量子點(diǎn)液晶顯示背光技術(shù)分析

萬(wàn)坤+呂錢+齊立超

【摘 要】量子點(diǎn)，又稱為納米晶，是由有限數(shù)目的原子組成，3個(gè)維度上的尺寸均在納米數(shù)量級(jí)。日新月異的顯示技術(shù)，經(jīng)歷了數(shù)代變遷，但每一代新技術(shù)的出現(xiàn)都從未離開(kāi)過(guò)新材料的發(fā)展。量子點(diǎn)背光技術(shù)因?yàn)樵谏时憩F(xiàn)力方面的卓越表現(xiàn)，受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注和青睞。下文先簡(jiǎn)單介紹了量子點(diǎn)材料，接著探究了量子點(diǎn)液晶顯示背光技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】量子點(diǎn)；液晶顯示；背光技術(shù)

一、 導(dǎo)言

21世紀(jì)是一個(gè)信息與顯示的時(shí)代，顯示技術(shù)無(wú)處不在，從日常使用的智能手機(jī)、平板電腦等小型顯示設(shè)備，到家庭電視、廣告顯示屏等大型顯示設(shè)備，都與顯示技術(shù)息息相關(guān)。作為一種新穎的半導(dǎo)體納米材料，量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，諸如發(fā)光效率高、發(fā)射光譜窄、發(fā)射光譜可調(diào)等，這些性質(zhì)都是量子點(diǎn)得以在顯示器件中應(yīng)用的重要前提。文章就想內(nèi)容作出簡(jiǎn)析。

二、 量子點(diǎn)材料簡(jiǎn)析

量子點(diǎn)（QD）是一種新型的納米熒光材料，它是由II-VII族或III-V族元素組成的。量子點(diǎn)的晶粒直徑只有約2～10 nm，僅相當(dāng)于10～50個(gè)原子的寬度。其電子和空穴位都被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，受激發(fā)后可以發(fā)射熒光。量子點(diǎn)最大的特點(diǎn)是能級(jí)間隙隨著晶粒大小而改變，晶粒越大，則能級(jí)間隙越小，晶粒越小，能級(jí)間隙越大。而量子點(diǎn)越小，發(fā)光顏色越偏藍(lán)，反之，量子點(diǎn)越大，發(fā)光顏色越偏紅。

在無(wú)輻射薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器（TFT-LCD）應(yīng)用方面，最具代表性的技術(shù)是3M公司提出的將量子點(diǎn)材料成膜后搭配藍(lán)色LED光源的背光模塊結(jié)構(gòu)，并開(kāi)始應(yīng)用到液晶顯示器當(dāng)中。按照Adobe RGB的標(biāo)準(zhǔn)，一般的液晶顯示器（LCD）只能提供70%的色域，而加入量子點(diǎn)膜的LCD則可以提供100%的色域。但是目前量子點(diǎn)薄膜技術(shù)主要存在材料利用率不高，成本高昂，光學(xué)效率不高的缺點(diǎn)。根據(jù)3M QDEF技術(shù)的結(jié)構(gòu)，量子點(diǎn)膜被上下兩層阻擋膜阻隔保護(hù)，除了LED側(cè)引入的激發(fā)光源之外，在QD層中又發(fā)生了量子轉(zhuǎn)化而誘發(fā)其他波長(zhǎng)的光線，而膜材料密度成份變化以及其界面層微結(jié)構(gòu)（粗糙度，界面折射率變化）引起的傳輸轉(zhuǎn)換都會(huì)造成光的損耗。這使得從導(dǎo)光板（LGP）出射的光無(wú)法全部透過(guò)量子點(diǎn)膜，造成光的浪費(fèi)。

三 、量子點(diǎn)液晶顯示背光技術(shù)

（一）量子點(diǎn)背光技術(shù)的封裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)量子點(diǎn)材料封裝方式的不同可以分為3種類型：第一種封裝方法On-surface是將量子點(diǎn)嵌入兩層氧氣阻隔薄膜中，再將量子點(diǎn)薄膜放臵于LED背光和液晶盒之間。這種方法消耗的量子點(diǎn)材料較多，但技術(shù)成熟，近年來(lái)三星、LG、TCL等各大廠商均采用該法。以3M和Nanosys的QDEF技術(shù)為例，其液晶面板最外層覆蓋著一層透明、柔性的超薄屏障層膜，厚度僅有55μm，可以有效防止水、氧氣對(duì)內(nèi)部量子點(diǎn)膜的侵蝕，水氧穿透率小于1*10-3g/m2/day，其輕薄度、柔韌性、抗撞擊性均優(yōu)于玻璃材質(zhì)。通過(guò)獨(dú)特的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小了熱量和光通量對(duì)量子點(diǎn)的損耗，目前QDEF的壽命為2～3萬(wàn)小時(shí)，3M預(yù)計(jì)未來(lái)能達(dá)到7萬(wàn)小時(shí)；第二種封裝方法On-edge是將量子點(diǎn)放在密封玻璃管內(nèi)，臵于屏幕邊緣的LED條上方，由于側(cè)光式LED背光相較整個(gè)顯示屏面積小得多，該方法消耗的量子點(diǎn)較少，約為On-surface用量的百分之一，但對(duì)量子點(diǎn)的穩(wěn)定性要求較高。目前主要是QD Vision的Color IQ技術(shù)采用這種封裝方法；第三種封裝方法On-chip是將量子點(diǎn)直接封裝到LED管內(nèi)，可以最大化量子點(diǎn)效率，量子點(diǎn)材料消耗僅約為On-surface的萬(wàn)分之一，但是由于這種方法要求量子點(diǎn)材料在高溫環(huán)境保持穩(wěn)定，且封裝技術(shù)要求高，目前行業(yè)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有公司采用這種封裝方法。最新的技術(shù)方向是在量子點(diǎn)與藍(lán)光源之間留出部分空間，以降低量子點(diǎn)工作溫度。

（二）量子點(diǎn)背光技術(shù)中的無(wú)機(jī)復(fù)合材料與工藝

量子點(diǎn)發(fā)光材料的穩(wěn)定性是目前應(yīng)用中的技術(shù)關(guān)鍵。除了從結(jié)構(gòu)層面上（核殼結(jié)構(gòu)與合金化結(jié)構(gòu)等）提高材料的穩(wěn)定性之外，量子點(diǎn)發(fā)光材料的穩(wěn)定性還可以通過(guò)與其它基質(zhì)材料復(fù)合的方式來(lái)優(yōu)化和改善，量子點(diǎn)發(fā)光材料與基質(zhì)材料復(fù)合在一起可以形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。常用的基質(zhì)材料分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類，有機(jī)材料以硅膠樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）等透明聚合物為主，無(wú)機(jī)材料以各種氧化物和無(wú)機(jī)鹽為主，最近的一些研究表明，采用無(wú)機(jī)材料作為量子點(diǎn)的復(fù)合基質(zhì)得到的復(fù)合材料具有更好的穩(wěn)定性表現(xiàn)，對(duì)于“芯片封裝型”以及“側(cè)管封裝型”的背光結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，量子點(diǎn)發(fā)光材料的穩(wěn)定性是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵，因此，關(guān)于量子點(diǎn)與無(wú)機(jī)基質(zhì)材料復(fù)合的研究報(bào)道層出不窮，研究人員都希望發(fā)展新的復(fù)合技術(shù)來(lái)獲得可以穩(wěn)定使用的復(fù)合發(fā)光材料。

（三）背光結(jié)構(gòu)的光學(xué)仿真模擬簡(jiǎn)析

按照新型量子點(diǎn)背光封裝方式，使用光學(xué)模擬軟件LightTools進(jìn)行仿真模擬，以10.1″液晶顯示器背光模組為例來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。LightTools光學(xué)設(shè)計(jì)軟件是一款高精度的三維光學(xué)建模工具。該軟件自帶光學(xué)膜片元件庫(kù)和光源庫(kù)，其膜片庫(kù)自帶3M公司的所有增亮膜（BEF）和反射式偏光增亮膜（DBEF），其光源庫(kù)涵蓋了4大LED公司的近400種LED光源，可以直接調(diào)用來(lái)進(jìn)行液晶顯示的背光設(shè)計(jì)。它利用蒙特卡羅光線追跡的技術(shù)做光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)間的仿真。當(dāng)光源發(fā)射出的光束穿越整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，光束可以自動(dòng)地分裂為反射、折射、偏振光及散射的分量。通過(guò)對(duì)這些光線的統(tǒng)計(jì)平均，就可以得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能評(píng)價(jià)。

四 、總結(jié)

綜上所述，液晶顯示作為現(xiàn)今社會(huì)各領(lǐng)域主流的顯示技術(shù)越來(lái)越受到人們的青睞，隨著生活水平的提高，人們對(duì)液晶顯示器的顯示品質(zhì)要求越來(lái)越高。量子點(diǎn)材料兼具極高的色純度、發(fā)光顏色可調(diào)以及的熒光量子產(chǎn)率高等特點(diǎn)，已成為顯示領(lǐng)域中的明星材料，在提升顯示器件的色域方面具有巨大潛力。上文簡(jiǎn)析了量子點(diǎn)液晶顯示背光技術(shù)。

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