KR102027186B1 - 광변조 양자점 컬러 디스플레이 및 이의 제조방법 - Google Patents

광변조 양자점 컬러 디스플레이 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이는, 광원; 상기 광원 상부에 배치되며 광원에서 발생한 빛의 세기를 조절할 수 있는 광변조기; 및 상기 광변조기 상부에 배치되며 광변조기를 통과한 빛을 기반으로 가시광선 영역에서 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 포함하는 양자점 발광부를 포함한다. 실시예에 따르면, 상기 양자점 패턴은 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일하고 색 순도가 높은 빛 발광이 가능하도록 구성됨으로써, 컬러필터 없이 균일한 단일화소 구현, 계조 표현, 높은 색순도 등의 특징을 동시에 달성할 수 있으므로 기존의 양자점 컬러 디스플레이 기술의 한계를 뛰어 넘을 수 있다.

Description

광변조 양자점 컬러 디스플레이 및 이의 제조방법{LIGHT-MODULATED QUANTUM DOT COLOR DISPLAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 양자점 (quantum dot: QD) 패터닝 기술을 기반으로 한 광변조 양자점 컬러 디스플레이(light-modulated QD color display) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 고분자 매트릭스(polymer matrix)의 정렬도를 이용해 균일한 양자점 패턴를 형성하고, 광변조기(light modulator)로 양자점 패턴에서 발광되는 빛의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 양자점 디스플레이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
양자점 컬러 디스플레이(QD color display) 기술의 핵심 개념은 양자점을 광발광(photo-luminescence) 또는 전기발광(electro-luminescence)시켜 높은 색 순도와 넓은 영역의 색 표현을 가능하게 하는 것이다. 특히, 광발광 기반 양자점 컬러 디스플레이는 기존의 평판 디스플레이 기술에 쉽게 적용이 가능하다.
하지만 현재 상용화된 양자점 액정 디스플레이의 경우 서로 다른 색을 발광하는 2가지 이상의 양자점이 무작위로 분포하는 양자점 필름(QD film)을 사용하기 때문에, 컬러필터를 투과할 때 투과도 손실이 발생하는 단점을 가지고 있다.
지금까지 기존의 양자점 디스플레이의 단점을 극복하기 위해 서로 다른 발광 영역을 갖는 양자점 패턴을 형성하려는 시도들이 이루어져 왔다. 이와 같은 양자점 패턴은 단일 색 화소에서 원하는 빛만을 발광시켜 투과도 손실을 줄일 수 있다. 이로 인해 궁극적으로 컬러필터 없이 색 구현이 가능하기 때문에 보다 높은 투과도와 색 순도를 달성할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 광발광을 위한 양자점 패턴은 높은 발광도를 달성하기 위해 수 마이크로 수준의 높이를 가져야 한다. 또한 삼원색 구현을 위해 한 기판 위에 서로 다른 크기의 양자점으로 패턴을 형성해야 하므로, 패터닝이 어렵고 공정 단가가 높다는 문제점이 있다.
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 고분자 매트릭스(polymer matrix) 내부에 양자점을 분산시키는 매트릭스 양자점 패터닝 기술이 개발되었다. 매트릭스 양자점 패턴은 높이 조절을 쉽게 할 수 있으며 매트릭스 내 양자점의 농도 조절을 통해 높은 발광도를 갖는 패턴 제작이 가능하다. 뿐만 아니라, 고분자 매트릭스는 광식각공정(photo-lithography)을 통해 패터닝이 가능하므로 2종류 이상의 서로 다른 매트릭스 양자점 패턴을 쉽게 형성할 수 있다.
그러나 지금까지의 매트릭스 양자점 패턴은 양자점이 매트릭스 내부에 불균일하게 분포하였기 때문에 실제 디스플레이 응용을 위해선 양자점 필름의 경우와 동일하게 컬러필터가 추가적으로 필요하였다. 따라서 매트릭스 양자점 패턴을 이용하여 컬러필터 없는 양자점 컬러 디스플레이를 구현하기 위해서는 기존의 방식을 넘어선 새로운 개념의 고균일도의 컬러 구현 기술이 필요하다.
KR 10-1098783 B1
본 발명의 실시예들은, 서로 다른 색을 발광하는 매트릭스 양자점 패턴을 정렬성 분자를 통해 제작하여 양자점의 뭉침(aggregation) 현상을 최소화하고, 양자점의 발광도를 조절할 수 있는 광변조기(light modulator)를 추가한 새로운 개념의 광변조 양자점 컬러 디스플레이 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 광변조 양자점 컬러 디스플레이는 기존의 기술과는 달리 컬러필터 없이 높은 색순도 및 넓은 색영역을 구현할 수 있다.
일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이는, 광원; 상기 광원 상부에 배치되며, 상기 광원에서 발생한 빛의 투과도를 조절할 수 있는 광변조기(light modulator); 및 상기 광변조기 상부에 배치되며, 상기 투과된 빛에 의하여 발광하는 양자점 발광부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 양자점 발광부는, 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴 중 적어도 둘 이상은, 상기 양자점 패턴의 두께가 서로 상이하거나, 또는 내부 양자점의 크기 및 구성 물질이 서로 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 발광부는 기판; 및 상기 기판과 상기 복수 개의 양자점 패턴 사이에 위치하는 정렬층을 더 포함하고, 상기 양자점 패턴은, 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬성 고분자의 정렬 방향은 기판에 수직 또는 수평 방향으로 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬성 고분자는 반응성 메소겐(reactive mesogen)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 패턴은 상기 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 양자점의 발광을 유도할 수 있는 파장을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광변조기는 상기 광원에서 발생한 빛의 투과도를 화소별로 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광변조기는 액정으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법은, 광원 상부에 광변조기를 배치하는 단계; 상기 광변조기 상부에 기판을 배치하는 단계; 상기 기판 외부 면 또는 내부 면 상에 정렬층을 형성하는 단계; 및 상기 정렬층 상에 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 복수개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴 중 적어도 둘 이상은, 상기 양자점의 두께가 서로 상이하거나, 또는 양자점의 크기 및 구성 물질이 서로 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 패턴은, 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬성 고분자의 정렬 방향은 상기 기판에 수직 또는 수평 방향으로 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬성 고분자는 반응성 메소겐(reactive mesogen)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 패턴은, 상기 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 양자점 발광 패널은, 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 포함하되, 상기 양자점 패턴은 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬성 고분자는 반응성 메소겐(reactive mesogen)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 양자점 패턴 중 적어도 둘 이상은, 상기 양자점 패턴의 두께가 서로 상이하거나, 또는 내부 양자점의 크기 및 구성 물질이 서로 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 패턴의 빛 발광은 외부 전압의 인가에 의해 이루어지는 전기발광(electro-luminescence), 또는 광원으로부터 빛 에너지를 흡수하여 이루어지는 광발광(photo-luminescence)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광변조를 통해 양자점 발광을 가능하도록 하는 광원과, 상기 광원 상부에 위치하여 투과도를 조절할 수 있도록 하는 광변조기(light modulator), 그리고 가시광선 대역 내의 특정 파장 대역에서 광발광(photo-luminescence) 할 수 있는 양자점 발광부를 포함하는 광변조 양자점 컬러 디스플레이가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시에에 따르면, 상기 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성되는 양자점 발광 패널이 제공된다.
실시예들에 의하면, 정렬성 매트릭스 내부에 균일하게 양자점을 분포시켜 컬러필터 없이 순도 높은 색 구현이 가능하므로 기존의 컬러 디스플레이 기술의 한계를 뛰어 넘을 수 있다.
또한, 종래의 기술과 달리 전자 또는 정공 주입, 수송, 결합, 발광 등의 복잡한 과정을 거치지 않고 직접 빛을 발광할 수 있어서 경제적이고, 기존의 LCD 제조사들이 쉽게 적용하여 제조할 수 있으므로 상업적으로도 매우 뛰어난 효과를 가진다.
도 1은 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이 단면도이다.
도 2a 내지 2c는 일 실시예에 따른 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 형성 과정을 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 3c는 실시예들에 따라 정렬되지 않은 고분자, 수직 배향 고분자, 및 수평 배향 고분자에 해당하는 매트릭스를 이용하여 제작된 양자점 패턴의 실제 발광 특성을 나타낸 도면들이다.
도 4a 내지 4d는 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 5c는 실시예들에 따라 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)에 해당하는 파장 대역에서 발광하도록 제작된 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 파장별 발광도를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 실시예들에 따라 단일 기판 내 위치시킨 적색(R), 녹색(G) 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 실제 발광 특성을 나타낸 도면들이다.
도 7a 내지 7b는 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 구동을 나타내는 개념도이다.
도 8a 내지 8c는 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 R, G, B 단위화소들의 전압에 따른 파장별 발광도 곡선이다.
도 9a 내지 9e는 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 실제 구동을 나타낸 도면들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이는, 광원(01), 광변조기(02) 및 양자점 발광부(03)를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 광변조 양자점 컬러 디스플레이는 양자점 발광부 내부에 기판(04)을 더 포함할 수 있고, 상기 기판 상에 형성된 정렬층(05) 및 상기 정렬층 상에 위치하는 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴(06 내지 08)을 포함한다.
이하에서는, 상기 구성요소들의 기능에 대하여 상세하게 설명한다.
광원(01)은 양자점을 광발광(photo-luminescence) 시키기 위한 부분으로서, 자외선을 비롯하여 청색광과 같이 양자점의 광발광을 유도할 수 있는 적당한 빛을 내는 소자로 이루어질 수 있다.
광원(01)의 상부에 위치하는 광변조기(02)는, 복수 개의 화소로 형성되어 있어 외부의 전압에 의해 투과되는 광원의 투과도를 연속적으로 변화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 광변조기(02)는 상기 광원에서 발생한 빛의 투과도를 화소별로 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 광변조기(02)는 액정기반 광변조기일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 광변조기를 구성하는 물질 및 가변 기작은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 광원에서 양자점 발광부로 진행하는 빛의 세기를 조절할 수 있는 임의의 장치면 충분하다.
광변조기(02)의 상부에 위치하는 양자점 발광부(03) 내 기판(04)은 양자점 발광부(03)의 전체 구조를 지지하는 부분으로서, 유리, 수정(quartz), 고분자 수지(예컨대, 플라스틱 등), 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다.
기판(04) 위에 배열되는 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴들은, 가시광선 대역에서 서로 상이한 광발광(photo-luminescence) 특성을 갖는다. 예컨대, 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴 내부의 양자점들(예를 들어, 06 내지 08)은 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 파장 중 양자점 크기에 따른 빛을 발광할 수 있다.
이와 같이 서로 상이한 발광 특성을 갖도록 하기 위하여, 복수 개의 정렬성매트릭스 양자점 패턴은 크기 및 물질이 서로 상이한 양자점(예를 들어, 06 내지 08)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 양자점 물질들은 높은 색 순도 및 효율을 달성할 수 있는 가시광선 대역의 광발광 특성을 얻기 위해 카드뮴-셀레나이드(cadmium-selenide), 황화카드뮴(cadmium-sulfide) 등의 물질로 구성될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 광원에서 발생한 빛을 통해 광발광할 수 있는 임의의 양자점으로 구성될 수 있으며 특정한 물질로 한정되는 것은 아니다.
나아가, 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이는 상기 기판(04) 상에 형성된 정렬층(05)을 더 포함할 수 있다. 상기 정렬층은 정렬성 매트릭스 양자점 패턴 내의 고분자 정렬 방향을 정의하기 위해 이용된다.
정렬층(05)은 광배향, 러빙, 또는 다른 적당한 방식으로 정렬성 고분자의 정렬방향을 정의할 수 있다. 일 실시예에서, 정렬층(05)은 박막형성이 용이하고, 추가적인 공정을 통해 정렬방향을 정의할 수 있는 물질, 예를 들어 폴리이미드(polyimide)나 실리콘 산화물(SiO2) 등으로 이루어질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 정렬층을 구성하는 물질 및 형성 공정은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 기재된 실시예들에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)에 해당하는 파장 대역에서 각각 발광하는 단위화소들이 주기적으로 배열되도록 형성되었으나, 다른 실시예에서는 양자점의 구성 성분 및 크기, 각 양자점의 발광 파장 대역, 배열 순서 및/또는 배열 형태가 본 명세서에 개시된 것과 상이하게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 하늘색(cyan), 노란색(yellow) 및 자주색(magenta)의 단위화소로 구성된 광변조 양자점 컬러 디스플레이를 구성할 수 있으며, 응용하고자 하는 분야에 적합하도록 상기 요소들의 구조를 적절히 변화시킬 수도 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 2c를 참조하여 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이 구성 요소인 고분자 매트릭스 양자점 패턴을 설명하도록 한다.
도 2a는 종래의 비정렬설 고분자 매트릭스 양자점 패턴을 예시적으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 비정렬성 고분자 매트릭스(09) 내에 위치한 양자점(10)의 분포는 서로 다른 크기의 응집된 양자점들(11)로 이루어져 있으며 이로 인해 불균일하게 배열된다.
이를 개선하기 위해, 도 2b 내지 2c에 도시된 바와 같이, 기판(04) 상에 정렬층(05)을 제작하여 정렬성 매트릭스(12, 13)를 형성할 수 있다. 정렬층(05)으로 인해, 정렬성 분자가 정렬되고 고분자 사슬의 길이가 가까워지면서 매트릭스 내부에서 양자점의 응집 현상을 막을 수 있다. 상기 정렬성 매트릭스의 방향은 정렬층에 따라 도 2b와 같이 수직으로 정의되거나, 혹은 도 2c와 같이 수평으로 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬성 매트릭스들(12, 13)은 높은 색투과도 및 공정 용이성을 확보하기 위해 반응성 메소겐(reactive mesogen)으로 구성될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 정렬층을 통해 정렬될 수 있는 임의의 고분자로 구성될 수 있으며 특정한 물질로 한정되는 것은 아니다.
도 3a 내지 3c는 비정렬성 고분자, 수직정렬 고분자, 수평정렬 고분자를 각각 사용하여 제작된 매트릭스 양자점 패턴(도 1의 06 내지 08)의 발광 사진이다. 실시예에서 유리 재질의 기판(도 1의 04) 상에 용액 공정을 통해 정렬층을 형성한 후, 러빙을 통해 고분자 사슬의 정렬방향을 정의하였다. 수직 정렬 고분자와 수평정렬 고분자는 반응성 메소겐을 사용하여 형성되었다. 양자점은 적색 파장 대역 발광이 가능한 카드뮴-셀레나이드 양자점을 이용하였다. 양자점 발광을 위해 자외선 영역(365 nm)의 빛을 사용하고 빛의 세기를 측정하였다. 이와 같은 공정 조건은 실험적인 예시일 뿐이며, 최적의 조건을 의미한다거나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3a을 참조하면, 종래의 기술에 따른 비정렬성 고분자를 이용한 매트릭스 양자점 패턴은 불균일한 발광 특성을 보인다. 이는 앞서 명시한 바와 같이, 고분자 사슬간의 거리가 균일하지 않아 각기 다른 크기로 응집된 양자점들이 고분자 매트릭스 내부에 불균일하게 분포하고 있기 때문이다.
이에 비해, 도 3b 내지 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수직 혹은 수평방향 정렬성 고분자를 이용한 매트릭스 양자점 패턴은 현미경 사진 전체에서 균일한 빛을 발광 시키는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 양자점이 광원으로부터 빛 에너지를 흡수하여 발광하는 광발광(Photo-luminescence)을 기초로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며 전압 인가에 의해 발광하는 전기발광(Electro-luminescence)에 대해서도 적용될 수 있다. 즉, 해당 실시예에서 광발광 방식을 이용하지만 상기 양자점 발광 패널의 구동 기작은 광발광에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 정렬성을 가진 전도성 고분자를 매트릭스로 이용할 경우 전기발광이 가능하도록 구성될 수 있다. 이 때, 양자점 발광 패널의 빛의 세기는 양자점 발광 패널로 흐르는 전류의 크기로 조절할 수 있는 임의의 장치 또는 전류 전달층이면 충분하다.
일 실시예에서, 광발광(Photo-luminescence) 또는 전기발광(Electro-luminescence) 기술분야 모두에 이용될 수 있는 양자점 발광 패널이 제공된다. 상기 양자점 발광 패널은 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 포함하되, 상기 양자점 패턴은 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성된다.
이하에서는, 도 4a 내지 4b를 참조하여 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이 내 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 제조 공정을 설명하도록 한다.
도 4a를 참조하면, 기판(04) 상에 정렬층(05)을 형성하는 단계가 수행된다. 예를 들어, 유리나 플라스틱 등으로 이루어진 기판(04)상에 용액 공정 및 진공 증착등을 이용하여 정렬층(05)을 형성할 수 있다. 정렬층(05)은 광배향, 러빙, 또는 다른 적당한 방식으로 정렬성 매트릭스의 정렬 방향 정의할 수 있다. 정렬층(05)은 폴리이미드(polyimide), 실리콘 산화물(SiO2)과 같이 박막 형성이 용이하고, 추가적인 공정을 통해 분자 정렬방향을 정의할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 정렬층(05)을 형성하는 공정은 정렬성 매트릭스의 정렬 방향을 정의하기 위해 러빙(rubbing) 등과 같은 공정을 추가할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 정렬층을 구성하는 물질 및 형성 공정은 전술한 것에 한정되는 것은 아니다.
도 4b 내지 4d를 참조하면, 도 4a의 공정에서 형성된 정렬층(05) 상에 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴을 형성하는 단계가 수행된다. 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴은 특정 파장 대역의 빛만을 발광시키기 위한 것이다. 예를 들어, 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴은 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 파장 중 양자점의 크기에 해당하는 파장 대역의 빛만을 발광시킨다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 정렬층(05) 상에 양자점-고분자 매트릭스 혼합물(15)을 형성하고, 포토-리소그래피(photolithography)용 마스크(14)를 이용하여 부분적으로 노출시킴으로써, 도 4c와 같이 양자점 패턴(06)을 형성할 수 있고, 이를 반복함으로써 도 4d와 같이 정렬성 매트릭스 양자점 패턴들(06 내지 08)을 형성할 수 있다.
이와 같은 공정에 있어서, 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴은 정렬층 상에 용액 공정 등을 통해 양자점과 정렬성 고분자 혼합 용액을 도포하고 광 마스크 공정과 광경화 과정을 하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 상이한 광 발광 특성을 갖도록 하기 위해 혼합되는 양자점의 크기를 변화시킴으로써 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 발광 영역을 변화시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이 제조공정에서는 R, G, B 단위화소에 해당하는 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴이 모두 유사한 구조로 형성된다. 따라서 도 4b 내지 4c 에 해당되는 공정을 반복적으로 수행하여 양자점 패턴을 형성할 수 있다.
도 5a 내지 5c는 R, G, B 파장 대역을 각각 발광하도록 제작된 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 파장별 발광도 곡선을 나타낸 것이다. 실시예에서는 유리 재질의 기판상에 용액 공정을 통해 수직방향 정렬층을 형성한 후, 추가적인 공정 없이 고분자 사슬의 정렬 방향을 정의하였다. 수직 정렬 고분자는 반응성 메소겐을 사용하였으며 양자점은 R, G, B 파장 대역 발광이 가능한 서로 다른 크기의 카드뮴-셀레나이드 양자점을 이용하여 형성되었다. 양자점 발광을 위해 자외선 영역(365 nm)의 빛을 사용하여 측정하였다. 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴의 파장별 발광도는 상용 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis. Fiber optic spectrometer) (Ocean Optics S2000)을 통하여, 대기환경(ambient environment)에서 측정하였다. 상기 조건은 실험적인 예시일 뿐이며, 최적의 조건을 의미한다거나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5a 내지 5c를 참조하면, 상이한 크기의 양자점을 갖는 각각의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴은 발광 파장 대역의 중심이 각각 약 620 nm(도 5a), 530 nm(도 5b), 440 nm(도 5c)로 전형적인 R, G, B 파장 대역에 속한다. 도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이, 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴은 광원으로 인해 광 여기(excitation)된 양자점이 특정 파장 대역의 빛을 발광하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 양자점의 발광 파장 대역은 전술한 것에 한정되는 것은 아니며, 양자점의 발광 파장 대역은 양자점의 크기 및/또는 양자점의 구성 물질 등을 이용하여 적절하게 조절될 수 있다.
도 6a 내지 6b는 적색(R), 녹색(G) 파장 대역에서 발광하도록 제작된 복수 개의 정렬성 매트릭스 양자점 패턴을 단일 기판에 구현한 패턴 사진이다. 양자점 발광을 위해 자외선 영역(365 nm)의 빛을 사용하고 빛의 세기를 측정하였다. 도 6a 내지 6b는 적색(R) 패턴만을 형성한 경우를 나타낸 것으로서, 입사된 광원의 빛에 의해 적색(R), 녹색(G) 단위화소에서 발광하는 빛을 보여준다. 한편, 도 6c는 적색(R), 녹색(G) 패턴을 모두 형성한 경우의 사진으로서, 각각 적색과 녹색이 발광하는 것을 보여준다.
도 7a 및 7b는 일 실시예에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 구동을 나타내는 개념도이다. 실시예에서 이용되는 광변조기(02)는 상부 편광판(16), 상부 기판(17), 상부 투명 전극(18), 상부 액정 배향층(19), 액정층(20), 하부 액정 배향층(21), 하부 투명 전극(22), 하부 기판(23), 하부 편광판(24)을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 광변조기(02)는 액정을 이용하여 제작하였고 광원(01)의 파장은 자외선 영역(365 nm)에 속한다. 그러나 광원 및 광변조기는 전술한 것에 한정되는 것은 아니며, 광원의 특성에 따라 광변조기의 구성은 적절하게 조절될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 각 단위화소에 액정의 문턱전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가되어 있는 경우에는 양자점(06 내지 08)이 발광한다.
구체적으로 광원(01)에서 나온 빛은 광변조기(02)의 하부 편광판(24)을 지나 선편광 상태가 되고 액정층(20)을 지나면서 위상 지연이 발생하게 된다. 이때, 액정층(20)은 광원의 중심 파장에 대해서 액정층이 1/2 파장만큼의 위상 지연을 가질 수 있도록 두께가 조절되어 있다. 마지막으로 액정층(20)을 투과한 빛이 하부 편광판(24)과 수직하게 위치하는 상부 편광판(16)을 지나면서 최종적으로 양자점 발광부(03)에 빛을 입사시키고 이를 통해 양자점 발광이 이루어진다.
상기 실시예에서는 광변조기(02) 상에 양자점 발광부(03)의 기판(04)이 배치되는 형태를 기준으로 설명하였으나, 또 다른 실시예에 따르면 기판(04)이 양자점 발광부의 맨 위에 배치되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 양자점 발광부(03)의 양자점 패턴은 기판(04) 내부 면 혹은 외부 면에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 광변조기(02) 상에 양자점 패턴(06 내지 08)이 직접 배치되고, 그 위에 정렬층(05), 기판(04)이 차례로 배치된다.
나아가, 본 발명에서는 양자점 패턴, 정렬층 및 기판의 배치가 특정한 순서로 제한되는 것이 아니며, 광원으로부터 입사된 빛이 광 변조기를 통과하여 양자점 패턴에 도달하여 발광을 유도할 수 있는 구조이면 충분하다.
반면 도 7b를 참조하면, 광변조 양자점 컬러 디스플레이에 전압이 인가되지 않은 경우, 수직 배향된 액정층(20)은 기판에 수직하게 입사하는 빛에 대해 위상 지연을 발생시키기 않으므로 광원(01)의 빛이 광변조기(02)의 하부 편광판 및 상부 편광판을 지나면서 투과하지 못한다. 그러나 전술한 NB모드 (normally black mode)는 단지 예시적인 것으로서, 전압 인가에 따른 밝기 조절 방식은 한정되지 않는다. 예컨대, 액정 배향 방향이 초기에 기판과 수평 방향으로 정의하고 상부 및 하부 편광판과 45°를 이루는 경우, 전압이 인가되지 않았을 때는 빛이 투과하고, 전압이 인가되는 경우 빛이 투과하지 못하는 NW모드(normally white mode)가 될 수도 있다.
이와 같은 원리로 전압의 인가에 따른 광변조기의 광투과 특성에 따라 양자점 패턴의 가시광선 대역에서의 발광 여부를 조절할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 전압의 세기에 따라 양자점 패턴의 발광도를 조절하는 것이 가능하다. 따라서 R, G, B 각각의 계조표현이 가능하며, 고해상도의 동적 칼라 영상을 구현하는 것이 가능하다.
도 8a 내지 8c는 인가된 전압의 크기에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 R, G, B 단위화소들의 파장별 발광도 곡선이다. 도 5a 내지 5c의 파장별 양자점 발광 측정 조건과 마찬가지로, 서로 상이한 크기를 갖는 양자점을 사용하여 형성되었다. 또한, 복수 개의 파장별 발광도는 상용 자외선-가시광선 분광기(UV-Vis. Fiber optic spectrometer)(Ocean Optics S2000)을 통하여, 대기환경(ambient environment)에서 측정하였다.
도 8a 는 적색(R) 단위화소의 파장별 발광도 곡선이다. 문턱전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가되는 경우, 광원에서 나온 빛이 광변조기를 투과하여 양자점을 여기(excitation)시켜 빛이 발광되는 상태를 나타내고, 인가되는 전압이 낮아질수록, 광변조기를 투과하는 빛이 점차 감소하여 발광 파장 대역은 유지되지만 발광도는 점차 감소하게 된다. 도 8b 및 8c는 도 8a와 마찬가지로 각각 녹색(G), 청색(B) 단위화소의 파장별 발광도 곡선을 나타내고, 적색(R) 단위화소의 파장별 발광도 곡선과 마찬가지로 인가되는 전압의 세기가 증가함에 따라 각각의 파장 대역이 유지되면서 발광도가 증가하게 된다.
도 9a 내지 9e는, 실시예들에 따른 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 실제 구동 사진이다. 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 단위화소에 인가하는 전압을 각각 VR, VG, VB 로 지칭하면, 도 9a는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 단위화소 모두에 전압을 인가하지 않았을 경우(즉, VR = 0 V, VG = 0 V, VB = 0 V)를 나타낸 것으로서, 광원에서 나온 빛이 광변조기를 통과하지 못하기 때문에 양자점을 여기시키지 못해 발광이 일어나지 않는 것을 보여준다. 한편, 도 9b는 적색(R) 단위화소에만 문턱 전압 이상의 전압이 인가된 경우(즉, VR = 3.4 V VG = 0 V, VB = 0 V)의 사진으로서, 광원의 빛이 광변조기의 적색(R) 단위화소에 해당하는 부분만을 통과하기 때문에 이 영역에 대응하는 양자점이 발광하는 상태를 나타낸다.
도 9c는 녹색(G) 단위화소에만 문턱전압 이상의 전압을 인가한 경우(즉, VR = 0 V, VG = 3.4 V, VB = 0 V)를 나타내고, 도 9d는 청색(B) 단위화소에만 문턱전압 이상의 전압을 인가한 경우(즉, VR = 0 V, VG = 0 V, VB = 3.4 V)를 나타내고, 도 9e는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 단위화소 모두에 문턱전압 이상의 전압을 인가한 경우(즉, VR = 3.4 V, VG = 3.4 V, VB = 3.4 V)를 나타낸 것으로서, 각 R, G, B 단위화소들이 독립적으로 구동될 수 있다는 것을 보여준다.
이상에서 설명한 실시예들에 의하면, 정렬성 매트릭스 양자점 패턴을 제작함으로써 높은 색 균일도 및 색 순도를 갖는 광변조 양자점 컬러 디스플레이가 제공되며, 적용할 수 있는 소자의 제약이 완화되어 우수한 응용 가능성을 가지게 되었다. 그러나 전술한 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 양자점 여기(excitation)를 위해 사용하는 광원의 파장대역, 광원의 투과도를 결정하는 광변조기의 구성 및 구조는 실시 예에서 사용한 물질에 한정되지 않으며, 양자점 여기를 위해 입사되는 빛의 세기를 조절할 수 있는 다른 임의 물질 및 구조일 수 있다.
전술한 실시예들에 따른 양자점 컬러 디스플레이에서는, 정렬성 매트릭스 내부에 균일하게 양자점이 분포되고, 나아가, 단순히 LCD 구조에 양자점 필름(Quantum Dot Film)을 백라이트로 이용하는 종래의 기술과는 달리 광변조기를 이용하여 양자점을 발광시킴으로써, 컬러필터 없이도 순도 높은 색 구현이 가능한 발광형 컬러 디스플레이로서 기존의 컬러 디스플레이 기술의 한계를 뛰어 넘을 수 있다.
또한, 종래의 기술과 달리 전자 또는 정공 주입, 수송, 결합, 발광 등의 복잡한 과정을 거치지 않고 직접 빛을 발광할 수 있어서 경제적이고, 기존의 LCD 제조사들이 쉽게 적용하여 제조할 수 있으므로 상업적으로도 매우 뛰어난 효과를 가진다.
이상에서 살펴본 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 의해서 정해져야 할 것이다.
01: 광원
02: 광변조기
03: 양자점 발광부
04: 기판
05: 정렬층
06 내지 08: 정렬성 매트릭스 양자점 패턴
09: 비정렬성 고분자 매트릭스
10: 양자점
11: 응집된 양자점
12: 수직배향 고분자 매트릭스
13: 수평배향 고분자 매트릭스
14: 포토-리소그래피용 마스크
15: 양자점-정렬성 고분자 매트릭스 혼합물
16: 상부 편광판
17: 상부 기판
18: 상부 투명 전극
19: 상부 액정 배향층
20: 액정층
21: 하부 액정 배향층
22: 하부 투명 전극
23: 하부 기판
24: 하부 편광판

Claims (20)

  1. 광원;
    상기 광원 상부에 배치되며, 상기 광원에서 발생한 빛의 투과도를 조절할 수 있는 광변조기; 및
    상기 광변조기 상부에 배치되며, 상기 투과된 빛에 의하여 발광하는 양자점 발광부를 포함하고,
    상기 양자점 발광부는, 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 포함하며,
    상기 양자점 패턴은, 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점 패턴 중 적어도 둘 이상은, 상기 양자점 패턴의 두께가 서로 상이하거나, 또는 내부 양자점의 크기 및 구성 물질이 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양자점 발광부는,
    기판; 및
    상기 기판과 상기 복수 개의 양자점 패턴 사이에 위치하며, 정렬성 매트릭스의 정렬 방향을 정의하는 정렬층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정렬성 고분자의 정렬 방향은, 상기 기판에 수직 또는 수평 방향으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정렬성 고분자는 반응성 메소겐(reactive mesogen)인 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 양자점 패턴은, 상기 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원은, 양자점의 발광을 유도할 수 있는 파장을 가지는 것을 특징으로하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광변조기는 상기 광원에서 발생한 빛의 투과도를 화소별로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광변조기는 액정으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이.
  11. 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법으로서,
    광원 상부에 광변조기를 배치하는 단계;
    상기 광변조기 상부에 기판을 배치하는 단계;
    상기 기판 외부 면 또는 내부 면 상에 정렬층을 형성하는 단계; 및
    상기 정렬층 상에 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 양자점 패턴은, 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점 패턴 중 적어도 둘 이상은, 상기 양자점 패턴의 두께가 서로 상이하거나, 또는 양자점의 크기 및 구성 물질이 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 정렬성 고분자의 정렬 방향은, 상기 기판에 수직 또는 수평 방향으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 정렬성 고분자는 반응성 메소겐(reactive mesogen)인 것을 특징으로 하는, 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 양자점 패턴은, 상기 기판의 표면에 수직한 방향으로부터 바라보았을 때 다각형 또는 곡선과 직선으로 이루어진 닫힌 도형 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 광변조 양자점 컬러 디스플레이의 제조 방법.
  17. 서로 상이한 발광 특성을 갖는 복수 개의 양자점 패턴을 포함하되,
    상기 양자점 패턴은, 반응성 메소겐(reactive mesogen)인 정렬성 고분자를 이용하여 양자점을 매트릭스 내부에 균일하게 분포시켜 균일한 빛 발광이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 양자점 발광 패널.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점 패턴 중 적어도 둘 이상은, 상기 양자점 패턴의 두께가 서로 상이하거나, 또는 내부 양자점의 크기 및 구성 물질이 서로 상이한 것을 특징으로 하는, 양자점 발광 패널.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 양자점 패턴의 빛 발광은 외부 전압의 인가에 의해 이루어지는 전기발광(electro-luminescence), 또는
    광원으로부터 빛 에너지를 흡수하여 이루어지는 광발광(photo-luminescence)인 것을 특징으로 하는, 양자점 발광 패널.
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