Nanoparticles, for example upconversion-nanoparticles (UCNPs), quantum-dots (QDs), colloidal anocrystal clusters, and photonic crystals, are promising materials as wavelength converters because these have unique properties such as large Stokes or anti-Stokes shift, sharp emission bands, low autofluorescence. To be practically applied to opto-electronic devices, they should be directly encapsulated or coated on the devices. For fabricating encapsulants or coatings, the nanomaterials should be made of resin mixed with binder. However, formation of resin with binder for fabricating polymer composites face a couple of formidable roadblocks: (i) poor dispersion of nanoparticles in polymer; and (ii) deteriorating optical properties of the composites. In addition to the dispersion problem, optical properties of the nanoparticle/polymer composites decreases over time, particularly when the film is exposed to heat, oxygen, or moisture.
In this thesis, nanoparticle encapsulated by siloxane matrix is reported for highly stable wavelength converting materials under various oxidative environments by preparing in situ sol-gel condensation reaction. First, siloxane-encapsulated upconversion nanoparticle hybrid composite (SE-UCNP) which exhibits excellent photoluminescence (Photoluminescence) stability for over 40 days even at elevated temperature, in high humidity, and in harsh chemicals is fabricated for two-color binary micro barcode system. Second, luminescent light-emitting diode (LED) encapsulating material using a thermally curable quantum dot (QD)/siloxane hybrid (TSE-QD) color converter, which has superior long-term stability even at elevated temperature (120 $^\circ C$) , in high humidity (85 $^\circ C$ / 85 % relative humidity), and in various chemicals is fabricated, and white LED with wide color gamut (116% of NTSC) is demonstrated. Lastly, siloxane-encapsulated OIHP NP hybrid composite (SE-OIHP NP) films of which OIHP NPs and siloxane matrix are chemically hybridized in molecular scale is fabricated for improving stability of OIHP NP against heat and moisture.
업컨버젼 나노입자 (UCNP), 양자점 (QD), 콜로이드 성 양극결정 및 포토닉 결정은 큰 Stoke 또는 Anti-stoke shift, 낮은 자가형광과 같은 특별한 특성을 가지고 있기 때문에 파장변환재료로써 전도유망한 소재이다. 이를 실제 광전소자에 적용하기 위해서는 이러한 나노재료를 바인더와 함께 섞어서 레진으로 만들어 소자에 코팅이나 봉지를 형성해야 한다. 하지만, 레진으로 만들어 복합체를 형성 할 때 (1) 고분자내의 나노입자의 나쁜 분산성, (2) 복합체 형성시 광특성의 감소 등이 문제가 된다. 또한, 이러한 문제들과 함께 복합체 형성시 열, 산소 그리고 수분과 같은 환경에 노출시 복합체의 광특성이 감소되는 문제점이 있다.
본 학위논문에서는, 인 시투 솔-젤 반응을 이용하여 나노입자를 실록산 매트릭스로 캡슐화하여 다양한 산화환경에서 매우 안정한 파장변환재료를 제작하였다. 첫번째로, 고온, 고습 및 다양한 화학용액에서도 40일 이상 뛰어난 광 발광 (Photoluminescence) 안정성을 나타내는 실록산에 캡슐화된 업컨버젼-나노입자 (SE-UCNP)를 제작하였고 이를 이용하여, 2 색의 이진 마이크로 바코드를 제작하였다. 두번째로, 열경화성 양자점 (QD)/실록산 하이브리드 (TSE-QD) 파장변환재료를 이용하여 고온 (120 $^\circ C$) 및 고습 (85 $^\circ C$ / 85 % 상대습도), 다양한 화학용액에서도 매우 우수한 안성정을 가지는 광발광 LED 봉지재를 개발하였으며, 이를 이용하여 넓은 색영역 (NTSC의 116 %)을 가지는 백색 LED를 시연하였다. 마지막으로, 열과 수분에 매우 취약한 유-무기 페로브스카이트 나노입자 (OIHP NP)의 안정성을 향상시키기 위해 OIHP NP와 실록산 매트릭스가 분자 규모로 화학적으로 하이브리드화 된 실록산에 캡슐화된 OIHP NP 하이브리드 복합체 (SE-OIHP NP)를 제작하여 OIHP NP의 안정성을 크게 향상시키는 연구를 수행하였다.
