基于分布式布拉格反射器的量子點彩膜

郭太良，繆煌輝，林淑顏，郭 騫，葉 蕓，陳恩果，徐 勝

(福州大學 物理與信息工程學院，平板顯示技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，福建 福州 350116)

1 引 言

傳統(tǒng)液晶面板中，由于彩色濾光片(Color filter, CF)對進入光線的阻隔作用，損失了約2/3的能量，使得液晶顯示器的能量利用率較低[1-3]。隨著量子點(Quantum dot，QD)技術的發(fā)展，將量子點封裝成彩色濾光膜的方案來實現(xiàn)光色轉(zhuǎn)換的方式日益受到重視。量子點彩膜結構的工作原理是以藍光LED作為側(cè)入式背光源，經(jīng)過導光板轉(zhuǎn)化成為均勻出光的藍色面光源，量子點陣列層置于液晶層之上，受到藍光激發(fā)產(chǎn)生與該子像素相對應顏色的單色光。由于沒有了傳統(tǒng)彩色濾光片對光線的吸收作用，該結構的發(fā)光效率比傳統(tǒng)結構大幅增加。另一個優(yōu)勢則是高效的反應時間，因為只有藍光通過液晶層，僅需要采用更薄的液晶層膜厚就能獲得相應的相位差，更薄的液晶層意味著反應時間的提升。與此同時，由于量子點光致發(fā)光的出光具有各向同性的特征，一定程度上也保證了器件具有較大的可視角度。可見，未來液晶顯示技術的重要發(fā)展方向之一就是采用量子點彩膜技術來提升液晶顯示的色域，改善畫質(zhì)并且同時降低顯示器的功耗[4-6]。2016年，韓國延世大學 Kim等提出以白光機發(fā)光二極管作為背光激發(fā)紅綠量子點膜層，基于在圖案化的量子點膜上具有氣隙結構，以通過回收不必要的光來提高光學效率[7]。同年，中山大學劉益坤等人通過匹配相應的濾色器像素，將該量子點陣列進一步放置在傳統(tǒng)的濾色器陣列上，以消除藍光串擾[3]。2017年，京東方齊永蓮等開發(fā)了量子點光刻膠替代彩色濾光片的方法，通過合成新型的量子點光刻膠,將其作為色彩轉(zhuǎn)換膜制備在彩色濾光片下方,通過背光激發(fā)量子點自發(fā)光,可得到色純度更高的紅綠光[8]。在此基礎上，本文通過仿真提出了一種防藍并提高光效的量子點彩膜新結構。有助于在實驗過程中有效減少實驗步驟和降低實驗成本，對分析量子點彩膜具有一定的應用價值和實際意義。

2 基于分布式布拉格反射器的量子點彩膜結構

量子點彩膜結構中用藍色背光源激發(fā)量子點后會存在一個問題，其出光中會有大量的藍光摻雜而導致出光不純。如圖1(a)所示，當量子點彩膜結構單用一層量子點膜層去轉(zhuǎn)化藍光時，其轉(zhuǎn)化效率遠遠達不到所需的單一顏色的效果，影響其單色出光性能。因此，如圖1(b)，需在量子點膜層中加入大量的散射粒子，從而達到增加光程提高藍光的轉(zhuǎn)化效率，減少量子點用量[9]。為了進一步減少藍光的漏過率，現(xiàn)常見的解決方案是在量子點膜層上方再加入一層彩色濾光片[10]，如圖1(c)所示。

圖1 量子點彩膜結構對比。(a)量子點膜；(b)加入散色粒子的量子點彩膜；(c)量子點膜層中加入散色粒子配以彩色濾光片膜層；(d)量子點膜層中加入散色粒子配以LPF和SPF膜層。Fig.1 Quantum dot color filter structure comparison. (a) Quantum dot color filter; (b) Quantum dot color filter with Scattering particle; (c) Quantum dot color filter with dispersive particles and CF film layer; (d) Quantum dot color filter with dispersing particles LPF and SPF layers.

為了提高光效和防藍光，提出圖案化的帶通濾波器替代彩色濾光片來實現(xiàn)高效的量子點彩膜。如圖1(d)所示，分別在彩膜中設置上層的長通濾波器(Long-pass filter，LPF)及下層的短通濾波器(Short-pass filter，SPF),這兩種濾波器為分布式布拉格反射器(Distributed Bragg reflector，DBR)，通過多對兩種不同折射率的材質(zhì)交替達到高反射率[11-12]。其對波段的選擇依賴于選用的材料及膜層的厚度，得到對不同波段選擇的分布式布拉格濾波器反射器[13]。通過兩層圖案化DBR膜層的作用，可使得未被量子點轉(zhuǎn)換的藍光反射回來二次激發(fā)，而反向發(fā)射的紅綠光則被下層的低通濾波器再次向上出射，達到能量循環(huán)高效出光。

量子點彩膜中影響其出光效率和純度的主要因素在于藍光的光程，而改變藍光光程與量子點膜層厚度、膜層中量子點用量的比重和外部結構參數(shù)有關。當使用特定的量子點時，其量子效率不會改變，因此本文從外部結構著手并調(diào)節(jié)膜層厚度和膜層中量子點用量的比重，進行仿真研究，并對比圖1(c)與(d)兩種結構的優(yōu)劣，為后續(xù)實驗提供了理論指導和依據(jù)。

3 建模與仿真

在建立彩膜模型之前需對其中關鍵因素進行設定，包括量子點及散射粒子參數(shù)的確定。為了與實際相符合，采用了實際紅綠量子點尺寸作為模型構建的仿真參考。其中紅綠量子點粒子直徑分別為9 nm及6 nm，將其應用于量子點彩膜相應顏色子像素當中并建立發(fā)光模型[14]。通過中心波長為450 nm的藍色背光去激發(fā)模型子像素中的紅/綠量子點，研究量子點彩膜的色彩轉(zhuǎn)換情況。為了達到高光線轉(zhuǎn)換效率，采用不同量子點比重和不同厚度膜層的彩膜進行模擬。

3.1 DBR膜層基本參數(shù)

DBR膜層是由高低不同折射率的材料多層交替的周期結構，每層材料的光學膜厚為中心反射波長的4倍材料折射率分之一，其禁帶的寬度通過設置膜層交替的對數(shù)來控制。本文使用SiO2及TiO2作為交替材料，通過調(diào)節(jié)膜層的厚度和對數(shù)達到兩種不同帶通的DBR[15]。

當一定出射角度的面光源去測試DBR膜層與CF膜層的反射率和透射率，如圖2(a)所示了在平行光的情況下紅/綠/藍三色CF膜層以及兩種不同帶通的DBR膜層在400～700 nm之間透射率的變化。SPF透射490 nm以下的藍光并反射紅綠光，而LPF透射500～680 nm紅綠光并反射藍光。兩種濾波器在入射光角度小于40°時對波段選擇的透射率達到95%，其透射率大于CF紅光波段的透射率91%、綠光波段的透射率85%、藍光波段的透射率80%，但DBR的光學特性隨光入射角而改變，CF的光學特性對于所有角度都是相同[13]。如圖2(b)和2(c)所示,SPF和LPF在不同入射角時對波段的反射率，在入射光線角度小于40°的情況下，SPF對490～700 nm的紅綠光具有超過98%的高反射率有助于向下出射紅綠光的回收，LPF對400～500 nm的藍光也具有超過94%的高反射率可減少向上出射藍光的串擾。然而，隨著光線入射角度的增大，反射率也隨之降低。

圖2 (a)CF紅綠藍三色透光率和LPF、SPF膜層透光率;(b)SPF膜層對不同入射角度的反射率;(c) LPF膜層對不同入射角度的反射率。Fig.2 (a) Red, green and blue light transmittance of CF and the transmittance of LPF and SPF; (b) Reflectivity of SPF film to different incident angles; (c) Reflectivity of LPF film to different incident angles.

3.2 量子點膜層屬性分析

當量子點彩膜不配以外部結構時，自下而上的藍光主要被量子點膜層吸收和反射。藍光光束的強度將隨著入射深度的增加而逐漸減弱。由比爾(beer)定律可得，藍色光束在均勻量子點膜層中沿x向傳播，通過膜厚為dx的膜層后，光強由I變?yōu)镮-dI，光強的減少量dI比光強I與通過的介質(zhì)厚度dx成正比，即

(1)

其中：α是與光強無光的比例系數(shù)，稱為介質(zhì)吸收系數(shù)[16]。α吸收系數(shù)與量子點膜層中的量子點比重C成正比，即α=βC。因此出射光強I可以表示為

I=I0e-βCl，

(2)

圖3 以10%，20%，30%作為三因素的紅綠量子點膜藍光的透過率Fig.3 Blue light transmittance of the red-green quantum dot film with 10%, 20%, 30% as a three-factor

其中：l為膜層厚度，I0為初始光強，β為比例系數(shù)。如圖3所示為仿真實驗得到膜層厚度l在0～10 μm的范圍內(nèi)藍光透過膜層的光通量變化情況。設置藍光初始光通量為10 lm，以實驗中常用的量子點質(zhì)量分數(shù)10%，20%，30%作為三因素。仿真結果表明，隨著膜層厚度及量子點比重的增加，透過的光通量也隨之降低。紅綠量子點對藍光的吸收效率不一樣，紅色量子點吸收系數(shù)大于綠色量子點。通過對圖3中數(shù)據(jù)的擬合，分別得到紅/綠量子點膜層對藍光的出射強度Irb/Igb，可以表示為：

Irb=I0e-1.93Cl,
Igb=I0e-0.88Cl.

(3)

透過膜層的藍光占初始藍光一小部分，大部分藍光被膜層中量子點吸收進行能量下轉(zhuǎn)換，發(fā)出對應顏色的光。能量轉(zhuǎn)換后的光線以散射方式傳播，導致大部分光線無法向正方向出射。如圖4所示為不同膜厚下，轉(zhuǎn)換后的光線在正/反方向上的相對強度變化情況。當膜層厚度增加時顏色發(fā)生改變，且總的光通量也隨之增加；但反向出光強度約是正向出光強度的2.1倍，表明大量轉(zhuǎn)換后的光線沒有得到有效利用。因此，需對反向出射的光線進行高效的回收。

圖4 轉(zhuǎn)換后光線正/反向出射光強對比Fig.4 Contrast of positive/reverse exit light intensity after conversion

3.3 結果對比與討論

如圖5(a)所示，為紅色量子點膜層配以紅色彩色濾光片的光路圖，藍光激發(fā)紅色量子點膜層發(fā)出紅光而多余的藍光被紅色彩色濾光片吸收。由上述推導，可得出正面紅光出光強度Icr為：

Icr=0.91×Icr1=0.29×Ib0(1-e-1.93Cl)，

(4)

其中:Ib0為初始藍光光強，Icr1為透射過量子膜層的紅光強度，C為紅色量子點為占膜層中的比重，l為膜層厚度。由公式(4)所得該種結構對光效利用率小于29%。以5 μm膜層及30%(質(zhì)量分數(shù))紅色量子點代入公式(4)進行計算，光線利用率為27%。由此可見，該種結構由于大量光線被反向出射和被CF吸收，導致光效利用率較為低下。

如圖5(b)所示為紅色量子點膜層配以上下兩層DBR的光路圖。上層的LPF膜層將未轉(zhuǎn)換的藍光反射回來進行多次利用，下層SPF膜層將經(jīng)量子點轉(zhuǎn)換后反向出射的紅光進行反射以實現(xiàn)正面出射。出射紅光強度Ir為：

Ir=0.95×(Ir1+Ir2)=0.63×Ib0(1-e-1.93Cl)，

(5)

其中：Ir1為第一次透過量子膜層的紅光強度，Ir2為光線多次利用后透過量子膜層的紅光強度。通過雙層濾波器使光線在結構中振蕩并選擇出射，大大提高了膜層光線利用率。同樣以5 μm膜層及30%(質(zhì)量分數(shù))紅色量子點代入公式(5)進行驗算，光線利用率為59%，而透射出膜層的藍光強度占初始藍光強度的0.5%，對于子像素顏色純度影響較小。

圖5 (a)CF結構量子點彩膜光路圖；(b)LPF和SPF膜層結構量子點彩膜光路圖。Fig.5 (a)CF structure quantum dot color film light path diagram; (b) LPF and SPF film structure quantum dot color film optical path diagram.

而相對于紅色量子點膜層，綠色量子點膜層轉(zhuǎn)化效率會更為低下。分別對綠色量子點膜層配以CF膜層結構和DBR膜層結構進行研究，出射綠光的強度Icb、Ib分別為：

Icb=0.27×Ib0(1-e-0.88Cl)，Ib=0.61×Ib0(1-e-0.88Cl).

(6)

因為綠色量子點對藍光的吸收效率比紅色量子點低，導致下轉(zhuǎn)換出射的強度相對較低。

為了定量表示紅/綠子像素出光強度，通過仿真實驗分別測量兩種結構出光的紅綠光譜。圖6為量子點彩膜在CF膜片以及DBR膜片下的光譜圖，通過積分分別計算在對應顏色波長范圍內(nèi)紅/綠光譜增強的光通量，結果表明，DBR結構的紅/綠子像素光通量分別是CF結構的2.19和2.26倍。

圖6 歸一化CF結構與DBR結構在紅綠子像素位置光譜Fig.6 Normalized CF structure and DBR structure in red-green sub-pixel position spectra

基于CIE 1931顏色空間面積比來分析CF和DBR兩種結構的色域表現(xiàn)能力。由于影響色域主要因素在于光譜分布對色坐標的改變。如圖6所示，當使用相同量子點時，兩種結構的紅色和綠色光譜的中心波長相同，分別為628 nm和515 nm。在使用LPF濾波時，帶通的波段為500～670 nm，紅光可以無損的通過；而對于在480～500 nm波段范圍內(nèi)的綠光被阻隔，但與之同時半峰寬降低至27 nm。在CF結構所匹配的綠色濾光片其帶通的波段為465～610 nm，在所濾波的波段中包含了一部分藍光波段，綠色子像素位置中會有大量的藍光會透射出來。如圖6中紅色箭頭所示，在綠色光譜中會產(chǎn)生一個副峰，從而導致色域面積減小。因此如圖7所示，在NTSC標準下，加CF膜層的量子點膜的色域為NTSC113%，而DBR結構下的量子點膜色域為NTSC128%。

圖7 CF結構與DBR結構的彩膜色域?qū)Ρ葓DFig.7 Comparison of color gamut of CF structure and DBR structure

4 結 論

本文主要針對量子點彩膜結構進行仿真研究，提出了以雙層DBR替換CF的新型量子點彩膜結構方案，并對比了CF和DBR結構對波段透射率及反射率的影響。通過仿真實驗對量子點膜層中量子點占用的比重及膜層厚度進行調(diào)節(jié)，擬合計算出膜層對藍光的透過率及利用率。仿真結果表明，相對于CF結構，雙層DBR的量子點彩膜光效增加了31%，并且紅/綠子像素的出光強度也分別增強為CF結構的2.19倍和2.26倍；分析兩種結構對色坐標的影響，CF結構和雙層DBR結構的量子點彩膜的色域分別為NTSC116%和NTSC128%。