플레이 디바이스를 생산하기 위해 기판 상의 상이한 위치들에 증착될 수 있는 상이한 유형들의 양자점들의 패터닝 프로세스를 예시한다.
도 9는 본 발명의 생산 방법에 의해 형성될 수 있는 디바이스들의 예로서 각각이 3개의 상이한 유형들의 양자점들의 증착에 의해 형성된 3개의 서브픽셀들로 구성된 5개의 픽셀들을 갖는 디스플레이 디바이스의 일부의 평면도 및 2개의 단면도들을 예시한다.
도 10은 본 발명의 생산 방법에 의해 형성될 수 있는, 양자점들의 선택적 패터닝을 위한 가요성 기판 및 최상부-코팅 절연체 렌즈의 등각도를 예시한다.
도 11은 패터닝 프로세스 후 가요성 기판 상에 배치된 증착된 양자점들을 예시한다.
도 12는 시간이 지남에 따라 재료가 손실되는 (희생) 기판으로부터 이송 기판으로 픽셀들을 이송하는 프로세스를 예시한다.
도 13은 전도성 렌즈를 이용함으로써 양자점들의 증착의 생산 방법을 예시하며, 여기서 정전 렌즈에 바이어싱 전압을 인가함으로써 양자점의 포커싱이 달성된다.
도 14는 패터닝된 독립형 전도성 렌즈를 사용함으로써 양자점들의 증착의 생산 방법을 예시한다.
도 15는 여전히 표면 상에 있는 절연체 렌즈와 함께, 제안된 방법에 의해 표면 상에 증착된 직경 100nm의 형광 폴리스티렌 나노입자들의 현미경 뷰를 예시한다.
본 발명의 요소들/부분들/ 구성요소들에 대한 설명
본 발명에 따라 개발된 방법을 더 잘 설명하기 위해 도면들에서의 부분들 및 구성요소들이 열거되어 있으며, 각각의 번호의 대응성은 아래와 주어진다:
1. 전기분무 이온화 팁
2. 절연체 렌즈
3. 절연체 렌즈 내 패턴화된 개구들
4. 전극
5. 기판
6. 양자점들을 함유한 액체 용액
7. 용액 내 양자점들
8. 기판 상에 증착된 양자점들
9. 기판을 포커싱함으로써 증착된 양자점들
10. 입자들의 포커싱에 대응하는 거리
11. 고전압 소스
12. 투명 전극
13. 투명 기판
14. 전자 또는 홀 운송 층
15. 본 발명에 의한 양자점들의 제1 컬러의 증착을 위한 폴리머 렌즈
16. 본 발명에 의한 양자점들의 제2 컬러의 증착을 위한 폴리머 렌즈
17. 본 발명에 의한 양자점들의 제3 컬러의 증착을 위한 폴리머 렌즈
18. 전극들의 어드레스 연결
19. 서브픽셀들을 갖는 디스플레이
20. 가요성 기판
21. 희생 기판
22. 이송 기판
23. 전도성 렌즈
24. 전도성 렌즈에 대한 바이어스 전압
25. 독립형 이온 렌즈
본 발명은 전계발광 및/또는 광발광 양자점들에 기초한 광학 디스플레이들 및 전자/전기광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법에 관한 것이다. 상기 패터닝 방법은 광전지 메커니즘에 의해 광을 전기 에너지로 변환하는 나노입자들 및 광열 효과(photothermal effect)로 광을 전기 에너지로 변환하는 나노입자들을 원하는 표면 상에 패터닝하는 데 사용될 수 있다.
본 발명에서, 표면 상의 원하는 위치에 각각의 컬러의 양자점들을 깔아 놓음(laying)으로써 서브픽셀들을 형성하도록 도 1에서와 같은 메커니즘이 확립된다. 본 발명의 주제인 양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산에서 패터닝 방법은 다음 프로세스 단계들을 포함한다:
i. 전류의 송신을 용이하게 하는 전극들 및/또는 부가적인 재료들이 이전에 처리된 기판 상에 이온 렌즈를 형성할 재료를 까는 단계,
ii. 패터닝에 의해 이온 렌즈를 형성할 재료 상에 원하는 서브픽셀 패턴을 홀들의 형태로 형성하고, 표준 정렬 방법들을 이용하여, 가계가공된 전극들 상에 서브픽셀을 정의하는 홀들을 정렬함으로써 이온 렌즈를 획득하는 단계,
iii. 양자점들을 함유하는 액체 용액을 전기분무 이온화의 프로세스를 거쳐 패터닝되기를 원하는 표면으로 전송함으로써 다른 재료들로부터 순수하고 분리된 방식으로 공기 중에서 전기적으로 하전된 양자점들을 형성하는 단계,
iv. 전기력에 의해 서브픽셀을 정의하는 홀들을 통해 양자점들을 포커싱하고, 그리하여 이온 렌즈가 절연체 렌즈인 경우 축적된 전하들에 의해, 그리고 이온 렌즈가 전도성 렌즈인 경우 인가된 전위에 의해, 원하는 전극들 상에 양자점들 대부분을 패터닝하는 단계,
v. 적합한 용제, 연마제 또는 부식제에 의해, 기판 표면으로부터 이온 렌즈로서 작용하는 층을 제거하는 단계,
vi. 적절한 패턴을 사용함으로써 사용되기를 원하는 각각의 상이한 유형의 양자점에 대해 이전 프로세싱 단계들을 반복하는 단계.
상기 패터닝 방법에 의해 기판 표면 상의 전극들 상에 다양한 유형들의 양자점들이 원하는 대로 패터닝될 수 있다. 위에 나열된 단계들 (i-vi)은 본 발명 방법의 메인 코어를 구성한다. 이러한 단계들의 이점은 다른 알려진 방법들과 달리, 양자점들이 기판 표면 상의 원하는 위치들에만 패터닝된다는 것이다.
이러한 메인 단계들 외에도, 상이한 단계들이 또한 방법에 포함될 수 있다. 특히 전계발광 양자점들을 함유하는 디스플레이들에 다수의 상이한 층들이 있으며 이러한 다른 층들은 표준 방법들을 사용함으로써 위에서 언급된 단계들 (i-vi) 이전 또는 이후에 상이한 조합들로 생산될 수 있다. 분명히, 본 발명에 의해 제공되는 메인 단계들 (i-vi)에 의해 원하는 위치들에 패터닝된 양자점들 외에도 디스플레이를 생산하기 위해 상이한 순서들의 표준 방법들의 모든 조합들이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 패터닝 방법의 단계들 (i-vi) 외에, 원하는 경우, 전계발광 양자점 디스플레이 방법에서 사용되는 전자 이송 층(예컨대, 아연 산화물(ZnO) 또는 마그네슘 아연 산화물(MgZnO) 나노입자들)이 또한 본 발명의 방법에 의해 패터닝될 수 있다. 이러한 부가적인 패터닝을 수행하기 위해, 앞서 언급된 단계들 (ii) 및 (iii) 사이에 다음 단계가 수행된다:
a. 전자 이송 층 기능을 갖는 나노입자들을 함유하는 용액에 전기분무 이온화 프로세스를 적용하고, 이 단계에서 양자점들에 대해 사용되도록 이온 렌즈를 이용함으로써 기판 표면 상에 나노입자들을 패터닝하는 단계.
따라서, 기판 표면 상에 양자점들이 패터닝되기 전에, 전자 이송 층이 또한 동일한 영역들에 미리 패터닝한다. 이러한 추가의 이점은 오버랩될 필요가 있는 2개의 상이한 층들이 동일한 이온 렌즈를 반복적으로 사용함으로써 자동으로 정렬된다는 것이다.
본 발명의 실시예에서, 양자점들이 준비된 표면에 전송되기 이전에,
다음의 프로세스 단계가 수행된다:
a) 전기분무 이온화에 의해, 아연 산화물(ZnO), 마그네슘-도핑 아연 산화물(Mg-doped ZnO) 및 전자 이송 층으로서 작용하는 양자점들로의 전자 흐름을 촉진하는 특징을 갖는 나노입자들을 표면에 전송하는 단계,
b) 이온 렌즈에 의한 전기력에 의해 서브픽셀을 정의하는 홀들을 통해 나노입자들을 포커싱하고 그리하여 원하는 전극들 상에 양자점들 대부분을 패터닝하는 단계.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전자 이송 층은 상이한 방법에 의해 동일한 기판 표면 상에 미리 패터닝될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서; 상기 방법에서, 전자 이송 층 대신에, 상이한 재료, 예컨대, 홀 이송 층이 양자점들을 패터닝하는 데 사용될 수 있다.
양자점들은 전자 이송 층 상의 원하는 위치들에 패터닝된 후, 본 발명의 방법에 의해 표준 프로세스들로 디스플레이의 생산이 완료될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 패터닝 방법 이후;
b. 스핀 코팅 장치를 이용하여 적합한 가스 환경에 홀 이송 층을 까는 단계,
c. 홀 주입 층을 증착하는 단계,
d. 형성된 이 스택 상의 전극들과 기판을 결합하는 단계의 프로세스 단계를 적용함으로써,
단색 또는 다색 디스플레이가 생산된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 디스플레이 생산에 대한 표준으로서 사용되는 임의의 다른 방법이 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 사용된 이러한 층들 외에도, 전계발광 양자점 기술의 표준으로서 사용되는 홀 주입 층은, 바람직하게는 스핀 코팅으로 증착함으로써 이 생산 프로세스에 포함될 수 있다.
본 발명의 방법에서 언급된 상기 전기분무 이온화는, 양자점들을 함유하는 용액을 팁에 전달한 후 팁에 고전압을 인가함으로써 팁으로부터 전기적으로 하전된 작은 액적들을 형성하고, 이 액적들이 공기를 통해 이동하면서 증발하고, 결국 레일리 핵분열 현상을 겪은 결과로서 수축함으로써 공기 중에서 전기적으로 하전된 개별 양자점들이 형성되고, 이 양자점들은 전기분무 이온화 팁의 팁에 비해 더 낮은 전위에서 홀딩되는 기판을 향해 이동하는 프로세스이다.
상기 패터닝 방법의 가장 큰 이점은 낮은 오염으로 원하는 장소들에의 양자점들의 증착 및 전기분무 이온화 및 절연체 렌즈의 조합이다. 포토리소그래피를 이용하는 이전 방식에서, 포토레지스트 내부 표면에 양자점들이 적용되었다. 포토리소그래피 이후, 양자점들 및 포토레지스트 층 둘 모두가 표면 상에 남아 있으며, 이는 양자점들의 광학 성능을 감소시킨다. 본 발명에 설명된 방법에서, 포토레지스트 및 양자점들이 서로 분리된다. 따라서 원하는 패턴으로 표면에 포토레지스트를 적용하는 동안, 특정 거리로부터의 전기분무 이온화에 의해 표면으로 양자점들이 전송되고, 전기분무 이온화의 프로세스에서, 공기 중에 자유롭고 낮은 오염 양자점들이 형성되며, 양자점들이 표면에 접근함에 따라, 양자점들은 포토레지스트 층의 절연체 렌즈 특징에 의해 원하는 홀들에 삽입된다.
본 발명에서 제안하는 방법에서, 양자점들을 운반하는 액체가 전기분무 이온화를 생성하는 팁으로부터 기판 표면을 향해 이동하면서 증발하고, 이에 따라 표면에 도달되지 않는다. 전기분무 이온화 프로세스를 보다 효과적으로 만들기 위해(예컨대, 용액의 전도율을 증가시킴으로써 전기분무 이온화에 의해 생산된 제1 액적들의 크기를 감소시킬 목적으로) 캐리어 액체에 다양한 염들을 첨가할 필요가 있을 수 있다. 이러한 염들이 휘발성 염들, 바람직하게는 아세트산암모늄 또는 중탄산암모늄으로부터 선택되는 경우에, 이들 염들은 전기분무 이온화 후 가스상으로 공기 중에 방출되기 때문에, 이는 양자점들을 까는 관점에서 매우 낮은 오염을 제공한다.
본 발명에서, 전극들 및 기판은 투명할 수 있고, 불투명 재료로 만들어질 수 있다. 상이한 애플리케이션들에서 상이한 광학적 성질들을 가진 재료들을 사용함으로써 동일한 생산 프로세스가 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이온 렌즈의 재료는 전도성 또는 절연성일 수 있다. 이온 렌즈가 전도성인 경우, 전기분무 이온화에 의해 원하는 위치로 전송된 입자들을 포커싱하기 위해 이온 렌즈에 전압이 인가될 수 있다. 이 경우에 사용되는 이온 렌즈는 임의의 전도성 재료(예컨대, 임의의 금속 또는 전도성 요소들 이를테면, 탄소)로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이온 렌즈는 기판 상에 또는 전기분무 이온화 팁과 기판 사이에 포지셔닝될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이온 렌즈 재료는 절연성일 수 있다. 임의의 방법에 의해 절연체 층 상에 원하는 치수들의 홀들이 개방되는 한, 상기 포커싱 기능을 수행할 수 있는 구조가 획득된다. 절연체 이온 렌즈 재료는 폴리머, 알루미나 또는 세라믹 등의 재료 이를테면, 실리콘 이산화물로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 표면 상에, 전자 이송 층 대신에, 홀 이송 층과 같은 일반 디바이스 아키텍처의 다른 층이 또한 발견될 수 있다. 또한, 이러한 층들이 전기분무 이온화 이외의 방법에 의해 표면 상에 패터닝된다는 사실은 생산 프로세스에 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 기판(5) 상의 이온 렌즈에 의해 결정되는 특정 영역(서브픽셀)에 양자점들을 패터닝하기 위한 방법이 제공된다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 양자점들을 함유하는 액체 용액(6)은 전기분무 이온화 팁(1) 내부에 배치된다. 이 팁은 또한 미세유체 채널을 가질 수 있으며, 양자점을 함유하는 액체 용액(6)은 상기 미세유체 채널에 의해 이온화 팁(1) 내부에 배치될 수 있다. 양자점들을 함유하는 액체 용액(6)은 물, 메탄올, 에탄올, 다른 알코올들, 아세토니트릴, 클로로포름, 헥산, 옥탄, 다른 알칸들 및 다른 유기 용매들을 포함하여(그러나 이에 제한되지 않음), 전기분무 이온화에 적합한 임의의 용매로 형성될 수 있다. 전기분무 이온화 프로세스를 용이하게 하기 위해 아세트산암모늄과 같은 염들, 아세트산과 같은 산들, 암모니아와 같은 염기들과 같은 휘발성 첨가 화학물질들이 용액에 첨가될 수 있다. 용액이 전기분무 이온화 팁(1)에 첨가된 후, 전기분무 이온화를 트리거하기 위해 팁과 팁 근처의 상대 전극(4) 사이에 전위차가 생성된다. 이 상대 전극(4)은 기판(5) 자체일 수 있거나, 예컨대, 링과 같은 중앙 홀을 사용하여 팁들로부터 이온들을 제거하는 데 사용되는 임의의 다른 적합한 전극 - 이는 이온들의 통과를 방해하지 않음 - 일 수 있다. 전기적 차이를 생성하는 하나의 방법은 고전압 소스(11)로 용액 또는 전기분무 팁(1)에 고전압을 인가하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 패터닝된 홀들을 갖는 절연체 층이 기판(5) 상에 배치되고, 여기서 양자점들의 특정 패턴이 생성될 것이다. 패터닝된 홀들을 갖는 절연체 층은 도 1에 도시된 바와 같은 절연체 렌즈(2)를 갖는다. 여기서, 절연체 렌즈(2)는 포토리소그래피에 의해 정의된 홀들을 갖도록 기판(5) 상의 스핀 코팅에 의해 증착될 수 있는 임의의 유형의 포토레지스트일 수 있거나, 다른 미세제작 방법들로 홀들이 기계가공되어 있고 그 후 표면 상에 배치된 절연체 재료일 수 있다. 전기분무 이온화에 의해 생산되고 이 폴리머 층에 부딪히는 전기적으로 하전된 입자들은 표면 상의 전하의 축적을 트리거하고 폴리머 층을 이온 렌즈로 효과적으로 변환한다. 결과로서, 인입하는 양자점들 대부분은 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리머 층의 홀들의 중앙 부분 상에 생성된 전기장에 의해 포커싱된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 패터닝된 양자점들(9) 대부분이 정전 포커싱으로 인해, 절연체 렌즈의 홀들의 경계를 넘어 일정 거리(10)에 위치되는 경우, 기판 상의 최종 패터닝은 폴리머 렌즈의 오리지널 패턴보다 좁아질 수 있다. 이 포커싱 방법의 이점은 픽셀 크기가 또한 절연체 렌즈 상의 홀들의 크기보다 작고 그리하여 픽셀 밀도를 증가시킬 수 있다는 것이다. 원하는 양자점들이 배치된 후, 증착된 양자점들을 제거하지 않고 용해, 화학적 또는 플라즈마 에칭과 같은 적합한 프로세스에 의해 폴리머 층이 제거될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기분무 팁(1)에는 전기분무 이온화를 용이하게 하기 위해 분무화 가스, 차폐 가스 및 건조 가스와 같은 부가적인 구성요소들이 제공될 수 있다. 전기분무 이온화의 유형(예컨대, 온라인 또는 오프라인, nano-ESI 등) 외에도, 전기분무 이온화의 극성(예컨대, 포지티브 모드 또는 네거티브 모드)은 임의의 증착 스테이지에서 양자점들 및 기판들의 성질들과 매칭되도록 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전기분무 이온화를 위해, 팁 대신 임의의 기판 또는 채널을 사용하여 임의의 전도성 재료에 용액을 배치함으로써 전기분무 이온화가 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이온들을 포커싱하기 위해 활용되는 절연체 렌즈는 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)와 같은 전자빔 리소그래피(EBL) 저항기(레지스트 재료)일 수 있으며, 패턴은 EBL 프로세스로 생성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이온들을 포커싱하는 데 사용되는 절연체 렌즈는 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 소프트 리소그래피에 적합한 폴리머일 수 있으며, 패턴은 소프트 리소그래피에 의해 생성된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이온 렌즈는 패터닝된 미세 홀들을 갖는 전도성 또는 반도체성 고체이며, 이는 직접 접촉에 의해 또는 마스크 정렬기를 사용하거나 외부 포지셔닝 시스템을 사용하여 기판 최상부에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이온 렌즈는 기판과 접촉되지 않고, 이온 렌즈는 기판의 표면 품질이 손상되지 않도록 최대 10 cm의 거리를 두고 기판 최상부에 배치되기도 하며, 이온 렌즈 상의 치수들보다 작은 치수를 갖는 패턴들이 기판과 이온 렌즈 사이의 추가 공간에 의해 획득된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이온 렌즈를 형성할 재료는 임의의 미세제작 방법에 의해 획득되는 절연체 또는 전도성 폴리머일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 양자점들의 전기분무 패터닝의 프로세스를 용이하게 하기 위해, 기판(5)은 미리 패턴화된 전극(4)을 포함하며, 이 미리 패턴화된 전극(4)은 자체로 양자점에 대한 전기적 연결로서 그리고 인입하는 전기적으로 하전된 양자점들의 방전이 수행되는 전도성 표면으로서 존재하고 절연체 렌즈(2)와 정렬된다.
본 발명의 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(5)이 생산 동안 어떠한 미리 패터닝된 전극들도 포함하지 않을 때 도 4의 재료의 스택이 획득될 수 있다. 참고로, 양자점들의 패터닝 및 포커싱은 일반적으로 절연체 렌즈(2)의 정전기적 반발력 및 이에 따른 인입하는 이온들의 포커싱에 의해 수횅된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 투명 기판(13) 및 투명 전극(12)이 사용될 때에도 생산이 수행될 수 있는데 그 이유는 이온들을 포커싱하는 프로세스는 재료들이 불투명한지 아니면 투명한지에 의존하지 않기 때문이다. 다른 실시예들에서, 투명/불투명 기판들/전극들의 임의의 조합이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 전계발광을 트리거하기 위해 양자점들로의 전하 운송을 촉진할 수 있는 전자 운송 층(ETL) 및 홀 운송 층(HTL)과 같은 재료들은 양자점들이 증착되기 이전에 미리 패터닝된다. 본 발명의 다른 실시예에서, ETL 또는 HTL 층들은 미리 패터닝된 전극들 상에 증착되는 반면, 다른 실시예에서, ETL 및 HTL 층은 기판 상에 직접 패터닝된다. ETL 및 HTL 층의 패터닝은 본 발명에 언급된 전기분무 이온화 및 절연체 렌즈를 사용함으로써, 또는 ETL 및 HTL 재료들을 패터닝하는 데 적합한 임의의 다른 방법에 의해 수행될 수 있다. 전계발광 양자점들에 관련하여 표준으로서 활용되는 홀 주입 층이 또한 HTL 층과 순차적으로 패터닝될 수 있다는 것이 자명하다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 상이한 영역들에서 상이한 유형들의 양자점들을 패터닝할 목적으로, 상이한 폴리머 렌즈 및 상이한 유형의 양자점을 사용함으로써 동일한 기판 상에서 프로세스가 반복된다. 기판 상의 정렬 마커들은 상이한 층들을 서로에 대해 정렬하는 데 사용될 수 있다. 도 8은 기판 및 전극들 둘 모두가 투명한 실시예를 예시한다. 다른 실시예들에서, 투명/불투명 기판들/전극들의 임의의 조합이 사용될 수 있다는 것이 명백하다. 각각의 증착 단계에서의 양자점들은 이들이 방출하는 광의 컬러에서 차이가 날 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명은 상이한 컬러들의 서브픽셀들로 구성된 양자점 기반 픽셀들을 패터닝하고 다색 디스플레이 디바이스들을 생산하도록 허용한다.
본 발명의 또 다른 설명에서, 단 하나의 절연체 렌즈만이 사용되고, 도 9에 도시된 바와 같이, 전극들의 전압을 전기적으로 제어함으로써 원하는 전극들 상에 상이한 유형들의 양자점들이 순차적으로 증착된다. 제1 유형의 양자점들은 전기분무되는 반면, 접두사 R로 표시된 전극들은 인입하는 R 유형 하전된 양자점들을 끌어당기도록 적절한 전압 레벨로 홀딩될 수 있는 한편, 접두사들 G 및/또는 B로 표시된 다른 전극들은 R 유형 양자점들을 밀어내도록 상이한 전압 레벨들로 홀딩될 수 있거나 이들은 전기적으로 부동 상태로 남겨질 수 있다. 예컨대, 전기분무의 포지티브 모드가 사용되어 양으로 하전된 양자점들을 생성하는 경우, 접두사 R을 갖는 전극들은 음의 전압 레벨 또는 접지 전압에서 홀딩될 수 있는 반면, 접두사 G 및/또는 B로 라벨링된 전극들은 양의 전압 레벨들에서 홀딩된다. R 유형 양자점들의 증착이 마무리되면, 다른 유형들의 양자점들로 동일한 절차가 반복되고 전극들 상의 전압들을 상응하게 재조정한다. 이 경우에, 유형 G 양자점들이 전기분무될 때, 접두사 G로 라벨링된 전극들 상의 전압들은 인입하는 양자점들을 끌어당기도록 조정되는 반면, 접두사 R 및/또는 B로 라벨링된 전극들 상의 전압들은 밀어내도록 조정된다. 마찬가지로, 유형 B 양자점들이 전기분무될 때, 접두사 B로 라벨링된 전극들 상의 전압들은 인입하는 양자점들을 끌어당기도록 조정되는 반면, 접두사 R 및/또는 G로 라벨링된 전극들 상의 전압들은 밀어내도록 조정된다.
도 9에서, 픽셀들을 제어하는 전극들이 기판 상에 있는 것으로 예시되지만, 본 발명의 실시예들의 레이아웃은 디스플레이들 및 디바이스들의 생산에 적합한 임의의 다른 형태를 가질 수 있다는 것이 명백하다. 특히, 전극들은 기판을 통과하고 기판의 반대 측에 있는 다음 회로에 대한 전기적 연결들을 만들 수 있다. 이러한 방식으로, TSV(through Silicon Via) 방법과 같은 알려진 기술들이 또한 픽셀들에 대한 전자적 연결들을 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서; 양자점들의 선택적 패터닝은 절연체 렌즈를 사용하지 않고 단지 금속 전극들 상의 적합한 전압들의 인가에 의해 이온들을 끌어당기고/밀어냄으로써 달성된다. 이 실시예에서, 금속 전극들에 의해 커버되지 않은 기판 상에 소량의 불특정 증착이 예상된다. 그러나 이러한 영역들의 양자점들은 전자적 연결들의 결핍으로 인해 부동으로(passive) 유지될 것이고, 이러한 양자점들의 존재는 디바이스의 동작을 방해하지 않을 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 기판은 단단한 고체가 아니라 가요성 및/또는 신축성 및/또는 착용 가능한 재료이다. 양자점들의 증착 동안, 도 10에 예시된 바와 같이, 가요성 기판(20)은 평평한 채로 유지되고 절연체 렌즈(2)가 그 위에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 절연체 렌즈는 포토레지스트일 수 있고, 배치는 스피닝, 유기 열 증발 또는 드롭 캐스팅에 의해 수행된다. 다른 실시예에서, 절연체 렌즈는 미세 패턴들을 갖는 고체 구조이고 가요성 기판의 위 또는 최상부와 접촉하여 배치된다. 증착 후, 가요성 기판은 도 11에 도시된 바와 같이 기계적으로 변형될 수 있고, 기판 상의 패터닝된 양자점들(8)은 기계적 변형에 부합할 것이다. 분명히, 가요성 기판들에 적합한 금속 전극들은 픽셀들을 전기적으로 어드레싱하기 위해 보완될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 픽셀들은 적절한 렌즈를 사용함으로써 희생 기판(21) 상에 초기에 증착된다. 그 후 희생 기판은 증착된 픽셀들을, 고체 또는 가요성의 절연체 또는 전도성이거나 어드레싱 가능한 전극들일 수 있는 다른 원하는 이송 기판(22) 상에 전사하는 데 사용된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전사는 포스 스탬핑, 열 전사, 나노임프린팅, 핫 엠보싱과 같은 임의의 적합한 방법들을 통해 수행될 수 있다. 희생 기판은 픽셀 전사 후 박리, 용해 또는 부식성 가스 에칭과 같은 물리적 또는 화학적 방법들에 의해 제거된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 13에 예시된 바와 같이, 하전된 양자점들의 이온 포커싱은 적합한 전압(24)으로 이를테면, 전기분무 이온화(11)를 생성하는 데 사용되는 전압의 프랙션(fraction)으로 유지되는 전도성 렌즈(23)에 의해 수행된다. 일 실시예에서, 전도성 렌즈는 기판 구역의 최상부에 증착되고 표준 마이크로/나노 제조 프로세스들을 사용함으로써 패터닝된 금속 또는 반도체 층일 수 있다. 다른 실시예에서, 전도성 렌즈는 도 14에 도시된 바와 같이 기판 약간 위에(최대 10cm에 필적함) 배치된 독립형 금속 또는 반도체 조각일 수 있다.
다른 실시예에서, 양자점들 대신 광학 기능들을 갖는 다른 나노 크기 입자들이 또한 광학 디스플레이들, 광전자 디바이스들, 태양 전지 패널들 등을 생산하는 데 사용될 수 있다. 광전지 또는 열전 재료들은 태양 전지 패널들을 생산하기 위해 전기분무 이온화 및 이온 포커싱을 사용함으로써 증착된다. 이런 방식으로 광을 전기로 변환할 수 있고 종래의 미세 조작 기술로 기판 상에 증착하기 어려운 마이크로- 및 나노-크기 재료들이 또한 패터닝될 수 있다. 따라서, 나노 및 마이크로-크기 모듈로부터 이러한 재료들을 형성하는 이점들, 예컨대, 광에 의해 분리된 전자 및 홀 쌍이 재료 내 재결합 없이 재료 표면에 도달하고 전기 에너지 변환을 제공한다는 이점들이 활용될 것이다.
Claims (23)
- 양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법으로서,
i. 전류의 송신을 용이하게 하는 전극들 및/또는 부가적인 재료들이 이전에 패터닝된 기판 상에 이온 렌즈를 형성할 재료를 증착하는 단계,
ii. 패터닝에 의해 상기 이온 렌즈를 형성할 재료 상에 원하는 서브픽셀 패턴을 홀(hole)들의 형태로 형성하고, 표준 정렬 방법들을 이용하여, 가계가공된 전극들 상에 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들을 정렬함으로써 상기 이온 렌즈를 획득하는 단계,
iii. 양자점들을 함유하는 액체 용액(6)을 전기분무 이온화의 프로세스를 거쳐 패터닝되기를 원하는 표면으로 전송함으로써 다른 재료들로부터 순수하고 분리된 방식으로 공기 중에서 전기적으로 하전된 양자점들을 형성하는 단계,
iv. 전기력에 의해 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들을 통해 양자점들을 포커싱하고, 그리하여 상기 이온 렌즈가 절연체 렌즈인 경우 상기 이온 렌즈에 의해 축적된 전하들에 의해, 그리고 상기 이온 렌즈가 전도성 렌즈인 경우 인가된 전위에 의해, 원하는 전극들 상에 상기 양자점들 대부분을 패터닝하는 단계,
v. 적합한 용제, 연마제 또는 부식제에 의해, 상기 기판 표면으로부터 이온 렌즈로서 작용하는 층을 제거하는 단계,
vi. 상이한 서브픽셀들을 생성하기 위해 각각의 유형의 양자점들에 대해 상기 (i-v) 단계들을 순차적으로 반복하는 단계의 프로세스 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 양자점들은 준비된 표면으로 전송되기 전에,
a) 전기분무 이온화에 의해, 아연 산화물(ZnO), 마그네슘-도핑 아연 산화물(Mg-doped ZnO) 또는 양자점들로의 전자 흐름을 촉진하고 전자 이송 층으로서 작용하는 다른 나노입자들을 상기 표면에 전송하는 단계,
b) 상기 이온 렌즈에 의한 전기력에 의해 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들을 통해 상기 나노입자들을 포커싱하고 그리하여 상기 원하는 전극들 상에 상기 양자점들 대부분을 패터닝하는 단계의 프로세스 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 이온 렌즈는 상기 전하들을 축적함으로써 포커싱되는 절연체 렌즈로서 선택되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 절연체 렌즈는 폴리머 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제4 항에 있어서,
상기 폴리머는 포토레지스트 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제5 항에 있어서,
상기 절연체 렌즈의 패터닝 프로세스는 포토리소그래피 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제4 항에 있어서,
상기 폴리머 재료로 만들어진 절연체 렌즈는 소프트 리소그래피로 미리 패터닝됨으로써 개구 홀들을 갖는 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제7 항에 있어서,
폴리머는 폴리디메틸 실록산(PDMS)인 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 패터닝된 절연체 렌즈는 상기 기판 상의 전극들에 따라 정렬되어 상기 기판 표면에 배치되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 이온 렌즈는 금속 구조를 갖고, 전압을 인가함으로써 포커싱되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 기판은 투명한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제11 항에 있어서,
상기 기판은 유리 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
사용되는 상기 전극들 전부 또는 일부가 투명한 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제13 항에 있어서,
투명한 전극들은 금속인 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제14 항에 있어서,
투명한 금속 전극들은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 초박형 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 양자점들을 함유하는 액체 용액(6)은 물, 메탄올, 에탄올, 다른 알코올, 아세토니트릴, 클로로포름, 헥산, 옥탄, 임의의 알칸 또는 임의의 유기 용매로부터 선택되는 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
사용되는 기판은 가요성 및/또는 착용 가능한 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 포커싱 프로세스에 의해, 상기 패터닝된 양자점들에 의해 형성된 서브픽셀들(9)의 크기는 상기 이온 렌즈가 포함하는 홀들(3)의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는,
양자점 기반 광학 디스플레이들 및 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 광전지 또는 전열 메커니즘에 의해 광학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 나노입자들에 기초하여 전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법으로서,
i. 전류의 송신을 용이하게 하는 전극들 및/또는 부가적인 재료들이 이전에 처리된 기판 상에 이온 렌즈를 형성할 재료를 증착하는 단계,
ii. 패터닝에 의해 상기 이온 렌즈를 형성할 재료 상에 원하는 서브픽셀 패턴을 홀들의 형태로 형성하고, 표준 정렬 방법들을 이용하여, 가계가공된 전극들 상에 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들을 정렬함으로써 상기 이온 렌즈를 획득하는 단계,
iii. 광전지 또는 전열 메커니즘에 의해 광학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 나노입자들을 함유하는 액체 용액을 전기분무 이온화의 프로세스를 거쳐 패터닝되기를 원하는 표면으로 전송함으로써 다른 재료들로부터 순수하고 분리된 방식으로 공기 중에서 전기적으로 하전된 나노입자들을 형성하는 단계,
iv. 전기력에 의해 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들을 통해 상기 나노입자들을 포커싱하고, 그리하여 상기 이온 렌즈가 절연체 렌즈인 경우 상기 이온 렌즈에 의해 그 위에 증착된 전하들에 의해, 그리고 상기 이온 렌즈가 전도성 렌즈인 경우 인가된 전위에 의해, 원하는 전극들 상에 상기 양자점들 대부분을 패터닝하는 단계,
v. 적합한 용제, 연마제 또는 부식제에 의해, 상기 기판 표면으로부터 이온 렌즈로서 작용하는 층을 제거하는 단계,
vi. 상이한 서브픽셀들을 생성하기 위해 각각의 유형의 나노입자들에 대해 상기 (i-v) 단계들을 순차적으로 반복하는 단계의 프로세스 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전자/전기 광학 디바이스들의 생산을 위한 패터닝 방법. - 높은 디스플레이 성능 및 각각의 픽셀의 높은 성능 둘 모두를 갖는 단색 또는 다색 디스플레이를 생산하는 방법으로서,
상이한 서브픽셀 유형들 간의 교차 오염 및 각각의 서브픽셀에 대한 생산에 사용되는 화학물질들로부터의 오염 둘 모두가 낮고, 양자점들을 함유하는 픽셀들로 구성된 전계발광 양자점들은 전극들을 함유하는 타겟 픽셀들 위에 직접 증착되며, 상기 방법은,
a. 전극들이 처리된 기판 표면 상에 포토레지스트 재료를 증착하는 단계,
b. 포토리소그래피 프로세스를 이용함으로써 상기 포토레지스트 재료 상에 홀들의 형태로 원하는 서브픽셀 패턴을 형성하고, 절연체 렌즈를 획득하는 단계,
c. 표준 정렬 방법들을 사용함으로써 금속 전극들 상에 서브픽셀을 정의하는 홀들을 정렬하는 단계,
d. 전기분무 이온화에 의해, 아연 산화물(ZnO), 마그네슘-도핑 아연 산화물(Mg-doped ZnO) 또는 양자점들로의 전자 흐름을 촉진하고 전자 이송 층으로서 작용하는 다른 나노입자들을 상기 표면에 전송하는 단계,
e. 절연체 렌즈에 의해 그 상에 축적된 전하에 의한 전기력에 의해 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들을 통해 상기 나노입자들을 포커싱하고 그리하여 상기 원하는 전극들 상에 상기 양자점들 대부분을 패터닝하는 단계,
f. 동일한 절연체 렌즈가 여전히 상기 표면에 있는 동안, 전기분무 이온화에 의해 원하는 유형의 양자점들을 상기 표면으로 전송하여서, 절연 렌즈는 상기 양자점의 큰 부분을 상기 서브픽셀을 정의하는 홀들 상에 포커싱하고 그리하여 상기 전자 이송 층 상에 상기 양자점들을 패터닝하는 단계,
g. 적합한 용제 또는 포토레지스트 제거제에 의해, 상기 표면으로부터 절연체 렌즈로서 작용하는 포토레지스트 층을 제거하는 단계,
h. 사용되기를 원하는 각각의 상이한 유형의 양자점들에 대해 상기 이전 프로세싱 단계들을 적절히 반복함으로써 상기 양자점들을 패터닝하는 단계,
i. 패터닝 후, 적합한 가스 환경에 그리고 스피너를 이용하여 홀 이송 층을 까는 단계(laying),
j. 홀 주입 층을 까는 단계,
k. 형성된 이 스택 상의 전극들과 기판을 결합하는 단계의 프로세스 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
높은 디스플레이 성능 및 각각의 픽셀의 높은 성능 둘 모두를 갖는 단색 또는 다색 디스플레이를 생산하는 방법. - 제20 항에 있어서,
상기 전극들의 전부 또는 일부는 투명 금속 전극들로서 선택되는 것을 특징으로 하는,
높은 디스플레이 성능 및 각각의 픽셀의 높은 성능 둘 모두를 갖는 단색 또는 다색 디스플레이를 생산하는 방법. - 제20 항에 있어서,
기판들 중 전부 또는 하나가 투명한 것으로 선택되는 것을 특징으로 하는,
높은 디스플레이 성능 및 각각의 픽셀의 높은 성능 둘 모두를 갖는 단색 또는 다색 디스플레이를 생산하는 방법. - 제20 항에 따른 방법에 의해 달성되는 단색 또는 다색 디스플레이.
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