基于量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的背光源技術(shù)研究

徐 勝，徐玉珍，陳恩果，郭太良

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002)

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基于量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的背光源技術(shù)研究

徐 勝，徐玉珍，陳恩果，郭太良

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002)

研究了一種基于導(dǎo)光板量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的背光新技術(shù)，提出了一個方案，即將紅/綠量子點按合適的比例填充到導(dǎo)光板網(wǎng)點油墨中，然后以藍(lán)光LED作為入射光源來激發(fā)導(dǎo)光板網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)中的紅/綠量子點，以獲得相應(yīng)的紅/綠光，并將其與剩余藍(lán)光混合形成白光.在該方案中，重點研究了背光源白平衡的關(guān)鍵影響因素，其中包括紅/綠量子點的合適配比、藍(lán)光激發(fā)強度以及油墨等.最后，基于此技術(shù)試制了背光模組樣機，并通過印刷方式加工了625 nm/525 nm的紅/綠量子點網(wǎng)點的微結(jié)構(gòu)，同時采用中心波長為450 nm的藍(lán)光LED激發(fā)，通過測試，該樣機輸出的白光CIE1931色坐標(biāo)為(0.3175,0.314)，色溫為6 281K，色域覆蓋率達(dá)到119.3%.實驗結(jié)果表明：該方案可行性較高，是一種與傳統(tǒng)側(cè)入式背光生產(chǎn)工藝較為貼近的量子點背光源新方案.

背光源； 量子點； 網(wǎng)點； 白平衡； 色域

近幾年來，量子點(Quantum Dot, QD)作為一種新型的納米熒光材料，由于其具有發(fā)光峰窄、發(fā)光顏色可調(diào)等特點而使其非常適合于顯示領(lǐng)域[1-3]，因而，將量子點應(yīng)用于液晶背光結(jié)構(gòu)成為背光技術(shù)研究的新熱點之一[4-6].目前，最具代表性的技術(shù)是3M 公司提出的在量子點材料成膜后搭配藍(lán)色LED 光源的背光模塊結(jié)構(gòu)，它已開始被應(yīng)用到液晶顯示器當(dāng)中.當(dāng)前，國內(nèi)外知名顯示器廠商，包括三星、LG、TCL、京東方等都已將研究重心逐步轉(zhuǎn)移到量子點背光技術(shù)上，并開發(fā)出相應(yīng)的量子點電視.

依據(jù)量子點在背光源結(jié)構(gòu)中的不同位置，目前主流的量子點背光技術(shù)主要有3種方案，第一種是基于QD-LED的光源方案，這種方案由于QD-LED發(fā)熱的緣故[7-9]，其量子點效率和壽命下降仍然是有待解決的問題；第二種是基于背光源出光表面的QDEF膜方案，盡管該方案應(yīng)用獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效地減弱了熱量對量子點的影響，QDEF薄膜里面屏障層的存在也有利于隔水和隔氧，但是，該膜層在波長轉(zhuǎn)換的同時，會造成光線進(jìn)一步散射和產(chǎn)生損失，這大大降低了光的透過性[10-13]；第三種則是基于導(dǎo)光板入光側(cè)的QD-Tube方案，在此方案中，額外地在入光側(cè)加入了一條細(xì)長的封裝有紅/綠量子點的圓柱形燈管，然而，這種方法仍然存在光學(xué)加工較為困難和光耦合效率較低的問題.

鑒此，本文結(jié)合側(cè)入式背光源導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，從傳統(tǒng)的導(dǎo)光板網(wǎng)點制作工藝的角度出發(fā)，研究了一種基于導(dǎo)光板量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的背光源新方案，即將紅/綠量子點進(jìn)行合適的配比，然后與專用油墨進(jìn)行均勻調(diào)配以形成量子點漿料，再通過絲網(wǎng)印刷或打印工藝將量子點漿料轉(zhuǎn)移到導(dǎo)光板的下表面，經(jīng)過低溫烘干后，制成量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu).這樣做既能利用網(wǎng)點內(nèi)油墨的良好光學(xué)散射特性，同時又可以通過專用油墨的保護(hù)防止網(wǎng)點內(nèi)的量子點受到水和氧的侵蝕.顯然，該方法不僅能有效解決熱量對量子點的影響，而且也不需要用專用的量子點膜片來調(diào)節(jié)出光白平衡.針對此方案，本文從實驗的角度出發(fā)，對基于量子點網(wǎng)點導(dǎo)光板的背光源結(jié)構(gòu)、工作原理以及如何實現(xiàn)出光白平衡進(jìn)行了詳細(xì)的探討和分析.

1 量子點網(wǎng)點背光源結(jié)構(gòu)及工作原理

基于導(dǎo)光板量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的背光源光學(xué)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的側(cè)入式LED背光源類似，從下至上它主要包括：反射片、量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板、擴散膜、增亮膜以及側(cè)邊的藍(lán)光LED光源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)背光源產(chǎn)生白光的主要工作原理是：藍(lán)色LED光源在電路控制下發(fā)出藍(lán)色波長的光，側(cè)邊入射并進(jìn)入導(dǎo)光板內(nèi)，最終發(fā)生全反射.由于導(dǎo)光網(wǎng)點的存在破壞了光的全反射，使得部分藍(lán)色波長的光散射進(jìn)入網(wǎng)點，并激發(fā)網(wǎng)點內(nèi)的量子點發(fā)出相應(yīng)的紅/綠色波長的光，其余的藍(lán)光經(jīng)過多次傳播，一部分藍(lán)光光子會繼續(xù)與網(wǎng)點內(nèi)的量子點發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的紅/綠波長的光；而剩余的藍(lán)光經(jīng)過多次散射傳播后，最終與激發(fā)出的紅/綠色光在導(dǎo)光機構(gòu)內(nèi)混合而獲得所需的白色光源.顯然，通過控制導(dǎo)光板網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)內(nèi)的紅/綠量子點的適當(dāng)比例，可以獲得不同色溫的白色均勻面光源.

2 白平衡實驗研究

對于三基色的光源而言，當(dāng)顏色達(dá)到白平衡時，可以認(rèn)為紅、綠、藍(lán)三基色的光通量達(dá)到平衡，具體而言，在本實驗條件下產(chǎn)生的紅/綠光，其分別是紅/綠量子點受到藍(lán)光激發(fā)而產(chǎn)生的，如果忽略紅/綠光發(fā)射光譜的半峰寬差異所產(chǎn)生的影響(實測得紅/綠量子點半峰寬約為30 nm、25 nm)，則可近似認(rèn)為，要保證出光白平衡，紅/綠量子點在藍(lán)光激發(fā)下(這里暫不考慮藍(lán)光強度)所激發(fā)出的紅/綠光的峰值光強應(yīng)該基本一致.因此，為了確定實現(xiàn)出光白平衡時的量子點的配比關(guān)系，可以用光度計的藍(lán)光光源去激發(fā)不同比例的紅/綠量子點，當(dāng)發(fā)射光譜的峰值強度達(dá)到同一強度時，就可以認(rèn)為各色光達(dá)到了平衡，進(jìn)而就可以確定出具體的紅/綠量子點的配比關(guān)系.

當(dāng)紅/綠量子點平衡配比確定后，對于藍(lán)光的發(fā)光強度，則可以通過施加可調(diào)的電信號去激發(fā)藍(lán)光光源，使其產(chǎn)生合適的藍(lán)光強度，最終實現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三者的平衡.

基于上述量子點發(fā)光的白平衡調(diào)配實驗方案，同時為了驗證基于量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)背光源方案的可行性，并減小誤差，主要的光譜分析儀器采用了F-4600型熒光分光光度計；在量子點方面，則以武漢珈源公司生產(chǎn)的625 nm和525 nm的紅/綠色量子點溶液(質(zhì)量濃度為3 mg·mL-1)作為背光源量子點材料；在光源方面，以LED供應(yīng)商提供的450 nm的藍(lán)光LED光源(光源尺寸為4 mm×0.14 mm)作為背光源的標(biāo)準(zhǔn)光源，并以工廠提供的材質(zhì)作為亞克力的背光源導(dǎo)光板來進(jìn)行實驗和研究.

2.1 藍(lán)光激發(fā)強度的變化對量子點發(fā)光中心波長的影響 由于在后續(xù)的出光白平衡實驗中會采用F-4600型熒光分光光度計來進(jìn)行光譜分析，因此，首先需要將光度計的藍(lán)色激發(fā)光源與實際的藍(lán)光LED光源進(jìn)行校正.由于熒光光度計的激發(fā)光強度可以通過電壓來進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以當(dāng)激發(fā)波長確定時，只需要調(diào)節(jié)光度計的相關(guān)參數(shù)，使得其產(chǎn)生的激發(fā)光光譜與藍(lán)光LED光源的光譜盡量接近即可.因此，對比實際的藍(lán)光LED光源，在熒光光度計的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定中，激發(fā)波中心波長設(shè)定為450 nm，狹縫寬度設(shè)定為5 ∶1.

在測試過程中，由于F-4600型熒光分光光度計是通過調(diào)節(jié)電壓的大小來實現(xiàn)藍(lán)光光源強度的變化的，因此，可以通過施加不同的激發(fā)電壓來觀察不同強度藍(lán)光下的量子點發(fā)光光譜，從而確定量子點出光效果的變化.所以，在具體實驗中，分別采用了光度計對紅/綠2種量子點溶液進(jìn)行測試.以625 nm的紅色量子點溶液為例，實驗中取紅色量子點溶液0.4 mL加入比色皿，然后放入光度計中，選擇中心波長為450 nm的藍(lán)光，施加不同的電壓進(jìn)行激發(fā)，所測得的在不同電壓下紅色量子點溶液的發(fā)射光譜如圖2所示.

可見，在不同電壓(400 V，450 V，500 V，550 V)激發(fā)下，紅色量子點的發(fā)射光譜強度呈非線性增長，但是紅光的中心波長始終在625 nm左右，由此可知，激發(fā)出的紅色量子點的波峰所對應(yīng)的中心波長位置不會隨供電電壓的變化而變化，也就是說，藍(lán)光激發(fā)強度的變化并不會導(dǎo)致紅色量子點發(fā)射光譜的中心波長發(fā)生偏移.

在實際導(dǎo)光網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)中，除了紅/綠量子點外，由于還需要與專用的油墨進(jìn)行均勻混合，因此還必須研究量子點與油墨混合后，電壓激勵的變化對其所產(chǎn)生的影響.同樣，以紅色量子點為例，在同一電壓值下，取0.4 mL，波長為625 nm的紅色量子點溶液進(jìn)行光譜測試，然后將量子點溶液與定量油墨混合后，再次進(jìn)行光譜測試，最后將二者進(jìn)行比較與分析.圖3為不同電壓(400 V，450 V，500 V，550 V)激勵下混合油墨前后的紅色量子點的發(fā)射光譜.

從圖3的測試結(jié)果可知，在未混合油墨的情況下，紅色量子點發(fā)射光譜上出現(xiàn)了625 nm的單個強峰，并且隨不同電壓激勵值產(chǎn)生相應(yīng)的峰值強度；而在等量量子點混合了一定油墨之后，其發(fā)射光譜上出現(xiàn)了兩個峰，一個仍在625 nm處，而另一個則位于450 nm處.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，由于激發(fā)光波長為450 nm，而其中的一個波峰出現(xiàn)的位置也是450 nm處，由此可以推斷，出現(xiàn)此波峰的原因在于油墨具有較強的散射光的特性，它將450 nm的激發(fā)光進(jìn)行散射，從而使得90度位置探測時能夠探測到450 nm波長的光能量.同時，由于油墨對光具有較強的散射作用，從而使得入射的藍(lán)光有更多的幾率與量子點發(fā)生碰撞，因此，從圖3上也可以看出，混合油墨后，相應(yīng)的625 nm處的峰值強度要比混合油墨之前更高，其具體強度是由油墨中散射粒子的數(shù)量和性能所決定.另外，在混合油墨前后，量子點受到激發(fā)所產(chǎn)生的強峰(625 nm)的位置不變，這說明與油墨混合后，量子點發(fā)射光譜的強峰中心波長的位置(625 nm處)不會發(fā)生變化.

綜合上述分析可知，混合油墨對紅色量子點發(fā)射光譜的中心波長影響不大，而且在加入油墨后，在光學(xué)方面的影響主要體現(xiàn)在其散射作用上，由此增加了藍(lán)光光子與量子點的碰撞幾率，這使得量子點在等強度藍(lán)光激發(fā)下的出光強度增加.

2.2 紅/綠量子點的出光平衡調(diào)配 由于在藍(lán)光激發(fā)下，紅/綠量子點的發(fā)光效率是不一致的，因此，為了保證紅/綠光出光強度的平衡，必須研究紅/綠量子點的配比與藍(lán)光激發(fā)強度之間的關(guān)系.

為了確定實現(xiàn)出光平衡時的紅/綠量子點的配比關(guān)系，可以用光度計自身的藍(lán)光光源去激發(fā)不同比例的紅/綠量子點，當(dāng)它們受到激發(fā)后所產(chǎn)生的發(fā)射光譜的峰值強度達(dá)到同一強度時，就可以認(rèn)為紅/綠光達(dá)到了平衡(暫不考慮藍(lán)光強度)，進(jìn)而就可以確定出具體的紅/綠量子點的配比關(guān)系.

由于綠色量子點的發(fā)光效率較低，故在實驗中，按照廠家提供的配比建議，首先選取0.6 mL的紅色量子點，然后摻入2.7 mL的綠色量子點進(jìn)行配比.在電壓為400 V下，以中心波長為450 nm的藍(lán)光來激發(fā)，并進(jìn)行光譜測試，此時紅色激發(fā)峰相對強度約為275，而綠色為225，顯然兩者沒有達(dá)到平衡.因此，繼續(xù)調(diào)整紅/綠量子點溶液量，直到紅色為0.9 mL和綠色為8.1 mL時，才發(fā)現(xiàn)兩者的激發(fā)峰相對強度基本一致，這說明紅/綠出光強度基本達(dá)到了平衡，實驗的測試結(jié)果如圖4所示.

根據(jù)實驗結(jié)果，要實現(xiàn)紅/綠量子點的等強度輻射，625 nm的紅色量子點和525 nm的綠色量子點的溶液配比約為V紅色量子點∶V綠色量子點=0.9 ∶8.1，即紅/綠量子點的溶液體積配比約為1 ∶9.因此，在后面的實驗中可以以此配比為基準(zhǔn)來進(jìn)行顏色白平衡實驗.

2.3 不同藍(lán)光強度對固定比例的紅/綠量子點出光效果的影響 在前面的研究中，確定了在400 V電壓下，激發(fā)出等輻射強度光的紅/綠量子點的體積配比.然而，在實際應(yīng)用中，是先將量子點與油墨均勻混合，使其形成量子點漿料，然后再將量子點漿料通過絲網(wǎng)印刷的方式將其轉(zhuǎn)印成量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)，因此，還必須考慮在不同藍(lán)光強度的激發(fā)下，油墨混合后紅/綠量子點的出光平衡效果是否會發(fā)生變化.

因此，可以采用不同的電壓去激發(fā)固定配比的紅/綠量子點漿料，并觀察其發(fā)射光譜的變化情況.在本實驗中，是以不同強度的450 nm的藍(lán)光對體積配比為1 ∶9的紅/綠量子點漿料(添加了固定容量的油墨)進(jìn)行激發(fā).圖5即為不同電壓激發(fā)下所獲得的混合油墨后紅/綠量子點漿料的發(fā)射光譜.

根據(jù)測試結(jié)果，在電壓值從400 V上升到600 V的過程中，保持紅/綠量子點的配比(1 ∶9)不變，可以發(fā)現(xiàn)，所激發(fā)的紅/綠量子點的峰值強度始終在625 nm和525 nm附近，并且峰值強度也始終保持相應(yīng)的變化，并在變化過程中始終保持平衡.因此，可以得到以下結(jié)論：在混合油墨后，如果紅/綠量子點的配比確定，紅/綠量子點的出光強度會隨著藍(lán)光激發(fā)強度的增加而增加，但是紅/綠量子點的出光平衡并不會隨著藍(lán)光激發(fā)強度的變化而變化.也就是說，一旦紅/綠量子點出光達(dá)到平衡后，即使改變供電參數(shù)，也不需要再重新考慮量子點的出光平衡配比問題.

3 量子點網(wǎng)點背光源制作與光學(xué)測試及分析

3.1 量子點網(wǎng)點導(dǎo)光板的設(shè)計與制作 根據(jù)前面研究的白平衡實驗結(jié)果，在樣品制作中，采用對角線尺寸為4英寸的亞克力板作為導(dǎo)光板基板；同時，紅/綠量子點按1 ∶9配比均勻混合入定量的油墨中以形成量子點漿料，然后通過印刷工藝將量子點漿料印制到導(dǎo)光板表面，使其成為具量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光板.圖6(a)為放大25倍時在3D顯微鏡(型號：OLYMPUS DP73)下所觀察到的量子點網(wǎng)點導(dǎo)光板的局部放大圖片，其中，右上角圖片為450 nm的藍(lán)光直射進(jìn)入導(dǎo)光板上單個量子點網(wǎng)點時的形貌特征.

基于此導(dǎo)光板，并按照實際要求，配上對應(yīng)的其他背光源部件，從而獲得4英寸的背光源樣品.然后，采用專門設(shè)計的調(diào)光電路，驅(qū)動藍(lán)光LED燈條，當(dāng)電流至33 mA時，得到如圖6(b)所示的基于量子點網(wǎng)點導(dǎo)光板的背光源樣品.

(a)LGP Sample (b)BLU Sample圖6 量子點網(wǎng)點背光源樣品

根據(jù)圖6(b)的測試效果，可以發(fā)現(xiàn)，在此背光源樣品的有效出光區(qū)域形成了白色面光源，然而四周會有少許藍(lán)光泄露，這主要是由于機構(gòu)沒有完全閉合而導(dǎo)致側(cè)邊漏光的緣故.實驗結(jié)果證明了采用藍(lán)光LED去激發(fā)基于紅/綠量子點網(wǎng)點結(jié)構(gòu)的背光源方案的可行性.

3.2 光學(xué)測試與分析 通過TOPCON BM7儀器，對該量子點網(wǎng)點背光源樣品進(jìn)行光學(xué)測試，可以得到其相應(yīng)的光學(xué)參數(shù).經(jīng)過測試，該面光源的CIE1931色坐標(biāo)為：X=0.3175，Y=0.314；其色溫為6 281 K.

將測試所獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，可以獲得該面光源基于CIE1931的三基色坐標(biāo)值，然后通過相應(yīng)的公式計算可以得到與標(biāo)準(zhǔn)NTSC相比較的色域覆蓋率.如表1所示，其為該背光源樣品所對應(yīng)的三基色坐標(biāo)結(jié)果以及色域.

表1 量子點網(wǎng)點背光源的三基色坐標(biāo)值及色域

根據(jù)表1的三基色坐標(biāo)數(shù)值，由于加入了量子點，該背光源的R，G，B三基色坐標(biāo)值與NTSC下的標(biāo)準(zhǔn)值略有不同，其所包含的色域覆蓋率會明顯大于標(biāo)準(zhǔn)的NTSC色域面積，達(dá)到了119.3%.

4 結(jié) 論

本文結(jié)合側(cè)入式LED背光源導(dǎo)光板的結(jié)構(gòu)特點及其出光特性，研究了一種基于量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)的背光新技術(shù).通過詳細(xì)分析和研究紅/綠量子點發(fā)射光譜的中心波長以及相應(yīng)的峰值強度的變化規(guī)律，確定了導(dǎo)光板在出光白平衡時紅/綠量子點的最佳配比方案，并探討了紅/綠量子點的最佳配比，藍(lán)光激發(fā)強度以及油墨等關(guān)鍵因素和不同強度藍(lán)光的激發(fā)對固定配比的紅/綠量子點在發(fā)光效果上的影響.然后，在上述白平衡研究的基礎(chǔ)上，實際制作了4英寸的量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板，并將其封裝成背光源樣品.最后，結(jié)合熒光分光光度計等光譜分析設(shè)備對出光白平衡進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該背光源的色溫為6281 K，色坐標(biāo)為(0.3175，0.314)，接近D65標(biāo)準(zhǔn)光源；并且，該光源的色域覆蓋率達(dá)到了119.3%.由此證明了基于量子點網(wǎng)點導(dǎo)光板技術(shù)的背光源方案具有較高的可行性，并且非常貼近傳統(tǒng)的印刷工藝，易于推廣.

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LED Backlight Technology Based on Micro-dot Structures Mixed with Quantum Dots

Xu Sheng, Xu Yuzhen, Chen Enguo, Guo Tailiang

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

In our report, a novel technology for LED backlight based on micro-dot structures mixed with quantum dots was studied, and a protocol was proposed, in which red and green quantum dots with a certain right proportion were filled into the micro-structure of light guide plate, in order to obtain white balance, blue LEDs were applied as the excitation light source. The key factors on the white balance of backlight were also studied, which includes concentration ratio of red/green quantum dots, light excitation intensity of blue LEDs, ink characteristics and so on. Based on the proposed method, a sample prototype of a backlight system was developed, the micro-dot structures mixed with R/G quantum dots of 625 nm/525 nm were excited by the blue LEDs of 450 nm. The test data indicated that the output color coordinates (CIE1931) of the sample was (0.3175, 0.314), color temperature was 6 281 K, and the color gamut coverage rate attained 119.3%. The results showed that the proposed method was feasible, and was a novel method of quantum dots based backlight, which was closer to the traditional manufacturing process of edge-lit backlight system.

backlight unit; quantum dots; net dot; white balance; color gamut area

2016-03-07

國家“863”計劃重大專項(No.2013AA030601-2)；國家自然科學(xué)基金(No.61405037)；福建省自然科學(xué)基金(2015J01193)；福州大學(xué)博士啟動基金(0100510069)

徐勝(1974-)，男，江西撫州人，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院2010級博士研究生，E-mail：xusheng06090@163.com

郭太良(1963-)，男，福建莆田人，博士生導(dǎo)師，研究員，研究方向為新型顯示材料與器件，E-mail：gtl@fzu.edu.cn

1004-1729(2016)03-0209-06

TN 31

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0032